特開 2024-110441 レーザ加工装置及びレーザ加工方法

(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】P2024110441

(43)【公開日】2024-08-16

(54)【発明の名称】レーザ加工装置及びレーザ加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/082 20140101AFI20240808BHJP

   B23K 26/042 20140101ALI20240808BHJP

【ＦＩ】

B23K26/082

B23K26/042

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023014960

(22)【出願日】2023-02-03

(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

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 賢司

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AD11

4E168CB04

4E168CB19

4E168EA15

4E168JB01

(57)【要約】

【課題】ガルバノミラーにより２次元方向に偏向されてｆθレンズから出射するレーザ光を、被加工物へ垂直に入射させることができるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ光を２次元方向に偏向するガルバノミラーと、前記ガルバノミラーで偏向されたレーザ光をテーブルに載置した被加工物上に集光するｆθレンズと、を備えるレーザ加工装置であって、前記ｆθレンズを傾動するレンズ傾動機構と、前記レンズ傾動機構を制御するレンズ制御部と、を備え、前記レンズ制御部が、前記ｆθレンズから出射するレーザ光の傾斜角度と等しい角度前記ｆθレンズの中心軸が傾斜するように前記レンズ傾動機構を制御する。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記レーザ光を２次元方向に偏向するガルバノミラーと、
前記ガルバノミラーで偏向されたレーザ光をテーブルに載置した被加工物上に集光するｆθレンズと、を備えるレーザ加工装置であって、
前記ｆθレンズを傾動するレンズ傾動機構と、
前記レンズ傾動機構を制御するレンズ制御部と、を備え、
前記レンズ制御部が、前記ｆθレンズから出射するレーザ光の傾斜角度と等しい角度前記ｆθレンズの中心軸が傾斜するように前記レンズ傾動機構を制御し、レーザ光を被加工物に垂直に入射させる、
ことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項2】

前記レンズ傾動機構が、前記ｆθレンズを、Ｘ軸と平行であって該ｆθレンズの中心を通過する軸を中心に傾動し、かつ、Ｙ軸と平行であって該ｆθレンズの中心を通過する軸を中心に傾動する、
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】

レーザ発振器から発振されたレーザ光をガルバノミラーにより２次元方向に偏向し、ｆθレンズを介してテーブルに載置した被加工物に集光して加工するレーザ加工方法であって、
前記ｆθレンズを、その中心軸が該ｆθレンズから出射するレーザ光の傾斜角度と等しい角度傾斜するように傾動して、レーザ光を被加工物に垂直に入射させる、
ことを特徴とするレーザ加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えばプリント基板等の被加工物にレーザ光を使用して穴あけ加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

プリント基板にレーザ光を使用して穴あけ等の加工を行うレーザ加工装置においては、例えば特許文献１や２に開示されるように、レーザ発振器から出射されたレーザ光をガルバノミラー（ガルバノスキャナ）により２次元方向へ偏向し、ｆθレンズを介してテーブルに載置されたプリント基板に集光して加工するようになっている。

【0003】

ここでｆθレンズの特性として、レンズへ入射するレーザ光がその前側焦点を通過しない場合、レンズから出射するレーザ光がレンズ中心軸に対して傾斜することが知られている。図１は、ｆθレンズから出射するレーザ光が傾斜する原理を説明する図である。同図においてＦ１は前側焦点、Ｆ２は後側焦点であり、いずれもｆθレンズ８１の中心軸Ｏ（一点鎖線）上にある。また、ｆはｆθレンズ８１の焦点距離である。同図に実線で示すように、光軸が前側焦点Ｆ１を通り、中心軸Ｏに対して角度θで入射するレーザ光は、光軸が中心軸Ｏと平行になってｆθレンズ８１から出射し、後側焦点Ｆ２において中心軸Ｏに垂直な面における中心軸Ｏの位置からｆθ離れた位置Ｐに集光される。

【0004】

一方、同図に点線で示すように、前側焦点Ｆ１を通らず、中心軸Ｏに対する光軸の角度がθであるレーザ光も位置Ｐに集光されるが、光軸が中心軸Ｏに対して角度ε傾いて出射する。なお、入射光が前側焦点Ｆ１の前側（ｆθレンズ８１から遠い側）で中心軸Ｏと交差する場合、出射光の光軸は、図１のように中心軸Ｏに向かう方向に傾き、入射光が前側焦点Ｆ１の後側（ｆθレンズ８１に近い側）で中心軸Ｏと交差する場合、中心軸Ｏから離れる方向に傾く。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３－７１１５３号公報

【特許文献2】特開２０２０－４９５３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来のレーザ加工装置において、ｆθレンズはその中心軸がテーブルに対して垂直になるように設置されているため、ｆθレンズからの出射光が傾いていると、テーブルに載置したプリント基板にレーザ光が傾斜して入射する。そのため、加工穴がプリント基板の厚み方向において傾斜し、基板表面の開口位置と、基板裏面の開口位置とにずれが生じることがあった。また、特許文献２にも記載されているように、基板表面に微細な凹凸がある場合には、ＸＹ方向における加工位置に誤差が生じるなど、加工精度に問題があった。なお、ガルバノミラーによるレーザ光の偏向位置を前側焦点Ｆ１に一致させられれば、レンズからの出射光はレンズ中心軸と平行となるが、ガルバノミラーはＸ軸用とＹ軸用の２つあるため、両者を共に前側焦点Ｆ１に一致させることは困難である。

【0007】

そこで本発明は、上記従来技術における課題を解決し、ガルバノミラーにより２次元方向に偏向されてｆθレンズから出射するレーザ光を、被加工物であるプリント基板に垂直に入射させることができる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】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ光を２次元方向に偏向するガルバノミラーと、前記ガルバノミラーで偏向されたレーザ光をテーブルに載置した被加工物上に集光するｆθレンズと、を備えるレーザ加工装置であって、前記ｆθレンズを傾動するレンズ傾動機構と、前記レンズ傾動機構を制御するレンズ制御部と、を備え、前記レンズ制御部が、前記ｆθレンズから出射するレーザ光の傾斜角度と等しい角度前記ｆθレンズの中心軸が傾斜するように前記レンズ傾動機構を制御し、レーザ光を被加工物に垂直に入射させる、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、ｆθレンズからの出射光を被加工物へ垂直に入射させることができ、加工精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】ｆθレンズから出射するレーザ光が傾斜する原理を説明する図である。

【図2】本発明の一実施例におけるレーザ加工装置の全体構成の概略図である。

【図3】本発明の一実施例におけるガルバノスキャナユニット及びｆθレンズユニットの概略図である。

【図4】本発明の一実施例におけるｆθレンズユニットの概略横断面図である。

【図5】本発明の一実施例における角度情報テーブルを示す図表である。

【図6】本発明の原理を説明する図である。

【図7】本発明の原理を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の代表的な実施形態について、図を用いて説明する。図２は、本発明の一実施例におけるレーザ加工装置の全体構成の概略図、図３は本発明の一実施例におけるガルバノスキャナユニット及びｆθレンズユニットの概略図である。

【0012】

図２に示すように、本発明にかかるレーザ加工装置は、被加工物であるプリント基板３を保持するテーブル２が、ベッド１上を水平な直交２軸方向（Ｘ、Ｙ方向）に図示を省略する駆動機構により移動可能に設けられている。ベッド１上には門型のコラム４が固定され、コラム４上部にはレーザ発振器５が設置されている。レーザ発振器５から発振され点線で示すレーザ光は、ミラー６（ａ）、６（ｂ）によって光軸を偏向され、コラム４の前面に位置するガルバノスキャナユニット７へ入射する。

【0013】

ガルバノスキャナユニット７に入射したレーザ光は、図３に示すように、ガルバノスキャナユニット７内部のミラー７１により光軸を偏向される。そして、Ｘ軸ガルバノモータ７２によりＺ軸と平行な軸を中心に回動可能に軸支され、所定角度に位置決めされるＸ軸ガルバノミラー７３に入射し、図３の紙面に対して手前へ向かう方向に偏向される。Ｘ軸ガルバノミラー７３から出射したレーザ光は、Ｙ軸ガルバノモータ７４によりＸ軸と平行な軸を中心に回動可能に軸支され、所定角度に位置決めされるＹ軸ガルバノミラー７５に入射し、図３の下方に向かう方向へ偏光される。

【0014】

ガルバノスキャナユニット７の下部にはレンズ傾動機構であるｆθレンズユニット８が設けられており、Ｙ軸ガルバノミラー７５により偏向されたレーザ光が、ｆθレンズユニット８内のｆθレンズ８１へ入射する。そして、ｆθレンズ８１を出射したレーザ光がプリント基板３に照射され、加工が行われる。

【0015】

図４はｆθレンズユニット８の概略横断面図である。ｆθレンズユニット８は、ｆθレンズ８１を、当該レンズの中心軸がＸＹ平面の垂線に対して所定角度傾斜するよう傾動して位置決めする機能を有する。図４に示すように、ｆθレンズ８１は、支持軸８３（ａ）、（ｂ）を介して、レンズ中心を通りＹ軸と平行な傾動軸であるＢ軸を中心に傾動可能に傾動枠８２に軸支されている。傾動枠８２には、Ｂ軸を傾動中心としてｆθレンズ８１を傾動するＢ軸アクチュエータ８４が設けられている。

【0016】

傾動枠８２は、支持軸８５（ａ）、（ｂ）を介して、レンズ中心を通りＸ軸と平行な傾動軸（つまりＢ軸と直交する傾動軸）であるＡ軸を中心に傾動可能に固定枠８６に軸支されている。固定枠８６には、Ａ軸を傾動中心として傾動枠８２を傾動するＡ軸アクチュエータ８７が設けられている。Ａ軸アクチュエータ８７、Ｂ軸アクチュエータ８４としては、例えばエンコーダを備えた薄型モータを用いることができる。Ａ軸アクチュエータ８７及びＢ軸アクチュエータ８４は、後述のレンズ制御部１３により制御され、傾動枠８２及びｆθレンズ８１をそれぞれ傾動して所定の角度に位置決めする。つまり、本実施例において、ｆθレンズ８１はＡ軸及びＢ軸において傾動可能であり、所定の角度に位置決めされる。本発明は、ｆθレンズ８１をこのように傾動し、所定の角度に位置決め可能とすることで、ｆθレンズから出射するレーザ光の傾斜角と等しくｆθレンズを傾斜させて、レーザ光をプリント基板３に垂直に入射させるものである。なおｆθレンズユニット８は、ｆθレンズ８１の中心軸をＸＹ平面に対して垂直にした状態において、ガルバノミラー７３及び７５が原点位置（振り角の中心位置）にあるときのレーザ光軸が、ｆθレンズ８１の中心軸と一致する位置に設けられている。

【0017】

図２に戻り、１１は装置全体の動作を制御する全体制御部である。全体制御部１１は、例えばプログラム制御の処理装置によって実現され、その中の各構成要素や接続線は、論理的なものも含むものとする。また各構成要素の一部は全体制御部１１と別個に設けられていてもよい。更に各構成要素や各構成要素間を接続する線は、主に本実施例を説明するために必要と考えられるものを示してあり、ここで説明するもの以外の構成要素や制御機能を有しているものとする。

【0018】

全体制御部１１には、Ｘ軸ガルバノモータ７２及びＹ軸ガルバノモータ７４を制御し、Ｘ軸ガルバノミラー７３及びＹ軸ガルバノミラー７５を回動してそれぞれ所定角度に位置決めするガルバノ制御部１２、ｆθレンズユニット８におけるＡ軸アクチュエータ８７及びＢ軸アクチュエータ８４をそれぞれ制御し、ｆθレンズ８１をＡ軸及びＢ軸を中心に傾動し所定角度に位置決めするレンズ制御部１３、加工位置を指定した加工プログラムを格納するためのプログラム記憶部１４、加工位置毎に１エントリとしてガルバノミラー及びｆθレンズの角度に関する情報を登録する角度情報テーブル１５が設けられている。

【0019】

図５は、角度情報テーブル１５を示す図表である。角度情報テーブル１５には、プリント基板３上の加工位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、…の各々の位置において、ｆθレンズ８１から出射したレーザ光が、各加工位置に垂直に入射することとなるＡ軸におけるｆθレンズ８１の傾動角度α、Ｂ軸におけるｆθレンズ８１の傾動角度β、Ｘ軸ガルバノミラー７３の回動角度γ、Ｙ軸ガルバノミラー７５の回動角度δが記憶されている。つまり、レーザ光がｆθレンズ８１から出射する角度と等しくｆθレンズ８１を傾斜させたときに、レーザ光が加工位置に入射することとなる各角度が記憶されている。なお、各加工位置における角度α、β、γ及びδは予め実験等により求めておく。

【0020】

次に、本発明によるレーザ加工装置における加工動作を説明する。全体制御部１１は、プログラム記憶部１４に予め記憶された加工プログラムが指定する加工位置について、角度情報テーブル１５から対応する角度を読み出し、Ａ軸角度α及びＢ軸角度βをレンズ制御部１３へ送信し、Ｘ軸角度γ及びＹ軸角度δをガルバノ制御部１２へ送信する。

【0021】

ガルバノ制御部１２は、Ｘ軸ガルバノモータ７２及びＹ軸ガルバノモータ７４を制御し、Ｘ軸ガルバノミラー７３及びＹ軸ガルバノミラー７５を読み出した各角度にそれぞれ位置決めする。また、レンズ制御部１３は、Ａ軸アクチュエータ８７及びＢ軸アクチュエータ８４をそれぞれ制御し、ｆθレンズ８１をＡ軸及びＢ軸における読み出した角度に位置決めする。そして、全体制御部１１は、レーザ発振器５を制御しレーザ光を発振させることにより加工を行う。ガルバノミラー７３、７５及びｆθレンズ８１は、レーザ光が加工位置に垂直に入射する位置に位置決めされているので、レーザ光はプリント基板３の加工位置に垂直に入射する。

【0022】

図６及び７は、本発明の原理を説明する図であり、加工位置Ｐ１を加工する場合のレーザ光の偏向状態を示している。なお、図６はレーザ光のＸ軸方向における偏向状態を示し、図７はレーザ光のＹ軸方向における偏向状態を示したものである。また、図中ＧｘはＸ軸ガルバノミラー７３の位置（Ｘ軸ガルバノミラー７３にて、レーザ光が偏向される位置）を表し、ＧｙはＹ軸ガルバノミラー７５の位置（Ｙ軸ガルバノミラー７５にて、レーザ光が偏向される位置）を表すが、それぞれのミラーで偏向される前のレーザ光は図示を省略する。更に、図１と同じものは、同一の符号を付して説明を省略する。図６及び図７を用いて本発明の原理を説明する。

【0023】

例えばＰ１を加工する場合、ガルバノミラー及びｆθレンズは、図５に示す角度情報テーブル１５の位置Ｐ１に対応する各角度に位置決めされる。すなわち、ｆθレンズ８１はＡ軸において角度α１、Ｂ軸において角度β１となるよう位置決めされ、Ｘ軸ガルバノミラー７３は角度γ１、Ｙ軸ガルバノミラー７５は角度δ１に位置決めされる。

【0024】

Ｘ方向においては、Ｘ軸ガルバノミラー７３が角度γ１に位置決めされることにより、図６に示すように、レーザ光はＧｘを通る点線に示すようにｆθレンズ８１へ入射する。ｆθレンズ８１へ入射したレーザ光は、レンズ中心軸０に対して角度εｘ傾斜して当該レンズから出射するが、ｆθレンズ８１が垂線に対してεｘと等しい角度β１傾斜しているので、プリント基板３のＰ１ｘにおいて垂直に入射することとなる。また、Ｙ方向においては、Ｙ軸ガルバノミラー７５が角度δ１に位置決めされることにより、図７に示すように、レーザ光はＧｙを通る点線に示すようにｆθレンズ８１へ入射する。ｆθレンズ８１へ入射したレーザ光は、レンズ中心軸０に対して角度εｙ傾斜して当該レンズから出射するが、ｆθレンズ８１が垂線に対してεｙと等しい角度α１傾斜しているので、プリント基板３のＰ１ｙにおいて垂直に入射することとなる。なお、ｆθレンズを傾動することにより、被加工物の高さ方向における焦点位置に微小なずれが生じうるが、レーザ光の焦点深度の範囲内で許容される。

【0025】

以上のように、本発明のレーザ加工装置は、ｆθレンズから出射するレーザ光の傾斜角度と等しくｆθレンズを傾動することにより、被加工物に対してレーザ光を垂直に入射させることができる。これにより、加工精度を向上させることができる。

【符号の説明】

【0026】

Ｆ１：前側焦点、Ｆ２：後側焦点、О：ｆθレンズ中心軸、１：ベッド、２：テーブル、３：プリント基板（被加工物）、４：コラム、５：レーザ発振器、６（ａ）、（ｂ）：ミラー、７：ガルバノスキャナユニット、７１：ミラー、７２：Ｘ軸ガルバノモータ、７３：Ｘ軸ガルバノミラー、７４：Ｙ軸ガルバノモータ、７５：Ｙ軸ガルバノミラー、８：ｆθレンズユニット（レンズ傾動機構）、８１：ｆθレンズ、８２：傾動枠、８３（ａ）、（ｂ）：支持軸（Ｂ軸）、８４：アクチュエータ（Ｂ軸）、８５（ａ）、（ｂ）：支持軸（Ａ軸）、８６：固定枠、８７：アクチュエータ（Ａ軸）、１１：全体制御部、１２：ガルバノ制御部、１３：レンズ制御部
１４：プログラム記憶部、１５：角度情報テーブル、Ｇｘ：Ｘ軸ガルバノミラーの位置、Ｇｙ：Ｙ軸ガルバノミラーの位置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】