JP2004322149A - レーザ加工装置およびその制御方法と生産設備 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント基板用レーザ加工装置などのレーザ加工装置およびその制御方法と生産設備における加工精度の高精度化を実現するレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ光を出力するレーザ発振器８と、前記レーザ光を被加工物の設定された部位に導くレーザ光位置決め手段と、前記レーザ光位置決め手段を制御する制御部２を備え、前記被加工物の加工状態を検出する検出部１１を設け、前記検出部からの信号を前記制御部に入力し、前記制御部でレーザ加工による加工部位の分布の中心位置と設定された位置とのズレを算出し、前記ズレに基づいてレーザ光の加工位置を示すデータを補正することにより、加工精度の高精度化を図る。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工装置およびその制御方法と生産設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型・軽量化が求められているが、これを実現するために多層プリント基板の層間接続回路であるＩＶＨ（インナー・バイア・ホール）による電子部品の高密度実装が進んでいる。これは１枚の多層プリント基板に形成されるＩＶＨの穴数増加、小径化、高密度化することになり、これに対応するためにはプリント基板用レーザ加工装置の穴加工精度を高精度化する必要があり、特にレーザ光の位置決めに用いるガルバノ装置の高精度化が求められている。
【０００３】
図１３にプリント基板用レーザ加工機の概要を示す。制御装置１０１は、レーザ発振器１０２、ガルバノ装置１０４、加工テーブル１０６の制御を行う。レーザ発振器１０２は、加工用のレーザ光１０３を出力する。ガルバノ装置１０４は、２軸のモータに取付けられたミラーによって、レーザ光１０３の位置決めを行う。ｆθレンズ１０５は、レーザ光１０３を集光する。カメラ１０７は、プリント基板１０８上の位置決めマークや位置補正用の加工穴の位置検出を行う。加工テーブル１０６は、加工するプリント基板１０８を搭載し、位置決めを行う。プリント基板用レーザ加工機の動作について説明する。レーザ発振器１０２から出力されたレーザ光１０３は、ガルバノ装置１０４で位置決めを行い、集光レンズ１０５によって集光され、プリント基板１０８の所定の位置に照射され、穴加工を行う。
【０００４】
図１２に従来のプリント基板用レーザ加工装置の構成を示す。入力部１には、加工プログラム、加工条件、パラメータなどが外部から入力される。制御部２は、レーザ制御部４、加工テーブル制御部５、ガルバノ制御部６、歪み補正部７で構成される。主制御部３では入力部１からプログラム、加工条件、パラメータが入力され、これらのデータを解析し、レーザ制御部４、加工テーブル制御部５、ガルバノ制御部６にそれぞれ動作指令を出力する。レーザ制御部４には主制御部３からレーザ出力指令が入力されると、レーザ発振部８にレーザ出力指令信号を出力する。また主制御部３にレーザ発振部８のレーザ出力状態などのステータス情報などを出力する。レーザ発振部８は、レーザ制御部４からレーザ出力指令信号が入力されると、レーザ出力信号に従い、レーザ光を出力する。またレーザ制御部４にレーザ出力モニタ信号などを出力する。加工テーブル制御部５には指令速度などの制御パラメータや加工テーブル位置指令が主制御部３から入力されると、位置制御を行い、モータ駆動指令信号を加工テーブル部９に出力する。またモータの位置情報などを主制御部３に出力する。加工テーブル部９は、加工テーブル制御部５からモータ駆動指令信号が入力されると、モータ駆動指令信号に従い、モータを駆動する。また、モータの位置検出信号を加工テーブル制御部５に出力する。歪み補正部７には、主制御部３から歪み補正データとガルバノ位置指令が入力されると、その位置指令に対する歪み補正を行った後、補正後の位置指令をガルバノ制御部６に出力する。ガルバノ制御部６には、指令速度などの制御パラメータが主制御部３から入力される。歪み補正後のガルバノ移動指令が歪み補正部７から入力されると、位置制御を行い、ガルバノ駆動指令信号をガルバノスキャナ部１０に出力する。また、位置情報などを主制御部３に出力する。ガルバノスキャナ部１０では、ガルバノ制御部６からガルバノ駆動指令信号が入力されると、ガルバノ駆動指令信号に従い、ガルバノモータを駆動する。またガルバノモータの位置検出信号をガルバノ制御部６に出力する。位置検出部１１は、主制御部３から位置検出指令が入力されると、加工穴の位置検出を行い、検出結果を主制御部３に出力する。主制御部３では、位置検出部１１の検出位置から加工穴のずれ量を算出し、歪み補正データを作成し、歪み補正部７に出力する。
【０００５】
プリント基板用レーザ加工装置の動作であるが、入力部１からプログラム、加工条件、パラメータを入力すると、主制御部３で加工テーブル位置指令を作成し、加工テーブル制御部５に出力し、加工テーブル部８を目標位置に位置制御を行う。加工テーブル部８の位置決め完了後、主制御部３はガルバノ位置指令を作成し、歪み補正部７に出力する。歪み補正部７では、ガルバノ位置指令の歪み補正を行った後、歪み補正後のガルバノ位置指令をガルバノ制御部６に出力する。ガルバノ制御部６では、ガルバノスキャナ部１０を目標位置に位置制御を行う。ガルバノスキャナ部１０の位置決め完了後、主制御部３は、レーザ出力指令を作成し、レーザ制御部４に出力し、レーザ発振部８からレーザ光を出射する。これらを繰返すことにより、加工ワーク全体に穴加工を行う。
【０００６】
プリント基板用レーザ加工装置では、加工穴の位置精度として±２０μｍ以内が求められる。そこで値から換算すると、ガルバノ装置の加工精度は±１０μｍ以内が必要となる。そこでこの±１０μｍがガルバノ装置の規定精度となる。加工精度がプリント基板では規定の精度を入らない加工穴が１点でもあると、その穴で形成される回路が不良となるため、基板全体が不良となる。そのため、ガルバノ装置ではすべての加工穴において規定精度を確保する必要がある。
【０００７】
ガルバノ装置とｆθレンズを組合わせてレーザ光の位置決めを行う場合、加工平面上で幾何学的な歪みが発生する。そのため高精度な位置決めを行うためには、これらの歪みを補正した位置指令でガルバノ装置を位置制御する必要がある。また、ガルバノ装置の加工位置にもシフト及び伸縮の位置ずれが発生するため、この位置ずれも補正する必要がある。ガルバノ装置では、これらの補正データを予め作成し、ガルバノ駆動時にこの補正データで位置指令を補正した後、ガルバノスキャナを駆動する。
【０００８】
これらの補正データの作成方法としては、目標位置と実際の加工穴の位置ずれ具合から補正データを算出する方法などがある。この補正方法は、幾何学的歪み及びガルバノ装置自身の位置ずれも補正することができるが、測定する加工穴数が多いため補正データの作成に時間を要する。しかし、幾何学的な歪みはほとんど変動がなく、ガルバノ装置の位置ずれのみが常時発生するため、ガルバノ装置の位置ずれを一定周期で補正するようにしても実用上問題ない。そこでガルバノ装置の位置ずれを補正する方法として、ガルバノ原点位置の加工穴のずれ量と最外周の加工穴の位置ずれ量から、シフト量と伸縮率を算出し、そのシフト量と伸縮率で歪み補正データを補正する方法（例えば特許文献１参照）などがある。
【０００９】
以上のようにして、レーザ光をプログラム通りに所定の位置に高精度に位置決めすることができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−７１０８７号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
さて、ガルバノ装置の位置ずれには、シフトずれが大きい。これはガルバノ装置の検出位置センサの変動による位置決め位置のずれと、加工装置のカメラとガルバノ装置との相対位置の変化による位置ずれが含まれるからである。そこでシフトずれの補正が重要となる。
【００１２】
しかしガルバノ原点位置の加工穴の位置検出の繰返し精度は、ガルバノ装置、カメラ、加工テーブル、加工形状などの繰返し精度に影響されるため、±２μｍ程度のとなる。そのため、ガルバノ原点位置の加工穴のみの位置ずれ量からシフト量を求めると、この繰返し精度分だけ、全体の加工穴に位置ずれが生じる。また、ガルバノ原点位置とｆθレンズ中心位置の位置合わせにはずれがあるため、ガルバノ原点位置の加工穴のずれ量が加工穴の精度分布の中心と一致しない。そのため、ガルバノ原点位置の加工穴のずれ量から歪み補正データのシフト量の補正を行っても、すべての加工穴が規定の精度に入らない場合がある。
【００１３】
本発明は上記課題を解決し、高精度加工を行うことができるレーザ加工装置およびその制御方法と生産設備を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のレーザ加工装置は、レーザ光を出力するレーザ発振器と、前記レーザ光を被加工物の設定された部位に導くレーザ光位置決め手段と、前記レーザ光位置決め手段を制御する制御部を備え、前記被加工物の加工状態を検出する検出部を設け、前記検出部からの信号を前記制御部に入力し、前記制御部でレーザ加工による加工部位の分布の中心位置と設定された位置とのズレを算出し、前記ズレに基づいてレーザ光の加工位置を示すデータを補正する構成である。
【００１５】
また、本発明のレーザ加工装置の制御方法では、設定されたデータに基づいてレーザ光を被加工物の設定された部位に導くステップと、被加工物の加工部位の位置を検出するステップと、設定された部位と実際の加工位置との位置ズレ量を算出するステップと、位置ズレ量が許容範囲内か判定するステップと、許容範囲内の各位置ズレ量から位置ズレ量の中心値を算出するステップと、前記算出した中心値と設定された部位との位置ズレを補正値として算出するステップと、前記補正値に基づいて設定されたデータを補正するステップを有する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について図１から図１１を用いて説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態におけるガルバノ装置の構成図である。図１のガルバノ装置の構成は、図１２の従来のガルバノ装置の構成にシフト量算出部１２を追加したものである。シフト量算出部１２には、主制御部３から検出方法及びずれ量の許容範囲などのパラメータが入力される。位置検出部１１から加工穴の検出位置が入力されると、検出位置からずれ量を算出し、そのずれ量からシフト量を算出し、シフト量を歪み補正部７に出力する。次にシフト量算出部１２のシフト量計算処理について説明する。
【００１８】
図２に加工穴の精度分布図を示す。レーザ加工を行い、その加工穴の加工位置を位置検出部１１で検出し、指令位置との位置ずれ量を算出し、その位置ずれ量の分布をプロットしたものである。ここではガルバノ加工範囲と同じ５０ｍｍ角で５ｍｍ間隔の格子加工を行い、１２１点の加工穴の位置ずれ量をプロットしている。図２の分布では、位置ずれ量が規定精度の±１０μｍを越えている加工穴があるため、歪み補正データを補正する必要がある。図２においてガルバノ加工エリアの原点位置で加工した原点穴の位置ずれは、（−１．４μｍ、１．２μｍ）であり、分布の中心からずれている。この原点穴の位置ずれ量をシフト補正量として歪み補正データを補正する場合について述べる。ガルバノ装置の最小制御単位が１μｍのため、シフト量は１μｍ刻みとなる。そこでシフト量としては、（１μｍ、−１μｍ）となり、この値を歪み補正部７の歪み補正データに加算する。
【００１９】
図３に、図２と同じ条件で再度位置ずれ量を測定した時の精度分布を示す。実際に再度加工を行った場合、ガルバノ装置の繰返し精度などのためにまったく同じ分布形状にはならないが、ここでは分かりやすくするために図２の位置ずれ分布をシフト量だけずらしている。図３の加工穴の精度分布では、原点穴の位置ずれはほぼゼロになっているが、位置ずれ量が±１０μｍを越えている加工穴があるため、規定精度を確保できていない。再度に同じ方法で補正を行っても、位置ずれ量が±１０μｍ以内にはならない。そこで、図２の加工穴の精度分布において、位置ずれ量の各軸方向の最大値と最小値の中間位置は（−６．１μｍ、１．１μｍ）である。この位置ずれ量をシフト補正量として歪み補正データを補正すると、シフト量は（６μｍ、−１μｍ）になる。図４に中間位置をシフト量として補正した後の位置ずれ加工穴の精度分布を示す。図４の加工穴の精度分布では、すべての加工穴の位置ずれ量は±１０μｍ以内に入っており、中間位置をシフト量として歪み補正データを補正することでガルバノ装置の規定精度を確保し、加工装置を高精度化することができる。
【００２０】
次に図５に数点の加工穴だけ大きな位置ずれがある場合の加工穴の精度分布図を示す。図５の数点の大きな位置ずれ量は、位置検出器１１で不正な位置検出を行った場合である。加工穴の位置検出方法に画像認識を用いた場合、加工穴にゴミなどの異物が重なったり、被加工物のキズと加工穴が重なったりすると、正しく位置検出が行えない。図５の加工穴の精度分布において、位置ずれ量の各軸方向の最大値と最小値の中間位置は（３．８μｍ、３．３μｍ）である。この位置ずれ量をシフト補正量として歪み補正データを補正すると、シフト量は（−４μｍ、−３μｍ）になる。図６にこの中間位置をシフト量として補正した後の囲う穴の精度分布を示す。図５の大きな位置ずれを示す加工穴は、ゴミやキズなどによって発生したものであるため再現性がなく、再度穴加工して測定を行うと、同じような大きな位置ずれ量を示すことはない。そのため図６の加工穴の精度分布では、大きな位置ずれ量はなくなっている。しかし図５の大きな位置ずれ量から求めた中間位置でシフト量を算出して補正したため、図５より精度分布は悪化しており、±１０μｍの規定精度を確保できていない。
【００２１】
そこで、図５の加工穴の精度分布において、位置ずれ量が許容範囲外の場合、この位置ずれデータは位置検出で不正検出したものとして削除した後、中間位置を算出するようにする。許容範囲外の位置ずれ穴の削除方法は、平均位置からの一定距離以上のデータを許容範囲外としたり、位置ずれ量の標準偏差を計算しその標準偏差の大きいものを省く方法などがある。図７に図５から位置ずれ量の大きな点を除いたときの加工穴の精度分布を示す。図７の加工穴の精度分布において、位置ずれ量の各軸方向の最大値と最小値の中間位置は（−６．０μｍ、５．４μｍ）である。この位置ずれ量をシフト補正量として歪み補正データを補正すると、シフト量は（６μｍ、−５μｍ）になる。図８にこの中間位置をシフト量として補正した後の加工穴の精度分布を示す。図８の加工穴の精度分布では、すべての加工穴の位置ずれ量は±１０μｍ以内に入っており、許容範囲外の位置ずれを除いた後、中間位置をシフト量として歪み補正データを補正することでガルバノ装置の規定精度を確保し、加工装置を高精度化することができる。
【００２２】
図９に図５の加工穴の精度分布で、平均位置を算出した場合を示す。図９では、ほぼ分布の塊の中央あたりに平均位置がある。これは位置ずれの測定点が１２１点あるため、４点大きな位置ずれ量があっても平均化されるためである。図９の精度分布において、位置ずれ量の平均位置は（−５．７μｍ、＋３．８μｍ）である。この位置ずれ量をシフト補正量として歪み補正データを補正すると、シフト量は（６μｍ、−４μｍ）になる。図１０にこの平均位置をシフト量として補正した後の加工穴の精度分布を示す。図１０の加工穴の精度分布では、すべての加工穴の位置ずれ量は±１０μｍ以内に入っており、許容範囲外の位置ずれを除かなくても、平均位置をシフト量として歪み補正データを補正することでガルバノ装置の規定精度を確保し、加工装置を高精度化することができる。特に精度分布がまばらで、許容範囲外の位置ずれ穴を区別しにくいような場合、平均位置をシフト量として用いれば、最適に歪み補正データを補正することができる。また平均位置をシフト量とする場合でも、許容範囲外の位置ずれを除いた後に平均位置を求める方が、より高精度に補正することができる。
【００２３】
次にガルバノ装置の動作について説明する。穴加工時の動作は従来の装置と同様である。シフト量の算出動作について説明する。図１１にフローチャートを示す。
【００２４】
スタートすると、ステップ１では、シフト量算出部１２に主制御部３からパラメータとして、算出方法などが入力される。ステップ２では、加工穴位置の測定が行われる。ステップ３では、測定した穴位置とテーブルの座標位置から加工穴のずれ量を算出する。ステップ４では、測定する穴が終了か判定する。測定穴がまだある場合、ステップ２に戻る。測定穴が終了した場合、ステップ５に進む。ステップ５では、位置すれ量が許容範囲内か判定する。許容範囲内の場合、ステップ６に進む。許容範囲外の場合、ステップ７に進む。ステップ６では、位置ずれ量を保存する。ステップ７では、データ終了を判定する。データが終了の場合、ステップ８に進む。データがまだある場合、ステップ５に戻る。ステップ８では、あらかじめ設定されたシフト量算出方法で、シフト量を計算する。ステップ９では、算出したシフト量が許容範囲内であるか判定する。許容範囲内の場合、スッテプ１０でシフト量をひずみ補正部に出力する。許容範囲外の場合、ステップ１０でアラームを主制御部に出力し、終了となる。
【００２５】
なお、上記のように算出したシフト量を使って歪み補正データを補正するだけでなくシフト量を使って加工テーブルの位置指令を補正しても、同様に位置ずれのシフト分の補正が行える。また精度分布の状態に合せて中間位置と平均位置との最適な方を選択できるようにすれば、最適なシフト量で歪み補正データを補正できるため、ガルバノ装置の規定精度を確実に確保し、加工装置を高精度化することができる
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、加工穴の分布の中心位置からレーザ光の加工位置を補正するため、高精度なレーザ加工を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるレーザ加工装置の構成図
【図２】補正前における加工穴の精度分布図
【図３】従来の技術による補正後の加工穴の精度分布図
【図４】本発明における中間位置補正後の加工穴の精度分布図
【図５】補正前に検出不良穴がある場合での加工穴の精度分布図
【図６】図５の中間位置で補正した加工穴の精度分布図
【図７】補正前に検出不良穴を除いた場合での加工穴の精度分布図
【図８】補正前に検出不良穴を除いた中間位置で補正後の加工穴の精度分布図
【図９】補正前の平均位置における加工穴の精度分布図
【図１０】本発明における平均位置で補正後の加工穴の精度分布図
【図１１】補正動作のフローチャート
【図１２】従来のレーザ加工装置の構成図
【図１３】レーザ加工装置の概略図
【符号の説明】
１ プログラム入力部
２ 制御装置
３ 主制御部
４ レーザ制御部
５ 加工テーブル制御部
６ ガルバノ制御部
７ 歪み補正部
８ レーザ発振部
９ 加工テーブル部
１０ ガルバノスキャナ部
１１ 位置検出部
１２ シフト量算出部
１０１ 制御装置
１０２ レーザ発振器
１０３ レーザ光
１０５ ｆθレンズ
１０６ 加工テーブル
１０７ カメラ
１０５ レーザ光
１０６ 集光レンズ
１０８ プリント基板

Claims (13)

1. レーザ光を出力するレーザ発振器と、前記レーザ光を被加工物の設定された部位に導くレーザ光位置決め手段と、前記レーザ光位置決め手段を制御する制御部を備え、前記被加工物の加工状態を検出する検出部を設け、前記検出部からの信号を前記制御部に入力し、前記制御部でレーザ加工による加工部位の分布の中心位置と設定された位置とのズレを算出し、前記ズレに基づいてレーザ光の加工位置を示すデータを補正するレーザ加工装置。
2. レーザ光位置決め手段として、被加工物を載置し、被加工物の位置決めを行うテーブルを設け、前記テーブルを制御部で制御する請求項１記載のレーザ加工装置。
3. レーザ位置決め手段として、レーザ発振器から被加工物に至るレーザ光路上に配置したスキャナミラーを設け、前記スキャナミラーを制御部で制御する請求項１記載のレーザ加工装置。
4. レーザ位置決め手段として、被加工物を載置し、被加工物の位置決めを行うテーブルと、レーザ発振器から被加工物に至るレーザ光路上に配置したスキャナミラーを設け、前記テーブルとスキャナミラーを制御部で制御する請求項１記載のレーザ加工装置。
5. レーザ光を出力するレーザ発振器と、前記レーザ発振器の駆動を制御するレーザ制御部と、被加工物を載置して被加工物の位置決めを行うテーブルと、前記テーブルの駆動を制御するテーブル制御部と、前記レーザ発振器から前記被加工物に至るレーザ光路上に配置したスキャナミラーと、前記スキャナミラーの駆動を制御するスキャナミラー制御部と、前記被加工物の加工部位を示すデータを入力する入力部と、前記入力部の信号を入力し、レーザ制御部とテーブル制御部とスキャナミラー制御部を制御する主制御部を備え、前記被加工物の加工状態を検出する検出部と、前記検出部からの信号を入力してレーザ加工による加工部位の分布の中心位置と設定された位置とのズレを算出するシフト量算出部を設け、前記ズレを前記主制御部に入力し、レーザ光の加工位置を示すデータを補正するレーザ加工装置。
6. 中心位置を算出する加工部位の分布として、特定範囲を定め、前記特定範囲以外の加工部位を計算に用いない請求項１から５の何れかに記載のレーザ加工装置。
7. 直行する座標における各軸での位置ズレ量の最大値と最小値の中間位置をそれぞれ求め、この点を中心位置とした請求項１から６の何れかに記載のレーザ加工装置。
8. 加工部位の分布の平均位置を中心位置とした請求項１から６の何れかに記載のレーザ加工装置。
9. 直行する座標における各軸での位置ズレ量の最大値と最小値の中間位置をそれぞれ求め、この点を中心位置とするか、または、加工部位の分布の平均位置を中心位置とした請求項１から６の何れかに記載のレーザ加工装置。
10. 設定されたデータに基づいてレーザ光を被加工物の設定された部位に導くステップと、被加工物の加工部位の位置を検出するステップと、設定された部位と実際の加工位置との位置ズレ量を算出するステップと、位置ズレ量が許容範囲内か判定するステップと、許容範囲内の各位置ズレ量から位置ズレ量の中心値を算出するステップと、前記算出した中心値と設定された部位との位置ズレを補正値として算出するステップと、前記補正値に基づいて設定されたデータを補正するステップを有するレーザ加工装置の制御方法。
11. 中心値を算出するステップとして、直行する座標における各軸での位置ズレ量の最大値と最小値の中間値をそれぞれ求める請求項１０記載のレーザ加工装置の制御方法。
12. 中心値を算出するステップとして、加工部位の分布の平均位置を求める請求項１０記載のレーザ加工装置の制御方法。
13. 請求項１から９の何れかに記載のレーザ加工装置を配置し、被加工物を前記レーザ加工装置に供給する供給手段と、加工後の被加工物を処理する処理手段を設けた生産設備。

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