特許 7510380 レーザ加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-25

(45)【発行日】2024-07-03

(54)【発明の名称】レーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/0622 20140101AFI20240626BHJP

【ＦＩ】

B23K26/0622

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021056052

(22)【出願日】2021-03-29

(65)【公開番号】P2022153033

(43)【公開日】2022-10-12

【審査請求日】2023-10-04

(73)【特許権者】

【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】谷口 秀也

(72)【発明者】

【氏名】武川 裕亮

【審査官】杉田 隼一

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０２２／００９７１７１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－１５１７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９２４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－１９８８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１８８４４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／０６２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されたレーザパルスを加工経路に向けて偏向可能な偏向手段と、
発振指令信号を出力して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、前記偏向手段を制御して、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経路に向けて切り出す制御手段と、を備え、
第１レーザパルスに連続して第２レーザパルスが前記レーザ発振器から射出される場合において、
前記第１レーザパルスの発振指令信号が出力されてから前記第１レーザパルスが射出されるまでの間に前記制御手段から前記レーザ発振器に出力される発振指令信号を第１発振指令信号とし、
前記第２レーザパルスの発振指令信号が出力されてから前記第２レーザパルスが立ち上がるまでの間に前記制御手段から前記レーザ発振器に出力される発振指令信号を第２発振指令信号とした場合、
前記第２発振指令信号の強度が前記第１発振指令信号の強度よりも大きくなるようにする、
ことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項2】

前記第２発振指令信号の強度は、前記第１レーザパルスの発振指令信号が出力されてから前記第２レーザパルスの発振指令信号が出力されるまでの発振間隔に応じて変動する、
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

前記第２発振指令信号の強度は、前記第１レーザパルスの発振指令信号が出力されている発振時間に応じて変動する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

前記制御手段は、発振指令信号が出力されてから、所定時間経過した後に前記偏向手段を駆動して、前記レーザパルスの一部を前記加工経路に向けて切り出す、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項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、レーザ加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、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振り分け可能な音響光学変調器を備え、この音響光学変調器によりレーザ発振器から出射されたレーザパルスの一部を加工用のレーザパルスとして切り出すレーザ加工装置が提案されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－０２５５０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１記載のレーザ加工装置のように、音響光学変調器を利用すると、レーザ発振器から出射されたレーザパルスの内、所望の部分のレーザパルスを加工用レーザビームとして使用することができる。しかしながら、上記特許文献１において、レーザパルスの切り出しは、レーザ発振器におけるレーザパルスの発振と減衰を指令するレーザ発振指令信号が出力されてから、所定時間後に音響光学変調器の駆動信号が出力されて行われている。

【0005】

上記レーザ発振指令信号が出力されてからレーザパルスがレーザ発振器から出射されるまでの時間（レーザパルスが立ち上がるまでの時間）は、レーザパルスによってばらつきがある。また、レーザ発振器から出射されるレーザパルスの強度は、例えば、立ち上がり開始から時間と共に指数関数的に上昇し、発振指令信号の停止に伴って指数関数的にたち下がるように、時間的に変動する。このため、レーザパルスが立ち上がるまでの時間にばらつきが生じてしまうと、切り出されたレーザパルスにおいて、強度のばらつきが生じ、基板に加工される穴の品質が低下する虞があった。

【0006】

そこで、本発明は、高い加工精度を有するレーザ加工装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射されたレーザパルスを加工経路に向けて偏向可能な偏向手段と、発振指令信号を出力して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、前記偏向手段を制御して、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経路に向けて切り出す制御手段と、を備え、第１レーザパルスに連続して第２レーザパルスが前記レーザ発振器から射出される場合において、前記第１レーザパルスの発振指令信号が出力されてから前記第１レーザパルスが射出されるまでの間に前記制御手段から前記レーザ発振器に出力される発振指令信号を第１発振指令信号とし、前記第２レーザパルスの発振指令信号が出力されてから前記第２レーザパルスが立ち上がるまでの間に前記制御手段から前記レーザ発振器に出力される発振指令信号を第２発振指令信号とした場合、前記第２発振指令信号の強度が前記第１発振指令信号の強度よりも大きくなるようにする、ことを特徴とするレーザ加工装置である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によると、高い加工精度を有するレーザ加工装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の概略図。

【図2】本実施形態に係るパルスレーザと発振指令との関係を示すタイムチャート。

【図3】発振間隔と、発振時間と、発振指令信号の強度の補正値との関係を示すモデルを示す図。

【図4】発振指令信号の強度の補正動作を示すフローチャート図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法について、図面に基づいて説明をする。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。

【0011】

＜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、音響光学素子（以下、ＡＯＤという）４、ビームダンパ５、走査部６、集光（Ｆθ）レンズ７、制御部（制御手段）１０等を備えている。

【0012】

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。

【0013】

ＡＯＤ４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をダンパ経路と加工経路とのいずれかに振り分ける振り分け手段（経路選択手段）として機能していて、動作させない場合、ＡＯＤ４に入射したレーザビームは、０次回折光としてＡＯＤ４を透過し、上述したダンパ経路へと出射され（レーザパルスＬ３）、動作させた場合、１次回折光としてＡＯＤ４から上述した加工経路へと出射される（レーザパルスＬ２）。

【0014】

走査部６は、レーザビームの光路上において、ＡＯＤ４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ガルバノスキャナと、Ｙ軸方向に走査する第２ガルバノスキャナと、を備えている。加工用のレーザパルスＬ２は、上記走査部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る。

【0015】

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、ＡＯＤ制御部１２、ガルバノ制御部１３等を備えている。レーザ発振制御部１１は、レーザ発振器３でのレーザビームの発振と減衰を指令するための発振指令信号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。ＡＯＤ制御部１２は、ＡＯＤ駆動信号Ｓ２をＡＯＤ４へ出力し、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。ガルバノ制御部１３は、ガルバノ制御信号Ｓ３を走査部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。

【0016】

このため、レーザ加工装置１は、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制御信号Ｓ３がガルバノ制御部１３から走査部６のガルバノスキャナへと出力され、レーザ照射位置が位置決めされる。

【0017】

そして、上記走査部６による位置決めが完了すると、レーザ発振制御部１１により発振指令信号Ｓ１が出力され、レーザ発振器３は、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ＡＯＤ４に向けて出射する。

【0018】

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によってビームの外形が整形された後、ＡＯＤ４に入射する。この際、ＡＯＤ４は駆動していないため、入射したレーザパルスＬ１は、ＡＯＤ４によって偏向されず、そのままダンパ経路へとレーザパルスＬ３として出射される。レーザパルスＬ３は、ビームダンパ５によって吸収される。

【0019】

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ＡＯＤ制御部１２によりＡＯＤ駆動信号Ｓ２が出力され、ＡＯＤ４が駆動する。ＡＯＤ４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、走査部６へと入射する。走査部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。

【0020】

なお、上述したレーザ発振制御部１１、ＡＯＤ制御部１２、ガルバノ制御部１３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。

【0021】

＜レーザ切り出し動作＞
ついで、上述したＡＯＤ４によるレーザパルスの切り出し動作について説明をする。図２は、レーザ発振器３から出射されたパルスレーザＬ１を示す図であり、連続して射出された第１レーザパルスＰ１及び第２レーザパルスＰ２を示している。第１レーザパルスＰ１に示すように、発振指令信号Ｓ１が出力されても、すぐにはレーザパルスは立ち上がらず、発振指令信号Ｓ１がオンとなった時点ｔ１から実際にレーザパルスＰ１が射出される（立ち上がる）まで（時点ｔ２）の間には、所定の遅延時間ｄ１が存在する。また、レーザパルスＰ１は、上記時点ｔ２から指数関数的に立ち上がり、発振時間ｔｂが経過して発振指令信号Ｓ１がオフされると（時点ｔ３）、指数関数的に減衰してやがてゼロとなる。

【0022】

同様に第２レーザパルスＰ２についても発振指令信号Ｓ１がオンとなった時点から遅延時間が経過した後にレーザパルスが立ち上がるが、連続してレーザパルスが出力される場合、発振指令信号Ｓ１の強度及び発振時間が同じであっても、前のレーザパルスの影響を受け、上記遅延時間が長くなることがある。例えば、発振指令信号Ｓ１が第１レーザパルスの際と同様の強度（定格）及び発振時間（ｔｂ＝ｔｃ）だった場合、点線で示すように、第２レーザパルスＰ２は、発振指令信号Ｓ１がオンされてから（時点ｔ４）、遅延時間ｄ１（時点ｔ４～ｔ５）に加えて、可変遅延時間ｄ２（時点ｔ５～ｔ６）が経過した後にレーザパルスＰ２が立ち上がる（時点ｔ６）。

【0023】

このように、発振指令信号Ｓ１がオンとなってからレーザパルスが立ち上がるまでの時間が第１及び第２パルスの間で異なってしまうと、ＡＯＤ４が発振指令信号Ｓ１が出力されたことを基準としてレーザパルスの切り出す関係上、切り出されたレーザパルスの強度にばらつきが出てしまう。このため、本実施の形態では、発振指令信号Ｓ１の強度を補正することによって、上記レーザパルスの立ち上がりまでの時間を早めている。

【0024】

具体的には、図２の第２レーザパルスＰ２（実線）では、上記遅延時間ｄ１の間（時点ｔ４～ｔ５）、発振指令信号Ｓ１の発振指令強度を、定格から強度Ｃだけ増加させている。これにより、実線で示される第２レーザパルスＰ２のように、レーザパルスの立ち上がりを可変遅延時間ｄ２分だけ早めている（可変遅延時間ｄ２だけパルスを戻している）。

【0025】

より詳しくは、上記可変遅延時間は、発振間隔（直前のレーザパルスの発振指令信号Ｓ１がオンとなった時点から当該レーザパルスの発振指令信号Ｓ１がオンとなるまでの間隔）と、直前のレーザパルスの発振時間（発振指令信号Ｓ１がオンとなっている時間）と、によって変化する。具体的には、上記第２レーザパルスＰ２を例にとれば、発振間隔Ｔｂと、発振時間ｔｂと、に応じて可変遅延時間ｄ２が変化する。

【0026】

レーザ加工装置１の制御部１０は、図３に示すように、記憶部に、上記発振間隔と、発振時間と、発振指令信号Ｓ１の強度の補正値Ｃとの関係を示すモデルを記憶している。なお、図３におけるＴ１～Ｔｎは発振指令信号Ｓの発振間隔、ｔ１～ｔｎは発振指令信号Ｓ１の発振時間、Ｃ１１～Ｃｎｎは発振指令の強度補正値である。

【0027】

上記モデルは、実験によって予め求められる。このモデルにおいて、発振間隔及び発振時間は、それぞれ次数が大きくなるほど、発振間隔及び発振時間の値も大きくなる。また、同じ発振間隔であれば発振時間が長い方が、（遅延時間ｄ１＋可変遅延時間ｄ２）の値も大きくなるため、発振指令信号Ｓ１の強度の補正値Ｃの値も大きくなる。また、同じ発振時間であれば発振間隔が短い方が、（遅延時間ｄ１＋可変遅延時間ｄ２）の値も大きくなるため、発振指令信号Ｓ１の強度の補正値Ｃの値も大きくなる。また、上記可変遅延時間ｄ２が無いもしくは無視できる範囲については、上記発振指令信号Ｓ１の強度は補正されない。即ち、推定される遅延時間が所定の閾値以上の場合に発振指令信号Ｓ１の強度は補正される。

【0028】

上記発振指令信号Ｓ１の強度が大きくなると、図２の第１レーザパルスＰ１と第２レーザパルスＰ２（実線）の場合、第２レーザパルスＰ２の立ち上がりが早くなる。

【0029】

ついで、上記発振指令信号Ｓ１の強度の補正値の設定方法について図４に基づいて、説明をする。制御部１０は、プリント基板の加工コマンドが入力されると、プリント基板Ｗの各穴の加工に使用される全てのレーザパルスの発振間隔と発振時間を取得する（図４のステップＳ１）。そして、取得したレーザパルスの発振間隔と発振時間に基づいて、各レーザパルスごとに上記モデルを参照し、発振指令信号Ｓ１に対して補正値Ｃを設定が必要か否か判断する（図４のＳ２）。

【0030】

補正値Ｃを設定が必要なレーザパルスの発振指令信号Ｓ１については、上記発振間隔及び発振時間に応じた補正値Ｃを設定する（図４のＳ３）。また、補正値Ｃの設定の必要の無い発振指令信号Ｓ１については、定格値が発振指令信号Ｓ１の強度の値として設定される。そして、全てのレーザパルスに対して発振指令信号Ｓ１の設定が終了すると、プリント基板の穴明け加工を開始する。

【0031】

＜まとめ＞
本実施の形態に係るレーザ加工装置（１）は、
レーザ発振器（３）と、
前記レーザ発振器（３）から出射されたレーザパルス（Ｌ１）を加工経路に向けて偏向可能な偏向手段（４）と、
発振指令信号（Ｓ１）を出力して前記レーザ発振器（３）からレーザパルス（Ｌ１）を射出させると共に、前記偏向手段（４）を制御して、前記レーザ発振器（３）から射出されたレーザパルスの一部を前記加工経路に向けて切り出す制御手段（１０）と、を備え、
第１レーザパルス（Ｐ１）に連続して第２レーザパルス（Ｐ２）が前記レーザ発振器（３）から射出される場合において、
前記第１レーザパルス（Ｐ１）の発振指令信号（Ｓ１）が出力されてから前記第１レーザパルス（Ｐ１）が射出されるまでの間（ｔ１～ｔ２）に前記制御手段（１０）から前記レーザ発振器（３）に出力される発振指令信号（Ｓ１）を第１発振指令信号とし、
前記第２レーザパルス（Ｐ２）の発振指令信号（Ｓ１）が出力されてから前記第２レーザパルス（Ｐ２）が立ち上がるまでの間（ｔ４～ｔ５）に前記制御手段（１０）から前記レーザ発振器（３）に出力される発振指令信号（Ｓ１）を第２発振指令信号とした場合、
前記第２発振指令信号の強度が前記第１発振指令信号の強度よりも大きくなるようにしている。

【0032】

このように第２発振指令信号の強度を第１発振指令信号の強度よりも大きく（強く）することによって、第２レーザパルスＰ２の可変遅延時間ｄ２を低減することができる。このため、加工用にレーザパルスが切り出された際に生じる、レーザパルスの強度のばらつきを低減することができ、穴の加工品質を向上させることができる。

【0033】

また、具体的には、前記第２発振指令信号の強度は、前記第１レーザパルスの発振指令信号が出力されてから前記第２レーザパルスの発振指令信号が出力されるまでの発振間隔に応じて変動する。

【0034】

更に、前記第２発振指令信号の強度は、前記第１レーザパルスの発振指令信号が出力されている発振時間に応じて変動する。

【0035】

また、前記制御手段（１０）は、発振指令信号（Ｓ１）が出力されてから、所定時間経過した後に前記偏向手段（４）を駆動して、前記レーザパルス（Ｌ１）の一部を前記加工経路に向けて切り出す。

【0036】

上記発振間隔や発振時間に応じて第２発振指令信号の強度の値を補正することによって、加工する穴の特性に応じて、適切にレーザパルスを補正して穴の加工品質を向上させることができる。

【0037】

なお、上述した実施の形態では、偏向手段としてＡＯＤ４を例示して説明をしたが、これに限らず、例えば、電気光学変調器（ＥＯＭ）などを使用しても良い。

【符号の説明】

【0038】

１：レーザ加工装置
３：レーザ発振器
４：偏向手段（ＡＯＤ）
１０：制御手段
Ｐ１：第１レーザパルス
Ｐ２：第２レーザパルス
Ｌ１：レーザパルス
Ｓ１：発振指令信号

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】