JP5367162B2 - レーザ切断方法及びレーザ切断装置 - Google Patents

Description

本発明は、プリント配線板などをレーザビームにより切断するレーザ切断方法及びレーザ切断装置に関するものである。

レーザビームは、指向性・集光性に優れているため、レンズによる微小スポットへの集光が容易であり、高エネルギー密度を得ることが可能である。また、ミラーなどによりレーザビームの集光位置をワーク上の任意の位置へ移動させることが可能であるため、微細で複雑な形状を加工することが可能である。そのため、レーザ加工機は切断加工の分野において多く利用されている。

プリント配線板は、導体層と絶縁層との積層構造からなる。一般的に、導体層は銅などの金属からなり、絶縁層は有機化合物である樹脂からなる。よって、プリント配線板をレーザビームにより切断する場合、レーザビームのパワーが大きいと、プリント配線板に含まれる成分から炭化物などの加工屑が生成され、ワークの切断面に付着することがある。加工屑は、プリント配線板の絶縁信頼性を著しく低下させる。また、剥離した加工屑がプリント配線板上にゴミとして堆積することがある。よって、加工屑は、プリント配線板の動作不良の原因となる。また、ワークが金属、シリコン、木材などからなる場合でも、プリント配線板と同様に、切断面に付着することがある。

ワークの切断面に対する加工屑の付着を抑制することを目的とする従来のレーザ切断方法として、ワーク上の同一軌道に沿ってレーザビームを複数回走査させるものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、ワークの切断面に対する加工屑の付着を抑制することを目的とする従来のレーザ切断方法として、いったん切断を完了した後に、切断面に対して弱いパワーのレーザビームを照射させるものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５―３０３３２２号公報 特開平５―３４３８３２号公報

しかしながら、特許文献１のレーザ切断方法の場合、ワークの同一切断面に繰り返しレーザビームを照射するため、同一切断面に対して加熱と冷却が繰返されることにより加工屑が発生し堆積するという問題がある。

また、特許文献２のレーザ切断方法の場合、いったん切断を完了したときにワークの切断面に付着している加工屑は、弱いパワーのレーザビームが照射される頃には冷却されているため、ワークの材料の変質などに起因して、レーザビームを吸収しにくくなる。したがって、いったん発生した加工屑を弱いパワーのレーザビームで除去することは困難という問題がある。

本発明におけるレーザ切断方法は、集光位置におけるビーム径がＤであってかつパワーがＰ_１であるレーザビームを、１回走査することにより前記ワークの切断が可能である場合、以下の式（１）及び式（２）を満たすように、前記ワークに対する所定パワーＰ_２のレーザビームの走査位置を各回の走査毎に所定移動量Ｓずつ前記ワークの被加工面の面方向に移動させつつ前記ワークに対する前記所定パワーＰ_２のレーザビームをｎ回走査することにより、前記ワークを切断することを特徴とする。
０ ＜ Ｓ ≦ Ｄ／ｎ ・・・式（１）
Ｐ_１ ＞ Ｐ_２ ≧ Ｐ_１／ｎ ・・・式（２）

また、本発明におけるレーザ切断装置は、レーザビームを出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器が出射するレーザビームをワークに集光する集光レンズと、レーザビームのパワーと前記ワークに対するレーザビームの走査位置とを制御する制御装置とを備え、集光位置におけるビーム径がＤであってかつパワーがＰ_１であるレーザビームを、１回走査することにより前記ワークの切断が可能である場合、以下の式（１）及び式（２）を満たすように、前記ワークに対する所定パワーＰ_２のレーザビームの走査位置を各回の走査毎に所定移動量Ｓずつ前記ワークの被加工面の面方向に移動させつつ前記ワークに対する前記所定パワーＰ_２のレーザビームをｎ回走査することにより、前記ワークを切断することを特徴とする。
０ ＜ Ｓ ≦ Ｄ／ｎ ・・・式（１）
Ｐ_１ ＞ Ｐ_２ ≧ Ｐ_１／ｎ ・・・式（２）

本発明によれば、ワークの切断により形成される切断面に加工屑が付着することを抑制することができる。

実施の形態１におけるレーザ切断装置の構成図である。 実施の形態１におけるＸＹテーブルの仕様を説明するための図である。 実施の形態１の具体例におけるワークの仕様と加工形状の例を説明するための図である。 レーザビームを４回走査することにより、図３に示すワークを実施の形態１のレーザ切断方法を用いて切断する様子を示す図である。 従来のレーザ切断方法を用いた場合の切断面と実施の形態１のレーザ切断方法を用いた場合の切断面の写真図である。 実施の形態２におけるレーザ切断装置の構成図である。 実施の形態３におけるレーザ切断装置の構成図である。

７ ワーク
２ レーザビーム
１ レーザ発振器
６ 集光レンズ
３０ 駆動ミラー
４０ テレセントリックｆθレンズ

実施の形態１．
図１〜図５を参照して、実施の形態１を説明する。

図１は、実施の形態１におけるレーザ切断装置の構成図である。実施の形態１におけるレーザ切断装置は、レーザビーム２を出射するレーザ発振器１と、レーザ発振器１から出射されたレーザビーム２をワーク７まで伝播する複数の伝播ミラー３、４、５と、伝播されたレーザビーム２をワーク７上に集光する集光レンズ６と、ワーク７を載せてＸ軸及びＹ軸方向に移動可能なＸＹテーブル８と、データ１０に基づきレーザ発振器１及びＸＹテーブル８を制御する制御装置９を備えている。データ１０は、加工プログラムや、後述するビーム径Ｄや走査の総回数ｎなどの情報であり、レーザ切断装置に入力された後、図示しないメモリに記憶される。なお、レーザビーム２は、休止時間の無いＣＷ発振によるものであってもよいし、休止時間が所定時間毎にあるパルス発振によるものであってもよい。

図２は、実施の形態１におけるＸＹテーブルの仕様を説明するための図である。ＸＹテーブル８は、ワーク７を切断することにより形成される加工形状７aより大きな開口部８aを有する。これにより、ワーク７の切断時に、レーザビーム２がワーク７を通過してＸＹテーブル８に照射することによりＸＹテーブル８を損傷することを防ぐことができる。また、ワーク７を通過したレーザビーム２が、ＸＹテーブル８にて反射されて、ワーク７の裏面を照射することを防ぐことができる。

つぎに、実施の形態１におけるレーザ切断方法を説明する。なお、以降の説明では、レーザビーム２の集光位置におけるビーム径がＤ（ｍｍ）であり、かつレーザビーム２のパワーがＰ_１（Ｗ）である場合に、レーザビーム２を１回走査することによりワーク７の切断が可能であるものとする。

本実施の形態では、レーザビーム２を複数回走査することによりワーク７を切断する。また、各回の走査毎に、レーザビーム２の走査位置を移動させる。このとき、以下の式（１）に示すように、各回の走査毎の走査位置の移動量Ｓ（ｍｍ）を、０より大きくＤ／ｎ以下の値に設定する。なお、ｎは走査の総回数である（ｎ≧２）。

０ ＜ （各回の走査毎の走査位置の移動量Ｓ） ≦ Ｄ／ｎ ・・・式（１）

ここで、移動量Ｓは、前回の走査経路上の任意の点をＡ点とし、Ａ点における前回の走査経路の接線と直交する直線と今回の走査経路との交点をＢ点としたとき、Ａ点とＢ点との距離に等しい。

さらに、以下の式（２）に示すように、各回の走査毎のレーザビーム２のパワーＰ_２（Ｗ）を、Ｐ_１／ｎ以上でＰ_１未満の値に設定する。

Ｐ_１ ＞ （各回の走査毎のレーザビーム２のパワーＰ_２） ≧ Ｐ_１／ｎ
・・・式（２）

なお、式（１）及び式（２）に基づきＳ及びＰ_２を決定するのは、レーザ切断装置の操作者または制御装置９が行う。

ここで、実施の形態１の具体例を図３と図４を参照して説明する。図３は、実施の形態１の具体例におけるワークの仕様と加工形状の例を説明するための図である。図３（a）はワーク７を上から観た図であり、図３（b）はワーク７の断面図である。ワーク７は、６０ｍｍ×６０ｍｍの正方形状からなり、１ｍｍの厚さを有する。また、ワーク７を切断することにより形成される加工形状７aは、３０ｍｍ×３０ｍｍの正方形状からなる。ワーク７は、ガラスクロス１３をエポキシ系樹脂１４に含浸させた絶縁層と導体層との積層構成からなるプリント配線板である。

以下の表１は、従来のレーザ切断方法を用いて１回走査した場合の実験結果を示す表である。表１の実験では、Ｄ＝０．２ｍｍに設定するとともに、Ｐ_２＝８０、１００、１２０（Ｗ）の３通りに設定し、図３に示すワーク７にレーザビーム２を１回だけ走査した。なお、この実験にて用いたレーザ切断方法は、従来のレーザ切断方法に相当する。表１は、各実験の結果として、ワーク７を切断出来たか否か、及び切断面に加工屑が目視できる程度に付着していたか否かを、示している。ここで、ワーク７を切断出来たとは、レーザビーム２がワーク７を貫通出来たことをいい、レーザビーム２がワーク７の表面と裏面との間の中間点までしが至らなかった場合を含まない。

表１に示すように、Ｐ_２＝８０（Ｗ）に設定した場合は、切断面に加工屑の付着はなかったが、ワーク７を切断することができなかった。一方、Ｐ_２＝１００、１２０（Ｗ）に設定した場合は、ワーク７を切断することができたが、切断面に加工屑の付着があった。よって、従来のレーザ切断方法を用いた場合、レーザビームのパワーＰ_２の値に関らず、ワーク７の切断が可能で、かつ切断面に加工屑の付着がないという、良好な結果を得ることができなかった。以降、この実験に基づき、Ｐ_１＝１００（Ｗ）と設定する。

以下の表２は、実施の形態１のレーザ切断方法を用いて２回走査した場合の実験結果を示す表である。表２の実験では、実施の形態１のレーザ切断方法を用いて、図３に示すワーク７にレーザビーム２を２回走査した。また、Ｄ＝０．２（ｍｍ）に設定するとともに、Ｐ_２＝４０、５０、６０（Ｗ）の３通りに設定し、さらにそれぞれのＰ_２の値においてＳ＝０．０８、０．１０、０．１２（ｍｍ）の３通りに設定した。表２は、表１と同様、各実験の結果として、ワーク７を切断出来たか否か、及び切断面に加工屑の付着が目視できる程度にあったか否かを、示している。

表２の実験では、ｎ＝２（回）、Ｐ_１＝１００（Ｗ）であるから、Ｄ／ｎ＝０．１（ｍｍ）、Ｐ_１／ｎ＝５０（Ｗ）である。よって、式（１）を満たすＳ＝０．０８、０．１０（ｍｍ）で、かつ式（２）を満たすＰ_２＝５０、６０（Ｗ）の場合、良好な結果を得ることができる。

以下の表３は、実施の形態１のレーザ切断方法を用いて４回走査した場合の実験結果を示す表である。表３の実験では、実施の形態１のレーザ切断方法を用いて、図３に示すワーク７にレーザビーム２を４回走査した。また、Ｄ＝０．２（ｍｍ）に設定するとともに、Ｐ_２＝２０、２５、３０（Ｗ）の３通りに設定し、さらにそれぞれのＰ_２の値においてＳ＝０．０４、０．０５、０．０６（ｍｍ）の３通りに設定した。表３は、表１と同様、各実験の結果として、ワーク７を切断出来たか否か、及び切断面に加工屑の付着が目視できる程度にあったか否かを、示している。

表３の実験では、ｎ＝４（回）、Ｐ_１＝１００（Ｗ）であるから、Ｄ／ｎ＝０．０５（ｍｍ）、Ｐ_１／ｎ＝２５（Ｗ）である。よって、式（１）を満たすＳ＝０．０４、０．０５（ｍｍ）で、かつ式（２）を満たすＰ_２＝２５、＝３０（Ｗ）の場合、良好な結果を得ることができる。

図４は、レーザビームを４回走査することにより、図３に示すワークを実施の形態１のレーザ切断方法を用いて切断する様子を示す図である。このとき、ｎ＝４（回）、Ｄ＝０．２（ｍｍ）、Ｐ_１＝１００（Ｗ）である。よって、式（１）と式（２）に基づき、Ｓ≦０．０５、Ｐ_２≧２５を満たす必要がある。そこで、図４の例では、Ｓ＝０．０５（ｍｍ）、Ｐ_２＝２５（Ｗ）と設定した。

図４（a）は１回目の走査の場合、図４（b）は２回目の走査の場合、図４（c）は３回目の走査の場合、図４（d）は４回目の走査の場合を、それぞれ示す。また、図４（a）〜（d）の各図において、上図はワーク７を上から観た図であり、加工形状７aを二点鎖線で示し、レーザビーム２の走査位置２０を太線矢印で示している。一方、図４（a）〜（d）の各図において、下図はワーク７の断面図であり、平面方向の走査位置２１と走査により形成される切断面２２とを示している。

図４（a）の場合、走査位置２０は、Ｓの１．５倍である０．０７５ｍｍだけ、加工形状７aより外側にある。図４（b）の場合、走査位置２０は、Ｓの０．５倍である０．０２５ｍｍだけ、加工形状７aより外側にある。図４（c）の場合、走査位置２０は、Ｓの０．５倍である０．０２５ｍｍだけ、加工形状７aより内側にある。図４（d）の場合、走査位置２０は、Ｓの１．５倍である０．０７５ｍｍだけ、加工形状７aより内側にある。このように、図４の例では、レーザビーム２の走行位置２０を、各回の走査毎に加工形状７aの周辺にて０．０５ｍｍずつ内側方向へ移動させることにより、ワーク７を切断し、加工形状７aを形成している。

図５は、従来のレーザ切断方法を用いた場合の切断面と実施の形態１のレーザ切断方法を用いた場合の切断面の写真図である。図５（a）は、従来のレーザ切断方法を用いてｎ＝１（回）、Ｄ＝０．２（ｍｍ）、Ｐ_２＝１００（Ｗ）とした場合のワーク７の切断面２２の写真図である。図５（a）では、切断面２２に対して照射されるレーザビーム２のパワーが１００Ｗと大きいため、炭化物等からなる加工屑が切断面２２に大量に付着している。

一方、図５（b）は、実施の形態１のレーザ切断方法を用いてｎ＝４（回）、Ｄ＝０．２（ｍｍ）、Ｓ＝０．０５（ｍｍ）、Ｐ_２＝２５（Ｗ）とした場合の、ワーク７の切断面２２の写真図である。図５（b）では、各回の走査毎において形成される切断面２２に対して照射されるレーザビーム２のパワーが２５Ｗと小さいため、各回の走査毎に切断面２２にはほとんど加工屑が付着しない。さらに各回の走査毎にレーザビーム２の走査位置が０．２ｍｍずつ移動するため、同一の切断面２２に複数回２５Ｗのレーザビーム２が照射されることにより加工屑の付着が発生するのを抑制することができる。これにより、最終的に形成される切断面２２には、最終回である４回目にて走査される２５Ｗのレーザビームパワーのみが照射されることになる。したがって、最終的に形成される切断面２２に加工屑がほとんど付着していない。

なお、式（１）において、ＳはＤ／６ｎ以上であることが望ましい。すなわち、以下の式（３）と式（２）を満たす場合、加工屑の付着を効率的に抑制することができる。

Ｄ／６ｎ ≦ （各回の走査毎の走査位置の移動量Ｓ） ≦ Ｄ／ｎ ・・・式（３）

また、以上の具体例の説明では、レーザビームの走査位置を、各回の走査毎に加工形状７aの周辺にて０．０５ｍｍずつ内側方向へ平行に移動させることにより、ワーク７を切断し、加工形状７aを形成しているが、これに限られない。すなわち、例えばレーザビームの走査位置を、各回の走査毎に加工形状７aの周辺にて０．０５ｍｍずつ外側方向へ平行に移動させることにより、ワーク７を切断し、加工形状７aを形成してもよい。

なお、以上の説明では、ワーク７はプリント配線板からなるものとしたが、レーザビームの照射により加工屑が発生するものである限り、いかなる材料からなるものでもよい。すなわち、ワーク７は、金属、シリコン、木材などからなるものでもよい。

実施の形態１によれば、ワークの切断を行う間に加工屑が発生することを抑制することができる。これにより、ワークの切断により形成される切断面に加工屑が付着することを抑制することができる。

なお、実施の形態１では、各回の走査毎の走査位置の移動量Ｓと各回の走査毎のレーザビーム２のパワーＰ_２が、各回の走査において一定である場合について説明したが、この限りでない。すなわち、式（１）と式（２）を満たす限り、各回の走査毎のＳ及びＰ_２が異なっていてもよい。この場合でも、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。

実施の形態２．
図６を参照して、実施の形態２を説明する。なお、実施の形態１と異なる部分を中心に説明し、実施の形態１と同様の部分の説明を省略する。

実施の形態１における図１に示すレーザ切断装置では、ＸＹテーブル８のＸ軸方向及びＹ軸方向の移動により、ワーク７に対するレーザビーム２の集光位置を移動させている。ＸＹテーブル８は重量が重いことから、集光位置の移動が遅くなるため、ワーク７の切断を完了するのに時間が長くかかってしまう。実施の形態２は、実施の形態１にて説明したレーザ切断方法を用いつつ、ワークの切断にかかる時間を短縮するためのものである。

図６は、実施の形態２におけるレーザ切断装置の構成図である。実施の形態２におけるレーザ切断装置は、レーザビーム２を出射するレーザ発振器１と、レーザ発振器１から出射されたレーザビーム２を後述する駆動ミラー３０まで伝播する複数の伝播ミラー３、４と、伝播されたレーザビーム２を任意の角度で偏向してワーク７まで伝播する回転可能な駆動ミラー３０と、伝播されたレーザビーム２をワーク７上に集光する集光レンズ６と、レーザ発振器１及び駆動ミラー３０を制御する制御装置３１と、ワーク７を載せた固定テーブル３２と、を備えている。

実施の形態２におけるレーザ切断装置は、駆動ミラー３０が回転することによりワーク７に対するレーザビーム２の集光位置を移動させる。このレーザ切断装置を用いて、ｎ＝４（回）、Ｄ＝０．２（ｍｍ）、Ｓ＝０．０５（ｍｍ）、Ｐ_２＝２５（Ｗ）として実施の形態１のレーザ切断方法を用いてレーザ切断を行った結果、ワーク７を切断することができたとともに、切断面に炭化物の付着がほとんど無かった。さらに、駆動ミラー３０はＸＹテーブル８と比べて重量が軽いことから、集光位置の移動を速くすることができる。これにより、実施の形態１におけるレーザ切断装置を用いる場合と比べ、切断にかかる時間を１／４倍に短縮することができた。

実施の形態２によれば、実施の形態１の効果に加え、レーザ切断にかかる時間を短縮することができる。

なお、実施の形態２では、駆動ミラー３０が回転することによりワーク７に対するレーザビーム２の集光位置を移動させるが、これに限られない。たとえば、駆動ミラー３０がＸ軸方向及びＹ軸方向に移動することによりワーク７に対するレーザビーム２の集光位置を移動させるようにしてもよい。この場合も、実施の形態２と同様な効果を得ることができる。

また、図６に示すレーザ切断装置に、図１に示すＸＹテーブル８を加えて、制御装置３１にレーザ発振器１、駆動ミラー３０、及びＸＹテーブル８を制御させるようにしてもよい。この場合も、実施の形態２と同様な効果を得ることができる。

実施の形態３．
図７を参照して、実施の形態３を説明する。なお、実施の形態２と異なる部分を中心に説明し、実施の形態２と同様の部分の説明を省略する。

実施の形態２における図６に示すレーザ切断装置では、回転可能な駆動ミラー３０にて偏向されたレーザビーム２を、集光レンズ５によりワーク７の表面に集光させている。このため、ワーク７の表面に対して垂直にレーザビーム２が照射されないことにより、切断面がワーク７の表面に対して垂直ではなくなり、切断精度を向上することができない。実施の形態３は、実施の形態１にて説明したレーザ切断方法を用いつつ、ワークの切断の精度を向上するためのものである。

図７は、実施の形態３におけるレーザ切断装置の構成図である。実施の形態３におけるレーザ切断装置は、レーザビーム２を出射するレーザ発振器１と、レーザ発振器１から出射されたレーザビーム２を後述する駆動ミラー３０まで伝播する複数の伝播ミラー３、４と、伝播されたレーザビーム２を任意の角度で偏向してワーク７まで伝播する回転可能な駆動ミラー３０と、伝播されたレーザビーム２をワーク７上に集光するテレセントリックｆθレンズ４０と、レーザ発振器１及び駆動ミラー３０を制御する制御装置３１と、ワーク７を載せた固定テーブル３２と、を備えている。

テレセントリックｆθレンズ４０は、像高をＹ、焦点距離をｆ、入射角度をθとすると、Ｙ＝ｆ×θを満たす特性を有する。さらに、テレセントリックｆθレンズ４０は、駆動ミラー３０により偏向されたレーザビーム２をワーク７に対して垂直に照射させる、テレセントリックなレンズである。

実施の形態３におけるレーザ切断装置は、駆動ミラー３０により偏向されたレーザビーム２を、テレセントリックｆθレンズ４０によりワーク７の表面に対して垂直に集光させる。このレーザ切断装置を用いて、ｎ＝４（回）、Ｄ＝０．２（ｍｍ）、Ｓ＝０．０５（ｍｍ）、Ｐ_２＝２５（Ｗ）として実施の形態１のレーザ切断方法を用いてレーザ切断を行った結果、実施の形態２の効果に加え、ワーク７の表面に対して垂直な切断面を得ることができた。

実施の形態３によれば、実施の形態２の効果に加え、ワーク７の表面に対して垂直な切断面を得ることができるため、レーザ切断の精度を向上することができる。

Claims (6)

1. 集光位置におけるビーム径がＤであってかつパワーがＰ_１であるレーザビームを、１回走査することにより前記ワークの切断が可能である場合、以下の式（１）及び式（２）を満たすように、前記ワークに対する所定パワーＰ_２のレーザビームの走査位置を各回の走査毎に所定移動量Ｓずつ前記ワークの面方向に移動させつつ前記ワークに対する前記所定パワーＰ_２のレーザビームをｎ回走査することにより、前記ワークを切断することを特徴とするレーザ切断方法。
   ０ ＜ Ｓ ≦ Ｄ／ｎ ・・・式（１）
   Ｐ_１ ＞ Ｐ_２ ≧ Ｐ_１／ｎ ・・・式（２）
2. 前記所定移動量Ｓ又は前記所定パワーＰ_２は、各回の走査毎の値が略同一であることを特徴とする請求項１記載のレーザ切断方法。
3. 前記レーザビームは、休止時間の無いＣＷ発振又は休止時間のあるパルス発振によるものであることを特徴とする請求項１記載のレーザ切断方法。
4. レーザビームを出射するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器が出射するレーザビームをワークに集光する集光レンズと、
   レーザビームのパワーと前記ワークに対するレーザビームの走査位置とを制御する制御装置とを備え、
   集光位置におけるビーム径がＤであってかつパワーがＰ_１であるレーザビームを、１回走査することにより前記ワークの切断が可能である場合、以下の式（１）及び式（２）を満たすように、前記ワークに対する所定パワーＰ_２のレーザビームの走査位置を各回の走査毎に所定移動量Ｓずつ前記ワークの面方向に移動させつつ前記ワークに対する前記所定パワーＰ_２のレーザビームをｎ回走査することにより、前記ワークを切断することを特徴とするレーザ切断装置。
   ０ ＜ Ｓ ≦ Ｄ／ｎ ・・・式（１）
   Ｐ_１ ＞ Ｐ_２ ≧ Ｐ_１／ｎ ・・・式（２）
5. 前記レーザ発振器と前記集光レンズとの間の光路上に設けられ、移動又は回転が可能な駆動ミラーを備えたことを特徴とする請求項４記載のレーザ切断装置。
6. 前記集光レンズは、テレセントリックｆθレンズであることを特徴とする請求項４記載のレーザ切断装置。

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