KR101746921B1 - Laser processing apparatus and pulse laser beam output method - Google Patents
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Abstract
레이저펄스마다, 레이저파워를 조정하여, 펄스에너지를 변화시키는 것이 가능한 레이저 가공장치를 제공한다.
레이저전원이, 입력되는 여진지령신호의 듀티사이클에 따라, 고주파전압을, 레이저발진기의 방전전극에 인가한다. 듀티사이클정보를 포함하는 여진패턴 지령신호가 레이저 제어장치에 입력된다. 레이저 제어장치는, 여진패턴 지령신호에 포함되는 듀티사이클정보에 근거하여, 레이저전원에 여진지령신호를 부여한다. 가공기 제어장치가, 펄스레이저빔의 출력 타이밍을 지령하는 펄스출력 타이밍신호, 및 여진패턴 지령신호를 레이저 제어장치에 부여한다. 스테이지가 가공대상물을 유지한다. 광학계가, 레이저발진기로부터 출력된 펄스레이저빔을, 스테이지에 유지된 가공대상물에 도광한다.Provided is a laser machining apparatus capable of changing pulse energy by adjusting laser power for each laser pulse.
The laser power source applies a high-frequency voltage to the discharge electrode of the laser oscillator in accordance with the duty cycle of the excitation command signal to be inputted. An excitation pattern command signal including duty cycle information is input to the laser control device. The laser control device applies an excitation command signal to the laser power source based on the duty cycle information included in the excitation pattern command signal. The machine control device gives a pulse output timing signal for instructing the output timing of the pulse laser beam and an excitation pattern command signal to the laser control device. The stage holds the object to be processed. The optical system guides the pulse laser beam output from the laser oscillator to the object to be processed held on the stage.
Description
본 출원은, 2014년 9월 17일에 출원된 일본 특허출원 제2014-188369호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.The present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2014-188369 filed on September 17, 2014. The entire contents of which are incorporated herein by reference.
본 발명은, 펄스레이저빔을 가공대상물에 입사시켜 가공을 행하는 레이저 가공장치, 및 레이저 가공장치에 적용되는 펄스레이저빔의 출력방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a laser machining apparatus for processing a pulse laser beam incident on an object to be processed, and a pulse laser beam output method applied to the laser machining apparatus.
탄산가스 레이저의 방전전극에 공급되는 고주파전압을 인가함으로써, 레이저출력을 제어하는 전원장치가, 특허문헌 1~3에 개시되어 있다.Patent Documents 1 to 3 disclose a power supply device for controlling a laser output by applying a high-frequency voltage supplied to a discharge electrode of a carbon dioxide gas laser.
특허문헌 1에 개시된 전원장치에서는, 피가공물의 가공조건에 따라 펄스주파수 변조된 지령펄스에 근거하여, 인버터의 온오프제어가 행해진다. 인버터로부터, 펄스주파수 변조된 전압펄스가 출력되어, 방전전극에 인가된다. 이로써, 가공품질의 향상을 도모할 수 있다.In the power supply device disclosed in Patent Document 1, on-off control of the inverter is performed based on the command pulse that is pulse-frequency-modulated in accordance with the processing condition of the workpiece. Pulse-frequency-modulated voltage pulses are output from the inverter and applied to the discharge electrodes. Thus, it is possible to improve the machining quality.
특허문헌 2에 개시된 전원장치에서는, 방전전류의 검출값이 설정값과 일치하도록, 인버터의 출력전압의 펄스폭이 제어된다. 인버터의 출력전류의 상승이 인버터의 출력전압의 상승보다 지연되도록, 방전전류의 감소에 따라 인버터의 스위칭주파수를 증가시킨다. 이로써, 레이저용 전원의 고효율화, 및 저노이즈화를 도모할 수 있다.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 detection value of the discharge current coincides with the set value. The switching frequency of the inverter is increased in accordance with 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. Thus, high efficiency and low noise can be achieved for the laser power source.
특허문헌 3에 개시된 전원장치에서는, 가스방전 레이저의 RF전원의 출력을 제어하기 위하여 펄스폭 변조가 채용된다. RF전원에 부여되는 디지털펄스열 내의 디지털펄스의 지속시간을 점증적으로 변동시킴으로써, 디지털펄스열의 평균 파워를 선택적으로 변화시킨다.In the power supply device disclosed in
레이저가공품질을 높이기 위하여, 펄스레이저빔의 펄스에너지를 제어하는 것이 요구된다. 펄스에너지는, 레이저파워의 순간값을, 상승시점으로부터 하강시점까지 시간적분함으로써 구해진다. 펄스에너지를 크게 하고 싶은 경우, 펄스폭을 길게 하는 방법과, 레이저파워를 크게 하는 방법을 생각할 수 있다. 레이저광원에 탄산가스 레이저를 이용하는 경우, 종래에는, 레이저펄스의 펄스폭을 변화시킴으로써, 펄스에너지를 변화시키고 있었다. 이는, 레이저펄스마다 레이저파워를 변화시키는 것이 곤란하고, 펄스폭을 변화시키는 것이 용이했기 때문이었다.In order to improve the laser processing quality, it is required to control the pulse energy of the pulsed laser beam. The pulse energy is obtained by time-integrating the instantaneous value of the laser power from the rising time point to the falling time point. When it is desired to increase the pulse energy, a method of lengthening the pulse width and a method of increasing the laser power can be considered. Conventionally, when a carbon dioxide gas laser is used as the laser light source, 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.
그러나, 펄스에너지가 동일해도, 펄스폭 및 레이저파워가 상이하면, 가공품질도 상이한 것이 판명되었다. 펄스폭의 조정에 의하여 펄스에너지를 변화시키는 방법만으로는, 고품질의 가공을 행하기 위해서는 불충분하고, 레이저파워를 조정하여 펄스에너지를 변화시키는 기술이 요망된다.However, even if the pulse energies are the same, it has been found that when the pulse width and the laser power are different, the processing quality is also different. A technique of changing the pulse energy by adjusting the pulse width is insufficient for performing high quality processing and a technique of changing the pulse energy by adjusting the laser power is desired.
본 발명의 목적은, 레이저펄스마다, 레이저파워를 조정하여, 펄스에너지를 변화시키는 것이 가능한 레이저 가공장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 레이저 가공장치에 적용되는 펄스레이저빔의 출력방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a laser machining 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.
본 발명의 일 관점에 의하면,According to one aspect of the present invention,
한 쌍의 방전전극을 포함하고, 펄스레이저빔을 출력하는 레이저발진기와,A laser oscillator including a pair of discharge electrodes and outputting a pulsed laser beam;
입력되는 여진지령신호의 듀티사이클에 따라, 고주파전압을 상기 방전전극에 인가하는 레이저전원과,A laser power source for applying a high frequency voltage to the discharge electrode in accordance with a duty cycle of an excitation command signal to be inputted,
듀티사이클정보를 포함하는 여진패턴 지령신호, 및 펄스레이저빔의 출력 타이밍을 지령하는 펄스출력 타이밍신호가 입력되면, 상기 여진패턴 지령신호에 포함되는 상기 듀티사이클정보에 근거하여, 상기 레이저전원에 상기 여진지령신호를 부여하는 레이저 제어장치와,Wherein when the excitation pattern command signal including the duty cycle information and the pulse output timing signal for commanding the output timing of the pulse laser beam are input to the laser power source based on the duty cycle information included in the excitation pattern command signal, A laser control device for giving an excitation command signal,
상기 펄스출력 타이밍신호, 및 상기 여진패턴 지령신호를 상기 레이저 제어장치에 부여하는 가공기 제어장치와,A processor control device for applying the pulse output timing signal and the excitation pattern command signal to the laser control device,
가공대상물을 유지하는 스테이지와,A stage for holding an object to be processed,
상기 레이저발진기로부터 출력된 상기 펄스레이저빔을, 상기 스테이지에 유지된 가공대상물에 도광하는 광학계An optical system for guiding the pulsed laser beam output from the laser oscillator to an object to be processed held on the stage,
를 가지는 레이저 가공장치가 제공된다.Is provided.
본 발명의 다른 관점에 의하면,According to another aspect of the present invention,
한 쌍의 방전전극을 포함하고, 펄스레이저빔을 출력하는 레이저발진기와,A laser oscillator including a pair of discharge electrodes and outputting a pulsed laser beam;
입력되는 여진지령신호의 듀티사이클에 따라, 고주파전압을 상기 방전전극에 인가하는 레이저전원과,A laser power source for applying a high frequency voltage to the discharge electrode in accordance with a duty cycle of an excitation command signal to be inputted,
듀티사이클정보가 입력되면, 입력된 상기 듀티사이클정보에 근거하여, 상기 레이저전원에 상기 여진지령신호를 부여하는 제어장치와,A control device for applying the excitation command signal to the laser power source based on the duty cycle information inputted when the duty cycle information is inputted,
상기 제어장치에 상기 듀티사이클정보를 입력하는 입력장치와,An input device for inputting the duty cycle information to the control device,
가공대상물을 유지하는 스테이지와,A stage for holding an object to be processed,
상기 레이저발진기로부터 출력된 상기 펄스레이저빔을, 상기 스테이지에 유지된 가공대상물에 도광하는 광학계An optical system for guiding the pulsed laser beam output from the laser oscillator to an object to be processed held on the stage,
를 가지는 레이저 가공장치가 제공된다.Is provided.
본 발명의 또 다른 관점에 의하면,According to another aspect of the present invention,
가스 레이저발진기의 방전전극에, H브리지회로를 통하여 펄스적으로 고주파전압을 인가함으로써, 플라즈마를 여기시켜 펄스레이저빔을 출력하는 방법으로서,A method of outputting a pulsed laser beam by exciting a plasma by applying a high frequency voltage pulsed to a discharge electrode of a gas laser oscillator through an H bridge circuit,
상기 H브리지회로의 도통시간의 듀티사이클을, 레이저펄스마다 변화시킴으로써, 상기 레이저펄스의 펄스폭 내 평균 파워를 변화시키는 펄스레이저빔의 출력방법이 제공된다.There is provided a method of outputting a pulsed laser beam which changes 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 every laser pulse.
여진지령신호의 듀티사이클에 따라 고주파전압을 방전전극에 인가함으로써, 펄스레이저빔의 펄스폭 내 평균 파워를 변화시킬 수 있다. 레이저펄스마다 여진지령신호의 듀티사이클을 변화시킴으로써, 레이저펄스마다 펄스폭 내 평균 파워를 변화시킬 수 있다.The average power within the pulse width of the pulse laser beam can be changed by applying a high frequency voltage to the discharge electrode in accordance with the duty cycle of the excitation command signal. The average power within the pulse width can be changed for each laser pulse by changing the duty cycle of the excitation command signal for each laser pulse.
도 1은, 실시예에 의한 레이저 가공장치의 광학계의 개략도 및 제어계의 블록도이다.
도 2는, 레이저발진기의 단면도이다.
도 3은, 고주파전원의 등가회로도이다.
도 4는, 여진패턴 지령신호, 펄스출력 타이밍신호, 여진지령신호, 고주파전압, 방전전류, 펄스레이저빔의 타이밍차트이다.
도 5에 있어서, 도 5A는, 여진패턴 지령신호, 여진지령신호, 및 펄스레이저빔의 파형의 일례를 나타내는 그래프이고, 도 5B는, 여진패턴 지령신호, 여진지령신호, 및 펄스레이저빔의 파형의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 스위칭주파수와, 펄스레이저빔의 펄스폭 내 평균 파워와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.1 is a schematic diagram of an optical system of a laser machining apparatus according to an embodiment and a block diagram of a control system.
2 is a cross-sectional view of the laser oscillator.
3 is an equivalent circuit diagram of a high frequency power supply.
4 is a timing chart of the excitation pattern command signal, the pulse output timing signal, the excitation command signal, the high frequency voltage, the discharge current, and the pulse laser beam.
5A is a graph showing an example of the waveforms of the excitation pattern command signal, the excitation command signal, and the pulse laser beam. FIG. 5B is a graph showing the waveforms of the excitation pattern command signal, the excitation command signal, 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.
도 1에, 실시예에 의한 레이저 가공장치의 광학계의 개략도 및 제어계의 블록도를 나타낸다. 레이저전원(11)이, 레이저발진기(10)의 방전전극(12)에 펄스적으로 고주파전압(Ve)을 인가한다. 레이저전원(11)은, 직류전원(13) 및 고주파전원(14)을 포함한다. 레이저발진기(10)에는, 예를 들면 탄산가스 레이저발진기가 이용된다. 레이저 제어장치(15)가, 가공기 제어장치(35)로부터의 지령에 근거하여, 직류전원(13)에 제어값(Cv)을 부여하고, 고주파전원(14)에 여진지령신호(Ec)를 부여한다.Fig. 1 shows a schematic diagram of an optical system of a laser machining apparatus according to an embodiment and a block diagram of a control system. The
직류전원(13)은, 제어값(Cv)에 근거하여, 고주파전원(14)에 부여하는 직류전압의 제어를 행한다. 고주파전원(14)은, 여진지령신호(Ec)에 근거하여, 방전전극(12)에 고주파전압(Ve)을 인가한다. 구체적으로는, 제어값(Cv)에 의하여, 펄스레이저빔의 펄스폭 내 평균 출력이 제어된다. 여기에서, "펄스폭 내 평균 출력"은, 레이저출력을, 레이저펄스가 출력되고 있는 기간으로 평균낸 값을 의미하며, 펄스에너지를 펄스폭으로 나눈 값과 동일하다. 이에 대하여, 일반적으로 이용되는 "펄스레이저의 평균 출력"은, 레이저출력을, 레이저펄스가 출력되고 있지 않은 시간도 포함하여 단위시간으로 평균낸 값을 의미한다. 펄스레이저의 평균 출력은, 펄스폭 내 평균 출력보다 작다.The
예를 들면, 프린트기판 등의 펀칭가공을 행하는 경우, 펄스폭 내 평균 출력, 펄스폭, 펄스의 반복 주파수 등이, 목표값과 일치하도록 제어된다.For example, in the case of performing punching processing on a printed board or the like, the average output within the pulse width, the pulse width, the repetition frequency of the pulse, and the like are controlled to coincide with the target value.
고주파전원(14)은, 복수의 스위칭소자(14a)를 포함하며, 직류전원(13)으로부터 공급되는 직류전류를 스위칭하여 교류로 변환한다. 이 스위칭소자(14a)는, 레이저 제어장치(15)로부터 입력되는 여진지령신호(Ec)에 의하여 온오프제어된다. 고주파전원(14)의 상세한 구성에 대해서는, 후에 도 3을 참조하여 설명한다.The high-
레이저발진기(10)의 레이저 매질(媒質)가스로서, 예를 들면 탄산가스와 질소가스의 혼합가스가 이용된다. 레이저전원(11)으로부터 방전전극(12)으로 고주파전압(Ve)이 인가되면, 방전전극 간에 플라즈마가 여기되어, 레이저발진기(10)로부터 펄스레이저빔(Lp)이 출력된다.As the laser medium (gas) gas of the
레이저발진기(10)로부터 출력된 펄스레이저빔(Lp)이, 부분반사경(21)에 의하여 투과빔과 반사빔으로 분기된다. 반사빔이 광검출기(20)에 입사한다. 광검출기(20)는, 광을 검출하면, 레이저 제어장치(15)에, 광강도에 따른 검출값(Dv)을 송출한다. 광검출기(20)는, 예를 들면, 탄산가스 레이저의 파장역에 감도를 가지는 수은카드뮴텔루라이드(MCT) 광도전소자를 포함한다.The pulse laser beam Lp output from the
부분반사경(21)을 직진한 투과빔이, 도광광학계를 통과하여 가공대상물(31)에 입사한다. 도광광학계는, 스팟위치 안정화 광학계(22), 비구면(非球面)렌즈(23), 콜리메이트렌즈(24), 마스크(25), 필드렌즈(26), 폴드미러(27), 빔주사기(28), 및 fθ렌즈(29)를 포함한다. 가공대상물(31)은, 스테이지(30)에 유지되어 있다.The transmission beam straightly passing through the partial reflecting
스팟위치 안정화 광학계(22)를 투과한 펄스레이저빔(Lp)이, 비구면렌즈(23)에 입사한다. 스팟위치 안정화 광학계(22)는, 복수의 볼록렌즈를 포함하며, 레이저발진기(10)로부터 출력된 펄스레이저빔(Lp)의 진행방향으로 떨림이 발생해도, 비구면렌즈(23)가 배치된 위치에 있어서의 빔스팟의 위치를 안정화시킨다. 비구면렌즈(23)는, 펄스레이저빔(Lp)의 빔프로파일을 변화시킨다. 예를 들면, 가우시안 형상의 빔프로파일을, 탑플랫 형상의 빔프로파일로 변화시킨다.The pulse laser beam Lp transmitted through the spot position stabilization
비구면렌즈(23)를 투과한 펄스레이저빔(Lp)이, 콜리메이트렌즈(24)에 의하여 콜리메이트된 후, 마스크(25)에 입사한다. 마스크(25)는, 투과창 및 차광부를 포함하며, 펄스레이저빔(Lp)의 빔단면을 정형한다. 마스크(25)의 투과창을 투과한 펄스레이저빔(Lp)이 필드렌즈(26), 및 폴드미러(27)를 경유하여, 빔주사기(28)에 입사한다. 빔주사기(28)는, 가공기 제어장치(35)로부터의 지령에 의하여, 레이저빔을 이차원방향으로 주사한다. 빔주사기(28)로서, 예를 들면 갈바노스캐너가 이용된다.The pulsed laser beam Lp transmitted through the
빔주사기(28)에서 주사된 펄스레이저빔(Lp)이, fθ렌즈(29)에서 집광되어 가공대상물(31)에 입사한다. 필드렌즈(26) 및 fθ렌즈(29)는, 마스크(25)의 투과창을, 가공대상물(31)의 표면에 결상시킨다. 스테이지(30)는, 가공기 제어장치(35)로부터의 지령에 의하여, 가공대상물(31)을, 그 표면에 평행한 방향으로 이동시킬 수 있다. 빔주사기(28) 및 스테이지(30) 중 적어도 일방이, 가공대상물(31)의 표면에 있어서 펄스레이저빔(Lp)의 입사위치를 이동시키기 위한 이동기구로서 기능한다.The pulsed laser beam Lp scanned by the
가공기 제어장치(35)는, 레이저 제어장치(15)에, 펄스출력 타이밍신호(Pt) 및 여진패턴 지령신호(Ep)를 부여한다. 레이저 제어장치(15)는, 펄스출력 타이밍신호(Pt)가 입력되고 있는 기간 동안, 여진지령신호(Ec)를 레이저발진기(10)에 부여한다. 여진패턴 지령신호(Ep)에 의하여, 여진지령신호(Ec)의 듀티사이클 및 펄스의 반복 주파수가 지정된다. 여진지령신호(Ec)의 펄스의 반복 주파수는, 고주파전원(14)의 스위칭주파수와 일치한다.The
도 2에, 레이저발진기(10)의 단면도를 나타낸다. 레이저챔버(50)의 내부에, 송풍기(40), 한 쌍의 방전전극(12), 열교환기(46), 및 레이저 매질가스가 수용되어 있다. 한 쌍의 방전전극(12)의 사이에 방전공간(42)이 획정(劃定)된다. 방전공간(42)에서 방전이 발생함으로써, 레이저 매질가스가 여기된다. 도 2에서는, 방전전극(12)의 길이방향에 직교하는 단면이 나타나 있다. 방전전극(12)의 각각은, 도전부재(43)와 세라믹부재(44)를 포함한다. 세라믹부재(44)는, 도전부재(43)와 방전공간(42)을 격리시킨다.Fig. 2 shows a cross-sectional view of the
송풍기(40)로부터, 방전공간(42) 및 열교환기(46)를 경유하여 송풍기(40)로 되돌아가는 순환경로가, 레이저챔버(50) 내에 형성되어 있다. 열교환기(46)는 방전에 의하여 고온이 된 레이저 매질가스를 냉각시킨다.A circulation path for returning from the
한 쌍의 단자(51)가, 레이저챔버(50)의 벽면에 장착되어 있다. 방전전극(12)의 도전부재(43)가, 각각 챔버 내 전류로(52)에 의하여 단자(51)에 접속되어 있다. 단자(51)는, 챔버 외 전류로(55)에 의하여, 레이저전원(11)에 접속되어 있다.A pair of
도 3에, 고주파전원(14)의 등가회로도를 나타낸다. 고주파전원(14)은, 2개의 브리지암(14A, 14B)을 가지는 H브리지회로를 포함한다. 브리지암(14A, 14B)의 각각은, 서로 직렬로 접속된 2개의 스위칭소자(14a)를 포함한다. 방전전극(12)이, 변압기(14C)를 통하여, 2개의 브리지암(14A, 14B)의 중간점에 접속되어 있다. 직류전원(13)이 H브리지회로에 직류전압을 인가한다. 레이저 제어장치(15)로부터의 여진지령신호(Ec)에 의하여, 스위칭소자(14a)의 온오프제어가 행해진다.3 shows an equivalent circuit diagram of the high-
모든 스위칭소자(14a)가 오프인 상태로부터, 일방의 브리지암(14A)의 고전위측의 스위칭소자(14a)와, 타방의 브리지암(14B)의 저전위측의 스위칭소자(14a)를 온 상태로 전환한 후, 오프 상태로 되돌리고, 그 후, 일방의 브리지암(14A)의 저전위측의 스위칭소자(14a)와, 타방의 브리지암(14B)의 고전위측의 스위칭소자(14a)를 온 상태로 전환한 후, 오프 상태에 되돌리는 순서를 반복함으로써, 방전전극(12)에 고주파전압이 인가된다.The switching
도 4에, 여진패턴 지령신호(Ep), 펄스출력 타이밍신호(Pt), 여진지령신호(Ec), 고주파전압(Ve), 방전전류(Ie), 펄스레이저빔(Lp)의 타이밍차트의 일례를 나타낸다. 여진패턴 지령신호(Ep)는, 듀티사이클정보 및 스위칭주파수정보를 포함한다. 일례로서, 여진패턴 지령신호(Ep)는, 일반적인 시리얼통신 또는 패럴렐통신으로, 가공기 제어장치(35)(도 1)로부터 레이저 제어장치(15)(도 1)로 전달된다. 가공기 제어장치(35)는, 여진패턴 지령신호(Ep)를 송신한 후, 펄스출력 타이밍신호(Pt)를 상승시킨다. 1개의 레이저펄스 내에서, 듀티사이클 또는 스위칭주파수를 변화시키고 싶은 경우에는, 여진패턴 지령신호(Ep)에, 복수의 듀티사이클정보 및 스위칭주파수정보를 포함시킴과 함께, 전환 타이밍을 지령하는 정보를 포함시키면 된다.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 . The excitation pattern command signal Ep includes duty cycle information and switching frequency information. As one example, the excitation pattern command signal Ep is transmitted from the machine control device 35 (Fig. 1) to the laser control device 15 (Fig. 1) in general serial communication or parallel communication. The
펄스출력 타이밍신호(Pt)는, 그 상승 및 하강에 의하여, 여진지령신호(Ec)의 출력의 개시 및 정지를 지령한다. 시각(t1)에 있어서 펄스출력 타이밍신호(Pt)가 상승하면, 레이저 제어장치(15)는, 고주파전원(14)에 대한 여진지령신호(Ec)의 출력을 개시한다. 시각(t3)에 있어서 펄스출력 타이밍신호(Pt)가 하강하면, 레이저 제어장치(15)는, 고주파전원(14)에 대한 여진지령신호(Ec)의 출력을 정지한다.The pulse output timing signal Pt commands the start and stop of the output of the excitation command signal Ec by the rise and fall of the pulse output timing signal Pt. When the pulse output timing signal Pt rises at time t1, the
도 4에 있어서, 여진지령신호(Ec)가 상태(Ec0)일 때, 고주파전원(14)(도 3)의 모든 스위칭소자(14a)가 오프 상태인 것을 나타낸다. 여진지령신호(Ec)가 상태(Ec1)일 때, 일방의 브리지암(14A)의 고전위측의 스위칭소자(14a), 및 타방의 브리지암(14B)의 저전위측의 스위칭소자(14a)가 온 상태인 것을 나타내고, 여진지령신호(Ec)가 상태(Ec2)일 때, 일방의 브리지암(14A)의 저전위측의 스위칭소자(14a), 및 타방의 브리지암(14B)의 고전위측의 스위칭소자(14a)가 온 상태인 것을 나타낸다.In Fig. 4, when the excitation command signal Ec is in the state Ec0, it indicates that all the
고주파전원(14)에 여진지령신호(Ec)가 부여되면, 고주파전원(14)은, 여진지령신호(Ec)의 듀티사이클 및 스위칭주파수에 따라, 방전전극(12)에 고주파전압(Ve)을 인가한다. 방전전극(12)에 고주파전압(Ve)이 인가되면, 방전전극(12)의 사이에 플라즈마가 여기되어, 방전전류(Ie)가 흐른다. 펄스출력 타이밍신호(Pt)의 상승시각(t1)보다 약간 지연되어, 시각(t2)에 있어서 펄스레이저빔(Lp)의 출력이 개시된다.When the excitation command signal Ec is applied to the high
시각(t3)에 있어서, 여진지령신호(Ec)가 정지하면, 방전전극(12)에 대한 고주파전압(Ve)의 인가도 정지되어, 방전전류(Ie)가 감소하기 시작한다. 이로써, 펄스레이저빔(Lp)의 출력파워도 저하하기 시작한다.At the time t3, when the excitation command signal Ec stops, the application of the high-frequency voltage Ve to the
다음으로, 도 5A 및 도 5B를 참조하여, 여진패턴 지령신호(Ep)의 듀티사이클정보, 여진지령신호(Ec), 및 펄스레이저빔(Lp)과의 관계에 대하여 설명한다.Next, the relationship between the duty cycle information of the excitation pattern command signal Ep, the excitation command signal Ec, and the pulse laser beam Lp will be described with reference to Figs. 5A and 5B.
도 5A에, 여진지령신호(Ec) 및 펄스레이저빔(Lp)의 파형의 일례를 나타낸다. 여진지령신호(Ec)의 1주기 내에, 상태(Ec1, Ec0, Ec2, Ec0)가 이 순서대로 출현한다. 상태(Ec1) 및 상태(Ec2)의 각각의 시간(T1), 및 여진지령신호(Ec)의 주기(T2)는, 여진패턴 지령신호(Ep)(도 4)에 의하여 지령된다. 고주파전원(14)의 스위칭주파수(fs)는, 1/T2이다. 여진지령신호(Ec)의 듀티사이클(Dcc), 즉 고주파전원(14)(도 3)을 구성하는 H브리지회로의 도통시간의 듀티사이클은, 2×T1/T2로 나타난다. 도 5로부터 알 수 있듯이, 듀티사이클(Dcc)이 변경되면, 도통시간과 비도통시간의 비율이 변경된다.5A shows an example of the waveforms of the excitation command signal Ec and the pulse laser beam Lp. The states (Ec1, Ec0, Ec2, Ec0) appear in this order within one cycle of the excitation command signal Ec. The respective times T1 of the state Ec1 and the state Ec2 and the period T2 of the excitation command signal Ec are instructed by the excitation pattern command signal Ep (Fig. 4). The switching frequency fs of the high
여진지령신호(Ec)의 듀티사이클(Dcc) 및 스위칭주파수(fs)가, 도 5A에 나타낸 조건일 때, 펄스레이저빔(Lp)의 펄스폭 내 평균 파워는 Wa1이다. 펄스폭 내 평균 파워(Wa1)에 펄스폭을 곱함으로써, 펄스에너지가 구해진다.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 in the pulse width of the pulse laser beam Lp is Wa1. By multiplying the average power Wa1 in the pulse width by the pulse width, the pulse energy is obtained.
도 5B에, 여진지령신호(Ec) 및 펄스레이저빔(Lp)의 파형의 다른 예를 나타낸다. 도 5에 나타낸 여진지령신호(Ec) 상태(Ec1) 및 상태(Ec2)의 각각의 시간(T1)이, 도 5A에 나타낸 여진지령신호(Ec)의 시간(T1)보다 짧다. 여진지령신호(Ec)의 주기(T2)는, 도 5A에 나타낸 여진지령신호(Ec)의 주기(T2)와 동일하다. 이로 인하여, 도 5B에 나타낸 여진지령신호(Ec)의 듀티사이클(Dcc)은, 도 5A에 나타낸 여진지령신호(Ec)의 듀티사이클(Dcc)보다 작다. 도 5B에 나타낸 여진지령신호(Ec)의 스위칭주파수(fs)는, 도 5A에 나타낸 여진지령신호(Ec)의 스위칭주파수(fs)와 동일하다. 여진지령신호(Ec)의 듀티사이클(Dcc)이 작아지면, 방전전극(12)(도 3)에 공급되는 고주파전력이 감소하여, 펄스레이저빔(Lp)의 펄스폭 내 평균 파워가 저하된다. 따라서, 여진지령신호(Ec)의 듀티사이클(Dcc) 및 스위칭주파수(fs)가 도 5B에 나타낸 조건일 때에 있어서의 펄스레이저빔(Lp)의 펄스폭 내 평균 파워(Wa2)는, 도 5A에 나타낸 펄스레이저빔(Lp)의 펄스폭 내 평균 파워(Wa1)보다 작다.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 excitation command signal Ec state Ec1 and state Ec2 shown in Fig. 5 is shorter than the time T1 of the excitation command signal Ec shown in Fig. 5A. The period T2 of the excitation command signal Ec is the same as the period T2 of the excitation command signal Ec shown in Fig. 5A. As a result, 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 the same as 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 becomes small, the high frequency power supplied to the discharge electrode 12 (Fig. 3) decreases, and the average power in the pulse width of the pulse laser beam Lp decreases. Therefore, the average power Wa2 in 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 smaller than the average power Wa1 in the pulse width of the indicated pulse laser beam Lp.
도 5A 및 도 5B에 나타낸 바와 같이, 여진패턴 지령신호(Ep)에 의하여 레이저 제어장치(15)에 지령되는 듀티사이클정보를 변화시킴으로써, 펄스레이저빔(Lp)의 펄스폭 내 평균 파워를 변화시킬 수 있다.5A and 5B, the duty cycle information instructed to the
직류전원(13)(도 1)의 출력전압을 변화시키는 것에 의해서도, 방전전극(12)에 공급되는 고주파전력을 변화시켜, 펄스레이저빔(Lp)의 펄스폭 내 평균 파워를 제어할 수 있다. 그러나, 직류전원(13)의 출력전압은, 평활커패시터 등에 의하여 평활화되어 있다. 이로 인하여, 펄스레이저빔의 펄스간격 정도의 짧은 시정수로, 직류전원(13)의 출력전압을 변화시키는 것은 곤란하다.The average power within the pulse width of the pulse laser beam Lp can be controlled by varying the high frequency power supplied to the
상기 실시예에서는, 고주파전원(14)(도 1)에 인가되는 직류전압은 일정하게 유지한 채로, 여진지령신호(Ec)의 듀티사이클(Dcc)을 변화시킴으로써, 펄스레이저빔의 펄스폭 내 평균 파워를 변화시키고 있다. 여진지령신호(Ec)의 듀티사이클(Dcc)은, 펄스출력 타이밍신호(Pt)의 출력마다 변화시키는 것이 가능하다. 이로 인하여, 레이저펄스마다, 펄스폭 내 평균 파워를 제어하는 것이 가능하다.In the above embodiment, the duty cycle Dcc of the excitation command signal Ec is changed while maintaining the DC voltage applied to the high-frequency power supply 14 (Fig. 1) Power is changing. The duty cycle Dcc of the excitation command signal Ec can be changed for each output of the pulse output timing signal Pt. Thus, it is possible to control the average power in the pulse width for each laser pulse.
도 5A~도 5B에서는, 여진지령신호(Ec)의 스위칭주파수(fs)를 일정하게 하여, 듀티사이클(Dcc)을 변화시킴으로써, 펄스폭 내 평균 파워를 변화시켰다. 반대로, 듀티사이클(Dcc)을 일정하게 하여, 스위칭주파수(fs)를 변화시켜도, 펄스폭 내 평균 파워를 변화시킬 수 있다.5A to 5B, the average power within the pulse width was varied by changing the duty cycle Dcc while keeping the switching frequency fs of the excitation command signal Ec constant. Conversely, even when the duty cycle Dcc is kept constant and the switching frequency fs is changed, the average power within the pulse width can be changed.
여진지령신호(Ec)의 스위칭주파수(fs)는, 도 3에 나타낸 변압기(14C) 및 방전전극(12)을 포함하는 공진회로의 공진주파수(fr)의 근방으로 설정된다. 이로써, 레이저발진기(10)에 고주파전력을 효율적으로 공급할 수 있다. 스위칭주파수(fs)가 공진주파수(fr)로부터 차이가 나면, 레이저발진기(10)에 공급되는 고주파전력이 저하된다.The switching frequency fs of the excitation command signal Ec is set near the resonance frequency fr of the resonance circuit including the
도 6에, 스위칭주파수(fs)와, 펄스레이저빔(Lp)의 펄스폭 내 평균 파워(Wa)와의 관계의 일례를 나타낸다. 스위칭주파수(fs)가 공진주파수(fr)와 동일할 때, 레이저발진기(10)에 효율적으로 고주파전력이 공급되기 때문에, 펄스폭 내 평균 파워(Wa)가 최대치를 나타낸다. 스위칭주파수(fs)가 공진주파수(fr)로부터 차이가 나면, 레이저발진기(10)에 공급되는 고주파전력이 감소하여, 펄스폭 내 평균 파워(Wa)가 저하된다. 따라서, 스위칭주파수(fs)를 변화시키는 것에 의해서도, 펄스폭 내 평균 파워(Wa)를 변화시킬 수 있다.6 shows an example of the relationship between the switching frequency fs and the average power Wa in the pulse width of the pulse laser beam Lp. Since the high frequency power is efficiently supplied to the
펄스폭 내 평균 파워(Wa)를 변화시키기 위하여, 여진지령신호(Ec)의 듀티사이클(Dcc) 및 스위칭주파수(fs)의 양방을 변화시켜도 된다. 여진지령신호(Ec)의 듀티사이클(Dcc) 및 스위칭주파수(fs)는, 가공기 제어장치(35)로부터 레이저 제어장치(15)에 송신되는 여진패턴 지령신호(Ep)에 의하여 지령된다.Both the duty cycle Dcc of the excitation command signal Ec and the switching frequency fs may be changed in order to change the average power Wa in the pulse width. The duty cycle Dcc and the switching frequency fs of the excitation command signal Ec are instructed by the excitation pattern command signal Ep transmitted from the
실시예에 의한 레이저 가공장치를, 프린트기판의 펀칭가공에 이용하는 경우, 레이저펄스마다 펄스폭 내 평균 파워를 제어함으로써, 가공품질을 높이는 것이 가능해진다. 듀티사이클정보 및 스위칭주파수정보는, 입력장치(36)를 통하여 가공기 제어장치(35)에 입력된다.When the laser machining apparatus according to the embodiment is used for punching a printed substrate, it is possible to improve the machining quality 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
상기 실시예에서는, 레이저발진기(10)(도 1)로서, 탄산가스 레이저발진기를 이용했지만, 다른 가스 레이저발진기를 이용하는 것도 가능하다.In the above embodiment, a carbon dioxide gas laser oscillator is used as the laser oscillator 10 (Fig. 1), but it is also possible to use another gas laser oscillator.
또, 상기 실시예에서는, 레이저 제어장치(15)와 가공기 제어장치(35)를, 상이한 장치로 실현했지만, 레이저 제어장치(15)와 가공기 제어장치(35)를 일체화하여, 1개의 장치로서 실현해도 된다. 이 경우에는, 일체화된 제어장치가, 입력장치(36)를 통하여 입력된 듀티사이클정보에 근거하여, 레이저전원(11)에 여진지령신호(Ec)를 부여한다.Although the
이상 실시예를 따라 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 이들에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 다양한 변경, 개량, 조합 등이 가능한 것은 당업자에게 자명한 바이다.While the present invention has been described with reference to the above embodiments, the present invention is not limited thereto. For example, it is apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like are possible.
10 레이저발진기
11 레이저전원
12 방전전극
13 직류전원
14 고주파전원
14a 스위칭소자
14A, 14B 브리지암
14C 변압기
15 레이저 제어장치
20 광검출기
21 부분반사경
22 스팟위치 안정화 광학계
23 비구면렌즈
24 콜리메이트렌즈
25 마스크
26 필드렌즈
27 폴드미러
28 빔주사기
29 fθ렌즈
30 스테이지
31 가공대상물
35 가공기 제어장치
36 입력장치
40 송풍기
42 방전공간
43 도전부재
44 세라믹부재
46 열교환기
50 레이저챔버
51 단자
52 챔버 내 전류로
55 챔버 외 전류로
Cv 제어값
Dcc 듀티사이클
Dv 검출값
Ec 여진지령신호
Ep 여진패턴 지령신호
Ie 방전전류
Lp 펄스레이저빔
Pt 펄스출력 타이밍신호
Ve 고주파전압
Wa 펄스폭 내 평균 파워
fr 공진주파수
fs 스위칭주파수10 laser oscillator
11 Laser power
12 discharge electrode
13 DC power source
14 High frequency power
14a switching element
14A, 14B bridge arm
14C transformer
15 Laser control unit
20 photodetector
21 partial reflector
22 Spot position stabilization optical system
23 Aspheric Lens
24 collimate lens
25 Mask
26 field lens
27 fold mirror
28 beam syringe
29 f? Lens
30 stages
31 Object to be processed
35 Machine control unit
36 input device
40 blowers
42 discharge space
43 conductive member
44 ceramic member
46 Heat exchanger
50 laser chamber
51 terminal
52 Current in chamber
55 out of chamber current
Cv control value
Dcc duty cycle
Dv detection value
Ec excitation signal
Ep Exposed pattern command signal
Ie discharge current
Lp pulsed laser beam
Pt pulse output timing signal
And high frequency voltage
Average power in Wa pulse width
fr resonant frequency
fs switching frequency
Claims (9)
입력되는 여진지령신호의 듀티사이클에 따라, 고주파전압을 상기 방전전극에 인가하는 레이저전원과,
듀티사이클정보를 포함하는 여진패턴 지령신호, 및 펄스레이저빔의 출력 타이밍을 지령하는 펄스출력 타이밍신호가 입력되면, 상기 여진패턴 지령신호에 포함되는 상기 듀티사이클정보에 근거하여, 상기 레이저전원에 상기 여진지령신호를 부여하는 레이저 제어장치와,
상기 펄스출력 타이밍신호, 및 상기 여진패턴 지령신호를 상기 레이저 제어장치에 부여하는 가공기 제어장치와,
가공대상물을 유지하는 스테이지와,
상기 레이저발진기로부터 출력된 상기 펄스레이저빔을, 상기 스테이지에 유지된 가공대상물에 도광하는 광학계를 갖고,
상기 펄스출력 타이밍신호가 입력될 때마다 상기 여진지령신호가 상기 레이저전원에 부여되고,
상기 펄스출력 타이밍신호가 입력되고 있는 동안의 상기 여진지령신호의 도통시간과 비도통시간이 교대로 반복되는 사이클에 있어서, 듀티사이클의 변경에 의해 도통시간과 비도통시간과의 비율을 변경함으로써, 상기 펄스레이저빔의 펄스폭 내 평균 파워를 변화시키는, 레이저 가공장치.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 in accordance with a duty cycle of an excitation command signal to be input;
Wherein when the excitation pattern command signal including the duty cycle information and the pulse output timing signal for commanding the output timing of the pulse laser beam are input to the laser power source based on the duty cycle information included in the excitation pattern command signal, A laser control device for giving an excitation command signal,
A processor control device for applying the pulse output timing signal and the excitation pattern command signal to the laser control device,
A stage for holding an object to be processed,
And an optical system for guiding the pulsed laser beam output from the laser oscillator to an object to be processed held on the stage,
The excitation command signal is applied to the laser power source every time the pulse output timing signal is inputted,
The ratio of the conduction time to the non-conduction time is changed by changing the duty cycle in a cycle in which the conduction time and the non-conduction time of the excitation command signal are alternately repeated while the pulse output timing signal is being input, And changes the average power within the pulse width of the pulse laser beam.
추가로,
상기 가공기 제어장치에 상기 듀티사이클정보를 입력하는 입력장치를 가지고,
상기 가공기 제어장치는, 상기 입력장치를 통하여 입력된 상기 듀티사이클정보에 근거하여, 상기 여진패턴 지령신호를 상기 레이저전원에 부여하는 레이저 가공장치.The method according to claim 1,
Add to,
And an input device for inputting the duty cycle information to the machine control device,
Wherein the machine control device applies the excitation pattern command signal to the laser power source based on the duty cycle information input through the input device.
상기 가공기 제어장치는, 상기 펄스출력 타이밍신호의 출력마다, 상기 여진패턴 지령신호를 변화시키는 레이저 가공장치.The method according to claim 1 or 2,
Wherein the machine control device changes the excitation pattern command signal for each output of the pulse output timing signal.
상기 레이저발진기는, 탄산가스 레이저발진기인 레이저 가공장치.The method according to claim 1 or 2,
Wherein the laser oscillator is a carbon dioxide gas laser oscillator.
상기 레이저전원은,
2개의 브리지암을 포함하는 H브리지회로와,
상기 H브리지회로에 직류전압을 인가하는 직류전원
을 포함하고,
상기 브리지암의 각각은, 서로 직렬로 접속된 2개의 스위칭소자를 포함하며,
한 쌍의 상기 방전전극은, 각각 2개의 상기 브리지암의 중간점에 접속되어 있고,
상기 여진지령신호는, 상기 H브리지회로의 상기 스위칭소자의 온오프제어를 행하는 레이저 가공장치.The method according to claim 1 or 2,
The laser power source
An H bridge circuit including two bridge arms,
A DC power supply for applying a DC voltage to the H-
/ RTI >
Wherein each of the bridge arms includes two switching elements connected in series to each other,
A pair of the discharge electrodes are connected to the respective intermediate points of the two bridge arms,
Wherein the excitation command signal performs ON / OFF control of the switching element of the H bridge circuit.
상기 여진패턴 지령신호에, 추가로 상기 H브리지회로의 스위칭을 행하는 스위칭주파수정보가 포함되어 있고,
상기 레이저 제어장치는, 상기 여진패턴 지령신호에 포함되어 있는 상기 듀티사이클정보 및 상기 스위칭주파수정보에 근거하여, 상기 레이저전원에 상기 여진지령신호를 부여하는 레이저 가공장치.The method of claim 5,
Wherein the excitation pattern command signal further includes switching frequency information for performing switching of the H bridge circuit,
Wherein the laser control device applies 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.
입력되는 여진지령신호의 듀티사이클에 따라, 고주파전압을 상기 방전전극에 인가하는 레이저전원과,
듀티사이클정보가 입력되면, 입력된 상기 듀티사이클정보에 근거하여, 상기 레이저전원에 상기 여진지령신호를 부여하는 제어장치와,
상기 제어장치에 상기 듀티사이클정보를 입력하는 입력장치와,
가공대상물을 유지하는 스테이지와,
상기 레이저발진기로부터 출력된 상기 펄스레이저빔을, 상기 스테이지에 유지된 가공대상물에 도광하는 광학계를 갖고,
상기 여진지령신호의 도통시간과 비도통시간이 교대로 반복되는 사이클에 있어서, 듀티사이클의 변경에 의해 도통시간과 비도통시간과의 비율을 변경함으로써, 상기 펄스레이저빔의 펄스폭 내 평균 파워를 변화시키는, 레이저 가공장치.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 in accordance with a duty cycle of an excitation command signal to be input;
A control device for applying the excitation command signal to the laser power source based on the duty cycle information inputted when the duty cycle information is inputted,
An input device for inputting the duty cycle information to the control device,
A stage for holding an object to be processed,
And an optical system for guiding the pulsed laser beam output from the laser oscillator to an object to be processed held on the stage,
The ratio of the conduction time to the non-conduction time is changed by changing the duty cycle in a cycle in which the conduction time and the non-conduction time of the excitation command signal are alternately repeated, so that the average power in the pulse width of the pulse laser beam is Laser processing apparatus.
상기 H브리지회로의 도통시간과 비도통시간이 교대로 반복되는 사이클에 있어서, 듀티사이클의 변경에 의해 도통시간과 비도통시간과의 비율을, 레이저펄스마다 변화시킴으로써, 상기 레이저펄스의 펄스폭 내 평균 파워를 변화시키는 펄스레이저빔의 출력방법.A method of outputting a pulsed laser beam by exciting a plasma by applying a high frequency voltage pulsed to a discharge electrode of a gas laser oscillator through an H bridge circuit,
Wherein a ratio of the conduction time to the non-conduction time is changed for each of the laser pulses by changing the duty cycle in a cycle in which the conduction time and the non-conduction time of the H bridge circuit are alternately repeated, A method of outputting a pulsed laser beam that changes an average power.
추가로, 상기 H브리지회로의 스위칭주파수를, 상기 레이저펄스마다 변화시킴으로써, 상기 레이저펄스의 펄스폭 내 평균 파워를 변화시키는 펄스레이저빔의 출력방법.The method of claim 8,
Further comprising changing the switching frequency of the H bridge circuit for each of the laser pulses to change the average power in the pulse width of the laser pulse.
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