JP5907819B2 - レンズユニットおよびレーザ加工装置 - Google Patents
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Description
最近では、このレーザ加工装置は、従来のドリルなどの工法に替わる微細且つ高速でフレキシブルな加工方法として、多層プリント基板や精密電子部品などの穴あけ製造工程に用いられている。
一般にfθレンズは、光学レンズと光学レンズを保持する鏡筒とを備えているので、従来のレーザ加工装置において、fθレンズの横面に温度検出器が設けられているとは、鏡筒の側面部分に温度検出器が設けられていることである。
図1は、本発明の実施の形態1に係わるレーザ加工装置の全体構成図である。
図1に示すように、本実施の形態のレーザ加工装置100は、レーザ発振器1と、レーザ発振器1から水平方向に出力されたレーザビーム2を水平面内で偏向させる第1のガルバノミラー3aと、第1のガルバノミラー3aで偏向されたレーザビーム2を、更に垂直面内で偏向する第2のガルバノミラー3bと、第1のガルバノミラー3aを駆動する第1のガルバノスキャナー4aと、第2のガルバノミラー3bを駆動する第2のガルバノスキャナー4bと、第2のガルバノミラー3bで偏向されたレーザビーム2が入射され、且つこの入射されたレーザビーム2を被加工対象物(ワークと記す)6上に向かってほぼ垂直に集光照射するfθレンズ5と、ワーク6を載置し水平面内で移動動作するXYテーブル7と、第1,第2のガルバノスキャナー4a,4bを駆動させるガルバノドライバー8と、レーザ発振器1とガルバノドライバー8とXYテーブル7とを制御する制御装置9とを備えている。
また、本実施の形態のレーザ加工装置100では、fθレンズ5には温度検出器(図示せず)が設けられており、温度検出器と制御装置9とは信号線10で接続されている。そして、温度検出器から入力される温度信号に基づき制御装置9が、ガルバノドライバー8を制御することにより第1,第2のガルバノスキャナー4a,4bを制御する。
図2(a)に示すように、本実施の形態のfθレンズに用いられるレンズユニット20は、所定の間隔をあけて2段に配置された第1の光学レンズ11aと第2の光学レンズ11bと、第2の光学レンズ11bに対して所定の間隔をあけて配置され且つ光学レンズを保護するレーザ光透明な保護ウィンドウ12と、第1,第2の光学レンズ11a,11bと保護ウィンドウ12とを保持する鏡筒13と、第1の光学レンズ11aのレーザビームが入射される側の表面に設けられた2個の温度検出器14とを備えている。
この後、第1の光学レンズ11aと第2の光学レンズ11bと保護ウィンドウ12との全体を総称して、光学系部品群と記す。
すなわち、レーザビーム入射部に第1の光学レンズ11aが配置され、レーザビーム出射部に保護ウィンドウ12が配置されている。
そこで、本実施の形態のレンズユニット20をfθレンズとして用いた場合、図2(b)に示すように、2個の温度検出器14は、第1の光学レンズ11aの、正方形または長方形であるレーザビーム照射領域15と円形の外周部との間にある、レーザビーム非照射部分16に設けられる。
また、レーザビーム照射領域15の一方の対向する2辺と直交する方向が、第2のガルバノミラー3bを偏向させる方向と一致しており、レーザビーム照射領域15の他方の対向する2辺と直交する方向が、第1のガルバノミラー3aを偏向させる方向と一致している。
また、本実施の形態のレンズユニット20では、2枚の光学レンズが用いられているが、1枚の光学レンズであっても良く、3枚以上の光学レンズを用い、所定の間隔をあけて多段に配置されていても良い。
また、保護ウィンドウ12の両面は平面である。鏡筒13は、1個の部材で形成されているが、複数個の部材を組み合わせて形成しても良い。
本実施の形態では、第1の光学レンズ11aの平均温度を求める信号を測定するのに、2個の温度検出器14が用いられているが、2個以上の温度検出器14を第1の光学レンズ11aのレーザビーム非照射部分16に設けても良い。
そして、制御装置9が、2個の温度検出器14から入力された温度信号に基づき、第1の光学レンズ11aの温度上昇の平均値を求める。
さらに、制御装置9が、光学レンズ11aの温度上昇の平均値に基づき、ガルバノドライバー8を制御することにより、第1,第2のガルバノスキャナー4a,4bを制御する。
まず、初期データとして、第1の光学レンズ11aの平均の温度上昇がΔtaの場合に発生するレーザビームの集光点位置のズレから求めた、各加工点の、X方向の補正量データΔX(X,Y,Δta)とY方向の補正量データΔY(X,Y,Δta)とを、制御装置9に保持する。
次に、制御装置9に予め保持された加工点の補正量データを用い、Δta=ΔTaの場合のX方向の補正量データΔX(X,Y,ΔTa)とY方向の補正量データΔY(X,Y,ΔTa)とを算出する。
同時に、補正前の位置ズレしたレーザビーム集光点のY方向の位置Ysを、Y方向の補正量データΔY(X,Y,ΔTa)で修正し、レーザビーム集光点のY方向の位置が下記(2)式で示されるYrとなるようにする。
Xr=Xs+ΔX(X,Y,ΔTa) (1)
Yr=Ys+ΔY(X,Y,ΔTa) (2)
本実施の形態のレーザ加工装置は、高エネルギーのレーザ出力での加工でもレーザビーム集光点位置のズレを補正できるので、高精度なレーザ加工が可能である。
また、本実施の形態では、第1の光学レンズ11aのレーザビーム非照射部分16に設ける温度検出器14を2個以上として、これら複数の温度検出器14からの温度信号を制御装置9に入力して得られた平均温度に基づき制御装置9が、第1,第2のガルバノスキャナー4a,4bを制御することにより補正しても良い。
本実施の形態では、レーザビームを偏向させる機構として、ガルバノミラーを偏向させているが、レーザビームを偏向させる機構であれば、これに限定されない。
図3は、本発明の実施の形態2に係わるレーザ加工装置のfθレンズに用いられるレンズユニットの側面断面模式図(a)と、レーザビームが入射される側の上面模式図(b)とである。
図3に示すように、本実施の形態のfθレンズに用いられるレンズユニット30は、第1の光学レンズ11aのレーザビームが入射される側の表面に温度検出器が4個設けられている以外、実施の形態1のレンズユニット20と同様である。
そして、図3(b)に示すように、温度検出器は、第1の光学レンズ11aにおける直交する2本の直径の両端部の各々に、設置されている。
そして、D1と平行な方向が、第1のガルバノミラーを偏向させる方向と一致しており、D2と平行な方向が、第2のガルバノミラーを偏向させる方向と一致している。
特に、4個の温度検出器が、第1の光学レンズ11aのレーザビーム非照射部分16に設置されているので、第1の光学レンズ11aの平均の温度上昇値のばらつきが小さく、温度上昇の測定精度を、さらに向上できる。
本実施の形態のレーザ加工装置は、fθレンズ5に、レンズユニット30を用いたものであり、fθレンズ5の第1の光学レンズ11aが、高エネルギーなレーザビームを瞬間的に吸収(例えば、msecオーダ)した場合の、第1の光学レンズ11aの温度上昇を、第1,第2,第3,第4の温度検出器14a,14b,14c,14dで測定し、これらの温度信号が制御装置9に入力される。
また、制御装置9は、入力された第1の温度検出器14aの温度信号と第2の温度検出器14bの温度信号とから、第1の光学レンズ11aのD1方向の温度分布を求め、入力された第3の温度検出器14cの温度信号と第4の温度検出器14dの温度信号とから、第1の光学レンズ11aのD2方向の温度分布を求める。
まず、初期データとして、第1の光学レンズ11aの平均の温度上昇がΔtaの場合に発生するレーザビームの集光点位置のズレから求めた、各加工点の、X方向の補正量データΔX(X,Y,Δta)とY方向の補正量データΔY(X,Y,Δta)とを、制御装置9に保持する。
また、第1の温度検出器14aと第2の温度検出器14bでの測定温度から第1の光学レンズ11aにおけるX方向の温度分布ΔTxを求め、第3の温度検出器14cと第4の温度検出器14dでの測定温度から第1の光学レンズ11aにおけるY方向の温度分布ΔTyを求める。
また、Δtx=ΔTxの場合のX方向の補正量データΔXx(X,Y,ΔTx)とY方向の補正量データΔYx(X,Y,ΔTx)とを算出する。
また、Δty=ΔTyの場合のX方向の補正量データΔXy(X,Y,ΔTy)とY方向の補正量データΔYy(X,Y,ΔTy)とを算出する。
同時に、補正前の位置ズレしたレーザビーム集光点のY方向の位置Ysを、Y方向の補正量データ、ΔY(X,Y,ΔTa)とΔYx(X,Y,ΔTx)とΔYy(X,Y,ΔTy)とで修正し、レーザビーム集光点のY方向の位置が下記(4)式で示されるYrとなるようにする。
Xr=Xs+ΔX(X,Y,ΔTa)+ΔXx(X,Y,ΔTx)+ΔXy(X,Y,ΔTy) (3)
Yr=Ys+ΔY(X,Y,ΔTa)+ΔYx(X,Y,ΔTx)+ΔYy(X,Y,ΔTy) (4)
本実施の形態のレーザ加工装置は、高エネルギーのレーザ出力での加工でも、レーザビーム集光点位置のズレをさらに精度よく補正できるので、より高精度なレーザ加工が可能である。
本実施の形態では、レンズユニット30の第1の光学レンズ11aに4個の温度検出器が設けられているが、第1の光学レンズ11aにおける直径の両端部、すなわち対称位置に各1個の、合計2個の温度検出器を設けただけでも良い。
また、レーザビームを偏向させる機構として、ガルバノミラーを偏向させているが、ビームを偏向させる機構であれば、これに限定されない。
図4は、本発明の実施の形態3に係わるレーザ加工装置のfθレンズに用いられるレンズユニットの側面断面模式図(a)と、この側面断面模式図におけるA−A断面の模式図(b)とである。
図4に示すように、本実施の形態のfθレンズに用いられるレンズユニット40は、2個の温度検出器14が第2の光学レンズ11bのレーザビームが入射される側の表面に設けられている以外、実施の形態1のレンズユニット20と同様である。
そして、図4(b)に示すように、温度検出器14は、第2の光学レンズ11bの直径の両端部の各々に、設置されている。
そこで、2個の温度検出器14は、第2の光学レンズ11bの面における、レーザビーム照射領域25と円形の外周部との間にあるレーザビーム非照射部分26に設けられる。
また、レーザビーム照射領域25における、一方の対向する2辺と直交する方向が、第2のガルバノミラー3bを偏向させる方向と一致しており、他方の対向する2辺と直交する方向が、第1のガルバノミラー3aを偏向させる方向と一致している。
また、2個の温度検出器14が用いられているので、温度が上昇した第2の光学レンズ11bの平均温度を求める信号を測定できる。
本実施の形態では、第2の光学レンズ11bの平均温度を求める信号を測定するのに、2個の温度検出器14が用いられているが、2個以上の温度検出器14を第2の光学レンズ11bのレーザビーム非照射部分26に設けても良い。
本実施の形態のレーザ加工装置では、fθレンズ5における第2の光学レンズ11bの、高エネルギーなレーザビームの瞬間的な吸収(例えば、msecオーダ)による温度上昇を、第2の光学レンズ11bに設置された2個の温度検出器14で測定し、測定された2個の温度検出器14からの温度信号が制御装置9に入力される。
さらに、制御装置9が、第2の光学レンズ11bの温度上昇の平均値に基づき、ガルバノドライバー8を制御することにより、第1,第2のガルバノスキャナー4a,4bを制御する。
実際には、温度データから予測される位置ズレを加味し、所望位置に照射されるよう、補正量データで修正された狙い位置を制御装置からガルバノドライバーへと出力し、ガルバノドライバーからガルバノスキャナーに指示することにより行われる。
本実施の形態のレーザ加工装置は、高エネルギーのレーザ出力での加工でも、レーザビーム集光点位置のズレを精度よく補正できるので、高精度なレーザ加工が可能である。
また、本実施の形態では、第2の光学レンズ11bのレーザビーム非照射部分26に設ける温度検出器14を2個以上として、これら複数の温度検出器14からの温度信号を制御装置9に入力して得られた平均温度に基づき制御装置9が、第1,第2のガルバノスキャナー4a,4bを制御することにより補正しても良い。
本実施の形態のfθレンズに用いられるレンズユニット40では、温度検出器14を、第2の光学レンズ11bに設けているが、外気に接触しない光学レンズの面に設けるのであれば、どの光学レンズに設けても良い。
また、温度検出器14を、保護ウィンドウ12のレーザビーム出射面の反対側の面におけるレーザビーム非照射部分に設けても良い。
図5は、本発明の実施の形態4に係わるレーザ加工装置のfθレンズに用いられるレンズユニットの側面断面模式図(a)と、この側面断面模式図におけるA−A断面の模式図(b)とである。
そして、図5(b)に示すように、温度検出器は、第2の光学レンズ11bにおける直交する2本の直径の両端部の各々に、設置されている。
そこで、第2の光学レンズ11bにおける、各温度検出器14a,14b,14c,14dの設置位置は、レーザビーム照射領域25と円形の外周部との間にある4箇所のレーザビーム非照射部分26である。
また、D1と平行な方向が、第1のガルバノミラーを偏向させる方向と一致しており、D2と平行な方向が、第2のガルバノミラーを偏向させる方向と一致している。
また、第2の光学レンズ11bの温度検出器設置面は、外気に接触する面でないので、加工時に発生する粉塵の影響を受けない。
それと、レンズユニット50における、D1の方向をワークのX方向と一致させ、D2の方向をワークのY方向と一致させている。
そして、制御装置9は、4個の温度検出器の温度信号から、第2の光学レンズ11bの温度上昇の平均値を求める。
また、第1の温度検出器14aと第2の温度検出器14bとの温度信号から、第2の光学レンズ11bの、D1方向の温度分布を求め、第3の温度検出器14cと第4の温度検出器14dとの温度信号から、D2方向の温度分布を求める。
同時に、レーザビームによる、光学系部品群の、ワークのX方向と同方向の温度分布とワークのY方向と同方向の温度分布とにともなう屈折率変化に起因する、レーザビーム集光点位置のズレを、第2の光学レンズ11bの、D1方向の温度分布データとD2方向の温度分布データとに基づき第1,第2のガルバノスキャナー4a,4bを制御することにより補正する。
本実施の形態のレーザ加工装置は、高エネルギーのレーザ出力での加工でも、レーザビーム集光点位置のズレをさらに精度よく補正できるので、より高精度なレーザ加工が可能である。
本実施の形態のfθレンズに用いられるレンズユニット50では、4個の温度検出器14a,14b,14c,14dを、第2の光学レンズ11bに設けているが、外気に接触しない光学レンズの面に設けるのであれば、どの光学レンズに設けても良い。
本実施の形態では、レンズユニット50の第2の光学レンズ11bには4個の温度検出器が設けられているが、第2の光学レンズ11bにおける直径の両端部、すなわち対称位置に各1個の、合計2個の温度検出器を設けても良い。
また、第2の光学レンズ11bの、D1方向と平行な方向の温度分布とD2方向と平行な方向の温度分布とが測定できれば、温度検出器を4個以上設置しても良い。
また、レーザビームを偏向させる機構として、ガルバノミラーを偏向させているが、ビームを偏向させる機構であれば、これに限定されない。
本発明のレーザ加工装置での加工内容は、穴あけに限定されず、切断、変形、溶接、熱処理、あるいはマーキングなどのレーザにより加工可能なものであればどのようなものでも良い。また、被加工物には、燃焼、溶融、昇華あるいは変色などのレーザにより発生できる変化であればどのような変化を発生させても良い。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
3b 第2のガルバノミラー、4a 第1のガルバノスキャナー、
4b 第2のガルバノスキャナー、5 fθレンズ、6 ワーク、7 XYテーブル、
8 ガルバノドライバー、9 制御装置、10 信号線、11a 第1の光学レンズ、
11b 第2の光学レンズ、12 保護ウィンドウ、13 鏡筒、14 温度検出器、
14a 第1の温度検出器、14b 第2の温度検出器、14c 第3の温度検出器、
14d 第4の温度検出器、15 レーザビーム照射領域、
16 レーザビーム非照射部分、25 レーザビーム照射領域、
26 レーザビーム非照射部分、20,30,40,50 レンズユニット、
100 レーザ加工装置。
Claims (10)
- fθレンズとして用いられるレンズユニットであって、
光学レンズと上記光学レンズを保持する鏡筒とを備え、上記光学レンズがレーザビーム入射部であり、上記光学レンズにおける、レーザビーム照射領域と外周部との間にあるレーザビーム非照射部分に複数の温度検出器が設けられており、
上記レーザビーム非照射部分に設けられた上記複数の温度検出器の内の少なくとも1個が、上記光学レンズの直交する2本の直径における、一方の直径の両端部の各々および他方の直径の両端部の各々に、配置されており、
上記複数の温度検出器が、上記光学レンズの平均温度、または上記光学レンズの平均温度および面内の温度分布、を求める信号を測定するレンズユニット。 - 上記温度検出器が、上記レーザビーム入射部に配置された上記光学レンズに配置されていることを特徴とする請求項1に記載のレンズユニット。
- fθレンズとして用いられるレンズユニットであって、
光学レンズと上記光学レンズを保持する鏡筒とを備え、上記光学レンズがレーザビーム入射部であり、上記光学レンズにおける、レーザビーム照射領域と外周部との間にあるレーザビーム非照射部分に複数の温度検出器が設けられており、
上記温度検出器が、上記光学レンズの外気と接触する面以外の面に配置されており、
上記複数の温度検出器が、上記光学レンズの平均温度、または上記光学レンズの平均温度および面内の温度分布、を求める信号を測定するレンズユニット。 - 上記レーザビーム非照射部分に設けられた上記複数の温度検出器の内の少なくとも1個が、上記光学レンズの直径における両端部の各々に配置されていることを特徴とする請求項3に記載のレンズユニット。
- 上記レーザビーム非照射部分に設けられた上記複数の温度検出器の内の少なくとも1個が、上記光学レンズの直交する2本の直径における、一方の直径の両端部の各々および他方の直径の両端部の各々に、配置されていることを特徴とする請求項3に記載のレンズユニット。
- レーザ発振器と、上記レーザ発振器から出力されたレーザビームを偏向するガルバノミラーと、上記ガルバノミラーを駆動するガルバノスキャナーと、上記ガルバノミラーで偏向され入射されたレーザビームをワーク上に向かって集光照射するfθレンズと、上記ワークを載置し水平面内で移動するXYテーブルと、上記ガルバノスキャナーを駆動させるガルバノドライバーと、上記レーザ発振器と上記ガルバノドライバーと上記XYテーブルとを制御する制御装置と、上記fθレンズに設けられた複数の温度検出器と上記制御装置とを接続する信号線とを備えており、
上記fθレンズが、光学レンズと上記光学レンズを保持する鏡筒とを備え、上記光学レンズがレーザビーム入射部であり、上記光学レンズにおける、レーザビーム照射領域と外周部との間にあるレーザビーム非照射部分に、上記複数の温度検出器が設けられたレンズユニットであり、
上記レーザビーム非照射部分に設けられた上記温度検出器が4箇であり、上記光学レンズの直交する2本の直径における、一方の直径の両端部に第1の温度検出器と第2の温度検出器とが配置され、他の直径の両端部に第3の温度検出器と第4の温度検出器とが配置されており、
上記制御装置が、上記4個の温度検出器で測定され、入力される全ての温度信号から、上記光学レンズの平均温度を求め、上記第1の温度検出器と上記第2の温度検出器との温度信号から、上記光学レンズにおける上記ワークのX方向と同方向の温度分布を求め、上記第3の温度検出器と上記第4の温度検出器との温度信号から、上記光学レンズにおける上記ワークのY方向と同方向の温度分布を求め、
得られた上記光学レンズの、上記平均温度のデータと上記ワークのX方向と同方向の温度分布のデータと上記ワークのY方向と同方向の温度分布のデータとに基づき、上記制御装置でレーザビーム集光点位置が補正されるレーザ加工装置。 - レーザ発振器と、上記レーザ発振器から出力されたレーザビームを偏向するガルバノミラーと、上記ガルバノミラーを駆動するガルバノスキャナーと、上記ガルバノミラーで偏向され入射されたレーザビームをワーク上に向かって集光照射するfθレンズと、上記ワークを載置し水平面内で移動するXYテーブルと、上記ガルバノスキャナーを駆動させるガルバノドライバーと、上記レーザ発振器と上記ガルバノドライバーと上記XYテーブルとを制御する制御装置と、上記fθレンズに設けられた複数の温度検出器と上記制御装置とを接続する信号線とを備えており、
上記fθレンズが、光学レンズと上記光学レンズを保持する鏡筒とを備え、上記光学レンズがレーザビーム入射部であり、上記光学レンズにおける、レーザビーム照射領域と外周部との間にあるレーザビーム非照射部分に、上記複数の温度検出器が設けられたレンズユニットであり、
上記制御装置が、上記複数の温度検出器で測定され、入力される全ての温度信号から、上記光学レンズの平均温度、または上記光学レンズの平均温度および面内の温度分布、を求め、得られた、上記平均温度のデータ、または上記平均温度のデータおよび上記温度分布のデータに基づき、上記制御装置により、上記ガルバノドライバーを介して上記ガルバノスキャナーが制御され、レーザビーム集光点位置が補正されるレーザ加工装置。 - 上記レーザビーム非照射部分に設けられた上記複数の温度検出器の内の少なくとも1個が、上記光学レンズの直径における両端部の各々に配置されていることを特徴とする請求項7に記載のレーザ加工装置。
- レーザ発振器と、上記レーザ発振器から出力されたレーザビームを偏向するガルバノミラーと、上記ガルバノミラーを駆動するガルバノスキャナーと、上記ガルバノミラーで偏向され入射されたレーザビームをワーク上に向かって集光照射するfθレンズと、上記ワークを載置し水平面内で移動するXYテーブルと、上記ガルバノスキャナーを駆動させるガルバノドライバーと、上記レーザ発振器と上記ガルバノドライバーと上記XYテーブルとを制御する制御装置と、上記fθレンズに設けられた複数の温度検出器と上記制御装置とを接続する信号線とを備えており、
上記fθレンズが、光学レンズと上記光学レンズを保持する鏡筒とを備え、上記光学レンズがレーザビーム入射部であり、上記光学レンズにおける、レーザビーム照射領域と外周部との間にあるレーザビーム非照射部分に、上記複数の温度検出器が設けられたレンズユニットであり、
上記レーザビーム非照射部分に設けられた上記複数の温度検出器の内の少なくとも1個が、上記光学レンズの直交する2本の直径における、一方の直径の両端部の各々および他方の直径の両端部の各々に、配置されており、
上記制御装置が、上記複数の温度検出器で測定され、入力される全ての温度信号から、上記光学レンズの平均温度、または上記光学レンズの平均温度および面内の温度分布、を求め、得られた、上記平均温度のデータ、または上記平均温度のデータおよび上記温度分布のデータ、に基づき、上記制御装置でレーザビーム集光点位置が補正されるレーザ加工装置。 - 上記制御装置により、上記ガルバノドライバーを介して上記ガルバノスキャナーが制御され、上記レーザビーム集光点位置が補正されることを特徴とする請求項6または請求項9に記載のレーザ加工装置。
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