JP7260238B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザパルスを用いてプリント基板のような被加工物に穴あけ等の加工を行うためのレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関するものである。

上記の如きレーザ加工装置においては、レーザ照射位置を変えるためのガルバノスキャナによる位置決め動作の完了毎にレーザ発振器よりレーザパルスを発振させ、ガルバノスキャナを経由して被加工物に照射するようになっている。
このようなレーザ加工装置においてプリント基板に穴あけを行うと、レーザ発振器からのレーザパルスが正常なエネルギーでなかった場合、その時加工される穴径が小さい等の加工品質が悪くなる問題がある。

特許文献１には、レーザ発振器からのレーザパルスを分岐方向の制御を行うことにより加工に使用するかどうか（オン・オフ）のスイッチングを行う音響光学モジュール（以下ＡＯＭと略す）、すなわちＡＯＭを経由して被加工物に照射するものにおいて、ＡＯＭからの出射側の光の強度を検出し、この光強度に基づいてＡＯＭをフィードバック制御する技術が開示されている。
ＡＯＭでスイッチングを行う場合、通常はレーザ発振器からのレーザパルスの特定の期間だけ切出しを行うが、特許文献１の技術はＡＯＭで切出された光の強度を検出する方式であるので、光強度を検出したレーザパルスそれ自身のエネルギーをもはや制御することはできず、正常でないエネルギーのレーザパルスが被加工物に照射され、加工品質が悪くなる欠点がある。

また特許文献２には、穴あけを行う毎にレーザパルスの最初の部分のエネルギーを検出し、それが設定範囲にある時のみレーザパルスの残りの部分の少なくとも一部を被加工物に照射する技術が開示されている。
しかしながら、レーザパルスの最初の部分のエネルギーが設定範囲にあったとしても、残りの部分のエネルギーは一定であるとは限らず、加工品質が一定でなくなる欠点がある。
また、特許文献２の技術ではレーザパルスの最初の部分のエネルギーが大き過ぎたりする場合は、そのレーザパルスはダンパに照射され加工に用いられない。従ってレーザパルスの利用率が低下する欠点がある。

特開2000-5890号公報 特開2004-25292号公報

そこで本発明は、従来技術の欠点を解決し、一定の加工品質を確保するとともにレーザパルスの利用率の低下を抑えることを目的とする。

上記課題を解決するため、本願において開示される発明のうち、代表的なレーザ加工装置においては、レーザパルスを発振させるレーザ発振器と、当該レーザ発振器から入射されたレーザパルスを二つの方向のうちのいずれか一方に分岐させる光分岐部と、当該光分岐部での前記分岐方向を制御する光分岐制御部とを備え、前記光分岐部から出射された前記レーザパルスの第一の部分を被加工物に与えることにより当該被加工物を加工するようにしたレーザ加工装置において、前記第一の部分よりも先行する前記レーザパルスの第二の部分での二つ時点での光強度を検出する光強度検出部を備え、前記光分岐制御部は前記光強度検出部での検出結果に基づいて前記第一の部分のエネルギーが一定になるように前記光分岐部を制御することを特徴とする。

また、本願において開示される代表的なレーザ加工方法は、レーザ発振器から入射されたレーザパルスを二つの方向のうちのいずれか一方に分岐させる光分岐部に入射し、前記光分岐部から出射された前記レーザパルスの第一の部分を被加工物に与えることにより当該被加工物を加工するようにしたレーザ加工方法において、前記第一の部分よりも先行する前記レーザパルスの第二の部分での二つ時点での光強度を検出し、当該検出結果に基づいて前記第一の部分のエネルギーが一定になるように前記光分岐部を制御することを特徴とする。

なお、本願において開示される発明の代表的な特徴は以上の通りであるが、ここで説明していない特徴については、以下に説明する実施例に適用されており、また特許請求の範囲にも示した通りである。

本発明によれば、従来技術の欠点を解決し、一定の加工品質を確保するとともにレーザパルスの利用率の低下を抑えることを目的とする。

本発明の一実施例となるレーザ加工装置のタイミングチャートである。 本発明の一実施例となるレーザ加工装置のブロック図である。 図２における制御テーブルの内容を示す図である。

以下、本発明の一実施例について説明する。
図２は、本発明の一実施例となるレーザ加工装置のブロック図である。図２において、１はレーザパルスを発生する例えば炭酸ガスレーザタイプのレーザ発振器である。２はレーザ発振器１からのレーザパルスを反射するビームスプリッタ、３はビームスプリッタで反射されたレーザパルスに対し分岐方向の制御を行うことにより加工に使用するかどうか（オン・オフ）のスイッチングを行うＡＯＭ、４はＡＯＭ３がオンとなって加工方向に分岐したレーザパルスＬ２を加工データに従って２次元方向に走査するガルバノスキャナ、５はガルバノスキャナ５からのレーザパルスをプリント基板７の穴あけ位置に照射する集光（Ｆθ）レンズ、６はＡＯＭ３において加工方向へ分岐されず透過したレーザパルスＬ３を吸収するダンパである。

１０は装置全体の動作を制御するための全体制御部であり、例えばプログラム制御の処理装置を中心にして構成され、その中の各構成要素や接続線は、論理的なものも含むものとする。また各構成要素の一部はこれと別個に設けられていてもよい。また、全体制御部１０はここで説明するもの以外の制御機能を有し、図示されていないブロックにも接続されているものとする。

全体制御部１０の内部には、レーザ発振器３でのレーザパルスＬ１の発振と減衰を指令するためのレーザ発振指令信号Ｓを出力するレーザ発振制御部１１、ＡＯＭ５を制御するためのＡＯＭ駆動信号Ｄを出力するＡＯＭ制御部１２、ガルバノスキャナ７を制御するためのガルバノ制御信号Ｇを出力するガルバノ制御部１３が設けられている。
ＡＯＭ制御部１２から出力されるＡＯＭ駆動信号Ｄは特定周波数のＲＦ信号から成り、このＲＦ信号を与えるか否かによってＡＯＭ３のオン、オフを制御し、またこのＲＦ信号の振幅を変化させることによりＡＯＭ３から加工方向に分岐したレーザパルスＬ２の出射エネルギーを制御する。

図１は、図２のレーザ加工装置において、レーザ発振器１からレーザパルスＬ１が発振される時のタイミングチャートである。このレーザ加工装置においては、ガルバノスキャナ４における回転の停止に同期してレーザ発振を行いプリント基板１に照射するようになっている。
図２において、全体制御部１０の制御の下で、ガルバノ動作制御信号Ｇがオンとなってガルバノスキャナ４が回転し、目標の位置まで回転して位置決め動作が完了するとガルバノ動作制御信号Ｇがオフになり、時間Ｔ１の後にレーザ発振制御部１１からのレーザ発振指令信号Ｓが所定時間オンとなってレーザパルスＬ１の発振がレーザ発振器１に指令される。

そして、レーザ発振指令信号Ｓがオンとなってから時間Ｔ２の後にレーザ発振器２からレーザパルスＬ１が発振される。時間Ｔ３の後に所定時間だけＡＯＭ駆動信号ＤがＡＯＭ制御部１２から出力され、ＡＯＭ３がオンとなってレーザパルスＬ２が切出される。
なお、Ｐは出射され始めた直後に表れるスパイクであり、このスパイクは必ず発生するとは限らないものである。
ＡＯＭ３により切出されたレーザパルスＬ２はガルバノスキャナ４を経由してプリント基板７に照射される。この後、レーザ発振指令信号Ｓのオフから所定の時間の後にガルバノ動作制御信号Ｇがオンとなり、次の穴位置への照射のためにガルバノスキャナ４が回転し、以後、同様に繰り返す。
ここで、時間Ｔ１～Ｔ３は、それぞれ関連機能要素における処理・応答時間や機能要素間の信号伝搬時間が含まれるものである。

以上までの構成のレーザ加工装置は一般的に知られているものであるが、本発明に従うと、以下の点が異なる。
図２において、１４はビームスプリッタ２を透過したレーザパルスＬ１のエネルギーを光強度で検出する光強度検出器であり、フォトディテクタ等を使って実現されるものである。この光強度検出器１４は、全体制御部１０内に設けられた光強度検出制御部１５からの検出指示信号Ｅを２回受け、その時のレーザパルスＬ１の光強度を示す光強度信号Ｆが光強度傾き計算部１６に出力される。光強度傾き計算部１６では、検出された光強度の２点間の傾きが求められる。

具体的には、レーザ発振指令信号ＳがオンとなってからＴａの時間経過後の時点でレーザパルスＬ１の光強度Ｆａが検出され、またＴｂの時間経過後の時点でレーザパルスＬ１の光強度Ｆｂが検出され、光強度傾き計算部１６で傾きα(α＝(Ｆｂ－Ｆａ)／(Ｔｂ－Ｔａ）)が求められ、傾きαがＡＯＭ制御部１２に出力される。
時間Ｔａ、Ｔｂは予め実験的に求めておくものとするが、特にＴａが短すぎるとレーザパルスＬ１の光強度がまだ小さすぎるので、傾きαは異常に大きくなってしまう。そのようなことがないように、ＴａはレーザパルスＬ１がある程度立上がった時間にする必要がある。

ＡＯＭ制御部１２の内部には図３に示す内容の制御テーブル１７が設けられており、これの各エントリには、レーザパルスＬ１の傾きα毎に、ＡＯＭ３で切出されたレーザパルスＬ２のエネルギを加工品質を確保するために必要な一定（一定の範囲も含む）の大きさにするためのＡＯＭ駆動信号Ｄの振幅Ｖ１～Ｖｎが登録されている。振幅Ｖ１～Ｖｎは予め実験等により求めておく。
ＡＯＭ制御部１２は、レーザ発振器１からレーザパルスＬ１が発振されると、光強度傾き計算部１６で求められた傾きαに対応する振幅Ｖを制御テーブル１７から選択し、当該振幅のＡＯＭ駆動信号ＤをＡＯＭ３に与える。

また、レーザパルスの傾きαが所定値α1より大きい場合は、照射エネルギーが大き過ぎてもはやＡＯＭ３で加工に適するレベルまで下げられないと判定し、ＡＯＭ制御部１２はＡＯＭ駆動信号Ｄの振幅Ｖをゼロにする（すなわちＡＯＭ駆動信号Ｄの供給を止める）ことにより、加工方向へのレーザパルスＬ２を無くし全てダンパ４の方向に分岐させる。
また、レーザパルスの傾きαが所定値αｎ＋1より小さい場合は、照射エネルギーが小さ過ぎて加工に適さないと判断し、これについてもＡＯＭ制御部１２はＡＯＭ駆動信号Ｄの振幅Ｖをゼロとすることにより、加工方向へのレーザパルスＬ２を無くし全てダンパ４の方向に分岐させる。

加工方向へのレーザパルスＬ２を無くした時、ＡＯＭ制御部１２はガルバノ制御部１３にガルバノ位置更新の停止を指示するガルバノ更新停止信号ＧＳを出力する。これを受けてガルバノ制御部１３は、レーザ発振指令信号Ｓがオフになってもガルバノ動作制御信号Ｇをオンとせず、ガルバノスキャナ５を現在の回転位置に留まらせる。
そして次のレーザ発振のタイミングでレーザ発振指令信号Ｓをオンとし、ここで発振されるレーザパルスＬ１が上記の如き判定に基づき加工に適するものであれば、それを使用して当初の穴位置への加工が行なわれるようにする。
このようにすると、一時的にレーザ発振器１から加工に適さないレーザパルスＬ１が出射されても、装置としてはそのまま加工動作を継続することができる。

ＡＯＭ制御部１２からガルバノ更新停止信号ＧＳが頻繁に発生する場合には、レーザ発振器１から加工に適さないレーザパルスＬ１が頻繁に出力されている訳であり、このような場合には、ＡＯＭ制御部１２からエラー信号ＡＬが出力され、これを受けて全体制御部１０は加工動作を停止させ、レーザ発振器１の異常が起きていることをオペレータに知らせるようにする。

上記実施例においては、レーザ発振器１からのレーザパルスＬ１がＡＯＭ３に入射する前に、ＡＯＭ３による切出し部分より先行するレーザパルス部分の光強度を検出し、それに対応してＡＯＭ駆動信号Ｄの振幅を変化させ、ＡＯＭ３による切出し部分であるレーザパルスＬ２のエネルギーを一定に制御するようになっている。
従って、発振周期等によりレーザパルスのエネルギーが変化しても、ＡＯＭ３による切出し部分であるレーザパルスＬ２のエネルギーを一定に制御できるので、加工品質を向上させることができる。
さらには、レーザパルスの最初の部分のエネルギーが大き過ぎて、従来においてはダンパ６の方向に分岐させられていたレーザパルスであっても、ＡＯＭ３によってエネルギーを加工に適したものにすることができるので、レーザパルスの利用率を向上することができる。

なお、上記実施例においては、ＡＯＭ３による切出し部分より先行するレーザパルス部分の２点の光強度の傾きを求めることによりＡＯＭ３による切出し部分であるレーザパルスＬ２のエネルギーを判定しているが、必ずしも２点間の傾きを求める必要はない。
例えば、図１において時刻Ｔａ～Ｔｂの積分値を求めることによりＡＯＭ３による切出し部分であるレーザパルスＬ２のエネルギーを判定してもよく、ＡＯＭ３による切出し部分であるレーザパルスＬ２のエネルギーを判定する方法は種々考えられる。

１：レーザ発振器、２：ビームスプリッタ、３：ＡＯＭ、４：ガルバノスキャナ、５：集光（Ｆθ）レンズ、６：ダンパ、７：プリント基板、１０：全体制御部、
１１：レーザ発振制御部、１２：ＡＯＭ制御部、１３：ガルバノ制御部、
１５：光強度検出器、１６：光強度傾き計算部、１７：制御テーブル、

Claims (6)

1. レーザパルスを発振させるレーザ発振器と、当該レーザ発振器から入射されたレーザパルスを二つの方向のうちのいずれか一方に分岐させる光分岐部と、当該光分岐部での前記分岐方向を制御する光分岐制御部とを備え、前記光分岐部から出射された前記レーザパルスの第一の部分を被加工物に与えることにより当該被加工物を加工するようにしたレーザ加工装置において、前記第一の部分よりも先行する前記レーザパルスの第二の部分での二つ時点での光強度を検出する光強度検出部を備え、前記光分岐制御部は前記光強度検出部での検出結果に基づいて前記第一の部分のエネルギーが一定になるように前記光分岐部を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
   
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記光分岐部は前記光分岐制御部からＲＦ信号が与えられるか否かにより分岐方向が定まるとともに、与えられるＲＦ信号の振幅により前記第一の部分のエネルギーが制御されることを特徴とするレーザ加工装置。
   
3. 請求項１あるいは２に記載のレーザ加工装置において、前記光分岐部は、前記光強度検出部での検出結果が所定の範囲にある場合だけ前記第一の部分のエネルギーが一定になるように制御することを特徴とするレーザ加工装置。
   
4. レーザ発振器から入射されたレーザパルスを二つの方向のうちのいずれか一方に分岐させる光分岐部に入射し、前記光分岐部から出射された前記レーザパルスの第一の部分を被加工物に与えることにより当該被加工物を加工するようにしたレーザ加工方法において、前記第一の部分よりも先行する前記レーザパルスの第二の部分での二つ時点での光強度を検出し、当該検出結果に基づいて前記第一の部分のエネルギーが一定になるように前記光分岐部を制御することを特徴とするレーザ加工方法。
   
5. 請求項４に記載のレーザ加工方法において、前記光分岐部は前記光分岐制御部からＲＦ信号が与えられるか否かにより分岐方向が定まるとともに、与えられるＲＦ信号の振幅により前記第一の部分のエネルギーが制御されることを特徴とするレーザ加工方法。
   
6. 請求項４あるいは５に記載のレーザ加工方法において、前記光分岐部は、前記第一の部分の光強度の検出結果が所定の範囲にある場合だけ前記第一の部分のエネルギーが一定になるように制御することを特徴とするレーザ加工方法。
   

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