JP6370517B1 - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

レーザ加工装置は、パルスレーザ光であるレーザ光（３）を発振するレーザ発振器（２）と、パルスレーザ光を受光し検出信号を出力する光検出器である赤外線センサ（２１）と、を備える。レーザ加工装置は、レーザ発振器（２）の動作中でパルスレーザ光がオンであるときに検出信号を積分する第１の積分回路（２３）と、レーザ発振器（２）の動作中でパルスレーザ光がオフであるときに検出信号を積分する第２の積分回路（２４）と、を備える。

Description

本発明は、パルスレーザ光の照射により被加工物を加工するレーザ加工装置に関する。

パルスレーザ光の照射により被加工物に穴を形成するレーザ加工装置が知られている。レーザ加工装置は、パルスレーザ光が照射される領域であるスポットにおけるパルスレーザ光のエネルギーが規定値からずれることにより、加工品質の悪化を生じさせることがある。レーザ加工装置は、パルスレーザ光のエネルギーが規定値より小さい場合には、形成される穴の深さが所望の深さより浅くなる、形成される穴の径が所望の径より小さくなる、あるいは被加工物に加工屑が残るといった品質悪化を生じさせることがある。レーザ加工装置は、パルスレーザ光のエネルギーが規定値より大きい場合には、形成される穴の深さが所望の深さより深くなる、あるいは形成される穴の径が所望の径より大きくなるといった品質悪化を生じさせることがある。

レーザ加工装置は、被加工物へ進行するパルスレーザ光の一部を取り出し、取り出されたレーザ光の強度を測定した結果を基に、被加工物に照射するパルスレーザ光のエネルギーを計測し得る。レーザ加工装置は、取り出されたレーザ光の強度を電気量に変換して、得られた電気信号を積分回路にて積分した結果を基に、パルスレーザ光のエネルギーを算出する。レーザ加工装置は、パルスレーザ光のエネルギーの計測結果を基にパルスレーザ光の発振を制御することで、高い加工品質を安定して得ることが可能となる。

レーザ光の強度を電気量に変換する光検出器では、オフセット電圧の変動が要因となって出力が変動する温度ドリフトが生じることがある。光検出器には、温度の変化により出力電圧が上昇あるいは降下する誤差であるオフセット電圧が生じ得る。温度ドリフトの発生は、パルスレーザ光のエネルギーの算出精度に影響を及ぼす。かかる問題について、特許文献１には、パルスとパルスとの間の期間においてオフセット電圧による出力の変動を補正する技術が開示されている。特許文献１の技術によると、レーザ加工装置は、パルスレーザ光を受けた光検出器から出力される電気信号を積分回路にて積分する。レーザ加工装置は、パルスレーザ光を受けていないときに光検出器から出力される電気信号を積分回路にて積分し、得られた積分信号を基に、光検出器の較正のためのオフセット電圧値を算出する。

特開２００９−２７９６３１号公報

オフセット電圧値の算出において、積分回路は０Ｖ付近の微小な電圧レベルの電気信号を積分することから、オフセット電圧値の算出精度を高めるにはできるだけ長い積分時間を確保することが求められる。一方、特許文献１の技術では、パルスの間隔における積分時間の確保を要する。パルスレーザ光の発振周波数が高いほどパルスの間隔が短くなることから、特許文献１の技術では、オフセット電圧値の算出のために確保し得る積分時間が短縮されて、オフセット電圧値の高精度な算出が困難となる。オフセット電圧の算出精度が低下すると、パルスレーザ光のエネルギーの計測精度も低下することとなるため、被加工物に照射するパルスレーザ光のエネルギーの高精度な調整が困難となる。このため、特許文献１の技術によると、レーザ加工装置は、パルスレーザ光のエネルギーの調整精度の低下により、高い加工品質を安定して得ることが困難となる場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高い加工品質を安定して得ることができるレーザ加工装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザ加工装置は、パルスレーザ光を発振するレーザ発振器と、パルスレーザ光を受光し検出信号を出力する光検出器と、レーザ発振器の動作中でパルスレーザ光がオンであるときに検出信号を積分する第１の積分回路と、レーザ発振器の動作中でパルスレーザ光がオフであるときに検出信号を積分する第２の積分回路と、を備える。

本発明にかかるレーザ加工装置は、高い加工品質を安定して得ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 図１に示す積分信号算出装置の構成を示す図 図１に示す制御装置の機能構成を示すブロック図 図１に示す制御装置のハードウェア構成を示すブロック図 図２に示す第１の積分信号について説明する第１の図 図２に示す第１の積分信号について説明する第２の図 図１に示すレーザ加工装置による電気信号の補正のための動作について説明する図 図７に示す電気信号について説明する図 図２に示す積分指令信号により指定される積分時間を可変とした場合について説明する図 図１に示す増幅回路のゲインを可変とした場合について説明する図

以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置１の構成を示す図である。レーザ加工装置１は、パルスレーザ光であるレーザ光３の照射により被加工物１２に穴を形成する。

図１において、Ｘ軸とＹ軸とは、水平方向に平行、かつ互いに垂直な２軸とする。Ｚ軸は、鉛直方向に平行、かつＸ軸とＹ軸とに垂直な軸とする。被加工物１２は、Ｘ軸とＹ軸とに平行な面であるテーブル１３の上面に置かれる。

レーザ加工装置１は、被加工物１２に照射させるパルスレーザ光であるレーザ光３を発振するレーザ発振器２を備える。レーザ光３は赤外光である。レーザ発振器２によるパルスレーザ光の発振周波数は、１００Ｈｚから１００００Ｈｚの範囲に含まれる。レーザ光３が出射される１パルスの期間であるパルス幅は、１μ秒から１００μ秒の範囲に含まれる。レーザ発振器２の動作中において、レーザ発振器２は、レーザ光３のオンとオフとを繰り返す。レーザ光３がオンであるとは、レーザ発振器２がレーザ光３を出射していることを指す。レーザ光３がオフであるとは、レーザ発振器２がレーザ光３を出射していないことを指す。

部分反射ミラー４は、レーザ発振器２からのレーザ光３の一部を反射し、かつ残りのレーザ光３を透過させる。実施の形態では、部分反射ミラー４は、レーザ発振器２からのレーザ光３のうちの９５％を透過させ、かつ５％を反射する。部分反射ミラー４を透過したレーザ光３は、被加工物１２へ向けて進行する。レーザ発振器２からのレーザ光３のうち部分反射ミラー４での反射により分岐されたレーザ光１４は、積分信号算出装置１５へ向けて進行する。ミラー５，６は、部分反射ミラー４を透過したレーザ光３を反射する。

スキャンミラー８は、ミラー６からのレーザ光３を反射する。ガルバノスキャナ７は、スキャンミラー８を回転駆動するサーボモータである。ガルバノスキャナ７は、スキャンミラー８を回転させることにより、被加工物１２上におけるレーザ光３の入射位置をＸ軸方向において変位させる。スキャンミラー１０は、スキャンミラー８からのレーザ光３を反射する。ガルバノスキャナ９は、スキャンミラー１０を回転駆動するサーボモータである。ガルバノスキャナ９は、スキャンミラー１０を回転させることにより、被加工物１２上におけるレーザ光３の入射位置をＹ軸方向において変位させる。

集光光学系１１は、スキャンミラー１０からのレーザ光３を収束する。集光光学系１１は、１つあるいは複数の集光レンズを備える。集光光学系１１は、ｆθレンズであっても良い。ｆθレンズによるレーザ光３の集光位置は、集光光学系１１の焦点距離ｆにスキャンミラー８，１０の偏向角θを掛け合せたｆθの位置である。

テーブル１３は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに移動可能である。被加工物１２は、テーブル１３とともにＸ軸方向とＹ軸方向とに移動する。実施の形態では、テーブル１３には、３００ｍｍ四方の被加工物１２が載置される。ガルバノスキャナ７，９は、テーブル１３上の被加工物１２における５０ｍｍ四方の範囲においてレーザ光３を走査させる。

レーザ加工装置１は、テーブル１３の移動と被加工物１２へのレーザ光３の照射とを繰り返して、被加工物１２の複数の位置に穴を形成する。レーザ加工装置１は、１０μｍオーダーあるいは１００μｍオーダーの径の穴を形成する。レーザ発振器２は、テーブル１３を移動させる間はレーザ光３をオフにする。レーザ発振器２は、テーブル１３が所望の位置にて停止した後、レーザ光３をオンにする。

レーザ加工装置１においてレーザ光３を進行させる光路には、部分反射ミラー４、ミラー５，６、スキャンミラー８，１０および集光光学系１１以外の光学素子が設けられていても良い。レーザ加工装置１では、部分反射ミラー４、ミラー５，６、スキャンミラー８，１０、ガルバノスキャナ７，９、集光光学系１１およびテーブル１３のいずれかが省略されていても良い。

レーザ加工装置１は、積分信号算出装置１５と制御装置１６とを備える。積分信号算出装置１５は、部分反射ミラー４にて分岐されたレーザ光１４の強度を測定する。積分信号算出装置１５は、レーザ光１４の強度を電気量に変換して、得られた電気信号を積分した結果である積分信号を出力する。

制御装置１６は、積分信号算出装置１５とレーザ発振器２とに接続されている。制御装置１６は、積分信号算出装置１５から入力された積分信号を基に、被加工物１２に照射するレーザ光３のエネルギー値を求める。制御装置１６は、求めたエネルギー値を基に、レーザ発振器２を制御する。レーザ加工装置１は、被加工物１２上のスポットごとのレーザ光３の発射回数を調整することで、スポットごとのレーザ光３のエネルギー値と規定値とのずれによる加工品質の悪化を低減可能とする。

なお、制御装置１６は、ガルバノスキャナ７，９とテーブル１３との制御を行っても良い。ここでは、ガルバノスキャナ７，９とテーブル１３との制御についての詳細は省略する。

次に、積分信号算出装置１５の構成と動作について説明する。図２は、図１に示す積分信号算出装置１５の構成を示す図である。積分信号算出装置１５は、部分反射ミラー４にて分岐されたレーザ光１４を検出する光検出器である赤外線センサ２１を備える。赤外線センサ２１は、レーザ光１４を受光し検出信号を出力する。赤外線センサ２１は、受光したレーザ光１４の強度に応じた電圧レベルの検出信号である電気信号３１を出力する。赤外線センサ２１は、第１の電気信号である電気信号３１を出力する。

積分信号算出装置１５は、オペアンプである増幅回路２２を備える。増幅回路２２は、赤外線センサ２１から出力された電気信号３１を増幅して、増幅後の電気信号３２を出力する。増幅回路２２は、増幅率の変更のための構成を備えていても良い。増幅回路２２は、赤外線センサ２１と増幅回路２２との較正のためのオフセット電圧値３５を電気信号３１から差し引くことにより電気信号３１を補正し、補正後の電気信号３１である第２の電気信号を増幅する。増幅回路２２は、赤外線センサ２１と増幅回路２２とのオフセット電圧による誤差がキャンセルされた電気信号３１である第２の電気信号を増幅して、増幅後の第２の電気信号である電気信号３２を出力する。

積分信号算出装置１５は、増幅回路２２からの電気信号３２を積分する第１の積分回路２３と第２の積分回路２４とを備える。第１の積分回路２３と第２の積分回路２４とは、増幅回路であるオペアンプとコンデンサとを含む積分回路である。第１の積分回路２３と第２の積分回路２４とは、並列に接続されている。

第１の積分回路２３は、レーザ発振器２の動作中でレーザ光３がオンであるときに赤外線センサ２１および増幅回路２２から出力される検出信号である電気信号３２をパルスごとに積分する。第１の積分回路２３は、積分指令信号３７により指定される第１の積分時間において電気信号３２を積分する。第１の積分回路２３は、入力された電気信号３２の時間積分に比例した第１の積分信号３３を出力する。第１の積分回路２３による積分結果である第１の積分信号３３は、レーザ光１４の強度の時間積分を表す。第１の積分回路２３は、１パルスごとに電気信号３２を積分する。

第２の積分回路２４は、レーザ発振器２の動作中でレーザ光３がオフであるときに赤外線センサ２１および増幅回路２２から出力される検出信号である電気信号３２を積分する。第２の積分回路２４は、積分指令信号３８により指定される第２の積分時間において電気信号３２を積分する。第２の積分回路２４は、入力された電気信号３２の時間積分に比例した第２の積分信号３４を出力する。第２の積分回路２４による積分結果である第２の積分信号３４は、赤外線センサ２１と増幅回路２２とにおけるオフセット電圧の時間積分を表す。第２の積分回路２４は、パルスの間隔ごとに電気信号３２を積分する。

積分信号算出装置１５は、第１の積分回路２３の出力である第１の積分信号３３と第２の積分回路２４の出力である第２の積分信号３４とを制御装置１６へ出力する。制御装置１６は、第２の積分信号３４により補正された第１の積分信号３３を用いて、次に発振するレーザ光３を制御する。制御装置１６からのオフセット電圧値３５と、積分指令信号３７，３８と、ゲイン信号３９とは、積分信号算出装置１５へ入力される。

図３は、図１に示す制御装置１６の機能構成を示すブロック図である。制御部４０は、制御装置１６の各機能部を制御する機能部である。制御部４０は、各機能部間の信号の受け渡しを統括する。第１の積分信号入力部４１は、積分信号算出装置１５からの第１の積分信号３３を受け付ける機能部である。第１の積分信号入力部４１は、入力された第１の積分信号３３を制御部４０へ送る。制御部４０は、第１の積分信号３３をエネルギー算出部４８へ送る。

第２の積分信号入力部４２は、積分信号算出装置１５からの第２の積分信号３４を受け付ける機能部である。第２の積分信号入力部４２は、入力された第２の積分信号３４を制御部４０へ送る。制御部４０は、第２の積分信号３４をオフセット電圧算出部４３へ送る。

オフセット電圧算出部４３は、オフセット電圧値３５を算出する機能部である。オフセット電圧算出部４３は、第２の積分信号３４に係数パラメータを掛けることにより、オフセット電圧値３５を算出する。オフセット電圧算出部４３は、オフセット電圧値３５を制御部４０へ送る。制御部４０は、オフセット電圧値３５をオフセット電圧出力部４４へ送る。オフセット電圧出力部４４は、図２に示す増幅回路２２へオフセット電圧値３５を出力する機能部である。

第１の積分指令出力部４５は、図２に示す第１の積分回路２３へ積分指令信号３７を出力する機能部である。第１の積分時間は、積分指令信号３７によって指定される。第２の積分指令出力部４６は、図２に示す第２の積分回路２４へ積分指令信号３８を出力する機能部である。第２の積分時間は、積分指令信号３８によって指定される。

エネルギー算出部４８は、オフセット電圧がキャンセルされた電気信号３２の積分により得られた第１の積分信号３３を基に、被加工物１２のスポットに照射するレーザ光３のエネルギー値を算出する機能部である。エネルギー算出部４８は、第１の積分信号３３に係数パラメータを掛けることにより、スポットごとにおけるレーザ光３のエネルギー値を算出する。エネルギー算出部４８で算出されたエネルギー値を、適宜「実測値」と称する。エネルギー算出部４８は、スポットごとにおけるレーザ光３のエネルギーの規定値と実測値との差分を算出する。エネルギー算出部４８は、規定値と実測値との差分を制御部４０へ送る。制御部４０は、規定値と実測値との差分をレーザ発振制御部４７へ送る。

レーザ発振制御部４７は、エネルギーの規定値と実測値との差分を基に、レーザ発振器２によるレーザ光３の発振を制御する機能部である。レーザ発振制御部４７は、エネルギーの実測値が規定値より小さい場合、レーザ光３の照射を追加させる制御信号３６を生成する。レーザ発振制御部４７は、規定値と実測値との差分に応じて、レーザ光３の照射回数を決定する。また、レーザ発振制御部４７は、エネルギーの実測値が規定値より大きくなると判定したときに、レーザ光３をオフにする制御信号３６を生成する。レーザ発振制御部４７は、図２に示すレーザ発振器２へ制御信号３６を出力する。

ゲイン信号出力部４９は、ゲイン信号３９を生成して、図２に示す増幅回路２２へゲイン信号３９を出力する機能部である。増幅回路２２の増幅率を表すゲインは、ゲイン信号３９によって指定される。

オフセット電圧記憶部５０は、ゲイン信号３９により指定可能なゲインの数に相当する数のデータ領域を備える。オフセット電圧記憶部５０は、ゲインに対応するオフセット電圧値３５を保持する機能部である。ゲインが変更された場合であって、変更後のゲインに対応するオフセット電圧値３５がオフセット電圧記憶部５０に保持されている場合、制御部４０は、変更後のゲインに対応するオフセット電圧値３５をオフセット電圧記憶部５０から読み出す。制御部４０は、読み出されたオフセット電圧値３５をオフセット電圧出力部４４へ送る。オフセット電圧出力部４４は、図２に示す増幅回路２２へオフセット電圧値３５を出力する。

制御装置１６による機能は、ハードウェア構成を使用して実現される。図４は、図１に示す制御装置１６のハードウェア構成を示すブロック図である。実施の形態において、制御装置１６のハードウェア構成は、マイクロコントローラである。制御装置１６の機能は、マイクロコントローラにて解析および実行されるプログラム上で実行される。なお、制御装置１６の機能の一部は、ワイヤードロジックによるハードウェア上で実行しても良い。

制御装置１６は、各種処理を実行するプロセッサ５１と、各種処理のためのプログラムが格納されるメモリ５２とを備える。プロセッサ５１とメモリ５２とは、バス５３を介して互いに接続されている。プロセッサ５１は、ロードされたプログラムを展開して、制御装置１６によるレーザ加工装置１の制御のための各種処理を実行する。図３に示す制御部４０、第１の積分信号入力部４１、第２の積分信号入力部４２、オフセット電圧算出部４３、オフセット電圧出力部４４、第１の積分指令出力部４５、第２の積分指令出力部４６、レーザ発振制御部４７、エネルギー算出部４８およびゲイン信号出力部４９は、プロセッサ５１を使用して実現される。オフセット電圧記憶部５０は、メモリ５２を使用して実現される。

次に、増幅回路２２から出力される電気信号３２と、第１の積分回路２３から出力される第１の積分信号３３とについて説明する。図５は、図２に示す第１の積分信号３３について説明する第１の図である。赤外線センサ２１と増幅回路２２とには、温度の変化により出力電圧が上昇あるいは降下する誤差であるオフセット電圧が生じ得る。また、増幅回路２２には、ゲインの変化により出力電圧が上昇あるいは降下する誤差であるオフセット電圧も生じ得る。図５には、赤外線センサ２１のオフセット電圧の変動が要因となって出力が変動する温度ドリフトが生じていない場合における電気信号３２と、かかる電気信号３２の積分により得られた第１の積分信号３３とを示している。

赤外線センサ２１のオフセット電圧が生じていない場合において、レーザ光３がオフであるとき、電気信号３２の電圧レベルは基準値である０Ｖとなる。増幅回路２２におけるオフセット電圧が生じていない場合、増幅回路２２は、オフセット電圧による変動を含まない電気信号３２を出力する。

図３に示す第１の積分指令出力部４５は、電気信号３２のパルスの立ち上がりより前に積分指令信号３７を立ち上げる。第１の積分指令出力部４５は、電気信号３２の立ち下がりより後に、積分指令信号３７を立ち下げる。第１の積分回路２３は、積分指令信号３７の立ち上がりから立ち下がりまでの時間において電気信号３２を積分する。

第１の積分回路２３における電気信号３２の時間積分は、電気信号３２のパルス波形の面積を求めることに相当する。オフセット電圧による変動を含まない電気信号３２が入力されることで、第１の積分回路２３は、正確な第１の積分信号３３を得ることができる。エネルギー算出部４８は、パルスレーザ光の正確なエネルギー値を算出することができる。

図６は、図２に示す第１の積分信号３３について説明する第２の図である。図６には、赤外線センサ２１に温度ドリフトが生じている場合における電気信号３２と、積分指令信号３７と、第１の積分信号３３とを示している。

赤外線センサ２１のオフセット電圧のレベルがプラスレベル、すなわち０Ｖより高いレベルである場合、レーザ光３がオフであるときの電気信号３２の電圧レベルは、プラス側にシフトする。増幅回路２２へ入力されるオフセット電圧値３５がゼロである場合、増幅回路２２は、電圧レベルがプラス側にシフトした電気信号３２を出力する。第１の積分回路２３は、電圧レベルがプラス側へシフトした第１の積分信号３３を得る。

赤外線センサ２１のオフセット電圧のレベルがマイナスレベル、すなわち０Ｖより低いレベルである場合、レーザ光３がオフであるときの電気信号３２の電圧レベルは、マイナス側にシフトする。増幅回路２２へ入力されるオフセット電圧値３５がゼロである場合、増幅回路２２は、電圧レベルがマイナス側にシフトした電気信号３２を出力する。第１の積分回路２３は、電圧レベルがマイナス側へシフトした第１の積分信号３３を得る。

第１の積分信号３３の電圧レベルがプラス側あるいはマイナス側へシフトすることで、エネルギー算出部４８は、レーザ光３の正確なエネルギー値を算出することが困難となる。実施の形態では、増幅回路２２は、第２の積分信号３４を基に算出されたオフセット電圧値３５を電気信号３１から差し引くことで、オフセット電圧による変動が補正された電気信号３２を得る。オフセット電圧による変動が補正された電気信号３２が入力されることで、第１の積分回路２３は、正確な第１の積分信号３３を得ることができる。これにより、エネルギー算出部４８は、レーザ光３の正確なエネルギー値を算出することが可能となる。

次に、レーザ加工装置１による電気信号３２の補正のための動作のタイミングについて説明する。図７は、図１に示すレーザ加工装置１による電気信号３２の補正のための動作について説明する図である。図８は、図７に示す電気信号３２について説明する図である。

オフセット電圧算出部４３は、パルスレーザ光がオンである期間と、次のパルスレーザ光がオンである期間との間の、パルスレーザ光がオフである期間において、オフセット電圧値３５を算出する。レーザ加工装置１は、パルスレーザ光がオフである期間において、補正のための動作を行う。レーザ加工装置１は、補正のための動作を行ってから、次のパルスレーザ光がオンである期間とさらに次のパルスレーザ光がオンである期間との間にも、補正のための動作を行う。レーザ加工装置１は、１発のパルスレーザ光の出射と補正のための動作とを交互に繰り返す。

レーザ加工装置１は、複数のパルスレーザ光を出射して、被加工物１２を加工する。被加工物１２へ進行するパルスレーザ光から分岐されたレーザ光１４は、赤外線センサ２１へ連続して入力される。パルスレーザ光がオフである期間における補正が行われない場合、図８にて二点鎖線により示すように、時間が経つにしたがい電気信号３２の電圧レベルと基準値との間のずれが大きくなる。レーザ加工装置１は、パルスレーザ光がオンである期間と次のパルスレーザ光がオンである期間との間に補正を行うことで、図８にて実線により示すように、電気信号３２の電圧レベルと基準値との間のずれを少なくすることができる。

第１の積分指令出力部４５は、パルスレーザ光の出射が開始される前に、積分指令信号３７をオフからオンに切り換える。パルスレーザ光が出射されている間、増幅回路２２は、パルスレーザ光の強度に応じた電圧レベルの電気信号３２を出力する。パルスレーザ光の出射が停止された後、第１の積分信号入力部４１に第１の積分信号３３が入力される。第１の積分回路２３は、積分時間Ｔ１１において電気信号３２を積分する。積分時間Ｔ１１は、積分指令信号３７の立ち上がり時から第１の積分信号入力部４１への第１の積分信号３３の入力が開始されるまでの時間である。

第１の積分信号入力部４１は、パルスレーザ光の出射が停止された後の測定時間Ｔ１２において、アナログ信号である第１の積分信号３３を読み取る。ここで、第１の積分信号入力部４１での第１の積分信号３３の読み取りを、第１の積分信号３３の測定と称する。第１の積分信号入力部４１は、第１の積分信号３３の測定のためのアナログデジタル（Analog to Digital，ＡＤ）変換を実施する。

第１の積分信号入力部４１での第１の積分信号３３の測定が終わるタイミングにおいて、第１の積分指令出力部４５は、積分指令信号３７をオンからオフに切り換える。第１の積分回路２３は、積分指令信号３７がオンからオフに切り換えられてからの放電時間Ｔ１３において、コンデンサに蓄積された電荷を放出する。

第２の積分指令出力部４６は、第１の積分信号入力部４１による第１の積分信号３３の測定が開始されるタイミングにて、積分指令信号３８をオフからオンに切り換える。パルスレーザ光の出射が停止されている間、増幅回路２２は、赤外線センサ２１と増幅回路２２とのオフセット電圧のレベルに応じた電気信号３２を出力する。次のパルスレーザ光の出射が開始される前に、第２の積分信号入力部４２に第２の積分信号３４が入力される。第２の積分回路２４は、積分時間Ｔ２１において電気信号３２を積分する。積分時間Ｔ２１は、積分指令信号３８の立ち上がり時から第２の積分信号入力部４２への第２の積分信号３４の入力が開始されるまでの時間である。

第２の積分信号入力部４２は、測定時間Ｔ２２において、アナログ信号である第２の積分信号３４を読み取る。ここで、第２の積分信号入力部４２での第２の積分信号３４の読み取りを、第２の積分信号３４の測定と称する。第２の積分信号入力部４２は、第２の積分信号３４の測定のためのＡＤ変換を実施する。

第２の積分信号入力部４２での第２の積分信号３４の測定が終わるタイミングにおいて、第２の積分指令出力部４６は、積分指令信号３８をオンからオフに切り換える。第２の積分回路２４は、積分指令信号３８がオンからオフに切り換えられてからの放電時間Ｔ２３において、コンデンサに蓄積された電荷を放出する。

仮に、パルスレーザ光のエネルギー値の算出のための積分とオフセット電圧値３５の算出のための積分とに１つの積分回路が用いられる場合、パルスレーザ光のエネルギー値の算出のための積分の後の測定および放電より後に、オフセット電圧値３５の算出のための積分が開始される。

これに対して、実施の形態にかかるレーザ加工装置１は、第１の積分信号３３の測定と第１の積分回路２３の放電とに並行して、第２の積分回路２４により電気信号３２を積分可能とする。レーザ加工装置１は、第１の積分信号３３についての測定時間Ｔ１２と放電時間Ｔ１３を待たずに、オフセット電圧値３５の算出のための積分時間Ｔ２１を開始できる。レーザ加工装置１は、第１の積分回路２３と第２の積分回路２４とが設けられたことで、１つの積分回路が用いられる場合より長い積分時間Ｔ２１を確保することができる。レーザ加工装置１は、パルスレーザ光の出射間隔が短い場合においても、長い積分時間Ｔ２１の確保が可能となる。

レーザ発振器２の発振周波数が１０ｋＨｚ、パルスの間隔が１００μ秒であって、積分時間Ｔ１１を５５μ秒、測定時間Ｔ１２，Ｔ２２を５μ秒、放電時間Ｔ１３，Ｔ２３を１０μ秒と設定した場合に、積分時間Ｔ２１は４５μ秒とすることができる。レーザ加工装置１は、長い積分時間Ｔ２１を確保可能とすることで、オフセット電圧値３５を正確に算出することが可能となる。

なお、レーザ加工装置１は、１発のパルスレーザ光が出射されるごとに電気信号３２を補正しても良く、複数発のパルスレーザ光が出射されるごとに電気信号３２を補正しても良い。

次に、第１の積分回路２３における積分時間Ｔ１１を可変とする場合について説明する。第１の積分指令出力部４５は、積分指令信号３７により指定される積分時間Ｔ１１を可変としても良い。レーザ加工装置１は、レーザ発振器２の発振周波数あるいはパルス幅に応じて積分時間Ｔ１１を変更しても良い。

図９は、図２に示す積分指令信号３７により指定される積分時間Ｔ１１を可変とした場合について説明する図である。第１の積分指令出力部４５は、レーザ発振器２の発振周波数あるいはパルス幅を基に、積分時間を算出する。第１の積分指令出力部４５は、パルスレーザ光の出射が開始される前に、積分指令信号３７をオフからオンに切り換える。第１の積分指令出力部４５は、積分指令信号３７をオフからオンに切り換えてから、積分時間Ｔ１１が経過したときに、積分指令信号３７をオンからオフに切り換える。

仮に、積分時間Ｔ１１が６０μ秒で不変であった場合において、電気信号３２のパルス幅が６０μ秒であったとする。この場合、電気信号３２のパルスの立ち上がりより前に積分時間Ｔ１１が開始されることで、電気信号３２のパルスが立ち下がるより前に積分時間Ｔ１１が終了する。このため、電気信号３２のパルスの一部が積分されないことになる。実施の形態にかかるレーザ加工装置１は、かかる電気信号３２のパルスについては、積分時間Ｔ１１を６０μ秒より長い時間を適宜設定する。レーザ加工装置１は、積分時間Ｔ１１を１１０μ秒と設定し得る。これにより、レーザ加工装置１は、電気信号３２のパルスの一部が積分されないという事態を回避できる。

仮に、積分時間Ｔ１１が１２０μ秒で不変であった場合において、パルス幅が２０μ秒である２つの電気信号３２のパルスが連続していたとする。この場合、電気信号３２の２つのパルスが分離されず一括して積分されることとなる。実施の形態にかかるレーザ加工装置１は、かかる電気信号３２のパルスについては積分時間Ｔ１１を１２０μ秒より短い時間を適宜設定する。レーザ加工装置１は、積分時間Ｔ１１を７０μ秒と設定し得る。これにより、レーザ加工装置１は、電気信号３２の２つのパルスが分離されずに積分されるという事態を回避できる。

レーザ加工装置１は、積分時間Ｔ１１を可変としたことで、パルスの期間における信号の一部が積分されない、あるいは複数のパルスの期間における信号から１つの積分信号への積分がなされる、といった不具合を回避することができる。レーザ加工装置１は、発振周波数あるいはパルス幅が変化する場合であっても、パルスレーザ光ごとのエネルギー量を算出することができる。

次に、増幅回路２２のゲインを可変とする場合について説明する。ゲイン信号出力部４９は、ゲイン信号３９により指定されるゲインを可変としても良い。レーザ加工装置１は、レーザ発振器２から出力されるパルスレーザ光の強度に応じて、増幅回路２２のゲインを変更しても良い。

図１０は、図１に示す増幅回路２２のゲインを可変とした場合について説明する図である。ゲイン信号出力部４９は、パルスレーザ光のエネルギー値に応じてゲインを設定する。ゲイン信号出力部４９は、当該ゲインの指定を含めたゲイン信号３９を生成する。

増幅回路２２は、電気信号３１からオフセット電圧値３５を差し引くことにより電気信号３１を補正し、補正後の電気信号３１を増幅する。増幅回路２２は、オフセット電圧がキャンセルされた電気信号３１を増幅して、増幅後の電気信号３２を出力する。

図１０に示すレベルＬは、第１の積分信号入力部４１による測定が可能である第１の積分信号３３の電圧レベルの上限を表している。仮に、ゲインを固定とした場合、赤外線センサ２１へ入射するレーザ光１４のエネルギー値が高いことで、第１の積分信号３３の電圧レベルがレベルＬを超えることがあり得る。レーザ加工装置１は、パルスレーザ光のエネルギー値が高い場合において増幅回路２２のゲインを下げることで、レベルＬより低い電圧レベルの第１の積分信号３３を得る。レーザ加工装置１は、第１の積分信号入力部４１による第１の積分信号３３の測定が可能となる。図１０に示す例では、第１の積分信号３３の電圧レベルがレベルＬを超える程度にまでパルスレーザ光のエネルギー値が高い場合において、ゲインを１０倍に設定している。このように、レーザ加工装置１は、基準値である０ＶからレベルＬまでの範囲である制御装置１６の入力可能範囲に、第１の積分信号３３の電圧レベルを収める。

また、ゲインを固定とした場合、赤外線センサ２１へ入射するレーザ光１４のエネルギー値が低いことで、第１の積分信号３３の信号対雑音比（Signal-to-Noise Ratio，ＳＮＲ）が低下することがあり得る。第１の積分信号３３のＳＮＲが低下することで、第１の積分信号入力部４１による第１の積分信号３３の正確な測定が困難となる。レーザ加工装置１は、パルスレーザ光のエネルギー値が低い場合において増幅回路２２のゲインを上げることで、第１の積分信号入力部４１による第１の積分信号３３の正確な測定が可能となる。図１０に示す例では、第１の積分信号３３のＳＮＲが低下する程度にまでパルスレーザ光のエネルギー値が低い場合において、ゲインを２０倍に設定している。このように、レーザ加工装置１は、ＳＮＲの低下を抑制し得る程度の第１の積分信号３３の電圧レベルを維持する。

次に、パルスレーザ光の出射ごとにおけるゲインの切り替えについて説明する。ゲイン信号出力部４９は、パルスレーザ光の出射が開始される前に、増幅回路２２へゲイン信号３９を送る。増幅回路２２は、ゲイン信号３９にしたがってゲインを切り替える。

オフセット電圧算出部４３は、ゲインの変更によるオフセット電圧値３５の算出結果の変動を回避するために、ゲインに応じて係数パラメータを変更する。エネルギー算出部４８は、ゲインの変更によるエネルギーの実測値の算出結果の変動を回避するために、ゲインに応じて係数パラメータを変更する。

増幅回路２２のオフセット電圧は、ゲインに応じて変化する。レーザ加工装置１は、ゲインが変更されると、オフセット電圧による増幅回路２２の出力の変動を補正する。増幅回路２２のゲインが変更されると、第２の積分指令出力部４６は、第２の積分回路２４へ積分指令信号３８を出力する。第２の積分回路２４は、パルスレーザ光の出射が停止されているときにおける電気信号３２を積分して、第２の積分信号入力部４２へ第２の積分信号３４を送る。

オフセット電圧算出部４３は、第２の積分信号入力部４２による第２の積分信号３４の測定結果に、ゲインに応じて変更された係数パラメータを掛けることにより、オフセット電圧値３５を算出する。これにより、オフセット電圧出力部４４は、ゲインが変更されたときに、増幅回路２２へ出力するオフセット電圧値３５を更新する。

レーザ加工装置１による被加工物１２の加工が開始されると、レーザ発振制御部４７は、レーザ発振器２へ制御信号３６を送る。第１の積分回路２３は、パルスレーザ光が出射されているときにおける電気信号３２を積分して、第１の積分信号入力部４１へ第１の積分信号３３を送る。エネルギー算出部４８は、第１の積分信号入力部４１による第１の積分信号３３の測定結果に、ゲインに応じて変更された係数パラメータを掛けることにより、パルスレーザ光のエネルギーの実測値を算出する。

このように、レーザ加工装置１は、増幅回路２２のゲインが変更された場合に、オフセット電圧値３５を更新して増幅回路２２の出力を補正する。また、レーザ加工装置１は、ゲインに応じて係数パラメータを変更する。これにより、レーザ加工装置１は、ゲインが切り替えられた場合においても、パルスレーザ光の正確なエネルギー値を算出することができる。

次に、ゲインの設定について説明する。同じ条件による発振を指示する制御信号３６がレーザ発振器２へ入力される場合であっても、レーザ発振器２から出力されるパルスレーザ光の強度は加工ごとに変動することがある。以下、制御信号３６により指示される条件を、加工条件と称する。

加工の前に、レーザ加工装置１は、加工条件ごとのパルスレーザ光を順次出射させて、エネルギー算出部４８にてパルスレーザ光のエネルギー値を算出することにより、各加工条件におけるパルスレーザ光のエネルギーを測定する。レーザ加工装置１は、ゲイン信号出力部４９にて指定されるゲインを変更しながらエネルギーを測定する。ゲイン信号出力部４９は、上述の入力可能範囲に第１の積分信号３３の電圧レベルを収めるとともに、ＳＮＲの低下を抑制し得る程度の第１の積分信号３３の電圧レベルを維持可能なゲインを、各加工条件について選択する。これにより、レーザ加工装置１は、加工条件ごとにゲインを調整して、加工に適するゲインを設定する。

次に、オフセット電圧記憶部５０によるオフセット電圧値３５の保持について説明する。増幅回路２２のオフセット電圧はゲインに応じて変化するため、レーザ加工装置１は、加工中においてゲインが変更された場合、オフセット電圧値３５を更新する。

変更後のゲインに対応するオフセット電圧値３５がオフセット電圧記憶部５０に保持されている場合、オフセット電圧出力部４４は、変更後のゲインに対応するオフセット電圧値３５をオフセット電圧記憶部５０から読み出し、読み出されたオフセット電圧値３５を出力する。

一方、変更後のゲインに対応するオフセット電圧値３５がオフセット電圧記憶部５０に保持されていない場合、オフセット電圧算出部４３は、オフセット電圧値３５を算出し、算出されたオフセット電圧値３５をオフセット電圧出力部４４へ出力する。また、オフセット電圧算出部４３は、算出されたオフセット電圧値３５をオフセット電圧記憶部５０へ送る。オフセット電圧記憶部５０は、データ領域にオフセット電圧値３５を格納する。

レーザ加工装置１は、増幅回路２２に設定可能な各ゲインに対応するオフセット電圧値３５をオフセット電圧記憶部５０に保持することで、ゲインの切り替え時におけるオフセット電圧値３５の算出を省くことができる。レーザ加工装置１は、ゲインの切り替えによるオフセット電圧値３５の更新に要する処理を低減でき、かつ更新に要する時間を短縮できる。

レーザ加工装置１は、加工時以外のときに、増幅回路２２にて取り得る全てのゲインについてオフセット電圧値３５を算出して、オフセット電圧記憶部５０の各データ領域にオフセット電圧値３５を格納しても良い。レーザ加工装置１は、加工が行われない時間が一定時間以上続いたときに、オフセット電圧値３５の算出および格納を行っても良い。レーザ加工装置１は、次に加工が開始されるより前に、全てのゲインについてオフセット電圧値３５を保持することで、加工時におけるオフセット電圧値３５の算出を省くことができる。

オフセット電圧算出部４３は、増幅回路２２に設定可能な全てのゲインについてのオフセット電圧値３５の算出に代えて、増幅回路２２に設定可能なゲインのうちの最大ゲインと最小ゲインとについてオフセット電圧値３５を算出しても良い。この場合において、オフセット電圧算出部４３は、最大ゲインについてのオフセット電圧値３５と最小ゲインについてのオフセット電圧値３５との線形補間により、最大ゲインおよび最小ゲイン以外のゲインについてのオフセット電圧値３５を求めても良い。この場合も、レーザ加工装置１は、全てのゲインについてオフセット電圧値３５を保持することができる。

なお、図２に示す積分信号算出装置１５の構成要素の一部あるいは全部は、制御装置１６に設けられることとしても良い。エネルギー算出部４８は、第１の積分信号３３に代えて、パルスレーザ光がオンであるときの電気信号３２を用いてエネルギー値を算出しても良い。オフセット電圧算出部４３は、第２の積分信号３４に代えて、パルスレーザ光がオフであるときの電気信号３２を用いてオフセット電圧値３５を算出しても良い。

実施の形態によると、レーザ加工装置１は、第１の積分回路２３とは別に設けられた第２の積分回路２４により、オフセット電圧値３５の算出のための積分を実施する。レーザ加工装置１は、第１の積分信号３３の測定と第１の積分回路２３の放電とに並行して、第２の積分回路２４により電気信号３２を積分可能とすることで、オフセット電圧値３５の算出のための積分時間Ｔ２１を長くすることができる。レーザ加工装置１は、長い積分時間Ｔ２１の確保によりオフセット電圧値３５を正確に算出することができ、パルスレーザ光のエネルギーの高精度な計測が可能となる。レーザ加工装置１は、パルスレーザ光のエネルギーの高精度な調整が可能となり、高い加工品質を安定して得ることができる。これにより、レーザ加工装置１は、高い加工品質を安定して得ることができるという効果を奏する。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ レーザ加工装置、２ レーザ発振器、３，１４ レーザ光、４ 部分反射ミラー、５，６ ミラー、７，９ ガルバノスキャナ、８，１０ スキャンミラー、１１ 集光光学系、１２ 被加工物、１３ テーブル、１５ 積分信号算出装置、１６ 制御装置、２１ 赤外線センサ、２２ 増幅回路、２３ 第１の積分回路、２４ 第２の積分回路、３１，３２ 電気信号、３３ 第１の積分信号、３４ 第２の積分信号、３５ オフセット電圧値、３６ 制御信号、３７，３８ 積分指令信号、３９ ゲイン信号、４０ 制御部、４１ 第１の積分信号入力部、４２ 第２の積分信号入力部、４３ オフセット電圧算出部、４４ オフセット電圧出力部、４５ 第１の積分指令出力部、４６ 第２の積分指令出力部、４７ レーザ発振制御部、４８ エネルギー算出部、４９ ゲイン信号出力部、５０ オフセット電圧記憶部、５１ プロセッサ、５２ メモリ、５３ バス。

Claims (13)

1. パルスレーザ光を発振するレーザ発振器と、
   前記パルスレーザ光を受光し検出信号を出力する光検出器と、
   前記レーザ発振器の動作中で前記パルスレーザ光がオンであるときに前記検出信号を積分する第１の積分回路と、
   前記レーザ発振器の動作中で前記パルスレーザ光がオフであるときに前記検出信号を積分する第２の積分回路と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記第２の積分回路の出力により補正された前記第１の積分回路の出力を用いて、次に発振する前記パルスレーザ光を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記第１の積分回路は、１パルスごとに前記検出信号を積分し、
   前記第２の積分回路は、パルスの間隔ごとに前記検出信号を積分することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記第１の積分回路は、前記光検出器の較正のためのオフセット電圧値が差し引かれた前記検出信号を積分した結果である第１の積分信号を出力し、
   前記制御装置は、前記第２の積分回路による積分結果である第２の積分信号から前記オフセット電圧値を算出するオフセット電圧算出部を備えることを特徴とする請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記光検出器は、検出された前記パルスレーザ光の強度に応じた電圧レベルの前記検出信号である第１の電気信号を出力し、
   前記第１の積分回路は、前記オフセット電圧値が差し引かれた前記第１の電気信号である第２の電気信号を積分して前記第１の積分信号を出力し、
   前記制御装置は、
   前記第１の積分信号を基に前記パルスレーザ光のエネルギー値を算出するエネルギー算出部と、
   前記エネルギー値を基に前記レーザ発振器を制御するレーザ発振制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記オフセット電圧算出部は、前記パルスレーザ光がオンである期間と次の前記パルスレーザ光がオンである期間との間の期間において前記オフセット電圧値を算出し、
   前記エネルギー値の算出のための前記第１の積分信号の測定および前記第１の積分回路の放電に並行して、前記第２の積分回路は前記第２の電気信号を積分することを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. 前記第１の積分回路における前記第２の電気信号の積分時間が可変であることを特徴とする請求項５または６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記第２の電気信号を増幅する増幅回路を備え、
   前記第１の積分回路と前記第２の積分回路とは、前記増幅回路で増幅された前記第２の電気信号を積分することを特徴とする請求項５から７のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
9. 前記増幅回路のゲインが可変であることを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工装置。
10. 前記オフセット電圧算出部は、前記ゲインが変更されたときに前記オフセット電圧値を更新することを特徴とする請求項９に記載のレーザ加工装置。
11. 前記制御装置は、前記増幅回路に設定可能な各ゲインに対応する前記オフセット電圧値を保持するオフセット電圧記憶部を備えることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ加工装置。
12. 前記オフセット電圧算出部は、前記増幅回路に設定可能なゲインのうちの最大ゲインと最小ゲインとについて前記オフセット電圧値を算出し、前記最大ゲインについての前記オフセット電圧値と前記最小ゲインについての前記オフセット電圧値との補間により、前記最大ゲインおよび前記最小ゲイン以外のゲインについての前記オフセット電圧値を求めることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ加工装置。
13. 前記ゲインは、加工の前における前記パルスレーザ光のエネルギーの測定結果に基づいて選択されることを特徴とする請求項９から１２のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。

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