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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-08-01
(45)【発行日】2023-08-09
(54)【発明の名称】レーザ発振器
(51)【国際特許分類】
H01S 5/042 20060101AFI20230802BHJP
H01S 3/0933 20060101ALI20230802BHJP
H01S 3/0941 20060101ALI20230802BHJP
H02M 7/12 20060101ALI20230802BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20230802BHJP
【ＦＩ】
H01S5/042 630
H01S3/0933
H01S3/0941
H02M7/12 Q
B23K26/00 Q
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2019186741
(22)【出願日】2019-10-10
(65)【公開番号】P2021064636
(43)【公開日】2021-04-22
【審査請求日】2022-06-16
(73)【特許権者】
【識別番号】390008235
【氏名又は名称】ファナック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106002
【弁理士】
【氏名又は名称】正林 真之
(74)【代理人】
【識別番号】100165157
【弁理士】
【氏名又は名称】芝 哲央
(74)【代理人】
【識別番号】100160794
【弁理士】
【氏名又は名称】星野 寛明
(72)【発明者】
【氏名】田中 康之
【審査官】右田 昌士
(56)【参考文献】
【文献】欧州特許出願公開第００６４９６６７（ＥＰ，Ａ２）
【文献】特開２０１９－１４５６５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６４－０２３５８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１０３４１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２３６０３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／１８４９０５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－１９５００４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０００１００２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００２／００９２８０２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】J. Doval-Gandoy et al.，High voltage power supply for rotary die laser cutting system，2002 IEEE 33rd Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference. Proceedings (Cat. No.02CH37289)，2002年06月，Year: 2002 | Volume: 3，DOI: 10.1109/PSEC.2002.1022335
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０
Ｈ０１Ｓ ３／００ － ３／３０
Ｈ０２Ｍ ７／００ － ７／４０
Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０
ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光を出力し、ワークを加工するレーザ発振器であって、筐体と、
前記筐体内に配置され、電源に接続されて所定の消費電力の第１の機器に電力を供給するトランスと、
前記筐体内に配置され、力率を１に近付ける力率改善回路を有するとともに、前記電源に接続されて前記第１の機器よりも相対的に高い消費電力の第２の機器に電力を供給する力率改善ユニットと、
を備えるレーザ発振器。
【請求項2】
前記第１の機器は、除湿器、制御電源、安全回路、接触器コイル、又はファンモータの少なくとも何れかである請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項3】
前記第２の機器は、発振用ファイバ、前記発振用ファイバに励起光を入射するためのレーザダイオード、又は前記レーザダイオードに電力を供給するレーザダイオード電源の少なくとも何れかである請求項１又は２に記載のレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ発振器に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、レーザ光を用いてワークを加工するレーザ加工機が知られている。レーザ加工機には、ワークに照射するレーザ光を生成するためのレーザ発振器が設けられる。この種の技術が記載されているものとして例えば特許文献１がある。特許文献１には、励起光を供給する発光部（キャビティユニット）と、キャビティユニットに電流を供給し、複数個の発光素子の発光を制御するための電源ユニットと、を有するレーザ発振器が記載されている。
【0003】
レーザ発振器には、各国の電源事情に応じて異なる電源電圧が配電盤等から供給される。例えば、日本国では２００Ｖ、欧州では４００Ｖ、米国では４８０Ｖ、中国では３８０Ｖである。各国の電源電圧に対応するために、電圧を変換するトランスが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１７－１０３４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
トランスはレーザ発振器に内蔵されるか、あるいは別置されるが、レーザ発振器のレーザ光の出力強度を高くすると、トランスを多数設けたり、トランスを大型化したりする必要がある。トランスは比較的安価であるが、レーザ発振器に大型のトランスや多数のトランスが収容されると、レーザ発振器が大型化するという課題があった。
【0006】
本発明は、製造コストが抑えられ、より小型化したレーザ発振器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】
【0007】
本開示の一態様は、レーザ光を出力するレーザ発振器であって、筐体と、前記筐体内に配置され、電源に接続されて所定の消費電力の第１の機器に電力を供給するトランスと、前記筐体内に配置され、力率を１に近付ける力率改善回路を有するとともに、前記電源に接続されて前記第１の機器よりも相対的に高い消費電力の第２の機器に電力を供給する力率改善ユニットと、を備えるレーザ発振器に関する。
【発明の効果】
【0008】
一態様によれば、製造コストが抑えられ、より小型化したレーザ発振器を提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一実施形態に係るレーザ発振器の電気的な構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の一実施形態に係るレーザ発振器の力率改善ユニットを示す概略図である。
【図3】本発明の一実施形態に係るレーザ発振器の具体的な構成の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
【0011】
図１に示すように、一実施形態に係るレーザ発振器１は、筐体１０と、所定の消費電力の第１の機器２０と、第１の機器２０よりも消費電力の高い第２の機器３０と、ビームコンバイナ１１と、レーザ加工ヘッド１２と、トランス４０と、力率改善ユニット５０と、を備える。レーザ発振器１は、交流電源である電源２から配電盤３を介して供給される電力によって作動し、レーザ光を照射する。
【0012】
図１に示すように、筐体１０には、第１の機器２０と、第２の機器３０と、ビームコンバイナ１１と、トランス４０と、力率改善ユニット５０と、が収容される。
【0013】
第１の機器２０は、レーザ発振器１を構成する機器のうち、相対的に消費電力が低い機器である。レーザ発振器１は、第１の機器２０として、除湿運転を行う除湿機２１、制御電源２２、安全回路２３、接触器コイル２４、２４Ｖの電源ユニット２５、ファンモータ２６を備える。
【0014】
第２の機器３０は、第１の機器２０よりも相対的に消費電力が高い機器である。第２の機器３０は、主にレーザ光の出力に直接的に寄与する機器であり、例えば、ＬＤ電源ユニット３１，３２（レーザダイオード電源）と、レーザキャビティユニット３３，３４と、レーザキャビティユニット３３，３４に含まれるレーザダイオード３３ａ，３４ａと、発振用ファイバ３５と、を含む。
【0015】
次に、第２の機器３０のそれぞれの構成について説明する。
【0016】
ＬＤ電源ユニット３１，３２は、スイッチング回路（図示省略）、平滑回路（図示省略）、制御回路（図示省略）等を有する。スイッチング回路は、スイッチング用トランジスタ及びダイオードを有する。このスイッチング回路は、制御回路からの制御信号に応じてスイッチング用トランジスタをオンオフし、ダイオードと協働して充電電流を生成する。平滑回路は、インダクタンス素子及び容量素子を有する。この平滑回路は、充電電流から容量素子の両端に直流電圧を生成し、レーザキャビティユニット３３，３４に出力する。
【0017】
レーザキャビティユニット３３は、レーザ発振器１のレーザ光源であるレーザダイオード３３ａを有し、ＬＤ電源ユニット３１から供給される電圧に応じたレーザ光を生成する。具体的には、ＬＤ電源ユニット３１から電力がレーザダイオード３３ａに供給されると、レーザダイオード３３ａが発振用ファイバ３５に励起光を入射する。
【0018】
レーザキャビティユニット３４は、レーザ発振器１のレーザ光源であるレーザダイオード３４ａを有し、ＬＤ電源ユニット３２から供給される電圧に応じたレーザ光を生成する。具体的には、ＬＤ電源ユニット３２から電力がレーザダイオード３４ａに供給されると、レーザダイオード３４ａが発振用ファイバ３５に励起光を入射する。
【0019】
発振用ファイバ３５は、レーザキャビティユニット３３，３４のそれぞれと、ビームコンバイナ１１と、レーザ加工ヘッド１２との間に接続され、レーザ光を伝搬する。レーザキャビティユニット３３、３４から発振された励起光を発振用ファイバ３５によりビームコンバイナ１１に伝搬される。
【0020】
ビームコンバイナ１１は、レーザキャビティユニット３３，３４において生成されたレーザ光を合成してレーザ加工ヘッド１２へ入力する。レーザ加工ヘッド１２は、ワークに対してレーザ光を照射する。
【0021】
次に、トランス４０について説明する。トランス４０は、配電盤３の電源２に接続される。トランス４０は、電源２から供給される交流電圧を昇圧又は降圧し、消費電力が低い第１の機器２０に供給する。除湿機２１、制御電源２２等の第１の機器２０は、消費電力が低いため、小型のトランス４０を用いることができる。このため、トランス４０は、小型であり、筐体１０に収容される。
【0022】
次に、力率改善ユニット５０について説明する。力率改善ユニット５０は、配電盤３を介して電源２に接続される。力率改善ユニット５０は、電源２から供給される交流電圧を調整して、第２の機器３０であるＬＤ電源ユニット３１，３２、レーザキャビティユニット３３，３４、発振用ファイバ３５に電力を供給する。力率改善ユニット５０は、力率改善回路５３を有し、筐体１０に収容される。本実施形態に係る力率改善ユニット５０は、ＡＣ３８０Ｖ～ＡＣ４８０Ｖの範囲の異なる電源電圧に対応可能に構成される。また、力率改善ユニット５０は、結線方式についても、複数の結線方法に対応可能に構成される。例えば、スター結線からデルタ結線に切り替え可能である。
【0023】
力率改善ユニット５０は、特定の値の交流電圧が入力可能で、且つ内部で昇圧又は降圧して直流電圧を出力する整流回路である。例えば、図２に示すように、力率改善ユニット５０は、６個のダイオード５１と、容量素子５２と、力率改善回路（ＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ））５３と、等を有する。力率改善回路５３は、力率を１に近付ける回路である。なお、力率改善ユニット５０における力率改善回路５３以外の構成は、一般的な整流回路の構成であって周知であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
【0024】
次に、一実施形態に係るレーザ発振器１の使用例について説明する。図３は、配電盤３に接続された本実施形態に係るレーザ発振器１の具体的な構成の一例を示す概略図である。なお、図３において、制御電源２２、ビームコンバイナ１１の図示を省略している。
【0025】
レーザ発振器１の電力源となる電源２は、電源電圧がＡＣ３８０ＶからＡＣ４８０Ｖの三相交流電源である。電源２の結線方式は、三相３線式のスター結線である。レーザ発振器１には、配電盤３を介して電源２のＵ相、Ｖ相、及びＷ相の３本のケーブルが接続され、交流電圧が供給される。交流電圧は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相から筐体１０内に入り、接触器及び分岐ブレーカを介して主にＡＣ４００Ｖの入力電圧として力率改善ユニット５０に供給される。
【0026】
レーザ発振器１の力率改善ユニット５０は、第１力率改善ユニット５０ａ、第２力率改善ユニット５０ｂの２個設けられる。第１力率改善ユニット５０ａは、ＬＤ電源ユニット３１に接続され、力率を１に近づけるとともに直流電圧をＬＤ電源ユニット３１に供給する。第２力率改善ユニット５０ｂは、ＬＤ電源ユニット３２に接続され、力率を１に近づけるとともに直流電圧をＬＤ電源ユニット３２に供給する。
【0027】
レーザキャビティユニット３３には、ＬＤ電源ユニット３１からのＤＣ３８０Ｖの電圧が供給され、レーザダイオード３３ａがレーザ光を生成し、発振用ファイバ３５に励起光を入射する。レーザキャビティユニット３４には、ＬＤ電源ユニット３２からのＤＣ３８０Ｖの電圧が供給され、レーザダイオード３４ａがレーザ光を生成し、発振用ファイバ３５に励起光を入射する。
【0028】
トランス４０には、電源２のＵ相及びＶ相の２本のケーブルから単相のＡＣ４００Ｖの交流電圧が供給される。トランス４０は、ＡＣ４００ＶからＡＣ２００Ｖに電圧を降圧し、二次側にある除湿機２１、制御電源２２、安全回路２３、接触器コイル２４、２４Ｖの電源ユニット２５、ファンモータ２６にＡＣ２００Ｖの電圧を供給する。本実施形態では、各第１の機器２０の入力可能な電圧がＡＣ２００Ｖとなり、その仕様が共通化されている。これにより、異なる出力電圧のトランス４０を用いずにより容易に各第１の機器２０に電力を供給できる。
【0029】
以上説明した本開示の一実施形態に係るレーザ発振器１によれば、以下のような効果を奏する。
【0030】
本開示の一実施形態に係るレーザ発振器１では、筐体１０にトランス４０と力率改善ユニット５０を収容し、電力を供給するトランス４０と力率改善ユニット５０をレーザ発振器１の電気機器の消費電力によって使い分けている。これにより、レーザ発振器１全体の製造コストの上昇を抑えつつ、レーザ発振器１の小型化が実現できる。
【0031】
具体的には、力率改善ユニット５０を使用せずに第２の機器３０に電力を供給すると、第２の機器３０の消費電力が高いため、動力入力部等のレーザ発振器１の電気部品の容量が大きくなる。本実施形態に係るレーザ発振器１では、力率改善ユニット５０が力率を改善し、ＬＤ電源ユニット３１，３２に流れる無効電流が減少するので、消費電力が高い第２の機器３０への効率的な電力の供給が可能となり、レーザ発振器１全体の小型化が可能となる。また、力率改善ユニット５０は、冷却できるので、トランス４０よりも小型化できるうえに発熱の発生も抑制できるため、筐体１０の構造がシンプルなレーザ発振器１に内蔵できる。
【0032】
また、トランス４０を消費電力が高い第２の機器３０に対して用いると、供給する電力量が大きくなるため、トランス４０を大型化させる必要があるとともに、トランス４０の発熱量が増加する。本実施形態に係るレーザ発振器１では、トランス４０が電力を供給する第１の機器２０の消費電力が小さいため、トランス４０の小型化が可能となり、発熱も抑えられる。また、トランス４０は、力率改善ユニット５０と比較して安価であるため、レーザ発振器１の電気機器の消費電力によってトランス４０と力率改善ユニット５０を使い分けることにより、レーザ発振器１の製造コストを抑えることができる。
【0033】
さらに、本開示の一実施形態に係るレーザ発振器１は、力率改善ユニット５０が異なる電源電圧及び結線方法に対応可能であり、トランス４０が電力を供給する第１の機器２０の入力可能な電圧の仕様が共通化している。これにより、電源２から供給される入力電圧に対応したトランス４０を選択すれば、各国の異なる電源電圧及び結線方法に対応することが可能となる。
【0034】
以上、本開示に関する一実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
【0035】
上記実施形態では、第１力率改善ユニット５０ａ、第２力率改善ユニット５０ｂは、ＬＤ電源ユニット３１，３２とは異なるユニットとして設けられているが、一体化したユニットとしてもよい。具体的には、第１力率改善ユニット５０ａをＬＤ電源ユニット３１に内蔵させ、第２力率改善ユニット５０ｂをＬＤ電源ユニット３２に内蔵させてもよい。
【0036】
上記実施形態では、各第１の機器２０に入力可能な電圧の仕様を共通化したが、第１の機器２０に入力可能な電圧の設計は特に制限されず、それぞれ異なる電圧としてもよい。
【符号の説明】
【0037】
１ レーザ発振器
２ 電源
１０ 筐体
２０ 第１の機器
３０ 第２の機器
４０ トランス
５０ 力率改善ユニット
５３ 力率改善回路
２ 電源
１０ 筐体
２０ 第１の機器
３０ 第２の機器
４０ トランス
５０ 力率改善ユニット
５３ 力率改善回路
【図1】
【図2】
【図3】