(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電力を発生するためインバータ部のスイッチング素子に第１，第２の２個のトランジスタを用いた高周波電力発生手段と、
一対の放電電極を有し、レーザ放電中の等価回路が容量分と抵抗分を含む直列回路からなるレーザ放電手段と、
前記高周波電力発生手段と前記レーザ放電手段とのインピーダンス整合をとるためコイルと容量とで構成されるマッチング回路とを備えてなり、
前記レーザ放電手段の容量分と抵抗分を含む直列回路と、前記マッチング回路とで構成されるＬＣＲ直列共振回路でインピーダンスの同調をとるようにしたことを特徴とするレーザ発振器用高周波電源装置。
【請求項２】
前記レーザ放電手段の一方の放電電極とグランド間に第１の電圧を印加し、該レーザ放電手段の他方の放電電極とグランド間に前記第１の電圧と逆位相の第２の電圧を印加し、前記第１の電圧と第２の電圧との差分が前記一対の放電電極間に印加するようにしたことを特徴とする請求項１記載のレーザ発振器用高周波電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発振器用高周波電源装置に係り、例えば鋼材等を切断加工するレーザ加工機等のレーザ発振器用高周波電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来のレーザ発振器用高周波電源装置１００およびレーザ放電部１１０のブロック図である。
図８において、レーザ発振器用高周波電源装置１００は次の各部よりなる。
【０００３】
即ち、１０１は直流電源部であり、三相の交流入力（２００Ｖ）を整流し直流を発生させる。１０２は高周波電源部であり、直流電源部１０１からの直流入力を高周波の交流に変換する。１０３は伝送インピーダンス５０Ωの同軸ケーブルである。１０４はコンデンサＣ10，Ｃ20とインダクタンスＬ10を有するマッチング回路であり、同軸ケーブル１０３のインピーダンスと次に説明するレーザ放電部１１０のインピーダンスとを整合させ、伝送線路からみて、反射電力が０に近づくように調整されている。
【０００４】
前記レーザ放電部１１０は炭酸ガスレーザにより構成され、１１１ａ，１１１ｂは一対のレーザ放電用の放電電極であり、１１２は該一対の放電電極１１１ａ，１１１ｂにより形成される放電空間である。
そして、直流電源部１０１および高周波電源部１０２に対して、マッチング回路１０４およびレーザ放電部１１０は離れて配置されている。この場合、高周波電源部１０２からは、高速パルス（約１５０ｋＨｚ）が供給されるので、高周波電源部１０２とマッチング回路１０４とを接続するケーブルに同軸ケーブル１０３を使用し、ノイズの周囲への放射を防止している。
なお、半導体出力素子の進歩により、高周波電源部１０２はかなり小型化されてきたものの、π型フィルタを使用したマッチング回路１０４は大型のままである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のレーザ発振器用高周波電源装置においては、マッチング回路１０４は、伝送線路上の端点Ｐでの抵抗５０Ωに合わせる必要があり、少なくともマッチング回路の２つの定数（容量Ｃ10，インダクタンスＬ10）を調整しなければならない。そのため、調整工数が掛り、マッチング回路１０４が複雑高価になるという問題点があった。特に容量Ｃ10の調整にはバリコン等を使用していたので、装置のコストアップの一因になっていた。
【０００６】
また、放電電極１１１ａ，１１１ｂにはかなりの高電圧（約３５００Ｖ）を印加するので、放電電極の近傍の導電性部品を安全な絶縁距離長だけ離して設置する必要があり、また回路部品は高耐圧のものを使用しなければならず、装置が大型化し、コストアップの一因になっていた。
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、同軸ケーブルを使用することなくノイズの外部への放射を防止し、かつレーザ放電部への印加電圧を小さくしたレーザ発振器用高周波電源装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するために、請求項１記載の発明は、高周波電力を発生するためインバータ部のスイッチング素子に第１，第２の２個のトランジスタを用いた高周波電力発生手段と、一対の放電電極を有し、レーザ放電中の等価回路が容量分と抵抗分を含む直列回路からなるレーザ放電手段と、前記高周波電力発生手段と前記レーザ放電手段とのインピーダンス整合をとるためコイルと容量とで構成されるマッチング回路とを備えてなり、前記レーザ放電手段の容量分と抵抗分を含む直列回路と、前記マッチング回路とで構成されるＬＣＲ直列共振回路でインピーダンスの同調をとるようにしたことを特徴とする。
請求項１記載の発明によれば、例えば、図３，図５に示すように、マッチング回路とレーザ放電手段との間で実質的にＬＣＲからなる直列共振回路を構成し、該直列共振回路の同調をとるようにしているので、レーザ放電手段に最大電力を供給することができる。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、前記レーザ放電手段の一方の放電電極とグランド間に第１の電圧を印加し、該レーザ放電手段の他方の放電電極とグランド間に前記第１の電圧と逆位相の第２の電圧を印加し、前記第１の電圧と第２の電圧との差分が前記一対の放電電極間に印加するようにしたことを特徴とする。
請求項２記載の発明によれば、例えば、図６に示すように、第１の電圧Ｅ1 と第２の電圧Ｅ2 とを互いに逆位相にし、且つ両電圧の差分Ｅ3 をレーザ放電手段［等価回路のＲと（−ｊｄ）で示す］に印加しているので、見掛上、Ｅ1 ，Ｅ2 は筐体に対してＥ3 の約半分でよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態例を図面を用いて説明する。なお、従来例と同一の部分には同一符号を付し、重複記載を省略する。
(I) 第１実施形態例
本実施形態例を、（１）機構的構成および作用、（２）電気的構成および作用に分けて説明する。
【００１２】
（１）機構的構成および作用
本実施形態例の機構的構成の特徴は、高周波電源部，マッチング回路等をシールド材製の筐体で覆った点である。
図１は本実施形態例の機構的構成図と回路図とを兼ねたブロック図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態例の機構的構成は、前記直流電源部１０１を収納した第１筐体１と、次に説明する電源供給部１０を収納した第２筐体２と、次に説明するレーザ放電部１１０を収納した第３筐体３とを備えている。
前記第１筐体２ないし第３筐体は、ノイズの外部への放射および外来ノイズを遮断する機能（シールド機能）を有する銅板あるいはアルミニューム板製であり、それぞれ収納した回路部材を完全に覆い、グランドレベルに接地する。
【００１４】
▲１▼第１筐体１およびその内部回路（直流電源部１０１）
第１筐体１は直方体をなし、内部に直流電源部１０１を収納する。直流電源部１０１は、従来例で説明した如く商用交流入力を整流平滑して直流電圧を生成し、その直流電圧を、ケーブル１５を介して第２筐体２に収納された電源供給部１０へ送る。
【００１５】
▲２▼第２筐体２およびその内部回路（電源供給部１０）
第２筐体２は直方体をなし、仕切板１３がインバータ回路筐体２ａとマッチング回路筐体２ｂとに仕切っている。インバータ回路筐体２ａは次に説明するインバータ部２０を収納し、マッチング回路筐体２ｂは次に説明するＬＣ共振回路（マッチング回路）４０を収納する。
【００１６】
前述の如く第２筐体２および仕切板１３は、シールド材によって内部回路（電源供給部１０）を完全に覆い、グランドレベルに接地しているので、インバータ部２０からノイズが外部へ放射されない。また、仕切板１３によりインバータ回路筐体２ａとマッチング回路筐体２ｂとを仕切っているので、ＬＣ共振回路４０はインバータ部２０が発生するノイズにより影響を及ぼされることがない。
【００１７】
▲３▼第３筐体３およびその内部回路（レーザ放電部１１０）
第３筐体３は直方体をなし、内部にレーザ放電部１１０を収納する。Ｗはレーザ光の出力である。
なお、レーザ放電部１１０については、次の（２）電気的構成および作用の欄で詳しく説明する。
【００１８】
（２）電気的構成および作用
本実施形態例の電気的構成および作用を、▲１▼インバータ部２０と、▲２▼ＬＣ共振回路４０と、▲３▼レーザ放電部１１０とに分けて説明する。なお、直流電源
部１０１の電気的構成および作用は、前記（１）機構的構成および作用の欄で説明済みなので、重複説明を省略する。
【００１９】
▲１▼インバータ部２０
インバータ回路筐体２ａの左側面に穴を形成し、該穴に直流電流供給を行うための貫通型バイパスコンデンサ１８ａを取り付ける。該バイパスコンデンサ１８ａに直流電源部１０１からのケーブル１５を挿通し、高周波漏洩の阻止を行うためのリアクタ２１の一端に接続する。該リアクタ２１の他端はバイパスコンデンサ２３の一端と高耐圧の第１のトランジスタ２２ａのコレクタとの接続点に接続する。
【００２０】
第１のトランジスタ２２ａのエミッタと、高耐圧の第２のトランジスタ２２ｂのコレクタとを接続し、その接続点を電流を検知する変流器２４を介してＬＣ共振回路４０を構成する第１のコイル４１の一端に接続する。前記バイパスコンデンサ２３の他端と第２のトランジスタ２２ｂのエミッタは、インバータ回路筐体２ａに接続する。前記トランジスタ２２ａ，２２ｂは高耐圧のスイッチング素子であり、バイポーラトランジスタ，ＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ＳＩＴ等を使用すればよい。
【００２１】
前記変流器２４の出力端を次に説明する自動同調回路３０の入力端に接続し、該自動同調回路３０の出力端を前記第１，第２のトランジスタ２２ａ，２２ｂのベースに接続する。
インバータ部は、前記自動同調回路３０がトランジスタ２２ａ，２２ｂのベースに供給するオン・オフ信号により第１，第２のトランジスタ２２ａ，２２ｂを交互にオン・オフし、直流電源部１０１からの直流を高周波交流に変換する。バイパスコンデンサ２３は、第１，第２のトランジスタ２２ａ，２２ｂで直流電圧を交番電流に変換するときに発生する高周波成分を、前記筐体２ａを介してグランドに流す。
【００２２】
図２は前述の自動同調回路３０のブロック図である。
図２に示すように、自動同調回路３０は、交流電流の位相の検出を行うためのゼロクロスコンパレータ３１と、２つの入力信号（電圧と電流）の位相差に対応する電圧を発生する位相比較器３２と、該位相比較器３２からの出力電圧からの高調波成分を除去するループフィルタ３３と、制御電圧により発振周波数が変化する電圧制御発振器（ＶＣＯ）３４と、該電圧制御発振器３４の出力信号を増幅するアンプ３５とを備えている。また、電圧制御発振器３４の出力端を位相比較器３２にフィードバックする。このフィードバック信号Ｑの位相は、変流器２４端での電圧位相に相当する。
前記変流器２４の出力端をゼロクロスコンパレータ３１の入力端に接続し、アンプ３５の出力端を第１，第２のトランジスタ２２ａ，２２ｂのそれぞれのベースに接続する。
【００２３】
以上の構成をとることにより、自動同調回路３０は次に説明するＬＣ共振回路４０へ供給する電圧と電流の位相差がゼロとなる発振周波数に収束する。この位相差をゼロにする機能は、放電負荷が放電電力により変動するので、前記ＬＣ共振回路４０およびレーザ放電部１１０の作用（共振作用および印加電圧半減作用）の上で必須の条件である。
【００２４】
▲２▼ＬＣ共振回路（マッチング回路）４０
該ＬＣ共振回路４０の機能の特徴は、レーザ放電部１１０とインバータ部（高周波電源回路）２０との整合をとって効率良く電力をレーザ放電部１１０へ供給すると共に、放電のための高電圧を発生させ、かつ、レーザ放電部１１０の筐体３に対する電圧を電極間電圧の約半分にする点である。
【００２５】
前記変流器２４の出力端に接続したケーブル１１を、仕切板１３に取り付けられた貫通型バイパスコンデンサ１８ｄを挿通して第１のコイル４１の一端に接続する。該第１のコイル４１とコンデンサ４２と第２のコイル４３とを直列接続してＬＣ共振回路４０の一部を構成している。
第１のコイル４１とコンデンサ４２の接続点を、貫通型バイパスコンデンサ１８ｅを介して第１の高圧ケーブル１６ａによりレーザ放電部１１０の一方の放電電極１１１ａに接続する。
【００２６】
同様に、前記コンデンサ４２と第２のコイル４３の接続点を、貫通型バイパスコンデンサ１８ｆを介して第２の高圧ケーブル１６ｂにより第２の放電電極１１１ｂに接続する。第１のコイル４１と第２のコイル４３のインダクタンスＬ1 ，Ｌ2 は同じ値にする（Ｌ1 ＝Ｌ2 ）。
図３は、ＬＣ共振回路４０とレーザ放電部１１０との接続を示す図である。
【００２７】
また、該図３は、放電電極１１１ａ，１１１ｂ間の印加電圧が約３５００Ｖであるのに対し、グランドと放電電極１１１ｂとの間の印加電圧およびグランドと放電電極１１１ａとの間の印加電圧はそれぞれ約１６００Ｖであることを示す。この点の理由は次に詳述する。
【００２８】
▲３▼レーザ放電部１１０
レーザ放電部１１０は３軸直交型のＣＯ2 レーザであり、内部にレーザ媒質ガス（ＣＯ2 ，Ｎ2 ，Ｈｅの混合気体）を約１／１０気圧で封入する。また、放電電極１１１ａ，１１１ｂは誘電体電極であり、アルミニューム，銅等からなる金属部分にセラミックス等からなる誘電体が被覆されてなる。
該レーザ放電部１１０に放電をさせるためには放電電極１１１ａ，１１１ｂ間に前述の約３５００Ｖの電圧を印加する必要がある。
前記図３に示すように、レーザ放電部１１０は放電電極１１１ａ，１１１ｂを備え、電気的には等価回路で表現できる。
【００２９】
次にＬＣ共振回路４０およびレーザ放電部１１０の作用を、（ａ) 同調作用と、（ｂ）電力供給作用とに分けて説明する。
【００３０】
（ａ）同調作用
前記図３において、コンデンサ４２の静電容量はＣ3 であり、該コンデンサ４２にレーザ放電部１１０を接続した部分を一点鎖線で囲んだ等価回路Ｓ1 で示し、該等価回路Ｓ1 等を図４に示す。
図４は、前記等価回路Ｓ1 を順次簡単な等価回路に変換する過程を示した図である。
【００３１】
放電電極１１１ａ，１１１ｂの等価回路は、コンデンサＣ1 （静電容量＝Ｃ1 ）とコンデンサＣ2 （静電容量＝Ｃ2 ）と抵抗ｒとで表すことができる。この等価回路をＳ2 で示す。ここに、静電容量Ｃ1 ，Ｃ2 は前述の放電電極を構成する誘電体により形成され、抵抗ｒは放電時のプラズマに基づく抵抗である。
前記等価回路Ｓ2 では２つのコンデンサＣ1 ，Ｃ2 が直列接続なので、これを１つのコンデンサＣ4 （静電容量＝Ｃ4 ）に置き換えると等価回路Ｓ3 となる。
【００３２】
ここに、Ｃ4 ＝１／（１／Ｃ1 ＋１／Ｃ2 ）
等価回路Ｓ3 におけるコンデンサＣ3 ，Ｃ4 の静電容量を容量リアクタンスで表し、
１／（２πｆＣ3 ）＝ａ
１／（２πｆＣ4 ）＝ｂ    ｆ＝周波数［Ｈｚ］
とする。すると、等価回路Ｓ3 は等価回路Ｓ4 となる。
【００３３】
更に、等価回路Ｓ4 を−ｊｄと抵抗Ｒの等価回路Ｓ5 に変換する。
【数１】
ここに、Ｒ＝ａ2 ｒ／｛ｒ2 ＋（ａ＋ｂ）2 ｝        …式（１）
ｄ＝｛ａｒ2 ＋ａｂ（ａ＋ｂ）｝／｛ｒ2 ＋（ａ＋ｂ）2 ｝…式（２）
ここに、式（１）は、ａ項（即ち、コンデンサＣ3 の容量値）と周波数ｆとを適宜に変更することにより、抵抗Ｒが任意の値に調整可能であることを意味している。
以上の変換過程により、等価回路Ｓ1 を等価回路Ｓ5 に変換することができるので、前記図３は図５（Ａ）に示すように、書き換えることができる。
【００３４】
そして、図５（Ａ）の第１，第２のコイル４１，４３（自己インダクタンスＬ1 ，Ｌ2 ）を誘導リアクタンスに変換すると、
２πｆＬ1 ＝ｋ1
２πｆＬ2 ＝ｋ2
となり、図５（Ｂ）に示すようになる。図５（Ｂ）の回路の複素インピーダンス［Ｚ］は以下の式で表される。
【００３５】
［Ｚ］＝Ｒ＋ｊ（ｋ1 ＋ｋ2 −ｄ）＝Ｒ＋ｊＸ
ｘ＝リアクタンス
リアクタンスＸをゼロ、即ち、
ｋ1 ＋ｋ2 −ｄ＝０    ……式（３）
になるように、周波数ｆ，第１，第２のコイルＬ1 ，Ｌ2 の値を調整する。
【００３６】
前記式（３）が成立する状態が「同調が取れている状態」であり、このとき電源側からみた負荷は、純抵抗Ｒとなり、レーザ放電部１１０の反射電力をゼロにし、「レーザ放電部１１０にＬＣ共振回路４０から最大電力を供給する」という要求を満たすことができる。
【００３７】
（ｂ）電力供給作用
次に、図６に示す等価回路ＥＣ1 を用いて、放電電極１１１ａ，１１１ｂに印加される電圧を説明する。
【００３８】
第１のコイル４１とコンデンサ５１の接続点Ｔ1 における電位Ｅ1 と、抵抗５２と第２のコイル４３の接続点Ｔ2 における電位Ｅ2 は、この等価回路ＥＣ1 に流れる電流をｉとすると、
Ｅ2 ＝ｊｋ2 ・ｉ    …式（４）
Ｅ1 ＝Ｒｉ＋ｊ（ｋ2 −ｄ）・ｉ    …式（５）
となる。前述の如くＬ1 ＝Ｌ2 なので、ｋ1 ＝ｋ2 となり、更に式（３）から
ｋ1 ＝ｋ2 ＝ｄ／２    …式（６）
が成り立つ。これを式（４）と式（５）に代入すると、
Ｅ2 ＝ｊ（ｄ／２）・ｉ    …式（７）
Ｅ1 ＝Ｒｉ−ｊ（ｄ／２）・ｉ    …式（８）
になる。そして、このとき電位Ｅ1 とＥ2 との電位差、即ち、放電電極１１１ａと放電電極１１１ｂにかかる電圧Ｅ3 は、
0003819502.tif 000002
である。また電源から供給される電圧Ｅ0 は、
Ｅ0 ＝Ｒｉ    …式（１０）
本実施形態例では、この電圧Ｅ3 は約３５００［Ｖ］、電圧Ｅ0 は２００［Ｖ］である。式（９）を変形して数値を代入すると、
0003819502.tif 000003
となる。そして、電圧Ｅ1 と電圧Ｅ2 は、
0003819502.tif 000004
となり、放電に必要な電圧Ｅ3 は、放電電極１１１ａにかかる電圧Ｅ1 と放電電極１１１ｂにかかる電圧Ｅ2 に分圧される。
【００３９】
（２）第２実施形態例
本実施形態例と第１実施形態例との相違点は、第１実施形態例のＬＣ共振回路４０を２分割し、それぞれ別個の筐体に収納した点である。
図７に示すように、ＬＣ共振回路４０は第１のＬＣ共振回路４０ａと第２のＬＣ共振回路４０ｂとに分割し、それぞれシールド材製の第１のマッチング回路筐体２ｃと第２のマッチング回路筐体２ｄとに収納する。
【００４０】
第１のマッチング回路筐体２ｃに、第１のコイル４１とコンデンサ４４（静電容量＝Ｃ44）を収納し、第１のコイル４１とコンデンサ４４の接続点は、第３の高圧ケーブル１６ｃにより第１の放電電極１１１ａに接続する。
また、第２のマッチング回路筐体２ｄに、第２のコイル４３とコンデンサ４７（静電容量＝Ｃ47）を収納し、第２のコイル４３とコンデンサ４７の接続点は、第４のケーブル１６ｄにより第２の放電電極１１１ｂに接続する。
【００４１】
ここに、コンデンサ４４，４７の静電容量Ｃ44，Ｃ47は、第１実施形態例と同様に共振状態を確保するために、次の関係を満足する必要がある。
【００４２】
１／Ｃ3 ＝１／Ｃ44＋１／Ｃ47
（Ｃ3 は、前述の如く第１実施形態例のコンデンサ４２の静電容量である。）
このように、ＬＣ共振回路を第１のＬＣ共振回路４０ａと第２のＬＣ共振回路４０ｂとに分割しても、第１実施形態例と同様にＲ−Ｌ−Ｃの直列回路になるため、第１実施形態例と同様に最大電力を供給し、レーザ放電部１１０への印加電圧を半減することができる。
【００４３】
また、インバータ回路２０と第１のＬＣ共振回路４０ａとが前述の筐体２ａ，２ｃに収納されているので、ノイズを外部に放射することなく、また、仕切板１３により仕切られているので、インバータ回路２０とＬＣ共振回路４０ａとがノイズにより相互に悪影響を及ぼすこともない。
更に、本実施形態例によれば、前記筐体２ｄを分割小形化しているので、筐体の配置の設計自由度を増すことができる。
さらに、また、前記実施形態例では自動同調回路３０を第２筐体２に内蔵したが、自動同調回路３０を別の筐体に収納してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、各請求項記載の発明によれば、高周波電力発生手段等の各回路をシールド材製の筐体で覆っているので、外部へノイズを放射することがなく、また、前記各回路は外来ノイズの影響を受けることもない。
また、マッチング回路とレーザ放電手段とでＬＣＲの直列共振回路を構成するのようにしているので、同調をとることができ、レーザ放電手段に最大電力を供給することができる。
また、レーザ放電手段を構成する一対の放電電極に印加する電圧をグランドレベルに対して２分割して印加しているので、レーザ放電手段の近傍の電気部品の耐圧を前記一対の放電電極の印加電圧の約半分にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態例の機構的構成と電気的構成とを兼用するブロック図である。
【図２】図１における自動同調回路のブロック図である。
【図３】図１の等価回路である。
【図４】図３に示す等価回路を、順次簡略化する過程を示す図である。
【図５】図３に示した等価回路を最も簡略化した等価回路である。
【図６】放電電極への印加電圧を説明する図である。
【図７】本発明の第２実施形態例の機構的構成と電気的構成とを兼用するブロック図である。
【図８】従来のレーザ発振器用高周波電源装置およびレーザ放電部のブロック図である。
【符号の説明】
１，２ａ，２ｂ，３，筐体
１３  仕切板
２０  インバータ部
２２ａ  第１のトランジスタ
２２ｂ  第２のトランジスタ
２４  変流器
３０  自動同調回路
４０  マッチング回路
４１，４３  コイル
４２  コンデンサ
１０１  直流電源部
１１０  レーザ放電部
１１１ａ，１１１ｂ  放電電極
【図１】
0003819502.tif 000005
【図２】
0003819502.tif 000006
【図３】
0003819502.tif 000007
【図４】
0003819502.tif 000008
【図５】
0003819502.tif 000009
【図６】
0003819502.tif 000010
【図７】
0003819502.tif 000011
【図８】
0003819502.tif 000012