JP2014183153A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パルス毎に、パルスエネルギを安定化させることが可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 放電電極で生じる放電により、レーザ媒質ガスが励起される。駆動回路が放電開始トリガを受信すると、放電電極への電力の供給を開始し、放電停止トリガを受信すると、放電電極への電力の供給を停止する。計測器が、放電電極に与えられる電圧または電流の少なくとも一方の物理量を計測する。制御装置が、駆動回路に放電開始トリガを与えた後、計測器により測定された前記物理量の計測値に基づいて、駆動回路に放電停止トリガを与える。
【選択図】 図７

Description

本発明は、パルスレーザを出射してレーザ加工を行うレーザ加工装置、及びレーザ加工方法に関する。

炭酸ガスレーザ等のガスレーザにおいては、レーザ媒質ガス中の不純物等が放電に影響を及ぼす。このため、出射するレーザパルスごとにパルスエネルギにばらつきが生じる。レーザパルスを穴開け加工に用いる場合、パルスエネルギにばらつきが生じると加工品質がばらついてしまう。

下記の特許文献１に、パルスエネルギのばらつきを低減させるレーザ発振方法が開示されている。特許文献１に開示された方法では、１回のパルス励起中に、レーザ発振器から出射されたレーザ光のエネルギ値を複数回測定する。測定された複数のエネルギ値を加算し、当該パルス励起により発振されるレーザ光の見込みトータルエネルギ値を予測する。この見込みトータルエネルギ値に基づいて、励起時間を制御する。これにより、トータルエネルギ値（パルスエネルギ）を安定化させることが可能である。

特開２００２−２９９７３６号公報

パルス幅が比較的長い場合、例えば数百μｓ程度である場合には、上記特許文献１に開示された方法でパルスエネルギを調節することが可能である。ところが、パルス幅が短い場合、例えば数十μｓである場合には、エネルギ検出感度や演算時間を勘案すると、励起時間を制御することは困難である。

本発明の目的は、パルス幅が短い場合でも、パルス毎に、パルスエネルギを安定化させることが可能なレーザ加工装置、及びレーザ加工方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザ媒質ガスを励起する放電電極と、
放電開始トリガを受信することにより、前記放電電極への電力の供給を開始し、放電停止トリガを受信することにより前記放電電極への電力の供給を停止する駆動回路と、
前記放電電極に与えられる電圧及び電流の少なくとも一方の物理量を計測する計測器と、
前記駆動回路に、前記放電開始トリガを与えた後、前記計測器により測定された前記物理量の計測値に基づいて、前記駆動回路に前記放電停止トリガを与える制御装置と
を有するレーザ加工装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
ガスレーザ発振器に、放電電極への電力供給開始の指令を与える工程と、
前記ガスレーザ発振器に前記電力供給開始の指令を与えた時点から、前記放電電極に与えられている電圧または電流の少なくとも一方の物理量を計測する工程と、
前記物理量の計測値に基づいて、前記放電電極に電力を供給する時間幅を算出する工程
と、
前記電力供給開始の指令の時点から、算出された前記時間幅が経過した時点で、前記ガスレーザ発振器に、前記放電電極への電力供給の停止を指令する工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。

放電電極に供給される物理量に応じて、駆動回路に放電停止トリガを与えることにより、パルスエネルギを安定化させることができる。放電電極に与えられる電圧または電流は、出射したレーザパルスの光強度に比べて、容易に、かつ短時間で計測することが可能である。このため、パルス幅が短くなっても、パルス幅を安定化させることが可能である。

図１は、実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図２は、実施例によるレーザ加工装置に用いられているレーザ発振器の断面図、及び制御系のブロック図である。 図３は、トリガ信号、高周波電圧、放電電流、及び光出力のタイミングチャートである。 図４Ａは、放電電流のピーク値とパルスエネルギとの関係を示すグラフであり、図４Ｂは、高周波電圧印加時間とパルスエネルギとの関係を示すグラフである。 図５は、パルスエネルギを一定にするという条件の下での放電電流のピーク値と高周波電圧印加時間との関係を示すグラフである。 図６は、実施例によるレーザ加工装置の制御装置が実行する処理のフローチャートである。 図７は、トリガ信号、高周波電圧、放電電流、及び光出力のタイミングチャートである。

図１に、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ発振器１０が駆動回路１１から電力の供給を受けてパルスレーザビームを出射する。レーザ発振器１０には、例えば炭酸ガスレーザ発振器等のガスレーザ発振器が用いられる。駆動回路１１は、制御装置２０からのトリガ信号に同期して、レーザ発振器１０への電力の供給及び停止を行う。

レーザ発振器１０から出射したレーザビームが、スポット位置安定化光学系１２を透過して非球面レンズ１３に入射する。スポット位置安定化光学系１２は、複数の凸レンズを含み、レーザ発振器１０から出射したレーザビームの進行方向がぶれても、非球面レンズ１３が配置された位置におけるビームスポットの位置を安定化させる。非球面レンズ１３は、レーザビームのプロファイルを変える。例えば、ガウシアン形状のビームプロファイルを、トップフラット形状のビームプロファイルに変える。

非球面レンズ１３を透過したレーザビームが、コリメートレンズ１４によってコリメートされた後、マスク１５に入射する。マスク１５は、透過窓及び遮光部を含み、レーザビームのビーム断面を整形する。マスク１５の透過窓を透過したレーザビームがフィールドレンズ１６、折り返しミラー１７を経由して、ビーム走査器１８に入射する。ビーム走査器１８は、レーザビームを二次元方向に走査する。ビーム走査器１８として、例えばガルバノスキャナが用いられる。

ビーム走査器１８で走査されたレーザビームが、ｆθレンズ１９で集光されて加工対象物３０に入射する。加工対象物３０はステージ２５に保持されている。フィールドレンズ１６及びｆθレンズ１９は、マスク１５の透過窓を、加工対象物３０の表面に結像させる。ステージ２５は、加工対象物３０を、その表面に平行な方向に移動させる。

次に、制御装置２０の構成について簡単に説明する。制御装置２０が行う詳細な処理については、図６及び図７を参照して、後に説明する。制御装置２０は、レーザ発振器１０に供給される電流及び電圧の少なくとも一方の物理量の計測値を受信する機能ブロック２０Ａを有する。制御装置２０に、パルスエネルギを一定にする条件データ２０Ｂが記憶されている。制御装置２０の、放電停止トリガを送出する時刻を調整する機能ブロック２０Ｃが、物理量の計測値、及びパルスエネルギを一定にする条件データ２０Ｂに基づいて、放電停止トリガを送出する時刻を調整する。

制御装置２０のトリガ生成機能ブロック２０Ｄが、放電停止トリガを送出する時刻を調整する機能ブロック２０Ｃによって調整された時刻に、放電停止トリガを駆動回路１１に送出する。放電停止トリガを送出する時刻を調整することにより、パルスエネルギのばらつきが抑制され、パルスエネルギが均一化される。

図２に、実施例によるレーザ発振器１０の断面図、及び制御系のブロック図を示す。チェンバ５０の内部に、送風機４０、一対の放電電極４１、熱交換器４６、及びレーザ媒質ガスが収容されている。一対の放電電極４１の間に放電空間４２が画定される。放電空間４２で放電が生じることにより、レーザ媒質ガスが励起される。図２では、放電電極４１の長さ方向に直交する断面が示されている。送風機４０には、例えばターボブロワが用いられる。なお、ターボブロワに代えて、クロスフローファン、軸流ファン等を用いてもよい。放電電極４１の各々は、導電部材４３とセラミック部材４４とを含む。セラミック部材４４は、導電部材４３と放電空間４２とを隔離する。

送風機４０から、放電電極４１の間の放電空間４２、及び熱交換器４６を経由して送風機４０に戻る循環経路がチェンバ５０内に形成されている。熱交換器４６は放電によって高温になったレーザ媒質ガスを冷却する。

一対の端子５１が、チェンバ５０の壁面に取り付けられている。放電電極４１の導電部材４３が、それぞれチェンバ内電流路５２により端子５１に接続されている。端子５１は、チェンバ外電流路５５により、駆動回路１１に接続されている。計測器５６が、チェンバ外電流路５５を流れる電流を計測する。計測器５６で計測された電流の計測値が制御装置２０に入力される。制御装置２０は、計測器５６による電流の計測値に基づいて、駆動回路１１を制御する。

図３に、制御装置２０（図１）から駆動回路１１（図１）に与えられるトリガ信号、放電電極４１（図２）に印加される高周波電圧、放電電極４１に流れる放電電流、及びレーザ発振器１０（図１）から出射される光出力のタイミングチャートを示す。

時刻ｔ１において、トリガ信号が立ち上がる。トリガ信号の立ち上がりは、放電開始トリガに相当する。時刻ｔ１において、駆動回路１１が放電開始トリガを受信すると、駆動回路１１は、放電電極４１に高周波電圧を印加する。高周波電圧の周波数は、例えば２ＭＨｚである。高周波電圧が印加された後、時刻ｔ２で放電が始まると、放電電流が流れ始める。

放電が始まった後、レーザ発振器１０の光共振器内の利得が損失を上回った時刻ｔ３において、光出力（レーザパルス）が立ち上がる。光出力は、立ち上がり時に瞬間的に鋭いピークを示し、その後、安定する。

放電が開始した直後の過渡状態においては、放電電流の振幅が、定常状態のときの振幅より小さく、時間の経過とともに徐々に大きくなる。時刻ｔ３において光出力が立ち上が
った後、放電電流は、振幅がほぼ一定の定常状態になる。

時刻ｔ４において、トリガ信号が立ち下がる。トリガ信号の立下りは、放電停止トリガに相当する。駆動回路１１が制御装置２０から放電停止トリガを受信すると、駆動回路１１は高周波電圧の印加を中止する。放電電極４１に高周波電圧が印加されなくなると、放電が停止し、放電電流が流れなくなるとともに、光出力が０になる（レーザパルスが立ち下がる）。時刻ｔ３から時刻ｔ４までの時間幅が、レーザパルスのパルス幅に相当する。

レーザ媒質ガスの励起強度は、投入された電力に比例する。レーザ発振器から出射されるパルスレーザビームのパルスエネルギは、パルス幅が一定の条件の下で、励起強度に比例する。従って、パルスエネルギは、投入される電力、すなわち高周波電圧及び放電電流から予測することが可能である。

図４Ａに、高周波電圧印加時間（時刻ｔ１から時刻ｔ４までの時間）が一定であるという条件の下での放電電流のピーク値Ｉｐｐと、パルスエネルギとの関係を示す。ここで、放電電流のピーク値Ｉｐｐは、放電電流の振幅の２倍に相当する。図４Ａの横軸は定常状態のときのピーク値Ｉｐｐを表し、縦軸はパルスエネルギを表す。放電電流のピーク値Ｉｐｐが大きくなるに従ってパルスエネルギも増大し、両者の関係はほぼ線型である。

放電電流が定常状態になった後は、放電電流のピーク値Ｉｐｐがほぼ一定であるため、放電開始から、放電停止よりも前のある時刻までの放電電流のピーク値Ｉｐｐを計測することにより、当該レーザパルスのパルスエネルギを予測することができる。

図４Ｂに、放電電流のピーク値Ｉｐｐが一定であるという条件の下での高周波電圧印加時間（図３の時刻ｔ１からｔ４までの時間）と、パルスエネルギとの関係を示す。横軸は高周波電圧印加時間を表し、縦軸はパルスエネルギを表す。高周波電圧印加時間が長くなるに従ってパルスエネルギが大きくなり、両者の関係はほぼ線型である。

図４Ａ及び図４Ｂに示したグラフから、以下のことが導き出される。放電電流のピーク値Ｉｐｐが小さくなると、パルスエネルギも小さくなる。パルスエネルギの減少分を補償するように高周波電圧印加時間を長くすると、パルスエネルギを一定に維持することが可能になる。図４Ａ及び図４Ｂに示したグラフから、パルスエネルギを一定に維持するための放電電流のピーク値Ｉｐｐと、高周波電圧印加時間との対応関係を求めることができる。

図５に、パルスエネルギを一定に維持するための放電電流のピーク値Ｉｐｐと、高周波電圧印加時間との対応関係を示す。横軸は放電電流のピーク値Ｉｐｐを表し、縦軸は高周波電圧印加時間を表す。放電電流のピーク値Ｉｐｐが大きくなるに従って、高周波電圧印加時間が短くなる。図５に示した対応関係が、制御装置２０（図１）に予め記憶されている。この対応関係は、図１に示したパルスエネルギを一定にする条件データ２０Ｂに相当する。

次に、図６及び図７を参照して、実施例によるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法について説明する。レーザ加工を行う前に、まず加工対象物３０をステージ２５（図１）に保持して、ステージ２５を移動させることにより、加工対象物３０の位置決めを行う。加工対象物３０には、ビーム走査器１８で走査可能な範囲内に、複数の被加工点が定義されている。レーザ加工中は、制御装置２０がビーム走査器１８を制御して、加工対象物３０上の被加工点に、順番にレーザパルスを入射させることにより穴開け加工が行われる。

図６に、実施例によるレーザ加工装置の制御装置２０（図１）が実行する処理のフロー
チャートを示す。図７に、トリガ信号、高周波電圧、放電電流、及び光出力のタイミングチャートを示す。加工対象物３０をステージ２５に保持して、加工対象物３０の位置決めが完了すると、最初に加工すべき被加工点にレーザパルスが入射するように、ビーム走査器１８を制御する。ステップＳ１において、ビーム走査器１８の位置決めが完了するまで待機する。ビーム走査器１８の位置決めが完了すると、ステップＳ２において、駆動回路１１に放電開始トリガ（電力供給開始の指令）を与える。ステップＳ２は、図７に示した時刻ｔ１１、ｔ２１、ｔ３１に相当する。

高周波電圧の印加開始時刻ｔ１１、ｔ２１、ｔ３１後に、それぞれレーザパルスＬｐ１、Ｌｐ２、Ｌｐ３が立ち上がる。

ステップＳ３において、予め決められた判定時間Ｔｊ（図７）が経過するまで放電電流のピーク値Ｉｐｐを計測する。この計測は、計測器５６（図２）により行われる。判定時間Ｔｊは、出射すべきレーザパルスの定格パルス幅よりも短い。一例として、定格パルス幅が５０μｓであり、判定時間Ｔｊは５μｓである。高周波電圧の周波数が２ＭＨｚであるとき、５μｓの判定時間Ｔｊは、高周波電圧の１０周期分に相当する。

放電電流のピーク値Ｉｐｐの計測は、放電電流が定常状態になった後から開始される。約３周期で放電電流が定常状態になる場合、４周期目から１０周期目までのピーク値Ｉｐｐが計測される。

図７に示した時刻ｔ１１、ｔ２１、ｔ３１の放電開始トリガによる放電電流のピーク値を、それぞれＩｐｐ１、Ｉｐｐ２、Ｉｐｐ３で表す。図７に示された例では、３つのピーク値の大小関係は、Ｉｐｐ２＜Ｉｐｐ１＜Ｉｐｐ３である。

ステップＳ４（図６）において、放電電流のピーク値Ｉｐｐが規格内か否かを判定する。計測されたピーク値Ｉｐｐが規格外である場合、ステップＳ８において、放電電極４１（図１）への電力の供給を停止する。電力の供給を停止することにより、異常発振を防止することができる。

計測されたピーク値Ｉｐｐが規格内であるとき、ステップＳ５において、ピーク値Ｉｐｐに基づいて、放電開始トリガから放電停止トリガまでの時間幅を算出する。以下、ステップＳ５の処理の一例について説明する。例えば、判定時間Ｔｊ（図７）の間に計測された複数のピーク値Ｉｐｐの平均を求める。ピーク値Ｉｐｐの平均値と、図５に示した対応関係とから、高周波電圧印加時間を求める。

図５に示した対応関係から、ピーク値Ｉｐｐ１、Ｉｐｐ２、Ｉｐｐ３に対して、それぞれ時間幅Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３が求まる。これらの時間幅の大小関係は、Ｐｄ３＜Ｐｄ１＜Ｐｄ２である。

ステップＳ６（図６）において、放電開始トリガから、ステップＳ５で求められた時間幅が経過した時点で、放電停止トリガ（電力供給停止の指令）を送出する。図７において、時刻ｔ１２、ｔ２２、ｔ３２で放電停止トリガが送出されている。時刻ｔ１１からｔ１２までの時間幅がＰｄ１と等しく、時刻ｔ２１からｔ２２までの時間幅がＰｄ２と等しく、時刻ｔ３１からｔ３２までの時間幅がＰｄ３と等しい。時刻ｔ１２、ｔ２２、ｔ３２で放電が停止し、それぞれレーザパルスＬｐ１、Ｌｐ２、Ｌｐ３が立ち下がる。

ステップＳ７（図６）において、加工終了か否かを判定する。未加工の被加工点が残っている場合には、次に加工すべき被加工点にレーザパルスが入射するように、ビーム走査器１８を制御し、ステップＳ１に戻る。すべての被加工点の加工が完了した場合には、レ
ーザ加工処理を終了する。

定常状態におけるレーザパルスＬｐ２の光出力は、レーザパルスＬｐ１の光出力より低い。レーザパルスＬｐ２のパルス幅をレーザパルスＬｐ１のパルス幅より長くすることによって、光出力の低下分が補償される。また、定常状態におけるレーザパルスＬｐ３の光出力は、レーザパルスＬｐ１の光出力より高い。レーザパルスＬｐ３のパルス幅をレーザパルスＬｐ１のパルス幅より短くすることによって、光出力の増加分が補償される。放電開始トリガから放電停止トリガまでの時間幅が、図５に示した対応関係に基づいて決定されるため、レーザパルスＬｐ１、Ｌｐ２、Ｌｐ３のパルスエネルギを均一にすることができる。

放電電流のピーク値Ｉｐｐが大きいほど、放電開始トリガから放電停止トリガまでの時間幅を短くすることにより、レーザパルスのパルスエネルギを均一に近付けることができる。

放電電流のピーク値Ｉｐｐは、光出力に比べて、容易に、かつ短時間で計測することが可能である。このため、実施例による方法は、光出力を計測してパルス幅を調節する場合に比べて、判定時間Ｔｊ（図７）を短くすることが可能である。このため、出射すべきレーザパルスのパルス幅が１００μｓ以下であっても、上記実施例による方法を適用することが可能である。

上記実施例では、判定時間Ｔｊの間に、放電電流のピーク値Ｉｐｐを計測したが、放電電極４１（図２）に供給される電力に依存する他の物理量を計測してもよい。例えば、放電電流の実効値を計測してもよい。

放電の状態が変化すると、一対の放電電極４１の間に印加される電圧も変化する。この電圧の変化、放電電極４１に供給される電力の変化に追随する。このため、放電電極４１（図２）に供給される電力に依存する他の物理量として、放電電極４１の間に印加される電圧のピーク値または実効値を採用してもよい。このように、放電電極４１に与えられる電圧または電流の少なくとも一方の物理量を計測すればよい。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ レーザ発振器
１１ 駆動回路
１２ スポット位置安定化光学系
１３ 非球面レンズ
１４ コリメートレンズ
１５ マスク
１６ フィールドレンズ
１７ 折り返しミラー
１８ ビーム走査器
１９ ｆθレンズ
２０ 制御装置
２０Ａ 物理量の計測値を受信する機能ブロック
２０Ｂ パルスエネルギを一定にする条件データ
２０Ｃ 放電停止トリガを送出する時刻調整を行う機能ブロック
２０Ｄ トリガ生成機能ブロック
２５ ステージ
３０ 加工対象物
４０ 送風機
４１ 放電電極
４２ 放電空間
４３ 導電部材
４４ セラミック部材
４６ 熱交換器
５０ チェンバ
５１ 端子
５２ チェンバ内電流路
５５ チェンバ外電流路
５６ 計測器

Claims (6)

1. レーザ媒質ガスを励起する放電電極と、
   放電開始トリガを受信することにより、前記放電電極への電力の供給を開始し、放電停止トリガを受信することにより前記放電電極への電力の供給を停止する駆動回路と、
   前記放電電極に与えられる電圧及び電流の少なくとも一方の物理量を計測する計測器と、
   前記駆動回路に、前記放電開始トリガを与えた後、前記計測器により測定された前記物理量の計測値に基づいて、前記駆動回路に前記放電停止トリガを与える制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記制御装置は、前記駆動回路に前記放電開始トリガを与えた後、予め決められた判定時間が経過するまでの、前記計測器による計測結果に基づいて、前記放電開始トリガを与えてから前記放電停止トリガを与えるまでの時間幅を算出する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記制御装置は、前記計測器により計測された前記物理量が大きいほど、前記放電開始トリガから前記放電停止トリガまでの時間幅を短くする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記制御装置は、前記計測器により計測される前記物理量と、前記放電開始トリガから前記放電停止トリガまでの時間との対応関係を記憶しており、
   前記計測器により計測された前記物理量の計測値と前記対応関係とに基づいて、前記放電開始トリガから前記放電停止トリガまでの時間幅を求める請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. ガスレーザ発振器に、放電電極への電力供給開始の指令を与える工程と、
   前記ガスレーザ発振器に前記電力供給開始の指令を与えた時点から、前記放電電極に与えられている電圧または電流の少なくとも一方の物理量を計測する工程と、
   前記物理量の計測値に基づいて、前記放電電極に電力を供給する時間幅を算出する工程と、
   前記電力供給開始の指令の時点から、算出された前記時間幅が経過した時点で、前記ガスレーザ発振器に、前記放電電極への電力供給の停止を指令する工程と
   を有するレーザ加工方法。
6. 前記時間幅を算出する工程において、前記電力供給開始の指令の時点から、予め決められた判定時間が経過するまでの前記電圧または電流の計測値に基づいて、前記時間幅を算出する請求項５に記載のレーザ加工方法。

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