JP6732613B2 - レーザ光源およびそれを用いたレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置用のレーザ駆動装置に関する。

産業用の加工ツールとして、レーザ加工装置が広く普及している。レーザ加工装置の加工精度は、レーザ光源が発生するレーザパルスの特性、たとえばエネルギ、強度、時間波形などに依存する。したがって、高精度な加工を実現するためには、レーザ光源から、ばらつきの小さいレーザパルスを発生させる必要がある。

特許文献１には、光検出器によってレーザパルスのエネルギに依存する物理量を測定し、測定した物理量が許容値から逸脱する場合には、レーザパルスが対象物に照射されないように、別経路に逃がす技術が開示されている。

特開２０１５−１８６８１８号公報

従来技術では、レーザパルスのエネルギが許容値から逸脱した場合でもレーザを発光させることになるため、無駄なエネルギを消費する。また、別経路に逃がしたレーザ光をダンプ（吸収）させる必要があるため、装置が大型化するという問題もある。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、従来と異なるアプローチによって、ショット不良を抑制したレーザ加工装置およびそのレーザ光源の提供にある。

本発明のある態様はレーザ加工装置に関する。レーザ加工装置は、トリガ信号に応答して発振し、レーザパルスを発生するレーザ光源と、レーザパルスを対象物に照射する光学系と、レーザ光源に対してトリガ信号を出力する制御装置と、を備える。レーザ光源は、放電電極と、直流電圧を発生する直流電源と、直流電圧を受け、放電電極の間に高周波電圧を発生する高周波電源と、トリガ信号に応答して高周波電源を動作させるとともに、直流電圧が許容範囲から逸脱するとアサートされる照射禁止信号を生成する駆動回路と、を備える。レーザ加工装置は、照射禁止信号がアサートされるとき対象物にレーザパルスを照射しないよう構成される。

この態様によれば、放電電極に印加される高周波電圧の振幅を規定する直流電圧を監視することにより、実際にレーザ光源を発振させる前にショット不良を推定できる。

駆動回路は、照射禁止信号がアサートされるとき、高周波電源を動作させなくてもよい。これにより照射禁止信号がアサートされるときに、レーザの発振を防止できるため、無駄な電力を抑制しつつ、ショット不良を抑制できる。

制御装置は、照射禁止信号がアサートされるとき、トリガ信号を出力しなくてもよい。これにより、照射禁止信号がアサートされるときの高周波電源の動作を防止できる。

許容範囲は、直流電圧の目標値の±１０％より狭くてもよい。より好ましくは、許容範囲の上限および下限は直流電圧の目標値の±５％、さらに好ましくは目標値の±１％より狭い範囲規定されてもよい。

本発明の別の態様は、レーザ加工装置用のレーザ光源に関する。レーザ光源は、制御装置からのトリガ信号に応じて発光するレーザ加工装置用のレーザ光源であって、放電電極と、直流電圧を発生する直流電源と、直流電圧を受け、放電電極の間に高周波電圧を発生する高周波電源と、トリガ信号に応答して高周波電源を動作させるとともに、直流電圧が許容範囲から逸脱すると、発光禁止を示すフラグ信号を生成する駆動回路と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、ショット不良を抑制できる。

実施の形態に係るレーザ加工装置のブロック図である。 レーザ光源のブロック図である。 図１のレーザ加工装置の動作波形図である。 第２変形例に係るレーザ加工装置の動作波形図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るレーザ加工装置１０のブロック図である。レーザ加工装置１０は、対象物２にレーザパルス４を照射し、対象物２を加工する。対象物２の種類は特に限定されず、また加工の種類も、穴空け（ドリル）、切断などが例示されるが、その限りではない。

レーザ加工装置１０は、レーザ光源１２、光学系１４、制御装置１６、ステージ１８を備える。対象物２はステージ１８上に載置され、必要に応じて固定される。ステージ１８は、制御装置１６からの位置制御信号Ｓ_２に応じて、対象物２を位置決めし、対象物２とレーザパルス４の照射位置を相対的にスキャンする。ステージ１８は、１軸、２軸（ＸＹ）あるいは３軸（ＸＹＺ）であり得る。

レーザ光源１２は、制御装置１６からのトリガ信号Ｓ_１に応じて発振し、レーザパルス６を発生する。光学系１４は、レーザパルス６を対象物２に照射する。光学系１４の構成は特に限定されず、ビームを対象物２に導くためのミラー群、ビーム整形のためのレンズやアパーチャなどを含みうる。

制御装置１６は、レーザ加工装置１０を統括的に制御する。具体的には制御装置１６は、レーザ光源１２に対して間欠的にトリガ信号Ｓ_１を出力する。また制御装置１６は、加工処理を記述するデータ（レシピ）にしたがってステージ１８を制御するための位置制御信号Ｓ_２を生成する。

詳しくは後述するが、レーザ光源１２は照射禁止信号Ｓ_３を生成する。照射禁止信号Ｓ_３は、制御装置１６から参照可能となっている。照射禁止信号Ｓ_３がアサート（たとえばハイレベル）されるとき、制御装置１６はトリガ信号Ｓ_１を出力しない。

続いてレーザ光源１２の構成を説明する。図２は、レーザ光源１２のブロック図である。レーザ光源１２は、放電電極３０、直流電源４０、高周波電源５０を備える。放電電極３０は、ＣＯ２などの混合ガスが充填されるチャンバー３２内に設けられており、等価的に直列キャパシタとして表される。直流電源４０は、数百Ｖ（たとえば５００Ｖ）の直流電圧Ｖ_ＤＣを生成する。直流電源４０の構成は特に限定されないが、バンクコンデンサ４２、電源装置４４、フィルタ４６などを含みうる。電源装置４４は、バンクコンデンサ４２の電圧Ｖ_ＤＣを目標値に安定化するコンバータや充電回路であってもよい。

高周波電源５０は、直流電源４０から直流電圧Ｖ_ＤＣを受け、矩形波の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶを発生する。この駆動電圧Ｖ_ＤＲＶは、インダクタ３４を介して放電電極３０の間に印加され、インダクタ３４と放電電極３０の直列共振によって、放電電極３０の両端間に交流の高周波電圧Ｖ_ＡＣを発生させる。高周波電源５０は、入力コンデンサ５２、フルブリッジ（Ｈブリッジ）型のインバータ５４、昇圧トランス５６を含む。インバータ５４は、直流電圧Ｖ_ＤＣを振幅とする交流電圧を、昇圧トランス５６の一次巻線に印加する。昇圧トランス５６の二次巻線には、巻線比に応じた振幅を有する高周波電圧Ｖ_ＡＣが発生する。たとえばＶ_ＤＣ＝５００Ｖ、巻線比が４であるとき、高周波電圧Ｖ_ＡＣの振幅は２ｋＶとなる。なお昇圧トランス５６を省略して、直流電圧Ｖ_ＤＣを数ｋＶとしてもよい。

駆動回路６０は、トリガ信号Ｓ_１に応答して高周波電源５０を動作させ、高周波電圧Ｖ_ＡＣを発生させる。具体的には駆動回路６０は、トリガ信号Ｓ_１が入力されると、インバータ５４の４個のスイッチをスイッチングする。トリガ信号Ｓ_１の無入力状態においてインバータ５４のすべてのスイッチはオフである。

さらに駆動回路６０は、高周波電源５０のスイッチング動作前、言い換えればレーザ発光前において、直流電圧Ｖ_ＤＣが許容範囲から逸脱しているときに照射禁止信号Ｓ_３をアサートする。

たとえば発光前に判定区間を設け、この判定区間において、直流電圧Ｖ_ＤＣが許容範囲から逸脱しているときに照射禁止信号Ｓ_３をアサートするようにしてもよい。判定区間はレーザ光源１２の発振動作の後、直流電圧Ｖ_ＤＣが目標値Ｖ_ＲＥＦに安定化されるべき期間に設けることが好ましく、たとえばレーザパルス６の次のショットの直前としてもよい。

照射禁止信号Ｓ_３は、直流電圧Ｖ_ＤＣ（あるいはそれにもとづく検出電圧）を、許容範囲の上限、下限に相当するしきい値と比較する電圧コンパレータで構成することができる。あるいは、直流電圧Ｖ_ＤＣ（あるいはそれにもとづく検出電圧）をＡ／Ｄコンバータによってデジタル値に変換し、このデジタル値を許容範囲の上限、下限に相当するしきい値と比較してもよい。

許容範囲は、直流電圧Ｖ_ＤＣの目標値Ｖ_ＲＥＦの±１０％より狭いことが好ましく、より好ましくは、目標値Ｖ_ＲＥＦの±５％、さらに好ましくは目標値Ｖ_ＲＥＦの±１％より狭いことが好ましい。直流電圧Ｖ_ＤＣの目標値Ｖ_ＲＥＦが５００Ｖであるとき、許容範囲は５００±１Ｖ、すなわち目標値Ｖ_ＲＥＦの±０．２％としてもよい。許容範囲を狭くするほど加工精度が高まるが、ショットしない確率が高まるおそれがある。したがって許容範囲は、これらのトレードオフを考慮して定めればよい。

レーザ加工装置１０は、照射禁止信号Ｓ_３がアサートされるとき、対象物２にレーザパルス４を照射しないよう構成される。本実施の形態では、照射禁止信号Ｓ_３がアサートされるとき、レーザ光源１２は発光しないように構成されている。具体的には駆動回路６０は、照射禁止信号Ｓ_３がアサートされるとき高周波電源５０を動作させない。上述したように制御装置１６には照射禁止信号Ｓ_３が入力されており、照射禁止信号Ｓ_３がアサートされるとき、トリガ信号Ｓ_１を出力しない。

以上がレーザ加工装置１０の構成である。続いてその動作を説明する。図３は、図１のレーザ加工装置１０の動作波形図である。定常状態において直流電圧Ｖ_ＤＣは目標電圧Ｖ_ＲＥＦに安定化されている。制御装置１６がトリガ信号Ｓ_１をアサート（ハイレベル）するたびに、高周波電源５０がスイッチングし、レーザパルス６が発生する。高周波電源５０がスイッチングすると、バンクコンデンサ４２および５２の電荷が放電されるため、直流電圧Ｖ_ＤＣは低下し、レーザの発振が停止すると、目標値Ｖ_ＲＥＦに向かって回復していく。

第１、第２サイクルの判定区間τ_１，τ_２では、直流電圧Ｖ_ＤＣは許容範囲（ハッチング）７０に収まっており、したがって照射禁止信号Ｓ_３はネゲートされている。したがってそれらに続く第２、第３サイクルではトリガ信号Ｓ_１がアサートされ、レーザパルス６が出力される。

第３サイクルの判定区間τ_３において、直流電圧Ｖ_ＤＣが許容範囲７０から逸脱しているため、照射禁止信号Ｓ_３がアサートされる。照射禁止信号Ｓ_３のアサートの結果、次の第４サイクルではトリガ信号Ｓ_１が発生せず、レーザパルス６も発生しない。第４サイクルの間に直流電圧Ｖ_ＤＣは許容範囲７０内に収束し、判定区間τ_４において照射禁止信号Ｓ_３はネゲートであり、次の第５サイクルではトリガ信号Ｓ_１がアサートされ、レーザパルス６が出力される。

以上がレーザ加工装置１０の動作である。放電電極３０に印加される高周波電圧Ｖ_ＡＣの振幅は直流電圧Ｖ_ＤＣによって規定され、したがって、レーザパルス６のエネルギ、ピーク値、時間プロファイルは、コンデンサ４２，５２に生ずる直流電圧Ｖ_ＤＣに依存している。レーザ加工装置１０によれば、直流電圧Ｖ_ＤＣを監視することにより、実際にレーザ光源１２を発振させる前に、ショット不良を推定できる。そして、ショット不良の可能性が高い状況では、対象物２にレーザを照射しないことにより、加工精度を高めることができる。

特に、直流電圧Ｖ_ＤＣが許容範囲から逸脱しているときに、高周波電源５０を動作させずに、レーザパルス６をショットしないことにより、無駄な電力消費を抑制できる。またショットしないサイクルの間に、直流電圧Ｖ_ＤＣを目標値Ｖ_ＲＥＦに回復させることができるため、次のショットでは、理想的なレーザパルス６を生成することができる。

以上、本発明について、いくつかの実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（第１変形例）
実施の形態では、照射禁止信号Ｓ_３がアサートされると、制御装置１６がトリガ信号Ｓ_１を出力しないこととしたがその限りでない。たとえば、照射禁止信号Ｓ_３と無関係に制御装置１６がトリガ信号Ｓ_１を出力し、駆動回路６０は、照射禁止信号Ｓ_３がアサートされているときに、トリガ信号Ｓ_１が入力された場合に、高周波電源５０を動作させないようにしてもよい。

（第２変形例）
実施の形態では、判定区間における直流電圧Ｖ_ＤＣにもとづいて照射禁止信号Ｓ_３を生成したが、その限りではない。図４は、第２変形例に係るレーザ加工装置１０の動作波形図である。照射禁止信号Ｓ_３は、直流電圧Ｖ_ＤＣが許容範囲に含まれているとき（レディ状態）に第１レベル（たとえばハイレベル）、逸脱したとき（非レディ状態）に第２レベル（たとえばローレベル）となる２値信号であってもよい。制御装置１６は、照射禁止信号Ｓ_３が第１レベルであることを条件として、トリガ信号Ｓ_１を出力してもよい。

（第３変形例）
実施の形態では、照射禁止信号Ｓ_３がアサートされたときに、レーザパルス６を発生しないこととしたがその限りではない。照射禁止信号Ｓ_３がアサートされたときに、レーザパルス６を対象物２以外の経路に導くようにしてもよい。たとえば、対象物２と別経路に光学系１４にビームダンパを設け、照射禁止信号Ｓ_３がアサートされると、ビームダンパにレーザパルス４を導くように構成してもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

２…対象物、４，６…レーザパルス、１０…レーザ加工装置、１２…レーザ光源、１４…光学系、１６…制御装置、１８…ステージ、Ｓ_１…トリガ信号、Ｓ_２…位置制御信号、Ｓ_３…照射禁止信号、３０…放電電極、３２…チャンバー、４０…直流電源、４２…バンクコンデンサ、４４…電源装置、４６…フィルタ、５０…高周波電源、５２…入力コンデンサ、５４…インバータ、５６…昇圧トランス、６０…駆動回路。

Claims (5)

1. トリガ信号に応答して発振し、レーザパルスを発生するレーザ光源と、
   前記レーザパルスを対象物に照射する光学系と、
   前記レーザ光源に対してトリガ信号を出力する制御装置と、
   を備え、
   前記レーザ光源は、
   放電電極と、
   直流電圧を発生する直流電源と、
   前記直流電圧を受け、前記放電電極の間に高周波電圧を発生する高周波電源と、
   前記トリガ信号に応答して前記高周波電源を動作させるとともに、前記高周波電源のスイッチング動作前に前記直流電圧が許容範囲から逸脱するとアサートされる照射禁止信号を生成する駆動回路と、
   を備え、
   前記照射禁止信号がアサートされるとき対象物にレーザパルスを照射しないよう構成されることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記駆動回路は、前記照射禁止信号がアサートされるとき、前記高周波電源を動作させないことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記制御装置は、前記照射禁止信号がアサートされるとき、前記トリガ信号を出力しないことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記許容範囲は、直流電圧の目標値の±１０％より狭いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
5. レーザ加工装置用のレーザ光源であって、
   制御装置からのトリガ信号に応じて発光するレーザ加工装置用のレーザ光源であって、
   放電電極と、
   直流電圧を発生する直流電源と、
   前記直流電圧を受け、前記放電電極の間に高周波電圧を発生する高周波電源と、
   前記トリガ信号に応答して前記高周波電源を動作させるとともに、前記高周波電源のスイッチング動作前に前記直流電圧が許容範囲から逸脱すると、発光禁止を示すフラグ信号を生成する駆動回路と、
   を備えることを特徴とするレーザ光源。

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