JP6415357B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。
レーザで穴あけ加工を行う場合、ガルバノスキャナでレーザビームを二次元方向に振ることにより、被加工点にレーザビームを入射させる。1つの被加工点にレーザビームが入射した後、ガルバノスキャナを動作させて、レーザビームの入射位置を次の被加工点まで移動させる。ガルバノスキャナが次の被加工点に位置決めされたことを契機として、パルスレーザビームが出力される。被加工点の間隔が一定でない場合、入射位置を次の被加工点まで移動させるための所要時間も一定ではない。このため、レーザ光源から出力されるパルスレーザビームのパルスの繰り返し周波数(以下、単に「周波数」という。)にばらつきが生じる。パルスレーザビームの周波数がばらつくと、パルスエネルギもばらついてしまう。
下記の特許文献1に、パルスエネルギのばらつきを抑制したレーザ加工装置が開示されている。特許文献1に開示されたレーザ加工装置においては、レーザ光源から一定の周波数でパルスレーザビームが出力される。ガルバノスキャナの位置決めが完了するまでの期間、スイッチング素子によってパルスレーザビームが一時的に遮断される。ガルバノスキャナの位置決め完了後にスイッチング素子を開くことにより、パルスレーザビームを加工対象物に入射させる。
レーザ光源から一定の繰り返し周波数でパルスレーザビームが出力されるため、繰り返し周波数の変動に起因するパルスエネルギの変動が抑制される。その結果、高品質な加工を行なうことが可能になる。
特開2011−56521号公報
特許文献1に開示されたレーザ加工装置においては、パルスレーザビームが一定の周波数で出力されているため、ガルバノスキャナの位置決めが完了した直後に次のパルスが出力されるとは限らない。ガルバノスキャナの位置決め完了時点から、次のパルスが出力されるまで、待ち時間が発生する。このため、加工時間が長くなってしまう。
本発明の目的は、パルスエネルギのばらつきを抑制しつつ、加工時間の長大化も抑制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、
出力指令信号に応じてパルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
加工対象物を保持するステージと、
前記レーザ光源と前記加工対象物との間の、前記パルスレーザビームの経路に配置され、移動指令信号を受信すると、前記加工対象物の表面において前記パルスレーザビームの入射位置を移動させ、移動が完了すると位置決め完了信号を送出するビーム偏向器と、
前記レーザ光源から出力された前記パルスレーザビームが前記ビーム偏向器に入射する開状態と、前記ビーム偏向器に入射しない閉状態とを切り替える切替器と、
前記レーザ光源、前記ビーム偏向器、及び前記切替器を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記ビーム偏向器に前記移動指令信号を送出してから、前記ビーム偏向器から前記位置決め完了信号を受信するまでの期間、前記切替器を前記閉状態とし、一定の第1の繰り返し周波数で前記レーザ光源に前記出力指令信号を送出し、
前記ビーム偏向器から前記位置決め完了信号を受信すると、直前の前記出力指令信号から次の前記出力指令信号までの第2の繰り返し周波数を、前記第1の繰り返し周波数以上の第1の周波数変動範囲内から選択し、
前記第2の繰り返し周波数で、次の前記出力指令信号を前記レーザ光源に送出することにより、高品質加工モードで加工を行なう機能を持つレーザ加工装置が提供される。
ビーム偏向器の動作状態に関わらず、一定の繰り返し周波数でパルスレーザビームを出力する場合に比べて、ビーム偏向器の位置決め完了から、次のレーザパルスの出力までの待ち時間を短くすることができる。これにより、加工時間の短縮を図ることが可能になる。
ビーム偏向器の動作期間中に、出力指令信号を送出しない場合に比べて、パルスレーザビームの繰り返し周波数の変動が抑制される。このため、パルスエネルギのばらつきを小さくすることができる。
図1は、実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図2は、パルスの繰り返し周波数とパルスエネルギとの関係、及び加工モードが通常加工モードSTD、高品質加工モードHQ、及び最高品質加工モードSHQのときの周波数変動範囲を示すグラフである。 図3は、最高品質加工モードSHQで加工を行なうときの各種信号のタイミングチャートである。 図4は、高品質加工モードHQで加工を行なうときの各種信号のタイミングチャートである。 図5は、通常加工モードSTDで加工を行なうときの各種信号のタイミングチャートである。
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が制御装置20から出力指令信号sig1を受信すると、パルスレーザビームL1を出力する。出力指令信号sig1はパルス信号であり、出力指令信号sig1の1つのパルスに対応して、パルスレーザビームL1の1つのレーザパルスが出力される。レーザ光源10には、例えば炭酸ガスレーザ、Nd:YAGレーザ等が用いられる。
レーザ光源10から出力されたパルスレーザビームL1は、切替器11、折り返しミラー12、ビーム偏向器13、fθレンズ14を経由して、加工対象物30に入射する。加工対象物30はXYステージ15に保持されている。切替器11は、制御装置20から切替信号sig2を受信することにより、開状態と閉状態とを切り替える。切替器11が開状態のときは、入射したパルスレーザビームL1を折り返しミラー12に入射させる。すなわち、開状態のときには、レーザビームが加工対象物30に入射する。切替器11が閉状態のときは、入射したパルスレーザビームL1をビームダンパ16に入射させる。すなわち、閉状態のときには、パルスレーザビームは加工対象物に入射しない。切替器11には、音響光学素子(AOM)、音響光学偏向素子(AOD)等を用いることができる。
fθレンズ14は、パルスレーザビームを、加工対象物30の表面に集光させる。パルスレーザビームの経路上にビーム断面整形用のマスクを配置し、マスクを加工対象物30の表面に結像させて加工を行うマスクイメージング法を採用してもよいし、ビームウエストの位置で加工を行う方法を採用してもよい。
ビーム偏向器13は、制御装置20から移動指令信号sig3を受信すると、加工対象物30の表面において、パルスレーザビームの入射位置が移動するように、パルスレーザビームの進行方向を変化させる。パルスレーザビームの入射位置情報は、移動指令信号sig3で与えられる。ビーム偏向器13の位置決めが完了すると、ビーム偏向器13から制御装置20に位置決め完了信号sig4が送出される。ビーム偏向器13には、例えば一対の可動ミラーを含むガルバノスキャナを用いることができる。
XYステージ15は、制御装置20から移動指令信号sig5を受けて、加工対象物30を移動させる。移動が完了すると、XYステージ15から制御装置20に移動完了信号sig6が送出される。レーザ加工時には、加工対象物30を静止させた状態で、ビーム偏向器13を動作させることにより、ビーム偏向器13で走査可能な範囲内の加工を行う。XYステージ15による加工対象物30の移動と、ビーム偏向器13の動作による走査可能範囲内の加工とを交互に繰り返すことにより、加工対象物30の表面の全域を加工することができる。
制御装置20は、種々の加工モードを記憶する記憶部21を含む。記憶部21は、加工対象物30の表面に画定されている被加工点の位置情報(例えば、座標等)、及び被加工点の加工順を記憶する。さらに、出力指令信号sig1を送出する周波数情報(例えば出力指令信号sig1の繰り返し周波数の変動範囲)を記憶する。また、記憶部21は、切替器11を開状態にしておく時間幅を記憶する。
オペレータが入力装置25を操作することにより、入力装置25から制御装置20に、加工モードを指令するコマンドが入力される。加工モードには、例えば通常加工モードSTD、高品質加工モードHQ、及び最高品質加工モードSHQが含まれる。これらの加工モードの間で、レーザ光源10から出力されるパルスレーザビームL1の周波数の変動範囲が異なる。
図2に、パルスレーザビームの周波数とパルスエネルギとの関係、及び加工モードが通常加工モードSTD、高品質加工モードHQ、及び最高品質加工モードSHQのときの周波数変動範囲を示す。図2に示したグラフの横軸はパルスレーザビームの周波数を表し、縦軸はパルスエネルギを表す。通常加工モードSTDで加工するとき、パルスレーザビームの周波数は、下限周波数f1から上限周波数f4までの周波数変動範囲18内から選択される。高品質加工モードHQで加工するとき、パルスレーザビームの周波数は下限周波数f2から上限周波数f4までの周波数変動範囲17内から選択される。高品質加工モードHQの周波数変動範囲17は、通常加工モードSTDの周波数変動範囲18より狭い。最高品質加工モードSHQで加工するとき、パルスレーザビームの周波数は基準周波数f3に固定される。
パルスエネルギは、パルスの繰り返し周波数が高くなるに従って低下する傾向を示す。最高品質加工モードSHQで加工する場合、パルスレーザビームの周波数が一定であるため、パルスエネルギもほぼ一定に維持される。高品質加工モードHQで加工するとき、及び通常加工モードSTDで加工するとき、それぞれパルスレーザビームの周波数が周波数変動範囲17、18内で変動し得る。パルスレーザビームの周波数が変動すると、パルスエネルギも変動する。ただし、高品質加工モードHQにおける周波数の変動幅が、通常加工モードにおける周波数の変動幅より狭い。このため、高品質加工モードHQで加工するときのパルスエネルギのばらつきが、通常加工モードで加工するときのパルスエネルギのばらつきより小さい。
図3に、最高品質加工モードSHQで加工を行なうときの各種信号のタイミングチャートを示す。図3のタイミングチャートに、上から順番に、出力指令信号sig1、レーザ光源10から出力されるパルスレーザビームL1、切替器11よりも後方のパルスレーザビームL2、切替信号sig2、位置決め完了信号sig4、移動指令信号sig3、XYステージ15からの移動完了信号sig6、及びXYステージ15への移動指令信号sig5が示されている。
切替信号sig2の立ち上がりに同期して、切替器11が開状態になり、立ち下がりに同期して、切替器11が閉状態になる。位置決め完了信号sig4の立ち上がりが、ビーム偏向器13の動作開始(ガルバノスキャナの可動ミラーの回転開始)に対応し、立ち下がりが、ビーム偏向器13の位置決め完了に対応する。具体的には、ビーム偏向器13が整定されると(ガルバノスキャナの可動ミラーの回転方向の現在位置と目標位置との誤差が許容範囲内に収まり、可動ミラーがほぼ静止すると)、位置決め完了信号sig4が立ち下がる。すなわち、位置決め完了信号sig4の立ち下りにより、ビーム偏向器13の位置決め完了が制御装置20に通知される。本明細書において、位置決め完了信号sig4を立ち下げる制御を、「位置決め完了信号sig4の送出」という。
XYステージ15の移動完了信号sig6の立ち上がりが、XYステージ15の移動開始に対応する。XYステージ15が整定されると、移動完了信号sig6が立ち下がる。すなわち、移動完了信号sig6の立下りにより、XYステージ15の移動完了が通知される。移動指令信号sig5により、移動先の位置情報が、制御装置20からXYステージ15に指令される。
レーザ加工装置が起動され、オペレータから加工の開始が指示されると、制御装置20は、図2に示した一定の基準周波数f3でレーザ光源10に出力指令信号sig1を送出する。オペレータによる加工の開始の指示は、例えば加工開始ボタン等の押下により行われる。レーザ光源10は、出力指令信号sig1の受信に同期して、パルスレーザビームL1を出力する。
制御装置20からXYステージ15に移動指令信号sig5が送出されると(時刻t1)、XYステージ15の移動が開始される。XYステージ15の移動が完了すると(時刻t2)、移動完了信号sig6が立ち下がる。これにより、制御装置20に移動完了が通知される。制御装置20は、XYステージ15から移動完了の通知を受けると、パルスレーザビームの入射位置を最初の被加工点まで移動させる移動指令信号sig3を、ビーム偏向器13に送出する。
ビーム偏向器13の位置決めが完了すると(時刻t3)、位置決め完了信号sig4がビーム偏向器13から制御装置20に送出される。制御装置20は、ビーム偏向器13からの位置決め完了信号sig4を受信するまでは、切替器11を閉状態のままにしておく。このため、レーザ光源10から出力されたパルスレーザビームL1は、ビームダンパ16に入射する。この期間は、パルスレーザビームL2が現れない。
制御装置20は、位置決め完了信号sig4を受信すると、次の出力指令信号sig1に対応するパルスレーザビームL1のレーザパルスP1のパルス幅内の少なくとも一部分において、切替器11を開状態にする(時刻t4)。これにより、レーザパルスP1の少なくとも一部分が加工対象物30に入射する。例えば、レーザパルスP1が出力されている期間の一部の期間において、切替器11を開状態にすることにより、レーザパルスP1から一部分が切り出される。切り出されたレーザパルスP2が加工対象物30に入射する。レーザパルスP1のパルス幅の全期間において切替器11を開状態にすると、レーザパルスP1がそのまま加工対象物30に入射する。図3では、レーザパルスP1の中央部を切り出してレーザパルスP2が形成された例が示されている。
制御装置20は、レーザパルスP1の次のレーザパルスP3が出力される前に、切替器11を閉状態にする。切替器11が閉状態になった後、ビーム偏向器13に移動指令信号sig3を送出する(時刻t5)ことにより、パルスレーザビームの入射位置を次の被加工点まで移動させる。ビーム偏向器13の位置決めが完了すると(時刻t6)、次に出力されるレーザパルスP3の少なくとも一部分を、加工対象物30に入射させる。
以後、同様に、ビーム偏向器13の位置決めが完了した直後に出力されるレーザパルスの少なくとも一部分を、加工対象物30に入射させる。
最高品質加工モードSHQにおいては、レーザ光源10が一定の基準周波数f3で励振される。このため、パルスエネルギを一定に維持することができる。ただし、ビーム偏向器13の位置決めが完了(時刻t3)してから、次のレーザパルスP1が出力されるまで、待ち時間Twが発生してしまう。
図4に、高品質加工モードHQで加工を行なうときの各種信号のタイミングチャートを示す。図4では、図3の移動指令信号sig5及び移動完了信号sig6の記載が省略されている。
ビーム偏向器13に移動指令信号sig3が送出されてから、位置決めが完了するまでの期間(時刻t10からt11までの期間、時刻t12からt13までの期間、時刻t14からt15までの期間)は、切替器11が閉状態にされている。この期間に送出される出力指令信号sig1と、直前に送出された出力指令信号sig1との間隔に相当する周波数f5は、例えば、最高品質加工モードSHQで適用された一定の基準周波数f3と同一である。なお、周波数f5と基準周波数f3とは、必ずしも同一にする必要はない。周波数f5として、高品質加工モードHQの周波数変動範囲17(図2)内から選択すればよい。
ビーム偏向器13の位置決めが完了(時刻t11、t13、t15)すると、制御装置20は、直前の出力指令信号sig1から次の出力指令信号sig1までの周波数を、高品質加工モードHQ時における周波数変動範囲17(図2)内から選択する。
位置決めが完了した時刻t11においては、直前の出力指令信号sig1から次の出力指令信号sig1までの周期に相当する周波数として、周波数変動範囲17(図2)の上限周波数f4が選択される。位置決めが完了した時刻t13、t15においては、直前の出力指令信号sig1を出力してからの経過時間が、上限周波数f4に相当する周期を超えている。このため、直前の出力指令信号sig1から次の出力指令信号sig1までの周波数として、上限周波数f4を選択することができない。この場合は、直前の出力指令信号sig1の出力時刻から、位置決めが完了した時刻t13、t15までの経過時間に対応する周波数f6、f7が選択される。周波数f6、f7は、高品質加工モードHQの周波数変動範囲17(図2)の下限周波数f2と等しいか、下限周波数f2より高く、かつ、上限周波数f4より低い。すなわち、直前の出力指令信号sig1から、次の出力指令信号sig1までの周波数が最も高くなる条件を満たすように、周波数変動範囲17(図2)内から周波数が選択される。
最高品質加工モードSHQで加工を行う場合のように、出力指令信号sig1を、常時一定の周波数f5で出力すると、ビーム偏向器13の位置決めが完了した時刻t11、t13、t15の後、破線で示すように、周波数f5に相当する周期が経過した時点で出力指令信号sig1が送出される。このため、位置決め完了時点(時刻t11、t13、t15)から、出力指令信号sig1を送出するまでに、待ち時間が必要になる。
高品質加工モードHQでは、時刻t11の後、直前の出力指令信号sig1を送出してから一定の周波数f5の周期に対応する時間が経過する前に、上限周波数f4に対応する周期が経過した時点で出力指令信号sig1が出力される。位置決めが完了した時刻t13、t15の後は、実質的に待ち時間が設定されることなく、直ちに出力指令信号sig1が出力される。このため、高品質加工モードHQにおいては、最高品質加工モードSHQに比べて、ビーム偏向器13の位置決め完了からパルスレーザビームL1を出力するまでの待ち時間を短くすることができる。
図5に、通常加工モードSTDで加工を行なうときの各種信号のタイミングチャートを示す。図5では、図3の移動指令信号sig5及び移動完了信号sig6の記載が省略されている。
通常加工モードSTDにおいては、制御装置20がビーム偏向器13に移動指令信号sig3を送出し、ビーム偏向器13から位置決め完了信号sig4を受信するまでの期間(t21からt22までの期間、t23からt24までの期間、t25からt26までの期間)、出力指令信号sig1が出力されない。制御装置20は、位置決め完了信号sig4を受信したことを契機に、レーザ光源10に出力指令信号sig1を送出する(時刻t22、t24、t26)。
さらに、制御装置20は、切替器11に切替信号sig2を送出して切替器11を開状態にすることにより、パルスレーザビームL1の各レーザパルスの少なくとも一部分を加工対象物30に入射させる。
通常加工モードSTDでは、ビーム偏向器13の位置決めが完了すると、実質的に待ち時間なしで、レーザ光源10に出力指令信号sig1が送出される。ただし、ビーム偏向器13の位置決め所要時間のばらつきの影響を受けて、パルスレーザビームL1の周波数がばらつく。このため、高品質加工モードHQに比べて、パルスエネルギのばらつきが大きくなる。
最高品質加工モードSHQは、パルスエネルギのばらつきが最も小さいが、加工時間が長いという特徴を有する。通常加工モードSTDは、加工時間が短いが、パルスエネルギのばらつきが大きいという特徴を有する。高品質加工モードHQは、パルスエネルギのばらつきをある程度抑制しつつ、加工時間の長大化も抑制することができるという特徴を有する。加工対象物に求められる加工品質に応じて、通常加工モードSTD、高品質加工モードHQ、及び最高品質加工モードSHQから最も適した加工モードを選択することが可能である。
上記実施例によるレーザ加工装置は、最高品質加工モードSHQ、高品質加工モードHQ、及び通常加工モードSTDのいずれかの加工モードで加工を行う機能を持つ。実施例によるレーザ加工装置は、高品質加工モードHQのみで加工を行う機能を持つ構成としてもよいし、高品質加工モードHQと、他の1つの加工モードのいずれかで加工を行う機能を持つ構成としてもよい。
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 切替器
12 折り返しミラー
13 ビーム偏向器
14 fθレンズ
15 XYステージ
16 ビームダンパ
17 高品質加工モード時における周波数変動範囲
18 通常加工モード時における周波数変動範囲
20 制御装置
21 記憶部
25 入力装置
30 加工対象物
SHQ 最高品質加工モード
HQ 高品質加工モード
STD 通常加工モード
sig1 出力指令信号
sig2 切替信号
sig3 移動指令信号
sig4 位置決め完了信号
sig5 移動指令信号
sig6 移動完了信号

Claims (6)

  1. 出力指令信号に応じてパルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
    加工対象物を保持するステージと、
    前記レーザ光源と前記加工対象物との間の、前記パルスレーザビームの経路に配置され、移動指令信号を受信すると、前記加工対象物の表面において前記パルスレーザビームの入射位置を移動させ、移動が完了すると位置決め完了信号を送出するビーム偏向器と、
    前記レーザ光源から出力された前記パルスレーザビームが前記ビーム偏向器に入射する開状態と、前記ビーム偏向器に入射しない閉状態とを切り替える切替器と、
    前記レーザ光源、前記ビーム偏向器、及び前記切替器を制御する制御装置と
    を有し、
    前記制御装置は、
    前記ビーム偏向器に前記移動指令信号を送出してから、前記ビーム偏向器から前記位置決め完了信号を受信するまでの期間、前記切替器を前記閉状態とし、一定の第1の繰り返し周波数で前記レーザ光源に前記出力指令信号を送出し、
    前記ビーム偏向器から前記位置決め完了信号を受信すると、直前の前記出力指令信号から次の前記出力指令信号までの第2の繰り返し周波数を、前記第1の繰り返し周波数以上の第1の周波数変動範囲内から選択し、
    前記第2の繰り返し周波数で、次の前記出力指令信号を前記レーザ光源に送出することにより、高品質加工モードで加工を行なう機能を持つレーザ加工装置。
  2. 前記制御装置は、前記第2の繰り返し周波数を選択するときに、直前の前記出力指令信号から次の前記出力指令信号までの繰り返し周波数が最も高くなる条件を満たすように、前記第2の繰り返し周波数を選択する請求項1に記載のレーザ加工装置。
  3. さらに、加工モードを指令するコマンドを入力する機能を持つ入力装置を有し、
    入力された前記コマンドが前記高品質加工モードを指令しているとき、前記制御装置は、前記高品質加工モードで加工を行なう請求項1または2に記載のレーザ加工装置。
  4. 入力された前記コマンドが通常加工モードを指令しているとき、前記制御装置は、
    前記ビーム偏向器に前記移動指令信号を送出し、前記ビーム偏向器から前記位置決め完了信号を受信するまでの期間、前記出力指令信号を送出せず、
    前記ビーム偏向器から前記位置決め完了信号を受信したことを契機に、前記出力指令信号を前記レーザ光源に送出することにより、前記通常加工モードで加工を行なう請求項3に記載のレーザ加工装置。
  5. 入力された前記コマンドが最高品質加工モードを指令しているとき、前記制御装置は、
    前記レーザ光源に、一定の第3の繰り返し周波数で前記出力指令信号を送出している期間に、前記ビーム偏向器から前記位置決め完了信号を受信すると、次の前記出力指令信号に対応する前記パルスレーザビームのレーザパルスのパルス幅内の少なくとも一部分において、前記切替器を前記開状態にすることにより、前記最高品質加工モードで加工を行う請求項3または4に記載のレーザ加工装置。
  6. 前記第3の繰り返し周波数は、前記第1の繰り返し周波数と同一である請求項5に記載のレーザ加工装置。
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