JP2023104094A - レーザ加工装置、制御方法、コンピュータプログラム、及び物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物に対して精度の良い加工ができるレーザ加工装置等を提供する。【解決手段】レーザ加工装置１５０において、レーザ光１０１を走査するための光走査部１０２と、前記レーザ光１０１を被加工物１０４に集光するための集光レンズ１０３と、前記被加工物１０４からのプラズマ光を検出するプラズマ光センサ１１０と、前記被加工物１０４を加工するための加工点データを生成する制御部１０６と、を有し、前記レーザ光１０１の前記集光レンズ１０３の焦点位置における光強度が前記被加工物１０４の加工閾値になるように調節した状態で前記光走査部１０２によって前記被加工物１０４を走査して前記プラズマ光センサ１１０によって前記被加工物１０４からの前記プラズマ光を検出した検出結果を取得し、前記制御部１０６は、前記検出結果に基づいて前記被加工物１０４を加工するための加工点データを生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置、制御方法、コンピュータプログラム、及び物品の製造方法に関する。

従来のレーザ加工装置は、予め被加工物の立体形状を示す３次元ＣＡＤデータを、装置専用の加工点データに変換し、装置を制御する事で立体的な加工を実現している。そして、レーザ発振器より出射したレーザ光を例えばガルバノスキャナなどの複数ミラーや集光レンズによって立体形状を有する被加工物上の焦点位置に集光する。
その際、被加工物の形状等に関する３次元ＣＡＤデータに基づき制御部により光走査部、レーザ発振器等を制御し、被加工物に所望の加工を施している。

又、例えば特許文献１には、フェムト秒レーザ光を照射し、被加工物で発生したプラズマ光強度を検出し、その検出出力に基づいて、最低レーザ光強度となる位置に被加工物を微少移動させる構成が記載されている。

特開２００２－３０７１７６号公報

従来のレーザ加工装置では、３次元ＣＡＤデータのない場合、或いは粗い３次元ＣＡＤデータしかない場合には、被加工物を精度良くレーザ加工できないという課題がある。即ち、高精度な３次元ＣＡＤデータがない場合は、レーザ光が被加工物上に正しく集光せず、加工品質が著しく悪化してしまうという課題があった。又、仮に３次元ＣＡＤデータがあっても被加工物の姿勢が変化する場合や不定の場合にも加工品質が低下する問題があった。

そこで、本発明は、被加工物に対して精度の良い加工ができるレーザ加工装置等を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加工装置は、
レーザ光を走査するための光走査部と、
前記レーザ光を被加工物に集光するための集光レンズと、
前記被加工物からのプラズマ光を検出するプラズマ光センサと、
前記被加工物を加工するための加工点データを生成する制御部と、を有し、
前記レーザ光の前記集光レンズの焦点位置における光強度が前記被加工物の加工閾値になるように調節した状態で前記光走査部によって前記被加工物を走査して前記プラズマ光センサによって前記被加工物からの前記プラズマ光を検出した検出結果を取得し、
前記制御部は、前記検出結果に基づいて前記被加工物を加工するための加工点データを生成することを特徴とする。

本発明によれば、被加工物に対して精度の良い加工ができるレーザ加工装置等を提供することができる。

本発明の実施形態のレーザ加工装置の全体構成を示したブロック図である。 本発明の実施形態のレーザ加工装置を用いた制御方法の例を示すフローチャートである。 プラズマ光の発生と検出の例を説明するための図である。 ステップＳ２０３において、被加工物に対して複数の光走査軌道を設定した図である。 図４で示した交差点近傍の被加工物１０４を被加工物表面が正対する方向から示した図である。 ステップＳ２０５において、図５で述べたセンサ検出信号から加工点データを生成する手順を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。なお、各図において、同一の部材または要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略または簡略化する。

図１は本発明の実施形態のレーザ加工装置の全体構成を示したブロック図である。
レーザ加工装置１５０は、レーザ光源としてのレーザ発振器１００、レーザ光を走査するための光走査部１０２、レーザ光を集光するための集光レンズ１０３、制御部１０６、プラズマ光センサ１１０等を有する。レーザ発振器１００より出射したレーザ光１０１は、光走査部１０２により所定の軌道で走査され、集光レンズ１０３によって立体形状を有する被加工物１０４上の焦点位置１０５に集光される。
レーザ発振器１００は、発振タイミングを制御できる外部インターフェースを有し、制御部１０６等から供給されるレーザ発振タイミング信号１０８によって発振のＯＮ－ＯＦＦや光強度を変調させる事ができる。

光走査部１０２は、例えばガルバノスキャナなどの複数ミラーとレンズによって構成され、加工点データ１０７の指令値に従ってレーザ光１０１の反射方向や拡がりを変化させて焦点位置１０５を移動させる事ができる。またレーザ光の拡がりは、集光レンズ１０３の位置を変化させたり、被加工物１０４の位置を変化させたりすることによって制御可能である。制御部１０６は集光レンズ１０３の位置を制御するためのレンズ制御信号１２０を集光レンズ１０３に対して供給する。尚、レンズ制御信号１２０は加工点データ１０７に連動して変化する。

制御部１０６は、加工点データ１０７、レーザ発振タイミング信号１０８を生成し、光走査部１０２、レーザ発振器１００を制御する。又、制御部１０６にはコンピュータとしてのＣＰＵが内蔵されており、記憶媒体としての不図示のメモリに記憶されたコンピュータプログラムに基づきレーザ加工装置全体の各部の動作を制御する制御手段として機能している。

光走査軌道１０９は、制御部１０６が加工点データ１０７に沿って光走査部１０２を動作させた結果、焦点位置１０５が移動する軌道であり、軌道にそって被加工物への加工が進行し、貫通穴１１２を形成する。プラズマ光センサ１１０は、後述の被加工物上から発するプラズマ光を検出するためのプラズマ光センサであり、プラズマ光の検出状態に関するセンサ検出信号１１１を制御部１０６に送出する。

次に、図２を用いて本実施形態における一連のフローについて説明する。
図２は、本発明の実施形態のレーザ加工装置を用いた制御方法の例を示すフローチャートである。尚、制御部１０６内のコンピュータがメモリに記憶されたコンピュータプログラムを実行することによって図２のフローチャートの各ステップの動作が行われる。

図２のステップＳ２０１において、レーザ加工装置１５０におけるレーザ光の波長、パルス幅、被加工物の物性に関する特性データを不図示のメモリや外部のデータベースから取得する。
次いでステップＳ２０２で、ステップＳ２０１で取得したレーザ光の波長、パルス幅、被加工物の物性に関する特性データに基づきレーザ発振器の出力を調節して、焦点位置の光強度が被加工物の加工閾値になる様に調整する。

ここで、加工閾値とは、レーザ光によって被加工物の加工が開始される最小の光強度を指し、前述のように、ステップＳ２０１で取得したレーザ光波長やパルス幅、被加工物の物性に応じて調整される。
図３は、プラズマ光の発生と検出の例を説明するための図であり、図３に示すように、焦点位置１０５の光強度が加工閾値以上になると、レーザ光と被加工物との反応によってプラズマ光１１３が発生する。

次にステップＳ２０３で光走査部を動作させて焦点位置１０５を光走査軌道１０９に沿って移動しつつ、センサ検出信号１１１に基づきプラズマ光１１３の検出タイミングを取得し、センサ検出信号１１１を、光走査軌道１０９の順で時系列に記憶する。即ち、レーザ光の集光レンズの焦点位置における光強度が被加工物の加工閾値になるように調節した状態で、光走査部によって被加工物を走査して、プラズマ光センサによって被加工物から発するプラズマ光を検出する。尚、光走査軌道は、加工予定である貫通穴１１２の形状やレーザ発振器の出力、光走査部の条件などに応じて設定する。

例えば図３では、光走査軌道１０９は被加工物１０４の表面と二箇所で交差し、交差点では焦点位置と被加工物の表面が合致し光強度が加工閾値となるためプラズマ光１１３が発する。しかし交差点を外れると被加工物１０４の表面には焦点位置からずれて拡がったレーザ光が照射されるため、光強度が加工閾値より低下しプラズマ光は発生しない。
一方、交差点で発生したプラズマ光１１３はプラズマ光センサ１１０で検出され、センサ検出信号１１１が制御部１０６へ送出される。

図４は、ステップＳ２０３において、被加工物に対して複数の光走査軌道を設定した図である。
光走査軌道１０９を被加工物１０４の例えば上方から下方に向かって所定のピッチで複数設定し、光走査部を動作させて焦点位置１０５を全ての光走査軌道に沿って順次移動する。

図３で示したように、光走査軌道と被加工物の表面との交差点では、焦点位置と被加工物の表面が合致し光強度が加工閾値となるためプラズマ光が発生する。交差点で発生したプラズマ光１１３はプラズマ光センサ１１０で検出され、センサ検出信号１１１が制御部１０６へ送出される。

ステップＳ２０４では、プラズマ光の検出動作が全軌道について実施されたか否かを判別し、ＮｏであればステップＳ２０３に戻り繰り返し、ＹｅｓであればステップＳ２０５に進む。
ステップＳ２０５では、プラズマ光の検出タイミングに基づき、被加工物を加工するための加工点データを生成する。具体的には、プラズマ光検出タイミングを基準に、レーザ発振器１００や光走査部１０２や集光レンズ１０３の焦点位置を制御して加工を行うため加工点データを生成すると共に、レーザ発振タイミング信号を生成する。

図５は、図４で示した交差点近傍の被加工物１０４を被加工物表面が正対する方向から示した図であり、図５では光走査軌道はＣ１～Ｃ１５まで複数設定されている。光走査軌道において、被加工物の表面と交差する８本の光走査軌道Ｃ２～Ｃ９の上に交差点が計１６箇所あり、夫々の交差点からプラズマ光が発する。例えば、図中の光走査軌道Ｃ３において、焦点位置の移動により最初にプラズマ光が発する交差点をプラズマ発光点Ａとする。

その後、焦点位置が被加工物の内部に侵入し、再び被加工物の表面と合致してプラズマ光が発する交差点をプラズマ発光点Ｂとする。被加工物夫々のプラズマ光はプラズマ光センサ１１０で検出され、夫々のセンサ検出信号１１１に変換され制御部１０６に送出される。

被加工物１０４上のプラズマ発光点を全て連結した連結線１１４は、被加工物１０４の表面において焦点位置が合致するラインである。よって複数の光走査軌道により被加工物から発するプラズマ光を検出する事により、被加工物上の焦点位置を判定する事ができる。また複数設定する光走査軌道のピッチは、加工時の光走査軌道一周期分の加工深さを基準に設定するが、要求される加工精度や加工タクトに応じて、適宜修正しても良い。

例えば、加工時の光走査軌道一周期分の加工深さよりもピッチを細かく設定する事で、より高精度に連結線を形成し高精度な加工が期待できる。逆に加工時の光走査軌道一周期分の加工深さよりもピッチを粗く設定する事で、焦点位置の判定に要する時間を削減する事ができる。又、光走査軌道のピッチを粗くした場合に、補間することで、よりきめ細かな加工点データを生成しても良い。
尚、図４や図５に示されるように複数の光走査軌道を設定する代わりに、らせん状の光走査軌道としても良い。

図６は、ステップＳ２０５において、図５で述べたセンサ検出信号から加工点データを生成する手順を示した図である。
前述のように、ステップＳ２０３において、制御部１０６ではプラズマ光センサ１１０で検出されたプラズマ光のセンサ検出信号１１１を、光走査軌道１０９のＣ１～Ｃ１５の順で時系列に記憶する。その際に、図５に示した、光走査軌道Ｃ３で発するプラズマ発光点Ａ、プラズマ発光点Ｂに対応するセンサ検出信号を、センサ検出信号Ａ、センサ検出信号Ｂとする。

以降、各光走査軌道のプラズマ発光点に対応するセンサ検出信号Ａ、センサ検出信号Ｂの間隔は、光走査軌道が被加工物の上方から下方に移動するに従って光走査軌道の周期と一致するまで次第に拡大する。この時、センサ検出信号Ａとセンサ検出信号Ｂの間は焦点位置が被加工物の表面、もしくは内部に焦点位置が存在する区間である。その後、光走査軌道Ｃ１０以降は、焦点位置が全て被加工物内に入ってしまうためプラズマ光は発生せず、センサ検出信号も検出されなくなる。

以上により、センサ検出信号Ａとセンサ検出信号Ｂが検出されている間のセンサ検出信号Ａとセンサ検出信号Ｂを結ぶ区間と、その後センサ検出信号が検出されない光走査軌道の全区間を、加工に用いる加工区間として判定する。

ステップＳ２０５において、制御部１０６は、プラズマ光の検出タイミングに基づき判定した加工区間に対応する加工点データとレーザ発振タイミング信号を生成し、光走査部とレーザ発振器と集光レンズの焦点位置の少なくとも１つを制御する。それによって、レーザ発振器の出力の強度を加工閾値よりも強い加工用光強度となるようにする。そして、ステップＳ２０６において、制御部１０６は、加工点データに基づき、前記レーザ光源と前記光走査部と前記集光レンズの焦点位置の少なくとも１つを制御して、加工用光強度にした状態で、貫通穴の加工を実施する。

ステップＳ２０６で加工を実施する際の光走査軌道はステップＳ２０３の順番とは逆のＣ９～Ｃ２の順番にする。即ち、制御部は、加工点データを生成する際の光走査部の走査順序と、加工を行う際の光走査部の走査順序とを異ならせる。更に、Ｃ９～Ｃ２以外についてはスキップすることでスループットを高めることができる。
ステップＳ２０７で加工が完了したかを判定し、ＮｏであればステップＳ２０６に戻り加工を繰り返す。Ｙｅｓになった場合には、図２のフローを終了する。

以上、図２に示したようなフローにより、プラズマ発光点Ａとプラズマ発光点Ｂの検出信号より加工区間を判定し、加工区間と同期する様にレーザ発振器や光走査部を制御する事で、焦点位置と連動した加工を行う事ができる。ここで、ステップＳ２０２～Ｓ２０５は、焦点位置における光強度が加工閾値になるように調節した状態で、被加工物を走査して、被加工物から発するプラズマ光を検出することにより、加工点データを生成する制御ステップとして機能している。又、ステップＳ２０６，Ｓ２０７は、加工点データに基づき、レーザ光源と光走査部と集光レンズの焦点位置の少なくとも１つを制御して焦点位置における光強度が加工閾値よりも強くなるようにした状態で加工を行う加工ステップとして機能している。尚、加工位置以外の焦点位置においては、レーザ光源をオフしても良いし、光強度が加工閾値よりも強くならないように制御しても良い。

尚、レーザ発振器や光走査部は、夫々の固有の応答特性を有しており、生成された加工点データやレーザ発振タイミング信号のタイミング補正が必要になる場合がある。よって、プラズマ光検出タイミングを基準に行うレーザ発振器や光走査部の制御タイミングは、レーザ発振器や光走査部の応答特性に応じて適宜調節することが望ましい。即ち、制御部は、レーザ光源又は光走査部の制御タイミングを、レーザ光源又は光走査部の応答特性に応じて調節することが望ましい。

＜実施例＞
以下に、本実施形態の加工方法におけるパラメータについて、具体的な実施例を示す。
本実施例では、４５度の傾斜面を有する、厚さ０．３ｍｍのステンレス板に、フェムト秒レーザを用いて狙い直径１００μｍの貫通穴加工を行った。
先ずレーザ発振器の出力を調節して、焦点位置１０５の光強度がステンレス板の加工閾値である、０．１Ｊ／ｃｍ２になる様に調節した。

次に、光走査軌道を、被加工物の上方から下方に向かって０．５μｍピッチで４００本設定した。光走査軌道のピッチは、加工時の光走査軌道一周期分の加工深さを基準に設定した。光走査軌道の本数は、被加工物内に形成される貫通穴の予想長さを参考に設定した。光走査軌道の直径は、狙い直径１００μｍに対してレーザの集光径を考慮して８５μｍとした。光走査軌道のピッチと条件数より、光走査軌道の光軸方向の設定範囲は２ｍｍであるため、光走査軌道が被加工物の表面と交差する領域が、前記２ｍｍから逸脱しない様に、光走査軌道の開始位置を調節した。

以上の設定値で光走査を行い、被加工物の表面と光走査軌道の交差点で発するプラズマ光をプラズマ光センサで検出して加工区間を判定し、加工点データとレーザ発振タイミング信号を生成した。その後レーザ発振器の出力を加工用の１０Ｗに調節し、前記加工点データとレーザ発振タイミング信号を用いて貫通穴の加工を実施した。

加えて、レーザ光源に出力１０Ｗのフェムト秒レーザを用い、２軸のガルバノスキャナユニットと、焦点位置を調整する可動式レンズを組み合わせた光走査部を備えたレーザ加工装置を構成した。レーザ加工装置は可動式の自動ステージと被加工物を固定する治具を備え、前記光走査部と集光レンズにより被加工物に対して加工を行う。また被加工物より発するプラズマ光を検出するプラズマ光センサ、パソコンで構成された制御部を備え、制御部はレーザ発振器や光走査部を制御する事が可能である。

以上により、高精度な３次元ＣＡＤデータのない被加工物に対しても加工品質が悪化する事なく、品質の良い加工を実現できる加工方法、及び、レーザ加工装置を提供することができた。更に、３次元ＣＡＤデータのある被加工物に対しても被加工物の位置や姿勢を確認することができるので、加工精度を向上できた。更に、本実施例では、同じレーザ光源の光を使って加工点データを生成しているので、別のレーザ光源等を用いて形状測定などをするものに比べて精度の高い加工点データを生成できるという効果もある。

以上に説明した実施形態に係るレーザ加工装置は、物品の製造方法に使用しうる。当該物品の製造方法は、当該レーザ加工装置を用いて物体（被加工物）の加工を行う加工ステップと、当該加工ステップで加工された物体（被加工物）を更に処理することによって所定の物品を製造する製造ステップと、を含みうる。

この製造ステップのための処理は、例えば、前記加工ステップとは異なる加工、搬送、検査、選別、組立（組付）、および包装のうちの少なくともいずれか一つのステップを含みうる。本実施形態の物品製造方法においては、従来の方法に比べて、例えば３次元ＣＡＤデータのない被加工物に対しても品質の良い物品を製造できる。又、３次元ＣＡＤデータのある被加工物に対しても被加工物の位置や姿勢を確認したうえで精度の良い加工ができるので、物品の性能・品質・生産性・生産コストのうちの１つ以上において有利である。

以上、本発明をその好適な実施例に基づいて詳述してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨に基づき種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。

尚、本実施例における制御の一部又は全部を上述した実施例の機能を実現するコンピュータプログラムをネットワーク又は各種記憶媒体を介してレーザ加工装置等に供給するようにしてもよい。そしてそのレーザ加工装置等におけるコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行するようにしてもよい。その場合、そのプログラム、及び該プログラムを記憶した記憶媒体は本発明を構成することとなる。

１００：レーザ発振器
１０１：レーザ光
１０２：光走査部
１０３：集光レンズ
１０４：被加工物
１０５：焦点位置
１０６：制御部
１０７：加工点データ
１０８：レーザ発振タイミング信号
１０９：光走査軌道
１１０：プラズマ光センサ
１１１：センサ検出信号
１１２：貫通穴

Claims (13)

1. レーザ光を走査するための光走査部と、
   前記レーザ光を被加工物に集光するための集光レンズと、
   前記被加工物からのプラズマ光を検出するプラズマ光センサと、
   前記被加工物を加工するための加工点データを生成する制御部と、を有し、
   前記レーザ光の前記集光レンズの焦点位置における光強度が前記被加工物の加工閾値になるように調節した状態で前記光走査部によって前記被加工物を走査して前記プラズマ光センサによって前記被加工物からの前記プラズマ光を検出した検出結果を取得し、
   前記制御部は、前記検出結果に基づいて前記被加工物を加工するための加工点データを生成することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記加工点データは、前記プラズマ光の検出タイミングに基づき生成されると共に、前記レーザ光源と前記光走査部と前記集光レンズの焦点位置の少なくとも１つを制御して前記加工を行うためのデータであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記制御部は、前記加工点データに基づき、前記レーザ光源と前記光走査部と前記集光レンズの焦点位置の少なくとも１つを制御して前記加工を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記制御部は、前記レーザ光の前記集光レンズの焦点位置における光強度を前記加工閾値より強い加工用光強度にした状態で、前記加工を行うことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記制御部は、前記レーザ光源又は前記光走査部の制御タイミングを、前記レーザ光源又は前記光走査部の応答特性に応じて調節することを特徴とする請求項３又は４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記制御部は、前記加工点データを生成する際の前記光走査部の走査順序と、前記加工を行う際の前記光走査部の走査順序とを異ならせることを特徴とする請求項３～５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
7. レーザ光を走査するための光走査部と、
   前記レーザ光を被加工物に集光するための集光レンズと、
   前記被加工物からのプラズマ光を検出するプラズマ光センサと、を有するレーザ加工装置を制御する制御方法であって、
   前記レーザ光の前記集光レンズの焦点位置における光強度が前記被加工物の加工閾値になるように調節した状態で前記光走査部によって前記被加工物を走査して前記プラズマ光センサによって前記被加工物からの前記プラズマ光を検出することにより、前記被加工物を加工するための加工点データを生成する制御ステップを有することを特徴とする制御方法。
8. 前記加工点データに基づき、前記レーザ光源と前記光走査部と前記集光レンズの焦点位置を制御して前記加工を行う加工ステップを有することを特徴とする請求項７に記載の制御方法。
9. 前記加工ステップにおいて、前記レーザ光の前記集光レンズの焦点位置における光強度を前記加工閾値より強い加工用光強度にした状態で、前記加工を行うことを特徴とする請求項８に記載の制御方法。
10. 前記加工ステップにおいて、前記レーザ光源又は前記光走査部の制御タイミングを、前記レーザ光源又は前記光走査部の応答特性に応じて調節することを特徴とする請求項８又は９に記載の制御方法。
11. 前記加工点データを生成する際の前記光走査部の走査順序と、前記加工を行う際の前記光走査部の走査順序とを異ならせることを特徴とする請求項８～１０のいずれか１項に記載の制御方法。
12. 請求項７～１１のいずれか１項に記載の制御方法の各ステップをコンピュータにより実行させるためのコンピュータプログラム。
13. 請求項８～１１のいずれか１項に記載の制御方法の前記加工ステップにより加工された前記被加工物を処理して所定の物品を製造する製造ステップを有することを特徴とする物品の製造方法。