JP3870693B2 - レーザ加工機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ加工機、特にそのレーザビームの遮断に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプリント基板用レーザ加工機（以下適宜、「Ｐ板加工機」と記す）について説明する。
一般に、プリント基板の加工には、ＣＯ₂レーザが通常は用いられているが、高密度実装化に伴い、より径の小さな穴、例えば５０μｍ以下のＶｉａホール、の加工が要求されるようになってきた。レーザ加工による穴径はレーザビームの波長によって調整されるため、ＣＯ₂レーザの波長よりも短い波長が必要となる。そのため、ＹＡＧレーザを用い、さらに元の２倍波（元の波長の１／２の波長），３倍波，４倍波等に変換する機構が必要となっている。
ここで、従来のＰ板加工機を、図６を用いて説明する。図６において、１はレーザ発振器である。レーザ発振器１の内部には、Ｑスイッチ５を内蔵している。レーザ発振器１のレーザ媒質には、ＹＡＧの結晶（図示せず）が用いられている。ＹＡＧの結晶は半導体レーザ若しくはランプによって、連続的に励起されている。Ｑスイッチ５が、その動作信号である数十ｋＨｚの周波数でＯＮ・ＯＦＦ動作を繰り返すことにより、レーザビームのパルス発振が起こる。ここで、Ｑスイッチ５は、ＯＮの場合、レーザビームを遮断し、ＯＦＦの場合、レーザビームを通過（素通し）させるものとする。
【０００３】
発振したＱスイッチ５によるパルス化されたレーザビーム（以下適宜、「パルス光」と記す）は、波長変換素子８を通過することで、２倍波，３倍波，４倍波へと変換される。波長変換を行う場合は、パルスピーク値の高いこのようなＱスイッチパルス光を用いることが一般的である。波長変換素子８には、ＫＴＰ，ＢＢＯ，ＬＢＯ等の素子が用いられる。波長変換素子８は、使用する結晶の温度により波長変換効率が定まる（温度位相整合を用いる）ものであり、その所望の変換効率が得られる許容温度幅は約０．１度程度と狭い。従って、その温度変化により波長変換効率が大きく変化するため、水冷若しくはぺルチェ素子等を用いた強制的な側面からの温度制御により、温度変化の範囲は±０．１℃程度に収まるように設定されている。この温度範囲を逸脱すると、波長変換効率が大きく低下してしまうため、波長変換した出力に大きな変動を招くこととなる。６はこの温度管理を行う制御装置である。
【０００４】
この従来例のようなＰ板加工機において、ワーク７を加工する場合、ガルバノミラー３はレーザビームの照射点が所望の加工点に位置決めされると停止するように、ガルバノドライバー４によって制御されている。このガルバノミラー３の位置決め停止信号と連動して、レーザ発振器１の内部のＱスイッチ５が数十ｋＨｚのパルス周波数でＯＮ・ＯＦＦ動作を繰り返すことにより、予め決められた数十ショット数だけワーク７にパルス光を照射し、加工を行うこととなる。加工を行わない場合には、Ｑスイッチ５がＯＮの状態を保つことにより、レーザビームが遮断され、パルス発振は行われない。
このように、従来例のＰ板加工機において、レーザ発振器１の内部に設けられたＱスイッチ５は、その機能として、加工時と非加工時とでレーザビームの通過と遮断とを切り替えるシャッター機能と、加工時すなわちワーク７へのレーザビーム照射時に、連続的に発振されているレーザビームを、数十ｋＨｚの周波数でＯＮ・ＯＦＦ動作を繰り返すことによってパルス光化する機能とを有している。
【０００５】
上述のように、レーザ発振器１の内部にＱスイッチ５を用いた場合、波長変換素子８を用いないＹＡＧレーザであれば、所望の出力のパルス光をワーク７に照射することが可能であるが、先に述べたような波長変換素子８を用いたＹＡＧレーザのレーザ発振器１の場合、Ｑスイッチ５のＯＮ，ＯＦＦによってワーク７へのパルス光の遮断，照射を行うと、Ｑスイッチ５から波長変換素子８へ入射されたレーザビームを波長変換素子８自体が吸収することにより温度ドリフトが発生し、ワーク７に照射する数ｍＳ間の出力の急激な変化を招き不安定な加工となる。
このため、波長変換素子８を用いたレーザ発振器１の場合、加工を安定的，高精度に行うには、波長変換素子８の温度変化を避けるため、パルス光を常時、波長変換素子８へ入射させておくことが不可欠である。換言すれば、Ｑスイッチ５を、波長変換素子８へ入射する以前の位置でのレーザビームの遮断，通過を切り替える為の比較的長い時間間隔或いは不規則な時間間隔でＯＮ・ＯＦＦの切り替えを行うようなシャッターとして用いることは適当ではない。このため、光路上のシャッター機能としては、レーザ発振器１内部のＱスイッチ５以外に、波長変換素子８を通過した後の光路上に、高速応答できるシャッター手段を別途設けることが必要となる。
【０００６】
レーザビームの遮断，通過を切り替える為に、比較的長く且つ不規則な時間間隔でのＯＮ・ＯＦＦ切り替え動作を要求されるシャッターとして有効なものとして、例えば、音響光学素子が挙げられる。ここでは、シャッターとして音響光学素子を用いた場合について、図７を用いて説明する。
２はラマン回折型の音響光学素子であり、電気信号のＯＮ，ＯＦＦに従い、入射レーザビームを素通し又は回折散乱し、その応答速度は、数十ｋＨｚが可能である。ここではマスク９と組み合わせることにより、電気信号のＯＮ，ＯＦＦに対応して、レーザビームの遮断（減衰）と通過とを切り替える光学シャッターとして使用する場合について説明する。入射するレーザビームは直線偏光であり、ラマン回折型音響光学素子（以下適宜、「音響光学素子」と記す）２は、その減衰特性の向きがレーザビームの偏光面に合致するように設置される。電気信号がＯＮの場合、音響光学素子２を通過したレーザビームは０次光を中心に１，２，・・，−１，−２，・・次光の回折光に分割される。光路の先に設置したマスク９によって高次の回折ビームは遮断され、元の光路と同じ経路を通る０次光のみがマスク９を通過する。０次光以外の高次光成分に分配されるレーザビームの強度が高いほど音響光学素子２の回折効率、すなわち減衰率が高いと言うことができ、マスク９を通過する０次光の強度を弱めることができる。通常、音響光学素子２では０次光の強度は元のレーザビームの１０％程度であり、従って電気信号ＯＮ時に約９０％のレーザ出力がこのビーム変調器で減衰されることとなる。
この音響光学素子２を、加工時と非加工時とでレーザビームの遮断と通過とを切り替えるシャッター機能（手段）として図６に示したＰ板加工機に用いる場合、レーザビームの光路中、波長変換素子８を通過した後の、例えば点Ｐ１の位置に設置されることとなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べたとおり、レーザビーム光路上のシャッター機能として、波長変換素子８を通過した後の光路上に、高速応答できるシャッター手段を別途設けることが必要であり、図７に示したラマン回折型音響光学素子２は、該シャッター手段として有効である。しかし、ラマン回折型音響光学素子２は、単体でのビーム減衰率が約９０％であるため、この音響光学素子２をレーザ加工機に、レーザビームの光学シャッターとして用いた場合、非加工時等、レーザビームを遮断しようとした場合にも１０％程度の０次光すなわち漏れ光が、ビーム変調器を通過してワーク７上に照射されて状態となり、ワーク７の表面が損傷するという問題点があった。
【０００８】
この発明は、上述の問題点を解決するためになされたもので、高速で且つ、高い遮断性能のシャッターリング動作を行うことができるレーザ加工機を得るものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレーザ加工機は、直線偏光したレーザビームの光路中の波長変換素子から被加工物までの間に、第一の音響光学素子と第二の音響光学素子とを設け、前記光路中の前記第一の音響光学素子と前記第二の音響光学素子との間に旋光手段を配置し、前記第１の音響光学素子は入射するレーザビームの偏光面に対し減衰特性が得られる向きに配置され、この旋光手段は、前記第二の音響光学素子へ入射されるレーザビームの偏光面を、前記第二の音響光学素子のレーザビーム減衰特性に応じて旋回させるものである。
【００１０】
また、第二の音響光学素子を、第一の音響光学素子に対して９０度回転させて設置したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の第一の実施の形態によるレーザ加工機を、図１及び図２を用いて説明する。図において、従来例のものと同一または相当のものには同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
この実施の形態のものにおいて、レーザ発振器１内で高調波に変換されて出力されたレーザビームは、２個のラマン回折型音響光学素子２１，２２と旋光手段３１、マスク９とにより構成されるビーム変調器２０を通過し、ガルバノミラー３によって位置調整されワーク７に照射される。ビーム変調器２０は制御装置６からの電気信号により、レーザビームを素通し又は減衰させるシャッターリング動作を行う。
【００１２】
先にも述べたとおり、この実施の形態のレーザ加工機に用いる音響光学素子単体での回折効率は９０％程度である為、１つの音響光学素子に入力されたレーザビームのうち、１０％程度の光は０次光として音響光学素子を通過し、漏れ光となってしまう。このような漏れ光があると、ガルバノミラーが次の加工位置に動作する間に常時ワークに照射され、ワークが所望の加工位置以外で加工され損傷してしまう。このようなことを防止するために、漏れ光を制限する必要がある。材料により制限する光の量は異なるが、概ね1％以下にすることで、焼損するには至らないことが実験的に求められた。
【００１３】
そのために、まず、音響光学素子２個を直列に配置することによりビーム減衰率の向上を図ることが考えられた。
この場合、図３に示すように、音響光学素子は入射するレーザビームの偏光面によって回折効率すなわち減衰率が大きく異なり、音響光学素子の設置角度、すなわち、入射されるレーザビームの光軸を回転中心とした音響光学素子の傾きに従い、音響光学素子の減衰特性が最大になる傾きと、入射されるレーザビームの偏光面とが合致するような場合（図３（ａ））は、上述のように約９０％の減衰率が得られるが、音響光学素子の減衰特性が最大になる傾きと入射されるレーザビームの偏光面とが合致しない場合（図３（ｂ））は、減衰率は約５０％と大きく低下することがわかった。
【００１４】
次に、２個の音響光学素子がそれぞれ、入射されるレーザビームの偏光面に対して減衰特性が最大になる傾きとなるよう、２個の音響光学素子を全く同じ傾きに設置すると、それぞれの音響光学素子としては原理的に高い減衰率を得られたが、１個目（前段）の音響光学素子によって回折光となった光の一部が２個目（後段）の音響光学素子へ再び入力してしまう等、他の要因によって、総体的には所望の高効率の減衰が実現されないことがわかった。
【００１５】
そこで、２個の音響光学素子を直列に配置する場合、２個目の音響光学素子は１個目の音響光学素子に対して、入射されるレーザビームの偏光面に対する傾きを異ならせて設置せざるを得ず、９０度、傾きを異ならせた状態で設置することが好ましいことがわかった。
【００１６】
しかし、単純に１個目の音響光学素子と２個目の音響光学素子との傾きを変えて設置した場合、レーザビームの偏光面は一定であるため、仮にレーザビームの偏光面を、１個目の音響光学素子の減衰特性が最大になる傾きと合致するように設定しても、そのレーザビームの偏光面は２個目の音響光学素子に対して、その減衰特性が最大になる傾きとは合致しないこととなる。
先ほども述べたように、単純に１個目の音響光学素子と２個目の音響光学素子との傾きを変えて設置し、レーザビームの偏光面を１個目の音響光学素子の減衰特性が最大になる傾きと合致するように設定した場合、レーザビームは、１個目の音響光学素子により９０％減衰されて、元の強度の１０％相当のレーザビームが０次光として通過することになる。この０次光が２個目の音響光学素子へ入力し、ここでは入射した０次光のうち５０％のみが減衰される。換言すれば、２個の音響光学素子を用いても、１０％×５０％＝５％の強度のレーザビームが通過して、最終的にワーク等に照射されてしまうことになる。
【００１７】
そこで、この実施の形態のものでは、更なる高減衰率を実現するため、図２に示すように、２個の音響光学素子２１，２２を、それぞれの減衰特性が最大になる傾きが互いに９０度異なるように配置するとともに、その２個の音響光学素子２１，２２を直列に設置した間に、レーザビームの偏光面を回転させる旋光手段としてλ／２板３１を挿入した。
【００１８】
λ／２板３１は、その出射するレーザビームの偏光面を、２個目の音響光学素子２２の減衰特性が最大になる傾きと合致するように設定する。これにより、１個目の音響光学素子２１により９０％減衰されたレーザビームは、さらに２個目の音響光学素子２２により９０％減衰されて、レーザ発振器１から出力された元のレーザビームの強度の１０％×１０％＝１％相当のレーザビームが０次光として２個目の音響光学素子２２を通過することになる。
図４に、音響光学素子の設置による、減衰率の比較を示す。ａは、音響光学素子が１個のみの場合、ｂは、１個目の音響光学素子と２個目の音響光学素子との傾きを９０度異ならせて設置した場合、ｃは、音響光学素子２個をその傾きを９０度異ならせて設置し且つ２個の音響光学素子の間に、その出射するレーザビームの偏光面を、２個目の音響光学素子の減衰特性が最大になる傾きと合致するように設定したλ／２板を挿入した場合を示す。ｃの構成の場合に減衰率は大きく向上し、約９９％の減衰率が得られた。ここでは、９０度偏光面を回転させる旋光手段としては、λ／２板の他に、水晶ローテータ等がある。
これにより、最終的に通過する０次光の強度が十分減衰され、漏れ光によるワーク７の焼損が防止された。
【００１９】
この、第一の実施の形態のレーザ加工機によるワーク７の加工は、以下のように行われる。この実施の形態のようなＰ板レーザ加工機の場合、ワーク７に加工する際、ガルバノミラー３は照射点が加工点に位置決めされると停止するように、ガルバノドライバー４によって制御されている。このガルバノミラー３の位置決め信号をトリガーとして、光路上に設けられたビーム変調器２０が動作する。音響光学素子２１，２２は、予め決められたショット数に対応して、レーザビームの光路の通過と遮断とを切り替えるシャッター動作を行う。これらの動作は、Ｐ板加工機を制御する制御装置によって制御される。加工時の光路は、マスク９を通過してワーク７に照射されるが、音響光学素子２１，２２により回折される０次光以外の高次光成分となったレーザビームは、図１に破線で示すように、マスク９によって遮断される。一方０次光は、ワークの損傷レベル以下である、当初の強度の約１％に減衰された状態でワーク７まで伝送される。当然、加工時は、既定のエネルギーをもったレーザビームがワーク７に照射され、加工を実施することとなる。
【００２０】
実施の形態２．
図５に音響光学素子を３個以上使用した場合の実施の形態を示す。３個の音響光学素子２１，２２，２３はそれぞれ異なる傾きで配置され、その間にはそれぞれλ／２板３１，３２が挿入されている。λ／２板３１は音響光学素子２２の、λ／２板３２は音響光学素子２３の、それぞれの音響光学素子の減衰特性が最大になる傾きに対応した角度だけ、レーザビームの偏光面を回転するように設置されている。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、レーザビームの光路中の波長変換素子から被加工物までの間に、第一の音響光学素子と第二の音響光学素子とを設け、前記光路中の前記第一の音響光学素子と前記第二の音響光学素子との間に旋光手段を配置し、この旋光手段は、前記第二の音響光学素子へ入射されるレーザビームの偏光面を、前記第二の音響光学素子のレーザビーム減衰特性に応じて旋回させる、といった構成を用いたことにより、高速で且つ、漏れ光による被加工物への損傷が無い、高遮断性能のシャッターリング機能を安定的に呈するレーザ加工機を得ることができる、といった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第一の実施の形態によるレーザ加工機の概略構成図。
【図２】 この発明の第一の実施の形態によるレーザ加工機の音響光学素子によるビーム変調器の構成図。
【図３】 音響光学素子の動作説明図。
【図４】 音響光学素子と旋光手段との設置によるレーザビームの減衰率を示した図。
【図５】 この発明の第二の実施の形態によるレーザ加工機の音響光学素子によるビーム変調器の構成図。
【図６】 従来のレーザ加工機の概略構成図。
【図７】 従来の音響光学素子によるビーム変調器の構成図。
【符号の説明】
１ レーザ発振器
３ ガルバノミラー
４ ガルバノドライバー
５ Ｑスイッチ
６ 制御装置
７ ワーク
８ 波長変換素子
９ マスク
２０ ビーム変調器
２１，２２，２３ 音響光学素子
３１，３２ λ／２板（旋光手段）

Claims (2)

1. 直線偏光したレーザビームの光路中の波長変換素子から被加工物までの間に、第一の音響光学素子と第二の音響光学素子とを設け、前記光路中の前記第一の音響光学素子と前記第二の音響光学素子との間に旋光手段を配置し、前記第１の音響光学素子は入射するレーザビームの偏光面に対し減衰特性が得られる向きに配置され、この旋光手段は、前記第二の音響光学素子へ入射されるレーザビームの偏光面を、前記第二の音響光学素子のレーザビーム減衰特性に応じて旋回させるものであることを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記第１の音響光学素子と前記第２の音響光学素子を直列に配置し、
   前記旋光手段はレーザビームの偏光面を９０度回転させるものであり、
   前記第二の音響光学素子を、前記第一の音響光学素子に対してレーザビームの光路を軸に９０度回転させて設置したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。

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