(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記制御装置は、前記モニタ期間における前記パルスレーザビームの平均パワーが判定閾値以下の場合、前記待ち時間を、現時点の前記待ち時間の値以下にし、前記モニタ期間における前記パルスレーザビームの平均パワーが判定閾値を超えた場合、前記待ち時間の値を、現時点の前記待ち時間の値より長くする請求項1に記載のレーザ加工装置。
前記制御装置は、前記モニタ期間に前記レーザ光源から出力された前記パルスレーザビームのショット数、パルス幅、ピークパワー、及び前記モニタ期間の長さに基づいて、前記平均パワーを算出する請求項1または2に記載のレーザ加工装置。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
レンズやミラー等の光学素子にレーザビームが入射すると、光学素子の温度上昇によって光学特性が変化する。その結果、光学素子を経由したレーザビームのビーム特性も変化する。レーザビームのビーム特性が変化すると、プリント基板の表面におけるビームスポットサイズ、レーザビームのパワー密度等が変化し、加工品質が低下してしまう。
【0005】
本発明の目的は、パルスレーザビームの経路に配置された光学系の温度変動に起因する加工品質の低下を抑制することが可能なレーザ加工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一観点によると、
パルスレーザビームを出力するレーザ光源と
、
前記パルスレーザビームの進行方向を偏向させることにより
、加工対象物上において前記パルスレーザビームの入射位置を移動させるビーム偏向器と、
前記レーザ光源と前記ビーム偏向器との間の前記パルスレーザビームの経路に配置され、前記パルスレーザビームに光学的作用を及ぼす光学素子と、
前記パルスレーザビームの出力タイミング、及び前記ビーム偏向器の動作を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記ビーム偏向器を制御して前記パルスレーザビームの入射位置を目標位置まで移動させる手順と、
前記パルスレーザビームの入射位置が目標位置に整定された後、前記レーザ光源から1つのレーザパルスを出力させる手順と
を繰り返し、
ある判定時刻に、前記判定時刻より前のモニタ期間における前記パルスレーザビームの平均パワーに基づいて、前記パルスレーザビームの入射位置が目標位置に整定された時点から、前記レーザ光源に発振開始の指令を送出するまでの待ち時間の値を決定し、前記判定時刻より後の反映期間において、決定された前記待ち時間の値に基づいて前記手順を繰り返すレーザ加工装置が提供される。
【発明の効果】
【0007】
待ち時間の値が大きくなると、パルスレーザビームの平均パワーが低下する。モニタ期間における平均パワーに基づいて待ち時間の値を決定することにより、平均パワーの過度の上昇を抑制することができる。その結果、光学素子の過度の温度上昇が抑制され、光学素子の温度上昇に起因する加工品質の低下が抑制される。
【発明を実施するための形態】
【0009】
図1に、本発明の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源10がパルスレーザビームPLBを出力する。レーザ光源10には、例えば炭酸ガスレーザが用いられる。制御装置55が、レーザ光源10からのパルスレーザビームの出力タイミングを制御する。例えば、制御装置55からレーザ光源10に送出される発振指令信号S0の立ち上がりにより、発振開始が指令され、発振指令信号S0の立下りにより、発振停止が指令される。
【0010】
レーザ光源10から出力され、光学系11を経由したパルスレーザビームPLBの経路に、音響光学偏向器(AOD)20が配置されている。光学系11は、例えばビームエキスパンダ、アパーチャ等を含み、パルスレーザビームPLBに光学的作用を及ぼす。例えば、光学系11は、ビーム径の拡大、ビーム断面の整形等を行う。AOD20は、入射したレーザビームを、ビームダンパ13に向かうダンパ経路PD、第1の加工経路MP1、及び第2の加工経路MP2のいずれかに振り向ける。AOD20は、音響光学結晶21、トランスデューサ22、及びドライバ23を含む。トランスデューサ22は、ドライバ23によって駆動されることにより、音響光学結晶21内に弾性波を生じさせる。
【0011】
ドライバ23に、経路切替端子24、切出端子25、第1の回折効率調整ノブ26、及び第2の回折効率調整ノブ27が設けられている。経路切替端子24に、制御装置55から経路選択信号S1が入力される。経路選択信号S1によって、第1の加工経路MP1及び第2の加工経路MP2のうち一方の経路が選択される。切出端子25に、制御装置55から切出信号S2が入力される。切出信号S2が入力されていない期間、AOD20は、入射したレーザビームをダンパ経路PDに振り向ける。切出信号S2が入力されている期間、AOD20は、第1の加工経路MP1及び第2の加工経路MP2のうち経路選択信号S1によって選択されている方の経路にレーザビームを振り向ける。
【0012】
第1の回折効率調整ノブ26により、入力されたレーザビームを第1の加工経路MP1に振り向けるときの回折効率を調整することができる。第2の回折効率調整ノブ27により、入力されたレーザビームを第2の加工経路MP2に振り向けるときの回折効率を調整することができる。このように、AOD20は、第1の加工経路MP1への回折効率と、第2の加工経路MP2への回折効率とを、独立に調整する機能を有する。回折効率を調整することにより、第1の加工経路MP1及び第2の加工経路MP2に振り向けられるレーザビームの光強度を調整することができる。第1の回折効率調整ノブ26及び第2の回折効率調整ノブ27で回折効率を調整する方法に替えて、制御装置55から回折効率の指令値をドライバ23に入力する構成としてもよい。
【0013】
第1の加工経路MP1に出力されたレーザビームは、ミラー30で反射されてビーム偏向器31に入射する。ビーム偏向器31は、レーザビームの進行方向を二次元方向に変化させる。ビーム偏向器31には、例えば一対のガルバノスキャナを用いることができる。ビーム偏向器31で偏向されたレーザビームが、fθレンズ32で収束された後、加工対象物33に入射する。同様に、第2の加工経路MP2に出力されたレーザビームは、ミラー40、ビーム偏向器41、fθレンズ42を経由して加工対象物43に入射する。加工対象物33、43は、ステージ50に保持されている。
【0014】
ビーム偏向器31、41は、パルスレーザビームの進行方向を偏向させることにより、ステージ50に保持されている加工対象物33、43上においてパルスレーザビームの入射位置を移動させる。パルスレーザビームの入射位置の移動先は、制御装置55から与えられる制御信号G1、G2によって指令される。レーザビームの入射位置が指令された目標位置に整定されると、整定完了を制御装置55に通知する。ビーム偏向器31、41によって入射位置を移動させることができる範囲を、「照射可能範囲」ということとする。
【0015】
加工対象物33、43の表面の一部の領域を照射可能範囲内に配置し、ビーム偏向器31、41で入射位置を移動させることにより、照射可能範囲内の領域の加工を行うことができる。照射可能範囲内の領域の加工が終了すると、制御装置55がステージ50を制御して、未加工の領域を照射可能範囲内に配置する。これにより、新たに照射可能範囲内に配置された領域の加工を行うことができる。この手順を繰り返すことにより、加工対象物33、43の表面の全域を加工することができる。
【0016】
次に、
図2を参照して、レーザ光源10、音響光学偏向器20、及びビーム偏向器31、41の動作タイミングについて説明する。
【0017】
図2に、ビーム偏向器31、41の動作状態、発振指令信号S0、経路選択信号S1、切出信号S2のタイミングチャート、及びパルスレーザビームPLBの波形を示す。ビーム偏向器31、41が動作中の期間が上下に分かれた2本の実線で示され、パルスレーザビームの入射位置が整定された後、(ビーム偏向器31、41が整定された後)、ビーム偏向器31、41の動作が開始するまでの期間が1本の実線で示されている。
【0018】
レーザ加工の開始時、または1つの入射目標位置に1つのレーザパルスが入射した後、制御装置55が、ビーム偏向器31、41を制御してパルスレーザビームの入射位置を次の目標位置まで移動させる。パルスレーザビームの入射位置が目標位置に整定された時点(時刻t1)から待ち時間WTが経過した時点(時刻t2)で、制御装置55がレーザ光源10に発振指令信号S0の送出を開始する。これにより、レーザ光源10から出力されるパルスレーザビームPLBの1つの原初レーザパルスLP0が立ち上がる。待ち時間WTは、制御装置55により決定される。発振指令信号S0の立ち上がりから原初レーザパルスLP0の立ち上がりまでの遅延時間は、レーザ光源10の特性に依存する。通常、原初レーザパルスLP0の光強度は、立ち上がり時点からの時間の経過とともに低下する。
【0019】
発振指令信号S0の立ち上がり時点(時刻t2)では、経路選択信号S1によって第1の加工経路MP1が選択されている。第1の加工経路MP1が選択されている状態で、制御装置55が切出信号S2のパルスを音響光学偏向器20に送出する(時刻t3)。これにより、原初レーザパルスLP0から第1の加工経路MP1に第1のレーザパルスLP1が切り出される。第1のレーザパルスLP1の光強度は、原初レーザパルスLP0の光強度、及び第1の回折効率調整ノブ26で設定されている回折効率に依存する。
【0020】
切出信号S2のパルスが立ち下がった後、制御装置55が音響光学偏向器20に、経路選択信号S1を送出する(時刻t4)ことにより、選択されている経路を第1の加工経路MP1から第2の加工経路MP2に切り替える。第2の加工経路MP2が選択されている状態で、制御装置55が音響光学偏向器20に切出信号S2のパルスを送出する(時刻t5)。これにより、原初レーザパルスLP0から第2の加工経路MP2に第2のレーザパルスLP2が切り出される。第2のレーザパルスLP2の光強度は、原初レーザパルスLP0の光強度、及び第2の回折効率調整ノブ27で設定されている回折効率に依存する。
【0021】
第1のレーザパルスLP1のパルス幅と、第2のレーザパルスLP2のパルス幅とは同一である。第1の加工経路MP1への回折効率及び第2の加工経路MP2への回折効率は、第1のレーザパルスLP1のパルスエネルギと第2のレーザパルスLP2のパルスエネルギとが等しくなるように設定されている。
【0022】
切出信号S2のパルスが立ち下がった後、制御装置55が、発振指令信号S0の送出を停止する(時刻t6)。さらに、経路選択信号S1により選択されている経路を、第2の加工経路MP2から第1の加工経路MP1に戻す(時刻t7)。その後、制御装置55は、ビーム偏向器31、41に制御信号G1、G2を送出ことにより、次の目標位置を指令する。これにより、ビーム偏向器31、41が、パルスレーザビームの入射位置を指令された目標位置まで移動させる動作を開始する(時刻t8)。
【0023】
ビーム偏向器31、41の整定から、原初レーザパルスLP0の出力、ビーム偏向器31、41の動作開始までの手順を繰り返すことにより、ビーム偏向器31、41の照射可能範囲内の加工が行われる。
【0024】
次に、
図3〜
図5を参照して、制御装置55が決定する待ち時間WTについて説明する。
図3に、加工対象物33、43の一例としてプリント基板60の概略平面図を示す。プリント基板60の表面が、複数のブロック61に区分されている。各ブロック61は、ビーム偏向器31、41(
図1)の動作によってビーム入射位置を移動させることができる照射可能範囲の大きさ以下に設定されている。
【0025】
プリント基板60の表面に、形成すべき穴の複数の目標位置62が定義されている。複数の目標位置62の座標、及び加工順が、制御装置55(
図1)に予め記憶されている。1つのブロック61内の全ての目標位置62に穴が形成された後、制御装置55がステージ50を移動させることにより、未加工のブロック61を、ビーム偏向器31、41(
図1)の照射可能範囲に配置する。その後、同様の手順を繰り返すことにより未加工のブロック61の加工を行う。
【0026】
図4に、待ち時間WTを決定する処理のフローチャートを示す。この処理は、例えば、ビーム偏向器31、41の照射可能範囲内に配置されているブロック61(
図3)の加工が終了した後、未加工のブロック61を照射可能範囲内に配置するまでの間に実行される。待ち時間WTの決定処理を実行する時刻を「判定時刻」ということとする。
【0027】
待ち時間WTを決定する処理が起動されると、ステップST1において、直近のモニタ期間におけるパルスレーザビームPLBの平均パワーを算出する。「モニタ期間」として、例えば、判定時刻の直近に加工された1つまたは複数のブロック61の加工に要した期間を採用することができる。
【0028】
図5を参照して、モニタ期間と判定時刻との関係について説明する。
図5は、レーザ光源10(
図1)からのパルスレーザビームPLBの出力タイミングと、判定時刻DT(i)との関係を示す。パルスレーザビームPLBの原初レーザパルスLP0のパルス間隔は、第1のレーザパルスLP1及び第2のレーザパルスLP2(
図2)の各々が入射した位置から、次に入射する目標位置62(
図3)までの距離、現時点で設定されている待ち時間WTの値によって変化する。
【0029】
第i番目のブロック61を加工する期間をBT(i)と表記する。第i番目のブロック61の加工が終了した時点の判定時刻をDT(i)と表記する。判定時刻DT(i)の直近に加工された複数、例えば4個のブロック61の加工に要した期間BT(i―3)からBT(i)までをモニタ期間MTSとして採用する。なお、モニタ期間MTSとして採用されるブロック61の個数は4個に限定されない。例えば、1個のブロック61の加工に要した期間BT(i)を、モニタ期間MTSとして採用してもよい。
【0030】
次に、ステップST1(
図4)で算出される平均パワーについて説明する。平均パワーは、モニタ期間MTSの間に出力された全ての原初レーザパルスLP0のパルスエネルギの合計値を、モニタ期間MTSの長さで除することにより算出される。パルスエネルギは、原初レーザパルスLP0(
図2)の波形の面積に相当する。加工期間中のパルスレーザビームPLBのピークパワーがほぼ一定であると仮定して、パルスエネルギは、ピークパワーとパルス幅との積で近似することができる。
【0031】
ステップST1(
図4)で平均パワーを算出した後、ステップST2において、平均パワーの算出値が判定閾値以上か否かを判定する。平均パワーの算出値が判定閾値以上である場合、ステップST3において、待ち時間WTの値を現在の値より長くする。待ち時間WTの増加分は、予め制御装置55に記憶されている。平均パワーの算出値が判定閾値より低い場合、ステップST4において、待ち時間WTの値を現在の値以下にする。待ち時間WTの減少分は、予め制御装置55に記憶されている。なお、ステップST4において、待ち時間WTの値を初期設定して0にしてもよい。判定閾値は、種々の条件で評価実験を繰り返すことにより決定することができる。
【0032】
図5に示した判定時刻DT(i)において、待ち時間WTが新たに設定されると、制御装置55は、判定時刻DT(i)の直後の反映期間RTSに、待ち時間WTの新たな値を用いてレーザ加工を行う。反映期間RTSとして、例えば、1つのブロック61(
図3)の加工に要する期間を採用することができる。
【0033】
次に、上記実施例の優れた効果について説明する。上記実施例では、モニタ期間MTS(
図5)におけるパルスレーザビームPLBの平均パワーが判定閾値以上になると、待ち時間WTの値を大きくして、直後の反映期間RTS(
図5)のレーザ加工が行われる。
【0034】
反映期間RTSとして、1つのブロック61(
図3)の加工に要する期間が採用されている場合、反映期間RTSに照射されるショット数は、待ち時間WTの値を大きくしても不変であり、1つのブロック61の加工に要する時間が長くなる。その結果、待ち時間WTの値を変化させない場合と比べて、反映期間RTSの加工時の平均パワーが低下する。反映期間RTSとして、一定の時間幅が採用されている場合には、待ち時間WTの値を大きくすることにより、反映期間RTSにおけるショット数が減少する。その結果、待ち時間WTの値を変化させない場合と比べて、反映期間RTSの加工時の平均パワーが低下する。
【0035】
パルスレーザビームPLBの平均パワーが過度に高くなると、パルスレーザビームPLBの経路に配置された光学系11(
図1)内の光学素子や、音響光学結晶21(
図1)の温度が許容値を超えてしまう場合がある。上記実施例では、モニタ期間MTSにおけるパルスレーザビームPLBの平均パワーが判定閾値以上になると、次の反映期間RTSにおけるパルスレーザビームPLBの平均パワーが低下する方向にパルスレーザビームPLBの出力タイミングが制御される。これにより、光学系11内の光学素子や音響光学結晶21の過度の温度上昇を抑制することができる。その結果、光学素子の過度の温度上昇に起因するビーム特性の変動が抑制され、加工品質の低下を抑制することができる。
【0036】
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。