JP2010274267A - Laser processing machine - Google Patents
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Abstract
【課題】装置自体の発熱や環境温度変化によりfθレンズの温度が変化する場合でも、制御装置側の処理負担が小さく、加工形状や加工位置精度に優れるレーザー加工機を提供すること。
【解決手段】加工に先立ち、fθレンズ9の温度を測定する。NC制御装置では、fθレンズ9の温度よりワークディスタンスの補正量と、加工焦点距離の補正量を計算する。ワークディスタンスは、fθレンズ9の光学特性の変化による加工位置のずれをキャンセルするように調整し、加工焦点がプリント基板表面に合うようにコリメータレンズ15の間隔を調整する。
【選択図】図1Provided is a laser processing machine that has a small processing burden on a control device side and is excellent in processing shape and processing position accuracy even when the temperature of an fθ lens changes due to heat generation of the device itself or environmental temperature change.
Prior to processing, the temperature of an fθ lens is measured. In the NC control device, a work distance correction amount and a machining focal length correction amount are calculated from the temperature of the fθ lens 9. The work distance is adjusted so as to cancel the shift of the processing position due to the change in the optical characteristic of the fθ lens 9, and the interval of the collimator lens 15 is adjusted so that the processing focus is on the printed circuit board surface.
[Selection] Figure 1
Description
この発明は、レーザー加工機に関し、特にプリント基板、半導体チップなどにおける樹脂材やセラミック材等の材料に、穴あけ、切断や、マーキングを行なうレーザー加工機に関するものである。 The present invention relates to a laser processing machine, and more particularly to a laser processing machine that performs drilling, cutting, or marking on a material such as a resin material or a ceramic material in a printed circuit board or a semiconductor chip.
図4は、レーザー加工機の1つである従来のプリント基板レーザー穴あけ加工機の構成図である。 FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional printed circuit board laser drilling machine, which is one of laser processing machines.
レーザー発振器1から出射されるパルス状のレーザーの光軸2上には、ガルバノミラー7,8およびfθレンズ9が配置されている。プリント基板12は、fθレンズ9と対向するようにして加工テーブル11上に載置されている。
Galvano
ガルバノミラー7,8とfθレンズ9はZ軸スライダー17により、加工焦点がプリント基板12の表面にあうように上下方向に位置決めされる。NC制御装置はレーザー発振器1、ガルバノミラー7,8、加工テーブル11およびZ軸スライダー17を制御する。
The galvanometer mirrors 7 and 8 and the
以上のように構成された従来のプリント基板レーザー穴あけ加工機の動作を説明する。 The operation of the conventional printed circuit board laser drilling machine configured as described above will be described.
レーザー発振器1から出射されたパルス状のレーザーは、加工プログラムに従って所定の振り角に位置決めされたガルバノミラー7,8によりX、Y方向に位置決めされてfθレンズ9に入射し、プリント基板12に対して垂直方向なレーザーとなってfθレンズ9から出射し、プリント基板12に照射され、穴を加工する。
The pulsed laser emitted from the
そして、ガルバノミラー7,8とfθレンズ9で定まる加工領域(例えば、50mm×50mm)内の穴の加工が終了したら、加工テーブル11を動作させ、次の加工領域をfθレンズ9に対して位置決めする。以下、加工が終了するまで、上記の動作を繰り返す。
When the processing of the hole in the processing area (for example, 50 mm × 50 mm) determined by the
fθレンズは複数の球面レンズまたは非球面レンズを鏡筒にマウントしたものである。CO2レーザー加工機の場合、レンズ材料はジンクセレンまたはゲルマニウムを主成分とするものが使われる
ゲルマニウムはジンクセレンに比べて屈折率が高く、高性能レンズの材質に適している。これらの材質は、光学特性を決める屈折率について温度依存性があることがわかっている。また、レンズをマウントする鏡筒も温度により伸縮するためレンズ間隔も変化する。
The fθ lens is obtained by mounting a plurality of spherical lenses or aspherical lenses on a lens barrel. In the case of a CO2 laser processing machine, a lens material mainly composed of zinc selenium or germanium is used. Germanium has a higher refractive index than zinc selenium and is suitable as a material for high-performance lenses. These materials are known to be temperature dependent with respect to the refractive index that determines the optical properties. In addition, since the lens barrel for mounting the lens expands and contracts depending on the temperature, the lens interval also changes.
このため装置自体の発熱や環境温度変化によりfθレンズを含む光学系の温度が変化すると加工に最適なワークディスタンスがずれるという課題があった。また、最適なワークディスタンスのズレのみならず加工位置のずれを生じるという問題があった。 For this reason, when the temperature of the optical system including the fθ lens changes due to the heat generation of the apparatus itself or the environmental temperature change, there is a problem that the optimum work distance for processing is shifted. In addition, there is a problem that not only the optimum work distance shift but also the machining position shifts.
加工位置のずれは、図5に示すように、目標加工位置に対して、実際の加工位置がガルバノミラーとfθレンズで定まる加工領域(スキャンエリア)の中心に対して、全体に縮んだ方向に発生する。 As shown in FIG. 5, the processing position shifts in a direction in which the actual processing position contracts with respect to the target processing position with respect to the center of the processing area (scan area) determined by the galvanometer mirror and the fθ lens. appear.
このような周囲の環境温度の変化の影響を受けず、高精度のレーザビームの照射位置調整を可能にするための従来技術として、受光センサでレーザビームの照射位置を検出し、受光センサの出力に基づいて、ガルバノミラーで反射されたレーザビームの照射位置が予め定めた所定の照射位置と一致しているか否かを判定し、必要な補正量を算出し、算出された補正量に基づいてガルバノミラーを駆動してレーザビームの照射位置を調整する技術が開示されている(例えば、特許文献1を参照)。 As a conventional technology to enable highly accurate adjustment of the laser beam irradiation position without being affected by changes in the surrounding environmental temperature, the light receiving sensor detects the laser beam irradiation position and outputs the light receiving sensor. Based on the above, it is determined whether or not the irradiation position of the laser beam reflected by the galvano mirror matches a predetermined irradiation position determined in advance, a necessary correction amount is calculated, and based on the calculated correction amount A technique for adjusting the irradiation position of a laser beam by driving a galvanometer mirror is disclosed (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、実際には組み付け誤差等による個体差があり、個体差の測定し補正のパラメータを設定するには莫大な工数がかかるという課題があった。 However, in practice, there are individual differences due to assembly errors and the like, and there is a problem that it takes enormous man-hours to measure individual differences and set correction parameters.
また、実際の制御では、ガルバノミラーの位置決め周期は数100μs〜数ms程度で加工穴数と同数以上の位置決めが必要である。補正量の精度を上げるには加工当初の調整だけでは不足し、常に補正量を演算しながらガルバノミラーの角度の補正を各穴に対して行なうには、制御装置側の補正演算処理の負担が大きくなり、補正演算処理時間の分だけ生産性が低下してしまうという課題があった。 In actual control, the positioning cycle of the galvano mirror is about several hundreds μs to several ms, and positioning equal to or more than the number of processed holes is required. In order to improve the accuracy of the correction amount, it is not sufficient to adjust the initial processing. To correct the angle of the galvanometer mirror for each hole while always calculating the correction amount, there is a burden of correction calculation processing on the controller side. There is a problem that the productivity is increased and the productivity is reduced by the correction calculation processing time.
上記課題を解決するために、本発明のレーザー加工機は、レーザビームを出射するレーザー発振器と、モータが取り付けられ回転駆動されることでレーザビームを走査するガルバノミラーと、ガルバノミラーにより走査されたレーザビームが同一平面上で集光するように光学的に設計されたfθレンズと、被加工物を載置しXY平面上で移動させる加工テーブルと、前記レーザー発振器から出射されるレーザビームの光軸上に設けられた一群のコリメートレンズと、前記コリメータレンズ間隔を調整する駆動装置と、前記fθレンズと前記加工テーブル上に載置されている被加工物とのワークディスタンスを調整するZ軸スライダーと、光学系の代表温度を測定する温度センサを備え、前記温度センサによる測定値に対応して、前記コリメータレンズ間隔と前記ワークディスタンスを調整するものである。 In order to solve the above-described problems, a laser processing machine of the present invention is scanned by a laser oscillator that emits a laser beam, a galvano mirror that scans the laser beam by being driven and rotated, and a galvano mirror. An fθ lens optically designed so that the laser beam is focused on the same plane, a processing table on which a workpiece is placed and moved on the XY plane, and light of the laser beam emitted from the laser oscillator A group of collimating lenses provided on an axis, a driving device for adjusting the distance between the collimating lenses, and a Z-axis slider for adjusting a work distance between the fθ lens and a workpiece placed on the processing table And a temperature sensor for measuring a representative temperature of the optical system, and corresponding to the measurement value by the temperature sensor, the collimator The lens interval and the work distance are adjusted.
好ましくは、温度センサをfθレンズの鏡筒に設置することにより光学系の代表温度を測定するものである。また、温度センサによる測定値に対応して調整するコリメータレンズ間隔とワークディスタンスの調整量を予め制御装置に格納していることを特徴とするものである。 Preferably, a representative temperature of the optical system is measured by installing a temperature sensor in the lens barrel of the fθ lens. Further, the collimator lens interval to be adjusted in accordance with the measurement value by the temperature sensor and the adjustment amount of the work distance are stored in the control device in advance.
制御装置側の補正演算処理負担が小さくてすみ、生産性に影響することなく補正することが出来る。 The correction calculation processing burden on the control device side is small, and correction can be performed without affecting productivity.
図1は本発明の実施の形態にかかる構成を示す図である。背景技術で紹介した構成と同じ構成要素に対しては同一の符号を付し、その説明は簡略化している。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration according to an embodiment of the present invention. The same components as those introduced in the background art are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified.
レーザー発振器1から出射されるパルス状のレーザーの光軸2上には、コリメートレンズ15とガルバノミラー7、8およびfθレンズ9が配置されている。コリメートレンズ15は2枚の単レンズ4a、4bで構成され、一方のレンズ4bには光軸方向に位置決めするための駆動装置16に取付けられている。
On the
駆動装置16によりコリメータレンズ間隔を調整することで、レーザーの発散角が調整され、加工に最適なワークディスタンスを調整することが出来る。これにより、ワークディスタンスを変えた場合でも、焦点ボケによる加工不良を防止できる。
By adjusting the distance between the collimator lenses by the
fθレンズ9の鏡筒には温度測定する温度センサ14が取り付けられており、fθレンズ9の鏡筒の温度変化を検出することが出来る。
A
プリント基板12は、fθレンズ9と対向するようにして加工テーブル11上に載置されている。ガルバノミラー7,8とfθレンズ9はZ軸スライダー17により上下方向に位置決めされ、ワークディスタンスを調整できる。
The printed
次にfθレンズについて図2を使って説明する。 Next, the fθ lens will be described with reference to FIG.
ガルバノミラーによりX、Y方向に位置決めされたレーザビームは、プリント基板に対して垂直方向なレーザーとなってfθレンズから出射し、プリント基板に照射されるが、厳密には図2に示すような倒れ角を持っている。 The laser beam positioned in the X and Y directions by the galvanometer mirror becomes a laser perpendicular to the printed circuit board and is emitted from the fθ lens and applied to the printed circuit board. Has a falling angle.
スキャンエリア中央では被加工物に対して鉛直であるが、外周であるほど倒れ角が大きくなる。このため、ワークディスタンスを変えるとスキャンエリアが伸縮する方向に加工位置がずれる。 Although it is perpendicular to the workpiece in the center of the scan area, the tilt angle becomes larger as it is at the outer periphery. For this reason, when the work distance is changed, the processing position is shifted in the direction in which the scan area expands and contracts.
一方で、fθレンズを含む光学系が温度変化することによる光学特性の変化が起きた場合の位置ズレは、すでに説明の通りで、スキャンエリアの伸縮方向である。ワークディスタンスを調整することによりスキャンエリアの伸縮方向の位置ズレをキャンセルすることが出来る。 On the other hand, as described above, the positional deviation when the optical characteristic including the fθ lens changes due to the temperature change is the expansion / contraction direction of the scan area. By adjusting the work distance, it is possible to cancel the displacement of the scan area in the expansion / contraction direction.
次に動作を説明する。図3は本発明の動作を説明するフローチャートである。 Next, the operation will be described. FIG. 3 is a flowchart for explaining the operation of the present invention.
加工に先立ち、fθレンズ9に取り付けられた温度センサ14によりfθレンズ9の鏡筒の温度を測定する。
Prior to processing, the temperature of the lens barrel of the
NC制御装置では、fθレンズ9の鏡筒の温度よりワークディスタンスの補正量と、加工焦点距離の補正量を計算する。
In the NC control device, the work distance correction amount and the processing focal length correction amount are calculated from the temperature of the lens barrel of the
Z軸スライダー17は、fθレンズ9を含む光学系の光学特性の変化による加工位置のずれをキャンセルするように、ワークディスタンスを調整する。
The Z-
ワークディスタンスが変更されることにより、スキャンエリアの伸縮方向の位置ずれがキャンセルできる。 By changing the work distance, the displacement of the scan area in the expansion / contraction direction can be canceled.
コリメータレンズ15は駆動装置により一方のレンズが光軸方向に位置決めされる。コリメータレンズ間隔が調整されることにより、レーザーの発散角が調整される。
One lens of the
これにより、スキャンエリアの伸縮方向の加工位置ずれをキャンセルするように調整されたワークディスタンスであっても、加工焦点をプリント基板表面に合わせることができるため焦点位置ズレによる加工不良を防止できる。 Thereby, even if the work distance is adjusted so as to cancel the processing position shift in the expansion / contraction direction of the scan area, the processing focus can be adjusted to the surface of the printed circuit board, so that it is possible to prevent processing defects due to focus position shift.
以降は従来の加工機と同様に、レーザー発振器1から出射されたパルス状のレーザーは、加工プログラムに従って所定の振り角に位置決めされたガルバノミラー7,8によりX、Y方向に位置決めされてfθレンズ9に入射し、プリント基板12に対して垂直方向なレーザーとなってfθレンズ9から出射し、プリント基板12に照射され、穴を加工する。
Thereafter, similarly to the conventional processing machine, the pulsed laser emitted from the
そして、ガルバノミラー7,8とfθレンズ9で定まる加工領域(例えば、50mm×50mm)内の穴の加工が終了したら、加工テーブル11を動作させ、次の加工領域をfθレンズ9に対して位置決めする。以下、加工が終了するまで、上記の動作を繰り返す。
When the processing of the hole in the processing area (for example, 50 mm × 50 mm) determined by the
なお、装置が設置される環境で、実際の運転を行なった場合に、fθレンズ9の温度変化は大きくても10分あたり0.1度程度であった。また、補正に必要な温度分解能は0.1度程度であった。このことより補正は5分程度の周期でもよく、制御装置側の処理負担が小さくてすみ、生産性に影響せずに補正することが出来る。
When the actual operation was performed in the environment where the apparatus was installed, the temperature change of the
本発明にかかるレーザー加工機は、制御装置側の補正演算処理負担が小さくてすみ、生産性に影響することなく補正することを可能とするものであり、プリント基板、半導体チップなどにおける樹脂材やセラミック材等の材料に、穴あけ、切断や、マーキングを行なうレーザー加工機等において有用である。 The laser processing machine according to the present invention requires a small correction calculation processing burden on the control device side, and enables correction without affecting productivity, such as resin materials in printed boards, semiconductor chips, and the like. It is useful in laser processing machines that drill, cut, or mark materials such as ceramic materials.
1 レーザー発振器
2 レーザー光
3 ミラー
4 レンズ
7 ガルバノミラー(X軸)
8 ガルバノミラー(Y軸)
9 fΘレンズ
11 加工テーブル
12 プリント基板
14 温度センサ
15 コリメートレンズ
16 駆動装置
17 Z軸スライダー
1
8 Galvano mirror (Y axis)
9
Claims (3)
さらに、前記レーザー発振器から出射されるレーザビームの光軸上に設けられた一群のコリメートレンズと、前記コリメータレンズ間隔を調整する駆動装置と、前記fθレンズと前記加工テーブル上に載置されている被加工物とのワークディスタンスを調整するZ軸スライダーと、光学系の代表温度を測定する温度センサを備え、
前記温度センサによる測定値に対応して、前記コリメータレンズ間隔と前記ワークディスタンスを調整することを特徴とするレーザー加工機。 Optically designed so that the laser oscillator that emits the laser beam, the galvano mirror that scans the laser beam by being attached to a motor and driven to rotate, and the laser beam that is scanned by the galvano mirror are focused on the same plane A laser processing machine including a fθ lens and a processing table on which a workpiece is placed and moved on an XY plane,
Furthermore, a group of collimating lenses provided on the optical axis of the laser beam emitted from the laser oscillator, a driving device for adjusting the collimator lens interval, the fθ lens, and the processing table are mounted. Equipped with a Z-axis slider that adjusts the work distance with the workpiece, and a temperature sensor that measures the representative temperature of the optical system,
A laser processing machine, wherein the collimator lens interval and the work distance are adjusted in accordance with a measured value by the temperature sensor.
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