JP2017042808A - レーザ加工装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】走査範囲が広いレーザ加工装置を得る。
【解決手段】レーザ加工装置は、第1レーザ光を第1方向に走査させるガルバノミラーを回転するモータを有する第1ガルバノスキャナと、第2レーザ光を第1方向とは異なる第2方向に走査させるガルバノミラーを回転するモータを有する第2ガルバノスキャナと、第1レーザ光を透過し第2レーザ光を反射して、第1,第2レーザ光を混合する偏光手段と、偏光手段から出力される第1,第2レーザ光を第3方向に走査させるガルバノミラーを回転するモータを有する第3ガルバノスキャナと、第3ガルバノスキャナに偏向された第1,第2レーザ光を第3方向とは異なる第4方向に走査させるガルバノミラーを回転するモータを有する第4ガルバノスキャナと、第1,第2レーザ光を被加工物に集光するfθレンズを備え、第1,第3ガルバノスキャナのガルバノミラーはモータに対して同じ方向に設けられ偏光手段を挟む。
【選択図】図1

Description

本発明は、複数のレーザ光を照射して被加工物を加工するレーザ加工装置に関する。
従来、プリント基板のような被加工物に対する穴あけ加工といった作業における生産性向上を図るために、レーザ発振器からの2本のレーザ光を用いて被加工物に同時に2箇所を加工することが可能な同時2照射タイプのレーザ加工装置が提案されている。
特許文献1に開示されるレーザ加工装置においては、レーザ発振器から出力されたレーザ光が第1の偏光手段により第1のレーザ光と第2のレーザ光に分光され、第1のレーザ光は、第1のガルバノスキャナで被加工物を搭載するテーブル上の第1の方向に走査するように偏向されるとともに、第2のレーザ光は、第2のガルバノスキャナでテーブル上の第1の方向とは異なる方向に走査するように偏向される。
さらに、第1および第2のガルバノスキャナで偏向された第1および第2のレーザ光は第2の偏光手段である偏光ビームスプリッタに入力される。第2の偏光手段は、第1のレーザ光を反射し、第2のレーザ光を透過するように配置され、第1および第2の2本のレーザ光の向きがほぼ同じ向きになるように混合して、第3のガルバノスキャナに出力する。
第3のガルバノスキャナは上記第1の方向に第1および第2の2本のレーザ光が走査する方向に偏向させるとともに、第4のガルバノスキャナに第1および第2の2本のレーザ光を導く。
第4のガルバノスキャナは、2本のレーザ光を上記第1の方向と直交する方向に第1および第2の2本のレーザ光が走査するように偏向させる。
さらに第4のガルバノスキャナにより偏向された第1および第2の2本のレーザ光は1つのfθレンズにより被加工物上にそれぞれ集光される。これにより、同時に2箇所のレーザ加工が可能となる。
このように、4つのガルバノスキャナおよび1個のfθレンズを用いて被加工物の任意の位置に2本のレーザ光を同時に照射することができる構成のレーザ加工装置は、省スペースで、且つ高速なレーザ加工を実現することができる。
特許第4297952号公報
上記特許文献1に記載のレーザ加工装置においては、fθレンズの上部に4台のガルバノスキャナを設置するので、光路および構造がより単純な構成であることが好ましい。このため、水平方向をX軸およびY軸、上下方向をZ軸とすると、特許文献1に記載のレーザ加工装置においては、第1および第3のガルバノスキャナのガルバノミラーの回転軸は、共にZ軸と概ね平行になるように設置される。さらに、ガルバノスキャナを構成するガルバノミラーとガルバノミラーを回転するモータとの位置関係は、両者共、ガルバノミラーが下で、モータが上になるように設置される。
また、特許文献1に記載のレーザ加工装置においては、第1のガルバノスキャナで偏向された第1のレーザ光を第2の偏光手段で反射して第3のガルバノスキャナに入力するように、第1のガルバノスキャナ、第2の偏光手段および第3のガルバノスキャナが配置されている。
しかし、近年のレーザ加工の高速化に対するニーズの高まりにより、ガルバノスキャナの高速化が求められるようになってきた。ガルバノスキャナを高速化するためには、モータに電流を大量に流す必要があり、モータ内部のコイル、磁石および冷却装置の大型化を伴う。その結果、ガルバノスキャナのモータ部の外形の幅がガルバノミラーの直径よりも2倍以上大きくなることもある。このため、第1のガルバノスキャナと第3のガルバノスキャナとを上記のように配置すると、モータ部分同士が干渉してしまうので、第1のガルバノスキャナから第3のガルバノスキャナまでの光路が長くなる。同時に第2の偏光手段から第3のガルバノスキャナまでの光路も長くなるので、第2のガルバノスキャナから第3のガルバノスキャナまでの光路も長くなる。
第1および第2のガルバノスキャナから第3のガルバノスキャナまでの光路が長い状況で、第1および第2のガルバノスキャナで偏向された第1および第2のレーザ光を第3のガルバノスキャナのガルバノミラーに照射するためには、第1および第2のガルバノスキャナの偏向角度を小さくしなければならなくなる。このため、第1および第2のガルバノスキャナで第1および第2のレーザ光を走査できる範囲が狭くなり、ひいては、第1および第2のレーザ光の位置決めの自由度が低下してしまう。その結果、同時に2箇所を加工することが不可能となる状況が発生する頻度が増えて、被加工物の加工時間が長くなってしまうという問題が生じている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ガルバノスキャナの走査範囲を広くとれるレーザ加工装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第1のレーザ光を偏向して被加工物上の第1の方向に走査させるガルバノミラーを回転するモータを有する第1のガルバノスキャナと、第2のレーザ光を偏向して被加工物上の第1の方向とは異なる第2の方向に走査させるガルバノミラーを回転するモータを有する第2のガルバノスキャナと、第1のガルバノスキャナに偏向された第1のレーザ光を透過するとともに第2のガルバノスキャナに偏向された第2のレーザ光を反射して、第1および第2のレーザ光を混合する偏光手段と、を備えることを特徴とする。本発明は、偏光手段から出力される第1および第2のレーザ光を偏向して被加工物上の第3の方向に走査させるガルバノミラーを回転するモータを有する第3のガルバノスキャナと、第3のガルバノスキャナに偏向された第1および第2のレーザ光を偏向して被加工物上の第3の方向とは異なる第4の方向に走査させるガルバノミラーを回転するモータを有する第4のガルバノスキャナと、第4のガルバノスキャナに偏向された第1および第2のレーザ光を被加工物にそれぞれ集光するfθレンズと、をさらに備え、第1および第3のガルバノスキャナのガルバノミラーは、それぞれのモータに対して同じ方向に設けられていて、偏光手段を挟むように配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、ガルバノスキャナの走査範囲を広くとれるレーザ加工装置を得るという効果を奏する。
本発明の実施の形態1にかかるレーザ加工装置の概略構成を示す図 実施の形態1にかかるガルバノスキャナの構造を説明する図 実施の形態1にかかる2つのガルバノスキャナを隣接して設置した状態を説明する図 実施の形態1で用いるのとは別のガルバノスキャナの構造を説明する図 図4に示すガルバノスキャナを2つ隣接させて設置した状態を説明する図 本発明の実施の形態2にかかるレーザ加工装置の概略構成を示す図
以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかるレーザ加工装置1の概略構成を示す図である。レーザ加工装置1は、被加工物11に対してレーザ光を照射してレーザ穴加工を行う。レーザ光は、具体的には、パルスレーザ光である。被加工物11の具体例は、パソコンに備えられるプリント基板である。
レーザ加工装置1は、レーザ光2を出力するレーザ発振器3と、レーザ光2を分光する分光手段4と、レーザ光を反射するベンドミラー5a,5b,5cと、レーザ光を走査するためのガルバノスキャナ6,7,9および10と、2つのレーザ光を混合する偏光手段8と、レーザ光を被加工物11に集光するfθレンズ12と、被加工物11を載置するXYテーブル13と、各部を制御する制御部14を備える。制御部14は、レーザ発振器3と、ガルバノスキャナ6,7,9および10と、XYテーブル13を制御する。XYテーブル13は、X軸およびY軸の二次元方向に駆動可能である。
レーザ発振器3から出力されたレーザ光2は、分光手段4により第1のレーザ光であるレーザ光2aと、第2のレーザ光であるレーザ光2bと、に分光される。分光手段4は、通常偏光ビームスプリッタを用いて、レーザ光2を、P偏光されたレーザ光2aとS偏光されたレーザ光2bに均等に分光する。図1において、レーザ光2aの光路は実線、レーザ光2bの光路は破線として示している。レーザ加工装置1は、被加工物11へレーザ光2aおよび2bを同時に照射することで、同時に2か所の穴加工を行うことができる。
レーザ発振器3は、制御部14から指令されるレーザパルスのピークパワー、パルス幅、パルス数およびパルス周波数といったレーザ発振条件と、制御部14から出力されるトリガ信号に応じたタイミングと、に基づいてレーザ光2を出力する。
ベンドミラー5aは、レーザ光2aを反射しガルバノスキャナ6へと導く。また、ベンドミラー5bおよび5cは、レーザ光2bを反射し、ガルバノスキャナ7へと導く。
図2は、実施の形態1にかかるガルバノスキャナ6の構造を説明する図である。ガルバノスキャナ7,9および10もガルバノスキャナ6とほぼ同一構造を有しているので、説明は省略する。
図2は、ガルバノスキャナ6の側面図である。ガルバノスキャナ6は、レーザ光を反射するガルバノミラー6a、ガルバノミラー6aを回転するモータ6b、モータ6bのシャフト6cおよびガルバノミラー6aをシャフト6cに固定するミラーマウント6dにより構成される。
なお、ガルバノミラー6aは、そのミラー面は楕円で厚みが薄い板形状のものである。また、モータ6bは、内部にコイル、磁石および角度センサを備え、外部から電流が供給されることで、シャフト6cを±15度の範囲で回転させることができる。なお、ガルバノミラー6aの回転軸6eは一点鎖線で示し、シャフト6cの回転軸と同一である。また、図2では、モータ6bは、円柱構造を有しているものとして示してある。
図2に示すガルバノスキャナ6は高速化された1例であり、モータ6bの外形の幅L1はガルバノミラー6aの幅L2よりも大きくなっている。
図3は、実施の形態1にかかる2つのガルバノスキャナ6を隣接して設置した状態を説明する図である。図3は、図2のガルバノスキャナ6を2つ隣接して設置した状態を示している。モータ6bの外形部同士が干渉するので、ガルバノミラー6a同士の間隔L3を小さくするのには限界がある。
図4は、実施の形態1で用いるのとは別のガルバノスキャナ60の構造を説明する図である。ガルバノスキャナ60もガルバノスキャナ6と同様に、ガルバノミラー60a、モータ60b、シャフト60cおよびミラーマウント60dにより構成される。また、ガルバノミラー60aの回転軸60eは一点鎖線で示し、シャフト60cの回転軸と同一である。しかし、ガルバノスキャナ60においては、モータ60bの外形の幅L1はガルバノミラー60aの幅L2と同等またはそれ以下になっている。
図5は、図4に示すガルバノスキャナを2つ隣接させて設置した状態を説明する図である。モータ60bの外形部同士が干渉しないので、ガルバノミラー60a同士の間隔L3を十分小さくすることが可能であり、場合によっては0にすることもできる。
実施の形態1にかかるレーザ加工装置1は、図2に示したガルバノスキャナ6およびこれと同様な構造のガルバノスキャナ7,9および10を備えている。
ガルバノスキャナ6は、レーザ光2aを被加工物11上の第1の方向へ走査させる第1のガルバノスキャナである。第1の方向の具体例は、図1のX軸に平行な方向である。ガルバノスキャナ7は、レーザ光2bを被加工物11上の第1の方向とは異なる第2の方向へ走査させる第2のガルバノスキャナである。第2の方向の具体例は、第1方向と垂直な方向であり、図1のY軸に平行な方向である。
従って、ガルバノスキャナ6および7は、被加工物11上に照射されるレーザ光2aおよび2bを、互いに直交するX軸方向とY軸方向にそれぞれ走査させる。これにより、ガルバノスキャナ6および7は、被加工物11上におけるレーザ光2aおよび2bの相対照射位置を、X軸およびY軸の二次元方向に変化させる。
偏光手段8は、ガルバノスキャナ6を経由したレーザ光2aとガルバノスキャナ7を経由したレーザ光2bを進行方向を揃えて混合し、第3のガルバノスキャナであるガルバノスキャナ9へと導く。この2つのレーザ光2aおよび2bを混合するためには、偏光手段8は、通常、偏光ビームスプリッタを用いる。偏光ビームスプリッタは、P偏光されたレーザ光2aを透過し、S偏光されたレーザ光2bを反射することで2つのレーザ光を混合するものである。偏光手段8が用いる偏光ビームスプリッタは、レーザ光2aおよび2bが入力されるため、ガルバノミラーと同程度の大きさのものが使用される。
図1に示すように、偏光手段8をガルバノスキャナ6および9のガルバノミラーに挟まれるように設置することにより、ガルバノスキャナ6、偏光手段8およびガルバノスキャナ9を経由するレーザ光2aは、ガルバノスキャナ6および9のガルバノミラー間で直線状になっている。
図1に示されるように、偏光手段8を経由したレーザ光2aおよび2bは、fθレンズ12上に配置されたガルバノスキャナ9および10に導かれる。ガルバノスキャナ9は、レーザ光2aおよび2bを偏向し、第4のガルバノスキャナであるガルバノスキャナ10へ導く。ガルバノスキャナ10は、レーザ光2aおよび2bを偏向し、fθレンズ12へ導く。レーザ光2aおよび2bは、fθレンズ12でそれぞれ集光されて、被加工物11の2箇所のレーザ加工を同時に行う。
ガルバノスキャナ9により偏向されたレーザ光2aおよび2bは、被加工物11上の第3の方向を走査する。第3の方向は、第1の方向と同じかほぼ同じ方向である。第3の方向の具体例は、図1のX軸に平行な方向である。また、ガルバノスキャナ10は、レーザ光2aおよび2bを偏向することで、被加工物11上の第3の方向とは異なる第4の方向に走査させる。第4の方向は、第2の方向と同じかほぼ同じ方向である。第4の方向の具体例は、図1のY軸に平行な方向である。
また、被加工物11が、ガルバノスキャナ6,7,9および10によりレーザ光2aおよび2bを走査させることが可能な走査可能範囲よりも大きい場合は、レーザ加工できるように、当該走査可能範囲ごとに、XYテーブル13をX方向あるいはY方向に適宜移動させるようにレーザ加工装置1は構成される。なお、ガルバノスキャナ6,7,9,10およびXYテーブル13は、レーザ発振器3と同期して動作するように、被加工物11の加工プログラムに従って制御装置14により適宜駆動制御される。
このように4つのガルバノスキャナ6,7,9および10を回転させて、レーザ光2aおよび2bで被加工物11に走査し、被加工物11の位置決めを行うことができる。ここで、ガルバノスキャナ9および10は、レーザ光2aおよび2bをX軸およびY軸の二次元方向に同時に走査し、通常走査範囲は50〜70mmである。しかし、ガルバノスキャナ9および10は、レーザ光2aおよび2bの相対位置を変化させることはできない。
これに対し、ガルバノスキャナ6および7は、レーザ光2aおよび2bの被加工物11上での相対位置を変化させることができる。ただし、ガルバノスキャナ6および7による走査可能範囲は1〜3mmと狭い。これは、ガルバノスキャナ6および7とガルバノスキャナ9との距離が長いため、ガルバノスキャナ6および7による偏向範囲を小さくしなければ、ガルバノスキャナ9のガルバノミラーにレーザ光2aおよび2bを照射できなくなるためである。言い換えると、ガルバノスキャナ6および7の上記走査可能範囲を大きくするには、ガルバノスキャナ6のガルバノミラーおよびガルバノスキャナ7のガルバノミラーで反射されたレーザ光2aおよび2bが偏光手段8を経由してガルバノスキャナ9のガルバノミラーで反射されるまでの光路長を短くする必要がある。
以下に、ガルバノスキャナ6および7からガルバノスキャナ9までの上記光路長をできるだけ短くするガルバノスキャナ6,7,9および偏光手段8の配置について説明する。
図1に示すように、ガルバノスキャナ6および9のガルバノミラーの回転軸は互いに平行またはほぼ平行であって共にZ軸方向またはほぼZ軸方向を向いており、それぞれのガルバノミラーがそれぞれのモータに対して共に同じ方向、即ちfθレンズ12が存在する方向であるモータの下側の方向に配置されている。この場合、ガルバノスキャナ6および9のモータの外形の幅が図5のようにそれぞれのガルバノミラーの幅以下ならば、それぞれのガルバノミラー同士を接近させて配置することができる。しかし、図2のようにガルバノスキャナ6のモータ6bの外形の幅がガルバノミラー6aの幅よりも大きくガルバノスキャナ9も同様の場合、それぞれのモータ同士が干渉するので、ガルバノスキャナ6および9のガルバノミラー同士を接近させて配置することはできない。このような場合には、ガルバノスキャナ6および9を経由する光路が出来るだけ短くなるように偏光手段8を配置すべきである。
そこで、実施の形態1にかかるレーザ加工装置1においては、図1に示されるように、偏光手段8にレーザ光2aを透過させて、ガルバノスキャナ6とガルバノスキャナ9とが偏光手段8を挟んで直線の光路を形成して対向するように配置されている。この結果、ガルバノスキャナ6で偏向されたレーザ光2aは偏光手段8を透過してガルバノスキャナ9へと導かれると共に、ガルバノスキャナ7で偏向されたレーザ光2bは偏光手段8で反射されてガルバノスキャナ9へと導かれる。
図1のような配置によれば、ガルバノスキャナ6および9のモータ同士の干渉を回避した上で、ガルバノスキャナ6および9のガルバノミラー同士の間に偏光手段8の設置スペースを設けることになる。その結果、偏光手段8でレーザ光2aを反射させた場合に比べて、ガルバノスキャナ6および9間の光路長と、偏光手段8およびガルバノスキャナ9間の光路長と、を共に短縮することができる。偏光手段8およびガルバノスキャナ9間の光路長が短縮されることにより、ガルバノスキャナ7および9間の光路長も短縮することができる。また、偏光手段8をこのように配置することは、ガルバノスキャナ6および9のガルバノミラー同士の間のスペースを有効利用することにもなっている。
また、図1に示すように、ガルバノスキャナ7のガルバノミラーの回転軸の方向は、ガルバノスキャナ10のガルバノミラーの回転軸の方向と平行またはほぼ平行である。具体的には、ガルバノスキャナ7および10のガルバノミラーの回転軸の方向は、X軸と平行またはほぼ平行に配置されている。その結果、ガルバノスキャナ7は、ガルバノスキャナ6および9とは干渉しないように配置されている。さらに、ガルバノスキャナ7においてガルバノミラーがモータに対して設けられている向きは、ガルバノスキャナ10においてガルバノミラーがモータに対して設けられている向きとは反対方向となるように配置されているので、ガルバノスキャナ10とモータの外形部同士が干渉しないように配置されている。
実施の形態1にかかるレーザ加工装置1においては、ガルバノスキャナが高速化されてそのモータ部の外形がガルバノミラーよりも大きくなった場合でも、ガルバノスキャナ6および7によるレーザ光2aおよび2bの偏向角を大きくすることができ、走査範囲を広くとることができる。その結果、被加工物11上の位置決め範囲を大きくとることができ、1つのfθレンズ12を透過した2本のレーザ光2aおよび2bによる2穴同時の多点照射によるレーザ加工を高速かつ省スペースで実現することが可能となり、生産性の向上が図れる。
実施の形態2.
図6は、本発明の実施の形態2にかかるレーザ加工装置20の構成を示す図である。実施の形態2にかかるレーザ加工装置20は、実施の形態1にかかるレーザ加工装置1のガルバノスキャナ7の配置を変更した1例である。レーザ加工装置20の構成要素は、実施の形態1のレーザ加工装置1と同一構成であり、各構成要素の説明は省略する。
実施の形態2にかかるレーザ加工装置20のガルバノスキャナ7の配置は、レーザ加工装置1のガルバノスキャナ7と同様にガルバノスキャナ10のガルバノミラーの回転軸とほぼ平行にガルバノミラーの回転軸が配置されるとともに、ガルバノミラーが設けられている向きは、ガルバノスキャナ10においてガルバノミラーが設けられている向きとは反対方向となるように配置されている。
しかし、実施の形態1とは異なり、ガルバノスキャナ7のガルバノミラーとガルバノスキャナ10のガルバノミラーとは偏光手段8を挟んで互いに対峙する配置となっている。このようにガルバノスキャナ7を配置することにより、実施の形態1のレーザ加工装置1と同様に、ガルバノスキャナ6,9および10と干渉しない配置が実現できる。
実施の形態2にかかるレーザ加工装置20においても、ガルバノスキャナ6および7の走査範囲を十分にとることができるので、実施の形態1と同様な効果が得られると共に、ガルバノスキャナ7の配置の自由度を高めることができる。
なお、実施の形態1および2にかかるレーザ加工装置1および20におけるレーザ光2aおよび2bは、レーザ発振器3から出力されるレーザ光2を分光手段4で2つのレーザ光に分光したものとして説明したが、2台のレーザ発振器から出力される2本のレーザ光であってもよく、実施の形態1および2と同様な効果が得られる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1,20 レーザ加工装置、2,2a,2b レーザ光、3 レーザ発振器、4 分光手段、5a,5b,5c ベンドミラー、6,7,9,10 ガルバノスキャナ、8 偏光手段、11 被加工物、12 fθレンズ、13 XYテーブル、14 制御部。

Claims (6)

  1. 第1のレーザ光を偏向して被加工物上の第1の方向に走査させるガルバノミラーを回転するモータを有する第1のガルバノスキャナと、
    第2のレーザ光を偏向して前記被加工物上の前記第1の方向とは異なる第2の方向に走査させるガルバノミラーを回転するモータを有する第2のガルバノスキャナと、
    前記第1のガルバノスキャナに偏向された前記第1のレーザ光を透過するとともに前記第2のガルバノスキャナに偏向された前記第2のレーザ光を反射して、前記第1および第2のレーザ光を混合する偏光手段と、
    前記偏光手段から出力される前記第1および第2のレーザ光を偏向して前記被加工物上の第3の方向に走査させるガルバノミラーを回転するモータを有する第3のガルバノスキャナと、
    前記第3のガルバノスキャナに偏向された前記第1および第2のレーザ光を偏向して前記被加工物上の前記第3の方向とは異なる第4の方向に走査させるガルバノミラーを回転するモータを有する第4のガルバノスキャナと、
    前記第4のガルバノスキャナに偏向された前記第1および第2のレーザ光を前記被加工物にそれぞれ集光するfθレンズと、
    を備え、
    前記第1および第3のガルバノスキャナのガルバノミラーは、それぞれのモータに対して同じ方向に設けられていて、前記偏光手段を挟むように配置されている
    ことを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 前記第1のガルバノスキャナのガルバノミラーの回転軸と前記第3のガルバノスキャナのガルバノミラーの回転軸とは平行である
    ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。
  3. 前記第2のガルバノスキャナのガルバノミラーの回転軸と前記第4のガルバノスキャナのガルバノミラーの回転軸とは平行であって、前記第2のガルバノスキャナと前記第4のガルバノスキャナとではモータに対して逆方向にガルバノミラーが設けられている
    ことを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ加工装置。
  4. 前記第2および第4のガルバノスキャナのガルバノミラーは、前記偏光手段を挟むように配置されている
    ことを特徴とする請求項3に記載のレーザ加工装置。
  5. 前記第1の方向と前記第3の方向は同じで、前記第2の方向と前記第4の方向は同じである
    ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載のレーザ加工装置。
  6. 前記第1の方向と前記第2の方向とは垂直である
    ことを特徴とする請求項5に記載のレーザ加工装置。
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