WO2000053365A1 - Appareil d'usinage au laser - Google Patents

Description

明 細 書 レーザ加工装置 技術分野

この発明は、 レーザ加工装置、 特に高速微細穴加工等に用いられるレ —ザ加工装置に関するものである。 背景技術

従来の一般的な微細穴加工用レーザ加工装置を第 1 1図に示す。 第 1

1図に示したものは、 例えば水平に XYテーブル 1 4上に置かれた被加 ェ物 1にパルス状レーザ光 2を照射し任意のパターンに微細穴加工する ことを目的とした装置であり、 パルス状レーザ光 2を発生するレーザ発 振器 3、 レーザ光 2を反射させて光路中を導く数枚のベンドミラー 4、 レーザ光 2を制御装置 1 0の指令により任意の角度に反射させるガルバ ノミラ一 5 (この図では、 2個のガルバノミラ一 5 a , 5 b ) 、 ガルバ ノミラ一 5を駆動するガルバノスキャナ 6、 ガルバノミラー 5により与 えられるレーザ光 2の角度を光路軸方向に対し平行に修正しレーザ光 2 が被加工物 1に垂直に照射するようにする f 0 レンズ 7、 加工結果の表 示に使用する CCDカメラ 8、 ガルバノスキャナ 6 , レンズ 7， 及び CCD カメラ 8を載せて被加工物 1 との距離を調整するために Z 方向に 移動する Z軸テーブル 9、 これらの駆動系の制御を行なう制御装置 1 0 からなつている。 このレーザ加工装置によれば、 被加工物 1上に垂直に レーザ光 2を高速に位置決めするガルバノスキャナ 6 , ガルバノミラ一 5， f Θ レンズ 7と、 ごく短時間ビームを発振可能なパルスレーザ発振 器 3との組合せにより、 500穴 Z秒という板金用レーザ加工に比べては るかに高速な加工を可能としている。

上記のような加工装置を用いた微細穴加工について説明する。 制御装 置 1 0上で設定された周波数と出力値に従ってレ一ザ発振器 3から出力 されるパルス状のレーザ光 2が、 数枚のベンドミラ一 4によりガルバノ スキャナ 6に取付けられたガルバノミラー 5 a , 5 bまで導かれ、 ガル バノスキャナ 6により任意の角度に保持されたガルバノミラ一 5 a , 5 bに反射して f Θレンズ 7へ入射する。 f 0レンズ 7に入射したレーザ光 2は被加工物 1上で焦点を結ぶ。 また f 0レンズ 7に入射する直前のレ 一ザ光 2は様々な入射角をもっているが、 f 0 レンズ 7により被加工物 1に垂直に照射されるように修正される。

レーザ発振器 3から出力されるレ一ザ光 2の発振の夕イミングとガル バノミラー 5 a , 5 bの角度とを制御装置 1 0で制御することにより、 制御装置 1 0にあらかじめ入力されている形状を加工することが出来る。 このとき 1パルスのレーザ光照射で一つの穴が加工されるが、 被加工物 1の材質に対して出力が十分でない等の場合には数パルスを一個所に繰 り返して照射し深い穴を開ける等の方法が取られたりする。 ガルバノミ ラー 5 a , 5 bによりレーザ光 2をスキャン出来る範囲は限られている 為、 一定の形状の加工が終了すると XYテーブル 1 4により被加工物 1 を次のスキャンエリァに移動し、 再びガルバノスキャナ 6を駆動し加工 を行なう。 上記のようにして任意の箇所に高速にレーザ光 2を導き微細 穴加工を行なう。

上記の手順によれば、 加工装置一台の単位時間当たりの生産量を増や すにはガルバノスキャナの駆動速度をより高速にすること、 パルスレー ザ発振器の発振周波数をより高くかつ高出力のレーザ光を発振すること、 XY テーブルの移動速度を高速化すること、 の 3つの方法により今以上 に高速な加工が可能になる。 昨今の微細穴加工市場の急激な成長にともない、 要求される加工速度 が短期間のうちに数倍乃至数十倍に増大している。 このためより高速に 駆動できるガルバノスキャナ、 より短時間で高出力のレーザ光をパルス 状に発生するレーザ発振器の開発が期待されており、 短期間で飛躍的に 加工速度を向上させる技術を開発し製品化することが急務となっている。 しかし、 市場から要求されている 5倍， 1 0倍、 更にそれ以上の加工時 間の短縮を実現することはレーザ加工装置の位置決め速度を向上させる 方法ではガルバノスキャナ， XY テーブルの能力が限界に近づきつつあ る現状から考えると非常に困難である。

また 1台の発振器に複数の加工ヘッドを用意し、 発振器から出てくる レーザ光を半透過ミラーを使い数段階に分けて分光する方法では、 巨大 な光路系設計が必要であったり、 光路調整が複雑になったりするなどの 問題点が有る。

一方、 回折型光学部品 （Diffractive Optical Element、 以下適宜 DOE と記す） は、 その表面に施された回折格子により入射する光を設計され た分光数及びパターンに分光することが出来る光学部品であり、 通常は 一度のレーザ光発振で 1個所の加工しかできないものが、 例えば 3分光 するように設計された DOE を前述の微細穴加工用レーザ加工装置の光 路系に挿入すれば、 一度のレーザ光発振で同時に 3個所の加工が可能と なる。 DOEはホログラフィック光学素子 （HOE) とも呼ばれている。 この DOEを利用すると、 所望の分光数と分光パターンをもった DOE を設計し、 従来の光学系に使用して比較的簡単に加工速度を上げること が可能であり、 上述の加工速度を向上させるといった課題の解決に繋が る。

ところが、 DOEを光路系に挿入する場合、 その挿入場所によっては設 計通りの仕様が発揮されにくくなることがある。 たとえば、 像転写光学 系を使用する場合は、 レーザ光のパワーを効率良く使う為にマスクを使 用するが、 マスクの前に DOE を挿入してしまうと分光パターンにマス クの影響が出てしまう。 例えば、 ガルバノミラ一の直後、 f 0レンズの 直前に DOEを挿入した場合はレーザ光が DOEに斜めに入射することに なり屈折率の変化により分光パターンに影響を与えることになるので、 入射角度、 及び入射領域を考慮した複雑な DOE の設計や複雑なガルバ ノスキャナ制御が必要である。例えば f Θレンズの直後に DOEを揷入し た場合は、 ガルバノミラーのスキャンエリアを充分カバーする大きさの DOEが必要となり膨大な製作コストがかかるうえに、加工時に発生する 粉塵、 スパッ夕等から DOE 表面を保護する手段が必要となり、 さらに コス卜がかかってしまう。

また、 ガルバノミラ一， f 0レンズを通ったレーザ光は X， Y方向そ れぞれのガルバノミラーと f Θレンズの距離の差により指令値と加工位 置とがずれてしまう。 これを修正するためにプログラムによる位置の補 正が必要となっている。 またガルバノミラーは周囲温度等により微妙に 反射角度が変化するため、 空調室等で加工装置を使用することが望まし いが、 夜間空調を切っていたり、 空調の無い場所で使用したりする場合 はこまめに補正値の修正を行なうことが必要である。 これらの補正、 補 正値の修正を行なう方法として CCDカメラを利用した自動補正がある。 補正プログラムにあらかじめ記入されたパターンにしたがってレーザ光 で空けられた穴の座標値を CCDカメラで認識し、 指令値と CCDカメラ で測定した穴の座標値との位置ずれを検出し、 ずれ量をスキャンエリァ 内の穴の位置に従って補正量を計算し、 スキャンエリア内全てにわたつ て補正するという方法が取られる。 しかしながら DOE を装備した加工 装置ではレーザ光が焦点でパターンに分岐してしまう為、 CCDカメラで 認識させるには DOE パターン毎にプログラムの修正を行なう必要があ り、 加工装置毎にプログラムを修正する手間がかるという問題が発生す る。

また、 DOEをその光路中に備えた加工装置においては DOEを通過し たレーザ光は DOE の製作精度によりその強度がある程度ばらついて分 岐される。 出来る限りバラツキが小さいことが望ましいが、 実際は DOE 製作手順上の問題や低次回折光の影響によるばらつきを全く無くすこと は不可能である。 そのため DOE を利用して加工を行なうと、 分光強度 のばらつきに比例して加工穴径がばらつくという結果が得られる。

このまま同一位置で数回または長時間連続でレーザ光を照射したとし ても、 穴径はエネルギーの強さに比例する為、 加工穴径を均一に戻すこ とは出来ない。

また、 DOEを通過したレーザ光は、 必要なパターン以外に高次回折光 がノイズとしても同時に分岐される。 ノイズは DOE の製造過程や被加 ェ物ごとに設定される加工条件の調整等によりある程度減少させること は可能であるが、 全く無くすことは不可能である。 分光数が少ない場合 はノイズの分光強度は必要とされるパターンの分光強度に比べて小さく 加工時も問題にならないことが多いが、 分光数が増えてそれぞれの分光 強度設計値が小さくなつたり、 DOE製作上の問題によってパターンとノ ィズの分光強度が近い数値となる場合には、 必要なパターン以外の場所 に不必要な穴が加工されてしまうという問題が起きる。

この発明は、 上述の課題を解決し、 高速微細穴加工等の際に、 従来の レーザ加工装置よりも高速で且つ正確な加工が可能なレーザ加工装置を 提供することを目的としている。 発明の開示

この発明は、 レーザ光を発生させるレーザ発振器と、 このレーザ発振 器より出力された前記レーザ光を被加工物に導く光路を形成するガルバ ノミラーと f 0レンズとを有する光路系と、 前記レーザ発振器と前記ガ ルバノミラーとの間の光路中に設けられた回折型光学部品とを備えたレ —ザ加工装置を提供するものである。

したがって、 簡単な構成で、 回折型光学部品による高速且つ正確な同 時複数点加工ができるレーザ加工装置を得ることが出来る。

また、 この発明は、 回折型光学部品を前記光路中の定められた位置に 着脱する着脱手段を備えたレーザ加工装置を提供するものである。

したがって、 ガルバノミラー等の補正時に、 光路から回折型光学部品 を取り外した状態で補正を容易に行なうことが可能となり、 また、 複数 種の回折型光学部品を交換して使い分けることができ、 複数種の加工パ 夕一ンに容易に対応することができる。

また、 この発明は、 光路中に設けられた回折型光学部品の姿勢を調整 する調整手段を備えたレーザ加工装置を提供するものである。

したがって、 レーザ光が垂直に入射するように回折型光学部品の姿勢 を調整することが可能となり、 適切な回折角を得ることができる。 また、 この発明は、 回折型光学部品により分岐され f 0レンズにより 集光されたレーザ光の焦点位置でのビーム径を、 光路中のレーザ発振器 と回折型光学部品の間に設けた像転写光学系の調整により操作するレー ザ加工装置を提供するものである。

したがって、 回折型光学部品を備えたレーザ加工装置において、 焦点 位置での分光されたそれぞれのレーザ光の集光径を像転写光学系に設置 されたマスク径によって一律に調整することが可能となり、 被加工物の 材質及び必要とする加工穴径に応じた加工結果を容易に得ることが出来 る。 図面の簡単な説明

第 1図は、 この発明の一実施形態によるレーザ加工機の構成の概略図 である。

第 2図は、第 1図に示した DOE及び f 0レンズ周辺の要部拡大図であ る。

第 3図は、 一般的な加工方法を説明する図である。

第 4図は、 この発明の一実施形態による加工方法を示す図である。 第 5図は、 この発明の一実施形態による DOE の設置位置を説明する 概略図である。

第 6図は、 DOEの設置位置の比較例を説明する概略図である。

第 7図は、 DOEの設置位置の別の比較例を説明する概略図である。 第 8図は、 この発明の一実施形態による DOE着脱保持装置の構成の 概略図である。

第 9図は、 この発明の一実施形態による DOE姿勢調整装置の構成の 概略図である。

第 1 0図は、 この発明の一実施形態による光路構成の概略図である。 第 1 1図は、 従来の一般的な微細穴加工用レーザ加工装置の構成の概 略図である。 発明を実施するための最良の形態

実施の形態 1 .

第 1図はこの発明の第 1の実施の形態によるレーザ加工装置を示すも のである。 第 1図において、 レーザ発振器 3により発生したレーザ光 2 は発振器 3に設けられたシャツ夕 1 3より放出される。 レーザ光 2は光 路中に設けられた数枚のベンドミラー 4により、 保持装置 1 2に保持さ れた DOE 1 1へ導かれる。 DOE 1 1が備える回折格子によりレーザ光 2は一定のパターンに分岐される。 分岐されたレーザ光 2はベンドミラ 一 4によりガルバノスキャナ 6に保持されたガルバノミラ一 5 a , 5 b へと導かれる。 ガルバノスキャナ 6により任意の角度にスキャンニング されるガルバノミラー 5 a , 5 bによって反射されたレーザ光 2は任意 の入射角をもって f 0レンズ 7に入射する。 f 0レンズ 7に入射したレ一 ザ光 2は、 被加工物 1に垂直に入射するように補正されて出てくるとと もに f 0レンズ 7が持つ焦点距離にしたがって集光されている。 これら の構成により焦点位置におかれた被加工物 1上に任意のパターンを加工 することが可能となる。

第 2図はこの実施の形態に使用される光路系の要部拡大図である。 図 中、 1 1は DOE であり、 ガルバノミラー 5 aより発振器側に挿入され ている。 DOE 1 1によって分岐されたレーザ光はガルバノミラ一 5 a， 5 b、 f Sレンズ 7を経て被加工物に集光される。

このとき通常は第 3図に示すように、 ある 1点で加工した後パターン 2 4分移動して次の加工を行なうが、 第 4図に示すようにあえて 1穴分 だけずらして移動し一度加工した箇所にパターン 2 4の一部を重ねて加 ェを行なう。 その次はパターン 2 4分移動し、 繰,り返し一部重ね加工を 行なう。 このような加工方法を取ると、 1回のビーム照射では分光強度 の不均一性による不均一な穴径の加工結果がバラツキが発生してしまう 力 1穴分移動して部分的に重ねてビーム照射することで穴径の不均一 性を低くすることが出来る。

第 5図， 第 6図， 第 7図は DOE の光路系内の設置位置を説明するた めの概略図である。 光路中における DOE の挿入位置は様々であるが、 第 5図に示すように、 光路中、 ガルバノミラー 5 aの前に DOE 1 1を 置くことが望ましい。 例えば第 6図のようにガルバノミラー 5 bと f 0 レンズ 7との間に DOE 1 1を挿入した場合、 ガルバノミラー 5 bに反 射されたレーザ光が角度をもって DOE 1 1に入射することとなり、 DOE 1 1は垂直にレーザ光が入射するように設計されているため斜め に入射すると屈折率が変化して所定の分光形状、 分光強度が得られなく なる。 入射角度等を考慮した DOE 1 1の設計は非常に高度な計算が必 要であり、 現状では極めて困難である。

また、 例えば第 7図に示すように、 光路中、 f 0レンズ 7の後に DOE 1 1を挿入した場合、 ガルバノミラー 5 bがスキヤン出来るエリァ全体 のレーザ光をカバ一出来る大きさの DOE 1 1が必要となる。 さらに DOE 1 1を通過するレーザ光は f 0レンズ 7により集光されている為、 DOE 1 1への熱影響を与えやすくなつており、冷却装置等の熱影響を小 さくする機能が必要になる。

実施の形態 2 .

第 8図は、 第 1の実施の形態に示す光路系において DOE を容易に挿 入、 交換することができる着脱保持装置である。 第 8図の着脱保持装置 は、 ストック部 1 5に保管してある DOE 1 1を交換アーム 1 6により 自動的に交換できる機構を備えている。 また、 光路調整や、 ガルバノミ ラーのァライメント時に DOEを使用しない場合には光路から DOEを抜 いた状態にして加工することが出来る。 或いは、 例えば作業者が必要に 応じて手動で DOEを交換出来るような着脱機構を設けたものでも良い。

DOEはそれ自身の形状が可変にはならない為、ある一定のパターンに 分光する回折格子を施した DOE を数種類用意しておき、 それぞれを交 換することにより任意のパターンの加工に、 より木目細かく対応するこ とが可能となる。

また、 ガルバノミラ一自動補正を行なう場合は、 CCDカメラが加工結 果を認識しやすくする為、 また DOEパターン毎にプログラムを修正す る必要を無くす為、 また DOE の取付け姿勢等によりレーザ光が光軸中 心に回転して照射され加工結果が XY テーブル座標軸に対して傾き、 CCDカメラによる認識及びプ口グラム修正が X座標補正、 Y座標補正の 他に回転軸補正を行う必要があり、 装置及び制御が複雑になることを避 ける為、 CCDカメラの視野内には加工穴は 1点であることが望ましく、 そのため分岐されていないレーザ光が必要であり、 補正時は DOE を光 路中から取り外し可能であることが望ましい。

実施の形態 3 .

第 9図は、 第 1の実施の形態に示す光路系における DOE の姿勢を容 易に調整することができる姿勢調整装置を示したものである。 焦点位置 における分光パターンの精度は DOE製作の精度に大きく左右されるが、 DOE と焦点位置間の距離も影響を与えるためレンズの持つ焦点距離の 誤差を調整する等のために、 姿勢調整用保持装置 1 7は光軸 1 8に対し て上下方向に調整出来る機構を装備する。 また、 ガルバノミラーを介し 被加工物にレーザ光が照査されるが、 ガルバノミラーの取付け角度によ り加工テーブル上の X Y座標に対し分光パターンが傾く。 このため姿勢 調整用保持装置 1 7は DOE 1 1を光軸 1 8中心に回転させる機構を持 つ。 また、 レーザ光は DOE 1 1に対し垂直に入射することが最適な回 折角を得る為には望ましい。 そのため姿勢調整用保持装置 1 7は光軸 1 8に対して垂直になるように調整できる機構を装備する。

実施の形態 4 .

第 1 0図は、 第 1の実施の形態に示す光路系においてマスク調整機構 を装備した像転写光学系 2 5を光路中の DOE 1 1の前に採用した光路 系である。 この像転写光学系 2 0によればマスク 1 9の口径 2 0を調節 することでマスク 1 9と f Θ レンズ 7との距離 2 2と f 6 レンズ 7の焦 点距離 2 3との比により焦点位置におけるビーム径 2 1の大きさを調整 し、 マスク 1 9により決定されたサイズのビ一ム径を被加工物 1に転写 出来る。 この実施の形態は、 DOE 1 1によって分光されたレーザ光の焦 点位置でのそれぞれのビーム径を任意の大きさに調整する機能を持つ光 路系の一例である。

ところで上記の説明では、 この発明をレーザ加工装置を微細穴加工に 利用する場合について述べたが、 その他のレーザ加工についても利用で きることは言うまでもない。 産業上の利用可能性

以上のように、 この発明にかかるレーザ加工装置は、 例えば微細穴加 ェなど、 高い加工精度を要求される工業用レーザ加工装置として用いら れるのに適している。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . レーザ光を発生させるレーザ発振器と、 このレーザ発振器より出力 された前記レーザ光を被加工物に導く光路を形成するガルバノミラーと f Θ レンズとを有する光路系と、 前記レーザ発振器と前記ガルバノミラ 一との間の光路中に設けられた回折型光学部品とを備えたことを特徴と するレーザ加工装置。

2 . 回折型光学部品を前記光路中の定められた位置に着脱する着脱手段 を備えたことを特徴とする請求項第 1項記載のレーザ加工装置。

3 . 光路中に設けられた回折型光学部品の姿勢を調整する調整手段を備 えたことを特徴とする請求項第 1項記載のレーザ加工装置。

4 . 回折型光学部品により分岐され f Θ レンズにより集光されたレーザ 光の焦点位,置でのビーム径を、 光路中のレーザ発振器と回折型光学部品 の間に設けた像転写光学系の調整により操作することを特徴とする請求 項第 1項記載のレーザ加工装置。