JP2002160086A

JP2002160086A - レーザ加工機

Info

Publication number: JP2002160086A
Application number: JP2000361163A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kumamoto; 健二熊本; Kuniaki Iwaki; 邦明岩城; Toshiki Koshimae; 利樹腰前
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2002-06-04
Anticipated expiration: 2020-11-28
Also published as: JP3870693B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】高速で且つ、高い遮断性能のシャッターリン
グ動作を行うことができるレーザ加工機の提供。【解決手段】レーザ加工機において、レーザ発振器１
からワーク７までのレーザビームの光路中に、音響光学
素子２１と音響光学素子２２とを設け、光路中の音響光
学素子２１と音響光学素子２２との間にλ／２板３１を
配置し、λ／２板３１は、音響光学素子２２によるレー
ザビームの減衰特性が最大になる回転位置が作る面に音
響光学素子２２へ入射されるレーザビームの偏光面とが
合致するような回転位置に設定されるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ加工機、
特にそのレーザビームの遮断に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のプリント基板用レーザ加工機（以
下適宜、「Ｐ板加工機」と記す）について説明する。一
般に、プリント基板の加工には、ＣＯ₂レーザが通常は
用いられているが、高密度実装化に伴い、より径の小さ
な穴、例えば５０μｍ以下のＶｉａホール、の加工が要
求されるようになってきた。レーザ加工による穴径はレ
ーザビームの波長によって調整されるため、ＣＯ₂レー
ザの波長よりも短い波長が必要となる。そのため、ＹＡ
Ｇレーザを用い、さらに元の２倍波（元の波長の１／２
の波長），３倍波，４倍波等に変換する機構が必要とな
っている。ここで、従来のＰ板加工機を、図６を用いて
説明する。図６において、１はレーザ発振器である。レ
ーザ発振器１の内部には、Ｑスイッチ５を内蔵してい
る。レーザ発振器１のレーザ媒質には、ＹＡＧの結晶
（図示せず）が用いられている。ＹＡＧの結晶は半導体
レーザ若しくはランプによって、連続的に励起されてい
る。Ｑスイッチ５が、その動作信号である数十ｋＨｚの
周波数でＯＮ・ＯＦＦ動作を繰り返すことにより、レー
ザビームのパルス発振が起こる。ここで、Ｑスイッチ５
は、ＯＮの場合、レーザビームを遮断し、ＯＦＦの場
合、レーザビームを通過（素通し）させるものとする。

【０００３】発振したＱスイッチ５によるパルス化され
たレーザビーム（以下適宜、「パルス光」と記す）は、
波長変換素子８を通過することで、２倍波，３倍波，４
倍波へと変換される。波長変換を行う場合は、パルスピ
ーク値の高いこのようなＱスイッチパルス光を用いるこ
とが一般的である。波長変換素子８には、ＫＴＰ，ＢＢ
Ｏ，ＬＢＯ等の素子が用いられる。波長変換素子８は、
使用する結晶の温度により波長変換効率が定まる（温度
位相整合を用いる）ものであり、その所望の変換効率が
得られる許容温度幅は約０．１度程度と狭い。従って、
その温度変化により波長変換効率が大きく変化するた
め、水冷若しくはぺルチェ素子等を用いた強制的な側面
からの温度制御により、温度変化の範囲は±０．１℃程
度に収まるように設定されている。この温度範囲を逸脱
すると、波長変換効率が大きく低下してしまうため、波
長変換した出力に大きな変動を招くこととなる。６はこ
の温度管理を行う制御装置である。

【０００４】この従来例のようなＰ板加工機において、
ワーク７を加工する場合、ガルバノミラー３はレーザビ
ームの照射点が所望の加工点に位置決めされると停止す
るように、ガルバノドライバー４によって制御されてい
る。このガルバノミラー３の位置決め停止信号と連動し
て、レーザ発振器１の内部のＱスイッチ５が数十ｋＨｚ
のパルス周波数でＯＮ・ＯＦＦ動作を繰り返すことによ
り、予め決められた数十ショット数だけワーク７にパル
ス光を照射し、加工を行うこととなる。加工を行わない
場合には、Ｑスイッチ５がＯＮの状態を保つことによ
り、レーザビームが遮断され、パルス発振は行われな
い。このように、従来例のＰ板加工機において、レーザ
発振器１の内部に設けられたＱスイッチ５は、その機能
として、加工時と非加工時とでレーザビームの通過と遮
断とを切り替えるシャッター機能と、加工時すなわちワ
ーク７へのレーザビーム照射時に、連続的に発振されて
いるレーザビームを、数十ｋＨｚの周波数でＯＮ・ＯＦ
Ｆ動作を繰り返すことによってパルス光化する機能とを
有している。

【０００５】上述のように、レーザ発振器１の内部にＱ
スイッチ５を用いた場合、波長変換素子８を用いないＹ
ＡＧレーザであれば、所望の出力のパルス光をワーク７
に照射することが可能であるが、先に述べたような波長
変換素子８を用いたＹＡＧレーザのレーザ発振器１の場
合、Ｑスイッチ５のＯＮ，ＯＦＦによってワーク７への
パルス光の遮断，照射を行うと、Ｑスイッチ５から波長
変換素子８へ入射されたレーザビームを波長変換素子８
自体が吸収することにより温度ドリフトが発生し、ワー
ク７に照射する数ｍＳ間の出力の急激な変化を招き不安
定な加工となる。このため、波長変換素子８を用いたレ
ーザ発振器１の場合、加工を安定的，高精度に行うに
は、波長変換素子８の温度変化を避けるため、パルス光
を常時、波長変換素子８へ入射させておくことが不可欠
である。換言すれば、Ｑスイッチ５を、波長変換素子８
へ入射する以前の位置でのレーザビームの遮断，通過を
切り替える為の比較的長い時間間隔或いは不規則な時間
間隔でＯＮ・ＯＦＦの切り替えを行うようなシャッター
として用いることは適当ではない。このため、光路上の
シャッター機能としては、レーザ発振器１内部のＱスイ
ッチ５以外に、波長変換素子８を通過した後の光路上
に、高速応答できるシャッター手段を別途設けることが
必要となる。

【０００６】レーザビームの遮断，通過を切り替える為
に、比較的長く且つ不規則な時間間隔でのＯＮ・ＯＦＦ
切り替え動作を要求されるシャッターとして有効なもの
として、例えば、音響光学素子が挙げられる。ここで
は、シャッターとして音響光学素子を用いた場合につい
て、図７を用いて説明する。２はラマン回折型の音響光
学素子であり、電気信号のＯＮ，ＯＦＦに従い、入射レ
ーザビームを素通し又は回折散乱し、その応答速度は、
数十ｋＨｚが可能である。ここではマスク９と組み合わ
せることにより、電気信号のＯＮ，ＯＦＦに対応して、
レーザビームの遮断（減衰）と通過とを切り替える光学
シャッターとして使用する場合について説明する。入射
するレーザビームは直線偏光であり、ラマン回折型音響
光学素子（以下適宜、「音響光学素子」と記す）２は、
その減衰特性の向きがレーザビームの偏光面に合致する
ように設置される。電気信号がＯＮの場合、音響光学素
子２を通過したレーザビームは０次光を中心に１，２，
・・，−１，−２，・・次光の回折光に分割される。光
路の先に設置したマスク９によって高次の回折ビームは
遮断され、元の光路と同じ経路を通る０次光のみがマス
ク９を通過する。０次光以外の高次光成分に分配される
レーザビームの強度が高いほど音響光学素子２の回折効
率、すなわち減衰率が高いと言うことができ、マスク９
を通過する０次光の強度を弱めることができる。通常、
音響光学素子２では０次光の強度は元のレーザビームの
１０％程度であり、従って電気信号ＯＮ時に約９０％の
レーザ出力がこのビーム変調器で減衰されることとな
る。この音響光学素子２を、加工時と非加工時とでレー
ザビームの遮断と通過とを切り替えるシャッター機能
（手段）として図６に示したＰ板加工機に用いる場合、
レーザビームの光路中、波長変換素子８を通過した後
の、例えば点Ｐ１の位置に設置されることとなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上に述べたとおり、
レーザビーム光路上のシャッター機能として、波長変換
素子８を通過した後の光路上に、高速応答できるシャッ
ター手段を別途設けることが必要であり、図７に示した
ラマン回折型音響光学素子２は、該シャッター手段とし
て有効である。しかし、ラマン回折型音響光学素子２
は、単体でのビーム減衰率が約９０％であるため、この
音響光学素子２をレーザ加工機に、レーザビームの光学
シャッターとして用いた場合、非加工時等、レーザビー
ムを遮断しようとした場合にも１０％程度の０次光すな
わち漏れ光が、ビーム変調器を通過してワーク７上に照
射されて状態となり、ワーク７の表面が損傷するという
問題点があった。

【０００８】この発明は、上述の問題点を解決するため
になされたもので、高速で且つ、高い遮断性能のシャッ
ターリング動作を行うことができるレーザ加工機を得る
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係るレーザ加
工機は、レーザビームの光路中の波長変換素子から被加
工物までの間に、第一の音響光学素子と第二の音響光学
素子とを設け、前記光路中の前記第一の音響光学素子と
前記第二の音響光学素子との間に旋光手段を配置し、こ
の旋光手段は、前記第二の音響光学素子へ入射されるレ
ーザビームの偏光面を、前記第二の音響光学素子のレー
ザビーム減衰特性に応じて旋回させるものである。

【００１０】また、第二の音響光学素子を、第一の音響
光学素子に対して９０度回転させて設置したものであ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】実施の形態１．この発明の第一の
実施の形態によるレーザ加工機を、図１及び図２を用い
て説明する。図において、従来例のものと同一または相
当のものには同一の符号を付し、詳細な説明を省略す
る。この実施の形態のものにおいて、レーザ発振器１内
で高調波に変換されて出力されたレーザビームは、２個
のラマン回折型音響光学素子２１，２２と旋光手段３
１、マスク９とにより構成されるビーム変調器２０を通
過し、ガルバノミラー３によって位置調整されワーク７
に照射される。ビーム変調器２０は制御装置６からの電
気信号により、レーザビームを素通し又は減衰させるシ
ャッターリング動作を行う。

【００１２】先にも述べたとおり、この実施の形態のレ
ーザ加工機に用いる音響光学素子単体での回折効率は９
０％程度である為、１つの音響光学素子に入力されたレ
ーザビームのうち、１０％程度の光は０次光として音響
光学素子を通過し、漏れ光となってしまう。このような
漏れ光があると、ガルバノミラーが次の加工位置に動作
する間に常時ワークに照射され、ワークが所望の加工位
置以外で加工され損傷してしまう。このようなことを防
止するために、漏れ光を制限する必要がある。材料によ
り制限する光の量は異なるが、概ね1％以下にすること
で、焼損するには至らないことが実験的に求められた。

【００１３】そのために、まず、音響光学素子２個を直
列に配置することによりビーム減衰率の向上を図ること
が考えられた。この場合、図３に示すように、音響光学
素子は入射するレーザビームの偏光面によって回折効率
すなわち減衰率が大きく異なり、音響光学素子の設置角
度、すなわち、入射されるレーザビームの光軸を回転中
心とした音響光学素子の傾きに従い、音響光学素子の減
衰特性が最大になる傾きと、入射されるレーザビームの
偏光面とが合致するような場合（図３（ａ））は、上述
のように約９０％の減衰率が得られるが、音響光学素子
の減衰特性が最大になる傾きと入射されるレーザビーム
の偏光面とが合致しない場合（図３（ｂ））は、減衰率
は約５０％と大きく低下することがわかった。

【００１４】次に、２個の音響光学素子がそれぞれ、入
射されるレーザビームの偏光面に対して減衰特性が最大
になる傾きとなるよう、２個の音響光学素子を全く同じ
傾きに設置すると、それぞれの音響光学素子としては原
理的に高い減衰率を得られたが、１個目（前段）の音響
光学素子によって回折光となった光の一部が２個目（後
段）の音響光学素子へ再び入力してしまう等、他の要因
によって、総体的には所望の高効率の減衰が実現されな
いことがわかった。

【００１５】そこで、２個の音響光学素子を直列に配置
する場合、２個目の音響光学素子は１個目の音響光学素
子に対して、入射されるレーザビームの偏光面に対する
傾きを異ならせて設置せざるを得ず、９０度、傾きを異
ならせた状態で設置することが好ましいことがわかっ
た。

【００１６】しかし、単純に１個目の音響光学素子と２
個目の音響光学素子との傾きを変えて設置した場合、レ
ーザビームの偏光面は一定であるため、仮にレーザビー
ムの偏光面を、１個目の音響光学素子の減衰特性が最大
になる傾きと合致するように設定しても、そのレーザビ
ームの偏光面は２個目の音響光学素子に対して、その減
衰特性が最大になる傾きとは合致しないこととなる。先
ほども述べたように、単純に１個目の音響光学素子と２
個目の音響光学素子との傾きを変えて設置し、レーザビ
ームの偏光面を１個目の音響光学素子の減衰特性が最大
になる傾きと合致するように設定した場合、レーザビー
ムは、１個目の音響光学素子により９０％減衰されて、
元の強度の１０％相当のレーザビームが０次光として通
過することになる。この０次光が２個目の音響光学素子
へ入力し、ここでは入射した０次光のうち５０％のみが
減衰される。換言すれば、２個の音響光学素子を用いて
も、１０％×５０％＝５％の強度のレーザビームが通過
して、最終的にワーク等に照射されてしまうことにな
る。

【００１７】そこで、この実施の形態のものでは、更な
る高減衰率を実現するため、図２に示すように、２個の
音響光学素子２１，２２を、それぞれの減衰特性が最大
になる傾きが互いに９０度異なるように配置するととも
に、その２個の音響光学素子２１，２２を直列に設置し
た間に、レーザビームの偏光面を回転させる旋光手段と
してλ／２板３１を挿入した。

【００１８】λ／２板３１は、その出射するレーザビー
ムの偏光面を、２個目の音響光学素子２２の減衰特性が
最大になる傾きと合致するように設定する。これによ
り、１個目の音響光学素子２１により９０％減衰された
レーザビームは、さらに２個目の音響光学素子２２によ
り９０％減衰されて、レーザ発振器１から出力された元
のレーザビームの強度の１０％×１０％＝１％相当のレ
ーザビームが０次光として２個目の音響光学素子２２を
通過することになる。図４に、音響光学素子の設置によ
る、減衰率の比較を示す。ａは、音響光学素子が１個の
みの場合、ｂは、１個目の音響光学素子と２個目の音響
光学素子との傾きを９０度異ならせて設置した場合、ｃ
は、音響光学素子２個をその傾きを９０度異ならせて設
置し且つ２個の音響光学素子の間に、その出射するレー
ザビームの偏光面を、２個目の音響光学素子の減衰特性
が最大になる傾きと合致するように設定したλ／２板を
挿入した場合を示す。ｃの構成の場合に減衰率は大きく
向上し、約９９％の減衰率が得られた。ここでは、９０
度偏光面を回転させる旋光手段としては、λ／２板の他
に、水晶ローテータ等がある。これにより、最終的に通
過する０次光の強度が十分減衰され、漏れ光によるワー
ク７の焼損が防止された。

【００１９】この、第一の実施の形態のレーザ加工機に
よるワーク７の加工は、以下のように行われる。この実
施の形態のようなＰ板レーザ加工機の場合、ワーク７に
加工する際、ガルバノミラー３は照射点が加工点に位置
決めされると停止するように、ガルバノドライバー４に
よって制御されている。このガルバノミラー３の位置決
め信号をトリガーとして、光路上に設けられたビーム変
調器２０が動作する。音響光学素子２１，２２は、予め
決められたショット数に対応して、レーザビームの光路
の通過と遮断とを切り替えるシャッター動作を行う。こ
れらの動作は、Ｐ板加工機を制御する制御装置によって
制御される。加工時の光路は、マスク９を通過してワー
ク７に照射されるが、音響光学素子２１，２２により回
折される０次光以外の高次光成分となったレーザビーム
は、図１に破線で示すように、マスク９によって遮断さ
れる。一方０次光は、ワークの損傷レベル以下である、
当初の強度の約１％に減衰された状態でワーク７まで伝
送される。当然、加工時は、既定のエネルギーをもった
レーザビームがワーク７に照射され、加工を実施するこ
ととなる。

【００２０】実施の形態２．図５に音響光学素子を３個
以上使用した場合の実施の形態を示す。３個の音響光学
素子２１，２２，２３はそれぞれ異なる傾きで配置さ
れ、その間にはそれぞれλ／２板３１，３２が挿入され
ている。λ／２板３１は音響光学素子２２の、λ／２板
３２は音響光学素子２３の、それぞれの音響光学素子の
減衰特性が最大になる傾きに対応した角度だけ、レーザ
ビームの偏光面を回転するように設置されている。

【００２１】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、レー
ザビームの光路中の波長変換素子から被加工物までの間
に、第一の音響光学素子と第二の音響光学素子とを設
け、前記光路中の前記第一の音響光学素子と前記第二の
音響光学素子との間に旋光手段を配置し、この旋光手段
は、前記第二の音響光学素子へ入射されるレーザビーム
の偏光面を、前記第二の音響光学素子のレーザビーム減
衰特性に応じて旋回させる、といった構成を用いたこと
により、高速で且つ、漏れ光による被加工物への損傷が
無い、高遮断性能のシャッターリング機能を安定的に呈
するレーザ加工機を得ることができる、といった効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第一の実施の形態によるレーザ加
工機の概略構成図。

【図２】この発明の第一の実施の形態によるレーザ加
工機の音響光学素子によるビーム変調器の構成図。

【図３】音響光学素子の動作説明図。

【図４】音響光学素子と旋光手段との設置によるレー
ザビームの減衰率を示した図。

【図５】この発明の第二の実施の形態によるレーザ加
工機の音響光学素子によるビーム変調器の構成図。

【図６】従来のレーザ加工機の概略構成図。

【図７】従来の音響光学素子によるビーム変調器の構
成図。

【符号の説明】

１レーザ発振器３ガルバノミラー４ガルバノドライバー５Ｑスイッチ６制御装置７ワーク８波長変換素子９マスク２０ビーム変調器２１，２２，２３音響光学素子３１，３２ λ／２板（旋光手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者腰前利樹東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 2H079 AA04 BA01 CA24 EB21 GA01 HA13 KA14 KA17 2K002 AA04 AB04 AB07 AB08 AB12 BA12 CA02 HA10 HA20 4E068 CA04 CD08 CD10 5F072 AB01 KK05 YY06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザビームの光路中の波長変換素子か
ら被加工物までの間に、第一の音響光学素子と第二の音
響光学素子とを設け、前記光路中の前記第一の音響光学
素子と前記第二の音響光学素子との間に旋光手段を配置
し、この旋光手段は、前記第二の音響光学素子へ入射さ
れるレーザビームの偏光面を、前記第二の音響光学素子
のレーザビーム減衰特性に応じて旋回させるものである
ことを特徴とするレーザ加工機。
【請求項２】第二の音響光学素子を、第一の音響光学
素子に対して９０度回転させて設置したことを特徴とす
る請求項１に記載のレーザ加工機。