JP2002283077A

JP2002283077A - レーザ加工モニタリング装置、レーザ加工モニタリング方法、レーザ加工装置およびレーザ加工方法

Info

Publication number: JP2002283077A
Application number: JP2001082606A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Kawahito; 洋介川人; Toshiharu Okada; 俊治岡田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2002-10-02

Abstract

(57)【要約】【課題】被加工物の加工領域の内部状態を高速リアル
タイムモニタリングする。【解決手段】被加工物４にレーザを照射して行なうレ
ーザ加工の進歩状況をモニタリングするレーザ加工モニ
タリング装置２において、レーザ加工時に被加工物４に
振動を発生させる振動発生手段６と、被加工物４の振動
を測定する振動測定手段１３と、該振動測定手段１３に
よるに振動測定結果に基づいてレーザ加工の進歩状況を
判定する判定手段１４とから構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ加工時の加工
状況をモニタリングするレーザ加工モニタリング装置、
レーザ加工モニタリング方法、レーザ加工装置およびレ
ーザ加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工では、高い加工品質を得るた
めに、最適化された加工状態を安定的に維持する必要が
あるが、その作業は熟練作業者に頼っていた。特にレー
ザの波長に対する反射率の高い材料、高融点材料等のい
わゆる難加工材料のレーザ加工では、僅かな表面状態の
変化や素材の不均一性が加工品質に影響を及ぼすので、
たとえ熟練作業者でも高い加工品質を維持することは困
難であった。そこで、レーザ加工時の進歩状況をリアル
タイムにモニタリングし、レーザ加工を制御することが
必要となる。

【０００３】レーザ加工時の進歩状況をモニタリングす
る技術として、従来、ＣＣＤで得られる画像を画像処理
する画像モニタリング、赤外線センサー・サーモカップ
ルによる温度モニタリング、フォトダイオード等による
光モニタリング等が実用化されている。

【０００４】画像モニタリングは、レーザ加工時に被加
工物の外観、寸法をモニタリングし、該モニタリング結
果をそれぞれ基準の外観、寸法と比較して、それらの良
否を判定する技術である。この画像モニタリングは、市
販の部品を使用して容易に構成することができ、他の多
く分野でも実績がある利点があるが、レーザ照射回数が
数キロＫｚの高速モニタリングには適さないという欠点
がある。

【０００５】温度モニタリングは、レーザ加工時に被加
工物からの熱輻射を感知して加工部の温度をモニタリン
グし、該モニタリング結果を所定の温度と比較して、そ
の良否を判定する技術である。この温度モニタリングは
加工部の温度情報から直接的に加工状態を知ることがで
き、高速モニタリングにも適するという利点があるが、
温度情報として２次元、３次元の詳細な温度分布を扱う
となると前記画像モニタリングと同様に高速モニタリン
グには適さなくなるという欠点がある。

【０００６】光モニタリングは、被加工物からの反射レ
ーザ光を感知し、該反射レーザ光の光強度に基づいて加
工部の表面状態の良否を判定する技術である。この光モ
ニタリングは、高速モニタリングに適する利点がある
が、被加工物が高反射率の材料でなければならないので
材料が限定されるという欠点がある。

【０００７】以上のように、現在実用化されているモニ
タリング技術はレーザ加工領域の表面状態をモニタリン
グするものであり、加工領域の内部状態をモニタリング
するものは、Ｘ線カメラによる画像を画像処理するシス
テム等が存在するが、まだ研究段階にある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記従来の問
題点に鑑みてなされたもので、被加工物の加工領域の内
部状態を高速リアルタイムモニタリングすることが可能
なレーザ加工モニタリング装置および方法、さらにこれ
らを用いたレーザ加工装置および方法を提供すことを課
題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明レーザ加工モニタリング装置は、被加工物に
レーザを照射して加工するレーザ加工の進歩状況をモニ
タリングするレーザ加工モニタリング装置において、レ
ーザ加工時に被加工物に振動を発生させる振動発生手段
と、被加工物の振動を測定する振動測定手段と、該振動
測定手段によるに振動測定結果に基づいてレーザ加工の
進歩状況を判定する判定手段とから構成したものであ
る。

【００１０】前記レーザ加工モニタリング装置では、レ
ーザ加工時に振動発生手段により被加工物に振動を発生
させ、振動測定手段により被加工物の振動を測定し、そ
の振動測定結果に基づいてレーザ加工の進歩状況を判定
する。例えば、被加工物に穴が貫通したこと、複数の被
加工物が接合したこと、材料の異なる複数の層からなる
被加工物ではどの層の加工が完了したか等の被加工物の
内部状態を高速リアルタイムモニタリングすることがで
きる。

【００１１】前記振動発生手段は、前記振動発生手段は
パルスレーザであり、さらにこのパルスレーザで被加工
物の加工を行うことが好ましい。このようにすること
で、加工レーザの発生手段と振動発生手段を共用するこ
とができ、新たな振動発生手段を別個に設ける必要がな
く、構成が簡略化する。

【００１２】前記振動測定手段は、被加工物にプローブ
光を照射し、該プローブ光の反射光のドップラー効果に
より被加工物の振動を測定するものであることが好まし
い。このプローブ光は、加工部の近傍に照射すること
で、加工時の表面状態の変化が振動測定に与える影響を
無くすことができ、正確な振動測定を行える。

【００１３】前記プローブ光と前記レーザを１つの集光
レンズ光学系で被加工物上に集光させることが、構成を
簡略化するうえで好ましい。

【００１４】前記判定手段は、前記レーザパルスの各パ
ルス毎に、前記パルスレーザのパワーの最大値に対する
被加工物の最大変位量と最小変位量の差の比を求め、該
比の変化によってレーザ加工の進歩状況を判定するもの
であることが好ましい。あるいは、前記判定手段は、前
記振動測定結果より周波数特性を求め、該周波数特性に
基づいてレーザ加工の進歩状況を判定するものであって
もよい。

【００１５】前記レーザ加工は被加工物に穴を開ける穴
加工であり、前記判定手段は穴加工の完了を判定するも
のであることが好ましい。

【００１６】前記被加工物は２種類以上の異なる材料が
積層されたものであり、前記判定手段は各材料毎にレー
ザ加工の進歩状況を判定するものであることが好まし
い。

【００１７】前記レーザ加工は２以上の被加工物を接合
する接合加工であり、前記判定手段は２以上の被加工物
の接合状態を判定するものであることが好ましい。

【００１８】前記課題を解決するために、本発明レーザ
加工モニタリング方法は、レーザ加工時に被加工物に振
動を発生させ、被加工物の振動を測定し、該振動測定結
果に基づいてレーザ加工の進歩状況を判定するものであ
る。また、本発明にかかるレーザ加工装置は、前記レー
ザ加工モニタリング装置を備と、該レーザ加工モニタリ
ング装置でモニタリングされたレーザ加工の進歩状況に
基づいて被加工物のレーザ加工を制御する制御手段とを
備えたものである。さらに、本発明にかかるレーザ加工
方法は、前記レーザ加工モニタリング方法によりレーザ
加工の進歩状況をモニタリングし、そのモニタリングし
たレーザ加工の進歩状況に基づいて被加工物のレーザ加
工を制御するものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に従って説明する。

【００２０】図１は、本発明にかかるレーザ加工モニタ
リング装置２を備えたレーザ加工装置１を示す。３は、
被加工物４を載置し、該被加工物４の位置を制御するＸ
ＹＺステージである。このＸＹＺステージ３の上方に
は、加工レーザとしてＳＨＧ−ＹＡＧレーザ５を発射す
るレーザ発生器６と、該レーザ発生器６から発射された
ＳＨＧ−ＹＡＧレーザ５を前記ＸＹＺステージ３上の被
加工物４に向けて反射するミラー７と、該ミラー７で反
射されたＳＨＧ−ＹＡＧレーザ５を集光する集光レンズ
８とが配設されている。前記ミラー７には、レーザ発生
器６から発射される波長５３２ｎｍのＳＨＧ−ＹＡＧレ
ーザ５を反射し、後述するドップラー計測計１３から発
射される波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ１１を透過
させる誘電体コートが施されている。

【００２１】前記レーザ発生器６と前記ミラー７の間に
は、レーザ発生器６から発射されたＳＨＧ−ＹＡＧレー
ザ５の一部を分岐させるビームサンプラー９と、該ビー
ムサンプラー９で分岐されたＳＨＧ−ＹＡＧレーザ５の
パワーを測定するフォトセンサ１０とが配設されてい
る。ミラー７の上方には、光プローブとしてＨｅ−Ｎｅ
レーザ１１を発射して、光学系１２、ミラー７および集
光レンズ８を介して被加工物４に照射し、被加工物４の
振動を測定するドップラー計測計１３が配置されてい
る。光学系１２は、ドップラー計測計１３から発射され
るＨｅ−Ｎｅレーザ１１の焦点位置を調整するための図
示しないズーム機構を有している。ドップラー計測計１
３は、該ドップラー計測計１３から発射されるＨｅ−Ｎ
ｅレーザ１１の光軸の角度を調整する角度調整機構１４
を有している。

【００２２】前述したレーザ発生器６、ビームサンプラ
ー９、フォトセンサ１０、ドップラー計測計１３、光学
系１２およびデータ処理器１５によって、本発明のレー
ザ加工モニタリング装置２が構成されている。レーザ発
生器６は、被加工物４に加工レーザを発射する手段であ
るとともに、被加工物４に振動を発生させるための本発
明でいう振動発生手段でもある。ドップラー計測計１３
は、被加工物４の振動測定手段を構成している。データ
処理器１５は、フォトセンサ１０で測定されるＳＨＧ−
ＹＡＧレーザ５のパワーと、ドップラー計測計１３で計
測される被加工物４の振動とに基づいて、被加工物４の
進歩状況を判定する本発明の判定手段を構成している。
また、レーザ発生装置６には、前記データ処理器１５で
判定された被加工物４の進歩状況に基づいて、前記レー
ザ発生装置６によるレーザの発射を停止させる等してレ
ーザ加工を制御する制御装置６ａが設けられている。

【００２３】前記ドップラー計測計１３により被加工物
４の振動を測定する位置は、レーザ加工部周辺である。
レーザ加工部では、加工により表面形状が大きく変化し
ており、ここのドップラー計測計１３からＨｅ−Ｎｅレ
ーザ１１を照射しても、そのＨｅ−Ｎｅレーザ１１の反
射光強度が表面形状に強く影響され、被加工物４の振動
を正確に測定できないからである。また、レーザ穴加工
では、図２に示すように、加工条件によっては、加工穴
１６の周辺部にドロス１７が存在し、このドロス１７に
よってＨｅ−Ｎｅレーザ１１の反射光が散乱され、正確
な振動測定ができなくなる。一方、レーザ加工部から距
離が離れた位置では、その距離の２乗で振動の大きさが
減衰するので、あまりに加工部から離れると、被加工物
４の振動の測定が困難になる。したがって、Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ１１の光プローブのスポットは、被加工物４の表
面形状の変化がなく、ドロス１７に重ならない位置であ
って、できるだけ加工部に近い位置に調整する必要があ
る。実施例では、４００×３００×０．３ｍｍの９９．
９９％の純銅板に直径５０μｍの穴加工する場合、レー
ザ加工部の中心から１０ｍｍの位置であれば、被加工物
４の振動の測定が可能あった。

【００２４】被加工物４の振動を測定する位置の調整
は、光学系１２のズーム機構とドップラー計測計１３の
角度調整機構１４によって行う。具体的には、最初に、
ＳＨＧ−ＹＡＧレーザ５の加工レーザの焦点位置で加工
できるように、ＸＹＺステージ３で被加工物４の位置を
調節する。次に、ドップラー計測計１３の角度調整機構
１４によって、被加工物４上のＨｅ−Ｎｅレーザ１１の
光プローブのスポットがＳＨＧ−ＹＡＧレーザ５の加工
レーザのスポットから振動測定が可能な距離だけ離れる
ように移動させる。そして、光学系１２のズーム機構に
よって、ドップラー計測計１３に戻ってくるレーザ光量
が最大になるように焦点位置を調整して、光学系１２を
固定する。

【００２５】レーザ発生器６は、前述したように、加工
レーザ発生手段であるとともに振動発生手段でもある
が、このレーザ発生器６による振動発生の原理を説明す
る。図３に示すように、ＳＨＧ−ＹＡＧレーザ５を照射
すると加工領域の被加工物４が蒸発して蒸気Ｓが発生
し、この蒸発Ｓの反作用として被加工物４に対して逆制
動放射ｆを与える結果、被加工物４に振動が発生する。
被加工物４の穴加工が完了し被加工物４に貫通穴１８が
形成されると、ＳＨＧ−ＹＡＧレーザ５が貫通穴１８を
通過するので、加工領域に前述したような被加工物４の
蒸気Ｓが発生せず、逆制動放射ｆを受けなくなる結果、
振動が無くなる。このように、レーザ加工中に振動が発
生し、加工が完了すると振動が無くなるので、加工中に
ドップラー計測計１３によって被加工物４の振動を測定
することで、加工の進歩状況すなわち加工が進行中であ
るか否か、完了したか否か等のモニタリングをすること
ができる。

【００２６】レーザ発生器６から発射される加工レーザ
としてのＳＨＧ−ＹＡＧレーザ５は、パルスレーザであ
り、レーザ照射時間は数百ｎｓと非常に短時間である。
これに対し、ドップラー計測計１３によって振動測定す
る時間は、数百μｓからｍｓのオーダーである。したが
って、ＳＨＧ−ＹＡＧレーザ５を被加工物４の加振源と
みると、ドップラー計測計１３は被加工物４のインパル
スの過渡応答を測定していることになり、固有振動数も
求めることができる。

【００２７】次に、データ処理器１５によるレーザ加工
モニタリング動作を説明すると、レーザ発生器６から発
射されるＳＨＧ−ＹＡＧレーザ５の各レーザパルスをビ
ームサンプラー９で１％分岐し、該レーザパルスのパワ
ーをフォトセンサ１０で測定する。これにより、図４
（ｂ）に示すようなＳＨＧ−ＹＡＧレーザ５のレーザパ
ルスのパワーの時間的変化が得られる。一方、ドップラ
ー計測計１３によりＨｅ−Ｎｅレーザ１１の光プローブ
を被加工物４に照射してその反射光のパワーから、被加
工物４の振動を測定する。これにより、図４（ａ）に示
すような被加工物４の変位の時間的変化が得られる。次
に、図４（ｂ）に示すＳＨＧ−ＹＡＧレーザ５のレーザ
パルスのパワーの最大値Ｐと、図４（ａ）に示す被加工
物４の変位の最大値と最小値の差（Ａｍａｘ−Ａｍｉ
ｎ）、すなわち絶対変位量を求める。そして、各レーザ
パルスのパワーの最大値Ｐに対する被加工物４の絶対変
位量（Ａｍａｘ−Ａｍｉｎ）の比（Ａｍａｘ−Ａｍｉ
ｎ）／Ｐを求め、この比に基づいてレーザ加工の進歩状
況をモニタリングすることができる。例えば、レーザ穴
加工の場合、図４（ａ）中Ｐ１点におけるように前記比
が高くてある閾値以上のときはレーザ加工中であり、図
４（ａ）中Ｐ２点におけるように前記比がある閾値以下
になると穴加工が完了したと判定する。この判定結果に
基づいて、制御装置６ａはレーザ発生器６によるレーザ
の発射を停止し、レーザ加工を終了する。

【００２８】前記実施形態ではレーザ穴加工のモニタリ
ングについて説明したが、本発明にかかるレーザ加工モ
ニタリング装置は、以下に説明するように、他のレーザ
加工のモニタリングも可能である。

【００２９】図５は、２種類以上の異なる材料が積層さ
れた構造の被加工物のレーザ穴加工を示す。この被加工
物は、厚さ１０μｍの銅の第１層２１、厚さ８０μｍの
ポリイミドの第２層２２、厚さ１０μｍの銅の第３層２
３からなる合計厚さ１００μmの３層構造のハイブリッ
ド基板２４である。このような３層構造のハイブリッド
基板２４のレーザ穴加工では、加工レートが各層によっ
て異なり、各レーザパルスのパワーの最大値に対する被
加工物の絶対変位量の比（Ａｍａｘ−Ａｍｉｎ）／Ｐが
各層によって異なるため、ハイブリッド基板２４の内部
すなわち各層のレーザ加工の完了をモニタリングするこ
とができる。したがって、図５（ａ）に示すように、第
１層２１の穴加工が完了した時点でレーザ加工を停止す
れば、第１層２１だけに穴を形成することができる。

【００３０】図６は、２つ以上の被加工物を接合するレ
ーザマイクロ溶接加工を示す。この加工は、プリント基
板２５上の径４００μｍのランド２６に直径５０μｍの
ワイヤ２７を溶接するものである。加工レーザとしてパ
ルスＹＡＧレーザを用い、ドップラー計測計によりワイ
ヤ２７単体に対して変位を測定し、ＦＦＴにより周波数
特性を求める。図６（ａ）に示すようにワイヤ２７がラ
ンド２６に接合される前に比べて、図６（ｂ）に示すよ
うにワイヤ２７がランド２６に接合された後では、ワイ
ヤ２７の変位が大幅に減少し、周波数特性に大きな変化
が得られる。したがって、このワイヤ２７の周波数特性
の変化から、ワイヤ２７のランド２６への接合の時点を
モニタリングすることができる。この時点でレーザ発射
を停止すれば、効率よく溶接加工を行うことができる。

【００３１】同様に、図７に示すように、２つの板材２
８，２９を重ねてスポット接合する接合加工において
も、上方の板材２８の周波数特性の変化から２つの板材
２８，２９の接合の時点をモニタリングすることがで
き、この時点でレーザ発射を停止すれば、効率よく接合
加工を行うことができる。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、レーザ加工時に被加工物に振動を発生させて
その被加工物の振動測定結果に基づいてレーザ加工の進
歩状況を判定するので、被加工物に穴が貫通したこと、
複数の被加工物が接合したこと、材料の異なる複数の層
からなる被加工物ではどの層の加工が完了したか等の被
加工物の内部状態を高速リアルタイムモニタリングする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるレーザ加工モニタリング装置
を備えたレーザ加工装置の概略図。

【図２】加工穴の周囲のドロスを示す被加工物の平面
図。

【図３】レーザ穴加工であって、（ａ）は加工時、
（ｂ）は完了時を示す断面図。

【図４】（ａ）は被加工物の変位の時間的変化、
（ｂ）は加工パルスのパワーの時間的変化を示すグラ
フ。

【図５】多層基板のレーザ穴加工であって、（ａ）は
第１層の加工完了時、（ｂ）は第２層の加工時を示す断
面図。

【図６】基板とワイヤのレーザ接合加工であって、
（ａ）は接合前、（ｂ）は接合後を示す正面図。

【図７】２つの板材のレーザ接合加工であって、
（ａ）は接合前、（ｂ）は接合後を示す断面図。

【符号の説明】

１レーザ加工装置２レーザ加工モニタリング装置４被加工物５ＳＨＧ−ＹＡＧレーザ（加工レーザ）６レーザ発生器（振動発生手段）６ａ制御装置８集光レンズ１１Ｈｅ−Ｎｅレーザ（光プローブ）１３ドップラー計測計（振動測定手段）１４データ処理器（判定手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工物にレーザを照射して加工するレ
ーザ加工の進歩状況をモニタリングするレーザ加工モニ
タリング装置において、レーザ加工時に被加工物に振動を発生させる振動発生手
段と、被加工物の振動を測定する振動測定手段と、該振動測定手段による振動測定結果に基づいてレーザ加
工の進歩状況を判定する判定手段とからなることを特徴
とするレーザ加工モニタリング装置。
【請求項２】前記振動発生手段はパルスレーザであ
り、さらにこのパルスレーザで被加工物の加工を行うこ
と特徴とする請求項１に記載のレーザ加モニタリング装
置。
【請求項３】前記振動測定手段は、被加工物にプロー
ブ光を照射し、該プローブ光の反射光のドップラー効果
により被加工物の振動を測定するものであること特徴と
する請求項１または２に記載のレーザ加工モニタリング
装置。
【請求項４】前記プローブ光を加工部の近傍に照射す
ること特徴とする請求項３に記載のレーザ加工モニタリ
ング装置。
【請求項５】前記プローブ光と前記レーザを１つの集
光レンズ光学系で被加工物上に集光させることを特徴と
する請求項３または４に記載のレーザ加工モニタリング
装置。
【請求項６】前記判定手段は、前記レーザパルスの各
パルス毎に、前記パルスレーザのパワーの最大値に対す
る被加工物の最大変位量と最小変位量の差の比を求め、
該比の変化によってレーザ加工の進歩状況を判定するも
のであること特徴とする請求項２から６のいずれかに記
載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項７】前記判定手段は、前記振動測定結果より
周波数特性を求め、該周波数特性に基づいてレーザ加工
の進歩状況を判定するものであること特徴とする請求項
２から６のいずれかに記載のレーザ加工モニタリング装
置。
【請求項８】前記レーザ加工は被加工物に穴を開ける
穴加工であり、前記判定手段は穴加工の完了を判定する
ものであることを特徴とする請求項１から８のいずれか
に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項９】前記被加工物は２種類以上の異なる材料
が積層されたものであり、前記判定手段は各材料毎にレ
ーザ加工の進歩状況を判定するものであること特徴とす
る請求項１から８のいずれかに記載のレーザ加工モニタ
リング装置。
【請求項１０】前記レーザ加工は２以上の被加工物を
接合する接合加工であり、前記判定手段は２以上の被加
工物の接合状態を判定するものであること特徴とする請
求項１から８のいずれかに記載のレーザ加工モニタリン
グ装置。
【請求項１１】被加工物にレーザを照射して加工する
レーザ加工の進歩状況をモニタリングする方法におい
て、レーザ加工時に被加工物に振動を発生させ、被加工物の振動を測定し、該振動測定結果に基づいてレーザ加工の進歩状況を判定
することを特徴とするレーザ加工モニタリング方法。
【請求項１２】振動測定結果より前記レーザのパワー
の最大値に対する被加工物の最大変位量と最小変位量の
差の比を求め、該比の変化によってレーザ加工の進歩状
況を判定すること特徴とする請求項１１に記載のレーザ
加工モニタリング方法。
【請求項１３】前記振動測定結果より周波数特性を求
め、該周波数特性に基づいてレーザ加工の進歩状況を判
定するものであること特徴とする請求項１１に記載のレ
ーザ加工モニタリング方法。
【請求項１４】前記請求項１から１０のいずれかに記
載のレーザ加工モニタリング装置と、該レーザ加工モニ
タリング装置でモニタリングされたレーザ加工の進歩状
況に基づいて被加工物のレーザ加工を制御する制御手段
とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１５】前記請求項１１から１３のいずれかに
記載のレーザ加工モニタリング方法によりレーザ加工の
進歩状況をモニタリングし、そのモニタリングしたレー
ザ加工の進歩状況に基づいて被加工物のレーザ加工を制
御することを特徴とするレーザ加工方法。