特開 2022-160899 レーザ加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022160899

(43)【公開日】2022-10-20

(54)【発明の名称】レーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/082 20140101AFI20221013BHJP

【ＦＩ】

B23K26/082

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021065413

(22)【出願日】2021-04-07

(71)【出願人】

【識別番号】000233332

【氏名又は名称】ビアメカニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003133

【氏名又は名称】特許業務法人近島国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】桑山 貴晶

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AD11

4E168CA00

4E168CB04

4E168CB07

4E168DA23

4E168DA43

4E168EA15

4E168JB01

(57)【要約】

【課題】加工効率を向上可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】
レーザパルスを発振させるレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射されたレーザパルスを加工対象に向けて偏向可能なガルバノスキャナと、前記ガルバノスキャナの角度を検出する角度検出部と、前記レーザ発振器及び前記ガルバノスキャナを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ガルバノスキャナの共振周波数を減衰させるノッチフィルタを有し、前記ガルバノスキャナに対して所定の角度だけ動作させる１回のみの動作信号を用いて、前記ノッチフィルタによって減衰させる前記共振周波数を設定する設定処理を実行可能である。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザパルスを発振させるレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されたレーザパルスを加工対象に向けて偏向可能なガルバノスキャナと、
前記ガルバノスキャナの角度を検出する角度検出部と、
前記レーザ発振器及び前記ガルバノスキャナを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記ガルバノスキャナの共振周波数を減衰させるノッチフィルタを有し、前記ガルバノスキャナに対して所定の角度だけ動作させる１回のみの動作信号を用いて、前記ノッチフィルタによって減衰させる前記共振周波数を設定する設定処理を実行可能である、
ことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項2】

前記設定処理は、前記動作信号を用いて前記ノッチフィルタの前記共振周波数の設定の要否を判断する第１処理と、前記第１処理において前記ノッチフィルタの前記共振周波数の設定が必要だと判断された場合に、前記ガルバノスキャナの周波数特性を測定し、前記周波数特性から求められる共振周波数に前記ノッチフィルタによって減衰させる周波数を設定する第２処理と、を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記第１処理において、前記角度検出部によって検出された、前記動作信号によって動作した前記ガルバノスキャナの角度検出信号の波形の周波数成分を検出し、前記周波数成分に予め設定された閾値以上の周波数が含まれている場合に、前記ノッチフィルタの前記共振周波数の設定が必要だと判断する、
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記設定処理によって前記ノッチフィルタによって減衰させる前記共振周波数が設定された後に、前記ガルバノスキャナを駆動して前記ガルバノスキャナの角度検出信号の波形の周波数成分を検出し、前記周波数成分に予め設定された閾値以上の周波数が含まれている場合に、報知する、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のレーザ加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、プリント基板等の穴明けをレーザパルスによって行うレーザ加工装置が知られている。レーザ加工装置は、ガルバノスキャナによってレーザパルスを偏向して、プリント基板の所望の位置に穴明けを行う。通常、ガルバノスキャナは、フィードバック制御によって位置決めされており、ノッチフィルタによってガルバノスキャナの構成部品の共振周波数を打ち消すように設定している。

【0003】

しかしながら、ガルバノスキャナを構成しているミラーを固定する接着剤の劣化等で、ガルバノスキャナの共振周波数が変化し、ノッチフィルタによって減衰する周波数とずれてしまうことがある。このため、従来、疑似ランダム系列信号を用いて定期的にノッチフィルタによって減衰させる周波数を設定し直すレーザ加工装置が提案されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６－２７６１２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記特許文献１記載は、疑似ランダム系列信号を用いてガルバノスキャナを駆動し、ガルバノスキャナの駆動に応じて出力される位置信号からガルバノスキャナの周波数特性を測定し、測定された周波数特性から共振周波数を得る。このような処理の場合、ガルバノスキャナの周波数特性を測定するためには、ガルバノスキャナを比較的長時間駆動する必要があり、装置停止の時間が長くなって加工効率が低下するという問題があった。

【0006】

そこで、本発明は、加工効率を向上可能なレーザ加工装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、レーザパルスを発振させるレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射されたレーザパルスを加工対象に向けて偏向可能なガルバノスキャナと、前記ガルバノスキャナの角度を検出する角度検出部と、前記レーザ発振器及び前記ガルバノスキャナを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ガルバノスキャナの共振周波数を減衰させるノッチフィルタを有し、前記ガルバノスキャナに対して所定の角度だけ動作させる１回のみの動作信号を用いて、前記ノッチフィルタによって減衰させる前記共振周波数を設定する設定処理を実行可能である、ことを特徴とするレーザ加工装置である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によると、加工効率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施の形態に係るレーザ加工装置を示す概略図。

【図2】ガルバノ制御部の制御系を示す概略図。

【図3】ノッチフィルタの設定処理を示すフローチャート。

【図4】周波数設定処理における動作信号の入力位置及び出力位置を示す概略図。

【図5】動作確認処理を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法について、図面に基づいて説明をする。なお、以下の説明において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とは、加工対象を平面視で視た際の状態を基準とする。

【0011】

＜レーザ加工装置の概略構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００は、ＸＹ軸方向に移動可能な加工テーブル２上に載置された加工対象としてのプリント基板１に穴明け加工を行うレーザ加工装置であり、上述した加工テーブル２の他に、レーザ発振器３、ガルバノスキャナ４、集光（Ｆθ）レンズ５、全体制御部６等を備えている。なお、レーザ加工装置１００による加工対象は、プリント基板に限らず、他のワークに対して行ってもよい。

【0012】

レーザ発振器３は、例えば、炭酸ガス（ＣＯ_２）レーザ発振器であり、生成されたレーザがレーザパルス（パルスレーザ）Ｌ１としてレーザ発振器３から出射されるようになっている。

【0013】

ガルバノスキャナ４は、レーザビームの光路上に配置されており、レーザパルスＬ１をＸ軸方向及びＹ軸方向に走査することで、プリント基板１上におけるＸＹ軸方向の照射位置が位置決めされる。

【0014】

制御部としての全体制御部６は、レーザ加工装置１００の全体を制御する全体制御部であり、レーザ発振制御部７と、ガルバノ制御部８と、を備えている。レーザ発振制御部７は、レーザ発振器３でのレーザビームの発振と減衰を指令するための発振指令信号Ｓをレーザ発振器３へ出力し、レーザ発振器３から出射されるレーザパルスＬ１の強度やパルス幅等を制御する。ガルバノ制御部８は、ガルバノ制御信号Ｇをガルバノスキャナ４に出力し、ガルバノスキャナ４のミラーの回転角度を制御する。また、ガルバノ制御部８は、ガルバノスキャナ４の角度を示す角度検出信号Ｋを受信する。

【0015】

このため、レーザ加工装置１００は、例えばプリント基板１の所定位置に対してレーザパルスを照射して穴明け加工を行う場合、上記プリント基板１上の加工位置に応じてガルバノ制御信号Ｇがガルバノ制御部８からガルバノスキャナ４のガルバノスキャナへと出力され、レーザ照射位置が位置決めされる。

【0016】

そして、上記ガルバノスキャナ４による位置決めが完了すると、レーザ発振制御部７から発振指令信号Ｓがレーザ発振器３に出力される。レーザ発振器３は、発振指令信号Ｓに応じたレーザ強度及びパルス幅のレーザパルスＬ１をガルバノスキャナ４に向けて出射する。

【0017】

レーザパルスＬ１は、ガルバノスキャナ４によってＸＹ軸方向に偏向され、集光レンズ５に入射する。そして、レーザパルスＬ１は、集光レンズ５によってプリント基板１上の所定位置にてレーザパルスＬ２として集光され、プリント基板１に穴明け加工が行われる。

【0018】

なお、上述したレーザ発振制御部７及びガルバノ制御部８は、それぞれ、レーザ加工装置１００の制御プログラムの一つの機能（処理）として実現されても、独立した回路として実現されても良い。このため、全体制御部６は、上記制御プログラムが格納された少なくとも１つの記憶部と、当該制御プログラムを実行する少なくとも１つのＣＰＵ（演算部）を備えている。

【0019】

＜ガルバノ制御部＞
次に、図２を用いてガルバノ制御部８の概略構成について説明する。ガルバノ制御部８は、図２に示すように、加工動作指令部１７と、測定用動作指令部１８と、加算器（減算器）１０と、補償器１１と、ノッチフィルタ１２とＤ／Ａ変換器１３と、電流制御器１４と、振動解析部１５と、パラメータ修正部１６と、を有している。ガルバノスキャナ４は、回転軸に固定されるミラーと、回転軸を回転させるモータと、を有しており、ミラー及び回転軸の角度は、ロータリエンコーダ等から構成される角度検出部としての角度検出器９によって検出される。以下では、ガルバノスキャナ４のミラー（又は回転軸）の角度を、単にガルバノスキャナ４の角度と言う。

【0020】

加工動作指令部１７及び測定用動作指令部１８と、加算器（減算器）１０と、の間には、スイッチＳＷ１が設けられており、角度検出器９と、加算器１０及び振動解析部１５と、の間には、スイッチＳＷ２が設けられている。

【0021】

例えばプリント基板１に対してレーザ加工する場合には、スイッチＳＷ１は加工動作指令部１７に接続され、スイッチＳＷ２は加算器１０に接続される。そして、加工動作指令部１７から加算器１０へ目標角度信号Ｐが出力される。加算器１０は、加工動作指令部１７から入力された目標角度信号Ｐと、角度検出器９から入力された角度検出信号Ｋと、の偏差信号を補償器１１へ出力する。

【0022】

補償器１１は、サーボ系全体を安定化させることを目的とし、例えば位相遅れ進み補償器などが採用され、角度検出信号Ｋを用いてガルバノスキャナ４の位置決めを行うフィードバック制御を行う。なお、フィードバック制御系だけでは必要とする目標値追従特性が得られない場合は、別途フィードフォワード補償器を付加してもよい。

【0023】

補償器１１から出力された信号は、ノッチフィルタ１２に入力され、ノッチフィルタ１２は、設定されたガルバノスキャナ４の共振周波数を減衰させるように信号にフィルターを掛ける。そして、ノッチフィルタ１２によってフィルタリングされた信号は、Ｄ／Ａ変換器１３によってアナログ信号に変換され、電流制御器１４に入力される。電流制御器１４は、入力されたアナログ信号に基づいて、ガルバノ制御信号Ｇをガルバノスキャナ４に出力する。これにより、ガルバノスキャナ４の角度が所定の角度に位置決めされ、プリント基板１上の加工位置に穴明け可能となる。

【0024】

＜ノッチフィルタの設定処理＞
ノッチフィルタ１２は、ガルバノスキャナ４の共振周波数を減衰させる機能を有するが、ガルバノスキャナ４を構成する部品に付随する接着剤の劣化等に起因して、ガルバノスキャナ４の共振周波数が変動する場合がある。この場合、ノッチフィルタ１２によって減衰させる周波数とガルバノスキャナ４の共振周波数との間に周波数ずれが発生し、プリント基板１に下降させる孔の加工精度が低下してしまう虞がある。

【0025】

そこで、以下では、ノッチフィルタ１２によって減衰させる周波数を設定（再設定）するための設定処理について説明する。まず、ガルバノ制御部８は、スイッチＳＷ１を測定用動作指令部１８に接続し、スイッチＳＷ２を振動解析部１５に接続する。

【0026】

次に、図３に示すように、測定用動作指令部１８は、ガルバノスキャナ４に対して所定の角度だけ動作させる１回のみの動作信号としての測定用の目標角度信号Ｐを出力する（ステップＳ１１）。本実施の形態では、測定用の目標角度信号Ｐは、基板上で加工位置を１０ｍｍ以下で移動させる信号で、好ましくは加工位置を１ｍｍ又は２ｍｍ移動させる信号である。すなわち、測定用の目標角度信号Ｐは、上述した補償器１１、ノッチフィルタ１２、Ｄ／Ａ変換器１３、及び電流制御器１４を介して、ガルバノスキャナ４に連続した動作ではなく１回だけの動作を短時間行わせる。

【0027】

次に、角度検出器９は、上記測定用の目標角度信号Ｐによって動作したガルバノスキャナ４の角度検出信号Ｋを、スイッチＳＷ２を介して振動解析部１５に出力する（ステップＳ１２）。この角度検出信号Ｋは、ガルバノスキャナ４の動作開始から、ガルバノスキャナ４が停止整定するまでのガルバノスキャナ４の角度を示す信号である。

【0028】

そして、振動解析部１５は、角度検出信号Ｋを解析する（ステップＳ１３）。具体的には、振動解析部１５は、例えばＦＦＴアナライザ等から構成され、角度検出信号Ｋの波形の周波数成分を検出する。そして、振動解析部１５は、角度検出信号Ｋの周波数が予め実験で求めておいた所定の閾値を超えたか否かを判断する（ステップＳ１４）。角度検出信号Ｋの周波数が所定の閾値を超えていない場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、設定処理を終了する。

【0029】

角度検出信号Ｋの周波数が予め設定される所定の閾値を超えている場合、すなわち閾値以上の周波数が含まれている場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、ステップＳ１５～Ｓ１７で説明する、ノッチフィルタ１２の周波数の設定処理に移行する。すなわち、ステップＳ１１～Ｓ１４は、角度検出信号Ｋを用いてノッチフィルタ１２の周波数の設定の要否を判断する第１処理としての振動解析処理を構成する。また、ステップＳ１５～Ｓ１７は、ノッチフィルタ１２によって減衰させる周波数を設定（再設定）する第２処理としての周波数設定処理を構成する。

【0030】

周波数設定処理を行う場合、図４に示すように、ガルバノ制御部８は、ノッチフィルタ１２とＤ/Ａ変換器１３との間において動作信号としての正弦波を入力し、角度検出器９とスイッチＳＷ２との間において該動作信号を出力させる。そして、ガルバノ制御部８は、特定の周波数帯域にて周波数を変化させた動作信号によりガルバノスキャナ４を動作させ、ガルバノスキャナ４の周波数特性を測定する（ステップＳ１５）。なお、動作信号は、ノッチフィルタ１２を通過しないので、動作信号自体が減衰しないようになっているが、周波数設定処理においてもノッチフィルタ１２自体は有効である。そして、パラメータ修正部１６は、測定された周波数特性に基づいてガルバノスキャナ４の共振周波数を算出し、ノッチフィルタ１２によって減衰させる周波数を該共振周波数に設定する（ステップＳ１７）。以上により、ノッチフィルタ１２の周波数を設定する設定処理が終了する。

【0031】

＜動作確認処理＞
更に、本実施の形態では、上述したノッチフィルタ１２の設定処理が完了した後に、図５のフローチャートに示す動作確認処理を実行する。図５に示すように、動作確認処理は、ステップＳ２１～Ｓ２５を含むが、ステップＳ２１～Ｓ２４については、図３のステップＳ１１～Ｓ１４と同様であるため説明を省略する。なお、ステップＳ２１に示す測定用の目標角度信号Ｐは、ステップＳ１１と異なるものでもよい。

【0032】

ステップＳ２４において、角度検出信号Ｋの周波数が所定の閾値を超えていない場合（ステップＳ２４：Ｎｏ）、動作確認処理を終了する。角度検出信号Ｋの周波数が所定の閾値を超えている場合（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）、全体制御部６は、レーザ加工装置１００を停止して、ガルバノスキャナ４の交換等を促す報知を行う。この報知方法は、特に限定されず、音や光によってレーザ加工装置１００の周囲に報知してもよく、メール等によってレーザ加工装置１００から離れた場所に報知してもよい。作業者若しくはサービスマンは、本報知に基づいて、ガルバノスキャナ４の修理や交換等のメンテナンスを行う。

【0033】

上述したノッチフィルタ１２の設定処理や動作確認処理は、プリント基板１の加工１ロットの開始前や、毎日の作業開始前に行われる。ノッチフィルタ１２の設定処理において、図３のステップＳ１１～Ｓ１４の振動解析処理は、ガルバノスキャナ４に対して所定の角度だけ動作させる１回のみの動作信号（目標角度信号Ｐ）を用いて行われるため、例えば３０秒程度の比較的短時間で完了する。

【0034】

言い換えれば、ステップＳ１５～Ｓ１６で説明したようなガルバノスキャナ４の周波数特性を測定するための時間に比して、ステップＳ１１～Ｓ１４で説明したガルバノスキャナ４の振動解析処理のための時間は短い。よって、ステップＳ１１～Ｓ１４の振動解析処理は、高い頻度で実行したとしても、加工効率への影響は軽微である。

【0035】

このため、プリント基板１の加工１ロットの開始前や、毎日の作業開始前に上記ステップＳ１１～Ｓ１４の処理を実行しても、作業効率の低下は抑えられ、かつノッチフィルタ１２の周波数ずれを高い頻度でチェックできるので、加工不良の低減と加工効率の向上を両立することができる。

【0036】

なお、本実施の形態では、図３に示すノッチフィルタ１２の設定処理の後に、図５に示す動作確認処理を実行していたが、これに限定されない。例えば、図５に示す動作確認処理を省いてもよい。

【符号の説明】

【0037】

１：プリント基板（加工対象）
３：レーザ発振器
４：ガルバノスキャナ
６：制御部（全体制御部）
９：角度検出部（角度検出器）
１２：ノッチフィルタ
１００：レーザ加工装置
Ｋ：角度検出信号
Ｌ１：レーザパルス
Ｐ：動作信号（目標角度信号）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】