JP2017103413A - 複数の発光素子を制御するレーザ電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】搭載する発光素子の個数を低コストで増加可能で、発光素子の破損の影響が小さいレーザ電源装置の実現。
【解決手段】ＡＣ電圧が入力される電圧入力部11-13と、整流回路20と、複数のサブスイッチングレギュレータ部30A,30Bと、を有する電源ユニット10、および発光ユニット50を有し、複数のサブスイッチングレギュレータ部は、整流回路の出力に並列に接続され、発光ユニットは、複数のサブ発光ユニット50A,50Bを有し、各サブ発光ユニットは、１列の発光素子列を有し、複数のサブスイッチングレギュレータ部のそれぞれから１列の発光素子列に電流が供給され、各サブスイッチングレギュレータ部は、スイッチング回路31A,31Bと、平滑回路と、出力電流を検出する電流検出回路34A,34Bと、電流指令値および検出した出力電流に基づいてスイッチング回路を制御する制御回路35A,35Bと、を有するレーザ電源装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ電源装置に関し、特に安価で破損の影響が小さいレーザ電源装置に関する。

レーザ電源装置は、レーザ発振器に励起光を供給する発光部（キャビティユニット）と、キャビティユニットに電流を供給し、複数個の発光素子の発光を制御するための電源ユニットと、を有する。キャビティユニットは、一般に複数個の発光素子を有する。電源ユニットの回路構成として、整流回路、スイッチング回路、平滑回路、電流検出回路、制御回路から成るスイッチングレギュレータが知られている。スイッチングレギュレータの回路の部品はプリント基板上に実装され、そのプリント基板は筐体フレームに囲われ、レーザ電源装置の製造や破損時の修理交換は、電源ユニット単位で取り扱われる。レーザ電源装置では、電源ユニットの電圧入力部に供給される電圧（例えばＡＣ２００Ｖ）を整流回路で整流した後、スイッチング回路と平滑回路でＤＣ電圧に変換し、キャビティユニットの複数個の発光素子に電流を供給し、その電流値は電流検出回路で検出される。電流値は、電流指令部からの電流指令値に対し一定になるようにフィードバック制御される。

一般に、ＬＥＤや半導体レーザ等の発光素子は、電流に応じて出力される光強度（光パワー）が変化する。発光素子の端子間（順方向）電圧Ｖｆは、製造ばらつきや温度等の環境要因に応じて特性が変化するため、電源ユニットからキャビティユニットに供給する電流を制御して光パワーを制御する。

電源ユニットにおいてＡＣ入力電圧をＡ、発光素子の順方向電圧をＶｆとすると、キャビティユニットで直列に接続可能な発光素子の数Ｎは、Ａ×2^1/2≧Ｖｆ×Ｎとする必要がある。そのため、所要の光パワーを得るために発光素子の個数を増やすには、発光素子を並列に接続する必要がある。発光素子の故障は一般に短絡の形で発生する。そのため、この構成では、どれか一つでも発光素子が破損（短絡）した際には、装置の稼働が停止するという課題があった。

特許文献１は、ランプにレーザ出力のための主電流を供給する主回路と、シマー電流を供給するシマー回路と、を有するレーザ電源装置で、スイッチング損失を低減すると共に、半導体素子が故障した場合にもプリント基板が破損しない構成を記載している。特許文献１は、複数列の発光素子を記載しておらず、特許文献１に記載されたシマー回路は、主回路とは根本的に異なる回路である。

特許文献２は、低電圧ハロゲンランプ用の電子トランスを含む制御装置に、発光素子を点灯させる照明装置を接続しても安定的に動作するように、スイッチングレギュレータを直列に２段に構成する技術を記載している。特許文献２は、複数列の発光素子を記載していない。

特開２０１３−１７５５６２号公報 特開２０１４−２３２６９２号公報

レーザ電源装置で、搭載する発光素子の個数を容易に増加させることが可能で、どれか一つの発光素子が破損（短絡）した際でも、装置が稼働し続けられることが要望されている。

本発明の目的は、搭載する発光素子の個数を低コストで増加可能で、発光素子の破損の影響が小さいレーザ電源装置を実現することである。

本願発明に係るレーザ電源装置では、整流回路に対し、複数のサブスイッチングレギュレータを並列に接続し、複数のサブスイッチングレギュレータの各々の出力部に、発光素子を直列に１列接続する。

すなわち、本発明のレーザ電源装置は、ＡＣ電流が入力される電圧入力部と、ＡＣ電流を整流する整流回路と、複数のサブスイッチングレギュレータ部と、を有する電源ユニット、および発光ユニットを備え、複数のサブスイッチングレギュレータ部は、整流回路の出力に並列に接続され、発光ユニットは、複数のサブ発光ユニットを有し、各サブ発光ユニットは、複数個の発光素子を直列に接続した１列の発光素子列を有し、複数のサブスイッチングレギュレータ部のそれぞれから１列の発光素子列に電流が供給され、各サブスイッチングレギュレータ部は、スイッチング回路と、平滑回路と、出力電流を検出する電流検出回路と、電流指令値および検出した出力電流に基づいてスイッチング回路を制御する制御回路と、を有することを特徴とする。

電源ユニットの電圧入力部、整流回路および複数のサブスイッチングレギュレータ部は、同一の電源プリント基板上に搭載される。

電源ユニットは、整流回路および複数のサブスイッチングレギュレータ部のパワー素子を共通に冷却する電源冷却板を有する。

電源プリント基板および電源冷却板は、電源筐体フレームに収容される。

発光ユニットの複数のサブ発光ユニットの発光素子は、同一の発光部冷却板上に直接搭載される。

発光部冷却板は、発光部筐体フレームに収容される。

電源ユニットは、複数のサブスイッチングレギュレータ部への電流指令値が入力される電流指令値入力部をさらに有し、電流指令値入力部には、複数のサブスイッチングレギュレータ部への電流指令値が、それぞれ入力されるかまたは共通の端子を介して時分割で入力される。

本発明によれば、発光素子が破損した場合は、破損していないサブ発光ユニットで装置が稼働でき、単純にユニット数を増やすよりも装置が安価に構成できる。更に、各サブスイッチングレギュレータ部の制御回路を電流指令値で個別に制御するため、低出力の制御性が向上する。

本発明の第１実施形態のレーザ電源装置の構成を示す図である。 第１実施形態のレーザ電源装置の筐体フレームの構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態のレーザ電源装置の構成を示す図である。 従来例の一般的なレーザ電源装置の構成を示す図である。

本発明の実施形態を説明する前に、従来例のレーザ電源装置について説明する。
図４は、従来の一般的なレーザ電源装置の構成例を示す図である。

一般的なレーザ電源装置１００は、電源ユニット１１０と、発光（キャビティ）ユニット１５０と、を有する。電源ユニット１１０は、３相ＡＣ電流が入力される端子１１１−１１３を含む電圧入力部と、外部の電流指令部１４０からの電流指令値の入力端子１１４を含む電流指令値入力部と、３相ＡＣ電流を整流する整流回路１２０と、スイッチングレギュレータ部１３０と、ＤＣ電流を出力する端子１１６および１１７を有するＤＣ出力部と、を有する。図示の整流回路１２０は、６個のダイオードおよび容量素子を有する。スイッチングレギュレータ部１３０は、スイッチング回路１３１と、インダクタンス素子（コイル）１３２と、容量素子１３３と、電流検出回路１３４と、制御回路１３５と、を有する。スイッチング回路１３１は、スイッチング用トランジスタとダイオードを有する。スイッチング用トランジスタは制御回路１３５からの制御信号に応じてオンオフし、ダイオードと協働して充電電流を生成する。インダクタンス素子１３２および容量素子１３３からなる平滑回路は、充電電流から容量素子１３３の両端にＤＣ電圧を生成する。容量素子１３３は、端子１１６および１１７からＤＣ電流を出力する。電流検出回路１３４は出力されるＤＣ電流の電流値を検出し、制御回路１３５は検出した電流値および電流指令値に基づいてスイッチング用トランジスタの制御信号を生成する。整流回路１２０およびスイッチングレギュレータ部１３０は、広く知られている回路であり、これ以上の説明は省略する。

キャビティユニット１５０は、電源ユニット１１０の端子１１６および１１７にケーブルで接続される端子１５３および１５４と、端子１５３および１５４間に接続された１つ以上の発光素子列１６０Ａ、１６０Ｂ、…と、を有する。複数の発光素子列１６０Ａ、１６０Ｂ、…が接続される場合には、並列に接続される。キャビティユニット１５０は、発光素子として半導体レーザまたはＬＥＤを有し、半導体レーザまたはＬＥＤが発生した光でレーザ発振器を励起する。

ＬＥＤや半導体レーザ等の発光素子は、電流に応じて出力される光強度（光パワー）が変化する。発光素子の端子間（順方向）電圧Ｖｆは、製造ばらつきや温度等の環境要因に応じて変化するため、電源ユニット１１０からキャビティユニットに供給するＤＣ電流値を制御して光パワーを制御する。

スイッチングレギュレータ部１３０において、制御回路１３５は、電流検出回路１３４が検出した電流値および電流指令値入力部から入力された電流指令値に基づいて、スイッチング用トランジスタの制御信号を生成する。制御信号はトランジスタをオンオフする信号で、所定周期長におけるオン期間の割合（デューティ比）に応じてＤＣ電流値が決まる。したがって、制御回路１３５は、電流指令値に応じたＤＣ電流値が得られるようにデューティ比を調整した制御信号を生成する。なお、図４では、電流指令値の入力端子１１４は１本の線で示しているが、電流指令値を表すビット数分の端子を有するものとする。また、電流指令部からの指令がアナログ信号の場合は、２本の端子（基準とピーク値）を有しても実現可能である。これは、以後の説明でも同様である。

電源ユニット１１０の回路部品はプリント基板上に実装され、そのプリント基板は筐体フレーム内に収容される。また、キャビティユニット１５０内の発光素子は冷却板上に実装され、筐体フレーム内に収容される。これらの製造や破損時の修理交換は、電源ユニットおよびキャビティユニット単位で取り扱われる。

電源ユニットにおいてＡＣ入力電圧をＡ、発光素子の順方向電圧をＶｆとすると、キャビティユニットで直列に接続可能な発光素子の数Ｎは、Ａ×2^1/2≧Ｖｆ×Ｎとする必要がある。そのため、キャビティユニットの出力する光パワーを増加させるために発光素子の個数を増加させる場合、端子１５３と１５４間に並列に接続する発光素子列の列数を増加するか、並列数を増加させずに電源ユニットとキャビティユニットの組数を増加するのが一般的であった。なお、筐体フレーム内に収容する電源ユニットとキャビティユニットの個数を増加することも考えられる。

上記の２つの方法は、電源の回路構成および制御方法が単純であるという利点がある。しかし、並列に接続する発光素子列の列数を増加する方法は、接続されたすべての発光素子のうちの１個でも破損すると、発光が全く行えなくなるという問題があり、発光素子破損のリスクが大きいという問題がある。発光が全く行えなくなる理由は、通常発光素子が破損した場合ショート（短絡）状態になるため、電源ユニットに過電流が流れ、レーザ電源装置がアラーム停止するためである。このような状態になると稼働が困難となり、再稼働できる状態になるまでの停止時間（ダウンタイム）が長くなる。

また、電源ユニットとキャビティユニットの組数を増加する方法は、装置のコストが高くなるという問題があった。筐体フレーム内に収容する電源ユニットとキャビティユニットの個数を増加する方法は、フレームは増加しないが、他の部品はすべて増加するため、やはり装置のコストが高くなる、ユニットが大型になり製造や保守単位として取扱いが困難になるという問題があった。

以下に説明する実施形態のレーザ電源装置では、搭載する発光素子の個数を低コストで増加可能で、発光素子の破損の影響を小さくできる。

図１は、本発明の第１実施形態のレーザ電源装置の構成を示す図である。
第１実施形態のレーザ電源装置１は、電源ユニット１０と、発光（キャビティ）ユニット５０と、を有する。電源ユニット１０は、端子１１−１３を含む電圧入力部と、外部の電流指令部４０からの電流指令値の入力端子１４および１５を含む電流指令値入力部と、整流回路２０と、第１サブスイッチングレギュレータ部３０Ａと、第２サブスイッチングレギュレータ部３０Ｂと、端子１６および１７を有する第１ＤＣ出力部と、端子１８および１９を有する第２ＤＣ出力部と、を有する。整流回路２０は、６個のダイオード２１−２６および容量素子２７を有する。２個のダイオード２１および２２、２３および２４、２５および２６は、それぞれ直列に接続されて３列のダイオード列をなし、３列のダイオード列は高電位線と低電位線の間に並列に接続される。各列のダイオードの接続ノードは、端子１１−１３にそれぞれ接続される。容量素子２７は、高電位線と低電位線の間に並列に接続される。このような整流回路２０は、広く知られているので、これ以上の説明は省略する。

第１サブスイッチングレギュレータ部３０Ａおよび第２サブスイッチングレギュレータ部３０Ｂは、図４のスイッチングレギュレータ部３０と同様の構成を有し、整流回路２０の出力に並列に接続されている。第１サブスイッチングレギュレータ部３０Ａの出力は第１ＤＣ出力部の端子１６および１７に接続され、第２サブスイッチングレギュレータ部３０Ｂの出力は第２ＤＣ出力部の端子１８および１９に接続される。第１サブスイッチングレギュレータ部３０Ａの制御回路３５Ａは、電流指令値入力部の端子１４から入力される電流指令値および電流検出回路３４Ａの検出した出力電流値に基づいてスイッチング回路３１Ａのトランジスタの制御信号を生成する。第２サブスイッチングレギュレータ部３０Ｂの制御回路３５Ｂは、電流指令値入力部の端子１５から入力される電流指令値および電流検出回路３４Ｂの検出した出力電流値に基づいてスイッチング回路３１Ｂのトランジスタの制御信号を生成する。スイッチングレギュレータの構成および動作は広く知られているので、詳しい説明は省略する。

キャビティユニット５０は、電源ユニット１０の端子１６および１７にケーブルで接続される端子５３および５４と、電源ユニット１０の端子１８および１９にケーブルで接続される端子５５および５６と、端子５３および５４間に接続された１列の発光素子列５０Ａと、端子５５および５６間に接続された１列の発光素子列５０Ｂと、を有する。この例では、発光素子列５０Ａは直列に接続された２個の発光素子５１Ａおよび５２Ａを有し、発光素子列５０Ｂは、直列に接続された２個の発光素子５１Ｂおよび５２Ｂを有する。ここでは、発光素子列５０Ａおよび５０Ｂを、サブ発光（キャビティ）ユニットと称する場合がある。

図２は、第１実施形態のレーザ電源装置の筐体フレームの構成を示す上面図および正面図であり、分かり易くするために、上面図では上面のフレームを除いて、正面図では正面のフレームを除いた状態で示している。

電源ユニット用筐体フレーム６０は、回路部品が実装されたプリント基板６１と、冷却板６３と、冷却板６３を冷却する冷却機構６４と、を有する。図１の整流回路２０、第１サブスイッチングレギュレータ部３０Ａおよび第２サブスイッチングレギュレータ部３０Ｂを構成する回路部品は、プリント基板６１上に図示のように実装される。整流回路２０、第１サブスイッチングレギュレータ部３０Ａおよび第２サブスイッチングレギュレータ部３０Ｂを構成する回路部品のうち、ダイオードおよびトランジスタ等のパワー素子６２は、その上面が冷却板６３に接触するように配置される。プリント基板６１、冷却板６３および冷却機構６４は、整流回路２０、第１サブスイッチングレギュレータ部３０Ａおよび第２サブスイッチングレギュレータ部３０Ｂで共通である。

電源ユニット用筐体フレーム６０には、出力ＤＣ電流端子６５および６６が設けられ、出力ＤＣ電流端子６５は端子１６および１７にケーブル等で接続され、出力ＤＣ電流端子６６は端子１８および１９にケーブル等で接続される。なお、図では出力ＤＣ電流端子６５および６６は１個の端子として示しているが、それぞれ２個の電極端子を有する。また、６５と６６は４極を有する一つの端子にまとめることも可能である。なお、電源ユニット用筐体フレーム６０は、端子１１−１３に接続される３相ＡＣ電源用の端子、および電流指令値入力部の端子１４および１５に接続される端子を有するが、図示を省略している。

キャビティユニット用筐体フレーム７０は、発光素子が実装された冷却板７３と、冷却板７３を冷却する冷却機構７４と、を有する。図１の発光素子列５０Ａおよび５０Ｂを構成する発光素子は、冷却板７３上に図示のように実装される。発光素子列５０Ａおよび５０Ｂを構成する発光素子５１Ａ、５２Ａ、５１Ｂおよび５２Ｂはパワー素子であり、図２ではパワー素子７２として示される。パワー素子７２は、冷却板７３に実装され、直接冷却される。冷却板７３および冷却機構７４は、発光素子列５０Ａおよび５０Ｂで共通である。

キャビティユニット用筐体フレーム７０には、入力ＤＣ電流端子７５および７６が設けられ、入力ＤＣ電流端子７５は端子５３および５４にケーブル等で接続され、入力ＤＣ電流端子７６は端子５５および５６にケーブル等で接続される。なお、図では入力ＤＣ電流端子７５および７６は１個の端子として示しているが、それぞれ２個の電極端子を有するまた、７５と７６は４極を有する一つの端子にまとめることも可能である。さらに、電源ユニット用筐体フレーム６０の出力ＤＣ電流端子６５および６６は、ケーブル８１および８２により、キャビティユニット用筐体フレーム７０の入力ＤＣ電流端子７５および７６に接続される。

以上の通り、第１実施形態のレーザ電源装置では、整流回路２０は１個で、２つのサブスイッチングレギュレータ部３０Ａおよび３０Ｂが整流回路２０に共通に接続され、２つのサブスイッチングレギュレータ部３０Ａおよび３０Ｂが、キャビティユニット５０の２つの発光素子列５０Ａおよび５０Ｂに供給するＤＣ電流をそれぞれ電流指令値に基づいて制御する。ここでは２つのサブスイッチングレギュレータ部３０Ａおよび３０Ｂを設けた例を説明したが、３つ以上のサブスイッチングレギュレータ部を設け、キャビティユニット５０にも３つ以上の発光素子列を設けてもよく、この場合も整流回路は１個で共通である。

したがって、第１実施形態のレーザ電源装置では、電源ユニット１０は、筐体フレーム６０、整流回路２０、プリント基板６１、および冷却板６３（冷却機構６４）が共通であり、従来例のように単純に電源ユニット数を増加する場合に比べて、装置を安価に構成できる。同様に、キャビティユニット５０についても、筐体フレーム７０、および冷却板７３（冷却機構７４）が共通であり、装置を安価に構成できる。

各サブスイッチングレギュレータ部のＤＣ出力部に接続される発光素子列は、１列のみであり、他の発光素子列の発光素子が破損した場合でも駆動可能である。言い換えれば、キャビティユニット５０内の複数の発光素子列は、互いに独立しており、相互に破損が影響しない。このように、発光素子の破損の際のリスクが低減でき、破損していない発光素子列で発生した光でレーザ発振器を励起して稼働を続行することができる。

さらに、各サブスイッチングレギュレータ部が駆動する発光素子列は１列のみであり、電流指令値に対応する電流を供給するようにフィードバック制御可能であり、各発光素子列に流れる電流を電流指令値により個別に制御できる。それにより、レーザ発振器の低出力における制御性を向上できる。

図３は、本発明の第２実施形態のレーザ電源装置の構成を示す図である。
第２実施形態のレーザ電源装置２は、電源ユニット１０Ｘが、外部の電流指令部４１からの電流指令値の入力端子１４および１５の代わりに入力端子４２および４３を有し、入力端子４２から制御回路３６Ａへの電流指令値の経路にスイッチＳＷＡが設けられ、入力端子４３から制御回路３６Ｂへの電流指令値の経路にスイッチＳＷＢが設けられ、電流指令部４１からスイッチＳＷＡおよびＳＷＢの切り替え信号が入力される端子４４および４５が設けられたことが、第１実施形態のレーザ電源装置１と異なり、他の部分は同じである。

電流指令部４１は、スイッチＳＷＡおよびＳＷＢの切り替え信号に同期して、共通の信号線に電流指令値を時分割で出力する。第１サブスイッチングレギュレータ部３０Ａへ電流指令値を出力する時には、スイッチＳＷＡを接続し、スイッチＳＷＢを遮断する切り替え信号を出力し、その後電流指令値を出力する。これに応じて、第１サブスイッチングレギュレータ部３０Ａの制御回路３６Ａは、電流指令値を受け取り、内部のメモリ（レジスタ）に記憶し、以後この電流指令値および検出した電流値に基づいて制御信号を生成する。第２サブスイッチングレギュレータ部３０Ｂへ電流指令値を出力する時には、スイッチＳＷＡを遮断し、スイッチＳＷＢを接続する切り替え信号を出力し、その後電流指令値を出力する。これに応じて、第２サブスイッチングレギュレータ部３０Ｂの制御回路３６Ｂは、電流指令値を受け取り、内部のメモリ（レジスタ）に記憶し、以後この電流指令値および検出した電流値に基づいて制御信号を生成する。制御回路３６Ａおよび３６Ｂの制御シーケンスは、電流指令値の受け取り処理以外は、第１実施形態の制御回路３５Ａおよび３５Ｂと同じである。

第２実施形態のレーザ電源装置は、第１実施形態と同様の利点を有する。
以上、第１および第２実施形態のレーザ電源装置について説明したが、各種の変形例が可能であるのは言うまでもない。

整流回路２０、第１および第２サブスイッチングレギュレータ部３０Ａおよび３０Ｂの構成は、他の公知の構成を使用してもよい。
さらに、キャビティユニット５０における発光素子列に直列に接続される発光素子数は、第１および第２サブスイッチングレギュレータ部３０Ａおよび３０Ｂの出力するＤＣ電圧により決定されるべきである。

１、２、１００ レーザ電源装置
１０、１０Ｘ 電源ユニット
２０ 整流回路
３０Ａ 第１サブスイッチングレギュレータ部
３０Ｂ 第２サブスイッチングレギュレータ部
３１Ａ、３１Ｂ スイッチング回路
３４Ａ、３４Ｂ 電流検出回路
３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ 制御回路
５０ 発光部（キャビティ）ユニット
５０Ａ、５０Ｂ 発光素子列

Claims (7)

1. ＡＣ電圧が入力される電圧入力部と、前記ＡＣ電圧を整流する整流回路と、複数のサブスイッチングレギュレータ部と、を有する電源ユニット、および
   発光ユニットを備え、
   前記複数のサブスイッチングレギュレータ部は、前記整流回路の出力に並列に接続され、
   前記発光ユニットは、複数のサブ発光ユニットを有し、
   各サブ発光ユニットは、複数個の発光素子を直列に接続した１列の発光素子列を有し、前記複数のサブスイッチングレギュレータ部のそれぞれから前記１列の発光素子列に電流が供給され、
   各サブスイッチングレギュレータ部は、
   スイッチング回路と、平滑回路と、出力電流を検出する電流検出回路と、電流指令値および検出した出力電流に基づいて前記スイッチング回路を制御する制御回路と、を有することを特徴とするレーザ電源装置。
2. 前記電源ユニットの前記電圧入力部、前記整流回路および前記複数のサブスイッチングレギュレータ部は、同一の電源プリント基板上に搭載されている請求項１に記載のレーザ電源装置。
3. 前記電源ユニットは、前記整流回路および前記複数のサブスイッチングレギュレータ部のパワー素子を共通に冷却する電源冷却板を有し、前記電源プリント板および前記電源冷却板は、電源筐体フレームに収容されている請求項２に記載のレーザ電源装置。
4. 前記発光ユニットは、前記複数のサブ発光ユニットの前記発光素子を共通に冷却する発光部冷却板を有し、前記発光部冷却板は、発光部筐体フレームに収容されている請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ電源装置。
5. 前記電源ユニットは、前記複数のサブスイッチングレギュレータ部への前記電流指令値が入力される電流指令値入力部をさらに有する請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ電源装置。
6. 前記電流指令値入力部には、前記複数のサブスイッチングレギュレータ部への前記電流指令値がそれぞれ入力される請求項５に記載のレーザ電源装置。
7. 前記電流指令値入力部には、前記複数のサブスイッチングレギュレータ部への前記電流指令値が、共通の端子を介して時分割で入力される請求項５に記載のレーザ電源装置。

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