JP2009082956A - レーザ加工機のレーザ照射位置補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度且つ短時間で行うことができるレーザ加工機のレーザ照射位置補正方法を提供することである。
【解決手段】 予め定めた箇所の温度を測定し、前記箇所の温度の変化量が所定の範囲から外れた場合はレーザ照射位置を確認し、前記レーザ照射位置が指令位置に対して予め定める許容値から外れている場合は、ガルバノミラー５ａ，５ｂの位置決め角度を補正して前記指令位置に一致させるようにしたレーザ加工機におけるレーザ照射位置補正方法において、レーザ２ａの外径を定めるマスク3ａ〜3ｃ毎に、ガルバノミラー５ａ，５ｂの位置決め角度を補正した時刻を補正時刻として記憶し、加工に使用するマスク3ａ〜3ｃについての最後の補正時刻から現在時刻までの経過時間が所定の指定時間を超えた場合は、レーザ照射位置を確認し、レーザ照射位置が指令位置に対して予め定める許容値から外れている場合は、ガルバノミラーの位置決め角度を補正する。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ光を用いて穴明け加工を行うレーザ加工機におけるレーザ照射位置補正方法に関する。

近年、電子機器の小型、軽量化に伴い、プリント配線基板等の高密度化、パターンの微細化が加速している。これに伴い、プリント配線基板には高精度且つ生産性に優れる穴明け加工が要求されている。

レーザ加工機では、レーザ照射位置を１対のガルバノミラーにより位置決めする。レーザ照射位置補正方法として、特許文献１には、加工した穴を撮像装置により撮像し、指令位置と実加工位置とのズレをｘｙ座標におけるｘ方向およびｙ方向のズレ量として求めた後、ガルバノミラーを適切に位置決めするための補正値を演算により求めて補正を行うレーザ照射位置補正方法が開示されている。

レーザ照射位置は、周囲温度やレーザ加工機内部の発熱源およびレーザ照射による発熱等による装置自体の温度変化の影響を受ける。特許文献２には、上述の温度変化に起因する穴位置精度の悪化を補償するために、反射ミラー（ガルバノミラー）を支持するスキャンミラー光学系が取り付けられたフレームの温度を測定し、当該温度に基づいて反射ミラー角度を補正することによって穴位置補正を行う方法が開示されている。

特願２０００−３３３４０５号公報 特願平１０−７９２１６号公報

しかしながら、例えば特許文献１に開示されたレーザ照射位置補正方法において、高精度な補正を行うためには数ミリ間隔で補正を行う必要がある。結果として、穴明け加工→ズレ量測定→補正値演算→補正後穴明け加工→補正後測定を１セットとして当該間隔で行うことが必要となり、長い補正時間を要してしまう。結果として、実加工時間に対する非加工時間が長くなり、生産性を阻害するという問題があった。

また、レーザ照射位置がズレるのはフレームの温度変化に起因するものだけではないから、特許文献２の技術だけでは加工精度を維持することはできない。

本発明の目的は、高精度且つ生産性に優れた加工を行うことができるレーザ加工機のレーザ照射位置補正方法を提供することである。

本発明によるレーザ照射位置補正方法は、予め定めた箇所の温度を測定し、前記箇所の温度の変化量が所定の範囲から外れた場合はレーザ照射位置を確認し、前記レーザ照射位置が指令位置に対して予め定める許容値から外れている場合は、ガルバノミラーの位置決め角度を補正して前記指令位置に一致させるようにしたレーザ加工機におけるレーザ照射位置補正方法において、レーザの外径を定めるマスク毎に、前記ガルバノミラーの位置決め角度を補正した時刻を補正時刻として記憶し、加工に使用するマスクについての最後の補正時刻から現在時刻までの経過時間が所定の指定時間を超えた場合は、レーザ照射位置を確認し、前記レーザ照射位置が指令位置に対して予め定める許容値から外れている場合は、ガルバノミラーの位置決め角度を補正して前記指令位置に一致させることを特徴としている。

本発明によると、高精度且つ短時間でのレーザ加工機のレーザ照射位置補正が可能になる。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るレーザ加工機の構成図である。レーザ発振器１の光軸上には、複数の径が異なる穴を備えたアパーチャ３（以下、穴３ａ〜３ｃをそれぞれマスクと称する）、ガルバノミラー５ａ、５ｂおよび集光レンズ（ｆθレンズ）６が配置されている。集光レンズ（ｆθレンズ）６に対向する位置には、被加工物であるプリント基板８が配置されている。プリント基板８はＸ−Ｙテーブル９に固定されている。ＮＣ装置１４は、Ｘ−Ｙテーブル９、レーザ電源コントローラ１６、アパーチャ３のマスクを切り替えるマスク切り替え装置４およびガルバノコントローラ１５を制御する。テーブル９の上方には、画像認識手段として用いられるＣＣＤカメラ１１と、ＣＣＤカメラ用光源１７とが配置されている。ＣＣＤカメラ１１は画像処理装置１２を介して、またＣＣＤカメラ用光源１７はＣＣＤカメラ用光源コントローラ１８を介して、それぞれＮＣ装置１４に接続されている。テーブル９の予め定める位置には穴位置確認用ワーク１３が載置されている。ここでは、穴位置確認用ワークの材質を実際のワークと同一の材質としている。

図２は、本発明に係るレーザ加工機を構成する各部品の配置関係を示す概略斜視図である。尚、この図の場合、レーザ照射部を２組備えている。
図２において、ベッド２２上には、矢印Ｙ方向に移動可能なＹテーブル９ｙと、このＹテーブル上に載置され矢印Ｘ方向に移動可能なＸテーブル９ｘとが支持されており、Ｘテーブル９ｘとＹテーブル９ｙとでＸ−Ｙテーブル９を構成している。また、Ｘ−Ｙテーブル９の移動領域を跨ぐようにベッド２２上に立設された機械フレーム２１上には、ガルバノミラー５ａ、５ｂと、回転方向にガルバノミラー５ａ、５ｂを位置決めするガルバノスキャナ７ａ、７ｂと、集光レンズ６を支持する加工ヘッド２０とが取り付けられている。
温度センサ１９ａ（図１参照）は、ガルバノミラー５ａ、５ｂのミラー面の温度を測定し、温度センサ１９ｂは、集光レンズ６を支持する加工ヘッド２０の温度を測定する。温度センサ１９ａは、ガルバノミラー５ａ、５ｂのミラー部の温度を間接的に測定し、温度センサ１９ｂは加工ヘッド２０の温度を測定する。温度センサ１９ａは、例えば非接触方式の放射温度計である。

次に、本実施例におけるレーザ加工機の穴明け動作を説明する。プリント基板８がローダ（図示せず）にセットされた後、ＮＣ装置１４で、オペレータが予め入力された加工プログラムと加工条件ファイルとを呼び出す。ＮＣ制御装置１４は、マスク切り替え装置４を制御して穴径のマスク３ａ〜３ｃのうち加工に適した穴径のマスクをレーザ光の光軸上に位置決めする。更に、ＮＣ装置１４は、Ｘ−Ｙテーブル９を加工位置に移動させ、ガルバノコントローラ１５を制御してガルバノスキャナ７ａ、７ｂを動作させ、ガルバノミラー５ａ、５ｂを加工位置に応じた角度に位置決めする。その後、レーザ電源コントローラ１６を制御してレーザ発振器１を動作させ、パルス状のレーザ光２を発振させる。
発振されたレーザ光２は、レーザビーム径調整装置（図示せず）を介してアパーチャ３を通り、アパーチャ３におけるマスクの径で決まる外径のレーザ光２ａに整形された後、必要に応じてレーザ光路長調整装置（図示せず）を通る。その後、レーザ光２ａは、ガルバノミラー５ａ、５ｂを介して集光レンズ６に入射し、ガルバノミラー５ａ、５ｂの角度で定まるプリント基板８上に略垂直に入射して穴を加工する。そして、集光レンズ６の大きさで定まる加工領域１０（５０ｍｍ×５０ｍｍ程度の大きさである）内の穴の加工が終了したら、Ｘ−Ｙテーブル９を移動させ、次の加工領域１０を集光レンズ６に対向させる。以下、加工が終了するまで上記の動作を繰り返す。

実際のレーザの光軸は、設計上の光軸からずれる。ズレが発生する要因としては、例えば、レーザ発振器１からレーザ光が発振される際に生じるズレ（例えば、レーザ発振条件の違いによって生じる。）、光路部品（例えば、アパーチャ３におけるマスク）が変わることによって生じるズレおよびレーザ加工機の熱環境の変化によるガルバノミラー支持部の熱変位によるズレがある。したがって、加工する穴の位置精度を高精度に維持するためには、ガルバノミラー５ａ，５ｂによりレーザ照射位置補正を行う必要がある。

図３〜５は、本実施例におけるレーザ加工機のレーザ照射位置補正を含めた穴明け加工を示すフローチャートである。
図３〜５に基づいて、穴明け加工とレーザ照射位置補正との関係を説明する。
なお、この実施形態では、計時手段としてＮＣ装置１４内部に予め備えられた時計（暦通りの時刻を表示する）を使用する。また、後述するように、マスク３ａ〜３ｃに対してレーザ照射位置補正した時刻は、最終レーザ照射位置補正時刻（最後の補正時刻）としてマスク３ａ〜３ｃ毎にそれぞれＮＣ装置１４の記憶部に記憶される。

まず図３に基づいて説明する。
作業者は未加工基板をローダにセットする（Ｓ１０５）。ここでは、複数枚の基板が１つのユニットとしてローダにセットされ、当該１つのユニットを加工ロットと称する。その後、加工プログラムおよび加工条件ファイルを呼び出した後（Ｓ１１０）、レーザ加工機のスタート釦をＯＮする（Ｓ１１５）。次に、使用する加工プログラムと加工条件とから、その加工ロットにおいて使用するマスクを検索する（Ｓ１２０）。次に、検索された（すなわち、加工に使用する）マスク全ての最終レーザ照射位置補正時刻がＮＣ装置１４の記憶部に記憶されているかを確認し（Ｓ１２５）、検索されたいずれかのマスクの最終レーザ照射位置補正時刻が記憶されていない場合は、検索されたマスクの中から、最終レーザ照射位置補正時刻が記憶されていないマスクを選択し（Ｓ１３５）、図４におけるステップ２０５の処理を行う。
また、図３におけるステップ１２５において、検索されたマスク全ての最終レーザ照射位置補正時刻が記憶されている場合は、当該検索されたマスクの最終レーザ照射位置補正時刻から現在時間までの経過時間が所定の指定時間を超えているかどうかを確認し（Ｓ１３０）、指定時間を超えている場合には、図５におけるステップ３２０の処理を行い、指定時間を超えていない場合には、図５におけるステップ３１０の処理を行う。

ここで、図４に基づいてステップ２０５〜ステップ２４５の処理を説明する。なお、ここでは、ガルバノスキャンエリアが５０ｍｍ×５０ｍｍであるとする。この場合、補正ピッチを５ｍｍとすると、レーザ照射位置補正のためのガルバノスキャンエリアへの穴明け数は１２１穴となる。
穴位置確認用ワーク１３を集光レンズ６に対して位置決めし、ガルバノスキャンエリアに１２１穴加工を行い（Ｓ２０５）、ＣＣＤカメラ１１で穴位置を撮像することによって穴位置を計測し、ＮＣ装置１４からの実際の指令位置に対するズレ量を演算し（Ｓ２１０）、当該ズレ量に基づいて１２１穴全てについてガルバノミラー５ａ、５ｂの指令位置を補正する（Ｓ２１５）。次に、１２１穴補正によるレーザ照射位置補正処理が適正に行われたどうかを検証するために、穴位置確認用ワーク１３に再度１２１穴加工を行い（Ｓ２２０）、ＣＣＤカメラ１１を使用して穴位置を計測し、指令位置に対するズレ量を演算する（Ｓ２２５）。次に、当該ズレ量が管理値以内（予め定める許容値以内）かどうかを判定し（Ｓ２３０）、当該ズレ量が管理値を超えている場合にはアラーム停止し（Ｓ２３５）、当該ズレ量が管理値以内である場合には、ＮＣ装置１４の記憶部に、温度センサ１９ａ〜１９ｂにより測定された温度および最終レーザ照射位置補正時刻を記憶する（Ｓ２４０）。さらにレーザ照射位置補正処理を行う他のマスクがあるかどうかを確認し（Ｓ２４５）、次のマスクがある場合にはステップ２０５の処理を再び行い、次のマスクがない場合には、図５におけるステップＳ３１０の処理を行う。

次に、図５に基づいてステップ３１０〜ステップ３５５の処理を説明する。温度センサ１９ａ、１９bは、ガルバノミラー５ａ〜５ｂおよび集光レンズ６を支持する加工ヘッド２０の温度をそれぞれ常に測定し、これら２つの構成要素におけるいずれか１箇所でも温度変化（Ｓ３１０）が発生した場合には、ステップ３２０の処理が行われる。ここでいう温度変化とは、１回前にレーザ照射位置補正した時の各温度センサ１９ａ、１９ｂによって測定された温度をそれぞれ基準とした所定の温度変化（例えば３〜５℃）を示す。
所定の温度変化がない場合は、当該検索されたマスクのうちこれから使用するマスク（以下、使用マスクと称する。）の最終レーザ照射位置補正時刻から現在時刻までの経過時間を求め、当該経過時間が所定の指定時間を越えるか否かを判定する（Ｓ３１５）。なお、経過時間は当該マスクの最終レーザ照射位置補正時刻と現在時刻とから容易に求められる。ここでは、所定の指定時間を８時間としている。ステップ３１５において経過時間が指定時間を越えている場合には、ステップ３２０の１穴加工によるレーザ照射位置ズレ量確認のための処理が行われ、経過時間が指定時間を越えない場合には、当該レーザ照射位置ズレ量確認処理を行わずに実際の加工基板への穴明け加工を行う（Ｓ３３５）。

次に、ステップ３２０〜ステップ３３０の処理を説明する。
レーザ加工機において、集光レンズの温度変化は、穴明け位置精度に与える影響が大きいことが確認されている。すなわち、温度が変化すると、レンズの屈折率、熱伸縮によるレンズの形状等が変化する結果、結像位置が移動して穴位置精度が悪化する。この場合、穴明け位置はガルバノスキャンエリア全体が平行移動するため、中央１穴でのズレ量検証によっても高精度な補正が行える事が確認できている。

そこで、ステップ３２０では、まず、使用マスクを選択してレーザ発振器１の光軸上に配置した後、穴位置確認用ワーク１３を集光レンズ６に対して位置決めし、ガルバノスキャンエリアの中央への１穴加工を行う（Ｓ３２０）。次に、ＣＣＤカメラ１１で穴位置を撮像することによって穴位置を計測し、ＮＣ装置１４からの実際の指令位置に対するズレ量を演算し（Ｓ３２５）、当該ズレ量が所定の管理値以内であるかを判定する（Ｓ３３０）。ズレ量が管理値以内である場合は、ステップ３３５の実加工が行われ、ズレ量が管理値を超える場合には、図４におけるステップ２０５の処理が行われる。

次に、この使用マスクでの穴明け加工が終了した場合は、次のマスクによる加工があるかどうかを確認し（Ｓ３４５）、当該次のマスク加工がある場合には、ステップ３１０の処理が行われ、当該次のマスク加工がない場合は、次に加工する基板があるかどうかを確認する（Ｓ３５０）。当該次の加工基板がある場合はステップ３１０の処理がを行い、当該次の加工基板がない場合には、次の加工ロットがあるかを確認する（Ｓ３５５）。次の加工ロットがある場合には、図３におけるステップ１０５の処理を行い、次の加工ロットがない場合は加工を終了する。すなわち、必要に応じて適宜行われる温度変化によるレーザ照射位置補正（以下、温度変化補正と称す。）と並行して、使用するマスクについて指定時間間隔でのレーザ照射位置補正（以下、指定時間間隔補正と称す。）を行う。

なお、必要に応じて、上述の１穴加工に代えて、ガルバノスキャンエリアの中央１穴と４隅の５穴加工によるズレ量演算とすることで、補正時間としては多少時間がかかるが、ガルバノスキャンエリアの中央１穴による中心ズレ量の演算、４隅の穴明け加工によるガルバノスキャンエリアの４隅における伸縮度合いについての穴明け位置ズレ量の演算を行い、ガルバノスキャンエリア全体の穴明け位置精度検証を行うこととしても良い。

図３〜５に示した実施例においては、温度変化が生じたとき或いは使用マスクの最終レーザ照射位置補正時刻からの経過時間が所定の指定時間を越えたときにレーザ照射位置補正を行うこととしたが、時間を多少犠牲にして、加工ロット変更後は必ずレーザ照射位置補正を行うこととし、加工ロット毎の穴明け位置精度を向上させても良い。

さらに、本発明におけるレーザ照射位置補正の実施例においては、所定の状況下において使用マスク毎に、１穴加工によるレーザ照射位置確認および必要に応じて１２１穴加工によるレーザ照射位置補正を行うこととしたが、検索されたマスク全てについて１穴加工によるレーザ照射位置確認を行うこととし、１穴加工によってズレ量が管理値を超えた場合は、その時点で１穴加工を止めて、全てのマスクについて１２１穴加工によるレーザ照射位置補正を行うこととしても良い。また、検索された全てのマスクについての１穴加工を行って、ズレ量が管理値を超えたマスクをＮＣ装置１４に記憶させておき、管理値を超えたマスクについては１２１穴加工による穴位置補正を行うこととしても良い。

また、本願の実施例においては、レーザ照射位置補正の際に１２１穴加工を行うこととしたが、当該穴明け数は例であって、ガルバノスキャンエリアおよび補正ピッチ等により異なり得る。

また、本願の実施例においてはマスク数３としたが、この数に限定されるものではなく幾つであっても良い。

本実施例では、穴位置確認用ワークと実際のワークとを同一材料にすることにより、加工穴の精度補償をより小さくすることが可能になる。

さらに、本願の実施例においては、図４におけるレーザ照射位置補正の際に、マスク毎にレーザ照射位置補正および穴明け位置ズレ量確認を行うこととしたが、全てのマスクについてレーザ照射位置補正を行った後、穴明け位置ズレ量確認を行うこととしても良い。

本発明に係るレーザ加工機の構成図である。 本発明に係るレーザ加工機を構成する各部品の配置関係を示す概略斜視図である。 本実施例に係るレーザ加工機におけるレーザ照射位置補正を含めた穴明け加工を示すフローチャートである。 本実施例に係るレーザ加工機におけるレーザ照射位置補正を含めた穴明け加工を示すフローチャートである。 本実施例に係るレーザ加工機におけるレーザ照射位置補正を含めた穴明け加工を示すフローチャートである。

符号の説明

１ レーザ発振器
３ アパーチャ
３ａ〜３ｃ マスク
４ アパーチャ切り替え装置
５ａ、５ｂ ガルバノミラー
６ 集光レンズ
８ プリント基板
１１ ＣＣＤカメラ
１４ ＮＣ装置

Claims (4)

1. 予め定めた箇所の温度を測定し、前記箇所の温度の変化量が所定の範囲から外れた場合はレーザ照射位置を確認し、前記レーザ照射位置が指令位置に対して予め定める許容値から外れている場合は、ガルバノミラーの位置決め角度を補正して前記指令位置に一致させるようにしたレーザ加工機におけるレーザ照射位置補正方法において、
   レーザの外径を定めるマスク毎に、前記ガルバノミラーの位置決め角度を補正した時刻を補正時刻として記憶し、
   加工に使用するマスクについての最後の補正時刻から現在時刻までの経過時間が所定の指定時間を超えた場合は、レーザ照射位置を確認し、前記レーザ照射位置が指令位置に対して予め定める許容値から外れている場合は、ガルバノミラーの位置決め角度を補正して前記指令位置に一致させるようにしたレーザ照射位置補正方法。
2. 前記予め定めた箇所は、前記ガルバノミラーのミラー面および集光レンズを支持する加工ヘッドのいずれかであることを特徴とする請求項１記載のレーザ照射位置補正方法。
3. ガルバノスキャンエリアが方形である場合、前記ガルバノスキャンエリアの中央に１穴の穴明け加工を行うステップと、
   加工した穴の穴位置を計測するステップと、
   当該計測された穴位置について前記指令位置に対するズレ量を演算し、前記ズレ量が予め定める許容値以内であるかを判定するステップと、
   前記ズレ量が前記予め定める許容値以内である場合には前記ガルバノミラーの位置決め角度を補正せず、前記ズレ量が前記予め定める許容値を超える場合には、ガルバノスキャンエリア全体の穴位置ズレ補正を行うために、少なくとも前記ガルバノスキャンエリアの中心と４隅とを含む前記ガルバノスキャンエリアの全体にわたる予め定める点を穴明け加工する多穴穴明け加工によって前記ガルバノミラーの位置決め角度を補正するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ照射位置補正方法。
4. 前記多穴穴明け加工によるレーザ照射位置補正は、
   ガルバノスキャンエリアの予め定める位置に多穴穴明け加工を行うステップと、
   前記画像処理手段によって当該多穴の穴位置を計測するステップと、
   当該計測された穴位置について前記指令位置に対するズレ量を演算し、当該ズレ量に基づいて当該多穴の全てについて前記ガルバノミラーの位置決め角度を補正するレーザ照射位置補正処理を行うステップと、
   ガルバノスキャンエリアに当該多穴穴明け加工を再び行った後、加工した穴の穴位置を計測し、当該穴位置について前記指令位置に対するズレ量を演算するステップと、
   当該ズレ量が予め定める許容値以内であるかを確認するステップと、
   当該ズレ量が当該予め定める許容値以内である場合には、前記多穴穴明け加工によるレーザ照射位置補正を終了して前記最後の補正時刻および当該レーザ照射位置補正時の温度を記憶し、当該ズレ量が前記予め定める許容値を超える場合にはアラーム停止するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項３記載のレーザ照射位置補正方法。

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