(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出したレーザ光を分割する分割光学手段と、前記分割したレーザ光を各々入射して披加工物上の加工位置へ各々位置決めする第１と第２の位置決め手段とを備え、
前記レーザ発振器と前記分割光学手段の間の光路に対して出し入れ可能に設置されレーザ光の方向を変える第１のミラーと、前記第１のミラーによって反射されたレーザ光の方向をさらに変える第２のミラーと、前記第１のミラーに連動し前記第２のミラーで反射されたレーザ光を第１または第２の位置決め手段のいずれかに導かれる光路へ方向を変える第３のミラーを備えたレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ発振器からのレーザ光に分割し、一つのレーザ発振器で複数の加工を同時に行うことが出来るレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ発振器からのレーザ光を複数に分割して複数の加工を同時に行うレーザ加工装置の例として、以下、プリント基板の穴あけレーザ加工装置を用いて説明する（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図５において、レーザ発振器１から出射したレーザビーム２は反射鏡３ａで方向変換しビームスプリッター（分岐手段）１０により２本に分岐し、Ｘ―Ｙ２軸のガルバノメータ４、５とそれぞれのガルバノミラー４ａ、５ａとｆθレンズ６とを備えた２組のレーザ照射部Ａ、Ｂに導かれる。
【０００４】
前記ビームスプリッター１０で分岐した各レーザビーム２ａ、２ｂが各レーザ照射部Ａ、Ｂそれぞれのｆθレンズ６による集束点に到達する光路長は同一距離になるように設定している。
【０００５】
即ち、ビームスプリッター１０で分岐したレーザビーム２ａが反射鏡３ｂ、３ｃで反射してガルバノミラー４ａに入射する光路長と、ビームスプリッター１０で分岐したレーザビーム２ｂが反射鏡３ｄ、３ｅ、３ｆで反射してガルバノミラー４ａに入射する光路長とは同一長さである。
【０００６】
このように光路長を一致させることによって各レーザ照射部Ａ、Ｂにおけるレーザビーム２ａ、２ｂの集束状態が同一となり、２枚の基板１７に対する同時加工を精度よく行うことができる。
【０００７】
上記レーザ照射構造により加工する基板１７は、ＸＹテーブル１９の所定位置に保持している。この基板１７の加工範囲は各レーザ照射部Ａ、Ｂの走査領域より広いので、破線で示すように複数に加工範囲を分割して、各レーザ照射部Ａ、Ｂによる走査により１つの加工範囲の加工が終了すると、ＸＹテーブル１９により次の加工範囲を各レーザ照射部Ａ、Ｂの下方に移動させる。
【０００８】
なお、この構成におけるレーザ照射部Ａ、Ｂの内部構成を図６に示す。図示するように、ｆθレンズ６を構成するレンズ体の支持枠部分に捨てパルス受け（レーザビーム遮蔽手段）２０が設けられている。
【０００９】
先に加工を終了した側のレーザ照射部Ａ、Ｂは、ガルバノメータ４、５の掃引動作によりガルバノミラー４ａ、５ａを回動させてレーザビーム２を前記捨てパルス受け２０に照射するようにする。このレーザ照射の停止では、素早くレーザビーム２の遮蔽がなされるので、不必要なレーザ照射がなく、無駄なレーザ照射による弊害も防止されるようにしている。
【特許文献１】特開平１１−１９２５７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記従来の構成のようにレーザ光を分割する構成では、片方のみの加工を行う際にもレーザ光を分割する構成になっており、レーザ発振器の出力の１／２の強度のレーザ光しか使用できないという制限があった。
【００１１】
そのため、高出力のレーザ強度を必要とする加工に際しては、レーザ発振器の条件を変えるか、それでもレーザ強度が足りない場合は別のレーザ加工装置を使用しなければならず、煩雑であるという問題があった。
【００１２】
また、レーザ強度を高くした場合、レーザ光を反射する光学部品ではレーザ光の波長に合わせて反射率を高めるためのコーティングが為されている場合が多いが、やはり、時間が経つにつれて損傷してくる。
【００１３】
このように光学部品が損傷してくると被加工物へのレーザ光の強度が低下し所望の加工結果が得られないという問題が出てくるので、光学部品を交換しなければならず、レーザ光との位置調整などの光学部品の再セッティングなど作業時間がかかり、その間のライン停止や光学部品代、作業費用など、コストがかかるといった問題もあった。
【００１４】
本発明は上記課題に鑑み、レーザ光の強度を従来の倍にすることができるレーザ加工装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出したレーザ光を分割する分割光学手段と、前記分割したレーザ光を各々入射して被加工物上の加工位置へ各々位置決めする第１と第２の位置決め手段とを備え、前記レーザ発振器と前記分割光学手段の間の光路に対して出し入れ可能に設置されレーザ光の方向を変える第１のミラーと、前記第１のミラーによって反射されたレーザ光の方向をさらに変える第２のミラーと、前記第１のミラーに連動し前記第２のミラーで反射されたレーザ光を第１または第２の位置決め手段のいずれかに導かれる光路へ方向を変える第３のミラーを備えたものである。
【００１７】
このように構成したので、上記いずれの構成においても、分割して使うときにはレーザ光を分割して使用でき、レーザ光の強度を必要とするときにはレーザ光を分割することなく一方の位置決め手段に入射してレーザ光の強度を従来の倍にして使用できる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように本発明によれば、レーザ光を複数に分割するレーザ加工装置の少なくとも一方のレーザ光側において分割されないレーザ光が使用可能となることで、従来のレーザ光を複数に分割するレーザ加工装置で出来なかったレーザ光の強度を要する加工ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１におけるレーザ加工装置（例えば、ＵＶレーザー加工装置）の光学系配置の一部を示す図である。図１（ａ）は、第１、第２の各位置決め手段を含まない配置図であり、図１（ｂ）は、第１、第２の各位置決め手段を含む配置図である。
【００２０】
レーザ光を分割してレーザ軸を２軸にして加工する２軸加工と、レーザ光を分割せずレーザ軸を１軸にして加工する１軸加工の各々においては、反射鏡移動部を構成するベントミラー（以下、ミラーと略記）１１３〜１１５の配置が異なる。図１（ａ）において、２軸加工と１軸加工の各場合について、ミラー１１３〜１１５の配置を、各々、実線と点線で示す。
まず、ミラー１１３〜１１５の配置を実線で示した２軸加工の際の光学系配置について説明する。レーザ発振器１０１（例えば、ＹＡＧレーザを用いたＵＶレーザ発振器）から出射したレーザ光は、ミラー１０２、ミラー１０３、２枚１組のコリメータレンズ１０４、マスク１０５、１／２波長板１０６を経て、分割光学手段となるビームスプリッター１０７で分割する。分割したレーザ光の一方はミラー１０８、ミラー１０９と経てミラー１１０へと導かれる。残りのレーザ光はミラー１１１を経てミラー１１２へと導かれる。
反射鏡移動部を構成するミラー１１３〜１１５は２軸加工の際の光軸と直角方向に移動する機構を有し、通常の２軸加工の際、ミラー１１３〜１１５は全て光路からはずれている。
図１（ｂ）に示すように、ベンドミラー１１０及び１１２で光路は下方に下ろし、それぞれガルバノミラー及びｆθレンズの組み込まれたＺ１軸、Ｚ２軸のユニット１２１、１２２（第１、第２の位置決め手段）を経て加工テーブル１２３へ導かれる。
次に、ミラー１１３〜１１５の配置を点線で示した１軸加工の際の動作について説明する。ミラー１１３〜１１５がレーザ光の光軸に直角に出し入れするようにエアシリンダー（図示せず）を設ける。２分岐したレーザ光で強度が不足するような加工の際、加工装置の操作画面（加工装置タッチパネル）において「１軸加工」のメニューを選択すると、制御部（図示せず）からの指令によりエアシリンダーが動作し、ミラー１１３が１／２波長板１０６よりレーザ発振器１０１に近い側で光路に挿入するように、ミラー１１３及び１１４を共に固定した台座がスライドする。同時に、もう１つのエアシリンダーによりミラー１１５の固定された台座がスライドしてミラー１１５が２軸加工時にビームスプリッター１０７が導く２つのいずれかの一方の光路内に入る。
【００２１】
この時、ミラー１１３で直角方向に反射されたレーザ光はミラー１１４で直角方向に反射される。その延長線上にミラー１１５があり、レーザ光はミラー１１５で反射されるとそのまま、ミラー１１０の下方のＺ１軸、または、ミラー１１２の下方のＺ２軸、いずれか一方へ導かれる。それにより、ビームスプリッター１０７を経ない光路となるので、Ｚ１軸、または、Ｚ２軸のいずれか一方において２分割されないレーザ光を用いて加工することができる。
【００２２】
加工点出力測定時、測定値及びレーザ発振器の内部パワーモニタ値（発振器出力）がともに履歴に残る。この時、発振器出力に対する加工点出力の比率が算出され、同時に履歴に残る。この比率が過去のある時点から１０％以上低下の際、「光学部品に汚れまたは損傷あり→ミラー位置移動」と加工装置タッチパネルに画面表示する。過去のある時点とは、加工装置納入当初または光学部品清掃・交換等で加工点出力が正常出力を示した時点を意味する。
【００２３】
また、発振器出力が１０％以上低下の場合、「レーザ発振器出力低下」と加工装置タッチパネルに画面表示する。また、レーザ発振器出力及びマスク無し時の加工点出力低下が認められず、マスク通過時の加工点出力が過去のある時点に比べ１０％以上低下の際、「光軸〜マスク間相対位置ズレ」と加工装置タッチパネルに画面表示する。
【００２４】
なお、レーザ発振器出力をモニタする上記のような内部パワーモニタ機能のないレーザ発振器ではビーム出射口付近にパワーセンサーを設置する。パワーセンサーはエアシリンダーに固定され、発振器出力測定の際、光路内に移動してレーザ光を受ける。測定終了後、パワーセンサーはエアシリンダーにより光路からはずれる。その後、マスク無し時の加工点出力が測定され、発振器出力に対する加工点出力の比率が算出される。この比率が過去のある時点から１０％以上低下の際、「光学部品に汚れまたは損傷あり→ミラー位置移動」と表示する。
【００２５】
加工装置にてプログラム運転中、加工に使用しているマスク通過時の加工点出力及びマスク無し時の加工点出力が約２時間毎（加工中のワークの加工が終了した時点）に自動的に測定され、前述の出力または比率のいずれかに１０％以上の低下が検出された場合、表示手段となる加工装置タッチパネルに「加工点出力が低下しています。残ワークの加工を中止します。」というアラームメッセージを画面表示するとともに加工プログラムの実行を自動的に停止する。残った未加工のワークは加工されない。
【００２６】
図２（ａ）は、実施の形態１におけるレーザ加工装置におけるミラー１１３〜１１５の本体ミラー１１６の回転を示す図であり、図２（ｂ）は、実施の形態１におけるレーザ加工装置における受光位置変更手段を示す図である。ミラー本体１１６は対向した2本の雄ネジの付いたリング１１７に固定されている。ミラーホルダー１１８にはミラー固定用の前記雄ネジがねじこまれる雌ネジが８箇所（周上等配）あり、８通りの角度で固定できる。ミラーホルダー１１８の台座の部分にはステージ１１９があり、上下方向の移動ができる。光軸は当初ミラーの中心で合せ、次にステージ１１９によりミラー位置をシフトする。
ビームスプリッター１０７のホルダーには、ビームスプリッター１０７のレーザ光を分岐することができる部分を中空にしたリング状の部材をマト中心として設けている。ミラーから光軸がはずれないぎりぎりの範囲でステージを移動してもビームスプリッター１０７のホルダーに固定したマト中心から光軸がずれないように、調整ツマミ１２０を用いて、ステージの角度を微調整する。
【００２７】
なお、ステージの代わりにサーボモータ付リニアガイドが組み込まれていてもよい。「光学部品に汚れまたは損傷あり→ミラー位置移動」と加工装置タッチパネルに表示した時、ミラー１１３をステージにて３mm上方（光路をはずれない範囲）にスライドさせ、マスク無し時の加工点出力を測定する。この時の発振器出力に対する比率が変化しなければ、このミラーに汚れやダメージはない。しかし、もし回復傾向を示したならば、ミラー移動前の受光位置に汚れまたはダメージが存在する。
【００２８】
この場合、まずミラー表面（反射面）を清掃し、ステージによりミラー１１３を元位置に戻し、再度マスク無し時の加工点出力を測定する。この時の発振器出力に対する比率がミラー移動時と同等まで回復していればミラーの汚れは除去されている。
清掃前と大差ないようであれば清掃で除去できないダメージが存在する。この場合、取付角度を４５°ずらせて損傷部を光軸からはずし、マスク無し時の加工点出力を測定し、ミラー移動時の発振器出力に対する比率と同等になることを確認する。
【００２９】
光軸を変えずに位置をシフトできる光学部品に対し、損傷の可能性の高い光学部品（照射ビーム径が細く、対光強度の弱いもの）から順に前述の作業を実施し、加工点出力が当初レベルに回復するまで続ける。発振器出力に対する比率が過去のある時点と比較して１％以内であれば「出力が回復しました。ワークの加工が再開できます。」と画面表示する。
最後まで続行して出力が完全に回復しない場合、シフト機構のない他の光学部品に汚れまたは損傷が存在する。この場合、「他の光学部品に汚れまたは損傷あり」のメッセージと可能性のある該当光学部品リストが加工装置タッチパネルに画面表示する。これらの光学部品は位置をシフトして使うことができないため、清掃しても加工点出力が回復しなければ交換の必要がある。
ミラーの固定角度８箇所全てにおいて受光位置が損傷した場合、ホルダー全体を３mm上方（光路をはずれない範囲）にスライドさせれば再び損傷のない受光位置８通りが確保できる。
【００３０】
サーボモータでミラーを任意の角度回転できる場合、受光できる場所はさらに増加する。（図３参照。）交換部品であるミラーには、識別のため番号を各々付与し、ミラーＮｏ．１のように呼ぶ。加工装置タッチパネルに画面表示した「ミラーＮｏ．１移動量設定」にて「径（上下）方向シフト量」及び「円周（角度）方向シフト量」に数値を入力する。ビーム径は直径１mm程度であるのでミラーの径（上下）方向シフト量は３mmあれば充分である。シフト量はビーム径の３倍程度を目安とする。径方向のシフトは受光位置がミラーの有効径の８０％の範囲内で実施する。
【００３１】
ミラーと光軸は４５°の角をなすので、照射ビーム径は円周方向に２０．５倍に広がる。従って、円周方向（角度）のシフト量は約４mmとする。ミラーのシフト方向が水平方向の場合、水平方向のシフト量を約４mm、円周方向（角度）のシフト量を約３mmとする。直径２インチのミラーに対し、径方向シフト量３mm、円周方向シフト量４mmの場合、１枚のミラーで中心を含め１０３箇所の受光位置が確保できる。
ミラーＮｏ．１において、受光位置シフトの度に画面の「ミラーＮｏ．１受光位置」欄に表示したカウンタの数字は１ずつ増し、１０３に達した時点で「ミラーＮｏ．１が交換時期です。」と表示する。ミラーを交換した場合、このカウンタをリセットする。ミラー固定用の雌ネジの数やシフト量はミラーのサイズやビームの照射径に応じて適正値に決めればよい。
以上により、反射鏡の受光可能な位置を番号で管理し、予め定めたしきい値に達した時点で受光位置全てが損傷したことになり、その反射鏡をレーザ加工装置から取り外して検査しなくても交換が必要であることが判明することが可能となる。
【００３２】
また、上記「ミラーＮｏ．１移動量設定」にて「径（上下）方向移動量」を設定せず、「円周（角度）方向移動量」のみに数値を入力してミラーＮｏ．１の受光位置を変更する場合、３６０°の約数である２°、３°、５°を除く３６０°以下の素数の角度単位でミラーＮｏ．１を回転させると、重なることなく効率的に受光位置を選択することが可能となる。
【００３３】
なお、ミラーの固定リング１１７の端面をウォームホイールとし、これにウォームギアを噛み合わせてギア側を回転させればミラーを任意の角度で回転できる。ウォームギアにモーターを付け、角度を制御することも可能である。さらに、ミラーをサーボモータのローターと一体化させ、角度制御してもよい。
ミラーホルダーのスライド方向はレーザの入射方向に対して４５°方向であってもよい。このような構造は主に受光面でのビーム径が細い部分で採用し、ビーム径が太くてミラー損傷の恐れのない場所では必ずしも採用しなくてよい。
また、この構造はベンドミラー１１３〜１１５に限らず１／２波長板１０６やビームスプリッター１０７に適用してもよい。ビームスプリッター１０７にはウェッジが付いているため取付角度を変えたり上下方向にシフトしたりした場合、ビームスプリッター１０７の透過光側の光軸は再調整が必要となる。
【００３４】
本実施の形態１のレーザ加工装置において、レーザ発振器の出力は制御用ＤＣ電流値で調整され、そのレーザ発振器内部の制御用ＤＣ電流値を調整するための調整ツマミが設けられている。「発振器出力低下」と表示した場合、レーザ発振器内部の制御用ＤＣ電流値を調整ツマミで少しずつ増やし、マスク無し時の加工点出力が過去のある時点まで回復するよう調整する。発振器出力が過去のある時点と比較して１％以内であれば回復したと判断し、「出力が回復しました。ワークの加工が再開できます。」と画面表示する。
「光軸〜マスク間相対位置ズレ」と表示した場合、マスク位置を修正する。マスク位置調整は、円周方向と径方向の２種類がある。円周方向は、マスクチェンジャーのサーボモータの角度で調整する。最初は０．１°単位で動かしながら当該マスクを通過したビーム（加工に使用しているビーム）で加工点出力を測定する。加工点出力が前回測定値より大きい場合は同じ方向に、小さい場合は逆方向に０．１°動かし、加工点出力を測定して前回測定値と比較する。増加傾向の続く限りこれを繰り返す。最低限３種類の角度で測定する。前回測定値を下回った時点でピークを過ぎているので、角度に対する加工点出力の関係を２次曲線近似し、近似式からピーク位置に対応する角度を算出して角度設定する。  
【００３５】
ここで、加工点出力を測定し、加工時の正常出力値と比較する。差が２％以内まで回復すれば「出力が回復しました。ワークの加工が再開できます。」と画面表示する。回復しない場合、径方向の調整が必要である。光軸と直角方向の位置決めを行うサーボモータでマスクチェンジャーごと水平移動して調整する。移動は１００μｍ単位で行い、前述と同じ要領で加工点出力がピークとなる位置を決め、設定する。ここで、加工点出力を測定し、加工時の正常出力まで回復していることを確認する。
いずれかのマスク位置を調整した場合、残りの他のマスクに対して同様の調整が必要となる。この場合、光軸に対するズレはほぼ等しいと考えられるので、先のマスク位置の調整前後の設定値の差分（円周方向・径方向とも）を修正して設定すれば調整時間が節約できる。「出力が回復しました。ワークの加工が再開できます。」の表示が出たら、この時点の出力測定値を以降の出力確認時に参照する比較基準データとして登録できる。
【００３６】
１軸加工では、ビームスプリッター１０７からの反射光と透過光のいずれか一方をシャッターで遮る方法（２軸同時加工の片側だけを使用）のみならず、ビームの分岐をせずに全出力を片軸に集中して加工することができる。画面表示の「１軸加工」を選択すると、共通の台座に固定されたミラー１１３及び１１４がエアシリンダーにより１／２波長板１０６よりレーザ発振器１０１に近い側の光路に、ミラー１１５がユニット１２１またはユニット１２２の選択によりビームスプリッター１０７からの透過光側の光路または反射光側の光路に同時に挿入される。マスク１０５からｆθレンズまでの光路長は不変である。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置の光学系配置の一部を示す図である。本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
図４において、分割手段であるビームスプリッター１０７とミラー２１３とそれらが固定された台座の配置を、２軸加工と１軸加工の各場合について、各々、実線と点線で示す。
【００３７】
２軸加工の際、ビームスプリッター１０７はレーザ光の光路に配置し、入射したレーザ光を分割する。１軸加工の際、ビームスプリッター１０７はレーザ光の光路から外れると同時にミラー２１３がレーザ光の光路に入り、元のレーザ光の進行方向とは異なる方向へ反射し、第２の位置決め手段であるユニット１２２へと進行する。
【００３８】
以上のようにして、１軸加工時においてビームスプリッター１０７でレーザ光は分割されることはないので、２軸加工時に比べ、レーザ光の強度は１／２まで減少することはなくなり、２軸加工時と同等の強度のレーザ光で被加工物を加工することができる。
【００３９】
なお、ミラー２１３を設けず、ビームスプリッター１０７のみを固定した台座をレーザ光の光路に出し入れすると、１／２波長板１０６を通過したレーザ光は１軸加工時、直進しミラー１０８を経て第１の位置決め手段へと進行する。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明によれば、レーザを２分岐して用いて加工時間を短縮するのみならず被加工物の材質により分割無しの強力なレーザ光も使用でき、産業上有用なレーザ加工装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置の光学系配置の一部を示す図
【図２】本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置のミラーの受光位置変更手段を示す図
【図３】本発明の実施の形態１におけるミラーのレーザ受光位置の変更場所の配置を示す図
【図４】本発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置の光学系配置の一部を示す図
【図５】従来のレーザ加工装置を示す図
【図６】従来のレーザ加工装置を示す図
【符号の説明】
【００４２】
１０１  レーザ発振器
１０７  ビームスプリッター（分割手段）
１１３〜１１５  ベンドミラー（反射鏡）
１２１  Ｚ１軸のガルバノミラー及びｆθレンズが組み込まれたユニット（第１の位置決め手段）
１２２  Ｚ２軸のガルバノミラー及びｆθレンズが組み込まれたユニット（第２の位置決め手段）
１２３  加工テーブル
２１３  ベンドミラー（反射鏡）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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