JP3619493B2 - レーザ加工のパルス安定化方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工のパルス安定化方法に係り、特に、樹脂ダイレクト加工時のバースト加工に用いるのに好適な、変化する間隔で発生されるレーザパルスを用いて加工する際のレーザ加工のパルス安定化方法、これを利用したレーザ加工方法及びレーザ加工機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のプリント配線基板の小型化や高機能化に伴って小型化した、直径０．１ｍｍ以下のスルーホールやビアホールを精度良く形成するために、パルス発振型のレーザビームを用いて、小径の孔を形成するレーザドリルマシンが実用化されている。
【０００３】
このレーザドリルマシンのようにレーザにより加工を行なう際、ガルバノスキャナによって照射位置を移動させる方法を採ると、高速な加工が可能になる。
【０００４】
図１は、一般的なレーザドリルマシンの構成例である。本構成例は、レーザ発振器２０から照射される、例えばパルス状のレーザ光線２２から、例えば音響光学素子（ＡＯＭ）２４により切出され、ミラー２６で反射されたレーザパルス２８を、所定の方向（図１では紙面に垂直な方向）に走査するための回転ミラー３２を含む第１ガルバノスキャナ３０と、該第１ガルバノスキャナ３０によって紙面に垂直な方向に走査されたレーザパルスを、前記第１ガルバノスキャナ３０による走査方向と垂直な方向（図１では紙面と平行な方向）に走査するための回転ミラー３６を含む第２ガルバノスキャナ３４と、前記第１及び第２ガルバノスキャナ３０、３４により２方向に走査されたレーザパルスを、加工対象物１０の表面に対して垂直な方向に偏向するためのｆθレンズ３８とを備えている。
【０００５】
このガルバノスキャナにおいては、第１及び第２ガルバノスキャナ３０、３４で、レーザパルスを加工対象物１０の表面内の任意の位置に移動することができる。回転ミラー３２、３６により偏向したレーザパルスは、ｆθレンズ３８を通過すると、加工対象物１０の表面に集光する。このため、２つのガルバノスキャナ３０、３４を制御することにより、加工対象物１０表面の任意の箇所（加工点）をレーザ加工することが可能となる。
【０００６】
基板の穴開け等では、高いスループットが要求されるため、加工対象物１０を移動させる方法に比べて、レーザパルスを移動させることにより、高速に処理を行なうことが可能な、ガルバノスキャナを用いることが多い。
【０００７】
又、前記レーザドリルマシンに使用されるＣＯ_２レーザ発振器には、パルス幅と周波数（デューティ比）、発振時間、発振ショット数等で決まる最大発振可能周波数が存在する。この最大発振可能周波数は、通常、図２（Ａ）に示す如く、連続発振を行なった場合で規定されているが、図２（Ｂ）に示す如く、連続ショットと休止を繰り返す間欠発振の場合には、連続発振の場合より高い周波数まで、発振可能である。例えば、連続発振の上限が２ｋＨｚである場合、３ショット連続発振した後、１０ショット分の５００μｓ休止すれば、４ｋＨｚまで、発振できる。
【０００８】
実際の加工は、図３に示す如く、加工条件によって決まる数ショット（図３では３ショット）の発振を連続して行なった後、次の加工点へ移動して再度照射を繰り返していく、バースト状パルスによる加工（バースト加工）を行うことが多い。このバースト加工によれば、レーザ発振器の最大発振周波数以上の設定が可能であり、発振を高速で行なえば、それだけ加工速度を上げることができる。
【０００９】
一般的に、ガルバノ移動間隔ｄは１〜３ミリ秒、レーザ発振間隔ｃは０．２〜０．５ミリ秒、レーザパルス幅ｂは０．０２〜０．２ミリ秒、切出しパルス幅ａはレーザパルス幅ｂより小とされている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザ発振器は、一般的に発振デューディ比によりパルスエネルギ（パルス高さｈ）が変化するという出力特性を持っている。従って、デューディ比が一定、即ち、発振する周波数が一定であれば、パルスエネルギも一定であるが、ガルバノスキャナを用いたドリル加工の場合、ガルバノスキャナとレーザバーストの周波数が一定で無いことと、ガルバノ周波数が位置決め点（加工点）迄の移動距離に依存するため一定でない。この周波数の変化が、加工エネルギを不安定にさせる一つの要因であり、常に一定のパルスエネルギを確保することは難しかった。
【００１１】
例えば各バースト内でも、レーザ発振間隔ｃがガルバノ移動間隔ｄに対して短いため、実際に出力されるパルスエネルギは、図４に示す如く変化し、先頭の第１パルスのパルスエネルギｈ１と、後続の第２、第３パルスのパルスエネルギｈ２が同じにならない場合があった。
【００１２】
このような問題点は、図３に示したようなバースト加工に限らず、１パルスによって１加工点の加工を終了させるため、レーザパルスを、加工点迄の移動時間に合せて絶えず変化する間隔で発生させるサイクル加工においても同様である。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、レーザ発振器に、発振デューティ比によりパルスエネルギが変化するという出力特性がある場合でも、簡単にパルスエネルギを一定に近づけて、安定した加工を可能とすることを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、変化する間隔で発生されるレーザパルスを用いて加工する際に、各レーザパルスの直前の休止区間に対するデューティ比が同じになるようにしてパルス高さを揃えた後、所定のパルス幅に切出して、前記課題を解決したものである。
【００１５】
又、前記レーザパルスが、変化する間隔で発生される先頭パルスと、該先頭パルスに続いて所定の同一間隔で発生される後続パルスを含むバースト状パルスである際に、前記先頭パルスの直前の休止区間に対するデューティ比が、前記後続パルスの直前の休止区間に対するデューティ比と同じになるように、前記先頭パルスのパルス幅を変えてパルス高さを揃えた後、所定のパルス幅に切出すようにして、バースト加工を可能としたものである。
【００１６】
あるいは、前記レーザパルスが、絶えず変化する間隔で発生される際に、各パルスの直前の休止区間に対するデューティ比が同じになるように、各パルスのパルス幅を絶えず変えてパルス高さを揃えた後、所定のパルス幅に切出すようにして、サイクル加工を可能としたものである。
【００１７】
本発明は、又、前記の方法により安定化されたレーザパルスを用いて加工することを特徴とするレーザ加工方法を提供するものである。
【００１８】
又、前記の方法により安定化されたレーザパルスを用いて加工することを特徴とするレーザ加工機を提供するものである。
【００１９】
本発明は、レーザ発振器は、一般的に、発振デューティ比によりパルスエネルギ（パルス高さ）が変化するが、デューティ比が一定であれば、パルスエネルギは同じであるという性質に着目してなされたものである。
【００２０】
即ち、図５には、横軸に示すデューティ比（％）（＝パルス幅（μ秒）／パルス間隔（μ秒）＝パルス幅（μ秒）×周波数（ｋＨｚ））と、縦軸に示すピークパワー（ｋｗ）（＝パルスエネルギ（ｍＪ）／パルス幅（μ秒））に相関があり、又、パルス幅を１０μ秒、２０μ秒、４０μ秒、８０μ秒と変えても、デューティ比が一定であれば、ピークパワーをほぼ同じに保てることが示されている。従って、周波数（パルス間隔）が変わった場合でも、パルス幅を同時に変えてデューティ比を一定に保つことで、ピークパワーを一定に保つことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２２】
本発明の第１実施形態は、本発明を、レーザパルスが、変化する間隔で発生される先頭の第１パルスと、該先頭パルスに続いて所定の同一間隔で発生される後続の第２、第３パルスを含むバースト状パルスであるバースト加工に適用したもので、図６に示す如く、第１パルスの直前のガルバノ移動間隔ｄに対するデューティ比（ｂ１／ｄ）が、後続パルス（例えば第２パルスのデューティ比（ｂ２／ｃ））と同じになるように、第１パルスのパルス幅ｂ１を変えることで、パルス高さｈが第１乃至第３パルスのいずれも同一となるようにしたものである。
【００２３】
前記レーザパルス幅ｂの調整は、例えば、図１のＡＯＭ２４でビームを切出す際のパルス幅ｂを調整すればよい。
【００２４】
なお、図６では後続パルスが第２と第３の２パルスとされていたが、後続パルスの数はこれに限定されず、１パルスあるいは３パルス以上であってもよい。
【００２５】
次に、バースト加工でなく、１発のパルスによって１加工点の加工が終了し、レーザパルスが、加工点迄の移動時間に合せて絶えず変化する間隔で発生されるサイクル加工に適用した本発明の第２実施形態について説明する。
【００２６】
本実施形態では、図７に示す如く、ガルバノスキャナによる位置決め移動時間ｄが、その移動距離により絶えずｄ１、ｄ２、ｄ３・・・のように変化するので、それぞれのデューティ比がｂ１／ｄ１＝ｂ２／ｄ２＝ｂ３／ｄ３・・・となるように、レーザ発振パルス幅を調整することで、パルス高さｈを同じにしたものである。
【００２７】
なお、前記実施形態においては、いずれも、ＣＯ_２レーザから発振されるレーザパルスをＡＯＭで切り出す場合に適用していたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、他の種類のレーザ発振器から発生されるレーザパルスを他の光学モジュールで切り出す場合にも同様に適用できることは明らかである。又、加工も穴開けに限定されない。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、発振デューティによりパルスエネルギが変化するという出力特性を持つレーザ発振機であっても、簡単にパルスエネルギを一定に近づけて、安定した加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用対象であるレーザドリルマシンの要部構成を示す光路図
【図２】レーザ発振器の連続発振と間欠発振を比較して示すタイムチャート
【図３】バースト加工の望ましいパルス波形を示すタイムチャート
【図４】同じく実際のパルス波形の例を示すタイムチャート
【図５】本発明の原理を示すためのデューティ比とピークパワーの関係の例を示す線図
【図６】バースト加工に適用した本発明の第１実施形態におけるパルス波形の例を示すタイムチャート
【図７】サイクル加工に適用した本発明の第２実施形態におけるパルス波形の例を示すタイムチャート
【符号の説明】
１０…加工対象物
２４…音響光学素子（ＡＯＭ）
２８…レーザパルス
３０、３４…ガルバノスキャナ

Claims (5)

1. 変化する間隔で発生されるレーザパルスを用いて加工する際に、
   各レーザパルスの直前の休止区間に対するデューティ比が同じになるようにしてパルス高さを揃えた後、所定のパルス幅に切出すことを特徴とするレーザ加工のパルス安定化方法。
2. 前記レーザパルスが、変化する間隔で発生される先頭パルスと、該先頭パルスに続いて所定の同一間隔で発生される後続パルスを含むバースト状パルスである際に、
   前記先頭パルスの直前の休止区間に対するデューティ比が、前記後続パルスの直前の休止区間に対するデューティ比と同じになるように、前記先頭パルスのパルス幅を変えてパルス高さを揃えた後、所定のパルス幅に切出すことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工のパルス安定化方法。
3. 前記レーザパルスが、絶えず変化する間隔で発生される際に、
   各パルスの直前の休止区間に対するデューティ比が同じになるように、各パルスのパルス幅を絶えず変えてパルス高さを揃えた後、所定のパルス幅に切出すことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工のパルス安定化方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の方法により安定化されたレーザパルスを用いて加工することを特徴とするレーザ加工方法。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の方法により安定化されたレーザパルスを用いて加工することを特徴とするレーザ加工機。

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