CN1659751A - 激光加工装置及该加工装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的进行脉冲激光振荡的激光加工机，具备：根据控制激光脉冲输出用的控制参数设定、而输出指令脉冲群的控制装置；输入该指令脉冲群、并根据预先设定的设定值抽去该指令脉冲群的脉冲的抽去装置；根据该抽去装置输出的指令脉冲群、产生供给负载的脉冲功率的电源装置；以及利用该电源装置供给的脉冲功率发生的放电来激励充满放电空间的激光媒体、并输出激光的振荡器装置。能避免因开关次数增加而引起电源装置的发热，并能以低成本使脉宽大幅度改变。

Description

激光加工装置及该加工装置的控制方法

发明领域

本发明涉及进行脉冲激光振荡的激光加工装置及供给发生激光振荡所需放电用的功率的电源装置的控制方法，涉及不增大电源装置的容量而大幅度扩大激光脉冲输出的脉宽使用范围、并扩大气体激光加工装置的可加工范围用的技术。

背景技术

近年来，作为以印刷基板为代表的微细加工应用，输出脉宽为1μs至几十μs的脉冲振荡的激光加工机的需要在增长，已进入了实用化。

图8示出以往的气体激光加工机用脉冲激光振荡器(以下称脉冲激光振荡器)的基本构成图。

其构成为：利用控制装置1输出的指令脉冲群2，控制脉冲激光振荡器用电源装置3(例如由三相整流电路4、逆变电路5与升压变压器6等构成)，结果，通过将功率供给以激光媒体(混合气体)充满的放电空间7，产生放电，利用放电而激励的激光媒体通过谐振器8(由电极9、部分反射镜10及全反射镜11构成)形成激光12输出。

具体说，当控制装置1输出指令脉冲群2时，与之对应，逆变电路5动作，将由三相整流电路4整流的直流功率变换为交流功率，由升压变压器6升压到放电所需的电压。

这里，对于工业应用所使用的气体激光加工机(例如二氧化碳激光加工机)使用的电源装置，它为激励激光媒体而发生放电所供给的交流功率一般是对电极的施加电压(以下称放电电压)为数kV，放电时流过的电流(以下称放电电流)峰值为十余A，放电时的交流频率(以下称放电频率)为约几百kHz以上，在脉冲激光振荡器的情况下，与控制装置1输出的指令脉冲群2相对应，如图10所示，供给放电空间的交流功率(交流分量的数目，等于逆变电路5的开关次数N)，进行激光输出。

这样，本说明书中将产生放电用的功率定义为放电功率。

然后，使这样输出的激光脉冲输出的一个个脉冲照射加工对象，实施加工。

以下详述输出指令脉冲群2的控制装置1。

对于印刷基板加工等微细加工用的脉冲激光加工机，设定如图11所示的控制脉冲激光振荡器的激光输出的重要控制参数即表示激光脉冲输出的峰值的峰值输出、表示激光脉冲输出的频率的重复脉冲频率、以及表示激光脉冲输出的脉宽的脉宽等。此外，根据所加工的加工物的材料和加工方法，求出以峰值输出×脉宽表示的每1激光输出脉冲的能量(以下称脉冲能量)的最佳值，并与此相应地分别决定上述控制参数的值。

又，这些控制参数是可适当设定的，根据设定的参数输出指令脉冲群2。

控制装置1中设计了加工机的系统，使其输出指令脉冲群2，以便利用这些控制参数得到加工所需的激光脉冲输出。

电源装置3中，为获得加工所需的激光脉冲能量，根据控制装置1设定的控制参数，利用输出的指令脉冲群2，为控制峰值输出而控制放电功率的峰值，控制重复脉冲频率，为控制脉宽而控制逆变电路5的开关次数(以下称开关次数)的增减。

这里，放电功率的峰值由于主要由对电极9施加的放电电压与电极间产生的放电引起流过的放电电流的峰值所决定，因此，为控制放电功率的峰值，采用控制放电电压、或通过由PWM控制来控制逆变电路5从而控制放电电流峰值的方法。

重复脉冲频率是每秒种照射的激光脉冲数，是每秒钟从控制装置输出的指令脉冲群的数目。

这里，重复脉冲频率相对于上述的放电频率(即逆变电路5的开关频率)来说非常小，例如放电频率按上述为几百kHz以上，与之不同的是，一般重复频率最大也只是几kHz程度。

脉宽与一个指令脉冲群相对应，由逆变电路输出的放电功率脉冲群的脉冲数所决定。例如相对于图10那样脉宽t的激光脉冲输出，要将脉宽延伸至2倍(2t)时，如图12那样使逆变电路的开关次数N变为2倍(2N)，则激光脉宽便为2倍(2t)。

图13示出脉冲激光振荡器输出的脉冲激光的峰值输出与及脉宽的关系。

用峰值输出×脉宽表示的面积表示脉冲能量。

由构成激光振荡器的谐振器部分的全反射镜与部分反射镜(图9)的耐光强度的规格决定脉冲能量的上限。

因此，例如在峰值输出p1、脉宽t1的脉冲能量(＝p1×t1)达到由反射镜的耐光强度的规格决定的能量上限的场合，当假设要从脉宽t1扩大到t2(t1＜t2)时，如将峰值输出p1保持原样不变，而从脉宽t1增大到t2时，则每一激光输出脉冲的能量(＝p1×t2)超过反射镜的耐光强度界限，有可能引起反射镜的烧坏，所以不能单纯地增大脉宽，在这样的情况下，必须将峰值输出从p1下降到p2(p1×t1≥p2×t2)。

这样，在使峰值输出改变时，一般是采用改变对电极施加的放电电压的方法，但当放电电压或放电电流大于电源装置的额定值时，对电源装置的负载就加大，反之，放电电压减小时，放电就不稳定(发生放电困难)，因此通常施加电压的变化幅度为额定电压的一成程度。

现在，用激光加工机进行微细加工的加工材料或加工种类也呈多样化，如聚烯亚胺系列树脂，激光照射时间较短(即脉宽小)能获得良好的加工质量，如含玻璃纤维的玻璃环氧材料，激光照射时间较长(即脉宽大)能获得良好的加工质量，因此希望有能大幅度地改变脉宽的脉冲激光加工机。

然而，以往的气体激光加工机用电源装置的控制方法中，由于施加电压的变化幅度小，故为了不超过反射镜的耐光强度界限而有效地发生放电，必须限制脉宽的变化，很难大幅度地改变脉宽(如从1μs以下变到几百μs)。

又，若使用耐光强度界限高的反射镜，从其成本-效益比来看，显然并非有效。

又，关于脉宽的控制，当设电源装置3中的逆变电路5的开关次数为N时，由图10、12可知，激光输出的脉宽t可用

t∝N

来表示，为增加脉宽，必须增加开关次数N。

但当增加开关次数N时，电源装置使用的半导体元件的开关损耗与其成正比地增加，结果产生电源装置发热增加的问题。

这时，必须增设电源装置的冷却机构或增加元件、电路的并联数等增加电源装置自身的容量，结果，装置本身的构成不得不大型化，对成本方面、机械的设置场所方面都造成不利。

发明内容

本发明是为解决有关的问题而提出的，在进行脉冲激光振荡的激光加工机中，提供能避免因开关次数增加而引起的电源装置发热、并能以低成本实现大幅度改变脉宽的激光加工装置及其控制方法。

本发明的激光加工装置，具备：根据控制激光脉冲输出用的控制参数设定、而输出指令脉冲群的控制装置；输入该指令脉冲群、并根据预先设定的设定值抽去该指令脉冲群的脉冲的抽去装置，根据该抽去装置输出的指令脉冲群、产生供给负载的脉冲功率的电源装置；以及利用该电源装置供给的脉冲功率发生的放电来激励充满放电空间的激光媒体、并输出激光的振荡器装置。

又，利用抽去装置有规则地抽去指令脉冲群，改变电源装置中的逆变电路的开关次数。

又，设定逆变电路的开关周期，比放电功率的上升下降时间常数及激光输出的下降时间常数更快。

又，具备切换装置，并设定由抽去装置从控制装置输出的指令脉冲群中进行抽去。

又，本发明的激光加工装置的控制方法，是根据控制激光脉冲输出用的控制参数设定，来输出指令脉冲群，根据该指令脉冲群，产生供给负载的脉冲功率，通过利用所述脉冲功率发生的放电，激励充满放电空间的激光媒体，而输出激光，其特征在于，通过有规则地抽去所述指令脉冲群，改变产生所述脉冲功率的电源装置中的逆变电路的开关次数。

根据本发明，能保持为了放电发生而足够的放电电压不变，大幅度地延长激光脉宽。

又，能避免因开关次数增加而引起电源装置的发热，并从低成本使脉宽大幅度改变。

又，通过根据加工条件进行切换，能比以往更扩大可加工范围。

附图说明

图1为基于本发明的实施例的脉冲激光振荡器的基本构成图。

图2为基于本发明的实施例的脉冲激光振荡器的、脉宽指令2t时的来自控制装置的指令脉冲群输出波形、与其对应的放电功率波形以及与其对应的激光脉冲输出波形图。

图3为基于本发明的实施例的、构成抽去装置的抽去电路的电路构成图。

图4为基于本发明的实施例的、构成具有切换抽去脉冲数功能时的抽去装置的抽去电路的电路构成图。

图5为基于电源装置的开关周期与放电功率的上升时间常数的关系的放电功率波形与激光脉冲输出波形图。

图6为基于电源装置的开关周期与放电功率的上升时间常数的关系的放电功率波形。

图7为基于电源装置的开关周期与放电功率的上升时间常数的关系的放电功率波形与激光脉冲输出波形图。

图8为基于本发明实施例的控制装置设定画面与其结果输出的指令脉冲群。

图9为以往的脉冲激光振荡器的基本构成图。

图10为以往的、脉冲指令t时的来自控制装置的指令脉冲群输出波形、与其对应的放电功率波形以及与其对应的激光脉冲输出波形图。

图11为以往的控制装置的设定画面例、及其结果输出的峰值输出指令和指令脉冲群波形图。

图12为以往的、脉冲指令2t时的来自控制装置的指令脉冲群输出波形、与其对应的放电功率波形以及与其对应的激光脉冲输出波形图。

图13为脉冲激光振荡器中的脉宽与激光峰值输出的关系图。

具体实施方式

实施形态1

图1示出本发明实施形态的基本构成图。图中，1为根据峰值输出设定、重复脉冲频率设定、脉宽设定的控制参数而通过输出指令脉冲群2来控制激光振荡的控制装置，3为由三相整流电路4、逆变电路5及升压变压器6等构成的脉冲激光振荡器用电源装置，4为用晶闸管等将商用三相电源进行全波整流、变换成直流的三相整流电路，5为变换为发生得到激光输出所需的放电的高频交流的逆变电路，6为提升到可放电的电压的升压变压器，7为用激光媒体(混合气体)充满的放电空间，8为由电极9、部分反射镜10及全反射镜11构成的谐振器，12为输出的激光，13为构成根据脉宽指令从输出的指令脉冲群2中抽去规定量脉冲的抽去装置的抽去电路。

以下说明整体的大概动作。

根据控制装置1设定的脉宽指令而输出的指令脉冲群2输入到抽去电路13，由抽去电路实行抽去，将规定量脉冲送到电源装置3。

然后，根据被抽去的指令脉冲群，逆变电路5动作，将三相整流电路4整流后的直流功率变换为交流功率，利用升压变压器6升压成放电所必需的电压，从而控制了供给功率，结果通过将功率供给以激光媒体充满的放电空间7，产生放电，利用放电被激励的激光媒体通过谐振器8形成激光12并输出，输出的激光脉冲的一个个脉冲照射加工对象，进行加工。

以下，详细说明抽去电路13。

本实施形态中为解决以往的问题，不增加开关次数而大幅度地增大脉宽，如图2所示，隔一定间隔抽去一定数目的供给的脉冲功率的交流分量。

例如对于开关次数N、脉宽t的脉冲，当考虑脉宽增加到2倍时，通常因脉宽是2倍，开关次数N也为2倍(参照图10、图12)。

然而，通过对图12所示由控制装置1以开关次数2N输出的指令脉冲群2例如每隔1个脉冲抽去1个脉冲，可使逆变电路5的开关次数N原封不动，而脉宽为2倍。

该抽去电路13利用如图3的由触发器和计数电路构成的一般逻辑电路构成。

控制装置1输出的指令脉冲群2从抽去电路13的VIN输入，经抽去后的脉冲信号从VOUT输出。

对应于指令脉冲群2从抽去电路13输出的抽去脉冲，被输入到逆变电路5，这样，由逆变电路5发生的从电源装置供给的脉冲功率的交流分量也以抽去的状态输出。

又，虽然举出每隔1个抽去1个脉冲的抽去电路的例子，但如后所述，由于放电电流峰值和峰值输出随抽去脉冲的间隔而变，故考虑构成激光振荡器的谐振器反射镜允许的脉冲能量等，来决定每隔几个脉冲抽去脉冲。

以下，图4示出具备对应于所使用的脉宽来切换抽去数功能的电路例。

图4中是这样构成的，它根据使用的脉宽设置2种模式(如设定不抽去时的短模式及每2个脉冲抽去1个脉冲时的长模式)，根据脉宽的设定，控制装置1自动识别哪种模式，控制装置1输出模式选择信号，从而切换脉冲的抽去数，从VOUT输出脉冲信号。

这里，所谓模式选择信号是根据控制装置1设定的脉宽的值，从控制装置1输出到抽去电路13中的多路选择选择器14的逻辑信号(H或L)，例如，对控制装置1的脉宽设定为1～20μs的场合定为短模式(不进行抽去)，模式选择信号从控制装置1向抽去电路13输出逻辑L，结果，多路选择器14选择输入信号(＝指令脉冲群2)，从抽去电路13输出到逆变电路5。

与之不同的是，脉宽设定为20～40μs的场合定为长模式(每2个脉冲抽去1个脉冲)，模式选择信号从控制装置1向抽去电路13输出逻辑H，结果，多路选择器14选择抽去后的结果的指令脉冲群，从抽去电路13输出到逆变电路5。

这样一来，通过将抽去后的状态的脉冲功率供给振荡器部分，能不增加开关次数N，而大幅度扩大激光脉冲输出的脉宽。

因此，也不必增加电源装置3的容量，而且可防止因电源装置中所用的半导体元件的开关损耗而引起的电源装置发热的增加，使装置自身结构小型化，对成本方面、机械设置的场所方面都有利。

但是，利用如此脉冲抽去来实施脉宽控制的场合，电源装置3的开关周期必须设定得比放电功率的上升、下降的时间常数以及激光输出的下降时间常数更快。

这里，所谓放电功率的上升时间常数是指放电功率达到所要峰值所需的上升时间，所谓放电功率的下降时间常数是指放电功率从峰值到功率为0所需的下降时间。而所谓激光输出的下降时间常数是指从峰值到激光输出为0所需的下降时间。

电源装置的开关周期必须设定得比放电功率的上升、下降时间常数更快的理由如下。

例如如图5所示，假设利用电源装置的开关而使放电功率达到完全上升需要4次开关时，通过第1次开关上升的放电功率P0(t＝t1)比放电功率的峰值P来得小(P0(t＝t1)＜P)，由于抽去了第2次开关，由第3次开关上升的放电功率比未抽去时的放电功率的峰值P0(t＝t3)来得小，达到P1(t＝t3)(P1(t＝t3)＜P0(t＝t3))。

这种关系不限于第3次开关时(t＝t3)的放电电流峰值，对放电中的全部情况都成立(P1(t)＜P0(t)，t＝t1除外)。

同样，当考虑第1次开关后轴取第2次、第3次的2个脉冲，保留第4次，再抽去第5次、第6次那样，抽去全部的2/3脉冲时(参照图6a)，由第7次开关上升的放电功率峰值P2(t＝t7)比每隔1个抽去1个脉冲时的放电功率P1(t＝t7)来得小(P2(t＝t7)＜P1(t＝t7))，并对放电中的全部情况，P2(t)＜P1(t)(t＝t1除外)都成立。

以下，对连续抽去3个以上脉冲时也适用同样的考虑方法。

但是，放电功率峰值的最小值是由第1次开关得到的放电功率峰值P0(t＝t1)，成为Pn(t)＝P0(t＝t1)的抽去脉冲数n是抽去脉冲数的临界值。

又，对在2次开关后抽去一个脉冲的场合(参照图6b)也适用与上述相同的考虑方法。

通过2次通常的开关后抽去第3次开关，再由第4、第5次开关而上升的放电功率峰值P3(t＝t4)、P3(t＝t5)，比不抽去时的原来的放电功率峰值P0(t＝t4)、P0(t＝t)来得小，但由连续2次开关而产生的放电功率峰值比每隔1个抽去1个脉冲情况的放电功率峰值P1(t＝t5)来得大。

同样，对在3次以上的开关后抽去一个脉冲的场合，也适用同样的考虑方法。

即，一般情况下脉冲的间隔(＝抽去脉冲数)越大，放电功率峰值越小，反之，连续的脉冲越多，放电功率越大。但是，任何一种抽去方法，其放电功率峰值比不作抽去场合的放电功率峰值P0(t)来得小，能获得抑制放电功率峰值的效果。

由于激光脉冲输出与放电功率大致成正比，故通过抽去放电功率的交流分量，就意味着控制激光脉冲输出能量的峰值，这对上述的问题，即通过扩大激光脉宽来增大激光脉冲输出能量，而超过谐振器反射镜的耐光强度界限的问题，是非常有效的。

又，通过设定电源装置的开关周期比激光脉冲输出的下降时间常数来得快，如图7所示，由于在激光脉冲输出下降完之前就实施下一次开关，故激光脉冲输出不在中途跌落，而作为连续的一个脉冲输出。

这样一来，得到扩大激光脉冲输出的脉宽的效果。

举例说，如放电功率的上升、下降时间常数为2μs程度，激光输出的下降时间常数为5μs程度，那末只要设定开关频率为2MHz以上(开关周期为0.5μs以下)就可。

又，对于脉宽的设定数值大时、对应于脉宽的指令抽去指令脉冲群的方法，所示的是用抽去电路13形成的硬件来抽去脉冲的电路，但也可以在控制装置内对输入的脉冲进行规定数的抽去处理(即用软件处理)，然后将实施抽去的结果输出，作为指令脉冲群，并不特别将方法限定于本发明所示的方法。

又，对于抽去脉冲数和比例，由于根据所要的脉宽和激光脉冲输出能量的大小、或电源装置的开关次数的界限(即电源装置发热量的界限)来决定，因此并不一样，不限于所举的例子。

图8示出为控制实际的激光输出而设定的控制参数的设定画面例子。

图8中，为了根据设定的脉宽改变抽去指令脉冲的设定，设置设定抽去数的脉宽模式的项目，按照设定的脉宽设定不进行抽去的短模式或进行抽去的长模式。

与此对应，前述的模式选择信号从控制装置输出到抽去电路，选择对指令脉冲群进行抽去或不进行抽去。

又，这些模式的切换如前所述，是根据设定的脉宽，由控制装置1自动切换，因此不一定必须作为设定项目来接受。

本构成的情况下，由于根据控制装置输出的指令脉冲群有无抽去，自动地增减供给功率的峰值输出，因此峰值输出的设定也可以为一定值，峰值输出的设定项目不一定有必要。

但根据放电电压增减对激光脉冲输出能量进行微调时，不在此限。

根据本实施形态，则由于根据控制装置输出的指令脉冲群，以一定数目一定间隔地抽去电源装置供给的脉冲功率的交流分量，故能够不增加开关次数，而大幅度地加长可使用的激光输出的脉宽。

又，由于可同时控制激光脉冲输出的峰值输出与脉宽，所以能收到比以往更容易控制脉冲激光振荡器的效果。

又，由于附加根据控制装置输出的指令脉冲群切换抽去电源装置供给的脉冲功率交流分量的数目的功能，所以收到能用与以往相同的电源容量而比以往更扩大脉冲激光振荡器的使用范围的效果。

又，由于具备能根据加工条件切换下列的使用场合的装置，即以1μs到几十μs使用的场合，与通过以一定数目一定间隔地抽去供给的脉冲功率的交流分量、而不增加开关次数但加长从几十μs至几百μs脉宽使用的场合，所以能比以往更扩大可加工范围。

工业上的实用性

如上所述，本发明的激光加工装置及其控制方法，特别适合应用于微细加工。

Claims (5)

1.一种激光加工装置，其特征在于，具备

根据控制激光脉冲输出用的控制参数设定、而输出指令脉冲群的控制装置；

输入该指令脉冲群、并根据预先设定的设定值抽去该指令脉冲群的脉冲的抽去装置；

根据该抽去装置输出的指令脉冲群、产生供给负载的脉冲功率的电源装置；以及

利用该电源装置供给的脉冲功率发生的放电来激励充满放电空间的激光媒体、并输出激光的振荡器装置。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，利用抽去装置有规则地抽取指令脉冲群，改变电源装置中的逆变电路的开关次数。

3.如权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，设定逆变电路的开关周期，比放电功率的上升下降时间常数及激光输出的下降时间常数更快。

4.如权利要求1至3中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，具备切换装置，设定由抽去装置从控制装置输出的指令脉冲群中进行抽去。

5.一种激光加工装置的控制方法，是根据控制激光脉冲输出用的控制参数设定，来输出指令脉冲群，根据该指令脉冲群，产生供给负载的脉冲功率，通过利用所述脉冲功率发生的放电，激励充满放电空间的激光媒体，而输出激光，其特征在于，

通过有规则地抽去所述指令脉冲群，改变产生所述脉冲功率的电源装置中的逆变电路的开关次数。

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