JP5920870B2 - レーザ電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ発振用の励起ランプに電力を供給するレーザ電源装置に関する。

レーザ加工に用いられている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、その光エネルギーによりＹＡＧロッド等の固体レーザ媒体を励起してレーザ発振を起こすようにしている。

このようなレーザ装置で用いられる電源装置は、一般に、商用周波数の交流を整流して直流に変換する整流回路と、この整流回路からの直流電力を蓄えるコンデンサと、このコンデンサに蓄えられた電気エネルギーを放電させて励起ランプにランプ電流つまり駆動電流を供給するランプ駆動回路とを備えている。

図１０に、固体レーザ装置に用いられている従来の簡易型レーザ電源装置の回路構成を示す。このレーザ電源装置において、出力端子［OUT_a，OUT_b］はレーザ発振部の励起ランプ（図示せず）の両電極端子にそれぞれ接続されている。

入力側の三相整流回路１００は、三相交流電源端子［Ｓ，Ｔ，Ｕ］からの商用周波数の三相交流を整流して直流に変換する。この三相整流回路１００とコンデンサ１０２との間には、コイル１０４、抵抗１０６および第１開閉器１０８が直列に接続されるとともに、抵抗１０６および第１開閉器１０８と並列に第２開閉器１１０が接続されている。

コンデンサ１０２と出力端子［OUT_a，OUT_b］との間には、ランプ駆動用のスイッチング素子１１２およびチョークコイル１１４が直列に接続されるとともに、チョークコイル１１４および励起ランプと並列にフライホイール・ダイオード１１６が接続されている。スイッチング素子１１２がオンすると、コンデンサ１０２が放電し、その放電電流がランプ電流ｉ_dとしてコンデンサ１０２、スイッチング素子１１２、チョークコイル１１４および励起ランプの閉回路を流れる。スイッチング素子１１２がオフすると、コンデンサ１０２の放電は中断するが、チョークコイル１１４、励起ランプおよびフライホイール・ダイオード１１６の閉回路で還流電流がランプ電流ｉ_dとして流れる。これにより、ランプ電流ｉ_dを途切れることなく持続的に流し、励起ランプを連続点灯させ、レーザ発振部より連続発振のレーザ光を得ることができる。スイッチング素子１１２は、スイッチング制御回路１１８のスイッチング制御により一定の高周波数たとえば２０ｋＨｚでオン・オフする。

制御部１２０は、充電電圧測定回路１２２を通じてコンデンサ１０２の充電電圧Ｖ_cを監視しつつ、装置内の各部、特に開閉器１０８，１１０のオン・オフおよびスイッチング制御部（１１２，１１８）のスイッチング動作を制御する。

このレーザ電源装置において、コンデンサ１０２を無充電状態から設定電圧まで充電するときは、スイッチング素子１１２のスイッチング動作を止めたまま、第２開閉器１１０をオフ状態に保ち、第１開閉器１０８をオンにする。すると、三相整流回路１００の出力端子からコイル１０４、抵抗１０６および第１開閉器１０８を介して直流の充電電流ｉ_cがコンデンサ１０２に流れ込み、コンデンサ１０２の端子間電圧つまり充電電圧Ｖ_cが上昇する。この際、抵抗１０６は、コイル１０４からコンデンサ１０２に突入電流が流れるのを防止する電流制限抵抗として機能する。制御部１２０は、充電電圧測定回路１２２を通じてコンデンサ１０２の充電電圧Ｖ_cを監視し、充電電圧Ｖ_cが設定値Ｖ_Sに近い値に達した時点で第２開閉器１１０をオンにする。これによって、コイル１０４とコンデンサ１０２とが第２開閉器１１０を介して短絡される。以後、三相整流回路１００ないしコイル１０４からの充電電流ｉ_dは第２開閉器１１０を通ってコンデンサ１０２に供給される。第１開閉器１０８は、この時点でオフ状態に切り換えられてもよいが、そのままオン状態に保持されていてもよい。

制御部１２０は、コンデンサ１０２の充電電圧Ｖ_cが設定値Ｖ_Sに達した後に、たとえば手動式の起動スイッチまたはワーク搬送装置等の外部装置から起動信号ＳＴを受け取ると、それに応答してスイッチング制御回路１１８を作動させる。スイッチング制御回路１１８は、励起ランプにランプ電流ｉ_dを所定の電流値で流すようにスイッチング素子１１２をスイッチング制御する。こうして、コンデンサ１０２が励起ランプ側にランプ電流ｉ_dを供給する一方で、ランプ電流ｉ_dの供給によってコンデンサ１０２から放出される電気エネルギーを補填するように三相整流回路１００側からコイル１０４および第２開閉器１１０を介してコンデンサ１０２に充電電流ｉ_cが供給される。

特開平１１−２６８４４号公報

上記の簡易型レーザ電源装置は、必要最小限の回路構成からなり、電力損失が少ないため、安価で効率が高いという利点がある。一方で、負荷の変動には弱く、特にランプ電流ｉ_dが急激に増大すると、コンデンサ１０２の充電電圧Ｖ_Cが急激に低下し、コイル１０４からコンデンサ１０２に流れる充電電流ｉ_cが急激に増大して突入電流に変わる。そのような突入電流によってコイル１０４、開閉器１１０、コンデンサ１０２が破損しやすいことや、交流電路上のヒューズ１２４が頻繁に溶断することが問題となっている。

この問題に対して、コイル１０４のインダクタンスやコンデンサ１０２の静電容量を大きくすることも行われている。しかし、交流電源電圧の変動によっても、レーザ発振中にコンデンサ１０２の充電電圧Ｖ_Cが大きく変動して、コイル１０４からコンデンサ１０２に突入電流が流れることがあり、コイル１０４やコンデンサ１０２を大型化しても根本的な解決にならないばかりか、むしろ部品破損の損失度が大きくなる。このため、この種の簡易型レーザ電源装置は、レーザ出力のダイミックレンジを低目に設定し、低出力型レーザ用に特化しているのが現状である。

また、別の解決法として、充電電圧測定回路１２２を通じてコンデンサ１０２の充電電圧Ｖ_cを監視する機能を利用し、レーザ発振中に充電電圧Ｖ_cが所定の監視値以下に低下した時に開閉器１０８，１１０をオフにすることも考えられる。しかし、負荷の変動や交流電源電圧の変動が比較的緩やかなときは、コンデンサ１０２の充電電圧Ｖ_cが監視値以下になっても突入電流には至らないので、むやみに装置を停止するのはよくない。他方で、交流電源電圧の変動においては、コンデンサ１０２の充電電圧Ｖ_cが監視値に達しないレベルまでいったん低下してから電圧の急激な回復によってコンデンサ１０２に突入電流が流れることがある。このように、コンデンサ充電電圧を監視する方式は、不必要な装置の停止を招くことや、突入電流を確実に防止できないなどの難点がある。

さらに、別の解決法として、充電電流ｉ_cの電流値を監視し、その電流値が所定の監視値を超えた時に開閉器１０８，１１０をオフにすることも考えられる。しかし、この方式は、コイル１０４に大きな充電電流ｉ_cが流れている時に開閉器１０８，１１０をオフにするので、コイル１０４に溜まっている電磁エネルギーが行き場を失ってオフ状態の第２開閉器１１０内でスパーク（アーク放電）を発生し、開閉器１１０を破損させるおそれがある。

また、交流電源電圧の変動を直接監視して開閉器１０８，１１０のオン・オフを制御する方法は、負荷の変動には対応できないことや、突入電流には発展しない交流電源電圧の変動にも過剰に応答してしまうおそれがあり、制御の適確性および信頼性に乏しい。

なお、従来より、充電回路にＰＦＣ（力率改善）回路を設けることによって、負荷変動や交流電源電圧変動の影響を緩和することも行われている。しかしながら、ＰＦＣ回路を備える装置構成は、ＰＦＣ回路のスイッチング損失によって効率が低下することや、ハードウェアおよびスイッチング制御の煩雑性ひいては装置コストが増大するという不利点がある。

本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するものであり、負荷の変動や交流電源電圧の変動に対して充電電流の異常増大（突入電流の発生）を未然に防止して安全性および信頼性を向上させるレーザ電源装置を提供する。

本発明のレーザ電源装置は、固体レーザ媒体にレーザ発振用の励起光を照射する励起ランプに電力を供給するためのレーザ電源装置であって、商用周波数の交流を整流して直流に変換する整流回路と、前記整流回路より出力される直流電力を蓄えるコンデンサと、前記整流回路と前記コンデンサとの間で直列に接続されるコイルおよび抵抗と、前記交流の電路に設けられ、または前記整流回路と前記コンデンサとの間で前記抵抗と直列に接続される第１の開閉器と、前記抵抗と並列に接続される第２の開閉器と、前記コンデンサに蓄えられた電気エネルギーを前記励起ランプ側に放電させて前記励起ランプにランプ電流を流すランプ駆動回路と、前記コイルおよび前記抵抗で生じる電圧降下または前記コイルおよび前記第２の開閉器で生じる電圧降下を監視する監視部と、前記監視部より出力される監視結果に基づいて前記第１および第２の開閉器のオン・オフを制御する制御部とを有する。

上記の装置構成において、コンデンサを実質的な無充電状態から設定電圧まで充電する際には、コンデンサの充電電圧が設定電圧に近づくと、コイルおよび抵抗の電圧降下が零に近づくので、監視部はこの状況を容易かつ正確に検出することができる。また、励起ランプの点灯中にランプ電流が急激に増大すると、あるいは交流電圧が急激に増大すると、それによって整流回路からコンデンサに流れる充電電流が急激に増大し始める。こうして充電電流が急激に増大し始めると、コイルおよび第２開閉器の電圧降下がそれまでの低い値から充電電流の増大変化率に対応した値まで一気に上昇するので、監視部はこの状況を容易かつ正確に検出することができる。また、制御部は、監視部からの適確で精度の高い監視結果に基づいて第１および第２の開閉器のオン・オフを制御するので、充電電流の異常増大つまり突入電流の発生を未然に防ぐことができるとともに、現時の交流電源電圧の電圧レベルに影響されずにコンデンサ充電動作を首尾よく完了させることもできる。

本発明の好適な一態様において、制御部は、コンデンサを実質的な無充電状態から所定電圧まで充電する際に、コイルおよび抵抗の電圧降下が第２の基準値を割ったとの監視結果が監視部より出力された時は第２の開閉器をオンにする。

別の好適な一態様において、制御部は、コンデンサを実質的な無充電状態から所定電圧まで充電した後に、コイルおよび第２開閉器の電圧降下が第１の基準値より小さいとの監視結果が監視部より出力されている間は第１および第２の開閉器をオンに保ち、コイルおよび第２の開閉器の電圧降下が第１の基準値を超えたとの監視結果が監視部より出力された時は第１および第２の開閉器の少なくとも一方をオフにする。この場合、制御部は、好ましくは、コイルおよび第２開閉器の電圧降下が第１の基準値を超えているとの監視結果が監視部より所定時間持続して出力された時に、第１および第２の開閉器の少なくとも一方をオフにする。

本発明のレーザ電源装置によれば、上記のような構成および作用により、負荷の変動や交流電源電圧の変動に対して充電電流の異常増大（突入電流の発生）を未然に防止して安全性および信頼性を向上させることができる。また、現時の交流電源電圧の電圧レベルに影響されずに、コンデンサ充電動作を首尾よく完了させることもできる。

第１の実施形態におけるレーザ電源装置の構成を示す回路図である。 図１のレーザ電源装置において、コンデンサを実質的な無充電状態から設定電圧まで充電するときの作用を説明するための各部の波形図である。 図１のレーザ電源装置において、レーザ加工中に負荷の変動によってコンデンサの充電電圧が急激に低下しようとする場合の作用を説明するための各部の波形図である。 図１のレーザ電源装置において、レーザ加工中に負荷の変動によってコンデンサの充電電圧が一時的に緩やかに低下した場合の作用を説明するための各部の波形図である。 第２の実施形態におけるレーザ電源装置の構成を示す回路図である。 図５のレーザ電源装置において、コンデンサを実質的な無充電状態から設定電圧まで充電するときの作用を説明するための各部の波形図である。 第３の実施形態におけるレーザ電源装置の構成を示す回路図である。 一変形例におけるレーザ電源装置の構成を示す回路図である。 図８のレーザ電源装置に含まれるスイッチングトランス回路の構成を示す回路図である。 従来の簡易型レーザ電源装置の構成を示す回路図である。

以下、図１〜図９を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
［実施形態１］

図１に、本発明の第１の実施形態におけるレーザ電源装置の構成を示す。このレーザ電源装置は、固体レーザ装置たとえばＹＡＧレーザ加工装置に好適に適用可能であり、高出力のレーザ加工にも対応できるようになっている。

このレーザ電源装置は、基本構成として、商用周波数の三相交流を整流して直流に変換する三相整流回路１０と、この整流回路１０からの電力または電気エネルギーを蓄えるコンデンサ１２と、整流回路１０からコンデンサ１２に充電電流Ｉ_cを送る充電回路１４と、コンデンサ１２に蓄えられた電気エネルギーを放電させて励起ランプ１６にランプ電流つまり駆動電流Ｉ_dを供給するランプ駆動回路１８と、装置内の各部の動作を制御する制御部２０とを備えている。

三相整流回路１０は、たとえばダイオードの三相ブリッジ回路からなり、三相交流電源端子［Ｓ，Ｔ，Ｕ］からの商用周波数の三相交流を整流して直流に変換する。三相交流電源端子［Ｓ，Ｔ，Ｕ］と三相整流回路１０との間には、ヒューズ２２および電磁式の第１開閉器２４が直列に挿入（接続）されている。

三相整流回路１０とコンデンサ１２との間には、充電回路１４として、コイル２６および電流制限用抵抗２８が直列に接続されるとともに、抵抗２８と並列に電磁式の第２開閉器３０が接続されている。

出力端子［OUT_A，OUT_B］は励起ランプ１６の両端子に接続される。コンデンサ１２と出力端子［OUT_A，OUT_B］との間には、ランプ駆動用のスイッチング素子３２およびチョークコイル３４が直列に接続されるとともに、チョークコイル３４および励起ランプ１６と並列にフライホイール・ダイオード３６が接続されている。スイッチング素子３２がオンすると、コンデンサ１２が放電し、その放電電流がランプ電流Ｉ_dとしてコンデンサ１２、スイッチング素子３２、チョークコイル３４および励起ランプ１６の閉回路を流れる。スイッチング素子３２がオフすると、コンデンサ１２の放電は中断するが、チョークコイル３４、励起ランプ１６およびフライホイール・ダイオード３６の閉回路で還流電流がランプ電流Ｉ_dとして流れる。これにより、ランプ電流Ｉ_dを途切れることなく持続的に流し、励起ランプ１６を連続点灯させ、レーザ発振部３８より連続発振のレーザ光ＬＢを得ることができる。

スイッチング素子３２は、たとえばＩＧＢＴまたはＦＥＴからなり、スイッチング制御回路４０のスイッチング制御により一定の高周波数たとえば２０ｋＨｚでオン・オフする。この実施形態では、たとえばホール素子からなる電流センサ４２および電流測定回路４４によりランプ駆動電流Ｉ_dの電流値を測定して、その電流測定値ＭＩ_dをスイッチング制御回路４０にフィードバックし、スイッチング制御回路４０がＰＷＭ（パルス幅変調）方式のスイッチング制御を行うようになっている。

レーザ発振部３８は、チャンバ４６内に配置された励起ランプ１６およびＹＡＧロッド４８と、チャンバ４６の外でＹＡＧロッド４８の光軸上に配置された一対の光共振器ミラー５０，５２とを有している。チャンバ４６内で励起ランプ１６およびＹＡＧロッド４８は、チャンバ外の冷却部（図示せず）より循環供給される冷却媒体たとえば冷却水によって温調される。

励起ランプ１６が点灯して励起光を発すると、その励起光のエネルギーによってＹＡＧロッド４８が励起され、ＹＡＧロッド４８の両端面より光軸上に出た光が光共振器ミラー５０，５２の間で反射を繰り返して増幅されたのちレーザ光ＬＢとして出力ミラー５２を抜け出る。出力ミラー５２より抜け出たレーザ光ＬＢは、レーザ光学系５４の入射ユニット５６に送られる。

レーザ光学系５４は、レーザ発振部３８より入射ユニット５６に受け取ったレーザ光ＬＢを光ファイバ５８を介して出射ユニット６０に伝送し、出射ユニット６０より加工テーブル６２上の被加工材Ｗに集光照射する。

コンデンサ１２と並列に電磁式の第３開閉器６４および電流制限用抵抗６６が接続されている。このレーザ電源装置を停止させた時は、保安上の理由から制御部２０が第３開閉器６４をオンにしてコンデンサ１２から電気エネルギーをいったん放出させるようにしている。

制御部２０は、マイクロコンピュータおよび所要のインタフェース回路を有しており、操作パネル上のキーボードやディスプレイ等の周辺装置（図示せず）およびワーク搬送装置等の外部装置（図示せず）とも接続されており、後述する監視回路７０を通じて充電回路１４のコイル２６および抵抗２８に生じる電圧降下Ｖ_LRまたはコイル２６および第２開閉器３０に生じる電圧降下Ｖ_LSを監視しつつ、装置内の各部、特に第１および第２開閉器２４，３０のオン・オフおよびスイッチング制御部（３２，４０）のスイッチング動作を制御する。

この実施形態における監視回路７０は、コイル２６および抵抗２８の電圧降下Ｖ_LRまたはコイル２６および第２開閉器３０の電圧降下Ｖ_LSを検出するためのアイソレーション・アンプ７４と、異常時停止用と充電完了用の２種類の監視値ＭＶ_M1，ＭＶ_M2を発生する監視値発生回路７６と、監視値ＭＶ_M1，ＭＶ_M2のいずれか一方を選択するためのスイッチ７８と、アイソレーション・アンプ７４の出力つまり（コイル＋抵抗）電圧降下測定値ＭＶ_LRまたは（コイル＋第２開閉器）電圧降下測定値ＭＶ_LSとスイッチ７８により選択された監視値ＭＶ_M1（ＭＶ_M2）とを比較するコンパレータ８０とを有する。ここで、アイソレーション・アンプ７４の一方（正極性）の入力端子は三相整流回路１０の出力端子とコイル２６との間のノード点Ｎ_Aに電圧センス線７２Ａを介して接続され、他方（負極性）の入力端子は抵抗２８および第２開閉器３０とコンデンサ１２との間のノードＮ_Cに電圧センス線７２Ｃを介して接続される。コンパレータ８０の出力は、制御部２０に与えられる。

この監視回路７０において、異常時停止用の監視値ＭＶ_M1は正極性の設定値である。コンパレータ８０は、定常動作モードでは、ＭＶ_LS＜ＭＶ_M1のときにＬレベルの出力信号（比較結果信号）ＣＯを発生し、ＭＶ_LS＞ＭＶ_M1のときにＨレベルの出力信号ＣＯを発生するようになっている。一方、充電完了用の監視値ＭＶ_M2も正極性の設定値である。コンパレータ８０は、充電動作モードでは、ＭＶ_LR＜ＭＶ_M2のときにＬレベルの出力信号（比較結果信号）ＣＯを発生し、ＭＶ_LR＞ＭＶ_M2のときにＨレベルの出力信号ＣＯを発生するようになっている。

このレーザ電源装置は、上記のような装置構成により、特に監視回路７０の監視機能と制御部２０の制御機能により、レーザ加工中に負荷（ランプ電流Ｉ_d）の急激な変動あるいは交流電源電圧の急激な変動が起こっても、充電回路１４で突入電流が流れず、コイル２６、第２開閉器３０およびコンデンサ１２が突入電流から保護されるようになっている。このため、コイル２６のインダクタンスおよびコンデンサ１２の静電容量を存分に大きくして、大容量・高出力のレーザ加工に対応できるようにもなっている。なお、コンデンサ１２は、好ましくは電解コンデンサからなり、複数個のコンデンサを直列、並列または直列かつ並列に接続したアレイ型のものを好適に用いる。

次に、図２につき、このレーザ電源装置において、コンデンサ１２を実質的な無充電状態から設定電圧まで充電するときの作用を説明する。

制御部２０は、コンデンサ１２の充電を行うために、スイッチング素子３２のスイッチング動作を止めたまま、第２開閉器３０をオフ状態に保ち、時点ｔ₀で第１開閉器２４をオンにする。そうすると、三相整流回路１０の出力端子からコイル２６および電流制限用抵抗２８を介して直流の充電電流Ｉ_Cがコンデンサ１２に流れ込み、コンデンサ１２の端子間電圧つまり充電電圧Ｖ_Cが上昇する。この場合、充電電流Ｉ_Cが流れ始める時は、その時間的な変化率が最も大きいため、コイル２６に三相整流回路１０の出力電圧に相当する大きな値Ｖ_LOの電圧降下Ｖ_Lが発生する。その後、充電電流Ｉ_Cの電流値が大きくなるにつれて、コンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cおよび抵抗２８の電圧降下Ｒ・Ｉ_C（ただし、Ｒは抵抗２８の抵抗値）が増大する一方で、充電電流Ｉ_Cの変化率が減少してコイル２６の電圧降下Ｖ_Lが小さくなる。なお、コイル２６のインダクタンスをＬとすると、電圧降下Ｖ_LはＶ_L＝Ｌ・ｄＩ_C／ｄｔである。

そして、時点ｔ₁で充電電流Ｉ_Cが極大値Ｉ_CPに達した後は、充電電流Ｉ_Cの減少に伴って、コンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cの上昇速度が低下する一方で、コイル２６の電圧降下Ｖ_Lが負極性に変わるとともに抵抗２８の電圧降下Ｒ・Ｉ_Cも減少し始め、コイル２６および抵抗２８の電圧降下つまり（コイル＋抵抗）電圧降下Ｖ_LRはさらに低下する。

制御部２０は、コンデンサ充電動作の際には、スイッチ７８を通じて監視値発生回路７６から充電完了用の監視値ＭＶ_M2を選択してコンパレータ８０に与える。コンパレータ８０は、アイソレーション・アンプ７４からの（コイル＋抵抗）電圧降下測定値ＭＶ_LRを監視値ＭＶ_M2と比較し、充電開始直後からＨレベルの比較結果信号ＣＯを出力し続ける。

そして、時点ｔ₂で（コイル＋抵抗）電圧降下Ｖ_LRが監視値Ｖ_M2を割ると、コンパレータ８０の出力信号（比較結果信号）ＣＯがそれまでのＨレベルからＬレベルに変わる。制御部２０は、このタイミング（時点ｔ₂）で直ちに、あるいは（より好ましくは）一定のディレイ時間経過後の時点ｔ₃で、第２開閉器３０をオンにする。

第２開閉器３０がオンすると、コイル２６とコンデンサ１２が第２開閉器３０を介して短絡され、コイル２６に残っていた電磁エネルギーがコンデンサ１２に速やかに放出される。これにより、充電電流Ｉ_Cが一瞬増大してコンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cが直ぐに設定電圧Ｖ_Sに達し、そこで充電動作が完了する（時点ｔ₄）。

この実施形態における上記設定電圧Ｖ_Sは、予め固定された値ではなく、現時の商用交流電源電圧の下で可能な最大充電電圧であり、いわば目標値である。したがって、たとえば、現時の商用交流電源電圧が実効値で４００ボルトであれば設定電圧Ｖ_Sは４００√２ボルト付近になり、現時の商用交流電源電圧が３８０Ｖであれば設定電圧Ｖ_Sは３８０√２ボルト付近になる。いずれの場合でも、この実施形態においては、コイル２６および抵抗２８の電圧降下Ｖ_LRが監視値ＭＶ_M2を割ったタイミングで、つまりコンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cが設定電圧Ｖ_Sに近づいたタイミングで確実に第２開閉器３０をオフ状態からオン状態に切り換えることができる。

その点、従来のレーザ電源装置（図１０）は、コンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cを監視する方式である。したがって、たとえば、設定電圧Ｖ_Sを４００√２ボルト、監視値を３９０√２ボルトに設定した場合に、現時の商用交流電源電圧が実効値で３８０ボルトであるときは、いつまで経っても第２開閉器１１０をオフ状態からオン状態に切り換えることができない。その場合に、スイッチング制御回路１１８を作動させて（つまり励起ランプを発光させて）レーザ加工を実施すれば、充電電流が抵抗１０８を通って流れ続ける結果、多量の電力損失を生じることになる。

次に、図３につき、このレーザ電源装置において、レーザ加工中に負荷の変動によってコンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cが急激に低下しようとする場合の作用を説明する。

レーザ加工中、アイソレーション・アンプ７４は、電圧センス線７２Ａ，７２Ｃを通じてコイル２６および第２開閉器３０の電圧降下つまり（コイル＋第２開閉器）電圧降下Ｖ_LSを検出（測定）する。制御部２０は、スイッチ７８を通じて監視値発生回路７６から異常時停止用の監視値ＭＶ_M1を選択してコンパレータ８０に与える。コンパレータ８０は、アイソレーション・アンプ７４からの（コイル＋第２開閉器）電圧降下測定値ＭＶ_LSを監視値ＭＶ_M1と比較し、正常時はＭＶ_LS＜ＭＶ_M1なのでＬレベルの比較結果信号ＣＯを出力し続ける。制御部２０は、コンパレータ８０の出力信号ＣＯがＬレベルになっている間は、開閉器２４，３０をオン状態に保つ。

図３において、たとえば時点ｔ₁₀で、負荷（ランプ電流Ｉ_d）の急激な増大が起きたとする。そうすると、この時点ｔ₁₀から、コンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cがそれまでの安定な値Ｖ_COから急激に低下し始め、それによって充電電流Ｉ_Cがそれまでの略一定な値Ｉ_COから急激に増大し始める。

こうして充電電流Ｉ_Cが急激に増大すると、（コイル＋第２開閉器）電圧降下Ｖ_LSがそれまでの零付近の値から急速に立ち上がる。そして、充電電流Ｉ_Cの増大変動率が相当大きい場合は、（コイル＋第２開閉器）電圧降下Ｖ_LSが異常時停止用の監視値Ｖ_M1を超えるレベルまで上昇する。すると、コンパレータ８０の出力（比較結果信号）ＣＯがそれまでのＬレベルからＨレベルに変わる。制御部２０は、このタイミング（時点ｔ₁₀）で直ちに、あるいは（より好ましくは）コンパレータ８０の出力ＣＯが所定時間Ｔ_S持続したことを確認してから、時点ｔ₁₁で、開閉器２４，３０をオフにするとともに、スイッチング制御回路４０を通じてスイッチング素子３２のスイッチング動作を停止させる。

開閉器２４，３０がオフすると、コイル２６に溜まっていた電磁エネルギーが電流制限用抵抗２８を通ってコンデンサ１２に放出され、充電電流Ｉ_Cは速やかに減少して止まる。なお、開閉器２４，３０をオフにするタイミングおよびスイッチング素子３２のスイッチング動作を停止させるタイミングは同時でもよいが、多少異なっていてもよい。

このように、レーザ発振中またはレーザ加工中にコンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cが急激に低下して充電電流Ｉ_Cが急激に増大しようとするときは、その矢先にコイル２６および第２開閉器３０の電圧降下Ｖ_LSが異常時停止用の監視値Ｖ_M1を超えるので、充電電流Ｉ_Cが異常に増大する前に、そしてコイル２６に多量の電磁エネルギーが溜まる前に、制御部２０は開閉器２４，３０をオフさせることができる。これによって、充電回路１４内で突入電流の発生を未然に防ぐことができるとともに、開閉器３０でスパークが発生するのを未然に防ぐこともできる。

次に、図４につき、このレーザ電源装置において、レーザ加工中に負荷の変動によってコンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cが一時的に緩やかに低下した場合の作用を説明する。

図４において、たとえば時点ｔ₂₀で、負荷（ランプ電流Ｉ_d）の比較的緩やかな増大が起きたとする。そうすると、この時点ｔ₂₀から、コンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cがそれまでの安定な値Ｖ_COから同様の緩やかさで低下し始め、それによって充電電流Ｉ_Cがそれまでの略一定な値Ｉ_COから同様の緩やかさで増大し始める。この場合、充電電流Ｉ_Cの時間的な変化率がそれほど大きくはないので、コイル２６および第２開閉器３０の電圧降下Ｖ_LSは異常時停止用の監視値Ｖ_M1を超えるレベルまで上昇しない。したがって、コンパレータ８０の出力（比較結果信号）ＣＯはＬレベルのままであり、制御部２０は開閉器２４，３０をオン状態に保つ。このように、負荷の変動（特に負荷の増大）が起こっても、充電回路１４に突入電流が発生しないようなものであれば、むやみに装置を停止させずに済み、レーザ加工を安定に継続することができる。

商用交流電源電圧が変動するときも、上記と同じである。この場合も、商用交流電源電圧の変動に応じて充電電流Ｉ_Cが時間的に変化する。特に、商用交流電源電圧が上昇する時に、充電電流Ｉ_Cが増大する方向に変化し、この電流変化速度および変化量が非常に大きいと充電電流Ｉ_Cが突入電流となる。しかし、この実施形態においては、監視部７０および制御部２０の働きにより、充電電流Ｉ_Cが異常増大する手前で確実に開閉器２４，３０をオフさせるので、突入電流の発生を未然に防ぐことができる。

なお、商用交流電源電圧が低下する方向に変動して三相整流回路１０の出力電圧がコンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cより低くなっても、三相整流回路１０が整流機能を有するので、コンデンサ１２から第２開閉器３０およびコイル２６を介して三相整流回路１０へ電流が流れることはない。つまり、充電電流Ｉ_Cが逆方向に流れることはない。

［実施形態２］

図５に、本発明の第２の実施形態におけるレーザ電源装置の構成を示す。図中、第１の実施形態（図１）と同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を付している。

この第２の実施形態における監視回路７０は、コイル２６の電圧降下Ｖ_Lを検出するためのアイソレーション・アンプ７４と、異常時停止用と充電完了用の２種類の監視値ＭＶ_M1，−ＭＶ_M2を発生する監視値発生回路７６と、監視値ＭＶ_M1，−ＭＶ_M2のいずれか一方を選択するためのスイッチ７８と、アイソレーション・アンプ７４の出力つまりコイル電圧降下測定値ＭＶ_Lとスイッチ７８により選択された監視値ＭＶ_M1（−ＭＶ_M2）とを比較するコンパレータ８０とを有する。ここで、アイソレーション・アンプ７４の一方（正極性）の入力端子は三相整流回路１０の出力端子とコイル２６との間のノード点Ｎ_Aに電圧センス線７２Ａを介して接続され、他方（負極性）の入力端子は抵抗２８および第２開閉器３０とコイル２６との間のノードＮ_Bに電圧センス線７２Ｂを介して接続される。コンパレータ８０の出力は制御部２０に与えられる。

ここで、異常時停止用の監視値ＭＶ_M1は正極性の設定値である。コンパレータ８０は、定常動作モードでは、ＭＶ_L＜ＭＶ_M1のときにＬレベルの出力信号（比較結果信号）ＣＯを発生し、ＭＶ_L＞ＭＶ_M1のときにＨレベルの出力信号ＣＯを発生するようになっている。一方、充電完了用の監視値−ＭＶ_M2は負極性の設定値である。コンパレータ８０は、充電動作モードでは、ＭＶ_L＜−ＭＶ_M2のときにＬレベルの出力信号（比較結果信号）ＣＯを発生し、ＭＶ_L＞−ＭＶ_M2のときにＨレベルの出力信号ＣＯを発生するようになっている。

図６につき、この第２の実施形態のレーザ電源装置において、コンデンサ１２を実質的な無充電状態から設定電圧まで充電するときの作用を説明する。

制御部２０は、コンデンサ１２の充電を行うために、スイッチング素子３２のスイッチング動作を止めたまま、第２開閉器３０をオフ状態に保ち、時点ｔ₀で第１開閉器２４をオンにする。そうすると、三相整流回路１０の出力端子からコイル２６および電流制限用抵抗２８を介して直流の充電電流Ｉ_Cがコンデンサ１２に流れ込み、コンデンサ１２の端子間電圧つまり充電電圧Ｖ_Cが上昇する。上記と同様に、充電電流Ｉ_Cが流れ始める時は、その時間的な変化率が最も大きいため、コイル２６に三相整流回路１０の出力電圧に相当する大きな値Ｖ_LOの電圧降下Ｖ_Lが発生する。その後、充電電流Ｉ_Cの電流値が大きくなるにつれて、コンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cおよび抵抗２８の電圧降下Ｒ・Ｉ_C（ただし、Ｒは抵抗２８の抵抗値）が増大する一方で、充電電流Ｉ_Cの変化率が減少してコイル２６の電圧降下Ｖ_Lが小さくなる。

そして、時点ｔ₁で充電電流Ｉ_Cが極大値Ｉ_CPに達した後は、充電電流Ｉ_Cの減少に伴って、コンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cの上昇速度が低下するとともに、抵抗２８の電圧降下Ｒ・Ｉ_Cが減少し始め、コイル２６の電圧降下Ｖ_Lが負極性に変わる。

制御部２０は、コンデンサ充電動作の際には、スイッチ７８を通じて監視値発生回路７６から充電完了用の監視値−ＭＶ_M2を選択してコンパレータ８０に与える。コンパレータ８０は、アイソレーション・アンプ７４からのコイル電圧降下測定値ＭＶ_Lを監視値−ＭＶ_M2と比較し、充電開始直後からＨレベルの比較結果信号ＣＯを出力し続ける。そして、コイル２６の電圧降下Ｖ_Lが負極性に変わって監視値−Ｖ_M2より低くなると、比較結果信号ＣＯがそれまでのＨレベルからＬレベルに変わる。制御部２０は、コンパレータ８０の出力信号ＣＯがＨレベルにある期間中はもちろん、ＨレベルからＬレベルに変わっても第２開閉器３０およびスイッチング素子３２のオフ状態を保持する。

こうして、コンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cが設定電圧Ｖ_Sに近づくにつれて充電電流Ｉ_Cの電流値が零に近づき、コイル２６の電圧降下Ｖ_Lが負極性の方向で小さくなる。そして、時点ｔ₂で、コイル２６の電圧降下Ｖ_Lが上昇してＶ_L＜−Ｖ_M2からＶ_L＞−Ｖ_M2に変わると（正方向に−Ｖ_M2を超えると）、コンパレータ８０の出力信号ＣＯがそれまでのＬレベルからＨレベルに変わる。制御部２０は、このタイミング（時点ｔ₂）で直ちに、あるいは（より好ましくは）一定のディレイ時間経過後の時点ｔ₃で、第２開閉器３０をオンにする。

第２開閉器３０がオンすると、コイル２６とコンデンサ１２が第２開閉器３０を介して短絡され、コイル２６に残っていた電磁エネルギーがコンデンサ１２に速やかに放出される。これにより、充電電流Ｉ_Cが一瞬増大してコンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cが直ぐに設定電圧Ｖ_Sに達し、そこで充電動作が完了する（時点ｔ₄）。

この第２の実施形態において、レーザ加工中に負荷の変動によってコンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cが急激に低下しようとする場合の作用およびコンデンサ１２の充電電圧Ｖ_Cが一時的に緩やかに低下した場合の作用は、上記第１の実施形態と全く同じである。

したがって、この第２の実施形態においても、充電回路１４で突入電流が流れず、コイル２６、第２開閉器３０およびコンデンサ１２が突入電流から保護されるようになっている。このため、コイル２６のインダクタンスおよびコンデンサ１２の静電容量を存分に大きくして、大容量・高出力のレーザ加工に対応することができる。

［他の実施形態または変形例］

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した第１および第２の実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに他の実施形態または種々の変形・変更を加えることが可能である。

たとえば、第３の実施形態として、図７に示すように、監視部７０において、コイル２６の電圧降下Ｖ_Lを監視する代わりに、コイル２６を流れる電流つまり充電電流Ｉ_Cの時間的な変化率ｄＩ_C／ｄｔ（以下∇Ｉ_Cと称する）を監視することも可能である。この実施形態において、充電回路１４の電路に取り付けられる電流センサ８２がたとえばホール素子のように充電電流Ｉ_Cの電流値（瞬時値）を検出する場合は、電流センサ８２の出力信号を微分して電流変化率測定値Ｍ∇Ｉ_Cを発生する電流微分値測定回路８４を設ける。電流センサ８２がたとえばトロイダルコイルのように充電電流Ｉ_Cの微分値∇Ｉ_Cを出力する場合は、電流微分値測定回路８４を増幅器に代えればよい。監視値発生回路７６は、充電電流Ｉ_Cの微分値に対応する異常時停止用の監視値Ｍ∇Ｖ_M1および充電完了用の監視値−Ｍ∇Ｖ_M2を発生する。

また、図７に示すように、レーザ駆動回路１８において、パワーフィードバック制御により励起ランプ１６を駆動することも可能である。図示の構成例では、ハーフミラー８６、フォトセンサ８８およびレーザ出力測定回路９０によりレーザ光ＬＢのパワー（レーザ出力）Ｐ_LBを測定して、レーザ出力測定値ＭＰ_LBをスイッチング制御回路４０にフィードバックし、スイッチング制御回路４０がＰＷＭ（パルス幅変調）方式のスイッチング制御を行うようになっている。

また、一変形例として、図８および図９に示すように、ランプ励起用のレーザ電気エネルギーを蓄積するための第１のコンデンサ１２と第２のコンデンサ１５との間にスイッチングトランス回路９２を備えるレーザ電源装置にも本発明を適用することができる。このスイッチングトランス回路９２は、インバータ回路９４、昇圧トランス９５、整流回路９６およびチョークコイル９８をカスケード接続して構成されている。インバータ回路９４を構成するスイッチング素子をスイッチング制御するための制御回路（図示せず）も設けられる。

また、図示省略するが、第１開閉器２４を充電回路１４内の電路に設ける構成も可能である。たとえば、抵抗２８と直列で第２開閉器３０と並列に第１開閉器２４を接続する構成、あるいは三相整流回路１０の出力端子とノードＮ_Bとの間にコイル２６と直列に第１開閉器２４を接続する構成等も可能である。

監視部７０および制御部２０の構成も種種の変形が可能である。たとえば、監視値発生回路７６およびコンパレータ８０の機能を制御部２０が有する構成も可能である。

また、上述した実施形態のレーザ電源装置は三相交流電源から三相交流を入力したが、本発明は単相交流電源から単相交流を入力するタイプのレーザ電源装置にも適用可能である。

１０ 三相整流回路
１２ コンデンサ
１４ 充電回路
１６ 励起ランプ
１８ ランプ駆動回路
２０ 制御部
２４ 第１開閉器
２６ コイル
２８ 電流制限用抵抗
３０ 第２開閉器
３２ スイッチング素子
３８ レーザ発振部
４０ スイッチング制御部
７０ 監視部
７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃ 電圧センス線
７４ アイソレーション・アンプ
７６ 監視値発生回路
７８ スイッチ
８０ コンパレータ
８２ 電流センサ
８４ 電流微分値測定回路

Claims (6)

1. 固体レーザ媒体にレーザ発振用の励起光を照射する励起ランプに電力を供給するためのレーザ電源装置であって、
   商用周波数の交流を整流して直流に変換する整流回路と、
   前記整流回路より出力される直流電力を蓄えるコンデンサと、
   前記整流回路と前記コンデンサとの間で直列に接続されるコイルおよび抵抗と、
   前記交流の電路に設けられ、または前記整流回路と前記コンデンサとの間で前記抵抗と直列に接続される第１の開閉器と、
   前記抵抗と並列に接続される第２の開閉器と、
   前記コンデンサに蓄えられた電気エネルギーを前記励起ランプ側に放電させて前記励起ランプにランプ電流を流すランプ駆動回路と、
   前記コイルおよび前記抵抗で生じる電圧降下または前記コイルおよび前記第２の開閉器で生じる電圧降下を監視する監視部と、
   前記監視部より出力される監視結果に基づいて前記第１および第２の開閉器のオン・オフを制御する制御部と
   を有するレーザ電源装置。
2. 前記制御部は、前記コンデンサを実質的な無充電状態から所定電圧まで充電する際に、前記コイルおよび前記抵抗の電圧降下が第２の基準値を割ったとの監視結果が前記監視部より出力された時は前記第２の開閉器をオンにする、請求項１に記載のレーザ電源装置。
3. 前記制御部は、前記コンデンサを実質的な無充電状態から所定電圧まで充電した後に、前記コイルおよび前記第２の開閉器の電圧降下が第１の基準値より小さいとの監視結果が前記監視部より出力されている間は前記第１および第２の開閉器をオンに保ち、前記コイルおよび前記第２の開閉器の電圧降下が前記第１の基準値を超えたとの監視結果が前記監視部より出力された時は前記第１および第２の開閉器の少なくとも一方をオフにする、請求項１または請求項２に記載のレーザ電源装置。
4. 前記制御部は、前記コイルおよび前記第２の開閉器の電圧降下が前記第１の基準値を超えているとの監視結果が前記監視部より所定時間持続して出力された時に、前記第１および第２の開閉器の少なくとも一方をオフにする、請求項３に記載のレーザ電源装置。
5. 前記ランプ駆動回路が、
   前記コンデンサと前記励起ランプとの間に接続されるスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子を商用周波数よりも高い一定の周波数でスイッチング制御するスイッチング制御部と
   を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ電源装置。
6. 前記ランプ駆動回路は、前記第１および第２の開閉器のいずれもオン状態の下で前記スイッチング素子のスイッチング動作を行い、前記第１および第２の開閉器のいずれかがオン状態からオフ状態に切り換わる時はそれと連動して前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ電源装置。

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