特開 2024-136480 レーザ加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024136480

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】レーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/00 20140101AFI20240927BHJP

   B23K 26/382 20140101ALI20240927BHJP

   H05K 3/00 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

B23K26/00 N

B23K26/382

H05K3/00 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023047609

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】000233332

【氏名又は名称】ビアメカニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003133

【氏名又は名称】弁理士法人近島国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】武川 裕亮

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 賢司

(72)【発明者】

【氏名】簑島 悠

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 僚平

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AD11

4E168CB04

4E168DA23

4E168DA43

4E168EA05

4E168EA15

4E168EA26

4E168JB01

4E168KA04

(57)【要約】

【課題】被加工部に照射されるレーザパルスの強度の変化を低減し、加工品質のばらつきを抑制すること。
【解決手段】レーザ加工装置（１）は、レーザ発振器（３）と、指令信号（Ｓ２）に応じて、レーザ発振器（３）から出射されたレーザパルス（Ｌ１）を加工方向と非加工方向とに向けて偏向が可能で、かつ加工方向に向けて射出するレーザパルス（Ｌ２）の強度変調が可能な音響光学素子（４）と、レーザ発振器（３）からレーザパルス（Ｌ１）を射出させると共に、音響光学素子（４）に指令信号（Ｓ２）を出力して、音響光学素子（４）によってレーザ発振器（３）から射出されたレーザパルス（Ｌ１）の一部を加工方向に向けて偏向する制御手段（１０）と、を備え、制御手段（１０）は、指令信号（Ｓ２）をフィードバックして補正することで、音響光学素子（４）による加工方向に向けて射出するレーザパルス（Ｌ２）の強度変調を補正する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ発振器と、
指令信号に応じて、前記レーザ発振器から出射されたレーザパルスを加工方向と非加工方向とに向けて偏向が可能で、かつ前記加工方向に向けて射出するレーザパルスの強度変調が可能な音響光学素子と、
前記レーザ発振器からレーザパルスを射出させると共に、前記音響光学素子に前記指令信号を出力して、前記音響光学素子によって前記レーザ発振器から射出されたレーザパルスの一部を前記加工方向に向けて偏向する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記指令信号をフィードバックして補正することで、前記音響光学素子による前記加工方向に向けて射出するレーザパルスの強度変調を補正する、
ことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項2】

前記制御手段は、前記レーザ発振器からレーザパルスを射出させていない状態における前記指令信号をフィードバックし、前記レーザ発振器からレーザパルスを射出させている状態における前記指令信号を補正する、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

前記制御手段は、前記音響光学素子によってレーザパルスを前記非加工方向に偏向させる状態における前記指令信号をフィードバックし、前記音響光学素子によってレーザパルスを前記加工方向に偏向させる状態における前記指令信号を補正する、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

前記非加工方向は、第１非加工方向と、前記加工方向に対する偏向角が小さい第２非加工方向と、を含み、
前記第１非加工方向に射出されたレーザパルスを吸収する第１ダンパと、
前記第２非加工方向に射出されたレーザパルスを吸収する第２ダンパと、を備え、
前記制御手段は、前記音響光学素子によってレーザパルスを前記第２非加工方向に偏向させる状態における前記指令信号をフィードバックする、
ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

前記指令信号は、周波数により前記音響光学素子における偏向角度を指令し、振幅により前記音響光学素子によるレーザパルスの強度変調を指令するアナログのＲＦ信号である、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のレーザ加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザパルスの偏向と強度変調とが可能な音響光学素子を備えたレーザ加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、レーザパルスをプリント基板等の被加工物に照射して穴明けを行うレーザ加工装置において、例えば超音波による回折格子を発生させるゲルマニウム等の結晶体を用いた音響光学素子（以下、「ＡＯＭ」という）を備えたものが知られている（特許文献１参照）。このようなレーザ加工装置においては、レーザ発信器から射出されたレーザパルスを、制御部からのＲＦ信号等の指令信号に応じて制御されるＡＯＭによって、非加工方向と加工方向とに偏向可能となるように構成されており、つまり穴明け加工に必要なレーザパルスをＡＯＭによって加工方向に切り出して非加工物に照射するように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－２５５０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、制御部を構成する制御回路は、その環境や稼働状況によって温度が変化するが、制御回路の温度が上昇すると、その影響でＲＦ信号等の指令信号における振幅が小さくなり、制御回路の温度が下降すると指令信号における振幅が大きくなり、つまり制御回路の温度によって指令信号の振幅が変化するという問題がある。そして、このように指令信号が変化すると、ＡＯＭにおけるレーザパルスの強度変調も変化するため、被加工物に照射されるレーザパルスの強度が変化して、加工品質がばらつくという問題がある。

【0005】

そこで本発明は、被加工部に照射されるレーザパルスの強度の変化を低減し、加工品質のばらつき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を目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、レーザ発振器と、指令信号に応じて、前記レーザ発振器から出射されたレーザパルスを加工方向と非加工方向とに向けて偏向が可能で、かつ前記加工方向に向けて射出するレーザパルスの強度変調が可能な音響光学素子と、前記レーザ発振器からレーザパルスを射出させると共に、前記音響光学素子に前記指令信号を出力して、前記音響光学素子によって前記レーザ発振器から射出されたレーザパルスの一部を前記加工方向に向けて偏向する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記指令信号をフィードバックして補正することで、前記音響光学素子による前記加工方向に向けて射出するレーザパルスの強度変調を補正する、ことを特徴とするレーザ加工装置である。

【発明の効果】

【0007】

本発明によると、被加工部に照射されるレーザパルスの強度の変化を低減でき、加工品質のばらつきを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施の形態に係るレーザ加工装置を示す模式図である。

【図2】本実施の形態に係る各指令信号とレーザパルスの射出との関係を示すタイムチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置について図を用いて説明をする。なお、以下の説明において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とは、加工対象を平面視で視た際の状態を基準とする。図１において、Ｘ軸方向は図中矢印で示す左右方向であり、Ｙ軸方向は図示を省略した手前奥方向でＸ軸方向に直交する方向である。

【0010】

［レーザ加工装置の概略構成］
図１に示すように、本実施の形態に係るレーザ加工装置１は、ＸＹ軸方向に移動可能な加工テーブル２上に載置された加工対象としてのプリント基板Ｗに穴明け加工を行うレーザ加工装置であり、上述した加工テーブル２の他に、レーザ発振器３、ミラー９、音響光学素子（以下、ＡＯＭという）４、第２ダンパとしての第１ビームダンパ５ａ、第１ダンパとしての第２ビームダンパ５ｂ、走査部としてのガルバノスキャナ６、Ｆθレンズである集光レンズ７、制御部（制御手段）１０等を備えている。

【0011】

レーザ発振器３は、例えば、炭酸ガス（ＣＯ_２）レーザ発振器であり、生成されたレーザがレーザパルス（パルスレーザ）Ｌ１としてレーザ発振器３から出射されるようになっている。

【0012】

ＡＯＭ４は、レーザ発振器３から出射されたレーザパルスＬ１から加工用のレーザパルスを切り出す切り出し手段であり、レーザパルスＬ１を、第１非加工経路である第１ダンパ経路と、第２非加工経路である第２ダンパ経路と、加工経路と、に偏向することが可能である。具体的には、ＡＯＭ４を動作させない場合、ＡＯＭ４に入射したレーザビームは、０次回折光としてＡＯＭ４を透過し、上述した第１ダンパ経路へレーザパルスＬ４として出射される。ＡＯＭ４を動作させた場合、１次回折光としてＡＯＭ４から上述した加工経路へレーザパルスＬ２としてレーザパルスＬ１から切り出された形で出射される。なお、レーザパルスＬ１から切り出されたレーザパルスＬ２以外の残りのレーザパルスは、第１ダンパ経路から第１ビームダンパ５ａ（或いは第２ダンパ経路から第２ビームダンパ５ｂ）に出射される。

【0013】

また、本実施の形態においては、詳しくは後述するＡＯＭ指令信号Ｓ２の振幅をテストする際に、ＡＯＭ４を第１ダンパ経路と加工経路との間にある第２ダンパ経路となるように動作させ、その場合、ＡＯＭ４から第２ダンパ経路へレーザパルスＬ３として出射される。

【0014】

ガルバノスキャナ６は、ユニット化された光学装置であって、レーザビームの光路上において、ＡＯＭ４の下流側に配置されており、加工用のレーザパルスＬ２を、Ｘ軸方向に走査する第１ガルバノスキャナ（不図示）と、Ｙ軸方向に走査する第２ガルバノスキャナ（不図示）と、を備えている。加工用のレーザパルスＬ２は、上記ガルバノスキャナ６の一対のガルバノスキャナによってプリント基板Ｗ上におけるＸＹ軸方向の照射位置が位置決めされ、集光レンズ７を介してプリント基板Ｗにおける穴明け位置に集光される。

【0015】

［レーザ加工装置の制御構成］
レーザ加工装置１の制御部１０は、レーザ加工装置１の全体を制御する全体制御部であり、レーザ発振制御部１１、ＡＯＭ制御部１２、ガルバノ制御部１３、エネルギ判別部１４等を備えている。なお、エネルギ判別部１４によるＡＯＭ指令信号Ｓ２のフィードバック制御については、まとめて後述する。

【0016】

なお、上述したレーザ発振制御部１１、ＡＯＭ制御部１２、ガルバノ制御部１３、エネルギ判別部１４は、それぞれ、レーザ加工装置１の制御プログラムの一つの機能（処理）として実現されても、独立した回路として実現されても良い。このため、制御部１０は、上記制御プログラムが格納された少なくとも１つの記憶部と、当該制御プログラムを実行する少なくとも１つのＣＰＵ（演算部）を備えている。

【0017】

レーザ発振制御部１１は、レーザ発振器３でのレーザパルスの発振と減衰を指令するためのレーザ発振指令信号Ｓ１をレーザ発振器３へ出力し、レーザ発振器３から出射されるレーザパルスＬ１の強度やパルス幅等を制御する。

【0018】

ＡＯＭ制御部１２は、例えばアナログのＲＦ信号であるＡＯＭ指令信号Ｓ２をＡＯＭ４へ出力する。ＡＯＭ４は、そのＡＯＭ指令信号Ｓ２の周波数に応じて、レーザ発振器３から出射されたレーザパルスＬ１を、上記第１ダンパ経路、第２ダンパ経路、及び加工経路に偏向し、基本的に第１ダンパ経路と加工経路との偏向を切換えるタイミングによって、加工用のレーザパルスＬ２の切り出しタイミングを制御する。また、ＡＯＭ４は、そのＡＯＭ指令信号Ｓ２の振幅に応じて、レーザパルスＬ１を加工経路に偏向することで切り出した加工用のレーザパルスＬ２の強度を変調する。要するに、ＡＯＭ４は、レーザパルスＬ１を加工方向と非加工方向とに向けて偏向が可能で、かつ加工方向に向けて射出するレーザパルスＬ２の強度変調が可能である。換言すると、アナログのＲＦ信号であるＡＯＭ指令信号Ｓ２は、周波数によりＡＯＭ４における偏向角度を指令し、振幅によりＡＯＭ４によるレーザパルスの強度変調を指令する。

【0019】

ガルバノ制御部１３は、ガルバノ動作指令信号Ｓ３をガルバノスキャナ６に出力し、ガルバノスキャナのミラーの回転角度を制御する。これにより、レーザ加工装置１において、例えばプリント基板Ｗの所定位置に対してレーザパルスを照射して穴明け加工を行う場合、上記プリント基板Ｗ上の加工位置に応じてガルバノ動作指令信号Ｓ３がガルバノ制御部１３からガルバノスキャナ６へと出力され、レーザ照射位置が位置決めされる。

【0020】

［通常の穴明け加工時の動作］
上記ガルバノスキャナ６による位置決めが完了すると、レーザ発振制御部１１によりレーザ発振指令信号Ｓ１が出力され、レーザ発振器３は、レーザ発振指令信号Ｓ１に応じたレーザ強度及びパルス幅のレーザパルスＬ１をＡＯＭ４に向けて出射する。

【0021】

上記レーザパルスＬ１は、コリメータやアパチャーなどで構成される光学処理部（不図示）によってビームの外形が整形された後、ＡＯＭ４に入射される。この際、ＡＯＭ４は駆動していないため、入射したレーザパルスＬ１は、ＡＯＭ４によって偏向されず、そのまま第１ダンパ経路へとレーザパルスＬ４として出射される。レーザパルスＬ４は、第１ビームダンパ５ａによって吸収される。

【0022】

レーザ発振指令信号Ｓ１が出力されてから所定時間が経過すると、上記ＡＯＭ制御部１２によりＡＯＭ指令信号Ｓ２が出力され、ＡＯＭ４が駆動する。ＡＯＭ４が駆動すると、レーザパルスＬ１が偏向され、その光路が加工経路へと切り換えられる。これにより、レーザパルスＬ１の一部が加工用のレーザパルスＬ２として切り出され、ガルバノスキャナ６へと入射する。ガルバノスキャナ６へと入射したレーザパルスＬ２は、第１及び第２ガルバノスキャナによってＸＹ軸方向に偏向され、集光レンズ７に入射する。そして、プリント基板Ｗ上の所定位置にて集光され、プリント基板Ｗに穴明け加工が行われる。

【0023】

［ＡＯＭ指令信号Ｓ２のフィードバック制御を行う際の穴明け加工時の動作］
上述したＡＯＭ指令信号Ｓ２は、アナログのＲＦ信号であるため、制御部１０の回路における温度に応じてＡＯＭ指令信号Ｓ２の振幅が変化するという問題がある。特に、制御部１０の温度が上昇するとＡＯＭ指令信号Ｓ２の振幅が小さくなり、制御部１０の温度が下降するとＡＯＭ指令信号Ｓ２の振幅が大きくなる。ＡＯＭ指令信号Ｓ２の振幅が変化すると、レーザパルスＬ１から切り出される大きさが変化し、レーザパルスＬ２の強度が変化することになるため、プリント基板Ｗに照射されるレーザパルスＬ２の強度が変化して、穴明け加工の精度に影響し、加工品質がばらつくことになる。

【0024】

そこで、本実施の形態に係るレーザ加工装置１においては、ＡＯＭ指令信号Ｓ２のフィードバック信号Ｓ２ｆをエネルギ判別部１４に入力し、その振幅レベル（ＡＯＭ指令信号Ｓ２のエネルギ）を判別して、ＡＯＭ指令信号Ｓ２の振幅を補正するフィードバック制御を行い、制御部１０の温度変化に関わらずＡＯＭ指令信号Ｓ２の振幅を安定化させる。

【0025】

詳細には、図２に示すように、ガルバノ制御部１３からガルバノ動作指令信号Ｓ３を出力すると、ガルバノスキャナ６においてレーザ照射位置を決める動作が行われ、その動作の終了後から時間ｔａが経過するタイミングで、レーザ発振制御部１１からレーザ発振指令信号Ｓが出力される。レーザ発振器３は、レーザ発振指令信号Ｓを受けて駆動し、レーザ発振指令信号Ｓの出力から時間ｔｂが経過すると、実際にレーザパルスＬ１が出射される。そして、レーザ発振指令信号Ｓ１から時間ｔｃが経過した後、ＡＯＭ指令信号Ｓ２－２が出力され、プリント基板Ｗを加工するためのレーザパルスＬ２が切り出されてガルバノスキャナ６に出射される。

【0026】

この際、制御部１０の回路（基板）の熱の影響によりＡＯＭ指令信号Ｓ２－２の振幅が低下すると、レーザパルスＬ１から切り出される図示を省略したレーザパルスＬ３の出力も低下し、そのレーザパルスＬ３から切り出されるレーザパルスＬ２の出力も低下する。また反対に、ＡＯＭ指令信号Ｓ２－２の振幅が上昇すると、レーザパルスＬ２の出力が上昇することになる。従って、制御部１０の熱の影響で振幅がずれたＡＯＭ指令信号Ｓ２を用いると、プリント基板Ｗの正常な加工（穴明け）ができず、加工品質がばらつく。なお、レーザパルスＬ３の出力が低下しても第２ビームダンパ５ｂへ送られるだけであるので、加工には影響しない。

【0027】

そこで、制御部１０は、ＡＯＭ制御部１２によりＡＯＭ指令信号Ｓ２－２を出力する前、好ましくはレーザ発振制御部１１によりレーザ発振指令信号Ｓ１を出力する前に、テスト用のＡＯＭ指令信号Ｓ２－１を出力する。そして、そのＡＯＭ指令信号Ｓ２－１をフィードバック信号Ｓ２ｆとしてエネルギ判別部１４に入力し、そのエネルギレベルからのＡＯＭ指令信号Ｓ２－１の振幅を判定する。これを受けてＡＯＭ制御部１２は、次に出力するＡＯＭ指令信号Ｓ２－１を補正し、レーザパルスＬ２の出力を目標通りの出力となるようにする。これにより、プリント基板Ｗの正常な加工（穴明け）ができるようになり、加工品質のばらつきを抑制することができる。

【0028】

なお、上記の説明では、レーザパルスＬ１を出射していない状態で、テスト用のＡＯＭ指令信号Ｓ２－１を出力するものを説明したが、これに限らず、前回のレーザパルスＬ２を出射したときのＡＯＭ指令信号Ｓ２をフィードバックして、次のＡＯＭ指令信号Ｓ２を補正するようにしても良い。このように、ＡＯＭ指令信号Ｓ２をモニタリングしていることで、ＡＯＭ指令信号Ｓ２の振幅が低下した場合に、直ぐに正常な振幅に補正することができ、正常なレーザパルスＬ２が出射され、プリント基板Ｗの正常な加工を行うことができる。

【0029】

［他の実施の形態の可能性］
なお、以上説明した本実施の形態においては、レーザパルスＬ１を出射していない状態でＡＯＭ指令信号Ｓ２－１を出力してフィードバックするものを説明したが、ＡＯＭ指令信号Ｓ２－１を第１ダンパ経路（レーザパルスＬ４）から第２ダンパ経路（レーザパルスＬ３）に偏向する信号で出力すれば、レーザパルスＬ１が出射されていても、第１ビームダンパ５ａ又は第２ビームダンパ５ｂにレーザパルスＬ１が吸収され、プリント基板Ｗには照射されないので、そのようなフィードバック手法を用いても良い。

【0030】

また、本実施の形態においては、非加工経路として、第１ダンパ経路と第２ダンパ経路との２つの経路を有するものを説明したが、これに限らず、ダンパ経路は１つ、また３つ以上であっても構わない。

【0031】

また、本実施の形態においては、ＡＯＭ指令信号Ｓ２がアナログのＲＦ信号であるものを説明したが、これに限らず、デジタルのＲＦ信号であっても構わず、つまりＡＯＭ４を制御でき、振幅によりレーザパルスＬ２の強度が変わる信号であれば、どのような信号でも良い。

【0032】

また、本実施の形態においては、音響光学素子としてＡＯＭと呼称されるものを用いたが、例えばＡＯＤと呼称されるものを用いても構わない。即ち、本明細書における音響光学素子とは、音響光学変調器、音響光学偏向器、等の音響によりレーザパルスの偏向を行うものを含むものである。

【符号の説明】

【0033】

１…レーザ加工装置
３…レーザ発振器
４…ＡＯＭ（音響光学素子）
５ａ…第１ビームダンパ（第１ダンパ）
５ｂ…第２ビームダンパ（第２ダンパ）
１０…制御部（制御手段）
Ｌ１…レーザパルス
Ｌ２…レーザパルス
Ｓ２…ＡＯＭ指令信号（指令信号）

【図1】

【図2】