(57)【要約】【課題】安定した出力が得られるスイッチング電源装置を得る。【解決手段】本発明のスイッチング電源装置は、交流電圧を直流電圧に変換する整流部１００と、整流部１００から出力された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ部１０と、昇圧コンバータ部１０の直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するインバータ部１１０と、インバータ部１１０の出力側に接続されたトランス部２０と、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏを制御するオープンループ制御手段と、を備える。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を直流電圧に変換する整流部と、
前記整流部から出力された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ部と、
前記昇圧コンバータ部の直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するインバータ部と、
前記インバータ部から出力された高周波電圧を昇圧する昇圧トランス部と、
前記昇圧トランス部の出力に基づき前記インバータ部を制御するＰＷＭあるいはＰＦＭ制御手段と、
を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
交流電圧を直流電圧に変換する整流部と、
前記整流部から出力された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ部と、
前記昇圧コンバータ部の直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するインバータ部と、
前記インバータ部の出力側に接続されたトランス部と、
前記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御するオープンループ制御手段と、
を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記オープンループ制御手段は、前記昇圧コンバータ部に設けられたスイッチング素子のオン／オフの比率を決定するデューティ設定回路と、前記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御する過電圧クランプ回路と、を備え、
前記出力電圧Ｖｏを所定値以下に制限すべく前記過電圧クランプ回路によって前記デューティ設定回路の出力信号を制御することを特徴とする請求項２記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記過電圧クランプ回路は、前記出力電圧Ｖｏが所定値を越えた場合に前記デューティ設定回路の出力信号を減じさせるように動作することを特徴とする請求項３記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記トランス部は、前記インバータ部から出力された高周波電圧を昇圧する昇圧トランス部であって、前記昇圧トランス部の出力に基づき前記インバータ部を制御するＰＷＭあるいはＰＦＭ制御手段を備えたことを特徴とする請求項２記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
交流電圧を直流電圧に変換する整流部と、
前記整流部から出力された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ部と、
前記昇圧コンバータ部の直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するインバータ部と、
前記インバータ部の出力側に接続され、放電電極部に高周波化された電力を供給するトランス部と、
前記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御するオープンループ制御手段と、
を備えたことを特徴とするレーザ電源装置。
【請求項７】
前記オープンループ制御手段は、前記昇圧コンバータ部に設けられたスイッチング素子のオン／オフの比率を決定するデューティ設定回路と、前記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御する過電圧クランプ回路と、を備え、
前記出力電圧Ｖｏを所定値以下に制限すべく前記過電圧クランプ回路によって前記デューティ設定回路の出力信号を制御することを特徴とする請求項６記載のレーザ電源装置。
【請求項８】
前記過電圧クランプ回路は、前記出力電圧Ｖｏが所定値を越えた場合に前記デューティ設定回路の出力信号を減じさせるように動作することを特徴とする請求項７記載のレーザ電源装置。
【請求項９】
前記トランス部は、前記インバータ部から出力された高周波電圧を昇圧する昇圧トランス部であって、
前記昇圧トランス部の出力に基づき前記インバータ部を制御するＰＷＭあるいはＰＦＭ制御手段を備えたことを特徴とする請求項６記載のレーザ電源装置。
【請求項１０】
前記トランス部の出力側に設けられ、放電電流を検出する放電電流検出回路の出力信号に基づき関数化処理を行う関数化回路をさらに備え、前記デューティ設定回路の出力信号が前記関数化回路の出力に基づき決定されることを特徴とする請求項７記載のレーザ電源装置。
【請求項１１】
前記インバータ部用のインバータデューティ下限値設定回路をさらに備えたことを特徴とする請求項７記載のレーザ電源装置。
【請求項１２】
前記放電電流検出回路と前記デューティ設定回路間に設けられた線形化回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１０記載のレーザ電源装置。
【請求項１３】
前記整流部の出力電圧に基づき前記線形化回路に出力信号を送るライン電圧変動補正回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１２記載のレーザ電源装置。
【請求項１４】
請求項６ないし１３のいずれか１項記載のレーザ電源装置を用いたことを特徴とするレーザ装置。
【請求項１５】
整流部と、前記整流部から出力された直流電圧を昇圧すべくスイッチング素子を設けた昇圧コンバータ部と、前記昇圧コンバータ部の直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するインバータ部と、前記インバータ部の出力側に接続され、放電電極部に高周波化された電力を供給する昇圧トランス部と、前記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御するオープンループ制御手段と、を備えたレーザ電源装置の制御方法であって、レーザの非点灯時およびレーザパルスベース期間においても前記スイッチング素子の駆動を継続することを特徴とするレーザ電源装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源装置に関し、特にレーザ電源装置およびレーザ装置並びにレーザ電源装置の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、特開平９−２３２６５８号公報に開示された従来のレーザ電源装置の構成を示す図である。図１３中、Ｄ１は商用電源を整流する整流部、３１５は前記整流部Ｄ１によって平滑された電源を昇圧する昇圧コンバータ部、３１７は昇圧コンバータ部により昇圧された電源を高周波に変換するインバータ部、３１９は絶縁トランス、３２１は放電電極、３２３は所定の電力を供給するマッチング部、をそれぞれ示す。
【０００３】
次に、従来のレーザ電源装置の動作を説明する。商用電源を整流する整流部Ｄ１が商用電源（交流電源）を直流に変換し、昇圧コンバータ部３１５では平滑コンデンサＣ１およびインダクタＬ１により、前記整流部Ｄ１により変換された直流を平滑化している。また、昇圧コンバータ部３１５には昇圧および電力コントロールを行うためのスイッチング素子Ｑ０が設けられており、さらに、ダイオードＤ２およびコンデンサＣ２が設けられている。出力電圧の昇圧および電力コントロールは、スイッチング素子Ｑ０をオン／オフさせることによりＰＷＭ（パルス幅変調、Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）あるいはＰＦＭ（パルス周波数変調、Ｐｕｌｓｅ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）等の方法によって行われていた。
【０００４】
インバータ部３１７は昇圧コンバータ部３１５により昇圧および電力コントロールされた直流電圧を高周波電圧に変換する。この高周波電圧を絶縁トランス３１９およびインピーダンス調整されたマッチング部３２３を介して放電電極３２１に印加し、放電電極３２１に電流を流してレーザ光を発光させる。
【０００５】
昇圧コンバータ部３１５に設けられたスイッチング素子Ｑ０により昇圧および電力コントロールを行う一方、スイッチング素子Ｑ０がオフで昇圧および電力コントロールしていない状態でも商用電源電圧の√２倍の直流電圧をインバータ部３１７に印加しているため、放電電極３２１には常に一定の電流が流れており、マッチング部３２３はこの放電電流により放電電極３２１がレーザ光を発する直前の状態を保持する。昇圧および電力コントロールしていない状態では上述したようにスイッチング素子Ｑ０は動作していないので、スイッチング素子Ｑ０自体の損失はゼロである。
【０００６】
以上から、従来のレーザ電源装置では、レーザ光として出力しない注入電力の電力コントロールを止めることによりスイッチング素子Ｑ０におけるスイッチング損失を最小にし、かつレーザ出力時には昇圧を行うことが可能であった。
【０００７】
なお、従来のレーザ電源装置では、昇圧および電力コントロールを昇圧コンバータ部３１５のスイッチング素子Ｑ０をオン／オフさせることによるＰＷＭ、あるいはＰＦＭ等の方法でのみ行う構成となっていた。そのため、昇圧トランスを用いる必要が無かった。また、マッチング部３２３は電源の内部インピーダンスと負荷インピーダンスとの整合をとり負荷に最大の電力を取り出すためのマッチング回路のみで構成され、電圧の昇圧能力は無かった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１４に、ガラスやセラミクスのように非誘電率の高い誘電体材料で金属電極を覆うように形成された積層構造の放電電極の一例を示す。図１４中、１ａ、１ｂは一対の相対する放電電極、２は例えばガスレーザの場合はレーザガスから成るレーザ媒質、３は金属電極、４は例えばガラスやセラミクスのように比誘電率が高い材料で形成された誘電体で、金属電極３に密着し、金属電極３を覆うようにして放電管５を形成している。また、６も誘電体で、放電管５を絶縁している有機物のシリコン樹脂である。７は放電、８は高周波電源を示す。
【０００９】
ガラスやセラミクスのように比誘電率の高い誘電体材料で金属電極を覆うように形成された積層構造の放電電極を用いる場合、放電電極は容量性の負荷になる。このような放電電極を一対用い、数ｋＷレーザ出力の大型レーザ発振器で放電を安定に維持するには、その一対の相対する放電電極の電極間隙を１０ｍｍ以上とし、さらに、放電電極間には数ｋＶ〜数１０ｋＶの高い電圧を印加する必要があった。
【００１０】
従来のレーザ電源装置では、上述したように昇圧および電力コントロールを昇圧コンバータ部３１５のスイッチング素子Ｑ０をオン／オフさせることによるＰＷＭ（パルス幅変調）、あるいはＰＦＭ（パルス周波数変調）等の方法で行う構成となっていたため、レーザ発振器用の放電電極３２１への印加電圧（数ｋＶ〜数１０ｋＶ）まで商用電源を昇圧する場合、昇圧コンバータ部３１５には高耐圧のスイッチング素子が必要であった。また、高電圧を得るために汎用のスイッチング素子を過度に多直列化した場合、個々のスイッチング素子に対する制御回路が複雑化するといった問題があった。
【００１１】
またレーザ加工時には、加工対象に応じてレーザ出力を１〜数ｋＨｚにパルス化する必要があった。レーザ加工装置動作時のレーザパルスの高レベル期間においては、レーザ光が出力される。一方、レーザパルスベース期間、つまりレーザ光が出力されていない期間においても次のレーザパルス高レベル期間に容易にレーザ出力を得ることができるように、レーザ光としては出力しないが放電自体は持続させておく必要があった（以下、レーザパルスベース期間とは、レーザ光は出力されていないが、放電電極における放電は持続している状態を指す）。よって、レーザパルスベース期間は放電電極３２１への入力電力はレーザ光としての出力を発生しない値まで下げておく必要があった。昇圧コンバータ部３１５のみによる電力コントロールでは、レーザパルス高レベル期間には商用電源電圧の√２倍より高い電圧がインバータ部３１７に印加されるため問題は無かったが、レーザパルスベース期間には商用電源電圧の√２倍程度の相対的に低い電圧をインバータ部３１７に印加するため、放電電極３２１には電力が入りにくく、レーザパルスベース期間の放電の維持が困難になり、レーザパルス動作モードに入った際に放電が放電電極３２１内に広がらず不安定になるという問題があった。
【００１２】
さらに、昇圧コンバータ部３１５で電力コントロールを行った場合、放電が点灯し昇圧コンバータ部３１５のインダクタＬ１に十分な電流が流れている条件においては問題なかったが、放電が点灯する前、あるいはレーザ出力の小さい場合において昇圧コンバータ部３１５を動作させた場合、無負荷運転あるいは軽負荷運転であるためにインダクタＬ１に十分な電流が流れず、昇圧コンバータ部３１５の出力電圧が大きく跳ね上がり、電力コントロールが困難になるという問題があった。
【００１３】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、図１４に示すような誘電体電極を用いる場合に必要とされる数ｋＶ〜数１０ｋＶの高電圧を放電電極に印加しながら放電を安定にかつ制御性良く保持して、数ｋＷ以上のレーザ出力を安定に得ることのできるスイッチング電源、レーザ電源装置、レーザ装置およびレーザ電源装置の制御方法の提供を目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスイッチング電源装置は、交流電圧を直流電圧に変換する整流部と、上記整流部から出力された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ部と、上記昇圧コンバータ部の直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するインバータ部と、上記インバータ部から出力された高周波電圧を昇圧する昇圧トランス部と、上記昇圧トランス部の出力に基づき上記インバータ部を制御するＰＷＭあるいはＰＦＭ制御手段と、を備えた。
【００１５】
また、本発明に係るスイッチング電源装置は、交流電圧を直流電圧に変換する整流部と、上記整流部から出力された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ部と、上記昇圧コンバータ部の直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するインバータ部と、上記インバータ部の出力側に接続されたトランス部と、上記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御するオープンループ制御手段と、を備えた。
【００１６】
また、本発明に係るスイッチング電源装置は、上記オープンループ制御手段が、上記昇圧コンバータ部に設けられたスイッチング素子のオン／オフの比率を決定するデューティ設定回路と、上記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御する過電圧クランプ回路と、を備え、上記出力電圧Ｖｏを所定値以下に制限すべく上記過電圧クランプ回路によって上記デューティ設定回路の出力信号を制御することとした。
【００１７】
また、本発明に係るスイッチング電源装置は、上記過電圧クランプ回路が、上記出力電圧Ｖｏが所定値を越えた場合に上記デューティ設定回路の出力信号を減じさせるように動作することとした。
【００１８】
また、本発明に係るスイッチング電源装置は、上記トランス部が、上記インバータ部から出力された高周波電圧を昇圧する昇圧トランス部であって、上記昇圧トランス部の出力に基づき上記インバータ部を制御するＰＷＭあるいはＰＦＭ制御手段を備えた。
【００１９】
本発明に係るレーザ電源装置は、交流電圧を直流電圧に変換する整流部と、上記整流部から出力された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ部と、上記昇圧コンバータ部の直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するインバータ部と、上記インバータ部の出力側に接続され、放電電極部に高周波化された電力を供給するトランス部と、上記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御するオープンループ制御手段と、を備えた。
【００２０】
また、本発明に係るレーザ電源装置は、上記オープンループ制御手段が、上記昇圧コンバータ部に設けられたスイッチング素子のオン／オフの比率を決定するデューティ設定回路と、上記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御する過電圧クランプ回路と、を備え、上記出力電圧Ｖｏを所定値以下に制限すべく上記過電圧クランプ回路によって上記デューティ設定回路の出力信号を制御することとした。
【００２１】
また、本発明に係るレーザ電源装置は、上記過電圧クランプ回路は、上記出力電圧Ｖｏが所定値を越えた場合に上記デューティ設定回路の出力信号を減じさせるように動作することとした。
【００２２】
また、本発明に係るレーザ電源装置は、上記トランス部は上記インバータ部から出力された高周波電圧を昇圧する昇圧トランス部であって、上記昇圧トランス部の出力に基づき上記インバータ部を制御するＰＷＭあるいはＰＦＭ制御手段を備えた。
【００２３】
また、本発明に係るレーザ電源装置は、上記トランス部の出力側に設けられ、放電電流を検出する放電電流検出回路の出力信号に基づき関数化処理を行う関数化回路をさらに備え、上記デューティ設定回路の出力信号が上記関数化回路の出力に基づき決定されることとした。
【００２４】
また、本発明に係るレーザ電源装置は、上記インバータ部用のインバータデューティ下限値設定回路をさらに備えた。
【００２５】
また、本発明に係るレーザ電源装置は、上記放電電流検出回路と上記デューティ設定回路間に設けられた線形化回路をさらに備えた。
【００２６】
また、本発明に係るレーザ電源装置は、上記整流部の出力電圧に基づき上記線形化回路に出力信号を送るライン電圧変動補正回路をさらに備えた。
【００２７】
本発明に係るレーザ装置は、電源として上述のレーザ電源装置を用いることとした。
【００２８】
本発明に係るレーザ電源装置の制御方法は、整流部と、上記整流部から出力された直流電圧を昇圧すべくスイッチング素子を設けた昇圧コンバータ部と、上記昇圧コンバータ部の直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するインバータ部と、上記インバータ部の出力側に接続され、放電電極部に高周波化された電力を供給する昇圧トランス部と、上記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御するオープンループ制御手段と、を備えたレーザ電源装置の制御方法であって、レーザの非点灯時およびレーザパルスベース期間においても上記スイッチング素子の駆動を継続することとした。
【００２９】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明のレーザ電源装置の構成の概要を説明する。本発明のレーザ電源装置では、外部の交流電源を整流して平滑な直流を得る整流部と、この整流部により整流された直流を昇圧する昇圧コンバータ部と、この昇圧コンバータ部により昇圧された直流電圧を高周波電圧に変換するインバータ部と、このインバータ部により高周波に変換された高周波電圧をレーザ発振用放電電極への印加電圧まで昇圧する昇圧トランス部からなり、過電圧クランプ回路を有する昇圧コンバータ部を予め外部から設定値を定めたオープンループ制御によって制御し、さらに、インバータ部をＰＷＭ制御してレーザ出力をコントロールするものである。
【００３０】
上述の構成により、昇圧コンバータ部と昇圧トランス部の２段階で外部の交流電源をレーザ発振器用の放電電極に必要な印加電圧まで昇圧を行っている。そのためスイッチング素子の高耐圧化の問題、もしくは高電圧を得るために汎用のスイッチング素子を過度に多直列化した場合、当該スイッチング素子の制御回路が複雑化するといった問題を解決できる。
【００３１】
また、昇圧電圧の上限値を設定する過電圧クランプ回路を付加して昇圧コンバータ部をオープンループ制御することによって、放電点灯前の期間、軽負荷運転時あるいは無負荷運転時で昇圧コンバータ部のインダクタに流れる電流が不連続である場合での昇圧コンバータ部における出力電圧の跳ね上がりを防ぐことができるため、レーザ電源装置を構成するスイッチング素子への負担を低減して、スイッチング素子の破壊を防ぐことが可能となる。さらに、電力の調整は昇圧コンバータ部のみによらず、インバータ部のＰＷＭ制御によっても行うため、電力の調整が容易になり、レーザ出力の安定化が図れる。
【００３２】
また、上述したように昇圧コンバータにより予め外部から設定値を定めたオープンループ制御を行っているため、放電点灯前の期間およびパルス運転時のレーザパルスベース期間の軽負荷時には、昇圧コンバータの出力電圧は外部の交流電源電圧の√２倍以上で、クランプ設定電圧以下の範囲内での跳ね上がった高い電圧で保持される。本発明のレーザ電源装置では、さらに、この昇圧コンバータ部の出力電圧を再度昇圧トランス部により昇圧しているため、レーザパルスベース期間にも外部の交流電源電圧より高い電圧を放電電極に印加できるので、容量性の放電電極にも電力が入り易くなり、放電の点灯や維持が容易になる。また、放電電極に高電圧を印加しているため、放電電極内に放電が広がり易くなる。これによりレーザパルスベース期間からレーザパルス高レベル期間への移行が円滑になり、レーザの発振効率が向上する。
【００３３】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るレーザ電源装置の構成を示す図である。実施の形態１に係るレーザ電源装置は、図１に示すように外部の交流電源である２００Ｖの三相交流電源を整流して脈流を得る整流部１００と、平滑コンデンサＣ１およびインダクタＬ１により整流電圧を平滑化して直流電圧を得て、その直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ部１０と、昇圧コンバータ部１０により昇圧された直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するための複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４および還流ダイオードＤ３〜Ｄ６からなるインバータ部１１０と、このインバータ部１１０により高周波に変換された高周波電圧をレーザ発振用放電電極部１２０への印加電圧まで昇圧する昇圧トランス部２０と、を備えている。
【００３４】
昇圧コンバータ部１０にはスイッチング素子Ｓ１が設けられており、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏは、デューティ（ｄｕｔｙ）設定回路２００により決定されるスイッチング素子Ｓ１のデューティによって、所望の一定電圧に設定される。ここで、デューティ、Ｄｏｎは以下の式で定義される。
【００３５】
Ｄｏｎ＝ＴＯＮ／（ＴＯＮ＋ＴＯＦＦ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
（１）式中、ＴＯＮはスイッチング素子Ｓ１のオン時間、ＴＯＦＦはスイッチング素子Ｓ１のオフ時間をそれぞれ表す。昇圧コンバータ部１０における出力電圧Ｖｏを、昇圧コンバータ部１０の昇圧比と昇圧トランス部２０の昇圧比の積が整流部１００の出力（ライン電圧Ｖ）に対するレーザ発振に必要な放電電極部１２０への印加電圧の比率以上となるような電圧値に設定する。
【００３６】
過電圧クランプ回路２１０によりクランプ電圧が設定されていない場合、昇圧コンバータ部１０によって昇圧される出力電圧Ｖｏは、放電点灯前の期間、あるいは軽負荷の期間ではスイッチング素子の耐電圧以上に跳ね上がってしまうという不具合があった。そこで、実施の形態１に係るレーザ電源装置では、昇圧電圧の上限値を過電圧クランプ回路２１０によって制限することとした。過電圧クランプ回路２１０の設定電圧を、昇圧コンバータ部１０で使用されるスイッチング素子Ｓ１およびインバータ部１１０に使用されるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の素子耐電圧以下に設定する。
【００３７】
過電圧クランプ回路２１０についてさらに詳述する。デューティ設定回路２００は、昇圧コンバータ部１０のスイッチング素子Ｓ１が予め外部から設定したデューティで駆動するように、スイッチング素子Ｓ１の制御端子（ゲート端子）へ出力信号を印加する。過電圧クランプ回路２１０は、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏが所定のクランプ設定電圧値を越えた場合に、デューティ設定回路２００で決定されるスイッチング素子Ｓ１のデューティを減じるようにデューティ設定回路２００の出力信号を制御することにより、出力電圧Ｖｏがクランプ設定電圧値を越えないように機能する。すなわち、過電圧クランプ回路２１０およびデューティ設定回路２００を介して、昇圧コンバータ部１０のオープンループ制御を行っている。
【００３８】
過電圧クランプ回路２１０の一例を図２に示す。過電圧クランプ回路２１０は大別して、３つの部分、すなわち、電圧検出部２１１、電圧比較部２１２および出力選択部２１３で構成されている。電圧検出部２１１では、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏを検出し、検出した電圧を適当な電圧値に設定してから次の電圧比較部２１２に出力する。電圧比較部２１２では、電圧検出部２１１からの出力電圧と予め外部から設定されたクランプ設定電圧値との比較を行う。この場合の電圧比較部２１２からの出力信号は、オペアンプ等によりクランプ設定電圧値と電流検出部２１１からの出力信号の差を増幅したものでよい。出力選択部２１３では、電流比較部２１１からの出力信号のうち、クランプ設定電圧値を越えた場合のみの信号を選択して過電圧クランプ回路２１０の最終的な出力信号とする。かかる過電圧クランプ回路２１０から発せられた出力信号は、昇圧コンバータ部１０のスイッチング素子Ｓ１のデューティを減じるべくデューティ設定回路２００に入力される。以上の３つの部分は、例えばそれぞれオペアンプによって構成されてもよい。
【００３９】
インバータ部１１０は４組のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなっており、Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４の組み合わせを交互に高周波でオン／オフすることにより、昇圧された出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換する。レーザ出力設定回路３０により所望の放電電流を設定し、かかる設定電流値と放電電流検出回路２３０の出力の比較によってＰＷＭ制御を行い、スイッチング信号作成回路２２０によりインバータ部１１０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のインバータデューティを変化させて電力を調整する。昇圧トランス部２０は、インバータ部１１０により高周波に変換された電圧をレーザ発振用の放電電極１２０への印加電圧値まで昇圧する。
【００４０】
以上の装置構成では、上述したように昇圧コンバータ部１０と昇圧トランス部２０の２段階で外部の交流電源をレーザ発振器用の放電電極１２０への印加電圧まで昇圧している。この結果、従来のレーザ電源装置で問題となったスイッチング素子の高耐圧化の問題については、２段階の昇圧の適用により昇圧コンバータ部１０のみで過度な昇圧を行わずに済むため、スイッチング素子に高電圧が印加される事態は解消される。また、高電圧を得るために汎用のスイッチング素子を過度に多直列化する必要もなくなる。スイッチング素子を過度に多直列化すると、スイッチング素子の制御回路が複雑になるといった問題が発生するからである。
【００４１】
上述の構成に加えて、昇圧コンバータ部１０に過電圧クランプ回路２１０を付加して昇圧コンバータ部１０へのオープンループ制御を実施することにより、放電点灯前の期間、あるいは軽負荷の場合における昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏの極端な跳ね上がりを防げる。これによりレーザ電源装置を構成するスイッチング素子Ｓ１およびＱ１〜Ｑ４への負担を低減して、スイッチング素子の破壊を有効に防止できる結果、高耐圧のスイッチング素子でなくても使用可能となり、スイッチング素子への複雑な制御回路も不要となる。また、実施の形態１に係るレーザ電源装置の電力調整は、昇圧コンバータ部１０のみによらずインバータ部１１０のＰＷＭ制御によっても行うため、出力電力の調整が容易となって、レーザ出力の安定化が図れる。
【００４２】
整流部１００により整流された直流を一旦昇圧する昇圧コンバータ部１０では、レーザ出力に応じて昇圧コンバータ部１０のスイッチング素子Ｓ１のデューティを制御する。なお、実施の形態１のレーザ電源装置では、昇圧コンバータ出力電圧Ｖｏを調整するといったフィードバック制御は行わない。レーザパルスベース期間にフィードバック制御すると、放電電極部１２０に高電圧を印加した状態を実現しえないからである。
【００４３】
以上、実施の形態１に係るレーザ電源装置では、予めスイッチング素子Ｓ１のデューティを決定して昇圧コンバータ部１０を動作し、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏが負荷、つまり、この場合は放電電極部１２０の変動には無関係であるようなオープンループ制御を行うので、放電点灯前までの期間、および電源をパルス運転する際のレーザパルスベース期間における軽負荷時には、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏが外部の交流電源電圧の√２倍以上でクランプ設定電圧以下に跳ね上がった範囲内の高電圧を放電電極１２０に印加可能となる。また、この昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏを昇圧トランス部２０によりさらに昇圧するという２段階の昇圧を行っているため、レーザパルスベース期間には放電点灯時よりも高い電圧を放電電極１２０に印加することができ、放電電極１２０に電力が入り易くなって、結果的に放電が放電電極内に広がり易くなり、放電の維持が容易となる。これにより放電点灯前の待機状態から放電点灯への移行、およびレーザパルス動作時においてレーザパルスベース期間からレーザパルス高レベル期間への移行が円滑になり、レーザの発振効率が向上する効果をもたらす。
【００４４】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係るレーザ電源装置の制御方法では、実施の形態１に係るレーザ電源装置において、放電非点灯時およびレーザパルスベース期間にも昇圧コンバータ部１０を連続動作させておくことを特徴とする。図３は実施の形態２に係るレーザ電源装置の制御方法を示す図であり、装置構成の各部分での電圧および出力を表している。
【００４５】
レーザ電源装置は放電の非点灯時から円滑に放電点灯に移行することが要求される。従来のレーザ電源装置の制御方法のように放電点灯前の待機状態において昇圧コンバータ部１０の停止状態から放電点灯させる場合には、昇圧コンバータ部１０における出力コンデンサＣ２の充電時間を要するため、放電点灯の時間応答が遅延し、円滑に放電点灯に移行できないといった問題があった。
【００４６】
また、レーザ出力を１〜数ｋＨｚにパルス化する必要がある場合は、レーザパルス高レベル期間ではレーザ出力を得るが、レーザパルスベース期間でも次のレーザパルス高レベル期間になった際に容易に高出力のレーザ光を得ることができるように、レーザ光としては出力されないが放電自体は持続させておく必要があった。この際、放電電極部１２０への入力電力はレーザ光としての出力を発生しない値まで低減しておく必要がある。ここで、放電電極部１２０は誘電体構造であるため容量性の負荷である。従って、昇圧コンバータ部１０のみによる電力コントロールにより、レーザパルスベース期間に外部の交流電源電圧の√２倍程度の相対的に低い電圧を放電電極に印加しても放電電極部１２０には電力が入りにくいため、従来のレーザ電源装置の制御方法では放電電極における放電の維持が困難という問題があった。
【００４７】
そこで、実施の形態２に係るレーザ電源装置の制御方法では、放電非点灯時および放電点灯時のレーザパルスベース期間においても昇圧コンバータ部１０を連続動作、つまりスイッチング素子Ｓ１を動作させることとした。このときの昇圧コンバータ部１０からの出力電圧Ｖｏの制御は、予め昇圧コンバータ部１０のスイッチング素子Ｓ１のデューティを設定するオープンループ制御を実施している。
【００４８】
実施の形態２に係るレーザ電源装置の制御方法を図３を参照しつつ説明する。図３は、レーザ光をパルス出力する場合の昇圧コンバータ部１０の入出力電圧ＶｉおよびＶｏ、インバータ部１１０の出力電圧、放電電極部１２０への入力電力および平均レーザ出力、をそれぞれ示したものである。
【００４９】
放電点灯前の待機時には昇圧動作を行っている。この場合はインバータ部１１０のインバータデューティを小さくすることにより放電電極部１２０における放電電流が抑えられるため、放電電極部１２０への入力電力は非常に小さく、レーザ発振のしきい値以下としているので、当然レーザ出力はゼロである。放電電流が小さいため、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏは過電圧クランプ回路２１０において設定したクランプ設定電圧値まで跳ね上がる。したがって、放電電極部１２０に印加される電圧が高電圧で保持されるため、レーザ発振開始時の放電点灯が容易となる。
【００５０】
レーザ発振が開始されると、放電電極部１２０への入力電力が増加する。この場合、放電電流が増加するため、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏは、
Ｖｏ＝Ｖｉ／（１−Ｄｏｎ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
で表される式に基づき、Ｄｏｎを設定することにより所望の電圧値に決定できる。出力電圧Ｖｏは、外部交流電源電圧の√２倍以上でクランプ設定電圧以下の範囲内となる。この際、ＰＷＭ制御によってインバータデューティが大きくなり、放電電流もまた大きくなる。この結果、しきい値を越えてレーザ発振するための電力が放電電極部１２０に入力されるので、レーザ発振が開始され、所望のレーザ出力を得ることができる。
【００５１】
次に、レーザパルスベース期間には、入力電力を放電は点灯しているがレーザ光としては出力されないしきい値以下の電力まで抑える。この場合も、放電が点灯するまでの待機時と同様に軽負荷であるため、放電電流はレーザ発振時よりも高くなる。この結果、従来のレーザ電源装置で図１４に示したような容量性の負荷となるような放電電極を用いた場合、レーザパルスベース期間で放電電極への印加電圧を下げたときは放電電極内での放電の維持が困難であったが、本実施の形態に係るレーザ電源装置の駆動方法では、レーザパルスベース期間にも外部交流電源電圧より高い電圧を放電電極部１２０に容易に印加することができるので、放電電極部１２０に電力が入りやすくなり、放電の維持が容易になる。従って、高電圧を放電電極に印加しているため、放電が電極内に広がり易く、この結果、レーザの発振効率が向上する。
【００５２】
放電点灯前の待機状態から放電点灯までの期間およびパルス動作時におけるレーザパルスベース期間の軽負荷時でも、昇圧コンバータ部１０を連続動作させているため、外部交流電源電圧の√２倍以上でクランプ設定電圧以下の範囲内の相対的に高い昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏがインバータ部１１０に印加され、さらにインバータ部１１０で高周波に変換された電圧が昇圧トランス部２０における昇圧を経て、放電電極部１２０に印加される。かかる高電圧の印加の結果、昇圧コンバータ部１０の出力コンデンサＣ２の充電時間を要せず、放電点灯の時間応答が速くなり、放電点灯に円滑に移行できる。すなわち、放電が安定して点灯する。
【００５３】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係るレーザ電源装置は、図４の装置構成に示すように、放電電流検出回路２３０にて昇圧トランス部２０の出力側に発生する放電電流（レーザ出力電流）を検出し、放電電流検出回路２３０の出力信号に応じて昇圧コンバータ部１０のスイッチング素子Ｓ１のデューティを決定するように設定した関数化回路２４０を有し、関数化回路２４０の出力信号をデューティ設定回路２００に入力して昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏを制御し、さらに、インバータ部１１０のインバータスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭ制御することによりレーザ出力をコントロールすることを特徴とする。なお、実施の形態１に係るレーザ電源装置と同様、過電圧クランプ回路２１０を具備し、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏを一定電圧以下に制限している。
【００５４】
レーザ出力を調整すべくインバータ部１１０をＰＷＭ制御する場合、レーザ出力を低下させるためにインバータスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のインバータデューティを下げていくと、インバータ部１１０を構成するインバータスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の寄生ダイオードもしくは外付けしたインバータ還流ダイオードＤ３〜Ｄ６に順方向電流が流れている状態で逆電圧が印加されるという、いわゆるダイオードリカバリモードになり、これによりダイオードリカバリ電流が流れ、インバータ部１１０のインバータスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４あるいは外付け還流ダイオードＤ３〜Ｄ６の損失が増大し、場合によってはスイッチング素子の破壊に至る不具合が生じ得た。
【００５５】
よって、図５の昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏとレーザ出力電流の関係に示すように、レーザ出力が小さいＡ点ではスイッチング素子Ｓ１のデューティを下げた設定にして昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏを低下させ、レーザ出力が大きいＢ点ではスイッチング素子Ｓ１のデューティを上げた設定にすることにより出力電圧Ｖｏが大きくなるように、予め放電電流に応じたスイッチング素子Ｓ１のデューティを決定するよう関数化された出力電圧Ｖｏをインバータ部１１０に印加する。関数化回路２４０の関数は、インバータ部１１０でＰＷＭ制御をする場合に、レーザパルスベース期間に出力を低下させる際にインバータスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のインバータデューティが低下しダイオードリカバリモードにならないように設定する。
【００５６】
かかる関数化回路２４０の動作によって、レーザ出力を低下させるためにインバータ部１１０をＰＷＭ制御する場合にインバータスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のインバータデューティが低下し過ぎてしまって、ダイオードリカバリモードに入ってしまう不具合を回避できるので、インバータ部１１０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、あるいは還流ダイオードＤ３〜Ｄ６の損失の増大や破壊を防げる。さらに、インバータ部のＰＷＭ制御を昇圧コンバータ部のオープンループ制御と組み合わせてレーザ電源装置全体の出力制御を行うことにより、インバータ部のＰＷＭ制御のみによる出力制御よりも一層容易に出力変動を抑制できるため、安定したレーザ出力が得られる。
【００５７】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係るレーザ電源装置では、図６の装置構成に示すように、インバータ部１０のインバータスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のインバータデューティ下限値を設定するためのインバータデューティ下限値設定回路２５０を有し、さらに、インバータスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭ制御することを特徴とする。
【００５８】
本発明の実施の形態４に係るレーザ電源装置では、実施の形態３において言及したダイオードリカバリモードの防止のため、インバータスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のインバータデューティ下限値を設定すべくインバータデューティ下限値設定回路２５０を設ける。かかる付加的な回路の機能によってインバータデューティ下限値をダイオードリカバリに入らない領域に設定することにより、還流ダイオードＤ３〜Ｄ６がリカバリモードに入らないようにして、結果的にインバータスイッチング素子の損失の軽減や破壊を防止できる。インバータデューティ下限値設定回路２５０は予めインバータデューティ下限値を設定する回路でもよいが、還流ダイオードＤ３〜Ｄ６において還流電流を検出し、それによりインバータ部１０のインバータデューティの低下を止めるといった回路構成でもよい。
【００５９】
レーザ光用の電力を低下させる時やパルス動作時におけるレーザパルスベース期間などでインバータ部１１０のインバータデューティを小さくする場合には、インバータデューティの下限値が設定されその下限値以下にはならないため、電力が入りすぎる場合がある。そこでこれらの場合においては、実施の形態３に係るレーザ電源装置と同様に、予め放電電流に対して関数化された昇圧コンバータ出力電圧Ｖｏをインバータ部１１０に印加する。これによりインバータ部１０の還流ダイオードＤ３〜Ｄ６がダイオードリカバリに入ることを防ぎ、スイッチング素子の損失の軽減や、破壊を防止することができるとともに、昇圧コンバータ部１０におけるオープンループ制御とインバータ部１１０におけるＰＷＭ制御とを組み合わせたレーザ出力制御により、インバータ部のＰＷＭ制御のみによるレーザ出力制御よりも、一層容易にレーザ出力の変動を抑制できるため、安定したレーザ出力が得られる。
【００６０】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係るレーザ電源装置では、図７に示すように昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏを昇圧コンバータ部１０のスイッチング素子Ｓ１のデューティに対して線形化する線形化回路２６０を有することを特徴とする。
【００６１】
昇圧コンバータ部１０のインダクタＬ１に流れる電流が連続である期間において、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏはスイッチング素子Ｓ１のデューティ、Ｄｏｎの増加に対して、（２）式に従って増大する。（２）式に基づく計算結果を図８の破線に示す。図８から、昇圧コンバータ部１０のスイッチング素子Ｓ１のデューティの増加に伴い、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏは微小なデューティの変化に対して急激に大きく変化するようになる。したがって、昇圧コンバータ部１０のスイッチング素子Ｓ１のデューティが大きな領域で昇圧コンバータ部１０を動作させる場合、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏの変動によりレーザ出力も変動し、安定したレーザ出力を得ることができないといった問題があった。
【００６２】
そこで、かかる不具合を防止すべく実施の形態５に係るレーザ電源装置では、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏをスイッチング素子Ｓ１のデューティに対して線形化する線形化回路２６０を設けることとした。図７の装置構成から昇圧コンバータ部１０のスイッチング素子Ｓ１のデューティは、関数化回路２４０の出力信号に基づいて決定される。一方、関数化回路２４０の出力信号は、放電電流信号を電圧変換する放電電流検出回路２３０の出力信号に依存する。そこで、関数化回路２４０の出力信号を演算すれば、昇圧比の高い領域でのデューティ変動に対するレーザ出力変動を抑制できる。但し、関数化回路２４０は必ずしも必要では無く、放電電流検出回路２３０の出力信号を線形化回路２６０において直接演算しても良い。
【００６３】
上述の線形化回路２６０は、例えばスイッチング素子Ｓ１のデューティをルート変換する回路でも何ら差し支えない。ここで、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏは、スイッチング素子Ｓ１のデューティ、Ｄｏｎに対して、
Ｖｏ＝Ｖｉ／（１−ａ√Ｄｏｎ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
とする。但し、ａは定数で、関数化回路２４０によりデューティをルート変換し、ａ倍するような演算をする。この回路構成における昇圧コンバータ用のスイッチング素子Ｓ１に対する昇圧比の関係を図８（ａ）の実線に示す。この場合は完全な線形ではないが、昇圧比が１〜３倍までであれば昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏをスイッチング素子Ｓ１のデューティに対してほぼ線形化できる。
【００６４】
また、線形化回路２６０は、例えば関数化回路２４０あるいは放電電流検出回路２３０の出力信号から目標とする直線までの差分の加減演算回路でも良い。さらに、関数化回路２４０あるいは放電電流検出回路２３０の出力信号をｌｏｇ変換し、この出力を四則演算して線形化させるといった方法でもよい。この場合の昇圧コンバータ部１０のデューティに対する昇圧比の関係を図８（ｂ）に示す。
【００６５】
このように線形化回路２６０を有することで、昇圧比の高い領域でのデューティ変動に対するレーザ出力変動を抑制することができるため、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００６６】
実施の形態６．
本発明の実施の形態６に係るレーザ電源装置では、線形化回路２６０におけるレーザ発振時の昇圧コンバータ部のデューティと昇圧コンバータ出力電圧特性の線上にレーザパルスベース期間の動作点を設け、レーザパルスベース期間も昇圧コンバータ動作をしておくことを特徴とする。
【００６７】
レーザパルスベース期間の動作点が線形化回路２６０におけるレーザ発振時の昇圧コンバータ部１０のデューティと昇圧コンバータ出力電圧特性の線上からはずれ昇圧コンバータ出力電圧Ｖｏが高くなった場合、インバータ部１１０のインバータスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のインバータデューティが低下し、ダイオードリカバリモードに入るため各スイッチング素子の損失が大きくなり、場合によってはスイッチング素子破壊に至ってしまう。また、インバータデューティ下限値設定回路２５０を設定した場合、インバータデューティは下限値以下にはなりえないので、レーザパルスベース期間において電力が入りすぎてしまうため、レーザ発振してしまう不具合も起り得た。
【００６８】
一方、線形化回路２６０におけるレーザ発振時の昇圧コンバータ部１０のデューティと昇圧コンバータ部１０の出力電圧特性の線上にない場合で、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏが低い場合には、インバータ部１１０のインバータスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のインバータデューティがレーザ出力の低い状態で１００％となってしまい、レーザ出力制御が困難になる。また、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏが低いため、レーザパルスベース期間での放電の維持が困難になる。
【００６９】
そこで、図９のように線形化回路２６０におけるレーザ発振時の昇圧コンバータ部１０のデューティと昇圧コンバータ出力電圧特性の略線上にレーザパルスベース期間での動作点Ｃを設け、レーザパルスベース期間でも昇圧コンバータ部１０を動作させておく。この結果、レーザパルスベース期間からレーザパルス高レベル期間への移行が円滑になるため、レーザ出力の設定、制御が容易になり、放電自体も安定し、発振効率が向上する。また、ダイオードリカバリモードに入ることによりスイッチング素子の損失が大きくなり、スイッチング素子破壊に至るといった問題が無くなる。
【００７０】
実施の形態７．
本発明の実施の形態７に係るレーザ電源装置は、図１０のように整流部出力電圧Ｖｉの変動に応じて昇圧コンバータ部のデューティを変化させるライン電圧変動補正回路２７０を有することを特徴とする。ここで、ライン電圧Ｖとは外部からの交流電源の電圧を指す。
【００７１】
ライン電圧Ｖの低下あるいは上昇により整流部１００の出力電圧Ｖｉが変動した場合、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏが変動して、結果的にレーザ出力も変動してしまう。そこで、実施の形態７に係るレーザ電源装置では、図１０に示すように、ライン電圧変動補正回路２７０を設ける。これにより図１１のようにライン電圧Ｖの基準点をＦとすると、Ｅ点のようにライン電圧Ｖの低下により整流部１００の出力電圧Ｖｉが低下した場合は、昇圧コンバータ部１０のスイッチング素子Ｓ１のデューティを高くして、Ｇ点のように整流部１００の出力電圧Ｖｉが上昇した場合は、昇圧コンバータ部１０のスイッチング素子Ｓ１のデューティを低下させるように、整流部１００の出力電圧Ｖｉの変動に応じて昇圧コンバータ部１０のデューティを変化させる。これにより昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏを常に一定に保つことができるため、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００７２】
実施の形態８．
本発明の実施の形態８に係るレーザ装置の構成図を図１２に示す。図中、２８０は本発明の実施の形態１ないし７のいずれかに係るレーザ電源装置である。２８１はレーザ発振管、２８２はレーザ発振管内部に設けられた一対の放電電極、２８３はレーザガス供給系、２８４はレーザガス排気系、２８５はレーザ発振管の両端に設けられた出力窓、２８６は全反射ミラー、２８７は出力ミラー、２８８はビームスプリッタ、２８９はレーザ出力、２９０はレーザパワーメータ、２９１はレーザ出力制御装置、、をそれぞれ示す。
【００７３】
次に、本発明の実施の形態８に係るレーザ装置の動作について説明する。本発明の実施の形態１ないし７のいずれかに係るレーザ電源装置２８０から放電電極２８２に所定値以上の出力電圧を与えるとレーザ発振管２８１内でレーザ光が発生する。なお、レーザ発振管２８１内はレーザガス供給系２８３から導入されたレーザガスが充填され、レーザガス排気系２８４によって、適宜循環されている。
【００７４】
レーザ光はレーザ発振管２８１の両端に設けられた出力窓２８５を透過して全反射ミラー２８６と出力ミラー間を往復することにより増幅され、その一部はレーザ出力２８９として外部に取り出される。レーザ出力２８９はビームスプリッタ２８８によってその一部がレーザパワーメータ２９０で受光され電気信号に変換され、この電気信号がレーザ出力制御装置２９１に入力する。レーザ出力制御装置２９１ではかかる入力信号等に基づき、レーザ電源装置２８０を制御するための出力信号をレーザ電源装置２８０に送信する。
【００７５】
本発明の実施の形態８に係るレーザ装置では、レーザ出力を発生させる電源として実施の形態１ないし７のいずれかに係るレーザ電源装置２８０を用いたため、制御性に優れ極めて安定なレーザ出力が得られる。
【００７６】
以上、各実施の形態ではレーザ電源装置を一例として説明したが、高周波電圧の供給を目的とするスイッチング電源装置であれば、レーザ用に限定されるものではなく、他の用途の装置の電源として容易に適用でき、その結果、制御性に優れ極めて安定なスイッチング電圧が得られる効果がある。
【００７７】
また、各実施の形態における昇圧コンバータ部１０のスイッチング素子Ｓ１は、説明の便宜上、スイッチング素子が一つの場合を取り上げたが、複数の素子で構成されたスイッチング素子でも適用可能である。
【００７８】
以上、各実施の形態ではインバータ部を制御する方法の一例としてＰＷＭ制御を挙げて説明したが、ＰＦＭ制御でも同様の効果が得られる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明に係るスイッチング電源装置では、交流電圧を直流電圧に変換する整流部と、上記整流部から出力された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ部と、上記昇圧コンバータ部の直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するインバータ部と、上記インバータ部から出力された高周波電圧を昇圧する昇圧トランス部と、上記昇圧トランス部の出力に基づき上記インバータ部を制御するＰＷＭあるいはＰＦＭ制御手段と、を備えたので、２段階の昇圧の適用により昇圧コンバータ部のみで過度な昇圧を行わずに済むため、スイッチング素子に高電圧が印加される事態は解消され、また、高電圧を得るために汎用のスイッチング素子を過度に多直列化する必要もなくなる。
【００８０】
また、本発明に係るスイッチング電源装置では、交流電圧を直流電圧に変換する整流部と、上記整流部から出力された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ部と、上記昇圧コンバータ部の直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するインバータ部と、上記インバータ部の出力側に接続されたトランス部と、上記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御するオープンループ制御手段と、を備えたので、昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏの極端な跳ね上がりを防げるため、これによりスイッチング電源装置を構成するスイッチング素子への負担を低減して、スイッチング素子の破壊を有効に防止できる結果、高耐圧のスイッチング素子でなくても使用可能となり、スイッチング素子への複雑な制御回路も不用となる。
【００８１】
また、本発明に係るスイッチング電源装置では、上記オープンループ制御手段が、上記昇圧コンバータ部に設けられたスイッチング素子のオン／オフの比率を決定するデューティ設定回路と、上記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御する過電圧クランプ回路と、を備え、上記出力電圧Ｖｏを所定値以下に制限すべく上記過電圧クランプ回路によって上記デューティ設定回路の出力信号を制御することとしたので、出力電圧Ｖｏを所定の電圧値以下に制御することが可能となる。
【００８２】
また、本発明に係るスイッチング電源装置では、上記過電圧クランプ回路が、上記出力電圧Ｖｏが所定値を越えた場合に上記デューティ設定回路の出力信号を減じさせるように動作することとしたので、出力電圧Ｖｏを所定の電圧値以下に容易に制御することが可能となる。
【００８３】
また、本発明に係るスイッチング電源装置では、上記トランス部が上記インバータ部から出力された高周波電圧を昇圧する昇圧トランス部であって、上記昇圧トランス部の出力に基づき上記インバータ部を制御するＰＷＭあるいはＰＦＭ制御手段を備えたので、２段階の昇圧の適用により昇圧コンバータ部のみで過度な昇圧を行わずに済むため、スイッチング素子に高電圧が印加される事態は解消され、また、高電圧を得るために汎用のスイッチング素子を過度に多直列化する必要もなくなる。
【００８４】
本発明に係るレーザ電源装置では、交流電圧を直流電圧に変換する整流部と、上記整流部から出力された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ部と、上記昇圧コンバータ部の直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するインバータ部と、上記インバータ部の出力側に接続され、放電電極部に高周波化された電力を供給するトランス部と、上記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御するオープンループ制御手段と、を備えたので、放電点灯前の期間、あるいは軽負荷の場合における昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏの極端な跳ね上がりを防げるため、レーザ電源装置を構成するスイッチング素子への負担を低減して、スイッチング素子の破壊を有効に防止できる結果、高耐圧のスイッチング素子でなくても使用可能となり、スイッチング素子への複雑な制御回路も不要となる。
【００８５】
また、本発明に係るレーザ電源装置では、上記オープンループ制御手段が、上記昇圧コンバータ部に設けられたスイッチング素子のオン／オフの比率を決定するデューティ設定回路と、上記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御する過電圧クランプ回路と、を備え、上記出力電圧Ｖｏを所定値以下に制限すべく上記過電圧クランプ回路によって上記デューティ設定回路の出力信号を制御することとしたので、出力電圧Ｖｏを所定の電圧値以下に制御することが可能となる。
【００８６】
また、本発明に係るレーザ電源装置では、上記過電圧クランプ回路は上記出力電圧Ｖｏが所定値を越えた場合に上記デューティ設定回路の出力信号を減じさせるように動作することとしたので、出力電圧Ｖｏを所定の電圧値以下に安定に制御することが可能となる。
【００８７】
また、本発明に係るレーザ電源装置では、上記トランス部は上記インバータ部から出力された高周波電圧を昇圧する昇圧トランス部であって、上記昇圧トランス部の出力に基づき上記インバータ部を制御するＰＷＭあるいはＰＦＭ制御手段を備えたので、２段階の昇圧の適用により昇圧コンバータ部のみで過度な昇圧を行わずに済むため、スイッチング素子に高電圧が印加される事態は解消され、また、高電圧を得るために汎用のスイッチング素子を過度に多直列化する必要もなくなる。
【００８８】
また、本発明に係るレーザ電源装置では、上記トランス部の出力側に設けられ、放電電流を検出する放電電流検出回路の出力信号に基づき関数化処理を行う関数化回路をさらに備え、上記デューティ設定回路の出力信号が上記関数化回路の出力に基づき決定されることとしたので、ダイオードリカバリモードに入ることを防止でき、また、容易に出力変動を抑制できるため、安定したレーザ出力が得られる。
【００８９】
また、本発明に係るレーザ電源装置では、上記インバータ部用のインバータデューティ下限値設定回路をさらに備えたので、インバータ部のＰＷＭ制御のみによるレーザ出力制御よりも一層容易にレーザ出力の変動を抑制できるため、安定したレーザ出力が得られる。
【００９０】
また、本発明に係るレーザ電源装置では、上記放電電流検出回路と上記デューティ設定回路間に設けられた線形化回路をさらに備えたので、昇圧比の高い領域でのデューティ変動に対するレーザ出力変動を抑制することができるため、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００９１】
また、本発明に係るレーザ電源装置では、上記整流部の出力電圧に基づき上記線形化回路に出力信号を送るライン電圧変動補正回路をさらに備えたので、昇圧コンバータの出力電圧を常に一定に保つことができるため、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００９２】
本発明に係るレーザ装置では、電源として上述のレーザ電源装置を用いることとしたので、レーザ電源が安定しているため、安定したレーザ出力が得られる。
【００９３】
本発明に係るレーザ電源装置の制御方法では、整流部と、上記整流部から出力された直流電圧を昇圧すべくスイッチング素子を設けた昇圧コンバータ部と、上記昇圧コンバータ部の直流の出力電圧Ｖｏを高周波電圧に変換するインバータ部と、上記インバータ部の出力側に接続され、放電電極部に高周波化された電力を供給する昇圧トランス部と、上記昇圧コンバータ部の出力電圧Ｖｏを制御するオープンループ制御手段と、を備えたレーザ電源装置の制御方法であって、レーザの非点灯時およびレーザパルスベース期間においても上記スイッチング素子の駆動を継続することとしたので、レーザパルスベース期間にも外部交流電源電圧より高い電圧を放電電極部に容易に印加することができるので、放電電極部に電力が入りやすくなり、放電の維持が容易になることに加えて、高電圧を放電電極に印加しているため、放電が電極内に広がりやすくなって、レーザの発振効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１のレーザ電源装置を説明するための図である。
【図２】実施の形態１のレーザ電源装置における過電圧クランプ回路の構成を示した図である。
【図３】実施の形態２のレーザ電源装置の制御方法を示す図である。
【図４】実施の形態３のレーザ電源装置を説明するための図である。
【図５】実施の形態３のレーザ電源装置の昇圧コンバータの出力電圧Ｖｏとレーザ出力電流の関係を示す図である。
【図６】実施の形態４のレーザ電源装置を説明するための図である。
【図７】実施の形態５のレーザ電源装置を説明するための図である。
【図８】実施の形態５のレーザ電源装置の昇圧コンバータの出力電圧Ｖｏと昇圧比の関係を示す図である。
【図９】実施の形態６のレーザ電源装置の昇圧コンバータ部のデューティと昇圧コンバータの出力電圧Ｖｏの関係を示す図である。
【図１０】実施の形態７のレーザ電源装置を説明するための図である。
【図１１】実施の形態７のレーザ電源装置のライン電圧と昇圧コンバータ部のデューティの関係を示す図である。
【図１２】実施の形態８のレーザ装置の構成図である。
【図１３】従来のレーザ電源装置を説明するための図である。
【図１４】レーザ電源装置における放電電極の一例である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ　一対の相対する放電電極、　２　レーザ媒質、　３　金属電極、４　誘電体、　５　放電管、　６　シリコン樹脂、　７　放電、　８　高周波電源、　１０　昇圧コンバータ部、　２０　昇圧トランス部、　３０　レーザ出力設定回路、　１００　整流部、　１１０　インバータ部、　１２０　放電電極部、　２００　デューティ設定回路、　２１０　過電圧クランプ回路、　２１１電圧検出部、　２１２　電圧比較部、　２１３　出力選択部、　２２０　スイッチング信号作成回路、　２３０　放電電流検出回路、　２４０　関数化回路、２５０　インバータデューティ下限値設定回路、　２６０　線形化回路、　２７０　ライン電圧変動補正回路、　２８１　レーザ発振管、　２８２　放電電極、　２８３　レーザガス供給系、　２８４　レーザガス排気系、　２８５　出力窓、　２８６　全反射ミラー、　２８７　出力ミラー、　２８８　ビームスプリッタ、　２８９　レーザ出力、　２９０　レーザパワーメータ、　２９１　レーザ出力制御装置、　３１５　昇圧コンバータ部、　３１７　インバータ部、　３１９　絶縁トランス、　３２１　放電電極、　３２３　マッチング部。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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