JP2004195516A

JP2004195516A - レーザ加工装置及び加工方法

Info

Publication number: JP2004195516A
Application number: JP2002367876A
Authority: JP
Inventors: Kenta Tanaka; 研太田中
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】レンズ交換を行うことなく、異なる材質の部材に小径の穴を開けることが可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】保持台に、加工対象物が保持される。レーザ光源から出射されたレーザビームの経路内に、レーザビームの拡がり角を変化させる拡がり角変更光学素子が配置される。第１の移動機構が、広がり角変更光学素子を、レーザビームの経路外から経路内に移動させ、及び経路内から経路外に移動させる。レーザビームの経路内であって、広がり角変更光学素子の配置される位置よりも下流側に、レーザビームを加工対象物上に集光させる集光光学素子が配置されている。
第２の移動機構が、集光光学素子と保持台との少なくとも一方を、両者の間隔が変化する方向に移動させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工装置及び加工方法に関し、特に樹脂と金属の加工に適したレーザ加工装置及び加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂部材に直径５０μｍ程度の小径の穴を形成する技術として、レーザビームを用いた加工技術が知られている。樹脂部材の表面上においてレーザビームのビーム径が最小になるように、凸レンズを通してレーザビームを収束させることにより、小径の穴を形成することができる。このとき、一般的に、樹脂部材と凸レンズとの距離（ワークディスタンス）を１００ｍｍ程度とする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
樹脂部材を加工するレーザ加工装置を用いて銅等の金属部材を加工すると、金属部材がスパッタされて生成した微粒子が凸レンズに向かって飛翔し、凸レンズを汚染または破壊してしまう場合がある。凸レンズと金属部材との間に保護ガラスを挿入したとしても、この保護ガラスが汚染または破壊されてしまう。
【０００４】
焦点距離の長い凸レンズを使用し、ワークディスタンスを長くすることにより、凸レンズや保護ガラスの破壊を防止することができる。ところが、焦点距離の長い凸レンズを用いると、レーザビームの最小ビーム径が大きくなってしまう。
このため、焦点距離の短い凸レンズを用いて形成した穴と同程度の小径の穴を樹脂部材に形成することができなくなる。また、樹脂部材の加工用及び金属部材の加工用に、焦点距離の異なる２枚の凸レンズを準備すると、加工対象物の材質が変わる度に凸レンズを交換しなければならず、取り扱いに不便である。
【０００５】
本発明の目的は、レンズ交換を行うことなく、異なる材質の部材に小径の穴を開けることが可能なレーザ加工装置及び加工方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持台と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの経路内に配置されてレーザビームの拡がり角を変化させる拡がり角変更光学素子と、前記広がり角変更光学素子を、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの経路外から経路内に移動させ、及び経路内から経路外に移動させる第１の移動機構と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの経路内であって、前記広がり角変更光学素子の配置される位置よりも下流側に配置され、レーザビームを、前記保持台に保持された加工対象物上に集光させる集光光学素子と、前記集光光学素子と前記保持台との少なくとも一方を、両者の間隔が変化する方向に移動させる第２の移動機構とを有するレーザ加工装置が提供される。
【０００７】
集光光学素子に入射するレーザビームの拡がり角を大きくすると、集光光学素子から、集光光学素子で収束されたレーザビームのスポットサイズが最小になる位置までの距離が長くなる。第２の移動機構を駆動して、スポットサイズが最小になる位置に加工対象物を配置する。加工対象物から集光光学素子までの距離が長くなるため、加工対象物からの飛散物が集光光学素子に与える影響を軽減することができる。
【０００８】
飛散物が発生しない材料を加工する場合には、集光光学素子に入射するレーザビームの拡がり角を小さくするとともに、集光光学素子から加工対象物までの距離を短くする。これにより、集光光学素子で収束されたレーザビームの最小スポットサイズを小さくすることができる。
【０００９】
本発明の他の観点によると、レーザビームを、集光光学素子で集光させて樹脂部材に入射させ、該樹脂部材を加工する工程と、前記レーザビームの経路のうち、前記集光光学素子よりも上流側に、レーザビームの拡がり角を大きくする拡がり角変更光学素子を配置し、拡がり角の大きくなったレーザビームを前記集光光学素子で集光させて金属部材に入射させ、該金属部材を加工する工程とを有し、前記樹脂部材を加工する工程における前記集光光学素子から前記樹脂部材までの距離よりも、前記金属部材を加工する工程における前記集光光学素子から前記金属部材までの距離のほうが長いレーザ加工方法が提供される。
【００１０】
本発明のさらに他の観点によると、収束レンズを通過したレーザビームを、集光光学素子で集光させて樹脂部材に入射させ、該樹脂部材を加工する工程と、前記収束レンズをレーザビームの経路から外し、該収束レンズを通過していないレーザビームを前記集光光学素子で集光させて金属部材に入射させ、該金属部材を加工する工程とを有し、前記樹脂部材を加工する工程における前記集光光学素子から前記樹脂部材までの距離よりも、前記金属部材を加工する工程における前記集光光学素子から前記金属部材までの距離のほうが長いレーザ加工方法が提供される。
【００１１】
金属部材を加工するときに、集光光学素子から金属部材までの距離を長くすることにより、加工時に発生する飛散物が集光光学素子に与える悪影響を軽減することができる。樹脂部材を加工するときに、集光光学素子から樹脂部材までの距離を短くすることにより、集光光学素子で収束されたレーザビームの最小スポットサイズを小さくすることができる。これにより、小さな穴を形成することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１が、パルスレーザビームを出射する。レーザ光源１として、例えば炭酸ガスレーザ発振器を使用することができる。レーザ光源１から出射されたレーザビームがフィールドレンズ２に入射し、平行光線束にされる。
【００１３】
フィールドレンズ２を通過したレーザビームは、折り返しミラー３で反射され、ガルバノスキャナ７に入射する。ガルバノスキャナ７は、一対の揺動可能なミラーを含んで構成され、レーザビームを２次元方向に走査する。ガルバノスキャナ７で走査されたレーザビームが、ｆθレンズ８を透過し、保持台１５の上に保持された加工対象物２０に入射する。
【００１４】
ガルバノスキャナ７及びｆθレンズ８は、昇降ボックス６内に取り付けられている。昇降ボックス６は、移動機構１０により、ｆθレンズ８の中心軸方向に並進移動可能に支持されている。移動機構１０は、制御装置１６により制御される。昇降ボックス６を並進移動させると、保持台１５に保持されている加工対象物２０からｆθレンズ８までの距離が変化する。
【００１５】
ｆθレンズ８の出射側の面の前方に、保護部材９が配置されている。保護部材９は、レーザ光源１から出射されるレーザビームの波長域で透明であり、加工時に発生する飛散物からｆθレンズ８を保護する。
【００１６】
折り返しミラー３とガルバノスキャナ７との間のレーザビームの経路内に、拡がり角変更光学素子４が配置される。拡がり角変更光学素子５は、移動機構５により、レーザビームの進行方向に直交する方向に移動可能に支持されており、レーザビームの経路内に配置された状態、及び経路脇に退避された状態をとり得る。拡がり角変更光学素子４がレーザビームの経路内に配置された状態のとき、拡がり角変更光学装置４を通過することによって、レーザビームの拡がり角が大きくなる。例えば、拡がり角変更光学素子４は、凹レンズを含んで構成される。移動機構５は、制御装置１６により制御される。
【００１７】
図２（Ａ）に、樹脂部材を加工するときのレーザ加工装置の光学系の配置を示す。拡がり角変更光学素子４が、レーザビームの経路脇に退避されている。図１に示したフィールドレンズ２で平行交線束とされたレーザビームが、そのままガルバノスキャナ７に入射する。ｆθレンズ８が、走査されたレーザビームを、保持台１５に保持された樹脂部材２０ａに入射させる。
【００１８】
例えば、ｆθレンズ８の焦点距離が８０ｍｍであり、ｆθレンズ８から樹脂部材２０ａの表面までの距離が８０ｍｍになるように昇降ボックス６と保持台１５との間隔が調節されている。このため、樹脂部材２０ａの表面において、レーザビームのスポット径が最小になる。
【００１９】
レーザビームが入射することにより、樹脂部材２０ａに穴が形成される。この穴の直径は、ビームスポット径の９０〜１００％になる。例えば、樹脂部材２０ａの表面におけるビームスポット径が５０μｍのとき、直径約５０μｍの穴を形成することができる。
【００２０】
図２（Ｂ）に、銅部材を加工するときのレーザ加工装置の光学系の配置を示す。拡がり角変更光学素子４が、レーザビームの経路内に配置されている。図１に示したフィールドレンズ２で平行光線束とされたレーザビームが、拡がり角変更光学素子４により発散光線束とされる。発散光線束がガルバノスキャナ７で走査され、ｆθレンズ８で収束されて、銅部材２０ｂに入射する。
【００２１】
例えば、拡がり角変更光学素子４を構成する凹レンズの焦点距離が−１００ｍｍ、ｆθレンズの焦点距離が８０ｍｍのとき、凹レンズとｆθレンズ８との距離を１５０ｍｍにし、ｆθレンズ８と銅部材２０ｂとの距離を１１７．６ｍｍにすると、銅部材２０ｂの表面でビームスポット径が最小になる。
【００２２】
上記第１の実施例では、図２（Ｂ）に示した銅部材２０ｂの加工時に、保護部材９と銅部材２０ｂとの距離が、図２（Ａ）に示した樹脂部材２０ａを加工する時の保護部材９と銅部材２０ｂとの距離よりも長い。このため、銅部材２０ｂからスパッタされた微粒子による保護部材９の破壊を防止することができる。
【００２３】
また、樹脂加工時と銅加工時とで、ｆθレンズを交換することなく同じレンズを使用することができる。樹脂加工用及び銅加工用にそれぞれ専用のｆθレンズを準備する必要が無いため、装置コストの上昇を回避することができる。また、レンズ交換の手間を省くことができる。
【００２４】
次に、図３を参照して第２の実施例によるレーザ加工装置及び加工方法について説明する。第１の実施例では、図１に示した拡がり角変更光学素子４が、凹レンズを含んで構成されていたが、第２の実施例では、凸レンズを含んだ拡がり角変更光学素子が採用される。また、第１の実施例では、レーザ光源１から出射されたレーザビームがフィールドレンズ２により平行光線束にされていたが、第２の実施例では、レーザ光源１から出射されたレーザビームが平行光線束にされることなく発散光線束のまま次段の光学素子に入射する。第２の実施例によるレーザ加工装置のその他の構成は、第１の実施例によるレーザ加工装置と同様である。
【００２５】
図３（Ａ）に、樹脂部材２０ａを加工するときのレーザ加工装置の光学系の配置を示す。拡がり角変更光学素子４Ａがレーザビームの経路脇に退避されている。平行光線束にされたレーザビームがガルバノスキャナ７に入射し、ｆθレンズ８によって収束され、樹脂部材２０ａに入射する。
【００２６】
図３（Ｂ）に、銅部材２０ｂを加工するときのレーザ加工装置の光学系の配置を示す。拡がり角変更光学素子４Ａがレーザビームの経路内に配置されている。
拡がり角変更光学素子４に、平行光線束にされたレーザビームが入射し、収束される。収束されたレーザビームは、焦点を結んだ後、発散するレーザビームになり、ガルバノスキャナ７に入射する。ガルバノスキャナ７を通過したレーザビームが、ｆθレンズ８によって収束され、銅部材２０ｂに入射する。このとき、昇降ボックスと銅部材２０ｂとの距離は、図３（Ａ）に示した昇降ボックス６と樹脂部材２０ａとの距離よりも長い。
【００２７】
第２の実施例のように、拡がり角変更光学素子４Ａに凸レンズを採用しても、第１の実施例の場合と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
上記実施例では、１つのレーザ加工装置を用いて樹脂部材の加工と銅部材の加工とを行う場合について説明したが、銅部材に限らず銅以外の金属からなる部材の加工にも適用することができる。
【００２９】
加工対象物の一例として、銅層と樹脂層とが積層されたプリント基板が挙げられる。第１の実施例の図２（Ａ）または第２の実施例の図３（Ａ）に示した樹脂部材加工時の状態で、樹脂層を貫通する穴を形成することができる。第１の実施例の図２（Ｂ）または第２の実施例の図３（Ｂ）に示した銅部材加工時の状態で、樹脂層を貫通する穴の底に露出した銅層に穴を形成することができる。
【００３０】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれら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。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、金属部材の加工時に、集光光学素子と金属部材との距離を長くすることにより、金属部材からスパッタされた微粒子によって集光光学系が破壊されることを防止することができる。樹脂部材を加工するときには、集光光学素子を樹脂部材に近づけ、ビームスポットを小さくして小径の穴を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。
【図２】（Ａ）は、本発明の第１の実施例による方法で樹脂部材を加工するときの光学系の配置を示す図であり、（Ｂ）は、金属部材を加工するときの光学系の配置を示す図である。
【図３】（Ａ）は、本発明の第２の実施例による方法で樹脂部材を加工するときの光学系の配置を示す図であり、（Ｂ）は、金属部材を加工するときの光学系の配置を示す図である。
【符号の説明】
１レーザ光源
２フィールドレンズ
３折り返しミラー
４、４Ａ拡がり角変更光学素子
５、１０移動機構
６昇降ボックス
７ガルバノスキャナ
８ｆθレンズ
９保護部材
１５保持台
１６制御装置
２０加工対象物

Claims

レーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物を保持する保持台と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームの経路内に配置されてレーザビームの拡がり角を変化させる拡がり角変更光学素子と、
前記広がり角変更光学素子を、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの経路外から経路内に移動させ、及び経路内から経路外に移動させる第１の移動機構と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームの経路内であって、前記広がり角変更光学素子の配置される位置よりも下流側に配置され、レーザビームを、前記保持台に保持された加工対象物上に集光させる集光光学素子と、
前記集光光学素子と前記保持台との少なくとも一方を、両者の間隔が変化する方向に移動させる第２の移動機構と
を有するレーザ加工装置。
前記広がり角変更素子が凸レンズまたは凹レンズである請求項１に記載のレーザ加工装置。
さらに、前記第１の移動機構を駆動して前記広がり角変更光学素子をレーザビームの経路内に配置した状態、及び経路外に退避させた状態のいずれにおいても、前記集光光学素子によって集光されたレーザビームのビームスポットが、前記保持台に保持された加工対象物上において最小になるように前記第２の移動機構を駆動して前記集光光学素子と前記保持台との距離を変化させる制御装置を有する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
レーザビームを、集光光学素子で集光させて樹脂部材に入射させ、該樹脂部材を加工する工程と、
前記レーザビームの経路のうち、前記集光光学素子よりも上流側に、レーザビームの拡がり角を大きくする拡がり角変更光学素子を配置し、拡がり角の大きくなったレーザビームを前記集光光学素子で集光させて金属部材に入射させ、該金属部材を加工する工程と
を有し、前記樹脂部材を加工する工程における前記集光光学素子から前記樹脂部材までの距離よりも、前記金属部材を加工する工程における前記集光光学素子から前記金属部材までの距離のほうが長いレーザ加工方法。
収束レンズを通過したレーザビームを、集光光学素子で集光させて樹脂部材に入射させ、該樹脂部材を加工する工程と、
前記収束レンズをレーザビームの経路から外し、該収束レンズを通過していないレーザビームを前記集光光学素子で集光させて金属部材に入射させ、該金属部材を加工する工程と
を有し、前記樹脂部材を加工する工程における前記集光光学素子から前記樹脂部材までの距離よりも、前記金属部材を加工する工程における前記集光光学素子から前記金属部材までの距離のほうが長いレーザ加工方法。