(57)【要約】【課題】レーザ加工機用のレーザダイオード電源装置においてＬＤ駆動電流を設定電流値まで無理なく高速に立ち上げられるようにする。【解決手段】このレーザダイオード電源装置１２は、主たる構成要素として、負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路７０と、この定電流源回路７０とＬＤアレイ３０との間に接続されるインダクタンスコイル７２と、定電流源回路７０に対してインダクタンスコイル７２と直列に接続され、かつＬＤアレイ３０と並列に接続されるスイッチング素子７４と、このスイッチング素子７４と並列に、かつＬＤアレイ３０と直列に接続されるスイッチング素子７６と、これらのスイッチング素子７４，７６を制御するＬＤ駆動制御部７８とを有している。【選択図】  図２
2009123833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工機におけるレーザ発振器内の活性媒体を光学的に励起するために、励起光源のレーザダイオード（ＬＤ）を駆動するレーザダイオード電源装置であって、
負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、
前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、
前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第１のスイッチング素子と、
前記レーザダイオードを発光させない間は前記第１のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記第１のスイッチング素子をオフ状態に保持するＬＤ駆動制御部と
を有するレーザダイオード電源装置。
【請求項２】
レーザ加工機におけるレーザ発振器内の活性媒体を光学的に励起するために、励起光源のレーザダイオード（ＬＤ）を駆動するレーザダイオード電源装置であって、
負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、
前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、
前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第１のスイッチング素子と、
前記レーザダイオードを流れるＬＤ駆動電流の電流値を測定するためのＬＤ駆動電流測定部と、
前記レーザダイオードを発光させない間は前記第１のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記ＬＤ駆動電流測定部より得られる電流測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように前記第１のスイッチング素子をスイッチング動作させるＬＤ駆動制御部と
を有するレーザダイオード電源装置。
【請求項３】
レーザ加工機におけるレーザ発振器内の活性媒体を光学的に励起するために、励起光源のレーザダイオード（ＬＤ）を駆動するレーザダイオード電源装置であって、
負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、
前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、
前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第１のスイッチング素子と、
前記レーザ発振器より発振出力されるレーザ光のレーザ出力を測定するためのレーザ出力測定部と、
前記レーザダイオードを発光させない間は前記第１のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように前記第１のスイッチング素子をスイッチング動作させるＬＤ駆動制御部と
を有するレーザダイオード電源装置。
【請求項４】
前記ＬＤ駆動制御部が、前記第１のスイッチング素子をパルス幅変調方式でスイッチング制御する請求項２または請求項３に記載のレーザダイオード電源装置。
【請求項５】
前記第１のスイッチング素子と並列に、かつ前記レーザダイオードと直列に第２のスイッチング素子が接続され、
前記ＬＤ駆動制御部が、前記レーザダイオードを発光させない間は前記第２のスイッチング素子をオフ状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記第２のスイッチング素子をオン状態に保持する請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザダイオード電源装置。
【請求項６】
前記レーザダイオードと並列に、かつ前記第１のスイッチング素子と直列に１個または複数個のダイオードが前記第１のスイッチング素子を流れる電流に対して順方向に接続される請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザダイオード電源装置。
【請求項７】
前記定電流源回路が、
電力蓄積用のコンデンサと、
前記コンデンサを予め設定された基準電圧まで充電する充電回路と、
前記コンデンサと前記インダクタンスコイルとの間に接続される第３のスイッチング素子と、
前記インダクタンスコイルを流れる主電流の電流値を測定するための主電流測定部と、
前記主電流測定部より得られる電流測定値が予め設定された基準値に一致するように前記第３のスイッチング素子をスイッチング動作させる主電流制御部と
を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザダイオード電源装置。
【請求項８】
前記レーザダイオードを空間的に一次元方向または二次元方向に多数個配列し、その配列パターンにしたがってそれら多数個のレーザダイオードを電気的に直列および／または並列に接続してなる請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザダイオード電源装置。
【請求項９】
前記レーザ発振器をパルス発振させるために、前記レーザダイオードにパルス波形の駆動電流を供給する請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザダイオード電源装置。
【請求項１０】
レーザ加工用のレーザ光を発振出力するためのレーザダイオード（ＬＤ）を駆動するレーザダイオード電源装置であって、
負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、
前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、
前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第１のスイッチング素子と、
前記レーザダイオードを発光させない間は前記第１のスイッチング素子をオフ状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記第１のスイッチング素子をオン状態に保持するＬＤ駆動制御部と
を有するレーザダイオード電源装置。
【請求項１１】
レーザ加工用のレーザ光を発振出力するためのレーザダイオード（ＬＤ）を駆動するレーザダイオード電源装置であって、
負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、
前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、
前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第１のスイッチング素子と、
前記レーザダイオードを流れるＬＤ駆動電流の電流値を測定するためのＬＤ駆動電流測定部と、
前記レーザダイオードを発光させない間は前記第１のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記ＬＤ駆動電流測定部より得られる電流測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように前記第１のスイッチング素子をスイッチング動作させるＬＤ駆動制御部と
を有するレーザダイオード電源装置。
【請求項１２】
レーザ加工用のレーザ光を発振出力するためのレーザダイオード（ＬＤ）を駆動するレーザダイオード電源装置であって、
負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、
前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、
前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第１のスイッチング素子と、
前記レーザダイオードより発振出力される前記レーザ光のレーザ出力を測定するためのレーザ出力測定部と、
前記レーザダイオードを発光させない間は前記第１のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように前記第１のスイッチング素子をスイッチング動作させるＬＤ駆動制御部と
を有するレーザダイオード電源装置。
【請求項１３】
前記ＬＤ駆動制御部が、前記第１のスイッチング素子をパルス幅変調方式でスイッチング制御する請求項１１または請求項１２に記載のレーザダイオード電源装置。
【請求項１４】
前記第１のスイッチング素子と並列に、かつ前記レーザダイオードと直列に第２のスイッチング素子が接続され、
前記ＬＤ駆動制御部が、前記レーザダイオードを発光させない間は前記第２のスイッチング素子をオフ状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記第２のスイッチング素子をオン状態に保持する請求項１０〜１３のいずか一項に記載のレーザダイオード電源装置。
【請求項１５】
前記レーザダイオードと並列に、かつ前記第１のスイッチング素子と直列に１個または複数個のダイオードが前記第１のスイッチング素子を流れる電流に対して順方向に接続される請求項１０〜１４のいずれか一項に記載のレーザダイオード電源装置。
【請求項１６】
前記定電流源回路が、
電力蓄積用のコンデンサと、
前記コンデンサを予め設定された基準電圧まで充電する充電回路と、
前記コンデンサと前記インダクタンスコイルとの間に接続される第３のスイッチング素子と、
前記インダクタンスコイルを流れる主電流の電流値を測定するための主電流測定部と、
前記主電流測定部より得られる電流測定値が予め設定された基準値に一致するように前記第３のスイッチング素子をスイッチング動作させる主電流制御部と
を有する請求項１０〜１５のいずれか一項に記載のレーザダイオード電源装置。
【請求項１７】
前記レーザダイオードを空間的に一次元方向または二次元方向に多数個配列し、その配列パターンにしたがってそれら多数個のレーザダイオードを電気的に直列および／または並列に接続してなる請求項１０〜１６のいずれか一項記載のレーザダイオード電源装置。
【請求項１８】
前記レーザダイオードをパルス発振させるために、前記レーザダイオードにパルス波形の駆動電流を供給する請求項１０〜１７のいずれか一項に記載のレーザダイオード電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工機に用いるレーザダイオード（ＬＤ）を駆動するためのレーザダイオード電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＹＡＧレーザやファイバレーザ等の活性媒体を光学的に励起するための励起光源にレーザダイオード（ＬＤ）がよく用いられている。最近は、加工用のレーザ光を生成するためのレーザ発振源としてもＬＤが用いられている。
【０００３】
通常、レーザ加工機に用いられるＬＤ方式の励起光源あるいはレーザ発振源は、高出力を得るために、ＬＤを一次元方向または二次元方向に多数配列してそれらを全部同時に発光させる。このようなＬＤアレイは、電気的には、たとえば縦方向では各列のＬＤを直列に接続し、横方向では全列のＬＤ直列回路を並列に接続したものとなり、アレイ全体で相当大きな駆動電流を必要とする。
【０００４】
レーザ加工分野における従来のレーザダイオード電源装置は、負荷のＬＤを所要の出力でレーザ発振させるのに必要なＬＤ駆動電流を定電流で供給できる定電流源回路として構成されており、一般的には、電力を蓄積するコンデンサと、このコンデンサを設定電圧まで充電する充電回路と、コンデンサと負荷（ＬＤ）との間に接続される出力用のスイッチング素子とを有している。ノーマルパルスまたはロングパルスの加工用レーザ光を生成する場合は、該スイッチング素子がパルス出力時間の間だけオンまたはスイッチング動作し、パルスを出力しない間はオフ状態に保持されるようになっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のレーザダイオード電源装置は、上記のように、出力用のスイッチング素子をオンまたはスイッチング動作させることにより、コンデンサを放電させて、その放電電流をＬＤ駆動電流とするものである。しかしながら、ＬＤには配線インダクタンスや端子間容量があり、しかも直並列に接続された多数のＬＤ（ＬＤアレイ）を全部同時に発光させなければならない条件の下では、コンデンサ放電電流（ＬＤ駆動電流）の立ち上がりが遅く、そのためにレーザ出力の立ち上がりも遅くなっている。そこで、パルスレーザの高速の立ち上がりを必要とするレーザ加工（たとえばレーザ溶接）においては、コンデンサの充電電圧を十分高い値に設定することで、ＬＤ駆動電流の立ち上がりの高速化を図っている。しかし、そのように高電圧のパワーでＬＤ駆動電流を無理やり立ち上げる技法は、定電流制御が難しくなるという問題が生じて、高速かつ安定した立ち上がり特性が得られるものではなかった。
【０００６】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、ＬＤ駆動電流を設定電流値まで無理なく高速に立ち上げられるレーザ加工機用のレーザダイオード電源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】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点におけるレーザダイオード電源装置は、レーザ加工機におけるレーザ発振器内の活性媒体を光学的に励起するために、励起光源のレーザダイオード（ＬＤ）を駆動するレーザダイオード電源装置であって、負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第１のスイッチング素子と、前記レーザダイオードを発光させない間は前記第１のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記第１のスイッチング素子をオフ状態に保持するＬＤ駆動制御部とを有する。
【０００８】
上記の装置構成においては、レーザダイオードを発光させない間は、定電流源回路より出力される電流がインダクタンスコイルおよびオン状態の第１のスイッチング素子を通って流れ、インダクタンスコイルに電磁エネルギーの形態で電力が蓄えられる。レーザダイオードを発光させるために、ＬＤ駆動制御部が第１のスイッチング素子をオン状態からオフ状態に切り替えると、インダクタンスコイルからの電流は負荷回路において第１のスイッチング素子とは並列のレーザダイオード側をＬＤ駆動電流として流れるようになり、レーザダイオードがレーザ発振（発光）する。インダクタンスコイルに流れていた電流を流し込んでレーザダイオードの通電を開始するので、ＬＤ駆動電流を無理なく迅速に立ち上げることができる。
【０００９】
本発明の第２の観点におけるレーザダイオード電源装置は、レーザ加工機におけるレーザ発振器内の活性媒体を光学的に励起するために、励起光源のレーザダイオード（ＬＤ）を駆動するレーザダイオード電源装置であって、負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第１のスイッチング素子と、前記レーザダイオードを流れるＬＤ駆動電流の電流値を測定するためのＬＤ駆動電流測定部と、前記レーザダイオードを発光させない間は前記第１のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記ＬＤ駆動電流測定部より得られる電流測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように前記第１のスイッチング素子をスイッチング動作させるＬＤ駆動制御部とを有する。
【００１０】
上記の装置構成においては、レーザダイオードを発光させない間は、定電流源回路より出力される電流がインダクタンスコイルおよびオン状態の第１のスイッチング素子を通って流れ、インダクタンスコイルに電磁エネルギーの形態で電力が蓄えられる。レーザダイオードを発光させるために、ＬＤ駆動制御部が第１のスイッチング素子をオン状態からスイッチング動作に切り替えることで、インダクタンスコイルからの電流が負荷回路において第１のスイッチング素子の枝路とレーザダイオードの枝路とに分流して流れ、レーザダイオードがレーザ発振（発光）する。インダクタンスコイルに流れていた電流を流し込んでレーザダイオードの通電を開始するので、電流フィードバック制御においてＬＤ駆動電流を無理なく基準値または基準波形に倣わせて高速に立ち上げることができる。
【００１１】
本発明の第３の観点におけるレーザダイオード電源装置は、レーザ加工機におけるレーザ発振器内の活性媒体を光学的に励起するために、励起光源のレーザダイオード（ＬＤ）を駆動するレーザダイオード電源装置であって、負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路と、前記定電流源回路と前記レーザダイオードとの間に接続されるインダクタンスコイルと、前記定電流源回路に対して前記インダクタンスコイルと直列に接続され、かつ前記レーザダイオードと並列に接続される第１のスイッチング素子と、前記レーザ発振器より発振出力されるレーザ光のレーザ出力を測定するためのレーザ出力測定部と、前記レーザダイオードを発光させない間は前記第１のスイッチング素子をオン状態に保持し、前記レーザダイオードを発光させる時は前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように前記第１のスイッチング素子をスイッチング動作させるＬＤ駆動制御部とを有する。
【００１２】
上記の装置構成においては、レーザダイオードを発光させない間は、定電流源回路より出力される電流がインダクタンスコイルおよびオン状態の第１のスイッチング素子を通って流れ、インダクタンスコイルに電磁エネルギーの形態で電力が蓄えられる。レーザダイオードを発光させるために、ＬＤ駆動制御部が第１のスイッチング素子をオン状態からスイッチング動作に切り替えることで、インダクタンスコイルからの電流が負荷回路において第１のスイッチング素子の枝路とレーザダイオードの枝路とに分流して流れ、レーザダイオードがレーザ発振（発光）する。インダクタンスコイルに流れていた電流を流し込んでレーザダイオードの通電を開始するので、レーザ出力フィードバック制御においてＬＤ駆動電流を無理なく基準値または基準波形に倣わせて高速に立ち上げることができる。
【００１３】
本発明の好適な一実施態様においては、ＬＤ駆動制御部が、第１のスイッチング素子をパルス幅変調方式でスイッチング制御する。
【００１４】
別の好適な実施態様においては、第１のスイッチング素子と並列に、かつ前記レーザダイオードと直列に第２のスイッチング素子が接続され、ＬＤ駆動制御部が、レーザダイオードを発光させない間は第２のスイッチング素子をオフ状態に保持し、レーザダイオードを発光させる時は第２のスイッチング素子をオン状態に保持する。かかる構成により、レーザダイオードを発光させない間は、オフ状態の第２のスイッチング素子が電流を遮断するので、レーザダイオードへの不所望な電流注入を確実に防止することができる。
【００１５】
別の好適な実施態様として、レーザダイオードと並列に、かつ第１のスイッチング素子と直列に１個または複数個のダイオードが第１のスイッチング素子を流れる電流に対して順方向に接続される。この構成においては、レーザダイオードの発光の前後で負荷電圧の変動を少なくし、ＬＤ駆動電流の立ち上がりを一層安定に高速化することができる。
【００１６】
本発明のレーザダイオード電源装置において、好ましくは、定電流源回路が、電力蓄積用のコンデンサと、このコンデンサを予め設定された基準電圧まで充電する充電回路と、コンデンサとインダクタンスコイルとの間に接続される第３のスイッチング素子と、インダクタンスコイルを流れる主電流の電流値を測定するための主電流測定部と、この主電流測定部より得られる電流測定値が予め設定された基準値に一致するように第３のスイッチング素子をスイッチング動作させる主電流制御部とを有する。
【００１７】
また、本発明のレーザダイオード電源装置は、レーザダイオードを空間的に一次元方向または二次元方向に多数個配列し、その配列パターンにしたがってそれら多数個のレーザダイオードを電気的に直列および／または並列に接続してなるＬＤアレイを駆動する場合に、そしてパルス波形のレーザ光を生成する場合に、特に大なる利点を有する。
【００１８】
さらに、本発明は、レーザ加工用のレーザ光を発振出力するためのレーザダイオード（ＬＤ）を駆動するレーザダイオード電源装置にも好適に適用可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のレーザダイオード電源装置によれば、上記のような構成および作用により、ＬＤ駆動電流を設定電流値まで無理なく高速に立ち上げられることが可能であり、レーザ加工機における加工能力や加工品質を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【００２１】
図１に、本発明のレーザダイオード電源装置を好適に適用できる一例としてのファイバレーザ加工機の構成を示す。このファイバレーザ加工機は、ファイバレーザ発振器１０、レーザダイオード電源装置１２、レーザ入射部１４、ファイバ伝送系１６、レーザ出射部１８、加工テーブル２０および主制御部２５を備えている。
【００２２】
ファイバレーザ発振器１０は、発振用の光ファイバ（以下「発振ファイバ」と称する。）２２と、この発振ファイバ２２の一端面にポンピング用の励起光ＭＢを照射する電気光学励起部２４と、発振ファイバ２２を介して光学的に相対向する一対の光共振器ミラー２６，２８とを有している。
【００２３】
電気光学励起部２４は、励起光源のＬＤアレイ３０および集光用の光学レンズ３２を有している。ＬＤアレイ３０は、電流注入型のＬＤを空間的に一次元方向または二次元方向に多数配列し、その配列パターンにしたがってそれら多数のレーザダイオードを電気的に直列および／または並列に接続してなり（図２）、レーザダイオード電源装置１２からのＬＤ駆動電流ＩLDによって発光し、励起用のレーザ光ＭＢを発振出力する。光学レンズ３２は、ＬＤアレイ３０からの励起用レーザ光ＭＢを発振ファイバ２２の一端面に集光入射させる。ＬＤアレイ３０と光学レンズ３２との間に配置される光共振器ミラー２６は、ＬＤアレイ３０側から入射した励起用レーザ光ＭＢを透過させ、発振ファイバ２２側から入射した発振光線を共振器の光軸上で全反射するように構成されている。
【００２４】
発振ファイバ２２は、図示省略するが、発光元素としてたとえば希土類元素のイオンをドープしたコアと、このコアを同軸に取り囲むクラッドとを有しており、コアを活性媒体とし、クラッドを励起光の伝播光路としている。上記のようにして発振ファイバ２２の一端面から発振ファイバ２２内に入射した励起用レーザ光ＭＢは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ２２の中を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることでコア中の希土類元素イオンを光励起する。こうして、コアの両端面から軸方向に所定波長の発振光線が放出され、この発振光線が光共振器ミラー２６，２８の間を何度も行き来して共振増幅され、部分反射ミラーからなる片側の光共振器ミラー２８より該所定波長を有するファイバレーザ光ＦＢが取り出される。
【００２５】
なお、光共振器において、光学レンズ３２，３４は、発振ファイバ２２の端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートして光共振器ミラー２６，２８へ通し、光共振器ミラー２６，２８で反射して戻ってきた発振光線を発振ファイバ２２の端面に集光させる。また、発振ファイバ２２を通り抜けた励起用レーザ光ＭＢは、光学レンズ３４および光共振器ミラー２８を透過したのち折り返しミラー３６にて側方のレーザ吸収体３８に向けて折り返される。光共振器ミラー２８より出力されたファイバレーザ光ＦＢは、この折り返しミラー３６をまっすぐ透過し、次いでビームスプリッタ４０を通ってからレーザ入射部１４に入る。
【００２６】
ビームスプリッタ４０は、入射したファイバレーザ光ＦＢの一部（たとえば１％）を所定方向つまりパワーモニタ用の受光素子たとえばフォトダイオード（ＰＤ）４２側へ反射する。フォトダイオード（ＰＤ）４２の正面に、ビームスプリッタ４０からの反射光またはモニタ光ＲFBを集光させる集光レンズ４４が配置されてよい。
【００２７】
フォトダイオード（ＰＤ）４２は、ビームスプリッタ４０からのモニタ光ＲFBを光電変換して、ファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力（ピークパワー）を表す電気信号（レーザ出力測定信号）ＳFBを出力し、この信号ＳFBをレーザダイオード電源装置１２に送る。レーザダイオード電源装置１２は、リアルタイムのパワーフィードバック制御を行う場合に、フォトダイオード（ＰＤ）４２からのレーザ出力測定信号ＳFBをフィードバック信号に用いる。
【００２８】
レーザ入射部１４に入ったファイバレーザ光ＦＢは、最初にベントミラー４６で所定方向に折り返され、次いで入射ユニット４８内で集光レンズ５０により集光されてファイバ伝送系１６の伝送用光ファイバ（以下「伝送ファイバ」と称する。）５２の一端面に入射する。伝送用光ファイバ５２は、たとえばＳＩ（ステップインデックス）形ファイバからなり、入射ユニット４８内で入射したファイバレーザ光ＦＢをレーザ出射部１８の出射ユニット５４まで伝送する。
【００２９】
出射ユニット５４は、伝送ファイバ５２の終端面より出たファイバレーザ光ＦＢを平行光にコリメートするコリメートレンズ５６と、平行光のファイバレーザ光ＦＢを所定の焦点位置に集光させる集光レンズ５８とを有しており、加工テーブル２０に載置されている被加工物６０の加工点Ｗにファイバレーザ光ＦＢを集光照射する。
【００３０】
主制御部２５は、たとえばマイクロコンピュータからなり、このファイバレーザ加工機内の各部を統括して制御し、特に後述するようにレーザダイオード電源装置１２に対して設定値の供給やタイミング的な制御を行う。
【００３１】
このファイバレーザ加工機において、テーブル２０上の被加工物６０にたとえばレーザ溶接を施す場合は、レーザダイオード電源装置１２よりパルス波形のＬＤ駆動電流ＩLDがＬＤアレイ３０に供給されることにより、ファイバレーザ発振器１０内でＬＤアレイ３０よりパルス波形の励起用レーザ光ＭＢが発振ファイバ２２に供給され、ファイバレーザ発振器１０よりパルス波形のファイバレーザ光ＦＢが発振出力される。このパルス波形のファイバレーザ光ＦＢが、レーザ入射部１４、ファイバ伝送系１６およびレーザ出射部１８を介して被加工物６０の加工点Ｗに集光照射される。加工点Ｗにおいては、パルス波形のファイバレーザ光ＦＢのエネルギーにより被加工材質が溶融し、パルス照射終了後に凝固してナゲットが形成される。
【００３２】
このファイバレーザ加工機は、後述するようにレーザダイオード電源装置１２がＬＤアレイ３０に供給するＬＤ駆動電流ＩLDを高速に立ち上げられるため、励起用レーザ光ＭＢの立ち上がり速度ひいてはファイバレーザ光ＦＢの立ち上がり速度が高く、これによってレーザ溶接加工における溶け込み特性を向上させることができる。
【００３３】
図２に、この実施形態におけるレーザダイオード電源装置１２の構成を示す。このレーザダイオード電源装置１２は、主たる構成要素として、負荷回路に所望の定電流を供給するための定電流源回路７０と、この定電流源回路７０とＬＤアレイ３０との間に接続されるインダクタンスコイル７２と、定電流源回路７０に対してインダクタンスコイル７２と直列に接続され、かつＬＤアレイ３０と並列に接続される第１のスイッチング素子であるスイッチング素子７４と、このスイッチング素子７４と並列に、かつＬＤアレイ３０と直列に接続される第２のスイッチング素子であるスイッチング素子７６と、これらのスイッチング素子７４，７６を制御するＬＤ駆動制御部７８とを有している。
【００３４】
定電流源回路７０は、商用交流電源８０、充電回路８２、コンデンサ８４、スイッチング素子８６、フライホイール・ダイオード８８、電流センサ９０、電流測定回路９２および主電流制御部９４を有している。
【００３５】
ここで、充電回路８２は、商用交流電源８０からの商用交流を直流に変換してコンデンサ８４を設定電圧まで充電する。コンデンサ８４は、ＬＤ駆動用の電力を充電電荷（静電エネルギー）として蓄積する。第３のスイッチング素子であるスイッチング素子８６は、主電流制御部９４の制御の下で、コンデンサ８０を放電させて負荷回路側へ所望の放電電流または主電流ＩCを流すようにスイッチング動作する。フライホイール・ダイオード８８は、スイッチング素子８６が一時的にオフしている間も負荷回路に主電流ＩCを還流して流し続けるためのものである。電流センサ９０は、たとえばホール素子からなり、非接触方式で主電流ＩCを検出する。電流測定回路９２は、電流センサ９０の出力信号を入力して主電流ＩCの電流測定値（たとえば電流実効値）を演算し、主電流測定値ＳＩCをフィードバック信号として主電流制御部９４に与える。主電流制御部９４は、主電流制御部９４から取り込んだ主電流測定値ＳＩCが予め設定された基準値に一致するように、たとえばパルス幅変調（ＰＷＭ）方式でスイッチング素子８６をスイッチング制御する。
【００３６】
なお、主電流制御部９４のフィードバック制御に用いられる電流基準値は、主制御部２５より与えられる。また、充電回路８２においてコンデンサ８０をフィードバック制御で充電する場合の電圧設定値も、主制御部２５より与えられる。
【００３７】
このレーザダイオード電源装置１２では、負荷回路のノードＮa，Ｎb間で、ＬＤアレイ３０と並列に、かつスイッチング素子７４と直列に１個または複数個の電圧降下用ダイオード９６がスイッチング素子７４を流れる電流に対して順方向に接続されている。この直列接続されるダイオード９６の数は、ＬＤアレイ３０の各列内で直列接続されるＬＤの数と同一または近似しているのが好ましい。定電流源回路７０より出力される主電流ＩSは、常にインダクタンスコイル７２を流れ、その後段の負荷回路においては、ダイオード列９６および第１のスイッチング素子７４を含む第１枝路Ｊ1および／またはスイッチング素子７６およびＬＤアレイ３０を含む第２枝路Ｊ2を分流してあるいは選択的に流れるようになっている。
【００３８】
より詳細には、ＬＤアレイ３０を発光させない間は、ＬＤ駆動制御部７８の制御の下で、第１枝路Ｊ1のスイッチング素子７４をオン状態に保持するとともに、第２枝路Ｊ2のスイッチング素子７６をオフ状態に保持する。この場合は、第２枝路Ｊ2にはＬＤ駆動電流ＩLDが供給されず、インダクタンスコイル７２からの主電流ＩSは全部そのままバイパス電流ＩBとして第１枝路Ｊ1を流れる。
【００３９】
また、ＬＤアレイ３０を発光させる時は、ＬＤ駆動制御部７８の制御の下で、第２枝路Ｊ2のスイッチング素子７６をオン状態に保持するとともに、第１枝路Ｊ1のスイッチング素子７４をスイッチング動作させる。この場合は、インダクタンスコイル７２からの主電流ＩSは、その一部がＬＤ駆動電流ＩLDとして第２枝路Ｊ2を流れ、残りがバイパス電流ＩBとして第１枝路Ｊ1を流れる。第２枝路Ｊ2に設けられる電流センサ９８は、たとえばカレントトランスからなり、非接触方式でＬＤ駆動電流ＩLDを検出する。電流測定回路１００は、電流センサ９８の出力信号を基にＬＤ駆動電流ＩLDの測定値（たとえば電流実効値）を演算し、その電流測定値ＳＩLDをフィードバック信号としてＬＤ駆動制御部７８に与える。
【００４０】
ＬＤ駆動制御部７８は、第２枝路Ｊ2を流れるＬＤ駆動電流ＩLDが予め設定された基準値または基準波形に倣うように、第１枝路Ｊ1のスイッチング素子７４をスイッチング制御する。あるいは、パワーモニタ部［４４，４２］（図１）からのレーザ出力測定信号ＳFBをフィードバック信号に用いて、レーザ出力測定信号ＳFBが予め設定された基準値または基準波形に倣うように、スイッチング素子７４をスイッチング制御することも可能である。このような電流フィードバック制御あるいはパワーフィードバック制御に用いる電流基準値または基準波形は、主制御部２５より与えられる。また、両スイッチング素子７４，７６の状態を切り替えるタイミングも、主制御部２５よりＬＤ駆動制御部７８に指示される。
【００４１】
なお、このレーザダイオード電源装置１２内の各スイッチング素子７４，７６，８４には、ＦＥＴあるいはＩＧＢＴ等のパワートランジスタを使用してよい。
【００４２】
図３に、ＬＤアレイ３０よりパルス波形の励起用レーザ光ＭＢを発振出力させる場合のレーザダイオード電源装置１２（図２）内の各部の状態または波形を示す。
【００４３】
この場合、パルス開始（時点ｔｓ）前は、図２に示す定電流源回路７０のスイッチング素子８６が定常的に定電流制御でスイッチング動作し続け、負荷回路では第１枝路Ｊ1のスイッチング素子７４がオン状態に保持されるとともに第２枝路Ｊ2のスイッチング素子７６がオフ状態に保持されている。これにより、インダクタンスコイル７２を流れる主電流ＩCが全部そのまま第１枝路Ｊ1をバイパス電流ＩBとして流れ、インダクタンスコイル７２には主電流ＩCの電流値に応じた電力が電磁エネルギーの形態で蓄えられる。
【００４４】
図３のパルス開始時点ｔｓで、図２に示す第２枝路Ｊ2のスイッチング素子７６がそれまでのオフ状態からオン状態に切り替わり、第１枝路Ｊ1のスイッチング素子７４はそれまでのオン状態からスイッチング動作に切り替わる。これによって、インダクタンスコイル７２を流れる主電流ＩCは、負荷回路では第１枝路Ｊ1と第２枝路Ｊ2とに分流するようになり、第２枝路Ｊ2を流れる電流つまりＬＤ駆動電流ＩLDの電流値または電流波形はスイッチング素子７４に対するＬＤ駆動制御部７８のスイッチング制御で規定される。
【００４５】
たとえば、電流フィードバック制御ループを働かせる場合は、ＬＤ駆動電流ＩLDの電流波形が基準波形に倣うようにスイッチング素子７４がＰＷＭ方式でスイッチング動作する。この場合、ＬＤ駆動電流ＩLDの立ち上がり以前からインダクタンスコイル７２を流れ続けている主電流ＩCの一部が第１枝路Ｊ1から第２枝路Ｊ2に移ってＬＤ駆動電流ＩLDとして流れることになり、またノードＮa，Ｎb間の負荷電圧はパルス開始の前後で大して違わない。このため、ＬＤ駆動電流ＩLDを無理なく設定通りの速度で高速に立ち上げることができる。なお、図示省略するが、ＬＤアレイ３０にＬＤ駆動電流ＩLDの閾電流値近傍のバイアス電流を供給するバイアス電流供給回路を備えてもよい。
【００４６】
一例として、従来のレーザダイオード電源装置ではＬＤ駆動電流の立ち上がり時間が１００μｓｅｃ程度であるのに対して、この実施形態のレーザダイオード電源装置１２ではＬＤ駆動電流ＩLDの立ち上がり時間を２μｓｅｃ程度まで高速化することができる。
【００４７】
上記のようにして第２枝路Ｊ2でパルス波形のＬＤ駆動電流ＩLDが流れることにより、ＬＤアレイ３０を構成する全ＬＤが一斉に通電して、パルス波形の励起用レーザ光ＭＢが発振出力される。
【００４８】
そして、図３のパルス終端時点ｔ2で、図２に示す第２枝路Ｊ2のスイッチング素子７６がそれまでのオン状態からオフ状態に切り替わると同時に、第１枝路Ｊ1のスイッチング素子７４はそれまでのスイッチング動作からオン状態に切り替わる。こうして、各部がパルス開始前と同じ状態に戻る。
【００４９】
上記のように、図３のパルス期間（ｔａ〜ｔｂ）中に、図２の定電流源回路７０における主電流ＩCの制御と負荷回路におけるＬＤ駆動電流ＩLDの制御とを独立に行うことで、パルス波形制御を自由かつ精細に行うことができる。
【００５０】
一変形例として、図４に示すように、パルス期間（ｔａ〜ｔｂ）中に、負荷回路では第２枝路Ｊ2のスイッチング素子７６をオン状態に保持するとともに第１枝路Ｊ1のスイッチング素子７４をオフ状態に保持し、定電流源回路７０の方でスイッチング素子８６のＬＤ駆動電流ＩLDの制御のためのスイッチング動作を行わせることも可能である。この場合、主電流制御部９４は、電流測定回路９２で得られる電流測定値ＳＩC（ＳＩLC）が主制御部２５より与えられる基準波形に倣うように、スイッチング素子８６をたとえばＰＷＭ方式でスイチング制御してよい。
【００５１】
図４の例では、ＬＤ駆動電流ＩLDに対する波形制御の自由度を大きくするために、ＬＤ駆動電流ＩLDのピーク値を主電流ＩCの定常値よりも小さく設定している。別の変形例として、波形制御の自由度は小さくなるが、ＬＤ駆動電流ＩLDのピーク値を主電流ＩCの定常値に合わせることも可能である。さらに、別の変形例として、主電流制御部９４が、パワーモニタ部［４４，４２］（図１）からのレーザ出力測定信号ＳFBをフィードバック信号に用いて、ＬＤ駆動電流ＩLDの定電流制御または波形制御を行うことも可能である。
【００５２】
また、別の変形例として、装置構成の簡易化を図るため、負荷回路において第２枝路Ｊ2のスイッチング素子７６および電流モニタ用の電流センサ９８、電流測定回路１００を省いて、図５に示すような装置構成とすることも可能である。この場合、ＬＤ駆動制御部７８は、ＬＤアレイ３０を発光させない間は第１枝路Ｊ1のスイッチング素子７４をオン状態に保持し、ＬＤアレイ３０を発光させる時はスイッチング素子７４をオフ状態に保持する。そして、定電流源回路７０の方で、ＬＤアレイ３０を発光させない間は主電流ＩCを制御し、ＬＤアレイ３０を発光させる時はＬＤ駆動電流ＩLDを制御してよい。なお、スイッチング素子７４がオン状態にある間に主電流ＩCが第２枝路Ｊ2に分流しないように、第１枝路Ｊ1に設けられるダイオード９６の電圧降下を極力低くするのが好ましい。
【００５３】
上記した実施形態はファイバレーザ加工機に係るものであったが、本発明は他のレーザ加工機で用いるレーザダイオード電源装置にも適用可能である。
【００５４】
たとえば、図６に示すように、ＹＡＧレーザ加工機にも上記実施形態のレーザダイオード電源装置１２をそのまま適用できる。このＹＡＧレーザ加工装置は、ＹＡＧレーザ発振器１０２内で光共振器ミラー２６，２８の間にＹＡＧロッド１０４を配置しており、ＹＡＧロッド１０４を光学的にポンピングするための励起光源にＬＤアレイ３０を使用し、ＬＤアレイ３０をレーザダイオード電源装置１２により駆動するようにしている。励起用ＬＤアレイ３０で生成された励起用レーザ光ＭＢは、集光レンズ１０６により伝送用の光ファイバ１０８の一端面に集光入射し、光ファイバ１０８の中を伝播してその他端面から射出され、コリメータレンズ１１０、集光レンズ１１２、光共振器ミラー２６を通ってＹＡＧロッド１０４の一端面に入射するようになっている。ＹＡＧレーザ発振器１０２より発振出力されたＹＡＧレーザ光ＹＢは、加工用のレーザビームとして、ベントミラー１１４およびレーザ出射部１８を通って被加工物６０の加工点Ｗに照射される。
【００５５】
別の例として、図７に示すように、ＬＤアレイ３０で加工用のレーザビームＬＢを直接生成し、この加工用のレーザビームＬＢを伝送用の光ファイバ１１６に通して所望の加工場所でレーザ加工を行うＬＤレーザ加工機にも本発明のレーザダイオード電源装置１２を適用することができる。図７において、集光レンズ１１８は、ＬＤアレイ３０より発振出力されたレーザビームＬＢを光ファイバ１１６の一端面に集光入射させる。コメータレンズ１２０は、光ファイバ１１６の他端面より放射状に射出されたレーザビームＬＢを平行光にしてベントミラー１１４に入射させる。
【００５６】
本発明のレーザダイオード電源装置は、レーザ溶接だけでなく、レーザマーキング、穴あけ、切断等を行うレーザ加工機にも適用可能である。
【００５７】
また、本発明のレーザダイオード電源装置は、上記実施形態におけるようなＬＤアレイを駆動するのに特に向いているものであるが、単一のＬＤを駆動するのに用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態におけるレーザダイオード電源装置を適用したファイバレーザ加工機の構成を示す図である。
【図２】実施形態におけるレーザダイオード電源装置の構成を示す回路図である。
【図３】実施形態におけるレーザダイオード電源装置の作用を説明するための各部の状態または波形を示す図である。
【図４】実施形態におけるレーザダイオード電源装置の作用の一変形例を示す図である。
【図５】実施形態の一変形例によるレーザダイオード電源装置の構成を示す回路図である。
【図６】本発明のレーザダイオード電源装置を用いるＹＡＧレーザ加工機の構成を示す図である。
【図７】本発明のレーザダイオード電源装置を用いるＬＤレーザ加工機の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０    ファイバレーザ発振器
１２    レーザダイオード電源装置
３０    ＬＤアレイ
７０    定電流源回路
７２    インダクタンスコイル
７４    第１のスイッチング素子
７６    第２のスイッチング素子
７８    ＬＤ駆動制御部
８２    充電回路
８４    コンデンサ
８６    第３のスイッチング素子
９０，９８    電流センサ
９２，１００    電流測定回路
９４    主電流制御部
９６    ダイオード
１００    主制御部
１０２    ＹＡＧレーザ発振器
１１６    光ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2009123833.tif 000006
【図５】
2009123833.tif 000007
【図６】
2009123833.tif 000008
【図７】
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