JP2008073806A - 穴明け加工方法およびレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】テーブルの表面に１０〜３０μｍ程度の凹凸が存在する場合であっても、ワーク表面の高さを測定する時間を短くでき、加工能率を向上させることができる穴明け加工方法およびレーザ加工機を提供すること。
【解決手段】ワーク２０を載置するＸ−Ｙテーブル６表面の高さを予め格子状に測定しておく。加工に先立ち、Ｘ−Ｙテーブル６上に載置されたワーク２０上面の任意の点Ｐｓｔ（ｘｓ、ｙｔ）の高さＨｓｔを測定し、点Ｐｓｔを囲む４点の高さを用いて演算により、点Ｐｓｔの表面高さｈｓｔを求め、測定された高さＨｓｔと演算により得られた高さｈｓｔとの差をワーク２０の板厚Ｔとする。そして、他の加工位置Ｐｅｆ（ｘｅ，ｙｆ）におけるワーク２０上面の高さＨｅｆを、マトリクス状に測定したテーブル表面の高さから演算される当該位置における高さｈｅｆと板厚Ｔとの和としてレーザの結像位置を定める。
【選択図】図３

Description

本発明は、穴明け加工方法およびレーザを集光レンズにより集光し、レーザの結像位置がワークの表面から予め定める距離になるように前記集光レンズを高さ方向に位置決めしてワークを加工するレーザ加工機に関する。

ワークを載置するテーブルの表面が平坦であり、かつワークの厚さ（板厚）がほぼ均一な場合には、任意の位置におけるワーク上面の高さを測定し、得られた高さをワーク上面の高さ方向の位置とすることができる。ワークに穴を加工する場合、通常、穴の深さはワークの表面を基準にして指定されるので、ワーク上面の位置（高さ）が定まれば、深さ方向の精度に優れる穴を加工することができる。

また、ワークの板厚が場所によりばらつく場合には、加工しようとする箇所毎にワーク上面の位置を測定したり、ワーク上面の高さを複数の箇所で測定し、その平均値をワーク上面の位置として加工をしていた。

また、ドリルを用いて穴を加工する場合、加工しようとする箇所のワークの表面高さＺn を検出し、この高さＺn とこの穴明け位置直前から順にさかのぼるＮ個の穴明け位置の表面高さの平均値Ｚm とを比較し、（Ｚn −Ｚm ）の絶対値が所定の値δ未満のときは穴明けを実施し、値δ以上では当該表面と基板抑え板との間に切粉等が挟まっていると判断して機械を停止させ、原因を排除した後に穴明け加工を再開していた（特許文献１）。

近年、小径の穴を加工する手段としてレーザが使用されるようになってきた。レーザを用いて穴を加工する場合、アパーチャによりレーザの外形を所望の形状に整形し、レンズにより集光してアパーチャの像を例えばワーク表面に結像させる。この場合、結像位置の高さ方向のずれの許容値は３０μｍ以内である。
特開平９−２７７１４０号公報

レーザの場合、加工時間はミリ秒のオーダであるため、特許文献１のように毎回ワークの表面高さを測定することは実用的ではない。また、ワーク上面のテーブル表面からの高さを複数の箇所に限定する場合も、測定時間が加工時間に比して極めて長くなるため、トータルの加工時間が長くなり、実用的ではない。

ところで、レーザで穴を加工するワークの板厚は一般にほぼ均一であるので、ワーク上面の任意の１箇所の高さを測定すれば加工品質は均一になると思われていた。しかし、ワークの板厚が均一な場合であっても、加工品質にばらつきが発生した。

本発明者は、従来平坦であると考えられていたテーブル表面には１０〜３０μｍ程度の凹凸が存在する場合があり、この凹凸の高低差が結像位置の高さ方向のずれの許容値に近いため、加工品質にばらつきが発生することを見出した。

本発明の目的は、テーブルの表面に１０〜３０μｍ程度の凹凸が存在する場合であっても、ワーク表面の高さを測定する時間を短くでき、加工能率を向上させることができる穴明け加工方法およびレーザ加工機を提供するにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の手段は、穴明け加工方法として、ワークを載置するテーブル表面の高さを予め格子状に測定しておき、加工に先立ち、前記テーブル上に載置されたワーク上面の任意の１点の高さを測定し、前記任意の１点のテーブル表面高さを、前記任意の１点を囲む４点の前記テーブル表面高さを用いて演算により求め、測定された高さと演算により求めたテーブル表面の高さとの差を前記ワークの板厚Ｔとし、他の加工位置における前記ワーク上面の高さを、当該加工位置を囲む４点の前記テーブル表面高さを用いて演算される当該加工位置のテーブル表面高さと、前記板厚Ｔと、の和として穴明け加工を行うことを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、レーザを集光レンズにより集光し、前記レーザの結像位置がワークの表面から予め定める距離になるように前記集光レンズを高さ方向に位置決めして前記ワークを加工するレーザ加工機において、ワークを載置するテーブル表面の高さをマトリクス状に測定した結果を記憶する記憶装置と、高さ方向の位置を検出する検出装置と、任意の１点のテーブル表面高さを演算により求める演算装置と、を設け、加工に先立ち、前記テーブル上に載置されたワーク上面の前記任意の１点の高さを測定し、前記任意の１点のテーブル表面高さを、前記任意の１点を囲む４点の前記テーブル表面高さを用いて演算により求め、測定された高さと演算により求めたテーブル表面の高さとの差を前記ワークの板厚Ｔとし、他の加工位置における前記ワーク上面の高さを、当該加工位置を囲む４点の前記テーブル表面高さを用いて演算により求めた当該加工位置のテーブル表面高さと、前記板厚Ｔと、の和として前記集光レンズを高さ方向に位置決めすることを特徴とする。

テーブルの表面に１０〜３０μｍ程度の凹凸が存在する場合であっても、任意の１箇所のワーク上面の高さを測定するだけで、他のワーク上面の高さを精度良く推定することができるので、加工品質を低下させることなく加工能率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工機の構成を示す図である。同図において、１点鎖線で示すレーザ加工機１の図示を省略するベース上には、ワーク２０であるプリント基板を載置し、Ｘ軸駆動装置１１ＸおよびＹ軸駆動装置１１ＹによりＸ軸方向およびＹ軸方向に移動自在なＸ−Ｙテーブル６が配置されている。なお、Ｘ−Ｙテーブル６の表面には、負圧源に接続されワーク２０を吸引するための多数の小径の穴（図示を省略）が設けられている。

ベース上に固定された図示を省略するコラムには、レーザを出力するレーザ発振器２、Ｘ−Ｙテーブル６の上面またはワーク２０の上面の位置（高さ）を測定するためのセンサ３、Ｚ軸駆動装置１１Ｚによりコラム上をＸ−Ｙテーブル６に対して垂直なＺ軸方向に移動自在の照射ヘッド１０が配置されている。照射ヘッド１０には、レーザ発振器２から出力されたパルス状のレーザ５を二点鎖線で示すスキャンエリア７内の所望の位置に位置決めする一対のガルバノミラー９、レーザ５を集光すると共にレーザ５の光軸をワークに対して垂直に位置決めするｆθレンズ８、ガルバノミラー９を揺動させる駆動装置１２等が配置されている。

ＮＣ装置１３は、プリント基板における加工箇所の座標等の所要データが記述されている加工プログラム１５およびキーボード１６からの入力に基づいてレーザ加工機１へ所定の制御信号を出力する。ＮＣ装置１３に接続された記憶装置１４は所要事項を記憶し、ＣＲＴ１７は入力データや加工状況等を表示する。

次に、本発明の動作を説明する。

図２は、Ｘ−Ｙテーブル６の平面図である。

本発明では、加工に先立ち、Ｘ−Ｙテーブル６におけるワーク載置面の基準面（例えば、床面）からの高さ（以下、単に「高さ」という。）を予め測定し、得られた結果を測定した点（位置）のＸＹ座標と共に記憶装置２４に記憶させておく。

図示の場合、Ｘ−Ｙテーブル６の左上端部からａ、ｂの距離に位置する点Ｐ１１の座標をＸ−Ｙテーブル６の原点（０，０）とし、図の左右Ｘ方向にピッチｐでｎ列、図の上下Ｙ方向にピッチｑでｍ行の格子上に位置する格子点ＰｉｊのＸ座標ｘｉ，Ｙ座標ｙｊおよび高さｈｉｊを一組にして記憶しておく。なお、ｉ、ｊは整数であり、１≦ｉ≦ｎ、１≦ｊ≦ｍである。また、ピッチｐおよびピッチｑとしてはｆθレンズ８の直径で定まるスキャンエリア７の寸法（例えば、５０ｍｍ）にしても良いし、さらに小さい値（例えば、１ｍｍ）としても良い。そして、Ｘ−Ｙテーブル６上の任意の点Ｐｅｆ（ｘｅ，ｙｆ）の高さｈｅｆを、点Ｐｅｆを囲む４個の格子点の高さを用いて、
ｈｅｆ＝（（ｘＩ−ｘｅ）（ｙＪ−ｙｆ）ｈｉｊ＋（ｘＩ−ｘｅ）（ｙｆ−ｙｊ）ｈｉＪ＋（ｘｅ−ｘｉ）（ｙＪ−ｙｆ）ｈＩｊ＋（ｘｅ−ｘｉ）（ｙｆ−ｙｊ）ｈＩＪ）／（ｘＩ−ｘｉ）（ｙＪ−ｙｊ） ・・・（式１）
により求める。

ここで、ｉ≦ｅ≦ｉ＋１、ｊ≦ｆ≦ｊ＋１であるとし、ｉ＋１＝Ｉ、ｊ＋１＝Ｊとすると、点Ｐｅｆを囲む４点は、Ｐｉｊ，ＰＩｊ，ＰｉＪ，ＰＩＪの４点であり、高さはそれぞれｈｉｊ，ｈＩｊ，ｈｉＪ，ｈＩＪである。

次に、板厚がほぼ均一であるワーク２０を加工する場合について説明する。
なお、格子点ＰｉｊのＸ座標ｘｉ，Ｙ座標ｙｊおよび高さｈｉｊは一組にして記憶されている。また、照射ヘッド１０を移動原点（または待機位置）に置いた時のｆθレンズ８の基準面からの高さは予め知られている。そして、品質に優れる加工を行うためには、ｆθレンズ８とワーク２０表面との距離をＡ、すなわち、ｆθレンズ８をワーク２０表面からＡの高さに位置決めする必要がある。

図３は、本発明の動作を示すフローチャートである。
加工に先立ち、ワーク２０をＸ−Ｙテーブル６上に配置し、負圧源を動作させることによりワーク２０をＸ−Ｙテーブル６に吸引させ、ワーク２０をＸ−Ｙテーブル６に密着させておく。

図示を省略する加工開始ボタンがオンされると、ＮＣ装置１３は加工プログラムを参照し、センサ３をワーク表面高さの測定位置（ここでは、点Ｐｓｔ）に位置決めして、点Ｐｓｔにおけるワーク２０の上面の位置（高さ）Ｈｓｔを測定する（手順Ｓ１０）。次に、点Ｐｓｔのテーブル表面高さｈｓｔを、点Ｐｓｔを囲む４つの格子点の高さを式１に代入して求め（手順Ｓ２０）、求めた結果を
Ｔ＝Ｈｓｔ−ｈｓｔ ・・・（式２）
に代入してワーク２０の板厚Ｔを定める（手順Ｓ３０）。 次に、未加工の加工箇所Ｐｅｆの有無を確認し、未加工の加工箇所Ｐｅｆがある場合は手順Ｓ５０の処理を行い、その他の場合は処理を終了する（手順Ｓ４０）。手順Ｓ５０では未加工の加工箇所Ｐｅｆの高さｈｅｆを演算により求め、ワーク２０の表面高さＨｅｆを
Ｈｅｆ＝Ｔ＋ｈｅｆ ・・・（式３）
により求めて（手順Ｓ６０）、ｆθレンズ８をＨθ（ただし、Ｈθ＝Ｈｅｆ＋Ａ）に位置決めし（手順Ｓ７０）、加工を行ってから（手順Ｓ８０）、手順Ｓ４０の処理を行う。

この結果、ワーク２０のいずれの位置においても、結像位置はワーク２０の上面から予め定められた位置（例えば、表面）に位置決めされ、品質の優れる穴を加工することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、Ｘ−Ｙテーブル６の上面を格子状に測定しておくことにより、ワーク２０の板厚Ｔを１回測定するだけで、ワーク２０のいずれの位置においても品質に優れる加工をすることができるだけでなく、加工時間を短縮することができる。

なお、本発明は、レーザ加工機に限らず、例えば、ドリルを用いて穴を加工するドリル加工機にも適用することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工機の構成図である。 Ｘ−Ｙテーブルの平面図である。 本発明の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

６ Ｘ−Ｙテーブル
２０ ワーク
Ｐｓｔ 測定点
Ｈｓｔ 測定点Ｐｓｔにおけるワーク２０上面の高さ（測定値）
ｈｓｔ 測定点ＰｓｔにおけるＸ−Ｙテーブル６の表面高さ
Ｈｅｆ 加工位置Ｐｅｆにおけるワーク２０上面の高さ（計算値）
Ｐｅｆ 加工位置
ｈｅｆ 加工位置ＰｅｆにおけるＸ−Ｙテーブル６の表面高さ
Ｔ ワークの板厚

Claims (2)

1. ワークを載置するテーブル表面の高さを予め格子状に測定しておき、
   加工に先立ち、前記テーブル上に載置されたワーク上面の任意の１点の高さを測定し、
   前記任意の１点のテーブル表面高さを、前記任意の１点を囲む４点の前記テーブル表面高さを用いて演算により求め、
   測定された高さと演算により求めたテーブル表面の高さとの差を前記ワークの板厚とし、
   他の加工位置における前記ワーク上面の高さを、当該加工位置を囲む４点の前記テーブル表面高さを用いて演算される当該加工位置のテーブル表面高さと、前記板厚と、の和として穴明け加工を行う
   ことを特徴とする穴明け加工方法。
2. レーザを集光レンズにより集光し、前記レーザの結像位置がワークの表面から予め定める距離になるように前記集光レンズを高さ方向に位置決めして前記ワークを加工するレーザ加工機において、
   ワークを載置するテーブル表面の高さをマトリクス状に測定した結果を記憶する記憶装置と、
   高さ方向の位置を検出する検出装置と、
   任意の１点のテーブル表面高さを演算により求める演算装置と、
   を設け、
   加工に先立ち、前記テーブル上に載置されたワーク上面の前記任意の１点の高さを測定し、
   前記任意の１点のテーブル表面高さを、前記任意の１点を囲む４点の前記テーブル表面高さを用いて演算により求め、
   測定された高さと演算により求めたテーブル表面の高さとの差を前記ワークの板厚とし、
   他の加工位置における前記ワーク上面の高さを、当該加工位置を囲む４点の前記テーブル表面高さを用いて演算により求めた当該加工位置のテーブル表面高さと、前記板厚と、の和として前記集光レンズを高さ方向に位置決めする
   ことを特徴とするレーザ加工機。

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