JP4132014B2 - レーザ加工装置及び加工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工方法に関し、特に加工対象物にレーザビームを入射させて穴あけ加工を行うレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−２８５８７２号公報に開示された従来のレーザ加工方法について説明する。高調波固体レーザ発振器から出射したパルスレーザビームをガルバノミラーで反射させ、ＸＹステージ上に保持された加工対象物の表面上に入射させる。ガルバノミラーの反射面の向きを変えることで、パルスレーザビームの入射位置を移動させ、所望の位置に穴を開けることができる。ガルバノミラーによるレーザビームの走査で照射可能な単位フィールド内の加工が終了すると、加工対象物を移動させ、未加工の単位フィールド内の加工を行う。ＸＹステージで加工対象物を移動させている期間中は、高調波固体レーザ発振器の発振を停止させておく。
【０００３】
レーザ発振器の発振を開始させると、最初の複数ショットのパルスエネルギが、後続のショットのパルスエネルギに比べて低くなったり、逆に高くなったりする。最初の複数ショットが加工対象物へ入射することを禁止することにより、高い加工品質を保つことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ発振を続けると、レーザ加工装置の光学系を構成している種々の光学媒質が熱変形を起こす。レーザ媒質のロッドが熱変形を起こすと、レーザビームの出射方向や広がり角が変動する。レーザビームの出射方向が変動すると、加工対象物へのレーザビームの入射位置が、期待される位置からずれてしまう。レーザビームの広がり角が変動すると、加工対象物に入射するパルスエネルギが変動してしまう。これにより、過度の加工が行われたり、加工不良が発生したりする。
【０００５】
レーザ発振器の発振を開始させた後、加工対象物への入射が禁止されている期間の複数ショットで定常状態になる場合には、上述の従来例により安定した加工を行うことが可能になる。例えば、高調波を発生させるための非線形光学結晶等のように、比較的小さなものは短時間で熱的定常状態に達する。ところが、レーザ媒質のロッドのように、比較的大きなものは、熱的定常状態に達するまでに長時間を必要とする。レーザ媒質のロッドが熱的定常状態に達するまで加工対象物へのレーザビームの入射を禁止すると、スループットが低下してしまう。
【０００６】
本発明の目的は、光学媒質の熱変形による影響を軽減し、かつスループットの低下も招かないレーザ加工装置及び加工方法を提供することである。
【０００７】
本発明の一観点によると、
ショット数を記憶しており、外部から契機信号が入力されると、記憶されているショット数分のパルスを有するパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
保持面上に加工対象物を保持し、該加工対象物を移動させることができる可動ステージと、
前記レーザ光源から出射したパルスレーザビームを前記可動ステージに保持された加工対象物の被加工面上に入射させるとともに、入射点の位置をある範囲内で移動させることができるビーム走査機構と、
前記パルスレーザビームが前記可動ステージに保持された加工対象物に入射しないように前記ビーム走査機構が制御されている期間に、ある時間間隔で前記レーザ光源へ契機信号を送出する制御装置と
を有するレーザ加工装置が提供される。
【０００８】
パルスレーザビームが加工対象物に入射していない期間中も、レーザ光源に対してある間隔で契機信号が送出されるため、レーザ光源が発振を継続させる。このため、レーザ光学系を構成する光学媒質の温度が低下しない。これにより、光学媒質の熱変形に起因するパルスレーザビームの特性の変動を防止することができる。
【０００９】
本発明の他の観点によると、
被加工面上に複数の単位フィールドが画定され、単位フィールドの各々に複数の加工点が画定された加工対象物を準備する工程と、
パルスレーザビームの進行方向を振ることによって、レーザ照射可能位置内に配置された単位フィールド内の複数の加工点に、順番にパルスレーザビームを入射させて加工する第１の工程と、
前記加工対象物に入射しないように前記パルスレーザビームの進行方向を加工対象物外の方向に変えて、該加工対象物外の方向にパルスレーザビームを出射させながら、前記加工対象物を移動させて、未加工の単位フィールドをレーザ照射可能位置に配置する第２の工程と、
新たにレーザ照射可能になった単位フィールド内の複数の加工点に、順番にパルスレーザビームを入射させて加工する第３の工程と
を有し、
前記第２の工程において、前記パルスレーザビームを、あるショット数だけ前記ビームダンパに入射させる第４の工程と、ある待ち時間だけパルスレーザビームの出射を停止させる第５の工程とを繰り返すレーザ加工方法が提供される。
【００１０】
加工対象物を移動させている期間中も、加工対象物外の方向にパルスレーザビームが出射する。このため、レーザ光学系を構成する光学媒質の温度が低下しない。これにより、光学媒質の熱変形に起因するパルスレーザビームの特性の変動を防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図1（Ａ）に、本発明の実施例によるレーザ加工装置のブロック図を示す。実施例によるレーザ加工装置は、レーザ光源１、コリメーションレンズ４、ガルバノスキャナ１０、ｆθレンズ１５、ビームダンパ１６、ＸＹステージ２０、及びメインコントローラ３０を含んで構成される。
【００１２】
レーザ光源１は、レーザ発振器２及びレーザコントローラ３を含んで構成される。レーザ発振器２は、例えばＮｄ：ＹＬＦ（リチウムイットリウムフルオライド）レーザ発振器と非線形光学素子から構成され、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの基本波またはその高調波を出射する。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器や、その他の固体レーザ発振器を用いることも可能である。非線形光学素子として、リチウムボーレイト（ＬＢＯ）やバリウムボーレイト（ＢＢＯ）等を用いることができる。
【００１３】
メインコントローラ３０が、レーザコントローラ３に対して、ショット数情報及び契機信号を送出する。レーザコントローラ３は、ショット数情報を受信すると、指示されたショット数を記憶する。また、契機信号を受信すると、レーザ発振器２に対して、記憶されているショット数分の発振起動信号を、一定の間隔（例えば０．１ｍｓ）で送出する。レーザ発振器２は、１つの発振起動信号を受信すると、パルスレーザビームを１パルスだけ出射する。
【００１４】
レーザ光源１から出射したパルスレーザビームは、コリメーションレンズ４で平行光線束とされ、ガルバノスキャナ１０のガルバノミラー１１に入射する。ガルバノミラー１１は、１対の可動ミラーで構成される。各々の可動ミラーは、反射面の向きを変えるように姿勢制御されることにより、パルスレーザビームの進行方向を変えることができる。ガルバノミラー１１は１対の可動ミラーで構成されているため、パルスレーザビームの進行方向を２次元方向に振ることができる。ガルバノミラー１１は、ガルバノコントローラ１２により制御される。
【００１５】
メインコントローラ３０が、ガルバノコントローラ１２にミラーの反射面の向きに関する情報を含む姿勢制御信号を送出する。ガルバノコントローラ１２は、姿勢制御信号を受信すると、姿勢制御信号に含まれる位置情報に基づき、ガルバノミラー１１の反射面の向きを変える。ガルバノミラー１１の姿勢制御が終了すると、ガルバノコントローラ１２は、メインコントローラ３０に対して姿勢制御完了信号を送出する。
【００１６】
ガルバノスキャナ１０で進行方向を制御されたパルスレーザビームが、ｆθレンズ１５に入射する。ｆθレンズ１５で収束されたパルスレーザビームが、ＸＹステージ２０の可動部に保持された加工対象物４０に入射する。ｆθレンズ１５と加工対象物４０との間のパルスレーザビームの経路の脇に、ビームダンパ１６が配置されている。ガルバノスキャナ１０は、パルスレーザビームがビームダンパ１６に入射するように、パルスレーザビームの進行方向を変えることができる。
【００１７】
ＸＹステージコントローラ２１がＸＹステージ２０を制御する。メインコントローラ３０が、ＸＹステージコントローラ２１に、位置情報を含む移動開始信号を送出する。ＸＹステージコントローラ２１は、受信した位置情報に基づき、ＸＹステージ２０を駆動し、加工対象物４０を移動させる。加工対象物４０の移動が完了すると、ＸＹステージコントローラ２１はメインコントローラ３０に移動完了信号を送出する。
【００１８】
図１（Ｂ）に示すように、加工対象物４０の被加工面内に、複数の単位フィールド４１が画定されている。１つの単位フィールド４１は、例えば一辺の長さが３０ｍｍの正方形である。ガルバノスキャナ１０でパルスレーザビームの進行方向を振ることにより、１つの単位フィールド４１内の任意の点にパルスレーザビームを入射させ、穴を開けることができる。例えば、１つの単位フィールド４１内に、５０００個を穴が開けられる。ＸＹステージ２０で加工対象物４０を移動させることにより、すべての単位フィールド内にパルスレーザビームを入射させることができる。
【００１９】
次に、図２を参照して、本発明の実施例によるレーザ加工方法について説明する。
【００２０】
図２は、実施例によるレーザ加工方法で加工する際に、図１（Ａ）に示したレーザ光源１から出射するパルスレーザビームのタイミングチャートを示す。まず、加工前の暖機運転が行われ、次に１つの単位フィールド内のレーザ加工が行われる。１つの単位フィールド内のレーザ加工が終了すると、ＸＹステージ２０を駆動して加工対象物４０を移動させ、次の単位フィールド内の加工が行われる。これを繰り返すことにより、加工対象物４０の全単位フィールド内の加工が行われる。ＸＹステージ移動期間の長さは、通常２００〜３００ｍｓ程度である。
【００２１】
図２に示した縦線の密集した部分が、パルスレーザビームが出射している期間を表している。例えば、１つの密集部分において、周波数１０ｋＨｚで５０個のパルスが出射する。この５０個のパルスの集まりを単位パルス群と呼ぶこととする。
【００２２】
レーザ加工が行われている期間は、複数の単位パルス群が間欠的に加工対象物４０に入射する。１つの単位パルス群により、１箇所の穴あけが行われる。単位パルス群が出射していない期間に、ガルバノミラー１１の姿勢制御が行われる。ガルバノミラー１１の姿勢制御に必要とされる時間は、レーザビームの入射点の移動距離に依存するが、通常は１ｍｓ程度である。従って、レーザ光源１は、約１ｍｓの時間間隔で、単位パルス群を間欠的に出射することになる。
【００２３】
加工前の暖機運転中、及びＸＹステージ移動期間中も、レーザ光源１は、レーザ加工期間中と同程度の時間間隔で、単位パルス群を間欠的に出射する。このとき、レーザ光源１から出射したパルスレーザビームがビームダンパ１６に入射するように、ガルバノミラー１１の姿勢制御が行われる。この期間中に出射する単位パルス群内のパルス数（ショット数）は、レーザ加工中に出射する単位パルス群内のショット数と等しい。
【００２４】
暖機運転中は、レーザ光源１から出射したパルスレーザビームのパルスエネルギが計測されている。パルスエネルギが安定したことを確認した後、レーザ加工工程に移行する。
【００２５】
ＸＹステージ移動期間は、ガルバノミラー１１の姿勢制御に必要とされる時間に比べて著しく長い。このため、ＸＹステージ移動期間中にレーザ発振を停止させると、光学部品の温度が低下してしまう。この状態で、次のレーザ加工工程に移行すると、パルスレーザビームの特性が変動し、加工品質が低下してしまう。
【００２６】
上記実施例では、ＸＹステージ移動期間中も、レーザ加工期間中とほぼ同様の条件で、レーザ発振器２が間欠的な発振を繰り返している。このため、熱的な定常状態が維持され、品質の低下が防止される。
【００２７】
次に、図３〜図６を参照しながら、図１に示したメインコントローラ３０の行う処理に着目して、実施例によるレーザ加工方法ついて説明する。
【００２８】
図３は、メインフローチャートを示す。まずステップａ１において、加工対象物４０をＸＹステージ２０の可動面上に保持する。ステップａ２に進み、最初に加工される単位フィールドが、パルスレーザビームの照射可能位置に配置されるように、ＸＹステージ２０を駆動する。ステップａ３に進み、照射可能位置に配置された単位フィールド内の加工を行う。ステップａ４に進み、全単位フィールドの加工が終了したか否かを判定する。
【００２９】
全単位フィールドの加工が終了していない場合には、ステップａ５に進み、次に加工すべき単位フィールドがパルスレーザビームの照射可能位置に配置されるようにＸＹステージ２０を駆動する。ステップａ３に戻り、新たに照射可能領域に配置された単位フィールド内の加工を行う。
【００３０】
全単位フィールドの加工が完了した場合には、ステップａ６に進み、全加工対象物の加工が終了したか否かを判定する。全加工対象物の加工が終了した場合には、レーザ加工処理を終了する。まだ未加工の加工対象物がある場合には、ステップａ７に進み、加工済みの加工対象物をＸＹステージ２０から取り外し、未加工の加工対象物をＸＹステージ２０の可動面上に載置する。最初に加工すべき単位フィールドを、パルスレーザビームの照射可能位置に配置し、ステップａ３に戻る。
【００３１】
図４は、図３に示したステップａ５の詳細なフローチャートを示す。まずステップｂ１において、パルスレーザビームがビームダンパ１６に入射するように、ガルバノミラー１１の姿勢制御を行う。ステップｂ２に進み、ＸＹステージコントローラ２１に対して移動開始信号を送出する。この移動開始信号には、次に加工すべき単位フィールドをパルスレーザビームの照射可能位置に配置するための位置情報が含まれている。ＸＹステージコントローラ２１が移動開始信号を受信すると、ＸＹステージ２０の移動が開始される。
【００３２】
ステップｂ３に進み、レーザ光源１に対して契機信号を送出する。レーザ光源１は、契機信号を受信すると、１つの単位パルス群からなるレーザビームを出射する。レーザ光源１から出射完了信号を受信すると、ステップｂ４に進み、ＸＹステージコントローラ２１から移動完了信号を受信したか否かを判定する。移動完了信号を受信した場合には、図３のステップａ３に戻る。
【００３３】
移動完了信号を受信していない場合には、ステップｂ５に進み、予め定められている一定の待ち時間が経過するのを待つ。待ち時間が経過すると、ステップｂ３に戻って、レーザ光源１に対して契機信号を送出する。この待ち時間は、レーザ加工を行っている時のガルバノミラー１１の姿勢制御に必要な時間、すなわちガルバノスキャナ１０に姿勢制御信号を送出してから、姿勢制御完了信号を受信するまでの時間に基づいて決められる。例えば、待ち時間は、ガルバノミラー１１の姿勢制御に必要とされる時間の平均値とされる。なお、姿勢制御時間の最小値の１／２よりも長く、最大値の２倍よりも短い時間とすれば、熱的定常状態を維持する効果が得られるであろう。また、待ち時間を０とした場合でも、ＸＹステージ移動中にレーザ発振器の発振を停止させておく場合に比べて、熱的定常状態に近い状態を維持することが可能である。
【００３４】
ＸＹステージ２０を駆動して加工対象物４０を移動させている期間中は、パルスレーザビームがビームダンパ１６に入射しているため、ガルバノミラー１１を動かす必要がない。従って、ガルバノスキャナ１０に姿勢制御信号を送出すると、直ちに姿勢制御完了信号が戻ってくる。１つの単位パルス群を出射した後、次の単位パルス群を出射するまでの間に、ステップｂ５において強制的に待ち時間を挿入することにより、ガルバノミラー１１の姿勢制御が行われているときと同様に、単位パルス群を間欠的に出射させることができる。
【００３５】
図５は、図３に示したステップａ３の詳細なフローチャートを示す。まずステップｃ１において、ガルバノスキャナ１０に対して姿勢制御信号を送出する。この姿勢制御信号には、最初に穴を開けるべき点の位置に対応するガルバノミラー１１の姿勢情報が含まれている。ガルバノスキャナ１０から姿勢制御完了信号を受信すると、ステップｃ２に進み、レーザ光源１に対して契機信号を送出する。レーザ光源１が、１つの単位パルス群のパルスレーザビームを出射し、レーザ光源１から出射完了信号を受信すると、ステップｃ３に進み、現在加工している単位フィールド内の加工すべき点のすべてに穴を開けたか否かを判定する。
【００３６】
すべての穴が開けられた場合には、図３に示したステップａ４に進む。まだ加工されていない加工点が残っている場合には、ステップｃ１に戻り、ガルバノスキャナ１０に姿勢制御信号を送出する。この姿勢制御信号には、次に加工すべき穴の位置に対応する姿勢情報が含まれている。
【００３７】
図６は、図３に示したステップａ７の詳細なフローチャートを示す。まずステップｄ１において、パルスレーザビームがビームダンパ１６に入射するように、ガルバノミラー１１の姿勢制御を行う。姿勢制御が完了すると、ステップｄ２に進み、１つの単位パルス群のレーザビームを出射する。１つの単位パルス群のレーザビームの出射が完了すると、ステップｄ３に進み、加工対象物の交換が完了したか否かを判定する。加工対象物の交換完了は、例えばメインコントローラ３０に完了コマンドを入力することにより通知される。
【００３８】
加工対象物の交換が完了していない場合には、ステップｄ６に進み、一定の待ち時間が経過するまで待つ。加工対象物の交換が完了している場合には、ステップｄ４に進み、最初に加工すべき単位フィールドがパルスレーザビームの照射可能位置に配置されるように、ＸＹステージコントローラ２１に移動開始信号を送出する。ステップｄ５に進み、移動完了信号を受信したか否かを判定する。移動完了信号を受信した場合には、図３に示したステップａ３に戻る。移動完了信号を受信していない場合には、ステップｄ６に進み、一定の待ち時間が経過するまで待つ。
【００３９】
ステップｄ６において、待ち時間が経過すると、ステップｄ２に戻り、１つの単位パルス群からなるレーザビームの出射を行う。
【００４０】
このように、加工対象物を交換している期間中も、レーザ加工期間中と同様に、単位パルス群が間欠的に出射する。このため、熱的な定常状態を維持することができ、加工品質を高めることが可能になる。
【００４１】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれら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。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パルスレーザビームが加工対象物に入射しない期間中も、レーザ光源からパルスレーザビームが出射している。このため、レーザ媒質等の温度低下を防止し、熱的な定常状態を維持することができる。これにより、熱変形等に起因するパルスレーザビームの特性の変動を抑制し、加工品質の向上を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるレーザ加工装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施例によるレーザ加工方法を説明するためのパルスレーザビームのタイミングチャートである。
【図３】実施例によるレーザ加工方法のメイン処理を示すフローチャートである。
【図４】加工すべき次の単位フィールドに移動する処理を示すフローチャートである。
【図５】１つの単位フィールド内の加工処理を示すフローチャートである。
【図６】加工対象物を交換する期間中の処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ レーザ発振器
３ レーザコントローラ
４ コリメーションレンズ
１０ ガルバノスキャナ
１１ ガルバノミラー
１２ ガルバノコントローラ
１５ ｆθレンズ
１６ ビームダンパ
２０ ＸＹステージ
２１ ＸＹステージコントローラ
３０ メインコントローラ
４０ 加工対象物
４１ 単位フィールド

Claims (9)

1. ショット数を記憶しており、外部から契機信号が入力されると、記憶されているショット数分のパルスを有するパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
   保持面上に加工対象物を保持し、該加工対象物を移動させることができる可動ステージと、
   前記レーザ光源から出射したパルスレーザビームを前記可動ステージに保持された加工対象物の被加工面上に入射させるとともに、入射点の位置をある範囲内で移動させることができるビーム走査機構と、
   前記パルスレーザビームが前記可動ステージに保持された加工対象物に入射しないように前記ビーム走査機構が制御されている期間に、ある時間間隔で前記レーザ光源へ契機信号を送出する制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記レーザ光源は、パルスレーザビームの出射が完了すると、前記制御装置に出射完了信号を送出し、
   前記制御装置は、前記パルスレーザビームが前記加工対象物に入射しないように前記ビーム走査機構が制御されている期間に前記出射完了信号を受信すると、ある待ち時間が経過するのを待ち、該待ち時間が経過すると、前記レーザ光源に対して契機信号を送出する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記可動ステージは、前記制御装置から移動開始信号を受信すると、その保持面に保持している加工対象物の移動を開始し、移動が完了すると、前記制御装置に移動完了信号を送出し、
   前記制御装置は、前記パルスレーザビームが前記加工対象物に入射しないように前記ビーム走査機構が制御されている期間に、前記可動ステージに移動開始信号を送出すると、該可動ステージから移動完了信号を受信するまで、ある時間間隔で前記レーザ光源へ契機信号を送出し続ける請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記ビーム走査機構は、前記パルスレーザビームを反射させる可動反射鏡を有し、前記制御装置から姿勢制御信号を受信すると、該可動反射鏡の反射面の向きを変える姿勢制御を行い、姿勢制御が完了すると、姿勢制御完了信号を前記制御装置に送出し、
   前記制御装置は、前記ビーム走査機構に姿勢制御信号を送出し、姿勢制御完了信号を受信すると、前記レーザ光源に契機信号を送出する請求請２に記載のレーザ加工装置。
5. 前記待ち時間は、前記ビーム走査機構に姿勢制御信号を送出してから、姿勢制御完了信号を受信するまでの時間に基づいて決定されている請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. さらに、前記ビーム走査機構によってパルスレーザビームを入射させることができる位置に配置されたビームダンパを有する請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ加工装置。
7. 被加工面上に複数の単位フィールドが画定され、単位フィールドの各々に複数の加工点が画定された加工対象物を準備する工程と、
   パルスレーザビームの進行方向を振ることによって、レーザ照射可能位置内に配置された単位フィールド内の複数の加工点に、順番にパルスレーザビームを入射させて加工する第１の工程と、
   前記加工対象物に入射しないように前記パルスレーザビームの進行方向を加工対象物外の方向に変えて、該加工対象物外の方向にパルスレーザビームを出射させながら、前記加工対象物を移動させて、未加工の単位フィールドをレーザ照射可能位置に配置する第２の工程と、
   新たにレーザ照射可能になった単位フィールド内の複数の加工点に、順番にパルスレーザビームを入射させて加工する第３の工程と
   を有し、
   前記第２の工程において、前記パルスレーザビームを、あるショット数だけ前記ビームダンパに入射させる第４の工程と、ある待ち時間だけパルスレーザビームの出射を停止させる第５の工程とを繰り返すレーザ加工方法。
8. 前記第１の工程及び第２の工程において、１つの加工点に入射させるパルスレーザビームのショット数が、前記第４の工程において前記加工対象物外の方向に出射させるショット数と等しい請求項７に記載のレーザ加工方法。
9. 前記第５の工程における待ち時間が、前記第１及び第２の工程において、１つの加工点へのパルスレーザビームの入射が完了し、次の加工点へパルスレーザビームを入射させるまでの時間の最小値の１／２よりも長く、最大値の２倍よりも短い請求項７または８に記載のレーザ加工方法。

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