JP4184640B2

JP4184640B2 - Laser processing method and laser processing apparatus

Info

Publication number: JP4184640B2
Application number: JP2001276715A
Authority: JP
Inventors: 治明大槻; 貞雄森; 聡一遠山; 淳坂本; 朋之濱田; 山口　　剛; 哲雄村上; 弥市大久保
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: JP2003088986A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームの進路を操作して前記レーザビームを加工対象の所定の位置に照射するレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工装置は、レーザビームと加工対象とを相対的に移動させながら加工をする装置である。
【０００３】
例えば、従来のプリント基板穴明け用レーザ加工装置は、プリント基板を搭載して水平なＸＹ方向にプリント基板を移動させるＸＹテーブルサーボ機構と、レーザビームを上記プリント基板上のＸＹ方向に走査させる一対のガルバノミラーサーボ機構とを備えている。ＸＹテーブルサーボ機構は、ＸＹテーブルを移動方向を互いに９０゜にして重ねた２つの案内装置に支持させ、この案内装置をモータとボールねじにより駆動し、モータの回転角度を検出してフィードバックするサーボ機構を構成したものである。また、ガルバノミラーサーボ機構は、揺動型の電磁アクチュエータの回転軸にミラーを取り付け、回転軸の回転角度を検出してフィードバックするサーボ機構を構成したものである。
【０００４】
ＸＹテーブルはプリント基板を移動できる領域が広いが、質量が大きいためサーボ機構の応答周波数は低い。一方、ガルバノミラーは質量が小さいためサーボ機構の応答周波数は高いが、レーザビームを走査できる領域はプリント基板のサイズに比べて小さい。
【０００５】
そこで、プリント基板に穴を加工する際には、ＸＹテーブルを駆動して加工しようとする対象領域をガルバノミラーの走査可能領域に一致させてから、加工を開始する。レーザ源からパルス状に照射されるレーザビームは、いくつかのミラーにより光路を導かれて一対のガルバノミラーに達し、ミラー角度に応じて、プリント基板上のＸ方向及びＹ方向に対応する直交２方向に進行方向を変えられた後、Ｆθレンズを経てプリント基板上の穴加工位置に至りプリント基板に穴を加工する。ガルバノミラーの位置決めとレーザの照射を繰り返し、ガルバノミラーの走査可能領域の加工が終了すると、ＸＹテーブルを移動させ、次の加工対象領域をガルバノミラーの走査可能領域に一致させる。以下、上記の動作を繰り返してプリント基板全面の加工を行う。
【０００６】
近年、電子機器の小型高機能化の進展に伴い、プリント基板の多層化、パターンの微細化が進む一方で、常に生産効率の向上が求められており、レーザ加工装置においても、作業の高速化と品質の高精度化が求められている。
【０００７】
プリント基板に穴を加工する場合、ＸＹテーブルが加工対象領域間の移動に要する時間に比べ、ガルバノミラーの位置決めに要する時間の方がはるかに長い。また、ガルバノミラーの走査可能領域内においては、比較的短いストロークでレーザビームを位置決めする頻度が高い。
【０００８】
そこで、特開平３−１６３６０９号公報（以下、「第１の従来技術」という。）では、ミラーを駆動してレーザビームを偏向する第１の走査手段を第２の走査手段の可動部に搭載し、２つの走査手段を一体に構成して、ガルバノスキャナの応答性を向上させている。
【０００９】
また、特開平１０−３２３７８５公報（以下、「第２の従来技術」という。）では、レーザ発振器から出力されたレーザビームをＮ本に分岐させ、分岐させたレーザビームを各々互いに独立のガルバノスキャナで走査することにより、トータルの加工速度を向上させている。
【００１０】
また、特開平１１−１７００７２公報（以下、「第３の従来技術」という。）では、ピエゾ素子を用いてミラーを高速に駆動している。
【００１１】
また、米国特許第５７５１５８５号公報（以下、「第４の従来技術」という。）では、ガルバノスキャナと同時にＸＹテーブルも駆動することにより加工速度を向上させている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記第１の従来技術の場合、走査手段の質量が大きくなるため、速い応答が得られない。また、第１の走査手段と第２の走査手段との間に運動の干渉が発生し、一方を駆動すると他方が振られるという問題がある。
【００１３】
また、上記第２の従来技術の場合、分岐された各レーザのパワーは１／Ｎになるため、穴加工品質及び加工速度を保つには、出力がＮ倍のレーザ発振器を用意する必要がある。
【００１４】
また、上記第３の従来技術の場合、ピエゾ素子の変位量がガルバノスキャナに比べて極めて小さいため、ミラーがレーザビームを走査させることができる領域は小さい。このため、応答の遅いＸＹテーブルを頻繁に動かさなければならず、加工能率を向上させることができない。
【００１５】
また、上記第４の従来技術の場合、次の加工対象領域に移動するための時間は短縮できるが、ガルバノスキャナの動作時間を短縮する効果はない。また、一方の駆動系の応答限界を他方の駆動系がカバーする作用はない。
【００１６】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、レーザ発振器のパワーやガルバノスキャナの走査可能領域を変えることなく、加工能率を向上させることができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供するにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の第１の手段は、レーザビームの進路を操作して前記レーザビームを加工対象の所定の位置に照射するレーザ加工方法において、
偏向角を変えることにより前記レーザビームを走査させる第１の走査手段と、
前記偏向角の選択範囲が前記第１の走査手段よりも狭く、かつ応答速度が前記第１の走査手段よりも速い第２の走査手段と、
前記２個の走査手段の偏向角を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記第１の走査手段の偏向角と前記第２の走査手段の偏向角とから前記レーザビームの照射位置を算出すると共に、算出した値と目標値との偏差により前記２つの走査手段を駆動するサーボ系と、
を備え、
前記サーボ系のうち前記第２の走査手段を駆動するサーボ系は、前記算出した値と目標値との偏差に基づいて前記レーザビームの照射位置を移動させ、
前記サーボ系のうち前記第１の走査手段を駆動するサーボ系は、前記算出した値と目標値との偏差と、前記第２の操作手段で移動させられた移動距離の検出値との和に基づいて前記レーザビームの照射位置を移動させ、
前記第１の走査手段の偏向方向と前記第２の走査手段の偏向方向とを同軸にすることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の第２の手段は、レーザビームの進路を操作して前記レーザビームを加工対象の所定の位置に照射するレーザ加工装置において、
偏向角を変えることにより前記レーザビームを走査させる第１の走査手段と、
前記偏向角の選択範囲が前記第１の走査手段よりも狭く、かつ応答速度が前記第１の走査手段よりも速い第２の走査手段と、
前記２個の走査手段の偏向角を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記第１の走査手段の偏向角と前記第２の走査手段の偏向角とから前記レーザビームの照射位置を算出すると共に、算出した値と目標値との偏差により前記２つの走査手段を駆動するサーボ系と、
を備え、
前記サーボ系のうち前記第２の走査手段を駆動するサーボ系は、前記算出した値と目標値との偏差に基づいて前記レーザビームの照射位置を移動させ、
前記サーボ系のうち前記第１の走査手段を駆動するサーボ系は、前記算出した値と目標値との偏差と、前記第２の操作手段で移動させられた移動距離の検出値との和に基づいて前記レーザビームの照射位置を移動させ、
前記第１の走査手段の偏向方向と前記第２の走査手段の偏向方向とを同軸にすることを特徴とする。
【００２０】
【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。
【００２１】
図１は、本発明に係るプリント基板穴明け用レーザ加工装置の構成図であり、発明の本質に関わらない部分は図示を省略してある。
【００２２】
図において、レーザ発振器１１から出力されたレーザビーム１０は、ミラー１２、ミラー１３を介してコリメータやアパーチャ等で構成される光学的ビーム処理系１４に入射し、外形を整形された後、ミラー１５を介して第１の微動ミラー２１に入射する。微動ミラー２１は、図中の右方向から入射するレーザビーム１０を反射して図中の下方向へと導く。後述するように、微動ミラー２１が傾きを変更できる範囲（すなわち偏向角を選択できる範囲）は狭いが、傾き角度を高速で変更することができる。そして、微動ミラー２１の角度を変えることにより、ＸＹテーブル上におけるレーザビームの位置（スポット位置）を、図中の左右方向（Ｙ軸方向）に走査（移動）させることができる。
【００２３】
微動ミラー２１の近傍には、第１の補助レーザ源２３と、第１の補助レーザ源２３から出力されたレーザビームを受光するセンサ２５とが配置されている。センサ２５は、微小な光検出素子を直線的に配列した構成であり、微動ミラー２１が傾きを変更しても、補助レーザ源２３が出力する補助レーザビームを確実に受光することができる。
【００２４】
微動ミラー２１で反射されたレーザビーム１０は、第２の微動ミラー２２に入射する。微動ミラー２２は、図中の上方向から入射するレーザビーム１０を反射して図中の左方向へ導く。微動ミラー２２は、微動ミラー２１と同じ構成であり、傾きを変更できる範囲は狭いが、傾き角度を高速で変更することができる。そして、微動ミラー２２の角度を変えることにより、ＸＹテーブル上におけるレーザビームの位置を、図中の前後方向（Ｘ軸方向）に移動させることができる。
【００２５】
微動ミラー２２の近傍には、第２の補助レーザ源２４と、第２の補助レーザ源２４から出力されたレーザビームを受光するセンサ２６とが配置されている。センサ２６は、微小な光検出素子を直線的に配列した構成であり、微動ミラー２２が傾きを変更しても、補助レーザ源２４が出力する補助レーザビーム確実に受光することができる。
【００２６】
第２の微動ミラー２２で反射されたレーザビーム１０は、ミラー３１ａに入射する。ミラー３１ａは、図中の右方向から入射するレーザビーム１０を反射して図中前方向へ導く。ミラー３１ａは駆動モータおよび角度検出器を備える第１のガルバノスキャナ３１により駆動される。そして、ミラー３１ａの角度を変えることにより、ＸＹテーブル上におけるレーザビームの位置を、微動ミラー２１と同様に、図中の左右方向（Ｙ軸方向）に移動させることができる。
【００２７】
ミラー３１ａで反射されたレーザビーム１０は、ミラー３２ａに入射する。ミラー３２ａは、図中の奥方向から入射するレーザビーム１０を反射して図中下方向へ導く。ミラー３２ａは駆動モータおよび角度検出器を備える第２のガルバノスキャナ３２により駆動される。そして、ミラー３２ａの角度を変えることにより、ＸＹテーブル上におけるレーザビームの位置を、微動ミラー２２と同様に、図中の前後方向（Ｘ軸方向）に移動させることができる。
【００２８】
ミラー３２ａで反射されたレーザビーム１０は、Ｆθレンズ１６を介して、ＸＹテーブル４２上に載置されたプリント基板５０に照射される。ＸＹテーブル４２は、ベッド４１上をＸＹ方向に移動自在である。
【００２９】
次に、微動ミラー２１の駆動手段について説明する。
【００３０】
図２は、本発明に係る微動ミラー２１近傍の側面図である。
【００３１】
微動ミラー２１は、４節リンク機構の第２リンク部２１４に固定されている。第２リンク部２１４の両側には、弾性ヒンジ２５０を介して第１リンク部２１３と第３リンク部２１５の一方の端部が接続されている。第１リンク部２１３と第３リンク部２１５の他方の端部は弾性ヒンジ２５０を介してベース部２１６の端部にそれぞれ接続されている。
【００３２】
第１リンク部２１３とベース部２１６との間には圧電素子２１１が配置されており、第３リンク部２１５とベース部２１６との間には圧電素子２１２が配置されている。圧電素子２１１と圧電素子２１２にはいずれも初期圧縮力が加えられている。
【００３３】
以上の構成であるから、例えば微動ミラー２１を図２において時計回りに傾けようとする場合、微動ミラー２１の駆動回路は、圧電素子２１１に伸長する方向の電圧を加えると共に、圧電素子２１２に収縮する方向の電圧を加える。すると、圧電素子２１１、２１２が伸縮することにより、第１リンク部２１３、第３リンク部２１５がそれぞれベース部２１６に対して反時計回りに傾く。この結果、間にある第２リンク部２１４すなわち微動ミラー２１は時計回りに傾く。
【００３４】
微動ミラー２１の角度は、補助レーザ源２３から照射され微動ミラー２１で反射された補助レーザビーム２３０を受光したセンサ２５により計測される。
【００３５】
なお、微動ミラー２２の駆動手段は、微動ミラー２１の駆動手段と同一の構成であり、動作も実質的に同じであるので、重複する説明を省略する。
【００３６】
次に、制御系について説明する。
【００３７】
図３は、本発明に係るレーザ加工装置の制御系の接続を示すブロック図である。
【００３８】
数値制御装置６０から与えられる移動指令に応じて、加工装置制御装置６１は、スキャナ系、ＸＹテーブル、レーザ発振器等を動作させる。移動指令を受けた加工装置制御装置６１内部のスキャナ制御装置６２は、駆動回路３１１、３２１を介してガルバノスキャナ３１、３２を駆動すると共に、駆動回路２５１、２６１を介して微動ミラー２１、２２を駆動する。また、ガルバノスキャナ３１、３２に設けられている位置検出器は、検出回路３１２、３２２を介して、ミラー３１ａ、３２ａの回転角度をスキャナ制御装置６２にフィードバックする。また、センサ２５、２６は、検出回路２５２、２６２を介して、微動ミラー２１、２２の角度をスキャナ制御装置６２にフィードバックする。
【００３９】
次に、制御信号の流れについて説明する。
【００４０】
図４は、本発明に係る一方向（Ｘ方向またはＹ方向）に関する走査制御系のブロック線図である。
【００４１】
以下、レーザビームをＹ方向に走査させる場合について説明する。
【００４２】
走査位置目標値ｒを指令されたスキャナ制御装置６２は、加算器７０により、走査位置目標値ｒと加算器７２の出力値との偏差ｋを求め、得られた偏差ｋを微動ミラー制御系補償要素Ｇ_c1（ｓ）と加算器７１に入力する。そして、微動ミラー制御系補償要素Ｇ_c1（ｓ）は偏差ｋに基づいて微動ミラー２１の駆動系Ｇ_p1（ｓ）を動作させ、レーザビームの位置を距離ｙ₁だけ移動させる。加算器７１は、偏差ｋと検出要素Ｇ_f1（ｓ）からの出力ｈを加算してガルバノスキャナ制御系補償要素Ｇ_c2（ｓ）に入力する。そして、ガルバノスキャナ制御系補償要素Ｇ_c2（ｓ）は、偏差ｋと出力ｈの和に基づいてガルバノスキャナＧ_p2（ｓ）を動作させ、レーザビームの位置を距離ｙ₂だけ移動させる。この結果、実際のレーザビーム位置ｙは、距離ｙ₁と距離ｙ₂の和になる。
【００４３】
センサ２５により検出される微動ミラー２１の傾き角（すなわち距離ｙ₁）は、センサ２５に起因する伝達特性を持つ検出要素Ｇ_f1（ｓ）により処理され、目標値ｒと同じ物理量かつ同一尺度である値ｈに変換されて、加算器７１、７２に出力される。
【００４４】
また、ガルバノスキャナ３１に内蔵された角度検出器により検出されるミラー３１ａの回転角（すなわち距離ｙ₂）は、この角度検出器に起因する伝達特性を持つ検出要素Ｇ_f2（ｓ）により処理され、目標値ｒと同じ物理量かつ同一尺度である値ｊに変換されて、加算器７２に出力される。加算器７２は値ｈと値ｊを加算して、その結果を加算器７０に出力する。
【００４５】
このような構成のサーボ系とすることにより、微動ミラー２１とガルバノスキャナ３１が協調動作し、微動ミラー２１はガルバノスキャナ３１の応答の遅さの影響を含めた偏差を補正するように動作し、ガルバノスキャナ３１は微動ミラー２１のストローク不足分を補うように動作する。そして、Ｘ方向もＹ方向の場合と同様に制御される。
【００４６】
次に、本発明の効果を、移動距離が微動ミラー２１のストローク（傾き角度可変範囲すなわち走査可能範囲）よりも短い場合と、移動距離が微動ミラー２１のストロークを超える場合についてそれぞれ説明する。
【００４７】
図５は、照射位置を微動ミラー２１のストロークよりも短い距離だけステップ状に変えた場合の照射位置の変位応答波形の一例を示す図である。
【００４８】
同図において、波形４０３は本発明を適用した場合の照射位置の変位応答を、また、波形４０２はこのときの微動ミラー２１の変位応答を示している。なお、本発明と従来技術とを比較するため、ガルバノスキャナ３１だけでレーザビーム１０を走査させた場合の照射位置の変位応答を波形４０１で示してある。同図から明らかなように、本発明によれば、微動ミラー２１の動作により、応答時間が短縮されることがわかる。
【００４９】
また、図６は、照射位置を微動ミラー２１のストロークよりも長い距離だけステップ状に変えた場合の照射位置の変位応答波形の一例を示す図である。
【００５０】
同図において、波形４１３は本発明を適用した場合の照射位置の変位応答を、また、波形４１２はこのときの微動ミラー２１の変位応答を示している。なお、本発明と従来技術とを比較するため、ガルバノスキャナ３１のみでレーザビーム１０を走査させた場合の照射位置の変位応答を波形４１１で示してある。同図から明らかなように、本発明によれば、移動量が微動ミラー２１のストロークを越える場合にも、微動ミラー２１の動作により整定時間が短縮される結果、応答時間が短縮されることがわかる。
【００５１】
このように本発明では、目標位置が近い場合には、応答速度の速い微動スキャナを動作させるだけでよいので、走査速度を向上させることができる。
【００５２】
また、光路上に二つのミラーを配置するとき、レーザ発振器から遠い側のミラーは、レーザ発振器に近い側のミラーで反射されたレーザビームを受光できるサイズにする必要があるが、本発明では、微動ミラーをレーザ発振器とガルバノスキャナとの間に配置したので、ガルバノスキャナが駆動するミラーの大きさは従来とほぼ同じ大きさにすることができる。したがって、ガルバノスキャナ単体の応答速度が低下することもない。
【００５３】
また、微動スキャナを駆動する４節リンクを弾性ヒンジで接続するようにしたので、通常の回転軸受を用いる場合に比べてバックラッシュによる精度の低下を防止することができる。
【００５４】
なお、微動ミラーとガルバノスキャナそれぞれに走査量を分担させる方法として次のようにすることもできる。すなわち、数値制御装置６０から与えられる移動指令を、スキャナ制御装置６２の中でディジタルフィルタ処理し、高周波成分と低周波成分に分離する。そして、高周波成分を微動走査手段のサーボ系に位置指令として与え、低周波成分をスキャナサーボ系に位置指令として与える。前記デジタルフィルタ処理は、アナログ演算回路を用いたアナログフィルタで行うこともできる。ただし、この方法の場合、高周波成分の変位量を監視して、変位量が微動スキャナのストロークを越える場合には分配を補正する処理が必要になる。
【００５５】
また、プレビュー制御やフィードフォワード制御の手法を用いてそれぞれのサーボ系がそれぞれの目標値に高精度に追従するようにすれば、移動指令に従った走査を実現することができる。しかし、この場合には、二つのサーボ系は互いに独立であり、他方の偏差を補正する動作、すなわち協調動作を行わない。このため、一方のサーボ系の偏差が増大しても、他方のサーボ系は何もしないので、全体として静定時間が長くなる。
【００５６】
ところで、上記では、微動ミラー毎に補助レーザ源とセンサとを設けたが、補助レーザ源とセンサを１組にすることもできる。
【００５７】
図７は、本発明の変形例を示すプリント基板穴明け用レーザ加工装置の構成図であり、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重複する説明を省略する。
【００５８】
同図において、センサ２５は、２次元フォトセンサアレイであり、補助レーザビーム２３０の波長はレーザビーム１０の波長と異なる波長が選定されている。
【００５９】
補助レーザ源２３から照射される補助レーザビーム２３０は、ダイクロイックミラー１５１に入射する。ダイクロイックミラー１５１は、補助レーザビーム２３０の波長の光は反射し、レーザビーム１０の波長の光は透過する性質を持っているので、補助レーザビーム２３０は、ダイクロイックミラー１５１によって反射され、レーザビーム１０の光路と同一の光路に進入する。２つのレーザビームは微動ミラー２１及び微動ミラー２２で反射されたのち、ダイクロイックミラー１５２に入射する。そして、ダイクロイックミラー１５２によりレーザビーム１０と補助レーザビーム２３０に分離され、補助レーザビーム２３０はセンサ２５に入射し、レーザビーム１０はミラー３１ａに入射する。センサ２５は、２次元フォトセンサアレイであるので、微動ミラー２１及び微動ミラー２２の角度を独立に検出することができる。
【００６０】
このように２つの微動ミラーの角度を、一つの補助レーザ及び一つのセンサによって行うので、省スペース化を図ることができる。
【００６１】
また、上記では、微動ミラー２１、２２の駆動手段を４節リンクを圧電素子で駆動するようにしたが、別の駆動手段、例えば超磁歪素子を用いたものであってもよい。
【００６２】
図８は、微動ミラー２１、２２を駆動する駆動手段の他の構成例を示す図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は側面図である。
【００６３】
同図において、超磁歪素子アクチュエータ２１７はベース２１６に固定されている。超磁歪素子アクチュエータ２１７の駆動ロッド２１８は軸方向に変位することができ、駆動ロッド２１８の先端は、スライダクランク機構を構成するリンクのうちの第３リンク２１５の一端に固定されている。第３リンク２１５の他端は弾性ヒンジ２５０を介して第２リンク２１４に接続され、第２リンクの他端は弾性ヒンジ２５０を介して第１リンク２１３に接続されている。第１リンクの下端は弾性ヒンジ２５０を介してベース２１６に接続されている。第１リンク２１３にはミラー２１０が固定されている。そして、駆動ロッド２１８を図の左右方向に移動させると、第３リンク２１５が変位し、これに伴って弾性ヒンジ２５０を介して接続されている第２リンク２１４が変位し、さらに弾性ヒンジ２５０を介して接続された第一リンク２１３がベース２１６側の弾性ヒンジ２５０を中心として回転する。この結果、第１リンク２１３に固定されているミラー２１０が回転して、レーザビーム１０の進行方向を変化させることができる。なお、超磁歪素子アクチュエータ２１７に代えて圧電素子を用いてもよい。
【００６４】
また、図示を省略するが、２本のリンクと伸縮可能なリンクを弾性ヒンジ２５０により三角形状に接続し、伸縮しないリンクにミラーを固定しても、微動ミラーの傾きを変えることができる。
【００６５】
また、上記ではパルス状にレーザを照射するプリント基板穴明け用レーザ加工装置について説明したが、本発明は、レーザを連続して照射するレーザ描画装置にも適用することができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、特に短い距離に対して走査手段の応答周波数を高めることができるので、移動距離が短い場合、目標位置への移動時間を大幅に短縮することができる。また、移動距離が長い場合にも、２つの走査手段が協同して動作するので、目標位置への移動時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプリント基板穴明け用レーザ加工装置の構成図である。
【図２】本発明に係る微動ミラー近傍の側面図である。
【図３】本発明に係るレーザ加工装置の制御系の接続を示すブロック図である。
【図４】本発明に係る一方向に関する走査制御系のブロック線図である。
【図５】本発明の効果を説明するである。
【図６】本発明の効果を説明するである。
【図７】本発明の変形例を示すプリント基板穴明け用レーザ加工装置の構成図である。
【図８】本発明の変形例を示す微動ミラー近傍の側面図である。
【符号の説明】
１０レーザビーム
２１微動ミラー
２２微動ミラー
３１ガルバノスキャナ
３１ａミラー
３２ガルバノスキャナ
３２ａミラー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing method and laser processing equipment by operating the path of the laser beam irradiating the laser beam to a predetermined position of the processing target.
[0002]
[Prior art]
The laser processing apparatus is an apparatus that performs processing while relatively moving a laser beam and a processing target.
[0003]
For example, a conventional laser drilling device for drilling a printed circuit board includes a pair of XY table servo mechanisms that mount a printed circuit board and move the printed circuit board in the horizontal XY directions, and a laser beam that scans in the XY direction on the printed circuit board. Galvanometer mirror servomechanism. The XY table servo mechanism is a servo that supports an XY table by two guide devices stacked with the movement direction set at 90 ° to each other, drives the guide device with a motor and a ball screw, and detects and rotates the rotation angle of the motor. It constitutes the mechanism. The galvano mirror servo mechanism is a servo mechanism that attaches a mirror to the rotating shaft of an oscillating electromagnetic actuator, detects the rotation angle of the rotating shaft, and feeds back.
[0004]
The XY table has a wide area in which the printed circuit board can be moved, but the response frequency of the servo mechanism is low because of its large mass. On the other hand, since the galvanometer mirror has a small mass, the response frequency of the servo mechanism is high, but the area where the laser beam can be scanned is small compared to the size of the printed circuit board.
[0005]
Therefore, when processing a hole in a printed circuit board, the processing is started after the target region to be processed by driving the XY table is matched with the scannable region of the galvanometer mirror. A laser beam irradiated in a pulse form from a laser source is guided by an optical path by several mirrors to reach a pair of galvanometer mirrors, and is orthogonal 2 corresponding to the X direction and the Y direction on the printed circuit board according to the mirror angle. After the traveling direction is changed to the direction, the hole is formed on the printed board through the Fθ lens and a hole is processed in the printed board. The positioning of the galvano mirror and the laser irradiation are repeated, and when the processing of the scanable area of the galvano mirror is completed, the XY table is moved to match the next process target area with the scanable area of the galvano mirror. Thereafter, the entire operation of the printed circuit board is performed by repeating the above operation.
[0006]
In recent years, with the progress of miniaturization and high functionality of electronic devices, while multilayering of printed circuit boards and miniaturization of patterns have progressed, improvement in production efficiency is always required, and even in laser processing equipment, work speed is increased. There is a need for higher quality.
[0007]
When processing a hole in a printed circuit board, the time required for positioning the galvanometer mirror is much longer than the time required for the XY table to move between the processing target areas. Further, the frequency of positioning the laser beam with a relatively short stroke is high within the scannable region of the galvanometer mirror.
[0008]
Therefore, in Japanese Patent Laid-Open No. 3163609 (hereinafter referred to as “first prior art”), a first scanning means for driving a mirror and deflecting a laser beam is mounted on a movable part of the second scanning means. In addition, the two scanning means are integrally configured to improve the responsiveness of the galvano scanner.
[0009]
In Japanese Patent Laid-Open No. 10-323785 (hereinafter referred to as “second prior art”), a laser beam output from a laser oscillator is branched into N beams, and the branched laser beams are independent from each other. The total processing speed is improved by scanning with.
[0010]
In Japanese Patent Laid-Open No. 11-170072 (hereinafter referred to as “third prior art”), a mirror is driven at high speed using a piezoelectric element.
[0011]
In US Pat. No. 5,751,585 (hereinafter referred to as “fourth prior art”), the machining speed is improved by driving the XY table simultaneously with the galvano scanner.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of the first prior art, since the mass of the scanning means increases, a quick response cannot be obtained. Further, there is a problem that movement interference occurs between the first scanning means and the second scanning means, and when one is driven, the other is shaken.
[0013]
In the case of the second prior art, since the power of each branched laser becomes 1 / N, it is necessary to prepare a laser oscillator whose output is N times to maintain the drilling quality and processing speed. .
[0014]
In the case of the third prior art, since the displacement amount of the piezo element is extremely small compared to the galvano scanner, the area in which the mirror can scan the laser beam is small. For this reason, the XY table having a slow response must be frequently moved, and the machining efficiency cannot be improved.
[0015]
In the case of the fourth prior art, the time required to move to the next region to be processed can be shortened, but there is no effect of shortening the operation time of the galvano scanner. Further, there is no action that the other drive system covers the response limit of one drive system.
[0016]
An object of the present invention is to solve the problems in the prior art, without changing the scanning area of the power and optical scanner of the laser oscillator to provide a laser processing method and laser processing equipment which can improve the working efficiency It is in.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first means of the present invention is a laser processing method for operating a laser beam path to irradiate a predetermined position of a processing target with the laser beam.
First scanning means for scanning the laser beam by changing a deflection angle;
A second scanning unit in which a selection range of the deflection angle is narrower than that of the first scanning unit and a response speed is faster than that of the first scanning unit;
Detecting means for detecting a deflection angle of the two scanning means;
The irradiation position of the laser beam is calculated from the deflection angle of the first scanning unit and the deflection angle of the second scanning unit detected by the detection unit, and the deviation between the calculated value and the target value is used. A servo system for driving two scanning means;
With
The servo system that drives the second scanning unit of the servo system moves the irradiation position of the laser beam based on the deviation between the calculated value and the target value,
The servo system servo system for driving said first scanning means out of the deviation between the value and the target value described above is calculated, the sum of the detected value of the moving distance moved by the second operating means And moving the irradiation position of the laser beam based on
The deflection direction of the first scanning unit and the deflection direction of the second scanning unit are coaxial.
[0018]
The second means of the present invention is a laser processing apparatus for irradiating a predetermined position to be processed by operating the path of the laser beam.
First scanning means for scanning the laser beam by changing a deflection angle;
A second scanning unit in which a selection range of the deflection angle is narrower than that of the first scanning unit and a response speed is faster than that of the first scanning unit;
Detecting means for detecting a deflection angle of the two scanning means;
The irradiation position of the laser beam is calculated from the deflection angle of the first scanning unit and the deflection angle of the second scanning unit detected by the detection unit, and the deviation between the calculated value and the target value is used. A servo system for driving two scanning means;
With
The servo system that drives the second scanning unit of the servo system moves the irradiation position of the laser beam based on the deviation between the calculated value and the target value,
The servo system servo system for driving said first scanning means out of the deviation between the value and the target value described above is calculated, the sum of the detected value of the moving distance moved by the second operating means And moving the irradiation position of the laser beam based on
The deflection direction of the first scanning unit and the deflection direction of the second scanning unit are coaxial.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
[0021]
FIG. 1 is a configuration diagram of a laser processing apparatus for drilling a printed circuit board according to the present invention, and illustrations of portions not related to the essence of the invention are omitted.
[0022]
In the figure, a laser beam 10 output from a laser oscillator 11 is incident on an optical beam processing system 14 composed of a collimator, an aperture, and the like via a mirror 12 and a mirror 13, and after the outer shape is shaped, a mirror 15 Then, the light enters the first fine movement mirror 21. The fine movement mirror 21 reflects the laser beam 10 incident from the right direction in the drawing and guides it downward in the drawing. As will be described later, the range in which the fine movement mirror 21 can change the tilt (that is, the range in which the deflection angle can be selected) is narrow, but the tilt angle can be changed at high speed. By changing the angle of fine movement mirror 21, the position (spot position) of the laser beam on the XY table can be scanned (moved) in the left-right direction (Y-axis direction) in the figure.
[0023]
A first auxiliary laser source 23 and a sensor 25 that receives a laser beam output from the first auxiliary laser source 23 are disposed in the vicinity of the fine movement mirror 21. The sensor 25 has a configuration in which minute light detection elements are linearly arranged, and even if the fine movement mirror 21 changes the tilt, it can reliably receive the auxiliary laser beam output from the auxiliary laser source 23.
[0024]
The laser beam 10 reflected by the fine movement mirror 21 enters the second fine movement mirror 22. The fine movement mirror 22 reflects the laser beam 10 incident from above in the drawing and guides it to the left in the drawing. The fine movement mirror 22 has the same configuration as the fine movement mirror 21, and the range in which the inclination can be changed is narrow, but the inclination angle can be changed at high speed. Then, by changing the angle of the fine movement mirror 22, the position of the laser beam on the XY table can be moved in the front-rear direction (X-axis direction) in the drawing.
[0025]
A second auxiliary laser source 24 and a sensor 26 that receives the laser beam output from the second auxiliary laser source 24 are disposed in the vicinity of the fine movement mirror 22. The sensor 26 has a configuration in which minute light detection elements are linearly arranged, and can receive light of the auxiliary laser beam output from the auxiliary laser source 24 surely even if the fine movement mirror 22 changes its inclination.
[0026]
The laser beam 10 reflected by the second fine movement mirror 22 enters the mirror 31a. The mirror 31a reflects the laser beam 10 incident from the right direction in the figure and guides it forward in the figure. The mirror 31a is driven by a first galvano scanner 31 having a drive motor and an angle detector. Then, by changing the angle of the mirror 31a, the position of the laser beam on the XY table can be moved in the left-right direction (Y-axis direction) in the figure, like the fine movement mirror 21.
[0027]
The laser beam 10 reflected by the mirror 31a enters the mirror 32a. The mirror 32a reflects the laser beam 10 incident from the back direction in the figure and guides it downward in the figure. The mirror 32a is driven by a second galvano scanner 32 having a drive motor and an angle detector. Then, by changing the angle of the mirror 32a, the position of the laser beam on the XY table can be moved in the front-rear direction (X-axis direction) in the figure, like the fine movement mirror 22.
[0028]
The laser beam 10 reflected by the mirror 32 a is applied to the printed circuit board 50 placed on the XY table 42 through the Fθ lens 16. The XY table 42 is movable on the bed 41 in the XY directions.
[0029]
Next, driving means for the fine movement mirror 21 will be described.
[0030]
FIG. 2 is a side view of the vicinity of the fine movement mirror 21 according to the present invention.
[0031]
Fine movement mirror 21 is fixed to second link portion 214 of the four-bar linkage mechanism. One end portions of the first link portion 213 and the third link portion 215 are connected to both sides of the second link portion 214 via elastic hinges 250. The other end portions of the first link portion 213 and the third link portion 215 are connected to the end portion of the base portion 216 via the elastic hinge 250, respectively.
[0032]
A piezoelectric element 211 is disposed between the first link part 213 and the base part 216, and a piezoelectric element 212 is disposed between the third link part 215 and the base part 216. An initial compressive force is applied to both the piezoelectric element 211 and the piezoelectric element 212.
[0033]
For example, when the fine movement mirror 21 is inclined clockwise in FIG. 2, the drive circuit of the fine movement mirror 21 applies a voltage in the extending direction to the piezoelectric element 211 and contracts to the piezoelectric element 212. Apply a voltage in the direction. Then, the piezoelectric elements 211 and 212 expand and contract, whereby the first link part 213 and the third link part 215 are inclined counterclockwise with respect to the base part 216, respectively. As a result, the second link portion 214, that is, the fine movement mirror 21 in between is tilted clockwise.
[0034]
The angle of the fine movement mirror 21 is measured by the sensor 25 that receives the auxiliary laser beam 230 irradiated from the auxiliary laser source 23 and reflected by the fine movement mirror 21.
[0035]
The driving means for fine movement mirror 22 has the same configuration as the driving means for fine movement mirror 21, and the operation is substantially the same, so redundant description will be omitted.
[0036]
Next, the control system will be described.
[0037]
FIG. 3 is a block diagram showing connection of a control system of the laser processing apparatus according to the present invention.
[0038]
In response to the movement command given from the numerical control device 60, the processing device control device 61 operates a scanner system, an XY table, a laser oscillator, and the like. Upon receiving the movement command, the scanner control device 62 inside the processing device control device 61 drives the galvano scanners 31 and 32 via the drive circuits 311 and 321, and moves the fine mirrors 21 and 22 via the drive circuits 251 and 261. To drive. Further, the position detectors provided in the galvano scanners 31 and 32 feed back the rotation angles of the mirrors 31 a and 32 a to the scanner control device 62 via the detection circuits 312 and 322. The sensors 25 and 26 feed back the angles of the fine movement mirrors 21 and 22 to the scanner control device 62 via the detection circuits 252 and 262.
[0039]
Next, the flow of the control signal will be described.
[0040]
FIG. 4 is a block diagram of a scanning control system in one direction (X direction or Y direction) according to the present invention.
[0041]
Hereinafter, a case where the laser beam is scanned in the Y direction will be described.
[0042]
The scanner control device 62 instructed by the scanning position target value r obtains a deviation k between the scanning position target value r and the output value of the adder 72 by the adder 70, and the obtained deviation k is compensated for the fine movement mirror control system. The element G _c1 (s) and the adder 71 are input. Then, fine movement mirror control system compensation element G _c1 (s) operates drive system G _p1 (s) of fine movement mirror 21 based on deviation k, and moves the position of the laser beam by distance y ₁ . The adder 71 adds the deviation k and the output h from the detection element G _f1 (s) and inputs the sum to the galvano scanner control system compensation element G _c2 (s). The galvano scanner control system compensation element G _c2 (s) operates the galvano scanner G _p2 (s) based on the sum of the deviation k and the output h, and moves the position of the laser beam by the distance y ₂ . As a result, the actual laser beam position y is the sum of the distance y ₁ and the distance y ₂ .
[0043]
The tilt angle (that is, distance y ₁ ) of fine movement mirror 21 detected by sensor 25 is processed by detection element G _f1 (s) having a transfer characteristic caused by sensor 25, and has the same physical quantity and the same scale as target value r. It is converted into a certain value h and output to the adders 71 and 72.
[0044]
Further, the rotation angle of the mirror 31a (that is, the distance y ₂ ) detected by the angle detector built in the galvano scanner 31 is processed by the detection element G _f2 (s) having a transfer characteristic due to this angle detector. , Converted to a value j that is the same physical quantity and the same scale as the target value r, and is output to the adder 72. The adder 72 adds the value h and the value j and outputs the result to the adder 70.
[0045]
With the servo system having such a configuration, the fine movement mirror 21 and the galvano scanner 31 operate in a coordinated manner, and the fine movement mirror 21 operates so as to correct a deviation including the influence of the response delay of the galvano scanner 31, The galvano scanner 31 operates to compensate for the stroke shortage of the fine movement mirror 21. The X direction is controlled in the same manner as in the Y direction.
[0046]
Next, the effect of the present invention will be described for the case where the movement distance is shorter than the stroke of the fine movement mirror 21 (inclination angle variable range, that is, the scanable range) and the case where the movement distance exceeds the stroke of the fine movement mirror 21.
[0047]
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a displacement response waveform of the irradiation position when the irradiation position is changed in steps by a distance shorter than the stroke of the fine movement mirror 21.
[0048]
In the figure, a waveform 403 shows the displacement response of the irradiation position when the present invention is applied, and a waveform 402 shows the displacement response of the fine movement mirror 21 at this time. In order to compare the present invention with the prior art, a waveform 401 shows the displacement response of the irradiation position when the laser beam 10 is scanned only by the galvano scanner 31. As can be seen from the figure, according to the present invention, the response time is shortened by the operation of the fine movement mirror 21.
[0049]
FIG. 6 is a diagram showing an example of a displacement response waveform of the irradiation position when the irradiation position is changed in steps by a distance longer than the stroke of the fine movement mirror 21.
[0050]
In the figure, a waveform 413 shows the displacement response of the irradiation position when the present invention is applied, and a waveform 412 shows the displacement response of the fine movement mirror 21 at this time. In order to compare the present invention with the prior art, a waveform 411 shows the displacement response of the irradiation position when the laser beam 10 is scanned only by the galvano scanner 31. As can be seen from the figure, according to the present invention, even when the amount of movement exceeds the stroke of the fine movement mirror 21, the settling time is shortened by the operation of the fine movement mirror 21, so that the response time is shortened. Recognize.
[0051]
As described above, according to the present invention, when the target position is close, it is only necessary to operate the fine motion scanner having a high response speed, so that the scanning speed can be improved.
[0052]
Further, when two mirrors are arranged on the optical path, the mirror far from the laser oscillator needs to be sized to receive the laser beam reflected by the mirror near the laser oscillator. Since the fine movement mirror is disposed between the laser oscillator and the galvano scanner, the size of the mirror driven by the galvano scanner can be made substantially the same as that of the conventional one. Therefore, the response speed of the galvano scanner alone is not reduced.
[0053]
In addition, since the four-bar link for driving the fine scanner is connected by an elastic hinge, it is possible to prevent a decrease in accuracy due to backlash as compared with the case of using a normal rotary bearing.
[0054]
As a method for sharing the scanning amount between the fine movement mirror and the galvano scanner, the following method may be used. That is, the movement command given from the numerical control device 60 is digitally filtered in the scanner control device 62 to separate the high frequency component and the low frequency component. Then, the high frequency component is given as a position command to the servo system of the fine scanning means, and the low frequency component is given as a position command to the scanner servo system. The digital filter processing can also be performed with an analog filter using an analog arithmetic circuit. However, in this method, it is necessary to monitor the amount of displacement of the high frequency component and correct the distribution when the amount of displacement exceeds the stroke of the fine motion scanner.
[0055]
In addition, if each servo system follows each target value with high accuracy using a preview control or feedforward control technique, scanning according to the movement command can be realized. However, in this case, the two servo systems are independent from each other, and the operation of correcting the other deviation, that is, the cooperative operation is not performed. For this reason, even if the deviation of one servo system increases, the other servo system does nothing, so the settling time becomes longer as a whole.
[0056]
In the above description, the auxiliary laser source and the sensor are provided for each fine movement mirror. However, the auxiliary laser source and the sensor can be combined into one set.
[0057]
FIG. 7 is a configuration diagram of a laser processing apparatus for drilling a printed circuit board showing a modification of the present invention. Components having the same or the same functions as those in FIG.
[0058]
In the figure, the sensor 25 is a two-dimensional photosensor array, and the wavelength of the auxiliary laser beam 230 is selected to be different from the wavelength of the laser beam 10.
[0059]
The auxiliary laser beam 230 emitted from the auxiliary laser source 23 enters the dichroic mirror 151. Since the dichroic mirror 151 has the property of reflecting the light of the wavelength of the auxiliary laser beam 230 and transmitting the light of the wavelength of the laser beam 10, the auxiliary laser beam 230 is reflected by the dichroic mirror 151, and the laser beam 10 Enter the same optical path as The two laser beams are reflected by fine movement mirror 21 and fine movement mirror 22 and then enter dichroic mirror 152. Then, the laser beam 10 and the auxiliary laser beam 230 are separated by the dichroic mirror 152. The auxiliary laser beam 230 enters the sensor 25, and the laser beam 10 enters the mirror 31a. Since the sensor 25 is a two-dimensional photosensor array, the angles of the fine movement mirror 21 and the fine movement mirror 22 can be detected independently.
[0060]
Thus, since the angle of the two fine movement mirrors is performed by one auxiliary laser and one sensor, space saving can be achieved.
[0061]
In the above description, the driving means for the fine movement mirrors 21 and 22 is driven by the piezoelectric element at the four-bar link. However, another driving means such as a giant magnetostrictive element may be used.
[0062]
FIGS. 8A and 8B are diagrams showing another configuration example of the driving means for driving the fine movement mirrors 21 and 22, wherein FIG. 8A is an external view and FIG. 8B is a side view.
[0063]
In the figure, the giant magnetostrictive element actuator 217 is fixed to a base 216. The drive rod 218 of the giant magnetostrictive element actuator 217 can be displaced in the axial direction, and the tip of the drive rod 218 is fixed to one end of the third link 215 of the links constituting the slider crank mechanism. The other end of the third link 215 is connected to the second link 214 via the elastic hinge 250, and the other end of the second link is connected to the first link 213 via the elastic hinge 250. The lower end of the first link is connected to the base 216 via the elastic hinge 250. A mirror 210 is fixed to the first link 213. When the drive rod 218 is moved in the left-right direction in the drawing, the third link 215 is displaced, and accordingly, the second link 214 connected via the elastic hinge 250 is displaced, and the elastic hinge 250 is further moved. The first link 213 connected via the base rotates around the elastic hinge 250 on the base 216 side. As a result, the mirror 210 fixed to the first link 213 can rotate, and the traveling direction of the laser beam 10 can be changed. In place of the giant magnetostrictive element actuator 217, a piezoelectric element may be used.
[0064]
Although illustration is omitted, even if two links and an extendable link are connected in a triangular shape by the elastic hinge 250, and the mirror is fixed to the non-expandable link, the inclination of the fine movement mirror can be changed.
[0065]
In the above description, the printed circuit board drilling laser processing apparatus that irradiates the laser in a pulsed manner has been described. However, the present invention can also be applied to a laser drawing apparatus that continuously irradiates a laser.
[0066]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, since the response frequency of the scanning unit can be increased particularly for a short distance, when the movement distance is short, the movement time to the target position can be greatly shortened. it can. Further, even when the moving distance is long, the two scanning units operate in cooperation with each other, so that the moving time to the target position can be shortened.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a laser processing apparatus for drilling a printed circuit board according to the present invention.
FIG. 2 is a side view of the vicinity of a fine movement mirror according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing connection of a control system of the laser processing apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a block diagram of a scanning control system in one direction according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining the effect of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a laser processing apparatus for drilling a printed board showing a modification of the present invention.
FIG. 8 is a side view in the vicinity of a fine movement mirror showing a modification of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Laser beam 21 Fine moving mirror 22 Fine moving mirror 31 Galvano scanner 31a Mirror 32 Galvano scanner 32a Mirror

Claims

In a laser processing method of irradiating a predetermined position of a processing target by operating a path of a laser beam,
First scanning means for scanning the laser beam by changing a deflection angle;
A second scanning unit in which a selection range of the deflection angle is narrower than that of the first scanning unit and a response speed is faster than that of the first scanning unit;
Detecting means for detecting a deflection angle of the two scanning means;
The irradiation position of the laser beam is calculated from the deflection angle of the first scanning unit and the deflection angle of the second scanning unit detected by the detection unit, and the deviation between the calculated value and the target value is used. A servo system for driving two scanning means;
With
The servo system that drives the second scanning unit of the servo system moves the irradiation position of the laser beam based on the deviation between the calculated value and the target value,
The servo system servo system for driving said first scanning means out of the deviation between the value and the target value described above is calculated, the sum of the detected value of the moving distance moved by the second operating means And moving the irradiation position of the laser beam based on
A laser processing method, wherein the deflection direction of the first scanning means and the deflection direction of the second scanning means are coaxial.

In a laser processing apparatus that irradiates a predetermined position of an object to be processed by operating the path of the laser beam,
First scanning means for scanning the laser beam by changing a deflection angle;
A second scanning unit in which a selection range of the deflection angle is narrower than that of the first scanning unit and a response speed is faster than that of the first scanning unit;
Detecting means for detecting a deflection angle of the two scanning means;
The irradiation position of the laser beam is calculated from the deflection angle of the first scanning unit and the deflection angle of the second scanning unit detected by the detection unit, and the deviation between the calculated value and the target value is used. A servo system for driving two scanning means;
With
The servo system that drives the second scanning unit of the servo system moves the irradiation position of the laser beam based on the deviation between the calculated value and the target value,
The servo system servo system for driving said first scanning means out of the deviation between the value and the target value described above is calculated, the sum of the detected value of the moving distance moved by the second operating means And moving the irradiation position of the laser beam based on
A laser processing apparatus, wherein the deflection direction of the first scanning means and the deflection direction of the second scanning means are coaxial.

The second scanning means is disposed on the optical path of the laser beam from the laser source to the object, and the first scanning means is on the optical path of the laser beam from the second scanning means to the object. The laser processing apparatus according to claim 2, wherein the laser processing apparatus is arranged.