JP2015115399A - レーザ電源装置およびレーザ電源装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出カがパルス化されるレーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に、インバータ部を間欠動作とした場合であっても、放電を安定的に発生させることのできるレーザ電源装置およびレーザ電源装置の制御方法を得る。
【解決手段】レーザがＯＦＦの時には、インバータ部（３０）があらかじめ設定された間隔であらかじめ設定された回数だけ、複数の連続する電圧パルスから構成される間引きパルス群を放電負荷（１００）に印加するように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、レーザ加工機用高周波電源として用いられるレーザ電源装置およびレーザ電源装置の制御方法に関するものである。

従来のレーザ電源装置（例えば、特許文献１参照）を用いてレーザ加工を行う場合、レーザ電源装置内のインバータ部は、ＰＷＭ（パルス幅変調、Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）あるいはＰＤＭ（パルス密度変調、Ｐｕｌｓｅ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）等の方法によって制御される。そして、インバータ部は、このような制御にしたがって、レーザ発振器内の放電負荷（放電電極部）に高周波電圧を印加することで、放電負荷に電流が流れ、レーザが発振する。

また、レーザ発振器は、一般的に、高周波の高電圧波形で駆動される。したがって、レーザ加工機設置場所の制約等によって、レーザ電源装置と放電負荷との給電経路長が大きい場合、経路の浮遊キャパシタンスおよびインダクタンス成分が高周波伝送回路の動作に影響する。そこで、これを防ぐために、伝送には同軸ケーブルを用いて、浮遊成分を補うように、伝送インピーダンスを整合させるマッチング回路を設けることが多い（例えば、特許文献２参照）。

さらに、放電を安定的に発生させて、レーザの発振効率を上げることを目的として、インバータ部を、連続動作以外に、群パルス動作による間欠動作とすることで、放電負荷に供給する電力を調整し、インバータ連続動作によるパルス高レベル期間と、インバータ間欠動作によるパルス低レベル期間をつくる方法がある（例えば、特許文献３参照）。

具体的には、パルス高レベル期間においては、レーザ光としてレーザ出力を得ることができるようにして、パルス低レベル期間においても、次のパルス高レベル期間に容易にレーザ出力を得ることができるように、レーザ光としては出力を得ない程度に放電を発生させて維持している。このように、インバータ連続動作によるパルス高レベル期間と、インバータ間欠動作によるパルス低レベル期間をつくることで、放電電流の小電流領域であるパルス低レベル期間にも、パルス高レベル期間と同様に高いピーク電圧で放電を発生させることができるので、放電の安定化が図れ、レーザの発振効率が上がる。

特開２００４−４７５３８号公報 特開平１０−１７８２２５号公報 特開２００３−２４３７４９号公報

しかしながら、従来技術には以下のような課題がある。
一般的に、レーザ加工を行う場合、加工目的に応じてレーザ出カを１〜数ｋＨｚにパルス化する必要があり、パルス発振を行うようなレーザでは、レーザが一定の周波数（一定のタイミング）でＯＮ／ＯＦＦを繰り返す。

したがって、このようなレーザを駆動させるためのレーザ電源装置に対して、特許文献３に記載の従来技術を単純に適用し、レーザ出力をＯＮ状態にする期間に、インバータ部を連続動作にし、ＯＦＦ状態にする期間に、群パルス動作による間欠動作としても、何らかの工夫を施さないと放電の安定化を図ることができない。

換言すると、このような場合、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間にインバータ部を群パルス動作による間欠動作としても、レーザ電源装置から放電空間に電力が入りにくく、加工条件によっては負荷とのマッチングが取れなくなり、放電を発生させることができないという問題点がある。また、この結果、レーザ出力をＯＮ状態にする期間に、放電の立ち消えやレーザ発振の遅れが発生することによって、加工品質の悪化につながっていた。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、出カがパルス化されるレーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に、インバータ部を間欠動作とした場合であっても、放電を安定的に発生させることのできるレーザ電源装置およびレーザ電源装置の制御方法を得ることを目的とする。

本発明におけるレーザ電源装置は、放電負荷に対して電圧を印加するインバータ部と、インバータ部の動作を制御することでレーザ出力をあらかじめ設定されたパターンでＯＮ状態またはＯＦＦ状態にするインバータ制御部とを備えたレーザ電源装置であって、放電負荷に流れる放電電流を検出する放電電流検出部をさらに備え、インバータ制御部は、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間では、インバータ部が、あらかじめ設定された周波数、振幅およびパルス数で規定される初期インバータ間欠動作出力パターンに従って間引きパルス群を放電負荷に繰り返し印加する間欠動作を行うように制御し、１つの間引きパルス群を印加するごとに、放電電流検出部により検出された放電電流検出値に基づいて放電が発生しているか否かを判定し、放電が発生していないと判定した場合には、初期インバータ間欠動作出力パターンにおける周波数を小さくする、あるいは初期インバータ間欠動作出力パターンにおけるパルス数を増加させる間引きパルス群修正処理を実行して新たな間引きパルス群を生成して間欠動作を継続する動作を繰り返し、放電が発生していると判定した場合には、間引きパルス群修正処理を実行せずに前回と同一の間引きパルス群を用いて間欠動作を継続する動作を繰り返すことで、レーザを発振させることなく放電負荷で放電を発生させる状態を維持するものである。

本発明におけるレーザ電源装置の制御方法は、放電負荷に対して電圧を印加するインバータ部と、インバータ部の動作を制御することでレーザ出力をあらかじめ設定されたパターンでＯＮ状態またはＯＦＦ状態にするインバータ制御部と、放電負荷に流れる放電電流を検出する放電電流検出部とを備えたレーザ電源装置の制御方法であって、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間では、あらかじめ設定された周波数、振幅およびパルス数で規定される初期インバータ間欠動作出力パターンに従って間引きパルス群を放電負荷に繰り返し印加する印加ステップと、印加ステップで、１つの間引きパルス群を印加するごとに、放電電流検出部により検出された放電電流検出値に基づいて放電が発生しているか否かを判定する放電判定ステップと、放電判定ステップで、放電が発生していないと判定した場合には、初期インバータ間欠動作出力パターンにおける周波数を小さくする、あるいは初期インバータ間欠動作出力パターンにおけるパルス数を増加させる間引きパルス群修正処理を実行する間引きパルス群修正処理ステップと、を備えたものである。

本発明によれば、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間では、あらかじめ設定された周波数、振幅およびパルス数で規定される初期インバータ間欠動作出力パターンに従って間引きパルス群を放電負荷に繰り返し印加する間欠動作を行うように制御するとともに、放電電流検出値に基づいて、レーザを発振させることなく放電負荷で放電を発生させる状態を維持する、間引きパルス群の最適周波数あるいは最適パルス数を特定する。これにより、出カがパルス化されるレーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に、インバータ部を間欠動作とした場合であっても、放電を安定的に発生させることのできるレーザ電源装置およびレーザ電源装置の制御方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるレーザ電源装置の構成図である。 本発明の実施の形態１におけるレーザ電源装置が出力する電圧波形および電流波形と、レーザが出力するレーザ出力波形との一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態１におけるレーザ電源装置内のインバータ制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１におけるレーザ電源装置が出力する電圧波形および電流波形と、レーザが出力するレーザ出力波形との別例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２において、放電負荷が放電時である場合の共振周波数と、非放電時である場合の共振周波数との関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態２におけるレーザ電源装置が出力する電圧波形および電流波形と、レーザが出力するレーザ出力波形との一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態３におけるレーザ電源装置が出力する電圧波形および電流波形と、レーザが出力するレーザ出力波形との一例を示す説明図である。

以下、本発明によるレーザ電源装置およびレーザ電源装置の制御方法を、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ電源装置の構成図である。本実施の形態１におけるレーザ電源装置は、レーザ発振用の放電負荷（放電電極部）１００を含んで構成されるレーザ発振器を動作させるためのものである。

この図１におけるレーザ電源装置は、整流部１０、昇圧コンバータ部２０、インバータ部３０、昇圧トランス部４０、第１共振リアクトル５０、第２共振リアクトル６０、放電電流検出部７０、インバータ制御部８０および給電線９０を備える。

また、図１に示すように、構成例として、整流部１０は、ダイオードＤ１を含んで構成されており、昇圧コンバータ部２０は、コンデンサＣ１、Ｃ２、インダクタＬ１、ダイオードＤ２およびスイッチング素子Ｓ１を含んで構成されており、インバータ部３０は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を含んで構成されている。さらに、放電負荷１００は、一対の放電電極１０１ａ、１０１ｂを含んで構成されている。

ここで、本実施の形態１におけるレーザ電源装置は、レーザ発振器内の一対の放電電極１０１ａ、１０１ｂを制御対象とする。また、このレーザ発振器を構成する放電電極１０１ａ、１０１ｂは、誘電体電極であり、金属電極が放電空間に露出しておらず、セラミック等からなる誘電体で被覆されている。さらに、このレーザ電源装置によって、放電電極１０１ａ、１０１ｂに高周波の電圧パルスが印加されることで、誘電体バリア放電が発生する。そして、この放電によって励起されたレーザ媒体の誘導放出が発生することで、レーザが発振してレーザビームが出力される。

続いて、レーザ電源装置内の各構成部について説明する。整流部１０は、外部の交流電源（商用電源）である２００Ｖの三相交流電源を整流化する。また、昇圧コンバータ部２０は、平滑コンデンサＣ１およびインダクタＬ１によって、整流部１０で整流化された電圧を平滑化し、昇圧する。

インバータ部３０は、昇圧コンバータ部２０で昇圧された直流電圧を高周波に変換し、高周波電圧を生成する。また、昇圧トランス部４０は、インバータ部３０で生成された高周波電圧を、あらかじめ設定された電圧値（放電負荷１００への印加電圧値）にまで昇圧する。また、昇圧トランス部４０で昇圧された電圧が放電負荷１００に印加されることで、レーザが発振し、レーザビームが出力される。

第１共振リアクトル５０および第２共振リアクトル６０は、放電負荷１００の静電容量と、給電線９０に浮遊するインダクタンス成分およびキャパシタンス成分とのマッチングを取るために設けられる。

なお、インバータ部３０内のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のそれぞれに直列に接続されたダイオードと、並列で逆向きに接続されたダイオードとについて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の特性が良い場合には、これらを省略してもよい。また、給電線９０として、伝送インピーダンスを整合させやすい高耐圧の同軸線を用いればよい。さらに、第１共振リアクトル５０は、昇圧トランス部４０の一次側に挿入されていてもよく、昇圧トランス部４０の漏れインダクタンスを用いてもかまわない。

ここで、レーザ発振器においては、レーザのＯＮ／ＯＦＦ信号と、出力するレーザの強度指令とに合わせて高周波駆動パルスを制御する必要がある。そこで、レーザ電源装置から放電負荷１００への投入エネルギーを調整するために、放電電流検出部７０によって放電負荷１００に流れる電流を検出し、インバータ制御部８０にこの検出信号をフィードバックする。

なお、放電電流検出部７０は、昇圧トランス部４０の１次側に挿入してもよいし、２次側に挿入してもよい。ただし、２次側に挿入する方が、電流が小さいのでＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等の検出器を小型化することができる。

インバータ制御部８０は、インバータ部３０の動作を制御する。具体的には、インバータ制御部８０は、レーザパルス強度指令値と放電電流フィードバック値とに基づいて、ＰＷＭ制御、またはＰＤＭ制御によって駆動パルスを生成することで、インバータ部３０をフィードバック制御する。

ただし、高周波伝送経路内のリアクトル成分と負荷のキャパシタンス成分とが共振して放電負荷１００に電力を効率良く伝送しようとする場合、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に合わせて単純にインバータ部３０の動作を停止すると、次にレーザ出力をＯＮ状態にする期間で放電が不安定となり、レーザ光の立ち上がりが遅く、加工不良となる。

また、ＰＤＭ制御を用いている場合、低出力時にはパルス密度が粗くなって、放電負荷１００とのマッチングが合わず、電力を効率良く放電負荷１００へ投入することができなくなる。これによって、放電が不安定となり、レーザ出力を正確に制御することが困難になる。したがって、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間においても、マッチングを取りながら、放電を維持するように電力を調整することが重要となる。

そこで、本実施の形態１におけるインバータ制御部８０は、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間においても放電を安定的に発生させて維持することができるように、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間とＯＮ状態にする期間とでインバータ部３０の駆動方式（制御方式）を変化させている。

具体的には、インバータ制御部８０は、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間とＯＮ状態にする期間とで、図２に示すような駆動方式の切り替えを行ってインバータ部３０を駆動制御する。図２は、本発明の実施の形態１におけるレーザ電源装置が出力する電圧波形および電流波形と、レーザが出力するレーザ出力波形との一例を示す説明図である。なお、図２（ａ）は、レーザ電源装置内のインバータ部３０から出力されるインバータ出力電圧（細実線）およびインバータ出力電流（太実線）を示す。また、図２（ｂ）は、インバータ部３０から（ａ）に示すインバータ出力電圧が印加された場合のレーザ出力を示す。

すなわち、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間には、インバータ制御部８０は、インバータ部３０が放電負荷１００に対して、レーザが発振しないように（発振閾値に達しないように）間引きパルス群を印加するように制御することで、放電を発生させる（予備放電を行う）。なお、間引きパルス群は、複数の連続する電圧パルスから構成され、あらかじめ設定された間隔、および回数で印加される。

一方、レーザ出力をＯＮ状態にする期間には、インバータ制御部８０は、インバータ部３０が放電負荷１００に対して、前述した通常の制御（ＰＷＭ制御またはＰＤＭ制御）で駆動することで、レーザが発振するような（発振閾値に達するような）連続パルス群を印加するように制御する。なお、この連続パルス群は、図２（ａ）に示すような複数の連続する電圧パルスから構成され、レーザ出力をＯＮ状態にする期間に、間隔を空けずに連続パルスとして印加され続ける。

本願発明においては、このように、レーザ出力をＯＮ状態にする期間と、ＯＦＦ状態にする期間とに応じてインバータ部３０の駆動を切り替える方式を採用することで、放電を安定的に発生させて維持することができる。なお、図２（ａ）においては、間引きパルス群を構成する連続する電圧パルスの数（以降では、間引きパルス群のパルス数と称す）が３パルス（３つ）であり、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に間引きパルス群が１回だけ印加された場合を例示している。

また、本願発明においては、通常、間引きパルス群のパルス数を３パルス以上とすることが好ましい。すなわち、パルス数が２パルス以下では、共振電流が微小にしか流れず放電しないので、結果として、放電を発生させて維持することができない可能性があるからである。

また、間引きパルス群の繰り返し間隔としては、数ｋＨｚとすることが好ましい。

また、間引きパルス群を構成する複数の連続する電圧パルスの周波数（以降では、間引きパルス群の周波数と称す）を、下式（１）から求められる共振周波数Ｆｒにして、間引きパルス群のパルスデューティを最大にする方が、放電負荷１００に電力が入りやすく、より放電が安定する。
Ｆｒ＝１／２π√ＬＣ （１）
（ただし、Ｌは、共振リアクトルを含むインダクタンス成分であり、Ｃは、放電電極を含むキャパシタンス成分を表す）

ただし、放電負荷１００の場合、放電が発生しているか否かによって、回路内のインピーダンスおよびキャパシタンス成分が変化し、共振周波数Ｆｒが変動するおそれがある。また、インバータ出力電流を常に、インバータ出力電圧に対して遅れ位相とすると、インバータ部３０内の還流ダイオードでのリカバリー電流を低減することができる。したがって、通常、間引きパルス群の周波数は、位相余裕をみて共振周波数Ｆｒよりも高い周波数とすることが好ましい。

次に、インバータ制御部８０の構成の詳細について、図３を参照しながら説明する。図３は、本発明の実施の形態１におけるレーザ電源装置内のインバータ制御部８０の構成を示すブロック図である。

この図３におけるレーザ電源装置内のインバータ制御部８０は、指令値生成部８１、間引き信号生成部８２およびスイッチング信号生成部８３を有する。

ここで、レーザ加工機では、加工目的に応じて、最適な加工条件（例えば、レーザパルス強度およびレーザパルス周波数等）があらかじめ決められており、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）装置１１０に記憶されている。そして、ＣＮＣ装置１１０は、ユーザが所望する加工目的に対応する加工条件をインバータ制御部８０に入力する。

インバータ制御部８０内の指令値生成部８１は、レーザ発振器から出力されるレーザパルス強度がＣＮＣ装置１１０から入力されたレーザパルス強度（目標値）となるように、放電負荷１００に放電電力を供給するための放電電力指令値を生成する。具体的には、指令値生成部８１は、放電電流検出部７０が検出した放電電流値（以降では、放電電流検出値と称す）と、ＣＮＣ装置１１０から入力されたレーザパルス強度に対応する放電電流値（目標値）とが一致するようにフィードバック制御することで、放電電力指令値を生成する。

間引き信号生成部８２は、放電電流検出値に基づいて、放電が発生（点灯）しているか否かを判定する。そして、間引き信号生成部８２は、この判定結果にしたがって、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に放電負荷１００に印加する間引きパルス群のパルス数を決定する。

具体的には、間引き信号生成部８２は、放電が発生していない（非放電）と判定した場合には、間引きパルス群修正処理として、放電が発生していると判定するまで、パルス数をあらかじめ設定された数ずつ増加させていきながら、間引きパルス群をあらかじめ設定された間隔で出力する間欠動作を行う。そして、間引き信号生成部８２は、一度、放電が発生していると判定すると、その後は、パルス数を増加させず、前回設定したパルス数と同じパルス数を採用した間引きパルス群を繰り返し、間欠動作を行う。また、初回の間引きパルス群を印加することで放電が発生していると判定した場合には、間引きパルス群修正処理を行わず、次回以降に印加する間引きパルス群のパルス数は、初回の間引きパルス群と同じパルス数と採用する。

なお、放電が発生しているか否かの判定方法の具体例として、間引き信号生成部８２は、前回の間引きパルス群を放電負荷１００に印加した後に、あらかじめ設定された時間中に得られた放電電流検出値を平均化した放電電流平均値を算出する。本願発明においては、非放電によりマッチングが取れていない場合には、第２共振リアクトル６０に電流が大きく流れて、放電電流検出値としては大きくなるため、間引き信号生成部８２は、算出した放電電流平均値があらかじめ設定された電流閾値以上の場合には、放電が発生していないと判定し、電流閾値未満の場合には、放電が発生していると判定するように構成すればよい。

ここで、放電負荷１００においては、放電が発生している時（放電時）と、放電が発生していない時（非放電時）とで、インバータ出力電流（放電電流）の流れ方が大きく異なる。したがって、放電電流検出部７０によって放電電流を検出することで、放電が発生しているか否かを判定することができる。インバータ出力電流の流れ方が大きく異なる理由としては、放電時には、放電電極１０１ａ、１０１ｂ間の空間が直流抵抗成分として働き、非放電時には、放電電極１０１ａ、１０１ｂ間の空間がキャパシタンス成分として働く特性があるためである。

そして、このような特性を利用し、間引き信号生成部８２は、放電電流検出値に基づいて、放電が発生しているか否かを判定することで、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に放電を発生させて維持するために必要とする間引きパルス群のパルス数の最適値（最適パルス数）を見つけることとなる。

スイッチング信号生成部８３は、レーザのＯＮ／ＯＦＦのタイミングを判定し、この判定結果に基づいて、インバータ部３０を連続動作としたり、間欠動作としたりするために、インバータ部３０を駆動するための駆動パルスを生成する。ここで、レーザのＯＮ／ＯＦＦのタイミングは、ＣＮＣ装置１１０から入力されるレーザパルス周波数に基づいて判定される。

具体的には、スイッチング信号生成部８３は、レーザパルス周波数に基づいてレーザ出力をＯＮ状態にする期間であると判定した場合には、指令値生成部８１が生成した放電電力指令値と、ＣＮＣ装置１１０から入力される放電周波数とに基づいて、ＰＷＭ制御、またはＰＤＭ制御によって駆動パルスを生成する。この駆動パルスに基づいて、インバータ部３０を連続動作とすることができ、インバータ部３０は、例えば、先の図２（ａ）に示すような連続パルス群を放電負荷１００に印加することとなる。なお、放電周波数は、あらかじめ設定されており、これに基づいて、連続パルス群を構成する複数の連続する電圧パルスの周波数（連続パルス群の周波数）が定まる。

一方、スイッチング信号生成部８３は、レーザパルス周波数に基づいてレーザ出力をＯＦＦ状態にする期間であると判定した場合には、間引き信号生成部８２が決定したパルス数である間引きパルス群を、インバータ部３０が放電負荷１００に印加するように、駆動パルスを生成する。この駆動パルスに基づいて、インバータ部３０は、間欠動作時には、例えば、先の図２（ａ）に示すような間引きパルス群を放電負荷１００に印加することとなる。

次に、インバータ制御部８０の動作の詳細について、図４を参照しながら説明する。図４は、本発明の実施の形態１におけるレーザ電源装置が出力する電圧波形および電流波形と、レーザが出力するレーザ出力波形との別例を示す説明図である。なお、図４（ａ）は、レーザ電源装置内のインバータ部３０から出力されるインバータ出力電圧（細実線）およびインバータ出力電流（太実線）を示す。また、図４（ｂ）は、インバータ部３０から（ａ）に示すインバータ出力電圧が印加された場合のレーザ出力を示す。

なお、初期インバータ間欠動作出力パターンとして、第１回目に印加する間引きパルス群は、レーザが発振しないように（発振閾値に達しないように）あらかじめ設定された周波数、振幅およびパルス数で規定されている。ここでは、図４に示すように、一例として、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間の第１回目の間引きパルス群は、あらかじめ設定された周波数、振幅であって３パルスから構成されている。また、図４では、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に印加する間引きパルス群は、あらかじめ設定された間隔で３回だけ放電負荷に印加する場合を例示している。

図４に示すように、レーザ出力をＯＮ状態にする期間には、インバータ制御部８０は、前述したように、インバータ部３０が連続パルス群を放電負荷１００に印加するように制御することで、レーザが発振し、レーザビームが出力される。

一方、図４に示すように、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間には、スイッチング信号生成部８３は、インバータ部３０が第１回目の間引きパルス群を放電負荷１００に印加するように、駆動パルスを生成する。この駆動パルスに基づいて、第１回目の間引きパルス群が印加されれば、間引き信号生成部８２は、放電電流検出値に基づいて、放電が発生しているか否かを判定する。

ここでは、間引き信号生成部８２は、第１回目の間引きパルス群が印加されても、放電が発生していないと判定する。そして、間引き信号生成部８２は、第２回目の間引きパルス群のパルス数を１だけ増加させて３パルスから４パルスになるように変更する。

続いて、スイッチング信号生成部８３は、インバータ部３０が第２回目の間引きパルス群を放電負荷１００に印加するように、駆動パルスを生成する。この駆動パルスに基づいて、第２回目の間引きパルス群が印加されれば、間引き信号生成部８２は、放電電流検出値に基づいて、放電が発生しているか否かを判定する。

ここでは、間引き信号生成部８２は、第２回目の間引きパルス群が印加されることで、放電が発生していると判定する。そして、間引き信号生成部８２は、最適パルス数を４パルスと決定し、第２回目以降の間引きパルス群のパルス数を最適パルス数である４パルスとする。続いて、スイッチング信号生成部８３は、パルス数が４パルスである第３回目の間引きパルス群をインバータ部３０が放電負荷１００に印加するように、駆動パルスを生成する。

このように、間引き信号生成部８２は、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に放電を発生させて維持するために必要とする間引きパルス群のパルス数の最適値を、放電電流検出値に基づいて決定する。また、最適パルス数が決定されれば、次回以降に印加する間引きパルス群のパルス数を最適パルス数としている。

そして、図４では、第４回目の間引きパルス群を出力する前のタイミングで、レーザ出力がＯＮ状態に切り替えられる場合を例示している。そして、このような場合、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に、最適パルス数を用いて放電を安定的に発生させた状態を維持できていることにより、ＯＮ状態にする期間に、放電の立ち消えやレーザ発振の遅れが発生することを防止することができる。

なお、次回の、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に印加する第１回目の間引きパルス群のパルス数については、あらかじめ設定された初期値ではなく、今回決定した最適パルス数を採用することで、はじめから放電を発生させることが期待できる。

以上、本実施の形態１によれば、レーザ出力をＯＮ状態にする期間では、インバータ部が複数の連続する電圧パルスから構成される連続パルス群を放電負荷に印加するように連続動作制御することで、レーザを発振させる。一方、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間では、あらかじめ設定された周波数、振幅およびパルス数で規定される初期インバータ間欠動作出力パターンに従って間引きパルス群を放電負荷に繰り返し印加する間欠動作を行うように制御する。

また、間引きパルス群の周波数をあらかじめ設定された周波数として、インバータ部が間引きパルス群を放電負荷に印加する際に、放電負荷に流れる放電電流に基づいて、間引きパルス群を構成する電圧パルスのパルス数を変更していき、放電状態を維持するための最適パルス数を特定できる構成を備えている。

また、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間では、１つの間引きパルス群を印加するごとに、放電電流検出部により検出された放電電流検出値に基づいて放電が発生しているか否かを判定し、放電が発生していないと判定した場合には、初期インバータ間欠動作出力パターンにおけるパルス数を増加させる間引きパルス群修正処理を実行して新たな間引きパルス群を生成して間欠動作を継続する動作を繰り返す。さらに、放電が発生していると判定した場合には、間引きパルス群修正処理を実行せずに前回と同一の間引きパルス群を用いて間欠動作を継続する動作を繰り返す。

これにより、出カが１〜数ｋＨｚにパルス化されるレーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に、インバータ部を間欠動作とした場合であっても、特定した最適パルス数による間引きパルス群を採用することで、放電を安定的に発生させて維持することができる。また、従来のレーザ電源装置では放電の維持が困難であったものが、安定的に放電が維持され、パルス発振動作時においてもレーザ出力をＯＮ状態にする期間に立ち上がりの良好なレーザ光が出力される。さらに、高周波伝送経路内のリアクトル成分とキャパシタンス成分とのマッチングを取って放電負荷に電力を投入しているようなレーザ電源装置に対して、加工目的に応じてレーザ出カを１〜数ｋＨｚにパルス化したとしても、良質なレーザビームを得ることができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に放電負荷１００に印加する間引きパルス群のパルス数を放電電流検出値に基づいて変更する場合について説明した。これに対して、本実施の形態２では、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に放電負荷１００に印加する間引きパルス群の周波数を放電電流値に基づいて変更し、パルス数は固定値を採用する場合について説明する。

図５は、本発明の実施の形態２において、放電負荷１００が放電時である場合の共振周波数と、非放電時である場合の共振周波数との関係を示す説明図である。図６は、本発明の実施の形態２におけるレーザ電源装置が出力する電圧波形および電流波形と、レーザが出力するレーザ出力波形との一例を示す説明図である。なお、図６（ａ）は、レーザ電源装置内のインバータ部３０から出力されるインバータ出力電圧（細実線）およびインバータ出力電流（太実線）を示す。また、図６（ｂ）は、インバータ部３０から（ａ）に示すインバータ出力電圧が印加された場合のレーザ出力を示す。

ここで、図５に示すように、放電が発生しているか否かによって、放電負荷１００のキャパシタンス成分が変化し、共振周波数が変動する。したがって、このような特性を利用し、先の実施の形態１では一定であった間引きパルス群の周波数を、本実施の形態２では放電電流検出値に基づいて可変となるように構成する。

先の実施の形態１で説明したように、レーザのＯＮ／ＯＦＦ時に関わらず放電を発生させて維持する目的で、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に、放電負荷１００に対して、間引きパルス群を印加することで放電電力を供給することが有益である。しかしながら、起動時などの放電電力投入直後（最初の間引きパルス群の印加直後）に関しては、放電が発生しにくい可能性がある。図５に示すように、一般に、非放電時には、負荷のキャパシタンス成分が増えるので、放電時の共振周波数よりも小さくなるからである。

そこで、本実施の形態２におけるレーザ電源装置内のインバータ制御部８０は、レーザ出力をＯＮ状態にする期間には、先の実施の形態１と同様の動作を行い、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間には、放電電流検出値に基づいて変更した周波数の間引きパルス群を放電負荷１００に印加する。

具体的には、図６に示すように、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間には、スイッチング信号生成部８３は、インバータ部３０が第１回目の間引きパルス群を放電負荷１００に印加するように、駆動パルスを生成する。この駆動パルスに基づいて、第１回目の間引きパルス群が印加されれば、間引き信号生成部８２は、放電電流検出値に基づいて、放電が発生しているか否かを判定する。

なお、初期インバータ間欠動作出力パターンとして、第１回目に印加する間引きパルス群は、レーザが発振しないように（発振閾値に達しないように）あらかじめ設定された周波数、振幅およびパルス数で規定されている。ここでは、図６に示すように、一例として、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間の第１回目の間引きパルス群は、あらかじめ設定された周波数、振幅であって３パルスから構成されている。また、図６では、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に印加する間引きパルス群は、あらかじめ設定された間隔で３回だけ放電負荷に印加する場合を例示している。

ここでは、間引き信号生成部８２は、第１回目の間引きパルス群が印加されても、放電が発生していないと判定する。そして、間引き信号生成部８２は、第２回目の間引きパルス群の周波数が共振周波数に近づくように、あらかじめ設定された周波数だけ下げることで周波数を変更する。なお、間引き信号生成部８２内に分周回路を設け、この分周回路によって周波数を下げるように構成すればよい。

続いて、スイッチング信号生成部８３は、インバータ部３０が第２回目の間引きパルス群を放電負荷１００に印加するように、駆動パルスを生成する。この駆動パルスに基づいて、第２回目の間引きパルス群が印加されれば、間引き信号生成部８２は、放電電流検出値に基づいて、放電が発生しているか否かを判定する。

ここでは、間引き信号生成部８２は、第２回目の間引きパルス群が印加されることで、放電が発生していると判定する。そして、間引き信号生成部８２は、最適周波数を第２回目の間引きパルス群の周波数とする。続いて、スイッチング信号生成部８３は、周波数が最適周波数である第３回目の間引きパルス群をインバータ部３０が放電負荷１００に印加するように、駆動パルスを生成する。

このように、放電が発生するまで間引きパルス群の周波数が減少することとなる。また、間引き信号生成部８２は、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に放電を発生させて維持するために必要とする間引きパルス群の周波数の最適値を、放電電流検出値に基づいて決定する。また、最適周波数が決定されれば、次回以降に印加する間引きパルス群の周波数を最適周波数としている。

そして、図６では、第４回目の間引きパルス群を出力する前のタイミングで、レーザ出力がＯＮに切り替えられる場合を例示している。そして、このような場合、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に、最適周波数を用いて放電を安定的に発生させた状態を維持できていることにより、ＯＮ状態にする期間に、放電の立ち消えやレーザ発振の遅れが発生することを防止することができる。

なお、次回の、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に印加する第１回目の間引きパルス群の周波数については、あらかじめ設定された初期値ではなく、今回決定した最適周波数を採用することで、はじめから放電を発生させることが期待できる。

なお、放電が発生するまで間引きパルス群の周波数を減少させる場合、共振周波数に近づくにしたがって、放電電流が指数関数的に大きくなる。したがって、非放電時から放電時に移行した際の瞬時的な過電流によってインバータ部３０を構成するパワーデバイスの破壊を防ぐため、間引きパルス群の周波数は数ｋＨｚ程度ごとに下げることが好ましい。

以上、本実施の形態２によれば、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間では、１つの間引きパルス群を印加するごとに、放電電流検出部により検出された放電電流検出値に基づいて放電が発生しているか否かを判定し、放電が発生していないと判定した場合には、初期インバータ間欠動作出力パターンにおける周波数を小さくする間引きパルス群修正処理を実行して新たな間引きパルス群を生成して間欠動作を継続する動作を繰り返す。

これにより、先の実施の形態１と同様の効果を得られるだけではなく、起動時などの放電電力投入直後において、放電が発生しにくい可能性がある点を考慮しているので、放電をより安定的に発生させて維持することができる。

実施の形態３．
先の実施の形態１、２では、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間に、あらかじめ設定された間隔であらかじめ設定された回数だけ、間引きパルス群を印加する場合について説明した。これに対して、本実施の形態３では、レーザがＯＦＦからＯＮになる直前に直前間引きパルス群をさらに１回だけ印加する場合について説明する。

図７は、本発明の実施の形態３におけるレーザ電源装置が出力する電圧波形および電流波形と、レーザが出力するレーザ出力波形との一例を示す説明図である。なお、図７（ａ）は、レーザ電源装置内のインバータ部３０から出力されるインバータ出力電圧（細実線）およびインバータ出力電流（太実線）を示す。また、図７（ｂ）は、インバータ部３０から（ａ）に示すインバータ出力電圧が印加された場合のレーザ出力を示す。

ここで、前述したように、レーザ出力をＯＮ状態にする期間に立ち上がりの良好なレーザ光が出力されるようにするには、レーザがＯＦＦからＯＮになる直前で放電が安定的に発生していることが求められる。そこで、本実施の形態３では、先の実施の形態１、２における間引きパルス群とは別に直前間引きパルス群をさらに１回だけ印加する。

具体的には、図７に示すように、レーザ出力をＯＦＦ状態にする期間においては、インバータ制御部８０は、先の実施の形態１、２と同様に、あらかじめ設定された間隔であらかじめ設定された回数だけ、間引きパルス群を印加する。そして、スイッチング信号生成部８３は、最後に印加された間引きパルス群の周波数、振幅およびパルス数が同じであるパルス群を直前間引きパルス群として、インバータ部３０がさらに１回だけ印加するように、駆動パルスを生成する。

なお、レーザがＯＮの直前に直前間引きパルス群を印加するタイミングは、あらかじめ設定される。また、直前間引きパルス群の周波数、振幅およびパルス数は、最後に印加された間引きパルス群と同じではなく、別の値をあらかじめ設定してもよい。

以上、本実施の形態３によれば、レーザがＯＦＦ状態（レーザがＯＦＦの時）からＯＮ状態（レーザがＯＮの時）になる直前のあらかじめ設定されたタイミングで、インバータ部が複数の連続する電圧パルスから構成される直前間引きパルス群をさらに１回だけ印加するように制御することで、レーザを発振させることなく放電負荷で放電を発生させる。

これにより、レーザＯＮになる直前の放電を確実に維持することができ、より立ち上がりの良好なレーザ光が出力される。放電が安定しやすいレーザ発振器においては、レーザがＯＮの直前に直前間引きパルス群を放電負荷に印加することで、間引きパルス群の繰り返し間隔を下げた場合であっても、良好なレーザ光が出力されるので、間引きパルス群の印加によるパワー素子のスイッチング損失を抑えることができる。

１０ 整流部、２０ 昇圧コンバータ部、３０ インバータ部、４０ 昇圧トランス部、５０ 第１共振リアクトル、６０ 第２共振リアクトル、７０ 放電電流検出部、８０ インバータ制御部、８１ 指令値生成部、８２ 間引き信号生成部、８３ スイッチング信号生成部、９０ 給電線、１００ 放電負荷、１０１ａ、１０１ｂ 放電電極、１１０ ＣＮＣ装置。

Claims (4)

1. 放電負荷に対して電圧を印加するインバータ部と、前記インバータ部の動作を制御することでレーザ出力をあらかじめ設定されたパターンでＯＮ状態またはＯＦＦ状態にするインバータ制御部とを備えたレーザ電源装置であって、
   前記放電負荷に流れる放電電流を検出する放電電流検出部をさらに備え、
   前記インバータ制御部は、
   前記レーザ出力を前記ＯＦＦ状態にする期間では、前記インバータ部が、あらかじめ設定された周波数、振幅およびパルス数で規定される初期インバータ間欠動作出力パターンに従って間引きパルス群を前記放電負荷に繰り返し印加する間欠動作を行うように制御し、１つの間引きパルス群を印加するごとに、前記放電電流検出部により検出された放電電流検出値に基づいて放電が発生しているか否かを判定し、前記放電が発生していないと判定した場合には、前記初期インバータ間欠動作出力パターンにおける周波数を小さくする、あるいは前記初期インバータ間欠動作出力パターンにおけるパルス数を増加させる間引きパルス群修正処理を実行して新たな間引きパルス群を生成して前記間欠動作を継続する動作を繰り返し、前記放電が発生していると判定した場合には、前記間引きパルス群修正処理を実行せずに前回と同一の間引きパルス群を用いて前記間欠動作を継続する動作を繰り返すことで、レーザを発振させることなく前記放電負荷で放電を発生させる状態を維持する
   レーザ電源装置。
2. 請求項１に記載のレーザ電源装置において、
   前記インバータ制御部は、
   前記レーザ出力を前記ＯＦＦ状態にする期間で新たな間引きパルス群を生成した場合、次回の、前記レーザ出力を前記ＯＦＦ状態にする期間における前記間欠動作の最初の間引きパルス群として、前記初期インバータ間欠動作出力パターンに従った間引きパルス群の代わりに、前記新たな間引きパルス群を前記放電負荷に印加する
   レーザ電源装置。
3. 請求項１または２に記載のレーザ電源装置において、
   前記インバータ制御部は、
   前記レーザがＯＦＦ状態からＯＮ状態になる直前のあらかじめ設定されたタイミングで前記インバータ部が直前間引きパルス群をさらに１回だけ印加するように制御することで、レーザを発振させることなく前記放電負荷で放電を発生させる状態を維持する
   レーザ電源装置。
4. 放電負荷に対して電圧を印加するインバータ部と、前記インバータ部の動作を制御することでレーザ出力をあらかじめ設定されたパターンでＯＮ状態またはＯＦＦ状態にするインバータ制御部と、前記放電負荷に流れる放電電流を検出する放電電流検出部とを備えたレーザ電源装置の制御方法であって、
   前記レーザ出力を前記ＯＦＦ状態にする期間では、あらかじめ設定された周波数、振幅およびパルス数で規定される初期インバータ間欠動作出力パターンに従って間引きパルス群を前記放電負荷に繰り返し印加する印加ステップと、
   前記印加ステップで、１つの間引きパルス群を印加するごとに、前記放電電流検出部により検出された放電電流検出値に基づいて放電が発生しているか否かを判定する放電判定ステップと、
   前記放電判定ステップで、前記放電が発生していないと判定した場合には、前記初期インバータ間欠動作出力パターンにおける周波数を小さくする、あるいは前記初期インバータ間欠動作出力パターンにおけるパルス数を増加させる間引きパルス群修正処理を実行する間引きパルス群修正処理ステップと、
   を備えたレーザ電源装置の制御方法。

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