(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザ光軸を被加工物に対して相対的に変位させるレーザ加工処理において、被加工物に局所的な損傷が発生することを好適に抑止する。【解決手段】被加工物に照射するべきレーザ光Ｌの出力源となるレーザ発振器１４と、レーザ発振器１４から出力されるレーザ光Ｌの被加工物に対する照射位置を移動させる走査機構１１、１２と、レーザ発振器１４から出力されるレーザ光Ｌの光軸と交わる位置に存在し、被加工物に照射されるレーザ光Ｌの当該被加工物に対する移動速度が遅くなるほど当該レーザ光Ｌの光量を減少させる光量調整機構１５とを具備するレーザ加工機を構成した。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物に照射するべきレーザ光の出力源となるレーザ発振器と、
レーザ発振器から出力されるレーザ光の被加工物に対する照射位置を移動させる走査機構と、
レーザ発振器から出力されるレーザ光の光軸と交わる位置に存在し、被加工物に照射されるレーザ光の当該被加工物に対する移動速度が遅くなるほど当該レーザ光の光量を減少させる光量調整機構と
を具備するレーザ加工機。
【請求項２】
前記レーザ発振器は、パルスレーザを出力し、被加工物に照射されるレーザ光の当該被加工物に対する移動速度が遅くなるほど当該パルスレーザ光の出射する周波数を低下させるものである請求項１記載のレーザ加工機。
【請求項３】
前記走査機構が被加工物に照射されるレーザ光の光軸の向きを変化させるガルバノスキャナであり、
前記光量調整機構が前記レーザ発振器と前記ガルバノスキャナとの間に介在している請求項１または２記載のレーザ加工機。
【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任意の箇所に照射して加工を施すレーザ加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
被加工物の任意の箇所にレーザ光を照射する加工機には、その光軸を被加工物に対して変化させるものがある。レーザ光軸の向きを変えるための具体的手段としては、ガルバノスキャナと集光レンズとの組み合わせが採用されることが少なくない（例えば、下記特許文献を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２２１７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種のレーザ加工機を用い、屈曲した軌跡、または曲率半径の小さい湾曲した軌跡に沿ってレーザ加工を施そうとする場合、被加工物上におけるレーザ光の照射位置が当該軌跡を描くようにレーザ光軸を変位させる走査を実行する。その際、所望の加工痕を精確に形成するべく、レーザ光軸の被加工物に対する移動速度を、当該軌跡の隅角部において減速させる必要がある。だが、レーザ光軸の移動速度が減速することで、隅角部が受けるエネルギ量が過大となり、被加工物の損傷を招く懸念がある。
【０００５】
図９は、非連続のパルスレーザ光を反復的に被加工物に照射する加工の例を示している。パルスレーザの周波数が一定（つまり、パルスレーザの出射間隔が一定）であると、加工を施す軌跡の隅角部Ｃにおいて、パルスレーザ光の照射位置の重なり（オーバラップ）が大きくなる。このことは、隅角部Ｃが多数回パルスレーザ光の照射を受けることと同義であり、その結果として局所的な損傷が発生する。
【０００６】
これに対し、パルスレーザの出射周波数を可変とし、レーザ光軸の移動速度が低下する軌跡の隅角部Ｃで周波数を低下させるように制御すれば、図１１に示すように、パルスレーザ光の照射位置の重なりが不当に大きくならず、被加工物の損傷のおそれを低減できるようにも思われる。
【０００７】
だが、実際には、パルスレーザの出射周波数を制御するのみでは、依然として被加工物の損傷を防止するのに不十分である。図１０に示すように、レーザ発振器の出力を一定と仮定すると、パルスの周波数を引き下げるのに反比例して、一発のパルスが持つエネルギが大きくなるため、やはり隅角部Ｃにレーザのエネルギが集中してしまうことは避けられない。
【０００８】
レーザ加工中にレーザ発振器の出力を調整することは、現実には困難を伴う。例えば、レーザ発振器の定格範囲内であっても、出力レベルを下げてゆくとレーザ光の出力値が不安定化したり、光軸のずれを生じたりして、加工精度を維持できなくなる。加えて、レーザ発振器の出力制御の応答性は要求される加工速度に比して遅く、被加工物に対するレーザ光軸の変位にレーザ出力の調整が追従できない。換言すれば、レーザ加工の軌跡の隅角部Ｃで出力を落とそうとしても間に合わない。
【０００９】
上述の問題に初めて着目してなされた本発明は、被加工物に局所的な損傷が発生することを好適に抑止しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、被加工物に照射するべきレーザ光の出力源となるレーザ発振器と、レーザ発振器から出力されるレーザ光の被加工物に対する照射位置を移動させる走査機構と、レーザ発振器から出力されるレーザ光の光軸と交わる位置に存在し、被加工物に照射されるレーザ光の当該被加工物に対する移動速度が遅くなるほど当該レーザ光の光量を減少させる光量調整機構とを具備するレーザ加工機を構成した。
【００１１】
前記レーザ発振器は、パルスレーザを出力し、被加工物に照射されるレーザ光の当該被加工物に対する移動速度が遅くなるほど当該パルスレーザ光の出射する周波数を低下させるものとすることが好ましい。
【００１２】
前記走査機構が被加工物に照射されるレーザ光の光軸の向きを変化させるガルバノスキャナである場合、前記光量調整機構は前記レーザ発振器と前記ガルバノスキャナとの間に介在させる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、レーザ光軸を被加工物に対して相対的に変位させるレーザ加工処理において、被加工物に局所的な損傷が発生することを好適に抑止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ加工機を示す斜視図。
【図２】同レーザ加工機におけるレーザ照射装置の内部の光学要素を示す斜視図。
【図３】同レーザ加工機の構成を模式的に示す図。
【図４】同レーザ加工機を制御する制御装置のハードウェア資源構成を示す図。
【図５】同レーザ加工機における光量調整機構によるレーザ光のエネルギ強度とレーザ光軸の移動速度との関係を示すタイミング図。
【図６】同レーザ加工機によるレーザ加工の一例を示す図。
【図７】本発明の一変形例を模式的に示す図。
【図８】本発明の一変形例に採用される可変ＮＤフィルタを示す斜視図。
【図９】従来のレーザ加工機によるレーザ加工の一例を示す図。
【図１０】従来のレーザ加工機におけるレーザ光のエネルギ強度とレーザ光軸の移動速度との関係を示すタイミング図。
【図１１】従来のレーザ加工機によるレーザ加工の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１ないし図３に示すように、本実施形態のレーザ加工機０は、加工対象となる被加工物を支持する設置台４と、被加工物に向けてレーザ光Ｌを照射するレーザ照射装置１とを備え、被加工物の任意の箇所にレーザ加工を施すことができるものである。
【００１６】
設置台４は、レーザ加工時に被加工物を支持する。設置台４は、レーザ照射装置１に対して不動であってもよいし、レーザ照射装置１に対してｘ軸方向及び／またはｙ軸方向に沿って相対的に変位可能であってもよい。後者の場合、設置台４をＸＹステージ６に支持させた態様をとることがある。
【００１７】
図２及び図３に示すように、レーザ照射装置１は、レーザ発振器１４と、レーザ発振器から発振されるレーザ光Ｌを走査する走査機構たるガルバノスキャナ１１、１２と、そのレーザ光Ｌを集光して設置台４上の被加工物に照射する集光レンズ１３と、レーザ発振器１４と走査機構１１、１２との間の光路上に介在してレーザ発振器１４から出射したレーザ光Ｌの光量を調整する光量調整機構たる可変アッテネータ１５とを有している。
【００１８】
本実施形態におけるレーザ発振器１４は、非連続なパルスレーザＬを出力するもので、そのパルスレーザ光Ｌの出射する周波数（パルスレーザ光Ｌの出射する時間間隔）を制御することが可能である。
【００１９】
ガルバノスキャナ１１、１２は、レーザ光Ｌを反射するガルバノミラー１１２、１２２を、モータ（サーボモータ、ステッピングモータ等）１１１、１２１により回動させるものである。ガルバノミラー１１２、１２２の方向を変えることで、レーザ光Ｌの光軸を変位させることができる。本実施形態では、レーザ光Ｌの光軸をＸ軸方向に変化させるＸ軸ガルバノスキャナ１１と、レーザ光Ｌの光軸をＹ軸方向に変化させるＹ軸ガルバノスキャナ１２とを両備しており、設置台４の上面におけるレーザ光Ｌの照射位置をｘ軸方向及びｙ軸方向の二次元に制御し得る。
【００２０】
集光レンズ１３は、例えばＦθレンズとする。
【００２１】
可変アッテネータ１５は、レーザ光Ｌを一部反射させ一部透過させるアッテネータミラー１５２を、モータ（サーボモータ、ステッピングモータ等）１５１により回動させるプレート回転型のものである。アッテネータミラー１５２によるレーザ光Ｌの反射率即ち透過率は、アッテネータミラー１５２とレーザ光Ｌの光軸との交差角度に応じて変化する。故に、アッテネータミラー１５２の方向を変えることで、ガルバノスキャナ１１、１２に入射するレーザ光Ｌの光量を増減でき、ひいては設置台４上の被加工物に照射されるレーザ光Ｌのエネルギ強度を調整することができる。
【００２２】
因みに、レーザ光Ｌがアッテネータミラー１５２を通過するとき、その光軸が図３に示しているように屈折して偏倚する。そこで、その光軸シフトを解消するための補正基板（平行平面基板）１５４を別途配置し、ガルバノスキャナ１１、１２に入射するレーザ光Ｌの光軸を一定に保つようにする。補正基板１５４も、アッテネータミラー１５２と同様、モータ（サーボモータ、ステッピングモータ等）１５３により回動させるものである。補正基板１５４は、レーザ光Ｌの光軸に対する交差角度がアッテネータミラー１５２のレーザ光Ｌに対する交差角度と対称になるように操作する。
【００２３】
レーザ発振器１４、ガルバノスキャナ１１、１２、可変アッテネータ１５及びＸＹステージ６等の制御を司る制御装置５は、図４に示すように、プロセッサ５ａ、メインメモリ５ｂ、補助記憶デバイス５ｃ、Ｉ／Ｏインタフェース５ｄ等を有し、これらがコントローラ５ｅ（システムコントローラやＩ／Ｏコントローラ等）によって制御されて連携動作するものである。補助記憶デバイス５ｃは、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ、その他である。Ｉ／Ｏインタフェース５ｄは、モータドライバ（サーボコントローラ）を含むことがある。
【００２４】
制御装置５が実行するべきプログラムは、補助記憶デバイス５ｃに記憶されており、プログラム実行の際に、メインメモリ５ｂに読み込まれ、プロセッサ５ａによって解読される。制御装置５は、プログラムに従い、ガルバノスキャナ１１、１２のモータ１１１、１２１を制御してガルバノミラー１１２、１２２の向きを操作し、レーザ光Ｌが被加工物上の所望の目標位置座標に照射されるよう光軸を調整する。並びに、制御装置５は、レーザ発振器１４に指令を与えてパルスレーザＬの出射周波数を調整するとともに、光量調整機構１５のモータ１５１、１５３を制御してアッテネータミラー１５２及び補正基板１５４の向きを操作し、アッテネータミラー１５２を通過するレーザ光Ｌの光量を調整する。
【００２５】
図５に示すように、本実施形態では、被加工物を走査するレーザ光Ｌの移動速度（被加工物に対するレーザ光Ｌの照射位置の変位する速度）に応じて、パルスレーザＬの出射間隔及び可変アッテネータ１５による減衰度を変化させる。具体的には、レーザ光Ｌの移動速度が遅くなるほど、パルスレーザＬの周波数を引き下げて出射間隔を長くする。なおかつ、レーザ光Ｌの移動速度が遅くなるほど、可変アッテネータ１５におけるレーザ光Ｌの光量の減衰度合い（レーザＬの反射率）を大きくして、被加工物に照射されるレーザ光Ｌのエネルギ強度を減少させる。
【００２６】
本実施形態では、被加工物に照射するべきレーザ光Ｌの出力源となるレーザ発振器１４と、レーザ発振器１４から出力されるレーザ光Ｌの被加工物に対する照射位置を移動させる走査機構１１、１２と、レーザ発振器１４から出力されるレーザ光Ｌの光軸と交わる位置に存在し、被加工物に照射されるレーザ光Ｌの当該被加工物に対する移動速度が遅くなるほど当該レーザ光の光量を減少させる光量調整機構１５とを具備するレーザ加工機０を構成した。
【００２７】
本実施形態によれば、レーザ光Ｌの光軸を被加工物に対して相対的に変位させる走査を伴うレーザ加工処理において、被加工物に局所的な損傷が発生することを好適に抑止できる。例えば、図６に示すように、屈曲した軌跡、または曲率半径の小さい湾曲した軌跡に沿ってレーザ加工を施す場合、その軌跡の隅角部Ｃにおいてレーザ光Ｌの光軸の移動する速度が遅くなる。これは、所望の軌跡に従って精確に屈曲または湾曲した加工痕を形成するため（導体膜を切削して精細な配線パターン等を成形する際等には必須）であるが、本実施形態のレーザ加工機０を用いれば、軌跡の屈曲部において被加工物に照射するレーザ光Ｌの光量を光量調整機構１５により減衰させ、屈曲部が受けるエネルギの量を他の部位が受けるエネルギの量と均等化することができる。
【００２８】
加えて、前記レーザ発振器１４が、パルスレーザを出力し、被加工物に照射されるレーザ光Ｌの当該被加工物に対する移動速度が遅くなるほど当該パルスレーザ光Ｌの出射する周波数を低下させるものであることから、加工の軌跡の屈曲部等において被加工物が損傷を受けるおそれをさらに低減できる。
【００２９】
前記走査機構としては、被加工物に照射されるレーザ光Ｌの光軸の向きを変化させる既知のガルバノスキャナ１１、１２を採用することができ、実用的なコストでレーザ加工機０を構築できる。そして、前記光量調整機構１５が前記レーザ発振器１４と前記ガルバノスキャナ１１、１２との間に介在しているため、レーザ発振器１４から出力されガルバノスキャナ１１、１２に入射するレーザ光Ｌの光軸を常に一定に保つことが可能である。即ち、光量調整機構１５はレーザ光Ｌの光軸の向きに影響を及ぼさず、被加工物上のレーザ光Ｌの目標照射位置による影響を受けることもないため、加工位置の精度を維持できる。
【００３０】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、レーザ光Ｌの被加工物に対する照射位置を変えるために、ガルバノスキャナ１１、１２を介してレーザＬの光軸の向きを変化させることとしていたが、これとともに、あるいはこれに代えて、ＸＹステージ６等の駆動装置により被加工物をレーザ照射装置１に対して移動させるようにしてもよい。この場合には、当該ＸＹステージ６等が走査機構の役割を担うことになる。被加工物に対するレーザ光Ｌの照射位置の移動速度が遅くなるほど、光量調節機構１５においてレーザ光Ｌの光量を減少させ、またレーザ発振器１４によるレーザ光Ｌの出射周波数を低下させることは言うまでもない。
【００３１】
上記実施形態では、レーザ光Ｌがアッテネータミラー１５２を通過するときに発生する光軸の偏倚を解消するための補正基板１５４を配置し、これをモータ１５３により操作するようにしていたが、光軸の偏倚を無視できるのであれば、補正基板１５４及びモータ１５３は不要である。この場合、四個のモータ１１１、１２１、１５１、１５３の同期制御（四軸制御）でなく三個のモータ１１１、１２１、１５１の同期制御（三軸制御）になり、制御がより容易となり、またその精度を高めやすくなる。
【００３２】
あるいは、モータ１５３に、補正基板１５４に代えてアッテネータミラー１５２を取り付けてもよい。この場合、レーザ光Ｌが通過するアッテネータミラー１５２が複数になるとともに、それら各ミラー１５２の光軸に対する角度を個別にモータ１５１、１５３で制御できるようになる。さすれば、レーザ光Ｌの減衰量の調整速度が倍になる（各アッテネータミラー１５２の角速度を合算できるため）上、レーザ光Ｌの減衰量の上限を引き上げることも可能となる（モータ１５１、１５３がガルバノモータ１１１、１２１と同等の性能を有しているとすると、当該モータ１５１、１５３による各アッテネータミラー１５２の可動範囲はそれぞれ２０°程度であるが、両者を合算すればレーザ光Ｌの光量をより一層絞ることができる）。
【００３３】
光量調整機構１５の具体的態様は、プレート回転型の可変アッテネータには限定されない。例えば、図７に示すような偏光キューブ型の可変アッテネータを、光量調整機構１５として採用することもできる。偏光キューブ型可変アッテネータ１５は、レーザ光Ｌのｐ偏光成分とｓ偏光成分とのうち一方を反射し他方を透過させる偏光ビームスプリッタ１５６と、直線偏光のレーザ光の偏光方向を変化させる（回す）１／２波長板１５５とを併用してなる。１／２波長板１５５は、レーザ光Ｌの光軸に対して直交するように配置し、モータ（サーボモータ、ステッピングモータ等。図示せず）により、レーザ光Ｌの光軸と平行な軸回りに回動させる。
【００３４】
１／２波長板１５５を回動させると、１／２波長板１５５を通過したレーザ光Ｌの偏光方向が変化する。そして、偏光ビームスプリッタ１５６によるレーザ光Ｌの反射率即ち透過率は、レーザ光Ｌの偏光成分に応じて変化する。故に、１／２波長板の回転角度を変えることで、ガルバノスキャナ１１、１２に入射するレーザ光Ｌの光量を増減でき、ひいては設置台４上の被加工物に照射されるレーザ光Ｌのエネルギ強度を調整することができる。
【００３５】
光量調整機構１５の他の例として、可変ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタを用いることも考えられる。図８に示すように、可変ＮＤフィルタ１５７は、光学濃度がグラデーション状にまたは段階的に増大しているフィルタである。このＮＤフィルタ１５７をモータ（サーボモータ、ステッピングモータ等。図示せず）によりレーザ光Ｌの光軸に対して相対的に変位（例えば、光軸と直交する方向に沿って平行移動）させ、レーザ光Ｌと交差する位置を変化させれば、透過光量を増減させることができる。
【００３６】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、レーザ光を被加工物の任意の箇所に照射して加工を施すレーザ加工機に適用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
０…レーザ加工機
１１、１２…走査機構（ガルバノスキャナ）
１４…レーザ発振器
１５…光量調整機構（可変アッテネータ）
６…走査機構（ＸＹステージ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図８】
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