WO2002076668A1

WO2002076668A1 - Laser machining apparatus

Info

Publication number: WO2002076668A1
Application number: PCT/JP2001/002350
Authority: WO
Inventors: Miki Kurosawa
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2002-10-03
Also published as: KR20030076973A; JP3797327B2; KR100512805B1; DE10196557T1; CN1265933C; US6804035B2; JPWO2002076668A1; TW492230B; US20030179430A1; CN1449319A

Description

明細書レーザ加工装置技術分野

この発明は、加工装置、特にそのレーザ光のエネルギの測定に関するものである。背景技術

最近の携帯用情報電子機器等では、電子回路基板に導電層と絶縁層が複数回積層されたビルドアップ多層回路基板を用いることで回路の高密度化を図り、機器の小型化を実現している。このビルドアップ多層回路基板では、絶縁層を挟んだ導電層の配線パターン同士の導通を得るためにバイァホールやスルーホールと称する導通穴が絶縁層に多数設けられており、これらの導通穴の穴あけ工法としてレーザ光を利用する加ェ方法が用いられている。

このような、従来のレ一ザ光を用いた回路基板穴明け用のレ一ザ加工装置は第 6図のような構成からなる。レ一ザ発振器 1から出射されたレ一ザ光 2は一対の偏向ミラ一、一般的にはガルバノメータ式偏向ミラ一 5 ( 5 a , 5 b ) により反射され、スキャニングレンズ 6により被照射物、例えば被加工物 4の表面に集光される。

ここで、ガルバノメータ式偏向ミラー（'以下適宜、「偏向ミラー」と記す） 5を用いてスキャニングレンズ 6に入射するレーザ光 2の角度を変えることにより被加工物 4の表面上に有限な偏向領域 7が得られる。通常、偏向ミラ一 5は一対の偏向ミラー 5 a , 5 bによる 2軸で構成されるため、その偏向領域 7は矩形形状となる。 2軸の偏向ミラ一 5 a， 5 bは互いに自在に角度を変えられるため偏向領域 7内のあらゆる部位に自在にレーザ光 2を照射することができる。被加工物 4は 2軸からなる駆動テ一プル 3に固定されており、ひとつの偏向領域 7の加工が終了すると、駆動テ一ブル 3により被加工物 4を偏向領域 7の一辺の長さに相当する距離だけ移動させることにより、被加工物 4の表面に連続的に偏向領域 7を展開し被加工物 4の全面を加工することができる。ところで、レ一ザ加工ではレーザ光 2のエネルギにより被加工物 4の材料成分を除去することにより加工を行うため、良好な加工を行うためには適正なエネルギのレーザ光 2を照射する必要がある。そのためこの種のレ一ザ加工装置では実際に被加工物 4に照射されるレーザ光 2のエネルギを設定するためのエネルギ測定手段が備えられている。

従来のレーザ加工装置に備えられたレーザ光のエネルギ測定手段の一例を第 7図に示す。エアシリンダー 1 6の先端にエネルギ測定部 1 1 を設けることにより、スキャニングレンズ 6のレーザ光出射側表面に対向する位置にエネルギ測定部 1 1を出し入れ可能とし、エネルギを測定する場合のみにエネルギ測定部 1 1をスキャニングレンズ 6のレーザ光出射側表面に対向する位置に移動し、エネルギ測定を行う。なお、ェァシリンダ一 1 6自体は、加工ヘッドが固定されているコラム（図示せず）に取り付け ·固定されている。

このように設けられた従来のエネルギ測定手段 1 1では、スキヤニングレンズ 6の中央部を通過するレーザ光のエネルギ、すなわち偏向領域 7の中央部に照射されるレーザ光のエネルギのみが測定できるように構成されている。

しかしながら、偏向ミラーとスキャニングレンズを用いたレーザ加工装置では通常 5 0 mm四方程度の大きさの偏向領域内を加工するため、従来のレーザ加工装置のようにスキャニングレンズの中央部を通過するレーザ光のエネルギのみを測定するだけでは不十分な場合がある。以下にその理由について詳しく説明する。

レーザ加工ではレーザ光のエネルギにより除去された被加工物の材料成分が加工屑として発生するが、偏向ミラーとスキャニングレンズとを用いたレ一ザ加工装置では、この加工屑がスキャニングレンズのレーザ光出射側表面に付着することによりレーザ光の通過が阻害されてしまい、適正なエネルギが被加工物に照射できなくなる場合がある。そのため、第 8図に示すように、通常の偏向ミラー 5とスキャニングレンズ 6とを用いたレーザ加工装置では、スキャニングレンズ 6の近傍に集麈ダクト 2 0やエアーカーテン 2 1などの汚れ防止手段を設けることにより、スキャニングレンズ 6のレ一ザ光出射側表面への加工屑 2 2の付着を防止するようにしている。

しかしながら、この種のレ一ザ加工装置に用いられるスキャニングレンズ 6のレ一ザ光出射側表面の口径は 1 0 0 mm前後と比較的大きい面積を有するため、上述の汚れ防止手段を設けても部分的にエアーの流れが不十分になつたり流れによどみが生じるため汚れ防止が不完全となる部位が生じてしまう。そのような部位では長期間の使用にともない次第に加工屑 2 2が付着しレーザ光 2の通過が阻害される状態となつてしまう。このような加工屑 2 2が付着しスキャニングレンズ 6の表面が汚れた部位をレーザ光 2が通過すると、加工屑 2 2によりレーザ光 2 の吸収や散乱が生じ、被加工物 4に届くエネルギが減少するため、偏向領域内でエネルギの不均一が生じてしまう。特に第 8図に示すような汚れ防止手段の場合は、集麈ダクト 2 0の近傍のスキャニングレンズ 6の周縁部に近い部位で流れの不足やよどみが生じやすいため、この部位に加工屑 2 2が付着し易い傾向がある。

スキャニングレンズ 6の周縁部に近い部位が加工屑 2 2が付着するなどして汚れが生じていても、スキャニングレンズ 6の中央付近については十分な流れがあり上述の汚れ防止手段が有効に作用するため加工屑 2 2の付着を防止することができ、スキャニングレンズ 6のレ一ザ光出射側表面の汚れは生じない。

このような状況下でスキャニングレンズ 6の中央部を通過するレ一ザ光 2のエネルギだけを測定してエネルギの設定を行うと、加工屑 2 2 が付着し汚れている部位に対応した偏向領域内の位置ではエネルギ不足となってしまい、その位置では良好な加工が困難となる。経験的には、例えばプリント配線基板の構成材料であるエポキシ樹脂の加工屑がスキヤニングレンズ 6のレ一ザ光出射側表面の一部に付着すると、その部位では 2 0 %以上エネルギが低下し、それに気づかずに加工を行うと偏向領: ¾の一部が加工不良となってしまう。そのような場合には、アルコール等によりスキャニングレンズ 6の下面のクリーニングを行うことにより汚れを除去し、偏向領域全体が良好に加工できるようにする必要がある。このように、スキャニングレンズ 6のレーザ光出射側表面への加工屑の付着による偏向領域内でのエネルギの不均一が生じても、クリ一二ングなどの適正なメンテナンスを行えばエネルギ状態は良好となるが、汚れの進展度合いは加工内容により異なるため、適正なメンテナンス時期を定めることが出来ない。またメンテナンス頻度を高くすると生産性を阻害するという問題も生じる。

以上のように、従来のレーザ加工装置では、スキャニングレンズの中央部を通過するレ一ザ光のエネルギしか測定を行わないため、スキヤ二ングレンズのレーザ光出射側表面の部分的な汚れによる偏向領域内のエネルギの不均一を把握することができず、加工不良を発生する場合がある。特にこの種のレーザ加工装置においては短時間に大量の生産がなされるため、ひとたび上述のように加工不良が発生すると甚大な損失に発展してしまう。このため、スキャニングレンズの不均一な汚れを把握することが課題となっていた。

この発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、偏向領域内のエネルギの不均一を検出することにより、スキャニングレンズの表面の部分的な汚れを判断し、スキャニングレンズ表面のクリ一ニングなどの適正なメンテナンスを促すことで、安定した加工品質が得られるレーザ加工装置を得ることを目的とする。発明の開示

この発明は、偏向ミラ一により偏向されたレーザ光を被加工物上に集光するためのスキャニングレンズを備え、前記偏向ミラーと前記スキヤニングレンズとを用いることにより偏向領域内の複数の位置にレーザ光を照射し加工を行うレーザ加工装置であり、前記偏向領域内の複数の異なる測定位置に照射されるレーザ光のエネルギを測定するエネルギ測定手段を備えたレーザ加工装置を提供するものである。

したがって、偏向領域内の複数の異なる位置に照射されるレーザ光のエネルギを測定することができ、スキャニングレンズの汚れによる、レ —ザ光の照射される位置による部分的なエネルギ低下の発生を知ることができ、その情報を基に適正なメンテナンスを行うことにより加工不良を発生させることなく長期間にわたり安定した加工を行うことを可能としたものである。

また、この発明は、エネルギ測定手段が、被加工物を載置し移動する駆動テーブルに設けられているレーザ加工装置を提供するものである。

したがって、エネルギ測定手段だけを移動する機構を別途設けることなく偏向領域内の任意の位置に照射されるレーザ光のエネルギを測定することができるものである。また、この発明は、各測定位置での測定値を予め設定された許容値と比較する比較手段を備えたレーザ加工装置を提供するものである。

したがって、加工条件から設定されるレーザ光のエネルギの絶対値の大小に左右されること無く、偏向領域内の特定位置での部分的なェネルギの低下を精度良く検出、把握することができるものである。

また、この発明は、測定値と予め設定された許容値とに基きアラーム出力を行うアラーム発生手段を備えたレーザ加工装置を提供するものである。

したがって、作業者がスキャニングレンズの表面の汚れを認識し、スキヤニングレンズの表面のクリ一二ング等、適切なメンテナンスを行うことができるものである。

また、この発明は、エネルギ測定を予め決められたスケジュールで実施するスケジュール手段を備えたレーザ加工装置を提供するものである

したがって、エネルギ測定のし忘れを防止することができるものである。

また、この発明は、測定値を記憶する記憶手段を備えたレーザ加工装置を提供するものである。

したがって、照射されるエネルギの時間的な変化等を把握することができ、また、記憶された測定値のデータに基き、適切なメンテナンス時期などを導き出すことができるものである。

また、この発明は、測定されたレーザ光のエネルギの測定値をグラフ表示する表示手段を備えたレーザ加工装置を提供するものである。

したがって、照射されるエネルギの時間的な変化及び照射される位置による相違等を把握することができ、また、表示された測定値のデ一夕に基き、適切なメンテナンス要領などを導き出すことができるものである。また、この発明は、エネルギ測定手段が、駆動テーブルの被加工物を載置する載置面に凹部を設けこの凹部内に内設されるものであるレーザ加工装置を提供するものである。

したがって、エネルギ測定手段が加工へッド部の周りに取り付けられた部材等と干渉することを避けることができるものである。

また、この発明は、エネルギ測定手段にはディフォーカスされた状態でレーザ光が照射されるようにスキャニングレンズの高さ位置を調整するフォーカス調整手段を備えたレーザ加工装置を提供するものである

したがって、エネルギ測定手段に対して、適切な強度のレーザ光の入射が可能となり、強度が高すぎるレーザ光の入射によるエネルギ測定手段の損傷を防止することができるものである。

また、この発明は、エネルギ測定手段が、レーザ光受光部に対して可動式の保護カバーを備えているレーザ加工装置を提供するものである。

したがって、レーザ光受光部に対して加工屑などが付着することを防止でき、長期間にわたり安定したエネルギ測定ができるものである。

図面の簡単な説明

第 1図は、この発明の実施の形態によるレーザ加工装置の概略構成図である。

第 2図は、この発明の実施の形態によるレーザ加工装置のスキヤニングレンズの偏向領域とエネルギ測定部の測定位置との関係を説明する概略図である。 .

第 3図は、この発明の実施の形態によるレーザ加工装置の動作フローチヤ—トである。第 4図は、この発明の実施の形態によるレ一ザ加工装置のエネルギ測定部の取り付け位置を説明するための概略図である。第 5図は、この発明の実施の形態によるレーザ加工装置のエネルギ測定部の保護機構を説明するための概略図である。

第 6図は、従来のレーザ加工装置の構成図である。

第 7図は、従来のレーザ加工装置のレーザ光のエネルギ測定手段の説明図である。

第 8図は、スキャニングレンズへの加工屑の付着を説明する説明図。である。発明を実施するための最良の形態

実施の形態 1 .

この発明の第一の実施の形態によるレーザ加工装置を、第 1図乃至図 5を用いて説明する。

第 1図はこの発明の第一の実施の形態によるレーザ加工装置の概略構成図である。第 1図において、符号 1乃至 7のものは、従来のものと同一または相当のものであるため、詳細な説明は省略することとする。 9は折り返しミラー、 1 3は加工ヘッド部である。

ここで、偏向ミラ一 5 a , 5 b , スキャニングレンズ 6及び折り返しミラー 9は上下方向、すなわち駆動テーブル 3の面に垂直な方向へ移動可能な加工へヅド部 1 3の中に組み込まれている。偏向ミラ一 5 a， 5 bを 2軸で構成しスキャニングレンズ 6へ入射するレーザ光 2の角度を変えることで被加工物 4の表面上に有限な矩形形状の偏向領域 7が得られる。 2軸の偏向ミラ一 5 a， 5 bは互いに自在に角度を変えられるため、偏向領域 7内のあらゆる位置に自在にレーザ光を照射することができる。被加工物 4は 2軸からなる駆動テーブル 3に真空吸着により固定されており、ひとつの偏向領域 7の如ェが終了すると駆動テーブル 3により偏向領域 7の一辺の長さに相当する距離だけ移動することにより、被加工物 4の上に連続的に偏向領域 7を展開し被加工物 4の加工対象の面を全面、加工することができる。

1 1は駆動テーブル 3の一端の、被加工物 4との干渉を避けた位置に組み込まれたエネルギ測定手段としてのエネルギ測定部である。なお、駆動テーブル 3は、本来の被加工物 4の加工範囲のみならず、エネルギ測定部 1 1による偏向領域 7全体のエネルギ測定が可能なだけの、十分大きな稼動範囲を動くものとする。このようにエネルギ測定部 1 1を駆動テ一ブル 3の一端に取り付け駆動テーブル 3と一体に移動可能とすることで、エネルギ測定部 1 1だけを移動する機構を別途設けることなく偏向領域 7内の任意の位置に照射されるレーザ光のエネルギを測定することができる。

第 2図は、この実施の形態によるレーザ加工装置のスキャニングレンズの偏向領域とエネルギ測定部の測定位置との関係を説明する概略図である。

偏向領域 7に関してレーザ光 2のエネルギを測定するための位置を決めるために、偏向領域 7を直行座標系により格子状に分割する場合を示す。偏向領域 7内を格子状に分割し、各測定位置 P n ( n = 1 , 2 , · · · · 9 ) にエネルギ測定部 1 1の受光部 1 1 aが移動するよう駆動テ一ブル 3を動かすことにより、偏向領域 7内の予め決められた位置に照射されるレーザ光 2のエネルギを測定することができる。このように予め決められた測定位置でのエネルギを測定することにより、短時間にスキャニングレンズ 6の多くの部位の汚れの状態を把握することができる。

なお、この場合の格子の間隔の設定はスキャニングレンズ 6の径ゃスキヤニングレンズ 6を通過するレーザ光 2の大きさ等に応じて適宜変更できることが望ましい。第 2図において、仮に、偏向領域 7内の測定位置 P 3点にレーザ光が照射される場合にレーザ光が通過するスキャニングレンズ 6の該当部位 Aに加工屑 2 2が付着していると、該当部位 Aを通過するレーザ光 2 は吸収，散乱を.受けるため、他の測定位置のエネルギ測定値と比較して、測定されるエネルギの値が低いことにより、スキャニングレンズ 6の該当部位 Aの汚れを検知することができる。

なお、この例では、偏向領域 7を格子状に分割した場合を述べたが、必ずしも格子状にとらわれること無く、経験的に汚れが生じ易いスキヤニングレンズ 6の部位に対応する複数の測定位置を予め決めれば良い。また、この例では、予め測定位置を決めておく場合を述べたが、各測定時に、必要に応じて適宜測定位置を変更するなどしてもよいことは言うまでもない。

, なお、上述の例では、駆動テーブル 3に設けられたエネルギ測定部 1 1の受光部 1 1 aは 1個で、その受光部 1 1 aを、仮定的に格子状に分割した測定位置 P nに対応させて移動させた場合を示したが、予め複数個の受光部 1 1 aを用意して、偏向ミラー 5 a , 5 bの動きによって、レーザ光 2を、該複数個の受光部 1 1 aへ導くようにすることも可能であることは言うまでもない。

第 3図は、この実施の形態によるレーザ加工装置の動作フローチヤ一トであり、多数の被加工物について予め決められた枚数が加工される毎に、上述の偏向領域内の複数の異なる位置に照射されるレーザ光のエネルギ測定を自動的に実施する場合の一例である。

被加工物は 1枚ずつ駆動テーブル上に搬入され加工が行われ、加工が完了すると搬出される。ここで、加工枚数のカウン夕 n，エネルギ測定を行うための枚数 m，及び決められた許容値 Δをそれぞれ予め設定し

( S 1 a , S i b , S 1 c ) 、加工するたびに nを加算するようにする ( S 5 ) 。演算 n/mの余りが 0になった時点で（S 3 ) 、エネルギ測定を実施するようにする（S 7 ) 。

次に、偏向領域内の異なる測定位置で測定されたエネルギの測定値若しくは測定値の演算結果と、予め決められた許容値との比較を行うことにより、照射されるエネルギの低下を検知することができる。第 3図に示した例では、 1 0 0枚の加工を行う毎に偏向領域内の各測定位置でのレーザ光のエネルギを測定し、この測定値に関して最小値/平均値を求め、予め設定された許容値 Δを超えた場合を検出する例である。例えば △ = 0 . 8とし、最小値平均値く 0 . 8を判断することで（S 8 ) 、偏向領域全体のエネルギ測定値の平均値に対して 2 0 %以上のェネルギ低下が生じる測定位置が発生した場合には、レーザ加工装置の制御装置（図示せず）を介してアラーム出力、例えば、警告灯の点灯や警告音の発生等、を行い、スキャニングレンズのクリーニングなどの実施を促す処理を行う（S 9 ) 。

以上のように、偏向領域の異なる測定位置での測定値を演算し、エネルギの低下量を比率で求めて許容値と比較する方法を用いることにより、加工条件から設定されるレーザ光のエネルギの絶対値の大小に左右されること無く、偏向領域内の特定位置での有意なエネルギの低下を精度良く検出、把握することができる。

なお、毎回の偏向領域内の各測定位置のエネルギ測定値はレーザ加工装置の制御装置内の記憶装置に保存するようにし（S 7 1 ) 、また、必要に応じて制御装置内の操作画面上に測定エネルギのグラフ表示を行うようにする（S 7 2 ) 。このようなデータ保存やグラフ表示を行う手段を設けることにより、スキャニングレンズのどの部位が汚れているかを把握することができるとともに、各部位でのエネルギの時間的な変化を把握することができ、スキャニングレンズのクリーニングを行う適正な時期を知ることができる。

以上のような動作フローチャートに基き加工を実施することにより、スキャニングレンズへの加工屑の付着によるエネルギ低下による加工不良を発生させること無く、適正なメンテナンスを実施しながら加工が行えるため、長期間にわたり安定した量産加工が可能となる。また、保存されるデータから適正なメンテナンス時期などの情報を得ることが可能となり、必要最小限のメンテナンスを行うことで生産性への影響を抑えられる。なお、第 3図では予め決められるスケジュールを、加工枚数に基き決定しているが、例えばこの他に被加工物を加工した積算時間に基づいて実行してもよい。

第 4図は、この実施の形態によるレ一ザ加工装置のエネルギ測定部 1 1の取り付け位置を説明するための概略図である。上述のとおり、エネルギ測定部 1 1は駆動テ一プル 3に取り付けられているが、このように駆動テーブル 3に取り付ける場合、駆動テーブル 3を移動した際に加工へッド 1 3に取り付けられた観察用カメラレンズ 1 4等の部材とエネルギ測定部 1 1との干渉を考慮する必要がある。そこで、エネルギ測定部 1 1は駆動テーブル 3に凹部を設けて駆動テーブル 3の表面すなわち被加工物（図示せず）の載置面よりも低い位置に取り付けるようにする。このようにエネルギ測定部 1 1を駆動テーブル.3の表面よりも低い位置に取り付けることにより、加工へッド部 1 3の周りに取り付けられた観察用カメラレンズ 1 4などとの干渉を避けることができる。

また、被加工物 4を加工する際は、レーザ光 2は駆動テーブル 3の表面近傍に集光されているため、このままの状態でエネルギ測定手段 1 1 によりエネルギ測定を行うとエネルギ密度が高すぎるためエネルギ測定部 1 1の受光部 1 1 aを損傷する恐れがある。

そこでエネルギ測定時は加工へッド部 1 3を駆動テーブル 3の表面に対して上下方向に動かすことによりスキャニングレンズ 6の高さ位置を変え、受光部 1 1 aに対してレーザ光 2がディフォーカス状態で照射されるようになる。このように加工時と測定時とでスキャニングレンズ 6の高さ位置を調整する手段（図示せず）を備えることによりェネルギ測定部 1 1の受光部 1 1 aにダメージを与えることなく長期間にわたり安定したエネルギ測定が可能となる。なお、この実施の形態のものでは測定時にスキャニングレンズ 6を下げることでディフォーカス状態を得ているが、上げることによりディフォーカス状態を得るようにしてもよいことは言うまでもない。

第 5図は、この実施の形態によるレーザ加工装置のエネルギ測定部 1 1の保護機構を説明するための概略図である。第 5図において、 1 5はエネルギ測定部 1 1を保護するための保護カバ一であり、 1 6はエアシリンダ一からなる保護カバ一 1 5の開閉駆動機構である。このようにェネルギ測定部 1 1に対して可動式の保護カバ一 1 5を設け、第 5図 ( a ) に示すように、被加工物（図示せず）の加工時等、通常は保護力バ一 1 5によってエネルギ測定部 1 1の上面を覆い、エネルギ測定部 1 1を保護する。そして第 5図（b ) に示すように、エネルギ測定時のみに開閉駆動機構 1 6により保護カバ一 1 5を開けることで、エネルギ測定部 1 1の受光部 1 1 aに対して加工屑などが付着することが防止でき長期間にわたり安定したエネルギ測定が可能となる。産業上の利用可能性

以上のように、この発明にかかるレーザ加工装置は、例えば、携帯用情報電子機器等に用いられる多層回路基板の加工において用いられるのに適している。

Claims

請求の範囲

1 . 偏向ミラ一により偏向されたレーザ光を被加工物上に集光するためのスキャニングレンズを備え、前記偏向ミラ一と前記スキャニングレンズとを用いることにより偏向領域内の複数の位置にレーザ光を照射し加工を行うレーザ加工装置において、前記偏向領域内の複数の異なる測定位置に照射されるレーザ光のエネルギを測定するエネルギ測定手段を備えていることを特徴とするレーザ加工装置。

2 . エネルギ測定手段は、被加工物を載置し移動する駆動テーブルに設けられていることを特徴とする請求項 1に記載のレーザ加工装置。

3 . 各測定位置での測定値を予め設定された許容値と比較する比較手段を備えたことを特徴とする請求項 1または 2のいずれかに記載のレーザ加工装置。

4 . 測定値と予め設定された許容値とに基きアラーム出力を行うアラーム発生手段を備えたことを特徴とする請求項 3に記載のレーザ加工装

5 . エネルギ測定を予め決められたスケジュールで実施するスケジユール手段を備えたことを特徴とする請求項 1に記載のレーザ加工装置。

6 . 測定値を記憶する記憶手段を備えたことを特徴とする請求項 1に記載のレーザ加工装置。

7 . 測定されたレーザ光のエネルギの測定値をグラフ表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項 1に記載の 'レーザ加工装置。

8 . エネルギ測定手段は、駆動テーブルの被加工物を載置する載置面に凹部を設けこの凹部内に内設されるものであることを特徴とする請求項 2に記載のレーザ加工装置。

9 . エネルギ測定手段にはディフォーカスされた状態でレーザ光が照射されるようにスキャニングレンズの高さ位置を調整する手段を備えたことを特徴とする請求項 1または 2のいずれかに記載のレーザ加工装

1 0 . エネルギ測定手段は、レーザ光受光部に対して可動式の保護カバ —を備えていることを特徴とする請求項 1または 2のいずれかに記載のレーザ加工装置。