特開 2024-93401 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】P2024093401

(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】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022209763

(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

5H730FG02

(57)【要約】

【課題】シマー放電時にレーザ発振器に供給される電力量のばらつきを抑制するとともに、スループットの低下を抑制することが可能なレーザ電源装置を提供する。
【解決手段】レーザ発振器に供給される電力がバンクコンデンサに蓄積される。充電電源がバンクコンデンサを充電することにより、電極間の電圧であるＤＣリンク電圧を上昇させる。制御装置が、バンクコンデンサからレーザ発振器に電力を供給してレーザ発振器を励振させるとともに、充電電源を動作させてバンクコンデンサを充電する励振充電制御を行う。さらに、バンクコンデンサからレーザ発振器に電力を供給してレーザ発振器にシマー放電を生じさせるとともに、充電電源を動作させてバンクコンデンサを充電するシマー充電制御を行う。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ発振器に供給される電力を蓄積するバンクコンデンサと、
前記バンクコンデンサを充電することにより、電極間の電圧であるＤＣリンク電圧を上昇させる充電電源と、
前記充電電源を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記バンクコンデンサから前記レーザ発振器に電力を供給して前記レーザ発振器を励振させるとともに、前記充電電源を動作させて前記バンクコンデンサを充電する励振充電制御を行う機能と、
前記バンクコンデンサから前記レーザ発振器に電力を供給して前記レーザ発振器にシマー放電を生じさせるとともに、前記充電電源を動作させて前記バンクコンデンサを充電するシマー充電制御を行う機能と
を有するレーザ電源装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記シマー充電制御を行う際に、１回の前記シマー放電によって前記バンクコンデンサから放電される電力量に相当する電力量が、前記バンクコンデンサに供給されるように、前記充電電源をフィードフォワード制御する請求項１に記載のレーザ電源装置。

【請求項3】

前記充電電源は、トランジスタのスイッチングにより昇圧動作を行うコンバータを含み、
前記制御装置は、前記シマー充電制御を行う際に、前記コンバータを１パルス駆動することにより前記バンクコンデンサを充電する請求項１または２に記載のレーザ電源装置。

【請求項4】

前記充電電源は、トランジスタのスイッチングにより昇圧動作を行うコンバータを含み、
前記制御装置は、前記シマー充電制御において、前記コンバータを１パルス駆動することにより前記バンクコンデンサを充電し、前記トランジスタのオン時間を変化させることにより、前記バンクコンデンサに充電する電力量を調整する請求項１に記載のレーザ電源装置。

【請求項5】

前記制御装置は、前記シマー放電を生じさせる前の前記ＤＣリンク電圧の測定値を取得し、取得した測定値に基づいて前記オン時間を変化させる請求項４に記載のレーザ電源装置。

【請求項6】

前記制御装置は、前記シマー充電制御において、前記オン時間が許容上限値を超えないように、前記オン時間を制限する機能を有する請求項４または５に記載のレーザ電源装置。

【請求項7】

前記充電電源は、シマー用充電電源と励振用充電電源とを含み、
前記制御装置は、前記シマー充電制御を行う際に前記シマー用充電電源を動作させ、前記励振充電制御を行う際に、前記励振用充電電源を動作させる請求項１、２、４、及び５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、充電電源がバンクコンデンサを充電し、バンクコンデンサ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、バンクコンデンサの電極間の電圧が低下する。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、バンクコンデンサの電極間の電圧の低下を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量に相当する電力量をバンクコンデンサに供給する。

【0005】

レーザ媒質ガスを放電させてパルスレーザビームを発生させるレーザ発振器において、パルスレーザビームを安定して出力させるために、高周波電源から放電電極に高周波短パルスを印加してシマー放電を生じさせる技術が公知である。シマー放電により、レーザ媒質ガスが励振前にイオン化されることにより、パルスレーザビームの出力が安定化される。シマー放電の時間は、放電開始からレーザビームが出力されるまでの時間に比べて十分短い。このため、シマー放電によってレーザビームが出力されることはない。シマー放電は、通常、一定の周波数で繰り返される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【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】

【0007】

シマー放電を生じさせるために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。このときバンクコンデンサからの放電により、その電極間の電圧（以下、ＤＣリンク電圧という。）が低下する。ＤＣリンク電圧が低下すると、シマー放電を生じさせるときにレーザ発振器に供給される電力量がばらついてしまう。また、レーザパルスを出力させる時点において、ＤＣリンク電圧が許容下限値を下回っている場合は、レーザパルスを出力させる前に、ＤＣリンク電圧を回復させるための充電を行う必要がある。このため、レーザパルスの出力までの待ち時間が生じてしまい、スループットが低下してしまう。

【0008】

本発明の目的は、シマー放電時にレーザ発振器に供給される電力量のばらつきを抑制するとともに、スループットの低下を抑制す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】

【0009】

本発明の一観点によると、
レーザ発振器に供給される電力を蓄積するバンクコンデンサと、
前記バンクコンデンサを充電することにより、電極間の電圧であるＤＣリンク電圧を上昇させる充電電源と、
前記充電電源を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記バンクコンデンサから前記レーザ発振器に電力を供給して前記レーザ発振器を励振させるとともに、前記充電電源を動作させて前記バンクコンデンサを充電する励振充電制御を行う機能と、
前記バンクコンデンサから前記レーザ発振器に電力を供給して前記レーザ発振器にシマー放電を生じさせるとともに、前記充電電源を動作させて前記バンクコンデンサを充電するシマー充電制御を行う機能と
を有するレーザ電源装置が提供される。

【発明の効果】

【0010】

シマー放電を生じさせるとともにシマー充電制御を行うため、シマー放電ごとに、ＤＣリンク電圧の低下が回復する。このため、シマー放電時にレーザ発振器に供給される電力量のばらつきが抑制される。さらに、励振指令受信時にＤＣリンク電圧を回復させるための待ち時間が無くなり、スループットの低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【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、図１に示した実施例によるレーザ電源装置の充電電源の等価回路図及びブロック図である。

【図3】図３は、図１に示した実施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4】図４Ａは、昇降圧コンバータの等価回路図であり、図４Ｂは、リアクトルを流れる電流、バンクコンデンサの充電電流、及びＤＣリンク電圧の時間変化の一例を示すグラフである。

【図5】図５は、図１に示した実施例によるレーザ電源装置の制御装置が行う制御の手順を示すフローチャートである。

【図6】図６は、他の実施例によるレーザ電源装置の制御装置が行う制御のブロック線図である。

【図7】図７は、さらに他の実施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、図７に示した実施例によるレーザ電源装置の制御装置による制御の手順を示すフローチャートである。

【図9】図９は、図７に示した実施例の変形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10】図１０は、さらに他の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11】図１１は、図１０に示した実施例によるレーザ電源装置の制御装置が行う制御のブロック線図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１～図５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は、充電電源１０、高周波電源２０、バンクコンデンサ３０、及び制御装置５０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１０に入力される。充電電源１０は、整流器４７によって発生した直流電圧を昇圧し、バンクコンデンサ３０を充電する。

【0013】

高周波電源２０は、パルス駆動されることにより、バンクコンデンサ３０から放電される直流電力を高周波電力Ｐｒｆに変換し、レーザ発振器４１の放電電極４２に供給する。すなわち、バンクコンデンサ３０に、レーザ発振器４１に供給する電力が蓄積される。レーザ発振器４１は、パルス的に高周波電力Ｐｒｆ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。

【0014】

加工機４５が制御装置５０に励振指令Ｓｉｇ＿ｅ及びシマー指令Ｓｉｇ＿ｓを送出する。制御装置５０は、励振指令Ｓｉｇ＿ｅを受信すると、高周波電源２０に励振用の動作指令Ｔｒｇ１を送出するとともに、充電電源１０に励振用の動作指令Ｔｒｇ２を送出する。高周波電源２０は、励振用の動作指令Ｔｒｇ１を受けている期間、レーザ発振器４１に高周波電力Ｐｒｆを供給する。充電電源１０は、励振用の動作指令Ｔｒｇ２を受信すると、バンクコンデンサ３０の充電動作を実行する。

【0015】

制御装置５０は、シマー指令Ｓｉｇ＿ｓを受信すると、高周波電源２０にシマー用の動作指令Ｔｒｇ１を送出するとともに、充電電源１０にシマー用の動作指令Ｔｒｇ２を送出する。高周波電源２０は、シマー用の動作指令Ｔｒｇ１を受けている期間、レーザ発振器４１に高周波電力Ｐｒｆを供給する。シマー用の動作指令Ｔｒｇ１が送出されている時間は、励振用の動作指令Ｔｒｇ１が送出されている時間より短い。充電電源１０は、シマー用の動作指令Ｔｒｇ２を受信すると、バンクコンデンサ３０の充電動作を実行する。シマー用の動作指令Ｔｒｇ２を受信したときにバンクコンデンサ３０に供給される電力量は、励振用の動作指令Ｔｒｇ２を受信したときにバンクコンデンサ３０に供給される電力量より少ない。

【0016】

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。電圧センサ３５によるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値が、制御装置５０に入力される。

【0017】

制御装置５０は、励振指令Ｓｉｇ＿ｅ及びシマー指令Ｓｉｇ＿ｓを受信したときに、バンクコンデンサ３０の放電によるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの低下分を回復させるための充電を行うように充電電源１０を制御する。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。

【0018】

図２は、充電電源１０の等価回路図及びブロック図である。
充電電源１０は、昇降圧コンバータ１１及びコンバータコントローラ１２を含む。昇降圧コンバータ１１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。なお、昇降圧コンバータ１１に代えて、昇圧動作のみを行うコンバータを用いてもよい。

【0019】

制御装置５０からコンバータコントローラ１２に、動作指令Ｔｒｇ２が与えられると、コンバータコントローラ１２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。

【0020】

整流器４７から昇降圧コンバータ１１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。バンクコンデンサ３０が充電されると、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが上昇する。

【0021】

昇圧用トランジスタＱ１のオン時間Ｔｏｎを調整することにより、昇降圧コンバータ１１を１パルス駆動したときにバンクコンデンサ３０に供給される電力量を調整することができる。励振用の動作指令Ｔｒｇ２を受信したときと、シマー用の動作指令Ｔｒｇ２を受信したときとで、オン時間Ｔｏｎを異ならせることにより、充電電力量を異ならせることができる。

【0022】

図３は、本実施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。
制御装置５０が加工機４５（図１）からシマー指令Ｓｉｇ＿ｓ及び励振指令Ｓｉｇ＿ｅを受信する。シマー指令Ｓｉｇ＿ｓ及び励振指令Ｓｉｇ＿ｅのパルスの立ち上がりが、高周波電源２０からレーザ発振器４１への高周波電力Ｐｒｆの供給開始の指令を意味し、パルスの立ち下がりが、高周波電源２０からレーザ発振器４１への高周波電力Ｐｒｆの供給停止の指令を意味する。

【0023】

シマー指令Ｓｉｇ＿ｓの受信（時刻ｔ_１）に同期して、高周波電源２０からレーザ発振器４１に高周波電力Ｐｒｆの供給が開始され、シマー指令Ｓｉｇ＿ｓが立ち下がると（時刻ｔ_３）、高周波電力Ｐｒｆの供給が停止される。図３では、１回のシマー指令Ｓｉｇ＿ｓの受信時に、１周期分の高周波電力Ｐｒｆがレーザ発振器４１に供給されるように示されているが、レーザ発振器４１に供給される高周波電力Ｐｒｆは、１周期分以上であってもよい。ただし、高周波電力Ｐｒｆが供給される時間幅（時刻ｔ_１からｔ_３までの時間幅）は、レーザ発振器４１が発振しない程度の短さに設定される。このため、制御装置５０がシマー指令Ｓｉｇ＿ｓを受信しても、レーザパルスＬｐは出力されない。

【0024】

高周波電源２０がレーザ発振器４１に高周波電力Ｐｒｆを供給することにより、バンクコンデンサ３０が放電され、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが基準電圧Ｖｒｅｆから低下する。同時に、制御装置５０が充電電源１０を動作させることにより、バンクコンデンサ３０に充電電流Ｉｃｈｇが流れる。充電電流Ｉｃｈｇが立ち上がるのは、昇圧用トランジスタＱ１をオンにした後オフにした時点からである。このため、充電電流Ｉｃｈｇの立ち上がり（時刻ｔ_２）は、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが低下し始める時点（時刻ｔ_１）より遅れる。

【0025】

充電電流Ｉｃｈｇが流れ始めると、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが増加し始める。充電電流Ｉｃｈｇがほぼゼロになった時点で、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃがシマー放電前の基準電圧Ｖｒｅｆまで回復する。シマー指令Ｓｉｇ＿ｓを受信したときに、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを基準電圧Ｖｒｅｆまで回復させる制御をシマー充電制御ということする。例えば、充電電流Ｉｃｈｇがほぼゼロになる時点が、シマー指令Ｓｉｇ＿ｓの立ち下がり時点（時刻ｔ_３）より前または時刻ｔ_３とほぼ等しくなるように、昇降圧コンバータ１１及びバンクコンデンサ３０の回路定数が設定されている。

【0026】

励振指令Ｓｉｇ＿ｅの受信に同期して、高周波電源２０からレーザ発振器４１に高周波電力Ｐｒｆの供給が開始され（時刻ｔ_４）、励振指令Ｓｉｇ＿ｅが立ち下がると（時刻ｔ_５）、高周波電力Ｐｒｆの供給が停止される。レーザ発振器４１に高周波電力Ｐｒｆが供給されることにより、レーザ発振器４１からレーザパルスＬｐが出力され、高周波電力Ｐｒｆの供給が停止すると、レーザパルスＬｐが立ち下がる。なお、レーザパルスＬｐの立ち上がりは高周波電力Ｐｒｆの供給開始時点よりやや遅れる。

【0027】

高周波電源２０からレーザ発振器４１に高周波電力Ｐｒｆが供給されることにより、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが低下する。高周波電力Ｐｒｆの供給が停止されると（時刻ｔ_５）、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃはほぼ一定の値を維持する。

【0028】

制御装置５０は、励振指令Ｓｉｇ＿ｅの受信と同期して、励振用の動作指令Ｔｒｇ２を充電電源１０（図２）に送信する。これにより、コンバータコントローラ１２は、昇圧用トランジスタＱ１をオンにする。所定時間経過後、昇圧用トランジスタＱ１をオフにすると（時刻ｔ_６）、充電電流Ｉｃｈｇが立ち上がる。これにより、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが上昇し始める。充電電流Ｉｃｈｇがほぼゼロになる時点で、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃがほぼ基準電圧Ｖｒｅｆまで回復する。励振指令Ｓｉｇ＿ｅを受信したときに、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを基準電圧Ｖｒｅｆまで回復させる制御を励振充電制御ということとする。

【0029】

次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、充電電源１０の昇圧用トランジスタＱ１のオン時間Ｔｏｎの好ましい値について説明する。制御装置５０がシマー指令Ｓｉｇ＿ｓを受信したときは、１回のシマー放電でバンクコンデンサ３０から放電される電力量に等しい電力量が、充電電源１０からバンクコンデンサ３０に供給されるようにシマー充電制御を行う。

【0030】

図４Ａは、昇降圧コンバータ１１の等価回路図であり、図４Ｂは、リアクトルＬ１を流れる電流Ｉ_Ｌ１、バンクコンデンサ３０の充電電流Ｉｃｈｇ、及びＤＣリンク電圧Ｖｄｃの時間変化の一例を示すグラフである。コンバータコントローラ１２は、バンクコンデンサ３０からの放電の開始と同期して昇圧用トランジスタＱ１をオンにする。これにより、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが低下し始めるとともに、リアクトルＬ１に電流Ｉ_Ｌ１が流れ始める。

【0031】

オン時間Ｔｏｎが経過した時点で、コンバータコントローラ１２は昇圧用トランジスタＱ１をオフにする。これにより、充電電流Ｉｃｈｇが流れ始める。充電電流Ｉｃｈｇが流れることにより、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが上昇し始める。昇圧用トランジスタＱ１がオンになっている期間における電流Ｉ_Ｌ１の増加の程度、及び昇圧用トランジスタＱ１がオフになっている期間における充電電流Ｉｃｈｇの減少の程度は、リアクトルＬ１のインダクタンスＬ_Ａ、バンクコンデンサ３０のキャパシタンスＣ、昇降圧コンバータ１１に印加されている直流電圧Ｖｉｎに依存する。

【0032】

シマー放電が終了したときのＤＣリンク電圧Ｖｄｃの極小電圧値Ｖｍｉｎは、１回のシマー放電においてバンクコンデンサ３０から放電される電力量によって決まる。１回のシマー放電における電力量の標準値は予め決められているため、極小電圧値Ｖｍｉｎの標準値も決まっている。充電電流Ｉｃｈｇがゼロになった時点で、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを元の基準電圧Ｖｒｅｆまで回復させるためのオン時間Ｔｏｎは、以下の式で近似的に与えられる。

【数1】

【0033】

制御装置５０は、シマー指令Ｓｉｇ＿ｓを受信したとき、式（１）で求まるオン時間Ｔｏｎだけ昇圧用トランジスタＱ１をオンにするように、コンバータコントローラ１２に動作指令Ｔｒｇ２を送信する。これにより、シマー放電によって低下したＤＣリンク電圧Ｖｄｃが、ほぼ元の基準電圧Ｖｒｅｆまで回復する。すなわち、制御装置５０が行うバンクコンデンサ３０のシマー充電制御は、フィードフォワード制御である。

【0034】

次に、図５を参照して、制御装置５０が行う制御の手順について説明する。図５は、制御装置５０が行う制御の手順を示すフローチャートである。

【0035】

制御装置５０は、加工機４５（図１）から指令を受信すると、受信した指令がシマー指令Ｓｉｇ＿ｓか励振指令Ｓｉｇ＿ｅかを判定する（ステップＳ１）。受信した指令がシマー指令Ｓｉｇ＿ｓである場合、制御装置５０は高周波電源２０（図１）を動作させてレーザ発振器４１（図１）にシマー放電用の高周波電力Ｐｒｆ（図３）を出力させる（ステップＳ４）。

【0036】

さらに、制御装置５０は、充電電源１０に対してシマー充電制御を行う（ステップＳ５）。具体的には、図４Ｂを参照して説明したように、１回のシマー放電でバンクコンデンサ３０から放電される電力量に等しい電力量を、充電電源１０からバンクコンデンサ３０に供給する。

【0037】

制御装置５０が受信した指令が励振指令Ｓｉｇ＿ｅである場合、制御装置５０は高周波電源２０（図１）を動作させてレーザ発振器４１（図１）に励振用の高周波電力Ｐｒｆ（図３）を出力させる（ステップＳ２）。これにより、レーザ発振器４１からレーザパルスＬｐ（図３）が出力される。さらに、制御装置５０は、充電電源１０に対して励振充電制御を行う（ステップＳ３）。励振充電制御により、図３に示したように、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが基準電圧Ｖｒｅｆまで回復する。

【0038】

制御装置５０は、レーザ発振器４１からパルスレーザビームを出力させる処理を終了させるまで、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３の手順、またはステップＳ１、Ｓ４、Ｓ５の手順を繰り返す（ステップＳ６）。

【0039】

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、図３を参照して説明したように、シマー放電が行われるごとに、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを基準電圧Ｖｒｅｆまで回復させるシマー充電制御を行う。このため、シマー放電ごとのＤＣリンク電圧Ｖｄｃのばらつきが抑制され、安定したシマー放電を行うことができる。さらに、制御装置５０が励振指令Ｓｉｇ＿ｅを受信したときのＤＣリンク電圧Ｖｄｃを、ほぼ基準電圧Ｖｒｅｆに維持することができる。これにより、レーザ発光を安定化させることができる。

【0040】

また、励振指令Ｓｉｇ＿ｅを受信した時点で、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが励振可能範囲の下限値未満まで低下しているような状況が発生しないため、励振指令Ｓｉｇ＿ｅを受信すると、直ちにレーザ発振させることができる。レーザ発振までの待ち時間が無くなるため、加工のスループットが高まるという優れた効果が得られる。

【0041】

次に、図６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。

【0042】

図６は、本実施例によるレーザ電源装置の制御装置５０（図１）が行う制御のブロック線図である。図４Ｂに示した実施例では、シマー充電制御を行う際に、昇圧用トランジスタＱ１をオンにするオン時間Ｔｏｎが予め設定されている。このオン時間Ｔｏｎに応じて、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの上昇幅が決まる。すなわち、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを回復させるシマー充電制御は、フィードフォワード制御である。これに対して本実施例におけるシマー充電制御は、フィードバック制御である。

【0043】

図６に示すように、制御装置５０は、励振充電制御のフィードバックループＦＢＬ１と、シマー充電制御のフィードバックループＦＢＬ２とを切り替える切替ブロック５３、５４を含む。制御装置５０が励振指令Ｓｉｇ＿ｅを受信すると、切替ブロック５３、５４がフィードバックループＦＢＬ１を選択し、シマー指令Ｓｉｇ＿ｓを受信すると、切替ブロック５３、５４がフィードバックループＦＢＬ２を選択する。

【0044】

フィードバックループＦＢＬ２が選択されると、シマー充電制御を行うときは、基準電圧Ｖｒｅｆに対するＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔの偏差が、ＰＩＤ制御ブロック５２に入力される。ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔは、例えば、前回のシマー充電制御の後に取得されたものである。なお、十分な高速演算処理が可能である場合は、シマー指令Ｓｉｇ＿ｓを受信した時点におけるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔに基づいて、フィードバック制御を行ってもよい。

【0045】

ＰＩＤ制御ブロック５２は、この偏差に応じてオン時間修正値ΔＴｏｎ２を出力する。オン時間初期値Ｔｏｎ２＿０にオン時間修正値ΔＴｏｎ２を足し合わせて得られるオン時間暫定値Ｔｏｎ２＿ｔが、オン時間制限ブロック５６に入力される。オン時間初期値Ｔｏｎ２＿０は、１回のシマー放電でバンクコンデンサ３０から放電される電力量に相当する電力量がバンクコンデンサ３０に供給される時間幅に設定されている。なお、オン時間初期値Ｔｏｎ２＿０として式（１）により算出された値を用いてもよい。

【0046】

オン時間制限ブロック５６が、オン時間制限値Ｔｏｎ２＿Ｌｉｍｉｔとオン時間暫定値Ｔｏｎ２＿ｔとを比較し、比較結果に基づいてオン時間指令値Ｔｏｎ２を生成する。例えば、オン時間暫定値Ｔｏｎ２＿ｔがオン時間制限値Ｔｏｎ２＿Ｌｉｍｉｔ以下である場合、オン時間暫定値Ｔｏｎ２＿ｔをオン時間指令値Ｔｏｎ２とする。オン時間暫定値Ｔｏｎ２＿ｔがオン時間制限値Ｔｏｎ２＿Ｌｉｍｉｔを超えている場合、オン時間制限値Ｔｏｎ２＿Ｌｉｍｉｔをオン時間指令値Ｔｏｎ２とする。すなわち、オン時間制限ブロック５６は、オン時間指令値Ｔｏｎ２が許容上限値を超えないように、許容上限値以下に制限する機能を有する。

【0047】

制御装置５０は、このようにして決定したオン時間指令値Ｔｏｎ２を充電電源１０に与える。充電電源１０は、オン時間指令値Ｔｏｎ２に基づいて昇圧用トランジスタＱ１のスイッチング制御を行う。すなわち、昇圧用トランジスタＱ１をオンにする時間を、指令されたオン時間指令値Ｔｏｎ２に等しくする。

【0048】

本実施例によるシマー充電制御においては、シマー放電によってＤＣリンク電圧Ｖｄｃが低下すると、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを基準電圧Ｖｒｅｆまで回復させる電圧フィードバック制御が行われる。

【0049】

フィードバックループＦＢＬ１の基本的な制御は、フィードバックループＦＢＬ２の制御と同一である。フィードバックループＦＢＬ２のＰＩＤ制御ブロック５２の代わりにＰＩＤ制御ブロック５１が用いられ、オン時間制限ブロック５６の代わりにオン時間制限ブロック５５が用いられる。さらに、フィードバックループＦＢＬ１においては、フィードバックループＬ２のオン時間初期値Ｔｏｎ２＿０がオン時間初期値Ｔｏｎ１＿０に変更され、オン時間制限値Ｔｏｎ２＿Ｌｉｍｉｔがオン時間制限値Ｔｏｎ１＿Ｌｉｍｉｔに変更されている。基準電圧Ｖｒｅｆは、フィードバックループＦＢＬ１とＦＢＬ２とで同一である。オン時間初期値Ｔｏｎ１＿０は、１つのレーザパルスを出力させるときにバンクコンデンサ３０から放電される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設定されている。

【0050】

フィードバックループＦＢＬ１においては、フィードバックループＦＢＬ２のオン時間修正値ΔＴｏｎ２、オン時間暫定値Ｔｏｎ２＿ｔ、オン時間指令値Ｔｏｎ２の代わりに、それぞれオン時間修正値ΔＴｏｎ１、オン時間暫定値Ｔｏｎ１＿ｔ、オン時間指令値Ｔｏｎ１が生成される。ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔは、例えば、前回の励振充電制御の後に取得されたものである。

【0051】

制御装置５０は、このようにして決定したオン時間指令値Ｔｏｎ１を充電電源１０に与える。充電電源１０は、オン時間指令値Ｔｏｎ１に基づいて昇圧用トランジスタＱ１のスイッチング制御を行う。すなわち、昇圧用トランジスタＱ１をオンにする時間を、指令されたオン時間指令値Ｔｏｎ１に等しくする。

【0052】

本実施例による励振充電制御においては、レーザ発振器４１の１回の励振によってＤＣリンク電圧Ｖｄｃが低下すると、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを基準電圧Ｖｒｅｆまで回復させる電圧フィードバック制御が行われる。

【0053】

次に、シマー充電制御におけるオン時間制限値Ｔｏｎ２＿Ｌｉｍｉｔについて説明する。
シマー指令Ｓｉｇ＿ｓは、図３に示すように一定の周期で繰り返される。オン時間指令値Ｔｏｎ２が長くなり過ぎると、昇圧用トランジスタＱ１をオフにする時点が次のシマー指令Ｓｉｇ＿ｓの受信以降になることもあり得る。この場合は、シマー指令Ｓｉｇ＿ｓの受信時に新たなシマー充電制御を開始することができない。シマー放電ごとのシマー充電制御の実行を可能にするために、オン時間制限値Ｔｏｎ２＿Ｌｉｍｉｔを、シマー指令Ｓｉｇ＿ｓの周期より短くすることが好ましい。なお、シマー充電制御が、シマー放電期間中に終了するように、オン時間制限値Ｔｏｎ２＿Ｌｉｍｉｔを設定してもよい。

【0054】

次に、励振充電制御におけるオン時間制限値Ｔｏｎ１＿Ｌｉｍｉｔについて説明する。
オン時間制限値Ｔｏｎ１＿Ｌｉｍｉｔは、次の励振指令Ｓｉｇ＿ｅを受信したときのレーザパルスの出力に影響が無いタイミングで励振充電制御が終了するように、オン時間制限値Ｔｏｎ１＿Ｌｉｍｉｔを設定しておくことが好ましい。

【0055】

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例においても、図１～図５を参照して説明した実施例と同様に、シマー放電が行われるごとに、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを基準電圧Ｖｒｅｆまで回復させるシマー充電制御を行うため、励振指令Ｓｉｇ＿ｅを受信したときのＤＣリンク電圧Ｖｄｃを、ほぼ基準電圧Ｖｒｅｆに維持することができる。

【0056】

また、基準電圧Ｖｒｅｆに対するＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔの偏差が大きい場合、フィードバック制御を行うことによってオン時間指令値Ｔｏｎ２が長くなるため、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを、早期に基準電圧Ｖｒｅｆまで回復させることができる。さらに、オン時間指令値Ｔｏｎ２をオン時間制限値Ｔｏｎ２＿Ｌｉｍｉｔ以下に制限しているため、シマー充電制御を、次のシマー指令Ｓｉｇ＿ｓの受信までに完了させることが可能になる。

【0057】

次に、本実施例の種々の変形例について説明する。
まず、シマー充電制御を行っている期間に励振指令Ｓｉｇ＿ｅを受信した場合の制御の一例について説明する。充電電源１０に対してシマー充電制御を行っている期間に励振指令Ｓｉｇ＿ｅを受信すると、通常通り、高周波電源２０を動作させてレーザ発振器４１に励振用の高周波電力Ｐｒｆを供給する。シマー充電制御によって昇圧用トランジスタＱ１がオンになっている場合、昇圧用トランジスタＱ１をオフにするまでの時間を、シマー用のオン時間指令値Ｔｏｎ２から励振用のオン時間指令値Ｔｏｎ１に切り替えるとよい。または、シマー用のオン時間指令値Ｔｏｎ２と励振用のオン時間指令値Ｔｏｎ１との合計値によって、昇圧用トランジスタＱ１を制御してもよい。

【0058】

本実施例では、シマー放電ごとにシマー充電制御を行っているため、次の励振指令Ｓｉｇ＿ｅを受信するまでの期間におけるシマー放電によるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの低下分は回復する。ところが、シマー放電以外の要因によって、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが低下する場合がある。例えば、放電抵抗等による放電に起因して、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが低下する場合がある。

【0059】

励振指令Ｓｉｇ＿ｅの受信時に、レーザパルスのエネルギが許容範囲に収まらない程度までＤＣリンク電圧Ｖｄｃが低下している場合は、レーザ発振器４１に励振用の高周波電力Ｐｒｆを供給せず、バンクコンデンサ３０の充電動作のみを行う。この充電動作においては、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを、許容範囲内まで短時間で上昇させるために、シマー充電制御におけるオン時間初期値Ｔｏｎ２＿０よりも長いオン時間を設定する。

【0060】

また、シマー充電制御において、基準電圧Ｖｒｅｆに対するＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔの偏差が大幅に大きくなった場合は、オン時間初期値Ｔｏｎ２＿０より長いオン時間を設定して、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを短時間に基準電圧Ｖｒｅまで回復させる制御を行うことが好ましい。

【0061】

次に、図７及び図８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６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。

【0062】

図７は、本実施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６に示した実施例では、直前のシマー充電制御が終了した時点のＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔと、基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、基準電圧Ｖｒｅｆに対する測定値Ｖｏｕｔの偏差に基づいてシマー充電制御を行っている。これに対して図７に示した実施例では、シマー充電制御を行う直前のＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔ＿ａ、及びシマー充電制御が完了した時点におけるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔ＿ｂを用いて、シマー充電の制御を行う。この制御手順について、図８を参照して説明する。

【0063】

図８は、制御装置５０による制御の手順を示すフローチャートである。
制御装置５０は、シマー指令Ｓｉｇ＿ｓを受信すると、高周波電源２０を動作させる前に、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔ＿ａを取得する（ステップＳＡ１）。取得した測定値Ｖｏｕｔ＿ａが許容範囲から外れているか否かを判定する。さらに、単位時間あたりに、測定値Ｖｏｕｔ＿ａが許容範囲から外れた回数（以下、逸脱回数という。）が規定回数以上か否かを判定する（ステップＳＡ２）。測定値Ｖｏｕｔ＿ａの許容範囲は、基準電圧Ｖｒｅｆを含む一定の範囲、例えば基準電圧Ｖｒｅｆを中心とする範囲に設定される。逸脱回数が規定回数以上である場合、アラームを発出して（ステップＳＡ８）、処理を停止する。

【0064】

単位時間当たりの逸脱回数が規定回数未満である場合、制御装置５０は高周波電源２０を動作させてシマー放電を生じさせる（ステップＳＡ３）。これにより、図７に示すように、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが低下し始める。さらに、現時点のオン時間初期値Ｔｏｎ２＿０（図６）を用いて、充電電源１０に対してシマー充電制御を行う（ステップＳＡ４）。これにより、図７に示すように、充電電流Ｉｃｈｇが立ち上がる。

【0065】

充電電流Ｉｃｈｇが流れることにより、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃが基準電圧Ｖｒｅｆに向かって上昇する。制御装置５０は、充電電流Ｉｃｈｇがゼロになった時点のＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔ＿ｂを取得する（ステップＳＡ５）。さらに、測定値Ｖｏｕｔ＿ｂと基準電圧Ｖｒｅｆとの差分から、オン時間初期値Ｔｏｎ２＿０を算出する（ステップＳＡ６）。オン時間初期値Ｔｏｎ２＿０の算出方法は、図６を参照して説明したフィードバックループＦＢＬ２のフィードバック制御と同一である。シマー放電を継続する場合（加工を継続する場合）は、ステップＳＡ１からの手順を繰り返し、シマー放電を継続しない場合（加工を終了する場合）は、処理を終了する（ステップＳＡ７）。

【0066】

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例においても、図６に示した実施例と同様に、基準電圧Ｖｒｅｆに対するＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔ＿ｂの偏差が大きい場合、フィードバック制御を行うことによってオン時間指令値Ｔｏｎ２が長くなるため、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを、早期に基準電圧Ｖｒｅｆまで回復させることができる。

【0067】

ステップＳＡ２において、単位時間あたりの逸脱回数が規定回数以上になると判定されることは、シマー充電制御による充電電力量が少な過ぎるか、または多過ぎることを意味する。すなわち、装置に何らかの異常が発生していることを意味する。この場合に、アラームが発出（ステップＳＡ８）されるため、メンテナンス要員が早期に異常に気付くことができる。

【0068】

次に、本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。
図８に示した実施例では、ステップＳＡ１で取得したＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔ＿ａを、異常発生の有無の判定にのみ利用している。これに対して本変形例では、制御装置５０がシマー指令Ｓｉｇ＿ｓを受信すると、高周波電源２０を動作させてシマー放電を生じさせるとともに、測定値Ｖｏｕｔ＿ａと基準電圧Ｖｒｅｆとの差分に基づいてシマー充電制御を行う。充電開始から一定時間経過後に、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値が許容範囲に収まらない場合に、アラームを発出する。

【0069】

ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔ＿ａに基づくシマー充電制御による充電電流Ｉｃｈｇはゼロになった後、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔ＿ｂを取得し、測定値Ｖｏｕｔ＿ｂが許容範囲に収まっているか否かを判定する。測定値Ｖｏｕｔ＿ｂが許容範囲の下限値未満である場合、短時間の追加充電を行い、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを調整する。

【0070】

次に、本変形例の優れた効果について説明する。
図７に示した実施例では、制御装置５０がシマー指令Ｓｉｇ＿ｓを受信すると、直近のシマー放電時に実行したシマー充電制御の直後のＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔ＿ｂに基づいて、今回のシマー充電制御を行う。これに対して本変形例では、シマー放電開始直前のＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔ＿ａに基づいてシマー充電制御を行う。このため、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃをより正確に基準電圧Ｖｒｅｆに近づけることができる。

【0071】

さらに、シマー充電制御を行った直後のＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔ＿ｂに基づいて追加の充電を行うか否かを判定し、追加の充電が必要と判断されたら追加の充電を行う。このため、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを、より正確に基準電圧Ｖｒｅｆに維持することが可能である。

【0072】

本変形例では、基準電圧Ｖｒｅｆと比較するためのＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔ＿ａを、シマー指令Ｓｉｇ＿ｓを受信した時点に取得するため、シマー指令Ｓｉｇ＿ｓの受信から、オン時間初期値Ｔｏｎ２＿０の算出完了までに時間を要する。シマー放電の開始から実際にバンクコンデンサ３０の充電を開始するまでの時間を短縮するために、制御装置５０に高い演算速度が要求される。レーザ電源装置として、図８に示した実施例の構成を採用するか、本変形例の構成を採用するかは、制御装置５０の処理能力に応じて決定することが好ましい。

【0073】

次に、図９を参照して、本実施例の他の変形例によるレーザ電源装置について説明する。図９は、本変形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７に示した実施例では、シマー放電が行われている期間中に、バンクコンデンサ３０の充電がほぼ完了する。これに対して図９に示した変形例では、シマー放電が行われている期間中にバンクコンデンサ３０の充電が終わらず、次のシマー放電の開始までに充電が完了する。このため、充電が完了した後に取得されるＤＣリンク電圧Ｖｄｃの測定値Ｖｏｕｔ＿ｂの取得が、図７に示した実施例の場合より遅くなる。

【0074】

充電が完了した後に測定値Ｖｏｕｔ＿ｂを取得するタイミングから、次のシマー放電の前に測定値Ｖｏｕｔ＿ａを取得するタイミングまでの時間幅が短い場合は、測定値Ｖｏｕｔ＿ｂを、次のシマー放電の前に取得する測定値Ｖｏｕｔ＿ａとして用いてもよい。

【0075】

次に、図１０及び図１１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６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。

【0076】

図１０は、本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１に示した実施例では、シマー放電時の充電と、励振時の充電とを、充電電源１０の共通の昇降圧コンバータ１１（図２）により行っている。これに対して本実施例では、充電電源１０が、シマー用充電電源１０Ｓ及び励振用充電電源１０Ｅを含む。シマー用充電電源１０Ｓ及び励振用充電電源１０Ｅは、相互に並列に接続されている。

【0077】

シマー用充電電源１０Ｓ及び励振用充電電源１０Ｅのそれぞれは、図２に示した充電電源１０と同様に、コンバータ及びコンバータコントローラを含む。制御装置５０は、励振用充電電源１０Ｅに励振用の動作指令Ｔｒｇ２Ｅを与え、シマー用充電電源１０Ｓにシマー用の動作指令Ｔｒｇ２Ｓを与える。

【0078】

図１１は、制御装置５０が行う制御のブロック線図である。図６に示した実施例では、切替ブロック５３、５４が、フィードバックループＦＢＬ１とＦＢＬ２との切り替えを行い、一方のフィードバックループのみが動作する。これに対して図１１に示した実施例では、フィードバックループＦＢＬ１とＦＢＬ２とが相互に独立している。フィードバックループＦＢＬ１の制御は、図６に示した実施例において、切替ブロック５３、５４が、フィードバックループＦＢＬ１を選択しているときの制御と同一である。フィードバックループＦＢＬ２の制御は、図６に示した実施例において、切替ブロック５３、５４が、フィードバックループＦＢＬ２を選択しているときの制御と同一である。

【0079】

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、充電電源１０がシマー用充電電源１０Ｓと励振用充電電源１０Ｅとを別々に含んでいるため、シマー用充電電源１０Ｓのコンバータのリアクトルのインダクタンスと、励振用充電電源１０Ｅのコンバータのリアクトルのインダクタンスとを、異ならせることが可能である。このため、シマー充電制御においてリアクトルを流れる電流の増加及び減少の傾きと、励振充電制御においてリアクトルを流れる電流の増加及び減少の傾きとを異ならせることができる。これにより、シマー充電制御時及び励振充電制御時のそれぞれにおいて、リアクトルを流れる電流の増加及び減少の傾きを好ましい傾きに個別に調整することが可能である。

【0080】

さらに、本実施例では、シマー用充電電源１０Ｓ及び励振用充電電源１０Ｅを同時に動作させることが可能である。例えば、制御装置５０がシマー充電制御中に励振指令Ｓｉｇ＿ｅを受信した場合、シマー充電制御と並行して励振充電制御を実行することが可能である。

【0081】

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】

【0082】

１０ 充電電源
１０Ｅ 励振用充電電源
１０Ｓ シマー用充電電源
１１ コンバータ
１２ コンバータコントローラ
２０ 高周波電源
３０ バンクコンデンサ
３５ 電圧センサ
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
５０ 制御装置
５１、５２ ＰＩＤ制御ブロック
５３、５４ 切替ブロック
５５、５６ オン時間制限ブロック

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】