KR101369635B1

KR101369635B1 - 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치

Info

Publication number: KR101369635B1
Application number: KR1020070072116A
Authority: KR
Inventors: 구니오 아라이; 야스히꼬 기따; 야스시 이또오
Original assignee: 비아 메카닉스 가부시키가이샤
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2014-03-05
Also published as: TWI406728B; KR20080020471A; CN101134267A; US20080053974A1; US7923659B2; CN101134267B; JP4960043B2; TW200817125A; JP2008055485A

Abstract

본 발명의 과제는 형상 정밀도가 우수한 구멍을 능률적으로 가공할 수 있는 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치를 제공하는 것이다.

미러(1a) 또는/및 미러(1b)의 반사면의 변형을 보정하는 원통형 렌즈(50a) 또는/및 원통형 렌즈(50b)를 레이저 빔(20)의 광축 상에 배치하고, 레이저 빔(20)의 X성분과 Y성분의 집광 위치를 광축 방향에 일치시킨다. 원통형 렌즈 대신에, 반사면이 곡면인 반사경을 이용해도 좋다. 레이저 빔(20)의 X성분과 Y성분의 집광 위치를 광축 방향에 일치시키는 방법으로서, X성분과 Y성분의 양자를 설계 위치(Fa)에 맞추도록 해도 좋고, 한쪽은 보정하지 않고, 다른 쪽을 보정하지 않는 것으로 맞추어도 좋다.

레이저 가공 장치, 원통형 렌즈, 미러, 레이저 빔, 프린트 기판

Description

레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치 {LASER MACHINING METHOD AND LASER MACHINING DEVICE}

본 발명은 회전의 축선이 비틀림의 위치에 배치된 2개의 미러에 의해 레이저(이하, 「레이저 빔」이라 함)를 위치 결정하여 집광 렌즈에 입사시키고, 집광시킨 레이저 빔에 의해 워크를 가공하는 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

도6은 종래의 레이저 가공기에 있어서의 헤드부의 광학계를 도시하는 도면이다.

도시를 생략하는 레이저 발진기로부터 출력된 P편광인 제1 레이저 빔(20)은 고정 미러(4)에 반사되고, 편광 빔 믹서(30)를 투과하여 미러(1a)(X미러), 미러(1b)(Y미러)에 의해 반사되어 fθ 렌즈(3)에 입사하고, 프린트 기판(100)에 입사한다. 또한, 도시를 생략하는 레이저 발진기로부터 출력된 S편광인 제2 레이저 빔(10)은 고정 미러(5)에 반사되고, 미러(2a, 2b)에 의해 반사된 후, 편광 빔 믹서(30)에 의해 반사되고, 또한 미러(1a, 1b)에 의해 반사되어 fθ 렌즈(3)에 입사하고, 프린트 기판(100)에 입사한다. 제1 레이저 빔(20)의 가공 범위는 영 역(101), 제2 레이저 빔(10)의 가공 범위는 영역(102)이다. 미러(1a, 1b), 고정 미러(4, 5), 미러(2a, 2b), 편광 빔 믹서(30) 및 fθ 렌즈(3)는 일점 쇄선으로 둘러싸 나타내는 헤드부(Z)에 배치되어 있다(문헌 1).

다음에, 미러(1a, 1b)에 대해 더 상세하게 설명한다.

도7은 미러(1a, 1b)와 fθ 렌즈(3)의 관계를 나타내는 도면으로, (a)는 가공부 광학계의 상면도, (b)는 (a)의 우측면도, (c)는 레이저 빔 진행 방향(일점 쇄선 방향)의 전개 평면도이다.

미러(1a, 1b)의 반사면이 평탄한 경우, 예를 들어 단면이 원형인 레이저 빔(20)은 초점 거리(f)의 fθ 렌즈(3)의 초점 위치(Fa)[즉, 초점 위치(Fa)는 설계상의 초점 위치임]에 집광한다. 여기서, 도면 중 부호 1aa는 미러(1a)를 회전시키는 작동기의 회전축이고, 1bb은 미러(1b)를 회전시키는 작동기의 회전축이다.

또한, 집광 위치(Fa)의 전후(여기서는, Z방향)의 위치에 있어서의 레이저 빔(20)의 직경(스폿 직경)은 집광 위치(Fa)에 있어서의 스폿 직경보다도 커지지만, 진원도는 확보된다. 예를 들어, 구멍 직경 50 ㎛의 구멍을 가공하는 데 적합한 빔 직경(d)이 d ＝ 30 ㎜인 경우, 진원도가 95 ％ 이상이 되는 것은 초점 위치(Fa)를 기준으로 하여 약 ±50 ㎛의 범위이다.

이 레이저 가공기의 경우, 제2 미러계[미러(2a, 2b)]에서 정해지는 위치 결정 범위(102)를 제1 미러계[미러(1a, 1b)]의 위치 결정 범위(101)와 거의 포갤 수 있으므로, 제1 레이저 빔(20)과 제2 레이저 빔(10)을 각각 위치 결정함으로써 가공 능률을 향상시킬 수 있었다(문헌 1 참조).

[문헌 1] 일본 특허 공개 제2004-249364호 공보

레이저 발진기가 레이저 빔을 발진하는 주파수는 미러(1a, 1b, 2a, 2b)(이하, 특별히 구별을 할 필요가 있는 경우를 제외하고, 「미러(A)」라 함)의 위치 결정 주파수보다도 충분히 높다. 따라서, 미러(A)를 고속으로 위치 결정할 수 있으면, 가공 능률을 향상시킬 수 있다. 미러(A)를 고속으로 위치 결정하기 위해서는, 미러(A)의 질량을 작게 하는 것이 유효하다.

잘 알려져 있는 바와 같이, 형상 정밀도가 우수한 소경의 구멍을 가공하기 위해서는, 레이저 빔의 외경을 크게 하는 것이 유효하기 때문에, 미러(A)의 크기를 작게 할 수는 없다. 따라서, 미러(A)의 질량을 작게 하기 위해서는 미러(A)의 판 두께를 얇게 해야만 한다.

그러나, 미러(A)의 판 두께를 얇게 하면, 연삭 가공에 수반하는 연삭 왜곡에 의해 반사면에 굴곡이나 왜곡 등의 변형이 발생하는 경우가 있다. 또한, 단일 부재의 미러(A) 반사면은 평탄해도, 미러(A)를 접착 등에 의해 작동기에 지지시키면, 반사면에 변형이 발생하는 경우가 있다. 반사면이 변형되어 있으면, 예를 들어 X방향과 Y방향의 초점 위치가 광축 방향으로 어긋나, 구멍의 진원도가 저하될 뿐만 아니라, 빔 모드가 열화됨으로써 에너지 분포가 균일하지 않게 되어 구멍 품질이 저하된다.

이로 인해, 가공 능률을 향상시키기 위해 미러(A)의 질량을 작게 하면, 가공한 구멍의 형상 정밀도가 저하되었다. 또한, 구멍의 형상 정밀도가 우수한 가공을 하기 위해 미러(A)의 판 두께를 두껍게 하면, 미러(A)의 질량이 커져 가공 능률이 저하되었다.

본 발명의 목적은 상기한 종래의 과제를 해결하고, 형상 정밀도가 우수한 구멍을 능률적으로 가공할 수 있는 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 수단은 회전의 축선이 X방향인 X미러와 회전의 축선이 Y방향인 Y미러에 의해 레이저를 위치 결정하여 집광 렌즈에 입사시키고, 집광시킨 레이저에 의해 가공을 하는 레이저 가공 방법에 있어서, 상기 X미러 또는 Y미러의 반사면의 곡률을 보정하는 광학 수단을 마련하고, 상기 광학 수단을 상기 레이저의 광축 상에 배치하고, 상기 레이저의 X방향과 Y방향의 집광 위치를 광축 방향에 일치시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제2 수단은 회전의 축선이 X방향인 X미러와, 회전의 축선이 Y방향인 Y미러와, 집광 렌즈를 구비하고, 상기 X미러와 상기 Y미러에 의해 레이저를 위치 결정하여 상기 집광 렌즈에 입사시키고, 집광시킨 레이저에 의해 가공을 하는 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 X미러 또는 Y미러의 반사면의 곡률을 보정하는 광학 수단을 마련하고, 이 광학 수단을 상기 레이저의 광축 상에 배치하고, 상기 레이저의 X방향과 Y방향의 집광 위치를 광축 방향에 일치시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 미러(A)에 발생한 왜곡을 광학적으로 해소할 수 있으므 로, 형상 정밀도가 우수한 구멍을 능률적으로 가공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 형상 정밀도가 우수한 구멍을 능률적으로 가공할 수 있는 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

(제1 실시예)

처음에, 미러(A)에 발생하는 변형으로서 빈도가 가장 높은 미러(A)의 반사면이 회전축의 축선을 중심으로 하는 대략 똑같은 오목면 또는 볼록면이 되는 경우에 대해 설명한다. 또한, 미러(A)로서는, 미러(1a)와 미러(1b)의 2개만으로 한다.

도1은 본 발명의 가공부 광학계의 전개도이고, (a)는 레이저 빔의 X방향의 성분(이하, X성분이라 함)을, (b)는 레이저 빔의 Y방향의 성분(이하, Y성분이라 함)을, (c)는 종래 기술에 있어서의 레이저 빔의 X성분을 나타내고 있다. 또한, 도2는 미러(A)의 변형을 설명하는 도면이다.

여기서, 미러(A)의 폭(w)은 미러(A)가 회전(요동)하는 각도(±θ°)로 사용하는 레이저 빔의 최대 직경으로 정해진다(w ≥ d/sinθ). 즉, 예를 들어 θ ＝ ±10°, 레이저 빔의 최대 직경(d)을 d ＝ 30 ㎜로 하면, 미러(A)의 폭(w)은 31 ㎜ 이상이면 좋다. 이하의 실시예에서는 d ＝ 30, w ＝ 31로 한다.

도2에 도시한 바와 같이, 미러(A)의 반사면이 오목면으로 변형되어 있는 경우, 이 오목면의 반경(곡률)(R)은 변형량을 k로 하면, 식1로 나타난다.

[식1]

R² ＝ (R － k)² ＋ (w/2)²

여기서, k는 충분히 작기 때문에, k²의 항은 무시할 수 있다. 즉,

[식2]

R ＝ w²/8k

예를 들어, k ＝ 0.5 ㎛인 경우, 식2로부터, R은 240 m 정도이다.

도1의 경우, 미러(1a)의 반사면은 곡률(R)의 오목면, 미러(1b)의 반사면은 평탄하다. 이 경우, 레이저 빔(20)의 광로 상에 오목형의 원통형 렌즈(50)를 배치한다. 도1의 (b)에 도시한 바와 같이 원통형 렌즈(50)의 유무에 관계없이, 레이저 빔(2)의 Y성분은 설계상의 초점 위치(Fa)에 집광된다. 한편, 레이저 빔(20)의 X성분은, 도1의 (a)의 실선으로 나타낸 바와 같이 원통형 렌즈(50)에 의해 확산되고, 미러(1a)에서 반사됨으로써 평행광으로 수정되고, Y성분과 마찬가지로 초점 위치(Fa)에 집광된다.

또한, 원통형 렌즈(50)가 설치되어 있지 않은 경우, 레이저 빔(20)의 X성분은, 도1의 (c)에 실선으로 나타낸 바와 같이 초점 위치(Fa)보다도 fθ 렌즈(3)에 가까운 초점 위치(Fx)에 집광되므로, 구멍의 진원도가 저하될 뿐만 아니라, 에너지 분포가 균일하지 않게 되어 구멍 품질이 저하된다.

여기서, 원통형 렌즈(50)의 초점 거리를 fs로 하면, 레이저 빔(20)의 X성분을 보정할 수 있는 것은 fs ≒ R/2의 원통형 렌즈이다. 따라서, 미러(1a)의 반사 면의 변형을 미리 측정하고, 반사면의 곡률(R)을 연산으로 구함으로써, 원통형 렌즈(50)의 초점 거리(fs)를 정할 수 있다.

또한, 미러(A)의 반사면이 볼록면인 경우(곡률이 －R인 경우)에는 fs ＝－R/2인 볼록형의 원통형 렌즈(50)를 선택하면 되는 것은 물론이다. 다음에, 미러(1a)와 미러(1b)의 반사면이 모두 곡면으로 되어 있는 경우에 대해 설명한다.

이 경우, 이하에 나타내는 2개의 방법이 있다. (1) 제1 방법 : 미러(1a)의 변형을 캔슬하기 위한 원통형 렌즈(50a)와, 미러(1b)의 변형을 캔슬하기 위한 원통형 렌즈(50b)를 설치한다.

이 경우, 미러(1a, 1b)의 변형은 각각 보정되므로, 레이저 빔(10)을 초점 위치(Fa)에 집광시킬 수 있다.

(2) 제2 방법 : 미러(1a)의 변형을 캔슬하기 위한 원통형 렌즈(50a)만을 설치한다. 즉, 미러(1b)의 변형을 캔슬하기 위한 원통형 렌즈(50b)는 설치하지 않는다.

이 경우, 미러(1b)의 변형은 보정되지 않으므로, 레이저 빔(20)의 Y성분은 초점(f)으로부터 어긋난 위치(Fy)에 집광된다. 그래서, 레이저 빔(20)의 X성분이 위치(Fy)에 집광되도록 원통형 렌즈(50a)의 초점 거리(fs)를 선정한다.

예를 들어, 미러(1b)의 곡률이 N이고, 미러(1a)의 곡률이 M이었다고 하면, 원통형 렌즈(50b)의 초점 거리(fs)를 이하와 같이 정한다.

fs ＝ (M － N)/2

이 경우, 예를 들어 구멍 직경 50 ㎛의 구멍을 가공하는 데 적합한 빔 직경 d ＝ 30 ㎜인 경우, 진원도가 95 ％ 이상이 되는 것은 위치(Fy)를 기준으로 하여 약 ±40 ㎛로 좁아지지만[초점 위치(Fa)의 경우에는 약 ±50 ㎛], 실용상 거의 문제가 없다.

또한, 미러(A)가 미러(1a)와 미러(1b)의 2개뿐인 경우, 원통형 렌즈(50a, 50b)를 가공점으로부터 레이저 발진기까지의 어떠한 위치에 배치해도 좋지만, 레이저 발진기와 fθ 렌즈(3) 사이에 배치하는 것이 실용적이다.

다음에, 미러(A)가 미러(1a, 1b)와 미러(2a, 2b)의 4개인 경우에 대해 설명한다.

(제2 실시예)

도3은 본 발명에 있어서의 미러(1a, 1b, 2a, 2b)와 fθ 렌즈(3)의 관계를 나타내는 가공부 광학계의 전개도이다.

도시의 경우, 제1 레이저 빔은 미러(1a, 1b)를 거쳐서 fθ 렌즈(3)에 입사하지만, 제2 레이저 빔은 미러(2a, 2b)에서 반사된 후, 또한 미러(1a, 1b)를 거쳐서 fθ 렌즈(3)에 입사한다.

이 경우, 제1 레이저 빔(20)에 관해서는, 상기 제1 실시예에서 설명한 방법에 의해 미러(1a, 1b)의 변형을 보정할 수 있다. 그리고, 도3에 도시한 바와 같이 원통형 렌즈(50a, 50b)를 편광 빔 믹서(30)와 레이저 발진기 사이에 배치하면, 제2 레이저 빔(10)에 영향을 미치지 않으므로, 실용적이다.

한편, 제2 레이저 빔(10)의 X성분을 보정하는 원통형 렌즈(60a)로서 미러(1a)와 미러(2a)의 변형을 상쇄할 수 있는 초점 거리의 원통형 렌즈를, Y성분을 보정하는 원통형 렌즈(60b)로서 미러(1b)와 미러(2b)의 변형을 상쇄할 수 있는 초점 거리의 원통형 렌즈를 각각 선택하면 된다.

또한, 미러(1a, 1b) 중 어느 하나가 변형되어 있는 경우에, 예를 들어 미러(1a)의 변형만을 보정하는 원통형 렌즈(50a)를 배치하고, 이 원통형 렌즈(50a)에 의해 X성분을 Y성분의 초점 위치(Fy)에 맞추도록 해도 좋다. 이 경우, 제2 레이저 빔(10)의 Y성분을 보정하는 원통형 렌즈(60b)는 미러(2b)의 변형을 상쇄하는 초점 거리의 원통형 렌즈로 하면 좋다. 또한, 제2 레이저 빔(10)의 X성분을 보정하는 원통형 렌즈(60a)로서는, 미러(2a)의 변형과 미러(1a)의 변형을 고려하고 또한 제2 레이저 빔(10)의 X성분을 초점 위치(Fy)에 집광시키는 원통형 렌즈로 하면 좋다.

그런데, 미러(A)마다 반사면의 변형을 상쇄하는 원통형 렌즈를 설치하면, 레이저 빔(10)과 레이저 빔(20)을 초점 위치(Fa)에 집광시킬 수 있지만, 구조가 복잡해진다. 이하, 미러(A)의 개개의 변형이 그만큼 크지 않은 경우에 있어서의, 원통형 렌즈의 배치에 대해 설명한다.

(제3 실시예)

도4는 도3의 경우의 미러(A)의 반사면을 전개하여 도시하는 도면이다.

도4에 도시한 바와 같이, 레이저 빔(20)이 미러(1a)에 입사할 때의 위치를 기준으로 하여 X, Y를 정하면, 미러(1a)의 A 내지 D에 입사한 레이저 빔은 미러(1b)의 A 내지 D에 입사한다. 즉, 미러(1b)의 A 내지 D는 미러(1a)의 A 내지 D에 대해 90°회전한 위치로 되어 있다. 또한, 제2 레이저 빔은 미러(2a, 2b)의 도면 중 A 내지 D를 통과한다. 여기서, A 내지 D는 반사면의 중심을 기준으로 하여 각각 X, Y방향에 15 ㎜의 위치이다.

도5의 (a) 내지 (d)는 반사면의 변형을 실측한 예를 나타내는 도면이고, 각 미러의 A 내지 D에 대응하는 위치의 각각의 중심 위치에 대한 변형량이고, 단위는 ㎛이다.

이하, 원통형 렌즈의 초점 거리를 정하는 순서를 (a)의 경우에 대해 설명한다.

도5의 (a)의 경우, 우선 식3에 의해 변형량(k)을 구하고, 변형량(k)을 식2에 대입하여 이 경우의 곡률(Rt)을 구한다. 그리고, 초점 거리(fs)를 fs ＝ Rt/2로 한다.

[식3]

k ＝ Avg(ΣA, ΣC) － Avg(ΣB, ΣD)

또한, 식3은 X방향의 변형량의 합과 Y방향의 변형량의 합과의 차를 구하는 식이다. 그리고, 이렇게 하여 얻게 된 초점 거리의 원통형 렌즈를 편광 빔 믹서(30)와 미러(2b) 사이에 배치함으로써, 레이저 빔(10, 20)의 X, Y방향의 집광 위치의 왜곡을 10 ㎛ 정도로 할 수 있다.

또한, 미러(A)의 변형을 측정해 두고, 가공 테스트를 행한 결과, 식3에서 구한 변형량(k)이 0.1 ㎛ 이하인 경우에는, 특별히 변형을 수정하지 않아도 되는 것을 발견하였다.

또한, 도5의 (b) 내지 (d)의 경우도 마찬가지로, 1개의 원통형 렌즈에서 양호한 결과를 얻을 수 있는 것을 확인하였다.

또한, 본 실시예에서는 미러(A)의 중심으로부터 X, Y방향에 15 ㎜의 위치에 있는 4점을 이용하여 반사면의 변형을 추정하였지만, 반사면을 격자형으로 다분할하고, 각각의 변형으로부터 변형을 추정하도록 해도 좋다.

도1은 본 발명의 가공부 광학계의 전개도.

도2는 미러(A)의 변형을 설명하는 도면.

도3은 본 발명에 있어서의 가공부 광학계의 전개도.

도4는 도3의 경우의 미러(A)의 반사면을 전개하여 도시하는 도면.

도5는 반사면의 변형을 실측한 예를 나타내는 도면.

도6은 종래의 레이저 가공기에 있어서의 헤드부의 광학계를 도시하는 도면.

도7은 종래 기술의 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1a, 1b, 2a, 2b : 미러

1aa, 1bb : 작동기의 회전축

3 : fθ 렌즈

4, 5 : 고정 미러

10, 20 : 레이저 빔

30 : 편향 빔 믹서

50, 50a, 50b : 원통형 렌즈

100 : 프린트 기판

101, 102 : 영역

Claims

회전의 축선이 X방향인 X미러와 회전의 축선이 Y방향인 Y미러에 의해 레이저를 위치 결정하여 집광 렌즈에 입사시키고, 집광시킨 레이저에 의해 가공을 하는 레이저 가공 방법에 있어서,

상기 X미러 또는 상기 Y미러의 반사면의 곡률을 보정하는 광학 수단을 마련하고,

상기 광학 수단을 상기 레이저의 광축 상에 배치하고,

상기 레이저의 X방향과 Y방향의 집광 위치를 광축 방향에 일치시키고,

상기 광학 수단을 상기 X미러 또는 상기 Y미러의 회전축 방향에 맞추어 설치하고, 그 초점 거리를, 상기 X미러 및 상기 Y미러의 각각의 중심에 대한 X방향의 변형량의 합과, Y방향의 변형량의 합과의 차를 기초로 하여 결정하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
제1항에 있어서, 상기 광학 수단은 원통형 렌즈 또는 원통형 미러인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
삭제
삭제
회전의 축선이 X방향인 X미러와, 회전의 축선이 Y방향인 Y미러와, 집광 렌즈를 구비하고, 상기 X미러와 상기 Y미러에 의해 레이저를 위치 결정하여 상기 집광 렌즈에 입사시키고, 집광시킨 레이저에 의해 가공을 하는 레이저 가공 장치에 있어서,

상기 X미러 또는 상기 Y미러의 반사면의 곡률을 보정하는 광학 수단을 마련하고, 이 광학 수단을 상기 레이저의 광축 상에 배치하고,

상기 레이저의 X방향과 Y방향의 집광 위치를 광축 방향에 일치시키고,

상기 광학 수단을 상기 X미러 또는 상기 Y미러의 회전축 방향에 맞추어 설치하고, 그 초점 거리를, 상기 X미러 및 상기 Y미러의 각각의 중심에 대한 X방향의 변형량의 합과, Y방향의 변형량의 합과의 차를 기초로 하여 결정하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제5항에 있어서, 상기 광학 수단은 원통형 렌즈 또는 원통형 미러인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
삭제
삭제