JP2016059932A - Laser processing apparatus and output method of pulse laser beam - Google Patents

Laser processing apparatus and output method of pulse laser beam Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser processing apparatus capable of changing pulse energy by adjusting laser power for each laser pulse.SOLUTION: A laser power source applies a high frequency voltage to a discharge electrode of a laser oscillator according to a duty cycle of an input excitation command signal. An excitation pattern command signal including duty cycle information is input to a laser control apparatus. The laser control apparatus gives the excitation command signal to the laser power source on the basis of the duty cycle information included in the excitation pattern command signal. A machine control apparatus gives a pulse output timing signal, which commands output timing of a pulse laser beam, and the excitation pattern command signal to the laser control apparatus. A stage holds a workpiece. An optical system guides the pulse laser beam output from the laser oscillator to the workpiece held on the stage.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、パルスレーザビームを加工対象物に入射させて加工を行なうレーザ加工装置、及びレーザ加工装置に適用されるパルスレーザビームの出力方法に関する。   The present invention relates to a laser processing apparatus that performs processing by causing a pulse laser beam to enter a processing object, and a pulse laser beam output method that is applied to the laser processing apparatus.

炭酸ガスレーザの放電電極に供給する高周波電圧を印加することにより、レーザ出力を制御する電源装置が、特許文献1〜3に開示されている。   Patent Documents 1 to 3 disclose power supply devices that control laser output by applying a high-frequency voltage supplied to a discharge electrode of a carbon dioxide laser.

特許文献1に開示された電源装置では、被加工物の加工条件に応じてパルス周波数変調された指令パルスに基づいて、インバータのオンオフ制御が行なわれる。インバータから、パルス周波数変調された電圧パルスが出力され、放電電極に印加される。これにより、加工品質の向上を図ることができる。   In the power supply device disclosed in Patent Document 1, on / off control of the inverter is performed based on a command pulse that has been pulse frequency modulated in accordance with the machining conditions of the workpiece. A voltage pulse whose pulse frequency is modulated is output from the inverter and applied to the discharge electrode. Thereby, improvement of processing quality can be aimed at.

特許文献2に開示された電源装置では、放電電流の検出値が設定値に一致するように、インバータの出力電圧のパルス幅が制御される。インバータの出力電流の立ち上がりがインバ−タの出力電圧の立ち上がりより遅れるように、放電電流の減少に応じてインバ−タのスイッチング周波数を増加させる。これにより、レーザ用電源の高効率化、及び低ノイズ化を図ることができる。   In the power supply device disclosed in Patent Document 2, the pulse width of the output voltage of the inverter is controlled so that the detected value of the discharge current matches the set value. The switching frequency of the inverter is increased according to the decrease of the discharge current so that the rise of the output current of the inverter is delayed from the rise of the output voltage of the inverter. Thereby, high efficiency and low noise of the laser power source can be achieved.

特許文献3に開示された電源装置では、ガス放電レーザのRF電源の出力を制御するためにパルス幅変調が採用される。RF電源に与えられるデジタルパルス列内のデジタルパルスの持続時間を漸増的に変動させることにより、デジタルパルス列の平均パワーを選択的に変化させる。   In the power supply device disclosed in Patent Document 3, pulse width modulation is employed to control the output of the RF power supply of the gas discharge laser. The average power of the digital pulse train is selectively changed by incrementally varying the duration of the digital pulses in the digital pulse train applied to the RF power supply.

特開2013−089788号公報JP 2013-089788 A 特許第03496369号公報Japanese Patent No. 0436369 特表2013−507790号公報Special table 2013-507790 gazette

レーザ加工品質を高めるために、パルスレーザビームのパルスエネルギを制御することが求められる。パルスエネルギは、レーザパワーの瞬間値を、立ち上がり時点から立ち下がり時点まで時間積分することにより求まる。パルスエネルギを大きくしたい場合、パルス幅を長くする方法と、レーザパワーを大きくする方法が考えられる。レーザ光源に炭酸ガスレーザを用いる場合、従来は、レーザパルスのパルス幅を変化させることにより、パルスエネルギを変化させていた。これは、レーザパルスごとにレーザパワーを変化させることが困難であり、パルス幅を変化させることが容易であったためである。   In order to improve the laser processing quality, it is required to control the pulse energy of the pulse laser beam. The pulse energy is obtained by time-integrating the instantaneous value of the laser power from the rising point to the falling point. In order to increase the pulse energy, a method of increasing the pulse width and a method of increasing the laser power can be considered. When a carbon dioxide laser is used as the laser light source, conventionally, the pulse energy is changed by changing the pulse width of the laser pulse. This is because it was difficult to change the laser power for each laser pulse, and it was easy to change the pulse width.

ところが、パルスエネルギが同一であっても、パルス幅及びレーザパワーが異なれば、加工品質も異なることが判明した。パルス幅の調整によってパルスエネルギを変化させる方法のみでは、高品質の加工を行なうためには不十分であり、レーザパワーを調整してパルスエネルギを変化させる技術が望まれる。   However, it has been found that even if the pulse energy is the same, the processing quality is different if the pulse width and laser power are different. Only the method of changing the pulse energy by adjusting the pulse width is insufficient for high-quality processing, and a technique for adjusting the laser power and changing the pulse energy is desired.

本発明の目的は、レーザパルスごとに、レーザパワーを調整して、パルスエネルギを変化させることが可能なレーザ加工装置を提供することである。本発明の他の目的は、レー
ザ加工装置に適用されるパルスレーザビームの出力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 capable of changing pulse energy by adjusting laser power for each laser pulse. Another object of the present invention is to provide a pulse laser beam output method applied to a laser processing apparatus.

本発明の一観点によると、
一対の放電電極を含み、パルスレーザビームを出力するレーザ発振器と、
入力される励振指令信号のデューティサイクルに応じて、高周波電圧を前記放電電極に印加するレーザ電源と、
デューティサイクル情報を含む励振パターン指令信号、及びパルスレーザビームの出力タイミングを指令するパルス出力タイミング信号が入力されると、前記励振パターン指令信号に含まれる前記デューティサイクル情報に基づいて、前記レーザ電源に前記励振指令信号を与えるレーザ制御装置と、
前記パルス出力タイミング信号、及び前記励振パターン指令信号を前記レーザ制御装置に与える加工機制御装置と
加工対象物を保持するステージと、
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、前記ステージに保持された加工対象物に導光する光学系と
を有するレーザ加工装置が提供される。
According to one aspect of the invention,
A laser oscillator including a pair of discharge electrodes and outputting a pulsed laser beam;
A laser power source for applying a high-frequency voltage to the discharge electrode according to a duty cycle of an input excitation command signal;
When an excitation pattern command signal including duty cycle information and a pulse output timing signal for commanding the output timing of a pulsed laser beam are input, the laser power supply is supplied to the laser power source based on the duty cycle information included in the excitation pattern command signal. A laser control device for providing the excitation command signal;
A processing machine control device for supplying the pulse output timing signal and the excitation pattern command signal to the laser control device, and a stage for holding a workpiece;
There is provided a laser processing apparatus having an optical system for guiding the pulsed laser beam output from the laser oscillator to an object to be processed held on the stage.

本発明の他の観点によると、
一対の放電電極を含み、パルスレーザビームを出力するレーザ発振器と、
入力される励振指令信号のデューティサイクルに応じて、高周波電圧を前記放電電極に印加するレーザ電源と、
デューティサイクル情報が入力されると、入力された前記デューティサイクル情報に基づいて、前記レーザ電源に前記励振指令信号を与える制御装置と、
前記制御装置に前記デューティサイクル情報を入力する入力装置と、
加工対象物を保持するステージと、
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、前記ステージに保持された加工対象物に導光する光学系と
を有するレーザ加工装置が提供される。
According to another aspect of the invention,
A laser oscillator including a pair of discharge electrodes and outputting a pulsed laser beam;
A laser power source for applying a high-frequency voltage to the discharge electrode according to a duty cycle of an input excitation command signal;
When duty cycle information is input, a control device that provides the excitation command signal to the laser power source based on the input duty cycle information;
An input device for inputting the duty cycle information to the control device;
A stage for holding the workpiece,
There is provided a laser processing apparatus having an optical system for guiding the pulsed laser beam output from the laser oscillator to an object to be processed held on the stage.

本発明のさらに他の観点によると、
ガスレーザ発振器の放電電極に、Hブリッジ回路を通してパルス的に高周波電圧を印加することにより、プラズマを励起させてパルスレーザビームを出力する方法であって、
前記Hブリッジ回路の導通時間のデューティサイクルを、レーザパルスごとに変化させることにより、前記レーザパルスのパルス幅内平均パワーを変化させるパルスレーザビームの出力方法が提供される。
According to yet another aspect of the invention,
A method of exciting a plasma and outputting a pulsed laser beam by applying a high frequency voltage in a pulsed manner to a discharge electrode of a gas laser oscillator through an H bridge circuit,
By changing the duty cycle of the conduction time of the H-bridge circuit for each laser pulse, there is provided a pulse laser beam output method for changing the average power within the pulse width of the laser pulse.

励振指令信号のデューティサイクルに応じて高周波電圧を放電電極に印加することにより、パルスレーザビームのパルス幅内平均パワーを変化させることができる。レーザパルスごとに励振指令信号のデューティサイクルを変化させることにより、レーザパルスごとにパルス幅内平均パワーを変化させることができる。   By applying a high frequency voltage to the discharge electrode according to the duty cycle of the excitation command signal, the average power within the pulse width of the pulse laser beam can be changed. By changing the duty cycle of the excitation command signal for each laser pulse, the average power within the pulse width can be changed for each laser pulse.

図1は、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である。FIG. 1 is a schematic diagram of an optical system and a block diagram of a control system of a laser processing apparatus according to an embodiment. 図2は、レーザ発振器の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the laser oscillator. 図3は、高周波電源の等価回路図である。FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the high-frequency power source. 図4は、励振パターン指令信号、パルス出力タイミング信号、励振指令信号、高周波電圧、放電電流、パルスレーザビームのタイミングチャートである。FIG. 4 is a timing chart of an excitation pattern command signal, a pulse output timing signal, an excitation command signal, a high frequency voltage, a discharge current, and a pulse laser beam. 図5Aは、励振パターン指令信号、励振指令信号、及びパルスレーザビームの波形の一例を示すグラフであり、図5Bは、励振パターン指令信号、励振指令信号、及びパルスレーザビームの波形の他の例を示すグラフである。FIG. 5A is a graph showing an example of the waveform of the excitation pattern command signal, the excitation command signal, and the pulse laser beam, and FIG. 5B is another example of the waveform of the excitation pattern command signal, the excitation command signal, and the pulse laser beam. It is a graph which shows. 図6は、スイッチング周波数と、パルスレーザビームのパルス幅内平均パワーとの関係の一例を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing an example of the relationship between the switching frequency and the average power within the pulse width of the pulse laser beam.

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。レーザ電源11が、レーザ発振器10の放電電極12にパルス的に高周波電圧Veを印加する。レーザ電源11は、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発振器が用いられる。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 laser power source 11 applies the high frequency voltage Ve to the discharge electrode 12 of the laser oscillator 10 in a pulse manner. The laser power source 11 includes a DC power source 13 and a high frequency power source 14. For example, a carbon dioxide laser oscillator is used as the laser oscillator 10. Based on a command from the processing machine control device 35, the laser control device 15 gives a control value Cv to the DC power supply 13 and gives an excitation command signal Ec to the high frequency power supply 14.

直流電源13は、制御値Cvに基づいて、高周波電源14に与える直流電圧の制御を行う。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Ve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、一般的に用いられる「パルスレーザの平均出力」は、レーザ出力を、レーザパルスが出力されていない時間も含めて単位時間で平均した値を意味する。パルスレーザの平均出力は、パルス幅内平均出力より小さい。   The DC power supply 13 controls the DC voltage applied to the high frequency power supply 14 based on the control value Cv. The high frequency power supply 14 applies a high frequency voltage Ve to the discharge electrode 12 based on the excitation command signal Ec. Specifically, the average output within the pulse width of the pulse laser beam is controlled by the control value Cv. Here, the “average output within the pulse width” means a value obtained by averaging the laser output during the period in which the laser pulse is output, and is equal to a value obtained by dividing the pulse energy by the pulse width. On the other hand, “average output of pulse laser” generally used means a value obtained by averaging the laser output over a unit time including the time when the laser pulse is not output. The average output of the pulse laser is smaller than the average output within the pulse width.

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、複数のスイッチング素子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。このスイッチング素子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。高周波電源14の詳細な構成については、後に図3を参照して説明する。   The high frequency power supply 14 includes a plurality of switching elements 14a, and switches the direct current supplied from the direct current power supply 13 to convert it into alternating current. The switching element 14 a is on / off controlled by an excitation command signal Ec input from the laser control device 15. The detailed configuration of the high frequency power supply 14 will be described later with reference to FIG.

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から放電電極12に高周波電圧Veが印加されると、放電電極間にプラズマが励起され、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 laser oscillator 10, for example, a mixed gas of carbon dioxide gas and nitrogen gas is used. When a high frequency voltage Ve is applied from the laser power source 11 to the discharge electrode 12, plasma is excited between the discharge electrodes, and a pulsed laser beam Lp is output from the laser oscillator 10.

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 laser oscillator 10 is branched into a transmitted beam and a reflected beam by the partial reflection mirror 21. The reflected beam enters the photodetector 20. When the light detector 20 detects light, it sends a detection value Dv corresponding to the light intensity to the laser control device 15. The photodetector 20 includes, for example, a mercury cadmium tellurium (MCT) photoconductive element having sensitivity in the wavelength region of a carbon dioxide laser.

部分反射鏡21を直進した透過ビームが、導光光学系を通って加工対象物31に入射する。導光光学系は、スポット位置安定化光学系22、非球面レンズ23、コリメートレンズ24、マスク25、フィールドレンズ26、折り返しミラー27、ビーム走査器28、及びfθレンズ29を含む。加工対象物31は、ステージ30に保持されている。   The transmitted beam that travels straight through the partial reflecting mirror 21 enters the workpiece 31 through the light guide optical system. The light guide optical system includes a spot position stabilizing optical system 22, an aspherical lens 23, a collimating lens 24, a mask 25, a field lens 26, a folding mirror 27, a beam scanner 28, and an fθ lens 29. The workpiece 31 is held on the stage 30.

スポット位置安定化光学系22を透過したパルスレーザビームLpが、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 pulsed laser beam Lp that has passed through the spot position stabilizing optical system 22 enters the aspherical lens 23. The spot position stabilizing optical system 22 includes a plurality of convex lenses, and the position of the beam spot at the position where the aspherical lens 23 is disposed even when the pulse laser beam Lp output from the laser oscillator 10 is shaken in the traveling direction. To stabilize. The aspheric lens 23 changes the beam profile of the pulsed laser beam Lp. For example, a Gaussian beam profile is changed to a top flat beam profile.

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 aspheric lens 23 is collimated by the collimator lens 24 and then enters the mask 25. The mask 25 includes a transmission window and a light shielding part, and shapes the beam cross section of the pulse laser beam Lp. The pulse laser beam Lp transmitted through the transmission window of the mask 25 is incident on the beam scanner 28 via the field lens 26 and the folding mirror 27. The beam scanner 28 scans the laser beam in a two-dimensional direction according to a command from the processing machine control device 35. As the beam scanner 28, for example, a galvano scanner is used.

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。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 beam scanner 28 is condensed by the fθ lens 29 and enters the workpiece 31. The field lens 26 and the fθ lens 29 image the transmission window of the mask 25 on the surface of the workpiece 31. The stage 30 can move the workpiece 31 in a direction parallel to the surface thereof according to a command from the processing machine control device 35. At least one of the beam scanner 28 and the stage 30 functions as a moving mechanism for moving the incident position of the pulse laser beam Lp on the surface of the workpiece 31.

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及び励振パターン指令信号Ep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。励振パターン指令信号Epによって、励振指令信号Ecのデューティサイクル及びパルスの繰り返し周波数が指定される。励振指令信号Ecのパルスの繰り返し周波数は、高周波電源14のスイッチング周波数に一致する。   The processing machine control device 35 gives the pulse output timing signal Pt and the excitation pattern command signal Ep to the laser control device 15. The laser control device 15 gives the excitation command signal Ec to the laser oscillator 10 during the period when the pulse output timing signal Pt is input. The duty cycle of the excitation command signal Ec and the pulse repetition frequency are specified by the excitation pattern command signal Ep. The repetition frequency of the pulses of the excitation command signal Ec matches the switching frequency of the high frequency power supply 14.

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 laser oscillator 10. A blower 40, a pair of discharge electrodes 12, a heat exchanger 46, and a laser medium gas are accommodated in the laser chamber 50. A discharge space 42 is defined between the pair of discharge electrodes 12. The discharge of the discharge space 42 excites the laser medium gas. In FIG. 2, a cross section orthogonal to the length direction of the discharge electrode 12 is shown. Each of the discharge electrodes 12 includes a conductive member 43 and a ceramic member 44. The ceramic member 44 isolates the conductive member 43 and the discharge space 42.

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 blower 40 to the blower 40 via the discharge space 42 and the heat exchanger 46 is formed in the laser chamber 50. The heat exchanger 46 cools the laser medium gas that has become hot due to the discharge.

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 terminals 51 are attached to the wall surface of the laser chamber 50. The conductive member 43 of the discharge electrode 12 is connected to the terminal 51 by an in-chamber current path 52, respectively. The terminal 51 is connected to the laser power source 11 by an out-chamber current path 55.

図3に、高周波電源14の等価回路図を示す。高周波電源14は、2本のブリッジアーム14A、14Bを有するHブリッジ回路を含む。ブリッジアーム14A、14Bの各々は、相互に直列に接続された2つのスイッチング素子14aを含む。放電電極12が、変圧器14Cを介して、2本のブリッジアーム14A、14Bの中間点に接続されている。直流電源13がHブリッジ回路に直流電圧を印加する。レーザ制御装置15からの励振指令信号Ecによって、スイッチング素子14aのオンオフ制御が行われる。   FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of the high-frequency power source 14. The high frequency power supply 14 includes an H bridge circuit having two bridge arms 14A and 14B. Each of the bridge arms 14A and 14B includes two switching elements 14a connected in series with each other. The discharge electrode 12 is connected to an intermediate point between the two bridge arms 14A and 14B via the transformer 14C. A DC power supply 13 applies a DC voltage to the H bridge circuit. On / off control of the switching element 14a is performed by the excitation command signal Ec from the laser control device 15.

全てのスイッチング素子14aがオフの状態から、一方のブリッジアーム14Aの高電位側のスイッチング素子14aと、他方のブリッジアーム14Bの低電位側のスイッチン
グ素子14aとをオン状態に切り替えた後、オフ状態に戻し、その後、一方のブリッジアーム14Aの低電位側のスイッチング素子14aと、他方のブリッジアーム14Bの高電位側のスイッチング素子14aとをオン状態に切り替えた後、オフ状態に戻す手順を繰り返すことにより、放電電極12に高周波電圧が印加される。
After all the switching elements 14a are turned off, the switching element 14a on the high potential side of one bridge arm 14A and the switching element 14a on the low potential side of the other bridge arm 14B are switched on and then turned off. Then, after switching the switching element 14a on the low potential side of one bridge arm 14A and the switching element 14a on the high potential side of the other bridge arm 14B to the ON state, the procedure of returning to the OFF state is repeated. Thus, a high frequency voltage is applied to the discharge electrode 12.

図4に、励振パターン指令信号Ep、パルス出力タイミング信号Pt、励振指令信号Ec、高周波電圧Ve、放電電流Ie、パルスレーザビームLpのタイミングチャートの一例を示す。励振パターン指令信号Epは、デューティサイクル情報及びスイッチング周波数情報を含む。一例として、励振パターン指令信号Epは、一般的なシリアル通信またはパラレル通信で、加工機制御装置35(図1)からレーザ制御装置15(図1)に伝達される。加工機制御装置35は、励振パターン指令信号Epを送信した後、パルス出力タイミング信号Ptを立ち上げる。1つのレーザパルス内で、デューティサイクルまたはスイッチング周波数を変化させたい場合には、励振パターン指令信号Epに、複数のデューティサイクル情報及びスイッチング周波数情報を含めるとともに、切替タイミングを指令する情報を含めればよい。   FIG. 4 shows an example of a timing chart of the excitation pattern command signal Ep, the pulse output timing signal Pt, the excitation command signal Ec, the high frequency voltage Ve, the discharge current Ie, and the pulse laser beam Lp. Excitation pattern command signal Ep includes duty cycle information and switching frequency information. As an example, the excitation pattern command signal Ep is transmitted from the processing machine control device 35 (FIG. 1) to the laser control device 15 (FIG. 1) by general serial communication or parallel communication. After transmitting the excitation pattern command signal Ep, the processing machine control device 35 raises the pulse output timing signal Pt. When it is desired to change the duty cycle or switching frequency within one laser pulse, the excitation pattern command signal Ep may include a plurality of duty cycle information and switching frequency information and information for instructing switching timing. .

パルス出力タイミング信号Ptは、その立ち上がり及び立ち下がりによって、励振指令信号Ecの出力の開始及び停止を指令する。時刻t1においてパルス出力タイミング信号Ptが立ち上がると、レーザ制御装置15は、高周波電源14への励振指令信号Ecの出力を開始する。時刻t3においてパルス出力タイミング信号Ptが立ち下がると、レーザ制御装置15は、高周波電源14への励振指令信号Ecの出力を停止する。   The pulse output timing signal Pt commands the start and stop of the output of the excitation command signal Ec by its rise and fall. When the pulse output timing signal Pt rises at time t1, the laser control device 15 starts outputting the excitation command signal Ec to the high frequency power source 14. When the pulse output timing signal Pt falls at time t <b> 3, the laser control device 15 stops outputting the excitation command signal Ec to the high frequency power supply 14.

図4において、励振指令信号Ecが状態Ec0の時、高周波電源14(図3)の全てのスイッチング素子14aがオフ状態であることを示す。励振指令信号Ecが状態Ec1の時、一方のブリッジアーム14Aの高電位側のスイッチング素子14a、及び他方のブリッジアーム14Bの低電位側のスイッチング素子14aがオン状態であることを示し、励振指令信号Ecが状態Ec2の時、一方のブリッジアーム14Aの低電位側のスイッチング素子14a、及び他方のブリッジアーム14Bの高電位側のスイッチング素子14aがオン状態であることを示す。   In FIG. 4, when the excitation command signal Ec is in the state Ec0, it indicates that all the switching elements 14a of the high-frequency power source 14 (FIG. 3) are in the OFF state. When the excitation command signal Ec is in the state Ec1, it indicates that the switching element 14a on the high potential side of one bridge arm 14A and the switching element 14a on the low potential side of the other bridge arm 14B are in the ON state. When Ec is in the state Ec2, it indicates that the switching element 14a on the low potential side of one bridge arm 14A and the switching element 14a on the high potential side of the other bridge arm 14B are in the ON state.

高周波電源14に励振指令信号Ecが与えられると、高周波電源14は、励振指令信号Ecのデューティサイクル及びスイッチング周波数に応じて、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12の間にプラズマが励起され、放電電流Ieが流れる。パルス出力タイミング信号Ptの立ち上がり時刻t1よりやや遅れて、時刻t2においてパルスレーザビームLpの出力が開始される。   When the excitation command signal Ec is given to the high frequency power supply 14, the high frequency power supply 14 applies the high frequency voltage Ve to the discharge electrode 12 in accordance with the duty cycle and switching frequency of the excitation command signal Ec. When the high-frequency voltage Ve is applied to the discharge electrode 12, plasma is excited between the discharge electrodes 12, and a discharge current Ie flows. Slightly behind the rising time t1 of the pulse output timing signal Pt, the output of the pulse laser beam Lp is started at time t2.

時刻t3において、励振指令信号Ecが停止すると、放電電極12への高周波電圧Veの印加も停止され、放電電流Ieが減少し始める。これにより、パルスレーザビームLpの出力パワーも低下し始める。   When the excitation command signal Ec stops at time t3, the application of the high frequency voltage Ve to the discharge electrode 12 is also stopped, and the discharge current Ie starts to decrease. As a result, the output power of the pulse laser beam Lp also starts to decrease.

次に、図5A及び図5Bを参照して、励振パターン指令信号Epのデューティサイクル情報、励振指令信号Ec、及びパルスレーザビームLpとの関係について説明する。   Next, the relationship among the duty cycle information of the excitation pattern command signal Ep, the excitation command signal Ec, and the pulsed laser beam Lp will be described with reference to FIGS. 5A and 5B.

図5Aに、励振指令信号Ec及びパルスレーザビームLpの波形の一例を示す。励振指令信号Ecの1周期内に、状態Ec1、Ec0、Ec2、Ec0がこの順番に出現する。状態Ec1及び状態Ec2の各々の時間T1、及び励振指令信号Ecの周期T2は、励振パターン指令信号Ep(図4)により指令される。高周波電源14のスイッチング周波数fsは、1/T2である。励振指令信号EcのデューティサイクルDcc、すなわち高周波電源14(図3)を構成するHブリッジ回路の導通時間のデューティサイクルは、2×
T1/T2で表される。
FIG. 5A shows an example of the waveforms of the excitation command signal Ec and the pulse laser beam Lp. States Ec1, Ec0, Ec2, and Ec0 appear in this order within one cycle of the excitation command signal Ec. The time T1 of each of the state Ec1 and the state Ec2 and the period T2 of the excitation command signal Ec are commanded by the excitation pattern command signal Ep (FIG. 4). The switching frequency fs of the high frequency power supply 14 is 1 / T2. The duty cycle Dcc of the excitation command signal Ec, that is, the duty cycle of the conduction time of the H bridge circuit constituting the high frequency power supply 14 (FIG. 3) is 2 ×
It is represented by T1 / T2.

励振指令信号EcのデューティサイクルDcc及びスイッチング周波数fsが、図5Aに示した条件のとき、パルスレーザビームLpのパルス幅内平均パワーはWa1である。パルス幅内平均パワーWa1にパルス幅を乗ずることにより、パルスエネルギが求まる。   When the duty cycle Dcc and the switching frequency fs of the excitation command signal Ec are the conditions shown in FIG. 5A, the average power within the pulse width of the pulse laser beam Lp is Wa1. The pulse energy is obtained by multiplying the pulse width average power Wa1 by the pulse width.

図5Bに、励振指令信号Ec及びパルスレーザビームLpの波形の他の例を示す。図5に示した励振指令信号Ecの状態Ec1及び状態Ec2の各々の時間T1が、図5Aに示した励振指令信号Ecの時間T1よりも短い。励振指令信号Ecの周期T2は、図5Aに示した励振指令信号Ecの周期T2と等しい。このため、図5Bに示した励振指令信号EcのデューティサイクルDccは、図5Aに示した励振指令信号EcのデューティサイクルDccより小さい。図5Bに示した励振指令信号Ecのスイッチング周波数fsは、図5Aに示した励振指令信号Ecのスイッチング周波数fsと等しい。励振指令信号EcのデューティサイクルDccが小さくなると、放電電極12(図3)に供給される高周波電力が減少し、パルスレーザビームLpのパルス幅内平均パワーが低下する。従って、励振指令信号EcのデューティサイクルDcc及びスイッチング周波数fsが図5Bに示した条件のときにおけるパルスレーザビームLpのパルス幅内平均パワーWa2は、図5Aに示したパルスレーザビームLpのパルス幅内平均パワーWa1より小さい。   FIG. 5B shows another example of the waveforms of the excitation command signal Ec and the pulse laser beam Lp. Each time T1 of the state Ec1 and state Ec2 of the excitation command signal Ec shown in FIG. 5 is shorter than the time T1 of the excitation command signal Ec shown in FIG. 5A. The cycle T2 of the excitation command signal Ec is equal to the cycle T2 of the excitation command signal Ec shown in FIG. 5A. For this reason, the duty cycle Dcc of the excitation command signal Ec shown in FIG. 5B is smaller than the duty cycle Dcc of the excitation command signal Ec shown in FIG. 5A. The switching frequency fs of the excitation command signal Ec shown in FIG. 5B is equal to the switching frequency fs of the excitation command signal Ec shown in FIG. 5A. When the duty cycle Dcc of the excitation command signal Ec decreases, the high frequency power supplied to the discharge electrode 12 (FIG. 3) decreases, and the average power within the pulse width of the pulse laser beam Lp decreases. Therefore, the average power Wa2 within the pulse width of the pulse laser beam Lp when the duty cycle Dcc of the excitation command signal Ec and the switching frequency fs are the conditions shown in FIG. 5B is within the pulse width of the pulse laser beam Lp shown in FIG. 5A. Less than average power Wa1.

図5A及び図5Bに示したように、励振パターン指令信号Epによってレーザ制御装置15に指令されるデューティサイクル情報を変化させることにより、パルスレーザビームLpのパルス幅内平均パワーを変化させることができる。   As shown in FIGS. 5A and 5B, the average power within the pulse width of the pulse laser beam Lp can be changed by changing the duty cycle information commanded to the laser controller 15 by the excitation pattern command signal Ep. .

直流電源13(図1)の出力電圧を変化させることによっても、放電電極12に供給される高周波電力を変化させ、パルスレーザビームLpのパルス幅内平均パワーを制御することができる。ところが、直流電源13の出力電圧は、平滑キャパシタ等によって平滑化されている。このため、パルスレーザビームのパルス間隔程度の短い時定数で、直流電源13の出力電圧を変化させることは困難である。   Also by changing the output voltage of the DC power supply 13 (FIG. 1), the high frequency power supplied to the discharge electrode 12 can be changed, and the average power within the pulse width of the pulse laser beam Lp can be controlled. However, the output voltage of the DC power supply 13 is smoothed by a smoothing capacitor or the like. For this reason, it is difficult to change the output voltage of the DC power supply 13 with a time constant as short as the pulse interval of the pulse laser beam.

上記実施例では、高周波電源14(図1)に印加される直流電圧は一定に維持したまま、励振指令信号EcのデューティサイクルDccを変化させることにより、パルスレーザビームのパルス幅内平均パワーを変化させている。励振指令信号EcのデューティサイクルDccは、パルス出力タイミング信号Ptの出力ごとに変化させることが可能である。このため、レーザパルスごとに、パルス幅内平均パワーを制御することが可能である。   In the above embodiment, the average power within the pulse width of the pulse laser beam is changed by changing the duty cycle Dcc of the excitation command signal Ec while keeping the DC voltage applied to the high frequency power supply 14 (FIG. 1) constant. I am letting. The duty cycle Dcc of the excitation command signal Ec can be changed every time the pulse output timing signal Pt is output. For this reason, it is possible to control the average power within the pulse width for each laser pulse.

図5A〜図5Bでは、励振指令信号Ecのスイッチング周波数fsを一定にし、デューティサイクルDccを変化させることにより、パルス幅内平均パワーを変化させた。反対に、デューティサイクルDccを一定にし、スイッチング周波数fsを変化させても、パルス幅内平均パワーを変化させることができる。   In FIGS. 5A to 5B, the switching frequency fs of the excitation command signal Ec is made constant and the duty cycle Dcc is changed to change the average power within the pulse width. On the other hand, even if the duty cycle Dcc is made constant and the switching frequency fs is changed, the average power within the pulse width can be changed.

励振指令信号Ecのスイッチング周波数fsは、図3に示した変圧器14C及び放電電極12を含む共振回路の共振周波数frの近傍に設定される。これにより、レーザ発振器10に高周波電力を効率的に供給することができる。スイッチング周波数fsが共振周波数frからずれると、レーザ発振器10に供給される高周波電力が低下する。   The switching frequency fs of the excitation command signal Ec is set in the vicinity of the resonance frequency fr of the resonance circuit including the transformer 14C and the discharge electrode 12 shown in FIG. Thereby, the high frequency power can be efficiently supplied to the laser oscillator 10. When the switching frequency fs deviates from the resonance frequency fr, the high frequency power supplied to the laser oscillator 10 decreases.

図6に、スイッチング周波数fsと、パルスレーザビームLpのパルス幅内平均パワーWaとの関係の一例を示す。スイッチング周波数fsが共振周波数frと等しいとき、レーザ発振器10に効率的に高周波電力が供給されるため、パルス幅内平均パワーWaが最大値を示す。スイッチング周波数fsが共振周波数frからずれると、レーザ発振器10に供給される高周波電力が減少し、パルス幅内平均パワーWaが低下する。従って、スイ
ッチング周波数fsを変化させることによっても、パルス幅内平均パワーWaを変化させることができる。
FIG. 6 shows an example of the relationship between the switching frequency fs and the average power Wa within the pulse width of the pulse laser beam Lp. When the switching frequency fs is equal to the resonance frequency fr, high-frequency power is efficiently supplied to the laser oscillator 10, so that the average power Wa within the pulse width shows the maximum value. When the switching frequency fs deviates from the resonance frequency fr, the high frequency power supplied to the laser oscillator 10 decreases, and the average power Wa within the pulse width decreases. Therefore, the average power Wa within the pulse width can also be changed by changing the switching frequency fs.

パルス幅内平均パワーWaを変化させるために、励振指令信号EcのデューティサイクルDcc及びスイッチング周波数fsの両方を変化させてもよい。励振指令信号EcのデューティサイクルDcc及びスイッチング周波数fsは、加工機制御装置35からレーザ制御装置15に送信される励振パターン指令信号Epによって指令される。   In order to change the average power Wa within the pulse width, both the duty cycle Dcc and the switching frequency fs of the excitation command signal Ec may be changed. The duty cycle Dcc and the switching frequency fs of the excitation command signal Ec are commanded by an excitation pattern command signal Ep transmitted from the processing machine control device 35 to the laser control device 15.

実施例によるレーザ加工装置を、プリント基板の穴あけ加工に用いる場合、レーザパルスごとにパルス幅内平均パワーを制御することにより、加工品質を高めることが可能になる。デューティサイクル情報及びスイッチング周波数情報は、入力装置36を通して加工機制御装置35に入力される。   When the laser processing apparatus according to the embodiment is used for drilling a printed circuit board, the processing quality can be improved by controlling the average power within the pulse width for each laser pulse. The duty cycle information and the switching frequency information are input to the processing machine control device 35 through the input device 36.

上記実施例では、レーザ発振器10(図1)として、炭酸ガスレーザ発振器を用いたが、他のガスレーザ発振を用いることも可能である。   In the above embodiment, the carbon dioxide laser oscillator is used as the laser oscillator 10 (FIG. 1), but other gas laser oscillations can also be used.

また、上記実施例では、レーザ制御装置15と加工機制御装置35とを、異なる装置で実現したが、レーザ制御装置15と加工機制御装置35とを一体化し、1つの装置として実現してもよい。この場合には、一体化された制御装置が、入力装置36を通して入力されたデューティサイクル情報に基づいて、レーザ電源11に励振指令信号Ecを与える。   In the above embodiment, the laser control device 15 and the processing machine control device 35 are realized by different devices. However, the laser control device 15 and the processing machine control device 35 may be integrated and realized as one device. Good. In this case, the integrated control device provides the excitation command signal Ec to the laser power source 11 based on the duty cycle information input through the input device 36.

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
14A、14B ブリッジアーム
14C 変圧器
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
36 入力装置
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 レーザチャンバ
51 端子
52 チャンバ内電流路
55 チャンバ外電流路
Cv 制御値
Dcc デューティサイクル
Dv 検出値
Ec 励振指令信号
Ep 励振パターン指令信号
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
Ve 高周波電圧
Wa パルス幅内平均パワー
fr 共振周波数
fs スイッチング周波数
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Laser oscillator 11 Laser power supply 12 Discharge electrode 13 DC power supply 14 High frequency power supply 14a Switching element 14A, 14B Bridge arm 14C Transformer 15 Laser control apparatus 20 Photodetector 21 Partial reflection mirror 22 Spot position stabilization optical system 23 Aspherical lens 24 Collimating lens 25 Mask 26 Field lens 27 Folding mirror 28 Beam scanner 29 fθ lens 30 Stage 31 Processing object 35 Processing machine controller 36 Input device 40 Blower 42 Discharge space 43 Conductive member 44 Ceramic member 46 Heat exchanger 50 Laser chamber 51 Terminal 52 Current path in chamber 55 Current path Cv outside chamber Cv Control value Dcc Duty cycle Dv Detected value Ec Excitation command signal Ep Excitation pattern command signal Ie Discharge current Lp Pulse laser beam Pt Pulse output timing Average power in the grayed signal Ve frequency voltage Wa pulse width fr resonant frequency fs the switching frequency

Claims (9)

一対の放電電極を含み、パルスレーザビームを出力するレーザ発振器と、
入力される励振指令信号のデューティサイクルに応じて、高周波電圧を前記放電電極に印加するレーザ電源と、
デューティサイクル情報を含む励振パターン指令信号、及びパルスレーザビームの出力タイミングを指令するパルス出力タイミング信号が入力されると、前記励振パターン指令信号に含まれる前記デューティサイクル情報に基づいて、前記レーザ電源に前記励振指令信号を与えるレーザ制御装置と、
前記パルス出力タイミング信号、及び前記励振パターン指令信号を前記レーザ制御装置に与える加工機制御装置と
加工対象物を保持するステージと、
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、前記ステージに保持された加工対象物に導光する光学系と
を有するレーザ加工装置。
A laser oscillator including a pair of discharge electrodes and outputting a pulsed laser beam;
A laser power source for applying a high-frequency voltage to the discharge electrode according to a duty cycle of an input excitation command signal;
When an excitation pattern command signal including duty cycle information and a pulse output timing signal for commanding the output timing of a pulsed laser beam are input, the laser power supply is supplied to the laser power source based on the duty cycle information included in the excitation pattern command signal. A laser control device for providing the excitation command signal;
A processing machine control device for supplying the pulse output timing signal and the excitation pattern command signal to the laser control device, and a stage for holding a workpiece;
A laser processing apparatus comprising: an optical system that guides the pulsed laser beam output from the laser oscillator to an object to be processed held on the stage.
さらに、
前記加工機制御装置に前記デューティサイクル情報を入力する入力装置を有し、
前記加工機制御装置は、前記入力装置を通して入力された前記デューティサイクル情報に基づいて、前記励振パターン指令信号を前記レーザ電源に与える請求項1に記載のレーザ加工装置。
further,
An input device for inputting the duty cycle information to the processing machine control device;
The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the processing machine control device provides the excitation pattern command signal to the laser power source based on the duty cycle information input through the input device.
前記加工機制御装置は、前記パルス出力タイミング信号の出力ごとに、前記励振パターン指令信号を変化させる請求項1または2に記載のレーザ加工装置。   The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the processing machine control device changes the excitation pattern command signal for each output of the pulse output timing signal. 前記レーザ発振器は、炭酸ガスレーザ発振器である請求項1乃至3のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。   The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the laser oscillator is a carbon dioxide laser oscillator. 前記レーザ電源は、
2本のブリッジアームを含むHブリッジ回路と、
前記Hブリッジ回路に直流電圧を印加する直流電源と
を含み、
前記ブリッジアームの各々は、相互に直列に接続された2つのスイッチング素子を含み、
一対の前記放電電極は、それぞれ2本の前記ブリッジアームの中間点に接続されており、
前記励振指令信号は、前記Hブリッジ回路の前記スイッチング素子のオンオフ制御を行う請求項1乃至4のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。
The laser power supply is
An H-bridge circuit including two bridge arms;
A DC power supply for applying a DC voltage to the H-bridge circuit,
Each of the bridge arms includes two switching elements connected in series with each other,
Each of the pair of discharge electrodes is connected to an intermediate point between the two bridge arms,
The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the excitation command signal performs on / off control of the switching element of the H bridge circuit.
前記励振パターン指令信号に、さらに前記Hブリッジ回路のスイッチングを行うスイッチング周波数情報が含まれており、
前記レーザ制御装置は、前記励振パターン指令信号に含まれている前記デューティサイクル情報及び前記スイッチング周波数情報に基づいて、前記レーザ電源に前記励振指令信号を与える請求項5に記載のレーザ加工装置。
The excitation pattern command signal further includes switching frequency information for switching the H bridge circuit,
The laser processing device according to claim 5, wherein the laser control device gives the excitation command signal to the laser power source based on the duty cycle information and the switching frequency information included in the excitation pattern command signal.
一対の放電電極を含み、パルスレーザビームを出力するレーザ発振器と、
入力される励振指令信号のデューティサイクルに応じて、高周波電圧を前記放電電極に印加するレーザ電源と、
デューティサイクル情報が入力されると、入力された前記デューティサイクル情報に基づいて、前記レーザ電源に前記励振指令信号を与える制御装置と、
前記制御装置に前記デューティサイクル情報を入力する入力装置と、
加工対象物を保持するステージと、
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、前記ステージに保持された加工対象物に導光する光学系と
を有するレーザ加工装置。
A laser oscillator including a pair of discharge electrodes and outputting a pulsed laser beam;
A laser power source for applying a high-frequency voltage to the discharge electrode according to a duty cycle of an input excitation command signal;
When duty cycle information is input, a control device that provides the excitation command signal to the laser power source based on the input duty cycle information;
An input device for inputting the duty cycle information to the control device;
A stage for holding the workpiece,
A laser processing apparatus comprising: an optical system that guides the pulsed laser beam output from the laser oscillator to an object to be processed held on the stage.
ガスレーザ発振器の放電電極に、Hブリッジ回路を通してパルス的に高周波電圧を印加することにより、プラズマを励起させてパルスレーザビームを出力する方法であって、
前記Hブリッジ回路の導通時間のデューティサイクルを、レーザパルスごとに変化させることにより、前記レーザパルスのパルス幅内平均パワーを変化させるパルスレーザビームの出力方法。
A method of exciting a plasma and outputting a pulsed laser beam by applying a high frequency voltage in a pulsed manner to a discharge electrode of a gas laser oscillator through an H bridge circuit,
A pulse laser beam output method for changing the average power within the pulse width of the laser pulse by changing the duty cycle of the conduction time of the H-bridge circuit for each laser pulse.
さらに、前記Hブリッジ回路のスイッチング周波数を、前記レーザパルスごとに変化させることにより、前記レーザパルスのパルス幅内平均パワーを変化させる請求項8に記載のパルスレーザビームの出力方法。   The pulse laser beam output method according to claim 8, further comprising changing an average power within a pulse width of the laser pulse by changing a switching frequency of the H bridge circuit for each laser pulse.
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