JP2015223591A - Laser processor and laser oscillation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パルスレーザビームでレーザ加工を行うレーザ加工装置、及びレーザ発振方法に関する。 The present invention relates to a laser processing apparatus that performs laser processing with a pulse laser beam, and a laser oscillation method.
炭酸ガスレーザの出力は、環境温度の変動、レーザガスの劣化等の影響を受けて変動する。パルスレーザビームのパルスの繰り返し周波数及びパルス幅が一定であれば、炭酸ガスレーザの平均出力の測定結果と目標値との差分に基づいて、フィードバック制御を行うことが可能である。フィードバック制御を行うことにより、環境温度の変動、レーザガスの劣化等に起因する出力変動を抑制することができる。平均出力は、パルスエネルギを積分することにより求められる。 The output of the carbon dioxide laser fluctuates under the influence of environmental temperature fluctuations, laser gas deterioration, and the like. If the repetition frequency and the pulse width of the pulse of the pulse laser beam are constant, feedback control can be performed based on the difference between the measurement result of the average output of the carbon dioxide laser and the target value. By performing feedback control, it is possible to suppress output fluctuations caused by environmental temperature fluctuations, laser gas degradation, and the like. The average output is obtained by integrating the pulse energy.
必要に応じてパルスの繰り返し周波数やパルス幅を変化させてレーザ加工を行う場合がある。各レーザパルスのパルス幅内における平均出力を一定にし、パルスの繰り返し周波数やパルス幅を変化させると、単位時間あたりの平均出力も変化してしまう。このため、単位時間あたりの平均出力を用いてフィードバック制御を行うことは困難である。 Laser processing may be performed by changing the pulse repetition frequency and pulse width as necessary. When the average output within the pulse width of each laser pulse is made constant and the pulse repetition frequency and pulse width are changed, the average output per unit time also changes. For this reason, it is difficult to perform feedback control using the average output per unit time.
本発明の目的は、パルスの繰り返し周波数やパルス幅を変化させても、レーザパルスのパルス幅内における平均出力を目標値に近づけるフィードバック制御を行うことが可能なレーザ加工装置、及びレーザ発振方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a laser processing apparatus and a laser oscillation method capable of performing feedback control to bring an average output within the pulse width of a laser pulse closer to a target value even if the pulse repetition frequency and pulse width are changed. Is to provide.
本発明の一観点によると、
外部から与えられる制御値に応じたパルス幅内平均出力を持つパルスレーザビームを出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力された前記パルスレーザビームを検出すると、光強度に応じた検出値を出力する光検出器と、
前記光検出器から前記検出値が入力され、目標とするパルス幅内平均出力を指令する出力目標値及び前記検出値に基づいて、前記レーザ発振器に前記制御値を与えるレーザ制御装置と
を有し、
前記レーザ制御装置は、
前記検出値が入力されている期間の前記出力目標値に対する前記検出値の積分偏差が小さくなるように、前記レーザ発振器に前記制御値を与えるレーザ加工装置が提供される。
According to one aspect of the invention,
A laser oscillator that outputs a pulse laser beam having an average output within a pulse width according to a control value given from the outside;
When detecting the pulse laser beam output from the laser oscillator, a photodetector that outputs a detection value according to the light intensity;
A laser control device that receives the detection value from the photodetector and outputs a control value to the laser oscillator based on an output target value that instructs a target average output within a pulse width and the detection value; ,
The laser control device
There is provided a laser processing apparatus for providing the control value to the laser oscillator so that an integral deviation of the detection value with respect to the output target value during a period in which the detection value is input is small.
本発明の他の観点によると、
レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームを検出し、パルスレーザビームの光強度に応じた検出値を生成する工程と、
目標とするパルス幅内平均出力を指令する出力目標値に、前記パルスレーザビームのレーザパルスが出力されている期間に相当する窓関数を掛け合わせて比較用目標値を生成する工程と、
前記比較用目標値に対する前記検出値の積分偏差が小さくなるように、前記レーザ発振器の出力にフィードバックする工程と
を有するレーザ発振方法が提供される。
According to another aspect of the invention,
Detecting the pulse laser beam output from the laser oscillator and generating a detection value corresponding to the light intensity of the pulse laser beam;
Multiplying an output target value for commanding an average output within a pulse width to be a target by a window function corresponding to a period during which a laser pulse of the pulse laser beam is output; and generating a comparison target value;
And a step of feeding back to the output of the laser oscillator so that an integral deviation of the detected value with respect to the target value for comparison becomes small.
検出値が入力されている期間の出力目標値に対する検出値の積分偏差が小さくなるように、レーザ発振器に制御値を与えることにより、パルス幅内平均出力を出力目標値に近づけることができる。積分偏差の基準として、検出値が入力されている期間の出力目標値を用いているため、パルスの繰り返し周波数やパルス幅が変動しても、適正なフィードバック制御を行うことが可能である。 By giving a control value to the laser oscillator so that the integrated deviation of the detection value with respect to the output target value during the period in which the detection value is input becomes small, the average output within the pulse width can be brought close to the output target value. Since the output target value during the period in which the detection value is input is used as a reference for the integral deviation, it is possible to perform appropriate feedback control even if the pulse repetition frequency and pulse width vary.
図1に、実施例によるレーザ加工装置の光学系の概略図及び制御系のブロック図を示す。レーザ発振器10が、レーザ電源11及び放電電極12を含む。レーザ電源11が、直流電源13及び高周波電源14を含む。レーザ発振器10には、例えば炭酸ガスレーザが用いられる。レーザ制御装置15が、加工機制御装置35からの指令に基づき、直流電源13に制御値Cvを与え、高周波電源14に励振指令信号Ecを与える。
FIG. 1 shows a schematic diagram of an optical system and a block diagram of a control system of a laser processing apparatus according to an embodiment. The
直流電源13は、制御値Cvに基づいて、高周波電源14に与える電圧の制御を行う。高周波電源14は、励振指令信号Ecに基づいて、放電電極12に高周波電圧を印加する。具体的には、制御値Cvによって、パルスレーザビームのパルス幅内平均出力が制御される。ここで、「パルス幅内平均出力」は、レーザ出力を、レーザパルスが出力されている期間で平均した値を意味し、パルスエネルギをパルス幅で除した値に等しい。これに対し、「単位時間平均出力」は、レーザ出力を単位時間で平均した値を意味する。単位時間には、レーザパルスが出力されている期間と、出力されていない期間とが含まれるため、単位時間平均出力は、パルス幅内平均出力より小さい。
The
例えば、プリント基板等の穴あけ加工を行う場合、パルス幅内平均出力、パルス幅、パルスの繰り返し周波数等が、目標値に一致するように制御される。 For example, when drilling a printed circuit board or the like, the average output within the pulse width, the pulse width, the pulse repetition frequency, and the like are controlled to match the target value.
高周波電源14は、スイッチング素子14aを含み、直流電源13から供給される直流電流をスイッチングして交流に変換する。スイッチング素子14aは、レーザ制御装置15から入力される励振指令信号Ecによりオンオフ制御される。一例として、スイッチング素子14aとしてMOSトランジスタが用いられ、励振指令信号EcがMOSトランジスタのゲート電極に印加される。
The high frequency power supply 14 includes a switching element 14a, and switches a direct current supplied from the direct
レーザ発振器10のレーザ媒質ガスとして、例えば炭酸ガスと窒素ガスとの混合ガスが用いられる。レーザ電源11が放電電極12に高周波電圧Veを印加する。放電電極12に高周波電圧Veが印加されると、放電電極間で放電が生じ、レーザ発振器10からパルスレーザビームLpが出力される。
As the laser medium gas of the
レーザ発振器10から出力されたパルスレーザビームLpが、部分反射鏡21により透過ビームと反射ビームとに分岐される。反射ビームが光検出器20に入射する。光検出器20は、光を検出すると、レーザ制御装置15に、光強度に応じた検出値Dvを送出する。光検出器20は、例えば、炭酸ガスレーザの波長域に感度を持つ水銀カドミウムテルル(MCT)光導電素子を含む。
The pulsed laser beam Lp output from the
部分反射鏡21を直進した透過ビームは、スポット位置安定化光学系22を透過して非球面レンズ23に入射する。スポット位置安定化光学系22は、複数の凸レンズを含み、レーザ発振器10から出力されたパルスレーザビームLpの進行方向にぶれが生じても、非球面レンズ23が配置された位置におけるビームスポットの位置を安定化させる。非球面レンズ23は、パルスレーザビームLpのビームプロファイルを変化させる。例えば、ガウシアン形状のビームプロファイルを、トップフラット形状のビームプロファイルに変化させる。
The transmitted beam that has traveled straight through the partial reflecting
非球面レンズ23を透過したパルスレーザビームLpが、コリメートレンズ24によってコリメートされた後、マスク25に入射する。マスク25は、透過窓及び遮光部を含み、パルスレーザビームLpのビーム断面を整形する。マスク25の透過窓を透過したパルスレーザビームLpがフィールドレンズ26、及び折り返しミラー27を経由して、ビーム走査器28に入射する。ビーム走査器28は、加工機制御装置35からの指令により、レーザビームを二次元方向に走査する。ビーム走査器28として、例えばガルバノスキャナが用いられる。
The pulse laser beam Lp transmitted through the
ビーム走査器28で走査されたパルスレーザビームLpが、fθレンズ29で集光されて加工対象物31に入射する。加工対象物31はステージ30に保持されている。フィールドレンズ26及びfθレンズ29は、マスク25の透過窓を、加工対象物31の表面に結像させる。ステージ30は、加工機制御装置35からの指令により、加工対象物31を、その表面に平行な方向に移動させることができる。ビーム走査器28及びステージ30の少なくとも一方が、加工対象物31の表面においてパルスレーザビームLpの入射位置を移動させるための移動機構として機能する。
The pulsed laser beam Lp scanned by the
加工機制御装置35は、レーザ制御装置15に、パルス出力タイミング信号Pt及び出力目標値Tvを与える。レーザ制御装置15は、パルス出力タイミング信号Ptが入力されている期間、励振指令信号Ecをレーザ発振器10に与える。出力目標値Tvによって、パルスレーザビームのパルス幅内平均出力が指定される。
The processing
図2に、レーザ発振器10の断面図を示す。レーザチャンバ50の内部に、送風機40、一対の放電電極12、熱交換器46、及びレーザ媒質ガスが収容されている。一対の放電電極12の間に放電空間42が画定される。放電空間42で放電が生じることにより、
レーザ媒質ガスが励起される。図2では、放電電極12の長さ方向に直交する断面が示されている。放電電極12の各々は、導電部材43とセラミック部材44とを含む。セラミック部材44は、導電部材43と放電空間42とを隔離する。
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the
The laser medium gas is excited. In FIG. 2, a cross section orthogonal to the length direction of the
送風機40から、放電空間42及び熱交換器46を経由して送風機40に戻る循環経路がレーザチャンバ50内に形成されている。熱交換器46は放電によって高温になったレーザ媒質ガスを冷却する。
A circulation path from the
一対の端子51が、レーザチャンバ50の壁面に取り付けられている。放電電極12の導電部材43が、それぞれチャンバ内電流路52により端子51に接続されている。端子51は、チャンバ外電流路55により、レーザ電源11に接続されている。
A pair of
図3に、実施例によるレーザ加工装置内の各種信号の波形の一例を示す。加工機制御装置35(図1)からレーザ制御装置15(図1)に与えられる出力目標値Tvは、一定に維持されている。パルス出力タイミング信号Ptが立ち上がる時刻t1から、立ち下がる時刻t3までの期間、励振指令信号Ecがパルス的に出力される。励振指令信号Ecに同期して、高周波電圧Veが放電電極12(図1)に印加される。 FIG. 3 shows an example of waveforms of various signals in the laser processing apparatus according to the embodiment. The output target value Tv given from the processing machine control device 35 (FIG. 1) to the laser control device 15 (FIG. 1) is kept constant. The excitation command signal Ec is output in a pulse manner during a period from time t1 when the pulse output timing signal Pt rises to time t3 when it falls. A high frequency voltage Ve is applied to the discharge electrode 12 (FIG. 1) in synchronization with the excitation command signal Ec.
放電電極12に高周波電圧Veが印加されると、放電空間42(図2)で放電が生じ、放電電流Ieが流れる。高周波電圧Veの印加が停止されると、放電が徐々に弱まり、ある時間経過した時点で放電が消滅する。
When the high frequency voltage Ve is applied to the
放電が開始してから、ある遅延時間が経過した時刻t2において、パルスレーザビームLpのレーザパルスが立ち上がる。レーザパルスの波形は、図3に示した波形に限定されず、レーザ発振器の特性に依存する。図3においては、立ち上がり時点で大きなピークが現れ、その後、ほぼ平坦な部分が継続し、時刻t3以降、パルスの強度が減衰する例を示している。 The laser pulse of the pulse laser beam Lp rises at time t2 when a certain delay time has elapsed since the start of discharge. The waveform of the laser pulse is not limited to the waveform shown in FIG. 3, but depends on the characteristics of the laser oscillator. FIG. 3 shows an example in which a large peak appears at the rising point, and then a substantially flat portion continues, and the pulse intensity attenuates after time t3.
パルス出力タイミング信号Ptのパルス幅をT0で表し、パルスレーザビームLpのパルス幅をT1で表し、レーザパルスの立ち上がり時刻t2から、パルス出力タイミング信号Ptの立ち下がり時刻t3までの期間(以下、「主期間」という。)をT2で表し、時刻t3から、レーザパルスが消滅するまでのテール部分の期間(以下、「テール期間」という。)をT3で表す。 The pulse width of the pulse output timing signal Pt is represented by T0, the pulse width of the pulse laser beam Lp is represented by T1, and the period from the rise time t2 of the laser pulse to the fall time t3 of the pulse output timing signal Pt (hereinafter, “ The main period is referred to as T2, and the period of the tail portion (hereinafter referred to as “tail period”) from the time t3 until the laser pulse disappears is expressed as T3.
1つのレーザパルスが立ち下がった後、パルス出力タイミング信号Ptのパルスに対応して、後続のレーザパルスが出力される。パルス出力タイミング信号Ptの複数のパルスのパルス幅は一定であるとは限らず、パルス間隔、すなわちパルスの繰り返し周波数も一定であるとは限らない。 After one laser pulse falls, a subsequent laser pulse is output corresponding to the pulse of the pulse output timing signal Pt. The pulse width of the plurality of pulses of the pulse output timing signal Pt is not always constant, and the pulse interval, that is, the pulse repetition frequency is not always constant.
図4に、レーザ制御装置15のブロック図を示す。光検出器20から出力された検出値Dvが、コンパレータ151の非反転入力端子に入力される。コンパレータ151の反転入力端子には、閾値Ttが入力されている。コンパレータ151は、閾値Ttを境にして検出値Dvを二値化し、窓関数Wfを生成する。閾値Ttは、ノイズレベル程度に設定されている。乗算器152が、検出値Dvに窓関数Wfを掛け合わせることにより、比較用検出値Dv1を生成する。
FIG. 4 shows a block diagram of the
乗算器154が、加工機制御装置35から出力された出力目標値Tvに窓関数Wfを掛け合わせることにより、比較用目標値Tv1を生成する。積分器153が、比較用検出値Dv1を積分して、積分検出値Dviを生成する。積分器155が、比較用目標値Tv1を積分して、積分目標値Tviを生成する。積分器153、155の積分時間は、例えば
1秒である。すなわち、積分器153、155は、入力値を1秒間に亘って積分し、1秒毎に、出力を新しい積分結果に更新する。
The
減算器156が、積分目標値Tviに対する積分検出値Dviの偏差Id(以下、積分偏差)という。)を生成する。積分偏差Idが増幅器157で増幅されて調節部158に入力される。調節部158は、積分偏差Idが小さくなるように、出力目標値Tvを補正して制御値Cvを出力する。制御値Cvはレーザ発振器10に与えられる。
The
図5に、レーザ発振器10へのフィードバック制御で用いられる種々の信号の波形の一例を示す。出力目標値Tvは一定値を維持する。時刻t1でパルス出力タイミング信号Ptが立ち上がり、時刻t3でパルス出力タイミング信号Ptが立ち下がる。
FIG. 5 shows examples of waveforms of various signals used in feedback control to the
パルス出力タイミング信号Ptの立ち上がり時刻t1から、ある遅延時間が経過した時刻t2において、パルスレーザビームが出力されることにより、検出値Dvが立ち上がる。検出値Dvは、パルス出力タイミング信号Ptの立ち下がり時刻t3から低下し始め、時刻t4で閾値Ttまで低下し、その後0まで低下する。閾値Ttがノイズレベル程度に設定されているため、時刻t4は、レーザパルスの強度が0になる時刻とほぼ一致すると考えてよい。 The detection value Dv rises by outputting a pulse laser beam at time t2 when a certain delay time has elapsed from the rise time t1 of the pulse output timing signal Pt. The detection value Dv starts to decrease from the falling time t3 of the pulse output timing signal Pt, decreases to the threshold value Tt at time t4, and then decreases to 0. Since the threshold value Tt is set to about the noise level, it may be considered that the time t4 substantially coincides with the time when the intensity of the laser pulse becomes zero.
窓関数Wfが開いている期間(値が1を示す期間)が、主期間T2とテール期間T3とに区分される。窓関数Wfが開いている期間と、パルス出力タイミング信号Ptが与えられている期間T0との重複部分が、主期間T2に相当する。窓関数Wfが開いている期間のうち、主期間T2以外の部分がテール期間T3に相当する。 A period in which the window function Wf is open (a period in which the value indicates 1) is divided into a main period T2 and a tail period T3. An overlapping portion between the period in which the window function Wf is open and the period T0 in which the pulse output timing signal Pt is given corresponds to the main period T2. Of the period in which the window function Wf is open, the part other than the main period T2 corresponds to the tail period T3.
検出値Dvが閾値Tt以上である期間、窓関数Wfが1になる。閾値Ttがノイズレベル程度に設定されているため、窓関数Wfの立ち上がり時刻は検出値Dvの立ち上がり時刻t2とほぼ一致する。時刻t2からt4までの期間の窓関数Wfの値が1であるため、時刻t2からt4までの期間の比較用検出値Dv1は、検出値Dvと同一の波形を示す。時刻t2からt4までの期間の比較用目標値Tv1は、出力目標値Tvに一致する。窓関数Wfの値が0の期間は、比較用目標値Tv1も0である。 The window function Wf becomes 1 during the period when the detection value Dv is equal to or greater than the threshold value Tt. Since the threshold value Tt is set to about the noise level, the rise time of the window function Wf substantially coincides with the rise time t2 of the detection value Dv. Since the value of the window function Wf in the period from time t2 to t4 is 1, the comparison detection value Dv1 in the period from time t2 to t4 shows the same waveform as the detection value Dv. The comparison target value Tv1 for the period from time t2 to t4 coincides with the output target value Tv. During the period when the value of the window function Wf is 0, the comparison target value Tv1 is also 0.
比較用検出値Dv1が出力されている期間、すなわち窓関数Wfの値が1になっている期間、積分器153の積分結果及び積分器155の積分結果が単調に増加する。積分器153の積分結果Dvi0を破線で示し、積分器155の積分結果Tvi0を破線で示している。積分器153の出力である積分検出値Dviは、直前のリセット時の値に維持されている。積分器153の積分結果の傾きは、比較用検出値Dv1の大きさに比例する。比較用目標値Tv1が一定であるため、積分結果の傾きも一定である。窓関数Wfの値が0の期間は、積分結果Dvi0、Tvi0は一定値に維持される。
During the period when the comparison detection value Dv1 is output, that is, the period when the value of the window function Wf is 1, the integration result of the
時刻t4以降も、加工機制御装置35からパルス出力タイミング信号Ptのパルスが断続的に出力される。パルス出力タイミング信号Ptの出力に応じて、検出値Dvが出力され、窓関数Wfの値が1になる。窓関数Wfの値が1になっている期間、比較用検出値Dv1及び比較用目標値Tv1に応じて、それぞれ積分器153、155の積分結果Dvi0及びTvi0が増加する。
After time t4, the pulse of the pulse output timing signal Pt is intermittently output from the processing
積分器153、155のリセット時刻t5において、積分検出値Dvi及び積分目標値Tviが、新しい積分結果に更新される。これに伴い、積分偏差Idも更新される。調節部158(図4)は、更新された積分偏差Idに応じて、積分偏差Idが小さくなる方向に、出力目標値Tvを修正して制御値Cvを出力する。
At the reset time t5 of the
例えば、パルス幅内平均出力が出力目標値Tvより小さい場合、積分検出値Dviが積分目標値Tviより小さくなり、積分偏差Idが正になる。このとき、調節部158は、制御値Cvを増加させる。制御値Cvが大きくなると、放電電極12(図1)に印加される高周波電圧Veが高くなる。その結果、レーザ発振器10(図1)から出力されるパルスレーザビームのパルス幅内平均出力が大きくなる。
For example, when the average output within the pulse width is smaller than the output target value Tv, the integral detection value Dvi becomes smaller than the integral target value Tvi, and the integral deviation Id becomes positive. At this time, the
逆に、パルス幅内平均出力が出力目標値Tvより大きい場合、積分検出値Dviが積分目標値Tviより大きくなり、積分偏差Idが負になる。このとき、調節部158は、制御値Cvを低下させる。制御値Cvが小さくなると、放電電極12(図1)に印加される高周波電圧Veが低くなる。その結果、レーザ発振器10(図1)から出力されるパルスレーザビームのパルス幅内平均出力が小さくなる。
On the contrary, when the average output within the pulse width is larger than the output target value Tv, the integral detection value Dvi becomes larger than the integral target value Tvi, and the integral deviation Id becomes negative. At this time, the
積分偏差Idが小さくなるように制御値Cvを調整する方法として、例えばP(比例)制御、PI制御、PID制御等を適用することができる。 As a method for adjusting the control value Cv so that the integral deviation Id becomes small, for example, P (proportional) control, PI control, PID control, or the like can be applied.
一般的に、パルスの繰り返し周波数は、kHzのオーダである。積分器153、155のリセット周期は、例えば1秒に設定される。これにより、1秒周期で、レーザ発振器10の出力をフィードバック制御することができる。周囲の温度環境、レーザ媒質ガスの劣化等の時定数は、積分器153、155のリセット周期(例えば1秒)に比べて十分長い。このため、環境変動に追随可能な十分短い周期で、フィードバック制御を行うことができる。
Generally, the pulse repetition frequency is on the order of kHz. The reset period of the
レーザ発振器10から出力されるパルスレーザビームLpのパルスの繰り返し周波数やパルス幅が変動すると、パルス幅内平均出力が一定であっても、積分検出値Dviが変動してしまう。このため、積分検出値Dviを、出力目標値Tvや、その積分値と比較しても、パルス幅内平均出力が許容範囲に収まっているか否かを判定することができない。
When the pulse repetition frequency and pulse width of the pulse laser beam Lp output from the
上記実施例では、出力目標値Tvを積分するのではなく、出力目標値Tvに窓関数Wfを掛け合わせた結果である比較用目標値Tv1を積分している。レーザパルスが出力されていない期間の出力目標値Tvが積分結果に加算されないため、比較用目標値Tv1の積分結果である積分目標値Tviを、比較用検出値Dv1の積分結果の目標値として利用することができる。 In the above embodiment, the output target value Tv is not integrated, but the comparison target value Tv1, which is the result of multiplying the output target value Tv by the window function Wf, is integrated. Since the output target value Tv during the period when the laser pulse is not output is not added to the integration result, the integration target value Tvi that is the integration result of the comparison target value Tv1 is used as the target value of the integration result of the comparison detection value Dv1. can do.
積分目標値Tviに基づいてフィードバック制御を行うことにより、パルスの繰り返し周波数及びパルス幅が変動しても、レーザ発振器10の出力変動を抑制するためのフィードバック制御を適正に行うことが可能である。
By performing feedback control based on the integration target value Tvi, it is possible to appropriately perform feedback control for suppressing output fluctuation of the
図4に示した実施例では、検出値Dvに窓関数Wfを掛け合わせた。これは、レーザパルスが出力されていない期間に、ノイズ成分が積分されてしまうことを防止するためである。光検出器20の出力のS/N比が十分高い場合には、検出値Dvを、窓関数Wfと掛け合わせることなく、積分器153に直接入力してもよい。
In the embodiment shown in FIG. 4, the detection value Dv is multiplied by the window function Wf. This is to prevent the noise component from being integrated during the period when the laser pulse is not output. When the S / N ratio of the output of the
図6Aに示すように、光検出器20から出力された検出値Dvを、半波整流回路159で整流することにより比較用検出値Dv1を生成してもよい。半波整流回路159として、例えばダイオードが用いられる。パルスレーザビームLpが出力されている期間は、検出値Dvが正であり、その他の期間における検出値Dvの大きさはノイズレベルである。検出値Dvを半波整流回路159で整流すると、検出値Dvが負の期間の比較用検出値Dv1が0になる。これにより、ノイズの影響を低減することができる。
As shown in FIG. 6A, the detection value Dv1 output from the
図6Bに示すように、半波整流回路159として、非反転型の理想化ダイオード回路を
用いてもよい。理想化ダイオード回路は、オペアンプ、ダイオード、及び抵抗素子により構成される。半波整流回路159にダイオードを用いた場合(図6A)には、積分器153(図6A)に入力される比較用検出値Dv1が、検出値Dvよりも、ダイオードの順方向電圧降下分だけ小さくなってしまう。半波整流回路159に非反転型の理想化ダイオード回路を用いると、順方向の電圧降下を実質的に0にすることができる。
As shown in FIG. 6B, a non-inverting idealized diode circuit may be used as the half-
図7に、上記実施例の変形例によるレーザ加工装置に用いられているレーザ制御装置15のブロック図を示す。図4に示した実施例では、積分器153、155(図4)でそれぞれ比較用検出値Dv1及び比較用目標値Tv1を積分した後、減算器156で積分偏差Idを求めた。図7に示した変形例では、減算器156で、比較用目標値Tv1に対する比較用検出値Dv1の偏差を求めた後、積分器160で偏差を積分することにより、積分偏差Idを求める。図7に示した変形例でも、図1〜図5に示した実施例と同様の効果が得られる。増幅器157に積分機能を持たせ、積分器160を省略してもよい。
FIG. 7 shows a block diagram of a
次に、図8及び図9を参照して、他の実施例について説明する。以下、図1〜図5に示した実施例との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。 Next, another embodiment will be described with reference to FIGS. Hereinafter, differences from the embodiment shown in FIGS. 1 to 5 will be described, and description of the same configuration will be omitted.
図8に示すように、出力目標値Tvが、乗算器154Aの一方の入力端子に入力されるとともに、K倍されて他の乗算器154Bの一方の入力端子に入力される。ここで、Kは、1未満である。乗算器154Aの他方の入力端子に、図3に示した主期間T2で値が1となり、その他の期間には値が0となる窓関数が入力される。乗算器154Bの他方の入力端子に、図3に示したテール期間T3で値が1となり、その他の期間で値が0となる窓関数が入力される。テール期間T3においては、レーザパルスが徐々に減衰する。
As shown in FIG. 8, the output target value Tv is input to one input terminal of the
乗算器154Aの出力値Tv2と、もう一方の乗算器154Bの出力値Tv3とが、加算器162で足し合わされて、積分器155に入力される。積分器155より後段の構成は、図4に示した構成と同一である。
The output value Tv2 of the
図9に、比較用検出値Dv1、図4に示した実施例における比較用目標値Tv1、図8に示した実施例における出力値Tv2、Tv3、及び加算器162の出力値Tv2+Tv3の波形を示す。図4に示した実施例においては、比較用目標値Tv1は、期間T1の間、一定の出力目標値Tvに維持されていた。図8に示した実施例においては、出力値Tv2は、主期間T2の間は、出力目標値Tvに維持される。出力値Tv3は、テール期間T3の間、出力目標値Tvに定数Kを掛け合わせた値になる。
9 shows waveforms of the comparison detection value Dv1, the comparison target value Tv1 in the embodiment shown in FIG. 4, the output values Tv2 and Tv3 in the embodiment shown in FIG. 8, and the output value Tv2 + Tv3 of the
加算器162の出力値Tv2+Tv3は、主期間T2の間は、出力目標値Tvに維持されるが、テール期間T3の間は、それよりも小さな値Tv×Kである。レーザパルスのテール部分において、比較用検出値Dv1が徐々に低下している波形が、出力目標値Tvよりも小さな値Tv×Kで近似されている。
The output value Tv2 + Tv3 of the
加算器162の出力値Tv2+Tv3の波形は、図4に示した実施例における比較用目標値Tv1の波形よりも、実際のレーザパルスの波形に近い。このため、図8に示した実施例の構成を採用することにより、図4に示した実施例に比べて、より高精度なフィードバックが可能になる。
The waveform of the output value Tv2 + Tv3 of the
図8に示した実施例では、乗算器154A、154Bの出力を加算器162で加算した後、積分器155で積分した。この構成に代えて、乗算器154A、154Bの出力を、それぞれ積分した後に、加算器で加算してもよい。この場合には、積分器155が省略され、乗算器154A、154Bの後段に、それぞれ積分器が挿入される。
In the embodiment shown in FIG. 8, the outputs of the
また、図8に示した実施例では、積分目標値Tviに対する積分検出値Dviの偏差を、減算器156で求めた。この構成に代えて、積分前の出力値Tv2+Tv3に対する比較用検出値Dv1の偏差を求め、この偏差を積分してもよい。この場合には、積分器153、155が省略され、減算器156の後段に1つの積分器が挿入される。減算器156の後段に積分器を挿入する代わりに、増幅器157に積分機能を持たせてもよい。
Further, in the embodiment shown in FIG. 8, the
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
10 レーザ発振器
11 レーザ電源
12 放電電極
13 直流電源
14 高周波電源
14a スイッチング素子
15 レーザ制御装置
20 光検出器
21 部分反射鏡
22 スポット位置安定化光学系
23 非球面レンズ
24 コリメートレンズ
25 マスク
26 フィールドレンズ
27 折り返しミラー
28 ビーム走査器
29 fθレンズ
30 ステージ
31 加工対象物
35 加工機制御装置
40 送風機
42 放電空間
43 導電部材
44 セラミック部材
46 熱交換器
50 チャンバ
51 端子
52 チャンバ内電流路
55 チャンバ外電流路
151 コンパレータ
152 乗算器
153 積分器
154、154A、154B 乗算器
155 積分器
156 減算器
157 増幅器
158 調節部
159 半波整流回路
160 積分器
162 加算器
Cv 制御値
Dv 検出値
Dv1 比較用検出値
Dvi 積分検出値
Dvi0 積分結果
Ec 励振指令信号
Id 積分偏差
Ie 放電電流
Lp パルスレーザビーム
Pt パルス出力タイミング信号
Tt 閾値
Tv 出力目標値
Tv1 比較用目標値
Tv2、Tv3 出力値
Tvi 積分目標値
Tvi0 積分結果
Ve 高周波電圧
Wf 窓関数
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記レーザ発振器から出力された前記パルスレーザビームを検出すると、光強度に応じた検出値を出力する光検出器と、
前記光検出器から前記検出値が入力され、目標とするパルス幅内平均出力を指令する出力目標値及び前記検出値に基づいて、前記レーザ発振器に前記制御値を与えるレーザ制御装置と
を有し、
前記レーザ制御装置は、
前記検出値が入力されている期間の前記出力目標値に対する前記検出値の積分偏差が小さくなるように、前記レーザ発振器に前記制御値を与えるレーザ加工装置。 A laser oscillator that outputs a pulse laser beam having an average output within a pulse width according to a control value given from the outside;
When detecting the pulse laser beam output from the laser oscillator, a photodetector that outputs a detection value according to the light intensity;
A laser control device that receives the detection value from the photodetector and outputs a control value to the laser oscillator based on an output target value that instructs a target average output within a pulse width and the detection value; ,
The laser control device
A laser processing apparatus that gives the control value to the laser oscillator so that an integral deviation of the detected value with respect to the output target value during a period in which the detected value is input becomes small.
前記検出値を、閾値を用いて二値化することにより窓関数を生成し、
前記出力目標値に、前記窓関数を掛け合わせて比較用目標値を生成し、
前記比較用目標値を用いて前記積分偏差を求める請求項1に記載のレーザ加工装置。 The laser control device
A window function is generated by binarizing the detected value using a threshold value,
A target value for comparison is generated by multiplying the output target value by the window function,
The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the integration deviation is obtained using the comparison target value.
前記比較用検出値を用いて前記積分偏差を求める請求項2に記載のレーザ加工装置。 The laser control device generates a comparison detection value by multiplying the detection value by the window function,
The laser processing apparatus according to claim 2, wherein the integral deviation is obtained using the comparison detection value.
放電電極と、
前記放電電極に、前記制御値に応じた大きさの高周波電圧を印加するレーザ電源と
を含み、
前記レーザ制御装置は、前記レーザ発振器に励振指令信号を与え、
前記レーザ電源は、前記励振指令信号が与えられている期間、前記放電電極に前記高周波電圧を印加する請求項2乃至4のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。 The laser oscillator is
A discharge electrode;
A laser power source that applies a high-frequency voltage having a magnitude corresponding to the control value to the discharge electrode;
The laser control device gives an excitation command signal to the laser oscillator;
5. The laser processing apparatus according to claim 2, wherein the laser power source applies the high-frequency voltage to the discharge electrode during a period in which the excitation command signal is given.
前記窓関数が開いている期間を、前記励振指令信号が与えられている期間と重複する主期間と、その他のテール期間とに区分し、前記テール期間の前記比較用目標値を、前記主期間の前記比較用目標値より小さくする請求項5に記載のレーザ加工装置。 The laser control device
A period in which the window function is open is divided into a main period overlapping with a period in which the excitation command signal is given, and another tail period, and the target value for comparison in the tail period is set as the main period. The laser processing apparatus according to claim 5, wherein the laser processing apparatus is smaller than the comparison target value.
前記レーザ発振器から出力された前記パルスレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持するステージと、
前記ステージに保持された前記加工対象物の表面において、前記パルスレーザビームの入射位置を移動させるビーム走査器と、
前記ビーム走査器を制御するとともに、前記レーザ制御装置に前記出力目標値、及びパルス出力タイミング信号を与える加工機制御装置と
を有し、
前記レーザ制御装置は、前記パルス出力タイミング信号に基づいて前記励振指令信号を前記レーザ発振器に与える請求項5または6に記載のレーザ加工装置。 further,
A stage for holding a workpiece at a position where the pulse laser beam output from the laser oscillator is incident;
A beam scanner for moving the incident position of the pulsed laser beam on the surface of the workpiece held on the stage;
A processing machine control device that controls the beam scanner and gives the output target value and a pulse output timing signal to the laser control device,
The laser processing device according to claim 5, wherein the laser control device gives the excitation command signal to the laser oscillator based on the pulse output timing signal.
目標とするパルス幅内平均出力を指令する出力目標値に、前記パルスレーザビームのレーザパルスが出力されている期間に相当する窓関数を掛け合わせて比較用目標値を生成する工程と、
前記比較用目標値に対する前記検出値の積分偏差が小さくなるように、前記レーザ発振器の出力にフィードバックする工程と
を有するレーザ発振方法。 Detecting the pulse laser beam output from the laser oscillator and generating a detection value corresponding to the light intensity of the pulse laser beam;
Multiplying an output target value for commanding an average output within a pulse width to be a target by a window function corresponding to a period during which a laser pulse of the pulse laser beam is output; and generating a comparison target value;
Feeding back to the output of the laser oscillator so that an integral deviation of the detected value with respect to the comparison target value is small.
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