JP7482358B2

JP7482358B2 - レーザ発振器及びそれを備えたレーザ加工装置

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Publication number: JP7482358B2
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Inventors: 雄太黒崎
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Description

本発明は、少なくとも１つのレーザダイオードを有する発光回路を備えたレーザ発振器に関する。

特許文献１には、互いに直列に接続された複数のレーザダイオードを有し、第１及び第２のノード間に接続された発光回路を備えたレーザ発振器が開示されている。このレーザ発振器は、前記第１及び第２のノード間に供給電流を供給する電流源と、第１及び第２のノード間に配され発光回路と直列に接続された第１のスイッチと、前記発光回路と第１のスイッチとを含む直列接続回路に並列に接続された第２のスイッチ（バイパススイッチ）とをさらに備える。このレーザ発振器では、電流源が、電源と、電源の正極側に接続されたスイッチング素子とを有している。

また、第１のノードと電源の正極側との間に、第１のダイオードをそのカソードを電源の正極側に向けた状態で介在させている。これにより、バイパススイッチをオンからオフに切り替えたときに、配線インダクタンスによって第１及び第２のノード間の寄生容量が充電されることによって生じるサージ電圧が、電源電圧に第１のダイオードの順方向電圧を加えた電圧以下に抑制される。したがって、これを利用して、サージ電圧によって第１及び第２のノード間の部品が破損するのを防止できる。

また、発光回路と第１のスイッチとの接続点と、電源の正極側との間に、第２のダイオードをそのカソードを電源の正極側に向けた状態で介在させている。これにより、第１のスイッチをオンからオフに切り替えるとともに前記第２のスイッチをオフからオンに切り替える切替動作時に、配線インダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーによって電流が前記第２のダイオードを介して電源側に流れ、第１のスイッチの両端の電圧は、電源電圧に第２のダイオードの順方向電圧を加えた電圧程度に維持される。この電圧の向きは、配線インダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーによって流れる電流を妨げる向きとなる。このため、第１のスイッチと電源の正極側との間に第２のダイオードを設けない場合に比べ、発光回路に流れる電流の立ち下がりを速くできる。

特許第３４５６１２０号公報

ところで、発光回路に流れる電流の立ち上がりは、サージ電圧が高くなる程速くなる。しかし、特許文献１では、第１及び第２のノード間の電圧を、電源電圧にダイオードの順方向電圧を加えた電圧よりも高くできないので、発光回路に流れる電流の立ち上がりを速くできない。また、電流の立ち上がりを速くするために、電源電圧を高く設定すると、それに伴ってサージ電圧も高くなるので、第１及び第２のノード間の部品の耐電圧を高くする必要が生じる。

本発明の第１の態様は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その第１の目的とするところは、バイパススイッチをオンからオフに切り替えるときのサージ電圧を適切なレベルに抑制することにより第１及び第２のノード間の部品が破損するのを防止しつつ、発光回路に流れる電流の立ち上がりを速くすることにある。

また、特許文献１では、前記切替動作時に、第１のスイッチの両端の電圧が、電源電圧に第２のダイオードの順方向電圧を加えた電圧程度に維持されるので、電源電圧が低い場合には、発光回路に流れる電流の立ち下がりが遅くなる。

本発明の第２の態様は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その第２の目的とするところは、電流源に依存せず、発光回路に流れる電流の立ち下がりを速くできるようにすることにある。

上記の第１の目的を達成するため、本発明の第１の態様は、１個のレーザダイオード、又は互いに直列に接続された複数のレーザダイオードを有し、第１及び第２のノード間に接続された発光回路と、前記第１及び第２のノード間に供給電流を供給する電流源と、前記発光回路と並列に接続されたバイパススイッチと、前記第１及び第２のノード間の電圧に応じた測定電圧を測定する電圧測定部と、前記第１及び第２のノード間の電圧を降下させる降圧動作を行うノード間電圧制限回路と、前記電圧測定部によって測定された測定電圧が所定閾値以上の場合には、前記ノード間電圧制限回路に前記降圧動作を実行させる一方、前記電圧測定部によって測定された測定電圧が所定閾値未満の場合には、前記ノード間電圧制限回路に前記降圧動作を実行させないサージ電圧制御を、前記バイパススイッチがオンからオフに切り替わったときに実行する制御部とを備えたことを特徴とする。

これにより、バイパススイッチをオンからオフに切り替えるときに、第１及び第２のノード間に発生するサージ電圧を、所定閾値に対応する所定電圧程度に抑制できる。したがって、所定閾値を、適当な値に設定することにより、サージ電圧による第１及び第２のノード間の部品の破損を防止できる。

また、所定閾値は、第１及び第２のノード間の部品を破損しない範囲であれば、ユーザにより任意の値に設定できるので、所定閾値を高く設定することにより、発光回路に流れる電流の立ち上がりを速くできる。

上記の第２の目的を達成するため、本発明は、１個のレーザダイオード、又は互いに直列に接続された複数のレーザダイオードを有し、第１及び第２のノード間に接続された発光回路と、前記第１及び第２のノード間に前記発光回路と直列に接続された第１のスイッチと、前記第１及び第２のノード間に供給電流を供給する電流源と、前記発光回路及び第１のスイッチを含む直列接続回路と並列に接続された第２のスイッチと、前記発光回路と直列に、かつ前記第１のスイッチと並列に接続された電圧制限回路側コンデンサを有し、かつ前記第１のスイッチの両端の電圧を降下させる降圧動作を行うスイッチ電圧制限回路と、前記第１のスイッチの両端の電圧に応じた測定電圧を測定する電圧測定部と、前記電圧測定部によって測定された測定電圧が所定閾値以上の場合には、前記スイッチ電圧制限回路に前記降圧動作を実行させる一方、前記電圧測定部によって測定された測定電圧が所定閾値未満の場合には、前記スイッチ電圧制限回路に前記降圧動作を実行させない電圧制御を、前記第１のスイッチをオンからオフに切り替えるとともに前記第２のスイッチをオフからオンに切り替える切替動作時に実行する制御部とを備えたことを特徴とする。

これにより、前記切替動作時に、配線インダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーによってスイッチ電圧制限回路の容量成分が充電されることによって第１のスイッチの両端に生じる電圧を、所定閾値に対応する所定電圧未満に抑制できる。したがって、所定閾値を適当な値に設定することにより、過電圧による第１のスイッチの破損を防止できる。

また、所定閾値は、第１のスイッチを破損しない範囲であれば、ユーザにより任意の値に設定できるので、電流源に依存せず、所定閾値を高く設定することにより、前記切替動作時の第１のスイッチの両端の電圧を高くし、発光回路に流れる電流の立ち下がりを速くできる。

本発明の第１の態様によると、バイパススイッチをオンからオフに切り替えるときにサージ電圧により第１及び第２のノード間の部品が破損するのを防止しつつ、発光回路に流れる電流の立ち上がりを速くできる。

本発明の第２の態様によると、電流源に依存せず、発光回路に流れる電流の立ち下がりを速くできる。

本発明の実施形態１に係るレーザ発振器を備えたレーザ加工装置の構成を示す概略図である。本発明の実施形態１に係るレーザ発振器の回路図である。本発明の実施形態１に係るレーザ発振器の動作を説明するタイミングチャートである。実施形態２の図２相当図である。本発明の実施形態３に係るレーザ発振器の回路図である。本発明の実施形態３に係るレーザ発振器の動作を説明するタイミングチャートである。実施形態４の図５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１）
図１は、レーザ加工装置１００の構成を示す。このレーザ加工装置１００は、ワークＷの切断や溶接加工等を行うのに使用される。レーザ加工装置１００は、レーザ加工ヘッド１０と、マニピュレータ２０と、コントローラ３０と、本発明の実施形態１に係るレーザ発振器４０と、光ファイバ９０とを備えている。

レーザ加工ヘッド１０は、光ファイバ９０を通過したレーザ光ＬＢをワークＷに向けて出射する。マニピュレータ２０は、先端にレーザ加工ヘッド１０が取り付けられ、レーザ加工ヘッド１０を移動させる。コントローラ３０は、レーザ加工ヘッド１０の動作とマニピュレータ２０の動作と、レーザ発振器４０のレーザ発振を制御する。レーザ発振器４０は、発振によりレーザ光ＬＢを光ファイバ９０に出射する。光ファイバ９０は、レーザ発振器４０により出射されたレーザ光ＬＢを通過させてレーザ加工ヘッド１０に導く。このような構成により、レーザ加工装置１００は、レーザ発振器４０から出射されたレーザ光ＬＢを、レーザ加工ヘッド１０及びマニピュレータ２０を動作させてワークＷに所望の軌跡で照射させる。

レーザ発振器４０は、図２に示すように、複数のレーザダイオード（ＬＤ）４１と、電流源５０と、バイパススイッチ４３と、ノード間電圧制限回路６０と、電圧測定部４５と、制御部４６とを備えている。

複数のレーザダイオード４１は、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間に互いに直列に接続され、発光回路４２を構成している。第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２と、レーザダイオード４１との間の配線は、配線インダクタンスＬ１，Ｌ２を有している。複数のレーザダイオード４１は、そのカソード側を第２のノード側Ｎ２に向けている。

また、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間には、寄生容量Ｃが存在している。

電流源５０は、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間に供給電流を供給する。具体的には、電流源５０は、交流電源５１と、電流源側第１整流回路５２と、電流源側インバータ回路５３と、電流源側コンデンサ５４と、電流源側絶縁トランス５５と、電流源側第２整流回路５６と、リアクトル５７とを有している。

電流源側第１整流回路５２は、交流電源５１から出力される電源電圧を直流電圧に変換して１対の出力ノードＯＮ１，ＯＮ２から出力する。電流源側第１整流回路５２は、例えばダイオードブリッジで構成される。

電流源側インバータ回路５３は、電流源側第１整流回路５２の出力ノードＯＮ１，ＯＮ２の電圧に応じて供給用第１交流電圧を生成する。具体的には、電流源側インバータ回路５３は、電流源側第１整流回路５２の１対の出力ノードＯＮ１，ＯＮ２間に互いに直列に接続された第１の電流源側上アームスイッチング素子５３ａ、及び第１の電流源側下アームスイッチング素子５３ｂと、電流源側第１整流回路５２の１対の出力ノードＯＮ１，ＯＮ２間に互いに直列に接続された第２の電流源側上アームスイッチング素子５３ｃ、及び第２の電流源側下アームスイッチング素子５３ｄとを有している。各スイッチング素子５３ａ～５３ｄには、還流ダイオード５３ｅが並列に接続されている。

電流源側コンデンサ５４は、電流源側第１整流回路５２と電流源側インバータ回路５３との間に、これら電流源側第１整流回路５２と電流源側インバータ回路５３と並列に接続されている。電流源側コンデンサ５４は、電流源側第１整流回路５２の１対の出力ノードＯＮ１，ＯＮ２間に接続されている。

電流源側絶縁トランス５５は、電流源側インバータ回路５３により出力される供給用第１交流電圧を供給用第２交流電圧に変換する。電流源側絶縁トランス５５は、電流源側一次コイル５５ａと、電流源側二次コイル５５ｂとを有している。電流源側一次コイル５５ａの電圧が、供給用第１交流電圧となり、電流源側二次コイル５５ｂの電圧が、供給用第２交流電圧となる。電流源側一次コイル５５ａは、第１の電流源側上アームスイッチング素子５３ａ、及び第１の電流源側下アームスイッチング素子５３ｂの接続点と、第２の電流源側上アームスイッチング素子５３ｃ、及び第２の電流源側下アームスイッチング素子５３ｄの接続点との間に接続されている。

電流源側第２整流回路５６は、供給用第１交流電圧に基づく供給用第２交流電圧に基づいて、直流の供給電流を生成する。具体的には、電流源側第２整流回路５６は、第１及び第２のダイオード５６ａ，５６ｂを有している。第１のダイオード５６ａのアノードは、電流源側二次コイル５５ｂの一端部に接続され、第２のダイオード５６ｂのアノードは、電流源側二次コイル５５ｂの他端部に接続されている。第１及び第２のダイオード５６ａ，５６ｂのカソードは、第１のノードＮ１に接続されている。

したがって、電流源側インバータ回路５３と、電流源側第２整流回路５６とは、電流源側絶縁トランス５５により絶縁されている。

リアクトル５７は、電流源側二次コイル５５ｂの中途部と第２のノードＮ２との間に接続されている。

バイパススイッチ４３は、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間に、発光回路４２と並列に接続されている。バイパススイッチ４３には、還流ダイオード４３ａが並列に接続されている。

ノード間電圧制限回路６０は、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間に、発光回路４２及びバイパススイッチ４３と並列に接続されている。ノード間電圧制限回路６０は、逆流防止素子としての第３のダイオード６１と、電圧制限回路側コンデンサ６２と、電圧制限回路側インバータ回路６３と、電圧制限回路側絶縁トランス６４と、共振コンデンサ６５と、電圧制限回路側整流回路６６とを有している。

第３のダイオード６１及び電圧制限回路側コンデンサ６２は、発光回路４２及びバイパススイッチ４３と並列に、かつ互いに直列に接続されている。第３のダイオード６１は、電圧制限回路側コンデンサ６２から第１のノードＮ１に電流が流れるのを規制する。

電圧制限回路側インバータ回路６３は、電圧制限回路側コンデンサ６２と並列に接続されている。詳しくは、電圧制限回路側インバータ回路６３は、互いに直列に接続された第１の電圧制限回路側上アームスイッチング素子６３ａ、及び第１の電圧制限回路側下アームスイッチング素子６３ｂと、互いに直列に接続された第２の電圧制限回路側上アームスイッチング素子６３ｃ、及び第２の電圧制限回路側下アームスイッチング素子６３ｄとを有している。これら第１の電圧制限回路側上アームスイッチング素子６３ａ、第１の電圧制限回路側下アームスイッチング素子６３ｂ、第２の電圧制限回路側上アームスイッチング素子６３ｃ、及び第２の電圧制限回路側下アームスイッチング素子６３ｄは、電圧制限回路側コンデンサ６２と並列に接続され、かつ第３のダイオード６１と直列に接続され、降圧用スイッチを構成している。各スイッチング素子６３ａ～６３ｄには、還流ダイオード６３ｅが並列に接続されている。電圧制限回路側インバータ回路６３は、その４つのスイッチング素子６３ａ～６３ｄをオンオフさせる所定のスイッチング動作時に、電圧制限回路側コンデンサ６２に蓄えられたエネルギーにより、回生用第１交流電圧を生成する。

電圧制限回路側絶縁トランス６４は、電圧制限回路側一次コイル６４ａと、電圧制限回路側二次コイル６４ｂとを有している。電圧制限回路側一次コイル６４ａは、第１の電圧制限回路側上アームスイッチング素子６３ａ、及び第１の電圧制限回路側下アームスイッチング素子６３ｂの接続点と、第２の電圧制限回路側上アームスイッチング素子６３ｃ、及び第２の電圧制限回路側下アームスイッチング素子６３ｄの接続点との間に、共振コンデンサ６５と直列に接続されている。電圧制限回路側一次コイル６４ａの電圧と共振コンデンサ６５の電圧の合計が、回生用第１交流電圧となる。電圧制限回路側二次コイル６４ｂの電圧が、回生用第２交流電圧となる。

電圧制限回路側整流回路６６は、回生用第１交流電圧に基づく回生用第２交流電圧に基づいて、直流電流を生成する。電圧制限回路側整流回路６６は、例えばダイオードブリッジで構成される。電圧制限回路側整流回路６６の出力ノードＯＮ３，ＯＮ４間には、電流源側コンデンサ５４が接続されている。

したがって、電圧制限回路側整流回路６６と電圧制限回路側インバータ回路６３の４つのスイッチング素子６３ａ～６３ｄとは、電圧制限回路側絶縁トランス６４により互いに絶縁されている。

上述のように構成されたノード間電圧制限回路６０は、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間の電圧を降下させる降圧動作を行う。降圧動作は、電圧制限回路側インバータ回路６３の４つのスイッチング素子６３ａ～６３ｄをオンオフさせる所定のスイッチング動作により、電圧制限回路側コンデンサ６２に蓄積されたエネルギーを電流源５０に送る動作である。電圧制限回路側コンデンサ６２に蓄積されたエネルギーが電流源５０に送られると、電圧制限回路側コンデンサ６２の電圧が下がり、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間の電圧が降下する。

電圧測定部４５は、電圧制限回路側コンデンサ６２の電圧を測定する。電圧制限回路側コンデンサ６２の電圧は、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間の電圧から第３のダイオード６１の電圧を引いた電圧、すなわち第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間の電圧に応じた電圧となる。

制御部４６は、バイパススイッチ４３のオンオフを制御する。

また、制御部４６は、電流源５０による電流の供給を、電流源５０の電流源側インバータ回路５３の４つのスイッチング素子５３ａ～５３ｄのオンオフを切り替えることによって制御する。

さらに、制御部４６は、バイパススイッチ４３がオンからオフに切り替わったときに以下のサージ電圧制御を行う。サージ電圧制御は、電圧測定部４５によって測定された測定電圧が所定閾値ＴＨ以上である場合には、ノード間電圧制限回路６０の電圧制限回路側インバータ回路６３に前記所定のスイッチング動作を行わせることにより、ノード間電圧制限回路６０に前記降圧動作を実行させる一方、電圧測定部４５によって測定された測定電圧が所定閾値ＴＨ未満である場合には、ノード間電圧制限回路６０の電圧制限回路側インバータ回路６３に前記所定のスイッチング動作を行わせず、ノード間電圧制限回路６０に前記降圧動作を実行させない制御である。

次に、上述のように構成されたレーザ発振器４０の動作について、図３を参照して説明する。

まず、制御部４６が電流源５０に電流の供給をさせた状態で、タイミングｔ１において、バイパススイッチ４３をオンからオフに切り替えると、制御部４６が、サージ電圧制御を開始する。このとき、配線インダクタンスＬ１，Ｌ２によって第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間の寄生容量Ｃ及び電圧制限回路側コンデンサ６２が充電され、第１及び第２のノード間Ｎ１，Ｎ２の電圧、すなわちバイパススイッチ４３にかかる電圧が高くなる。電圧測定部４５によって測定される測定電圧が所定閾値ＴＨ以上になると、制御部４６は、ノード間電圧制限回路６０の電圧制限回路側インバータ回路６３に前記スイッチング動作を行わせる。つまり、制御部４６は、ノード間電圧制限回路６０に降圧動作を実行させる。これにより、電圧制限回路側インバータ回路６３が、電圧制限回路側コンデンサ６２に蓄積されたエネルギーにより、所定の周波数の回生用第１交流電圧を生成する。そして、電圧制限回路側一次コイル６４ａに、回生用第１交流電圧から共振コンデンサ６５の電圧を引いた電圧が印可され、電圧制限回路側二次コイル６４ｂに生じた回生用第２交流電圧に基づいて、電圧制限回路側整流回路６６が直流電流を生成する。そして、当該直流電流が電流源側コンデンサ５４に流れ込み、電流源側コンデンサ５４が充電される。つまり、電圧制限回路側コンデンサ６２に蓄積されたエネルギーが電流源５０の電流源側コンデンサ５４に送られて蓄積される。電流源５０は、この電流源側コンデンサ５４に蓄積されたエネルギーを再利用して、供給電流の供給を行える。つまり、電流源５０は、電圧制限回路側整流回路６６によって生成された直流電流に基づく電力を利用して、供給電流の供給を行える。

電圧測定部４５によって測定された測定電圧が所定閾値未満の場合には、制御部４６は、スイッチング動作を行わず、電圧制限回路側インバータ回路６３の４つのスイッチング素子６３ａ～６３ｄをすべてオフにする。この状態では、電圧制限回路側コンデンサ６２から電圧制限回路側インバータ回路６３に電流が流れず、電圧制限回路側コンデンサ６２の電圧、及び第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間の電圧は下降しない。

その後、タイミングｔ２では、発光回路４２に流れる電流が、供給電流とほぼ等しくなるまで上昇するとともに、バイパススイッチ４３にかかる電圧が、発光回路４２の複数のレーザダイオード４１の順方向電圧分まで降下する。制御部４６は、サージ電圧制御を終了する。

その後、タイミングｔ３では、制御部４６がバイパススイッチ４３をオフからオンに切り替えると、バイパススイッチ４３にかかる電圧が０となり、発光回路４２に流れる電流が、徐々に減少するとともに、バイパススイッチ４３を流れる電流が徐々に増加する。

その後、タイミングｔ４において、発光回路４２に流れる電流がほぼ０になるとともに、バイパススイッチ４３を流れる電流が供給電流とほぼ等しくなる。その後、所定時間この状態が維持される。

上述した動作を一定時間毎に繰り返し行うことにより、発光回路４２にパルス電流を流すことができる。

したがって、本実施形態１によると、バイパススイッチ４３をオンからオフに切り替えるときに、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間に発生するサージ電圧を、所定閾値ＴＨに第３のダイオード６１の順方向電圧Ｖｆを加算した電圧程度に抑制できる。したがって、所定閾値ＴＨを、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間の部品を破損しない程度の値に設定することにより、サージ電圧による第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間の部品の破損を防止できる。

また、所定閾値ＴＨは、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間の部品を破損しない範囲であれば、ユーザにより任意の値に設定できるので、所定閾値ＴＨを高く設定することにより、発光回路４２に流れる電流の立ち上がりを速くできる。

また、所定閾値ＴＨを高く設定することにより、発光回路４２に流れる電流の立ち上がりを速くし、パルス幅を狭くできるので、光ファイバ９０及びレーザ加工ヘッド１０の損傷を防止するために、光ファイバ９０及びレーザ加工ヘッド１０への入熱量を細かく調整することが可能になる。

（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２に係るレーザ発振器４０を示す。本実施形態２では、電圧制限回路側コンデンサ６２と並列に、１つの降圧用スイッチとしてのスイッチング素子６７と抵抗６８とが互いに直列に接続されている。つまり、スイッチング素子６７と抵抗６８は、発光回路４２及びバイパススイッチ４３と並列に接続されている。スイッチング素子６７には、還流ダイオード６７ａが並列に接続されている。ノード間電圧制限回路６０は、電圧制限回路側インバータ回路６３と、電圧制限回路側絶縁トランス６４と、共振コンデンサ６５と、電圧制限回路側整流回路６６とを有していない。降圧動作は、スイッチング素子６７をオンすることにより、電圧制限回路側コンデンサ６２に蓄積されたエネルギーを抵抗６８で消費する動作である。電圧制限回路側コンデンサ６２に蓄積されたエネルギーが抵抗６８で消費されると、電圧制限回路側コンデンサ６２の電圧が下がり、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間の電圧が降下する。

制御部４６は、電圧測定部４５によって測定された測定電圧が所定閾値ＴＨ以上である場合には、スイッチング素子６７をオンすることにより、ノード間電圧制限回路６０に前記降圧動作を実行させる一方、電圧測定部４５によって測定された測定電圧が所定閾値未満である場合には、スイッチング素子６７をオフすることにより、ノード間電圧制限回路６０に前記降圧動作を実行させない制御を、サージ電圧制御として実行する。

その他の構成及び効果は、実施形態１と同じであるので、同一の構成には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

（実施の形態３）
レーザ発振器４０は、図５に示すように、複数のレーザダイオード（ＬＤ）４１と、第１のスイッチ４７と、電流源５０と、第２のスイッチ４３と、スイッチ電圧制限回路７０と、電圧測定部４５と、制御部４６とを備えている。

第１のスイッチ４７は、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間に発光回路４２と直列に接続されている。第１のスイッチ４７は、発光回路４２のレーザダイオード４１のカソード側、すなわち第２のノード側Ｎ２に位置している。第１のスイッチ４７には、還流ダイオード４７ａが並列に接続されている。

第１のノードＮ１とレーザダイオード４１との間の配線は、配線インダクタンスＬ１を有し、第２のノードＮ１と第１のスイッチ４７との間の配線は、配線インダクタンスＬ２を有し、第１のスイッチ４７とレーザダイオード４１との間の配線は、配線インダクタンスＬ３を有している。

第２のスイッチ４３は、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間に、発光回路４２及び第１のスイッチ４７を含む直列接続回路と並列に接続されている。第２のスイッチ４３には、還流ダイオード４３ａが並列に接続されている。

スイッチ電圧制限回路７０は、発光回路４２及び第１のスイッチ４７の接続点と、第２のノードＮ２との間に、第１のスイッチ４７と並列に接続されている。スイッチ電圧制限回路７０は、逆流防止素子としての第３のダイオード６１と、電圧制限回路側コンデンサ６２と、電圧制限回路側インバータ回路６３と、電圧制限回路側絶縁トランス６４と、共振コンデンサ６５と、電圧制限回路側整流回路６６とを有している。

第３のダイオード６１及び電圧制限回路側コンデンサ６２は、第１のスイッチ４７と並列に、かつ互いに直列に接続されている。第３のダイオード６１は、電圧制限回路側コンデンサ６２から第１のスイッチ４７に電流が流れるのを規制する。電圧制限回路側コンデンサ６２は、発光回路４２と直列に、かつ第１のスイッチ４７に並列に接続された容量成分を構成している。実施形態３のスイッチ電圧制限回路７０は、実施形態１のノード間電圧制限回路６０と同じ内部回路を有する。相違点は、実施形態１のノード間電圧制限回路６０が第１ノードＮ１と第２のノードＮ２との間に接続されているのに対して、実施形態３のスイッチ電圧制限回路７０が第１のスイッチ４７に並列に接続されていることである。

スイッチ電圧制限回路７０は、第１のスイッチ４７の両端の電圧を降下させる降圧動作を行う。降圧動作は、電圧制限回路側インバータ回路６３の４つのスイッチング素子６３ａ～６３ｄをオンオフさせる所定のスイッチング動作により、電圧制限回路側コンデンサ６２に蓄積されたエネルギーを電流源５０に送る動作である。電圧制限回路側コンデンサ６２に蓄積されたエネルギーが電流源５０に送られると、電圧制限回路側コンデンサ６２の電圧が下がり、第１のスイッチ４７の両端の電圧が降下する。

電圧測定部４５は、電圧制限回路側コンデンサ６２の電圧を測定する。電圧制限回路側コンデンサ６２の電圧は、第１のスイッチ４７の両端の電圧から第３のダイオード６１の電圧を引いた電圧、すなわち第１のスイッチ４７の両端の電圧に応じた電圧となる。

制御部４６は、第１及び第２のスイッチ４７，４３のオンオフを、互いに逆になるように制御する。つまり、第１のスイッチ４７をオンするときには、第２のスイッチ４３をオフする一方、第１のスイッチ４７をオフするときには、第２のスイッチ４３をオンする。制御部４６は、電流源５０による電流の供給を、電流源５０の電流源側インバータ回路５３の４つのスイッチング素子５３ａ～５３ｄのオンオフを切り替えることによって制御する。また、制御部４６は、第１のスイッチ４７をオンからオフに切り替えるとともに前記第２のスイッチ４３をオフからオンに切り替える切替動作時に以下の電圧制御を行う。電圧制御は、電圧測定部４５によって測定された測定電圧が所定閾値ＴＨ（図６参照）以上である場合には、スイッチ電圧制限回路７０の電圧制限回路側インバータ回路６３に前記所定のスイッチング動作を行わせることにより、スイッチ電圧制限回路７０に前記降圧動作を実行させる一方、電圧測定部４５によって測定された測定電圧が所定閾値ＴＨ未満である場合には、前記スイッチ電圧制限回路７０の電圧制限回路側インバータ回路６３に前記所定のスイッチング動作を行わせず、スイッチ電圧制限回路７０に前記降圧動作を実行させない制御である。

次に、上述のように構成されたレーザ発振器４０の動作について、図６を参照して説明する。

まず、制御部４６が電流源５０に電流の供給をさせた状態で、タイミングｔ１において、第１のスイッチ４７をオフからオンに切り替えるとともに、第２のスイッチ４３をオンからオフに切り替える。このとき、配線インダクタンスＬ１，Ｌ２によって第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間の寄生容量Ｃが充電され、第１及び第２のノード間Ｎ１，Ｎ２の電圧、すなわち第２のスイッチ４３にかかる電圧が大きくなる。

その後、タイミングｔ２では、発光回路４２に流れる電流が、供給電流とほぼ等しくなるまで上昇するとともに、第２のスイッチ４３にかかる電圧が発光回路４２の複数のレーザダイオード４１の順方向電圧分まで降下する。

その後、タイミングｔ３では、制御部４６が第１のスイッチ４７をオンからオフに切り替えるとともに、第２のスイッチ４３をオフからオンに切り替える切替動作を行うとともに、前記電圧制御を開始する。また、第２のスイッチ４３にかかる電圧が０となる。このとき、配線インダクタンスＬ１，Ｌ３に蓄積された磁気エネルギーにより、電流が発光回路４２を流れ、第３のダイオード６１を介して電圧制限回路側コンデンサ６２に流れ込む。これにより、電圧制限回路側コンデンサ６２が充電され、電圧制限回路側コンデンサ６２の電圧が上昇する。したがって、第１のスイッチ４７の両端の電圧が上昇する。電圧測定部４５によって測定される測定電圧が所定閾値ＴＨ以上になると、制御部４６は、スイッチ電圧制限回路７０の電圧制限回路側インバータ回路６３に前記所定のスイッチング動作を行わせることにより、スイッチ電圧制限回路７０に降圧動作を実行させる。これにより、電圧制限回路側インバータ回路６３が、電圧制限回路側コンデンサ６２に蓄積されたエネルギーにより、所定の周波数の回生用第１交流電圧を生成する。そして、電圧制限回路側一次コイル６４ａに、回生用第１交流電圧から共振コンデンサ６５の電圧を引いた電圧が印可され、電圧制限回路側二次コイル６４ｂに生じた回生用第２交流電圧に基づいて、電圧制限回路側整流回路６６が直流電流を生成する。そして、当該直流電流が電流源側コンデンサ５４に流れ込み、電流源側コンデンサ５４が充電される。つまり、電圧制限回路側コンデンサ６２に蓄積されたエネルギーが電流源５０の電流源側コンデンサ５４に送られて蓄積される。電流源５０は、この電流源側コンデンサ５４に蓄積されたエネルギーを再利用して、供給電流の供給を行える。つまり、電流源５０は、電圧制限回路側整流回路６６によって生成された直流電流に基づく電力を利用して、供給電流の供給を行える。このような動作により、配線インダクタンスＬ１，Ｌ３の磁気エネルギーを電圧制限回路側コンデンサ６２に送り、発光回路４２に流れる電流を速く低減させることができる。

電圧測定部４５によって測定された測定電圧が所定閾値ＴＨ未満の場合には、制御部４６は、スイッチング動作を行わず、電圧制限回路側インバータ回路６３の４つのスイッチング素子６３ａ～６３ｄをすべてオフにする。この状態では、電圧制限回路側コンデンサ６２から電圧制限回路側インバータ回路６３に電流が流れず、電圧制限回路側コンデンサ６２の電圧、及び第１のスイッチ４７の両端の電圧は下降しない。

上述のような電圧制御が行われた状態で、発光回路４２に流れる電流が、徐々に減少するとともに、第２のスイッチ４３を流れる電流が徐々に増加する。また、第１のスイッチ４７の両端の電圧が、所定閾値ＴＨに第３のダイオード６１の順方向電圧Ｖｆを加算した電圧程度に抑制される。

その後、タイミングｔ４において、発光回路４２に流れる電流がほぼ０になるとともに、第１のスイッチ４７の両端の電圧が０になる。また、第２のスイッチ４３を流れる電流が供給電流とほぼ等しい値に達し、制御部４６が電圧制御を終了する。その後、所定時間この状態が維持される。

したがって、本実施形態３によると、前記切替動作時に、配線インダクタンスＬ１，Ｌ３に蓄積された磁気エネルギーでスイッチ電圧制限回路７０の電圧制限回路側コンデンサ６２が充電されることによって第１のスイッチ４７の両端に生じる電圧を、所定閾値ＴＨに第３のダイオード６１の順方向電圧Ｖｆを加算した電圧程度に抑制できるので、所定閾値ＴＨを適当な値に設定することにより、過電圧による第１のスイッチ４７の破損を防止できる。

また、所定閾値ＴＨは、第１のスイッチ４７を破損しない範囲であれば、ユーザにより任意の値に設定できるので、交流電源５１の電源電圧を高くしなくても、所定閾値ＴＨを高く設定することにより、前記切替動作時の第１のスイッチ４７の両端の電圧を高くし、発光回路４２に流れる電流の立ち下がりを速くできる。

また、所定閾値ＴＨを高く設定することにより、発光回路４２に流れる電流の立ち下がりを速くし、パルス幅を狭くできる。したがって、光ファイバ９０及びレーザ加工ヘッド１０の損傷を防止するために、光ファイバ９０及びレーザ加工ヘッド１０への入熱量を細かく調整することが可能になる。

（実施形態４）
図７は、本発明の実施形態４に係るレーザ発振器４０を示す。本実施形態４では、電圧制限回路側コンデンサ６２と並列に、１つの降圧用スイッチとしてのスイッチング素子６７と抵抗６８とが互いに直列に接続されている。つまり、これらスイッチング素子６７と抵抗６８は、第１のスイッチ４７と並列に接続されている。スイッチング素子６７には、還流ダイオード６７ａが並列に接続されている。スイッチ電圧制限回路７０は、電圧制限回路側インバータ回路６３と、電圧制限回路側絶縁トランス６４と、共振コンデンサ６５と、電圧制限回路側整流回路６６とを有していない。降圧動作は、スイッチング素子６７をオンすることにより、電圧制限回路側コンデンサ６２に蓄積されたエネルギーを抵抗６８で消費する動作である。電圧制限回路側コンデンサ６２に蓄積されたエネルギーが抵抗６８で消費されると、電圧制限回路側コンデンサ６２の電圧が下がり、第１のスイッチ４７の両端の電圧が降下する。

制御部４６は、電圧測定部４５によって測定された測定電圧が所定閾値ＴＨ以上である場合には、スイッチング素子６７をオンすることにより、スイッチ電圧制限回路７０に前記降圧動作を実行させる一方、電圧測定部４５によって測定された測定電圧が所定閾値ＴＨ未満である場合には、スイッチング素子６７をオフすることにより、スイッチ電圧制限回路７０に前記降圧動作を実行させない制御を、サージ電圧制御として実行する。

その他の構成及び効果は、実施形態３と同じであるので、同一の構成には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

なお、上記実施形態１～４では、発光回路４２を互いに直列に接続された複数のレーザダイオード４１で構成したが、１つのレーザダイオードだけで構成してもよい。

上記実施形態１，２では、電圧測定部４５によって測定される測定電圧を、電圧制限回路側コンデンサ６２の電圧としたが、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間の電圧に応じた電圧であれば、他の箇所の電圧としてもよい。例えば、測定電圧を、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２間の電圧としてもよい。

また、上記実施形態３，４では、電圧測定部４５によって測定される測定電圧を、電圧制限回路側コンデンサ６２の電圧としたが、第１のスイッチ４７の両端の電圧に応じた電圧であれば、他の箇所の電圧としてもよい。例えば、測定電圧を、第１のスイッチ４７の両端の電圧としてもよい。

また、上記実施形態１，２では、ノード間電圧制限回路６０に、逆流防止素子として第３のダイオード６１を設けたが、電圧制限回路側コンデンサ６２から第１のノードＮ１に電流が流れるのを規制するようにＦＥＴ（Field effect transistor）を設けてもよい。

また、上記実施形態３，４では、スイッチ電圧制限回路７０に、逆流防止素子として第３のダイオード６１を設けたが、電圧制限回路側コンデンサ６２から第１のスイッチ４７に電流が流れるのを規制するようにＦＥＴ（Field effect transistor）を設けてもよい。

実施形態３，４は、さらに、実施形態１，２で説明されたノード間電圧制限回路６０を備えてもよい。

以上説明したように、本発明の第１の態様は、バイパススイッチをオンからオフに切り替えるときにサージ電圧により第１及び第２のノード間の部品が破損するのを防止しつつ、発光回路に流れる電流の立ち上がりを速くできるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用性は高い。

また、本発明の第２の態様は、電流源に依存せず、発光回路に流れる電流の立ち下がりを速くできるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用性は高い。

１００レーザ加工装置
１０レーザ加工ヘッド
４０レーザ発振器
４１レーザダイオード
４２発光回路
４３バイパススイッチ（第２のスイッチ）
４５電圧測定部
４６制御部
４７第１のスイッチ
５０電流源
５１交流電源
５２電流源側第１整流回路
５３電流源側インバータ回路
５４電流源側コンデンサ
５５電流源側絶縁トランス
５６電流源側第２整流回路
６０ノード間電圧制限回路
６１第３のダイオード（逆流防止素子）
６２電圧制限回路側コンデンサ
６３ａ第１の電圧制限回路側上アームスイッチング素子（降圧用スイッチ）
６３ｂ第１の電圧制限回路側下アームスイッチング素子（降圧用スイッチ）
６３ｃ第２の電圧制限回路側上アームスイッチング素子（降圧用スイッチ）
６３ｄ第２の電圧制限回路側下アームスイッチング素子（降圧用スイッチ）
６４電圧制限回路側絶縁トランス
６６電圧制限回路側整流回路
６７スイッチング素子（降圧用スイッチ）
６８抵抗
７０スイッチ電圧制限回路
９０光ファイバ
ＬＢレーザ光
Ｎ１第１のノード
Ｎ２第２のノード

Claims

１個のレーザダイオード、又は互いに直列に接続された複数のレーザダイオードを有し、第１及び第２のノード間に接続された発光回路と、
前記第１及び第２のノード間に供給電流を供給する電流源と、
前記発光回路と並列に接続されたバイパススイッチと、
前記第１及び第２のノード間の電圧に応じた測定電圧を測定する電圧測定部と、
前記第１及び第２のノード間の電圧を降下させる降圧動作を行うノード間電圧制限回路と、
前記電圧測定部によって測定された測定電圧が所定閾値以上の場合には、前記ノード間電圧制限回路に前記降圧動作を実行させる一方、前記電圧測定部によって測定された測定電圧が所定閾値未満の場合には、前記ノード間電圧制限回路に前記降圧動作を実行させないサージ電圧制御を、前記バイパススイッチがオンからオフに切り替わったときに実行する制御部とを備えたことを特徴とするレーザ発振器。
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記ノード間電圧制限回路は、前記発光回路及び前記バイパススイッチと並列に接続された電圧制限回路側コンデンサと、当該電圧制限回路側コンデンサと並列に接続され、所定のスイッチング動作時に、前記電圧制限回路側コンデンサに蓄えられたエネルギーにより、所定の周波数の回生用第１交流電圧を生成する降圧用スイッチと、前記回生用第１交流電圧に基づく回生用第２交流電圧に基づいて、直流電流を生成する電圧制限回路側整流回路とを有し、
前記制御部は、前記降圧用スイッチに前記所定のスイッチング動作を行わせることにより、前記ノード間電圧制限回路に前記降圧動作を実行させ、
前記電流源は、前記供給電流の供給を、前記直流電流に基づく電力を利用して行うことを特徴とするレーザ発振器。
請求項２に記載のレーザ発振器において、
前記ノード間電圧制限回路は、前記電圧制限回路側整流回路と前記降圧用スイッチとを絶縁する電圧制限回路側絶縁トランスをさらに有し、
前記電流源は、交流電源から出力される電源電圧を直流電圧に変換する電流源側第１整流回路と、前記電流源側第１整流回路の出力ノードの電圧に応じて供給用第１交流電圧を生成する電流源側インバータ回路と、前記電流源側第１整流回路の出力ノード間に前記電流源側第１整流回路及び前記電流源側インバータ回路と並列に接続された電流源側コンデンサと、前記供給用第１交流電圧に基づく供給用第２交流電圧に基づいて、直流の供給電流を生成する電流源側第２整流回路と、前記電流源側インバータ回路と電流源側第２整流回路とを絶縁する電流源側絶縁トランスとを有し、
前記電圧制限回路側整流回路の出力ノード間には、前記電流源側コンデンサが接続されていることを特徴とするレーザ発振器。
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記ノード間電圧制限回路は、前記発光回路及び前記バイパススイッチと並列に接続された電圧制限回路側コンデンサと、当該電圧制限回路側コンデンサと並列に接続された降圧用スイッチと、当該電圧制限回路側コンデンサと並列に、かつ前記降圧用スイッチと直列に接続された抵抗とを有し、
前記制御部は、前記降圧用スイッチをオンすることにより、前記ノード間電圧制限回路に前記降圧動作を実行させることを特徴とするレーザ発振器。
請求項２～４のいずれか１項に記載のレーザ発振器において、
前記複数のレーザダイオードは、それぞれのカソードを前記第２のノードに向けており、
前記ノード間電圧制限回路は、前記電圧制限回路側コンデンサから前記第１のノードに電流が流れるのを規制する逆流防止素子をさらに有していることを特徴とするレーザ発振器。
請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザ発振器と、
前記レーザ発振器により出射されたレーザ光を通過させる光ファイバと、
前記光ファイバを通過したレーザ光を出射するレーザ加工ヘッドとを備えたレーザ加工装置。
１個のレーザダイオード、又は互いに直列に接続された複数のレーザダイオードを有し、第１及び第２のノード間に接続された発光回路と、
前記第１及び第２のノード間に前記発光回路と直列に接続された第１のスイッチと、
前記第１及び第２のノード間に供給電流を供給する電流源と、
前記発光回路及び第１のスイッチを含む直列接続回路と並列に接続された第２のスイッチと、
前記発光回路と直列に、かつ前記第１のスイッチと並列に接続された電圧制限回路側コンデンサを有し、かつ前記第１のスイッチの両端の電圧を降下させる降圧動作を行うスイッチ電圧制限回路と、
前記第１のスイッチの両端の電圧に応じた測定電圧を測定する電圧測定部と、
前記電圧測定部によって測定された測定電圧が所定閾値以上の場合には、前記スイッチ電圧制限回路に前記降圧動作を実行させる一方、前記電圧測定部によって測定された測定電圧が所定閾値未満の場合には、前記スイッチ電圧制限回路に前記降圧動作を実行させない電圧制御を、前記第１のスイッチをオンからオフに切り替えるとともに前記第２のスイッチをオフからオンに切り替える切替動作時に実行する制御部とを備えたことを特徴とするレーザ発振器。
請求項７に記載のレーザ発振器において、
前記スイッチ電圧制限回路は、前記電圧制限回路側コンデンサと並列に接続され、所定のスイッチング動作時に、前記電圧制限回路側コンデンサに蓄えられたエネルギーにより、回生用第１交流電圧を生成する降圧用スイッチと、前記回生用第１交流電圧に基づく回生用第２交流電圧に基づいて、直流電流を生成する電圧制限回路側整流回路とを有し、
前記制御部は、前記降圧用スイッチに前記所定のスイッチング動作を行わせることにより、前記スイッチ電圧制限回路に前記降圧動作を実行させ、
前記電流源は、前記供給電流の供給を、前記直流電流に基づく電力を利用して行うことを特徴とするレーザ発振器。
請求項８に記載のレーザ発振器において、
前記スイッチ電圧制限回路は、前記電圧制限回路側整流回路と前記降圧用スイッチとを絶縁する電圧制限回路側絶縁トランスをさらに有し、
前記電流源は、交流電源から出力される電源電圧を直流電圧に変換する電流源側第１整流回路と、前記電流源側第１整流回路の出力ノードの電圧に応じて供給用第１交流電圧を生成する電流源側インバータ回路と、前記電流源側第１整流回路の出力ノード間に前記電流源側第１整流回路及び前記電流源側インバータ回路と並列に接続された電流源側コンデンサと、前記供給用第１交流電圧に基づく供給用第２交流電圧に基づいて、直流の供給電流を生成する電流源側第２整流回路と、前記電流源側インバータ回路と前記電流源側第２整流回路とを絶縁する電流源側絶縁トランスとを有し、
前記電圧制限回路側整流回路の出力ノード間には、前記電流源側コンデンサが接続されていることを特徴とするレーザ発振器。
請求項７に記載のレーザ発振器において、
前記スイッチ電圧制限回路は、前記電圧制限回路側コンデンサと並列に接続された降圧用スイッチと、当該電圧制限回路側コンデンサと並列に、かつ前記降圧用スイッチと直列に接続された抵抗とを有し、
前記制御部は、前記降圧用スイッチをオンすることにより、前記スイッチ電圧制限回路に前記降圧動作を実行させることを特徴とするレーザ発振器。
請求項８～１０のいずれか１項に記載のレーザ発振器において、
前記スイッチ電圧制限回路は、前記電圧制限回路側コンデンサから前記第１のスイッチに電流が流れるのを規制する逆流防止素子をさらに有していることを特徴とするレーザ発振器。
請求項７～１１のいずれか１項に記載のレーザ発振器と、
前記レーザ発振器により出射されたレーザ光を通過させる光ファイバと、
前記光ファイバを通過したレーザ光を出射するレーザ加工ヘッドとを備えたレーザ加工装置。