CN101134267A - 激光加工方法及激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够高效加工形状精度优越的孔的激光加工方法及激光加工装置。将用于修正镜(1a)或/及镜(1b)的反射面的变形的柱面透镜(50a)或/及柱面透镜(50b)配置在激光束(20)的光轴上，使激光束(20)的X成分和Y成分的聚光位置与光轴方向一致。代替柱面透镜，使用反射面为曲面的反射镜也可以。作为使激光束(20)的X成分和Y成分的聚光位置在光轴方向上一致的方法，可以使X成分和Y成分双方与设计位置(Fa)一致，也可以不修正一方，而使另一方与不修正的一方一致。

Description

激光加工方法及激光加工装置

技术领域

本发明涉及通过配置在旋转轴线扭转的位置上的两个镜来定位激光(以下，称之为“激光束”)并使其入射到聚光透镜，再通过聚光后的激光束来加工工件的激光加工方法及激光加工装置。

背景技术

图6是表示现有的激光加工机中的头部的光学系统的图。

从省略图示的激光振荡器输出的P偏振光即第1激光束20被固定镜4反射，并透射偏振光束混频器30再由镜1a(X镜)、镜1b(Y镜)反射，入射到fθ透镜3，再入射到印刷电路板100。另外，从省略图示的激光振荡器输出的S偏振光即第2激光束10被固定镜5反射，再通过镜2a、2b反射后，由偏振光束混频器30反射，再由镜1a、1b反射，入射到fθ透镜3，再入射到印刷电路板100。第1激光束20的加工范围是区域101，第2激光束10的加工范围是区域102。镜1a、1b、固定镜4、5、镜2a、2b、偏振光束混频器30及fθ透镜3配置在用点划线包围所示的头部Z中(专利文献1：日本特开2004-249364号公报)。

其次，进一步详细说明镜1a、1b。

图7是表示镜1a、1b和fθ透镜3的关系的图，(a)是加工部光学系统的俯视图，(b)是(a)的右视图，(c)是激光束前进方向(点划线方向)的展开平面图。

镜1a、1b的反射面为平坦的场合，例如，剖面是圆形的激光束20会聚在焦距f的fθ透镜3的焦点位置Fa(即、焦点位置Fa是设计上的焦点位置)。这里，图中的1aa是使镜1a旋转的促动器的旋转轴，1bb是使镜1b旋转的促动器的旋转轴。

再有，聚光位置Fa的前后(在这里为Z方向)位置上的激光束20的直径(点径)比聚光位置Fa上的点径还大，但可确保圆度。例如，在适合于加工孔径50μm的孔的光束直径d为d＝30mm的情况下，圆度为95％以上的是以焦点位置Fa为基准约±50μm的范围。

该激光加工机的场合，由于可将用第2镜系统(镜2a、2b)决定的定位范围102与第1镜系统(镜1a、1b)的定位范围101大致重合，所以通过分别对第1激光束20和第2激光束10进行定位，从而可以提高加工效率(参照专利文献1)。

激光振荡器起振激光束的频率比镜1a、1b、2a、2b(以下，除去特别需要区别的情况，称之为“镜A”)的定位频率高很多。因此，如果能够高速定位镜A，则能够提高加工效率。要高速定位镜A，减小镜A的质量是有效的。

如众所周知，要加工形状精度优越的小径孔，加大激光束的外径是有效的，所以无法减小镜A的尺寸。因此，要减小镜A的质量，必须减薄镜A的板厚。

但是，若减薄镜A的板厚，则存在因伴随研磨加工的研磨歪斜而在反射面发生弯曲或歪斜等变形的情况。另外，即使单体的镜A反射面是平坦的，在通过粘结使镜A支持在促动器上时，也存在反射面发生变形的情况。如果反射面变形，则例如X方向和Y方向的焦点位置向光轴方向偏离，不仅孔的圆度降低，而且由于光束模式恶化而能量分布变得不均匀，孔的质量降低。

为此，如果为提高加工效率而减小镜A的质量，则加工后的孔的形状精度降低。另外，如果为进行孔的形状精度优越的加工而加厚镜A的板厚，则镜A的质量变大，加工效率降低。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有问题，提供一种能够高效加工形状精度优越的孔的激光加工方法及激光加工装置。

为解决上述问题，本发明的第一方案是一种激光加工方法，利用旋转轴线为X方向的X镜和旋转轴线是Y方向的Y镜来定位激光并使其入射到聚光透镜，再利用聚光后的激光进行加工，其特征在于，设有修正上述X镜或Y镜的反射面曲率的光学单元，将上述光学单元配置在上述激光的光轴上，并使上述激光的X方向和Y方向的聚光位置在光轴方向上一致。

另外，本发明的第二方案是一种激光加工装置，具有旋转轴线为X方向的X镜、旋转轴线为Y方向的Y镜以及聚光透镜，利用上述X镜和上述Y镜来定位激光，并使其入射到上述聚光透镜，再利用聚光后的激光进行加工，其特征在于，设有修正上述X镜或Y镜的反射面曲率的光学单元，将该光学单元配置在上述激光的光轴上，并使上述激光的X方向和Y方向的聚光位置在光轴方向上一致。

根据本发明，由于能够在光学上解除发生在镜A中的歪斜，所以能够高效加工形状精度优越的孔。

附图说明

图1是本发明的加工部光学系统的展开图。

图2是说明镜A的变形的图。

图3是本发明的加工部光学系统的展开图。

图4是展开表示图3情况的镜A的反射面的图。

图5是表示实测反射面的变形的例子的图。

图6是表示现有的激光加工机中的头部的光学系统的图。

图7是现有技术的说明图。

图中：

1a、1b、2a、2b-镜；1aa、1bb-促动器的旋转轴；3-fθ透镜；4、5-固定镜；10、20-激光束；30-偏振光束混频器；50、50a、50b-柱面透镜；100-印刷电路板；101、102-区域。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施例。

实施例1

首先，说明作为发生在镜A中的变形频率最高的、镜A的反射面成为将旋转轴的轴线作为中心的大致一样的凹面或凸面的情况。再有，作为镜A，假设只有镜1a和镜1b两个镜。

图1是本发明的加工部光学系统的展开图，(a)表示激光束的X方向成分(以下，称之为X成分)，(b)表示激光束的Y方向成分(以下，称之为Y成分)，(c)表示现有技术中的激光束的X成分。另外，图2是说明镜A的变形的图。

在这里，镜A的宽度w用镜A旋转(摆动)的角度(±θ°)和使用的激光束的最大直径来决定(w≥d/sinθ)。即，例如当θ=±10°、激光束的最大直径d为d＝30mm时，镜A的宽度w是31mm以上即可。在以下的实施例中，假设d=30、w=31。

如图2所示，在镜A的反射面变形为凹面的情况下，若变形量为k时，该凹面的半径(曲率)R用公式1表示。

R2=(R－k)2+(w/2)2    (公式1)

这里，由于k足够小，所以可忽视k2项。即、

R=w2/8k    (公式2)

例如，k=0.5μm时，从公式2中可知，R是240m左右。

图1的情况下，镜1a的反射面为曲率R的凹面，镜1b的反射面是平坦的。这种情况，在激光束20的光路上配置凹型的柱面透镜50。如该图1(b)所示，与柱面透镜50的有无无关，激光束20的Y成分聚光在设计上的焦点位置Fa上。另一方面，激光束20的x成分如该图1(a)的实线所示，由柱面透镜50扩散，通过用镜1a反射而修正为平行光，与Y成分同样聚光在焦点位置Fa上。

再有，未设置柱面透镜50的场合，激光束20的X成分如该图1(c)的实线所示，聚光在比焦点位置Fa还接近于fθ透镜3的焦点位置Fx上，所以不仅孔的圆度降低，而且能量分布变得不均匀，孔的质量下降。

这里，削手柱面透镜50的焦距设为包时，能够修正激光束20的x成分的是的柱面透镜。因此，通过预先测定镜1a的反射面的变形，并通过运算求出反射面的曲率R，从而能够决定柱面透镜50的焦距fs。

再有，在镜A的反射面是凸面的情况(曲率为-R的情况)下，当然可以选择fs＝-R/2的凸型的柱面透镜50。

其次，对镜1a和镜1b的反射面都是曲面的情况进行说明。

这种场合，有以下所示的两种方法。(1)第1方法：设置用于消除镜1a的变形的柱面透镜50a以及用于消除镜1b的变形的柱面透镜50b。

这种场合，由于分别修正镜1a、1b的变形，所以能够使激光束10会聚在焦点位置Fa上。

(2)第2方法：仅设置用于消除镜1a的变形的柱面透镜50a。即、不设置用于消除镜1b的变形的柱面透镜50b。

这种场合，由于未修正镜1b的变形，所以激光束20的Y成分聚光在偏离焦点f的位置Fy上。因此，选定柱面透镜50a的焦距fs，使得激光束20的X成分聚光在位置Fy上。

例如，在将镜1b的曲率设为N，将镜1a的曲率设为M时，如下决定柱面透镜50b的焦距fs。

fs＝(M-N)/2

这种场合，例如适合于加工孔径50μm的孔的光束直径d＝30mm的情况下，圆度为95％以上的范围以位置Fy为基准缩短成约±40μm(焦点位置Fa的情况下约±50μm)，但在实用上几乎没有问题。

再有，镜A只有镜1a和镜1b两个镜的情况下，也可以将柱面透镜50a、50b配置在从加工点至激光振荡器的任意位置上，但配置在激光振荡器和fθ透镜3之间是实用的。

其次，对镜A是镜1a、1b和镜2a、2b四个镜的情况进行说明。

实施例2

图3是表示本发明的镜1a、1b、2a、2b和柱面透镜3的关系的加工部光学系统的展开图。

图示的情况下，第1激光束通过镜1a、1b入射到fθ透镜3，而第2激光束用镜2a、2b反射之后，再通过镜1a、1b入射到fθ透镜3。

这种情况下，关于第1激光束20，可以通过上述实施例1所说明的方法修正镜1a、1b的变形。并且，如该图所示，在将柱面透镜50a、50b配置在偏振光束混频器30和激光振荡器之间时，不会对第2激光束10造成影响，所以是实用的。

另一方面，作为修正第2激光束10的X成分的柱面透镜60a、修正Y成分的柱面透镜60b，可以分别选择能够抵消镜1a和镜2a的变形的焦距的柱面透镜和能够抵消镜1b和镜2b的变形的焦距的柱面透镜。

再有，在镜1a、1b都变形的情况下，例如，也可以配置仅修正镜1a的变形的柱面透镜50a，并利用该柱面透镜50a使X成分与Y成分的焦距Fy一致。这种场合，修正第2激光束10的Y成分的柱面透镜60b采用抵消镜2b的变形的焦距的柱面透镜即可。另外，作为修正第2激光束10的X成分的柱面透镜60a，考虑到镜2a和镜1a的变形，采用使第2激光束10的X成分聚光在焦点位置Fy的柱面透镜即可。

但是，如果对每个镜A设置抵消反射面变形的柱面透镜，则虽然能够使激光束10和激光束20会聚在焦点位置Fa上，但结构变得复杂。以下，对镜A的各变形不那么大的场合的柱面透镜的配置进行说明。

实施例3

图4是展开表示图3情况的镜A的反射面的图。

如该图所示，在以激光束20入射到镜1a时的位置为基准决定X、Y时，入射到镜1a的A～D的激光束入射到镜1b的A～D。即、镜1b的A～D位于相对镜1a的A～D旋转90°的位置。另外，第2激光束通过镜2a、2b的图中A～D。这里，A～D是以反射面的中心为基准，分别在X、Y方向15mm的位置。

图5(a)～(d)是表示实测反射面的变形的例子的图，是相对于各镜的A～D的位置相对各个中心位置的变形量，单位为μm。

以下，针对图5(a)情况，说明决定柱面透镜的焦距的顺序。

该图5(a)的场合，首先，由公式3求出变形量k，将变形量k代入公式2中，求出此时的曲率Rt。并且，将焦距fs设为fs＝Rt/2。

k＝Avg(∑A、∑C)-Avg(∑B、∑D)    (公式3)

再有，公式3是求出X方向的变形量的和与Y方向的变形量的和的差的公式。并且，通过将所得到的焦距的柱面透镜配置在偏振光束混频器30和镜2b之间，从而可使激光束10、20的X、Y方向的聚光位置的波动在10μm左右。

另外，预先测定镜A的变形，进行加工试验的结果，发现了用公式3求出的变形量k为0.1μm以下的场合不用特别修正变形也可以。

再有，该图图(b)～(d)的场合也同样，确认到用1个柱面透镜能得到良好的结果。

另外，在该实施例中，利用位于在X、Y方向距离镜A中心15mm的4点推断了反射面的变形量，但也可以将反射面分成多个格子状，从各自的变形中推断变形。

Claims (8)

1.一种激光加工方法，利用旋转轴线为X方向的X镜和旋转轴线为Y方向的Y镜来定位激光并使其入射到聚光透镜，再利用聚光后的激光进行加工，其特征在于，

设有修正上述X镜或上述Y镜的反射面的曲率的光学单元；

将上述光学单元配置在上述激光的光轴上；

使上述激光的X方向和Y方向的聚光位置在光轴方向上一致。

2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，

上述光学单元是柱面透镜或柱面镜。

3.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，

上述光学单元设置在1轴方向上，基于相对上述X镜及上述Y镜的各自中心的X方向的变形量的和与Y方向的变形量的和的差来决定上述光学单元的焦距。

4.根据权利要求3所述的激光加工方法，其特征在于，

上述X方向的变形量的和与上述Y方向的变形量的和的差在0.1μm以上的场合设置上述光学单元，上述差不足0.1μm的场合不设置上述光学单元。

5.一种激光加工装置，具有旋转轴线为X方向的X镜、旋转轴线为Y方向的Y镜以及聚光透镜，利用上述X镜和上述Y镜来定位激光并使其入射到上述聚光透镜，再利用聚光后的激光进行加工，其特征在于，

设有修正上述X镜或上述Y镜的反射面的曲率的光学单元，将该光学单元配置在上述激光的光轴上；

使上述激光的X方向和Y方向的聚光位置在光轴方向上一致。

6.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，

上述光学单元是柱面透镜或柱面镜。

7.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，

上述光学单元设置在1轴方向上，基于相对上述X镜及上述Y镜的各自中心的X方向的变形量的和与Y方向的变形量的和的差来决定上述光学单元的焦距。

8.根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，

上述X方向的变形量的和与Y方向的变形量的和的差在0.1μm以上的场合设置上述光学单元，上述差不足0.1μm的场合不设置上述光学单元。

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