JP2006055880A - Method for machining many works for femtosecond laser light - Google Patents

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邦雄 村上
Takayuki Kato
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To increase productivity while suppressing heat storage to workpieces, by frequently and uniformly distributing and emitting femtosecond laser light to the workpieces by the combination of a reflective mirror and a movement stage in microfabrication using a femtosecond laser. <P>SOLUTION: Laser light L emitted from a femtosecond laser system 1 is highly precisely reflected by a mirror 9 whose angle is adjusted by a servomotor 10 for mirror rotation control, and the laser light L can be subjected to positional control freely in a lateral direction as shown in the figure. Further, a box body 7 is integrated with a movement stage 14 movable by orthogonal 3 axes, and is freely movable at high precision. The laser light is frequently and uniformly distributed by the mirror, and irradiates each workpiece. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、フェムト秒レーザによる微小ワークの多数個取りの加工方法に関するものである。   The present invention relates to a processing method for picking a large number of micro workpieces with a femtosecond laser.

レーザ加工装置による微細加工において、加工用光源にフェムト秒レーザを用いるものがあるが、1フェムト秒の単位が1000兆分の1秒であることからわかるように、極々短時間のレーザ照射を加工用ワークに打ち込むことにより、熱発生を伴う前に加工を終了させるため、熱の発生がほとんどないことを特徴とする。
また、フェムト秒レーザは、レーザを照射する際のスポット径が非常に小さいため、熱発生を伴いにくいことから、微細加工分野においては優れた加工性能を期待でき、今後各種利用が進むであろうと考えられている。
しかしながら、現在の技術ではまだ実験的な域を脱しておらず、製造業において多数のワークを効率良く加工していくための量産技術が確立できていない。
特に、産業界において大きな需要が起こると予想される、0.1mm〜1mmの金属部品の効率的な量産加工技術の開発が急がれている。
Some microfabrication using a laser processing device uses a femtosecond laser as a processing light source. As can be seen from the fact that the unit of one femtosecond is one thousandth of a second, laser processing is performed for a very short time. Since the machining is finished before the heat is generated by driving the workpiece, the heat is hardly generated.
In addition, femtosecond lasers have a very small spot diameter when irradiating lasers, so they are unlikely to be accompanied by heat generation. It is considered.
However, the current technology has not yet left an experimental range, and mass production technology for efficiently processing a large number of workpieces in the manufacturing industry has not been established.
In particular, there is an urgent need for development of efficient mass production processing technology for metal parts of 0.1 mm to 1 mm, which is expected to generate great demand in the industry.

フェムト秒レーザ光の利用については、上記で述べたように、加工対象は微細な小物ワークとするのが一般的である。
この微細な小物ワークについては、個々に箱体(チャンバー)内にセットし、フェムト秒レーザを照射してワークを加工していくこととなるが、1回の照射で加工が完了するようなことはないため、照射位置を少しずつ移動させながら何回も照射を繰り返すこととなる。
1回あたりは極々短時間の照射で熱発生を伴いにくいが、照射回数が累積したり単位時間当たりの照射回数を多くすれば必然的に加工ワークに熱が蓄積し、加工ワークの変質や発熱による精度低下、プラズマ発生等の好ましくない現象が起こってしまう。
つまり、生産性を上げようと、照射頻度を増やせば熱発生による弊害が発生し、これを避けようとフェムト秒レーザの照射間隔を長めに設定すれば加工効率が下がってしまう。
Regarding the use of femtosecond laser light, as described above, it is common that the object to be processed is a fine small workpiece.
These small small workpieces are individually set in a box (chamber), and the workpiece is processed by irradiating femtosecond laser, but the processing is completed with one irradiation. Therefore, the irradiation is repeated many times while moving the irradiation position little by little.
Although it is difficult to generate heat by irradiating for an extremely short time per time, if the number of times of irradiation is accumulated or the number of times of irradiation per unit time is increased, heat is inevitably accumulated in the work piece, and the work piece is altered or generated heat. Undesirable phenomena such as deterioration in accuracy and plasma generation occur.
That is, if the irradiation frequency is increased in order to increase productivity, adverse effects due to heat generation will occur, and if the irradiation interval of the femtosecond laser is set to be long in order to avoid this, the processing efficiency will decrease.

例えば、箱体の真空チャンバー内にXY直交2軸のステージを収納し、観測用の電子顕微鏡が具備されており、2個のガルバノミラーにより光軸調整したフェムト秒レーザを、上記箱体上部のガラス窓からワークに照射している。
そして、ワークは極微小の半導体デバイスを想定している。(特許文献1)
しかしながら、上記装置で想定しているワークは極微細であり、また多数のワークを効率良く加工するための手段が全く開示されていない。
特開2004−53550号公報
For example, an XY orthogonal biaxial stage is housed in a vacuum chamber of a box, and an observation electron microscope is provided. A femtosecond laser whose optical axis is adjusted by two galvanometer mirrors The workpiece is irradiated from the glass window.
The workpiece assumes a very small semiconductor device. (Patent Document 1)
However, the workpiece assumed in the above apparatus is extremely fine, and no means for efficiently processing a large number of workpieces is disclosed.
JP 2004-53550 A

上記のように、まだ未開拓なこの加工分野では、従来のMEMS技術では非効率であり、このような技術をベースとした金属部品のマイクロ加工では量産を前提とした効率的な加工を行うことができなかった。   As mentioned above, in this processing field that has not yet been pioneered, conventional MEMS technology is inefficient, and in the micro processing of metal parts based on such technology, efficient processing assuming mass production is performed. I could not.

本発明が解決しようとする問題点は、フェムト秒レーザにより微細ワークを加工する方法において、加工ワークへの蓄熱を防止しつつ、生産性を高めるための多数個取りの加工方法が確立されていないことである。   A problem to be solved by the present invention is that, in a method of processing a fine workpiece by a femtosecond laser, a multi-piece machining method for improving productivity while preventing heat accumulation on the workpiece has not been established. That is.

本発明は、複数の加工ワークを移動ステージ上に配列させ、この複数の加工ワークに対し頻繁かつ均等にフェムト秒レーザ光を配分しながら照射することにより、複数個の加工ワークに対する同時加工と、上記レーザの分散照射による加工ワークの温度上昇を抑制することにより、加工の連続性を高め生産性を向上させたことを特徴とする。   The present invention arranges a plurality of workpieces on a moving stage, and irradiates the plurality of workpieces with frequent and even distribution of femtosecond laser light, thereby simultaneously processing a plurality of workpieces, It is characterized in that the continuity of the processing is increased and the productivity is improved by suppressing the temperature rise of the workpiece due to the laser irradiation.

本発明の多数個取りの加工方法は、フェムト秒レーザ光により複数の微小ワークを自在に加工する方法に係り、多数個の加工を同時進行させることによる段取りの手間の削減や生産性の向上と共に、個々のワークへの局所的な蓄熱を避けることによる高精度加工を実現できる利点がある。
そして、ワークの個数が多いほど、単位時間当たりの各ワークへの蓄熱を減らすことができ、熱の影響を最小限に抑制することが可能となる。
The multi-piece machining method of the present invention relates to a method of freely machining a plurality of minute workpieces with femtosecond laser light, and reduces the time and effort of setup by improving the number of machining simultaneously. There is an advantage that high-precision machining can be realized by avoiding local heat storage on individual workpieces.
As the number of workpieces increases, the heat storage to each workpiece per unit time can be reduced, and the influence of heat can be minimized.

本発明では、反射ミラーによりフェムト秒レーザ光を頻繁且つ均等に分配し、箱体内の移動ステージに配列させた同形状のワークに対し、同時進行で3次元加工の多数個取りを行う加工方法を実現した。   In the present invention, there is provided a machining method in which femtosecond laser light is frequently and evenly distributed by a reflecting mirror, and multiple pieces of three-dimensional machining are simultaneously performed on workpieces of the same shape arranged on a moving stage in a box. It was realized.

図1は、本発明による加工装置の基本構成を示しており、コンピュータ12のソフトウエア処理により、制御ユニット11を介して、ターミナル15で信号を分配し、信号線13から位置決めやレーザ光の調整等の操作を行う。
フェムト秒レーザ装置1から照射されたレーザ光Lは、ミラー回転制御用サーボモータ10により角度調整されたミラー9により高精度に反射されるため、レーザ光Lは図中で左右方向に自在に位置制御が可能となっている。
パルス状のフェムト秒レーザ光Lは、上記ミラーにより、各微細ワークWに頻繁且つ均等に分配照射される。
加工ワークWを載せた移動ステージ14はX、Y、Z各軸のサーボモータ3、4、5により、高精度かつ自在に移動可能となっている。
FIG. 1 shows a basic configuration of a processing apparatus according to the present invention. Signals are distributed at a terminal 15 via a control unit 11 by software processing of a computer 12, and positioning and adjustment of laser light are performed from a signal line 13. Do the following operations.
Since the laser light L emitted from the femtosecond laser device 1 is reflected with high accuracy by the mirror 9 whose angle is adjusted by the mirror rotation control servomotor 10, the laser light L can be freely positioned in the left-right direction in the figure. Control is possible.
The pulsed femtosecond laser light L is distributed and irradiated to the fine workpieces W frequently and evenly by the mirror.
The moving stage 14 on which the workpiece W is mounted can be freely moved with high accuracy by servo motors 3, 4 and 5 of the X, Y and Z axes.

図2は、図1で示した基本構成において気密性を考慮した実施例2の加工装置である。
ワークの置かれた箱体7は気密性があり、また箱体7の上部にはレーザ光Lが透過可能なガラス窓8を設けている。
この箱体7は、直交3軸の移動ステージ14と一体化し、高精度かつ自在に移動可能となっている。
FIG. 2 shows a processing apparatus according to a second embodiment in which airtightness is taken into consideration in the basic configuration shown in FIG.
The box 7 on which the work is placed is airtight, and a glass window 8 through which the laser beam L can be transmitted is provided on the top of the box 7.
The box 7 is integrated with the orthogonal three-axis moving stage 14 and can be freely moved with high accuracy.

図3は、図2の構成において箱体内を減圧可能としたものであり、箱体7に配管18を接続し減圧ポンプ3により箱体7の内部を減圧している。
そして、この箱体7内の減圧度について気圧調整等の制御を加えたい場合は、気圧センサーSによりリアルタイムで箱体内の気圧を監視し、減圧調整用バルブV1にて適宜調整することにより箱体内は所望の気圧に維持可能となる。
FIG. 3 shows that the inside of the box body can be decompressed in the configuration of FIG. 2, and a pipe 18 is connected to the box body 7, and the inside of the box body 7 is decompressed by the decompression pump 3.
When it is desired to control the degree of decompression in the box 7 such as pressure adjustment, the pressure inside the box is monitored in real time by the pressure sensor S and adjusted appropriately by the pressure reducing valve V1. Can be maintained at a desired pressure.

次に、箱体内を各種ガスで満たす方法を図4に示す。
まず、ガス調整用バルブV2を閉めた状態で、箱体7の内部の空気を気圧センサーSにて確認しながら所望の気圧になるまで減圧ポンプ11にて調整後、減圧調整用バルブV1を閉め、次にガス調整用バルブV2を少しづつ開くことにより、ガスボンベBから配管18を経由し箱体内にガスGが流入するので、これが所望の気圧になったところでガス調整用バルブV2を閉める。
その後は、気圧センサーSの測定値により減圧調整用バルブV1、ガス調整用V2を適宜制御し、箱体内のガス圧の安定化を図ることとなる。
Next, a method of filling the box with various gases is shown in FIG.
First, with the gas adjustment valve V2 closed, the pressure inside the box 7 is adjusted by the pressure reduction pump 11 until the desired pressure is obtained while checking the air inside the box 7 with the pressure sensor S, and then the pressure reduction adjustment valve V1 is closed. Then, by opening the gas adjustment valve V2 little by little, the gas G flows from the gas cylinder B through the pipe 18 into the box, and the gas adjustment valve V2 is closed when it reaches a desired atmospheric pressure.
Thereafter, the pressure adjustment valve V1 and the gas adjustment V2 are appropriately controlled according to the measured value of the atmospheric pressure sensor S to stabilize the gas pressure in the box.

本発明は微細な加工ワークへの適用を想定しているが、1ミリ未満の大きさのワークでは目視による確認が難しい。
特に、加工実績が十分にない加工ワークの場合は、図5に示すように、マイクロスコープMにより加工ワーク及びその加工状況を確認しながら加工ワークの観察やレーザ照射の調整等を適宜行うこととなる。
マイクロスコープMは信号線13により画像処理ユニット16に接続され、ここでデジタル変換等の画像処理を行った後、パソコン12にてデータ処理の状況やワーク等の映像の表示等を行う。
Although the present invention assumes application to a fine workpiece, it is difficult to visually confirm a workpiece having a size of less than 1 mm.
In particular, in the case of a processed work that does not have sufficient processing results, as shown in FIG. 5, while confirming the processed work and its processing status with a microscope M, the processing work is observed and adjustment of laser irradiation is appropriately performed. Become.
The microscope M is connected to the image processing unit 16 through a signal line 13, and after performing image processing such as digital conversion, the personal computer 12 displays data processing status, work images, and the like.

また、図6に示すように、箱体7上部のガラス窓8はパッキング17を介して密着しているので、ガラス窓8を取り外し、加工ワークの直上からマイクロスコープMにてワークを観測することも可能である。
この場合、図7に示すように、移動ステージ14の位置決めとマイクロスコープMの画像入力を合わせて行うことにより、加工前のワーク表面の検査や、多数個に配列されたワークの位置誤差の認識、また加工後のワーク検査などを自動的に行うことも可能である。
なお、ガラス窓8が加工ワークWに近ければ、ガラス窓越しにマイクロスコープMで観測可能である。
Further, as shown in FIG. 6, the glass window 8 at the top of the box 7 is in close contact with the packing 17, so that the glass window 8 is removed and the workpiece is observed with the microscope M from directly above the workpiece. Is also possible.
In this case, as shown in FIG. 7, positioning of the moving stage 14 and image input of the microscope M are performed together, thereby inspecting the workpiece surface before processing and recognizing position errors of a large number of workpieces arranged. It is also possible to automatically inspect workpieces after processing.
If the glass window 8 is close to the workpiece W, it can be observed with the microscope M through the glass window.

次に、実際の加工手順に則して説明を行う。
図8に示すように、多数個の加工ワークW01、W02、・・・は加工ワーク用プレートP上に整然と並べられた状態で、移動ステージに載せられるか、もしくは箱体内に納められる。
そして、フェムト秒レーザ光は反射ミラーの可動範囲の範疇において、頻繁且つ均等に分配されるが、この配置では、W01、W02、・・・W10への照射を1サイクルとして、再度W01、W02、・・・W10を繰り返していくことにより、見かけ上同時進行で、多数個取りによる加工が進行する。
そして、W01からW10までの加工工程が終了すると、移動ステージ14により箱体が移動し、今度はW11からW20が加工対象となる。
Next, description will be given in accordance with an actual processing procedure.
As shown in FIG. 8, a large number of workpieces W01, W02,... Are arranged on the workpiece workpiece plate P in an orderly manner and placed on a moving stage or stored in a box.
The femtosecond laser light is distributed frequently and evenly within the range of the movable range of the reflection mirror. In this arrangement, irradiation to W01, W02,. ... By repeating W10, the processing by multi-cavity progresses with apparently simultaneous progress.
When the processing steps from W01 to W10 are completed, the box body is moved by the moving stage 14, and W11 to W20 are now processed.

次に、図9にてフェムト秒レーザ光の分配方法を示す。
なお、わかりやすくするために、加工ワークの個数を2個とした場合で説明する。
まず、ミラー回転制御用サーボモータ10によりミラー9の反射角度を調整し、最初のレーザ光L1がワークW01に照射される。
次に、ミラー回転制御用サーボモータ10によりミラー9の反射角度を変更し、レーザ光L2がワークW02に照射される。
次に、ミラーの反射角度を最初にL1を照射した時の角度に戻しつつ、加工ワーク用プレートPを移動させ次の照射位置に位置決めする。
そしてレーザ光L11、L12を照射し加工ワーク用プレートPを移動させ、レーザ光L21、L22を照射し加工ワーク用プレートPを移動させるというような、フェムト秒レーザ光の分散照射と加工ワーク用プレートPの移動の繰り返しにより、多数個の加工ワークに対し加工が同時進行する。
なお、図9で示したレーザ光の照射については、通常はL1、L11、L12は同一位置に対する照射であり、L2、L12、L22も同様である。
通常使用では移動ステージによりワーク側が移動するため、光源側が固定で相対移動するのであるが、説明をわかりやすくするためこのように記載した。
Next, FIG. 9 shows a method for distributing femtosecond laser light.
In addition, in order to make it easy to understand, the case where the number of workpieces is two will be described.
First, the mirror rotation control servo motor 10 adjusts the reflection angle of the mirror 9, and the first laser beam L1 is applied to the workpiece W01.
Next, the mirror rotation control servomotor 10 changes the reflection angle of the mirror 9, and the workpiece W02 is irradiated with the laser light L2.
Next, the workpiece work plate P is moved and positioned at the next irradiation position while returning the reflection angle of the mirror to the angle at which L1 was first irradiated.
Then, distributed irradiation of femtosecond laser light and a plate for processing workpiece, such as moving the processing workpiece plate P by irradiating the laser beams L11 and L12 and moving the processing workpiece plate P by irradiating the laser beams L21 and L22. By repeating the movement of P, machining is simultaneously performed on a large number of workpieces.
Regarding the laser beam irradiation shown in FIG. 9, L1, L11, and L12 are normally irradiated to the same position, and the same applies to L2, L12, and L22.
In normal use, the workpiece side is moved by the moving stage, and the light source side is fixed and relatively moved. However, this is described in this way for easy understanding.

移動ステージについては、直交3軸により自在に位置決め可能である。
例えば、図10に示すように、破線枠で示したエリア21のような方向に移動ステージを動かしフェムト秒レーザを照射するようにすれば、2次元形状作成に対応できる。
The moving stage can be freely positioned by three orthogonal axes.
For example, as shown in FIG. 10, if the moving stage is moved in the direction of the area 21 indicated by the broken line frame and the femtosecond laser is irradiated, the two-dimensional shape can be created.

また、図11は加工ワークの断面をブロック化し簡略に示したものであるが、例えば、加工部22がフェムト秒レーザを1単位照射、加工部23が2単位照射というように、同一個所に対してレーザ光の照射回数を制御することにより加工深さの調整も可能である。   FIG. 11 shows a simplified cross-section of the workpiece. For example, the processing unit 22 emits 1 unit of femtosecond laser and the processing unit 23 emits 2 units. In addition, the processing depth can be adjusted by controlling the number of times of laser light irradiation.

上述したように、テーブル移動と照射回数の調整により、複数個の加工ワークに対し同時進行で3次元加工を行うことが可能となる。
特に、フェムト秒レーザ光による3次元加工の場合、照射回数が必然的に多くなるため従来方法ではワークへの蓄熱が心配されるところであるが、本発明によれば、フェムト秒レーザ光は頻繁且つ均等に分配されるため、単位時間当たりの各ワークへのレーザ照射量は低く押さえられ熱の悪影響を抑制でき、これはワークの個数がより多くなれば更に低く抑制できる。
As described above, three-dimensional machining can be performed simultaneously on a plurality of workpieces by adjusting the table movement and the number of irradiations.
In particular, in the case of three-dimensional processing using femtosecond laser light, the number of times of irradiation is inevitably increased, and thus the conventional method is concerned about heat storage on the workpiece. However, according to the present invention, femtosecond laser light is frequently used. Since it is distributed evenly, the amount of laser irradiation to each workpiece per unit time can be kept low and the adverse effect of heat can be suppressed. This can be further reduced as the number of workpieces increases.

そして、図12に示すように、1行(または1列)のワークの加工が終了すると、破線枠25で示した次行のワークプレートに位置決めし、次の行(または次の列)のワークの加工に取りかかることとなる。
なお、ワークが非常に蓄熱しやすい場合や、ワークが非常に熱に弱い場合など、特に熱の配慮が必要な時は、W01、W02、・・・、W11、W12の順で加工することにより、単位時間当たりに各ワークへ照射されるレーザ光の量を減らし、かつワークの冷却期間を長く取ることで、レーザ光照射による熱の悪影響を抑制することが可能である。
Then, as shown in FIG. 12, when the processing of the workpiece in one row (or one column) is completed, the workpiece is positioned on the work plate in the next row indicated by the broken line frame 25, and the workpiece in the next row (or next column) is displayed. Will be started.
In addition, when the work is very easy to store heat, or when the work is very sensitive to heat, especially when heat consideration is required, it is possible to process in the order of W01, W02, ..., W11, W12. By reducing the amount of laser light irradiated to each workpiece per unit time and taking a longer cooling period of the workpiece, it is possible to suppress the adverse effect of heat due to laser light irradiation.

上記では、ミラーによるフェムト秒レーザ光の反射方法を示したが、反射ミラーの替わりにポリゴンミラー19を使用することも可能であり、これを図13に示す。
フェムト秒レーザ装置1から射出されたフェムト秒レーザ光Lは、ミラー回転制御用サーボモータ10によりポリゴンミラー19の角度を高精度かつ自在に調整し、フェムト秒レーザ光Lの位置を制御する。
In the above description, the method of reflecting the femtosecond laser beam by the mirror has been described, but it is also possible to use the polygon mirror 19 instead of the reflecting mirror, and this is shown in FIG.
The femtosecond laser light L emitted from the femtosecond laser apparatus 1 controls the position of the femtosecond laser light L by adjusting the angle of the polygon mirror 19 with high precision and flexibility by the mirror rotation control servo motor 10.

通常の反射ミラーでは反射角の揺動によりレーザ光の位置制御をするが、このような角度制御は高精度な半面、その制御速度を著しく向上させることは難しい。
しかし、複数の反射面を持つポリゴンミラー19を揺動ではなく回転させることにより更なる高速化が可能となる。
同時加工する加工ワークの数が非常に多い場合、これに見合うだけのフェムト秒レーザ光の分配能力が必要となるが、上記の方法により対応可能となる。
In a normal reflection mirror, the position of the laser beam is controlled by swinging the reflection angle. However, it is difficult to significantly improve the control speed of such an angle control.
However, it is possible to further increase the speed by rotating the polygon mirror 19 having a plurality of reflecting surfaces instead of swinging.
When the number of workpieces to be processed simultaneously is very large, it is necessary to have a femtosecond laser beam distribution capability corresponding to this, but it can be handled by the above method.

また、図14に示すようにポリゴンミラー19の各反射面R1、R2、・・について、各平面にそれぞれ傾きを持たせることにより、ポリゴンミラー側で反射光を2次元的に分配する事が可能となる。
これにより、より多くの加工ワークに対して高速にフェムト秒レーザ光を分配できるようになると共に、単位時間当たりの各ワークへの蓄熱を抑制することが可能となる。
Further, as shown in FIG. 14, the reflecting surfaces R1, R2,... Of the polygon mirror 19 can be distributed two-dimensionally on the polygon mirror side by giving each plane an inclination. It becomes.
As a result, femtosecond laser light can be distributed to a larger number of workpieces at high speed, and heat storage to each workpiece per unit time can be suppressed.

フェムト秒レーザ光による3次元加工では、ワークWに対し打ち込むレーザ光の回数を制御することにより、加工深さを調整することが可能である。
つまり、レーザ光Lの1回あたりの照射で除去される加工量を数値管理することにより、高精度に自由形状を造り出すことができる。
In the three-dimensional processing using femtosecond laser light, the processing depth can be adjusted by controlling the number of times the laser light is applied to the workpiece W.
That is, a free shape can be created with high precision by numerically managing the amount of processing removed by one irradiation of the laser beam L.

加工精度と加工時間については、図15に示すように、強度の強いレーザ光LAにより、発熱に注意しながら短時間で加工することも可能であるし、逆に図16に示すように弱レーザLBにより、精度や品質を追求するようなことも可能である。
レーザ光の強度、レーザ光のスポット径、発熱量等の条件の組み合わせにより、状況に合わせて最適な設定をすることととなる。
With respect to the processing accuracy and processing time, as shown in FIG. 15, it is possible to perform processing in a short time while paying attention to heat generation with a strong laser beam LA, and conversely, a weak laser as shown in FIG. With LB, it is possible to pursue accuracy and quality.
Depending on the combination of conditions such as the intensity of the laser beam, the spot diameter of the laser beam, and the amount of heat generated, the optimum setting is made according to the situation.

レーザ光の角度については、一般的な使用ならば、反射ミラーと加工ワークとの距離に対して、ワークが微細なため、レーザ光の角度変化の影響は軽微であると考えられるが、特に照射角度による位置誤差を考慮したい場合は、移動ステージのZ方向の移動で位置補正が可能であり、それを図17から図19にて説明する。   Regarding the angle of the laser beam, if it is a general use, since the workpiece is fine with respect to the distance between the reflecting mirror and the workpiece to be processed, the influence of the change in the angle of the laser beam is considered to be negligible. When it is desired to consider the position error due to the angle, the position can be corrected by moving the moving stage in the Z direction, which will be described with reference to FIGS.

まず、図17に示すように、直下のワークW1にレーザ光L1を照射する場合、レーザ光の焦点20の位置は加工部に合わせて設定される。
次に、反射ミラーを回転させると、角度のついたレーザ光L2がワークW2に照射される際に、焦点20が加工したい部分より上にずれてしまう。
First, as shown in FIG. 17, when the laser beam L1 is irradiated onto the workpiece W1 directly below, the position of the focal point 20 of the laser beam is set according to the processing part.
Next, when the reflecting mirror is rotated, the focal point 20 is shifted above the portion to be processed when the workpiece W2 is irradiated with the laser beam L2 having an angle.

これは図18に示すように、数値処理可能な問題である。
直下に照射したレーザ光L1に対し、角度θだけ変化したレーザ光L2の横方向の移動量は、(距離)×sinθで表すことができる。
そして、高さ方向Dについては、tan(θ/2)×(距離)×sinθで表すことができるため、この誤差を事前に検証し、全体的な位置誤差が許容範囲になるように移動ステージを位置決めればよい。
そうすることにより、図19(a)、図19(b)に示すように、加工ワークW1の加工の時は図19(a)、加工ワークW1の加工の時は図19(b)のように移動ステージを上記で示した分だけZ方向に補正すればよい。
このように照射角度の変化によるレーザ光の焦点位置のずれにも対応することが可能である。
This is a problem that can be numerically processed as shown in FIG.
The amount of movement in the horizontal direction of the laser beam L2 changed by the angle θ with respect to the laser beam L1 irradiated immediately below can be expressed as (distance) × sin θ.
Since the height direction D can be expressed by tan (θ / 2) × (distance) × sin θ, this error is verified in advance, and the moving stage is set so that the overall position error falls within an allowable range. May be positioned.
By doing so, as shown in FIGS. 19 (a) and 19 (b), as shown in FIG. 19 (a) when machining the workpiece W1, and as shown in FIG. 19 (b) when machining the workpiece W1. The moving stage may be corrected in the Z direction by the amount shown above.
In this way, it is possible to cope with the shift of the focal position of the laser beam due to the change of the irradiation angle.

また、箱体内の気密性については、図2に示したように移動ステージ上に箱体を載せ、この中にワークを置く以外に、図20のように、移動ステージまで含めて箱体内に納めることも考えられ、ワークの大きさや個数の規模により、ワークのみの収納か、移動ステージまで含めた収納かを適宜選択できる。   In addition, regarding the airtightness in the box, in addition to placing the box on the moving stage as shown in FIG. 2 and placing the work in the box, as shown in FIG. Depending on the size and number of workpieces, it is possible to appropriately select whether to store only the workpiece or to include the moving stage.

また、図21のように、フェムト秒レーザ光の反射ミラーを1個から2個に増やすことにより、加工ワークに対し、フェムト秒レーザ光を2次元的に頻繁且つ均等に分配できるようになる。
フェムト秒レーザ光は、まず1個目の反射ミラー9により2個目の反射ミラー9’に反射可能な範囲内で反射角度の制御がされ、次に、2個目の反射ミラー9’によりフェムトレーザ光が加工ワークに到達する。
各反射ミラー9、9’の設置する位置関係については、フェムト秒レーザ光の分配がしやすいように考慮する必要がある。
各反射ミラーの角度と、実際に加工ワークへ到達した際の平面座標との相関を予め調べておくことにより、これをマッピングし、各反射ミラー角度制御に反映することで対応可能であるが、このような座標変換を行うとパソコン等の処理系の演算負荷はその分高くなる。
Further, as shown in FIG. 21, by increasing the number of femtosecond laser light reflecting mirrors from one to two, the femtosecond laser light can be two-dimensionally and evenly distributed to the workpiece.
First, the reflection angle of the femtosecond laser light is controlled by the first reflecting mirror 9 within a range where it can be reflected by the second reflecting mirror 9 ', and then the femtosecond laser light is reflected by the second reflecting mirror 9'. Laser light reaches the workpiece.
The positional relationship between the reflecting mirrors 9 and 9 ′ needs to be considered so that the femtosecond laser light can be easily distributed.
By examining the correlation between the angle of each reflecting mirror and the plane coordinates when actually reaching the workpiece, it can be handled by mapping this and reflecting it in each reflecting mirror angle control. When such coordinate conversion is performed, the calculation load of a processing system such as a personal computer increases accordingly.

加工ワークの座標原点ついては、加工ワーク用プレートの基準位置に基づき加工ワークを精度良く並べた後、この加工ワーク用プレート基準位置をもとにした相対位置関係から各加工ワークの位置が定められることとなる。
この加工ワーク用プレートのそれぞれに対し、加工ワークの相対位置とそれに対応するためのレーザ光の照射パターンを予め登録しておけば、複数種類の加工ワークの切り替えに迅速に対応可能となる。
As for the coordinate origin of the workpiece, the workpieces are accurately arranged based on the reference position of the workpiece workpiece plate, and the position of each workpiece workpiece is determined from the relative positional relationship based on this workpiece workpiece reference position. It becomes.
If the relative position of the workpiece and the irradiation pattern of the laser beam corresponding to the relative position of the workpiece are registered in advance for each of the workpiece workpiece plates, switching between a plurality of types of workpieces can be quickly handled.

本発明の実施形態によれば、以下の効果が得られる。
フェムト秒レーザにおいて、微細ワークを効率良く大量に生産できるようになるため、マイクロマシン等の生産において多大なコストダウンをもたらすことができる。
本発明によれば、ワークの個数が多くなるほど単位時間当たりの各ワークへのレーザ照射による熱量が低くなり、量産するほどに本発明のメリットが顕著となる。
また、高出力のフェムト秒レーザ光を用いた場合の運用においても、効果的に熱を分散し、加工効率を大きく改善できる。
According to the embodiment of the present invention, the following effects can be obtained.
In the femtosecond laser, fine workpieces can be produced efficiently and in large quantities, so that the cost can be greatly reduced in the production of micromachines and the like.
According to the present invention, as the number of workpieces increases, the amount of heat by laser irradiation to each workpiece per unit time decreases, and the merit of the present invention becomes more prominent as mass production is performed.
In addition, even when using high-power femtosecond laser light, it is possible to effectively dissipate heat and greatly improve processing efficiency.

本発明は微細ワークの加工において、フェムト秒レーザ加工の効率的な運用を目指したものであるが、光源がフェムト秒レーザ光に以外であっても、レーザ光による熱の影響を受けやすいワークを効率的に量産することが可能であり、熱発生を伴う各種光源の加工機に適用可能である。   The present invention aims at efficient operation of femtosecond laser processing in the processing of fine workpieces. However, even if the light source is other than femtosecond laser light, a workpiece that is easily affected by heat from laser light is used. It can be mass-produced efficiently, and can be applied to various light source processing machines that generate heat.

本発明による加工装置の構成図である。(実施例1)It is a block diagram of the processing apparatus by this invention. (Example 1) 本発明による加工装置の構成図である。(実施例2)It is a block diagram of the processing apparatus by this invention. (Example 2) 本発明による箱体内の減圧方法を示す操作図である。FIG. 3 is an operation diagram illustrating a method for decompressing a box according to the present invention. 箱体内へのガス充填方法を示す操作図である。It is an operation figure which shows the gas filling method to a box. マイクロスコープを装備した場合の構成図である。It is a block diagram at the time of equip | installing a microscope. 箱体とガラス窓の構成図である。It is a block diagram of a box and a glass window. マイクロスコープでワーク検査等を行う際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of performing a workpiece | work inspection etc. with a microscope. ワークプレート上のワークの配置を示す状態図である。It is a state figure showing arrangement of a work on a work plate. 複数個の同時加工の説明図である。It is explanatory drawing of several simultaneous processing. 二次元形状で加工する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of processing by a two-dimensional shape. レーザ加工で深さ方向の調整する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of adjusting in the depth direction by laser processing. より多くのワークに対しレーザ光を分配する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of distributing a laser beam with respect to more workpieces. ポリゴンミラーによるレーザ光の反射を示す構成図である。It is a block diagram which shows reflection of the laser beam by a polygon mirror. 異なる反射面をもつポリゴンミラーの説明図である。It is explanatory drawing of the polygon mirror which has a different reflective surface. レーザ光の強度と加工深さを示す関係図である。It is a related figure which shows the intensity | strength of a laser beam, and a process depth. レーザ光の強度と加工深さを示す関係図である。It is a related figure which shows the intensity | strength of a laser beam, and a process depth. レーザ光の傾きによるZ方向のずれを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the shift | offset | difference of the Z direction by the inclination of a laser beam. レーザ光の傾きによるZ方向のずれを示す幾何図である。It is a geometric diagram which shows the shift | offset | difference of the Z direction by the inclination of a laser beam. Z方向のずれを補正するための移動ステージの動作図である。It is an operation | movement figure of the movement stage for correct | amending the shift | offset | difference of a Z direction. 移動ステージまで箱体に収めた場合の構成図である。It is a block diagram at the time of accommodating in a box to a moving stage. 反射ミラーが2個の場合の構成図である。It is a block diagram in case there are two reflection mirrors.

符号の説明Explanation of symbols

1 フェムト秒レーザ装置
2 エアフィルター
3 減圧ポンプ
4 サーボモータ1(X軸)
5 サーボモータ2(Y軸)
6 サーボモータ3(Z軸)
7 箱体
8 ガラス窓
9 ミラー
10 ミラー回転制御用サーボモータ
11 制御ユニット
12 コンピュータ
13 信号線
14 移動ステージ
15 ターミナル
16 画像処理ユニット
17 パッキング
18 配管
19 ポリゴンミラー
20 レーザ光の焦点
A 空気
B ガスボンベ
G ガス
H 加工部
K 1パルス当たりの加工エリア
K1、K2 1パルス当たりの加工エリア
L レーザ光
L1、L2 レーザ光
LA、LB レーザ光(強、弱)
M マイクロスコープ
P 加工ワーク用プレート
S 気圧センサー
W 加工ワーク
W1、W2・・ 加工ワーク
W01、W02・・ 加工ワーク
V1 減圧調整用バルブ
V2 ガス調整用バルブ
θ 反射角度
1 Femtosecond laser device 2 Air filter 3 Pressure reducing pump 4 Servo motor 1 (X axis)
5 Servo motor 2 (Y axis)
6 Servo motor 3 (Z axis)
7 Box 8 Glass window 9 Mirror 10 Mirror rotation control servo motor 11 Control unit 12 Computer 13 Signal line 14 Moving stage 15 Terminal 16 Image processing unit 17 Packing 18 Piping 19 Polygon mirror 20 Focus of laser beam A Air B Gas cylinder G Gas H Machining area K Machining area per pulse K1, K2 Machining area per pulse L Laser light L1, L2 Laser light LA, LB Laser light (strong, weak)
M Microscope P Machining work plate S Air pressure sensor W Machining work W1, W2 ・ ・ Machining work W01, W02 ・ ・ Machining work V1 Vacuum adjustment valve V2 Gas adjustment valve θ Reflection angle

Claims (6)

直交3軸からなる3次元移動軸を持つ移動ステージの上面に、複数の加工ワークを並べて配置し、
別設したフェムト秒レーザ装置から照射されるフェムト秒レーザ光を、サーボ制御により自在に反射角度を可変可能な反射ミラーにより反射させ、
上記フェムト秒レーザ光を上記加工ワークに照射するレーザ加工方法において、
上記反射ミラーの反射角制御により、複数の加工ワークに対し頻繁且つ均等にフェムト秒レーザ光を分配照射しつつ、移動ステージにより加工ワークを3次元移動させて、フェムト秒レーザ光の連続照射による発熱を複数の加工ワークに分散し、各加工ワークへの蓄熱を防止しつつ、複数個の加工ワークを同時に加工することを特徴とするフェムト秒レーザ光のための多数個取りの加工方法。
A plurality of workpieces are arranged side by side on the upper surface of a moving stage having a three-dimensional movement axis composed of three orthogonal axes,
The femtosecond laser light emitted from the separately installed femtosecond laser device is reflected by a reflection mirror whose reflection angle can be freely changed by servo control.
In the laser processing method of irradiating the workpiece with the femtosecond laser light,
By controlling the reflection angle of the reflection mirror, the femtosecond laser beam is distributed and irradiated frequently and evenly to a plurality of workpieces, while the workpiece is moved three-dimensionally by the moving stage, and heat is generated by continuous irradiation of the femtosecond laser beam. A multi-piece machining method for femtosecond laser light characterized in that a plurality of machining workpieces are simultaneously machined while dispersing a plurality of machining workpieces while preventing heat accumulation in each machining workpiece.
請求項1において、上記反射ミラーに替えて、多面体構造により複数の反射面を持つポリゴンミラーを使用したことを特徴とするフェムト秒レーザ光のための多数個取りの加工方法。   2. The multi-cavity processing method for femtosecond laser light according to claim 1, wherein a polygon mirror having a plurality of reflecting surfaces with a polyhedral structure is used instead of the reflecting mirror. 請求項1において、移動ステージの上面に、内部に気密性を持つ箱体を接合し、
上記箱体が移動ステージと一体化して移動するようにし、
上記箱体上部にはガラス窓を設け、
上記箱体内部に複数の加工ワークを並べて配置し、
フェムト秒レーザ光を上記箱体上部のガラス窓から上記箱体内に並べて置いた加工ワークに照射するようにし、
上記箱体と減圧ポンプを配管接続し、上記箱体内を減圧状態にして加工することを特徴とするフェムト秒レーザ光のための多数個取りの加工方法。
In claim 1, a box having airtightness inside is joined to the upper surface of the moving stage,
So that the box moves integrally with the moving stage,
A glass window is provided at the top of the box,
A plurality of workpieces are placed side by side inside the box,
Femtosecond laser light is emitted from the glass window at the top of the box to the workpiece placed in the box,
A multi-cavity processing method for femtosecond laser light, characterized in that the box body and a vacuum pump are connected by piping, and the box body is processed under reduced pressure.
請求項1において、移動ステージ及び加工ワーク全体を、気密性を持つ箱体に収納し、
上記箱体上部にはガラス窓を設け、
フェムト秒レーザ光を上記箱体上部のガラス窓から上記箱体内に並べて置いた加工ワークに照射するようにし、
上記箱体と減圧ポンプを配管接続し、上記箱体内を減圧状態にして加工することを特徴とするフェムト秒レーザ光のための多数個取りの加工方法。
In claim 1, the moving stage and the entire workpiece are housed in an airtight box.
A glass window is provided at the top of the box,
Femtosecond laser light is emitted from the glass window at the top of the box to the workpiece placed in the box,
A multi-cavity processing method for femtosecond laser light, characterized in that the box body and a vacuum pump are connected by piping, and the box body is processed under reduced pressure.
請求項1において、反射ミラーの個数を2個にすることにより、フェムト秒レーザ光を加工ワークに対し、2次元的に頻繁且つ均等に分配することを特徴とするフェムト秒レーザ光のための多数個取りの加工方法。   2. A large number of femtosecond laser beams according to claim 1, wherein the number of reflecting mirrors is set to two so that the femtosecond laser beams are two-dimensionally and evenly distributed to the workpiece. The processing method of the single piece. 請求項3、請求項4において、箱体内を減圧した後、
上記箱体内に窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、酸素、アルゴン、ヘリウムの任意の組み合わせから成る混合ガスを充填し、フェムト秒レーザ光により加工することを特徴とするフェムト秒レーザ光のための多数個取りの加工方法。
In Claim 3 and Claim 4, after decompressing the inside of the box,
A large number of femtosecond laser beams, wherein the box is filled with a mixed gas composed of any combination of nitrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, oxygen, argon, and helium and processed by femtosecond laser beams. The processing method of the single piece.
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CN107617743A (en) * 2017-08-30 2018-01-23 深圳市银宝山新科技股份有限公司 The process of the multiple workpiece of 3D printing simultaneously
WO2022250051A1 (en) * 2021-05-25 2022-12-01 三菱重工業株式会社 Vacuum laser processing device

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