JPH09163639A - 電源装置及びレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 交流電源から供給可能である以上の電力を瞬
時的に必要とする負荷に対して、必要な電力を供給する
ことができる電源装置及びこの電源装置を備えたレーザ
発振装置を提供する。 【解決手段】 レーザ発振器６の直流電源の直流電源線
５ａ及び５ｂにインバータ回路８の入力側を接続し、こ
のインバータ回路８の出力側に回転軸１４ａにフライホ
イール１６が取付けられたブラシレスモータ１４を接続
し、マイクロコンピュータ１８は、レーザ発振器６が駆
動されない場合は、インバータ回路８に制御信号を与え
てブラシレスモータ１４を電動機として駆動してフライ
ホイール１６を回転させ、レーザ発振器６が駆動される
場合は、フライホイール１６の回転によってブラシレス
モータ１４を発電機として駆動させて、発電された電力
をレーザ発振器６に供給するようにインバータ回路８に
制御信号を与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流電源を整流し
て直流電源を得て負荷に供給する電源装置及びこの電源
装置を備えたレーザ発振装置に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】この様な電源装置の負
荷例えばレーザ発振器は、製造ライン上などで製品の加
工に用いられる場合には、例えば１０秒周期で１秒間だ
け駆動されるというように間欠的に運転される。また、
レーザ発振器を駆動するには、瞬時的に大電力を必要と
する。従って、この様な場合電源装置の受電設備は前記
大電力のピーク値に合わせて設計しなければならず、受
電設備が大形化してしまうという問題があった。

【０００３】本発明は上記課題を解決するものであり、
その目的は、交流電源から供給可能である以上の電力を
瞬時的に必要とする負荷に対して、必要な電力を供給す
ることができる電源装置及びこの電源装置を備えたレー
ザ発振装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の電源装置は、交流電源を整流して得
た直流電源を負荷に供給するものにおいて、負荷を駆動
していないときに、直流電源の電気エネルギをフライホ
イールの回転エネルギとして貯蔵するエネルギ貯蔵装置
を設けたことを特徴とする。

【０００５】この場合、エネルギ貯蔵装置を、入力端子
が直流電源に接続されたインバータ回路と、このインバ
ータ回路の出力端子に接続されフライホイールを回転軸
に有する回転電機と、負荷を駆動していないときはイン
バータ回路に制御信号を与えることにより回転電機を電
動機として駆動してフライホイールを回転させ、負荷を
駆動するときはフライホイールの回転によって回転電機
を発電機として駆動させることにより発電された電力を
負荷に供給するようにインバータ回路に制御信号を与え
て制御する制御手段とから構成すると良い（請求項
２）。

【０００６】また、インバータ回路に対する入力電流を
検出する直流電流検出手段を備え、制御手段は、回転電
機を電動機として駆動してフライホイールを回転させる
場合は、直流電流検出手段が検出する入力電流値を参照
して、受電設備に許容される最大電流値以下になるよう
にインバータ回路に制御信号を与えるようにするのが好
適である（請求項３）。

【０００７】更にまた、インバータ回路の出力側に交流
電流検出手段を備え、制御手段は、回転電機を発電機と
して駆動させることにより発電された電力を負荷に供給
する場合は、交流電流検出手段が検出する交流電流値に
応じて電力が負荷に対して適正な値となるようにインバ
ータ回路に制御信号を与える構成としても良い（請求項
４）。

【０００８】加えて、回転電機の回転数を検出する回転
数検出手段を備え、制御手段は、回転数が上限値に達し
た場合は回転電機の電動機としての駆動を停止し、回転
数が下限値に達した場合は回転電機の電動機としての駆
動を行うように制御しても良い（請求項５）。請求項６
記載のレーザ発振装置は、請求項１乃至５の何れかに記
載の電源装置を備えたことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施例につい
て図１乃至図３を参照して説明する。電気的構成を示す
図１において、３相の交流電源１の出力端子は、交流電
源線１Ｕ，１Ｖ及び１Ｗを介して、６個のダイオード２
Ｕ，２Ｖ及び２Ｗ並びに３Ｕ，３Ｖ及び３Ｗが３相ブリ
ッジ接続されて構成された整流回路４の交流入力端子４
Ｕ，４Ｖ及び４Ｗに夫々接続されている。整流回路４の
直流出力端子４ａ及び４ｂは、直流電源線５ａ及び５ｂ
を介して負荷たるレーザ発振器６の電源入力端子に接続
されており、直流電源線５ａ及び５ｂ間には、平滑用コ
ンデンサ７が接続されている。尚、上記交流電源線１Ｕ
乃至１Ｗ，整流回路４及び平滑用コンデンサ７は、レー
ザ発振器６に直流電源を供給するための受電設備であ
る。

【００１０】また、直流電源線５ａ及び５ｂは、インバ
ータ回路８の入力端子８ａ及び８ｂに接続されている。
インバータ回路８は、６個のトランジスタ９Ｕ，９Ｖ及
び９Ｗ並びに１０Ｕ，１０Ｖ及び１０Ｗが３相ブリッジ
接続されて構成されており、これらのトランジスタ９
Ｕ，９Ｖ及び９Ｗ並びに１０Ｕ，１０Ｖ及び１０Ｗのコ
レクタ及びエミッタ間には、フライホイールダイオード
１１Ｕ，１１Ｖ及び１１Ｗ並びに１２Ｕ，１２Ｖ及び１
２Ｗが接続されている。また、インバータ回路８の入力
端子８ａ，８ｂ間には、平滑用コンデンサ１３が接続さ
れている。

【００１１】インバータ回路８の出力端子８Ｕ，８Ｖ及
び８Ｗは、回転電機たるブラシレスモータ（以下、単に
モータと称す）１４の、一端が共通に接続された各相の
ステータコイル１４Ｕ，１４Ｖ及び１４Ｗの他端子に接
続されている。また、モータ１４には、ロータの回転位
置検出用のホール素子１５ｕ，１５ｖ及び１５ｗが配置
されており、モータ１４の回転軸１４ａには、フライホ
イール１６が取付けられている。

【００１２】インバータ回路８の入力端子８ｂ側の直流
電源線には、直流電流検出器（直流電流検出手段）１７
が設けられている。その直流電流検出器１７の出力端子
は、制御手段たるマイクロコンピュータ（以下、マイコ
ンと称す）１８の入力端子に接続されており、直流電流
検出器１７は、マイコン１８に対してインバータ回路８
の入力側の直流電流値Ｉdcを与えるようになっている。

【００１３】また、インバータ回路８の出力端子８Ｖ及
び８Ｗ側の交流電源線には、交流電流検出器（交流電流
検出手段）１９，１９が設けられている。その交流電流
検出器１９，１９の出力端子は、マイコン１８の入力端
子に接続されており、交流電流検出器１９，１９は、マ
イコン１８に対してインバータ回路８の出力側の交流電
流値Ｉacを与えるようになっている。加えて、マイコン
１８の入力端子には、レーザ発振器６の制御出力端子が
接続されており、マイコン１８には、レーザ発振器６内
部の図示しない発振制御部から出力されるレーザの発振
制御信号が与えられるようになっている。

【００１４】そして、マイコン１８の出力端子は、ベー
スドライブ回路２０を介してインバータ回路８の各トラ
ンジスタ９Ｕ，９Ｖ及び９Ｗ並びに１０Ｕ，１０Ｖ及び
１０Ｗのベースに接続されており、マイコン１８は、こ
れらのトランジスタ９Ｕ，９Ｖ及び９Ｗ並びに１０Ｕ，
１０Ｖ及び１０Ｗに対してＰＷＭ制御信号を与えるよう
になっている。尚、インバータ回路８，モータ１４，フ
ライホイール１６，直流電流検出器１７，マイコン１８
及び交流電流検出器１９はエネルギ貯蔵装置を構成し、
このエネルギ貯蔵装置と整流回路４とで電源装置を構成
し、更に、レーザ発振器６を含む全体がレーザ発振装置
を構成している。

【００１５】次に、第１実施例の作用について、図２及
び図３をも参照して説明する。レーザ発振器６は、図２
（ａ）に示すように、オフ時間Ｔoff （例えば９秒）が
経過した後にオン時間Ｔon（例えば１秒）だけ駆動され
る動作を繰返して周期的にレーザ光を発振出力するよう
になっており、このタイミング波形を有する発振制御信
号をマイコン１８に対して出力する。

【００１６】マイコン１８は、レーザ発振器６から発振
制御信号が与えられないオフ時間Ｔoff の期間には、イ
ンバータ回路８に制御信号を与えてモータ１４のステー
タコイル１４Ｕ，１４Ｖ及び１４Ｗに通電を行い、図２
（ｂ）に示すようにモータ１４を駆動してフライホイー
ル１６を回転させる。

【００１７】この場合、モータ１４に配置されたホール
素子１５ｕ，１５ｖ及び１５ｗが、ロータの回転位置を
検出して電気角１２０度間隔の各相の検出信号Ｈｕ，Ｈ
ｖ及びＨｗ（図３（ａ）参照）を出力すると、マイコン
１８は、その検出信号Ｈｕ，Ｈｖ及びＨｗを論理合成し
て各トランジスタ９Ｕ，９Ｖ及び９Ｗ並びに１０Ｕ，１
０Ｖ及び１０Ｗに制御信号を与える。

【００１８】この時、マイコン１８は、直流電流検出器
１７によってインバータ回路８に対する入力電流値Ｉdc
を検出し、受電設備に流れる電流が許容される最大電流
値以下となるように、Ｕ，Ｖ及びＷ相の正側のトランジ
スタ９Ｕ，９Ｖ及び９Ｗに与える制御信号をＰＷＭ変調
して出力する（図３（ｂ）参照）。而して、インバータ
回路８の出力端子８Ｕ，８Ｖ及び８Ｗから出力される駆
動電圧により、図３（ｄ）に示すように、モータ１４の
Ｕ，Ｖ及びＷ相のステータコイル１４Ｕ，１４Ｖ及び１
４Ｗには交流電流が流れてモータ１４が電動機として駆
動される。

【００１９】モータ１４が駆動されると、モータ１４即
ちフライホイール１６の回転数Ｎが図２（ｂ）に示すよ
うに次第に上昇して、レーザ発振器６が駆動される直前
に最大回転数Ｎmax となる。

【００２０】而して、レーザ発振器６が駆動される場
合、マイコン１８は、インバータ回路８に対する制御信
号の出力を停止する。すると、モータ１４は、フライホ
イール１６が回転されたことにより有している慣性力に
よって駆動され、発電機として３相の交流電力を出力す
る。その交流電力は、インバータ回路８のフライホイー
ルダイオード１１Ｕ，１１Ｖ及び１１Ｗ並びに１２Ｕ，
１２Ｖ及び１２Ｗにより整流されて直流電力として直流
電源線５ａ及び５ｂに供給される。

【００２１】具体的には、インバータ回路８のトランジ
スタ１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，フライホイールダイオー
ド１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ及びステータコイル１４Ｕ，
１４Ｖ，１４Ｗを昇圧用チョッパ回路として作用させ、
トランジスタ１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗを適宜オンさせる
ことによりステータコイル１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗに電
磁エネルギを蓄積させ、次いで、トランジスタ１０Ｕ，
１０Ｖ，１０Ｗをオフさせて、電磁エネルギをフライホ
イールダイオード１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗを介して放出
させる。

【００２２】この場合、マイコン１８は、交流電流検出
器１９によってモータ１４から出力される交流電流値Ｉ
acを検出しており、これに応じてレーザ発振器６に対す
る供給電流をＰＷＭデューティによって制御し、以て、
レーザ発振器６に適正な電力を供給する。

【００２３】レーザ発振器６は、交流電源１から整流回
路４を介して得られた直流電源とモータ１４からインバ
ータ回路８を介して得られた直流電源とを同時に直流電
源線５ａ及び５ｂから供給されることにより駆動され、
レーザ光を発振出力する。例えば、交流電源１から得ら
れる最大供給電力を１００％として、レーザ光を発振出
力するのに必要な電力が５００％である場合は、その内
の４００％をモータ１４によって発電された電力により
補うようにする。この時、モータ１４が発電した電力は
短時間（Ｔon）で消費されてモータ１４には制動がかか
るため、モータ１４の回転数Ｎは急激に低下する。

【００２４】図２（ｃ）は、整流回路４の入力側で見た
交流電源１の電力供給率を示す。レーザ発振器６を駆動
しない期間では、モータ１４をＰＷＭ制御信号によって
駆動しているため、交流電源１の電力供給率は平均で８
０％程度となり、レーザ発振器６を駆動する期間では、
電力供給率は１００％となる。

【００２５】以上のように本実施例によれば、レーザ発
振器６に直流電源を供給する直流電源線５ａ及び５ｂに
インバータ回路８の入力側を接続し、このインバータ回
路８の出力側に回転軸１４ａにフライホイール１６が取
付けられたモータ１４のステータコイル１４Ｕ，１４
Ｖ，１４Ｗを接続して、マイコン１８は、レーザ発振器
６が駆動されない場合は、インバータ回路８に制御信号
を与えることによりモータ１４を駆動してフライホイー
ル１６を回転させ、レーザ発振器６が駆動される場合
は、フライホイール１６の回転によってモータ１４によ
り発電された電力をレーザ発振器６に供給するようにイ
ンバータ回路８に制御信号を与えるようにした。

【００２６】従って、駆動時に交流電源１から供給可能
である以上の電力を瞬時的に必要とするレーザ発振器６
を駆動するのに、その最大消費電力に合わせて交流電源
１から受電する受電設備を大形化させること無く、必要
な電力を供給することができる。

【００２７】また、本実施例によれば、インバータ回路
８の入力側に直流電流検出器１７を設け、マイコン１８
は、モータ１４を駆動してフライホイール１６を回転さ
せる場合は、直流電流検出器１７が検出する入力電流値
Ｉdcを参照して、受電設備に流れる電流が許容最大電流
値以下になるようにインバータ回路８にＰＷＭ制御信号
を与えるようにした。従って、モータ１４の駆動中、特
に起動時において受電設備に過大な電流が流れることは
ない。

【００２８】更に、本実施例によれば、インバータ回路
８の出力側に交流電流検出器１９を設け、マイコン１８
は、モータ１４により発電された電力を直流電源線５ａ
及び５ｂに供給する場合は、交流電流検出器１９が検出
する交流電流値Ｉacに応じてインバータ回路８にＰＷＭ
制御信号を与えるようにした。従って、レーザ発振器６
に適正な電力を供給することができる。

【００２９】図４は本発明の第２実施例を示すものであ
る。尚、第２実施例の構成は第１実施例と同様であり、
以下異なる作用についてのみ説明する。第２実施例で
は、マイコン１８は、回転数検出手段たるホール素子１
５ｕ，１５ｖ及び１５ｗの検出信号Ｈｕ，Ｈｖ及びＨｗ
が示すハイ，ローのレベルの組合わせの１つを基準とし
て定めて、単位時間内にモータ１４が何回転するかをカ
ウントすることによりモータ１４の回転数を検出する。

【００３０】そして、図４（ａ）に示すように、レーザ
発振器６のオフ時間Ｔoff が、モータ１４の回転数Ｎが
上限値Ｎmax に達する時間に比較して長い場合は、上限
値Ｎmax に達した時点でインバータ回路８に制御信号
（ＰＷＭ制御を行わない１００％通電信号）を与えるの
を停止して、モータ１４に対する通電を停止する。その
後、モータ１４の回転数Ｎは次第に低下して、回転数Ｎ
が上限値Ｎmax の９５％（下限値）に達すると、再びモ
ータ１４に対する通電を行う。以上を繰り返すことによ
って、マイコン１８は、オフ時間Ｔoff が経過するまで
モータ１４の回転数を上限値Ｎmax から９５％の範囲内
に維持するように制御する。

【００３１】以上のように第２実施例によれば、マイコ
ン１８は、ホール素子１５ｕ，１５ｖ及び１５ｗの検出
信号Ｈｕ，Ｈｖ及びＨｗによってモータ１４の回転数Ｎ
を検出し、回転数Ｎが上限値Ｎmax に達した場合はモー
タ１４の駆動を停止し、回転数Ｎが上限値Ｎmax の９５
％に達した場合はモータ１４の駆動を再び行うように制
御するので、レーザ発振器６のオフ時間Ｔoff がモータ
１４の回転数Ｎが上限値Ｎmax に達する時間に比較して
長い場合でも、モータ１４の回転数Ｎを上限値Ｎmax の
９５％以内に維持することにより、レーザ発振器６を駆
動する時に、モータ１４の略最大の発電電力をレーザ発
振器６に対して供給することができる。

【００３２】本発明は上記しかつ図面に記載した実施例
にのみ限定されるものではなく、以下のような変形また
は拡張が可能である。負荷は、レーザ発振器６に限るこ
と無く、例えば、電気温水器など単時間内に大電力を消
費するものに本発明を適用すれば有効である。第２実施
例におけるモータ１４の回転数Ｎの下限値は、上限値Ｎ
max の９５％に限らず適宜変更して良い。第２実施例に
おいて、モータ１４を駆動する場合に回転数Ｎが上限値
Ｎmax に達するまで直流電流検出器１７が検出する入力
電流値Ｉdcを参照してインバータ回路８にＰＷＭ制御信
号を与えるようにしても良い。

【００３３】回転数検出手段は、ホール素子１５ｕ，１
５ｖ及び１５ｗに限らず、パルスエンコーダなどを別個
に設けても良い。電動機は、ブラシレスモータ１４に限
ること無く、例えばインダクションモータでも良い。こ
の場合は、位置センサであるホール素子１５ｕ，１５ｖ
及び１５ｗは不要である。

【００３４】

【発明の効果】本発明は以上説明した通りであるので、
以下の効果を奏する。請求項１及び２記載の電源装置に
よれば、負荷を駆動しないときに直流電源の電気エネル
ギをフライホイールの回転エネルギとして貯蔵するエネ
ルギ貯蔵装置を設けるようにしたので、具体的には、エ
ネルギ貯蔵装置の制御手段は、負荷を駆動しないとき
は、インバータ回路に制御信号を与えることにより回転
電機を電動機として駆動してフライホイールを回転さ
せ、負荷を駆動するときは、フライホイールの回転によ
って回転電機を発電機として駆動させることにより発電
された電力を負荷に供給するようにインバータ回路に制
御信号を与えて制御するようにしたので、駆動時に交流
電源から供給可能である以上の電力を瞬時的に必要とす
る負荷であっても、その最大消費電力に合わせて交流電
源から受電する受電設備を大形化させること無く必要な
電力を供給することができる。

【００３５】請求項３記載の電源装置によれば、制御手
段は、回転電機を電動機として駆動してフライホイール
を回転させる場合は、直流電流検出手段が検出する入力
電流値を参照して、受電設備に流れる電流が許容最大電
流値以下になるようにインバータ回路に制御信号を与え
るので、電動機としての特に起動時において受電設備に
過大電流が流れることがない。

【００３６】請求項４記載の電源装置によれば、制御手
段は、回転電機を発電機として駆動させることにより発
電された電力を負荷に供給する場合は、交流電流検出手
段が検出する交流電流値に応じてインバータ回路に制御
信号を与えるので、負荷に対して適正な電力を供給する
ことができる。

【００３７】請求項５記載の電源装置によれば、制御手
段は、電動機としての回転数が上限値に達した場合は電
動機としての駆動を停止し、電動機としての回転数が下
限値に達した場合は電動機としての駆動を行うように制
御するので、電動機としての回転数が上限値に達するま
での時間に比して負荷の駆動間隔が長い場合でも、電動
機としての回転数を上限値と下限値との間に維持するこ
とができ、負荷を駆動する時に、発電機としての略最大
の発電電力を負荷に対して供給することができる。

【００３８】請求項６記載のレーザ発振装置によれば、
請求項１乃至５の何れかに記載の電源装置を備えたの
で、レーザ発振に必要な電力を交流電源から受電する受
電設備を大形化させること無く供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す電気的構成のブロッ
ク図

【図２】タイムチャート

【図３】マイクロコンピュータがインバータ回路に与え
るＰＷＭ制御信号のタイミングチャート

【図４】本発明の第２実施例を示す図２相当図

【符号の説明】

５ａ及び５ｂは電源線、６はレーザ発振器（負荷）、８
はインバータ回路、１４はブラシレスモータ（回転電
機，電動機，発電機）、１４ａは回転軸、１５ｕ，１５
ｖ及び１５ｗはホール素子（回転数検出手段）、１６は
フライホイール、１７は直流電流検出器（直流電流検出
手段）、１８はマイクロコンピュータ（制御手段）、１
９は交流電流検出器（交流電流検出手段）を示す。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源を整流して得た直流電源を負荷
   に供給する電源装置において、 前記負荷を駆動していない時に、前記直流電源の電気エ
   ネルギをフライホイールの回転エネルギとして貯蔵する
   エネルギ貯蔵装置を設けたことを特徴とする電源装置。
2. 【請求項２】 エネルギ貯蔵装置は、入力端子が直流電
   源に接続されたインバータ回路と、 このインバータ回路の出力端子に接続されフライホイー
   ルを回転軸に有する回転電機と、 負荷を駆動していないときは、インバータ回路に制御信
   号を与えることにより前記回転電機を電動機として駆動
   してフライホイールを回転させ、負荷を駆動するとき
   は、フライホイールの回転によって前記回転電機を発電
   機として駆動させることにより発電された電力を負荷に
   供給するようにインバータ回路に制御信号を与えて制御
   する制御手段とから構成されていることを特徴とする請
   求項１記載の電源装置。
3. 【請求項３】 インバータ回路に対する入力電流を検出
   する直流電流検出手段を備え、 制御手段は、前記回転電機を電動機として駆動してフラ
   イホイールを回転させる場合は、前記直流電流検出手段
   が検出する入力電流値を参照して、受電設備に許容され
   る最大電流値以下になるようにインバータ回路に制御信
   号を与えることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
4. 【請求項４】 インバータ回路の出力側に交流電流検出
   手段を備え、 制御手段は、前記回転電機を発電機として駆動させるこ
   とにより発電された電力を負荷に供給する場合は、前記
   交流電流検出手段が検出する交流電流値に応じて前記電
   力が負荷に対して適正な値となるようにインバータ回路
   に制御信号を与えることを特徴とする請求項２または３
   記載の電源装置。
5. 【請求項５】 前記回転電機の回転数を検出する回転数
   検出手段を備え、 制御手段は、前記回転数が上限値に達した場合は前記回
   転電機の電動機としての駆動を停止し、前記回転数が下
   限値に達した場合は前記回転電機の電動機としての駆動
   を行うように制御することを特徴とする請求項２乃至４
   の何れかに記載の電源装置。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５の何れかに記載の電源装
   置を備えたことを特徴とするレーザ発振装置。