JP2014188560A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ発振指令からレーザパルスの立ち上がりまでの遅延時間がばらついても、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を提供する。
【解決手段】 レーザ光源が、外部から受信するレーザ発振開始トリガに同期してレーザ発振を開始し、レーザ発振停止トリガに同期してレーザ発振を停止する。光検出器が、レーザ光源から出射されたレーザパルスを検出する。制御装置が、レーザ光源にレーザ発振開始トリガを与えるとともに、光検出器によるレーザパルスの検出時刻を基準として、レーザ光源にレーザ発振停止トリガを与える時刻を決定し、決定された時刻にレーザ発振停止トリガをレーザ光源に与える。
【選択図】 図６

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、レーザ発振指令からレーザパルスの立ち上がりまでの遅延時間がばらついても、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、レーザ発振指令からレーザパルスの立ち上がりまでの遅延時間がばらついても、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、
外部から受信するレーザ発振開始トリガに同期してレーザ発振を開始し、レーザ発振停止トリガに同期してレーザ発振を停止するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザパルスを検出する光検出器と、
前記レーザ光源に前記レーザ発振開始トリガを与えるとともに、前記光検出器によるレーザパルスの検出時刻を基準として、前記レーザ光源に前記レーザ発振停止トリガを与える時刻を決定し、決定された時刻に前記レーザ発振停止トリガを前記レーザ光源に与える制御装置と
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、
外部から受信するレーザ発振開始トリガに同期してレーザ発振を開始し、レーザ発振停止トリガに同期してレーザ発振を停止するレーザ光源に、前記レーザ発振開始トリガを与
える工程と、
前記レーザ光源から出射されたレーザパルスの立ち上がり時刻を検出する工程と、
前記レーザパルスの立ち上がり時刻から、予め設定されている目標パルス幅に相当する時間が経過した時刻に、前記レーザ光源に前記レーザ発振停止トリガを与える工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。

レーザパルスの検出時刻を基準として、レーザ光源にレーザ発振停止トリガを与える時刻を決定することにより、レーザ発振開始トリガを与えた時刻からレーザパルスの立ち上がりまでの遅延時間がばらついても、パルスエネルギを安定化させることができる。

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のレーザ発振器の断面図、及び駆動回路のブロック図である。 図３は、制御装置からレーザ光源に与えられるトリガ信号、レーザ発振器の放電電極に印加される高周波電圧、放電電極を流れる放電電流、及びレーザ発振器からの光出力のタイミングチャートである。 図４は、レーザ光源にレーザ発振開始トリガを与える時刻からレーザ発振停止トリガを与える時刻までのトリガ時間幅を一定にした条件の下でのレーザパルス立ち上がりまでの遅延時間と、パルスエネルギとの関係を示すグラフである。 図５は、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６は、制御装置からレーザ光源に与えられるトリガ信号、レーザ発振器の放電電極に印加される高周波電圧、放電電極を流れる放電電流、及びレーザ発振器からの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。レーザ光源１が、制御装置２０から受信するレーザ発振開始トリガに同期してレーザ発振を開始し、レーザ発振停止トリガに同期してレーザ発振を停止する。レーザ発振が開始されると、レーザ光源１がレーザパルスを出射する。

レーザ光源１は、レーザ発振器１０及び駆動回路１１を含む。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。制御装置２０から駆動回路１１に、レーザ発振開始トリガ及びレーザ発振停止トリガを与えられる。駆動回路１１は、レーザ発振開始トリガを受けると、レーザ発振器１０に電力の供給を開始する。レーザ発振停止トリガを受けると、レーザ発振器１０への電力の供給を停止する。

レーザ光源１から出射したレーザビームが、部分反射鏡２１により透過ビームと反射ビームとに分岐される。反射ビームが光検出器２２に入射する。光検出器２２は、光を検出すると、制御装置２０に検出信号を送出する。制御装置２０は、光検出器２２から検出信号を受信した時刻、すなわちレーザパルスの立ち上がり時刻を基準として、レーザ光源１にレーザ発振停止トリガを与える時刻を決定する。決定された時刻に、レーザ光源１にレーザ発振停止トリガを与える。

部分反射鏡２１を直進した透過ビームは、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、レーザ光源１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。

図２に、実施例によるレーザ発振器１０の断面図、及び駆動回路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。

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、レーザ発振開始トリガに相当する。時刻ｔ１において、駆動回路１１がレーザ発振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。すなわち、レーザ発振開始トリガが与えられた時刻ｔ１から遅延時間Ｔｄが経過した時刻ｔ３に、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。レーザパルスが立ち上がると、光検出器２２（図１）によって光が検出され、検出信号が制御装置２０に送出（図１）される。

制御装置２０は、光検出器２２から検出信号を受信した時刻、すなわちレーザパルスの
立ち上がり時刻ｔ３を基準として、レーザ光源１にレーザ発振停止トリガを与える時刻ｔ４を決定する。例えば、レーザパルスの検出時刻ｔ３から時刻ｔ４までの時間幅Ｐｄが一定になるように、時刻ｔ４を決定する。

時刻ｔ４において、制御装置２０が、トリガ信号を立ち下げることにより、レーザ光源１にレーザ発振停止トリガを与える。駆動回路１１が制御装置２０からレーザ発振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Ｐｄに相当する。レーザ発振開始トリガを与える時刻ｔ１から、レーザ発振停止トリガを与える時刻ｔ４までの経過時間を、トリガ時間幅Ｔｅということとする。

図４に、トリガ時間幅Ｔｅが一定の条件の下で制御を行ったときの、遅延時間Ｔｄと、レーザパルスのパルスエネルギとの関係を示す。横軸は遅延時間Ｔｄを表し、縦軸はパルスエネルギを表す。トリガ時間幅Ｔｅが一定であるから、遅延時間Ｔｄとパルス幅Ｐｄ（図３）との和が一定になる。このため、遅延時間Ｔｄが長くなると、パルス幅Ｐｄが短くなる。パルス幅Ｐｄが短くなることによって、パルスエネルギが低下する。トリガ時間幅Ｔｅが一定になるようにレーザ発振の制御を行うと、遅延時間Ｔｄのばらつきにより、パルスエネルギがばらついてしまうことがわかる。

次に、図５及び図６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５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６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、レーザ光源１にレーザ発振開始トリガを与える。ステップＳ２は、図６に示した時刻ｔ１１、ｔ２１、ｔ３１に相当する。

レーザ発振開始トリガがレーザ光源１に与えられると、レーザ発振器１０（図１）に高周波電圧が印加され、放電電流が流れる。レーザ発振開始トリガが与えられた時刻ｔ１１、ｔ２１、ｔ３１から、それぞれ遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２、Ｔｄ３が経過した時刻ｔ１２、ｔ２２、ｔ３２においてレーザパルスＬｐ１、Ｌｐ２、Ｌｐ３が立ち上がる。光共振器の反射鏡の振動や、レーザ媒質ガスに含まれる不純物等の影響により、遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２、Ｔｄ３が全て等しいとは限らない。図６では、遅延時間の大小関係が、Ｔｄ３＜Ｔｄ１＜Ｔｄ２である例を示している。

ステップＳ３において、レーザ発振停止トリガが与えられてからレーザパルスが立ち上がるまでの遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２、Ｔｄ３を計測する。具体的には、制御装置２０は、レーザ発振開始トリガをレーザ光源１に与えた時刻から、光検出器２２から検出信号を受信するまでの経過時間を計測する。

ステップＳ４において、遅延時間Ｔｄが規格内か否かを判定する。遅延時間Ｔｄが規格外である場合、ステップＳ８において、レーザ光源１にレーザ発振停止トリガを与える。これにより、放電電極４１（図１）への電力の供給が停止される。電力の供給が停止されることにより、異常発振を防止することができる。

遅延時間Ｔｄが規格内であるとき、ステップＳ５において、レーザパルスの立ち上がり時刻ｔ１２、ｔ２２、ｔ３２（図６）を基準として、レーザ光源１にレーザ発振停止トリガを与える時刻ｔ１３、ｔ２３、ｔ３３（図６）を算出する。具体的には、レーザパルスの立ち上がり時刻ｔ１２、ｔ２２、ｔ３２から、目標パルス幅Ｐｄに相当する時間が経過した時刻を、レーザ発振停止トリガを与える時刻ｔ１３、ｔ２３、ｔ３３とする。目標パルス幅Ｐｄは、予め制御装置２０に記憶されている。

ステップＳ６において、ステップＳ５で算出された時刻ｔ１３、ｔ２３、ｔ３３（図６）に、レーザ光源１に対してレーザ発振停止トリガを与える。これによりレーザパルスＬｐ１、Ｌｐ２、Ｌｐ３が立ち下がる。

ステップＳ７（図５）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。

図６に示した例において、トリガ時間幅Ｔｅ１、Ｔｅ２、Ｔｅ３が同一になるように、タイミング制御を行うと、レーザパルスの立ち上がり時刻から立下り時刻までのパルス幅が、遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２、Ｔｄ３のばらつきの影響を受けて、ばらついてしまう。

上記実施例においては、レーザパルスの立ち上がる時刻ｔ１２、ｔ２２、ｔ３２（図６）を基準として、レーザ発振停止トリガをレーザ光源１に与える時刻ｔ１３、ｔ２３、ｔ３３（図６）が決定される。このため、レーザパルスのパルス幅Ｐｄが、遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２、Ｔｄ３のばらつきの影響を受けない。従って、遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２、Ｔｄ３がばらついても、パルス幅Ｐｄを一定にすることができる。その結果、パルスエネルギのばらつきも少なくなる。レーザパルスの立ち上がりの時刻ｔｔ２１、ｔ２２、ｔ３２から、レーザ発振停止トリガを与える時刻ｔ１３、ｔ２３、ｔ３３までの経過時間を一定にすると、パルスエネルギをほぼ均一にすることができる。

パルス幅Ｐｄは、予め制御装置２０（図１）に記憶されているため、レーザパルスの立ち上がりを検出した後に、目標とするパルス幅を決定するための演算等を行う必要がない。レーザパルスの立ち上がり後の測定結果に基づいて、当該レーザパルスのパルス幅を決定するための演算を行う方法は、演算時間よりも短いパルス幅を持つレーザパルスを用いたレーザ加工に適用することができない。上記実施例においては、パルス幅を決定するための演算を行う必要がないため、パルス幅Ｐｄが演算時間による制約を受けない。また、上記実施例では、レーザパルスの立ち上がり後の光エネルギ等を測定する必要はなく、レーザパルスの有無のみを検出すればよい。このため、高精度の光エネルギ測定を行うための測定時間を確保する必要もない。上述の理由により、上記実施例は、パルス幅Ｐｄが短いレーザ加工、例えばパルス幅が数十μｓより短いレーザ加工にも適用することが可能である。

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。

１ レーザ光源
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
２１ 部分反射鏡
２２ 光検出器
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

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。すなわち、レーザ発振開始トリガが与えられた時刻ｔ１から遅延時間Ｔｄが経過した時刻ｔ３に、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。レーザパルスが立ち上がると、光検出器２２（図１）によって光が検出され、検出信号が制御装置２０（図１）に送出される。

上記実施例においては、レーザパルスの立ち上がる時刻ｔ１２、ｔ２２、ｔ３２（図６）を基準として、レーザ発振停止トリガをレーザ光源１に与える時刻ｔ１３、ｔ２３、ｔ３３（図６）が決定される。このため、レーザパルスのパルス幅Ｐｄが、遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２、Ｔｄ３のばらつきの影響を受けない。従って、遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２、Ｔｄ３がばらついても、パルス幅Ｐｄを一定にすることができる。その結果、パルスエネルギのばらつきも少なくなる。レーザパルスの立ち上がりの時刻ｔ１２、ｔ２２、ｔ３２から、レーザ発振停止トリガを与える時刻ｔ１３、ｔ２３、ｔ３３までの経過時間を一定にすると、パルスエネルギをほぼ均一にすることができる。

Claims (3)

1. 外部から受信するレーザ発振開始トリガに同期してレーザ発振を開始し、レーザ発振停止トリガに同期してレーザ発振を停止するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザパルスを検出する光検出器と、
   前記レーザ光源に前記レーザ発振開始トリガを与えるとともに、前記光検出器によるレーザパルスの検出時刻を基準として、前記レーザ光源に前記レーザ発振停止トリガを与える時刻を決定し、決定された時刻に前記レーザ発振停止トリガを前記レーザ光源に与える制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記制御装置は、出射すべきレーザパルスの目標パルス幅を記憶しており、前記光検出器によるレーザパルスの検出時刻から、前記目標パルス幅と等しい時間が経過した時点で、前記レーザ光源に前記レーザ発振停止トリガを与える請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 外部から受信するレーザ発振開始トリガに同期してレーザ発振を開始し、レーザ発振停止トリガに同期してレーザ発振を停止するレーザ光源に、前記レーザ発振開始トリガを与える工程と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザパルスの立ち上がり時刻を検出する工程と、
   前記レーザパルスの立ち上がり時刻から、予め設定されている目標パルス幅に相当する時間が経過した時刻に、前記レーザ光源に前記レーザ発振停止トリガを与える工程と
   を有するレーザ加工方法。

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