JP7203479B2

JP7203479B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP7203479B2
Application number: JP2019156365A
Authority: JP
Inventors: 孝洋武知
Original assignee: Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2023-01-13
Anticipated expiration: 2039-08-29
Also published as: JP2021030292A

Description

本発明は、プリント基板に対してレーザ走査により穴あけ加工等を行うためのレーザ加工装置に関する。

レーザ加工装置において、レーザビームが集光レンズに入射すると、熱吸収による集光レンズの温度変化に伴い集光レンズ内の光の屈折率が変化し、ガルバノスキャナの走査位置のずれの要因となる。

従来のレーザ加工装置には、例えば特許文献１の図１に示すように、レーザビームをガルバノスキャナの方向に反射する反射ミラーの裏面に設置した温度センサにより反射ミラーの裏面の温度を検出し、その検出温度に基づきガルバノスキャナの走査位置の補正を行うようにしたものが開示されている。また、特許文献２の図１に示すように、集光レンズの外周部に設置した温度センサにより集光レンズの温度を検出し、その検出温度に基づきガルバノスキャナの走査位置の補正を行うようにしたものが開示されている。

特許文献１の構造のものにおいては、ＣＯ₂レーザを用いる場合、一般的には、集光レンズの材質としてはゲルマニウム、セレン化亜鉛等が用いられ、反射ミラーの材質としては表面に反射膜が形成されたシリコン材が用いられており、集光レンズと反射ミラーの温度上昇特性は異なっている。
従って、集光レンズと温度上昇特性が異なる反射ミラーの温度を測定しており、ガルバノ補正制御の精度が悪い問題があった。また、反射ミラーの反射膜が劣化し交換する必要があり、交換するたびに、温度センサの検出温度によるガルバノスキャナの補正量を取り直す必要がある。

また、特許文献２の構造のものでは、集光レンズの外周の温度を測定するため、レーザ入射位置から温度測定位置までの距離が大きく、レーザ入射位置と温度測定位置での温度差が大きく、温度測定精度が悪い。さらに、温度測定のタイムラグのためガルバノ補正制御が遅い問題があった。

特開2017-196639号公報特開2013-130856号公報

そこで本発明は、ガルバノスキャナからのレーザビームを、集光レンズを経由させて被加工物に照射するレーザ加工において、集光レンズの熱吸収による加工位置誤差をガルバノスキャナで精度良く補正するレーザ加工装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、本願において開示される代表的なレーザ加工装置は、レーザビームを走査するガルバノスキャナと、当該ガルバノスキャナからのレーザビームを受光して被加工物に照射する集光レンズと、前記ガルバノスキャナの動作を制御する制御部とを備えるレーザ加工装置において、温度上昇特性が前記集光レンズと同等な材質の光透過部材であって前記ガルバノスキャナに入射されるレーザビームが入射されるものと、前記光透過部材の温度を検出する温度センサとを備え、前記制御部は前記温度センサの検出温度に基づいて前記ガルバノスキャナの走査位置の補正を行うことを特徴とする。

なお、本願において開示される発明の代表的な特徴は以上のとおりであるが、ここで説明していない特徴については、後述する発明を実施するための形態において説明しており、また特許請求の範囲にも示したとおりである。

本発明によれば、集光レンズの熱吸収によるレーザビームの位置ずれを、ガルバノスキャナの走査位置で精度よく補正できる。

実施例１に係るレーザ加工装置を説明するための図である。実施例１に係るレーザ加工装置のブロック図である。実施例２に係るレーザ加工装置を説明するための図である。実施例２に係るレーザ加工装置のブロック図である。実施例１に係るレーザ加工装置において、温度センサの検出温度とガルバノスキャナの補正量の関係を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態を実施例に沿って説明する。なお、以下の説明において、同等な各部には同一の符号を付して説明を省略する。

本発明の実施例１について説明する。図２は、本発明の実施例１に係るレーザ加工装置のブロック図である。図２において、レーザビームで穴あけを行うべきプリント基板１１は、図示しないテーブル上に載置されている。２０はレーザビームを発振するレーザ発振器、２４はレーザビームを直角方向に曲げるミラー、９は反射ミラー８からのレーザビームを２次元方向に走査するガルバノスキャナ、１０はガルバノスキャナ９からのレーザビームをプリント基板１１の穴あけ位置に照射する集光レンズ、６は光透過部材、７は後述するように光透過部材のレーザビームが照射されない部分に取り付けられ、光透過部材６の温度を検出する接触式の温度センサである。本実施例では温度センサ７として熱電対を用いた。

２７は装置全体の動作を制御する全体制御部であり、例えばプログラム制御の処理装置によって実現され、いくつかの要素が含まれる。２２はレーザ発振器２０での個々のレーザビームの発振を指示するレーザ発振指令信号を出力するレーザ発振制御部、２８はガルバノスキャナ９の動作を指示するガルバノ動作制御信号を出力するガルバノスキャナ制御部である。これらの制御部のうちの一部または全部は全体制御部２７と別個に設けられていてもよい。
なお、図２において、各構成要素や接続線は、主として本実施例を説明するために必要と考えられるものを示してあり、レーザ加工装置として必要なもの全てを示している訳ではない。

図１は図２における集光レンズ１０の周辺の実装構造を示す図である。図１において、図２と同じ番号のものは同じものを示している。１は可動照射ユニット、２は固定ユニット、３はカバー、４は筒、５は穴、６は光透過部材、７は温度センサ、８は反射ミラー、９はガルバノスキャナ、１０は集光レンズ、１１はプリント基板である。
１は穴あけ加工を行うべきプリント基板１１の厚みに応じて垂直方向となるＺ方向に移動ができるように装置本体に取り付けられている可動照射ユニットであり、反射ミラー８、ガルバノスキャナ９及び集光レンズ１０が配置されている。２は装置本体に固定されている固定ユニットである。可動照射ユニット１は固定ユニット２からレーザビームを反射ミラー８で受光する位置関係にあり、反射ミラー８で受光したレーザビームはガルバノスキャナ９及び集光レンズ１０を経由してプリント基板１１に照射されるようになっている。可動照射ユニット１内にはベースプレート１５があり、集光レンズ１０はこのベースプレート１５に固定されており、ガルバノスキャナ９がその上を覆うように固定されている。また、反射ミラー８の上部には光透過部材６が配置されており、レーザビームは光透過部材６を透過して反射ミラー８で受光する。光透過部材６は、集光レンズ１０と温度上昇特性が同等な材質で構成されている。

本実施例では、レーザビームにＣＯ₂レーザを用い、集光レンズ１０の材質をゲルマニウムとしたので、光透過部材６の材質を集光レンズの材質と同じゲルマニウムとした。また、光透過部材６はレーザビームが通過すればよいので光透過部材６の径はレーザビームが通過する程度に小さくした。さらに光透過部材６のレーザビームが照射されない部分には、接触式の温度センサ７が取り付けられており、この温度センサ７で光透過部材６の温度を検出する。
可動照射ユニット１は塵埃などが侵入しにくいようにカバー３で覆われている。可動照射ユニット１と固定ユニット２の間には伸縮自在の蛇腹状の筒４が設けられており、固定ユニット２からのレーザビームは筒４を通ってカバー３にあけられた穴５から可動照射ユニット１に入るようになっている。

以上の構成において、穴あけ加工を行う前に、あらかじめガルバノスキャナ９の走査位置の補正をするための補正情報を以下のようにして得ておく。
レーザパルスの繰り返し周期によって集光レンズ１０の温度の差がある。レーザパルスの繰り返し周期が最も短くなる場合には集光レンズ１０の温度が最も高くなる。また、レーザパルスの繰り返し周期が最も長くなる場合には集光レンズ１０の温度がもっとも低くなる。
そこで、集光レンズ１０の温度が最も低い場合の光透過部材６の検出温度と、その時の穴あけ位置のずれ量を計測する。つぎに、動作中に集光レンズ１０の温度が一番高い場合の温度センサ７による光透過部材６の検出温度とその時の穴あけ位置のずれ量を計測する。

次に、穴あけ位置のずれ量からガルバノスキャナ９の補正量が定まるので、温度センサ７の最低検出温度と最高検出温度におけるガルバノスキャナ９の補正量との関係を求めることができ、その関係をガルバノスキャナ制御部２８の中にある補正情報記憶部２９に補正情報として記憶させておく。

図５は、温度センサ７の検出温度とガルバノスキャナ９の補正量との関係を示す図である。ここでは、温度センサ７の最低検出温度と最高検出温度との間で、ガルバノスキャナ９の補正量を比例関数的に変化させており、この関係が補正情報として補正情報記憶部２９に記憶される。

穴あけ加工を行う場合は、ガルバノスキャナ制御部２８は温度センサ７からの検出温度に基づいて補正情報記憶部２９から該当する補正情報を読み出し、ガルバノスキャナ９の走査位置を最終的に決定して、ガルバノスキャナ９を動作させる。

以上の実施例１によれば、光透過部材６の材質を集光レンズ１０の材質と同じゲルマニウムとしている。従って、温度上昇特性が集光レンズ１０と同じ光透過部材６の温度検出に基づいてガルバノスキャナ９の走査位置の補正を行うので、ガルバノスキャナ９の補正制御を精度よく行うことができる。
また、光透過部材６はレーザビームが通過すればよく、光透過部材６の径をレーザビームと同等に小さくできるので、レーザビームの入射位置と温度センサ７の位置が近くでき、レーザビームの入射位置と温度測定位置での温度の差が小さく、高精度に光透過部材６の温度を検出でき、ガルバノスキャナ９の位置補正を高精度にできる。

また、レーザビームの入射位置と温度センサ７の位置が近いのでレーザビームによる熱が温度センサ７に伝達するまでの時間が短く、ガルバノ制御の遅れを小さくできる。
さらに、反射ミラーを使用した特許文献１の構造では、反射膜の劣化で反射ミラーを交換するたびに、温度センサの検出温度によるガルバノスキャナの補正量を取り直す必要があったのに対し、そのような必要がなくなる。

本発明の実施例２について説明する。図４は、本発明の実施例１に係るレーザ加工装置のブロック図である。図２と同じものには同一の符号を付けて説明を省略する。
１３はビームスプリッタであり、反射ミラー２４と光透過部材６の間に設置されている。ビームスプリッタ１３のレーザビームの透過率としてはたとえば１～３％程度のものを用いる。反射ミラー２４で反射したレーザビームはビームスプリッタ１３に照射され、レーザビームの一部がビームスプリッタ１３を通過した後、光透過部材６に入射し、さらに光透過部材６を通過してビームダンパ１４に入射する。光透過部材６のレーザビームが照射されない部分には、接触式の温度センサ７が取り付けられており、この温度センサ７を用いて光透過部材６の温度を検出し、検出温度から実施例１と同様にガルバノスキャナ９の補正制御を行う。

図３は図４における集光レンズ１０の周辺の実装構造を示す図である。図３において、図４と同じ番号のものは同じものを示している。
１は可動照射ユニット、２は固定ユニット、３はカバー、４は筒、５は穴、６は光透過部材、７は温度センサ、９はガルバノスキャナ、１０は集光レンズ、１１はプリント基板、１３はビームスプリッタ、１４はビームダンパである。
１は穴あけ加工を行うべきプリント基板１１の厚みに応じて垂直方向となるＺ方向に移動ができるように装置本体に取り付けられている可動照射ユニットであり、ビームスプリッタ１３、ガルバノスキャナ９及び集光レンズ１０が配置されている。２は装置本体に固定されている固定ユニットである。

可動照射ユニット１は固定ユニット２からレーザビームをビームスプリッタ１３で受光する位置関係にあり、ビームスプリッタ１３で受光したレーザビームはガルバノスキャナ９及び集光レンズ１０を経由してプリント基板１１に照射されるようになっている。可動照射ユニット１内にはベースプレート１５があり、集光レンズ１０はこのベースプレート１５にはめ込まれ、ガルバノスキャナ９がその上を覆うように固定されている。また、ビームスプリッタ１３の下部には光透過部材６が配置されており、レーザビームの一部がビームスプリッタ１３を透過した後、光透過部材６を透過しビームダンパ１４で受光する。光透過部材６のレーザビームが照射されない部分には、レーザビームの受光に伴う熱吸収による光透過部材６の温度を検出する接触式の温度センサ７が取り付けられている。

可動照射ユニット１は粉塵などが侵入しにくいようにカバー３で覆われている。可動照射ユニット１と固定ユニット２の間には伸縮自在の蛇腹状の筒４が設けられており、固定ユニット２からのレーザビームは筒４を通ってカバー３にあけられた穴５から可動照射ユニット１に入るようになっている。

実施例２によれば、ビームスプリッタ１３を透過したレーザビームが光透過部材６に入射し、光透過部材６の温度を検出するため、ビームスプリッタ１３で反射したレーザビームは光透過部材６を通過することがない。このため、光透過部材６はレーザビームによる熱吸収に伴う膨張で中央部が厚くなってレンズ化することがなく、レーザビームの形状が変化せずにガルバノスキャナ９に入射するため、さらに高品質の加工が可能である。

以上、実施例に基づき本発明を説明したが、本発明は当該実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもなく、様々な変形例が含まれる。

たとえば、以上の実施例においては、光透過部材６の材質は集光レンズ１０と同じゲルマニウムとしたが、セレン化亜鉛の如き温度上昇特性が同等な材質のものでもよい。
また、温度センサ７の最低検出温度と最高検出温度との間でガルバノスキャナ９の補正量を比例関数的に変化させたが、最低温度と最高温度の間にさらに温度と補正量の相関データを取り、ガルバノスキャナ９の位置補正の精度をもっと上げてもよい。
また、穴あけ加工を行うレーザ加工装置としたが、他の加工を行うレーザ加工装置でもよい。

１：可動照射ユニット
２：固定ユニット
３：カバー
４：筒
５：穴
６：光透過部材
７：温度センサ
８：反射ミラー
９：ガルバノスキャナ
１０：集光レンズ
１１：プリント基板
１２：温度検出部
１３：ビームスプリッタ
１４：ビームダンパ
１５：ベースプレート
２０：レーザ発振器
２２：レーザ発振器制御部
２４：反射ミラー
２５：温度補正値算出部
２６：Ｚ軸制御部
２７：全体制御部
２８：ガルバノスキャナ制御部
２９：補正情報記憶部

Claims

レーザビームを走査するガルバノスキャナと、当該ガルバノスキャナからのレーザビームを受光して被加工物に照射する集光レンズと、前記ガルバノスキャナの動作を制御する制御部とを備えるレーザ加工装置において、温度上昇特性が前記集光レンズと同等な材質の光透過部材であって前記ガルバノスキャナに入射されるレーザビームが入射されるものと、前記光透過部材の温度を検出する温度センサとを備え、前記制御部は前記温度センサの検出温度に基づいて前記ガルバノスキャナの走査位置の補正を行うことを特徴とするレーザ加工装置。
レーザビームを走査するガルバノスキャナと、当該ガルバノスキャナからのレーザビームを受光して被加工物に照射する集光レンズと、前記ガルバノスキャナの動作を制御する制御部とを備えるレーザ加工装置において、受光したレーザビームを反射して前記ガルバノスキャナに出力するとともに透過するためのビームスプリッタと、温度上昇特性が前記集光レンズと同等な材質の光透過部材であって前記ビームスプリッタで透過されたレーザビームが入射されるものと、前記光透過部材の温度を検出する温度センサとを備え、前記制御部は前記温度センサの検出温度に基づいて前記ガルバノスキャナの走査位置の補正を行うことを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１あるいは２に記載のレーザ加工装置において、前記光透過部材の材質を前記集光レンズの材質と同じにしたことを特徴とするレーザ加工装置。