JP2003136270A - レーザ加工装置 - Google Patents
レーザ加工装置Info
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- JP2003136270A JP2003136270A JP2001338203A JP2001338203A JP2003136270A JP 2003136270 A JP2003136270 A JP 2003136270A JP 2001338203 A JP2001338203 A JP 2001338203A JP 2001338203 A JP2001338203 A JP 2001338203A JP 2003136270 A JP2003136270 A JP 2003136270A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 装置がコンパクトで、かつ加工速度および加
工品質が良好なレーザ加工装置を提供する。 【解決手段】 レーザ発振器１と第１および第２のガル
バノスキャナシステム３，４との間に、第１および第２
の音響光学偏向素子２ａ，２ｂを配置し、レーザビーム
１ａを長いストロークで移動させる場合には、第１およ
び第２のガルバノスキャナシステム３，４により移動さ
せ、短いストロークの移動は第１および第２の音響光学
偏向素子２ａ，２ｂにより移動させる。
工品質が良好なレーザ加工装置を提供する。 【解決手段】 レーザ発振器１と第１および第２のガル
バノスキャナシステム３，４との間に、第１および第２
の音響光学偏向素子２ａ，２ｂを配置し、レーザビーム
１ａを長いストロークで移動させる場合には、第１およ
び第２のガルバノスキャナシステム３，４により移動さ
せ、短いストロークの移動は第１および第２の音響光学
偏向素子２ａ，２ｂにより移動させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームの進
路を操作して、加工対象に穴やパターン等を加工するレ
ーザ加工装置に関する。
路を操作して、加工対象に穴やパターン等を加工するレ
ーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ加工機の一例であるプリント基板
穴明け用レーザ加工機は、レーザビームによりプリント
基板の上層と下層を電気的に接続するための穴を加工す
る装置である。このような従来のレーザ加工機は、加工
用のレーザ発振器と、被加工物であるプリント基板を積
載するＸＹテーブルと、アパーチャやレンズ等で構成さ
れる光学的ビーム処理系と、揺動型の電磁モータの回転
軸にミラーを取り付けた２台のスキャナを備えるガルバ
ノスキャナシステム等とから構成されている。
穴明け用レーザ加工機は、レーザビームによりプリント
基板の上層と下層を電気的に接続するための穴を加工す
る装置である。このような従来のレーザ加工機は、加工
用のレーザ発振器と、被加工物であるプリント基板を積
載するＸＹテーブルと、アパーチャやレンズ等で構成さ
れる光学的ビーム処理系と、揺動型の電磁モータの回転
軸にミラーを取り付けた２台のスキャナを備えるガルバ
ノスキャナシステム等とから構成されている。
【０００３】加工をするときには、レーザ発振器から出
射されたレーザビームの外形を光学的ビーム処理系によ
り所望の形状に整形してガルバノスキャナシステムに導
き、ガルバノスキャナシステムにより直交する２方向に
偏向させてＦθレンズに入射させ、プリント基板上の所
定の位置に集光させて穴を加工する。そして、Ｆθレン
ズの大きさで決まる加工領域内の加工が終了すると、被
加工物を移動させ、次の加工領域をＦθレンズに対して
位置決めする。以下、加工が終了するまで、上記の動作
を繰り返す。
射されたレーザビームの外形を光学的ビーム処理系によ
り所望の形状に整形してガルバノスキャナシステムに導
き、ガルバノスキャナシステムにより直交する２方向に
偏向させてＦθレンズに入射させ、プリント基板上の所
定の位置に集光させて穴を加工する。そして、Ｆθレン
ズの大きさで決まる加工領域内の加工が終了すると、被
加工物を移動させ、次の加工領域をＦθレンズに対して
位置決めする。以下、加工が終了するまで、上記の動作
を繰り返す。
【０００４】近年、携帯電子機器の需要増加等によりプ
リント基板の高密度化が進み、プリント基板穴明け用の
レーザ加工機には、より一層の加工速度の向上が求めら
れている。特に、高密度化に伴う配線パターンの微細化
に伴い、ピッチ間隔が小さい穴の加工の高速化と、加工
品質の向上と、が求められている。
リント基板の高密度化が進み、プリント基板穴明け用の
レーザ加工機には、より一層の加工速度の向上が求めら
れている。特に、高密度化に伴う配線パターンの微細化
に伴い、ピッチ間隔が小さい穴の加工の高速化と、加工
品質の向上と、が求められている。
【０００５】ところで、加工品質の向上を目的として、
スキャナに使用されるミラーは大型化されている。この
ため、スキャナの機械的負荷が増大し、スキャナの応答
速度は限界に近づいている。すなわち、ガルバノスキャ
ナシステム単独の改善によって加工速度を上げることは
困難になっている。
スキャナに使用されるミラーは大型化されている。この
ため、スキャナの機械的負荷が増大し、スキャナの応答
速度は限界に近づいている。すなわち、ガルバノスキャ
ナシステム単独の改善によって加工速度を上げることは
困難になっている。
【０００６】そこで、特開平１０−５８１７８号（以
下、第１の従来技術という。）では、レーザ発振器から
出射されたレーザビームを特殊な光学部品により分割
し、分割数に等しいガルバノスキャナシステムおよびＸ
Ｙテーブルを用いて複数のプリント基板を同時に加工す
るようにして、加工能率を向上させている。
下、第１の従来技術という。）では、レーザ発振器から
出射されたレーザビームを特殊な光学部品により分割
し、分割数に等しいガルバノスキャナシステムおよびＸ
Ｙテーブルを用いて複数のプリント基板を同時に加工す
るようにして、加工能率を向上させている。
【０００７】また、特表平９−５１１７９１号（以下、
第２の従来技術という。）では、トレパニング（ｔｒｅ
ｐａｎｎｉｎｇ）加工方法、すなわち、小径のレーザビ
ームで加工される小さい穴で大径の穴の内部を埋め尽く
すことにより、レーザビーム径の数倍から１０倍程度の
直径の穴の加工品質を向上させている。
第２の従来技術という。）では、トレパニング（ｔｒｅ
ｐａｎｎｉｎｇ）加工方法、すなわち、小径のレーザビ
ームで加工される小さい穴で大径の穴の内部を埋め尽く
すことにより、レーザビーム径の数倍から１０倍程度の
直径の穴の加工品質を向上させている。
【０００８】また、レーザ加工機に関する技術ではない
が、特開平１１−２１２１２４号には、光ビームの偏向
機器として音響光学偏向素子を採用することにより、光
ビームを広帯域かつ高速に走査させた場合でも所定の回
折効率を確保しつつ入射光と同じ大きさの回折光を得る
ようにした、光ビーム描画装置が開示されている。
が、特開平１１−２１２１２４号には、光ビームの偏向
機器として音響光学偏向素子を採用することにより、光
ビームを広帯域かつ高速に走査させた場合でも所定の回
折効率を確保しつつ入射光と同じ大きさの回折光を得る
ようにした、光ビーム描画装置が開示されている。
【０００９】同様に、レーザ加工機に関する技術ではな
いが、特開平９−４３６３号には、レーザビームの偏向
機器として音響光学偏向素子を用いることにより、トン
ネル掘削工事における掘削位置の指示等に好適な、高速
動作を高い位置決め精度で行うことができるレーザマー
キング用スキャニング装置が開示されている。
いが、特開平９−４３６３号には、レーザビームの偏向
機器として音響光学偏向素子を用いることにより、トン
ネル掘削工事における掘削位置の指示等に好適な、高速
動作を高い位置決め精度で行うことができるレーザマー
キング用スキャニング装置が開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかし、第１の従来技
術の場合、分割したレーザビームと同数の光学部品およ
びＸＹテーブル等が必要になるため、装置全体が大形に
なる。また、レーザビームを分割すると、それぞれのレ
ーザビームのエネルギは小さくなるので、大出力のレー
ザ発振器が必要になる。
術の場合、分割したレーザビームと同数の光学部品およ
びＸＹテーブル等が必要になるため、装置全体が大形に
なる。また、レーザビームを分割すると、それぞれのレ
ーザビームのエネルギは小さくなるので、大出力のレー
ザ発振器が必要になる。
【００１１】また、第２の従来技術の場合、レーザ発振
器の繰り返し照射周波数は数ｋＨｚないし数十ｋＨｚで
あるのに対し、ガルバノスキャナの応答周波数が約１ｋ
Ｈｚであるから、加工速度はガルバノスキャナのミラー
の応答速度で決まる。したがって、トレパニング加工を
効率的に行うためには、図７に示すように、加工位置を
少しずつずらしながら加工をする必要がある。しかし、
今回の照射位置を前回の照射位置に５０％程度重ねる必
要があるだけでなく、冷却期間が短いために加工部の温
度が上昇してしまい、穴の加工品質が低下する。このた
め、加工速度を速くすることができない。
器の繰り返し照射周波数は数ｋＨｚないし数十ｋＨｚで
あるのに対し、ガルバノスキャナの応答周波数が約１ｋ
Ｈｚであるから、加工速度はガルバノスキャナのミラー
の応答速度で決まる。したがって、トレパニング加工を
効率的に行うためには、図７に示すように、加工位置を
少しずつずらしながら加工をする必要がある。しかし、
今回の照射位置を前回の照射位置に５０％程度重ねる必
要があるだけでなく、冷却期間が短いために加工部の温
度が上昇してしまい、穴の加工品質が低下する。このた
め、加工速度を速くすることができない。
【００１２】また、第３、第４の従来技術に基づき、レ
ーザビームの偏向手段を音響光学偏向素子にするとレー
ザビームの偏向速度、すなわち走査速度を高速化するこ
とはできる。しかし、音響光学偏向素子の偏向角は小さ
いので、加工領域は狭い。このため、速度の遅いＸＹテ
ーブルにより被加工物を頻繁に移動させなければなら
ず、ガルバノスキャナシステムを用いる場合に比べて加
工速度は却って遅くなってしまう。
ーザビームの偏向手段を音響光学偏向素子にするとレー
ザビームの偏向速度、すなわち走査速度を高速化するこ
とはできる。しかし、音響光学偏向素子の偏向角は小さ
いので、加工領域は狭い。このため、速度の遅いＸＹテ
ーブルにより被加工物を頻繁に移動させなければなら
ず、ガルバノスキャナシステムを用いる場合に比べて加
工速度は却って遅くなってしまう。
【００１３】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決し、装置がコンパクトで、かつ加工速度および
加工品質が良好なレーザ加工装置を提供するにある。
題を解決し、装置がコンパクトで、かつ加工速度および
加工品質が良好なレーザ加工装置を提供するにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、レーザビームの進路を操作して前記レー
ザビームを加工対象の所定の位置に照射するレーザ加工
装置において、前記レーザビームの偏向角を変えてビー
ム走査を行う第１のビーム走査手段と、前記偏向角の選
択範囲が前記第１の走査手段よりも狭く、かつ応答速度
が前記第１の走査手段よりも速い第２のビーム走査手段
と、前記第１の走査手段の偏向角を検出する検出手段
と、前記検出手段により検出された前記第１のビーム走
査手段の偏向角に基づいて、前記第２のビーム走査手段
により前記レーザビームを位置決めする制御手段とを備
えていることを特徴とする。
め、本発明は、レーザビームの進路を操作して前記レー
ザビームを加工対象の所定の位置に照射するレーザ加工
装置において、前記レーザビームの偏向角を変えてビー
ム走査を行う第１のビーム走査手段と、前記偏向角の選
択範囲が前記第１の走査手段よりも狭く、かつ応答速度
が前記第１の走査手段よりも速い第２のビーム走査手段
と、前記第１の走査手段の偏向角を検出する検出手段
と、前記検出手段により検出された前記第１のビーム走
査手段の偏向角に基づいて、前記第２のビーム走査手段
により前記レーザビームを位置決めする制御手段とを備
えていることを特徴とする。
【００１５】この場合、前記第２のビーム走査手段を前
記レーザ源から前記対象物に至るレーザビームの光路上
に配置し、前記第１のビーム走査手段を前記第２のビー
ム走査手段から前記対象物に至るレーザビームの光路上
に配置するとよい。
記レーザ源から前記対象物に至るレーザビームの光路上
に配置し、前記第１のビーム走査手段を前記第２のビー
ム走査手段から前記対象物に至るレーザビームの光路上
に配置するとよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施形態に
基づいて説明する。
基づいて説明する。
【００１７】図１は本発明の実施形態に係るレーザ加工
機の要部を示す構成図、図２は加工用のレーザビームの
光路系を示す系統図である。
機の要部を示す構成図、図２は加工用のレーザビームの
光路系を示す系統図である。
【００１８】始めに、加工用のレーザビームの光路系に
ついて説明する。
ついて説明する。
【００１９】この光学系は、図２から分かるように、加
工用のレーザ光源１と、光学的ビーム処理系１１と、第
１および第２の音響光学偏向素子２ａ，２ｂと、第１お
よび第２のガルバノスキャナシステム３，４およびＦθ
レンズ５とから基本的に構成されている。
工用のレーザ光源１と、光学的ビーム処理系１１と、第
１および第２の音響光学偏向素子２ａ，２ｂと、第１お
よび第２のガルバノスキャナシステム３，４およびＦθ
レンズ５とから基本的に構成されている。
【００２０】図２において、加工用のレーザ光源１から
出力されたレーザビーム１ａは、第１ミラー１０ａを介
してコリメータやアパーチャ等で構成される光学的ビー
ム処理系１１に入射し、加工しようとする穴径に応じて
外形を整形される。光学的ビーム処理系１１を透過した
レーザビーム１ａは、第２ミラー１０ｂ、第１の音響光
学偏向素子（ＡＯＤ）２ａ、第２の音響光学偏向素子２
ｂ、第３ミラー１０ｃ、第１および第２のガルバノスキ
ャナシステム３，４のミラーである第４および第５ミラ
ー３ａ，４ａおよびＦθレンズ５を介して被加工物６に
入射する。
出力されたレーザビーム１ａは、第１ミラー１０ａを介
してコリメータやアパーチャ等で構成される光学的ビー
ム処理系１１に入射し、加工しようとする穴径に応じて
外形を整形される。光学的ビーム処理系１１を透過した
レーザビーム１ａは、第２ミラー１０ｂ、第１の音響光
学偏向素子（ＡＯＤ）２ａ、第２の音響光学偏向素子２
ｂ、第３ミラー１０ｃ、第１および第２のガルバノスキ
ャナシステム３，４のミラーである第４および第５ミラ
ー３ａ，４ａおよびＦθレンズ５を介して被加工物６に
入射する。
【００２１】第４および第５ミラー３ａ，４ａは、回転
軸が互いに直交する方向に配置され、それぞれ軸３ｂ，
４ｂの回りに回転自在である。第４および第５ミラー３
ａ，４ａの偏向角は最大約２０°であり、応答周波数は
約１ｋＨｚである。第４および第５ミラー３ａ，４ａの
回転角は、第１および第２のガルバノスキャナシステム
３，４に設けられた図示を省略する回転角センサにより
検出される。そして、第４ミラー３ａを回転させること
により被加工物上におけるレーザビーム１ａの照射位置
をＹ軸方向に、また、第５ミラー４ａを回転させること
により被加工物上におけるレーザビーム１ａの照射位置
をＸ軸方向に、それぞれ移動（走査）させることができ
る。
軸が互いに直交する方向に配置され、それぞれ軸３ｂ，
４ｂの回りに回転自在である。第４および第５ミラー３
ａ，４ａの偏向角は最大約２０°であり、応答周波数は
約１ｋＨｚである。第４および第５ミラー３ａ，４ａの
回転角は、第１および第２のガルバノスキャナシステム
３，４に設けられた図示を省略する回転角センサにより
検出される。そして、第４ミラー３ａを回転させること
により被加工物上におけるレーザビーム１ａの照射位置
をＹ軸方向に、また、第５ミラー４ａを回転させること
により被加工物上におけるレーザビーム１ａの照射位置
をＸ軸方向に、それぞれ移動（走査）させることができ
る。
【００２２】なお、第４および第５ミラー３ａ，４ａの
投影面の幅Ｗは、図１に示すように、第１および第２の
音響光学偏向素子２ａ，２ｂの最大偏向角をθａ、第１
の音響光学偏向素子２ａから第５ミラー４ａまでの距離
をＬとすると、 Ｗ／２≧Ｌ・θａ に形成されている。
投影面の幅Ｗは、図１に示すように、第１および第２の
音響光学偏向素子２ａ，２ｂの最大偏向角をθａ、第１
の音響光学偏向素子２ａから第５ミラー４ａまでの距離
をＬとすると、 Ｗ／２≧Ｌ・θａ に形成されている。
【００２３】第１の音響光学偏向素子２ａは、第１およ
び第２の微動ステージ１２ａ，１２ｂ上に載置され、レ
ーザビーム１ａの光路に対して水平方向に移動自在、か
つ垂直方向の軸に関して回転自在に支持されている。ま
た、第２の音響光学偏向素子２ｂは、第３および第４の
微動ステージ１２ｃ、１２ｄに載置され、レーザビーム
１ａの光路に対して水平方向に移動自在、かつ水平方向
の軸に関して回転自在に支持されている。そして、第１
の音響光学偏向素子２ａを動作させることにより被加工
物上におけるレーザビーム１ａの照射位置をＹ軸方向
に、また、第２の音響光学偏向素子２ｂを動作させるこ
とにより被加工物上におけるレーザビーム１ａの照射位
置をＸ軸方向に、それぞれ移動させることができる。
び第２の微動ステージ１２ａ，１２ｂ上に載置され、レ
ーザビーム１ａの光路に対して水平方向に移動自在、か
つ垂直方向の軸に関して回転自在に支持されている。ま
た、第２の音響光学偏向素子２ｂは、第３および第４の
微動ステージ１２ｃ、１２ｄに載置され、レーザビーム
１ａの光路に対して水平方向に移動自在、かつ水平方向
の軸に関して回転自在に支持されている。そして、第１
の音響光学偏向素子２ａを動作させることにより被加工
物上におけるレーザビーム１ａの照射位置をＹ軸方向
に、また、第２の音響光学偏向素子２ｂを動作させるこ
とにより被加工物上におけるレーザビーム１ａの照射位
置をＸ軸方向に、それぞれ移動させることができる。
【００２４】遮蔽板１３は第１および第２の音響光学偏
向素子２ａ、２ｂから出力される０次回折光を遮断する
ためのもので、図示を省略する台座に固定されている。
向素子２ａ、２ｂから出力される０次回折光を遮断する
ためのもので、図示を省略する台座に固定されている。
【００２５】次に、図６により、音響光学偏向素子につ
いて説明する。なお、第１および第２の音響光学偏向素
子２ａ、２ｂは構造的には同じものであるので、添字
ａ、ｂの表記は省略する。
いて説明する。なお、第１および第２の音響光学偏向素
子２ａ、２ｂは構造的には同じものであるので、添字
ａ、ｂの表記は省略する。
【００２６】図６は、音響光学偏向素子２の構成を示す
説明図である。
説明図である。
【００２７】音響光学偏向素子２は、レーザビーム１ａ
に対して透明で屈折率の大きな結晶２０１と、結晶２０
１の一端に接着され超音波を発生させるトランスデュー
サ２０２と、トランスデューサ２０２を駆動する高周波
信号源２０３とから構成されている。
に対して透明で屈折率の大きな結晶２０１と、結晶２０
１の一端に接着され超音波を発生させるトランスデュー
サ２０２と、トランスデューサ２０２を駆動する高周波
信号源２０３とから構成されている。
【００２８】トランスデューサ２０２を動作させない場
合、音響光学偏向素子２に入射したレーザビーム１ａ
は、０次回折光として、音響光学偏向素子２を透過す
る。また、トランスデューサ２０２により、結晶２０１
に対して周波数が数十ＭＨｚ以上の超音波を伝播させる
と、超音波の波長に対応して結晶２０１の屈折率が変化
し、屈折率の空間的な変化が位相型の回折格子として作
用する。この結果、音響光学偏向素子２に入射したレー
ザビーム１ａは回折され、光路が偏向した１次回折光と
して音響光学偏向素子から出射する。
合、音響光学偏向素子２に入射したレーザビーム１ａ
は、０次回折光として、音響光学偏向素子２を透過す
る。また、トランスデューサ２０２により、結晶２０１
に対して周波数が数十ＭＨｚ以上の超音波を伝播させる
と、超音波の波長に対応して結晶２０１の屈折率が変化
し、屈折率の空間的な変化が位相型の回折格子として作
用する。この結果、音響光学偏向素子２に入射したレー
ザビーム１ａは回折され、光路が偏向した１次回折光と
して音響光学偏向素子から出射する。
【００２９】そして、高周波信号源２０３が出力する高
周波の周波数をｆ、レーザビーム１ａの波長をλ、超音
波の波長をΛとすると、１次回折光の偏向角θの大きさ
は、 θ≒λ／２Λ・・・（式１） で表される。
周波の周波数をｆ、レーザビーム１ａの波長をλ、超音
波の波長をΛとすると、１次回折光の偏向角θの大きさ
は、 θ≒λ／２Λ・・・（式１） で表される。
【００３０】また、高周波の周波数をｆからΔｆだけ増
加して（ｆ＋Δｆ）にすると、偏向角の増加分Δθは、 Δθ≒λ・Δｆ／（２Λ・ｆ）・・・（式２） で表される。
加して（ｆ＋Δｆ）にすると、偏向角の増加分Δθは、 Δθ≒λ・Δｆ／（２Λ・ｆ）・・・（式２） で表される。
【００３１】したがって、偏向角の大きさが超音波の周
波数に応じて変化することを利用して、レーザビーム１
ａを偏向させることができる。なお、偏向角の最大値は
レーザビーム１ａの波長に依存するが、２〜３°であ
り、応答周波数は１００ｋＨｚ程度である。すなわち、
音響光学偏向素子２により偏向できる角度範囲はガルバ
ノスキャナシステム３，４により偏向できる角度範囲の
１／１０程度であり、応答周波数はガルバノスキャナシ
ステム３，４の約１００倍である。
波数に応じて変化することを利用して、レーザビーム１
ａを偏向させることができる。なお、偏向角の最大値は
レーザビーム１ａの波長に依存するが、２〜３°であ
り、応答周波数は１００ｋＨｚ程度である。すなわち、
音響光学偏向素子２により偏向できる角度範囲はガルバ
ノスキャナシステム３，４により偏向できる角度範囲の
１／１０程度であり、応答周波数はガルバノスキャナシ
ステム３，４の約１００倍である。
【００３２】次に、図１により、測定用レーザ光の光路
系について説明する。なお、同図では、作図上の都合に
より、レーザビーム１ａを被加工物上においてＹ軸方向
に偏向させる音響光学偏向素子２ａおよびガルバノスキ
ャナシステム３だけが記載され、レーザビーム１ａをＸ
軸方向に偏向させる音響光学偏向素子２ｂおよびガルバ
ノスキャナシステム４は図示を省略してある。
系について説明する。なお、同図では、作図上の都合に
より、レーザビーム１ａを被加工物上においてＹ軸方向
に偏向させる音響光学偏向素子２ａおよびガルバノスキ
ャナシステム３だけが記載され、レーザビーム１ａをＸ
軸方向に偏向させる音響光学偏向素子２ｂおよびガルバ
ノスキャナシステム４は図示を省略してある。
【００３３】測定用レーザ光の光路系は、加工用のレー
ザビーム光路系に重畳して構成され、加工用レーザ光源
１と第１の音響光学偏向素子２ａとの間に配置された第
１のダイクロイックミラー８ａと、この第１のダイクロ
イックミラー８ａに対してレーザ光を出射する計測用レ
ーザ光源７と、前記第１の音響光学素子２ａと第１のガ
ルバノスキャナシステム３の間に配置された第２のダイ
クロイックミラー８ｂと、第２のダイクロイックミラー
８ｂからのレーザ光が入射する２次元フォトセンサアレ
イ９とからなる。
ザビーム光路系に重畳して構成され、加工用レーザ光源
１と第１の音響光学偏向素子２ａとの間に配置された第
１のダイクロイックミラー８ａと、この第１のダイクロ
イックミラー８ａに対してレーザ光を出射する計測用レ
ーザ光源７と、前記第１の音響光学素子２ａと第１のガ
ルバノスキャナシステム３の間に配置された第２のダイ
クロイックミラー８ｂと、第２のダイクロイックミラー
８ｂからのレーザ光が入射する２次元フォトセンサアレ
イ９とからなる。
【００３４】レーザ光源１（実用上は光学的ビーム処理
系１１）と音響光学偏向素子２ａとの間および音響光学
偏向素子２ａとミラー３ａとの間に配置されたダイクロ
イックミラー８ａ，８ｂは、特定の波長の光をだけを反
射する特性を備え、ダイクロイックミラー８ａ，８ｂの
中心は、それぞれレーザビーム１ａの中心、かつ反射面
が光路に対して４５度になるように配置されている。
系１１）と音響光学偏向素子２ａとの間および音響光学
偏向素子２ａとミラー３ａとの間に配置されたダイクロ
イックミラー８ａ，８ｂは、特定の波長の光をだけを反
射する特性を備え、ダイクロイックミラー８ａ，８ｂの
中心は、それぞれレーザビーム１ａの中心、かつ反射面
が光路に対して４５度になるように配置されている。
【００３５】計測用のレーザ光源７は、計測用レーザ光
７ａを連続して出力する。そして、レーザ光源７は、計
測用レーザ光７ａがダイクロイックミラー８ａの中心か
つレーザビーム１ａの光路に対して直角に入射するよう
に位置決めされている。計測用レーザ光７ａの波長はダ
イクロイックミラー８ａ，８ｂにより反射される波長で
ある。２次元フォトセンサアレイ９は、ダイクロイック
ミラー８ｂで反射された計測用レーザ光７ａの光路と略
直角に配置されている。
７ａを連続して出力する。そして、レーザ光源７は、計
測用レーザ光７ａがダイクロイックミラー８ａの中心か
つレーザビーム１ａの光路に対して直角に入射するよう
に位置決めされている。計測用レーザ光７ａの波長はダ
イクロイックミラー８ａ，８ｂにより反射される波長で
ある。２次元フォトセンサアレイ９は、ダイクロイック
ミラー８ｂで反射された計測用レーザ光７ａの光路と略
直角に配置されている。
【００３６】次に、図１により、制御系について説明す
る。
る。
【００３７】制御系は、加工機コントローラ１０１と、
レーザ位置決めコントローラ１０２とから基本的に構成
されている。
レーザ位置決めコントローラ１０２とから基本的に構成
されている。
【００３８】加工機コントローラ１０１は、ユーザイン
ターフェース、加工データの処理等を行い、レーザ位置
決めコントローラ１０２に対して加工位置等の情報およ
び指令を出力する。レーザ位置決めコントローラ１０２
は、第１および第２の音響光学偏向素子２ａ，２ｂを制
御するＡＯＤコントローラ１０４と、第１および第２の
ガルバノスキャナシステム３，４を制御するガルバノス
キャナコントローラ１０５と、ＡＯＤコントローラ１０
４、ガルバノスキャナコントローラ１０５およびレーザ
光源１を制御する制御装置１０３とから構成されてい
る。制御装置１０３には、第４および第５ミラー３ａ，
４ａの現在の角度および２次元フォトセンサアレイ９か
らの出力信号が入力される。
ターフェース、加工データの処理等を行い、レーザ位置
決めコントローラ１０２に対して加工位置等の情報およ
び指令を出力する。レーザ位置決めコントローラ１０２
は、第１および第２の音響光学偏向素子２ａ，２ｂを制
御するＡＯＤコントローラ１０４と、第１および第２の
ガルバノスキャナシステム３，４を制御するガルバノス
キャナコントローラ１０５と、ＡＯＤコントローラ１０
４、ガルバノスキャナコントローラ１０５およびレーザ
光源１を制御する制御装置１０３とから構成されてい
る。制御装置１０３には、第４および第５ミラー３ａ，
４ａの現在の角度および２次元フォトセンサアレイ９か
らの出力信号が入力される。
【００３９】次に、本実施形態に係るレーザ加工機の動
作を説明する。
作を説明する。
【００４０】図３は、本実施形態に係るレーザ加工機の
各部の動作を示すタイミングチャートである。
各部の動作を示すタイミングチャートである。
【００４１】加工機コントローラ１０１から加工指令を
受けた制御装置１０３は、まず、指定された目標位置に
レーザビーム１ａが照射されるように第４ミラー３ａを
動作させる（時刻Ｔ１０）。制御装置１０３には第４ミ
ラー３ａの角度信号が入力されているので、第４ミラー
３ａの角度をリアルタイムで検知できる。そこで、この
角度信号を用いて、レーザビーム１ａの現在位置から目
標位置までの移動量を計算する。そして、目標位置まで
の距離が第１の音響光学偏向素子２ａの偏向範囲内に入
ったら（時刻Ｔ１１）、残りの移動量を第１の音響光学
偏向素子２ａに指令する。第１の音響光学偏向素子２ａ
の応答周波数は第４ミラー３ａの約１００倍であるか
ら、レーザビーム１ａの光路の中心は直ちに目標位置に
位置決めされる。そこで、制御装置１０３はレーザショ
ット信号を出力し、これを受けた加工用レーザ光源１は
パルス状のレーザビーム１ａを照射する。図示の場合、
次の加工位置までの距離が第１の音響光学偏向素子２ａ
の偏向角範囲内であるので、加工用レーザ光源１の性能
や、加工部に蓄積される熱量の影響等によって決まる期
間ｔａ経過後に２回目の照射を行っている（時刻Ｔ１２
＝Ｔ１１＋ｔａ）。
受けた制御装置１０３は、まず、指定された目標位置に
レーザビーム１ａが照射されるように第４ミラー３ａを
動作させる（時刻Ｔ１０）。制御装置１０３には第４ミ
ラー３ａの角度信号が入力されているので、第４ミラー
３ａの角度をリアルタイムで検知できる。そこで、この
角度信号を用いて、レーザビーム１ａの現在位置から目
標位置までの移動量を計算する。そして、目標位置まで
の距離が第１の音響光学偏向素子２ａの偏向範囲内に入
ったら（時刻Ｔ１１）、残りの移動量を第１の音響光学
偏向素子２ａに指令する。第１の音響光学偏向素子２ａ
の応答周波数は第４ミラー３ａの約１００倍であるか
ら、レーザビーム１ａの光路の中心は直ちに目標位置に
位置決めされる。そこで、制御装置１０３はレーザショ
ット信号を出力し、これを受けた加工用レーザ光源１は
パルス状のレーザビーム１ａを照射する。図示の場合、
次の加工位置までの距離が第１の音響光学偏向素子２ａ
の偏向角範囲内であるので、加工用レーザ光源１の性能
や、加工部に蓄積される熱量の影響等によって決まる期
間ｔａ経過後に２回目の照射を行っている（時刻Ｔ１２
＝Ｔ１１＋ｔａ）。
【００４２】また、次の加工位置までの距離が第１の音
響光学偏向素子２ａの偏向角範囲にある場合には、第１
のガルバノスキャナシステム３は動作させず、音響光学
偏向素子２ａのみ動作させることにより、加工時間を短
縮することができる。
響光学偏向素子２ａの偏向角範囲にある場合には、第１
のガルバノスキャナシステム３は動作させず、音響光学
偏向素子２ａのみ動作させることにより、加工時間を短
縮することができる。
【００４３】なお、従来の場合、第１回目の照射は、第
４ミラー３ａが目標位置に到達する時刻Ｔｇに行われ
る。したがって、本実施形態により加工が高速化されて
いることがわかる。
４ミラー３ａが目標位置に到達する時刻Ｔｇに行われ
る。したがって、本実施形態により加工が高速化されて
いることがわかる。
【００４４】次に、トレパニング加工について説明す
る。
る。
【００４５】図４は、本実施形態に係るレーザ加工機に
よりトレパニング加工を行う場合の各部の動作を示すタ
イミングチャートであり、レーザショット信号およびレ
ーザショットパルスの時間軸は拡大して示してある。な
お、通常、トレパニング加工の対象となる穴の直径は、
集光されたレーザビーム径（ビームスポット径）の数倍
から十倍程度であり、音響光学偏向素子２の偏向角を変
えるだけで、ビームスポットを対象となる穴の任意の位
置に位置決めすることができる。
よりトレパニング加工を行う場合の各部の動作を示すタ
イミングチャートであり、レーザショット信号およびレ
ーザショットパルスの時間軸は拡大して示してある。な
お、通常、トレパニング加工の対象となる穴の直径は、
集光されたレーザビーム径（ビームスポット径）の数倍
から十倍程度であり、音響光学偏向素子２の偏向角を変
えるだけで、ビームスポットを対象となる穴の任意の位
置に位置決めすることができる。
【００４６】加工機コントローラ１０１から加工指令を
受けた制御装置１０３は（時刻Ｔ２０）、第４および第
５ミラー３ａ，４ａにより、加工用レーザ光源１から出
射されるレーザビーム１ａの光路の中心をトレパニング
加工をしようとする穴の中心に位置決めする。前記レー
ザビーム１ａの光路の中心が穴の中心に位置決めされる
と（時刻Ｔ２１。図示の場合、第４ミラー３ａが位置決
めされた後。）、第１および第２の音響光学偏向素子２
ａ、２ｂを動作させ、前記レーザビーム１ａの中心を目
標位置に位置決めしてレーザビーム１ａを照射する（時
刻Ｔ２２）。以下、加工が終了するまで、この動作を繰
り返し、加工が終了したら（時刻Ｔ２３）、次の目標位
置に移動する。
受けた制御装置１０３は（時刻Ｔ２０）、第４および第
５ミラー３ａ，４ａにより、加工用レーザ光源１から出
射されるレーザビーム１ａの光路の中心をトレパニング
加工をしようとする穴の中心に位置決めする。前記レー
ザビーム１ａの光路の中心が穴の中心に位置決めされる
と（時刻Ｔ２１。図示の場合、第４ミラー３ａが位置決
めされた後。）、第１および第２の音響光学偏向素子２
ａ、２ｂを動作させ、前記レーザビーム１ａの中心を目
標位置に位置決めしてレーザビーム１ａを照射する（時
刻Ｔ２２）。以下、加工が終了するまで、この動作を繰
り返し、加工が終了したら（時刻Ｔ２３）、次の目標位
置に移動する。
【００４７】図５は、トレパニング加工を行う場合の走
査順路パターンの一例を示す図である。この例では、加
工熱の影響を少なくするため、円弧状の加工軌跡をＥ〜
Ｇに３等分し、Ｅ〜Ｇの順かつ各グループの一方の端部
から時計回りに順番に（すなわち、Ｅ１、Ｆ１、Ｇ１、
Ｅ２、Ｆ２、Ｇ２…の順に）加工を行う。このようにす
ると、加工位置間の距離を大きくできると共に、前回加
工された位置の隣りを加工するまでに２ショット分の冷
却時間が与えられるので、前回の加工の熱の影響を低減
することができる。そして、第１および第２の音響光学
偏向素子２ａ、２ｂの応答速度は速いので、このような
走査順路パターンにしても、第１および第２のガルバノ
スキャナシステム３，４によりレーザビーム１ａを位置
決めする場合に比較して加工能率を大幅に向上させるこ
とができ、しかも加工した穴の品質を向上させることが
できる。
査順路パターンの一例を示す図である。この例では、加
工熱の影響を少なくするため、円弧状の加工軌跡をＥ〜
Ｇに３等分し、Ｅ〜Ｇの順かつ各グループの一方の端部
から時計回りに順番に（すなわち、Ｅ１、Ｆ１、Ｇ１、
Ｅ２、Ｆ２、Ｇ２…の順に）加工を行う。このようにす
ると、加工位置間の距離を大きくできると共に、前回加
工された位置の隣りを加工するまでに２ショット分の冷
却時間が与えられるので、前回の加工の熱の影響を低減
することができる。そして、第１および第２の音響光学
偏向素子２ａ、２ｂの応答速度は速いので、このような
走査順路パターンにしても、第１および第２のガルバノ
スキャナシステム３，４によりレーザビーム１ａを位置
決めする場合に比較して加工能率を大幅に向上させるこ
とができ、しかも加工した穴の品質を向上させることが
できる。
【００４８】なお、この例では加工軌跡を３等分にした
が、分割数をさらに増すようにしてもよいし、加工位置
を円周方向だけでなく半径方向にもずらす等、任意の走
査順路パターンを選択することができる。
が、分割数をさらに増すようにしてもよいし、加工位置
を円周方向だけでなく半径方向にもずらす等、任意の走
査順路パターンを選択することができる。
【００４９】また、ここでは円形の穴を明ける場合につ
いて説明したが、本実施形態に係るレーザ加工機によれ
ば、円形の穴に限らず、四角形状の穴の他、文字等を含
む任意のパターン形状を高速に加工することができる。
いて説明したが、本実施形態に係るレーザ加工機によれ
ば、円形の穴に限らず、四角形状の穴の他、文字等を含
む任意のパターン形状を高速に加工することができる。
【００５０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
偏向角は広いが応答速度が遅いガルバノスキャナシステ
ムと、応答速度は速いが偏向角が狭い音響光学偏向素子
とを組み合わせ、レーザビームを離れた位置に移動させ
る場合はガルバノスキャナシステムを用い、その他の場
合は音響光学偏向素子だけでレーザビームを移動させる
ようにしたので、特に加工個所の間隔が短い場合に、加
工能率および加工品質を向上させることができる。
偏向角は広いが応答速度が遅いガルバノスキャナシステ
ムと、応答速度は速いが偏向角が狭い音響光学偏向素子
とを組み合わせ、レーザビームを離れた位置に移動させ
る場合はガルバノスキャナシステムを用い、その他の場
合は音響光学偏向素子だけでレーザビームを移動させる
ようにしたので、特に加工個所の間隔が短い場合に、加
工能率および加工品質を向上させることができる。
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ加工機の要部構
成図である。
成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る加工用のレーザビーム
の光路系の系統図である。
の光路系の系統図である。
【図３】本発明の実施形態に係るレーザ加工機の各部の
動作を示すタイミングチャートである。
動作を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係るトレパニング加工時の
各部の動作を示すタイミングチャートである。
各部の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】トレパニング加工時の走査順路パターンの一例
を示す図である。
を示す図である。
【図６】音響光学偏向素子の構成を示す説明図である。
【図７】トレパニング加工時の走査順路パターンの一例
を示す図である。
を示す図である。
１ レーザ発振器
１ａ レーザビーム
２ａ 第１の音響光学偏向素子
２ｂ 第２の音響光学偏向素子
３ 第１のガルバノスキャナシステム
４ 第２のガルバノスキャナシステム
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
// Ｂ２３Ｋ 101:42 Ｂ２３Ｋ 101:42
(72)発明者 大槻 治明
茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日
立製作所機械研究所内
(72)発明者 遠山 聡一
茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日
立製作所機械研究所内
(72)発明者 大久保 弥市
神奈川県海老名市上今泉2100番地 日立ビ
アメカニクス株式会社内
(72)発明者 村上 哲雄
神奈川県海老名市上今泉2100番地 日立ビ
アメカニクス株式会社内
(72)発明者 上野 秀雄
神奈川県海老名市上今泉2100番地 日立ビ
アメカニクス株式会社内
(72)発明者 大石 昌弘
神奈川県海老名市上今泉2100番地 日立ビ
アメカニクス株式会社内
Ｆターム(参考） 2H045 AB54 DA02 DA12
2K002 AA04 AB07 BA12 HA10
4E068 AF00 CA08 CB01 CD08 CE03
DA11
Claims (2)
- 【請求項１】 レーザビームの進路を操作して前記レー
ザビームを加工対象の所定の位置に照射するレーザ加工
装置において、 前記レーザビームの偏向角を変えてビーム走査を行う第
１のビーム走査手段と、 前記偏向角の選択範囲が前記第１の走査手段よりも狭
く、かつ応答速度が前記第１の走査手段よりも速い第２
のビーム走査手段と、 前記第１の走査手段の偏向角を検出する検出手段と、 前記検出手段により検出された前記第１のビーム走査手
段の偏向角に基づいて、前記第２のビーム走査手段によ
り前記レーザビームを位置決めする制御手段と、を備え
ていることを特徴とするレーザ加工装置。 - 【請求項２】 前記第２のビーム走査手段を前記レーザ
源から前記対象物に至るレーザビームの光路上に配置
し、前記第１のビーム走査手段を前記第２のビーム走査
手段から前記対象物に至るレーザビームの光路上に配置
することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001338203A JP2003136270A (ja) | 2001-11-02 | 2001-11-02 | レーザ加工装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001338203A JP2003136270A (ja) | 2001-11-02 | 2001-11-02 | レーザ加工装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003136270A true JP2003136270A (ja) | 2003-05-14 |
Family
ID=19152734
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001338203A Pending JP2003136270A (ja) | 2001-11-02 | 2001-11-02 | レーザ加工装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003136270A (ja) |
Cited By (20)
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-
2001
- 2001-11-02 JP JP2001338203A patent/JP2003136270A/ja active Pending
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