JP6577575B2 - レーザダイオード駆動用電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザダイオード駆動用電源装置に関する。

近年、加工用レーザでは、半導体レーザ励起型の固体レーザやファイバーレーザの高出力化が進み、従来のＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザが主流であった金属の溶接や切断，マーキングなどの加工分野でその置き換えが進んでいる。このような、半導体レーザ励起型のレーザ発振源としてレーザダイオード（以下、ＬＤという。）がよく用いられる。通常、レーザ加工機に用いられるＬＤは、高出力を得るために、直列または並列に多数配列してそれらを全部同時に発光させる。このようなＬＤアレイは、電気的には、ＬＤをすべて直列に接続したり、あるいはＬＤ直列回路を並列に接続したものとなり、アレイ全体で大きな駆動電流を必要とする。

また、ＬＤは電流駆動型の素子であるため、所望の出力でレーザ発振させるのに必要な駆動電流を定電流で供給できる定電流源回路として構成するのが一般的である。このような高効率なスイッチング電源方式の定電流源回路では、一般的にリアクトルが使用されるため、加工条件に合わせてパルス幅の短いレーザパルスを出力しようとしても、出力電流の応答速度が遅く矩形波にはならないという課題がある。

そこで、ＬＤと並列にスイッチング素子を配置し、このスイッチング素子をオン・オフすることでＬＤへの電流経路を瞬時に変更し、電流応答を高速に行う駆動回路が考案されている。（例えば、特許文献１参照）

また、定電流源回路の出力電流を抵抗器により消費させることで強制的に減衰させ、さらに電流応答を高速に行う駆動回路も考案されている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。

特開平１１−８７８１７号公報 特開２０１０−０１５８８３号公報 特開２０１１−２４３６６９号公報

このようなＬＤ駆動用電源装置にあっては、加工条件に合わせて所望の電流を設定し、パルス毎に設定電流が同じであれば高速にビームオン・オフが可能であるが、パルス毎に設定電流が異なる場合には定電流源回路のリアクトルにより、高速に変化することができず、所望の電流が得られないという問題点があった。

本発明の目的は上記の問題点を解決するために、パルス毎に異なる電流を設定しても高速に追従するＬＤ駆動用電源装置及びその制御方法を提供することにある。

本発明にかかるレーザダイオード駆動用電源装置は、
一端がレーザダイオードに接続され、他端が前記レーザダイオードに電力を供給する電源に直列に接続されたリアクトルと、
前記リアクトルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記レーザダイオードに並列に接続され、前記レーザダイオードをパルス駆動する第１のスイッチング素子と、
前記レーザダイオードがパルス駆動されるときに、先読みした電流指令値と前記電流検出手段の出力に基づいて駆動され、所定の目標電流指令値になるまで前記リアクトルに蓄積されたエネルギーを消費するエネルギー消費手段と、
を備える。

本発明に係るＬＤ駆動用電源装置及びその制御方法によれば、リアクトルに蓄えられたエネルギーを瞬時に消費する負荷を取り付けたことにより、加工目的に応じてレーザ出力が１〜数ｋＨｚにパルス化され、パルス毎に異なる電流を設定しても、ＬＤ駆動電流が高速に追従することができる。これにより、レーザ加工機の条件切り替えが高速にできるため、待ち時間が短くなり、生産性の向上につながる。

本発明の実施の形態１にかかるＬＤ駆動用電源装置の構成を示すブロック図である。 比較例にかかるＬＤ駆動用電源装置におけるパルス電流駆動の一例を示す各信号のタイミングチャートである。 図１のＬＤ駆動用電源装置におけるパルス電流駆動の第１の例を示す各信号のタイミングチャートである。 図１のＬＤ駆動用電源装置におけるパルス電流駆動の第２の例を示す各信号のタイミングチャートである。 図１のＬＤ駆動制御部８０の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２にかかるＬＤ駆動用電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３にかかるＬＤ駆動用電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４にかかるＬＤ駆動用電源装置の構成を示すブロック図である。 図７のスイッチング素子Ｓ２をＭＯＳ電界効果トランジスタで構成したときのゲート電圧とオン抵抗の関係を示すグラフである。 図７のスイッチ素子Ｓ２をＳｉＣを主とする半導体材料で作成されたＳｉＣ半導体であるときのゲート電圧とオン抵抗の関係を示すグラフである。 図７のＬＤ駆動用電源装置において、スイッチング素子Ｓ２がオンする直前に電流指令値が次のパルスの電流指令値になるように補正する場合の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態６にかかるＬＤ駆動用電源装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１にかかるＬＤ駆動用電源装置の構成を示すブロック図である。実施の形態１にかかる電源装置は、例えばレーザ加工機などのレーザダイオードに対して電力を供給して駆動するための電源装置であって、レーザ発振器２内の複数のＬＤＤ５の直列回路にてなるレーザダイオード回路（以下、ＬＤ回路という。）４０を制御対象とする。本実施の形態にかかるＬＤ駆動用電源装置は、特に、あらかじめ加工対象に最適な加工条件をユーザーが入力部３を用いてコンピュータ数値制御装置（以下、ＣＮＣ装置という。）１に入力し、定電流源回路のリアクトルＬ１に蓄えられたエネルギーを瞬時に消費するエネルギー消費手段を備える。特に、本実施の形態では、エネルギー消費手段として、スイッチング素子Ｓ３及び消費抵抗Ｒ１の直列回路を用いた例を示しており、ＣＮＣ装置１からのビームオン信号などの制御信号に基づいてスイッチング素子Ｓ３を制御するＬＤ駆動制御部８０をさらに備える。

図４のＬＤ駆動制御部８０内にはＣＮＣ装置１からあらかじめ加工条件（ビームオンタイミングと電流指令値情報）を読み込み記憶するメモリ８２が搭載され、パルス毎の休止期間中に次のビームオンパルスの電流値をメモリ８２から先読みすることによって、リアクトルＬ１のエネルギーを高速に消費し、これにより、従来技術に比較して高速で、ＬＤ回路４０を駆動する駆動電流を所望の電流値に変化させることができることを特徴としている。

当該電源装置は、例えば商用２００Ｖの三相交流電源５からの交流電圧を整流電圧に整流する整流部Ｄ１と、整流された整流電圧を平滑して直流電圧を得る平滑コンデンサＣ１と、直流電圧を高周波電圧に変換するために複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなるインバータ部１０と、高周波電圧を低電圧に降圧する降圧トランス部２０と、降圧された交流電圧を整流電圧に整流する整流部Ｄ２と、整流された整流電圧を直流電圧に平滑する平滑コンデンサＣ２と、平滑して得られた直流電圧をＬＤ回路４０に定電流として供給する降圧チョッパ部３０を備えて構成される。

インバータ部１０においては、平滑コンデンサＣ２からの直流電圧が一定となるように、定電圧制御部７０により定電圧制御を行われる。また、降圧チョッパ部３０は、電流制御用スイッチング素子Ｓ１と還流ダイオードＤ３とリアクトルＬ１とを備え、変流器（ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ））などを用いた電流検出部５０によってリアクトルＬ１に流れる電流を検出し、検出された電流値を示す検出信号を定電流制御部６０の誤差比較器に帰還させ、定電流制御部６０は、当該検出信号の電流値を、ＣＮＣ装置１の指令器で設定した電流指令値と比較することにより、フィードバック制御して電流指令値と同じ電流を供給するように電流制御用スイッチング素子Ｓ１を駆動する。

なお、リアクトルＬ１のインダクタンス値は、大きなリップル電流を避けるように適切な値を選ぶ。また、インバータ部１０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４にそれぞれ直列に接続されたダイオードＤ１１〜Ｄ１４と、それぞれ並列で逆向きに接続されたファーストリカバリダイオードＤ２１〜Ｄ２４，Ｄ３１〜Ｄ３４は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング特性が良い場合には、省略してもよい。また、上記スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に代わりに、還流ダイオードＤ３の順方向電圧よりも低い順方向電圧をもつＭＯＳ（Metal-Oxide Semiconductor）電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などのスイッチング素子に置き換えて同期整流とすることが好ましく、この場合高効率となる。

本電源装置においては、ＬＤ回路４０への駆動電流を高速に立ち上げ、立ち下げを行ってレーザのオン・オフを行うために、ＬＤ回路４０と並列にスイッチング素子Ｓ２を接続している。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３を制御するＬＤ駆動制御部８０は、レーザのパルス駆動時には、スイッチング素子Ｓ２のオン・オフによって、リアクトルＬ１に流れている定電流の電流経路について、定電流をＬＤ回路４０に流すか、もしくはスイッチング素子Ｓ２に流すかを選択的に切り替える。定電流の電流経路を瞬時に切り替えることで、ＬＤ回路４０への電流を高速に立ち下げことが可能となる。

なお、ＬＤ回路４０への駆動電流が大きい場合には、スイッチング素子Ｓ２をオフする際に生ずるサージ電圧を抑制するためにスイッチング素子Ｓ２に対して並列に所定のスナバ回路８１をさらに備えてもよい。スナバ回路８１としては、例えば抵抗とコンデンサの直列回路にてなるＲＣスナバ回路、もしくは、当該直列回路の抵抗又はコンデンサに並列にダイオードを接続してなるＲＣＤスナバ回路などを用いることができる。

しかしながら、レーザ加工機などの大型の装置においては、例えば図１において電源装置とレーザ発振器２とが離れている場合が多く、スイッチング素子Ｓ２とＬＤ回路４０との配線が長くなり、配線の寄生インダクタンスによって高速に電流を立ち下げことが難しくなる。そこで、本実施の形態にかかる電源装置では、レーザ発振器２内のＬＤ回路４０のすぐ近くにスイッチング素子Ｓ２を配置し、ＬＤ回路４０とスイッチング素子Ｓ２が１つのレーザ発振器２のモジュールとなるように構成し、配線の寄生インダクタンスによる遅延時間を最小限に留めている。ＬＤ回路４０とスイッチング素子Ｓ２とを１つのモジュールで構成することは他の実施の形態２〜５においても適用できる。また、ＬＤ回路４０とスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３が１つのレーザ発振器２のモジュールとなるように構成してもよい。ＬＤ回路４０とスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３とを１つのモジュールで構成することは他の実施の形態３においても適用できる。

図２は比較例にかかるＬＤ駆動用電源装置におけるパルス電流駆動の一例を示す各信号のタイミングチャートである。図２のように、レーザのオン・オフが繰り返されるパルス駆動時において、パルス毎に異なる電流を出力したい場合、パルスの電流指令値がゼロ期間でスイッチング素子Ｓ２がオンしているときには、リアクトルＬ１に流れている電流はスイッチング素子Ｓ２及び還流ダイードＤ３の経路を含む閉回路で電流が流れる。この間に大きな抵抗はなく、リアクトルＬ１とスイッチング素子Ｓ２と還流ダイードＤ３の内部インピーダンスとインダクタンスによって決まる時間でしか電流が減少しないことになる。このとき、次のレーザのオンパルスでの電流指令値がその前のパルスよりも小さい場合には、リアクトルＬ１に蓄積したエネルギーが消費されていないため、設定した指令電流よりも瞬時的に大きく出力される。特に、レーザ加工機では、加工形状に合わせてレーザパルスの電流値を変化させることは多く、このようなレーザビームでは加工不良を招くおそれがある。

そこで、本実施の形態にかかる電源装置では、図１に示すように、レーザ発振器２内にＬＤ回路４０と並列に、スイッチング素子Ｓ３及び消費抵抗Ｒ１をエネルギー消費手段８００として接続し、ＬＤ駆動制御部８０はスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３を以下のように制御することを特徴としている。

図３Ａは図１のＬＤ駆動用電源装置におけるパルス電流駆動の第１の例を示す各信号のタイミングチャートである。図３Ａに示すように、ＬＤ駆動制御部８０は、ビームオフした際に所定のパルス期間このスイッチング素子Ｓ３をオンすることにより、リアクトルＬ１に蓄積したエネルギーを消費させる（１０２）ことにより電流を高速に減少させ、パルス毎に異なる電流指令値を設定しても高速に追従することができる。

なお、スイッチング素子Ｓ３をオンしたままでは、消費抵抗Ｒ１に生ずる損失が大きくなるため、ＬＤ駆動制御部８０は、エネルギー消費後は、スイッチング素子Ｓ３をオフし、スイッチング素子Ｓ２をオンすることで、消費抵抗Ｒ１での損失を最小限に抑えることができる。スイッチング素子Ｓ２にオン抵抗の低い素子を使用すれば、ビームオフ時の損失をより抑えることができる。

また、本実施の形態にかかる電源装置では、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ３を駆動するタイミングを加工条件に合わせて制御することが可能である。例えば、レーザ加工機では、あらかじめ加工対象に最適な加工条件をユーザーがＣＮＣ装置１に入力部３を用いて入力し、加工物の形状に合わせて、どのタイミングで電流指令値を変更するかがプログラムされている。それを、ＬＤ駆動制御部８０において、図４のようにＣＮＣ装置１からあらかじめ加工条件１〜ｎ（電流指令値及びビームオン信号）を読み込み、内部のメモリ８２内に格納し、次のビームオンタイミングの電流指令値を電流指令値読み出し回路８３により先読みし、ゲートパルス信号生成回路８４により生成したゲートパルス信号によりスイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ３を駆動すればよい。

図３Ｂは図１のＬＤ駆動用電源装置におけるパルス電流駆動の第２の例を示す各信号のタイミングチャートである。上記のようにユーザーによりプログラムされた情報に基づいて、図３Ｂに示すように、ＬＤ駆動制御部８０は、電流指令値を先読み（１０３，１０４）して、次のレーザパルスでの電流指令値がその前のパルスよりも小さい場合（１０３）には、スイッチング素子Ｓ３をオンし、電流検出部５０によってリアクトルＬ１に流れる電流を検出できる。従って、所定の目標電流指令値になるまでリアクトルＬ１のエネルギーを消費させ、その後スイッチング素子Ｓ２をオンすればよい。なお、次のレーザパルスでの電流指令値がその前のパルスよりも大きい場合（１０４）には、スイッチング素子Ｓ２をオンし、パルスオフ時に電流指令値を変更すればよい。

図３Ａ及び図３Ｂに示したように、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ３をオンする時間を制御することにより、次のレーザパルスでの電流指令値に達するまで消費させることで、レーザパルスの立ち上がり又は立ち下がりを高速にすることができる。

以上説明したように、実施の形態１によれば、リアクトルＬ１に蓄えられたエネルギーを消費抵抗Ｒ１の負荷により消費させことによって、パルス駆動時でも高速に電流指令値を切り替えることができる。

なお、本実施の形態においてＬＤ駆動制御部８０がＣＮＣ装置１からの加工条件の電流指令値を先読みするものとしているが、ＣＮＣ装置１がその役割を担ってもよく、この場合にはＬＤ駆動制御部８０にはメモリ機能は必要なくなる。すなわち、ＣＮＣ装置１が現在の電流指令値と休止後の電流指令値とを比較して、電流指令値がその前のパルスよりも小さい場合にはスイッチング素子Ｓ３を駆動するための信号を送信するようにしてもよい。

実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２にかかるＬＤ駆動用電源装置の構成を示すブロック図である。実施の形態２にかかるＬＤ駆動用電源装置は、図１の実施の形態１にかかるＬＤ駆動用電源装置に比較して以下の点が異なる。
（１）スイッチング素子Ｓ１及び還流ダイオードＤ３を備えた降圧チョッパ部３０を省略した。
（２）定電流制御部６０に代えて、定電流制御部６０Ａを備えた。
以下、これらの相違点について詳述する。

レーザ出力が小さく電源容量が小さい場合には、図５のごとく降圧チョッパ部３０を省略でき、回路規模を縮小することができる。インバータ部１０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をリアクトルＬ１に流れる電流が一定となるように、電流検出部５０の検出電流に基づき定電流制御部６０Ａがインバータ部１０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭ制御し、定電流源回路を構成する。

また、リアクトルＬ１の代わりに降圧トランス部２０の漏れインダクタンスを利用できる場合には、リアクトルＬ１を省略してもよい。

以上説明したように、実施の形態２にかかる電源装置では、実施の形態１と同様に、レーザ発振器２内にＬＤ回路４０と並列接続されたスイッチング素子Ｓ２と、さらに、ＬＤ回路４０及びスイッチング素子Ｓ２に対して並列接続されたエネルギー消費手段８００を設け、具体的には、スイッチング素子Ｓ３及び消費抵抗Ｒ１を設けることができるので、パルス毎に異なる電流指令値を設定しても高速に追従することが可能である。

なお、実施の形態２の構成は、他の実施の形態３〜５においても適用できる。

実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３にかかるＬＤ駆動用電源装置の構成を示すブロック図である。実施の形態１及び２では、レーザ発振器２内のスイッチング素子Ｓ３及び消費抵抗Ｒ１をＬＤ回路４０と並列に接続した。実施の形態３にかかるＬＤ駆動用電源装置は、実施の形態１に比較して、以下の点が異なる。
（１）エネルギー消費手段８００としてスイッチング素子Ｓ３及び消費抵抗Ｒ１を、図６に示すように、ＬＤ回路４０と直列に接続した。
（２）エネルギー消費手段８００であるスイッチング素子Ｓ３及び消費抵抗Ｒ１の直列回路と並列にスイッチング素子Ｓ４を並列に接続した。
（３）ＬＤ駆動制御部８０に代えて、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を制御するＬＤ駆動制御部８０Ａを備えた。
以下、これらの相違点について説明する。

実施の形態１及び２のごとく、消費抵抗Ｒ１がＬＤ回路４０と並列に接続される場合には、ビームオフ時にＬＤ側に電流が流れないように、スイッチング素子Ｓ３がオンした際に生ずる消費抵抗間電圧がＬＤ回路４０の順方向電圧以上にならないように抵抗値を選ぶ必要があった。しかしながら、消費抵抗Ｒ１をＬＤ回路４０と直列に接続した場合には、消費抵抗Ｒ１の抵抗値を、実施の形態１及び２の消費抵抗Ｒ１の抵抗値に比較して大きくしてもよく、これにより、実施の形態１及び２に比較してより高速にリアクトルＬ１のエネルギーを消費することができる。

本実施の形態３の構成においても、図３Ｂのごとくあらかじめ電流指令値を先読みし、パルス駆動時において次のレーザパルスでの電流指令値がその前のパルスよりも小さい場合には、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ３をオンして消費させるように制御すれば、パルス毎に異なる電流指令値を設定しても高速に追従することが可能である。

なお、スイッチング素子Ｓ３をオンしたままでは、消費抵抗Ｒ１に生ずる損失が大きくなるため、エネルギー消費後は、スイッチング素子Ｓ３をオフし、スイッチング素子Ｓ４をオンすることで、消費抵抗Ｒ１での損失を抑えることができる。スイッチング素子Ｓ４にオン抵抗の低い素子を使用すれば、ビームオフ時の損失をより抑えることができる。

実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４にかかるＬＤ駆動用電源装置の構成を示すブロック図である。また、図８は図７のスイッチング素子Ｓ２をＭＯＳ電界効果トランジスタで構成したときのゲート電圧とオン抵抗の関係を示すグラフである。実施の形態４にかかるＬＤ駆動用電源装置は、図１の実施の形態１にかかるＬＤ駆動用電源装置に比較して以下の点が異なる。
（１）スイッチング素子Ｓ２をＭＯＳ電界効果トランジスタで構成した。
（２）スイッチング素子Ｓ３及び消費抵抗Ｒ１を削除した。
（３）ＬＤ駆動制御部８０に代えて、スイッチング素子Ｓ２のオン・オフを制御するＬＤ駆動制御部８０Ｂを備えた。
以下、これらの相違点について詳述する。

実施の形態１〜３では、エネルギー消費手段８００としてスイッチング素子Ｓ３及び消費抵抗Ｒ１を追加し、消費抵抗Ｒ１によってリアクトルに蓄積したエネルギーを消費させた。しかし、図８のようにスイッチング素子Ｓ２のオン抵抗を制御できる場合には、スイッチング素子Ｓ３及び消費抵抗Ｒ１を省略してスイッチング素子Ｓ２をエネルギー消費手段として利用してもよい。例えば、スイッチング素子Ｓ２にＭＯＳＦＥＴを使用すると、ゲート電圧に対するオン抵抗の関係は図８に示すような特性があるので、ビームオフした際にスイッチング素子Ｓ２のゲート電圧を下げることで、リアクトルＬ１に蓄積したエネルギーを消費させることにより電流を高速に減少させことが可能である。すなわちこれによりスイッチング素子Ｓ２がエネルギー消費手段８００として動作することができる。

また、前記のＭＯＳ電界効果トランジスタが、ＳｉＣを主とする半導体材料で作成されたＳｉＣ半導体デバイスであれば、ゲート電圧に対するオン抵抗の関係が図９のように、図８よりもリニアな特性があるので、消費させる際の制御性が向上する。また、デバイスが高温動作が可能であるため、リアクトルに蓄積したエネルギーが大きくても熱破壊することなく消費させることができる。

また、本実施の形態にかかる電源装置では、電流検出部５０によってリアクトルＬ１に流れる電流を検出できるので、あらかじめ電流指令値を先読みし、パルス駆動時において次のレーザパルスでの電流指令値がその前のパルスよりも小さい場合には、ゲート電圧を電流指令値になるように制御することによってパルス毎に異なる電流指令値を設定しても高速に追従することができる。具体的には、ＬＤ駆動制御部８０Ｂは、ＣＮＣ装置１から加工条件をあらかじめメモリ８２に読み込み、制御信号に基づいて、レーザダイオード４０に対するパルス駆動時に電流指令値を電流指令値読み出し回路８３により先読みして、当該電流指令値がその前のパルスよりも小さい場合には、スイッチング素子Ｓ２をオンし、当該スイッチング素子Ｓ２のＭＯＳ電界効果トランジスタのゲート電圧に対するオン抵抗の特性（図８）により、所定の目標電流値になるまでリアクトルＬ１に蓄積されたエネルギーを消費させるようにスイッチング素子Ｓ２を制御する。

例えば、レーザ加工機に使用されるようなＬＤ回路４０では、大電流駆動が必要とされ、スイッチング素子Ｓ３を大電流経路に配置するには、当該スイッチング素子Ｓ３をＬＤ回路４０に対して並列に追加する必要があり、回路規模が大きくなる。本実施の形態の構成とすることで、ＬＤ回路４０と並列にスイッチング素子Ｓ２を配置するだけでよくなり、電源装置を実施の形態１〜３に比較して大幅に小型化できる。

以上説明したように、実施の形態４によれば、実施の形態１と同様の作用効果を有するとともに、電源装置を実施の形態１〜３に比較して大幅に小型化できる。

実施の形態５．
実施の形態５は実施の形態１〜４の変形例である。実施の形態１〜４では、消費抵抗Ｒ１およびスイッチング素子のオン抵抗を利用してリアクトルに蓄積したエネルギーを消費させた。本実施の形態にかかる電源装置では、図７に示すＬＤ駆動用電源装置と構成は同じであるが、制御方法が異なる。

本実施の形態では、ＣＮＣ装置１から加工条件をあらかじめＬＤ駆動制御部８０内のメモリ８２に読み込み、パルス駆動時に電流指令値がその前のパルスよりも小さい場合には、図１０のようにスイッチング素子Ｓ２がオンする直前（つまりビームオフする直前）に電流指令値が次のパルスの電流指令値になるように補正しておく。これによって、ビームオフ時にダイオード負荷自身でリアクトルに蓄積したエネルギーを消費させてビームオフすることができる。具体的には、元の電流指令値がタイミングｔ２まで出力する場合であっても、次の加工における電流指令値が小さいことが明らかな場合は、タイミングｔ１で次の電流指令値を目標値として補正する。これによりタイミングｔ２ではリアクトル電流の値をおよそ次のＬＤ駆動電流の値にまで低下させる。

これにより、電源装置を実施の形態１〜３に比較して大幅に小型化できる。すなわち、ＬＤ回路４０そのものをエネルギー消費手段８００の一部として動作させることでスイッチング素子Ｓ３や消費抵抗Ｒ１を削減することができる。

実施の形態６．
図１１は本発明の実施の形態６にかかるＬＤ駆動用電源装置の構成を示すブロック図である。実施の形態６にかかるＬＤ駆動用電源装置は、図１の実施の形態１に比較して以下の点が異なる。
（１）スイッチング素子Ｓ３及び消費抵抗Ｒ１を削除した。
（２）リアクトルＬ１の電源側の接続点Ｐ１に、ダイオードＤ４、スイッチング素子Ｓ５及び負電圧源７１の回路を備えた。
（３）ＬＤ駆動制御部８０に代えて、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ５のオン・オフを制御するＬＤ駆動制御部８０Ｃを備えた。
以下、これらの相違点について詳述する。

実施の形態１〜３では、エネルギー消費手段８００として消費抵抗Ｒ１の負荷を利用してリアクトルＬ１のエネルギーを消費したが、別途負電圧源７１を用意できる場合には、図１１に示す構成としてもよい。この場合、エネルギー消費手段８００は負電圧源７１、ダイオードＤ４、スイッチング素子Ｓ５となる。図１１において、リアクトルＬ１の電源側の接続点Ｐ１は、ダイオードＤ４、及びスイッチング素子Ｓ５を介して負電圧源７１に接続される。また、ＬＤ駆動制御部８０Ｃは、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ５のオン・オフを制御する。

図１１の構成では、ＬＤ駆動制御部８０Ｃは、ビームオフ時にスイッチング素子Ｓ５をオンして保持することにより、リアクトルＬ１のエネルギーをダイオードＤ４及びスイッチング素子Ｓ５を介して負電圧源７１側へと電流を回生することで、リアクトルＬ１のエネルギーを消費させることができる。また、負電圧源７１から、降圧チョッパ部３０及びＬＤ回路４０を含む主回路に電流が流入するのを防ぐ目的で、ダイオードＤ４が設けられている。本構成では、消費動作時の電源損失が少なく、ビームオン時においても電流経路上にスイッチング素子Ｓ３を配置する必要がないので、電源効率が良い。

以上説明したように、実施の形態６によれば、実施の形態１と同様の作用効果を有するとともに、電源装置を実施の形態１〜３に比較して大幅に小型化できる。

以上詳述したように、本発明に係るＬＤ駆動用電源装置及びその制御方法によれば、リアクトルに蓄えられたエネルギーを瞬時に消費する回路を取り付けたことにより、加工目的に応じてレーザ出力が１〜数ｋＨｚにパルス化され、パルス毎に異なる電流を設定しても、ＬＤ駆動電流が高速に追従することができる。これにより、レーザ加工機の条件切り替えが高速にできるため、待ち時間が短くなり、生産性の向上につながる。

１ コンピュータ数値制御装置（ＣＮＣ装置）、２ レーザ発振器、３ 入力部、５ 三相交流電源、１０ インバータ部、２０ 降圧トランス部、３０ 降圧チョッパ部、４０ レーザダイオード（ＬＤ）、５０ 電流検出部、６０，６０Ａ 定電流制御部、７０ 定電圧制御部、７１ 負電圧源、８０，８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ ＬＤ駆動制御部、８１ スナバ回路、８２ メモリ、８３ 電流指令値読み出し回路、８４ ゲートパルス信号生成回路、８００ エネルギー消費手段、Ｃ１ 平滑コンデンサ、Ｃ２ 平滑コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２ 整流部、Ｄ３ 還流ダイオード、Ｄ４〜Ｄ５ 整流ダイオード、Ｄ１１〜Ｄ３４ ダイオード、Ｌ１ リアクトル、Ｐ１ 接続点、Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子、Ｒ１ 消費抵抗、Ｓ１〜Ｓ５ スイッチング素子。

Claims (7)

1. 一端がレーザダイオードに接続され、他端が前記レーザダイオードに電力を供給する電源に直列に接続されたリアクトルと、
   前記リアクトルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記レーザダイオードに並列に接続され、前記レーザダイオードをパルス駆動する第１のスイッチング素子と、
   前記レーザダイオードがパルス駆動されるときに、先読みした電流指令値と前記電流検出手段の出力に基づいて駆動され、所定の目標電流指令値になるまで前記リアクトルに蓄積されたエネルギーを消費するエネルギー消費手段と、
   を備えたレーザダイオード駆動用電源装置。
2. 前記レーザダイオードがパルス駆動されるときに、前記電流検出手段による直前のパルスのピーク出力が、前記目標電流指令値より大きい場合に、前記エネルギー消費手段によって前記リアクトルに蓄積されたエネルギーを消費する動作をおこない、前記電流検出手段による直前のパルスのピーク出力が、前記目標電流指令値以下である場合は、前記リアクトルに蓄積されたエネルギーを消費する動作をおこなわないことを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード駆動用電源装置。
3. 前記エネルギー消費手段は、
   消費抵抗と、
   第２のスイッチング素子と
   を直列に接続して構成された直列回路であることを特徴とする請求項１または２記載のレーザダイオード駆動用電源装置。
4. 前記直列回路が前記レーザダイオードと前記電源に対して並列接続されていることを特徴とする請求項３記載のレーザダイオード駆動用電源装置。
5. 前記直列回路が前記レーザダイオードと前記電源に対して直列接続され、
   前記直列回路に対して並列に接続された第３のスイッチング素子を備えることを特徴とする請求項３記載のレーザダイオード駆動用電源装置。
6. 前記エネルギー消費手段は、前記リアクトルと前記電源との間の接続点に一端が接続された第２のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子の他端に接続された負電圧源を有し、前記第２のスイッチング素子をオンし、前記リアクトルに蓄積されたエネルギーを前記負電圧源に回生することによってエネルギーを消費する請求項１記載のレーザダイオード駆動用電源装置。
7. 前記レーザダイオードと、前記第２のスイッチング素子とを１つのモジュールで構成したことを特徴とする請求項３又は６記載のレーザダイオード駆動用電源装置。

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