JP4251742B2 - Laser processing equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鏡を軸の回りに回転させ、レーザ発振器から発振されたレーザ光をワークの所定の位置に位置決めして加工をするレーザ加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザ光によりプリント基板等に穴明け加工をするレーザ穴明機等のレーザ加工装置では、レーザ光を所定の位置に導くため、鏡を軸回りに位置決め制御するスキャナが使用されている。図3は、従来のレーザ穴明機におけるスキャナ配置部の外観図である。スキャナはスキャナ本体1とスキャナコントローラ2とから構成されており、スキャナ本体1はレーザ穴明機の台座3に支持されている。スキャナ本体1は、モータ4と、モータ4の回転角度を検出する回転角センサ5(以下、センサという。)と、モータ4に接続された回転軸6の端部に配置された反射面7aを備える鏡7とから構成され、ケーブル8を介してスキャナコントローラ2に接続されている。スキャナコントローラ2はレーザ穴明機のコントローラ9に接続されている。fθレンズ10が鏡7とテーブル13との間に配置されている。fθレンズ10は中心が鉛直方向かつ鏡7の中心に一致するように配置されており、予め定める範囲(以下、制御範囲という。)に入射する鏡7で反射されたレーザ光12を、fθレンズ10の中心軸と略平行な鉛直方向のレーザ光12として出射する。テーブル13はfθレンズ10の中心軸と直角の水平方向に移動する。テーブル13には、ワークであるプリント基板14が固定されている。
【0003】
次に、従来のレーザ穴明機の動作を説明する。
コントローラ9は、先ず、テーブル13を移動させ、プリント基板14を制御範囲に位置決めする。次に、スキャナコントローラ2に反射面7aの角度(例えば、鉛直な軸を基準とする角度。)を指令する。スキャナコントローラ2は、コントローラ9からの指令に基づき、センサ5により回転軸6の回転角度を検出しながら、ケーブル8を介してモータ4に電流を供給し、反射面7aを指令された位置に位置決めする。反射面7aが所定の位置に位置決めされると、コントローラ9は図示を省略するレーザ発振器からレーザ光12を出力させる。出力されたレーザ光12は反射面7aで反射されてfθレンズ10に入射し、出射したレーザ光12はプリント基板14の表面に略垂直に入射してプリント基板14に穴を明ける。1個の穴を加工したら、レーザ光12の出力を停止させる。そして、反射面7aを次の穴の加工位置に位置決め(スキャン)し、レーザ光12を出力させて次の穴を加工する。以下同様にして制御範囲内の穴を加工する。そして、制御範囲内の穴の加工が終了した後、テーブル13を移動させ、プリント基板14を次の制御範囲に位置決めし、次の制御範囲の穴の加工する。以下、総ての穴の加工が終了するまで上記の動作を繰り返す。反射面7aの位置決めに要する時間は、テーブル13の位置決めに要する時間よりも遥かに短いから、上記のように構成して穴明け加工をすると、作業能率が向上する。
【0004】
上記のセンサ5としては、構造が簡単で、応答速度が速く、位置決め精度が高い静電容量型のセンサが多く用いられている。静電容量型のセンサは、回転軸に誘電体を固定し、この誘電体を少なくとも一組の互いに向かい合う電極で挟む構成になっている。そして、回転軸5が回転することにより極板間に挟まれる誘電体の挿入面積が変化し、これに伴なう極板間の静電容量の変化を検出して回転軸6の角度変化に換算する。例えば、特開平7−55500号公報には、このような回転角センサの構成が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した極板間の静電容量の値は、極板間に存在する空気の誘電率や極板間の距離等に依存する。このため、極板間に挟まれる誘電体の挿入面積が同じであっても、温度や湿度等の環境条件(特に湿度)が変化すると、静電容量の値が変化し、ゼロドリフトやスケールドリフトが発生する。ゼロドリフトは、図4(a)に示すように、実線で示す反射光の範囲が点線で示すように一方の側に回転する現象であり、スケールドリフトは実線で示す反射角度が点線で示すように一様拡大あるいは縮小(図では拡大)する現象であり、いずれの場合も検出値に誤差が発生するため、これに伴って加工誤差が発生する。
【0006】
そこで、図5に示すように、例えばスキャナ本体1の周囲をコの字形のカバー15で囲い、加工時には、カバー15の内部に矢印で示すドライエアを供給したり、カバー15をヒータで保温することが試みられている。しかし、特に、極板をガラスエポキシ材などの吸湿性を有するプリント基板上に構成したセンサの場合、夜間等のレーザ穴明機が停止している期間中に周囲の湿気を吸収し、レーザ穴明機を立ち上げてから極板が十分に乾燥するまでの間、センサ4の性能が経時的に変化することがあった。また、コイルの発熱による温度変化の時定数が長いため、稼働開始から動作が安定するまでに5〜10時間を要し、位置決め精度が±20μm程度変化した。
【0007】
このため、加工する穴の位置精度を±10μm以内にする必要がある場合は、稼働開始から動作が安定するまで、30分〜1時間毎にアクリル板等のテストピースにスキャニング加工を行い、加工した穴の位置を高倍率のテレビカメラで測定して、回転角度の補正をしていた。また、動作が安定になった後も、3〜5時間毎に回転角度の補正をしていた。また、高密度基板のように、加工する穴の位置精度を±5μm以内にする必要がある場合は、動作が安定になった後も、30分毎に回転角度の補正を行っていた。そして、上記補正作業には、1回毎に5〜10分を必要とするため、装置稼働率が最大で67〜83%に低下した。
【0008】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、スキャナ本体の環境条件が変化しても、加工精度に優れ、しかも装置稼働率を向上させることができるレーザ加工装置を提供するにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の発明は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、軸の周りに位置決め自在の鏡に照射し、前記鏡で反射させたレーザ光によりワークを加工するレーザ加工装置において、加工に使用するレーザ光とは別のレーザビームを照射するビーム照射装置と、第1の受光装置とを設け、前記ビーム照射装置からのレーザビームを前記鏡の反射面と平行な前記鏡の反射面の裏面側の反射面に向けて照射し、前記第1の受光装置を、前記鏡の反射面に垂直な軸に関して前記ビーム照射装置と反対側の前記レーザビームを受光できる位置に配置し、前記第1の受光装置で受光した前記レーザビームの位置から、前記鏡の回転変位量を検出し、また、前記ビーム照射装置と前記鏡との間にビームスプリッタを設けると共に、前記ビームスプリッタからの反射光を受光できる位置に第2の受光装置を配置し、前記第2の受光装置で受光した前記レーザビームの位置から、前記ビーム照射装置の変位量を検出し、前記鏡の回転変位量と前記ビーム照射装置の変位量とに基づいて、加工を行う際の前記鏡の位置決め角度を補正することを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
図1は、本発明に係るレーザ穴明機におけるスキャナ配置部の装置構成図であり、図3と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。
【0014】
鏡7の反射面7aと反対側の面には、反射面7aと平行の反射面7bが形成されている。また、反射面7bと対向するようにして、レーザ光源21、ビームスプリッタあるいはハーフミラー22および第1の光センサ23が配置されている。ビームスプリッタ22はレーザ光源21から出力されるレーザビーム24の内50%程度を反射し、残りを通過させる。ビームスプリッタ22と略直角の位置に第2の光センサ25が配置されている。光センサ23、25はコントローラ9に接続されている。
【0015】
反射面7aの基準位置は、反射面7aが鉛直線に対して45度の位置であり、反射面7aを基準位置に位置決めしたとき、レーザ光12の入射角、レーザ光源21のレーザビーム24の出力方向、光センサ23および光センサ25は、予め以下のように位置決めされる。すなわち、レーザ光12の入射角は、反射面7aで反射されたレーザ光12が鉛直方向に進み、fθレンズ10の中心に入射するように位置決めされる。レーザ光源21は、出力するレーザビーム24が鏡7の回転の軸心Oに向かうように位置決めされる。ビームスプリッタ22はレーザビーム24に対して45度に位置決めされる。光センサ23は、反射面7bで反射されたレーザビーム24が中心A0に入射するように位置決めされる。光センサ25は、ビームスプリッタ22で反射されたレーザビーム24が中心B0に入射するように位置決めされる。
【0016】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
図2は、本発明における測定諸元を説明するための図である。ここでは、理解を容易にするため、鏡7の厚さを0とする。また、光センサ23の中心Aと反射面7bの距離はLであり、反射面7aを回転範囲±θ(通常10度程度)の両端に位置決めしたときに、反射面7bで反射されたレーザ光24の+θ側の入射位置E10と−θ側のE20が予め求めてある。また、光センサ25の中心Bとビームスプリッタ22の距離はMである。
【0017】
そして、従来と同様にして、レーザ光12によりプリント基板14の所定の位置に穴明け加工を行う。
【0018】
予め定める時間が経過したら、コントローラ9は、反射面7aを基準位置に位置決めし、レーザ光源21からレーザビーム24を出力させる。そして、先ず、光センサ25のビームスプリッタ22で反射されたレーザビーム24が入射する位置B1の中心B0からの距離bを調べる。そして、距離bが0でなく、かつ予め定める範囲内の値である場合には、レーザビーム24の変位角度αをtanα=b/Mとして求め、変位角度αを記憶する。次に、光センサ23の反射面7bで反射されたレーザビーム24が入射する位置A1の中心A0からの距離aを調べる。そして、距離aが0でなく、かつ予め定める範囲内の値である場合には、反射面7bの変位角度βをtan2β=a/Lとして求め、変位角度βを記憶する。そして、変位角度αと変位角度βとから、基準位置における反射面7aで反射されたレーザ光12の変位量γ(ゼロドリフト)を求める。
【0019】
次に、反射面7aを回転範囲の+θに位置決めし、反射面7bで反射されたレーザ光24の入射位置E11の中心A0からの距離e1を求めた後、反射面7bを回転範囲の−θに位置決めし、反射面7bで反射されたレーザ光24の入射位置E21の中心A0からの距離e2を求める。そして、E11、E21間の距離すなわち距離e1と距離e2の和と、E10、E20間の距離e0との差から変位量δ(スケールドリフト)を求める。
【0020】
そして、これ以降の加工を行う際の反射面7aの位置決め角度を、変位量γおよび変位量δに基づいて補正する。
【0021】
この実施の形態では、スペースに余裕がある鏡7の背面側を利用して、レーザビーム24を反射面7bで反射させるようにしたから、距離Lを十分大きくすることが容易であり、従来に比べて分解能を10倍程度向上させることができる。
【0022】
ここで、光センサ23の有効長は、例えば、分解能が0.1μmの場合、30mm程度になる。
【0023】
また、レーザビーム24の変位角度αを求めるようにしたから、例えばレーザ光源21の保持部がレーザ光源21内部の温度上昇により変位して、レーザビーム24の反射面7bの入射角度が変化した場合でも、反射面7aの位置を精度良く補正することができる。
【0024】
なお、鏡7は厚さがあるため、実際には鏡7の厚さを考慮して反射面7aの位置を補正する。この場合、鏡7は厚さは変化せず、固定の値であるから、容易に補正することができる。
【0025】
また、上記では鏡が1個の場合について説明したが、鏡を2個とし、レーザ光12をfθレンズ10に対して2軸方向に入射させる場合にも適用できる。
【0026】
また、レーザビーム24を反射面7aに入射させるようにしてもよい。
【0027】
さらに、上記では、反射面7aの変位を、予め定める時間毎に調べるようにしたが、通常、変位が急激に大きくなることはないから、加工のために反射面7aを基準位置や両端位置に位置決めした時、レーザビーム24を出力して反射面7aの変位を測定するようにすれば、加工をしながら反射面7aの変位を求めることができる。
【0028】
また、レーザ光24のビーム径およびエネルギ分布を均一なものとするために、レーザ光源21とビームスプリッタ22との間にビームモード整形ユニットやフォーカスレンズなどの光学手段を配置してもよい。
【0029】
さらに、反射面7bと光センサ23との間に、例えばfθレンズなどを配置して反射面7bで反射されたレーザビーム24が光センサ23に垂直に入射するようにしてもよい。このようにすると、光センサ23に入射するレーザビーム24の径が一定になり、入射位置E10,E11等の位置決め精度をさらに向上させることができる。
【0030】
また、レーザ光源21を複数個設け、反射面7aの複数の位置の変位を検出するようにしてもよい。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、軸の周りに位置決め自在の鏡に照射し、前記鏡で反射させたレーザ光によりワークを加工するレーザ加工装置において、加工に使用するレーザ光とは別のガイドビームを照射するビーム照射装置と、受光装置とを設け、前記受光装置を、前記鏡の反射面に垂直な軸に関して前記ビーム照射装置と反対側の前記ガイドビームを受光できる位置に配置し、前記受光装置で受光した前記ガイドビームの位置から、前記鏡の回転角度を検出する。したがって、装置組立時に、確認のための試し加工を行えば、以降の鏡の位置確認は加工と加工との間、例えば、プリント基板の交換作業と並行して行うことができ、従来のように鏡の位置確認を行うたびに試し加工により鏡の位置確認をする必要がなく、確認を短時間で行うことができ、装置の稼動率が向上する。また、反射面と光センサとの距離を大きくすることができ、反射面の位置決め精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るレーザ穴明機におけるスキャナ配置部の装置構成図である。
【図2】本発明における測定諸元を説明するための図である。
【図3】従来のレーザ穴明機におけるスキャナ配置部の外観図である。
【図4】ゼロドリフトとスケールドリフトを説明する図である。
【図5】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
7 鏡7
7a 反射面
7b 反射面
12 レーザ光
21 ビーム照射装置
22 ビームスプリッタ
23 受光装置
24 ガイドビーム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing apparatus that performs processing by rotating a mirror around an axis and positioning a laser beam oscillated from a laser oscillator at a predetermined position of a workpiece.
[0002]
[Prior art]
In a laser processing apparatus such as a laser drilling machine that drills a printed board or the like with a laser beam, a scanner that controls positioning of a mirror around an axis is used to guide the laser beam to a predetermined position. FIG. 3 is an external view of a scanner arrangement portion in a conventional laser drilling machine. The scanner includes a
[0003]
Next, the operation of the conventional laser drilling machine will be described.
First, the controller 9 moves the table 13 to position the printed
[0004]
As the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the value of the capacitance between the electrode plates described above depends on the dielectric constant of air existing between the electrode plates, the distance between the electrode plates, and the like. For this reason, even if the insertion area of the dielectric sandwiched between the electrode plates is the same, the capacitance value changes as the environmental conditions (especially humidity) such as temperature and humidity change, resulting in zero drift and scale drift. Will occur. As shown in FIG. 4A, zero drift is a phenomenon in which the range of reflected light indicated by a solid line rotates to one side as indicated by a dotted line, and scale drift is such that the reflection angle indicated by a solid line is indicated by a dotted line. In any case, an error occurs in the detected value, and a processing error occurs accordingly.
[0006]
Therefore, as shown in FIG. 5, for example, the
[0007]
For this reason, when it is necessary to make the position accuracy of the hole to be processed within ± 10 μm, the test piece such as an acrylic plate is scanned every 30 minutes to 1 hour from the start of operation until the operation becomes stable. The position of the hole was measured with a high-magnification TV camera, and the rotation angle was corrected. Moreover, even after the operation became stable, the rotation angle was corrected every 3 to 5 hours. In addition, when the position accuracy of the hole to be processed needs to be within ± 5 μm like a high-density substrate, the rotation angle is corrected every 30 minutes even after the operation becomes stable. And since the said correction | amendment operation | work requires 5-10 minutes for every time, the apparatus operation rate fell to 67-83% at maximum.
[0008]
An object of the present invention is to solve the above-described problems in the prior art and provide a laser processing apparatus that is excellent in processing accuracy and can improve the apparatus operating rate even if the environmental conditions of the scanner body change.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a laser for processing a workpiece by irradiating a laser beam oscillated from a laser oscillator to a mirror which can be positioned around an axis and reflecting the laser beam by the mirror. In the processing apparatus, a beam irradiation device for irradiating a laser beam different from the laser beam used for processing and a first light receiving device are provided, and the laser beam from the beam irradiation device is parallel to the reflecting surface of the mirror. Irradiation toward the reflection surface on the back side of the reflection surface of the mirror, and the first light receiving device can receive the laser beam on the opposite side of the beam irradiation device with respect to an axis perpendicular to the reflection surface of the mirror placed, from the position of the laser beam received by the first light receiving device detects the rotational displacement amount of the mirror, also a beam splitter is provided between the said beam irradiation device and the mirror A second light receiving device is disposed at a position where the reflected light from the beam splitter can be received, a displacement amount of the beam irradiation device is detected from a position of the laser beam received by the second light receiving device, and the mirror Based on the rotational displacement amount of the beam and the displacement amount of the beam irradiation device, the mirror positioning angle at the time of processing is corrected .
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
FIG. 1 is an apparatus configuration diagram of a scanner arrangement unit in a laser drilling machine according to the present invention. Components having the same or the same functions as those in FIG.
[0014]
A reflecting
[0015]
The reference position of the reflecting
[0016]
Next, the operation of the present embodiment will be described.
FIG. 2 is a diagram for explaining measurement specifications in the present invention. Here, the thickness of the
[0017]
Then, in the same manner as in the prior art, drilling is performed at a predetermined position of the printed
[0018]
When a predetermined time elapses, the controller 9 positions the reflecting
[0019]
Next, the reflecting
[0020]
Then, the positioning angle of the reflecting
[0021]
In this embodiment, since the
[0022]
Here, the effective length of the
[0023]
Further, since the displacement angle α of the
[0024]
Since the
[0025]
Further, the case where there is one mirror has been described above, but the present invention can also be applied to a case where two mirrors are used and the
[0026]
Further, the
[0027]
Further, in the above description, the displacement of the reflecting
[0028]
Further, in order to make the beam diameter and energy distribution of the
[0029]
Further, for example, an fθ lens may be disposed between the
[0030]
Alternatively, a plurality of
[0031]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the laser processing apparatus that irradiates the laser beam oscillated from the laser oscillator onto the mirror that can be positioned around the axis and processes the workpiece with the laser beam reflected by the mirror. A beam irradiation device for irradiating a guide beam different from the laser beam used for processing and a light receiving device, and the light receiving device is opposite to the beam irradiation device with respect to an axis perpendicular to the reflecting surface of the mirror The guide beam is disposed at a position where it can receive light, and the rotation angle of the mirror is detected from the position of the guide beam received by the light receiving device. Therefore, if trial processing for confirmation is performed at the time of device assembly, the subsequent mirror position confirmation can be performed between processing, for example, in parallel with the replacement work of the printed circuit board, as in the conventional case. It is not necessary to confirm the position of the mirror by trial processing every time the position of the mirror is confirmed, and the confirmation can be performed in a short time, and the operating rate of the apparatus is improved. Further, the distance between the reflecting surface and the optical sensor can be increased, and the positioning accuracy of the reflecting surface can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an apparatus configuration diagram of a scanner placement unit in a laser drilling machine according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining measurement specifications in the present invention.
FIG. 3 is an external view of a scanner arrangement portion in a conventional laser drilling machine.
FIG. 4 is a diagram illustrating zero drift and scale drift.
FIG. 5 is a diagram illustrating a conventional technique.
[Explanation of symbols]
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