雷射電源裝置的製作方法

2023-05-01 13:11:56

專利名稱：雷射電源裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及對雷射振蕩用的激勵燈供給電力的雷射電源裝置。
背景技術：
在雷射加工中使用的YAG雷射器等固體雷射裝置點亮激勵燈，通過其光能激勵YAG棒等固體雷射介質來引起雷射振蕩。在這種雷射裝置中使用的電源裝置一般具備對工業用電頻率的交流進行整流來變換為直流的整流電路；積蓄來自該整流電路的直流電力的電容器；釋放在該電容器中積蓄的電能，對激勵燈供給燈電流即驅動電流的燈驅動電路。圖10中表示在固體雷射裝置中使用的現有的簡易型雷射電源裝置的電路結構。在該雷射電源裝置中，輸出端子[0UTa，0UTb]分別連接到雷射振蕩部的激勵燈(未圖示)的輸入側的三相整流電路100對來自三相交流電源端子[S，T，U]的工業用電頻率的三相交流進行整流來變換為直流。在該三相整流電路100和電容器102之間串聯連接線圈104、電阻106以及第I斷續器108，並且與電阻106以及第I斷續器108並聯地連接了第2斷續器110。在電容器102和輸出端子[0UTa、OUTb]之間串聯連接燈驅動用的開關元件112以及扼流線圈(choke coil) 114，並且與扼流線圈114以及激勵燈並聯地連接了續流二極體(flywheel diode) 116。當開關元件112接通時電容器102放電,其放電電流作為燈電流id,流過電容器102、開關元件112、扼流線圈114以及激勵燈的閉合電路。當開關元件112斷開時，電容器102的放電中斷，但是回流電流作為燈電流id在扼流線圈114、激勵燈以及續流二極體116的閉合電路中流動。由此，不中斷地持續流過燈電流id，使激勵燈連續點亮，可以從雷射振蕩部獲得連續振蕩的雷射。通過開關控制電路118的開關控制，開關元件112以一定的頻率例如20kHz進行接通、斷開。控制部120通過充電電壓測定電路122監視電容器102的充電電壓V。，同時控制裝置內的各部，特別是斷續器108、110的接通、斷開以及開關控制部(112、118)的開關動作。在該雷射電源裝置中，當將電容器102從無充電狀態充電到設定電壓時，在停止開關元件112的開關動作的狀態下將第2斷續器110保持為斷開狀態，將第I斷續器108接通。於是，直流的充電電流i。從三相整流電路100的輸出端子經由線圈104、電阻106以及第I斷續器108流入電容器102，電容器102的端子間電壓、即充電電壓V。上升。此時，電阻106作為防止突入電流從線圈104流過電容器102的限流電阻而工作。控制部120通過充電電壓測定電路122監視電容器102的充電電壓V。，在充電電壓V。達到接近設定值Vs的時刻將第2斷續器110接通。由此，線圈104和電容器102經由第2斷續器110被短路。以後，來自三相整流電路100乃至線圈104的充電電流id通過第2斷續器110被提供給電容器102。第I斷續器108在此時刻可以被切換為斷開狀態，但是也可以保持原來的接通狀態。[0009]控制部120當電容器102的充電電壓V。達到設定值Vs時，例如當從手動式的啟動開關或工件搬運裝置等外部裝置取得啟動信號ST時，對其進行應答來使開關控制電路118工作。開關控制電路118對開關元件112進行開關控制，以使燈電流id以預定的電流值流過激勵燈。這樣，電容器102向激勵燈側供給燈電流id，另一方面，從三相整流電路100經由線圈104以及第2斷續器110向電容器102供給充電電流i。，以便通過燈電流id的供給來填補從電容器102放出的電能。上述的簡易型雷射電源裝置由必要的最小限度的電路結構構成，電力損失少，因此具有廉價、效率高的優點。然而，抗負載變化的能力弱，特別是當燈電流id急劇增大時，電容器102的充電電壓V。急劇降低，從線圈104向電容器102流動的充電電流i。急劇增大，變為突入電流。通過這種突入電流，存在線圈104、斷續器110、電容器102容易損壞、或者交流電路上的熔絲(保險絲)124頻繁地熔斷這樣的問題。針對該問題，還進行了增大線圈104的電感或電容器102的靜電容量。但是，隨著交流電源電壓的變化，有時在雷射振蕩中電容器102的充電電壓V。大幅度變化，從線圈104向電容器102流過突入電流，即使將線圈104或電容器102大型化，不僅不能根本的解決，反而使部件損壞的損失度增大。因此，這種簡易型雷射電源裝置現狀是將雷射輸出的動態範圍(dynamic range)設定得低,特別用於低輸出型雷射器。另外，作為其它的解決方法，還想到利用通過充電電壓測定電路122監視電容器102的充電電壓V。的功能，在雷射振蕩中充電電壓V。降低到預定的監視值以下時將斷續器108,110斷開。但是，當負載的變化或交流電源電壓的變化比較緩和時，即使電容器102的充電電壓V。為監視值以下也不引起突入電流，因此，不合理地停止裝置並不好。另一方面，在交流電源電壓的變化中，電容器102的充電電壓V。一旦降低到未達到監視值的電平後，有時通過電壓的急劇恢復突入電流流過電容器102。這樣，監視電容器充電電壓的方式存在導致不必要的裝置的停止，無法可靠地防止突入電流等難點。而且，作為其它的解決方法，還想到監視充電電流i。的電流值，當該電流值超過預定的監視值時將斷續器108、110斷開。但是，該方式在線圈104中流過大的充電電流i。時將斷續器108、110斷開，因此，在線圈104中殘留的電磁能量失去了去處，在斷開狀態的第2斷續器110內發生火花(電弧放電)，有可能損壞斷續器110。另外，直接監視交流電源電壓的變化來控制斷續器108、110的接通、斷開的方法，有可能無法應對負載的變化，或者對未發展到突入電流的交流電源電壓的變化過度地響應，缺乏控制的恰當性以及可靠性。此外，以往還通過在充電電路中設置PFC(功率因數改善)電路來緩和負載變化或交流電源電壓變化的影響。但是，具備PFC電路的裝置結構，具有由於PFC電路的開關損失引起效率降低、或硬體以及開關控制的複雜性甚至裝置成本增大這樣的缺點。專利文獻I :日本特開平11-26844號公報

實用新型內容本實用新型用於解決上述現有技術的問題，提供一種雷射電源裝置，其針對負載的變化或交流電源電壓的變化，提前防止充電電流的異常增大(突入電流的發生)，提高安全性以及可靠性。[0018]本實用新型的第I觀點的雷射電源裝置用於向激勵燈供給電力，所述激勵燈對固體雷射介質照射雷射振蕩用的激勵光，所述雷射電源裝置具有整流電路，其對工業用電頻率的交流進行整流來變換為直流；電容器，其積蓄從所述整流電路輸出的直流電力；在所述整流電路和所述電容器之間串聯連接的線圈以及電阻；設置在所述交流的電路中的，或者在所述整流電路和所述電容器之間與所述電阻串聯連接的第I斷續器；與所述電阻並聯連接的第2斷續器；燈驅動電路，其將在所述電容器中積蓄的電能向所述激勵燈側釋放，使所述激勵燈中流過燈電流；監視部，其監視所述線圈以及所述電阻中產生的電壓降、或所述線圈以及所述第2斷續器中產生的電壓降；以及控制部，其根據從所述監視部輸出的監視結果，控制所述第I以及第2斷續器的接通、斷開。在上述第I觀點的裝置結構中，在將電容器從 實質的無充電狀態充電到設定電壓的時候，當電容器的充電電壓接近設定電壓時，線圈以及電阻的電壓降接近零，因此監視部可以容易並且準確地檢測出該狀況。另外，在激勵燈的點亮中，當燈電流急劇增大時或者交流電壓急劇增大時，由此，從整流電路向電容器流動的充電電流開始急劇增大。當這樣充電電流開始急劇增大時，線圈以及第2斷續器的電壓降從此前的低值一口氣上升到與充電電流的增大變化率對應的值，因此，監視部可以容易並且準確地檢測出該狀況。另外，控制部根據來自監視部的準確的、高精度的監視結果來控制第I以及第2斷續器的接通、斷開，因此可以提前防止充電電流的異常增大、即突入電流的發生，並且還可以不受當前的交流電源電壓的電壓電平影響地，順利地完成電容器充電動作。在本實用新型的一個優選方式中，在將電容器從實質的無充電狀態充電到預定電壓的時候，當從監視部輸出了線圈以及電阻的電壓降低於第2基準值的監視結果時，控制部使第2斷續器接通。在另一優選方式中，在將電容器從實質的無充電狀態充電到預定電壓後，在從監視部輸出線圈以及第2斷續器的電壓降小於第I基準值的監視結果的期間，控制部使第I以及第2斷續器保持接通，在從監視部輸出線圈以及第2斷續器的電壓降超過了第I基準值的監視結果時，控制部使第I以及第2斷續器中至少一個斷開。在這種情況下，優選在從監視部持續預定時間地輸出了線圈以及第2斷續器的電壓降超過第I基準值的監視結果時，控制部使第I以及第2斷續器中至少一個斷開。本實用新型的第2觀點的雷射電源裝置用於向激勵燈供給電力，所述激勵燈對固體雷射介質照射雷射振蕩用的激勵光，所述雷射電源裝置具有整流電路，其對工業用電頻率的交流進行整流來變換為直流；電容器，其積蓄從所述整流電路輸出的直流電力；在所述整流電路和所述電容器之間串聯連接的線圈以及電阻；設置在所述交流的電路中的，或者在所述整流電路和所述電容器之間與所述電阻串聯連接的第I斷續器；與所述電阻並聯連接的第2斷續器；燈驅動電路，其將所述電容器中積蓄的電能向所述激勵燈側釋放，使所述激勵燈中流過燈電流；監視部，其監視在所述線圈中產生的電壓降；以及控制部，其根據從所述監視部輸出的監視結果，控制所述第I以及第2斷續器的接通、斷開。在上述第2觀點的裝置結構中，在將電容器從實質的無充電狀態充電到設定電壓的時候，當電容器的充電電壓接近設定電壓時，充電電流的電流值緩慢地接近零，線圈的電壓降在負極性的方向上接近零，因此，監視部可以容易並且準確地檢測出該狀況。另外，在激勵燈的點亮中燈電流急劇增大時或者交流電壓急劇增大時，由此，從整流電路向電容器流動的充電電流開始急劇增大。當這樣充電電流開始急劇增大時，線圈的電壓降從此前的低值一口氣上升到與充電電流的增大變化率對應的值，因此，監視部可以容易並且準確地檢測出該狀況。控制部根據來自監視部的準確的、高精度的監視結果，控制第I以及第2斷續器的接通、斷開，因此可以提前防止充電電流的異常增大、即突入電流的發生，並且，還可以不受當前的交流電源電壓的電壓電平影響地，始終較好地完成電容器充電動作。在本實用新型的一個優選方式中，在將電容器從實質的無充電狀態充電到預定電壓的時候，在從監視部輸出線圈的電壓降為正極性的監視結果、或者線圈的電壓降從正極性轉換為負極性後也不在正方向上超過負極性的第2基準值的監視結果的期間，控制部使第I斷續器保持接通，同時使第2斷續器保持斷開，在從監視部輸出線圈的電壓降在正方向上超過了第2基準值的監視結果時，控制部使第2斷續器接通。在另一優選方式中，在將電容器從實質的無充電狀態充電到預定電壓後，在從監視部輸出線圈的電壓降小於第I基準值的監視結果的期間，控制部使第I以及第2斷續器
保持接通，在從監視部輸出了線圈的電壓降超過了第I基準值的監視結果時，控制部使第I以及第2斷續器中至少一個斷開。在這種情況下，優選在從監視部持續預定時間地輸出了線圈的電壓降超過第I基準值的監視結果時，控制部使第I以及第2斷續器中至少一個斷開。本實用新型的第3觀點的雷射電源裝置用於向激勵燈供給電力，所述激勵燈對固體雷射介質照射雷射振蕩用的激勵光，所述雷射電源裝置具有整流電路，其對工業用電頻率的交流進行整流來變換為直流；電容器，其積蓄從所述整流電路輸出的直流電力；在所述整流電路和所述電容器之間串聯連接的線圈以及電阻；設置在所述交流的電路中的，或者在所述整流電路和所述電容器之間與所述電阻串聯連接的第I斷續器；與所述電阻並聯連接的第2斷續器；燈驅動電路，其將所述電容器中積蓄的電能向所述激勵燈側釋放，使所述激勵燈中流過燈電流；監視部，其監視在所述線圈中流過的電流的隨時間的變化率；以及控制部，其根據從所述監視部輸出的監視結果，控制所述第I以及第2斷續器的接通、斷開。在上述第3觀點的裝置結構中，當將電容器從實質的無充電狀態充電到設定電壓的時候，當電容器的充電電壓接近設定電壓時，充電電流的電流值緩慢接近零，在線圈中流動的電流的隨時間的變化率在負極性的方向上接近零，因此，監視部可以容易並且準確地檢測出該狀況。另外，在激勵燈的點亮中燈電流急劇增大時或者交流電壓急劇增大時，由此，從整流電路向電容器流動的充電電流開始急劇增大。當這樣充電電流開始急劇增大時，在線圈中流動的電流(充電電流)隨時間的變化率從此前的低值一口氣上升到與充電電流的增大變化率對應的值，因此，監視部可以容易並且準確地檢測出該狀況。控制部根據來自監視部的準確的、高精度的監視結果控制第I以及第2斷續器的接通、斷開，因此可以提前防止充電電流的異常增大、即突入電流的發生，並且還可以不受當前的交流電源電壓的電壓電平影響地，始終較好地完成電容器充電動作。在本實用新型的一個優選方式中，在將電容器從實質的無充電狀態充電到預定電壓的時候，在從監視部輸出在線圈中流過的電流的變化率為正極性的監視結果、或者在線圈中流過的電流的變化率從正極性轉換為負極性後也不在正方向上超過負極性的第2基準值的監視結果的期間，控制部使第I斷續器保持接通，同時使第2斷續器保持斷開，在從監視部輸出在線圈中流過的電流的變化率在正方向上超過了第2基準值的監視結果時，控制部使第2斷續器接通。在另一優選方式中，在將電容器從實質的無充電狀態充電到預定電壓後，在從監視部輸出在線圈中流過的電流的變化率小於第I基準值的監視結果的期間，控制部使第I以及第2斷續器保持接通，在從監視部輸出在線圈中流過的電流的變化率超過了第I基準值的監視結果時，控制部使第I以及第2斷續器中至少一個斷開。在這種情況下，在從監視部持續預定時間地輸出了在線圈中流過的電流的變化率超過第I基準值的監視結果時，控制部使第I以及第2斷續器中至少一個斷開。根據本實用新型的雷射電源裝置，通過上述結構以及作用，針對負載的變化或交流電源電壓的變化，可以提前防止充電電流的異常增大(突入電流的發生)，提高安全性以及可靠性。另外，還可以不受當前的交流電源電壓的電壓電平影響地，始終較好地完成電容器充電動作。

·[0031]圖I是表示第I實施方式中的雷射電源裝置的結構的電路圖。圖2是用於說明在圖I的雷射電源裝置中，將電容器從實質的無充電狀態充電到設定電壓時的作用的各部的波形圖。圖3是用於說明在圖I的雷射電源裝置中，假定在雷射加工中根據負載的變化電容器的充電電壓急劇降低的情況下的作用的各部的波形圖。圖4是用於說明在圖I的雷射電源裝置中，在雷射加工中根據負載的變化電容器的充電電壓暫時緩慢降低的情況下的作用的各部的波形圖。圖5是表示第2實施方式中的雷射電源裝置的結構的電路圖。圖6是用於說明在圖5的雷射電源裝置中，將電容器從實質的無充電狀態充電到設定電壓時的作用的各部的波形圖。圖7是表示第3實施方式中的雷射電源裝置的結構的電路圖。圖8是表示一個變形例中的雷射電源裝置的結構的電路圖。圖9是表示在圖8的雷射電源裝置中包含的開關變壓器電路的結構的電路圖。圖10是表示現有的簡易型雷射電源裝置的結構的電路圖。符號說明10三相整流電路12電容器14充電電路16激勵燈18燈驅動電路20控制部24第I斷續器26 線圈28限流電阻30第2斷續器[0052]32開關元件38雷射振蕩部40開關控制部70監視部72A、72B、72C 電壓檢測線74隔離放大器76監視值發生電路78 開關80比較器82電流傳感器84電流微分值測定電路
具體實施方式
以下，參照圖I 圖9說明本實用新型的優選實施方式。[實施方式I]圖I表示本實用新型的第I實施方式中的雷射電源裝置的結構。該雷射電源裝置能夠適用於固體雷射裝置、例如YAG雷射加工裝置，還能夠應對高輸出的雷射加工。該雷射電源裝置作為基本結構而具備對工業用電頻率的三相電流進行整流來變換為直流的三相整流電路10 ;積蓄來自該整流電路10的電力或電能的電容器12 ;從整流電路10向電容器12送出充電電流I。的充電電路14 ;使電容器12中積蓄的電能放電，向激勵燈16提供燈電流即驅動電流Id的燈驅動電路18 ;控制裝置內的各部的動作的控制部20。三相整流電路10例如由二極體的三相橋電路構成，對來自三相交流電源端子[S，T，U]的工業用電頻率的三相交流進行整流來變換為直流。在三相交流電源端子[S，T，U]和三相整流電路10之間串聯地插入(連接)熔絲22以及電磁式的第I斷續器24。在三相整流電路10和電容器12之間，作為充電電路14而串聯連接線圈26以及限流電阻28，並且與電阻28並聯地連接了電磁式的第2斷續器30。輸出端子[0UTa、0UTb]與激勵燈16的兩端子連接。在電容器12和輸出端子[0UTA、OUTJ之間串聯連接燈驅動用的開關元件32以及扼流線圈34，並且與扼流線圈34以及激勵燈16並聯地連接了續流二極體36。當開關元件32接通時，電容器12放電，其放電電流作為燈電流Id，在電容器12、開關元件32、扼流線圈34以及激勵燈16的閉合電路中流動。當開關元件32斷開時，電容器12的放電中斷，但是回流電流作為燈電流Id在扼流線圈34、激勵燈16以及續流二極體36的閉合電路中流動。由此，不中斷地持續流過燈電流Id，使激勵燈16連續點亮，可以從雷射振蕩部38得到連續振蕩的雷射LB。開關元件32例如由IGBT或FET構成，通過開關控制電路40的開關控制以一定的高頻率例如20kHz進行接通、斷開。在該實施方式中，例如通過由霍爾元件構成的電流傳感器42以及電流測定電路44測定燈驅動電流Id的電流值，將其電流測定值MId反饋到開關控制電路40，開關控制電路40進行PWM(脈寬調製)方式的開關控制。雷射振蕩部38具有配置在腔體46內的激勵燈16以及YAG棒48 ;在腔體46之外配置在YAG棒48的光軸上的一對光共振器反射鏡50、52。在腔體46內，通過從腔體外的冷卻部(未圖示)循環供給的冷卻介質例如冷卻水對激勵燈16以及YAG棒48進行溫度調節。當激勵燈16點亮而發出激勵光時，通過該激勵光的能量激勵YAG棒48。從YAG棒48的兩端面在光軸上發出的光在光共振器反射鏡50、52間反覆反射並被放大後,作為雷射LB從輸出反射鏡52射出。從輸出反射鏡52射出的雷射LB被送到雷射光學系統54的入射單元56。雷射光學系統54將從雷射振蕩部38獲取到入射單元56中的雷射LB經由光纖58傳輸到出射單元60，從出射單元60會聚照射到加工臺62上的被加工材料W。與電容器12並聯地連接了電磁式的第3斷續器64以及限流電阻66。在使該雷射電源裝置停止時，出於安全上的理由，控制部20將第3斷續器64接通，暫且從電容器12放 出電能。控制部20具有微型計算機以及必要的接口電路，還連接了操作面板上的鍵盤或顯示器等周邊裝置(未圖示)以及工件搬運裝置等外部裝置(未圖示)，一邊通過後述的監視電路70監視在充電電路14的線圈26以及電阻28中產生的電壓降Vui或者在線圈26以及第2斷續器30中產生的電壓降Vw —邊控制裝置內的各部、特別是第I以及第2斷續器24、30的接通、斷開以及開關控制部(32、40)的開關動作。本實施方式中的監視電路70具有用於檢測線圈26以及電阻28的電壓降Vui或線圈26以及第2斷續器30的電壓降V15的隔離放大器(isolation amplifier) 74 ;發生異常時停止用和充電完成用的兩種監視值MVm1、MVm2的監視值發生電路76 ;用於選擇監視值MVM1、MVm2W某一方的開關78;將隔離放大器74的輸出、即(線圈+電阻)電壓降測定值MVle或(線圈+第2斷續器)電壓降測定值MVu與通過開關78選擇的監視值MVmi (MVm2)進行比較的比較器80。在此，隔離放大器74的一個(正極性)輸入端子經由電壓檢測線72A與三相整流電路10的輸出端子和線圈26之間的節點Na相連，另一個(負極性)輸入端子經由電壓檢測線72C與電阻28以及第2斷續器30和電容器12之間的節點Nc相連。比較器80的輸出被提供給控制部20。在該監視電路70中，異常時停止用的監視值MVmi是正極性的設定值。比較器80在穩定動作模式下，當M's MVmi時產生高(H)電平的輸出信號CO。另一方面，充電完成用的監視值MVm2也是正極性的設定值。比較器80在充電動作模式下，當MVuiC MVm2時產生低電平的輸出信號(比較結果信號)CO，在MVui > MVm2時產生高電平的輸出信號CO。該雷射電源裝置，通過上述的裝置結構，特別是通過監視電路70的監視功能和控制部20的控制功能，即使在雷射加工中發生負載(燈電流Id)的急劇變化或者交流電源電壓的急劇變化，也不在充電電路14中流過突入電流，保護線圈26、第2斷續器30以及電容器12免受突入電流的影響。因此，儘量增大線圈26的電感以及電容器12的靜電容量，以便可以應對大容量、高輸出的雷射加工。此外，電容器12優選由電解電容器構成,適合使用將多個電容器串聯、並聯或者串聯且並聯地連接的陣列型的電容器。接著，針對圖2說明在該雷射電源裝置中將電容器12從實質的無充電狀態充電到設定電壓時的作用。[0080]控制部20為了進行電容器12的充電，在停止開關元件32的開關動作的狀態下，將第2斷續器30保持斷開狀態，在時刻h將第I斷續器24接通。於是，直流的充電電流Ic從三相整流電路10的輸出端子經由線圈26以及限流電阻28流入電容器12，電容器12的端子間電壓、即充電電壓V。上升。在這種情況下，在充電電流Ic開始流動時其隨時間的變化率最大，因此，在線圈26中產生相當於三相整流電路10的輸出電壓的較大的值Vuj的電壓降\。此後，隨著充電電流I。的電流值增大，電容器12的充電電壓V。以及電阻28的電壓降R I。(其中，R是電阻28的電阻值)增大，另一方面，充電電流I。的變化率減小，線圈26的電壓降'變小。此外，若將線圈26的電感設為L，則電壓降 '為' =L dle/dt。然後，在時刻h充電電流I。達到極大值Iep後，伴隨充電電流I。的減小，電容器12的充電電壓V。的上升速度降低，另一方面，在線圈26的電壓降\變為負極性的同時，電阻28的電壓降R *1。也開始減小，線圈26以及電阻28的電壓降、SP (線圈+電阻)電壓降Vui進一步降低。控制部20在電容器充電動作的時候通過開關78從監視值發生電路76選擇充電完成用的監視值MVm2，提供給比較器80。比較器80將來自隔離放大器74的(線圈+電阻) 電壓降測定值MVui與監視值MVm2進行比較，從充電開始後立即持續輸出高⑶電平的比較結果號CO。然後，在時刻t2 (線圈+電阻)電壓降Vui低於監視值Vm2時，比較器80的輸出信號(比較結果信號)CO從此前的高(H)電平變為低(L)電平。控制部20在該定時(時刻t2)立即將第2斷續器30接通，或者(更理想)在經過一定的延遲時間後的時刻t3將第2斷續器30接通。當第2斷續器30接通時，線圈26和電容器12經由第2斷續器30被短路，在線圈26中殘留的電磁能量迅速地放出到電容器12中。由此，充電電流Ic瞬間增大，電容器12的充電電壓V。立即達到設定電壓Vs，因此充電動作完成(時刻t4)。該實施方式中的上述設定電壓Vs不是預先被固定的值，而是在當前的工業用電頻率交流電源電壓下能夠得到的最大充電電壓，比如目標值。因此，例如若當前的工業用電頻率交流電源電壓有效值為400伏特，則設定電壓Vs成為400 ^伏特附近，若當前的工業用電頻率交流電源電壓為380V，則設定電壓Vs成為380士伏特附近。無論哪種情況，在本實施方式中，在線圈26以及電阻28的電壓降Vui低於監視值MVm2的時刻，即電容器12的充電電壓\接近設定電壓Vs的時刻，都可以可靠地將第2斷續器30從斷開狀態切換為接通狀態。在這一點，現有的雷射電源裝置(圖10)是監視電容器12的充電電壓Vc的方式。因此，例如將設定電壓Vs設定為400士伏特，將監視值設為390 ^伏特的情況下，當前的工業用電頻率交流電源電壓的有效值為380伏特時，不管經過多久都無法將第2斷續器110從斷開狀態切換為接通狀態。在這種情況下，若使開關控制電路118工作(即，使激勵燈發光)來實施雷射加工，則充電電流通過電阻108持續流動，結果產生大量的電力損失。接著，針對圖3說明在本雷射電源裝置中在雷射加工中根據負載的變化電容器12的充電電壓\急劇降低的情況下的作用。雷射加工中，隔離放大器74通過電壓檢測線72A、72C檢測(測定)線圈26以及第2斷續器30的電壓降、S卩(線圈+第2斷續器)電壓降I。控制部20通過開關78從監視值發生電路76選擇異常時停止用的監視值MVmi,提供給比較器80。比較器80將來自隔離放大器74的(線圈+第2斷續器)電壓降測定值Mt與監視值MVmi進行比較，在正常時M's < MVmi,因此持續輸出低(L)電平的比較結果信號CO。控制部20在比較器80的輸出信號CO變為低(L)電平的期間，將斷續器24、30保持為接通狀態。在圖3中，例如假定在時刻t1(l發生負載(燈電流Id)的急劇增大。於是，從該時刻t1(l起，電容器12的充電電壓V。開始從此前的穩定的值Vaj急劇降低，由此，充電電流Ic開始從此前的大致一定的值I 急劇增大。當充電電流Ic這樣急劇增大時，(線圈+第2斷續器)電壓降L從此前的零附近的值開始急劇上升。並且，當充電電流Ic的增大變化率相當大時，(線圈+第2斷續器)電壓降Vu上升到超過異常時停止用的監視值Vmi的電平。於是，比較器80的輸出(比較結果信號)C0從此前的低(L)電平變換為高⑶電平。控制部20在該定時(時刻t1(l)立即將斷續器24、30斷開，或者(更理想)在確認比較器80的輸出CO持續了預定時間Ts後在 時刻tn將斷續器24、30斷開，並且通過開關控制電路40使開關元件32的開關動作停止。當斷續器24、30斷開時，在線圈26中殘留的電磁能量通過限流電阻28放出到電容器12中，充電電流Ic迅速減少後停止。此外，將斷續器24、30斷開的定時以及使開關元件32的開關動作停止的定時可以為同時，也可以稍有不同。這樣，在雷射振蕩中或雷射加工中，當電容器12的充電電壓V。急劇降低，充電電流Ic急劇增大時，線圈26以及第2斷續器30的電壓降很快超過異常時停止用的監視值Vmi，因此在充電電流I。異常增大前，並且在線圈26中殘留大量的電磁能量前，控制部20可以使斷續器24、30斷開。由此，可以提前防止在充電電路14內發生突入電流，並且還可以提前防止在斷續器30中發生火花。接著，針對圖4說明在該雷射電源裝置中，在雷射加工中根據負載的變化，電容器12的充電電壓V。暫時緩慢降低的情況下的作用。在圖4中，例如假定在時刻t2(l發生負載(燈電流Id)的比較緩慢的增大。於是，從該時刻t2(l起，電容器12的充電電壓V。開始從此前的穩定的值以同樣的緩慢程度降低，由此，充電電流I。開始從此前的大致一定的值Iro以同樣的緩慢程度增大。在這種情況下，充電電流Ic的隨時間的變化率不是很大，因此線圈26以及第2斷續器30的電壓降L不上升到超過異常時停止用的監視值Vmi的電平。因此，比較器80的輸出(比較結果信號)CO保持低(L)電平，控制部20將斷續器24、30保持接通狀態。這樣，若即使發生負載的變化(特別是負載的增大)，只要不在充電電路14中發生突入電流，則也可以不隨便停止裝置而穩定地繼續雷射加工。當工業用電頻率交流電源電壓變化時也與上述情況相同。在這種情況下,充電電流Ic也根據工業用電頻率交流電源電壓的變化而隨時間變化。特別是當工業用電頻率交流電源電壓上升時，充電電流Ic向增大的方向變化，當該電流變化速度以及變化量非常大時，充電電流I。成為突入電流。但是，在該實施方式中，通過監視部70以及控制部20的作用，在充電電流Ic異常增大之前使斷續器24、30可靠地斷開，因此可以提前防止突入電流的發生。此外，即使工業用電頻率交流電源電壓向降低的方向變化，三相整流電路10的輸出電壓變得比電容器12的充電電壓^低，由於三相整流電路10具有整流功能，因此不從電容器12經由第2斷續器30以及線圈26向三相整流電路10流過電流。即，充電電流1。不逆向流動。[實施方式2]圖5表示本實用新型的第2實施方式中的雷射電源裝置的結構。對於具有與圖I的實施方式(圖I)相同的結構或功能的部分賦予相同的符號。該第2實施方式中的監視電路70具有用於檢測線圈26的電壓降\的隔離放大器74 ;發生異常時停止用和充電完成用的兩種監視值MVm1、-MVm2的監視值發生電路76 ;用於選擇監視值某一方的開關78;比較隔離放大器74的輸出即線圈電壓降測定值MVl和通過開關78選擇的監視值MVmi (-MVm2)的比較器80。在此，隔離放大器74的一個(正極性)輸入端子經由電壓檢測線72A連接到三相整流電路10的輸出端子和線圈26之間的節點乂，另一方(負極性)輸入端子經由電壓檢測線72B連接到電阻28以及第2斷續 器30和線圈26之間的節點Nb。比較器80的輸出被提供給控制部20。在此，異常時停止用的監視值MVmi是正極性的設定值。比較器80在穩定動作模式下，當MVl MVm時發生高⑶電平的輸出信號CO。另一方面，充電完成用的監視值-MVm2是負極性的設定值。比較器80在充電動作模式下，當MVl -MVm2時發生高⑶電平的輸出信號CO。針對圖6說明在本第2實施方式的雷射電源裝置中，將電容器12從實質的無充電狀態充電到設定電壓時的作用。控制部20為了進行電容器12的充電，在停止開關元件32的開關動作的狀態下，將第2斷續器30保持斷開狀態，在時刻h將第I斷續器24接通。於是，直流的充電電流Ic從三相整流電路10的輸出端子經由線圈26以及限流電阻28流入電容器12，電容器12的端子間電壓即充電電壓V。上升。與上述相同，充電電流I。開始流動時，其隨時間的變化率最大，因此在線圈26中發生相當於三相整流電路10的輸出電壓的較大的值Vm的電壓降\。此後，隨著充電電流I。的電流值增大，電容器12的充電電壓V。以及電阻28的電壓降R I。(其中，R為電阻28的電阻值)增大，另一方面，充電電流I。的變化率減小，線圈26的電壓降'減小。然後，在時刻h充電電流I。達到極大值Iep後，伴隨充電電流I。的減小，電容器12的充電電壓\的上升速度降低，並且，電阻28的電壓降R Ic開始減小，線圈26的電壓降'變為負極性。控制部20在電容器充電動作的時候通過開關78從監視值發生電路76選擇充電完成用的監視值-MVm2，提供給比較器80。比較器80將來自隔離放大器74的線圈電壓降測定值與監視值-MVm2進行比較，在充電開始後立即持續輸出高⑶電平的比較結果信號CO。並且，當線圈26的電壓降\變為負極性、並比監視值-Vm2低時，比較結果信號CO從此前的高⑶電平變為低(L)電平。控制部20在比較器80的輸出信號CO處於高⑶電平的期間中，當然即使從高(H)電平變為低(L)電平，也保持第2斷續器30以及開關元件32的斷開狀態。這樣，隨著電容器12的充電電壓V。接近設定電壓Vs，充電電流I。的電流值接近零，線圈26的電壓降'在負極性的方向減小。然後，在時刻丨2，當線圈26的電壓降'上升，從\ -Vm2時(在正方向上超過-Vm2時)，比較器80的輸出信號CO從此前的低(L)電平變為高⑶電平。控制部20在該定時(時刻t2)立即將第2斷續器30接通，或者在(更理想)經過一定的延遲時間後的時刻丨3將第2斷續器30接通。當第2斷續器30接通時，線圈26和電容器12經由第2斷續器30被短路，線圈26中殘留的電磁能量迅速放出到電容器12中。由此，充電電流Ic瞬間增大，電容器12的充電電壓V。立即達到設定電壓Vs，因此，充電動作完成(時刻t4)。在本第2實施方式中，在雷射加工中根據負載的變化、電容器12的充電電壓V。急劇降低的情況下的作用以及電容器12的充電電壓V。暫時緩慢降低時的作用與上述的第I實施方式完全相同。因此，在本第2實施方式中也不會在充電電路14中流過突入電流，保護線圈26、第 2斷續器30以及電容器12免於突入電流的影響。因此，可以儘量增大線圈26的電感以及電容器12的靜電容量，來應對大容量、高輸出的雷射加工。[其它實施方式或變形例]以上，說明了本實用新型的較佳實施方式，但是上述的第I以及第2實施方式不限定本實用新型。對於本領域技術人員來說，在具體的實施方式中，在不脫離本實用新型的技術思想以及技術範圍的情況下能夠添加其它實施方式或者各種變形、變更。例如，作為第3實施方式，如圖7所示，在監視部70中代替監視線圈26的電壓降'，還可以監視在線圈26中流過的電流即充電電流Ic的隨時間的變化率dlc/dt (以下稱為VIc) o在本實施方式中，在充電電路14的電路中安裝的電流傳感器82例如霍爾元件那樣檢測充電電流Ic的電流值(瞬時值)的情況下，設置對電流傳感器82的輸出信號進行微分，發生電流變化率測定值MVIc的電流微分值測定電路84。在電流傳感器82例如環形線圈(toroidal coil)那樣輸出充電電流I。的微分值Vlc的情況下,將電流微分值測定電路84替換為放大器即可。監視值發生電路76發生與充電電流I。的微分值對應的異常時停止用的監視值MV Vmi以及充電完成用的監視值-MV Vm2。另外，如圖7所示，在雷射驅動電路18中還可以通過功率反饋控制驅動激勵燈16。在圖示的結構例中，通過半反射鏡86、光傳感器88以及雷射輸出測定電路90測定雷射LB的功率(雷射輸出)Pi^將雷射輸出測定值MPw反饋到開關控制電路40，開關控制電路40進行PWM(脈衝寬度調製)方式的開關控制。另外，作為一個變形例，如圖8以及圖9所示，在用於積蓄燈激勵用的雷射電能的第I電容器12和第2電容器15之間具備開關變壓器電路92的雷射電源裝置中也可以應用本實用新型。將變換器(inverter)電路94、升壓變壓器95、整流電路96以及扼流線圈98級聯(cascade)連接而構成該開關變壓器電路92。還設置用於對構成變換器電路94的開關元件進行開關控制的控制電路(未圖示)。另外，雖然省略圖示，但還可以是將第I斷續器24設置在充電電路14內的電路中的結構。例如還可以是與電阻28串聯，與第2斷續器30並聯地連接第I斷續器24的結構、或者在三相整流電路10的輸出端子和節點Nb之間與線圈26串聯地連接第I斷續器24的結構。監視部70以及控制部20的結構還可以進行各種變形。例如還可以是由控制部20具有監視值發生電路76以及比較器80的功能的結構。[0116]另外，上述實施方式的雷射電源裝置從三相交流電源輸入了三相交流，但是本實 用新型還可以應用於從單相交流電源輸入單相交流的類型的雷射電源裝置。
權利要求1.ー種雷射電源裝置，用於向激勵燈供給電力，所述激勵燈對固體雷射介質照射雷射振蕩用的激勵光，所述雷射電源裝置的特徵在於，具有 整流電路，其對エ業用電頻率的交流進行整流來變換為直流； 電容器，其積蓄從所述整流電路輸出的直流電カ； 在所述整流電路和所述電容器之間串聯連接的線圈以及電阻； 設置在所述交流的電路中的，或者在所述整流電路和所述電容器之間與所述電阻串聯連接的第I斷續器； 與所述電阻並聯連接的第2斷續器； 燈驅動電路，其將在所述電容器中積蓄的電能向所述激勵燈側釋放，使所述激勵燈中流過燈電流； 監視部，其監視所述線圈以及所述電阻中產生的電壓降、或所述線圈以及所述第2斷續器中產生的電壓降；以及 控制部，其根據從所述監視部輸出的監視結果，控制所述第I以及第2斷續器的接通、斷開。
2.根據權利要求I所述的雷射電源裝置，其特徵在幹， 在將所述電容器從實質的無充電狀態充電到預定電壓的時候，當從所述監視部輸出了所述線圈以及所述電阻的電壓降低於第2基準值的監視結果時，所述控制部使所述第2斷續器接通。
3.根據權利要求I或2所述的雷射電源裝置，其特徵在幹， 在將所述電容器從實質的無充電狀態充電到預定電壓後，在從所述監視部輸出所述線圈以及所述第2斷續器的電壓降小於第I基準值的監視結果的期間，所述控制部使所述第I以及第2斷續器保持接通，在從所述監視部輸出所述線圈以及所述第2斷續器的電壓降超過了所述第I基準值的監視結果時，所述控制部使所述第I以及第2斷續器中至少ー個斷開。
4.根據權利要求3所述的雷射電源裝置，其特徵在幹， 在從所述監視部持續預定時間地輸出了所述線圈以及所述第2斷續器的電壓降超過所述第I基準值的監視結果時，所述控制部使所述第I以及第2斷續器中至少ー個斷開。
5.ー種雷射電源裝置，用於向激勵燈供給電力，所述激勵燈對固體雷射介質照射雷射振蕩用的激勵光，所述雷射電源裝置的特徵在於，具有 整流電路，其對エ業用電頻率的交流進行整流來變換為直流； 電容器，其積蓄從所述整流電路輸出的直流電カ； 在所述整流電路和所述電容器之間串聯連接的線圈以及電阻； 設置在所述交流的電路中的，或者在所述整流電路和所述電容器之間與所述電阻串聯連接的第I斷續器； 與所述電阻並聯連接的第2斷續器； 燈驅動電路，其將所述電容器中積蓄的電能向所述激勵燈側釋放，使所述激勵燈中流過燈電流； 監視部，其監視在所述線圈中產生的電壓降；以及 控制部，其根據從所述監視部輸出的監視結果，控制所述第I以及第2斷續器的接通、斷開。
6.根據權利要求5所述的雷射電源裝置，其特徵在幹， 在將所述電容器從實質的無充電狀態充電到預定電壓的時候，在從所述監視部輸出所述線圈的電壓降為正極性的監視結果、或者所述線圈的電壓降從正極性轉換為負極性後也不在正方向上超過負極性的第2基準值的監視結果的期間，所述控制部使所述第I斷續器保持接通，同時使所述第2斷續器保持斷開，在從所述監視部輸出所述線圈的電壓降在正方向上超過了所述第2基準值的監視結果時，所述控制部使所述第2斷續器接通。
7.根據權利要求5或6所述的雷射電源裝置，其特徵在幹， 在將所述電容器從實質的無充電狀態充電到預定電壓後，在從所述監視部輸出所述線圈的電壓降小於第I基準值的監視結果的期間，所述控制部使所述第I以及第2斷續器保持接通，在從所述監視部輸出了所述線圈的電壓降超過了所述第I基準值的監視結果吋，所述控制部使所述第I以及第2斷續器中至少ー個斷開。
8.根據權利要求7所述的雷射電源裝置，其特徵在幹， 在從所述監視部持續預定時間地輸出了所述線圈的電壓降超過所述第I基準值的監視結果時，所述控制部使所述第I以及第2斷續器中至少ー個斷開。
9.ー種雷射電源裝置，用於向激勵燈供給電力，所述激勵燈對固體雷射介質照射雷射振蕩用的激勵光，所述雷射電源裝置的特徵在於，具有 整流電路，其對エ業用電頻率的交流進行整流來變換為直流； 電容器，其積蓄從所述整流電路輸出的直流電カ； 在所述整流電路和所述電容器之間串聯連接的線圈以及電阻； 設置在所述交流的電路中的，或者在所述整流電路和所述電容器之間與所述電阻串聯連接的第I斷續器； 與所述電阻並聯連接的第2斷續器； 燈驅動電路，其將所述電容器中積蓄的電能向所述激勵燈側釋放，使所述激勵燈中流過燈電流； 監視部，其監視在所述線圈中流過的電流的隨時間的變化率；以及 控制部，其根據從所述監視部輸出的監視結果，控制所述第I以及第2斷續器的接通、斷開。
10.根據權利要求9所述的雷射電源裝置，其特徵在幹， 在將所述電容器從實質的無充電狀態充電到預定電壓的時候，在從所述監視部輸出在所述線圈中流過的電流的變化率為正極性的監視結果、或者在所述線圈中流過的電流的變化率從正極性轉換為負極性後也不在正方向上超過負極性的第2基準值的監視結果的期間，所述控制部使所述第I斷續器保持接通，同時使所述第2斷續器保持斷開，在從所述監視部輸出在所述線圈中流過的電流的變化率在正方向上超過了所述第2基準值的監視結果時，所述控制部使所述第2斷續器接通。
11.根據權利要求9或10所述的雷射電源裝置，其特徵在幹， 在將所述電容器從實質的無充電狀態充電到預定電壓後，在從所述監視部輸出在所述線圈中流過的電流的變化率小於第I基準值的監視結果的期間，所述控制部使所述第I以及第2斷續器保持接通，在從所述監視部輸出在所述線圈中流過的電流的變化率超過了所述第I基準值的監視結果時，所述控制部使所述第I以及第2斷續器中至少ー個斷開。
12.根據權利要求11所述的雷射電源裝置，其特徵在幹， 在從所述監視部持續預定時間地輸出了在所述線圈中流過的電流的變化率超過所述第I基準值的監視結果時，所述控制部使所述第I以及第2斷續器中至少ー個斷開。
13.根據權利要求1、5、9中任意一項所述的雷射電源裝置，其特徵在幹， 所述燈驅動電路具有 在所述線圈和所述激勵燈之間連接的開關元件；以及 以比エ業用電頻率高的一定頻率對所述開關元件進行開關控制的開關控制部。
14.根據權利要求1、5、9中任意一項所述的雷射電源裝置，其特徵在幹， 所述燈驅動電路在所述第I以及第2斷續器都為接通狀態下，進行所述開關元件的開關動作，在所述第I以及第2斷續器的某一個從接通狀態切換為斷開狀態時，與之連動地停止所述開關元件的開關動作。
專利摘要本實用新型提供一種雷射電源裝置，其針對負載的變化或交流電源電壓的變化，提前防止充電電流的異常增大(突入電流的發生)，以提高安全性以及可靠性。監視電路(70)具有用於測定充電電路(14)內的線圈(26)以及電阻(28)的電壓降VLR或線圈(26)以及第2斷續器(30)的電壓降VLS的電壓檢測線(72)以及隔離放大器(74)；發生異常時停止用和充電完成用的兩種監視值MVM1、MVM2的監視值發生電路(76)；用於選擇監視值MVM1、MVM2的某一方的開關(78)；比較來自隔離放大器(74)的線圈電壓降測定值MVLR(MVLS)和監視值MVM1(MVM2)的比較器(80)。控制器(20)根據比較器(80)的輸出信號(比較結果信號)CO控制第1以及第2斷續器(24、30)的接通、斷開。
文檔編號H01S3/0915GK202586071SQ20122015138
公開日2012年12月5日 申請日期2012年4月11日 優先權日2011年11月2日
發明者日下部和人 申請人:米亞基株式會社