JP2015153917A - レーザ加工装置 - 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】 高周波電源が、運転パルス信号に基づいて、放電電極に高周波電圧を印加する。運転パルス制御装置が、出力すべきパルスレーザビームのパルス幅の情報を含む出力指令信号に基づいて、高周波電源に運転パルス信号を与える。加工機制御装置が、運転パルス制御装置に出力指令信号を与える。光検出器が、レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームを検出すると、運転パルス制御装置に検出信号を送信する。運転パルス制御装置は、出力指令信号の受信時刻から、検出信号を受信するまでの遅延時間を計測する。さらに、出力指令信号の受信時刻から、指令されたパルス幅に相当する時間が経過した時刻を起点として、遅延時間が経過した時刻において、運転パルス信号の送信を停止する。【選択図】 図１

Description

本発明は、パルスレーザを出力してレーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。

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を提供することである。

本発明の一観点によると、
放電電極を含むレーザ発振器と、
運転パルス信号に基づいて、前記放電電極に高周波電圧を印加する高周波電源と、
出力すべきパルスレーザビームのパルス幅の情報を含む出力指令信号に基づいて、前記高周波電源に前記運転パルス信号を与える運転パルス制御装置と、
前記運転パルス制御装置に前記出力指令信号を与える加工機制御装置と、
前記レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームを検出すると、前記運転パルス制御装置に検出信号を送信する光検出器と
を有し、
前記運転パルス制御装置は、
前記出力指令信号の受信時刻から、前記検出信号を受信するまでの遅延時間を計測し、
前記出力指令信号の受信時刻から、前記出力指令信号で指令されたパルス幅に相当する時間が経過した時刻を起点として、前記遅延時間が経過した時刻において、前記運転パルス信号の送信を停止するレーザ加工装置が提供される。

遅延時間にばらつきが生じた場合でも、レーザ発振器から出力されるパルスレーザビームのパルス幅が、出力指令信号で指令されたパルス幅に等しくなる。

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、レーザ発振器の断面図である。 図３は、出力指令信号、運転パルス信号、高周波電圧、パルスレーザビーム、及び検出信号の時間波形を示すグラフである。

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、レーザ発振器１０、高周波電源１１、直流電源１２、運転パルス制御装置１３、及びシーケンス制御装置１４を含む。レーザ光源１には、例えば炭酸ガスレーザが用いられる。シーケンス制御装置１４は、加工機制御装置３５からの指令に基づき、直流電源１２に起動及び停止の指令を送出するとともに、高周波電源１１に与える電圧の制御を行う。さらに、シーケンス制御装置１４は、運転パルス制御装置１３への周波数の指令等を行う。

運転パルス制御装置１３は、加工機制御装置３５からの出力指令信号Ｓｃに基づいて、高周波電源１１に運転パルス信号Ｓｄｐを送出する。出力指令信号Ｓｃは、出力すべきパルスレーザのパルス幅の情報を含む。

高周波電源１１は、スイッチング素子１１ａを含み、直流電源１２から供給される直流電流をスイッチングして交流に変換する。スイッチング素子１１ａは、運転パルス制御装置１３から入力される運転パルス信号Ｓｄｐによりオンオフ制御される。一例として、スイッチング素子１１ａとしてＭＯＳトランジスタが用いられ、運転パルス信号ＳｄｐがＭＯＳトランジスタのゲート電極に印加される。

レーザ発振器１０は、チャンバ内に収容された放電電極、光共振器、レーザ媒質ガス等を含む。レーザ媒質ガスとして、例えば炭酸ガスと窒素ガスとの混合ガスが用いられる。高周波電源１１が、レーザ発振器１０の放電電極に高周波電圧Ｖｅを印加する。放電電極に高周波電圧Ｖｅが印加されると、放電電極間で放電が生じ、レーザ発振器１０からパルスレーザビームＬｐが出力される。

レーザ光源１から出力されたパルスレーザビームＬｐ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２０に入射する。光検出器２０は、光を検出すると、運転パルス制御装置１３に検出信号Ｓｄを送出する。

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２２を透過して非球面レンズ２３に入射する。スポット位置安定化光学系２２は、複数の凸レンズを含み、レーザ光源１から出力されたパルスレーザビームＬｐの進行方向にぶれが生じても、非球面レンズ２３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２３は、パルスレーザビームＬｐのビームプロファイルを変化させる。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化させる。

非球面レンズ２３を透過したパルスレーザビームＬｐが、コリメートレンズ２４によってコリメートされた後、マスク２５に入射する。マスク２５は、透過窓及び遮光部を含み、パルスレーザビームＬｐのビーム断面を整形する。マスク２５の透過窓を透過したパル
スレーザビームＬｐがフィールドレンズ２６、折り返しミラー２７を経由して、ビーム走査器２８に入射する。ビーム走査器２８は、レーザビームを二次元方向に走査する。ビーム走査器２８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２８で走査されたパルスレーザビームＬｐが、ｆθレンズ２９で集光されて加工対象物３１に入射する。加工対象物３１はステージ３０に保持されている。フィールドレンズ２６及びｆθレンズ２９は、マスク２５の透過窓を、加工対象物３１の表面に結像させる。ステージ３０は、加工対象物３１を、その表面に平行な方向に移動させることができる。ビーム走査器２８及びステージ３０の少なくとも一方が、加工対象物３１の表面においてパルスレーザビームＬｐの入射位置を移動させるための移動機構として機能する。

図２に、レーザ発振器１０の断面図を示す。レーザチャンバ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。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に戻る循環経路がレーザチャンバ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、レーザチャンバ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、それぞれチャンバ内電流路５２により端子５１に接続されている。端子５１は、チャンバ外電流路５５により、高周波電源１１に接続されている。

図３に、出力指令信号Ｓｃ、運転パルス信号Ｓｄｐ、高周波電圧Ｖｅ、パルスレーザビームＬｐ、及び検出信号Ｓｄの時間波形を示す。時刻ｔ０において、出力指令信号Ｓｃが立ち上がり、時刻ｔ２において、出力指令信号Ｓｃが立ち下がる。出力指令信号Ｓｃの立ち上がりが、運転パルス信号Ｓｄｐの送出開始の契機になる。言い換えると、出力指令信号Ｓｃの立ち上がりによって、放電電極４１への高周波電圧の印加開始が指令される。出力指令信号Ｓｃの立ち上がりから立ち下がりまでの時間が、出力すべきパルスレーザビームＬｐのパルス幅Ｐｗに相当する。すなわち、出力指令信号Ｓｃは、パルスレーザビームＬｐの出力契機、及びパルス幅を指令する情報を含んでいる。

出力指令信号Ｓｃが立ち上がると、運転パルス制御装置１３が高周波電源１１への運転パルス信号Ｓｄｐの送出を開始する。運転パルス信号Ｓｄｐは、例えば周波数２ＭＨｚのパルス信号である。運転パルス信号Ｓｄｐの周波数は、予めシーケンス制御装置１４から指定されている。高周波電源１１は、運転パルス信号Ｓｄｐを受信すると、放電電極４１（図２）に高周波電圧Ｖｅを印加する。高周波電圧Ｖｅの周波数は、運転パルス信号Ｓｄｐの周波数と同一である。

放電電極４１（図２）に高周波電圧Ｖｅが印加されると、放電空間４２で放電が生ずる。時刻ｔ０から遅延時間Ｔｄが経過した時刻ｔ１において、パルスレーザビームＬｐの出力が開始される。レーザ光源１からパルスレーザビームＬｐが出力されると、光検出器２０から検出信号Ｓｄが運転パルス制御装置１３に送信される。検出信号Ｓｄの波形は、パルスレーザビームＬｐの波形と近似している。運転パルス制御装置１３は、出力指令信号Ｓｃの受信時刻ｔ０から、検出信号Ｓｄを受信する時刻ｔ１までの遅延時間Ｔｄを計測す
る。

運転パルス制御装置１３は、出力指令信号Ｓｃの受信時刻ｔ０から、出力指令信号Ｓｃで指令されたパルス幅Ｐｗに相当する時間が経過した時刻ｔ２を起点として、遅延時間Ｔｄが経過した時刻ｔ３において、運転パルス信号Ｓｄｐの送信を停止する。運転パルス信号Ｓｄｐの送信が停止されると、放電電極４１（図２）への高周波電圧Ｖｅの印加も停止する。これにより、放電が停止し、パルスレーザビームＬｐが立ち下がる。

パルスレーザビームＬｐの立ち上がり時刻ｔ１が、出力指令信号Ｓｃの立ち上がり時刻ｔ０より遅延時間Ｔｄだけ遅れており、パルスレーザビームＬｐの立ち下がり時刻ｔ３が、出力指令信号Ｓｃの立ち下がり時刻ｔ２より遅延時間Ｔｄだけ遅れている。このため、パルスレーザビームＬｐのパルス幅は、出力指令信号Ｓｃで指令されたパルス幅Ｐｗに一致する。

上述のように、実施例によるレーザ加工装置においては、放電電極４１（図２）への高周波電圧Ｖｅの印加開始から、パルスレーザビームＬｐの立ち上がり時刻までの遅延時間Ｔｄにばらつきが生じても、出力指令信号Ｓｃで指令されたパルス幅Ｐｗと等しいパルス幅のパルスレーザビームＬｐを出力することができる。加工機制御装置３５は、レーザ光源１に対して、遅延時間Ｔｄを考慮することなく、目標とするパルス幅Ｐｗを指令すればよい。

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。

１ レーザ光源
１０ レーザ発振器
１１ 高周波電源
１１ａ スイッチング素子
１２ 直流電源
１３ 運転パルス制御装置
１４ シーケンス制御装置
２０ 光検出器
２１ 部分反射鏡
２２ スポット位置安定化光学系
２３ 非球面レンズ
２４ コリメートレンズ
２５ マスク
２６ フィールドレンズ
２７ 折り返しミラー
２８ ビーム走査器
２９ ｆθレンズ
３０ ステージ
３１ 加工対象物
３５ 加工機制御装置
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 レーザチャンバ
５１ 端子
５２ チャンバ内電流路
５５ チャンバ外電流路
Ｌｐ パルスレーザビーム
Ｐｗ パルス幅
Ｓｃ 出力指令信号
Ｓｄ 検出信号
Ｓｄｐ 運転パルス信号
Ｔｄ 遅延時間
Ｖｅ 高周波電圧

Claims (3)

1. 放電電極を含むレーザ発振器と、
   運転パルス信号に基づいて、前記放電電極に高周波電圧を印加する高周波電源と、
   出力すべきパルスレーザビームのパルス幅の情報を含む出力指令信号に基づいて、前記高周波電源に前記運転パルス信号を与える運転パルス制御装置と、
   前記運転パルス制御装置に前記出力指令信号を与える加工機制御装置と、
   前記レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームを検出すると、前記運転パルス制御装置に検出信号を送信する光検出器と
   を有し、
   前記運転パルス制御装置は、
   前記出力指令信号の受信時刻から、前記検出信号を受信するまでの遅延時間を計測し、
   前記出力指令信号の受信時刻から、前記出力指令信号で指令されたパルス幅に相当する時間が経過した時刻を起点として、前記遅延時間が経過した時刻において、前記運転パルス信号の送信を停止するレーザ加工装置。
2. 前記出力指令信号は、信号の立ち上がりによって前記放電電極への高周波電圧の印加開始を指令し、信号の立ち上がりから立ち下がりまでの時間によって、出力すべき前記パルスレーザビームのパルス幅を指令し、
   前記高周波電源は、直流電流をスイッチングして交流に変換するスイッチング素子を含み、
   前記運転パルス信号が、前記スイッチング素子のオンオフを制御する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. さらに、
   前記レーザ発振器から出力された前記パルスレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持するステージと、
   前記ステージに保持された加工対象物の表面において、前記パルスレーザビームの入射位置を移動させる移動機構と
   を有し、
   前記加工機制御装置は、前記移動機構を制御する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。

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