JP6607649B2 - レーザ加工装置、レーザ加工方法およびこれを用いて加工された薄板 - Google Patents
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Description
しかし、エッチング処理による金属薄板への貫通孔の形成においては、貫通孔の形状が安定しない、ウェット処理のため工程数が多く加工コストが大きい、100μm以下の貫通孔を形成することが困難である、加工速度の向上が困難である、などの大きな問題があった。
また、薄板が金属薄板でなく、プラスチックやセラミクスである場合には、エッチング処理による加工を採用できない問題があった。
これに対し、近年ではレーザビームによる貫通孔の形成加工が技術的に可能になってきており、金属薄板に対しエッチング処理よりも微細な貫通孔を開けられるようになり、また、プラスチックやセラミクスに対する加工も可能となった。
また、特開2003−334673号公報には、透光性中空リールの外周部において可撓性長尺基板を搬送して、中空リールの内側から照射するパルス光の焦点を軸方向および/または円周方向に移動させるレーザ加工方法が開示されている(特許文献2)。
さらに、特開2000−200698号公報には、円筒体の内周面に周期的構造を形成するために、軸方向から円筒体内側に導入したパルス光を集光レンズと反射ミラーにより外径方向に進ませ、反射ミラーの回転と、円筒体の回転及び軸方向の移動を行うレーザ加工方法が記載されている(特許文献3)。
また、透光性中空リールの外周部において可撓性長尺基板を搬送して、中空リールの中空側から照射するパルス光の焦点を軸方向および/または円周方向に移動させるレーザ加工方法で長尺基板にマトリクス状の穴あけ加工をする場合には、レーザ装置を軸方向に直線的往復運動をさせる制御と、長尺基板をリール方向に搬送する制御とを交互に、かつ断続的に行う必要があり、加工速度の向上に限界があった。
さらにまた、円筒体の内周面に周期的構造を形成するために、軸方向から円筒体内側に導入したパルス光を集光レンズと反射ミラーにより外径方向に進ませ、反射ミラーの回転と、円筒体の回転及び軸方向の移動を行うレーザ加工方法で円筒体内側にマトリクス状の穴あけ加工をする場合には、円筒体を軸方向に直線的往復運動をさせる制御と回転させる制御と、円筒体および反射ミラーを回転させる制御とを交互に、かつ断続的に行う必要があり、加工速度の向上に限界があった。
また、fθレンズからの振り角を小さくするために焦点距離を長くする場合にも、ビーム径が大きくなる問題が生じ、均一な貫通孔を形成することが困難であった。
円筒体は、薄板である長尺の薄板を巻回して加工位置を規定する機能を有するため、少なくとも長尺の薄板が接する部位において外表面、すなわち、円周面が円柱側面の形状であればよい。したがって、円筒体は、例えば、半円形を断面とする柱状の形状であってもかまわない。ただし、円筒体の内部に他の各種装置を配置するため、そのための空間を有することが好ましい。
その内部に所要の各種装置を配置し、外部からパルス光を導入し、開口部から射出できるよう、例えば、円筒体全体を一体に構成し、必要な部位に開口部、各種装置の取付け部、各種装置の稼働空間、パルス光の経路、作業用の窓などを設けた構成としてもよい。
そのためには、右ドラムの右端面中央に窓が開いており、かつ、右ドラムの内部が空洞となっていれば十分かつ低コストで実現する。
円筒体全体が円筒状でない場合には、薄板が接する部分として円柱側面の形状に構成されている円周面を基準に、円柱と同様に決定した曲率の中心軸を指す。
この場合のフッ素樹脂としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、ECTFE(クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体)を好適に用いることができる。
このため、中心軸と回転軸とを一致させれば、集光手段から一定の距離で貫通孔の形成加工を行うことができることとなる。
開口部は、円筒体の円弧に沿った方向の長さが長いほど、パルス光によるスキャンの一回分の距離が長くなって加工が効率的に行われるからである。
また、加工精度を維持するためには、薄板の形状が円筒体の円周面に規定される働きが強い部位で加工することが好ましいため、パルス光を薄板に照射して加工する位置は、薄板が開口部に差し掛かった直後の、開口部のなるべく上流側に設定することが好ましい。
したがって、例えば、中心軸を基準とする開口部の開口角度がπ(rad)に設定されている場合には、薄板を円筒体に巻回する角度をπ(rad)以上に設定しておけばよい。
しかも、薄板は斜め方向に巻回されているため、加工可能な薄板の幅寸法は、開口部の円弧に沿った長さと巻回する角度により規定されることとなる。
開口部の円弧に沿った長さは、中心軸を基準とする開口部の開口角度と中心軸から円周面までの距離(半径)によって規定される。
中心軸を基準とする開口部の開口角をβ(rad)、円筒体の半径をrとすれば、開口部の円弧に沿った長さLは、
L=r×β
と表すことができる。
送出しリールと巻取りリールの回転周期は、薄板の移送速度、送出しリールの残量、巻取りリールの巻取り量に応じて、個別に、または、同調して調節できるように調節手段を設けていることが好ましい。
一般的には0.5m/分以上2.0m/分以下の範囲にある一定値に設定することができるが、これに限られない。
このとき、巻取り軸と中心軸とがなす偏移角も同じ値とすれば、薄板にたるみや無理なテンションがかからず好適である。
偏移角αの範囲は0(rad)より大きく、π/2(rad)よりも小さい値で任意に設定することができる。
この範囲内で偏移角αが大きいほど幅の広い薄板の加工が可能であるが、加工領域の最大幅は、スリット状の開口部の円弧に沿った長さによって制約される。
具体的には、薄板の幅方向の加工領域の最大幅をW、開口部の円弧に沿った長さをLとすると、
W=L×sinα
という関係が成り立つ。
パルス光は、パルス光として開口窓内を円周方向に回転しながら薄板の加工位置を変えるため、貫通孔の形成加工をする場合には、形成される貫通孔の列は、薄板の長尺方向に対して斜め方向に整列することとなる。
このため、所望のパターンに貫通孔の形成加工をするためには、薄板の移送速度を一定に保ち、あるいは、可変として適切に設定するための調節手段を設けていることが好ましい。
その回転方向は、いずれでも構わないが、薄板が移送される方向に沿った向きに回転すれば、パルス光を薄板上に集光している間の加工位置のずれが小さく好適である。
この場合、調節ねじによりを微調節することができるので、後述の反射部材の回転軸を微調節でき、ひいては、パルス光の照射位置を微調節することができるので、高精度の貫通孔の形成加工を実現する上で好ましい。
モータの回転周期は、薄板の移送速度、レーザ発光手段におけるパルス周期ととともに、薄板における貫通孔の位置、パターンに重大な影響を与えるため、回転周期を一定に保ち、あるいは、可変として適切に設定するための調節手段を設けていることが好ましい。
反射部材は、オプティカルベースに固定した後、オプティカルベースをモータの回転軸に装着することにより、円筒体の内部に回転自在に配置することができる。
反射部材は、回転軸に沿って入射したパルス光を、円筒体の半径方向に反射し、薄板の加工に利用可能とする機能を果たす。
反射部材により半径方向に進行方向を変えたパルス光は、スリット状の開口部から円筒体の外側に向けて射出し、円筒体の円周面により位置を規定されている薄板を照射することによって貫通孔の形成加工が実現する。
光学レンズにより集光手段を構成する場合には、複数個のレンズを組み合わせてもよいし、1個の非球面レンズを用いてもよい。球面レンズと非球面レンズを組み合わせてもよい。
また、集光手段の位置は、パルス光の経路上にあって、反射部材と薄板の間に配置してもよいが、反射部材よりもレーザ発光手段側に配置してもよい。
また、パルス光の入射位置がずれた場合でも、焦点位置が変化しないため、加工精度を維持することができる。
この場合、集光手段は、反射部材とともにオプティカルベースに固定され、オプティカルベースを介してモータにより回転するように構成されるため、薄板上にパルス光の焦点が合うように集光手段を調節するためには、いったん、モータの回転を止める必要が生じるが、集光手段とともに回転駆動される焦点位置調節手段をさらに設ければ、モータの回転中にもパルス光の焦点調節を行うことができる。
この場合、集光機能は、もっぱら反射部材の薄板側に配置した集光手段が担い、反射部材のレーザ発光手段側に配置した集光手段により焦点位置を調節することにより、焦点位置の調節が容易なレーザ加工装置を構成することができる。
レーザ発光手段は、レーザ加工に用いるパルス光としてパルス光を射出する。
このパルス光は、薄板の物性に応じて、貫通孔の形成加工が1回のパルス照射で実現するよう、パルスの強度(高さ)とパルスの持続時間(幅)を設定する。
レーザ発光手段から発光するパルス光のパルス周期は、100kHz以上120kHz以下に設定することができるがこれに限られない。
また、パルス幅は1ナノ秒以上100ナノ秒以下に設定することができるが、これに限られない。一般に、パルス幅が小さいほど、薄板に熱の影響が出にくく好適である。
パルス光の発光タイミングは、モータの回転と同期していることが好ましい。円筒体内に導入されたパルス光の進行方向は、反射部材に反射されて円筒体の半径方向に向かうが、パルス光が開口部を通るタイミングにおいてのみ発せられるよう、モータの回転に同期して発光休止期が設定されるよう、レーザ発光手段が制御されていることが好ましい。パルス光が開口部から円筒体の外に射出されないタイミングでパルス光が発射されると、円筒体の内面をパルス光が照射することで装置が損耗するとともに、無駄な電力を消費する恐れがあるためである。
したがって、中心軸を基準とする開口部の開口角をβ、回転軸を基準とするパルス光の照射角をγで表すならば、
β≧γ
という関係を有していることが好ましい。
パルス光の経路内にビームエキスパンダを配置し、レーザビーム径を拡大して集光手段に入射することにより、加工対象の薄板上で集光する場合のビームスポット径を小さくすることで高いパワー密度を得ることができるため、熱影響の少ない微細なレーザ加工を行うことができ好適である。
例えば、金属材料としては、銅、アルミニウム、ニッケル、各種ステンレス鋼を上げることができ、樹脂材料としては、ポリチオフェン系、ポリアセチレン系、ポリアニリン系、ポリピリール系等の各種導電性プラスチック、PPSU、PSU、PAR、PEI、PEEK、PPS、PES、PAI、LCP、PTFE、PCTFE、PVDF、PC、m−PPE、PA6、PA66、POM、PET、PBT、U−PE等のエンジニアリングプラスチック、PVC、PS、ABS、AS、PMMA、PE、PP等の汎用プラスチックをあげることができる。
ここで、図1は、本発明の第1実施例に係るレーザ加工装置の概略図であり、図2は、本発明の第1実施例に係る円筒体と薄板との関係を示す図であり、図3は、本発明の第1実施例に係る円筒体の外観を示す図であり、図4は、本発明の第1実施例に係る円筒体の開口部の構成を示す図であり、図5は、本発明の第1実施例に係る反射部材の配置を示す図であり、図6は、本発明の第1実施例に係るであるレーザ加工装置のパルス光の経路と照射範囲を示す図である。
本実施例においては、中心軸113と送出し軸121aとのなす偏移角αはπ/4(rad)とする。このとき、巻取りリール122の巻取り軸122aと中心軸113とのなす角度もπ/4にしている。
本実施例では、巻回する角度を約π(rad)としているので、これに対応してπ(rad)分以上の円周部が形成されている。
左ドラム111Lと右ドラム111Rとが接合されている部分の手前側には、円周方向に沿って長いスリット状の開口部112が形成されており、薄板TFは、開口部112を覆うように円筒体111に巻回されている。
開口部112は、円筒体111の手前側において、円周方向に細長いスリット状に形成されており、中心軸113を基準とする開口部112の開口角βが、約π(rad)となるように構成されている。
反射部材140は、オプティカルベース180に固定されており、反射部材140に入射したパルス光LPは、反射部材140により反射され、進行方向を直角に曲げて、すなわち、反射部材140を経由して、円筒体111の半径方向に進行し、開口部112から円筒体111の外に射出する。
このスリット状の開口部112から射出されたパルス光LPが、円筒体111に沿って円筒状になっている薄板TFを照射し、加工することとなる。
固定手段141は、調節ねじ142を備えており、調節ねじ142を回転させることで回転軸130aの向きを微調節し、円筒体111の中心軸113と同軸上にモータ130の回転軸130aを配置することができる。
レーザ発光手段160から発射されたパルス光LPは、ビームエキスパンダ170を通過することによりビーム径が拡大された後に反射部材140に入射する。
反射部材140により反射された後のパルス光LPは、反射部材140と薄板TFの間に配置されている集光手段150により薄板TF上で集光される。
ここで、図7は、本発明の第2実施例に係る円筒体と薄板との関係を示す図であり、図8は、本発明の第2実施例に係る円筒体の外観を示す図であり、図9は、本発明の第2実施例に係る円筒体の開口部の構成を示す図であり、図10は、本発明の第2実施例に係る円筒体の開口部の他の構成を示す図である。
なお、本発明の第2実施例に係るスリットアタッチメント214、内部スリット215、ドラム接合ボルト216、ドラム接合ピン217および点検窓218以外の装置構成については、上述した第1実施例であるレーザ加工装置100における同一の部材に付した100番台の符号を200番台の符号に読み換えることにより、その重複する説明および図示を省略する。
本実施例では、巻回する角度を約2π(rad)としているので、これに対応して2π(rad)分の円周部を形成している結果、外観が略円筒形状になっている。
開口部212は、円筒体211の円周面に沿って、円周方向に一周するスリット状に形成されている。すなわち、本実施例においては、中心軸213を基準とする開口部212の開口角が2π(rad)となっている。
また、スリットアタッチメント214の側面のうち、内部スリット215が形成されていない上下2か所の位置に対応する部位に、それぞれ対になったドラム接合ボルト216が締結できるように構成されており、左ドラム211Lと右ドラム211Rとを開口部212で対向配置した後、点検窓218からドラム接合ボルト216により、左ドラム211Lと右ドラム211Rとを接合することができる。
ところで、回転する反射部材240の向きによっては、パルス光LPの射出する方向が、内部スリット215から外れてスリットアタッチメント214を照射する位置関係となる部位が上下2か所存在するが、照射方向がこの位置と一致するタイミングでは、パルス光LPが射出されないように、発光のタイミングについてレーザ発光手段が制御されている。
この調整作業は、薄板TFを円筒体211に巻回したまま、点検窓218から円筒体211内にアクセスすることにより行うことができる。
ただし、パルス光LPの発光は、内部スリット215との位置関係に基づき発光休止期が設定されているため、薄板TFのうち発光休止期に開口部212を通過する部分には貫通孔THが形成されない。このため、薄板TF上に形成されるマトリクス状の貫通孔THの分布領域には、貫通孔THが形成されない部位が帯状に現れることとなる。
図10においては、2対のドラム接合ピン217がそれぞれ上下2か所に配置してあるが、ドラム接合ピン217の数および位置は、加工の態様と目的に応じて適宜設定することができる。
このような制御を伴って薄板TF上に貫通孔THを形成する場合には、薄板TF上に形成されるマトリクス状の貫通孔THの分布領域には、貫通孔THが形成されない部位が帯状に現れることとなる。
111、211 ・・・・円筒体
111L、211L ・・左ドラム
111R、211R ・・右ドラム
112、212 ・・・・開口部
113、213 ・・・・中心軸
120、220 ・・・・薄板移送手段
121、221 ・・・・送出しリール
121a、221a ・・送出し軸
122、212 ・・・・巻取りリール
122a、212a ・・巻取り軸
130、230 ・・・・モータ
130a、230a ・・回転軸
131、231 ・・・・回転軸棒
140、240 ・・・・反射部材
140a、240a ・・射出方向
141、241 ・・・・モータ固定具
142、242 ・・・・調節ねじ
150、250 ・・・・集光手段
160、260 ・・・・レーザ発光手段
170、270 ・・・・ビームエキスパンダ
180、280 ・・・・オプティカルベース
214 ・・・・・・・・スリットアタッチメント
215 ・・・・・・・・内部スリット
216 ・・・・・・・・ドラム接合ボルト
217 ・・・・・・・・ドラム接合ピン
218 ・・・・・・・・点検窓
TF ・・・・・・・・薄板
LP ・・・・・・・・パルス光
TH ・・・・・・・・貫通孔
α ・・・・・・・・偏移角
β ・・・・・・・・開口角
γ ・・・・・・・・照射角
Claims (8)
- 加工対象の薄板を斜めに巻回させる円周面に開口部を有する円筒体と、該円筒体に巻回させた薄板を該薄板の長手方向に移送させる薄板移送手段と、前記円筒体の中心軸と同軸上に配置した回転軸を有するモータと、該モータの回転軸に固定された反射部材と、パルス光を発するレーザ発光手段とを備え、
前記薄板を長手方向に移送させつつ、前記パルス光を前記回転軸の方向から入射して前記反射部材により前記円筒体の半径方向に反射させて、前記開口部から前記薄板に照射することにより、前記薄板に多数の貫通孔を連続して開孔させることを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記パルス光の強度とパルス幅が、1回のパルス照射で前記薄板に貫通孔を開孔するように調節されることを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。
- 前記パルス光を薄板に集光する集光手段が、前記反射部材と前記薄板との間に配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ加工装置。
- 前記パルス光を薄板に集光する集光手段が、前記反射部材と前記薄板との間、及び、前記反射部材と前記レーザ発光手段との間に分割して配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ加工装置。
- 前記パルス光を薄板に集光する集光手段が、前記反射部材と前記レーザ発光手段との間に配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ加工装置。
- 加工対象の薄板を円周面に開口部を有する中空の円筒体に斜めに巻回させ、前記薄板を薄板移送手段により前記薄板の長手方向に移送させつつ、レーザ発光手段から発光するパルス光を前記円筒体の中心軸と同軸上に配置したモータの回転軸の方向から入射させ、前記モータの回転軸に固定された反射部材によって前記円筒体の半径方向に反射させた後、前記開口部から前記薄板に照射して、前記薄板に多数の貫通孔を連続して開孔することを特徴とするレーザ加工方法。
- 前記モータの回転周期および前記薄板移送手段の移送速度が、それぞれ一定となるように調節されていることを特徴とする請求項6に記載のレーザ加工方法。
- 前記レーザ発光手段によるパルス光の発光タイミングが、前記反射部材を経由して前記開口部へ射出するように前記モータの回転と同期して設定されていることを特徴とする前記請求項6または請求項7に記載のレーザ加工方法。
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