JP5943627B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガルバノスキャナでレーザビームの照射位置を位置決めしてレーザ加工を行う装置、及びレーザ加工方法に関する。

レーザドリル等のレーザ加工装置に、レーザビームを２方向（ｘ方向及びｙ方向）に走査する一対のガルバノスキャナが用いられる。ガルバノスキャナは、レーザビームを反射するミラー、ミラーを回転させるモータ、及びモータの回転軸の回転角を計測するエンコーダで構成される。ガルバノスキャナは、その構造に依存する固有振動数を有する。

レーザビームの照射位置を移動させるために、ミラー角度を制御する。照射位置は、２つのミラーのミラー角度の組み合わせで表される。照射位置の動作指令は、ミラーの目標絶対角度、または現在のミラー角度から目標絶対角度までの相対角度で与えられる。ガルバノスキャナは、動作指令を受けると、ミラー角度が目標角度になるようにモータを回転させる。レーザドリル等のレーザ加工装置においては、できるだけ短時間で、できるだけ多くの穴を開けることが望まれる。ミラーの照射位置の移動時間を短くするために、モータの角加速度を大きくし、かつ安定した制御が望まれる。モータの角加速度は、モータトルクに比例する。

ただし、目標角度までの移ガルバノスキャナの動作周波数が固有振動数に近づく。ガルバノスキャナの動作周波数が固有振動数に近づくと、ガルバノスキャナの動作が振動的になり、制御的にも不安定になり易い。動作が振動的にならず、かつ制御的に不安定にならないようにするために、ガルバノスキャナの動作周波数が固有振動数に近づく条件を避けるように動作させることが望まれる。

穴あけ加工を行う加工対象物の表面に、穴を形成すべき多数の加工点が分布する。穴あけ加工を行う際には、これらの加工点に順番にレーザビームを照射する。レーザビームの照射点を、次に加工すべき加工点に移動させる時には、コントローラが、一対のガルバノスキャナに、動作指令を送出する。この動作指令は、ガルバノスキャナが振動的にならず、制御的にも不安定にならない条件（この条件を「安定動作条件」という）を満たし、かつ、目標位置までの移動時間がなるべく短くなるように生成される。

特開２００９−５６４７４号公報

加工済の加工点から次に加工すべき加工点までのｘ方向の移動距離とｙ方向の移動距離とが大きす異なる場合がある。このような場合でも、一対のガルバノスキャナは、それぞれのモータが、安定動作条件を満たし、かつ目標位置までの移動時間がなるべく短くなるように制御される。一方の方向への移動距離が他方の方向への移動距離より極端に短い場合、移動距離が短い方向に対応するガルバノスキャナは、他方のガルバノスキャナに比べて、照射点が目標位置まで到達する時間が極端に短くなる。

移動距離が短い方向への移動時間が短いことは、その方向に対応するガルバノスキャナのミラーの動作周波数が高いことを意味する。このため、ミラーの動作周波数が固有振動
数に近づき、安定動作条件の限界領域に近づく。

本発明の目的は、加工速度の低下を招くことなく、ガルバノスキャナの動作が制御的に不安定になることを回避することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物の表面において、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの照射点を相互に異なる方向に移動させる一対のガルバノスキャナと、
前記ガルバノスキャナを制御するスキャナコントローラと
を有し、
前記スキャナコントローラは、
前記一対のガルバノスキャナの各々について、標準トルクを記憶または演算しており、
レーザビームの照射点を現在位置から目標位置まで移動させるとき、前記現在位置から前記目標位置までの、前記一対のガルバノスキャナの各々に対応する方向への移動距離を求め、
前記一対のガルバノスキャナの各々に対応する方向への移動距離のうち、短い方の移動距離と制限値とを比較し、短い方の移動距離が前記制限値を下回るとき、移動距離が相対的に長い方向に対応するガルバノスキャナに、当該ガルバノスキャナの前記標準トルクを発生させ、移動距離が相対的に短い方向に対応するガルバノスキャナには、当該ガルバノスキャナの前記標準トルクよりも小さなトルクを発生させるレーザ加工装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
レーサビームを、加工対象物上において相互に異なる方向に移動させる一対のガルバノスキャナを経由して、前記加工対象物上に照射してレーザ加工を行う方法であって、
前記レーザビームの照射点の現在位置から目標位置まで移動させるときの、前記一対のガルバノスキャナの各々に対応する方向への移動距離を求める工程と、
前記一対のガルバノスキャナの各々に対応する方向への移動距離のうち、短い方の移動距離と制限値とを比較する工程と、
前記比較する工程で、短い方の移動距離が前記制限値を下回ると判定されたとき、移動距離が相対的に短い方向への移動の加速度を、移動距離が相対的に長い方向への移動の加速度より小さくして、レーザビームの照射点を移動させる工程と、
前記レーザビームの照射点が前記目標位置に達した後、前記レーザビームを出射する工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。

移動距離が相対的に短い方向に対応するガルバノスキャナに、当該ガルバノスキャナの標準トルクよりも小さなトルクを発生させることにより、ガルバノスキャナの動作の安定性を高めることができる。レーザビームの照射点の移動時間は、相対的に長い方向に対応するガルバノスキャナのミラーの移動時間によって律速される。このため、移動距離が相対的に短い方向に対応するガルバノスキャナに発生させるトルクを小さくしても、全体として、レーザビームの照射点の目標位置までの移動時間は長くならない。

図１は、実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図２は、加工対象物の表面に画定されている加工点の一例を示す平面図である。 図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃは、それぞれ実施例によるレーザ加工装置を用いたときの、レーザビームの照射点の加速度、速度、及び位置の時間変動の一例を示すグラフである。 図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、それぞれは、実施例によるレーザ加工装置を用いたときの、レーザビームの照射点の加速度、速度、及び位置の時間変動の一例を示すグラフである。 図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃは、それぞれは、比較例によるレーザ加工装置を用いたときの、レーザビームの照射点の加速度、速度、及び位置の時間変動の一例を示すグラフである。 図６は、実施例によるレーザ加工方法のフローチャートである。

図１に、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１０がパルスレーザビームを出射する。レーザ光源１０として、例えば炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ等を用いることができる。レーザ光源１０は、パーソナルコンピュータ等の上位装置３０からトリガ信号を受信すると、レーザパルスを出射する。

レーザ光源１０から出射されたレーザビームのビーム断面が、ビーム整形光学系１１により整形される。整形されたレーザビームが、ベンディングミラー１３で反射された後、ｘ用ガルバノスキャナ１５、ｙ用ガルバノスキャナ１６、及びｆθレンズ１８を経由して加工対象物４０に入射する。加工対象物４０は、例えばプリント基板であり、ｘｙステージ１９に保持されている。加工対象物４０の表面をｘｙ面とし、法線方向をｚ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。

ｘ用ガルバノスキャナ１５は、加工対象物４０の表面において、レーザビームの照射位置をｘ方向に移動させる。ｙ用ガルバノスキャナ１６は、加工対象物４０の表面において、レーザビームの照射位置をｙ方向に移動させる。なお、ｘ用ガルバノスキャナ１６による移動方向と、ｙ用ガルバノスキャナ１６による移動方向とは、必ずしも直交させる必要はない。両者が交差する方向であれば、加工対象物４０の表面内の任意の位置にレーザビームを照射することができる。

ｆθレンズ１８は、ビーム整形光学系１１で整形されたビーム断面を、加工対象物４０の表面に結像させると共に、ｘ用ガルバノスキャナ１５及びｙ用ガルバノスキャナ１６で２方向に振られたレーザビームを、加工対象物４０の表面に垂直入射させる。

ｘ用ガルバノスキャナ１５は、ミラー１５Ａ、モータ１５Ｂ、及びエンコーダ１５Ｃを含む。ｙ用ガルバノスキャナ１６も、同様にミラー１６Ａ、モータ１６Ｂ、及びエンコーダ１６Ｃを含む。モータ１５Ｂ、１６Ｂは、それぞれミラー１５Ａ、１６Ａを回転させる。エンコーダ１５Ｃ、１６Ｃは、それぞれモータ１５Ｂ、１６Ｂの回転軸の、基準位置からの回転角を計測する。エンコーダ１５Ｃ、１６Ｃで計測された回転角は、スキャナコントローラ２０に入力される。

スキャナコントローラ２０が、ｘ用ガルバノスキャナ１５及びｙ用ガルバノスキャナ１６を制御する。具体的には、スキャナコントローラ２０は、モータ１５Ａ、１６Ａにトルクを発生させるための指令信号を、ｘ用ガルバノスキャナ１５及びｙ用ガルバノスキャナ１６に送信する。

上位装置３０は、加工対象物４０に穴を形成すべき複数の加工点の座標、及び加工順を記憶している。上位装置３０からスキャナコントローラ２０に、加工点の座標が順次送信
されることにより、レーザ加工が行われる。実際には、スキャナコントローラ２０にガルバノスキャナのミラーの目標角度が与えられるが、ミラーの角度とレーザビームの照射位置とは１対１に対応する。このため、ミラーの角加速度、角速度、及び角度は、レーザビームの照射点の加速度、速度、及び位置に対応する。以下の説明において、レーザビームの照射点の加速度、速度、及び位置は、ミラーの角加速度、角速度、及び角度と読み替えることができる。

スキャナコントローラ２０は、レーザビームの照射点の現在位置と移動先の目標位置とを記憶している。目標位置は、上位装置３０からの指令信号に含まれている。さらに、スキャナコントローラ２０は、ｘ方向標準トルク及びｙ方向標準トルクを記憶または演算している。ここで、「標準トルクを演算」とは、一例として、種々のトルクで評価実験を行って好ましいトルクを求め、得られた好ましいトルクを、標準トルクとして一時キャッシュメモリ等に記憶する処理を意味する。

ｘ方向標準トルク及びｙ用標準トルクは、それぞれｘ用ガルバノスキャナ１５のモータ１５Ｂ及びｙ用ガルバノスキャナ１６のモータ１６Ｂで発生させるトルクの標準値である。この標準値には、ｘ用ガルバノスキャナ１５及びｙ用ガルバノスキャナ１６の動作が、固有振動数の影響によって不安定にならない条件の下で、移動時間をなるべく短くするように大きな値が設定される。

図２に、加工点の配置の一例を示す。加工対象物４０の表面に複数の加工点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が画定されている。加工点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の順番にレーザビームが照射される。加工点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の座標を、それぞれ（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、（ｘ３，ｙ３）とする。レーザビームの照射位置を加工点Ｐ１からＰ２に移動させるときのｘ方向及びｙ方向の移動距離Ｌｘ１、Ｌｙ１は、それぞれｘ２−ｘ１、ｙ２−ｙ１である。レーザビームの照射位置を加工点Ｐ２からＰ３に移動させるときのｘ方向及びｙ方向の移動距離Ｌｘ２、Ｌｙ２は、それぞれｘ３−ｘ２、ｙ３−ｙ２である。

移動距離Ｌｙ２は移動距離Ｌｘ２に比べて著しく短い。これに対し、移動距離Ｌｘ１とＬｙ１との差は、移動距離Ｌｘ２とＬｙ２との差に比べて小さい。

図３Ａ〜図３Ｃに、レーザビームの照射点を加工点Ｐ１からＰ２まで移動させるときの加速度、速度、及び位置の時間変動を示す。図３Ａ〜図３Ｃでは、ｙ方向の移動距離Ｌｙ１がｘ方向の移動距離Ｌｘ１より短い例を示している。

図３Ａの横軸は経過時間を表し、縦軸は加速度を表す。ｘ方向の加速度ａｘ及びｙ方向の加速度ａｙは、それぞれｘ用ガルバノスキャナ１５（図１）及びｙ用ガルバノスキャナ１６（図１）のモータ１５Ｂ、１６Ｂが発生するトルクに比例する。ｘ用ガルバノスキャナ１５のモータ１５Ｂがｘ方向標準トルクを発生しているときに、レーザビームの照射点の加速度のｘ方向成分をｘ方向標準加速度という。同様に、ｙ用ガルバノスキャナ１６のモータ１６Ｂがｙ方向標準トルクを発生しているときに、レーザビームの照射点の加速度のｙ方向成分をｙ方向標準加速度という。図３Ａでは、ｘ方向標準加速度とｙ方向標準加速度とが共にａｒである場合を示している。なお、必ずしも、ｘ方向標準加速度とｙ方向標準加速度とを等しくする必要はない。

移動時間の前半においては、レーザビームの照射点の加速度のｘ成分ａｘ及びｙ成分ａｙは、共に、標準加速度ａｒに等しく、後半においては、加速度のｘ成分ａｘ及びｙ成分ａｙは負であり、その絶対値は、標準加速度ａｒと等しい。なお、移動距離Ｌｘ１とＬｙ１とが等しくない場合には、ｘ方向の加速時間とｙ方向の加速時間とは、同一ではない。

図３Ｂの横軸は経過時間を表し、縦軸は速度を表す。レーザビームの照射点の加速期間中における速度のｘ成分ｖｘ及びｙ成分ｖｙの傾きは同一であり、減速期間中における速度の、ｘ成分ｖｘ及びｙ成分ｖｙの傾きも同一である。

図３Ｃの横軸は経過時間を表し、左縦軸はｘ座標を表し、右縦軸はｙ座標を表す。ｙ方向の移動距離Ｌｙ１がｘ方向の移動距離Ｌｘ１より短いため、まず、レーザビームの照射点のｙ座標が、目標位置のｙ座標ｙ２に到達し、その後、レーザビームの照射点のｘ座標が、目標位置のｘ座標ｘ２に到達する。

図４Ａ〜図４Ｃに、レーザビームの照射点を加工点Ｐ２からＰ３まで移動させるときの加速度、速度、及び位置の時間変動を示す。図４Ａ〜図４Ｃでは、ｙ方向の移動距離Ｌｙ２がｘ方向の移動距離Ｌｘ２より著しく短い例を示している。

図４の横軸は経過時間を表し、縦軸は加速度を表す。ｘ用ガルバノスキャナ１５（図１）のモータ１５Ｂには、ｘ方向標準トルクを発生させる。これに対し、ｙ用ガルバノスキャナ１６（図１）のモータ１６Ｂには、ｙ方向標準トルクよりも小さなトルクを発生させる。このため、レーザビームの照射点の加速度のｘ成分は、ｘ方向標準加速度ａｒと等しくなる。レーザビームの照射点の加速度のｙ成分ａｅは、ｙ方向標準加速度ａｒよりも小さくなる。

図４Ｂの横軸は経過時間を表し、縦軸は、レーザビームの照射点の速度を表す。ｙ方向の加速度ａｙがｘ方向の加速度ａｘより小さいため、加速期間中における速度のｙ成分ｖｙの傾きは、ｘ成分ｖｘの傾きよりも小さい。

図４Ｃの横軸は経過時間を表し、左縦軸はｘ座標を表し、右縦軸はｙ座標を表す。レーザビームの照射点のｙ座標の変化が、ｘ座標の変化よりも緩やかである。

図５Ａ〜図５Ｃに、比較例による方法で、加工点Ｐ２から加工点Ｐ３までレーザビームの照射位置を移動させるときの加速度、速度、及び位置の時間変動を示す。

図５Ａに示すように、比較例においては、移動距離Ｌｘ２とＬｙ２との大小関係に依存せず、レーザビームの照射点を、標準加速度ａｒで加速及び減速する。図５Ｂに示すように、レーザビームの照射点の速度のｘ成分の傾きと、ｙ成分の傾きとは等しい。図５Ｃに示すように、レーザビームの照射点のｙ座標は、極短時間に目標位置である加工点Ｐ３のｙ座標ｙ３まで到達する。

比較例では、ｙ用ガルバノスキャナ１６（図１）による加速と減速の周期が短くなる。すなわち、ｙ用ガルバノスキャナ１６の動作周波数が高くなる。ｙ方向標準トルクは、ｙ用ガルバノスキャナ１６が安定動作する条件を満たすように設定されているため、ｙ用ガルバノスキャナ１６の動作周波数が高くなったからといって、直ちに動作が不安定になるということはない。ただし、動作周波数が高くなると、外乱等によって動作が不安定になり易い。

実施例においては、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、レーザビームの照射点の加速及び減速の時間が、図５Ａ〜図５Ｃに示した比較例の加速及び減速の時間より長い。すなわち、実施例による方法では、ｙ用ガルバノスキャナ１６の動作周波数が、比較例による方法に比べて低くなる。このため、ｙ用ガルバノスキャナ１６の動作の安定度を高めることができる。

ｙ用ガルバノスキャナ１６のモータ１６Ｂで発生させるトルクは、加工点Ｐ２から加工
点Ｐ３までのｙ方向の移動時間が、ｘ方向の移動時間を超えないように設定される。従って、ｙ用ガルバノスキャナ１６の動作周波数を低くしても、加工点Ｐ２から加工点Ｐ３までの移動時間が伸びることはない。

上述のように、実施例による方法を採用すると、レーザビームの照射点の移動時間を長くすることなく、ガルバノスキャナの動作の安定度を高めることができる。

図６に、実施例６によるレーザ加工方法のフローチャートを示す。フローチャートの各ステップは、スキャナコントローラ２０（図１）が実行する。

スキャナコントローラ２０は、上位装置３０から、次に加工すべき加工点の座標（目標位置）を受信する。ステップＳ１において、レーザビームの照射点の現在位置と目標位置とから、ｘ方向の移動距離とｙ方向の移動距離とを算出する。

ステップＳ２において、ｘ方向の移動距離とｙ方向の移動距離との差が判定基準値を超える否かを判定する。一例として、図２に示したｘ方向の移動距離Ｌｘ１とｙ方向の移動距離Ｌｙ１との差は、判定基準値よりも小さい。ｘ方向の移動距離Ｌｘ２とｙ方向の移動距離Ｌｙ２との差は、判定基準値を超えている。

なお、判定の対象として、移動距離の差に代えて、移動距離の比を採用してもよい。例えば、短い方の移動距離に対する長い方の移動距離の比が、判定基準値を超えているか否かを判定してもよい。

ｘ方向の移動距離とｙ方向の移動距離との差または比が判定基準値を超えている場合には、ステップＳ３が実行され、両者の差または比が判定基準値以下である場合には、ステップＳ４が実行される。

ステップＳ３においては、移動距離が相対的に長い方向に対応するガルバノスキャナ（図４Ａ〜図４Ｃの場合には、ｘ用ガルバノスキャナ１５）に、当該ガルバノスキャナの標準トルク（図４Ａ〜図４Ｃの場合には、ｘ方向標準トルク）を発生させる。この標準トルクは、図４Ａに示した標準加速度ａｒに対応する。さらに、移動距離が相対的に短い方向に対応するガルバノスキャナ（図４Ａ〜図４Ｃの場合には、ｙ用ガルバノスキャナ１６）には、当該ガルバノスキャナの標準トルク（ｙ方向標準トルク）よりも小さなトルクを発生させる。この小さなトルクは、図４Ａに示したトルクａｅに対応する。

この小さなトルクは、レーザビームの照射点の、移動距離が相対的に短い方向への移動時間が、移動距離が相対的に長い方向への移動時間を超えないという条件を満たすように決定される。この条件により、相対的に小さなトルクの下限値が制約される。

移動距離が相対的に短い方のガルバノスキャナによる移動距離と、予め決められた制限値とを比較し、短い方の移動距離が制限値を下回るときに、当該ガルバノスキャナに発生させるトルクを標準トルクより小さくすることが好ましい。これにより、ガルバノスキャナの動作の安定性を高めるという十分な効果が得られる。

ステップＳ４においては、一対のガルバノスキャナの双方に、標準トルクを発生させる。

ステップＳ３またはステップＳ４の後、ステップＳ５において、レーザビームの照射点が目標位置に到達したか否かを判定する。この判定は、ｘ用ガルバノスキャナ１５のエンコーダ１５Ｃ及びｙ用ガルバノスキャナ１６のエンコーダ１６Ｃの出力に基づいて判定す
ることができる。照射点が目標位置に到達していない場合には、目標位置に到達するまで、ｘ用ガルバノスキャナ１５及びｙ用ガルバノスキャナ１６を動作させる。

ステップＳ５で、照射点が目標位置に到達したと判定された場合には、ステップＳ６において、上位装置３０がレーザ光源１０（図１）に対してトリガ信号を出力し、レーザパルスを出射させる。

ステップＳ７において、加工対象物４０の表面に画定されているすべての加工点の加工が終了したか否かを判定する。未加工の加工点が残っている場合には、ステップＳ１に戻って、レーザビームの照射点を次の目標位置まで移動させる工程を実行する。すべての加工点の加工が終了していると判定された場合には、レーザ加工処理を終了する。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ レーザ光源
１１ ビーム整形光学系
１３ ベンディングミラー
１５ ｘ用ガルバノスキャナ
１５Ａ ミラー
１５Ｂ モータ
１５Ｃ エンコーダ
１６ ｙ用ガルバノスキャナ
１６Ａ ミラー
１６Ｂ モータ
１６Ｃ エンコーダ
１８ ｆθレンズ
１９ ｘｙステージ
２０ スキャナコントローラ
３０ 上位装置
４０ 加工対象物

Claims (4)

1. レーザビームを出射するレーザ光源と、
   加工対象物の表面において、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの照射点を相互に異なる方向に移動させる一対のガルバノスキャナと、
   前記ガルバノスキャナを制御するスキャナコントローラと
   を有し、
   前記スキャナコントローラは、
   前記一対のガルバノスキャナの各々について、標準トルクを記憶または演算しており、
   レーザビームの照射点を現在位置から目標位置まで移動させるとき、前記現在位置から前記目標位置までの、前記一対のガルバノスキャナの各々に対応する方向への移動距離を求め、
   前記一対のガルバノスキャナの各々に対応する方向への移動距離のうち、短い方の移動距離と制限値とを比較し、短い方の移動距離が前記制限値を下回るとき、移動距離が相対的に長い方向に対応するガルバノスキャナに、当該ガルバノスキャナの前記標準トルクを発生させ、移動距離が相対的に短い方向に対応するガルバノスキャナには、当該ガルバノスキャナの前記標準トルクよりも小さなトルクを発生させるレーザ加工装置。
2. 前記スキャナコントローラは、前記レーザビームの照射点の、移動距離が相対的に短い方向への移動時間が、移動距離が相対的に長い方向への移動時間を超えない条件で、移動距離が相対的に短い方向に対応する前記ガルバノスキャナに発生させるトルクを決定する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. レーサビームを、加工対象物上において相互に異なる方向に移動させる一対のガルバノスキャナを経由して、前記加工対象物上に照射してレーザ加工を行う方法であって、
   前記レーザビームの照射点の現在位置から目標位置まで移動させるときの、前記一対のガルバノスキャナの各々に対応する方向への移動距離を求める工程と、
   前記一対のガルバノスキャナの各々に対応する方向への移動距離のうち、短い方の移動距離と制限値とを比較する工程と、
   前記比較する工程で、短い方の移動距離が前記制限値を下回ると判定されたとき、移動距離が相対的に短い方向への移動の加速度を、移動距離が相対的に長い方向への移動の加速度より小さくして、レーザビームの照射点を移動させる工程と、
   前記レーザビームの照射点が前記目標位置に達した後、前記レーザビームを出射する工程と
   を有するレーザ加工方法。
4. 前記レーザビームの照射点の、移動距離が相対的に短い方向への移動時間が、移動距離が相対的に長い方向への移動時間を超えないように、前記レーザビームの照射点を移動させる請求項３に記載のレーザ加工方法。
   

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