JP5456220B1 - レーザ発振器用電源装置およびレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

レーザ発振器用電源装置が、レーザ発振するのに必要な電力・周波数を生成する高周波電力生成部と、高周波電力生成部と共振器との間に接続されるとともに、電力・周波数が印加されるブスバー５Ａ，５Ｂと、ブスバー５Ａ，５Ｂを空冷する冷却ファン６と、ブスバー５Ａ，５Ｂに対して非接触かつ電気的に非接続となるよう配置されるとともに、ブスバー５Ａ，５Ｂに印加された電力・周波数が発生させる誘導電磁場の誘導加熱によって発熱し、かつ冷却ファン６によって空冷される検知用導体７と、検知用導体７の温度を検出する温度センサ８と、を備える。

Description

本発明は、レーザ発振するのに必要な電力・周波数が印加される導電性熱源の空冷に用いられる冷却ファンに対し、冷却ファンの停止を検知するレーザ発振器用電源装置およびレーザ発振器に関する。

レーザ発振器に電源を供給する電源装置では、電源装置と高周波トランスとの間を繋ぐブスバー（導電性熱源）が、電力損失によって発熱する。このため、電源装置は、導電性熱源空冷用のファンによってブスバーを冷却している。

ファンによってブスバーを冷却する際には、ファンの異常停止を検知する機構が必要となる。このような機構の１つとして、空冷対象熱源またはファン駆動に関わる熱源に温度センサを取り付け、温度センサが温度変化を検出することでファンの異常を検知する方法がある。この方法では、空冷の対象物がブスバーなどのレーザ発振をするのに必要な電力・周波数が印加される導体である場合、空冷の対象物に直接温度センサを取り付けることはできない。

そこで、特許文献１に記載のガスレーザ装置では、電源盤筐体内に電源盤内部の雰囲気温度を検出する手段を設けている。これにより、特許文献１に記載のガスレーザ装置は、電源盤内部の雰囲気の温度を検出している。

実開平２−１３１３６４号公報

しかしながら、上記従来の技術では、電源盤内部の雰囲気温度の温度変化が、熱源における温度変化と比べて緩慢であるので、温度検出の精度が低いという問題があった。このため、換気ファンが異常停止した場合であっても、換気ファンの異常停止を精度良く検出することができなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、冷却ファンの異常停止を精度良く検出できるレーザ発振器用電源装置およびレーザ発振器を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ発振器用電源装置が、レーザ発振するのに必要な電力・周波数を生成する高周波電力生成部と、前記高周波電力生成部と共振器との間に接続されるとともに、前記電力・周波数が印加される導電性導体と、前記導電性導体を空冷する空冷部と、前記導電性導体に対して非接触かつ電気的に非接続となるよう配置されるとともに、前記導電性導体に印加された前記電力・周波数が発生させる誘導電磁場の誘導加熱によって発熱し、かつ前記空冷部によって空冷される検知用導体と、前記検知用導体の温度を検出する温度検出部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、冷却ファンの異常停止を精度良く検出することが可能になるという効果を奏する。

図１は、実施の形態に係る電源装置を備えたレーザ発振器の構成を示すブロック図である。 図２は、実施の形態に係る電源装置の回路構成を示す図である。 図３は、実施の形態に係る電源装置を備えたレーザ発振器の構成を示す斜視図である。 図４は、検知用導体の構成の一例を示す図である。 図５−１は、検知用導体の主面を冷却風の風向方向に向けて配置した場合の、検知用導体の正面図である。 図５−２は、検知用導体の主面を冷却風の風向方向に向けて配置した場合の、検知用導体の断面図である。 図６−１は、ブスバーが発生させる磁界が検知用導体の主面を垂直方向に通過するよう検知用導体を配置した場合の、検知用導体の正面図である。 図６−２は、ブスバーが発生させる磁界が検知用導体の主面を垂直方向に通過するよう検知用導体を配置した場合の、検知用導体の断面図である。

以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ発振器用電源装置およびレーザ発振器を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は、実施の形態に係る電源装置を備えたレーザ発振器の構成を示すブロック図である。レーザ発振器１は、高周波・高電圧（レーザ発振するのに必要な電力・周波数）を印加することによってレーザ光を出力する装置である。本実施の形態のレーザ発振器１は、レーザ発振するのに必要な電力・周波数の印加によって発熱する導電性熱源部材（後述するブスバー５Ａ，５Ｂ）を導電性熱源空冷用ファン（後述する冷却ファン６）によって冷却するとともに、冷却ファン６の異常停止検知を行う。

レーザ発振器１は、共振器２と電源装置３とを備えている。電源装置３は、レーザ発振器用の電源装置であり、共振器２を制御対象とし、共振器２に電流を供給する。共振器２は、電源装置３から供給される電流を用いてレーザ光Ｌを生成し、生成したレーザ光Ｌを出力する。

電源装置３には、ブスバー５Ａ，５Ｂからの誘導加熱によって温度上昇するとともに冷却ファン６によって冷却される部材（後述する検知用導体７）が配置されている。電源装置３は、温度センサ８によって検知用導体７の温度を検知することによって冷却ファン６の異常停止を検知する。

図２は、実施の形態に係る電源装置の回路構成を示す図である。電源装置３は、交流電源１１と共振器２との間に配置されている。電源装置３は、整流回路１２と、インバータ回路１３と、昇圧トランス１４と、ブスバー５Ａ，５Ｂと、冷却ファン６と、検知用導体（温度検出用導体）７と、温度センサ８とを有している。電源装置３内では、整流回路１２が導電性導体によって交流電源１１に接続されている。また、整流回路１２が導電性導体によってインバータ回路１３に接続され、インバータ回路１３が導電性導体（ブスバー５Ａ，５Ｂ）によって昇圧トランス１４に接続され、昇圧トランス１４が導電性導体によって共振器２に接続されている。

電源装置３では、例えば、整流回路１２と、インバータ回路１３と、昇圧トランス１４と、がそれぞれ独立したユニットとして構成されている。また、電源装置３では、ブスバー５Ａ，５Ｂと、冷却ファン６と、検知用導体７と、温度センサ８とが、１つのユニットに格納されている。また、共振器２が電源装置３とは異なるユニットに格納されている。そして、レーザ発振器１の備える各ユニットが導電性導体によって接続されている。

交流電源１１は、例えば２００Ｖで５０／６０Ｈｚの交流電力を整流回路１２に供給する。整流回路１２は、交流電源１１からの交流電力を全波整流して直流電力に変換し、インバータ回路１３への直流電源を生成する。整流回路１２は、生成した直流電源をインバータ回路１３に送る。

高周波電力生成部としてのインバータ回路１３は、整流回路１２から送られてくる直流電源から、レーザ発振するのに必要な電力・周波数のパルス電力（方形波交流電圧）（以下、高周波電力という）を生成する。なお、レーザ発振するのに必要な電力は、誘導加熱が起きる電力よりも大きな電力である。インバータ回路１３と昇圧トランス１４との間は、高周波電力を伝導する電流伝導部（導電性導体としてのブスバー５Ａ，５Ｂ）で接続されている。この構成により、ブスバー５Ａ，５Ｂは、交流電源１１と昇圧トランス１４との間を繋いている。

インバータ回路１３は、生成した高周波電力（例えば、数１０ｋＨｚ〜数ＭＨｚ）をブスバー５Ａ，５Ｂを介して昇圧トランス１４に送る。ブスバー５Ａ，５Ｂに、レーザ発振するのに必要な高周波電力が印加されることによって、高電圧の高周波電流がブスバー５Ａ，５Ｂに流される。なお、インバータ回路１３が生成する高周波電力は、レーザ発振するのに必要な周波数であれば、何れの周波数であってもよい。

昇圧トランス１４は、インバータ回路１３が生成した高周波電力（パルス電力）を、共振器２内の放電空間２３にて放電が可能になるレベルまで昇圧して共振器２の電極２０Ａ，２０Ｂに印加する。

冷却ファン６は、ブスバー５Ａ，５Ｂおよび検知用導体７に風を送り込むことによってブスバー５Ａ，５Ｂおよび検知用導体７を冷却する。検知用導体７は、インバータ回路１３と昇圧トランス１４との間のブスバー５Ａ，５Ｂに流れる高周波電流（ブスバー５Ａ，５Ｂに印加される高周波電力）が発生させる誘導電磁場の誘導加熱によって発熱する。

温度センサ８は、検知用導体７の温度を検出する。ブスバー５Ａ，５Ｂに高周波電力が流されると、検知用導体７の温度が上昇するものの、冷却ファン６によって検知用導体７が冷却される。したがって、冷却ファン６が正常に動作している間は、検知用導体７が所定温度以上に上昇することはない。一方、冷却ファン６が異常動作を行うと（例えば、異常停止）、検知用導体７が所定温度以上に上昇する。温度センサ８は、検知用導体７の温度を検出することによって、冷却ファン６の異常を検知する。

共振器２は、昇圧トランス１４の二次側に接続されている。ここでは、共振器２がガスをレーザ媒体としてレーザ光を出射する場合の共振器２の構成について説明する。共振器２には、レーザ媒質（混合ガス）が充填される筐体内に、電極２０Ａ，２０Ｂと全反射鏡２１と部分反射鏡２２とが配置されている。電極２０Ａ，２０Ｂは、筐体の長手方向に対向して配置されている。全反射鏡２１は電極２０Ａ，２０Ｂの長手方向の一端側（昇圧トランス１４側）に配置され、部分反射鏡２２は電極２０Ａ，２０Ｂの長手方向の他端側（レーザ光Ｌの出力側）に配置されている。共振器２内における電極２０Ａ，２０Ｂ間の空間が放電空間２３である。

共振器２の電極２０Ａ，２０Ｂに高電圧のパルス電力が印加されると、共振器２では、放電空間２３でパルス放電が発生し、パルス放電の発生に起因してレーザ発振によるパルスレーザ光が増幅される。このパルスレーザ光は、部分反射鏡２２から外部へレーザ光Ｌとして出力される。

図３は、実施の形態に係る電源装置を備えたレーザ発振器の構成を示す斜視図である。レーザ発振器１のうち、整流回路１２、インバータ回路１３、昇圧トランス１４、共振器２は、それぞれ整流回路格納ユニット３２、高周波電力生成ユニット３３、高周波トランスユニット（昇圧トランスユニット）３４、共振器格納ユニット３５内に格納されている。なお、各ユニットは、図３に示した配置に限定されるものではない。

図３では、レーザ発振器１のうち、整流回路格納ユニット３２、高周波電力生成ユニット３３、高周波トランスユニット３４および共振器格納ユニット３５に関しては外観構成を示している。また、図３では、ブスバー５Ａ，５Ｂなどを格納する制御盤筐体（外壁）の一部を図示省略することによって、電源装置３のうちブスバー５Ａ，５Ｂ、冷却ファン６、検知用導体７および温度センサ８を格納するユニットの内部構成を示している。

電源装置３は、共振器２に接続されている。また、電源装置３では、インバータ回路１３から延びるブスバー５Ａ，５Ｂが、昇圧トランス１４に接続されている。ブスバー５Ａ，５Ｂは、概略平板状の棒状部材を用いて形成された導電性導体である。

ブスバー５Ａ，５Ｂは、例えば、インバータ回路１３から同軸方向に延設されるとともに、所定の角度だけ曲げられて同軸方向にさらに延設されている。換言すると、ブスバー５Ａ，５Ｂは、インバータ回路１３から昇圧トランス１４までの間で所定の距離だけ離されたうえで平行方向に並ぶよう配置されている。

検知用導体７は、例えば、板状部材を用いて形成されている。検知用導体７は、冷却ファン６によるブスバー５Ａ，５Ｂの空冷を妨げない位置でかつ冷却ファン６による空冷が検知用導体７に効果的に働く位置および向きに配置される。冷却ファン６による空冷が検知用導体７に効果的に働く位置および向きは、冷却ファン６の近傍で冷却ファン６からの風が検知用導体７に当たりやすい位置および向きである。検知用導体７は、例えば、冷却ファン６の上側に配置される。なお、検知用導体７が、効率良く冷却されるよう、検知用導体７の面積を大きくしてもよい。

また、検知用導体７は、インバータ回路１３の稼動時にはブスバー５Ａ，５Ｂを流れる高周波電流が生む誘導電磁場の誘導加熱によって効率良く発熱する位置および方向に配置される。検知用導体７が誘導加熱によって効率良く発熱する位置および方向は、例えば、ブスバー５Ａ，５Ｂによる誘導電磁場の磁界が検知用導体７の主面を垂直に通過する位置および方向である。

また、検知用導体７が、効率良く発熱するよう、検知用導体７の面積を大きくしても良い。また、検知用導体７が、検知用導体７に入る磁束の磁束密度が大きくなるよう検知用導体７の面積を調整することによって、検知用導体７を効率良く発熱させてもよい。

検知用導体７は、接地された制御盤筐体等に電気的に接続されることによって、アース電位に接続されている。また、検知用導体７は、比透磁率および熱伝導率が所定値よりも高い素材を用いて形成されている。また、検知用導体７は、抵抗値および熱伝導率が所定値よりも高い素材を用いて形成しておいてもよい。比透磁率または抵抗値を所定値より高くしておくのは、誘導加熱を起こしやすくするためである。また、熱伝導率を所定値よりも高くしておくのは、冷却ファン６によって冷却しやすくするためである。検知用導体７は、例えば、ステンレスまたは鉄などを用いて形成しておく。なお、ブスバー５Ａ，５Ｂに印加される電源の周波数が所定値よりも高い場合には、検知用導体７として銅やアルミニウムなどを適用してもよい。

冷却ファン６は、ブスバー５Ａ，５Ｂおよび検知用導体７を効率良く空冷できる位置および向きに配置される。冷却ファン６は、例えば、ブスバー５Ａ，５Ｂおよび検知用導体７の下側に配置され、下側から空冷風をブスバー５Ａ，５Ｂおよび検知用導体７に送る。なお、冷却ファン６は、何れの位置および方向に配置してもよい。例えば、冷却ファン６をブスバー５Ａ，５Ｂおよび検知用導体７の正面側に配置して、正面側から空冷風を送風してもよい。また、冷却ファン６をブスバー５Ａ，５Ｂおよび検知用導体７の上側に配置して、上側から空冷風を送風してもよい。

このように本実施の形態では、検知用導体７を、比透磁率または抵抗値が所定値よりも高い素材とするか、ブスバー５Ａ，５Ｂを流れる高周波電流が生む磁力線が検知用導体７を透過しやすい位置および向きに配置している。これにより、検知用導体７の電磁的カップリングを上げることが可能となる。

また、冷却ファン６からの風が当たりやすい位置および向きに検知用導体７を配置するので、冷却ファン６による空冷によって検知用導体７が効率良く冷却される。なお、検知用導体７を、熱伝導の良い構造としてもよいし、熱伝導の良い素材を用いて構成してもよい。

図４は、検知用導体の構成の一例を示す図である。図４では、検知用導体７の一例である検知用導体７Ａの断面構成を示している。検知用導体７Ａは、底面側（冷却ファン６によって空冷される側）に冷却フィンが設けられている。これにより、検知用導体７Ａの表面積が大きくなるので、冷却ファン６によって効率良く検知用導体７Ａが冷却される。

温度センサ８は、例えば検知用導体７の上面側（冷却ファン６とは反対側の主面上）に配置されている。このように、温度センサ８を設置した検知用導体７は、冷却ファン６によるブスバー５Ａ，５Ｂおよび検知用導体７の空冷を妨げない位置に配置されている。

レーザ発振器１では、レーザ光Ｌを出力する際に、インバータ回路１３と昇圧トランス１４との間のブスバー５Ａ，５Ｂに高周波電力が印加される。このため、レーザ発振するのに必要な高周波電力が印加されている間は、ブスバー５Ａ，５Ｂは、電力損失によって発熱する。そして、検知用導体７は、電源装置３内のブスバー５Ａ，５Ｂを流れる高周波電流が発生させる誘導電磁場の誘導加熱によって温度が上昇する。

この場合において、冷却ファン６の異常停止が発生し、ブスバー５Ａ，５Ｂへの空冷が弱まった際には、検知用導体７への空冷も弱まり、検知用導体７の温度が上昇する。本実施の形態では、この検知用導体７の温度上昇を温度センサ８が検出することで、冷却ファン６の異常停止を検出する。

つぎに、検知用導体７の配置位置および配置方向について説明する。図５−１は、検知用導体の主面を冷却風の風向方向に向けて配置した場合の、検知用導体の正面図である。また、図５−２は、検知用導体の主面を冷却風の風向方向に向けて配置した場合の、検知用導体の断面図である。図５−２は、図５−１のａ−ａ断面図である。

図５−１および図５−２に示すように、冷却ファン６から送られてくる冷却風３０が、検知用導体７の主面に対して垂直に当たるよう、検知用導体７を配置しておくことによって、検知用導体７が効率良く冷却される。なお、この場合において、ブスバー５Ａ，５Ｂは、何れの方向に配置してもよい。

図６−１は、ブスバーが発生させる磁界が検知用導体の主面を垂直方向に通過するよう検知用導体を配置した場合の、検知用導体の正面図である。また、図６−２は、ブスバーが発生させる磁界が検知用導体の主面を垂直方向に通過するよう検知用導体を配置した場合の、検知用導体の断面図である。図６−２は、図６−１のｂ−ｂ断面図である。

図６−１および図６−２に示すように、ブスバー５Ａが発生させる磁界３１が検知用導体７の主面に対して垂直方向に通過するよう検知用導体７を配置しておくことによって、検知用導体７は効率良く発熱する。なお、この場合において、冷却ファン６は、何れの位置および方向に配置してもよい。また、ブスバー５Ｂが発生させる磁界３１が検知用導体７の主面に対して垂直方向に通過するよう検知用導体７を配置してもよい。また、ブスバー５Ａおよびブスバー５Ｂが発生させる磁界３１が検知用導体７の主面に対して垂直方向に通過するよう検知用導体７を配置してもよい。

このように、電源装置３では、空冷の届く対象導体（ブスバー５Ａ，５Ｂ）の近傍にアース電位の検知用導体７を配置し、検知用導体７が誘導加熱によって上昇する温度を温度センサ８によって検知している。これにより、冷却ファン６の異常検出機構を簡易化できる。また、電源装置３は、ブスバー５Ａ，５Ｂ近傍の雰囲気温度ではなく、誘導加熱によって温度が顕著に変化する検知用導体７の温度を直接測定するので温度検知精度が向上する。

また、冷却ファン６の停止検出を精度良く行うために、冷却ファン６の動作の有無によって検知用導体７の温度変化が顕著に変化するように検知用導体７を構成しているので、精度良く冷却ファン６の停止を検知できる。

なお、ブスバー５Ａ，５Ｂは、昇圧トランス１と共振器２との間に配置してもよい。換言すると、ブスバー５Ａ，５Ｂは、インバータ回路１３の後段（インバータ回路１３と共振器２との間の何れかの位置）に配置される。ブスバー５Ａ，５Ｂを昇圧トランス１と共振器２との間に配置する場合、冷却ファン６、検知用導体７および温度センサ８も昇圧トランス１と共振器２との間に配置される。

このように実施の形態によれば、ブスバー５Ａ，５Ｂからの誘導加熱によって温度上昇するとともに冷却ファン６によって冷却される検知用導体７の温度を検知しているので、簡易な構成で冷却ファン６の異常停止を精度良く検出することが可能になる。

以上のように、本発明に係るレーザ発振器用電源装置およびレーザ発振器は、レーザ発振するのに必要な電力・周波数が印加されている導電性熱源の空冷に用いられる冷却ファンの停止検知に適している。

１ レーザ発振器、２ 共振器、３ 電源装置、５Ａ，５Ｂ ブスバー、６ 冷却ファン、７，７Ａ 検知用導体、８ 温度センサ、１１ 交流電源、１２ 整流回路、１３ インバータ回路、１４ 昇圧トランス、３０ 冷却風、３１ 磁界、Ｌ レーザ光。

Claims (8)

1. レーザ発振するのに必要な電力・周波数を生成する高周波電力生成部と、
   前記高周波電力生成部と共振器との間に接続されるとともに、前記電力・周波数が印加される導電性導体と、
   前記導電性導体を空冷する空冷部と、
   前記導電性導体に対して非接触かつ電気的に非接続となるよう配置されるとともに、前記導電性導体に印加された前記電力・周波数が発生させる誘導電磁場の誘導加熱によって発熱し、かつ前記空冷部によって空冷される検知用導体と、
   前記検知用導体の温度を検出する温度検出部と、
   を備えることを特徴とするレーザ発振器用電源装置。
2. 前記電力・周波数を昇圧して共振器側へ送る昇圧部をさらに備え、
   前記導電性導体は、前記高周波電力生成部と前記昇圧部との間に接続され、
   前記電力・周波数は、前記高周波電力生成部と前記昇圧部との間に印加されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器用電源装置。
3. 前記検知用導体は、前記空冷部による前記導電性導体の空冷を妨げない位置に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ発振器用電源装置。
4. 前記検知用導体は、平板状部材を用いて形成され、
   前記空冷部からの空冷風が前記平板状部材の主面に対して垂直に当たる位置に前記検知用導体が配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ発振器用電源装置。
5. 前記検知用導体は、平板状部材を用いて形成され、
   前記導電性導体からの磁力線が、前記平板状部材の主面に対して垂直に通過する位置に前記検知用導体が配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ発振器用電源装置。
6. 前記検知用導体は、冷却フィンを有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のレーザ発振器用電源装置。
7. 前記検知用導体は、ステンレスまたは鉄を用いて形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のレーザ発振器用電源装置。
8. レーザ光をパルス出射する共振器と、
   前記共振器に対し、レーザ発振するのに必要な電力・周波数を供給するレーザ発振器用電源装置と、
   を有し、
   前記レーザ発振器用電源装置は、
   前記電力・周波数を生成する高周波電力生成部と、
   前記高周波電力生成部と前記共振器との間に接続されるとともに、前記電力・周波数が印加される導電性導体と、
   前記導電性導体を空冷する空冷部と、
   前記導電性導体に対して非接触かつ電気的に非接続となるよう配置されるとともに、前記導電性導体に印加された前記電力・周波数が発生させる誘導電磁場の誘導加熱によって発熱し、かつ前記空冷部によって空冷される検知用導体と、
   前記検知用導体の温度を検出する温度検出部と、
   を備えることを特徴とするレーザ発振器。

Images