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(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】
(24)【登録日】2022-12-06
(45)【発行日】2022-12-14
(54)【発明の名称】レーザ加工機およびその電源装置
(51)【国際特許分類】
H01S 3/00 20060101AFI20221207BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20221207BHJP
H01S 3/097 20060101ALI20221207BHJP
【ＦＩ】
H01S3/00 G
B23K26/00 N
H01S3/097 A
H01S3/00 B
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2018081677
(22)【出願日】2018-04-20
(65)【公開番号】P2019192714
(43)【公開日】2019-10-31
【審査請求日】2021-02-17
(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】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(74)【代理人】
【識別番号】100116274
【弁理士】
【氏名又は名称】富所 輝観夫
(72)【発明者】
【氏名】山口 英正
(72)【発明者】
【氏名】原 章文
(72)【発明者】
【氏名】塚原 大地
【審査官】村井 友和
(56)【参考文献】
【文献】特開平０８－２３６８４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２３９５７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０４１９３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０６６３２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－１９１２６４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ３／００－３／３０
Ｂ２３Ｋ ２６／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
パルス状のタイミング信号を発生する加工機制御装置と、レーザ発振器と、
前記レーザ発振器にバースト状の高周波電圧を供給する電源装置と、
前記レーザ発振器から出力されるパルスレーザを検出し、パルス状の第１検出信号を生成する光検出素子と、
前記タイミング信号に応じて、前記電源装置に励振信号を与えて前記高周波電圧を発生させるとともに、前記第１検出信号を平滑化して第２検出信号を生成し、前記第２検出信号にもとづいて前記電源装置の状態を調節する制御装置と、
を備え、
前記タイミング信号のデューティ比は可変であり、
前記制御装置は、前記パルスレーザの発光時間と繰り返し周期の割合であるデューティ比を検出するデューティ比検出器をさらに備え、前記デューティ比に応じて、前記第２検出信号またはその目標値をスケーリングし、
前記デューティ比検出器は、
前記第１検出信号を二値化して第３検出信号を生成し、前記第３検出信号を平滑化して前記デューティ比を示す第４検出信号を生成することを特徴とするレーザ加工機。
【請求項2】
前記制御装置は、前記高周波電圧の振幅を調節することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
【請求項3】
前記制御装置は、前記高周波電圧の発生時間を調節することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
【請求項4】
パルス状のタイミング信号にもとづきレーザ発振器を駆動する電源装置であって、直流電圧を生成する直流電源と、
前記直流電圧を高周波電圧に変換し、前記タイミング信号に応じてバースト状の前記高周波電圧を前記レーザ発振器に供給する高周波電源と、
前記レーザ発振器から出力されるパルスレーザを検出し、パルス状の第１検出信号を生成する光検出素子と、
前記第１検出信号を平滑化して第２検出信号を生成し、前記第２検出信号にもとづいて前記直流電源の前記直流電圧、および前記高周波電源の動作時間の少なくとも一方を調節するレーザ制御装置と、
を備え、
前記タイミング信号のパルス幅および／または周波数は可変であり、
前記レーザ制御装置は、前記パルスレーザの発光時間と繰り返し周期の割合であるデューティ比を検出するデューティ比検出器をさらに備え、前記デューティ比に応じて、前記第２検出信号またはその目標値をスケーリングし、
前記デューティ比検出器は、前記第１検出信号を二値化して第３検出信号を生成し、前記第３検出信号を平滑化して前記デューティ比を示す第４検出信号を生成することを特徴とする電源装置。
【請求項5】
パルス状のタイミング信号を発生する加工機制御装置と、レーザ発振器と、
前記レーザ発振器にバースト状の高周波電圧を供給する電源装置と、
前記レーザ発振器から出力されるパルスレーザを検出し、パルス状の第１検出信号を生成する光検出素子と、
前記タイミング信号に応じて、前記電源装置に励振信号を与えて前記高周波電圧を発生させるとともに、前記第１検出信号を平滑化して第２検出信号を生成し、前記第２検出信号にもとづいて前記電源装置の状態を調節する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記第１検出信号を入力として前記第２検出信号を出力する、アナログ回路で構成された平滑化回路を含み、前記平滑化回路の時定数は、前記第１検出信号の周期の５倍～５０倍であることを特徴とするレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
産業用の加工ツールとして、レーザ加工機が広く普及している。図１は、レーザ加工機１ｒのブロック図である。レーザ加工機１ｒは、ＣＯ２レーザなどのレーザ発振器２と、レーザ発振器２に交流電力を供給し、励振させるレーザ駆動装置４ｒを備える。レーザ駆動装置４ｒは、直流電源６および高周波電源８を備える。直流電源６は直流電圧ＶＤＣを生成する。高周波電源８は、直流電圧ＶＤＣを受け、それを高周波電圧ＶＲＦに変換して、負荷であるレーザ発振器２に供給する。
【0003】
ドリル用のレーザ加工機１ｒにおいて、レーザ発振器２は不連続運転する。すなわち、比較的短い数マイクロ～１０マイクロ秒程度の発光期間と、それと同程度、あるいは長い（あるいは短い）休止期間とが交互に繰り返され、したがってレーザ発振器２からは、パルスレーザＬｐが出射される。
【0004】
パルスレーザＬｐの強度は、高周波電圧ＶＲＦの振幅に応じて制御可能であるが、現実的には、環境温度やレーザガスの劣化等の影響を受けて変動する。つまり同じ振幅の高周波電圧ＶＲＦを与えたとしても、得られるパルスレーザＬｐの強度は、時々刻々と変化する。パルスレーザの強度の変動は、加工精度の低下をもたらす。そこでパルスレーザＬｐの強度を安定化させる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１６－５９９３２号公報
【文献】特開２０１５－２２３５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
図２は、パルスレーザＬｐの強度の波形の一例を示す図である。パルスレーザＬｐの波形は、発光期間Ｔｅの間、必ずしも均一ではなく、典型的には発光直後に急激に上昇し、発光停止時には緩やかに減衰する。本明細書において、パルスレーザＬｐの発光期間Ｔｅ中における平均強度（パルス幅内平均出力）を、実効強度Ｉｅｆｆと称する。実効強度Ｉｅｆｆは、パルスあたりのエネルギーを発光時間Ｔｅで除した値と把握してもよい。
【0007】
特許文献２には、パルスレーザＬｐの強度を検出し、その検出値の積分値と出力目標値の積分値との偏差が小さくなるように、パルスレーザの強度の指令値をフィードバック制御する技術が開示される。
【0008】
特許文献２の技術では、複数のパルスレーザを包含するある程度長い積分期間（たとえば１秒）において、レーザのエネルギーの総和を目標値に近づけることができる。言い換えれば、個々のパルスレーザの実効強度Ｉｅｆｆが目標値に保たれていることを保証するものではない。
【0009】
本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、レーザパルスビームの強度あるいはエネルギーをより正確に制御可能なレーザ加工機およびその電源装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明のある態様は、レーザ加工機に関する。レーザ加工機は、パルス状のタイミング信号を発生する加工機制御装置と、レーザ発振器と、レーザ発振器にバースト状の高周波電圧を供給する電源装置と、レーザ発振器から出力されるパルスレーザを検出し、パルス状の第１検出信号を生成する光検出素子と、タイミング信号に応じて、電源装置に励振信号を与えて高周波電圧を発生させるとともに、第１検出信号を平滑化して第２検出信号を生成し、第２検出信号にもとづいて電源装置の状態を調節するレーザ制御装置と、を備える。
【0011】
この態様によれば、パルスレーザの１ショットごとの実効強度あるいはエネルギーを正確に制御できる。
【0012】
レーザ制御装置は、高周波電圧の振幅を調節してもよい。これにより、パルスレーザの強度を調節できる。
【0013】
それに代えて、あるいはそれに加えて、レーザ制御装置は、高周波電圧の発生時間を調節してもよい。これにより、１ショットあたりのパルスレーザのエネルギーを調節できる。
【0014】
タイミング信号のパルス幅および／または周波数は可変であり、第１検出信号を二値化して第３検出信号を生成し、第３検出信号を平滑化して第４検出信号を検出し、第２検出信号を第４検出信号で除して得られる第５検出信号にもとづいて、電源装置の状態を調節してもよい。これにより、タイミング信号のパルス幅や周波数が変動する場合においても、個々のパルスレーザの強度を正確に制御できる。
【0015】
本発明の別の態様は、パルス状のタイミング信号にもとづきレーザ発振器を駆動する電源装置に関する。電源装置は、直流電圧を生成する直流電源と、直流電圧を高周波電圧に変換し、高周波電圧をタイミング信号に応じて間欠的にレーザ発振器に供給する高周波電源と、レーザ発振器から出力されるパルスレーザを検出し、パルス状の第１検出信号を生成する光検出素子と、第１検出信号を平滑化して第２検出信号を生成し、第２検出信号にもとづいて直流電源の直流電圧、および高周波電源の動作時間の少なくとも一方を調節するレーザ制御装置と、を備える。
【0016】
タイミング信号のパルス幅および／または周波数は可変であってもよい。レーザ制御装置は、第１検出信号を二値化して第３検出信号を生成し、第３検出信号を平滑化して第４検出信号を検出し、第２検出信号を第４検出信号で除して得られる第５検出信号が、目標値に近づくようにフィードバック制御を行ってもよい。
【0017】
レーザ制御装置は、タイミング信号の１パルスごとに、すなわちレーザの１ショットごとに直流電源および／または高周波電源の動作パラメータを更新してもよい。
【0018】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【0019】
本発明のある態様によれば、レーザパルスビームの強度あるいはエネルギーをより正確に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】レーザ加工機のブロック図である。
【図2】パルスレーザＬｐの強度の波形の一例を示す図である。
【図3】レーザ加工機の構成を示すブロック図である。
【図4】第１の実施の形態に係るレーザ装置のブロック図である。
【図6】電源装置の構成例を示すブロック図である。
【図7】第１実施例に係るレーザ制御装置のブロック図である。
【図8】補正動作の一例を示す波形図である。
【図9】第２実施例に係るレーザ制御装置のブロック図である。
【図10】第３実施例に係るレーザ制御装置のブロック図である。
【図11】第４実施例に係るレーザ制御装置のブロック図である。
【図12】第２の実施の形態に係るレーザ制御装置のブロック図である。
【図13】変形例に係るレーザ装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【0022】
図３は、レーザ加工機の構成を示すブロック図である。レーザ加工機９００は、対象物９０２にレーザパルスビーム９０４を照射し、対象物９０２を加工する。対象物９０２の種類は特に限定されず、また加工の種類も、穴空け（ドリル）、切断などが例示されるが、その限りではない。
【0023】
レーザ加工機９００は、レーザ装置１００、光学系９１０、加工機制御装置９２０、ステージ９３０を備える。対象物９０２はステージ９３０上に載置され、必要に応じて固定される。
【0024】
加工機制御装置９２０は、レーザ加工機９００を統括的に制御する。具体的には加工機制御装置９２０は、レーザ装置１００に対してタイミング信号Ｓ１およびレーザパルスビームの強度を指定する強度指令Ｓ２を出力する。また加工機制御装置９２０は、加工処理を記述するデータ（レシピ）にしたがってステージ９３０を制御するための位置制御信号Ｓ３を生成する。
【0025】
ステージ９３０は、加工機制御装置９２０からの位置制御信号Ｓ３に応じて、対象物９０２を位置決めし、対象物９０２とレーザパルスビーム９０４の照射位置を相対的にスキャンする。ステージ９３０は、１軸、２軸（ＸＹ）あるいは３軸（ＸＹＺ）であり得る。
【0026】
レーザ装置１００は、加工機制御装置９２０からのタイミング信号Ｓ１をトリガとして発振し、レーザパルスビーム９０６を発生する。タイミング信号Ｓ１は、ハイ、ロー２値をとるパルス信号であり、例えばハイの区間が発光区間に、ローの区間が停止区間となる。レーザパルスビーム９０６の発光区間中の強度は、強度指令Ｓ２にもとづいて設定される。光学系９１０は、レーザパルスビーム９０６を対象物９０２に照射する。光学系９１０の構成は特に限定されず、ビームを対象物９０２に導くためのミラー群、ビーム整形のためのレンズやアパーチャなどを含みうる。
【0027】
以上がレーザ加工機９００の構成である。以下、加工機制御装置９２０からのタイミング信号Ｓ１および強度指令Ｓ２にもとづいて動作するレーザ装置１００について説明する。
【0028】
＜第１の実施の形態＞
図４は、第１の実施の形態に係るレーザ装置１００のブロック図である。レーザ装置１００は、レーザ発振器１１０、電源装置１２０、レーザ制御装置１４０、光検出器１８０、を備える。
図４は、第１の実施の形態に係るレーザ装置１００のブロック図である。レーザ装置１００は、レーザ発振器１１０、電源装置１２０、レーザ制御装置１４０、光検出器１８０、を備える。
【0029】
レーザ発振器１１０は、一対の放電電極、レーザ共振器を形成する一対のミラーなどを備える。
【0030】
電源装置１２０は、高周波電圧ＶＲＦを生成し、レーザ発振器１１０の一対の放電電極に印加する。高周波電圧ＶＲＦの周波数（同期周波数という）は、レーザ発振器１１０の一対の放電電極の静電容量と、それに付随するインダクタの共振周波数に応じて規定される。
【0031】
電源装置１２０は、直流電源２００および高周波電源３００を備える。直流電源２００は直流電圧ＶＤＣを生成する。たとえば直流電源２００には、直流電圧ＶＤＣの目標レベルを指示する電圧指令Ｓ５が入力される。電圧指令Ｓ５は、直流電圧ＶＤＣの目標値を示すアナログの基準電圧ＶＲＥＦであってもよいし、基準電圧ＶＲＥＦを示すデジタル値であってもよい。直流電源２００は、直流電圧ＶＤＣの電圧レベルを基準電圧ＶＲＥＦに安定化する。
【0032】
高周波電源３００は直流電圧ＶＤＣを受け、それを交流の高周波電圧ＶＲＦに変換する。高周波電源３００は、直流電圧ＶＤＣを交流電圧に変換するインバータと、インバータの出力を昇圧するトランスを含んでもよい。高周波電圧ＶＲＦの振幅は直流電圧ＶＤＣに比例するから、パルスレーザＬｐの実効強度は電圧指令Ｓ５（基準電圧ＶＲＥＦ）にもとづいて制御可能である。
【0033】
レーザ制御装置１４０には、タイミング信号Ｓ１および強度指令Ｓ２が入力される。レーザ制御装置１４０は、タイミング信号Ｓ１がハイの間、電源装置１２０のインバータに、同期周波数の励振信号Ｓ４を供給する。これにより電源装置１２０からレーザ発振器１１０に、バースト状の高周波電圧ＶＲＦが供給され、レーザ発振器１１０は、タイミング信号Ｓ１に応じて、発振と停止を交互に繰り返す。典型的には、タイミング信号Ｓ１の繰り返し周波数は１ｋＨｚ～１０ｋＨｚ程度であり、パルス幅（つまりレーザの励振時間）は数十μｓのオーダーである。
【0034】
レーザ制御装置１４０は、強度指令Ｓ２に応じて、基準電圧ＶＲＥＦを生成する。これにより高周波電圧ＶＲＦの振幅、ひいてはパルスレーザＬｐの強度が、強度指令Ｓ２に応じて制御される。
【0035】
以上がレーザ装置１００の基本構成である。続いてその動作を説明する。続いてレーザ装置１００の基本的な動作を説明する。図５は、図４のレーザ装置１００の動作波形図である。図５には上から順に、タイミング信号Ｓ１、励振信号Ｓ４、高周波電圧ＶＲＦ、レーザ発振器１１０の放電電極に流れる放電電流ＩＤＩＳ、パルスレーザＬｐの強度が示される。なお本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。
【0036】
時刻ｔ０にタイミング信号Ｓ１がハイとなると、同期周波数を有する励振信号Ｓ４が生成される。励振信号Ｓ４に応じて高周波電源３００がスイッチングすることにより、高周波電圧ＶＲＦがレーザ発振器１１０に供給される。レーザ発振器１１０の放電電極に高周波電圧ＶＲＦが印加されると放電が生じ、放電電流ＩＤＩＳが流れはじめる。励振信号Ｓ４は、タイミング信号Ｓ１がハイとなるオン時間（励振時間）Ｔｏｎの間、持続する。
【0037】
放電開始後、ある遅延時間の経過後の時刻ｔ１において、パルスレーザＬｐの強度が増加する。レーザパルスの波形は、レーザ発振器の特性に依存する。この例では、立ち上がりの直後において大きなピークが現れ、その後、平坦な部分が継続する。
【0038】
時刻ｔ２にタイミング信号Ｓ１がローとなると、励振信号Ｓ４が停止し、高周波電圧ＶＲＦも停止する。そうすると放電が徐々に弱まり、やがて消滅する。パルスレーザＬｐの強度も時刻ｔ２以降、減衰していく。
【0039】
レーザ装置１００は、この動作を繰り返すことにより、パルスレーザＬｐを生成する。
【0040】
上述のように、所定の振幅の高周波電圧ＶＲＦを与えた場合であっても、パルスレーザＬｐの強度は、温度やガスの劣化に応じて変化する。そこでレーザ制御装置１４０は、パルスレーザＬｐの強度を一定に保つために電源装置１２０の状態を補正する。図４に戻り、パルスレーザＬｐの強度（あるいはエネルギー）の補正を説明する。
【0041】
光検出器１８０には、レーザ発振器１１０から出力されるパルスレーザＬｐの一部がビームスプリッタなどによって分岐入力される。光検出器１８０は、パルスレーザＬｐの強度を検出し、第１検出信号Ｖｓ１をレーザ制御装置１４０に供給する。光検出器１８０は、個々のパルスの強度を検出できる程度の高速応答性を有する必要があり、したがって熱型検出素子ではなく、量子型検出素子を用いることが好ましい。光検出器１８０の出力（第１検出信号）Ｖｓ１は、パルスレーザＬｐの波形に応じたパルス状の信号となる。
【0042】
レーザ制御装置１４０は、第１検出信号Ｖｓ１にもとづいて、パルスレーザＬｐの強度（およびエネルギー）を安定化し、温度やガスの劣化などの影響を低減する。より具体的にはレーザ制御装置１４０は、パルス状の第１検出信号Ｖｓ１を平滑化する平滑化回路１４２を含み、平滑化された第２検出信号Ｖｓ２にもとづいて、電源装置１２０の状態（動作パラメタ）を調節する。平滑化回路１４２は、アナログあるいはデジタルのローパスフィルタで構成することができる。ローパスフィルタの時定数（すなわちカットオフ周波数）は、想定されるタイミング信号Ｓ１の繰り返し周波数にもとづいて定めればよく、たとえばローパスフィルタの時定数は、１～２０ｍｓ程度に設定される。たとえばタイミング信号Ｓ１の周波数が、１ｋＨｚ～１０ｋＨｚである場合に、ローパスフィルタの時定数を５ｍｓとした場合、時定数は、タイミング信号Ｓ１の周期の５～５０倍となる。平滑化回路１４２が生成する第２検出信号Ｖｓ２は、第１検出信号Ｖｓ１の連続するいくつかのパルスの実効強度の平均を表すものと把握できる。
【0043】
Ｔｐをタイミング信号Ｓ１の繰り返し周期、Ｔｅをレーザの発光時間（パルス幅）としたとき、それらの比をデューティ比ＤＲという。
ＤＲ＝Ｔｅ／Ｔｐ
第２検出信号Ｖｓ２は、パルスレーザの実効強度Ｉｅｆｆにタイミング信号Ｓ１のデューティ比ＤＲを乗じた量に比例する。言い換えれば、実効強度Ｉｅｆｆの検出値は、以下の式で表される。
Ｉｅｆｆ∝Ｖｓ２／ＤＲ
デューティ比ＤＲが一定と仮定すると、第２検出信号Ｖｓ２は実効強度Ｉｅｆｆを表す。
ＤＲ＝Ｔｅ／Ｔｐ
第２検出信号Ｖｓ２は、パルスレーザの実効強度Ｉｅｆｆにタイミング信号Ｓ１のデューティ比ＤＲを乗じた量に比例する。言い換えれば、実効強度Ｉｅｆｆの検出値は、以下の式で表される。
Ｉｅｆｆ∝Ｖｓ２／ＤＲ
デューティ比ＤＲが一定と仮定すると、第２検出信号Ｖｓ２は実効強度Ｉｅｆｆを表す。
【0044】
レーザ制御装置１４０は、第２検出信号Ｖｓ２にもとづいて得られるレーザの実効強度の検出値が、その目標値と一致するように、フィードバック制御によって電源装置１２０の動作パラメータを補正する補正部１４４を含む。実効強度の目標値は、強度指令Ｓ２に応じて生成される。本実施の形態では、補正対象の動作パラメータは、高周波電圧ＶＲＦの振幅であり、すなわちレーザ制御装置１４０は、直流電圧ＶＤＣを補正する。
【0045】
このレーザ装置１００によれば、平滑化回路１４２により平滑化された第２検出信号Ｖｓ２を参照することにより、パルスレーザの１ショットごとの実効強度あるいはエネルギーを正確に制御できる。この利点は、特許文献２の技術との対比によって明確となる。
【0046】
特許文献２では、パルスレーザのエネルギーをショット毎に積算していく。ワンショットのエネルギを正規化して１とすると、ショット毎に目標値は、１，２，３…と増加していく。たとえば１００ショット目の１パルスのエネルギー（強度）が１．１である場合、フィードバックされる積算値は１０００．１であり、そのときの目標値は１０００となる。したがって、１ショットとして１０％の誤差があっても、積算値でみると、０．０１％の誤差となる。したがって相対的に弱いフィードバックによって、長い時間スケールでパルスレーザの強度が調節されることになる。
【0047】
これに対して、本実施の形態では、第２検出信号Ｖｓ２は、第１検出信号Ｖｓ１の連続するいくつかのパルスの実効強度の平均を表す。たとえば５個のパルスの平均値であるとする。連続する５つのパルスのうち、４個の検出値が１、残りが１．１であるとすると、それらの平均は１．０２となり、目標値（１）との誤差は２％となる。したがって、特許文献２よりも相対的に誤差が大きくなり、強いフィードバックでパルスレーザの強度が補正される。したがって本実施の形態によれば、特許文献２よりも、光強度を正確かつ高速に制御することが可能である。
【0048】
図６は、電源装置１２０の構成例を示すブロック図である。直流電源２００は、バンクコンデンサ２０２、充電回路２１０、充電コントローラ２３０を備える。直流電源２００と高周波電源３００の間は、ＤＣリンク２０４で接続される。ＤＣリンク２０４には、バンクコンデンサ２０２が接続される。
【0049】
レーザのショットの終了後、バンクコンデンサ２０２は放電され、直流電圧ＶＤＣは低下する。充電回路２１０は、次のショットまでに、バンクコンデンサ２０２に充電電流ＩＣＨＧを供給し、直流電圧ＶＤＣを回復させる。充電コントローラ２３０は、ＤＣリンク２０４の直流電圧ＶＤＣが、電圧指令Ｓ５に応じた目標電圧ＶＲＥＦに近づくように、充電回路２１０による充電動作を制御する。たとえば充電コントローラ２３０は、電圧指令Ｓ５にもとづいて、充電回路２１０の充電時間および／または充電回数を制御してもよい。
【0050】
充電回路２１０はスイッチングコンバータ（たとえば降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ）で構成することができる。充電コントローラ２３０は、先行するメイン充電と、それに続くサブ充電によって、バンクコンデンサ２０２を充電してもよい。
【0051】
メイン充電では、電圧指令Ｓ５に応じたパルス幅を有するワンショットパルスを生成し、充電回路２１０を１回、スイッチングし、粗い精度で充電を行う。これにより、バンクコンデンサ２０２に、大きな充電電流が供給され、直流電圧ＶＤＣがおおよそ基準電圧ＶＲＥＦに近い電圧レベルまで回復する。続いてサブ充電に移行し、直流電圧ＶＤＣが基準電圧ＶＲＥＦと一致するように、ＤＣ／ＤＣコンバータを数回、スイッチングさせる。
【0052】
高周波電源３００は、昇圧トランス３０２およびインバータ３１０を備える。昇圧トランス３０２の２次巻線Ｗ２は、レーザ発振器１１０の放電電極と接続される。インバータ３１０は、たとえばフルブリッジ回路などを含む。インバータ３１０の電源端子には、直流電圧ＶＤＣが供給される。インバータ３１０は励振信号Ｓ４に応じてスイッチング動作し、昇圧トランス３０２の１次巻線Ｗ１に交流電圧ＶＡＣを印加し、２次巻線Ｗ２に高周波電圧ＶＲＦを発生させる。なおインバータ３１０や昇圧トランス３０２の構成、トポロジーは特に限定されない。
【0053】
＜第１実施例＞
図７は、第１実施例に係るレーザ制御装置１４０Ａのブロック図である。レーザ制御装置１４０Ａの主要部は、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）のようなデジタル回路で構成される。簡単のため、タイミング信号Ｓ１の繰り返し周波数およびパルス幅、言い換えればデューティ比は一定であるとする。
図７は、第１実施例に係るレーザ制御装置１４０Ａのブロック図である。レーザ制御装置１４０Ａの主要部は、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）のようなデジタル回路で構成される。簡単のため、タイミング信号Ｓ１の繰り返し周波数およびパルス幅、言い換えればデューティ比は一定であるとする。
【0054】
補正部１４４Ａは、タイミング信号Ｓ１の１周期すなわちパルスレーザＬｐの１ショットごとに動作し、電圧指令Ｓ５（基準電圧ＶＲＥＦ）を補正する。図中、（ｎ）はｎサイクル目の信号を、（ｎ－１）は１つ前の（ｎ－１）サイクル目の信号を表す。
【0055】
補正部１４４Ａは、Ａ／Ｄコンバータ１５０、減算器１５２、フィードバックコントローラ１５４、加算器１５６、メモリ１５８、Ｄ／Ａコンバータ１６０を含む。なお補正部１４４ＡをＰＬＣで構成する場合、減算器１５２、フィードバックコントローラ１５４、加算器１５６、メモリ１５８は、ソフトウェアプログラムを実行するプロセッサが有する機能を表す。Ａ／Ｄコンバータ１５０は、タイミング信号Ｓ１の１サイクル毎、すなわちレーザのワンショット毎に、アナログの第２検出信号Ｖｓ２をデジタル信号ＤＶｓ２に変換する。
【0056】
ｎ番目のサイクルの電圧指令Ｓ５を生成する際には、直前のサイクル（ｎ－１）サイクルのＡ／Ｄコンバータ１５０の出力ＤＶｓ２（ｎ－１）が参照される。Ａ／Ｄコンバータ１５０の動作タイミングは、レーザのショット完了直後であってもよい。
【0057】
減算器１５２は、デジタルの第２検出信号ＤＶｓ２（ｎ－１）と目標値ＤＲＥＦの差分ΔＩ（ｎ）を生成する。フィードバックコントローラ１５４は、差分ΔＩがゼロに近づくように、補正量ΔＤＶを生成する。本実施の形態においてフィードバックコントローラ１５４はＰ（比例）コントローラであり、差分ΔＩをゲイン倍し、補正量ＤＣＭＰ（ｎ）を生成する。なおフィードバックコントローラ１５４として、ＰＩ（比例積分）コントローラやＰＩＤ（比例積分微分）コントローラなどを用いてもよい。
【0058】
加算器１５６は、補正量ＤＣＭＰ（ｎ）を、前のサイクルの目標値ＤＶＲＥＦ（ｎ－１）に加算し、次のサイクルの目標値ＤＶＲＥＦ（ｎ）とする。Ｄ／Ａコンバータ１６０は、目標値ＤＶＲＥＦ（ｎ）をアナログの基準電圧ＶＲＥＦ（ｎ）に変換する。目標値ＤＶＲＥＦ（ｎ）はメモリ１５８に格納され次のサイクルにおいて加算器１５６に入力される。
【0059】
なお加算器１５６は、補正量ＤＣＭＰ（ｎ）を、基準電圧ＶＲＥＦの標準値と加算してもよい。
【0060】
続いてレーザ装置１００の補正動作を説明する。図８は、補正動作の一例を示す波形図である。レーザ発振器１１０の発光期間の直前、直流電圧ＶＤＣは目標電圧ＶＲＥＦに安定化される。タイミング信号Ｓ１に応じて、レーザ発振器１１０が発振し、パルスレーザＬｐの強度を示す第１検出信号Ｖｓ１が生成される。
【0061】
第１検出信号Ｖｓ１はレーザ制御装置１４０において平滑化され、第２検出信号Ｖｓ２が生成される。第２検出信号Ｖｓ２は、サイクル毎にデジタル値ＤＶｓ２に変換される。この例では、発光直後にＡ／Ｄコンバータによるサンプリングが行われる。デジタル検出値ＤＶｓ２が取得されると、デジタル検出値ＤＶｓ２とその目標値ＤＲＥＦの誤差ΔＩにもとづいて補正量ＤＣＭＰが生成され、デジタル値ＤＶＲＥＦが更新される。
【0062】
たとえば（ｎ－１）サイクル目のショットの結果、デジタル検出値ＤＶｓ２（ｎ－１）は目標値ＤＲＥＦより低い。したがって正の補正量ＤＣＭＰ（ｎ）が発生し、次のｎサイクル目の基準電圧ＶＲＥＦ（ｎ）が増加する。直流電源２００は、次のショットまでに、直流電圧ＶＤＣを新しい基準電圧ＶＲＥＦ（ｎ）に充電する。
【0063】
これによりｎサイクル目の高周波電圧ＶＲＦの振幅は、前の（ｎ－１）サイクル目の振幅より大きくなり、ｎサイクル目のパルスレーザＬｐの強度は増加する。その結果、第２検出信号Ｖｓ２も増加する。この例では、ＤＶｓ２（ｎ）はその目標値ＤＲＥＦより高くなっているため、次のサイクルでは、基準電圧ＶＲＥＦが小さくなるようにフィードバックされる。この動作が繰り返されて、温度変動やガスの劣化等にかかわらず、パルスレーザＬｐの強度を安定化することができる。
【0064】
＜第２実施例＞
タイミング信号Ｓ１のデューティ比ＤＲが変化する場合、すなわちタイミング信号Ｓ１のパルス幅（励振時間）と、繰り返し周波数の少なくとも一方が変化する状況を考える。上述のように、第２検出信号Ｖｓ２（ＤＶｓ２）は、パルスレーザの実効強度Ｉｅｆｆにデューティ比ＤＲを乗じた量を表す。したがって、デューティ比ＤＲが可変するシステムにおいては、デューティ比ＤＲに応じて、第２検出信号ＤＶｓ２もしくはその目標値ＤＲＥＦをスケーリングすればよい。
タイミング信号Ｓ１のデューティ比ＤＲが変化する場合、すなわちタイミング信号Ｓ１のパルス幅（励振時間）と、繰り返し周波数の少なくとも一方が変化する状況を考える。上述のように、第２検出信号Ｖｓ２（ＤＶｓ２）は、パルスレーザの実効強度Ｉｅｆｆにデューティ比ＤＲを乗じた量を表す。したがって、デューティ比ＤＲが可変するシステムにおいては、デューティ比ＤＲに応じて、第２検出信号ＤＶｓ２もしくはその目標値ＤＲＥＦをスケーリングすればよい。
【0065】
図９は、第２実施例に係るレーザ制御装置１４０Ｂのブロック図である。補正部１４４Ｂは、第２検出信号ＤＶｓ２をデューティ比ＤＲで除算した値ＤＶｓ５（＝ＤＶｓ２／ＤＲ）が目標値ＤＲＥＦに近づくように、補正量ＤＣＭＰを調整する。
【0066】
レーザ制御装置１４０Ｂは、図７のレーザ制御装置１４０Ａに加えて、デューティ比検出器１７０を備える。デューティ比検出器１７０は、デューティ比ＤＲを検出する。たとえばデューティ比検出器１７０は、パルスレーザＬｐの強度を示す第１検出信号Ｖｓ１にもとづいてデューティ比ＤＲを検出できる。二値化回路１７２はコンパレータであり、第１検出信号Ｖｓ１を所定のしきい値と比較し、ハイ、ロー（１／０）の二値化する。平滑化回路１７４は、平滑化回路１４２と同じ特性を有するローパスフィルタであり、二値化された第３検出信号Ｖｓ３を平滑化し、第４検出信号Ｖｓ４を生成する。第４検出信号Ｖｓ４は、上述のデューティ比ＤＲを表す。
【0067】
補正部１４４Ｂは、図７の補正部１４４Ａに加えて、Ａ／Ｄコンバータ１６２、除算器１６４を備える。Ａ／Ｄコンバータ１６２は第４検出信号Ｖｓ４をデジタル値ＤＶｓ４に変換する。除算器１６４は、ＤＶｓ２をＤＶｓ４で除算し、スケーリングされたＤＶｓ５を生成する。Ｄｖｓ５は、パルスレーザＬｐの実効強度Ｉｅｆｆを表す。
【0068】
図９のレーザ制御装置１４０Ｂによれば、デューティ比ＤＲが変化するシステムにおいて、レーザパルスの実効強度Ｉｅｆｆを安定化できる。
【0069】
なお、デューティ比検出器１７０の構成は特に限定されない。タイミング信号Ｓ１のデューティ比が、発光期間のデューティ比に近似できる場合、平滑化回路１７４にタイミング信号Ｓ１を入力してもよい。
【0070】
＜第３実施例＞
図１０は、第３実施例に係るレーザ制御装置１４０Ｃのブロック図である。補正部１４４Ｃは、第２検出信号ＤＶｓ２が、目標値ＤＲＥＦにデューティ比ＤＲを乗じた値ＤＲＥＦ’（＝ＤＲＥＦ×ＤＲ）に近づくように、補正量ＤＣＭＰを調整する。補正部１４４Ｃは、図９の補正部１４４Ｂの除算器１６４に代えて乗算器１６６を備える。
図１０は、第３実施例に係るレーザ制御装置１４０Ｃのブロック図である。補正部１４４Ｃは、第２検出信号ＤＶｓ２が、目標値ＤＲＥＦにデューティ比ＤＲを乗じた値ＤＲＥＦ’（＝ＤＲＥＦ×ＤＲ）に近づくように、補正量ＤＣＭＰを調整する。補正部１４４Ｃは、図９の補正部１４４Ｂの除算器１６４に代えて乗算器１６６を備える。
【0071】
＜第４実施例＞
図１１は、第４実施例に係るレーザ制御装置１４０Ｄのブロック図である。補正部１４４Ｄは、発光時間Ｔｅと繰り返し周期Ｔｐそれぞれを個別に検出してもよい。発光周期Ｔｅは、タイミング信号Ｓ１のパルス幅を用いてもよい。
図１１は、第４実施例に係るレーザ制御装置１４０Ｄのブロック図である。補正部１４４Ｄは、発光時間Ｔｅと繰り返し周期Ｔｐそれぞれを個別に検出してもよい。発光周期Ｔｅは、タイミング信号Ｓ１のパルス幅を用いてもよい。
【0072】
補正部１４４Ｄは、ＤＶｓ２にＴｐを乗じた値ＥＦＢが、ＤＲＥＦにＴｅを乗じた目標値ＥＲＥＦに近づくように補正量ＤＣＭＰを調整してもよい。乗算器１６９ａ，１６９ｂは乗算を行う。ＥＲＥＦ＝ＤＲＥＦ×Ｔｅは、パルス当たりのエネルギーを表しており、同様にＤＶｓ２にＴｐを乗じた値ＥＦＢも、パルス当たりのエネルギーを表す。つまり補正部１４４Ｄは、エネルギーの誤差ΔＥ（ｎ）がゼロに近づくように、言い換えればパルス当たりのエネルギーがその目標値に近づくように、基準電圧ＶＲＥＦを調節する。
【0073】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、パルスレーザＬｐの実効強度を目標値に安定化したが、本発明の適用はその限りでない。レーザの用途、加工の種類によっては、パルス当たりのエネルギーが加工精度に影響を及ぼす場合がある。この場合、パルス当たりのエネルギーを目標値に安定化してもよい。
第１の実施の形態では、パルスレーザＬｐの実効強度を目標値に安定化したが、本発明の適用はその限りでない。レーザの用途、加工の種類によっては、パルス当たりのエネルギーが加工精度に影響を及ぼす場合がある。この場合、パルス当たりのエネルギーを目標値に安定化してもよい。
【0074】
第２の実施の形態では、励振信号Ｓ４をレーザ制御装置１４０に供給する励振時間Ｔｏｎ’が調節される。図１２は、第２の実施の形態に係るレーザ制御装置１４０Ｅのブロック図である。補正部１４４Ｅの基本構成は図１０の補正部１４励振信号発生器１４６４Ｄと同様であるが、補正対象が、励振時間Ｔｏｎ’である。励振時間Ｔｏｎ’の指令値は、タイミング信号Ｓ１のパルス幅Ｔｏｎに、補正量ＤＣＭＰ（ｎ）を加算した値とすることができる。
【0075】
励振信号発生器１４６は、励振時間Ｔｏｎ’の間、レーザ発振器１１０に励振信号Ｓ４を供給する。
【0076】
第２の実施の形態によれば、パルス当たりのエネルギーを安定化できる。
【0077】
以上、本発明について、いくつかの実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【0078】
第１の実施の形態と第２の実施の形態は組み合わせてもよい。すなわち、励振時間Ｔｏｎと、直流電圧ＶＤＣの両方を制御してもよい。
【0079】
さらに言えば、レーザ制御装置１４０による補正対象は、直流電圧ＶＤＣ、励振時間Ｔｏｎに限定されない。
【0080】
図１３は、変形例に係るレーザ装置１００Ｆのブロック図である。レーザ装置１００Ｆは、レーザ発振器１１０を冷却し、あるいは温度を安定化するためのチラー１０２、ブロア１０４をさらに備える。レーザ制御装置１４０は、チラー１０２の流量を補正してもよいし、チラー１０２の冷却水の設定温度を補正してもよい。あるいはレーザ制御装置１４０は、ブロアの回転数を補正してもよい。これらの補正は、単独で、あるいは直流電圧ＶＤＣ、励振時間Ｔｏｎの補正と組み合わせてもよい。
【0081】
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【0082】
１００ レーザ装置
１１０ レーザ発振器
１２０ 電源装置
１４０ レーザ制御装置
１４２ 平滑化回路
１４４ 補正部
１４６ 励振信号発生器
１５０ Ａ／Ｄコンバータ
１５２ 減算器
１５４ フィードバックコントローラ
１５６ 加算器
１５８ メモリ
１６０ Ｄ／Ａコンバータ
１６２ Ａ／Ｄコンバータ
１６４ 除算器
１６６ 乗算器
１７０ デューティ比検出器
１７２ 二値化回路
１７４ 平滑化回路
１８０ 光検出器
２００ 直流電源
２０２ バンクコンデンサ
２０４ ＤＣリンク
２１０ 充電回路
２３０ 充電コントローラ
３００ 高周波電源
３０２ 昇圧トランス
３１０ インバータ
Ｓ１ タイミング信号
Ｓ２ 強度指令
Ｓ３ 位置制御信号
９００ レーザ加工機
９１０ 光学系
９２０ 加工機制御装置
９３０ ステージ
Ｌｐ パルスレーザ
Ｓ１ タイミング信号
Ｓ２ 強度指令
Ｓ３ 位置制御信号
Ｓ４ 励振信号
Ｓ５ 電圧指令
１１０ レーザ発振器
１２０ 電源装置
１４０ レーザ制御装置
１４２ 平滑化回路
１４４ 補正部
１４６ 励振信号発生器
１５０ Ａ／Ｄコンバータ
１５２ 減算器
１５４ フィードバックコントローラ
１５６ 加算器
１５８ メモリ
１６０ Ｄ／Ａコンバータ
１６２ Ａ／Ｄコンバータ
１６４ 除算器
１６６ 乗算器
１７０ デューティ比検出器
１７２ 二値化回路
１７４ 平滑化回路
１８０ 光検出器
２００ 直流電源
２０２ バンクコンデンサ
２０４ ＤＣリンク
２１０ 充電回路
２３０ 充電コントローラ
３００ 高周波電源
３０２ 昇圧トランス
３１０ インバータ
Ｓ１ タイミング信号
Ｓ２ 強度指令
Ｓ３ 位置制御信号
９００ レーザ加工機
９１０ 光学系
９２０ 加工機制御装置
９３０ ステージ
Ｌｐ パルスレーザ
Ｓ１ タイミング信号
Ｓ２ 強度指令
Ｓ３ 位置制御信号
Ｓ４ 励振信号
Ｓ５ 電圧指令
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】