JP6301198B2

JP6301198B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法

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Publication number: JP6301198B2
Application number: JP2014112031A
Authority: JP
Inventors: 達矢西部; 健太郎山上; 佐々木崇
Original assignee: Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2034-05-30
Also published as: JP2015223628A

Description

本発明は、レーザビームを用いて基板のような被加工物に溝加工等を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

従来より、パルス出力されるレーザビームを基板に照射するとともに、レーザビームの光軸と直交する方向に基板を移動させ、溝加工ができるように構成されたレーザ加工装置が知られている。

このようなレーザ加工装置において、加工線に沿って基板を移動させる場合、加工開始時には加速、加工終了時には減速が生じる。また直線を折り曲げた折曲部や曲率が大きな曲線部では、移動方向が大きく変化するので、直線部や曲率の小さな曲線部に比べて減速する必要がある。

ところが、これら加減速領域では、レーザパルスのピッチが一定にならず、レーザパルスによる熱が過多となって、溝の幅と深さが均一にならず、加工品質が悪くなる問題があった。

このような問題を解決するものとして、例えば特許文献１、２、３及び４に開示されるように、被加工物の移動速度等を検出し、検出された移動速度等に応じてレーザパルスの出力タイミングを制御するものがある。

特許第３８５４８２２号公報特開２００３−５３５６３号公報特開２０１０−１８４２８９号公報特開２０１２−１３０９５９号公報

しかしながら、これらの従来技術は、いずれも、加減速領域においてレーザ発振器の周波数を変化させることになるので、レーザ発振器にエネルギー変動が起こってビーム径が変化してしまい、溝幅、溝深さが変わる等、依然として加工品質が悪くなる欠点があった。
さらに、非加工物によっては縦方向と横方向の加工特性が異なるものがあり、加工方向によって溝幅、溝深さが変わってしまう欠点があった。

一方、エネルギー変動を小さくするため、あるエネルギーレベルのレーザを継続的に出力させておき、そこからのレーザパルスを局所的に取出す方法も考えられるが、この方式だと、高エネルギーのレーザパルスを得ることが困難で、被加工物への必要な加工ができなくなり、大容量のレーザ発振器を備えなければならない欠点がある。

そこで、本発明は、大容量のレーザ発振器を備えなくても、レーザ加工の加減速領域において、また縦方向と横方向の加工特性が異なる非加工物の場合でも、溝幅、溝深さが変わる等の欠点をなくし、加工品質の向上を図ることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載のレーザ加工装置においては、一定周期のレーザパルス列を発振するレーザパルス発振部と、当該レーザパルス発振部から出力されたレーザパルス列を受光し当該レーザパルス列中のレーザパルスを選択的に加工に用いる方向に指向させることができる光指向部と、当該光指向部からのレーザパルスを受光し被加工物に照射する光学系と、前記被加工物が載置されるテーブルをＸ軸方向とＹ軸方向に駆動するテーブル駆動部と、前記テーブルのＸ軸方向とＹ軸方向の移動量をそれぞれ検出する移動量検出部と、当該移動量検出部が検出するＸ軸方向とＹ軸方向の移動量を補正する補正部と、当該補正部によって補正された移動量が所定量に到達したことを検出する所定移動量検出部と、当該所定移動量検出部が所定の移動量を検出したら前記光指向部に対し前記レーザパルス発振部から出力されたレーザパルス列中のレーザパルスを前記加工方向に指向させるように制御する制御部とを備えることを特徴とする。

また請求項２に記載のレーザ加工装置においては、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記補正部における補正量は前記被加工物の加工特性に基づいて選択されることを特徴とする。

また請求項３に記載のレーザ加工方法においては、レーザビームを被加工物に照射して被加工物を加工するレーザ加工方法において、一定周期のレーザパルス列を発振させ、前記被加工物が載置されるテーブルのＸ軸方向とＹ軸方向の移動量をそれぞれ検出し、当該検出したＸ軸方向とＹ軸方向の移動量を補正し、当該補正された移動量が所定量に到達したことを検出したら前記レーザパルス列中のレーザパルスを選択的に加工に用いる方向に指向させることを特徴とする。

また請求項４に記載のレーザ加工方法においては、請求項３に記載のレーザ加工方法において、前記補正を行う量は前記被加工物の加工特性に基づいて選択することを特徴とする。

本発明によれば、大容量のレーザ発振器を備えなくても、レーザ加工の加減速領域において、また縦方向と横方向の加工特性が異なる非加工物の場合でも、溝幅、溝深さが変わる等の欠点をなくし、加工品質の向上を図ることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法が得られる。

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１に示したレーザ加工装置の各部における信号等のタイミング図である。図１における所定移動量検出部の構成を示す図である。図１におけるＡＯＭ制御部の構成を示す図である。本発明の効果を説明するための図である。

本発明の一実施例について説明する。図１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、図２は図１に示したレーザ加工装置の各部における信号等のタイミング図である。

図１において、１はレーザパルスＬ１を発生するレーザ発振器、２はレーザ発振器１に一定周期のレーザ発振指令信号Ｓ１を出力するレーザ発振制御部である。レーザ発振器１はレーザ発振制御部２からレーザ発振指令信号Ｓ１が与えられた時のみ、レーザパルスＬ１を出力するようになっており、両者によって一定周期のレーザパルス列を発生するレーザパルス発振部３が構成される。レーザ発振器１は、レーザ発振指令信号Ｓ１の立上がり時、立下がり時におけるレーザパルスＬ１が、曲線状の変化をする特性を持っている。４はレーザ発振器１から出力されたレーザパルスＬ１の分岐方向の制御を個々のレーザパルスＬ１毎に選択的に行うことができる音響光変調器（以下ＡＯＭと略す）、５はＡＯＭ４にＡＯＭ制御信号Ｓ２を出力してその動作を制御するＡＯＭ制御部、６はＡＯＭ４から分岐されたレーザパルスＬ２を被加工物に照射する光学系である。

ＡＯＭ４はＡＯＭ制御信号Ｓ２が与えられた時、レーザ発振器１からのレーザパルスＬ１を加工方向となる光学系６に分岐させ（オン状態）、一方、ＡＯＭ制御信号Ｓ２が与えられない時、レーザ発振器１からのレーザパルスＬ１を光学系６に向かないよう、図示しないダンパーの方向に分岐させる（オフ状態）。

７は基板の如き被加工物、８は被加工物７を載置するテーブル、９はテーブル８をＸ方向及びＹ方向に駆動するテーブル駆動部、１０はテーブル８がＸ方向へ所定量だけ移動する毎にパルスを出力するＸ軸スケール、１１はテーブル８がＹ方向へ所定量だけ移動する毎にパルスを出力するＹ軸スケールである。１２はテーブル８の所定量の移動を周期的に検出する所定移動量検出部であり、所定量の移動毎に所定移動量検出信号Ｓ３をＡＯＭ制御部５へ出力する。

図３は上記所定移動量検出部１２の構成を示す図である。所定移動量検出部１２は、Ｘ軸スケール１０からのパルスにより移動方向を検知するＸ軸移動方向検出回路１３、Ｙ軸スケール１１からのパルスにより移動方向を検知するＹ軸移動方向検出回路１４、Ｘ軸の正方向パルスと負方向パルス、Ｙ軸の正方向パルスと負方向パルスをそれぞれカウントするカウンタ１５〜１８を含む。

所定移動量検出部１２は、さらにＸ軸側のカウンタ１５、１６のカウント値を補正するＸ軸補正回路３１と、Ｙ軸側のカウンタ１７、１８のカウント値を補正するＹ軸補正回路３２とを含む。３０はマイクロコンピュータを利用して装置全体を制御する全体制御部であり、オペレータにより入力された補正倍数をＸ軸補正回路３１とＹ軸補正回路３２にセットする。Ｘ軸補正回路３１とＹ軸補正回路３２は、セットされた補正倍数に基づきカウンタ１５〜１８のカウント値を補正して出力させる。

前記の補正倍数は以下のようになっている。
縦方向と横方向の加工特性が同じ非加工物の場合、全体制御部３０はＸ軸補正回路３１とＹ軸補正回路３２の動作をさせず、カウンタ１５〜１８には補正がかからない。一方の加工方向が他方の加工方向に比較し、加工ピッチを短くしないと必要な溝幅、溝深さが得られないような加工特性のある非加工物の場合、オペレータは全体制御部３０に一方の加工方向に対する補正倍数を入力する。この場合の補正倍数としては、１倍より大きい数値とする。全体制御部３０は補正倍数を該当する方向の補正回路にセットし、該当する方向のカウンタのカウント値が通常より早く更新されるようにする。ここで、補正倍数として１倍よりどのくらい大きくするかは、非加工物の加工特性によって予め定めておき、該当するものがオペレータによって選択され、全体制御部３０に入力される。

所定移動量検出部１２は、さらにカウンタ１５〜１８から出力されたカウント値に基づきＸ軸とＹ軸の合成カウント量Ｚを以下の式により求める合成カウント量演算回路１９と、この合成カウント量Ｚが所定値、例えば本実施例では５とし、これに達したら所定移動量検出信号Ｓ３を出力する特定値検出回路２０とを含む。

（数１）
Z＝((Xup−Xdn)²＋(Yup−Ydn)²)^1/2

ここで、Xupはカウンタ１５の値、Xdnはカウンタ１６の値、Yupはカウンタ１７の値、Ydnはカウンタ１８の値である。

ＡＯＭ制御部５には、レーザ発振制御部２からの一定周期のレーザ発振指令信号Ｓ１が入力されるようになっており、所定移動量検出部１２から所定移動量検出信号Ｓ３が出力されたら、ＡＯＭ４に対しレーザ発振器１からのレーザパルスＬ１を光学系６に分岐させる（オン状態）ためのＡＯＭ制御信号Ｓ２を出力する。

図４は上記ＡＯＭ制御部５の構成を示す図である。レーザ発振制御部２からレーザ発振指令信号Ｓ１が入力されると、当該レーザ発振指令信号Ｓ１を時間ｔだけ遅延回路２１により遅延させ、アンド回路２２により所定移動量検出部１２からの所定移動量検出信号Ｓ３と論理積をとる。

アンド回路２２の出力信号は所定時間のパルスを発生するワンショット回路２３をトリガし、その出力信号がＡＯＭ制御信号Ｓ２となる。ワンショット回路２３の出力信号の立下りは立下り検出回路２４により検出され、所定移動量検出部１２への制御信号Ｓ４となって、カウンタ１５〜１８のカウント値をリセットする。カウンタ１５〜１８のカウント値がリセットされると、合成カウント量演算回路１９における合成カウント量Ｚはゼロになる。

ここで、ワンショット回路２３のパルス幅ＴＡであるが、レーザ発振指令信号Ｓ１のパルス幅をＴＢとすると、ＴＢ≧ｔ＋ＴＡを満たすように設定されている。レーザパルスを一定周期で発振させた場合、その立上がりや立下り部分の過渡期部は、各周期でいつも安定しているとは限らないので、前記のように設定されていれば、ＡＯＭ４から出力されるレーザパルスＬ２は、レーザ発振器１から出力されるレーザパルスＬ１の不安定領域である立上がり、立下り部分が除去されたものとなり、加工品質の向上を図ることができる。

上記実施形態によれば、エネルギー変動が起こりにくい一定周期のレーザパルスを、ＡＯＭ４を介して、テーブル８の所定移動量毎に選択的に被加工物７に与えるようにしたので、図５に示すように、レーザ加工の加減速領域においても、溝幅、溝深さが変化しなくなり、加工品質の向上を図ることができる。

さらに上記実施形態によれば、例えばＸ軸方向の溝幅、溝深さがＹ軸方向より小さくなってしまうような加工特性を持つ非加工物の場合、オペレータはＸ軸方向の補正倍数を全体制御部３０に入力する。これにより、Ｘ軸側のカウンタ１５、１６の更新速度は通常よりも速くなって非加工物に照射されるレーザパルスのピッチが短くなり、Ｘ軸方向の溝幅、溝深さをＹ軸方向とそろえることが可能となり、加工品質の向上を図ることができる。

なお、上記実施形態においては、Ｘ軸側のカウンタあるいはＹ軸側のカウンタのいずれか一方のカウント値を補正するようにしたが、両方のカウンタのカウント値を補正するようにしても良い。例えば、縦方向と横方向の加工特性が大きく異なるような場合、一方は１倍より大きくし、他方は１倍より小さくすることで、両方向の溝幅、溝深さをそろえ易くしても良い。

なお、上記実施形態においては、レーザ発振器１から出力されたレーザパルスＬ１の分岐をＡＯＭで行っているが、これに限らず、電気信号によりレーザパルスの指向方向を制御できるものなら他の手段を用いても良い。

また、上記実施形態においては、所定移動量検出部１２は、いくつかの回路等を含むが、これらの回路等はマイクロコンピュータを利用してソフト的に実現されても良いことは、当業者にとって明白である。

１：レーザ発振器、２：レーザ発振制御部、３：レーザパルス発振部、
４：音響光変調器(ＡＯＭ）、５：ＡＯＭ制御部、６：光学系、７：基板、
８：テーブル、９：テーブル駆動部、１０：Ｘ軸スケール、１１：Ｙ軸スケール、
１２：所定移動量検出部、１３：Ｘ軸移動方向検出回路、
１４：Ｙ軸移動方向検出回路、１５〜１８：カウンタ、
１９：合成カウント量演算回路、２０：特定値検出回路、２１：遅延回路、
２２：アンド回路、２３：ワンショット回路、２４：立下り検出回路、
３０：全体制御部、３１：Ｘ軸補正回路、３２：Ｙ軸補正回路、
Ｓ１：レーザ発信指令信号、Ｓ２：ＡＯＭ制御信号、Ｓ３：所定移動量検出信号、
Ｓ４：制御信号、Ｌ１、Ｌ２：レーザパルス

Claims

一定周期のレーザパルス列を発振するレーザパルス発振部と、当該レーザパルス発振部から出力されたレーザパルス列を受光し当該レーザパルス列中のレーザパルスを選択的に加工に用いる方向に指向させることができる光指向部と、当該光指向部からのレーザパルスを受光し被加工物に照射する光学系と、前記被加工物が載置されるテーブルをＸ軸方向とＹ軸方向に駆動するテーブル駆動部と、前記テーブルのＸ軸方向とＹ軸方向の移動量をそれぞれ検出する移動量検出部と、当該移動量検出部が検出するＸ軸方向とＹ軸方向の移動量を補正する補正部と、当該補正部によって補正された移動量が所定量に到達したことを検出する所定移動量検出部と、当該所定移動量検出部が所定の移動量を検出したら前記光指向部に対し前記レーザパルス発振部から出力されたレーザパルス列中のレーザパルスを前記加工方向に指向させるように制御する制御部とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記補正部における補正量は前記被加工物の加工特性に基づいて選択されることを特徴とするレーザ加工装置。
レーザビームを被加工物に照射して被加工物を加工するレーザ加工方法において、一定周期のレーザパルス列を発振させ、前記被加工物が載置されるテーブルのＸ軸方向とＹ軸方向の移動量をそれぞれ検出し、当該検出したＸ軸方向とＹ軸方向の移動量を補正し、当該補正された移動量が所定量に到達したことを検出したら前記レーザパルス列中のレーザパルスを選択的に加工に用いる方向に指向させることを特徴とするレーザ加工方法。
請求項３に記載のレーザ加工方法において、前記補正を行う量は前記被加工物の加工特性に基づいて選択することを特徴とするレーザ加工方法。