JP2844283B2 - レーザ電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ励起用のランプ
を点灯駆動するためのレーザ電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ励起用のランプは、ＹＡＧレーザ
やガラスレーザ等の光励起型固体レーザを光エネルギで
レーザ発振させるためのランプであり、キセノンランプ
やクリプトンランプ等がよく利用されている。

【０００３】この種のランプを駆動するための従来一般
のレーザ電源装置は、コンデンサに電気エネルギをいっ
たん蓄積してからその蓄積エネルギを瞬時に放電させ、
その放電電流をランプに供給してランプを点灯させ、そ
の発光エネルギをレーザ媒体に照射してレーザ発振を起
こすようにしている。

【０００４】最近は、励起ランプに多数のコンデンサを
バンク型式で並列接続し、それらのコンデンサ・バンク
を個別的に任意の充電電圧まで充電して、次々と放電さ
せることにより、それら多数のコンデンサ・バンクの放
電電流をシーケンス的に繋ぎ合わせるようにして１つの
所望のランプ電流波形を得ることも行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなコンデン
サ・バンク方式のレーザ電源装置は、ピーク値の高いラ
ンプ電流を励起ランプに供給することができるため、高
いレーザ出力を得ることが可能で、溶接、穴開け等のレ
ーザ加工に適している。しかし、コンデンサ・バンクの
放電によって得られるランプ電流は、放電開始直後に急
激に立ち上がってピーク値に達し、それから急激に下が
るような決まった電流波形を示すものであり、上記のよ
うに多数のコンデンサ・バンクの放電電流をシーケンス
的に繋ぎ合わせてランプ電流の波形制御を行う方式にし
ても、疑似的に所望のランプ電流波形を生成するにすぎ
ず、たとえば滑らかにあるいは小刻みに波形が変化する
ようなランプ電流波形は得られない。このため、レーザ
加工に十分な高いレーザ出力を得ることはできても、今
日の多種多様で複雑な加工要求に的確に対応することは
難しかった。

【０００６】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、ランプ電流の波形とピーク値を精細かつ任意に
制御することが可能で、多種多様なレーザ加工要求にも
的確に対応することができるレーザ電源装置を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のレーザ電源装置は、レーザ媒体に対してレ
ーザ発振用の光エネルギを照射する励起ランプにランプ
電流を供給するレーザ電源装置において、交流電源電圧
を直流電圧に変換する第１の整流回路と、この第１の整
流回路の出力端子に入力側端子が電気的に接続された波
形制御用スイッチング素子と、この波形制御用スイッチ
ング素子の出力側端子にアノードが電気的に接続され前
記励起ランプにカソードが電気的に接続された第１のダ
イオードと、前記波形制御用スイッチング素子の制御端
子に高周波のスイッチング制御信号を与えるスイッチン
グ制御手段とを含み、前記波形制御用スイッチング素子
のスイッチング動作によって所望の波形に制御された第
１のランプ電流を前記励起ランプに供給する第１のレー
ザ電源回路と、ランプ電流を生成するためのコンデンサ
と、前記交流電源電圧を直流電圧に変換する第２の整流
回路と、この第２の整流回路の出力端子と前記コンデン
サとの間に電気的に接続され、前記コンデンサを所望の
充電電圧まで充電する充電回路と、前記コンデンサに入
力側端子が接続された放電用スイッチング素子と、この
放電用スイッチング素子の出力側端子にアノードが電気
的に接続され前記励起ランプにカソードが電気的に接続
された第２のダイオードと、前記放電用スイッチング素
子に放電制御信号を与える放電制御手段とを含み、前記
コンデンサを前記所望の充電電圧まで充電した後に前記
コンデンサを放電させてその放電電流を第２のランプ電
流として前記励起ランプに供給する第２のレーザ電源回
路と、前記第１および第２のランプ電流を所望のタイミ
ングで組み合わせて前記励起ランプに供給するよう前記
第１および第２のレーザ電源回路を制御する制御手段と
を具備する構成とした。

【０００８】

【作用】第１のレーザ電源回路においては、スイッチン
グ素子をたとえばＰＷＭ制御でスイッチング動作させる
ことにより、所望の波形に制御された第１のランプ電流
が得られる。この第１のランプ電流は、滑らかなあるい
は小刻みな波形制御が可能であるが、ピーク値には限度
がある。一方、第２のレーザ電源回路においてはコンデ
ンサを所望の充電電圧まで充電したのち瞬時に放電させ
ることにより、充電電圧に応じた所望のピーク値を有す
る第２のランプ電流が得られる。この第２のランプ電流
と第１のランプ電流とが組み合わさって励起ランプに供
給されることにより、励起ランプには所望の波形および
所望のピーク値に制御されたランプ電流が流れる。

【０００９】

【実施例】以下、添付図を参照して本発明の実施例を説
明する。図１は、本発明の一実施例によるレーザ電源装
置の回路構成を示す。このレーザ電源装置は、たとえば
レーザ加工用のＹＡＧレーザの励起ランプ１０にランプ
電流を供給するものである。励起ランプ１０と平行にＹ
ＡＧロッド１２が設けられ、ランプ１０が点灯すると、
その光エネルギによってＹＡＧロッド１２がレーザ発振
し、ＹＡＧロッド１２の両端面より出射したレーザ光Ｌ
Ｂが一対の共振ミラー１４，１６の間で反射を繰り返し
て増幅されたのち外部へ出力されるようになっている。

【００１０】本レーザ電源装置は、励起ランプ１０にラ
ンプ電流を供給する回路として、電流制御方式の異なる
２つのレーザ電源回路２０，５０を備える。第１のレー
ザ電源回路２０からはスイッチング素子のスイッチング
動作によって所望の波形に制御された第１のランプ電流
Ｉ1 が得られ、第２のレーザ電源回路５０からは充放電
制御手段によって所望のピーク値に制御された第２のラ
ンプ電流Ｉ2 が得られるようになっている。

【００１１】第１のレーザ電源回路２０は次のように構
成されている。三相交流入力端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に三相
全波整流回路２２の入力端子が接続されている。この三
相全波整流回路２２の出力端子は、平滑コンデンサ２
４、波形制御用のスイッチング・トランジスタ２６、平
滑用のコイル２８，コンデンサ３０、およびダイオード
３２を介して励起ランプ１０の電極端子に接続されてい
る。コイル２８を挟んでコンデンサ３０と並列に接続さ
れたダイオード３４は、コイル２８に蓄積された電磁エ
ネルギを還流させるための還流回路を構成している。

【００１２】スイッチング・トランジスタ２６のベース
には、スイッチング制御部３６よりＰＷＭ制御信号ＳＡ
がスイッチング制御信号として駆動回路３８を介して与
えられる。このＰＷＭ制御信号ＳＡによってスイッチン
グ・トランジスタ２６が高周波でオン・オフ動作するこ
とにより、そのコレクタ端子にはパルス幅変調されたチ
ョッパ波形の直流電流が得られる。このチョッパ波形の
直流電流は平滑用のコイル２８およびコンデンサ３０を
通ることでパルス幅に応じた包絡線波形の直流電流に変
わり、この直流電流が第１のランプ電流Ｉ1 としてダイ
オード３２を介して励起ランプ１０に供給される。

【００１３】上記のようなＰＷＭ制御を行うスイッチン
グ制御部３６には、第１のランプ電流Ｉ1 の開始・終了
を指示する起動信号ＥＤおよび所望の電流波形を表す電
流波形基準信号Ｆｉが主制御部７０より与えられる。ま
た、第１のレーザ電源回路２０の電流路に、たとえばト
ロイダルコイルからなる電流センサ４０が設けられ、こ
の電流センサ４０の出力信号に基づいて電流値測定回路
４２が第１のランプ電流Ｉ1 の電流測定値を求める。ス
イッチング制御部３６は、電流値測定回路４２からの電
流測定値ＭＩ1 を受け取り、この電流測定値ＭＩ1 が主
制御部８０からの電流波形基準信号Ｆｉに倣うようフィ
ードバック方式でＰＷＭ制御を行う。

【００１４】このように、第１のレーザ電源回路２０に
おいては、整流回路２２と励起ランプ１０との間に設け
られたスイッチング・トランジスタ２６をＰＷＭ制御で
スイッチング動作させることにより、所望の波形に制御
された第１のランプ電流Ｉ1が得られる。もっとも、第
１のレーザ電源回路２０では、整流回路２２からのほぼ
一定レベルの直流をスイッチング・トランジスタ２６で
小刻みにチョッピングする仕方で所望の電流波形を生成
するものであるから、電流値の大きさには限度があり、
任意の電流ピーク値が得られるわけではない。しかし、
この点に関しては、後述する第２のレーザ電源回路５０
が補うので、本レーザ電源装置全体としては実用上任意
の電流ピーク値が得られるようになっている。

【００１５】第２のレーザ電源回路５０は次のように構
成されている。三相交流入力端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に三相
全波整流回路５２の入力端子が接続されている。この三
相全波整流回路２２の出力端子は充電用のスイッチング
・トランジスタ５４および充電用コイル５６を介して充
放電用のコンデンサ５８に接続され、このコンデンサ５
８の端子が放電用のスイッチング・トランジスタ６０お
よびダイオード６２を介して励起ランプ１０の電極端子
に接続されている。コンデンサ５８は、レーザ加工に対
応できる程の大きな電気エネルギを蓄積できるように、
たとえば１００００〜２００００μＦの容量を有してい
る。

【００１６】コンデンサ５８の端子間電圧つまり充電電
圧ＶC は充電電圧検出回路６４によって検出され、その
充電電圧検出値ＭＶC は充電制御部６６に与えられる。
充電制御部６６は、主制御部８０より充電電圧設定値Ｆ
ｖを受け取り、充電電圧検出値ＭＶC が充電電圧設定値
Ｆｖに達した時点でコンデンサ５８の充電を止めるよ
う、制御信号ＣＳにより駆動回路６８を介して充電用ス
イッチング・トランジスタ５４のオン・オフを制御す
る。放電制御部７０は、主制御部８０からのタイミング
信号ＴＭ1 にしたがい所定のタイミングでコンデンサ５
８の放電を開始させるよう、制御信号ＣＳにより駆動回
路７２を介して放電用スイッチング・トランジスタ６０
のオン・オフを制御する。

【００１７】このように、第２のレーザ電源回路５０に
おいては、充電用トランジスタ５４および充電制御部６
６によってコンデンサ５８を予め設定された任意の充電
電圧まで充電し、放電用トランジスタ６０および放電制
御部７０によってコンデンサ５８を予め設定された任意
のタイミングで瞬時に放電させることにより、所望のピ
ーク値に制御された第２のランプ電流Ｉ2 が得られる。

【００１８】主制御部８０は、上記のように第１および
第２のレーザ電源回路２０，５０のそれぞれの動作を制
御ないし統括する外、設定値入力部８２より第１のラン
プ電流Ｉ1 の電流波形設定値や第２のランプ電流Ｉ2 の
ピーク値およびそれらのランプ電流Ｉ1,Ｉ2 の組み合わ
せパターンの設定値等の各種設定値を取り込んだり、ラ
ンプ１０にトリガＴＲをかけるためのトリガ回路８４等
の制御をも行う。なお本レーザ電源装置には、励起ラン
プ１０内の放電路を安定化させるためのシマー回路（図
示せず）等も設けられている。

【００１９】図２は、本実施例のレーザ電源装置の作用
の一例を示すランプ電流波形図である。この例におい
て、第１のレーザ電源回路２０では、時刻ｔ1 でスイッ
チング制御部３６が動作を開始し、スイッチング・トラ
ンジスタ２６がＰＷＭ制御でスイッチング動作すること
により、予め設定された基準波形に対応した、たとえば
図２の(B) に示すような台形波形の第１のランプ電流Ｉ
1 が得られ、この第１のランプ電流Ｉ1 は時刻ｔ3 まで
励起ランプ１０に供給される。

【００２０】一方、第２のレーザ電源回路５０では、先
ず充電制御部６６が作動して充電用トランジスタ５４を
オンさせ、コンデンサ５８を予め設定された充電電圧ま
で充電しておき、第１のランプ電流Ｉ1 が立ち上がりを
終了して平坦レベルに達した直後の時刻ｔ2 で、放電制
御部７０が作動して放電用トランジスタ６０をオンさせ
ることにより、コンデンサ５８が瞬時に放電し、その充
電電圧に応じたピーク値ＩP を有する、たとえば図２の
(A) に示すよう放電電流が得られ、このコンデンサ放電
電流が第２のランプ電流Ｉ2 として励起ランプ１０に瞬
間的に供給される。

【００２１】その結果、励起ランプ１０では、図２の
（Ｃ）に示すように、第１のランプ電流１１に第２のラ
ンプ電流１２が組み合わさったランプ電流が流れ、ＹＡ
Ｇロッド１２からはその合成ランプ電流（Ｉ１＋Ｉ２）
に対応したレーザ出力を有するレーザ光ＬＢが出力され
る。また、図２（Ａ）の時刻ｔ２’でランプ電流Ｉ２’
を流すと図２（Ｄ）に示すような合成ランプ電流（Ｉ１
＋Ｉ２’）が得られる。

【００２２】レーザ加工において、被加工部を溶かすう
えで重要なパラメータはレーザ出力のピーク値であり、
短い時間幅であっても所定のピーク値があれば所要の溶
け込みを得ることができる。したがって、第２のランプ
電流Ｉ２のピーク値を最適値に制御することで、任意の
被加工物を溶かすための適切なレーザ出力を得ることが
可能である。また、被加工物の材料、厚み、形状等に応
じて最適な加工品質を得るにはレーザ出力波形の全体的
なパターン、特に立ち上がり、立ち下がり波形を任意か
つ精細に制御できると都合がよく、この点に関しては第
１のランプ電流Ｉ１の波形を種々選択することで対応す
ることが可能である。このように、本実施例において
は、レーザ出力の波形を任意にかつ精細に制御し、かつ
任意のピーク値に制御することが可能なため、多種多様
なレーザ加工要求に的確に対応することができる。

【００２３】図３は、レーザ溶接または切断に好適な本
実施例によるランプ電流波形の幾つかの例を示す。図３
の(A) に示すパターンは、台形波状の第１のランプ電流
Ｉ1 の始端部を急峻（ほぼ垂直）に立ち上げると同時
に、これに瞬時的パルス状の第２のランプ電流Ｉ2 を重
ねて、立ち上げ時に最も高いレーザ出力を被溶接部に与
え、その後は第１のランプ電流Ｉ1 の波形に対応したレ
ーザ出力で被溶接部のナゲットを程よく成長させるもの
であり、アルミニウム材のレーザ溶接に好適である。

【００２４】図３の(B) に示すパターンは、台形波状の
第１のランプ電流Ｉ1 の中間部に第２のランプ電流Ｉ2
を重ねたもので、被溶接部を第１のランプ電流Ｉ1 の波
形に対応したレーザ出力でしばらく加熱（予熱）し、次
に第２の瞬時的パルス状のランプ電流Ｉ2 を重ねて非常
に高いレーザ出力で被溶接部を溶融し、それから溶接終
了まで第１のランプ電流Ｉ1 に対応したレーザ出力で被
溶接部のナゲットを程よく成長させるようにしており、
深溶け込みの溶接を行う場合に好適である。

【００２５】図３の（Ｃ）のパターンは、三角波状の第
１のランプ電流Ｉ１の頂点部に第２のランプ電流Ｉ２を
重ねたもので、メッキ鋼鈑の溶接に好適である。図３の
（Ｄ）のパターンは、第１のレーザ電源回路５０におけ
るコンデンサ５８の充放電サイクルを高くして、一定レ
ベルの第１のランプ電流Ｉ１に第２のランプ電流Ｉ２を
繰り返し重ねたものであり、切断等に好適である。その
外、図３の（Ｅ）に示すように、第２のランプ電流Ｉ２
と第１のランプ電流Ｉ１とを交互に流すことも可能であ
り、あるいは図３の（Ｆ）に示すように、始めに第２の
ランプ電流Ｉ２として複数のパルスを立て続けに流し、
次に第１のランプ電流Ｉ１を流すようなパターン等も可
能である。これらのパターン（Ａ）〜（Ｆ）は一例であ
り、外にも種々の組み合わせパターンが可能であり、ま
た、第１のランプ電流Ｉ１の波形を任意に選定・変更す
ることも、第２のランプ電流Ｉ２のパルス幅を調整する
ことも可能である。

【００２６】図４は、一変形例によるレーザ電源回路の
回路構成を示す。図中、上記実施例と同様の構成・機能
を有する部分には同一の符号を付してある。この変形例
は、第１のレーザ電源回路２０’をインバータで構成し
たものである。三相整流回路２２より出力される直流電
圧は、４個のトランジスタ４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４
４Ｄからなるインバータ回路に入力される。インバータ
制御部４８からのスイッチング制御信号Ｐa,Ｐb によっ
て、トランジスタ４４Ａ，４４Ｄとトランジスタ４４
Ｂ，４４Ｃとが商用周波数よりも十分に高い周波数で交
互にオン・オフすることにより、このインバータ回路の
出力端子に高周波の交流矩形パルスが得られる。インバ
ータ回路からの高周波パルスは溶接トランス４６の一次
側コイルに供給され、二次側コイルに低電圧・大電流の
パルスが得られる。この二次側パルスが一対のダイオー
ド４７Ａ，４７Ｂからなる整流回路で直流に変換され、
この直流の二次側電流が第１のランプ電流Ｉ1 として励
起ランプ１０に供給される。トランジスタ４４Ａ〜４４
Ｄのスイッチング動作をＰＷＭ方式で制御することで上
記した実施例と同様に任意のランプ電流波形Ｉ1 を得る
ことが可能である。

【００２７】図５は、別の変形例によるレーザ電源回路
の回路構成を示す。この変形例は、２つの第２のレーザ
電源回路５０Ａ，５０Ｂを並列に設けたもので、第２の
ランプ電流Ｉ2A，Ｉ2Bのピーク値をそれぞれ任意に設定
し、それぞれ任意のタイミングで第１のランプ電流Ｉ1
に組み合わせることが可能である。同様にして、３つ以
上の第２のレーザ電源回路５０Ａ，５０Ｂ，…を並列に
設ける構成も可能である。なお、図５では、図解の便宜
をはかるため、各種制御部を省略している。

【００２８】以上、本発明の一実施例および幾つかの変
形例について説明したが、本発明はそれらに限定される
ものではなく、種々の変形・変更が可能である。たとえ
ば、整流回路２２，５２を１つで済ますことも可能であ
り、単相整流回路を用いてもよい。また、スイッチング
素子を保護するための保護回路を設けてもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ電
源装置によれば、第１および第２のレーザ電源回路より
それぞれ生成される第１および第２のランプ電流を組み
合わせるようにして励起ランプに供給し、第１のレーザ
電源回路では高周波のスイッチング制御方式により第１
のランプ電流の電流波形を任意かつ精細に可変制御でき
るようにし、第２のレーザ電源回路ではコンデンサ充放
電方式により第２のランプ電流の電流ピーク値を任意に
可変制御できるようにしたので、合成されたランプ電流
の波形とピーク値を精細かつ任意に制御することができ
る。これにより、レーザ出力の波形を任意かつ精細に制
御するとともにレーザ出力のピーク値を任意の高さでか
つ任意のタイミングで制御することが可能であり、今日
の多種多様で複雑なレーザ加工要求に適確に対応するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるレーザ電源装置の回路
構成を示す回路図である。

【図２】実施例のレーザ電源装置の作用の一例を示すラ
ンプ電流波形図である。

【図３】レーザ溶接または切断に好適な実施例によるラ
ンプ電流波形の幾つかの例を示すパターン図である。

【図４】一変形例によるレーザ電源装置の回路構成を示
す回路図である。

【図５】別の変形例によるレーザ電源装置の回路構成を
示す回路図である。

【符号の説明】

１０ 励起ランプ １２ ＹＡＧレーザ ２０ 第１のレーザ電源回路 ２６ 波形制御用スイッチング・トランジスタ ３６ スイッチング制御部 ５０ 第２のレーザ電源回路 ５４ 充電用スイッチング・トランジスタ ５８ コンデンサ ６０ 放電用スイッチング・トランジスタ ６６ 充電制御部 ７０ 放電制御部 ８０ 主制御部 ８２ 設定値入力部

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ媒体に対してレーザ発振用の光エ
   ネルギを照射する励起ランプにランプ電流を供給するレ
   ーザ電源装置において、交流電源電圧を直流電圧に変換する第１の整流回路と、
   この第１の整流回路の出力端子に入力側端子が電気的に
   接続された波形制御用スイッチング素子と、この波形制
   御用スイッチング素子の出力側端子にアノードが電気的
   に接続され前記励起ランプにカソードが電気的に接続さ
   れた第１のダイオードと、前記波形制御用スイッチング
   素子の制御端子に高周波のスイッチング制御信号を与え
   るスイッチング制御手段とを含み、前記波形制御用スイ
   ッチング素子のスイッチング動作によって所望の波形に
   制御された第１のランプ電流を前記励起ランプに供給す
   る第１のレーザ電源回路と、 ランプ電流を生成するためのコンデンサと、前記交流電
   源電圧を直流電圧に変換する第２の整流回路と、この第
   ２の整流回路の出力端子と前記コンデンサとの間に電気
   的に接続され、前記コンデンサを所望の充電電圧まで充
   電する充電回路と、前記コンデンサに入力側端子が接続
   された放電用スイッチング素子と、この放電用スイッチ
   ング素子の出力側端子にアノードが電気的に接続され前
   記励起ランプにカソードが電気的に接続された第２のダ
   イオードと、前記放電用スイッチング素子の制御端子に
   放電制御信号を与える放電制御手段とを含み、前記コン
   デンサを前記所望の充電電圧まで充電した後に前記コン
   デンサを放電させてその放電電流を第２のランプ電流と
   して前記励起ランプに供給する第２のレーザ電源回路
   と、 前記第１および第２のランプ電流を所望のタイミングで
   組み合わせて前記励起ランプに供給するよう前記第１お
   よび第２のレーザ電源回路を制御する制御手段とを具備
   することを特徴とするレーザ電源装置。
2. 【請求項２】 前記第１のレーザ電源回路の前記スイッ
   チング制御手段は、所望の電流波形を表す電流波形基準
   信号を出力する基準電流波形生成手段と、前記第１のラ
   ンプ電流を検出してその電流値測定値を求める電流測定
   手段と、前記電流測定値を前記電流波形基準信号に倣わ
   せるように前記高周波のスイッチング制 御信号を生成す
   るスイッチング制御信号生成手段とを有することを特徴
   とする請求項１に記載のレーザ電源装置。
3. 【請求項３】 前記第１のレーザ電源回路の前記波形制
   御用スイッチング素子がインバータを構成し、前記イン
   バータの出力端子がトランスを介して前記第１のダイオ
   ードのアノードに電気的に接続されることを特徴とする
   請求項１または２に記載のレーザ電源装置。
4. 【請求項４】 複数の前記第２のレーザ電源回路を並列
   に接続したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
   記載のレーザ電源装置。