特開 2023-120041 高周波電源、レーザ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023120041

(43)【公開日】2023-08-29

(54)【発明の名称】高周波電源、レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20230822BHJP

   H03H 7/38 20060101ALI20230822BHJP

   H01S 3/097 20060101ALI20230822BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 P

H03H7/38 A

H01S3/097 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022023215

(22)【出願日】2022-02-17

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】宮嵜 洸一

【テーマコード（参考）】

5F071

5H770

【Ｆターム（参考）】

5F071GG02

5F071GG03

5F071HH06

5F071JJ05

5H770AA05

5H770BA20

5H770CA06

5H770DA01

5H770DA11

5H770DA17

5H770DA41

5H770JA10X

5H770JA13Y

5H770JA13Z

5H770JA16Y

5H770KA01Y

5H770KA01Z

(57)【要約】

【課題】間欠動作する負荷の動作周波数を高めることが可能な電源装置を提供する。
【解決手段】高周波電源２００Ａは、フルブリッジ回路２１０、トランスＴ１、フィルタ２２０Ａを備える。トランスＴ１の一次巻線Ｗ１は、フルブリッジ回路２１０と接続される。フィルタ２２０Ａは、少なくともシリーズインダクタを含み、フルブリッジ回路２１０から負荷を見たインピーダンスＺｉｎが、スイッチング周波数Ｆｓｗおよび３次高調波３Ｆｓｗおよび５次高調波５Ｆｓｗにおいて誘導性となるように、フルブリッジ回路２１０と負荷の間に配置される。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

フルブリッジ回路と、
一次巻線が前記フルブリッジ回路と接続されるトランスと、
少なくともシリーズインダクタを含み、前記フルブリッジ回路から負荷を見たインピーダンスがスイッチング周波数および３次高調波および５次高調波において誘導性となるように、前記フルブリッジ回路と前記負荷の間に配置されるフィルタ回路と、
を備えることを特徴とする高周波電源。

【請求項2】

前記フィルタ回路は、前記トランスの二次巻線と前記負荷の間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の高周波電源。

【請求項3】

前記フィルタ回路は、前記フルブリッジ回路と前記トランスの前記一次巻線の間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の高周波電源。

【請求項4】

前記フィルタ回路は、ＬＣフィルタであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高周波電源。

【請求項5】

前記フィルタ回路は、Ｔ型フィルタであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高周波電源。

【請求項6】

前記フィルタ回路は、π型フィルタであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高周波電源。

【請求項7】

前記フィルタ回路は、前記シリーズインダクタのみを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高周波電源。

【請求項8】

前記負荷は、レーザ共振器を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の高周波電源。

【請求項9】

前記フルブリッジ回路は、ＳｉＣトランジスタで構成されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の高周波電源。

【請求項10】

レーザ光源と、
前記レーザ光源に、交流電圧を供給する請求項１から９のいずれかに記載の高周波電源と、
を備えることを特徴とするレーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、高周波電源に関する。

【背景技術】

【0002】

産業用の加工ツールとして、レーザ加工装置が広く普及している。図１は、レーザ加工装置１ｒのブロック図である。レーザ加工装置１ｒは、ＣＯ_２レーザなどのレーザ光源２と、レーザ光源２に交流電力を供給し、励振させるレーザ駆動装置４ｒを備える。レーザ駆動装置４ｒは、直流電源６および高周波電源８を備える。直流電源６は定電圧源であり、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御やＰＩ制御などを用いたフィードバック制御によってその出力である直流電圧Ｖ_ＤＣを目標値に安定化させる。

【0003】

高周波電源８は、直流電圧Ｖ_ＤＣを受け、直流電力を所望の高周波電力に変換する。交流電力は、負荷であるレーザ光源２に供給される。

【0004】

図２は、高周波電源８およびレーザ光源２の等価回路図である。高周波電源８は、フルブリッジ回路（Ｈブリッジ回路）２０と、トランスＴ１を含む。フルブリッジ回路２０は、ハイサイドトランジスタＭＨ１およびローサイドトランジスタＭＬ１を含むレグと、ハイサイドトランジスタＭＨ２およびローサイドトランジスタＭＬ２を含むレグと、を備える。トランスＴ１の一次巻線は、フルブリッジ回路２０と接続される。

【0005】

レーザ光源２は、レーザ共振器２４と、インダクタＬ１，Ｌ２を備える。レーザ共振器２４は、対向する放電電極対を含み、放電電極対が静電容量を形成する。トランスＴ１の二次巻線と、レーザ共振器２４の間には、インダクタＬ１，Ｌ２が挿入される。インダクタＬ１，Ｌ２によって、負荷２２の共振周波数が、高周波電源８のスイッチング周波数と一致するように調節される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開１９９７－１２９９５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明者は、図２の高周波電源８およびレーザ光源２について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。

【0008】

図３は、図２のフルブリッジ回路２０の等価回路図である。図３には、ハイサイドトランジスタＭＨ１およびローサイドトランジスタＭＬ１を含む１つのレグが示される。ハイサイドトランジスタＭＨ１のゲートにはハイ電圧が印加されており、オン状態であり、ローサイドトランジスタＭＬ１のゲートにはロー電圧が印加されており、オフ状態である。この状態では、フルブリッジ回路２０の出力電圧Ｖｏｕｔはハイ（Ｖｃｃ）であり、ハイサイドトランジスタＭＨ１のドレイン電流Ｉｄｓが、負荷２２に供給される。

【0009】

上述のように、負荷２２の共振周波数は、高周波電源８のスイッチング周波数と一致するように設計される。ところが、トランスＴ１や配線は、寄生容量を含んでおり、この寄生容量の影響で、負荷２２のインピーダンスが、容量性となる場合がある。負荷インピーダンスが容量性であるとき、ハイサイドトランジスタＭＨ１に流れる変位電流（時間変動成分）ｄｉ／ｄｔ、つまり交流成分が増大する。

【0010】

ハイサイドトランジスタＭＨ１およびローサイドトランジスタＭＬ１は、ゲートソース間、ゲートドレイン間に寄生容量を有する。電流Ｉｄｓの時間変動成分は、ローサイドトランジスタＭＬ１のゲートドレイン間容量Ｃｇｄを経由して、ローサイドトランジスタＭＬ１のゲート容量を充電する。その結果、ローサイドトランジスタＭＬ１のゲートソース間電圧Ｖｇｓが上昇し、しきい値電圧を超えるとローサイドトランジスタＭＬ１がターンオン（ゲート誤点弧という）する。その結果、ハイサイドトランジスタＭＨ１とローサイドトランジスタＭＬ１が同時オンとなって貫通電流が流れる。特に、レーザ電源などの大容量、高周波スイッチングが要求されるアプリケーションでは、インバータのパワートランジスタに、高速動作が可能なＳｉＣデバイスが採用されている。ＳｉＣデバイスをＭＨｚ帯でスイッチングさせると、ゲートドレイン間の寄生容量Ｃｇｄなどのパラメータ次第で、ゲート誤点弧が発生する可能性がある。

【0011】

図４は、図２のフルブリッジ回路２０の動作波形図である。図４の上段は出力電圧Ｖｏｕｔを示しており、下段は、ローサイドトランジスタＭＬ１のゲート電圧Ｖｇｓを示している。時刻ｔ_０～ｔ_１は、ロー出力期間であり、ハイサイドトランジスタＭＨ１がオフ、ローサイドトランジスタＭＬ１がオンである。ロー出力期間において、ローサイドトランジスタＭＬ１のゲート電圧Ｖｇｓは、ハイ電圧となっている。

【0012】

時刻ｔ_１に、ロー出力期間からハイ出力期間に遷移する。ハイ出力期間では、ハイサイドトランジスタＭＨ１がオン、ローサイドトランジスタＭＬ１がオフである。時刻ｔ_１に、ローサイドトランジスタＭＬ１のゲートには、ロー（０Ｖ）のゲート電圧Ｖｇｓが印加される。時刻ｔ_２に、ゲート誤点弧が発生すると、ゲート電圧Ｖｇｓが振動する。もし、ゲート電圧Ｖｇｓが、トランジスタのゲート負側の許容電圧（耐圧）を超えると、トランジスタの信頼性に悪影響を及ぼしてしまう。とりわけ、ＳｉＣデバイスは、負側の耐圧が低いため、負電圧の印加を抑制する必要がある。

【0013】

本開示は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、トランジスタの誤点弧を抑制可能な高周波電源の提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本開示のある態様の高周波電源は、フルブリッジ回路と、一次巻線がフルブリッジ回路と接続されるトランスと、少なくともシリーズインダクタを含み、フルブリッジ回路から負荷を見たインピーダンスがスイッチング周波数および３次高調波および５次高調波において誘導性となるように、フルブリッジ回路と負荷の間に配置されるフィルタ回路と、を備える。

【0015】

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0016】

本開示のある態様によれば、トランジスタの誤点弧を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】レーザ加工装置のブロック図である。

【図2】高周波電源およびレーザ光源の等価回路図である。

【図3】図２のインバータの等価回路図である。

【図4】図２のインバータの動作波形図である。

【図5】実施形態１に係るレーザ装置のブロック図である。

【図6】図６（ａ）～（ｄ）は、フィルタの構成例を示す回路図である。

【図7】フルブリッジ回路から負荷を見たインピーダンスＺｉｎを示すスミスチャートである。

【図8】実施形態２に係るレーザ装置のブロック図である。

【図9】図９（ａ）～（ｄ）は、フィルタの構成例を示す回路図である。

【図10】レーザ装置を備えるレーザ加工装置を示す図ある。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

【0019】

一実施形態に係る高周波電源は、フルブリッジ回路と、一次巻線がフルブリッジ回路と接続されるトランスと、少なくともシリーズインダクタを含み、フルブリッジ回路から負荷を見たインピーダンスがスイッチング周波数および３次高調波および５次高調波において誘導性となるように、フルブリッジ回路と負荷の間に配置されるフィルタ回路と、を備える。

【0020】

この構成によると、フルブリッジ回路の負荷インピーダンスが、基本波および高調波の周波数において誘導性となることで、ハイサイドトランジスタのドレイン電流の時間微分成分が抑制される。これにより、ローサイドトランジスタのゲートドレイン間容量を介したゲート容量の充電を抑制し、ローサイドトランジスタのゲート誤点弧を防止できる。

【0021】

一実施形態において、フィルタ回路は、トランスの二次巻線と負荷の間に設けられてもよい。

【0022】

一実施形態において、フィルタ回路は、フルブリッジ回路とトランスの一次巻線の間に設けられてもよい。

【0023】

一実施形態において、フィルタ回路は、ＬＣフィルタであってもよい。

【0024】

一実施形態において、フィルタ回路は、Ｔ型フィルタであってもよい。

【0025】

一実施形態において、フィルタ回路は、π型フィルタであってもよい。

【0026】

一実施形態において、フィルタ回路は、シリーズインダクタのみを含んでもよい。

【0027】

一実施形態において、負荷は、レーザ共振器を含んでもよい。

【0028】

一実施形態において、フルブリッジ回路は、ＳｉＣトランジスタで構成されてもよい。

【0029】

（実施形態）
以下、好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施形態は、開示および発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示および発明の本質的なものであるとは限らない。

【0030】

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

【0031】

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に接続された（設けられた）状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

【0032】

また本明細書において、電圧信号、電流信号などの電気信号、あるいは抵抗、キャパシタ、インダクタなどの回路素子に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値、あるいは回路定数（抵抗値、容量値、インダクタンス）を表すものとする。

【0033】

図５は、実施形態１に係るレーザ装置１００Ａのブロック図である。レーザ装置１００Ａは、レーザ光源１１０および高周波電源２００Ａを備える。レーザ光源１１０は、たとえばＣＯ_２レーザであり、レーザ共振器１１２およびインダクタＬ１，Ｌ２を含む。インダクタＬ１，Ｌ２のインダクタンスは、高周波電源２００Ａのスイッチング周波数Ｆｓｗにおいて、インダクタＬ１，Ｌ２およびレーザ共振器１１２を含むレーザ光源１１０のインピーダンスが実数となるように、言い換えると、レーザ光源１１０の共振周波数ｆ_０が、高周波電源２００Ａのスイッチング周波数Ｆｓｗと一致するように調整されている。

【0034】

高周波電源２００Ａには、図示しない電源回路から、直流電圧Ｖｄｃが供給される。高周波電源２００Ａの出力はレーザ光源１１０に接続されている。高周波電源２００Ａは、励振信号に応じて、レーザ光源１１０に交流の駆動電圧を間欠的に供給する。すなわち高周波電源２００Ａは、励振信号が励振を指示する期間（たとえばハイ）、アクティブとなり、レーザ光源１１０に交流の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶを供給する。高周波電源２００Ａは、励振信号が停止を指示する期間（たとえばロー）、非アクティブとなり、レーザ光源１１０への電力供給が停止する。高周波電源２００Ａのスイッチング周波数Ｆｓｗは、１ＭＨｚ以上である。また高周波電源２００Ａの出力電力は、１ｋＷ以上となる。

【0035】

高周波電源２００Ａは、フルブリッジ回路２１０、トランスＴ１およびフィルタ２２０Ａを備える。

【0036】

フルブリッジ回路２１０は、ハイサイドトランジスタＭＨ１，ＭＨ２、ローサイドトランジスタＭＬ１，ＭＬ２を含む。これらのトランジスタＭＨ１，ＭＨ２，ＭＬ１，ＭＬ２は、高速スイッチングが可能なＳｉＣを用いることができる。トランスＴ１は、一次巻線Ｗ１、二次巻線Ｗ２を含む。一次巻線Ｗ１は、フルブリッジ回路２１０と接続される。

【0037】

フィルタ２２０Ａは、トランスＴ１の二次巻線Ｗ２とレーザ光源１１０の間に接続される。フィルタ２２０Ａは、少なくともシリーズインダクタを含む。フィルタ２２０Ａの回路形式および回路定数は、フルブリッジ回路２１０から負荷１１４側を見たインピーダンスＺｉｎが、スイッチング周波数Ｆｓｗならびに３次高調波３Ｆｓｗおよび５次高調波５Ｆｓｗにおいて誘導性となるように設計される。

【0038】

図６（ａ）～（ｄ）は、フィルタ２２０Ａの構成例を示す回路図である。上述のように、フィルタ２２０は、シリーズインダクタＬ３を含む。図６（ａ）のフィルタ２２０Ａは、ＬＣフィルタであり、シリーズインダクタＬ３に加えて、シャントキャパシタＣ３を含む。図６（ｂ）のフィルタ２２０Ａは、π型フィルタであり、シリーズインダクタＬ３に加えて、２個のシャントキャパシタＣ３，Ｃ４を含む。図６（ｃ）のフィルタ２２０Ａは、Ｔ型フィルタであり、２個のシリーズインダクタＬ３，Ｌ４と、シャントキャパシタＣ３を含む。図６（ｄ）のフィルタ２２０Ａは、シリーズインダクタＬ３のみを含む。

【0039】

図６（ａ）～（ｄ）では、フィルタ２２０Ａは、図５のインダクタＬ１に対して直列に設けられているが、インダクタＬ２に対して直列に設けてもよい。あるいは図６（ａ）～（ｄ）のフィルタ２２０Ａを、インダクタＬ１、Ｌ２それぞれに対して直列に設けてもよい。

【0040】

以上がレーザ装置１００Ａの構成である。

【0041】

図７は、フルブリッジ回路２１０から負荷１１４側を見たインピーダンスＺｉｎを示すスミスチャートである。スイッチング周波数Ｆｓｗの基本波、３次高調波３Ｆｓｗ、５次高調波５Ｆｓｗのすべてにおいて、インピーダンスＺｉｎの虚部は正であり、即ち誘導性となっている。

【0042】

高周波電源２００Ａの動作を説明する。フルブリッジ回路２１０から負荷１１４側を見たインピーダンスが誘導性となることにより、電流遅れモードでの動作となり、ソフトスイッチングが可能となり、ハイサイドトランジスタＭＨ１のドレイン電流Ｉｄｓの時間変動成分ｄＩｄｓ／ｄｔが小さくなる。これにより、ローサイドトランジスタＭＬ１のゲートドレイン間容量Ｃｇｄを介した、ローサイドトランジスタＭＬのゲート容量の充電が抑制され、ゲート電圧Ｖｇｓの上昇を抑制できる。これにより、ローサイドトランジスタＭＬ１のゲート誤点弧を抑制できる。

【0043】

ローサイドトランジスタＭＬ１のゲート誤点弧を抑制することにより、貫通電流を防止できる。さらに、ゲート誤点弧に起因するゲート電圧Ｖｇｓの振動を抑制でき、ひいてはゲートソース間電圧が耐圧を超えるのを防止でき、信頼性を改善できる。

【0044】

図８は、実施形態２に係るレーザ装置１００Ｂのブロック図である。レーザ装置１００Ｂは、レーザ光源１１０および高周波電源２００Ｂを備える。

【0045】

フィルタ２２０Ｂは、フルブリッジ回路２１０とトランスＴ１の一次巻線Ｗ１の間に挿入される。その他は、図５と同様である。

【0046】

図９（ａ）～（ｄ）は、フィルタ２２０Ｂの構成例を示す回路図である。図９（ａ）～（ｃ）のフィルタ２２０Ｂはそれぞれ、ＬＣ型、π型、Ｔ型である。図６（ａ）～（ｃ）のフィルタ２２０Ａが、対接地で構成されていたのに対して、図９（ａ）～（ｃ）のフィルタ２２０Ｂのシャントキャパシタは、フローティングで接続される。

【0047】

実施形態２に係る高周波電源２００Ｂによっても、実施形態１と同様の効果が得られる。

【0048】

（用途）
続いてレーザ装置１００の用途を説明する。図１０は、レーザ装置１００を備えるレーザ加工装置３００を示す図ある。レーザ加工装置３００は、対象物３０２にレーザパルス３０４を照射し、対象物３０２を加工する。対象物３０２の種類は特に限定されず、また加工の種類も、穴空け（ドリル）、切断などが例示されるが、その限りではない。

【0049】

レーザ加工装置３００は、レーザ装置１００、光学系３１０、制御装置３２０、ステージ３３０を備える。対象物３０２はステージ３３０上に載置され、必要に応じて固定される。ステージ３３０は、制御装置３２０からの位置制御信号Ｓ_２に応じて、対象物３０２を位置決めし、対象物３０２とレーザパルス３０４の照射位置を相対的にスキャンする。ステージ３３０は、１軸、２軸（ＸＹ）あるいは３軸（ＸＹＺ）であり得る。

【0050】

レーザ装置１００は、制御装置３２０からのトリガ信号（励振信号）Ｓ_１に応じて発振し、レーザパルス３０６を発生する。光学系３１０は、レーザパルス３０６を対象物３０２に照射する。光学系３１０の構成は特に限定されず、ビームを対象物３０２に導くためのミラー群、ビーム整形のためのレンズやアパーチャなどを含みうる。

【0051】

制御装置３２０は、レーザ加工装置３００を統括的に制御する。具体的には制御装置３２０は、レーザ装置１００に対して間欠的にトリガ信号Ｓ_１を出力する。また制御装置３２０は、加工処理を記述するデータ（レシピ）にしたがってステージ３３０を制御するための位置制御信号Ｓ_２を生成する。

【0052】

以上、本発明について、いくつかの実施形態をもとに説明した。これらの実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

【0053】

（変形例１）
図５の高周波電源２００Ａにおいて、フィルタ２２０ＡとインダクタＬ１，Ｌ２を一体に構成してもよい。

【0054】

（変形例２）
高周波電源２００の用途は、レーザ装置に限定されない。たとえば１ＭＨｚ以上のスイッチング周波数Ｆｓｗで動作するフルブリッジ回路は、イオン注入装置などにも利用することができる。

【0055】

（変形例３）
実施形態では、フルブリッジ回路２１０をＳｉＣで構成したがその限りでなく、その他のパワートランジスタで構成してもよい。

【0056】

実施形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0057】

１００ レーザ装置
２００ 高周波電源
２１０ フルブリッジ回路
２２０ フィルタ
Ｔ１ トランス
Ｗ１ 一次巻線
Ｗ２ 二次巻線
ＭＨ ハイサイドトランジスタ
ＭＬ ローサイドトランジスタ
１１０ レーザ光源
１１２ レーザ共振器
１１４ 負荷

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】