JP2018161676A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術では、集光レンズ、ミラーマウント、ガルバノボックス、カメラ取り付け板の温度を用いて位置補正を行うことが開示されているが、ガルバノモータの温度を用いて補正することはなんら開示されていない。【解決手段】ガルバノスキャナは、レーザ光をＸ方向に反射するＸ方向ガルバノミラーと、レーザ光をＹ方向に反射するＹ方向ガルバノミラーと、Ｘ方向ガルバノミラーを駆動するＸ方向モータと、Ｙ方向ガルバノミラーを駆動するＹ方向モータと、Ｘ方向モータの温度を検出する温度センサーと、Ｙ方向モータの温度を検出する温度センサーを備え、Ｘ方向モータの温度およびＹ方向モータの温度の２つの温度パラメータに基づいて補正データを作成して指令位置情報を補正するものである。これにより、どのような加工パターンであっても最適な位置補正を行うことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザを用いて基板に穴あけ加工などを施すレーザ加工装置に関し、特に、加工位置のずれを小さくするものである。

近年、部品の小型化や高集積化や複合モジュール化などに伴い、基材の穴あけ加工もますます精密性が要求されている。それに対応するために、レーザを用いて穴あけ加工される場合が増えてきている。

レーザ加工装置に用いられるガルバノスキャナは、レーザ光を反射させるミラーを回転制御することにより、レーザ光を被加工物の面上に走査させるものである。レーザパルスを出射するタイミングで、位置指令に対するずれが発生しないように高い位置決め精度が必要とされる。

しかし、レーザ加工装置の稼働に伴う各部分の温度上昇の影響を受けて、目標の加工位置に対して実際には加工位置がずれる。この加工位置ずれは、加工後にＣＣＤカメラを用いて精度を測定しなければ認識することができない。位置ずれを起こしたまま加工を続けた場合、大量に不良製品を作ってしまうという課題がある。

このため、ガルバノスキャナを構成する集光レンズなどに温度センサを設け、検出した温度と加工位置ずれの相関データを取得することで、目標位置を補正することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−４０８４３号公報

しかしながら、従来技術では、集光レンズ、ミラーマウント、ガルバノボックス、カメラ取り付け板の温度を用いて位置補正を行うことが開示されているが、ガルバノモータの温度を用いて補正することはなんら開示されていない。

レーザ照射に伴う集光レンズやミラーマウントの温度上昇による位置ずれとは別に、ミラーを駆動するガルバノモータ自身の温度によっても位置ずれが発生する場合がある。ガルバノモータはＸ方向モータとＹ方向モータで構成されるが、この２つのモータの温度は、実際の加工パターンによって様々に変化する。よって、加工位置ずれを防止するためには、Ｘ方向モータとＹ方向モータの両方の温度関係を考慮して、目標位置を補正することが必要となってくる。

本願発明は、加工パターンの違いからくる、Ｘ方向モータとＹ方向モータの両方の温度関係を考慮して、最適な位置補正を行うようにしたものである。

上記課題を解決するために、本発明は、レーザパルス出力指令信号を受けてレーザ光を出射するレーザ発振器と、指令位置情報を受けて動作し被加工物の加工位置に前記レーザ光の位置決めをするガルバノスキャナと、少なくとも前記レーザ発振器及び前記ガルバノスキャナを制御する制御装置を備えたレーザ加工装置であって、ガルバノスキャナは、レーザ光をＸ方向に反射するＸ方向ガルバノミラーと、レーザ光をＹ方向に反射するＹ方向ガルバノミラーと、Ｘ方向ガルバノミラーを駆動するＸ方向モータと、Ｙ方向ガルバノミラーを駆動するＹ方向モータと、Ｘ方向モータの温度を検出する温度センサーと、Ｙ方向モータの温度を検出する温度センサーを備え、Ｘ方向モータの温度およびＹ方向モータの温度の２つの温度パラメータに基づいて補正データを作成して指令位置情報を補正するものである。

これにより、どのような加工パターンであっても最適な位置補正を行うことができる。

本発明のレーザ加工装置は、２つのガルバノモータの温度から加工位置のずれを把握し、適切に指令位置情報を補正することで、被加工物の加工位置ずれを低減させることができる。

本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の概略構成を示すブロック図 本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置のガルバノスキャナの詳細説明図 本発明の実施の形態におけるガルバノミラーの温度上昇に伴う熱変形を示す図 本発明の実施の形態における補正データ測定時の加工パターンを示す図 本発明の実施の形態における補正データ測定時のＸモータの温度と加工位置ずれの関係を示す図 本発明の実施の形態における駆動信号補正部の詳細を示す図 本発明の実施の形態におけるモータ温度と加工位置ずれ量の関係を示す図 本発明の実施の形態におけるガルバノモータの補正テーブルを示す図 本発明の実施の形態における補正後のＸモータの温度と加工位置ずれの関係を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０１と、レーザ光１０２と、音響光学素子１０３と、光学調整部１０４と、ミラー１０５と、ガルバノスキャナ２００と、ｆθレンズ１０６と、加工テーブル１０８と、制御部３００とを備える。レーザ発振器１０１は、制御部３００から出力されるレーザパルス出力指令信号４０１を受けてレーザ光１０２を出射する。レーザ発振器１０１から出射されたレーザ光１０２は、音響光学素子１０３に入射し、ピーク部分のみを切り取る。その後、マスクチェンジャ等を備えた光学調整部１０４によって加工目的に応じたビーム径に整形される。整形されたレーザ光１０２はガルバノスキャナ２００に導かれる。ガルバノスキャナ２００は、ガルバノ位置指令情報４０２を受けて動作を開始し、レーザ光１０２の位置決めをする。ガルバノスキャナ２００で位置決めされたレーザ光１０２は、ｆθレンズ１０６で被加工物１０７に集光される。

図２は本発明の実施の形態に係るガルバノスキャナの詳細構成を示すブロック図である。ガルバノスキャナ２００は、少なくともモータ制御手段２０１と駆動信号補正手段２０２と補正値記憶手段２０３と、Ｘ方向モータ２１１とＸ方向ミラー２２１とＸ方向エンコーダ２４１とＸ方向アンプ２３１と、Ｙ方向モータ２１２とＹ方向ミラー２２２とＹ方向エンコーダ２４２とＹ方向アンプ２３２を備えている。

モータ制御手段２０１は制御部３００からのガルバノ位置指令情報４０２を受信し、当該目標値に基づいてＸ方向モータ２１１およびＹ方向モータ２１２の回転角度を演算する。Ｘ方向の位置決め制御では、演算後、駆動信号補正手段２０２で、Ｘ方向モータ２１１からの温度情報４０６と補正値記憶手段２０３の補正テーブルより、モータに送る駆動信号を補正する。補正された信号は、Ｘ方向アンプ２３１で電流値として増幅しＸ方向モータ２１１を駆動・回転させる。Ｘ方向モータ２１１の回転角度を、Ｘ方向エンコーダ２４１で検知し、ＦＢ信号４０５としてモータ制御手段２０１に送る。ＦＢ信号４０５はＸ方向モータ２１１の現在回転位置をフィードバックする信号である。モータ制御手段２０１では、Ｘ方向エンコーダ２４１からのＦＢ信号４０５を受けて、出力する駆動信号４０４を調整し、回転位置がガルバノ位置指令情報４０２と一致するように制御される。

Ｙ方向に関してもＸ方向と同様の制御を行う。なお、Ｘ方向・Ｙ方向の位置決め制御は並行して実行される。

本発明において、ガルバノモータの位置制御では、高速高精度を要求されるため、従来のＰＩＤフィードバック制御ではなく、フィードフォワード型空間予測サーボ制御（モデル予測制御）を行っている。そのため、モータ制御手段２０１では、内部に仮想のガルバノモータのモデルを形成し、エンコーダ２４０から得られる各時刻の現実値と比較しながら、次の時刻の制御量を逐次計算しながら決定している。しかしながら、制御量はエンコーダからのＦＢ信号によって決定されるため、ミラー自身の熱変形が発生した場合は、ＦＢ信号と実際の加工位置にずれが生じる。この場合は、別途補正を行う必要がある。

図３の（ａ）はミラーマウントの温度上昇時の回転方向の熱変形を示した図である。Ｘミラーの回転方向の熱変形が発生した場合、加工位置でのＸ方向のずれが発生する。同様に、Ｙミラーの回転方向の熱変形が発生した場合、加工位置でのＹ方向のずれが発生する。

図３の（ｂ）はミラーマウントの温度上昇時の面倒れ方向の熱変形を示した図である。Ｘミラーの面倒れ方向の熱変形が発生した場合、加工位置でのＹ方向のずれが発生する。同様に、Ｙミラーの面倒れ方向の熱変形が発生した場合、加工位置でのＹ方向のずれが発生する。

よって、Ｘミラーの回転方向の変形に関してはＸモータの駆動信号を補正する必要がある。また、Ｘミラーの面倒れ方向の変形に関しては、Ｙモータの駆動信号を補正する必要がある。同様に、Ｙミラーの回転方向の変形に関してはＹモータの駆動信号を補正し、Ｙミラーの面倒れ方向の変形に関しては、Ｘモータの駆動信号を補正する。

この熱変形は、Ｘモータ、Ｙモータそれぞれで発生する。そのため、ＸモータとＹモータの温度を同時にあげてしまうと、加工点での位置ずれが、どちらのモータに起因するものか判断できなくなる。

図４の（ａ）はＸモータの温度測定時の加工パターンを示した図である。３０ミリ角の格子パターンでＸモータを優先的に動かし合計４９点を加工している。このような動作であれば、Ｘモータのみ温度上昇させ、エリア全体を加工することができる。

図４の（ｂ）はＹモータの温度測定時の加工パターンを示した図である。このような動作であれば、Ｙモータのみ温度上昇させ、エリア全体を加工することができる。このように２種類の加工パターンを使い、ＸモータとＹモータで別々に温度測定をすることで、加工位置ずれがどちらのモータに起因するものか、正確に把握することが可能となる。

図５はＸモータの温度変化と加工位置ずれの関係を示した図である。図５の（ａ）は前述のＸモータの温度測定時の加工パターンを繰り返し動作させた時のＸモータの温度変化を示している。図５の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれスタート時、１５０秒後、３００秒後の加工精度を示している。精度分布がモータの温度上昇とともに、右上に徐々にシフトし、加工位置ずれが発生している。精度分布におけるＸ方向及びＹ方向の誤差の平均値をずれ量とし、補正処理を行う。

図６は駆動信号補正部の詳細を示した図である。Ｘ駆動信号は、Ｘミラー回転方向ずれ量、Ｙミラー面倒れ方向ずれ量、Ｘモータ温度、Ｙモータ温度より補正テーブルを作成し、ＸモータおよびＹモータの現在温度によって補正値を決定する。同様に、Ｙ駆動信号は、Ｙミラー回転方向ずれ量、Ｘミラー面倒れ方向ずれ量、Ｘモータ温度、Ｙモータ温度より補正テーブルを作成し、ＸモータおよびＹモータの現在温度によって補正値を決定する。このように、面倒れ方向のずれは互いのモータで相互に駆動信号を補正することで解消することができる。

図７は図４で示す加工パターンで繰り返しガルバノを動作させたときの温度変化と位置ずれの関係を示した図である。ここで、Ｘａ０、Ｘａ１、・・・Ｘａ３０は、Ｘモータ測定の加工パターンで発生した、Ｘミラーの回転方向のズレ量を温度毎に全加工点の４９点で平均化したものである。また、Ｘｂ０、Ｘｂ１、・・・Ｘｂ３０は、Ｘミラーの面倒れ方向のズレ量を温度毎に平均化したものである。Ｙモータの場合も同様にミラーの回転方向および面倒れ方向のズレ量を温度毎に平均化する。

図８は駆動信号補正部の補正テーブルの一例を示した図である。図７で取得した、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの温度変化とズレ量の値から駆動信号の補正テーブルを作成する。ここで、Ｘ軸モータの補正テーブルは、Ｘモータ自身の回転方向のズレ量Ｘａ０、Ｘａ１、・・・Ｘａ３０とＹモータの面倒れ方向のズレ量Ｙｂ０、Ｙｂ１、・・・Ｙｂ３０をそれぞれの温度毎に加算する。この補正テーブルを用いて、ＸモータとＹモータの温度からＸモータの駆動信号を補正する。

Ｙ軸モータの補正テーブルは、Ｙモータ自身の回転方向のズレ量Ｙａ０、Ｙａ１、・・・Ｙａ３０とＸモータの面倒れ方向のズレ量Ｘｂ０、Ｘｂ１、・・・Ｘｂ３０をそれぞれの温度毎に加算する。この補正テーブルを用いて、ＸモータとＹモータの温度からＹモータの駆動信号を補正する。

図９は本発明の実施の形態１で示したガルバノモータの駆動信号を補正テーブルに基づいて補正する手法を用いた場合の、効果を検証した結果である。図９によると、ガルバノモータの温度上昇にともなう加工位置ずれが低減できていることが分かる。

（実施の形態２）
モータの時定数によって補正の周期を変更する。

（実施の形態３）
モータの経年劣化を考慮し、一定周期で補正テーブルを更新する。

本発明にかかるレーザ加工装置は、ガルバノスキャナの動的な位置決め精度を向上することができるものであり、レーザを用いて基板に穴あけ加工などを施すレーザ加工装置等において有用である。

１００ レーザ加工装置
１０１ レーザ発振器
１０２ レーザ光
１０３ 音響光学素子
１０４ 光学調整部
１０５ ミラー
１０６ レンズ
１０７ 被加工物
１０８ 加工テーブル
２００ ガルバノスキャナ
２０１ モータ制御手段
２０２ 駆動信号補正手段
２０３ 補正値記憶手段
２１１ Ｘ方向モータ
２１２ Ｙ方向モータ
２２１ Ｘ方向ミラー
２２２ Ｙ方向ミラー
２３１ Ｘ方向アンプ
２３２ Ｙ方向アンプ
２４０ エンコーダ
２４１ Ｘ方向エンコーダ
２４２ Ｙ方向エンコーダ
３００ 制御部
４０１ レーザパルス出力指令信号
４０２ ガルバノ位置指令情報
４０４ 駆動信号
４０５ 信号
４０６ 温度情報
Ｘａ０、Ｘｂ０、Ｙａ０、Ｙｂ０ ズレ量

Claims (4)

1. レーザパルス出力指令信号を受けてレーザ光を出射するレーザ発振器と、
   指令位置情報を受けて動作し被加工物の加工位置に前記レーザ光の位置決めをするガルバノスキャナと、
   少なくとも前記レーザ発振器および前記ガルバノスキャナを制御する制御装置を備えたレーザ加工装置であって、
   前記ガルバノスキャナは、
   前記レーザ光をＸ方向に反射するＸ方向ガルバノミラーと、
   前記レーザ光をＹ方向に反射するＹ方向ガルバノミラーと、
   前記Ｘ方向ガルバノミラーを駆動するＸ方向モータと、
   前記Ｙ方向ガルバノミラーを駆動するＹ方向モータと、
   前記Ｘ方向モータの温度を検出する温度センサーと、
   前記Ｙ方向モータの温度を検出する温度センサーを備え、
   前記Ｘ方向モータの温度および前記Ｙ方向モータの温度の２つの温度パラメータに基づいて補正データを作成し前記指令位置情報を補正するモータ制御部を備えたレーザ加工装置。
2. 前記Ｘ方向モータの温度パラメータは、
   前記Ｘ方向モータの温度上昇で発生する加工位置ずれとして、所定温度における回転方向ずれ量のデータと面倒れ方向ずれ量のデータを含み、
   前記Ｙ方向モータの温度パラメータは、
   前記Ｘ方向モータの温度上昇で発生する加工位置ずれとして、所定温度における回転方向ずれ量のデータと面倒れ方向ずれ量のデータを含む、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記Ｘ方向モータの補正データは、
   前記Ｘ方向モータの所定温度における回転方向ずれ量のデータと、前記Ｙ方向モータの所定温度における面倒れ方向ずれ量のデータからもとめ、
   前記Ｙ方向モータの補正データは、
   前記Ｙ方向モータの所定温度における回転方向ずれ量のデータと、前記Ｘ方向モータの所定温度における面倒れ方向ずれ量のデータからもとめる、請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記Ｘ方向モータの温度パラメータは、所定の加工領域を格子状にＸ方向モータを優先的に動作させる加工パターンであらかじめ加工した結果に基づいて決定し、
   前記Ｙ方向モータの温度パラメータは、所定の加工領域を格子状にＹ方向モータを優先的に動作させる加工パターンであらかじめ加工した結果に基づいて決定する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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