JPH0739166A - 高周波電源装置及びレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ発振装置が放電しなかった場合でも高
周波電源装置及びレーザ発振装置に短絡電流が流れるこ
とを抑制する。 【構成】 高周波電源装置３１は、直流電源部１２及び
インバータ１４からなる高周波電源部１０と、この高周
波電源部１０からの高周波電源を高周波交流放電による
レーザガス励起のレーザ発振装置２４に供給するマッチ
ング回路１６とから構成されている。制御回路２９のイ
ンバータ制御部２０は、高周波電源部１０の出力電圧Ｖ
Ａと出力電流ＩＡとを検出して、両者の位相が略一致す
るようにインバータ１４の出力周波数を制御する。そし
て、制御回路２９の直流電源制御部２１は、直流電源部
１２の出力電圧ＶＤを設定値となるように制御するが、
リミッタ部３０は、直流電源部１２の出力電流ＩＤが基
準値を超えた場合には、その出力電圧ＩＤが基準値以下
となるように出力電圧ＶＤを低減するように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高周波電源装置及びこ
れを用いたレーザ発振装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の交流放電励起レーザ発振装置の一
例を図２に示す。即ち、高周波電源装置１は、高周波電
源部２，マッチング回路３，出力設定器４及び制御回路
５を備えている。

【０００３】高周波電源部２は、商用交流電源を高周波
電源に変換するものであり、その出力は、マッチング回
路３を介して放電性負荷たるレーザ発振装置６の放電電
極７，７間に供給されるようになっている。このレーザ
発振装置６は、共振器８，８を備えており、共振器８，
８は、放電電極７，７間の放電エネルギーを光変換及び
増幅してレーザ光ＬＳを放出する。

【０００４】この場合、マッチング回路３は、放電電極
７，７間に加わる電圧を放電に必要な高電圧とするとと
もに、放電電流とのインピーダンスを整合し、高周波電
源のエネルギーが１００％レーザ発振装置６に伝達され
るように作用する。又、制御回路５は、高周波電源部２
の出力電圧が出力設定器４による設定値となるように高
周波電源部２を制御する。

【０００５】以上のような高周波交流放電によりレーザ
ガスを励起するレーザ発振装置６では、直流放電により
レーザガスを励起するレーザ発振装置とは異なり、放電
電極７，７をレーザガス中に露出する必要がなく、従っ
て、放電時に電極材料がレーザガス中に蒸発，飛散する
ことがないので、レーザガス，放電電極７，７及び共振
器８，８の寿命が長くなり、運転経費が安価になる利点
がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ発振装置
６においては、マッチング回路３による高周波電源イン
ピーダンスと放電インピーダンスとの整合は、通常、レ
ーザ発振装置６の定格出力となる電源出力付近で行なわ
れる。そして、この種のレーザ発振装置６では、高周波
電源部２から見た放電インピーダンスはその高周波電源
部２の出力に応じて変化するので、レーザ光ＬＳの出力
を変換させるべく高周波電源部２の出力を定格出力から
低下させていくと、高周波電源インピーダンスと放電イ
ンピーダンスとの間で整合条件がくずれ、レーザ発振装
置６から高周波電源部２への反射電力が増大し、結果と
して、高周波電源部２における損失が増大し、レーザ発
振装置６の発振不安定、或いは、高周波電源部２の破損
等の悪影響を及ぼす問題がある。

【０００７】而して、このような問題を解決するため
に、本発明者は他の複数の発明者とともに次のような技
術を改良開発した（特願平５−８９７３８号）。

【０００８】以下、その改良技術を図３に従って説明す
る。即ち、高周波電源部１０は、電源スイッチ１１を介
して与えられる商用交流電源を整流して可変の直流電源
を得る直流電源部１２と、この直流電源部１２から直流
母線１３を介して与えられる直流電源から高周波電源を
得るべくスイッチング素子たる４個のＳＩＴ１４ａをブ
リッジ接続してなる電圧形インバータ１４とから構成さ
れている。そして、インバータ１４の出力端子は出力線
１５を介してインピーダンス整合手段たる逆Ｌ形ＬＣ共
振回路からなるマッチング回路１６の入力端子に接続さ
れている。

【０００９】電圧検出器１７及び電流検出器１８は、出
力線１５に配設されていて、高周波電源部１０のインバ
ータ１４の出力電圧及び出力電流を検出するもので、夫
々の出力端子は制御手段たる制御回路１９のインバータ
制御部２０の各入力端子に接続されている。インバータ
制御部２０は、電圧検出器１７及び電流検出器１８が検
出したインバータ２０の出力電圧と出力電流との位相差
を検出して制御信号を出力するもので、その出力端子は
インバータ１４の制御入力端子に接続されている。

【００１０】制御回路１９の直流電源制御部２１は、そ
の入力端子が出力設定手段たる出力設定器２２の出力端
子に接続されていて、出力設定器２２から与えられる出
力設定値に応じた制御信号を出力するようになってお
り、その出力端子は高周波電源部１０の直流電源部１２
の制御入力端子に接続されている。そして、以上によっ
て高周波電源装置２３が構成されている。

【００１１】放電性負荷たるレーザ発振装置２４は、対
向する放電電極２５，２５を有し、且つ、これらの放電
電極２５，２５の間隔間を挟んで対向する共振器２６，
２６を有する。そして、このレーザ発振装置２４におい
て、一方の放電電極２５は前記マッチング回路１６の出
力端子に接続され、他方の放電電極２５は接地されてい
る。

【００１２】次に、この改良技術の作用につき説明す
る。高周波電源部１０から高周波電源が出力されると、
出力電圧ＶＡは、マッチング回路１６により放電に必要
な高電圧になされて放電電極２５，２５間に印加される
とともに、放電電流（負荷電流）Ｉとの位相が整合され
る。従って、放電電極２５，２５間に高周波交流放電が
発生して、その放電エネルギーが共振器２６，２６によ
り光変換及び増幅されてレーザ光ＬＳが取出される。

【００１３】更に、高周波電源部１０からの出力電圧Ｖ
Ａ及び出力電流ＩＡは、電圧検出器１７及び電流検出器
１８により検出されて制御回路１９のインバータ制御部
２０に与えられる。これにより、インバータ制御部２０
は、出力電圧ＶＡと出力電流ＩＡとの位相差を検出して
その位相差が零になるようにＰＬＬ発振部で発振周波数
を作り、インバータ１４に与えるようにする。そして、
インバータ１４は、位相差が略零となるように、即ち、
ＰＬＬ制御により出力電圧ＶＡと出力電流ＩＡとの位相
が略一致するように出力周波数を制御する。又、制御回
路１９の直流電源制御部２１は、出力設定器２２からの
出力設定値ＶＲに応じた制御信号を出力して高周波電源
部１０の直流電源部１２に与えるようになる。これによ
り、直流電源部１２は、出力電圧ＶＤが出力設定値ＶＲ
と略一致するようにその出力電圧ＶＤを制御する。

【００１４】而して、ＰＬＬによる位相制御と逆Ｌ形Ｌ
Ｃ共振回路で構成されたマッチング回路１６によるイン
ピーダンス整合とは、夫々単独で行なわれても意味をな
さないが、両者を同時に行なうと、マッチング回路１６
が高周波電源部１０の出力電圧ＶＡと負荷電流Ｉとを略
１対１で対応させる機能をもつことは電気回路理論から
証明されている。従って、このようなレーザ発振装置２
４によれば、高周波電源にもかかわらず電源インピーダ
ンスと放電インピーダンスとを常に整合した状態に保つ
ことができ、しかも、放電エネルギーの制御を直流電源
部１２の出力電圧の設定値を出力設定器２２により変化
させることによって高精度に制御することができる利点
がある。

【００１５】又、負荷側たるレーザ発振装置２４側から
見た高周波電源装置２３は電流源としてみなすことがで
きるので、レーザ発振装置２４の放電開始時には、図４
に示すように、ピーク状の電圧Ｖがレーザ発振装置２４
の放電電極２５，２５間に印加される。これにより、レ
ーザ発振装置２４の放電開始時に放電を形成する荷電粒
子を初期形成するために従来より用いられていた予備電
離手段を設ける必要がなくなり、装置が簡単になるとい
う効果も奏する。

【００１６】ところで、図３に示すようなレーザ発振装
置２４においては、高周波電源装置２３の出力不足，マ
ッチング回路１６の調整不良，レーザガスの成分の異常
或いは放電電極２５の異常等により、放電が発生しない
場合がある。

【００１７】レーザ発振装置２４において、正常に放電
が行なわれている場合には、全体の等価回路は、図５に
示すようになる。即ち、逆Ｌ形ＬＣ発振回路からなるマ
ッチング回路１６は、インダクタンスＬｍ及びキャパシ
タンスＣｍとして示され、レーザ発振装置２４は、放電
による電圧降下を与える抵抗成分Ｒと、放電電極２５，
２５間のキャパシタンス及び放電電極２５，２５自身の
キャパシタンスの和からなるキャパシタンス成分Ｃとか
らなる。

【００１８】一方、レーザ発振装置２４において放電が
発生しなかった場合には、全体の等価回路は、図６に示
すようになる。即ち、レーザ発振装置２４は、電圧降下
を与える抵抗成分Ｒがなくなってキャパシタンス成分Ｃ
のみとなり、これがマッチング回路１６のキャパシタン
スＣｍと並列になって、マッチング回路１６とレーザ発
振装置２４とは一つの逆Ｌ形ＬＣ共振回路を構成するこ
とになる。

【００１９】このような状態で、高周波電源装置２３か
ら高周波電源が供給されると、ＰＬＬ制御の作用により
高周波電源装置２３の出力周波数は前述の逆Ｌ形ＬＣ共
振回路の共振周波数となる。この場合、逆Ｌ形ＬＣ共振
回路のインピーダンスは、ほとんどインダクタンスＣｍ
の巻線抵抗分だけとなって非常に小になるので、高周波
電源装置２３は略短絡状態となり、短絡電流により高周
波電源装置２３及びレーザ発振装置２４が破損するとい
う新たに解決すべき問題が生じた。

【００２０】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その第１の目的は、放電性負荷において放電が発生
しなかった場合でも、短絡電流が流れることを抑制する
ことができる高周波電源装置を提供することにある。

【００２１】更に、本発明の第２の目的は、放電電極間
で放電が発生しなかった場合でも、短絡電流が流れるこ
とを抑制することができるレーザ発振装置を提供するこ
とにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の高周波電
源装置は、商用交流電源を直流電源に変換する電圧形直
流電源部及びこの電圧形直流電源部の直流電源を高周波
電源に変換する電圧形インバータからなる高周波電源部
と、この高周波電源部のインバータと放電性負荷との間
に設置され、負荷電流と前記インバータの出力電圧とを
略１対１の関係に整合するインピーダンス整合手段と、
出力設定手段と、前記インバータの出力電圧と出力電流
との位相を検出し、これらの位相が略一致するように前
記インバータの出力周波数を制御するとともに、前記高
周波電源部の直流電源部をその出力電圧が前記出力設定
手段による設定値となるように制御する制御手段とを具
備し、前記制御手段を、前記高周波電源部の直流電源部
の出力電流を検出し、これが基準値を超えた場合に、前
記直流電源部の出力電圧が設定値であっても前記出力電
流が基準値以下になるようにその出力電圧を低減するよ
うに制御するように構成するところに特徴を有する。

【００２３】請求項２記載の高周波電源装置は、制御手
段を、高周波電源部の直流電源部の出力電圧を検出し、
その出力電圧と設定値との差が規定値を超えた場合には
異常検出信号を出力するように構成するところに特徴を
有する。

【００２４】請求項３記載のレーザ発振装置は、請求項
１又は２記載の高周波電源装置を用いて高周波交流放電
によりレーザガスを励起するようにしたところに特徴を
有する。

【００２５】

【作用】請求項１記載の高周波電源装置によれば、放電
性負荷が放電しなかった場合には、制御手段は、高周波
電源部の直流電源部の出力電流が基準値以下となるよう
に、その直流電源部の出力電圧を低減するので、放電性
負荷に短絡電流が流れることを抑制することができる。

【００２６】請求項２記載の高周波電源装置によれば、
制御手段は、放電性負荷が放電しなかった場合には、高
周波電源部の直流電源部の出力電圧が低減されるように
制御することに基づいて、その出力電圧と設定値との差
が規定値を超えた時に異常検出信号を出力するので、こ
の異常検出信号により、警報ブザー，警報ランプ等の警
報器を作動させ、或いは、高周波電源部への商用交流電
源の供給をしや断する等、適切な異常処理を行なうこと
ができる。

【００２７】そして、請求項３記載のレーザ発振装置に
よれば、請求項１又は２記載の高周波電源装置を用いる
ようにしたので、放電しなかった場合でも、短絡電流に
よる破損を防止することができる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき、図１を参照
して説明をするに、本実施例では図３と同一部分には同
一符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ
説明する。

【００２９】即ち、高周波電源部１０の直流母線１３に
は、直流電源部１２の出力電流を検出する電流検出器２
７及び直流電源部１２の出力電圧を検出する電圧検出器
２８が配設されている。又、制御手段たる制御回路２９
は、前記制御回路１９と同様にインバータ制御部２０及
び直流電源制御部２１を備えているとともに、電流リミ
ッタ部３０を備えており、電流リミッタ部３０の入力ポ
ートには電流検出器２７の出力端子が接続され、制御回
路２９の一つの入力ポートには電圧検出器２８の出力端
子が接続されている。そして、以上により高周波電源装
置２３に代わる高周波電源装置３１が構成されている。

【００３０】この場合、前記電流リミッタ部３０は、後
述するように、電流検出器２７が検出する直流電源部１
２の出力電流ＩＤに基づき直流電源部１２の出力電圧Ｖ
Ｄを制限する作用を有し、制御回路２９は、後述するよ
うに、電圧検出器２８が検出する出力電圧ＶＤに基づき
異常検出信号ＳＲを出力するようになっている。

【００３１】次に、本実施例の作用につき説明する。
尚、放電性負荷たるレーザ発振装置２４が正常に発振し
てレーザ光ＬＳを出力させる場合の動作は図３に示す改
良技術と同様である。

【００３２】今、高周波電源装置３１から高周波電源が
放電電極２５，２５間に供給されたにもかかわらずその
放電電極２５，２５間に放電が発生しなかった場合に
は、ガスレーザ発振装置２４に放電電流Ｉの代わりに短
絡電流が流れ、これに応じて、高周波電源部１０の直流
電源部１２からの直流電流ＩＤも過大になる。そして、
直流電流ＩＤは電流検出器２７によって検出されて制御
回路２９の電流リミッタ部３０に入力される。

【００３３】制御回路２９の電流リミッタ部３０は、入
力される出力電流ＩＤと予め設定された基準値とを比較
し、出力電流ＩＤが基準値を超えたときには直流電源部
１２をその出力電圧ＶＤが低減するように制御する。こ
の場合、直流電源部１２の出力電圧ＶＤは、本来、出力
設定器２２からの出力設定値ＶＲとなるように直流電源
制御部２１によって制御されるのであるが、前述したよ
うな出力電流ＩＤの過大時には、電流リミッタ部３０の
制御が優先されるようになっている。

【００３４】即ち、制御回路２９の電流リミッタ部３０
は、出力電流ＩＤが過大になったときには、出力電圧Ｖ
Ｄが設定値ＶＲになっているにもかかわらず、出力電流
ＩＤが基準値以下となるように出力電圧ＶＤが低減する
ように直流電源部１２を制御するようになる。従って、
レーザ発振装置２４に短絡電流が流れる状態が続く限り
直流電源部１２の出力電圧ＶＤは低減され続けることに
なり、結果として、レーザ発振装置２４に短絡電流が流
れることを抑制することになる。

【００３５】而して、以上のように、高周波電源部１０
の直流電源部１２の出力電圧ＶＤが低減されると、レー
ザ発振装置２４においては、放電電極２５，２５間での
放電がより一層行なわれなくなる傾向となるのが一般的
である。そこで、制御回路２９は、電圧検出器２８を介
して直流電源部１２の直流電圧ＶＤを検出し、これと出
力設定器２２によって設定された出力設定値ＶＲとの偏
差を演算して、その偏差値が予め設定された規定値を超
えるようになったときには、一つの出力ポートから異常
検出信号ＳＲを出力するようになっている。

【００３６】そして、制御回路２９は、この異常検出信
号ＳＲによって、警報器たる警報ブザー及び警報ランプ
を作動させるとともに、電源スイッチ１１をしゃ断させ
るという、適切な異常処置を施こすものである。尚、こ
の異常検出信号ＳＲによる警報ブザー及び警報ランプの
作動，電源スイッチ１１のしゃ断の処置は、いずれかの
１つを行なわせてもよく、或いは、２つ、若しくは、全
部を行なわせるようにしてもよく、更には、その他の処
理を施こすようにしてもよい。

【００３７】このように、本実施例によれば、マッチン
グ回路１６として逆Ｌ形ＬＣ共振回路を用い且つＰＬＬ
制御により高周波電源部１０の出力電圧ＶＡと出力電流
ＩＡとの位相を略一致するようにして、電源インピーダ
ンスと放電インピーダンスとを常に整合させることがで
きる構成とした場合でも、高周波電源部１０の直流電源
部１２の出力電流ＩＤが基準値を超えた場合には、その
直流電源部１２の出力電圧ＶＤを出力電流ＩＤが基準値
以下となるように制御するようにした。

【００３８】従って、レーザ発振装置２４で放電が発生
しなかった場合には、高周波電源装置３１及びレーザ発
振装置２４に短絡電流が流れることを抑制することがで
き、以て、高周波電源装置３１及びレーザ発振装置２４
に破損を生じさせることを防止することができる。

【００３９】しかも、レーザ発振装置２４が放電しなか
った場合には、制御回路２９は、直流電源部１２の出力
電圧ＶＤの低減を検出して、これと設定値ＶＲとの差が
規定値以上となったときに異常検出信号ＳＲを出力して
警報ブザー或いは警報ランプ等の警報器を作動させると
ともに、電源スイッチ１１をしゃ断するようにしたの
で、作業者に異常を速やかに知らせることができるとと
もに、異常状態の継続を防止することができる。

【００４０】尚、本発明は上記し且つ図面に示す実施例
にのみ限定されるものではなく、例えば、高周波電源装
置はレーザ発振装置のみならず高周波電源を必要とする
放電性負荷全般に適用し得る等、要旨を逸脱しない範囲
内で適宜変形して実施し得ることは勿論である。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、以上説明した通りであるの
で、次のような効果を奏する。請求項１記載の高周波電
源装置によれば、高周波電源部の直流電源部の出力電流
が基準値を超えた場合には、その出力電流が基準値以下
となるように直流電源部の出力電圧を低減させるように
したので、放電性負荷が放電しなかった場合でも短絡電
流が流れることを抑制し得て、破損を防止することがで
きる。

【００４２】請求項２記載の高周波電源装置によれば、
高周波電源部の直流電源部の出力電圧と設定値との差が
規定値を超えた場合には、制御手段が異常検出信号を出
力するようにしたので、適切な異常処理を施こすことが
できる。

【００４３】請求項３記載のレーザ発振装置によれば、
請求項１又は２記載の高周波電源装置を用いるようにし
たので、放電電極が放電しなかった場合にも、短絡電流
による破損を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す電気的構成図

【図２】従来例を示す図１相当図

【図３】改良技術を示す図１相当図

【図４】高周波電源電圧の波形図

【図５】正常放電時の等価回路図

【図６】放電失敗時の等価回路図

【符号の説明】

図面中、１０は高周波電源部、１２は直流電源部、１４
はインバータ、１６はマッチング回路（インピーダンス
整合手段）、１７は電圧検出器、１８は電流検出器、２
０はインバータ制御部、２１は直流電源制御部、２２は
出力設定器（出力設定手段）、２４はレーザ発振装置
（放電性負荷）、２５は放電電極、２６は共振器、２７
は電流検出器、２８は電圧検出器、２９は制御回路（制
御手段）、３０は電流リミッタ部、３１は高周波電源装
置を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 商用交流電源を直流電源に変換する電圧
   形直流電源部及びこの電圧形直流電源部の直流電源を高
   周波電源に変換する電圧形インバータからなる高周波電
   源部と、 この高周波電源部のインバータと放電性負荷との間に設
   置され、負荷電流と前記インバータの出力電圧とを略１
   対１の関係に整合するインピーダンス整合手段と、 出力設定手段と、 前記インバータの出力電圧と出力電流との位相を検出
   し、これらの位相が略一致するように前記インバータの
   出力周波数を制御するとともに、前記高周波電源部の直
   流電源部をその出力電圧が前記出力設定手段による設定
   値となるように制御する制御手段とを具備し、 前記制御手段は、前記高周波電源部の直流電源部の出力
   電流を検出し、これが基準値を超えた場合に、前記直流
   電源部の出力電圧が設定値であっても前記出力電流が基
   準値以下になるようにその出力電圧を低減するように制
   御するように構成されていることを特徴とする高周波電
   源装置。
2. 【請求項２】 制御手段は、高周波電源部の直流電源部
   の出力電圧を検出して、その出力電圧と設定値との差が
   規定値を超えた場合には異常検出信号を出力するように
   構成されていることを特徴とする請求項１記載の高周波
   電源装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の高周波電源装置を
   用いて高周波交流放電によりレーザガスを励起するよう
   にしたことを特徴とするレーザ発振装置。