JP4993986B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ発振器から出射されたパルス状のレーザをワークに照射して前記ワークを加工するレーザ加工装置に関する。

図２は、レーザ加工機の１つである従来のプリント基板レーザ穴明け加工機の構成図である。

レーザ発振器１から出射されるパルス状のレーザ１５の光軸上には、アパーチャ１０、ガルバノミラー２３、２４およびテレセントリック方式のｆθレンズ２５が配置されている。プリント基板２８は、ｆθレンズ２５と対向するようにしてＸ−Ｙ加工テーブル２７上に載置されている。ＮＣ制御装置９はレーザ発振器１、ガルバノミラー２３、２４およびＸ−Ｙテーブル２７を制御する。

次に、従来のプリント基板レーザ穴明け加工機の動作を説明する。

レーザ発振器１から出射されたパルス状のレーザ１５は、アパーチャ１０により外形を整形（例えば、円形）された後、加工プログラムに従って所定の振り角に位置決めされたガルバノミラー２３、２４によりＸ、Ｙ方向に位置決めされてｆθレンズ２５に入射し、光軸と平行方向（プリント基板２８に対して垂直方向）なレーザ１５となってｆθレンズ２５から出射し、プリント基板２８に入射して、プリント基板２８にアパーチャ１０が縮小投影された穴を加工する。

そして、ガルバノミラー２３，２４とｆθレンズ２５で定まる加工領域２６（例えば、５０ｍｍ×５０ｍｍ）内の穴の加工が終了したら、Ｘ−Ｙテーブル２７を動作させ、次の加工領域２６をｆθレンズ２５に対して位置決めする。以下、加工が終了するまで、上記の動作を繰り返す（特許文献１）。

なお、レーザがＣＯ_２レーザの場合、レーザ発振器（ＣＯ_２レーザ発振器）としてＲＦ励起スラブ導波管が使用される。ＲＦ励起スラブ型導波管は、レーザ共振器内に平行平板電極が配置されており、この電極間でＣ０_２分子が励起されてレーザを発振する。平行平板電極間を上下方向（以下、「導波管次元」という。）にジグザグに伝播する光は、安定型共振器に閉じ込められている。一方、平行平板電極の左右方向（以下、「非導波管次元」という。）には、平行平板電極のような境界面（反射面）が無いので、光は自由に伝播する。非導波管次元は不安定型共振器であるため生成されたレーザは一方の共振器ミラー端から出射する。出射ビームの光強度分布（すなわちエネルギ強度分布）は導波管次元、非導波管次元ともにガウス分布である。
特開平１１−１４５５８１号公報

ＣＯ_２レーザ発振器を用いてレーザ加工を行った場合、加工結果にばらつきが発生することがあった。

本発明の目的は、加工結果を均一にすることができるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供するにある。

上記課題を解決するため、本発明者は、種々の検討を行い、以下に示す結論を得た。

図３（ａ）は、ＣＯ_２レーザ発振器を繰返し周波数ｌｋＨｚ、パルス幅７０μｓで、発振させた時のパワーを測定した結果を示す図であり、横軸は時間、縦軸は測定したパワーＰを最大パワーＰｍａｘで除した値である。

図中のパワー１９はレーザ発振器１からアパーチャ１０に至る間のレーザ１５のパワーであり、パワー２０はアパーチャ１０通過後のパワーである。なお、測定時間は５分間であり、パワー１９、２０を同時に測定している。また、最大パワーＰｍａｘは１３５Ｗである。

同図から明らかなように、パワー１９とパワー２０の変動幅は異なるが、変化の様子は似ている。

図３（ｂ）は、アパーチャ１０に入射するレーザ１５の直径（ビーム径）を５分間測定した結果を示す図であり、上記パワー測定と同時に測定したものである。

同図から明らかなように、導波管次元のビーム径２１が大きく変化するのに対して、非導波管次元のビーム径２２は非常に安定している。

ここで、図３（ａ）に示したパワー２０の曲線を上下反転させた曲線は、図３（ｂ）の曲線とほぼ一致する。

以上のことから、アパーチャ１０を通過した後のレーザ１５のパワー２０が変動する原因はアパーチャ１０に入射するレーザ１５の導波管次元のビーム径２１の変動に起因するものである。

ここで、このレーザ発振器をある一定周波数で発振させた場合のパワー変動の特徴として、図３（ａ）に示されているように、パワー２０は、パワー１９に比べて２〜３倍程度変動が大きい。

また、図３（ａ）、（ｂ）に示されているように、変動の周期は２〜３分程度である。

なお、図示を省略するが、アパーチャ１０の直径が小さい程、パワー２０のパワー１９に対する変動が大きい。

以上の知見から、本発明に係るレーザ加工装置は、スラブ導波管型レーザ発振器から出
射されたレーザをワークに照射して前記ワークを加工するレーザ加工装置であって、焦点
距離が同一であり、各円筒の軸線が導波管次元およびレーザの中心軸に直交するようにし
て配置された２個の円筒レンズと、前記２個の円筒レンズの間隔を変更するレンズ駆動手
段とを含むビーム径変更手段と、レーザのエネルギを検出するエネルギ検出手段と、を備
え、前記ビーム径変更手段は、前記エネルギ検出手段により検出した前記レーザのエネル
ギの変化に基づいて前記レーザの導波管次元のビーム径の変化を判断し、前記円筒レンズ
間の距離を変更することにより前記レーザの導波管次元のビーム径を制御し、前記レーザの光強度分布の変動を抑制することを特徴とする。

本発明によれば、レーザの光強度分布を一定に維持することができるので、加工品質を一定に保つことができる。

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。

図１は本発明に係るレーザ加工装置の要部構成図であり、図２と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

レーザ発振器１とアパーチャ１０との間に配置されたビーム径変更手段５０は、一方が凸面、もう一方が平面である円筒レンズ２ａ、２ｂと、移動装置４とから構成されている。円筒レンズ２ａ、２ｂの焦点距離ｆは同じであり、円筒の軸線が導波管次元１８およびレーザ１５の中心軸に直交するようにして、レーザ１５の中心軸上に配置されている。円筒レンズ２ｂは固定であるが、円筒レンズ２ａは移動装置４に載置されており、レーザ１５の中心軸方向に移動できるようになっている。円筒レンズ２ａの凸面はレーザ発振器１側に、円筒レンズ２ｂの凸面はアパーチャ１０側に向けてある。移動装置４の基準位置すなわち円筒レンズ２ａの基準位置は、円筒レンズ２ｂからの距離が２ｆ（焦点距離の２倍）の位置である。移動装置４はＮＣ制御装置９により移動を制御される。

レーザ１５の中心軸上に配置された音響光学変調器１１は、加工に必要なパルスエネルギを有するレーザ１５をビームスプリッタ５に出射（分配）する。レーザ１５の中心軸上に配置されたビームスプリッタ５は、入射するレーザ１５の９９％を反射し、１％を透過させる。以下、ビームスプリッタ５を透過したレーザ１５を透過ビーム６という。透過ビーム６の中心軸上には集光レンズ７と焦電素子３とが配置されている。焦電素子３はセンサ面が集光レンズ７の焦点位置に一致するようにして位置決めされている。焦電素子３は透過ビーム６のパルスエネルギの強度（大きさ）に対応した電圧を出力する。焦電素子３はＮＣ制御装置９に接続されている。

次に、本発明の動作を説明する。なお、円筒レンズ２ａは基準位置に位置決めされている。

加工が開始されると、レーザ発振器１から出射されたレーザ１５は円筒レンズ２ａ、２ｂを透過し、アパーチャ１０により外形を整形される。アパーチャ１０を通過したレーザ１５は音響光学変調器１１に入射し、加工に必要なパルスエネルギを有するレーザ１５としてビームスプリッタ５に入射し、ビームスプリッタ５で反射されたレーザ１５は図示を省略する加工部に供給される。また、透過ビーム６は集光レンズ７で集光されて焦電素子３を照射する。ＮＣ制御装置９は焦電素子３から出力される電圧を数秒ごとに読み取り、加工前に予め設定した電圧値（基準電圧値）との差がゼロになるように、移動装置４を駆動させる。

すなわち、焦電素子３の出力電圧が低下した場合は、導波管次元のビーム径２１の径が増加した（広がった）と判断し、円筒レンズ２ａを円筒レンズ２ｂに近づける。例えば、出力電圧が基準電圧値に対して３％低下した場合は、０．０３ｆだけ円筒レンズ２ａを円筒レンズ２ｂに近づけるようにする。このようにすると、加工部に供給されるレーザ１５のパルスエネルギはほぼ一定になるので、加工品質が一定になる。

なお、音響光学変調器１１から出射される（音響光学変調器１１を直進する）０次光８はダンパ１２に入射して熱に変換される。

また、水平垂直両方向のビーム径が同程度変化する場合は、円筒レンズ対（２ａ，２ｂ）に代えて、球面レンズ対を用いて変動を抑制すればよい。

本発明に係るレーザ加工装置の要部構成図である。 従来のプリント基板レーザ穴明け加工機の構成図である。 レーザのパワーを測定した結果を示す図である。

符号の説明

３ 焦電素子
４ 移動装置
５ ビームスプリッタ
７ 集光レンズ
１５ レーザ
５０ ビーム径変更手段
２ａ 円筒レンズ
２ｂ 円筒レンズ
ｆ 焦点距離

Claims (1)

1. スラブ導波管型レーザ発振器から出射されたレーザをワークに照射して前記ワークを加
   工するレーザ加工装置であって、
   焦点距離が同一であり、各円筒の軸線が導波管次元およびレーザの中心軸に直交するよ
   うにして配置された２個の円筒レンズと、前記２個の円筒レンズの間隔を変更するレンズ
   駆動手段とを含むビーム径変更手段と、
   レーザのエネルギを検出するエネルギ検出手段と、
   を備え
   前記ビーム径変更手段は、前記エネルギ検出手段により検出した前記レーザのエネルギ
   の変化に基づいて前記レーザの導波管次元のビーム径の変化を判断し、前記円筒レンズ間
   の距離を変更することにより前記レーザの導波管次元のビーム径を制御し、前記レーザの光強度分布の変動を抑制すること
   を特徴とするレーザ加工装置。

Images