JPH0513860A - レーザ電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ出力の制御範囲の拡大、制御の安定化
を図る。 【構成】 （第１発明）商用電源ＡＣを直流化する第１
の整流手段１と、該直流化出力ＤＣ１を断続して前記商
用電源ＡＣより高い周波数の高周波ＦＨを発生する断続
手段３と、該高周波ＦＨを伝達する変成器９と、該伝達
された高周波ＦＨを整流する第２の整流手段１０，１１
と、該第２の整流手段出力からレーザ励起光源１３に供
給される電力を検出する電力検出手段１５，１６と、該
検出手段出力に基づき前記断続手段出力を制御する制御
手段４を備える。（第２発明）前記電力検出手段１５，
１６に代え、レーザ媒質１８から射出されるエネルギー
を検出するエネルギー検出手段２２を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ電源装置に関し、
詳しくはレーザ出力を、より広範囲に安定制御するのに
適したレーザ電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ出力は、より広範囲に、且つ安定
に制御できるのが好ましい。例えば金属板の溶接に利用
する場合、出力の調整範囲が広ければ１台の装置で種々
の板厚、素材、表面状態（メッキの有無）等に対応でき
る。また出力値が安定していればそれだけ溶接品質も均
一化する。レーザ出力の制御は、レーザ媒質を励起する
光源（キセノンランプ、クリプトンランプ等）の発光エ
ネルギーを制御することに依り行なわれる。

【０００３】光源の発光エネルギーを制御する為の回路
の従来例を図６に示す。この回路は特公昭６３−２００
３２号公報に記載されたものである。詳細な動作は該公
報の記載に依るとして、この従来の回路では、高周波ス
イッチＳ１に依り直流電源を断続されて高周波パルス列
が生成される。コイルＬとコンデンサＣから成る平滑回
路に依り、該高周波パルス列から高周波成分が除去され
る。この回路では、高周波スイッチＳ１の断続の時間を
変化させることにより供給エネルギーの調節（所望の輪
郭のパルス列の生成）が行なわれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この回路は、基本的に
はコイルＬとコンデンサＣからなる共振回路にパルス列
を供給する、というものである。従ってその共振周波数
とパルス間隔（周波数）との間にはマッチングが必要
で、パルス間隔、デューティ比に対するコイルＬ、コン
デンサＣの値の設定が難しい。これらの値が定められる
と、パルス間隔やデューティ比を自由に変えることが出
来なくなる。従って出力（波形）の制御は出来るとはい
うものの、出力の範囲を広範囲にとるのは実際上困難で
ある。出力の安定性も良くない。他の方法として、コン
デンサバンクの切替により波形を制御するという方法が
ある。しかし、これとても制御可能なパルス幅や波形は
限られている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで本願第１発明で
は、商用電源を直流化する第１の整流手段と、該直流化
出力を断続して前記商用電源より高い周波数の高周波を
発生する断続手段と、該高周波を伝達する変成器と、該
伝達された高周波を整流する第２の整流手段と、該第２
の整流手段出力からレーザ励起光源に供給される電力を
検出する電力検出手段と、該検出手段出力に基づき前記
断続手段出力を制御する制御手段を用い、上記課題の解
決を図る。

【０００６】また本願第２発明では、商用電源を直流化
する第１の整流手段と、該直流化出力を断続して前記商
用電源より高い周波数の高周波を発生する断続手段と、
該高周波を伝達する変成器と、該伝達された高周波を整
流する第２の整流手段と、該第２の整流手段出力に依っ
て駆動されるレーザ励起光源と、該光源に依り励起され
るレーザ媒質と、該媒質から射出されるエネルギーを検
出するエネルギー検出手段と、該検出手段出力に基づき
前記断続手段出力を制御する制御手段を用い、上記課題
の解決を図る。

【０００７】

【作用】本願第１発明では、第１整流回路に依り商用の
交流電源が直流化される。該直流化出力は断続手段に依
って断続され前記商用電源より高い周波数の高周波に置
き換えられる。この高周波は変成器に依り昇圧或いは降
圧された後、第２の整流手段に依り再び整流され、レー
ザ励起光源に供給される。電力検出手段は、前記第２の
整流手段出力からレーザ励起光源に供給される電力を検
出する。制御手段は該検出手段出力に基づき前記断続手
段出力の、例えばデューティ比を制御する。

【０００８】また本願第２発明では、電力は第１発明と
同じ形でレーザ励起光源に供給される。該光源が発する
光はレーザ媒質を励起する。エネルギー検出手段は、該
レーザ媒質が射出するレーザ光のエネルギーを検出す
る。制御手段は該検出手段出力に基づき前記断続手段出
力の、例えばデューティ比を制御する。

【０００９】

【実施例】以下本発明の詳細を図示実施例に基いて説明
する。図１に第１発明の一実施例を示す。図に於て１は
第１の整流手段たる整流ブロックで、１００又は２００
ボルトの単相又は三相の商用電源ＡＣを整流し、第１の
直流ＤＣ１を発生する。２はコンデンサで、該直流ＤＣ
１を平滑する。３は断続手段たるスイッチング回路で、
中央処理装置４から供給される制御信号ＳＷに従い、直
流ＤＣ１を断続する。トランジスタ５と８の組が導通し
ている間は、変成器９の一次巻線９Ｐに電流＋Ｉが、ト
ランジスタ６と７の組が導通している間は、変成器９の
一次巻線９Ｐに逆方向の電流−Ｉが流れる。なお以下の
説明に於て、トランジスタ５，８の組を「第１組トラン
ジスタ」、トランジスタ６，７の組を「第２組トランジ
スタ」と称す。

【００１０】１０，１１は第２の整流手段たるダイオー
ドで、変成器９の２次巻線９Ｓの端子９Ａ，９Ｂに発生
する高周波ＦＨを整流し、第２の直流ＤＣ２を発生す
る。該直流ＤＣ２はキセノンランプ１３の一方の端子１
３Ａに供給される。なおキセノンランプ１３の他端１３
Ｂは変成器９の二次巻線９Ｓのセンタータップ９Ｃに接
続されている。１４は電流検出プローブで、キセノンラ
ンプ１３に流れる電流を検出する。検出プローブ１４の
出力は電流検出回路１５に供給される。該回路１５は電
流の大きさに対応したデジタル値ＤＩを中央処理装置４
に供給する。

【００１１】１６は電圧検出回路で、キセノンランプ１
３の端子電圧に対応したデジタル値ＤＶを中央処理装置
４に供給する。電流検出回路１５と電圧検出回路１６が
本発明の電力検出手段として機能し、中央処理装置４が
制御手段として機能する。１７はトリガ回路で、キセノ
ンランプ１３にトリガ電圧を供給する。１８はＹＡＧ等
のレーザ媒質で、キセノンランプ１３の光に励起され、
レーザ光ＬＢを発生する。１９は設定回路で、前記第２
の整流手段からキセノンランプ１３に供給される電力値
の設定、その他装置の作動に必要な種々の値を設定する
のに使用される。２０は表示回路で、設定された電力値
その他、中央処理装置４から供給される種々のデータを
表示する。２１はインターロック回路で、冷却水の流量
や水温の検出手段、筐体の開閉検出手段等を含み、それ
らが異常を検知した場合、中央処理装置４に割込み信号
を供給し、装置の作動を停止させる。２２は外部インタ
ーフェースで、他のコンピュータや周辺装置と中央処理
装置４との間のデータの授受を行なう。中央処理装置４
は内蔵リードオンリメモリ（不図示）のプログラムに従
い、装置全体の作動を制御する。

【００１２】キセノンランプ１３に供給される電力ＰＳ
は、電流検出回路１５の出力ＤＩと電圧検出回路１６の
出力ＤＶの積に依って求められる。この電力ＰＳの調節
は、変成器９の一次巻線９Ｐに流れる電流Ｉのデューテ
ィ比を変更することに依って行なう。具体的には、図２
〜図４に示すように、第１組トランジスタ及び第２組ト
ランジスタの夫々の導通時間ＴＡ及びどちらの組も導通
させない不導通時間ＴＢの調節に依って行なう。中央処
理装置４はキセノンランプ１３に供給される電力ＰＳ
が、設定回路１９に依って設定された目標電力ＰＲに合
致するように、制御信号ＳＷで前記各時間ＴＡ，ＴＢを
制御する。

【００１３】ところで、キセノンランプ１３に供給され
る電力ＰＳは種々の原因で変化する。代表的なものは商
用電源ＡＣの電圧変化と、各部の温度変化、例えばキセ
ノンランプ１３の管体、装置筐体、周囲の空気、冷却水
などの温度変化である。電圧変化の形態としては、サイ
クル単位の短時間のものから、エレベータの運転、空調
機の運転等の中時間のもの、更には１日を単位とする長
時間のものがある。温度変化の形態としては、電源投入
後各部の温度が平衡状態になるまでの過渡的な期間の温
度変化、一日を周期とする日変化、季節的な変化等があ
る。

【００１４】中央処理装置４は、これらの変化に依りキ
セノンランプ１３に供給される電力ＰＳが設定範囲を外
れた場合、前述のように制御信号ＳＷで前記各時間Ｔ
Ａ，ＴＢを制御する。調整の一例を図２に示す。この例
では一定の供給電力ＰＳでキセノンランプ１３を連続点
灯している。ある時点に於て、図２（Ａ）のような時間
ＴＡ１，ＴＢ１のデューティ比で設定電力ＰＳが供給さ
れていたとする。何らかの原因で供給される電力ＰＳが
増加したとすると、中央処理装置４は、時間配分をＴＡ
２，ＴＢ２のように変更し、供給電力ＰＳの値を低下さ
せる。

【００１５】キセノンランプ１３をパルス点灯とし、そ
の途中で供給電力ＰＳを変更するようにした場合に就い
ても、本発明を適用し得る。図３及び図４にその例を示
す。この例では期間Ｔ１，Ｔ３に就いて供給電力がＰＳ
１、期間Ｔ２に就いて供給電力がＰＳ１に設定されてい
る（図３（Ａ）、図４（Ａ））。設定電力ＰＳ１を供給
するために期間Ｔ１，Ｔ３に於て図３（Ｂ）のような時
間ＴＡ３，ＴＢ３のデューティ比で電流Ｉの通電が、ま
た設定電力ＰＳ２を供給するために期間Ｔ２に於て図４
（Ｂ）のような時間ＴＡ５，ＴＢ５のデューティ比で電
流Ｉの通電が、ある時点で行なわれていたとする。何ら
かの原因で、期間Ｔ１，Ｔ３及びＴ２に供給される電力
ＰＳが増加したとする。中央処理装置４は、これに応動
して、期間Ｔ１，Ｔ３の時間配分をＴＡ４，ＴＢ４のよ
うに変更し、供給電力ＰＳを目標値ＰＳ１に合致させる
（図３（Ｃ））。また期間Ｔ２の時間配分をＴＡ６，Ｔ
Ｂ６のように変更し、供給電力ＰＳの値を目標値ＰＳ２
に合致させる（図４（Ｃ））。

【００１６】第２発明の一実施例を図５に示す。第１実
施例と同じ部分は同じ符号を付し説明を略す。図に於て
２１はハーフミラーで、レーザ光の一部を９０度偏向す
る。２２はＰＩＮフォトダイオードで、受光したレーザ
光のエネルギー量を表わす信号ＥＬを中央処理装置４に
供給する。ＰＩＮフォトダイオード２２は第２発明のエ
ネルギー検出手段として機能する。第１発明の実施例と
異なる点は、中央処理装置４がこのＰＩＮフォトダイオ
ード２２の出力信号ＥＬに基いて、レーザ光ＬＢのエネ
ルギーが設定された値になるように、前記時間ＴＡ及び
ＴＢを制御する点である。レーザ光ＬＢのエネルギーが
目標値を外れた場合の対応は第１発明の実施例と同様で
ある。第１発明は回路接続だけで足りる点に利点があ
り、第２発明はレーザ光ＬＢのエネルギーを直接制御で
きる点に利点がある。

【００１７】各実施例では、スイッチング回路３が４つ
のトランジスタから成るフルブリッジで構成されている
が、２個のトランジスタに依るハーフブリッジで、或い
は１個のトランジスタのみでスイッチング回路３を構成
してもよい。トランジスタに代えサイリスタその他の素
子を用いても良い。変成器９の出力は２個のダイオード
１０，１１で全波整流されているが、これもダイオード
４個から成るフルブリッジで、或いは１個のダイオード
のみで行なうようにしてもよい。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本願第１発明で
は、第１整流回路に依り商用の交流電源が直流化され、
該直流化出力が断続手段に依り断続されて前記商用電源
より高い周波数の高周波に置き換えられる。この高周波
は変成器に依り昇圧或いは降圧された後、第２の整流手
段に依り再び整流され、レーザ励起光源に供給される。
電力検出手段は、前記第２の整流手段出力からレーザ励
起光源に供給される電力を検出し、制御手段は該検出手
段出力に基づき前記断続手段出力の、例えばデューティ
比を制御する。

【００１９】本願第２発明では、電力は第１発明と同じ
形でレーザ励起光源に供給される。該光源が発する光は
レーザ媒質を励起する。エネルギー検出手段は、該レー
ザ媒質が射出するレーザ光のエネルギーを検出する。制
御手段は該検出手段出力に基づき前記断続手段出力の、
例えばデューティ比を制御する。

【００２０】従って従来の回路のように、共振周波数と
パルス間隔（周波数）との間のマッチングを考慮する必
要がない。パルス間隔、デューティ比を自由に広範囲に
変更することができ、供給電力或いはレーザ出力に就い
て、広範囲且つ安定な制御が出来る。

【００２１】従来の回路は基本的には、高周波スイッチ
Ｓ１の導通時にコイルＬに流れる電流に依り、該コイル
Ｌにエネルギーを蓄積し、これを該スイッチＳ１の非導
通時にコンデンサＣに蓄積するというものである。キセ
ノンランプ、クリプトンランプ、水銀灯などの駆動に
は、１５０ボルト〜５００ボルトの電圧とキロワット前
後の電力を必要とする。この為コンデンサＣの容量はそ
のエネルギーを蓄積できるだけの大きさが必要で、外形
が大きく高価なものを用いなければならない。

【００２２】更に従来の回路では、大きなエネルギーが
短時間にコンデンサＣに流れるので、ダイオードＤに
は、許容電流が十分に大きなものを用いなければならな
い。従来の回路では、多くの場合供給される直流電源電
圧より高い電圧は供給できないから、商用電源を昇圧し
直流化するための変圧器とダイオードが必要であり、そ
れ等も自ずから電力、電圧に見合った大きなもの、耐圧
の高いものが必要になってくる。

【００２３】本願発明では、変成器を介して高周波を供
給し、第２の整流手段でこれを整流している。従ってエ
ネルギーを蓄積するコイルＬ、コンデンサＣを必要とし
ない。第１及び第２の整流手段には従来の回路のような
瞬間的な充電電流が流れないので、これらも許容電流の
小さなもので足りる。本発明では断続手段のスイッチン
グ速度に制約が無い。従って変成器９に供給する高周波
を、商用電源のそれに比べて２桁前後容易に高くするこ
とが出来る。この高周波化に依り、変成器９は商用電源
周波数を昇圧するためのものに比べ遥かに小さなもので
足りるようになる。

【００２４】レーザ励起用のキセノンランプ等は発熱量
が大きく、水による冷却を行なっている。この為十分な
絶縁を行なう必要がある。本発明によれば変成器９によ
り１次側と２次側が分離される。従って励起光源及びそ
の冷却系を商用電源及び他の回路から容易に絶縁するこ
とが出来、感電に対する安全性をより高くすることが出
来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願第１発明の一実施例の回路構成を示すブロ
ック図である。

【図２】連続点灯で供給電力を一定に保つ場合の通電時
間の制御例を示す波形図である。

【図３】パルス点灯、電力中間変更で供給電力を一定に
保つ場合の通電時間の制御例を示す波形図である。

【図４】パルス点灯、電力中間変更で供給電力を一定に
保つ場合の通電時間の制御例を示す波形図である。

【図５】本願第２発明の一実施例の回路構成を示すブロ
ック図である。線図である。

【図６】従来例を示す回路図である。

【符号の説明】

ＡＣ 商用電源 ＤＣ１ 直流化出力 ＤＣ２ 第２の整流手段出力 ＦＨ 高周波 １ 第１の整流手段 ３ 断続手段 ４ 制御手段 ９ 変成器 １０，１１ 第２の整流手段 １３ レーザ励起光源 １５，１６ 電力検出手段 ２２ エネルギー検出手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 商用電源を直流化する第１の整流手段
   と、該直流化出力を断続して前記商用電源より高い周波
   数の高周波を発生する断続手段と、該高周波を伝達する
   変成器と、該伝達された高周波を整流する第２の整流手
   段と、該第２の整流手段出力からレーザ励起光源に供給
   される電力を検出する電力検出手段と、該検出手段出力
   に基づき前記断続手段出力を制御する制御手段を備えた
   ことを特徴とするレーザ電源装置。
2. 【請求項２】 商用電源を直流化する第１の整流手段
   と、該直流化出力を断続して前記商用電源より高い周波
   数の高周波を発生する断続手段と、該高周波を伝達する
   変成器と、該伝達された高周波を整流する第２の整流手
   段と、該第２の整流手段出力に依って駆動されるレーザ
   励起光源と、該光源に依り励起されるレーザ媒質と、該
   媒質から射出されるエネルギーを検出するエネルギー検
   出手段と、該検出手段出力に基づき前記断続手段出力を
   制御する制御手段を備えたことを特徴とするレーザ電源
   装置。