レーザ加工装置
【課題】加工径を一定の大きさにできるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】基本波レーザ光２を高調波レーザ光に変換し変換ビーム５として出力する波長変換素子４と、変換ビーム５を加工ビーム１０として集光する集光レンズ９と、波長変換素子４の初期設定温度と加工ビーム１０の設定ビーム径とが格納されるメモリ１８と、変換ビーム５の一部を光量情報１２として検出する光量検出手段１１と、変換ビーム５の照射時間を測定し照射時間情報１５を測定する照射時間測定手段１３と、光量情報１２と照射時間情報１５とから加工ビーム１０の予測ビーム径を計算するビーム径予測手段１９と、ビーム径予測手段１９によって算出した予測ビーム径とメモリ１８に格納された設定ビーム径との差分に応じたビーム径調整温度を計算する。このビーム径調整温度になるように波長変換素子４の温度調整を行う温度調整手段４０とを有するレーザ加工装置とした。
【解決手段】基本波レーザ光２を高調波レーザ光に変換し変換ビーム５として出力する波長変換素子４と、変換ビーム５を加工ビーム１０として集光する集光レンズ９と、波長変換素子４の初期設定温度と加工ビーム１０の設定ビーム径とが格納されるメモリ１８と、変換ビーム５の一部を光量情報１２として検出する光量検出手段１１と、変換ビーム５の照射時間を測定し照射時間情報１５を測定する照射時間測定手段１３と、光量情報１２と照射時間情報１５とから加工ビーム１０の予測ビーム径を計算するビーム径予測手段１９と、ビーム径予測手段１９によって算出した予測ビーム径とメモリ１８に格納された設定ビーム径との差分に応じたビーム径調整温度を計算する。このビーム径調整温度になるように波長変換素子４の温度調整を行う温度調整手段４０とを有するレーザ加工装置とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリント基板に貫通孔やマーキングを施す、波長変換素子を使ったレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ加工装置は、以下のようになっていた。
すなわち、レーザ加工装置は、基本波レーザ光を波長変換素子に入射させ、基本波レーザ光の一部が、波長変換素子によって波長変換され変換ビームとして出力される。例えば、発振波長が１０６４ｎｍの基本波レーザ光は、第２高調波レーザ光に変換する波長変換素子によって波長変換され、発振波長が５３２ｎｍの変換ビームとして出射する。
【０００３】
そして、この変換ビームは、集光レンズによって加工ビームとなり、例えばプリント基板に向けて照射される。
【０００４】
この時、効率良い波長変換を行うため、波長変換素子は、基本波レーザ光を変換ビームへ最大効率で変換する位相整合条件に合うように、ペルチェ素子などで温度調整される。また、部分反射ミラーで分光された変換ビームの一部は、光量検出器で検出され、マイクロコンピュータ等によって加工ビームの出力パワー（光量）が一定になるように調整されている。
【０００５】
特に、ＳＨＧレーザ光源の加工ビームが高パワーで短波長の場合、プリント基板のビアホール等を加工するレーザ加工装置などに使用されていた（例えば、参考文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３０７９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の構成では、加工ビームとして１Ｗ程度以上の出力を、例えば、数千時間以上照射すると、加工ビームのビーム径が２割程度変わることがわかった。
【０００８】
すなわち、長時間使用により波長変換素子の屈折力が徐々に変動するので、長期間高出力の加工ビームを出力すると、プリント基板のビアホール等の加工径が変わってしまうのであった。
【０００９】
本発明は、加工ビームを高出力で長時間照射しても、加工径を一定の大きさにするレーザ加工装置を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そして、この目的を達成するために本発明は、基本波レーザ光を高調波レーザ光に変換し変換ビームとする波長変換素子と、前記変換ビームを加工ビームとして集光する集光レンズと、前記波長変換素子の初期設定温度と前記加工ビームの設定ビーム径とが格納されるメモリと、前記変換ビームの一部を光量情報として検出する光量検出手段と、前記変換ビームの照射時間を測定し照射時間情報を測定する照射時間測定手段と、前記光量情報と前記照射時間情報とから前記加工ビームの予測ビーム径を計算するビーム径予測手段と、前記予測ビーム径と前記設定ビーム径との差分に応じたビーム径調整温度を計算し、このビーム径調整温度になるように前記波長変換素子の温度調整を行う温度調整手段とを有するものとし、これにより所期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように本発明は、基本波レーザ光を高調波レーザ光に変換し変換ビームとする波長変換素子と、前記変換ビームを加工ビームとして集光する集光レンズと、前記波長変換素子の初期設定温度と前記加工ビームの設定ビーム径とが格納されるメモリと、前記変換ビームの一部を光量情報として検出する光量検出手段と、前記変換ビームの照射時間を測定し照射時間情報を測定する照射時間測定手段と、前記光量情報と前記照射時間情報とから前記加工ビームの予測ビーム径を計算するビーム径予測手段と、前記予測ビーム径と前記設定ビーム径との差分に応じたビーム径調整温度を計算し、このビーム径調整温度になるように前記波長変換素子の温度調整を行う温度調整手段とを有するものとしたので、プリント基板の加工径を一定にできる。
【００１２】
すなわち、本発明において、ビーム径予測手段が、加工ビームの光量情報と照射時間情報から、加工ビームの予測ビーム径を計算する。さらに、加工ビームのビーム径が波長変換素子の温度で変わることから、予測ビーム径に基づき、加工ビームのビーム径を一定にするビーム径調整温度を求める。温度調整手段が、このビーム径調整温度に基づいて、波長変換素子の温度調整を行う。その結果、加工ビームのビーム径が変更でき加工ビームを高出力で長時間照射し続けても、加工ビームのビーム径が一定の大きさとなることが図れるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】同実施の形態におけるレーザ加工装置の構成を表すブロック図
【図２】本発明の一実施の形態における照射エネルギー積算値と基準パワーのビーム径を表す特性図
【図３】同実施の形態における加工ビーム出力値とビーム径割合を表す特性図
【図４】同実施の形態における補正サイズとビーム径補正温度を表す特性図
【図５】同実施の形態におけるビーム径予測手段とビーム径調整温度算出手段を説明するブロック図
【図６】同実施の形態と従来例の加工ビーム径を比較する図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明のレーザ加工装置について実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の構成を示す図である。
【００１６】
図１において、基本波レーザ１は、波長が１０６４ｎｍの基本波レーザ光２を出力する。第１の集光レンズ３は、基本波レーザ１が出力した基本波レーザ光２を受け集光する。ここで、第１の集光レンズ３の集光開口数（以下、集光ＮＡという）は、０．０１１で、第１の集光レンズ３と波長変換素子４の入射端との距離を２５ｍｍとした。
【００１７】
波長変換素子４は、第１の集光レンズ３が集光した基本波レーザ光２を第２高調波レーザ光に変換し、変換ビーム５として出力する。例えば、波長変換素子４は、波長が１０６４ｎｍの基本波レーザ光２を、波長が５３２ｎｍの第２高調波レーザ光である変換ビーム５に変換して出力する。また、波長変換素子４は、基本波レーザ光２と位相整合する分極反転構造をした非線形光学結晶である。さらに、波長変換素子４は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎの少なくともいずれかを含有するため、基本波レーザ光２または変換ビーム５の少なくとも一方の一部を吸収し発熱する。さらにまた、波長変換素子４は、変換ビーム５に変換できなかった基本波レーザ光２を透過させ出力するが、加工に不要な場合は、光学フィルタ（図示せず）により除去している。
【００１８】
部分反射ミラー６は、加工ビーム（下記、加工ビーム１０）の光量を検出する光を生成するため、波長変換素子４で変換された変換ビーム５の一部、例えば１％を分岐光７として分岐して反射する。また、部分反射ミラー６は、波長変換素子４で変換された変換ビーム５のうち分岐光７として反射せずに透過した残り９９％を、透過した変換ビーム８として出力する。
【００１９】
第２の集光レンズ９は、部分反射ミラー６を透過した変換ビーム８を加工ビーム１０として集光し、プリント基板等の加工位置に出力する。このとき、第２の集光レンズ９の集光ＮＡは、０．０１５で、波長変換素子４の出力端との距離を１４８ｍｍとした。また、部分反射ミラー６と第２の集光レンズ９の間にビームエキスパンダ（図示せず）を、製造時のビーム径調整用として設けてもよい。なお、第２の集光レンズ９は、複数の光学素子(図示せず)、加工ビーム１０の照射位置を移動させるビーム位置移動手段(図示せず)を含んでいても良い。
【００２０】
光量検出手段１１は、波長変換素子４から出力された変換ビーム５の一部である分岐光７を光量情報１２として検出し出力する。この光量情報１２は、加工ビーム１０の出力パワー（以下、光量）を計算するためのものである。例えば、光量検出手段１１が出力する光量情報１２は、分岐光７の光量に対応したデジタル値である。なお、この光量情報１２の１デジットが、分岐光７の光量の何Ｗ（ワット）になるかを表すものとした。すると、分岐光７と加工ビーム１０の光量が比例関係なので、光量情報１２から加工ビーム１０の光量のＷ数（ワット数）が、計算できるのである。
【００２１】
照射時間測定手段１３は、波長変換素子４から出力された変換ビーム５の照射時間を測定し、照射時間情報１５を出力する。この照射時間測定手段１３は、変換ビームＯＮ信号１４を受け、この変換ビームＯＮ信号１４が有効になっている間、一定時間毎にカウントアップするカウンタによって照射時間を測定する。すると、照射時間は、このカウンタのカウントアップする単位時間に、カウンタのカウント値を乗じて求めることができる。また、変換ビームＯＮ信号１４は、ユーザーが加工ビーム１０の照射をＯＮにしたときに有効になる信号である。そのため、照射時間測定手段１３は、加工ビーム１０の照射時間に対応する情報を測定できる。また、照射時間測定手段１３は、変換ビームＯＮ信号１４が無効になると照射時間情報１５をゼロとして出力する。
【００２２】
ビーム径予測手段１９は、光量検出手段１１で検出した光量情報１２と照射時間測定手段１３で測定した照射時間情報１５から、照射エネルギー積算値を計算する。さらに、ビーム径予測手段１９は、照射エネルギー積算値から加工ビーム１０の予測ビーム径２１を計算するものである。詳細は、後述の図５で説明する。なお、照射エネルギー積算値は、光量情報１２と照射時間情報１５の乗算結果を、照射エネルギーに変換し積算することで計算できる。ただし、本実施の形態では、光量情報１２に基づく加工ビーム出力値と照射時間情報１５に基づく照射時間の乗算結果（照射エネルギー）を積算して、照射エネルギー積算値を計算する構成で説明する。
【００２３】
ビーム径調整温度算出手段３２は、ビーム径予測手段１９によって算出した加工ビーム１０の予測ビーム径２１と、メモリ１８に予め格納された設定ビーム径３３との差分を計算する。さらに、ビーム径調整温度算出手段３２は、この計算した差分とメモリ１８に予め格納された波長変換素子４の初期設定温度３８とから、ビーム径調整温度３９を計算し出力する。詳細は、後述の図５で説明する。
【００２４】
温度調整手段４０は、温度センサ（下記、温度センサ４１）の示す波長変換素子４の温度情報４１ａがビーム径調整温度算出手段３２の出力したビーム径調整温度３９になるようにペルチェ駆動電流４６を出力する。また、温度調整手段４０は、周知の温度コントローラ（図示せず）とペルチェ駆動回路（図示せず）、温度センサ回路（図示せず）等で構成される。この温度調整手段４０は、波長変換素子４の設定温度であるビーム径調整温度３９と温度センサ４１の温度情報４１ａから、温度センサ４１が取り付けられた波長変換素子４の温度がビーム径調整温度３９になるようペルチェ駆動電流４６を一般的なＰＩＤ制御などで計算し出力する。
【００２５】
ペルチェ４２は、接続された波長変換素子４の温度を、排熱と吸熱によって調整するためのものである。このペルチェ４２は、温度調整手段４０が出力したペルチェ駆動電流４６の駆動方向および電流値によって、排熱と吸熱の切り替えとその駆動量を調整できる。
【００２６】
温度センサ４１は、波長変換素子４に装着され、波長変換素子４の温度情報４１ａを検知するためのものである。この温度センサ４１が、サーミスタの場合、波長変換素子４の温度情報４１ａをサーミスタの抵抗値で検知する。
【００２７】
マイクロコンピュータ１６は、ビーム径予測手段１９とビーム径調整温度算出手段３２の設定を行うためのものである。また、マイクロコンピュータ１６は、加工ビーム１０の照射時間、光量を算出し光量を一定にする制御やメモリ１８へアクセスするためのものである。
【００２８】
まず、マイクロコンピュータ１６は、加工ビーム１０の光量を計算するため、光量検出手段１１が出力した光量情報１２を受ける。マイクロコンピュータ１６は、この光量情報１２を照射時間測定手段１３のカウントアップ時間（例えば、１０ｍｓｅｃ）より短い時間（例えば、１ｍｓｅｃ）毎に取得する。マイクロコンピュータ１６は、光量情報１２の検出ノイズを除くため、光量情報１２を１０ｍｓｅｃ間に１０回取得し積算後、平均化する。この平均化した光量情報１２は、加工ビーム１０の光量と比例関係にあるので、マイクロコンピュータ１６によって加工ビーム１０の光量に変換できる。また、この加工ビーム１０の光量は、マイクロコンピュータ１６が加工ビーム出力値１７として、マイクロコンピュータ１６内のＲＡＭ（図示せず）に保持し出力する。
【００２９】
さらに、マイクロコンピュータ１６は、加工ビーム１０の照射時間２０を計算するため、照射時間測定手段１３が出力した照射時間情報１５を受ける。マイクロコンピュータ１６は、照射時間情報１５に照射時間測定手段１３のカウントアップ時間（１０ｍｓｅｃ）を乗じて、照射時間２０を計算し出力する。
【００３０】
さらにまた、マイクロコンピュータ１６は、ビーム径予測手段１９の遅延器（下記、遅延器２５）を初期化するため、レーザ加工装置の電源（図示せず）のＯＮ／ＯＦＦで以下の処理を行う。まず、電源をＯＦＦする場合には、マイクロコンピュータ１６は、遅延器（下記、遅延器２５）に格納された照射エネルギー積算値２６を読み取り、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性のメモリ１８に記憶する。また、レーザ加工装置の電源をＯＮした直後には、一度だけメモリ１８に記憶した照射エネルギー積算値２６を読みとり、遅延器（下記、遅延器２５）に照射エネルギー積算値２６を書き込む。ここでは、電源をＯＦＦする時に照射エネルギー積算値２６をメモリ１８に書き込んだが、計算毎に書き込んでも良い。また、メモリ１８は、一番初めに電源をＯＮする前は、ゼロで初期化している。さらに、遅延器（下記、遅延器２５）は、電源がＯＦＦされても、照射エネルギー積算値２６を保持する構成にしても良い。
【００３１】
さらにまた、マイクロコンピュータ１６は、加工ビーム１０の光量を一定にするためのものである。マイクロコンピュータ１６は、ユーザーが設定する加工ビーム出力設定値４３と加工ビーム出力値１７を一致させる計算を行う。この計算は、例えば、一般的な比例積分制御に基づいて行われ、マイクロコンピュータ１６は、比例積分制御の計算結果をレーザ駆動値４４として出力する。このように、マイクロコンピュータ１６は、光量情報１２に基づく加工ビーム出力値１７を一定にすることで、加工ビーム１０の光量を一定にできる。また、マイクロコンピュータ１６は、メモリ１８内に格納した波長変換素子４の初期設定温度３８と設定ビーム径３３を、ビーム径調整温度算出手段３２へ出力する。ここでは、初期設定温度３８と設定ビーム径３３、照射エネルギー積算値２６を、メモリ１８に格納する構成にしたが、マイクロコンピュータ１６上の図示しないＲＯＭ上に格納する構成にしてもよい。
【００３２】
次に、レーザ駆動回路４５は、加工ビーム１０の光量が一定になるようマイクロコンピュータ１６が計算したレーザ駆動値４４を受け、レーザ駆動電流４７を基本波レーザ１に出力する。すると、基本波レーザ１は、加工ビーム１０の光量を一定にする基本波レーザ光２を出力するものである。
【００３３】
次に、本発明の実施の形態において、加工ビーム１０を長期間高出力で照射すると変換ビーム５に作用する屈折力が徐々に変化する波長変換素子４の特性を、図２から図４を用いて説明する。
【００３４】
図２は、本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の加工ビーム１０の電力量（以下、照射エネルギー積算値２６）と、加工ビーム径の関係を表す図である。以下、加工ビーム径は、加工位置における加工ビーム１０の直径を示す。
【００３５】
図２において、縦軸は加工ビーム径、横軸は照射エネルギー積算値２６を表す。加工ビーム径は、加工ビーム１０の光量によっても変化するので、図２の加工ビーム径は、加工ビーム１０の光量を基準光量（以後、基準出力パワー）としたときの値である。この基準出力パワーは、本実施の形態では、１．５Ｗとするが、照射エネルギー積算値２６から加工ビーム径を予測できるため、それ以外の値でもよい。ただし、この場合は、後述の図３で、加工ビーム出力値１７が、基準出力パワーになったときのビーム径割合が、１になるようにする。また、照射エネルギー積算値２６が増加すると、加工ビーム径が大きくなるのは、波長変換素子４の光損傷による屈折率の変化が一因である。
【００３６】
図３は、加工ビーム１０の光量（以後、加工ビーム出力値１７）と、加工ビーム１０のビーム径割合の関係を表す図である。図３において、横軸は加工ビーム出力値１７、縦軸はビーム径割合を表す。このビーム径割合は、加工ビーム出力値１７を変化させたときに、加工ビーム径が、基準出力パワー（１．５Ｗ）時の加工ビーム径の何倍かを表している。図３より、加工ビーム出力値１７が大きくなると、ビーム径割合も大きくなることがわかる。これは、加工ビーム出力値１７が大きくなると、波長変換素子４内部で吸収される変換ビーム５も大きくなる。すると、波長変換素子４は、変換ビーム５の吸収によって、内部の温度が上昇する。波長変換素子４内部の温度上昇により、波長変換素子４内部の屈折率が変化する。このとき、変換ビーム５の光強度分布は、ビームの中央部が大きい。そのため、波長変換素子４の屈折率は、変換ビーム５が通過する光路の中央部の方が周辺部よりも大きくなる。すると、変換ビーム５の進行方向は、屈折率の高い光路の中央部に集まるようになる。その結果、変換ビーム５の拡がり角が小さくなり、第２の集光レンズ９で集光された加工ビーム１０のビーム径は、集光位置で大きくなる。また、図３の関係は、長時間、加工ビーム１０を照射し、照射エネルギー積算値２６が変わっても一定であった。
【００３７】
図４は、設定と実測の加工ビーム径とのビーム径誤差を補正する補正サイズと、ビーム径補正温度の関係を表す図である。図４において、横軸は補正サイズ、縦軸はビーム径補正温度を表す。ビーム径補正温度は、加工ビーム径を設定ビーム径３３に調整する、波長変換素子４の補正温度を表している。これは、加工ビーム径が、波長変換素子４の温度を変更すると変わるという現象を利用している。波長変換素子４の温度によって加工ビーム径が変化する主な原因は、以下のように説明できる。まず、波長変換素子４の温度変更により、基本波レーザ光２の光量が一定の場合、光量の変換効率（＝変換ビーム５の光量／基本波レーザ光２の光量）が変わる。すると、変換ビーム５の光量が変わるので、変換ビーム５の光量つまり加工ビーム１０の光量を一定に保つため、マイクロコンピュータ１６とレーザ駆動回路４５によって、基本波レーザ光２の光量を調整する。すると、波長変換素子４の温度を変更する前に比べて、基本波レーザ光２の光量が変わり、波長変換素子４に吸収される基本波レーザ光２の光量も変わる。そのため、基本波レーザ光２が通過する波長変換素子４内の光路の温度が、基本波レーザ光２を吸収した変化分だけ変わる。その結果、波長変換素子４の光路の温度変化分だけ光路の屈折率が変わり、この屈折率の変化は光路の中央部が周辺部分よりも大きいので、波長変換素子４から出射される変換ビーム５の拡がり角が変わる。これにより、加工位置での加工ビーム径が変わるのである。
【００３８】
以上のように構成されたレーザ加工装置について、図１から図５を用い、加工ビーム径を設定ビーム径３３に一致させることを詳細に説明する。このとき、加工ビーム出力値１７は１．５Ｗ（ワット）、設定ビーム径３３は５０μｍ、初期設定温度３８は５０．２４℃、照射時間２０は１分と仮定する。また、照射エネルギー積算値２６は、１００００Ｗｈとして、遅延器（下記、遅延器２５）に保存されていると仮定する。
【００３９】
図５は、本発明の特徴部分であるビーム径予測手段１９とビーム径調整温度算出手段３２の構成を示す図である。
【００４０】
図５において、ビーム径予測手段１９は、加工ビーム径を予測するため、第１の乗算器２２と加算器２４、遅延器２５、基準ビーム径出力部２７、ビーム径割合出力部２９、第２の乗算器３１で構成される。
【００４１】
第１の乗算器２２は、照射エネルギー２３を計算するため、加工ビーム出力値１７の１．５Ｗと照射時間２０の１分（＝１／６０ｈｏｕｒ）を乗算する。さらに、第１の乗算器２２は、この乗算結果の０．０２５Ｗｈ（＝１．５Ｗ×（１／６０）ｈ）を、照射エネルギー２３として出力する。
【００４２】
加算器２４は、照射エネルギー積算値２６を計算するため、照射エネルギー２３と遅延器２５に保存された過去の照射エネルギー積算値を加算し出力する。このとき、第１の乗算器２２が出力した照射エネルギー２３は０．０２５Ｗｈ、遅延器２５に保存された過去の照射エネルギー積算値は１００００Ｗｈである。そのため、加算器２４は、照射エネルギー積算値２６を１００００．０２５Ｗｈ（＝１００００Ｗｈ＋０．０２５Ｗｈ）として出力する。
【００４３】
遅延器２５は、加算器２４の出力した現在の照射エネルギー積算値２６の１００００．０２５Ｗｈを保持する。さらに、遅延器２５は、この保持した照射エネルギー積算値２６を加算器２４が次の計算をする前に出力する。
【００４４】
基準ビーム径出力部２７は、基準出力パワー（１．５Ｗ）での加工ビーム径を予測し出力するためのものである。この基準ビーム径出力部２７は、加算器２４が出力した照射エネルギー積算値２６に対応した基準出力パワーのビーム径２８を図２に従い出力する。このとき、照射エネルギー積算値２６は、１００００．０２５Ｗｈであるので、図２から基準出力パワーのビーム径２８は６０μｍとなる。照射エネルギー積算値２６と基準出力パワーのビーム径２８の関係は、基準ビーム径出力部２７にあるＲＯＭ２７ａに保存している。この時、基準ビーム径出力部２７は、照射エネルギー積算値２６に、一対一で対応づけたデータもしくは近似式に基づいて基準出力パワーのビーム径２８を出力する。
【００４５】
次に、ビーム径割合出力部２９は、図３の関係により、現在の光量での加工ビーム径が基準出力パワー（１．５Ｗ）の加工ビーム径の何倍かを、ビーム径割合３０として出力するものである。すると、図３より、ビーム径割合出力部２９は、図１のマイクロコンピュータ１６が出力した加工ビーム出力値１７が１．５Ｗなので、ビーム径割合３０を１倍として出力する。加工ビーム出力値１７とビーム径割合３０の関係は、ビーム径割合出力部２９にあるＲＯＭ２９ａに保存している。ビーム径割合出力部２９は、加工ビーム出力値１７に、一対一で対応づけたデータもしくは近似式に基づいてビーム径割合３０を出力する。
【００４６】
第２の乗算器３１は、基準出力パワーのビーム径２８とビーム径割合３０から加工ビーム径を予測する予測ビーム径２１を計算するためのものである。この時、第２の乗算器３１は、基準出力パワーのビーム径２８である６０μｍと、ビーム径割合３３の１倍を乗算し、乗算結果の６０μｍを予測ビーム径２１として出力する。
【００４７】
ビーム径調整温度算出手段３２は、予測ビーム径２１から、加工ビーム径を設定ビーム径３３にする温度（波長変換素子４の温度）を、図４から求め出力するものである。このビーム径調整温度算出手段３２は、減算器３５と補正温度出力部３６、加算器３７で構成される。まず、減算器３５は、設定ビーム径３３の５０μｍから、ビーム径予測手段１９が出力した予測ビーム径２１の６０μｍを減じ、−１０μｍを補正サイズとして出力する。
【００４８】
すると、図４より、補正温度出力部３６は、補正サイズが−１０μｍなので、ビーム径補正温度３４を＋０．２４℃で出力する。補正サイズとビーム径補正温度３４との関係は、補正温度出力部３６にあるＲＯＭ３６ａに保存している。補正温度出力部３６は、補正サイズに、一対一で対応づけられたデータもしくは近似式に基づいてビーム径補正温度３４を出力する。
【００４９】
ビーム径調整温度算出手段３２の加算器３７は、加工ビーム径を設定ビーム径３３に保つ波長変換素子４の温度を、ビーム径補正温度３４から計算するものである。そのため、加算器３７は、図１のマイクロコンピュータ１６が出力した初期設定温度３８とビーム径補正温度３４を加算し、ビーム径調整温度３９として出力する。すると、初期設定温度３８が５０．２４℃、ビーム径補正温度３４が＋０．２４℃なので、加工ビーム径を設定ビーム径３３に保つビーム径調整温度３９を５０．４８℃（＝５０．２４＋０．２４）として出力する。
【００５０】
次に、図１の温度センサ４１が、例えばサーミスタならば、サーミスタの抵抗値から波長変換素子４の温度がわかる。ペルチェ４２は、温度調整手段４０が出力するペルチェ駆動電流４６により排熱または吸熱し、波長変換素子４の温度を調整する。すると、波長変換素子４の温度がビーム径調整温度３９の５０．４８℃になると、加工ビーム１０のビーム径が、設定ビーム径３３である５０μｍになる。
【００５１】
図６は、加工ビーム１０の照射時間とビーム径の関係を、従来例と本実施の形態で比較した図である。加工ビーム１０の光量は、１．５Ｗとしている。従来例では、照射時間２０の経過とともに加工ビーム径が増加し、ビーム径は一定にならない。一方、本実施の形態によると、加工ビーム径は、照射時間２０が二万時間経過しても、設定ビーム径３３の５０μｍ近傍で一定となっている。
【００５２】
以上のように、本実施の形態によると、ビーム径予測手段１９で加工ビーム１０のビーム径を予測する。ビーム径調整温度算出手段３２は、ビーム径が設定ビーム径３３になるような波長変換素子４の温度を計算する。温度調整手段４０は、波長変換素子４の温度をビーム径調整温度算出手段３２で計算された温度に基づいて温度を調整した。すると、図６のように、従来例では、加工ビーム１０のビーム径が変化したのに対し、本実施の形態によると、加工ビーム１０のビーム径は一定になる。その結果、プリント基板のビアホール等の加工径を一定の大きさにすることができる。
【００５３】
なお、メモリ１８に格納された設定ビーム径３３は、ユーザーの設定によって、変更できる構成にしてもよい。すなわち、ユーザーが、外部の入力インターフェースを介して、設定したいビーム径をマイクロコンピュータ１６に入力する。マイクロコンピュータ１６は、ユーザーが設定したビーム径で、メモリ１８に格納された設定ビーム径３３を書き換える構成にしても良い。
【００５４】
また、加工ビーム１０の光量が、加工ビーム出力設定値４３に一致する場合がある。このとき、予測ビーム径２１の計算で、加工ビーム出力値１７のかわりに加工ビーム出力設定値４３を用いる構成にしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明にかかるレーザ加工装置は、波長変換素子の温度を変更し、加工ビーム径を調整したので、プリント基板のビアホール等の加工径を一定の大きさにできる。特に、加工ビーム径が変わるとビアホールの開口面積は、その変化の２乗で変化する。そのため、プリント基板の電気特性のバラツキを抑えることが期待されるものである。また、半導体パッケージなどに高解像度の記号をマーキングする用途にも期待できるものである。
【符号の説明】
【００５６】
１ 基本波レーザ
２ 基本波レーザ光
３ 第１の集光レンズ
４ 波長変換素子
５ 変換ビーム
６ 部分反射ミラー
７ 分岐光
８ 透過した変換ビーム
９ 第２の集光レンズ
１０ 加工ビーム
１１ 光量検出手段
１２ 光量情報
１３ 照射時間測定手段
１４ 変換ビームＯＮ信号
１５ 照射時間情報
１６ マイクロコンピュータ
１７ 加工ビーム出力値
１８ メモリ
１９ ビーム径予測手段
２０ 照射時間
２１ 予測ビーム径
２２ 第１の乗算器
２３ 照射エネルギー
２４ 加算器
２５ 遅延器
２６ 照射エネルギー積算値
２７ 基準ビーム径出力部
２７ａ ＲＯＭ
２８ 基準出力パワーのビーム径
２９ ビーム径割合出力部
２９ａ ＲＯＭ
３０ ビーム径割合
３１ 第２の乗算器
３２ ビーム径調整温度算出手段
３３ 設定ビーム径
３４ ビーム径補正温度
３５ 減算器
３６ 補正温度出力部
３６ａ ＲＯＭ
３７ 加算器
３８ 初期設定温度
３９ ビーム径調整温度
４０ 温度調整手段
４１ 温度センサ
４１ａ 温度情報
４２ ペルチェ
４３ 加工ビーム出力設定値
４４ レーザ駆動値
４５ レーザ駆動回路
４６ ペルチェ駆動電流
４７ レーザ駆動電流
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリント基板に貫通孔やマーキングを施す、波長変換素子を使ったレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ加工装置は、以下のようになっていた。
すなわち、レーザ加工装置は、基本波レーザ光を波長変換素子に入射させ、基本波レーザ光の一部が、波長変換素子によって波長変換され変換ビームとして出力される。例えば、発振波長が１０６４ｎｍの基本波レーザ光は、第２高調波レーザ光に変換する波長変換素子によって波長変換され、発振波長が５３２ｎｍの変換ビームとして出射する。
【０００３】
そして、この変換ビームは、集光レンズによって加工ビームとなり、例えばプリント基板に向けて照射される。
【０００４】
この時、効率良い波長変換を行うため、波長変換素子は、基本波レーザ光を変換ビームへ最大効率で変換する位相整合条件に合うように、ペルチェ素子などで温度調整される。また、部分反射ミラーで分光された変換ビームの一部は、光量検出器で検出され、マイクロコンピュータ等によって加工ビームの出力パワー（光量）が一定になるように調整されている。
【０００５】
特に、ＳＨＧレーザ光源の加工ビームが高パワーで短波長の場合、プリント基板のビアホール等を加工するレーザ加工装置などに使用されていた（例えば、参考文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３０７９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の構成では、加工ビームとして１Ｗ程度以上の出力を、例えば、数千時間以上照射すると、加工ビームのビーム径が２割程度変わることがわかった。
【０００８】
すなわち、長時間使用により波長変換素子の屈折力が徐々に変動するので、長期間高出力の加工ビームを出力すると、プリント基板のビアホール等の加工径が変わってしまうのであった。
【０００９】
本発明は、加工ビームを高出力で長時間照射しても、加工径を一定の大きさにするレーザ加工装置を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そして、この目的を達成するために本発明は、基本波レーザ光を高調波レーザ光に変換し変換ビームとする波長変換素子と、前記変換ビームを加工ビームとして集光する集光レンズと、前記波長変換素子の初期設定温度と前記加工ビームの設定ビーム径とが格納されるメモリと、前記変換ビームの一部を光量情報として検出する光量検出手段と、前記変換ビームの照射時間を測定し照射時間情報を測定する照射時間測定手段と、前記光量情報と前記照射時間情報とから前記加工ビームの予測ビーム径を計算するビーム径予測手段と、前記予測ビーム径と前記設定ビーム径との差分に応じたビーム径調整温度を計算し、このビーム径調整温度になるように前記波長変換素子の温度調整を行う温度調整手段とを有するものとし、これにより所期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように本発明は、基本波レーザ光を高調波レーザ光に変換し変換ビームとする波長変換素子と、前記変換ビームを加工ビームとして集光する集光レンズと、前記波長変換素子の初期設定温度と前記加工ビームの設定ビーム径とが格納されるメモリと、前記変換ビームの一部を光量情報として検出する光量検出手段と、前記変換ビームの照射時間を測定し照射時間情報を測定する照射時間測定手段と、前記光量情報と前記照射時間情報とから前記加工ビームの予測ビーム径を計算するビーム径予測手段と、前記予測ビーム径と前記設定ビーム径との差分に応じたビーム径調整温度を計算し、このビーム径調整温度になるように前記波長変換素子の温度調整を行う温度調整手段とを有するものとしたので、プリント基板の加工径を一定にできる。
【００１２】
すなわち、本発明において、ビーム径予測手段が、加工ビームの光量情報と照射時間情報から、加工ビームの予測ビーム径を計算する。さらに、加工ビームのビーム径が波長変換素子の温度で変わることから、予測ビーム径に基づき、加工ビームのビーム径を一定にするビーム径調整温度を求める。温度調整手段が、このビーム径調整温度に基づいて、波長変換素子の温度調整を行う。その結果、加工ビームのビーム径が変更でき加工ビームを高出力で長時間照射し続けても、加工ビームのビーム径が一定の大きさとなることが図れるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】同実施の形態におけるレーザ加工装置の構成を表すブロック図
【図２】本発明の一実施の形態における照射エネルギー積算値と基準パワーのビーム径を表す特性図
【図３】同実施の形態における加工ビーム出力値とビーム径割合を表す特性図
【図４】同実施の形態における補正サイズとビーム径補正温度を表す特性図
【図５】同実施の形態におけるビーム径予測手段とビーム径調整温度算出手段を説明するブロック図
【図６】同実施の形態と従来例の加工ビーム径を比較する図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明のレーザ加工装置について実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の構成を示す図である。
【００１６】
図１において、基本波レーザ１は、波長が１０６４ｎｍの基本波レーザ光２を出力する。第１の集光レンズ３は、基本波レーザ１が出力した基本波レーザ光２を受け集光する。ここで、第１の集光レンズ３の集光開口数（以下、集光ＮＡという）は、０．０１１で、第１の集光レンズ３と波長変換素子４の入射端との距離を２５ｍｍとした。
【００１７】
波長変換素子４は、第１の集光レンズ３が集光した基本波レーザ光２を第２高調波レーザ光に変換し、変換ビーム５として出力する。例えば、波長変換素子４は、波長が１０６４ｎｍの基本波レーザ光２を、波長が５３２ｎｍの第２高調波レーザ光である変換ビーム５に変換して出力する。また、波長変換素子４は、基本波レーザ光２と位相整合する分極反転構造をした非線形光学結晶である。さらに、波長変換素子４は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎの少なくともいずれかを含有するため、基本波レーザ光２または変換ビーム５の少なくとも一方の一部を吸収し発熱する。さらにまた、波長変換素子４は、変換ビーム５に変換できなかった基本波レーザ光２を透過させ出力するが、加工に不要な場合は、光学フィルタ（図示せず）により除去している。
【００１８】
部分反射ミラー６は、加工ビーム（下記、加工ビーム１０）の光量を検出する光を生成するため、波長変換素子４で変換された変換ビーム５の一部、例えば１％を分岐光７として分岐して反射する。また、部分反射ミラー６は、波長変換素子４で変換された変換ビーム５のうち分岐光７として反射せずに透過した残り９９％を、透過した変換ビーム８として出力する。
【００１９】
第２の集光レンズ９は、部分反射ミラー６を透過した変換ビーム８を加工ビーム１０として集光し、プリント基板等の加工位置に出力する。このとき、第２の集光レンズ９の集光ＮＡは、０．０１５で、波長変換素子４の出力端との距離を１４８ｍｍとした。また、部分反射ミラー６と第２の集光レンズ９の間にビームエキスパンダ（図示せず）を、製造時のビーム径調整用として設けてもよい。なお、第２の集光レンズ９は、複数の光学素子(図示せず)、加工ビーム１０の照射位置を移動させるビーム位置移動手段(図示せず)を含んでいても良い。
【００２０】
光量検出手段１１は、波長変換素子４から出力された変換ビーム５の一部である分岐光７を光量情報１２として検出し出力する。この光量情報１２は、加工ビーム１０の出力パワー（以下、光量）を計算するためのものである。例えば、光量検出手段１１が出力する光量情報１２は、分岐光７の光量に対応したデジタル値である。なお、この光量情報１２の１デジットが、分岐光７の光量の何Ｗ（ワット）になるかを表すものとした。すると、分岐光７と加工ビーム１０の光量が比例関係なので、光量情報１２から加工ビーム１０の光量のＷ数（ワット数）が、計算できるのである。
【００２１】
照射時間測定手段１３は、波長変換素子４から出力された変換ビーム５の照射時間を測定し、照射時間情報１５を出力する。この照射時間測定手段１３は、変換ビームＯＮ信号１４を受け、この変換ビームＯＮ信号１４が有効になっている間、一定時間毎にカウントアップするカウンタによって照射時間を測定する。すると、照射時間は、このカウンタのカウントアップする単位時間に、カウンタのカウント値を乗じて求めることができる。また、変換ビームＯＮ信号１４は、ユーザーが加工ビーム１０の照射をＯＮにしたときに有効になる信号である。そのため、照射時間測定手段１３は、加工ビーム１０の照射時間に対応する情報を測定できる。また、照射時間測定手段１３は、変換ビームＯＮ信号１４が無効になると照射時間情報１５をゼロとして出力する。
【００２２】
ビーム径予測手段１９は、光量検出手段１１で検出した光量情報１２と照射時間測定手段１３で測定した照射時間情報１５から、照射エネルギー積算値を計算する。さらに、ビーム径予測手段１９は、照射エネルギー積算値から加工ビーム１０の予測ビーム径２１を計算するものである。詳細は、後述の図５で説明する。なお、照射エネルギー積算値は、光量情報１２と照射時間情報１５の乗算結果を、照射エネルギーに変換し積算することで計算できる。ただし、本実施の形態では、光量情報１２に基づく加工ビーム出力値と照射時間情報１５に基づく照射時間の乗算結果（照射エネルギー）を積算して、照射エネルギー積算値を計算する構成で説明する。
【００２３】
ビーム径調整温度算出手段３２は、ビーム径予測手段１９によって算出した加工ビーム１０の予測ビーム径２１と、メモリ１８に予め格納された設定ビーム径３３との差分を計算する。さらに、ビーム径調整温度算出手段３２は、この計算した差分とメモリ１８に予め格納された波長変換素子４の初期設定温度３８とから、ビーム径調整温度３９を計算し出力する。詳細は、後述の図５で説明する。
【００２４】
温度調整手段４０は、温度センサ（下記、温度センサ４１）の示す波長変換素子４の温度情報４１ａがビーム径調整温度算出手段３２の出力したビーム径調整温度３９になるようにペルチェ駆動電流４６を出力する。また、温度調整手段４０は、周知の温度コントローラ（図示せず）とペルチェ駆動回路（図示せず）、温度センサ回路（図示せず）等で構成される。この温度調整手段４０は、波長変換素子４の設定温度であるビーム径調整温度３９と温度センサ４１の温度情報４１ａから、温度センサ４１が取り付けられた波長変換素子４の温度がビーム径調整温度３９になるようペルチェ駆動電流４６を一般的なＰＩＤ制御などで計算し出力する。
【００２５】
ペルチェ４２は、接続された波長変換素子４の温度を、排熱と吸熱によって調整するためのものである。このペルチェ４２は、温度調整手段４０が出力したペルチェ駆動電流４６の駆動方向および電流値によって、排熱と吸熱の切り替えとその駆動量を調整できる。
【００２６】
温度センサ４１は、波長変換素子４に装着され、波長変換素子４の温度情報４１ａを検知するためのものである。この温度センサ４１が、サーミスタの場合、波長変換素子４の温度情報４１ａをサーミスタの抵抗値で検知する。
【００２７】
マイクロコンピュータ１６は、ビーム径予測手段１９とビーム径調整温度算出手段３２の設定を行うためのものである。また、マイクロコンピュータ１６は、加工ビーム１０の照射時間、光量を算出し光量を一定にする制御やメモリ１８へアクセスするためのものである。
【００２８】
まず、マイクロコンピュータ１６は、加工ビーム１０の光量を計算するため、光量検出手段１１が出力した光量情報１２を受ける。マイクロコンピュータ１６は、この光量情報１２を照射時間測定手段１３のカウントアップ時間（例えば、１０ｍｓｅｃ）より短い時間（例えば、１ｍｓｅｃ）毎に取得する。マイクロコンピュータ１６は、光量情報１２の検出ノイズを除くため、光量情報１２を１０ｍｓｅｃ間に１０回取得し積算後、平均化する。この平均化した光量情報１２は、加工ビーム１０の光量と比例関係にあるので、マイクロコンピュータ１６によって加工ビーム１０の光量に変換できる。また、この加工ビーム１０の光量は、マイクロコンピュータ１６が加工ビーム出力値１７として、マイクロコンピュータ１６内のＲＡＭ（図示せず）に保持し出力する。
【００２９】
さらに、マイクロコンピュータ１６は、加工ビーム１０の照射時間２０を計算するため、照射時間測定手段１３が出力した照射時間情報１５を受ける。マイクロコンピュータ１６は、照射時間情報１５に照射時間測定手段１３のカウントアップ時間（１０ｍｓｅｃ）を乗じて、照射時間２０を計算し出力する。
【００３０】
さらにまた、マイクロコンピュータ１６は、ビーム径予測手段１９の遅延器（下記、遅延器２５）を初期化するため、レーザ加工装置の電源（図示せず）のＯＮ／ＯＦＦで以下の処理を行う。まず、電源をＯＦＦする場合には、マイクロコンピュータ１６は、遅延器（下記、遅延器２５）に格納された照射エネルギー積算値２６を読み取り、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性のメモリ１８に記憶する。また、レーザ加工装置の電源をＯＮした直後には、一度だけメモリ１８に記憶した照射エネルギー積算値２６を読みとり、遅延器（下記、遅延器２５）に照射エネルギー積算値２６を書き込む。ここでは、電源をＯＦＦする時に照射エネルギー積算値２６をメモリ１８に書き込んだが、計算毎に書き込んでも良い。また、メモリ１８は、一番初めに電源をＯＮする前は、ゼロで初期化している。さらに、遅延器（下記、遅延器２５）は、電源がＯＦＦされても、照射エネルギー積算値２６を保持する構成にしても良い。
【００３１】
さらにまた、マイクロコンピュータ１６は、加工ビーム１０の光量を一定にするためのものである。マイクロコンピュータ１６は、ユーザーが設定する加工ビーム出力設定値４３と加工ビーム出力値１７を一致させる計算を行う。この計算は、例えば、一般的な比例積分制御に基づいて行われ、マイクロコンピュータ１６は、比例積分制御の計算結果をレーザ駆動値４４として出力する。このように、マイクロコンピュータ１６は、光量情報１２に基づく加工ビーム出力値１７を一定にすることで、加工ビーム１０の光量を一定にできる。また、マイクロコンピュータ１６は、メモリ１８内に格納した波長変換素子４の初期設定温度３８と設定ビーム径３３を、ビーム径調整温度算出手段３２へ出力する。ここでは、初期設定温度３８と設定ビーム径３３、照射エネルギー積算値２６を、メモリ１８に格納する構成にしたが、マイクロコンピュータ１６上の図示しないＲＯＭ上に格納する構成にしてもよい。
【００３２】
次に、レーザ駆動回路４５は、加工ビーム１０の光量が一定になるようマイクロコンピュータ１６が計算したレーザ駆動値４４を受け、レーザ駆動電流４７を基本波レーザ１に出力する。すると、基本波レーザ１は、加工ビーム１０の光量を一定にする基本波レーザ光２を出力するものである。
【００３３】
次に、本発明の実施の形態において、加工ビーム１０を長期間高出力で照射すると変換ビーム５に作用する屈折力が徐々に変化する波長変換素子４の特性を、図２から図４を用いて説明する。
【００３４】
図２は、本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の加工ビーム１０の電力量（以下、照射エネルギー積算値２６）と、加工ビーム径の関係を表す図である。以下、加工ビーム径は、加工位置における加工ビーム１０の直径を示す。
【００３５】
図２において、縦軸は加工ビーム径、横軸は照射エネルギー積算値２６を表す。加工ビーム径は、加工ビーム１０の光量によっても変化するので、図２の加工ビーム径は、加工ビーム１０の光量を基準光量（以後、基準出力パワー）としたときの値である。この基準出力パワーは、本実施の形態では、１．５Ｗとするが、照射エネルギー積算値２６から加工ビーム径を予測できるため、それ以外の値でもよい。ただし、この場合は、後述の図３で、加工ビーム出力値１７が、基準出力パワーになったときのビーム径割合が、１になるようにする。また、照射エネルギー積算値２６が増加すると、加工ビーム径が大きくなるのは、波長変換素子４の光損傷による屈折率の変化が一因である。
【００３６】
図３は、加工ビーム１０の光量（以後、加工ビーム出力値１７）と、加工ビーム１０のビーム径割合の関係を表す図である。図３において、横軸は加工ビーム出力値１７、縦軸はビーム径割合を表す。このビーム径割合は、加工ビーム出力値１７を変化させたときに、加工ビーム径が、基準出力パワー（１．５Ｗ）時の加工ビーム径の何倍かを表している。図３より、加工ビーム出力値１７が大きくなると、ビーム径割合も大きくなることがわかる。これは、加工ビーム出力値１７が大きくなると、波長変換素子４内部で吸収される変換ビーム５も大きくなる。すると、波長変換素子４は、変換ビーム５の吸収によって、内部の温度が上昇する。波長変換素子４内部の温度上昇により、波長変換素子４内部の屈折率が変化する。このとき、変換ビーム５の光強度分布は、ビームの中央部が大きい。そのため、波長変換素子４の屈折率は、変換ビーム５が通過する光路の中央部の方が周辺部よりも大きくなる。すると、変換ビーム５の進行方向は、屈折率の高い光路の中央部に集まるようになる。その結果、変換ビーム５の拡がり角が小さくなり、第２の集光レンズ９で集光された加工ビーム１０のビーム径は、集光位置で大きくなる。また、図３の関係は、長時間、加工ビーム１０を照射し、照射エネルギー積算値２６が変わっても一定であった。
【００３７】
図４は、設定と実測の加工ビーム径とのビーム径誤差を補正する補正サイズと、ビーム径補正温度の関係を表す図である。図４において、横軸は補正サイズ、縦軸はビーム径補正温度を表す。ビーム径補正温度は、加工ビーム径を設定ビーム径３３に調整する、波長変換素子４の補正温度を表している。これは、加工ビーム径が、波長変換素子４の温度を変更すると変わるという現象を利用している。波長変換素子４の温度によって加工ビーム径が変化する主な原因は、以下のように説明できる。まず、波長変換素子４の温度変更により、基本波レーザ光２の光量が一定の場合、光量の変換効率（＝変換ビーム５の光量／基本波レーザ光２の光量）が変わる。すると、変換ビーム５の光量が変わるので、変換ビーム５の光量つまり加工ビーム１０の光量を一定に保つため、マイクロコンピュータ１６とレーザ駆動回路４５によって、基本波レーザ光２の光量を調整する。すると、波長変換素子４の温度を変更する前に比べて、基本波レーザ光２の光量が変わり、波長変換素子４に吸収される基本波レーザ光２の光量も変わる。そのため、基本波レーザ光２が通過する波長変換素子４内の光路の温度が、基本波レーザ光２を吸収した変化分だけ変わる。その結果、波長変換素子４の光路の温度変化分だけ光路の屈折率が変わり、この屈折率の変化は光路の中央部が周辺部分よりも大きいので、波長変換素子４から出射される変換ビーム５の拡がり角が変わる。これにより、加工位置での加工ビーム径が変わるのである。
【００３８】
以上のように構成されたレーザ加工装置について、図１から図５を用い、加工ビーム径を設定ビーム径３３に一致させることを詳細に説明する。このとき、加工ビーム出力値１７は１．５Ｗ（ワット）、設定ビーム径３３は５０μｍ、初期設定温度３８は５０．２４℃、照射時間２０は１分と仮定する。また、照射エネルギー積算値２６は、１００００Ｗｈとして、遅延器（下記、遅延器２５）に保存されていると仮定する。
【００３９】
図５は、本発明の特徴部分であるビーム径予測手段１９とビーム径調整温度算出手段３２の構成を示す図である。
【００４０】
図５において、ビーム径予測手段１９は、加工ビーム径を予測するため、第１の乗算器２２と加算器２４、遅延器２５、基準ビーム径出力部２７、ビーム径割合出力部２９、第２の乗算器３１で構成される。
【００４１】
第１の乗算器２２は、照射エネルギー２３を計算するため、加工ビーム出力値１７の１．５Ｗと照射時間２０の１分（＝１／６０ｈｏｕｒ）を乗算する。さらに、第１の乗算器２２は、この乗算結果の０．０２５Ｗｈ（＝１．５Ｗ×（１／６０）ｈ）を、照射エネルギー２３として出力する。
【００４２】
加算器２４は、照射エネルギー積算値２６を計算するため、照射エネルギー２３と遅延器２５に保存された過去の照射エネルギー積算値を加算し出力する。このとき、第１の乗算器２２が出力した照射エネルギー２３は０．０２５Ｗｈ、遅延器２５に保存された過去の照射エネルギー積算値は１００００Ｗｈである。そのため、加算器２４は、照射エネルギー積算値２６を１００００．０２５Ｗｈ（＝１００００Ｗｈ＋０．０２５Ｗｈ）として出力する。
【００４３】
遅延器２５は、加算器２４の出力した現在の照射エネルギー積算値２６の１００００．０２５Ｗｈを保持する。さらに、遅延器２５は、この保持した照射エネルギー積算値２６を加算器２４が次の計算をする前に出力する。
【００４４】
基準ビーム径出力部２７は、基準出力パワー（１．５Ｗ）での加工ビーム径を予測し出力するためのものである。この基準ビーム径出力部２７は、加算器２４が出力した照射エネルギー積算値２６に対応した基準出力パワーのビーム径２８を図２に従い出力する。このとき、照射エネルギー積算値２６は、１００００．０２５Ｗｈであるので、図２から基準出力パワーのビーム径２８は６０μｍとなる。照射エネルギー積算値２６と基準出力パワーのビーム径２８の関係は、基準ビーム径出力部２７にあるＲＯＭ２７ａに保存している。この時、基準ビーム径出力部２７は、照射エネルギー積算値２６に、一対一で対応づけたデータもしくは近似式に基づいて基準出力パワーのビーム径２８を出力する。
【００４５】
次に、ビーム径割合出力部２９は、図３の関係により、現在の光量での加工ビーム径が基準出力パワー（１．５Ｗ）の加工ビーム径の何倍かを、ビーム径割合３０として出力するものである。すると、図３より、ビーム径割合出力部２９は、図１のマイクロコンピュータ１６が出力した加工ビーム出力値１７が１．５Ｗなので、ビーム径割合３０を１倍として出力する。加工ビーム出力値１７とビーム径割合３０の関係は、ビーム径割合出力部２９にあるＲＯＭ２９ａに保存している。ビーム径割合出力部２９は、加工ビーム出力値１７に、一対一で対応づけたデータもしくは近似式に基づいてビーム径割合３０を出力する。
【００４６】
第２の乗算器３１は、基準出力パワーのビーム径２８とビーム径割合３０から加工ビーム径を予測する予測ビーム径２１を計算するためのものである。この時、第２の乗算器３１は、基準出力パワーのビーム径２８である６０μｍと、ビーム径割合３３の１倍を乗算し、乗算結果の６０μｍを予測ビーム径２１として出力する。
【００４７】
ビーム径調整温度算出手段３２は、予測ビーム径２１から、加工ビーム径を設定ビーム径３３にする温度（波長変換素子４の温度）を、図４から求め出力するものである。このビーム径調整温度算出手段３２は、減算器３５と補正温度出力部３６、加算器３７で構成される。まず、減算器３５は、設定ビーム径３３の５０μｍから、ビーム径予測手段１９が出力した予測ビーム径２１の６０μｍを減じ、−１０μｍを補正サイズとして出力する。
【００４８】
すると、図４より、補正温度出力部３６は、補正サイズが−１０μｍなので、ビーム径補正温度３４を＋０．２４℃で出力する。補正サイズとビーム径補正温度３４との関係は、補正温度出力部３６にあるＲＯＭ３６ａに保存している。補正温度出力部３６は、補正サイズに、一対一で対応づけられたデータもしくは近似式に基づいてビーム径補正温度３４を出力する。
【００４９】
ビーム径調整温度算出手段３２の加算器３７は、加工ビーム径を設定ビーム径３３に保つ波長変換素子４の温度を、ビーム径補正温度３４から計算するものである。そのため、加算器３７は、図１のマイクロコンピュータ１６が出力した初期設定温度３８とビーム径補正温度３４を加算し、ビーム径調整温度３９として出力する。すると、初期設定温度３８が５０．２４℃、ビーム径補正温度３４が＋０．２４℃なので、加工ビーム径を設定ビーム径３３に保つビーム径調整温度３９を５０．４８℃（＝５０．２４＋０．２４）として出力する。
【００５０】
次に、図１の温度センサ４１が、例えばサーミスタならば、サーミスタの抵抗値から波長変換素子４の温度がわかる。ペルチェ４２は、温度調整手段４０が出力するペルチェ駆動電流４６により排熱または吸熱し、波長変換素子４の温度を調整する。すると、波長変換素子４の温度がビーム径調整温度３９の５０．４８℃になると、加工ビーム１０のビーム径が、設定ビーム径３３である５０μｍになる。
【００５１】
図６は、加工ビーム１０の照射時間とビーム径の関係を、従来例と本実施の形態で比較した図である。加工ビーム１０の光量は、１．５Ｗとしている。従来例では、照射時間２０の経過とともに加工ビーム径が増加し、ビーム径は一定にならない。一方、本実施の形態によると、加工ビーム径は、照射時間２０が二万時間経過しても、設定ビーム径３３の５０μｍ近傍で一定となっている。
【００５２】
以上のように、本実施の形態によると、ビーム径予測手段１９で加工ビーム１０のビーム径を予測する。ビーム径調整温度算出手段３２は、ビーム径が設定ビーム径３３になるような波長変換素子４の温度を計算する。温度調整手段４０は、波長変換素子４の温度をビーム径調整温度算出手段３２で計算された温度に基づいて温度を調整した。すると、図６のように、従来例では、加工ビーム１０のビーム径が変化したのに対し、本実施の形態によると、加工ビーム１０のビーム径は一定になる。その結果、プリント基板のビアホール等の加工径を一定の大きさにすることができる。
【００５３】
なお、メモリ１８に格納された設定ビーム径３３は、ユーザーの設定によって、変更できる構成にしてもよい。すなわち、ユーザーが、外部の入力インターフェースを介して、設定したいビーム径をマイクロコンピュータ１６に入力する。マイクロコンピュータ１６は、ユーザーが設定したビーム径で、メモリ１８に格納された設定ビーム径３３を書き換える構成にしても良い。
【００５４】
また、加工ビーム１０の光量が、加工ビーム出力設定値４３に一致する場合がある。このとき、予測ビーム径２１の計算で、加工ビーム出力値１７のかわりに加工ビーム出力設定値４３を用いる構成にしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明にかかるレーザ加工装置は、波長変換素子の温度を変更し、加工ビーム径を調整したので、プリント基板のビアホール等の加工径を一定の大きさにできる。特に、加工ビーム径が変わるとビアホールの開口面積は、その変化の２乗で変化する。そのため、プリント基板の電気特性のバラツキを抑えることが期待されるものである。また、半導体パッケージなどに高解像度の記号をマーキングする用途にも期待できるものである。
【符号の説明】
【００５６】
１ 基本波レーザ
２ 基本波レーザ光
３ 第１の集光レンズ
４ 波長変換素子
５ 変換ビーム
６ 部分反射ミラー
７ 分岐光
８ 透過した変換ビーム
９ 第２の集光レンズ
１０ 加工ビーム
１１ 光量検出手段
１２ 光量情報
１３ 照射時間測定手段
１４ 変換ビームＯＮ信号
１５ 照射時間情報
１６ マイクロコンピュータ
１７ 加工ビーム出力値
１８ メモリ
１９ ビーム径予測手段
２０ 照射時間
２１ 予測ビーム径
２２ 第１の乗算器
２３ 照射エネルギー
２４ 加算器
２５ 遅延器
２６ 照射エネルギー積算値
２７ 基準ビーム径出力部
２７ａ ＲＯＭ
２８ 基準出力パワーのビーム径
２９ ビーム径割合出力部
２９ａ ＲＯＭ
３０ ビーム径割合
３１ 第２の乗算器
３２ ビーム径調整温度算出手段
３３ 設定ビーム径
３４ ビーム径補正温度
３５ 減算器
３６ 補正温度出力部
３６ａ ＲＯＭ
３７ 加算器
３８ 初期設定温度
３９ ビーム径調整温度
４０ 温度調整手段
４１ 温度センサ
４１ａ 温度情報
４２ ペルチェ
４３ 加工ビーム出力設定値
４４ レーザ駆動値
４５ レーザ駆動回路
４６ ペルチェ駆動電流
４７ レーザ駆動電流
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波レーザ光を高調波レーザ光に変換し変換ビームとする波長変換素子と、
前記変換ビームを加工ビームとして集光する集光レンズと、
前記波長変換素子の初期設定温度と前記加工ビームの設定ビーム径とが格納されるメモリと、
前記変換ビームの一部を光量情報として検出する光量検出手段と、
前記変換ビームの照射時間を測定し照射時間情報を測定する照射時間測定手段と、
前記光量情報と前記照射時間情報とから前記加工ビームの予測ビーム径を計算するビーム径予測手段と、
前記予測ビーム径と前記設定ビーム径との差分に応じたビーム径調整温度を計算し、このビーム径調整温度になるように前記波長変換素子の温度調整を行う温度調整手段とを有するレーザ加工装置。
【請求項２】
前記ビーム径予測手段は、前記光量情報と前記照射時間情報の乗算結果を積算した値に基づいて計算された照射エネルギー積算値と、この照射エネルギー積算値によって変化するビーム径と前記光量情報によって変化するビーム径割合とから前記加工ビームの予測ビーム径を計算する請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記照射時間測定手段は、前記波長変換素子から出力された変換ビームが照射される期間に０からカウントアップするカウンタで、前記照射時間情報を測定する請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項１】
基本波レーザ光を高調波レーザ光に変換し変換ビームとする波長変換素子と、
前記変換ビームを加工ビームとして集光する集光レンズと、
前記波長変換素子の初期設定温度と前記加工ビームの設定ビーム径とが格納されるメモリと、
前記変換ビームの一部を光量情報として検出する光量検出手段と、
前記変換ビームの照射時間を測定し照射時間情報を測定する照射時間測定手段と、
前記光量情報と前記照射時間情報とから前記加工ビームの予測ビーム径を計算するビーム径予測手段と、
前記予測ビーム径と前記設定ビーム径との差分に応じたビーム径調整温度を計算し、このビーム径調整温度になるように前記波長変換素子の温度調整を行う温度調整手段とを有するレーザ加工装置。
【請求項２】
前記ビーム径予測手段は、前記光量情報と前記照射時間情報の乗算結果を積算した値に基づいて計算された照射エネルギー積算値と、この照射エネルギー積算値によって変化するビーム径と前記光量情報によって変化するビーム径割合とから前記加工ビームの予測ビーム径を計算する請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記照射時間測定手段は、前記波長変換素子から出力された変換ビームが照射される期間に０からカウントアップするカウンタで、前記照射時間情報を測定する請求項１に記載のレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２４８２９（Ｐ２０１２−２４８２９Ａ）
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６７９７３（Ｐ２０１０−１６７９７３）
【出願日】平成２２年７月２７日（２０１０．７．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２７日（２０１０．７．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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