JP2009123833A - Laser diode power supply device for laser beam machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ加工機に用いるレーザダイオード(LD)を駆動するためのレーザダイオード電源装置に関する。 The present invention relates to a laser diode power supply device for driving a laser diode (LD) used in a laser processing machine.
従来より、YAGレーザやファイバレーザ等の活性媒体を光学的に励起するための励起光源にレーザダイオード(LD)がよく用いられている。最近は、加工用のレーザ光を生成するためのレーザ発振源としてもLDが用いられている。 Conventionally, a laser diode (LD) is often used as an excitation light source for optically exciting an active medium such as a YAG laser or a fiber laser. Recently, an LD is also used as a laser oscillation source for generating laser light for processing.
通常、レーザ加工機に用いられるLD方式の励起光源あるいはレーザ発振源は、高出力を得るために、LDを一次元方向または二次元方向に多数配列してそれらを全部同時に発光させる。このようなLDアレイは、電気的には、たとえば縦方向では各列のLDを直列に接続し、横方向では全列のLD直列回路を並列に接続したものとなり、アレイ全体で相当大きな駆動電流を必要とする。 Usually, in order to obtain high output, an LD-type excitation light source or laser oscillation source used in a laser processing machine arranges a large number of LDs in a one-dimensional direction or a two-dimensional direction and emits all of them simultaneously. Such an LD array is electrically connected, for example, in the vertical direction with LDs in each column in series, and in the horizontal direction, LD series circuits in all columns are connected in parallel. Need.
レーザ加工分野における従来のレーザダイオード電源装置は、負荷のLDを所要の出力でレーザ発振させるのに必要なLD駆動電流を定電流で供給できる定電流源回路として構成されており、一般的には、電力を蓄積するコンデンサと、このコンデンサを設定電圧まで充電する充電回路と、コンデンサと負荷(LD)との間に接続される出力用のスイッチング素子とを有している。ノーマルパルスまたはロングパルスの加工用レーザ光を生成する場合は、該スイッチング素子がパルス出力時間の間だけオンまたはスイッチング動作し、パルスを出力しない間はオフ状態に保持されるようになっている。 Conventional laser diode power supply devices in the field of laser processing are configured as a constant current source circuit that can supply an LD drive current necessary for laser oscillation of a load LD with a required output at a constant current. And a capacitor for accumulating electric power, a charging circuit for charging the capacitor to a set voltage, and an output switching element connected between the capacitor and a load (LD). When generating a normal or long-pulse processing laser beam, the switching element is turned on or switched only during a pulse output time, and is maintained in an off state while no pulse is output.
従来のレーザダイオード電源装置は、上記のように、出力用のスイッチング素子をオンまたはスイッチング動作させることにより、コンデンサを放電させて、その放電電流をLD駆動電流とするものである。しかしながら、LDには配線インダクタンスや端子間容量があり、しかも直並列に接続された多数のLD(LDアレイ)を全部同時に発光させなければならない条件の下では、コンデンサ放電電流(LD駆動電流)の立ち上がりが遅く、そのためにレーザ出力の立ち上がりも遅くなっている。そこで、パルスレーザの高速の立ち上がりを必要とするレーザ加工(たとえばレーザ溶接)においては、コンデンサの充電電圧を十分高い値に設定することで、LD駆動電流の立ち上がりの高速化を図っている。しかし、そのように高電圧のパワーでLD駆動電流を無理やり立ち上げる技法は、定電流制御が難しくなるという問題が生じて、高速かつ安定した立ち上がり特性が得られるものではなかった。 As described above, the conventional laser diode power supply device discharges the capacitor by turning on or switching the output switching element, and uses the discharge current as the LD drive current. However, the LD has wiring inductance and inter-terminal capacitance, and the capacitor discharge current (LD drive current) is reduced under the condition that many LDs (LD array) connected in series and parallel must all emit light simultaneously. The rise is slow, so the rise of the laser output is also slow. Therefore, in laser processing (for example, laser welding) that requires a fast rise of the pulse laser, the rise of the LD drive current is accelerated by setting the charging voltage of the capacitor to a sufficiently high value. However, such a technique for forcibly raising the LD drive current with high voltage power has a problem that it becomes difficult to control the constant current, so that a high-speed and stable rise characteristic cannot be obtained.
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、LD駆動電流を設定電流値まで無理なく高速に立ち上げられるレーザ加工機用のレーザダイオード電源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a laser diode power supply device for a laser beam machine capable of raising the LD drive current to a set current value without difficulty at high speed. And
上記の目的を達成するために、本発明の第1の観点におけるレーザダイオード電源装置は、レーザ加工機におけるレーザ発振器内の活性媒体を光学的に励起するために、励起光源のレーザダイオード(LD)を駆動するレーザダイオード電源装置であって、負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第1のスイッチング素子と、前記レーザダイオードを発光させない間は前記第1のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記第1のスイッチング素子をオフ状態に保持するLD駆動制御部とを有する。 In order to achieve the above object, a laser diode power supply apparatus according to a first aspect of the present invention is a laser diode (LD) of an excitation light source for optically exciting an active medium in a laser oscillator in a laser processing machine. A constant current source circuit for supplying a desired constant current to a load circuit, an inductance coil connected between the constant current source circuit and the laser diode, and A first switching element connected in series with the inductance coil with respect to the constant current source circuit and connected in parallel with the laser diode, and the first switching element is turned on while the laser diode is not emitting light When the laser diode is caused to emit light, the first switching element is held off. And a drive control unit.
上記の装置構成においては、レーザダイオードを発光させない間は、定電流源回路より出力される電流がインダクタンスコイルおよびオン状態の第1のスイッチング素子を通って流れ、インダクタンスコイルに電磁エネルギーの形態で電力が蓄えられる。レーザダイオードを発光させるために、LD駆動制御部が第1のスイッチング素子をオン状態からオフ状態に切り替えると、インダクタンスコイルからの電流は負荷回路において第1のスイッチング素子とは並列のレーザダイオード側をLD駆動電流として流れるようになり、レーザダイオードがレーザ発振(発光)する。インダクタンスコイルに流れていた電流を流し込んでレーザダイオードの通電を開始するので、LD駆動電流を無理なく迅速に立ち上げることができる。 In the above apparatus configuration, while the laser diode does not emit light, the current output from the constant current source circuit flows through the inductance coil and the first switching element in the ON state, and the inductance coil is supplied with power in the form of electromagnetic energy. Is stored. When the LD drive control unit switches the first switching element from the on state to the off state in order to cause the laser diode to emit light, the current from the inductance coil passes through the laser diode side in parallel with the first switching element in the load circuit. As the LD drive current flows, the laser diode oscillates (emits light). Since the current flowing in the inductance coil is supplied and the laser diode is energized, the LD drive current can be raised quickly without difficulty.
本発明の第2の観点におけるレーザダイオード電源装置は、レーザ加工機におけるレーザ発振器内の活性媒体を光学的に励起するために、励起光源のレーザダイオード(LD)を駆動するレーザダイオード電源装置であって、負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第1のスイッチング素子と、前記レーザダイオードを流れるLD駆動電流の電流値を測定するためのLD駆動電流測定部と、前記レーザダイオードを発光させない間は前記第1のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記LD駆動電流測定部より得られる電流測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように前記第1のスイッチング素子をスイッチング動作させるLD駆動制御部とを有する。 A laser diode power supply apparatus according to a second aspect of the present invention is a laser diode power supply apparatus that drives a laser diode (LD) of an excitation light source in order to optically excite an active medium in a laser oscillator in a laser processing machine. A constant current source circuit for supplying a desired constant current to the load circuit, an inductance coil connected between the constant current source circuit and the laser diode, and the inductance for the constant current source circuit A first switching element connected in series with the coil and connected in parallel with the laser diode; an LD drive current measuring unit for measuring a current value of an LD drive current flowing through the laser diode; and the laser diode While not emitting light, the first switching element is kept in an on state, and the laser diode emits light. Has said LD driving current current measurement values obtained from the unit measurement preset reference value or LD drive control unit for the first switching element is a switching operation so as to follow the reference waveform when to.
上記の装置構成においては、レーザダイオードを発光させない間は、定電流源回路より出力される電流がインダクタンスコイルおよびオン状態の第1のスイッチング素子を通って流れ、インダクタンスコイルに電磁エネルギーの形態で電力が蓄えられる。レーザダイオードを発光させるために、LD駆動制御部が第1のスイッチング素子をオン状態からスイッチング動作に切り替えることで、インダクタンスコイルからの電流が負荷回路において第1のスイッチング素子の枝路とレーザダイオードの枝路とに分流して流れ、レーザダイオードがレーザ発振(発光)する。インダクタンスコイルに流れていた電流を流し込んでレーザダイオードの通電を開始するので、電流フィードバック制御においてLD駆動電流を無理なく基準値または基準波形に倣わせて高速に立ち上げることができる。 In the above apparatus configuration, while the laser diode does not emit light, the current output from the constant current source circuit flows through the inductance coil and the first switching element in the ON state, and the inductance coil is supplied with power in the form of electromagnetic energy. Is stored. In order to cause the laser diode to emit light, the LD drive control unit switches the first switching element from the ON state to the switching operation, so that the current from the inductance coil is changed between the branch of the first switching element and the laser diode in the load circuit. The laser diode oscillates (emits light) as it branches off from the branch. Since the current flowing in the inductance coil is supplied and the laser diode is energized, the LD drive current can be raised at high speed in accordance with the reference value or reference waveform without difficulty in the current feedback control.
本発明の第3の観点におけるレーザダイオード電源装置は、レーザ加工機におけるレーザ発振器内の活性媒体を光学的に励起するために、励起光源のレーザダイオード(LD)を駆動するレーザダイオード電源装置であって、負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第1のスイッチング素子と、前記レーザ発振器より発振出力されるレーザ光のレーザ出力を測定するためのレーザ出力測定部と、前記レーザダイオードを発光させない間は前記第1のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように前記第1のスイッチング素子をスイッチング動作させるLD駆動制御部とを有する。 A laser diode power supply apparatus according to a third aspect of the present invention is a laser diode power supply apparatus that drives a laser diode (LD) of an excitation light source to optically excite an active medium in a laser oscillator in a laser processing machine. A constant current source circuit for supplying a desired constant current to the load circuit, an inductance coil connected between the constant current source circuit and the laser diode, and the inductance for the constant current source circuit A first switching element connected in series with a coil and connected in parallel with the laser diode; a laser output measuring unit for measuring a laser output of a laser beam oscillated and output from the laser oscillator; and the laser While the diode does not emit light, the first switching element is held in an on state, and the laser diode is turned on. Has a LD drive control unit for the first switching element is a switching operation so as to follow the laser output measured value preset reference value or the reference waveform obtained from the laser output measuring unit when to light.
上記の装置構成においては、レーザダイオードを発光させない間は、定電流源回路より出力される電流がインダクタンスコイルおよびオン状態の第1のスイッチング素子を通って流れ、インダクタンスコイルに電磁エネルギーの形態で電力が蓄えられる。レーザダイオードを発光させるために、LD駆動制御部が第1のスイッチング素子をオン状態からスイッチング動作に切り替えることで、インダクタンスコイルからの電流が負荷回路において第1のスイッチング素子の枝路とレーザダイオードの枝路とに分流して流れ、レーザダイオードがレーザ発振(発光)する。インダクタンスコイルに流れていた電流を流し込んでレーザダイオードの通電を開始するので、レーザ出力フィードバック制御においてLD駆動電流を無理なく基準値または基準波形に倣わせて高速に立ち上げることができる。 In the above apparatus configuration, while the laser diode does not emit light, the current output from the constant current source circuit flows through the inductance coil and the first switching element in the ON state, and the inductance coil is supplied with power in the form of electromagnetic energy. Is stored. In order to cause the laser diode to emit light, the LD drive control unit switches the first switching element from the ON state to the switching operation, so that the current from the inductance coil is changed between the branch of the first switching element and the laser diode in the load circuit. The laser diode oscillates (emits light) as it branches off from the branch. Since the current flowing in the inductance coil is supplied and the laser diode is energized, the LD drive current can be raised at high speed according to the reference value or reference waveform without difficulty in the laser output feedback control.
本発明の好適な一実施態様においては、LD駆動制御部が、第1のスイッチング素子をパルス幅変調方式でスイッチング制御する。 In a preferred embodiment of the present invention, the LD drive control unit controls the switching of the first switching element by a pulse width modulation method.
別の好適な実施態様においては、第1のスイッチング素子と並列に、かつ前記レーザダイオードと直列に第2のスイッチング素子が接続され、LD駆動制御部が、レーザダイオードを発光させない間は第2のスイッチング素子をオフ状態に保持し、レーザダイオードを発光させる時は第2のスイッチング素子をオン状態に保持する。かかる構成により、レーザダイオードを発光させない間は、オフ状態の第2のスイッチング素子が電流を遮断するので、レーザダイオードへの不所望な電流注入を確実に防止することができる。 In another preferred embodiment, a second switching element is connected in parallel with the first switching element and in series with the laser diode, and while the LD drive control unit does not cause the laser diode to emit light, the second switching element is connected. When the switching element is held in the off state and the laser diode is caused to emit light, the second switching element is held in the on state. With this configuration, since the second switching element in the off state cuts off the current while the laser diode is not emitting light, it is possible to reliably prevent undesired current injection into the laser diode.
別の好適な実施態様として、レーザダイオードと並列に、かつ第1のスイッチング素子と直列に1個または複数個のダイオードが第1のスイッチング素子を流れる電流に対して順方向に接続される。この構成においては、レーザダイオードの発光の前後で負荷電圧の変動を少なくし、LD駆動電流の立ち上がりを一層安定に高速化することができる。 In another preferred embodiment, one or more diodes are connected in a forward direction with respect to the current flowing through the first switching element in parallel with the laser diode and in series with the first switching element. In this configuration, fluctuations in the load voltage before and after the light emission of the laser diode can be reduced, and the rise of the LD drive current can be more stably speeded up.
本発明のレーザダイオード電源装置において、好ましくは、定電流源回路が、電力蓄積用のコンデンサと、このコンデンサを予め設定された基準電圧まで充電する充電回路と、コンデンサとインダクタンスコイルとの間に接続される第3のスイッチング素子と、インダクタンスコイルを流れる主電流の電流値を測定するための主電流測定部と、この主電流測定部より得られる電流測定値が予め設定された基準値に一致するように第3のスイッチング素子をスイッチング動作させる主電流制御部とを有する。 In the laser diode power supply device of the present invention, preferably, the constant current source circuit is connected between a capacitor for storing power, a charging circuit for charging the capacitor to a preset reference voltage, and the capacitor and the inductance coil. The third switching element, a main current measurement unit for measuring the current value of the main current flowing through the inductance coil, and the current measurement value obtained from the main current measurement unit coincides with a preset reference value And a main current controller for switching the third switching element.
また、本発明のレーザダイオード電源装置は、レーザダイオードを空間的に一次元方向または二次元方向に多数個配列し、その配列パターンにしたがってそれら多数個のレーザダイオードを電気的に直列および/または並列に接続してなるLDアレイを駆動する場合に、そしてパルス波形のレーザ光を生成する場合に、特に大なる利点を有する。 In the laser diode power supply device of the present invention, a large number of laser diodes are spatially arranged in a one-dimensional direction or a two-dimensional direction, and the plurality of laser diodes are electrically connected in series and / or in parallel according to the arrangement pattern. This is particularly advantageous when driving an LD array connected to, and when generating laser light having a pulse waveform.
さらに、本発明は、レーザ加工用のレーザ光を発振出力するためのレーザダイオード(LD)を駆動するレーザダイオード電源装置にも好適に適用可能である。 Furthermore, the present invention can also be suitably applied to a laser diode power supply device that drives a laser diode (LD) for oscillating and outputting laser light for laser processing.
本発明のレーザダイオード電源装置によれば、上記のような構成および作用により、LD駆動電流を設定電流値まで無理なく高速に立ち上げられることが可能であり、レーザ加工機における加工能力や加工品質を向上させることができる。 According to the laser diode power supply device of the present invention, the LD driving current can be started up to the set current value without difficulty by the above-described configuration and operation, and the processing capability and processing quality in the laser processing machine can be increased. Can be improved.
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に、本発明のレーザダイオード電源装置を好適に適用できる一例としてのファイバレーザ加工機の構成を示す。このファイバレーザ加工機は、ファイバレーザ発振器10、レーザダイオード電源装置12、レーザ入射部14、ファイバ伝送系16、レーザ出射部18、加工テーブル20および主制御部25を備えている。
FIG. 1 shows a configuration of a fiber laser processing machine as an example to which the laser diode power supply device of the present invention can be suitably applied. The fiber laser processing machine includes a
ファイバレーザ発振器10は、発振用の光ファイバ(以下「発振ファイバ」と称する。)22と、この発振ファイバ22の一端面にポンピング用の励起光MBを照射する電気光学励起部24と、発振ファイバ22を介して光学的に相対向する一対の光共振器ミラー26,28とを有している。
The
電気光学励起部24は、励起光源のLDアレイ30および集光用の光学レンズ32を有している。LDアレイ30は、電流注入型のLDを空間的に一次元方向または二次元方向に多数配列し、その配列パターンにしたがってそれら多数のレーザダイオードを電気的に直列および/または並列に接続してなり(図2)、レーザダイオード電源装置12からのLD駆動電流ILDによって発光し、励起用のレーザ光MBを発振出力する。光学レンズ32は、LDアレイ30からの励起用レーザ光MBを発振ファイバ22の一端面に集光入射させる。LDアレイ30と光学レンズ32との間に配置される光共振器ミラー26は、LDアレイ30側から入射した励起用レーザ光MBを透過させ、発振ファイバ22側から入射した発振光線を共振器の光軸上で全反射するように構成されている。
The electro-
発振ファイバ22は、図示省略するが、発光元素としてたとえば希土類元素のイオンをドープしたコアと、このコアを同軸に取り囲むクラッドとを有しており、コアを活性媒体とし、クラッドを励起光の伝播光路としている。上記のようにして発振ファイバ22の一端面から発振ファイバ22内に入射した励起用レーザ光MBは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ22の中を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることでコア中の希土類元素イオンを光励起する。こうして、コアの両端面から軸方向に所定波長の発振光線が放出され、この発振光線が光共振器ミラー26,28の間を何度も行き来して共振増幅され、部分反射ミラーからなる片側の光共振器ミラー28より該所定波長を有するファイバレーザ光FBが取り出される。
Although not shown, the
なお、光共振器において、光学レンズ32,34は、発振ファイバ22の端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートして光共振器ミラー26,28へ通し、光共振器ミラー26,28で反射して戻ってきた発振光線を発振ファイバ22の端面に集光させる。また、発振ファイバ22を通り抜けた励起用レーザ光MBは、光学レンズ34および光共振器ミラー28を透過したのち折り返しミラー36にて側方のレーザ吸収体38に向けて折り返される。光共振器ミラー28より出力されたファイバレーザ光FBは、この折り返しミラー36をまっすぐ透過し、次いでビームスプリッタ40を通ってからレーザ入射部14に入る。
In the optical resonator, the
ビームスプリッタ40は、入射したファイバレーザ光FBの一部(たとえば1%)を所定方向つまりパワーモニタ用の受光素子たとえばフォトダイオード(PD)42側へ反射する。フォトダイオード(PD)42の正面に、ビームスプリッタ40からの反射光またはモニタ光RFBを集光させる集光レンズ44が配置されてよい。
The
フォトダイオード(PD)42は、ビームスプリッタ40からのモニタ光RFBを光電変換して、ファイバレーザ光FBのレーザ出力(ピークパワー)を表す電気信号(レーザ出力測定信号)SFBを出力し、この信号SFBをレーザダイオード電源装置12に送る。レーザダイオード電源装置12は、リアルタイムのパワーフィードバック制御を行う場合に、フォトダイオード(PD)42からのレーザ出力測定信号SFBをフィードバック信号に用いる。
The photodiode (PD) 42 photoelectrically converts the monitor light R FB from the
レーザ入射部14に入ったファイバレーザ光FBは、最初にベントミラー46で所定方向に折り返され、次いで入射ユニット48内で集光レンズ50により集光されてファイバ伝送系16の伝送用光ファイバ(以下「伝送ファイバ」と称する。)52の一端面に入射する。伝送用光ファイバ52は、たとえばSI(ステップインデックス)形ファイバからなり、入射ユニット48内で入射したファイバレーザ光FBをレーザ出射部18の出射ユニット54まで伝送する。
The fiber laser beam FB that has entered the
出射ユニット54は、伝送ファイバ52の終端面より出たファイバレーザ光FBを平行光にコリメートするコリメートレンズ56と、平行光のファイバレーザ光FBを所定の焦点位置に集光させる集光レンズ58とを有しており、加工テーブル20に載置されている被加工物60の加工点Wにファイバレーザ光FBを集光照射する。
The
主制御部25は、たとえばマイクロコンピュータからなり、このファイバレーザ加工機内の各部を統括して制御し、特に後述するようにレーザダイオード電源装置12に対して設定値の供給やタイミング的な制御を行う。
The
このファイバレーザ加工機において、テーブル20上の被加工物60にたとえばレーザ溶接を施す場合は、レーザダイオード電源装置12よりパルス波形のLD駆動電流ILDがLDアレイ30に供給されることにより、ファイバレーザ発振器10内でLDアレイ30よりパルス波形の励起用レーザ光MBが発振ファイバ22に供給され、ファイバレーザ発振器10よりパルス波形のファイバレーザ光FBが発振出力される。このパルス波形のファイバレーザ光FBが、レーザ入射部14、ファイバ伝送系16およびレーザ出射部18を介して被加工物60の加工点Wに集光照射される。加工点Wにおいては、パルス波形のファイバレーザ光FBのエネルギーにより被加工材質が溶融し、パルス照射終了後に凝固してナゲットが形成される。
In this fiber laser processing machine, when, for example, laser welding is performed on the
このファイバレーザ加工機は、後述するようにレーザダイオード電源装置12がLDアレイ30に供給するLD駆動電流ILDを高速に立ち上げられるため、励起用レーザ光MBの立ち上がり速度ひいてはファイバレーザ光FBの立ち上がり速度が高く、これによってレーザ溶接加工における溶け込み特性を向上させることができる。
In this fiber laser processing machine, the LD drive current I LD supplied from the laser diode
図2に、この実施形態におけるレーザダイオード電源装置12の構成を示す。このレーザダイオード電源装置12は、主たる構成要素として、負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路70と、この定電流源回路70とLDアレイ30との間に接続されるインダクタンスコイル72と、定電流源回路70に対してインダクタンスコイル72と直列に接続され、かつLDアレイ30と並列に接続される第1のスイッチング素子であるスイッチング素子74と、このスイッチング素子74と並列に、かつLDアレイ30と直列に接続される第2のスイッチング素子であるスイッチング素子76と、これらのスイッチング素子74,76を制御するLD駆動制御部78とを有している。
FIG. 2 shows the configuration of the laser diode
定電流源回路70は、商用交流電源80、充電回路82、コンデンサ84、スイッチング素子86、フライホイール・ダイオード88、電流センサ90、電流測定回路92および主電流制御部94を有している。
The constant
ここで、充電回路82は、商用交流電源80からの商用交流を直流に変換してコンデンサ84を設定電圧まで充電する。コンデンサ84は、LD駆動用の電力を充電電荷(静電エネルギー)として蓄積する。第3のスイッチング素子であるスイッチング素子86は、主電流制御部94の制御の下で、コンデンサ80を放電させて負荷回路側へ所望の放電電流または主電流ICを流すようにスイッチング動作する。フライホイール・ダイオード88は、スイッチング素子86が一時的にオフしている間も負荷回路に主電流ICを還流して流し続けるためのものである。電流センサ90は、たとえばホール素子からなり、非接触方式で主電流ICを検出する。電流測定回路92は、電流センサ90の出力信号を入力して主電流ICの電流測定値(たとえば電流実効値)を演算し、主電流測定値SICをフィードバック信号として主電流制御部94に与える。主電流制御部94は、主電流制御部94から取り込んだ主電流測定値SICが予め設定された基準値に一致するように、たとえばパルス幅変調(PWM)方式でスイッチング素子86をスイッチング制御する。
Here, the charging
なお、主電流制御部94のフィードバック制御に用いられる電流基準値は、主制御部25より与えられる。また、充電回路82においてコンデンサ80をフィードバック制御で充電する場合の電圧設定値も、主制御部25より与えられる。
A current reference value used for feedback control of the main
このレーザダイオード電源装置12では、負荷回路のノードNa,Nb間で、LDアレイ30と並列に、かつスイッチング素子74と直列に1個または複数個の電圧降下用ダイオード96がスイッチング素子74を流れる電流に対して順方向に接続されている。この直列接続されるダイオード96の数は、LDアレイ30の各列内で直列接続されるLDの数と同一または近似しているのが好ましい。定電流源回路70より出力される主電流ISは、常にインダクタンスコイル72を流れ、その後段の負荷回路においては、ダイオード列96および第1のスイッチング素子74を含む第1枝路J1および/またはスイッチング素子76およびLDアレイ30を含む第2枝路J2を分流してあるいは選択的に流れるようになっている。
In this laser diode
より詳細には、LDアレイ30を発光させない間は、LD駆動制御部78の制御の下で、第1枝路J1のスイッチング素子74をオン状態に保持するとともに、第2枝路J2のスイッチング素子76をオフ状態に保持する。この場合は、第2枝路J2にはLD駆動電流ILDが供給されず、インダクタンスコイル72からの主電流ISは全部そのままバイパス電流IBとして第1枝路J1を流れる。
More specifically, while the
また、LDアレイ30を発光させる時は、LD駆動制御部78の制御の下で、第2枝路J2のスイッチング素子76をオン状態に保持するとともに、第1枝路J1のスイッチング素子74をスイッチング動作させる。この場合は、インダクタンスコイル72からの主電流ISは、その一部がLD駆動電流ILDとして第2枝路J2を流れ、残りがバイパス電流IBとして第1枝路J1を流れる。第2枝路J2に設けられる電流センサ98は、たとえばカレントトランスからなり、非接触方式でLD駆動電流ILDを検出する。電流測定回路100は、電流センサ98の出力信号を基にLD駆動電流ILDの測定値(たとえば電流実効値)を演算し、その電流測定値SILDをフィードバック信号としてLD駆動制御部78に与える。
When the
LD駆動制御部78は、第2枝路J2を流れるLD駆動電流ILDが予め設定された基準値または基準波形に倣うように、第1枝路J1のスイッチング素子74をスイッチング制御する。あるいは、パワーモニタ部[44,42](図1)からのレーザ出力測定信号SFBをフィードバック信号に用いて、レーザ出力測定信号SFBが予め設定された基準値または基準波形に倣うように、スイッチング素子74をスイッチング制御することも可能である。このような電流フィードバック制御あるいはパワーフィードバック制御に用いる電流基準値または基準波形は、主制御部25より与えられる。また、両スイッチング素子74,76の状態を切り替えるタイミングも、主制御部25よりLD駆動制御部78に指示される。
The LD
なお、このレーザダイオード電源装置12内の各スイッチング素子74,76,84には、FETあるいはIGBT等のパワートランジスタを使用してよい。
A power transistor such as an FET or an IGBT may be used for each switching
図3に、LDアレイ30よりパルス波形の励起用レーザ光MBを発振出力させる場合のレーザダイオード電源装置12(図2)内の各部の状態または波形を示す。
FIG. 3 shows the state or waveform of each part in the laser diode power supply device 12 (FIG. 2) when the laser beam MB for excitation having a pulse waveform is oscillated and output from the
この場合、パルス開始(時点ts)前は、図2に示す定電流源回路70のスイッチング素子86が定常的に定電流制御でスイッチング動作し続け、負荷回路では第1枝路J1のスイッチング素子74がオン状態に保持されるとともに第2枝路J2のスイッチング素子76がオフ状態に保持されている。これにより、インダクタンスコイル72を流れる主電流ICが全部そのまま第1枝路J1をバイパス電流IBとして流れ、インダクタンスコイル72には主電流ICの電流値に応じた電力が電磁エネルギーの形態で蓄えられる。
In this case, before the start of the pulse (time point ts), the switching
図3のパルス開始時点tsで、図2に示す第2枝路J2のスイッチング素子76がそれまでのオフ状態からオン状態に切り替わり、第1枝路J1のスイッチング素子74はそれまでのオン状態からスイッチング動作に切り替わる。これによって、インダクタンスコイル72を流れる主電流ICは、負荷回路では第1枝路J1と第2枝路J2とに分流するようになり、第2枝路J2を流れる電流つまりLD駆動電流ILDの電流値または電流波形はスイッチング素子74に対するLD駆動制御部78のスイッチング制御で規定される。
3, the switching
たとえば、電流フィードバック制御ループを働かせる場合は、LD駆動電流ILDの電流波形が基準波形に倣うようにスイッチング素子74がPWM方式でスイッチング動作する。この場合、LD駆動電流ILDの立ち上がり以前からインダクタンスコイル72を流れ続けている主電流ICの一部が第1枝路J1から第2枝路J2に移ってLD駆動電流ILDとして流れることになり、またノードNa,Nb間の負荷電圧はパルス開始の前後で大して違わない。このため、LD駆動電流ILDを無理なく設定通りの速度で高速に立ち上げることができる。なお、図示省略するが、LDアレイ30にLD駆動電流ILDの閾電流値近傍のバイアス電流を供給するバイアス電流供給回路を備えてもよい。
For example, when the current feedback control loop is activated, the switching
一例として、従来のレーザダイオード電源装置ではLD駆動電流の立ち上がり時間が100μsec程度であるのに対して、この実施形態のレーザダイオード電源装置12ではLD駆動電流ILDの立ち上がり時間を2μsec程度まで高速化することができる。
As an example, in the conventional laser diode power supply device, the rise time of the LD drive current is about 100 μsec, whereas in the laser diode
上記のようにして第2枝路J2でパルス波形のLD駆動電流ILDが流れることにより、LDアレイ30を構成する全LDが一斉に通電して、パルス波形の励起用レーザ光MBが発振出力される。
As described above, when the LD driving current I LD having a pulse waveform flows through the second branch J 2 , all the LDs constituting the
そして、図3のパルス終端時点t2で、図2に示す第2枝路J2のスイッチング素子76がそれまでのオン状態からオフ状態に切り替わると同時に、第1枝路J1のスイッチング素子74はそれまでのスイッチング動作からオン状態に切り替わる。こうして、各部がパルス開始前と同じ状態に戻る。
Then, at the pulse end point t 2 in FIG. 3, the switching
上記のように、図3のパルス期間(ta〜tb)中に、図2の定電流源回路70における主電流ICの制御と負荷回路におけるLD駆動電流ILDの制御とを独立に行うことで、パルス波形制御を自由かつ精細に行うことができる。
As described above, the control of the main current I C in the constant
一変形例として、図4に示すように、パルス期間(ta〜tb)中に、負荷回路では第2枝路J2のスイッチング素子76をオン状態に保持するとともに第1枝路J1のスイッチング素子74をオフ状態に保持し、定電流源回路70の方でスイッチング素子86のLD駆動電流ILDの制御のためのスイッチング動作を行わせることも可能である。この場合、主電流制御部94は、電流測定回路92で得られる電流測定値SIC(SILC)が主制御部25より与えられる基準波形に倣うように、スイッチング素子86をたとえばPWM方式でスイチング制御してよい。
As a modification, as shown in FIG. 4, during the pulse period (ta to tb), the load circuit holds the switching
図4の例では、LD駆動電流ILDに対する波形制御の自由度を大きくするために、LD駆動電流ILDのピーク値を主電流ICの定常値よりも小さく設定している。別の変形例として、波形制御の自由度は小さくなるが、LD駆動電流ILDのピーク値を主電流ICの定常値に合わせることも可能である。さらに、別の変形例として、主電流制御部94が、パワーモニタ部[44,42](図1)からのレーザ出力測定信号SFBをフィードバック信号に用いて、LD駆動電流ILDの定電流制御または波形制御を行うことも可能である。
In the example of FIG. 4, in order to increase the degree of freedom in the waveform control for the LD drive current I LD, the peak value of the LD drive current I LD is set to be smaller than the steady-state value of the primary current I C. As another modification, the degree of freedom of waveform control is reduced, but the peak value of the LD drive current I LD can be matched to the steady value of the main current I C. Furthermore, as another modification, the main
また、別の変形例として、装置構成の簡易化を図るため、負荷回路において第2枝路J2のスイッチング素子76および電流モニタ用の電流センサ98、電流測定回路100を省いて、図5に示すような装置構成とすることも可能である。この場合、LD駆動制御部78は、LDアレイ30を発光させない間は第1枝路J1のスイッチング素子74をオン状態に保持し、LDアレイ30を発光させる時はスイッチング素子74をオフ状態に保持する。そして、定電流源回路70の方で、LDアレイ30を発光させない間は主電流ICを制御し、LDアレイ30を発光させる時はLD駆動電流ILDを制御してよい。なお、スイッチング素子74がオン状態にある間に主電流ICが第2枝路J2に分流しないように、第1枝路J1に設けられるダイオード96の電圧降下を極力低くするのが好ましい。
As another modification, in order to simplify the apparatus configuration, the switching
上記した実施形態はファイバレーザ加工機に係るものであったが、本発明は他のレーザ加工機で用いるレーザダイオード電源装置にも適用可能である。 Although the above-described embodiment relates to a fiber laser processing machine, the present invention can also be applied to a laser diode power supply device used in another laser processing machine.
たとえば、図6に示すように、YAGレーザ加工機にも上記実施形態のレーザダイオード電源装置12をそのまま適用できる。このYAGレーザ加工装置は、YAGレーザ発振器102内で光共振器ミラー26,28の間にYAGロッド104を配置しており、YAGロッド104を光学的にポンピングするための励起光源にLDアレイ30を使用し、LDアレイ30をレーザダイオード電源装置12により駆動するようにしている。励起用LDアレイ30で生成された励起用レーザ光MBは、集光レンズ106により伝送用の光ファイバ108の一端面に集光入射し、光ファイバ108の中を伝播してその他端面から射出され、コリメータレンズ110、集光レンズ112、光共振器ミラー26を通ってYAGロッド104の一端面に入射するようになっている。YAGレーザ発振器102より発振出力されたYAGレーザ光YBは、加工用のレーザビームとして、ベントミラー114およびレーザ出射部18を通って被加工物60の加工点Wに照射される。
For example, as shown in FIG. 6, the laser diode
別の例として、図7に示すように、LDアレイ30で加工用のレーザビームLBを直接生成し、この加工用のレーザビームLBを伝送用の光ファイバ116に通して所望の加工場所でレーザ加工を行うLDレーザ加工機にも本発明のレーザダイオード電源装置12を適用することができる。図7において、集光レンズ118は、LDアレイ30より発振出力されたレーザビームLBを光ファイバ116の一端面に集光入射させる。コメータレンズ120は、光ファイバ116の他端面より放射状に射出されたレーザビームLBを平行光にしてベントミラー114に入射させる。
As another example, as shown in FIG. 7, a laser beam LB for processing is directly generated by an
本発明のレーザダイオード電源装置は、レーザ溶接だけでなく、レーザマーキング、穴あけ、切断等を行うレーザ加工機にも適用可能である。 The laser diode power supply device of the present invention can be applied not only to laser welding but also to a laser processing machine that performs laser marking, drilling, cutting, and the like.
また、本発明のレーザダイオード電源装置は、上記実施形態におけるようなLDアレイを駆動するのに特に向いているものであるが、単一のLDを駆動するのに用いられてもよい。 The laser diode power supply device of the present invention is particularly suitable for driving the LD array as in the above embodiment, but may be used for driving a single LD.
10 ファイバレーザ発振器
12 レーザダイオード電源装置
30 LDアレイ
70 定電流源回路
72 インダクタンスコイル
74 第1のスイッチング素子
76 第2のスイッチング素子
78 LD駆動制御部
82 充電回路
84 コンデンサ
86 第3のスイッチング素子
90,98 電流センサ
92,100 電流測定回路
94 主電流制御部
96 ダイオード
100 主制御部
102 YAGレーザ発振器
116 光ファイバ
DESCRIPTION OF
Claims (18)
負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、
前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、
前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第1のスイッチング素子と、
前記レーザダイオードを発光させない間は前記第1のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記第1のスイッチング素子をオフ状態に保持するLD駆動制御部と
を有するレーザダイオード電源装置。 A laser diode power supply for driving a laser diode (LD) of an excitation light source to optically excite an active medium in a laser oscillator in a laser processing machine,
A constant current source circuit for supplying a desired constant current to the load circuit;
An inductance coil connected between the constant current source circuit and the laser diode;
A first switching element connected in series with the inductance coil and connected in parallel with the laser diode with respect to the constant current source circuit;
A laser diode having an LD drive control unit that holds the first switching element in an on state while the laser diode is not emitting light, and holds the first switching element in an off state when the laser diode is caused to emit light Power supply.
負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、
前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、
前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第1のスイッチング素子と、
前記レーザダイオードを流れるLD駆動電流の電流値を測定するためのLD駆動電流測定部と、
前記レーザダイオードを発光させない間は前記第1のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記LD駆動電流測定部より得られる電流測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように前記第1のスイッチング素子をスイッチング動作させるLD駆動制御部と
を有するレーザダイオード電源装置。 A laser diode power supply for driving a laser diode (LD) of an excitation light source to optically excite an active medium in a laser oscillator in a laser processing machine,
A constant current source circuit for supplying a desired constant current to the load circuit;
An inductance coil connected between the constant current source circuit and the laser diode;
A first switching element connected in series with the inductance coil and connected in parallel with the laser diode with respect to the constant current source circuit;
An LD driving current measuring unit for measuring a current value of an LD driving current flowing through the laser diode;
The first switching element is kept on while the laser diode is not emitting light, and when the laser diode is caused to emit light, a current measurement value obtained from the LD drive current measuring unit is a preset reference value or reference A laser diode power supply unit comprising: an LD drive control unit configured to switch the first switching element so as to follow the waveform.
負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、
前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、
前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第1のスイッチング素子と、
前記レーザ発振器より発振出力されるレーザ光のレーザ出力を測定するためのレーザ出力測定部と、
前記レーザダイオードを発光させない間は前記第1のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように前記第1のスイッチング素子をスイッチング動作させるLD駆動制御部と
を有するレーザダイオード電源装置。 A laser diode power supply for driving a laser diode (LD) of an excitation light source to optically excite an active medium in a laser oscillator in a laser processing machine,
A constant current source circuit for supplying a desired constant current to the load circuit;
An inductance coil connected between the constant current source circuit and the laser diode;
A first switching element connected in series with the inductance coil and connected in parallel with the laser diode with respect to the constant current source circuit;
A laser output measuring unit for measuring the laser output of the laser light oscillated and output from the laser oscillator;
While the laser diode is not emitting light, the first switching element is kept in an ON state, and when the laser diode is caused to emit light, a laser output measurement value obtained from the laser output measurement unit is set to a preset reference value or reference A laser diode power supply unit comprising: an LD drive control unit configured to switch the first switching element so as to follow the waveform.
前記LD駆動制御部が、前記レーザダイオードを発光させない間は前記第2のスイッチング素子をオフ状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記第2のスイッチング素子をオン状態に保持する請求項1〜4のいずれか一項に記載のレーザダイオード電源装置。 A second switching element is connected in parallel with the first switching element and in series with the laser diode;
The LD drive control unit holds the second switching element in an off state while the laser diode is not emitting light, and holds the second switching element in an on state when the laser diode is caused to emit light. The laser diode power supply device according to any one of 1 to 4.
電力蓄積用のコンデンサと、
前記コンデンサを予め設定された基準電圧まで充電する充電回路と、
前記コンデンサと前記インダクタンスコイルとの間に接続される第3のスイッチング素子と、
前記インダクタンスコイルを流れる主電流の電流値を測定するための主電流測定部と、
前記主電流測定部より得られる電流測定値が予め設定された基準値に一致するように前記第3のスイッチング素子をスイッチング動作させる主電流制御部と
を有する請求項1〜6のいずれか一項に記載のレーザダイオード電源装置。 The constant current source circuit is
A capacitor for storing power,
A charging circuit for charging the capacitor to a preset reference voltage;
A third switching element connected between the capacitor and the inductance coil;
A main current measuring unit for measuring a current value of a main current flowing through the inductance coil;
The main current control part which performs a switching operation of the 3rd switching element so that the current measurement value obtained from the main current measurement part may coincide with a preset reference value. The laser diode power supply device described in 1.
負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、
前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、
前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第1のスイッチング素子と、
前記レーザダイオードを発光させない間は前記第1のスイッチング素子をオフ状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記第1のスイッチング素子をオン状態に保持するLD駆動制御部と
を有するレーザダイオード電源装置。 A laser diode power supply device for driving a laser diode (LD) for oscillating and outputting laser light for laser processing,
A constant current source circuit for supplying a desired constant current to the load circuit;
An inductance coil connected between the constant current source circuit and the laser diode;
A first switching element connected in series with the inductance coil and connected in parallel with the laser diode with respect to the constant current source circuit;
A laser diode having an LD drive control unit that holds the first switching element in an off state while the laser diode is not emitting light, and holds the first switching element in an on state when the laser diode is caused to emit light Power supply.
負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、
前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、
前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第1のスイッチング素子と、
前記レーザダイオードを流れるLD駆動電流の電流値を測定するためのLD駆動電流測定部と、
前記レーザダイオードを発光させない間は前記第1のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記LD駆動電流測定部より得られる電流測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように前記第1のスイッチング素子をスイッチング動作させるLD駆動制御部と
を有するレーザダイオード電源装置。 A laser diode power supply device for driving a laser diode (LD) for oscillating and outputting laser light for laser processing,
A constant current source circuit for supplying a desired constant current to the load circuit;
An inductance coil connected between the constant current source circuit and the laser diode;
A first switching element connected in series with the inductance coil and connected in parallel with the laser diode with respect to the constant current source circuit;
An LD driving current measuring unit for measuring a current value of an LD driving current flowing through the laser diode;
The first switching element is kept on while the laser diode is not emitting light, and when the laser diode is caused to emit light, a current measurement value obtained from the LD drive current measuring unit is a preset reference value or reference A laser diode power supply unit comprising: an LD drive control unit configured to switch the first switching element so as to follow the waveform.
負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、
前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、
前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第1のスイッチング素子と、
前記レーザダイオードより発振出力される前記レーザ光のレーザ出力を測定するためのレーザ出力測定部と、
前記レーザダイオードを発光させない間は前記第1のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように前記第1のスイッチング素子をスイッチング動作させるLD駆動制御部と
を有するレーザダイオード電源装置。 A laser diode power supply device for driving a laser diode (LD) for oscillating and outputting laser light for laser processing,
A constant current source circuit for supplying a desired constant current to the load circuit;
An inductance coil connected between the constant current source circuit and the laser diode;
A first switching element connected in series with the inductance coil and connected in parallel with the laser diode with respect to the constant current source circuit;
A laser output measuring unit for measuring a laser output of the laser beam oscillated and output from the laser diode;
While the laser diode is not emitting light, the first switching element is kept in an ON state, and when the laser diode is caused to emit light, a laser output measurement value obtained from the laser output measurement unit is set to a preset reference value or reference A laser diode power supply unit comprising: an LD drive control unit configured to switch the first switching element so as to follow the waveform.
前記LD駆動制御部が、前記レーザダイオードを発光させない間は前記第2のスイッチング素子をオフ状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記第2のスイッチング素子をオン状態に保持する請求項10〜13のいずか一項に記載のレーザダイオード電源装置。 A second switching element is connected in parallel with the first switching element and in series with the laser diode;
The LD drive control unit holds the second switching element in an off state while the laser diode is not emitting light, and holds the second switching element in an on state when the laser diode is caused to emit light. The laser diode power supply device according to any one of 10 to 13.
電力蓄積用のコンデンサと、
前記コンデンサを予め設定された基準電圧まで充電する充電回路と、
前記コンデンサと前記インダクタンスコイルとの間に接続される第3のスイッチング素子と、
前記インダクタンスコイルを流れる主電流の電流値を測定するための主電流測定部と、
前記主電流測定部より得られる電流測定値が予め設定された基準値に一致するように前記第3のスイッチング素子をスイッチング動作させる主電流制御部と
を有する請求項10〜15のいずれか一項に記載のレーザダイオード電源装置。 The constant current source circuit is
A capacitor for storing power,
A charging circuit for charging the capacitor to a preset reference voltage;
A third switching element connected between the capacitor and the inductance coil;
A main current measuring unit for measuring a current value of a main current flowing through the inductance coil;
The main current control part which performs switching operation of the 3rd switching element so that the current measurement value obtained from the main current measurement part may coincide with a preset reference value. The laser diode power supply device described in 1.
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