JP5465363B1

JP5465363B1 - レーザ加工装置、加工制御装置およびパルス周波数制御方法

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Publication number: JP5465363B1
Application number: JP2013534509A
Authority: JP
Inventors: 仁志城所; 昭弘鈴木; 宏久留島; 直樹西川; 充弘金田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-02-14
Also published as: KR101425337B1; WO2014125597A1; JPWO2014125597A1; TWI530349B; CN104105568B; TW201431633A; CN104105568A

Abstract

レーザ加工装置（１００Ａ）が、供給電力に応じたパルスレーザ光を出力する共振器（１１）及び電源（１２）を有したパルスレーザ発振器（１Ａ）と、ガルバノエリア内でパルスレーザ光の照射位置を位置決めしてワーク（７）上に照射するガルバノスキャンミラー（３）と、ガルバノスキャンミラー（３）の動作と同期してパルスレーザ光が出力されるように制御する加工制御装置（２Ａ）と、電源（１２）から共振器（１１）に供給される電力の電力量を検出するとともに、電力量に基づいて電源（１２）が容量限界に近付いたか否かを判定する電力判定部（１３）とを備え、加工制御装置（２Ａ）は、電力判定部（１３）から電源（１２）が容量限界に近付いたことを示す信号を受信すると、電力量の上昇が抑制されるようガルバノスキャンミラー（３）の位置決め速度を抑制したうえで、ワーク（７）へのレーザ加工を継続する。

Description

本発明は、被加工物にパルスレーザ光を照射して穴あけ加工を行うレーザ加工装置、加工制御装置およびパルス周波数制御方法に関する。

プリント基板などのワーク（加工対象物）を加工する装置の１つとして、ワークにパルスレーザ光を照射して穴あけ加工を行うレーザ加工装置（マイクロレーザ加工機）がある。このようなレーザ加工装置では、加工制御装置から送られてくるレーザ出力指令に基づいて、パルスレーザ発振器がパルスレーザ光を出力する。

パルスレーザ発振器は、出力するパルスレーザ光の繰返し周波数が高くなると、電源（発振器電源盤）の容量限界に近づく場合がある。従来のレーザ加工装置は、電源が容量限界に達すると、アラームを出力して停止させる、またはパルスレーザ発振器に保護機能を働かせて電力を絞らせる（パルスレーザ出力を低下させる）などの処理を行っていた。

また、特許文献１に記載のガスレーザ発振器は、電源が容量限界に近付くと、パルス指令値を停止させ、放電管に供給する電力の上限許容値に基づいて、パルス指令値を設定している。

特開２００７−５９６９０号公報

しかしながら、上記従来の技術のように、パルス指令値を停止させると、ワークへのレーザ加工が停止するので、ワークへのレーザ加工に長時間を要するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発振器の電源が容量限界に近付いた場合であっても、加工品質および加工効率を低下させることなく被加工物へのレーザ加工を行うことができるレーザ加工装置、加工制御装置およびパルス周波数制御方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、供給された電力に応じたパルスレーザ光を出力する共振器と、前記共振器に前記電力を供給する電源とを有したパルスレーザ発振器と、ガルバノエリア内で前記パルスレーザ光の照射位置を位置決めして被加工物上に照射するガルバノスキャンミラーと、前記ガルバノスキャンミラーの動作と同期して前記パルスレーザ光が出力されるよう前記パルスレーザ発振器および前記ガルバノスキャンミラーを制御する加工制御装置と、前記電源から前記共振器に供給される電力の電力量を検出するとともに、前記電力量に基づいて前記電源が容量限界に近付いたか否かを判定する電力判定部と、を備え、前記加工制御装置は、前記電力判定部から前記電源が容量限界に近付いたことを示す信号を受信すると、前記電力量の上昇が抑制されるよう前記ガルバノスキャンミラーの位置決め速度を抑制したうえで、前記被加工物へのレーザ加工を継続することを特徴とする。

本発明によれば、発振器の電源が容量限界に近付いた場合であっても、加工品質および加工効率を低下させることなく被加工物へのレーザ加工を行うことが可能になるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。図２は、実施の形態に係るレーザ加工装置の動作処理手順を示すフローチャートである。図３は、パルスレーザ光の繰り返し周波数とパルスレーザ発振器の電源電力量との関係を示す図である。図４は、パルスレーザ光の繰り返し周波数を説明するための図である。図５は、実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置、加工制御装置およびパルス周波数制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により、この発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。レーザ加工装置１００Ａは、プリント配線基板などのワーク（被加工物）７にスルーホールなどの穴あけ加工を行う装置である。本実施の形態のレーザ加工装置１００Ａは、パルスレーザ発振器１Ａの電源１２が容量限界に近づいた場合に、ガルバノスキャンミラー３の動作速度を抑制することによって電力が容量限界以上に高くならないよう制御する。

レーザ加工装置１００Ａは、パルスレーザ発振器１Ａと、ガルバノスキャンミラー３と、加工制御装置２Ａと、を備えている。パルスレーザ発振器１Ａは、パルスレーザ光を出力してワーク７側に送る装置である。パルスレーザ発振器１Ａは、加工制御装置２Ａからの指令に応じてパルスレーザ光を出力する。パルスレーザ発振器１Ａは、共振器１１と、電源１２と、電力判定部１３Ａと、を有している。

共振器１１は、電源１２から送られてくる電力（電流および電圧）に基づいて、パルスレーザ光を出力する。電源１２は、加工制御装置２Ａからの指示に従って、共振器１１に電力を供給する。

電力判定部１３Ａは、電源１２が共振器１１に供給する電流値に基づいて、パルスレーザ光の出力に伴う電源１２の電力量（エネルギ量）を検出する。換言すると、電力判定部１３Ａは、電源１２が共振器１１に供給する電力の大きさ（電力量）を検出する。電力判定部１３Ａは、所定時間（例えば、０．１〜０．２秒）の間に電源１２が共振器１１に供給する電力量を検出する。

電力判定部１３Ａは、検出した電力量に基づいて、電源１２が容量限界に近付いたか否かを判定する。電力判定部１３Ａは、電源１２が所定の閾値（第１の閾値）を越えた場合に、電源１２が容量限界に近付いたと判定する。電力判定部１３Ａは、電源１２が容量限界に近付いたと判定すると、電源１２が容量限界に近付いたことを示す信号（クランプ信号）を加工制御装置２Ａに出力する。

加工制御装置２Ａは、ガルバノスキャンミラー３の動作と同期してパルスレーザ光が出力されるよう、パルスレーザ発振器１Ａおよびガルバノスキャンミラー３を制御する。加工制御装置２Ａは、レーザ出力指令をパルスレーザ発振器１Ａへ出力するとともに、位置決め指令（加工位置を指定する指令）をガルバノスキャンミラー３に出力する。本実施の形態の加工制御装置２Ａは、電源１２から出力される電力量に基づいて、パルスレーザ発振器１Ａから出力されるパルスレーザ光の繰返しパルス周波数を制御する。

加工制御装置２Ａは、ワーク７の穴位置（加工穴の位置）が高密度で、照射するパルスレーザ光の繰返し周波数が高くなる場合に、ガルバノスキャンミラー３の動作速度を抑制することによって、照射するパルスレーザ光の繰返し周波数を低減させる。これにより、加工制御装置２Ａは、電源１２が容量限界に到達することを防止する。この結果、パルスレーザ発振器１Ａのもつ最大能力にて常に安定したパルスレーザ出力を得ることができる。したがって、生産性が向上するとともに、加工品質が向上する。

また、レーザ加工装置１００Ａは、出力されたパルスレーザ光に対して像転写光学系を構成しているマスク４およびｆθレンズ６を備えている。パルスレーザ発振器１Ａから出射されたパルスレーザ光は、マスク４を介してガルバノスキャンミラー３に送られ、ガルバノスキャンミラー３で反射される。

ガルバノスキャンミラー３は、ガルバノエリア内でパルスレーザ光の照射位置を位置決めするミラーである。ガルバノスキャンミラー３は、パルスレーザ光を走査することによって、ｆθレンズ６を介してワーク７上のレーザ加工位置にレーザ光を照射する。

パルスレーザ発振器１Ａから出力されるパルスレーザ光の出射タイミングと、ガルバノスキャンミラー３の位置決め処理とは、所望の穴あけ位置にパルスレーザ光を照射できるよう、加工プログラムに基づいて、加工制御装置２Ａによって制御される。

つぎに、レーザ加工装置１００Ａの動作処理手順について説明する。図２は、実施の形態に係るレーザ加工装置の動作処理手順を示すフローチャートである。レーザ加工装置１００Ａがワーク７へのレーザ加工を開始すると、加工制御装置２Ａから電源１２に、パルスレーザ出力値、パルスレーザ光の繰り返し周波数、パルスレーザオン時間などが送られる。

これにより、電源１２は、パルスレーザ出力値、パルスレーザ光の繰り返し周波数、パルスレーザオン時間などに基づいて、共振器１１に電流および電圧を供給する。電源１２が共振器１１に供給する電流および電圧は、パルスレーザ光を出力させるためのものである。

電力判定部１３Ａは、電源１２が共振器１１に供給する電流および電圧に基づいて、パルスレーザ光の出力に伴う電源１２の電力量を検出する。そして、電力判定部１３Ａは、検出した電力量に基づいて、電源１２が容量限界に近付いたか否かを判定する（ステップＳ１）。

電力判定部１３Ａは、電源１２が所定の閾値を越えた場合に、電源１２が容量限界に近付いたと判定し（ステップＳ１、Ｙｅｓ）、電源１２が容量限界に近付いたことを示すクランプ信号を加工制御装置２Ａに出力する。加工制御装置２Ａは、電力判定部１３Ａからクランプ信号を受信すると、ガルバノスキャンミラー３の位置決め速度を抑制したうえで、レーザ加工を継続する（ステップＳ２）。加工制御装置２Ａは、例えば、ガルバノスキャンミラー３が、現在の位置決め速度よりも速くならないように制御しながらレーザ加工を継続する。これにより、レーザ加工装置１００Ａでは、加工制御装置２Ａからパルスレーザ発振器１Ａへ送られるパルス指令値を停止させることなく、ワーク７へのレーザ加工が継続される。

一方、電力判定部１３Ａは、電源１２が所定の閾値を越えていなければ、電源１２が容量限界に近付いていないと判定し（ステップＳ１、Ｎｏ）、加工制御装置２Ａにクランプ信号を送らない。これにより、レーザ加工装置１００Ａでは、加工制御装置２Ａからパルスレーザ発振器１Ａへ送られるパルス指令値を停止させることなく、ワーク７へのレーザ加工が継続される。

一般に、レーザ加工装置では、被加工物であるプリント配線基板の配線パターンおよび穴位置データによってパルスレーザ光の照射位置が決定され、照射位置の分布の疎密によってパルスレーザ光の繰返し周波数が変化する。

本実施の形態のパルスレーザ発振器１Ａは、電力判定部１３Ａを備えており、電源１２の電力が容量限界に近づいた場合に、電力判定部１３Ａが、電源１２の容量限界に近づいたことを知らせるクランプ信号を加工制御装置２Ａへ出力している。

これにより、パルスレーザ光の照射位置の分布が高密度になることによって、パルスレーザ光の繰返し周波数が高くなった場合であっても、前記クランプ信号がパルスレーザ発振器１Ａから加工制御装置２Ａへ出力される。そして、加工制御装置２Ａは、ガルバノスキャンミラー３の照射位置決め速度が、現在の速度よりも大きくならないよう、ガルバノスキャンミラー３へ出力する制御信号（パルスレーザ照射位置決め信号）を制御する。

この結果、ガルバノスキャンミラー３と同期して出力されるパルスレーザ光が抑制され、電源１２が容量限界に達することを防止できる。これにより、全ての加工条件（基板材料、加工穴径、穴深さなど）に対して、レーザ加工装置１００Ａのもつ最大能力（最大加工速度）にて、常に安定したパルスレーザ光を出力することができる。したがって、生産性の低下を防止することができるとともに、加工品質の低下を防止することが可能となる。

図３は、パルスレーザ光の繰り返し周波数とパルスレーザ発振器の電源電力量との関係を示す図である。図３の横軸は、パルスレーザ光の繰り返し周波数であり、縦軸はパルスレーザ発振器１Ａが備える電源１２の電力量である。パルスレーザ光の繰り返し周波数が大きくなると、パルスレーザ発振器１Ａが備える電源１２の電力量も大きくなる。

このため、本実施の形態の電力判定部１３Ａは、電源１２の電力が容量限界２１に近づいたことを検出し、容量限界２１に近づいたことを知らせるクランプ信号を加工制御装置２Ａへ出力する。そして、加工制御装置２Ａは、ガルバノスキャンミラー３の照射位置決め速度を抑制することによって、電源１２の電力量が容量限界２１に到達しないようガルバノスキャンミラー３およびパルスレーザ発振器１Ａを制御する。

図４は、パルスレーザ光の繰り返し周波数を説明するための図である。例えば、第１の加工位置に対してパルスレーザ光３１が照射され、第２の加工位置に対してパルスレーザ光３３が照射される場合、加工制御装置２Ａは、第１の加工位置から第２の加工位置まで加工位置を移動させる際の移動時間３２を長時間に設定することによって、パルスレーザ光の繰り返し周波数を抑制する。

なお、本実施の形態では、パルスレーザ発振器１Ａ内に電力判定部１３Ａを配置する場合について説明したが、電力判定部１３Ａは、必ずしもパルスレーザ発振器１Ａ内に配置する必要はない。

また、加工制御装置２Ａは、電源１２の電力量を抑制する際には、ガルバノスキャンミラー３の位置決め速度を現在の速度に維持させてもよいし、現在の速度よりも遅くさせてもよい。この場合、加工制御装置２Ａは、ガルバノスキャンミラー３の位置決め速度を現在値以下に設定することによって、ガルバノスキャンミラー３の位置決め速度を抑制し、これにより電源１２の電力量を抑制する。

また、加工制御装置２Ａは、電力判定部１３Ａが検出した電力量の履歴に基づいて、ガルバノスキャンミラー３の位置決め速度を現在の速度に維持させるか現在の速度よりも遅くさせるかを切替えてもよい。

また、加工制御装置２Ａは、電源１２の電力量を抑制する際には、所定時間だけガルバノスキャンミラー３の位置決め速度を抑制した後に抑制を解除してもよいし、電力量が所定の閾値（第２の閾値）まで下がった後に抑制を解除してもよい。

また、電力判定部１３Ａは、電源１２から共振器１１に供給される電圧が一定値であることを前提とし、電源１２から共振器１１に供給される電流に基づいて、電源１２の電力量を検出してもよい。

また、電力判定部１３Ａは、加工制御装置２Ａから電源１２に送られる繰り返し周波数に基づいて、電源１２の電力量を検出してもよい。また、電力判定部１３Ａは、共振器１１から出力されたパルスレーザ光に基づいて、電源１２の電力量を検出してもよい。

このように実施の形態１によれば、電力判定部１３Ａが電源１２の電力量を判定し、判定結果に基づいて、ガルバノスキャンミラー３の位置決め速度を低下させるので、パルスレーザ発振器１Ａの電源１２が容量限界に近付いた場合であっても、パルス指令値を停止させることなくワーク７へのレーザ加工を行うことが可能になる。したがって、加工品質および加工効率を低下させることなくワーク７へのレーザ加工を行うことが可能になる。

実施の形態２．
つぎに、図５を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、電力判定部を、加工制御装置内に配置しておく。図５は、実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。レーザ加工装置１００Ｂは、レーザ加工装置１００Ａと同様の機能を有している。

レーザ加工装置１００Ｂは、レーザ加工装置１００Ａと比較して、加工制御装置２Ａの代わりに加工制御装置２Ｂを備え、パルスレーザ発振器１Ａの代わりにパルスレーザ発振器１Ｂを備えている。

加工制御装置２Ｂは、制御部２０と、電力判定部１３Ｂと、を備えている。制御部２０は、パルスレーザ発振器１Ｂおよびガルバノスキャンミラー３に接続されており、加工制御装置２Ａと同様の処理を行う。また、電力判定部１３Ｂは、共振器１１、電源１２および制御部２０に接続されており、電力判定部１３Ａと同様の処理を行う。また、パルスレーザ発振器１Ｂは、共振器１１と、電源１２と、を有している。

本実施の形態では、電源１２が容量限界に近づいたか否かを、電力判定部１３Ｂが判定するとともに、電源１２が容量限界に近づいた場合に、制御部２０がガルバノスキャンミラー３の動作速度を抑制する。

このように実施の形態２によれば、電力判定部１３Ｂが電源１２の電力量を判定し、判定結果に基づいて、ガルバノスキャンミラー３の位置決め速度を低下させるので、パルスレーザ発振器１Ｂの電源１２が容量限界に近付いた場合であっても、パルス指令値を停止させることなくワーク７へのレーザ加工を行うことが可能になる。

以上のように、本発明に係るレーザ加工装置、加工制御装置およびパルス周波数制御方法は、パルスレーザ光を用いた被加工物への穴あけ加工に適している。

１Ａ，１Ｂパルスレーザ発振器、２Ａ，２Ｂ加工制御装置、３ガルバノスキャンミラー、７ワーク、１１共振器、１２電源、１３Ａ，１３Ｂ電力判定部、２０制御部、１００Ａ，１００Ｂレーザ加工装置。

Claims

供給された電力に応じたパルスレーザ光を出力する共振器と、前記共振器に前記電力を供給する電源とを有したパルスレーザ発振器と、
ガルバノエリア内で前記パルスレーザ光の照射位置を位置決めして被加工物上に照射するガルバノスキャンミラーと、
前記ガルバノスキャンミラーの動作と同期して前記パルスレーザ光が出力されるよう前記パルスレーザ発振器および前記ガルバノスキャンミラーを制御する加工制御装置と、
前記電源から前記共振器に供給される電力の電力量を検出するとともに、前記電力量に基づいて前記電源が容量限界に近付いたか否かを判定する電力判定部と、
を備え、
前記加工制御装置は、
前記電力判定部から前記電源が容量限界に近付いたことを示す信号を受信すると、前記電力量の上昇が抑制されるよう前記ガルバノスキャンミラーの位置決め速度を抑制したうえで、前記被加工物へのレーザ加工を継続することを特徴とするレーザ加工装置。
前記電力判定部は、前記電源から前記共振器に供給される電流の電流値に基づいて、前記電源の電力量を検出することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記加工制御装置は、前記位置決め速度を現在値以下に設定することによって前記位置決め速度を抑制することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
前記加工制御装置は、前記電源の電力量を抑制する際には、所定時間だけ前記位置決め速度を抑制した後に、前記位置決め速度の抑制を解除することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
前記加工制御装置は、前記電源の電力量を抑制する際には、前記電力量が所定値まで下がった後に、前記位置決め速度の抑制を解除することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
供給された電力に応じたパルスレーザ光を出力する共振器と前記共振器に前記電力を供給する電源とを有したパルスレーザ発振器と、ガルバノエリア内で前記パルスレーザ光の照射位置を位置決めして被加工物上に照射するガルバノスキャンミラーと、を制御する制御部と、
前記電源が前記共振器に供給する電力の電力量を検出するとともに、前記電力量に基づいて前記電源が容量限界に近付いたか否かを判定する電力判定部と、
を備え、
前記制御部は、前記ガルバノスキャンミラーの動作と同期して前記パルスレーザ光が出力されるよう前記パルスレーザ発振器および前記ガルバノスキャンミラーを制御するとともに、
前記電力判定部から前記電源が容量限界に近付いたことを示す信号を受信すると、前記電力量の上昇が抑制されるよう前記ガルバノスキャンミラーの位置決め速度を抑制したうえで、前記被加工物へのレーザ加工を継続する加工制御装置。
供給された電力に応じたパルスレーザ光を出力する共振器と前記共振器に前記電力を供給する電源とを有したパルスレーザ発振器と、ガルバノエリア内で前記パルスレーザ光の照射位置を位置決めして被加工物上に照射するガルバノスキャンミラーと、を制御する制御ステップと、
前記電源が前記共振器に供給する電力の電力量を検出するとともに、前記電力量に基づいて前記電源が容量限界に近付いたか否かを判定する電力判定ステップと、
を含み、
前記制御ステップでは、前記ガルバノスキャンミラーの動作と同期して前記パルスレーザ光が出力されるよう前記パルスレーザ発振器および前記ガルバノスキャンミラーを制御するとともに、
前記電源が容量限界に近付いた場合には、前記電力量の上昇が抑制されるよう前記ガルバノスキャンミラーの位置決め速度を抑制したうえで前記被加工物へのレーザ加工を継続することによって、前記パルスレーザ光の出力周波数を制御することを特徴とするパルス周波数制御方法。