JP6987453B2

JP6987453B2 - 評価装置、及び評価方法

Info

Publication number: JP6987453B2
Application number: JP2018012661A
Authority: JP
Inventors: 康弘岡田; 雅史萬; 研太田中; 譲一河村
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2038-01-29
Also published as: TW201932811A; JP2019133986A; KR20190092258A; KR102481078B1; CN110091052B; TWI682154B; CN110091052A

Description

本発明は、レーザ装置の正常性を評価する評価装置、及び評価方法に関する。

故障診断機能を備えたレーザ加工装置が公知である（例えば、特許文献１）。下記の特許文献１に開示されたレーザ加工装置は、各部の状態を検出する複数のセンサと、複数のセンサの出力から各部の動作状態を導出する演算手段とを有する。複数のセンサには、レーザ出力センサ、流量計、ガス温度センサ、全反射ミラー温度センサ、ベンドミラー温度センサ、放電管内ガス圧力センサ等が含まれる。これらのセンサの出力が正常な範囲を越えたときに、各部が異常であると判断する。

特開平１１−１５６５７０号公報

従来の故障診断機能を実現するためには、レーザ加工装置の各部にそれぞれセンサを取り付けなければならない。また、装置全体として正常な動作を行っていないような状態であっても、各部のセンサの出力が正常であれば、このような異常な状態を検出することができない。

本発明の目的は、レーザ装置の各部にセンサを取り付けることなく、簡易な方法で動作異常を検出することが可能なレーザ装置の評価装置及び評価方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザ発振器の励起開始からレーザパルスの立ち上がりまでの経過時間であるビルドアップ時間と、レーザパルスのパルスエネルギによって決まるパルスエネルギ依存物理量との正常な対応関係を記憶する記憶部と、
評価対象のレーザ発振器の励起開始時点を示す情報、及び前記評価対象のレーザ発振器から出力されたレーザパルスの光強度の時間変化の測定結果を取得するデータ取得部と、
前記データ取得部で取得された情報に基づいて、前記ビルドアップ時間及び前記パルスエネルギ依存物理量を算出し、前記ビルドアップ時間の算出値と前記パルスエネルギ依存物理量の算出値とを、前記記憶部に記憶されている前記正常な対応関係と比較して、前記評価対象のレーザ発振器の動作の正常性を判定する判定部と
を有する評価装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
評価対象のレーザ発振器に発振指令信号を送信し、
前記評価対象のレーザ発振器から出力されたレーザパルスを検出し、
前記発振指令信号による発振指令時点から、前記レーザパルスの立ち上がりまでの経過時間であるビルドアップ時間、及び前記レーザパルスのパルスエネルギによって決まるパルスエネルギ依存物理量を算出し、
前記ビルドアップ時間の算出値と前記パルスエネルギ依存物理量の算出値とを、前記ビルドアップ時間と前記パルスエネルギ依存物理量との予め決められている正常な対応関係と比較して前記評価対象のレーザ発振器の動作の正常性を判定する評価方法が提供される。

レーザ装置の各部にセンサを取り付けることなく、簡易な方法で動作異常を検出することが可能である。

図１は、実施例による評価装置を組み込んだ評価対象のレーザ装置の概略図である。図２は、レーザ装置の制御装置からレーザ発振器に送信される発振指令信号Ｓ０、及び光検出器から評価装置に与えられる検出信号Ｓ１の波形を示すグラフである。図３は、ビルドアップ時間と、パルスエネルギによって決まるパルスエネルギ依存物理量との関係を示す散布図である。図４は、実施例による評価装置のブロック図である。図５は、レーザ装置の動作の異常状態を示す情報が表示されている表示装置の正面図である。図６は、実施例によるレーザ装置の動作の正常性の評価方法の手順を示すフローチャートである。

図１〜図６を参照して、実施例によるレーザ装置の評価装置及び評価方法について説明する。
図１は、実施例による評価装置を組み込んだ評価対象のレーザ装置の概略図である。レーザ発振器１０が、制御装置２０から発振指令信号Ｓ０を受けてパルスレーザビームを出力する。レーザ発振器１０として、種々のパルスレーザ発振器、例えば、パルス発振する炭酸ガスレーザ発振器を用いることができる。レーザ発振器１０は、光共振器、放電電極、放電電極駆動回路等を含む。

レーザ発振器１０から出力されたパルスレーザビームが、第１光学系１１を通過し、ベンディングミラー１２で反射され、第２光学系１３を通過して、ステージ１４に保持された加工対象物１５に入射する。加工対象物１５は、例えばプリント配線基板であり、パルスレーザビームによって穴明け加工が行われる。

ベンディングミラー１２に入射したパルスレーザビームの一部はベンディングミラー１２を透過して光検出器２１に入射する。光検出器２１は、入射したレーザパルスを検出し、レーザパルスの光強度に応じた電気信号である検出信号Ｓ１を出力する。光検出器２１として、パルス波形の変化に追従することが可能な応答速度を持つ赤外線センサ、例えばテルル化カドミウム水銀センサ（ＭＣＴセンサ）等を用いることができる。

第１光学系１１は、ビームエキスパンダ、非球面レンズ、アパーチャ等を含む。ビームエキスパンダは、レーザビームのビーム径及び広がり角を変化させる。非球面レンズは、ビームプロファイルをガウシアン形状からトップフラット形状に変化させる。アパーチャは、ビーム断面形状を整形する。

第２光学系１３は、ビーム走査器、ｆθレンズ等を含む。ビーム走査器は、例えば一対のガルバノミラーを含み、制御装置２０からの指令によりレーザビームを二次元方向に走査する。ｆθレンズは、ビーム走査器で走査されたレーザビームを加工対象物１５の表面に集光する。なお、アパーチャの位置を加工対象物１５の表面に縮小投影する構成としてもよい。

ステージ１４は、水平な保持面に加工対象物１５を保持し、加工対象物１５を水平面内の二方向に移動させることができる。制御装置２０が、ステージ１４の移動を制御する。ステージ１４には、例えばＸＹステージが用いられる。

評価装置３０が、制御装置２０から送信された発振指令信号Ｓ０、及び光検出器２１から与えられる検出信号Ｓ１に基づいて、レーザ装置の動作の正常性を評価する。評価装置３０は、レーザ装置の動作の正常性の評価結果を表示装置２６に表示する。さらに、評価装置３０は、レーザ装置の動作が異常であると判定した場合、警報発出装置２５から警報を発出する。

図２は、制御装置２０（図１）からレーザ発振器１０（図１）に送信される発振指令信号Ｓ０、及び光検出器２１（図１）から評価装置３０（図１）に与えられる検出信号Ｓ１の波形を示すグラフである。

時刻ｔ０において発振指令信号Ｓ０が立ち上がると、レーザ発振器１０は、放電電極への高周波電力の供給を開始する。放電電極への高周波電力の供給を開始することにより、レーザ発振器１０のレーザ媒質の励起が開始される。すなわち、発振指令信号Ｓ０の立ち上がりが、レーザ発振器１０の発振指令に相当し、発振指令信号Ｓ０の立ち上がり時点が、レーザ発振器１０の励起開始の時点に相当する。

励起開始の時刻ｔ０から遅れて、時刻ｔ１においてレーザパルスが立ち上がる。レーザパルスの立ち上がりに対応して、検出信号Ｓ１も立ち上がる。励起開始の時刻ｔ０からレーザパルスの立ち上がりの時刻ｔ１までの経過時間をビルドアップ時間ｔ_ＢＵということとする。レーザパルスの立ち上がり時点に、ゲインスイッチングによる極短時間のピーク波形が現れ、その後ほぼ一定の光強度が維持される。ほぼ一定の光強度が維持される部分を、パルス波形の主部ということとする。

時刻ｔ２において発振指令信号Ｓ０が立ち下がると、レーザ発振器１０は、放電電極への高周波電力の供給を停止する。放電電極への高周波電力の供給を停止すると、レーザ発振器１０のレーザ媒質の励起が行われなくなる。すなわち、発振指令信号Ｓ０の立ち下がりが、レーザ発振器１０の励起停止の指令を意味する。レーザ発振器１０の励起が停止されると、レーザ発振器１０から出力されるレーザパルスの強度が徐々に低下する。

検出信号Ｓ１の１つのパルス波形を時間で積分した値は、１パルス当たりのエネルギ（パルスエネルギ）によって決まる。本明細書において、パルスエネルギによって決まるこの積分値を、「パルスエネルギ依存物理量」ということとする。

ゲインスイッチングによる極短時間のピーク波形の時間幅は、全体のパルス幅に比べて十分短いため、パルス波形からゲインスイッチングによる極短時間のピーク波形を除いた部分の積分値を、パルスエネルギ依存物理量として採用してもよい。また、励起停止後のテール部分の時間幅も、レーザパルスのパルス幅に比べて十分短く、かつテール部分の光強度は、時間の経過とともに急激に低下するため、テール部分を除いたパルス波形の積分値をパルスエネルギ依存物理量として採用してもよい。このように、パルス波形の主部の積分値をパルスエネルギ依存物理量として採用してもよい。

ビルドアップ時間ｔ_ＢＵは、レーザ発振器１０の放電電極に投入する高周波電力（励起強度）に依存し、励起強度が大きくなるに従って、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵが短くなる。パルス波形の主部の光強度も励起強度に依存し、励起強度が大きくなるに従ってパルス波形の主部の光強度が高くなる。このため、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵとパルスエネルギ依存物理量との関係は、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵが長くなるに従ってパルスエネルギ依存物理量が小さくなるという傾向を示す。

図３は、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵと、パルスエネルギによって決まるパルスエネルギ依存物理量との関係を示す散布図である。横軸はビルドアップ時間ｔ_ＢＵをリニアスケールで表し、縦軸はパルスエネルギによって決まるパルスエネルギ依存物理量をリニアスケールで表す。レーザ発振器１０の動作が正常であるときに、励起強度をレーザ発振器１０の定格電力の範囲内で変化させてビルドアップ時間ｔ_ＢＵとパルスエネルギ依存物理量とのデータを収集し、これらのデータを散布図にプロットすると、プロットされた点は、正常な対応関係を示す範囲５０内に位置する。正常な対応関係を示す範囲５０は、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵが長くなるに従ってパルスエネルギ依存物理量が小さくなる方向に傾斜した直線に沿う細長い形状を示す。

レーザ発振器１０の動作が異常であるときに取得されたパルス波形に基づいて求められたビルドアップ時間ｔ_ＢＵの算出値とパルスエネルギ依存物理量の算出値とに対応する散布図上の位置は、正常な対応関係を示す範囲５０から外れる。

算出値に対応する位置が、正常な対応関係を示す範囲５０よりもビルドアップ時間ｔ_ＢＵが長くなる方向、またはパルスエネルギ依存物理量が大きくなる方向に外れた場合には、レーザ発振器１０の発振モードが異常であると推定される。例えば、発振モードが高次モードになっていることが疑われる。

算出値に対応する位置が、正常な対応関係を示す範囲５０よりもビルドアップ時間ｔ_ＢＵが短くなる方向、またはパルスエネルギ依存物理量が小さくなる方向に外れた場合には、第１光学系１１（図１）に異常が発生していると推定される。例えば、第１光学系１１内の光学部品の透過率の低下が疑われる。なお、光検出器２１自体の異常も疑われる。

算出値に対応する位置が、正常な対応関係を示す範囲５０を、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵが長くなりパルスエネルギ依存物理量が小さくなる方向に延伸した領域に位置する場合には、レーザ発振器１０内に異常が発生していると推定される。例えば、レーザ発振器１０の光共振器内の増幅度の低下、損失の増大等が発生していると推定される。このことから、光共振器のミスアライメント、励起エネルギ供給源の異常、光共振器を構成するミラーの損傷等が疑われる。

図４は、実施例による評価装置３０のブロック図である。評価装置３０は、判定部３１、記憶部３２、データ取得部３３、及び表示制御部３４を含む。判定部３１、データ取得部３３、及び表示制御部３４の機能は、例えばコンピュータがプログラムを実行することにより実現される。

記憶部３２は、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵとパルスエネルギ依存物理量との正常な対応関係を記憶する。例えば、記憶部３２は、散布図（図３）における正常な対応関係を示す範囲５０を記憶する。

データ取得部３３は、評価対象のレーザ発振器１０の励起開始時点（図２の時刻ｔ０）を示す情報を制御装置２０から取得する。例えば、データ取得部３３は、制御装置２０から入力される発振指令信号Ｓ０の立ち上がりを検出することにより、発振指令信号Ｓ０の立ち上がり時刻を取得する。発振指令信号Ｓ０の立ち上がり時刻が、励起開始時点を示す情報に相当する。さらに、データ取得部３３は、光検出器２１から検出信号Ｓ１を受信することにより、レーザ発振器１０から出力されたレーザパルスの光強度の時間変化の測定結果を取得する。

判定部３１は、データ取得部３３で取得された情報に基づいて、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵ及びパルスエネルギ依存物理量を算出する。さらに、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵの算出値と、パルスエネルギ依存物理量の算出値とを、記憶部３２に記憶されている正常な対応関係と比較して、レーザパルスの正常性を判定する。具体的には、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵの算出値とパルスエネルギ依存物理量の算出値との対応関係が、記憶部３２に記憶されている正常な対応関係に含まれないとき、レーザパルスが異常であると判定する。

より具体的には、判定部３１は、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵの算出値とパルスエネルギ依存物理量の算出値とに対応する散布図（図３）上の位置が、正常な対応関係を示す範囲５０の外側であれば、レーザパルスが異常であると判定する。また、判定部３１は、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵの算出値とパルスエネルギ依存物理量の算出値とに対応する散布図（図３）上の位置が、正常な対応関係を示す範囲５０の内側であれば、レーザパルスは正常であると判定する。

判定部３１は、異常と判定されたレーザパルスの出現頻度を求める。出現頻度は、例えば、ある時間内に出力されたレーザパルスの総数に対する異常なレーザパルスの個数の比で定義される。異常なレーザパルスの出現頻度が閾値を越えると、判定部３１は、レーザ装置の動作が異常であると判定する。

さらに、判定部３１は、レーザ装置の動作が異常であると判定したとき、警報発出装置２５を動作させて警報を発出する。例えば、警報発出装置２５はスピーカであり、判定部３１はスピーカから警報音を出力させる。さらに、判定部３１は、レーザ装置の動作が異常であると判定したとき、表示制御部３４に異常の状態を表示する指令を送信する。

表示制御部３４は、判定部３１からの指令に基づいて、レーザ装置の動作の異常状態を示す情報を表示装置２６に表示する。

図５は、レーザ装置の動作の異常状態を示す情報が表示されている表示装置２６の正面図である。ビルドアップ時間ｔ_ＢＵを一方の軸（横軸）に対応させ、パルスエネルギ依存物理量を他方の軸（縦軸）に対応させた散布図が、表示装置２６の表示画面に表示されている。この散布図に、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵとパルスエネルギ依存物理量との正常な対応関係を示す範囲５０が示されている。さらに、評価時間内に取得したビルドアップ時間ｔ_ＢＵの算出値とパルスエネルギ依存物理量の算出値とからなる複数のデータが散布図上にプロットされている。図５では、正常な対応関係を示す範囲５０よりも上（パルスエネルギ依存物理量が大きい領域）に、多くのデータがプロットされている例が示されている。

さらに、表示画面に表示された散布図の正常な対応関係を示す範囲５０以外の領域に、異常状態を表す情報が文字で表示されている。例えば、「発振モード異常」、「光学系異常」、「発振器内異常」等の文字が、その異常に対応する散布図内の領域に表示される。

図６は、実施例によるレーザ装置の動作の正常性の評価方法の手順を示すフローチャートである。以下、図６及び図１を参照しながら、本実施例の評価方法について説明する。

まず、制御装置２０がレーザ発振器１０に発振指令信号Ｓ０を送信する（ステップＳＴ１）。発振指令信号Ｓ０は、評価装置３０にも入力される。評価装置３０は、光検出器２１からの検出信号Ｓ１に基づいて、レーザパルスの立ち上がり及びパルス波形を検出する（ステップＳＴ２）。評価装置３０は、発振指令信号Ｓ０及び検出信号Ｓ１に基づいて、ビルドアップ時間ｔ_ＢＵ及びパルスエネルギ依存物理量を算出する（ステップＳＴ３）。算出結果に基づいて、レーザパルスの正常性を判定する（ステップＳＴ４）。ステップＳＴ１からステップＳＴ４までの手順を、評価済のパルス数が所定のパルス数に達するまで繰り返す（ステップＳＴ５）。

評価済のパルス数が所定のパルス数に達したら、評価済のパルス数の値を初期設定する。その後、レーザ装置の動作の正常性を評価する（ステップＳＴ７）。例えば、異常のパルス数の出現頻度に基づいて、レーザ装置の動作の正常性を判定する。異常のレーザパルスの出現頻度が判定閾値を超えている場合、レーザ装置の動作が異常であると判定する。

レーザ装置の動作が異常であると判定された場合には、異常時の処理を実行する（ステップＳＴ８）。例えば、警報の発出、異常状態の表示等を行う。その後、レーザ加工処理を終了するか否かを判定する（ステップＳＴ９）。レーザ装置の動作が正常であると判定された場合には、異常時の処理を実行することなく、レーザ加工処理を終了するか否かを判定する（ステップＳＴ９）。

レーザ加工処理を継続する場合には、ステップＳＴ１からステップＳＴ９までの処理を繰り返し実行する。上述のステップＳＴ２からステップＳＴ９までの処理は、評価装置３０が実行する。例えば、加工対象物１５（図１）のレーザ加工が終了したら、レーザ加工処理を終了する。その他に、表示装置２６（図５）に表示された異常の状態をオペレータが見て、オペレータの介在によりレーザ加工処理を終了するようにしてもよい。

次に、上記実施例による評価装置の構成を採用することにより得られる優れた効果について説明する。

本実施例では、レーザ装置の各部にそれぞれセンサを取り付けることなく、制御装置２０から送信される発振指令信号Ｓ０と、光検出器２１から出力される検出信号Ｓ１とに基づいて、レーザ装置の動作の正常性を評価することができる。表示装置２６に表示された散布図（図５）を見て、オペレータが直感的にレーザ装置の動作状態を把握することができる。例えば、図５に示した例では、レーザ発振器１０に発振モードの異常が発生していると、容易に推定することができる。

また、上記実施例では、加工対象物１５（図１）のレーザ加工を行いながら、リアルタイムに異常なレーザパルスの発生を検出することができる。異常なレーザパルスの出現頻度を算出する期間を短くすると、早期にレーザ装置の異常を検出することができる。

次に、上記実施例の変形例について説明する。上記実施例では、異常なレーザパルスの発生頻度が閾値を超えたら、警報を発出し、表示装置２６に異常状態を表示した。警報を発出する閾値よりも上に許容上限値を設定し、異常なレーザパルスの出現頻度が許容上限値を超えたら、レーザ加工を自動的に停止させるようにしてもよい。これにより、不良品の増加を抑制することができる。

上記実施例では、図１に示したように制御装置２０とは別に評価装置３０を設けたが、制御装置２０に評価装置３０の機能を持たせてもよい。

本発明は上述の実施例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レーザ発振器
１１第１光学系
１２ベンディングミラー
１３第２光学系
１４ステージ
１５加工対象物
２０制御装置
２１光検出器
２５警報発出装置
２６表示装置
３０評価装置
３１判定部
３２記憶部
３３データ取得部
３４表示制御部
５０ビルドアップ時間ｔ_ＢＵとパルスエネルギ依存物理量との正常な対応関係を示す範囲
Ｓ０発振指令信号
Ｓ１検出信号

Claims

レーザ発振器の励起開始からレーザパルスの立ち上がりまでの経過時間であるビルドアップ時間と、レーザパルスのパルスエネルギによって決まるパルスエネルギ依存物理量との正常な対応関係を記憶する記憶部と、
評価対象のレーザ発振器の励起開始時点を示す情報、及び前記評価対象のレーザ発振器から出力されたレーザパルスの光強度の時間変化の測定結果を取得するデータ取得部と、
前記データ取得部で取得された情報に基づいて、前記ビルドアップ時間及び前記パルスエネルギ依存物理量を算出し、前記ビルドアップ時間の算出値と前記パルスエネルギ依存物理量の算出値とを、前記記憶部に記憶されている前記正常な対応関係と比較して、前記評価対象のレーザ発振器の動作の正常性を判定する判定部と
を有する評価装置。
前記判定部は、前記ビルドアップ時間の算出値と前記パルスエネルギ依存物理量の算出値との対応関係が、前記記憶部に記憶されている前記正常な対応関係に含まれないとき、警報を発出する請求項１に記載の評価装置。
前記記憶部に記憶されている前記正常な対応関係、及び前記ビルドアップ時間の算出値と前記パルスエネルギ依存物理量の算出値との対応関係を表示装置に表示させる表示制御部を、さらに有する請求項１または２に記載の評価装置。
評価対象のレーザ発振器に発振指令信号を送信し、
前記評価対象のレーザ発振器から出力されたレーザパルスを検出し、
前記発振指令信号による発振指令時点から、前記レーザパルスの立ち上がりまでの経過時間であるビルドアップ時間、及び前記レーザパルスのパルスエネルギによって決まるパルスエネルギ依存物理量を算出し、
前記ビルドアップ時間の算出値と前記パルスエネルギ依存物理量の算出値とを、前記ビルドアップ時間と前記パルスエネルギ依存物理量との予め決められている正常な対応関係と比較して前記評価対象のレーザ発振器の動作の正常性を判定する評価方法。