(57)【要約】【課題】本発明は、低リップル電流かつ高速応答を実現する定電流制御電源およびレーザ発振器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の一実施例に係る定電流制御電源は、スイッチング素子及び整流素子を備えたスイッチング回路、リアクタ及びコンデンサを備えた平滑回路、電流検出回路、制御回路を有し、コントローラからの指令値に応じた定電流を出力するスイッチングレギュレータを備え、指令値が、所定の値より大きい電流である高電流出力を指令する場合をＯＮとし、指令値が、所定の値より小さい電流である低電流出力を指令する場合をＯＦＦとした時、ＯＮ／ＯＦＦを繰り返すパルス動作が入力される条件において、制御回路は、指令値の変化量を所定の増幅率で増幅して指令値に加算し、加算分を所定の時定数で減衰する、ことを特徴とする。【選択図】図２
2016181544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子及び整流素子を備えたスイッチング回路、リアクタ及びコンデンサを備えた平滑回路、電流検出回路、制御回路を有し、コントローラからの指令値に応じた定電流を出力するスイッチングレギュレータを備え、
前記指令値が、所定の値より大きい電流である高電流出力を指令する場合をＯＮとし、
前記指令値が、所定の値より小さい電流である低電流出力を指令する場合をＯＦＦとした時、
ＯＮ／ＯＦＦを繰り返すパルス動作を行うための指令値が入力される条件において、
前記制御回路は、前記指令値の変化量を所定の増幅率で増幅して前記指令値に加算し、前記の加算分を所定の時定数で減衰する、
ことを特徴とする定電流制御電源。
【請求項２】
請求項１に記載の定電流制御電源と、
前記定電流制御電源の出力の数と同数のレーザダイオードユニットと、
外部コントロール信号を受けるインターフェイスユニットと、を有し、
前記コントローラまたは前記インターフェイスユニットからの指令値に従って前記定電流制御電源によって前記レーザダイオードユニットを駆動し、
前記レーザダイオードユニットが単体の場合は直接レーザ光を出力し、前記レーザダイオードユニットが複数の場合は集光装置を用いて前記レーザダイオードユニットの発光を集光して、レーザ光を出力する、レーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定電流制御電源およびレーザ発振器に関し、特に出力電流の立上り及び立下りを急峻にし、電源制御の高周波数帯のゲインを抑えることで、外乱変動によるリップル電流を低減する定電流制御電源およびこれを用いたレーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ発振器に使用されるレーザダイオード（ＬＤ）を駆動するために、制御部からの指令値に対応した一定の電流を出力するＬＤ駆動電源が必要となる。このＬＤ駆動電源には、高効率、低リップル電流、高速応答が要求される。
【０００３】
高効率の要求に対して、電力損失を低減するために、ＳＭＰＳ（Ｓｗｉｔｃｈ  Ｍｏｄｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ）、いわゆるスイッチングレギュレータが一般的に用いられる（例えば、特許文献１）。これに対して、定電圧電源出力及び定電流回路を組合せた構成は変換効率が悪化する（例えば、特許文献２）。
【０００４】
また、ダイレクトレーザ（ファイバーレーザなど）は電気−光変換の時定数が短く、微少な電流変動がレーザ出力に影響するため、低リップル電流が求められる。低リップル電流を実現する手段として、リアクタのみの構成（例えば、特許文献３，４）ではなく、リアクタとコンデンサを組合せた構成や、更にリアクタやコンデンサを追加した構成が、スイッチング周波数の基本リップル成分を減衰する平滑回路として一般的に知られている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
また、レーザ加工において、高い周波数（〜数十ｋＨｚ）のパルス電流が必要となるため、高速なＯＮ／ＯＦＦが可能な高速応答が要求される。そこで、ＬＤに並列に設けたスイッチをＯＮ／ＯＦＦしたりする手法（例えば、特許文献３，４）や、ＬＤに直列にスイッチを設け、スイッチＯＮした瞬間にフィードバックから得られる指令値との差分（エラー量）の増幅量（ゲイン）を瞬間的に上げて時間と供に徐々に増幅量を下げたりする手法（例えば、特許文献１）が提案されている。
【０００６】
図１に従来の定電流スイッチング装置のブロック図を示す。従来の定電流スイッチング電源装置は、負荷１００４に流れる電流を制御するものであって、スイッチング回路１００１と、整流回路１００２と、平滑回路１００３と、負荷用スイッチング素子１００５と、電流検出素子１００６と、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１００７と、演算処理回路１００８とを備えている。スイッチング素子１００５は、パルス発生器１００９から供給されるパルス信号ＰＳに応じて、負荷１００４に流れる電流をＯＮ／ＯＦＦする。演算処理回路１００８には、負荷１００４に流れる電流値を決める電流指令値Ｉｃが外部の制御回路１０１０から供給される。
【０００７】
上記の通り、高効率、低リップル電流、高速応答の全ての実現には、特許文献１に記載の定電流スイッチング装置が適切な例として挙げられる。しかしながら、特許文献１のようにＬＤ等の負荷１００４と直列にスイッチ１００５を設けてスイッチ１００５をＯＮ／ＯＦＦした場合、ＯＮ時に平滑回路１００３のコンデンサへの充電に時間がかかるという問題がある。特許文献１は、このＯＮ時の充電を短縮するための手法を開示している。しかしながら、制御が複雑なためマイコン（マイクロコンピュータ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｒ）などのプロセッサが必要となる。さらに、電源制御もプロセッサで行うため、スイッチング周波数が高くなるにつれ、安定動作のために演算処理能力の高い高価なプロセッサが必要になるという問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−４９５２３号公報
【特許文献２】特許第３２５６０９０号公報
【特許文献３】特許第３４５６１２１号公報
【特許文献４】特開２００３−２３４５３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、低リップル電流かつ高速応答を実現する定電流制御電源および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】
【００１０】
本発明の一実施例に係る定電流制御電源は、スイッチング素子及び整流素子を備えたスイッチング回路、リアクタ及びコンデンサを備えた平滑回路、電流検出回路、制御回路を有し、コントローラからの指令値に応じた定電流を出力するスイッチングレギュレータを備え、指令値が、所定の値より大きい電流である高電流出力を指令する場合をＯＮとし、指令値が、所定の値より小さい電流である低電流出力を指令する場合をＯＦＦとした時、ＯＮ／ＯＦＦを繰り返すパルス動作が入力される条件において、制御回路は、指令値の変化量を所定の増幅率で増幅して指令値に加算し、加算分を所定の時定数で減衰する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一実施例に係る定電流制御電源およびレーザ発振器によれば、低リップル電流かつ高速応答を実現する定電流制御電源およびレーザ発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の定電流スイッチング装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の定電流制御電源の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の定電流制御電源において実行される指令値の変化量をある減衰時定数で増幅する制御の模式図である。
【図４】本発明の定電流制御電源におけるリップル電流波形の一例である。
【図５】本発明の実施例に係るレーザ発振器の構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明に係る定電流制御電源およびレーザ発振器について説明する。
【００１４】
まず、本発明の実施例に係る定電流制御電源について説明する。図２に本発明の実施例に係る定電流制御電源の構成を表すブロック図を示す。本発明の実施例に係る定電流制御電源１００は、スイッチング素子１及び整流素子２を備えたスイッチング回路３、リアクタ４ａ、４ｂ及びコンデンサ５ａ、５ｂを備えた平滑回路６、電流検出回路７、制御回路８を有し、コントローラ５０からの指令値に応じた定電流を出力するスイッチングレギュレータ９を備え、指令値が、所定の値より大きい電流である高電流出力を指令する場合をＯＮとし、指令値が、所定の値より小さい電流である低電流出力を指令する場合をＯＦＦとした時、ＯＮ／ＯＦＦを繰り返すパルス動作が入力される条件において、制御回路８は、指令値の変化量を所定の増幅率で増幅して指令値に加算し、加算分を所定の時定数で減衰する、ことを特徴とする。
【００１５】
図２に示すように、スイッチングレギュレータ９は、スイッチング回路３、平滑回路６、電流検出回路７、及び制御回路８を有している。非絶縁のチョッパー電源を例にしているが、絶縁のフォワード、プッシュプル、ハーフブリッジ、フルブリッジなどのスイッチングレギュレータにおいても構成可能である。
【００１６】
次に、本発明の実施例に係る定電流制御電源の動作について説明する。三相交流電源６０からの三相交流電圧がコンバータ２１に入力され、交流電圧が直流電圧に変換される。変換された直流電圧は平滑コンデンサ２０で平滑化される。平滑化された直流電圧はスイッチング回路３に入力される。
【００１７】
スイッチング回路３は、スイッチング素子１及び整流素子２を備えている。スイッチング素子１は制御回路８からの信号に基づいてスイッチングを行い、レーザダイオード（ＬＤ）１０のＯＮ／ＯＦＦを行う。図２に示した例では、スイッチング素子１としてＭＯＳＦＥＴを用いた例を示したが、このような例には限られず、バイポーラトランジスタ等の半導体スイッチを使用してもよい。
【００１８】
スイッチング回路３と平滑回路６との間には電流検出回路７が設けられている。電流検出回路７は電圧を測定し、測定した電圧値を電流値に変換するものであり、例えば抵抗を使用することができる。電流検出回路７は、平滑回路６に流れる電流を検出し、検出結果は制御回路８に出力される。
【００１９】
平滑回路６はリアクタ４ａ、４ｂ、及びコンデンサ５ａ、５ｂを備えている。平滑回路６は、スイッチング回路３の出力を平滑化する。図２に示した例ではリアクタとコンデンサをそれぞれ２つずつ設けた例を示したが、このような例には限られず、１つずつでもよいし、それぞれ３個以上設けてもよい。平滑回路６から出力される定電流はＬＤ１０に供給される。
【００２０】
ＬＤ１０に流れる電流は、制御回路８から供給される信号に応じて、スイッチング素子１を制御することにより、ＯＮ、ＯＦＦされる。スイッチング素子１がＯＮのときの出力電流は、リアクタ４ａ、４ｂを通ってコンデンサ５ａ、５ｂを充電するとともに、ＬＤ１０を駆動する。
【００２１】
スイッチング素子１がＯＦＦのときは、リアクタ４ａ、４ｂ、及びコンデンサ５ａ、５ｂに充電されたエネルギーにより、電流がＬＤ１０に流れる。このように、スイッチング回路３のスイッチング素子１をＯＮ／ＯＦＦすることでＬＤ１０に流れる電流をＯＮ／ＯＦＦすることができる。
【００２２】
図３は、本発明の実施例に係る定電流制御電源において、指令値の変化量をある減衰時定数で増幅する制御の模式図である。指令値Ｓが変化した時刻ｔを０とし、指令値の変化量ΔＳを増幅（α倍）したものを指令に加算して時定数τで減衰する（ΔＳ・α・ε-(t/τ)。ただし、ε：ネイピア数）。これにより、制御Ｇの高周波数帯のゲインを上げることなく高速応答が可能となり、その結果、外乱変動によるリップル電流を低減できる。この指令値の変化量をある減衰時定数で増幅する回路は、抵抗とコンデンサで実現可能である。
【００２３】
本発明では高効率なスイッチングレギュレータを用いて、ＬＤ駆動をスイッチによるＯＮ／ＯＦＦではなく、制御回路からの指令値をＯＮ状態（高電流指令）やＯＦＦ状態（低電流指令：レーザ出力なし）にして指令値の変化でＯＮ／ＯＦＦする。さらに、指令値の変化量を所定の増幅率で増幅して指令値に加算し、加算分を所定の時定数で減衰する。これにより、低リップル電流かつ高速応答を実現できる。
【００２４】
スイッチング周波数以外のランダムに発生するリップル電流の変動は、制御回路やフィードバック回路のノイズの影響などによる外乱変動が発端となり、スイッチング回路から平滑回路を経て出力電流に現れる。しかしながら、電源制御の高周波数帯のゲインが高い場合、この外乱変動を増幅してしまうためリップル電流が悪化する。一方、高速応答のためには高周波数帯のゲインを高くする必要があることは明白である。
【００２５】
本発明は、指令値の変化量を所定の増幅率で増幅して指令値に加算し、加算分を所定の時定数で減衰することにより、ＯＮ→ＯＦＦやＯＦＦ→ＯＮの指令値の変化を利用して、瞬間的に指令値が変化量以上に大きく電源制御へ伝えることで、出力電流の立上り及び立下りを急峻にする。さらに、電源制御の高周波数帯のゲインを抑えることで、外乱変動によるリップル電流を低減するものである。
【００２６】
図４はリップル電流波形の一例である。スイッチング周期毎に現れる基本リップル成分は平滑回路のリアクタやコンデンサのフィルタ定数により変動する。外乱変動は、制御回路やフィードバック回路のノイズの影響などが発端となってランダムに発生する。フィルタ定数の減衰量を大きくすると基本リップル成分及び外乱変動共に抑えられるが、高速応答の妨げになる。
【００２７】
以上説明したように、本発明の実施例に係る定電流制御電源によれば、パルス指令時の出力電流の立上り及び立下りの急峻さを維持（高速応答）しながら、低リップル電流に抑えることを安価な部品で構成することが可能となる。
【００２８】
次に、本発明の実施例に係るレーザ発振器について説明する。本発明の実施例に係るレーザ発振器は、上述した定電流制御電源と、定電流制御電源の出力の数と同数のレーザダイオードユニットと、外部コントロール信号を受けるインターフェイスユニットと、を有し、コントローラまたはインターフェイスユニットからの指令値に従って定電流制御電源によってレーザダイオードユニットを駆動し、レーザダイオードユニットが単体の場合は直接レーザ光を出力し、レーザダイオードユニットが複数の場合は集光装置を用いてレーザダイオードユニットの発光を集光して、レーザ光を出力する点を特徴とする。
【００２９】
図５に本発明の実施例に係るレーザ発振器の構成を示す。本発明によるレーザ発振器２００は、内蔵のコントローラまたは外部コントロールよりインターフェイスユニット４０を介して複数の定電流制御電源（１００ａ，１００ｂ）へ指令値を出力し、複数のレーザダイオードユニット（１０ａ，１０ｂ）の発光を光ファイバーケーブル（７０ａ，７０ｂ）によって集光装置３０へ集め、出力側光ファイバーケーブル８０を通じてレーザ光を出力する。図５においてはレーザダイオードが複数のユニット（１０ａ，１０ｂ）からなる例を示したが、これには限られず、１つ（例えば、１０ａ）でもよい。レーザダイオードが１ユニット（ユニット単体）の場合、集光装置は不要であり、レーザダイオードユニットから集光装置を経ずに直接出力する。
【００３０】
図５に示した例ではレーザダイオードが第１レーザダイオードユニット１０ａと第２レーザダイオードユニット１０ｂの２つのレーザダイオードユニットからなり、定電流制御電源が第１定電流制御電源１００ａ及び第２定電流制御電源１００ｂの２つの定電流制御電源からなる例を示したがこれには限られず、それぞれ３つ以上であってもよい。
【００３１】
また、図５においてはインターフェイスユニット４０から第１定電流制御電源１００ａ及び第２定電流制御電源１００ｂに指令値を送信する例を示したがこれには限られず、図２に示したコントローラ５０から各定電流制御電源へ指令値を送信するようにしてもよい。
【００３２】
以上説明したように、本発明の実施例に係るレーザ発振器によれば、パルス指令時の出力電流の立上り及び立下りの急峻さを維持（高速応答）しながら、低リップル電流に抑えることを安価な部品で構成することが可能な定電流制御電源を用いたレーザ発振器を提供することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１    スイッチング素子
２    整流素子
３    スイッチング回路
４ａ、４ｂ    リアクタ
５ａ、５ｂ    コンデンサ
６    平滑回路
７    電流検出回路
８    制御回路
９    スイッチングレギュレータ
１０    レーザダイオード
１０ａ    第１レーザダイオードユニット
１０ｂ    第２レーザダイオードユニット
２０    平滑コンデンサ
２１    コンバータ
３０    集光装置
４０    インターフェイスユニット
５０    コントローラ
６０    三相交流電源
７０ａ，７０ｂ    光ファイバーケーブル
８０    出力側光ファイバーケーブル
１００    定電流制御電源
１００ａ    第１定電流制御電源
１００ｂ    第２定電流制御電源
２００    レーザ発振器
【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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