JP6693612B1 - レーザビームの異常検出方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

レーザ加工装置に用いられるレーザビームはレーザ発振器の内部の焼損等により異常が生じやすい。これらの異常は、出力の低下に現れるよりも前にビーム径やビームプロファイルに異常が現れる場合も多く、出力が指標では異常検出が遅れることになる。レーザビームを出射するレーザ発振器を備えるレーザ加工装置において、レーザビームの異常を検出する方法であって、前記レーザビームにより加工を行う被加工材を積載する加工領域の外に設けられた段取り調整用基板に、前記段取り調整用基板の表面からデフォーカスした状態でレーザビームを照射する照射ステップと、前記照射ステップにより形成された前記段取り調整用基板上の照射痕を撮像手段により撮像し、撮像情報を取得する撮像ステップと、前記撮像情報に基づいてレーザビームの異常を判断する判断ステップと、を備え、前記レーザビームの出力異常の判断を行う前に前記各ステップを行うことを特徴とする。

Description

本発明は、レーザビームにおける異常を検出する方法に関する。

切断、溶接、穴あけなどを行うレーザ加工装置には、一般的に、レーザ発振器が用いられる。レーザ発振器は、発振されたレーザを、部分反射鏡や全反射鏡などの光学系を介して外部に出射する構成となっているが、レーザの光エネルギー密度は非常に高く、発振子や光学系が故障するなどの異常がしばしば発生する。例えば、炭酸ガスレーザでは光学系が焼損する場合がある。また、レーザの光エネルギーに起因してレーザ発振器の外部にある反射ミラーやヘッドに異常が起こることもある。このような異常は経時的に起こるだけでなく突発的に発生することがある。そのため、レーザ発振器等の異常を早期に検出する必要がある。

特許文献１には、従来のレーザ発振器の異常検出方法が開示されている。具体的には、特許文献１に開示された異常検出方法では、ワーク加工領域外にレーザビームのビーム径診断エリアが備えられ、このビーム径診断エリアにレーザビームが照射される。レーザ発振器に異常が発生すると、ビーム径が通常の数値と異なる数値となる。そこで、前記異常検出方法では、ビーム径診断エリアに照射されたレーザビームのビーム径が測定され、この測定されたビーム径が通常の数値と異なる場合に異常が発生したと検出される。

特開２００８−１１４２２８号公報

特許文献１には、ビーム径を測定することでレーザ発振器が備える部分反射鏡や全反射鏡の異常を検出する方法が診断プロセスとして開示されているものの、レーザビームの出力診断で異常が認められないとビーム径の診断プロセスが行われない。すなわち、レーザビームの出力がある基準値を下回らないとビーム径の診断が行われない。これは、レーザビームに異常が発生した場合にはすぐにレーザビーム出力異常が発生するとの前提に基づいている。
しかし、レーザビームの出力が正常であるにも関わらずレーザ発振器が備える部分反射鏡や全反射鏡の他、レーザ発振器外の反射ミラーやヘッドに異常が起こる場合があるが、特許文献１の方法では、このような場合の異常を検出できない。

本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、レーザビームの出力には現れない異常を早期に検出できる方法を提供することを目的としている。

本開示に係るレーザビームの異常検出方法は、レーザビームを出射するレーザ発振器を備えるレーザ加工装置において、レーザビームの異常を検出する方法であって、前記レーザビームにより加工を行う被加工材を積載する加工領域の外に設けられた段取り調整用基板に、前記段取り調整用基板の表面からデフォーカスした状態でレーザビームを照射する照射ステップと、前記照射ステップにより形成された前記段取り調整用基板上の照射痕を撮像手段により撮像し、撮像情報を取得する撮像ステップと、前記撮像情報に基づいて前記照射痕の形状に関する形状パラメータを測定する測定ステップと、前記測定ステップでの測定結果が、レーザビームが正常であることを示す範囲を超えている場合にレーザビームは異常であると判断する判断ステップと、を備えたことを特徴とする。

本開示に係るレーザビームの異常検出方法によれば、レーザビームの出力低下が現れていなくても早期にレーザビームの異常を検出することが可能になる。そして、レーザビームの異常を検出した時点でレーザ加工による生産を止めることで、それ以上の不良品の生産を止めることができる。

実施の形態に係るレーザビームの異常検出方法を説明するためのレーザ加工装置の例である。 レーザビームのビームプロファイルに異常が生じている場合の、馬蹄形の照射痕を示す図である。 レーザビームのビームプロファイルに異常が生じている場合の、ドーナツ形の照射痕を示す図である。 レーザビームのビームプロファイルが正常な場合の、円形の照射痕を示す図である。 実施の形態１に係るレーザビームの異常検出方法の流れを示すフローチャートである。 日々測定した照射痕の直径の履歴の例を示す図である。 ビームプロファイラによるレーザビームの強度分布の測定例を示した鳥瞰図である。 ビームプロファイラによるレーザビームの強度分布の測定例を示したコンター図である。 実施の形態２に係る、二つの照射痕との強度分布を重ねた、ビームプロファイラを模擬した測定方法を説明する図（強度分布は回転対称）である。 実施の形態２に係る、二つの照射痕との強度分布を重ねた、ビームプロファイラを模擬した測定方法を説明する図（強度分布に偏りあり）である。 実施の形態２に係るレーザビームの異常検出方法の流れを示すフローチャートである。 レーザビームが正常な場合のレーザビームのパルス波形の高さをフォトディテクタによりオシロスコープ測定した例である。 レーザビームが発振開始直後に十分な出力が得られてない場合のレーザビームのパルス波形の高さをフォトディテクタによりオシロスコープで測定した例である。 両面銅張板の断面構造を示す図である。

以下、添付の図面を用いて、実施の形態を説明する。各図では、同一又は相当する部分に同一の符号を付している。重複する説明は、適宜簡略化あるいは省略する。なお、以下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に係るレーザビームの異常検出方法を説明するためのレーザ加工装置を示す図である。レーザ加工装置１００の構成は一例であり、必要に応じてその構成を変更できる。

レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１と、反射ミラー３と、スキャナミラー４ａと、レンズ４ｂと、テーブル６と、駆動機構７ａおよび７ｂと、カメラ８と、画像処理装置９とを備える。レーザ発振器１は、パルスレーザ発振器であり、レーザビーム２を出射する。レーザビーム２は反射ミラー３により反射され、スキャナミラー４ａによってＸとＹの二次元方向に走査される。レーザビーム２は、レンズ４ｂにより被加工物５ａ上に集光され、これにより被加工物５ａはレーザ加工される。被加工物５ａを積載するテーブル６は、駆動機構７ｂによってＸとＹの二次元方向に移動可能である。これにより、被加工物５ａの任意の場所にレーザビーム２を照射することができる。スキャナミラー４ａ及びレンズ４ｂとから成るヘッド４は、駆動機構７ａによって上下方向に移動可能である。これにより、被加工物５ａの表面にレーザビーム２の焦点を合わせたり（ジャストフォーカス）、表面から焦点をずらしたり（デフォーカス）することができる。カメラ８は、被加工物５ａの表面観察を行う。画像処理装置９は、カメラ８で撮影した画像を処理することで、後述する種々のデータを取得及び解析することができる。

テーブル６について詳述する。テーブル６は、被加工物５ａを積載するための加工領域６ａと、段取り調整用のワーク５ｂを積載する加工外領域６ｂとを有する。ワーク５ｂは、例えばソルダーレジストやアクリルなどの樹脂基板で構成されている。続いて、段取り調整作業について説明する。レーザ加工装置１００で被加工物５ａの量産加工を開始する場合は、加工開始前に段取り調整作業を行う。段取り調整作業は、量産加工中にも定期的に実施するので、段取り調整作業は一日数回行われる。段取り調整作業では、加工外領域６ｂに積載されたワーク５ｂにレーザビーム２を照射し加工して、各種校正が行われる。校正は、レンズ４ｂを通過するレーザビーム２の光軸とカメラ８の光軸の相対位置の校正や、スキャナミラー４ａの振り角とレーザビーム２の走査距離の相対関係の校正などを行う。

本実施の形態１に係るレーザビーム２の異常検出は、実際にレーザビーム２をワーク５ｂに照射することで行われる。レーザビーム２のワーク５ｂへの照射は、レーザビーム２の焦点位置をワーク５ｂ表面からデフォーカスした位置に合わせて行う。ワーク５ｂ上にレーザ照射すると照射痕が形成される。照射痕をカメラ８で撮像し、照射痕の画像を取得する。取得した照射痕の画像を画像処理装置９で処理し、照射痕の形状に関するパラメータを測定する。レーザ加工装置１００は、測定した形状パラメータが予め設定された範囲内に収まるか否かを判断し、形状パラメータが上記範囲外であればレーザビーム２が異常であると判断し、異常であることを出力する。これにより、レーザビーム２の出力低下異常が現れていなくても、レーザビーム２の異常を検出することができる。本実施の形態１に係るレーザビーム２の異常検出方法の特徴は、レーザビーム２の出力低下の異常検出を行う前に撮像情報に基づくレーザビーム２の異常判断を行い、レーザビーム２の異常を検出することである。

レーザビーム２をワーク５ｂに照射する際、レーザ発振器１や反射ミラー３、ヘッド４が正常であれば、その照射痕、すなわち加工穴は略円形となる。言い換えれば、レーザビーム２が正常である場合、レーザビーム２によるワーク５ｂへの照射痕は略円形となる。レーザビーム２の焦点をワーク５ｂ表面に合わせるのではなく、デフォーカスした位置に焦点を合わせるのは、レーザビーム２に異常が認められる場合に、その異常による影響が照射痕に顕著に現れやすいからである。例えば、レーザ発振器１内の伝送ミラーが損傷した場合、伝送ミラーの損傷による影響が照射痕の形状に現れる。また、レーザ発振器１外の反射ミラー３やヘッド４が損傷した場合、反射ミラー３やヘッド４の損傷による影響が照射痕の形状に現れる。このような場合、レーザビーム２の出力は維持されており正常であるとしても、レーザビーム２をデフォーカスした位置での照射痕は、図２〜図３に示すように馬蹄形やドーナツ形になる。デフォーカスの方向としては、ワーク５ｂの表面を基準面としてレンズ４ｂへ向かう方向を正の方向とした場合、デフォーカス位置を正負いずれの方向へも設定可能である。より明確な照射痕を得るために、またレーザ加工装置１００における各種装置間の物理的な干渉を避けるために、レンズ４ｂによるレーザビーム２の焦点位置１０が正の側に位置するようデフォーカス位置を設定することが好ましい。ワーク５ｂ表面からのデフォーカス量ｄｆは、１〜５ｍｍとするとレーザビーム２の異常時に馬蹄形やドーナツ形の照射痕２０が得られやすいため好ましい。その結果、レーザビーム２の異常を検出し易くなる。

照射痕から形状パラメータを求めるには、カメラ８で撮像した画像を画像処理装置９で処理することで求める。画像処理装置９は、カメラ８で撮像した画像を白黒に二値化したデータに変換する。その後、二値化したデータから照射痕の輪郭を抽出し、照射痕を表すデータ群を得る。画像処理装置９は、抽出した照射痕の輪郭のデータ群から、円形の照射痕の形状に関するパラメータ（形状パラメータ）を取得する。形状パラメータとして、（１）重心座標、（２）直径、（３）真円率、（４）目標直径を有する真円との一致度（以下、一致度とする）、などのデータを取得する。（３）真円率については、得られたデータ群に対して一般的な楕円式を用いて最小二乗法によりフィッティングすることで楕円の長径及び短径を求め、それらの比により求めることができる。また、（４）一致度は、レーザビーム２の照射により得ようとする狙いの照射痕の直径（目標直径）を設定し、上記（３）真円率を求める際に算出した長径及び短径を用いて求めることができる。例えば、ある目標直径を有する真円（長径＝短径）の直径と上記長径との比、及び真円の直径と上記短径との比から照射痕が真円に対して一致している度合いとして求めることができる。一致度は、最大で１、最小で０となるような値をとる。一致度の値が１の場合、照射痕が真円と形状が一致することから照射痕が狙い通りの形状、すなわちレーザビーム２が正常の場合に得られる形状であるということになる。レーザ加工装置１００は、得られた形状パラメータが正常範囲内でなければ異常を出力する。一方、レーザ加工装置１００は、照射痕２０の形状パラメータが正常範囲内に収まればレーザビーム２は正常であると判断する。

図２〜図４は、レーザ加工装置１００を用いてレーザビーム２の異常検出を行う際のレーザビーム２の照射とカメラ８による照射痕の撮像を模式的に示す図である。図２は、レーザ発振器１から出射されたレーザビーム２をワーク５ｂに照射した際、馬蹄形の照射痕２０が形成されたことを示す図である。図２の照射痕が示す通り、レーザビーム２に異常があると、レーザビーム２をレンズ４ｂで集光し、ワーク５ｂ表面からデフォーカス量ｄｆの位置を焦点位置１０としてビーム照射した際、馬蹄形の照射痕２０が形成される。その後、照射痕２０をカメラ８の下に移動し、カメラ８により照射痕２０を撮像し、画像を取得する。図２の馬蹄形を画像処理した場合、正常時に比べ（２）直径が大きくなり、（３）真円率が低下することになる。

図３は、レーザ発振器１から出射されたレーザビーム２をワーク５ｂに照射した際、ドーナツ形の照射痕２０が形成されたことを示す図である。図３の照射痕が示す通り、レーザビーム２に異常があると、レーザビーム２をレンズ４ｂで集光し、ワーク５ｂ表面からデフォーカス量ｄｆの位置を焦点位置１０としてビーム照射した際、ドーナツ形の照射痕２０が形成される。その後、照射痕２０をカメラ８の下に移動し、カメラ８により照射痕２０を撮像し、画像を取得する。図３のドーナツ形を画像処理した場合、正常時に比べ（２）直径が大きくなり、（４）一致度が低下することになる。

図４は、レーザビーム２のビーム径やビームプロファイルに異常が生じていない場合にレーザビーム２をワーク５ｂに照射した際、略円形の照射痕２０が形成されたことを示す図である。図４に示す通り、レーザビーム２をレンズ４ｂで集光し、ワーク５ｂ表面からデフォーカス量ｄｆの位置を焦点位置１０としてビーム照射した際、略円形の照射痕２０が形成される。その後、照射痕２０をカメラ８位置に移動し、カメラ８により照射痕２０を撮像し、画像を取得する。

カメラ８により照射痕２０を撮像して取得した画像から測定した形状パラメータの値が、予め設定されるデータ範囲に含まれるか否かを判断することでレーザビーム２の異常の有無を検出することができる。すなわち、図２〜図４に示したデフォーカス位置でのビーム照射をワーク５ｂに対して行う作業を日常的に実施される段取り調整作業の中に組み込んでおけば、レーザビーム２の出力低下が発生していなくても、取得した照射痕２０の画像を画像処理することによりレーザビーム２の異常を検出できる。また、取得した複数の形状パラメータの内、二つ以上のパラメータを用いてレーザビーム２の異常の有無の判断するようにしてもよい。それにより、異常検出の信頼性を向上させることができる。

続いて、実施の形態１のレーザビーム２の異常検出方法の手順について図５を用いて説明する。レーザ加工開始前の段取り調整作業の際に、レーザヘッド４が加工外領域のワーク５ｂ上の照射位置に位置するよう、レーザ加工装置１００は作業者の操作に基づき駆動機構７ａ、７ｂを稼働しテーブル６を移動する（ステップＳ１１０）。続いて、レーザビーム２の照射条件を設定する（ステップＳ１２０）。続いて照射ステップについて説明する。照射ステップは、ワーク５ｂにレーザビーム２を照射（ステップＳ１３０）し、照射後レーザビーム２を停止する（ステップＳ１４０）。続いて撮像ステップについて説明する。撮像ステップは、レーザ加工装置１００は作業者の操作に基づき駆動機構７ａ、７ｂを稼働し、ワーク５ｂに形成された照射痕２０がカメラ８の下に位置するようテーブル６を移動し（ステップＳ１５０）、照射痕２０をカメラ８で撮像する。続いて測定ステップについて説明する。測定ステップは、撮像した照射痕２０の画像から照射痕２０の形状パラメータを測定する（ステップＳ１６０）。続いて判断ステップについて説明する。判断ステップは、測定した形状パラメータが正常範囲内であるか否かを判定（ステップＳ１７０）し、正常範囲内でなければレーザ発振器１の異常であるとして異常を出力し（ステップＳ１８０）、処理を終了する。また、ステップＳ１７０において形状パラメータが正常範囲内であればレーザビーム２に異常は認められないとして処理を終了する。なお、本実施の形態１に係る異常検出方法において、上記のフローを説明したが、例えば照射条件を設定するステップＳ１２０の後に照射位置に移動するステップＳ１１０を行うなど、各ステップの順序の入れ替えを適宜行うことが可能である。

図６は、日々測定した照射痕２０の形状パラメータとして（２）直径を時間に対してプロットしたものである。図６を用いてレーザビーム２の異常有無の判断の方法について説明する。ワーク５ｂにレーザビーム２を照射する条件、例えばショット数と、１ショットあたりのエネルギー量、デフォーカス量ｄｆなどを決め、予め照射条件として設定しておく。また、カメラ８の撮像条件や画像処理装置９の処理条件、及び形状パラメータに基づく異常判断条件についても設定しておく。以上の設定は固定し、異常有無の判断を行う。すなわち日によって条件は変更しない。また、（２）直径の正常な範囲、すなわち上限値３０ａと下限値３０ｂを基準値として決め、レーザ加工装置１００に設定しておく。上限値３０ａと下限値３０ｂは、例えば、レーザビーム２が正常な状態においてレーザビーム２により複数回ワーク５ｂの加工を行い、照射痕２０の（２）直径の平均値を算出しておき、（平均値）±４×（標準偏差）と設定することができる。ある時、画像処理装置９が処理して求めた照射痕２０の（２）直径を示す結果が上限値３０ａを上回る、もしくは下限値３０ｂを下回ったとする。この場合、レーザ加工装置１００は、アラームを出力して作業者に異常であることを知らせる。そうすることで、レーザビーム２の早期の異常検出が可能になり、その時点で被加工物５ａの加工を停止し、それ以上不良品を生産することを停止することができる。なお、（３）真円率と（４）一致度の基準は、例えば９０％以上というような基準を採用することができ、正常であることを示す範囲は、上限値３０ａがなく下限値３０ｂのみとなる。なお、アラームは警報により作業者に知らせるようにしてもよいし、ランプにより光を発するものでもよく、作業者が異常であると認識できる手段を用いればよい。

異常検出は、（３）真円率や（４）一致度など、他の形状パラメータと組み合わせる方法、例えば（２）直径と（３）真円率と（４）一致度の内二つ以上の数値が基準値を外れた場合にアラームを出す方法により行ってもよい。そうすることで、異常検出の信頼度を向上することができる。ワーク５ｂ表面のうねり等が原因となり、カメラ８で撮像した照射痕２０を示す画像がピンボケする場合がある。このような場合、（２）直径だけで異常検出を行うようにすると、画像処理装置９による画像処理の結果に誤差が発生してしまい、レーザビーム２に異常がないのにもかかわらず測定結果が正常範囲を逸脱してしまう可能性がある。このような場合に備え、二つ以上の形状パラメータを用いて判断することが信頼性の観点から好ましい。

更に、別の異常検出方法として、形状パラメータの値が一度基準値から外れたとしてもアラームは出力せずに、形状パラメータを複数回測定し、複数回の測定結果から総合的に判断し異常検出する方法が考えられる。例えば、レーザビーム２の照射と照射痕２０の測定を繰り返し、３回連続で基準値を外れたらアラームを出力する方法で行ってもよいし、連続して測定した３回の値のうち、いずれか一つが基準値を外れたら、アラームの出力に加えて、作業者の判断も併せて判断するようにしてもよい。

なお、レーザビーム２の出力が低下した場合、照射痕２０から得られる（２）直径が小さくなる。本実施の形態１では（２）直径に下限値３０ｂも設けているため、レーザビーム２の出力低下も検出可能である。

すなわち、本実施の形態１に係るレーザビームの異常検出方法によれば、日常的な段取り調整作業の中で、レーザビーム２を焦点位置１０からデフォーカスさせてワーク５ｂに照射し、その照射痕２０の（２）直径や（３）真円率、および（４）一致度を測定することで、レーザビーム２に出力低下が認められないような場合であっても、レーザビーム２の異常の検出ができる。

なお、本実施の形態で説明したレーザビームの異常については、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサを備えたビームプロファイラによりレーザビームのビームプロファイルを測定することで、光学部品の異常を検出可能であることがわかっている。しかしながら、本実施の形態のレーザビームの異常検出方法を用いれば、レーザ加工装置にビームプロファイラを搭載することなくレーザビームの異常を検出することができるため、コストを安価に抑えることができる。

実施の形態２．
上述の通り、レーザビーム２に異常が起こる場合、ビーム径だけではなくビームプロファイルに異常が認められる場合がある。ビームプロファイルに異常があるか否かは、理想的にはビームプロファイラによりレーザビーム２の強度分布を測定する方法で判断する方法がよい。しかしながら、レーザ加工装置１００一台毎にビームプロファイラを備えるのはコストの観点で問題がある。以下、本実施の形態２では、ビームプロファイラを模擬したレーザビーム２の異常検出方法について述べる。すなわち、この方法は、ビームプロファイラを用いずにレーザビーム２のビームプロファイル異常を模擬的に検出する方法である。具体的には、段取り調整用のワーク５ｂに対して複数の照射条件によりレーザビーム２を照射した際に形成される照射痕２０に係る形状パラメータを重ね合わせてビームプロファイラの結果を模擬した結果を出力することでレーザビーム２の異常を検出する。

図７及び図８は、ビームプロファイラによって測定したレーザビーム２の強度分布の例を模式的に示した図である。図７が鳥瞰図であり、図８がコンター図、つまり等高線図である。実施の形態１では、ワーク５ｂに対してレーザビーム２を一つの照射条件で照射する場合について説明した。つまり、図８に示したコンター４０のうち、何れか一本の等高線に相当する照射痕２０を得ていると言い換えることができる。本実施の形態２では、ワーク５ｂに対して異なる二つ以上の照射条件でレーザビーム２を照射する。すなわち、図８に示したコンター４０のうち、二本以上の等高線を得る。

本実施の形態２について詳述する。ワーク５ｂは、実施の形態１と同様、ソルダーレジストやアクリルなどの樹脂基板である。二つ以上の照射条件の全てにおいて、デフォーカス量ｄｆは同一の値に設定する。一方、ショット数、若しくは１ショットあたりのエネルギー量、又はその両方を各照射条件で変更した値に設定する。例えば、照射条件が二つの場合、一方はワーク５ｂを強く加工する第１の条件（ショット数を多くするか１ショットあたりのエネルギー量を大きくする）に設定し、もう一方はワーク５ｂを弱く加工する第２の条件（ショット数を少なくするか１ショットあたりのエネルギー量を小さくする）に設定する。このような条件により、二つの異なる（２）直径の照射痕２０が得られ、これら二つの照射痕２０から二つの異なる等高線が得られる。

図９及び図１０は、得られた二つの照射痕を仮に重ねたとすると、ビームプロファイラを用いずともビームプロファイラによる結果を模擬できることを表している。図９は二つの照射痕２０ａと２０ｂの中心が一致し、同心円状に重なっているため、レーザビーム２の強度分布は、回転対称であることが分かる。一方、図１０は二つの照射痕２０ａと２０ｂの中心が一致せず、ずれているため、レーザビーム２の強度分布は、回転対称ではなく偏っていることが分かる。このようにレーザビーム２の強度分布の偏りを検出するには、照射痕２０ａと２０ｂの（１）重心座標を測定し、照射痕２０ａの（１）重心座標と照射痕２０ｂの（１）重心座標のずれΔを算出する。例えば、ずれΔが予め設定した値を超えると、レーザビーム２の強度分布に偏りがあると判断して、レーザ加工装置１００はアラームを出力して作業者にレーザビーム２が異常であることを知らせる。異なる三つ以上の照射条件でワーク５ｂにレーザビーム２を照射する場合は、ある条件による照射痕２０の（１）重心座標と、別の条件による照射痕２０の（１）重心座標とのずれΔを算出し、それらの内、ずれΔの最大値を算出する。その最大値が予め設定した値を超えると、レーザビーム２の強度分布に偏りがあると判断して、レーザ加工装置１００はアラームを出力して作業者に異常を知らせるようにしてもよい。

すなわち、本実施の形態２に係るレーザビーム２の異常検出方法によれば、複数の照射条件でレーザビーム２をワーク５ｂに照射し、それぞれ照射痕の間の（１）重心座標のずれΔを算出することで、ビームプロファイラを模擬した異常検出が可能になる。

なお、画像処理装置９は（１）重心座標と同時に、（２）直径、（３）真円率、（４）一致度も測定可能である。そこで、実施の形態１と組み合わせ、各照射条件による照射痕２０において（２）直径や（３）真円率、および（４）一致度を基準と照らし合わせる。これにより、検査時間を増やすことなく、レーザビーム２の様々な強度分布の異常に対応でき、高い確率で異常を検出できる。

実施の形態２のレーザビーム２の異常検出方法について、二つの照射条件を用いて異常検出を行う際の処理フローについて図１１を用いて説明する。レーザ加工開始前の段取り調整の際に、レーザヘッド４が加工外領域のワーク５ｂ上である第１の照射位置に位置するよう、レーザ加工装置１００は作業者の操作に基づき駆動機構７ａ、７ｂを稼働しテーブル６を移動する（ステップＳ２１０）。次に、レーザビーム２の照射条件を第１の照射条件に設定する（ステップＳ２２０）。次に、ワーク５ｂにレーザビーム２を照射（ステップＳ２３０）し第１の照射痕２０ａを形成し、照射後レーザビーム２を停止する（ステップＳ２４０）。次に、レーザヘッド４が加工外領域のワーク５ｂ上である第２の照射位置に位置するよう、レーザ加工装置１００は作業者の操作に基づき駆動機構７ｂを稼働しテーブル６を移動する（ステップＳ２５０）。続いて、レーザビーム２の照射条件を第２の照射条件に設定する（ステップＳ２６０）。ワーク５ｂにレーザビーム２を照射（ステップＳ２７０）し第２の照射痕２０ｂを形成し、照射後レーザビーム２を停止する（ステップＳ２８０）。次に、第１の照射痕２０ａがカメラ８の下の撮像位置に位置するよう、レーザ加工装置１００は作業者の操作に基づき駆動機構７ａ、７ｂを稼働しテーブル６を移動する（ステップＳ２９０）、カメラ８により第１の照射痕２０ａを撮像し、取得した画像を画像処理装置９により処理し、第１の照射痕２０ａの重心位置を測定する（ステップＳ３００）。更に、第２の照射痕２０ｂがカメラ８の下の撮像位置に位置するよう、レーザ加工装置１００は作業者の操作に基づき駆動機構７ｂを稼働しテーブル６を移動する（ステップＳ３１０）、カメラ８により第２の照射痕２０ｂを撮像し、取得した画像を画像処理装置９により処理し、第２の照射痕２０ｂの重心位置を測定する（ステップＳ３２０）。続いて、測定した各重心座標間のずれΔを算出する（ステップＳ３３０）。続いて、ずれΔが予め設定した値を超えているか否かを判定（ステップＳ３４０）し、超えていればレーザビーム２の異常であるとして異常を出力し（ステップＳ３５０）、処理を終了する。また、ステップＳ３４０においてずれΔが予め設定した値を超えていなければレーザビーム２に異常は認められないとして処理を終了する。なお、実施の形態１においても説明したが、本異常検出方法の特徴は、レーザ発振器の出力異常の判断を行う前に撮像情報に基づく異常判断を行うことである。

実施の形態３．
図１２及び図１３は、フォトディテクタによりオシロスコープでレーザビーム２のパルス波形の高さを測定した例である。図１２はレーザビーム２の出力が正常である場合を示している。図１３はレーザ発振器１の発振開始直後にレーザビーム２が十分な出力が得られていない場合を示している。ところで、発振させたレーザビームを第二高調波、第三高調波に波長変換するようなレーザ発振器１では、波長変換結晶が劣化してくると、図１３に示すようにレーザ発振開始直後は十分な出力が得られないことがある。レーザビーム２のエネルギーを測定するために一般的に用いられるサーマルセンサでは、もともと測定値の立ち上がりに遅れが存在するため、レーザビームの発振開始直後の出力を測定することができない。そのため、図１３のような場合は、レーザビーム２の異常を検出することができない。

このような場合、実施の形態１に示した照射痕２０の（２）直径を測定する方法でも異常の検出は可能である。しかしながら、レーザビーム２は樹脂基板に対する加工性が高く、段取り調整用のワーク５ｂに樹脂基板を用いていると、レーザ発振開始直後にレーザの出力が低下していたとしてもレーザビーム２は樹脂基板に対して良好に加工を行うことができる。そのため、レーザビーム２の出力が正常な場合と出力が低下している場合とを比較しても、照射痕の形状に現れる差異が小さくなるため正常か異常かの判定が難しい。そこで本実施の形態３では、ワーク５ｂとして樹脂基板の両面に銅箔を設けた両面銅張板を用いて、レーザビーム２の異常検出を行う。

段取り調整用のワーク５ｂについて詳述する。図１４に両面銅張板の断面構造を示す。両面銅張板は、樹脂基板５０ｂの表裏の両面に銅箔５０ａを設けた基板である。両面銅張板は、樹脂基板５０ｂに銅箔５０ａを貼付することにより作製することができる。両面銅張板は、樹脂基板５０ｂに金属の層を備えているため、レーザビーム２による表面の金属層に対する加工性が低下する。すなわち、レーザビーム２によりワーク５ｂに対して加工を行うために必要なレーザ出力が高くなる。言い換えれば、レーザ加工が可能となる出力の閾値は、樹脂基板の場合と比較して両面銅張板の方が高くなる。先に述べたような波長変換結晶の劣化に伴いレーザビーム２の出力低下が起こると、出力低下に伴ってレーザビーム２が銅箔５０ａを貫通しなくなる。したがって、レーザビーム２が銅箔５０ａを貫通できたか否かを判定することにより、レーザ出力の変化について明確な判定が可能になる。

具体的な異常検出方法について説明する。本実施の形態３では、ワーク５ｂ表面を焦点位置１０とし、レーザビーム２を照射する。また、照射条件は、レーザビーム２がワーク５ｂの表面の銅箔５０ａを辛うじて貫通できる出力以上となるよう設定しておく。設定条件としては、例えば、レーザビーム２の１ショット当たりのエネルギーを５０μＪ／ショットとし、２０ショット（繰返し周波数：１００ｋＨｚ）の場合にレーザビーム２が銅箔５０ａを貫通するのであれば、そのように設定する。すなわち、レーザビーム２の出力が正常な時は、レーザビーム２が銅箔５０ａを貫通できるが、レーザ発振開始直後にレーザビーム２の出力が低下することを想定した場合に銅箔５０ａを貫通できなくなる条件に設定しておく。銅箔５０ａを貫通できなくなる条件は、例えば、レーザ発振開始直後にレーザビーム２の出力が低下した際に異常と判定する出力値を予め定めておき、その出力値を下回るとレーザビーム２が銅箔５０ａを貫通できなくなる条件とすることができる。銅箔５０ａが未貫通の場合の照射痕を撮像し、取得した画像を画像処理装置９で画像処理を行うと、（１）重心座標、（２）直径、（３）真円率、（４）一致度のいずれも測定できないため、エラーとなる。レーザ加工装置１００は、このエラーを受け取るとアラームを出力して、作業者にレーザビーム２が異常であることを知らせる。なお、異常であるか否かの判断は、必ずしも照射痕をカメラ８により撮像し、撮像した画像を画像処理装置９により処理することで行う必要はなく、作業者が照射痕を目視により確認し金属層を貫通しているか否かで判断するようにしてもよい。また、樹脂５０ｂの表裏面に設ける金属は、上記の検出方法が可能であれば銅である必要はないが、両面銅張板は入手性が良く安価である。

すなわち、本実施の形態３に係るレーザビーム２の異常検出方法によれば、ワーク５ｂに両面銅張板を採用し、銅箔５０ａを貫通できたか否かの判定をすることで、発振開始直後のレーザ出力が低下したレーザビーム２の出力異常の検出が可能になる。

以上のように、本発明に係るレーザビームの異常検出方法およびレーザ加工装置は、被加工物のレーザ加工に適しており、ワークにレーザ光を照射して穴あけ加工を行うマイクロレーザ加工装置によるレーザ加工に適している。

１ レーザ発振器
２ レーザビーム
３ 反射ミラー
４ ヘッド
４ａ スキャナミラー
４ｂ レンズ
５ａ 被加工物
５ｂ 段取り調整用ワーク
６ テーブル
６ａ 加工領域
６ｂ 加工外領域
８ カメラ
９ 画像処理装置
１０ 焦点位置
２０ 照射痕
２０ａ 照射痕
２０ｂ 照射痕
３０ａ 上限値
３０ｂ 下限値
４０ コンター（等高線）
５０ａ 銅箔
５０ｂ 樹脂基板
１００ レーザ加工装置
ｄｆ デフォーカス量
Δ ずれ

Claims (10)

1. レーザビームを出射するレーザ発振器を備えるレーザ加工装置において、レーザビームの異常を検出する方法であって、
   前記レーザビームにより加工を行う被加工材を積載する加工領域の外に設けられた段取り調整用基板に、前記段取り調整用基板の表面からデフォーカスした状態でレーザビームを照射する照射ステップと、
   前記照射ステップにより形成された前記段取り調整用基板上の照射痕を撮像手段により撮像し、撮像情報を取得する撮像ステップと、
   前記撮像ステップにより取得された撮像情報に基づいて前記照射痕の形状に関する形状パラメータを測定する測定ステップと、
   前記測定ステップでの測定結果が、レーザビームが正常であることを示す範囲を超えている場合にレーザビームは異常であると判断する判断ステップと、を備えたことを特徴とするレーザビームの異常検出方法。
2. 前記測定ステップは、前記形状パラメータを照射痕の形状の輪郭から取得したデータ群により求め、前記形状パラメータは、照射痕の重心座標、照射痕の直径、真円率、及び目標直径を有する真円との一致度の少なくとも一つを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザビームの異常検出方法。
3. 前記判断ステップは、前記形状パラメータの内、二つ以上のパラメータの測定結果が正常であることを示す範囲を超えている場合にレーザビームが異常であると判断する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザビームの異常検出方法。
4. 前記形状パラメータは、照射痕の重心座標、照射痕の直径、真円率、及び目標直径を有する真円との一致度を含み、
   前記測定ステップは、前記形状パラメータを複数回測定し、
   前記判断ステップは、複数回測定した前記形状パラメータの測定結果の内、複数回において正常であることを示す範囲を超えた場合にレーザビームが異常であると判断する、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のレーザビームの異常検出方法。
5. 前記デフォーカスした状態における焦点位置が前記段取り調整用基板の表面及び前記レーザビームを集光するレンズ間にある、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のレーザビームの異常検出方法。
6. 前記デフォーカスした状態における焦点位置から、前記段取り調整用基板の表面までの距離が１〜５ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項５に記載のレーザビームの異常検出方法。
7. 前記照射ステップは、前記レーザビームを異なる二つ以上の照射条件で前記段取り調整用基板に照射するステップであり、
   前記撮像ステップは、前記異なる二つ以上の照射条件により形成された複数の照射痕から撮像情報を取得するステップであり、
   前記測定ステップは、前記複数の照射痕の撮像情報から重心座標をそれぞれ測定するステップであり、
   前記判断ステップは、前記複数の照射痕の重心座標の内、何れか二つの重心座標間の距離が、レーザビームが正常であることを示す範囲を超えている場合にはレーザビームが異常であると判断する、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のレーザビームの異常検出方法。
8. レーザビームを出射するレーザ発振器を備えるレーザ加工装置において、レーザビームの異常を検出する方法であって、
   前記レーザビームにより加工を行う被加工材を積載する加工領域の外に設けられ、樹脂層上に金属層を備えた段取り調整用基板に、前記段取り調整用基板の表面を焦点位置とした状態でレーザビームを照射する照射ステップと、
   前記照射ステップにより形成された前記段取り調整用基板上の照射痕を撮像手段により撮像し、撮像情報を取得する撮像ステップと、
   前記撮像ステップにより取得された撮像情報に基づいて前記照射痕の形状に関する形状パラメータを測定する測定ステップと、
   前記測定ステップでの測定結果が、前記金属層がレーザビームにより未貫通である場合に、レーザビームの出力に異常があると判断する判断ステップと、を備えたことを特徴とするレーザビームの異常検出方法。
9. 前記段取り調整用基板が両面銅張板であることを特徴とする請求項８に記載のレーザビームの異常検出方法。
10. レーザビームを出射するレーザ発振器を備えるレーザ加工装置であって、
    前記レーザビームにより加工を行う被加工材を積載する加工テーブルと、
    前記加工テーブル上において、被加工材の加工を行う加工領域の外に設けられる段取り調整用基板に対して前記レーザビームを前記段取り調整用基板表面からデフォーカスした状態の焦点位置で照射し、前記段取り調整用基板上に形成される照射痕を撮像して撮像情報を取得する撮像手段と、
    前記撮像情報に基づいて前記照射痕の形状に関する形状パラメータを測定する測定手段と、
    前記測定手段での測定結果が、レーザビームが正常であることを示す範囲を超えている場合にレーザビームは異常であると判断する判断手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。

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