KR20190122553A

KR20190122553A - 레이저가공기 및 그 전원장치

Info

Publication number: KR20190122553A
Application number: KR1020190037766A
Authority: KR
Inventors: 히데마사 야마구치; 쇼분 하라; 다이치 츠카하라
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2019-10-30
Also published as: JP7189674B2; TW201944671A; TWI744619B; CN110394545B; KR102615048B1; CN110394545A; JP2019192714A

Abstract

레이저펄스빔의 강도 혹은 에너지를 보다 정확하게 제어 가능한 레이저가공기 및 그 전원장치를 제공한다.
전원장치(120)는, 레이저발진기(110)에 버스트상의 고주파전압(V_RF)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(V_RF)을 발생시킴과 함께, 제1 검출신호 Vs1을 평활화하여 제2 검출신호 Vs2를 생성하고, 제2 검출신호 Vs2에 근거하여 전원장치(120)의 상태를 조절한다.

Description

레이저가공기 및 그 전원장치{LASER PROCESSING APPARATUS AND POWER SUPPLY APPARATUS THEREOF}

본 출원은, 2018년 04월 20일에 출원된 일본 특허출원 제2018-081677호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.

본 발명은, 전원장치에 관한 것이다.

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(V_DC)을 생성한다. 고주파전원(8)은, 직류전압(V_DC)을 받아, 그것을 고주파전압(V_RF)으로 변환하여, 부하인 레이저발진기(2)에 공급한다.

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.

펄스레이저(Lp)의 강도는, 고주파전압(V_RF)의 진폭에 따라 제어 가능하지만, 현실적으로는, 환경온도나 레이저가스의 열화 등의 영향을 받아 변동한다. 즉 동일한 진폭의 고주파전압(V_RF)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.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2016-59932호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 2015-223591호

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(I_eff)라고 칭한다. 실효강도(I_eff)는, 펄스당 에너지를 발광시간(Te)으로 나눈 값으로 파악해도 된다.

특허문헌 2에는, 펄스레이저(Lp)의 강도를 검출하고, 그 검출값의 적분값과 출력목푯값의 적분값과의 편차가 작아지도록, 펄스레이저의 강도의 지령값을 피드백제어하는 기술이 개시된다.

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(I_eff)가 목푯값으로 유지되어 있는 것을 보증하는 것은 아니다.

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.

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.

이 양태에 의하면, 펄스레이저의 1쇼트마다의 실효강도 혹은 에너지를 정확하게 제어할 수 있다.

레이저제어장치는, 고주파전압의 진폭을 조절해도 된다. 이로써, 펄스레이저의 강도를 조절할 수 있다.

그 대신에, 혹은 그에 더하여, 레이저제어장치는, 고주파전압의 발생시간을 조절해도 된다. 이로써, 1쇼트당 펄스레이저의 에너지를 조절할 수 있다.

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.

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.

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.

레이저제어장치는, 타이밍신호의 1펄스마다, 즉 레이저의 1쇼트마다 직류전원 및/또는 고주파전원의 동작파라미터를 갱신해도 된다.

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, 레이저펄스빔의 강도 혹은 에너지를 보다 정확하게 제어할 수 있다.

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.

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.

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.

레이저가공기(900)는, 레이저장치(100), 광학계(910), 가공기제어장치(920), 스테이지(930)를 구비한다. 대상물(902)은 스테이지(930) 상에 재치되고, 필요에 따라 고정된다.

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.

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.

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.

이상이 레이저가공기(900)의 구성이다. 이하, 가공기제어장치(920)로부터의 타이밍신호(S1) 및 강도지령(S2)에 근거하여 동작하는 레이저장치(100)에 대하여 설명한다.

<제1 실시형태>

도 4는, 제1 실시형태에 관한 레이저장치(100)의 블록도이다. 레이저장치(100)는, 레이저발진기(110), 전원장치(120), 레이저제어장치(140), 광검출기(180)를 구비한다.

레이저발진기(110)는, 한 쌍의 방전전극, 레이저공진기를 형성하는 한 쌍의 미러 등을 구비한다.

전원장치(120)는, 고주파전압(V_RF)을 생성하여, 레이저발진기(110)의 한 쌍의 방전전극에 인가한다. 고주파전압(V_RF)의 주파수(동기주파수라고 함)는, 레이저발진기(110)의 한 쌍의 방전전극의 정전용량과, 그에 부수하는 인덕터의 공진주파수에 따라 규정된다.

전원장치(120)는, 직류전원(200) 및 고주파전원(300)을 구비한다. 직류전원(200)은 직류전압(V_DC)을 생성한다. 예를 들면 직류전원(200)에는, 직류전압(V_DC)의 목표레벨을 지시하는 전압지령(S5)이 입력된다. 전압지령(S5)은, 직류전압(V_DC)의 목푯값을 나타내는 아날로그의 기준전압(V_REF)이어도 되고, 기준전압(V_REF)을 나타내는 디지털값이어도 된다. 직류전원(200)은, 직류전압(V_DC)의 전압레벨을 기준전압(V_REF)으로 안정화한다.

고주파전원(300)은 직류전압(V_DC)을 받아, 그것을 교류의 고주파전압(V_RF)으로 변환한다. 고주파전원(300)은, 직류전압(V_DC)을 교류전압으로 변환하는 인버터와, 인버터의 출력을 승압하는 트랜스를 포함해도 된다. 고주파전압(V_RF)의 진폭은 직류전압(V_DC)에 비례하기 때문에, 펄스레이저(Lp)의 실효강도는 전압지령(S5)(기준전압(V_REF))에 근거하여 제어 가능하다.

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(V_RF)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.

레이저제어장치(140)는, 강도지령(S2)에 따라, 기준전압(V_REF)을 생성한다. 이로써 고주파전압(V_RF)의 진폭, 나아가서는 펄스레이저(Lp)의 강도가, 강도지령(S2)에 따라 제어된다.

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(V_RF), 레이저발진기(110)의 방전전극에 흐르는 방전전류(I_DIS), 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.

시각 t₀에 타이밍신호(S1)가 하이가 되면, 동기주파수를 갖는 여진신호(S4)가 생성된다. 여진신호(S4)에 따라 고주파전원(300)이 스위칭함으로써, 고주파전압(V_RF)이 레이저발진기(110)에 공급된다. 레이저발진기(110)의 방전전극에 고주파전압(V_RF)이 인가되면 방전이 발생하고, 방전전류(I_DIS)가 흐르기 시작한다. 여진신호(S4)는, 타이밍신호(S1)가 하이가 되는 온시간(여진시간) Ton 동안, 지속한다.

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.

시각 t₂에 타이밍신호(S1)가 로우가 되면, 여진신호(S4)가 정지하고, 고주파전압(V_RF)도 정지한다. 그러면 방전이 서서히 약해지고, 이윽고 소멸한다. 펄스레이저(Lp)의 강도도 시각 t₂ 이후, 감쇠해 간다.

레이저장치(100)는, 이 동작을 반복함으로써, 펄스레이저(Lp)를 생성한다.

상술한 바와 같이, 소정 진폭의 고주파전압(V_RF)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.

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.

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.

Tp를 타이밍신호(S1)의 반복주기, Te를 레이저의 발광시간(펄스폭)으로 했을 때, 그들의 비를 듀티비(DR)라고 한다.

DR=Te/Tp

제2 검출신호 Vs2는, 펄스레이저의 실효강도(I_eff)에 타이밍신호(S1)의 듀티비(DR)를 곱한 양에 비례한다. 바꾸어 말하면, 실효강도(I_eff)의 검출값은, 이하의 식으로 나타난다.

I_eff∝Vs2/DR

듀티비(DR)가 일정하다고 가정하면, 제2 검출신호 Vs2는 실효강도(I_eff)를 나타낸다.

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(V_RF)의 진폭이며, 즉 레이저제어장치(140)는, 직류전압(V_DC)을 보정한다.

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.

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.

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.

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.

레이저의 쇼트 종료 후, 뱅크콘덴서(202)는 방전되고, 직류전압(V_DC)은 저하된다. 충전회로(210)는, 다음 쇼트까지, 뱅크콘덴서(202)에 충전전류(I_CHG)를 공급하여, 직류전압(V_DC)을 회복시킨다. 충전컨트롤러(230)는, DC링크(204)의 직류전압(V_DC)이, 전압지령(S5)에 따른 목표전압(V_REF)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.

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.

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(V_DC)이 대략 기준전압(V_REF)에 가까운 전압레벨까지 회복한다. 계속해서 서브충전으로 이행하여, 직류전압(V_DC)이 기준전압(V_REF)과 일치하도록, DC/DC컨버터를 수 회, 스위칭시킨다.

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(V_DC)이 공급된다. 인버터(310)는 여진신호(S4)에 따라 스위칭동작하고, 승압트랜스(302)의 1차 권선(W1)에 교류전압(V_AC)을 인가하여, 2차 권선(W2)에 고주파전압(V_RF)을 발생시킨다. 다만 인버터(310)나 승압트랜스(302)의 구성, 토폴로지는 특별히 한정되지 않는다.

<제1 실시예>

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.

보정부(144A)는, 타이밍신호(S1)의 1주기 즉 펄스레이저(Lp)의 1쇼트마다 동작하여, 전압지령(S5)(기준전압(V_REF))을 보정한다. 도면 중, (n)은 n사이클째의 신호를, (n-1)은 하나 전의 (n-1)사이클째의 신호를 나타낸다.

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.

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.

감산기(152)는, 디지털의 제2 검출신호 DVs2(n-1)과 목푯값(D_REF)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 D_CMP(n)을 생성한다. 다만 피드백컨트롤러(154)로서, PI(비례적분)컨트롤러나 PID(비례적분미분)컨트롤러 등을 이용해도 된다.

가산기(156)는, 보정량 D_CMP(n)을, 전 사이클의 목푯값 DV_REF(n-1)에 가산하여, 다음 사이클의 목푯값 DV_REF(n)으로 한다. D/A컨버터(160)은, 목푯값 DV_REF(n)을 아날로그의 기준전압 V_REF(n)으로 변환한다. 목푯값 DV_REF(n)은 메모리(158)에 저장되고 다음 사이클에 있어서 가산기(156)에 입력된다.

다만 가산기(156)는, 보정량 D_CMP(n)을, 기준전압(V_REF)의 표준값과 가산해도 된다.

계속해서 레이저장치(100)의 보정동작을 설명한다. 도 8은, 보정동작의 일례를 나타내는 파형도이다. 레이저발진기(110)의 발광기간의 직전, 직류전압(V_DC)은 목표전압(V_REF)으로 안정화된다. 타이밍신호(S1)에 따라, 레이저발진기(110)가 발진하여, 펄스레이저(Lp)의 강도를 나타내는 제1 검출신호 Vs1이 생성된다.

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(D_REF)의 오차 ΔI에 근거하여 보정량(D_CMP)이 생성되고, 디지털값 DV_REF가 갱신된다.

예를 들면 (n-1)사이클째 쇼트의 결과, 디지털검출값 DVs2(n-1)은 목푯값(D_REF)보다 낮다. 따라서 정(正)의 보정량 D_CMP(n)이 발생하고, 다음 n사이클째의 기준전압 V_REF(n)이 증가한다. 직류전원(200)은, 다음 쇼트까지, 직류전압(V_DC)을 새로운 기준전압 V_REF(n)에 충전한다.

이로써 n사이클째의 고주파전압(V_RF)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(D_REF)보다 높아져 있기 때문에, 다음 사이클에서는, 기준전압(V_REF)이 작아지도록 피드백된다. 이 동작이 반복되어, 온도변동이나 가스의 열화 등에 관계없이, 펄스레이저(Lp)의 강도를 안정화할 수 있다.

<제2 실시예>

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(I_eff)에 듀티비(DR)를 곱한 양을 나타낸다. 따라서, 듀티비(DR)가 가변하는 시스템에 있어서는, 듀티비(DR)에 따라, 제2 검출신호 DVs2 혹은 그 목푯값(D_REF)을 스케일링하면 된다.

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(D_REF)에 근접하도록, 보정량(D_CMP)을 조정한다.

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.

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(I_eff)를 나타낸다.

도 9의 레이저제어장치(140B)에 의하면, 듀티비(DR)가 변화하는 시스템에 있어서, 펄스레이저의 실효강도(I_eff)를 안정화할 수 있다.

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.

<제3 실시예>

도 10은, 제3 실시예에 관한 레이저제어장치(140C)의 블록도이다. 보정부(144C)는, 제2 검출신호 DVs2가, 목푯값(D_REF)에 듀티비(DR)를 곱한 값 D_REF'(=D_REF×DR)에 근접하도록, 보정량(D_CMP)을 조정한다. 보정부(144C)는, 도 9의 보정부(144B)의 제산기(164) 대신에 승산기(乘算器)(166)를 구비한다.

<제4 실시예>

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.

보정부(144D)는, DVs2에 Tp를 곱한 값 E_FB가, D_REF에 Te를 곱한 목푯값(E_REF)에 근접하도록 보정량(D_CMP)을 조정해도 된다. 승산기(169a, 169b)는 승산을 행한다. E_REF=D_REF×Te는, 펄스당 에너지를 나타내고 있고, 마찬가지로 DVs2에 Tp를 곱한 값 E_FB도, 펄스당 에너지를 나타낸다. 즉 보정부(144D)는, 에너지의 오차 ΔE(n)이 제로에 근접하도록, 바꾸어 말하면 펄스당 에너지가 그 목푯값에 근접하도록, 기준전압(V_REF)을 조절한다.

(제2 실시형태)

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.

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 D_CMP(n)을 가산한 값으로 할 수 있다.

여진신호발생기(146)는, 여진시간 Ton' 동안, 레이저발진기(110)에 여진신호(S4)를 공급한다.

제2 실시형태에 의하면, 펄스당 에너지를 안정화할 수 있다.

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.

제1 실시형태와 제2 실시형태는 조합해도 된다. 즉, 여진시간 Ton과, 직류전압(V_DC)의 양방을 제어해도 된다.

추가로 말하면, 레이저제어장치(140)에 의한 보정대상은, 직류전압(V_DC), 여진시간 Ton에 한정되지 않는다.

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(V_DC), 여진시간 Ton의 보정과 조합해도 된다.

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.

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 전압지령

Claims

펄스상의 타이밍신호를 발생하는 가공기제어장치와,
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 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저가공기.
제1항에 있어서,
상기 레이저제어장치는, 상기 고주파전압의 진폭을 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저가공기.
제1항에 있어서,
상기 레이저제어장치는, 상기 고주파전압의 발생시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저가공기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
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 스케일링하는 것을 특징으로 하는 레이저가공기.
제4항에 있어서,
상기 듀티비검출기는,
상기 제1 검출신호를 이치화하여 제3 검출신호를 생성하고, 상기 제3 검출신호를 평활화하여 상기 듀티비를 나타내는 제4 검출신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저가공기.
펄스상의 타이밍신호에 근거하여 레이저발진기를 구동하는 전원장치로서,
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 구비하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
제6항에 있어서,
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 스케일링하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
제7항에 있어서,
상기 듀티비검출기는, 상기 제1 검출신호를 이치화하여 제3 검출신호를 생성하고, 상기 제3 검출신호를 평활화하여 상기 듀티비를 나타내는 제4 검출신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전원장치.