説明

レーザ加工装置、及び、レーザ加工方法

【課題】 高品質の加工を行う。
【解決手段】 (a)ビーム偏向器が入射するレーザビームの全エネルギを第1の経路に振り向ける状態にして、レーザ光源からレーザパルスを出射し、ビーム偏向器に入射させる。(b)レーザパルスの立ち上がり時点からの経過時間と光強度との関係を、光強度が定常状態に達するまでの過渡期間中に取得する。(c)取得された関係に基づいて出射効率を決定し、レーザパルスの光強度が定常状態に達した後に、ビーム偏向器に、決定された出射効率分のエネルギのレーザビームを第2の経路に沿って出射させ、残余のエネルギのレーザビームを第1の経路に沿って出射させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工装置、及び、レーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【0002】
加工品質の安定化、及び、加工不良の防止を図ることの可能なレーザ加工装置、及びレーザ加工方法の発明が開示されている(たとえば、特許文献1参照)。
【0003】
特許文献1に記載されているレーザ加工においては、レーザ発振器から出射されたレーザ光の最初の部分について、検知器を用いてエネルギを検知し、所定のエネルギ範囲にあるかどうかを判定装置で判定する。判定後、所定のエネルギの範囲内にある場合には、光路偏向手段を作動させてレーザ光を加工部に照射する。所定のエネルギの範囲内にない場合は、光路偏向手段を動作させず、レーザ光を加工部に照射しない。
【0004】
しかしこのレーザ加工においては、当該所定範囲内におけるエネルギのばらつきを制御することはできない。
【0005】
また、音響光学偏向器(Acousto-Optic Deflector:AOD)の透過率を制御してレーザビームのエネルギの安定化を図り、一定の加工品質で加工を行うレーザ加工に関する発明が開示されている(たとえば、特許文献2参照)。
【0006】
【特許文献1】特開2004−25292号公報
【特許文献2】特開2005−161329号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の目的は、高品質の加工を実現するレーザ加工装置を提供することである。
【0008】
また、高品質の加工を実現するレーザ加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の一観点によれば、パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、外部から出射効率が指令されると、入射するレーザビームのエネルギのうち、指令された出射効率分のエネルギのレーザビームを第1の経路に沿って出射させ、残余のエネルギのレーザビームを第2の経路に沿って出射させるビーム偏向器と、前記第2の経路に沿って出射されたレーザビームの光強度を検出する検出器と、前記第1の経路に沿って出射されたレーザビームを第1の加工領域に入射させる第1の光学系と、前記検出器で検出された光強度を示す信号が入力され、前記レーザ光源及びビーム偏向器を制御する制御装置とを有し、該制御装置は、(a)前記ビーム偏向器が、入射するレーザビームの全エネルギを前記第2の経路に振り向ける状態にして、前記レーザ光源からレーザパルスを出射させる工程と、(b)光強度が定常状態に達するまでの過渡期間中に、前記レーザパルスの立ち上がり時点からの経過時間と、光強度との関係を取得する工程と、(c)取得された前記関係に基づいて、前記出射効率を決定し、前記レーザパルスの光強度が定常状態に達した後に、決定された出射効率を前記ビーム偏向器に指令する工程とを実行するレーザ加工装置が提供される。
【0010】
また、本発明の他の観点によると、(a)ビーム偏向器が入射するレーザビームの全エネルギを第1の経路に振り向ける状態にして、レーザ光源からレーザパルスを出射し、前記ビーム偏向器に入射させる工程と、(b)前記レーザパルスの立ち上がり時点からの経過時間と光強度との関係を、光強度が定常状態に達するまでの過渡期間中に取得する工程と、(c)取得された前記関係に基づいて出射効率を決定し、前記レーザパルスの光強度が定常状態に達した後に、前記ビーム偏向器に、決定された出射効率分のエネルギのレーザビームを前記第1の経路とは異なる第2の経路に沿って出射させ、残余のエネルギのレーザビームを前記第1の経路に沿って出射させる工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、高品質の加工を実現するレーザ加工装置を提供することができる。
【0012】
また、高品質の加工を実現するレーザ加工方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
図1は、実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。実施例によるレーザ加工装置は、レーザ光源10、AOD11、部分反射ミラー12、ビームブロック13、検出器14、折り返しミラー15、制御装置17、トリガ信号発生器18、及びAOD制御信号発生器19を含んで構成される。制御装置は、記憶装置17a、たとえばメモリを備える。
【0014】
外部からの制御信号(トリガ信号)を受けて、レーザ光源10から、たとえばパルス幅100μsecのパルスレーザビームLbが出射する。パルスレーザビームLbは、AOD11に入射する。AOD11は、外部から与えられる高周波の電気信号(交流電圧)を受けて、パルスレーザビームLbを偏向して出射することができる。
【0015】
AOD11に高周波の電気信号(交流電圧)が印加されると、AOD11内に電気信号に同期した超音波の粗密波が発生する。この粗密波が回折格子として作用することで、パルスレーザビームLbは偏向(回折)される。
【0016】
パルスレーザビームLbの回折角は粗密波の周波数に依存する。粗密波の周波数を連続的に変えることで、回折角を連続的に変化させることができる。粗密波の周波数は、電気信号の周波数を変えることで制御できる。なお、AOD11に電気信号が印加されない場合は、パルスレーザビームLbは回折されず、AOD11を直進して出射する。
【0017】
また、印加する高周波電気信号の振幅を変えることで、AOD11の回折効率を変化させ、AOD11を出射するパルスレーザビームLbのレーザ強度(エネルギ)を変化させることができる。
【0018】
たとえば回折効率0.7で入射するレーザビームを回折(偏向)させた場合、入射するレーザビームのエネルギのうち、7割のエネルギのレーザビームが偏向して出射し、3割のエネルギのレーザビームが直進して出射する。
【0019】
AOD11に所定周波数の電気信号が印加され、所定方向に偏向されてAOD11を出射するパルスレーザビームLbを、本図においてはパルスレーザビームLbaと示した。パルスレーザビームLbaは、折り返しミラー15で反射され、加工領域16に入射する。加工領域16に入射したパルスレーザビームLbaにより、レーザ加工、たとえば基板穴開け加工が行われる。
【0020】
AOD11を直進するパルスレーザビームLbを、本図においてはパルスレーザビームLbbと示した。パルスレーザビームLbbは、部分反射ミラー12に入射する。
【0021】
部分反射ミラー12は入射するパルスレーザビームLbbの大部分を透過し、残余の部分を反射する。部分反射ミラー12を透過するパルスレーザビームLbbを、本図においては、パルスレーザビームLbcと示した。パルスレーザビームLbcは、ビームブロック13に入射し、これに吸収される。
【0022】
部分反射ミラー12で反射されるパルスレーザビームLbbを、本図においては、パルスレーザビームLbdと示した。パルスレーザビームLbdは、検出器14に入射する。
【0023】
検出器14は、入射するパルスレーザビームLbdのレーザ強度(光強度)を検出する。検出されたレーザ強度に関するデータは、制御装置17に送信される。制御装置17は、検出器14から送信されたレーザ強度のデータに基づき、AOD11の回折効率を決定し、AOD制御信号発生器19に高周波の電気信号(交流電圧)発生の指令を出す。AOD制御信号発生器19は、制御装置17からの指令に基づいた電気信号を発生し、これをAOD11に印加する。AOD11は印加された電気信号に基づき、指定された回折効率でパルスレーザビームLbを回折する。
【0024】
また、制御装置17は、トリガ信号発生器18にトリガ信号を発生させる指令を出す。発生したトリガ信号は、レーザ光源10に送られ、レーザ光源10からパルスレーザビームLbが出射する。パルスレーザビームLbの出射時においては、AOD11は、入射するレーザビームの全エネルギを直進させ、部分反射ミラー12に入射させる状態(回折効率0%)にされる。
【0025】
図2(A)及び(B)を参照して、実施例によるレーザ加工装置を用いて行うレーザ加工方法について説明する。図2(A)、(B)はそれぞれ、第1、第2の実施例によるレーザ加工方法について説明するための図である。
【0026】
図2(A)に、トリガ信号入力後の時間と、レーザ光源10を出射するパルスレーザビームのレーザ強度との関係の一例を示す。
【0027】
時刻0において、制御装置17からの出力指令を受け、トリガ信号発生器18で発生されたトリガ信号がレーザ光源10に入力される。トリガ信号の入力により、時刻τにおいて、レーザ光源10からパルスレーザビームの出射が開始される。パルスレーザビームのレーザ強度は次第に大きくなり、時刻τにおいてほぼ一定の強度(I(τ))となる。パルスレーザビームのレーザ強度は、時刻τ以降に減少し、時刻τにレーザ強度が0となる。
【0028】
たとえばレーザ強度が一定(定常状態)となる時刻(τ)やその一定強度(I(τ))は、時刻τ〜τ(定常状態に至るまでの過渡状態)におけるパルスレーザビームの立ち上がり具合と相関関係があり、立ち上がり具合によってある程度判断しうる。立ち上がり具合が急であれば、τの値は小さく、I(τ)の値は大きくなる傾向がある。また、立ち上がり具合が緩やかであれば、τの値は大きく、I(τ)の値は小さくなる傾向が見られる。
【0029】
一方、レーザ強度I(τ)が不適切に大きい、または小さいパルスレーザビームが、加工領域16に入射すると、高い加工品質で加工を行うことが困難となる。
【0030】
そこで、第1の実施例によるレーザ加工方法においては、レーザ光源10から出射するレーザパルスにつき、レーザ強度I(τ)が、加工領域16に入射した場合に高い加工品質で加工を行うことが困難なレーザ強度となるか否かの判定基準を、レーザパルスの立ち上がり期間(τ〜τ)内の時刻τにおけるレーザ強度によって、あらかじめ定めておく。たとえば時刻τにおけるレーザ強度I(τ)が、Imin以上Imax以下であるレーザパルスであれば、加工領域16に入射させても高品質の加工が可能であるImin及びImaxの値を、加工に先立って実験的に求め、制御装置17の記憶装置17aに記憶させておく。
【0031】
更に、時刻τにおけるレーザ強度I(τ)に応じて、たとえばその値ごとに、加工領域16に入射する各レーザパルスのエネルギを、加工が適当に行われる許容範囲内(たとえば加工が最適に行われる一定値)とするような回折効率、またはその回折効率を実現するAOD制御信号の振幅値を実験的に求め、制御装置17の記憶装置17aに記憶させておく。その一例を図3に示した。なお、たとえばτは10μsecである。
【0032】
制御装置17からの指令によりトリガ信号発生器18で発生されたトリガ信号が、レーザ光源10に印加され、レーザ光源10からレーザパルスが出射される。出射されたレーザパルスは、AOD11を透過し、その一部が部分反射ミラー12で反射されて検出器14に入射し、レーザ強度が経時的に検出される。検出されたレーザ強度のデータは、制御装置17に送信される。
【0033】
制御装置17は、送信されたレーザ強度のデータに基づいて、光強度が定常状態に達するまでの過渡期間中に、トリガ信号出力時点からの経過時間と光強度との関係を得る。制御装置17は、レーザパルスの立ち上がり時点からの経過時間と光強度との関係を算出することもできる。
【0034】
トリガ信号出力からレーザパルスの立ち上がりまでには、一定のディレイ時間差があるだけなので、トリガ信号出力時点からの経過時間と光強度との関係と、レーザパルスの立ち上がり時点からの経過時間と光強度との関係とは等価であるといえる。制御装置17は、送信されたレーザ強度のデータから、直接、レーザパルスの立ち上がり時点からの経過時間と光強度との関係を求めてもよい。
【0035】
制御装置17は、この関係に基づいて、時刻τにおけるレーザ強度I(τ)が、Imin以上Imax以下であるか否かを判定する。
【0036】
レーザ強度I(τ)が、Imin以上Imax以下であった場合、制御装置17は、レーザパルスの光強度が定常状態に達した後に、AOD制御信号発生器19に高周波電気信号発生の指令を出し、指令した回折効率で、レーザパルスをAOD11によって偏向させ、加工領域16に入射させる。加工領域16に入射するエネルギが、たとえば最適な一定値となるように、AOD11の回折効率は、レーザ強度I(τ)に応じてレーザパルスごとに制御される。AOD11は、たとえばレーザパルスの立ち上がり時刻(時刻τ)から20μsec後に動作させればよい。
【0037】
時刻τにおけるレーザ強度I(τ)が、Iminより小さいと判定された場合、及び、Imaxより大きいと判定された場合には、制御装置17は、AOD11にレーザパルスを偏向させる信号を入力しない。このためこのレーザパルスは加工領域16には入射せず(回折効率0%)、同レーザパルスによっては、たとえば基板穴開け加工は行われない。
【0038】
図2(B)を参照して、第2の実施例によるレーザ加工方法を説明する。
【0039】
第2の実施例によるレーザ加工方法においては、レーザ光源10から出射するレーザパルスにつき、レーザ強度I(τ)が、加工領域16に入射した場合に高い加工品質で加工を行うことが困難なレーザ強度となるか否かの判定基準を、レーザ強度がIthとなる時間によって、あらかじめ定めておく。Ithは、たとえばI(τ)の1/2程度のレーザ強度値である。
【0040】
たとえばレーザ強度がIthとなる時刻t(レーザ光源10にトリガ信号が入力された時刻を0とする。)が、tmin以上tmax以下であるレーザパルスであれば、加工領域16に入射させても高品質の加工が可能であるtmin及びtmaxの値を、加工に先立って実験的に求め、制御装置17の記憶装置17aに記憶させておく。
【0041】
更に、レーザ強度がIthとなる時刻tに応じて、たとえばその値ごとに、加工領域16に入射する各レーザパルスのエネルギを、加工が適当に行われる許容範囲内(たとえば加工が最適に行われる一定値)とするような回折効率、またはその回折効率を実現するAOD制御信号の振幅値を実験的に求め、制御装置17の記憶装置17aに記憶させておく。その一例を図4に示した。
【0042】
制御装置17からの指令によりトリガ信号発生器18で発生されたトリガ信号が、レーザ光源10に印加され、レーザ光源10からレーザパルスが出射される。出射されたレーザパルスは、AOD11を透過し、その一部が部分反射ミラー12で反射されて検出器14に入射し、レーザ強度が経時的に検出される。検出されたレーザ強度のデータは、制御装置17に送信される。
【0043】
レーザ強度がIthとなる時刻tの測定は、たとえば次のような方法で行うことができる。制御装置17はクロック信号を有し、当該クロック信号の1クロックの立ち上がりのタイミングでトリガ信号発生器18にトリガ信号発生を指令し、その指令からレーザ強度がIthとなるまでの間のクロック数をカウントすることで時刻tを測定する。
【0044】
tがtminより小さい値であった場合、及び、時刻tmaxになってもレーザ強度がIthに到達しない場合には、制御装置17は、AOD11にレーザパルスを偏向させる信号を入力しない。したがって、このレーザパルスは加工領域16には入射せず、同レーザパルスによっては、たとえば基板穴開け加工は行われない。
【0045】
tがtmin以上tmax以下の値であった場合には、制御装置17は、レーザパルスの光強度が定常状態に達した後に、AOD制御信号発生器19に高周波電気信号発生の指令を出し、指令した回折効率で、レーザパルスをAOD11によって偏向させ、加工領域16に入射させる。加工領域16に入射するエネルギが、たとえば最適な一定値となるように、AOD11の回折効率は、検出されたtの値に応じてレーザパルスごとに制御される。AOD11は、たとえばレーザパルスの立ち上がり時刻(時刻τ)から20μsec後に動作させればよい。
【0046】
第1の実施例によるレーザ加工方法においては、時刻τにおけるレーザ強度I(τ)がImaxを超えるレーザパルスは、AOD11で偏向させず、加工に利用しなかった。
【0047】
maxを超えるI(τ)についても、I(τ)に応じて、たとえばその値ごとに、加工領域16に入射する各レーザパルスのエネルギを一定とするような回折効率、またはその回折効率を実現するAOD制御信号の振幅値を実験的に求め、制御装置17の記憶装置17aに記憶させておいてもよい。
【0048】
そしてI(τ)がImaxを超えるレーザパルスであっても、制御装置17は、AOD制御信号発生器19に高周波電気信号発生の指令を出し、指令した回折効率でレーザパルスをAOD11によって偏向させ、加工領域16に入射させる。
【0049】
また、第2の実施例によるレーザ加工方法においては、tがtminより小さい値であった場合には、制御装置17は、AOD11にレーザパルスを偏向させる信号を入力せず、同レーザパルスによっては、たとえば基板穴開け加工は行われなかった。
【0050】
minより小さいtについても、tの値に応じて、たとえばその値ごとに、加工領域16に入射する各レーザパルスのエネルギを一定とするような回折効率、またはその回折効率を実現するAOD制御信号の振幅値を実験的に求め、制御装置17の記憶装置17aに記憶させておいてもよい。
【0051】
そしてtがtminより小さいレーザパルスであっても、制御装置17は、AOD制御信号発生器19に高周波電気信号発生の指令を出し、指令した回折効率でレーザパルスをAOD11によって偏向させ、加工領域16に入射させる。
【0052】
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。
【0053】
たとえば、図1に示したレーザ加工装置は、AOD11のビーム偏向方向を所定の一方向とした1軸加工機であったが、AOD制御信号発生器19を通じて、周波数の異なる2種類の電気信号をAOD11に入力することにより、図5に示すように、2軸加工機とすることもできる。
【0054】
その場合、たとえば、一方軸の加工領域に入射させるレーザパルスごとのエネルギを相互に等しくし、また、他方軸の加工領域に入射させるレーザパルスごとのエネルギも相互に等しくする。
【0055】
その他、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。
【産業上の利用可能性】
【0056】
レーザ加工一般に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0057】
【図1】実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。
【図2】(A)、(B)はそれぞれ、第1、第2の実施例によるレーザ加工方法について説明するための図である。
【図3】I(τ)と回折効率との関係の一例を示すグラフである。
【図4】光強度がIthとなる時間と回折効率との関係の一例を示すグラフである。
【図5】変形例によるレーザ加工装置を示す概略図である。
【符号の説明】
【0058】
10 レーザ光源
11 AOD
12 部分反射ミラー
13 ビームブロック
14 検出器
15、15a、15b 折り返しミラー
16、16a、16b 加工領域
17 制御装置
17a 記憶装置
18 トリガ信号発生器
19 AOD制御信号発生器
Lb、Lba〜Lbe パルスレーザビーム

【特許請求の範囲】
【請求項1】
パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
外部から出射効率が指令されると、入射するレーザビームのエネルギのうち、指令された出射効率分のエネルギのレーザビームを第1の経路に沿って出射させ、残余のエネルギのレーザビームを第2の経路に沿って出射させるビーム偏向器と、
前記第2の経路に沿って出射されたレーザビームの光強度を検出する検出器と、
前記第1の経路に沿って出射されたレーザビームを第1の加工領域に入射させる第1の光学系と、
前記検出器で検出された光強度を示す信号が入力され、前記レーザ光源及びビーム偏向器を制御する制御装置と
を有し、該制御装置は、
(a)前記ビーム偏向器が、入射するレーザビームの全エネルギを前記第2の経路に振り向ける状態にして、前記レーザ光源からレーザパルスを出射させる工程と、
(b)光強度が定常状態に達するまでの過渡期間中に、前記レーザパルスの立ち上がり時点からの経過時間と、光強度との関係を取得する工程と、
(c)取得された前記関係に基づいて、前記出射効率を決定し、前記レーザパルスの光強度が定常状態に達した後に、決定された出射効率を前記ビーム偏向器に指令する工程と
を実行するレーザ加工装置。
【請求項2】
前記制御装置は、前記工程(c)において、前記第1の経路に振り向けられたレーザパルスのパルスエネルギが許容範囲に収まるように、前記出射効率を決定する請求項1に記載のレーザ加工装置。
【請求項3】
前記制御装置は、前記工程(b)において、レーザパルスの立ち上がりから判定時間経過後の光強度を取得し、前記工程(c)において、前記工程(b)で取得された光強度に基づいて前記出射効率を決定する請求項1に記載のレーザ加工装置。
【請求項4】
前記制御装置は、前記判定時間経過後の光強度の許容下限値を記憶する記憶手段を含み、前記工程(c)において、前記工程(b)で取得された光強度が前記許容下限値未満である場合、前記出射効率を0%とする請求項3に記載のレーザ加工装置。
【請求項5】
前記制御装置は、前記工程(b)において、レーザパルスの光強度が判定基準強度に達するまでの立ち上がりからの経過時間を取得し、前記工程(c)において、前記工程(b)で取得された経過時間に基づいて前記出射効率を決定する請求項1に記載のレーザ加工装置。
【請求項6】
前記制御装置は、レーザパルスの光強度が判定基準強度に達するまでの経過時間の許容上限値を記憶する記憶手段を含み、前記工程(c)において、前記工程(b)で取得された経過時間が前記許容上限値を超える場合に、前記出射効率を0%とする請求項5に記載のレーザ加工装置。
【請求項7】
前記制御装置は、前記ビーム偏向器に、前記第1及び第2の経路とは異なる第3の経路、または前記第1の経路を出射経路として指令し、
前記ビーム偏向器は、前記制御装置から出射効率及び出射経路が指令されると、入射するレーザビームのエネルギのうち、指令された出射効率分のエネルギのレーザビームを、指令された出射経路に沿って出射させ、残余のエネルギのレーザビームを前記第2の経路に沿って出射させ、
更に、前記ビーム偏向器によって、前記第3の経路に沿って出射されたレーザビームを、前記第1の加工領域とは異なる第2の加工領域に入射させる前記第1の光学系とは異なる第2の光学系を含む請求項1〜6のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。
【請求項8】
(a)ビーム偏向器が入射するレーザビームの全エネルギを第1の経路に振り向ける状態にして、レーザ光源からレーザパルスを出射し、前記ビーム偏向器に入射させる工程と、
(b)前記レーザパルスの立ち上がり時点からの経過時間と光強度との関係を、光強度が定常状態に達するまでの過渡期間中に取得する工程と、
(c)取得された前記関係に基づいて出射効率を決定し、前記レーザパルスの光強度が定常状態に達した後に、前記ビーム偏向器に、決定された出射効率分のエネルギのレーザビームを前記第1の経路とは異なる第2の経路に沿って出射させ、残余のエネルギのレーザビームを前記第1の経路に沿って出射させる工程と
を有するレーザ加工方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2009−6369(P2009−6369A)
【公開日】平成21年1月15日(2009.1.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−170571(P2007−170571)
【出願日】平成19年6月28日(2007.6.28)
【出願人】(000002107)住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Fターム(参考)】