CN118123226A - 激光加工装置、激光加工方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工装置，其能够使脉冲能量在每个循环中不同且能够抑制加工质量的下降。从电源向激光振荡器供给激光振荡用的电力。通过传感器测量从激光振荡器输出的脉冲激光束的功率。光束扫描器对从激光振荡器输出的脉冲激光束进行扫描，从而移动向加工对象物的入射位置。控制装置构成为，在将对加工对象物的表面上的多个被加工点依次照射脉冲激光束的处理作为一个循环的情况下，以重复执行多个循环的方式控制光束扫描器。控制装置根据来自传感器的输出来控制电源，以使从激光振荡器输出的脉冲激光束的脉冲能量成为恒定。在重复执行多个循环时，针对每个循环切换执行控制还是不执行控制。

Description

激光加工装置、激光加工方法及控制装置

本申请主张基于2022年12月1日申请的日本专利申请第2022-193060号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种激光加工装置、激光加工方法及控制装置。

背景技术

已知有一种激光加工装置，其使用二氧化碳激光振荡器进行钻孔加工。激光振荡器的输出根据激光介质气体的老化状态或装置的状态变化而变动。为了维持较高的加工质量，优选调整从激光振荡器输出的脉冲激光束的脉冲能量(每一个脉冲的能量)。在下述的专利文献1中公开了一种测量来自激光振荡器的输出，并控制激光振荡器的电源以使输出变得恒定的技术。

专利文献1：日本特开2002-254186号公报

在对一个加工对象物的多个被加工点上进行钻孔加工时，有时将对多个被加工点依次照射一次脉冲激光束的处理作为一个循环而重复进行多个循环而进行加工。将这样的加工方法称为“循环加工”。在进行循环加工时，有时会使脉冲能量在每个循环中不同。在进行使脉冲能量成为恒定的控制的条件下，难以使脉冲能量在每个循环中不同。

若不进行使脉冲能量成为恒定的控制，则能够使脉冲能量在每个循环不同。但是，若不进行使脉冲能量成为恒定的控制，则脉冲能量的偏差会变大，这会导致加工质量下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够使脉冲能量在每个循环中不同且能够抑制加工质量下降的激光加工装置、激光加工方法及控制装置。

根据本发明的一观点，提供一种激光加工装置，其具备：

激光振荡器，输出脉冲激光束；

电源，向所述激光振荡器供给激光振荡用的电力；

传感器，测量从所述激光振荡器输出的脉冲激光束的功率；及

光束扫描器，对从所述激光振荡器输出的脉冲激光束进行扫描，从而移动向加工对象物的入射位置；及

控制装置，在将对所述加工对象物的表面上的多个被加工点依次照射脉冲激光束的处理作为以个循环的情况下，以重复执行多个循环的方式控制所述光束扫描器，

所述控制装置具有如下功能：

根据来自所述传感器的输出来控制所述电源，以使从所述激光振荡器输出的脉冲激光束的脉冲能量成为恒定；及

在重复执行所述多个循环时，针对每个循环切换执行所述控制或不执行所述控制。

根据本发明的另一观点，

提供一种激光加工方法，其利用光束扫描器扫描从激光振荡器输出的脉冲激光束，并将对加工对象物的表面的多个被加工点照射脉冲激光束的处理作为一个循环而重复执行多个循环，从而进行激光加工，其中，

在多个循环中的一部分循环中，测量从所述激光振荡器输出的脉冲激光束的功率，并进行使脉冲能量与设定值一致的控制，在其他循环中，不进行所述控制。

根据本发明的又一观点，

提供一种激光加工装置的控制装置，所述激光加工装置包括：

激光振荡器，输出脉冲激光束；

电源，向所述激光振荡器供给激光振荡用的电力；

传感器，测量从所述激光振荡器输出的脉冲激光束的功率；及

光束扫描器，对从所述激光振荡器输出的脉冲激光束进行扫描，从而移动向加工对象物的入射位置，

所述控制装置具有如下功能：

在将对所述加工对象物的表面上的多个被加工点依次照射脉冲激光束的处理作为一个循环的情况下，以重复执行多个循环的方式控制所述光束扫描器；

根据来自所述传感器的输出来控制所述电源，以使从所述激光振荡器输出的脉冲激光束的脉冲能量成为恒定；及

在重复执行所述多个循环时，针对每个循环切换执行所述控制或不执行所述控制。

即使在脉冲激光束的脉冲能量在每个循环中不同的情况下，在以相同的脉冲能量进行加工的循环中，进行使脉冲能量成为恒定的控制，在其他循环中则不进行该控制，从而能够抑制加工质量的下降。

附图说明

图1是基于一实施例的激光加工装置的框图。

图2是基于本实施例的激光加工装置的电源的等效电路图及框图。

图3是表示充电电压的初始值、传感器的输出基准值与脉冲能量之间的对应关系的图表。

图4是表示控制装置及充电电源控制脉冲能量的步骤的流程图。

图5A是表示定义在加工对象物的被加工面上的多个被加工点的分布的一例的图，图5B是表示多个被加工点的加工顺序的一例的图。

图6A～图6C是加工对象物的加工中途阶段的剖视图。

图7是表示钻孔加工的步骤的流程图。

图8是表示对加工对象物进行加工时的反馈控制条件的有无的时序图。

图中：

10-激光振荡器，10A-放电电极，11-光速分离器，12-折返镜，13-整形光学系统，14-光束扫描器，15-透镜，20-电源，21-充电电源，21BC-电容器组，21CC-转换器控制器，22-高频电源，30-传感器，31-功率计，40-加工对象物，40A-背面金属箔，40B-树脂层，40C-正面金属箔，41-分区，42-被加工点，43-对准标记，44-孔，45-移动工作台，50-控制装置，51-输入输出装置，70-直流电源。

具体实施方式

参考图1～图8，对基于一实施例的激光加工装置及激光加工方法进行说明。

图1是基于本实施例的激光加工装置的框图。电源20向激光振荡器10供给激光振荡用的电力。电源20包含充电电源21及高频电源22。充电电源21产生直流电压。由来自控制装置50的控制信号Sig1指示直流电压的目标值。由充电电源21产生的直流电压施加于高频电源22。高频电源22将直流电力转换为高频电力并供给至激光振荡器10。由来自控制装置50的振荡指令信号Sig2指示向激光振荡器10供给高频电力的时刻。

若高频电力从高频电源22供给到激光振荡器10，则激光振荡器10输出脉冲激光束。作为激光振荡器10，例如使用二氧化碳激光振荡器。

从激光振荡器10输出的脉冲激光束被光速分离器11分支成两个。脉冲激光束的功率的一部分(例如，2～3％)透过光速分离器11而入射于功率计31。功率计31测量脉冲激光束的平均功率。被功率计31散射的光的一部分入射于传感器30。传感器30将入射过来的光的功率转换为电信号。传感器30具有能够追随脉冲激光束的脉冲波形的程度的足够快的响应特性。作为传感器30，例如，可以使用MCT传感器(HgCdTe传感器)。基于传感器30的测定结果输入到控制装置50。

被光速分离器11反射的脉冲激光束经由折返镜12、整形光学系统13、光束扫描器14及透镜15之后入射于加工对象物40。整形光学系统13对光束截面形状及光束分布进行整形。透镜15将脉冲激光束聚光在加工对象物40的表面上。透镜15例如使用fθ透镜。

光束扫描器14在控制装置50的控制下扫描脉冲激光束，由此使脉冲激光束的入射位置移动至加工对象物40的表面上的规定的被加工点。作为光束扫描器14，例如使用加尔瓦诺扫描仪。

加工对象物40保持在移动工作台45上。移动工作台45在控制装置50的控制下能够使加工对象物40沿与被加工面平行的两个方向移动。作为移动工作台45，例如使用XY工作台。

从输入输出装置51向控制装置50输入各种命令(指令)、激光加工所需的信息等。并且，从控制装置50向输入输出装置51输出加工结果等信息。作为输入输出装置51，可以使用触摸面板、图像显示装置、定点设备、键盘、可移动媒体的读写器、通信装置等。

图2是电源20的等效电路图及框图。

电源20的充电电源21包含升降压转换器、电容器组21BC及转换器控制器21CC。升降压转换器包括电抗器L、升压用晶体管Q1、降压用晶体管Q2及续流二极管D1、D2。若转换器控制器21CC使升压用晶体管Q1通断，则直流电源70的电压会升压，充电电流会流向电容器组21BC。

电容器组21BC的电极间的电压会施加于高频电源22。转换器控制器21CC改变升压用晶体管Q1的通断的占空比，从而调整电容器组21BC的电极间的电压(以下，称为充电电压VC。)。由来自控制装置50的控制信号Sig1指示充电电压VC的目标值。

高频电源22将从充电电源21供给过来的直流电力转换为高频电力，并将其供给至激光振荡器10的放电电极10A。从激光振荡器10输出的脉冲激光束的功率根据充电电压VC的大小而变动。在脉冲激光束的脉冲宽度恒定的条件下，每个脉冲的能量(脉冲能量)根据充电电压VC的大小而变化。

传感器30检测从激光振荡器10输出的脉冲激光束的功率的一部分，并将检测值输入到控制装置50。传感器30的检测值根据脉冲激光束的功率的经时变化而随着时间变化。在此，功率是指与传感器30的响应频率相对应的功率的瞬时值，而不是脉冲激光束的平均功率。控制装置50对传感器30的检测值进行积分，从而获取与脉冲激光束的脉冲能量相关的信息。

在1个脉冲的期间内对从传感器30获取的功率的时序数据(即，电压波形)进行积分而得的值与脉冲能量大致成比例。若根据电压波形的积分值和脉冲能量的实测值求出两者之间的换算系数，则能够根据电压波形的积分值求出脉冲能量。

控制装置50控制充电电压VC，以使从激光振荡器10输出的脉冲激光束的脉冲能量保持为目标值。例如，控制装置50将修正充电电压VC的目标值的指令提供至转换器控制器21CC。另外，为了将脉冲激光束的脉冲能量保持为目标值，无需将传感器30的输出电压的时间波形的积分值换算成脉冲能量，只需将与脉冲能量的目标值相对应的积分值设定为目标值即可。

例如，在转换器控制器21CC上设定积分值的目标值，控制装置50计算实测的电压波形的积分值，并将计算结果提供至转换器控制器21CC。转换器控制器21CC控制充电电压VC，以使从控制装置50提供的基于实测值的积分值与目标值的偏差变小。通过调整升压用晶体管Q1的通断的占空比来进行充电电压VC的控制。

接着，参考图3，对充电电压VC的初始值、传感器30的输出基准值与脉冲能量之间的关系进行说明。图3是表示充电电压VC的初始值、传感器30的输出基准值与脉冲能量之间的对应关系的图表。针对每个控制ID，分别确定有这些的对应关系。

传感器30的输出基准值是指：在输出了一次规定的脉冲宽度及规定的脉冲能量的脉冲激光束时从传感器30输出的电压波形的积分值。图3中示出的控制ID为零时的对应关系是指：在脉冲宽度为恒定的条件下，若将充电电压VC设定为初始值V₀并输出脉冲激光束，则脉冲能量成为E₀，此时的传感器30的输出值成为输出基准值I₀。另外，实际上，基于激光介质气体的老化等各种状况的变化，脉冲能量会从E₀偏移。其结果，传感器30的输出值也会从输出基准值I₀偏移。

接着，参考图4，对控制装置50及充电电源21控制脉冲能量的步骤进行说明。图4是表示控制装置50及充电电源21控制脉冲能量的步骤的流程图。

控制装置50(图2)首先选择控制ID及反馈控制的有无(步骤S1)。控制ID及反馈控制的有无例如根据加工工序预先确定。若控制装置50将控制ID通知给充电电源21，则充电电源21会参考图3所示的对应关系来设定初始值作为充电电压VC的目标值(步骤S2)。控制装置50控制光束扫描器14来进行脉冲激光束的入射位置的对位(步骤S3)。对位完成后，控制装置50向高频电源22发送振荡指令信号Sig2，由此从激光振荡器10输出一次脉冲激光束(步骤S4)。

在反馈控制条件为“无反馈控制”的情况下，控制装置50重复步骤S3和步骤S4直到加工结束(步骤S5、S10)。在反馈控制条件为“有反馈控制”的情况下，控制装置50获取来自传感器30的输出信号，计算出电压波形的积分值(输出值)(步骤S6)。控制装置50将传感器30的输出值通知给充电电源21的转换器控制器21CC。转换器控制器21CC将传感器30的输出值和由图3所示的对应关系设定的传感器30的输出基准值进行比较(步骤S7)。

若传感器30的输出值小于输出基准值，则使充电电压VC的目标值从当前的目标值上升(步骤S8)。若传感器30的输出值大于输出基准值，则使充电电压VC的目标值从当前的目标值下降(步骤S9)。若传感器30的输出值与输出基准值相等，则不修正充电电压VC的目标值。重复执行从步骤S3到S9的步骤，直到加工结束为止。

另外，也可以由控制装置50来进行步骤S7的对传感器30的输出值和输出基准值进行比较的处理。此时，在步骤S8及步骤S9(图4)中，优选控制装置50向充电电源21的转换器控制器21CC指示充电电压VC的修正后的目标值。

图5A是表示定义在加工对象物40的被加工面上的多个被加工点的分布的一例的图。在图5A中，仅表示了多个被加工点42中的一部分。加工对象物40为印刷基板，被加工点42表示应钻孔的位置。加工对象物40的形状例如为长方形。

在加工对象物40的四个角上分别设置有对准标记43。在加工对象物40的表面定义有多个被加工点42。在图5A中，用圆形标记表示了被加工点42，但实际上，在加工对象物40的表面上并没有标有任何标记，而是定义多个被加工点42的位置的位置数据存储于控制装置50中。

在加工对象物40的表面定义有多个分区41。每个分区41的形状例如为正方形，各个分区41的大小与使光束扫描器14(图1)进行动作而能够使脉冲激光束的入射位置移动的范围的大小大致相等。多个分区41配置成，加工对象物40上的所有被加工点42包含在某一分区41内。有时存在多个分区41局部重叠的情况，有时还存在被加工点42未分布的区域中未配置有分区41的情况。位于多个分区41彼此重叠的区域内的被加工点42属于其中某一个分区41，该被加工点42在对被加工点42所属的分区41进行加工时被加工。

在对加工对象物40进行加工时，使加工对象物40的一个分区41移动到透镜15(图1)的正下方。通过使脉冲激光束的入射位置依次定位在配置于透镜15的正下方的分区41内的多个被加工点42上并使脉冲激光束入射，从而对该分区41进行加工。若对一个分区41的加工结束，则使移动工作台45(图1)进行动作以使接着要加工的分区41移动到透镜15的正下方。在对一个分区41进行加工期间，移动工作台45静止。在图5A中，用箭头表示了分区41的加工顺序。

图5B是表示多个被加工点42的加工顺序的一例的图。多个被加工点42标有编号。使光束扫描器14(图1)进行动作以使脉冲激光束按照编号顺序入射于多个被加工点42上，从而对一个分区41进行加工。在图5B中，用箭头表示了多个被加工点42的加工顺序。例如，以脉冲激光束的入射位置的移动路径成为最短的方式确定被加工点42的加工顺序。

将对属于一个分区41的多个被加工点42依次照射一次脉冲激光束的处理定义为一个循环。通过对一个分区41执行多个循环(例如，两个循环)，完成对该分区41的加工。

图6A～图6C是加工对象物40的加工中途阶段的剖视图。如图6A所示，加工对象物40包括树脂层40B、配置于树脂层40B的正面的正面金属箔40C及配置于树脂层40B的背面的背面金属箔40A。树脂层40B例如由含有玻璃纤维的环氧树脂形成，正面金属箔40C及背面金属箔40A为铜箔。另外，加工对象物40可以具有将树脂层和金属箔层叠多层而成的结构。正面金属箔40C覆盖树脂层40B的一侧表面的整个区域。在本实施例中，形成有从正面金属箔40C贯穿树脂层40B而到达背面金属箔40A的孔。这样的加工方法称为直接加工。

如图6B所示，使脉冲激光束LB1依次入射于多个被加工点42以进行第1个循环的加工。第1个循环中的脉冲激光束LB1的脉冲能量设定成能够形成贯穿表面金属箔40C的孔44的大小。由此，形成贯穿表面金属箔40C并至少到达树脂层40B的孔44。另外，如图6B所示，孔44有时会到达背面金属箔40A。

如图6C所示，对多个被加工点42依次入射第2次的脉冲激光束LB2以进行第2个循环的加工。第2个循环中的脉冲激光束LB2的脉冲能量设定成能够对形成有孔44的位置的树脂层40B进行加工的大小。由于树脂层40B比正面金属箔40C更容易加工，因此第2循环中的脉冲宽度比第1个循环中的脉冲宽度短。即，第2个循环中的脉冲能量比第1个循环中的脉冲能量小。由此，树脂层40B的部分的孔44的直径变粗，形成所期望的形状的孔44。

图7是表示钻孔加工的步骤的流程图。控制装置50从加工工序所指定的控制ID(图3)获取充电电压的初始值，并将其通知给充电电源21的转换器控制器21CC。转换器控制器21CC将所通知的由控制ID指定的初始值(图3)设定为充电电压VC的目标值(步骤SA1)。

进行暖机运行直到传感器30的输出电压成为相当于充电电压目标值的电压(步骤SA2)。在暖机运行中，使光束扫描器14基于加工对象物40的被加工点42(图5A)的分布进行动作，并且从激光振荡器10输出脉冲激光束。但是，在暖机运行时，通过配置于从激光振荡器10到光束扫描器14的光束路径中的任一个部位上的光束偏转器，使脉冲激光束入射于光束截止器。

控制装置50使移动工作台45(图1)动作，以使应加工的分区41(图5A)移动至利用光束扫描器14能够扫描的扫描范围内(步骤SA3)。控制装置50根据加工工序设定脉冲宽度(步骤SA4)。另外，向转换器控制器21CC通知“有反馈控制”作为反馈控制条件。由此，转换器控制器21CC将反馈控制条件设定为“有反馈控制”(步骤SA5)。在该条件下，进行第1个循环的加工(步骤SA6)。该加工步骤与图4所示的步骤S3至步骤S10的步骤相同。

若结束第1个循环的加工，则控制装置50从加工工序读取第2循环的脉冲宽度，并设定脉冲宽度(步骤SA7)。而且，向转换器控制器21CC通知“无反馈控制”作为反馈控制条件。由此，转换器控制器21CC将反馈控制条件设定为“无反馈控制”(步骤SA8)。在该条件下，进行第2个循环的加工(步骤SA9)。该加工步骤与图4所示的步骤S3至步骤S10的步骤相同。由于在第2个循环的加工中，反馈控制条件被设定为“无反馈控制”，因此不执行图4的步骤S6～步骤S9。

重复执行步骤SA3至步骤SA9，直到对所有分区41的加工结束(步骤SA10)。

图8是表示对加工对象物40进行加工时的反馈控制条件的有无的时序图。针对区划在加工对象物40的被加工面上的多个分区分别进行两个循环的加工。作为一例，在第1个循环中，将脉冲宽度设为10μs，在第2个循环中，将脉冲宽度设为5μs。

在第1个循环中，将反馈控制条件设定为“有反馈控制”，在第2个循环中，将反馈控制条件设定为“无反馈控制”。

接着，对本实施例的优异效果进行说明。

在本实施例中，能够针对每个循环，将反馈控制条件设定为“有反馈控制”及“无反馈控制”中的一种。在每个循环中脉冲能量的设定值不同的情况下，针对以相同的脉冲能量进行加工的循环，可以进行用于使脉冲能量成为恒定的反馈控制，针对以与其不同的脉冲能量进行加工的循环，可以不进行反馈控制。

在进行反馈控制的循环中，能够抑制脉冲能量的偏差从而能够进行高品质的加工。例如，能够实现图6B所示的正面金属箔40C的加工质量的提高。因此，在所有循环中，与不进行反馈控制的情况相比，能够在整体上提高加工质量。

并且，在图6C所示的对树脂层40B进行的工序中，使用正面金属箔40C不被加工而只有树脂层40B被加工的程度的脉冲能量。并且，在该脉冲能量下，暴露于孔44的底面的背面金属箔40A不被加工。因此，即使脉冲能量存在一定程度的偏差，加工质量也几乎不会下降。

如此，在对加工质量造成较大影响的循环中，通过进行反馈控制，能够提高抑制加工质量下降的效果。

接着，对上述实施例的变形例进行说明。

在上述实施例中，像参考图6～图8进行说明那样，通过两个循环加工对对象物40的一个分区41进行加工(图5A)，但也可以通过三个以上循环来进行加工。例如，可以在第1个循环中形成贯穿正面金属箔40C(图6B)的孔44，在第2个循环以后的多个循环中进行加深孔44直到贯穿树脂层40B的加工。此时，基于“有反馈控制”执行第1个循环，基于“无反馈控制”执行第2个循环以后的循环。

上述的实施例为例示，本发明能够进行各种变更、改良、组合等，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (5)

1.一种激光加工装置，其特征在于，具备：

激光振荡器，输出脉冲激光束；

电源，向所述激光振荡器供给激光振荡用的电力；

传感器，测量从所述激光振荡器输出的脉冲激光束的功率；

光束扫描器，对从所述激光振荡器输出的脉冲激光束进行扫描，从而移动向加工对象物的入射位置；及

控制装置，在将对所述加工对象物的表面上的多个被加工点依次照射脉冲激光束的处理作为一个循环的情况下，以重复执行多个循环的方式控制所述光束扫描器，

所述控制装置具有如下功能：

根据来自所述传感器的输出来控制所述电源，以使从所述激光振荡器输出的脉冲激光束的脉冲能量成为恒定；及

在重复执行所述多个循环时，针对每个循环切换执行所述控制或不执行所述控制。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述电源包括：

充电电源，产生直流电压；及

高频电源，将来自所述充电电源的直流电力转换为高频电力，并将其作为激光振荡用的电力而供给至所述激光振荡器，

所述控制装置通过反馈控制控制所述充电电源施加于所述高频电源的充电电压。

3.一种激光加工方法，其利用光束扫描器扫描从激光振荡器输出的脉冲激光束，并将对加工对象物的表面的多个被加工点照射脉冲激光束的处理作为一个循环而重复执行多个循环，从而进行激光加工，所述激光加工方法的特征在于，

在多个循环中的一部分循环中，测量从所述激光振荡器输出的脉冲激光束的功率，并进行使脉冲能量与设定值一致的控制，在其他循环中，不进行所述控制。

4.根据权利要求3所述的激光加工方法，其特征在于，

所述加工对象物包括树脂层及配置于所述树脂层上的金属箔，

在所述多个循环中的第1个循环中，进行所述控制的同时形成贯穿所述金属箔而到达所述树脂层的多个孔，

在第2个循环中，不进行所述控制，对形成于所述金属箔的多个孔各自的位置的所述树脂层进行加工。

5.一种控制装置，其为激光加工装置的控制装置，所述激光加工装置具备：

激光振荡器，输出脉冲激光束；

电源，向所述激光振荡器供给激光振荡用的电力；

传感器，测量从所述激光振荡器输出的脉冲激光束的功率；及

光束扫描器，对从所述激光振荡器输出的脉冲激光束进行扫描，从而移动向加工对象物的入射位置，

所述控制装置的特征在于，具有如下功能：

在将对所述加工对象物的表面上的多个被加工点依次照射脉冲激光束的处理作为一个循环的情况下，以重复执行多个循环的方式控制所述光束扫描器；

根据来自所述传感器的输出来控制所述电源，以使从所述激光振荡器输出的脉冲激光束的脉冲能量成为恒定；及

在重复执行所述多个循环时，针对每个循环切换执行所述控制或不执行所述控制。