(57)【要約】 【課題】  加工中の被加工物の加工形状などの加工状況を加味しながら最適の加工条件にリアルタイムに調整制御することができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】  レーザ発振器１から出射したレーザ光Ｌを被加工物１０に導くミラー２，３，８および集光レンズ９とを有する光学系と、レーザ光Ｌの被加工物１０への入射光路における光軸の延長線と同軸上に配置されて被加工物の二次元的加工形状を直接的に計測する加工形状計測手段２１と、加工形状計測手段２１の計測結果データと所定形状データとを一致させるフィードバック用の制御信号を出力する制御部２２と、制御部２２から入力する制御信号に基づき形状変化してレーザ光Ｌを所要の空間的強度分布を有するビーム形状に変化させるビーム形状変更用微小変形ミラー１９とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物に照射する加工用のレーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射したレーザ光を被加工物に導くように伝播方向を変更するミラーおよびレーザ光を被加工物に集光する集光レンズとを有する光学系と、
レーザ光の被加工物への入射光路における光軸の延長線と同軸上に配置されて被加工物の二次元的加工形状を直接的に計測する加工形状計測手段と、
前記加工形状計測手段から入力する計測結果データと予め設定登録された所定形状データとを比較して、両データを一致させるフィードバック用の制御信号を出力する制御部と、
前記制御部から入力する制御信号に基づきミラー形状が変化してレーザ光を所要の空間的強度分布を有するビーム形状に変化させるビーム形状変更用微小変形ミラーとを備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
制御部から入力する制御信号により形状変化してレーザ光の位相を揃えるように機能する位相調整用微小変形ミラーが設けられ、
ビーム形状変更用微小変形ミラーおよび前記位相調整用微小変形ミラーが、多数の微小なアクチュエータを被覆する透明膜が、前記制御部から入力する制御信号によって前記各アクチュエータに発生する電気的吸引力により変形される構成を有したものである請求項１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、レーザ光を被加工物の表面に集光して穴開け、切断および溶接などの加工を行うレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ加工装置には、高い加工品質の要求が高まりつつある。例えば、回路基板の穴開け加工においては、数１００μｍから数１０μｍ程度の小さい穴径の穴開け加工が要求されており、さらに、その穴径精度や穴の真円度の向上、さらには精度のばらつきを可及的最小に抑制することなどが求められるようになっている。このような要求を満足するためには、レーザパワーやレーザビームの空間的強度分布のばらつきを極力少なくする必要がある。これを達成するために、従来では、出力安定性とビーム品質の優れたレーザ光を出力できるレーザ発振器や収差の少ないレンズおよびミラーなどの光学系といったレーザ加工装置自体の各構成要素の高精度化を図ることが行われている。
【０００３】
さらに高品質で高精度なレーザ加工を行うために、従来では、複数のレーザ発振器のレーザエネルギをエネルギモニタにより測定して加工の高精度化を図る加工方式（例えば、特許文献１参照）や、被加工物の周波数を測定して所定の周波数でレーザ加工を行う加工方式などが提案されている。また、従来では、加工用のレーザ光と加工対象物との間で相互作用が起きている場所（加工ポイント）での光の状態をモニタして、最適状態を維持しながらレーザ加工を行う加工方式（例えば、特許文献２参照）も提案されており、この加工方式について、図２を参照しながら、以下に説明する。
【０００４】
図２において、このレーザ加工装置は、パルスレーザ光を出力する光源部３０と、この出力パルスに所定の変調を与える光制御部３１と、変調されたパルス光の集光などを行ったのちに被加工物３３に入射させる入射光学系部３２と、レーザ光の空間的な広がりやスポットの形状あるいはその他の状態を計測するための光状態計測部３４とを備えて構成されている。
【０００５】
光源部３０から出射されたレーザ光は、光制御部３１によりその出力パワーが調整されたのち、入射光学系部３２を通って被加工物３３に照射される。光状態計測部３４では、被加工物３３の中の光の状態を計測して、その計測に応じた制御信号を光制御部３１に対し送って、光制御部３１をフィードバック制御する。これにより、被加工物３３の内部の加工ポイントにおいて最適状態を維持しながら加工することができる。
【０００６】
また、従来では、図３に示すように、レーザ光のビーム形状を変形して被加工物に照射するようにしたレーザ加工装置も提案されている。同図において、レーザ発振器１から出射したレーザ光Ｌは、複数の反射ミラー２，３，４，７，８によって光伝播方向を変更されたのち、集光レンズ９により被加工物１０の表面に集光される。被加工物１０は、レーザ光Ｌの照射によりレーザ加工が施されるとともに、上記被加工物１０が載置固定された移動ステージ１１が制御部１４の制御を受けてＸ方向およびＹ方向に移動制御されることにより、加工位置が加工すべき形状に倣いながら変更されていき、これにより、被加工物１０が所定形状にレーザ加工される。
【０００７】
上記レーザ加工装置において、レーザ発振器１から出射されたレーザ光Ｌは、被加工物１０に到達するまでに、ビームエキスパンダ１２によりビーム径が拡大されたのち、デフォーマブルミラー１３が制御部１４の制御を受けて任意のミラー形状に変形されることにより、所定の空間的強度分布を有するビーム形状に調整される。このデフォーマブルミラー１３の形状は、このデフォーマブルミラー１３からのビーム形状の調整後のレーザ光Ｌを反射させる反射ミラー７の漏れ光をＣＣＤカメラ１７で撮像した画像データを制御部１４に送って、制御部１４が入力した画像データに基づき判別する。
【０００８】
上記制御部１４は、画像データから判別したデフォーマブルミラー１３のミラー形状が所定形状になっているか否かを判断して、所定形状になるまで入力する画像データに基づきデフォーマブルミラー１３のミラー形状をフィードバック制御する。これにより、被加工物１０に照射されるレーザ光Ｌは、反射ミラー２，３，４，７，８およびビームエキスパンダ１２の光学系に起因する歪みが修正されて、所定のビーム形状に調整される。このレーザ光を正確に所定のビーム形状にするためには、ＣＣＤカメラ１７を被加工物１０に可及的に近い位置に配置することが好ましい。なお、モニタ１８には、制御部１４がＣＣＤカメラ１７からの画像データに基づき判別したレーザ光Ｌのビーム形状が画像表示される。
【特許文献１】特開２００１−５７３４５号公報
【特許文献２】特開２００２−２７３５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図２のレーザ加工装置では、光源部３０から出射したレーザ光の出力パワーを光制御部３１により制御することができるが、レーザ光を所定の空間的強度分布を有するビーム形状に調整制御することができない。
【００１０】
一方、図３のレーザ加工装置では、レーザ光Ｌのビーム形状やレーザ光の出力パワーを最適値となるように調整してレーザ光Ｌを所定のレーザエネルギや空間的強度分布を有するビーム形状になるよう制御するようにしているが、その調整制御は被加工物１０に到達するまでのレーザ光Ｌに対し所定条件を満足するように行っているだけであるから、加工条件を一定下に維持しても、例えば、被加工物１０の加工前の厚みなどの形状のばらつきに起因して加工形状が不良となることがあり、不良発生に伴って歩留りが悪くなるから、生産性の向上を図ることができない。
【００１１】
そこで、加工前の被加工物１０の形状のばらつきを無くす等の手段を講じることなどが考えられるが、そのようにした場合にはコスト高になる。しかも、加工中は、単に加工不良が発生しない加工条件を維持するように調整制御しているだけであって、被加工物１０に対する加工形状などの加工状況や加工性能などをリアルタイムに観察することができないことから必然的に、加工中の被加工物１０の加工形状などの加工状況を加味した制御を行えないので、被加工物１０の加工形状の測定などは加工終了後に止むなく行っており、その測定結果に基づき加工条件を修正しても、次の加工中に考慮していなかった加工条件が新たに加わると、別の加工不良が発生するといったことが繰り返されることになる。
【００１２】
本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたもので、加工中の被加工物の加工形状などの加工状況を加味しながら最適の加工条件にリアルタイムに調整制御することができるレーザ加工装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するために、請求項１に係る発明のレーザ加工装置は、被加工物に照射する加工用のレーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射したレーザ光を被加工物に導くように伝播方向を変更するミラーおよびレーザ光を被加工物に集光する集光レンズとを有する光学系と、レーザ光の被加工物への入射光路における光軸の延長線と同軸上に配置されて被加工物の二次元的加工形状を直接的に計測する加工形状計測手段と、前記加工形状計測手段から入力する計測結果データと予め設定登録された所定形状データとを比較して、両データを一致させるフィードバック用の制御信号を出力する制御部と、前記制御部から入力する制御信号に基づきミラー形状が変化してレーザ光を所要の空間的強度分布を有するビーム形状に変化させるビーム形状変更用微小変形ミラーとを備えていることを特徴としている。
【００１４】
請求項２に係る発明は請求項１の発明のレーザ加工装置において、制御部から入力する制御信号により形状変化してレーザ光の位相を揃えるように機能する位相調整用微小変形ミラーが設けられ、ビーム形状変更用微小変形ミラーおよび前記位相調整用微小変形ミラーが、多数の微小なアクチュエータを被覆する透明膜が、前記制御部から入力する制御信号によって前記各アクチュエータに発生する電気的吸引力により変形される構成を有したものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る発明によれば、加工形状計測手段によって加工中の被加工物の加工形状を直接的に観察しながら、その観察結果に基づきビーム形状変更用微小変形ミラーの形状を変化させてレーザ光のビーム形状を調整制御するので、被加工物の加工形状をリアルタイムに所定形状になるよう修正しながら加工を進めていくことができ、加工前の被加工物の形状にばらつきが存在する場合であっても、加工精度が格段に向上するので、加工不良の発生を可及的に抑制することができ、歩留りが向上して生産性の大幅な向上を図ることが可能となる。
【００１６】
請求項２に係る発明によれば、レーザ光の位相を揃えることができるので、高出力レーザや超短パルレーサにおいてその強度を十分に発揮させることができる。また、微小変形ミラーは、高速で任意の微小なミラー形状に変形させることができるので、レーザ光のビームの位相を正確に揃えられるとともにレーザ光のビーム形状を所定の形状に高精度に修正することができるから、被加工物の加工形状を高速で所定形状に高精度に修正することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の最良の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置を示すブロック構成図であり、同図において、図３と同一若しくは同等のものには、同一の符号を付して、重複する説明を省略し、以下に相違する構成についてのみ説明する。
【００１８】
上記レーザ加工装置が図３のものと相違するのは、ビームエキスパンダ１２によりビーム径が拡大されたレーザ光Ｌを所定の空間的強度分布を有するビーム形状となるように調整する第１微小変形ミラー１９と、レーザ光Ｌの位相を揃えるように調整する第２微小変形ミラー２０と、反射ミラー８により伝播方向を被加工物１０に向くよう変更されたのち集光レンズ９により集光されて被加工物１０に照射されるレーザ光Ｌの被加工物１０への入射光路における光軸の延長線と同軸上に配置されて、被加工物１０の二次元的加工形状を直接的に撮像するＣＣＤカメラからなる加工形状計測手段２１とを新たに備え、制御部２２が、加工形状計測手段２１から入力する画像データに基づき第１および第２微小変形ミラー１９，２０のミラー形状をフィードバック制御するようになった制御機能を備えていることのみである。
【００１９】
さらに詳述すると、上記制御部２２は、加工形状計測手段２１から入力する画像データを画像認識することにより、被加工物１０の加工中の加工形状や加工形状の面積における重心位置などの位置情報を含む二次元分布の加工形状データを取得して、この取得した加工形状データを自体に予め設定登録されている所定の加工形状データと比較して、その差を無くす制御信号を出力して第１および第２微小変形ミラー１０，２０のミラー形状をフィードバック制御する。このフィードバック制御は、取得した加工形状データが所定の加工形状データに一致するまで繰り返される。
【００２０】
第１および第２微小変形ミラー１９，２０は、共に同一のものであって、アクチュエータとしての電極が約４０個程度設けられているとともに、この各アクチュエータがコーティングにより形成された透明膜により被覆された構成を有している。そして、この両微小変形ミラー１９，２０は、制御部２２からの電気的制御を受けて各アクチュエータに発生する電気的吸引力により透明膜が任意の微小な形状に変形されるものであり、この微小変形ミラー１９，２０のミラー形状の調整制御を利用する技術は、例えば、天文台に使用される望遠鏡などに用いられている。この両微小変形ミラー１９，２０は、直径が約２５ｍｍ以上の大きさを有し、厚み方向の変形量が１０μｍ程度である。
【００２１】
上記実施の形態では、微小変形ミラー１９，２０として、近年において市販されている、エクチュエータの動作時間が数ミリ秒で動作する高速変形型のものを用いており、また、加工形状計測手段２１として、近年において市販されている、撮像時間が１ミリ秒の高速ＣＣＤカメラを用いている。さらに、レーザ発振器１は１ＫＨｚで発振するものを使用している。したがって、制御部２２は、加工形状計測手段２１から入力する画像データに基づき両微小変形ミラー１９，２０の形状を変形させる制御を、レーザ光Ｌの数パルスに１回の割合、つまり数ミリ秒間隔で高速に行うようになっている。
【００２２】
つぎに、上記レーザ加工装置におけるレーザ加工の動作について説明する。レーザ発振器１から出射されたレーザ光Ｌは、複数の反射ミラー２，３，８によって光伝播方向を変更されたのち、集光レンズ９により被加工物１０の表面に集光される。被加工物１０は、レーザ光Ｌの照射によりレーザ加工が施されるとともに、移動ステージ１１が制御部１４の制御を受けてＸ方向およびＹ方向に移動制御されることにより、加工位置が加工すべき形状に倣いながら変更されていく。これにより、被加工物１０には所定形状のレーザ加工が行われる。
【００２３】
上記被加工物１０の加工時には、レーザ光Ｌの被加工物１０への入射光路における光軸の延長線と同軸上に配置された加工形状計測手段２１が被加工物１０の二次元的加工形状を直接的に撮像して、その画像データを制御部２２に対し入力する。制御部２２は、その入力した画像データの画像認識に基づき、被加工物１０の加工中の加工形状や加工形状の面積における重心位置などの位置情報を含む二次元分布の加工形状データをリアルタイムに取得して、この取得した加工形状データを自体に予め設定登録されている所定の加工形状データと比較し、その差を無くす制御信号を出力して第１および第２微小変形ミラー１９，２０のミラー形状をフィードバック制御する。この第１および第２微小変形ミラー１９，２０のミラー形状のフィードバック制御は、取得した加工形状データが所定の加工形状データに一致するまで繰り返される。
【００２４】
第１微小変形ミラー１９は、制御部２２の制御を受けて任意の形状に変形されることにより、ビームエキスパンダ１２によりビーム径が拡大されたのちのレーザ光Ｌを所要の空間的強度分布を有するビーム形状に調整する。第２微小変形ミラー２０は、制御部２２の制御を受けて任意の形状に変形されることにより、レーザ光Ｌの位相を揃えるように機能する。なお、このときのレーザ光Ｌの位相の測定に際しては一般的なShack −Hartmann波面測定を採用する。このようにレーザ光Ｌの位相を揃えることは、高出力レーザや超短パルスレーザにおいてその強度を十分に発揮する上で重要である。
【００２５】
すなわち、上記レーザ加工装置では、加工形状計測手段２１によって加工中の被加工物１０の加工形状を直接的に観察しながら、その観察結果に基づき第１および第２微小変形ミラー１９，２０の形状を変化させてレーザ光Ｌのビーム形状および位相を調整制御することにより、被加工物１０の加工形状をリアルタイムに所定形状になるよう修正しながら加工を進めていくようにしているから、加工前の被加工物１０の形状にばらつきが存在する場合であっても、加工精度が格段に向上するので、加工不良の発生を可及的に抑制することができ、歩留りが向上して生産性の大幅な向上を図ることができる。上記被加工物１０の加工形状の修正は、高速で撮像できるＣＣＤカメラからなる加工形状計測手段２１並びに高速で変形可能な第１および第２微小変形ミラー１９，２０を用いていることにより、被加工物１０の加工と並行して容易に行うことができる。
【００２６】
なお、近年のレーザ発振器１は、位相が揃ったビーム品質の良好なレーザ光Ｌを出射させることができるので、そのようなレーザ発振器１を用いる場合には、第２微小変形ミラー２０を配置する必要がない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明のレーザ加工装置は、被加工物の加工形状をリアルタイムに所定形状になるよう修正しながら加工を進めていくことができるから、加工前の被加工物の形状にばらつきが存在する場合であっても、加工精度が格段に向上するので、除去加工、溶接加工または表面改質加工などの種々のレーザ加工に適用した場合に、加工不良の発生を可及的に抑制したことによる歩留りの向上に伴って生産性の大幅な向上をはかることができる顕著な効果を期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置を示すブロック構成図。
【図２】従来のレーザ加工装置を示すブロック構成図。
【図３】従来の他のレーザ加工装置を示すブロック構成図。
【符号の説明】
【００２９】
１  レーザ発振器
２，３，８  反射ミラー（ミラー）
９  集光レンズ
１０  被加工物
１９  第１微小変形ミラー（ビーム形状変更用微小変形ミラー）
２０  第２微小変形ミラー（位相調整用微小変形ミラー）
２１  加工形状計測手段
２２  制御部
Ｌ  レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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