KR20070018761A - Device for material processing by means of a laser beam guided by a deflecting unit comprising a piezoelectric deflector plate - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 재료를 기계가공하기 위한 장치는, 레이저 빔(11)을 생성하는 레이저 소스(1), 상기 레이저 빔(11)의 광선의 경로에 배치되고, 서로 소정 각도를 형성하는 거울축(38, 48)에 관해 피봇될 수 있는 2개 이상의 거울(35, 45)을 구비하는 편향 수단, 및 렌즈(5)의 모양을 가진 결상 수단을 포함한다. 상기 편향 수단(2)의 상기 구동 수단 각각은 압전 편향판(3, 4)에 의해 형성되며, 상기 압전 편향판(3, 4)은 도메인 반전에 의해 교대적으로 반대로 편향되는 영역을 포함하여, 교대로 반대로 되는 편극을 가진 전압이 인가될 때, 각각의 편향판의 각각의 자유 단부(35, 45)가 비틀리며, 따라서 거울축(38, 48)이 비틀린다.An apparatus for machining a material according to the present invention comprises a laser source 1 for generating a laser beam 11, a mirror axis disposed in a path of a beam of the laser beam 11 and forming a predetermined angle with each other ( Deflection means having two or more mirrors 35, 45 which can be pivoted with respect to 38, 48, and imaging means in the form of a lens 5. Each of the driving means of the deflection means 2 is formed by piezoelectric deflection plates 3, 4, the piezoelectric deflection plates 3, 4 comprising a region alternately deflected by domain inversion, When voltages with alternating polarizations are applied, each free end 35, 45 of each deflection plate is twisted, thus the mirror axes 38, 48 are twisted.
본 발명의 장치에서, 전기 회로 기판 및 회로판 등의 기판(6)을 매우 높은 속도로 매우 정밀하게 기계가공할 수 있다.In the apparatus of the present invention, substrates 6 such as electric circuit boards and circuit boards can be machined very precisely at very high speeds.
레이저 빔, 레이저 소스, 거울면, 거울축, 구동 수단, 편향 수단, 공작물, 결상 수단, 압전 편향판, 비틀림 축. Laser beam, laser source, mirror surface, mirror axis, drive means, deflection means, workpiece, imaging means, piezoelectric deflection plate, torsion axis.
Description
본 발명은,The present invention,
레이저 빔(11)을 방출하는 레이저 소스(1),A laser source 1 emitting a
상기 레이저 빔(11)의 광선의 경로에 배치되고, 상기 레이저 빔(11)의 광선의 경로에 차례로 배치되어 있는 2개 이상의 대향하는 거울면(36, 46)을 구비하며, 상기 거울면(36, 46) 각각은 서로 소정 각도를 형성하는 거울축(mirror axis)(38, 48)에 관해 구동 수단(3, 4)에 의해 피봇될 수 있는, 편향 수단(2), 및Two or more
상기 편향 수단에 의해 한정되는 상기 레이저 빔을 공작물(6)의 각각의 위치에 집중시키는 결상 수단(5)Imaging means 5 for concentrating the laser beam defined by the deflection means at respective positions of the workpiece 6
을 포함하는, 레이저 빔에 의해 재료를 기계가공하기 위한 장치에 관한 것이다.It relates to an apparatus for machining a material by a laser beam, comprising.
그러한 장치는 예를 들면 DE 101 45 184 A1에 공개되어 있는데, 회로판 내의 구멍의 천공 동작이 특히 기술되어 있다. 동일한 방법으로, 그러한 장치는 전자 산업 분야에서 재료의 구성, 트리밍, 마킹, 용접, 납땜, 및 절단에도 이용될 수 있 다. 이러한 재료 기계가공의 속도 및 정밀도는 예를 들면 빔 편향의 기술에 의해 제한된다. 한편으로는 레이저와 상류 광학 시스템 사이, 다른 한편으로는 레이저와 기계가공 테이블에 고정되는 기판 사이의 특정한 상대적 위치의 경우에 가능한 한 큰 표면을 기계가공하기 위해, 편향 수단은 레이저 빔을 큰 각도에 걸쳐 편향시킬 수 있어야 한다. 그렇게 함에 있어서, 경제적 동작을 보장하기 위해 기계가공 테이블 상에서의 기판의 이동 회수를 가능한 한 적게 유지하도록 하였다. 따라서, 현재 그러한 장치에 갈보(Galvo) 모터를 포함하는 종래의 편향 수단이 이용되었다. 통상적으로, 이들 모터는 ±25o까지의 광학적 편향 각도를 가진다. 그러나, 갈보 모터에 의해 얻어질 수 있는 편향 속도는 자기포화, 거울 질량의 관성 등과 같은 제한 요소에 의해 제한된다. 현재 얻을 수 있는 값을 초과하는 속도 및 힘을 추가적으로 증가시키는 것은, 정밀도 면에서의 손실을 감안하도록 의도되지 않았다면 그 구조 및 동작 모드 때문에, 갈보 모터에서 거의 불가능하다.Such a device is for example disclosed in DE 101 45 184 A1, in which the drilling operation of the hole in the circuit board is described in particular. In the same way, such devices can be used for the construction, trimming, marking, welding, soldering, and cutting of materials in the electronics industry. The speed and precision of such material machining is limited, for example, by the technique of beam deflection. In order to machine the surface as large as possible in the case of a specific relative position between the laser and the upstream optical system on the one hand and on the other hand between the laser and the substrate fixed to the machining table, the deflection means is directed to the laser beam at a large angle. It should be able to deflect over. In doing so, the number of movements of the substrate on the machining table is kept as low as possible to ensure economical operation. Thus, conventional deflection means have now been employed which include a Galvo motor in such a device. Typically, these motors have an optical deflection angle of up to ± 25 o . However, the deflection speed that can be obtained by a galvo motor is limited by limiting factors such as magnetic saturation, mirror mass inertia, and the like. Further increase in speed and force beyond the values currently obtainable is nearly impossible in galvo motors because of their construction and mode of operation, unless intended to account for losses in precision.
빛과 레이저 빔을 편향시키기 위해 종래의 압전 요소를 이용하는 것이 제안되어 있지만, 이들 압전 요소는 중간 내지 높은 각속도 및 가속도에서 통상적으로 ±2o 내지 ±5o의 작은 편향각 밖에 얻을 수 없다.It is proposed to use conventional piezoelectric elements to deflect light and laser beams, but these piezoelectric elements can only obtain small deflection angles of typically ± 2 o to ± 5 o at medium to high angular velocities and accelerations.
그러나, DE 100 31 877 C1으로부터, 압전판의 무전극(無電極) 단부가 빔을 편향시키기 위한 거울부로서 작용하는 압전판을 이용하여 광빔을 편향시키기 위한 장치가 이미 공지되어 있다. 상기 문헌은 또한 소위 도메인 반전(domain inversion)에 의해 반대 방향 자연적 편광을 가진 인접 압전 범위를 얻는 것을 기 술하고 있다.However, from DE 100 31 877 C1, an apparatus for deflecting a light beam using a piezoelectric plate on which an electrodeless end of the piezoelectric plate acts as a mirror for deflecting the beam is already known. The document also describes the obtaining of adjacent piezoelectric ranges with opposite natural polarization by so-called domain inversion.
본 발명의 목적은, 재료를 기계가공하기 위한 장치, 특히, 편향 수단이 더 높은 편향 속도 및 적어도 동일한 정밀도를 가지면서 갈보 모터와 동일한 크기의 편향각을 가능하게 하는 서두에서 언급한 종류의 전기 회로 기판을 기계가공하기 위한 장치를 제공하는 것이다.The object of the present invention is an electrical circuit of the kind mentioned at the outset, in which an apparatus for machining a material, in particular a biasing means, enables a deflection angle of the same size as a galvo motor while having a higher deflection speed and at least the same precision. It is to provide an apparatus for machining a substrate.
본 발명에 따르면, 상기 목적은, 상기 편향 수단의 상기 구동 수단 각각은 압전 편향판에 의해 형성되며, 상기 압전 편향판 각각은 일단부에서는 클램핑되고, 자유 단부에서는 상기 거울면을 지지하는 무전극(無電極) 거울부를 포함하며, 상기 편향판 각각이 도메인 반전에 의해 교대적으로 반대로 되는 편향 방향을 가지는 영역을 포함하여, 교대하는 편극(polarization)을 가진 전압이 각각의 상ㄱ기 영역에 인가되는 동안에, 각각의 편향판 각각의 자유 단부가 상기 거울면을 통해 상기 편향판의 종방향 축을 따라 연장되는 비틀림 축에 관해 비틀린다는 사실에 의해 얻어진다.According to the present invention, the object is that each of the driving means of the deflection means is formed by a piezoelectric deflection plate, each of the piezoelectric deflection plates is clamped at one end, and at the free end of the electrodeless ( A non-mirror mirror portion, each of the deflection plates including a region having a deflection direction alternately reversed by domain inversion, so that a voltage having alternating polarization is applied to each upper region; In the meantime, it is obtained by the fact that the free end of each deflection plate is twisted about a torsion axis extending through the mirror plane along the longitudinal axis of the deflection plate.
본 발명은, DE 100 31 877 C1에 기술된 도메인 반정에 의해 얻어지는 압전판에서, 종래의 압전 요소에서보다 상당히 높은 편향각이 얻어질 수 있다는 것을 이용한다. 이러한 이유로, 그러한 편향판은 회로판을 기계가공하기 위한 레이저 장치에 경제적으로 이용될 수 있는데, 상기 기계가공에서 비교적 큰 기계가공 영역이 이러한 방식으로 고속 및 고정밀도로 기계가공될 수 있다. 따라서, 편향된 레이저 빔은, 기계가공될 물체 상에, 적절한 광학 장치, 예를 들면 텔레센트릭 집중 광학 시스템을 통해 지극히 정밀하게 위치된다. 종래의 갈보 모터와는 대조적으로, 이들 비틀림 편향기는, 굽힘 편향기에 있을 수 있는 빔 위치 옵셋을 허용하지 않고도 매우 높은 정밀도로 얻어질 수 있다는 점에서, 이점을 가진다.The present invention utilizes that in piezoelectric plates obtained by domain half crystals described in DE 100 31 877 C1, a significantly higher deflection angle can be obtained than in conventional piezoelectric elements. For this reason, such deflection plates can be economically used in laser devices for machining circuit boards, in which a relatively large machining area can be machined in this way at high speed and with high precision. Thus, the deflected laser beam is extremely precisely positioned on the object to be machined through a suitable optical device, for example a telecentric focused optical system. In contrast to conventional galvo motors, these torsional deflectors have the advantage that they can be obtained with very high precision without allowing beam position offsets that may be in the bending deflector.
본 발명에 따라 이용되는 비틀림 편향기는 ±20o 내지 ±25o의 광학적 편향각을 얻는다. 갈보 편향기에 대한 이점은 특히 레이저를 이용하여 천공, 구성, 트리밍, 및 마킹 또는 라벨링하는 동안에 얻어질 수 있는 고속에 있다. 또한, 본 발명의 편향 수단은 예를 들면 갈보 모터에서 자주 발생하는 기계저 마찰 및/또는 가열에 의한 마모에 견딘다.The torsional deflector used according to the invention obtains an optical deflection angle of ± 20 ° to ± 25 ° . The advantage over galvo deflectors lies in the high speeds that can be obtained, particularly during drilling, construction, trimming, and marking or labeling with a laser. In addition, the deflection means of the present invention withstand wear due to mechanical low friction and / or heating, which often occurs, for example, in galvo motors.
바람직하게는, 2개의 비틀림 편향기가 서로에 대해 90의 각도로 배치된다. 이것은, 제1 편향 요소가 상기 레이저 소스 및 상기 공작물의 기계가공면으로부터 도달되는 상기 빔을 상기 제1 편향 요소의 상기 비틀림 축에 의해 수직으로 절단하고, 제2 편향 요소가 상기 비틀림 축을 포함하며, 상기 비틀림 축이 상기 레이저 소스로부터 도달되는 상기 빔에 의해 상기 공작물의 기계가공면에 대해 평행한 평면을 형성하는 것을 뜻한다.Preferably, two torsional deflectors are arranged at an angle of 90 with respect to each other. This means that the beam, at which the first deflection element arrives from the laser source and the machining surface of the workpiece, is cut vertically by the torsion axis of the first deflection element, and the second deflection element comprises the torsion axis, It means that the torsion axis forms a plane parallel to the machined surface of the workpiece by the beam reaching from the laser source.
또한, 바람직한 실시예에서, 상기 편향판 각각이 복수개의 도메인을 포함하며, 상기 복수개의 도메인이 상기 종방향으로 평행하게 나란히 배열되며, 교대적으로 반대로 되는 편극을 가지고, 교대로 반대로 되는 전압을 인가받는다.Further, in a preferred embodiment, each of the deflection plates includes a plurality of domains, the plurality of domains arranged side by side in parallel in the longitudinal direction, having alternately opposite polarizations, and applying alternatingly reversed voltages. Receive.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 거울면의 범위 내에 있는 압전 편향판 각각이 편향될 레이저 빔의 파장에 동조되는 반사면의 층으로 피복된다. 또한, 거울부는 각각 상기 거울면의 반대쪽 면인 뒷면에 반사면을 포함하며, 상기 반사면은 체크 광빔(check light beam)을 편향시킨다. 이들 각각의 반사면의 코팅은 체크 광빔의 파장에 동조될 수 있다.In another embodiment of the present invention, each of the piezoelectric deflection plates within the range of the mirror surface is covered with a layer of reflective surfaces tuned to the wavelength of the laser beam to be deflected. In addition, the mirror portions each include a reflective surface on the reverse side of the mirror surface, the reflective surface deflects a check light beam. The coating of each of these reflective surfaces can be tuned to the wavelength of the check light beam.
본 발명은, 200kHz보다 크고 바람직하게는 500kHz보다 큰 높은 펄스 주파수에 달하고, 이러한 고주파수에서 예를 들면 20ns보다 작고 바람직하게는 5ns인 매우 좁은 펄스폭을 보이는 레이저 파와 조합되어 바람직하게 이용될 수 있다. 이러한 방식으로, 레이저를 이용하는 기계가공 프로세스는 상당히 단순화되어, 많은 응용에서, 이러한 방식으로만 매우 높은 고속에서의 기계가공이 가능하게 된다.The present invention can be preferably used in combination with laser waves which reach higher pulse frequencies above 200 kHz and preferably above 500 kHz and exhibit very narrow pulse widths at these high frequencies, for example less than 20 ns and preferably 5 ns. In this way, the machining process using lasers is considerably simplified, which in many applications allows machining at very high speeds only in this way.
본 발명에 따라 이용되는 편향 수단의 빠른 반응 시간 및 매우 높은 속도에 의해, 펄스열은, 레이저가 다른 펄스 주파수를 공급할 때, 레이아웃에 따라 변할 수 있다. 이것은, 레이저 레이아웃과 무관한 펄스 중첩을 제공하는데, 즉, 2개의 연속하는 펄스의 펄스 중첩은, 레이저가 직선 또는 예리한 곡선을 처리하는 가에 무관하게, 레이저를 이용하여 구성하는 동안에 항상 동일하게 유지될 수 있다.Due to the fast response time and very high speed of the deflection means used in accordance with the invention, the pulse train can vary depending on the layout when the laser supplies different pulse frequencies. This provides pulse superposition independent of the laser layout, i.e. the pulse superposition of two consecutive pulses remains the same during construction with the laser, regardless of whether the laser processes a straight or sharp curve. Can be.
또한, 레이저 천공에 있어서, 트리팬 천공(trepanation), 나선형 천공 또는 소위 펀칭 등 여러 가지 천공 방법이 천공될 구멍에 걸친 열 부하를 이상적으로 분산시키기 위해 조합 또는 중첩될 수 있다.Furthermore, in laser drilling, various drilling methods, such as tripan drilling, spiral drilling, or so-called punching, can be combined or overlapped to ideally distribute the heat load over the holes to be drilled.
본 발명이 도면의 실시예를 참조하여 아래에서 더욱 상세히 설명된다.The invention is described in more detail below with reference to embodiments of the drawings.
도 1은 본 발명의 장치의 기본적 구조를 나타내는 도면이다.1 is a view showing the basic structure of the apparatus of the present invention.
도 2는 본 발명에 따라 설계되는 압전 편향판을 나타내는 도면이다.2 shows a piezoelectric deflection plate designed according to the present invention.
도 1에 개략적으로 나타낸 기계가공 장치는 레이저 소스(1)를 포함한다. 레이저 소스(1)의 레이저 빔(11)은 서로에 대해 수직인 2개의 평면에 있는 2개의 압전 편향판(3, 4)을 이용하는 편향 수단(2)을 통해 편향되어, 텔레센트릭(telecentric)(에프-세타(F-theta)) 렌즈(5)를 통해 기판(6)의 표면으로 향한다. 기판(6)은 기계가공 테이블(7)에 고정되어, 기계가공 테이블(7)과 함께 둘 이상의 수평 방향으로 조정될 수 있으며, 바람직하게는, 레이저 및 방사 광학(나타내지 않음)에 대해 수직인 방향으로도 조정될 수 있다.The machining apparatus shown schematically in FIG. 1 comprises a laser source 1. The
레이저 판(3, 4)은 각각 편향 수단의 지지벽(21, 22) 각각의 단부(31, 41)에 고정되도록 클램핑된다. 중간부(32, 42)는 각각, 특정 전압이 인가될 때 압전판을 비틀리게 하는 교대로 반대 방향으로 편향되는 도메인으로 구성된다. 여기에서도 각각의 압전판의 자유 단부에는 전극이 없지만, 여기에서의 자유 단부에는 반사층(36, 46)이 설치되어 거울면을 형성한다. 여기에서, 반사층(36, 46)은 레이저의 파장에 동조되어 최적으로 반사시킨다.The
도 2는 예로서 압전판(3)의 구조를 더욱 상세히 나타낸다. 압전판(3)의 중간부(32)는 이 중간부(32)의 전체 길이에 걸쳐 나란히 연장되는 다수의 스트립 모양의 도메인(33, 34)으로 구성된다. 도메인(33, 34)은 자연 편광 시에 도메인 반전에 의해 교대로 조정되어, 그들의 y축 및 z축은 교대로 반대 방향으로 된다. 각각의 도메인(33, 34)은 상면 및 하면에 전극(37)을 구비한다. 이들 전극 역시 반대 전압이 교대로 인가된다. 압전판의 단부가 고정되도록 클램핑되기 때문에, 각 각의 도메인(33, 34)에 교류 전압을 인가하는 동안에 압전 효과로 인해 중간부(32)의 자유 단부가 비틀려진다. 압전 전극이 없는 인접 단부(35)는 동일하게 비틀림 이동되지만, 그 자체는 변형되지 않는다. 따라서, 거울면(36)의 점(13)에 도달하는 레이저 빔(11)은 옵셋을 발생시키지 않고 정확하게 반사될 수 있다. 비틀림 축(38)은 반사층(36) 내에 있고, 레이저 빔(11)은 이 비틀림 축으로 향해 정확히 편향된다.2 shows in more detail the structure of the
상술한 구조를 가지는 도 1에 따른 전체 장치의 동작을 설명한다. 레이저 빔(11)은 압전판(3)의 점(13)으로 편향되고 그 점(13)으로부터 반사되며, 반사 단부(35)가 편향될 때, 레이저 빔은 압전판(4)의 비틀림 축(48) 상에 놓이는 압전판(4)의 반사층(46) 상에 있는 선(14)상에서 이동된다. 레이저 빔은 압전판(4)의 비틀림에 의해 선(14)으로부터 렌즈(5) 내의 영역(15)의 각각의 점으로 편향될 수 있고, 렌즈로부터 기판(6) 상의 대응 영역(16)에 결상될 수 있다.The operation of the entire apparatus according to FIG. 1 having the above-described structure will be described. The
또한, 도 2에 나타내듯이, 체크 광빔을 편향시키고 레이저 빔을 제어하며, 센서 어레이(나타내지 않음)를 통해 각각의 빔 위치를 검출하기 위해, 반사층(36)을 포함하는 거울면에 대해 반대인 뒷면에도 반사층(39)이 도포될 수 있다.In addition, as shown in FIG. 2, the back surface opposite to the mirror surface including the
본 발명의 레이저 빔에 의해 재료를 기계가공하기 위한 장치에 의하면, 편향 수단이 더 높은 편향 속도 및 적어도 동일한 정밀도를 가지면서 갈보 모터와 동일한 크기의 편향각을 가능하게 하는 서두에서 언급한 종류의 전기 회로 기판을 기계가공할 수 있다.According to an apparatus for machining a material by means of the laser beam of the present invention, the electrical power of the kind mentioned at the outset allows the deflection means to have a deflection angle of the same size as a galvo motor with a higher deflection speed and at least the same precision. The circuit board can be machined.
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