JP2020151736A - レーザ制御装置及びパルスレーザ出力装置 - Google Patents

レーザ制御装置及びパルスレーザ出力装置 Download PDF

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裕 石原
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Abstract

【課題】レーザパルスの強度のばらつきを低減させることが可能なレーザ制御装置を提供する。【解決手段】レーザ制御装置が、レーザ発振器から出力されたレーザパルスの立ち上がりのタイミングに同期させて、レーザ発振器から出力されたレーザパルスから一部を切り出す切出光学系に、切り出しの開始を指令する。【選択図】図2

Description

本発明は、レーザ制御装置及びパルスレーザ出力装置に関する。
パルスレーザビームを用いてプリント基板に穴明け加工を行う技術が公知である(特許文献1)。下記の特許文献1に開示されたレーザ加工装置においては、レーザ発振指令時点からレーザパルスのエネルギが所定の強度に達する時点までの経過時間を、複数のレーザ発振指令について計測して、その平均値を求める。レーザ発振指令時点から、この平均値に一定の時間を加えた時間の経過後にレーザパルスを加工に使用する方向への分岐(レーザパルスの切り出し)を開始させるよう音響光学変調器を制御する。
特開2018−99692号公報
レーザ発振器に発振開始の指令を与えてからレーザパルスが出力される(レーザパルスが立ち上がる)までの時間は、レーザパルスごとにばらつきが生じる。また、一般的にレーザパルスの強度は、レーザパルスの立ち上がり時点から一定ではなく、時間の経過とともに変動する。発振開始の指令時点から一定の時間が経過した時点でレーザパルスの切り出しを開始すると、レーザパルスの立ち上がり時点から切り出し開始時点までの経過時間がばらついてしまう。その結果、切り出されたレーザパルスの強度がレーザパルス間でばらついてしまう。
本発明の目的は、レーザパルスの強度のばらつきを低減させることが可能なレーザ制御装置及びパルスレーザ出力装置を提供することである。
本発明の一観点によると、
レーザ発振器から出力されたレーザパルスの立ち上がりのタイミングに同期させて、前記レーザ発振器から出力されたレーザパルスから一部を切り出す切出光学系に、切り出しの開始を指令するレーザ制御装置が提供される。
本発明の他の観点によると、
パルスレーザビームを出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームの光強度を検出するセンサと、
前記レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームのレーザパルスから一部を切り出す切出光学系と、
前記センサから検出結果を取得してレーザパルスの立ち上がり時点を検出し、レーザパルスの立ち上がりのタイミングに同期させて、前記切出光学系にレーザパルスの切り出しの開始を指令する制御装置と
を有するパルスレーザ出力装置が提供される。
レーザパルスの立ち上がりのタイミングに同期させてレーザパルスから一部を切り出すため、切り出されたレーザパルスの強度のばらつきを低減させることができる。
図1は、実施例によるパルスレーザ出力装置の概略図である。 図2は、実施例によるパルスレーザ出力装置のトリガ信号trg、レーザパルスLP1、切出信号chp、及びレーザパルスLP2の波形を示すグラフである。 図3は、比較例によるパルスレーザ出力装置のトリガ信号trg、レーザパルスLP1、切出信号chp、及びレーザパルスLP2の波形を示すグラフである。 図4は、他の実施例によるパルスレーザ出力装置の概略図である。 図5は、他の実施例によるパルスレーザ出力装置のトリガ信号trg、レーザパルスLP1、切出信号chp、及びレーザパルスLP2の波形を示すグラフである。
図1及び図2を参照して、実施例によるパルスレーザ出力装置について説明する。
図1は、実施例によるパルスレーザ出力装置の概略図である。実施例によるパルスレーザ出力装置は、例えばプリント基板の穴明け加工に用いられる。
レーザ発振器10が制御装置40からの指令に基づいてパルスレーザビームを出力する。レーザ発振器10として、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。レーザ発振器10から出力されたパルスレーザビームがビームスプリッタ11で2つの経路に分岐される。ビームスプリッタ11として、例えば部分反射ミラーが用いられる。
ビームスプリッタ11で分岐された2つのパルスレーザビームのうち一方は、照射光学系12、アパーチャ13を経由して切出光学系14に入射し、他方はセンサ20に入射する。照射光学系12は、パルスレーザビームの広がり角及びビーム径の少なくとも一方を変化させる。照射光学系12として、例えばビームエキスパンダが用いられる。アパーチャ13は、パルスレーザビームのビーム断面を整形する。
切出光学系14は、入射するレーザパルスLP1から時間軸上の一部分を切り出し、加工に使用するレーザパルスLP2を生成する。レーザパルスLP1のうちレーザパルスLP2以外の部分はビームダンパ15に入射し、切り出されたレーザパルスLP2は加工経路に沿って伝搬する。切出光学系14として、例えば音響光学変調器(AOM)が用いられる。
レーザパルスLP1から切り出されたレーザパルスLP2は、折り返しミラー16、走査光学系17、及びレンズ19を経由して加工対象物50に入射する。走査光学系17は、パルスレーザビームの進行方向を二次元方向に振る。走査光学系17として、例えば一対の可動ミラー18X、18Yを含むガルバノスキャナが用いられる。レンズ19は、走査光学系17で進行方向を振られたパルスレーザビームを加工対象物50の表面に集光する。レンズ19として、例えばfθレンズが用いられる。走査光学系17を動作させることにより、加工対象物50の表面の一部の領域(スキャンエリア)内の任意の位置にパルスレーザビームを入射させることができる。
加工対象物50は、例えばプリント基板であり、ステージ30に水平に保持されている。移動機構31が、ステージ30を水平面に平行な相互に直交する二方向に移動させる。ステージ30を移動させることにより、加工対象物50の表面内の任意の領域を、走査光学系17でスキャン可能なスキャンエリア内に配置することができる。
センサ20は、入射するパルスレーザビームの光強度を検出し、光強度に応じた電気信号を出力する。センサ20として、例えば高速な応答が可能な光起電力素子等が用いられる。センサ20から出力された電気信号が制御装置40に入力される。
制御装置40は、レーザ発振器10に対してレーザパルスの出力開始及び出力終了を指令するトリガ信号trgを出力する。さらに、制御装置40は、切出光学系14に対してレーザパルスLP2の切出開始及び切出終了を指令する切出信号chpを出力する。また、制御装置40は、走査光学系17及び移動機構31の動作を制御する。
入力装置41に、レーザ出力条件を規定する種々のパラメータが入力される。入力装置41として、例えば、キーボード、タッチパネル、ポインティングデバイス、通信装置、リムーバブルメディアの読取装置等が用いられる。入力装置41に入力された種々のパラメータの値が制御装置40に入力される。
図2は、トリガ信号trg、レーザパルスLP1、切出信号chp、及びレーザパルスLP2の波形を示すグラフである。図2は、2つのレーザパルスLP1が出力される期間を表している。
トリガ信号trgの立ち上がりが、レーザパルスの出力開始の指令に相当し、立ち下がりが、レーザパルスの出力停止の指令に相当する。切出信号chpの立ち上がりが、レーザパルスLP1からの切り出しの開始の指令に相当し、立ち下がりが、レーザパルスLP1からの切り出しの終了の指令に相当する。
制御装置40(図1)がトリガ信号trgを立ち上げることにより、レーザ発振器10(図1)に対してレーザパルスLP1の出力開始を指令すると、トリガ信号trgの立ち上がり時点t11から遅延時間td11だけ経過した時点t12でレーザパルスLP1の出力が開始される(レーザパルスLP1が立ち上がる)。制御装置40がトリガ信号trgを立ち下げることにより、レーザパルスLP1の出力の停止を指令すると、トリガ信号trgの立ち下がり時点t15から、レーザパルスLP1が立ち下がる(レーザパルスLP1の波形が立ち下がる)。トリガ信号trgの立ち上がり時点t11から立ち下がり時点t15までの経過時間は、予め入力装置41(図1)から入力されて、制御装置40に記憶されている。
レーザパルスLP1の波形は、レーザ発振器10(図1)の特性に依存し、レーザパルスLP1の立ち上がり時点t12から立ち下がり時点t15までの期間、レーザパルスLP1の光強度は時間の経過とともに変動する。例えば、レーザパルスLP1の立ち上がり時点t12において波形が急峻に立ち上がり鋭いピークを形成した後、光強度がほぼ一定の期間が継続し、その後光強度が緩やかに低下する。また、レーザパルスLP1の立ち上がり時点t12から光強度が緩やかに上昇し、その後、光強度がほぼ一定の期間が継続するようなレーザパルスを出力する特性を持つレーザ発振器もある。
制御装置40が、センサ20からレーザパルスLP1の光強度の検出結果を取得してレーザパルスLP1の立ち上がりを検出する。例えば、レーザパルスLP1の光強度が所定の閾値に達した時点を、レーザパルスLP1の立ち上がり時点t12と判定する。この閾値は、例えばレーザパルスの立ち上がり直後に現れるピークの最大値、光強度がほぼ一定になる期間の光強度の平均値等を基準として設定するとよい。一例として、閾値を、ピークの最大値の10%に設定するとよい。制御装置40は、レーザパルスLP1の立ち上がり時点t12から一定の待機時間tw11が経過した時点t13に、切出光学系14(図1)への切出信号chpを立ち上げることによりレーザパルスLP2の切り出しの開始を指令する。一定の待機時間tw11の値は、予め入力装置41(図1)から入力されて制御装置40に記憶されている。
制御装置40は、切出光学系14に対してレーザパルスLP2の切り出し開始を指令した時点t13から所定のパルス幅に相当する時間が経過した時点t14に、切出信号chpを立ち下げることにより、切出光学系14に対してレーザパルスLP2の切り出しの終了を指令する。切出信号chpの立ち上がり時点t13から立ち下がり時点t14までの期間、レーザパルスLP1からレーザパルスLP2が切り出される。
切り出し開始を指令する時点t13から切り出し終了を指令する時点t14までの期間は、例えば、レーザパルスLP1の光強度がほぼ一定に推移する期間内に設定される。
2ショット目のレーザパルスLP1の出力開始を指令するトリガ信号trgの立ち上がり時点t21からレーザパルスLP1の立ち上がり時点t22までの遅延時間td21は、1ショット目のレーザパルスLP1の遅延時間td11と等しいとは限らない。制御装置40は、2ショット目のレーザパルスLP1の出力開始を検知した時点t22から一定の待機時間tw21が経過した時点t23に、切出信号chpを立ち上げることにより切出光学系14に対してレーザパルスLP2の切り出し開始を指令する。2ショット目の待機時間tw21は、1ショット目の待機時間tw11と等しい。
切り出し開始を指令した時点t23から切り出し終了を指定する時点t24までの経過時間は、1ショット目における切り出し開始を指令した時点t13から切り出し終了を指令する時点t14までの経過時間と等しい。トリガ信号trgの立ち上がり時点t21からトリガ信号trgの立ち下がり時点t25までの経過時間は、1ショット目におけるトリガ信号trgの立ち上がり時点t11から立ち下がり時点t15までの経過時間と等しい。
次に、図3に示した比較例と比較しながら上記実施例の優れた効果について説明する。
図3は、比較例によるパルスレーザ出力装置におけるトリガ信号trg、レーザパルスLP1、切出信号chp、及びレーザパルスLP2の波形を示すグラフである。トリガ信号trg及びレーザパルスLP1のタイミング及び波形は、図2に示した実施例の場合と同一である。
比較例では、トリガ信号trgの立ち上がり時点t11から一定の待機時間tw31が経過した時点t13に、切出信号chpを立ち上げることにより切り出しの開始を指令する。2ショット目においても同様に、レーザパルスLP1の出力開始を指令するトリガ信号trgの立ち上がり時点t21から一定の待機時間tw41が経過した時点t23に、切出信号chpを立ち上げることにより切り出しの開始を指令する。2ショット目における待機時間tw41は、1ショット目における待機時間tw31と等しい。
1ショット目においては、切り出しの開始を指令した時点t13から切り出しの終了を指令した時点t14までの期間が、レーザパルスLP1の光強度がほぼ一定に推移している期間に収まっている。ところが、2ショット目においては、遅延時間td21が1ショット目の遅延時間td11より長くなっていることにより、切り出しの開始を指令する時点t23が、レーザパルスLP1の立ち上がり直後のピーク内に位置する。このため、2ショット目のレーザパルスLP2の波形が、1ショット目のレーザパルスLP2の波形と大きく異なってしまう。その結果、2ショット目のレーザパルスLP2のパルスエネルギ(1パルス当たりのエネルギ)が、1ショット目のレーザパルスLP2のパルスエネルギと異なってしまう。これは、レーザパルスLP1の出力開始を指令するトリガ信号trgの立ち上がり時点t11、t21から実際にレーザパルスLP1が立ち上がる時点t12、t22までの遅延時間td11、td21にばらつきがあるにもかかわらず、トリガ信号trgの立ち上がりのタイミングに同期させて切出開始の指令を出しているためである。
これに対し、上記実施例では、レーザパルスLP1の実際の立ち上がり時点t12、t22に同期させて、制御装置40が切出光学系14に、切り出し開始の指令を出している。このため、トリガ信号trgの立ち上がり時点t11、t21からレーザパルスLP1が実際に立ち上がる時点t12、t22までの遅延時間td11、td21のばらつきの影響を受けることなく、レーザパルスLP1の波形の決まった位置からレーザパルスLP2を切り出すことができる。これにより、レーザパルスLP2のパルスエネルギのばらつきを抑制することができる。
次に、待機時間tw11、tw21(図2)の好ましい長さについて説明する。待機時間tw11、tw21を短くしすぎると、レーザパルスLP2の先頭部分が、レーザパルスLP1の立ち上がり直後のピークの一部にかかってしまう。レーザパルスLP2の先頭部分がレーザパルスLP1のピークの一部にかかると、レーザパルスLP1の波形のわずかな変化、例えばピーク幅のわずかな変化でレーザパルスLP2のパルスエネルギが大きく変動してしまう。レーザパルスLP1の波形の変化に起因するレーザパルスLP2のパルスエネルギのばらつきを抑制するために、待機時間tw11、tw21は、レーザパルスLP1の立ち上がり直後のピークの時間幅より長くすることが好ましい。
レーザパルスLP1の光強度がほぼ一定に推移する期間においても、光強度はレーザ発振器10の特性に応じて緩やかに変化する。レーザパルスLP1の光強度の時間変化がなるべく小さい部分からレーザパルスLP2が切り出されるように、待機時間tw11、tw21を設定するとよい。待機時間tw11、tw21をこのように設定することにより、レーザパルスLP1の波形がわずかに変化しても、レーザパルスLP2のパルスエネルギの変動が生じにくくなる。
従って、上記実施例によるパルスレーザ出力装置における待機時間tw11、tw21(図2)は、実際のレーザパルスLP1の波形を観測し、光強度がほぼ一定に維持される期間からレーザパルスLP2が切り出されるように設定するとよい。上記実施例では、レーザパルスLP1がその他の波形を示す場合、例えば光強度が出力開始時点から徐々に増大し、その後ほぼ一定になるような場合にも適用することが可能である。
次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、パルスレーザ出力装置をプリント基板の穴明け加工に用いている。その他に、実施例によるパルスレーザ出力装置は、レーザ発振器から出力されたレーザパルスから一部を切り出して得られるレーザパルスを用いてレーザ加工を行う用途に用いることができる。
次に、図4及び図5を参照して他の実施例によるパルスレーザ出力装置について説明する。以下、図1及び図2に示したパルスレーザ出力装置と共通の構成については説明を省略する。
図4は、本実施例によるパルスレーザ出力装置の概略図である。図1に示した実施例では、切出光学系14でレーザパルスLP1から1つのレーザパルスLP2を切り出し、1本の加工経路に沿って伝搬させている。これに対し、図4に示したパルスレーザ出力装置では、切出光学系14でレーザパルスLP1から2つのレーザパルスLP2、LP3を切り出し、レーザパルスLP2、LP3を異なる加工経路に沿って伝搬させる。
レーザパルスLP2、LP3が伝搬する加工経路に、それぞれ図1に示したパルスレーザ出力装置の加工経路と同様に、折り返しミラー16、走査光学系17、レンズ19、ステージ30、及び移動機構31が配置されている。レーザパルスLP2、LP3によって、2枚の加工対象物50を同時に加工することができる。
図5は、トリガ信号trg、レーザパルスLP1、切出信号chp、及びレーザパルスLP2、LP3の波形を示すグラフである。図5は、1つのレーザパルスLP1が出力される期間を表している。
トリガ信号trg及びレーザパルスLP1の波形及び出力タイミングは、図2に示した実施例の場合と同様である。制御装置40は、レーザパルスLP1の立ち上がりを検出すると、レーザパルスLP1の立ち上がり時点t12から一定の待機時間tw11が経過した時点t13に、切出光学系14(図4)への切出信号chpを立ち上げることによりレーザパルスLP2の切り出しの開始を指令する。切出光学系14に対してレーザパルスLP2の切り出し開始を指令した時点t13から所定のパルス幅に相当する時間が経過した時点t14に、切出信号chpを立ち下げることにより、切出光学系14に対してレーザパルスLP2の切り出しの終了を指令する。
さらに、制御装置40は、レーザパルスLP1の立ち上がり時点t12から一定の待機時間tw12が経過した時点t16に、切出光学系14(図4)への切出信号chpを立ち上げることによりレーザパルスLP3の切り出しの開始を指令する。待機時間tw12は、待機時間tw11とパルス幅(t14−t13)との合計よりも長い。レーザパルスLP2の切り出し開始の指令と、レーザパルスLP3の切り出し開始の指令とは、切出信号chpの大きさ、例えば電圧値を異ならせることにより区別される。切出光学系14に対してレーザパルスLP3の切り出し開始を指令した時点t16から所定のパルス幅に相当する時間が経過した時点t17に、切出信号chpを立ち下げることにより、切出光学系14に対してレーザパルスLP3の切り出しの終了を指令する。
レーザパルスLP2の切り出し開始を指令した時点t13から、レーザパルスLP3の切り出し終了を指令した時点t17までの期間は、レーザパルスLP1の光強度がほぼ一定に推移する期間内に設定される。
次に、図4及び図5に示した実施例の優れた効果について説明する。
本実施例においても、レーザパルスLP1の立ち上がり時点t12に同期してレーザパルスLP2、LP3の切り出し開始の指令を出しているため、トリガ信号trgの立ち上がり時点t11からレーザパルスLP1の立ち上がり時点t12までの遅延時間td11にばらつきがあっても、レーザパルスLP1の光強度がほぼ一定に維持される期間からレーザパルスLP2、LP3を切り出すことができる。
さらに、本実施例では、2つの加工経路で同時に2枚の加工対象物50の加工を行うことができる。これにより、レーザ加工の処理能力が向上する。
次に、本実施例の変形例について説明する。本実施例では、レーザパルスLP3の切り出し開始の指令を出すまでの待機時間tw12を、レーザパルスLP1の立ち上がり時点t12からの経過時間で指定しているが、レーザパルスLP2に対応する切出信号chpの立ち下がり時点t14からの経過時間で指定してもよい。この場合でも、待機時間tw11及びレーザパルスLP2のパルス幅の値が予め設定されているため、レーザパルスLP3の切り出し開始の指令を出すタイミングは、レーザパルスLP1の立ち上がりのタイミングに同期しているといえる。
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 レーザ発振器
11 ビームスプリッタ
12 照射光学系
13 アパーチャ
14 切出光学系
15 ビームダンパ
16 折り返しミラー
17 走査光学系
18X、18Y 可動ミラー
19 レンズ
20 センサ
30 ステージ
31 移動機構
40 制御装置
41 入力装置
50 加工対象物

Claims (6)

  1. レーザ発振器から出力されたレーザパルスの立ち上がりのタイミングに同期させて、前記レーザ発振器から出力されたレーザパルスから一部を切り出す切出光学系に、切り出しの開始を指令するレーザ制御装置。
  2. さらに、前記切出光学系に、切り出しの終了を指令する請求項1に記載のレーザ制御装置。
  3. さらに、レーザパルスの立ち上がり時点からレーザパルスの切出開始を指令する時点までの待機時間の値を取得し、レーザパルスの立ち上がりを検出した時点から、取得した前記待機時間の値に相当する時間が経過した時点で、前記切出光学系にレーザパルスの切り出しの開始を指令する請求項1または2に記載のレーザ制御装置。
  4. パルスレーザビームを出力するレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームの光強度を検出するセンサと、
    前記レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームのレーザパルスから一部を切り出す切出光学系と、
    前記センサから検出結果を取得してレーザパルスの立ち上がり時点を検出し、レーザパルスの立ち上がりのタイミングに同期させて、前記切出光学系にレーザパルスの切り出しの開始を指令する制御装置と
    を有するパルスレーザ出力装置。
  5. 前記制御装置は、切り出すべきレーザパルスのパルス幅の値を記憶しており、前記切出光学系にレーザパルスの切り出しの開始を指令してから、切り出すべきレーザパルスのパルス幅に相当する時間が経過した時点で、前記切出光学系に切り出しの終了を指令する請求項4に記載のパルスレーザ出力装置。
  6. さらに、レーザパルスの立ち上がり時点からレーザパルスの切出開始を指令する時点までの待機時間の値が入力される入力装置を有し、
    前記制御装置は、レーザパルスの立ち上がりを検出した時点から、取得した前記待機時間の値に相当する時間が経過した時点で、前記切出光学系にレーザパルスの切り出しの開始を指令する請求項4または5に記載のパルスレーザ出力装置。
JP2019051470A 2019-03-19 2019-03-19 レーザ制御装置及びパルスレーザ出力装置 Pending JP2020151736A (ja)

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