JP4830444B2 - レーザ加工装置とレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明はレーザ加工装置およびその制御方法に関する。

レーザ加工装置や画像検査装置などでは光学位置決め装置を搭載し、レーザ光や可視光などの光を利用して物体の加工や対象物の検査が広く行われている。

例えばプリント基板用レーザ加工装置では、プリント基板にレーザ光を照射して、多層プリント基板の層間接続回路であるＩＶＨ（インナー・バイア・ホール）の穴加工を行っている。

図７にプリント基板用レーザ加工装置の概要を示す。制御装置１０１は、レーザ発振器１０２、ガルバノ装置１０４、加工テーブル１０６、カメラ１０７の制御を行う。レーザ発振器１０２は、加工用のレーザ光１０３を出力する。ガルバノ装置１０４は、２軸のモータに取付けられたミラーによって、レーザ光１０３の位置決めを行う。ｆθレンズ１０５は、レーザ光１０３を集光する。カメラ１０７は、プリント基板１０８上の位置決めマークや位置補正用の加工穴の位置検出を行う。加工テーブル１０６は、加工するプリント基板１０８を搭載し、位置決めを行う。プリント基板用レーザ加工装置の動作について説明する。レーザ発振器１０２から出力されたレーザ光１０３は、ガルバノ装置１０４で位置決めを行い、集光レンズ１０５によって集光され、プリント基板１０８の所定の位置に照射され、穴加工を行う。

近年、電子機器の小型・軽量化が求められているが、これを実現するために多層プリント基板による電子部品の高密度実装が進んでいる。これは１枚の多層プリント基板に形成されるＩＶＨの穴数増加、小径化、高密度化することになり、これに対応するためにはプリント基板用レーザ加工装置の穴加工精度を高精度化する必要があり、加工穴の位置精度としてプリント基板全体で±１０μｍ以内が求められる。これを実現するには、ガルバノ装置の位置決め精度を±４μｍ以内にする必要がある。

ガルバノ装置の位置誤差としては、ガルバノ装置のインポジションや温度変動など駆動系に起因する位置誤差と、光学系に起因する位置誤差がある。この中で光学系の位置誤差としては、ガルバノ装置のような光走査装置とｆθレンズのような集光レンズを組合わせてレーザ光の位置決めを行う場合、加工平面上では歪みが発生し、指令位置に対して加工位置に位置ずれが生じるというものである。

この光学系の歪みは、ガルバノ装置の幾何学的な歪みと、ｆθレンズの非線形成分による歪みからなる。図８にガルバノ装置の光学系の歪みを示す。ガルバノスキャナ部５で格子状の指令位置で加工した場合、図８のように加工位置がたる型状になる。そこでこの位置ずれをなくすにはこの歪みを補正する補正データを作成し、その補正データから指令位置を作成し、ガルバノ装置を位置決めする必要がある。ガルバノ装置の位置誤差を低減するためには、この補正データを高精度化する必要がある（例えば特許文献１参照）。

これらの補正データの作成方法としては、任意の指令位置で穴加工したときの加工位置のずれを画像認識装置で測定し、そのずれ量から補正データを作成する。加工及び測定する穴数は、主にガルバノ装置の加工範囲で決まり、数百点となる。補正データの演算方法は、任意の補正点を含む周囲の加工位置と指令位置の関係を線形解析して、補正データを演算する。

高精度な補正データを作成するためには、加工位置の測定データを高精度に測定する必要がある。しかし加工位置には、ガルバノ装置や加工テーブルのサーボロックゆれ、レーザ光の光軸変動、加工穴形状の変化などのバラツキ要素が含まれるため、連続して同じ指令位置の加工を行っても、加工穴の測定位置は±１μｍ程度の変動が発生する。そこで補正データを複数個作成し、その複数個の補正データに平均処理などを行って、最終的な補正データを作成する方法がある。
特開２００４−２７６１０１号公報

しかし補正データを複数個作成するためには、非常に膨大な演算を必要とする補正データ演算処理を複数回行う必要があるため、補正データ作成時間が長くなる。

また、穴加工を行うと加工穴周辺に加工くずが付着するため、画像認識装置で位置測定すると、その加工くずの影響で、本来の加工穴位置からずれた位置を誤測定する場合がある。この測定位置はガルバノ装置の光学系の歪みとは異なる不正データであるので、この不正データを用いて補正データを作成すると、不正データの周辺の補正点の補正データは、不正データの影響を受けて誤差を含む補正値となる。そのためガルバノスキャナ部５の加工精度分布も、±５μｍ程度が限界となっている。

本発明は上記の課題を解決し、高精度な補正データを作成することができる光学位置決め装置及びその制御方法及びそれを用いたレーザ加工装置とレーザ加工方法を提供することを目的としている。

本発明のレーザ加工装置は、上記課題を解決するために、レーザ光を少なくとも二次元に位置決めする光走査部と、前記光走査部が位置決めしたレーザ光による加工点の位置を検出する位置検出部を備え、前記位置検出部から出力する複数回行った同じ加工パターンの加工穴の位置検出データを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶した複数個の位置検出データから不正データを除去して位置データを作成する不正データ除去部と、前記不正データ除去部から出力する位置データから前記光走査部の幾何学的または光学的なレーザ光の位置ずれに対する補正データを作成する補正データ作成部を備えたものであり、初回の検出位置から２回目以降の加工点が位置検出部の検出エリアの中心位置になるように位置検出部を位置決めするようにしたものである。
あるいは、２回目以降の位置検出では、初回の位置検出時より位置検出部の検出エリアを小さくするようにしたものである。

そして、この構成により、前記光走査部が位置決めしたレーザ光で複数回行った同じ加工パターンの加工穴の位置検出データから、不正データを除去して位置データを作成し、この位置データから前記光走査部の幾何学的または光学的なレーザ光の位置ずれに対する補正データを作成することとなる。

以上のように、光走査部が位置決めしたレーザ光で複数回行った同じ加工パターンの加工穴の位置検出データから、不正データを除去して位置データを作成し、この位置データから光走査部の幾何学的または光学的なレーザ光の位置ずれに対する補正データを１回の補正データ演算処理で作成するため、短時間で高精度な補正データを作成できる。また、加工穴に加工くずなどが付着して、穴位置測を誤測定する場合があっても、この誤測定データを除去した位置データで補正データを作成するため、加工くずなどの影響を受けない高精度な補正データが作成できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１から図６を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明を用いたのプリント基板用レーザ加工装置の構成を示すものである。

プリント基板用レーザ加工装置の主な構成としては、加工プログラム、加工条件、パラメータなどを入力する入力部１と、加工機全体を制御する制御部２と、レーザ光を出力するレーザ発振部３、穴加工を行うワークを搭載し、位置決めを行う加工テーブル部４、２軸のモータでミラーを位置決めしてレーザ光の位置決めを行うガルバノスキャナ部５、レーザ光で加工した加工穴やワーク上の位置決めマークを撮像するカメラ部６がある。

制御部２は、主制御部７、レーザ制御部８、加工テーブル制御部９、ガルバノ制御部１０、位置検出部１１で構成される。

主制御部７は、シーケンス制御部１２と補正データ作成部１３で構成される。

シーケンス制御部１２は入力部１から入力したプログラム、加工条件などのデータを解析し、レーザ制御部８、加工テーブル制御部９、ガルバノ制御部１０、位置検出部１１にそれぞれ動作指令を出力する。また補正データ作成部１３に補正データの作成に必要な位置データを出力する。

レーザ制御部８には主制御部７からレーザ出力指令が入力されると、レーザ発振部３にレーザ出力指令信号を出力する。また主制御部７にレーザ発振部３のレーザ発振部の動作情報などを出力する。

レーザ発振部３は、レーザ制御部８からレーザ出力指令信号が入力されると、レーザ出力信号に従い、レーザ光を出力する。またレーザ制御部８にレーザ出力モニタ信号などを出力する。

加工テーブル制御部９には指令速度などの制御パラメータや加工テーブル動作指令が主制御部７から入力されると、位置制御を行い、モータ駆動指令信号を加工テーブル部４に出力する。またモータの位置情報などを主制御部７に出力する。加工テーブル部４は、加工テーブル制御部９からモータ駆動指令信号が入力されると、モータ駆動指令信号に従い、モータを駆動する。また、モータの位置検出信号を加工テーブル制御部９に出力する。

ガルバノ制御部１０には指令速度などの制御パラメータ、補正データやガルバノ動作指令が主制御部７から入力されると、位置制御を行い、ガルバノ駆動指令信号をガルバノスキャナ部５に出力する。またガルバノスキャナ部５の位置情報などを主制御部７に出力する。

ガルバノスキャナ部５はガルバノ制御部１０から駆動指令信号が入力されると、駆動指令信号に従い、モータを駆動する。また、モータの位置検出信号をガルバノ制御部１０に出力する。

位置検出部１１は、主制御部７から位置検出指令が入力されると、カメラ部６に検出信号を出力する。またカメラ部６の撮像画像から位置検出を行い、位置検出結果を主制御部７に出力する。

カメラ部６は位置検出部１１から検出信号が入力されると、カメラで加工穴を撮像し、撮像画像を位置検出部１１に出力する。

補正データ作成部１３は測定位置データ記憶部１４、不正データ除去部１５、補正データ演算部１６、補正データ格納部１７から構成される。

測定位置データ記憶部１４は、位置検出部１１から補正データ作成に必要な同じ加工パターンの複数個の加工穴の測定位置データが入力され、その測定位置データを記憶する。

不正データ除去部１５は測定位置データ記憶部１４で記憶した複数個の測定位置データに対して、不正データ除去処理を行い、不正データ除去後の位置データを補正データ演算部１６に出力する。

補正データ演算部１６は不正データ除去部１５から入力された不正データ除去後の位置データから補正データを演算し、補正データ格納部１７に出力する。

補正データ格納部１７は、補正データ演算部１６で演算した補正データを格納し、ガルバノ制御部１０に出力する。

不正データ除去部１５の不正データ除去処理について説明する。

図２に誤測定がない場合の測定位置の分布図を示す。測定データは、同じ指令位置の加工及び測定を５回行ったものであり、予想される加工位置を原点位置とした場合の各加工穴の測定位置である。この５回の測定データは、加工くずなどによる誤測定がないため、測定データのばらつきは±１μｍ以内である。しかし各点の測定位置はガルバノ装置や加工テーブルのサーボロックゆれ、レーザ光の光軸変動、加工穴形状の変化などのバラツキ要素による不正データ成分が含まれるため、これらの不正データ成分を除去する必要がある。

不正データ成分を除去する方法として、測定位置の５データに対して、各軸毎に最大値と最小値を検索し、この最大値と最小値を除いた３データの平均値を算出する。図２ではこの方法で不正データ除去を行ったため、不正データ除去後の位置が（−０．２０μｍ、０．２５μｍ）となり、予想される加工位置に近づいて、バラツキ要素の少ない位置データが算出できている。

図３に誤測定がある場合の測定位置の分布図を示す。測定方法は図２と同様であるが、加工くずなどによる誤測定データが１点含まれている。図４に誤測定穴の図を示す。加工穴に大きな加工くずが付着している。画像認識による加工穴の位置測定では撮像画像を二値化処理して重心位置を算出するため、図４のような画像では、正しい加工穴の測定位置に対して、加工くずの影響を受けて、誤測定位置を算出することになる。この誤測定データは補正データ作成に使用できない不正データであり、除去する必要がある。

不正データ成分を除去する方法として、図２と同じ処理を行う。その結果、不正データ除去後の位置が（０．２３μｍ、−０．１１μｍ）となり、加工くずによる誤測定データの影響を受けることなく、予想される加工位置に近づいて、バラツキ要素や誤測定の影響を受けない位置データが算出できている。このように複数個の測定位置から最大値と最小値を除去した後、平均処理をして位置データを作成すると、図３のように測定位置に誤測定データが含まれていても確実に除去することができる。

図５に補正データ作成処理のフローチャートを示す。補正データ作成処理をスタートすると、ステップ１では補正データ作成用の穴加工を行う。ステップ２では加工穴の穴位置を測定する。ステップ３では加工穴の測定位置データを測定位置データ記憶部１４に記憶する。ステップ４では加工穴の測定回数をチェックし、測定回数が終了していない場合、ステップ１に戻り、測定回数が終了している場合は、ステップ５に進む。

ステップ５では、測定位置データ記憶部１４から測定回数分の同じ加工位置の測定位置データを読込む。ステップ６では、読込んだ複数個の測定位置データから最大値と最小値を検索する。ステップ７では、ステップ６で検索した最大値と最小値のデータを除去する。ステップ８では、除去後の残りの測定位置データの平均値を算出する。ステップ９では、算出した平均値を不正データ除去後の位置データとして、補正データ演算部１６に出力する。ステップ１０では、不正データ除去処理した穴数をチェックし、全穴終了していない場合、ステップ５に戻り、全穴終了している場合は、ステップ１１に進む。ステップ１１では、不正データ除去後の位置データから補正データを演算する。ステップ１２では、ステップ１１で演算した補正データを補正データ格納部１７に格納する。

ここでステップ１では同じパターンの加工を行うため、ステップ２の穴位置測定でも同じパターンの加工穴を測定することとなる。図７のような加工位置を測定する場合、初回の穴位置測定では穴位置が分からないため、カメラ部６の検出エリアは大きし、カメラ部６の検出エリアに加工穴が入るように、加工テーブル部４の位置決め位置を調整する必要があった。そこで初回の穴位置測定が終了すれば、初回の穴位置測定データから２回目以降の加工穴がカメラ部６の検出エリアの中心に来るように加工テーブル部４の位置決めを行えば、加工テーブル部４の位置決め位置を調整する必要がない。またカメラ部６の検出エリアの中心に加工穴が位置決めされるので、２回目以降のカメラ部６の検出エリアを小さでき、加工くずなどによる誤測定を防止できる。また複数回の穴加工間隔を小さくできるので加工ワークで連続加工が可能となり、加工ワークの節約や加工ワーク交換時間の短縮が可能である。

また、ステップ７で最大値及び最小値除去後の残りの測定位置データのバラツキ幅が規定値以上の場合、測定位置データに不正データがなお含まれると判断してアラームを出力し、補正データ作成を中止すれば、除去できなかった不正なデータで誤差を含む補正データを作成することを未然に防止することができる。また測定位置データの個数が多い場合、最大値及び最小値除去後の残りの測定位置データのバラツキ幅が規定値以上の場合、再度その残りの測定位置データから最大値及び最小値を除去すれば、再度不正データを除去でき、補正データ作成処理を進めることができる。

次に加工機の動作について、説明する。予め補正データ作成部１３で補正データを作成しておく。また加工したいプリント基板の加工プログラムデータや加工条件を入力部１から、主制御部７に入力しておく。まず基板全体の加工プログラムをガルバノスキャナ部５の走査範囲毎の目標位置に分割する。次にガルバノスキャン部５の目標位置と補正データ格納部１７の補正データを用いて、指令位置を作成する。プリント基板を加工テーブル上に設置すると、加工テーブル部４を動作させ、ガルバノスキャナ部５の走査範囲にプリント基板を移動させる。そして作成した指令位置でガルバノスキャナ部５を位置決めし、指令位置に達すると、レーザ発振部３からレーザ光を出力して、プリント基板の所定の位置に１穴づつ穴加工を行う。加工プログラム中のすべての穴加工が終わるまで、加工テーブル部４、ガルバノスキャナ部５、レーザ発振部部３の動作を繰り返す。

図６に５個の測定位置データに不正データ除去処理を行って作成した補正データを使用して位置決めを行った場合のガルバノスキャナ部５の加工精度分布を示す。図６はガルバノスキャナ部５の加工範囲４０ｍｍ角エリア内に約４４１点の穴加工を行った時の加工位置の位置誤差の分布である。補正データが高精度化されているため、加工精度分布は±３μｍとなり、従来の補正データと比較して高精度化を実現している。また計算量の多い補正データ演算処理は１回しか行わないため、５回の補正データ作成処理と比較して、約２０％に短縮できる。

なお、不正データ除去方法として、図２のように測定位置に誤測定データが含まれない場合や測定位置データ数が多い場合には、全データの平均処理だけでも、バラツキ要素や誤測定の影響を受けない位置データが算出できる。

また複数個の測定位置の最大値と最小値を除去した後、残りデータの最大値と最小値の中間である中心位置を算出して位置データを作成しても、同様に測定位置に誤測定データが含まれていても確実に除去することができる。また図２のように測定位置に誤測定データが含まれない場合や測定位置データ数が多い場合には、全データの最大値と最小値の中間である中心位置を算出しても、バラツキ要素や誤測定の影響を受けない位置データが算出できる。

ここでは、レーザ加工装置に搭載した光学位置決め装置で記述しているが、ガルバノ装置のような光走査装置とｆθレンズのような集光レンズを組合せ、ワークの状態をカメラなどで撮像する画像検査装置にも同様に適用できる。

以上のように、光走査部が位置決めしたレーザ光で複数回行った同じ加工パターンの加工穴の位置検出データから、不正データを除去して位置データを作成し、この位置データから光走査部の幾何学的または光学的なレーザ光の位置ずれに対する補正データを作成するため、短時間で高精度な補正データを作成できる。また、加工穴に加工くずなどが付着して、穴位置測を誤測定する場合があっても、この誤測定データを除去した位置データで補正データを作成するため、加工くずなどの影響を受けない高精度な補正データが作成できる。

本発明は、光学位置決め装置の高精度な補正データを作成し、その補正データを用いて高精度な位置決めができるため、プリント基板用などのレーザ加工装置などに有用である。

本発明の第１の実施の形態のプリント基板用レーザ加工装置の構成図 本発明の第１の実施の形態の誤測定がない場合の測定位置の分布図 本発明の第１の実施の形態の誤測定がない場合の測定位置の分布図 誤測定穴の図 補正データ作成処理のフローチャート 本発明の補正データを使用したガルバノスキャナ部の加工精度分布図 プリント基板用レーザ加工装置の概要図 ガルバノ装置の光学系の歪み図

符号の説明

１ 入力部
２ 制御部
３ レーザ発振部
４ 加工テーブル部
５ ガルバノスキャナ部
６ カメラ部
７ 主制御部
８ レーザ制御部
９ 加工テーブル制御部
１０ ガルバノ制御部
１１ 位置検出部
１２ シーケンス部
１３ 補正データ作成部
１４ 測定位置データ記憶部
１５ 不正データ除去部
１６ 補正データ演算部
１７ 補正データ格納部
１０１ 制御装置
１０２ レーザ発振器
１０３ レーザ光
１０４ ガルバノ装置
１０５ ｆθレンズ
１０６ 加工テーブル
１０７ カメラ

Claims (16)

1. レーザ光を少なくとも二次元に位置決めする光走査部と、前記光走査部が位置決めしたレーザ光による加工点の位置を検出する位置検出部を備え、前記位置検出部から出力する複数回行った同じ加工パターンの加工穴の位置検出データを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶した複数個の位置検出データから不正データを除去して位置データを作成する不正データ除去部と、前記不正データ除去部から出力する位置データから前記光走査部の幾何学的または光学的なレーザ光の位置ずれに対する補正データを作成する補正データ作成部を設けたレーザ加工装置であって、
   初回の検出位置から２回目以降の加工点が位置検出部の検出エリアの中心位置になるように位置検出部を位置決めするレーザ加工装置。
2. レーザ光を少なくとも二次元に位置決めする光走査部と、前記光走査部が位置決めしたレーザ光による加工点の位置を検出する位置検出部を備え、前記位置検出部から出力する複数回行った同じ加工パターンの加工穴の位置検出データを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶した複数個の位置検出データから不正データを除去して位置データを作成する不正データ除去部と、前記不正データ除去部から出力する位置データから前記光走査部の幾何学的または光学的なレーザ光の位置ずれに対する補正データを作成する補正データ作成部を設けたレーザ加工装置であって、
   ２回目以降の位置検出では、初回の位置検出時より位置検出部の検出エリアを小さくするレーザ加工装置。
3. 不正データ除去部で、複数個の検出位置を平均処理し、位置データを作成する請求項１または２記載のレーザ加工装置。
4. 不正データ除去部で、複数個の検出位置の最大値及び最小値を除去した後、平均処理し、位置データを作成する請求項１または２記載のレーザ加工装置。
5. 不正データ除去部で、複数個の検出位置の中心位置を演算し、位置データを作成する請求項１または２記載のレーザ加工装置。
6. 不正データ除去部で、複数個の検出位置の最大値及び最小値を除去した後、中心位置を演算し、位置データを作成する請求項１または２記載のレーザ加工装置。
7. 不正データ除去部で、複数個の検出位置の最大値及び最小値を除去した後の位置データのバラツキ幅が規定値以上の場合、アラーム出力する請求項１または２記載のレーザ加工装置。
8. 不正データ除去部で、複数個の検出位置の最大値及び最小値を除去した後の位置データのバラツキ幅が規定値以上の場合、再度最大値及び最小値を除去する請求項１または２記載のレーザ加工装置。
9. 位置決め手段にてレーザ光を少なくとも二次元に位置決めしてレーザ加工を行う前に、前記位置決め手段の幾何学的または光学的なレーザ光の位置ずれに対する補正データを作成し、レーザ加工に用いる位置データを前記補正データで補正するレーザ加工方法であって、同じ加工パターンのレーザ加工を複数回行うステップと、各加工における加工穴の位置検出データを記憶するステップと、加工穴毎に記憶した複数個の位置検出データから不正データを除去して各加工穴の位置データを作成するステップと、不正データを除去した位置データから前記位置決め手段の光走査部の幾何学的または光学的なレーザ光の位置ずれに対する補正データを作成するステップを有し、
   初回の検出位置から２回目以降の加工点が位置検出部の検出エリアの中心位置になるように位置検出部を位置決めするレーザ加工方法。
10. 位置決め手段にてレーザ光を少なくとも二次元に位置決めしてレーザ加工を行う前に、前記位置決め手段の幾何学的または光学的なレーザ光の位置ずれに対する補正データを作成し、レーザ加工に用いる位置データを前記補正データで補正するレーザ加工方法であって、同じ加工パターンのレーザ加工を複数回行うステップと、各加工における加工穴の位置検出データを記憶するステップと、加工穴毎に記憶した複数個の位置検出データから不正データを除去して各加工穴の位置データを作成するステップと、不正データを除去した位置データから前記位置決め手段の光走査部の幾何学的または光学的なレーザ光の位置ずれに対する補正データを作成するステップを有し、
    ２回目以降の位置検出では、初回の位置検出時より位置検出部の検出エリアを小さくするレーザ加工方法。
11. 不正データを除去する際に、複数個の検出位置を平均処理し、位置データを作成する請求項９または１０記載のレーザ加工方法。
12. 不正データを除去する際に、複数個の検出位置の最大値及び最小値を除去した後、平均処理し、位置データを作成する請求項９または１０記載のレーザ加工方法。
13. 不正データを除去する際に、複数個の検出位置の中心位置を演算し、位置データを作成する請求項９または１０記載のレーザ加工方法。
14. 不正データを除去する際に、複数個の検出位置の最大値及び最小値を除去した後、中心位置を演算し、位置データを作成する請求項９または１０記載のレーザ加工方法。
15. 不正データを除去する際に、複数個の検出位置の最大値及び最小値を除去した後の位置データのバラツキ幅が規定値以上の場合、アラーム出力する請求項９または１０記載のレーザ加工方法。
16. 不正データを除去する際に、複数個の検出位置の最大値及び最小値を除去した後の位置データのバラツキ幅が規定値以上の場合、再度最大値及び最小値を除去する請求項９または１０記載のレーザ加工方法。