JP5204276B2 - 電力計算手段を備えたガスレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電管内のレーザガスを放電励起するためのレーザ電源装置と放電管にレーザガスを送り込むブロワとを有するガスレーザ装置に関し、特に稼動時に消費される電力を計算する電力計算手段を備えたガスレーザ装置に関する。

現在、さまざまな技術分野において、省エネルギー化が求められている。ガスレーザ装置の分野においても例外ではなく、稼動時の消費電力を可能な限り削減したいという要望が増している。ガスレーザ装置では、放電管にレーザガスを送り込み、この放電管内に設けられた電極に高周波の電圧を印加してレーザガスを放電励起させることで、レーザ光を発生させる。このため、ガスレーザ装置は、その電源系として、放電管内のレーザガスを放電励起させるためのレーザ電源装置と、放電管にレーザガスを送り込むブロワを駆動するための駆動装置とを有している。

このようなガスレーザ装置の消費電力を測定するために、ガスレーザ装置の三相電源入力側に電力計を設けることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。

また、ガスレーザ装置内のブロワのモータについてはインバータ制御を用いて駆動することが一般的に行われているが、ブロワに限らずモータ一般の消費電力を測定する方法として、モータの三相電源入力側に電流検出回路および電圧検出回路を設け、これにより検出した電流値および電圧値を用いてモータの消費電力値を計算する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

また、モータを介して駆動される機構部を有する産業機械における消費電力を計算する制御装置が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。この方法によれば、モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段と、モータの回転速度を検出するモータ回転速度検出手段とを組み合わせてモータの消費電力が推定計算される。

また、電源装置の消費電力を、予め記憶部に記憶された出力電力−変換効率特性を用いて出力電力値から推定計算する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。

特開２０１１−０２８３７２号公報 特開２０１０−０７４９１８号公報 特開２０１０−１１５０６３号公報 特開２０１１−０４８５４８号公報

ガスレーザ装置の消費電力を測定するには電力計を設置することが考えられるが、手間や費用がかかるという問題がある。例えば、上述の特許文献１および２に記載された技術によれば、ガスレーザ装置に電源電力を入力するケーブルに電流変成器（ＣＴ）などを取り付けたり、電力計を取り付けたりしなければならない。

また、上述の特許文献３に記載された技術をガスレーザ装置の消費電力の計算に適用しようとする場合、ブロワのモータの消費電力については、モータ電流検出手段とモータ回転速度検出手段とを適宜組み合わせて計算することは可能と考えられるが、レーザ電源装置の消費電力の測定については、レーザ電源装置の出力の大きさによって放電管についての放電負荷のインピーダンスが大きく変化するため正確な測定は難しい。このようなことから、特許文献３に記載された技術は、ガスレーザ装置全体の消費電力の測定には適していない。

また、上述の特許文献４に記載された技術は、消費電力を精度良く計算するためには、出力電力−変換効率特性に関する詳細なデータが必要であり、これを記憶する記憶部の容量が膨大になる。また、演算処理量も膨大なものとなる。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、稼動時における消費電力を正確かつ容易に測定することができるガスレーザ装置を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、入力された交流を直流に変換するＤＣ電源部、およびこのＤＣ電源部から出力された直流を放電管内のレーザガスを放電励起するための印加電圧として用いられる高周波電圧に変換するＲＦ電源部を有するレーザ電源装置と、入力された交流を放電管にレーザガスを送り込むブロワを駆動するための交流に変換する駆動装置と、を備えるガスレーザ装置は、検出されたＤＣ電源部の出力電流値および出力電圧値と、ＤＣ電源部による入力電力から出力電力への変換効率であるＤＣ電源部変換効率とを用いて、レーザ電源装置への入力電力の推定値を算出する第１の推計手段と、検出された駆動装置の出力電流値を用いて、駆動装置への入力電力の推定値を算出する第２の推計手段と、レーザ電源装置への入力電力の推定値と駆動装置への入力電力の推定値とに基づいて、ガスレーザ装置の消費電力値を算出する電力計算手段と、を備える。

第１の推計手段は、ＤＣ電源部変換効率を、放電管内のレーザガスが放電励起する時はＤＣ電源部の出力電流値と出力電圧値とを乗算して得られた出力電力値を変数とする対数関数式にしたがって算出した値に設定し、放電管内のレーザガスが放電励起しない時は所定の定数に設定して、レーザ電源装置への入力電力の推定値を算出する。

また、第１の推計手段は、ＤＣ電源部の出力電力値をＤＣ電源部変換効率で除算した値と、レーザ電源装置における待機電力値と、に基づいて、レーザ電源装置への入力電力の推定値を算出する。

第２の推計手段は、ブロワの加速運転時もしくは定速運転時において、駆動装置の出力電流値を変数とした２次関数式にしたがって算出したブロワへの入力電力の値を、駆動装置による入力電力から出力電力への変換効率である駆動装置変換効率で除算することにより、駆動装置への入力電力の推定値を算出する。

また、第２の推計手段は、ブロワの減速運転時においてはブロワの減速開始時からの経過時間を変数とした３次関数式にしたがって、駆動装置への入力電力の推定値を算出する。

電力計算手段は、ガスレーザ装置内に設けられた、レーザガスの排気のための排気ポンプにおける予め測定された消費電力の値と、レーザ電源装置への入力電力の推定値と、駆動装置への入力電力の推定値と、に基づいて、ガスレーザ装置の消費電力値を算出してもよい。

本発明によれば、入力された交流を直流に変換するＤＣ電源部、およびこのＤＣ電源部から出力された直流を放電管内のレーザガスを放電励起するための印加電圧として用いられる高周波電圧に変換するＲＦ電源部を有するレーザ電源装置と、入力された交流を放電管にレーザガスを送り込むブロワを駆動するための交流に変換する駆動装置と、を備えるガスレーザ装置において、稼動時における消費電力を正確かつ容易に測定することができる。一般にガスレーザ装置内のＤＣ電源部およびレーザ電源装置にはレーザ制御を行うために出力電流検出回路および出力電圧検出回路が既に設けられているが、本発明によれば、これら既存の出力電流検出回路および出力電圧検出回路により検出した出力電流値および出力電圧値を用いてガスレーザ装置の消費電力を計算するので、消費電力を測定するために新たに電力計等の測定器を設ける必要がなく、ガスレーザ装置の低コスト化および小型化を実現することができる。すなわち、本発明によれば、電力計ではなく、検出された出力電流値および出力電圧値を用いて計算する演算処理手段を設ければよく、この演算処理手段は、例えばガスレーザ装置を統括制御する制御装置内に設けることができるので、低コストであり、装置の大型化を招くようなこともない。

また、本発明によれば、ＤＣ電源部変換効率を、放電管内のレーザガスが放電励起する時はＤＣ電源部の出力電流値と出力電圧値とを乗算して得られた出力電力値を変数とする対数関数式にしたがって算出した値に設定し、また放電管内のレーザガスが放電励起しない時は所定の定数に設定する。そして、ＤＣ電源部の出力電力値を、レーザガスの放電励起の有無に応じたＤＣ電源部変換効率で除算した値を用いてレーザ電源装置への入力電力の推定値を算出するので、ガスレーザ装置の動作状態に応じて精度よく消費電力を計算することができる。また、上述のように、レーザ電源装置の出力の大きさによって放電管についての放電負荷のインピーダンスが大きく変化するが、本発明では、放電管内のレーザガスが放電励起する時と放電励起しない時とでＤＣ電源変換効率を使い分けるので、ガスレーザ装置の消費電力を高精度に計算することができる。

また、本発明によれば、ブロワの加速運転時もしくは定速運転時において、駆動装置の出力電流値を変数とした２次関数式にしたがって算出したブロワへの入力電力の値を、駆動装置による入力電力から出力電力への変換効率である駆動装置変換効率で除算することにより、駆動装置への入力電力の推定値を算出するので、放電負荷の変化によらず、ガスレーザ装置の消費電力を高精度に計算することができる。

また、本発明によれば、ブロワの減速運転時においてはブロワの減速開始時からの経過時間を変数とした３次関数式にしたがって、駆動装置への入力電力の推定値を算出するので、ブロワの減速運転時に生じる回生電力の影響によらず、ガスレーザ装置の消費電力を高精度に計算することができる。

また、本発明によれば、ガスレーザ装置内に設けられた、レーザガスの排気のための排気ポンプにおける予め測定された消費電力の値と、レーザ電源装置への入力電力の推定値と、駆動装置への入力電力の推定値と、を加算して、ガスレーザ装置の消費電力値を算出することにより、排気ポンプを駆動するための電流および電圧を検出する回路を新たに設ける必要がなく、ガスレーザ装置の消費電力をより一層高精度に計算することができ、ガスレーザ装置の低コスト化および小型化も併せて実現することができる。

例えば、上述の特許文献１および２に記載された技術によれば、ガスレーザ装置に電源電力を入力するケーブルに電流変成器（ＣＴ）などを取り付けるなどして電力計を別途設けなければならなかった。これに対し、本発明によれば、ガスレーザ装置に既に設けられた出力電流検出回路および出力電圧検出回路により検出した出力電流値および出力電圧値を用いてガスレーザ装置の消費電力を計算するので、新たな電力計等の測定器を設ける必要がなく、ガスレーザ装置の低コスト化および小型化を実現することができる。

また、上述の特許文献３に記載された技術をガスレーザ装置の消費電力の計算に適用しようとする場合、ブロワのモータの消費電力については、モータ電流検出手段とモータ回転速度検出手段とを適宜組み合わせて算出することは可能と考えられるが、レーザ電源装置の消費電力の測定については、レーザ電源装置の出力の大きさによって放電管についての放電負荷のインピーダンスが大きく変化するため正確な測定は難しかった。これに対し、本発明によれば、放電管内のレーザガスを放電励起している時と放電励起していない時とでレーザ光発生に係る消費電力の算出処理に用いる式を使い分け、さらには、ブロワの駆動に係る消費電力の計算についてはブロワの制御状態により算出処理に用いる式を使い分けるので、精度よくガスレーザ装置の消費電力を計算することができる。

また、上述の特許文献４に記載された技術は、消費電力を精度良く計算するためには、出力電力−変換効率特性に関する詳細なデータが必要であり、これを記憶する記憶部の容量も膨大となった。これに対し、本発明によれば、放電管内のレーザガスを放電励起している時と放電励起していない時とでレーザ光発生に係る消費電力の算出処理に用いる近似式を使い分け、ブロワの駆動に係る消費電力の計算についてはブロワの制御状態により算出処理に用いる近似式を使い分けてガスレーザ装置の消費電力を計算するので、膨大な記憶容量を必要とせず、演算処理に要する時間も短い。

本発明の実施例によるガスレーザ装置を示すブロック図である。 実験により得られたレーザ電源装置内のＤＣ電源部の出力電力とＤＣ電源部変換効率との関係の一例を示す図である。

図１は、本発明の実施例によるガスレーザ装置を示すブロック図である。本発明の実施例によるガスレーザ装置１は、ガスレーザ装置本体２と、ガスレーザ装置２を統括制御する制御装置３とを有する。

ガスレーザ装置本体２は、放電管２４と、放電管２４内のレーザガスを放電励起するための高周波電圧を生成するレーザ電源装置２０と、放電管２４にレーザガスを送り込むブロワ２５と、ブロワ２５を駆動する駆動装置２３と、レーザガスを冷却する熱交換器２６と、レーザ装置内部を冷却するファン３１と、レーザ装置の制御を行う制御回路３２と、を備える。放電管２４と熱交換器２６とブロワ２５とは送風配管２７によって結ばれ、レーザガスは、ブロワ２５によって送風配管２７内を流れ、熱交換器２６により逐次冷却される。排気ポンプ２８は、送風配管２７内のレーザガスを排出するためのものである。

放電管２４内には放電電極が設けられており、この放電電極に高周波の電圧を印加することで放電管２４内のレーザガスを放電励起させ、レーザ光を発生させる。例えばガスレーザ装置１がＣＯ₂レーザ発振器である場合、レーザガスは、「Ｈｅ＋Ｎ₂＋ＣＯ₂」、「Ｈｅ＋Ｎ₂＋ＣＯ₂＋ＣＯ」、「Ｈｅ＋Ｎ₂＋ＣＯ₂＋Ｈ₂」、「Ｈｅ＋Ｎ₂＋ＣＯ₂＋ＣＯ＋Ｈ₂」、「Ｈｅ＋Ｎ₂＋ＣＯ₂＋Ｈ₂＋Ｘｅ」などの混合ガスがある。

レーザ電源装置２０は、商用電源４から入力された交流を、放電管２４内のレーザガスを放電励起させるための電極に印加する高周波電圧に変換して出力する。通常、レーザ電源装置２０は、入力された交流を直流に変換するＤＣ電源部２１と、ＤＣ電源部２１から出力された直流を放電管２４内のレーザガスを放電励起するための印加電圧として用いられる高周波電圧に変換するＲＦ電源部２２と、を有する。ＤＣ電源部２１の出力電流値および出力電圧値を検出するために、電圧および電流検出手段２９が設けられている。電圧および電流検出手段２９により検出されたＤＣ電源部２１の出力電流値および出力電圧値は、制御装置３内のレーザ電源装置出力指令手段４１に入力され、レーザ電源装置出力指令手段４１は入力された値に基づいて、ＲＦ電源部２２が出力する高周波電圧を制御することで、レーザ光の発生を制御する。

駆動装置２３は、商用電源４から入力された交流を、ブロワ２５を駆動するための交流に変換する。ブロワ２５のモータは、例えばインバータ制御を用いて駆動する。このインバータ制御の場合、駆動装置２３は、商用電源４から入力された交流を直流に変換（整流）するコンバータとこの直流を交流に逆変換するインバータとで構成される。駆動装置２３が出力する交流により動作するブロワ２５を制御するべく、駆動装置２３の出力電流値を検出するために、電流検出手段３０が設けられている。電流検出手段３０により検出された駆動装置２３の出力電流値は、制御装置３内の駆動装置出力指令手段４２に入力され、駆動装置出力指令手段４２は入力された値に基づいて、駆動装置２３の交流出力を制御することで、ブロワ２５の駆動状態を制御する。

このように、ガスレーザ装置本体２を統括制御する制御装置３は、上述のように、レーザ電源装置出力手段４１によりレーザ電源装置２０が出力する高周波電圧を制御してレーザガスを放電励起させ、駆動装置出力指令手段４２により駆動装置２３の交流出力を制御してブロワを動作させてレーザガスを冷却循環させることで、放電管２４において所望のレーザ光が発生するよう制御する。これら各制御を実現するために、ガスレーザ装置本体２には、電圧および電流検出手段２９ならびに電流検出手段３０が設けられている。本発明の実施例によるガスレーザ装置１では、上述のレーザ光発生制御に用いられているこれら既存の電圧および電流検出手段２９ならびに上述のブロワ２５の駆動制御に用いられている電流検出手段３０により検出される各出力電流値および出力電圧値を用いて、以下に説明するようにレーザガス装置１の消費電力を算出する。

本発明の実施例によるガスレーザ装置１は、制御装置３内に、レーザ電源装置への入力電力の推定値を算出する第１の推計手段としてレーザ電源装置入力電力計算手段１１と、駆動装置への入力電力の推定値を算出する第２の推計手段として駆動装置入力電力計算手段１２と、レーザ電源装置入力電力計算手段１１および駆動装置入力電力計算手段１２の計算結果を用いてガスレーザ装置１の消費電力値を算出する電力計算手段として消費電力計算手段１３と、を備える。このように、本発明の実施例においては、レーザ電源装置入力電力計算手段１１および駆動装置入力電力計算手段１２の２つの推計手段を備える。なお、ガスレーザ装置１は、制御装置３内に、予め測定しておいた排気ポンプ２８、ファン３１および制御回路３２についての稼動時の消費電力を固定値として記憶する排気ポンプ・ファン・制御回路消費電力記憶手段１８を備えるが、その詳細については後述する。

また、ガスレーザ装置１内の制御装置３は、消費電力計算手段１３により算出された消費電力を積算する積算消費電力計算手段１４と、消費電力計算手段１３および積算消費電力計算手段１４の算出結果を保存するデータ保存手段１５と、を備えてもよい。消費電力計算手段１３およびデータ保存手段１５から得られたデータは、消費電力表示手段１６によって視覚的に表示してもよく、同様に、積算消費電力計算手段１４およびデータ保存手段１５から得られたデータも、積算消費電力表示手段１７によって視覚的に表示してもよい。

上述のレーザ電源装置入力電力計算手段１１、駆動装置入力電力計算手段１２、消費電力計算手段１３および積算消費電力計算手段１４は、レーザ電源装置指令手段４１および駆動装置指令手段４２が構築されるのと同一の演算プロセッサに構築してもよく、あるいはこれとは別体の演算プロセッサに構築してもよい。

なお、データ保存手段１５および排気ポンプ・ファン・制御回路消費電力記憶手段１８については、例えば制御装置３内に設けられた記憶装置の所定のメモリ領域に割り当てればよい。また、上述の消費電力表示手段１６および積算消費電力表示手段１７は、同一のディスプレイ装置として構成してもよく、あるいは別々のディスプレイ装置として構成してもよい。あるいはまた、制御装置３の外部もしくはガスレーザ装置１の外部に設けられたディスプレイ装置に表示できるようにしてもよい。

続いて、レーザ電源装置入力電力計算手段１１、駆動装置入力電力計算手段１２、および消費電力計算手段１３の各動作について、より詳しく説明する。

レーザ電源装置入力電力計算手段１１は、ＤＣ電源部２１の出力電流値および出力電圧値と、ＤＣ電源部２１による入力電力から出力電力への変換効率であるＤＣ電源部変換効率とを用いて、レーザ電源装置２０への入力電力の推定値を算出するものである。ここで、ＤＣ電源部２１の出力電流値および出力電圧値は、上述のレーザ光発生制御に用いられている電圧および電流検出手段２９により検出されたものを流用する。

ＤＣ電源部変換効率は、ＤＣ電源部２１による入力電力から出力電力への変換効率であり、すなわち、ＤＣ電源部２１への入力電力に対し、ＤＣ電源部２１がどの程度の出力電力を出力するかを示すものであって「出力電力／入力電力」で表わされる。ＤＣ電源部２１への入力電力は、レーザ電源装置２０への入力電力と一致するので、ＤＣ電源部２１の出力電力値が分かれば、ＤＣ電源部変換効率を用いてＤＣ電源部２１への入力電力値すなわちレーザ電源装置２０への入力電力値を推計することができる。また、レーザ電源装置２０は、入力された電力を放電管２４における放電励起に用いられる電力に変換するものであるが、レーザ電源装置２０自体もスイッチング素子の損失やファンの消費電力を有するので、レーザ電源装置２０への入力電力が推計できれば、放電管２４で消費される電力およびレーザ電源装置２０自体で消費される電力を算出できることになる。

一般にレーザ電源装置２０内のＤＣ電源部２１による入力電力から出力電力への変換効率は、出力電力が小さいと効率が悪く、出力電力が大きくなるにつれて効率がよくなるという特性と、放電管内のレーザガスが放電励起している時と放電励起していない時とでは効率が大きく異なるという特性とを有する。そこで、本発明の実施例では、放電管内のレーザガスが放電励起している時と放電励起していない時とで、レーザ電源装置２０への入力電力の推定値の算出に用いるＤＣ電源部変換効率を使い分ける。具体的には、ＤＣ電源部変換効率を、放電管内のレーザガスが放電励起する時にはＤＣ電源部２１の出力電流値と出力電圧値とを乗算して得られた出力電力値を変数とする対数関数式にしたがって算出した値に設定し、放電管内のレーザガスが放電励起しない時には所定の定数に設定する。放電管内のレーザガスが放電励起しているか放電励起していないかは、制御装置３内のレーザ電源装置出力指令手段４１からの出力指令信号により制御されるので、レーザ電源装置入力電力計算手段１１は、レーザ電源装置出力指令手段４１からの当該出力指令信号を判断基準として、計算処理に用いるＤＣ電源部変換効率を決定する。

図２は、実験により得られたレーザ電源装置内のＤＣ電源部の出力電力とＤＣ電源部変換効率との関係の一例を示す図である。レーザ電源装置２０内のＤＣ電源部２１のＤＣ電源部変換効率（＝出力電力／入力電力）は、放電管内のレーザガスが放電励起している時についてはＤＣ電源部２１の出力電力を変数とする対数関数式に近似でき、一方、放電管内のレーザガスが放電励起していない時については所定の定数値に近似できることを、本出願人は実験により確認した。すなわち、ＤＣ電源部２１の出力電力はＲＦ電源部２２の入力電力にほぼ一致するものであるが、図２に示すように、ＤＣ電源部２１の出力電力が、放電管内のレーザガスが放電励起する高周波電圧・電流をＲＦ電源部２２が出力できるレベル以上である場合には、ＤＣ電源部変換効率（＝出力電力／入力電力）はＤＣ電源部２１の出力電力を変数とする対数関数式にほぼ従う。一方、ＤＣ電源部２１の出力電力が、放電管内のレーザガスが放電励起する高周波電圧・電流をＲＦ電源部２２が出力できるレベルより小さい場合には、ＤＣ電源部変換効率（＝出力電力／入力電力）はほぼ一定値となる。

以上まとめると、放電管内のレーザガスが放電励起している時のＤＣ電源部変換効率は式１で表わされる対数関数式となる。ここで、η_PSUONを放電管内のレーザガスが放電励起している時のＤＣ電源部変換効率、Ｗ_DCをＤＣ電源部２１の出力電力、Ｃ_PSU1およびＣ_PSU2を係数とする。

式１において、係数Ｃ_PSU1およびＣ_PSU2はＤＣ電源部２１の構成内容により異なるので、ガスレーザ装置１を実際に稼動させて、ＤＣ電源部２１の入力電力および出力電力を測定し、この測定結果を用いて係数Ｃ_PSU1およびＣ_PSU2を導出しておく。

放電管内のレーザガスが放電励起している時の、レーザ電源装置２０への入力電力の推定値は、式２で表わされる。ここで、放電管内のレーザガスが放電励起している時のレーザ電源装置２０への入力電力の推定値をＷ_BEAMON、レーザ電源装置２０の待機電力をＷ_STANDBYとする。

なお、レーザ電源装置２０の待機電力Ｗ_STANDBYは、ＤＣ電源部２１が動作していないときにおいて生じるスイッチング素子の消費電力などレーザ電源装置２０に潜在的に存在する消費電力である。導出された係数Ｃ_PSU1およびＣ_PSU2で規定された式１で表わされる放電管内のレーザガスが放電励起している時のＤＣ電源部変換効率およびこれを用いたレーザ電源装置２０の入力電力を推計する式２については、レーザ電源装置入力電力計算手段１１の動作プログラムとして上述の演算プロセッサにプログラミングしておく。

一方、放電管内のレーザガスが放電励起していない時のＤＣ電源部変換効率は所定の定数となる。ここで、η_PSUOFFを放電管内のレーザガスが放電励起していない時のＤＣ電源部変換効率、Ｗ_DCをＤＣ電源部２１の出力電力、放電管内のレーザガスが放電励起していない時のレーザ電源装置２０への入力電力の推定値をＷ_BEAMOFF、レーザ電源装置２０の待機電力Ｗ_STANDBYとすると、放電管内のレーザガスが放電励起していない時のレーザ電源装置２０への入力電力の推定値Ｗ_BEAMOFFは、式３で表わされる。

式３において、放電管内のレーザガスが放電励起していない時のＤＣ電源部変換効率η_PSUOFFはＤＣ電源部２１の構成内容により異なるので、ガスレーザ装置１を実際に稼動させて、ＤＣ電源部２１の入力電力および出力電力を測定し、この測定結果を用いてＤＣ電源部変換効率η_PSUOFFを導出しておく。導出されたＤＣ電源部変換効率η_PSUOFFおよびこれを用いたレーザ電源装置２０の入力電力を推計する式３については、レーザ電源装置入力電力計算手段１１の動作プログラムとして上述の演算プロセッサにプログラミングしておく。

駆動装置入力電力計算手段１２は、駆動装置２３への入力電力の推定値を算出するものである。駆動装置２３からの出力電力は、ブロワ２５への入力電力と一致する。また、駆動装置２３への入力電力は、入力された電力をブロワ２５の駆動に用いられる電力に変換するものであるが、駆動装置２３自体もスイッチング素子の損失やファンの消費電力を有する。したがって、駆動装置２３への入力電力が推計できれば、ブロワ２５で消費される電力および駆動装置２３自体で消費される電力を算出できたことになる。本発明の実施例では、駆動装置入力電力計算手段１２による駆動装置２３への入力電力の推定値の算出処理に用いる式を、ブロワ２５の加速運転時もしくは定速運転時と、ブロワ２５の減速運転時とで使い分ける。

まず、ブロワ２５の加速運転時もしくは定速運転時においては、駆動装置入力電力計算手段１２は、駆動装置２３の出力電流値を変数とした２次関数式にしたがって算出したブロワ２５への入力電力の値を、駆動装置変換効率で除算することにより、駆動装置２３への入力電力の推定値を算出する。駆動装置変換効率は、駆動装置２３による入力電力から出力電力への変換効率であり、すなわち、駆動装置２３への入力電力に対し、駆動装置２３がどの程度の出力電力を出力するかを示すものであって「出力電力／入力電力」で表わされる。なお、駆動装置２３の出力電流値は、上述のブロワ２５の駆動制御に用いられている電流検出手段３０により検出されたものを流用する。

ブロワ２５が加速制御もしくは定速制御されているときは、ブロワ２５への入力電力は、ブロワ２５への入力電流値すなわち駆動装置２３の出力電流値を変数とした式４で表わされる２次関数式で求める。このように駆動装置２３の出力電流値を変数とすることにより、放電負荷の変化によらず、精度良く駆動装置２３による入力電力の推定値を求めることができる。式４において、Ｗ_BROをブロワ２５の入力電力値（すなわち駆動装置２３の出力電力値）、Ｉ_BROをブロワ２５の入力電流値（すなわち駆動装置２３の出力電流値）、Ｃ_INV1、Ｃ_INV2およびＣ_INV3を係数とする。

式４において、係数Ｃ_INV1、Ｃ_INV2およびＣ_INV3は駆動装置２３の構成内容により異なるので、ガスレーザ装置１を実際に稼動させて、駆動装置２３の入力電力および出力電力を測定し、この測定結果を用いて係数Ｃ_INV1、Ｃ_INV2およびＣ_INV3を導出しておく。

ブロワ２５が加速制御もしくは定速制御されている時の、駆動装置２３への入力電力の推定値は、式５で表わされる。ここで、ブロワ２５が加速制御もしくは定速制御されている時の駆動装置２３への入力電力の推定値をＷ_INV、駆動装置変換効率をη_INVとする。

導出された係数Ｃ_INV1、Ｃ_INV2およびＣ_INV3で規定された式５で表わされるブロワの加速制御および定速制御時の駆動装置変換効率およびこれを用いた駆動装置２３の入力電力を推計する式５については、駆動装置入力電力計算手段１２の動作プログラムとして上述の演算プロセッサにプログラミングしておく。

一方、ブロワ２５が減速制御されているときは、ブロワ２５のモータに回生電力が発生するため、駆動装置２３の入力電力の推定値の算出処理に式５を適用することはできない。そこで、本発明の実施例では、駆動装置入力電力計算手段１２は、ブロワ２５の減速運転時においてはブロワ２５の減速開始時からの経過時間を変数とした式６で表わされる３次関数式にしたがって、駆動装置２３への入力電力の推定値を算出する。ここで、ブロワ２５が減速制御されている時の駆動装置２３への入力電力の推定値をＷ_INV、ブロワ２５の減速開始時からの経過時間をｔ、ブロア２５の減速が開始する直前の駆動装置２３への入力電流の推定値をＷ_iniとする。したがって、Ｗ_iniは、ブロア２５の減速が開始する直前に式５に基づいて算出された駆動装置２３への入力電流の推定値である。また、Ｃ_INV4、Ｃ_INV5およびＣ_INV6を係数とする。

式６において、係数Ｃ_INV4、Ｃ_INV5およびＣ_INV6は駆動装置２３の構成内容により異なるので、ガスレーザ装置１を実際に稼動させて、駆動装置２３の入力電力および出力電力を測定し、この測定結果を用いて係数Ｃ_INV4、Ｃ_INV5およびＣ_INV6を導出しておく。導出された係数Ｃ_INV4、Ｃ_INV5およびＣ_INV6で規定された、ブロワの減速制御時の駆動装置２３の入力電力を推計する式６については、駆動装置入力電力計算手段１２の動作プログラムとして上述の演算プロセッサにプログラミングしておく。

このようにブロワ２５の減速制御時における駆動装置２３への入力電力の推定値の算出処理においてブロワ２５の減速開始時からの経過時間を変数とした式６で表わされる３次関数式を用いたのは、本出願人がブロワ２５のモータの減速時の消費電力を測定する実験を行った結果、回生電力の発生を伴うブロワ２５における消費電力の減少傾向が、ブロワ２５の減速開始時からの経過時間を変数とした３次関数式に近似できることが確認できたからである。なお、３次関数式以外の他の関数式に近似できることが実験則により確認できるのであれば、駆動装置２３への入力電力の推定値の算出処理にそれを用いてもよい。

以上説明したように、本発明の実施例では、ブロワ２５の加速制御時および定速制御時と、減速制御時とで、駆動装置２３への入力電力の推定値の算出に用いる計算式を使い分ける。ブロワ２５が加速制御、定速制御または減速制御のいずれの制御がされているかについては、ブロワ２５への入力電力（すなわち駆動装置２３の出力電力）は制御装置３内の駆動装置出力指令手段４２により制御されるので、駆動装置入力電力計算手段１２は、駆動装置出力指令手段４２からの当該出力指令信号から判断することができる。この判断結果により、駆動装置入力電力計算手段１２は、駆駆動装置２３への入力電力の推定値の算出に用いる計算式をいずれにするか決定する。

消費電力計算手段１３は、レーザ電源装置入力電力計算手段１１によって算出されたレーザ電源装置２０への入力電力の推定値と、駆動装置入力電力計算手段１２によって算出された駆動装置２３への入力電力の推定値とを加算した値を用いて、ガスレーザ装置１の消費電力値を算出する。上述のように、レーザ電源装置２０への入力電力は放電管２４で消費される電力およびレーザ電源装置２０自体で消費される電力と一致し、駆動装置２２への入力電力はブロワ２５で消費される電力および駆動装置２３自体で消費される電力と一致するので、これら入力電力の推定値を加算すれば、ガスレーザ装置１の消費電力を算出することができる。これら入力電力の推定値は、レーザガスが放電励起している時としていない時、ブロワ２５が加速制御もしくは定速制御されている時と減速制御されている時とで、上述のように算出に用いる計算式を使い分けているので、実際の入力電力に近い値として精度よく算出することができ、したがってこれら入力電力の推定値の加算値であるガスレーザ装置１の消費電力値も高精度に算出することができる。

なお、ガスレーザ装置１において消費される電力として、上述のもの以外にも、排気ポンプ２８やファン３１や制御回路３２などで消費される電力がある。そこで、ガスレーザ装置１の消費電力値の算出精度を高めるために、消費電力計算手段１３は、ガスレーザ装置本体２内に設けられた、レーザガスの排気のための排気ポンプ２８、ファン３１および制御回路３２での消費電力を、レーザ電源装置入力電力計算手段１１によって算出されたレーザ電源装置２０への入力電力の推定値および駆動装置入力電力計算手段１２によって算出された駆動装置２３への入力電力の推定値にさらに加算するようにしてもよい。排気ポンプ２８、ファン３１および制御回路３２での消費電力はガスレーザ装置１の動作状態にかかわらずほぼ一定値であるので、排気ポンプ２８、ファン３１および制御回路３２での消費電力を予め測定しておき、その測定値を固定値として排気ポンプ・ファン・制御回路消費電力記憶手段１８に記憶しておけばよい。消費電力計算手段１３は、消費電力の算出処理の際には、排気ポンプ・ファン・制御回路消費電力記憶手段１８からデータを読み出してこれを算出処理に利用すればよい。またさらに、上述の排気ポンプ２８、ファン３１および制御回路３２の消費電力の場合のように、ガスレーザ装置１内のさらなる装置や回路の消費電力も含めてガスレーザ装置全体の消費電力の計算の精度を高めるようにしてもよい。

このように、本発明の実施例によれば、レーザ光発生制御に用いるために既に設けられている電圧および電流検出手段２９と、ブロワ２５の駆動制御に用いるために既に設けられている電流検出手段３０とにより検出される各出力電流値および出力電圧値をガスレーザ装置１の消費電力を算出処理に流用するので、新たに電力計等の測定器を設置する必要はない。したがって、ガスレーザ装置の低コスト化および小型化を実現することができる。すなわち、本発明によれば、電力計ではなく、検出された出力電流値および出力電圧値を用いて計算する演算処理手段として、レーザ電源装置入力電力計算手段１１、駆動装置入力電力計算手段１２および消費電力計算手段１３を設ければよい。

なお、上述の本発明の実施例では、レーザ電源装置入力電力計算手段１１、駆動装置入力電力計算手段１２および消費電力計算手段１３を、ガスレーザ装置本体２を統括制御する制御装置３内に設けたが、ガスレーザ装置１とは別体の、独立した演算処理装置内に設けてもよい。例えば外部コンピュータに、レーザ電源装置入力電力計算手段１１、駆動装置入力電力計算手段１２および消費電力計算手段１３における各処理を実行するプログラムをインストールした上で、電流検出手段２９ならびに電流検出手段３０により検出される各出力電流値および出力電圧値のデータをこの外部コンピュータに入力し、当該外部コンピュータにガスレーザ装置１の消費電力を算出させるようにしてもよい。

本発明は、入力された交流を直流に変換するＤＣ電源部、およびこのＤＣ電源部から出力された直流を放電管内のレーザガスを放電励起するための印加電圧として用いられる高周波電圧に変換するＲＦ電源部を有するレーザ電源装置と、入力された交流を放電管にレーザガスを送り込むブロワを駆動するための交流に変換する駆動装置と、を備えるガスレーザ装置に適用することができる。

１ ガスレーザ装置
２ ガスレーザ装置本体
３ 制御装置
４ 商用電源
１１ レーザ電源装置入力電力計算手段
１２ インバータ入力電力計算手段
１３ 消費電力計算手段
１４ 積算消費電力計算手段
１５ データ保存手段
１６ 消費電力表示手段
１７ 積算消費電力表示手段
１８ 排気ポンプ・ファン・制御回路消費電力記憶手段
２０ レーザ電源装置
２１ ＤＣ電源部
２２ ＲＦ電源部
２３ 駆動装置
２４ 放電管
２５ ブロワ
２６ 熱交換器
２７ 送風配管
２８ 排気ポンプ
２９ 電圧および電流検出手段
３０ 電流検出手段
３１ ファン
３２ 制御回路
４１ レーザ電源装置出力指令手段
４２ 駆動装置出力指令手段

Claims (5)

1. 入力された交流を直流に変換するＤＣ電源部、および前記ＤＣ電源部から出力された直流を放電管内のレーザガスを放電励起するための印加電圧として用いられる高周波電圧に変換するＲＦ電源部を有するレーザ電源装置と、入力された交流を前記放電管にレーザガスを送り込むブロワを駆動するための交流に変換する駆動装置と、を備えるガスレーザ装置であって、
   検出された前記ＤＣ電源部の出力電流値および出力電圧値と、前記ＤＣ電源部による入力電力から出力電力への変換効率であるＤＣ電源部変換効率とを用いて、前記レーザ電源装置への入力電力の推定値を算出する第１の推計手段と、
   検出された前記駆動装置の出力電流値を用いて、前記駆動装置への入力電力の推定値を算出する第２の推計手段と、
   前記レーザ電源装置への入力電力の推定値と前記駆動装置への入力電力の推定値とに基づいて、前記ガスレーザ装置の消費電力値を算出する電力計算手段と、
   を備え、
   前記第２の推計手段は、前記ブロワの減速運転時においては前記ブロワの減速開始時からの経過時間を変数とした３次関数式にしたがって、前記駆動装置への入力電力の推定値を算出することを特徴とするガスレーザ装置。
2. 前記第１の推計手段は、前記ＤＣ電源部変換効率を、放電管内のレーザガスが放電励起する時は前記ＤＣ電源部の出力電流値と出力電圧値とを乗算して得られた出力電力値を変数とする対数関数式にしたがって算出した値に設定し、放電管内のレーザガスが放電励起しない時は所定の定数に設定して、前記レーザ電源装置への入力電力の推定値を算出する請求項１に記載のガスレーザ装置。
3. 前記第１の推計手段は、前記ＤＣ電源部の出力電力値を前記ＤＣ電源部変換効率で除算した値と、前記レーザ電源装置における待機電力値と、に基づいて、前記レーザ電源装置への入力電力の推定値を算出する請求項１または２に記載のガスレーザ装置。
4. 前記第２の推計手段は、前記ブロワの加速運転時もしくは定速運転時において、前記駆動装置の出力電流値を変数とした２次関数式にしたがって算出した前記ブロワへの入力電力の値を、前記駆動装置による入力電力から出力電力への変換効率である駆動装置変換効率で除算することにより、前記駆動装置への入力電力の推定値を算出する請求項１に記載のガスレーザ装置。
5. 前記電力計算手段は、前記ガスレーザ装置内に設けられた、レーザガスの排気のための排気ポンプにおける予め測定された消費電力の値と、前記レーザ電源装置への入力電力の推定値と、前記駆動装置への入力電力の推定値と、に基づいて、前記ガスレーザ装置の消費電力値を算出する請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスレーザ装置。

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