(57)【要約】【課題】放電負荷の負荷変動による過電流検出保護回路の誤動作、および、高電圧スイッチング電源の半導体制御素子の過電流による損傷を防止し、高信頼性のレーザ発振装置を提供する。【解決手段】インバータ部６の出力電流を１次電流検出部で検出し、検出電流値が所定の電流値を超えた場合にインバータ部制御素子のゲートパルス幅を縮小させて、インバータ部６の出力電流値を制限するパルス幅制限手段３７の保護回路によりインバータ部制御素子で発生する電力損失を減少させて熱破壊より防止する。【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２次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電圧信号をパルス幅に変換し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レーザ共振器に電力を供給する昇圧トランス部と、前記インバータ部の出力電流を検出する１次電流検出部と、前記１次電流検出部の電流値出力により前記インバータ部の出力電流を制限する電流値制限手段とを備え、前記１次電流検出部で検出した電流値が所定の電流値を超えた場合に前記インバータ部の制御素子のゲートパルス幅制御により出力電流値を制限する電流値制限手段を有するレーザ発振装置。
【請求項２】
前記電流値制限手段は、前記１次電流検出部の交流出力信号を直流信号に変換する全波整流部と、前記全波整流部の直流出力信号と１次電流基準値設定部の所定の設定値を比較する１次電流値比較部と、前記１次電流値比較部の出力信号により前記インバータ部の出力電流を制限するように制御するパルス幅制限手段とを有した請求項１記載のレーザ発振装置。
【請求項３】
前記電流値制限手段は、前記１次電流値比較部の出力信号をカウントまたは積分する積算部と、前記積算部の出力が所定値を超えた場合に警報を出力する、または、装置の運転を停止させるインターロック機能を設けた警報手段を有することを特徴とする請求項１または２記載のレーザ発振装置。
【請求項４】
前記電流値制限手段は、前記電流値設定部の電流値指令に応じて前記インバータ部の制御素子の最大パルス幅を演算する最大パル幅演算手段と、前記最大パルス幅演算手段の出力信号によりパルス幅の最大値を制御するパルス幅制限手段を有することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のレーザ発振装置。
【請求項５】
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１〜４いずれか１項に記載のレーザ発振装置を備えたレーザ加工装置。
【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流保護回路を備えた、レーザ発振装置およびレーザ加工装置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８０の出力信号に基づき電流値設定部７９より電流値指令が出力される。その電流値指令と２次電流検出部７３の電流値出力信号を比較制御手段７８で比較後、インバータ部７６に出力される。
【０００４】
インバータ部７６では、比較制御手段７８の電圧信号をパルス幅変調のドライブ信号に変換し、パワー半導体などのスイッチング制御素子を制御して、１次電流検出部７５を経由して、昇圧トランス部７４に電力を供給する。
【０００５】
昇圧トランス部７４では、直流高電圧の出力信号に変換され、レーザ共振器７１に２次電流検出部７３を経由して供給される。
【０００６】
一方、２次電流検出部７３の出力信号は比較制御部７８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８０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】
また、２次電流検出部７３の出力電圧信号と基準値設定部８３の所定の基準値電圧信号を２次電流値比較部８２で比較する構成となっている。基準値電圧信号は、２次電流上限値の１２０〜２００％の範囲に設定されていて、２次電流検出部７３の出力電圧値が基準値電圧以上に上昇すると２次電流値比較部８２より出力信号が出力される。
【０００８】
出力を積算手段８４で時間の関数としてカウントまたは積分し、積算手段８４の出力が所定値を超えた場合に警報手段８５で警報表示を出力、または装置の運転を強制的に停止する等のインターロック機能を持っている。
【０００９】
一般にガスレーザ発振装置などの放電負荷の場合、高電圧電源よりレーザ共振器に供給される放電維持電圧と放電電流の関係は、図７に示される。図７に示すように、放電維持電圧は放電電流が増加するにつれて低下する負性曲線で制御が難しく、放電開始時には放電電流の振動や過電流などが発生しやすい状態で、２次電流検出によるフィードバック制御や２次電流検出によるインターロック機能では過電流検出までに遅れが発生し、過電流の抑制が困難で、最悪の場合、スイッチング制御素子が過電流により破損するという問題が有った。
【００１０】
このため、インバータ部７６の出力電流は、１次電流検出部７５で常時監視されていて、レーザ共振器７１の放電負荷状態の異常や昇圧トランス部７４などに故障が発生し、過電流が流れた場合、ゲート信号停止手段７７の出力信号でインバータ部７６のスイッチング制御素子のゲート信号を停止し、過電流よるスイッチング制御素子の破壊を防止する構成となっている。
【００１１】
また、ゲート信号停止手段７７では、スイッチング制御素子のゲート信号の停止と同時に警報表示の出力、または装置の運転を強制的に停止する等のインターロック機能を持った発明が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
この特許文献１に記載された発明では、高周波インバータのスイッチング制御素子に過電流が流れた場合、過電流検出時点でスイッチング制御素子のゲート信号を停止する構成となっているため、放電負荷などの負荷変動が大きい場合、放電開始初期の変動する電流を誤検出して、装置の運転を停止する場合があった。
【００１３】
また、スイッチング制御素子の過電流を一定時間の平均電流で検出する方法の場合、過電流よるスイッチング制御素子の電力損失が許容値を超えて破損する場合もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−７８４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
このような従来のレーザ発振装置で、昇圧トランス部の２次側に電流検出部を設けた場合、昇圧トランス部のコイルのリアクタンス成分や直流高電圧に変換する整流平滑回路などの影響により電流検出までに遅れが発生し、フィードバック制御による電流低減や２次電流値検出によるインターロック機能では過電流の抑制が困難で最悪の場合スイッチング制御素子が過電流により破損するという問題が有った。
【００１６】
また、昇圧トランス部の１次側に電流検出部を設けた場合、電流検出に遅れが発生しないため、過電流発生時、スイッチング制御素子のゲート信号を停止しスイッチング制御素子を過電流破壊より保護することができるが、放電負荷などの負荷変動が大きい場合、放電初期の変動電流を過電流として誤検出して、装置の運転が停止してしまうという問題も有った。
【００１７】
そのため、直流高電圧の放電負荷の乱れが発生した場合に過電流検出回路の誤動作が発生したり、また、高電圧スイッチング電源のスイッチング制御素子が過電流で損傷を招いたりするという課題を有していた。
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するもので、１次電流の検出によりインバータ部の出力電流値を制限する保護回路を備え、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】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１にかかるレーザ発振装置は、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２次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電圧信号をパルス幅に変換し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レーザ共振器に電力を供給する昇圧トランス部と、前記インバータ部の出力電流を検出する１次電流検出部と、前記１次電流検出部の電流値出力により前記インバータ部の出力電流を制限する電流値制限手段とを備え、前記１次電流検出部で検出した電流値が所定の電流値を超えた場合に前記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縮小制御することにより出力電流値を制限する電流値制限手段を具備するものである。
【００２０】
この構成によりインバータ部より昇圧トランス部の出力電流を１次電流検出部で検出し、電流値が所定の電流値を超えた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縮小させて、出力電流値を制限することによりインバータ部の半導体制御素子で発生する電力損失を減少させて熱破壊より防止することができる。
【００２１】
請求項２にかかるレーザ発振装置は、請求項１において、前記電流値制限手段は、前記１次電流検出部の交流出力信号を直流信号に変換する全波整流部と、前記全波整流部の直流出力信号と１次電流基準値設定部の所定の設定値を比較する１次電流値比較部と、前記１次電流値比較部の出力信号により前記インバータ部の出力電流を制限するように制御するパルス幅制限手段を具備するものである。
【００２２】
この構成により請求項１と同様な効果のほか、１次電流検出の交流出力信号を直流信号に変換し、所定の設定値と比較することにより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。
【００２３】
請求項３にかかるレーザ発振装置は、請求項１または２において、前記電流値制限手段は、前記１次電流値比較部の出力信号をカウントまたは積分する積算部と、前記積算部の出力が所定値を超えた場合に警報を出力する、または、装置の運転を停止させるインターロック機能を設けた警報手段を具備するものである。
【００２４】
この構成により請求項１または２と同様な効果のほか、１次電流値比較部の出力信号をカウントまたは積分する積算部と警報手段を設けたことにより直流高電圧放電負荷の乱れが発生した場合でも検出回路の誤動作が排除され、さらに信頼性を向上することが出来る。
【００２５】
請求項４にかかるレーザ発振装置は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記電流値制限手段は、前記電流値設定部の電流値指令に応じて前記インバータ部の制御素子の最大パルス幅を演算する最大パルス幅演算手段と、前記最大パルス幅演算手段の出力信号によりパルス幅の最大値を制御するパルス幅制限手段を具備するものである。
【００２６】
この構成により請求項１〜３のいずれか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最大パルス幅演算手段を設けたことにより２次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２次電流検出部の故障による過電流の発生を未然に防止し、さらに信頼性を向上することが出来る。
【００２７】
請求項５にかかるレーザ加工装置は、請求項１〜４のいずれかにおいて、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。
【００２８】
この構成により請求項１〜４のいずれか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】
【００２９】
以上のように、本発明は、インバータ部より昇圧トランス部への出力電流値が所定の電流値を超えた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縮小させて、出力電流値を制限することによりインバータ部の半導体制御素子を過電流の許容電力損失オーバーよる熱破壊より防止することができる。また、直流高電圧の放電負荷の乱れが発生した場合でも検出回路の誤動作を未然に防止し、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】
【００３０】
【図１】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
【図２】本発明の実施の形態における電流値制限手段の詳細ブロック図
【図３】本発明の実施の形態における電流値制限手段のタイミング図
【図４】本発明の実施の形態における電流値制限手段の電流値指令とパルス幅の関係図
【図５】本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の構成図
【図６】従来のレーザ発振装置のブロック図
【図７】ガスレーザ発振装置の放電維持電圧と放電電流の関係図
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための形態について、図１から図５を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるレーザ発振装置のブロック図である。
【００３２】
図１に示すように、実施の形態１に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、２次電流検出部３、昇圧トランス４、１次電流検出部５、インバータ部６、比較制御手段７、電流値設定部８、照射指令部９、および電流値制御手段１１を有する。
【００３３】
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。
【００３４】
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２次電流検出部３の電流値出力信号を比較制御手段７で比較後、インバータ部６に出力される。
【００３５】
インバータ部６では、比較制御手段７の電圧信号をパルス幅変調のゲート信号に変換し、パワー半導体などの制御素子をスイッチング制御して、１次電流検出部５を経由して、昇圧トランス部４に電力を供給する。
【００３６】
昇圧トランス部４では、トランスで昇圧後、直流高電圧の出力信号に変換され、レーザ共振器１に２次電流検出部３を経由して供給される。一方、２次電流検出部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。
【００３７】
また、インバータ部６の出力電流は、１次電流検出部５で検出され、レーザ共振器１の放電負荷状態の異常や昇圧トランス部４の故障などにより過電流が流れた場合、電流値制限手段１１の出力信号で前記インバータ部６のパワー半導体などで構成されているスイッチング制御素子のゲートパルス幅を縮小させて、出力電流を制限する構成となっている。
【００３８】
図２は本発明の実施の形態１における電流値制限手段の詳細ブロック図を示す。
【００３９】
図２を参照しながら電流値制限手段の詳細な動作ついて説明する。
【００４０】
図２に示すように本発明の実施の形態１における電流値制限手段は、全波整流部３１、１次電流値比較部３２、１次電流基準値設定部３３、積算部３４、警報手段３５、最大パルス幅演算手段３６、およびパルス幅制限手段３７を有する。
【００４１】
インバータ部６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。インバータ部６と昇圧トランス部４の間には、カーレントトランス（ＣＴ）などによる１次電流検出部５が設けられていて、インバータ部６の出力電流に比例した交流電圧信号を検出している。
【００４２】
１次電流検出部５より出力されるインバータ部６の出力電流に比例した交流信号は、全波整流部３１で直流信号に変換され、１次電流値比較部３２で１次電流基準値設定部３３が出力する所定の設定値と比較され、１次電流検出部５の出力信号が１次電流基準値設定部３３の所定の設定値を超えた場合、パルス幅制限手段３７によりゲート信号のパルス幅を減少する方向に制限され、インバータ部６のゲート制御手段に出力されることによりインバータ部６の出力電流が減少する構成となっている。
【００４３】
また、電流値制限手段１１は、１次電流値比較部３２のパルス出力信号を積算部３４でカウントまたは積分して、積算部３４の出力信号が所定値を超えた場合に警報を出力する、または、装置の運転を停止させるインターロック機能を備えた警報手段３５より構成されている。
【００４４】
この構成により、一時的に直流高電圧の放電負荷の急激な変動や乱れが発生し、インバータ部の出力電流に過電流が流れた場合でもパルス幅制限手段でゲートパルス幅を一時的に制限し、半導体制御素子で発生する電力損失を軽減すると同時に、一時的な過電流による検出回路の誤動作が排除され信頼性を向上することができる。
【００４５】
図３は本発明の実施の形態における電流値制限手段のタイミング図を示す。
【００４６】
図３の（Ａ）は全波整流部の出力電流の波形、図３の（Ｂ）は１次電流値比較部の出力信号の波形、図３の（Ｃ）はパルス幅制限手段の出力信号の波形を示している。
【００４７】
全波整流部出力信号（Ａ）の正常時の電流波形のピーク値は、１次電流基準値設定部の基準値以下であるため、１次電流値比較部出力信号（Ｂ）は、Ｌのまま変化しないが過電流時にはピーク電流値が前記基準値を超えるため、１次電流値比較部出力信号（Ｂ）は、ＬからＨに変化する。
【００４８】
そのためパルス幅制限手段の出力信号（Ｃ）は、正常時のパルス幅Ｔ１が過電流時にはＴ２に縮小されて、電流が流れる時間が短くなりインバータ部の出力電流が制限される。
【００４９】
さらに、電流値制限手段１１は、電流値設定部８の電流値指令の出力信号に応じてインバータ部６の制御素子の最大パルス幅を演算する最大パルス幅演算手段３６と最大パルス幅演算手段３６の出力信号によりパルス幅の最大値を制御するパルス幅制限手段３７とにより構成されている。
【００５０】
この構成により、配線の断線や部品の故障などにより昇圧トランス部の２次電流検出部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に発生するインバータ部の過電流に対して、最大パルス幅演算手段とパルス幅制限手段で電流値設定部の電流値指令に応じて演算した最大パルス幅（正常時電流の約１５０％程度に相当するパルス幅）にスイッチング制御素子のパルス幅を制御するため、一定値以上への電流値上昇が制限され過電流による半導体制御素子の破損を防止し、さらに信頼性を向上することが出来る。
【００５１】
図４は本発明の実施の形態における電流値制限手段の電流値指令とパルス幅の関係図を示す。
【００５２】
図２に示す電流値設定部８の電流指令とインバータ部６の制御素子のパルス幅との関係は、電流値指令が上昇するに従ってパルス幅が広くなる比例関係で、図４の正常時に示すような関係になる。
【００５３】
しかし、配線の断線や部品の故障などにより昇圧トランス部の２次電流検出部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電流値指令に関係なく、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、過大な過電流が流れ、最悪の場合、制御素子の破壊を招くことある。
【００５４】
本発明のパルス幅演算手段とパルス幅制限手段による電流値制限手段の場合、図４の最大パルス幅制限時に示すように電流値指令に比例して最大パルス幅が広くなる構成のため、電源電圧の変動や周囲環境条件の変動による影響を受けずに電流値指令に応じて最適に電流が制御される。また、フィードバック異常時には、スイッチング制御素子のパルス幅が制限され、過電流が抑制されるため、半導体制御素子の破損を防止することができる。
【００５５】
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。
【００５６】
図５は、本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の構成図を示している。
【００５７】
レーザ加工装置は、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、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により構成されている。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
上記レーザ加工装置によれば、放電負荷の変動による過電流検出回路の誤動作防止や高電圧スイッチング制御素子の過電流による損傷防止を図り、レーザ光の出力パワーの安定な照射が可能となる。
【００６１】
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】
【００６２】
本発明のレーザ発振装置は、過電流による半導体制御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】
【００６３】
１    レーザ共振器
２    出力レーザ光
３    ２次電流検出部
４    昇圧トランス部
６    インバータ部
７    比較制御手段
８    電流値設定部
９    照射指令部
１１    電流値制限手段
２１    ３相交流電源
２２    ３相整流部
２３    平滑部
３１    全波整流部
３２    １次電流値比較部
３３    １次電流基準値設定部
３４    積算部
３５    警報手段
３６    最大パルス幅演算手段
３７    パルス幅制限手段
【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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