JPWO2016175137A1 - レーザ発振器 - Google Patents
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Abstract
Description
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1における、レーザ発振器1と、レーザ発振器1の負荷としてレーザを出力する放電管2を表わす回路構成図である。
出力電流監視部13は、出力電流検出装置12が検出した出力電流のピーク値と、外部から入力された電流指令値との差分を算出し、制御回路14へフィードバックする。
図3に示すように、この半導体スイッチ15Xは、並列接続された複数の半導体素子16Xa〜16Xdを備える。
アームA1〜A4のオン/オフが交互に切り換わることで、整流回路6からインバータ9Aに入力される直流電圧が交流電圧へと変換され、変換された交流電圧はトランス50Aの一次側へと入力される。同様に、アームB1〜B4のオン/オフが交互に切り換わることで、整流回路6からインバータ9Bに入力される直流電圧が交流電圧へと変換され、変換された交流電圧はトランス50Bの一次側へと入力される。
補正回路18は、2個のロジックインバータの間に抵抗とコンデンサで構成される積分回路を接続した一段の遅延回路が偶数段直列に接続した遅延回路を少なくとも一つ含む。
図6に示すように、補正回路18は、ロジックインバータ19,20,23,26と、積分回路101,102とを備える。積分回路101は、抵抗21とコンデンサ22によって構成される。積分回路102は、抵抗24とコンデンサ25によって構成される。
ただし、t=0は、電圧V1の立ち上りの時刻および電圧V2の立ち上り開始時刻を表わす。
V2_D=Vcc{EXP(−t/(Ra×Ca))}…(2)
ただし、t=0は、電圧V1の立ち下りの時刻および電圧V2の立ち下り開始時刻を表す。
t1=−Ra×Ca×ln(1−Vth/Vcc)…(3)
遅延時間t2は、式(2)から以下のように表される。
ロジックインバータとしてCMOSロジックインバータを使用する場合、ロジックインバータの閾値電圧Vth=Vcc/2と仮定すると、遅延時間t1と遅延時間t2は、式(3)、(4)から、以下のように表される。
電圧V2がロジックインバータ23に入力されると、閾値電圧Vthを境界として、ロジックインバータ23から電圧V2を論理反転した電圧V3が出力される。
ただし、t=0は、電圧V3の立ち上りの時刻および電圧V4の立ち上り開始時刻を表わす。
V4_D=Vcc{EXP(−t/(Rb×Cb))}…(7)
ただし、t=0は、電圧V3の立ち下りの時刻および電圧V4の立ち下り開始時刻を表わす。
t3=−Rb×Cb×ln(1−Vth/Vcc)…(8)
遅延時間t4は、式(7)から以下のように表される。
ロジックインバータとして、CMOSロジックインバータを使用する場合、ロジックインバータの閾値電圧Vth=Vcc/2と仮定すると、遅延時間t3と遅延時間t4は、式(8)、(9)から、以下のように表される。
電圧V4をロジックインバータ26に入力すると、閾値電圧Vthを境界として入力電圧V4を論理反転した電圧V5が出力される。
実施の形態1では、トランス部10として、一次巻線と二次巻線を各一つずつ有するトランスを複数個使用し、各トランスの一次側がインバータ9A,9Bの各出力部と一対一で接続され、トランス二次側が並列接続される場合について説明した。
本変形例では、トランス部501において、複数の一次巻線31,32と一つの二次巻線33を有するトランスを一つ使用し、トランス一次側の各接続端がインバータ9A,9Bの各出力部と一対一で接続され、トランス二次側が共通の巻線となっている場合でも、実施の形態1と同様の効果が得られることは、言うまでもない。
実施の形態2の補正回路28が実施の形態1の補正回路18と相違する。実施の形態2の他の構成要素は、実施の形態1のものと同じである。
図9は、実施の形態1の補正回路18に入力される周期に対してパルス幅の細い電圧、補正回路18の内部で生成される電圧、補正回路18から出力される電圧の例を表わす図である。
図9に示すような、遅延時間t2の短縮を防ぐには、以下の条件を満たす必要がある。
式(3)から、遅延時間t1は、以下の式で表される。
式(11)、(12)、(13)から、実施の形態1の補正回路18において、設けられる遅延時間t2が、設定した遅延時間に比べて短くならないようにするには、遅延回路DL1へ入力される電圧V1の立ち上り開始時のタイミングに対して設けられる遅延時間t1が、以下の条件を満たす必要がある。
また、図9に示す波形図の例のように、遅延回路DL1におけるコンデンサ25の端子間電圧がほぼゼロになるまで放電しきる前に充電を開始する場合、電圧V3の立ち上り開始時のタイミングに対して設けられる遅延時間t3が、設定した遅延時間に比べて短くなるという問題がある。
図9に示すような、遅延時間t3の短縮を防ぐには、以下の条件を満たす必要がある。
式(9)から、遅延時間t4は、以下の式で表される。
式(15)、(16)、(17)から、実施の形態1の補正回路18において、設けられる遅延時間t3が、設定した遅延時間に比べて短くならないようにするには、遅延回路DL2へ入力される電圧V3の立ち下り開始時のタイミングに対して設けられる遅延時間t4が、以下の条件を満たす必要がある。
以上のように、実施の形態1では、補正回路18に周期に対してパルス幅の細い電圧が入力された場合に、式(14)と式(18)を満たすように設計されないと、実際に設けられる遅延量が設定した遅延量よりも短くなり、インバータ9A,9Bのタイミングのずれを正確に補正することができなくなる。理論的には、式(14)と式(18)を満たす遅延量が生じるように、遅延回路を複数段縦列接続すればよいが、素子数が増加するなどの問題が生じる(問題点2)。
実施の形態1において、補正回路18へ入力される制御信号のパルス幅が細いとき、例えば、遅延回路への入力信号の周期Tsに対して、入力信号のパルス幅Tiが0<Ti<<Ts/2となるとき、補正回路18へ入力される電圧V1の立ち上り開始時のタイミングに対して設定する遅延時間t1が、補正回路18へ入力される制御信号におけるパルス幅Tiよりも長い場合、すなわち、t1>Tiとなる場合に、以下のような問題が生じる。
補正回路28は、直列に接続された1段目の遅延回路DL1と、2段目の遅延回路DL2とから構成される。
e2_D=Vcc{EXP(−t/(Ra×Ca))}…(19)
ただし、t=0は、電圧e1の立ち下りの時刻および電圧e2の立ち下りの開始時刻を表わす。
td1=−Ra×Ca×ln(Vth/Vcc)…(20)
ロジックインバータ30,34としてCMOSロジックインバータを使用する場合、ロジックインバータ30,34の閾値電圧Vth=Vcc/2と仮定すると、遅延時間td1は、式(20)から、以下のように表される。
電圧e2をロジックインバータ30に入力すると、閾値電圧Vthを境界として入力電圧e2を論理反転した電圧e3が出力される。
ただし、t=0は、電圧e3の立ち下りの時刻および電圧e4の立ち下りの開始時刻を表わす。
td2=−Rb×Cb×ln(Vth/Vcc)…(23)
ロジックインバータ30,34としてCMOSロジックインバータを使用する場合、ロジックインバータ30,34の閾値電圧Vth=Vcc/2と仮定すると、遅延時間td2は、式(23)から、以下のように表される。
電圧e4をロジックインバータ34に入力すると、閾値電圧Vthを境界として入力電圧e4を論理反転した電圧e5が出力される。
これによって、補正回路28における遅延回路DL2の出力電圧e5でパルスが消失することなく、電圧e3の立ち下り開始時のタイミングを遅延できる。よって、本実施の形態の補正回路28は、問題点3を解決することができる。
式(14)、(18)から、実施の形態1の補正回路18において、遅延時間を設ける過程で遅延時間が短縮せず、なおかつ、遅延回路の出力信号でパルスが消失しないよう動作させるには、遅延回路DL1へ入力される電圧V1の立ち上り開始時のタイミングに対して設定する遅延時間t1と、遅延回路DL2へ入力される電圧V3の立ち下り開始時のタイミングに対して設定する遅延時間t4を、以下の範囲で設定する必要がある。
t4<ln(Vth/Vcc)/ln(0.01×Vcc/Vcc)×(Ti−t1+t2)…(27)
例えば、実施の形態1の補正回路18において、ロジックインバータとして、CMOSロジックインバータを使用する場合、Vth=Vcc/2と仮定すると、式(3)、(4)から、遅延回路DL1へ入力される電圧V1の立ち上り開始時のタイミングに対して設定する遅延時間t1と、遅延回路DL1へ入力される電圧V1の立ち下り開始時のタイミングに対して設定する遅延時間t2はt1=t2と表されるので、式(26)、(27)から、条件式は以下のように表せる。
なお、上式において、ln(0.5)/ln(0.01)=0.15を用いて計算した。
ただし、式(28)も同時に満たす必要がある。
td2<Ti+td1…(31)
補正回路28の遅延時間の設定範囲と、補正回路18の遅延時間の設定範囲を比較するため、式(31)の右辺を式(29)の右辺で割ると、以下の式が成り立つ。
式(32)より、遅延時間td1>0とすると、本実施の形態の補正回路28における遅延時間td2の設定範囲は、実施の形態1の遅延時間t1+t4の設定範囲に比べて3倍以上広い。
実施の形態3の補正回路38が実施の形態1の補正回路18と相違する。実施の形態3の他の構成要素は、実施の形態1のものと同じである。
図13は、実施の形態1の補正回路18に入力される周期に対してパルス幅の太い電圧、補正回路18の内部で生成される電圧、補正回路18から出力される電圧の例を表わす図である。
補正回路18において、図13に示すような、遅延時間t1の短縮を防ぐには、以下の式を満たす必要がある。
式(4)から、電圧V1の立ち下り開始時のタイミングに対して設けられる遅延時間t2は、以下の式で表される。
式(33)、(34)、(35)から、実施の形態1の補正回路18において、設けられる遅延時間t1が、設定した遅延時間に比べて短くならないようにするには、遅延回路DL1へ入力される電圧V1の立ち下り時のタイミングに対して設けられる遅延時間t2が、以下の式を満たす必要がある。
補正回路18において、図13に示す波形図の例のように、遅延回路DL2におけるコンデンサ25の端子間電圧がロジックインバータの電源電圧Vccにまで上昇しきる前に放電を始めた場合に、電圧V3の立ち下り開始時のタイミングに対して設けられる遅延時間t4が、設定した遅延時間に比べて短くなるという問題がある。
補正回路18において、図13に示すような、遅延時間t4の短縮を防ぐには、以下の式を満たす必要がある。
補正回路18において、設けられる遅延時間t4が、設定した遅延時間に比べて短くならないようにするには、遅延回路DL2へ入力される電圧V3の立ち上り開始時のタイミングに対して設けられる遅延時間t3が、以下の式を満たす必要がある。
以上のように、実施の形態1では、補正回路18に周期に対してパルス幅の太い電圧が入力された場合に、式(36)と式(39)を満たすように設計されないと、実際に設けられる遅延量が設定した遅延量よりも短くなり、インバータ9A,9Bのタイミングのずれを正確に補正することができなくなる。理論的には、式(36)と式(39)を満たす遅延量が生じるように、遅延回路を複数段縦列接続すればよいが、素子数が増加するなどの問題が生じる(問題点4)。
図14は、実施の形態1の補正回路18に入力される周期に対してパルス幅の太い電圧、補正回路18の内部で生成される電圧、補正回路18から出力される電圧の別の例を表わす図である。
補正回路38は、直列に接続された1段目の遅延回路DL1と、2段目の遅延回路DL2とから構成される。
ただし、t=0は、電圧e6の立ち上りの時刻および電圧e7の立ち下りの開始時刻を表わす。
td3=−Ra×Ca×ln(1−Vth/Vcc)…(41)
補正回路38において、ロジックインバータとしてCMOSロジックインバータを使用する場合、ロジックインバータの閾値電圧Vth=Vcc/2と仮定すると、遅延時間td3は、式(41)から、以下のように表される。
電圧e7をロジックインバータ30に入力すると、閾値電圧Vthを境界として入力電圧e7を論理反転した電圧e8が出力される。
ただし、t=0は、電圧e8の立ち上りの時刻および電圧e9の立ち上りの開始時刻を表わす。
td4=−Rb×Cb×ln(1−Vth/Vcc)…(44)
補正回路38において、ロジックインバータとしてCMOSロジックインバータを使用する場合、ロジックインバータの閾値電圧Vth=Vcc/2と仮定すると、遅延時間td4は、式(44)から、以下の式で表される。
電圧e9をロジックインバータ34に入力すると、閾値電圧Vthを境界として入力電圧e9を論理反転した電圧e10が出力される。
したがって、図1の回路構成で、レーザ発振器1を構成するインバータ9A,9Bの出力電圧波形または出力電流波形が太いパルスの場合においても、式(46)に示す範囲で補正回路38の遅延時間を設定して使用することで、インバータ9A,9Bの出力電圧または出力電流の立ち上り開始時もしくは立ち下り開始時のタイミングを揃えることができる。
式(36)、(39)から、実施の形態1の補正回路18において、遅延時間を設ける過程で遅延時間が短縮せず、なおかつ、遅延回路の出力信号でパルスが消失しないよう動作させるには、遅延回路DL1へ入力される電圧V1の立ち下り開始時のタイミングに対して設定する遅延時間t2と、遅延回路DL2へ入力される電圧V3の立ち上り開始時のタイミングに対して設定する遅延時間t3を、以下の範囲で設定する必要がある。
t3<ln(1−Vth/Vcc)/ln(1−0.99×Vcc/Vcc)×(Ts−Ti+t1−t2)…(48)
例えば、実施の形態1の補正回路18において、ロジックインバータとして、CMOSロジックインバータを使用する場合、Vth=Vcc/2と仮定すると、式(3)、(4)から、遅延回路DL1へ入力される電圧V1の立ち上り開始時のタイミングに対して設定する遅延時間t1と、遅延回路DL1へ入力される電圧V1の立ち下り開始時のタイミングに対して設定する遅延時間t2は、t1=t2で表されるので、式(47)、(48)から、条件式は以下のように表せる。
式(49)から、実施の形態1の補正回路18において、遅延時間を設ける過程で遅延時間が短縮せず、なおかつ、遅延回路の出力信号でパルスが消失しないよう動作させるには、実施の形態1の補正回路18に入力される信号の立ち下り開始時のタイミングに対して設けられる遅延時間t2+t3を以下の範囲で設定すればよい。
ただし、式(49)も満たす必要がある。
td4<Ts−Ti+td3…(52)
補正回路18の遅延時間の設定範囲と、補正回路38の遅延時間の設定範囲を比較するため、式(52)の右辺を式(50)の右辺で割ると以下の式が成り立つ。
式(53)より、遅延時間td3>0とすると、本実施の形態の補正回路38における遅延時間td4の設定範囲は、実施の形態1の補正回路18における遅延時間t2+t3の設定範囲に比べて3倍以上広い。
実施の形態2の補正回路28において、補正回路28の出力信号でパルスが消失しないよう動作させるには、図12に示す波形図の例のように、補正回路28へ入力される信号の立ち下り開始時のタイミングに対して設けられる遅延時間td1と、補正回路28へ入力される信号の立ち上り開始時のタイミングに対して設けられる遅延時間td2を、以下の通りに設定する必要がある。
td2<Ti+td1…(55)
実施の形態3の補正回路38において、補正回路28の出力信号でパルスが消失しないよう動作させるには、図16に示す波形図の例のように、補正回路38へ入力される信号の立ち下り開始時のタイミングに対して設けられる遅延時間td4と、補正回路38へ入力される信号の立ち上り開始時のタイミングに対して設けられる遅延時間td3を、以下の通りに設定する必要がある。
td3<Ti…(57)
実施の形態2の補正回路28へ入力される信号のパルス幅が太いとき、例えば、Ts/2<<Ti<Tsのとき、式(54)から、以下の式が成り立つ。
式(55)、(58)から、以下の式が成り立つ。
一方、実施の形態3の補正回路38へ入力される信号のパルス幅が太いとき、例えば、Ts/2<<Ti<Tsのとき、式(57)から、以下の式が成り立つ。
式(56)、(60)から、以下の式が成り立つ。
式(58)、(60)を比較すると、図1に示す回路構成で、補正回路へ入力される信号のパルス幅Tiが太い場合、例えば、Ts/2<<Ti<Tsの場合、実施の形態3の補正回路38は、実施の形態2の補正回路28に比べて、広い範囲で遅延時間を設定できる。
式(55)、(62)から、以下の式が成り立つ。
一方、実施の形態3の補正回路38へ入力される信号のパルス幅が細いとき、例えば、0<Ti<<Ts/2のとき、式(57)から、以下の式が成り立つ。
式(56)、(64)から、以下の式が成り立つ。
式(62)、(64)を比較すると、図1に示す回路構成で、補正回路へ入力される信号のパルス幅Tiが細い場合、例えば、0<Ti<<Ts/2の場合、実施の形態2の補正回路28は、実施の形態3の補正回路38に比べて、広い範囲で遅延時間を設定できる。
Claims (9)
- レーザ発振器であって、
交流電源から入力された交流電圧を整流して直流電圧に変換する整流回路と、
交互にオン/オフされる複数のスイッチング素子を含み、前記整流回路が出力する直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、
前記インバータ部が出力する交流電圧を昇圧するトランス部と、
各々が、前記複数のスイッチング素子のうちの1つと1対1で接続される複数のゲート駆動回路と、
前記複数のゲート駆動回路を制御する制御信号を出力する制御回路と、
各々が、前記複数のゲート駆動回路のうちの1つと1対1で接続される複数の補正回路とを備え、
前記補正回路は、前記制御回路から前記制御信号を受けて、前記制御信号の立ち上りのタイミングと立ち下りのタイミングを補正して、前記ゲート駆動回路へ出力し、
前記ゲート駆動回路が、前記補正回路から前記制御信号を受けて、前記制御信号の立ち上りのタイミングおよび立ち下りのタイミングに基づいて、前記スイッチング素子のオン/オフを切り替えるためのゲート駆動信号を生成し、
前記補正回路は、可変の遅延量を有する1段以上の遅延回路を含み、前記レーザ発振器に接続されるレーザ加工機の加工特性に影響が及ばない範囲に前記複数のスイッチング素子のオン/オフのタイミングが近づけるように前記遅延量が調整可能である、レーザ発振器。 - 前記トランス部からの出力電流を検出する出力電流検出装置と、
前記出力電流検出装置が検出した出力電流と外部から入力される電流指令値との差分を算出してフィードバック結果として出力する出力電流監視部とをさらに備え、
前記制御回路は、前記フィードバック結果に基づいて、前記複数のゲート駆動回路を制御する制御信号を出力する、請求項1に記載のレーザ発振器。 - 前記遅延回路は、
抵抗とコンデンサで構成される積分回路と、
前記抵抗と並列接続されるダイオードと、
前記積分回路に接続されるロジックインバータとを含み、
前記ダイオードが、前記積分回路の入力部から前記積分回路に含まれるコンデンサへと充電電流が流れる向きに接続される、請求項1に記載のレーザ発振器。 - 前記補正回路は、1段目の第1の遅延回路と、2段目の第2の遅延回路とを含み、
td1を前記第1の遅延回路で生じる電圧の立ち下りの遅延時間、td2を前記第2の遅延回路で生じる電圧の立ち下りの遅延時間、Tiを前記補正回路に入力される前記制御信号のパルス幅としたときに、以下の条件が満たされる、
td2<Ti+td1…(A1)
請求項3に記載のレーザ発振器。 - 前記遅延回路は、
抵抗とコンデンサで構成される積分回路と、
前記抵抗と並列接続されるダイオードと、
前記積分回路に接続されるロジックインバータとを含み、
前記ダイオードが、前記積分回路に含まれるコンデンサから前記積分回路の入力部へと放電電流が流れる向きに接続される、請求項1に記載のレーザ発振器。 - 前記補正回路は、1段目の第1の遅延回路と、2段目の第2の遅延回路とを含み、
td3を前記第2の遅延回路で生じる電圧の立ち上りの遅延時間、td4を前記第2の遅延回路で生じる電圧の立ち上りの遅延時間、Tsを前記補正回路に入力される前記制御信号の周期、Tiを前記補正回路に入力される前記制御信号のパルス幅としたときに、以下の条件が満たされる、
td4<Ts−Ti+td3…(A2)
請求項5に記載のレーザ発振器。 - 前記積分回路に含まれる前記抵抗が可変抵抗であり、前記コンデンサが可変コンデンサである、請求項3〜6のいずれか1項に記載のレーザ発振器。
- 前記積分回路に含まれる前記コンデンサは、フィルムコンデンサまたはセラミックコンデンサである、請求項3〜6のいずれか1項に記載のレーザ発振器。
- 前記ダイオードは、ファスト・リカバリ・ダイオードまたはショットキー・バリア・ダイオードである、請求項3〜6のいずれか1項に記載のレーザ発振器。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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