JP6661439B2 - レーザ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ駆動装置に関する。

産業用の加工ツールとして、レーザ加工装置が広く普及している。図１は、レーザ加工装置１ｒのブロック図である。レーザ加工装置１ｒは、ＣＯ_２レーザなどのレーザ光源２と、レーザ光源２に交流電力を供給し、励振させるレーザ駆動装置４ｒを備える。レーザ駆動装置４ｒは、直流電源６および高周波電源８を備える。直流電源６は、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御やＰＩ制御などを用いたフィードバック制御によってその出力である直流電圧Ｖ_ＤＣを目標値に安定化させる。高周波電源８は、直流電圧Ｖ_ＤＣを受け、それを交番電圧に変換して、負荷であるレーザ光源２に供給する。

ドリル用のレーザ加工装置１００ｒにおいて、レーザ光源２は不連続運転する。すなわち、比較的短い数マイクロ〜１０マイクロ秒程度の発光期間と、それと同程度、あるいは短い、あるいは長い休止期間とが交互に繰り返される。レーザ光源２の出力エネルギーを安定化するためには、直流電圧Ｖ_ＤＣが所定の許容変動範囲に収まっていなければならない。

特開２０１５−１０００２９号公報

図２は、図１のレーザ加工装置１ｒの動作波形図である。本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

レーザ光源２の点灯、消灯に応じて、高周波電源８は動作期間と休止期間を繰り返す。高周波電源８が休止期間から動作期間に移行するときに、直流電源６においてフィードバックの応答遅れが生じ、直流電圧Ｖ_ＤＣが低下し、許容変動範囲から逸脱するおそれがある。高周波電源８の動作期間から休止期間に移行したときに、フィードバック遅れにより直流電圧Ｖ_ＤＣが上昇し、許容変動範囲から逸脱するおそれがある。

また異なる加工に切りかえる際に、直流電圧Ｖ_ＤＣの目標値を切りかえる場合がある。ここでも直流電源６の応答速度が遅いと、直流電圧Ｖ_ＤＣが次の目標値に到達するまでの遷移時間が長くなる。遷移時間の間は、レーザ光源２を発光させることができないため、稼働率の低下の要因となる。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、出力エネルギーを安定化可能なレーザ駆動装置の提供にある。

本発明のある態様はレーザ駆動装置に関する。レーザ駆動装置は、バンクコンデンサと、入力がバンクコンデンサと接続され、レーザ光源に交番電圧を間欠的に供給する高周波電源と、高周波電源の休止期間にバンクコンデンサを目標電圧に充電する充電回路と、を備える。

この態様では、バンクコンデンサが高周波電源に電力を供給する電源として振る舞う。充電電源によるバンクコンデンサの充電期間中、高周波電源は停止しており、したがって充電電源は実質的に無負荷の状態となる。したがって負荷変動中に電圧を安定化する必要がある従来の直流電源に比べて、短時間で安定的に、バンクコンデンサの電圧を目標電圧に充電することができ、出力エネルギーを安定化できる。

充電電源は、第１昇圧コンバータを含んでもよい。

第１昇圧コンバータは、不連続モードで動作してもよい。この場合、１回のスイッチングによりバンクコンデンサに供給される電荷量を、オン時間とリアクトルのインダクタンス、コンバータの入力電圧に応じて正確に制御することが可能となり、バンクコンデンサの電圧を正確に制御可能となる。

充電電源は、リアクトルのインダクタンスが第１昇圧コンバータより小さい第２昇圧コンバータをさらに含んでもよい。これにより、第１昇圧コンバータによって、バンクコンデンサを粗い精度で急速に充電し、第２昇圧コンバータによってバンクコンデンサを高い精度で正確に充電でき、バンクコンデンサの電圧を一層、目標電圧に近づけることが可能となる。

第１昇圧コンバータによるバンクコンデンサの充電動作の後に、第２昇圧コンバータによるバンクコンデンサの充電動作に移行してもよい。

第１昇圧コンバータは、ダイオード整流型であり、第２昇圧コンバータは、同期整流型であってもよい。第２昇圧コンバータは、充電および放電が可能となり、バンクコンデンサの電圧のより精密な調節が可能となる。

充電電源は、第１昇圧コンバータのオン時間を、数値演算により求めてもよい。充電開始前のバンクコンデンサの電圧と、その目標電圧の差分から、バンクコンデンサに供給すべき電荷量が計算でき、さらにはオン時間を計算することができる。これによりＰＩ制御やＰＩＤ制御が不要となり、応答遅れが小さくなる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、出力エネルギーを安定化できる。

レーザ加工装置のブロック図である。 図１のレーザ加工装置の動作波形図である。 実施の形態に係るレーザ加工装置のブロック図である。 図３のレーザ加工装置の動作波形図である。 図２の充電電源の構成例を示すブロック図である。 第１昇圧コンバータの動作波形図である。 図５の充電電源の動作波形図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図３は、実施の形態に係るレーザ加工装置１のブロック図である。レーザ加工装置１は、レーザ光源２およびレーザ駆動装置１００を備える。レーザ光源２は、たとえばＣＯ_２レーザである。レーザ駆動装置１００は、レーザ光源２に交流電力を供給し、励振させる。

レーザ駆動装置１００は、充電電源１０２、バンクコンデンサ１０４、高周波電源１０６を備える。高周波電源１０６は、その入力１０８がバンクコンデンサ１０４と接続され、その出力がレーザ光源２に接続されている。高周波電源１０６は、バンクコンデンサ１０４に生ずる直流電圧Ｖ_ＤＣを受け、レーザ光源２に交番電圧（駆動電圧）Ｖ_ＤＲＶを間欠的に供給する。すなわち、レーザ光源２の発光期間において高周波電源１０６はスイッチング動作し、レーザ光源２の消灯期間において高周波電源１０６のスイッチングは停止する。高周波電源１０６がスイッチングする期間を動作期間、スイッチングが停止する期間を休止期間という。高周波電源１０６の構成は特に限定されず、公知技術を用いればよい。

バンクコンデンサ１０４は、それ単体で高周波電源１０６に電力を供給する蓄電デバイスのような直流電源と把握することができる。充電電源１０２は、高周波電源１０６の休止期間中にバンクコンデンサ１０４を目標電圧Ｖ_ＲＥＦに充電する。高周波電源１０６の動作期間中は、バンクコンデンサ１０４への充電が停止するため、バンクコンデンサ１０４の電圧Ｖ_ＤＣは、高周波電源１０６による放電により低下する。したがってバンクコンデンサ１０４の容量は、高周波電源１０６による放電の過程においても、直流電圧Ｖ_ＤＣが許容範囲を下回らないように設計される。

以上がレーザ加工装置１の構成である。続いてその動作を説明する。図４は、図３のレーザ加工装置１の動作波形図である。高周波電源１０６は、５ｋＨｚ程度の繰り返し周波数、デューティ比５％程度で間欠動作する。高周波電源１０６の動作期間中において、バンクコンデンサ１０４が高周波電源１０６に電力を供給する電源として振る舞う。この間、充電電源１０２は停止しており、放電によってバンクコンデンサ１０４の直流電圧Ｖ_ＤＣは低下する。ただし、バンクコンデンサ１０４の容量は十分に大きいため、直流電圧Ｖ_ＤＣは許容電圧範囲を下回らない。

高周波電源１０６の動作が停止し、休止期間に入ると、充電電源１０２によるバンクコンデンサ１０４の充電が開始し、バンクコンデンサ１０４が目標電圧Ｖ_ＲＥＦに充電される。レーザ加工装置１はこの動作を繰り返す。

以上がレーザ加工装置１の動作である。続いてその利点を説明する。
図１のレーザ加工装置１ｒでは、直流電源６は常時動作しており、したがってその負荷は動作中に大きく変動しており、これが出力電圧Ｖ_ＤＣの変動の要因となっていた。これに対して図３のレーザ加工装置１では、充電電源１０２によるバンクコンデンサ１０４の充電期間中、高周波電源１０６は停止しており、充電電源１０２は実質的に無負荷の状態となる。つまり負荷変動が生じない静的な状態で、バンクコンデンサ１０４を充電することとなる。したがって負荷変動中に電圧を安定化する必要がある図１の直流電源６に比べて、短時間で安定的に、バンクコンデンサ１０４の電圧Ｖ_ＤＣを目標電圧Ｖ_ＲＥＦに充電することができ、ひいては出力エネルギーを安定化できる。

本発明は、図３のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。

図５は、図２の充電電源１０２の構成例を示すブロック図である。充電電源１０２は、整流平滑化回路１１０、第１昇圧コンバータ１１２、第２昇圧コンバータ１１４を備える。整流平滑化回路１１０は、商用交流電圧Ｖ_ＡＣを受け、それを整流、平滑化し、直流電圧Ｖ_ＩＮを生成する。たとえば商用交流電圧Ｖ_ＡＣは、３相２２０Ｖであり、直流電圧Ｖ_ＩＮは３００Ｖである。

バンクコンデンサ１０４の電圧Ｖ_ＤＣの目標電圧Ｖ_ＲＥＦは、たとえば５００Ｖである。第１昇圧コンバータ１１２は、直流電圧Ｖ_ＩＮを受け、バンクコンデンサ１０４に充電電流Ｉ_ＣＨＧ１を供給する。第１昇圧コンバータ１１２は、バンクコンデンサ１０４を急速に充電する。第１昇圧コンバータ１１２は、リアクトルＬ１、スイッチングトランジスタＭ１、整流ダイオードＤ１を備えるダイオード整流型である。この第１昇圧コンバータ１１２が生成する充電電流Ｉ_ＣＨＧ１は、バンクコンデンサ１０４を充電する方向にのみ流れる。

第２昇圧コンバータ１１４は、バンクコンデンサ１０４を、第１昇圧コンバータ１１２よりも高い精度で正確に充電するために設けられる。第２昇圧コンバータ１１４は、リアクトルＬ２、スイッチングトランジスタＭ２、同期整流トランジスタＭ３を備える同期整流型である。この第２昇圧コンバータ１１４が生成する充電電流Ｉ_ＣＨＧ２は、バンクコンデンサ１０４を充電する方向のみでなく、それを放電する方向にも流れることが可能である。電圧Ｖ_ＤＣが目標値Ｖ_ＲＥＦを超えた場合には、第２昇圧コンバータ１１４により、電圧Ｖ _ＤＣを下げる方向に微調節可能となる。

第１昇圧コンバータ１１２と第２昇圧コンバータ１１４の併用によって、第１昇圧コンバータ１１２によりバンクコンデンサ１０４の電圧Ｖ_ＤＣを短時間で目標電圧Ｖ_ＲＥＦに近づけ、第２昇圧コンバータ１１４により高い精度で、電圧Ｖ_ＤＣを目標電圧Ｖ_ＲＥＦにさらに近づけ、安定化することができる。

ここで第１昇圧コンバータ１１２は、バンクコンデンサ１０４を急速充電する必要があり、１回のスイッチング動作で、なるべく多くの電流Ｉ_ＣＨＧ１をバンクコンデンサ１０４に供給することが求められる。したがってリアクトルＬ１のインダクタンスは、大きい値が選択される。

充電電荷量は、充電電流の時間積分量である。したがって一定の電荷量を充電する場合、電流ピーク値が高いほど、充電パルス時間幅は短くなる。言い換えると、インダクタンスが小さいほど、充電速度が速い。第２昇圧コンバータ１１４は数回のスイッチング動作で、バンクコンデンサ１０４の電荷を素早く微調節することが求められる。したがってリアクトルＬ２のインダクタンスは、リアクトルＬ１のそれよりも小さい値が好ましい。

図６は、第１昇圧コンバータ１１２の動作波形図である。好ましくは第１昇圧コンバータ１１２は、不連続モード（Discontinuous Mode）で動作するように制御される。スイッチングトランジスタＭ１のオン時間Ｔ_ＯＮ１において、リアクトル電流Ｉ_Ｌ１は、式（１）にしたがい、傾きＶ_ＩＮ／Ｌ１で時間ｔと共に増加する。
Ｉ_Ｌ１＝Ｖ_ＩＮ／Ｌ１×ｔ …（１）

スイッチングトランジスタＭ１のオン時間をＴ_ＯＮ１とするとき、リアクトル電流Ｉ_Ｌ１のピーク値Ｉ_ＰＥＡＫは、式（２）となる。
Ｉ_ＰＥＡＫ＝Ｖ_ＩＮ／Ｌ１×Ｔ_ＯＮ１ …（２）

スイッチングトランジスタＭ１がオフすると、リアクトル電流Ｉ_Ｌ１は、式（３）にしたがい、傾き（Ｖ_ＤＣ＋Ｖｆ−Ｖ_ＩＮ）／Ｌ１で時間ｔとともに減少する。Ｖｆは整流ダイオードＤ１の順方向電圧である。通常のＤＣ／ＤＣコンバータであれば、Ｖ_ＤＣは一定とみなせるが、図５の充電電源１０２では、スイッチングトランジスタＭ１のオフ時間の間に、電圧Ｖ_ＤＣが増加していくため、傾きは一定ではない。ただしここでは説明の容易化のため、電圧Ｖ_ＤＣは一定であるものと仮定する。
Ｉ_Ｌ１＝Ｉ_ＰＥＡＫ−（Ｖ_ＤＣ＋Ｖｆ−Ｖ_ＩＮ）／Ｌ１×ｔ …（３）
Ｖｆを無視すれば、式（４）を得る。
Ｉ_Ｌ１＝Ｉ_ＰＥＡＫ−（Ｖ_ＤＣ−Ｖ_ＩＮ）／Ｌ１×ｔ …（４）

図６のリアクトル電流Ｉ_Ｌ１のうち、ハッチングを付した部分が、整流ダイオードＤ１に流れ、充電電流Ｉ_ＣＨＧ１としてバンクコンデンサ１０４に供給される。電流不連続モードで動作させることにより、１回のスイッチングによりバンクコンデンサ１０４に供給される電荷量を、オン時間Ｔ_ＯＮとリアクトルＬ１のインダクタンス、コンバータの入力電圧Ｖ_ＩＮに応じて正確に制御することが可能となり、バンクコンデンサ１０４の電圧Ｖ_ＤＣを正確に制御可能となる。

続いてコンバータの制御方法について説明する。

充電電源１０２の第１昇圧コンバータ１１２を、従来と同様にＰＩＤ制御器やＰＩ制御器を用いて制御すると、演算コストが多くなり、また遅延の要因となる。そこで本実施の形態では、第１昇圧コンバータ１１２のオン時間Ｔ_ＯＮ１を、ＰＩＤ制御器等によらない数値演算により求めることとしている。また第１昇圧コンバータ１１２は１回だけスイッチングするものとする。

バンクコンデンサ１０４に供給すべき電荷量ΔＱは、充電開始前のバンクコンデンサ１０４の電圧Ｖ_ＩＮＩＴと、その目標電圧Ｖ_ＲＥＦの差分から、式（５）にしたがって計算できる。Ｃ_ＢＡＮＫは、バンクコンデンサ１０４の容量である。
ΔＱ＝Ｃ_ＢＡＮＫ×（Ｖ_ＲＥＦ−Ｖ_ＩＮＩＴ） …（５）

したがって、図６の充電電流Ｉ_ＣＨＧ１の積分値がΔＱと等しくなるように、スイッチングトランジスタＭ１のオン時間Ｔ_ＯＮ１を計算すればよい。
ΔＱ＝∫Ｉ_ＣＨＧ１ｄｔ＝Ｉ_ＰＥＡＫ×Ｔ_Ｄ１／２＝Ｃ_ＢＡＮＫ×（Ｖ_ＲＥＦ−Ｖ_ＩＮＩＴ）
…（６）

具体的には、以下のようにオン時間Ｔ_ＯＮ１を計算してもよい。整流ダイオードＤ１に電流Ｉ_Ｄ１（すなわち充電電流Ｉ_ＣＨＧ１）が流れる時間Ｔ_Ｄ１は、式（４）から計算でき、式（７）で表される。
Ｔ_Ｄ１＝Ｉ_ＰＥＡＫ×Ｌ１／（Ｖ_ＤＣ−Ｖ_ＩＮ） …（７）

式（７）を式（６）に代入すると、式（８）を得る。
Ｉ_ＰＥＡＫ×Ｉ_ＰＥＡＫ×Ｌ１／（Ｖ_ＤＣ−Ｖ_ＩＮ）／２＝Ｃ_ＢＡＮＫ×（Ｖ_ＲＥＦ−Ｖ_ＩＮＩＴ）
…（８）

式（８）に式（２）を代入し、Ｔ_ＯＮ１について解くと、式（９）を得る。
Ｔ_ＯＮ１＝√｛２×Ｌ１×Ｃ_ＢＡＮＫ ×（Ｖ_ＲＥＦ−Ｖ_ＩＮＩＴ）×（Ｖ_ＤＣ−Ｖ_ＩＮ）／Ｖ_ＩＮ ^２｝
…（９）

これによりＰＩ制御やＰＩＤ制御が不要となり、応答遅れが小さくなる。なお、具体的な演算式はこれには限定されない。

図７は、図５の充電電源１０２の動作波形図である。高周波電源１０６の休止期間に入ると、はじめに第１昇圧コンバータ１１２によるバンクコンデンサ１０４の急速充電動作が行われる。続いて、第２昇圧コンバータ１１４のトランジスタＭ２，Ｍ３のスイッチングが開始し、バンクコンデンサ１０４の電圧Ｖ_ＤＣがさらに目標電圧Ｖ_ＲＥＦに近づけられる。

第２昇圧コンバータ１１４についても、第１昇圧コンバータ１１２と同様に、ＰＩＤ制御器等によらない演算処理によって、スイッチングトランジスタＭ２および同期整流トランジスタＭ３のオン時間を決定してもよい。

以上、本発明について、いくつかの実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

図５の第１昇圧コンバータ１１２による充電により、電圧Ｖ_ＤＣを目標値に十分近づけることが可能な場合、第２昇圧コンバータ１１４を省略してもよい。また上の説明では、第１昇圧コンバータ１１２を１回のみスイッチングさせることとしたが、２回あるいは３回程度、スイッチングさせてもよい。スイッチング回数は、バンクコンデンサ１０４の容量値と、リアクトルＬ１のインダクタンスに応じて規定すればよい。

また充電電源１０２の第１昇圧コンバータ１１２や第２昇圧コンバータ１１４を、ＰＩＤ制御器によって制御してもよい。第１昇圧コンバータ１１２や第２昇圧コンバータ１１４の設計に際しては、負荷変動を考慮する必要がないため、フィードバックループを無負荷状態において安定となるように設計すればよい。したがって、図１の直流電源６よりも応答性を高めることができる。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…レーザ駆動装置、１０２…充電電源、１０４…バンクコンデンサ、１０６…高周波電源、１１０…整流平滑化回路、１１２…第１昇圧コンバータ、１１４…第２昇圧コンバータ、Ｌ１，Ｌ２…リアクトル、Ｍ１…スイッチングトランジスタ。

Claims (5)

1. バンクコンデンサと、
   入力が前記バンクコンデンサと接続され、レーザ光源に交番電圧を間欠的に供給する高周波電源と、
   前記高周波電源の休止期間に前記バンクコンデンサを目標電圧に充電する充電電源と、
   を備え、
   前記充電電源は、第１昇圧コンバータと、リアクトルのインダクタンスが前記第１昇圧コンバータより小さい第２昇圧コンバータを含み、
   前記第１昇圧コンバータによる前記バンクコンデンサの充電動作の後に、前記第２昇圧コンバータによる前記バンクコンデンサの充電動作に移行することを特徴とするレーザ駆動装置。
2. 前記第１昇圧コンバータは、ダイオード整流型であり、
   前記第２昇圧コンバータは、同期整流型であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動装置。
3. バンクコンデンサと、
   入力が前記バンクコンデンサと接続され、レーザ光源に交番電圧を間欠的に供給する高周波電源と、
   前記高周波電源の休止期間に前記バンクコンデンサを目標電圧に充電する充電電源と、
   を備え、
   前記充電電源は、第１昇圧コンバータと、リアクトルのインダクタンスが前記第１昇圧コンバータより小さい第２昇圧コンバータを含み、
   前記第１昇圧コンバータは、ダイオード整流型であり、
   前記第２昇圧コンバータは、同期整流型であることを特徴とするレーザ駆動装置。
4. 前記第１昇圧コンバータは、不連続モードで動作することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザ駆動装置。
5. 前記充電電源は、前記第１昇圧コンバータのオン時間を、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）あるいはＰＩ（Proportional-Integral）制御によらない数値演算により求めることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザ駆動装置。

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