(57)【要約】【課題】レーザ加工装置にて被加工物の穴あけ加工をおこなう場合、ガラス貫通電極被加工物等に対するＬＴＨ加工（貫通加工）の場合には、レーザ光の焦点を被加工物の表面より内側にレーザ光の焦点を合わせて加工をおこなうために集光レンズを透過したレーザ光が有する倒れ角の影響により、被加工物上における加工位置ずれが発生し、加工穴が貫通しないという課題がある。【解決手段】レーザパルス出力指令信号を受けてレーザ光を出射するレーザ発振器と、指令位置情報を受けて動作し被加工物の加工位置に前記レーザ光の位置決めするガルバノ装置と、少なくとも前記レーザ発振器及び前記ガルバノ装置を制御する制御装置と、デフォーカス量に応じて前記指令位置情報を補正するデフォーカス補正部を備える。【選択図】図１
2017217682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザパルス出力指令信号を受けてレーザ光を出射するレーザ発振器と、
指令位置情報を受けて動作し被加工物の加工位置に前記レーザ光の位置決めするガルバノ装置と、
少なくとも前記レーザ発振器及び前記ガルバノ装置を制御する制御装置と、
デフォーカス量に応じて前記指令位置情報を補正するデフォーカス補正部と、
を備えたレーザ加工装置。
【請求項２】
所定のガルバノスキャンエリアの最外縁の少なくとも１点において、所定のデフォーカス量に対する実際の加工位置ずれ量から補正係数を求め、
前記補正係数を用いて、前記指令位置情報を補正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】
前記ガルバノスキャンエリアのＸ軸方向長さをＬｘ、Ｙ軸方向長さをＬｙとし、前記デフォーカス量をｈ、前記デフォーカス量に対する加工位置ずれ量をｅｘとすると、
Ｘ軸方向の前記補正係数Ｋｘは、Ｋｘ＝ｅｘ／（（Ｌｘ／２）×ｈ）で示され、
Ｙ軸方向の前記補正係数Ｋｙは、Ｋｙ＝ｅｙ／（（Ｌｙ／２）×ｈ）で示される、
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】
デフォーカス量に応じて発生する加工位置ずれを補正するための補正データをあらかじめ備えておき、前記補正データに基づいて所望のデフォーカス量に対するレーザ光の指令位置情報を補正して、補正後の位置にレーザ光を出射して穴あけ加工する際に、
被加工物のおもて面を穴あけ加工した後に、被加工物を反転して、被加工物のうら面の同じ位置を穴あけ加工をおこなう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、レーザを用いて基板に穴あけ加工などを施すレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。特に、当該装置に用いられるデフォーカス加工に起因する加工位置ずれの防止に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、部品の小型化、高集積化、複合モジュール化に伴い、被加工物の穴あけ加工もますます精密加工化し、それに対応するために、レーザを用いた穴あけ加工が増えてきている。
【０００３】
レーザ加工装置にて被加工物の穴あけ加工をおこなう場合、樹脂基板等に対するＢＶＨ加工（非貫通加工）では被加工物の表面にレーザ光の焦点を合わせて加工をおこなう。これにに対し、ガラス貫通電極被加工物等に対するＬＴＨ加工（貫通加工）の場合には、レーザ光の焦点を被加工物の表面より内側にレーザ光の焦点を合わせて加工をおこなう、デフォーカス加工がおこなわれている。この場合、集光レンズを透過したレーザ光が有する倒れ角の影響により、被加工物上における加工位置ずれが発生し、加工穴が貫通しないという課題がある。
【０００４】
この課題に対して従来のレーザ加工装置は、プリント基板とｆ・θレンズとの間隔を変えることによりレーザビームの単位面積当たりのエネルギ強度を変えるようにして、品質に優れる穴を効率よく加工することができるレーザ加工方法が開示されている（例えば特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１５９８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、実際のレーザ加工装置では、部品単体の個体差、部品相互の組み付け誤差等により、理論値どおりの結果が得られないという課題を有していた。
【０００７】
そこで、本発明のレーザ加工装置では、実際に被加工物上にデフォーカス加工をおこない、デフォーカス量に応じて発生する加工位置ずれを補正するための補正データをあらかじめ求めておき、その補正データに基づいて加工位置を補正することで、デフォーカス加工時の加工位置ずれの発生を防止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、本発明のレーザ加工装置は、レーザパルス出力指令信号を受けてレーザ光を出射するレーザ発振器と、指令位置情報を受けて動作し被加工物の加工位置に前記レーザ光の位置決めするガルバノ装置と、少なくとも前記レーザ発振器及び前記ガルバノ装置を制御する制御装置と、デフォーカス量に応じて前記指令位置情報を補正するデフォーカス補正部とを備えたものである。
【０００９】
また、本発明のレーザ加工方法は、デフォーカス量に応じて発生する加工位置ずれを補正するための補正データをあらかじめ備えておき、その補正データに基づいて所望のデフォーカス量に対するレーザ光の指令位置情報を補正して、補正後の位置にレーザ光を出射
して穴あけ加工する際に、被加工物のおもて面を穴あけ加工した後に、被加工物を反転し、被加工物のうら面の同じ位置に穴あけ加工をおこなうものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のレーザ加工装置では、デフォーカス加工をおこなう場合に、加工位置ずれを防止することができる。また本発明のレーザ加工方法では被加工物上における加工位置ずれを防止し、加工穴を貫通させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の制御装置の概略構成図
【図３】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置における加工位置補正の概念の説明図
【図４】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置における制御アルゴリズムのフローチャート
【図５】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置における補正係数の求め方の説明図
【図６】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を用いた加工例の説明図
【図７】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を用いた他の加工例の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する場合がある。また、図面中に示されるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸はそれぞれ直交する方向を示す。ここで、Ｚ軸は上下にあたる鉛直方向であり、各図の座標軸はそれぞれの視野の方向に対応するように描いている。
【００１３】
＜レーザ加工装置の構成＞
図１は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１１０と、ガルバノスキャナ１１２と、集光レンズ１１３と、加工テーブル１１６と、制御装置２００を有している。レーザ発振器１１０は、制御装置２００から出力されるレーザパルス出力指令信号１２０を受けてレーザ光１１１を出射する。
【００１４】
レーザ発振器１１０の方式としては、ＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザなど、加工に必要なエネルギーやレーザ波長等から適切なものを選べばよい。本実施の形態では、封じ切り型のＲＦ励起炭酸ガスレーザを用いた一例を説明する。これは、基板にレーザ光で高速に穴あけ加工をする場合に必要となる短パルスで高いピーク出力を得られるからである。
【００１５】
レーザ発振器１１０から出射されたレーザ光１１１は、ガルバノスキャナ１１２に導かれる。ガルバノスキャナ１１２は、制御装置２００からガルバノ動作指令信号１２１を受けて動作を開始し、被加工物１１５の所定の加工位置１１４にレーザ光１１１を導く。具体的には、Ｘ軸方向のガルバノミラー１２４は、Ｘ軸方向にレーザ光１１１をスキャンし、Ｙ軸方向のガルバノミラー１２５は、Ｙ軸方向にレーザ光１１１をスキャンする。各ガルバノミラー１２４，１２５は、それぞれに設けたモータで角度を振るようになっている。
【００１６】
ガルバノコントローラ１２３は、加工プログラムによる加工位置のデータに従い、Ｘ軸方向のガルバノミラー１２４とＹ軸方向のガルバノミラー１２５の振れ角度を制御している。ガルバノスキャナ１１２で位置決めされたレーザ光１１１は、集光レンズ１１３（ｆ
θレンズとも呼ぶ）で被加工物１１５に集光される。集光レンズ１１３は制御装置２００から集光レンズ位置指令信号１２２を受けて、Ｚ軸方向に動作する。
【００１７】
被加工物１１５は、基板、グリーンシート、フィルム、薄板金属板などのシート状の部材である。被加工物１１５は加工テーブル１１６に載置されている。加工テーブル１１６は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に駆動可能で、ガルバノスキャナ１１２がスキャン可能な加工エリアから他の異なる加工エリアに被加工物を移動させることができる。
【００１８】
以上のように構成された本発明のレーザ加工装置の動作について説明する。
【００１９】
レーザ発振器１１０は必要に応じて十分にウォーミングアップされる。被加工物１１５は加工テーブル１１６に載置かつ固定され、所定の加工エリアに移動される。加工プログラムに従い、ガルバノスキャナ１１２は所定の加工位置１１４にレーザ光１１１が照射されるように位置決めされる。レーザ光１１１がパルスとして照射され、例えば穴あけなど、被加工物１１５が加工される。ガルバノスキャナ１１２は次の加工位置１１４にレーザ光１１１が照射されるように位置決めされる。レーザ光１１１がパルスとして照射され被加工物１１５が加工される。
【００２０】
以上のサイクルを繰り返し、所定の加工エリア内の加工が終了する。その後、被加工物１１５を次の加工エリアに移動させて、同様に加工をおこない、被加工物１１５全体の加工が終了する。
【００２１】
＜制御装置の構成＞
制御装置２００は、少なくともレーザ発振器１１０及びガルバノスキャナ１１２及び集光レンズ１１３を制御する機能を備えている。更に詳細に図を用いて説明する。
【００２２】
図２は本発明の実施の形態に係る制御装置のブロック図である。制御装置２００は、メインソフト処理部２１１と、パラメータ記憶部２１２と、加工データ解析部２１３と、レーザパルス指令部２１４と、デフォーカス補正部２１５と、デフォーカス設定部２１６と、加工穴位置計測部２１７と、ガルバノ位置指令部２２０と、集光レンズ位置指令部２２１を有している。
【００２３】
なお、これらの構成要素は制御装置２００の有する機能をブロック化したものである。個々に独立したハードウェアで構成してもよく、あるいは、インターフェースとソフトウェアの組合せで構成してもよい。また、これらの構成要素は、制御装置２００の機能の内、本発明の特徴的な構成や動作を説明するために示したもので、当然、レーザ加工装置１００のその他の制御機能を有している。
【００２４】
パラメータ記憶部２１２は、レーザ加工装置の動作の前に予め定められた各種のパラメータを記憶しており、デフォーカス量のパラメータも含まれる。加工データ解析部２１３は、被加工物を加工するための加工プログラムを解析し、レーザ発振器１１０、ガルバノスキャナ１１２、集光レンズ１１３を制御するための加工データに変換する。
【００２５】
レーザパルス指令部２１４は、加工データ解析部２１３にて変換された加工データに従い、レーザ発振器１１０に対してレーザパルス出力指令信号１２０を出力する。レーザパルス出力指令信号１２０はパルス状の信号であり、レーザパワーと被加工物の材質や厚さとの関係で最適なパルス幅が決定される。
【００２６】
デフォーカス補正部２１５は、加工データ解析部２１３のガルバノ位置指令に対し、デフォーカス量をもとに補正演算をおこない、演算結果をガルバノ位置指令部２２０に出力
する。ガルバノ位置指令部２２０は、デフォーカス補正部２１５より演算結果を入力し、ガルバノスキャナ１１２に対してガルバノ動作指令信号１２１を出力する。
【００２７】
デフォーカス設定部２１６は、パラメータ記憶部２１２に記憶されているデフォーカス量のパラメータを集光レンズ位置指令部に出力する。加工穴位置計測部２１７は、被加工物上の加工穴の位置を計測する。メインソフト処理部２１１は、以上の構成要素をプログラムに従って制御するとともに、内部にタイマー機能も有して時間経過に伴う制御も同時に行う。
【００２８】
ここで、デフォーカス補正部２１５における補正の概念を図３を用いて説明する。図３（ａ）において、集光レンズ１１３が第１の位置３１０にある場合は、レーザ光３１４は被加工物の加工面上のａ点に集光される（以降、この状態をジャストフォーカスと呼ぶ）。
【００２９】
集光レンズ１１３が距離Ｄの分だけ下方に移動した位置３１１にある場合は、レーザ光３１５はａ点から距離Ｄの分だけ下方の位置であるｂ点に集光される（以降、この状態をデフォーカスと呼ぶ）。この距離Ｄをデフォーカス量という。
【００３０】
デフォーカスの場合は、レーザ光倒れ角３１３の影響により、被加工物の加工面上では、ａ点とｃ点の差分である距離Ｗ１だけ加工穴位置がずれることになる。そこで、図３（ｂ）に示すように、後述する補正演算式により、距離Ｗ１に相当する距離Ｗ２を算出し、ガルバノスキャナ１１２によりレーザ光の方向を変えることで加工位置を補正してやれば、レーザ光３２１をａ点に集光させることができるので、加工穴位置がずれることはない。
【００３１】
＜制御アルゴリズム＞
図４は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の制御アルゴリズムを示すフローチャートである。
【００３２】
実際の加工をおこなう前段階として、まずデフォーカス量ｈを被加工物の内部に設定し、指令値の位置にレーザ加工をおこなう（ステップＳ５０）。その加工位置を加工穴位置計測部２１７にて測定する。この測定値と指令値の差を加工穴位置誤差とし、これを補正するためのデフォーカス補正係数Ｋｘ、Ｋｙ（詳細は後述する）を求めておく（ステップＳ５１）。
【００３３】
次に、実際の加工プログラムを解析し、最初の加工位置の指令値としてＰｘおよびＰｙを読み出す（ステップＳ５２）。デフォーカス補正係数に基づいて、その指令値に対する補正後の加工位置として、デフォーカス補正値ｆｘ、ｆｙを演算する（ステップＳ５３）。
【００３４】
そのデフォーカス補正値を新たな指令値として、ガルバノスキャナにガルバノ動作指令をおこなう。ガルバノ動作完了後、レーザ光を照射し、穴加工をおこなう（ステップＳ５４）。
【００３５】
加工プログラムに含まれる加工データがなくなるまでステップＳ５２〜Ｓ５４の動作を繰り返し実行する（ステップＳ５５）。
【００３６】
ここで、図５を用いて、デフォーカス補正係数の詳細な算出方法について説明する。図５は、被加工物の所定のガルバノスキャンエリア（ガルバノスキャナのみの動作でレーザ加工できる範囲）を切り出したもので、図５（ａ）はＸＹ方向の座標を示し、図５（ｂ）
はＺ方向の座標をしめしている。
【００３７】
このガルバノスキャンエリア４１０のＸ軸方向長さをＬｘ、Ｙ軸方向長さをＬｙとし、そのガルバノスキャンエリア４１０の中心点の座標をＧ（０，０）とする。
【００３８】
便宜上、Ｘ軸方向の補正についてまず説明する。被加工物の表面４３１から内部（下方）にデフォーカス量ｈを設定して、点Ａ（Ｌｘ／２，０）を指令値としてレーザ加工をおこない、その加工位置を加工穴位置計測部２１７にて測定する。この測定値と指令値のＸ軸方向の差を加工穴位置誤差ｅｘとすると、デフォーカス補正係数をＫｘとすれば、次式が成り立つ。
【００３９】
ｅｘ＝（Ｌｘ／２）×Ｋｘ×ｈ
変形すると、デフォーカス補正係数Ｋｘは、
Ｋｘ＝ｅｘ／（Ｌｘ／２×ｈ）
となる。
【００４０】
次に、ガルバノスキャンエリア４１０内の任意の加工位置の点Ｐ（ｐｘ，０）でのＸ軸方向の加工穴位置誤差量ｓｘを考えると、
ｓｘ＝ｐｘ×Ｋｘ×ｈ
＝ｐｘ×ｅｘ／（Ｌｘ／２×ｈ）×ｈ
＝ｐｘ×ｅｘ／（Ｌｘ／２）
となる。
【００４１】
よって、このｓｘの分だけ元の加工位置を補正し、新たな位置としてデフォーカス補正値ｆｘを次式で算出する。
【００４２】
ｆｘ＝ｐｘ−ｓｘ
＝ｐｘ−ｐｘ×ｅｘ／（Ｌｘ／２）
＝ｐｘ×（１−２×ｅｘ／Ｌｘ）
以上がＸ軸方向の補正の詳細であるが、Ｙ軸方向の補正についても、Ｘ軸方向の場合と同様であり、デフォーカス補正係数Ｋｙは、
Ｋｙ＝ｅｙ／（Ｌｙ／２×ｈ）
で示される。なお、ｅｙはＹ方向の加工穴位置誤差である。
【００４３】
以上のように、所定のガルバノスキャンエリア４１０における最外縁の点Ａにおける加工穴位置誤差から補正係数をあらかじめ求め、その補正係数を用いて、ガルバノスキャンエリア内の所定の位置における加工位置の指令値を補正することにより、デフォーカス加工をおこなう場合の加工位置ずれを防止することができる。
【００４４】
なお、上記では点Ａのみの加工穴位置誤差から補正係数を求めたが、例えば、Ｘ軸方向の補正は点Ａ、Ｃの加工穴位置誤差を平均し、Ｙ軸方向の補正は点Ｂ、Ｄの加工穴位置誤差を平均して補正係数を求めても良い。また、点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｇの５点での加工穴位置誤差を荷重平均して補正係数を求めても良い。これらの場合は、より位置補正の精度が向上する。
【００４５】
＜加工例１＞
図６（ａ）は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の加工例を説明するもので、図４に対応したフローチャートと被加工物の加工状態を簡易的にしめしている。
【００４６】
被加工物６０１の表面と裏面の間にデフォーカス量ｈを設定し、あらかじめ実加工によ
りデフォーカス補正係数を求める（Ｓ５０、Ｓ５１）。被加工物６０１の表面に対して、加工位置を解析し、デフォーカス補正値を算出してその加工位置を補正し、ガルバノ動作指令を出力し、レーザ光６０２を照射して表面の穴明けをおこなう（Ｓ５２、Ｓ５３、Ｓ５４）。次に被加工物の表面と裏面を反転させる。反転後、再度加工位置Ｐを解析し、加工位置を補正した後、ガルバノ動作指令を出力し、レーザ光６０３を照射して被加工物の裏面の穴明けをおこなう（Ｓ５２、Ｓ５３、Ｓ５４）。
【００４７】
このように、加工位置補正をおこなう場合は、表面からの加工穴位置と裏面からの加工穴位置が合致しているため、加工穴６０４は貫通した状態となる。これに対し、図６（ｂ）に示すように、加工位置補正をおこなわない場合は、表面からの加工穴位置と裏面からの加工穴位置にズレが発生し、加工穴は貫通しない。
【００４８】
＜加工例２＞
図７（ａ）は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の他の加工例を説明するもので、図４に対応するフローチャートと被加工物の加工状態をしめしている。
【００４９】
被加工物の表面と裏面の間にデフォーカス量ｈを設定し、あらかじめ実加工によりデフォーカス補正係数を求める（Ｓ５０、Ｓ５１）。第１層の被加工物７０１の表面に対して、加工位置を解析し、デフォーカス補正値を算出して加工位置を補正し、ガルバノ動作指令を出力し、レーザ光７０２を照射する。（Ｓ５２、Ｓ５３、Ｓ５４）。
【００５０】
次に被加工物を第２層に交換する。同様にして、第２層の被加工物７０３の表面に対して、加工位置Ｐを解析し、デフォーカス補正値を算出して加工位置を補正し、ガルバノ動作指令を出力し、レーザ光７０４を照射する（Ｓ５２、Ｓ５３、Ｓ５４）
次に、被加工物を第３層に交換する。同様にして、第３層の被加工物７０５の表面に対して、加工位置Ｐを解析し、デフォーカス補正値を算出して加工位置を補正し、ガルバノ動作指令を出力し、レーザ光７０６を照射する（Ｓ５２・Ｓ５３・Ｓ５４）。
【００５１】
最後に各層の被加工物７０１、７０３、７０５を重ねあわせて積層する。
【００５２】
このように、加工位置補正をおこなう場合は、第１層、第２層、第３層の加工穴位置が合致しているため、加工穴７０７は貫通した状態となる。これに対し、図７（ｂ）に示すように、加工位置補正をおこなわない場合は、各層の加工穴位位置にズレが発生し、加工穴は貫通しない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係るレーザ加工装置は、デフォーカスで加工をおこなう場合に、加工穴位置を補正することによって高精度な加工をおこなうことができるものであり、レーザを用いて基板に穴あけ加工などを施すレーザ加工装置等において有用である。
【符号の説明】
【００５４】
１００    レーザ加工装置
１１０    レーザ発振器
１１１    レーザ光
１１２    ガルバノスキャナ
１１３    集光レンズ
１１４    加工位置
１１５    被加工物
１１６    加工テーブル
１２０    レーザパルス出力指令信号
１２１    ガルバノ動作指令信号
１２２    集光レンズ位置指令信号
１２３    ガルバノコントローラ
１２４    ガルバノミラー
１２５    ガルバノミラー
２００    制御装置
２１１    メインソフト処理部
２１２    パラメータ記憶部
２１３    加工データ解析部
２１４    レーザパルス指令部
２１５    デフォーカス補正部（ＸＹ方向）
２１６    デフォーカス設定部（Ｚ方向）
【図１】
2017217682.tif 000003
【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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【図７】
2017217682.tif 000009