JPH08279640A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］コンデンサバンクの電圧が放電によって下がっ
ても所望のランプ電圧を得るようにする。 ［構成］コンデンサバンク２０と励起ランプ１０との間
には、降圧回路からなる第１のランプ駆動回路３０と昇
圧回路からなる第２のランプ駆動回路５０とが並列に設
けられている。第２のランプ駆動回路５０は、チョーク
コイル５２、スイッチングトランジスタ（ＩＧＢＴ）５
４、平滑用または出力コンデンサ５６、逆流防止用ダイ
オード５８，６０から構成されている。ＩＧＢＴ５４の
制御端子には、制御部２４よりスイッチング制御信号Ｃ
2 がドライブ回路６２を介して与えられる。コンデンサ
バンク２０とチョークコイル５２との間には切換トラン
ジスタ７０が接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コンデンサの放電エネ
ルギを利用してレーザ光を発振出力するレーザ装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ＹＡＧレーザ等の固体レーザ装置は、励
起ランプを点灯させて、その光エネルギをＹＡＧロッド
等のレーザ媒体に照射してレーザ発振を起こすように構
成されている。一般に、この種のレーザ装置では、商用
交流電圧を直流電圧に変換してコンデンサ・バンクを充
電し、コンデンサ・バンクと励起ランプとの間のスイッ
チング・トランジスタをオンさせることで、コンデンサ
・バンクの電気エネルギを励起ランプ側に放電させ、そ
の放電電流（ランプ電流）によって励起ランプを点灯さ
せるようにしている。また、該スイッチング・トランジ
スタをたとえばパルス幅制御により高周波スイッチング
することで、励起ランプに供給されるランプ電圧または
電流を任意の波形に制御することも行われている。

【０００３】従来のこの種レーザ装置では、コンデンサ
・バンクに対してスイッチング・トランジスタが励起ラ
ンプと直列に接続されている。そして、スイッチング・
トランジスタと励起ランプとの間にチョーク・コイルが
直列に接続されるとともに、励起ランプと並列に平滑用
コンデンサが接続され、さらに該コイルおよびコンデン
サからなる直列回路と並列にフライホイール・ダイオー
ドが接続されている。これらのスイッチング・トランジ
スタ、チョーク・コイル，コンデンサおよびフライホイ
ール・ダイオードは降圧回路を形成しており、ランプ電
圧は常にコンデンサ・バンク電圧よりも低い関係にあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したような従来の
レーザ装置において、たとえばパルス幅制御によりラン
プ電圧または電流の波形制御（ひいてはレーザ出力の波
形制御）を行う場合、原理的にはパルス幅すなわちデュ
ーティ比を制御することでランプ電圧をある上限値以下
で任意に変えられるが、コンデンサ・バンク電圧が放電
によってある値よりも低くなると、ランプ電圧の上限値
そのものが低下し、所望の波形制御ができなくなるとい
う問題があった。励起ランプをパルス点灯してパルスレ
ーザ光を発生させる場合にも、上記と同様の原因により
ランプ電圧のピーク値が低下し、所望のレーザ出力が得
られなくなることがあった。

【０００５】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、コンデンサの電圧が放電によって下がっても所
望のランプ電圧で励起ランプを駆動するようにしたレー
ザ装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第１のレーザ装置は、コンデンサに蓄積
した電気エネルギを放電して励起ランプを点灯させ前記
励起ランプより発せられる光エネルギによってレーザ媒
体を励起するようにしたレーザ装置において、前記コン
デンサと前記励起ランプとの間に接続された昇圧回路を
具備する構成とした。

【０００７】本発明の第２のレーザ装置は、コンデンサ
に蓄積した電気エネルギを放電して励起ランプを点灯さ
せ前記励起ランプより発せられる光エネルギによってレ
ーザ媒体を励起するようにしたレーザ装置において、前
記コンデンサと前記励起ランプとの間に接続された降圧
回路を含む第１のランプ駆動回路と、前記コンデンサと
前記励起ランプとの間に接続された昇圧回路を含む第２
のランプ駆動回路と、前記励起ランプに対して前記第１
のランプ駆動回路および前記第２のランプ駆動回路の動
作を制御する制御手段とを具備する構成とした。

【０００８】本発明の第３のレーザ装置は、上記第２の
レーザ装置において、前記コンデンサの電圧を検出する
コンデンサ電圧検出手段と、前記コンデンサ電圧検出手
段からの電圧検出信号に基づいて前記第２のランプ駆動
回路を動作可能状態にするスイッチ手段とを具備する構
成とした。

【０００９】本発明の第４のレーザ装置は、上記第２ま
たは第３のレーザ装置において、前記第１および第２の
ランプ駆動回路にそれぞれ第１および第２のスイッチン
グ素子が設けられ、前記制御手段は前記第１および第２
のスイッチング素子をスイッチング制御する構成とし
た。

【００１０】

【作用】本発明のレーザ装置では、コンデンサからの放
電エネルギを昇圧回路を介して励起ランプに供給する。
この昇圧回路の昇圧作用により、コンデンサ電圧よりも
高い電圧で励起ランプを駆動することができる。降圧回
路からなる第１のランプ駆動回路と昇圧回路からなる第
２のランプ駆動回路とを併設した場合は、両ランプ駆動
回路を選択的または並列的に動作させることにより、比
較的低いランプ電圧と比較的高いランプ電圧を任意に組
み合わせて所望のランプ電圧波形を得ることができる。

【００１１】

【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。

【００１２】図１は、本発明の一実施例によるＹＡＧレ
ーザ加工装置の主要な構成を示す。このＹＡＧレーザ加
工装置では、励起ランプ１０と平行にＹＡＧロッド１２
が配置され、励起ランプ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光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出力
ミラー１４よりレーザ光ＬＢとして外部へ出力される。
このレーザ光ＬＢは、光学レンズを通ってワーク（被加
工物）に直接照射されるか、あるいは入射ユニット（図
示せず）で光ファイバ（図示せず）に入れられ、光ファ
イバの中を通って出射ユニット（図示せず）へ送られ、
出射ユニットからワークの溶接ポイントに向けて照射さ
れる。

【００１３】本ＹＡＧレーザ加工装置の電源部には、励
起ランプ１０に電力を供給するためのコンデンサ（以
下、コンデンサ・バンクと称する。）２０が設けられて
いる。このコンデンサ・バンク２０は、１つのコンデン
サまたは互いに並列接続された２つ以上のコンデンサか
らなり、充電回路１８により充電される。充電回路１８
は、三相入力端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ）からの商用三相交流電
圧を内蔵の三相整流器（図示せず）により直流に変換
し、変換した直流を内蔵の充電制御用スイッチング・ト
ランジスタ（図示せず）を介して出力することで、コン
デンサ・バンク２０を設定電圧まで充電する。

【００１４】コンデンサ・バンク２０の電圧ＶC は、コ
ンデンサ電圧検出回路２２によって検出される。制御部
２４は、電圧検出回路２２からの電圧検出信号［ＳC ］
を通してコンデンサ・バンク電圧ＶC を監視し、たとえ
ばコンデンサ・バンク２０を充電する際には電圧検出信
号［ＳC ］が設定値に一致するまで充電回路１８の充電
制御用スイッチング・トランジスタをスイッチング制御
する。

【００１５】コンデンサ・バンク２０と励起ランプ１０
との間には、降圧回路からなる第１のランプ駆動回路３
０と昇圧回路からなる第２のランプ駆動回路５０とが並
列に設けられている。

【００１６】第１のランプ駆動回路３０は、スイッチン
グ・トランジスタたとえばＩＧＢＴ（アイソレート・ケ゛ート・ハ゛イホ
゜ーラ・トランシ゛スタ)３２、チョーク・コイル３４、平滑用また
は出力コンデンサ３６、フライホイール・ダイオード３
８および逆流防止用ダイオード４０から構成されてい
る。

【００１７】コンデンサ・バンク２０に対して励起ラン
プ１０と直列にＩＧＢＴ３２、コイル３４およびダイオ
ード４０が接続され、励起ランプ１０に対してコンデン
サ３６がダイオード４０を介して並列に接続され、コイ
ル３４およびコンデンサ３６からなる直列回路に対して
ダイオード３８が並列に接続されている。ＩＧＢＴ３２
の制御端子には、制御部２４よりスイッチング制御信号
たとえば高周波のパルス幅制御信号Ｃ1 がドライブ回路
４２を介して与えられる。

【００１８】かかる第１のランプ駆動回路３０におい
て、ＩＧＢＴ３２がオンすると、このＩＧＢＴ３２を介
してコンデンサ・バンク２０が励起ランプ１０側に放電
し、ランプ電流が流れる。ＩＧＢＴ３２がオフになる
と、コンデンサ・バンク２０の放電およびランプ電流は
止まり、チョーク・コイル３４に蓄積されていた電磁エ
ネルギが環流回路（３４，３６，３８）内で電流となっ
て放出される。

【００１９】パルス幅制御の場合は、１サイクルにおけ
るオン・オフ時間の割合（デューティ比）を変えること
で、このランプ駆動回路３０の出力電圧つまりランプ電
圧ＶL を可変制御することができる。もっとも、ランプ
駆動回路３０の出力電圧は常にコンデンサ・バンク２０
の電圧ＶC よりも低く、ランプ電圧ＶL の可変範囲には
ＶC よりも低い上限がある。

【００２０】第２のランプ駆動回路５０は、チョーク・
コイル５２、スイッチング・トランジスタたとえばＩＧ
ＢＴ５４、平滑用または出力コンデンサ５６、逆流防止
用ダイオード５８，６０から構成されている。

【００２１】コンデンサ・バンク２０に対して励起ラン
プ１０と直列にコイル５２および両ダイオード５８，６
０が接続され、励起ランプ１０に対してコンデンサ５６
がダイオード６０を介して並列に接続され、ダイオード
５８およびコンデンサ５６からなる直列回路に対してＩ
ＧＢＴ５４が並列に接続されている。ＩＧＢＴ５４の制
御端子には、制御部２４よりスイッチング制御信号たと
えば高周波のパルス幅制御信号Ｃ2 がドライブ回路６２
を介して与えられる。

【００２２】コンデンサ・バンク２０とチョーク・コイ
ル５２との間にはスイッチたとえばトランジスタ・スイ
ッチ７０が接続されている。このトランジスタ・スイッ
チ７０がオフになっている間、第２のランプ駆動回路５
０はコンデンサ・バンク２０から電気的に遮断され、動
作不能状態に置かれる。トランジスタ・スイッチ７０が
オン状態になると、第２のランプ駆動回路５０はコンデ
ンサ・バンク２０に接続され、動作可能状態になる。

【００２３】トランジスタ・スイッチ７０は、制御部２
４からの切換信号ＣＷによりドライブ回路７２を介して
開閉（オン・オフ）制御される。制御部２４は、第１の
ランプ駆動回路３０を動作させるときはトランジスタ・
スイッチ７０を閉成（オフ状態）にし、第２のランプ駆
動回路５０を動作させるときはトランジスタ・スイッチ
７０を閉成（オン状態）にする。

【００２４】トランジスタ・スイッチ７０が閉じている
（オン状態）のとき、第２のランプ駆動回路５０の動作
は次のようになる。ＩＧＢＴ５４がオンしている間は、
このＩＧＢＴ５４とチョーク・コイル５２とでコンデン
サ・バンク放電回路が形成され、コンデンサ・バンク２
０からの放電電流はこの放電回路に流れ、励起ランプ１
０側へは流れない。ＩＧＢＴ５４がオフになると、コン
デンサ・バンク２０からの放電電流が励起ランプ１０側
へ流れると同時に、チョーク・コイル５２に蓄積されて
いた電磁エネルギが励起ランプ１０側へ放出される。こ
れにより、コンデンサ・バンク２０の電圧ＶC よりもチ
ョーク・コイル５２の逆起電力分だけ高い電圧がランプ
電圧ＶL として励起ランプ１０に供給される。

【００２５】パルス幅制御の場合は、１サイクルにおけ
るＩＧＢＴ５４のオン・オフ時間の割合（デューティ
比）を変えることで、ランプ駆動回路５０の出力電圧つ
まりランプ電圧ＶL を可変制御することができる。しか
も、ランプ電圧ＶL の可変範囲の上限値をコンデンサ・
バンク２０の電圧ＶC よりも高くすることができる。

【００２６】制御部２４は、たとえばマイクロコンピュ
ータからなり、設定値入力部８０より入力された各種設
定値にしたがって装置内の各部、特に充電回路１８、第
１および第２のランプ駆動回路３０，５０の動作を制御
する。

【００２７】励起ランプ１０に印加される電圧（ランプ
電圧ＶL ）はランプ電圧検出回路８２によって検出さ
れ、ランプ電圧検出信号ＳL が制御部２４にフィードバ
ックされる。制御部２４は、レーザ光ＬＢを発振出力す
る際には、ランプ電圧検出信号ＳL をモニタし、ランプ
電圧ＶL が設定値または設定波形に一致または倣うよう
に、第１または第２のランプ駆動回路３０，５０のスイ
ッチング・トランジスタ３２，５４をスイッチング制御
する。

【００２８】次に、図２につき本実施例におけるＹＡＧ
レーザ加工装置の作用を説明する。

【００２９】図２は、ランプ電圧ＶL をほぼ矩形の波形
に制御する例である。時点ｔS で励起ランプ１０の駆動
を開始するとすると、この開始時点ｔS からコンデンサ
・バンク２０は放電し、コンデンサ・バンク電圧ＶC は
指数関数的に下がる。

【００３０】ランプ駆動時間（ｔs 〜ｔe ）の開始から
終了まで第１のランプ駆動回路３０だけで励起ランプ１
０を駆動した場合、コンデンサ・バンク電圧ＶC が降圧
回路の電圧制御上限値ＥF よりも高いうちはパルス幅制
御によりランプ電圧ＶL を所望の値ＥH に制御すること
ができる。しかし、コンデンサ・バンク電圧ＶC が降圧
回路の電圧制御上限値ＥF を割ると、その時点ｔa から
ランプ電圧ＶL がコンデンサ・バンク電圧ＶC の低下の
影響を受け、鎖線ＤＬで示すように波形が欠けて（落ち
込んで）しまう。

【００３１】本ＹＡＧレーザ加工装置では、第１のラン
プ駆動回路３０と第２のランプ駆動回路５０を併設する
ことで、上記の不具合を解決することができる。すなわ
ち、本レーザ加工装置における制御部２４は、駆動開始
時間ｔs ではトランジスタ・スイッチ７０をオフにして
おいて（コンデンサ・バンク２０に対して第２のランプ
駆動回路５０を遮断しておいて）、パルス幅制御信号Ｃ
1 によりスイッチング・トランジスタ３２をスイッチン
グ制御し、第１のランプ駆動回路３０を動作させる。他
方で、制御部２４は、コンデンサ電圧検出回路２２を通
じてコンデンサ・バンク２０の電圧ＶC を監視する。

【００３２】そして、コンデンサ・バンク電圧ＶC が該
しきい値ＥF に達した時点またはその前後で、制御部２
４は、トランジスタ・スイッチ７０をオンにして（第２
のランプ駆動回路５０を動作可能状態にして）、スイッ
チング・トランジスタ５４にパルス幅制御信号Ｃ2 を供
給する。

【００３３】これにより、時点ｔa から終了時点ｔe ま
での期間に第２のランプ駆動回路５０が励起ランプ１０
を駆動する。上記したように昇圧回路からなる第２のラ
ンプ駆動回路５０は、コンデンサ・バンク電圧ＶC より
も高い電圧を出力することができるため、コンデンサ・
バンク電圧ＶC の低下を補償し、パルス幅制御によりラ
ンプ電圧ＶL を所望の値ＥH に維持することができる。

【００３４】なお、第１のランプ駆動回路３０は、第２
のランプ駆動回路５０の動作開始と同時に、あるいは所
定時間経過後または所定時間前に動作状態から非動作状
態に切り換えられてよい。

【００３５】また、充電回路１８は、ランプ駆動中も動
作し、直流電源電圧をコンデンサ・バンク２０ないしラ
ンプ駆動回路３０，５０側に供給するようにしてよい。

【００３６】このように、本実施例のＹＡＧレーザ加工
装置では、降圧回路からなる第１のランプ駆動回路３０
と昇圧回路からなる第２のランプ駆動回路５０を併用す
ることにより、ランプ電圧の波形制御機能を拡張するこ
とができ、図２のような矩形波形に限らず、任意の波形
制御が可能であり、たとえば図３に示すように台形波形
の中間部を持ち上げることも可能である。

【００３７】図３に示す例の場合、中間の区間ｔp 〜ｔ
q を第２のランプ駆動回路５０に切り換え、前後の区間
ｔs 〜ｔp ，ｔq 〜ｔe を第１のランプ駆動回路３０に
切り換えるようにしてよい。本ＹＡＧレーザ加工装置を
レーザ溶接に用いた場合、このようなランプ電圧波形を
得ることにより、溶接開始からしばらくの間（ｔs 〜ｔ
p ）は程々のレーザ出力でワーク（被溶接部）を加熱
（予熱）し、中間区間（ｔp 〜ｔq ）では非常に高いレ
ーザ出力でワークを溶融し、それから溶接終了までの間
（ｔq 〜ｔe ）は適度のレーザ出力でワークのナゲット
を程よく成長させることができ、深溶け込みの溶接を行
う場合に好適である。

【００３８】本ＹＡＧレーザ加工装置は、パルス幅制御
による連続発振のレーザ光だけでなく、繰り返しパルス
レーザ光を生成することも可能である。その場合にも、
パルス毎に、あるいは各パルスの中で、第１および第２
のランプ駆動回路３０，５０の各動作を任意のシーケン
スで制御することにより、ランプ電圧ＶL を任意に可変
調整することができる。

【００３９】なお、降圧回路からなる第１のランプ駆動
回路３０を省き、昇圧回路からなる第２のランプ駆動回
路５０だけで励起ランプ１０を駆動するようにしてもよ
い。あるいは、第１および第２のランプ駆動回路３０，
５０からなる複合駆動回路を複数組併設してもよい。

【００４０】本発明は、上記実施例のようなＹＡＧレー
ザ加工装置に限らず、励起ランプでレーザ媒体を励起す
る方式の種々のレーザ装置に適用することができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ装
置によれば、コンデンサからの放電エネルギを昇圧回路
を介して励起ランプに供給するようにしたので、昇圧回
路の昇圧作用によりコンデンサ電圧よりも高い電圧で励
起ランプを駆動することが可能であり、コンデンサ電圧
が低下しても所望のランプ電圧で励起ランプを駆動する
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ＹＡＧレーザ加工装置
の主要な構成を示す図である。

【図２】実施例のＹＡＧレーザ加工装置の作用を説明す
るための図である。

【図３】実施例のＹＡＧレーザ加工装置で得られるラン
プ電圧波形の一例を示す図である。

【符号の説明】

１０ 励起ランプ １２ ＹＡＧロッド １８ 充電回路 ２０ コンデンサ・バンク ２２ コンデンサ電圧検出回路 ２４ 制御部 ３０ 第１のランプ駆動回路 ３２ スイッチング・トランジスタ ５０ 第２のランプ駆動回路 ５４ スイッチング・トランジスタ ７０ トランジスタ・スイッチ ８２ ランプ電圧検出回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンデンサに蓄積した電気エネルギを放
   電して励起ランプを点灯させ前記励起ランプより発せら
   れる光エネルギによってレーザ媒体を励起するようにし
   たレーザ装置において、 前記コンデンサと前記励起ランプとの間に接続された昇
   圧回路を具備することを特徴とするレーザ装置。
2. 【請求項２】 コンデンサに蓄積した電気エネルギを放
   電して励起ランプを点灯させ前記励起ランプより発せら
   れる光エネルギによってレーザ媒体を励起するようにし
   たレーザ装置において、 前記コンデンサと前記励起ランプとの間に接続された降
   圧回路を含む第１のランプ駆動回路と、 前記コンデンサと前記励起ランプとの間に接続された昇
   圧回路を含む第２のランプ駆動回路と、 前記励起ランプに対して前記第１のランプ駆動回路およ
   び前記第２のランプ駆動回路の動作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装置。
3. 【請求項３】 前記コンデンサの電圧を検出するコンデ
   ンサ電圧検出手段と、前記コンデンサ電圧検出手段から
   の電圧検出信号に基づいて前記第２のランプ駆動回路を
   動作可能状態にするためのスイッチ手段とを具備するこ
   とを特徴とする請求項２の記載のレーザ装置。
4. 【請求項４】 前記第１および第２のランプ駆動回路に
   それぞれ第１および第２のスイッチング素子が設けら
   れ、前記制御手段は前記第１および第２のスイッチング
   素子をスイッチング制御することを特徴とする請求項２
   または３項に記載のレーザ装置。