特開 2024-93400 レーザ電源装置

(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】P2024093400

(43)【公開日】2024-07-09

(54)【発明の名称】レーザ電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20240702BHJP

   H02M 9/04 20060101ALI20240702BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 G

H02M3/155 H

H02M9/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022209762

(22)【出願日】2022-12-27

(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】100105887

【弁理士】

【氏名又は名称】来山 幹雄

(72)【発明者】

【氏名】田坂 泰久

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS04

5H730AS05

5H730AS17

5H730BB13

5H730BB14

5H730CC01

5H730DD02

5H730EE59

5H730FD01

5H730FD31

5H730FG02

(57)【要約】

【課題】バンクコンデンサの充電速度を速めることが可能なレーザ電源装置を提供する。
【解決手段】充電電源が、外部から与えられる直流電圧を昇圧してバンクコンデンサを充電する。制御部が、充電電源を制御する。バンクコンデンサからの放電電力が、パルス駆動される高周波電源を介してレーザ発振器に供給される。制御部は、バンクコンデンサを電圧目標値まで充電する電圧フィードバック制御と、バンクコンデンサの充電電流を目標電流波形に沿って変化させる電流フィードバック制御とを行う。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部から与えられる直流電圧を昇圧して、パルス的な放電が行われるバンクコンデンサを充電する充電電源と、
前記充電電源を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記バンクコンデンサを電圧目標値まで充電する電圧フィードバック制御と、
前記バンクコンデンサの充電電流を目標電流波形に沿って変化させる電流フィードバック制御と
を行うレーザ電源装置。

【請求項2】

前記バンクコンデンサからの放電電力が、パルス駆動される高周波電源を介してレーザ発振器に供給され、
前記制御部は、前記高周波電源のパルス駆動に同期して、前記電圧フィードバック制御を開始する請求項１に記載のレーザ電源装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記高周波電源のパルス駆動の繰り返し周期より短い時間で、前記バンクコンデンサを前記電圧目標値まで充電できるように、前記目標電流波形を設定する請求項２に記載のレーザ電源装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記高周波電源の１回のパルス駆動で消費される電力量が、１回の前記電圧フィードバック制御の期間中に充電されるように、前記目標電流波形を設定する請求項２または３に記載のレーザ電源装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記電圧目標値から、前記バンクコンデンサの電極間の電圧であるＤＣリンク電圧の現在値までの偏差に応じて、前記目標電流波形を修正する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

パルスレーザビームを用いて基板に穴あけ加工を行うレーザ加工機が公知である。このレーザ加工機では、レーザ電源装置から高周波電源に直流電力が供給され、高周波電源からレーザ発振器に高周波電力が供給される。高周波電源をパルス駆動することにより、レーザ発振器からパルスレーザビームが出力される。

【0003】

高周波電源をパルス駆動すると、レーザ電源装置から高周波電源に印加されている直流電圧が低下する。安定して穴あけ加工を行うために、レーザ発振器に供給する高周波電力を安定させる必要がある。高周波電力を安定させるために、高周波電源に印加されている直流電圧の低下を、素早く回復させる必要がある。

【0004】

特許文献１に、高周波電源に印加されている直流電圧の低下を回復させる電源装置が開示されている。この電源装置は、バンクコンデンサと、バンクコンデンサに充電電力を供給する昇降圧コンバータとを含む。高周波電源をパルス駆動すると、バンクコンデンサからの放電電力が高周波電源に供給される。高周波電源の動作に同期して、充電電源の昇降圧コンバータをワンパルス駆動してバンクコンデンサを充電する。昇降圧コンバータのスイッチング素子のオン時間を調整することにより、バンクコンデンサの放電電力に相当する電力をバンクコンデンサに供給する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１９－１２６１９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

充電電源の昇降圧コンバータをワンパルス駆動してバンクコンデンサを充電する場合、昇降圧コンバータとバンクコンデンサとからなる充電経路の回路定数に応じて、充電電流が時間の経過とともに低下する。このため、バンコンデンサの充電速度を速めることに限界がある。本発明の目的は、バンクコンデンサの充電速度を速めることが可能なレーザ電源装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一観点によると、
外部から与えられる直流電圧を昇圧してバンクコンデンサを充電する充電電源と、
前記充電電源を制御する制御部と
を備え、
前記バンクコンデンサからの放電電力が、パルス駆動される高周波電源を介してレーザ発振器に供給され、
前記制御部は、
前記バンクコンデンサを電圧目標値まで充電する電圧フィードバック制御と、
前記バンクコンデンサの充電電流を目標電流波形に沿って変化させる電流フィードバック制御と
を行うレーザ電源装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

電圧フィードバック制御のみならず、バンクコンデンサの充電電流を目標電流波形に沿って変化させる電流フィードバック制御を行うため、所望の電流波形を実現することができる。これにより、バンクコンデンサの充電速度を速めることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、一実施例によるレーザ電源装置を含むレーザ加工装置のブロック図である。

【図2】図２は、レーザ電源装置のより詳細なブロック図、及び充電電源の等価回路図である。

【図3】図３は、制御部が実行するフィードバック制御のブロック線図である。

【図4】図４は、レーザ電源装置の制御部が実行する処理の手順を示すフローチャートである。

【図5】図５は、レーザ電源装置に関する種々の信号のタイミングチャートである。

【図6】図６は、比較例によるレーザ電源装置で実行されるフィードバック制御のブロック線図である。

【図7】図７は、比較例によるレーザ電源装置に関する種々の信号のタイミングチャートである。

【図8】図８は、他の実施例によるレーザ電源装置に用いられる充電電源の等価回路図である。

【図9】図９は、さらに他の実施例によるレーザ電源装置の制御部が実行するフィードバック制御のブロック線図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１～図７を参照して、一実施例によるレーザ電源装置について説明する。
図１は、本実施例によるレーザ電源装置１０を含むレーザ加工装置のブロック図である。本実施例によるレーザ電源装置１０は、充電電源１１及び制御部１２を含む。交流電源４６から出力される三相交流電流が整流器４７で整流されて充電電源１１に入力される。充電電源１１は、整流器４７によって発生された直流電圧を昇圧し、バンクコンデンサ３０を充電する。

【0011】

バンクコンデンサ３０からの放電電力が、パルス駆動される高周波電源４０を介してレーザ発振器４１の放電電極４２に供給される。レーザ発振器４１は、パルス的に高周波電力が供給されることによってパルスレーザビームを出力する。パルスレーザビームが加工機４５に入力され、レーザ加工が行われる。

【0012】

加工機４５が制御部１２に発振指令Ｓｉｇを送出する。制御部１２は、発振指令Ｓｉｇを受信すると、高周波電源４０に動作指令Ｔｒｇ１を送出するとともに、充電電源１１に動作指令Ｔｒｇ２を送出する。充電電源１１は、動作指令Ｔｒｇ２を受けている期間、充電動作を実行する。高周波電源４０は、動作指令Ｔｒｇ１を受けている期間、レーザ発振器４１に高周波電力を供給する。

【0013】

電流センサ３４が、バンクコンデンサ３０の充電電流Ｉｃｈｇを測定する。電圧センサ３５が、バンクコンデンサ３０の電極間の電圧Ｖｄｃを測定する。本明細書において、バンクコンデンサ３０の電極間の電圧Ｖｄｃを、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃという。電流センサ３４による充電電流Ｉｃｈｇの測定値、及び電圧センサ３５によるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値が、制御部１２に入力される。

【0014】

制御部１２は、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが低下した時、バンクコンデンサ３０を充電してＤＣリンク電圧Ｖｄｃを電圧目標値に戻す制御を行う。さらに、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを電圧目標値に戻す際に、バンクコンデンサ３０の充電電流Ｉｃｈｇを、目標電流波形に沿って変化させる制御を行う。この制御については、後に図３～図５を参照して詳細に説明する。

【0015】

図２は、レーザ電源装置のより詳細なブロック図、及び充電電源１１の等価回路図である。充電電源１１は、昇降圧コンバータ１１Ａ及びコンバータコントローラ１１Ｂを含む。昇降圧コンバータ１１Ａは、リアクトルＬ１、昇圧用トランジスタＱ１、降圧用トランジスタＱ２、還流ダイオードＤ１、Ｄ２を含む。制御部１２からコンバータコントローラ１１Ｂに、動作指令Ｔｒｇ２が与えられると、コンバータコントローラ１１Ｂは、昇圧用トランジスタＱ１をスイッチングする。スイッチング時における昇圧用トランジスタＱ１のオン時間をＴｏｎと標記する。図２に、昇圧用トランジスタＱ１を１回スイッチングしたときに、リアクトルＬ１を流れる電流Ｉ_Ｌ１及びバンクコンデンサ３０の充電電流Ｉｃｈｇの波形の一例を示す。

【0016】

整流器４７から昇降圧コンバータ１１Ａに直流電圧が印加される。昇圧用トランジスタＱ１がオンになると、リアクトルＬ１及び昇圧用トランジスタＱ１からなる回路を流れる電流Ｉ_Ｌ１が徐々に増加する。昇圧用トランジスタＱ１がオフになると、リアクトルＬ１及び還流ダイオードＤ２を通ってバンクコンデンサ３０に流れる充電電流Ｉｃｈｇが急激に立ち上がる。充電電流Ｉｃｈｇは、時間の経過とともに減少する。

【0017】

リアクトルＬ１を流れる電流Ｉ_Ｌ１がゼロに戻る前に、昇圧用トランジスタＱ１を再度オンにすると、その時点から電流Ｉ_Ｌ１が増加し始める。昇圧用トランジスタＱ１をオフにすると、その時点から充電電流Ｉｃｈｇが流れ始める。昇圧用トランジスタＱ１のスイッチングを繰り返すと、電流Ｉ_Ｌ１の極大値が徐々に大きくなるとともに、充電電流Ｉｃｈｇの極大値も大きくなる。

【0018】

バンクコンデンサ３０に充電電流Ｉｃｈｇを流すことにより、高周波電源４０の駆動により低下したＤＣリンク電圧Ｖｄｃを電圧目標値まで回復させることができる。昇圧用トランジスタＱ１のスイッチング周波数を一定にし、スイッチング時のオン時間Ｔｏｎを調整することにより、充電電流Ｉｃｈｇの時間波形を調整することができる。

【0019】

次に、図３を参照して、制御部１２が実行するフィードバック制御について説明する。図３は、制御部１２が実行するフィードバック制御のブロック線図である。

【0020】

ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの電圧目標値Ｖｒｅｆが予め与えられている。高周波電源４０の１回のパルス駆動ごとに、電圧目標値Ｖｒｅｆに対するＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔの偏差に応じて、ＰＩＤ制御ブロック１２Ａが電流修正指令値ΔＩｒｅｆを出力する。

【0021】

目標電流波形生成ブロック１２Ｂに、充電時間幅Ｔ、及び充電電流基準値Ｉｒｅｆ＿０が与えられる。充電時間幅Ｔには、レーザ発振器４１（図１）から出力させるパルスレーザビームのパルスの繰り返し周期より短い値が設定される。充電電流基準値Ｉｒｅｆ＿０で充電時間幅Ｔだけバンクコンデンサ３０を充電するときにバンクコンデンサ３０に供給される電力量が、パルスレーザビームの１パルスの出力によりバンクコンデンサ３０から放電される電力量に等しくなるように、充電時間幅Ｔ及び充電電流基準値Ｉｒｅｆ＿０が設定される。例えば、１パルスの出力でバンクコンデンサ３０から放電される電力量をＥと標記すると、充電電流基準値Ｉｒｅｆ＿０は以下の式で与えられる。
Ｉｒｅｆ＿０＝Ｅ／（Ｖｒｅｆ×Ｔ）

【0022】

目標電流波形生成ブロック１２Ｂには、予め、充電電流の目標値Ｉｒｅｆの基準波形が設定されている。基準波形は、例えば矩形波であり、矩形波の時間幅が充電時間幅Ｔに等しく、高さが充電電流基準値Ｉｒｅｆ＿０に等しい。すなわち、基準波形に沿うように充電電流Ｉｃｈｇの目標値Ｉｒｅｆを変化させたときにバンクコンデンサ３０に供給される電力量が、１パルスの出力でバンクコンデンサ３０から放電される電力量に等しくなる。

【0023】

目標電流波形生成ブロック１２Ｂは、電流修正指令値ΔＩｒｅｆに基づいて、基準電流波形を修正して目標電流波形を生成する。例えば、基準電流波形の高さである充電電流基準値Ｉｒｅｆ＿０を電流修正指令値ΔＩｒｅｆに基づいて修正することにより目標電流波形を生成する。目標電流波形生成ブロック１２Ｂは、時間の経過とともに、目標電流波形の現在値を、目標値Ｉｒｅｆとして出力する。

【0024】

充電電流Ｉｃｈｇの目標値Ｉｒｅｆに対する充電電流Ｉｃｈｇの平均値（Ｉｃｈｇ＿ａｖｅ）の現在値Ｉｏｕｔの偏差に応じて、ＰＩＤ制御ブロック１２Ｃが動作指令Ｔｒｇ２を出力する。動作指令Ｔｒｇ２には、昇圧用トランジスタＱ１（図２）のオン時間Ｔｏｎを示す情報が含まれている。充電電源１１は、動作指令Ｔｒｇ２で指令されたオン時間Ｔｏｎに基づいて、昇圧用トランジスタＱ１をスイッチングする。

【0025】

図３に示したように、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを制御する電圧フィードバック制御のループの中に、充電電流Ｉｃｈｇを制御する電流フィードバック制御のループが含まれている。電流フィードバック制御の実行周期は、電圧フィードバック制御の実行周期より短い。例えば、電流フィードバック制御の実行周期は１０μｓであり、電圧フィードバック制御の実行周期は１００μｓである。

【0026】

上述のように、制御部１２は、レーザ発振器４１からレーザパルスが出力されるごとに、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを目標値Ｖｒｅｆまで回復させる電圧フィードバック制御を実行する。さらに、制御部１２は、電圧フィードバック制御の周期より短い周期で、バンクコンデンサ３０の充電電流Ｉｃｈｇを目標電流波形に沿って変化させる電流フィードバック制御を実行する。

【0027】

次に、図４及び図５を参照して、本実施例によるレーザ電源装置１０の動作について説明する。図４は、レーザ電源装置１０の制御部１２が実行する処理の手順を示すフローチャートである。図５は、本実施例によるレーザ電源装置１０に関する種々の信号のタイミングチャートである。

【0028】

制御部１２が加工機４５（図１）から発振指令Ｓｉｇを受信すると、高周波電源４０の動作を開始する（ステップＳ１）。具体的には、制御部１２は、高周波電源４０に与える動作指令Ｔｒｇ１を立ち上げる（図４の時刻ｔ_１）。動作指令Ｔｒｇ１が立ち上がると、高周波電源４０は、レーザ発振器４１に対して励起用の高周波電力Ｐｅｘｃの供給を開始する。励起用の高周波電力Ｐｅｘｃの供給開始時点からやや遅れて、レーザ発振器４１からレーザパルスＬｐが出力される。

【0029】

制御部１２は、高周波電源４０への動作指令Ｔｒｇ１の送出と同期して、充電電源１１の動作を開始させる（ステップＳ２）。すなわち、バンクコンデンサ３０からのパルス的な放電に同期して、バンクコンデンサ３０を充電する動作が開始される。具体的には、図３に示した電圧フィードバック制御及び電流フィードバック制御を開始する。これにより、目標電流波形生成ブロック１２Ｂ（図３）が、充電電流Ｉｃｈｇの目標値Ｉｒｅｆを出力する。ＰＩＤ制御ブロック１２Ｃは、目標値Ｉｒｅｆに応じて、オン時間Ｔｏｎを求め、充電電源１１に動作指令Ｔｒｇ２を送出する。目標値Ｉｒｅｆの波形の時間幅は、予め設定されている充電時間幅Ｔ（図３）に等しい。

【0030】

充電電源１１のコンバータコントローラ１１Ｂ（図２）は、動作指令Ｔｒｇ２で指令されたオン時間Ｔｏｎに基づいて昇圧用トランジスタＱ１をスイッチングする。昇圧用トランジスタＱ１がスイッチングされることにより、充電電流Ｉｃｈｇが断続的に流れ、バンクコンデンサ３０が充電される。図３を参照して説明した電流フィードバック制御が行われているため、充電電流Ｉｃｈｇの平均値Ｉｃｈｇ＿ａｖｅが、目標値Ｉｒｅｆの波形に沿うように変化する。

【0031】

時刻ｔ_１において、高周波電源４０からレーザ発振器４１に高周波電力が供給され始めると、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが低下し始める。バンクコンデンサ３０には充電電流Ｉｃｈｇも流れるため、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃは、昇圧用トランジスタＱ１のスイッチングに同期して、下降と上昇を繰り返しながら全体として徐々に低下し、ある時点からＤＣリンク電圧Ｖｄｃが上昇し始める。

【0032】

加工機４５から指令されたパルス幅に相当する時間が経過すると、高周波電源４０の動作を停止させる（ステップＳ３、Ｓ４）。具体的には、高周波電源４０に与えている動作指令Ｔｒｇ１を立ち下げる（時刻ｔ_２）。これにより、レーザ発振器４１への高周波電力Ｐｅｘｃの供給が停止し、レーザパルスＬｐが立ち下がる。

【0033】

充電開始（時刻ｔ_１）から充電時間幅Ｔが経過する（時刻ｔ_３）と、充電電源１１の動作を停止させる（ステップＳ５、Ｓ６）。具体的には、目標値Ｉｒｅｆがゼロになり、オン時間Ｔｏｎがゼロになる。これにより、昇圧用トランジスタＱ１のスイッチングが停止され、充電電流Ｉｃｈｇもゼロになる。

【0034】

充電時間幅Ｔの間に、１回のレーザパルスの出力による放電電力量に相当する電力量がバンクコンデンサ３０に供給されるように、充電電流Ｉｃｈｇの目標値Ｉｒｅｆの目標電流波形が生成されるため、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃは、時刻ｔ_３において、バンクコンデンサ３０からの放電開始直前の電圧まで回復する。また、充電時間幅Ｔは、パルスレーザビームのパルスの繰り返し周期より短く設定されているため、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃは、次のレーザパルスの出力時点（時刻ｔ_４）までに、放電開始直前の電圧まで回復する。

【0035】

次に、図６及び図７に示した比較例と比較しながら、本実施例の優れた効果について説明する。

【0036】

図６は、比較例によるレーザ電源装置で実行されるフィードバック制御のブロック線図である。比較例では、電流フィードバック制御が行われず、電圧フィードバック制御のみが行われる。ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの電圧目標値Ｖｒｅｆに対する測定値Ｖｏｕｔの偏差に応じて、ＰＩＤ制御ブロック１２Ｄが、オン時間Ｔｏｎの修正値ΔＴｏｎを出力する。オン時間Ｔｏｎの基準値Ｔｏｎ＿０に修正値ΔＴｏｎを加えてオン時間Ｔｏｎを求め、このオン時間Ｔｏｎを充電電源１１に指令する。

【0037】

図７は、比較例によるレーザ電源装置に関する種々の信号のタイミングチャートである。高周波電源４０に対する動作指令Ｔｒｇ１、高周波電源４０がレーザ発振器４１に供給する高周波電力Ｐｅｘｃ、及びレーザ発振器４１から出力されるレーザパルスＬｐのタイミングは、上記実施例（図５）の場合と同一である。上記実施例では、パルスレーザビームの繰り返し周期の間に、昇圧用トランジスタＱ１（図２）を複数回スイッチングするが、比較例においては、１回のみスイッチングを行う。例えば、動作指令Ｔｒｇ１の立ち上がりに同期して、昇圧用トランジスタＱ１をオンにし、電圧フィードバック制御により決定されたオン時間Ｔｏｎ（図６）が経過した時点（時刻ｔ_３）でオフにする。

【0038】

昇圧用トランジスタＱ１がオンになっている期間、リアクトルＬ１（図２）を流れる電流Ｉ_Ｌ１が増加する。昇圧用トランジスタＱ１がオフになると（時刻ｔ_３）、電流Ｉ_Ｌ１が減少し始めるとともに、充電電流Ｉｃｈｇが流れ始める。

【0039】

高周波電源４０が駆動されている期間（時刻ｔ_１～ｔ_２）、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが低下し、高周波電源４０の動作が停止した（時刻ｔ_２）後は、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃはほぼ一定に維持される。充電電流Ｉｃｈｇが流れ始めると（時刻ｔ_３）、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが上昇し始める。

【0040】

比較例では、昇圧用トランジスタＱ１をオフにした時点（時刻ｔ_３）において、充電電流Ｉｃｈｇが最大であり、その後徐々に低下する。充電電流Ｉｃｈｇの波形は、昇降圧コンバータ１１Ａ及びバンクコンデンサ３０（図２）の回路定数で決まってしまい、波形を自由に変化させることができない。このため、バンクコンデンサ３０を効率よく充電することが困難であり、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを回復させるための所要時間の短縮化にも限界がある。

【0041】

加工機４５（図１）で、時刻ｔ_４においてレーザパルスを出力させる条件が整っても、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが回復していない場合は、高周波電源４０を駆動することができない。高周波電源４０の駆動は、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが十分回復するまで待たなければならない。このため、レーザ加工のスループットが低下してしまう。

【0042】

これに対して上記実施例では、充電電流Ｉｃｈｇを所望の目標電流波形に沿って変化させることができるため、バンクコンデンサ３０を効率よく充電することができる。このため、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを電圧目標値まで回復させるまでの時間を短縮することができる。その結果、レーザ加工のスループットを高めることが可能になる。なお、昇圧用トランジスタＱ１をオンにした時のリアクトルＬ１を流れる電流Ｉ_Ｌ１の立ち上がりを急峻にするために、比較例と比べて、リアクトルＬ１のインダクタンスを小さくすることが好ましい。

【0043】

次に、上記実施例の変形例によるレーザ電源装置について説明する。
上記実施例では、昇降圧コンバータ１１Ａ（図２）の昇圧用トランジスタＱ１をオンオフすることにより昇圧動作を行う場合について説明しているが、降圧用トランジスタＱ２をオンオフすることにより降圧動作を行わせる場合もある。例えば、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを昇圧しすぎた場合は、降圧用トランジスタＱ２を動作させて、バンクコンデンサ３０からリアクトルＬ１を通して整流器４７に含まれる平滑コンデンサに電流を流し、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを降圧させることができる。なお、降圧動作を行う必要がない場合は、降圧用トランジスタＱ２を有しない昇圧コンバータを用いてもよい。

【0044】

次に、図８を参照して他の実施例によるレーザ電源装置について説明する。以下、図１～図５を参照して説明した実施例によるレーザ電源装置と共通の構成については説明を省略する。

【0045】

図８は、本実施例によるレーザ電源装置に用いられる充電電源１１の等価回路図である。図２に示した実施例では、充電電源１１が１つの昇降圧コンバータ１１Ａを含むが、図８に示した実施例では、２段に接続された２つの昇降圧コンバータ１１Ａ１、１１Ａ２を含む。１段目の昇降圧コンバータ１１Ａ１が昇圧動作を行い、２段目の昇降圧コンバータ１１Ａ２が降圧動作を行う。２段に接続された昇降圧コンバータ１１Ａ１、１１Ａ２の間に、段間コンデンサ１１Ｃが接続されている。

【0046】

１段目の昇降圧コンバータ１１Ａ１の構成は、図２に示した実施例による充電電源１１の昇降圧コンバータ１１Ａの構成と同一である。２段目の昇降圧コンバータ１１Ａ２は、昇圧用トランジスタＱ３、降圧用トランジスタＱ４、リアクトルＬ２を含む。昇圧用トランジスタＱ３及び降圧用トランジスタＱ４に、それぞれ還流ダイオードＤ３、Ｄ４が接続されている。２段目の昇降圧コンバータ１１Ａ２は、段間コンデンサ１１Ｃからバンクコンデンサ３０に向かって降圧動作を行うように構成されている。

【0047】

１段目の昇降圧コンバータ１１Ａ１が、段間コンデンサ１１Ｃを充電し、２段目の昇降圧コンバータ１１Ａ２が、段間コンデンサ１１Ｃの電極間の電圧を降圧し、バンクコンデンサ３０を充電する。図８に、昇圧用トランジスタＱ１を１回スイッチングしたときに、リアクトルＬ１を流れる電流Ｉ_Ｌ１、及び段間コンデンサ１１Ｃの充電電流Ｉｃｈｇ０の波形を示す。１段目の昇降圧コンバータ１１ＡのリアクトルＬ１を流れる電流Ｉ_Ｌ１の波形、及び段間コンデンサ１１Ｃの充電電流Ｉｃｈｇ０の波形は、それぞれ図２に示した電流Ｉ_Ｌ１及び充電電流Ｉｃｈｇの波形と同一である。

【0048】

２段目の昇降圧コンバータ１１Ａ２の降圧用トランジスタＱ４をオンにすると、段間コンデンサ１１Ｃから降圧用トランジスタＱ４及びリアクトルＬ２を通って、段間コンデンサ１１Ｃの放電電流Ｉｄｉｓが流れ始める。図８に、降圧用トランジスタＱ４を１回スイッチングしたときに、降圧用トランジスタＱ４を流れる電流Ｉｄｉｓ、及びバンクコンデンサ３０の充電電流Ｉｃｈｇの波形を示す。

【0049】

降圧用トランジスタＱ４がオンになった時点から、放電電流Ｉｄｉｓ及び充電電流Ｉｃｈｇが徐々に増加する。降圧用トランジスタＱ４がオフになると、放電電流Ｉｄｉｓは急激に立ち下がるとともに、リアクトルＬ２、還流ダイオードＤ３、及びバンクコンデンサ３０からなる閉回路に充電電流Ｉｃｈｇが流れ始める。この閉回路を流れる充電電流Ｉｃｈｇは徐々に減少する。

【0050】

図２に示した実施例では、昇圧用トランジスタＱ１がオフの期間にのみ充電電流Ｉｃｈｇが流れるが、図８に示した実施例では、降圧用トランジスタＱ４がオン及びオフの両方の期間に、充電電流Ｉｃｈｇが流れる。本実施例では、図３に示した動作指令Ｔｒｇ２で指令されたオン時間Ｔｏｎに応じて、昇圧用トランジスタＱ１及び降圧用トランジスタＱ４のスイッチングを行えばよい。なお、図８を参照して説明したように、１段目の昇降圧コンバータ１１Ａ１に昇圧動作のみを行わせ、２段目の昇降圧コンバータ１１Ａ２に降圧動作のみを行わせる場合には、降圧用トランジスタＱ２及び昇圧用トランジスタＱ３は接続しなくてもよい。

【0051】

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、降圧用トランジスタＱ４のスイッチング時に、オンオフの状態によらず充電電流Ｉｃｈｇが流れる。このため、バンクコンデンサ３０を、より効率的に充電することができる。

【0052】

次に、図９を参照してさらに他の実施例によるレーザ電源装置について説明する。以下、図１～図５を参照して説明した実施例によるレーザ電源装置と共通の構成については説明を省略する。図９は、制御部１２が実行するフィードバック制御のブロック線図である。

【0053】

図３に示した実施例では、目標電流波形生成ブロック１２Ｂが生成する初期の波形は矩形である。これに対して本実施例では、目標電流波形生成ブロック１２Ｂが生成する初期の波形が台形である。このため、電圧フィードバック制御が開始されると、充電電流の目標値Ｉｒｅｆが徐々に増加した後一定になり、電圧フィードバック制御の終了時に、充電電流の目標値Ｉｒｅｆが徐々に低下する。

【0054】

図９に示した実施例のように、充電電流Ｉｃｈｇの目標値Ｉｒｅｆの時間波形を台形にしてもよい。なお、充電電流Ｉｃｈｇの目標値Ｉｒｅｆの時間波形を、矩形、台形以外の形状にしてもよい。

【0055】

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【符号の説明】

【0056】

１０ レーザ電源装置
１１ 充電電源
１１Ａ、１１Ａ１、１１Ａ２ 昇降圧コンバータ
１１Ｂ コンバータコントローラ
１１Ｃ 段間コンデンサ
１２ 制御部
１２Ａ ＰＩＤ制御ブロック
１２Ｂ 目標電流波形生成ブロック
１２Ｃ、１２Ｄ ＰＩＤ制御ブロック
３０ バンクコンデンサ
３４ 電流センサ
３５ 電圧センサ
４０ 高周波電源
４１ レーザ発振器
４２ 放電電極
４５ 加工機
４６ 交流電源
４７ 整流器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】