激光加工装置 【技术领域】
本发明涉及以对印刷电路板等被加工件进行开孔加工为主要目的激光加工设备，意在提高其生产率。
背景技术
图8为表示已有的通常开孔用激光加工装置的概要构成图。
图中，1为印刷电路板等被加工件，2为对被加工件1例如进行辅助孔、通孔等开孔加工等用的激光，3为振荡产生激光2的激光振荡器，4为使激光2反射并沿光路引导的多个反射镜，5、6为使激光2扫描用的电流计扫描器，7为使激光2聚焦在被加工件1上用的fθ透镜、8为使被加工件1移动用的XY工作台。
在通常的开孔用激光加工装置中，由激光振荡器3振荡产生的激光2，经过必要的遮光板、反射镜4，引导至电流计扫描器5、6，再控制电流计扫描器5、6的偏转角，通过fθ透镜7，使激光2聚焦在被加工件1的规定位置。
还有，由于通过fθ透镜7后的电流计扫描器5、6的偏转角，例如有50mm见方等的界限，所以为了使激光2聚焦在被加工件1的规定位置，也可以通过控制XY工作台8，这样能在更大的范围内对被加工件1进行加工。
这里，激光加工装置的生产率与电流计扫描器5、6的驱动速度和fθ透镜7的加工区有密切关系。为了提高电流计扫描器的驱动速度，有效地方法是将固定在电流计扫描器的转轴上的、利用偏转角控制信号所驱动的电流计反射镜的质量减小，或者例如通过改变电流计扫描器5、6和fθ透镜7的距离等，改变光学系统的设计，保持加工范围不变而减小电流计扫描器的偏转角等，但为了减轻所述电流计反射镜的质量，电流计扫描器的反射镜直径一减小，则通过遮光板时，周围部分被遮光板遮住、直径一旦变小的激光2，在通过遮光后，由于衍射作用而直径变宽，到达电流计扫描器5、6的电流计反射镜时，变得比电流计反射镜大，发生部分激光2超出电流计反射镜，不能正确地将遮光板的图像转印到被加工件1上，从而无法进行微细小孔加工。
另外，关于维持加工范围不变而减小电流计扫描器偏转角的方法，虽然通过改变fθ透镜和电流计扫描器的位置关系等改变光学设计能做到，但是设计极费时间，需要改变昂贵的fθ透镜的技术规格及整个光学系统的设计，所以难以用单束激光方式、经济又简单地提高生产率。
以提高所述方式的生产率为主要目的的激光加工装置，例如有特开平11-314188号公报所揭示的装置。
图9为特开平11-314188号公报所示的激光加工装置的概要构成图。
图中，9为被加工件、10为遮光板，11为将激光分光的半透半反镜，12为分色镜，13a为经半透半反镜反射后的激光，13b为透过半透半反镜在分色镜反射后的激光，14、15为反射镜，16为将激光13a、13b聚焦在被加工件9上用的fθ透镜，17、18为将激光13a引向加工区A1用的电流计扫描器，19、20为将激光13b引向加工区A2用的电流计扫描器，21为使被加工件各部分移向加工区A1或A2用的XY工作台。
图9所示的激光加工装置将通过遮光板10的激光经半透半反镜11分光成多束激光，分光后的激光13a、13b分别引导至配置在fθ透镜16的入射侧的多个电流计扫描器系统，通过利用该多个电流计扫描器系统的扫描，能照射分区设定的加工区A1、A2。
另外，分光后的的激光13a经第一电流计扫描器系统17、18，引导至fθ透镜16一半的区域。
而分光后另外的激光13b经第二电流计扫描器系统19、20，引导至fθ透镜16的余下的一半区域，第一、第二电流计扫描器系统相对于fθ透镜16的中心轴对称配置，通过这样将fθ透镜16一分为二，同时利用各一半，从而提高生产率。
但是，在特开平11-314188号公报揭示的装置中，因为采用下述的结构，即分别用第一电流计扫描器系统17、18和第二电流计扫描器系统19、20将经半透半反镜11分光成多束的激光进行扫描，来照射分区设定的加工区A1、A2，所以在利用半透半反镜11分光后的激光13a和13b之间，由于半透半反镜反射和透射特性的差异，容易造成加工孔的质量差异。
例如，在分光后的激光13a和13b之间产生能量差时，对于被加工件9上加工出的孔容易发生孔径、孔深等的差异，故而有可能由于孔径等的误差，而不能完成要求严格的加工。
这里，在激光13b的能量比13a高时，需要再在激光13b光路中追加光学衰减器等高价的光学部件，并进行调整，使激光13b的能量减小，但光学衰减器等光学部件要按照衰减一定比例的能量的规格去制造，例如在需要衰减5％能量的规格和衰减3％能量的规格的情况下，就需要制造两种光学衰减器，这样就必须准备多种规格的光学衰减器，每当进行能量差调整时，就要更换。
另外，图9所示的光路构成中，还有以下的问题存在，即分光后的激光13a、13b在通过遮光板10后一直到照射被加工件9为止的光路长度不同，严格讲被加工件9上的光束的光点直径也不同。
再由于将fθ透镜16进行等分，同时对分区设定的加工区A1、A2进行加工，所以在加工区A1、A2的加工孔数量差别很大时，另外在加工件的端部等加工区A1、A2中某处没有加工对象孔时，不能指望生产率会提高。
【发明内容】
本发明正是为解决上述问题而提出，其目的在于提供一种激光加工装置，该装置能将分光后的激光能量、质量的差异控制在最小，通过使各光路长度相同，从而使光束的光点直径也相同，另外，通过让分光后的激光照射同一区域，这样能更加经济地提高生产率。
为达到这一目的，根据第一观点的激光加工装置，是用第一偏振光装置将一束激光分光成两束激光，一束经由反射镜，另一束由第一电流计扫描器沿两个轴向扫描，将两束激光引入第二偏振光装置后，用第二电流计扫描器扫描，来加工被加工件，在该激光加工装置中，这样构成光路，使得透过第一偏振光装置的激光用第二偏振光装置反射，使得用第一偏振光装置反射的激光透过第二偏振光装置。
另外，将两个偏振光装置的反射面配置成相互面对面，形成分光后各激光的光路长度分别相同的光路。
另外，偏振光装置的固定部分具有以与包括分光后两束激光的光轴在内的面垂直的轴为中心的旋转机构。
另外，通过利用旋转机构的旋转来改变透过偏振光装置的激光的透射率，从而调整所述激光的能量平衡。
具有从分光后的激光中取出任意的激光用的激光选择装置。
另外，控制作为激光选择装置的设在将激光分光后的各条光路上的光闸的开闭，取出来自任意一条光路的激光。
另外，具有检测每一条光路激光能量平衡的检测装置，进行调整使得由该检测装置检测出的各激光能量大致平衡。
另外，检测装置用设置在放置被加工件的XY工作台附近的功率传感器构成。
另外，使得分光后各束激光的光路长度在第一偏振光装置和第二偏振光装置之间分别相同而形成。
另外，第一电流计扫描器扫描的偏转角比第二电流计扫描器扫描的偏转角小。
另外，在第一偏振光装置及第二偏振光装置之间形成的各光路中，各束激光采用相同数量的反射镜反射。
另外，在激光振荡器和第一偏振光装置间设置第三偏振光装置，利用该第三偏振光装置分光后的两束激光分别引导至多个第一偏振光装置及第二偏振光装置，将激光分光为2n束。
【附图说明】
图1为概要表示利用本发明实施形态的激光加工设备的光路构成图。
图2为利用本发明实施形态的激光加工设备的光路构成内中的偏振光光束分离器产生的激光反射、透射部分的放大图及结构图。
图3为表示利用本发明实施形态的偏振光光束分离器中的反射率及透射率与激光入射角的相互关系的示意图。
图4为自动修正电流计扫描器偏转角的程序的流程图。
图5为自动调整偏振光光束分离器角度的程序的流程图。
图6为表示追加偏振光装置、用四束激光进行加工时的激光加工设备实施例的概要构成图。
图7为自动修正电流计扫描器偏转角的程序的流程图。
图8为表示现有通常的开孔用激光加工设备的概要构成图。
图9为表示以提高现有的生产率为目的的开孔用激光加工设备的概要构成图。
【具体实施方式】
实施形态1
图1为表示采用本发明实施形态的激光加工装置的概要构成图。
图中，22为印刷电路板等被加工件，23为被加工件22上形成转印所希望加工形状(例如圆形)的图像用的遮光板，24为使激光反射并沿光路引导的多个反射镜，25为将激光分光用的第一偏振光装置即第一偏振光光束分离器，26a为经第一偏振光光束分离器反射的激光，26b为透过第一偏振光光束分离器的激光，27为用于使激光26a透射并使反射26b的第二偏振光装置即第二偏振光光束分离器，28为将激光26a、26b聚焦在被加工件22上用的fθ透镜，29为将激光26a沿两个轴向扫描并引导至第二偏振光光束分离器用的第一电流计扫描器，30为将激光26a、26b沿两个轴向扫描并引导至被加工件22用的第二电流计扫描器，31为使被加工件22移动用的XY工作台，34为设置在激光的光路上作为遮挡激光的激光选择装置的光闸，35为测量从fθ透镜28射出的激光能量的功率传感器，36为测量激光的加工孔等孔径、孔位置用的摄像元件即CCD摄像机，37为修正电流计扫描器偏转角用的被加工件。
图2为表示偏振光光束分离器25、27中的激光反射、透射部分的示意图。32为使入射光反射或透过用的窗口，33为将窗口32上反射的入射光分量相对于入射光使反射光成90°射出用的反射镜，41为即使射向偏振光光束分离器的入射角变化也将出射角度及位置不变化的位置作为旋转轴而配置的伺服电动机，42为固定伺服电动机41的支架，43为联接偏振光光束分离器和伺服电动机的支架。
还有，对于偏振光光束分离器25、27的窗口部分32，在CO2激光器的情况下，广泛使用ZnSe作为材料。但是也可以用其它的材料例如Ge等制成。
本发明中，是将振荡的激光作为圆偏振光引导到第一偏振光光束分离器25，用第一偏振光光束分离器分光成透射的偏振光方向为和入射面平行的P波即激光26b、和反射的偏振光方向为和入射面垂直的S波即激光26a。
再有，引导向第一偏振光光束分离器25的激光也可以不是圆偏振光，而是相对于P波和S波的偏振光方向成45°角度的直线偏振光。
这里，无论将圆偏振光及直线偏振光中的任何一种激光引导到第一偏振光光束分离器上时，都要从激光振荡器开始以直线偏振光的方式使激光振荡。为了将激光以圆偏振光方式引导到第一偏振光光束分离器25，在光路中使用将直线偏振光变成圆偏振光的延迟器，对延迟器要让入射光和反射光成90°的角度射入，另外，射入延迟器的激光的偏振光方向要相对于将入射光轴和反射光轴作为两条边的平面与延迟器的反射面的交点以45°的角度射入。圆偏振光均匀包含P波、S波的偏振光方向，由于引导到第一偏振光光束分离器25时的偏振光方向没有限制，故光路设计自由度大。
另外，使用直线偏振光时，如前所述，作为相对于用第一偏振光光束分离器分光的P波和S波的偏振光方向成45°角度的直线偏振光，必须将激光引导至第一偏振光光束分离器25，在光路设计上有限制，但是由于不需要延迟器和射入延迟器的激光的偏振光方向、及光轴角度的调整机构、以及调整工作，简化了光路，所以能使成本下降。
透过第一偏振光光束分离器25的激光26b经过弯曲反射镜24引至第二偏振光光束分离器27。另外，用第一偏振光光束分离器25反射的激光26a利用第一电流计扫描器29沿两个轴向扫描后，被引导至第二偏振光光束分离器27。
其后，激光26a、26b利用第二电流计扫描器30沿两个轴向扫描后，利用fθ透镜28照射在被加工件22上。
这时，利用第一电流计扫描器29的扫描，激光26a能在被加工件22上和激光26b照射在相同的位置。
另外，在预定的范围内对于激光26b的任意的位置，例如通过电流计扫描器29的扫描对激光26a考虑到以激光26b为中心的光束分离器的窗口32的特性，在4mm见方的范围内扫描，这样通过第二电流计扫描器30，能对被加工件22上任意不同的两点照射激光。
采用下述的构成，即第一偏振光光束分离器25反射的激光26a透过第二偏振光光束分离器27，透过第一偏振光光束分离器25的激光26b由第二偏振光光束分离器27反射。
因此，分光后的两束激光由于各自经过反射和透射两个过程，所以能抵消由于反射和透射之不同而造成的激光质量的差异及能量的失衡。
例如，在偏振光光束分离器中激光入射角为理想的布儒斯特(Brewster)角附近，偏振光光束分离器的反射率及透射率就变成如图3那样。
还有，图3的纵轴是将入射的激光完全地一分为二时的反射率及透射率作为100％来进行描述的，例如反射率为100％时，反射光相对于入射光的比例为50％。
对于两个偏振光光束分离器，激光入射角相对于布儒斯特角的各自的误差为-2°时，每个偏振光光束分离器的激光的反射率为99％，透射率为97％。经过两次反射或透射的过程后，两束激光的能量就变成98％和94％，产生4％的能量差，但是每一次都经过反射和透射这两个过程，则所得激光的能量都为96％，所以通过采用如前所述的光路构成，能使这样的特性互相抵消。
另外，两个偏振光光束分离器使用相同的分离器，容易取得前述的互相抵消的效果，同时也利于降低成本。
通过如图1所示配置两个偏振光光束分离器，由于第一偏振光光束分离器25～第二偏振光光束分离器27之间的激光26a和26b的光路长相同，故能使分光后两束激光的光束光点直径相同。
例如，本发明实施形态中，即使将光路沿X、Y、Z方向分解，由于各个光路均为相同光路长度，所以即使对光路构成要素作大小设计变更，光路仍能沿X、Y、Z方向伸缩，激光26a和26b能保持相同光路长度。
另外，如图2所示，偏振光光束分离器将反射镜33做成一体化，使得反射光相对于入射光成90°射出。
偏振光光束分离器的固定部分的结构如图2所示，具有绕与包括分光后的两束激光26a和26b的光轴在内的面垂直的轴心旋转的旋转机构，在分光后的两束激光26a和26b之间产生能量差时，通过利用图3所示的反射率及透射率相对于激光入射角的相互关系，能调整能量差，不需要光学延迟器等其它的光学部件，而用廉价的方法能进一步提高经过两个偏振光光束分离器后的两束激光26a与26b能量平衡的精度。
另外，设法使旋转轴的位置为即使射入偏振光光束分离器的入射角改变而射出位置仍不变的位置，采取这样的措施，即使偏振光光束分离器旋转、调整能量平衡，也能让在这之后的光路角度、位置的变化为最小。
例如，在将图2的旋转轴配置在窗口32和反射镜33的交点处的情况下，偏振光光束分离器旋转±5°时，激光相对于窗口32的入射角度变大，与此相反，射入反射镜33的入射角度变小，激光相对于窗口32的入射角度变小，与此相反，射入反射镜33的入射角度变大，通过角度误差互相抵消，则相对于射入偏振光光束分离器的入射光的出射角度为无误差的90°，另外，出射位置无变化量，最终无论将偏振光光束分离器的窗口32或反射镜33中任何一个作为入射侧，都能取得同样的效果。
根据图3的偏振光光束分离器的反射率及透射率和入射角之间的关系与其效果，在第一偏振光光束分离器25反射的激光26a的能量高时，能通过使第二偏振光光束分离器27旋转，调整激光26a的透射率，而降低能量。另外，在透过第一偏振光光束分离器25的激光26b的能量高时，能通过使第一偏振光光束分离器25旋转，调整激光26b的透射率，而降低能量，由于在这之后的光路不需要调整，所以能缩短维护时间。
以下，利用图4说明为了调整激光的能量平衡而自动调整偏振光光束分离器角度时的流程。
首先，将功率传感器35移至固定在XY工作台31上的功率传感器35的感光部能感受fθ透镜28射出的激光的位置上(步骤S1)。
此后，打开第一光闸34a，关闭第二光闸34b(步骤S2)，从未图示的激光振荡器射出激光，用功率传感器35测量激光26a的能量(步骤S3)。
能量测量后，激光暂时停振，关闭第一光闸34a，打开第二光闸34b(步骤S4)。
再次射出激光，用功率传感器35测量激光26b的能量(步骤S5)。
在控制装置中计算两束激光26a、26b的能量差(步骤S6)，如在允许值内，则调整结束，而在允许值之外时，使第一偏振光光束分离器25和第二偏振光光束分离器27旋转，调整各个偏振光光束分离器的透射率(步骤S9)，再次测量两束激光的能量，反复进行调整，直到在允许值范围内。
另外，判断在预定的偏振光光束分离器旋转角度范围内、例如±5°的范围内能否达到能量差的允许值(步骤S8)，不能满足时，在从激光振荡器引导出圆偏振光激光的情况下，是圆偏振光率下降，在引导出直线偏振光激光的情况下，是相对于第一偏振光光束分离器25的透射、反射的偏振光方向以45°角度引导出的偏振光方向角度偏差等原因，判断为装置需要维护的状态，则程序结束，并在未图示的操作画面上显示程序未正常结束、及敦促进行维护的内容等信息。
这种偏振光光束分离器角度自动调整定期地、例如事前安排的时候、或装置投运时实施，这样激光的能量平衡能始终维持在更加高的精度，由于与操作人员的操作水平无关，所以能进行稳定的加工。
以下，利用图5说明为了保持、提高加工位置精度而实施电流计扫描器偏转角度自动修正时的流程。
首先，将预设在XY工作台31上的修正用被加工件7(例如丙烯板)移到fθ透镜28的加工区内。打开第二光闸34b，关闭第一光闸34a(步骤S11)。利用第二电流计扫描器30只扫描激光26b，对被加工间在预定的范围、例如50mm见方的范围内实施电流计扫描器30偏转角修正前的加工(步骤S12)。
加工实施后，驱动XY工作台31，用CCD摄像机36测量加工孔位置精度(步骤S13)。
通过将测量结果与基准位置进行比较，在未图示的控制装置中算出第二电流计扫描器30的偏转角修正值(步骤S14)。
此后，驱动XY工作台31，再次将修正用被加工件37移到fθ透镜28的加工区内，对被加工间件37实施第二电流计扫描器30偏转角修正后的加工(步骤S15)。
加工实施后，驱动XY工作台31，用CCD摄像机36测量加工孔的位置精度(步骤S16)，与预定的允许值作比较(步骤S17)，在允许范围之外时，为了让操作者知道可能装置有异常、或使用方法有误，则程序结束，在未图示的操作画面等显示内容为程序未正常结束的信息。
另外，如在允许值范围内则第二电流计扫描器30偏转角修正结束，转入第一电流计扫描器29偏转角修正。
在第一电流计扫描器29偏转角修正过程中，第一光闸34a打开，第二光闸34b关闭(步骤S18)，利用第一电流计扫描器29、第二电流计扫描器30只扫描激光26a，在和实施第二电流计扫描器30偏转角修正时的同一范围内，实施第一电流计扫描器29的偏转角修正前的加工(步骤S19)。
例如，控制第一电流计扫描器29，使激光26a在以激光26b为中心的4mm见方的范围中扫描，并控制第二电流计扫描器30，使激光26a在46mm见方的范围中扫描，从而通过第一及第二电流计扫描器29、30的激光26a能在50mm见方的范围中实施加工。
加工实施后，驱动XY工作台31，用CCD摄像机36测量加工孔的位置精度(步骤S20)。
通过将测量结果与基准位置进行比较，在控制装置中算出第一电流计扫描器29的偏转角修正值(步骤S21)。
此后，通过驱动XY工作台31，再度将修正用被加工件37移到fθ透镜28的加工区内，对被加工件37实施第一电流计扫描器29偏转角修正后的加工(步骤S22)。
加工实施后，驱动XY工作台31，用CCD摄像机36测量加工孔的位置精度，在允许值之外时，和第二电流计扫描器30偏转角修正时一样，为了让操作者知道有可能装置异常、或使用方法有误，则程序结束，在操作画面上显示内容为程序未正常结束的信息。
另外，如在允许值范围内，则第一电流计扫描器29偏转角修正结束。
这种电流计扫描器偏转角自动修正，是在满足某些条件时，例如监视电流计扫描器本体、或周围的温度，在产生一定的温度变化时，或经过一定的时间时进行修正，通过这样的控制，从而能始终以稳定的位置精度实施加工。
本实施形态中，是采用将圆偏振光的激光引导至偏振光光束分离器的分光装置，但是通过从实施形态未示出的激光振荡器以相对于在偏振光光束分离器上互相正交的反射、透射的偏振光方向的45°角度产生直线偏振光振荡，并将其引导，也能得到同样的效果。
实施形态2
另外，在偏振光光束分离器分光后，通过再次形成为圆偏振光，或以相对于反射、透射的偏振光方向的45°角度射入偏振光光束分离器，从而能反复分束，所以不仅以两束，也能以2n束激光来实施加工。
图6为表示追加第三偏振光装置、用四束激光加工时的激光加工装置实施示例的概要构成图。
图6的构成中，从未图示的激光振荡器引导出圆偏振光或直线偏振光的激光，用第三偏振光光束分离器38将激光分光，沿光路引导，使得透过第三偏振光光束分离器38的激光26的偏振光方向、反射后的激光39的偏振光方向分别以相对于第一偏振光光束分离器25、25A上的反射、透射的偏振光方向的45°角度射入，将激光26分光成激光26a、26b，将激光39分光成激光39a、39b。
关于第一偏振光光束分离器25、25A以后的光路采用和图1所示的和本发明的实施形态同样的构成，这样能对被加工件照射四束激光进行加工。
还有，在用第三偏振光光束分离器38分光后，至照射被加工件的光路长全部形成为相同长度，从而分光后的四束激光光束光点直径都相同。
关于光束分离器的调整如图7所示，首先将只打开第一及第二光闸34a、34b时的激光26(26a与26b之和)的能量同只打开第三及第四光闸34c、34d时的激光39(39a与39b之和)的能量作比较，通过使第三偏振光光束分离器38旋转，改变激光的入射角度，来进行调整，使得透过偏振光光束分离器38的激光26的能量等于反射后的激光39的能量(步骤S31)。
此后，将只打开第一光闸34a时的激光26a的能量与只打开第二光闸34b时的激光26b的能量作比较，使第一偏振光光束分离器25和第二偏振光光束分离器27旋转，进行调整，使得激光26的能量等分为激光26a、26b(步骤S32)。
最后，将只打开第三光闸34c时的激光39a的能量与只打开第四光闸34d时的激光39b的能量作比较，使第一偏振光光束分离器25A和第二偏振光光束分离器27A旋转，同样进行调整，使得激光39的能量等分为激光39a、39b(步骤S33)。
利用以上的调整，能更加提高引导至被加工件34的四束激光的能量平衡。
关于电流计扫描器偏转角自动修正，是通过设光闸34中的任何一个也仅是一个为开启状态，检测各束激光26a、26b、39a、39b和基准位置的偏差，通过这样，修正各电流计扫描器的偏转角。
如上所述，如采用本发明的激光加工装置，能取得以下的效果，即能使分光后激光的质量及能量的差异趋于均匀，提高生产率。又通过使分光后两束激光的光路长度相等，从而能使两束激光的光束光点直径相同。又通过使偏振光装置的固定部分具有旋转机构，能更加经济地使分光后的两束激光能量的差异为最小。
如前所述，本发明涉及的激光加工装置适合于对印刷电路板等被加工件进行开孔加工。