(57)【要約】【課題】ガス混合比不良などで生じる高電圧電源の異常電圧の発生を抑制し、過電圧による半導体整流素子の破損を防止して、高信頼性のレーザ発振装置を提供する。【解決手段】レーザ共振器より出力レーザ光を照射するタイミングを決める照射指令部と、前記照射指令部の出力信号により予め設定された電流値信号を出力する電流値設定部と、前記電流値設定部の出力信号と電流検出部の電流値出力信号を比較する比較制御手段とを備え、前記電流値検出部の出力信号が所定の電流値未満の場合、最大パルス切換手段の出力信号でパルス幅演算手段のパルス幅を短く制限することにより昇圧トランス部で発生する異常電圧の発生を抑制し、半導体整流素子を絶縁破壊より防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ共振器より出力レーザ光を照射するタイミングを決める照射指令部と、前記照射指令部の出力信号により予め設定された電流値信号を出力する電流値設定部と、前記電流値設定部の出力信号と電流検出部の電流値出力信号を比較する比較制御手段と、前記比較制御手段の出力信号をパルス幅に変換するパルス幅演算手段と、前記パルス幅演算手段のパルス信号で制御素子をスイッチングするインバータ部と、前記インバータ部の出力信号を直流高電圧に変換し電流検出部を経由してレーザ共振器に電力を供給する昇圧トランス部と、前記電流検出部の検出信号でパルス幅を切換える最大パルス幅切換手段とを備え、前記電流検出部の検出信号が所定の電流値未満の場合に狭いパルス幅、また、所定の電流値を超えた場合に広いパルス幅に切換えることによりインバータ部の制御素子の最大パルス幅をする制限する最大パルス幅切換手段を有することを特徴とするレーザ発振装置。
【請求項２】
前記最大パルス幅切換手段は、前記電流検出部の検出信号と所定の電流値設定信号とを比較する電流値判定部と、複数のパルス幅が予め設定されているパルス幅設定部と、前記電流値判定部の出力信号により前記パルス幅設定部のパルス幅を切換えるパルス幅切換部と、前記パルス幅切換部の出力信号でパルス幅演算手段のパルス幅を制限するように制御するパルス幅制限部とを有したことを特徴とする請求項１記載のレーザ発振装置。
【請求項３】
前記最大パルス幅切換手段は、前記電流検出部の検出信号と所定の電流値設定信号とを比較する電流値判定部と、前記電流値設定部の電流値指令に応じてパルス幅を演算するパルス幅演算部と、前記電流値判定部の出力信号により前記パルス幅演算部のパルス幅を切換えるパルス幅切換部と、前記パルス幅切換部の出力信号でパルス幅演算手段のパルス幅を制限するように制御するパルス幅制限部とを有したことを特徴とする請求項１記載のレーザ発振装置。
【請求項４】
加工物を乗せる加工テーブルと、前記加工テーブルの移動とレーザ光の集光手段の少なくとも一方を移動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する数値制御手段と、レーザ光を発生する請求項１から３のいずれかに記載のレーザ発振装置とを備えたレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ発振用高電圧電源に過電圧保護回路を備えた、レーザ発振装置およびレーザ加工機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ発振装置の構成を図６に沿って説明する。
【０００３】
出力レーザ光の照射するタイミングを決める照射指令部７９の出力信号に基づき電流値設定部７８より電流値指令が出力される。その電流値指令と電流検出部７３の電流値出力信号を比較制御手段７７で比較後、パルス幅演算手段７６に出力される。
【０００４】
パルス幅演算手段７６では、比較制御手段７７の電圧信号を周波数一定のパルス幅変調したパルス信号に変換し、そのパルス信号によりインバータ部７５のパワー半導体などのスイッチング制御素子を駆動して、昇圧トランス部７４に高周波の交流電圧を供給する。
【０００５】
昇圧トランス部７４では、交流電圧を昇圧して高電圧ダイオードなどによる半導体整流素子で直流高電圧に変換し、レーザ共振器７１に電流検出部７３を経由して供給される。
【０００６】
一方、電流検出部７３の出力信号は比較制御部７７にフィードバックされ、レーザ共振器７１に安定した電流が供給されるようにフィードバック制御される。そして、上記照射指令部７９の指令時間だけレーザ共振器７１から出力レーザ光７２が照射される。
【０００７】
レーザ発振装置などに用いられるスイッチング方式の高電圧電源は、パルス幅変調によって出力電圧を制御する方式のため、高電圧電源のパルス幅と発生電圧の関係は、図７に示すようにパルス幅が広くなるに従って発生電圧が高くなる構造となっている。
【０００８】
ガスレーザ発振装置などの放電負荷の場合、ガス配管継手などの締付け部の緩みによるガス漏れやガス循環経路に経年変化で真空リークが発生した場合、レーザガスの混合比不良が生じて、一時的に放電開始電圧が上昇し、放電が開始できない放電異常状態が発生することがある。その放電異常時の高電圧電源の発生電圧は、放電が正常な場合の電圧に比べ、約２倍から３倍に増加することがあった。
【０００９】
また、電流フィードバック制御ループの開放や配線の接続不良による負荷の開放などの異常が発生した場合、高電圧電源の出力電圧を監視していて、過電圧が発生時にスイッチング制御素子の駆動を停止し、昇圧トランス部の半導体整流素子を過電圧破壊より保護する場合がある。
【００１０】
このように、レーザガスの混合比不良などの負荷インピーダンス異常や外乱による制御系異常などの負荷側異常によって発生する過電圧から昇圧トランス部やインバータ部の半導体を保護するため過電圧保護機能を持った発明が知られている（例えば特許文献１を参照）。
【００１１】
この特許文献１に記載された発明では、入力電圧に反比例させる制御信号をパルス幅変調器に入力し、パルス幅変調器の最大パルス幅を一定値に制御して出力電圧を制御する方式のため、入力電圧の変動に対して出力電圧の過電圧を抑制することは出来るが電流フィードバック制御ループの開放、配線接続不良による負荷の開放などの異常による過電圧の保護には十分ではなった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開昭６４−５５０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このような従来のレーザ発振装置で、真空リークやガス漏れなどによるレーザガス混合比不良が発生した場合には、一時的に放電開始電圧が上昇するため、放電管で放電が開始できなくなることが有り、昇圧トランス部で発生した異常電圧により高電圧配線の絶縁破壊や昇圧トランス部の交流電圧を整流し、直流電圧に変換する半導体整流素子の絶縁破壊や素子劣化を加速するという問題が有った。
【００１４】
また、電流フィードバック制御ループの開放や配線の接続不良による負荷の開放などの異常が発生した場合、高電圧電源の出力電圧を監視していて、過電圧が発生時にスイッチング制御素子の駆動を停止し、昇圧トランス部の半導体整流素子を過電圧破壊より保護する過電圧保護回路は、過渡応答性を早くすると周囲環境変化や外来ノイズなどの影響で誤動作が発生しやすくなり頻繁に停止することがあった。また、過度応答性を遅くすると保護回路が動作するまでに出力電圧が上昇するため、昇圧トランス部の半導体整流素子を破壊から守るためには、耐電圧の高い高価な半導体整流素子が必要になるという問題も有った。
【００１５】
そのため、レーザガス混合比不良などで放電開始電圧が上昇して昇圧トランス部の交流電圧を直流電圧に変換する半導体整流素子の絶縁破壊が発生したり、また、高電圧電源の出力電圧監視装置の応答性により高耐圧の整流素子の使用や誤動作の発生を招くという課題を有していた。
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するもので、電流検出によりインバータ部の最大パルス幅を制限する過電圧保護回路を備え、安定なレーザ出力が可能なレーザ発振装置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】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明にかかる第１の発明のレーザ発振装置は、レーザ共振器より出力レーザ光を照射するタイミングを決める照射指令部と、前記照射指令部の出力信号により予め設定された電流値信号を出力する電流値設定部と、前記電流値設定部の出力信号と電流検出部の電流値出力信号を比較する比較制御手段と、前記比較制御手段の出力信号をパルス幅に変換するパルス幅演算手段と、前記パルス幅演算手段のパルス信号で制御素子をスイッチングするインバータ部と、前記インバータ部の出力信号を直流高電圧に変換し電流検出部を経由してレーザ共振器に電力を供給する昇圧トランス部と、前記電流検出部の検出信号でパルス幅を切換える最大パルス幅切換手段とを備え、前記電流検出部の検出信号が所定の電流値未満の場合に狭いパルス幅、また、所定の電流値を超えた場合に広いパルス幅に切換えることによりインバータ部の制御素子の最大パルス幅を制御する最大パルス幅切換手段を具備するものである。
【００１８】
この構成により電流検出部の検出信号が所定の電流値未満の場合に狭いパルス幅に切換えることによりインバータ部の制御素子の最大パルス幅を制限するため、放電管での放電異常や配線の接触不良などの原因による昇圧トランス部で発生する異常電圧を抑制することができ、高電圧配線の絶縁破壊や昇圧トランス部の整流素子の破壊や素子劣化を防止することができる。
【００１９】
さらに、本発明のレーザ発振装置は、第１の発明のレーザ発振装置において、前記最大パルス幅切換手段が、前記電流検出部の検出信号と所定の電流値設定信号とを比較する電流値判定部と、複数のパルス幅が予め設定されているパルス幅設定部と、前記電流値判定部の出力信号により前記パルス幅設定部のパルス幅を切換えるパルス幅切換部と、前記パルス幅切換部の出力信号でパルス幅演算手段のパルス幅を制限するように制御するパルス幅制限部とを具備するものである。
【００２０】
この構成により上記と同様な効果のほか、電流検出部の検出信号でパルス幅設定部の複数のパルス幅を切換えることによりパルス幅演算手段へのパルス幅を制限する処理が高速化および簡素化され、繰り返し再現性の良い正確な動作が可能となり信頼性が向上する。
【００２１】
さらに、本発明のレーザ発振装置は、第１の発明のレーザ発振装置において、前記電流検出部の検出信号と所定の電流値設定信号とを比較する電流値判定部と、前記電流値設定部の電流値指令に応じてパルス幅を演算するパルス幅演算部と、前記電流値判定部の出力信号により前記パルス幅演算部のパルス幅を切換えるパルス幅切換部と、前記パルス幅切換部の出力信号でパルス幅演算手段のパルス幅を制限するように制御するパルス幅制限部とを具備するものである。
【００２２】
この構成により上記と同様な効果のほか、電流値設定部の電流値指令に応じてスイッチング制御素子の最大パルス幅を演算するパルス幅演算部を設けたことにより最大パルス幅を電流値指令に対応した最適設定することが可能となり、過電圧に対する保護性能が高まり、さらに信頼性を向上することが出来る。
【００２３】
さらに、本発明のレーザ発振装置は、上述全ての発明のレーザ発振装置において、加工物を乗せる加工テーブルと、前記加工テーブルの移動とレーザ光の集光手段の少なくとも一方を移動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する数値制御手段と、レーザ光を発生するレーザ発振装置を具備したものである。
【００２４】
この構成によ上記と同様な効果のほか、数値制御手段によりレーザ発振装置が統括的に制御され、レーザ加工の信頼性が向上すると共に加工ワークの不良品の混入を防止することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明は、昇圧トランス部よりレーザ共振器への出力電流値が所定の電流値未満の場合にインバータ部のスイッチング制御素子のゲートパルス幅を制限させて、放電管の放電異常時に昇圧トランス部で発生する異常電圧を抑制することにより昇圧トランス部の整流素子の絶縁破壊や素子の劣化を防止することができる。また、電流検出部の配線の断線によるフィードバック信号異常や電流検出部の故障による過電圧の発生を未然に防止し、レーザ出力の安定化と信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のレーザ発振装置の実施の形態１におけるブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における最大パルス幅切換手段の詳細ブロック図
【図３】本発明の実施の形態１における最大パルス幅切換手段の詳細ブロック図
【図４】本発明の実施の形態における最大パルス幅制限時のパルス幅と発生電圧の関係図
【図５】本発明の実施の形態におけるレーザ加工機の構成図
【図６】従来のレーザ発振装置のブロック図
【図７】高電圧電源のパルス幅と発生電圧の関係図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１から図５を用いて説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は本発明のレーザ発振装置の実施の形態におけるブロック図である。
【００２９】
図１に示すように、実施の形態１おけるレーザ発振装置は、レーザ共振器１、出力レーザ光２、電流検出部３、昇圧トランス４、インバータ部５、パルス幅演算手段６、比較制御手段７、電流値設定部８、照射指令部９、および最大パルス切換手段１０、を有する。
【００３０】
以上のように構成されたレーザ発振装置について、その動作を説明する。
【００３１】
このレーザ発振装置は、出力レーザ光を照射するタイミングを決める照射指令部９の出力信号に基づき電流値設定部８より電流値指令が出力される。電流値指令と電流検出部３の電流値出力信号を比較制御手段７で比較後、パルス幅演算手段６に出力される。パルス幅演算手段６では、比較制御手段７の電圧信号を周波数一定のパルス幅変調のパルス信号に変換し、インバータ部５に出力される。インバータ部５では、パワー半導体などの制御素子をスイッチング制御して、昇圧トランス部４に交流電圧を供給する。昇圧トランス部４では、トランスと高電圧整流素子で交流電圧を直流高電圧の出力信号に変換され、レーザ共振器１に電流検出部３を経由して供給される。一方、電流検出部３の出力信号は、比較制御部７にフィードバックされ、レーザ共振器１に安定した電流が供給されるようにフィードバック制御される。
【００３２】
また、電流検出部３の出力信号は、最大パルス幅切換手段１０に入力され、電流検出部３の出力信号が所定の電流値未満の場合にはパルス幅演算手段６の出力パルス幅を予め設定されていた狭い状態の最大パルス幅を選択するように切換える。また、所定の電流値を超えた場合に広い状態の最大パルス幅に切換える構成となっている。
【００３３】
昇圧トランス部４よりレーザ共振器１への出力電流が電流検出部３で検出されない場合、電流フィードバック制御のため、パルス幅演算手段６よりインバータ部５へのパルス幅は最大パルス幅まで拡大され、昇圧トランス部４の出力電圧は最大電圧まで増加する。
【００３４】
この電流値検出部の出力信号が所定の電流値未満の場合、最大パルス切換手段１０の出力信号でパルス幅演算手段６のパルス幅を短く制限することにより昇圧トランス部で発生する異常電圧を抑制することができ、高電圧配線の絶縁破壊や昇圧トランス部の整流素子の破壊や素子劣化を防止することができる。
【００３５】
図２は本発明の実施の形態１における最大パルス幅切換手段の詳細ブロック図を示す。図２を参照しながら最大パルス切換手段の詳細な動作ついて説明する。
【００３６】
図２に示すように、実施の形態１おける最大パルス幅切換手段は、パルス幅制限部３１、パルス幅切換部３２、電流値判定部３３、およびパルス幅設定部３４を有する。
【００３７】
インバータ部５には、３相交流電源２１の交流電圧を３相整流部２２の整流器と平滑部２３のコンデンサで構成された整流平滑回路により直流電圧が供給される。昇圧トランス部４とレーザ共振器１の間には、カーレントトランス（ＣＴ）などによる電流検出部３が設けられていて、昇圧トランス部４の出力電流に比例した電圧信号を検出している。電流検出部３より出力される昇圧トランス部４の出力電流に比例した電圧信号は、比較制御手段７でフィードバック制御されると同時に電流値判定部３３で所定の設定値と比較され、電流検出部３の出力信号が所定の設定値未満の場合にはパルス幅設定部３４の狭いパルス幅を選択するようにパルス幅切換部３２で切換える。また、電流検出部３の出力信号が所定の電流値を超えた場合に広いパルス幅を選択するように切換える構成となっている。
【００３８】
パルス幅制限部３１は、パルス幅切換部３２の出力信号でパルス幅演算手段６の出力パルス幅を制限するように構成されていて、パルス幅切換部３２で選択したパルス幅を最大パルス幅として制御するようになっている。
【００３９】
この構成により電流検出部の検出信号でパルス幅設定部の複数のパルス幅を切換えることによりパルス幅演算手段へのパルス幅を制限する処理が高速化および簡素化され、繰り返し再現性の良い正確な動作が可能となり信頼性を向上することが出来る。
【００４０】
図３は本発明の実施の形態１における最大パルス幅切換手段の詳細ブロック図を示す。図３を参照しながら最大パルス切換手段の詳細な動作ついて説明する。
【００４１】
図３に示すように、実施の形態１おける最大パルス幅切換手段は、パルス幅制限部３１、パルス幅切換部３２、電流値判定部３３、およびパルス幅演算部３５を有する。
【００４２】
昇圧トランス部４の出力電流に比例した電流検出部３より電圧信号は、比較制御手段７でフィードバック制御されると同時に電流値判定部３３で所定の設定値と比較され、電流検出部３の出力信号が所定の設定値未満の場合にはパルス幅演算部３５の狭いパルス幅を選択するようにパルス幅切換部３２で切換える。また、電流検出部３の出力信号が所定の電流値を超えた場合に広いパルス幅を選択するように切換える構成となっている。
【００４３】
パルス幅演算部３５は、電流値設定部８の電流値指令の出力信号に比例したパルス幅を演算し、電流値指令が大きくなるに従ってパルス幅を広くすることによりインバータ部５のスイッチング制御素子の最大パルス幅を電流値指令に対応した最適設定するように構成されている。
【００４４】
パルス幅制限部３１は、パルス幅切換部３２の出力信号でパルス幅演算手段６の出力パルス幅を制限するように構成されていて、パルス幅切換部３２で選択したパルス幅を最大パルス幅として制御するようになっている。
【００４５】
この構成により電流値指令に応じてスイッチング制御素子の最大パルス幅を演算するパルス幅演算部を設けたことにより最大パルス幅を電流値指令に対応した最適設定することが可能となり、過電圧に対する保護性能が高まり、さらに信頼性を向上することができる。
【００４６】
図４は本発明の実施の形態１における最大パルス幅制限時のパルス幅と発生電圧の関係図を示す。
【００４７】
インバータ部５の制御素子のパルス幅と昇圧トランス部４の発生電圧の関係は、パルス幅が広くなるに従って発生電圧が高くなる比例関係で図４に示すような関係になる。しかし、放電管の放電異常や配線の断線などにより電流検出部３よりの電流フィードバック信号が比較制御手段にフィードバックされない場合、図４の最大パルス幅制限なしに示すように最大のパルス幅でスイッチング制御素子が駆動されるため、発生電圧はＶ１まで上昇し、過大な電圧による高電圧整流素子の絶縁破壊を招くことある。
【００４８】
本発明の最大パルス幅切換手段による最大パルス幅を制限する場合、図４の最大パルス幅制限有りに示すように発生電圧はＶ２まで制限され、放電異常時の発生電圧を抑制できるため、半導体整流素子の劣化を防止することができる。
【００４９】
なお、以上の構成からなるレーザ発振装置では、各構成に制御素子を設けて、各信号処理または各構成において制御するようにしたが、レーザ発振装置に、各構成に接続されるＣＰＵを設け、各処理を統括的に制御するようにしても良い。
【００５０】
図５は、本発明の実施の形態におけるレーザ加工機の構成図を示している。
【００５１】
レーザ加工機は、加工ワーク６１を乗せる加工テーブル６２と、加工テーブル６２の移動またはレーザ光を集光する集光手段６７の少なくとも一方を移動する駆動手段６３と、前記駆動手段６３を制御する数値制御手段６４と、レーザ発振装置６５と、レーザ光路６６とにより構成されている。
【００５２】
レーザ発振装置６５より出射されたレーザ光は、折返し鏡などで構成されたレーザ光路６６で伝送され集光手段６７により集光されて、加工ワーク６１に照射され、加工が開始される。それと同時に数値制御手段６４により駆動手段６３に指令が出力され、加工テーブル６２または集光手段６７の少なくとも一方を動作させて加工ワーク６１を加工される。
【００５３】
上記レーザ加工機によれば、放電負荷の変動による異常電圧の発生を防止し、高電圧回路の半導体整流素子の絶縁破壊や損傷防止を図り、レーザ光の出力パワーの安定な照射が可能となる。さらに数値制御手段によりレーザ発振装置が統括的に制御されことにより、レーザ加工の信頼性が向上すると共に加工ワークへの不良品の混入を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明のレーザ発振装置は、過電圧による半導体整流素子の破損を防止し、レーザ出力の安定および長期信頼性の向上に有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１    レーザ共振器
２    出力レーザ光
３    電流検出部
４    昇圧トランス部
５    インバータ部
６    パルス幅演算手段
７    比較制御手段
８    電流値設定部
９    照射指令部
１０    最大パルス幅切換手段
２１    ３相交流電源
２２    ３相整流部
２３    平滑部
３１    パルス幅制限部
３２    パルス幅切換部
３３    電流値判定部
３４    パルス幅設定部
３５    パルス幅演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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