JP2024019836A - レーザ駆動電源 - Google Patents

Abstract

【課題】構成部品の特性ばらつきや特性劣化等が生じた場合にも、出力電流が設定値となるように制御可能なレーザ駆動電源を提供する。【解決手段】レーザ駆動電源ＬＤＰＳは、電力変換器ＰＣＣと制御装置ＣＭとを備える。電力変換器ＰＣＣは、入力電力を変換し、半導体レーザ発振器ＬＤに所定の出力電流ｉｏを供給する。制御装置ＣＭは、第１の制御部ＯＣＣと第２の制御部ＣＦＣとを有している。第２の制御部ＣＦＣは、基準応答時間Ｔｓに基づいて、出力電流ｉｏの変動低減信号ＩＫを生成し、第１の制御部ＯＣＣに供給する。第１の制御部ＯＣＣは、変動低減信号ＩＫと出力電流検出値ｉｃｔと出力電流指令信号ＩＳと制御ゲインＣｇとに基づいて、出力電流制御信号ＯＣＳを生成し、電力変換器ＰＣＣに供給する。【選択図】図１

Description

本開示は、レーザ加工機等で用いられる半導体レーザ発振器に電流を供給するレーザ駆動電源に関する。

近年、金属加工分野での高速・高品質化の要求が高まっている。この要求を満たすため、ファイバーレーザやダイレクトダイオードレーザといった半導体レーザ発振器を搭載した加工機の導入が進んでいる。なお、本願明細書における半導体レーザ発振器は、レーザダイオードから出射されたレーザ光を直接、またはレーザダイオードから出射された複数のレーザ光を結合して、出力用のレーザ光とするレーザ発振器を含む。また、当該半導体レーザ発振器は、レーザダイオードから出射されたレーザ光をさらに光増幅器等で増幅して出力用のレーザ光とするタイプのレーザ発振器も含む。ファイバーレーザ等がこれに含まれる。

このような半導体レーザ発振器を駆動するためのレーザ駆動電源において、出力電流応答がレーザ光の出力応答に直接対応している。したがって、レーザ駆動電源の出力電流応答を安定化させる技術が、種々提案されている。

例えば、特許文献１には、入力電圧の変動によって出力電流の変動を解消するレーザ駆動電源が開示されている。出力電流の応答性に対して、出力電流の制御目標である出力電流指令信号の変化が速い場合、電流検出値、出力電流指令信号及び制御ゲインの、少なくともいずれか一つの信号を、入力電圧の変動による出力電流の応答性の変動を低減するように調整して調整器信号を生成し、調整器信号を出力するとともに、調整器信号の生成に利用されなかった信号と調整器信号とを用いて、レーザ駆動電源の出力電流を制御している。

国際公開第２０１８／１８６０８２号

しかし、特許文献１に開示される従来のレーザ駆動電源では、電源の構成部品の特性ばらつきや特性劣化、また、電源に接続される負荷の構成や仕様の変動、また、電源駆動条件の変動等は考慮されていなかった。これらの変動は、出力電流、ひいては、レーザ光の出力変動につながる。半導体レーザ発振器がレーザ加工機の光源として用いられた場合、レーザ光の出力変動は、加工寸法等のばらつきや加工精度の低下を引き起こすおそれがある。

本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、構成部品の特性ばらつきや特性劣化等が生じた場合にも、出力電流が設定値となるように制御可能なレーザ駆動電源を提供することにある。

上記目的を達成するため、本開示に係るレーザ駆動電源は、半導体レーザ発振器を駆動するレーザ駆動電源であって、外部から入力された交流電力を変換し、前記半導体レーザ発振器に所定の出力電流を供給する電力変換器と、前記出力電流を制御する制御装置と、を少なくとも備え、前記電力変換器は、前記出力電流を検出する出力電流検出回路を少なくとも有し、前記制御装置は、前記出力電流を制御するための出力電流制御信号を前記電力変換器に供給する第１の制御部と、前記出力電流の時間応答の変動を低減するための変動低減信号を前記第１の制御部に供給する第２の制御部と、を少なくとも有し、前記第２の制御部は、予め設定された基準応答時間に基づいて、前記変動低減信号を生成し、前記第１の制御部は、前記変動低減信号と、前記出力電流の電流値である出力電流検出値と、前記出力電流の制御目標値である出力電流指令信号と、前記出力電流検出値と前記出力電流指令信号との差分に対して制御する操作量の演算に用いる制御ゲインとに基づいて、前記出力電流制御信号を生成することを特徴とする。

本開示によれば、レーザ駆動電源の各構成部品やレーザ駆動電源に接続される負荷の特性にばらつきがある場合や当該構成部品や負荷に特性劣化が生じた場合にも、設定値となるように、半導体レーザ発振器に供給される出力電流を制御できる。このことにより、半導体レーザ発振器から所望のレーザ光を出力させることができる。

実施形態に係るレーザ駆動電源の機能ブロック図である。 電力変換器の具体的な内部構成を示す図１相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態）
［レーザ駆動電源の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ駆動電源の機能ブロック図であり、図２は、電力変換器の具体的な内部構成を示す図１相当図である。

図１，２に示すように、レーザ駆動電源ＬＤＰＳは、半導体レーザ発振器ＬＤに接続され、レーザ光を発生させるための電流（以下、出力電流ｉｏ）を半導体レーザ発振器ＬＤに供給する。レーザ駆動電源ＬＤＰＳは定電流電源であり、出力電流ｉｏは定電流である。ただし、所望のレーザ光の出力を得るために、レーザ駆動電源ＬＤＰＳが、周期的に変化するように出力電流ｉｏを制御する場合がある。また、出力電流ｉｏの値をステップ状に変化させる場合、実際の出力電流ｉｏは、レーザ駆動電源ＬＤＰＳの内部構成、または、レーザ駆動電源ＬＤＰＳに接続される負荷に応じた所定の遷移時間の経過後に所望の値に変化する。なお、本願明細書において、半導体レーザ発振器ＬＤ及びこれを構成する各部品を含めて負荷と呼ぶ。

レーザ駆動電源ＬＤＰＳは、電力変換器ＰＣＣと制御装置ＣＭとを備えている。また、電力変換器ＰＣＣは、一次整流回路ＤＲ１とインバータユニットＩＵと電力変換トランスＭＴｒと二次整流回路ＤＲ２とドライブ回路ＤｒＣと出力電流検出回路ＣＴとを有している。

図１，２に示すように、一次整流回路ＤＲ１は、外部の交流電源から入力された入力電圧（本実施形態では三相交流電圧）Ｖｉｎを整流し、直流電圧である整流電圧ＶＤＲに変換する。

インバータユニットＩＵは、公知のインバータ回路であり、図２に示す例では、インバータユニットＩＵは、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２とを有する第１回路部と、第３のスイッチング素子Ｑ３と第４のスイッチング素子Ｑ４とを有する第２回路部とを有している。第１回路部は、第２回路部に並列接続されている。第１のスイッチング素子Ｑ１は第２のスイッチング素子Ｑ２に直列接続されている。第３のスイッチング素子Ｑ３は第４のスイッチング素子Ｑ４に直列接続されている。インバータユニットＩＵに含まれる各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の半導体スイッチである。

インバータユニットＩＵは、各スイッチング素子のオンオフを適宜制御することにより、整流電圧ＶＤＲを交流電圧に変換する。なお、インバータユニットＩＵに含まれるスイッチング素子の個数は、適宜変更されうる。例えば、第１回路部及び第２回路部のそれぞれに、３個のスイッチング素子が配置されていてもよい。

電力変換トランスＭＴｒは一次側コイルに入力された交流電圧を変換して、二次側コイルから二次電流を出力する。なお、電力変換トランスＭＴｒの二次側コイルは中間タップを有する。

二次整流回路ＤＲ２は、第１のダイオードＤ１のカソードと第２のダイオードＤ２のカソードとを接続してなる回路であり、電力変換トランスＭＴｒの二次側の交流電流を直流電流である出力電流ｉｏに変換する。電力変換トランスＭＴｒの二次側コイルの一端に第１のダイオードＤ１のアノードが接続され、二次側コイルの他端に第２のダイオードＤ２のアノードが接続される。第１のダイオードＤ１と第２のダイオードＤ２の各カソードが半導体レーザ発振器ＬＤの＋（プラス）端子に接続される。

電力変換トランスＭＴｒの中間タップと直流リアクトルＤＣＬの一端が接続され、直流リアクトルＤＣＬの他端と半導体レーザ発振器ＬＤの－（マイナス）端子が接続される。直流リアクトルＤＣＬは出力電流ｉｏを平滑し、平滑後の出力電流ｉｏが半導体レーザ発振器ＬＤに供給される。

出力電流検出回路ＣＴは、半導体レーザ発振器ＬＤの－（マイナス）端子と直流リアクトルＤＣＬとを接続する配線の途中に設置され、出力電流ｉｏの電流値を検出し、出力電流検出値ｉｃｔとして制御装置ＣＭに出力する。

ドライブ回路ＤｒＣは、制御装置ＣＭの第１の制御部ＯＣＣから供給された出力電流制御信号ＯＣＳに基づいて、第１～第４のドライブ信号ＤＳ１～ＤＳ４をそれぞれ生成する。第１のドライブ信号ＤＳ１は第１のスイッチング素子Ｑ１の駆動信号であり、第２のドライブ信号ＤＳ２は第２のスイッチング素子Ｑ２の駆動信号である。第３のドライブ信号ＤＳ３は第３のスイッチング素子Ｑ３の駆動信号であり、第４のドライブ信号ＤＳ４は第４のスイッチング素子Ｑ４の駆動信号である。ドライブ回路ＤｒＣから供給された第１～第４のドライブ信号ＤＳ１～ＤＳ４によりインバータユニットＩＵの第１～第４のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のオンオフが適宜制御される。このことにより、出力電流ｉｏの電流値や時間変化等が制御される。

制御装置ＣＭは、第１の制御部ＯＣＣと第２の制御部ＣＦＣとを有している。制御装置ＣＭは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＭＣＵ（Micro Controller Unit）あるいはこれらの組み合わせで構成される。なお、複数個のＣＰＵまたはＭＣＵあるいはこれらの組み合わせで制御装置ＣＭが構成されてもよい。

第１の制御部ＯＣＣ及び第２の制御部ＣＦＣは、制御装置ＣＭを構成するＣＰＵまたはＭＣＵの機能ブロックとして構成される。この場合、当該ＣＰＵまたはＭＣＵ上で所定のソフトウェアを実行することで、第１の制御部ＯＣＣ及び第２の制御部ＣＦＣのそれぞれの機能が実現される。

なお、第１の制御部ＯＣＣ及び第２の制御部ＣＦＣが、それぞれ、個別のＣＰＵまたはＭＣＵで構成されてもよい。

第２の制御部ＣＦＣは、予め設定された基準応答時間Ｔｓに基づいて、変動低減信号ＩＫを生成し、第１の制御部ＯＣＣに供給する。

本構成では、インバータユニットＩＵの導通率の変化量Ｖａと出力電流ｉｏの変化量には相関性がある。変動低減信号ＩＫは、基準応答時間Ｔｓに対する実応答時間Ｔａの差分に応じて、導通率の変化量Ｖａを変化させる信号である。

なお、導通率とは、インバータユニットＩＵのスイッチングの繰返し周期（秒／スイッチング回数）に対する、整流電圧ＶＤＲが電力変換トランスＭＴｒに印加される期間の割合のことを言い、０（％）～１００（％）の範囲を取りうる。

なお、具体的には、導通率の変化量Ｖａは、式（１）に示すように制御される。

Ｖａ＝（ＩＳ－ｉｃｔ）×ＩＫ×Ｃｇ ・・・（１）
ここで、出力電流指令信号ＩＳは、外部の図示しないコントローラ等から入力されるか、または、制御装置ＣＭの内部で生成された出力電流ｉｏの設定値信号であり、出力電流ｉｏの制御目標を示す信号である。なお、出力電流ｉｏの設定値は、半導体レーザ発振器ＬＤから出射されるレーザ光の出力に応じて、作業者によって適宜調整される。

制御ゲインＣｇは、出力電流指令信号ＩＳと出力電流検出値ｉｃｔとの差分に対して制御する操作量の演算に用いるパラメータである。制御ゲインＣｇは、例えば、制御装置ＣＭに設けられた記憶部（図示せず）か、または、前述のＣＰＵまたはＭＣＵの内部メモリに保存されている。レーザ駆動電源ＬＤＰＳの運転プログラムが制御装置ＣＭで実行される際、記憶部または内部メモリから制御ゲインＣｇが読み出されて、運転プログラムが実行される。あるいは、制御ゲインＣｇが、当該運転プログラムに予め書き込まれていてもよい。

また、制御ゲインＣｇは、抵抗やコンデンサやオペアンプ等の電子部品が組み込まれた電気回路で実現してもよい。

実応答時間Ｔａが基準応答時間Ｔｓよりも大きい場合、つまり、基準応答時間Ｔｓの間に、出力電流ｉｏが、設定値に到達していない場合は、変動低減信号ＩＫをＩＫ＞１とする。このようにすることで、導通率の変化量Ｖａを高められる。

一方、実応答時間Ｔａが基準応答時間Ｔｓよりも小さい場合、つまり、基準応答時間Ｔｓよりも短い期間で、出力電流ｉｏが設定値に到達してしまっている場合は、変動低減信号ＩＫをＩＫ＜１とする。このようにすることで、導通率の変化量Ｖａを低下させられる。

このように、実応答時間Ｔａと基準応答時間Ｔｓとの差分に基づいて、変動低減信号ＩＫが算出される。

第１の制御部ＯＣＣは、出力電流指令信号ＩＳと出力電流検出値ｉｃｔと変動低減信号ＩＫと制御ゲインＣｇとに基づいて、出力電流制御信号ＯＣＳを生成する。

第２の制御部ＣＦＣは、出力電流検出回路ＣＴで検出された出力電流検出値ｉｃｔの時間変化に基づいて、実応答時間Ｔａを算出する。

第１の制御部ＯＣＣは、第１の制御部ＯＣＣに入力された値を用いて、実応答時間Ｔａと前述の基準応答時間Ｔｓとの差分が所定値以下になるように、出力電流制御信号ＯＣＳを生成する。

この場合、導通率の変化量Ｖａは、式（２）または式（３）で表され、さらにＶａに対してＰＩＤ制御等で用いられる公知の微分処理や積分処理や比例処理等を行った結果に基づいて、出力電流制御信号ＯＣＳが生成される。

Ｖａ＝（ＩＳ－ｉｃｔ）×Ｃｇ×（１＋（Ｔａ－Ｔｓ）） ・・・（２）
Ｖａ＝（ＩＳ－ｉｃｔ）×Ｃｇ×（Ｔａ／Ｔｓ） ・・・（３）
式（２）において、右辺に（Ｔａ－Ｔｓ）を、また、式（３）において、右辺に（Ｔａ／Ｔｓ）をそれぞれ設けることにより、実応答時間Ｔａと基準応答時間Ｔｓとの差分を減少させる速度を、実応答時間Ｔａと基準応答時間Ｔｓとの大小関係に応じて変化させることができる。

例えば、実応答時間Ｔａが基準応答時間Ｔｓよりも大きい場合、式（２）、（３）ともに、導通率の変化量Ｖａは大きくなる。つまり、実際の出力電流ｉｏの時間応答が設定よりも遅くなっているため、Ｖａを大きくして、出力電流ｉｏの時間応答を早めるように出力電流制御信号ＯＣＳが生成される。

一方、実応答時間Ｔａが基準応答時間Ｔｓよりも小さい場合、式（２）、（３）ともに、導通率の変化量Ｖａは小さくなる。つまり、実際の出力電流ｉｏの時間応答が設定よりも早くなっているため、Ｖａを小さくして、出力電流ｉｏの時間応答を遅らせるように出力電流制御信号ＯＣＳが生成される。

ここで、基準応答時間Ｔｓに対して実応答時間Ｔａが変動する要因について考えてみると、まず、レーザ駆動電源ＬＤＰＳを構成する部品、特に電力変換器ＰＣＣの各構成部品や素子の特性ばらつきが要因として挙げられる。例えば、直流リアクトルＤＣＬのリアクタンス値が大きいと、出力電流ｉｏの時間応答が遅くなり、リアクタンス値が小さいと、出力電流ｉｏの時間応答が早くなる。つまり、直流リアクトルＤＣＬのリアクタンス値がばらつくと、基準応答時間Ｔｓに対して実応答時間Ｔａが変動してしまい、出力電流ｉｏの時間応答にばらつきが生じる。

なお、電力変換器ＰＣＣの各構成部品や素子の特性ばらつきにより、インバータユニットＩＵで発生する交流電圧のピーク値がばらつく場合もある。その場合、出力電流ｉｏの時間応答にばらつきが生じる。

また、レーザ駆動電源ＬＤＰＳに接続される負荷の特性ばらつきも、基準応答時間Ｔｓに対して実応答時間Ｔａが変動する要因となる。例えば、レーザダイオードの特性がばらつくと、基準応答時間Ｔｓに対して実応答時間Ｔａが変動してしまい、出力電流ｉｏの時間応答にばらつきが生じる。

特に、半導体レーザ発振器ＬＤから高出力のレーザ光を出力する場合、それぞれレーザ光を出射するエミッタを複数備えたレーザダイオードバーを複数個用いる場合が多い。個々のエミッタの入出力特性にばらつきが生じやすいため、レーザダイオードバー間での特性ばらつきが発生しやすくなる。

また、長期使用により、レーザ駆動電源ＬＤＰＳの構成部品やレーザ駆動電源ＬＤＰＳに接続される負荷に特性劣化が生じた場合も同様に、基準応答時間Ｔｓに対して実応答時間Ｔａが変動してしまい、出力電流ｉｏの時間応答にばらつきが生じる。

さらに、レーザ光の出力の変更に伴い、レーザ駆動電源ＬＤＰＳに接続される負荷の構成を変更する場合、当初設定した基準応答時間Ｔｓに対して実応答時間Ｔａは変動する。その結果、出力電流ｉｏの時間応答が変動する。なお、負荷の構成変更とは、例えば、半導体レーザ発振器ＬＤに含まれるレーザダイオードやレーザダイオードバーの個数変更、あるいはレーザダイオードバーに搭載されるエミッタの個数変更を言う。

また、レーザ光の出力の変更に伴い、レーザ駆動電源ＬＤＰＳの駆動条件を変更する場合も、当初設定した基準応答時間Ｔｓに対して実応答時間Ｔａは変動する。例えば、入力電圧Ｖｉｎを変更する場合や出力電流ｉｏの指令値を変更する場合が該当する。その結果、出力電流ｉｏの時間応答が変動する。

一方、本実施形態によれば、第２の制御部ＣＦＣが、出力電流検出回路ＣＴで検出される出力電流検出値ｉｃｔの時間変化に基づいて、実応答時間Ｔａを算出する。また、第２の制御部ＣＦＣは、基準応答時間Ｔｓの値を含む変動低減信号ＩＫを生成し、第１の制御部ＯＣＣに供給する。

第１の制御部ＯＣＣは、レーザ駆動電源ＬＤＰＳの入出力変動またはレーザ駆動電源ＬＤＰＳに接続される負荷の変動に応じて、基準応答時間Ｔｓと実応答時間Ｔａとの差分を減少させるため、出力電流ｉｏの時間応答速度を変化させるように、出力電流制御信号ＯＣＳを生成する。さらに、第１の制御部ＯＣＣは、生成された出力電流制御信号ＯＣＳを電力変換器ＰＣＣのドライブ回路ＤｒＣに供給して、出力電流ｉｏを制御する。このようにすることで、レーザ駆動電源ＬＤＰＳの入出力変動またはレーザ駆動電源ＬＤＰＳに接続される負荷の変動に応じて、適切に、基準応答時間Ｔｓと実応答時間Ｔａとの差分を減少させ、出力電流ｉｏの時間応答速度を変化させることができる。

［レーザ駆動電源の出力応答制御方法］
前述したように、レーザ駆動電源ＬＤＰＳの構成部品の特性等のばらつきや、レーザ駆動電源に接続される負荷の特性ばらつきや負荷の構成変更等に応じて、レーザ駆動電源ＬＤＰＳの出力電流ｉｏは変動する。本実施形態に示すレーザ駆動電源ＬＤＰＳでは、当該変動を低減させて、出力電流ｉｏが設定値となるように制御する。

このように、出力電流ｉｏの変動を低減させるタイミングは、レーザ光の出力に求められる仕様等に応じて適宜変更されうる。例えば、所定の標準条件でレーザ駆動電源ＬＤＰＳを駆動し、出力電流検出回路ＣＴで検出された出力電流検出値ｉｃｔと設定値である出力電流指令信号ＩＳとの差を時間応答も含めて評価する。その後、前述の手順で、変動低減信号ＩＫを生成し、さらに、基準応答時間Ｔｓと実応答時間Ｔａとの差分または比に基づいて、出力電流制御信号ＯＣＳを調整する。

予め設定された期間、例えば、レーザ駆動電源ＬＤＰＳのメンテナンス機関や定期点検期間が経過するまで、出力電流制御信号ＯＣＳの生成に関するパラメータを保持する。つまり、予め設定された期間が経過するまで、出力電流ｉｏの制御パラメータが保持される。

一方、半導体レーザ発振器ＬＤで高出力のレーザ光を発生させる場合、レーザ光を出力している間に、半導体レーザ発振器ＬＤの各構成部品の温度が上昇する。また、出力電流ｉｏも大きくなるため、電力変換器ＰＣＣの各構成部品の温度も上昇する。

このように、レーザ駆動電源ＬＤＰＳの構成部品の温度が上昇すると、それぞれも部品の特性も変動する。この特性変動による出力電流ｉｏの変動が無視できない場合は、出力電流ｉｏの制御パラメータの保持期間を短くしてもよい。

半導体レーザ発振器ＬＤがレーザ加工機のレーザ光源として使用される場合、例えば、１ロット処理毎に、実応答時間Ｔａを算出し直して、出力電流ｉｏの制御パラメータを変更してもよい。あるいは、１回の溶接単位、例えば、１つの溶接ビードを形成する毎に、実応答時間Ｔａを算出し直して、出力電流ｉｏの制御パラメータを変更してもよい。

また、レーザ光がパルス状に出力される場合、レーザ光のパルスが１回出射される毎に、実応答時間Ｔａを算出し直して、出力電流ｉｏの制御パラメータを変更してもよい。

このように、レーザ光の出力に求められる仕様等に応じて、実応答時間Ｔａを算出し直して、出力電流ｉｏの制御パラメータを変更するタイミングを切り替えることで、例えば、レーザ加工の加工品質の低下を抑制でき、高い品質のレーザ加工品を得ることができる。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ駆動電源ＬＤＰＳは、半導体レーザ発振器ＬＤを駆動する。レーザ駆動電源ＬＤＰＳは、電力変換器ＰＣＣと制御装置ＣＭとを少なくとも備える。

電力変換器ＰＣＣは、外部から入力された交流電力を変換し、半導体レーザ発振器ＬＤに所定の出力電流ｉｏを供給する。制御装置ＣＭは、出力電流ｉｏを制御する。

電力変換器ＰＣＣは、出力電流ｉｏを検出する出力電流検出回路ＣＴを少なくとも有している。

制御装置ＣＭは、第１の制御部ＯＣＣと第２の制御部ＣＦＣとを少なくとも有している。第１の制御部ＯＣＣは、出力電流ｉｏを制御するための出力電流制御信号ＯＣＳを電力変換器ＰＣＣに供給する。

第２の制御部ＣＦＣは、出力電流ｉｏの時間応答の変動を低減するための変動低減信号ＩＫを第１の制御部ＯＣＣに供給する。第２の制御部ＣＦＣは、予め設定された基準応答時間Ｔｓに基づいて、変動低減信号ＩＫを生成する。

第１の制御部ＯＣＣは、変動低減信号ＩＫと、出力電流検出値ｉｃｔと、出力電流ｉｏの制御目標値である出力電流指令信号ＩＳと、出力電流検出値ｉｃｔと出力電流指令信号ＩＳとの差分に対して制御する操作量の演算に用いる制御ゲインＣｇとに基づいて、出力電流制御信号ＯＣＳを生成する。

本実施形態によれば、レーザ駆動電源ＬＤＰＳの各構成部品やレーザ駆動電源ＬＤＰＳに接続される負荷の特性にばらつきがある場合や当該構成部品や負荷に特性劣化が生じた場合にも、設定値との差が少なくなるように、出力電流ｉｏを制御できる。

また、本実施形態によれば、負荷の構成が変更された場合も、レーザ駆動電源ＬＤＰＳにおいて、特段の調整を行うこと無く、出力電流ｉｏが設定値となるように制御できる。さらに、本実施形態によれば、レーザ駆動電源ＬＤＰＳの駆動条件、例えば、入力電圧Ｖｉｎ等が変動した場合も、その影響を低減して、出力電流ｉｏを制御できる。

これらのことにより、半導体レーザ発振器ＬＤから、時間応答も含めて所望のレーザ光を出力させることができる。

第１の制御部ＯＣＣは、出力電流検出値ｉｃｔの時間変化に基づいて出力電流ｉｏの実応答時間Ｔａを算出する。さらに、第１の制御部ＯＣＣは、レーザ駆動電源ＬＤＰＳの入出力変動またはレーザ駆動電源ＬＤＰＳに接続される負荷の変動に応じて、基準応答時間Ｔｓと実応答時間Ｔａとの差分を減少させるため、出力電流ｉｏの時間応答速度を変化させるように、出力電流ｉｏを制御する。

具体的には、第１の制御部ＯＣＣは、基準応答時間Ｔｓと実応答時間Ｔａとの差分、または、基準応答時間Ｔｓと実応答時間Ｔａとの比に基づいて、出力電流制御信号ＯＣＳを生成する。生成された出力電流制御信号ＯＣＳに基づいて、電力変換器ＰＣＣの出力電流ｉｏが制御される。

第１の制御部ＯＣＣをこのように構成することで、設定値との差が時間応答を含めて少なくなるように、出力電流ｉｏを制御でき、ひいては、半導体レーザ発振器ＬＤから、時間応答も含めて所望のレーザ光を出力させることができる。

電力変換器ＰＣＣは、一次整流回路ＤＲ１とインバータユニットＩＵと電力変換トランスＭＴｒと二次整流回路ＤＲ２とドライブ回路ＤｒＣとをさらに有している。

一次整流回路ＤＲ１は、外部から入力された交流電圧、つまり、入力電圧Ｖｉｎを整流し、直流電圧である整流電圧ＶＤＲに変換する。インバータユニットＩＵは、整流電圧ＶＤＲを交流電圧に変換する。電力変換トランスＭＴｒは、交流電圧を電力変換して二次電流を生成する。二次整流回路ＤＲ２は、二次電流を整流し、半導体レーザ発振器ＬＤに供給される出力電流ｉｏに変換する。ドライブ回路ＤｒＣは、インバータユニットＩＵを構成する半導体スイッチである第１～第４のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４を駆動する第１～第４のドライブ信号ＤＳ１～ＤＳ４を出力する。

第１の制御部ＯＣＣは、ドライブ回路ＤｒＣに出力電流制御信号ＯＣＳを供給する。ドライブ回路ＤｒＣは、供給された出力電流制御信号ＯＣＳに基づいて、第１～第４のドライブ信号ＤＳ１～ＤＳ４を第１～第４のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４に供給することで、出力電流ｉｏを制御する。

電力変換器ＰＣＣをこのように構成することで、出力電流ｉｏの電流値を所望の値に設定して、半導体レーザ発振器ＬＤの供給することができる。また、入力電圧Ｖｉｎが固定周波数の商用電源から入力されるような場合も、出力電流ｉｏの周波数や立ち上がり、立下り速度等を設定値となるように制御できる。

また、本実施形態のレーザ駆動電源ＬＤＰＳに接続される半導体レーザ発振器ＬＤによれば、レーザ駆動電源ＬＤＰＳや半導体レーザ発振器ＬＤの各構成部品の特性にばらつきがある場合や当該構成部品や負荷に特性劣化が生じた場合にも、設定値との差が時間応答を含めて少なくなるように、レーザ光の出力を制御できる。

また、当該半導体レーザ発振器ＬＤによれば、負荷の構成、例えば、レーザダイオードバーの個数が変更された場合も、レーザ駆動電源ＬＤＰＳにおいて、特段の調整を行うこと無く、レーザ光の出力が時間応答を含めて設定値となるように制御できる。さらに、レーザ駆動電源ＬＤＰＳの駆動条件、例えば、入力電圧Ｖｉｎ等が変動した場合も、その影響を低減して、レーザ光の出力を制御できる。

また、本実施形態のレーザ駆動電源ＬＤＰＳと半導体レーザ発振器ＬＤとを備えたレーザ加工機によれば、レーザ駆動電源ＬＤＰＳや半導体レーザ発振器ＬＤの各構成部品の特性にばらつきがある場合や当該構成部品や負荷に特性劣化が生じた場合にも、設定値との差が時間応答を含めて少なくなるように、レーザ光の出力を制御できる。

また、当該レーザ加工機によれば、負荷の構成、例えば、レーザダイオードバーの個数が変更された場合も、レーザ駆動電源ＬＤＰＳにおいて、特段の調整を行うこと無く、レーザ光の出力が時間応答を含めて設定値となるように制御できる。さらに、レーザ駆動電源ＬＤＰＳの駆動条件、例えば、入力電圧Ｖｉｎ等が変動した場合も、その影響を低減して、レーザ光の出力を制御できる。

これらのことにより、当該レーザ加工機によれば、レーザ光による加工精度の低下を抑制でき、高い品質のレーザ加工品を得ることができる。

本開示のレーザ駆動電源は、構成部品の特性ばらつきや特性劣化が生じた場合にも、時間応答も含めて設定値となるように出力電流、ひいては、レーザ光の出力を制御でき、レーザ加工機等に適用する上で有用である。

Ｖｉｎ 入力電圧
ＰＣＣ 電力変換器
ＤＲ１ 一次整流回路
ＩＵ インバータユニット
ＶＤＲ 整流電圧
Ｑ１ 第１のスイッチング素子
Ｑ２ 第２のスイッチング素子
Ｑ３ 第３のスイッチング素子
Ｑ４ 第４のスイッチング素子
ＭＴｒ 電力変換トランス
ＤＲ２ 二次整流回路
Ｄ１ 第１のダイオード
Ｄ２ 第２のダイオード
ＤＣＬ 直流リアクトル
ｉｏ 出力電流
ＬＤ 半導体レーザ発振器
ＣＴ 出力電流検出回路
ｉｃｔ 出力電流検出値
ＣＭ 制御装置
ＣＦＣ 第２の制御部
ＩＫ 変動低減信号
ＯＣＣ 第１の制御部
Ｃｇ 制御ゲイン
ＩＳ 出力電流指令信号
ＯＣＳ 出力電流制御信号
ＤｒＣ ドライブ回路
ＤＳ１ 第１のドライブ信号
ＤＳ２ 第２のドライブ信号
ＤＳ３ 第３のドライブ信号
ＤＳ４ 第４のドライブ信号
Ｔａ 実応答時間
Ｔｓ 基準応答時間

Claims (4)

1. 半導体レーザ発振器を駆動するレーザ駆動電源であって、
   外部から入力された交流電力を変換し、前記半導体レーザ発振器に所定の出力電流を供給する電力変換器と、
   前記出力電流を制御する制御装置と、を少なくとも備え、
   前記電力変換器は、前記出力電流を検出する出力電流検出回路を少なくとも有し、
   前記制御装置は、
   前記出力電流を制御するための出力電流制御信号を前記電力変換器に供給する第１の制御部と、
   前記出力電流の時間応答の変動を低減するための変動低減信号を前記第１の制御部に供給する第２の制御部と、を少なくとも有し、
   前記第２の制御部は、予め設定された基準応答時間に基づいて、前記変動低減信号を生成し、
   前記第１の制御部は、前記変動低減信号と、前記出力電流の電流値である出力電流検出値と、前記出力電流の制御目標値である出力電流指令信号と、前記出力電流検出値と前記出力電流指令信号との差分に対して制御する操作量の演算に用いる制御ゲインとに基づいて、前記出力電流制御信号を生成することを特徴とするレーザ駆動電源。
2. 請求項１に記載のレーザ駆動電源において、
   前記第１の制御部は、前記出力電流検出値の時間変化に基づいて前記出力電流の実応答時間を算出し、さらに、前記レーザ駆動電源の入出力変動または前記レーザ駆動電源に接続される負荷の変動に応じて、前記基準応答時間と前記実応答時間との差分を減少させるため、出力電流ｉｏの時間応答速度を変化させるように、前記出力電流を制御することを特徴とするレーザ駆動電源。
3. 請求項２に記載のレーザ駆動電源において、
   前記第１の制御部は、前記基準応答時間と前記実応答時間との差分、または、前記基準応答時間と前記実応答時間との比に基づいて、前記出力電流制御信号を生成することを特徴とするレーザ駆動電源。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ駆動電源において、
   前記電力変換器は、
   外部から入力された交流電圧を整流し直流電圧に変換する一次整流回路と、
   前記直流電圧を別の交流電圧に変換するインバータユニットと、
   前記別の交流電圧を電力変換して二次電流を生成する電力変換トランスと、
   前記二次電流を整流し前記半導体レーザ発振器に供給される出力電流に変換する二次整流回路と、
   前記インバータユニットを構成する半導体スイッチを駆動するドライブ信号を出力するドライブ回路と、をさらに有し、
   前記第１の制御部は、前記ドライブ回路に前記出力電流制御信号を供給し、
   前記ドライブ回路は、前記出力電流制御信号に基づいて、前記ドライブ信号を前記半導体スイッチに供給することで、前記出力電流を制御することを特徴とするレーザ駆動電源。