JPH07115183B2 - 負荷電圧検出システムと該検出システムを用いたパルスアーク溶接装置並びにパルスレーザ装置及び表面処理装置 - Google Patents

負荷電圧検出システムと該検出システムを用いたパルスアーク溶接装置並びにパルスレーザ装置及び表面処理装置

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JPH07115183B2
JPH07115183B2 JP63161303A JP16130388A JPH07115183B2 JP H07115183 B2 JPH07115183 B2 JP H07115183B2 JP 63161303 A JP63161303 A JP 63161303A JP 16130388 A JP16130388 A JP 16130388A JP H07115183 B2 JPH07115183 B2 JP H07115183B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、放電を利用したパルスアーク溶接装置、パ
ルスレーザ装置及び表面処理装置等において対象とする
負荷そのものの電圧を検出するものに関し、またその検
出信号によって上記各装置おける出力条件を最適にコン
トロールする装置に関し、さらに詳しくは、電流用のケ
ーブル及びリアクタンスや抵抗分を含んだ電圧値から対
象とする放電電圧などの負荷電圧を算出するシステムと
該負荷電圧値に基づいて各装置を最適に駆動コントロー
ルするものに関するものである。
〔従来の技術〕
従来、この種の放電を利用した装置として、アーク溶接
装置、放電を励起源としたレーザ装置、グロー放電を利
用した表面処理装置等があるが、これらの装置のうち
で、パルスアーク放電を利用したパルスアーク溶接装置
における負荷電圧検出システムについて説明する。
パルスアーク溶接装置は、消耗溶接ワイヤ電極（以下、
単に「ワイヤ電極」という。）と被溶接物間にパルスア
ーク電流を生成し、そのときに発生するパルスアーク放
電の熱によって被溶接物および溶加材を溶融するととも
に、その溶融した溶加材をパルスアーク放電の電磁ピン
チ力により被溶接部へ移行し溶着する装置である。
このパルスアーク溶接装置について具体的に述べると、
第13図は例えば特開昭57−19177号公報に示された従来
のパルスアーク溶接装置の構成図である。図において、
（１）はパルスアーク溶接装置、（２）はアーク負荷部
で、上記パルスアーク溶接装置（１）は、直流電源（3
a）と、この直流電源（3a）から供給される電流をON/OF
Fすることによりパルス状の電流波形を形成させるパワ
ートランジスタ素子からなり、電流をチョッパー制御す
るスイッチング素子（3b）及びパルスとパルスの間でア
ーク切れが発生するのを防止するためのスイッチング素
子（3b）に連続したベース電流を供給するためのアーク
維持電源（3c）とを有するパルス電流供給部（３）、ス
イッチング素子（3b）を制御してパルス電流のパルス周
波数およびそのパルス幅をあらかじめ設定した値に制御
する制御回路（５）、出力電圧Ｖを検出するための電圧
検出器（６）、電流ｉを検出するための電流検出器
（７）、出力電圧Ｖとアーク長設定器（９）の出力電圧
値VOとの減算出力を得て上記制御回路（５）に与える減
算器（８）及び上記アーク長設定器（９）から構成され
ている。
また、上記アーク負荷部（２）は、溶接トーチ（2a）、
溶加材をワイヤ状にしてワイヤリールから送給されるワ
イヤ電極（2c）、被溶接物（2b）を備えてなり、上記パ
ルスアーク溶接装置（１）からのパルスアーク電流はケ
ーブル（4a）、（4b）を介して溶接トーチ部（2a）に伝
達するようになっている。
次にこのパルスアーク溶接装置の作用について説明す
る。一般に、パルスアーク溶接装置は、直流アーク溶接
装置に比べて平均電流が小さい場合でも、パルスアーク
電流でワイヤ電極（2c）の先端を溶融し、かつ溶融した
ワイヤ電極先端部をパルスアーク電流の電磁ピンチ力で
離脱させるため、この溶融塊が被溶接物（2b）へ断続的
に移行（この移行を「スプレー移行」と呼ぶ。）するこ
とにより溶接するものである。したがって、パルスアー
ク溶接装置は直流アーク溶接装置より平均電流が低い溶
接が行えるため、より薄い溶接物のスプレー移行溶接が
でき、そのスプレー移行の実現により溶接中に発生する
スパッタをなくすることができるというメリットがあ
る。このパルスアーク電流波形で溶接する場合、溶接ト
ーチ部（2a）の変動、被溶接物（2b）の歪み、ワイヤ送
給速度などの変動によるアーク長変動を防止するための
アーク長制御は一般にパルスアーク溶接装置（１）の出
力電圧を電圧検出器（６）で検出し、検出した出力電圧
Ｖとアーク長設定器（９）の信号VOとを比較し、差信号
（VO−Ｖ）に応じてパルス幅τ又はパルス周期CBを増減
制御しアーク長の変動を抑制している。つまり、出力電
圧ＶがVOより大きいならば、アーク長が定常時より長い
と判断し、ワイヤの溶融量を減少させるようにパルス幅
τを縮め方向又はパルス周期CBを長くするようにし、か
つその制御量は差信号VO−Ｖの絶対値に比例するように
コントロールしている。また、出力電圧ＶがVOより小さ
いならば、前述と逆に、アーク長が定常時より長いと判
断し、パルス幅τを長くする方向又はパルス周期CBを短
かくするようにし、かつその制御量は、前述と同様に差
信号VO−Ｖの絶対値に比例するようにコントロールして
いる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかるに、上記構成において、電圧検出器（６）による
出力電圧は、アーク電圧Va及びケーブル（4a）、（4b）
及び溶接トーチ部（2a）のインピーダンス、つまりリア
クトル分Ｌ、抵抗分ｒによる電圧降下VL、Vrを含んだ電
圧、すなわちＶ＝Va＋Ｌ・di/dt＋riとなるため、上記
出力電圧Ｖは真のアーク電圧Vaではない。そのため、パ
ルス電流波形が高周波化すると、リアクタンス分電圧VL
に相当するＬ・di/dtが大きくなり、出力電圧Ｖのうち
でVLの割合が大きくなり、出力電圧Ｖによって溶接トー
チの変動、被溶接物の歪みなどによるアーク長変動を抑
制するための安定したアーク長制御が出来なくなり、溶
接性能が非常に悪くなる問題点があった。また、ケーブ
ル長さによってリアクトル分Ｌ、抵抗分ｒが変わるた
め、VL（＝Ｌ・di/dt）やVr（＝ri）の値が変わるなど
の問題点があった。
そこで、第１発明は、上記のような従来例における問題
点を解消するためになされたもので、パルス電流供給部
の出力電圧でケーブルや溶接トーチ等負荷部及び負荷に
至る間のリアクトル分や抵抗分によらず負荷電圧そのも
のを正確に検出できる負荷電圧検出システムを提供する
ものである。
また、第２発明は、上記負荷電圧検出システムを用いて
パルス電流供給部の出力電圧でケーブルや溶接トーチ等
負荷部及び負荷に至る間のリアクトル分や抵抗分によら
ず負荷電圧そのものを正確に検出することにより、放電
長のコントロール性能を向上することができる負荷電圧
検出システムを用いたパルスアーク溶接装置を提供する
ものである。
また、第３発明は電極の形状、電極接続端子のリアクト
ルＬや抵抗ｒにより、レーザ励起源である放電電圧つま
り負荷電圧Vaを正確でかつリアルタイムで検出すること
が行なえなかったものを上記負荷電圧システムにより正
確にほぼリアルタイムで放電電圧Vaを検知することがで
き、それによって、放電電圧Vaに依存するこのレーザ励
起源のパワー密度又は電界の状態を判断し、放電ガスの
圧力又はガス純度又は負荷電流をコントロールすること
ができるパルスレーザ装置を提供するものである。
さらに、第４発明は電極の形状、電極接続端子のリアク
トルＬや抵抗ｒにより、薄膜を形成するための放電の負
荷電圧つまり放電電圧Vaを正確に、かつリアルタイムで
検出することが行なえなかったものを上記の負荷電圧検
出システムにより正確に、ほぼリアルタイムで放電電圧
Vaを検出する事ができ、それによって、放電電圧Vaに依
存する被処理物の電極表面処理過程の結晶構造、電極表
面温度、放電部の圧力の状態を判断し、表面処理装置の
負荷電流（又はガス圧力又はガス）の純度をコントロー
ルする表面処理装置を提供するものである。
〔課題を解決するための手段〕
第１発明に係る負荷電圧検出システムは、時間的に変化
する電流が供給される負荷にかかる電圧を検出する際、
その検出電圧Ｖに負荷のみの負荷電圧以外にリアクタン
ス分及び抵抗分による電圧ロスが含まれて検出される負
荷電圧検出システムにおいて、上記負荷以外のリアクタ
ンス分と抵抗分の各値をあらかじめ算出して記憶し、負
荷電流供給時に記憶したリアクタンス値と抵抗値を出力
するリアクタンス値・抵抗値算出装置と、負荷電流供給
時に時々刻々変化する負荷電圧Ｖを検出して、上記リア
クタンス値・抵抗値算出装置からのリアクタンス値と抵
抗値に基づいて時々刻々変化するリアクタンスにかかる
対応電圧と抵抗にかかる対応電圧を算出し、上記検出電
圧Ｖからそれぞれの対応電圧を減算して、対象とする負
荷のみの負荷電圧Vaを算出する負荷電圧算出装置とを備
えたものである。
また、第１発明に係る負荷電圧検出システムにおいて、
上記リアクタンス値・抵抗値算出装置として、負荷部を
短絡させる短絡手段と、所定の定電圧を負荷に印加させ
る定電圧印加手段と、負荷短絡時に該定電圧の印加に基
づき流れる短絡電流のサンプリング時間の異なる少なく
とも２点をサンプリングするサンプリング手段とを備
え、そのサンプリングした電流値に基づいて負荷以外の
リアクタンス分と抵抗分の各値を算出するようにしたも
のである。
また、第２発明に係る負荷電圧検出システムを用いたパ
ルスアーク溶接装置は、上記負荷電圧検出システムにお
いて、負荷部としてのワイヤ電極及び被溶接物にアーク
電流を通電するパルス電流供給部と、設定アーク長に相
当する電圧を出力するアーク長設定器と、上記負荷電圧
検出システムによる負荷電圧とアーク長設定器の出力電
圧との比較差に基づいて上記パルス電流供給部から出力
されるアーク電流をアーク長を一定に制御すべく制御す
る制御回路とを有するものである。
また、第３発明に係る負荷電圧検出システムを用いたパ
ルスレーザ装置は、上記負荷電圧検出システムにおい
て、パルス電流供給部と、出力電圧を予め設定する電圧
設定器と、上記負荷電圧検出システムによる負荷電圧と
電圧設定器の出力電圧との比較差に基づいて上記パルス
電流供給部からレーザ励起源に出力される負荷電流を制
御する制御回路を有するものである。
さらに、第４発明に係る負荷電圧検出システムを用いた
表面処理装置は、上記負荷電圧検出システムにおいて、
パルス電流供給部と、出力電圧を予め設定する電圧設定
器と、パルス放電を発生させて被表面処理物に薄膜を形
成させる装置への負荷電流を制御する制御回路を有する
ものである。
〔作用〕
第１発明の負荷電圧検出システムにおいては、予め負荷
部の短絡によりケーブルや装置の端子などのリアクタン
ス分や抵抗分を自動的に算出でき、負荷接続時の負荷電
流を随時サンプリングして検出した電圧値をリアルタイ
ムで真の負荷電圧に補正される。
また、第２発明のパルスアーク溶接装置においては、負
荷電圧検出システムにより検出された負荷電圧と予め設
定した電圧に基づいて負荷電流をコントロールする事に
より負荷電流が高周波化した場合でもより精度よくアー
ク長を一定化して放電を安定化させる。
また、第３発明のパルスレーザ装置においては、負荷電
圧と予め定めた設定電圧に基づいて負荷電流（ガス圧
力、ガス純度）をコントロールすることにより、レーザ
出力のより一定化が図れ、より品質のよいレーザビーム
が得られる。
さらに、第４発明の表面処理装置においては、負荷電圧
と予め定めた設定電圧に基づいて被処理物の表面処理過
程を負荷電流（ガス圧力、ガスの純度）でコントロール
することにより表面処理の均一化が図れ、欠陥の少ない
表面処理が行い得る。
〔実施例〕
以下、第１〜第４発明の各実施例を図について説明す
る。第１図は第１と第２発明の一実施例による負荷電圧
検出システムとこれを用いたパルスアーク溶接装置を示
すものである。第13図と同一部分は同一符号を付して示
す第１図において、パルスアーク溶接装置（１）は、高
周波インバータ（3d）と昇圧用の高周波トランス（3e）
及び整流用の高周波ダイオード（3f）を有するパルス電
流供給部（３）、上記高周波インバータ（3d）にスイッ
チング信号を指令する制御回路（５）、電圧検出器
（６）、電流検出器（７）及び後述するアーク長制御を
含みケーブル、電極等の回路リアクタンスや回路抵抗値
を計測及びセッティングをする負荷電圧検出システム
（10）を備えている。
しかして、上記負荷電圧検出システム（10）は、サンプ
リング指令Ｌに基づいて指令された期間の電流検出器
（７）による検出電流をサンプリングするサンプリング
回路（12）、第３図に示すフローに従って演算処理を行
うコントロールボックス（13）、上記電圧検出器（６）
による検出電圧Ｖ、電流検出器（７）による検出電流
ｉ、コントロールボックス（13）からの信号Ｇ、Ｈに基
づいて抵抗RT、RS及びRGをセットすることにより負荷電
圧Vaを制御回路（５）に出力する負荷電圧検出ユニット
（14）、抵抗RG、コンデンサCGによって負荷電圧検出ユ
ニット（14）のクロック周波数を設定する発振周波数設
定器（15）、コントロールボックス（13）からの制御指
令Ａに基づいて負荷部を短絡状態にするスイッチ（1
6）、及びコントロールボックス（13）からの制御信号
Ｅ、Ｆに基づいてそれぞれ負荷電圧検出ユニット（14）
のT1−T2間とS1−S2間を接続する抵抗値RTとRSを選択す
るマルチプレクサ（17）、（18）を備えている。
また、第２図はICで構成してなる上記負荷電圧検出ユニ
ット（14）の内部構成要素を示し、同図において、（14
0）は電流検出器（７）によって検出される電流を時々
刻々サンプリングするサンプリングユニットで、発振部
（141）、分周部（142）、サンプリングホールド部（14
3）、（144）から構成されている。G1、G2、G3はICの入
力端子であり、この間に回路抵抗RG、回路コンデンサCG
を接続することによりサンプリングするためのパルス周
波数を設定することができる。（145）と（148）は入力
信号を減算する減算部、（146）と（147）は入力信号を
乗算する乗算部ＡとＢ、ｉは検出した負荷電流信号を入
力する端子、Ｖは検出した装置の出力電圧信号を入力す
る端子、Y1、Y2は乗算部Ａ、Ｂへの電圧入力端子、T1−
T2、S2−S1は減算部（148）へ入力する電流it、iSを選
定するための回路抵抗RT、RSを挿入する端子、VaはICの
出力端子であり、負荷電圧信号を出力する。
次に、上記構成に係る動作について説明する。第３図は
コントロールボックス（13）において、溶接する前にケ
ーブル（4a）、（4b）、溶接トーチ部（2a）のインダク
タンス分Ｌ、抵抗分Ｒを算出し、その値により負荷電圧
検出ユニット（14）等に信号を送るための動作手順を示
したフローチャートを示し、同図において、（1000）は
電流の立ち上りを測定するための電流測定ブロック、
（2000）は回路リアクタンス、抵抗分を算出するための
演算ブロック、（3000）はリアクタンス抵抗値から負荷
電圧検出ユニットの回路定数を選択する選択ブロックで
ある。
まず、電流測定ブロック（1000）においては、第１図の
スイッチ（16）を短絡させた状態で、第４図に示すよう
に、回路に定電圧Ｖを印加し、その時の立ち上り時の電
流iA及び一定値に達した電流iBをサンプリング検出す
る。
電流測定ブロック（1000）の詳細は、まずステップS1で
ON指令Ａを与えることにより、スイッチ（16）がON状態
になり、アーク負荷部（２）を短絡させる。続いてステ
ップS2で、パルス電流供給部（３）の出力に定電圧Ｖを
出力させるための指令Ｂを制御回路（５）を介して与
え、上記ステップS2で定電圧Ｖを出力してからの所定時
刻tL時間経過したら（ステップS3）、ステップS4へ進
む。ステップS4ではサンプリング回路（12）に電流検出
器（７）からの電流値をサンプリングする指令Ｃを与
え、そして、ステップS5で、サンプリング回路（12）の
出力信号Ｄによりサンプリングした電流iAをコントロー
ルボックス（13）に取り込む。そして、ステップS6でス
テップS2で定電圧を出力してから所定時刻trの時間待ち
を行い、ステップS7において、再びサンプリング回路
（12）に電流検出器（７）からの電流値をサンプリング
する指令Ｃを与え、サンプリングした電流iBをコントロ
ールボックス（13）に取り込む（ステップS8）。
ここで、短絡した回路での過渡応答の式は Ｖ＝Ｌ・di/dt＋ｒ・ｉ となり、過渡応答による電流ｉは ｉ＝V/r〔（−exp（−r/L・ｔ）〕 であるため、この式からリアクタンス、抵抗を算出でき
る。
すなわち、演算ブロック（2000）では、電流測定ブロッ
ク（1000）で得た電流iA、iBからリアクトルＬ、抵抗ｒ
を算出している。演算ブロック（2000）の詳細は、ステ
ップS9で抵抗ｒ＝V/iBの演算をし、ステップS10で該抵
抗ｒとiA及び立ち上り経路時間tLにより回路リアクタン
スＬ＝ｒ・tL/〔ln（１−r/V・iA）〕の演算をする。ス
テップS11では、パルス電流供給部（３）の出力の停止
指令を行ない、ステップS12でスイッチ（16）をOFF、つ
まり短絡解除指令を行う。
次に、選択ブロック（3000）では、演算ブロック（200
0）で得たリアクトルＬの値及び抵抗ｒの値から回路電
圧Y1、Y2及び回路定数RS、RTを選択している。ここで、
負荷電圧Vaは次式のように表わされ、 Va＝Ｖ−Ｌ×di/dt＋ｒ×ｉ 上記の式中、実際のケーブルや装置のリアクトルＬや抵
抗ｒは装置の設置条件や構造によって大きく変化するの
で、Ｌ、ｒを回路変数とし、外部からの回路電圧及び回
路抵抗で指定するようにした。さらに、詳しく説明する
と、Ｌおよびｒの変数を仮数部変数Y1、Y2と指数部変数
α、βの４つの変数に分解した。つまり下記のように
Ｌ、ｒを回路変数Y1、Y2、RS、RTに置き換え、真の負荷
電圧に相当する電圧Vaを出力するシステムである。
Va＝Ｖ−Ｌ・di/dt＋ｒ・ｉ ここで、Ｌ＝Y1×10α〔μＨ〕、di/dt＝Δｉ、 ｒ＝Y2×10β〔ｍΩ〕、α∝RV/RS、 β∝RV/RT、 iS＝V/RV−Y1・Δi/RS−Y2・i/RT ＝iV−iS−iT なお、Y1はリアクトルＬの仮数値に相当する電圧値、Y2
は抵抗ｒの仮数値に相当する電圧値、αはリアクトルＬ
をμＨの単位で表示した場合の指数、βは抵抗ｒをｍΩ
の単位で表示した場合の指数、RV、RS、RTは第２図の減
算器（148）の入力電流iV、iS、iTをそれぞれ設定する
回路抵抗、iSは減算器（148）の入力電流の総和を示
し、減算器（148）は入力電流iSに比例した電圧Vaを出
力する。指数部αはRV/RSに比例し、またβはRV/RSに比
例する。
つまり第９図、第10図はRVをある一定値に設定した時
に、RSおよびRTをRS1＜RS2＜RS3＜RS4、RT1＜RT2＜RT3
＜RT4にした時の指数部α、βが、−１、０、１、２と
変化する特性図である。Y1、Y2、RV、RS、RTの回路の作
用については後に述べる。
第１発明の一実施例における負荷電圧検出ユニット（第
２図）でリアクトルＬの値、、抵抗ｒの値によって第９
図、第10図に示すようにRS、Y1及びRT、Y2を選択する必
要があり、この選択の動作を選択ブロック（3000）で行
っている。
先ず、ステップS13で、リアクタンスＬが0.1μＨから１
μＨの範囲に入っているか判定し、もし判定がYESなら
ば、ステップS14でRS4を選択するように信号をマルチプ
レクサ（18）に出力し、ステップS15でＬの値からY1を
算出し負荷電圧検出ユニット（14）に出力し、その後、
ステップS24へ行く。また、ステップS13でNOならば、ス
テップS16でリアクタンスＬが１μＨから10μＨの範囲
に入っているか判定し、もし判定がYESならば、ステッ
プS17、S18で上記ステップS14、S15と同様な処理を行
い、ステップS24へ行く。上記ステップS16がNOならば、
ステップS19へ行き、リアクタンスＬが10μＨから100μ
Ｈの範囲に入っているか判定し、その判定がYESならば
ステップS20、S21へ、NOならばステップS22、S23で上記
ステップS14、S15と同様な処理を行ないステップS24へ
行く。ステップS24では、抵抗ｒから0.1mΩから1mΩの
範囲に入っているか判定し、もし判定がYESならば、ス
テップS25でRT4を選択するように、信号をマルチプレク
サ（17）に出力し、ステップS26でｒの値からY2を算出
し、このプログラムを終わる。
また、ステップS24でNOならば、ステップS27で抵抗ｒが
1mΩから10mΩの範囲に入っているか判定をし、もし、
判定がYESならばステップS28、S29で上記ステップS25、
S26と同様な処理を行ない、プログラムを終わる。ステ
ップS27がNOならば、ステップS30へ行き、抵抗ｒが10m
Ωから100mΩの範囲に入っているか判定し、もし、判定
がYESならば、ステップS31、S32で、他方NOならば、ス
テップS33、S34で上記ステップS25、S26と同様な処理を
行いこのプログラムを終了する。
次に、第２図に示す負荷電圧検出ユニット（14）の動作
について説明する。予め外部の発振周波数設定器（15）
のRG、CGにより発振部（141）のパルス周波数が設定さ
れている。またケーブルのリアクタンスの値により電圧
Y1及びS1−S2間の補正抵抗RSはマルチプレクサ（18）で
定められ、ケーブルの抵抗値により電圧Y2及びT1−T2間
の補正抵抗RTはマルチプレクサ（17）で定められてお
り、このような設定条件で、溶接中のアーク電流値に相
当する検出値ｉ及びケーブルや装置のリアクトルや抵抗
を含んだ出力電圧に相当する検出電圧Ｖが随時負荷電圧
検出ユニット（14）へ入力されている。そして、まず、
サンプリングユニット（140）では発振部（141）からの
パルスを分周部（142）で２つのパルスに分周し、その
分周した２つのパルス信号をそれぞれサンプリングホー
ルド部（143）、サンプリングホールド部（144）のサン
プリング信号として入れる。サンプリングホールド部
（143）、（144）はサンプリングパルス信号が入力され
た時のアーク電流に相当する検出値i1、i2をそれぞれサ
ンプリングホールドし減算部（145）へ出力し、減算部
（145）では、i1、i2の差動をとり差動出力を出力して
いる。つまり発振部（141）のパルス周期ΔＴ間におけ
るアーク電流の変化量に相当する差動出力値Δｉ＝i1−
i2を乗算部Ａ（146）に出力し、乗算部Ａ（146）では、
アーク電流の変化量に相当する差動出力値Δｉとケーブ
ルのリアクタンスの仮数値に相当する電圧Y1との乗算が
行われ結果を減算部（148）へ出力している。すなわ
ち、Ｌ・di/dtに相当する電圧信号（Y1×10α）×Δｉ
のうちのZA＝Y1・Δｉ分を出力している。また、乗算部
Ｂ（147）では検出しているアーク電流に相当する検出
値ｉとケーブルの抵抗の仮数値に相当する電圧Y2との乗
算が行われ、減算部（148）へ出力している。つまり、
ここではケーブルの抵抗による電圧降下にｒ・ｉに相当
する電圧信号（Y2×10β）のうちのZB＝Y2・ｉを出力し
ている。そして、減算部（148）では負荷電圧ＶからY1
・Δｉ及びY2・ｉの電圧とが減算された信号を出力して
いる。
すなわち、減算部（148）は入力される電流iS＝iV−iS
−iTに比例した出力電圧Vaを出力するもので、これをさ
らに詳しく説明すると、iVはケーブルや装置のリアクト
ルＬや抵抗ｒを含んだ出力電圧に相当する検出電圧Ｖを
抵抗RVで除算したもの（iV＝V/RV）、iSは乗算部Ａ（14
6）の出力電圧ZA（＝Y1（i1−i2））を抵抗RSで除算し
たもの（iS＝ZA/RS）、iTは乗算部Ｂ（147）の出力電圧
ZB（＝Y2・ｉ）を抵抗RTで除算したもの（iT＝ZA/RT）
として示され、このことから負荷電圧Vaは下記のiSに比
例関係にある。
VaαiS（≒iV−iS−iT） iSは次式のようにRV、RS、RTによって決まる。
iS＝V/RV−ZA/RS−ZA/RT つまり（Va＝Ｖ−Ｌ・di/dt−ｒ・ｉ）に相当する電圧V
a＝AV−BZA−CZBを出力していることになる。言い換え
ると、iVに対応するiS、iS/iV、iVに対するit（iT/iV）
を第４図の回路で設定すれば、（Y1×10α）や（Y2×10
β）の乗算部10α、10βを任意に設定できる事になる。
iS/iVがRS/RVに相当し、iT/iVがRT/RVに相当する。した
がって、第９図、第10図に示した特性で予め測定したリ
アクトルＬ、抵抗ｒをμＨ単位およびｍΩ単位でどの特
性に相当しているかを選択すれば回路抵抗RS、RTおよび
回路電圧Y1、Y2の設定が決まる。
次に、第２発明の放電装置の動作について一実施例であ
る負荷電圧検出システムを用いたパルスアーク溶接装置
のパルスアーク電流波形制御によるアーク長コントロー
ル方式を説明する。パルスアーク溶接装置は第11図に示
すようなアーク電流波形を連続的に繰り返した波形を通
電する事により、第１図のワイヤ電極（2c）および被溶
接物（2b）をアーク放電で溶融し、被溶接物（2b）を溶
接している。第11図に示すような電流波形は第１図の高
周波インバータ（3d）から供給している。アーク放電の
アークの長さ（アーク長）はアーク放電部の設定環境な
どの状態が一定であれば、アーク電圧に１対１に対応す
るものである。従って、アーク電圧を一定値に維持すれ
ば、アーク長を一定にすることができる。
上記の事から予め設定したいアーク長に相当する電圧VO
をアーク長設定器（９）で設定し、第１発明である負荷
電圧検出システムにより溶接中のアーク電圧信号Vaを随
時検出し、このVaとアーク長に相当する電圧VOとの比較
を行い、その比較によって第11図（ａ）、（ｂ）に示す
ようなパルス波形パラメータであるパルス幅τ、パルス
周期CB、パルスピーク値IP、ベース電流値IB、パルス個
数Ｎなどを増減させるように負荷電流をコントロールす
ればアーク電圧Vaの平均値が一定値に保たれ、その結果
としてアーク長が一定となる。次に詳細な動作として、
一実施例である負荷電圧Vaと設定電圧VOによりパルス個
数Ｎで負荷電流を制御する第５図に示す制御回路（５）
の動作を第６図（ａ）〜（ｈ）を参照して説明する。
最初にスタート信号（5A）（第６図（ａ）参照）によ
り、無安定発振部（無安定フリップフロップ）（501）
が動作し、その出力信号（5B）はボリュム抵抗Rfで発振
周期CBが設定され、周期CB毎にパルス信号（第６図
（ｂ）参照）をフリップフロップ（502）に出力してい
る。RSフリップフロップ（502）ではパルス信号（5B）
で出力信号（5C）（第６図（ｃ）参照）がＨ状態にSET
され、パルス信号（5H）（第６図（ｆ）参照）で出力信
号（5C）がＬ状態にリセットされる。無安定発振部（無
安定フリップフロップ）（503）では出力信号（5C）を
受け、信号（5C）がＨ状態の期間でRHで設定した発振周
期CA毎にパルス出力信号（5D）（第６図（ｄ）参照）を
単安定発振部（単安定フリップフロップ）に出力してい
る。単安定発振部（504）では、出力信号（5D）の周期C
A毎のパルス出力信号のパルス幅τをボリューム抵抗Ｒ
τで設定した出力信号（5E）（第６図（ｅ）参照）を出
力している。そして、この出力信号（5E）はアンプ（51
0）に入力するとともに積分部（505）にも入力される。
積分部（505）では出力信号（Ｅ）を時間で積分した信
号（5F）を比較部（508）に出力し、比較部（508）では
積分された信号（5F）と信号（5G）とを比較し、信号
（5F）の値が信号（5G）より大になれば出力信号がＨ状
態になり、それと同時に積分された信号（5F）はリセッ
トされるようになっており（第６図（ｇ）参照）、その
結果、比較部（508）の出力信号（5H）はRSフリップフ
ロップのリセット入力に入力されている。信号（5G）は
アーク長設定器（９）の信号VOと負荷電圧検出システム
で検出されたVaからVOを差引いた差電圧Va−VOとが加算
部（507）で加算された出力信号である。また、単安定
発振部（504）の出力信号はベース電流設定部（509）の
信号IBとともにアンプ（510）に入力され、入力信号（5
E）とIBが合成されかつ増幅された信号（5I）（第６図
（ｈ）参照）を出力している。そして、アンプ率つまり
パルスIPの設定はボリュームRPで調整され、出力信号
（5I）と電流検出器（７）で実際に流れているアーク電
流ｉとを比較し、アーク電流ｉが出力信号（5I）に漸近
するように第１図の高周波インバータ（3d）に指令を与
えている。
以上のような回路構成によって、負荷電圧Vaの変動に対
して電流波形のパルス個数つまり負荷電流を制御して負
荷電圧Vaの変動防止を行っている。
従って、上記第１図実施例によれば、予め負荷部の短絡
によりケーブルや装置の端子などのリアクタンス分や抵
抗分を自動的に算出でき、負荷接続時の負荷電流を随時
サンプリングして検出した電圧値をリアルタイムで真の
負荷電圧に補正される。また、負荷電圧検出システムに
より検出された負荷電圧と予め設定した電圧に基づいて
負荷電流をコントロールする事により負荷電流が高周波
化した場合でもより精度よくアーク長を一定化して放電
を安定化させることができる。
また、上記第２図実施例によれば、負荷電圧検出ユニッ
トを半導体等の集積回路化（IC）したので、負荷電圧検
出ユニットがコンパクトにできるとともに、ケーブルの
インピーダンスに応じた信号を与えるのに、ICの端子に
印加する電圧や、回路抵抗値を変えるのみで容易に行い
得、設置場所に対する対応が簡単にできる効果がある。
さらに、第３図実施例によれば、装置の機能目的部分以
外のインピーダンスを自動的に検出する手段をプログラ
ム化したので、簡単にかつ直接インピーダンスを検出で
き、負荷電圧検出ユニットで検出したインピーダンスに
応じた信号及び回路抵抗を選ぶことができる効果があ
る。
次に第３発明である負荷電圧検出システムを用いたパル
スレーザ装置におけるレーザ出力の一定化、安定化を図
る一実施例を第７図に基づいて説明する。
第７図において、（80）はレーザ励起源である放電チャ
ンバ、（81）、（82）は放電電極（2c）、（2b）に電流
を供給するための電極接続端子、（83）、（84）は放電
による発生光を共振させて励起した光を誘導放出させレ
ーザを発振させるためのレーザ光共振ミラー、（85）は
レーザ励起源である放電ガスを貯蔵したボンベ、（86）
は劣化した放電ガスを排気するための真空ポンプ、（8
7）、（88）は放電チャンバ（80）の放電ガス圧力を調
整するためのバルブ、（89）は負荷電圧Vaと設定電圧VB
との差電圧を出力する比較器、（10）は検出電流ｉ、検
出電圧Ｖを入力し、信号Ｂ、負荷電圧Va、および信号Ａ
を出力する負荷電圧検出システムで、第１図と同じ働き
をするものである。なお、（9A）、（9B）は電圧設定器
を示し、その他は第１図と同様である。
このパルスレーザ装置は、放電チャンバ（80）にボンベ
（85）から例えばKrFガス等を注入し、電極（2c）と（2
b）間にパルスアーク放電を起こしKrFガスを放電によっ
て励起させ、励起したKrFが基底状態にもどる時、励起
されたKrFから光が放出され、この光をレーザ光共振ミ
ラー（89）、（84）によって共振されることにより光を
増幅させるもので、この増幅された光がレーザ光であ
る。ここではパルスアーク放電を起こさせる電源として
パルス電流供給部（3B）を備え、ここで要求されるパル
スアーク電流は非常に急峻なパルスアーク電流波形が要
求される。このレーザ出力を一定化し、かつ安定した出
力とするには、ガスの励起（ポンピング）を安定化さ
せ、基底状態にスムーズにもどらせる必要がある。上記
の事柄を常に最適条件に維持するには、パルスアーク放
電の電界コントロールや放電部分のガス温度、ガス圧力
の調整を十分にコントロールしなければならない。
上記の放電による電界や放電部分のガス温度やガス圧力
は放電電圧と密接に対応しており、例えば電界が下がれ
ば放電電圧は下がり、またガス温度が上がれば放電電圧
が下がり、さらにガス圧力が上がれば一般的には放電電
圧が高くなる特性を有している。従って放電電圧を最適
なレーザ出力が得られる条件に監視する事が最も重要で
ある。しかしながら、このパルスアーク電流は非常に急
峻なパルスであるため、パルス電流供給部（3B）から電
極（2c）、（2b）までの電圧降下、つまりＬ・di/dtが
無視できなく正確に放電電圧を検出する事が出来なかっ
た。
このパルスレーザ装置に、第１発明の負荷電圧検出シス
テム（10）によって負荷電圧（アーク電圧）Vaを検出
し、Vaが最適条件である設定電圧VAに漸近するようにパ
ルス電流波形を制御し、かつ負荷電圧Vaと設定電圧VBと
比較し、それによって放電チャンバ（80）へ注入するガ
スの流量をバルブ（87）、（88）で調整することによ
り、放電チャンバ（80）のガス圧力や不純物の多いガス
の除去などを行い、レーザ光出力の安定化を図ることが
できる。
従って、第７図実施例においては、負荷電圧検出システ
ムにより検出した負荷電圧Vaと予め設定した電圧VA、VB
により、レーザ励起源の負荷電流（ガス圧力、ガス純
度）をコントロールし、レーザ出力を一定化するととも
にレーザ出力の安定化を図ることができる。
次に、第４発明である表面処理装置について第８図に基
づいて説明する。第８図は負荷電圧検出システムを用い
たアーク放電によるダイヤモンド薄膜の均一化及び欠陥
を少なくすることを図るものである。第８図中、第７図
と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。し
かして、図中、（851）、（852）は一実施例であるダイ
ヤモンド薄膜を放電によって形成するための各種放電ガ
ス成分を貯蔵したキャリアガスボンベ、（872）、（87
3）はキャリアガスの混合比を調整するバルブ、（871）
は放電チャンバ（80）に注入するガスの混合比を調整す
るバルブ、（90）は電極（2b）の温度調整をしてダイヤ
モンド薄膜形成を促進させるためのヒータ、（91）はヒ
ータ電源、（92）は薄膜を形成させるための被処理物
で、この表面にダイヤモンド薄膜を形成する。
まず、放電チャンバ（80）のキャリアボンベ（851）、
（852）からキャリアガスH2−Ar−HeガスとCH4ガスで数
100Torrの圧力状態にする。そして連続したパルス放電
を電極（2c）、（2b）間に発生させ、それぞれのガスを
放電により電離させ、電離したイオン同士を放電の電界
により衝突させ、炭化水素を作り、この炭化水素を被表
面処理物に膜状に堆積させダイヤモンド薄膜を形成す
る。このような方法による品質の良いダイヤモンド薄膜
（炭化水素）膜を作るには、アーク放電のような高エネ
ルギ密度のプラズマで高電界プラズマが重要である。高
電界プラズマを作るには、急峻なパルスアーク電流を供
給するのが一つの有効な方法である。このパルスアーク
放電を起こさせるための電源がパルス電流供給部（3C）
である。さらに、この高エネルギ密度、高電界プラズマ
で得た炭化水素をより均一に被処理物（92）に堆積させ
るには、アークプラズマ中のガス成分の管理、ガス圧
力、高エネルギ密度、高電界プラズマ（つまりパルス状
のアーク放電）の安定化が重要である。
上記のガス成分、ガス圧力、電界は放電電圧と密接に対
応しており、例えば電界が下がれば放電電圧が下がり、
ガス圧力が上がれば一般的には放電電圧が高くなる。ま
た、ガス成分の水素ガスや炭化水素などの分子状のイオ
ンが多くなれば放電電圧が上がるなどの特性を有してい
る。従って、この特性を利用する事、つまり放電電圧を
品質の良い薄膜をつくる条件に監視する事が最も重要で
ある。
以上の事から、上記で述べたパルスレーザ装置と同様に
表面処理装置においても、第１発明の負荷電圧検出シス
テム（10）によって負荷電圧（アーク電圧）Vaを検出
し、Vaが最適条件である設定電圧VAに漸近するようにパ
ルス電流波形を制御し、かつVaと設定電圧Vaとを比較
し、それによって放電チャンバ（80）へ注入するガスの
流量をバルブ（871）、（88）で調整し、放電チャンバ
（80）のガス圧力やキャリアガスの混合割合の調整など
を行い、被処理物（92）の薄膜の均一化を図ることがで
きると共に、欠陥を少なくすることができる。
従って、第８図実施例によれば、負荷電圧検出システム
により検出した負荷電圧Vaと予め設定した電圧VA、VBに
より被処理物の表面処理過程の結晶構造を負荷電流（ガ
ス圧力、ガスの純度）でコントロールし、被処理物の表
面処理の均一化を図るとともに、表面処理の欠陥を少な
くすることができる。
なお、上記第１発明の実施例（第１図）では、負荷部を
短給する手段としてスイッチ（16）を用いたが、溶接ト
ーチ（2a）自身を動かし、ワイヤ電極（2c）と被溶接物
（2b）を短絡させても良く、また、上記第２発明の実施
例では、負荷電圧検出ユニット（14）の発振周波数設定
部を抵抗RG、コンデンサCGで構成した発振部について示
したが、水晶発振器で構成してもよい。上記実施例では
ケーブル・端子などのリアクタンスＬと抵抗について検
出したが、容量リアクタンスＣとの構成でも検出するこ
とができる。また、上記実施例では負荷電圧検出ユニッ
ト（14）のサンプリングユニット（140）は２つのサン
プリングホールド部と１つの分周部で構成したものにつ
いて示したが、１つのサンプリングホールド部とマルチ
プレクサ部、ラッチ部などで同一機能の構成をする事も
できる。
また、上記実施例ではサンプリングホールド部に、負荷
電圧検出ユニット（14）、マルチプレクサ（17）、（1
8）、電圧比較器（８）などをハードで構成したが、第1
2図のように、負荷電圧検出ユニット（14）を負荷電圧
算出ブロック（5000）にし、続いてアーク電圧などの負
荷電圧の平均化ブロック（6000）を行ない、電圧比較器
（８）及びアーク長制御などを制御する負荷制御ブロッ
ク（7000）で構成し、順次プログラム処理するものであ
ってもよい。
また、パルスアーク溶接装置においては、アーク長制御
について示したが、他の放電装置のアーク長制御でもよ
い。また、アーク長制御では負荷電圧Vaによって負荷電
流のパルス個数Ｎを変える方法について示したが、負荷
電圧Vaによりパルス周期やベース電流値、パルス幅又は
パルスピーク値による負荷電流を制御する方法であって
もよく同様の効果を奏する。
また、上記第３発明のパルスレーザ装置において、励起
源をアーク放電で示したが、グロー放電であってもよ
い。また、励起源をパルス放電電流波形としたが、パル
ス放電電流でなくても同様の効果は奏する。
また上記第４発明の表面処理装置において、一実施例で
あるダイヤモンド薄膜について示したが、他の薄膜処理
装置やチッ化処理などであってもよく、放電はアーク及
びパルス放電でなくても同様の効果は奏する。
〔発明の効果〕
以上述べたように、第１発明によれば、予め負荷部の短
絡によりケーブルや装置の端子などのリアクタンス分や
抵抗分を自動的に算出でき、負荷接続時の負荷電流を随
時サンプリングして検出した電圧値をリアルタイムで真
の負荷電圧に補正される。
また、第２発明によれば、パルスアーク溶接装置を、上
記第１発明の負荷電圧検出システムで検出した負荷電圧
と予め設定した電圧とを比較し、予め設定した電圧に漸
近するように負荷電圧を制御し、アーク長をコントロー
ルするようにしたので、負荷電流波形の高周波化に対し
ても精度よくアーク長をコントロールすることができる
効果がある。
また、第３発明によれば、パルスレーザ装置を、上記負
荷電圧検出システムで検出した負荷電圧と予め設定した
電圧とを比較し、比較結果により負荷電流を制御する手
段から構成したので、レーザの励起源である放電などの
電子温度、ガス温度等による励起源である負荷の電位勾
配の変動が負荷電圧検出システムによって即座に分析で
き、しかも、それに対して負荷の電流波形やガス圧力制
御やガスの入換え判定ができるためレーザ出力のより安
定化が図れるなどの効果がある。しかも予め設定した電
圧をパルス電圧にする事で、予め設定した電圧のパルス
に応じたパルスレーザ発振ができ、より安定したパルス
ピーク値などが得られる効果がある。
さらに、第４発明によれば、表面処理装置（又は放電加
工装置）を、上記負荷電流検出システムで検出した負荷
電圧と予め設定した電圧とを比較し、比較結果により負
荷電圧を制御する手段から構成したので、放電などのガ
ス温度などによる負荷の電位勾配の変動が負荷電圧検出
システムによって即座に分析でき、しかも、それに対し
て負荷の電流波形やガス圧力の制御やガスの入換え判断
ができるため、より安定な表面処理や加工が行える事や
表面処理や加工をコントロールする事ができるなどの効
果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は第１と第２発明としての負荷電圧検出システム
とパルスアーク溶接装置を説明する構成図、第２図は第
１発明中の負荷電圧検出ユニットの回路構成図、第３図
は第１発明の一実施例によるリアクタンス、抵抗を算出
するためのコントロールボックス（13）の動作手順を示
したフローチャート、第４図は短絡電流を検出するため
のタイムチャート、第５図は第１図におけるアーク長制
御のための制御回路（５）のブロック回路図、第６図
（ａ）〜（ｈ）は第５図の各部の制御信号を示したタイ
ムチャート、第７図は第３発明の一実施例による負荷電
圧検出システムを用いたパルスレーザ装置の構成図、第
８図は第４発明の一実施例による負荷電圧検出システム
を用いた表面処理装置を示した構成図、第９図と第10図
は第１発明の一実施例による負荷電圧検出システムでの
リアクトルＬと乗算器Ａの所定電圧Y1との関係を示した
特性図と抵抗ｒと乗算器Ａの所定電圧Y2との関係を示し
た特性図、第11図（ａ）、（ｂ）はこの発明の一実施例
であるパルスアーク溶接装置のパルス電流波形図、第12
図はこの発明の他の実施例である負荷電圧検出システム
をプログラム化した場合のフローチャート、第13図は従
来のパルスアーク溶接装置の構成図である。 図において、（１）はパルスアーク溶接装置、（2a）は
溶接トーチ、（2b）は被溶接物、（2c）はワイヤ電極、
（３）、（3B）、（3C）はパルス電流供給部、（4a）、
（4b）はケーブル、（６）は電圧検出器、（７）は電流
検出器、（９）はアーク長設定器、（9A）、（9B）は電
圧設定器、（10）は負荷電圧検出システム、（12）はサ
ンプリング回路、（16）はスイッチ、（140）はサンプ
リングユニット、（143）、（144）はサンプリングホー
ルド回路、（145）、（148）は減算器、（146）は乗算
器Ａ、（147）は乗算器Ｂ、（80）は放電チャンバ、（8
1）、（82）は電極接続端子、（83）、（84）はレーザ
共振ミラー、（85）はガスボンベ、（92）は被表面処理
物である。 なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｓ 3/134

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】時間的に変化する電流が供給される負荷に
    かかる電圧を検出する際、その検出電圧Ｖに負荷のみの
    負荷電圧以外にリアクタンス分及び抵抗分による電圧ロ
    スが含まれて検出される負荷電圧検出システムにおい
    て、上記負荷以外のリアクタンス分と抵抗分の各値をあ
    らかじめ算出して記憶し、負荷電流供給時に記憶したリ
    アクタンス値と抵抗値を出力するリアクタンス値・抵抗
    値算出装置と、負荷電流供給時に時々刻々変化する負荷
    電圧Ｖを検出して、上記リアクタンス値・抵抗値算出装
    置からのリアクタンス値と抵抗値に基づいて時々刻々変
    化するリアクタンスにかかる対応電圧と抵抗にかかる対
    応電圧を算出し、上記検出電圧Ｖからそれぞれの対応電
    圧を減算して、対象とする負荷のみの負荷電圧Vaを算出
    する負荷電圧算出装置とを備えたことを特徴とする負荷
    電圧検出システム。
  2. 【請求項２】請求項１記載の負荷電圧検出システムにお
    いて、上記リアクタンス値・抵抗値算出装置は、負荷部
    を短絡させる短絡手段と、所定の定電圧を負荷に印加さ
    せる定電圧印加手段と、負荷短絡時に該定電圧の印加に
    基づき流れる短絡電流のサンプリング時間の異なる少な
    くとも２点をサンプリングするサンプリング手段とを備
    え、そのサンプリングした電流値に基づいて負荷以外の
    リアクタンス分と抵抗分の各値を算出することを特徴と
    する負荷電圧検出システム。
  3. 【請求項３】請求項１または２記載の負荷電圧検出シス
    テムにおいて、負荷部としてのワイヤ電極及び被溶接物
    にアーク電流を通電するパルス電流供給部と、設定アー
    ク長に相当する電圧を出力するアーク長設定器と、上記
    負荷電圧検出システムによる負荷電圧とアーク長設定器
    の出力電圧との比較差に基づいて上記パルス電流供給部
    から出力されるアーク電流をアーク長を一定に制御すべ
    く制御する制御回路とを有することを特徴とする負荷電
    圧検出システムを用いたパルスアーク溶接装置。
  4. 【請求項４】請求項１または２記載の負荷電圧検出シス
    テムにおいて、パルス電流供給部と、出力電圧を予め設
    定する電圧設定器と、上記負荷電圧検出システムによる
    負荷電圧と電圧設定器の出力電圧との比較差に基づいて
    上記パルス電流供給部からレーザ励起源に出力される負
    荷電流を制御する制御回路とを有することを特徴とする
    負荷電圧検出システムを用いたパルスレーザ装置。
  5. 【請求項５】請求項１または２記載の負荷電圧検出シス
    テムにおいて、パルス電流供給部と、出力電圧を予め設
    定する電圧設定器と、パルス放電を発生させて被表面処
    理物に薄膜を形成させる装置への負荷電流を制御する制
    御回路とを有することを特徴とする負荷電圧検出システ
    ムを用いた表面処理装置。
JP63161303A 1988-06-29 1988-06-29 負荷電圧検出システムと該検出システムを用いたパルスアーク溶接装置並びにパルスレーザ装置及び表面処理装置 Expired - Lifetime JPH07115183B2 (ja)

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