KR20190045817A - 레이저가공기의 제어장치, 레이저가공방법, 및 레이저가공기 - Google Patents

레이저가공기의 제어장치, 레이저가공방법, 및 레이저가공기 Download PDF

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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

빔주사기의 캘리브레이션 후의 레이저빔의 입사위치와, 목표로 하는 입사위치의 어긋남을 작게 하는 것이 가능한 레이저가공기의 제어장치를 제공한다.
레이저광원으로부터 출력된 펄스레이저빔을 주사함으로써, 가공대상물의 표면에 있어서의 펄스레이저빔의 입사위치를 이동시키는 빔주사기를 갖는 레이저가공기를 제어장치가 제어한다. 제어장치는, 레이저광원으로부터의 펄스레이저빔의 출력타이밍을 제어하는 기능, 펄스레이저빔을 입사시키는 목표위치를 빔주사기에 지령하는 기능, 및 실제 가공 시의 펄스주파수에 근거하여, 빔주사기의 캘리브레이션을 행하는 기능을 갖는다.

Description

레이저가공기의 제어장치, 레이저가공방법, 및 레이저가공기{Control Device of Laser Processing Apparatus, Laser Processing Method, and Laser Processing Apparatus}
본 출원은 2017년 10월 24일에 출원된 일본 특허출원 제2017-204857호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.
본 발명은, 레이저가공기의 제어장치, 레이저가공방법, 및 레이저가공기에 관한 것이다.
빔주사기 및 집광렌즈를 경유하여 가공대상물에 펄스레이저빔을 입사시켜 가공을 행하는 레이저가공기가 공지이다(예를 들면, 특허문헌 1). 가공대상물의 목표로 하는 위치에 펄스레이저빔을 입사시키기 위하여, 실제 가공 전에 빔주사기의 캘리브레이션을 행한다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2004-66300호
빔주사기의 캘리브레이션을 행했음에도 불구하고, 실제로 펄스레이저빔이 입사한 위치가 목표로 하는 위치로부터 어긋나는 현상이 발생하는 경우가 있는 것이 판명되었다. 본 발명의 목적은, 빔주사기의 캘리브레이션 후의 레이저빔의 입사위치와, 목표로 하는 입사위치의 어긋남을 작게 하는 것이 가능한 레이저가공기의 제어장치, 레이저가공방법, 및 레이저가공기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점에 의하면,
레이저광원으로부터 출력된 펄스레이저빔을 주사함으로써, 가공대상물의 표면에 있어서의 펄스레이저빔의 입사위치를 이동시키는 빔주사기를 갖는 레이저가공기를 제어하는 제어장치로서,
상기 레이저광원으로부터의 펄스레이저빔의 출력타이밍을 제어하는 기능,
펄스레이저빔을 입사시키는 목표위치를 상기 빔주사기에 지령하는 기능, 및
실제 가공 시의 펄스주파수에 근거하여, 상기 빔주사기의 캘리브레이션을 행하는 기능을 갖는 레이저가공기의 제어장치가 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 의하면,
레이저광원으로부터 출력된 펄스레이저빔을 빔주사기로 주사하고, 가공대상물 표면의 복수의 피가공점에 차례로 입사시켜 가공을 행하는 레이저가공방법으로서,
실제 가공 시의 펄스주파수에 근거하여, 펄스레이저빔을 출력시키면서, 평가용시료의 복수 개소에 펄스레이저빔을 입사시키고,
실제 펄스레이저빔의 입사위치에 근거하여, 상기 빔주사기의 캘리브레이션을 행하는 레이저가공방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 관점에 의하면,
펄스레이저빔을 출력하는 레이저광원과,
상기 레이저광원으로부터 출력된 펄스레이저빔을 주사함으로써, 가공대상물의 표면에 있어서의 펄스레이저빔의 입사위치를 이동시키는 빔주사기와,
상기 레이저광원으로부터의 펄스레이저빔의 출력타이밍을 제어하는 기능, 펄스레이저빔을 입사시키는 목표위치를 상기 빔주사기에 지령하는 기능, 및 실제 가공 시의 펄스주파수에 근거하여, 상기 빔주사기의 캘리브레이션을 행하는 기능을 갖는 제어장치를 갖는 레이저가공기가 제공된다.
빔주사기의 캘리브레이션 후의 레이저빔의 입사위치와, 목표로 하는 입사위치의 어긋남을 작게 할 수 있다.
도 1은, 실시예에 의한 레이저가공기의 개략도이다.
도 2는, 레이저광원으로부터 가공대상물까지의 광로를 나타내는 모식도이다.
도 3은, 가공대상물의 모식적인 평면도이다.
도 4는, 실시예에 의한 레이저가공기를 이용한 레이저가공방법의 플로차트이다.
도 1을 참조하여, 실시예에 의한 레이저가공기에 대하여 설명한다.
도 1은, 실시예에 의한 레이저가공기의 개략도이다. 레이저광원(10)이 펄스레이저빔을 출력한다. 레이저광원(10)으로서, 예를 들면 탄산가스레이저발진기를 이용할 수 있다. 레이저광원(10)으로부터 출력된 펄스레이저빔이 음향광학소자(AOM)(11), 미러(12), 빔주사기(13), 및 집광렌즈(14)를 경유하여, 스테이지(17)에 지지된 가공대상물(30)에 입사한다.
AOM(11)은, 제어장치(20)으로부터의 지령에 의하여, 레이저광원(10)으로부터 출력된 펄스레이저빔의 레이저펄스로부터, 가공에 이용하는 일부분을 잘라낸다. 잘라낸 레이저펄스는 가공대상물(30)을 향해가고, 나머지 펄스레이저빔은 빔댐퍼(15)에 입사한다.
빔주사기(13)는, 제어장치(20)로부터의 지령을 받아, 레이저빔을 이차원방향으로 주사함으로써, 가공대상물(30)의 표면에 있어서의 펄스레이저빔의 입사위치를 이동시킨다. 빔주사기(13)로서, 예를 들면 한 쌍의 갈바노미러를 갖는 갈바노스캐너를 이용할 수 있다.
집광렌즈(14)는, 빔주사기(13)에 의하여 주사된 펄스레이저빔을 가공대상물(30)의 표면(피가공면)에 집광시킨다. 집광렌즈(14)로서, 예를 들면 fθ렌즈를 이용할 수 있다.
스테이지(17)는, 제어장치(20)로부터의 지령을 받아, 가공대상물(30)을, 그 표면에 평행한 이차원방향으로 이동시킨다. 스테이지(17)로서, 예를 들면 XY스테이지를 이용할 수 있다.
스테이지(17)의 상방에 촬상장치(16)가 배치되어 있다. 촬상장치(16)는, 스테이지(17)에 지지된 가공대상물(30) 또는 평가용시료의 표면을 촬상하여, 화상데이터를 생성한다. 촬상장치(16)에서 생성된 화상데이터가 제어장치(20)에 입력된다.
제어장치(20)는, 레이저광원(10)으로부터의 펄스레이저빔의 출력타이밍을 제어하는 기능을 갖는다. 또한, 제어장치(20)는, 펄스레이저빔을 입사시키는 목표위치를 빔주사기(13)에 지령하는 기능을 갖는다. 또한, 제어장치(20)는, 촬상장치(16)에서 취득된 화상데이터를 해석함으로써, 펄스레이저빔의 입사위치를 검출하고, 검출결과에 근거하여 빔주사기(13)의 캘리브레이션을 행하는 기능을 갖는다.
기억장치(21)에, 레이저가공에 필요한 정보, 예를 들면 가공대상물(30)의 피가공점의 위치정보, 가공순서정보, 빔주사기(13)의 캘리브레이션결과 정보 등이 기억된다.
다만, 레이저광원(10)으로부터 가공대상물(30)까지의 펄스레이저빔의 광로에는, 필요에 따라 렌즈계, 애퍼처 등이 배치되는 경우가 있다.
다음으로, 도 2를 참조하여 실시예에 의한 레이저가공기의 레이저광원(10)으로부터 가공대상물(30)까지의 광로에 대하여 설명한다. 도 2에서는, 레이저광원(10)으로부터 가공대상물(30)까지의 광로에 배치되는 광학계를 1매의 가상적인 렌즈(35)로 대표시키고 있다. 가상적인 렌즈(35)는, 레이저광원(10)의 출구(10A)를 결상점(Pi)에 결상시킨다. 다만, 레이저광원(10)으로부터 가공대상물(30)까지의 광학계의 광축 상에, 출구(10A)의 상점(像点)이 형성되는 경우가 있지만, 이 경우에도, 최종적으로는 출구(10A)가 결상점(Pi)에 결상된다. 또, 상점의 위치에 애퍼처가 배치되는 경우도 있다.
가공대상물(30)의 표면이, 결상점(Pi)으로부터 광학계의 광축방향(도 1에 있어서 높이방향)으로 어긋난 위치에 배치된 상태에서, 스테이지(17)(도 1)가 가공대상물(30)을 지지한다. 예를 들면, 스테이지(17)가 승강기능을 갖고, 제어장치(20)이 스테이지(17)를 제어함으로써, 이와 같은 어긋난 상태를 실현한다. 결상점(Pi)으로부터 어긋난 위치에 가공대상물(30)의 표면을 배치하면, 가공대상물(30)의 표면에 있어서 빔스폿을 보다 작게 좁히는 것이 가능하게 된다.
본원의 발명자의 검증실험에 의하여, 레이저광원(10)으로부터 출력되는 펄스레이저빔의 펄스주파수를 변화시키면, 레이저빔의 사출방향이 변화하는 경우가 있는 것이 판명되었다. 레이저빔의 사출방향이 변화해도, 결상점(Pi)의 위치는 변화하지 않는다. 결상점(Pi)에서 가공을 행하는 경우에는, 가공위치에 어긋남은 발생하지 않는다.
그런데, 가공대상물(30)의 표면을 결상점(Pi)으로부터 어긋난 위치에 배치하면, 사출방향의 변동에 따라 펄스레이저빔의 입사위치가 변동된다. 예를 들면, 광로(OP1)를 따르는 펄스레이저빔은, 가공대상물(30)의 표면의 점(P1)에 입사하고, 광로(OP2)를 따르는 펄스레이저빔은, 가공대상물(30)의 표면의 점(P2)에 입사한다.
예를 들면, 레이저빔이 광로(OP1)를 따를 때의 펄스주파수로 빔주사기(13)의 캘리브레이션을 행하고, 광로(OP2)를 따르는 레이저빔으로 가공을 행하면, 가공 시의 펄스레이저빔의 입사위치가 목표위치로부터 어긋나게 된다.
다음으로 도 3 및 도 4를 참조하여, 실시예에 의한 레이저가공기를 이용한 레이저가공방법에 대하여 설명한다.
도 3은, 가공대상물(30)의 모식적인 평면도이다. 가공대상물(30)의 표면에 복수의 단위주사영역(31)이 획정(劃定)되어 있다. 단위주사영역(31)의 각각의 내부에, 복수의 피가공점(32)이 획정되어 있다. 가공대상물(30)을 이동시키지 않고, 빔주사기(13)(도 1)를 동작시킴으로써, 하나의 단위주사영역(31) 내의 임의의 개소에 펄스레이저빔을 입사시킬 수 있다.
하나의 단위주사영역(31) 내의 가공이 종료되면, 스테이지(17)를 구동하여, 가공되지 않은 단위주사영역(31)을 빔주사기(13)에 의한 주사 가능한 위치로 이동시킨다. 이 처리를 반복함으로써, 모든 단위주사영역(31)의 가공을 행할 수 있다.
도 4는, 실시예에 의한 레이저가공기를 이용한 레이저가공방법의 플로차트이다. 먼저, 제어장치(20)가, 실제 가공 시의 펄스주파수에 관한 정보를 취득한다(스텝 S1). 이하, 실제 가공 시의 펄스주파수에 관한 정보의 취득방법에 대하여 설명한다.
가공대상물(30)의 표면에 획정된 복수의 피가공점의 위치정보, 및 가공순서의 정보가 기억장치(21)에 기억되어 있다. 가공 시에는, 하나의 피가공점에 펄스레이저빔을 입사시킨 후, 제어장치(20)가 빔주사기(13)에 목표위치를 지령하여, 다음으로 가공해야 할 피가공점의 위치에 레이저빔의 입사위치를 이동시킨다. 빔주사기(13)가 세팅된 후, 제어장치(20)가 레이저광원(10)에, 펄스레이저빔의 출력을 지령한다. 하나의 피가공점으로부터 다음으로 가공해야 할 피가공점까지의 거리가 긴 경우에는, 빔주사기(13)가 세팅될 때까지의 시간이 길어진다. 이로 인하여, 펄스레이저빔의 펄스간격이 길어(펄스주파수가 낮아)진다.
제어장치(20)는, 레이저광원(10)으로부터 펄스레이저빔을 출력시키지 않고, 펄스레이저빔의 입사위치가, 가공대상물(30)의 복수의 피가공점을 차례로 따라가도록 빔주사기(13)를 동작시킨다. 이때, 모든 피가공점에 대하여, 빔주사기(13)가 세팅할 때까지의 시간을 계측한다. 레이저빔의 입사위치가, 단위주사영역(31)(도 3) 내의 모든 피가공점을 차례로 따라간 후, 펄스주파수에 관한 정보를 취득한다. 이 처리를, 모든 단위주사영역(31)에 대하여 실행한다. 예를 들면, 펄스주파수에 관한 정보에는, 각 단위주사영역(31)의 피가공점마다의 빔주사기(13)의 세팅시간, 세팅 후에 피가공점에 펄스레이저빔을 입사시키는 시간(펄스레이저빔의 출력지령으로부터 실제로 펄스레이저빔이 출력될 때까지의 지연시간, 펄스폭 등)이 포함된다.
스텝 S1 후, 스테이지(17)에 평가용시료를 지지시키고, 평가용시료의 표면을, 가공 시의 가공대상물(30)의 표면의 높이에 일치시킨다. 제어장치(20)는, 실제 가공 시의 펄스주파수에 관한 정보에 근거하여 펄스주파수를 결정한다. 결정된 펄스주파수로 레이저광원(10)으로부터 펄스레이저빔을 출력시켜, 캘리브레이션용의 복수 개소에 펄스레이저빔을 입사시킨다(스텝 S2). 레이저펄스의 출력 시까지 빔주사기(13)의 세팅이 되지 않는 경우에는, 빔주사기(13)가 세팅될 때까지 레이저펄스를 빔댐퍼(15)(도 1)에 입사시킨다.
평가용시료에 입사시키는 펄스레이저빔의 펄스주파수는, 예를 들면, 스텝 S1에서 취득한 모든 단위주사영역(31)을 실제로 가공할 때의 펄스주파수의 최댓값과 최솟값의 사이의 주파수로 하면 된다. 예를 들면, 실제 가공 시의 펄스주파수의 평균값, 최빈값, 중앙값 등의 통계량으로 하면 된다.
스텝 S2 후, 제어장치(20)는, 스테이지(17)를 구동하여 평가용시료를 촬상장치(16)의 화각 내에 배치하고, 평가용시료를 촬상하여 화상데이터를 취득한다. 이 화상데이터를 해석함으로써, 펄스레이저빔의 입사위치를 검출하여, 입사위치정보를 취득한다(스텝 S3).
스텝 S3 후, 제어장치(20)는, 스텝 S3에서 취득된 펄스레이저빔의 입사위치정보와, 빔주사기(13)에 대한 목표위치의 지령값에 근거하여, 빔주사기(13)의 캘리브레이션을 행한다(스텝 S4). 캘리브레이션결과를 기억장치(21)에 기억시킨다.
스텝 S4 후, 가공대상물(30)을 스테이지(17)에 지지시켜, 실제 가공을 행한다(스텝 S5). 모든 가공대상물(30)의 가공이 종료될 때까지, 스텝 S5를 반복한다(스텝 S6).
다음으로 실시예에 의한 레이저가공기가 갖는 우수한 효과에 대하여 설명한다.
본 실시예에서는, 실제 가공 시의 펄스주파수에 근거하여, 캘리브레이션 시의 펄스주파수를 결정하기 때문에, 캘리브레이션의 정밀도를 높일 수 있다. 이로써, 가공 시의 레이저빔의 입사위치의 위치어긋남을 작게 할 수 있다.
다음으로, 상기 실시예의 변형예에 대하여 설명한다.
상기 실시예에서는, 스텝 S1(도 4)에 있어서, 실제 가공 시에 있어서의 빔주사기(13)의 동작에 근거하여, 가공 시의 펄스주파수에 관한 정보를 취득했다. 그 외의 방법으로서, 가공 시의 펄스주파수를 고정해 두고, 일정한 펄스주파수에서 가공을 행해도 된다. 레이저펄스의 출력 시까지 빔주사기(13)의 세팅이 되지 않는 경우에는, 빔주사기(13)이 세팅될 때까지의 기간에 출력된 레이저펄스는 빔댐퍼(15)(도 1)에 입사시킨다. 스텝 S2에 있어서 평가용시료에 입사시키는 펄스레이저빔의 펄스주파수는, 실제로 가공할 때의 고정된 펄스주파수에 일치시키면 된다.
또, 상기 실시예에서는, 가공대상물(30) 내의 모든 단위주사영역(31)(도 3)을 가공할 때의 펄스주파수의 통계량을, 캘리브레이션 시의 펄스주파수로 했다. 복수의 단위주사영역(31)에서 피가공점의 분포밀도에 큰 차가 있는 경우에는, 실제 가공 시의 펄스주파수의 통계량에, 단위주사영역(31)마다 크게 편차가 발생하게 된다. 이와 같은 경우에는, 단위주사영역(31)마다 빔주사기(13)의 캘리브레이션을 행하면 된다. 캘리브레이션결과는, 단위주사영역(31)마다 기억장치(21)에 기억시킨다. 단위주사영역(31)의 가공을 행하는 경우에는, 그 단위주사영역(31)의 캘리브레이션결과를 이용하여 빔주사기(13)를 구동하면 된다.
상기 실시예에서는, 가공대상물(30)의 표면을 결상점(Pi)(도 2)으로부터 어긋난 위치에 배치하여 가공을 행했지만, 가공대상물(30)의 표면을 결상점(Pi)(도 2)으로부터 어긋나게 하지 않고 가공을 행하는 경우에도 효과가 얻어진다. 예를 들면, 결상점(Pi)의 위치가 어긋나지 않은 경우여도, 결상점(Pi)에 이르는 광로가 변동되면, 광강도의 감쇠율이 변화하는 경우가 있다. 본 실시예에 의한 방법으로 빔주사기(13)의 캘리브레이션을 행하면, 펄스레이저빔의 광로가 대략 고정되기 때문에, 광강도의 변동을 억제하고, 또한 캘리브레이션 시의 위치검출결과의 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 실시예 및 변형예는 예시이고, 실시예 및 변형예로 나타낸 구성의 부분적인 치환 또는 조합이 가능한 것은 말할 필요도 없다. 실시예 및 변형예의 동일한 구성에 의한 동일한 작용효과에 대해서는 실시예 및 변형예마다 순서대로 언급하지 않는다. 또한, 본 발명은 상술의 실시예 및 변형예에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 다양한 변경, 개량, 조합 등이 가능한 것은 당업자에게 자명할 것이다.
10 레이저광원
10A 레이저의 출구
11 음향광학소자(AOM)
12 미러
13 빔주사기
14 집광렌즈
15 빔댐퍼
16 촬상장치
17 스테이지
20 제어장치
21 기억장치
30 가공대상물
31 단위주사영역
32 피가공점
35 가상적인 렌즈

Claims (7)

  1. 레이저광원으로부터 출력된 펄스레이저빔을 주사함으로써, 가공대상물의 표면에 있어서의 펄스레이저빔의 입사위치를 이동시키는 빔주사기를 갖는 레이저가공기를 제어하는 제어장치로서,
    상기 레이저광원으로부터의 펄스레이저빔의 출력타이밍을 제어하는 기능,
    펄스레이저빔을 입사시키는 목표위치를 상기 빔주사기에 지령하는 기능, 및
    실제 가공 시의 펄스주파수에 근거하여, 상기 빔주사기의 캘리브레이션을 행하는 기능을 갖는 레이저가공기의 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    또한, 가공대상물의 표면을 촬상하는 촬상장치를 갖고,
    실제 가공 시의 펄스주파수에 근거하여, 상기 레이저광원 및 상기 빔주사기를 제어하여, 평가용시료의 복수 개소에 펄스레이저빔을 입사시키며,
    펄스레이저빔 입사 후의 상기 평가용시료의 표면을 상기 촬상장치로 촬상하여 얻어진 화상데이터를 해석하여, 펄스레이저빔의 입사위치정보를 취득하고,
    취득된 상기 입사위치정보에 근거하여, 상기 빔주사기의 캘리브레이션을 행하는 레이저가공기의 제어장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저광원의 펄스레이저빔의 출구의 결상점으로부터 어긋난 위치에 가공대상물의 표면이 위치하는 상태에서 상기 레이저광원 및 상기 빔주사기를 제어하는 기능을 더 갖는 레이저가공기의 제어장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저광원으로부터 펄스레이저빔을 출력시키지 않고, 가공대상물의 복수의 피가공점에 차례로 펄스레이저빔이 입사하도록 상기 빔주사기를 동작시켜, 실제 가공 시의 펄스레이저빔의 펄스주파수에 관한 정보를 취득하는 기능을 더 갖는 레이저가공기의 제어장치.
  5. 레이저광원으로부터 출력된 펄스레이저빔을 빔주사기로 주사하고, 가공대상물 표면의 복수의 피가공점에 차례로 입사시켜 가공을 행하는 레이저가공방법으로서,
    실제 가공 시의 펄스주파수에 근거하여, 펄스레이저빔을 출력시키면서, 평가용시료의 복수 개소에 펄스레이저빔을 입사시키며,
    실제 펄스레이저빔의 입사위치에 근거하여, 상기 빔주사기의 캘리브레이션을 행하는 레이저가공방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 레이저광원의 펄스레이저빔의 출구의 결상점으로부터 어긋난 위치에 가공대상물의 표면이 위치하는 상태에서 가공을 더 행하는 레이저가공방법.
  7. 펄스레이저빔을 출력하는 레이저광원과,
    상기 레이저광원으로부터 출력된 펄스레이저빔을 주사함으로써, 가공대상물의 표면에 있어서의 펄스레이저빔의 입사위치를 이동시키는 빔주사기와,
    상기 레이저광원으로부터의 펄스레이저빔의 출력타이밍을 제어하는 기능, 펄스레이저빔을 입사시키는 목표위치를 상기 빔주사기에 지령하는 기능, 및 실제 가공 시의 펄스주파수에 근거하여, 상기 빔주사기의 캘리브레이션을 행하는 기능을 갖는 제어장치를 갖는 레이저가공기.
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