特許 6223280 レーザ加工装置及びレーザ発振方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6223280

(24)【登録日】2017年10月13日

(45)【発行日】2017年11月1日

(54)【発明の名称】レーザ加工装置及びレーザ発振方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/00 20140101AFI20171023BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20171023BHJP

   H01S 3/131 20060101ALI20171023BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20171023BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/00 N

   B23K26/00 M

   B23K26/082

   H01S3/131

   H01S3/00 B

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-107766(P2014-107766)

(22)【出願日】2014年5月26日

(65)【公開番号】特開2015-223591(P2015-223591A)

(43)【公開日】2015年12月14日

【審査請求日】2017年1月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105887

【弁理士】

【氏名又は名称】来山 幹雄

(72)【発明者】

【氏名】原 章文

【審査官】 岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−２６１１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平４−３０６８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２２４１７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００

Ｂ２３Ｋ ２６／０８２

Ｈ０１Ｓ ３／１３１

Ｈ０１Ｓ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部から与えられる制御値に応じたパルス幅内平均出力を持つパルスレーザビームを出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力された前記パルスレーザビームを検出すると、光強度に応じた検出値を出力する光検出器と、
前記光検出器から前記検出値が入力され、目標とするパルス幅内平均出力を指令する出力目標値及び前記検出値に基づいて、前記レーザ発振器に前記制御値を与えるレーザ制御装置と
を有し、
前記レーザ制御装置は、
前記検出値が入力されている期間の前記出力目標値に対する前記検出値の積分偏差が小さくなるように、前記レーザ発振器に前記制御値を与えるレーザ加工装置。

【請求項2】

前記レーザ制御装置は、
前記検出値を、閾値を用いて二値化することにより窓関数を生成し、
前記出力目標値に、前記窓関数を掛け合わせて比較用目標値を生成し、
前記比較用目標値を用いて前記積分偏差を求める請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

前記レーザ制御装置は、前記検出値に、前記窓関数を掛け合わせて比較用検出値を生成し、
前記比較用検出値を用いて前記積分偏差を求める請求項２に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

前記レーザ制御装置は、前記比較用目標値を積分して得られる積分目標値と、前記比較用検出値を積分して得られる積分検出値とを求め、前記積分目標値と前記積分検出値とを比較することにより、前記積分偏差を求める請求項３に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

前記レーザ発振器は、
放電電極と、
前記放電電極に、前記制御値に応じた大きさの高周波電圧を印加するレーザ電源と
を含み、
前記レーザ制御装置は、前記レーザ発振器に励振指令信号を与え、
前記レーザ電源は、前記励振指令信号が与えられている期間、前記放電電極に前記高周波電圧を印加する請求項２乃至４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項6】

前記レーザ制御装置は、
前記窓関数が開いている期間を、前記励振指令信号が与えられている期間と重複する主期間と、その他のテール期間とに区分し、前記テール期間の前記比較用目標値を、前記主期間の前記比較用目標値より小さくする請求項５に記載のレーザ加工装置。

【請求項7】

さらに、
前記レーザ発振器から出力された前記パルスレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持するステージと、
前記ステージに保持された前記加工対象物の表面において、前記パルスレーザビームの入射位置を移動させるビーム走査器と、
前記ビーム走査器を制御するとともに、前記レーザ制御装置に前記出力目標値、及びパルス出力タイミング信号を与える加工機制御装置と
を有し、
前記レーザ制御装置は、前記パルス出力タイミング信号に基づいて前記励振指令信号を前記レーザ発振器に与える請求項５または６に記載のレーザ加工装置。

【請求項8】

レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームを検出し、パルスレーザビームの光強度に応じた検出値を生成する工程と、
目標とするパルス幅内平均出力を指令する出力目標値に、前記パルスレーザビームのレーザパルスが出力されている期間に相当する窓関数を掛け合わせて比較用目標値を生成する工程と、
前記比較用目標値に対する前記検出値の積分偏差が小さくなるように、前記レーザ発振器の出力にフィードバックする工程と
を有するレーザ発振方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パルスレーザビームでレーザ加工を行うレーザ加工装置、及びレーザ発振方法に関する。

【背景技術】

【0002】

炭酸ガスレーザの出力は、環境温度の変動、レーザガスの劣化等の影響を受けて変動する。パルスレーザビームのパルスの繰り返し周波数及びパルス幅が一定であれば、炭酸ガスレーザの平均出力の測定結果と目標値との差分に基づいて、フィードバック制御を行うことが可能である。フィードバック制御を行うことにより、環境温度の変動、レーザガスの劣化等に起因する出力変動を抑制することができる。平均出力は、パルスエネルギを積分することにより求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−２４８６１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

必要に応じてパルスの繰り返し周波数やパルス幅を変化させてレーザ加工を行う場合がある。各レーザパルスのパルス幅内における平均出力を一定にし、パルスの繰り返し周波数やパルス幅を変化させると、単位時間あたりの平均出力も変化してしまう。このため、単位時間あたりの平均出力を用いてフィードバック制御を行うことは困難である。

【0005】

本発明の目的は、パルスの繰り返し周波数やパルス幅を変化させても、レーザパルスのパルス幅内における平均出力を目標値に近づけるフィードバック制御を行うことが可能なレーザ加工装置、及びレーザ発振方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一観点によると、
外部から与えられる制御値に応じたパルス幅内平均出力を持つパルスレーザビームを出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力された前記パルスレーザビームを検出すると、光強度に応じた検出値を出力する光検出器と、
前記光検出器から前記検出値が入力され、目標とするパルス幅内平均出力を指令する出力目標値及び前記検出値に基づいて、前記レーザ発振器に前記制御値を与えるレーザ制御装置と
を有し、
前記レーザ制御装置は、
前記検出値が入力されている期間の前記出力目標値に対する前記検出値の積分偏差が小さくなるように、前記レーザ発振器に前記制御値を与えるレーザ加工装置が提供される。

【0007】

本発明の他の観点によると、
レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームを検出し、パルスレーザビームの光強度に応じた検出値を生成する工程と、
目標とするパルス幅内平均出力を指令する出力目標値に、前記パルスレーザビームのレーザパルスが出力されている期間に相当する窓関数を掛け合わせて比較用目標値を生成する工程と、
前記比較用目標値に対する前記検出値の積分偏差が小さくなるように、前記レーザ発振器の出力にフィードバックする工程と
を有するレーザ発振方法が提供される。

【発明の効果】

【0008】

検出値が入力されている期間の出力目標値に対する検出値の積分偏差が小さくなるように、レーザ発振器に制御値を与えることにより、パルス幅内平均出力を出力目標値に近づけることができる。積分偏差の基準として、検出値が入力されている期間の出力目標値を用いているため、パルスの繰り返し周波数やパルス幅が変動しても、適正なフィードバック制御を行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施例によるレーザ加工装置の光学系の概略図及び制御系のブロック図である。

【図2】図２は、レーザ発振器の断面図である。

【図3】図３は、実施例によるレーザ加工装置内の各種信号の波形の一例を示すグラフである。

【図4】図４は、実施例によるレーザ加工装置に用いられるレーザ制御装置のブロック図である。

【図5】図５は、レーザ発振器へのフィードバック制御で用いられる種々の信号の波形の一例を示すグラフである。

【図6】図６Ａは、図１〜図４に示した実施例の変形例によるレーザ制御装置のブロック図であり、図６Ｂは、レーザ制御装置に用いられる整流回路の一例を示す等価回路図である。

【図7】図７は、変形例によるレーザ加工装置に用いられるレーザ制御装置のブロック図である。

【図8】図８は、他の実施例によるレーザ加工装置に用いられるレーザ制御装置のブロック図である。

【図9】図９は、図８に示したレーザ制御装置における比較用検出値Ｄｖ１、図４に示したレーザ制御装置内における比較用目標値Ｔｖ１、図８に示したレーザ制御装置における出力値Ｔｖ２、Ｔｖ３、及び加算器の出力値Ｔｖ２＋Ｔｖ３の波形を示す

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１に、実施例によるレーザ加工装置の光学系の概略図及び制御系のブロック図を示す。レーザ発振器１０が、レーザ電源１１及び放電電極１２を含む。レーザ電源１１が、直流電源１３及び高周波電源１４を含む。レーザ発振器１０には、例えば炭酸ガスレーザが用いられる。レーザ制御装置１５が、加工機制御装置３５からの指令に基づき、直流電源１３に制御値Ｃｖを与え、高周波電源１４に励振指令信号Ｅｃを与える。

【0011】

直流電源１３は、制御値Ｃｖに基づいて、高周波電源１４に与える電圧の制御を行う。高周波電源１４は、励振指令信号Ｅｃに基づいて、放電電極１２に高周波電圧を印加する。具体的には、制御値Ｃｖによって、パルスレーザビームのパルス幅内平均出力が制御される。ここで、「パルス幅内平均出力」は、レーザ出力を、レーザパルスが出力されている期間で平均した値を意味し、パルスエネルギをパルス幅で除した値に等しい。これに対し、「単位時間平均出力」は、レーザ出力を単位時間で平均した値を意味する。単位時間には、レーザパルスが出力されている期間と、出力されていない期間とが含まれるため、単位時間平均出力は、パルス幅内平均出力より小さい。

【0012】

例えば、プリント基板等の穴あけ加工を行う場合、パルス幅内平均出力、パルス幅、パルスの繰り返し周波数等が、目標値に一致するように制御される。

【0013】

高周波電源１４は、スイッチング素子１４ａを含み、直流電源１３から供給される直流電流をスイッチングして交流に変換する。スイッチング素子１４ａは、レーザ制御装置１５から入力される励振指令信号Ｅｃによりオンオフ制御される。一例として、スイッチング素子１４ａとしてＭＯＳトランジスタが用いられ、励振指令信号ＥｃがＭＯＳトランジスタのゲート電極に印加される。

【0014】

レーザ発振器１０のレーザ媒質ガスとして、例えば炭酸ガスと窒素ガスとの混合ガスが用いられる。レーザ電源１１が放電電極１２に高周波電圧Ｖｅを印加する。放電電極１２に高周波電圧Ｖｅが印加されると、放電電極間で放電が生じ、レーザ発振器１０からパルスレーザビームＬｐが出力される。

【0015】

レーザ発振器１０から出力されたパルスレーザビームＬｐが、部分反射鏡２１により透過ビームと反射ビームとに分岐される。反射ビームが光検出器２０に入射する。光検出器２０は、光を検出すると、レーザ制御装置１５に、光強度に応じた検出値Ｄｖを送出する。光検出器２０は、例えば、炭酸ガスレーザの波長域に感度を持つ水銀カドミウムテルル（ＭＣＴ）光導電素子を含む。

【0016】

部分反射鏡２１を直進した透過ビームは、スポット位置安定化光学系２２を透過して非球面レンズ２３に入射する。スポット位置安定化光学系２２は、複数の凸レンズを含み、レーザ発振器１０から出力されたパルスレーザビームＬｐの進行方向にぶれが生じても、非球面レンズ２３が配置された位置におけるビームスポットの位置を安定化させる。非球面レンズ２３は、パルスレーザビームＬｐのビームプロファイルを変化させる。例えば、ガウシアン形状のビームプロファイルを、トップフラット形状のビームプロファイルに変化させる。

【0017】

非球面レンズ２３を透過したパルスレーザビームＬｐが、コリメートレンズ２４によってコリメートされた後、マスク２５に入射する。マスク２５は、透過窓及び遮光部を含み、パルスレーザビームＬｐのビーム断面を整形する。マスク２５の透過窓を透過したパルスレーザビームＬｐがフィールドレンズ２６、及び折り返しミラー２７を経由して、ビーム走査器２８に入射する。ビーム走査器２８は、加工機制御装置３５からの指令により、レーザビームを二次元方向に走査する。ビーム走査器２８として、例えばガルバノスキャナが用いられる。

【0018】

ビーム走査器２８で走査されたパルスレーザビームＬｐが、ｆθレンズ２９で集光されて加工対象物３１に入射する。加工対象物３１はステージ３０に保持されている。フィールドレンズ２６及びｆθレンズ２９は、マスク２５の透過窓を、加工対象物３１の表面に結像させる。ステージ３０は、加工機制御装置３５からの指令により、加工対象物３１を、その表面に平行な方向に移動させることができる。ビーム走査器２８及びステージ３０の少なくとも一方が、加工対象物３１の表面においてパルスレーザビームＬｐの入射位置を移動させるための移動機構として機能する。

【0019】

加工機制御装置３５は、レーザ制御装置１５に、パルス出力タイミング信号Ｐｔ及び出力目標値Ｔｖを与える。レーザ制御装置１５は、パルス出力タイミング信号Ｐｔが入力されている期間、励振指令信号Ｅｃをレーザ発振器１０に与える。出力目標値Ｔｖによって、パルスレーザビームのパルス幅内平均出力が指定される。

【0020】

図２に、レーザ発振器１０の断面図を示す。レーザチャンバ５０の内部に、送風機４０、一対の放電電極１２、熱交換器４６、及びレーザ媒質ガスが収容されている。一対の放電電極１２の間に放電空間４２が画定される。放電空間４２で放電が生じることにより、
レーザ媒質ガスが励起される。図２では、放電電極１２の長さ方向に直交する断面が示されている。放電電極１２の各々は、導電部材４３とセラミック部材４４とを含む。セラミック部材４４は、導電部材４３と放電空間４２とを隔離する。

【0021】

送風機４０から、放電空間４２及び熱交換器４６を経由して送風機４０に戻る循環経路がレーザチャンバ５０内に形成されている。熱交換器４６は放電によって高温になったレーザ媒質ガスを冷却する。

【0022】

一対の端子５１が、レーザチャンバ５０の壁面に取り付けられている。放電電極１２の導電部材４３が、それぞれチャンバ内電流路５２により端子５１に接続されている。端子５１は、チャンバ外電流路５５により、レーザ電源１１に接続されている。

【0023】

図３に、実施例によるレーザ加工装置内の各種信号の波形の一例を示す。加工機制御装置３５（図１）からレーザ制御装置１５（図１）に与えられる出力目標値Ｔｖは、一定に維持されている。パルス出力タイミング信号Ｐｔが立ち上がる時刻ｔ１から、立ち下がる時刻ｔ３までの期間、励振指令信号Ｅｃがパルス的に出力される。励振指令信号Ｅｃに同期して、高周波電圧Ｖｅが放電電極１２（図１）に印加される。

【0024】

放電電極１２に高周波電圧Ｖｅが印加されると、放電空間４２（図２）で放電が生じ、放電電流Ｉｅが流れる。高周波電圧Ｖｅの印加が停止されると、放電が徐々に弱まり、ある時間経過した時点で放電が消滅する。

【0025】

放電が開始してから、ある遅延時間が経過した時刻ｔ２において、パルスレーザビームＬｐのレーザパルスが立ち上がる。レーザパルスの波形は、図３に示した波形に限定されず、レーザ発振器の特性に依存する。図３においては、立ち上がり時点で大きなピークが現れ、その後、ほぼ平坦な部分が継続し、時刻ｔ３以降、パルスの強度が減衰する例を示している。

【0026】

パルス出力タイミング信号Ｐｔのパルス幅をＴ０で表し、パルスレーザビームＬｐのパルス幅をＴ１で表し、レーザパルスの立ち上がり時刻ｔ２から、パルス出力タイミング信号Ｐｔの立ち下がり時刻ｔ３までの期間（以下、「主期間」という。）をＴ２で表し、時刻ｔ３から、レーザパルスが消滅するまでのテール部分の期間（以下、「テール期間」という。）をＴ３で表す。

【0027】

１つのレーザパルスが立ち下がった後、パルス出力タイミング信号Ｐｔのパルスに対応して、後続のレーザパルスが出力される。パルス出力タイミング信号Ｐｔの複数のパルスのパルス幅は一定であるとは限らず、パルス間隔、すなわちパルスの繰り返し周波数も一定であるとは限らない。

【0028】

図４に、レーザ制御装置１５のブロック図を示す。光検出器２０から出力された検出値Ｄｖが、コンパレータ１５１の非反転入力端子に入力される。コンパレータ１５１の反転入力端子には、閾値Ｔｔが入力されている。コンパレータ１５１は、閾値Ｔｔを境にして検出値Ｄｖを二値化し、窓関数Ｗｆを生成する。閾値Ｔｔは、ノイズレベル程度に設定されている。乗算器１５２が、検出値Ｄｖに窓関数Ｗｆを掛け合わせることにより、比較用検出値Ｄｖ１を生成する。

【0029】

乗算器１５４が、加工機制御装置３５から出力された出力目標値Ｔｖに窓関数Ｗｆを掛け合わせることにより、比較用目標値Ｔｖ１を生成する。積分器１５３が、比較用検出値Ｄｖ１を積分して、積分検出値Ｄｖｉを生成する。積分器１５５が、比較用目標値Ｔｖ１を積分して、積分目標値Ｔｖｉを生成する。積分器１５３、１５５の積分時間は、例えば
１秒である。すなわち、積分器１５３、１５５は、入力値を１秒間に亘って積分し、１秒毎に、出力を新しい積分結果に更新する。

【0030】

減算器１５６が、積分目標値Ｔｖｉに対する積分検出値Ｄｖｉの偏差Ｉｄ（以下、積分偏差）という。）を生成する。積分偏差Ｉｄが増幅器１５７で増幅されて調節部１５８に入力される。調節部１５８は、積分偏差Ｉｄが小さくなるように、出力目標値Ｔｖを補正して制御値Ｃｖを出力する。制御値Ｃｖはレーザ発振器１０に与えられる。

【0031】

図５に、レーザ発振器１０へのフィードバック制御で用いられる種々の信号の波形の一例を示す。出力目標値Ｔｖは一定値を維持する。時刻ｔ１でパルス出力タイミング信号Ｐｔが立ち上がり、時刻ｔ３でパルス出力タイミング信号Ｐｔが立ち下がる。

【0032】

パルス出力タイミング信号Ｐｔの立ち上がり時刻ｔ１から、ある遅延時間が経過した時刻ｔ２において、パルスレーザビームが出力されることにより、検出値Ｄｖが立ち上がる。検出値Ｄｖは、パルス出力タイミング信号Ｐｔの立ち下がり時刻ｔ３から低下し始め、時刻ｔ４で閾値Ｔｔまで低下し、その後０まで低下する。閾値Ｔｔがノイズレベル程度に設定されているため、時刻ｔ４は、レーザパルスの強度が０になる時刻とほぼ一致すると考えてよい。

【0033】

窓関数Ｗｆが開いている期間（値が１を示す期間）が、主期間Ｔ２とテール期間Ｔ３とに区分される。窓関数Ｗｆが開いている期間と、パルス出力タイミング信号Ｐｔが与えられている期間Ｔ０との重複部分が、主期間Ｔ２に相当する。窓関数Ｗｆが開いている期間のうち、主期間Ｔ２以外の部分がテール期間Ｔ３に相当する。

【0034】

検出値Ｄｖが閾値Ｔｔ以上である期間、窓関数Ｗｆが１になる。閾値Ｔｔがノイズレベル程度に設定されているため、窓関数Ｗｆの立ち上がり時刻は検出値Ｄｖの立ち上がり時刻ｔ２とほぼ一致する。時刻ｔ２からｔ４までの期間の窓関数Ｗｆの値が１であるため、時刻ｔ２からｔ４までの期間の比較用検出値Ｄｖ１は、検出値Ｄｖと同一の波形を示す。時刻ｔ２からｔ４までの期間の比較用目標値Ｔｖ１は、出力目標値Ｔｖに一致する。窓関数Ｗｆの値が０の期間は、比較用目標値Ｔｖ１も０である。

【0035】

比較用検出値Ｄｖ１が出力されている期間、すなわち窓関数Ｗｆの値が１になっている期間、積分器１５３の積分結果及び積分器１５５の積分結果が単調に増加する。積分器１５３の積分結果Ｄｖｉ０を破線で示し、積分器１５５の積分結果Ｔｖｉ０を破線で示している。積分器１５３の出力である積分検出値Ｄｖｉは、直前のリセット時の値に維持されている。積分器１５３の積分結果の傾きは、比較用検出値Ｄｖ１の大きさに比例する。比較用目標値Ｔｖ１が一定であるため、積分結果の傾きも一定である。窓関数Ｗｆの値が０の期間は、積分結果Ｄｖｉ０、Ｔｖｉ０は一定値に維持される。

【0036】

時刻ｔ４以降も、加工機制御装置３５からパルス出力タイミング信号Ｐｔのパルスが断続的に出力される。パルス出力タイミング信号Ｐｔの出力に応じて、検出値Ｄｖが出力され、窓関数Ｗｆの値が１になる。窓関数Ｗｆの値が１になっている期間、比較用検出値Ｄｖ１及び比較用目標値Ｔｖ１に応じて、それぞれ積分器１５３、１５５の積分結果Ｄｖｉ０及びＴｖｉ０が増加する。

【0037】

積分器１５３、１５５のリセット時刻ｔ５において、積分検出値Ｄｖｉ及び積分目標値Ｔｖｉが、新しい積分結果に更新される。これに伴い、積分偏差Ｉｄも更新される。調節部１５８（図４）は、更新された積分偏差Ｉｄに応じて、積分偏差Ｉｄが小さくなる方向に、出力目標値Ｔｖを修正して制御値Ｃｖを出力する。

【0038】

例えば、パルス幅内平均出力が出力目標値Ｔｖより小さい場合、積分検出値Ｄｖｉが積分目標値Ｔｖｉより小さくなり、積分偏差Ｉｄが正になる。このとき、調節部１５８は、制御値Ｃｖを増加させる。制御値Ｃｖが大きくなると、放電電極１２（図１）に印加される高周波電圧Ｖｅが高くなる。その結果、レーザ発振器１０（図１）から出力されるパルスレーザビームのパルス幅内平均出力が大きくなる。

【0039】

逆に、パルス幅内平均出力が出力目標値Ｔｖより大きい場合、積分検出値Ｄｖｉが積分目標値Ｔｖｉより大きくなり、積分偏差Ｉｄが負になる。このとき、調節部１５８は、制御値Ｃｖを低下させる。制御値Ｃｖが小さくなると、放電電極１２（図１）に印加される高周波電圧Ｖｅが低くなる。その結果、レーザ発振器１０（図１）から出力されるパルスレーザビームのパルス幅内平均出力が小さくなる。

【0040】

積分偏差Ｉｄが小さくなるように制御値Ｃｖを調整する方法として、例えばＰ（比例）制御、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御等を適用することができる。

【0041】

一般的に、パルスの繰り返し周波数は、ｋＨｚのオーダである。積分器１５３、１５５のリセット周期は、例えば１秒に設定される。これにより、１秒周期で、レーザ発振器１０の出力をフィードバック制御することができる。周囲の温度環境、レーザ媒質ガスの劣化等の時定数は、積分器１５３、１５５のリセット周期（例えば１秒）に比べて十分長い。このため、環境変動に追随可能な十分短い周期で、フィードバック制御を行うことができる。

【0042】

レーザ発振器１０から出力されるパルスレーザビームＬｐのパルスの繰り返し周波数やパルス幅が変動すると、パルス幅内平均出力が一定であっても、積分検出値Ｄｖｉが変動してしまう。このため、積分検出値Ｄｖｉを、出力目標値Ｔｖや、その積分値と比較しても、パルス幅内平均出力が許容範囲に収まっているか否かを判定することができない。

【0043】

上記実施例では、出力目標値Ｔｖを積分するのではなく、出力目標値Ｔｖに窓関数Ｗｆを掛け合わせた結果である比較用目標値Ｔｖ１を積分している。レーザパルスが出力されていない期間の出力目標値Ｔｖが積分結果に加算されないため、比較用目標値Ｔｖ１の積分結果である積分目標値Ｔｖｉを、比較用検出値Ｄｖ１の積分結果の目標値として利用することができる。

【0044】

積分目標値Ｔｖｉに基づいてフィードバック制御を行うことにより、パルスの繰り返し周波数及びパルス幅が変動しても、レーザ発振器１０の出力変動を抑制するためのフィードバック制御を適正に行うことが可能である。

【0045】

図４に示した実施例では、検出値Ｄｖに窓関数Ｗｆを掛け合わせた。これは、レーザパルスが出力されていない期間に、ノイズ成分が積分されてしまうことを防止するためである。光検出器２０の出力のＳ／Ｎ比が十分高い場合には、検出値Ｄｖを、窓関数Ｗｆと掛け合わせることなく、積分器１５３に直接入力してもよい。

【0046】

図６Ａに示すように、光検出器２０から出力された検出値Ｄｖを、半波整流回路１５９で整流することにより比較用検出値Ｄｖ１を生成してもよい。半波整流回路１５９として、例えばダイオードが用いられる。パルスレーザビームＬｐが出力されている期間は、検出値Ｄｖが正であり、その他の期間における検出値Ｄｖの大きさはノイズレベルである。検出値Ｄｖを半波整流回路１５９で整流すると、検出値Ｄｖが負の期間の比較用検出値Ｄｖ１が０になる。これにより、ノイズの影響を低減することができる。

【0047】

図６Ｂに示すように、半波整流回路１５９として、非反転型の理想化ダイオード回路を
用いてもよい。理想化ダイオード回路は、オペアンプ、ダイオード、及び抵抗素子により構成される。半波整流回路１５９にダイオードを用いた場合（図６Ａ）には、積分器１５３（図６Ａ）に入力される比較用検出値Ｄｖ１が、検出値Ｄｖよりも、ダイオードの順方向電圧降下分だけ小さくなってしまう。半波整流回路１５９に非反転型の理想化ダイオード回路を用いると、順方向の電圧降下を実質的に０にすることができる。

【0048】

図７に、上記実施例の変形例によるレーザ加工装置に用いられているレーザ制御装置１５のブロック図を示す。図４に示した実施例では、積分器１５３、１５５（図４）でそれぞれ比較用検出値Ｄｖ１及び比較用目標値Ｔｖ１を積分した後、減算器１５６で積分偏差Ｉｄを求めた。図７に示した変形例では、減算器１５６で、比較用目標値Ｔｖ１に対する比較用検出値Ｄｖ１の偏差を求めた後、積分器１６０で偏差を積分することにより、積分偏差Ｉｄを求める。図７に示した変形例でも、図１〜図５に示した実施例と同様の効果が得られる。増幅器１５７に積分機能を持たせ、積分器１６０を省略してもよい。

【0049】

次に、図８及び図９を参照して、他の実施例について説明する。以下、図１〜図５に示した実施例との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

【0050】

図８に示すように、出力目標値Ｔｖが、乗算器１５４Ａの一方の入力端子に入力されるとともに、Ｋ倍されて他の乗算器１５４Ｂの一方の入力端子に入力される。ここで、Ｋは、１未満である。乗算器１５４Ａの他方の入力端子に、図３に示した主期間Ｔ２で値が１となり、その他の期間には値が０となる窓関数が入力される。乗算器１５４Ｂの他方の入力端子に、図３に示したテール期間Ｔ３で値が１となり、その他の期間で値が０となる窓関数が入力される。テール期間Ｔ３においては、レーザパルスが徐々に減衰する。

【0051】

乗算器１５４Ａの出力値Ｔｖ２と、もう一方の乗算器１５４Ｂの出力値Ｔｖ３とが、加算器１６２で足し合わされて、積分器１５５に入力される。積分器１５５より後段の構成は、図４に示した構成と同一である。

【0052】

図９に、比較用検出値Ｄｖ１、図４に示した実施例における比較用目標値Ｔｖ１、図８に示した実施例における出力値Ｔｖ２、Ｔｖ３、及び加算器１６２の出力値Ｔｖ２＋Ｔｖ３の波形を示す。図４に示した実施例においては、比較用目標値Ｔｖ１は、期間Ｔ１の間、一定の出力目標値Ｔｖに維持されていた。図８に示した実施例においては、出力値Ｔｖ２は、主期間Ｔ２の間は、出力目標値Ｔｖに維持される。出力値Ｔｖ３は、テール期間Ｔ３の間、出力目標値Ｔｖに定数Ｋを掛け合わせた値になる。

【0053】

加算器１６２の出力値Ｔｖ２＋Ｔｖ３は、主期間Ｔ２の間は、出力目標値Ｔｖに維持されるが、テール期間Ｔ３の間は、それよりも小さな値Ｔｖ×Ｋである。レーザパルスのテール部分において、比較用検出値Ｄｖ１が徐々に低下している波形が、出力目標値Ｔｖよりも小さな値Ｔｖ×Ｋで近似されている。

【0054】

加算器１６２の出力値Ｔｖ２＋Ｔｖ３の波形は、図４に示した実施例における比較用目標値Ｔｖ１の波形よりも、実際のレーザパルスの波形に近い。このため、図８に示した実施例の構成を採用することにより、図４に示した実施例に比べて、より高精度なフィードバックが可能になる。

【0055】

図８に示した実施例では、乗算器１５４Ａ、１５４Ｂの出力を加算器１６２で加算した後、積分器１５５で積分した。この構成に代えて、乗算器１５４Ａ、１５４Ｂの出力を、それぞれ積分した後に、加算器で加算してもよい。この場合には、積分器１５５が省略され、乗算器１５４Ａ、１５４Ｂの後段に、それぞれ積分器が挿入される。

【0056】

また、図８に示した実施例では、積分目標値Ｔｖｉに対する積分検出値Ｄｖｉの偏差を、減算器１５６で求めた。この構成に代えて、積分前の出力値Ｔｖ２＋Ｔｖ３に対する比較用検出値Ｄｖ１の偏差を求め、この偏差を積分してもよい。この場合には、積分器１５３、１５５が省略され、減算器１５６の後段に１つの積分器が挿入される。減算器１５６の後段に積分器を挿入する代わりに、増幅器１５７に積分機能を持たせてもよい。

【0057】

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【符号の説明】

【0058】

１０ レーザ発振器
１１ レーザ電源
１２ 放電電極
１３ 直流電源
１４ 高周波電源
１４ａ スイッチング素子
１５ レーザ制御装置
２０ 光検出器
２１ 部分反射鏡
２２ スポット位置安定化光学系
２３ 非球面レンズ
２４ コリメートレンズ
２５ マスク
２６ フィールドレンズ
２７ 折り返しミラー
２８ ビーム走査器
２９ ｆθレンズ
３０ ステージ
３１ 加工対象物
３５ 加工機制御装置
４０ 送風機
４２ 放電空間
４３ 導電部材
４４ セラミック部材
４６ 熱交換器
５０ チャンバ
５１ 端子
５２ チャンバ内電流路
５５ チャンバ外電流路
１５１ コンパレータ
１５２ 乗算器
１５３ 積分器
１５４、１５４Ａ、１５４Ｂ 乗算器
１５５ 積分器
１５６ 減算器
１５７ 増幅器
１５８ 調節部
１５９ 半波整流回路
１６０ 積分器
１６２ 加算器
Ｃｖ 制御値
Ｄｖ 検出値
Ｄｖ１ 比較用検出値
Ｄｖｉ 積分検出値
Ｄｖｉ０ 積分結果
Ｅｃ 励振指令信号
Ｉｄ 積分偏差
Ｉｅ 放電電流
Ｌｐ パルスレーザビーム
Ｐｔ パルス出力タイミング信号
Ｔｔ 閾値
Ｔｖ 出力目標値
Ｔｖ１ 比較用目標値
Ｔｖ２、Ｔｖ３ 出力値
Ｔｖｉ 積分目標値
Ｔｖｉ０ 積分結果
Ｖｅ 高周波電圧
Ｗｆ 窓関数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】