激光装置用的电源装置的制作方法

本申请主张基于2018年11月19日申请的日本专利申请第2018-216527号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

本发明涉及一种电源装置。

背景技术：

作为工业用加工工具，广泛普及有激光加工装置。激光加工装置使用co2激光器等大功率的气体激光器。图1是激光装置100r的框图。激光装置100r具备激光谐振腔200及电源装置250r。激光谐振腔200具备一对放电电极202、204、全反射镜206及半透反射镜208。

一对放电电极202、204设置在填充有co2等激光介质气体的气体腔室内。在一对放电电极202、204之间存在静电电容c。该静电电容c与电感器l(电感器元件或寄生电感)形成具有谐振频率fres的谐振电路210。

电源装置250r向谐振电路210施加高频电压vrf。高频电压vrf的频率frf(以下，称作同步频率)设定在谐振电路的频率fres的附近。通过施加高频电压vrf，在一对放电电极202、204之间流过放电电流。激光介质气体被放电电流激励而形成粒子数反转。受激发射光在由全反射镜206和半透反射镜208形成的光学谐振腔内往返移动并且通过激光介质气体从而被增幅。被增幅的光的一部分从半透反射镜208输出。

电源装置250r具备：直流电源300，生成稳定的直流电压vdc；及高频电源400，将直流电压vdc转换成高频电压vrf。

专利文献1：日本特开2018-39032号公报

专利文献2：日本特开2015-32746号公报

本发明人等对图1的激光装置100r进行研究的结果发现了以下课题。

若放电电极202或204产生接触不良等，则会成为在开放状态下运行的情况。在开放状态下，静电电容c变得非常小，因此谐振电路的谐振频率成为非常高的值fres’。若在该状态下持续施加同步频率f0(f0＜fres’)的高频电压vrf，则在谐振频率fres’中产生超过高频电压vrf的振幅的非常高的高电压。若该高电压施加到高频电源400内部的半导体元件(即，功率晶体管)，则其可靠性会降低。

技术实现要素：

本发明是鉴于上述状况而完成的，其一种实施方式的例示性目的之一在于提供一种提高了可靠性的激光装置。

本发明的一种实施方式涉及驱动包括一对放电电极的激光谐振腔的电源装置。电源装置具备：高频电源，向包括一对放电电极的电容的谐振电路施加高频电压；过电压抑制电路，抑制谐振电路的两端之间或者高频电源的内部节点的过电压；开关，与过电压抑制电路串联连接：异常检测器，若检测到异常则使开关导通。

在此所言的“异常”是可能在电源装置内产生过电压的异常。通过设置过电压抑制电路，在谐振电路的谐振频率大大偏离了设计值的情况下，能够抑制过电压，从而能够保护高频电源等中所包括的半导体元件。并且，在未产生过电压的状况下，通过使开关断开，能够防止漏电流流过过电压抑制电路，从而能够抑制由漏电流引起的噪声(surgearrester)。

激光谐振腔的壳体可以经由地线接地。异常检测器可以根据流过地线的电流来检测异常。

激光谐振腔的壳体可以经由地线接地，异常检测器可以根据壳体的电位来检测异常。

电源装置还可以具备：若异常检测器检测到异常，则通知给外部的通知机构。

高频电源可以包括逆变器和具有与逆变器的输出端连接的1次绕组及与激光谐振腔连接的2次绕组的变压器。过电压抑制电路也可以与变压器的1次绕组连接。

过电压抑制电路也可以包括电压抑制器、电涌保护器(surgeprotectiondevice)、气体避雷器(surgearrester)中的至少一个。

过电压抑制电路也可以包括彼此串联连接的多个元件。在各个元件的静电电容较大的情况下，通过串联连接这些，能够减小过电压抑制电路的静电电容。

过电压抑制电路也可以包括电容为一对放电电极的电容的1/10以下的电容器。此时，电容器成为负载，因此能够防止谐振频率变得过高，从而能够抑制过电压。

过电压抑制电路也可以包括lcr负载。此时，即使放电电极产生异常而成为开放状态，也能够通过lcr负载防止谐振频率变得过高，从而能够抑制过电压。

另外，以上构成要件的任意组合或在方法、装置、系统等之间相互替换本发明的构成要件或表述的内容也作为本发明的实施方式而有效。

根据本发明的一种实施方式，能够提高激光装置的可靠性。

附图说明

图1是激光装置的框图。

图2是实施方式所涉及的激光装置的框图。

图3是表示异常检测器的结构例的电路图。

图4是表示过电压抑制电路的结构例的电路图。

图5是表示电源装置的具体结构例的电路图。

图6是表示具备激光装置的激光加工装置的图。

图7是表示过电压抑制电路的配置的变形例的图。

图中：100-激光装置，200-激光谐振腔，202、204-放电电极，206-全反射镜，208-半透反射镜，210-谐振电路，250-电源装置，300-直流电源，302-电容器组，304-充电电路，400-高频电源，402-h桥电路，404-升压变压器，500-过电压抑制电路，502-气体避雷器(gasarrester)，504-压敏电阻(varistor)，600-异常检测器，610-通知机构。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的优选实施方式进行说明。在各附图中，对相同或相等的构成要件、部件及处理标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，实施方式仅为例示，其并不限定发明，实施方式中记载的所有特征或其组合未必一定是本发明的本质内容。

图2是实施方式所涉及的激光装置100的框图。激光装置100具备激光谐振腔200及电源装置250。

在图2中，激光谐振腔200被示为等效电路。在一对放电电极202、204之间包括静电电容c和电阻成分r。静电电容c与电感器l一同形成谐振电路210。将该谐振电路210的谐振频率设为fres。电感器l包括电感器零件及配线或基板的寄生电感中的至少一方。

电源装置250向谐振电路210施加高频电压vrf。高频电压vrf的频率frf(以下，称作同步频率)设定在谐振电路的频率fres的附近。通过施加高频电压vrf，在一对放电电极202、204之间流过放电电流。激光介质气体被放电电流激励而形成粒子数反转。

电源装置250具备直流电源300、高频电源400、过电压抑制电路500、开关sw1、异常检测器600及通知机构610。直流电源300的输出端与一对dc母线310连接并在dc母线310上产生稳定在规定的电压电平的直流电压(也称作dc母线电压)vdc。

高频电源400的输入与dc母线310连接而接收dc母线电压vdc。高频电源400产生具有与谐振频率fres相同的频率(同步频率)frf的高频电压vrf并将其供给到激光谐振腔200。高频电源400的结构并不受限定，但其可以包括将直流电压vdc转换成交流电压vac的h桥电路(逆变器)402和使h桥电路402的输出电压vac升压的升压变压器404。

过电压抑制电路500构成为能够抑制谐振电路210的两端之间或者高频电源的内部节点的过电压。在图2中，过电压抑制电路500连接与h桥电路402与升压变压器404的连接节点，从而能够抑制升压变压器404的1次侧的电压的过电压。

为了切断过电压抑制电路500的电流路径，开关sw1串联连接于过电压抑制电路500。

若异常检测器600检测到激光装置100的异常，则使异常检测信号sabn有效(assert)，使开关sw1导通。在此所言的“异常”是可能在电源装置250内产生过电压的异常，换言之，使谐振频率频移至高于设计值的异常，例如，可例示出放电电极202、204的接触不良、电感器l的脱落、连接这些的配线的脱落、配线的断线(断开)或者由劣化引起的阻抗的增加。另外，电源装置250可以在产生异常之后使异常检测信号sabn有效，也可以在显现出异常的预兆的阶段使异常检测信号sabn有效。

通知机构610向外部通知基于异常检测器600的异常检测。例如，通知机构610也可以为蜂鸣器、灯或显示器等直接通知使用者的通知机构。

或者，通知机构610也可以为与控制蜂鸣器、灯、显示器的系统侧的控制器连接的界面(interface)。此时，通知机构610可以间接地向使用者通知异常的产生。在此情况下，系统侧的控制器能够将异常产生的通知作为触发信号而在适当的时刻实施适当的保护处理。

以上为电源装置250的基本结构。接着对其动作进行说明。

若激光装置100产生异常(或者其预兆)，则异常检测器600使异常检测信号sabn有效，使开关sw1导通。由此，过电压抑制电路500与高频电源400连接，过电压抑制电路500所连接的节点之间的过电压得到抑制。

另一方面，在激光装置100为正常的状态下，异常检测器600使异常检测信号sabn无效(negate)，使开关sw1断开。因此，过电压抑制电路500与高频电源400断开。

以上为电源装置250的动作。根据该电源装置250，通过设置过电压抑制电路500，在谐振电路210的谐振频率fres大大偏离了设计值的情况下，能够抑制过电压，从而能够保护高频电源400等中所包括的半导体元件。并且，在未产生过电压的状况下，通过使开关sw1断开，能够防止漏电流流过过电压抑制电路500，从而能够抑制由漏电流引起的噪声(surgearrester)。

本发明可以理解为图2的框图或电路图，或者本发明还可以涉及到根据上述说明导出的各种装置及方法，其并不限于特定结构。以下，为了便于理解及明确本发明的本质及动作，对更具体的结构例或实施例进行说明，这并不用于缩小本发明的范围。

·关于异常检测器600

若异常检测器600的检测速度较慢，则开关sw1的导通就会延迟，而在延迟期间会产生过电压，因而并不优选。因此，要求异常检测器600比过电压抑制电路500应有效操作的时刻(即，实际上产生过电压的时刻)更早地使异常检测信号sabn有效。因此，以下对高速的异常检测器600进行说明。

图3中(a)及(b)是表示异常检测器600的结构例的电路图。激光谐振腔200被金属壳体(气体腔室)220覆盖，壳体220经由地线222接地。

图3中(a)的异常检测器600根据流过地线222的电流ix来判定有无异常。更具体而言，若流过地线的电流ix的振幅超过规定的阈值，则能够判定为异常。

图3中(b)的异常检测器600根据壳体220的接地(grounding)电位vx来判定有无异常。更具体而言，若电位vx的振幅超过规定的阈值，则能够判定为异常。

以上为异常检测器600的结构例。接着，对异常检测器600的动作原理进行说明。在放电电极202和壳体220之间以及在放电电极204和壳体220之间存在寄生电容cp。在激光谐振腔200为正常时，设计的谐振频率fres的电流流过激光谐振腔200(电极202、204之间)，可以忽视寄生电容cp的影响。此时，流过寄生电容cp及地线222的电流ix实质上为零，并且壳体220的电位vx实质上与接地电压相等。

若与放电电极202或放电电极204连接的配线断线或者阻抗增大，则谐振电路210的谐振频率会变得高于设计值，会流过高频的电流。高频的电流经由电容值小的寄生电容cp而流向地线222。由此，壳体220的电位vx成为非零。

根据图3中(a)及(b)的异常检测器600，能够高速检测谐振电路210的谐振频率的频移，从而能够在电源装置250的内部实际上产生过电压之前(或者即使已经产生也立即)使开关sw1导通。

另外，异常检测器600的异常检测的方法并不限定于此。也可以严格地设定异常判定的阈值来代替使用响应性较低的方式。

图4中(a)至(d)是表示过电压抑制电路500的结构例的电路图。图4中(a)的过电压抑制电路500包括气体避雷器502。若气体避雷器502的端子之间的电压超过动作开始电压，则气体避雷器502就会成为短路状态，过电压抑制电路500的两端之间的电压δv得到抑制。

在此，优选过电压抑制电路500的两端之间的静电电容小于一对放电电极的静电电容的1/5。这是因为，若过电压抑制电路500的静电电容过大，则会使谐振电路210的谐振频率fres频移，因而对电路动作带来影响。从该观点来看，如图4中(a)所示，若由气体避雷器502单体构成过电压抑制电路500，则有时会出现静电电容过大的情况。

在这种情况下，如图4中(b)所示，优选串联连接多个过电压抑制元件(电涌保护元件)。由此，过电压抑制电路500的两端之间的静电电容成为多个过电压抑制元件各自的静电电容的合成电容，因此能够设为小于各个过电压抑制元件的静电电容。

更详细而言，图4中(b)的过电压抑制电路500包括彼此串联连接的气体避雷器502和压敏电阻504。在该结构中，若高电压δv施加于过电压抑制电路500的两端之间，则气体避雷器502的端子之间的电压会超过动作开始电压而成为短路状态，高电压δv施加于压敏电阻504。其结果，电流根据压敏电阻504的i-v特性而流动，从而能够抑制高电压δv。另外，也可以使用通常的过电压抑制元件来代替压敏电阻504，例如可以使用spd(氧化锌型避雷器)或瞬态电压抑制器(transorb)。

图4中(a)及(b)的过电压抑制电路500响应于过电压而进行动作，但并不限定于此，过电压抑制电路500也可以为预防在激光谐振腔200的开放异常状态下产生过电压的电路。更具体而言，在同步频率frf下，过电压抑制电路500可以具有比谐振电路210充分高的高阻抗，而在高于同步频率frf的频率下，可以具有较低的阻抗。图4中(c)的过电压抑制电路500包括电容器506。电容器506的静电电容为一对放电电极202、204的静电电容的1/5以下，优选为1/10以下。即使产生开放异常，该电容器506作为负载而残留，因此能够防止谐振频率变得过高，从而能够抑制过电压。

图4中(d)的过电压抑制电路500包括lcr负载电路。即使成为开放状态，也能够通过lcr负载防止谐振频率变得过高，从而能够抑制过电压。

另外，过电压抑制电路500也可以采用将例示于图4中(a)至(d)的若干个电路并联连接的结构。

图5是表示电源装置250的具体结构例的电路图。在激光装置100输入有指示发光期间(激励期间)与停止期间的控制信号(激励信号)s1，并且根据激励信号s1进行间歇动作。例如，激励信号s1为数khz左右的重复频率、占空比为5％左右的脉冲信号。

高频电源400具备h桥电路(全桥电路)402及升压变压器404。高频电源400具备两组h桥电路402与升压变压器404的组401，并且它们彼此并联连接。当然，也可以仅由一个组401构成高频电源400。在激励信号s1为指示激励区间的电平(例如，高电平)的期间，h桥电路402进行开关动作，并向升压变压器404的1次绕组施加交流电压vac。h桥电路402的开关频率为同步频率frf，例如设定为2mhz左右。其结果，在升压变压器404的2次绕组中产生使交流电压vac升压后的高频电压vrf。

直流电源300包括电容器组302及充电电路304。电容器组302设置在dc母线306之间。充电电路304对电容器组302进行充电，将电容器组302的电压vdc保持为恒定。

在激励区间中，h桥电路402进行开关动作，由此，储存在电容器组302的能量(电荷)被释放，直流电压vdc的电压电平下降。充电电路304向电容器组302供给充电电流，从而补偿直流电压vdc的电压电平的下降。即，直流电源300也与激励信号s1同步进行间歇动作。

另外，也可以由在包括激励期间在内的所有期间中始终正常动作的dc/dc转换器构成直流电源300。

(用途)

接着，对激光装置100的用途进行说明。图6是表示具备激光装置100的激光加工装置900的图。激光加工装置900向对象物902照射激光脉冲904，从而对对象物902进行加工。对象物902的种类并不受特别限定，并且加工的种类虽例示了开孔(钻孔：drill)、切割等，但也并不限定于此。

激光加工装置900具备激光装置100、光学系统910、控制装置920及工作台930。对象物902载置在工作台930上，并根据需要固定于工作台930上。工作台930根据来自控制装置920的位置控制信号s2对对象物902进行定位，并使对象物902相对于激光脉冲904的照射位置进行扫描。工作台930可以为1轴、2轴(xy)或3轴(xyz)。

激光装置100根据来自控制装置920的触发信号(激励信号)s1进行激发而产生激光脉冲906。光学系统910向对象物902照射激光脉冲906。光学系统910的结构并不受特别限定，可以包括用于将光束导入至对象物902的反射镜组、用于对光束进行整形的透镜或光圈等。

控制装置920集中控制激光加工装置900。具体而言，控制装置920对激光装置100间歇地输出激励信号s1。并且，控制装置920生成用于根据记述加工处理的数据(recipe)来控制工作台930的位置控制信号s2。

以上，根据实施方式对本发明进行了说明。该实施方式为例示，本领域技术人员可以理解，这些各构成要件或各处理步骤的组合可以存在各种变形例，并且这种变形例也在本发明的范围内。以下，对这种变形例进行说明。

接着，对过电压抑制电路的配置的若干变形例进行说明。在图2中，过电压抑制电路500连接于h桥电路402与升压变压器404之间，但并不限定于此。图7中(a)及(b)是表示过电压抑制电路500的配置的变形例的图。

如图7中(a)所示，也可以将过电压抑制电路500及开关sw1设置在高频电源400的输出节点(即，升压变压器404的2次侧)。由此，2次侧的电压vrf的过电压得到抑制，进而能够抑制1次侧的过电压。

如图7中(b)所示，也可以将过电压抑制电路500及开关sw1的组设置成分别与构成h桥电路402的开关(晶体管)mh、ml并联连接。

也可以将过电压抑制电路500及开关sw1设置在激光谐振腔200侧。

下面，对基于异常检测器的异常检测方法的若干变形例进行说明。

异常检测器也可以根据激光装置有无输出光来判定异常。若激光装置不发光(或者光量下降时)，则可以判定为异常。

异常检测器也可以根据谐振频率的电流成分来判定异常。可以监视流过负载(谐振电路)或高频电源的输出端的电流并从检测值提取谐振频率的成分，在谐振频率的电流较小的情况下，判定为异常。

异常检测器也可以根据除了谐振频率以外的电流成分来判定异常。可以监视流过负载(谐振电路)或高频电源的输出端的电流并从检测值提取除了谐振频率以外的成分，在除了谐振频率以外的电流较大的情况下，判定为异常。

异常检测器也可以根据照射后的高频电源的输入电压的下降幅度来判定异常。若激光正常发光，则储存在直流电源的输出电容器(电容器组)的电荷被放电，直流电压会下降。因此，监视电容器组的电压，在电压下降幅度小时，能够判定为异常。

异常检测器也可以根据比谐振频率高频率的噪声(noise)来判定异常。在电流成为了高频时，高频的电磁噪声(radiationnoise)或传导噪声(conductivenoise)会增加。可以利用天线检测该噪声，在噪声增加的情况下，能够判定为异常。

异常检测器也可以根据一对放电电极之间的电压来判定异常。在虽然施加有高频电压但在谐振电路的两端之间未检测到充分的电压时，能够判定为异常。

以上，根据实施方式并使用具体的语句对本发明进行了说明，但实施方式仅表示本发明的原理、应用的一方面，在不脱离技术方案中规定的本发明的思想的范围内，实施方式允许多个变形例或配置的变更。