JP2004174539A

JP2004174539A - レーザ加工方法

Info

Publication number: JP2004174539A
Application number: JP2002342423A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kasai; 研二河西; Akinori Yamaguchi; 明徳山口; Shuhei Tsuruta; 修平鶴田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】ガルバノ動作遅延時間やレーザ出射遅延時間などのばらつきに拘わらず、常に同じ制御方式によってガルバノミラーの実動作の開始タイミングとパルスレーザ光線の実出射タイミングとを正確に一致させることのできるレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】特定の基準タイミングＴと、この特定の基準タイミングＴを基準とした任意の時間のガルバノ指令遅延時間Ｄ４およびレーザ指令遅延時間Ｄ５とを設定する。特定の基準タイミングＴからガルバノ指令遅延時間Ｄ４の経過後にガルバノメータ８，９に位置指令信号を与えるとともに、特定の基準タイミングＴからレーザ指令遅延時間Ｄ５の経過後にレーザ発振器１にレーザ出力指令を与える。この結果、ガルバノミラー３，４とレーザ光線の出射とが同期する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光線によって被加工物に所定の文字や加工パターンなどの加工を施すレーザ加工装置におけるガルバノミラーの動作タイミングとレーザ光線の照射タイミングとを同期制御するための制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ加工装置は、図３に示すように、レーザ発振器１から出射されたレーザ光線２が、一対のガルバノミラー３，４により反射されたのち、これらガルバノミラー３，４に組み合わせて設けられたｆθレンズ（図示せず）により集光されて、被加工物７の所定の位置に照射される。一対のガルバノミラー３，４は、個々に取り付けられたガルバノメータ８，９の回転により角度制御され、Ｘ軸走査用ガルバノミラー３の角度制御によってレーザ光線２がＸ方向に走査され、且つＹ軸走査用ガルバノミラー４の角度制御によってレーザ光線２がＹ方向に走査される。これにより、レーザ光線２は、被加工物７の任意の位置に走査されて、被加工物７の表面の所定箇所をトリミングして所要の文字や加工パターンなどを生成加工する。したがって、レーザ加工装置では、ガルバノミラー３，４の角度制御に同期してレーザ発振器１からレーザー光線２が出射するように制御する必要がある。近年では、被加工物７の小型化や加工パターンの微細化に伴って、レーザ加工装置のより高精度で精密な制御が要求されている。
【０００３】
上記レーザ加工装置は、主として、図４に示すような方法で制御することが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３参照）。図４（ａ）はガルバノミラー動作指令を示したもので、実線は各ガルバノミラー３，４の角度制御を個々に行うガルバノメータ８，９に対しそれぞれ与えられるガルバノ位置（角度）指令信号を示し、破線は上記指令信号によりガルバノメータ８，９が回転してガルバノミラー３，４の角度が可変制御される実動作を示す。また、図４（ｂ）はレーザ発振器１がレーザ出力指令信号を受けて出射したパルスレーザ光線の出射タイミングを示す。
【０００４】
ガルバノミラー動作指令は、予め設定されたガルバノ指令開始基準タイミングＴ_１時に与えられるが、ガルバノミラー３，４が実動作を開始するのは、指令開始基準タイミングＴ_１時からガルバノ動作遅延時間ｄが経過した後のＴ_２時である。一方、レーザ発振器１へのレーザ出力指令信号は、ガルバノミラー３，４の上記したガルバノ動作遅延時間ｄだけの実動作の遅れを考慮し、上述のガルバノ指令開始基準タイミングＴ_１時を基準として、この指令開始基準タイミングＴ_１時から一定のレーザ出射待ち時間Ｄ１が経過した後に与えられる。このレーザ出射待ち時間Ｄ１は、上記ガルバノ動作遅延時間ｄに合わせて設定される。これにより、パルスレーザ光線は、ガルバノミラー３，４の実動作と同期して出射するように図られている。
【０００５】
ところで、図４（ｂ）は、ピークパワーを大きくすることを目的として、レーザ発振器１からパルスレーザ光線を出射させる場合を例示してあり、このパルスレーザ光線は、図５に示すように、被加工物７に１回照射される毎に、被加工物７の表面に円形のレーザ加工跡１０を生成加工する。したがって、図示しないｆθレンズと組み合わされたＸ軸走査用ガルバノミラー３の角度を変化させると、被加工物７の表面には、図５に例示したようなＸ軸に沿った直線の加工軌跡が生成加工され、Ｙ軸走査用ガルバノミラー４の角度を変化させた場合には、Ｙ軸に沿った直線の加工軌跡が生成加工され、両ガルバノミラー３，４の角度を同時に変化させた場合には、任意の方向に延びる直線または曲線の加工軌跡が生成加工される。
【０００６】
ところが、パルスレーザ光線には以下のような特性がある。すなわち、出射停止状態から出射が開始されたときには、その出射開始時から２〜３回出射するパルスレーザ光線（以下、ファーストパルスと称する）の出力が通常の出力よりも大きいジャイアントパルスとなって、図６に示すように、上記ジャイアントパルスによって通常よりも大きな円形となる大形レーザ加工跡１１Ａ〜１１Ｃが被加工物７の表面に生成加工されてしまう。そのため、被加工物７の表面に生成加工された直線の加工軌跡には、加工始め部分の線幅が大きくなる加工むらが生じる不具合がある。そこで、従来では、レーザ発振器１にファーストパルスサプレーション（以下、ＦＰＳと略称する）機能を備えることにより、上述したジャイアントパルスの出射を抑制する手段が採用されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−３１５６９０号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平７−２２３０８５号公報
【０００９】
【特許文献３】
特開２０００−３４３２５６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年では、被加工物７の小型化や加工パターンの微細化および高精度が求められているのに伴って、一層精密な加工制御が要求されているために、以下のような問題が発生している。すなわち、第１の問題として、ＦＰＳ機能を用いて出射開始時のファーストパルスの余分な出力を前もって予測した上で、その余分な出力を低下させることにより、ファーストパルスのパルスレーザ光線の出力を実加工に適するように調整して、所要の加工形状に揃えるように図っている。ところが、そのファーストパルスのパルスレーザ光線を実加工に利用可能となるように調整するのは極めて困難である。
【００１１】
また、第２の問題として、加工によっては、余分なレーザ出力を低下させてパルスレーザ光線の出力を実加工に適するように調整しても、所要の均一な加工形状を得ることができない場合がある。このような場合には、ファーストパルスの余分なレーザ出力を低下させる調整を行わずに、ＦＰＳ機能によってファーストパルスがレーザ発振器１から出射しないように調整しており、この制御方法について、図７を参照しながら説明する。
【００１２】
図７（ｂ）に示すように、レーザ出力指令信号は予め設定されたレーザ出射指令開始タイミングＴ_０時にレーザー発振器１に対し与えられるが、出射開始時のファーストパルスがＦＰＳ機能によって出射しないように調整されるので、図７（ｃ）に示すように、レーザ発振器１から実際にパルスレーザ光線２が出射するのは、一定のレーザ出射遅延時間Ｄ２が経過した時点である。
【００１３】
一方、図７（ａ）に示すように、ガルバノミラー３，４は、ガルバノメータ８，９にガルバノミラー動作指令信号が与えられるガルバノ指令開始基準タイミングＴ_１時から一定のガルバノ動作遅延時間ｄが経過した後のＴ_２時に実動作を開始し、このガルバノ動作遅延時間ｄは、一般に、レーザ出射遅延時間Ｄ２よりも短い。したがって、ガルバノミラー３，４の実動作が開始されるＴ_２時をパルスレーザ光線２が実際に出射される時点に合致させるためには、所要のガルバノ指令遅延時間Ｄ３を設定して、レーザ出射指令開始タイミングＴ_０時から上記ガルバノ指令遅延時間Ｄ３が経過した時点をガルバノ指令開始基準タイミングＴ_１に設定する必要がある。すなわち、ガルバノ指令開始基準タイミングＴ_１は、レーザ出射指令開始タイミングＴ_０時を基準として、このレーザ出射指令開始タイミングＴ_０時から予め設定したガルバノ指令遅延時間Ｄ３が経過した時点に変更する必要がある。
【００１４】
上述した従来のレーザ加工方法では、実加工に際して、以下のような問題がある。すなわち、図４に示すように、ガルバノ指令開始基準タイミングＴ_１時を基準としてパルスレーザ光線２の出射タイミングを設定する制御方法では、レーザ出射待ち時間Ｄ１がガルバノ動作遅延時間ｄよりも長くなってしまうと、加工始め位置においてガルバノミラー３，４とパルスレーザ光線２の出射とのタイミングがとれない。
【００１５】
一方、図７に示すように、レーザ出射指令開始タイミングＴ_０を基準としてガルバノ指令遅延時間Ｄ３を設定する制御方法では、ガルバノ指令遅延時間Ｄ３とガルバノ動作遅延時間ｄとの和の時間（Ｄ３＋ｄ）がレーザ出射遅延時間Ｄ２よりも長くなった場合に、加工始めの部分に重ね加工が発生してしまう。上記の各遅延時間Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、加工条件を設定する際に最終的に決定されるため、各遅延時間Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の大小関係に応じて制御方式をその都度検討し直ししなくてはならないことが生じる。
【００１６】
そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、ガルバノ動作遅延時間やレーザ出射遅延時間などのばらつきに拘わらず、常に同じ制御方式によってガルバノミラーの実動作の開始タイミングとパルスレーザ光線の実出射タイミングとを正確に一致させることのできるレーザ加工方法を提供することを目的とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、レーザ発振器から出射されたレーザ光線をガルバノミラーで反射させたのちに被加工物に走査させながら照射するレーザ加工方法において、前記ガルバノミラーの動作タイミングと前記レーザ光線の出射タイミングとを同期させる際、特定の基準タイミングと、この特定の基準タイミングを基準とした任意の時間のガルバノ指令遅延時間およびレーザ指令遅延時間とを設定し、前記特定の基準タイミングから前記ガルバノ指令遅延時間の経過後にガルバノメータに位置指令信号を与えるとともに、前記特定の基準タイミングから前記レーザ指令遅延時間の経過後に前記レーザ発振器にレーザ出力指令を与えることを特徴としている。
【００１８】
このレーザ加工方法では、ガルバノメータに位置指令信号を与えてからガルバノミラーが実動作を開始するまでのガルバノ動作遅延時間や、レーザ発振器にレーザ出力指令信号を与えてから実際にパルスレーザ光線が出射するまでのレーザ出射遅延時間とは無関係に、特定の基準タイミングを設けて、この特定の基準タイミングを基準として、ガルバノ指令遅延時間およびレーザ指令遅延時間をそれぞれ設定するので、その都度変化するガルバノ動作遅延時間およびレーザ出射遅延時間に対応してガルバノ指令遅延時間およびレーザ指令遅延時間をそれぞれ任意の所要時間に設定することにより、ガルバノミラーが実際に動作を開始するタイミングと、レーザ発振器からパルスレーザ光線が出射を開始するタイミングとを正確に合致させて、ガルバノミラーの実動作とパルスレーザ光線の照射とのタイミングを高精度に同期制御することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施の形態に係るレーザ加工方法によるガルバノメータ８，９への動作指令およびガルバノミラー３，４の実動作、レーザ発振器１へのレーザ光線の出力指令およびレーザ発振器１からのレーザ光線の実出射とをそれぞれ示すタイミングチャートである。なお、図１（ａ）の実線は各ガルバノミラー３，４の角度制御を個々に行うガルバノメータ８，９に対しそれぞれ与えられるガルバノ位置（角度）指令信号を示し、破線は上記指令信号によりガルバノメータ８，９が回転してガルバノミラー３，４の角度が可変制御される実動作を示す。
【００２０】
この制御方法では、特定の基準タイミングＴを設けて、図１（ａ）に示すように、特定の基準タイミングＴから所要のガルバノ指令遅延時間Ｄ４が経過した時点でガルバノメータ８，９に位置指令信号を与えるように設定する。一方、図１（ｂ）に示すように、特定の基準タイミングＴから所要のレーザ指令遅延時間Ｄ５が経過した時点でレーザ発振器１にレーザ出力指令信号を与えるように設定する。図１（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す上記ガルバノ指令遅延時間Ｄ４およびレーザ指令遅延時間Ｄ５は、上述したガルバノ動作遅延時間ｄおよびレーザ出射遅延時間Ｄ２を考慮した上で、ガルバノミラー３，４の実動作の開始タイミングと、ＦＰＳ機能により遅延するパルスレーザ光線２の実出射の開始タイミングとが一致するように適宜設定する。
【００２１】
図１（ａ）のガルバノメータ８，９に位置指令信号が与えられてからガルバノミラー３，４が実際に動作を開始するまでのガルバノ動作遅延時間ｄは、ガルバノミラー３，４のサイズやガルバルメータ８，９のサーボ機構の調整などに起因して異なる。一方、図１（ｂ）のレーザ発振器１にレーザ出力指令信号が与えられてから図１（ｃ）の実際にパルスレーザ光線２が出射するまでのレーザ出射遅延時間Ｄ２は、ＦＰＳ機能の調整、レーザ発振素子の種類およびレーザパワーなどに起因して異なる。
【００２２】
また、被加工物７の表面に図２に示すような加工パターンを生成加工する場合には、書き出し点１８，１９においてジャイアントパルスの影響を無くし、パルスレーザ光線２とガルバノミラー３，４の実動作とが同期制御された書き出し位置と書き出しの線幅２０を常に所定値（例えば、１００μｍ）に確保しようとすれば、ＦＰＳ機能の調整を行わなければならないが、このＦＰＳ機能の調整によって上記レーザ出射遅延時間Ｄ２が変化し、さらに上記書き出し位置が変化する。このＦＰＳ機能は、被加工物７の材質や厚みなどによって異なるレーザパワーに対する加工度合いにより差異が生じるので、実際の加工を見て調整する必要がある。
【００２３】
さらに、従来の制御方法では、ＦＰＳ機能の調整によって設定されたレーザ出射遅延時間Ｄ２がガルバノ動作遅延時間ｄよりも長い場合には、レーザ発振器１へのレーザ出力指令信号を、ガルバノメータ８、９への位置指令信号に先立って出力する必要があることから、レーザ出力指令信号の出力開始タイミングを基準として、これにより遅れて位置指令信号を出力する必要があった。一方、ガルバノ動作遅延時間ｄがレーザ出射遅延時間Ｄ２よりも長い場合には、ガルバノメータ８、９への位置指令信号を、レーザ発振器１へのレーザ出力指令信号に先立って出力する必要があることから、ガルバノメータ８、９への位置指令信号の出力開始タイミングを基準として、これにより遅れてレーザ出力指令信号を出力する必要があった。
【００２４】
これに対して、上記実施の形態の制御方法では、ガルバノ動作遅延時間ｄやレーザ出射遅延時間Ｄ２とは無関係に特定の基準タイミングＴを設けて、この特定の基準タイミングＴを基準として、ガルバノ指令遅延時間Ｄ４およびレーザ指令遅延時間Ｄ５をそれぞれ設定するので、その都度変化するガルバノ動作遅延時間ｄおよびレーザ出射遅延時間Ｄ２に対応してガルバノ指令遅延時間Ｄ４およびレーザ指令遅延時間Ｄ５をそれぞれ任意の所要時間に設定することにより、図１（ａ）のガルバノミラー３，４が実際に動作を開始するタイミングと、図１（ｃ）のレーザ発振器１からパルスレーザ光線２が出射を開始するタイミングとを正確に合致させて、ガルバノミラー３，４の実動作とパルスレーザ光線２の照射とを高精度に同期制御することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明のレーザ加工方法によれば、ガルバノメータに位置指令信号を与えてからガルバノミラーが実動作を開始するまでのガルバノ動作遅延時間や、レーザ発振器にレーザ出力指令信号を与えてから実際にパルスレーザ光線が出射するまでのレーザ出射遅延時間とは無関係に、特定の基準タイミングを設けて、この特定の基準タイミングを基準として、ガルバノ指令遅延時間およびレーザ指令遅延時間をそれぞれ設定するので、その都度変化するガルバノ動作遅延時間およびレーザ出射遅延時間に対応してガルバノ指令遅延時間およびレーザ指令遅延時間をそれぞれ任意の所要時間に設定することにより、ガルバノミラーが実際に動作を開始するタイミングと、レーザ発振器からパルスレーザ光線が出射を開始するタイミングとを正確に合致させて、ガルバノミラーの実動作とパルスレーザ光線の照射とを高精度に同期制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施の形態に係るレーザ加工方法によるガルバノ動作指令、レーザ光線の出力指令およびレーザ光線の実出射とをそれぞれ示すタイミングチャート。
【図２】レーザ加工装置による加工パターン例を示す図。
【図３】レーザ加工装置の概略構成を示す斜視図。
【図４】（ａ），（ｂ）は従来のレーザ加工方法によるガルバノ動作指令とレーザ光線の出力指令信号とをそれぞれ示すタイミングチャート。
【図５】レーザ加工装置を用いてパルスレーザ光線による直線の加工軌跡を被加工物に生成加工する場合の説明図。
【図６】ジャイアントパルスが出射したときの加工軌跡を示す説明図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）はファーストパルスサプレーション機能を用いた場合の従来のレーザ加工方法によるガルバノ動作指令、レーザ光線の出力指令およびレーザ光線の実出射とをそれぞれ示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１レーザ発振器
２パルスレーザ光線
３，４ガルバノミラー
７被加工物
８，９ガルバノメータ
Ｔ特定の基準タイミング
Ｄ４ガルバノ指令遅延時間
Ｄ５レーザ指令遅延時間

Claims

レーザ発振器から出射されたレーザ光線をガルバノミラーで反射させたのちに被加工物に走査させながら照射するレーザ加工方法において、
前記ガルバノミラーの動作タイミングと前記レーザ光線の出射タイミングとを同期させる際、
特定の基準タイミングと、この特定の基準タイミングを基準とした任意の時間のガルバノ指令遅延時間およびレーザ指令遅延時間とを設定し、
前記特定の基準タイミングから前記ガルバノ指令遅延時間の経過後にガルバノメータに位置指令信号を与えるとともに、前記特定の基準タイミングから前記レーザ指令遅延時間の経過後に前記レーザ発振器にレーザ出力指令を与えることを特徴とするレーザ加工方法。