JP2008194709A

JP2008194709A - レーザ加工方法

Info

Publication number: JP2008194709A
Application number: JP2007030639A
Authority: JP
Inventors: Goichi Omae; 吾一大前; Hiroshi Aoyama; 博志青山
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-08-28

Abstract

【課題】加工箇所間の距離の差がばらついている場合であっても、加工結果を均一にすることができるレーザ加工方法を提供すること。
【解決手段】パルス状のレーザ光であるレーザパルス６をビーム分配整形装置３により整形し、整形した加工用のレーザ光である加工パルス７をワークであるプリント基板１０に照射する加工方法として、予めレーザ発振周期Ｔと光強度との関係を求めておき、加工パルス７を位置決めする位置決め手段の位置決め時間または／および加工パルス７をプリント基板１０に照射する照射間隔で定まるレーザ発振周期に応じてビーム分配整形装置３の光強度分配率αを補正する。
【選択図】図６

Description

本発明は、パルス状のレーザ光（以下、レーザパルスという）をワークに照射してワークを加工するレーザ加工方法に関する。

図６は、特許文献１に開示されたレーザ加工機の概略構成図である。

同図において、ＮＣ装置１は、レーザ電源２、ビーム分配整形装置３およびガルバノミラーユニット４を制御する。ガルバノミラーユニット４は、１対のガルバノミラー、すなわち、レーザパルスをワーク上においてＸ方向に位置決めする第１のガルバノミラーとＹ方向に位置決めする第２のガルバノミラーとで構成されている。レーザ電源２はＮＣ装置１から出力されるレーザ発振指令５１に従ってレーザ発振器５に電力を供給する。電力を供給されたレーザ発振器５はレーザパルス６を出力する。ビーム分配整形装置３はＮＣ装置１から出力される指令５２に従ってレーザパルス６の波形、すなわち、レーザ光の光強度とパルス幅と、を制御する。ガルバノミラーユニット４はＮＣ装置１から出力される角度指令５０に従って１対のガルバノミラーの回転角度を制御する。

次に、従来のレーザ加工機の動作を説明する。

先ず、ガルバノミラーユニット４を動作させ、１対のガルバノミラーを加工プログラムで指定された位置に位置決めする。次に、レーザ電源２を動作させてレーザ発振器５からレーザパルス６を出力させ、ビーム分配整形装置３によりレーザパルス６から加工部に照射するレーザパルスを切り出す。以下、レーザパルス６から切り出されたレーザパルスを「加工パルス７」という。すなわち、ビーム分配整形装置３は、レーザパルス６から所望の光強度のレーザをある時間分（パルス幅）切り出すと共に、レーザパルス６のピークパワー（光強度）を係数倍（０〜１００％）し、加工パルス７として出力する。

加工パルス７はミラー８および１対のガルバノミラーによって定まる経路を通ってｆθレンズ９に入射し、ｆθレンズ９によって集光される。集光された加工パルス７はプリント基板１０に入射し、プリント基板１０に穴を加工する。なお、レーザパルス６から切り出された加工パルス７以外の成分はダンパ１１に入射して熱に変換される。

特許文献１の技術では、ビーム分配整形装置３により加工パルス７の波形を略矩形にするので、加工部に供給するエネルギを略均一にすることができた。なお、１個の加工パルス７のエネルギは、加工パルス７の光強度とパルス幅の積であるから、パルス幅が同じである場合、光強度の大きさがパルスエネルギの大きさを表すことになる。

また、１個の穴を加工するための加工エネルギを均一にするため、加工部に供給するレーザパルスの個々のエネルギを測定し、測定した結果に基づいてレーザ発振器の出力を制御するようにしたレーザ加工方法がある（特許文献２）。

なお、例えばＣ０_２レーザ加工機で穴を加工する場合、プリント基板１０の材質によって異なるが、１個の穴を１〜３個の加工パルス７で加工する。また、１個の穴を加工する場合、複数個の加工パルス７をその穴に続けて（連続して）照射し、その穴の加工を終了させてから次の穴を加工するバースト加工法と、複数個の穴を１組とし、各穴に加工パルス７を１個ずつ照射する動作を、それぞれの穴の加工が終了するまで繰り返すサイクル加工法がある。プリント基板１０の特性により、最適な加工穴法（バースト加工法かサイクル加工法か）と加工パルス７のパルスエネルギおよび数とが選択される。
特開２０００−２６３２７１号公報特開２００５−１６９４７８号公報

例えば、加工箇所が格子状に配置されている場合のように、加工箇所間の距離の差が小さい場合、特許文献１の技術により品質が均質な穴を加工することができた。しかし、加工箇所がばらついている、すなわち、加工箇所間の距離の差がばらついている場合、加工した穴の品質にばらつきが生じた。

本発明の目的は、例えば、加工箇所間の距離の差がばらついている場合であっても、加工結果を均一にすることができるレーザ加工方法を提供するにある。

本発明者は、加工した穴の品質にばらつきが生じる原因を解明するため、種々の試験を行った。

図７は、パルス幅を一定にした場合の、Ｃ０_２レーザにおけるレーザ発振周期Ｔとレーザパルス６のエネルギＥ（すなわち、光強度特性）との関係を実測した図であり、図中の実線はパルス幅が２５μｓの場合、一点鎖線はパルス幅が３５μｓの場合である。

同図に示されているように、いずれの場合もレーザ発振周期Ｔが長くなるにつれてレーザパルス６のエネルギＥは増加するが、レーザ発振周期Ｔが約１ｍｓを超えるとほぼ一定になり、その後もレーザ発振周期Ｔが長くなるにつれてエネルギＥは僅かに増加する。この光強度の変動は、レーザ分配整形装置３で分配された加工パルス７にも現れ、加工部に供給されるエネルギが変動するため、加工した穴の形状が不均一になる。

なお、光強度がレーザ発振周期Ｔによって変化する原因は以下の通りであると考えられる。すなわち、Ｃ０_２等の混合ガスが放電によって励起されることによりレーザ発振が開始され、放電が終了するとレーザ発振も終了する。レーザ発振が終了すると、Ｃ０_２分子は励起状態から基底状態に緩和する（初期状態に戻る）。緩和時間は１ｍｓ程度である。したがって、発振周期が緩和時間より長い発振条件の場合、光強度はほぼ一定になる。一方、発振周期が緩和時間未満の発振条件で再び放電を開始させた場合、レーザ利得媒質となり得るＣ０_２分子の数が少ない。このため、発振周期が緩和時間より短い発振条件のレーザパルスの光強度は発振周期が緩和時間より長い発振条件のレーザパルスの光強度に比べて小さくなる。

以上の考察に基づき、本発明は、パルス状のレーザ光をビーム分配整形手段により整形し、整形した加工用のレーザ光をワークに照射して前記ワークを加工するレーザ加工方法において、予めレーザ発振周期と光強度との関係を求めておき、前記レーザ光を位置決めする位置決め手段の位置決め時間または／および前記レーザ光を前記ワークに照射する照射間隔で定まるレーザ発振周期に応じて前記レーザ分配整形手段の光強度分配率を補正することを特徴とする。

この場合、予め光強度の基準値と前記基準値に対するプラス側の許容値とを定めておき、前記レーザ発振周期におけるレーザ光の光強度が前記基準値と前記許容値との和よりも大きい場合は、前記レーザ発振周期におけるレーザ光の光強度が前記基準値と前記許容値との和以下になるように前記光強度分配率を補正することが望ましい。

そして、前記基準値は前記ワークにおいて前記レーザ光を位置決めする位置決め手段の位置決め時間または／および前記レーザ光を前記ワークに照射する照射間隔のうちで最も短い時間とすることが好ましい。

また、レーザ発振周期が同じであるレーザ光を同一箇所に連続して照射する場合は、最初のレーザ光の光強度だけを補正してもよい。

レーザ発振周期が変わっても、レーザパルスの光強度がほぼ同じになるので、加工品質を均一なものとすることができる。

以下、本発明を、サイクル加工法によりプリント基板に穴を加工する場合について説明する。なお、加工パルスのパルス幅は総て同じであるとする。この場合、レーザパルスの光強度はレーザパルスのエネルギの大きさを表すことになるので、以下、光強度に代えてパルスエネルギという。

（１）第１の方法
図１は本発明に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャート、図２はＮＣ装置の記憶装置に予め記憶されているレーザパルスのレーザ発振周期とパルスエネルギの関係を示す図であり、上記図７に対応する図である。なお、本発明に係るＮＣ装置の内部記憶装置には種々のパルス幅に関するレーザ発振周期とパルスエネルギとの関係が予め記憶されている点で従来のＮＣ装置と相違するが、レーザ加工装置の全体構成は従来と同じ（図６参照）であるので、重複する説明を省略する。また、予め加工プログラムには加工箇所毎にガルバノミラー位置決め時間が設定されている。

図示を省略する加工開始ボタンがオンされると、加工に先立ち、後述する光強度分配率の基準値αｋと、補正係数βとを定める。すなわち、先ず、加工プログラムを参照し、加工箇所毎に設定されているガルバノミラー位置決め時間Ｔのうち最も短い時間を抽出し、抽出された時間をレーザ発振周期の最小値Ｔｍｉｎとする（Ｓ１０）。そして、図２に示すレーザ発振周期とパルスエネルギの関係図を参照して、レーザ発振周期Ｔｍｉｎにおけるパルスエネルギ（光強度）を基準エネルギＥｋとする（Ｓ２０）。

なお、上記したように、レーザパルスを照射するのは、ｘ方向とｙ方向のガルバノミラーのいずれもが位置決めを完了した後である。したがって、「位置決め時間Ｔのうち最も短い時間」は、各加工箇所におけるｘ方向とｙ方向の位置決め時間のうちの長い方で比較される。すなわち、例えば、ｘ方向の位置決め時間が０であっても、ｙ方向の位置決め時間が他の加工箇所の位置決め時間よりも長い場合は、ｘ方向の位置決め時間が０であっても最も短い時間にはならない。

次に、基準エネルギＥｋを加工パルス７のエネルギに合わせるため、ビーム分配整形装置３の光強度分配率の基準値αｋを定める（Ｓ３０）。

次に、各加工箇所毎に、ガルバノミラー位置決め時間Ｔ（上記したように、ｘ方向とｙ方向の位置決め時間のうちの長い方である。）に対するパルスエネルギＥを、記憶されているレーザ発振周期とパルスエネルギとの関係から求め（Ｓ４０）、各加工箇所毎の補正係数βを式１により定める（Ｓ５０）。そして、定めた補正係数βを記憶してから（Ｓ６０）、加工を開始する（Ｓ７０、Ｓ８０）。そして、レーザを照射する際に、各加工箇所毎の光強度分配率αをα＝αｋ×βとする。 β＝Ｅｋ／Ｅ・・・（式１）
このようにすると、加工パルス７のエネルギはいずれの場合も基準エネルギＥｋに等しくなるので、加工品質を均一にすることができる。

（２）第２の方法
次に、本発明の第２の方法を説明する。なお、符号については上記本発明の第１の方法と同じである。

通常、パルスエネルギとして許容範囲（例えば、基準エネルギＥｋの±γ％）が定められている。そこで、パルスエネルギがＥａ（ただし、Ｅａ＝（１＋γ）Ｅｋ。また、γはプラス側である）であるレーザ発振周期Ｔａを求め、ガルバノミラー位置決め時間ＴがＴ≦Ｔａである場合はα＝αｋとし、Ｔ＞Ｔａである場合は補正係数βを用いてα＝αｋ×βとする。このようにすると、パルスエネルギは総て許容値内に収まり、かつ１つのワークに対する補正係数βの演算回数を減らすことができるので、作業性を向上させることができる。

ところで、全加工箇所に対してＴ≦Ｔａである加工箇所の割合が少ない場合、上記第２の方法を採用しても、補正係数βの演算回数を減らすことができない。

（３）第３の方法
次に、本発明の第３の方法を説明する。

図３は、本発明の第３の方法を説明する図であり、レーザ発振周期と補正されたパルスエネルギとの関係を示す図である。なお、一点鎖線はＮＣ装置の記憶装置に予め記憶されているレーザパルスのレーザ発振周期とパルスエネルギとの関係を示している。

いま、ΔＥを、ΔＥ＝Ｅａ−Ｅｋで表される値とする。そして、記憶されているレーザ発振周期とパルスエネルギとの関係から、パルスエネルギが（Ｅｋ＋ｎΔＥ）であるｎ個（ただし、ｎは２以上の整数である。）のレーザ発振周期ＴｎΔを求める。なお、Ｔ１Δすなわちｎが１の場合はＴ１Δ＝Ｔａである。そして、レーザ発振周期ＴにおけるパルスエネルギＥが{Ｅｋ＋（ｎ−１）ΔＥ}≦Ｅ＜（Ｅｋ＋ｎΔＥ）未満の場合は、補正係数βを式２により求めて記憶する。そして、加工時には、光強度分配率α（ｎ）を式３で定まる値とする。

β（ｎ）＝Ｅｋ／（Ｅｋ＋ｎΔＥ）・・・（式２）
α（ｎ）＝αｋ×β（ｎ）＝αｋ×Ｅｋ／（Ｅｋ＋ｎΔＥ）・・・（式３）
なお、α（１）＝αｋである。

この第３の方法に依れば、例えばｎが４の場合であっても、補正係数βは４通りであるので、レーザ発振周期Ｔを調べるだけで１つのワークに対する補正係数βの演算回数を大幅に減らすことができる。

また、例えばΔＥが５％である場合、ｎΔＥが５％になるようにすると、補正係数βの演算回数を減らしかつ実質的に第１の方法と同程度の加工品質を得ることができる。

次に、本発明の具体的な効果を説明する。

図４は、サイクル加工および１ショット加工の場合におけるレーザ発振周期とパルスエネルギの関係を示す図であり、（ａ）は本発明の場合、（ｂ）は従来技術の場合である。なお、光強度分配率αの制御を除き、加工条件は総て同じである。また、パルス幅ｔは総て同じである。

同図（ａ）に示されているように、本発明の場合、レーザ発振周期（ただし、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４＜Ｔ５）が異なっても、エネルギは同じ（上記第１の方法の場合）、あるいは、ほぼ同じ（上記第２，３の方法の場合）になるので、加工品質を均一にすることができる。

すなわち、例えば、穴密度（加工密度）の高い領域と低い領域を持つプリント基板を加工する場合、穴密度が低い領域では穴密度が高い領域に比べてガルバノミラーの位置決めに要する時間（すなわち、レーザ発振周期）が長く（すなわち、レーザ発振周期が長く）なるためにパルスエネルギは大きくなるが、本発明に依れば、光強度分配率αが穴毎に制御されるので、パルスエネルギは一定であり、加工品質を向上させることができる。

一方、従来技術の場合、同図（ｂ）に示されているように、レーザ発振周期が長くなるにつれたパルスエネルギが大きくなるため、加工品質がばらつく。

図５は、バースト加工の場合におけるレーザ発振周期とパルスエネルギの関係を示す図であり、（ａ）は本発明の場合、（ｂ）は従来技術の場合である。なお、光強度分配率αの制御を除き、加工条件は総て同じである。また、パルス幅ｔは総て同じである。通常、ガルバノミラーの位置決めに要する時間（すなわちレーザ発振周期）Ｔ１はレーザパルスの照射間隔（すなわちレーザ発振周期）Ｔ２に比べて遙かに長いため、レーザ発振周期の最小値Ｔｍｉｎは同一穴を加工する場合のレーザパルスの照射間隔になる。このため、バースト加工の場合における第１回目のレーザパルスのパルスエネルギは第２回目以降のレーザパルスのパルスエネルギに比べて大きくなる。しかも、第１回目のレーザパルスのパルスエネルギは前回の加工位置からの距離によりばらつく。このような場合であっても、本発明の場合、同図（ａ）に示されているように、第１回目のレーザパルスのパルスエネルギを第２回目以降のレーザパルスのパルスエネルギとほぼ同じに制御するので、加工品質を均一にすることができる。

一方、従来技術の場合、同図（ｂ）に示されているように、第１回目のレーザパルスのパルスエネルギが他のレーザパルスのパルスエネルギが大きくなるため、加工品質がばらつく。

なお、上記各実施の形態では加工プログラムに加工箇所毎のガルバノミラー位置決め時間が設定されている場合について説明したが、加工プログラムに加工箇所毎のガルバノミラー位置決め時間が設定されていない場合は、例えば、加工順序に従い、ある加工位置から次の加工位置に移動する時間を加工箇所毎に算出し、移動時間が最も短い時間をＴｍｉｎとしてもよい。

また、本発明はＣＯ_２レーザの場合に限らず、他の波長のレーザにも適用することができる。

本発明に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。本発明に係るＮＣ装置に記憶されているレーザパルスのレーザ発振周期とパルスエネルギの関係を示す図である。本発明の第３の方法を説明する図である。本発明の具体的な効果を説明する図である。本発明の具体的な効果を説明する図である。レーザ加工機の概略構成図である。パルス幅を一定にした場合の、Ｃ０_２レーザにおけるレーザ発振周期とレーザパルスのエネルギ特性（光強度特性）との関係を実測した図である。

符号の説明

３ビーム分配整形装置
７レーザパルス
８加工パルス
１０プリント基板
Ｔレーザ発振周期
α 光強度分配率

Claims

パルス状のレーザ光をビーム分配整形手段により整形し、整形した加工用のレーザ光をワークに照射して前記ワークを加工するレーザ加工方法において、
予めレーザ発振周期と光強度との関係を求めておき、
前記レーザ光を位置決めする位置決め手段の位置決め時間または／および前記レーザ光を前記ワークに照射する照射間隔で定まるレーザ発振周期に応じて前記レーザ分配整形手段の光強度分配率を補正することを特徴とするレーザ加工方法。
予め光強度の基準値と前記基準値に対するプラス側の許容値とを定めておき、
前記レーザ発振周期におけるレーザ光の光強度が前記基準値と前記許容値との和よりも大きい場合は、前記レーザ発振周期におけるレーザ光の光強度が前記基準値と前記許容値との和以下になるように前記光強度分配率を補正することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
前記基準値は前記ワークにおいて前記レーザ光を位置決めする位置決め手段の位置決め時間または／および前記レーザ光を前記ワークに照射する照射間隔のうちで最も短い時間とすることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工方法。
レーザ発振周期が同じであるレーザ光を同一箇所に連続して照射する場合は、最初のレーザ光の光強度だけを補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工方法。