JP6239421B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームの経路を音響光学素子で少なくとも２つの経路に分岐させて、２軸でレーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。

下記の特許文献１に、レーザ光源から出力されたパルスレーザビームを、音響光学素子で２本の加工経路に分岐させ、２軸で加工を行うレーザ加工装置が開示されている。このレーザ加工装置においては、それぞれの加工経路を伝搬するパルスレーザビームのパルスエネルギと、許容下限値とを比較する。加工経路を伝搬するパルスレーザビームのパルスエネルギが許容下限値を下回る場合には、追加のショットを加工対象物に入射する。これにより、加工不良を防止することができる。

特開２００９−１４８８１２号公報

２つの加工経路に出力されるパルスレーザビームの平均パワーは、音響光学素子へのレーザビームの入射角に依存する。レーザ加工装置の調整時に、２つの加工経路に出力されるパルスレーザビームの平均パワーが等しくなるように、音響光学素子へのパルスレーザビームの入射角が調整される。ところが、レーザ発振器の使用条件（例えば周波数やパルス幅）、及び環境条件（例えば水温や気温）によって、パルスレーザビームの出射方向が変動する。このため、音響光学素子への入射角を一定に維持することが困難である。入射角が変動すると、２つの加工経路に出力されるパルスレーザビームの平均パワーに差が生じてしまう。

本発明の目的は、２つの加工経路に出力されるパルスレーザビームの平均パワーのずれを、容易に解消することが可能なレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザビームを出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザビームを、第１の加工経路及び第２の加工経路の一方の経路に出力する音響光学素子と、
前記第１の加工経路に出力された前記レーザビームのパワーまたはエネルギを測定する第１の測定器と、
前記第２の加工経路に出力された前記レーザビームのパワーまたはエネルギを測定する第２の測定器と、
前記音響光学素子への前記レーザビームの入射角が変化するように、前記音響光学素子の姿勢を変化させる姿勢調整機構と、
前記第１の測定器及び前記第２の測定器の測定結果に基づいて、前記姿勢調整機構を制御するとともに、前記第１の加工経路及び前記第２の加工経路のうち、前記レーザビームを出力させる経路を前記音響光学素子に指令する制御装置と
を有するレーザ加工装置が提供される。

第１の測定器及び第２の測定器の測定結果の差に基づいて、制御装置が姿勢調整機構を制御することにより、第１の加工経路及び第２の加工経路に出力されるレーザビームの平均パワーのずれを容易に解消することができる。

図１は、実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図２Ａは、音響光学素子と、パルスレーザビームの経路との関係を示す図であり、図２Ｂは、各経路を伝搬するパルスレーザビームの波形の一例を示すグラフである。 図３は、音響光学素子へのパルスレーザビームの入射角θと、第１の加工経路及び第２の加工経路に出力されたパルスレーザビームの平均パワーとの関係を示すグラフである。 図４は、実施例によるレーザ加工装置の音響光学素子の姿勢を調整する手順のフローチャートである。

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１０からパルスレーザビームが出力される。レーザ光源１０には、例えば炭酸ガスレーザが用いられる。レーザ光源１０から出力されたパルスレーザビームが、ビームエキスパンダ１１、及びアパーチャ１２を透過して、音響光学素子１４に入射する。

ビームエキスパンダ１１は、パルスレーザビームの広がり角及びビーム径を変化させる。アパーチャ１２は、パルスレーザビームのビーム断面を整形する。

音響光学素子１４は、入射したパルスレーザビームを、ダンパ経路２０、第１の加工経路２１Ａ、及び第２の加工経路２１Ｂから選択された１つの経路に出力する。制御装置４０が、ダンパ経路２０、第１の加工経路２１Ａ、及び第２の加工経路２１Ｂのうちパルスレーザビームを出力すべき経路を音響光学素子１４に指令する。ダンパ経路２０に出力されたパルスレーザビームＬＢ３は、ビームダンパ２５に入射する。

第１の加工経路２１Ａに出力されたパルスレーザビームＬＢ１は、第１の導光光学系３０Ａを経由して、第１の加工対象物５５Ａに入射する。第２の加工経路２１Ｂに出力されたパルスレーザビームＬＢ２は、第２の導光光学系３０Ｂを経由して、第２の加工対象物５５Ｂに入射する。第１の導光光学系３０Ａと第２の導光光学系３０Ｂとは、同一の構成を有する。

第１の加工対象物５５Ａ及び第２の加工対象物５５Ｂは、例えば穴あけ加工が行われていないプリント基板である。プリント基板にパルスレーザビームＬＢ１、ＬＢ２を入射させることにより、穴あけ加工が行われる。第１の加工対象物５５Ａは、第１のステージ５０Ａに保持されており、第２の加工対象物５５Ｂは、第２のステージ５０Ｂに保持されている。第１のステージ５０Ａは、第１の加工対象物５５Ａを、その表面に平行な二次元方向に移動させることができる。第２のステージ５０Ｂは、第２の加工対象物５５Ｂを、その表面に平行な二次元方向に移動させることができる。

第１の導光光学系３０Ａは、折り返しミラー３１Ａ、ビーム走査器３２Ａ、及び対物レンズ３３Ａを含む。音響光学素子１４から第１の加工経路２１Ａに出力されたパルスレーザビームＬＢ１は、折り返しミラー３１Ａで反射し、ビーム走査器３２Ａに入射する。ビーム走査器３２Ａは、パルスレーザビームＬＢ１の進行方向を二次元方向に振る。ビーム走査器３２Ａには、例えば一対のガルバノスキャナが用いられる。

ビーム走査器３２Ａを通過したパルスレーザビームＬＢ１は、対物レンズ３３Ａを透過して第１の加工対象物５５Ａに入射する。対物レンズ３３Ａには、例えばｆθレンズが用いられる。対物レンズ３３Ａによって、アパーチャ１２の開口部が第１の加工対象物５５Ａの表面に縮小投影される。ビーム走査器３２Ａを動作させることにより、第１の加工対象物５５Ａの表面において、パルスレーザビームＬＢ１の入射位置を移動させることができる。

第１のステージ５０Ａ及び第２のステージ５０Ｂに、それぞれ第１の測定器５１Ａ及び第２の測定器５１Ｂが取り付けられている。第１のステージ５０Ａ及びビーム走査器３２Ａを動作させることにより、パルスレーザビームＬＢ１を第１の測定器５１Ａに入射させることができる。同様に、第２のステージ５０Ｂ及びビーム走査器３２Ｂを動作させることにより、パルスレーザビームＬＢ２を第２の測定器５１Ｂに入射させることができる。第１の測定器５１Ａ及び第２の測定器５１Ｂには、例えばパルスレーザビームの平均パワーを測定するパワーメータが用いられる。

第２の導光光学系３０Ｂの構成は、第１の導光光学系３０Ａと同一であり、折り返しミラー３１Ｂ、ビーム走査器３２Ｂ、及び対物レンズ３３Ｂを含む。

図２Ａに、音響光学素子１４と、パルスレーザビームの経路との関係を示す。音響光学素子１４に、アパーチャ１２（図１）を透過したパルスレーザビームＬＢ０が入射する。音響光学素子１４へのパルスレーザビームＬＢ０の入射角をθで表す。音響光学素子１４は、制御装置４０から制御されることにより、入射したパルスレーザビームＬＢ０を、ダンパ経路２０、第１の加工経路２１Ａ、及び第２の加工経路２１Ｂから選択された１つの経路に出力する。

姿勢調整機構１５が、制御装置４０から制御されて、入射角θが変化する向きに音響光学素子１４の姿勢を変化させる。

図２Ｂに、音響光学素子１４に入射するパルスレーザビームＬＢ０、第１の加工経路２１Ａに出力されるパルスレーザビームＬＢ１、第２の加工経路２１Ｂに出力されるパルスレーザビームＬＢ２、及びダンパ経路２０に出力されるパルスレーザビームＬＢ３の波形の一例を示す。

時刻ｔ１において、パルスレーザビームＬＢ０が立ち上がる。この時点では、音響光学素子１４は、入射するパルスレーザビームＬＢ０をダンパ経路２０に出力する状態に設定されている。時刻ｔ２において、パルスレーザビームが第１の加工経路２１Ａに出力されるように、制御装置４０が音響光学素子１４に指令を送出する。これにより、第１の加工経路２１Ａに出力されるパルスレーザビームＬＢ１が立ち上がる。同時に、ダンパ経路２０に出力されていたパルスレーザビームＬＢ３が立ち下がる。

時刻ｔ３において、パルスレーザビームが第２の加工経路２１Ｂに出力されるように、制御装置４０が音響光学素子１４に指令を送出する。これにより、第２の加工経路２１Ｂに出力されるパルスレーザビームＬＢ２が立ち上がる。同時に、第１の加工経路２１Ａに出力されていたパルスレーザビームＬＢ１が立ち下がる。

時刻ｔ４において、パルスレーザビームがダンパ経路２０に出力されるように、制御装置４０が音響光学素子１４に指令を送出する。これにより、ダンパ経路２０に出力されるパルスレーザビームＬＢ３が立ち上がる。同時に、第２の加工経路２１Ｂに出力されていたパルスレーザビームＬＢ２が立ち下がる。

図２Ｂに示したように、レーザ光源１０（図１）から出力されたパルスレーザビームＬＢ０の１つのレーザパルスから、パルスレーザビームＬＢ１、ＬＢ２を構成する２つのレーザパルスを切り出し、それぞれ第１の加工対象物５５Ａ及び第２の加工対象物５５Ｂに入射させることができる。音響光学素子１４を切り替えるタイミングを調整することにより、パルスレーザビームＬＢ１、ＬＢ２のパルス幅を調整することができる。

図３に、音響光学素子１４（図２）へのパルスレーザビームＬＢ０の入射角θと、第１の加工経路２１Ａ及び第２の加工経路２１Ｂに出力されたパルスレーザビームＬＢ１、ＬＢ２の平均パワーとの関係を示す。横軸は、入射角θを表し、縦軸はパルスレーザビームＬＢ１、ＬＢ２の平均パワーを表す。なお、パルスレーザビームＬＢ１とＬＢ２とのパルス幅は同一である。パルスレーザビームＬＢ１、ＬＢ２の平均パワーは、第１の測定器５１Ａ及び第２の測定器５１Ｂで測定することができる。

入射角θが目標値θ_０に一致するとき、パルスレーザビームＬＢ１、ＬＢ２の平均パワーが最大になる。両者の最大値はほぼ等しい。入射角θが目標値θ_０からずれると、パルスレーザビームＬＢ１及びＬＢ２の平均パワーが低下する。ただし、両者の低下の程度は異なる。このため、パルスレーザビームＬＢ１とＬＢ２との平均パワーに差が生じてしまう。

図４に、実施例によるレーザ加工装置の音響光学素子１４の姿勢を調整する手順のフローチャートを示す。ステップＳ１において、レーザ光源１０から出力されるパルスレーザビームが第１の測定器５１Ａ及び第２の測定器５１Ｂに入射するように、ビーム走査器３２Ａ、３２Ｂ、及び第１のステージ５０Ａ、第２のステージ５０Ｂを制御する。

ステップＳ２において、レーザ光源１０からパルスレーザビームＬＢ０を出力する。ステップＳ３において、図２Ｂに示したように、パルスレーザビームＬＢ０から一部分を切り出し、第１の加工経路２１Ａ及び第２の加工経路２１Ｂに、それぞれパルスレーザビームＬＢ１、ＬＢ２を出力する。ステップＳ４において、第１の測定器５１Ａ及び第２の測定器５１Ｂで、それぞれパルスレーザビームＬＢ１、ＬＢ２の平均パワーを測定する。測定結果が、制御装置４０（図１）に入力される。

ステップＳ５において、パルスレーザビームＬＢ１及びパルスレーザビームＬＢ２の平均パワーの差（２軸の平均パワーの差）を算出する。平均パワーの差が許容上限値以下であるか否かを判定する。２軸の平均パワーの差が許容上限値を超えている場合には、ステップＳ６において、制御装置４０が姿勢調整機構１５（図２）を制御することにより、音響光学素子１４の姿勢を調整する。具体的には、音響光学素子１４へのパルスレーザビームＬＢ０の入射角θを増減させる。例えば、入射角θの変化角は、予め決められている。入射角θを増加させるか減少させるか決められない場合には、増加か減少かのいずれかを任意に選択する。

音響光学素子１４の姿勢を調整した後、ステップＳ４に戻って、パルスレーザビームＬＢ１、ＬＢ２の平均パワーを再測定する。

ステップＳ５において、平均パワーの差が許容上限値以下であると判定された場合には、音響光学素子１４の姿勢の調整手順を終了する。

一般的に、音響光学素子１４の姿勢を変化させるときの入射角θの変化量は、高々０．１°である。このため、音響光学素子１４の姿勢を調整しても、第１の加工経路２１Ａ及び第２の加工経路２１Ｂの方向は、殆ど変化しない。従って、音響光学素子１４の姿勢を変化させても、音響光学素子１４より後段の光学系の光軸を再調整する必要はない。

図３に示したように、２軸の平均パワーの差は、入射角θの目標値θ_０からのずれ量に依存する。２軸の平均パワーの差と、入射角θの目標値θ_０からのずれ量との対応関係を予め求めておいてもよい。この対応関係が制御装置４０に記憶される。制御装置４０は、ステップＳ６（図４）において、２軸の平均パワーの差と、この対応関係とから、音響光学素子１４の入射角の修正量を推定することができる。

上記実施例では、第１の加工経路２１Ａに出力されるパルスレーザビームＬＢ１と、第２の加工経路２１Ｂに出力されるパルスレーザビームＬＢ２との平均パワーを自動的に一致させることができる。このため、２軸の平均パワーの差が許容上限値を超えた時の再調整時間を短縮し、生産性の低下を回避することができる。

上記実施例では、第１の測定器５１Ａ及び第２の測定器５１Ｂで、それぞれパルスレーザビームＬＢ１、ＬＢ２の平均パワーを測定した。平均パワーに代えて、１パルスあたりのエネルギを測定してもよい。この場合には、１パルスあたりのエネルギの差に基づいて、音響光学素子１４の姿勢を調整すればよい。

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。

１０ レーザ光源
１１ ビームエキスパンダ
１２ アパーチャ
１４ 音響光学素子
１５ 姿勢調整機構
２０ ダンパ経路
２１Ａ 第１の加工経路
２１Ｂ 第２の加工経路
２５ ビームダンパ
３０Ａ 第１の導光光学系
３０Ｂ 第２の導光光学系
３１Ａ、３１Ｂ 折り返しミラー
３２Ａ、３２Ｂ ビーム走査器
３３Ａ、３３Ｂ 対物レンズ
４０ 制御装置
５０Ａ 第１のステージ
５０Ｂ 第２のステージ
５１Ａ 第１の測定器
５１Ｂ 第２の測定器
５５Ａ 第１の加工対象物
５５Ｂ 第２の加工対象物

Claims (3)

1. レーザビームを出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたレーザビームを、第１の加工経路及び第２の加工経路の一方の経路に出力する音響光学素子と、
   前記第１の加工経路に出力された前記レーザビームのパワーまたはエネルギを測定する第１の測定器と、
   前記第２の加工経路に出力された前記レーザビームのパワーまたはエネルギを測定する第２の測定器と、
   前記音響光学素子への前記レーザビームの入射角が変化するように、前記音響光学素子の姿勢を変化させる姿勢調整機構と、
   前記第１の測定器及び前記第２の測定器の測定結果に基づいて、前記姿勢調整機構を制御するとともに、前記第１の加工経路及び前記第２の加工経路のうち、前記レーザビームを出力させる経路を前記音響光学素子に指令する制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記制御装置は、第１の測定器の測定結果と、前記第２の測定器の測定結果との差が許容上限値を超えたら、前記許容上限値より小さくなるまで前記音響光学素子の姿勢を変化させる請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. さらに、
   前記第１の加工経路に出力された前記レーザビームが入射する位置に第１の加工対象物を保持する第１のステージと、
   前記第１の加工対象物の表面において、前記第１の加工経路に出力された前記レーザビームの入射位置を移動させる第１のビーム走査器と、
   前記第２の加工経路に出力された前記レーザビームが入射する位置に第２の加工対象物を保持する第２のステージと、
   前記第２の加工対象物の表面において、前記第２の加工経路に出力された前記レーザビームの入射位置を移動させる第２のビーム走査器と
   を有し、
   前記第１の測定器が、前記第１のステージに取り付けられており、
   前記第２の測定器が、前記第２のステージに取り付けられている請求項１または２に記載のレーザ加工装置。

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