KR102311082B1 - 레이저광원 및 그것을 이용한 레이저가공장치 - Google Patents

레이저광원 및 그것을 이용한 레이저가공장치 Download PDF

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Abstract

레이저광원(12)은, 레이저가공장치(10)에 사용되고, 트리거신호(S1)에 응답하여 발진하며, 레이저펄스(6)를 발생한다. 레이저펄스는, 광학계에 의하여 대상물에 조사된다. 제어장치(16)는, 레이저광원(12)에 대하여 트리거신호(S1)를 출력한다. 구동회로(60)는, 트리거신호(S1)에 응답하여 고주파전원(50)을 동작시킴과 함께, 직류전압(VDC)이 허용범위로부터 벗어나면 조사금지신호(S3)를 어서트한다. 레이저가공장치(10)는, 조사금지신호(S3)가 어서트될 때, 대상물에 레이저펄스를 조사하지 않도록 구성된다.

Description

레이저광원 및 그것을 이용한 레이저가공장치
본 발명은, 레이저가공장치용 레이저구동장치에 관한 것이다.
산업용 가공도구로서, 레이저가공장치가 널리 보급되고 있다. 레이저가공장치의 가공정밀도는, 레이저광원이 발생하는 레이저펄스의 특성, 예를 들면 에너지, 강도, 시간파형 등에 의존한다. 따라서, 고정밀도의 가공을 실현하기 위해서는, 레이저광원으로부터, 편차가 작은 레이저펄스를 발생시킬 필요가 있다.
특허문헌 1에는, 광검출기에 의하여 레이저펄스의 에너지에 의존하는 물리량을 측정하고, 측정한 물리량이 허용값으로부터 벗어나는 경우에는, 레이저펄스가 대상물에 조사되지 않도록, 다른 경로로 유도하는 기술이 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2015-186818호
종래 기술에서는, 레이저펄스의 에너지가 허용값으로부터 벗어난 경우여도 레이저를 발광시키게 되기 때문에, 쓸데없는 에너지를 소비한다. 또한, 다른 경로로 유도된 레이저광을 덤프(흡수)시킬 필요가 있기 때문에, 장치가 대형화된다는 문제도 있다.
본 발명에 관한 상황을 감안하여 이루어진 것이며, 그 일 양태의 예시적인 목적의 하나는, 종래와 다른 어프로치에 의하여, 쇼트불량을 억제한 레이저가공장치 및 그 레이저광원의 제공에 있다.
본 발명의 일 양태는 레이저가공장치에 관한 것이다. 레이저가공장치는, 트리거신호에 응답하여 발진하고, 레이저펄스를 발생하는 레이저광원과, 레이저펄스를 대상물에 조사하는 광학계와, 레이저광원에 대하여 트리거신호를 출력하는 제어장치를 구비한다. 레이저광원은, 방전전극과, 직류전압을 발생하는 직류전원과, 직류전압을 받아, 방전전극의 사이에 고주파전압을 발생하는 고주파전원과, 트리거신호에 응답하여 고주파전원을 동작시킴과 함께, 직류전압이 허용범위로부터 벗어나면 어서트되는 조사금지신호를 생성하는 구동회로를 구비한다. 레이저가공장치는, 조사금지신호가 어서트될 때, 대상물에 레이저펄스를 조사하지 않도록 구성된다.
이 양태에 의하면, 방전전극에 인가되는 고주파전압의 진폭을 규정하는 직류전압을 감시함으로써, 실제로 레이저광원을 발진시키기 전에 쇼트불량을 추정할 수 있다.
구동회로는, 조사금지신호가 어서트될 때, 고주파전원을 동작시키지 않아도 된다. 이로써 조사금지신호가 어서트될 때, 레이저의 발진을 방지할 수 있기 때문에, 쓸데없는 전력을 억제하면서, 쇼트불량을 억제할 수 있다.
제어장치는, 조사금지신호가 어서트될 때, 트리거신호를 출력하지 않아도 된다. 이로써, 조사금지신호가 어서트될 때의 고주파전원의 동작을 방지할 수 있다.
허용범위는, 직류전압의 목푯값의 ±10%보다 좁게 해도 된다. 보다 바람직하게는, 허용범위의 상한 및 하한은 직류전압의 목푯값의 ±5%, 더 바람직하게는 목푯값의 ±1%보다 좁은 범위로 규정되어도 된다.
본 발명의 다른 양태는, 레이저가공장치용 레이저광원에 관한 것이다. 레이저광원은, 제어장치로부터의 트리거신호에 따라 발광하는 레이저가공장치용 레이저광원으로서, 방전전극과, 직류전압을 발생하는 직류전원과, 직류전압을 받아, 방전전극의 사이에 고주파전압을 발생하는 고주파전원과, 트리거신호에 응답하여 고주파전원을 동작시킴과 함께, 직류전압이 허용범위로부터 벗어나면, 발광금지를 나타내는 플래그신호를 생성하는 구동회로를 구비한다.
다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 쇼트불량을 억제할 수 있다.
도 1은 실시형태에 관한 레이저가공장치의 블록도이다.
도 2는 레이저광원의 블록도이다.
도 3은 도 1의 레이저가공장치의 동작파형도이다.
도 4는 제2 변형예에 관한 레이저가공장치의 동작파형도이다.
이하, 본 발명을 적합한 실시형태를 바탕으로 도면을 참조하면서 설명한다. 각 도면에 나타나는 동일 또는 동등한 구성요소, 부재, 처리에는, 동일한 부호를 붙이는 것으로 하고, 적절히 중복된 설명은 생략한다. 또한, 실시형태는, 발명을 한정하는 것이 아니고 예시이며, 실시형태에 기술되는 모든 특징이나 그 조합은, 반드시 발명의 본질적인 것이라고는 할 수 없다.
도 1은, 실시형태에 관한 레이저가공장치(10)의 블록도이다. 레이저가공장치(10)는, 대상물(2)에 레이저펄스(4)를 조사하여, 대상물(2)을 가공한다. 대상물(2)의 종류는 특별히 한정되지 않고, 또 가공의 종류도, 천공(드릴), 절단 등이 예시되지만, 이에 한정되지 않는다.
레이저가공장치(10)는, 레이저광원(12), 광학계(14), 제어장치(16), 스테이지(18)를 구비한다. 대상물(2)은 스테이지(18) 상에 재치되고, 필요에 따라 고정된다. 스테이지(18)는, 제어장치(16)로부터의 위치제어신호(S2)에 따라, 대상물(2)을 위치 결정하여, 대상물(2)과 레이저펄스(4)의 조사위치를 상대적으로 스캔한다. 스테이지(18)는, 1축, 2축(XY) 혹은 3축(XYZ)일 수 있다.
레이저광원(12)은, 제어장치(16)로부터의 트리거신호(S1)에 따라 발진하고, 레이저펄스(6)를 발생한다. 광학계(14)는, 레이저펄스(6)를 대상물(2)에 조사한다. 광학계(14)의 구성은 특별히 한정되지 않고, 빔을 대상물(2)로 유도하기 위한 미러군, 빔정형을 위한 렌즈나 애퍼처 등을 포함할 수 있다.
제어장치(16)는, 레이저가공장치(10)를 통괄적으로 제어한다. 구체적으로는 제어장치(16)는, 레이저광원(12)에 대하여 간헐적으로 트리거신호(S1)를 출력한다. 또 제어장치(16)는, 가공처리를 기술하는 데이터(레시피)에 따라 스테이지(18)를 제어하기 위한 위치제어신호(S2)를 생성한다.
자세하게는 후술하지만, 레이저광원(12)은 조사금지신호(S3)를 생성한다. 조사금지신호(S3)는, 제어장치(16)로부터 참조 가능하게 되어 있다. 조사금지신호(S3)가 어서트(예를 들면 높은 레벨)될 때, 제어장치(16)는 트리거신호(S1)를 출력하지 않는다.
계속해서 레이저광원(12)의 구성을 설명한다. 도 2는, 레이저광원(12)의 블록도이다. 레이저광원(12)은, 방전전극(30), 직류전원(40), 고주파전원(50)을 구비한다. 방전전극(30)은, CO2 등의 혼합가스가 충전되는 챔버(32) 내에 마련되어 있으며, 등가적으로 직렬커패시터로서 나타난다. 직류전원(40)은, 수백 V(예를 들면 500V)의 직류전압(VDC)을 생성한다. 직류전원(40)의 구성은 특별히 한정되지 않지만, 뱅크콘덴서(42), 전원장치(44), 필터(46) 등을 포함할 수 있다. 전원장치(44)는, 뱅크콘덴서(42)의 직류전압(VDC)을 목푯값으로 안정화하는 컨버터나 충전회로여도 된다.
고주파전원(50)은, 직류전원(40)으로부터 직류전압(VDC)을 받아, 구형파(矩形波)의 구동전압(VDRV)을 발생한다. 이 구동전압(VDRV)은, 인덕터(34)를 통하여 방전전극(30)의 사이에 인가되어, 인덕터(34)와 방전전극(30)의 직렬공진에 의하여, 방전전극(30)의 양단 간에 교류의 고주파전압(VAC)을 발생시킨다. 고주파전원(50)은, 입력콘덴서(52), 풀브리지(H브리지)형의 인버터(54), 승압트랜스(56)를 포함한다. 인버터(54)는, 직류전압(VDC)을 진폭으로 하는 교류전압을, 승압트랜스(56)의 1차 권선에 인가한다. 승압트랜스(56)의 2차 권선에는, 권선비에 따른 진폭을 갖는 고주파전압(VAC)이 발생한다. 예를 들면 VDC=500V, 권선비가 4일 때, 고주파전압(VAC)의 진폭은 2kV가 된다. 다만 승압트랜스(56)를 생략하여, 직류전압(VDC)을 수 kV로 해도 된다.
구동회로(60)는, 트리거신호(S1)에 응답하여 고주파전원(50)을 동작시키고, 고주파전압(VAC)을 발생시킨다. 구체적으로는 구동회로(60)는, 트리거신호(S1)가 입력되면, 인버터(54)의 4개의 스위치를 스위칭한다. 트리거신호(S1)의 무입력상태에 있어서 인버터(54)의 모든 스위치는 오프이다.
또한 구동회로(60)는, 고주파전원(50)의 스위칭동작 전, 바꾸어 말하면 레이저발광 전에 있어서, 직류전압(VDC)이 허용범위로부터 벗어나 있을 때에 조사금지신호(S3)를 어서트한다.
예를 들면 발광 전에 판정구간을 마련하고, 이 판정구간에 있어서, 직류전압(VDC)이 허용범위로부터 벗어나 있을 때에 조사금지신호(S3)를 어서트하도록 해도 된다. 판정구간은 레이저광원(12)의 발진동작 후, 직류전압(VDC)이 목푯값(VREF)에 안정화되어야 할 기간에 마련하는 것이 바람직하고, 예를 들면 레이저펄스(6)의 다음 쇼트의 직전으로 해도 된다.
조사금지신호(S3)는, 직류전압(VDC)(혹은 그것에 근거하는 검출전압)을, 허용범위의 상한, 하한에 상당하는 임계값과 비교하는 전압콤퍼레이터로 구성할 수 있다. 혹은, 직류전압(VDC)(혹은 그것에 근거하는 검출전압)을 A/D컨버터에 의하여 디지털값으로 변환하고, 이 디지털값을 허용범위의 상한, 하한에 상당하는 임계값과 비교해도 된다.
허용범위는, 직류전압(VDC)의 목푯값(VREF)의 ±10%보다 좁은 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 목푯값(VREF)의 ±5%, 더 바람직하게는 목푯값(VREF)의 ±1%보다 좁은 것이 바람직하다. 직류전압(VDC)의 목푯값(VREF)이 500V일 때, 허용범위는 500±1V, 즉 목푯값(VREF)의 ±0.2%로 해도 된다. 허용범위를 좁게 할수록 가공정밀도가 높아지지만, 쇼트하지 않는 확률이 높아질 우려가 있다. 따라서 허용범위는, 이들의 트레이드오프를 고려하여 정하면 된다.
레이저가공장치(10)는, 조사금지신호(S3)가 어서트될 때, 대상물(2)에 레이저펄스(4)를 조사하지 않도록 구성된다. 본 실시형태에서는, 조사금지신호(S3)가 어서트될 때, 레이저광원(12)은 발광하지 않도록 구성되어 있다. 구체적으로는 구동회로(60)는, 조사금지신호(S3)가 어서트될 때, 고주파전원(50)을 동작시키지 않는다. 상술한 바와 같이 제어장치(16)에는 조사금지신호(S3)가 입력되어 있고, 조사금지신호(S3)가 어서트될 때, 트리거신호(S1)를 출력하지 않는다.
이상이 레이저가공장치(10)의 구성이다. 계속해서 그 동작을 설명한다. 도 3은, 도 1의 레이저가공장치(10)의 동작파형도이다. 정상상태에 있어서 직류전압(VDC)은 목표전압(VREF)으로 안정화되어 있다. 제어장치(16)가 트리거신호(S1)를 어서트(높은 레벨)할 때마다, 고주파전원(50)이 스위칭하여, 레이저펄스(6)가 발생한다. 고주파전원(50)이 스위칭하면, 뱅크콘덴서(42 및 52)의 전하가 방전되기 때문에, 직류전압(VDC)은 저하되고, 레이저의 발진이 정지하면, 목푯값(VREF)을 향하여 회복해 간다.
제1, 제2 사이클의 판정구간(τ1, τ2)에서는, 직류전압(VDC)은 허용범위(해칭)(70)에 들어가 있고, 따라서 조사금지신호(S3)는 니게이트(negate)되어 있다. 따라서 그들에 계속되는 제2, 제3 사이클에서는 트리거신호(S1)가 어서트되어, 레이저펄스(6)가 출력된다.
제3 사이클의 판정구간(τ3)에 있어서, 직류전압(VDC)이 허용범위(70)로부터 벗어나 있기 때문에, 조사금지신호(S3)가 어서트된다. 조사금지신호(S3)의 어서트의 결과, 다음의 제4 사이클에서는 트리거신호(S1)가 발생하지 않고, 레이저펄스(6)도 발생하지 않는다. 제4 사이클의 사이에 직류전압(VDC)은 허용범위(70) 내에 수렴하여, 판정구간(τ4)에 있어서 조사금지신호(S3)는 니게이트이고, 다음의 제5 사이클에서는 트리거신호(S1)가 어서트되어, 레이저펄스(6)가 출력된다.
이상이 레이저가공장치(10)의 동작이다. 방전전극(30)에 인가되는 고주파전압(VAC)의 진폭은 직류전압(VDC)에 의하여 규정되고, 따라서 레이저펄스(6)의 에너지, 피크값, 시간프로파일은, 콘덴서(42, 52)에 발생하는 직류전압(VDC)에 의존하고 있다. 레이저가공장치(10)에 의하면, 직류전압(VDC)을 감시함으로써, 실제로 레이저광원(12)을 발진시키기 전에, 쇼트불량을 추정할 수 있다. 그리고, 쇼트불량의 가능성이 높은 상황에서는, 대상물(2)에 레이저를 조사하지 않음으로써, 가공정밀도를 높일 수 있다.
특히, 직류전압(VDC)이 허용범위로부터 벗어나 있을 때, 고주파전원(50)을 동작시키지 않고, 레이저펄스(6)를 쇼트하지 않음으로써, 쓸데없는 전력소비를 억제할 수 있다. 또 쇼트하지 않는 사이클의 사이에, 직류전압(VDC)을 목푯값(VREF)으로 회복시킬 수 있기 때문에, 다음의 쇼트에서는, 이상적인 레이저펄스(6)를 생성할 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여, 몇 가지의 실시형태를 바탕으로 설명했다. 이들의 실시형태는 예시이며, 그들의 각 구성요소나 각 처리프로세스의 조합에 여러가지 변형예가 가능한 것, 또 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 바이다. 이하, 이러한 변형예에 대하여 설명한다.
(제1 변형예)
실시형태에서는, 조사금지신호(S3)가 어서트되면, 제어장치(16)가 트리거신호(S1)를 출력하지 않는 것으로 했지만 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 조사금지신호(S3)와 관계없이 제어장치(16)가 트리거신호(S1)를 출력하고, 구동회로(60)는, 조사금지신호(S3)가 어서트되어 있을 때, 트리거신호(S1)가 입력된 경우에, 고주파전원(50)을 동작시키지 않도록 해도 된다.
(제2 변형예)
실시형태에서는, 판정구간에 있어서의 직류전압(VDC)에 근거하여 조사금지신호(S3)를 생성했지만, 이에 한정되지 않는다. 도 4는, 제2 변형예에 관한 레이저가공장치(10)의 동작파형도이다. 조사금지신호(S3)는, 직류전압(VDC)이 허용범위에 포함되어 있을 때(준비상태)에 제1 레벨(예를 들면 높은 레벨), 벗어났을 때(비준비상태)에 제2 레벨(예를 들면 낮은 레벨)이 되는 2치 신호여도 된다. 제어장치(16)는, 조사금지신호(S3)가 제1 레벨인 것을 조건으로 하여, 트리거신호(S1)를 출력해도 된다.
(제3 변형예)
실시형태에서는, 조사금지신호(S3)가 어서트되었을 때에, 레이저펄스(6)를 발생하지 않는 것으로 했지만 이에 한정되지 않는다. 조사금지신호(S3)가 어서트되었을 때에, 레이저펄스(6)를 대상물(2) 이외의 경로로 유도하도록 해도 된다. 예를 들면, 대상물(2)과 다른 경로에 광학계(14)에 빔댐퍼를 마련하고, 조사금지신호(S3)가 어서트되면, 빔댐퍼에 레이저펄스(4)를 유도하도록 구성해도 된다.
실시형태에 근거하여, 구체적인 어구를 이용하여 본 발명을 설명했지만, 실시형태는, 본 발명의 원리, 응용의 일측면을 나타내고 있음에 지나지 않고, 실시형태에는, 청구범위에 규정된 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에 있어서, 많은 변형예나 배치의 변경이 인정된다.
2…대상물
4, 6…레이저펄스
10…레이저가공장치
12…레이저광원
14…광학계
16…제어장치
18…스테이지
S1…트리거신호
S2…위치제어신호
S3…조사금지신호
30…방전전극
32…챔버
40…직류전원
42…뱅크콘덴서
44…전원장치
46…필터
50…고주파전원
52…입력콘덴서
54…인버터
56…승압트랜스
60…구동회로

Claims (5)

  1. 트리거신호에 응답하여 발진하고, 레이저펄스를 발생하는 레이저광원과,
    상기 레이저펄스를 대상물에 조사하는 광학계와,
    상기 레이저광원에 대하여 트리거신호를 출력하는 제어장치를 구비하고,
    상기 레이저광원은,
    방전전극과,
    직류전압을 발생하는 직류전원과,
    상기 직류전압을 받아, 상기 방전전극의 사이에 고주파전압을 발생하는 고주파전원과,
    상기 트리거신호에 응답하여 상기 고주파전원을 동작시킴과 함께, 상기 고주파전원의 스위칭동작 전에 상기 직류전압이 허용범위로부터 벗어나면 어서트되는 조사금지신호를 생성하는 구동회로를 구비하며,
    상기 조사금지신호가 어서트될 때, 대상물에 레이저펄스를 조사하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저가공장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동회로는, 상기 조사금지신호가 어서트될 때, 상기 고주파전원을 동작시키지 않는 것을 특징으로 하는 레이저가공장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 조사금지신호가 어서트될 때, 상기 트리거신호를 출력하지 않는 것을 특징으로 하는 레이저가공장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 허용범위는, 직류전압의 목푯값의 ±10%보다 좁은 것을 특징으로 하는 레이저가공장치.
  5. 레이저가공장치용 레이저광원으로서,
    제어장치로부터의 트리거신호에 따라 발광하는 레이저가공장치용 레이저광원으로서,
    방전전극과,
    직류전압을 발생하는 직류전원과,
    상기 직류전압을 받아, 상기 방전전극의 사이에 고주파전압을 발생하는 고주파전원과,
    상기 트리거신호에 응답하여 상기 고주파전원을 동작시킴과 함께, 상기 고주파전원의 스위칭동작 전에 상기 직류전압이 허용범위로부터 벗어나면, 발광금지를 나타내는 플래그신호를 생성하는 구동회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저광원.
KR1020197003086A 2016-09-07 2017-08-10 레이저광원 및 그것을 이용한 레이저가공장치 KR102311082B1 (ko)

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