KR101246473B1

KR101246473B1 - 레이저 가공 장치

Info

Publication number: KR101246473B1
Application number: KR1020117021325A
Authority: KR
Inventors: 도모히로 교토; 아츠히로 가네다; 야스히로 다키가와
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2013-03-22
Also published as: CN102348528A; JP5414782B2; TWI374069B; CN102348528B; JPWO2010103657A1; WO2010103657A1; KR20110126696A; TW201032930A

Abstract

레이저 발진 장치(1)로부터 출력되는 펄스 레이저의 레이저 파워를 측정하는 파워 미터(5)와; 레이저 발진 장치(1)의 발진 능력 범위 내이고 또한 파워 미터(5)의 파워 측정 능력 범위 내에서 파워 미터(5) 및 워크(4)에 펄스 레이저가 조사되도록, 파워 미터(5) 및 워크(4)로의 각 펄스 조사 패턴을, 워크(4)의 레이저 가공 조건에 기초하여 각각 산출하는 연산부(7)와; 펄스 조사 패턴에 따라서 레이저 발진 장치(1)를 제어함과 아울러, 파워 미터(5)가 측정한 레이저 파워를 이용하여 산출된 1샷당의 펄스 에너지가 미리 설정한 소정 범위 내인 경우에 워크(4)의 레이저 가공을 행하는 제어 장치(6)를 구비한다.

Description

레이저 가공 장치{LASER MACHINING APPARATUS}

본 발명은 펄스 레이저를 이용하여 워크(work)를 레이저 가공하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

펄스 레이저를 이용하여 워크를 레이저 가공하는 레이저 가공 장치는 펄스 에너지나 1구멍당 버스트 샷(burst shot; 펄스 샷) 수 등의 여러 가지 가공 조건에 따라서 워크를 가공한다. 이와 같은 레이저 가공 장치는 안정된 레이저 가공을 행하기 위해, 적절한 주파수의 펄스 레이저를 이용할 필요가 있다. 이 때문에, 레이저 가공 장치가 레이저 가공을 행할 때에는, 펄스 에너지를 정확하게 측정하고, 정확하게 측정한 펄스 에너지에 기초하여, 레이저 발진 장치의 출력 조정을 행해 둘 필요가 있다.

예를 들어, 특허 문헌 1에 기재된 에너지 측정 방법에서는 펄스 레이저를 수샷 발진하고 휴지함으로써, 펄스 레이저를 간헐적으로 발진하고 있다. 그리고 레이저 발진기의 출력 펄스의 에너지를 측정할 때에, 1샷당의 펄스 에너지(E)를, 발진기의 출력 파워(P), 발진 주파수(f), 발진 시간(T1), 휴지 시간(T2)을 이용하여, E＝(P／f)×{T1／(T1+T2)}에 의해 산출하고 있다.

특허 문헌 1: 일본 특개 2003-90760호 공보

그렇지만 상기 종래의 기술에서는 레이저 발진 장치의 능력 범위 내에서 동작 조건(발진 듀티비)을 설정하고 있고, 에너지 측정 장치측의 능력을 고려하고 있지 않다. 이 때문에, 에너지 측정 장치의 측정 능력 이상의 빔 조사에 의해 에너지 측정 장치가 파손하는 경우가 있다고 하는 문제가 있었다.

또, 에너지 측정 장치측의 능력을 고려하지 않고 레이저 발진 장치의 동작 조건을 결정하면, 분해능이 작은 곳에서의 에너지 측정에 의해 측정 정밀도 불량이 발생하는 경우가 있다. 또, 레이저 발진 장치가 출력하는 펄스 레이저의 주파수 특성에는 시간 응답이 다른 여러 가지 현상이 있음에도 불구하고, 상기 종래의 기술에서는 하나의 현상 밖에 가미할 수 없기 때문에 에너지의 측정 정밀도가 낮았다. 이와 같이, 펄스 에너지의 측정 정밀도가 낮은 경우에는, 레이저 발진 장치의 출력 조정을 정확하게 행하지 못하고, 그 결과 레이저 가공되는 구멍의 품질에 차이가 발생한다라고 하는 문제가 있었다.

또, 1대의 레이저 가공 장치에서 워크의 폭넓은 가공을 행하는 경우에는, 워크 상에 여러 가지의 출력 파워로 펄스 레이저가 조사된다. 이 때문에, 워크를 폭넓게 가공하기 위해서는 에너지 측정 장치로서 워크 조사면 상에서 측정할 수 있는 출력 파워 레인지폭이 넓은 것을 이용할 필요가 있지만, 이와 같은 에너지 측정 장치는 고가라고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 파워 미터의 파손을 방지하면서 가공 품질이 안정된 레이저 가공을 염가로 행할 수 있는 레이저 가공 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 펄스 레이저를 출력하는 레이저 발진 장치와; 상기 레이저 발진 장치로부터 출력되는 상기 펄스 레이저를 워크의 레이저광 조사면까지 전송하는 전송 광학계와; 상기 펄스 레이저의 레이저 파워를 측정하는 파워 측정 장치와; 상기 레이저 발진 장치의 발진 능력 범위 내이고 또한 상기 파워 측정 장치의 파워 측정 능력 범위 내에서 상기 파워 측정 장치 및 상기 워크에 상기 펄스 레이저가 조사되도록, 상기 파워 측정 장치 및 상기 워크로의 각 펄스 조사 패턴을, 상기 워크의 레이저 가공 조건에 기초하여 각각 산출하는 연산부와; 상기 펄스 조사 패턴에 따라서 상기 레이저 발진 장치를 제어함과 아울러, 상기 파워 측정 장치가 측정한 레이저 파워를 이용하여 산출된 1샷당 상기 펄스 레이저의 펄스 에너지가 미리 설정한 소정 범위 내인 경우에 상기 워크의 레이저 가공을 행하는 제어 장치를 구비하고, 상기 연산부는 상기 워크로의 소정수의 구멍 내기 가공 시간인 빔 온 시간과, 상기 소정수의 구멍 내기 가공 후에 소정 시간 레이저 발진을 휴지하는 시간인 휴지 시간을 합한 시간에서의 단위 시간당 펄스 조사 수인 평균 주파수의 최대값으로서, 상기 레이저 발진 장치가 발진 가능한 제1 최대 평균 주파수와, 상기 레이저 발진 장치에 의한 펄스 조사에 있어서 상기 휴지 시간을 제로로 가정한 경우의 제2 최대 평균 주파수와, 상기 파워 측정 장치에 설정되어 있는 파워 레인지에서 허용할 수 있는 제3 최대 평균 주파수를 각각 산출하고, 상기 제1 ~ 제3 최대 평균 주파수 중에서 최소의 최대 평균 주파수를 이용하여 상기 펄스 조사 패턴을 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 레이저 발진 장치의 발진 능력 범위 내이고 또한 파워 측정 장치의 파워 측정 능력 범위 내에서 펄스 레이저가 조사되도록 펄스 조사 패턴을 산출하므로, 파워 미터의 파손을 방지하면서 가공 품질이 안정된 레이저 가공을 염가로 행할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 실시 형태 1에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 주파수에 의해 펄스 에너지가 변화하는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 주파수에 의해 펄스 에너지가 변화하는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 주파수에 의해 펄스 에너지가 변화하는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 주파수에 의해 펄스 에너지가 변화하는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 주파수 특성의 시간 응답의 차를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 레이저 가공 장치가 워크에 조사하는 펄스 레이저의 펄스 조사 패턴의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 실시 형태 1에 관한 레이저 가공 장치의 동작 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 9는 실시 형태 1에 관한 레이저 가공 장치의 동작 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 10은 실시 형태 2에 관한 레이저 가공 장치의 동작 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 11은 실시 형태 2에 관한 레이저 가공 장치의 동작 순서를 나타내는 플로차트이다.

이하에, 본 발명의 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시 형태 1.

도 1은 실시 형태 1에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 레이저 가공 장치(10)는 레이저 발진 장치(1), 전송 광학계(2), 워크 테이블(9), 파워 미터(파워 측정 장치; 5), 제어 장치(6), 연산부(7), I／F(인터페이스)부(8)를 구비하여 구성되어 있다.

레이저 발진 장치(1)는 레이저광을 펄스 발진하여 펄스 레이저를 전송 광학계(2)로 보낸다. 전송 광학계(2) 내에는 펄스 레이저의 공간 분포 형상을 정형(整形)하기 위한 마스크(3)가 배치되어 있다. 전송 광학계(2)는 레이저 발진 장치(1)로부터 출력되는 펄스 레이저를, 마스크(3)나 AQ 등의 스위칭 소자를 이용하여 레이저 가공에 적합한 빔 조건(공간 분포 형상이나 출력 시간 파형)으로 정형함과 아울러, 정형한 펄스 레이저를 워크 테이블(9)측에 전송한다.

워크 테이블(9)은 레이저 가공의 대상이 되는 워크(4)를 재치(載置)하고, 파워 미터(5)는 워크 테이블(9) 상의 워크 조사면 위치(워크(4)가 레이저 조사되는 위치)에서의 레이저 출력(펄스 레이저의 평균 출력 파워(P))을 측정한다. 이에 의해, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치(10)는 마스크(3)를 통과한 후의 실제로 워크(4) 상에 조사되는 펄스 레이저의 평균 출력 파워(P)를 측정하는 구성으로 되어 있다.

연산부(7)는 I／F부(8)에 입력된 가공 조건에 기초하여, 파워 미터(5)의 측정 능력 등을 고려하여, 후술하는 펄스 조사 패턴(빔 온 시간(Ton)이나 빔의 휴지 시간(Toff) 등)을 연산한다. 또, 연산부(7)는 파워 미터(5)의 측정 능력 등을 고려하여, 단위 시간당의 펄스 조사 수(후술하는 펄스 평균 주파수<f>)를 결정한다. 또, 연산부(7)는 파워 미터(5)에 접속되어 있고, 파워 미터(5)가 측정한 평균 출력 파워(P)와 펄스 평균 주파수<f>를 이용하여, 1샷당의 평균 펄스 에너지(E)를 산출한다. 구체적으로, E＝P／<f>에 의해 1샷당의 평균 펄스 에너지(E)가 산출된다. 연산부(7)는 연산한 펄스 조사 패턴을 제어 장치(6)에 보낸다.

I／F부(8)는 레이저 가공 장치(10)와 작업자 사이의 인터페이스(정보의 입출력부)이며, 마우스, 키보드 등을 구비하여 구성되어 있다. I／F부(8)에는 가공 조건 등이 입력되고, I／F부(8)는 입력된 가공 조건을 제어 장치(6)나 연산부(7)에 보낸다.

제어 장치(6)는 I／F부(8)로부터 보내져 온 가공 조건이나 연산부(7)가 연산한 펄스 조사 패턴에 기초하여, 레이저 발진 장치(1), 전송 광학계(2), 워크 테이블(9), 파워 미터(5), 연산부(7), I／F부(8)를 제어한다.

레이저 가공 장치(10)는 전술한 구성에 의해, 파워 미터(5)의 측정 능력에 따른 펄스 레이저를 파워 미터(5)에 조사할 수 있도록, 레이저 발진 장치(1)의 레이저 발진이나 전송 광학계(2)를 제어한다.

레이저 가공 장치(10)는 워크 조사면 상에서의 펄스 에너지를, 레이저 가공을 행할 때의 가공 조건으로서 이용한다. 예를 들어, 워크(4)로의 구멍 내기 가공을 행하는 경우, 레이저 가공 장치(10)는 워크 테이블(9)의 이동이나, 전송 광학계(2)에 배치된 고속 이동할 수 있는 편향 장치(도시하지 않은 갈바노 미러 등)의 동작에 의해, 임의의 패턴 위치를 구멍 가공한다. 이 때의 펄스 조사 패턴(조사 스케줄)은 구멍 가공 위치의 간격이나 편향 장치의 위치 이동 속도 등에 의해 불특정한 시간 간격을 가지고 있다. 따라서 레이저 가공 장치(10)는 구멍 내기 가공에 이용하는 장치(레이저 발진 장치(1)나 전송 광학계(2) 등), 펄스 레이저에 의한 구멍 내기 위치, 파워 미터(5)의 측정 능력 등의 여러 가지 정보에 기초하여, 레이저 가공 시의 적절한 펄스 조사 패턴을 결정한다.

그런데 워크 조사면 상에서의 펄스 에너지는 안정적으로 있는 것이 바람직하지만, 실제로는 주파수에 의해 약간 변화하는 경우가 있다. 특히, 전송 광학계(2)가 마스크(3) 등의 공간 분포 형상을 정형하는 광학계를 가지고 있는 경우, 워크 조사면 상에서의 펄스 에너지는 주파수에 의한 출력 변화를 많이 받기 쉽다. 이와 같이, 펄스 레이저에 의해 워크(4)를 가공하는 경우, 주파수 특성의 시간 응답이 여러 가지로 변화하는 경우가 있다. 이 때문에, 주파수 특성의 시간 응답의 차가 원인으로 되어 펄스 에너지가 변화하는 경우가 있다.

여기서, 주파수가 달라짐에 따라 펄스 에너지가 변화하는 현상(시간 응답이 다른 것에 기인하는 펄스 에너지 출력의 변화)에 대해서 설명한다. 도 2 내지 도 5는 주파수에 의해 펄스 에너지가 변화하는 현상을 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 레이저 발진 장치(1)의 빔 포인팅 위치가 변화하는 경우가 있다. 이 경우에, 주파수가 저주파수이면 마스크(3)의 거의 중심을 펄스 레이저가 통과하는데 반해, 주파수가 고주파수이면 마스크(3)의 중심으로부터 벗어난 위치를 펄스 레이저가 통과한다. 펄스 레이저가 마스크(3)의 중심으로부터 벗어난 위치를 통과하는 경우, 마스크(3)의 거의 중심을 펄스 레이저가 통과하는 경우보다 마스크(3)를 통과하는 펄스 레이저의 광량이 적어지게 된다. 이 때문에, 마스크(3)를 이용한 경우에, 고주파수의 펄스 레이저가 조사되면, 저주파수의 경우보다 워크 조사면 상에서의 펄스 에너지가 낮아진다(워크 조사면에서의 조사 에너지 출력이 저하된다).

또, 도 3에 나타내는 바와 같이, 레이저 발진 장치(1)로부터 출력하는 빔 모드 형상(모드 차수(次數))이 변화하는 경우가 있다. 이 경우, 고주파수일 때는 저주파수일 때보다 워크 조사면 상에서의 펄스 에너지가 낮아진다.

또, 도 4에 나타내는 바와 같이, 레이저 발진 장치(1)로부터 출력되는 펄스 레이저의 빔 직경이 변화하는 경우나, 전송 광학계(2) 중에서 펄스 레이저의 빔 직경이 변화하는 경우가 있다. 이 도 4의 경우, 고주파수일 때는 저주파수일 때보다 워크 조사면 상에서의 펄스 에너지가 높아진다(출력 상승한다).

또, 도 5에 나타내는 바와 같이, 전송 광학계(2) 중에서 빔 모드 형상이 변화하는 경우가 있다. 예를 들어, 톱 해트(top hat)형으로 정형된 빔이 이용되는 경우에, 펄스 레이저가 고주파수로 되는 것에 의해 빔의 프로파일 형상이 톱 해트형으로부터 무너지는 경우가 있다. 이 경우, 고주파수일 때는 저주파수일 때보다 워크 조사면 상에서의 펄스 에너지가 낮아진다.

도 6은 주파수 특성의 시간 응답의 차를 설명하기 위한 도면이다. 도 6의 특성(X1)은 주파수 특성이 없는 이상적인 장치에서의 특성이며, 워크 조사면 상에서의 펄스 에너지(출력)가 시간적으로 변화하지 않는 경우를 나타내고 있다.

또, 특성(X2)은 고주파수에서 펄스 레이저 가공하는 경우의 특성이며, 워크 조사면 상에서 펄스 에너지의 시간 변화가 극단적으로 빠르고, 그대로 안정적으로 되는 경우를 나타내고 있다. 특성(X2)은 예를 들어, 레이저 발진 장치(1)가 3축 직교형 CO₂ 레이저 발진기이며, 앞 펄스 방전의 영향 등을 받은 경우 등의 특성이다.

또, 특성(X3)는 고주파수에서 펄스 레이저 가공하는 경우의 특성이며, 워크 조사면 상에서 펄스 에너지의 시간 변화가 비교적 빠르고, 소정 시간의 경과 후에 안정적으로 되는 경우를 나타내고 있다. 특성(X3)은 예를 들어, 광 공진기의 열왜(熱歪) 등에 의해 축 이동 등이 일어난 경우의 특성이다.

또, 특성(X4)은 고주파수에서 펄스 레이저 가공하는 경우의 특성이며, 워크 조사면 상에서 펄스 에너지의 시간 변화가 비교적 완만하고, 소정 시간의 경과 후에 안정적으로 되는 경우를 나타내고 있다. 특성(X4)은 예를 들어, 광학 부품의 열 렌즈 영향 등을 받은 경우의 특성이다.

이와 같이, 주파수에 의한 출력 변화의 원인은 레이저 발진 장치(1) 및 전송 광학계(2)에 존재하므로, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치(10)는 평균 출력 파워(P)의 측정을 워크 조사면 상(전송 광학계(2)보다 후단)에서 행한다.

도 6에서 설명한 바와 같이, 펄스 레이저에 의해 워크(4)를 가공하는 경우, 주파수 특성의 시간 응답이 여러 가지로 변화하는 경우가 있다. 예를 들어, 각 구멍의 레이저 가공을 복수의 버스트 샷에 의해 행하는 경우, 1발째의 펄스 레이저는 주파수의 영향을 받지 않은 펄스 에너지 출력으로 조사된다. 그런데 2발째 이후의 펄스 레이저는 펄스 레이저의 주파수의 영향을 받은 펄스 에너지 출력으로 조사된다.

도 7은 레이저 가공 장치가 조사하는 펄스 레이저의 펄스 조사 패턴의 일례를 나타내는 도면이다. 도 7에서는 실가공으로의 펄스 조사 패턴이 아니라, 실가공을 모의(模擬)한 평균적인 펄스 조사 패턴을 나타내고 있다. 버스트 주파수는 가공 조건에 의해 결정되지만, 갈바노 주파수는 실제의 구멍 위치에 따라 여러 가지이고, 본 실시 형태에서는 이용되는 평균 주파수를 에너지 조사 시의 펄스 조사 패턴으로서 이용한다. 또한, 도 7에 나타낸 펄스 조사 패턴에 의해 실가공을 행하는 것은 아니다. 레이저 가공 장치(10)는 버스트 가공에 의해 워크(4)에 복수의 구멍 내기 가공을 행한다. 버스트 가공은 하나의 가공 구멍에 복수 샷의 펄스 레이저를 조사하고, 그 후 다음의 가공 구멍으로 이동하여 복수 샷의 펄스 레이저를 조사하는 처리를 반복하는 가공 방법이다. 도 7에서는 버스트 가공 시의 펄스 조사 패턴을 나타내고 있고, 버스트 가공 시 1구멍으로의 샷 수(이하, 버스트 샷 수(Np)라고 함)가 3샷인 경우를 나타내고 있다.

워크(4)에 소정수의 구멍 내기 가공을 행하는 동안에 워크(4)의 1구멍에 조사되는 펄스 그룹(3 샷)의 조수(組數)가 펄스 그룹 수(Ng; 구멍 수)이다. 휴지 시간(Toff)까지의 동안에 워크(4)로 조사되는 총 샷 수는 펄스 그룹 수(Ng)에 버스트 샷 수(Np)를 곱한 값으로 된다.

레이저 가공 장치(10)가 버스트 가공 시에 조사하는 펄스 레이저의 1샷분의 주파수가 버스트 주파수(Fp)이다. 또, 하나의 가공 구멍에 대해서 레이저 가공 장치(10)가 조사하는 펄스 레이저의 평균값이 1구멍마다의 평균 주파수(갈바노 주파수; Fg)이다. 1구멍마다의 평균 주파수(Fg)는 하나의 가공 구멍에 펄스 레이저를 조사하는 시간과 다음의 가공 구멍으로의 이동 시간(갈바노 스캐너, 갈바노 미러를 동작시키는 시간)을 합한 시간(1구멍당의 가공 시간)에서 펄스 레이저의 주파수이다.

평균 위치 결정 주파수(Fm_ave)는 가공 구멍으로의 조사 위치를 위치 결정할 때의 주파수이며, 갈바노 스캐너나 갈바노 미러에 의한 단위 시간당 위치 결정 가능 횟수(回數)의 평균값이다. 평균 위치 결정 주파수(Fm_ave)는 실가공에 있어서 평균 주파수이어도 좋고, 다른 방법에 의해 산출한 주파수이어도 좋다. 본 실시 형태에서는 평균 위치 결정 주파수(Fm_ave)를, 후술하는 최대 위치 결정 주파수(Fm_max)의 반으로 한다. 최대 위치 결정 주파수(Fm_max)는 가공 구멍으로의 조사 위치를 위치 결정할 때의 주파수이며, 갈바노 스캐너나 갈바노 미러에 의한 단위 시간당 위치 결정 가능 횟수의 최대값이다.

레이저 가공 장치(10)는 파워 미터(5)가 평균 출력 파워(P)를 안정적으로 측정할 수 있도록, 필요에 따라서 레이저 발진 장치(1)를 소정의 타이밍에서 소정 시간(휴지 시간(Toff))만큼 휴지시키고 있다. 레이저 발진 장치(1)를 휴지시킬 필요가 있는 경우, 레이저 발진 장치(1)는 워크(4)에 소정수의 구멍 내기 가공을 행한 후, 휴지 시간(Toff)만큼 펄스 레이저의 발진을 정지한다.

워크(4)로의 소정수의 구멍 내기 가공 시간(빔 온 시간(Ton))과 휴지 시간(Toff)을 합한 시간에서의 주파수가 펄스 평균 주파수<f>이다. 환언하면, 펄스 조사 패턴(펄스 평균 주파수<f>)은 버스트 가공 시에 1구멍에 조사하는 주파수(버스트 주파수(Fp)), 조사의 위치 이동에 수반되는 속도를 상정한 1구멍마다의 평균 주파수(Fg), 파워 미터(5)를 보호하기 위한 휴지 시간(Toff)에 의해 정해지는 펄스 주파수의 평균값이다. 본 실시 형태에서는 이 펄스 조사 패턴을 하나의 패턴으로서 파워 미터(5)에 반복 조사하는 것에 의해, 평균 출력 파워(P)를 측정한다.

연산부(7)는 펄스 조사의 평균 주파수(단위 시간당의 펄스 조사 수)를 펄스 평균 주파수<f>로 한 경우, 1샷당의 평균 펄스 에너지(E)를 식 (1)에 의해 산출한다. 식 (1)에서의 P는 파워 미터(5)에 의해 측정되는 평균 출력 파워(P)이다.

E＝P／<f>ㆍㆍㆍ(1)

이에 의해, 펄스 조사 패턴에서의 평균 펄스 에너지(E)를 용이하게 측정할 수 있다. 레이저 가공 장치(10)는 펄스 평균 주파수<f>에서의 레이저 가공을 반복하는 것에 의해 워크(4)의 레이저 가공을 행한다. 본 실시 형태에서는 레이저 가공 장치(10)의 연산부(7)가 워크(4)의 가공 조건에 기초하여, 에너지 측정에 최적인 펄스 평균 주파수<f>를 산출한다.

다음에, 실시 형태 1에 관한 레이저 가공 장치의 동작 순서에 대해서 설명한다. 도 8 및 도 9는 실시 형태 1에 관한 레이저 가공 장치의 동작 순서를 나타내는 플로차트이다. 도 8 및 도 9는 레이저 가공 장치(10)에 입력되는 가공 조건에 기초한 펄스 평균 주파수<f>의 산출 처리 순서 및 평균 펄스 에너지(E)의 측정 처리 순서를 나타내고 있다.

펄스 평균 주파수<f>를 산출할 때, I／F부(8)를 통하여 제어 장치(6)에 가공 조건이 입력된다(단계 S10). 이 가공 조건은 작업자가 입력해도 좋고, 다른 장치로부터 수신해도 좋다. 가공 조건은 예를 들어 투입 전력 등에 의존하는 레이저 발진 조건(펄스폭(Wd)이나 전류값(Ip) 등), 가공 기준 에너지(1 샷당의 기준이 되는 펄스 에너지; Est), 버스트 가공 시 1구멍으로의 버스트 샷 수(Np), 버스트 가공 시의 버스트 주파수(Fp) 등이다. 본 실시 형태에서는 가공 조건의 일례가 펄스폭(Wd)＝10㎲, 가공 기준 에너지(Est)＝10mJ, 버스트 샷 수(Np)＝3샷, 버스트 주파수(Fp)＝10000Hz인 경우에 대해서 설명한다.

제어 장치(6)에 가공 조건이 입력된 후, 연산부(7)는 가공 조건 등을 이용하여 레이저 발진 장치(1)의 최대 평균 주파수(Fmax_1)를 산출한다(단계 S20). 레이저 발진 장치(1)의 최대 평균 주파수(Fmax_1)는 레이저 발진 장치(1)가 발진 가능한 최대의 평균 주파수이며, 예를 들어 최대 평균 주파수(Fmax_1)＝3000Hz이다. 최대 평균 주파수(Fmax_1)는 레이저 발진 장치(1)의 최대 투입 전력, 1샷에 투입하는 전력(펄스폭(Wd)이나 전류값(Ip) 등), 광학 부품에서의 부하 등으로부터 구해진다.

이 후, 연산부(7)는 최초의 가공 조건 판정으로서, 레이저 발진 장치(1)의 능력(레이저 발진 장치(1)의 최대 평균 주파수(Fmax_1))이나 레이저 가공 장치(10)의 능력 등에 기초하여, 입력된 가공 조건에서 레이저 가공 장치(10)가 동작 가능한지의 여부(가공 조건이 적절한지의 여부)를 판정한다(단계 S30).

입력된 가공 조건에서 레이저 가공 장치(10)가 동작할 수 없는 경우(단계 S30, NG), 연산부(7)는 입력된 가공 조건을 거부한다(단계 S40). 구체적으로, 레이저 가공 장치(10)의 성능 이상의 가공 조건이나, 레이저 발진 장치(1)의 성능 이상의 가공 조건이 입력된 경우에는, 연산부(7)가 입력된 가공 조건을 거부한다. 이에 의해, 제어 장치(6)는 입력된 가공 조건에서 레이저 가공 장치(10)가 동작할 수 없다는 것을 I／F부(8)로부터 작업자에게 통지한다. 이 후, 제어 장치(6)에 가공 조건이 재입력된다(단계 S10). 입력된 가공 조건에서 레이저 가공 장치(10)가 동작 가능하다고 연산부(7)가 판단할 때까지, 레이저 가공 장치(10)는 단계 S10 ~ S30의 처리를 반복한다.

입력된 가공 조건에서 레이저 가공 장치(10)가 동작할 수 있는 경우(단계 S30, OK), 연산부(7)는 평균 위치 결정 주파수(Fm_ave), 버스트 주파수(Fp), 펄스폭(Wd), 버스트 샷 수(Np)를 이용하여 1구멍마다의 평균 주파수(Fg)를 산출한다(단계 S50). 전술한 바와 같이, 평균 위치 결정 주파수(Fm_ave)를, 예를 들어 최대 위치 결정 주파수(Fm_max)의 반으로 한다.

최대 위치 결정 주파수(Fm_max)가 Fm_max＝2000Hz인 경우, Fm_ave＝2000Hz／2＝1000Hz로 된다. 연산부(7)는 식 (2)를 이용하여 1구멍마다의 평균 주파수(Fg)를 산출한다.

Fg＝1／{(Np-1)／Fp+Wd+(1／Fm_ave)}ㆍㆍㆍ(2)

이 식 (2)를 이용하면, 1구멍마다의 평균 주파수(Fg)는 Fg＝1／{(3-1)／10000+0.00001+(1／1000)}＝826Hz로 된다.

다음에, 연산부(7)는 레이저 발진 장치(1)가 펄스 그룹의 발진을 반복한 경우의 최대 평균 주파수(Fmax_2)를 산출한다(단계 S60). 구체적으로, 최대 평균 주파수(Fmax_2)는 Fmax_2＝Fg×Np＝2478Hz이다.

또, 연산부(7)는 레이저 가공 장치(10)에 설정해 둔 파워 레인지에서 허용할 수 있는 최대 평균 주파수(Fmax_3)를 산출한다(단계 S70). 이 최대 평균 주파수(Fmax_3)는 파워 레인지의 상한 출력(PWR_max)과 가공 기준 에너지(Est)를 이용하여 산출된다. 파워 레인지의 상한 출력(PWR_max; 최대 출력)이 3W인 경우, Fmax_3＝PWR_max／Est＝3／0.01＝300Hz로 된다. 또한, 단계 S60의 처리와 단계 S70의 처리는 어느 것이 앞이어도 좋다.

이 후, 연산부(7)는 펄스 평균 주파수(Fmax_min)를 산출한다(단계 S80). 이 단계 S80에서 펄스 평균 주파수(Fmax_min)의 산출 처리가 펄스 평균 주파수의 제1 산출 처리(c1)이다. 펄스 평균 주파수(Fmax_min)는 레이저 가공 장치(10)에 허용되는 펄스 레이저의 평균 주파수이다. 연산부(7)는 최대 평균 주파수(Fmax_1, Fmax_2, Fmax_3)을 비교하여 최소의 것을 펄스 평균 주파수(Fmax_min)로 한다. 이것은 최대 평균 주파수(Fmax_1, Fmax_2, Fmax_3) 각각은 능력 한계의 주파수이므로, 능력 한계 이하로 이용하려면, 모든 최대 평균 주파수(Fmax_1, Fmax_2, Fmax_3) 이하의 주파수일 필요가 있기 때문이다. 본 실시 형태의 예에서는 Fmax_min＝Fmax_3＝300Hz로 된다.

다음에, 연산부(7)는 펄스 그룹 수(Ng)를 산출한다(단계 S90). 본 실시 형태의 예에서, 펄스 그룹 수(Ng)는 Ng＝Fmax_min／Np＝300／3＝100 그룹이다.

펄스 평균 주파수(Fmax_min)가 버스트 샷 수(Np)로 나뉘어 떨어지지 않은 경우, 연산부(7)는 펄스 평균 주파수(Fmax_min)의 미세 수정을 행하는 것에 의해, 미세 수정 후의 펄스 평균 주파수(Fx)를 산출한다(단계 S100). 이 단계 S100에서 펄스 평균 주파수(Fx)의 산출 처리가 펄스 평균 주파수의 제2 산출 처리(c2)이다. 구체적으로, 연산부(7)는 산출한 펄스 그룹 수(Ng)의 소수점 이하 값을 잘라 버리고, 펄스 그룹 수(Ng)를 자연수로 한다. 그리고 자연수로 한 펄스 그룹 수(Ng)와 버스트 샷 수(Np)를 곱한 값을 미세 수정 후의 펄스 평균 주파수(Fx)로 한다. 본 실시 형태의 예에서는 Fx＝Ng×Np＝100×3＝300Hz이며, 미세 수정 전의 펄스 평균 주파수(Fmax_min)와 동일하므로, 이 단계 S100의 처리는 생략해도 좋다.

이하의 처리에서, 연산부(7)는 펄스 평균 주파수(Fmax_min)가 Fmax_1, Fmax_2, Fmax_3 중 어느 것인가에 따라 다른 처리를 행한다. 이 때문에, 연산부(7)는 펄스 평균 주파수(Fmax_min)에 Fmax_1, Fmax_2, Fmax_3 중 어느 것을 선택하고 있는지를 확인한다(단계 S110).

펄스 평균 주파수(Fmax_min)로서 Fmax_1 또는 Fmax_3을 선택하고 있는 경우(단계 S110, Fmax_ 또는 Fmax_3), 연산부(7)는 레이저 발진 장치(1)가 발진하는 펄스 레이저의 평균 주파수를 파워 미터(5)의 측정 능력 범위에 넣기 위해, 휴지 시간(Toff)을 설정한다(단계 S120). 본 실시 형태의 예에서, Fmax_min＝Fmax_3이므로, 연산부(7)는 휴지 시간(Toff)을 설정한다. 휴지 시간(Toff)은 길면 길수록 파워 미터(5)의 측정 정밀도가 낮아지는 것이 알려져 있다. 또, 여러 가지의 관점으로부터 휴지 시간(Toff)의 최적화를 도모하는 것은 가능하지만, 본 실시 형태에서는 휴지 시간(Toff)이 Toff＝0.15s의 고정값인 경우에 대해서 설명한다.

연산부(7)는 빔 온 시간(Ton)을 산출한다(단계 S130). 본 실시 형태의 예에서는 Ton＝Ng／Fg＝100／826＝0.121s이다. 이 후, 연산부(7)는 빔 온 시간(Ton)의 판정을 행한다(단계 S140). 구체적으로, 연산부(7)는 빔 온 시간(Ton)이 최대 빔 온 시간(Ton_max)보다 짧은지의 여부를 판정한다. 최대 빔 온 시간(Ton_max)는 허용되는 빔 온 시간이며, 레이저 가공 장치(10)는 이 최대 빔 온 시간(Ton_max)보다 짧은 시간동안만 펄스 레이저의 조사가 허용된다.

빔 온 시간(Ton)이 최대 빔 온 시간(Ton_max) 이상인 경우(단계 S140, NG), 연산부(7)는 펄스 평균 주파수(Fx)를 재산출한다(단계 S150). 이 단계 S150에서 펄스 평균 주파수(Fx)의 산출 처리가 펄스 평균 주파수의 제3 산출 처리(c3)이다. 빔 온 시간(Ton)이 최대 빔 온 시간(Ton_max) 이상인 경우, 연산부(7)는 빔 온 시간(Ton)을 Ton_max로 고정하고, 펄스 평균 주파수<f>를 산출한다(단계 S160). 이와 같이, 휴지 시간(Toff)이 설정되는 경우, 빔 온 시간(Ton)과 휴지 시간(Toff)에 의해 결정되는 펄스 평균 주파수<f>는 파워 미터(5)의 능력에 기초하여 규정되는 경우가 있다.

빔 온 시간(Ton)이 최대 빔 온 시간(Ton_max)보다 짧은 경우(단계 S140, OK), 연산부(7)는 펄스 평균 주파수<f>를 <f>＝Fx로 결정한다(단계 S160). 예를 들어, 최대 빔 온 시간(Ton_max)을 Ton_max＝0.15s로 한다. 이 경우, 빔 온 시간(Ton)은 최대 빔 온 시간(Ton_max)보다 작기 때문에, 펄스 평균 주파수<f>는 <f>＝Fx＝300Hz로 된다. 환언하면, 본 실시 형태의 예에서는 빔 온 시간(Ton)이 최대 빔 온 시간(Ton_max)의 범위 내이므로, 펄스 평균 주파수를 <f>＝Fx＝300Hz로 결정한다.

또, 펄스 평균 주파수(Fmax_min)로서 Fmax_2를 선택하고 있는 경우(단계 S110, Fmax_2), 이상적인 펄스 그룹의 조사 패턴에서 조사되게 된다. 따라서 연산부(7)는 휴지 시간(Toff)의 설정은 불필요하다고 판단하고, 휴지 시간(Toff)을 설정하는 일 없이 펄스 평균 주파수<f>를 <f>＝Fx로 결정한다(단계 S160).

조사 패턴의 조건(펄스 평균 주파수<f>)이 결정된 후, 파워 미터(5)는 평균 출력 파워(실 파워; P)의 측정을 개시한다. 우선, 파워 미터(5)를 워크 테이블(9) 상으로 이동시켜서, 펄스 레이저의 조사 위치에 고정한다. 그리고 레이저 발진 장치(1)로부터 펄스 레이저를 발진시켜서, 전송 광학계(2)를 통하여 파워 미터(5)에 조사한다. 이에 의해, 파워 미터(5)는 펄스 레이저의 평균 출력 파워(P)를 측정한다(단계 S170). 파워 미터(5)가 측정한 평균 출력 파워(P)는 연산부(7)에 보내진다.

연산부(7)는 평균 출력 파워(P)의 파워 레인지(실 파워 레인지)가 소정 범위 내인지를 판정한다(단계 S180). 구체적으로, 평균 출력 파워(P)가 파워 레인지의 하한 출력(PWR_min)으로부터 파워 레인지의 상한 출력(PWR_max)까지의 범위 내인지 여부가 판정된다. 환언하면, 연산부(7)는 레이저 발진 장치(1)가 발진하고 있는 펄스 레이저가 파워 미터(5)의 측정 능력 이상의 펄스 레이저인지 여부를 판정하고 있다.

평균 출력 파워(P; 측정값)가 파워 레인지 범위 밖이면(단계 S180, NG), 연산부(7)는 판정 결과를 제어 장치(6)에 보낸다. 이에 의해, 제어 장치(6)는 레이저 발진 장치(1)에 빔 출력을 정지시키고(단계 S190), I／F부(8) 등으로부터 알람 표시(a1)를 행한다(단계 S200). 알람 표시(a1)는 평균 출력 파워(P)가 파워 레인지 범위 밖인 것을 나타내는 메세지 등이다.

평균 출력 파워(P)가 파워 레인지 범위 내이면(단계 S180, OK), 연산부(7)는 펄스 평균 에너지(E)를 E＝P／<f>에 의해 산출한다(단계 S210). 그리고 연산부(7)는 에너지 판정으로서, 펄스 평균 에너지(E)가 규정 범위 내인지를 판정한다(단계 S220).

연산부(7)는 예를 들어 펄스 평균 에너지(E)가 미리 규정해 둔 펄스 평균 에너지의 요구 정밀도 범위 내(가공 기준 에너지(Est)±x% 이내)가 아니면(단계 S220, NG), 펄스 평균 에너지(E)가 규정 범위 밖이라고 판단하고, 이 판단 결과를 제어 장치(6)에 통지한다.

펄스 평균 에너지(E)가 규정 범위 밖인 경우, 연산부(7)는 제어 장치(6)가 조정한 펄스 레이저 출력의 조정 횟수를 카운트하고(단계 S230), 카운트한 조정 횟수가 미리 설정해 둔 최대 조정 횟수의 범위 내인지 여부를 판정한다(단계 S240).

카운트한 조정 횟수가 미리 설정해 둔 최대 조정 횟수의 범위 내(조정 횟수의 허용 범위 내)이면(단계 S240, OK), 펄스 평균 에너지(E)가 규정 범위 밖인 것을 제어 장치(6)에 통지한다. 이에 의해, 제어 장치(6)는 레이저 발진 장치(1), 전송 광학계(2)를 제어하여 펄스 레이저의 출력을 조정한다(단계 S250). 이 후, 레이저 가공 장치(10)는 단계 S170의 처리로 돌아와, 단계 S170 이후의 처리를 행한다.

카운트한 조정 횟수가 미리 설정해 둔 최대 조정 횟수를 넘고 있으면(단계 S240, NG), 카운트한 조정 횟수가 최대 조정 횟수를 넘고 있다는 것을 제어 장치(6)에 보낸다. 이에 의해, 제어 장치(6)는 레이저 발진 장치(1)에 빔 출력을 정지시키고(단계 S260), I／F부(8) 등으로부터 알람 표시(a2)를 행한다(단계 S270). 알람 표시(a2)는 펄스 평균 에너지(E)가 규정 범위 밖인 것, 펄스 레이저 출력의 조정 횟수가 최대 조정 횟수를 넘고 있다는 것을 나타내는 메세지 등이다.

에너지 판정 시에(단계 S220), 연산부(7)는 예를 들어 펄스 평균 에너지(E)가 미리 규정해 둔 가공 기준 에너지(Est)±x% 이내이면(단계 S220, OK), 펄스 평균 에너지(E)가 규정 범위 내라고 판단하고, 이 판단 결과를 제어 장치(6)에 통지한다. 이에 의해, 제어 장치(6)는 펄스 평균 에너지(E)의 측정을 완료한다(단계 S280). 이 후, 제어 장치(6)는 전술한 본 실시 형태의 펄스 에너지 측정 방법을 이용하여 얻어진 펄스 조사 패턴(펄스 평균 조사 수<f>)에 기초하여 레이저 발진 장치(1)나 전송 광학계(2)를 제어한다.

이와 같이, I／F부(8)로부터 가공 조건이 입력되면, 레이저 발진 장치(1)의 능력, 파워 미터(5)의 능력을 고려한 적절한 펄스 조사 패턴(펄스 평균 주파수<f>)이 자동 설정된다. 그리고 임의의 펄스 조사 패턴이 있는 중에서, 적절한 펄스 조사 패턴을 설정하고 있으므로, 적절한 평균 출력 파워(P)를 측정할 수 있다. 게다가 E＝P／<f>에 의해 정확한 펄스 평균 에너지(E)를 산출하고 있으므로, 적절한 펄스 평균 에너지(E)에 기초한 레이저 가공을 행하는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 워크(4) 전체의 가공 품질 향상을 도모하는 것이 가능하게 된다.

또, 주파수 특성에 기기차가 있는 경우에도, 산출한 적절한 펄스 평균 에너지(E)에 기초하여 레이저 가공하므로, 워크(4) 전체의 가공 품질차를 작게 하는 것이 가능하게 된다. 또, 파워 미터(5)의 측정 능력 이상으로 평균 출력 파워(P)를 측정하는 일이 없기 때문에, 파워 미터(5)의 레이저 수광부(파워 측정 수광부)의 파손을 방지하는 것이 가능하게 된다.

또, 워크 조사면 상에서 실가공을 모의한 평균 주파수의 평균 출력 파워(P)를 측정하고 있으므로, 레이저 발진 장치(1)에서 발생하는 펄스 출력의 주파수 특성과 함께, 전송 광학계(2) 중에서 받는 열영향을 가미한 정확한 평균 출력 파워(P)를 측정하는 것이 가능하게 된다. 또, 전송 광학계(2) 중에 빔 모드 형상을 정형하기 위한 마스크(3)를 가지고 있는 경우, 워크 조사면 상에서의 펄스 에너지는 레이저 발진 장치(1)에서 발생하는 빔 포인팅의 변화에도 영향을 받는다. 이 경우도, 워크 조사면 상에서 평균 출력 파워(P)를 측정함으로써, 정확한 평균 출력 파워(P)를 측정하는 것이 가능하게 된다.

이와 같이, 실시 형태 1에 의하면, 펄스 레이저의 평균 출력 파워(P)의 측정을, 가공 시의 평균 조사 패턴에 가까운 패턴에서 실시하므로, 워크 전체의 가공 품질을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또, 파워 미터(5)의 측정 능력 이상으로 펄스 레이저의 평균 출력 파워(P)를 측정하는 일이 없기 때문에, 파워 미터(5)의 파손을 방지하는 것이 가능하게 된다. 또, 파워 미터(5)의 측정 능력에 기초하여 펄스 평균 에너지(E)를 산출하고 있으므로, 정확한 펄스 평균 에너지(E)를 산출하는 것이 가능하게 되고, 이 펄스 평균 에너지(E)에 기초한 펄스 레이저의 출력 조정을 적절히 행하는 것이 가능하게 된다. 따라서 파워 미터(5)의 파손을 방지하면서 가공 품질이 안정된 레이저 가공을 염가로 행하는 것이 가능하게 된다.

실시 형태 2.

다음에, 도 10, 도 11을 참조해 실시 형태 2에 관한 레이저 가공 장치에 대해서 설명한다. 실시 형태 2에서는 파워 미터(5)의 파워 레인지를 복수 단계로 전환 가능하게 구성해 둔다. 예를 들어, 낮은 평균 출력 파워(P)를 측정할 때에는 낮은 파워 레인지에서 측정하고, 높은 평균 출력 파워(P)를 측정할 때에는 높은 파워 레인지에서 측정한다. 또, I／F부(8)로부터 입력하는 가공 조건에 기초하여 파워 레인지를 자동 설정해도 좋다. 또한, 실시 형태 2에 관한 레이저 가공 장치(10)는 실시 형태 1에 관한 레이저 가공 장치(10)와 동일한 구성을 가지고 있으므로, 그 설명은 생략한다.

이하, 실시 형태 2에 관한 레이저 가공 장치(10)의 동작 순서에 대해서 설명한다. 도 10 및 도 11은 실시 형태 2에 관한 레이저 가공 장치의 동작 순서를 나타내는 플로차트이다. 도 10 및 도 11은 레이저 가공 장치(10)에 입력되는 가공 조건에 기초한 펄스 평균 주파수<f>의 산출 처리 순서 및 평균 펄스 에너지(E)의 측정 처리 순서를 나타내고 있다. 또한, 실시 형태 1의 레이저 가공 장치(10)와 동일한 처리를 행하는 순서에 대해서는 그 설명을 생략하는 경우가 있다.

레이저 가공 장치(10)는 실시 형태 1의 단계 S10 ~ S60와 동일한 처리로서 단계 S310 ~ S360의 처리를 행한다. 즉, 펄스 평균 주파수<f>를 산출할 때에는, I／F부(8)를 통하여 제어 장치(6)에 가공 조건이 입력된다(단계 S310). 본 실시 형태에서는 가공 조건의 일례가 펄스폭(Wd)＝10㎲, 가공 기준 에너지(Est)＝10mJ, 버스트 샷 수(Np)＝3샷, 버스트 주파수(Fp)＝10000Hz인 경우에 대해서 설명한다.

제어 장치(6)에 가공 조건이 입력된 후, 연산부(7)는 가공 조건 등을 이용하여 레이저 발진 장치(1)의 최대 평균 주파수(Fmax_1)를 산출한다(단계 S320). 예를 들어, 최대 평균 주파수(Fmax_1)＝3000Hz이다.

이 후, 연산부(7)는 최초의 가공 조건 판정으로서, 레이저 발진 장치(1)의 능력이나 광학 전송계(2)의 능력 등에 기초하여, 입력된 가공 조건에서 레이저 가공 장치(10)가 동작 가능한지의 여부를 판정한다(단계 S330).

입력된 가공 조건에서 레이저 가공 장치(10)가 동작할 수 없는 경우(단계 S330, NG), 연산부(7)는 입력된 가공 조건을 거부한다(단계 S340). 이에 의해, 제어 장치(6)는 입력된 가공 조건에서 레이저 가공 장치(10)가 동작할 수 없다는 것을 I／F부(8)로부터 작업자에게 통지한다. 이 후, 제어 장치(6)에 가공 조건이 재입력된다(단계 S310). 입력된 가공 조건에서 레이저 가공 장치(10)가 동작 가능하다고 연산부(7)가 판단할 때까지, 레이저 가공 장치(10)는 단계 S310 ~ S330의 처리를 반복한다.

입력된 가공 조건에서 레이저 가공 장치(10)가 동작할 수 있는 경우(단계 S330, OK), 연산부(7)는 평균 위치 결정 주파수(Fm_ave), 버스트 주파수(Fp), 펄스폭(Wd), 버스트 샷 수(Np)를 이용하여 1구멍마다의 평균 주파수(Fg)를 산출한다(단계 S350). 전술한 바와 같이 평균 위치 결정 주파수(Fm_ave)를, 예를 들어 최대 위치 결정 주파수(Fm_max)의 반으로 한다.

최대 위치 결정 주파수(Fm_max)가 Fm_max＝2000Hz인 경우, Fm_ave＝2000Hz／2＝1000Hz로 된다. 연산부(7)는 실시 형태 1에서 설명한 식 (2)를 이용하여 1구멍마다의 평균 주파수(Fg)를 산출한다. 식 (2)를 이용하면, 실시 형태 1의 경우와 동일하게, Fg＝826Hz로 된다.

다음에, 연산부(7)는 레이저 발진 장치(1)가 펄스 그룹의 발진을 반복한 경우의 최대 평균 주파수(Fmax_2)를 산출한다(단계 S360). 구체적으로, 최대 평균 주파수(Fmax_2)는 Fmax_2＝Fg×Np＝2478Hz이다.

연산부(7)는 워크 조사면에 조사되는 펄스 레이저의 평균 파워 출력을 산출 함으로써, 예상 평균 출력 파워(PW_2)를 예측한다(단계 S370). 본 실시 형태의 예에서는 예상 평균 출력 파워(PW_2)가 PW_2＝Est×Fmax_2＝0.01×2478＝24.8W로 된다.

본 실시 형태에서는 파워 미터(5)에, 이하에 나타내는 4개 종류의 파워 레인지를 설정해 둔다. 파워 미터(5)로 설정하는 파워 레인지는 (1) 파워 레인지(R1):0 ~ 1W, (2) 파워 레인지(R2):1 ~ 3W, (3) 파워 레인지(R3):3 ~ 5W, (4) 파워 레인지(R4):5 ~ 10W이다.

연산부(7)는 파워 미터(5)에서 설정되는 파워 레인지 중에서, 예상 평균 출력 파워(PW_2)가 들어가는 파워 레인지, 또는 예상 평균 출력 파워(PW_2)에 가까운 파워 레인지를 파워 레인지(PW_max(1))로서 가설정한다(단계 S380). 본 실시 형태의 예에서는 (4) 파워 레인지(R4):5 ~ 10W의 파워 레인지보다 큰 파워 레인지가 필요하지만, 파워 레인지(R4)보다 큰 파워 레인지가 파워 미터(5)에 설정되어 있지 않기 때문에, 파워 미터(5)에 파워 레인지(R4)를 적용하고, (4) PW_max＝10W를 설정한다.

연산부(7)는 레이저 가공 장치(10)에 설정해 둔 파워 레인지에서 허용할 수 있는 최대 평균 주파수(Fmax_3(n); n은 R1 ~ R4 중 어느 하나)를 산출한다(단계 S390).

이 최대 평균 주파수(Fmax_3(n))는 파워 레인지(R4)의 상한 출력(PWR_max; 10W)과 가공 기준 에너지(Est)를 이용하여 산출된다. 파워 레인지의 최대 출력이 10W이기 때문에, 최대 평균 주파수(Fmax_3(R4))는 Fmax_3(R4)＝PWR_max／Est＝10／0.01＝1000Hz로 된다.

이 후, 연산부(7)는 펄스 평균 주파수(Fmax_min)를 산출한다(단계 S400). 이 단계 S400에서 펄스 평균 주파수(Fmax_min)의 산출 처리가 펄스 평균 주파수의 제1 산출 처리(c11)이다. 연산부(7)는 최대 평균 주파수(Fmax_1, Fmax_2, Fmax_3(n))를 비교하여 최소의 것을 펄스 평균 주파수(Fmax_min)로 한다. 본 실시 형태의 예에서는 Fmax_min＝Fmax_3(4R)＝1000Hz로 된다.

다음에, 연산부(7)는 펄스 그룹 수(Ng)를 산출한다(단계 S410). 본 실시 형태의 예에서는 펄스 그룹 수(Ng)는 Ng＝Fmax_min／Np＝1000／3＝333.3 그룹이다.

펄스 평균 주파수(Fmax_min)가 버스트 샷 수(Np)로 나뉘어 떨어지지 않은 경우, 연산부(7)는 펄스 평균 주파수(Fmax_min)의 미세 수정을 행하는 것에 의해, 미세 수정 후의 펄스 평균 주파수(Fx(n))를 산출한다(단계 S420). 이 단계 S420에서 펄스 평균 주파수(Fx)의 산출 처리가 펄스 평균 주파수의 제2 산출 처리(c12)이다. 구체적으로, 연산부(7)는 산출한 펄스 그룹 수(Ng)의 소수점 이하 값을 잘라 버리고, 펄스 그룹 수(Ng)를 자연수로 한다. 본 실시 형태의 예에서는 펄스 그룹 수(Ng)＝333으로 된다. 그리고 자연수로 한 펄스 그룹 수(Ng)와 버스트 샷 수(Np)를 곱한 값을 미세 수정 후의 펄스 평균 주파수(Fx)로 한다. 본 실시 형태의 예에서는 Fx＝Ng×Np＝333×3＝999Hz로 된다. 또한, 미세 수정 전의 펄스 평균 주파수(Fmax_min)와 미세 수정 후의 펄스 평균 주파수(Fx)가 동일하게 되는 경우(펄스 평균 주파수(Fmax_min)가 버스트 샷 수(Np)로 나뉘어 떨어지는 경우), 이 단계 S420의 처리는 생략해도 좋다.

이하의 처리에서, 연산부(7)는 펄스 평균 주파수(Fmax_min)가 Fmax_1, Fmax_2, Fmax_3 중 어느 것인가에 따라 다른 처리를 행한다. 그 이유는 펄스 평균 주파수(Fmax_min)가 어느 것인가에 따라 휴지 시간(Toff)을 설정할 필요가 있는지의 여부, 파워 레인지의 전환이 필요한지 여부가 다르기 때문이다.

예를 들어, 최대 평균 주파수(Fmax_1)가 선택되어 있으면, 펄스 레이저의 주파수가 레이저 발진 장치(1)로부터 나와 있는 값이므로 파워 레인지를 전환할 가능성이 있고, 또한 최대 평균 주파수(Fmax_2)의 파워 레인지보다 낮은 주파수이므로, 휴지 시간(Toff)을 넣을 필요가 있다고 판단할 수 있다.

또, 최대 평균 주파수(Fmax_2)가 선택되어 있으면, 펄스 레이저의 주파수가 이상적인 펄스 그룹의 조사 패턴로부터 나와 있는 값이므로 파워 레인지의 문제에는 없으므로, 휴지 시간(Toff)도 설정할 필요가 없다고 판단할 수 있다.

또, 최대 평균 주파수(Fmax_3(n))가 선택되어 있으면, 파워 레인지의 문제는 없다고 생각해도 좋지만, 최대 평균 주파수(Fmax_2)의 파워 레인지보다 낮은 주파수이므로, 휴지 시간(Toff)을 넣을 필요가 있다고 판단할 수 있다.

따라서 연산부(7)는 펄스 평균 주파수(Fmax_min)에 Fmax_1, Fmax_2, Fmax_3 중 어느 것을 선택하고 있는지를 확인한다(단계 S430). 펄스 평균 주파수(Fmax_min)로서 Fmax_1을 선택하고 있는 경우(단계 S430, Fmax_1), 연산부(7)는 예상 평균 출력 파워(PW_n)를 산출한다(단계 S440). 그리고 연산부(7)는 예상 평균 출력 파워(PW_n)와 현재 설정되어 있는 파워 레인지를 비교함으로써, 재차 파워 레인지를 판정한다(단계 S450). 연산부(7)는 평균 출력 파워(P)가 파워 레인지의 하한 출력(PWR_min)으로부터 파워 레인지의 상한 출력(PWR_max)까지의 범위 내인지 여부를 판정한다. 예를 들어, 예상 평균 출력 파워(PW_n)와 현재 설정되어 있는 파워 레인지의 차나 비가 소정값 이상인 경우, 연산부(7)는 현재 설정되어 있는 파워 레인지가 부적절하다고 판단해도 좋다.

현재 설정되어 있는 파워 레인지가 부적절한 경우(단계 S450, NG), 연산부(7)는 현재 설정되어 있는 파워 레인지로부터 새로운 파워 레인지로 전환 가능한지의 여부를 판정한다(단계 S460). 환언하면, 연산부(7)는 현재 설정되어 있는 파워 레인지보다 다른 파워 레인지가 적절한지의 여부를 판정한다. 연산부(7)는 현재 설정되어 있는 파워 레인지로부터 새로운 파워 레인지로 전환 가능한 경우(단계 S460, OK), 파워 레인지를 적절한 파워 레인지로 변경한다(단계 S470). 이 후, 레이저 가공 장치(10)는 단계 S390의 처리로 돌아와, 단계 S390 이후의 처리를 행한다.

한편, 현재 설정되어 있는 파워 레인지가 적절한 경우(단계 S450, OK) 또는 현재 설정되어 있는 파워 레인지로부터 새로운 파워 레인지로 전환 불가능한 경우(단계 S460, NG), 레이저 가공 장치(10)는 파워 미터(5)의 파워 레인지를 변경하는 일 없이, 휴지 시간(Toff)을 설정한다(단계 S480).

또, 펄스 평균 주파수(Fmax_min)로서 Fmax_3(n)을 선택하고 있는 경우(단계 S430, Fmax_3(n)), 연산부(7)는 레이저 발진 장치(1)가 발진하는 펄스 레이저의 평균 주파수를 파워 미터(5)의 측정 능력 범위에 넣기 위해, 휴지 시간(Toff)을 설정한다(단계 S480). 본 실시 형태의 예에서는 Fmax_min＝Fmax_3(R4)이므로, 연산부(7)는 휴지 시간(Toff)을 설정한다. 휴지 시간(Toff)은 길면 길수록 파워 미터(5)의 측정 정밀도가 낮아진다는 것이 알려져 있다. 또, 여러 가지의 관점으로부터 휴지 시간(Toff)의 최적화를 도모하는 것은 가능하지만, 본 실시 형태에서는 휴지 시간(Toff)이 Toff＝0.15s의 고정값인 경우에 대해서 설명한다.

연산부(7)는 빔 온 시간(Ton)을 산출한다(단계 S490). 본 실시 형태의 예에서는 Ton＝Ng／Fg＝333／826＝0.403s이다. 이 후, 연산부(7)는 빔 온 시간(Ton)의 판정을 행한다(단계 S500). 구체적으로, 연산부(7)는 빔 온 시간(Ton)이 최대 빔 온 시간(Ton_max)보다 짧은지의 여부를 판정한다.

빔 온 시간(Ton)이 최대 빔 온 시간(Ton_max) 이상인 경우(단계 S500, NG), 연산부(7)는 펄스 평균 주파수(Fx(n))를 재산출한다(단계 S510). 이 단계 S510에서 펄스 평균 주파수(Fx(n))의 산출 처리가 펄스 평균 주파수의 제3 산출 처리(c13)이다. 예를 들어, 최대 빔 온 시간(Ton_max)을 Ton_max＝0.15s로 한다. 이 경우, 본 실시 형태의 예에서는 빔 온 시간(Ton)이 최대 빔 온 시간(Ton_max) 이상으로 되므로, 빔 온 시간(Ton)을 Ton_max로 고정하고, 펄스 평균 주파수<f>를 산출한다. 빔 온 시간(Ton) 내에 포함되는 펄스 그룹 수(Ng2)는 Ng2＝Ton_max／(1／Fg)＝0.15／(1／826)＝123.9로 된다. 따라서 펄스 그룹 수(Ng2)의 소수점 이하를 잘라 버리면 펄스 그룹 수(Ng2)＝123 그룹으로 된다. 이에 의해, 미세 수정 후의 펄스 평균 주파수(Fx(R4))＝Ng2×Np＝123×3＝369Hz로 된다.

이 후, 연산부(7)는 예상 평균 출력 파워(PW_n)를 산출한다(단계 S520). 본 실시 형태의 예로의 예상 평균 출력 파워(PW_n)는 PW_(R4)＝Est×Fx(R4)＝0.01×369＝3.69W로 된다. 그리고 연산부(7)는 예상 평균 출력 파워(PW_n)와 현재 설정되어 있는 파워 레인지를 비교함으로써, 재차 파워 레인지를 판정한다(단계 S530). 연산부(7)는 평균 출력 파워(P)가 파워 레인지의 하한 출력(PWR_min)으로부터 파워 레인지의 상한 출력(PWR_max)까지의 범위 내인지 여부를 판정한다.

현재 설정되어 있는 파워 레인지가 부적절한 경우(단계 S530, NG), 연산부(7)는 현재 설정되어 있는 파워 레인지로부터 새로운 파워 레인지로 전환 가능한지의 여부를 판정한다(단계 S540). 환언하면, 연산부(7)는 현재 설정되어 있는 파워 레인지보다 다른 파워 레인지가 적절한지의 여부를 판정한다. 연산부(7)는 현재 설정되어 있는 파워 레인지로부터 새로운 파워 레인지로 전환 가능한 경우(단계 S540, OK), 파워 레인지를 적절한 파워 레인지로 변경한다. 본 실시 형태의 예에서는 예상 평균 출력 파워(PW_n)가 3.69W이므로, 파워 레인지(R2(3 ~ 5W))가 파워 레인지(R4)보다 바람직하다. 따라서 레이저 가공 장치(10)는 파워 미터(5)의 파워 레인지를 10W에서 5W로 변경하고(단계 S550), 펄스 평균 주파수<f>를 결정한다(단계 S560).

한편, 현재 설정되어 있는 파워 레인지가 적절한 경우(단계 S530, OK) 또는 현재 설정되어 있는 파워 레인지로부터 새로운 파워 레인지로 전환 불가능한 경우(단계 S540, NG), 레이저 가공 장치(10)는 파워 미터(5)의 파워 레인지를 변경하는 일 없이 펄스 평균 주파수<f>를 결정한다(단계 S560).

또, 빔 온 시간(Ton)이 최대 빔 온 시간(Ton_max)보다 짧은 경우(단계 S500, OK), 연산부(7)는 파워 레인지를 변경하는 일 없이 펄스 평균 주파수<f>를 결정한다(단계 S560).

또, 펄스 평균 주파수(Fmax_min)로서 Fmax_2를 선택하고 있는 경우(단계 S430, Fmax_2), 이상적인 펄스 그룹의 조사 패턴에서 조사되게 된다. 따라서 연산부(7)는 파워 레인지의 변경이나 휴지 시간(Toff)의 설정이 불필요하다고 판단한다. 이 때문에, 연산부(7)는 파워 레인지의 변경이나 휴지 시간의 설정을 행하는 일 없이 펄스 평균 주파수<f>를 결정한다(단계 S560).

본 실시 형태의 예에서는 Fmax_min＝Fmax_3(R4)이므로, 펄스 평균 주파수<f>는 <f>＝Fx(R4)＝369Hz로 결정된다. 펄스 평균 주파수<f>가 결정된 후, 파워 미터(5)는 평균 출력 파워(P)의 측정을 개시한다. 이 후, 레이저 가공 장치(10)는 실시 형태 1의 레이저 가공 장치(10)와 동일한 처리에 의해 펄스 평균 에너지(E)의 측정을 행하므로, 그 설명은 생략한다. 또한, 도 11에 나타낸 단계 S570 ~ S680의 처리가 도 9에 나타낸 단계 S170 ~ S280의 처리에 대응하고 있다. 이 후, 제어 장치(6)는 전술한 본 실시 형태의 펄스 에너지 측정 방법을 이용하여 얻어진 펄스 평균 에너지(E)에 기초하여, 레이저 발진 장치(1)나 전송 광학계(2)를 제어한다.

이와 같이, 실시 형태 2에 의하면, 파워 레인지를 적절한 파워 레인지로 전환하면서 정확한 펄스 평균 에너지(E)를 산출하는 것이 가능하게 되고, 이 펄스 평균 에너지(E)에 기초한 펄스 레이저의 출력 조정을 적절히 행하는 것이 가능하게 된다. 따라서 가공 품질이 안정된 레이저 가공을 염가로 행하는 것이 가능하게 된다.

[산업상의 이용 가능성]

이상과 같이, 본 발명에 따른 레이저 가공 장치는 펄스 레이저를 이용한 워크의 레이저 가공에 적절하다.

1 레이저 발진 장치
2 전송 광학계
3 마스크
4 워크
5 파워 미터
6 제어 장치
7 연산부
8 I／F부
9 워크 테이블
10 레이저 가공 장치
Fg 평균 주파수
Fm_ave 평균 위치 결정 주파수
Fp 버스트 주파수
Ng 펄스 그룹 수
Np 버스트 샷 수

Claims

펄스 레이저를 출력하는 레이저 발진 장치와,
상기 레이저 발진 장치로부터 출력되는 상기 펄스 레이저를 워크의 레이저광 조사면까지 전송하는 전송 광학계와,
상기 펄스 레이저의 레이저 파워를 측정하는 파워 측정 장치와,
상기 레이저 발진 장치의 발진 능력 범위 내이고 또한 상기 파워 측정 장치의 파워 측정 능력 범위 내에서 상기 파워 측정 장치 및 상기 워크에 상기 펄스 레이저가 조사되도록, 상기 파워 측정 장치 및 상기 워크로의 각 펄스 조사 패턴을, 상기 워크의 레이저 가공 조건에 기초하여 각각 산출하는 연산부와,
상기 펄스 조사 패턴에 따라서 상기 레이저 발진 장치를 제어함과 아울러, 상기 파워 측정 장치가 측정한 레이저 파워를 이용하여 산출된 1샷당 상기 펄스 레이저의 펄스 에너지가 미리 설정한 소정 범위 내인 경우에 상기 워크의 레이저 가공을 행하는 제어 장치를 구비하고,
상기 연산부는
상기 워크로의 소정수의 구멍 내기 가공 시간인 빔 온 시간과, 상기 소정수의 구멍 내기 가공 후에 소정 시간 레이저 발진을 휴지하는 시간인 휴지 시간을 합한 시간에서의 단위 시간당 펄스 조사 수인 평균 주파수의 최대값으로서,
상기 레이저 발진 장치가 발진 가능한 제1 최대 평균 주파수와,
상기 레이저 발진 장치에 의한 펄스 조사에 있어서 상기 휴지 시간을 제로로 가정한 경우의 제2 최대 평균 주파수와,
상기 파워 측정 장치에 설정되어 있는 파워 레인지에서 허용할 수 있는 제3 최대 평균 주파수를 각각 산출하고,
상기 제1 ~ 제3 최대 평균 주파수 중에서 최소의 최대 평균 주파수를 이용하여 상기 펄스 조사 패턴을 산출하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 파워 측정 장치는 상기 워크에 레이저 가공을 행할 때의 위치에서 상기 펄스 레이저의 레이저 파워를 측정하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전송 광학계는 상기 펄스 레이저의 공간 분포 형상을 정형하는 마스크를 가지고,
상기 펄스 레이저는 상기 마스크로 공간 분포 형상이 정형된 후, 상기 파워 측정 장치 및 상기 워크에 조사되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 파워 측정 장치는 측정 파워 레인지가 복수 단계로 전환 가능하게 구성되고, 예상되는 레이저 파워의 크기에 기초하여, 상기 측정 파워 레인지를 전환하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 연산부는 상기 파워 측정 장치가 측정한 레이저 파워를 단위 시간당의 펄스 조사 수로 나눔으로써 상기 1샷당의 펄스 에너지를 산출하고,
상기 제어 장치는 상기 연산부가 산출한 펄스 에너지가 미리 설정한 소정 범위 내인 경우에 상기 워크의 레이저 가공을 행하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.