JPH04506178A

JPH04506178A - プラズマアーク転換制御装置

Info

Publication number: JPH04506178A
Application number: JP2503553A
Authority: JP
Inventors: トラクスラー，ジョン　シー．
Original assignee: ハイパーサームインコーポレイテッド
Priority date: 1989-04-03
Filing date: 1990-02-08
Publication date: 1992-10-29
Also published as: EP0466704A1; EP0466704B1; US4996407A; DE69021049T2; DE69021049D1; EP0466704A4; WO1990011865A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】プラズマアーク転換制御装置発明の分野本発明は、電力転換（移行）回路に関し、もっと詳しく言うと、本発明は、トーチを加工品へ近付けたり離したりといった操作に応じてプラズマトーチのノズルから加工品へ及びその逆方向へプラズマアークを転換（移行）させる装置に関する。

発明の背景プラズマアークトーチは、熱を集中し得る能力があるため工業において金属を切断するのに使用される。一般に、プラズマアークトーチは、アースされているノズル本体と、ノズル本体に対して相対的に電力供給源の高いマイナス電位を印加する電極をもつノズルアセンブリとを有する。また切断が行われる予定の加工品は、電源゛のアース導体（負に帯電した電極よりは高電位）に接続されている。

ノズルアセンブリは、電極が配置されているノズルの内側の部屋とガス源とを接続する一連の流体出口も有する。流体８口が電極を囲んでいるため、ガスの供給が行われると、ガスの環状の流れは、ノズルアセンブリの電極の周りに供給される。電極を囲んでいる電磁場は、ガスをイオン化してプラズマアークを作り出す。

一般に、プラズマ動作が始まると、ノズルは電源のアース導体に接続されているのでプラズマアークが電極とノズル間に形成される。プラズマは、ノズルアセンブリを加工品に近付けてノズルのアースを断つことによって、電極とノズル間でな（電極と加工品間のアークへ移行し得る。

従来技術においては、ノズルと電力供給源のアース導体間にある電気機械リレーに直列接続された抵抗が、切断動作を始めるためにトーチを加工品へ十分に接近させた時のノズルのアースを断つのに使用されていた。この例が図１に示されている０図１において、電力供給源は１２で、電極は１４で、ノズルは１６で示しである。ノズル１６は、抵抗１８とリレーに１を経由して電源のアース導体と接続されている。加工品２０は、また電力供給源１２のアース導体に接続されていることが示されている。最初にプラズマ動作が起こると、リレーに１は、電力供給源１２の負極側から電極１４へ、そしてプラズマアークによりノズル１６へ、そして抵抗１８とリレーに１を経由して電力供給源のアース導体へと通ずるプラズマアーク内の電流用経路が使用できるように閉じられる。電力供給源１２の出力が増加するのに応じて、抵抗１８にかかる電圧は増加する。抵抗１８にかかる電圧降下がしきいレベルに達した時、アークは加工品へ転換するので、アース導体への唯一の経路は加工品２０を経由するようにリレーに１は解放できる。

プラズマアークが電極１４とノズル１６の間を接続している時、それはパイロットアーク動作と呼ばれる。プラズマアークが電極１４と加工品２０の間を接続している時、それは切断アークあるいはトーチ動作と呼ばれる、切断動作からパイロットアーク動作へ戻す場合、電源１２による電流出力は、ノズル１６を経由してアース導体へ通ずる経路を再び使用できるように抵抗１８にかかる電圧がリレーに１を閉じる点まで抑えられる。抵抗１８にかかる電圧が十分に小さくなると、プラズマアークは、再びノズルに接触する。

ノズルと加工品間のプラズマアークを転換するこの従来技術の方法において、このリレーに１が動作をすばやくスイッチするようにしであるので全電力の流れは加工品からノズルへ、またはその逆に即座に転換される。スムーズ且つ線形的な電力の移動は、安全理由及び実施理由において望ましい。プラズマトーチ内のプラズマビームが絶対温度２００００　°Ｋを越えた温度に達しつることから、トーチがまだ十分な電力を持っている間の加工品からノズルへのプラズマアークのすばやい転換は、ノズルに重大な損害を与えたり溶かすことさえあり得る。

故に、パイロットアーク動作から切断動作への及びその逆の転換がスムーズ且つ線形形式で実行されるプラズマアークトーチのためのプラズマアーク転換制御回路を提供することが本発明の第１の目的である。

プラズマアークの転換を制御するために加工品とノズル間の電位差のフィードバックを使用するプラズマアーク転換制御回路を提供することが本発明の第２の目的である。

加工品がトーチの近傍から離されるのに応じて切断動作からパイロットアーク動作へプラズマアークを自動的に転換するプラズマアーク転換制御回路を提供することが本発明の第３の目的である。

プラズマアークが切断動作からパイロットアーク動作へ転換する時に電極へ運ばれる電力が自動的に下げられるプラズマトーチを提供するのが本発明の第４の目的である。

改良電力移動回路を提供するのが本発明の第５の目的本発明は、トランジスタスイッチ及びフリーホイーリングダイオードを含むプラズマアーク転換制御回路を提供する。トランジスタスイッチの主要電極は、電力供給源の正極節点とノズルの間に接続されている。加工品は、フリーホイーリングダイオードを経由して電力供給源の正極節点と接続されている。したがって、トランジスタスイッチがオフの時、すなわち、トランジスタが逆方向バイアスされている時、全ての電流は、電力供給源からホイーリングダイオードを経由して直接加工品へ流れ、それから加工品からプラズマアークを経由して電極へ流れねばならない。トランジスタスイッチがオンの時、すなはち、順方向バイアスされている時、電流は、トランジスタの主要電極を経由してノズルに流れるだろう。

加工品とノズル間の電位差が感知され、電位差の数値によって、トランジスタスイッチは、３つの実行可能モードの内の１つで動作する。加工品とノズル間の電位差が前もってセットされた低レベルよりさらに低い時には、トランジスタは、第１モードで動作される。このモードでは、トランジスタは、逆方向バイアスされているため、電流はノズルへはまった（流れず、全ての電流は加工品へ流れる。

ノズルと加工品間の電位差が前もってセットした高レベルを越えている時には第２モードの動作が起こる。このモードでは、トランジスタスイッチは、順方向バイアスされていて全ての電流がトランジスタを経由してノズルへと流れ、ノズルから電極へと流れる。

最後に、ノズルと加工品間の電位差が前もってセットした低レベルと高レベル間の時には第３モードの動作が起こる。トランジスタのデユーティサイクル（すなわち、トランジスタがオン、すなわち順方向バイアスされている各サイクルのパーセント）は、電位差に従う。電位差が増加すると、スイッチ率は２０ｋＨｚのままであるがデユーティサイクルは増加する。したがって、電位差が前もってセットした低レベルと等しい時には、トランジスタのデユーティサイクルは０％で、電位差が前もってセットした高レベルと等しい時には、デユーティサイクルは１００％である。低レベルと高レベルの間で、デユーティサイクルは比例して増加する（例えば電位差が低レベルと高レベルの制限の中間点の時にはデユーティサイクルは５０％である）。

故に、本発明にしたがって、トーチが加工品から引き離されるとノズルと加工品間の電位差は増加し、プラズマアークが、切断動作からパイロット動作へスムーズかつ線形的に転換される。トーチノズルアセンブリが加工品の近傍に導かれると逆の動作が起こる。

本発明の別の様相によると、加工品とノズル間の電位差は、前もってセットされた低レベルと高レベルの間のいずれかに前もってセットされている第３の電圧レベルとさらに比較される。ノズルと加工品間の電位差が前もってセットした第３電圧レベルを越えている時に電力供給源がその電流出力を抑えるように電力供給源制御器へフィードバックが行われる０本発明のこの様相によると、トーチの電力出力は、ノズルに送られる一部が前もってセットした第３レベルを越えると下げられる。この方法によって、ノズルは、ノズルに損害を与えたり溶かし得るような大きな総電力を受け取らないように保護されている。

本発明は、以下に示す詳細な記述を図面を見ながら読むと、より一層理解できるだろう。

図面の簡単な説明図１は、従来技術のプラズマアーク転換回路のブロック図形である。

図２は、本発明のプラズマアークトーチのブロック図形である。

図３は、プラズマアーク内の電極とノズルと加工品間の電位差を類推して説明する透視図の一部と構成図の一部の大いに単純化された回路である。

図４は、本発明のプラズマアーク転換制御回路の詳細な構成図形である。

詳細な説明本発明のプラズマアーク転換制御回路は、プラズマアークトーチ８においてパイロットアーク動作から切断アーク動作への転換を制御するためにパイロットアーク制御器（ＰＡＣ）１０を有する。図２は、本発明のＰＡＣを大いに単純化した図形である。電力供給源は、実際は誘導性を有する。故に、電力供給源は、図２において電源３０及びコイル３２を有するように示されている。電力供給源の負極は、電極３４と接続されている。電力供出して加工品３６と接続されている。

電力供給源からの電流のための第２経路は、トランジスタＱの主要電極（ソース１１８とドレイン１１９）を経由してノズル４２に通じている。制御回路４０は、加工品３６とノズル４２間の電位差を感知して、それが前もってセットされた電位範囲を越えると、感知した電位差が大きくなるのに応じてトランジスタを経由してノズルへ流れる電流総量も増加するようにトランジスタＱを制御する。トランジスタスイッチＱは、電位差が前もってセットされた範囲より大きい時はオン（デユーティサイクル１００％）で、電位差が前もってセットされた範囲より小さい時はオフとなる。加工品の電圧のフィードバックは、ツェナーダイオード４４を経由して制御回路４０へ供給される。

電力は、抵抗４６を経由して制御回路に供給される。

本発明の別の様相に従うと、制御回路は、また加工品３６とノズル４２間の電位差が前もってセットした第３レベルを超える時には電力供給源の出力電流を減するように、オプトアイソレータ４８を経由して電力供給源３０へ信号を送るようしである。普通の切断動作では、電力供給源３０は、およそ４０アンペアの大きい電流を出力し、そしてその電流は、全部加工品へ導かれる。トーチが切断動作でな（まだ作動したばかりの時には、プラズマアークは、電力供給源からの電流がノズルを経由して電力供給源の負極側へ流れるようにノズルに接触しているはずである。しかし、プラズマアークがノズルに接触する場合、ノズルが高電力のプラズマアークの熱によって溶解しないように出力供給電流を減することが望ましい。

従来技術においては、切断アーク動作からパイロットアーク動作への転換は、前の発明の背景のところで記述したように手動で制御されていた。本発明の制御回路は、パイロットアーク動作と切断アーク動作の間を自動的に転換する。本発明において、加工品とトーチが互いに接近すると、電力供給源３０からの電流の流れはスムーズ且つ線形的にノズル４２から加工品３６へと移動する、電力がノズルから加工品へ移動すると、それは、さらに電力出力を増加させる。本発明のパイロットアーク制御回路は、さらに加工品とトーチが互いに引き離されるにつれて電力の逆移動をも可能にしている。

トーチと加工品間の距離は、この電位差をフィードバックループを経由して制御回路へ供給する方法で加工品３６とノズル４２間の電位差を感知することによって測定される。ノズル（トーチ）と加工品間の距離が大きくなるのに応じて、制御格子を使った真空管内で起こる事に類似したビーム相互作用によってノズルと加工品の電位差が太き（なる。図３は、この現象のツェナーダイオードの序列アナロジ−を示す。ツェナーダイオード５０．５１及び５２に相当するある電位差が、電極３４とノズル４２の間に存在する。ダイオード５０．５１．５２．５３および５４に相当するさらに大きな電位差が電極と加工品の間に存在する。故に、ノズル４２と加工品３６の電位差は、ツェナーダイオード５３及び５４に相当している。ノズルと加工品間の距離が大きくなるのに応じて、それは加工品３６とノズル４２の間にツェナーダイオードをもっと加えると同じ効果をもつようになる。

これに反して、電極とノズル間の電位差は、ノズルと電極間の距離が一定であるため固定されている。本発明のＰＡＣ回路１０は、３つのモードの内の１つで動作される。第１モードでは、切断アーク動作で、電力供給源３０からの全ての電流は、ダイオード３８を経由して加工品３６へ供給される。第２モードでは、転換アーク動作で、トランジスタＱは２０ｋＨｚの割合でオンとオフが切り替えられ、デユーティサイクルは、感知した電位差による。スイッチの周期が不変であっても、トランジスタがオンになっている周期毎の時間の総計は、ノズルと加工品の電位差が大きくなるのに比例して増加する。第３モードでは、パイロットアーク動作で、全ての電流は、トランジスタＱを経由してノズル４２へ流れる。プラズマの性質により、加工品への経路が使用可能であっても同時にノズルへの経路が使用可能であると加工品へは電流は全く流れない。故に、トランジスタスイッチが順方向バイアスされていると、全ての電流は、トランジスタを経由してノズルへ流れるだろう。

本発明の構成と動作は、以下に図４について詳細に記述する。電力供給源からの電流は、節点１０２を経由して図４にあるパイロットアーク制御器へ送られる。

電源は、実際には大きな誘導性をもちまた電流源でもある。

電流が１５アンペアＤＣから５０アンペアＤＣの間を変動するのに応じて、電圧レベルは、０ボルトＤＣから２００ボルトＤＣの間を変動する。切断アーク動作中では、電力は、通常、節点１０２からダイオード１０４を経由して節点１０６に接続されている加工品へ流れる。その電力は、本来、プラズマアークによって電極１０８へ飛び移り、節点１１０を経由して電源の負極節点１１２へ流れる。

このモードでは、スイッチングトランジスタＱ、は、そのゲート１１８の信号によって逆方向バイアスされるためノズルを経由して流れでる電流総量はそれほど多くない。しかし、加工品、ノズル、電極間の電位差のために、少量の電流が、並列接続されたコンデンサ１２０．１２２．１２４．１２６及び１２８を充電するためにノズル節点１１４へ流れる。ノズルと加工品間の距離が大きくなるのに応じて、節点１０６と１１４間の電位差も大きくなり、さらに１２０から１２８のコンデンサの電位差も大きくなる。すぐ以下に記述するように、それらのコンデンサの電圧が前もってセットした点を超えると、スイッチングトランジスタＱ、のゲート１１８へ送られる信号は、指示した速度でスイッチ動作を始めるだろう（例えば、好ましい実施例として２０ｋＨｚ）、１００％のデユーティサイクルが達成されるまで増加するコンデンサの電圧に比例してスイッチのデユーティサイクルは大きくなるだろう。そのときトランジスタＱ３はずっとオンのままである。トランジスタＱ３が順方向バイアス（つまり、オン）されている時間中ずつと、節点１０２経由の電力供給源からの全電流は、加工品を経由してアースされている経路がまだ使用可能であるが、本質的に上記のようにトランジスタスイッチを経由してノズルへ流れる。

ＰＡＣを作動させる電力が、加工品の節点１０６から抵抗１３０を経由して節点１３２への電力源となる。電力供給源からの電流の少量は、抵抗１３０を経由して節点１３２へ流れる。節点１３２の電圧は、ツェナーダイオード１３４によって１８ボルトに調節される。節点１３２は、回路の正のレール電圧である。一方、節点１３６は、アースされている。

ダイオード１３８と１４０から成るバックアップ電力供給源もまた提供される。

抵抗１３０がＰＡＣ回路をあまり早く充電できない場合とか、あるいはＰＡＣが一時的に故障した場合に、直列に接続されたダイオード１３４．１３８及び１４０は、電力プロセスの過電圧の進行を防ぐ。これらのダイオードは、また”自殺 ”回路保安器をつくっている。もし分路調整の低下が十分長く続くようであるなら、そのときツェナーダイオード１３４．１３８及び１４０は、焼き切れてショートすることになるだろうから、このようにして残りの電気回路の構成要素を保護している。しかし、これらの事は、通常起こるべきではない。しかし、万一そのような状境が生じたなら、例えば専門家がスクリュードライバーを使って時々制御器の電力を弱くすることによって、分路調整器を無力にし、回路は保護されるだろう。

スイッチングトランジスタＱ、は、大きな接合ＬＳＩの電界効果トランジスタである。それだけで、それは、約２０００ｐＦの大きなゲート・トウー・ソース（ｇａｔｅ−ｔｏ−ｓｏｕｒｃｅ）容量を有する。１０ボルトから２０ボルトの間のゲート・トウー・ソース電圧であれば、スイッチングトランジスタはオンにセットされる、０ボルトのゲート・トウー・ソースであれば、オフにセットされる。

スイッチングトランジスタＱ、のゲート１１８で制御信号を発生するための手段は、今から詳細に記述しよう、ブロック１４４は、トランジスタＱ、の１１８で制御信号と電力供給源によって運ばれる電流の量を制御する電力供給源への信号を作り出す変調器を構成する。抵抗１４２は、ノイズを分離してからコンデンサ１４６へ電流を供給する。コンデンサ１４６は、無線周波数（ＲＦ）のバイパスコンデンサである。ブロック１４８は、ゲート電圧が速やかにスイッチするのに必要な緩衝増幅器を構成する。集積回路１５０は、三角波発生器である。

これは、汎用の電圧制御発振器（ＶＣＯ）である、三角波発振器１５０と接続される構成要素は次の通りである、コンデンサ１５２は、タイミングコンデンサである。

抵抗１５４は、コンデンサ１５２と協同して、三角波発生器の発振周波数を制御するタイミング抵抗である。抵抗１５６と１５８は、電圧制御発振器の制御ボート電圧を生じるための分圧器である。コンデンサ１６０は、制御ポートに関連した電流ミラーのためのＲＦバイパスコンデンサである。ビン１６２と１６４は、それぞれ三角波発生器１５０のＶ　ｃｃとアースである。ビン１６６は、三角波出力である。ビン１６８は、緩衝された方形波を出力するが、使用されていない。

１６６上の三角波は、Ｖ　ｃｅボルトの振幅のおよそ１／４にセットされていて最低電圧１／４Ｖ、。と最高電圧ｌ／２ｖｃｃを有する。三角波は、バイポーラトランジスタのエミッタホロワにより三角波発生器１５０から内部的に緩衝されている。抵抗１７０は、エミッタホロワと比較器１７２の間に挿入されていて、ホロワの振動を防ぎこの節点のために送電インピーダンスを与えている。

この回路のフィードバックネットワークは、抵抗１７６と１７８を有する分圧器を経由して比較器１７２の反転入力に接続されているツェナーダイオード１７４で始まる。ツェナーダイオード１７４は、回路が機能を始めるオフセット電圧をセットする０分圧器は、回路のループゲインをセットする。抵抗１７８とコンデンサ１８０は、低バスフィルターを形成している。

１詐回路動作は、次の通りである。上に記述したように、並列接続されたコンデンサ１２０〜１２８にかかる電圧は、加工品とノズルの距離が大きくなるのに応じて増大する。これらのコンデンサにかかる電圧が、節点１１４と１０６間の電位差であり、ノズルと加工品間の電位差である。この電圧は、ツェナーダイオード１７４、抵抗１７６と１７８、コンデンサ１８０を有するゲイン及びオフセットのネットワークを経由して比較器１７２の反転入力へ送られる。比較器１７２の非反転入力は、三角波発生器１５０の三角波出力１６６と接続されている。

フィードバック電圧が、三角波の下方尖端の電圧より低い時、比較器１７２は、その出力１８２から低電圧を出力する。この低電圧レベルは、緩衝増幅器１４８を経由してスイッチングトランジスタＱのベース１１８へ伝送されトランジスタＱを逆方向バイアスする。これは、ＰＡＣ回路の切断アーク動作であるが、これにより全電流は、節点１０６を経由して加工品へ流れる。フィードバック電圧が三角波の下方尖端より太き（なると、非反転入力の三角波が反転入力のフィードバック電圧より低い各サイクルの一定時間比較器１７２はその出力１８２に一時的に高レベル信号を出力するだろう。フィードバック電圧が大きくなるのに応じて、比較器出力のデユーティサイクルは、増大する電圧と共に感知電位差が三角波の上方尖端と等しい時の比較器出力が１００％のデユーティサイクルになるまで直線的に増大するだろう。感知した電圧が三角波の下方尖端より高（上方尖端より低い時には、ＰＡＣ回路は、第２モードである転換アーク動作となる。上に記述したように、このモードでは、スイッチングトランジスタＱは、電力供給源からの電流を加工品の節点１０６とノズルの節点１１４に分配し、節点１１４へ流れるその一部は増大するフィードバック電圧に比例する。

最後に、感知フィードバック電圧が三角波の上方尖端の電圧を越えると、比較器１７２の出力は、一定の能動低レベルとなる。比較器１７２のこの高レベル出力は、トランジスタＱをオンにし、それによって電力供給源からの全ての電流はトランジスタＱを経由して節点１１４のノズルへ流れる。これは、第３の動作モードのパイロットアーク動作であり、この時プラズマアークは、ノズルと電極の間をつないでいる。

本発明の別の様相において、感知フィードバック電圧は、また電源を制御するのにも使用される。前もってセットされた感知フィードバック電圧で、電力供給源制御器は、電力供給源の電流レベルを切断アーク動作レベルからパイロットアーク動作レベルへ減らす、またその逆も行う。電力制御フィードバック装置は、以下の通り動作する。第２比較器１８４は、フィードバック電圧を前もってセットした基準電圧と比較しその出力を電力供給源制御器（図４には示されていない）と接続されている節点１８６°に送る。第１比較器１７２の反転入力に送られるフィードバック電圧は、抵抗１８８とコンデンサ１９０を有する低バスフィルターを経由して第２比較器１８４の反転入力にも供給される。前もってセットされた基準電圧は、比較器１８４の非反転入力に送られる。

前もってセットされた基準電圧は、抵抗１９２と１９４及び可変電位差計１９６を宵する可変分圧器を経由してＰＡＣ回路からのｙ　ｃｃを得ることによって発生される。

基準電圧は、抵抗１９２と１９４、電位分圧器１９６とコンデンサ１９８の結合によってろ過される。反転入力の感知フィードバック電圧が比較器１８４の非反転入力の前もってセットした基準電圧よりも大きくなると、２００での比較器の出力は、受動高レベルから能動低レベルヘスイッチする。比較器１８４の出力２００は、節点１８６°で電圧供給制御器へ送られる。電力供給源制御器は、オプトアイソレータ４８を経由して比較器１８４の出力と接続する。Ｈｅｗｌｅｔｔ　Ｐａｃｋａｒｄにより市販されているオプトアイソレータのモデルＮｏ。

６Ｎ１３９は、本発明において使用するのに適している唯一の可能オプトアイソレータである。感知したフィードバック電圧が前もってセットした基準電圧よりも低い時、比較器１８４からの出力２００は高レベルである。

電圧供給源（図４に示されてない）は、節点１８６での信号が高レベルの時には切断レベルの電流（例えば、Ｈｙｐｅｒｐｏｗｅｒ　Ｉｎｃ、によって製造されたプラズマアークトーチのモデルＮｏ、ＭＡＸ４０の電流は４０アンペア）を、節点１８６での信号が低レベルの時！こはパイロットアークレベルの電流（ＨｙｐｅｒｐｏｗｅｒのプラズマアークトーチのモデルＮｏ、ＭＡＸ４２の電流はおよそ１５アンペア）を出力するように電圧供給源を制御するよう設計されている。前記の電流定格は、はんの模範例であって、プラズマアークトーチが約３０アンペアから約１０００アンペアまでのどの切断電流レベルでも使用可能であることは理解されるだろう。ツェナーダイオード２０２は、比較器の出力を過渡的に保護するために提供されている。抵抗２０４は、過渡的な保護のためにツェナーダイオード２０２と共に使用されて　。

いる。

好ましい実施例において、前もってセットした基準電圧は、三角波の下方尖端と上方尖端間のいずれかの数値でセットされている。故に、ＰＡＣ回路が第２モードの転換アーク動作で、ノズルと加工品間の距離が指定した長さよりも小今い時には、電圧供給源は、加工品とノズル間に分配される最大電等をさらに供給し続ける。、加工品とノズル間の距離が前もりてセットした長さを越えると、電流レベルのランプ（ｒａｍｐ）は、第２モードである間ずっと、パイロットアーク動作の前もってセットした第？レベルまで下降し続ける。その逆もまた起こるので加工品とノズルが共により接近する。

本発明の回路の附加的な竺徴を次に示す。電気的負荷としてのプラズマは、白色雑音の消滅点として最もよく記述される。その周波数のスペクトルは、ＤＣからおよそ青い光まで広がっている。時間領域内で正確に一致している時、電圧と電流は、持続時間がおよそ１０マイクロ秒の一連の単一アークのように見える。パルスの振幅と位置は、全くランダムである。パルスの持続時間は、名目上不変であるような唯一の属性である。

故に１．、ｌ／）＜らかでも受動的あるいは能動的共振が電気回路内に存在するなら、その共振は、プラズマがその周波数のエネルギーを有するために動作力を受け取るだろう。プラズマアークトーチ内で遭遇する一般的な共振は、以下のものがある。

１）　電力制御フィードバックループサーボ、２）　トーチ内のケーブルのインダクタンスと２本のケーブルの間に接続（並列接続）されたい（つかのＲＦバイパスコンデンサの容量、３）　トーチケーブルのインダクタンスとプラズマを横切って設けられたい（つかのコンデンサの容量、４）　ケーブルの分布インダクタンスと容量、５）　トーチケーブルの長さに起因するいくつかの送電線効果と送電線の複合インピーダンス、６）　プラズマの音響グイナミックは、さらに負荷電力の電気領域周波数のスペクトルのトーンとして表すことができる。

故に、制動が、電気的装置内のいくつかの可能な共振に対して提供されねばならない、コンデンサ２０６と抵抗２０８は、プラズマへ運ばれる電力の複合インピーダンスをセットすることによって回路を制動するトーチマツチングネットワーク（ＴＭＮ）を形成している。抵抗２１０は、安全理由とコンデンサ２０６を放電するために提供されている。さらに、ＲＦ制動は、抵抗２１２と２１４とコンデンサ２１６と２１８によってパワーダイオード１０４へ供給される。

上に記述したように、ブロック１４８は、比較器１７２の出力１８２とスイッチングトランジスタＱのベース１１８の間に挿入された緩衝増幅器である。この緩衝増幅器は、トランジスタＱの高周波数スイッチングを可能にするのに必要である。緩衝増幅器は、抵抗２２０．２２２．２２４及び２２６、トランジスタ２２８と２３０、コンデンサ２３２から構成されている。抵抗２３４は、緩衝増幅器への電力をＰＡＣ回路内の他の装置から分離している。コンデンサ２３２は、緩衝増幅器への電力を固定している。トランジスタ２２８と２３０は、共通ドレインの反転飽和電圧バッファを形成している。抵抗２２４と２２６は、トランジスタ２２８と２３０の両方がオンの時の伝導時間の間中大きな電流が流れるのを防いでいる。最後に、抵抗２２０と２２２は、トランジスタ２２８と２３０の寄生振動が起こらないようする。それらは、また緩衝増幅器の帯域幅をセットする。

本発明のある特殊な実施例を以上のように記述したけれども、当技術分野の技術者は、いくつかの変更、修正、改良が施されることを容易に理解するだろう、この明細書によって明確となるこのような変更、修正、改良は、ここには明確には記述されてないがこの記述の一部であり、また本発明の意図と範囲において行うつもりである。したがって、以上の記述は、はんの−例であって制限するつもりはない。本発明は、以下の請求項と相当文に定義されている場合にのみ制限される。

（従来技術）国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

１．第１アノードと第２アノード間の電位差を感知するための手段と、電位差の変化に反応し前記第１アノードから前記第２アノードへプラズマアークをスムーズに転換するための手段と、を有する装置であって、前記第１アノードから前記第２アノードヘのカソードで起こるプラズマアークの転換を制御するための装。
２．第１アノードへ電流を供給するための手段と、前記第１アノードと第２アノード間の電位差を感知するための手段と、前記電位差に反応し前記電位差が増加するのに応じて前記第２アノードヘの電流の増加分を供給するための転換制御手段と、を有する装置であって、前記第１アノードと前記第２アノード間のカソードで起こるプラズマアークの転換を制御するための装置。
３．転換制御手段は、電位差が減少するのに応じて前記第１アノードヘの電流の増加分をさらに供給する請求項２に記載の装置。
４．指示値Ｙは指示値Ｘよりも大きいものとして前記電位差が指示値Ｘより小さい時前記第１アノードへ全電流を供給し、前記電位差が指示値Ｙを越えている時前記第２アノードへ全電流を供給し、前記電位差がＸとＹの間である時前記第１アノードと前記第２アノードの各々への前記電流分を供給する前記転換制御手段を有する請求項３に記載の装置。
５．前記電位差がＸとＹの値の時前記電位差が増加するのに応じて前記第２アノードへ供給される電流分が増加する請求項４に記載の装置。
６．電流及び前記第１アノードを提供する前記手段に接続された第１端子と第２アノードに接続された第２端子を有し並びに前記第１及び第２端子が絶縁された第１状態とを有するスイッチ手段と、電位差がＸとＹの間の数値である時に一定時間Ｔを持つ指示周波数で前記第１及び第２状態の間を変化し並びに前記電位差が増加するのに応じて前記第２状態で一定時間Ｔの増加分を消費する前記スイッチを制御するための手段と、を有する転換制御回路を含む請求項５に記載の装置。
７．前記電源及び前記第１アノードに接続されたドレインと前記第２アノードに接続された電源と制御信号を受信するのに接続されたゲートを持つトランジスタと、前記電位差がＸよりも小さい時前記トランジスタをオンするには不十分な第１レベルと前記電位差がＹより大きい時前記トランジスタをオンにするには十分な第２レベルと前記電位差がＸ及びＹの時パルスの列を有する制御信号を発生させるための手段、を有する転換制御手段を含む請求項５に記載の装置。
８．ホイーリンクダイオードを経由して前記ドレイン及び前記電源に接続されている前記第１アノードを有する請求項７に記載の装置。
９．Ｙに等しい最大振幅及びＸに等しい最小振幅を有する基準信号の各々の時間の形及び大きさを統一した周期的基準信号を発生するための手段と、前記電位差が前記周期的基準信号より小さい時は前記第１レベルで前記電位差が前記周期的基準信号より大きい時は前記第２レベルである前記制御信号を発生するのに前記電位差と前記周期的基準信号を比較するための手段と、を有する前記制御信号を発生するための前記手段を含む請求項８に記載の装置。
１０．前記周期的基準信号が三角波であって比較するための手段は比較器を有する請求項９に記載の装置。
１１．感知するための前記手段に反応し易く、前記電位差内の変化に反応して電流の大きさを変化させるための手段を有する請求項２に記載の装置。
１２．前記電位差が前もってセットした電圧信号より大きい時には第１レベルでセットされ、前記電位差が前記前もってセットした電圧信号より小さい時には第２レベルでセットされる前記電流を含む請求項１１に配置の装置。
１３．前記電位差と前記電圧信号を比較するための比較器手段であって、前記電位差が前記前もってセットした電圧信号を越えている時には第１レベルであり前記電位差が前記前もってセットした電圧信号より小さい時には第２レベルの電力制御信号を出力する前記比較器手段を有する前記電流の前記大きさを変えるための前記手段を含む請求項１２に記載の装置。
１４．加工品を切断するためのプラズマアークガスを作り出すためのガスの流れを経由して電流を受け取るための電極と加工品が電極の近傍から離れる時に前記プラズマアークを受け取るためのノズルとを有するプラズマトーチおいて、前記ノズルと前記加工品間の電位差を感知するための手段と、前記電位差に反応しやすく前記電位差が増加するのに応じて前記電流の増加分を前記ノズルへ運ぶように前記電流を前記ノズルと前記加工品に分配するための転換制御手段と、を有する転換アーク制御装置。
１５．前記転換制御手段は、さらに電位差が増加するのに応じて前記電流の増加分を前記加工品へ供給する請求項１４に記載の装置。
１６．前記転換制御手段は、前記電位差が指示値Ｘより小さい時には全電流を前記加工品へ供給し、前記電位差が指示値Ｙを越えている時には全電流を前記ノズルへ供給し、ここでＹはＸよりも大きいとし、前記電位差がＸとＹの間である時には加工品とノズルのそれぞれに前記電流の一部を供給する請求項１５に記載の装置。
１７．前記電位差がＸとＹの間の数値の時には、前記電位差が増加するのに応じてノズルへ供給される電流分は増加する請求項１６に記載の装置。
１８．前記プラズマアークを経由して前記電極で受け取る前記電流は電流源によってもたらされ、前記加工品及び前記電流源に接続された第１端子と前記ノズルに接続された第２端子を有するスイッチ手段であって前記第１及び第２端子が絶縁された第１状態と前記第１及び第２端子が接続された第２状態を有する前記スイッチを有する前記転換制御回路と、前記電位差がＸとＹの間の数値の時一定時間Ｔを持つ指示周波数で第１及び第２状態の間を変化し前記電位差が増加するのに応じて前記第２状態での一定時間Ｔの増加分を送る前記スイッチを制御するための手段と、を有する請求項１７に記載の装置。
１９．前記加工品は、フリーホイーリングダイオードを経由して前記スイッチ手段の前記第１端子と前記電流源に接続されている請求項１８に記載の装置。
２０．前記転換制御手段は、前記電流源及び前記加工品に接続されたドレインと前記ノズルに接続された電源と制御信号を受け取るために接続されているゲートを有するトランジスタと、前記電位差がＸより小さい時には前記トランジスタをオンにするには不十分な第１レベルと前記電位差がＹより大きい時には前記トランジスタをオンにするのに十分な第２レベルと前記電位差がＸとＹの間の時にはパルス列から成る制御信号を作り出すための手段とを有し、前記パルス列とは、前記制御信号が各サイクルのＴの一部である前記第１レベルと各サイクルのＴの連続部分である前記第２レベルとから成る一定時間丁の連続サイクルから成り、前記電位差が増加するのに応じて前記制御信号が前記第２レベルである間のＴの一部は増加する請求項１７に記載の装置。
２１．前記加工品は、フリーホイーリングダイオードを経由して前記電流源及びドレインに接続されている請求項２０に記載の装置。
２２．前記制御信号を作る前記手段は、Ｙに等しい最大振幅とＸに等しい最小振幅を有する前記基準信号の統一した形状及び大きさの各時間の周期的基準信号を作るための手段と、前記電位差と前記周期的基準信号を比較して前記電位差が前記周期的基準信号より小さい時には前記第１レベル前記電位差が前記周期的基準信号より大きい時には第２レベルの前記制御信号を作り出すための手段と、を有する請求項２１に記載の装置。
２３．前記基準信号は、三角波であり比較するための前記手段が比較器を有する請求項２０に記載の装置。
２４．感知するための前記手段に反応し易く、さらに前記電位差内での変化に反応する前記電流の大きさを変えるための手段を有する請求項１４に記載の装置。
２５．前記電位差が前もってセットした基準電圧信号より大きい時には第１レベルであり前もってセットした基準信号より小さい時には第２レベルである前記電位差に反応して前記電流の大きさを変えるための手段をさらに有する請求項１４に記載の装置。
２６．前記電位差と前記前もってセットした電圧信号を比較するための比較手段であって前記電位差が前記前もってセットした電圧信号を越えている時には第１レベルであり前記電位差が前記前もってセットした電圧信号より小さいところの第２レベルである電力制御信号を出力するための比較手段と、前記電力制御信号が前記第１レベルの時の前記第１レベルに応じて前記電流の大きさを調整するためと前記電力制御信号が前記第２レベルの時の前記第２レベルに応じて前記電流の大きさを調整するための手段と、を有する前記電流の前記大きさを変えるための前記手段を含む請求項２５に記載の装置。
２７．加工品と接触するためのプラズマアークを作るガスの流れの中に電流を発するための電極と前記電極の近傍から加工品が離れている時に前記プラズマアークを受け取るノズルを有するプラズマトーチにおいい、前記ノズルと前記加工品間の電位差を関知するための手段と、前記電位差に反応し易く前記電位差が増加するのに比例して前記電流の増加分が前記ノズルへ運ばれるように前記ノズルと前記加工品に前記電流を分配するための転換制御手段と、を有する転換アーク制御装置。
２８．電極と接触しているアークの第１目標端を有するプラズマアークの転換を制御するためのプラズマアークトーチ内の前記電力転換制御回路であって、トーチのノズルと前記トーチにより切断されるはずの加工品の間にある前記プラズマアークの第２目標端の転換を制御する前記回路であって、前記電力転換制御回路は、電流出力を産み出すための電源と、前記電源の正極供給側に前記加工品を接続するための手段と、前記電源の負極供給側に電極を接続するための手段と、前記電源の正極側に接続されたドレイン端子ノズルに接続されたソース端子と転換制御信号を受け取るために接続されたゲート端子を有するスイッチングトランジスタと、前記ゲート端子に接続された出力と反転入力と非反転入力を有する比較器と、前記比較器の前記非反転入力を有し周期毎に最大と最小の振幅を有する前記三角波を発生する三角波発生器と、前記加工品と前記ノズルの間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサにかかる電圧を前記比較器の非反転入力へ送るための手段と、を有していて、そこではコンデンサにかかる前記電圧が前記三角波の前記最小振幅よりも小さい時には前記スイッチングトランジスタは前記比較器の出力が前記ゲートノードへ送られることによって逆方向バイアスされ、前記コンデンサにかかる前記電圧が前記三角波の前記最大振幅より大きい時には前記スイッチングトランジスタは順方向バイアスされ、前記コンデンサにかかる前記電圧が前記最大と前記最小の間の時には前記スイッチングトランジスタは前記コンデンサにかかる電圧に従うデューティサイクルを基に順方向バイアスと逆方向パイアスをスイッチされる電力転換制御回路。
２９．第１レベルで制御信号に反応する第１レベルに対する場合と第２レベルで制御信号に反応する第２レベルに対する場合に前記電源の電流出力を調接し前記制御信号を受信するための入力を有する電源制御手段と、前記制御信号をそこへ送る前記電源制御手段の前記入力に接続された出力と前記コンデンサにかかる前記電圧を受信するために接続された非反転入力と前もってセットした電力制御基準電圧を受信するために接続された反転入力を有ずる第２比較器と、をさらに有していて、それによって、前記コンデンサにかかる前記電圧が前記前もってセットした電力制御基準電圧より大きい時には前記電力制御信号は前記第１レベルであり、前記コンデンサにかかる前記電圧が前記前もってセットした電力制御基準電圧より大きい時には前記第２レベルである請求項２８に記載の回路。
３０．前記ホイーリンクダイオードのＲＦ制動として第１制動手段と、前記スイッチングトランジスタ内での共振を制動するための第２制動手段と、前記三角波発生器と前記トランジスタとの間に接続された緩衝増幅器と、プラズマアークに連ばれる電力の複合インピーダンスをセットするための第３制動手段と、をさらに有する請求項２８に記載の装置。
３１．プラズマアークトーチ内の加工品とノズル間においてプラズマアークの第１端を自動的に転換する方法であって、その方法で前記プラズマアークの第２端はトーチ電極に接触し、前記加工品を電流源に接続し前記電流源を前記スイッチを経由して接続し加工品とノズル間の距離を感知し前記電流源によって供給される電流を前記加工品と前記ノズルとに分配しそれにより前記分配の割合が前記距離に影響されやすくなるという段階を有する前記方法。
３２．前記距離が前記加工品と前記ノズル間の電位差を感知することにより感知される請求項３１に記載の方法。
３３．前記電位差が増加するのに応じて前記ノズルへ分配される電流の総量が増加する請求項３２に記載の方法。
３４．前記スイッチは、前記電位差が前もってセットした低レベルより低い時には全電流を前記加工品へ供給し、前記電位差が前もってセットした高レベルを越えている時には全電流をノズルへ供給し、前記電位差が前記前もってセットした高及び低レベルの間の時に前記電位差が増加するのに応じて増加するデューティサイクルの指示スイッチング周波数で前記電流を前記加工品と前記ノズルへ供給するのをスイッチする請求項３３に記載の方法。