JP5731939B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板加工用のレーザ加工装置に関する。

レーザ加工装置でレーザ加工を行うときはスキャンレンズに、レーザビームのエネルギーの１％以下の熱が吸収される。そのため、加工動作でレーザ照射を続けるうちに、スキャンレンズに吸収された熱が蓄積し、スキャンレンズの温度が上昇する。スキャンレンズの温度が上昇すると、屈折率が変化し、加工穴位置精度が低下する。この穴位置のズレは、スキャンレンズの材質や構造によって異なるが、例えば１℃につき１０数μｍ程度認められる。そこで、蓄熱に起因する加工精度の劣化を抑制し、加工精度を安定させるために、実際にワークへのレーザ加工前にレーザビームをスキャンレンズに照射しながら、レーザ加工装置の暖機運転を行い、レーザ加工位置精度の安定を図っている。

しかし、単に断機運転を行っただけでは、十分な加工位置精度を得ることはできない。そこで、例えば、特許文献１には、レーザ発振器から出射されるレーザビームの光軸上に設けられた一群のコリメートレンズと、コリメータレンズ間隔を調整する駆動装置と、ｆθレンズと加工テーブル上に載置されている被加工物とのワークディスタンスを調整するＺ軸スライダと、光学系の代表温度を測定する温度センサを備え、前記温度センサによる測定値に対応してコリメータレンズ間隔とワークディスタンスを調整する技術が開示されている。具体的には、加工に先立ち、ｆθレンズの温度を測定し、ＮＣ制御装置では、ｆθレンズの温度からワークディスタンスの補正量と、加工焦点距離の補正量を計算する。その際、ワークディスタンスは、ｆθレンズの光学特性の変化による加工位置のズレをキャンセルするように調整し、加工焦点がプリント基板表面に合うようにコリメータレンズの間隔を調整するようにしている。

特開２０１０−２７４２６７号公報

特許文献１記載の技術では、レーザ発振条件による集光レンズの温度変化により集光レンズが変形し、ビームを照射する位置がずれ、加工位置精度が不安定になるという問題に対し、光学系の代表温度を測定する温度センサを備え、前記温度センサによる測定値に対応して、コリメータレンズ間隔とワークディスタンスを調整することにより対応していた。しかし、測定温度に応じてコリメータレンズ間隔、スキャンレンズとワークとの間隔を調整する必要があり、補正に伴う作業が非常に煩雑であった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、暖機運転に必要な時間を短縮すると共に、煩雑な作業を伴わずに加工精度を安定させることにある。

前記課題を解決するため、第１の手段は、レーザ発振器から出射されたレーザビームを、加工光学系を介してワークに入射し、ワークをレーザ加工するレーザ加工装置であって、前記加工光学系が、レーザビームをワークに対して垂直に入射・集光させるためのスキャンレンズと、当該スキャンレンズを加熱するための加熱手段であって当該スキャンレンズの外周部に対して近接離間可能に設けられているものと、を備えていることを特徴とする。

第２の手段は、請求項１記載のレーザ加工装置であって、前記加工光学系が、前記スキャンレンズの温度が目標温度に対して低い場合には前記加熱手段を前記スキャンレンズに近接させ、前記スキャンレンズの温度が目標温度に対して高い場合には前記加熱手段を前記スキャンレンズから離間させる駆動手段を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、暖機運転に必要な時間を短縮すると共に、煩雑な作業を伴わずに加工精度を安定させることができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のスキャンレンズ及びその取り付け部の構造を示す横断面図である。 図２におけるＡ−Ａ線端断面で、ヒータの移動機構とその動作を示す。 本発明の実施形態に係る制御を実行する制御システムを示す機能ブロック図である。

本発明は、スキャンレンズを加熱する加熱手段を設け、当該加熱手段の位置及び／又は温度を制御することにより、暖気運転の時間の短縮化を図るようにしたものである。以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。

図１は本実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成の概略を示す図である。
同図において、レーザ加工装置本体のＸＹテーブル２はベッド１上を水平な直交２軸方向のＸ、Ｙ方向に移動可能になるように設けられている。ＸＹテーブル２上には表面に内部の中空部に接続する複数の孔が形成され、中空部を真空源に接続することにより真空吸着機能を持たせたサブテーブル３が固定されている。サブテーブル３上にはワーク４が吸着保持されている。

門型のコラム５はベッド１上に固定されている。このコラム５上部にはレーザ発振器６が設置され、レーザ発振器６から出力されたレーザビーム６ａは、ミラー７によって光路を偏向され、ガルバノスキャナ８により位置決めされる。一方、Ｚ軸駆動ユニット１０によってＺ軸方向に移動可能なＺ軸サドル１９が設けられ、このＺ軸サドル１９上にはｆθレンズ等のスキャンレンズ９及び前述のガルバノスキャナ８等が搭載されている。Ｚ軸駆動サドル１９は、スキャンレンズ９の焦点位置に対して上下方向に移動し、レーザ光を焦点位置に照射させ、ワーク４を加工する。

図２はスキャンレンズ及びその取り付け部の横断面図である。同図において、スキャンレンズ９の外周部には、４分割されたヒータ１１が配置されている。ヒータ１１はガイド付きスプリング１４により最外部の冷却ユニット１２に対して進出後退可能に設けられている。このようにヒータ１１を設けると、図２（ａ）に示すようにヒータ１１をスキャンレンズ９に近づけ、ヒータ１１から放熱される熱をスキャンレンズ９側に伝熱させることができる。この伝熱により、スキャンレンズ９の蓄熱量が上昇し、スキャンレンズ９の温度が上昇する。

このようにヒータ１１を４分割し、それぞれがスキャンレンズ９に対してガイド付きスプリング１４により進出後退可能に設けると、温度を上げたいときにはヒータ１１をスキャンレンズ９に近づけ、温度を維持したい場合には、図２（ｂ）に示すようにヒータ１１をスキャンレンズ９から遠ざける。この構成により、ある加工条件における暖機運転中のスキャンレンズ９の熱平衡状態と同じ温度にすることができる。

また、ヒータ１１の周囲には冷却ユニット１２が設けられ、ヒータ１１の熱を吸収するようになっている。この冷却ユニット１２はヒータ１１により過熱状態となったレンズを冷却するものであり、図２（ｂ）に示すようにヒータ１１がガイド付きスプリング１４によりスキャンレンズ９から遠ざかる方向に最大限移動したときに、ヒータ１１と冷却ユニット１４とが接触し、ヒータ１１を冷却する。ヒータ１１が冷却されると、ヒータ１１の過熱状態による雰囲気温度の上昇に伴うスキャンレンズ９の温度の上昇を防ぐことができる。

図３はヒータの移動機構とその動作を示す図であり、図２におけるＡ−Ａ線端断面である。図３（ａ）はスキャンレンズ９にヒータ１１が近接した状態を示し、図２（ａ）のＡ−Ａ線端断面図に相当し、図３（ｂ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ線端断面図に相当する。本実施形態では、ヒータ１１はガイド付きスプリング１４により常時スキャンレンズ９側に弾性力を付与されており、ヒータ１１を断熱部材１３の移動によりスキャンレンズ９に対して近接、離間させるようになっている。

すなわち、ヒータ１１は冷却ユニット１２に取り付けられたガイド付きスプリング１４のガイドによって水平方向に、ガイドに沿って可動に支持されている。冷却ユニット１２はスキャンレンズ９に対して外側に設けられた取り付け板１５に取り付けられ、その取り付け板１５の外側にはさらにシリンダ１６が取り付けられている。シリンダ１６は図において下側に伸縮するロッド１７を備え、ロッド１７の先端（下端）には、断熱部材１３の支持板１８が取り付けられている。断熱部材１３は支持板１８の上面で支持されており、ロッド１７の伸縮動作に応じて断熱部材１３は下降、上昇動作を行う。

ヒータ１１の下面１１ａはスキャンレンズ９から遠い側がより下側で、近い側が上側になるような傾斜面（断面楔形）に形成されている。他方、図３から分かるように断熱部材１３の上面１３ａは、スキャンレンズ９から遠い側がより下側で、近い側が上側になるような傾斜面（断面楔形）に形成され、前記下面１１ａと上面１３ａは互いに平行となる傾斜角となっている。そして、ヒータ１１がスキャンレンズ９に最も近接した位置にあるときに、断熱材１３はヒータ１１の真下に位置し、前記下面１１ａと上面１３ａは所定量離れている。断熱部材１３は平面視でスキャンレンズ９の周囲を囲むように配置されている。本実施形態では、スキャンレンズ９の外形に合わせて平面視ドーナツ状の形状となっている。

このように構成すると、スキャンレンズ９を加熱する場合には、図３（ａ）に示すようにシリンダ１６によってロッド１７を伸長させて断熱材１３をヒータ１１から離れた状態にする。そして、スキャンレンズ９の過熱状態を解消する場合には、ロッド１７を収縮させる。言い換えればロッド１７を引き上げる。これにより、断熱部材１３が上方に移動し、断熱部材１３の傾斜した上面１３ａがヒータの同じ傾斜角で傾斜した下面１１ａに突き当たり、ヒータ１１を押し上げる。この押し上げ動作により、ヒータ１１は斜面１１ａに生じる水平分力によって冷却ユニット１２側に水平に移動する。そして、水平移動が完了したところで、断熱部材１３はヒータ１１の側面に沿って上昇し、ヒータ１１とスキャンレンズ９との間に位置する。

この位置に断熱部材１３が位置すると、ヒータ１１からの放射熱は断熱部材１３によって遮蔽され、スキャンレンズ９側には伝達されない。この状態は、図２（ｂ）に示す状態であり、ヒータ１１の外側の平面状の側面１１ｂは冷却ユニット１２の平面状の内面に接触し、ヒータ１１の熱を吸熱してヒータ１１を冷却する。断熱部材１３と冷却ユニット１２はこのような機能を有することから、断熱部材１３としては、例えばセラミックスあるいは樹脂系の断熱材が好適である。また、断熱部材１３を断熱位置（図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示す位置）に位置させたとき、ヒータ１１がさめるまでに断熱部材１３自身がヒータ１１によって暖められてしまうと、所望の断熱効果を得ることができない場合があるので、断熱部材１３の熱容量は大きいものが望ましい。

さらに、冷却ユニット１２は、ヒータ１１をスキャンレンズ９から離した位置に移動させ、あるいは断熱部材１３を間に挿入して直接ヒータ１１の熱がスキャンレンズ９に伝達されないようにしたとしても、ヒータ１１の放熱が完了するまでに、スキャンレンズ９に熱的な影響を与える可能性がある。そこで、冷却ユニット１２は、ヒータ１１の余熱を速やかに移行させるため、例えばアルミニウム材を使用したヒートシンク、あるいはアルミニウム材に冷却水を通したヒートシンクなどが使用される。

このように本実施形態では、図３（ｂ）に示すようにシリンダ１６により断熱部材１３が上方に移動すると、ヒータ１１及び断熱部材１３の互いの傾斜面１１ａ，１３ａにより、ヒータ１１はガイド付きスプリング１４の弾発力に抗してスキャンレンズ９から遠ざかる方向へ後退する。この状態になると、スキャンレンズ９とヒータ１１との間に断熱部材１３が介在する構成となるので、ヒータ１１が過熱状態にあっても、その熱はスキャンレズ９に直接伝わることはない。そのため、スキャンレンズ９の不要な温度上昇を防止することができる。また、ワーク４に対するレーザ加工終了時に断熱部材１３を下げて、ヒータ１１をスキャンレンズ９に接するようにすると、加工待機中においても、スキャンレンズ９の温度を一定に保つことができる。なお、スキャンレンズ９の温度を一定に保持する場合、必要に応じて断熱部材１３の昇降動作を繰り返し、スキャンレンズ９側に供給される熱量を制御すればよい。

なお、本実施形態では、断熱部材１３の昇降動作をシリンダ１６によって作動するロッド１７の伸縮動作に連動させ、さらに断熱部材１３の昇降動作をヒータ１１の近接離間動作に連動させているが、断熱部材１３とヒータ１１の移動をそれぞれ別のアクチュエータを使用して独立して駆動し、ヒータ１１のスキャンレンズ９に対する近接離間動作と、断熱部材１３の下降上昇動作を連動させることも可能である。この場合には、断熱部材１３によってヒータ１１を駆動する必要がないので、ヒータ１１及び断熱部材１３に必ずしも斜面１１ａ，１３ａを設ける必要なない。

また、ヒータ１のスキャンレンズ９に対する近接離間動作に用いるアクチュエータはモータ、シリンダ（油圧、空気圧）等通常の設計的な範囲で考えられるようなものであればどのようなものでも適用可能である。また、断熱部材１３の上昇下降動作に関しても同様のものが適用可能である。

さらに、本実施形態では、断熱部材１３及び断熱部材１３を駆動するシリンダ１６を設け、あるいは、ヒータ１１の駆動にガイド付きスプリング１４を使用しているが、これらを省略し、ヒータ１１とヒータ１１のスキャンレンズ９に対する近接離間動作のみ実行可能な駆動機構を設けることもできる。この場合、ヒータ１１の近接離間動作、あるいはヒータ１１のオンオフ動作とヒータ１１の近接離間動作を組み合わせてスキャンレンズ９の温度制御を行うことが可能である。

なお、本実施形態では、ヒータ１１はスキャンレンズ９の側面に対向して配置されているが、スキャンレンズ９は一般に複数枚のレンズを組み合わせて構成され、ホルダに支持されているので、ヒータ１１は直接的にはスキャンレンズ９のホルダを加熱し、スキャンレンズ９はホルダを介して間接的に加熱されることになる。これにより、温度分布にムラが少なくなり、スキャンレンズ９の加熱状態としてはより好ましい状態となる。また、ヒータ１１の構成として、銅ブロックの背面側（冷却ユニット１２側）にヒータを形成するようにすれば、よりスキャンレンズ９の加熱が均一にでき、冷却速度も早くなり、この実施形態においてもスキャンレンズ９の加熱状態としてはより好ましい状態となる。

さらに、前述のようにヒータ１１のオンオフ動作を行う場合、ヒータ１１のオンオフのタイミングを設定する必要があるが、その場合に、スキャンレンズ９の温度を検出し、その検出結果をオンオフの動作にフィードバックして行うことが好ましい。そこで、温度検出をスキャンレンズ９のホルダの内部あるいは外周部に設けた温度センサ１１０（図４参照）によって行うようにするとよい。本実施形態では、ホルダもスキャンレンズ９の外周形状と相似であることから１個所の温度検出点で平均的な温度計測が可能である。しかし、スキャンレンズ９の形状によっては温度検出点を複数設け、複数個所で検出した温度の平均値をとるようにすることもできる。

ヒータ１１のフィードバック制御は、例えば、レーザ加工装置の暖機運転時のスキャンレンズ９の熱平衡温度とスキャンレンズ９の測定温度とが同じ温度になるように行われ、そのために図４に示す制御装置１００が設けられている。図４は本実施形態に係る制御を実行する制御システムを示す機能ブロック図である。この制御装置１００はヒータ温度だけではなく、前述のシリンダ９のロッド７の駆動も制御し、ひいては断熱部材１３による伝熱状態も制御する。すなわち、制御装置１００は、目標温度に対して温度センサ１１０測定温度が低い場合はヒータ電源をオンにしてヒータ１１をスキャンレンズ９に近づけ、目標温度に対して測定温度が高い場合はヒータ１１の電源をオフしてヒータ１１をスキャンレンズから遠ざける。そのため、制御装置１００は、目標温度を加工条件毎にテーブル化して記憶するメモリ１０１を備え、ヒータ１１の加熱制御の場合には、目標温度をメモリ１０１から読み出し、前記温度センサ１１０によって計測された温度と比較し、その比較結果に基づいてヒータ１１の温度制御、あるいはこれに加えてシリンダ６の駆動制御を実行する。

なお、シリンダ６の駆動は当該シリンダ（アクチュエータ）６を駆動するドライバ１２０に制御装置１００から制御信号を送信することにより行われ、ヒータ１１のＯＮ／ＯＦＦ制御もヒータドライバ１３０に送られる制御装置１００からの制御信号に基づいて実行される。

加工条件とは、主にレーザ加工条件のことで、レーザの周波数、パルス幅、ショット数などである。このように様々なレーザ加工条件における暖気運転時のスキャンレンズ９の温度上昇特性（経時変化特性）をメモリ１０１にテーブル化して記憶しておき、テーブルを参照してフィードバック制御を行うことにより、様々な加工条件下での加工精度の安定性を確保することができる。また、暖気運転時のスキャンレンズ９の温度上昇の履歴をメモリ１０１に記憶しておき、暖気運転なしでスキャンレンズ９が熱平衡温度に達して安定するまで、そのときの温度、レーザ照射の繰り返し回数に応じて、スキャンレンズ９の温度計測の都度、そのときの温度に応じて発生しているレーザ光の光軸のズレを補正するように制御することも可能である。このように制御することによっても、加工精度の安定化に寄与することができる。

なお、制御装置１００は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備え、ＣＰＵはＲＯＭに格納されているプログラムコードを読み出し、ＲＡＭに展開し、当該ＲＡＭをワークエリア及びデータバッファとして使用しながらプログラムコードで定義されたプログラムに基づく制御を実行する。なお、目標温度を加工条件毎に記憶するメモリ１０１として前記ＲＡＭを使用することもできるし、別途、設けた記憶装置を使用することもできる。

以上のように、本実施形態によれば、ヒータ１１と冷却ユニット１２によりスキャンレンズ９の加熱とヒータ１１の冷却が迅速に行われ、暖機運転の時間を短縮し、あるいは無くすことができる。また、温度センサによって測定した温度に基づいてヒータ１１の加熱制御を行うことができるので、スキャンレンズ９の温度を所定の温度に保持することが可能となる。その結果、スキャンレンズ９の温度変化による屈折率の変化を生じさせることなく、安定した加工精度を確保することができる。

さらに、本発明は前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。前記実施形態は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。

４ ワーク
６ レーザ発振器
６ａ レーザビーム
７ ミラー
８ ガルバノスキャナ
９ スキャンレンズ
１１ ヒータ
１２ 冷却ユニット
１３ 断熱部材
１６ シリンダ
１７ ロッド
１８ 支持板
１００ 制御装置
１０１ メモリ
１１０ 温度センサ

Claims (2)

1. レーザ発振器から出射されたレーザビームを、加工光学系を介してワークに入射し、ワークをレーザ加工するレーザ加工装置であって、前記加工光学系が、レーザビームをワークに対して垂直に入射・集光させるためのスキャンレンズと、当該スキャンレンズを加熱するための加熱手段であって当該スキャンレンズの外周部に対して近接離間可能に設けられているものと、を備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１記載のレーザ加工装置であって、
   前記加工光学系が、前記スキャンレンズの温度が目標温度に対して低い場合には前記加熱手段を前記スキャンレンズに近接させ、前記スキャンレンズの温度が目標温度に対して高い場合には前記加熱手段を前記スキャンレンズから離間させる駆動手段を備えていることを特徴とするレーザ加工装置。

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