JP4915062B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ発振器からのレーザ光の進行方向を光学部品で変える構成を有するレーザ加工装置とその補正方法に関する。

従来のレーザ発振器からのレーザ光の進行方向を光学部品で変える構成を有するレーザ加工装置の例として、以下、プリント基板の穴あけレーザ加工装置を用いて説明する（例えば特許文献１参照）。

図４において、レーザ発振器１から出射されたレーザビーム２は反射鏡３ａで方向変換されビームスプリッター（分岐手段）１０により２本に分岐され、Ｘ―Ｙ２軸のガルバノメータ４、５とそれぞれのガルバノミラー４ａ、５ａとｆθレンズ６とを備えた２組のレーザ照射部Ａ、Ｂに導かれる。

前記ビームスプリッター１０で分岐した各レーザビーム２ａ、２ｂが各レーザ照射部Ａ、Ｂそれぞれのｆθレンズ６による集束点に到達する光路長は同一距離になるように設定されている。

即ち、ビームスプリッター１０で分岐したレーザビーム２ａが反射鏡３ｂ、３ｃで反射してガルバノミラー４ａに入射する光路長と、ビームスプリッター１０で分岐したレーザビーム２ｂが反射鏡３ｄ、３ｅ、３ｆで反射してガルバノミラー４ａに入射する光路長とは同一長さである。

このように光路長を一致させることによって各レーザ照射部Ａ、Ｂにおけるレーザビーム２ａ、２ｂの集束状態が同一となり、２枚の基板１７に対する同時加工を精度よく行うことができる。

上記レーザ照射構造により加工される基板１７は、ＸＹテーブル１９の所定位置に保持されている。

この基板１７の加工範囲は各レーザ照射部Ａ、Ｂの走査領域より広いので、破線で示すように複数に加工範囲を分割して、各レーザ照射部Ａ、Ｂによる走査により１つの加工範囲の加工が終了すると、ＸＹテーブル１９により次の加工範囲を各レーザ照射部Ａ、Ｂの下方に移動させる。
特開平１１−１９２５７１号公報

上記従来の構成のようにレーザ光の進行方向を光学部品で変える構成において、レーザ光が入射した後、透過したり反射したりする光学部品では１００％の反射や透過はありえず、レーザ光の一部のエネルギーが光学部品で消費されている。

反射する光学部品ではレーザ光の波長に合わせて反射率を高めるためのコーティングが為されている場合が多いが、やはり、時間が経つにつれて損傷してくる。

このように光学部品が損傷してくると被加工物へのレーザ光の強度が低下し所望の加工結果が得られないという問題が出てくるので、光学部品を交換しなければならず、レーザ光との位置調整などの光学部品の再セッティングなど作業時間がかかり、その間のライン停止や光学部品代、作業費用など、コストがかかるといった問題があった。

本発明は上記課題に鑑み、光学部品の交換を少なくできるレーザ加工装置を提供するものである。

上記課題を解決するために本発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出したレーザ光の進行方向を変える複数の光学手段と、前記光学手段によって進行方向が変わったレーザ光を入射してレーザ光を被加工物上の加工位置へ位置決めする位置決め手段を備え、前記光学手段のうち少なくとも一つを保持する保持部が、当該光学手段に入射するレーザ光の光軸と当該光学手段により進行方向を変えられたレーザ光の光軸で決定される平面に対して垂直な方向に移動可能に位置決めする位置決め手段と、当該光学手段を回転可能に保持するための回転機構を備えたものである。

本発明のレーザ加工装置は、以上のように構成したので、光学部品のレーザ光入射部分が損傷した場合、光学部品を回転させることにより、光学部品の再セッティングなどを必要とせずに直ちに光学部品の損傷していない部分を使用することが出来、従来のものに比べて光学部品を交換する頻度や作業時間を少なくすることができる。
また、本発明のレーザ加工装置は、以上のような補正方法を提供するので、レーザ発振器の出力低下や、レーザ光の光軸とマスクの位置ずれの有無を加味して、光学手段の回転が必要か否かを判断することができる。

以上のように本発明によれば、光学手段のうち少なくとも一つを回転可能に保持し、かつ前記回転の回転軸からレーザ光の入射位置に対してずらした位置に光学手段を配置する保持部を設けたことにより、従来のものに比べて光学部品を交換する頻度を少なくすることができる。

（実施の形態１）
図１（ａ）は、実施の形態１におけるレーザ加工装置（例えばＵＶレーザー加工装置）の光学系配置の一部（位置決め手段含まず）を示す図である。

レーザ発振器１０１（例えば、ＹＡＧレーザを用いたＵＶレーザ発振器）から出射されたレーザ光は、ベンドミラー１０２、ベンドミラー１０３、２枚１組のコリメータレンズ１０４、マスク１０５、１／２波長板１０６を経て、ビームスプリッター１０７で分岐される。分岐されたレーザ光の一方はベンドミラー１０８、ベンドミラー１０９を経てベンドミラー１１０へと導かれる。残りのレーザ光はベンドミラー１１１を経てベンドミラー１１２へと導かれる。

図１（ｂ）は、実施の形態１におけるレーザ加工装置の光学系配置の一部（位置決め手段含む）を示す図である。
ベンドミラー１１０及び１１２で光路は下方に下ろされ、それぞれガルバノミラー及びｆθレンズの組み込まれた位置決め手段となるＺ１軸、Ｚ２軸のユニット１１３、１１４を経て加工テーブル１１５へ導かれる。
加工装置は制御部（図示せず）により数値制御されて動作する。制御部からのデータは、ケース外部に設けた加工装置タッチパネル（図示せず）に表示する。操作者はその表示内容に従い、加工装置タッチパネルにデータ入力を行う。
ベンドミラー１０２、１０３は、ともに回転可能に保持され、かつ、回転軸をレーザ光軸からずらせる保持部を備えたレーザ光の進行方向をかえる光学手段となるベンドミラー（以下、ミラーと略記）であり、ベンドミラー１０８〜１１２は通常のミラーで、位置をずらせる機構はない。

ベンドミラー１０２、１０３は、加工点出力測定の結果、レーザ光の入射位置（受光位置）に損傷の可能性があると認められた場合に、制御部からの指令で回転および直線移動により受光位置をずらすことができる。

以上のように、ベントミラー１０２、１０３は、その受光部が損傷の際、回転させ、回転軸からずれた新たな位置で受光させることが可能となるので、損傷のない部分が残存する限り、光学手段の新品への交換を不要とすることができる。

加工装置にて自動運転中、加工に使用しているビーム（マスク有り）の加工点出力は約２時間毎（加工中のワークの加工終了時点）に自動的に測定される。測定値が通常出力の９０％以下となった場合、表示手段となる加工装置タッチパネルに「加工点出力が低下しています。残ワークの加工を中止します。」というアラームメッセージを画面表示するとともに加工プログラムの実行を自動的に停止する。残った未加工のワークは加工されない。

さらに、「マスク無し（ビームＮｏ．８）の加工点出力測定」のソフトキーが出現するので、これを押して出力測定する。レーザ発振器出力に対する加工点出力の比率（履歴に残っている）が過去のある時点から１０％以上低下の際、「光学部品に汚れまたは損傷あり→ミラー位置移動」と加工装置タッチパネルに表示する。なお、測定の時間間隔は他の数値に設定変更可能である。

以上のようにして、被加工物上でのレーザ光（使用中のビーム）の強度のレーザ発振器出力に対する比率が予め定めた値以下の時にメッセージを加工装置タッチパネルに表示し、光学手段の受光位置変更を促すことができる。

なお、被加工物上でのレーザ光（使用中のビーム）の強度のレーザ発振器出力に対する比率ではなく、加工物上でのレーザ光の強度がある予め定めた値以下の時にメッセージを加工装置タッチパネルに表示し、光学手段の受光位置変更を促すことも可能である。

加工点出力測定時、測定値及びレーザ発振器の内部パワーモニタ値（レーザ発振器出力）が制御部の中の記憶部に履歴として残る。この時、レーザ発振器出力に対する加工点出力の比率が算出され、同時に履歴に残る。この比率が過去のある時点から１０％以上低下の際、「光学部品に汚れまたは損傷あり→ミラー位置移動」と加工装置タッチパネルに画面表示する。過去のある時点とは、加工装置納入当初または光学部品清掃・交換等で加工点出力が正常出力を示した時点を意味する。

また、レーザ発振器出力が１０％以上低下の場合、「レーザ発振器出力低下」と加工装置タッチパネルに画面表示する。レーザ発振器出力及びマスク無し時の加工点出力低下が認められないにもかかわらず、使用中のビーム（マスク有り）の加工点出力が過去のある時点に比べ１０％以上低下の際、「光軸〜マスク間相対位置ズレ」と加工装置タッチパネルに画面表示する。

以上のように、レーザ発振器出力及び、マスク有り・無し時の加工点出力の測定値を履歴に残し、出力低下の際に低下した項目とそうでない項目内容から、低下原因が推定され、光学手段の回転が必要か否かの判断ができる。

なお、レーザ発振器出力をモニタする上記のような内部パワーモニタ機能のないレーザ発振器ではビーム出射口付近にパワーセンサーを設置する。そして、レーザ発振器近くのレーザ光の光路に対して直角に出し入れするように動作するエアシリンダーを設ける。パワーセンサーはそのエアシリンダーに固定され、レーザ発振器出力測定の際、光路内に移動してレーザ光を受ける。測定終了後、パワーセンサーはエアシリンダーにより光路からはずれる。その後、マスク無し時の加工点出力が測定され、レーザ発振器出力に対する加工点出力の比率が算出される。この比率が過去のある時点から１０％以上低下の際、「光学部品に汚れまたは損傷あり→ミラー位置移動」と加工装置タッチパネルに表示する。

図２（ａ）は、実施の形態１におけるレーザ加工装置におけるミラー１０２や１０３の本体ミラー１１６の回転を示す図であり、図２（ｂ）は、実施の形態１におけるレーザ加工装置における受光位置変更手段を示す図である。ミラー本体１１６は対向した2本の雄ネジの付いたリング１１７に固定されている。ミラーホルダー１１８にはミラー固定用の前記雄ネジがねじこまれる雌ネジが８箇所（周上等配）あり、８通りの角度で固定できる。ミラーホルダーの台座の部分にはステージ１１９があり、上下方向の移動ができる。光軸は当初ミラーの中心で合せ、次にステージ１１９によりミラー位置を上下方向に移動する。

ビームスプリッター１０７のホルダーには、ビームスプリッター１０７のレーザ光を分岐することができる部分を中空にしたリング状の部材をマト中心として設けている。調整ツマミ１２０を用いて、ミラーから光軸がはずれないぎりぎりの範囲でステージ１１９を移動してもビームスプリッター１０７のホルダーに固定したマト中心から光軸がずれないようステージの移動方向の上下方向に対するズレを微調整する。なお、ステージにはサーボモータ付リニアガイドが組み込まれていると操作性がよい。

加工装置タッチパネルに「光学部品に汚れまたは損傷あり→ミラー位置移動」と表示した時、位置移動可能なミラーの一覧から発振器に最も近いミラー１０２を選択する。「ミラー位置移動」のソフトキーを押すとミラーはステージにて３mm上方（光路をはずれない範囲）に直線移動される。（回転機構でミラーを回転しても可。）
その後、マスク無し時の加工点出力を測定する。この時のレーザ発振器出力に対する比率が変化しなければ、このミラーに汚れやダメージはない。しかし、もし回復傾向を示したならば、ミラー移動前の受光位置に汚れまたはダメージが存在する。

この場合、まずミラー表面（反射面）を清掃し、ステージ１１９によりミラー１０２を元位置に戻し、再度マスク無し時の加工点出力を測定する。この時のレーザ発振器出力に対する比率がミラー移動時と同等まで回復していればミラーの汚れは除去されている。

清掃前と大差ないようであれば清掃で除去できないダメージが存在する。この場合、取付角度を４５°ずらせて損傷部を光軸からはずし、マスク無し時の加工点出力を測定し、ミラー移動時のレーザ発振器出力に対する比率と同等になることを確認する。
光軸を変えずに位置を移動できる光学部品に対し、損傷の可能性の高い光学部品（照射ビーム径が細い、または対光強度の弱い）から順に前述の作業を実施し、加工点出力が当初レベルに回復するまで続ける。レーザ発振器出力に対する比率が過去のある時点と比較して１％以内であれば「出力が回復しました。ワークの加工が再開できます。」と加工装置タッチパネルに画面表示する。
最後まで続行して出力が完全に回復しない場合、移動機構のない他の光学部品に汚れまたは損傷が存在する。この場合、「他の光学部品に汚れまたは損傷あり」のメッセージと可能性のある該当光学部品リストが加工装置タッチパネルに画面表示する。これらの光学部品は位置を移動して使うことができないため、清掃しても加工点出力が回復しなければ交換の必要がある。

ミラーの固定角度８箇所全てにおいて受光位置が損傷した場合、ホルダー全体を３mm上方（光路をはずれない範囲）にスライドさせれば再び損傷のない受光位置８通りが確保できる。

なお、ステージによるミラーの直線移動方向はミラーの反射面内（光軸に対して４５°をなす）であってもよい。

サーボモータでミラーを任意の角度回転できる場合、受光位置の変更できる場所はさらに増加する。（図３参照。）交換部品であるミラーには、識別のため番号を各々付与し、「ミラーＮｏ．１」のように呼ぶ。加工装置タッチパネルに画面表示した「ミラーＮｏ．１移動量設定」にて「径（上下）方向移動量」及び「円周（角度）方向移動量」に数値を入力する。ビーム径は直径１mm程度であるのでミラーの径（上下）方向移動量は３mmあれば充分である。移動量はビーム径の３倍程度を目安とする。径方向の移動は受光位置がミラーの有効径の８０％の範囲内で実施する。

ミラーと光軸は４５°の角をなすので、照射ビーム径は円周方向に２^０．５倍に広がる。従って、円周方向（角度）の移動量は約４mmとする。ミラーの移動方向が水平方向の場合、水平方向の移動量を約４mm、円周方向（角度）の移動量を約３mmとする。直径２インチのミラーに対し、径方向移動量３mm、円周方向移動量４mmの場合、１枚のミラーで中心を含め１０３箇所の受光位置が確保できる。

ミラーＮｏ．１において、受光位置移動の度に画面の「ミラーＮｏ．１受光位置」欄に表示したカウンタの数字は１づつ増し、１０３に達した時点で「ミラーＮｏ．１が交換時期です。」と表示する。ミラーを交換した場合、このカウンタをリセットする。ミラー固定用の雌ネジの数や移動量はミラーのサイズやビームの照射径に応じて適正値に決めればよい。

以上により、光学手段の受光可能な位置を番号で管理し、予め定めたしきい値に達した時点で受光位置全てが損傷したことになり、その光学手段をレーザ加工装置から取り外して検査しなくても交換が必要であることが判明することが可能となる。

また、上記「ミラーＮｏ．１移動量設定」にて「径（上下）方向移動量」を設定せず、「円周（角度）方向移動量」のみに数値を入力してミラーＮｏ．１の受光位置を変更する場合、３６０°の約数である２°、３°、５°を除く３６０°以下の素数の角度単位でミラーＮｏ．１を回転させると、重なることなく効率的に受光位置を選択することが可能となる。

なお、ミラーの固定リング１１７の端面をウォームホイールとし、これにウォームギアを噛み合わせてギア側を回転させればミラーを任意の角度で回転できる。ウォームギアにモータを付け、角度を制御することも可能である。さらに、ミラーをサーボモータのローターと一体化させ、角度制御してもよい。

前述のようなミラーの受光位置を移動する構造は主に受光面でのビーム径が細い部分で採用し、ビーム径が太くてミラー損傷の恐れのない場所では必ずしも採用しなくてよい。

また、この構造はベンドミラー１０２、１０３に限らず１／２波長板１０６やビームスプリッター１０７に適用してもよい。ビームスプリッター１０７にはウェッジが付いているため取付角度を変えたり上下方向に移動したりした場合、ビームスプリッター１０７の透過光側の光軸は再調整が必要となる。

本実施の形態１のレーザ加工装置において、レーザ発振器の出力は制御用ＤＣ電流値で調整され、そのレーザ発振器内部の制御用ＤＣ電流値を調整するための調整ツマミが設けられている。「レーザ発振器出力低下」と表示した場合、レーザ発振器内部の制御用ＤＣ電流値を調整ツマミで少しずつ増やし、マスク無し時の加工点出力が過去のある時点まで回復するよう調整する。レーザ発振器出力が過去のある時点と比較して１％以内であれば回復したと判断し、「出力が回復しました。ワークの加工が再開できます。」と画面表示する。

「光軸〜マスク間相対位置ズレ」と表示した場合、マスク位置を修正する。マスク位置調整は、円周方向と径方向の２種類がある。円周方向は、マスクチェンジャーのサーボモータの角度で調整する。最初は０．１°単位で動かしながら当該マスクを通過したビーム（加工に使用しているビーム）で加工点出力を測定する。加工点出力が前回測定値より大きい場合は同じ方向に、小さい場合は逆方向に０．１°動かし、加工点出力を測定して前回測定値と比較する。増加傾向の続く限りこれを繰り返す。最低限３種類の角度で測定する。前回測定値を下回った時点でピークを過ぎているので、角度に対する加工点出力の関係を２次曲線近似し、近似式からピーク位置に対応する角度を算出して角度設定する。

ここで、加工点出力を測定し、加工時の正常出力値と比較する。差が２％以内まで回復すれば「出力が回復しました。ワークの加工が再開できます。」と画面表示する。回復しない場合、径方向の調整が必要である。光軸と直角方向の位置決めを行うサーボモータでマスクチェンジャーごと水平移動して調整する。移動は１００μｍ単位で行い、前述と同じ要領で加工点出力がピークとなる位置を決め、設定する。ここで、加工点出力を測定し、加工時の正常出力まで回復していることを確認する。
いずれかのマスク位置を調整した場合、残りの他のマスクに対して同様の調整が必要となる。この場合、光軸に対するズレはほぼ等しいと考えられるので、先のマスク位置の調整前後の設定値の差分（円周方向・径方向とも）を修正して設定すれば調整時間が節約できる。「出力が回復しました。ワークの加工が再開できます。」の表示が出たら、この時点の出力測定値を以降の出力確認時に参照する比較基準データとして登録できる。本実施例は２軸加工装置であるが、１軸の加工装置でも本構造の採用は可能である。

本発明によれば、メンテナンスが従来のものよりも容易になり、保守費用を安価にできるという産業上有用なレーザ加工装置とその補正方法を提供できる。

（ａ）本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置の光学系配置の一部（位置決め手段を含まず）を示す図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置の光学系配置の一部（位置決め手段を含む）を示す図 （ａ）本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置のミラー本体を示す図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置のミラーの受光位置変更手段を示す図 本発明の実施の形態１におけるミラーのレーザ受光位置の変更場所の配置を示す図 従来のレーザ加工装置を示す図

符号の説明

１０１ レーザ発振器
１０２、１０３ ベンドミラー（直線移動機構及び回転機構付）
１０４ コリメータレンズ
１０５ マスク（又はマスクチェンジャー）
１０６ １／２波長板
１０７ ビームスプリッター
１０８〜１１２ ベンドミラー
１１３ Ｚ１軸のガルバノミラー及びｆθレンズが組み込まれたユニット
１１４ Ｚ２軸のガルバノミラー及びｆθレンズが組み込まれたユニット
１１５ 加工テーブル
１１６ ミラー本体
１１７ ミラーの固定リング
１１８ ミラーホルダー
１１９ ステージ
１２０ ステージ移動方向の調整ツマミ

Claims (9)

1. レーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出したレーザ光の進行方向を変える複数の光学手段と、前記光学手段により進行方向の変わったレーザ光を入射してレーザ光を被加工物上の加工位置に位置決めする位置決め手段を備え、
   前記光学手段のうち少なくとも一つを保持する保持部が、当該光学手段に入射するレーザ光の光軸と当該光学手段により進行方向を変えられたレーザ光の光軸で決定される平面に対して垂直な方向に移動可能に位置決めする位置決め手段と、当該光学手段を回転可能に保持するための回転機構を備えたレーザ加工装置。
2. 前記被加工物上でのレーザ光の強度が予め定めた値以下の時に前記光学手段を回転させるように指示を表示する表示手段を設けた請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザ発振器から射出したレーザ光の強度を記憶する記憶手段を設け、前記表示手段は前記記憶手段の記憶した値と前記被加工物上でのレーザ光の強度を比較して予め定めた割合以下の値の時に前記光学手段の回転を促す指示を表示する請求項２記載のレーザ加工装置。
4. 前記保持部に前記光学手段を回転するモータまたはこのモータを組み込んだ減速機を設け、前記モータまたはこのモータを組み込んだ減速機による前記光学手段の回転角度を制御する回転角度制御手段を設けた請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
5. 前記回転角度制御手段による前記光学手段の回転角度として、２°，３°，５°を除く３６０°以下の素数を選択する請求項４記載のレーザ加工装置。
6. 前記被加工物上でのレーザ光の強度が予め定めた値以下の時に前記回転角度制御手段で前記光学手段を回転する請求項４または５記載のレーザ加工装置。
7. 前記レーザ発振器から射出したレーザ光の強度を記憶する記憶手段の記憶した値と前記被加工物上でのレーザ光の強度を比較して予め定めた割合以下の値の時に、前記回転角度制御手段で前記光学手段を回転する請求項６記載のレーザ加工装置。
8. 前記光学手段の回転回数を記憶する回転回数記憶手段と、前記回転回数記憶手段に記憶した値と前記光学手段の交換時期を示す回転回数の値を比較する比較部と、その比較部からの信号により前記光学手段の交換を指示する交換指示表示手段を設けた請求項１から７のいずれかに記載のレーザ加工装置。
9. 前記交換指示表示手段として前記表示手段を用いる請求項８記載のレーザ加工装置。

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