JP4356817B2 - レーザ照射装置及びレーザ照射方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ照射装置及びレーザ照射方法に関し、特に加工対象物に凹部、貫通孔、溝等を形成するレーザドリル装置に適したレーザ照射装置及びレーザ照射方法に関する。

図４に、下記特許文献１に開示されたレーザドリルの概略図を示す。レーザ発振器１１がパルスレーザビームを出射する。レーザ発振器１１から出射されたパルスレーザビームが、折り返しミラー１２及び１３で反射され、部分透過ミラー１４に入射する。部分透過ミラー１４は、レーザビームの大部分の成分を反射し、残りの成分を透過させる。部分反射ミラー１４で反射されたレーザビームが、加工レンズ１５で集光されて加工対象物１６に入射する。

部分透過ミラー１４を透過したレーザビームは、エネルギ測定器１７に入射する。エネルギ測定器１７は、パルス毎にパルスエネルギを検出する。検出されたパルスエネルギが制御装置１８に送られる。制御装置１８は、検出されたパルスエネルギを、閾値記憶装置１８ａに記憶されている閾値と比較する。検出されたパルスエネルギが閾値未満の時は、トリガパルス発生器１９に追加のレーザパルスの出射を指令する信号を出力する。

トリガパルス発生器１９は、この指令を受けると、レーザ発振器１１にトリガパルスを出力する。トリガパルスを受信したレーザ発振器１１は、追加のレーザパルスを出射する。

パルスエネルギが一時的に低下した場合でも、追加のレーザパルスを照射することにより、加工不良の発生を防止することができる。

特許第２８５８２３６号公報

本発明の目的は、加工条件をより安定化させ、加工品質を高めることが可能なレーザ照射装置及びレーザ照射方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを遮光する遮光状態と透過させる透過状態とを切り替えることができる動的遮光手段と、前記動的遮光手段を透過したレーザビームを、測定用経路に沿って伝搬するレーザビームと、加工用経路に沿って伝搬するレーザビームとに分岐させる分岐器と、前記測定用経路に沿って伝搬するレーザビームの強度を検出する光強度検出器と、前記動的遮光手段の遮光状態と透過状態との切り替え制御を行うとともに、前記光強度検出器で検出された光強度を第１の周期で取り込み、前記動的遮光手段を透過状態にした後に前記光強度検出器に入射したレーザビームのエネルギを算出し、エネルギの算出値が第１の閾値に到達したら、前記動的遮光手段を遮光状態にする制御装置とを有するレーザ照射装置が提供される。

本発明の他の観点によると、（ａ）レーザビームを、測定用経路と加工用経路とに分岐させ、加工用経路に沿って伝搬するレーザビームを加工対象物に入射させて加工を行うとともに、該測定用経路に沿って伝搬したレーザビームのエネルギを算出する工程と、（ｂ）エネルギの算出値が第１の閾値に到達したときに、前記加工対象物へのレーザビームの入射を停止させる工程とを有するレーザ照射方法が提供される。

光強度検出器に入射したレーザビームのエネルギの算出値が第１の閾値に到達した時点でレーザ照射を停止させることにより、加工対象物に投入されるレーザビームのパルスエネルギを安定化させることができる。これにより、高品質のレーザ加工を行うことが可能になる。

図１に、実施例によるレーザ照射装置の概略図を示す。レーザ光源１１が、レーザビームを出射する。レーザ光源１１として、例えばパルスレーザビームを出射する炭酸ガスレーザ発振器が用いられる。その他に、連続波を出射する炭酸ガスレーザ発振器を用いてもよいし、ＹＡＧレーザ等の固体レーザやエキシマレーザ等を用いることも可能である。

レーザ発振器１１から出射されたレーザビームが、音響光学素子（動的遮光手段）３０に入射する。音響光学素子３０は、制御装置１８から制御を受け、レーザビームを透過させる透過状態と、レーザビームを遮光する遮光状態とを切り替えることができる。例えば、透過状態のときには、レーザビームが直進し、そのまま音響光学素子３０を通過する。遮光状態の時には、レーザビームの進行方向が変えられ、進行方向が変化したレーザビームがビームダンパに入射する。音響光学素子３０の代わりに、ポッケルス素子と偏光ビームスプリッタとの組み合わせにより、遮光状態と透過状態とを切り替えることもできる。

音響光学素子３０を通過したレーザビームが、パワー調整器２５によりパワーを調整され、部分反射ミラー１４に入射する。パワー調整器２５は、ズーミングレンズ２５ａとマスク２５ｂとを含んで構成される。ズーミングレンズ２５ａは、レーザビームのビーム径を変化させる。マスク２５ｂに貫通孔が形成されており、貫通孔内をレーザビームが透過する。ズーミングレンズ２５ａでビーム径を変化させることにより、マスク２５ｂの貫通孔を通過するレーザビームのパワーを変化させることができる。

部分反射ミラー（分岐器）１４は、レーザビームのパワーの大部分、例えば９９％を反射し、残りの成分を透過させる。部分反射ミラー１４を透過したレーザビームは、測定用経路３１に沿って伝搬し、反射したレーザビームは加工用経路３２に沿って伝搬する。測定用経路３１に沿って伝搬するレーザビームは、光強度検出器１７に入射する。加工用経路３２に沿って伝搬するレーザビームは、ガルバノスキャナ等で構成されるビーム走査器２１及び加工レンズ１５を経由して、加工対象物１６に入射する。加工対象物１６は、ＸＹステージ等で構成される保持台２８に保持されている。

ビーム走査器２１は、レーザビームを２次元方向に走査する。加工レンズ１５は、例えばｆθレンズで構成され、マスク２５ｂに形成された貫通孔を加工対象物１６の表面に結像させる。保持台２８は、加工対象物１６を、その表面に平行な２次元方向に移動させることができる。

光強度検出器１７は、測定用経路３１に沿って伝搬するレーザビームの強度を検出し、検出結果を電圧信号として出力する。光強度検出器１７から出力された検出結果は、アンプ２３で増幅されて制御装置１８に入力される。アンプ２３の増幅率が、制御装置１８により制御される。光強度検出器１７に、温度測定器２２が取り付けられている。温度測定器２２は、測定された温度情報を制御装置１８に送信する。制御装置１８は、温度測定器２２から入力された温度情報に基づいて、光強度検出器１７による検出値の温度補償を行う。これにより、光強度検出器１７の温度依存性による影響を軽減し、検出された光強度の精度を高めることができる。

保持台２８にパワーメータ２０が取り付けられている。保持台２８及びビーム走査器２１を駆動して、パワーメータ２０にレーザビームを入射させることにより、レーザビームの平均パワーを測定することができる。測定された平均パワーは、アンプ２３を介して制御装置１８に入力される。

一般的に、パワーメータ２０は、ある期間のレーザビームの平均パワーを精度よく測定することができる。これに対し、光強度検出器１７は、瞬間的な光強度を検出することができるが、その検出値は、ある基準値からの相対的な量を示し、絶対的な光強度の測定には適さない。光強度検出器１７で検出された光強度の累積値を、パワーメータ２０で測定された平均パワーと対比することにより、光強度の絶対値を高精度で算出することができる。

制御装置１８がトリガパルス発生器１９にレーザ出射指令信号を送信すると、トリガパルス発生器１９がレーザ発振器１１にトリガパルスを出力する。レーザ発振器１１は、トリガパルス発生器１９からトリガパルスを受信すると、１つのレーザパルスを出射する。制御装置１８は、光強度検出器１７で測定された光強度を、一定の周期、例えば５００ｎｓの周期で読み込む。読み込まれた光強度を累積することにより、光強度検出器１７に入力されたエネルギ（測定用経路３１に沿って伝搬したエネルギ）を算出することができる。

図２を参照して、実施例によるレーザ加工方法について説明する。図２（Ａ）に、レーザ光源１１から出射されたパルスレーザビームの一つのレーザパルスの波形（強度の時間変化）の一例を示す。制御装置１８がトリガパルス発生器１９に発振の指令信号を送出すると、トリガパルス発生器１９がトリガパルスを発生し、時刻ｔ０に、レーザ発振器１１の発振が開始される。発振開始時刻ｔ０の時点で、音響光学素子３０は遮光状態に設定されている。発振が開始されると、出射されるレーザパルスの光強度が緩やかに立ち上がり、最大値を示した後、緩やかに減少し、時刻ｔ３で発振が停止する。パルス幅（発振開始時刻ｔ０から発振停止時刻ｔ３までの時間）は、例えば１０〜５０μｓである。

図２（Ｂ）に示すように、発振開始時刻ｔ０よりもやや遅れて、時刻ｔ１に、制御装置１８が音響光学素子３０に与えられている切替信号の状態を変化させ、透過状態に切り替える。これにより、レーザビームが加工対象物１６及び光強度検出器１７に入射する。

光強度検出器１７で検出された光強度が、一定の周期、例えば５００ｎｓで制御装置１８に取り込まれる。制御装置１８は、取り込んだ光強度を累積し、エネルギを算出する。このエネルギは、照射開始から現時点までに光強度検出器１７に入力されたエネルギに相当する。部分反射ミラー１４により反射されたレーザビームと、部分反射ミラー１４を透過したレーザビームとのパワーの比が予めわかっているため、エネルギの算出値は、加工対象物１６に入射したエネルギと１対１に対応する。

図２（Ｃ）に、エネルギの算出値の時間変化を示す。照射開始時刻ｔ１からエネルギの算出値が立ち上がり、徐々に増加する。エネルギの算出値の増加の傾きは、その時点における光強度に比例する。エネルギの算出値が第１の閾値Ｅ１に達すると、制御装置１８は切替信号の状態を変化させ、音響光学素子３０を遮光状態に切り替える。これにより、加工対象物１６及び光強度検出器１７へのレーザビームの照射が停止される。

このように、加工対象物１６に投入されたエネルギの算出値が第１の閾値Ｅ１になった時点でレーザビームの照射を停止することにより、加工対象物１６に投入されるパルスエネルギを安定化させることができる。これにより、加工品質を高めることが可能になる。エネルギの算出値が第１の閾値Ｅ１に到達したことを十分な精度で検出するために、制御装置１８が光強度検出器１７から検出結果を取り込む周期を、パルス幅（ｔ２−ｔ１）の７０％以下にすることが好ましい。

図３を参照して、他の実施例によるレーザ照射方法について説明する。図３（Ａ）に、音響光学素子３０に与えられる切替信号のタイミングチャートを示し、図３（Ｂ）に、制御装置１８が算出したエネルギの時間変動を示す。時刻ｔ１からｔ２までのエネルギの算出値の時間変動は、図２（Ｃ）に示したものと同一である。時刻ｔ２で音響光学素子３０が遮光状態にされると、制御装置１８は、エネルギの算出値を０に初期設定する。

加工対象物１６上の、次に照射すべき位置にレーザビームが入射するように、ビーム走査器２１を制御する。
時刻ｔ１１で、次の周期のレーザビームの照射を開始する。時刻ｔ１２において、レーザ光源１１からのレーザパルスの出射が終了する。この時点で、エネルギの算出値が第１の閾値Ｅ１に到達していない。このように、一つのレーザパルスの出射が完了した時点で、エネルギの算出値が第１の閾値Ｅ１に到達しない場合もあり得る。この場合には、エネルギの算出値の初期設定を行わない。

時刻ｔ２１において、音響光学素子３０を透過状態にして、加工対象物１６の同一箇所に、次のレーザパルスの照射を開始する。制御装置１８は、光強度検出器１７からの検出結果を一定周期で取り込み、算出されたエネルギを、時刻ｔ１２の時点におけるエネルギの算出値に累積する。累積されたエネルギの算出値が第２の閾値Ｅ２に到達した時点で、音響光学素子３０を遮光状態にし、レーザビームの照射を停止させる。

これにより、時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間に投入されたエネルギの不足分を補うことができる。２つのレーザパルスで加工する場合には、１つのレーザパルスで加工する場合よりも、大きなエネルギが必要になると考えられる。このため、通常は、第２の閾値Ｅ２は、第１の閾値Ｅ１よりも大きい。

図４に示した従来の方法では、１つのレーザパルスのパルスエネルギが所定の閾値に満たなかった場合、同一箇所に、追加のレーザパルスが入射される。この追加のレーザパルスのパルスエネルギは、通常の加工を行うレーザパルスのパルスエネルギとほぼ同一である。このため、追加のレーザパルスを入射させると、同一箇所に過剰なエネルギが投入されてしまう。

上記実施例の場合には、追加のレーザパルスの入射時に、既に投入されたエネルギに累積した総投入エネルギが第２の閾値Ｅ２に到達した時点でレーザビームの照射を停止させるため、エネルギの過剰な投入を防止することができる。

上記実施例によるレーザ照射装置、及びレーザ照射方法は、プリント基板への穴あけ加工等に適用することができる。
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。

実施例によるレーザ照射装置の概略図である。 （Ａ）は、レーザ発振器から出射されるパルスレーザビームのパルス波形の一例を示すグラフであり、（Ｂ）は、音響光学素子に与えられる切替信号の一例を示すタイミングチャートであり、（Ｃ）は、制御装置が算出した累積エネルギの時間変化の一例を示すグラフである。 （Ａ）は、音響光学素子に与えられる切替信号の他の例を示すタイミングチャートであり、（Ｂ）は、制御装置が算出した累積エネルギの時間変化の他の例を示すグラフである。 従来のレーザ照射装置の概略図である。

符号の説明

１１ レーザ発振器
１４ 部分反射ミラー（分岐器）
１５ 加工レンズ
１６ 加工対象物
１７ 光強度検出器
１８ 制御装置
１９ トリガパルス発生器
２０ パワーメータ
２１ ビーム走査器
２２ 温度測定器
２３ アンプ
２５ パワー調整器
２８ 保持台
３０ 音響光学素子（動的遮光手段）

Claims (5)

1. レーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザビームを遮光する遮光状態と透過させる透過状態とを切り替えることができる動的遮光手段と、
   前記動的遮光手段を透過したレーザビームを、測定用経路に沿って伝搬するレーザビームと、加工用経路に沿って伝搬するレーザビームとに分岐させる分岐器と、
   前記測定用経路に沿って伝搬するレーザビームの強度を検出する光強度検出器と、
   前記動的遮光手段の遮光状態と透過状態との切り替え制御を行うとともに、前記光強度検出器で検出された光強度を第１の周期で取り込み、前記動的遮光手段を透過状態にした後に前記光強度検出器に入射したレーザビームのエネルギを算出し、エネルギの算出値が第１の閾値に到達したら、前記動的遮光手段を遮光状態にする制御装置と
   を有するレーザ照射装置。
2. 前記レーザ光源がパルスレーザビームを出射し、前記第１の周期が、前記レーザ光源から出射されるパルスレーザビームのパルス幅の７０％以下である請求項１に記載のレーザ照射装置。
3. 前記レーザ光源がパルスレーザビームを出射し、前記制御装置は、第１のレーザパルスの照射ではエネルギの算出値が前記第１の閾値に達しなかったとき、加工対象物の同じ位置に、追加の第２のレーザパルスを入射させ、前記光強度検出器で検出された該第１のレーザパルスと第２のレーザパルスとの合計のエネルギの算出値が、第２の閾値に到達したら、前記動的遮光手段を遮光状態にする請求項１に記載のレーザ照射装置。
4. （ａ）レーザビームを、測定用経路と加工用経路とに分岐させ、加工用経路に沿って伝搬するレーザビームを加工対象物に入射させて加工を行うとともに、該測定用経路に沿って伝搬したレーザビームのエネルギを算出する工程と、
   （ｂ）エネルギの算出値が第１の閾値に到達したときに、前記加工対象物へのレーザビームの入射を停止させる工程と
   を有するレーザ照射方法。
5. 前記工程ａで用いられるレーザビームがパルスレーザビームであり、前記工程ｂが、さらに、第１のレーザパルスの照射が終了した時点までのエネルギの算出値が前記第１の閾値未満であるとき、前記加工対象物の同じ被加工位置に追加の第２のレーザパルスを入射させるとともに、前記測定用経路に沿って伝搬した前記第１のレーザパルスと第２のレーザパルスとの合計のエネルギの算出値が第２の閾値に到達したとき、該第２のレーザパルスの入射を停止させる工程を含む請求項４に記載のレーザ照射方法。

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