JP6831270B2 - 高周波電源用の電源制御装置および高周波電源の制御方法、ならびにレーザ加工システム用の光源 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工システムに関する。

産業用の加工ツールとして、レーザ加工システムが広く普及している。図１は、レーザ加工システムのブロック図である。レーザ加工システム１０Ｒは、光源２０Ｒと加工機４０を備える。加工機４０は、光源２０Ｒが発生するレーザパルス５０を受け、それを対象物２に照射する。

加工機４０は、光学系４２、ステージ４４、加工制御装置４６を備える。対象物２はステージ４４上に載置され、必要に応じて固定される。光学系４２は、レーザパルス５０を受け、レーザパルス５２を対象物２に照射する。ステージ４４は、加工制御装置４６からの位置制御信号Ｓ_２に応じて、対象物２を位置決めし、対象物２とレーザパルス５２の照射位置を相対的にスキャンする。ステージ４４は、１軸、２軸（ＸＹ）あるいは３軸（ＸＹＺ）であり得る。

加工制御装置４６は、レーザ加工システム１０Ｒを統括的に制御する。具体的には加工制御装置４６は、光源２０Ｒに対して間欠的にショット指令Ｓ_１を出力する。また加工制御装置４６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４４を制御するための位置制御信号Ｓ_２を生成する。

光源２０Ｒは、加工制御装置４６からのショット指令Ｓ_１に応じて、レーザパルス５０を発生する。光源２０Ｒは、直流電源２２、高周波電源２４、レーザ装置２６、光源側制御装置２８を備える。レーザ装置２６はＣＯ_２レーザなどである。直流電源２２は直流電圧Ｖ_ＤＣを発生する。高周波電源２４は、直流電圧Ｖ_ＤＣを昇圧し、レーザ装置２６の放電電極２７に交流高電圧Ｖ_ＤＲＶを印加する。

光源側制御装置２８は、ショット指令Ｓ_１に応答して、高周波電源２４を間欠動作させる。高周波電源２４の動作期間（励振期間）において、レーザ装置２６は発光し、高周波電源２４の停止期間において、レーザ装置２６は発光停止する。

高周波電源２４は、高周波インバータ２５を備え、高周波インバータ２５は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチで構成される。光源側制御装置２８は、励振期間の間、半導体スイッチを高速にスイッチングする。

高周波電源２４には、意図的にあるいは寄生的にインダクタンスが導入される。半導体スイッチを高速にスイッチングさせると、インダクタンスには、それに流れる電流に応じたエネルギーが蓄えられる。このインダクタンスは、ときとして半導体スイッチに過電圧を印加する要因となる。

半導体スイッチに耐圧を超える過電圧が印加されると、信頼性が損なわれる。そこで、半導体スイッチには、スナバ回路が接続され、インダクタンスのエネルギーを適切に吸収させている。一般的にスナバ回路は半導体スイッチと並列に接続されるスナバコンデンサを含み、半導体スイッチに流れる電流をスナバコンデンサに引き込むことにより、半導体スイッチの両端間の電圧の上昇を抑制する。スナバコンデンサに蓄えられた電荷は、放電用抵抗を介して放電されるようになっている。

ここで、スナバコンデンサへの充電速度が、放電速度を上回る状況が持続すると、スナバコンデンサの電圧は上昇し続け、半導体スイッチに過電圧が印加されるおそれがある。特許文献１の技術では、この問題を解決するために、放電用抵抗と並列に放電用のスイッチを設け、スナバコンデンサの電圧がしきい値を超えると、放電用スイッチをオンして、スナバコンデンサの電圧を強制的に低下させる構成を取っている。

スナバコンデンサの電圧あるいは半導体スイッチに印加される電圧を監視し、所定のしきい値を超えると、高周波電源を停止する方法も考えられる。

特許第３９９１４５０号公報 特開２０１５−１９５６７７号公報

特許文献１のスナバ回路では、吸収すべきエネルギーが大きい状態が持続すると、放電用スイッチが導通する時間が長くなる。このことは、放電用スイッチが発熱することを意味するため、保護としては十分でない場合もある。

また従来技術では、スナバコンデンサの電圧にもとづいた保護処理を行うため、半導体スイッチの保護には有効である。しかしながら、高周波電源２４の出力電力が大きい状態が持続すると、半導体スイッチよりも、レーザ装置の放電電極２７の信頼性低下の方が問題となる場合もある。

本発明は係る課題に鑑み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、従来とは異なるアプローチによって信頼性を高めた光源の提供にある。

本発明のある態様は、レーザ装置に間欠的に交流電圧を供給する高周波電源を制御する電源制御装置に関する。電源制御装置は、高周波電源の動作、停止を指示するショット指令の履歴にもとづいて、高周波電源の動作の許可、禁止を示すフラグを生成する判定部と、ショット指令が動作を指示し、かつフラグが許可を示すとき、高周波電源を動作させる駆動制御部と、を備える。

ショット指令の履歴は、過去の所定時間当たりの発生エネルギーと相関を有する。この態様によれば、ショット指令の履歴にもとづいて、高周波電源やレーザ装置の状態が安全か否かが判定され、安全である場合のみ、レーザの発光が許可されるため、信頼性を一層高めることができる。

ショット指令は、動作を指示するとき第１状態、停止を指示するとき第２状態をとる２値信号であり、判定部は、ショット指令のデューティ比の移動平均としきい値の比較結果にもとづいて、フラグを生成してもよい。

本発明の別の態様はレーザ加工システム用の光源に関する。光源は、レーザ装置と、レーザ装置に間欠的に交流電圧を供給する高周波電源と、高周波電源を制御する上述のいずれかの電源制御装置と、を備える。

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。

本発明のある態様によれば、信頼性を高めることができる。

レーザ加工システムのブロック図である。 実施の形態に係るレーザ加工システムのブロック図である。 図２の光源の動作波形図である。 判定部の構成例を示す機能ブロック図である。

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。

図２は、実施の形態に係るレーザ加工システム１０のブロック図である。レーザ加工システム１０の概要は、図１のレーザ加工システム１０Ｒと同様であり、光源２０と加工機４０を備える。加工機４０は、対象物２にレーザパルス５２を照射し、対象物２を加工する。対象物２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。加工機４０の構成は図１を参照して説明した通りであるから省略をする。

光源２０は、直流電源２２、高周波電源２４、レーザ装置２６および光源側制御装置３０を備える。

直流電源２２は、数百Ｖ（たとえば５００Ｖ）の直流電圧Ｖ_ＤＣを生成する。直流電源２２の構成は特に限定されないが、バンクコンデンサ、電源装置、フィルタなどを含みうる。電源装置は、バンクコンデンサの電圧Ｖ_ＤＣを目標値に安定化するコンバータや充電回路であってもよい。

光源側制御装置３０は、加工制御装置４６の制御下にあり、加工制御装置４６からの各種制御指令、制御データなどに応じて、直流電源２２や高周波電源２４を制御する。

光源側制御装置３０は、システムコントローラ３２および電源制御装置３４を備える。システムコントローラ３２は、加工制御装置４６からの制御指令に応じて、光源２０全体を統合的に制御する。

放電電極２７は、ＣＯ_２などの混合ガスが充填されるチャンバー内に設けられており、等価的に直列キャパシタとして表される。高周波電源２４は、レーザ装置２６の放電電極２７に間欠的に矩形波の交流電圧Ｖ_ＤＲＶを供給する。この駆動電圧Ｖ_ＤＲＶは、図示しないインダクタンスを介して放電電極２７の間に印加され、インダクタンスとキャパシタンスの直列共振によって、放電電極２７の両端間に交流の高周波電圧Ｖ_ＡＣを発生させる。このキャパシタンスは、放電開始前と放電開始後で変化する。すなわち放電開始前のキャパシタンスは２つの放電電極に挟まれるガスの容量である。放電電極は絶縁物に埋め込まれており、放電開始後におけるキャパシタンスは、電極の周囲の絶縁部の容量となる。高周波電源２４は、入力コンデンサ、フルブリッジ（Ｈブリッジ）型の高周波インバータ２５、昇圧トランスＴ_１を含んでもよい。高周波インバータ２５は、複数の半導体スイッチと、各半導体スイッチと並列に接続されるスナバ回路を備える。高周波インバータ２５は、直流電圧Ｖ_ＤＣを振幅とする交流電圧を、昇圧トランスＴ_１の一次巻線に印加する。

昇圧トランスＴ_１の二次巻線には、巻線比に応じた振幅を有する高周波電圧Ｖ_ＡＣが発生する。たとえばＶ_ＤＣ＝５００Ｖ、巻線比が４であるとき、高周波電圧Ｖ_ＡＣの振幅は２ｋＶとなる。なお昇圧トランスＴ_１を省略して、直流電圧Ｖ_ＤＣを数ｋＶとしてもよい。高周波電源２４の動作期間において、高周波インバータ２５が高周波数でスイッチングすることにより、高周波の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶが放電電極２７に印加され、レーザ装置２６は発光する。高周波電源２４の停止期間において、レーザ装置２６の励振は停止し、したがってレーザ装置２６は非発光状態となる。

電源制御装置３４は、加工制御装置４６からのショット指令Ｓ_１にもとづいて、高周波電源２４の動作・停止を制御する。ショット指令Ｓ_１は、動作期間と停止期間を間欠的に指定する信号であり、光信号であってもよいし、電気信号であってもよい。

電源制御装置３４は、判定部３６および駆動制御部３８を備える。判定部３６は、高周波電源２４の動作、停止を指示するショット指令Ｓ_１の履歴にもとづいて、高周波電源２４の動作の許可、禁止を示すフラグＳ_３を生成する。駆動制御部３８は、ショット指令Ｓ_１が動作期間を指示し、かつフラグＳ_３が許可を示すとき、駆動信号Ｓ_４にもとづいて高周波インバータ２５をスイッチングし、高周波電源２４を動作させる。駆動制御部３８は、フラグＳ_３が禁止を示すとき、ショット指令Ｓ_１が動作期間を指示していたとしても、駆動信号Ｓ_４を生成せず、高周波電源２４を停止する。

たとえばショット指令Ｓ_１は、動作期間を指示するとき第１状態、停止を指示するとき第２状態をとる２値信号である。ショット指令Ｓ_１が電気信号である場合、第１状態はハイレベル、第２状態はローレベルであってもよい。

判定部３６は、ショット指令Ｓ_１の履歴にもとづいて、所定の時間区間当たりの光源２０の消費電力（エネルギー）と相関を有する推定値を生成してもよい。そしてエネルギーの推定値が、所定のしきい値を超えると、フラグＳ_３を禁止状態にセットしてもよい。

判定部３６は、エネルギーの推定値として、ショット指令Ｓ_１の動作期間の時間比率（デューティ比）の移動平均を計算してもよい。そしてこの移動平均値と判定しきい値の比較結果にもとづいて、フラグＳ_３を生成してもよい。繰り返し周波数が一定の場合、デューティ比はオン時間に対応する。

移動平均は、単純移動平均を用いてもよいし、重み付け移動平均を用いてもよい。あるいは判定部３６は、ハードウェア的には、ローパスフィルタあるいは積分器を利用して実装してもよい。

所定の時間区間の長さは、保護対象に応じて適切に定めればよい。たとえば半導体スイッチの過電圧保護が目的の場合、スナバ回路のスナバコンデンサの時定数にもとづいて所定の時間区間の長さを決めればよい。半導体スイッチや放電電極２７のオーバーヒート保護が目的の場合、対象の熱緩和時間を考慮して定めればよい。

たとえば半導体スイッチを保護対象とする場合、所定の時間区間の長さ、言い換えれば移動平均処理の時間窓の長さは、１ｍｓ〜１０ｍｓ程度であってもよい。

以上が光源２０の構成である。続いてその動作を説明する。図３は、図２の光源の動作波形図である。

ショット指令Ｓ_１は、所定の繰り返し周波数を有するパルス信号であり、ハイレベルが高周波電源２４の動作期間、すなわちレーザ装置２６の発光期間を指示し、ローレベルが高周波電源２４の停止期間、すなわちレーザ装置２６の停止期間を指示する。つまりショット指令Ｓ_１のハイレベルの長さが、高周波電源２４の動作期間の長さを表している。

時刻ｔ_０より前において、レーザ加工システム１０は正常であり、ショット指令Ｓ_１のハイレベルの長さは、レシピにしたがって正常な範囲で調節される。駆動制御部３８は、ショット指令Ｓ_１が指示する動作期間の間、駆動信号Ｓ_４を出力し、レーザ装置２６を発光させる。

時刻ｔ_０以降は異常状態を示す。異常状態は、加工制御装置４６あるいはその他の箇所において異常が発生し、あるいはノイズの影響を受けている状態などが想定される。異常状態においてショット指令Ｓ_１のオン時間（デューティ比）が、正常範囲より大きい値をとると、高周波電源２４の消費電力、レーザ装置２６に投入される電力が増加する。判定部３６は、ショット指令Ｓ_１にもとづいて、所定期間に投入されるエネルギー量を推定する。

ショット指令Ｓ_１のデューティ比が大きい状態が持続すると、所定期間に投入されるエネルギーの推定値が増大していく。エネルギーの推定値が時刻ｔ_１にしきい値ＴＨを超えると、フラグＳ_３が禁止を指定するローレベルに遷移する。これにより時刻ｔ_１以降、電源制御装置３４は、ショット指令Ｓ_１が動作期間を指示したとしても、それをマスクし、高周波電源２４には駆動信号Ｓ_４を供給しない。

しきい値ＴＨは、光源２０のうち保護すべき箇所の耐圧や耐熱性などを考慮して規定すればよい。たとえば高周波インバータ２５の半導体スイッチの耐圧が問題となるアプリケーションでは、半導体スイッチの両端間電圧が耐圧を超えないようにしきい値ＴＨを設定すればよく、半導体スイッチの発熱が問題となるアプリケーションでは、半導体スイッチの温度が許容値を超えないようにしきい値ＴＨを設定すればよい。レーザ装置２６の放電電極２７の信頼性が問題となるアプリケーションでは、放電電極２７が劣化しないように、しきい値ＴＨを設定すればよい。

以上が実施の形態に係る光源２０およびレーザ加工システム１０の動作である。レーザ加工システム１０によれば、ショット指令Ｓ_１の履歴にもとづいて、高周波電源２４やレーザ装置２６の状態が安全か否かが判定され、安全である場合のみ、レーザの発光が許可される。つまり過剰なエネルギーが投入されて、装置の信頼性が低下するのを未然に防止できるため、信頼性を一層高めることができる。

図４は、判定部３６の構成例を示す機能ブロック図である。判定部３６は、デューティ比検出部６０、移動平均処理部６２、比較部６４を含む。これらの機能ブロックは、ソフトウェア処理で実現できるが、ハードウェアで実装してもよい。デューティ比検出部６０は、ショット指令Ｓ_１のハイレベル区間（動作期間）Ｔ_ＯＮと繰り返し周期Ｔ_Ｐをそれぞれ測定し、それらの比であるデューティ比Ｓ_５＝（Ｔ_ＯＮ／Ｔ_Ｐ）計算する。時間測定はデジタルカウンタで行えばよい。

移動平均処理部６２は、デューティ比Ｓ_５の移動平均値Ｓ_６を計算する。比較部６４は、移動平均値Ｓ_６をしきい値Ｓ_７と比較し、比較結果を示すフラグＳ_３を生成する。

この判定部３６において、移動平均値Ｓ_６は、所定期間当たりのエネルギー量を表す。したがって図３の処理を実現できる。

実施の形態に係る電源制御装置３４は、（i）スナバコンデンサの電圧がしきい値を超えると強制的に放電させる保護方法、（ii）半導体スイッチの両端間電圧がしきい値を超えると高周波電源２４を停止する保護方法、（iii）半導体スイッチやその他の箇所の温度が、しきい値を超えると高周波電源２４を停止する保護方法などと併用することが可能である。これらの併用によって、光源２０の信頼性を一層高めることができる。

実施の形態では、ショット指令Ｓ_１が２値信号のプラットフォームについて説明したが、ショット指令Ｓ_１の信号形式は限定されない。たとえばショット指令Ｓ_１は、シリアルデータあるいはパラレルデータであってもよく、オン時間Ｔ_ＯＮの長さを指定するデータと、オフ時間Ｔ_ＯＦＦの長さを指定するデータと、を含んでもよい。

実施の形態では、ショット指令Ｓ_１が規定するデューティ比の移動平均を算出したがその限りではない。たとえばショット指令Ｓ_１の履歴のパターンを解析し、より高度な信号処理によってフラグＳ_３を生成してもよい。

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。

２…対象物、１０…レーザ加工システム、２０…光源、２２…直流電源、２４…高周波電源、２５…高周波インバータ、２６…レーザ装置、２７…電極、２８，３０…光源側制御装置、３２…システムコントローラ、３４…電源制御装置、３６…判定部、３８…駆動制御部、４０…加工機、４２…光学系、４４…ステージ、４６…加工制御装置、５０，５２…レーザパルス、Ｓ_１…ショット指令、Ｓ_２…位置制御信号、Ｓ_３…フラグ、Ｓ_４…駆動信号。

Claims (4)

1. レーザ装置に間欠的に交流電圧を供給する高周波電源を制御する電源制御装置であって、
   前記高周波電源の動作、停止を指示するショット指令の履歴にもとづいて、所定の時間区間当たりの光源の消費電力と相関を有する推定値を生成し、前記推定値がしきい値より小さいときに前記高周波電源の動作の許可を示し、前記推定値がしきい値より大きいときに禁止を示すフラグを生成する判定部と、
   前記ショット指令が動作を指示し、かつ前記フラグが許可を示すとき、前記高周波電源を動作させる駆動制御部と、
   を備えることを特徴とする電源制御装置。
2. 前記ショット指令は、動作を指示するとき第１状態、停止を指示するとき第２状態をとる２値信号であり、
   前記推定値は、前記ショット指令のデューティ比の移動平均であることを特徴とする請求項１に記載の電源制御装置。
3. レーザ装置と、
   前記レーザ装置に間欠的に交流電圧を供給する高周波電源と、
   前記高周波電源を制御する請求項１または２に記載の電源制御装置と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工システム用の光源。
4. レーザ装置に間欠的に交流電圧を供給する高周波電源の生成方法であって、
   前記高周波電源の動作、停止を指示するショット指令を生成するステップと、
   前記ショット指令の履歴にもとづいて、所定の時間区間当たりの光源の消費電力と相関を有する推定値を生成するステップと、
   前記推定値がしきい値より小さいときに前記高周波電源の動作の許可を示し、前記推定値がしきい値より大きいときに禁止を示すフラグを生成するステップと、
   前記ショット指令が動作を指示し、かつ前記フラグが許可を示すとき、前記高周波電源を動作させるステップと、
   を備えることを特徴とする制御方法。

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