JP2002103066A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造と安定した制御で、ファーストパ
ルスの問題を解決し、かつ、出力レーザパルスのピーク
値を任意に変更可能なレーザ加工装置を提供する。 【解決手段】 レーザ加工される加工対象物とＱスイッ
チ形レーザ発振器６との間の光路に配置され、光スイッ
チパルスによって開閉制御される光スイッチユニット９
と、Ｑスイッチユニット８と光スイッチユニット９との
動作タイミングを記述するＩ／Ｏデータが指定する繰り
返し周波数を有するＱスイッチ周波数パルスを生成し、
該Ｑスイッチ周波数パルスの各周期毎にＩ／Ｏデータが
ポンピング期間として指定する期間をパルス幅とするＱ
スイッチ制御パルスをＱスイッチ周波数パルスに同期し
て発生して出力し、かつ、レーザ光の通過期間として設
定されている期間をパルス幅とする光スイッチパルスを
前記Ｑスイッチ周波数パルスに同期して発生して出力す
る制御ユニット３を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工装置の
ジャイアントパルス技術に関し、特に、Ｑスイッチ制御
形レーザ発振器出力のファーストパルスの制御に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】Ｑスイッチ制御によって得られる固体レ
ーザ光を使用するレーザ加工装置にはレーザトリミング
装置、レーザマーキング装置等がある。これらの装置の
加工対象の多くを占める半導体、電子部品等は、ミニデ
ィスク（ＭＤ），ディジタルビデオカメラ（ＤＶＣ）、
携帯電話等の情報端末機器の軽薄短小化に伴って小型軽
量化している。また、これら加工対象物は現在の価格競
争のもとで単価が下落している。

【０００３】このような状況を考慮して、レーザ加工装
置の生産性向上のために高速の加工が要求されている。
しかし、加工に最適なレーザ光のピーク値を得るＱスイ
ッチ周波数は、発振波長が同一であっても、レーザ発振
器の励起方式（例えばランプ励起方式やレーザダイオー
ド励起方式等）や共振器構成によっても異なる。

【０００４】特に、Ｑスイッチ制御固体レーザ発振器に
おいては、加工休止後、最初のショットであるファース
トパルスのピーク値が大きくなるという問題がある。こ
の問題は次の理由によって起こる。加工休止等のため
に、励起時間と呼ばれる光エネルギーの蓄積時間が長時
間に亘ったとき、レーザ媒質に蓄積されるエネルギー密
度は飽和値に達する。そのような状態のもとで、短い周
期でＱスイッチレーザ発振を実施すると、ファーストパ
ルスによってその飽和値に達していたエネルギーが放出
され、それに続いて出射されるレーザパルスによって、
その短い周期の各励起時間において蓄積された、飽和値
に達する前のエネルギーが出射されることになる。その
結果、エネルギー密度が飽和値に達した後に発射された
ファーストパルスのピーク値は、エネルギー密度が飽和
値に達する前に発振したレーザパルスのピーク値よりも
相対的に高くなる。

【０００５】図５は、Ｑスイッチ制御形レーザ発振器の
典型的な従来例の要部のブロック図である。コンピュー
タ１は、制御ユニット２に、Ｉ／Ｏデータ（加工対象物
にレーザパルスを照射するタイミングを指定するデー
タ）としてＱスイッチのオン／オフタイミングデータ、
すなわち、加工期間（一連のレーザパルスを加工対象物
に照射する時間）、Ｑスイッチ周波数、およびＱスイッ
チ周波数パルスのパルス幅を指定するデータを与える。
制御ユニット２は、当該Ｉ／Ｏデータに該当するＱスイ
ッチ制御パルス信号を生成してＱスイッチドライバ部４
に出力する。Ｑスイッチドライバ部４は、入力したパル
ス信号に応答してレーザ発信器６の光共振器７内に設け
られているＱスイッチユニット８をオン／オフする。こ
こでＱスイッチユニットを「オン」状態にするとは、光
共振器のＱ値を急激に低下させることである。それによ
ってレーザ発振は抑制される。逆にＱスイッチユニット
を「オフ」状態にするとは、光共振器のＱ値を正常値に
戻すことであって、それによって正常のレーザ発振が行
われる。Ｑスイッチユニットをオン状態からオフ状態に
変化させるとき、Ｑスイッチユニットがオン状態の期間
にレーザ媒質中に蓄積された光エネルギーが急激に放出
されるので、高いピーク値をもつレーザパルスが発振さ
れる。このレーザパルスはジャイアントパルスと呼ばれ
ている（後述の図７参照）。

【０００６】図６は、図５の制御ユニット２に設けられ
ているレーザコントロール部３の構成を示すブロック図
である。レーザコントロール部３はデコーダ部１２、プ
ログラマブル分周回路１３、基準クロック発振器１５，
タイマ回路１６を備えている。

【０００７】デコーダ部１２は、コンピュータ１から与
えられたＩ／Ｏデータをデコードする。プログラマブル
分周回路１３は、基準クロック発振器１５から入力した
基準クロック信号を分周して、デコードされたＩ／Ｏデ
ータが指定するＱスイッチ周波数パルス（周期Ｔ３）を
生成する。タイマ回路１６はＱスイッチ周波数パルスを
入力してパルス幅Ｔ４のＱスイッチ制御パルスをＱスイ
ッチドライブ部４に出力する。

【０００８】図７は、レーザパルスの出射タイミングを
説明するタイミングチャートである。この図の例では、
最初のＱスイッチ制御パルスがＱスイッチユニット８に
入力する以前には、Ｑスイッチ周期Ｔ３に比べて長い時
間、Ｑスイッチユニットがオン状態にあったので、その
結果、光エネルギーは、飽和状態になるまでレーザ媒体
中に蓄積されている。

【０００９】次に、時刻ｔ０に最初のＱスイッチ制御パ
ルスがＱスイッチユニット８に入力すると、共振器の発
振の抑制が解除されるので、それまでの長時間の励起時
間に飽和状態にまで蓄積されていた光エネルギーが急激
に解放されてジャイアントパルスとして発射される。こ
の、長時間の励起時間後の最初のジャイアントパルスは
ファーストパルスと呼ばれている。

【００１０】ファーストパルスが発射された後、次のＱ
スイッチ制御パルスが入力されるまでの励起時間※Ｔ１
が比較的短くて、その期間※Ｔ１中にレーザ媒質に蓄積
される光エネルギーが飽和値に達しない場合には、次の
ジャイアントパルス以降のジャイアントパルスのピーク
値は、ファーストパルスのピーク値よりも小さくなる。
しかし、時刻ｔ０以後は一定の時間間隔でＱスイッチ制
御パルスが入力され、その結果、励起時間が一定である
ので、２番目のジャイアントパルス以後は同じピーク値
のジャイアントパルスが出力される。

【００１１】このように、ファーストパルスが発生する
為に最適条件で加工できないという障害を除去する為
に、例えば、特開平１１−３５４８７６（以下、文献１
と記す）に記載されているようなレーザ加工装置および
方法が採用されている。

【００１２】この装置は、ファーストパルスを抑制する
ために、ファーストパルスサプレス制御回路と光エネル
ギー放出パルス発生回路とを備えている。ファーストパ
ルスサプレス制御回路は、Ｑスイッチ制御パルス（指令
スイッチパルス）を、レーザ媒体に蓄積されている光エ
ネルギーを放出させるように徐々に変化させる。光エネ
ルギー放出パルス発生回路は、最後に残存する光エネル
ギーを完全に放出させるようにＱスイッチを制御する。

【００１３】この装置は、ファーストパルスを抑制する
ことができるけれど、レーザ媒体に蓄積されている光エ
ネルギーを放出させるまでに準備時間が必要であるの
で、ファーストパルスを除去する為に最速の条件で加工
できない等の問題点がある。

【００１４】特開平１０−３１３１４５（以下、文献２
と記す）に記載されているレーザ加工装置は、レーザ媒
質及び偏光ビームスプリッタを共通部分としてこの偏光
ビームスプリッタによる分離光毎にレーザ共振器を形成
し、その２つのレーザ共振器の各々のレーザ共振器の光
軸上にＱスイッチ素子を配置し、それぞれにＱスイッチ
素子を独立にオン／オフ制御するように構成されてい
る。このレーザ加工装置の特徴は、共通のレーザ媒質を
もつ２つのレーザ共振器のそれぞれのＱスイッチ素子を
独立に制御することによって各レーザ共振器のレーザ出
力を分離して独立に取出すようにした点である。したが
って、任意のＱスイッチ周波数のＱスイッチパルス列の
最初のパルスで第１のレーザ共振器を発振させ、その最
初のパルスに続くＱスイッチパルス列で第２のレーザ共
振器を発振させることができる。その結果、第２のレー
ザ共振器の出力のみを使用すれば、ファーストパルスが
除去されたジャイアントパルス列を得ることができる。
しかし、この方式は構造が複雑で高価であるという問題
点がある。

【００１５】上記の従来のレーザ加工装置のファースト
パルス制御方式とは異なる方式が、本出願人によって出
願された特願２０００−１７４４９０に記載されてい
る。この方式は、本発明の基礎を構成する先行技術であ
るので、以下にこの技術を詳細に説明する。以下の記述
においては、この文献を文献３と記す。この先行技術
が、前掲の従来技術と異なる点は、この先行技術におい
ては、ジャイアントパルスが発射された後、次のジャイ
アントパルスが発射される迄の間の所定の期間、Ｑスイ
ッチユニットをオフ状態にして連続発振状態を維持して
レーザ媒質中に光エネルギーが蓄積することを抑止し、
この連続発振期間の経過後、次のＱスイッチ周期までの
所定期間にＱスイッチユニットをオン状態にして光エネ
ルギーを蓄積する点と、レーザ発振器の外部の、加工対
象物との間のレーザーパルスの光路に、該光路を開閉す
る光スイッチを設けた点である。

【００１６】図８は、この文献３に記載されているレー
ザ照射装置の構成を説明するブロック図である。レーザ
照射装置３０は、コンピュータ３８、測定ユニット３
５、Ｑスイッチドライバ部３３、光スイッチドライバ部
３４、レーザ発振器３１および光スイッチユニット３２
を備えている。コンピュータ３８はＩ／Ｏデータを測定
ユニット３５に供給する。Ｉ／Ｏデータは、Ｑスイッチ
ユニットをオン／オフするタイミングデータ（Ｑスイッ
チを制御するパルスのパルス周波数およびパルス幅）の
他に、光スイッチユニット３２を開閉するタイミングデ
ータ（光スイッチを制御するパルスのパルス周波数およ
びパルス幅）を含んでいる。測定ユニット３５は、Ｉ／
Ｏデータに基づいてＱスイッチ制御パルスおよび光スイ
ッチ制御パルスを生成する。Ｑスイッチドライバ部３３
はＱスイッチ制御パルスに応答してレーザ発振器３１の
光共振器１１ｂ中に設けられているＱスイッチユニット
１１ａのオン／オフを制御する。

【００１７】図９は、測定ユニット３５の構成を示すブ
ロック図である。図１０は、文献３の装置の動作を示す
信号のタイムチャートである。測定ユニット１５は、測
定比較判定部１７とレーザコントロール部２６とを備え
ている。測定比較判定部１７は、加工対象物の加工量を
測定し、この測定値を目標値と比較して、所定の加工が
達成されているか否かを判定し、所定の加工が達成され
ていない（追加のレーザパルス照射が必要なとき）とき
には、その旨を表示する（論理１）パルス信号を、判定
結果としてレーザコントロール部２６に出力する。

【００１８】レーザコントロール部２６は、デコーダ部
２０、プログラマブル分周回路２１、基準クロック発振
器２２、論理回路２３、タイマ回路２４およびプログラ
マブルタイマ回路２５を備えている。デコーダ部２０
は、コンピュータ３８から受信したＱスイッチユニット
１１ａおよび光スイッチユニット３２制御信号用のＩ／
Ｏデータをデコードし、デコードしたＩ／Ｏデータをプ
ログラマブル分周回路２１およびプログラマブルタイマ
回路２５に出力する。プログラマブル分周回路２１は、
基準クロック発振器２２によって生成された基準クロッ
ク信号を入力し、Ｉ／Ｏデータに基づいて該基準クロッ
ク信号を分周してＱスイッチ周波数パルスを生成し（図
１０(A)）、論理回路２３に出力する。このときの分周
比は適宜に変更可能である。

【００１９】論理回路２３は、プログラマブル分周回路
２１からのＱスイッチ周波数パルスおよび測定比較判定
部１７からの判定結果を入力し、これらのAND出力信号
を、タイマ回路２４およびプログラマブルタイマ回路２
５に出力する。このAND出力信号は加工対象物に対して
追加のレーザパルス照射を必要とするときに、Ｑスイッ
チ周波数パルスに同期したパルス信号になる。加工対象
物に対して追加のレーザパルス照射を必要としないとき
には信号の出力はない。

【００２０】タイマ回路２４は、論理回路２３からの出
力信号に基づいて、Ｑスイッチ周波数パルスに同期し
て、設定されたパルス幅Ｔ４の光スイッチパルス（図１
０(E)）を、レーザ出射指令信号として光スイッチドラ
イバ部１４に出力する。

【００２１】プログラマブルタイマ回路２５は、デコー
ダ部２０，基準クロック発振器２１および論理回路２３
からの各信号に基き、基準クロック信号をタイミング信
号として、論理回路２３の出力信号に同期して、デコー
ドされたＩ／Ｏデータによって指定されるパルス幅Ｔ１
のＱスイッチパルスをＱスイッチドライバ部３３に出力
する（図１０(B)）。図１０に示されている例では、Ｑ
スイッチパルスの論理１の期間Ｔ１は、Ｑスイッチのオ
ン期間、すなわちレーザ発振器の発振が抑止される期間
である。したがって、この期間が励起時間（または、ポ
ンピング期間）になり、光エネルギーがレーザ媒質に蓄
積される。そして、Ｑスイッチパルスの立ち下がりと共
に、急激に誘導放出が起こって蓄積エネルギーを放出
し、ジャンアントパルスが発射される。（図１０(C)
(D)）したがって、励起時間Ｔ１を長くとれば、ジャン
アントパルスのピーク値は高くなる。このように、Ｑス
イッチパルスのパルス幅を可変にすることによって、ジ
ャイアントパルスの高さを可変にすることができる。

【００２２】また、Ｑスイッチパルスが論理０の期間に
は連続発振状態を持続し、発振スレッシホルドレベルに
対応する低レベルの持続発振が行われる。（図１０(C)
(D)）この持続発振によって、光エネルギーが飽和値に
達するまでレーザ媒質に蓄積されることがなくなるの
で、従来のファーストパルスの問題が解決される。

【００２３】この持続発振レーザ光は、加工対象物に入
射しないように光スイッチユニット３２によって遮断さ
れる。光スイッチユニット３２は、Ｑスイッチパルスの
立ち下がりに同期して、ジャイアントパルスが発射され
る期間Ｔ４には開き、以後、次のＱスイッチ周期まで閉
じて持続発振レーザ光を遮断する。（図１０(E)、(F)）

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】上記の文献３の装置の
タイマ回路２４とプログラマブルタイマ回路２５は、図
９のブロック図から明らかなように、論理回路２３の出
力を受け取った後には全く独立に動作をしている。そし
て、両方の回路２４、２５は、いずれもＱスイッチ周波
数パルスに同期することによって「間接的」に同期が取
られている。このことを更に具体的に言うと、図１０に
おいて、Ｑスイッチパルスはそのパルスの後縁でＱスイ
ッチ周波数パルスの前縁ｔ０に同期し、光スイッチパル
スは、図１０(E)に示されているように、その前縁がＱ
スイッチ周波数パルスの前縁ｔ０に同期することによっ
て、Ｑスイッチパルスの後縁（ジャイアントパルスの発
射開始時刻）と光スイッチパルスの前縁（光スイッチの
オン開始時刻）とを同期させている。しかし、Ｑスイッ
チパルスの立ち下げと同時に光スイッチパルスを立ち上
げなければならないという要求を考慮すると、この装置
のように、「間接的」な同期の取り方は、制御論的な意
味で最善の方法であるとは言い難い。以下、この問題点
を文献３の技術の第１の問題点と記す。

【００２５】さらに、このような間接的な同期方式を実
現するために、文献３の装置では、Ｑスイッチ周波数パ
ルスの前縁ｔ０よりも時間Ｔ１だけ先立ってＱスイッチ
パルスを立ち上げなければならない。そのためには、当
該のスイッチ周波数パルスの直前のスイッチ周波数パル
スの前縁から測って時間Ｔ２後に（図１０(B)参照）Ｑ
スイッチパルスを立ち上げなければならない。その結
果、最初のジャイアントパルスの発射は、２番目のＱス
イッチ周波数パルスに同期して実現される。すなわち、
ジャイアントパルスの最初の発射は、加工指令後、最初
のＱスイッチ周波数パルスに同期して行われるのではな
く、１Ｑスイッチ周期Ｔ３だけ遅れて発射されることに
なる。この問題点を文献３の技術の第２の問題点と記
す。

【００２６】本発明の目的は、文献３に開示されている
前掲の短所を改良して、簡単な構造と安定した制御で、
ファーストパルスの問題を解決し、かつ、出力レーザパ
ルスのピーク値を任意に変更可能なレーザ加工装置を提
供することである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに、本発明のレーザ加工装置は、Ｑスイッチ制御パル
スによって動作が制御されるＱスイッチユニットを備
え、Ｑスイッチ制御パルスの制御によって当該Ｑスイッ
チユニットがオン状態になったときには発振が抑止さ
れ、オフ状態になったときには正常に発振をする光共振
器を有するレーザ発振器と、レーザ発振器から発射され
るレーザパルスによってレーザ加工される加工対象物と
前記レーザ発振器との間の光路に配置され、光スイッチ
パルスの制御によってレーザ光を通過または遮断する光
スイッチユニットと、レーザ加工開始タイミングと、該
レーザ加工開始タイミング以後、前記Ｑスイッチユニッ
トを周期的に作動させる繰り返し周波数とを指定し、前
記Ｑスイッチをオン状態にする期間をポンピング期間と
して指定する、Ｉ／Ｏデータを出力するコンピュータ
と、Ｉ／Ｏデータが指定する繰り返し周波数を有するＱ
スイッチ周波数パルスを生成し、該Ｑスイッチ周波数パ
ルスの各周期毎にＩ／Ｏデータがポンピング期間として
指定する期間には第１の論理レベルをとり、その他の期
間には、第２の論理レベルをとるＱスイッチ制御パルス
を前記Ｑスイッチ周波数パルスに同期して発生して出力
し、かつ、レーザ光の通過期間として設定されている期
間をパルス幅とする光スイッチパルスを前記Ｑスイッチ
制御パルスに同期して発生して出力する制御ユニット
と、Ｑスイッチ制御パルスを入力して該Ｑスイッチ制御
パルスに応答して前記Ｑスイッチユニットを制御するＱ
スイッチドライバ部と、光スイッチパルスを入力して該
光スイッチパルスに応答して前記光スイッチユニットを
制御する光スイッチドライバ部とを有する。（請求項
１） このレーザ加工装置の「・・・光スイッチパルスを前記
Ｑスイッチ制御パルスに同期して発生して出力する制御
ユニット」という構成によって、光スイッチパルスがＱ
スイッチ制御パルスに直接的に同期することが保証され
る。

【００２８】この光スイッチパルスとＱスイッチ制御パ
ルスとの直接的な同期は、「Ｑスイッチ制御パルスの後
縁は光スイッチパルスの前縁に同期している」（請求項
３）という実施態様によって具体化することができる。
このようにして、文献３の第１の問題点は解決される。

【００２９】また、文献３の第２の問題点は、本発明
の、「該Ｑスイッチ周波数パルスの各周期毎にＩ／Ｏデ
ータがポンピング期間として指定する期間には第１の論
理レベルをとり、その他の期間には、第２の論理レベル
をとるＱスイッチ制御パルスを前記Ｑスイッチ周波数パ
ルスに同期して発生して出力し」（請求項１）という制
御ユニットの機能によって解決される。すなわち、Ｑス
イッチ制御パルスは、「Ｑスイッチ周波数パルスの各周
期毎に」「Ｑスイッチ制御パルスを前記Ｑスイッチ周波
数パルスに同期して発生して」出力される。したがっ
て、レーザ加工開始タイミング後の最初のＱスイッチ周
波数パルスに同期して最初のＱスイッチ制御パルスを発
生する。その結果、レーザ加工開始タイミングまたはレ
ーザ加工休止期間以後のファーストパルスは、レーザ加
工開始タイミングまたはレーザ加工休止期間以後の最初
のＱスイッチ周波数パルスに同期して発生する。制御ユ
ニットのこの機能は、前記の文献３の第１の問題点の場
合と同様に、「前記Ｑスイッチ制御パルスの前縁はＱス
イッチ周波数パルスの後縁に同期し、Ｑスイッチ制御パ
ルスの後縁は光スイッチパルスの前縁に同期している」
（請求項３）という構成によって具体化することができ
る。すなわち、Ｑスイッチ周波数パルスの立ち下げに同
期してＱスイッチ制御パルスを立ち上げることができ
る。したがって、各Ｑスイッチ周波数パルスの立ち下げ
からＱスイッチ制御パルス幅だけ位相はシフトするけれ
ど、当該Ｑスイッチ周波数パルスに同期してレーザパル
スを生成することができる。

【００３０】ファーストパルスの問題は、本発明によっ
て次のように解決される。本発明の制御ユニットが発生
するＱスイッチ制御パルスは「該Ｑスイッチ周波数パル
スの各周期毎にＩ／Ｏデータがポンピング期間として指
定する期間には第１の論理レベルをとり、その他の期間
には、第２の論理レベルをとるＱスイッチ制御パルス」
（請求項１）である。このＱスイッチ制御パルスは、
「Ｉ／Ｏデータがポンピング期間として指定する期間」
以外の期間、すなわち、「その他の期間」には、第２の
論理レベルをとる。加工開始タイミング以前または加工
休止の期間は、「その他の期間」に含まれることは自明
であるから、加工開始タイミング以前または加工休止の
期間には、Ｑスイッチ制御パルスは第２の論理レベルを
とる（請求項５）。したがって、この期間にはＱスイッ
チユニットはオフ状態をとり続け、その結果、レーザ発
振器は連続発振状態を維持する。このようにして、加工
開始タイミング以前または加工休止の期間には、レーザ
媒質に光エネルギーが蓄積することを防ぐことができ
る。その結果、ファーストパルスが、後続のジャイアン
トパルスよりも高いピーク値を持つことを防止すること
ができる。

【００３１】第１のタイマ回路が発生するＱスイッチ制
御パルスのパルス幅はプログラマブルである（請求項
４）であるから、ポンピング期間においてレーザ媒質に
蓄積される光エネルギーもプログラマブルである。した
がって、発生するジャイアントパルスのピーク値もプロ
グラマブルである。

【００３２】本発明のレーザ加工装置の制御ユニットに
文献３の測定比較判定部を付加し、本発明のレーザ加工
装置のレーザコントロール部に文献３の論理回路を付加
することによって、本発明のレーザ加工装置と文献３の
装置との特徴を兼ね備えたレーザ加工装置を作成するこ
とができる。この実施形態においては、本発明のレーザ
加工装置の制御ユニットは、更に、加工対象物の所定項
目の測定を行ない、かつ、この測定値を目標値と比較し
て追加のレーザ加工を必要とするか、否かを判定する測
定比較判定部を有し、本発明のレーザ加工装置のレーザ
コントロール部（請求項２）は、プログラマブル分周回
路と第１のタイマ回路の間に接続されいてＱスイッチ周
波数パルスと測定比較判定部の判定結果を入力する論理
回路を備え、該論理回路は、前記測定比較判定部が追加
のレーザ加工を必要とすることを判定した場合には、Ｑ
スイッチ周波数パルスを第１のタイマ回路に伝達し、前
記測定比較判定部が追加のレーザ加工を必要とすること
を判定しない場合には、Ｑスイッチ周波数パルスの第１
のタイマ回路への伝達を阻止する。（請求項６）

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。図１は本発明のレーザ加工装置用レ
ーザ発振器の第１の実施形態の構成を示すブロック図で
ある。本実施形態のレーザ加工装置用レーザ発振器は、
コンピュータ１、制御ユニット２、Ｑスイッチドライバ
部４、光スイッチドライバ部５、レーザ発信器６および
光スイッチユニット９を備えている。レーザ発信器６
は、Ｑスイッチユニット８によって発振が制御される光
共振器７を有する。Ｑスイッチユニット８は、光共振器
７に内蔵されている。

【００３４】コンピュータ１は、Ｑスイッチユニット８
の動作態様および光スイッチユニット９の動作態様を指
定するＩ／Ｏデータを制御ユニット２に出力する。制御
ユニット２はレーザコントロール部３を有し、レーザコ
ントロール部３は、Ｉ／Ｏデータをデコードして、Ｉ／
Ｏデータが指定するタイミングでＱスイッチユニット８
および光スイッチユニット９をそれぞれ制御するＱスイ
ッチ制御パルスおよび光スイッチパルスを生成して、そ
れぞれＱスイッチドライバ部４および光スイッチドライ
バ部５に出力する。Ｑスイッチドライバ部４は、Ｑスイ
ッチ制御パルスに従って、Ｑスイッチユニット８をオン
／オフ制御する。Ｑスイッチユニット８は、オン状態に
おいては、光共振器７のＱ値を低下させるように働く。
また、Ｑスイッチユニット８は、そのオフ状態において
は、光共振器７のＱ値がその正常な値をもつように働
く。従って、Ｑスイッチユニット８のオン状態は、レー
ザ発信器６の発振が抑止された状態に対応し、オフ状態
は、レーザ発信器６の正常な発振状態に対応する。光ス
イッチドライバ部５は、光スイッチパルスに従って、光
スイッチユニット９をオン／オフ制御する。光スイッチ
ユニット９はシャッタ機能を有し、光スイッチパルスに
応答してレーザ光を通過または遮断する。本実施形態で
は、光スイッチユニット９はレーザ発振器の外部に設置
されているが、レーザ発振器の内部に設置することも可
能である。

【００３５】次にレーザコントロール部３の詳細な構成
について説明する。図２は、本実施形態のレーザコント
ロール部３の構成を示すブロック図である。レーザコン
トロール部３は、Ｑスイッチおよび光スイッチ制御パル
ス用のデコーダ部１２、プログラマブル分周回路１３、
プログラマブルタイマ回路１４、基準クロック発振器１
５、タイマ回路１６を備えている。

【００３６】デコーダ部１２は、入力したＩ／Ｏデータ
をデコードしてプログラマブル分周回路１３およびプロ
グラマブルタイマ回路１４に送信する。プログラマブル
分周回路１３は基準クロック発振器１５から基準クロッ
ク信号を入力し、基準クロック信号を分周して、デコー
ドされたＩ／Ｏデータが指定する周波数のＱスイッチ周
波数パルスを生成し、プログラマブルタイマ回路１４に
送信する。Ｑスイッチ周波数パルスの周期をＴ３とす
る。

【００３７】プログラマブルタイマ回路１４は、基準ク
ロック信号を基準クロック発振器１５から、また、Ｑス
イッチ周波数パルスをプログラマブル分周回路１３か
ら、およびデコードされたＩ／Ｏデータをデコード部１
２から入力し、基準クロック信号をタイミング信号とし
て（基準クロック信号をタイミングの基準として）、Ｉ
／Ｏデータが指定するパルス幅※Ｔ１をもち、かつ、Ｑ
スイッチ周波数パルスの後縁に前縁が同期するＱスイッ
チ制御パルスを生成してＱスイッチドライバ４に出力す
る。※Ｔ１は、Ｉ／Ｏデータが指定するジャイアントパ
ルスのピーク値に対応して可変である。タイマ回路１６
は基準クロック信号とＱスイッチ制御パルスを入力し、
基準クロック信号をタイミング信号としてＱスイッチ制
御パルスの後縁と、光スイッチ信号の前縁とが同期する
ように、所定のパルス幅Ｔ４の光スイッチパルスを生成
して光スイッチドライバ６に出力する。

【００３８】次に、図１および図２の回路の動作を説明
する。先ず、レーザ出射用Ｑスイッチ周波数データがＱ
スイッチ及び光スイッチ制御用デコーダ１２に設定され
る。次に、プログラマブル分周回路１３は、デコードさ
れた出力データにて、基準クロック発振器１５から入力
した基準クロック信号を分周し、所望の周波数のＱスイ
ッチ周波数パルスを発生する。このときの周期がＴ３と
なる（後述の図３（Ａ）参照）。このＱスイッチ周波数
パルスの周期でＱスイッチ８および光スイッチ９が動作
する。

【００３９】Ｑスイッチ制御パルスの前縁は、Ｑスイッ
チ周波数パルスの後縁に同期している（後述の図３
（Ｂ）参照）ので、加工指令が発行されて最初のＱスイ
ッチ周波数パルスに同期して最初のＱスイッチ制御パル
スを生成することができる。この点は、前掲の文献３の
装置において最初のＱスイッチ制御パルスが２番目のＱ
スイッチ周波数パルスに同期しているのと対照的であ
る。

【００４０】本実施形態においては、Ｑスイッチ制御パ
ルスの論理１は、Ｑスイッチユニット８のオン状態を生
じ、その結果、光共振器７の発振は抑止され、光エネル
ギーはレーザ媒質中に蓄積される。したがって、本実施
形態においては、Ｑスイッチ制御パルスのパルス幅の期
間（論理１の期間）※Ｔ１がポンピング期間（励起時
間）になる（後述の図３（Ｂ）参照）。そして、Ｑスイ
ッチ制御パルスが立ち下がると、Ｑスイッチユニット８
はオフ状態になり、その結果、光共振器７は発振の抑止
が解除されて、蓄積されていたエネルギーが一気に誘導
放出される。すなわち、ジャイアントパルスが放出され
る。レーザ媒質は、Ｑスイッチユニット８が次のＱスイ
ッチ制御パルスを受けたとき、次の光エネルギーの蓄積
を開始する。

【００４１】光スイッチドライバ６によって光スイッチ
ユニット９に作用される光スイッチパルスは、そのパル
スの前縁がＱスイッチ制御パルスの後縁と同期する（後
述の図３（Ｅ）参照）。その結果、ジャイアントパルス
の立ち上がりと同期して光スイッチユニット９がオン状
態になる。光スイッチパルスのパルス幅は、Ｔ４である
から、光スイッチユニット９は、期間Ｔ４の間のみオン
状態になり、その後はオフ状態になって、レーザ光が入
射しても、これを遮蔽する。

【００４２】Ｑスイッチ制御パルスは、期間※Ｔ１以外
の期間、すなわち、Ｔ３−※Ｔ１の期間は論理０である
ので（後述の図３（Ｂ）参照）、Ｑスイッチユニット８
をオフ状態に維持する。そのとき、レーザ媒質は、ポン
ピングによって反転分布状態に遷移する原子数と、誘導
放出によって反転分布状態から離脱する原子数とが平衡
して定常な連続発振状態を維持する。しかし、この連続
発振レーザ光は、オフ状態の光スイッチユニット９によ
って遮断される。

【００４３】この連続発振状態の期間Ｔ３−※Ｔ１にお
いては、レーザ媒質に蓄積されるエネルギー密度は極め
て小さい。したがって、ジャイアントパルスの光エネル
ギーは、ほぼ、Ｑスイッチ制御パルスのパルス幅※Ｔ１
の期間にレーザ媒質に蓄積されたエネルギーに該当す
る。その結果、パルス幅※Ｔ１が一定であれば、ジャイ
アントパルスの高さも一定になる。また、パルス幅※Ｔ
１をプログラマブルに変更すれば、それに対応してジャ
イアントパルスのピーク値もプログラマブルに変更する
ことができる。

【００４４】Ｑスイッチ制御パルスは、加工指令が発行
される前の期間または加工休止期間、すなわち、最初の
Ｑスイッチ周波数パルスがプログラマブル分周回路１３
から出力される前にも論理０の状態を維持している。し
たがって、この期間中には、レーザ発振器６は連続発振
状態になっているので、レーザ媒質が発振スレッシホー
ルド以上のエネルギー密度を蓄積することはない。それ
であるから、ファーストパルスが、後続のジャイアント
パルスよりも高いピーク値を持つというファーストパル
ス問題は、本発明の装置においては解決されている。

【００４５】本実施形態においては、プログラマブルタ
イマー回路１４の出力がタイマ回路１６に供給されて、
Ｑスイッチ制御パルスの後縁と光スイッチパルスの前縁
とを同期させている。この方式は、文献３の装置におい
て、Ｑスイッチ制御パルスの後縁をＱスイッチ周波数パ
ルスに同期させ、さらに、光スイッチパルスの前縁を当
該のＱスイッチ周波数パルスに同期させることによっ
て、間接的に、Ｑスイッチ制御パルスの後縁と光スイッ
チパルスの前縁とを同期させている方式とは対照的であ
る。本実施形態の方式は、文献３の方式よりも同期の取
り方が直接的であるので、より安定した制御を実現する
ことができる。

【００４６】図３は、本実施形態のレーザ加工装置用レ
ーザ発振器の各部を制御する信号のタイミングチャート
である。

【００４７】レーザ加工準備状態においては、レーザコ
ントロール部３から光スイッチドライバ部５に光スイッ
チユニット９を遮断状態にする光スイッチパルスの論理
レベル（本実施形態では論理０）が出力されている。ま
た、レーザコントロール部３からＱスイッチドライブ部
４にはＱスイッチユニット８をオフ状態にするＱスイッ
チ制御パルス（論理０）が出力されており、レーザ発振
器６は微弱な連続発振状態となっている。この微弱なレ
ーザ光は、光スイッチユニット９によって外部出力が抑
制されている。

【００４８】次にレーザ加工が開始されると、プログラ
マブル分周回路１３は、制御信号用のデコーダ部１２に
よってデコードされたコンピュータ１からの指令（Ｉ／
Ｏデータ）に従って、繰り返し周期Ｔ３のＱスイッチパ
ルス列を発生する（図３（Ａ））。この信号がＱスイッ
チ周波数パルスである。Ｑスイッチ周波数パルスは、本
発明のレーザ出射及びパルス制御の動作タイミングの基
準信号になる。

【００４９】プログラマブルタイマ回路１４は、このＱ
スイッチ周波数パルスに同期するＱスイッチ制御パルス
を発生する。この同期は、Ｑスイッチ周波数パルスの後
縁（本実施形態では、立ち下がりエッジ）とＱスイッチ
制御パルスの前縁（本実施形態においては立ち上がりエ
ッジ）とを同期させることによって実現される。Ｑスイ
ッチ制御パルスのパルス幅（論理１の期間）は、デコー
ドされたＩ／Ｏデータが指定する時間※Ｔ１に等しくと
られる（図３（Ｂ））。

【００５０】本実施形態においては、Ｑスイッチ制御パ
ルスの論理１は、Ｑスイッチユニットをオン状態に制御
する。したがって、Ｑスイッチ制御パルスの立ち上げと
同時に、レーザ発振器６の発振が抑止され、レーザ媒質
中への光エネルギーの蓄積が開始する。その結果、レー
ザ媒質中におけるエネルギー密度が上昇する。このエネ
ルギー密度の上昇は、Ｑスイッチ制御パルスの後縁（本
実施形態では、立ち下がりエッジ）まで続く（図３
（Ｃ））。Ｑスイッチ制御パルスの立ち下がりエッジ
で、Ｑスイッチユニット８はオフ状態に遷移する。その
結果、レーザ媒質に蓄積されていたエネルギーは、ジャ
イアントパルスとして一気に放出される（図３
（Ｄ））。Ｑスイッチ制御パルスの周期Ｔ３及びＱスイ
ッチ制御パルスのパルス幅※Ｔ１はコンピュータからの
指令によって任意の値をとることが可能である。

【００５１】Ｑスイッチ制御パルスの立ち下がりに同期
してタイマ回路１６は、光スイッチパルスを立ち上げ
る。本実施形態においては、光スイッチパルスの論理１
が光スイッチユニット９の開信号として働く。このよう
にして、タイマ回路１６は、Ｑスイッチ制御パルスの立
ち下がりエッジと同期した立ち上がりエッジをもち、設
定されたパルス幅Ｔ４をもつ光スイッチパルスを発生し
て出力する（図３（Ｅ））。このようにして、ジャイア
ントパルスの出射に同期して、設定された期間Ｔ４のみ
光スイッチユニットを開くことができる（図３、（Ｄ）
（Ｅ））。

【００５２】ジャイアントパルスのピーク値（正確に
は、ジャイアントパルスの強度曲線の時間積分値）は、
Ｑスイッチ制御パルスの立ち下がり時（後縁）において
レーザ媒質中のエネルギー密度にほぼ比例する。レーザ
媒質中のエネルギー密度は、飽和値に達しない間には、
Ｑスイッチ制御パルス※Ｔ１のパルス幅におおよそ比例
する。したがって、時間※Ｔ１を一定に設定することに
よって、ファーストパルスを含めて、光スイッチユニッ
ト９を通過するすべてのジャイアントパルスのピーク値
を一定にすることができる。また、ポンピング時間※Ｔ
１をプログラマブルに変更することによって、ジャイア
ントパルスのピーク値をプログラマブルに変更すること
ができる（図３（Ｆ））。

【００５３】前記したように、Ｑスイッチ制御パルスの
立ち下がりで、レーザ媒質は、ポンピング時間※Ｔ１に
対応するジャイアントパルスを出射して蓄積エネルギー
を放出する。ジャイアントパルスを出射した直後、レー
ザ発振器６内のエネルギーは急激に減少してレーザ発振
は停止するけれど、ポンピングは継続して行われるの
で、共振器７内のエネルギー密度が瞬時に上昇しレーザ
光の発振スレッシホールドに達すると、ジャイアントパ
ルスに比べて微弱な連続発振が起こる（図３（Ｃ））。
光スイッチパルスは、その立ち上げ後、期間Ｔ４の経過
した時以後には光スイッチユニット９を閉じるので、連
続発振によって発生したレーザ光が加工対象物へ入射す
ることは阻止される。

【００５４】この連続発振は、Ｑスイッチ制御パルス
の、次の立ち上げ時（前縁）まで継続するので、この期
間Ｔ２（図３（Ｂ））には、発振スレッシホールド以上
にエネルギー密度が上昇することはない。このようにし
て、出力されるレーザパルスはポンピング時間※Ｔ１に
対応する一定のピーク値をもつので、レーザ加工開始後
またはレーザ加工休止後のファーストパルスが後続のジ
ャイアントパルスに比較して異常に大きくなることを防
止することができる。

【００５５】図４は、本発明のレーザ加工装置の第２の
実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の
レーザ加工装置においては、制御ユニット２が、更に、
測定比較判定部１７を有し、レーザコントロール部３
が、更に、プログラマブル分周回路１３とプログラマブ
ルタイマ回路１４の間に論理回路１８を備えている。測
定比較判定部１７は、加工対象物の所定項目の測定を行
ない、この測定値を目標値と比較して追加のレーザ加工
を必要とするか、否かを判定する。論理回路１８は、Ｑ
スイッチ周波数パルスと測定比較判定部の判定結果を入
力し、測定比較判定部１７が追加のレーザ加工を必要と
することを判定した場合には、Ｑスイッチ周波数パルス
をプログラマブルタイマ回路１４に伝達し、測定比較判
定部１７が追加のレーザ加工を必要とすることを判定し
ない場合には、Ｑスイッチ周波数パルスがプログラマブ
ルタイマ回路へ伝達されることを阻止する。

【００５６】従って、測定比較判定部１７が追加のレー
ザ加工を必要とすることを判定した場合には、装置の各
部は、図３に示されているＱスイッチ制御パルスおよび
光スイッチパルスによって、同図を参照して説明したプ
ロセスに従って動作し、加工用のレーザパルスが出力さ
れる。測定比較判定部１７が追加のレーザ加工を必要と
することを判定しない場合には、Ｑスイッチ周波数パル
スはプログラマブルタイマ回路へ伝達されない。したが
って、その伝達されなかったＱスイッチ周波数パルスが
属するＱスイッチ周期においては、Ｑスイッチ制御パル
スは生成されない。その結果、当該周期の光スイッチパ
ルスも生成されない。したがって、測定比較判定部１７
が追加のレーザ加工を必要とすることを判定しない期間
は、レーザ加工休止期間になる。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は次の効果
を有する。 １）加工開始前の期間または加工休止期間において光共
振器を連続発振状態に置くことによって、ファーストパ
ルスのピーク値をそれ以降の連続パルスと同等に制御す
ることができる。 ２）レーザ発振器へのポンピング期間をプログラマブル
に設定することができる回路を設けたことによって、出
力レーザパルスのピーク値をプログラマブルに設定する
ことができる。 ３）Ｑスイッチ制御パルスの前縁をＱスイッチ周波数パ
ルスの後縁に同期させ、Ｑスイッチ制御パルスの後縁を
光スイッチパルスの前縁に同期させることによって、ジ
ャイアンツパルスの発生タイミングと光スイッチユニッ
トの開きタイミングとを安定確実に同期化することがで
きると共に、Ｑスイッチ周波数パルス毎に、設定された
ピーク値をもつ１個のレーザパルスを発生することがで
きる。 ４）基準クロック信号をプログラマブルに分周する回路
を備えることによって、レーザ加工装置の動作タイミン
グの基準になるＱスイッチ周波数をプログラマブルに変
更することができる。その結果、半導体部品や電子部品
の加工に適合したＱスイッチ周期Ｔ３をＴ３＞Ｔ１＋Ｔ
４の範囲内で自由に選択することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ加工装置用レーザ発振器の第１
の実施形態の構成を示すブロック図である。

【図２】第１の実施形態のレーザコントロール部３の構
成を示すブロック図である。

【図３】第１の実施形態のレーザ加工装置用レーザ発振
器の各部を制御する信号のタイミングチャートである。

【図４】本発明のレーザ加工装置の第２の実施形態の構
成を示すブロック図である。

【図５】Ｑスイッチ制御形レーザ発振器の典型的な従来
例の要部のブロック図である。

【図６】図５の制御ユニット２に設けられているレーザ
コントロール部３の構成を示すブロック図である。

【図７】図５の装置のレーザパルスの出射タイミングを
説明するタイミングチャートである。

【図８】文献３に記載されているレーザ照射装置の構成
を説明するブロック図である。

【図９】図８の装置の測定ユニット１５の構成を示すブ
ロック図である。

【図１０】文献３の装置の動作を示す信号のタイムチャ
ートである。

【符号の説明】

１、３８ コンピュータ ２ 制御ユニット ３、２６ レーザコントロール部 ４、３３ Ｑスイッチドライバ部 ５、３４ 光スイッチドライバ部 ６、３１ レーザ発振器 ７、１１ｂ 共振器 ８、１１ａ Ｑスイッチユニット ９、３２ 光スイッチユニット １２、２０ デコーダ部 １３、２１ プログラマブル分周回路 １４、２５ プログラマブルタイマ回路 １５、２２ 基準クロック発振器 １６、２４ タイマ回路 １７ 測定比較判定部 １８、２３ 論理回路 ３０ レーザ照射装置 ３５ 測定ユニット

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｑスイッチ制御パルスによって動作が制
   御されるＱスイッチユニットを備え、Ｑスイッチ制御パ
   ルスの制御によって当該Ｑスイッチユニットがオン状態
   になったときには発振が抑止され、オフ状態になったと
   きには正常に発振をする光共振器を有するレーザ発振器
   と、 前記レーザ発振器から発射されるレーザパルスによって
   レーザ加工される加工対象物と前記レーザ発振器との間
   の光路に配置され、光スイッチパルスの制御によってレ
   ーザ光を通過または遮断する光スイッチユニットと、 レーザ加工開始タイミングと、該レーザ加工開始タイミ
   ング以後、前記Ｑスイッチユニットを周期的に作動させ
   る繰り返し周波数とを指定し、前記Ｑスイッチをオン状
   態にする期間をポンピング期間として指定する、Ｉ／Ｏ
   データを出力するコンピュータと、 前記Ｉ／Ｏデータが指定する繰り返し周波数を有するＱ
   スイッチ周波数パルスを生成し、該Ｑスイッチ周波数パ
   ルスの各周期毎にＩ／Ｏデータがポンピング期間として
   指定する期間には第１の論理レベルをとり、その他の期
   間には、第２の論理レベルをとるＱスイッチ制御パルス
   を前記Ｑスイッチ周波数パルスに同期して発生して出力
   し、かつ、レーザ光の通過期間として設定されている期
   間をパルス幅とする光スイッチパルスを前記Ｑスイッチ
   周波数パルスに同期して発生して出力する制御ユニット
   と、 前記Ｑスイッチ制御パルスを入力して該Ｑスイッチ制御
   パルスに応答して前記Ｑスイッチユニットを制御するＱ
   スイッチドライバ部と、 前記光スイッチパルスを入力して該光スイッチパルスに
   応答して前記光スイッチユニットを制御する光スイッチ
   ドライバ部とを有するレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 制御ユニットはレーザコントロール部を
   有し、該レーザコントロール部は、 コンピュータからＩ／Ｏデータを入力してこれをデコー
   ドするデコーダ部と、 基準クロック信号を発生する基準クロック発振器と、 基準クロック信号を分周して、デコードされたＩ／Ｏデ
   ータが指定する繰り返し周波数を有するＱスイッチ周波
   数パルスを発生するプログラマブル分周回路と、 Ｑスイッチ周波数パルスと基準クロック信号とデコード
   されたＩ／Ｏデータとを入力し、基準クロック信号をタ
   イミング信号として、該Ｑスイッチ周波数パルスの各周
   期毎に、Ｉ／Ｏデータがポンピング期間として指定する
   期間には第１の論理レベルをとり、該期間をパルス幅と
   し、その他の期間には、第２の論理レベルをとるＱスイ
   ッチ制御パルスを前記Ｑスイッチ周波数パルスに同期し
   て発生して出力する第１のタイマ回路と、 前記Ｑスイッチ制御パルスと前記基準クロック信号を入
   力し、該基準クロック信号をタイミング信号として、レ
   ーザ光の通過期間として設定されている期間をパルス幅
   とする光スイッチパルスを前記Ｑスイッチ制御パルスに
   同期して発生して出力する第２のタイマ回路を有する、
   請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 前記Ｑスイッチ制御パルスの前縁はＱス
   イッチ周波数パルスの後縁に同期し、Ｑスイッチ制御パ
   ルスの後縁は光スイッチパルスの前縁に同期している、
   請求項２に記載の装置。
4. 【請求項４】 第１のタイマ回路が発生するＱスイッチ
   制御パルスのパルス幅はプログラマブルである、請求項
   ２または３に記載の装置。
5. 【請求項５】 加工開始タイミング以前または、加工休
   止期間においては、Ｑスイッチ制御パルスは第２の論理
   レベルを有する、請求項１に記載の装置。
6. 【請求項６】制御ユニットは、更に、加工対象物の所定
   項目の測定を行ない、この測定値を目標値と比較して追
   加のレーザ加工を必要とするか、否かを判定する測定比
   較判定部を有し、レーザコントロール部は、プログラマ
   ブル分周回路と第１のタイマ回路の間に接続されいてＱ
   スイッチ周波数パルスと測定比較判定部の判定結果を入
   力する論理回路を備え、該論理回路は、前記測定比較判
   定部が追加のレーザ加工を必要とすることを判定した場
   合には、Ｑスイッチ周波数パルスを第１のタイマ回路に
   伝達し、前記測定比較判定部が追加のレーザ加工を必要
   とすることを判定しない場合には、Ｑスイッチ周波数パ
   ルスの第１のタイマ回路への伝達を阻止する、請求項２
   に記載の装置。