KR102615048B1 - Laser processing apparatus and power supply apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
레이저펄스빔의 강도 혹은 에너지를 보다 정확하게 제어 가능한 레이저가공기 및 그 전원장치를 제공한다.
전원장치(120)는, 레이저발진기(110)에 버스트상의 고주파전압(VRF)을 공급한다. 광검출기(180)는 레이저발진기(110)로부터 출력되는 펄스레이저(Lp)를 검출하여, 펄스상의 제1 검출신호 Vs1을 생성한다. 레이저제어장치(140)는, 타이밍신호(S1)에 따라, 전원장치(120)에 여진신호(S4)를 부여하여 고주파전압(VRF)을 발생시킴과 함께, 제1 검출신호 Vs1을 평활화하여 제2 검출신호 Vs2를 생성하고, 제2 검출신호 Vs2에 근거하여 전원장치(120)의 상태를 조절한다.Provides a laser processing machine and its power supply that can more accurately control the intensity or energy of a laser pulse beam.
The power supply device 120 supplies burst-like high-frequency voltage (V RF ) to the laser oscillator 110. The photodetector 180 detects the pulse laser (Lp) output from the laser oscillator 110 and generates a pulse-like first detection signal Vs1. The laser control device 140 provides an excitation signal (S4) to the power supply device 120 in accordance with the timing signal (S1) to generate a high frequency voltage (V RF ) and smoothes the first detection signal Vs1 A second detection signal Vs2 is generated, and the state of the power supply device 120 is adjusted based on the second detection signal Vs2.
Description
본 출원은, 2018년 04월 20일에 출원된 일본 특허출원 제2018-081677호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2018-081677 filed on April 20, 2018. The entire contents of the application are incorporated by reference into this specification.
본 발명은, 전원장치에 관한 것이다.The present invention relates to a power supply device.
산업용 가공툴로서, 레이저가공기가 널리 보급되어 있다. 도 1은, 레이저가공기(1r)의 블록도이다. 레이저가공기(1r)는, CO2 레이저 등의 레이저발진기(2)와, 레이저발진기(2)에 교류전력을 공급하여, 여진시키는 레이저 구동장치(4r)를 구비한다. 레이저 구동장치(4r)는, 직류전원(6) 및 고주파전원(8)을 구비한다. 직류전원(6)은 직류전압(VDC)을 생성한다. 고주파전원(8)은, 직류전압(VDC)을 받아, 그것을 고주파전압(VRF)으로 변환하여, 부하인 레이저발진기(2)에 공급한다.As an industrial processing tool, laser processing machines are widely used. Figure 1 is a block diagram of the laser processing machine 1r. The laser processing machine 1r is equipped with a laser oscillator 2, such as a CO 2 laser, and a laser drive device 4r that supplies alternating current power to the laser oscillator 2 to excite it. The laser driving device 4r is provided with a direct current power source 6 and a high frequency power source 8. The direct current power supply 6 generates direct current voltage (V DC ). The high-frequency power source 8 receives direct current voltage (V DC ), converts it into high-frequency voltage (V RF ), and supplies it to the laser oscillator 2, which is a load.
드릴용 레이저가공기(1r)에 있어서, 레이저발진기(2)는 불연속운전한다. 즉, 비교적 짧은 수 마이크로~10마이크로초 정도의 발광기간과, 그와 동일한 정도, 혹은 긴(혹은 짧은) 휴지기간이 교대로 반복되고, 따라서 레이저발진기(2)로부터는, 펄스레이저(Lp)가 출사된다.In the laser processing machine 1r for drilling, the laser oscillator 2 operates discontinuously. In other words, a relatively short light emission period of a few microseconds to 10 microseconds and an equally long (or short) rest period are alternately repeated, and therefore, a pulse laser (Lp) is generated from the laser oscillator 2. is released.
펄스레이저(Lp)의 강도는, 고주파전압(VRF)의 진폭에 따라 제어 가능하지만, 현실적으로는, 환경온도나 레이저가스의 열화 등의 영향을 받아 변동한다. 즉 동일한 진폭의 고주파전압(VRF)을 부여했다고 해도, 얻어지는 펄스레이저(Lp)의 강도는, 시시각각 변화한다. 펄스레이저의 강도의 변동은, 가공정밀도의 저하를 야기한다. 따라서 펄스레이저(Lp)의 강도를 안정화시키는 기술이 제안되어 있다.The intensity of the pulse laser (Lp) can be controlled according to the amplitude of the high frequency voltage (V RF ), but in reality, it fluctuates under the influence of environmental temperature and deterioration of the laser gas. That is, even if a high frequency voltage (V RF ) of the same amplitude is applied, the intensity of the obtained pulse laser (Lp) changes from moment to moment. Fluctuations in the intensity of the pulse laser cause a decrease in processing accuracy. Therefore, a technology to stabilize the intensity of pulsed laser (Lp) has been proposed.
도 2는, 펄스레이저(Lp)의 강도의 파형의 일례를 나타내는 도이다. 펄스레이저(Lp)의 파형은, 발광시간(Te) 동안, 반드시 균일하지는 않고, 전형적으로는 발광 직후에 급격하게 상승하며, 발광정지 시에는 완만하게 감쇠한다. 본 명세서에 있어서, 펄스레이저(Lp)의 발광시간(Te) 중에 있어서의 평균강도(펄스폭 내 평균출력)를, 실효강도(Ieff)라고 칭한다. 실효강도(Ieff)는, 펄스당 에너지를 발광시간(Te)으로 나눈 값으로 파악해도 된다.FIG. 2 is a diagram showing an example of the waveform of the intensity of the pulse laser Lp. The waveform of the pulse laser Lp is not necessarily uniform during the emission time Te, and typically rises sharply immediately after emission and gradually decreases when emission is stopped. In this specification, the average intensity (average output within the pulse width) during the emission time Te of the pulse laser Lp is referred to as the effective intensity I eff . The effective intensity (I eff ) may be determined as the energy per pulse divided by the emission time (Te).
특허문헌 2에는, 펄스레이저(Lp)의 강도를 검출하고, 그 검출값의 적분값과 출력목푯값의 적분값과의 편차가 작아지도록, 펄스레이저의 강도의 지령값을 피드백제어하는 기술이 개시된다.Patent Document 2 discloses a technique for detecting the intensity of a pulse laser (Lp) and feedback controlling the command value of the intensity of the pulse laser so that the deviation between the integral value of the detected value and the integral value of the output target value is reduced. do.
특허문헌 2의 기술에서는, 복수의 펄스레이저를 포함하는 어느 정도 긴 적분기간(예를 들면 1초)에 있어서, 레이저 에너지의 총합을 목푯값에 근접시킬 수 있다. 바꾸어 말하면, 개개의 펄스레이저의 실효강도(Ieff)가 목푯값으로 유지되어 있는 것을 보증하는 것은 아니다.In the technology of Patent Document 2, the total amount of laser energy can be brought close to the target value in a somewhat long integration period (for example, 1 second) including a plurality of pulse lasers. In other words, it does not guarantee that the effective intensity (I eff ) of each pulse laser is maintained at the target value.
본 발명은 이러한 상황에 있어서 이루어진 것이며, 그 일 양태의 예시적인 목적의 하나는, 레이저펄스빔의 강도 혹은 에너지를 보다 정확하게 제어 가능한 레이저가공기 및 그 전원장치의 제공에 있다.The present invention has been made in this situation, and one of the exemplary purposes of one aspect thereof is to provide a laser processing machine and a power supply device thereof that can more accurately control the intensity or energy of a laser pulse beam.
본 발명의 일 양태는, 레이저가공기에 관한 것이다. 레이저가공기는, 펄스상의 타이밍신호를 발생하는 가공기제어장치와, 레이저발진기와, 레이저발진기에 버스트상의 고주파전압을 공급하는 전원장치와, 레이저발진기로부터 출력되는 펄스레이저를 검출하여, 펄스상의 제1 검출신호를 생성하는 광검출소자와, 타이밍신호에 따라, 전원장치에 여진신호를 부여하여 고주파전압을 발생시킴과 함께, 제1 검출신호를 평활화하여 제2 검출신호를 생성하고, 제2 검출신호에 근거하여 전원장치의 상태를 조절하는 레이저제어장치를 구비한다.One aspect of the present invention relates to a laser processing machine. The laser processing machine includes a processing machine control device that generates a pulse-shaped timing signal, a laser oscillator, a power supply device that supplies a burst-shaped high-frequency voltage to the laser oscillator, and detects a pulse laser output from the laser oscillator, and performs a pulse-shaped first detection. According to the photodetection element that generates the signal and the timing signal, an excitation signal is applied to the power supply to generate a high-frequency voltage, and the first detection signal is smoothed to generate a second detection signal based on the second detection signal. A laser control device is provided to control the status of the power supply.
이 양태에 의하면, 펄스레이저의 1쇼트마다의 실효강도 혹은 에너지를 정확하게 제어할 수 있다.According to this aspect, the effective intensity or energy of each shot of the pulse laser can be accurately controlled.
레이저제어장치는, 고주파전압의 진폭을 조절해도 된다. 이로써, 펄스레이저의 강도를 조절할 수 있다.The laser control device may adjust the amplitude of the high frequency voltage. Thereby, the intensity of the pulse laser can be adjusted.
그 대신에, 혹은 그에 더하여, 레이저제어장치는, 고주파전압의 발생시간을 조절해도 된다. 이로써, 1쇼트당 펄스레이저의 에너지를 조절할 수 있다.Instead, or in addition, the laser control device may adjust the generation time of the high-frequency voltage. As a result, the energy of the pulse laser per shot can be adjusted.
타이밍신호의 펄스폭 및/또는 주파수는 가변이며, 제1 검출신호를 이치화하여 제3 검출신호를 생성하며, 제3 검출신호를 평활화하여 제4 검출신호를 검출하고, 제2 검출신호를 제4 검출신호로 나누어 얻어지는 제5 검출신호에 근거하여, 전원장치의 상태를 조절해도 된다. 이로써, 타이밍신호의 펄스폭이나 주파수가 변동하는 경우에 있어서도, 개개의 펄스레이저의 강도를 정확하게 제어할 수 있다.The pulse width and/or frequency of the timing signal is variable, the first detection signal is binarized to generate a third detection signal, the third detection signal is smoothed to detect the fourth detection signal, and the second detection signal is converted to the fourth detection signal. The state of the power supply device may be adjusted based on the fifth detection signal obtained by dividing the detection signal. Accordingly, even when the pulse width or frequency of the timing signal varies, the intensity of each pulse laser can be accurately controlled.
본 발명의 다른 양태는, 펄스상의 타이밍신호에 근거하여 레이저발진기를 구동하는 전원장치에 관한 것이다. 전원장치는, 직류전압을 생성하는 직류전원과, 직류전압을 고주파전압으로 변환하여, 고주파전압을 타이밍신호에 따라 간헐적으로 레이저발진기에 공급하는 고주파전원과, 레이저발진기로부터 출력되는 펄스레이저를 검출하여, 펄스상의 제1 검출신호를 생성하는 광검출소자와, 제1 검출신호를 평활화하여 제2 검출신호를 생성하고, 제2 검출신호에 근거하여 직류전원의 직류전압, 및 고주파전원의 동작시간 중 적어도 일방을 조절하는 레이저제어장치를 구비한다.Another aspect of the present invention relates to a power supply device that drives a laser oscillator based on a pulse-like timing signal. The power supply device includes a direct current power source that generates a direct current voltage, a high frequency power source that converts the direct current voltage into a high frequency voltage and intermittently supplies the high frequency voltage to the laser oscillator according to a timing signal, and detects the pulse laser output from the laser oscillator. , a photodetection element that generates a pulse-like first detection signal, and a second detection signal is generated by smoothing the first detection signal, and based on the second detection signal, at least one of the DC voltage of the DC power supply and the operating time of the high-frequency power supply. It is equipped with a laser control device that controls one side.
타이밍신호의 펄스폭 및/또는 주파수는 가변이어도 된다. 레이저제어장치는, 제1 검출신호를 이치화하여 제3 검출신호를 생성하고, 제3 검출신호를 평활화하여 제4 검출신호를 검출하며, 제2 검출신호를 제4 검출신호로 나누어 얻어지는 제5 검출신호가, 목푯값에 근접하도록 피드백제어를 행해도 된다.The pulse width and/or frequency of the timing signal may be variable. The laser control device generates a third detection signal by binarizing the first detection signal, detects a fourth detection signal by smoothing the third detection signal, and detects a fifth detection signal obtained by dividing the second detection signal by the fourth detection signal. Feedback control may be performed so that the signal approaches the target value.
레이저제어장치는, 타이밍신호의 1펄스마다, 즉 레이저의 1쇼트마다 직류전원 및/또는 고주파전원의 동작파라미터를 갱신해도 된다.The laser control device may update the operating parameters of the direct current power supply and/or the high frequency power supply for each pulse of the timing signal, that is, for each laser shot.
다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.However, any combination of the above components or substitution of the components or expressions of the present invention among methods, devices, systems, etc. are also effective as aspects of the present invention.
본 발명의 일 양태에 의하면, 레이저펄스빔의 강도 혹은 에너지를 보다 정확하게 제어할 수 있다.According to one aspect of the present invention, the intensity or energy of the laser pulse beam can be controlled more accurately.
도 1은 레이저가공기의 블록도이다.
도 2는 펄스레이저(Lp)의 강도의 파형의 일례를 나타내는 도이다.
도 3은 레이저가공기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 제1 실시형태에 관한 레이저장치의 블록도이다.
도 5는 도 4의 레이저장치의 동작파형도이다.
도 6은 전원장치의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 7은 제1 실시예에 관한 레이저제어장치의 블록도이다.
도 8은 보정동작의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 9는 제2 실시예에 관한 레이저제어장치의 블록도이다.
도 10은 제3 실시예에 관한 레이저제어장치의 블록도이다.
도 11은 제4 실시예에 관한 레이저제어장치의 블록도이다.
도 12는 제2 실시형태에 관한 레이저제어장치의 블록도이다.
도 13은 변형예에 관한 레이저장치의 블록도이다.Figure 1 is a block diagram of a laser processing machine.
Figure 2 is a diagram showing an example of the waveform of the intensity of the pulse laser (Lp).
Figure 3 is a block diagram showing the configuration of a laser processing machine.
Fig. 4 is a block diagram of a laser device according to the first embodiment.
Figure 5 is an operation waveform diagram of the laser device of Figure 4.
Figure 6 is a block diagram showing a configuration example of a power supply device.
Figure 7 is a block diagram of a laser control device according to the first embodiment.
Figure 8 is a waveform diagram showing an example of a correction operation.
Fig. 9 is a block diagram of a laser control device according to the second embodiment.
Fig. 10 is a block diagram of a laser control device according to the third embodiment.
Fig. 11 is a block diagram of a laser control device according to the fourth embodiment.
Fig. 12 is a block diagram of a laser control device according to the second embodiment.
Figure 13 is a block diagram of a laser device according to a modified example.
이하, 본 발명을 적절한 실시형태를 근거로 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 아니라 예시이며, 실시형태에 기술되는 모든 특징이나 그 조합은, 반드시 발명의 본질적인 것이라고는 할 수 없다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings based on appropriate embodiments. Identical or equivalent components, members, and processes appearing in each drawing are given the same reference numerals, and duplicate descriptions are omitted as appropriate. In addition, the embodiment does not limit the invention but is an example, and all features or combinations thereof described in the embodiment are not necessarily essential to the invention.
도 3은, 레이저가공기의 구성을 나타내는 블록도이다. 레이저가공기(900)는, 대상물(902)에 레이저펄스빔(904)을 조사하여, 대상물(902)을 가공한다. 대상물(902)의 종류는 특별히 한정되지 않고, 또 가공의 종류도, 펀칭(드릴), 절단 등이 예시되지만, 이에 한정되지 않는다.Figure 3 is a block diagram showing the configuration of a laser processing machine. The laser processing machine 900 processes the object 902 by irradiating the object 902 with a laser pulse beam 904. The type of object 902 is not particularly limited, and the type of processing includes punching (drilling), cutting, etc., but is not limited thereto.
레이저가공기(900)는, 레이저장치(100), 광학계(910), 가공기제어장치(920), 스테이지(930)를 구비한다. 대상물(902)은 스테이지(930) 상에 재치되고, 필요에 따라 고정된다.The laser processing machine 900 includes a laser device 100, an optical system 910, a processing machine control device 920, and a stage 930. The object 902 is placed on the stage 930 and fixed as necessary.
가공기제어장치(920)는, 레이저가공기(900)를 통괄적으로 제어한다. 구체적으로는 가공기제어장치(920)는, 레이저장치(100)에 대하여 타이밍신호(S1) 및 레이저펄스빔의 강도를 지정하는 강도지령(S2)을 출력한다. 또 가공기제어장치(920)는, 가공처리를 기술하는 데이터(레시피)에 따라서 스테이지(930)를 제어하기 위한 위치제어신호(S3)를 생성한다.The processing machine control device 920 comprehensively controls the laser processing machine 900. Specifically, the processing machine control device 920 outputs a timing signal (S1) and an intensity command (S2) that specifies the intensity of the laser pulse beam to the laser device (100). Additionally, the processing machine control device 920 generates a position control signal (S3) for controlling the stage 930 according to data (recipe) describing the processing.
스테이지(930)는, 가공기제어장치(920)로부터의 위치제어신호(S3)에 따라, 대상물(902)을 위치결정하고, 대상물(902)과 레이저펄스빔(904)의 조사위치를 상대적으로 스캔한다. 스테이지(930)는, 1축, 2축(XY) 혹은 3축(XYZ)일 수 있다.The stage 930 positions the object 902 according to the position control signal S3 from the processing machine control device 920, and relatively scans the irradiation position of the object 902 and the laser pulse beam 904. do. The stage 930 may be one-axis, two-axis (XY), or three-axis (XYZ).
레이저장치(100)는, 가공기제어장치(920)로부터의 타이밍신호(S1)를 트리거로 하여 발진하고, 레이저펄스빔(906)을 발생한다. 타이밍신호(S1)는, 하이, 로우 2값을 취하는 펄스신호이며, 예를 들면 하이의 구간이 발광구간으로 되고, 로우의 구간이 정지구간으로 된다. 레이저펄스빔(906)의 발광구간 중의 강도는, 강도지령(S2)에 근거하여 설정된다. 광학계(910)는, 레이저펄스빔(904)을 대상물(902)에 조사한다. 광학계(910)의 구성은 특별히 한정되지 않고, 빔을 대상물(902)로 유도하기 위한 미러군, 빔성형을 위한 렌즈나 애퍼처 등을 포함할 수 있다.The laser device 100 oscillates using the timing signal S1 from the processing machine control device 920 as a trigger and generates a laser pulse beam 906. The timing signal S1 is a pulse signal that takes two values: high and low. For example, the high section becomes the light emission section, and the low section becomes the stop section. The intensity during the emission section of the laser pulse beam 906 is set based on the intensity command (S2). The optical system 910 irradiates the object 902 with a laser pulse beam 904. The configuration of the optical system 910 is not particularly limited and may include a mirror group for guiding the beam to the object 902, a lens or aperture for beam forming, etc.
이상이 레이저가공기(900)의 구성이다. 이하, 가공기제어장치(920)로부터의 타이밍신호(S1) 및 강도지령(S2)에 근거하여 동작하는 레이저장치(100)에 대하여 설명한다.This is the configuration of the laser processing machine 900. Hereinafter, the laser device 100 that operates based on the timing signal S1 and the intensity command S2 from the processing machine control device 920 will be described.
<제1 실시형태><First embodiment>
도 4는, 제1 실시형태에 관한 레이저장치(100)의 블록도이다. 레이저장치(100)는, 레이저발진기(110), 전원장치(120), 레이저제어장치(140), 광검출기(180)를 구비한다.Fig. 4 is a block diagram of the laser device 100 according to the first embodiment. The laser device 100 includes a laser oscillator 110, a power supply 120, a laser control device 140, and a photodetector 180.
레이저발진기(110)는, 한 쌍의 방전전극, 레이저공진기를 형성하는 한 쌍의 미러 등을 구비한다.The laser oscillator 110 includes a pair of discharge electrodes, a pair of mirrors forming a laser resonator, etc.
전원장치(120)는, 고주파전압(VRF)을 생성하여, 레이저발진기(110)의 한 쌍의 방전전극에 인가한다. 고주파전압(VRF)의 주파수(동기주파수라고 함)는, 레이저발진기(110)의 한 쌍의 방전전극의 정전용량과, 그에 부수하는 인덕터의 공진주파수에 따라 규정된다.The power supply device 120 generates a high frequency voltage (V RF ) and applies it to a pair of discharge electrodes of the laser oscillator 110. The frequency (referred to as synchronous frequency) of the high-frequency voltage (V RF ) is defined according to the capacitance of a pair of discharge electrodes of the laser oscillator 110 and the resonance frequency of the inductor accompanying it.
전원장치(120)는, 직류전원(200) 및 고주파전원(300)을 구비한다. 직류전원(200)은 직류전압(VDC)을 생성한다. 예를 들면 직류전원(200)에는, 직류전압(VDC)의 목표레벨을 지시하는 전압지령(S5)이 입력된다. 전압지령(S5)은, 직류전압(VDC)의 목푯값을 나타내는 아날로그의 기준전압(VREF)이어도 되고, 기준전압(VREF)을 나타내는 디지털값이어도 된다. 직류전원(200)은, 직류전압(VDC)의 전압레벨을 기준전압(VREF)으로 안정화한다.The power supply device 120 includes a direct current power supply 200 and a high frequency power supply 300. The direct current power supply 200 generates a direct current voltage (V DC ). For example, a voltage command (S5) indicating the target level of the direct current voltage (V DC ) is input to the direct current power supply 200. The voltage command S5 may be an analog reference voltage (V REF ) representing the target value of the direct current voltage (V DC ), or may be a digital value representing the reference voltage (V REF ). The DC power supply 200 stabilizes the voltage level of the DC voltage (V DC ) to the reference voltage (V REF ).
고주파전원(300)은 직류전압(VDC)을 받아, 그것을 교류의 고주파전압(VRF)으로 변환한다. 고주파전원(300)은, 직류전압(VDC)을 교류전압으로 변환하는 인버터와, 인버터의 출력을 승압하는 트랜스를 포함해도 된다. 고주파전압(VRF)의 진폭은 직류전압(VDC)에 비례하기 때문에, 펄스레이저(Lp)의 실효강도는 전압지령(S5)(기준전압(VREF))에 근거하여 제어 가능하다.The high frequency power source 300 receives direct current voltage (V DC ) and converts it into alternating current high frequency voltage (V RF ). The high-frequency power source 300 may include an inverter that converts direct current voltage (V DC ) into alternating current voltage and a transformer that boosts the output of the inverter. Since the amplitude of the high frequency voltage (V RF ) is proportional to the direct current voltage (V DC ), the effective intensity of the pulse laser (Lp) can be controlled based on the voltage command (S5) (reference voltage (V REF )).
레이저제어장치(140)에는, 타이밍신호(S1) 및 강도지령(S2)이 입력된다. 레이저제어장치(140)는, 타이밍신호(S1)가 하이인 동안, 전원장치(120)의 인버터에, 동기주파수의 여진신호(S4)를 공급한다. 이로써 전원장치(120)로부터 레이저발진기(110)에, 버스트상의 고주파전압(VRF)이 공급되고, 레이저발진기(110)는, 타이밍신호(S1)에 따라, 발진과 정지를 교대로 반복한다. 전형적으로는, 타이밍신호(S1)의 반복주파수는 1kHz~10kHz 정도이며, 펄스폭(즉 레이저의 여진시간)은 수십 μs 오더이다.A timing signal (S1) and an intensity command (S2) are input to the laser control device 140. The laser control device 140 supplies an excitation signal S4 of the synchronous frequency to the inverter of the power supply device 120 while the timing signal S1 is high. Accordingly, a burst-like high-frequency voltage (V RF ) is supplied from the power supply device 120 to the laser oscillator 110, and the laser oscillator 110 alternately repeats oscillation and stopping in accordance with the timing signal S1. Typically, the repetition frequency of the timing signal (S1) is about 1 kHz to 10 kHz, and the pulse width (i.e., the laser excitation time) is on the order of several tens of μs.
레이저제어장치(140)는, 강도지령(S2)에 따라, 기준전압(VREF)을 생성한다. 이로써 고주파전압(VRF)의 진폭, 나아가서는 펄스레이저(Lp)의 강도가, 강도지령(S2)에 따라 제어된다.The laser control device 140 generates a reference voltage (V REF ) according to the intensity command (S2). Accordingly, the amplitude of the high frequency voltage (V RF ) and, by extension, the intensity of the pulse laser (Lp) are controlled according to the intensity command (S2).
이상이 레이저장치(100)의 기본구성이다. 계속해서 레이저장치(100)의 기본적인 동작을 설명한다. 도 5는, 도 4의 레이저장치(100)의 동작파형도이다. 도 5에는 위로부터 순서대로, 타이밍신호(S1), 여진신호(S4), 고주파전압(VRF), 레이저발진기(110)의 방전전극에 흐르는 방전전류(IDIS), 펄스레이저(Lp)의 강도가 나타난다. 다만 본 명세서에 있어서 참조하는 파형도나 타임차트의 세로축 및 가로축은, 이해를 용이하게 하기 위하여 적절히 확대, 축소한 것이며, 또 나타나는 각 파형도, 이해의 용이를 위하여 간략화되거나, 혹은 과장 또는 강조되어 있다.The above is the basic configuration of the laser device 100. Next, the basic operation of the laser device 100 will be described. FIG. 5 is an operation waveform diagram of the laser device 100 of FIG. 4. In Figure 5, in order from the top, the timing signal (S1), the excitation signal (S4), the high frequency voltage (V RF ), the discharge current (I DIS ) flowing through the discharge electrode of the laser oscillator 110, and the pulse laser (Lp). The intensity appears. However, the vertical and horizontal axes of the waveform diagrams or time charts referred to in this specification are appropriately enlarged or reduced for ease of understanding, and each waveform diagram that appears is simplified, exaggerated, or emphasized for ease of understanding. .
시각 t0에 타이밍신호(S1)가 하이가 되면, 동기주파수를 갖는 여진신호(S4)가 생성된다. 여진신호(S4)에 따라 고주파전원(300)이 스위칭함으로써, 고주파전압(VRF)이 레이저발진기(110)에 공급된다. 레이저발진기(110)의 방전전극에 고주파전압(VRF)이 인가되면 방전이 발생하고, 방전전류(IDIS)가 흐르기 시작한다. 여진신호(S4)는, 타이밍신호(S1)가 하이가 되는 온시간(여진시간) Ton 동안, 지속한다.When the timing signal (S1) becomes high at time t 0 , an excitation signal (S4) having a synchronous frequency is generated. By switching the high frequency power source 300 according to the excitation signal S4, the high frequency voltage V RF is supplied to the laser oscillator 110. When a high frequency voltage (V RF ) is applied to the discharge electrode of the laser oscillator 110, discharge occurs, and discharge current (I DIS ) begins to flow. The excitation signal S4 continues for the on time (excitation time) Ton during which the timing signal S1 becomes high.
방전개시 후, 소정 지연시간의 경과후의 시각 t1에 있어서, 펄스레이저(Lp)의 강도가 증가한다. 레이저펄스의 파형은, 레이저발진기의 특성에 의존한다. 이 예에서는, 발생 직후에 있어서 큰 피크가 나타나고, 그 후, 평탄한 부분이 계속된다.At time t 1 after the start of discharge and a predetermined delay time, the intensity of the pulse laser Lp increases. The waveform of the laser pulse depends on the characteristics of the laser oscillator. In this example, a large peak appears immediately after occurrence, and a flat portion continues thereafter.
시각 t2에 타이밍신호(S1)가 로우가 되면, 여진신호(S4)가 정지하고, 고주파전압(VRF)도 정지한다. 그러면 방전이 서서히 약해지고, 이윽고 소멸한다. 펄스레이저(Lp)의 강도도 시각 t2 이후, 감쇠해 간다.When the timing signal S1 becomes low at time t 2 , the excitation signal S4 stops and the high-frequency voltage V RF also stops. Then, the discharge gradually weakens and eventually disappears. The intensity of the pulse laser (Lp) also decreases after time t2 .
레이저장치(100)는, 이 동작을 반복함으로써, 펄스레이저(Lp)를 생성한다.The laser device 100 generates a pulse laser (Lp) by repeating this operation.
상술한 바와 같이, 소정 진폭의 고주파전압(VRF)을 부여한 경우이더라도, 펄스레이저(Lp)의 강도는, 온도나 가스의 열화에 따라 변화한다. 따라서 레이저제어장치(140)는, 펄스레이저(Lp)의 강도를 일정하게 유지하기 위하여 전원장치(120)의 상태를 보정한다. 도 4로 되돌아가, 펄스레이저(Lp)의 강도(혹은 에너지)의 보정을 설명한다.As described above, even when a high frequency voltage (V RF ) of a predetermined amplitude is applied, the intensity of the pulse laser (Lp) changes depending on the temperature or deterioration of the gas. Accordingly, the laser control device 140 corrects the state of the power supply device 120 to keep the intensity of the pulse laser (Lp) constant. Returning to FIG. 4, correction of the intensity (or energy) of the pulse laser Lp will be explained.
광검출기(180)에는, 레이저발진기(110)로부터 출력되는 펄스레이저(Lp)의 일부가 빔스플리터 등에 의하여 분기입력된다. 광검출기(180)는, 펄스레이저(Lp)의 강도를 검출하여, 제1 검출신호 Vs1을 레이저제어장치(140)에 공급한다. 광검출기(180)는, 개개의 펄스의 강도를 검출할 수 있을 정도의 고속응답성을 가질 필요가 있고, 따라서 열형 검출소자가 아니라, 양자형 검출소자를 이용하는 것이 바람직하다. 광검출기(180)의 출력(제1 검출신호) Vs1은, 펄스레이저(Lp)의 파형에 따른 펄스상의 신호가 된다.A portion of the pulse laser (Lp) output from the laser oscillator 110 is branched and input to the photodetector 180 by a beam splitter or the like. The photodetector 180 detects the intensity of the pulse laser Lp and supplies the first detection signal Vs1 to the laser control device 140. The photodetector 180 needs to have a high-speed response capable of detecting the intensity of individual pulses, and therefore it is preferable to use a quantum-type detection element rather than a thermal detection element. The output (first detection signal) Vs1 of the photodetector 180 becomes a pulse-shaped signal according to the waveform of the pulse laser (Lp).
레이저제어장치(140)는, 제1 검출신호 Vs1에 근거하여, 펄스레이저(Lp)의 강도(및 에너지)를 안정화하고, 온도나 가스의 열화 등의 영향을 저감한다. 보다 구체적으로는 레이저제어장치(140)는, 펄스상의 제1 검출신호 Vs1을 평활화하는 평활화회로(142)를 포함하고, 평활화된 제2 검출신호 Vs2에 근거하여, 전원장치(120)의 상태(동작파라미터)를 조절한다. 평활화회로(142)는, 아날로그 혹은 디지털의 로우패스필터로 구성할 수 있다. 로우패스필터의 시정수(時定數)(즉 컷오프주파수)는, 상정되는 타이밍신호(S1)의 반복주파수에 근거하여 정하면 되고, 예를 들면 로우패스필터의 시정수는, 1~20ms 정도로 설정된다. 예를 들면 타이밍신호(S1)의 주파수가, 1kHz~10kHz인 경우에, 로우패스필터의 시정수를 5ms로 한 경우, 시정수는, 타이밍신호(S1)의 주기의 5~50배가 된다. 평활화회로(142)가 생성하는 제2 검출신호 Vs2는, 제1 검출신호 Vs1의 연속하는 몇 개의 펄스의 실효강도의 평균을 나타내는 것으로 파악할 수 있다.The laser control device 140 stabilizes the intensity (and energy) of the pulse laser Lp based on the first detection signal Vs1 and reduces the effects of temperature and gas deterioration. More specifically, the laser control device 140 includes a smoothing circuit 142 that smoothes the first detection signal Vs1 on the pulse, and based on the smoothed second detection signal Vs2, the state of the power supply device 120 ( Adjust operating parameters). The smoothing circuit 142 can be configured as an analog or digital low-pass filter. The time constant (i.e. cutoff frequency) of the low-pass filter can be determined based on the repetition frequency of the assumed timing signal (S1). For example, the time constant of the low-pass filter is set to about 1 to 20 ms. do. For example, when the frequency of the timing signal S1 is 1 kHz to 10 kHz and the time constant of the low-pass filter is set to 5 ms, the time constant is 5 to 50 times the period of the timing signal S1. The second detection signal Vs2 generated by the smoothing circuit 142 can be understood as representing the average of the effective intensity of several consecutive pulses of the first detection signal Vs1.
Tp를 타이밍신호(S1)의 반복주기, Te를 레이저의 발광시간(펄스폭)으로 했을 때, 그들의 비를 듀티비(DR)라고 한다.When Tp is the repetition period of the timing signal (S1) and Te is the laser emission time (pulse width), their ratio is called the duty ratio (DR).
DR=Te/TpDR=Te/Tp
제2 검출신호 Vs2는, 펄스레이저의 실효강도(Ieff)에 타이밍신호(S1)의 듀티비(DR)를 곱한 양에 비례한다. 바꾸어 말하면, 실효강도(Ieff)의 검출값은, 이하의 식으로 나타난다.The second detection signal Vs2 is proportional to the effective intensity (I eff ) of the pulse laser multiplied by the duty ratio (DR) of the timing signal (S1). In other words, the detected value of the effective intensity (I eff ) is expressed by the following equation.
Ieff∝Vs2/DRI eff ∝Vs2/DR
듀티비(DR)가 일정하다고 가정하면, 제2 검출신호 Vs2는 실효강도(Ieff)를 나타낸다.Assuming that the duty ratio (DR) is constant, the second detection signal Vs2 represents the effective intensity (I eff ).
레이저제어장치(140)는, 제2 검출신호 Vs2에 근거하여 얻어지는 레이저의 실효강도의 검출값이, 그 목푯값과 일치하도록, 피드백제어에 의하여 전원장치(120)의 동작파라미터를 보정하는 보정부(144)를 포함한다. 실효강도의 목푯값은, 강도지령(S2)에 따라 생성된다. 본 실시형태에서는, 보정대상의 동작파라미터는, 고주파전압(VRF)의 진폭이며, 즉 레이저제어장치(140)는, 직류전압(VDC)을 보정한다.The laser control device 140 is a correction unit that corrects the operating parameters of the power supply device 120 by feedback control so that the detected value of the effective intensity of the laser obtained based on the second detection signal Vs2 matches the target value. Includes (144). The target value of the effective strength is generated according to the strength command (S2). In this embodiment, the operating parameter to be corrected is the amplitude of the high frequency voltage (V RF ), that is, the laser control device 140 corrects the direct current voltage (V DC ).
이 레이저장치(100)에 의하면, 평활화회로(142)에 의하여 평활화된 제2 검출신호 Vs2를 참조함으로써, 펄스레이저의 1쇼트마다의 실효강도 혹은 에너지를 정확하게 제어할 수 있다. 이 이점은, 특허문헌 2의 기술과의 대비에 의하여 명확해진다.According to this laser device 100, the effective intensity or energy for each shot of the pulse laser can be accurately controlled by referring to the second detection signal Vs2 smoothed by the smoothing circuit 142. This advantage becomes clear by comparing it with the technology of Patent Document 2.
특허문헌 2에서는, 펄스레이저의 에너지를 쇼트마다 적산해 간다. 원쇼트의 에너지를 정규화하여 1로 하면, 쇼트마다 목푯값은, 1, 2, 3…으로 증가해 간다. 예를 들면 100쇼트째의 1펄스의 에너지(강도)가 1.1인 경우, 피드백되는 적산값은 1000.1이며, 이 때의 목푯값은 1000이 된다. 따라서, 1쇼트로 하여 10%의 오차가 있어도, 적산값으로 보면, 0.01%의 오차가 된다. 따라서 상대적으로 약한 피드백에 의하여, 긴 시간 스케일에서 펄스레이저의 강도가 조절되게 된다.In Patent Document 2, the energy of the pulse laser is integrated for each shot. If the energy of one shot is normalized to 1, the target value for each shot is 1, 2, 3... is increasing. For example, if the energy (intensity) of 1 pulse at the 100th shot is 1.1, the integrated value fed back is 1000.1, and the target value at this time is 1000. Therefore, even if there is an error of 10% with one short, when viewed as an integrated value, it becomes an error of 0.01%. Therefore, the intensity of the pulse laser is controlled on a long time scale by relatively weak feedback.
이에 대하여, 본 실시형태에서는, 제2 검출신호 Vs2는, 제1 검출신호 Vs1의 연속하는 몇 개의 펄스의 실효강도의 평균을 나타낸다. 예를 들면 5개의 펄스의 평균값인 것으로 한다. 연속하는 5개의 펄스 중, 4개의 검출값이 1, 나머지가 1.1이라고 하면, 그들의 평균은 1.02가 되고, 목푯값 (1)과의 오차는 2%가 된다. 따라서, 특허문헌 2보다 상대적으로 오차가 커져, 강한 피드백으로 펄스레이저의 강도가 보정된다. 따라서 본 실시형태에 의하면, 특허문헌 2보다, 광강도를 정확하고 또한 고속으로 제어하는 것이 가능하다.In contrast, in this embodiment, the second detection signal Vs2 represents the average of the effective intensity of several consecutive pulses of the first detection signal Vs1. For example, assume it is the average value of 5 pulses. If, among five consecutive pulses, the detection values of four are 1 and the remaining are 1.1, their average will be 1.02, and the error from the target value (1) will be 2%. Therefore, the error is relatively larger than in Patent Document 2, and the intensity of the pulse laser is corrected with strong feedback. Therefore, according to this embodiment, it is possible to control the light intensity more accurately and at higher speed than in Patent Document 2.
도 6은, 전원장치(120)의 구성예를 나타내는 블록도이다. 직류전원(200)은, 뱅크콘덴서(202), 충전회로(210), 충전컨트롤러(230)를 구비한다. 직류전원(200)과 고주파전원(300)의 사이는, DC링크(204)로 접속된다. DC링크(204)에는, 뱅크콘덴서(202)가 접속된다.FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of the power supply device 120. The DC power supply 200 includes a bank capacitor 202, a charging circuit 210, and a charging controller 230. The direct current power source 200 and the high frequency power source 300 are connected through a DC link 204. A bank capacitor 202 is connected to the DC link 204.
레이저의 쇼트 종료 후, 뱅크콘덴서(202)는 방전되고, 직류전압(VDC)은 저하된다. 충전회로(210)는, 다음 쇼트까지, 뱅크콘덴서(202)에 충전전류(ICHG)를 공급하여, 직류전압(VDC)을 회복시킨다. 충전컨트롤러(230)는, DC링크(204)의 직류전압(VDC)이, 전압지령(S5)에 따른 목표전압(VREF)에 근접하도록, 충전회로(210)에 의한 충전동작을 제어한다. 예를 들면 충전컨트롤러(230)는, 전압지령(S5)에 근거하여, 충전회로(210)의 충전시간 및/또는 충전횟수를 제어해도 된다.After the laser short circuit ends, the bank capacitor 202 is discharged, and the direct current voltage (V DC ) decreases. The charging circuit 210 supplies charging current (I CHG ) to the bank capacitor 202 until the next short circuit, thereby recovering the direct current voltage (V DC ). The charging controller 230 controls the charging operation by the charging circuit 210 so that the direct current voltage (V DC ) of the DC link 204 approaches the target voltage (V REF ) according to the voltage command (S5). . For example, the charging controller 230 may control the charging time and/or charging number of the charging circuit 210 based on the voltage command S5.
충전회로(210)는 스위칭컨버터(예를 들면 강압 DC/DC컨버터)로 구성할 수 있다. 충전컨트롤러(230)는, 선행하는 메인충전과, 그에 계속되는 서브충전에 의하여, 뱅크콘덴서(202)를 충전해도 된다.The charging circuit 210 can be configured with a switching converter (for example, a step-down DC/DC converter). The charge controller 230 may charge the bank capacitor 202 by the preceding main charge and the subsequent sub-charge.
메인충전에서는, 전압지령(S5)에 따른 펄스폭을 갖는 원쇼트펄스를 생성하여, 충전회로(210)를 1회, 스위칭하고, 대략적인 정밀도로 충전을 행한다. 이로써, 뱅크콘덴서(202)에, 큰 충전전류가 공급되어, 직류전압(VDC)이 대략 기준전압(VREF)에 가까운 전압레벨까지 회복한다. 계속해서 서브충전으로 이행하여, 직류전압(VDC)이 기준전압(VREF)과 일치하도록, DC/DC컨버터를 수 회, 스위칭시킨다.In main charging, a one-shot pulse having a pulse width according to the voltage command (S5) is generated, the charging circuit 210 is switched once, and charging is performed with approximate precision. As a result, a large charging current is supplied to the bank capacitor 202, and the direct current voltage (V DC ) recovers to a voltage level approximately close to the reference voltage (V REF ). Continuing to transition to sub-charging, the DC/DC converter is switched several times so that the direct current voltage (V DC ) matches the reference voltage (V REF ).
고주파전원(300)은, 승압트랜스(302) 및 인버터(310)를 구비한다. 승압트랜스(302)의 2차 권선(W2)은, 레이저발진기(110)의 방전전극과 접속된다. 인버터(310)는, 예를 들면 풀브리지회로 등을 포함한다. 인버터(310)의 전원단자에는, 직류전압(VDC)이 공급된다. 인버터(310)는 여진신호(S4)에 따라 스위칭동작하고, 승압트랜스(302)의 1차 권선(W1)에 교류전압(VAC)을 인가하여, 2차 권선(W2)에 고주파전압(VRF)을 발생시킨다. 다만 인버터(310)나 승압트랜스(302)의 구성, 토폴로지는 특별히 한정되지 않는다.The high-frequency power source 300 includes a boost transformer 302 and an inverter 310. The secondary winding (W2) of the boosting transformer (302) is connected to the discharge electrode of the laser oscillator (110). The inverter 310 includes, for example, a full bridge circuit. A direct current voltage (V DC ) is supplied to the power terminal of the inverter 310 . The inverter 310 performs a switching operation according to the excitation signal (S4), applies an alternating current voltage (V AC ) to the primary winding (W1) of the boost transformer (302), and generates a high-frequency voltage (V) to the secondary winding (W2). RF ) is generated. However, the configuration and topology of the inverter 310 or the boost transformer 302 are not particularly limited.
<제1 실시예><First Example>
도 7은, 제1 실시예에 관한 레이저제어장치(140A)의 블록도이다. 레이저제어장치(140A)의 주요부는, PLC(Programmable Logic Controller)와 같은 디지털회로로 구성된다. 간단하게 하기 위하여, 타이밍신호(S1)의 반복주파수 및 펄스폭, 바꾸어 말하면 듀티비는 일정하다고 한다.Fig. 7 is a block diagram of the laser control device 140A according to the first embodiment. The main part of the laser control device 140A is composed of a digital circuit such as a PLC (Programmable Logic Controller). For simplicity, the repetition frequency and pulse width, or in other words the duty ratio, of the timing signal S1 are assumed to be constant.
보정부(144A)는, 타이밍신호(S1)의 1주기 즉 펄스레이저(Lp)의 1쇼트마다 동작하여, 전압지령(S5)(기준전압(VREF))을 보정한다. 도면 중, (n)은 n사이클째의 신호를, (n-1)은 하나 전의 (n-1)사이클째의 신호를 나타낸다.The correction unit 144A operates for one cycle of the timing signal S1, that is, for each shot of the pulse laser Lp, and corrects the voltage command S5 (reference voltage V REF ). In the figure, (n) represents the signal of the nth cycle, and (n-1) represents the signal of the (n-1)th cycle one previous time.
보정부(144A)는, A/D컨버터(150), 감산기(152), 피드백컨트롤러(154), 가산기(156), 메모리(158), D/A컨버터(160)를 포함한다. 다만 보정부(144A)를 PLC로 구성하는 경우, 감산기(152), 피드백컨트롤러(154), 가산기(156), 메모리(158)는, 소프트웨어프로그램을 실행하는 프로세서가 갖는 기능을 나타낸다. A/D컨버터(150)는, 타이밍신호(S1)의 1사이클마다, 즉 레이저의 원쇼트마다, 아날로그의 제2 검출신호 Vs2를 디지털신호 DVs2로 변환한다.The correction unit 144A includes an A/D converter 150, a subtractor 152, a feedback controller 154, an adder 156, a memory 158, and a D/A converter 160. However, when the correction unit 144A is configured as a PLC, the subtractor 152, feedback controller 154, adder 156, and memory 158 represent functions of a processor executing a software program. The A/D converter 150 converts the analog second detection signal Vs2 into a digital signal DVs2 for each cycle of the timing signal S1, that is, for each laser one shot.
n번째 사이클의 전압지령(S5)을 생성할 때에는, 직전의 사이클 (n-1)사이클의 A/D컨버터(150)의 출력 DVs2(n-1)이 참조된다. A/D컨버터(150)의 동작타이밍은, 레이저의 쇼트완료 직후여도 된다.When generating the voltage command (S5) of the nth cycle, the output DVs2 (n-1) of the A/D converter 150 of the immediately preceding cycle (n-1) is referred to. The operation timing of the A/D converter 150 may be immediately after the laser short circuit is completed.
감산기(152)는, 디지털의 제2 검출신호 DVs2(n-1)과 목푯값(DREF)의 차분 ΔI(n)을 생성한다. 피드백컨트롤러(154)는, 차분 ΔI가 제로에 근접하도록, 보정량 ΔDV를 생성한다. 본 실시형태에 있어서 피드백컨트롤러(154)는 P(비례)컨트롤러이고, 차분 ΔI를 게인배하여, 보정량 DCMP(n)을 생성한다. 다만 피드백컨트롤러(154)로서, PI(비례적분)컨트롤러나 PID(비례적분미분)컨트롤러 등을 이용해도 된다.The subtractor 152 generates a difference ΔI(n) between the digital second detection signal DVs2(n-1) and the target value D REF . The feedback controller 154 generates a correction amount ΔDV so that the difference ΔI approaches zero. In this embodiment, the feedback controller 154 is a P (proportional) controller, and gains multiplies the difference ΔI to generate the correction amount D CMP (n). However, as the feedback controller 154, a PI (proportional integral) controller or a PID (proportional integral derivative) controller may be used.
가산기(156)는, 보정량 DCMP(n)을, 전 사이클의 목푯값 DVREF(n-1)에 가산하여, 다음 사이클의 목푯값 DVREF(n)으로 한다. D/A컨버터(160)은, 목푯값 DVREF(n)을 아날로그의 기준전압 VREF(n)으로 변환한다. 목푯값 DVREF(n)은 메모리(158)에 저장되고 다음 사이클에 있어서 가산기(156)에 입력된다.The adder 156 adds the correction amount D CMP (n) to the target value DV REF (n-1) of the previous cycle and sets it as the target value DV REF (n) of the next cycle. The D/A converter 160 converts the target value DV REF (n) into an analog reference voltage V REF (n). The target value DV REF (n) is stored in memory 158 and input to adder 156 in the next cycle.
다만 가산기(156)는, 보정량 DCMP(n)을, 기준전압(VREF)의 표준값과 가산해도 된다.However, the adder 156 may add the correction amount D CMP (n) to the standard value of the reference voltage V REF .
계속해서 레이저장치(100)의 보정동작을 설명한다. 도 8은, 보정동작의 일례를 나타내는 파형도이다. 레이저발진기(110)의 발광기간의 직전, 직류전압(VDC)은 목표전압(VREF)으로 안정화된다. 타이밍신호(S1)에 따라, 레이저발진기(110)가 발진하여, 펄스레이저(Lp)의 강도를 나타내는 제1 검출신호 Vs1이 생성된다.Next, the correction operation of the laser device 100 will be described. Figure 8 is a waveform diagram showing an example of a correction operation. Immediately before the emission period of the laser oscillator 110, the direct current voltage (V DC ) is stabilized at the target voltage (V REF ). According to the timing signal S1, the laser oscillator 110 oscillates, and a first detection signal Vs1 indicating the intensity of the pulse laser Lp is generated.
제1 검출신호 Vs1은 레이저제어장치(140)에 있어서 평활화되고, 제2 검출신호 Vs2가 생성된다. 제2 검출신호 Vs2는, 사이클마다 디지털검출값 DVs2로 변환된다. 이 예에서는, 발광 직후에 A/D컨버터에 의한 샘플링이 행해진다. 디지털검출값 DVs2가 취득되면, 디지털검출값 DVs2와 그 목푯값(DREF)의 오차 ΔI에 근거하여 보정량(DCMP)이 생성되고, 디지털값 DVREF가 갱신된다.The first detection signal Vs1 is smoothed in the laser control device 140, and the second detection signal Vs2 is generated. The second detection signal Vs2 is converted into a digital detection value DVs2 for each cycle. In this example, sampling by the A/D converter is performed immediately after light emission. When the digital detection value DVs2 is acquired, a correction amount (D CMP ) is generated based on the error ΔI between the digital detection value DVs2 and the target value (D REF ), and the digital value DV REF is updated.
예를 들면 (n-1)사이클째 쇼트의 결과, 디지털검출값 DVs2(n-1)은 목푯값(DREF)보다 낮다. 따라서 정(正)의 보정량 DCMP(n)이 발생하고, 다음 n사이클째의 기준전압 VREF(n)이 증가한다. 직류전원(200)은, 다음 쇼트까지, 직류전압(VDC)을 새로운 기준전압 VREF(n)에 충전한다.For example, as a result of a short circuit in the (n-1) cycle, the digital detection value DVs2(n-1) is lower than the target value (D REF ). Therefore, a positive correction amount D CMP (n) is generated, and the reference voltage V REF (n) in the next n cycle increases. The DC power supply 200 charges the DC voltage (V DC ) to the new reference voltage V REF (n) until the next short circuit.
이로써 n사이클째의 고주파전압(VRF)의 진폭은, 전의 (n-1)사이클째의 진폭보다 커져, n사이클째의 펄스레이저(Lp)의 강도는 증가한다. 그 결과, 제2 검출신호 Vs2도 증가한다. 이 예에서는, DVs2(n)은 그 목푯값(DREF)보다 높아져 있기 때문에, 다음 사이클에서는, 기준전압(VREF)이 작아지도록 피드백된다. 이 동작이 반복되어, 온도변동이나 가스의 열화 등에 관계없이, 펄스레이저(Lp)의 강도를 안정화할 수 있다.As a result, the amplitude of the high frequency voltage (V RF ) in the nth cycle becomes larger than the amplitude in the previous (n-1) cycle, and the intensity of the pulse laser Lp in the nth cycle increases. As a result, the second detection signal Vs2 also increases. In this example, since DVs2(n) is higher than the target value (D REF ), it is fed back so that the reference voltage (V REF ) becomes smaller in the next cycle. By repeating this operation, the intensity of the pulse laser (Lp) can be stabilized regardless of temperature fluctuations or gas deterioration.
<제2 실시예><Second Embodiment>
타이밍신호(S1)의 듀티비(DR)가 변화하는 경우, 즉 타이밍신호(S1)의 펄스폭(여진시간)과, 반복주파수 중 적어도 일방이 변화하는 상황을 생각한다. 상술한 바와 같이, 제2 검출신호 Vs2(DVs2)는, 펄스레이저의 실효강도(Ieff)에 듀티비(DR)를 곱한 양을 나타낸다. 따라서, 듀티비(DR)가 가변하는 시스템에 있어서는, 듀티비(DR)에 따라, 제2 검출신호 DVs2 혹은 그 목푯값(DREF)을 스케일링하면 된다.Consider a case where the duty ratio DR of the timing signal S1 changes, that is, a situation where at least one of the pulse width (excitation time) and the repetition frequency of the timing signal S1 changes. As described above, the second detection signal Vs2 (DVs2) represents the effective intensity (I eff ) of the pulse laser multiplied by the duty ratio (DR). Therefore, in a system where the duty ratio (DR) is variable, the second detection signal DVs2 or its target value (D REF ) can be scaled according to the duty ratio (DR).
도 9는, 제2 실시예에 관한 레이저제어장치(140B)의 블록도이다. 보정부(144B)는, 제2 검출신호 DVs2를 듀티비(DR)로 제산(除算)한 값 DVs5(=DVs2/DR)가 목푯값(DREF)에 근접하도록, 보정량(DCMP)을 조정한다.Fig. 9 is a block diagram of the laser control device 140B according to the second embodiment. The correction unit 144B adjusts the correction amount (D CMP) so that the value DVs5 (=DVs2/DR) obtained by dividing the second detection signal DVs2 by the duty ratio (DR) is close to the target value (D REF ). do.
레이저제어장치(140B)는, 도 7의 레이저제어장치(140A)에 더하여, 듀티비검출기(170)를 구비한다. 듀티비검출기(170)는, 듀티비(DR)를 검출한다. 예를 들면 듀티비검출기(170)는, 펄스레이저(Lp)의 강도를 나타내는 제1 검출신호 Vs1에 근거하여 듀티비(DR)를 검출할 수 있다. 이치화회로(172)는 콤퍼레이터이며, 제1 검출신호 Vs1을 소정의 임계값과 비교하여, 하이, 로우(1/0)로 이치화(二値化)한다. 평활화회로(174)는, 평활화회로(142)와 동일한 특성을 갖는 로우패스필터이며, 이치화된 제3 검출신호 Vs3을 평활화하여, 제4 검출신호 Vs4를 생성한다. 제4 검출신호 Vs4는, 상술한 듀티비(DR)를 나타낸다.The laser control device 140B includes a duty ratio detector 170 in addition to the laser control device 140A of FIG. 7. The duty ratio detector 170 detects the duty ratio (DR). For example, the duty ratio detector 170 may detect the duty ratio DR based on the first detection signal Vs1 indicating the intensity of the pulse laser Lp. The binarization circuit 172 is a comparator, and compares the first detection signal Vs1 with a predetermined threshold value and binarizes it into high and low (1/0). The smoothing circuit 174 is a low-pass filter with the same characteristics as the smoothing circuit 142, and smoothes the binarized third detection signal Vs3 to generate the fourth detection signal Vs4. The fourth detection signal Vs4 represents the duty ratio (DR) described above.
보정부(144B)는, 도 7의 보정부(144A)에 더하여, A/D컨버터(162), 제산기(164)를 구비한다. A/D컨버터(162)는 제4 검출신호 Vs4를 디지털값 DVs4로 변환한다. 제산기(164)는, DVs2를 DVs4로 제산하여, 스케일링된 DVs5를 생성한다. DVs5는, 펄스레이저(Lp)의 실효강도(Ieff)를 나타낸다.The correction unit 144B includes an A/D converter 162 and a divider 164 in addition to the correction unit 144A in FIG. 7. The A/D converter 162 converts the fourth detection signal Vs4 into a digital value DVs4. Divider 164 divides DVs2 by DVs4 to generate scaled DVs5. DVs5 represents the effective intensity (I eff ) of the pulse laser (Lp).
도 9의 레이저제어장치(140B)에 의하면, 듀티비(DR)가 변화하는 시스템에 있어서, 펄스레이저의 실효강도(Ieff)를 안정화할 수 있다.According to the laser control device 140B of FIG. 9, the effective intensity (I eff ) of the pulse laser can be stabilized in a system where the duty ratio (DR) changes.
다만, 듀티비검출기(170)의 구성은 특별히 한정되지 않는다. 타이밍신호(S1)의 듀티비를, 발광기간의 듀티비에 근사할 수 있는 경우, 평활화회로(174)에 타이밍신호(S1)를 입력해도 된다.However, the configuration of the duty ratio detector 170 is not particularly limited. If the duty ratio of the timing signal S1 can be approximated to the duty ratio of the light emission period, the timing signal S1 may be input to the smoothing circuit 174.
<제3 실시예><Third Embodiment>
도 10은, 제3 실시예에 관한 레이저제어장치(140C)의 블록도이다. 보정부(144C)는, 제2 검출신호 DVs2가, 목푯값(DREF)에 듀티비(DR)를 곱한 값 DREF'(=DREF×DR)에 근접하도록, 보정량(DCMP)을 조정한다. 보정부(144C)는, 도 9의 보정부(144B)의 제산기(164) 대신에 승산기(乘算器)(166)를 구비한다.Fig. 10 is a block diagram of a laser control device 140C according to the third embodiment. The correction unit 144C adjusts the correction amount D CMP so that the second detection signal DVs2 is close to the target value D REF multiplied by the duty ratio DR D REF '(=D REF × DR). do. The correction unit 144C is provided with a multiplier 166 instead of the divider 164 of the correction unit 144B in Fig. 9.
<제4 실시예><Example 4>
도 11은, 제4 실시예에 관한 레이저제어장치(140D)의 블록도이다. 보정부(144D)는, 발광시간(Te)과 반복주기(Tp) 각각을 개별적으로 검출해도 된다. 반복주기(Tp)는, 타이밍신호(S1)의 펄스폭을 이용해도 된다.Fig. 11 is a block diagram of a laser control device 140D according to the fourth embodiment. The correction unit 144D may separately detect the emission time (Te) and repetition period (Tp). The repetition period Tp may use the pulse width of the timing signal S1.
보정부(144D)는, DVs2에 Tp를 곱한 값 EFB가, DREF에 Te를 곱한 목푯값(EREF)에 근접하도록 보정량(DCMP)을 조정해도 된다. 승산기(169a, 169b)는 승산을 행한다. EREF=DREF×Te는, 펄스당 에너지를 나타내고 있고, 마찬가지로 DVs2에 Tp를 곱한 값 EFB도, 펄스당 에너지를 나타낸다. 즉 보정부(144D)는, 에너지의 오차 ΔE(n)이 제로에 근접하도록, 바꾸어 말하면 펄스당 에너지가 그 목푯값에 근접하도록, 기준전압(VREF)을 조절한다.The correction unit 144D may adjust the correction amount D CMP so that the value E FB obtained by multiplying DVs2 by Tp is close to the target value E REF obtained by multiplying D REF by Te. Multipliers 169a and 169b perform multiplication. E REF = D REF That is, the correction unit 144D adjusts the reference voltage V REF so that the energy error ΔE(n) approaches zero, or in other words, the energy per pulse approaches the target value.
(제2 실시형태)(Second Embodiment)
제1 실시형태에서는, 펄스레이저(Lp)의 실효강도를 목푯값으로 안정화했지만, 본 발명의 적용은 이에 한정되지 않는다. 레이저의 용도, 가공의 종류에 따라서는, 펄스당 에너지가 가공정밀도에 영향을 미치는 경우가 있다. 이 경우, 펄스당 에너지를 목푯값으로 안정화해도 된다.In the first embodiment, the effective intensity of the pulse laser Lp was stabilized at the target value, but application of the present invention is not limited to this. Depending on the purpose of the laser and the type of processing, the energy per pulse may affect processing precision. In this case, the energy per pulse may be stabilized at the target value.
제2 실시형태에서는, 여진신호(S4)를 레이저제어장치(140)에 공급하는 여진시간 Ton'이 조절된다. 도 12는, 제2 실시형태에 관한 레이저제어장치(140E)의 블록도이다. 보정부(144E)의 기본구성은 도 11의 보정부(144D)와 동일하지만, 보정대상이, 여진시간 Ton'이다. 여진시간 Ton'의 지령값은, 타이밍신호(S1)의 펄스폭 Ton에, 보정량 DCMP(n)을 가산한 값으로 할 수 있다.In the second embodiment, the excitation time Ton' for supplying the excitation signal S4 to the laser control device 140 is adjusted. Fig. 12 is a block diagram of the laser control device 140E according to the second embodiment. The basic configuration of the correction unit 144E is the same as the correction unit 144D in FIG. 11, but the correction target is the aftershock time Ton'. The command value of the excitation time Ton' can be the value obtained by adding the correction amount D CMP (n) to the pulse width Ton of the timing signal S1.
여진신호발생기(146)는, 여진시간 Ton' 동안, 레이저발진기(110)에 여진신호(S4)를 공급한다.The excitation signal generator 146 supplies an excitation signal (S4) to the laser oscillator 110 during the excitation time Ton'.
제2 실시형태에 의하면, 펄스당 에너지를 안정화할 수 있다.According to the second embodiment, the energy per pulse can be stabilized.
이상, 본 발명에 대하여, 몇 개의 실시형태를 근거로 설명했다. 이들 실시형태는 예시이며, 이들의 각 구성요소나 각 처리프로세스의 조합에 다양한 변형예가 가능한 것, 또 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는바이다. 이하, 이러한 변형예에 대하여 설명한다.As mentioned above, the present invention has been explained based on several embodiments. These embodiments are examples, and it is understood by those skilled in the art that various modifications are possible in the combination of each component or each processing process, and that such modifications are also within the scope of the present invention. Below, these modified examples will be described.
제1 실시형태와 제2 실시형태는 조합해도 된다. 즉, 여진시간 Ton과, 직류전압(VDC)의 양방을 제어해도 된다.The first embodiment and the second embodiment may be combined. In other words, both the excitation time Ton and the direct current voltage (V DC ) may be controlled.
추가로 말하면, 레이저제어장치(140)에 의한 보정대상은, 직류전압(VDC), 여진시간 Ton에 한정되지 않는다.In addition, the correction target by the laser control device 140 is not limited to the direct current voltage (V DC ) and the excitation time Ton.
도 13은, 변형예에 관한 레이저장치(100F)의 블록도이다. 레이저장치(100F)는, 레이저발진기(110)를 냉각하고, 혹은 온도를 안정화하기 위한 칠러(102), 블로어(104)를 더 구비한다. 레이저제어장치(140)는, 칠러(102)의 유량을 보정해도 되고, 칠러(102)의 냉각수의 설정온도를 보정해도 된다. 혹은 레이저제어장치(140)는, 블로어의 회전수를 보정해도 된다. 이들 보정은, 단독으로, 혹은 직류전압(VDC), 여진시간 Ton의 보정과 조합해도 된다.Fig. 13 is a block diagram of a laser device 100F according to a modified example. The laser device 100F further includes a chiller 102 and a blower 104 for cooling the laser oscillator 110 and stabilizing the temperature. The laser control device 140 may correct the flow rate of the chiller 102 or the set temperature of the coolant of the chiller 102. Alternatively, the laser control device 140 may correct the rotation speed of the blower. These corrections may be performed alone or in combination with corrections for direct current voltage (V DC ) and excitation time Ton.
실시형태에 근거하여, 구체적인 어구를 이용하여 본 발명을 설명했지만, 실시형태는, 본 발명의 원리, 응용의 일 측면을 나타내고 있는 것에 지나지 않고, 실시형태에는, 청구범위에 규정된 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에 있어서, 많은 변형예나 배치의 변경이 인정된다.Although the present invention has been described using specific phrases based on the embodiments, the embodiments only show one aspect of the principle and application of the present invention, and the embodiments do not include the spirit of the present invention defined in the claims. Many modifications and changes in arrangement are permitted as long as they do not deviate from the above.
100 레이저장치
110 레이저발진기
120 전원장치
140 레이저제어장치
142 평활화회로
144 보정부
146 여진신호발생기
150 A/D컨버터
152 감산기
154 피드백컨트롤러
156 가산기
158 메모리
160 D/A컨버터
162 A/D컨버터
164 제산기
166 승산기
170 듀티비검출기
172 이치화회로
174 평활화회로
180 광검출기
200 직류전원
202 뱅크콘덴서
204 DC링크
210 충전회로
230 충전컨트롤러
300 고주파전원
302 승압트랜스
310 인버터
900 레이저가공기
910 광학계
920 가공기제어장치
930 스테이지
Lp 펄스레이저
S1 타이밍신호
S2 강도지령
S3 위치제어신호
S4 여진신호
S5 전압지령100 laser device
110 Laser oscillator
120 power supply
140 Laser control device
142 Smoothing circuit
144 Compensation Department
146 Aftershock signal generator
150 A/D converter
152 subtractor
154 Feedback Controller
156 adder
158 memory
160 D/A converter
162 A/D converter
164 Divider
166 multiplier
170 Duty ratio detector
172 Identification circuit
174 Smoothing circuit
180 Photodetector
200 DC power
202 bank capacitor
204 DC Link
210 charging circuit
230 charging controller
300 high frequency power
302 Boosting transformer
310 inverter
900 laser processing machine
910 optical system
920 Processing machine control device
930 stages
Lp pulse laser
S1 timing signal
S2 intensity command
S3 position control signal
S4 aftershock signal
S5 voltage command
Claims (8)
레이저발진기와,
상기 레이저발진기에 버스트상의 고주파전압을 공급하는 전원장치와,
상기 레이저발진기로부터 출력되는 펄스레이저를 검출하여, 펄스상의 제1 검출신호를 생성하는 광검출소자와,
상기 타이밍신호에 따라, 상기 전원장치에 여진신호를 부여하여 상기 고주파전압을 발생시킴과 함께, 상기 제1 검출신호를 평활화하여 제2 검출신호를 생성하고, 상기 제2 검출신호에 근거하여 상기 전원장치의 상태를 조절하는 레이저제어장치를 구비하고,
상기 타이밍신호의 듀티비는 가변이며,
상기 레이저제어장치는, 상기 펄스레이저의 발광시간과 반복주기의 비율인 듀티비를 검출하는 듀티비검출기를 더 구비하고, 상기 듀티비에 따라, 상기 제2 검출신호 또는 그 목푯값을 스케일링하고,
상기 듀티비검출기는,
상기 제1 검출신호를 이치화하여 제3 검출신호를 생성하고, 상기 제3 검출신호를 평활화하여 상기 듀티비를 나타내는 제4 검출신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저가공기.A processing machine control device that generates a pulse-shaped timing signal,
laser oscillator,
A power supply device that supplies burst-like high-frequency voltage to the laser oscillator;
A photodetector that detects the pulse laser output from the laser oscillator and generates a pulse-like first detection signal;
According to the timing signal, an excitation signal is applied to the power supply to generate the high-frequency voltage, and the first detection signal is smoothed to generate a second detection signal, and the power supply is based on the second detection signal. Equipped with a laser control device that controls the state of the device,
The duty ratio of the timing signal is variable,
The laser control device further includes a duty ratio detector that detects a duty ratio, which is the ratio of the emission time and repetition period of the pulse laser, and scales the second detection signal or its target value according to the duty ratio,
The duty ratio detector,
A laser processing machine characterized by generating a third detection signal by binarizing the first detection signal, and generating a fourth detection signal representing the duty ratio by smoothing the third detection signal.
상기 레이저제어장치는, 상기 고주파전압의 진폭을 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저가공기.According to paragraph 1,
The laser processing device is characterized in that the laser control device adjusts the amplitude of the high frequency voltage.
상기 레이저제어장치는, 상기 고주파전압의 발생시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저가공기.According to paragraph 1,
The laser processing device is characterized in that the laser control device controls the generation time of the high frequency voltage.
직류전압을 생성하는 직류전원과,
상기 직류전압을 고주파전압으로 변환하여, 상기 타이밍신호에 따라 버스트상의 상기 고주파전압을 상기 레이저발진기에 공급하는 고주파전원과,
상기 레이저발진기로부터 출력되는 펄스레이저를 검출하여, 펄스상의 제1 검출신호를 생성하는 광검출소자와,
상기 제1 검출신호를 평활화하여 제2 검출신호를 생성하고, 상기 제2 검출신호에 근거하여 상기 직류전원의 상기 직류전압, 및 상기 고주파전원의 동작시간 중 적어도 일방을 조절하는 레이저제어장치를 구비하고,
상기 타이밍신호의 펄스폭 및 주파수 중 적어도 하나는 가변이며,
상기 레이저제어장치는, 상기 펄스레이저의 발광시간과 반복주기의 비율인 듀티비를 검출하는 듀티비검출기를 더 구비하고, 상기 듀티비에 따라, 상기 제2 검출신호 또는 그 목푯값을 스케일링하고,
상기 듀티비검출기는, 상기 제1 검출신호를 이치화하여 제3 검출신호를 생성하고, 상기 제3 검출신호를 평활화하여 상기 듀티비를 나타내는 제4 검출신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전원장치.A power supply device that drives a laser oscillator based on a pulse-phase timing signal,
A direct current power source that generates direct current voltage,
a high-frequency power supply that converts the direct current voltage into a high-frequency voltage and supplies the high-frequency voltage in bursts to the laser oscillator according to the timing signal;
A photodetector that detects the pulse laser output from the laser oscillator and generates a pulse-like first detection signal;
A laser control device is provided for smoothing the first detection signal to generate a second detection signal and adjusting at least one of the DC voltage of the DC power source and the operation time of the high frequency power source based on the second detection signal. do,
At least one of the pulse width and frequency of the timing signal is variable,
The laser control device further includes a duty ratio detector that detects a duty ratio, which is the ratio of the emission time and repetition period of the pulse laser, and scales the second detection signal or its target value according to the duty ratio,
The duty ratio detector binarizes the first detection signal to generate a third detection signal, and smoothes the third detection signal to generate a fourth detection signal indicating the duty ratio.
레이저발진기와,
상기 레이저발진기에 버스트상의 고주파전압을 공급하는 전원장치와,
상기 레이저발진기로부터 출력되는 펄스레이저를 검출하여, 펄스상의 제1 검출신호를 생성하는 광검출소자와,
상기 타이밍신호에 따라, 상기 전원장치에 여진신호를 부여하여 상기 고주파전압을 발생시킴과 함께, 상기 제1 검출신호를 평활화하여 제2 검출신호를 생성하고, 상기 제2 검출신호에 근거하여 상기 전원장치의 상태를 조절하는 레이저제어장치를 구비하고,
상기 레이저제어장치는, 상기 제1 검출신호를 입력으로 하여 상기 제2 검출신호를 출력하는 아날로그회로로 구성된 평활화회로를 포함하며, 상기 평활화회로의 시정수는 상기 제1 검출신호의 주기의 5배 내지 50배인 것을 특징으로 하는 레이저가공기.A processing machine control device that generates a pulse-shaped timing signal,
laser oscillator,
A power supply device that supplies burst-like high-frequency voltage to the laser oscillator;
A photodetector that detects the pulse laser output from the laser oscillator and generates a pulse-like first detection signal;
According to the timing signal, an excitation signal is applied to the power supply to generate the high-frequency voltage, and the first detection signal is smoothed to generate a second detection signal, and the power supply is based on the second detection signal. Equipped with a laser control device that controls the state of the device,
The laser control device includes a smoothing circuit composed of an analog circuit that inputs the first detection signal and outputs the second detection signal, and the time constant of the smoothing circuit is 5 times the period of the first detection signal. A laser processing machine characterized in that it is 50 to 50 times faster.
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