JP2005288472A - ハイブリッド加工装置の軸合せ方法及びハイブリッド加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウォータジェット流Ｗの軸心とレーザ光Ｌの光軸とを容易に一致させることが可能なハイブリッド加工装置１を提供する。
【解決手段】 加工開始前に、レーザ光Ｌをウォータジェット流Ｗに透過させ、その際に発生するラマン散乱光の強度を測定手段２７によって測定する。
そのように測定手段２７によってラマン散乱光の強度を測定しながら、軸移動手段３０によってウォータジェット流Ｗの軸心を水平面のＸＹ方向に移動させるとともに軸心の傾きを調整する。そして、測定手段２７によって測定したラマン散乱光の強度が最大となったら、そこでウォータジェット流Ｗの移動を停止させる。その位置がウォータジェット流Ｗとレーザ光Ｌの光軸が一致した位置となる。
【選択図】 図３

Description

本発明はハイブリッド加工装置の軸合せ方法およびハイブリッド加工装置に関し、より詳しくは、例えば液体流を被加工物に噴射するとともに液体流内を透過させてからレーザ光を被加工物に照射して所要の加工を行うハイブリッド加工装置の軸合せ方法およびハイブリッド加工装置に関する。

従来、被加工物に高圧の液体流を噴射するとともに上記液体流内を透過させたレーザ光を被加工物に照射して所要の切断加工を行うようにしたハイブリッド加工装置は知られている（例えば特許文献１、特許文献２）。
こうした従来のハイブリッド加工装置では、高圧の液体をノズルへ供給し、ノズルの先端開口部から高圧の液体流を被加工物へ噴射し、この液体流内でレーザ光を案内して被加工物まで導いて照射するようにしている。こうした従来の装置においては、加工開始前に上記ノズルから噴射される液体流の軸心とレーザ光の光軸とを一致させるようにしている。つまり、液体流の軸心とレーザ光の光軸とを一致させることによって、液体流内から外部へのレーザ光の漏れ量を最も少なくしてエネルギーの損失を抑えるようにしている。
特公平２−１６２１号公報。 特開２００１−３２１９７７号公報。

ところで、上述した従来の加工装置では、液体流の軸心とレーザ光の光軸が一致しているかどうかを調べるために、防水処理したエネルギーモニタを設置していた。しかしながら、従来の装置では、液体流の軸心とレーザ光の光軸が一致しているか否かを正確に測定することができず、しかも切断加工中に液体流の軸心とレーザ光の光軸とが一致しているか否かを測定することができないという欠点があった。
さらに、従来のハイブリッド加工装置における液体流の径は５０μｍ程度に設定されて非常に細いために、被加工物の加工中の温度変化や振動などによって液体流の軸心とレーザ光の光軸とがずれ易いという欠点もあった。

上述した事情に鑑み、第１の本発明は、被加工物に向けて高圧の液体流を噴射するとともに、上記液体流内にレーザ光を透過させてから被加工物に照射するようにしたハイブリッド加工装置において、
上記液体流内をレーザ光が透過する際に生じるラマン散乱光の強度を測定し、上記ラマン散乱光の強度の変化をもとにして上記液体流の軸心とレーザ光の光軸とを一致させるようにしたものである。
また、第２の本発明は、ノズルから被加工物に向けて高圧の液体流を噴射するとともに、上記液体流内にレーザ光を透過させてから被加工物に照射するようにしたハイブリッド加工装置において、
上記液体流内をレーザ光が透過する際に生じるラマン散乱光の強度を測定する測定手段と、上記液体流の軸心とレーザ光の光軸を相対移動させる軸移動手段を設け、上記測定手段によって測定するラマン散乱光の強度が最大となるように上記軸移動手段によって液体流の軸心とレーザ光の光軸を相対移動させて、液体流の軸心とレーザ光の光軸を一致させるようにしたものである。

上述した本発明によれば、ラマン散乱光の強度を測定することで、液体流の軸心とレーザ光の光軸とを容易に一致させることができる。
したがって、従来と比較して、液体流の軸心とレーザ光の軸心との位置合せが容易なハイブリッド加工装置の軸合せ方法およびハイブリッド加工装置を提供できる。

以下図示実施例について本発明を説明すると、図１ないし図３において、１はハイブリッド加工装置１であり、ウォータジェット流（液体流）Ｗとレーザ光Ｌにより被加工物２を所要形状に切断加工することができる。
ハイブリッド加工装置１は、薄板状の被加工物２を載置する加工テーブル３と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４と、被加工物２に向けてウォータジェット流Ｗを噴射するとともにレーザ光Ｌを照射する加工ヘッド５と、高圧水を加工ヘッド５へ給送する図示しないポンプを備えている。
上記加工テーブル３上の被加工物２に対して加工ヘッド５に設けたノズル６からウォータジェット流Ｗを噴射すると同時に、ノズル６からのウォータジェット流Ｗ内を透過させたレーザ光Ｌを被加工物２に照射し、その状態において加工テーブル３と加工ヘッド５とを水平面におけるＸＹ方向に相対移動させることで、被加工物２を所要形状に切断加工できるようになっている。
本実施例においては、レーザ発振器４として、ＹＡＧレーザあるいは半導体レーザを発振させるレーザ発振器を用いている。また、被加工物２としては、半導体ウエハを想定していが、セラミックや金属などにも本発明を適用できるものである。

加工ヘッド５は、段付円筒状に形成されてレーザ光Ｌを集光する集光レンズ７を設けた第１ホルダ８と、段付円筒状に形成されて下端部中央にノズル６を設けた第２ホルダ１１とを備えている。
第１ホルダ８は、水平面における直交方向のＸＹ方向に移動される可動ベース１２に連結されて鉛直方向に支持されており、レーザ発振器４からレーザ光Ｌが発振されると、該レーザ光Ｌは図示しない反射鏡等を介して第１ホルダ８の集光レンズ７に導かれて集光されたのち、下方側のノズル６に向けて照射されるようになっている。なお、レーザ光Ｌの光軸に対して集光レンズ７の位置を調整できるように集光レンズ７を設けた第１ホルダ８を可動ベース１２に対して昇降自在に取り付けても良いし、また可動ベース１２に対して水平面におけるＸＹ方向に移動できるようにしても良い。

一方、ノズル６を設けた第２ホルダ１１は、後述する位置調整手段１３が備える支持部材１４により鉛直方向に支持されている。後に詳述するが、位置調整手段１３によって第２ホルダ１１をレーザ光Ｌと直交するＸＹ方向に移動させることにより、上記第１ホルダ８の集光レンズ７によって集光されるレーザ光Ｌの光軸と第２ホルダ１１に設けたノズル６から噴射されるウォータジェット流Ｗの軸心とを一致させることができるようになっている。
第２ホルダ１１の内部空間は、その下方内周部に嵌着した透明なガラス窓１５によって上下の２区画に区分してあり、このガラス窓１５よりも下方側となる第２ホルダ１１の内部空間を給液通路１６としている。２本の導管１７を介して図示しないポンプから給液通路１６内に高圧水を給送できるようになっている。この給液通路１６内にノズル６の上端部を位置させてあるので、給液通路１６に高圧水が給送されると、ノズル６の下端開口部から下方側の被加工物２に向けてウォータジェット流Ｗが液柱状となって噴射されるようになっている。
第２ホルダ１１における上方側の内部空間に上記集光レンズ７を保持した第１ホルダ８の下端部を挿入している。集光レンズ７によって集光されたレーザ光Ｌはガラス窓１５、給液通路１６及びノズル６内の水、およびノズル６から噴射されるウォータジェット流Ｗを透過して被加工物２に照射されるようになっている。その際、図３に示すように、レーザ光Ｌはノズル６の内面で反射してノズル６の下端開口部を通過した後、ノズル６から噴射されたウォータジェット流Ｗにおける円筒状の境界面（大気とウォータジェット流Ｗとの境界）で繰り返し反射されつつ下方側へ案内されてから被加工物２に照射されるようになっている。

第２ホルダ１１の上端部には概略長方形のフランジ部１１Ａを形成してあり、このフランジ部１１Ａよりも下方側の外周部を、支持部材１４の貫通孔１４Ａに僅かに遊びを持たせて貫通させている。
上記フランジ部１１Ａにおける対角となる一対の角部にナット部材１８を埋設してあり、それらナット部材１８に上方側から調整ねじ２１を螺合貫通させて、該調整ねじ２１の下端部を支持部材１４の上面に載置している。また、フランジ部１１Ａにおける角部の一箇所の下面に半球状の突起１１Ｂを形成し、その突起１１Ｂを支持部材１４の上面に載置している。このようにして、支持部材１４に第２ホルダ１１を鉛直方向に支持している。
そして、各調整ねじ２１，２１を正逆に所要量だけ回転させることで、上記突起１１Ｂの位置を支点として第２ホルダ１１およびそれに設けたノズル６の軸心の傾きを調整できるようになっている。本実施例では、ナット部材１８、調整ねじ２１、突起１１Ｂによってノズル６の軸心の傾きを調整する傾き調整手段２２を構成している。
本実施例では、傾き調整手段２２と位置調整手段１３とによって、レーザ光Ｌの軸心とウォータジェット流Ｗの軸心とを相対移動させる軸移動手段３０を構成している。

次に、位置調整手段１３は、可動ベース１２にＸ方向と平行に設けた固定部２３Ａと可動部２３ＢとからなるＸ方向調整部材２３と、このＸ方向調整部材２３の可動部２３Ｂ上にＬ字状のブラケット１０を介して取付けられ、Ｙ方向と平行に設けた固定部２４Ａと可動部２４ＢからなるＹ方向調整部材２４と、このＹ方向調整部材２４の可動部２４Ｂに水平に連結された上記支持部材１４とから構成している。
Ｘ方向調整部材２３の固定部２３Ａから可動部２３Ｂにわたってマイクロメータと同様のメモリ付きの調整ねじ２５を設けている。この調整ねじ２５を正逆に所要量だけ回転させることで、可動部２３Ｂ、Ｙ方向調整部材２４、支持部材１４を介して第２ホルダ１１に設けたノズル６をＸ方向に移動させることができる。また、Ｙ方向調整部材２４の固定部２４Ａから可動部２４Ｂにわたって上記調整ねじ２５と同様の調整ねじ２６を設けている。この調整ねじ２６を正逆に所要量だけ回転させることで、可動部２４Ｂと支持部材１４を介して第２ホルダ１１に設けたノズル６をＹ方向に移動させることができる。
本実施例においては、上記位置調整手段１３によって、第２ホルダ１１に設けたノズル６を集光レンズ７によって集光されるレーザ光Ｌに対してそれと直交するＸＹ方向に位置を調整できるようになっている。また、上述したように第２ホルダ１１に設けた傾き調整手段２２によって第２ホルダ１１に設けたノズル６の傾斜を微調整できるようになっている。
軸移動手段３０を構成する上記位置調整手段１３と傾き調整手段２２によってノズル６のＸＹ方向の位置と傾きを調整することで、集光レンズ７からノズル６に向けて照射されるレーザ光Ｌの光軸に対して、ノズル６から噴射されるウォータジェット流Ｗの軸心とを一致させることができるようになっている。

しかして、ハイブリッド加工装置１による加工を行う前に、ノズル６から下方へ噴射されるウォータジェット流Ｗの軸心と、それを透過させるレーザ光Ｌの光軸を一致させる必要がある。
そこで、本実施例においては、上記第２ホルダ１１の下端部に測定手段２７を設けてあり、ウォータジェット流Ｗをレーザ光Ｌが透過する際に生じるラマン散乱光の強度をウォータジェット流Ｗの側方から測定手段２７によって測定し、それをもとにして上記軸移動手段３０によってウォータジェット流Ｗの軸心とレーザ光Ｌの光軸を一致させるようにしている。
図１〜図３に示すように、測定手段２７は、第２ホルダ１１の下端部に環状の取付部材２８を介して先端部３１Ａを固定して取り付けた光ファイバー３１と、この光ファイバー３１の他端３１Ｂに接続したフォトダイオード３２とから構成している。光ファイバー３１の先端部３１Ａは、ノズル６から噴射されるウォータジェット流Ｗの噴射方向に対して直交方向に支持され、かつノズル６の下端部から先端部３１Ａまでの距離が変動しないように、取付部材２８に固定されている。

また、光ファイバー３１の他端部３１Ｂの端面には、フィルター３３を設けてあり、先端部３１Ａから光ファイバー３１内に複数の種類の光が入射したとしても、上記他端部に設けたフィルター３３によってラマン散乱光以外の光がフォトダイオード３２に入射するのを阻止している。つまり、ラマン散乱光だけがフォトダイオード３２に入射するようになっている。
ところで、「ラマン散乱」とは、透明媒質中を光が通過する際に、その光の波長に対し長波長側にずれた波長の散乱光がみられる現象のことであり、ラマン散乱時の散乱光が「ラマン散乱光」と称されている。「ラマン散乱」および「ラマン散乱光」については公知である。本実施例においては、ノズル６からウォータジェット流Ｗを噴射している状態において、該透明で高圧の液体流であるウォータジェット流Ｗに上方からレーザ光Ｌを透過させると、「ラマン散乱光」が生じる。
そして、本願の発明者が行った実験において、ウォータジェット流Ｗの軸心とレーザ光Ｌの光軸とをＸＹ方向に相対移動させた場合には、上記軸心と光軸が一致すると、ウォータジェット流Ｗからのレーザ光Ｌの漏れ量が最小となった。また、そのようにレーザ光Ｌの漏れ量が最小となると、ラマン散乱光の強度が最大になることを確認したものである。
このような知見をもとにして、本実施例においては、ラマン散乱光の強度を上記測定手段２７によって測定しながら、上記位置調整手段１３および傾き調整手段２２によってノズル６をレーザ光Ｌの光軸に対してＸＹ方向に移動させ、かつ必要であればノズル６の傾きを調整するようにしている。
そして、測定手段２７によって測定するラマン散乱光の強度が最大となるようにノズル６を移動させて、ノズル６を保持させる。そこが、ウォータジェット流Ｗの軸心とレーザ光Ｌの光軸が一致した位置であり、レーザ光Ｌがウォータジェット流Ｗの内部を通過する際の外部への漏れ量が最も少なく、被加工物２まで到達するレーザ光Ｌのエネルギーが最大となる位置である。
本実施例においては、以上のようにしてウォータジェット流Ｗの軸心とレーザ光Ｌの光軸を一致させるようにしてあり、その後に被加工物２に対してハイブリッド加工装置１により所要の切断加工を行うようにしている。
本実施例においては、ウォータジェット流Ｗの側方から非接触状態で測定手段２７によってラマン散乱光の強度を測定するようにしているので、切断加工中においても上記測定手段２７によってラマン散乱光の強度を測定することができる。そして、切断加工中にラマン散乱光の強度が加工開始前の強度よりも小さくなったら、ウォータジェット流Ｗの軸心とレーザ光Ｌの光軸とがずれているものと判定することができる。その際には、一旦切断加工を中断してから、軸移動手段３０を構成する位置調整手段１３や傾き調整手段２２によりノズル６のＸＹ方向の位置や傾きを調整することで、ウォータジェット流Ｗの軸心とレーザ光Ｌの光軸を一致させてから加工を再開するようにしている。

上述した本実施例によれば、ラマン散乱光の強度を測定することで、液体流としてのウォータジェット流Ｗの軸心とレーザ光Ｌの光軸とを容易に一致させることができる。したがって、従来と比較して、液体流としてのウォータジェット流の軸心とレーザ光Ｌの軸心との位置合せが容易なハイブリッド加工装置の軸合せ方法とハイブリッド加工装置１を提供できる。

なお、上記本実施例においては、透明媒質として水が好適であり、レーザ発振器４としては、ＹＡＧレーザあるいは半導体レーザを発振するものを用いているが、透明媒質としての水に吸収されにくい種類のレーザ光を発振できるレーザ発振器であれば良い。なお、ＣＯ_２レーザは水に吸収されやすいので、本実施例のレーザ発振器としては、ＣＯ_２レーザを発振させるレーザ発振器は不適である。
また、水以外の透明媒質と、その透明媒質に吸収されにくいレーザ光との組み合わせであっても良い。
また、上記実施例においては、測定手段２７は１つだけ設けているが、測定手段２７を複数設けて、それらの光ファイバ−３１の先端部３１Ａを取付部材２８の下面に円周方向に９０度位置をずらして、すなわち相互に直交する位置に固定したり、あるいは鉛直方向に複数設けるようにしても良い。このように、測定手段２７を複数設けることで、ウォータジェット流Ｗの軸心とレーザ光Ｌの光軸とを一致させる際の精度を高めることができる。
また、ノズル６を設けた第２ホルダ１１を昇降できるようにしても良い。
なお、上述した実施例においては、被加工物２を切断加工することを想定しているが、ハイブリッド加工装置１は切断加工に限らずレジスト除去などの洗浄や表面処理にも適用できるものである。

本発明の一実施例を示す要部を断面で示した正面図。 図１に示したハイブリッド加工装置１の底面図。 図１に示したハイブリッド加工装置１の要部を示す概略の構成図。

符号の説明

１…ハイブリッド加工装置 ２…被加工物
６…ノズル ７…集光レンズ
１３…位置調整手段 ２２…傾き調整手段
２７…測定手段 ３０…軸移動手段
Ｗ…ウォータジェット流 Ｌ…レーザ光

Claims (5)

1. 被加工物に向けて高圧の液体流を噴射するとともに、上記液体流内にレーザ光を透過させてから被加工物に照射するようにしたハイブリッド加工装置において、
   上記液体流内をレーザ光が透過する際に生じるラマン散乱光の強度を測定し、上記ラマン散乱光の強度の変化をもとにして上記液体流の軸心とレーザ光の光軸とを一致させることを特徴とするハイブリッド加工装置の軸合せ方法。
2. 上記ラマン散乱光の強度が最大になるように液体流とレーザ光とを相対移動させることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド加工装置の軸合せ方法。
3. ノズルから被加工物に向けて高圧の液体流を噴射するとともに、上記液体流内にレーザ光を透過させてから被加工物に照射するようにしたハイブリッド加工装置において、
   上記液体流内をレーザ光が透過する際に生じるラマン散乱光の強度を測定する測定手段と、上記液体流の軸心とレーザ光の光軸を相対移動させる軸移動手段を設け、上記測定手段によって測定するラマン散乱光の強度が最大となるように上記軸移動手段によって液体流の軸心とレーザ光の光軸を相対移動させて、液体流の軸心とレーザ光の光軸を一致させるようにしたことを特徴とするハイブリッド加工装置。
4. 上記軸移動手段はレーザ光の光軸に対して液体流の軸心を交差する方向に相対移動させる位置調整手段を備えることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド加工装置。
5. 上記軸移動手段はレーザ光の光軸に対して液体流の軸心の傾きを調整する傾き調整手段を備えることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のハイブリッド加工装置。
   

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