(57)【要約】【課題】従来とは異なる観点でレーザビームの品質を判定するビーム品質判定装置を提供する。【解決手段】レーザビームの経路に配置された検出器が、レーザビームの基本横モードの成分と高次横モードの成分との比に依存する物理量を検出する。判定部が、検出器で検出された物理量に基づいてレーザビームの品質を判定する。【選択図】図１
2018081976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームの経路に配置され、前記レーザビームの基本横モードの成分と高次横モードの成分との比に依存する物理量を検出する検出器と、
前記検出器で検出された前記物理量に基づいて、前記レーザビームの品質を判定する判定部と
を有するビーム品質判定装置。
【請求項２】
前記検出器は、前記レーザビームの基本横モードの成分と高次横モードの成分との空間的な分布に依存する前記物理量を検出する請求項１に記載のビーム品質判定装置。
【請求項３】
前記レーザビームはパルスレーザビームであり、前記検出器は、前記レーザビームのパルスの時間的な変化に依存する前記物理量を検出する請求項１または２に記載のビーム品質判定装置。
【請求項４】
レーザビームの基本横モードの成分と高次横モードの成分との比に依存する物理量を測定する工程と、
レーザビームの基本横モードの成分と高次横モードの成分との比に依存する物理量の測定結果に基づいて前記レーザビームの品質を判定する工程と
を有するビーム品質判定方法。
【請求項５】
レーザビームを出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力された前記レーザビームの経路に配置され、前記レーザビームの基本横モードの成分と高次横モードの成分との比に依存する物理量を検出する検出器と、
前記検出器で検出された前記物理量に基づいて、前記レーザビームの品質を判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記レーザ発振器を制御するコントローラと
を有するレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームのビーム品質を判定するビーム品質判定装置、ビーム品質判定方法、及びビーム品質を判定する機能を持つレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスレーザビームを用いてプリント基板に穴開け加工を行う技術が知られている（例えば、下記の特許文献１）。プリント基板への穴開け加工では、多数の穴を確実に形成する必要がある。１枚のプリント基板内に１つでも加工不良の穴があるとそのプリント基板は不良と判定されてしまう。穴の加工不良を防止するために、パルスレーザビームのパルス毎のエネルギ密度（パルスエネルギ密度）を許容範囲内に収めることが望まれる。
【０００３】
特許文献１に開示された方法では、レーザパルス毎にその立ち上がり時のエネルギを測定することにより、レーザパルスの良否を判定する。立ち上がり部分のエネルギは、レーザパルスの立ち上がり部分の光強度を時間で積分することにより算出される。光強度が低下すると、レーザパルスの立ち上がり部分のエネルギも低下する。レーザパルスが「良」と判定されたら、そのレーザパルスから、立ち上がり部分より後方の一部分を切り出して加工に用いる。レーザパルスが「不良」と判定されたら、そのレーザパルスは加工に用いない。このように、「良」と判定されたレーザパルスのみを用いて穴開け加工を行うため、加工不良の発生を低減させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１８６８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
パルスレーザビームの立ち上がり部分のエネルギが許容範囲に収まっているにもかかわらず、加工不良の頻度が高まる場合があることが判明した。このような加工不良は、穴開け加工の後に加工対象物の検査を行なって初めて検知される。加工不良の頻度が高まったことが検知されると、レーザ加工装置のメンテナンス作業を行う。
【０００６】
加工済みの加工対象物の検査を行う前に、加工不良の頻度が高まっていることを検知できれば、早期にメンテナンス作業を行うことが可能になり、不良品の発生数を少なくすることができる。このような加工不良の頻度の上昇を事前に検知するためには、レーザパルスの立ち上がり部分のエネルギの測定によるレーザパルスの良否の判定のみでは不十分である。
【０００７】
本発明の目的は、従来とは異なる観点でレーザビームの品質を判定するビーム品質判定装置、ビーム品質判定方法を提供することである。本発明の他の目的は、このビーム品質判定装置を適用した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】
【０００８】
本発明の一観点によると、
レーザビームの経路に配置され、前記レーザビームの基本横モードの成分と高次横モードの成分との比に依存する物理量を検出する検出器と、
前記検出器で検出された前記物理量に基づいて、前記レーザビームの品質を判定する判定部と
を有するビーム品質判定装置が提供される。
【０００９】
本発明の他の観点によると、
レーザビームの基本横モードの成分と高次横モードの成分との比に依存する物理量を測定する工程と、
測定結果に基づいて前記レーザビームの品質を判定する工程と
を有するビーム品質判定方法が提供される。
【００１０】
本発明のさらに他の観点によると、
レーザビームを出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力されたレーザビームの経路に配置され、前記レーザビームの基本横モードの成分と高次横モードの成分との比に依存する物理量を検出する検出器と、
前記検出器で検出された前記物理量に基づいて、前記レーザビームの品質を判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記レーザ発振器を制御するコントローラと
を有するレーザ加工装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
高次横モードの成分の増加によるビーム品質の低下を検知することはできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１Ａは、実施例によるビーム品質判定装置の概略図であり、図１Ｂ〜図１Ｄは、炭酸ガスレーザ発振器から出力されたパルスレーザビームのパルス波形の例を示すグラフである。
【図２】図２Ａは、他の実施例によるビーム品質判定装置の概略図であり、図２Ｂは、温度センサで測定されたアイリスの温度の時間変化の一例を示すグラフである。
【図３】図３Ａは、さらに他の実施例によるビーム品質判定装置の概略図であり、図３Ｂは、判定部が実行する処理のフローチャートである。
【図４】図４は、さらに他の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１Ａ〜図１Ｄを参照して、実施例によるビーム品質判定装置について説明する。
図１Ａは、本実施例によるビーム品質判定装置２０の概略図である。ビーム品質判定装置２０は、検出器２１と判定部２４とを含む。検出器２１は、レーザビームの経路１０に配置された部分反射鏡２２と、部分反射鏡２２で反射されたレーザビームのパルス波形を検出する光センサ２３とを含む。判定部２４は、光センサ２３で検出されたレーザビームのパルス波形に基づいて、レーザビームの品質を判定する。光センサ２３として、例えばＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）等の赤外線検出器を用いることができる。
【００１４】
次に、図１Ｂ〜図１Ｄを参照して、判定部２４で実行される判定処理について説明する。
図１Ｂ〜図１Ｄは、炭酸ガスレーザ発振器から出力されたパルスレーザビームのパルス波形の例を示すグラフである。横軸は経過時間を表し、縦軸は光強度を表す。炭酸ガスレーザ発振器が正常に動作している時には、パルスレーザビームはほぼ基本横モード（ＴＥＭ００モード）の成分のみを含む。穴開け加工には、基本横モードのパルスレーザビームを用いることが好ましい。
【００１５】
図１Ｂは、ほぼ基本横モード成分のみを含む高品質なパルスレーザビームのパルス波形の一例を示す。１つのレーザパルスは、パルスの立ち上がり時に現れるゲインスイッチとよばれる尖頭パルスＰ１、尖頭パルスＰ１に続く光強度がほぼ一定のパルス本体Ｐ２、パルス本体Ｐ２に続くパルステールＰ３を含む。パルス本体Ｐ２のほぼ一定の光強度を判定レベルＩ０として採用する。
【００１６】
レーザ発振器の光共振器を構成するミラーの姿勢の変動、放電電極の劣化に起因する放電領域の偏り等により、パルスレーザビームの高次横モードの成分が増加する。高次横モードの成分の増加によるビーム品質の低下は、レーザ加工品質の低下の要因になる。
【００１７】
図１Ｃは、高次横モード成分が増加した状態のパルスレーザビームのパルス波形の一例を示す。パルス本体Ｐ２の部分に判定レベルＩ０を越えるピークが現れる。判定レベルＩ０を越える部分の光強度は、高次横モード成分によるものと考えられる。図１Ｄは、高次横モード成分がさらに増加した状態のパルスレーザビームのパルス波形の一例を示す。パルス本体Ｐ２の部分に現れるピークの数が増加し、ピークの高さも高くなる。
【００１８】
図１Ｂから図１Ｄまでのパルス波形の変化を定量化することにより、パルスレーザビームの高次横モード成分の増加を検知することができる。パルス波形のうち、判定レベルＩ０以下の部分の面積が基本横モード成分のエネルギに対応し、判定レベルＩ０を超えた部分の面積が、高次横モード成分のエネルギに対応すると考えることができる。尖頭パルスＰ１は極短時間であるため、尖頭パルスＰ１のうち判定レベルＩ０を超える部分の面積は実質的に無視することができる。判定部２４は、１つのレーザパルス内において光強度が判定レベルＩ０を超えた部分の面積（エネルギ）を算出する。
【００１９】
判定部２４は、判定レベルＩ０を超えた部分のエネルギが判定基準値を越えると、外部機器に対してビーム品質が低下していることを通知する信号を送信する。判定部２４は、判定レベルＩ０以下の部分のエネルギと判定レベルＩ０を超えた部分のエネルギとの比に基づいてビーム品質の低下が生じているか否かの判定を行なってもよい。その他に、レーザパルスの時間的な変化に依存する物理量を検出し、その検出結果に基づいてレーザビームの品質を判定してもよい。
【００２０】
次に、図２Ａ及び図２Ｂを参照して他の実施例によるビーム品質判定装置について説明する。
図２Ａは、本実施例によるビーム品質判定装置２０の概略図である。本実施例によるビーム品質判定装置２０は、レーザビームの経路１０に配置された検出器２１と、検出器２１の検出結果に基づいてビーム品質を判定する判定部２４とを含む。
【００２１】
検出器２１は、一対の凸レンズ２６と、開口部固定のアイリス２５とからなるスペイシャルフィルタ、及びアイリス２５の温度を測定する温度センサ２７を含む。一方の凸レンズの後側焦点と他方の凸レンズ２６の前側焦点とが一致し、この焦点の位置にアイリス２５が配置されている。温度センサ２７がアイリス２５の温度を測定する。温度センサ２７の出力信号が判定部２４に入力される。
【００２２】
レーザビームの基本横モード成分は、アイリス２５の開口部を通過するが、高次横モード成分の大部分はアイリス２５の開口部の外側まで拡がるため、アイリス２５の遮光部材で遮光される。アイリス２５の遮光部材が高次横モード成分のエネルギを吸収することによって、アイリス２５の遮光部材の温度が上昇する。レーザビームの高次横モード成分が増加すると、アイリス２５の遮光部材の温度上昇幅が大きくなる。
【００２３】
図２Ｂは、温度センサ２７で測定された温度の時間変化の一例を示すグラフである。横軸は経過時間を表し、縦軸は温度を表す。図２Ｂにおいて、ほぼ基本横モード成分のみを含む高品質のレーザビームが検出器２１に入射したときの温度の変化を破線で示し、高次横モード成分が増加した低品質のレーザビームが検出器２１に入射したときの温度の変化を実線で示す。
【００２４】
レーザビームの入射が開始された時点からの時間の経過とともに、アイリス２５の遮光部材の温度が上昇する。アイリス２５の遮光部材への入熱量と、アイリス２５の遮光部材から外気への放熱量とがバランスすると、温度が定常状態に達しほぼ一定値に維持される。レーザビームの高次横モード成分が多くなるに従って、温度の定常値が高くなる。
【００２５】
レーザビームがほぼ基本横モード成分のみのときの温度の定常値よりもやや高い温度を判定レベルＴ０と定義する。温度の定常値が判定レベルＴ０以下のとき、レーザビームは高品質であると判定し、温度の定常値が判定レベルＴ０を超えると、レーザビームの品質が低下している判定することができる。
【００２６】
次に、アイリス２５の開口部の好ましい大きさについて説明する。アイリス２５の開口部が小さすぎると、基本横モード成分もアイリス２５を透過しなくなってしまう。アイリス２５の開口部が大きすぎると、高次横モード成分もアイリス２５を透過してしまい、スペイシャルフィルタとしての機能が果たせなくなってしまう。
【００２７】
スペイシャルフィルタに入射するレーザビームの直径をＤ、波長をλ、凸レンズ２６の焦点距離をｆ、円周率をπで表すと、アイリス２５の開口部の直径ｄを、以下の式を満たすように設定することが好ましい。
ｄ＝（８／π）×（λ×ｆ）／Ｄ
一例として、レーザビームの波長λが１０．６μｍ、ビーム直径Ｄが１０ｍｍ、凸レンズ２６の焦点距離ｆが１０００ｍｍのとき、アイリス２５の開口部の直径ｄを２．７ｍｍとするとよい。
【００２８】
図２Ａ及び図２Ｂに示した実施例によるビーム品質判定装置は、パルスレーザビームのみならず連続発振のレーザビームの品質の判定に用いることも可能である。
【００２９】
次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、さらに他の実施例によるビーム品質判定装置について説明する。
【００３０】
図３Ａは、本実施例によるビーム品質判定装置２０の概略図である。レーザビームの経路１０に検出器２１が配置されている。検出器２１は、一対の凸レンズ２６とアイリス２５とからなるスペイシャルフィルタ、スペイシャルフィルタの前段及び後段にそれぞれ配置された前段部分反射鏡３１及び後段部分反射鏡３２、前段光センサ３３、及び後段光センサ３４を含む。前段光センサ３３は、前段部分反射鏡３１で反射されたレーザビームの光強度を測定し、後段光センサ３４は、後段部分反射鏡３２で反射されたレーザビームの光強度を測定する。前段光センサ３３及び後段光センサ３４で測定された光強度の測定値が判定部２４に入力される。一対の凸レンズ２６及びアイリス２５からなるスペイシャルフィルタの構成は、図２Ａに示した実施例のスペイシャルフィルタの構成と同一である。
【００３１】
レーザビームの高次横モード成分が増加すると、アイリス２５で遮光されるレーザビームの成分が多くなるため、前段光センサ３３による測定値に対する後段光センサ３４による測定値の比が小さくなる。従って、前段光センサ３３による測定値と、後段光センサ３４による測定値との比に基づいて、レーザビームの品質を判定することができる。
【００３２】
図３Ｂは、判定部２４が実行する処理のフローチャートである。ビーム品質判定処理が起動されると、判定部２４は、前段光センサ３３及び後段光センサ３４による光強度の測定値を取得する（ステップＳ０１）。ビーム品質判定処理は、例えば一定の周期で起動される。判定部２４は、前段光センサ３３による測定値に対する後段光センサ３４による測定値の比を算出し、算出された比が許容範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ０２）。
【００３３】
算出された比が許容範囲内である場合には、レーザビームの品質は良好であると判定する（ステップＳ０３）。算出された比が許容範囲から外れている場合には、レーザビームの品質は不良であると判定する（ステップＳ０４）。
【００３４】
図３Ａ及び図３Ｂに示した実施例によるビーム品質判定装置は、パルスレーザビームのみならず連続発振のレーザビームの品質の判定に用いることも可能である。
【００３５】
次に、図１Ａから図３Ｂまでの３つの実施例の優れた効果について説明する。
上記３つの実施例のいずれにおいても、検出器２１は、レーザビームの基本横モードの成分と高次横モードの成分との比に依存する物理量を検出する。この物理量に基づいてレーザビームの品質を判定することにより、パルスエネルギ密度が許容範囲に収まっていても高次横モード成分が多いために穴開け加工に適さないようなパルスレーザビームを検知することができる。
【００３６】
図２Ａ及び図２Ｂに示した実施例、及び図３Ａ及び図３Ｂに示した実施例では、レーザビームの基本横モード成分と高次横モード成分との空間的な分布の違いを検出することによりビーム品質を判定する。このように、レーザビームの基本横モード成分と高次横モード成分との空間的な分布に依存する物理量を検出することにより、レーザビームの品質を判定することができる。
【００３７】
次に、図４を参照してさらに他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。本実施例によるレーザ加工装置は、図１Ａ〜図３Ｂを参照して説明した３つの実施例のいずれかのビーム品質判定装置２０を含む。
【００３８】
図４は、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。レーザ光源４０がパルスレーザビームを出力する。レーザ光源４０として、例えば放電方向、レーザ媒質ガス流の方向、及びレーザビームの伝搬方向が相互に直交する三軸直交型の炭酸ガスレーザ発振器を用いることができる。レーザ光源４０は、コントローラ５０から制御されることにより、例えば光パルス幅が１０μｓ〜３０μｓ、パルスの繰り返し周波数が数ｋＨｚの赤外域のパルスレーザビームを出力する。
【００３９】
レーザ光源４０から出力されたパルスレーザビームが、ビーム品質判定装置２０、ビームエキスパンダ４２、非球面レンズ４３、及びアパーチャ４４を通って音響光学偏向器（ＡＯＤ）４５に入射する。ビーム品質判定装置２０として、上述の３つの実施例によるビーム品質判定装置２０のいずれかが用いられる。ビームエキスパンダ４２はビーム径を拡大する。非球面レンズ４３は、アパーチャ４４を透過するレーザビームの透過率を高める機能を持つ。
【００４０】
ＡＯＤ４５は、コントローラ５０から制御されることにより、レーザビームを、ビームダンパ４６に向かう経路と加工対象物６０に向かう経路とのいずれかの経路に振り向ける。ＡＯＤ４５と加工対象物６０との間のレーザビームの経路に、上流側から順番に折り返しミラー４７、ビーム走査器４８、及びｆθレンズ４９が配置されている。ビーム走査器４８は、コントローラ５０から制御されることによりレーザビームを二次元方向に走査する。ビーム走査器４８として、一対の可動ミラーを持つガルバノスキャナを用いることができる。ｆθレンズは、レーザビームを加工対象物６０の表面上に集光させる。
【００４１】
加工対象物６０は、例えばプリント基板であり、ステージ５５に保持されている。ステージ５５は、コントローラ５０から制御されて加工対象物６０を、被加工面に平行な二方向に移動させる。
【００４２】
ビーム品質判定装置２０から、ビーム品質の良否の判定結果を示す信号がコントローラ５０に入力される。コントローラ５０は、ビーム品質が不良であるという判定結果を受けると、レーザ光源４０を制御してパルスレーザビームの出力を停止させる。さらに、コントローラ５０は、出力装置５２から警報を出力させる。出力装置５２として、画像表示装置、発音装置等を用いることができる。
【００４３】
次に、図４に示した実施例の優れた効果について説明する。本実施例によるレーザ加工装置では、ビーム品質判定装置２０によりパルスレーザビームの高次横モード成分が増加したことを検知することができる。作業者または保守要員は、出力装置５２に出力された警報により、加工済の加工対象物の検査を行う前に、加工不良の頻度が高くなっているであろうことに気付くことができる。警報が発出された時点でレーザ加工装置のメンテナンスを行うことにより、良品率の低下を防止することができる。
【００４４】
図４に示した実施例では、ビーム品質判定装置２０を、穴開け加工用のレーザ加工装置に適用したが、図１Ａ〜図３Ｂに示した３つの実施例によるビーム品質判定装置２０は、その他の加工を行うレーザ加工装置に適用することも可能である。また、上記実施例によるビーム品質判定装置２０は、炭酸ガスレーザ発振器以外のレーザ発振器から出力されたレーザビームの品質の判定に用いることも可能である。
【００４５】
上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例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。
【符号の説明】
【００４６】
１０  レーザビームの経路
２０  ビーム品質判定装置
２１  検出器
２２  部分反射鏡
２３  光センサ
２４  判定部
２５  アイリス
２６  凸レンズ
２７  温度センサ
３１  前段部分反射鏡
３２  後段部分反射鏡
３３  前段光センサ
３４  後段光センサ
４０  レーザ光源
４２  ビームエキスパンダ
４３  非球面レンズ
４４  アパーチャ
４５  音響光学偏向器
４６  ビームダンパ
４７  折り返しミラー
４８  ビーム走査器
４９  ｆθレンズ
５０  コントローラ
５２  出力装置
５５  ステージ
６０  加工対象物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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