JP2017130500A

JP2017130500A - ガスレーザ発振装置

Info

Publication number: JP2017130500A
Application number: JP2016007523A
Authority: JP
Inventors: 智浩持山; Tomohiro Mochiyama; 山下　隆之; Takayuki Yamashita; 隆之山下; 恵太井上; Keita Inoue
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-07-27

Abstract

【課題】従来のガスレーザ発振装置は、整流回路のダイオードが破損する恐れがあった。本開示は、瞬間的な高電圧による整流回路の破損を防止したガスレーザ発振装置を提供する。【解決手段】本開示のガスレーザ発振装置の整流回路は、第１のダイオード群と、第２のダイオード群と、第３のダイオード群と、第４のダイオード群と、を有する。さらに、第１のダイオード群および第２のダイオード群の第１の接続点側のダイオードと、第３のダイオード群および第４のダイオード群の第２の接続点側のダイオードとのそれぞれには、コンデンサが並列に接続されている。【選択図】図２

Description

本開示は、主として板金切断用途に用いられるｋＷクラスの軸流型ガスレーザ発振装置関し、特にレーザ共振器に電力を供給するための整流回路に関するものである。

従来のガスレーザ発振装置９００について、図５を用いて説明する。図５は、従来のガスレーザ発振装置９００を示す概略図である。

図５に示すように、従来のガスレーザ発振装置９００は、商用交流電源９０１と、コンバータ９０２と、インバータ９０３と、トランス９０４と、全波整流回路９０５と、放電管９０６と、抵抗９０７、制御回路９０８とを有する。

商用交流電源９０１は２２０Ｖの交流電圧をコンバータ９０２に供給し、コンバータ９０２は直流電圧をインバータ９０３に供給する。インバータ９０３は、３００Ｖの交流電圧をトランス９０４の１次巻線に供給する。トランス９０４の２次巻線は、昇圧した１５ｋＶの交流電圧を全波整流回路９０５に供給し、全波整流回路９０５は放電管９０６に直流電圧を供給する。これにより、放電管９０６において、レーザ光が発生する。

また、制御回路９０８は、放電管９０６に直列に接続された抵抗９０７の両端の電位差から、放電管９０６に流れる電流を検出し、インバータ９０３を制御することで、放電管９０６に流れる電流を制御する。（例えば、特許文献１参照）
従来のガスレーザ発振装置９００では、トランス９０４により商用交流電源９０１の１００〜４００Ｖの電圧を、放電開始電圧である３０〜６０ｋＶまで昇圧する。一般的に、トランス９０４の大型化を防ぐために、交流電圧はインバータ９０３によって、高周波電圧に変換されるが、昇圧された高周波電圧整流するために、全波整流回路９０５では、複数の低圧用の整流ダイオードが直列接続されていた。

特開平６−４５６７６号公報

しかしながら、従来のガスレーザ発振装置９００では、商用交流電源９０１を使用して高周波交流電圧を発生させるため、インバータ９０３に含まれる半導体スイッチング素子によるスイッチングノイズが生じる。スイッチングノイズにより、トランス９０４を経て、全波整流回路９０５に供給される電圧が瞬間的に高くなり、整流ダイオードが破損する恐れがある。本開示は、インバータのスイッチングノイズなどの不測の瞬間的な高電圧による整流回路の破損を防止したガスレーザ発振装置を提供する。

上記問題点を解決するために、本開示のガスレーザ発振装置は、インバータ回路と、変圧器と、整流回路と、放電管と、を有する。インバータ回路は、電源に接続される。変圧器の１次コイルはインバータ回路と接続される。整流回路は、変圧器の２次コイルと接続される。放電管には、整流回路と接続された正電極および負電極が設けられる。また、整流回路は、第１のダイオード群と、第２のダイオード群と、第３のダイオード群と、第４のダイオード群と、を有する。第１のダイオード群は、２次コイルの一端と接続された第１の接続点から正電極と接続された第３の接続点に向かう方向が順方向となるように直列接続されている。第２のダイオード群は、第１の接続点から負電極と接続された第４の接続点に向かう方向が順方向となるように直列接続されている。第３のダイオード群は、２次コイルの他端と接続された第２の接続点から第３の接続点に向かう方向が順方向となるように直列接続されている。第４のダイオード群は、第２の接続点から第４の接続点に向かう方向が順方向となるように直列接続されている。さらに、第１の接続点側の第１のダイオードおよび第２のダイオードと、第２の接続点側の第３のダイオードおよび第４のダイオードとのそれぞれには、コンデンサが並列に接続されている。

本開示のガスレーザ発振装置によると、不測の瞬間的な高電圧による整流回路の破損を防止できる。

図１は、実施の形態に係る軸流型ガスレーザ発振装置１００の概略構成を示す図である。図２は、実施の形態に係る電源回路１０４の概略構成を示す図である。図３は、実施の形態に係るダイオード破損結果を示すグラフである。図４は、実施の形態に係る、他の電源回路１０４の概略構成を示す図である。図５は、従来のガスレーザ発振装置９００の構成図である。

以下に本開示を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態の軸流型ガスレーザ発振装置１００の概略構成を示す図である。

図１に示すように、軸流型ガスレーザ発振装置１００（ガスレーザ発振装置）は、放電管１０１、電極１０２および電極１０３（正電極および負電極）、電源回路１０４、全反射鏡１０６、部分反射鏡１０７、レーザガス流路１１０、熱交換器１１１、１１２、送風部１１３を有する。なお、図１においては、放電管１０１、電極１０２および電極１０３、電源回路１０４、レーザガス流路１１０のそれぞれは２つずつあり、左右対称に設けられているが、これに限られるものではない。

放電部である放電管１０１は、ガラスなどの誘電体により形成されている。電極１０２と電極１０３とは放電管１０１の周辺に設けられ、電極１０２および電極１０３には電源回路１０４が接続され、電源回路１０４から高電圧が印加される。これにより、電極１０２と電極１０３との間に挟まれた放電管１０１の内部に、放電空間１０５が形成される。全反射鏡１０６と部分反射鏡１０７とは２つの放電空間１０５よりも外側の両端に固定して配置され、光共振器を形成している。放電空間１０５で発振したレーザ光が全反射鏡１０６と部分反射鏡１０７との間で共振し、レーザビーム１０８が、部分反射鏡１０７から外部へ出力される。

軸流型ガスレーザ発振装置１００の中のレーザガス流路１１０では、送風部１１３によって、レーザガス流１０９の方向にレーザ媒質であるレーザガスが循環している。熱交換器１１１および熱交換器１１２は、放電空間１０５における放電と送風部１１３の運転とにより温度上昇したレーザガスの温度を下げる。送風部１１３により、放電空間１０５におけるガス流の速度は、約１００ｍ／秒程度である。

送風部１１３によって循環されるレーザガスは、レーザガス流路１１０を経由して、放電管１０１へ導入される。そしてレーザガスは、電源回路１０４に接続された電極１０２と電極１０３との間に高電圧が印加され、放電空間１０５に放電を発生させる。放電空間１０５内のレーザガスは、放電エネルギーを得て励起され、レーザ光を発振する。発振されたレーザ光は全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７により形成された光共振器において共振状態となり、エネルギーが上昇する。そして、レーザ光のエネルギーが閾値を超えると、部分反射鏡１０７からレーザビーム１０８として外部に出力され、レーザ加工等の用途に用いられる。

次に、図２を用いて、電源回路１０４について、具体的に説明する。図２は、電源回路１０４の概略構成を示す図である。

レーザガスを放電励起させるための高電圧は、商用電源２０１からの１００Ｖ〜４００Ｖの電圧を、電源回路１０４によって１０ｋＶ〜９０ｋＶに昇圧して得られる。電源回路１０４は、インバータ回路２０２と、トランス２０３と、整流回路２０４と、平滑コンデンサ２０５とを有する。

インバータ回路２０２は、４つの半導体スイッチング素子２１１〜２１４を有する。そして、インバータ回路２０２は、半導体スイッチング素子２１１と半導体スイッチング素子２１４をオンにした状態（他はオフ）と、半導体スイッチング素子２１２と半導体スイッチング素子２１３をオンにした状態（他はオフ）とを交互に断続的に繰り返すことで、商用電源２０１からの電圧を高周波の交流電圧に変換する。周波数は３０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ（例えば、３２ｋＨｚ）に変化し、電圧は１００Ｖ〜４００Ｖのままである。

トランス２０３は、同じ軸に巻きつけられ、互いに絶縁された１次コイル２２１と２次コイル２２２とを有する。トランス２０３は、１次コイル２２１の巻き数よりも２次コイル２２２の巻き数が大きいため、インバータ回路２０２からの高周波の交流電圧を昇圧する。周波数は３０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ（例えば３２ｋＨｚ）のままであり、電圧は１０ｋＶ〜９０ｋＶに変化する。

整流回路２０４は、４つの端子２３１〜２３４と、４つのダイオード群２４１〜２４４、４つのコンデンサ２５１〜２５４を有する。端子２３１と端子２３２とは、トランス２０３の２次コイル２２２の両端の片方ずつに接続されている。端子２３３は放電管１０１に設けられた電極１０２に接続され、端子２３４は放電管１０１に設けられた電極１０３に接続されている。

ダイオード群２４１（第１のダイオード群）は、端子２３１（第１の接続点）から端子２３３（第３の接続点）に向かう方向が順方向となるように、複数のダイオードが直接に接続されたものである。ダイオード群２４２（第２のダイオード群）は、端子２３４（第４の接続点）から端子２３２（第２の接続点）に向かう方向が順方向となるように、複数のダイオードが直接に接続されたものである。ダイオード群２４３は、端子２３２から端子２３３に向かう方向が順方向となるように、複数のダイオードが直接に接続されたものである。ダイオード群２４４は、端子２３４から端子２３１に向かう方向が順方向となるように、複数のダイオードが直接に接続されたものである。ダイオード群２４１〜２４４のそれぞれは、例えば、１０個〜２０個のダイオードが直接接続されたものである。また、１つのダイオードの耐圧は８．５ｋＶ以上である。

コンデンサ２５１は、ダイオード群２４１の内、端子２３１に最も近いダイオードに並列に接続されている。コンデンサ２５２は、ダイオード群２４２の内、端子２３２に最も近いダイオードに並列に接続されている。コンデンサ２５３は、ダイオード群２４３の内、端子２３２に最も近いダイオードに並列に接続されている。コンデンサ２５４は、ダイオード群２４４の内、端子２３１に最も近いダイオードに並列に接続されている。

このような構成の整流回路２０４によって、端子２３３と端子２３４とから高電圧が出力される。また、平滑コンデンサ２０５が端子２３３と端子２３４との間に接続されているので、出力される高電圧が平滑化される。そして、端子２３３が放電管１０１の正電極（電極１０２と電極１０３の内の一方）に接続され、端子２３４が放電管１０１の負電極（電極１０２と電極１０３の内の他方）に接続されている。これにより、放電管１０１に高電圧を印加することができる。

次に、整流回路２０４に設けられたコンデンサの効果について、図３を用いて説明する。インバータ回路２０２は、半導体スイッチング素子２１１〜２１４をオン／オフして動作するため、半導体スイッチング素子２１１〜２１４のスイッチングノイズの影響がトランス２０３を介して整流回路２０４まで及ぶ。トランス２０３で昇圧されているため、スイッチングノイズの影響も大きくなり、想定以上の高電圧が整流回路２０４に印加されることがある。これにより、昇圧されたスイッチングノイズによって、ダイオード群２４１〜２４４を構成するダイオードの一部が破損する恐れがあり、特に、端子２３１および端子２３２に近いダイオードが破損する恐れがある。

本開示では、端子２３１および端子２３２に最も近い４つのダイオードにコンデンサ２５１〜２５４をそれぞれ並列に接続し、スイッチングノイズによって瞬間的かかる高電圧を、コンデンサによって緩和することができる。図３は、コンデンサ２５１〜２５４の容量に対する破損の有無に関するグラフである。図３に示すように、容量が２ｐＦや４ｐＦのコンデンサは、スイッチングノイズによる瞬間的な高電圧を十分に吸収できず、ダイオードが破損することが分かる。そして、容量が１０ｐＦ以上のコンデンサは、スイッチングノイズによる瞬間的な高電圧を十分に吸収し、ダイオードの破損を防止できることが分かる。

なお、本実施の形態では、インバータ回路２０２の半導体スイッチング素子２１１〜２１４によるスイッチングノイズを課題としたが、インバータ回路以外のノイズによる瞬間的な高電圧に対しても本開示は有効である。

また、本実施の形態では、ダイオード群２４１〜２４４のそれぞれのダイオードの耐圧を８．５ｋＶ以上、数を１０個〜２０個とした。しかし、これに限らず、電源回路１０４の能力に応じて、ダイオードの耐圧を数百Ｖ〜数十ｋＶとしても構わないし、ダイオードの数を２個〜数十個としても構わない。

また、本実施の形態では、図２に示すように、端子２３１および端子２３２に最も近い４つのダイオードにコンデンサ２５１〜２５４をそれぞれ並列に接続した。しかし、最も近いダイオードのみに限らず、図４に示すように、端子２３１および端子２３２に近い複数のダイオードのそれぞれにコンデンサ群２６１〜２６４を並列に接続しても構わない。コンデンサ群２６１〜２６４のそれぞれのコンデンサの数は、対応するダイオード群２４１〜２４４のそれぞれのダイオードの数より少なければ、いくつでも構わない。しかし、コンデンサの数が少なすぎるとダイオードが破損を十分に防止できないことがあるため、ダイオードの破損を防止できる数が好ましく、例えば、図４に示すように、２つずつ設けることがより好ましい。

また、ダイオード群２４１〜２４４のそれぞれの数は、同じ数に限らず、例えば、ダイオード群２４１とダイオード群２４２を同数とし、ダイオード群２４３とダイオード群２４４をそれ以下の同数としても構わない。また、ダイオード群２４１〜２４４のそれぞれに含まれるダイオードの数が異なっていても良い。また、コンデンサ群２６１〜２６４のそれぞれの数は、同じ数に限らず、例えば、コンデンサ群２６１とコンデンサ群２６２を同数とし、コンデンサ群２６３とコンデンサ群２６４をそれ以下の同数としても構わない。また、コンデンサ群２６１〜２６４のそれぞれに含まれるコンデンサの数が異なっていても良い。

以上のように、本開示のレーザ発振装置は、整流回路のダイオードにコンデンサを並列接続することで、想定外に瞬間的な高電圧が整流回路に入力された場合でも、整流回路のコンデンサを破損することを防止できる。

本開示のガスレーザ発振装置は、不測の瞬間的な高電圧による整流回路の破損を防止でき、産業上有用である。

１００軸流型ガスレーザ発振装置
１０１放電管
１０２、１０３電極
１０４電源回路
１０５放電空間
１０６全反射鏡
１０７部分反射鏡
１０８レーザビーム
１０９レーザガス流
１１０レーザガス流路
１１１，１１２熱交換器
１１３送風部
２０１商用電源
２０２インバータ回路
２０３トランス
２０４整流回路
２０５平滑コンデンサ
２１１、２１２、２１３、２１４半導体スイッチング素子
２２１１次コイル
２２２２次コイル
２３１、２３２、２３３、２３４端子
２４１、２４２、２４３、２４４ダイオード群
２５１、２５２、２５３、２５４コンデンサ
２６１、２６２、２６３、２６４コンデンサ群
９００ガスレーザ発振装置
９０１商用交流電源
９０２コンバータ
９０３インバータ
９０４トランス
９０５全波整流回路
９０６放電管
９０７抵抗
９０８制御回路

Claims

電源に接続されたインバータ回路と、
１次コイルが前記インバータ回路と接続された変圧器と、
前記変圧器の２次コイルと接続された整流回路と、
前記整流回路と接続された正電極および負電極が設けられた放電管と、を備え、
前記整流回路は、
前記２次コイルの一端と接続された第１の接続点から前記正電極と接続された第３の接続点に向かう方向が順方向となるように複数のダイオードが直列接続された第１のダイオード群と、
前記第１の接続点から前記負電極と接続された第４の接続点に向かう方向が順方向となるように複数のダイオードが直列接続された第２のダイオード群と、
前記２次コイルの他端と接続された第２の接続点から前記第３の接続点に向かう方向が順方向となるように複数のダイオードが直列接続された第３のダイオード群と、
前記第２の接続点から前記第４の接続点に向かう方向が順方向となるように複数のダイオードが直列接続された第４のダイオード群と、を有し、
前記第１のダイオード群および前記第２のダイオード群の前記第１の接続点側のダイオードと、前記第３のダイオード群および前記第４のダイオード群の前記第２の接続点側のダイオードとのそれぞれには、コンデンサが並列に接続されているガスレーザ発振装置。
前記コンデンサは耐圧が８．５ｋＶ以上であり、静電容量が１０ｐＦ以上である請求項１に記載のガスレーザ発振装置。
前記第１のダイオード群および前記第２のダイオード群の前記第１の接続点側のダイオードと、前記第３のダイオード群および前記第４のダイオード群の前記第２の接続点側のダイオードとのそれぞれには、前記コンデンサが複数接続されている請求項１または２に記載のガスレーザ発振装置。