JP2014111259A

JP2014111259A - レーザ加工方法、レーザ加工装置及びレーザ加工プログラム

Info

Publication number: JP2014111259A
Application number: JP2012262216A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Ueno; 文寛上野; Yasushi Ito; 靖伊藤
Original assignee: Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-19

Abstract

【課題】板状のワークをレーザビームにより直線部と曲線部を交互に含む軌道にそって溝又は切断加工する場合、曲線部において減速させなくてはならなく、加工時間が長くなっていた。
【解決手段】減速領域（２２０）においてはＸＹテーブル（１３）を減速し、曲線部（２３０）においては、ＸＹテーブル（１３）をそのまま減速させながらＸ方向のガルバノミラー（９）及びＹ方向のガルバノミラー（１０）を駆動し、かつＸＹテーブル（１３）をＹ方向への加速も開始させ、それらの合成速度でビームを円運動させ、円運動の終了と同時にＸＹステージが９０°の円運動の終了と同時にＸＹステージが初期移動方向の移動を停止するような設定にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、曲線状の軌道を含む溝又は切断を板状のワークにレーザ加工する方法、レーザ加工装置及びレーザ加工プログラムに係るものである。

近年、携帯電話のガラス窓などのように、ガラスなどの板状の基板をレーザで溝あるいは切断加工する必要が出てきている。しかしながら、角部あるいは曲線状の溝加工においては、例えば、特許文献１又は２に開示されているように、角部や曲線状の部分ではワークを載置しているテーブル等を減速させなければならなく、エネルギー過多による加工品質の低下を防止するためにはレーザパワーやレーザパルス間隔を調整する必要のあることが知られている。

図４は、従来技術による曲線の溝加工の様子を示す。曲線部２３は円弧状（半径Ｒ（ｍ），４分の１円）とした。ワークの載置したテーブル又はレーザヘッドが相対的に駆動され、まず直線部２１を等速（Ｖ_ｔｘ＝Ｖ_０（ｍ／ｓ））で溝加工される。その後減速領域２２で減速され、円弧部では等速（接線速度Ｖ_ｒ０（ｍ／ｓ））で加工され、直線部２４で加速され、直線部２５で等速加工（Ｖ_ｔｙ＝Ｖ_０）される。図は、減速領域２２の途中まで溝加工された状態を示す。この間、速度変化に応じて、照射されるレーザエネルギー密度を一定にするためにレーザパワー又はパルス間隔が調整される。

図４の加工における緒元の計算式は次のようになる。まず、円弧状の等速運動の速さＶ_ｒ０を求める。減速領域、加速領域での加速度を、この系において振動等の不具合の発生しない最大の値α（ｍ／ｓ^２）とすると、等速円弧運動における加速度のＸ成分の最大値は、その終点におけるＲω_０ ^２＝Ｖ_ｒ０ ^２／Ｒ（∵Ｖ_ｒ０＝Ｒω_０ここで、ω_０は等速円弧運動の角振動数）であるから、これをαに等しくしなければならない。即ち、Ｖ_ｒ０ ^２／Ｒ＝αであり、これによりＶ_ｒ０が次の式（１）のように求まる。

この速さで円弧（９０°）の回転に要する時間ｔ_ｒ０（ｓ）は、

となる。また、初速度Ｖ_０からこのＶ_ｒ０までの減速に要する時間ｔ_１０（ｓ）は、

であり、この減速に要する距離ｘ_１０（ｍ）は、

となる。

特開昭６２−２４８８６号公報特開２０１２−１３０９５９号公報

板状の基板をレーザで溝あるいは切断加工において、角部や曲線部での減速のために加工時間が延びるという問題があった。本願は、角部や曲線状部における減速をできるだけ抑え、加工速度を向上できるレーザ加工方法を提供することを目的とする。

図１〜２を参照して説明すると、板状のワーク（１２）を載置しＸ及びＹ方向に駆動可能なＸＹテーブル（１３）と、レーザ発振器（１）から出射されたレーザビーム（５）をＸ及びＹ方向に偏向できるガルバノミラー（９，１０）を有し、レーザビーム（５）をワーク（１２）上に集光できる集光レンズ（１１）を有するレーザ加工装置を用い、レーザビーム（５）により直線部（２１０，２２０，２４０，２５０）と曲線部（２３０）を交互に含む軌道にそって溝又は切断加工するレーザ加工方法において、減速領域（２２０）においてはＸＹテーブル（１３）を減速し、曲線部（２３０）においては、ＸＹテーブル（１３）をそのまま減速させながらＸ方向のガルバノミラー（９）及びＹ方向のガルバノミラー（１０）を駆動し、かつＸＹテーブル（１３）をＹ方向への加速も開始させ、それらの合成速度でビームを円運動させ、９０°の円運動の終了と同時にＸＹステージが初期移動方向の移動を停止するような設定にして、レーザビーム（５）を照射することにより溝加工を行うと良い。

なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、これにより特許請求の範囲の記載に何等影響を及ぼすものではない。

板状の基板をレーザで溝あるいは切断加工において、曲線部の加工速度を向上できるので、加工時間を短縮できる。

本発明に係るレーザ加工装置の模式図である。本発明のレーザ加工方法の一実施例を説明する図である。本発明のレーザ加工方法の他の実施例を説明する図である。従来のレーザ加工方法を説明する図である。

以下、本発明に好適な実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明に係るレーザ加工装置の模式図である。レーザ発振器１から出射されたレーザビーム２はコリメータ３によりビーム径及拡がり角を調整され、音響光学変調器（ＡＯＭ）４により強度調整されたレーザビーム５となる。この後、レーザビーム５はシャッタ８を経由してＸ方向に偏向可能なガルバノミラー９及びＹ方向に偏向可能なガルバノミラー１０で偏向され、集光レンズ（ｆθレンズ）１１で、Ｘ及びＹ方向に駆動可能なＸＹテーブル１３に載置された板状のワーク１２上に集光される。ここで、本実施の形態によるレーザ加工装置においてはＡＯＭ４の０次回折光５を使用するため、超音波がＯＮになっていても透過してしまう２０％程度のパワーを遮断するためにシャッタ８を設けてある。ＡＯＭ４の１次回折光を加工に用いる場合は、シャッタ８は必要ない。また、本例においては、ＡＯＭ４に印加する超音波の強度を調節することによってレーザビーム５の強度を加工に適した値に調整できる。制御部（図示せず）は記憶したプログラムに基づいてこれら全ての要素を制御している。

図２は、本発明のレーザ加工方法の一実施例を説明する図である。図は加工軌道の一部を示し、前側の直線部２１０、減速領域２２０、曲線部２３０、加速領域２４０、後側の直線部２５０からなり、曲線部２３０は半径Ｒの円弧状（４分の１円）である。ワーク１２として樹脂層が間に挟まれたガラス板を用いた。このように、樹脂層が間に挟まれたガラス板の場合、ＵＶやグリーンレーザを用いると間の樹脂層だけが加工されてしまうため、炭酸ガスレーザを用いると良いことがわかった。本実施例においてはレーザ発振器１として連続発振の炭酸ガスレーザを用いた。また、ｆθレンズ１１の加工領域は７０ｍｍ角である。

ここで、レーザ加工に通常用いられるＡＯＭ４の１次回折光６を使用することも考えられるが、次のような理由により大パワーを必要とする溝又は切断加工には０次回折光５の方が適している。まず、ＡＯＭ４の１次回折光６はレーザ発振器１から出射されたレーザ強度の８０％程度しか使用できない。しかも炭酸ガスレーザ発振器から出射されたレーザビーム２には９．２〜１０．８μｍの複数の波長が含まれているため、１次回折光６は波長に依存して回折角が変化するため１次回折光６を用いて精度の良い加工を行なうためにはフィルタ等で波長限定せざるを得ないため、さらに加工エネルギーが低下してしまうことによる。

直線部２１０においては一定の移動速さＶ_０＝Ｖ_ｔｘでＸＹテーブル１３をＸ方向（初期移動方向）に駆動し、減速領域２２０においてはＸＹテーブル１３を減速（Ｖ_ｔｘ）し、曲線部２３０においては、ＸＹテーブル１３をそのまま減速させながらＸ方向のガルバノミラー９（ビームの移動速度Ｖ_ｇｘ）及びＹ方向のガルバノミラー１０（ビームの移動速度Ｖ_ｇｙ）を駆動し、かつＸＹテーブル１３をＹ方向への加速（Ｖ_ｔy）も開始させ、それらの合成速度でビームを円運動させる。即ち、Ｖ_ｔｘ＋Ｖ_ｇｘ＝Ｖ_ｒ１ｃｏｓω_１ｔ，Ｖ_ｔｙ＋Ｖ_ｇｙ＝Ｖ_ｒ１ｓｉｎω_１ｔとなるようにする。ここで、Ｖ_ｒ１は等速円弧運動の接線速度であり、ω_１はその角振動数である。言うまでもないが、Ｖ_ｒ１＝Ｒω_１の関係がある。そして、円運動の終了とＸＹステージのＸ方向の移動停止を一致させる。加速領域２４０においてはＸＹテーブル１３をＹ方向に加速し、直線部２５０においては移動速さを同じ（Ｖ_０＝Ｖ_ｔｙ）になるようにしてＸＹテーブル１３を駆動して、レーザビーム５を照射することにより溝加工を行う。レーザパワーはその速さ変化に同期させて照射エネルギー密度が一定になるように調節する。

本実施例で加工を行う際の諸元の計算式を次に示す。減速領域、加速領域での加速度を、この系において振動等の不具合の発生しない最大の値α（ｍ／ｓ^２）とし、まず、減速開始からＸ方向の移動停止までの距離ｓ_１（ｍ）は次の（５）のようになる。

これを用いて、減速に要する距離ｘ_１１（ｍ）は、

と求まる。また、等速円弧運動の接線速度Ｖ_ｒ１（ｍ／ｓ）は、（４）式と同様に考えれば、ｘ_１１＝（Ｖ_０ ^２−Ｖ_ｒ１ ^２）／２αであることより、

と求まり、減速に要する時間ｔ_１１（ｓ）はｔ_１１＝（Ｖ_０−Ｖ_ｒ１）／αより求まる。また、この接線速度で４分の１回転するのに要する時間ｔ_ｒ１（ｓ）は、

と求まる。

表１は、直線速度Ｖ_０，加減速加速度α，円弧半径Ｒを変えたときの本実施例の諸元、即ち円弧部速さ（接線速度）Ｖ_ｒ１，円弧部時間ｔ_ｒ１，減速時間ｔ_１１，減速距離ｘ_１１，円弧部及びその前後の加減速時間ｔ_ｒ１＋２ｔ_１１，減速開始から初期移動方向の移動停止までの距離ｓ_１を示す。

ここで、Ｖ_０＝１ｍ／ｓ，α＝１Ｇ（９．８ｍ／ｓ^２）はＸＹテーブル１３がボールねじ駆動の場合、Ｖ_０＝２ｍ／ｓ，α＝２ＧはＸＹテーブル１３がリニアモータ駆動の場合を示す。ここで、Ｖ_０＝１ｍ／ｓ，α＝１Ｇにおいて、円弧半径Ｒが約５１ｍｍ以上の場合には円弧部において全く減速すること無しに加工が可能である（即ち、Ｖ_０＝Ｖ_ｒ１）。また、円弧半径の上限はｆθレンズ１１の加工領域の広さ（本実施例の場合７０ｍｍ角）で決定される。

表２は、比較例としてガルバノミラーとの併用を行わない従来方法（図４）の例の場合を示す。（式（１）〜（４）参照。）

表１の同一条件（直線速度Ｖ_０，加減速加速度α，円弧半径Ｒ）の場合と比較すると、円弧部及びその前後の加減速時間ｔ_ｒ１＋２ｔ_１１、及び減速開始から初期移動方向の移動停止までの距離ｓ_１が短くなることがわかる。表１と表２において減速開始から初期移動方向の移動停止までの距離が異なるので、その分を補正すると表３のようになる。円弧の半径が大きい程加工時間の低減効果が高いことがわかる。

図３は、本発明のレーザ加工方法の他の実施例を説明する図であり、前側直線部２１０と後側の直線部２５１が９０度以外の角度をなす場合を示す。用いるレーザ加工装置、ワークは実施例１で用いたものと同じである。曲線部２３１を実施例１と同様に半径Ｒの円弧状とした。直線部２１０においては一定の移動速さＶ_０＝Ｖ_ｔｘでＸＹテーブル１３をＸ方向に駆動し、減速領域２２０においてはＸＹテーブル１３を減速（Ｖ_ｔｘ）し、曲線部２３１においては、ＸＹテーブル１３をそのまま減速させながらＸ方向のガルバノミラー９（ビームの移動速度Ｖ_ｇｘ）及びＹ方向のガルバノミラー１０（ビームの移動速度Ｖ_ｇｙ）を駆動し、かつＸＹテーブル１３をＹ方向への加速（Ｖ_ｔy）も開始させ、それらの合成速度でビームを円運動させる。本実施例においては円弧運動の途中で円弧が終了するため、Ｖ_ｔｘ、Ｖ_ｇｘ、Ｖ_ｇｙは０ｍ／ｓにならないが、９０°の円運動の終了と同時にＸＹステージが初期移動方向の移動を停止するような設定にする点は同様である。次の加速領域２４１においては、その領域の終了までにＶ_ｇｘ、Ｖ_ｇｙを０ｍ／ｓになるようにし、またＸＹテーブル１３のＸ方向とＹ方向の速度も調整し、レーザビーム５を照射することにより溝加工を行う。レーザパワーはその速さ変化に同期させて照射エネルギー密度が一定になるように調節する。

本発明において、大きな曲線部を複数個所設ける場合はガルバノミラーの動作のためのｆθレンズ１１の加工領域を確保しなければならないので、加工領域が足りなくなる可能性がある。このような場合、直線部の加工時においてＸＹテーブル１３とガルバノミラー９，１０の動作を相殺させながらガルバノミラー９，１０の照射位置（角度）を移動させ、次の曲線部と加減速領域を考慮した位置にしておくと良い。

上記実施例では曲線部として円弧状を用いたが、曲線部は動作の速いガルバノミラーを用いるため、円弧以外の曲線でも問題なく加工できることは容易に理解できる。

１レーザ発振器
２レーザビーム
３コリメータ
４ＡＯＭ
５０次ビーム
６１次ビーム
７ビームダンパー
８シャッタ
９第１ガルバノミラー
１０第２ガルバノミラー
１１ｆθレンズ
１２ワーク
１３テーブル
２１，２１０等速領域
２２，２２０減速領域
２３，２３０，２３１等速領域
２４，２４０，２４１加速領域
２５，２５０，２５１等速領域

Claims

板状のワークを載置しＸ及びＹ方向に駆動可能なＸＹテーブルと、
レーザ発振器から出射されたレーザビームをＸ及びＹ方向に偏向できるガルバノミラーを有し、
レーザビームをワーク上に集光できる集光レンズを有するレーザ加工装置を用い、
レーザビームにより直線部と曲線部を交互に含む軌道にそって溝又は切断加工するレーザ加工方法において、
減速領域においてはＸＹテーブルを減速し、
曲線部においては、ＸＹテーブルをそのまま減速させながらＸ方向のガルバノミラー及びＹ方向のガルバノミラーを駆動し、かつＸＹテーブルをＹ方向への加速も開始させ、それらの合成速度でビームを円運動させ、９０°の円運動の終了と同時にＸＹステージが初期移動方向の移動を停止するような設定にして、レーザビームを照射する
ことを特徴とするレーザ加工方法。
前記レーザ発振器を連続発振式の炭酸ガスレーザとすることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
前記加減速領域以外の直線部の加工時において、ＸＹテーブルとガルバノミラーの動作を相殺させながらガルバノミラーの照射位置（角度）を次の曲線部に関する加減速領域を考慮した位置に移動しておくことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
請求項１〜４記載の加工方法を実行する制御部を有することを特徴とするレーザ加工装置。
レーザ加工装置の制御部に請求項１〜４記載のレーザ加工方法を実行させるプログラム。