CN102009269B - 激光加工装置及加工条件的决定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工装置及加工条件的决定方法，若脉冲激光束的频率偏差，则难以进行高质量的加工。在脉冲激光的路径内配置偏转器。偏转器若收到使激光的入射位置移动的移动指令信号，则使入射位置在加工对象物的表面移动，若入射位置的移动结束，则发送移动结束信号。开关元件切换脉冲激光入射到偏转器的打开状态和不入射到偏转器的关闭状态。控制装置存储应使激光束入射的多个加工点的位置信息和入射顺序。控制装置控制激光光源，以使脉冲激光以固定的频率出射。另外，向偏转器发送使入射位置移动至下一个加工点的移动指令信号。从偏转器接收移动结束信号为止，不将开关元件设为打开状态，从偏转器接收移动结束信号之后，同步于脉冲激光而将开关元件切换成打开状态。

Description

激光加工装置及加工条件的决定方法

本申请主张基于2009年9月7日申请的日本专利申请第2009-206229号的优先权。其申请的全部内容通过参照援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种在加工对象物中使脉冲激光束的入射位置移动的同时进行多个加工点的激光加工的激光加工装置及加工条件的决定方法。

背景技术

对使激光束从脉冲激光振荡器经由传播光学系统、电流扫描器(ガルバノスキヤナ)及fθ透镜而入射到加工对象物来进行激光加工的加工装置的一般动作进行说明。向1个加工点入射脉冲激光束后，使电流扫描器动作而使激光束的入射位置移动至下一个加工点。待电流扫描器的动作结束，使脉冲激光振荡器振荡而使脉冲激光束入射到加工点。专利文献1：日本特开2004-66300号公报

从加工对象物上的1个加工点到下一个加工点的距离不是固定的。因此，从电流扫描器的动作开始到结束为止的时间发生偏差。由此，脉冲激光振荡器的振荡周期也变得发生偏差。若振荡周期发生偏差，则脉冲能量、激光脉冲的时间波形、光强度分布等变动，所以难以进行高质量的加工。

发明内容

基于本发明的一种观点，提供如下激光加工装置，具有：

激光光源，通过触发信号的接收出射脉冲激光束；

载物台，保持加工对象物；

偏转器，配置在从所述激光光源出射的脉冲激光束的路径内，若收到使脉冲激光束的入射位置移动的移动指令信号，则在保持于所述载物台的加工对象物的表面，使脉冲激光束的入射位置移动至所指令的移动目的地处，若入射位置的移动结束，则发送移动结束信号；

开关元件，切换从所述激光光源出射的脉冲激光束入射到所述偏转器的打开状态和不入射到所述偏转器的关闭状态；以及

控制装置，控制所述激光光源、所述偏转器及所述开关元件，

所述控制装置，

包含存储部，所述存储部存储应使激光束入射的多个加工点的位置信息、入射顺序及发送所述触发信号的频率信息，

根据存储于所述存储部的频率信息，以固定的重复频率向所述激光光源发送触发信号，

向所述偏转器发送使脉冲激光束的入射位置移动至下一个加工点的移动指令信号，

向所述偏转器发送移动指令信号之后，到从所述偏转器接收移动结束信号为止，不将所述开关元件设为打开状态，从所述偏转器接收移动结束信号之后，同步于所述触发信号来将所述开关元件切换成打开状态。

基于本发明的其他观点，提供如下加工条件的决定方法，其为决定利用上述激光加工装置进行激光加工时的加工条件的方法，具有：

分别以所述触发信号的频率信息不同而加工点的位置信息及入射顺序共同的多个加工条件，控制所述偏转器及开关元件，使脉冲激光束的入射位置移动，并且计测扫描所有加工点的扫描时间的工序；以及

根据所述扫描时间决定所述触发信号的适宜的频率的工序。

发明效果

由于以固定的频率出射脉冲激光束，所以能够抑制脉冲能量、激光脉冲的时间波形、光强度分布等的偏差，并能提高加工质量。

附图说明

图1是基于实施例的激光加工装置的概要图。

图2是利用基于实施例的激光加工装置进行加工时的各种信号的定时图。

图3是触发信号的频率不同的2种情况的定时图。

图4是表示触发信号的频率与加工所需时间之间的关系的测量结果的图。

符号说明

10激光光源

11开关元件

12折返镜

13偏转器

14fθ透镜

15XY载物台

16光束收集器

20控制装置

20A存储器

sig1触发信号

sig2控制信号

sig3移动指令信号

sig4移动结束信号

sig5移动指令信号

sig6移动结束信号

具体实施方式

在图1示出基于实施例的激光加工装置的概要图。若激光光源10从控制装置20接收触发信号sig1，则出射脉冲激光束L1。触发信号sig1为脉冲信号，对触发信号sig1的1个脉冲出射1个激光脉冲。激光光源10例如使用Nd:YAG激光等固体激光，但即使是气体激光也无妨。

从激光光源10出射的脉冲激光束经由开关元件11、折返镜12、偏转器13、fθ透镜14入射到保持在XY载物台15的加工对象物30。开关元件11通过从控制装置20接收控制信号sig2来切换打开状态和关闭状态。打开状态时，使入射的脉冲激光束入射到折返镜12。即，打开状态时，脉冲激光束入射到加工对象物30。关闭状态时，使入射的脉冲激光束入射到光束收集器16。即，关闭状态时，脉冲激光束不入射到加工对象物。开关元件11可以使用声光元件(AOM)、声光偏转元件(AOD)等。

代替开关元件也可以是持有快门(shutter)能力的机构。即，只要是不依赖于偏转器的位置稳定(整定)定时而以固定频率输出激光，切换向加工对象物30照射输出的脉冲激光束的照射状态，或者不向加工对象物30照射输出的脉冲激光束的非照射状态的照射切换机构即可。

fθ透镜14使脉冲激光束聚光于加工对象物30的表面。可以采用在脉冲激光束的路径上配置掩模(mask)并使掩模成像于加工对象物30的表面来进行加工的掩模成像法，也可以采用在光束腰(beam waist)的位置进行加工的方法。

偏转器13若从控制装置20接收移动指令信号sig3，则在加工对象物30的表面使脉冲激光束的行进方向变化，以使脉冲激光束的入射位置移动。脉冲激光束的入射位置信息通过移动指令信号sig3供给。若脉冲激光束的入射位置的移动结束，则从偏转器13向控制装置20发送移动结束信号sig4。

偏转器13例如可使用包含一对可动镜的电流扫描器。

XY载物台15从控制装置20收到移动指令信号sig5而使加工对象物30移动。若移动结束，则从XY载物台15向控制装置20发送移动结束信号sig6。激光加工时，在使加工对象物30静止的状态下，通过使偏转器13动作来进行可用偏转器13扫描的范围内的加工。交替地重复基于XY载物台15的加工对象物30的移动和基于偏转器13的动作的可扫描范围内的加工，由此能够对加工对象物30表面的整个区域进行加工。

控制装置20包含存储各种加工条件的存储部20A。存储部20A存储划定在加工对象物30的表面的加工点的位置信息(例如，坐标等)及加工点的加工顺序。另外，存储发送触发信号sig1的频率信息(例如触发信号sig1的重复频率或周期等)。并且，存储部20A存储将开关元件11设为打开状态的时间宽度。

在图2示出激光加工的定时图。从上依次表示，从激光光源10出射的脉冲激光束L1、触发信号sig1、控制信号sig2、来自偏转器13的移动结束信号sig4、对偏转器13的移动指令信号sig3、比开关元件11更靠后方的脉冲激光束L2、对XY载物台15的移动指令信号sig5及来自XY载物台15的移动结束信号sig6。

控制信号sig2上升的状态对应于开关元件11的打开状态。移动结束信号sig4上升的状态对应于脉冲激光束的入射位置的移动中，下降的状态对应于入射位置稳定的状态(几乎静止的状态)。即，通过移动结束信号sig4的下降来通知入射位置的移动结束。在本说明书中，将使移动结束信号sig4下降的控制称为“移动结束信号sig4的发送”。

XY载物台15的移动结束信号sig6也同样地，上升的状态对应于XY载物台15的移动中，下降的状态对应于稳定的状态。即，通过移动结束信号sig6的下降来通知XY载物台15的移动结束。

若起动激光加工装置且由操作员指示加工的开始，则控制装置20以固定频率向激光光源10发送触发信号sig1。操作员的加工开始的指示例如通过加工开始按钮等的按压来进行。激光光源10同步于触发信号sig1的接收，出射脉冲激光束L1。

在时刻t1，从控制装置20向XY载物台15发送移动指令信号sig5。XY载物台15使加工对象物30移动至移动指令信号sig5所指令的位置。

在时刻t2，若加工对象物30的移动结束，则XY载物台15通过使移动结束信号sig6下降来向控制装置20通知移动结束。控制装置20若从XY载物台15收到移动结束的通知，则向偏转器13发送使脉冲激光束的入射位置移动至最初的加工点的移动指令信号sig3。

在时刻t3，若脉冲激光束的入射位置的移动结束，则偏转器13向控制装置20发送移动结束信号sig4。到接收来自偏转器13的移动结束信号sig4为止，控制装置20一直将开关元件11设为关闭状态。因此，从激光光源10出射的脉冲激光束入射到光束收集器16。

在时刻t4，控制装置20发送触发信号sig1。在该时刻，由于从偏转器13接收到移动结束信号sig4，所以同步于触发信号sig1地向开关元件11发送控制信号sig2，而将开关元件11设为打开状态。因此，在比开关元件11更靠后方的激光束的路径上出现脉冲激光束L2，并入射到加工对象物30的加工点。

控制装置20从将开关元件11设为打开状态时开始，在经过了存储于存储部20A的打开状态的时间宽度的时刻，使控制信号sig2的发送停止。由此，开关元件11成为关闭状态。

将开关元件11设为关闭状态之后，控制装置20向偏转器13发送使入射位置移动至下一个加工点的移动指令信号sig3。偏转器13使脉冲激光束的入射位置移动至所指令的加工点。

在时刻t5，若脉冲激光束的入射位置的移动结束，则向控制装置20发送移动结束信号sig4。在该时刻，还未发送在时刻t4发送的触发信号sig1的触发脉冲的下一个触发脉冲。

在时刻t6，发送触发信号sig1的下一个触发脉冲。此时，由于已接收来自偏转器13的移动结束信号sig4，所以同步于触发信号sig1向开关元件11发送控制信号sig2。由此，向加工对象物30的加工点入射脉冲激光束。

在时刻t7，向偏转器13发送移动指令信号sig3，在时刻t9，从偏转器13发送移动结束信号sig4。在时刻t7到t9期间的时刻t8，虽然发送触发信号sig1，但在该时刻控制装置20未接收到移动结束信号sig4，所以不会发送将开关元件11设为打开状态的控制信号sig2。

在比时刻t9更靠后的时刻t10，若发送触发信号sig1，则控制装置20同步于触发信号sig1发送将开关元件11设为打开状态的控制信号sig2。

通过重复脉冲激光束的入射位置的移动和将开关元件11设为打开状态的控制，能够使脉冲激光束入射到加工对象物30的可扫描范围内的所有加工点。若可扫描范围内的所有加工点的处理结束，则在时刻t11，通过向XY载物台15发送移动指令信号sig5，使未加工的区域移动至可扫描范围内。

在上述实施例中，即使驱动偏转器13而到脉冲激光束的入射位置移动至下一个加工点为止的时间发生偏差，激光光源10也以固定频率出射脉冲激光束。因此，能够抑制脉冲能量、激光脉冲的时间波形、光强度分布等的偏差。其结果，能够提高加工质量。

在上述实施例中，例如在时刻t4，使控制信号sig2与触发信号sig1同步地送出时，也可以从触发信号sig1设定固定的迟延时间而发送控制信号sig2。若使控制信号sig2的发送迟延，则在脉冲波形中，可以不使刚刚上升之后的过渡期的成分入射到加工对象物30而仅使光强度稳定后的成分入射到加工对象物30。同样地，也可以在1个激光脉冲的出射结束之前，将开关元件11恢复到关闭状态。由此，能够仅使在脉冲波形中适于加工的部分入射到加工对象物30。

接着，参照图3A及图3B对脉冲激光束的重复频率的适宜值进行说明。假设从第n-1个加工点到第n个加工点的入射位置的移动时间为M1，从第n个加工点到第n+1个加工点的入射位置的移动时间为M2，从第n+1个加工点到第n+2个加工点的入射位置的移动时间为M3。

图3A及图3B表示移动结束信号sig4、触发信号sig1及控制信号sig2的定时图。图3B表示触发信号sig1的振荡频率低于图3A的例子。

在图3A及图3B所示的任意一个例子中，都在刚刚加工了第n-1个加工点之后发送触发信号sig1的触发脉冲P1。在图3A所示的例子中，移动结束信号sig4的下降时刻和第2个触发脉冲P2几乎在相同时刻发生。因此，用于加工第n个加工点的控制信号sig2的脉冲Q_n的发送必须等到第3个触发脉冲P3。

与此相反，在图3B所示的例子中，紧接移动结束信号sig4的下降时刻之后，发送第2个触发脉冲P2。因此，同步于第2个触发脉冲P2，发送用于加工第n个加工点的控制信号sig2的脉冲Q_n。

并且，在图3A所示的例子中，在刚刚发送第5个触发脉冲P5之后，向第n+1个加工点的入射位置的移动结束。因此，用于加工第n+1个加工点的控制信号sig2的脉冲Q_n+1的发送必须等到第6个触发脉冲P6。这样，第n+1个加工点的加工与从进行了第n个加工点的加工的触发脉冲P3起的第3个触发脉冲P6同步。

与此相反，在图3B所示的例子中，在即将发送第4个触发脉冲P4之前，移动结束信号sig4下降。因此，同步于触发脉冲P4，发送用于进行第n+1个加工点的加工的控制信号Q_n+1。即，第n+1个加工点的加工与从进行了第n个加工点的加工的触发脉冲P2起的第2个触发脉冲P4同步。

第n+2个加工点的加工在图3A及图3B中的任意一个例子中，都与进行了第n+1个加工的触发脉冲的下一个触发脉冲同步。

如图3A及图3B所示，用于加工多个加工点的所需时间不一定随着触发信号sig1的频率越高而越变短。可以考虑为根据脉冲激光束的入射位置的移动时间的分布而存在触发信号sig1的最佳的频率。

在图4示出实际进行了划定有约120,000个加工点的加工对象物的加工时的、触发信号sig1的频率与加工所需时间的关系。横轴用单位“Hz”表示触发信号sig1的振荡频率，纵轴用单位“秒”表示加工所需时间。由此可知，在触发信号sig1的振荡频率为1000Hz～2000Hz的范围内，当振荡频率为1500Hz时，加工时间变得最短。在加工该加工对象物时，将触发信号sig1的振荡频率设为1500Hz比设为2000Hz更能缩短所需时间。

加工所需时间变得最短的振荡频率根据加工对象物的加工点的分布而不同。以下，对决定适宜的振荡频率的方法进行说明。

分别利用存储于控制装置20的存储部20A的、触发信号sig1的频率信息不同而加工点的位置信息及入射顺序共同的多个加工条件来控制偏转器13及开关元件11。由此，脉冲激光束的入射位置依次向多个加工点移动。此时，计测扫描所有加工点的扫描时间。

根据实际计测的扫描时间决定触发信号sig1的适宜的振荡频率。例如，将扫描时间变得最短的振荡频率设为适宜的振荡频率。

为了决定振荡频率的适宜值，在控制偏转器13及开关元件11时，无需使脉冲激光束从激光光源10实际出射。例如，可在关掉激光光源10的电源而不从激光光源10出射脉冲激光束的状态下进行上述评价。

在上述实施例中，示出了用1束激光束进行加工的情况，但在使从激光光源出射的激光束分支为多束而利用多个激光束进行加工的情况下，也可以应用上述实施例。例如，如图1所示的开关元件11可使激光束选择性地在除入射到光束收集器16的路径以外的2条路径上传播。此时，开关元件11取在第1路径上传播脉冲激光束的第1打开状态，在第2路径上传播脉冲激光束的第2打开状态及使脉冲激光束入射到光束收集器的关闭状态中的任意一个。

对2条路径各自配置图1所示的偏转器13及fθ透镜14。在2条激光束的路径上分别配置加工对象物30。XY载物台15可以被2条路径共用，也可以按每条路径配置XY载物台。

若在2条路径中分别加工的加工对象物的加工点的分布及加工顺序相同，则移动结束信号sig4从2个偏转器13几乎同时地被发送至控制装置20。控制装置20从2个偏转器13的双方接收移动结束信号sig4之后，使开关元件11同步于触发脉冲而设为第1打开状态，并同步于下一个触发脉冲而设为第2打开状态即可。

当在2条路径中分别加工的加工对象物的加工点的分布不同时，从2个偏转器13发送移动结束信号sig4的时期相互偏离。此时，可以在仅从一方的偏转器13接收了移动结束信号sig4的状态下控制开关元件11，以使脉冲激光束在接收了移动结束信号sig4侧的路径上传播。

以上按照实施例说明了本发明，但本发明不限于这些。例如可以进行各种变更、改良、组合等，这对本领域技术人员来说是显而易知的。

Claims (5)

1.一种激光加工装置，其特征在于，具有：

激光光源，通过触发信号的接收出射脉冲激光束；

载物台，保持加工对象物；

偏转器，配置在从所述激光光源出射的脉冲激光束的路径内，若收到使脉冲激光束的入射位置移动的移动指令信号，则在保持于所述载物台的加工对象物的表面，使脉冲激光束的入射位置移动至所指令的移动目的地处，若入射位置的移动结束，则发送移动结束信号；

开关元件，切换从所述激光光源出射的脉冲激光束入射到所述偏转器的打开状态和不入射到所述偏转器的关闭状态；以及

控制装置，控制所述激光光源、所述偏转器及所述开关元件，

所述控制装置，

包含存储部，所述存储部存储应使激光束入射的多个加工点的位置信息、入射顺序及发送所述触发信号的频率信息，

根据存储于所述存储部的频率信息，以固定的重复频率向所述激光光源发送触发信号，

向所述偏转器发送使脉冲激光束的入射位置移动至下一个加工点的移动指令信号，

向所述偏转器发送移动指令信号之后，在从所述偏转器接收移动结束信号之前，不将所述开关元件设为打开状态，从所述偏转器接收移动结束信号之后，同步于所述触发信号来将所述开关元件切换成打开状态。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述控制装置的存储部存储将所述开关元件设为打开状态的时间宽度，所述控制装置在将所述开关元件切换成打开状态之后，在经过了存储于所述存储部的时间宽度的时刻，将所述开关元件恢复到关闭状态，

在将所述开关元件恢复到关闭状态之后，向所述偏转器发送使脉冲激光束的入射位置移动至下一个加工点的移动指令信号。

3.一种加工条件的决定方法，所述加工条件的决定方法决定利用激光加工装置进行激光加工时的加工条件，所述激光加工装置具有：

激光光源，通过触发信号的接收出射脉冲激光束；

载物台，保持加工对象物；

偏转器，配置在从所述激光光源出射的脉冲激光束的路径内，若收到使脉冲激光束的入射位置移动的移动指令信号，则在保持于所述载物台的加工对象物的表面，使脉冲激光束的入射位置移动至所指令的移动目的地处，若入射位置的移动结束，则发送移动结束信号；

开关元件，切换从所述激光光源出射的脉冲激光束入射到所述偏转器的打开状态和不入射到所述偏转器的关闭状态；以及

控制装置，控制所述激光光源、所述偏转器及所述开关元件，

所述控制装置，

包含存储部，所述存储部存储应使激光束入射的多个加工点的位置信息、入射顺序及发送所述触发信号的频率信息，

根据存储于所述存储部的频率信息，以固定的重复频率向所述激光光源发送触发信号，

向所述偏转器发送使脉冲激光束的入射位置移动至下一个加工点的移动指令信号，

向所述偏转器发送移动指令信号之后，在从所述偏转器接收移动结束信号之前，不将所述开关元件设为打开状态，从所述偏转器接收移动结束信号之后，同步于所述触发信号来将所述开关元件切换成打开状态，

其特征在于，该决定方法具有：

以所述触发信号的频率信息不同而加工点的位置信息及入射顺序共同的多个加工条件中的每一个加工条件，控制所述偏转器及开关元件，使脉冲激光束的入射位置移动，并且计测扫描所有加工点的扫描时间的工序；以及

根据所述扫描时间决定所述触发信号的适宜的频率的工序。

4.如权利要求3所述的加工条件的决定方法，其特征在于，

在计测所述扫描时间的工序中，即使向所述激光光源发送所述触发信号，也以不从该激光光源出射脉冲激光束的状态控制所述偏转器及开关元件。

5.一种激光加工装置，其特征在于，具有：

激光光源，出射脉冲激光束；

载物台，保持加工对象物；

偏转器，偏转从所述激光光源出射的脉冲激光束；

照射切换机构，切换从所述激光光源出射的脉冲激光束的向所述加工对象物的照射状态和非照射状态；以及

控制装置，控制所述激光光源、所述偏转器及所述照射切换机构，

所述控制装置，

向所述偏转器发送使所述脉冲激光束的入射位置移动的移动指令信号，

不依赖于所述偏转器的移动位置地使所述激光光源以固定的重复频率向所述加工对象物射出所述脉冲激光束，

在从所述偏转器接收移动结束信号之前，通过所述照射切换机构将所述脉冲激光束设为向所述加工对象物的非照射状态，

从所述偏转器接收移动结束信号之后，通过所述照射切换机构将向所述加工对象物的所述脉冲激光束设为照射状态。

Images