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CN1327898A - 激光加工装置 - Google Patents

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CN1327898A
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浮田克一
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

本发明的激光加工装置具备:输出激光的激光器部分;控制所述激光器部分的激光控制部分;对所述激光进行定位的定位部分;存放了与位置部分的移动距离对应的最佳控制方式的控制方式存储部分;采用上述最佳控制方式控制定位部分位置的位置控制部分,由于采用与移动距离对应的最佳控制方式进行位置控制,因而提高了加工速度。

Description

激光加工装置
本明涉及激光打孔加工设备以及激光切割设备等的激光加工装置，特别涉及提高加工速度的激光加工装置。
在电子零部件加工以及板金加工等领域中，采用激光进行打孔、切割、印记等的加工非常普及。例如，在电子零部件加工的领域中，在多层印制电路板用的层间连接电路即内部通孔(IVH)的打孔加工中就采用激光。在印制电路板用激光加工装置中，通过对激光或者印制电路板进行位置控制，在印制电路板的规定位置上进行打孔加工。
近年来，要求电子设备实现小型及轻量化，为了满足该需求，则多层印制电路板电子零部件的安装密度越来越高。这样，一块多层印制电路板上形成的IVH的数量不断增加，与此相适应，必须要提高印制电路板用激光加工装置的打孔加工速度。
图12表示以往的印制电路板用激光加工装置的构成。包括：输出激光的激光器16；具有两个轴的电动机以及安装在电动机上的反光镜并且驱动用于反射激光的两面反射镜来进行激光定位的电流计(galvano)装置15；用于聚焦激光的聚焦透镜19；放置进行激光加工的印制电路板20并且进行定位的加工工作台17；控制激光器16、电流计装置15、加工工作台17以及加工装置整体的控制装置14。
控制装置14具有控制激光器16的激光控制部分7、控制电流计装置15的电流计控制部分9、控制工作台17的加工工作台控制部分5以及集中控制这些控制部分并分析程序及加工条件的主控制部分4。当在加工工作台17上放置印制电路板20，则加工工作台控制部分5控制加工工作台17的位置，使得印制电路板20的加工位置位于聚焦透镜19的下方。当加工工作台17位于规定位置时，则电流计控制部分9控制电流计装置15的位置，使得激光能够照射到印制电路板20的规定位置。通过上述位置控制，电流计装置15驱动两个轴的电动机并且使得两面反光镜分别定位于适当的角度。在过了稳定等待时间之后，使得电流计装置15结束规定的定位动作，激光控制部分7才根据加工条件(激光脉冲宽度、激光峰值、激光脉冲数、激光频率等)向激光器16输出激光输出指令。激光器16根据激光输出指令输出激光18。激光18被电流计装置15的两面反射镜反射，并且通过聚焦透镜19后照射到印制电路板20上。在印制电路板20上的激光18照射点形成加工孔。当激光停止输出时，为了进行下一个孔的加工，再次进行电流计装置15与加工工作台17的位置控制。如上所述，利用激光18能够在印制电路板20的任意位置上进行打孔加工。电流计控制部分9采用预定的固定控制方式、加速减速常数、稳定等待时间，对电流计装置15进行位置控制。
然而，对于固定的控制方式、加速减速常数、稳定等待时间，有时由于移动距离不同，电流计装置15的性能不能充分发挥出来。例如，当以阶跃状速度指令(没有加速减速时间而速度指令值恒定)来进行电流计控制时，由于在电流计装置15中存在电气以及机械性的延迟原因，对指令的应答会延迟。因此，即使在移动距离较短的情况下发出高速指令，由于应答的延迟，电动机也不能完全跟踪指令，不能达到超越电流计装置15的极限加速度的状态，因此在电流计装置15的动作中不会产生振荡。然而，在移动距离较长的情况下，由于指令持续时间比应答延迟的时间更长，因此为了要跟踪高速度指令而会超越电流计装置15的极限加速度，则在电流计装置15的动作中产生振荡。因此，对于采用与移动距离无关的固定速度指令值的控制方式，电子为了防止移动距离较长的情况，但要限制速度指令值。然而，该受限制的速度指令值很低，在移动距离较短时，达不到装置所具有的能力，结果在移动距离较短时，移动时间变长。
近年，随着高密度化的发展，孔的密度也逐渐提高，出现了缩短孔间距的倾向。这样使得电流计装置的移动距离变短，需要提高短移动距离的速度，而以往的控制方法不能很好地发挥电流计装置对于短移动距离的速度性能。
本发明的激光加工装置具备：输出激光的激光器部分；控制激光器部分的激光控制部分；进行激光定位的定位部分(电流计扫描器部分)；存放与定位部分移动距离对应的最佳控制方式的控制方式存储部分；存放与定位部分的移动距离对应的加速减速常数的加速减速常数稳定等待时间存储部分；存放了定位部分的移动距离对应的稳定等待时间的存储部分；控制定位部分的位置控制部分(电流计控制部分)。位置控制部分采用上述最佳控制方式、加速减速常数、稳定等待时间进行位置空控制，由此，该加工装置能够以较高的加工速度对于零构件进行加工。
图1是本发明第1实施形态的印制电路板用激光加工装置的构成图。
图2A与图2B表示第1实施形态的加工装置移动距离为1mm的电流计扫描器部分的动作。
图3A到图3C表示第1实施形态的加工装置移动距离为2mm的电流计扫描器部分的动作。
图4A表示第1实施形态的加工装置移动距离为4mm的电流计扫描器部分的动作。
图5A与图5B表示第1实施形态的加工装置移动距离为50mm的电流计扫描器部分的动作。
图6表示第1实施形态的加工装置中控制方式存储部分所存放的数据。
图7表示第1实施形态的加工装置中加速减速常数存储部分所存放的数据。
图8表示第1实施形态的加工装置中稳定等待时间存储部分所存放的数据。
图9表示第1实施形态的印制电路板用激光加工装置动作的流程图。
图10表示第1实施形态的印制电路板用激光加工装置的时序图。
图11表示第1实施形态的加工装置与以往装置的移动时间的比较。
图12表示以往印制电路板用激光加工装置的构成图。
(第1实施形态)
图1表示本发明第1实施形态的印制电路板用激光加工装置的构成。程序输入部分1从外部输入进行激光加工的孔的位置信息等加工程序。加工条件输入部分2从外部输入适合于加工孔的孔径以及加工的印制电路板的材料及板厚等的激光加工条件(激光脉冲宽度、激光峰值、激光脉冲数、激光频率等)。参数输入部分3从外部输入存放在控制方式存储部分11、加速减速常数存储部分12、稳定时间存储部分13中的数据以及加工装置的各种动作条件。主控制部分4从程序输入部分1输入加工程序，从加工条件输入部分2输入加工条件，从参数输入部分3输入参数，并且对于这些数据进行分析，生成加工工作台控制部分5的加工工作台位置指令、激光控制部分7的激光指令、电流计控制部分9的电流计位置指令。又，在孔加工时进行顺序控制，将这些指令输出到各控制部分。加工工作台控制部分5从主控制部分4输入加工工作台位置指令，并根据该位置指令进行加工工作台6的位置控制，并且向加工工作台6输出加工工作台驱动信号。又，向主控制部分4输出加工工作台6完成移动的信息以及状态信息等等。加工工作台6从加工工作台控制部分5输入工作台驱动信息，并且根据该驱动信息驱动加工工作台。又，将加工工作台6的状态信息输出到加工工作台控制部分5。激光控制部分7从主控制部分4输入激光指令，并且根据该激光指令向激光器8输出激光驱动信号。又，将激光结束输出的信息以及激光器8的状态信息等输出到主控制部分4。激光器8从激光控制部分7输入激光驱动信号并且根据该激光驱动信号输出激光。又，将激光器8的状态信息输出到激光控制部分7。电流计控制部分9从主控制部分4输入电流计位置指令，并且根据该电流计位置指令控制电流计扫描器部分10的位置，并将电流驱动信号输出到电流计扫描器部分10。又，将电流计扫描器部分10完成移动的信息以及状态信息等输出到主控制部分4。电流计扫描器部分10从电流计控制部分9输入电流驱动信号，并且根据该驱动信号移动反光镜。又，将电流计扫描器部分10的状态信息输出到电流计控制部分9。控制方式存储部分11从主控制部分4输入与移动距离对应地控制方式。当从电流计控制部分9输入移动距离时，则将移动距离对应的控制方式输出到电流计控制部分9。加速减速常数存储部分12从主控制部分4输入与移动距离对应的加速减速常数。当从电流计控制部分9输入移动距离时，则将移动距离对应的加速减速常数输出到电流计控制部分9。稳定等待时间存储部分13从主控制部分4输入与移动距离对应的稳定等待时间。当从电流计控制部分9输入移动距离时，则将与移动距离对应的稳定等待时间输出到电流计控制部分9。
图2A与图2B表示移动距离为1mm的电流计扫描器部分10的动作。图3A～图3C表示移动距离为2mm的电流计扫描器部分10的动作。图4A表示移动距离为4mm的电流计扫描器部分10的动作。图5A与图5B表示移动距离为50mm的电流计扫描器部分10的动作。在这些图中分别表示了位置指令信号与位置偏差信号。本实施形态的电流计扫描器部分10的最大移动距离为50mm。位置偏差信号为1mV时相当于6μm的位置偏差。本实施形态的激光加工装置的加工精度为±20μm，而若考虑加工工作台6的位置精度以及光学校正精度等情况，则电流计扫描部分10的位置精度必须要为±3μm。这样，若电流计扫描器部分10位于目标位置的±3μm内，即位置偏差信号为±0.5mV以内，则认为定位在目标位置上。因此，为了使得电流计扫描器部分10移动后稳定在目标位置上，则位置偏差需为±3μm以内。
图2A、图3A、图4A以及图5A表示比较例控制方法的电流计扫描器部分10的动作。比较例的控制方法对所有的比较例都相同，是阶跃状速度指令，速度指令值为2.9mm/ms，稳定等待时间为1.600ms。
图2A与图2B表示移动距离为1mm的电流计扫描器部分10的动作。图2A表示比较例的动作，它是以移动时间为1.865ms稳定到目标位置。图2B表示本实施形态的加工装置的动作。速度指令值为50mm/ms，它是以移动时间1.675ms稳定到目标位置，与比较例相比缩短了0.190ms的移动时间。由于速度指令值为50mm/ms，则将该移动指令看作阶跃状位置指令。由此，当移动距离为1mm这样的短距离的情况下，当发出阶跃状位置指令时，则移动时间成为最短。图3A到图3C表示移动距离为2mm的电流计扫描器部分10的动作。图3A表示比较例的动作，它是以移动时间2.270ms稳定到目标位置。图3B表示本实施形态的加工装置的动作，速度指令值为10mm/ms并以移动时间1.915ms稳定到目标位置，与比较例相比缩短了0.355ms的移动时间。图3C表示参考例的动作，其速度指令值为100mm/ms。将该移动指令看作阶跃状位置指令，然而由于速度指令值过大，会产生位置超调，在移动时间2.965ms内稳定到目标位置。由此，在移动距离为2mm的中等距离的情况下，当采取阶跃状的速度指令且速度指令值为10mm/ms时，移动时间为最短。图4A表示移动距离为4mm的电流计扫描器部分10的动作。图4A表示比较例的动作，它是以移动时间2.935ms稳定到目标位置。对于移动距离为4mm的情况，即使发出比较例控制方法中使用的速度指令值2.9mm/ms以上的速度指令，但由于速度指令值过大，也与图3C相同，会产生位置超调，移动时间变长。由此，对于移动距离为4mm这样的中等距离的情况，采用阶跃状的速度指令并且速度指令值为2.9mm/ms时，移动时间最短。图5A与图5B表示移动距离为50mm的电流计扫描器部分10的动作。图5A与图5B表示动作即将结束的情况，若将位置指令输出时间与位置指令结束后到稳定时的稳定时间相加，可求得移动时间。
图5A表示比较例的动作，它是以移动时间为18.75ms稳定到目标位置。图5B表示本实施形态的动作，它是梯形速度指令，其直线加速减速时间为0.94ms，速度指令值是5mm/ms，以移动时间为12.14ms稳定到目标位置，与比较例相比移动时间缩短了6.61ms。由于梯形速度指令控制方式能够通过平滑地提高速度指令而使得速度指令值比以往控制方法的要更大，因此能够缩短移动时间。所以在移动距离为50mm这样的较长距离的情况下，当发出梯形速度指令时，移动时间最短。这样，对于移动距离为较短距离的情况，适合采用阶跃状位置指令控制方式；对于移动距离为中等距离的情况，适合采用阶跃状速度指令控制方式；对于移动距离为较长距离的情况，适合采用梯形速度指令控制方式。
图6是从更进一步细分移动距离而测定的数据中获得的与移动距离对应的控制方式的表格。图6的表格存放在控制方式存储部分11中。如上所述，移动距离为2mm(图3A到图3C)与移动距离为4mm(图4A)都采用阶跃状速度指令控制方式。但它们的速度指令值有所不同，即移动距离2mm的为10mm/ms，移动距离4mm的为2.9mm/ms。
图7是从更进一步细分移动距离而测定的数据中获得的与移动距离对应的速度指令值的表格。图7的表格存放在加速减速常数存储部分12。又，在图7中是将移动距离分为2个区间而制成表格，但也可以分成任意个移动区间。在移动距离为5mm以上以梯形速度指令控制方式进行控制的情况下，制成对应于移动距离的加速减速常数的表格，并且也可以存放在加速减速常数存储部分12中。下面，对于由稳定等待时间存储部分13设定的数据进行说明。以控制方式存储部分11及加速减速常数存储部分12中存放的控制方式及加速减速常数来控制电流计扫描器部分10时，其稳定时间可以通过从移动时间中减去移动指令的指令时间而求得。在图2B移动距离为1mm的情况下，稳定时间为1.675ms，在图3B移动距离为2mm的情况下，稳定时间为1.715ms，在图4A移动距离为4mm的情况下，稳定时间为1.555ms，在图5B移动距离为50mm的情况下，稳定时间为1.200ms。
图8是根据更加细分移动距离而测定到的稳定时间所决定的与移动距离对应的稳定等待时间的表格。图8的表格存放在稳定等待时间存储部分13中。又，在图8中将移动距离分为4个区间制成表格，但也可以分为任意个移动区间。下面，对于印制电路板用激光加工装置的动作进行说明。
图9表示印制电路板用激光加工装置孔加工动作的流程图。预先从程序输入部分1、加工条件输入部分2、参数输入部分3分别向主控制部分4输入程序、加工条件及参数，并且在主控制部分4中分别对它们进行分析。向控制方式存储部分11输入与电流计扫描器部分10的移动距离对应的控制方式。向加速减速常数存储部分12输入与电流计扫描器部分10的移动距离对应的加速减速常数。向稳定等待时间存储部分13输入与电流计扫描器部分10的移动距离对应的稳定等待时间。又，在加工工作台上放置进行孔加工的印制电路板。当开始孔加工时，在步骤1中，主控制部分4向加工工作台控制部分5输出加工工作台位置指令，使得印制电路板的规定加工区域进入激光照射范围。在步骤2中，加工工作台控制部分5根据加工工作台位置指令，控制加工工作台6的位置，将加工工作台向目标位置移动。在步骤3中，主控制部分4等待来自加工工作台控制部分5的通知加工工作台已经移动到目标位置的移动结束信息，在接收到移动结束信息之后，进入步骤4。在步骤4中，为了在加工区域的规定位置照射激光，主控制部分4将电流计位置指令输出到电流计控制部分9。在步骤5中，电流计控制部分9根据电流计位置指令计算出电流计扫描器部分10的移动距离，并且向控制方式存储部分11、加速减速常数存储部分12、稳定等待时间存储部分13输出移动距离。在步骤6中，控制方式存储部分11将与移动距离对应的控制方式输出到电流计控制部分9。又，加速减速常数存储部分12将与移动距离对应的加速减速常数输出到电流计控制部分9。又，稳定等待时间存储部分13将与移动距离对应的稳定等待时间输出到电流计控制部分9。在步骤7中，电流计控制部分9使用来自控制方式存储部分11的控制方式以及来自加速减速常数存储部分12的加速减速常数，控制电流计扫描器部分10的位置，将反射镜向目标位置移动。在步骤8中，电流计控制部分9从稳定等待时间存储部分13接收稳定等待时间，从移动指令结束起经过稳定等待时间之后，将稳定等待时间结束的信息输出到主控制部分4，进入步骤9。在步骤9中，主控制部分4向激光控制部分7输出激光指令，使其以设定的加工条件输出激光，使得能以规定加工质量进行孔加工。激光控制部分7按照激光指令向激光器8输出激光驱动信号，则激光器8输出激光。激光被引向电流计扫描器部分10，并被电流计扫描器部分10的两轴反光镜反射而照射在印制电路板的规定位置上进行孔加工。在步骤10中，主控制部分4检查当前加工的区域是否还存在加工孔，若存在加工孔时，则进入步骤4，将对应于该加工孔的电流计位置指令输出到电流计控制部分9。当没有加工孔时，则进入步骤11。在步骤11中，主控制部分4再次检查是否还存在加工区域，若还存在加工区域，则进入步骤1，并且将该加工区域所对应的加工工作台位置指令输出给加工工作台控制部分5。若不存在加工区域时，则输入的加工程序所相关的加工已经完成，加工动作结束。
在图10中表示电流动作的时序图。这里，是表示连续移动了2mm及50mm情况的例子。加工条件是使得激光脉冲数为1个脉冲。在作为比较例的以往的电流计控制方法中，移动距离为2mm、50mm都是阶跃状速度指令控制方式，并且速度指令值、稳定等待时间相同。在本发明中，在移动距离为2mm的情况下，以阶跃状位置指令控制方式以及最短稳定等待时间来进行控制，在移动距离为50mm的情况下，用梯形速度指令控制方式以比以往更大的速度指令值以及最短稳定等待时间来进行控制，因此，移动距离为2mm、50mm的情况下都能够比以往的移动速度要快。
在图11中表示本发明的控制方法及作为比较例的以往控制方法在各移动距离情况下的移动时间的比较。由于移动距离为4mm的电流计控制方法与以往的控制方法相同，因此，没有缩短移动时间，而对于其他移动距离的情况下，缩短了移动时间，提高了速度性能。特别是在移动距离为50mm的情况下，速度性能比提高了155％。当以本发明的控制方法对20000个孔/块且平均间距为1.1mm的基板进行孔加工时，与以往的控制方式相比较，能够缩短约8％的加工时间。这样，本发明的激光加工装置采用对各移动距离能够最快移动的控制方式、加速减速常数、稳定等待时间进行电流计控制，缩短了加工时间。以上，对于采用对应于移动距离的最佳控制方式、加速减速常数、稳定等待时间进行电流计控制而由此缩短移动时间的情况进行了说明，而即使采用最佳控制方式、加速减速常数、稳定等待时间其中之一或者任意两个，也能够获得相同的效果。
实施形态2
本发明第2实施形态的激光加工装置是设置根据定位部分的移动距离来计算加速减速常数的加速减速常数运算部分，它取代了第1实施形态的加速减速常数存储部分12，电流计控制部分9使用加速减速常数运算部分计算出的加速减速常数来进行位置控制。
在加速减速常数运算部分中，从主控制部分4输入用于计算与移动距离所对应的加速减速常数的加速减速常数运算函数。当从电流计控制部分9输入移动距离时，就根据移动距离与加速减速常数运算函数来计算加速减速常数，并且输出到电流计控制部分9。其他的构成以及动作与实施形态1相同。
由于根据移动距离与加速减速常数运算函数来计算加速减速常数，则不需要用于存储与移动距离所对应的加速减速常数表格的存储器。也可以在每一移动距离区间设置加速减速常数运算函数，并且根据移动距离进行切换。
实施形态3
本发明第3实施形态的激光加工装置设置根据定位部分的移动距离来计算出稳定等待时间的稳定等待时间运算部分，它取代了上述实施形态中的稳定等待时间存储部分13，电流计控制部分9使用稳定等待时间运算部分计算出的稳定等待时间来进行位置控制。
在稳定等待时间运算部分中，从主控制部分4输入用于计算与求得的移动距离所对应的稳定等待时间的稳定等待时间运算函数。当从电流计控制部分9输入移动距离时，就根据移动距离与稳定等待时间运算函数来计算出稳定等待时间，并且输出到电流计控制部分9，其他构成以及动作与上述实施形态相同。
由于根据移动距离以及稳定等待时间运算函数来计算出稳定等待时间，因此，不需要用于存储与移动距离所对应的稳定等待时间表格的存储器。也可以在每一移动距离区间设置稳定等待时间运算函数，并且根据移动距离进行切换。

Claims (9)

1.一种激光加工装置，其特征在于，具备
输出激光的激光器部分；
控制所述激光器部分的激光控制部分；
对所述激光进行定位的定位部分；
根据所述定位部分的移动距离控制所述定位部分的位置的位置控制部分。
2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
还具备存储与所述定位部分的移动距离对应的控制方式的控制方式存储部分，所述位置控制部分以所述控制方式控制所述定位部分的位置。
3.如权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，
所述控制方式存储部分存储所述移动距离小于第1阀值时的阶跃状位置指令控制方式。
4.如权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，
所述控制方式存储部分存储所述移动距离大于第2阀值小于第3阀值时的阶跃状速度指令控制方式。
5.如权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，
所述控制方式存储部分存储所述移动距离大于第4阀值时的梯形速度指令控制方式。
6.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
还具备存储与所述移动距离对应的加速减速常数的加速减速常数存储部分，所述位置控制部分使用所述加速减速常数来控制所述定位部分的位置。
7.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
还具备根据所述移动距离计算出与所述移动距离对应的加速减速常数的加速减速常数运算部分，所述位置控制部分使用所述加速减速常数控制所述定位部分的位置。
8.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
还具备存储与所述移动距离对应的稳定等待时间的稳定等待时间存储部分，所述定位部分使用所述稳定等待时间进行位置控制。
9.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
还具备根据所述移动距离计算出与所述移动距离对应的稳定等待时间的稳定等待时间运算部分，所述定位部分使用所述稳定等待时间进行位置控制。
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