(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力する光源と、前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光を第１の方向に偏向させる第１の偏向手段と、前記第１の偏向手段で偏向された前記レーザ光を前記第１の方向と交差する第２の方向に偏向させる第２の偏向手段と、前記第１と第２の偏向手段により偏向されたレーザ光を集光するｆθレンズと、を備えるレーザ加工装置において、
前記第１の偏向手段と前記第２の偏向手段との間に、焦点距離が互いに異なる第１の凸レンズと第２の凸レンズとにより構成される補正光学系を設け、
前記第１の凸レンズの焦点距離をｆ１、前記第２の凸レンズの焦点距離をｆ２、前記第１の凸レンズと前記第２の凸レンズとの主点間の距離の合計をＫとするとき、
前記第１の偏向手段の中心と前記第２の偏向手段の中心との距離を２ｆ１＋２ｆ２＋Ｋとし、
前記第１の凸レンズを、当該凸レンズの主軸を前記第１の偏向手段の中心と前記第２の偏向手段の中心とを結ぶ直線と同軸となるように、かつ、前記第１の凸レンズの前側の主点を前記第１の偏向手段の中心からの距離がｆ１の位置に配置し、
前記第２の凸レンズを、当該凸レンズの主軸を前記第１の偏向手段の中心と前記第２の偏向手段の中心とを結ぶ直線と同軸となるように、かつ、前記第２の凸レンズの後側の主点を前記第２の偏向手段の中心からの距離がｆ２の位置に配置することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光軸が固定の光源から出力されたレーザ光を、２個の偏向手段によりｆθレンズの予め定める位置に入射させ、ｆθレンズで集光したレーザ光により加工を行うレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光によりプリント基板に穴明けをするためのレーザ加工装置やマーキングを行うレーザ加工装置では、一般にレーザ発振器を固定しておく。そして、レーザ発振器から出力されたレーザ光を、回軸軸をねじれの位置に配置した回転自在の２個のミラーを介してｆθレンズに入射させ、ワーク上に集光させて加工を行う。ここで、焦点距離ｆのｆθレンズは、ｆθレンズの中心軸上の予め定めた点（以下、「設計上の偏向点」という。）を通り中心軸に対する角度θの光線が、焦点面内におけるｆθレンズの中心軸から距離ｆ×θ、かつレーザ光がワークに垂直に入射（集光）するように設計されている。したがって、設計上の偏向点におけるレーザ光の中心軸に対する角度θを選択することにより、レーザ光を水平方向の任意の位置に位置決めすることができる。
【０００３】
しかし、例えば、設計上の偏向点を、ｆθレンズに近い側のミラーの反射面上に位置決めした場合、レーザ発振器側のミラーを回転させると、レーザ光は設計上の偏向点を通過しなくなってしまう。このため、ワークの表面を略焦点面に合わせて穴明けをする場合、穴の軸線が斜めになり、プリント基板の表と裏（或いは穴底）で穴の位置ずれが発生した。また、マーキングを行う場合、集光点がミラーで設定する位置からずれてしまい、加工精度が低下した。
【０００４】
そこで、特開平５−２２８６７３号公報では、レーザ発振器とレーザ発振器に近い側のミラーとの間に第３のミラーを配置し、第３のミラーをレーザ光の光軸方向に移動させることにより、レーザ発振器に近い側のミラーで反射されたレーザ光の中心が前記第２のミラーの中心に一致するように制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
マーキングを行う場合、すなわち加工部が連続な場合、上記特開平５−２２８６７３号公報に開示された技術により、加工速度および加工精度を向上させることができる。
【０００６】
しかし、プリント基板に穴明け加工をする場合、加工位置が不連続であり、しかも毎秒１０００個程度の穴を加工しなければならない。このため、上記特開平５−２２８６７３号公報に開示された技術では応答が遅く、毎秒１０００個程度の穴を加工するような装置には採用することができない。
【０００７】
また、加工した穴の軸線を垂直に近付けるためには、２つの偏向手段を接近させる必要があり、偏向手段の形状や配置が制限されていた。
【０００８】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、レーザ発振器から出力されたレーザ光を、ｆθレンズの設計上の偏向点に位置決めすることにより加工した穴の軸線を垂直にすることができると共に、偏向手段の配置に自由度を持たせることができるレーザ加工装置を提供するにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、レーザ光を出力する光源と、前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光を第１の方向に偏向させる第１の偏向手段と、前記第１の偏向手段で偏向された前記レーザ光を前記第１の方向と交差する第２の方向に偏向させる第２の偏向手段と、前記第１と第２の偏向手段により偏向されたレーザ光を集光するｆθレンズと、を備えるレーザ加工装置において、前記第１の偏向手段と前記第２の偏向手段との間に、焦点距離が互いに異なる第１の凸レンズと第２の凸レンズとにより構成される補正光学系を設け、前記第１の凸レンズの焦点距離をｆ１、前記第２の凸レンズの焦点距離をｆ２、前記第１の凸レンズと前記第２の凸レンズとの主点間の距離の合計をＫとするとき、前記第１の偏向手段の中心と前記第２の偏向手段の中心との距離を２ｆ１＋２ｆ２＋Ｋとし、前記第１の凸レンズを、当該凸レンズの主軸を前記第１の偏向手段の中心と前記第２の偏向手段の中心とを結ぶ直線と同軸となるように、かつ、前記第１の凸レンズの前側の主点を前記第１の偏向手段の中心からの距離がｆ１の位置に配置し、前記第２の凸レンズを、当該凸レンズの主軸を前記第１の偏向手段の中心と前記第２の偏向手段の中心とを結ぶ直線と同軸となるように、かつ、前記第２の凸レンズの後側の主点を前記第２の偏向手段の中心からの距離がｆ２の位置に配置することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１２】
図１は本発明の第１の実施の形態に係るレーザ加工機の平面図、図２は側面図である。
【００１３】
レーザ発振器１から出力されるレーザ光の光路上には、アパーチャ２、固定のミラー３、第１の偏向手段４を構成する第１のミラー５、補正光学系７、第２の偏向手段１１を構成する第２のミラー１３およびｆθレンズ１４が配置されている。レーザ発振器１は、レーザ光を紙面と平行に出力する。
【００１４】
ミラー５はモータ６に支持され、図１において紙面に垂直な回転の軸線Ｍの回りに、任意の角度に位置決め自在である。軸線Ｍはミラー５の反射面５ａ上に配置されている。そして、ミラー５は、反射面５ａの中心（軸線Ｍ上の点であり、ミラー５の幅方向および長手方向の中心である。）がレーザ発振器１から出力されるレーザ光の中心に一致するように位置決めされている。
【００１５】
補正光学系７は、焦点距離がｆ１である２枚の凸レンズ８、９を焦点距離の２倍である距離２ｆ１を隔てて配置したものであり、軸線Ｍと凸レンズ８との距離および凸レンズ９とミラー１３の回転の軸線Ｎとの距離はそれぞれｆ１である。
【００１６】
なお、レンズには２個の主点があるが、ここでは、主点がレンズの中心にあるものとして説明する。
【００１７】
ミラー１３は、モータ１２の回転軸に支持され、図１において紙面と平行（すなわち、軸線Ｍと９０度ねじれの位置にある）軸線Ｎの回りに、任意の角度に位置決め自在である。軸線Ｎはミラー１３の反射面１３ａ上に配置されている。
【００１８】
ｆθレンズ１４は中心軸Ｓが加工対象１５に垂直、かつ設計上の偏向点Ｈが反射面１３ａの中心Ｏｓ（軸線Ｎ上の点であり、ミラー１３の幅方向および長手方向の中心である。）に一致するように位置決めされている。
【００１９】
加工対象１５は、加工領域の中心を中心軸Ｓに合わせてテーブル１６上に固定されている。
【００２０】
このように構成された第１の実施の形態に係るレーザ加工機の動作は以下のようになる。
【００２１】
図示を省略する制御装置は、加工プログラムに記載された加工個所のＹ座標に基づき、反射面５ａを基準位置からＹ座標と符号が逆の角度−θｙの位置に、また加工個所のＸ座標に基づき、反射面１３ａを基準位置から角度θｘの位置にそれぞれ回転させた後、レーザ発振器１を動作させ、レーザ光を出力させる。
【００２２】
レーザ発振器１から発振されたレーザ光は、アパーチャ２により外形を整形され、固定のミラー３、反射面５ａを介してレンズ８に入射する。補正光学系７はミラー５で偏向されたレーザ光をミラー１３の中心に入射させる機能を備えているので、レンズ９を出射したレーザ光は、図１に実線で示す光路ｂを通り、符号が逆転した角度θｙで中心Ｏｓに入射する。そして、反射面１３ａで反射され、ｆθレンズ１４を通り、加工対象１５の表面に集光されて（アパーチャ２の像が結像されて）、加工対象１５を加工する。
【００２３】
反射面５ａで反射されたレーザ光は中心Ｏｓすなわち設計上の偏向点Ｈを通るので、レーザ光はＸ軸方向およびＹ軸方向のいずれに関してもワーク１５の表面に垂直に入射する。この結果、加工した穴の軸線は垂直になる。
【００２４】
以上説明したように、本発明では、第１と第２の偏向手段の中間に補正光学系７を配置することにより、Ｘ軸方向とＹ軸方向の２つの偏向点を一致させることができるので、装置設計の自由度を増すことができる。
【００２５】
なお、軸線Ｍと凸レンズ８との距離および凸レンズ９とミラー１３の回転の軸線Ｎとの距離をそれぞれｆ１としたが、軸線Ｍと軸線Ｎとの距離を４ｆ１とすれば、補正光学系７は軸線Ｍ、軸線Ｎ間のどの位置に配置しても良い。
【００２６】
また、補正光学系７としては、上記の構成（アフォーカル系）に限らず、ミラー５で偏向されたレーザ光をミラー１３の略中心に入射させるものであればよい。  なお、補正光学系７を設けない場合、図１中に点線で示すように、レーザ光は光路ａを通り、中心Ｏｓから外れた点Ｏｔに入射する。この結果、加工した穴の軸線はＹ軸方向に傾く。また、入射位置が中心Ｏｓから外れるので、ミラー１３の寸法を大きいものにしなければならないため、応答速度が遅くなる。
【００２７】
＜第２の実施形態＞
図３は本発明の第２の実施の形態に係るレーザ加工機の要部平面図であり、図１と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。なお、レーザ発振器１、アパーチャ２、およびミラー３は図示を省略してある。
【００２８】
ミラー２０は、ミラー３で反射されたレーザ光をミラー５に反射する。ミラー５の回転軸Ｍは紙面と垂直な方向であり、ミラー１３の回転軸の方向は紙面内の斜め右上２２．５度の方向である。
【００２９】
補正光学系２１は、レンズ８、９とミラー２２とから構成されており、レンズ８、レンズ９の焦点距離はｆ１、レンズ１４の焦点距離はＦである。そして、レンズ８の中心からミラー２２の中心までの距離ｌ1と、ミラー２２の中心からレンズ９までの距離ｌ２との和（ｌ1＋ｌ２）は２ｆ１であり、ｌ１とｌ２は異なる長さに設定されている。また、ミラー５の中心からレンズ８の中心までの距離、レンズ９の中心からミラー１３の中心までの距離、およびミラー１３の中心からｆθレンズ１４の中心までの距離は、それぞれｆ１である。
【００３０】
このように構成された第２の実施の形態に係るレーザ加工機においても、上記第１の実施の形態の場合と同様に、ミラー５で偏向されたレーザ光はミラー１３の略中心に入射する。
【００３１】
この第２の実施形態は、補正光学系の配置に制限がある場合、すなわちレンズ８とレンズ９を同一の直線上に配置できない場合に有効である。また、図示のように、ミラー５、１３に対するレーザ光の入射角を一般的な４５度よりも小さくする（例えば、図示のように２２．５度）と、ミラー５、１３の大きさを入射角を４５度にする場合に比べて小さく、すなわち、ミラー５、１３の慣性モーメントを小さくすることができる。この結果、ミラー５、１３の位置決めに要する時間を短縮することができるので、上記第１の実施形態に比べて、加工速度を速くすることができる。
【００３２】
また、ｌ１とｌ２を異なる長さに設定したので、ミラー２２の表面が熱により損傷することを予防することができる。
【００３３】
そして、上記第１および第２の実施の形態のいずれにおいても、補正光学系７によってミラー５で偏向されたレーザ光をミラー１３の略中心に入射させることができるので、２つの偏向点を設計上の偏向点に一致、あるいは略一致させることができる。この結果、加工した穴の軸線は垂直になり、加工品質が向上する。また、高アスペクト比の穴を加工することができる。そして、上記従来技術のように、２つの偏向点を一致させるための可動部を設けないので、加工速度が低下することもない。
【００３４】
なお、第１と第２の偏向手段としてミラーを回転させるものとしたが、音響光学素子等他の手段を用いてもよい。
【００３５】
ところで、上記では、レンズ８、９の焦点距離をいずれもｆ１としたが、必ずしも両者を等しくする必要はない。
【００３６】
次に、本発明を一般化して説明する。
【００３７】
＜第３の実施形態＞
図４は本発明の第３の実施の形態に係る補正光学系を示す図であり、図１と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。なお、レーザ発振器１、アパーチャ２、ミラー３およびｆθレンズ１４は図示を省略してある。
【００３８】
図中の符号は以下の通りである。
【００３９】
Ｓ１１：レンズ８の前側主点
Ｓ１２：レンズ８の後側主点
Ｓ２１：レンズ９の前側主点
Ｓ２２：レンズ９の後側主点
Ｄ１  ：アパーチャの径
Ｌ１  ：レンズ８の主点間隔
Ｌ２  ：レンズ９の主点間隔
ａ：ミラー５の中心からレンズ８の前側主点までの距離
ｂ：レンズ９後側主点からミラー１３の中心までの距離
ｄ：レンズ８の後側主点からレンズ９の前側主点までの距離
ｆ１：レンズ８の焦点距離
ｆ２：レンズ９の焦点距離
Ｌ  ：ミラー５の中心からミラー１３の中心までの距離
ここで、焦点距離ｆ１、ｆ２を定数とすると、レンズ８、９の中心軸であり、各レンズの主点を結ぶ主軸の上での距離ａ、距離ｂ、距離ｄ間には式１、２の関係が、また、角度θ１と角度θ２間には式３の関係が、また、ミラー５で反射されたレーザ光の直径Ｄ１とミラー１３の鏡面に入射するレーザ光の直径Ｄ２との間には式４の関係がある。そして、ミラー５の中心からミラー１３の中心までの距離Ｌは式５で表される。
【００４０】
【数１】
0004251791.tif 000002
式３から明らかなように、ｆ１＞ｆ２にすると、角度θ２の絶対値は角度θ１の絶対値よりも大きくなる。この結果、ミラー５の回転角度を小さくできるので、高能率の加工をすることができる。
【００４１】
また、ｆ１＜ｆ２の場合、角度θ２の絶対値は角度θ１の絶対値よりも小さいので、ミラー５の位置決め角度の誤差が大きい場合であっても、高精度の加工をすることができる。
【００４２】
なお、レンズ８、９は単レンズに限られるものではなく、レンズ収差を補正してレーザ光の歪みを小さくするために使用される複数のレンズで構成された組合せレンズであってもよい。組合せレンズを用いる場合にも、合成焦点距離および主点位置を用いて上記の式１〜式５を適用することができる。
【００４３】
このように、本実施の形態によれば、軸の回りに回転自在のミラー５とミラー１３との間に、ミラー５で偏向されたレーザ光をミラー１３の中心に入射させる補正光学系７を設けたので、加工する穴の軸線は垂直になり、加工品質が向上する。また、高アスペクト比の穴を加工することができる。そして、ミラー５に入射したレーザ光はミラー５の角度に関係なく、ミラー１３の略中心に入射するので、ミラー１３を小さくできる。また、２つの偏向点を一致させるための可動部がないので、加工速度を向上させることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、第１の偏向手段と前記第２の偏向手段との間に、前記第１の偏向手段の偏向中心で偏向された前記レーザ光を前記第２偏向手段の偏向中心に入射させる補正光学系を配置したので、加工する穴の軸線は垂直になり、加工品質が向上する。また、高アスペクト比の穴を加工することができる。
【００４５】
さらに、第１の偏向手段に入射したレーザ光は第１の偏向手段の角度に関係なく、第２の偏向手段の略中心に入射するので、第２の偏向手段を小さくできる。また、２つの偏向点を一致させるための可動部がないので、加工速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ加工機の平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ加工機の側面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ加工機の要部平面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る補正光学系を示す図である。
【符号の説明】
５  ミラー
５ａ  ミラー５の中心
７  補正光学系
８  凸レンズ
９  凸レンズ
１３  ミラー
１３ａ  ミラー１３の中心
Ｍ  ミラー５の回転軸
Ｎ  ミラー１３の回転軸
ｆ１  凸レンズ８、９の焦点距離
【図１】
0004251791.tif 000003
【図２】
0004251791.tif 000004
【図３】
0004251791.tif 000005
【図４】
0004251791.tif 000006