(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器から発振されたレーザ光を、軸の周りに位置決め自在の鏡に照射し、前記鏡で反射させたレーザ光によりワークを加工するレーザ加工装置において、加工に使用するレーザ光とは別のレーザビームを照射するビーム照射装置と、第１の受光装置とを設け、前記ビーム照射装置からのレーザビームを前記鏡の反射面と平行な前記鏡の反射面の裏面側の反射面に向けて照射し、前記第１の受光装置を、前記鏡の反射面に垂直な軸に関して前記ビーム照射装置と反対側の前記レーザビームを受光できる位置に配置し、前記第１の受光装置で受光した前記レーザビームの位置から、前記鏡の回転変位量を検出し、また、前記ビーム照射装置と前記鏡との間にビームスプリッタを設けると共に、前記ビームスプリッタからの反射光を受光できる位置に第２の受光装置を配置し、前記第２の受光装置で受光した前記レーザビームの位置から、前記ビーム照射装置の変位量を検出し、前記鏡の回転変位量と前記ビーム照射装置の変位量とに基づいて、加工を行う際の前記鏡の位置決め角度を補正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、鏡を軸の回りに回転させ、レーザ発振器から発振されたレーザ光をワークの所定の位置に位置決めして加工をする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等に穴明け加工をするレーザ穴明機等のレーザ加工装置では、レーザ光を所定の位置に導くため、鏡を軸回りに位置決め制御するスキャナが使用されている。図３は、従来のレーザ穴明機におけるスキャナ配置部の外観図である。スキャナはスキャナ本体１とスキャナコントローラ２とから構成されており、スキャナ本体１はレーザ穴明機の台座３に支持されている。スキャナ本体１は、モータ４と、モータ４の回転角度を検出する回転角センサ５（以下、センサという。）と、モータ４に接続された回転軸６の端部に配置された反射面７ａを備える鏡７とから構成され、ケーブル８を介してスキャナコントローラ２に接続されている。スキャナコントローラ２はレーザ穴明機のコントローラ９に接続されている。ｆθレンズ１０が鏡７とテーブル１３との間に配置されている。ｆθレンズ１０は中心が鉛直方向かつ鏡７の中心に一致するように配置されており、予め定める範囲（以下、制御範囲という。）に入射する鏡７で反射されたレーザ光１２を、ｆθレンズ１０の中心軸と略平行な鉛直方向のレーザ光１２として出射する。テーブル１３はｆθレンズ１０の中心軸と直角の水平方向に移動する。テーブル１３には、ワークであるプリント基板１４が固定されている。
【０００３】
次に、従来のレーザ穴明機の動作を説明する。
コントローラ９は、先ず、テーブル１３を移動させ、プリント基板１４を制御範囲に位置決めする。次に、スキャナコントローラ２に反射面７ａの角度（例えば、鉛直な軸を基準とする角度。）を指令する。スキャナコントローラ２は、コントローラ９からの指令に基づき、センサ５により回転軸６の回転角度を検出しながら、ケーブル８を介してモータ４に電流を供給し、反射面７ａを指令された位置に位置決めする。反射面７ａが所定の位置に位置決めされると、コントローラ９は図示を省略するレーザ発振器からレーザ光１２を出力させる。出力されたレーザ光１２は反射面７ａで反射されてｆθレンズ１０に入射し、出射したレーザ光１２はプリント基板１４の表面に略垂直に入射してプリント基板１４に穴を明ける。１個の穴を加工したら、レーザ光１２の出力を停止させる。そして、反射面７ａを次の穴の加工位置に位置決め（スキャン）し、レーザ光１２を出力させて次の穴を加工する。以下同様にして制御範囲内の穴を加工する。そして、制御範囲内の穴の加工が終了した後、テーブル１３を移動させ、プリント基板１４を次の制御範囲に位置決めし、次の制御範囲の穴の加工する。以下、総ての穴の加工が終了するまで上記の動作を繰り返す。反射面７ａの位置決めに要する時間は、テーブル１３の位置決めに要する時間よりも遥かに短いから、上記のように構成して穴明け加工をすると、作業能率が向上する。
【０００４】
上記のセンサ５としては、構造が簡単で、応答速度が速く、位置決め精度が高い静電容量型のセンサが多く用いられている。静電容量型のセンサは、回転軸に誘電体を固定し、この誘電体を少なくとも一組の互いに向かい合う電極で挟む構成になっている。そして、回転軸５が回転することにより極板間に挟まれる誘電体の挿入面積が変化し、これに伴なう極板間の静電容量の変化を検出して回転軸６の角度変化に換算する。例えば、特開平７−５５５００号公報には、このような回転角センサの構成が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した極板間の静電容量の値は、極板間に存在する空気の誘電率や極板間の距離等に依存する。このため、極板間に挟まれる誘電体の挿入面積が同じであっても、温度や湿度等の環境条件（特に湿度）が変化すると、静電容量の値が変化し、ゼロドリフトやスケールドリフトが発生する。ゼロドリフトは、図４（ａ）に示すように、実線で示す反射光の範囲が点線で示すように一方の側に回転する現象であり、スケールドリフトは実線で示す反射角度が点線で示すように一様拡大あるいは縮小（図では拡大）する現象であり、いずれの場合も検出値に誤差が発生するため、これに伴って加工誤差が発生する。
【０００６】
そこで、図５に示すように、例えばスキャナ本体１の周囲をコの字形のカバー１５で囲い、加工時には、カバー１５の内部に矢印で示すドライエアを供給したり、カバー１５をヒータで保温することが試みられている。しかし、特に、極板をガラスエポキシ材などの吸湿性を有するプリント基板上に構成したセンサの場合、夜間等のレーザ穴明機が停止している期間中に周囲の湿気を吸収し、レーザ穴明機を立ち上げてから極板が十分に乾燥するまでの間、センサ４の性能が経時的に変化することがあった。また、コイルの発熱による温度変化の時定数が長いため、稼働開始から動作が安定するまでに５〜１０時間を要し、位置決め精度が±２０μｍ程度変化した。
【０００７】
このため、加工する穴の位置精度を±１０μｍ以内にする必要がある場合は、稼働開始から動作が安定するまで、３０分〜１時間毎にアクリル板等のテストピースにスキャニング加工を行い、加工した穴の位置を高倍率のテレビカメラで測定して、回転角度の補正をしていた。また、動作が安定になった後も、３〜５時間毎に回転角度の補正をしていた。また、高密度基板のように、加工する穴の位置精度を±５μｍ以内にする必要がある場合は、動作が安定になった後も、３０分毎に回転角度の補正を行っていた。そして、上記補正作業には、１回毎に５〜１０分を必要とするため、装置稼働率が最大で６７〜８３％に低下した。
【０００８】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、スキャナ本体の環境条件が変化しても、加工精度に優れ、しかも装置稼働率を向上さ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、請求項１の発明は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、軸の周りに位置決め自在の鏡に照射し、前記鏡で反射させたレーザ光によりワークを加工するレーザ加工装置において、加工に使用するレーザ光とは別のレーザビームを照射するビーム照射装置と、第１の受光装置とを設け、前記ビーム照射装置からのレーザビームを前記鏡の反射面と平行な前記鏡の反射面の裏面側の反射面に向けて照射し、前記第１の受光装置を、前記鏡の反射面に垂直な軸に関して前記ビーム照射装置と反対側の前記レーザビームを受光できる位置に配置し、前記第１の受光装置で受光した前記レーザビームの位置から、前記鏡の回転変位量を検出し、また、前記ビーム照射装置と前記鏡との間にビームスプリッタを設けると共に、前記ビームスプリッタからの反射光を受光できる位置に第２の受光装置を配置し、前記第２の受光装置で受光した前記レーザビームの位置から、前記ビーム照射装置の変位量を検出し、前記鏡の回転変位量と前記ビーム照射装置の変位量とに基づいて、加工を行う際の前記鏡の位置決め角度を補正することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るレーザ穴明機におけるスキャナ配置部の装置構成図であり、図３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。
【００１４】
鏡７の反射面７ａと反対側の面には、反射面７ａと平行の反射面７ｂが形成されている。また、反射面７ｂと対向するようにして、レーザ光源２１、ビームスプリッタあるいはハーフミラー２２および第１の光センサ２３が配置されている。ビームスプリッタ２２はレーザ光源２１から出力されるレーザビーム２４の内５０％程度を反射し、残りを通過させる。ビームスプリッタ２２と略直角の位置に第２の光センサ２５が配置されている。光センサ２３、２５はコントローラ９に接続されている。
【００１５】
反射面７ａの基準位置は、反射面７ａが鉛直線に対して４５度の位置であり、反射面７ａを基準位置に位置決めしたとき、レーザ光１２の入射角、レーザ光源２１のレーザビーム２４の出力方向、光センサ２３および光センサ２５は、予め以下のように位置決めされる。すなわち、レーザ光１２の入射角は、反射面７ａで反射されたレーザ光１２が鉛直方向に進み、ｆθレンズ１０の中心に入射するように位置決めされる。レーザ光源２１は、出力するレーザビーム２４が鏡７の回転の軸心Ｏに向かうように位置決めされる。ビームスプリッタ２２はレーザビーム２４に対して４５度に位置決めされる。光センサ２３は、反射面７ｂで反射されたレーザビーム２４が中心Ａ０に入射するように位置決めされる。光センサ２５は、ビームスプリッタ２２で反射されたレーザビーム２４が中心Ｂ０に入射するように位置決めされる。
【００１６】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
図２は、本発明における測定諸元を説明するための図である。ここでは、理解を容易にするため、鏡７の厚さを０とする。また、光センサ２３の中心Ａと反射面７ｂの距離はＬであり、反射面７ａを回転範囲±θ（通常１０度程度）の両端に位置決めしたときに、反射面７ｂで反射されたレーザ光２４の＋θ側の入射位置Ｅ１０と−θ側のＥ２０が予め求めてある。また、光センサ２５の中心Ｂとビームスプリッタ２２の距離はＭである。
【００１７】
そして、従来と同様にして、レーザ光１２によりプリント基板１４の所定の位置に穴明け加工を行う。
【００１８】
予め定める時間が経過したら、コントローラ９は、反射面７ａを基準位置に位置決めし、レーザ光源２１からレーザビーム２４を出力させる。そして、先ず、光センサ２５のビームスプリッタ２２で反射されたレーザビーム２４が入射する位置Ｂ１の中心Ｂ０からの距離ｂを調べる。そして、距離ｂが０でなく、かつ予め定める範囲内の値である場合には、レーザビーム２４の変位角度αをｔａｎα＝ｂ／Ｍとして求め、変位角度αを記憶する。次に、光センサ２３の反射面７ｂで反射されたレーザビーム２４が入射する位置Ａ１の中心Ａ０からの距離ａを調べる。そして、距離ａが０でなく、かつ予め定める範囲内の値である場合には、反射面７ｂの変位角度βをｔａｎ２β＝ａ／Ｌとして求め、変位角度βを記憶する。そして、変位角度αと変位角度βとから、基準位置における反射面７ａで反射されたレーザ光１２の変位量γ（ゼロドリフト）を求める。
【００１９】
次に、反射面７ａを回転範囲の＋θに位置決めし、反射面７ｂで反射されたレーザ光２４の入射位置Ｅ１１の中心Ａ０からの距離ｅ１を求めた後、反射面７ｂを回転範囲の−θに位置決めし、反射面７ｂで反射されたレーザ光２４の入射位置Ｅ２１の中心Ａ０からの距離ｅ２を求める。そして、Ｅ１１、Ｅ２１間の距離すなわち距離ｅ１と距離ｅ２の和と、Ｅ１０、Ｅ２０間の距離ｅ０との差から変位量δ（スケールドリフト）を求める。
【００２０】
そして、これ以降の加工を行う際の反射面７ａの位置決め角度を、変位量γおよび変位量δに基づいて補正する。
【００２１】
この実施の形態では、スペースに余裕がある鏡７の背面側を利用して、レーザビーム２４を反射面７ｂで反射させるようにしたから、距離Ｌを十分大きくすることが容易であり、従来に比べて分解能を１０倍程度向上させることができる。
【００２２】
ここで、光センサ２３の有効長は、例えば、分解能が０．１μｍの場合、３０ｍｍ程度になる。
【００２３】
また、レーザビーム２４の変位角度αを求めるようにしたから、例えばレーザ光源２１の保持部がレーザ光源２１内部の温度上昇により変位して、レーザビーム２４の反射面７ｂの入射角度が変化した場合でも、反射面７ａの位置を精度良く補正することができる。
【００２４】
なお、鏡７は厚さがあるため、実際には鏡７の厚さを考慮して反射面７ａの位置を補正する。この場合、鏡７は厚さは変化せず、固定の値であるから、容易に補正することができる。
【００２５】
また、上記では鏡が１個の場合について説明したが、鏡を２個とし、レーザ光１２をｆθレンズ１０に対して２軸方向に入射させる場合にも適用できる。
【００２６】
また、レーザビーム２４を反射面７ａに入射させるようにしてもよい。
【００２７】
さらに、上記では、反射面７ａの変位を、予め定める時間毎に調べるようにしたが、通常、変位が急激に大きくなることはないから、加工のために反射面７ａを基準位置や両端位置に位置決めした時、レーザビーム２４を出力して反射面７ａの変位を測定するようにすれば、加工をしながら反射面７ａの変位を求めることができる。
【００２８】
また、レーザ光２４のビーム径およびエネルギ分布を均一なものとするために、レーザ光源２１とビームスプリッタ２２との間にビームモード整形ユニットやフォーカスレンズなどの光学手段を配置してもよい。
【００２９】
さらに、反射面７ｂと光センサ２３との間に、例えばｆθレンズなどを配置して反射面７ｂで反射されたレーザビーム２４が光センサ２３に垂直に入射するようにしてもよい。このようにすると、光センサ２３に入射するレーザビーム２４の径が一定になり、入射位置Ｅ１０，Ｅ１１等の位置決め精度をさらに向上させることができる。
【００３０】
また、レーザ光源２１を複数個設け、反射面７ａの複数の位置の変位を検出するようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、軸の周りに位置決め自在の鏡に照射し、前記鏡で反射させたレーザ光によりワークを加工するレーザ加工装置において、加工に使用するレーザ光とは別のガイドビームを照射するビーム照射装置と、受光装置とを設け、前記受光装置を、前記鏡の反射面に垂直な軸に関して前記ビーム照射装置と反対側の前記ガイドビームを受光できる位置に配置し、前記受光装置で受光した前記ガイドビームの位置から、前記鏡の回転角度を検出する。したがって、装置組立時に、確認のための試し加工を行えば、以降の鏡の位置確認は加工と加工との間、例えば、プリント基板の交換作業と並行して行うことができ、従来のように鏡の位置確認を行うたびに試し加工により鏡の位置確認をする必要がなく、確認を短時間で行うことができ、装置の稼動率が向上する。また、反射面と光センサとの距離を大きくすることができ、反射面の位置決め精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ穴明機におけるスキャナ配置部の装置構成図である。
【図２】本発明における測定諸元を説明するための図である。
【図３】従来のレーザ穴明機におけるスキャナ配置部の外観図である。
【図４】ゼロドリフトとスケールドリフトを説明する図である。
【図５】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
７  鏡７
７ａ  反射面
７ｂ  反射面
１２  レーザ光
２１  ビーム照射装置
２２  ビームスプリッタ
２３  受光装置
２４  ガイドビーム
【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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