JP5995767B2 - Laser processing apparatus and laser processing method - Google Patents
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Description
本発明は、パルスレーザを出射してレーザ加工を行うレーザ加工装置、及びレーザ加工方法に関する。 The present invention relates to a laser processing apparatus that performs laser processing by emitting a pulse laser, and a laser processing method.
炭酸ガスレーザ等のガスレーザにおいては、レーザ媒質ガス中の不純物等が放電に影響を及ぼす。このため、出射するレーザパルスごとにパルスエネルギにばらつきが生じる。レーザパルスを穴開け加工に用いる場合、パルスエネルギにばらつきが生じると加工品質がばらついてしまう。 In a gas laser such as a carbon dioxide laser, impurities in the laser medium gas affect the discharge. For this reason, variation occurs in pulse energy for each emitted laser pulse. When laser pulses are used for drilling, if the pulse energy varies, the processing quality varies.
下記の特許文献1に、パルスエネルギのばらつきを低減させるレーザ発振方法が開示されている。特許文献1に開示された方法では、1回のパルス励起中に、レーザ発振器から出射されたレーザ光のエネルギ値を複数回測定する。測定された複数のエネルギ値を加算し、当該パルス励起により発振されるレーザ光の見込みトータルエネルギ値を予測する。この見込みトータルエネルギ値に基づいて、励起時間を制御する。これにより、トータルエネルギ値(パルスエネルギ)を安定化させることが可能である。
パルス幅が比較的長い場合、例えば数百μs程度である場合には、レーザ発振指令からレーザパルスの立ち上がりまでの遅延時間がばらついても、上記特許文献1に開示された方法でパルスエネルギを調節することが可能である。ところが、パルス幅が短い場合、例えば数十μsである場合には、エネルギ検出感度や演算時間を勘案すると、励起時間を制御することは困難である。
When the pulse width is relatively long, for example, about several hundred μs, even if the delay time from the laser oscillation command to the rise of the laser pulse varies, the pulse energy is adjusted by the method disclosed in
本発明の目的は、レーザ発振指令からレーザパルスの立ち上がりまでの遅延時間がばらついても、パルス毎に、パルスエネルギを安定化させることが可能なレーザ加工装置、及びレーザ加工方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a laser processing apparatus and a laser processing method capable of stabilizing pulse energy for each pulse even when the delay time from the laser oscillation command to the rise of the laser pulse varies. is there.
本発明の一観点によると、
外部から受信するレーザ発振開始トリガに同期してレーザ発振を開始し、レーザ発振停止トリガに同期してレーザ発振を停止するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザパルスを検出する光検出器と、
前記レーザ光源に前記レーザ発振開始トリガを与えるとともに、前記光検出器によるレーザパルスの検出時刻を基準として、前記レーザ光源に前記レーザ発振停止トリガを与える時刻を決定し、決定された時刻に前記レーザ発振停止トリガを前記レーザ光源に与える制御装置と
を有するレーザ加工装置が提供される。
According to one aspect of the invention,
A laser light source that starts laser oscillation in synchronization with a laser oscillation start trigger received from outside, and stops laser oscillation in synchronization with a laser oscillation stop trigger;
A photodetector for detecting a laser pulse emitted from the laser light source;
The laser oscillation start trigger is given to the laser light source, and the time to give the laser oscillation stop trigger to the laser light source is determined based on the detection time of the laser pulse by the photodetector, and the laser is determined at the determined time. There is provided a laser processing apparatus having a control device that applies an oscillation stop trigger to the laser light source.
本発明の他の観点によると、
制御装置から受信するレーザ発振開始トリガに同期してレーザ発振を開始し、レーザ発振停止トリガに同期してレーザ発振を停止するレーザ光源に、前記制御装置が前記レーザ発振開始トリガを与える工程と、
前記レーザ光源から出射されたレーザパルスを光検出器が検出し、前記光検出器の検出結果に基づいて前記制御装置が立ち上がり時刻を検出する工程と、
前記レーザパルスの立ち上がり時刻から、予め設定されている目標パルス幅に相当する時間が経過した時刻に、前記制御装置が前記レーザ光源に前記レーザ発振停止トリガを与える工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。
According to another aspect of the invention,
In synchronization with the laser oscillation start trigger received from the controller starts laser oscillation, the laser light source to stop the laser oscillation in synchronization with the laser oscillation stop trigger, the steps of the control device gives the laser oscillation start trigger,
A step in which a photodetector detects a laser pulse emitted from the laser light source, and the controller detects a rise time based on a detection result of the photodetector ;
From the rise time of the laser pulse, the time that elapsed time corresponding to the target pulse width set in advance, the laser processing method provided with a step of said controller gives said laser oscillation stop trigger to the laser light source Is done.
レーザパルスの検出時刻を基準として、レーザ光源にレーザ発振停止トリガを与える時刻を決定することにより、レーザ発振開始トリガを与えた時刻からレーザパルスの立ち上がりまでの遅延時間がばらついても、パルスエネルギを安定化させることができる。 By determining the time to give the laser oscillation stop trigger to the laser light source based on the detection time of the laser pulse, even if the delay time from the time the laser oscillation start trigger is given to the rise of the laser pulse varies, the pulse energy is Can be stabilized.
図1に、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源1が、制御装置20から受信するレーザ発振開始トリガに同期してレーザ発振を開始し、レーザ発振停止トリガに同期してレーザ発振を停止する。レーザ発振が開始されると、レーザ光源1がレーザパルスを出射する。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a laser processing apparatus according to an embodiment. The
レーザ光源1は、レーザ発振器10及び駆動回路11を含む。レーザ発振器10には、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。制御装置20から駆動回路11に、レーザ発振開始トリガ及びレーザ発振停止トリガを与えられる。駆動回路11は、レーザ発振開始トリガを受けると、レーザ発振器10に電力の供給を開始する。レーザ発振停止トリガを受けると、レーザ発振器10への電力の供給を停止する。
The
レーザ光源1から出射したレーザビームが、部分反射鏡21により透過ビームと反射ビームとに分岐される。反射ビームが光検出器22に入射する。光検出器22は、光を検出すると、制御装置20に検出信号を送出する。制御装置20は、光検出器22から検出信号を受信した時刻、すなわちレーザパルスの立ち上がり時刻を基準として、レーザ光源1にレーザ発振停止トリガを与える時刻を決定する。決定された時刻に、レーザ光源1にレーザ発振停止トリガを与える。
The laser beam emitted from the
部分反射鏡21を直進した透過ビームは、スポット位置安定化光学系12を透過して非球面レンズ13に入射する。スポット位置安定化光学系12は、複数の凸レンズを含み、レーザ光源1から出射したレーザビームの進行方向がぶれても、非球面レンズ13が配置された位置におけるビームスポットの位置を安定化させる。非球面レンズ13は、レーザ
ビームのプロファイルを変える。例えば、ガウシアン形状のビームプロファイルを、トップフラット形状のビームプロファイルに変える。
The transmitted beam that has traveled straight through the partial reflecting
非球面レンズ13を透過したレーザビームが、コリメートレンズ14によってコリメートされた後、マスク15に入射する。マスク15は、透過窓及び遮光部を含み、レーザビームのビーム断面を整形する。マスク15の透過窓を透過したレーザビームがフィールドレンズ16、折り返しミラー17を経由して、ビーム走査器18に入射する。ビーム走査器18は、レーザビームを二次元方向に走査する。ビーム走査器18として、例えばガルバノスキャナが用いられる。
The laser beam transmitted through the
ビーム走査器18で走査されたレーザビームが、fθレンズ19で集光されて加工対象物30に入射する。加工対象物30はステージ25に保持されている。フィールドレンズ16及びfθレンズ19は、マスク15の透過窓を、加工対象物30の表面に結像させる。ステージ25は、加工対象物30を、その表面に平行な方向に移動させる。
The laser beam scanned by the
図2に、実施例によるレーザ発振器10の断面図、及び駆動回路のブロック図を示す。チェンバ50の内部に、送風機40、一対の放電電極41、熱交換器46、及びレーザ媒質ガスが収容されている。一対の放電電極41の間に放電空間42が画定される。放電空間42で放電が生じることにより、レーザ媒質ガスが励起される。図2では、放電電極41の長さ方向に直交する断面が示されている。送風機40には、例えばターボブロワが用いられる。なお、ターボブロワに代えて、クロスフローファン、軸流ファン等を用いてもよい。放電電極41の各々は、導電部材43とセラミック部材44とを含む。セラミック部材44は、導電部材43と放電空間42とを隔離する。
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the
送風機40から、放電電極41の間の放電空間42、及び熱交換器46を経由して送風機40に戻る循環経路がチェンバ50内に形成されている。熱交換器46は放電によって高温になったレーザ媒質ガスを冷却する。
A circulation path from the
一対の端子51が、チェンバ50の壁面に取り付けられている。放電電極41の導電部材43が、それぞれチェンバ内電流路52により端子51に接続されている。端子51は、チェンバ外電流路55により、駆動回路11に接続されている。
A pair of
図3に、制御装置20(図1)から駆動回路11(図1)に与えられるトリガ信号、放電電極41(図2)に印加される高周波電圧、放電電極41に流れる放電電流、及びレーザ発振器10(図1)から出射される光出力のタイミングチャートを示す。 3 shows a trigger signal given from the control device 20 (FIG. 1) to the drive circuit 11 (FIG. 1), a high-frequency voltage applied to the discharge electrode 41 (FIG. 2), a discharge current flowing through the discharge electrode 41, and a laser oscillator. 10 shows a timing chart of the light output emitted from 10 (FIG. 1).
時刻t1において、トリガ信号が立ち上がる。トリガ信号の立ち上がりは、レーザ発振開始トリガに相当する。時刻t1において、駆動回路11がレーザ発振開始トリガを受信すると、駆動回路11は、放電電極41に高周波電圧を印加する。高周波電圧の周波数は、例えば2MHzである。高周波電圧が印加された後、時刻t2で放電が始まると、放電電流が流れ始める。
At time t1, the trigger signal rises. The rising edge of the trigger signal corresponds to a laser oscillation start trigger. When the
放電が始まった後、レーザ発振器10の光共振器内の利得が損失を上回った時刻t3において、光出力(レーザパルス)が立ち上がる。すなわち、レーザ発振開始トリガが与えられた時刻t1から遅延時間Tdが経過した時刻t3に、レーザパルスが立ち上がる。光出力は、立ち上がり時に瞬間的に鋭いピークを示し、その後、安定する。レーザパルスが立ち上がると、光検出器22(図1)によって光が検出され、検出信号が制御装置20(図1)に送出される。
After the discharge starts, the optical output (laser pulse) rises at time t3 when the gain in the optical resonator of the
制御装置20は、光検出器22から検出信号を受信した時刻、すなわちレーザパルスの
立ち上がり時刻t3を基準として、レーザ光源1にレーザ発振停止トリガを与える時刻t4を決定する。例えば、レーザパルスの検出時刻t3から時刻t4までの時間幅Pdが一定になるように、時刻t4を決定する。
The control device 20 determines a time t4 at which a laser oscillation stop trigger is given to the
時刻t4において、制御装置20が、トリガ信号を立ち下げることにより、レーザ光源1にレーザ発振停止トリガを与える。駆動回路11が制御装置20からレーザ発振停止トリガを受信すると、駆動回路11は高周波電圧の印加を中止する。放電電極41に高周波電圧が印加されなくなると、放電が停止し、放電電流が流れなくなるとともに、光出力が0になる(レーザパルスが立ち下がる)。時刻t3から時刻t4までの時間幅が、レーザパルスのパルス幅Pdに相当する。レーザ発振開始トリガを与える時刻t1から、レーザ発振停止トリガを与える時刻t4までの経過時間を、トリガ時間幅Teということとする。
At time t4, the control device 20 applies a laser oscillation stop trigger to the
図4に、トリガ時間幅Teが一定の条件の下で制御を行ったときの、遅延時間Tdと、レーザパルスのパルスエネルギとの関係を示す。横軸は遅延時間Tdを表し、縦軸はパルスエネルギを表す。トリガ時間幅Teが一定であるから、遅延時間Tdとパルス幅Pd(図3)との和が一定になる。このため、遅延時間Tdが長くなると、パルス幅Pdが短くなる。パルス幅Pdが短くなることによって、パルスエネルギが低下する。トリガ時間幅Teが一定になるようにレーザ発振の制御を行うと、遅延時間Tdのばらつきにより、パルスエネルギがばらついてしまうことがわかる。 FIG. 4 shows the relationship between the delay time Td and the pulse energy of the laser pulse when the control is performed under a condition where the trigger time width Te is constant. The horizontal axis represents the delay time Td, and the vertical axis represents the pulse energy. Since the trigger time width Te is constant, the sum of the delay time Td and the pulse width Pd (FIG. 3) is constant. For this reason, as the delay time Td becomes longer, the pulse width Pd becomes shorter. As the pulse width Pd decreases, the pulse energy decreases. When the laser oscillation is controlled so that the trigger time width Te is constant, it can be seen that the pulse energy varies due to variations in the delay time Td.
次に、図5及び図6を参照して、実施例によるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法について説明する。レーザ加工を行う前に、まず加工対象物30をステージ25(図1)に保持して、ステージ25を移動させることにより、加工対象物30の位置決めを行う。加工対象物30には、ビーム走査器18で走査可能な範囲内に、複数の被加工点が定義されている。レーザ加工中は、制御装置20がビーム走査器18を制御して、加工対象物30上の被加工点に、順番にレーザパルスを入射させることにより穴開け加工が行われる。
Next, a laser processing method using the laser processing apparatus according to the embodiment will be described with reference to FIGS. Prior to laser processing, the
図5に、実施例によるレーザ加工装置の制御装置20(図1)が実行する処理のフローチャートを示す。図6に、トリガ信号、高周波電圧、放電電流、及び光出力のタイミングチャートを示す。加工対象物30をステージ25に保持して、加工対象物30の位置決めが完了すると、最初に加工すべき被加工点にレーザパルスが入射するように、ビーム走査器18を制御する。ステップS1において、ビーム走査器18の位置決めが完了するまで待機する。ビーム走査器18の位置決めが完了すると、ステップS2において、レーザ光源1にレーザ発振開始トリガを与える。ステップS2は、図6に示した時刻t11、t21、t31に相当する。
FIG. 5 shows a flowchart of processing executed by the control device 20 (FIG. 1) of the laser processing apparatus according to the embodiment. FIG. 6 shows a timing chart of the trigger signal, the high frequency voltage, the discharge current, and the light output. When the
レーザ発振開始トリガがレーザ光源1に与えられると、レーザ発振器10(図1)に高周波電圧が印加され、放電電流が流れる。レーザ発振開始トリガが与えられた時刻t11、t21、t31から、それぞれ遅延時間Td1、Td2、Td3が経過した時刻t12、t22、t32においてレーザパルスLp1、Lp2、Lp3が立ち上がる。光共振器の反射鏡の振動や、レーザ媒質ガスに含まれる不純物等の影響により、遅延時間Td1、Td2、Td3が全て等しいとは限らない。図6では、遅延時間の大小関係が、Td3<Td1<Td2である例を示している。
When a laser oscillation start trigger is given to the
ステップS3において、レーザ発振停止トリガが与えられてからレーザパルスが立ち上がるまでの遅延時間Td1、Td2、Td3を計測する。具体的には、制御装置20は、レーザ発振開始トリガをレーザ光源1に与えた時刻から、光検出器22から検出信号を受信するまでの経過時間を計測する。
In step S3, delay times Td1, Td2, and Td3 from when the laser oscillation stop trigger is given until the laser pulse rises are measured. Specifically, the control device 20 measures the elapsed time from when the laser oscillation start trigger is given to the
ステップS4において、遅延時間Tdが規格内か否かを判定する。遅延時間Tdが規格外である場合、ステップS8において、レーザ光源1にレーザ発振停止トリガを与える。これにより、放電電極41(図1)への電力の供給が停止される。電力の供給が停止されることにより、異常発振を防止することができる。
In step S4, it is determined whether or not the delay time Td is within the standard. If the delay time Td is outside the standard, a laser oscillation stop trigger is given to the
遅延時間Tdが規格内であるとき、ステップS5において、レーザパルスの立ち上がり時刻t12、t22、t32(図6)を基準として、レーザ光源1にレーザ発振停止トリガを与える時刻t13、t23、t33(図6)を算出する。具体的には、レーザパルスの立ち上がり時刻t12、t22、t32から、目標パルス幅Pdに相当する時間が経過した時刻を、レーザ発振停止トリガを与える時刻t13、t23、t33とする。目標パルス幅Pdは、予め制御装置20に記憶されている。
When the delay time Td is within the standard, in step S5, times t13, t23, and t33 (FIG. 6) for giving a laser oscillation stop trigger to the
ステップS6において、ステップS5で算出された時刻t13、t23、t33(図6)に、レーザ光源1に対してレーザ発振停止トリガを与える。これによりレーザパルスLp1、Lp2、Lp3が立ち下がる。
In step S6, a laser oscillation stop trigger is given to the
ステップS7(図5)において、加工終了か否かを判定する。未加工の被加工点が残っている場合には、次に加工すべき被加工点にレーザパルスが入射するように、ビーム走査器18を制御し、ステップS1に戻る。すべての被加工点の加工が完了した場合には、レーザ加工処理を終了する。
In step S7 (FIG. 5), it is determined whether or not the processing is finished. When an unprocessed processing point remains, the
図6に示した例において、トリガ時間幅Te1、Te2、Te3が同一になるように、タイミング制御を行うと、レーザパルスの立ち上がり時刻から立下り時刻までのパルス幅が、遅延時間Td1、Td2、Td3のばらつきの影響を受けて、ばらついてしまう。 In the example shown in FIG. 6, when the timing control is performed so that the trigger time widths Te1, Te2, Te3 are the same, the pulse width from the rising time to the falling time of the laser pulse becomes the delay time Td1, Td2, It varies due to the influence of variation in Td3.
上記実施例においては、レーザパルスの立ち上がる時刻t12、t22、t32(図6)を基準として、レーザ発振停止トリガをレーザ光源1に与える時刻t13、t23、t33(図6)が決定される。このため、レーザパルスのパルス幅Pdが、遅延時間Td1、Td2、Td3のばらつきの影響を受けない。従って、遅延時間Td1、Td2、Td3がばらついても、パルス幅Pdを一定にすることができる。その結果、パルスエネルギのばらつきも少なくなる。レーザパルスの立ち上がりの時刻t12、t22、t32から、レーザ発振停止トリガを与える時刻t13、t23、t33までの経過時間を一定にすると、パルスエネルギをほぼ均一にすることができる。
In the above embodiment, the times t13, t23, and t33 (FIG. 6) at which the laser oscillation stop trigger is given to the
パルス幅Pdは、予め制御装置20(図1)に記憶されているため、レーザパルスの立ち上がりを検出した後に、目標とするパルス幅を決定するための演算等を行う必要がない。レーザパルスの立ち上がり後の測定結果に基づいて、当該レーザパルスのパルス幅を決定するための演算を行う方法は、演算時間よりも短いパルス幅を持つレーザパルスを用いたレーザ加工に適用することができない。上記実施例においては、パルス幅を決定するための演算を行う必要がないため、パルス幅Pdが演算時間による制約を受けない。また、上記実施例では、レーザパルスの立ち上がり後の光エネルギ等を測定する必要はなく、レーザパルスの有無のみを検出すればよい。このため、高精度の光エネルギ測定を行うための測定時間を確保する必要もない。上述の理由により、上記実施例は、パルス幅Pdが短いレーザ加工、例えばパルス幅が数十μsより短いレーザ加工にも適用することが可能である。 Since the pulse width Pd is stored in advance in the control device 20 (FIG. 1), it is not necessary to perform an operation for determining a target pulse width after detecting the rising edge of the laser pulse. Based on the measurement result after the rise of the laser pulse, the method for performing the calculation for determining the pulse width of the laser pulse can be applied to laser processing using a laser pulse having a pulse width shorter than the calculation time. Can not. In the above embodiment, since it is not necessary to perform an operation for determining the pulse width, the pulse width Pd is not restricted by the operation time. In the above embodiment, it is not necessary to measure the light energy after the rise of the laser pulse, and it is only necessary to detect the presence or absence of the laser pulse. For this reason, it is not necessary to ensure the measurement time for performing a highly accurate optical energy measurement. For the above-described reasons, the above embodiment can be applied to laser processing with a short pulse width Pd, for example, laser processing with a pulse width shorter than several tens of μs.
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれら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。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
1 レーザ光源
10 レーザ発振器
11 駆動回路
12 スポット位置安定化光学系
13 非球面レンズ
14 コリメートレンズ
15 マスク
16 フィールドレンズ
17 折り返しミラー
18 ビーム走査器
19 fθレンズ
20 制御装置
21 部分反射鏡
22 光検出器
25 ステージ
30 加工対象物
40 送風機
41 放電電極
42 放電空間
43 導電部材
44 セラミック部材
46 熱交換器
50 チェンバ
51 端子
52 チェンバ内電流路
55 チェンバ外電流路
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記レーザ光源から出射されたレーザパルスを検出する光検出器と、
前記レーザ光源に前記レーザ発振開始トリガを与えるとともに、前記光検出器によるレーザパルスの検出時刻を基準として、前記レーザ光源に前記レーザ発振停止トリガを与える時刻を決定し、決定された時刻に前記レーザ発振停止トリガを前記レーザ光源に与える制御装置と
を有するレーザ加工装置。 A laser light source that starts laser oscillation in synchronization with a laser oscillation start trigger received from outside, and stops laser oscillation in synchronization with a laser oscillation stop trigger;
A photodetector for detecting a laser pulse emitted from the laser light source;
The laser oscillation start trigger is given to the laser light source, and the time to give the laser oscillation stop trigger to the laser light source is determined based on the detection time of the laser pulse by the photodetector, and the laser is determined at the determined time. A laser processing apparatus having a control device for giving an oscillation stop trigger to the laser light source;
前記レーザ光源から出射されたレーザパルスを光検出器が検出し、前記光検出器の検出結果に基づいて前記制御装置がレーザパルスの立ち上がり時刻を検出する工程と、
前記レーザパルスの立ち上がり時刻から、予め設定されている目標パルス幅に相当する時間が経過した時刻に、前記制御装置が前記レーザ光源に前記レーザ発振停止トリガを与える工程と
を有するレーザ加工方法。
In synchronization with the laser oscillation start trigger received from the controller starts laser oscillation, the laser light source to stop the laser oscillation in synchronization with the laser oscillation stop trigger, the steps of the control device gives the laser oscillation start trigger,
A step in which a photodetector detects a laser pulse emitted from the laser light source, and the control device detects a rising time of the laser pulse based on a detection result of the photodetector ;
A step of providing the laser light source with the laser oscillation stop trigger by the control device at a time when a time corresponding to a preset target pulse width has elapsed from a rise time of the laser pulse.
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