JP7066368B2 - Laser machining machine control device, laser machining method, and laser machining machine - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ加工機の制御装置、レーザ加工方法、及びレーザ加工機に関する。 The present invention relates to a control device for a laser processing machine, a laser processing method, and a laser processing machine.
ビーム走査器及び集光レンズを経由して加工対象物にパルスレーザビームを入射させて加工を行うレーザ加工機が公知である(例えば、特許文献1)。加工対象物の目標とする位置にパルスレーザビームを入射させるために、実際の加工前にビーム走査器のキャリブレーションを行う。 A laser processing machine that performs processing by injecting a pulsed laser beam onto an object to be processed via a beam scanner and a condenser lens is known (for example, Patent Document 1). The beam scanner is calibrated before the actual machining in order to inject the pulsed laser beam into the target position of the machining object.
ビーム走査器のキャリブレーションを行ったにもかかわらず、実際にパルスレーザビームが入射した位置が目標とする位置からずれる現象が生じる場合があることが判明した。本発明の目的は、ビーム走査器のキャリブレーション後のレーザビームの入射位置と、目標とする入射位置とのずれを小さくすることが可能なレーザ加工機の制御装置、レーザ加工方法、及びレーザ加工機を提供することである。 Despite the calibration of the beam scanner, it was found that the position where the pulsed laser beam actually incident may deviate from the target position. An object of the present invention is a control device of a laser processing machine capable of reducing a deviation between an incident position of a laser beam after calibration of a beam scanner and a target incident position, a laser processing method, and laser processing. To provide an opportunity.
本発明の一観点によると、
レーザ光源から出力されたパルスレーザビームを走査することにより、加工対象物の表面におけるパルスレーザビームの入射位置を移動させるビーム走査器を有するレーザ加工機を制御する制御装置であって、
前記レーザ光源からのパルスレーザビームの出力タイミングを制御する機能、
パルスレーザビームを入射させる目標位置を前記ビーム走査器に指令する機能、及び
実際の加工時のパルス周波数に基づいて前記レーザ光源を制御し、評価用試料のキャリブレーション用の複数の箇所を目標位置として前記ビーム走査器を制御してキャリブレーション用の複数の箇所にパルスレーザビームを入射させ、キャリブレーション用の複数の箇所の目標位置とパルスレーザビームの入射位置とに基づいて前記ビーム走査器のキャリブレーションを行う機能を持つレーザ加工機の制御装置が提供される。
According to one aspect of the invention
A control device that controls a laser processing machine having a beam scanner that moves the incident position of the pulsed laser beam on the surface of the object to be processed by scanning the pulsed laser beam output from the laser light source.
A function for controlling the output timing of a pulsed laser beam from the laser light source,
The function of instructing the beam scanner to indicate the target position for incident the pulsed laser beam, and the control of the laser light source based on the pulse frequency at the time of actual processing, the target position for calibration of the evaluation sample. The beam scanner is controlled so that the pulsed laser beam is incident on a plurality of points for calibration, and the beam scanner is based on the target positions of the plurality of points for calibration and the incident positions of the pulsed laser beam . A control device for a laser processing machine having a function of performing calibration is provided.
本発明の他の観点によると、
レーザ光源から出力されたパルスレーザビームをビーム走査器で走査して、加工対象物の表面の複数の被加工点に順番に入射させて加工を行うレーザ加工方法であって、
実際の加工時のパルス周波数に基づいて、パルスレーザビームを出力させながら、評価用試料のキャリブレーション用の複数の箇所を目標位置としてパルスレーザビームを入射させ、
前記目標位置と、実際のパルスレーザビームの入射位置に基づいて、前記ビーム走査器のキャリブレーションを行うレーザ加工方法が提供される。
According to another aspect of the invention
It is a laser processing method in which a pulsed laser beam output from a laser light source is scanned by a beam scanner, and the pulsed laser beam is sequentially incident on a plurality of work points on the surface of the object to be processed to perform processing.
While outputting the pulsed laser beam based on the pulse frequency at the time of actual processing, the pulsed laser beam is incident at multiple points for calibration of the evaluation sample as target positions .
A laser processing method for calibrating the beam scanner based on the target position and the incident position of the actual pulsed laser beam is provided.
本発明のさらに他の観点によると、
パルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたパルスレーザビームを走査することにより、加工対象物の表面におけるパルスレーザビームの入射位置を移動させるビーム走査器と、
上記制御装置と
を有するレーザ加工機が提供される。
According to yet another aspect of the invention.
A laser light source that outputs a pulsed laser beam and
A beam scanner that moves the incident position of the pulsed laser beam on the surface of the workpiece by scanning the pulsed laser beam output from the laser light source.
A laser processing machine having the above control device is provided.
ビーム走査器のキャリブレーション後のレーザビームの入射位置と、目標とする入射位置とのずれを小さくすることができる。 It is possible to reduce the deviation between the incident position of the laser beam after calibration of the beam scanner and the target incident position.
図1を参照して、実施例によるレーザ加工機について説明する。
図1は、実施例によるレーザ加工機の概略図である。レーザ光源10がパルスレーザビームを出力する。レーザ光源10として、例えば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10から出力されたパルスレーザビームが音響光学素子(AOM)11、ミラー12、ビーム走査器13、及び集光レンズ14を経由して、ステージ17に保持された加工対象物30に入射する。
A laser beam machine according to an embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a schematic view of a laser processing machine according to an embodiment. The
AOM11は、制御装置20からの指令により、レーザ光源10から出力されたパルスレーザビームのレーザパルスから、加工に用いる一部分を切り出す。切り出されたレーザパルスは加工対象物30に向かい、残りのパルスレーザビームはビームダンパ15に入射する。
The AOM 11 cuts out a part used for processing from the laser pulse of the pulsed laser beam output from the
ビーム走査器13は、制御装置20からの指令を受け、レーザビームを二次元方向に走査することにより、加工対象物30の表面におけるパルスレーザビームの入射位置を移動させる。ビーム走査器13として、例えば一対のガルバノミラーを有するガルバノスキャナを用いることができる。
The
集光レンズ14は、ビーム走査器13によって走査されたパルスレーザビームを加工対象物30の表面(被加工面)に集光させる。集光レンズ14として、例えばfθレンズを用いることができる。
The
ステージ17は、制御装置20からの指令を受けて、加工対象物30を、その表面に平行な二次元方向に移動させる。ステージ17として、例えばXYステージを用いることができる。
The
ステージ17の上方に撮像装置16が配置されている。撮像装置16は、ステージ17に保持された加工対象物30または評価用試料の表面を撮像し、画像データを生成する。撮像装置16で生成された画像データが制御装置20に読み込まれる。
The
制御装置20は、レーザ光源10からのパルスレーザビームの出力タイミングを制御する機能を持つ。さらに、制御装置20は、パルスレーザビームを入射させる目標位置をビーム走査器13に指令する機能を持つ。さらに、制御装置20は、撮像装置16で取得された画像データを解析することにより、パルスレーザビームの入射位置を検出し、検出結果に基づいてビーム走査器13のキャリブレーションを行う機能を持つ。
The
記憶装置21に、レーザ加工に必要な情報、例えば加工対象物30の被加工点の位置情報、加工順序情報、ビーム走査器13のキャリブレーション結果の情報等が記憶される。
The
なお、レーザ光源10から加工対象物30までのパルスレーザビームの光路には、必要に応じてレンズ系、アパーチャ等が配置される場合がある。
A lens system, an aperture, or the like may be arranged in the optical path of the pulsed laser beam from the
次に、図2を参照して実施例によるレーザ加工機のレーザ光源10から加工対象物30までの光路について説明する。図2では、レーザ光源10から加工対象物30までの光路に配置される光学系を1枚の仮想的なレンズ35で代表させている。仮想的なレンズ35は、レーザ光源10の出口10Aを結像点Piに結像させる。なお、レーザ光源10から加工対象物30までの光学系の光軸上に、出口10Aの像点が形成される場合があるが、この場合にも、最終的には出口10Aが結像点Piに結像される。また、像点の位置にアパーチャが配置される場合もある。
Next, the optical path from the
加工対象物30の表面が、結像点Piから光学系の光軸方向(図1において高さ方向)にずれた位置に配置された状態で、ステージ17(図1)が加工対象物30を保持する。例えば、ステージ17が昇降機能を有し、制御装置20がステージ17を制御することにより、このようなずれた状態を実現する。結像点Piからずれた位置に加工対象物30の表面を配置すると、加工対象物30の表面においてビームスポットをより小さく絞ることが可能になる。
The stage 17 (FIG. 1) sets the object to be machined 30 in a state where the surface of the object to be machined 30 is displaced from the imaging point Pi in the optical axis direction (height direction in FIG. 1). Hold. For example, the
本願の発明者の検証実験により、レーザ光源10から出力されるパルスレーザビームのパルス周波数を変化させると、レーザビームの射出方向が変化する場合があることが判明した。レーザビームの射出方向が変化しても、結像点Piの位置は不変である。結像点Piで加工を行う場合には、加工位置にずれは生じない。
From the verification experiment of the inventor of the present application, it has been found that when the pulse frequency of the pulsed laser beam output from the
ところが、加工対象物30の表面を結像点Piからずれた位置に配置すると、射出方向の変動に応じてパルスレーザビームの入射位置が変動する。例えば、光路OP1を辿るパルスレーザビームは、加工対象物30の表面の点P1に入射し、光路OP2を辿るパルスレーザビームは、加工対象物30の表面の点P2に入射する。 However, when the surface of the object to be processed 30 is arranged at a position deviated from the image formation point Pi, the incident position of the pulsed laser beam fluctuates according to the fluctuation of the emission direction. For example, the pulsed laser beam following the optical path OP1 is incident on the point P1 on the surface of the object to be machined 30, and the pulsed laser beam following the optical path OP2 is incident on the point P2 on the surface of the object to be processed 30.
例えば、レーザビームが光路OP1を辿るときのパルス周波数でビーム走査器13のキャリブレーションを行い、光路OP2を辿るレーザビームで加工を行うと、加工時のパルスレーザビームの入射位置が目標位置からずれてしまう。
For example, if the
次に、図3及び図4を参照して、実施例によるレーザ加工機を用いたレーザ加工方法について説明する。 Next, a laser processing method using a laser processing machine according to an embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
図3は、加工対象物30の模式的な平面図である。加工対象物30の表面に複数の単位走査領域31が画定されている。単位走査領域31の各々の内部に、複数の被加工点32が画定されている。加工対象物30を移動させることなく、ビーム走査器13(図1)を動作させることにより、1つの単位走査領域31内の任意の箇所にパルスレーザビームを入射させることができる。
FIG. 3 is a schematic plan view of the object to be processed 30. A plurality of
1つの単位走査領域31内の加工が終了すると、ステージ17を駆動して、未加工の単位走査領域31をビーム走査器13による走査可能な位置に移動させる。この処理を繰り返すことにより、すべての単位走査領域31の加工を行うことができる。
When the processing in one
図4は、実施例によるレーザ加工機を用いたレーザ加工方法のフローチャートである。まず、制御装置20が、実際の加工時のパルス周波数に関する情報を取得する(ステップS1)。以下、実際の加工時のパルス周波数に関する情報の取得方法について説明する。
FIG. 4 is a flowchart of a laser processing method using a laser processing machine according to an embodiment. First, the
加工対象物30の表面に画定された複数の被加工点の位置情報、及び加工順の情報が記憶装置21に記憶されている。加工時には、1つの被加工点にパルスレーザビームを入射させた後、制御装置20がビーム走査器13に目標位置を指令し、次に加工すべき被加工点の位置にレーザビームの入射位置を移動させる。ビーム走査器13が整定した後、制御装置20がレーザ光源10に、パルスレーザビームの出力を指令する。1つの被加工点から次に加工すべき被加工点までの距離が長い場合には、ビーム走査器13が整定するまでの時間が長くなる。このため、パルスレーザビームのパルス間隔が長く(パルス周波数が低く)なる。
The
制御装置20は、レーザ光源10からパルスレーザビームを出力させないで、パルスレーザビームの入射位置が、加工対象物30の複数の被加工点を順番に辿るようにビーム走査器13を動作させる。このとき、すべての被加工点について、ビーム走査器13が整定するまでの時間を計測する。レーザビームの入射位置が、単位走査領域31(図3)内のすべての被加工点を順番に辿った後、パルス周波数に関する情報を取得する。この処理を、すべての単位走査領域31に対して実行する。例えば、パルス周波数に関する情報には、各単位走査領域31の被加工点ごとのビーム走査器13の整定時間、整定後に被加工点にパルスレーザビームを入射させる時間(パルスレーザビームの出力指令から実際にパルスレーザビームが出力されるまでの遅延時間、パルス幅等)が含まれる。
The
ステップS1の後、ステージ17に評価用試料を保持させ、評価用試料の表面を、加工時の加工対象物30の表面の高さに一致させる。制御装置20は、実際の加工時のパルス周波数に関する情報に基づいてパルス周波数を決定する。決定されたパルス周波数でレーザ光源10からパルスレーザビームを出力させて、キャリブレーション用の複数の箇所にパルスレーザビームを入射させる(ステップS2)。レーザパルスの出力時までにビーム走査器13の整定が間に合わない場合には、ビーム走査器13が整定されるまでレーザパルスをビームダンパ15(図1)に入射させる。
After step S1, the evaluation sample is held in the
評価用試料に入射させるパルスレーザビームのパルス周波数は、例えば、ステップS1で取得したすべての単位走査領域31を実際に加工するときのパルス周波数の最大値と最小値との間の周波数とするとよい。例えば、実際の加工時のパルス周波数の平均値、最頻値、中央値等の統計量とするとよい。
The pulse frequency of the pulsed laser beam incident on the evaluation sample may be, for example, a frequency between the maximum value and the minimum value of the pulse frequency when all the
ステップS2の後、制御装置20は、ステージ17を駆動して評価用試料を撮像装置16の画角内に配置し、評価用試料を撮像して画像データを取得する。この画像データを解析することにより、パルスレーザビームの入射位置を検出し、入射位置情報を取得する(ステップS3)。
After step S2, the
ステップS3の後、制御装置20は、ステップS3で取得されたパルスレーザビームの入射位置情報と、ビーム走査器13への目標位置の指令値とに基づいて、ビーム走査器13のキャリブレーションを行う(ステップS4)。キャリブレーション結果を記憶装置21に記憶させる。
After step S3, the
ステップS4の後、加工対象物30をステージ17に保持させ、実際の加工を行う(ステップS5)。すべての加工対象物30の加工が終了するまで、ステップS5を繰り返す(ステップS6)。
After step S4, the object to be machined 30 is held on the
次に、実施例によるレーザ加工機の持つ優れた効果について説明する。
本実施例では、実際の加工時のパルス周波数に基づいて、キャリブレーション時のパルス周波数を決定するため、キャリブレーションの精度を高めることができる。これにより、加工時のレーザビームの入射位置の位置ずれを小さくすることができる。
Next, the excellent effect of the laser processing machine according to the embodiment will be described.
In this embodiment, since the pulse frequency at the time of calibration is determined based on the pulse frequency at the time of actual processing, the accuracy of calibration can be improved. This makes it possible to reduce the positional deviation of the incident position of the laser beam during processing.
次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、ステップS1(図4)において、実際の加工時におけるビーム走査器13の動作に基づいて、加工時のパルス周波数に関する情報を取得した。その他の方法として、加工時のパルス周波数を固定しておき、一定のパルス周波数で加工を行ってもよい。レーザパルスの出力時までにビーム走査器13の整定が間に合わない場合には、ビーム走査器13が整定されるまでの期間に出力されたレーザパルスはビームダンパ15(図1)に入射させる。ステップS2において評価用試料に入射させるパルスレーザビームのパルス周波数は、実際に加工するときの固定されたパルス周波数に一致させるとよい。
Next, a modification of the above embodiment will be described.
In the above embodiment, in step S1 (FIG. 4), information on the pulse frequency at the time of processing was acquired based on the operation of the
また、上記実施例では、加工対象物30内のすべての単位走査領域31(図3)を加工するときのパルス周波数の統計量を、キャリブレーション時のパルス周波数とした。複数の単位走査領域31で被加工点の分布密度に大きな差がある場合には、実際の加工時のパルス周波数の統計量が、単位走査領域31ごとに大きくばらつくことになる。このような場合には、単位走査領域31ごとにビーム走査器13のキャリブレーションを行うとよい。キャリブレーション結果は、単位走査領域31ごとに記憶装置21に記憶させる。単位走査領域31の加工を行う場合には、その単位走査領域31のキャリブレーション結果を用いてビーム走査器13を駆動するとよい。
Further, in the above embodiment, the statistic of the pulse frequency at the time of processing all the unit scanning regions 31 (FIG. 3) in the object to be processed 30 is defined as the pulse frequency at the time of calibration. When there is a large difference in the distribution density of the work points in the plurality of
上記実施例では、加工対象物30の表面を結像点Pi(図2)からずれた位置に配置して加工を行ったが、加工対象物30の表面を結像点Pi(図2)からずらさないで加工を行う場合にも効果が得られる。例えば、結像点Piの位置がずれない場合でも、結像点Piに至る光路が変動すると、光強度の減衰率が変化する場合がある。本実施例による方法でビーム走査器13のキャリブレーションを行うと、パルスレーザビームの光路がほぼ固定されるため、光強度の変動を抑制し、かつキャリブレーション時の位置検出結果の安定性を向上させることができる。
In the above embodiment, the surface of the object to be processed 30 is arranged at a position deviated from the image formation point Pi (FIG. 2) and processed, but the surface of the object to be processed 30 is moved from the image point Pi (FIG. 2). The effect can also be obtained when processing is performed without shifting. For example, even if the position of the image formation point Pi does not shift, the attenuation rate of the light intensity may change if the optical path leading to the image formation point Pi fluctuates. When the
上記実施例及び変形例は例示であり、実施例及び変形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。実施例及び変形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及び変形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及び変形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。 It goes without saying that the above-mentioned Examples and Modifications are examples, and partial replacement or combination of the configurations shown in the Examples and Modifications is possible. Similar effects and effects due to the same configuration of Examples and Modifications will not be mentioned sequentially for each Example and Modification. Furthermore, the present invention is not limited to the above-mentioned examples and modifications. For example, it will be obvious to those skilled in the art that various changes, improvements, combinations, etc. are possible.
10 レーザ光源
10A レーザの出口
11 音響光学素子(AOM)
12 ミラー
13 ビーム走査器
14 集光レンズ
15 ビームダンパ
16 撮像装置
17 ステージ
20 制御装置
21 記憶装置
30 加工対象物
31 単位走査領域
32 被加工点
35 仮想的なレンズ
10 Laser
12
Claims (7)
前記レーザ光源からのパルスレーザビームの出力タイミングを制御する機能、
パルスレーザビームを入射させる目標位置を前記ビーム走査器に指令する機能、及び
実際の加工時のパルス周波数に基づいて前記レーザ光源を制御し、評価用試料のキャリブレーション用の複数の箇所を目標位置として前記ビーム走査器を制御してキャリブレーション用の複数の箇所にパルスレーザビームを入射させ、キャリブレーション用の複数の箇所の目標位置とパルスレーザビームの入射位置とに基づいて前記ビーム走査器のキャリブレーションを行う機能を持つレーザ加工機の制御装置。 A control device that controls a laser processing machine having a beam scanner that moves the incident position of the pulsed laser beam on the surface of the object to be processed by scanning the pulsed laser beam output from the laser light source.
A function for controlling the output timing of a pulsed laser beam from the laser light source,
The function of instructing the beam scanner to indicate the target position for incident the pulsed laser beam, and the control of the laser light source based on the pulse frequency at the time of actual processing, the target position for calibration of the evaluation sample. The beam scanner is controlled so that the pulsed laser beam is incident on a plurality of points for calibration, and the beam scanner is based on the target positions of the plurality of points for calibration and the incident positions of the pulsed laser beam . A control device for a laser processing machine that has a function to perform calibration.
パルスレーザビームの入射後の前記評価用試料の表面を前記撮像装置で撮像して得られた画像データを解析して、パルスレーザビームの入射位置情報を取得する請求項1に記載のレーザ加工機の制御装置。 In addition, it has an image pickup device that captures the surface of the object to be processed.
The laser processing according to claim 1, wherein the surface of the evaluation sample after the incident of the pulsed laser beam is imaged by the image pickup apparatus and the image data obtained is analyzed to acquire the incident position information of the pulsed laser beam. Machine control device.
実際の加工時のパルス周波数に基づいて、パルスレーザビームを出力させながら、評価用試料のキャリブレーション用の複数の箇所を目標位置としてパルスレーザビームを入射させ、
前記目標位置と、実際のパルスレーザビームの入射位置に基づいて、前記ビーム走査器のキャリブレーションを行うレーザ加工方法。 It is a laser processing method in which a pulsed laser beam output from a laser light source is scanned by a beam scanner, and the pulsed laser beam is sequentially incident on a plurality of work points on the surface of the object to be processed to perform processing.
While outputting the pulsed laser beam based on the pulse frequency at the time of actual processing, the pulsed laser beam is incident at multiple points for calibration of the evaluation sample as target positions .
A laser processing method for calibrating the beam scanner based on the target position and the incident position of the actual pulsed laser beam.
前記レーザ光源から出力されたパルスレーザビームを走査することにより、加工対象物の表面におけるパルスレーザビームの入射位置を移動させるビーム走査器と、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の制御装置と
を有するレーザ加工機。
A laser light source that outputs a pulsed laser beam and
A beam scanner that moves the incident position of the pulsed laser beam on the surface of the workpiece by scanning the pulsed laser beam output from the laser light source.
A laser processing machine having the control device according to any one of claims 1 to 4 .
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