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(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】P2023166674
(43)【公開日】2023-11-22
(54)【発明の名称】電源装置、レーザ装置
(51)【国際特許分類】
H01S 3/097 20060101AFI20231115BHJP
H01S 3/00 20060101ALI20231115BHJP
H02M 7/48 20070101ALI20231115BHJP
【ＦＩ】
H01S3/097 A
H01S3/00 G
H02M7/48 M
H02M7/48 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022077328
(22)【出願日】2022-05-10
(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
5F172
5H770
【Ｆターム（参考）】
5F071AA05
5F071CC01
5F071CC03
5F071GG02
5F071GG03
5F071GG05
5F071GG08
5F071HH02
5F071HH05
5F071JJ05
5F172AD05
5F172EE22
5F172NP03
5F172NP13
5F172NP16
5F172XX01
5F172ZA03
5H770AA07
5H770CA01
5H770CA02
5H770DA01
5H770DA11
5H770DA17
5H770DA41
5H770EA01
5H770HA03W
5H770HA03Z
5H770JA11W
5H770LA01Z
(57)【要約】
【課題】ハードウェアのみでも効果的に過電圧を抑制できる電源装置等を提供する。
【解決手段】一対の放電電極を含むレーザ共振器２００を駆動する電源装置２５０は、一対の放電電極の容量を含む共振回路に高周波電圧ＶＲＦを印加する高周波電源と、高周波電源と共振回路の間に設けられ、高周波電圧ＶＲＦを所定範囲内に制限するクランプ回路６００と、を備える。高周波電源は、充電回路によって充電される充電コンデンサ４１１と、当該充電コンデンサ４１１の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ４１２と、当該交流電圧を昇圧して高周波電圧ＶＲＦを生成する昇圧トランス４１３と、を備え、クランプ回路６００は、昇圧トランス４１３と並列に設けられるトランス６２０と、当該トランス６２０の高周波電源４００側に接続されて充電コンデンサ４１１を充電可能な整流回路６３０と、を備える。
【選択図】図７
【解決手段】一対の放電電極を含むレーザ共振器２００を駆動する電源装置２５０は、一対の放電電極の容量を含む共振回路に高周波電圧ＶＲＦを印加する高周波電源と、高周波電源と共振回路の間に設けられ、高周波電圧ＶＲＦを所定範囲内に制限するクランプ回路６００と、を備える。高周波電源は、充電回路によって充電される充電コンデンサ４１１と、当該充電コンデンサ４１１の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ４１２と、当該交流電圧を昇圧して高周波電圧ＶＲＦを生成する昇圧トランス４１３と、を備え、クランプ回路６００は、昇圧トランス４１３と並列に設けられるトランス６２０と、当該トランス６２０の高周波電源４００側に接続されて充電コンデンサ４１１を充電可能な整流回路６３０と、を備える。
【選択図】図７
【特許請求の範囲】
【請求項1】
一対の放電電極を含むレーザ共振器を駆動する電源装置であって、
前記一対の放電電極の容量を含む共振回路に高周波電圧を印加する高周波電源と、
前記高周波電源と前記共振回路の間に設けられ、前記高周波電圧における前記共振回路の共振周波数帯外の振動を抑制する振動抑制回路と、
を備える電源装置。
前記一対の放電電極の容量を含む共振回路に高周波電圧を印加する高周波電源と、
前記高周波電源と前記共振回路の間に設けられ、前記高周波電圧における前記共振回路の共振周波数帯外の振動を抑制する振動抑制回路と、
を備える電源装置。
【請求項2】
前記高周波電源は、供給される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、当該交流電圧を昇圧して前記高周波電圧を生成する昇圧トランスと、を備え、
前記振動抑制回路は、前記昇圧トランスの２次側と前記共振回路の間に接続される、
請求項１に記載の電源装置。
前記振動抑制回路は、前記昇圧トランスの２次側と前記共振回路の間に接続される、
請求項１に記載の電源装置。
【請求項3】
前記振動抑制回路は、前記共振周波数帯内に共振周波数を持つ共振部と、当該共振部を流れる電流を減衰させるダンピング抵抗と、を備えるダンピング回路である、請求項１に記載の電源装置。
【請求項4】
前記振動抑制回路は、前記高周波電圧を所定範囲内に制限するクランプ回路である、請求項１に記載の電源装置。
【請求項5】
前記高周波電源は、充電回路によって充電される充電コンデンサと、当該充電コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、当該交流電圧を昇圧して前記高周波電圧を生成する昇圧トランスと、を備え、
前記クランプ回路は、前記昇圧トランスと並列に設けられるトランスと、当該トランスの前記高周波電源側に接続されて前記充電コンデンサを充電可能な整流回路と、を備える、
請求項４に記載の電源装置。
前記クランプ回路は、前記昇圧トランスと並列に設けられるトランスと、当該トランスの前記高周波電源側に接続されて前記充電コンデンサを充電可能な整流回路と、を備える、
請求項４に記載の電源装置。
【請求項6】
前記クランプ回路は、前記整流回路と前記充電コンデンサの間に、当該充電コンデンサと並列に設けられるコンデンサを備える、請求項５に記載の電源装置。
【請求項7】
前記高周波電源は、前記高周波電圧を検出する高周波電圧検出部と、当該高周波電圧に基づいて前記インバータに対する制御信号を生成する制御信号生成部と、を備える請求項５に記載の電源装置。
【請求項8】
一対の放電電極を含むレーザ共振器と、
前記一対の放電電極の容量を含む共振回路に高周波電圧を印加する高周波電源と、
前記高周波電源と前記共振回路の間に設けられ、前記高周波電圧における前記共振回路の共振周波数帯外の振動を抑制する振動抑制回路と、
を備えるレーザ装置。
前記一対の放電電極の容量を含む共振回路に高周波電圧を印加する高周波電源と、
前記高周波電源と前記共振回路の間に設けられ、前記高周波電圧における前記共振回路の共振周波数帯外の振動を抑制する振動抑制回路と、
を備えるレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ装置等に関する。
【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。レーザ加工装置には、ＣＯ２レーザなどの高出力のガスレーザが使用される。図１は、レーザ加工装置またはレーザ装置１００Ｒの機能ブロック図である。レーザ装置１００Ｒは、レーザ共振器２００および電源装置２５０Ｒを備える。レーザ共振器２００は、一対の放電電極２０２、２０４と、全反射鏡２０６と、部分反射鏡２０８を備える。
【0003】
一対の放電電極２０２、２０４は、ＣＯ２などのレーザ媒質ガスが充填されたガスチャンバ内に設けられる。一対の放電電極２０２、２０４の間には、静電容量Ｃが存在する。この静電容量ＣとインダクタＬ（インダクタ素子あるいは寄生インダクタ）は、共振周波数ＦＲＥＳを有する共振回路２１０を形成する。
【0004】
レーザ共振器２００を駆動する電源装置２５０Ｒは、高周波電圧ＶＲＦを共振回路２１０に印加する。高周波電圧ＶＲＦの周波数ＦＲＦ（以下では同期周波数ともいう）は、共振回路２１０の共振周波数ＦＲＥＳの近傍に設定される。高周波電圧ＶＲＦが印加されることで、一対の放電電極２０２、２０４の間に放電電流が流れる。この放電電流がレーザ媒質ガスを励起し、レーザ発振または誘導放出のための反転分布を形成する。反転分布からの誘導放出光は、全反射鏡２０６と部分反射鏡２０８が形成する光共振器内を往復し、励起状態のレーザ媒質ガスを通過することで増幅される。増幅された誘導放出光の一部が部分反射鏡２０８から出力（レーザ光）として取り出される。
【0005】
電源装置２５０Ｒは、安定化された直流電圧ＶＤＣを生成する直流電源３００と、直流電圧ＶＤＣを高周波電圧ＶＲＦに変換して共振回路２１０に印加する高周波電源４００を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０１９－１９２７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
放電電極２０２、２０４の接続不良等による開放状態や、レーザ未発光時等の軽負荷状態では、放電電極２０２、２０４間の静電容量Ｃが極端に小さくなるため、共振回路２１０の共振周波数（以下では異常共振周波数ＦＲＥＳ′ともいう）が非常に高くなる。この結果、高周波電源４００の同期周波数ＦＲＦと共振回路２１０の異常共振周波数ＦＲＥＳ′に大きな乖離が発生し（ＦＲＦ＜ＦＲＥＳ′）、高周波電源４００に含まれる昇圧トランスの２次側に過大な高周波電圧ＶＲＦが発生する。なお、本明細書において単に「共振周波数」という場合は、特に断らない限り正常時の共振周波数ＦＲＥＳを指すものとする。また、正常時の共振周波数ＦＲＥＳを異常共振周波数ＦＲＥＳ′と特に区別する場合は、正常共振周波数（ＦＲＥＳ）と表現することがある。
【0008】
特許文献１は、共振回路に印加される過大な高周波電圧を抑制するために、共振回路の両端間の過電圧を一時的に抑制するガスアレスタやバリスタ等の過電圧抑制素子を開示している。過電圧抑制素子が過電圧に耐えられる時間は限られており、その間に異常を検出した保護回路が、ソフトウェア制御によって共振回路への高周波電圧の印加を停止させる。しかし、異常発生時に過電圧が直接的に加わる過電圧抑制素子の寿命が短いという問題に加え、ソフトウェア制御を伴う保護回路の動作が遅いという問題がある。
【0009】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、ハードウェアのみでも効果的に過電圧を抑制できる電源装置等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源装置は、一対の放電電極を含むレーザ共振器を駆動する電源装置であって、一対の放電電極の容量を含む共振回路に高周波電圧を印加する高周波電源と、高周波電源と共振回路の間に設けられ、高周波電圧における共振回路の共振周波数帯外の振動を抑制する振動抑制回路と、を備える。
【0011】
この態様によれば、高周波電源と共振回路の間に設けられる振動抑制回路によって、正常共振周波数帯外の振動を抑制できる。開放状態や軽負荷状態において発生する過大な高周波電圧は、正常時の共振周波数（ＦＲＥＳ）より高い異常共振周波数（ＦＲＥＳ′）の高周波振動に起因する。本発明では、正常共振周波数帯外の異常共振周波数の高周波振動を非一時的または定常的に抑制可能な振動抑制回路をハードウェアのみで構成することによって、ソフトウェア制御を伴う特許文献１より高速に過電圧を抑制できる。振動抑制回路としては、正常共振周波数帯外の周波数の電流を選択的に減衰させるダンピング回路や、少なくとも正常共振周波数帯外の周波数の高周波電圧を所定範囲内に制限するクランプ回路が例示される。
【0012】
本発明の別の態様は、レーザ装置である。この装置は、一対の放電電極を含むレーザ共振器と、一対の放電電極の容量を含む共振回路に高周波電圧を印加する高周波電源と、高周波電源と共振回路の間に設けられ、高周波電圧における共振回路の共振周波数帯外の振動を抑制する振動抑制回路と、を備える。
【0013】
なお、以上の構成要素の任意の組合せや、これらの表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラム等に変換したものも、本発明に包含される。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、ハードウェアのみでも効果的に過電圧を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】レーザ装置の機能ブロック図である。
【図2】第１実施形態に係るレーザ装置の機能ブロック図である。
【図4】振動抑制回路が設けられない電源装置において、レーザ共振器を負荷開放状態に切り替えた場合の高周波電圧の参考例を示す。
【図5】第１実施形態に係る電源装置において、レーザ共振器を負荷開放状態に切り替えた場合の高周波電圧の例を示す。
【図6】第２実施形態に係るレーザ装置の機能ブロック図である。
【図8】第２実施形態に係る電源装置において、レーザ共振器を負荷開放状態に切り替えた場合の高周波電圧の例を示す。
【図9】第３実施形態に係るレーザ装置の機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下では、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下では実施形態ともいう）について詳細に説明する。説明および／または図面においては、同一または同等の構成要素、部材、処理等に同一の符号を付して重複する説明を省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明の簡易化のために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施形態に記載される全ての特徴やそれらの組合せは、必ずしも本発明の本質的なものであるとは限らない。
【0017】
図２は、本発明の第１実施形態に係るレーザ装置１００の機能ブロック図である。レーザ装置１００は、商用電源１０と、直流電源３００と、高周波電源４００と、ダンピング回路５００と、共振インダクタＬと、レーザ共振器２００を備える。本発明の第１実施形態に係る電源装置２５０は、直流電源３００、高周波電源４００、ダンピング回路５００の全部または一部によって構成される。電源装置２５０の機能ブロックのうちソフトウェア制御を伴うものは、コンピュータの中央演算処理装置、メモリ、入力装置、出力装置、コンピュータに接続される周辺機器等のハードウェア資源と、それらを用いて実行されるソフトウェアの協働により実現される。コンピュータの種類や設置場所は問わず、上記の各機能ブロックは、単一のコンピュータのハードウェア資源で実現してもよいし、複数のコンピュータに分散したハードウェア資源を組み合わせて実現してもよい。
【0018】
直流電源３００は、AC-DC変換部３１０と、DC-DC変換部３２０と、DCリンク電圧検出部３３０と、高周波電圧指令演算部３４０と、デューティ決定部３５０と、PWM信号生成部３６０を備える。AC-DC変換部３１０は、商用電源１０から供給される三相交流等の交流電圧を直流電圧に変換する。DC-DC変換部３２０は、AC-DC変換部３１０によって変換された直流電圧を、レーザ装置１００のレーザ発振動作に好適な直流電圧に変換する。DC-DC変換部３２０は、PWM信号生成部３６０によって生成されるPWM（パルス幅変調：Pulse Width Modulation）信号によってスイッチング制御されるトランジスタ等のスイッチング素子を備える。以下では、DC-DC変換部３２０によって変換された直流電圧を、直流電圧ＶＤＣやDCリンク電圧ＶＤＣともいう。DCリンク電圧検出部３３０は、DC-DC変換部３２０によって生成されたDCリンク電圧ＶＤＣを検出してデューティ決定部３５０にフィードバックする。
【0019】
高周波電圧指令演算部３４０は、レーザ共振器２００の動作および／または状態を示す情報のフィードバックに基づいて、高周波電源４００が生成すべき高周波電圧ＶＲＦおよび／または直流電源３００が生成すべきDCリンク電圧ＶＤＣについての指令を演算する。レーザ共振器２００から高周波電圧指令演算部３４０にフィードバックされる情報としては、レーザ共振器２００が発振するレーザ光の強度や、一対の放電電極２０２、２０４および／または共振インダクタＬを流れる電流が例示される。デューティ決定部３５０は、DCリンク電圧検出部３３０によって検出されたDCリンク電圧ＶＤＣと、高周波電圧指令演算部３４０によって演算された高周波電圧指令に基づいて、PWM信号生成部３６０が生成すべきPWM信号（パルス波）のデューティ比を決定する。PWM信号生成部３６０は、デューティ決定部３５０によって決定されたデューティ比のPWM信号を生成してDC-DC変換部３２０のスイッチング素子に印加する。
【0020】
高周波電源４００は、DC-RF変換部４１０と高周波信号生成部４２０を備える。DC-RF変換部４１０は、直流電源３００によって生成されたDCリンク電圧ＶＤＣを、同期周波数ＦＲＦの高周波電圧ＶＲＦに変換する。後述する図３に示されるように、DC-RF変換部４１０は、DCリンク電圧ＶＤＣを交流電圧ＶＡＣに変換するインバータ４１２と、当該交流電圧ＶＡＣを昇圧して高周波電圧ＶＲＦを生成する昇圧トランス４１３を備える。高周波信号生成部４２０は、インバータ４１２のトランジスタ群をスイッチング制御するための高周波信号を生成する。この高周波信号の周波数であるスイッチング周波数ＦＳＷは、高周波電圧ＶＲＦの同期周波数ＦＲＦと実質的に等しい。また、同期周波数ＦＲＦは共振回路２１０の正常共振周波数ＦＲＥＳの近傍に設定されるため、スイッチング周波数ＦＳＷも正常共振周波数ＦＲＥＳの近傍に設定される。本実施形態は高周波数で動作する電源装置２５０に好適であり、スイッチング周波数ＦＳＷ、同期周波数ＦＲＦ、正常共振周波数ＦＲＥＳは例えば100 kHz以上であるのが好ましい。また、レーザ装置１００がレーザ加工装置である場合の高周波電源４００の出力（高周波電圧ＶＲＦ）は1 kW以上であるのが好ましい。
【0021】
本発明の振動抑制回路の一例であるダンピング回路５００は、高周波電源４００と共振回路２１０（共振インダクタＬ）の間に設けられ、高周波電源４００によって生成された高周波電圧ＶＲＦにおける共振回路２１０の共振周波数帯外の振動を抑制する。ここで「共振周波数帯」とは、高周波電圧ＶＲＦのうち共振回路２１０の正常な共振動作に寄与する周波数帯を意味し、典型的には共振回路２１０の正常共振周波数ＦＲＥＳを中心とする微小な周波数帯である。共振周波数帯は、同期周波数ＦＲＦおよび／またはスイッチング周波数ＦＳＷを中心とする微小な周波数帯と言い換えてもよい。
【0022】
【0023】
図３は、図２の電源装置２５０の主な回路構成の一例を示す。商用電源１０から三相交流が供給されるAC-DC変換部３１０は、六つのダイオードからなる三相全波整流回路３１１（三相ブリッジ整流回路）と、平滑コンデンサ３１２を備える。三相全波整流回路３１１は、入力された三相交流を整流して脈流に変換し、平滑コンデンサ３１２は、当該脈流を平滑化して直流電圧に変換する。
【0024】
DC-DC変換部３２０は、高電位ラインと低電位ラインの間に接続されるトランジスタ３２１と、トランジスタ３２１の前段の高電位ライン上に設けられるインダクタ３２２と、トランジスタ３２１の後段の高電位ライン上に設けられるダイオード３２３を備える。不図示のPWM信号生成部３６０からのPWM信号が制御端子に印加されたトランジスタ３２１のスイッチング動作によって、DC-DC変換部３２０はAC-DC変換部３１０によって変換された直流電圧を、レーザ共振器２００のレーザ発振動作に好適な直流電圧ＶＤＣまたはDCリンク電圧ＶＤＣに変換する。
【0025】
高周波電源４００におけるDC-RF変換部４１０は、充電コンデンサ４１１と、インバータ４１２と、昇圧トランス４１３を備える。バンクコンデンサとも呼ばれる充電コンデンサ４１１は、DC-DC変換部３２０の後段において、高電位ラインと低電位ラインの間に接続される。このため、充電コンデンサ４１１は、充電回路として機能するDC-DC変換部３２０が生成したDCリンク電圧ＶＤＣによって充電される。電極間にDCリンク電圧ＶＤＣが現れる充電コンデンサ４１１は、DCリンク電圧検出部３３０としても機能しうる。
【0026】
インバータ４１２は、充電コンデンサ４１１の電極間の直流電圧ＶＤＣを交流電圧ＶＡＣに変換して、昇圧トランス４１３の１次コイル４１３Ａに印加する。インバータ４１２は、図３における上から下に１次コイル４１３Ａに電流を流すことが可能な一対のトランジスタ４１２Ａ／４１２Ｄと、図３における下から上に１次コイル４１３Ａに電流を流すことが可能な一対のトランジスタ４１２Ｂ／４１２Ｃを備える。高電位側のトランジスタ４１２Ａと低電位側のトランジスタ４１２Ｂは、高電位ラインと低電位ラインの間に直列に接続されており、その接続点が昇圧トランス４１３の１次コイル４１３Ａの一端（図３における上端）に接続されている。同様に、高電位側のトランジスタ４１２Ｃと低電位側のトランジスタ４１２Ｄは、高電位ラインと低電位ラインの間に直列に接続されており、その接続点が昇圧トランス４１３の１次コイル４１３Ａの他端（図３における下端）に接続されている。
【0027】
不図示の高周波信号生成部４２０は、これらの二組のトランジスタ対（４１２Ａ／４１２Ｄおよび４１２Ｂ／４１２Ｃ）に対して、互いに相補的な高周波信号を印加することで、昇圧トランス４１３の１次コイル４１３Ａに交流電圧ＶＡＣを発生させる。具体的には、一方のトランジスタ対４１２Ａ／４１２Ｄの制御端子に印加される高周波信号「４２０」が「ON」の時は、他方のトランジスタ対４１２Ｂ／４１２Ｃの制御端子に印加される高周波信号「４２０′」が「OFF」になっており、図３における上から下に１次コイル４１３Ａに電流が流れる。また、他方のトランジスタ対４１２Ｂ／４１２Ｃの制御端子に印加される高周波信号「４２０′」が「ON」の時は、一方のトランジスタ対４１２Ａ／４１２Ｄの制御端子に印加される高周波信号「４２０」が「OFF」になっており、図３における下から上に１次コイル４１３Ａに電流が流れる。このように、二組のトランジスタ対の制御端子に印加される相補的な高周波信号「４２０」および「４２０′」は、互いにタイミングがずれているが実質的に等しいスイッチング周波数ＦＳＷを有する。
【0028】
昇圧トランス４１３は、インバータ４１２によって生成された交流電圧ＶＡＣを昇圧して高周波電圧ＶＲＦを生成する。具体的には、１次コイル４１３Ａの交流電圧ＶＡＣが昇圧された高周波電圧ＶＲＦが２次コイル４１３Ｂに現れる。
【0029】
振動抑制回路としてのダンピング回路５００は、昇圧トランス４１３の２次側と共振インダクタＬの間に２次コイル４１３Ｂと並列に接続され、当該２次コイル４１３Ｂに現れる高周波電圧ＶＲＦにおける共振周波数帯外の振動を抑制する。ダンピング回路５００は、共振周波数帯内に共振周波数を持つ共振部５１０と、当該共振部５１０を流れる電流を減衰させるダンピング抵抗５２０を備える。
【0030】
共振部５１０は、並列に接続されたインダクタ５１１とコンデンサ５１２を備えるＬＣ共振回路である。共振部５１０の共振周波数は、インバータ４１２のスイッチング周波数ＦＳＷ（あるいは、これと等価な高周波電圧ＶＲＦの同期周波数ＦＲＦ、共振回路２１０の正常共振周波数ＦＲＥＳ）と略等しく設定される。共振回路２１０が正常共振周波数ＦＲＥＳで正常に動作している場合は、それと等価な共振周波数を有する共振部５１０の作用によって、正常共振周波数ＦＲＥＳを中心とする共振周波数帯内の高周波電圧ＶＲＦがダンピング回路５００のダンピング抵抗５２０をほとんど流れない。
【0031】
一方、放電電極２０２、２０４の接続不良等による開放状態や、レーザ共振器２００が未発光時等の軽負荷状態では、放電電極２０２、２０４間の静電容量Ｃが極端に小さくなることで、正常共振周波数ＦＲＥＳより格段に高い異常共振周波数ＦＲＥＳ′の異常振動が高周波電圧ＶＲＦに現れる。図４は、ダンピング回路５００が設けられない電源装置２５０において、レーザ共振器２００を負荷開放状態に切り替えた場合の高周波電圧ＶＲＦの参考例を示す。負荷開放状態への切替えは、本図の中央の「Load Released」のタイミングで行われた。
【0032】
負荷開放状態に切り替えられる前の正常動作時の高周波電圧ＶＲＦは正常共振周波数ＦＲＥＳ（図４の例では約2 MHz）の正常な振動を示している。一方、負荷開放状態に切り替えられた後の異常動作時の高周波電圧ＶＲＦには異常共振周波数ＦＲＥＳ′の異常振動が現れる。この異常振動は、正常動作時の高周波電圧ＶＲＦに比べて振幅が大きいだけでなく周波数も高い（ＦＲＥＳ′＞ＦＲＥＳ）。このような高周波数の過電圧の影響は昇圧トランス４１３の１次側にも及び、例えば高周波電源４００のインバータ４１２を構成するトランジスタに高周波数の過電圧または過電流が加わる。このため、トランジスタの誤動作やサージによる破壊のリスクがある。また、このような急激な負荷変動に伴う高周波数の異常振動は、ＬＣフィルタ（例えば、図３におけるインダクタ３２２および平滑コンデンサ３１２）を含むために時定数が比較的大きい直流電源３００におけるフィードバック制御では十分に抑制できない。
【0033】
これに対して、ダンピング回路５００を設けた本実施形態に係る電源装置２５０によれば、図５に示されるように負荷開放状態に切り替えられた後の異常振動を効果的に抑制できる。これは、共振周波数帯外の異常共振周波数ＦＲＥＳ′の異常振動は、ダンピング回路５００の共振部５１０を通過し、ダンピング抵抗５２０を流れてジュール熱として消費されるためである。このように、実質的に共振周波数帯外の高周波電圧ＶＲＦのみをダンピング抵抗５２０に流すという周波数選択性を付与する共振部５１０を備えるダンピング回路５００によって、開放状態や軽負荷状態で発生する高周波数の異常振動のみを迅速に抑制できる。本実施形態では、正常共振周波数帯外の異常共振周波数ＦＲＥＳ′の高周波振動を非一時的または定常的に抑制可能なダンピング回路５００をハードウェアまたは受動素子のみで構成することによって、直流電源３００におけるソフトウェア制御またはフィードバック制御より高速に過電圧を抑制できる。
【0034】
なお、レーザ共振器２００が正常に動作している場合であっても、高周波電圧ＶＲＦに含まれる正常共振周波数ＦＲＥＳの高調波成分は、ダンピング回路５００の共振部５１０を通過してダンピング抵抗５２０を流れ続ける。そのため、ダンピング抵抗５２０の温度上昇が懸念される。温度上昇を抑えるためにダンピング抵抗５２０を大型化することも考えられるが、電源装置２５０全体の大型化を招く可能性もある。以下で説明する本発明の第２実施形態および／または第３実施形態に係るレーザ装置１００および／または電源装置２５０によれば、このような問題も解決できる。
【0035】
図６は、本発明の第２実施形態に係るレーザ装置１００の機能ブロック図である。前述の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して重複した説明を省略する。図６におけるレーザ装置１００は、図２におけるレーザ装置１００のダンピング回路５００の代わりにクランプ回路６００を備える。また、図２の直流電源３００におけるソフトウェア制御またはフィードバック制御の機能の一部が、図６では高周波電源４００に移されている。具体的には、図２における直流電源３００の高周波電圧指令演算部３４０と同様の機能が、高周波電圧検出部４３０、高周波電圧演算部４４０、高周波電圧指令演算部４５０、制御パラメータ決定部４６０等として高周波電源４００に移されている。図６における直流電源３００は、図２における高周波電圧指令演算部３４０の代わりに、DCリンク電圧指令部３７０を備える。
【0036】
DCリンク電圧指令部３７０は、DC-DC変換部３２０が生成すべきDCリンク電圧ＶＤＣについての指令を生成する。典型的には、DCリンク電圧指令部３７０が生成するDCリンク電圧指令は一定である。デューティ決定部３５０は、DCリンク電圧検出部３３０によって検出されたDCリンク電圧ＶＤＣと、DCリンク電圧指令部３７０によって生成された一定のDCリンク電圧指令の偏差を小さくするために、PWM信号生成部３６０が生成すべきPWM信号（パルス波）のデューティ比を決定する。PWM信号生成部３６０は、デューティ決定部３５０によって決定されたデューティ比のPWM信号を生成してDC-DC変換部３２０のスイッチング素子（トランジスタ３２１）に印加する。このように、本実施形態の直流電源３００では、DC-DC変換部３２０が生成するDCリンク電圧ＶＤＣを一定に保つための簡易的な制御が行われる。
【0037】
高周波電源４００は、図２におけるDC-RF変換部４１０および高周波信号生成部４２０に加えて、高周波電圧検出部４３０と、高周波電圧演算部４４０と、高周波電圧指令演算部４５０と、制御パラメータ決定部４６０を備える。
【0038】
高周波電圧検出部４３０は、DC-RF変換部４１０によって生成された高周波電圧ＶＲＦを検出して制御パラメータ決定部４６０にフィードバックする。具体的には、高周波電圧検出部４３０は、昇圧トランス４１３の１次側（１次コイル４１３Ａ）の交流電圧ＶＡＣおよび／または２次側（２次コイル４１３Ｂ）の高周波電圧ＶＲＦを検出する。高周波電圧演算部４４０は、高周波電圧検出部４３０によって検出された交流電圧ＶＡＣおよび／または高周波電圧ＶＲＦに基づいて、DC-RF変換部４１０が生成した高周波電圧ＶＲＦを演算して制御パラメータ決定部４６０にフィードバックする。
【0039】
高周波電圧指令演算部４５０は、レーザ共振器２００の動作および／または状態を示す情報のフィードバックに基づいて、高周波電源４００が生成すべき高周波電圧ＶＲＦについての指令を演算する。レーザ共振器２００から高周波電圧指令演算部４５０にフィードバックされる情報としては、レーザ共振器２００が発振するレーザ光の強度や、一対の放電電極２０２、２０４および／または共振インダクタＬを流れる電流が例示される。
【0040】
制御パラメータ決定部４６０は、高周波電圧検出部４３０および／または高周波電圧演算部４４０から提供された高周波電圧ＶＲＦと、高周波電圧指令演算部４５０によって演算された高周波電圧指令に基づいて、高周波信号生成部４２０が生成すべき高周波信号の制御パラメータを決定する。この制御パラメータとしては、パルス波である高周波信号のデューティ比および／または位相が例示される。制御パラメータ決定部４６０が高周波信号のデューティ比を決定または調整する場合、高周波信号生成部４２０はDC-RF変換部４１０のインバータ４１２に対してPWM制御を実行する。制御パラメータ決定部４６０が高周波信号の位相を決定または調整する場合、高周波信号生成部４２０はDC-RF変換部４１０のインバータ４１２に対して位相シフト制御を実行する。高周波電圧検出部４３０によって検出された高周波電圧ＶＲＦに基づいてインバータ４１２に対する制御信号を生成する制御信号生成部として機能する高周波信号生成部４２０は、制御パラメータ決定部４６０によって決定されたデューティ比および／または位相の高周波信号（パルス波）を生成してDC-RF変換部４１０のインバータ４１２の各トランジスタに印加する。
【0041】
本発明の振動抑制回路の一例であるクランプ回路６００は、高周波電源４００（DC-RF変換部４１０）と共振回路２１０（共振インダクタＬ）の間に設けられ、高周波電源４００によって生成された高周波電圧ＶＲＦにおける共振回路２１０の共振周波数帯外の振動を抑制する。具体的な構成や作用については後述するが、クランプ回路６００は高周波電源４００によって生成された高周波電圧ＶＲＦを所定範囲内に制限する（クランプする）。
【0042】
図７は、図６の電源装置２５０の主な回路構成の一例を示す。振動抑制回路としてのクランプ回路６００は、昇圧トランス４１３の２次側と共振インダクタＬの間に２次コイル４１３Ｂと並列に接続されると共に、トランス６２０等を介して昇圧トランス４１３の１次側の充電コンデンサ４１１に接続される。２次コイル４１３Ｂに現れる高周波電圧ＶＲＦにおける共振周波数帯外の振動を抑制するクランプ回路６００は、共振周波数帯内に共振周波数を持つ共振部６１０と、昇圧トランス４１３と並列に設けられるトランス６２０と、当該トランス６２０の高周波電源４００側（昇圧トランス４１３の１次側）に接続されて充電コンデンサ４１１を充電可能な整流回路６３０と、当該整流回路６３０と充電コンデンサ４１１の間に当該充電コンデンサ４１１と並列に設けられるコンデンサ６４０を備える。
【0043】
共振部６１０は、並列に接続されたインダクタ６１１とコンデンサ６１２を備えるＬＣ共振回路である。この共振部６１０は、図３における共振部５１０と同様に、実質的に共振周波数帯外の高周波電圧ＶＲＦのみをクランプ回路６００に流すという周波数選択性を付与する。この周波数選択性によって、共振回路２１０が正常共振周波数ＦＲＥＳで正常に動作している場合は、それと等価な共振周波数を有する共振部６１０の作用によって、正常共振周波数ＦＲＥＳを中心とする共振周波数帯内の高周波電圧ＶＲＦがクランプ回路６００をほとんど流れない。一方、放電電極２０２、２０４の接続不良等による開放状態や、レーザ共振器２００が未発光時等の軽負荷状態で高周波電圧ＶＲＦに現れる異常共振周波数ＦＲＥＳ′の異常振動は、トランス６２０、整流回路６３０、コンデンサ６４０、充電コンデンサ４１１等を通じて迅速に抑制される。なお、後述するように、トランス６２０、整流回路６３０、コンデンサ６４０、充電コンデンサ４１１等は、周波数帯によらず高周波電圧ＶＲＦを所定範囲内に制限できるため、周波数選択性を付与する共振部６１０が設けられなくても急激な負荷変動に伴う過電圧を効果的に抑制できる。
【0044】
トランス６２０は、共振部６１０を通じて共振周波数帯外の高周波電圧ＶＲＦが供給される昇圧トランス４１３の２次側の第１コイル６２１と、当該第１コイル６２１の高周波電圧ＶＲＦが変圧された電圧が現れる昇圧トランス４１３の１次側の第２コイル６２２を備える。トランス６２０の変圧比は、第１コイル６２１と第２コイル６２２の巻数比Ｎに比例する。第２コイル６２２から変圧された高周波電圧ＶＲＦが供給される整流回路６３０は、四つのダイオードからなる二相全波整流回路（二相ブリッジ整流回路）である。整流回路６３０によって整流された電流は、並列に接続されたコンデンサ６４０および充電コンデンサ４１１を充電する。前述のように、充電コンデンサ４１１の電極間の電圧であるDCリンク電圧ＶＤＣは、DCリンク電圧指令部３７０からのDCリンク電圧指令に基づいて一定に制御されるため、クランプ回路６００からの帰還電流によって充電コンデンサ４１１が瞬間的に過充電されたとしても、電極間電圧は迅速に一定のDCリンク電圧ＶＤＣに収束する。
【0045】
以上のような構成のクランプ回路６００は、いわゆる回生型の電圧クランプ回路である。クランプ回路６００が回生動作（トランス６２０の第１コイル６２１から第２コイル６２２に電圧および／または電流を帰還させる動作）を行う条件は、昇圧トランス４１３の２次コイル４１３Ｂに現れる高周波電圧ＶＲＦ、帰還先の充電コンデンサ４１１のDCリンク電圧ＶＤＣ、トランス６２０の巻数比Ｎによって「ＶＲＦ＞Ｎ×ＶＤＣ」と表される。すなわち、昇圧トランス４１３の２次側に現れる高周波電圧ＶＲＦの振幅が「Ｎ×ＶＤＣ」より大きくなると、クランプ回路６００が回生動作を行って高周波電圧ＶＲＦの振幅を「Ｎ×ＶＤＣ」以下に制限する（クランプする）。
【0046】
図８は、クランプ回路６００が設けられた電源装置２５０において、レーザ共振器２００を負荷開放状態に切り替えた場合の高周波電圧ＶＲＦの例を示す。負荷開放状態に切り替えられた後に異常共振周波数ＦＲＥＳ′による細かい異常振動が見られるものの、その振幅はクランプ回路６００によって効果的に抑制されていることが分かる。このように異常振動の振幅が高速に抑制されるのは、時定数が大きいＬＣフィルタ（例えば、図７におけるインダクタ３２２および平滑コンデンサ３１２）を含む直流電源３００ではなく、主要な遅れ要素が実質的にトランス６２０の漏れインダクタンスのみである１次遅れ系のクランプ回路６００および高周波電源４００を通じてフィードバック制御が行われるためである。本実施形態では、フィードバック制御先の充電コンデンサ４１１のDCリンク電圧ＶＤＣが一定に保たれることから、以上のような構成および作用のクランプ回路６００の挿入が可能になった。
【0047】
ここで、図７のように、クランプ回路６００の整流回路６３０の前段（高周波電源４００側）にコンデンサ６４０を設けたコンデンサインプット方式とすることで、制御の遅れの原因となる時定数を最小化または最適化できる。但し、制御の遅れが許容できる限りにおいて、整流回路６３０はチョークインプット方式等の他の方式で構成されてもよい。また、制御の遅れを低減するために、高速動作が可能なSiCやGaN等のワイドバンドギャップ半導体によって、クランプ回路６００および／または振動抑制回路の少なくとも一部の半導体素子を形成するのが好ましい。但し、制御の遅れが許容できる限りにおいて、Si等の汎用的な半導体材料によって、クランプ回路６００および／または振動抑制回路の全部または一部の半導体素子を形成してもよい。
【0048】
本実施形態では、ダンピング抵抗５２０に正常共振周波数ＦＲＥＳの高調波成分等が流れ続ける図３の第１実施形態と異なり、周波数によらず「ＶＲＦ＞Ｎ×ＶＤＣ」（過電圧の発生）という動作条件を満たさない限りクランプ回路６００には実質的に電流が流れない。このため、第１実施形態におけるダンピング抵抗５２０の温度上昇と同様の問題が本実施形態では発生しない。また、本実施形態では第１実施形態と同様に、正常共振周波数帯外の異常共振周波数ＦＲＥＳ′の高周波振動を非一時的または定常的に抑制可能なクランプ回路６００をハードウェアまたは受動素子のみで構成することによって高速に過電圧を抑制できる。
【0049】
図９は、本発明の第３実施形態に係るレーザ装置１００の機能ブロック図である。前述の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して重複した説明を省略する。図９におけるレーザ装置１００は、図６におけるレーザ装置１００と直流電源３００の構成が異なる。具体的には、図１０の主回路構成例に示されるようにAC-DC変換部３１０が、図７における三相全波整流回路３１１の代わりに、六つのトランジスタからなる三相PFC（Power Factor Correction）回路３１３によって構成される。三相PFC回路３１３によって十分な大きさの直流電圧を生成できるため、図６および図７のようなDC-DC変換部３２０（トランジスタ３２１等）が不要となり、三相PFC回路３１３の後段には平滑コンデンサ３１２とインダクタ３２２からなるＬＣフィルタ３８０が配置される。
【0050】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。例示としての実施形態における各構成要素や各処理の組合せには様々な変形例が可能であり、そのような変形例が本発明の範囲に含まれることは当業者にとって自明である。
【0051】
なお、実施形態で説明した各装置や各方法の構成、作用、機能は、ハードウェア資源またはソフトウェア資源によって、あるいは、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働によって実現できる。ハードウェア資源としては、例えば、プロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種の集積回路を利用できる。ソフトウェア資源としては、例えば、オペレーティングシステム、アプリケーション等のプログラムを利用できる。
【符号の説明】
【0052】
１００ レーザ装置、２００ レーザ共振器、２０２ 放電電極、２０４ 放電電極、２１０ 共振回路、２５０ 電源装置、３００ 直流電源、４００ 高周波電源、４１０ DC-RF変換部、４１１ 充電コンデンサ、４１２ インバータ、４１３ 昇圧トランス、４２０ 高周波信号生成部、４３０ 高周波電圧検出部、５００ ダンピング回路、５１０ 共振部、５２０ ダンピング抵抗、６００ クランプ回路、６１０ 共振部、６２０ トランス、６３０ 整流回路、６４０ コンデンサ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】