(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記制御装置は、前記駆動回路に前記放電開始トリガを与えた後、予め決められた判定時間が経過するまでの、前記計測器による計測結果に基づいて、前記放電開始トリガを与えてから前記放電停止トリガを与えるまでの時間幅を算出する請求項1に記載のレーザ加工装置。
前記制御装置は、前記計測器により計測された前記物理量が大きいほど、前記放電開始トリガから前記放電停止トリガまでの時間幅を短くする請求項1または2に記載のレーザ加工装置。
前記時間幅を算出する工程において、前記電力供給開始の指令の時点から、予め決められた判定時間が経過するまでの前記電圧または電流の計測値に基づいて、前記時間幅を算出する請求項5に記載のレーザ加工方法。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
パルス幅が比較的長い場合、例えば数百μs程度である場合には、上記特許文献1に開示された方法でパルスエネルギを調節することが可能である。ところが、パルス幅が短い場合、例えば数十μsである場合には、エネルギ検出感度や演算時間を勘案すると、励起時間を制御することは困難である。
【0006】
本発明の目的は、パルス幅が短い場合でも、パルス毎に、パルスエネルギを安定化させることが可能なレーザ加工装置、及びレーザ加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一観点によると、
レーザ媒質ガスを励起する放電電極と、
放電開始トリガを受信することにより、前記放電電極への電力の供給を開始し、放電停止トリガを受信することにより前記放電電極への電力の供給を停止する駆動回路と、
前記放電電極に与えられる電圧及び電流の少なくとも一方の物理量を計測する計測器と、
前記駆動回路に、前記放電開始トリガを与えた後、前記計測器により測定された前記物理量の計測値に基づいて、
前記放電開始トリガが前記駆動回路に与えられてから前記放電電極への電力の供給が継続している期間に、前記駆動回路に前記放電停止トリガを与える制御装置と
を有するレーザ加工装置が提供される。
【0008】
本発明の他の観点によると、
ガスレーザ発振器に、放電電極への電力供給開始の指令を与える工程と、
前記ガスレーザ発振器に前記電力供給開始の指令を与えた時点から、前記放電電極に与えられている電圧または電流の少なくとも一方の物理量を計測する工程と、
前記物理量の計測値に基づいて、前記放電電極に電力を供給する時間幅を算出する工程
と、
前記電力供給開始の指令の時点から、算出された前記時間幅が経過した時点で、前記ガスレーザ発振器に、前記放電電極への電力供給の停止を指令する工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。
【発明の効果】
【0009】
放電電極に供給される物理量に応じて、駆動回路に放電停止トリガを与えることにより、パルスエネルギを安定化させることができる。放電電極に与えられる電圧または電流は、出射したレーザパルスの光強度に比べて、容易に、かつ短時間で計測することが可能である。このため、パルス幅が短くなっても、パルス幅を安定化させることが可能である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
図1に、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ発振器10が駆動回路11から電力の供給を受けてパルスレーザビームを出射する。レーザ発振器10には、例えば炭酸ガスレーザ発振器等のガスレーザ発振器が用いられる。駆動回路11は、制御装置20からのトリガ信号に同期して、レーザ発振器10への電力の供給及び停止を行う。
【0012】
レーザ発振器10から出射したレーザビームが、スポット位置安定化光学系12を透過して非球面レンズ13に入射する。スポット位置安定化光学系12は、複数の凸レンズを含み、レーザ発振器10から出射したレーザビームの進行方向がぶれても、非球面レンズ13が配置された位置におけるビームスポットの位置を安定化させる。非球面レンズ13は、レーザビームのプロファイルを変える。例えば、ガウシアン形状のビームプロファイルを、トップフラット形状のビームプロファイルに変える。
【0013】
非球面レンズ13を透過したレーザビームが、コリメートレンズ14によってコリメートされた後、マスク15に入射する。マスク15は、透過窓及び遮光部を含み、レーザビームのビーム断面を整形する。マスク15の透過窓を透過したレーザビームがフィールドレンズ16、折り返しミラー17を経由して、ビーム走査器18に入射する。ビーム走査器18は、レーザビームを二次元方向に走査する。ビーム走査器18として、例えばガルバノスキャナが用いられる。
【0014】
ビーム走査器18で走査されたレーザビームが、fθレンズ19で集光されて加工対象物30に入射する。加工対象物30はステージ25に保持されている。フィールドレンズ16及びfθレンズ19は、マスク15の透過窓を、加工対象物30の表面に結像させる。ステージ25は、加工対象物30を、その表面に平行な方向に移動させる。
【0015】
次に、制御装置20の構成について簡単に説明する。制御装置20が行う詳細な処理については、
図6及び
図7を参照して、後に説明する。制御装置20は、レーザ発振器10に供給される電流及び電圧の少なくとも一方の物理量の計測値を受信する機能ブロック20Aを有する。制御装置20に、パルスエネルギを一定にする条件データ20Bが記憶されている。制御装置20の、放電停止トリガを送出する時刻を調整する機能ブロック20Cが、物理量の計測値、及びパルスエネルギを一定にする条件データ20Bに基づいて、放電停止トリガを送出する時刻を調整する。
【0016】
制御装置20のトリガ生成機能ブロック20Dが、放電停止トリガを送出する時刻を調整する機能ブロック20Cによって調整された時刻に、放電停止トリガを駆動回路11に送出する。放電停止トリガを送出する時刻を調整することにより、パルスエネルギのばらつきが抑制され、パルスエネルギが均一化される。
【0017】
図2に、実施例によるレーザ発振器10の断面図、及び制御系のブロック図を示す。チェンバ50の内部に、送風機40、一対の放電電極41、熱交換器46、及びレーザ媒質ガスが収容されている。一対の放電電極41の間に放電空間42が画定される。放電空間42で放電が生じることにより、レーザ媒質ガスが励起される。
図2では、放電電極41の長さ方向に直交する断面が示されている。送風機40には、例えばターボブロワが用いられる。なお、ターボブロワに代えて、クロスフローファン、軸流ファン等を用いてもよい。放電電極41の各々は、導電部材43とセラミック部材44とを含む。セラミック部材44は、導電部材43と放電空間42とを隔離する。
【0018】
送風機40から、放電電極41の間の放電空間42、及び熱交換器46を経由して送風機40に戻る循環経路がチェンバ50内に形成されている。熱交換器46は放電によって高温になったレーザ媒質ガスを冷却する。
【0019】
一対の端子51が、チェンバ50の壁面に取り付けられている。放電電極41の導電部材43が、それぞれチェンバ内電流路52により端子51に接続されている。端子51は、チェンバ外電流路55により、駆動回路11に接続されている。計測器56が、チェンバ外電流路55を流れる電流を計測する。計測器56で計測された電流の計測値が制御装置20に入力される。制御装置20は、計測器56による電流の計測値に基づいて、駆動回路11を制御する。
【0020】
図3に、制御装置20(
図1)から駆動回路11(
図1)に与えられるトリガ信号、放電電極41(
図2)に印加される高周波電圧、放電電極41に流れる放電電流、及びレーザ発振器10(
図1)から出射される光出力のタイミングチャートを示す。
【0021】
時刻t1において、トリガ信号が立ち上がる。トリガ信号の立ち上がりは、放電開始トリガに相当する。時刻t1において、駆動回路11が放電開始トリガを受信すると、駆動回路11は、放電電極41に高周波電圧を印加する。高周波電圧の周波数は、例えば2MHzである。高周波電圧が印加された後、時刻t2で放電が始まると、放電電流が流れ始める。
【0022】
放電が始まった後、レーザ発振器10の光共振器内の利得が損失を上回った時刻t3において、光出力(レーザパルス)が立ち上がる。光出力は、立ち上がり時に瞬間的に鋭いピークを示し、その後、安定する。
【0023】
放電が開始した直後の過渡状態においては、放電電流の振幅が、定常状態のときの振幅より小さく、時間の経過とともに徐々に大きくなる。時刻t3において光出力が立ち上が
った後、放電電流は、振幅がほぼ一定の定常状態になる。
【0024】
時刻t4において、トリガ信号が立ち下がる。トリガ信号の立下りは、放電停止トリガに相当する。駆動回路11が制御装置20から放電停止トリガを受信すると、駆動回路11は高周波電圧の印加を中止する。放電電極41に高周波電圧が印加されなくなると、放電が停止し、放電電流が流れなくなるとともに、光出力が0になる(レーザパルスが立ち下がる)。時刻t3から時刻t4までの時間幅が、レーザパルスのパルス幅に相当する。
【0025】
レーザ媒質ガスの励起強度は、投入された電力に比例する。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エネルギは、パルス幅が一定の条件の下で、励起強度に比例する。従って、パルスエネルギは、投入される電力、すなわち高周波電圧及び放電電流から予測することが可能である。
【0026】
図4Aに、高周波電圧印加時間(時刻t1から時刻t4までの時間)が一定であるという条件の下での放電電流のピーク値Ippと、パルスエネルギとの関係を示す。ここで、放電電流のピーク値Ippは、放電電流の振幅の2倍に相当する。
図4Aの横軸は定常状態のときのピーク値Ippを表し、縦軸はパルスエネルギを表す。放電電流のピーク値Ippが大きくなるに従ってパルスエネルギも増大し、両者の関係はほぼ線型である。
【0027】
放電電流が定常状態になった後は、放電電流のピーク値Ippがほぼ一定であるため、放電開始から、放電停止よりも前のある時刻までの放電電流のピーク値Ippを計測することにより、当該レーザパルスのパルスエネルギを予測することができる。
【0028】
図4Bに、放電電流のピーク値Ippが一定であるという条件の下での高周波電圧印加時間(
図3の時刻t1からt4までの時間)と、パルスエネルギとの関係を示す。横軸は高周波電圧印加時間を表し、縦軸はパルスエネルギを表す。高周波電圧印加時間が長くなるに従ってパルスエネルギが大きくなり、両者の関係はほぼ線型である。
【0029】
図4A及び
図4Bに示したグラフから、以下のことが導き出される。放電電流のピーク値Ippが小さくなると、パルスエネルギも小さくなる。パルスエネルギの減少分を補償するように高周波電圧印加時間を長くすると、パルスエネルギを一定に維持することが可能になる。
図4A及び
図4Bに示したグラフから、パルスエネルギを一定に維持するための放電電流のピーク値Ippと、高周波電圧印加時間との対応関係を求めることができる。
【0030】
図5に、パルスエネルギを一定に維持するための放電電流のピーク値Ippと、高周波電圧印加時間との対応関係を示す。横軸は放電電流のピーク値Ippを表し、縦軸は高周波電圧印加時間を表す。放電電流のピーク値Ippが大きくなるに従って、高周波電圧印加時間が短くなる。
図5に示した対応関係が、制御装置20(
図1)に予め記憶されている。この対応関係は、
図1に示したパルスエネルギを一定にする条件データ20Bに相当する。
【0031】
次に、
図6及び
図7を参照して、実施例によるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法について説明する。レーザ加工を行う前に、まず加工対象物30をステージ25(
図1)に保持して、ステージ25を移動させることにより、加工対象物30の位置決めを行う。加工対象物30には、ビーム走査器18で走査可能な範囲内に、複数の被加工点が定義されている。レーザ加工中は、制御装置20がビーム走査器18を制御して、加工対象物30上の被加工点に、順番にレーザパルスを入射させることにより穴開け加工が行われる。
【0032】
図6に、実施例によるレーザ加工装置の制御装置20(
図1)が実行する処理のフロー
チャートを示す。
図7に、トリガ信号、高周波電圧、放電電流、及び光出力のタイミングチャートを示す。加工対象物30をステージ25に保持して、加工対象物30の位置決めが完了すると、最初に加工すべき被加工点にレーザパルスが入射するように、ビーム走査器18を制御する。ステップS1において、ビーム走査器18の位置決めが完了するまで待機する。ビーム走査器18の位置決めが完了すると、ステップS2において、駆動回路11に放電開始トリガ(電力供給開始の指令)を与える。ステップS2は、
図7に示した時刻t11、t21、t31に相当する。
【0033】
高周波電圧の印加開始時刻t11、t21、t31後に、それぞれレーザパルスLp1、Lp2、Lp3が立ち上がる。
【0034】
ステップS3において、予め決められた判定時間Tj(
図7)が経過するまで放電電流のピーク値Ippを計測する。この計測は、計測器56(
図2)により行われる。判定時間Tjは、出射すべきレーザパルスの定格パルス幅よりも短い。一例として、定格パルス幅が50μsであり、判定時間Tjは5μsである。高周波電圧の周波数が2MHzであるとき、5μsの判定時間Tjは、高周波電圧の10周期分に相当する。
【0035】
放電電流のピーク値Ippの計測は、放電電流が定常状態になった後から開始される。約3周期で放電電流が定常状態になる場合、4周期目から10周期目までのピーク値Ippが計測される。
【0036】
図7に示した時刻t11、t21、t31の放電開始トリガによる放電電流のピーク値を、それぞれIpp1、Ipp2、Ipp3で表す。
図7に示された例では、3つのピーク値の大小関係は、Ipp2<Ipp1<Ipp3である。
【0037】
ステップS4(
図6)において、放電電流のピーク値Ippが規格内か否かを判定する。計測されたピーク値Ippが規格外である場合、ステップS8において、放電電極41(
図1)への電力の供給を停止する。電力の供給を停止することにより、異常発振を防止することができる。
【0038】
計測されたピーク値Ippが規格内であるとき、ステップS5において、ピーク値Ippに基づいて、放電開始トリガから放電停止トリガまでの時間幅を算出する。以下、ステップS5の処理の一例について説明する。例えば、判定時間Tj(
図7)の間に計測された複数のピーク値Ippの平均を求める。ピーク値Ippの平均値と、
図5に示した対応関係とから、高周波電圧印加時間を求める。
【0039】
図5に示した対応関係から、ピーク値Ipp1、Ipp2、Ipp3に対して、それぞれ時間幅Pd1、Pd2、Pd3が求まる。これらの時間幅の大小関係は、Pd3<Pd1<Pd2である。
【0040】
ステップS6(
図6)において、放電開始トリガから、ステップS5で求められた時間幅が経過した時点で、放電停止トリガ(電力供給停止の指令)を送出する。
図7において、時刻t12、t22、t32で放電停止トリガが送出されている。時刻t11からt12までの時間幅がPd1と等しく、時刻t21からt22までの時間幅がPd2と等しく、時刻t31からt32までの時間幅がPd3と等しい。時刻t12、t22、t32で放電が停止し、それぞれレーザパルスLp1、Lp2、Lp3が立ち下がる。
【0041】
ステップS7(
図6)において、加工終了か否かを判定する。未加工の被加工点が残っている場合には、次に加工すべき被加工点にレーザパルスが入射するように、ビーム走査器18を制御し、ステップS1に戻る。すべての被加工点の加工が完了した場合には、レ
ーザ加工処理を終了する。
【0042】
定常状態におけるレーザパルスLp2の光出力は、レーザパルスLp1の光出力より低い。レーザパルスLp2のパルス幅をレーザパルスLp1のパルス幅より長くすることによって、光出力の低下分が補償される。また、定常状態におけるレーザパルスLp3の光出力は、レーザパルスLp1の光出力より高い。レーザパルスLp3のパルス幅をレーザパルスLp1のパルス幅より短くすることによって、光出力の増加分が補償される。放電開始トリガから放電停止トリガまでの時間幅が、
図5に示した対応関係に基づいて決定されるため、レーザパルスLp1、Lp2、Lp3のパルスエネルギを均一にすることができる。
【0043】
放電電流のピーク値Ippが大きいほど、放電開始トリガから放電停止トリガまでの時間幅を短くすることにより、レーザパルスのパルスエネルギを均一に近付けることができる。
【0044】
放電電流のピーク値Ippは、光出力に比べて、容易に、かつ短時間で計測することが可能である。このため、実施例による方法は、光出力を計測してパルス幅を調節する場合に比べて、判定時間Tj(
図7)を短くすることが可能である。このため、出射すべきレーザパルスのパルス幅が100μs以下であっても、上記実施例による方法を適用することが可能である。
【0045】
上記実施例では、判定時間Tjの間に、放電電流のピーク値Ippを計測したが、放電電極41(
図2)に供給される電力に依存する他の物理量を計測してもよい。例えば、放電電流の実効値を計測してもよい。
【0046】
放電の状態が変化すると、一対の放電電極41の間に印加される電圧も変化する。この電圧の変化、放電電極41に供給される電力の変化に追随する。このため、放電電極41(
図2)に供給される電力に依存する他の物理量として、放電電極41の間に印加される電圧のピーク値または実効値を採用してもよい。このように、放電電極41に与えられる電圧または電流の少なくとも一方の物理量を計測すればよい。
【0047】
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。