JP2020098812A - ガスレーザ装置及びレーザ発振方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビームスポットの位置精度を高め、効率の低下を抑制することが可能なガスレーザ装置を提供する。【解決手段】レーザガスが循環する循環路の一部の放電領域に放電が生じ、レーザビームが出力される。熱交換器が、循環路を循環するレーザガスを冷却する。温度センサが、熱交換器から放電領域に向かうレーザガスの温度を測定する。制御装置が、温度センサによる温度の測定値に基づいて、温度センサの測定値が３０℃以下の目標温度になるように熱交換器の冷却能力を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスレーザ装置及びレーザ発振方法に関する。

レーザガスの温度を一定に制御するガスレーザ装置が公知である（例えば、下記の特許文献１）。特許文献１に記載のガスレーザ装置では、放電によって温度が上昇したレーザガスを、熱交換器で冷却している。さらに、レーザガスの温度を測定し、レーザガスの温度が一定になるように熱交換器に流す冷却水の温度を制御している。レーザガスの温度を一定に制御することにより、レーザ出力の安定度を高めることができる。

特開昭６１−１５４１８８号公報

レーザビームのビームスポットの位置を高精度に制御してレーザ加工を行う場合、従来の方法では十分な位置精度を確保することが困難であることが判明した。また、従来の方法では、レーザ発振器の効率が低下する場合があることが判明した

本発明の目的は、ビームスポットの位置精度を高め、効率の低下を抑制することが可能なガスレーザ装置、及びレーザ発振方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザガスが循環する循環路の一部の放電領域に放電を生じさせてレーザビームを出力するガスレーザ装置であって、
前記循環路を循環する前記レーザガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器から前記放電領域に向かう前記レーザガスの温度を測定する温度センサと、
前記温度センサによる温度の測定値に基づいて、前記温度センサの測定値が、３０℃以下の目標温度になるように前記熱交換器の冷却能力を制御する制御装置と
を有するガスレーザ装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
放電領域を通ってレーザガスを循環させながら、前記放電領域で放電を生じさせてレーザ発振させている間に、前記放電領域に流入する前記レーザガスの温度が３０℃以下になるように前記レーザガスの温度を調整するレーザ発振方法が提供される。

レーザガスの温度を３０℃以下の範囲内で制御することにより、効率の低下を抑制し、ビームスポットの位置のばらつきを小さくすることができる。

図１は、実施例によるガスレーザ装置の光軸を含む断面図である。 図２は、本実施例によるガスレーザ装置の光軸に垂直な断面図である。 図３は、レーザガスの放電前温度と、放電電流と、効率との関係の測定結果を示すグラフである。 図４は、レーザガスの放電前温度と、ビームスポット位置のばらつきとの関係を示すグラフである。 図５は、レーザガスの放電前温度と、ビームスポット平均位置の変位量との関係を示すグラフである。 図６は、他の実施例によるレーザ加工装置の概略ブロック図である。 図７は、実施例のレーザ加工装置を動作させてレーザ加工を行う手順を示すフローチャートである。

図１及び図２を参照して、実施例によるガスレーザ装置について説明する。
図１は、実施例によるガスレーザ装置の光軸を含む断面図である。チェンバ１０にレーザガスが収容される。チェンバ１０の内部空間が、相対的に上側に位置する光学室１１と、相対的に下側に位置するブロワ室１２と区分されている。光学室１１とブロワ室１２とは、上下仕切り板１３で仕切られている。なお、上下仕切り板１３には、レーザガスを光学室１１とブロワ室１２との間で流通させる開口が設けられている。ブロワ室１２の側壁から光学室１１の底板１４が光軸方向に張り出しており、光学室１１の光軸方向の長さが、ブロワ室１２の光軸方向の長さより長くなっている。チェンバ１０は、光学室１１の底板１４においてチェンバ支持部材１６により光学ベースに支持される。

光学室１１内に、一対の放電電極２１及び一対の共振器ミラー２５が配置されている。一対の放電電極２１は、それぞれ放電電極支持部材２２、２３を介して底板１４に支持されている。一対の放電電極２１は、上下方向に間隔を隔てて配置され、両者の間に放電領域２４が画定される。放電電極２１は放電領域２４に放電を生じさせることにより、レーザガスを励起させる。後に図２を参照して説明するように、放電領域２４を図１の紙面に垂直な方向にレーザガスが流れる。

一対の共振器ミラー２５は、光学室１１内に配置された１つの共通支持部材２６に固定されている。共通支持部材２６は、一対の光共振器支持部材２７を介して底板１４に支持されている。共振器ミラー２５は、放電領域２４を通る光軸を持つ光共振器を構成する。光共振器の光軸を一方向（図１において左方向）に延伸させた延長線と光学室１１の壁面との交差箇所に、レーザビームを透過させる光透過窓２８が取り付けられている。光共振器内で励振されたレーザビームが光透過窓２８を透過して外部に放射される。

ブロワ室１２にブロワ３０が配置されているブロワ３０は、光学室１１とブロワ室１２との間でレーザガスを循環させる。

図２は、本実施例によるガスレーザ装置の光軸に垂直な断面図である。チェンバ１０の内部空間が上下仕切り板１３により、上方の光学室１１と下方のブロワ室１２とに区分されている。光学室１１内に、一対の放電電極２１、光共振器を支持する共通支持部材２６が配置されている。放電電極２１の間に放電領域２４が画定されている。

光学室１１内に仕切り板１５が配置されている。仕切り板１５は、上下仕切り板１３に設けられた開口１３Ａから放電領域２４までの第１ガス流路５１、放電領域２４から上下仕切り板１３に設けられた他の開口１３Ｂまでの第２ガス流路５２を画定する。レーザガスは、放電領域２４を、光軸に対して直交する方向に流れる。放電方向は、レーザガスが流れる方向、及び光軸の両方に対して直交する。ブロワ室１２、第１ガス流路５１、放電領域２４、及び第２ガス流路５２によって、レーザガスが循環する循環路が構成される。ブロワ３０は、この循環路をレーザガスが循環するように、レーザガスの流れを発生させる。

ブロワ室１２内の循環路に、熱交換器５６が収容されている。冷却器５７から熱交換器５６に冷却水等の冷却媒体が供給され、熱交換器５６から冷却器５７に冷却媒体が回収される。放電領域２４で加熱されたレーザガスが、熱交換器５６を通過することによって冷却され、冷却されたレーザガスが放電領域２４に再供給される。

上下仕切り板１３に、ブロワ室１２から光学室１１にレーザガスを流出させる流出穴５８が設けられている。ブロワ３０によって第１ガス流路５１に向かうレーザガスの流れに含まれる一部のレーザガスは、流出穴５８を通過して光学室１１に流出する。流出穴５８には、パーティクルを除去するフィルタ５９が設けられている。例えば、フィルタ５９は流出穴５８を塞いでおり、ブロワ室１２から光学室１１に流出するレーザガスは、フィルタ５９を通過することによりろ過される。

第１ガス流路５１内に温度センサ５５が配置されている。温度センサ５５は、熱交換器５６から放電領域２４に向かうレーザガスの温度を測定する。温度センサ５５として、例えば測温抵抗体を用いることができる。温度センサ５５の測定結果が制御装置４０に入力される。制御装置４０は、温度センサ５５による測定値が目標温度になるように熱交換器５６の冷却能力を制御する。例えば、制御装置４０は、冷却器５７から熱交換器５６に供給される冷却媒体の温度を変化させる。これにより、放電領域２４に流入するレーザガスの温度を目標温度に維持することができる。

次に、図３〜図５を参照して、レーザガスの好ましい温度について説明する。ガスレーザ装置の出力及びクリアランスレシオ（ＣＲ値）を一定にし、レーザガスの温度を変化させて評価実験を行った。

図３は、レーザガスの放電前温度と、放電電流と、効率との関係の測定結果を示すグラフである。横軸はレーザガスの放電前温度を単位「℃」で表し、左縦軸は効率を単位「Ｊ／Ａ」で表し、右縦軸は放電電流を単位「Ａ」で表す。図３のグラフ中の丸記号は放電電流の測定値を示し、三角記号は効率を示す。レーザガスの放電前温度は、温度センサ５５（図２）の測定値に等しい。

ガスレーザ装置として炭酸ガスレーザ装置を使用し、レーザ出力が２４０Ｗになるように調整した。より具体的には、パルス周波数を３ｋＨｚに設定し、１パルス当たりのエネルギを８０ｍＪに設定した。レーザガスのＣＲ値を約１．７とした。ＣＲ値は以下の式で定義される。
ＣＲ＝ｖ／（Ｗ×ｆ）
ここで、ｖはレーザガスの流速を表し、Ｗはガス流方向の放電幅を表し、ｆはパルスの繰り返し周波数を表す。

レーザガスの放電前温度が高くなるに従って、放電電流が大きくなっている。特に、レーザガスの放電前温度が３０℃より高い範囲で、３０℃以下の範囲と比べて、レーザガスの放電前温度の上昇に対する放電電流の上昇の比が大きくなっている。また、レーザガスの放電前温度が３０℃以下の範囲では、効率の変動がわずかであるが、３０℃より高い範囲では、レーザガスの放電前温度が高くなるに従って、効率が低下している。

効率の低下を抑制するために、レーザガスの放電前温度が３０℃以下になるように温度制御することが好ましい。

図４は、レーザガスの放電前温度と、ビームスポット位置のばらつきとの関係を示すグラフである。横軸はレーザガスの放電前温度を単位「℃」で表し、縦軸はビームスポット位置のばらつきの指標として６σを単位「ｍｍ」で表す。ビームスポットの位置は、ガスレーザ装置からの光路長が５ｍの位置で測定した。ガスレーザ装置からビームスポットの位置測定箇所までの光路に凹面鏡を配置した。ビームスポットの位置を測定する面におけるビームスポットの直径は約７ｍｍであった。図４のグラフ中の丸記号及び三角記号は、それぞれ相互に直交するｘ方向及びｙ方向のビームスポットの位置のばらつきを示す。ガスレーザ装置の出力、及びＣＲ値は、図３に示した評価実験の場合と同一である。

レーザガスの放電前温度が３０℃より高くなると、３０℃以下の範囲と比べてビームスポット位置のばらつきが大きくなっていることがわかる。ビームスポット位置のばらつきを小さくするために、レーザガスの放電前温度が３０℃以下になるように温度制御することが好ましい。

図５は、評価実験で求められたレーザガスの放電前温度と、ビームスポット平均位置の変位量との関係を示すグラフである。横軸はレーザガスの放電前温度を単位「℃」で表し、縦軸はビームスポット平均位置の変位量を単位「ｍｍ」で表す。レーザガスの放電前温度が２２．５℃のときのビームスポット平均位置を、位置の基準とした。図５のグラフ中の丸記号及び三角記号は、相互に直交するｘ方向及びｙ方向のビームスポットの平均位置の変位量を示す。ガスレーザ装置の出力、及びＣＲ値は、図３に示した評価実験の場合と同一である。

図５に示した評価実験の結果から、レーザガスの放電前温度が２６℃〜３０℃の範囲でｙ方向の位置の変位量が最も大きいことがわかる。ｙ方向の位置の変位量が最も大きい範囲では、ガス温度が約４℃変化すると、ビームスポットの位置が約０．３ｍｍ変化している。例えば、ガスレーザ装置をプリント基板の穴明け加工に用いる場合、経験的に、評価実験でビームスポット位置を測定した箇所におけるビームスポットの変位量を０．２ｍｍ以下にすることが望ましいことがわかっている。図５に示した評価実験の結果において、ガス温度の変化に対するビームスポットの平均位置の変位量が最も大きい範囲でも、ガス温度の変化幅が±１℃以下であれば、ビームスポットの平均位置の変位量が約０．１５ｍｍになっている。このとき、変位量を０．２ｍｍ以下にするという目標が満たされている。従って、ビームスポットの変位量を０．２ｍｍ以下にするために、レーザガスの放電前温度を、目標温度を中心として±１℃以下の範囲に収めることが好ましい。

また、レーザガスの温度が２６℃以下の範囲では、図５に示したグラフの傾きが緩やかである。これは、レーザガスの温度変化が生じても、ビームスポットの平均位置の変位量が小さいことを意味する。従って、ビームスポットの平均位置を安定させるために、レーザガスの温度を２６℃以下に制御することがより好ましい。

次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
上記実施例では、レーザガスの放電前温度が３０℃以下になるように温度制御を行っている。その結果、ガスレーザ装置を高い効率で動作させることができる（図３参照）。さらに、ビームスポット位置のばらつきを抑制することができる（図４参照）。また、上記実施例では、レーザガスの放電前温度が目標温度を中心として±１℃の範囲に収まるように温度制御を行っている。その結果、ビームスポットの平均位置の変位量を一定の許容範囲内に収めることができる。

次に、図６及び図７を参照して、他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。本実施例によるレーザ加工装置は、例えば、プリント基板の穴明け加工等に使用される。

図６は、本実施例によるレーザ加工装置の概略ブロック図である。レーザ発振器７０から出力されたパルスレーザビームがビーム整形走査光学系７１を経由してプリント基板等の加工対象物７５に入射する。加工対象物７５は、ＸＹステージ等のステージ７２に保持されている。ビーム整形走査光学系７１は、ビーム断面の形状及び大きさを調整するとともに、レーザビームを二次元方向に走査する。ステージ７２は、加工対象物７５を被加工面に平行な二方向に移動させる。

制御装置４０及びレーザ発振器７０が、図１及び図２に示した実施例によるガスレーザ装置に相当する。制御装置４０は、設定された発振条件に基づいてレーザ発振器７０を制御する。さらに、制御装置４０は、設定された目標温度に基づいて、レーザ発振器７０のレーザガスの温度制御を行う。

入出力装置４１が、画像を表示する機能、及びオペレータからの指令を入力する機能を持ち、入力装置と出力装置とを兼ねる。例えば、入出力装置４１として、タッチパネル等が用いられる。その他に、出力装置としてディスプレイを用い、入力装置としてポインティグデバイスやキーボードを用いてもよい。

次に、発振条件及び温度制御条件の設定方法について説明する。
制御装置４０は、入出力装置４１に、発振条件及び温度制御条件をオペレータに入力させるための入力画面を表示する。発振条件には、例えばパルスの繰り返し周波数、パルス幅等が含まれる。温度制御条件には、目標温度、フィードバック周期、フィードバックゲイン等が含まれる。さらに、制御装置４０は、レーザガスの現在温度を入出力装置４１に表示する。

温度制御のフィードバック周期及びフィードバックゲインは、レーザガスの温度が目標温度を中心として±１℃の範囲内に収まるように予め適切な値に設定されている。フィードバック周期及びフィードバックゲインの値は、通常のオペレータは修正することができず、管理者権限を有するユーザのみが修正することができる。周波数、パルス幅、及び目標温度は、オペレータが、例えばプルダウンメニューから選択することにより入力する。

図７は、本実施例のレーザ加工装置を動作させてレーザ加工を行う手順を示すフローチャートである。

オペレータは、入出力装置４１を操作して目標温度を入力する（ステップＳ１）。次に、周波数及びパルス幅を入力する（ステップＳ２）。制御装置は４０、入力された条件に基づいてレーザ発振器７０の調整運転を行う（ステップＳ３）。このとき、レーザ発振器７０から出力されたパルスレーザビームはビームダンパ等に入射させておき、加工対象物７５には入射させない。調整運転中に、制御装置４０はレーザガスの温度の測定値を入出力装置４１に、現在温度として表示させる。

レーザガスの現在温度が許容範囲内に収まるまで調整運転を行う（ステップＳ４）。レーザガスの現在温度が許容範囲内に収まっているか否かの判定は、入出力装置４１に表示されたレーザガスの現在温度に基づいてオペレータが行うとよい。レーザガスの現在温度が許容範囲に収まっている場合には、実際にレーザ加工を行う（ステップＳ５）。

レーザ加工の作業を終了する場合には、オペレータは終了手順に基づいてレーザ加工装置の操作を行う（ステップＳ６）。作業を継続し、かつ発振条件に変更がない場合には、ステップＳ５のレーザ加工を再度実行する（ステップＳ７）。発振条件を変更して作業を継続する場合には、ステップＳ２の周波数及びパルス幅の入力を行う処理を再度実行する（ステップＳ７）。

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、オペレータがレーザガスの適切な目標温度を入力することにより、ビームスポット位置のばらつきが少なく、かつ高効率な条件でレーザ発振器７０を運転することができる。

図５に示したように、ビームスポットの平均位置を安定させるためには、レーザガスの温度を低くすることが好ましい。ところが、レーザガスの温度を低くしすぎると、結露が発生しやすくなる。結露を防止するためには、レーザガスの目標温度を、レーザ発振器７０が設置されている環境の露点以上にすることが好ましい。オペレータは、環境の湿度から露点を求め、結露が生じない範囲内で、好ましい目標温度を設定するとよい。

一般的に、レーザ加工装置の推奨環境が湿度５０％、温度２５℃程度である場合が多い。この推奨環境下では、露点が約１４℃である。このため、レーザガスの目標温度を１４℃以上に設定することが好ましい。

また、本実施例では、好ましい値を設定するために熟練が必要となるフィードバック周期やフィードバックゲインの値は予め設定されており、一般のオペレータはこれらの値を入力する必要がない。このため、熟練度の低いオペレータでも、本レーザ加工装置を操作して、好ましい条件でレーザ加工を行うことが可能である。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例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 チェンバ
１１ 光学室
１２ ブロワ室
１３ 上下仕切り板
１３Ａ、１３Ｂ 開口
１４ 底板
１５ 仕切り板
１６ チェンバ支持部材
２１ 放電電極
２２、２３ 放電電極支持部材
２４ 放電領域
２５ 共振器ミラー
２６ 共通支持部材
２７ 光共振器支持部材
２８ 光透過窓
３０ ブロワ
４０ 制御装置
４１ 入出力装置
５１ 第１ガス流路
５２ 第２ガス流路
５５ 温度センサ
５６ 熱交換器
５７ 冷却器
５８ 流出穴
５９ フィルタ
７０ レーザ発振器
７１ ビーム整形走査光学系
７２ ステージ
７５ 加工対象物

Claims (5)

1. レーザガスが循環する循環路の一部の放電領域に放電を生じさせてレーザビームを出力するガスレーザ装置であって、
   前記循環路を循環する前記レーザガスを冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器から前記放電領域に向かう前記レーザガスの温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサによる温度の測定値に基づいて、前記温度センサの測定値が、３０℃以下の目標温度になるように前記熱交換器の冷却能力を制御する制御装置と
   を有するガスレーザ装置。
2. 前記目標温度が１４℃以上である請求項１に記載のガスレーザ装置。
3. 前記制御装置は、前記温度センサの測定値が、前記目標温度を中心として±１℃の範囲内に収まるように前記熱交換器の冷却能力を制御する請求項１または２に記載のガスレーザ装置。
4. さらに、前記目標温度の値を入力する入力装置を有し、
   前記制御装置は、前記入力装置に入力された前記目標温度の値に基づいて、前記熱交換器の冷却能力を制御する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスレーザ装置。
5. 放電領域を通ってレーザガスを循環させながら、前記放電領域で放電を生じさせてレーザ発振させている間に、前記放電領域に流入する前記レーザガスの温度が３０℃以下になるように前記レーザガスの温度を調整するレーザ発振方法。
   

Images