JP7309322B2 - laser device - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ装置に関する。 The present invention relates to laser devices.

気密性を有するレーザビーム伝送路本体内に、非吸収性気体を充満させたレーザビーム伝送路が公知である（特許文献１）。特許文献１に開示された伝送路本体は、レーザビームの伝搬経路に沿う形状を持ち、気密性を有する。伝送路本体の始点近くに非吸収性の気体の入口が設けられ、終点近くに出口が設けられている。 2. Description of the Related Art A laser beam transmission line is known in which a non-absorbing gas is filled in an airtight laser beam transmission line main body (Patent Document 1). The transmission line main body disclosed in Patent Document 1 has a shape along the propagation path of the laser beam and is airtight. A non-absorbing gas inlet is provided near the beginning of the transmission line body and an outlet is provided near the end.

特開昭５９－２０６８０４号公報JP-A-59-206804

レーザビームをプリント配線基板の穴明け加工等に用いるには、一般的に、レーザビームの経路にレンズ、アパーチャ等のビームプロファイル調整機構が配置される。気密性の高い伝送路本体の内部に、これらのビームプロファイル調整機構を光軸調整して配置することは困難である。本願の発明者らによる実験によると、レーザビームの伝搬経路を、気密性を持たない開放された空間とした場合、安定したビームプロファイルを得られない場合があることが判明した。 In order to use a laser beam for drilling or the like of a printed circuit board, a beam profile adjusting mechanism such as a lens and an aperture is generally arranged in the path of the laser beam. It is difficult to arrange these beam profile adjusting mechanisms after adjusting the optical axis inside the highly airtight transmission line main body. According to experiments by the inventors of the present application, it has been found that a stable beam profile may not be obtained when the laser beam propagation path is an open space without airtightness.

本発明の目的は、安定したビームプロファイルを維持することが可能なレーザ装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a laser device capable of maintaining a stable beam profile.

本発明の一観点によると、
レーザビームが通過するビーム経路に配置された光学部品を有し、
前記光学部品は光学定盤の上に配置されており、
さらに、前記光学部品が配置された空間に大気の流れを生じさせる送風機
を有するレーザ装置が提供される。 According to one aspect of the invention,
having an optical component positioned in a beam path through which the laser beam passes;
The optical component is arranged on an optical surface plate,
Furthermore, a blower for generating an air flow in the space where the optical component is arranged
is provided .

光学部品の内部に含む空間を大気状態することにより、気密性を維持する必要がなくなるため、光学部品の光軸調整を容易に行うことができる。また、大気の流れを生じさせることにより、ビームプロファイルを時間的に安定化させることができる。 By making the space contained inside the optical component atmospheric, it is not necessary to maintain airtightness, so the optical axis of the optical component can be easily adjusted. In addition, the beam profile can be temporally stabilized by creating an air flow.

図１は、実施例によるレーザ装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a laser device according to an embodiment. 図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ図１に示した実施例によるレーザ装置の概略正面図及び概略平面図である。2A and 2B are schematic front and plan views, respectively, of the laser device according to the embodiment shown in FIG. 図３Ａは、図１に示した実施例によるレーザ装置の光検出器の位置におけるビームプロファイルの測定結果を示す濃淡図及びグラフであり、図３Ｂは、大気の流れを生じさせない状態で測定したビームプロファイルの測定結果を示す濃淡図及びグラフである。3A is a gradation diagram and a graph showing measurement results of the beam profile at the position of the photodetector of the laser device according to the embodiment shown in FIG. 1, and FIG. 4A and 4B are a gradation diagram and a graph showing profile measurement results; 図４は、他の実施例によるレーザ装置の光学室の斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of an optical chamber of a laser device according to another embodiment.

図１～図３Ｂを参照して、実施例によるレーザ装置について説明する。
図１は、実施例によるレーザ装置の概略図である。レーザ発振器１０がレーザビームを出力する。レーザ発振器１０として、実質的に大気に吸収されない波長域のレーザビームを出力するレーザ発振器、例えば炭酸ガスレーザ発振器等を用いることができる。 A laser apparatus according to an embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3B.
FIG. 1 is a schematic diagram of a laser device according to an embodiment. A laser oscillator 10 outputs a laser beam. As the laser oscillator 10, a laser oscillator that outputs a laser beam in a wavelength range substantially not absorbed by the atmosphere, such as a carbon dioxide gas laser oscillator, can be used.

レーザ発振器１０から出力されたレーザビームのビーム経路に、ビームエキスパンダ１１、ベンディングミラー１２、１４、１６、アパーチャ１３、分岐光学系１５等の光学部品が配置されている。ビームエキスパンダ１１は、レーザ発振器１０から出力されたレーザビームのビーム径及び広がり角を変化させる。ビームエキスパンダ１１を通過したレーザビームが、ベンディングミラー１２で反射されてアパーチャ１３に入射する。アパーチャ１３は、レーザビームのビーム断面を整形する。アパーチャ１３を通過したレーザビームが、ベンディングミラー１４で反射されて分岐光学系１５に入射する。レーザ発振器１０から分岐光学系１５までのビーム経路は、水平面にほぼ平行である。 Optical components such as a beam expander 11 , bending mirrors 12 , 14 , 16 , an aperture 13 , and a branching optical system 15 are arranged along the beam path of the laser beam output from the laser oscillator 10 . The beam expander 11 changes the beam diameter and spread angle of the laser beam output from the laser oscillator 10 . A laser beam that has passed through the beam expander 11 is reflected by the bending mirror 12 and enters the aperture 13 . Aperture 13 shapes the beam cross section of the laser beam. The laser beam that has passed through the aperture 13 is reflected by the bending mirror 14 and enters the branching optical system 15 . A beam path from the laser oscillator 10 to the branching optical system 15 is substantially parallel to the horizontal plane.

分岐光学系１５は、入射したレーザビームを２本のビーム経路に分岐させる。分岐光学系１５として、ハーフミラー、偏光ビームスプリッタ等を用いることができる。 The branching optical system 15 branches the incident laser beam into two beam paths. A half mirror, a polarization beam splitter, or the like can be used as the branching optical system 15 .

ベンディングミラー１２に入射するレーザビームの一部はベンディングミラー１２を透過して光検出器１９に入射する。光検出器１９は、入射するレーザビームの光強度に対応する電気信号を出力する。光検出器１９で検出された検出結果は、例えば、レーザ発振器１０へのフィードバック、レーザ発振器１０の動作の正常性の確認等に用いられる。 A part of the laser beam incident on the bending mirror 12 passes through the bending mirror 12 and enters the photodetector 19 . The photodetector 19 outputs an electrical signal corresponding to the light intensity of the incident laser beam. The detection result detected by the photodetector 19 is used, for example, for feedback to the laser oscillator 10, confirmation of normality of operation of the laser oscillator 10, and the like.

分岐光学系１５で分岐されて一方のビーム経路（下方に向かうビーム経路）を伝搬するレーザビームは、ビーム走査器１７Ａ及びレンズ１８Ａを経由して、加工対象物２０Ａに入射する。他方のビーム経路（水平方向に向かうビーム経路）を伝搬するレーザビームは、ベンディングミラー１６で下方に向かって反射された後、ビーム走査器１７Ｂ及びレンズ１８Ｂを経由して、加工対象物２０Ｂに入射する。ビーム走査器１７Ａ、１７Ｂは、例えば一対のガルバノミラーを含み、パルスレーザビームを２次元方向に走査する機能を有する。レンズ１８Ａ、１８Ｂは、それぞれパルスレーザビームを加工対象物２０Ａ、２０Ｂの表面に集光する。なお、アパーチャ１３を加工対象物２０Ａ、２０Ｂの表面に結像させる構成としてもよい。 The laser beam split by the splitting optical system 15 and propagated along one beam path (downward beam path) enters the workpiece 20A via the beam scanner 17A and the lens 18A. The laser beam propagating along the other beam path (horizontal beam path) is reflected downward by the bending mirror 16, passes through the beam scanner 17B and the lens 18B, and enters the workpiece 20B. do. The beam scanners 17A and 17B include, for example, a pair of galvanometer mirrors, and have a function of scanning the pulse laser beam in two-dimensional directions. Lenses 18A and 18B focus the pulsed laser beams on the surfaces of workpieces 20A and 20B, respectively. The aperture 13 may be configured to image the surfaces of the objects 20A and 20B.

加工対象物２０Ａ、２０Ｂは、例えばプリント配線基板であり、ステージ２１の保持面に保持されている。例えば、プリント配線基板にパルスレーザビームを入射させることにより、穴明け加工が行われる。ステージ２１の保持面は、例えば水平である。ステージ２１は、加工対象物２０Ａ、２０Ｂを水平面内の２方向に移動させることができる。ステージ２１として、例えばＸＹステージを用いることができる。 The workpieces 20A and 20B are printed wiring boards, for example, and are held on the holding surface of the stage 21 . For example, drilling is performed by making a pulsed laser beam incident on a printed wiring board. The holding surface of the stage 21 is horizontal, for example. The stage 21 can move the workpieces 20A and 20B in two directions in the horizontal plane. An XY stage, for example, can be used as the stage 21 .

ビームエキスパンダ１１、ベンディングミラー１２、１４、１６、アパーチャ１３、分岐光学系１５、光検出器１９等の光学部品を内部に含む空間に、送風機３０が大気の流れを生じさせる。送風機３０として、例えばファンを用いることができる。これにより、ビーム経路及び光学部品を含む空間に大気の流れが発生する。 A blower 30 generates a flow of air in a space containing optical components such as the beam expander 11, bending mirrors 12, 14, 16, aperture 13, branching optical system 15, photodetector 19, and the like. A fan, for example, can be used as the blower 30 . This creates an air flow in the space containing the beam path and optics.

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ本実施例によるレーザ装置の概略正面図及び概略平面図である。 2A and 2B are respectively a schematic front view and a schematic plan view of the laser device according to this embodiment.

ベース２６に光学定盤２５及びステージ２１が支持されている。光学定盤２５の上に、ビームエキスパンダ１１、ベンディングミラー１２、１４、１６、アパーチャ１３、分岐光学系１５、光検出器１９等の光学部品が支持されている。光学定盤２５の下方に、ビーム走査器１７Ａ、１７Ｂ、レンズ１８Ａ、１８Ｂが支持されている。送風機３０が、光学定盤２５の上の光学部品が配置された空間に大気の流れを発生させる。 An optical platen 25 and a stage 21 are supported by a base 26 . Optical parts such as a beam expander 11 , bending mirrors 12 , 14 and 16 , an aperture 13 , a branching optical system 15 and a photodetector 19 are supported on the optical platen 25 . Beam scanners 17A and 17B and lenses 18A and 18B are supported below the optical platen 25 . A blower 30 generates air flow in the space above the optical surface plate 25 where the optical components are arranged.

次に、上記実施例によるレーザ装置の構成を採用することにより得られる優れた効果について説明する。 Next, excellent effects obtained by adopting the configuration of the laser device according to the above embodiment will be described.

上記実施例では、ビームエキスパンダ１１、ベンディングミラー１２、１４、１６、アパーチャ１３、分岐光学系１５、光検出器１９等の光学部品が、光学定盤２５（図２Ａ、図２Ｂ）の上の空間に配置されている。この空間は、大気に開放されており、気密性が確保されているわけではない。このため、光学部品を気密性の高い空間に配置する構造と比べて、種々の光学部品の光軸調整等を容易に行うことができる。 In the above embodiment, optical components such as beam expander 11, bending mirrors 12, 14, 16, aperture 13, branching optical system 15, photodetector 19, etc. are placed on optical surface plate 25 (FIGS. 2A and 2B) placed in space. This space is open to the atmosphere and is not airtight. Therefore, compared with a structure in which optical components are arranged in a highly airtight space, it is possible to easily adjust the optical axes of various optical components.

次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、大気の流れを生じさせることにより得られる優れた効果について説明する。 Next, with reference to FIGS. 3A and 3B, the excellent effects obtained by generating air flow will be described.

図３Ａは、本実施例によるレーザ装置の光検出器１９の位置におけるビームプロファイルの測定結果を示す濃淡図及びグラフである。濃淡図の左側及び下側のグラフは、それぞれビーム断面の中心を通る縦方向及び横方向の直線に沿うビームプロファイルを示す。本実施例においては、図３Ａに示したビームプロファイルが時間的に安定して得られた。 FIG. 3A is a gradation diagram and a graph showing the measurement results of the beam profile at the position of the photodetector 19 of the laser device according to this embodiment. The graphs on the left and bottom of the gradation diagram show beam profiles along vertical and horizontal straight lines, respectively, passing through the center of the beam cross-section. In this example, the beam profile shown in FIG. 3A was stably obtained over time.

図３Ｂは、大気の流れを発生させず、光学部品が配置された空間の大気をほぼ静止させた状態で測定したビームプロファイルを示す濃淡図及びグラフである。図３Ｂの左側に示すビームプロファイルと、右側に示すビームプロファイルとの間で、ビームプロファイルが時間の結果とともに変動した。 FIG. 3B is a shading diagram and a graph showing a beam profile measured with no air flow generated and the atmosphere in the space in which the optical component is located is substantially stationary. The beam profile varied with time results between the beam profile shown on the left side of FIG. 3B and the beam profile shown on the right side.

図３Ａ及び図３Ｂに示した測定結果から、光学部品が配置された空間に大気の流れを生じさせることにより、ビームプロファイルを安定化させることが可能であることがわかる。本願発明者らの種々の評価実験により、風速が０．２ｍ／ｓ以下では、ビームプロファイルを安定化させる十分な効果が得られないことがわかった。さらに、ビームプロファイルを安定化させる十分な効果を得るために、風速を０．５ｍ／ｓ以上にすることが好ましいことがわかった。 From the measurement results shown in FIGS. 3A and 3B, it can be seen that the beam profile can be stabilized by creating an air flow in the space where the optical components are arranged. Various evaluation experiments by the inventors of the present application have revealed that a wind speed of 0.2 m/s or less does not provide a sufficient effect of stabilizing the beam profile. Furthermore, it has been found that it is preferable to set the wind speed to 0.5 m/s or more in order to obtain a sufficient effect of stabilizing the beam profile.

次に、大気の流れを生じさせることにより、ビームプロファイルを安定化させることができる理由について考察する。ビーム経路上の大気は、レーザビームによりわずかに加熱される。このとき大気が停滞していると、ビーム経路の温度上昇が顕著になり、大気に密度揺らぎを生じる。これに伴い、光の屈折率も変動することになる。ビームプロファイルは、全ビーム経路に亘る屈折率分布の影響を受けることから、ビームプロファイルが時間的、空間的に不安定になると考えられる。本実施例において大気の流れを発生させると、ビーム経路の局所的な温度上昇による大気の揺らぎがなくなり、ビームプロファイルの時間的な安定性が高まると考えられる。 Next, we consider the reason why the beam profile can be stabilized by creating an air flow. The atmosphere on the beam path is slightly heated by the laser beam. If the atmosphere is stagnant at this time, the temperature of the beam path will rise significantly, causing density fluctuations in the atmosphere. Along with this, the refractive index of light also changes. Since the beam profile is affected by the refractive index distribution over the entire beam path, it is considered that the beam profile becomes temporally and spatially unstable. It is thought that generating an air flow in this embodiment eliminates fluctuations in the atmosphere due to a local temperature rise in the beam path, and increases the temporal stability of the beam profile.

次に、図４を参照して、他の実施例によるレーザ装置について説明する。以下、図１～図２Ｂに示した実施例によるレーザ装置の構成と共通の構成については説明を省略する。 Next, a laser device according to another embodiment will be described with reference to FIG. In the following, the description of the configuration common to the configuration of the laser device according to the embodiment shown in FIGS. 1 to 2B will be omitted.

図４は、本実施例によるレーザ装置の光学室の斜視図である。光学定盤２５の上の光学部品が収容された空間をカバー２７が覆っている。カバー２７は、例えば、平面視において、光学部品が収容された空間を周回する側壁と、側壁の上方を塞ぐ天板とを含む。カバー２７の側壁に送風機３０が取り付けられている。送風機３０の大気取り入れ口には、フィルタが取り付けられている。送風機３０が取り付けられた側壁に対向する位置の側壁に、開口３１が設けられている。 FIG. 4 is a perspective view of the optical chamber of the laser device according to this embodiment. A cover 27 covers the space on the optical surface plate 25 in which the optical components are accommodated. The cover 27 includes, for example, side walls encircling the space in which the optical components are accommodated and a top plate covering the upper side of the side walls in plan view. A blower 30 is attached to the side wall of the cover 27 . A filter is attached to the air intake port of the blower 30 . An opening 31 is provided in the side wall at a position facing the side wall to which the blower 30 is attached.

送風機３０は、外部の大気を、カバー２７で囲まれた光学室内に導入する。光学室内に導入された大気は、光学室内を流れて開口３１を通って外部に流出する。このように、送風機３０は、カバー２７で囲まれた光学室の内部を換気する機能を有する。 A blower 30 introduces the outside atmosphere into the optical chamber surrounded by the cover 27 . The atmosphere introduced into the optical chamber flows through the optical chamber and flows out through the opening 31 to the outside. Thus, the blower 30 has the function of ventilating the inside of the optical chamber surrounded by the cover 27 .

次に、図４に示した実施例によるレーザ装置の構成を採用することにより得られる優れた効果について説明する。図４に示した実施例においても、カバー２７を光学定盤２５から取り外すことにより、光学部品の光軸調整を容易に行うことができる。さらに、光学部品が配置された光学室へのパーティクルの侵入を抑制することができる。 Next, excellent effects obtained by adopting the configuration of the laser device according to the embodiment shown in FIG. 4 will be described. Also in the embodiment shown in FIG. 4, by removing the cover 27 from the optical surface plate 25, the optical axis adjustment of the optical components can be easily performed. Furthermore, it is possible to prevent particles from entering the optical chamber in which the optical components are arranged.

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 It goes without saying that each of the above-described embodiments is an example, and partial substitutions or combinations of configurations shown in different embodiments are possible. Similar actions and effects due to similar configurations of multiple embodiments will not be sequentially referred to for each embodiment. Furthermore, the invention is not limited to the embodiments described above. For example, it will be obvious to those skilled in the art that various changes, improvements, combinations, etc. are possible.

１０ レーザ発振器
１１ ビームエキスパンダ
１２ ベンディングミラー
１３ アパーチャ
１４ ベンディングミラー
１５ 分岐光学系
１６ ベンディングミラー
１７Ａ、１７Ｂ ビーム走査器
１８Ａ、１８Ｂ レンズ
１９ 光検出器
２０Ａ、２０Ｂ 加工対象物
２１ ステージ
２５ 光学定盤
２６ ベース
２７ カバー
３０ 送風機
３１ 開口 10 laser oscillator 11 beam expander 12 bending mirror 13 aperture 14 bending mirror 15 branching optical system 16 bending mirrors 17A, 17B beam scanners 18A, 18B lens 19 photodetectors 20A, 20B workpiece 21 stage 25 optical surface plate 26 base 27 cover 30 blower 31 opening

Claims (4)

レーザビームが通過するビーム経路に配置された複数の光学部品を有し、
前記複数の光学部品は光学定盤の上に配置され、複数の光学部品が配置された空間は、気密性が維持されていない空間であり、
さらに、前記ビーム経路及び前記複数の光学部品が配置された空間に大気の流れを生じさせる送風機を有するレーザ装置。 having a plurality of optical components arranged in a beam path through which the laser beam passes;
The plurality of optical components are arranged on an optical surface plate, and the space in which the plurality of optical components are arranged is a space where airtightness is not maintained ,
The laser apparatus further includes a blower for generating airflow in the space in which the beam path and the plurality of optical components are arranged. 前記ビーム経路及び前記複数の光学部品が配置された空間を周回する側壁を、さらに有し、
前記送風機は前記側壁に取り付けられており、前記側壁のうち前記送風機が取り付けられた位置に対向する位置に開口が設けられている請求項１に記載のレーザ装置。 further comprising a sidewall surrounding the space in which the beam path and the plurality of optical components are arranged;
2. The laser device according to claim 1, wherein said blower is attached to said side wall, and an opening is provided in said side wall at a position opposite to a position where said blower is attached. さらに、前記側壁の上方を塞ぐ天板を有し、前記送風機は、前記側壁及び前記天板で覆われた空間を換気する請求項２に記載のレーザ装置。 3. The laser device according to claim 2, further comprising a top plate that closes above the side wall, and wherein the blower ventilates a space covered by the side wall and the top plate. 前記送風機は、前記複数の光学部品を内部に含む空間に風速０．５ｍ／ｓ以上の大気の流れを発生させる請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ装置。 4. The laser device according to any one of claims 1 to 3, wherein the blower generates an air flow having a wind velocity of 0.5 m/s or more in the space containing the plurality of optical components.
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