JPS6244077A - 繰返し放電用電源装置 - Google Patents

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】 【発明の属する技術分野】

この発明は、放電管に放電電流をパルス状に繰返して供
給する電源装置に関し、とくに放電管が加工用固体レー
ザ発振のための励起ランプである場合に好適なものであ
る。

【従来技術とその問題点】

現在の加工用固体レーザは、発振の安定性が良いことと
比較的出力が大きいことの理由でＮｄ　：　ＹＡＧをレ
ーザ媒質とするものにほとんど限定される。 レーザ媒質のＮｄ　：　ＹＡＧは、イツトリウム・アル
ミニウム・ガーネット（ＹＪＩｓＯ＋ｚ）と呼ぶ光学結
晶に、約１％のａｔの重量比でＮｄを含有させたもので
、棒状に形成される。両端を鏡面研磨し、その上に無反
射コーティングを施す。側面は、すりガラス状にしてお
いて、励起光がＹＡＧ棒全体に吸収されやすいようにし
である。なお、ＹＡＧ棒は、５００〜８００ｎｍの光を
吸収して、いわゆる励起状態となり、１．０６μ慄付近
のレーザ光を発振する。そして、その出力形態は、通常
、連続繰返しのノーマルパルスである。これは、短い時
間の間にパルス的に集中されたレーザ光であり、いわゆ
る切れ味を良くするため高エネルギ密度をもたせたもの
である。 この連続繰返しのノーマルパルスは、励起ランプをパル
ス的に点灯し、つまりフラッシュランプとし、ランプ点
灯時間幅とランプ電流値を電気的に制御することにより
レーザ出力波形を制御して得られる。そして、これには
低速繰返しのノーマルパルスと高速繰返しのノーマルパ
ルスとがある。 具体的には、低速繰返しのものは、パルス幅が、０．１
ｍｓから１０ｍｓで、パルス繰返し周波数が毎秒５０パ
ルス以下くらいまでのものである。出力レベルは平均出
力値４００Ｗとしてピーク出力値で１０〜２０ＫＩ４に
達する。高速繰返しのものは、パルス幅が０．１〜２０
ｍ５で、パルス繰返し周波数が１００から速いものでは
２００パルス／秒（ｐｐｓ）　　＜らいになる。出力レ
ベルでは、平均出力値４００Ｗとしてピーク出力値はＩ
ＫＷになる。 そしてフラッシュランプとしては、寿命の長さ、信顛性
、使いやすさなどの観点からキセノン（Ｘｅ）ガスまた
はクリプトン（Ｋｒ）ガスを用いた直管形の放電管が広
く採用されている。両者の発光スペクトルの違いのため
、ランプの放電電流密度の大きさや点灯パルス幅などに
よってレーザ出力効率に差がでる。このため、用途に応
じてこれらは使い分けられている。上述した低速繰返し
パルス用にはキセノン（Ｘｅ）ガスを用いた放電管が一
般的であり、高速繰返しパルスで点灯するものでは、ク
リプトン（Ｋｒ）ガスを用いた放電管の方が、効率の面
で良好のようである。 さて、上述したノーマルパルス、とくに１００ｐｐｓも
しくはそれ以上のいわゆる高速繰返しのものにおいて、
速い速度でランプの点滅を繰返すためには、ランプの放
電の立ち上がり時間を速くし、また放電の消弧時間を短
くする必要がある。 従来、大容量のコンデンサ・バンクに抵抗を通して電気
エネルギを蓄えておき、一方サイリスタ等のスイッチを
用いトリガトランスを介してトリガ電圧をランプの周囲
に巻かれた線に加え、その誘起した電磁界により封入ガ
ス分子をイオン化させ、この結果ランプに放電を起こす
ような方式をとっていた。しかし、このような放電によ
って得られた電流波形は立ち上がりのおそいインパルス
状波形であり、とても上述したような１００ｐｐｓもし
くはそれ以上の速いランプ点滅を繰返すことばできない
。したがって、このような光励起で発振されるレーザ光
線では、パワー密度に制約があり、鋭い加工力が得られ
ない欠点があった。

【発明の目的】

この発明の目的は、上述したような従来のもののもつ問
題点を解消し、放電管としての励起ランプの放電電流の
立ち上がり時間を速くし、かつ放電の消弧時間を短くす
るために前記電流波形を立ち上がり、立ち下がりの急峻
なものにするような繰返し放電用電源装置を提供するこ
とにある。

【発明の要点】

上述の目的を達成するための本発明の要点は、次のよう
に構成したところにある。 第１図に示した本発明の基本構成を表すブロック図にお
いて、概略的には、電源装置１０は、直流電源２１から
給電を受けて放電管２６にパルス状直流電流を供給して
、断続した放電をおこす。例えばレーザ用電源装置の場
合には、放電管が、固体レーザ発振用の励起ランプであ
り、放電に応じた強烈な点滅光を図示してないレーザ媒
質に照射し、ノーマルパルスを出力形態とするレーザ光
を発振することになる。 直流電源２１は直流電圧を出力する。電源用開閉手段２
２は、制御装置２７の制御のもとに、直流電源２１の電
気的エネルギーを、負荷側に供給するために導通したり
阻止したりの動作をおこなう。 まず、後述する負荷用開閉手段２４が閉じている条件で
、電源用開閉手段２１が閉じると、前記直流電圧は電流
変換手段２３としての例えばりアクドルに送出される。 そして、前記直流電圧は、リアクトル２３によって、そ
のインダクタンスと直流電源２１の出力である直流電圧
とによって決まる傾斜をもって急速に増加する直流電流
に変換される。 次いで、前記制御装置２７０制御のちとに同様に導通と
阻止の動作をおこなう負荷用開閉手段２４は、前記直流
電流が放電管２６を点灯するに十分な値に達したとき阻
止動作をし、この直流電流を、前記負荷側開閉手段２４
と並列に接続された放電管２６に流入させ、放電点灯す
る。そして、この直流電流値がある上限値に達すると、
制御装置２７の指令に基づいて、まず電源用開閉手段２
２が阻止状態となり、次いで放電時間がある時間継続す
ると、負荷用開閉手段２４が導通動作して、放電電流の
放電管２６への流入を停止する。 また、整流素子２５は、電源用開閉手段２２が阻止状態
となったとき、放電管２６の電流をリアクトル２３、負
荷用開閉手段２４を含む回路に循環させる機能をもつ。 また、整流素子２９は、放電管２６からの電流のりアク
ドル２３への逆流を阻止する機能をもつものである。 そして、ある一定の周期ののち電源用開閉手段２２が導
通し最初の状態にもどり以下同様に繰り返される。 なお、電流検出器２８は上述の電流の検出信号を制御装
置２７に伝え、負荷用開閉手段２４の阻止と電源用開閉
手段２２の阻止とのタイミレグを決めさせるものである
。

【発明の実施例】

この発明の、加工用固体レーザ発振の励起ランプにたい
するものに適用した一実施例を、第２図。 第３図を参照しながら説明する。第２図は励起ランプを
含めた電源装置、第３図は主要要素における動作のタイ
ムチャートと電流波形図である。 第２図において、２０は交流電源、ｌは電源整流回路で
、変圧回路ＩＡ、整流回路ＩＢ、平滑回路ＩＣからなる
。２は直流チッッパ装置で、強制転流回路付サイリスク
やＧＴＯサイリスタから構成されている。３はリアクト
ルで、直流電圧を直流電流に変換する機能を有するもの
である。４は上述したりアクドル３に電流を流すための
開閉装置で、前記直流チョッパ装置２と同様に強制転流
回路付サイリスクやＧＴＯサイリスクから構成されてい
る。 なお、強制転流回路付サイリスクは、直流電源をサイリ
スタによって開閉する場合に、いったんアノードとカソ
ードとに電流を流すと、サイリスクのゲートはその制御
作用を失うから、外部的に電流を停止する方法を講じて
転流をおこなう機能をもつものである。つまり、外部の
エネルギー源から順方向電流より大きい電流を逆方向に
流して強制転流をおこなうわけである。 また、ＧＴＯサイリスクは通常のサイリスタと基本的に
は同じ構造であるが、サイリスクではターン・オフさせ
るためにアノード電流を補助転流デバイスまたは回路に
よって他へ移す必要があるのに対し、ゲートに負電流を
流すことによってターン・オフすることができ、開閉動
作が速く、主に直流の開閉に用いられるものである。 ５．６はダイオードで、機能面から前者はフリーホイー
ル・ダイオード、後者はブロック・ダイオードと呼ばれ
るものである。 ７は制御装置で、直流チョッパ装置２．開閉装置４の導
通期間、阻止期間を制御し、後述の励起ランプ８が必要
とする電流波形を生成させる働きをもつ。そのために、
制御装置７は開閉装置４を流れる電流を検出し、その値
に応じて直流チョッパ装置２．開閉装置４の動作を操作
するとともに、また、後述のトリガ回路１２の起動操作
もおこなう。 なお、制御装置７は電流、パルス幅２周波数などの生成
電流パルスに関する設定要素を備えているものである。 １１はシマー回路で、次のような機能をもつものである
。つまり、上述したように、励起ランプの放電の立ち上
がり時間を速くし、また、放電の消弧時間を短くする必
要があるため、励起ランプを常時、つまり、パルス点灯
の休止の間も最小電流、通常１００ｍＡ程度の電流で放
電させておく、いわゆるシマー・モードにより動作がお
こなわれている。 このシマー・モードによる励起ランプの使用は、放電の
立ち上がり時間を短くするだけでなく、この立ち上がり
時のショックを軽減して励起ランプの長寿命化にも役立
ち、とくに、繰返し数が非常に速いときに有効である。 おわりに、８は励起ランプ、９は抵抗である。 また、１２はトリガ回路、１３はトリガトランスで、前
段で生成された電流による放電の引き金として、２０Ｋ
Ｖ程度の高電圧パルスを、上述の制御装置７の指令に基
づいて発生するものである。 つぎに、第２図と第３図とに基づいて前記の回路の動作
について述べよう、励起ランプ８には上述したように、
シマー回路１１．抵抗９によりシマー電流が流れた状態
にある。一方、直流チョッパ装置２．開閉装置４を閉じ
ると、直流チョッパ２゜リアクトル３．開閉装置４を通
して直流電流が流れる。 このことを第３図を参照しながら説明する。第３図（ａ
）は直流チョッパ装置２の、第３図（ｂ）は開閉装置４
のそれぞれ導通（ＯＮ）と阻止（ＯＦＦ）状態を示すフ
ローチャートである。また第３図（Ｃ１は開閉装置４を
流れる電流を、第３図（ｄ）はりアクドル３を流れる電
流を、第３図（ｅｌは励起ランプ８を流れる電流をそれ
ぞれ時間に関して示した電流波形図である。 第３図＋ａ）、　（ｂ）の時間Ｔ、〜↑１の間は、直流
チョッパ装置２と開閉装置４とはともに導通状態にある
から、直流チョッパ装置２．リアクトル３．開閉装置４
を含む回路には、同図（Ｃ）に示したように電源整流回
路ｌの出力電圧とりアクドル３のインダクタンスとによ
ってほぼ決まる傾斜で時間とともに直線的に増大する電
流が生じる。この電流があらかしめ定められた、励起ラ
ンプ８を点灯するに十分な電流値１ａに達すると、この
電流の動きを検出している制御装置７の操作指令に基づ
いて開閉装置４が阻止される。これと同時に、つまり時
刻Ｔ、において、開閉装置４を流れ電流は零となり、こ
れまで流れていた電流は励起ランプ８に移り急峻な立ち
上がりで増大する。ここで励起ランプ８は点灯する。 この電流の立ち上がり時間は、開閉装置４の電流阻止時
間で決まるから数μｓ〜数１０μｓ以下で極めて短い。 また、時刻Ｔ１にタイミングを合わせて制御装置７によ
ってトリガ回路１２が起動され、トリガトランス１３を
介して高電圧パルスを発生し放電の引金となる。 つぎに、直流チョッパ装置２．リアクトル３゜ダイオー
ド６、励起ランプ８を含む回路には、電源整流回路１の
出力電圧と励起ランプ８の放電電圧との差（前者の方が
大きい）およびリアクトル３のインダクタンスとによっ
てほぼ決まる前よりゆるい傾斜で、電流がさらに直線的
に増大する。 この電流は、時刻Ｔ２において、あらかじめ定められた
Ｉｂに達すると、これを検出した制御装置７の操作指令
に基づいて直流チョッパ装置２が阻止される０時間Ｔ１
〜Ｔ２の間に励起ランプ８を流れる電流は、第３図（ｅ
ｌのようになる。 つぎに、時刻Ｔつ以後は、リアクトル３．ダイオード６
、励起ランプ８．ダイオード５を含む回路を流れる電流
は、励起ランプ８の放電電圧とりアクドル３のインダク
タンスとによってほぼ決まる傾斜で減少し、時刻ＴＩか
らパルス幅Ｔ。に相当する時間だけ経過した時刻Ｔ、に
おいて、制御装置７の操作指令に基づいて開閉装置４が
導通する。その瞬間、励起ランプ８の放電電圧は２００
〜５００　Ｖと高いので、これまで励起ランプ８に流れ
ていた電流は自動的に開閉装置４を含む回路に移ること
になり、急峻な降下を示し、励起ランプ８は消灯する。 時間Ｔ、−Ｔ３の励起ランプ８の電流波形は、第３図（
ｅ）のように立ち上がりと立ち下りの極めて急峻なもの
となり目的に合致する。 時間Ｔ、からあらかじめ定められた、直流チタソパ装置
２の導通周期Ｔ、、に第３図（Ｃ１，＋ｄ＋に示した初
期値ａを加えたものに相当する時刻Ｔ、。までは、リア
クトル３．開閉装置４．ダイオード５を含む回路の電流
は、第３図（Ｃ１，（ｄｌにおける時間Ｔ、〜Ｔ、。の
区間のように減少する。なお、時間ａは最初の立ち上が
りに要する余分の時間で定常状態では零になる。 そして時刻Ｔ、。に到って、制御装置７の操作指令に基
づいて直流チョッパ装置２が導通すると、リアクトル３
．開閉装置４を流れる電流は時間Ｔ３〜Ｔ、におけると
同じ傾斜で増大する。そして、前記！ａに達すると制御
装置７の操作指令によって、開閉装置４は阻止される。 この瞬間、時刻Ｔ４に励起ランプ８には電流Ｉａが急峻
な立ち上がりで流入し、次の点灯がおこなわれる。 励起ランプ８の電流に関しては、この時刻Ｔ４は時刻Ｔ
Ｉに相当し、以後同様に周期Ｔｐで繰返される。ただし
、時間Ｔ、。〜Ｔ４は最初の立ち上がりの時間Ｔ０〜Ｔ
、より短（てすみ、以下同様である。 なお、トリガ回路１２によるトリガパルスの発生は最初
だけであって、それ以後の毎回の放電は、上述のシマー
電流により形成された放電路によっておこなわれる。 また、時間Ｔ、〜Ｔ、。の区間には、リアクトル３゜開
閉装置４．ダイオード５を含む回路に第３図（Ｃ）また
はｌｄｌで示される電流が循環する。これは、電源整流
回路１からの出力エネルギがこの回路を循環しながら若
干の損失を生じると見ることができるわけで、その意味
でダイオード５をフリーホイール・ダイオードと呼ぶ。 なお、上述の説明で、直流チョッパ装置２が制御装置７
の指令により導通ずる時期を周期Ｔ、により決まるとし
た。しかし、またこの導通時期は、開閉装置４を流れる
電流値が第３図（Ｃ１，ｆｄｌのＩｃになったことで決
めてもよい。 ダイオード６は、励起ランプ８からの、シマー電流を含
む逆流電流を阻止する機能をもち、その意味でブロック
・ダイオードと呼ばれる。 なお、第２図の電源整流回路１と直流チョッパ装置２の
かわりに、サイリスタを設け、このサイリスクにより負
荷に加える交流電圧の位相角を変化して、負荷に供給す
る電力を連続的に制御する、いわゆる位相制御によって
電流制御をおこなっても同じ特性が得られる。 【発明の効果］ 以上のような構成と作用とにより、とくに加工用固体レ
ーザ発振の励起ランプにたいするものに適用した場合、
この発明には従来のものに比べて次のようなすぐれた効
果がある。 すなわち、まず、短絡状態でリアクトルに電流を流入し
、その後に励起ランプに電流を供給するために、従来の
ＣＬ放電回路のものに比べて小規模な電源で十分な放電
電流が流せる。 また、励起ランプの放電電流の立ち上がり時間を速くし
、かつ放電の消弧時間を短くするために前記電流波形を
立ち上り、立ち下りの極めて急峻なものにすることがで
きる。 したがって、１００ｐｐ／ｓもしくはそれ以上の速いラ
ンプ点滅を繰り返すことが可能となり、これによって発
生した連続パルス状の強い光エネルギーは、レーザ媒質
の原子を励起し反転分布を生じるとともに、光増幅作用
によってレーザ光線を発振する。 かくして発振されたレーザ光線は非常にパワー密度の高
いものとなり、切れ味のよい加工力が得られる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の基本構成を示すブロック回路図、 第２図は本発明に係る一実施例のブロック回路図、第３
図は本発明に係る一実施例の動作を示すタイムチャート
と電流波形図である。 符号説明 １：［源整流回路、２：直流チョッパ装置、３：リアク
トル、４：開閉装置、 ５．６：ダイオード、７．２７７制御装置、８：励起ラ
ンプ、１０．ＩＯＡ：電源装置、１１ニジマ一回路、１
２：トリガ回路、２０：交流電源、２１：直流電源、２
２：電源用開閉手段、２３：電流変換手段、２４：負荷
用開閉手段、２５：整流素子、２６：放電管、２８：電
流検出器。 ＋ＯＡ　を派装置 牙１１！Ｉ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）直流電源に電源開閉手段を介してリアクトルと負荷
   開閉手段との直列回路を接続し、前記電源開閉手段のオ
   ン時に前記リアクトルの電流のための還流路を形成する
   フリーホィール・ダイオードを、前記直列回路に並列に
   接続し、前記負荷開閉手段に、逆流防止用のブロック・
   ダイオードを介して放電管を並列に接続し、前記リアク
   トルの電流を調整すべく前記電源開閉手段をオン・オフ
   制御するとともに、放電管に前記リアクトルの電流をパ
   ルス状に導くべく前記負荷開閉手段をオン・オフ制御す
   る制御装置を設けたことを特徴とする繰返し放電用電源
   装置。