CN1190047A - 激光加工装置及激光加工方法 - Google Patents

Abstract

薄片状被加工物的激光加工装置和激光加工方法,用固定侧夹持装置和可动侧夹持装置保持薄片状被加工物的两端,用施力驱动缸对可动侧夹持装置施加远离固定侧夹持装置方向的力以保持被加工物,用激光进行打孔加工。因为片状被加工物加有张力地被保持,故即使是很薄的薄片也能保持平面性,又因为下方空间是敞开的,故打的孔贯穿后激光无反射,加工产生的残渣也能方便地除去。

Description

激光加工装置及激光加工方法

本发明涉及利用激光对电路基片之类片状被加工物进行微孔的打孔加工等激光加工的激光加工装置及激光加工方法。

图1示出了作为传统技术的激光加工装置中的片状被加工物保持装置的结构。该激光加工装置130将片状被加工物131保持在规定位置进行激光加工。

在图1中，设于保持台133上的吸附板134上设有通孔134a，通过从真空排气口135进行真空排气，放置于吸附板134上的片状被加工物131被真空吸附保持在规定位置。对被保持在该规定位置的被加工物131进行激光照射，实施微小孔的打孔加工。

此外，如图2所示，作为对金属板之类薄片状被加工物表面进行高速高精度加工的装置，已知有一种将被加工物定位后对该被加工物表面照射激光进行加工的CO₂激光加工装置。该种激光加工装置如图2所示，用剑山42托住被加工物41下侧面的多个部位，利用该被加工物41的自重使其处于平坦状态，再从被加工物41的上侧面照射激光43进行激光加工。

但是，在图1所示的传统例子中，当利用激光在被加工物131上进行打孔加工时，因在被加工物131上开孔而贯穿的激光会被吸附板134反射，所以，反射光会加热被加工物131使其变形。电路基片材料等较薄易发生热变形，为了防止其热变形，在吸附板134的与被加工物131的打孔加工位置对应的位置，预先开设有防止反射用的通孔。然而，因为该防止反射用的通孔位置因加工的被加工物131的种类而异，故存在难于适应多品种加工的问题。若加大上述防止反射用的通孔，虽然可以适应加工位置的变化，但是，当被加工物131较薄时，会产生吸引引起的变形，存在加工精度下降的问题。另外，因为对被加工物131进行真空吸引，故会吸引加工后的残滓，产生残滓堵塞在吸气通道部分的问题。

另外，图2所示的传统例子，是利用激光加工在多层基片用的薄树脂片及金属片上穿设通路电极用通孔时使用的，但存在如下的问题。即，因为树脂片之类的薄片形状稳定性差、易卷曲，故若将上述传统方法应用于该种薄片，则存在在薄片中央一带会留下较大的弯曲起伏，其表面高度变化会超过激光加工距离的适当允许范围，不能高精度加工的问题。

本发明的目的在于，提供一种能解决当利用现有的激光加工技术在片状被加工物上打孔时所产生的问题，以及当将薄片作为被加工物进行激光加工时所产生问题的激光加工装置及激光加工方法。

为了达到上述目的，本发明的对片状被加工物照射激光进行打孔加工的激光加工装置，其特征在于，具有分别保持所述被加工物的相对两端部的至少1对夹持装置，以及在该对夹持装置之间施加使其相对远离方向的作用力以对所述被加工物施加张力的张力附加装置。

为了达到上述目的，本发明的对片状被加工物照射激光进行打孔加工的激光加工方法，其特征在于，边在使所述被加工物的相对两端部相对远离的方向施加作用力以对所述被加工物施加张力，边进行激光加工。

若采用上述的激光加工装置及激光加工方法，因为利用一对夹持装置，片状被加工物以相对的两端部被保持，在被保持的两端部之间施加有张力，所以不必用吸附板保持或用真空吸附片状被加工物的加工部分的背面，即能保持一定的平面状态。因此，被加工物的激光加工面能以腾空的状态支承，所以，因开孔而贯穿的激光不会被吸附板反射，不会因反射光而发生加热变形，也不会发生采用真空吸附的保持结构时成为问题的加工产生的残滓堵塞吸气流道等的问题，可持续进行稳定的加工。

另外，为了达到上述目的，本发明激光加工装置的特征在于，具有：对薄片状被加工物施加张力的夹持装置；可吸附、脱开地吸附支承薄片状被加工物一区分部分周边的至少2处侧边部、以使所述区分部分能保持由所述张力保持的平面状态的吸附装置；对薄片状被加工物的由所述吸附装置吸附支承的区分部分进行激光加工的激光照射装置；使薄片状被加工物相对该激光照射装置和所述吸附装置移动、以便能依次对薄片状被加工物的各区分部分进行激光加工的移动装置。

此外，为了达到上述目的，本发明的对薄片状被加工物照射激光以进行激光加工的激光加工方法，其特征在于，边对薄片状被加工物施加张力，边吸附支承薄片状被加工物一区分部分周边的的至少2处侧边部、以使所述一区分部分能保持由所述张力保持的平面状态地进行该区分部分的激光加工，并依次改变区分部分重复进行这样的激光加工。

若采用上述本发明的激光加工装置及激光加工方法，因为夹持装置张设薄片状被加工物，且薄片状被加工物的一区分部分周边部的至少2处侧边部在被拉伸的状态下由吸附装置吸附支承，故在该区分部分内，能纠正薄片状被加工物表面的挠曲，使其变平坦，因此，能利用激光照射装置高精度地加工各区分部分。并且，因为移动装置将薄片状被加工物分成多个区分部分并将各区分部分依次导入吸附装置的吸附部分内，所以，即使对于又薄面积又大的薄片状被加工物，也能高精度地进行激光加工。

为了达到上述目的，本发明的对薄片照射激光进行激光加工的激光加工方法，其特征在于，当对薄片施加张力使薄片呈平面状态地进行激光加工时，预先算出因张力伸长的薄片当张力消除时弹性复位导致位移的加工点的位移量，作为修正值输入控制数据，据此进行激光加工。

若采用上述本发明的激光加工方法，对形状稳定性低的薄片状被加工物施加张力以确保平面状态，同时预先算出因张力延伸的被加工物在加工后不再受到张力时弹性复位收缩导致的激光加工点的位移量，再根据该值修正加工点数据，从而能进一步提高加工精度，能可靠地在所希望的加工点进行开孔及其他加工。

图1是示出传统技术的激光加工装置结构的剖视图；

图2是示出传统例子的概略立体图；

图3是示出本发明第1实施形态中的激光加工装置结构的立体图；

图4是示出图3所示装置结构的主视图；

图5是示出适应图3所示装置中的被加工物尺寸变化的结构的主视图；

图6是示出图3所示装置的被加工物保持结构变形例的局部主视图；

图7是示出本发明第2实施形态中的激光加工装置结构的立体图；

图8是示出本发明第3实施形态中的激光加工装置结构的主视图；

图9是示出图8所示激光加工装置的吸附装置的主视图；

图10是图8所示装置的仰视图；

图11是示出该激光加工装置的吸附装置整体结构的主视图；

图12是本发明第4实施形态中的激光加工装置的概略构成图。

以下参照附图说明本发明的一实施形态。又，以下所示的实施形态是本发明具体化之一例，并非是对本发明技术范围的限定。

图3是示出本发明第1实施形态涉及的激光加工装置结构的立体图，图4是该装置的主视图。另外，图示省略了激光照射部分的结构。作为激光加工对象的片状被加工物是树脂或金属片构成的电路基片。在本实施形态下，作为被加工物，尤其是以芳酰胺环氧树脂制成的薄片为对象。

在图3中，激光加工装置101是作为对片状被加工物的电路基片102穿设微小通孔的加工装置设置的，对保持于一定位置的电路基片102照射激光束118进行打孔加工。电路基片102的两端被握持在固定于底板105上的固定侧夹持装置103与装载在安装于底板105上的导轨111上的可动侧夹持装置104之间，被保持在一定的加工位置。在上述可动侧夹持装置104上，由施力驱动缸106施加远离固定侧夹持装置103方向的作用力，所以，被握持两端的电路基片102受到张力，以平面状态被保持。对于该电路基片102的保持结构，参照图4进行详细说明。

在图4中，在固定侧夹持装置103和可动侧夹持装置104的上部分别设有夹持动作臂107，并利用各自的装卸驱动缸109可进行启闭动作。利用装卸驱动缸109使夹持动作臂107呈开启状态后，将电路基片102的两端部放置于固定侧夹持装置103的夹持块108和可动侧夹持装置104的夹持块110之间，然后用装卸驱动缸109分别关闭夹持动作臂107，将电路基片102的两端部夹持。

上述可动侧夹持装置104装载在安装于底板105上的导轨111上，并由与夹持块110连接的施力驱动缸106对其施加远离固定侧夹持装置103方向的作用力。通过固定侧夹持装置103及可动侧夹持装置104的各夹持动作臂107将电路基片102保持之后，若驱动上述施力驱动缸106，可动侧夹持装置104即在导轨111之上被推向远离固定侧夹持装置103的方向，其保持着的电路基片102即受到张力。该施力驱动缸106产生的作用力仅使电路基片102的两端部被支承、且其张力大小只要使中央部不会呈挠曲状态即可，即使是容易产生挠曲的片状电路基片102，尤其是该电路基片102是由薄片构成时，也能保持一定的平面状态。

对这样两端被保持、以一定张力处于保持平面状态下的片状电路基片102的一定加工位置照射激光束，能正确实施微小孔的打孔加工。即使在用激光使开孔部分贯穿了时，因为其下部是很大的空间，所以，透过通孔的激光的反射不会影响到电路基片102，不会因反射光发生加热变形。此外，加工产生的残滓仅留在电路基片102下方，将其随时除去，也不会产生残滓引起的问题。

图5是上述例子的变形例，上述例子是当片状电路基片102有一定外形尺寸时的结构，但如图5所示，通过将可动侧夹持装置104装载在保持宽度调整单元112之上，使其也能适应电路基片102外形尺寸的变化。上述保持宽度调整单元112可以包括固定在底板105之上的导轨112a、能在该导轨112a上滑动移动的滑块112b及在设定位置固定该滑块112b的固定装置(未图示)，若将可动侧夹持装置104装载在上述滑块112b之上，则可调整可动侧夹持装置104的位置使其符合被加工的电路基片102的尺寸。在该结构中，施力驱动缸106设置成向拉引可动侧夹持装置104的方向施加作用力的结构，避免配置在电路基片102的下方空间内，所以，对容易积存激光加工产生的加工残滓的电路基片102的下方空间，能方便地进行清扫作业。

另外，图6是示出用夹持动作臂107和夹持块108夹持片状电路基片102的夹持面结构变形例的局部主视图。因为电路基片102的两端施加有张力，故必须确切地保持位置以使夹持位置不发生错位。如该图所示，通过在夹持块108上设置凹部113，与该凹部113相对地在夹持动作臂107上设置凸起部114，能加强电路基片102的夹持力。该图示出了固定侧夹持装置103的结构，可动侧夹持装置104的结构也相同。

还有，图7是示出适应大尺寸片状被加工物用的第2实施形态涉及的激光加工装置120结构的立体图。与第1实施形态结构相同的要素标上相同的符号，省略对其的说明。

除了第1实施形态的结构之外，激光加工装置120还设有保持片状电路基片102a的未被夹持的周边部分的真空吸附部115、116，所以，能稳定保持大尺寸的电路基片102a，且能容易地进行加工位置的设定。对于由薄树脂片或金属片形成的大尺寸电路基片102a，当仅保持其两端地施加张力会发生变形时，利用该结构，能保持稳定的平面性。此外，进行对加工位置定位的设定时，利用真空吸附部115、116能暂时保持运入的电路基片102a，设定作业能容易地进行。

在以上说明过的结构中，作为被加工物是以电路基片为对象的，但也可以应用于其他薄片状被加工物的激光加工。此外，当被加工物是非矩形的变形形状时，也可以设置多对的固定侧夹持装置103和可动侧夹持装置104。

图8-图10示出了本发明第3实施形态中的激光加工装置。该实施形态涉及用激光对用于电气产品的多层基片等的树脂制薄片表面进行加工的激光加工装置。

如图8-图11所示，该激光加工装置包括对薄片1施加张力的夹持装置5，可吸附、脱开地吸附支承薄片1的一区分部分1a的周边部分使其利用所述张力维持平面状态的吸附装置8，对薄片1的由所述吸附装置8吸附支承的区分部分1a进行激光加工的激光照射装置4，以及使薄片相对该激光照射装置4和所述吸附装置8作移动、从而使薄片1的各区分部分1a被依次进行激光加工的移动装置6、7。

薄片之一例是厚度约为0.2mm-0.3mm、大小约为30cm×60cm的柔软性的大片树脂制成的薄片。区分部分1a的大小限制在约50mm×50mm，以使其在该范围内，与聚光的激光3的聚光点大小及形状一致。

激光照射装置4包括激光光学***20及与该激光光学***20同步地发出脉冲状激光3的激光振荡器21，激光光学***20具有将激光3聚光的聚光透镜22和将激光3的聚光点定位于薄片1的加工点A的电流计式扫描器(galvanoscanner)23。

夹持装置5包括副工作台24、固定于该副工作台24并夹持薄片1的一条边的固定侧夹持装置25及夹持与所述一条边相对的一条边的可动侧夹持装置26，该可动侧夹持装置26由弹簧27施加作用力以使薄片1受到X方向的张力，从而将薄片1水平架设。

X工作台6及Y工作台7是使上述副工作台24移动而能在X、Y方向定位用的，将薄片1分割成多个区分部分1a，假如一个区分部分1a的加工结束，就将下一个区分部分1a导入吸附装置8的吸附部分内并定位。

如图8-图10所示，吸附装置8具有在面对薄片1的框状端面11a设有吸引口12a且内设有相互连通的多条管道12的框状部件11，以及与上述管道12的基端侧12b连接、吸引空气的吸引部件13。该框状部件11以不会妨碍激光3的距离包围薄片1各区分部分1a的周围，能将薄片1吸附于其端面。

吸引部件13包括与框状部件11的基端侧12b连接的软管14及经过切换阀17和过滤器16与该软管14连接的真空泵15。在切换阀17上连接有吸入压缩空气的压缩机19构成的排出部件18，该切换阀17对吸引部件13和排出部件18二者择一地经软管14与管道12连通。

框状部件11之一例，是有约6cm×6cm矩形开口的四角框状，在约1cm宽度的端面11a上，以约1cm的间距设有多个直径1mm的吸引口12a作为管道12，使所有管道12在框状部件11内部连通，并集中到设于框状部件11外侧部的两个开口部，将之作为所有管道12的基端侧12b。利用吸引部件13从所有吸引口12a吸入空气，将薄片1吸附在其端面11a，或者，利用排出部件18从所有吸引口12a吹出空气，将被吸入该管道12的加工碎屑及残留在薄片1的吸附面上的加工碎屑吹出除去。

另外，如图8、图11所示，在该框状部件11的一侧内壁面设有吹出口31，在与该内壁面相对的内壁面上并列设有空气吸入口32，由于与吹出口31的基端侧连接的未图示的空气吹出部件及与吸入口32的基端侧连接的未图示的空气吸入部件的作用，形成从吹出口31流向吸入口32的压缩空气的强气流B，激光加工产生的碎屑被从薄片1上除去并被集尘。另外，在框状部件11与聚光透镜22之间，第2吹出口33与第2吸入口34隔着扫描的激光光路相互相对地并列设置，由于与第2吹出口33的基端侧连接的未图示的空气吹出部件及与第2吸入口34的基端侧连接的未图示的空气吸入部件的作用，形成从第2吹出口33流向第2吸入口34的压缩空气的强气流C，激光加工中产生的加工碎屑不会附着在激光光学***20上，被排除、集尘。

此外，尤其在作为被加工物，以芳酰胺环氧树脂之类的树脂构成的薄片为对象时，在加工时会发生被激光加热而熔融的液滴状的树脂屑，若该树脂屑向周围飞散附着在周围部件上并冷却凝固，则要除去就很难，因此，产生后必须迅速进行集尘。所以，在本实施形态下，如图11所示，在隔着薄片1与吸附装置8相对的位置，设有下部框状部件51，利用向下连接在该框状部件51上的集尘管57，使得因自重而下落的较大的加工碎屑被迅速集尘。再有，在下部框状部件51上，在一个内壁面上设有吹出口53，在与该内壁面相对的内壁面上并列设有吸入口55，由与吹出口53的基端侧连接的未图示的空气吹出部件及与吸入口的基端侧连接的未图示的空气吸入部件的作用，形成从吹出口53流向吸入口55的强大压缩空气流D，因激光加工而在薄片1下侧产生的细小加工碎屑在瞬间内被排除。

又，当作为被加工物是以金属片为对象时，仅依靠设于薄片1上部的框状部件11的吹出口31、吸入口32及第2吹出口33和第2吸入口34，即能获得所希望的集尘作用，故并不需要另外设置上述的下部框状部件51。

如图8所示，定位部件9包括保持框状部件11使其可相对薄片1的面作垂直移动的直线导轨35，设于框状部件11外侧部并与凸轮从动件14抵靠的偏心凸轮36，以及驱动该偏心凸轮36的伺服电机37，使框状部件11与薄片1之间可靠进行接触及分离。当进行激光加工时，将吸附着薄片1的端面11a定位于激光3的加工距离。此外，在其离开位置，利用X工作台6和Y工作台7使薄片1移动时，利用X工作台6和Y工作台7使薄片1高速移动，以免在离开位置，薄片1被框状部件11损伤。

以下说明采用上述构成对薄片1进行的激光加工方法。

首先，利用夹持装置5将薄片1水平张设，用X工作台6和Y工作台7使薄片1沿X、Y方向移动，将某一区分部分1a定位于框状部件11的下方。利用定位部件9使框状部件11的端面11a定位于激光3的加工距离，使吸引部件13位于吸引侧，将薄片1吸附固定于该端面11a。接着，电扫描器23在定位后的区分部分1a内使激光光学***20的聚光点高速定位并静止于所希望的加工点A，与此同步，从激光振荡器21振荡出脉冲状的激光3，在瞬间内将该加工点A穿孔，并立刻进入下一加工点A的加工动作。

若薄片1的一区分部分1a的加工结束，定位部件9就使框状部件11离开薄片1的吸附面，X工作台6和Y工作台7使薄片1沿X、Y方向移动并定位，切换阀进行切换，利用排出部件18将吸入管道12的加工碎屑及残留在薄片1的吸附面上的加工碎屑吹去，开始进入下一区分部分1a的加工。这样，能利用激光3对又薄面积又大的薄片1的所希望的加工点A，进行高精度的微小孔加工。

在上述实施形态中，作为薄片1使用了树脂片材，但本发明并不受此限，也可以使用极薄的金属箔、纸类或树脂或者贴合了金属箔、纸类或树脂的复合片材。

另外，在上述实施形态中，利用脉冲状的激光3对薄片1进行加工，但本发明并不受此限，也可以设定各种激光强度及振荡形式，进行焊接、刻图像(画像焼け)等的各种激光加工。

以下对图12所示本发明第4实施形态予以说明。图12仅示出该实施形态下激光加工装置的主要部分，其他部件与上述第1-第3实施形态相同，省略图示及说明。

在上述实施形态中，当被加工物使用树脂片时，因为是有弹性的材料，故若向两端施加相互分离方向的作用力即会伸长，在该状态下加工后，一旦张力消除弹性变形复原，加工点会有稍许位移。因此，在本实施形态下，对利用张力附加装置来保证平面状态的薄片进行加工时，根据预先获得的数据算出因上述伸长产生的位移量，来修正加工点数据，这样可进一步提高加工精度。

即，当对长度为L、宽度为W、厚度为T的薄片体附加张力F时，若树脂的弹性拉伸模量为E，则最大拉伸量λ可用下式表示：

λ＝L·F/A·E    (A＝W·T)

具体是，例如对长度L＝510mm、宽度W＝340mm、厚度T＝0.13mm的薄片沿长度方向P向薄片的两端施加使其相互分离方向的张力F＝13.5kgf时，因为弹性拉伸模量E＝1153kgf/mm²，所以求得长度方向P的最大拉伸量λ＝0.135mm。另外，此时薄片宽度方向Q的最大缩短量ρ也可以同样求得。

将如上所述求得的最大拉伸量λ和最大缩短量ρ作为修正值加入CAD数据65，变换器63即将此作为系数算出位移后的加工点位置，变换成实际的加工点数据，电流控制器61再根据来自变换器63的控制值控制各电流计29x、29y。在图12中，28x、28y分别是X轴、Y轴的电流计式反射镜，各反射镜分别由X轴、Y轴用电流计29x、29y驱动。

在如上所述的本实施形态中，不仅利用张力附加装置和吸附装置使薄片保持平面状态，而且预先算出张力引起伸长导致的薄片上加工点的位移量来修正加工点数据，因此，能可靠地在所希望的加工点进行激光加工，能进一步提高加工精度。

Claims (13)

1.一种对片状被加工物照射激光进行打孔加工的激光加工装置，其特征在于，具有分别保持所述被加工物的相对两端部的至少1对夹持装置，以及在该对夹持装置之间施加使其相对远离方向的作用力以对所述被加工物施加张力的张力附加装置。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述张力附加装置的构成为，相对被固定的一侧的夹持装置，对可自由移动地设置的另一侧夹持装置施加使其远离所述被固定夹持装置方向的作用力。

3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述夹持装置的握持被加工物用的两相对夹持面中的一个面形成有凸起部，另一个面形成有凹部。

4.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，还设有吸附保持被加工物的未被夹持装置保持的周边部分的吸附保持部件。

5.一种对片状被加工物照射激光进行打孔加工的激光加工方法，其特征在于，边对所述被加工物的相对两端部施加相对远离方向的作用力以对所述被加工物施加张力，边进行激光加工。

6.一种对薄片照射激光来进行激光加工的激光加工装置，其特征在于，具有：对薄片施加张力的夹持装置；可吸附、脱开地吸附支承薄片的一区分部分周边部的至少2处侧边部、以使所述区分部分能保持由所述张力保持的平面状态的吸附装置；对薄片的由所述吸附装置吸附支承的区分部分进行激光加工的激光照射装置；使薄片相对该激光照射装置和所述吸附装置移动、以便能依次激光加工薄片的各区分部分的移动装置。

7.根据权利要求6所述的激光加工装置，其特征在于，所述吸附装置具有框状部件和吸引部件，所述框状部件的与所述薄片相对的框状端面设有吸引口，并内设有相互连通的多条管道，所述吸引部件与所述管道的基端侧连接来吸引空气。

8.根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，所述吸附装置具有连接在框状部件的管道的基端侧与吸引部件之间的切换阀，以及与该切换阀连接来向该阀送入空气的排出部件，所述切换阀使所述吸引部件和所述排出部件二者择一地与所述管道相连通。

9.根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，还设有使框状部件相对薄片状被加工物可在垂直方向移动并定位的定位部件。

10.根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，还设有在框状部件一侧内壁面所设的吹出口，与该吹出口相对地设于另一侧内壁面的吸入口，与所述吹出口的基端侧连接的空气吹出部件，与所述吸入口的基端侧连接的空气吸入部件。

11.根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，还设有隔着框状部件与激光光学***之间的激光光路相互相对地并列设置的吹出口和吸入口，与所述吹出口的基端侧连接的空气吹出部件，与所述吸入口的基端侧连接的空气吸入部件。

12.一种对薄片照射激光以进行激光加工的激光加工方法，其特征在于，边对薄片施加张力，边吸附支承薄片一区分部分周边的的至少2处侧边部、以使所述区分部分能保持由所述张力保持的平面状态，并依次改变区分部分后重复进行这种对区分部分进行的激光加工。

13.根据权利要求5或12所述的激光加工方法，其特征在于，当边施加张力以使薄片呈平面状态边对薄片照射激光以进行激光加工时，预先算出因张力而伸长的薄片当张力消除时弹性复位导致位移的加工点的位移量，并作为修正值输入控制数据，据此进行激光加工。

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