JP7004591B2 - ガスレーザ発振器及びガスレーザ加工装置 - Google Patents

Description

この発明は、一対の電極に高周波高電圧を印加することで、電極間に供給されるレーザガスを放電励起して、レーザ光を発生するガスレーザ発振器及びガスレーザ加工装置に関する。

ガスレーザ発振器は、ガスレーザ発振器を構成する一対の電極間にレーザガスが供給され、電極間に印加される高周波高電圧によりレーザガスが放電励起される。
ここで、電極間には、インバータ回路から出力された高周波電圧を変圧器の２次側で昇圧した高周波高電圧が印加されている。

レーザガスはガスレーザ発振器の筐体内に充満しているが、負圧により筐体内に空気等が漏れる、あるいは放電により劣化したレーザガスが筐体内に蓄積すると、電極間の放電は不安定になる。不安定な放電が進行すると、電極間の主放電とは別に、電極とガスレーザ発振器の筐体との間で放電が発生する。

このような電極と筐体間で放電が発生する異常放電が進行すると、電極が損傷してガスレーザ発振器が停止するおそれがある。その対応として、異常放電の検出機能として電極間に印加する高周波高電圧を供給する変圧器の２次側とガスレーザ発振器の筐体間に流れる異常放電電流を検出し、この検出値に電極間に印加する高周波高電圧を供給するインバータ回路の制御用矩形波信号を乗算し、乗算結果から交流成分を取り除き、その結果、得られた数値から異常放電が発生しているか否かを判定する技術が開示されている。

特開２０１０－２５１４１１号公報（第９頁、第１図）

従来では、電極と筐体間に流れる異常放電電流を検出するために、変圧器の２次側に中性点を設け、この中性点と筐体間を、アース線を用いて接地し、アース線に流れるアース電流を検出しているが、アース線の接地状態によっては、検出したいアース電流以外の別のアース電流が重畳して検出され、検出精度が低下、あるいは、検出したい電流以外を誤検知してしまい、電極間で発生する放電の状態が正常か否かを精度良く判定できないという問題点があった。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、電極間で発生する放電の状態が正常か否かを精度良く判定することを目的とする。

この発明に係るガスレーザ発振器においては、インバータ部で発生した高周波電圧を昇圧する変圧器と、変圧器により昇圧された高周波高電圧によりレーザガス中で放電する一対の電極と、電極及びレーザガスを格納する、接地された筐体と、変圧器の２次側に設置される変流器を備え、電極を構成する少なくとも一方と筐体の間で放電が発生することで筐体に流れる電流を検出し、検出信号を出力する差分電流検出部と、差分電流検出部から出力される検出信号を自身に予め格納された閾値と比較することで、電極間で発生する放電の状態が正常か否かを判定する閾値判定部と、を有する。変流器の１次側は電極と直列して変圧器の２次側と接続されると共に変流器の１次側の巻線の巻回数が２等分されるように中性点接地され、２等分された巻線は巻線内を流れる電流により極性が互いに逆になるように構成されることを特徴とする。

この発明は、電極を構成する少なくとも一方と筐体の間で放電が発生することで筐体に流れる電流を検出する差分電流検出部を有し、差分電流検出部は変圧器の２次側に設置される変流器を備えている。その結果、放電が異常な場合に一対の電極間に発生する異常放電電流を差分電流検出部から検出信号として取出すことができるので、誤検知がなくなり、電極間で発生する放電の状態が正常か否かを精度良く判定することが可能になる。

この発明の実施の形態１を示すガスレーザ発振器の構成図である。 この発明の実施の形態１を示すガスレーザ発振器の主要回路の構成図である。 この発明の実施の形態１を示す電流電圧変換回路の構成図である。 この発明の実施の形態１を示す閾値判定回路の構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１を示すガスレーザ発振器の構成図である。図１において、インバータ回路３とインバータ制御回路４はインバータ部を構成する。インバータ回路３は交流電源１を入力して整流平滑する整流回路２で整流平滑された直流電圧を入力して高周波電圧に変換する。インバータ制御回路４はインバータ回路３のＰＷＭ制御の矩形波信号を生成し、インバータ回路３にこの矩形波信号を出力する。変圧器５はインバータ回路３で出力された高周波電圧を昇圧し、高周波高電圧に変換する。上側電極６と下側電極７の間には変圧器５の２次側の高周波高電圧が印加され、上側電極６と下側電極７の間で放電が発生する。筐体８は上側電極６と下側電極７やレーザガス等を格納する。また、筐体８はアース線９に接続され、接地されている。その他、図には含まれないが、レーザ発振するための反射鏡、出力鏡、レーザ光、上下の電極間にレーザガスを供給するためのブロワ、レーザガスを排気する真空ポンプ等がある。

差分電流検出部１１は上側電極６と下側電極７の間に流れる放電電流以外の、上側電極６や下側電極７と筐体８間に流れる異常放電電流を検出し、電流値を電圧値に変換して、この電圧値を検出信号として出力する。閾値判定部２１は自身に予め格納されている上側電極６と下側電極７の間で発生する放電の状態か正常か否かを判定する閾値と差分電流検出部１１から出力された検出信号を比較することで、上側電極６と下側電極７の間で発生する放電の状態が正常か否かを判定する。

図２は、この発明の実施の形態１を示すガスレーザ発振器の主要回路の構成図である。差分電流検出部１１は、上側電極６を流れる放電電流と下側電極７を流れる放電電流の差分に相当する、上側電極６や下側電極７と筐体８間に流れる異常放電電流を検出するための変流器１２と電流電圧変換回路１３で構成される。変流器１２の１次側は、変圧器５の２次側に上側電極６や下側電極７と直列して接続されると共に、変流器１２の１次側は巻線の巻回数が２等分されるように中性点接地されている。さらに、２等分された巻線は、２等分された巻線内を流れる電流により極性が互いに逆になるように構成されている。変流器１２の２次側は、電流電圧変換回路１３に接続され、電流電圧変換回路１３により、変流器１２の２次側で発生した電流が電圧に変換され、閾値判定部２１に上側電極６や下側電極７と筐体８間に流れる異常放電電流に相当する電圧が検出信号として出力される。

このように、変圧器５の２次側には、上側電極６や下側電極７と筐体８の間に流れる異常放電電流を検出するための変流器１２を搭載した差分電流検出部１１が設置され、差分電流検出部１１から出力される検出信号を、閾値判定部２１に内蔵された閾値判定回路２２にて自身に予め設定されている上側電極６と下側電極７の間で発生する放電の状態が正常か否かを判定する閾値で判定する。

次に、閾値判定部２１における閾値判定手順について説明する。図２に示すように、変圧器５の２次側端子５１ａは上側電極６に接続されており、上側電極６に流れる電流をｉａとする。また、変圧器５の２次側端子５２ａは下側電極７に接続されており、下側電極７に流れる電流をｉｂとする。

一方、変圧器５の２次側端子５１ａの巻線を介した他端子５１ｂは変流器１２の１次側端子６１ａに接続されており、変圧器５の２次側端子５２ａの巻線を介した他端子５２ｂは変流器１２の１次側端子６２ａに接続されている。

放電が正常な場合は、変圧器５の２次側端子５１ａを経て上側電極６に流れる電流ｉａは、上側電極６と下側電極７の間の放電空間を経て下側電極７に流れ、電流ｉｂとなる。下側電極７は変圧器５の２次側端子５２ａに接続されているので、変圧器５の２次側端子５２ａに流れる電流は、巻線を介して変圧器５の２次側端子５２ｂに流れ、その後、変流器１２の１次側端子６２ａに流れる。変流器１２の１次側端子６２ａに流れる電流は、巻線を介して変流器１２の１次側端子６２ｂに流れ、その後、変流器１２の１次側端子６１ｂに流れる。変流器１２の１次側端子６１ｂに流れる電流は、巻線を介して変流器１２の１次側端子６１ａに流れ、その後、変圧器５の２次側端子５１ｂに流れる。そして、変圧器５の２次側端子５１ｂから巻線を介して変圧器５の２次側端子５１ａに流れ、再び上側電極６へと流れる。

変流器１２の１次側端子６２ａから１次側端子６２ｂに電流が流れる際の巻線の巻回数と、変流器１２の１次側端子６１ｂから１次側端子６１ａに電流が流れる際の巻線の巻回数は、中性点接地の接地点を境に２等分されるように構成されている。さらに、２等分された巻線の巻く向きが、変流器１２の１次側端子６２ａから１次側端子６２ｂに電流が流れる場合と、変流器１２の１次側端子６１ｂから１次側端子６１ａに電流が流れる場合で、２等分された巻線の極性が互いに異なるように設定されている。このように、変圧器５の２次側端子である５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂと、上側電極６と下側電極７の間の放電空間と、変流器１２の１次側端子である６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの間には、閉回路が形成されており、放電が正常な場合は、変流器１２の１次側ではｉａ＝ｉｂが成立し、かつ、電流ｉａと電流ｉｂがそれぞれ流れることにより、２等分された巻線の極性が互いに逆になっているため、結果として、変流器１２の２次側には誘導起電力は発生せず、変流器１２の２次側には電流が流れない。

放電が異常な場合は、変流器１２の１次側端子６１ａと１次側端子６２ａの間では、１次側端子６１ｂが中性点接地されており、上側電極６や下側電極７と筐体８の間に流れる異常放電電流をｉｃとしたとき、変流器１２の１次側端子６１ｂに接続されているアース線に異常放電電流ｉｃが流入する。このように、放電が異常な場合は、変圧器５の２次側端子である５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂと、上側電極６と下側電極７の間の放電空間と、変流器１２の１次側端子である６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの間に形成されている閉回路に、変流器１２の１次側端子６１ｂのところで、異常放電電流ｉｃが流入することになる。

放電が正常な場合は、上側電極６に流れる電流ｉａと下側電極７に流れる電流ｉｂは同じ電流値であるため、ｉａ－ｉｂ＝０であるが、上側電極６や下側電極７と筐体８の間に流れる異常放電電流ｉｃが発生、すなわち放電が異常な場合は、上側電極６に流れる電流ｉａは、下側電極７に流れる電流ｉｂと上側電極６や下側電極７と筐体８の間に流れる異常放電電流ｉｃの和となり、ｉａ－ｉｂ＝ｉｃとなる。このとき、変流器１２の１次側には、電流ｉａと電流ｉｂがそれぞれ流れる巻線の極性を考慮することで発生する電流ｉａと電流ｉｂの差分に相当する異常放電電流ｉｃが実質的な負荷電流として発生する。その結果、変流器１２の２次側には異常放電電流ｉｃによって誘起された誘導起電力が発生し、変流器１２の２次側には差分電流ｉｘが流れる。

放電が異常な場合に変流器１２の２次側で発生した差分電流ｉｘは、電流電圧変換回路１３で電流から電圧に変換され、閾値判定部２１に上側電極６や下側電極７と筐体８の間に流れる異常放電電流ｉｃに相当する電圧の検出信号として出力される。閾値判定部２１は、自身に予め格納されている上側電極６と下側電極７の間で発生する放電の状態が正常か否かを判定する閾値と、電流電圧変換回路１３によって出力された検出信号を比較し、検出信号が閾値より大きい場合は異常放電と判定する。

図３は、この発明の実施の形態１を示す電流電圧変換回路の構成図である。変流器１２の２次側には、ダイオード３１ａから３１ｄと抵抗３２が接続され、放電が異常な場合に変流器１２から出力される差分電流ｉｘをダイオード３１ａから３１ｄで整流し、抵抗３２で電圧に変換して、検出信号として閾値判定部２１に出力する。

図４は、この発明の実施の形態１を示す閾値判定回路の構成図である。閾値判定回路２２は主としてコンパレータ４１で構成され、予め閾値設定回路４２にて閾値電圧Ｖｒｅｆを設定しておき、この閾値電圧Ｖｒｅｆを閾値として、電流電圧変換回路１３から出力される検出信号と閾値電圧Ｖｒｅｆをコンパレータで比較して、電極間で発生する放電の状態が正常か否かを判定する。

このように、この発明の実施の形態１によれば、変流器１２の１次側を上側電極６や下側電極７と直列して変圧器５の２次側と接続されると共に、変流器１２の１次側の巻線の巻回数が２等分されるように中性点接地され、２等分された巻線は巻線内を流れる電流により極性が互いに逆になるように構成されている。その結果、放電が異常な場合に上側電極６や下側電極７と筐体８の間に流れる異常放電電流ｉｃを検出信号として取出すことができので、誤検知がなくなり、電極間で発生する放電の状態が正常か否かを精度良く判定することが可能になる。

また、この発明の実施の形態１によれば、閾値判定部２１には閾値判定回路２２が内蔵されており、閾値判定回路２２に入力された検出信号をインターロック信号として出力、あるいは、閾値判定部２１に入力された検出信号をモニタ信号として出力することができる。例えば、出力されたインターロック信号やモニタ信号をインバータ制御回路４へフィードバックすることで、レーザ発振器への入力を即座に遮断することができ、電極故障を予防保全することが可能になる。

さらに、この発明の実施の形態１に示すガスレーザ発振器をガスレーザ加工装置に適用することで、従来では異常放電が発生しているにも関わらずレーザ加工を実施することで生産されていた加工不良品を極力なくすことができるので、生産性の向上を図ることができる。

１ 交流電源、２ 整流回路、３ インバータ回路、４ インバータ制御回路、５ 変圧器、６ 上側電極、７ 下側電極、８ 筐体、９ アース線、１１ 差分電流検出部、１２ 変流器、１３ 電流電圧変換回路、２１ 閾値判定部、２２ 閾値判定回路、３１ａ～３１ｄ ダイオード、３２ 抵抗、４１ コンパレータ、４２ 閾値設定回路、５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ ２次側端子、６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ １次側端子。

Claims (3)

1. インバータ部で発生した高周波電圧を昇圧する変圧器と、
   該変圧器により昇圧された高周波高電圧によりレーザガス中で放電する一対の電極と、
   該電極及び前記レーザガスを格納する、接地された筐体と、
   前記変圧器の２次側に設置される変流器を備え、前記電極を構成する少なくとも一方と前記筐体の間で放電が発生することで前記筐体に流れる電流を検出し、検出信号を出力する差分電流検出部と、
   該差分電流検出部から出力される検出信号を自身に予め格納された閾値と比較することで、前記電極間で発生する放電の状態が正常か否かを判定する閾値判定部と、
   を有し、
   前記変流器の１次側は前記電極と直列して前記変圧器の２次側と接続されると共に前記変流器の１次側の巻線の巻回数が２等分されるように中性点接地され、２等分された前記巻線は前記巻線内を流れる電流により極性が互いに逆になるように構成されることを特徴とするガスレーザ発振器。
2. 前記閾値判定部からの出力信号を前記インバータ部に入力することで、前記ガスレーザ発振器を制御することを特徴とする請求項１に記載のガスレーザ発振器。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスレーザ発振器を備えたことを特徴とするガスレーザ加工装置。

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