JP2007210025A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステージからの反射光によって加工対象物が損傷を受けることを防止し、かつ十分な機械的強度を確保することができるステージを有するレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 ステージが、加工対象物と線で接触して加工対象物を保持する。レーザ光源が、ステージに保持された加工対象物に、レーザビームを入射させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、レーザ加工装置に関し、特にステージに保持した加工対象物にレーザビームを入射させて貫通孔を形成するレーザ加工装置に関する。

図４に、レーザビームを用いて加工対象物に貫通孔を形成するレーザ加工装置の従来のステージの断面図を示す。断面が正方形の複数の支持棒５１が、平面的に、かつ相互に平行に配置されている。支持棒５１の各々の両端がベース５０に固定されている。相互に隣り合う２本の支持棒５１の間に隙間が確保されている。複数の支持棒５１が並ぶ面と、ベース５０との間に空洞が形成されている。ベース５０に排気口５２が形成されており、この空間内を排気することができる。すべての支持棒５１の１つの側面が、同一の仮想平面上に配置され、この仮想平面上に加工対象物５５が保持される。ベース５０と支持棒５１とで囲まれた空間内を排気することにより、加工対象物５５をステージに吸着することができる。

下記の特許文献１に、複数の支持棒に代えて、ハニカムコアを用いたレーザ加工装置が開示されている。ハニカムコアは、レーザビームの進行方向と平行な姿勢で配置された多数の薄板により構成される。

特開２００２−２８３０８９号公報

図４に示したステージに加工対象物５５を保持し、支持棒５１が配置されている領域にレーザビーム５３を入射させると、加工対象物５５に貫通孔が形成された後、支持棒５１の表面でレーザビームが反射する。この反射光により、加工対象物５５が損傷を受ける場合がある。

特許文献１に開示されているハニカムコアは、多数の薄板で構成されるため、レーザビームが薄板に入射する確率は、図４に示した支持棒５１に入射する確率よりも低い。ただし、レーザビームが薄板の端面に入射した場合には、支持棒５１に入射した場合と同様に反射し、加工対象物に損傷を与える。また、ハニカムコアを用いたステージは、支持棒を用いたステージに比べて機械的強度が低い。

本発明の目的は、ステージからの反射光によって加工対象物が損傷を受けることを防止し、かつ十分な機械的強度を確保することができるステージを有するレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、加工対象物と線で接触して該加工対象物を保持するステージと、前記ステージに保持された加工対象物に、レーザビームを入射させるレーザ光源とを有するレーザ加工装置が提供される。

加工対象物とステージとが線で接触するため、加工対象物に貫通孔が形成されたとき、貫通孔内を通過して、加工対象物に接触する面で反射したレーザビームに起因する加工対象物の損傷を防止することできる。

図１に、第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。ステージ５に加工対象物１０が保持される。ステージ５は、駆動機構６により加工対象物１０の被加工面に平行な２次元方向に移動可能である。ステージ５内に空洞が形成されており、この空洞が配管８を経由して排気装置７により排気される。空洞内を排気すると、加工対象物１０がステージ５に吸着される。

レーザ光源１から出射したレーザビームが、反射鏡２で反射し、ガルバノスキャナ３及びｆθレンズ４を経由して、ステージ５に保持された加工対象物４に入射する。ガルバノスキャナ３は、レーザビームを２次元方向に走査する。ｆθレンズ４は、走査されたレーザビームを、ステージ５に保持された加工対象物１０の表面上に集束させる。なお、必要に応じて、レーザビームの断面を整形するマスク、レーザビームをコリメートするコリメートレンズ等を配置してもよい。

図２Ａに、ステージ５の平面図を示し、図２Ｂに、図２Ａの一点鎖線Ｂ２−Ｂ２における断面図を示す。ステージ５は、ベース２０及び複数の支持棒２１を含んで構成される。ベース２０は、長方形の板状の底面と、底面の４つの縁から上方に立ち上がった４つの側面を含んで構成される。複数の支持棒２１の両端を、ベース２０の対向する２つの側面に固定することにより、支持棒２１がベース２０に支持されている。

支持棒２１は、等間隔で平行に配列し、相互に隣り合う２本の支持棒２１の間に隙間が確保されている。支持棒２１の各々の断面は正方形である。複数の支持棒２１により、加工対象物１０を支持する仮想平面２２が画定される。支持棒２１の各々は、隣り合う２つの第１の表面２３Ａ及び第２の表面２３Ｂの交線である稜が仮想平面２２に含まれるように、配置されている。支持棒２１の断面が正方形であるため、第１の表面２３Ａと第２の表面２３Ｂとは、９０°で交わる。

仮想平面２２の、レーザビーム入射側の空間を向く法線ベクトル２４と、第１の表面２３Ａの法線ベクトル２５Ａとのなす角、及び法線ベクトル２４と第２の表面２３Ｂの法線ベクトル２５Ｂとのなす角が、ともに４５°になるように、各支持棒２１の姿勢が固定されている。一例として、支持棒２１の断面の一辺の長さは２ｍｍであり、支持棒２１の中心間の間隔は３ｍｍである。このとき、隣り合う２本の支持棒２１の間の隙間は約０．１７ｍｍになる。支持棒２１は、レーザビームによって損傷を受けにくい材料、例えばアルミニウムやステンレス等によって形成される。相互に隣り合う２本の支持棒２１のうち、一方の支持棒２１の第１の表面２３Ａを延長した平面と、他方の支持棒２１の第２の表面２３Ｂを延長した平面とが、９０°の角度で交差する。

ベース２０の内面と、支持棒２１が配列する面との間に、空洞２６が形成されている。配管８を介して空洞２６内を排気することにより、加工対象物１０をステージ５に吸着することができる。このとき、加工対象物１０は、指示棒２１の第１の表面２３Ａ及び第２の表面２３Ｂの交線である稜、すなわち相互に平行に配置された複数の直線でステージ５に接触する。

レーザ加工時には、レーザビーム３０が、仮想平面２２のほぼ法線方向から加工対象物１０に入射する。仮想平面２２の位置におけるレーザビームのビーム断面の直径は、例えば５０〜３００μｍである。ビーム断面の寸法は、加工すべき貫通孔の大きさによって種々選択される。

加工対象物１０にレーザビーム３０を入射させて貫通孔を形成する。貫通孔が形成されると、レーザビーム３０は貫通孔内を通過して、加工対象物１０の裏側の空間に侵入する。貫通孔内を通過したレーザビーム３０は、支持棒２１の第１の表面２３Ａまたは第２の表面２３Ｂに入射するか、または支持棒２１の隙間を通過してベース２０の底面に入射する。

支持棒２１の第１の表面２３Ａに入射したレーザビームは、第１の表面２３Ａで反射して仮想平面２２と平行な方向に伝搬し、隣の支持棒２１の第２の表面２３Ｂに入射する。第２の表面２３Ｂで反射した後、加工対象物１０の裏側の表面に再入射する。加工対象物１０に再入射する位置のビームスポットは、加工対象物１０に最初に入射する位置におけるビームスポットよりも大きくなっている。ビームスポットが大きくなることによってレーザビームのパワー密度が低下するため、加工対象物１０が損傷を受けにくい。

また、支持棒２１の第１の表面２３Ａ及び第２の表面２３Ｂを低反射コーティングしておくことにより、加工対象物１０に再入射する位置におけるパワー密度をより低下させることができる。また、第１の表面２３Ａ及び第２の表面２３Ｂを荒らして、レーザビームを散乱させる構成としてもよい。また、レーザビームを透過させる材料で支持棒２１を形成してもよい。ＣＯ_２レーザを用いる場合、レーザビームを透過させる材料としてＺｎＳｅ、Ｓｉ、ＺｎＳ等が挙げられる。

貫通孔内を通過したレーザビーム３０が支持棒２１の第２の表面２３Ｂに入射する場合も、上述の第１の表面２３Ａに入射する場合と同様の作用効果が得られる。また、貫通孔内を通過したレーザビームが支持棒２１の隙間を通過してベース２０の底面に入射する場合も、加工対象物１０に再入射するまでにビームスポットが大きくなるため、加工対象物１０が損傷を受けにくい。

第１の実施例では、支持棒２１の第１の表面２３Ａ及び第２の表面２３Ｂが平面であったが、必ずしも平面である必要はなく、曲面であってもよい。第１の表面２３Ａ及び第２の表面２３Ｂを曲面で構成する場合には、第１の表面２３Ａ及び第２の表面２３Ｂの任意の位置における法線ベクトルと、仮想平面２２の法線ベクトル２４とのなす角度が４５°以上になるようにすればよい。第１の表面２３Ａ及び第２の表面２３Ｂが曲面で構成される場合には、支持棒２１と加工対象物１０とが曲線で接触する場合もある。

なお、図２Ｂに示すように、加工対象物１０の縁からある幅の領域は、ベース２０の側面の上端に、面で接触する。この縁からある幅の領域には貫通孔が形成されない。このように、形成すべき貫通孔が分布しない領域は、ステージ５に面で接触してもよい。

図３Ａに、第２の実施例によるレーザ加工装置に用いられるステージの断面図を示す。第２の実施例では、第１の実施例の支持棒２１に代えて、断面が直角二等辺三角形の支持棒２１Ａが用いられている。その他の構成は第１の実施例の構成と同じである。直角二等辺三角形の直角を挟む２つの辺に相当する表面が、図２Ｂに示した第１の実施例の支持棒２１の第１の表面２３Ａ及び第２の表面２３Ｂに一致する姿勢で支持棒２１Ａが配置されている。

第２の実施例においても、第１の実施例の場合と同様の作用効果が得られることが明白である。なお、第１の実施例の支持棒２１の第１の表面２３Ａ及び第２の表面２３Ｂに一致する表面を有する他の断面形状の支持棒を用いても、同様の作用効果が得られることは当業者に自明であろう。

第１の実施例では、支持棒２１の第１の表面２３Ａの法線ベクトル２５Ａと仮想平面２２の法線ベクトル２４とのなす角度、及び第２の表面２３Ｂの法線ベクトル２５Ｂと仮想平面２２の法線ベクトル２４とのなす角度を４５°としたが、これらの角度を４５°より大きくしてもよい。この角度を４５°より大きくすると、支持棒２１の表面で反射したレーザビームが、加工対象物１０から遠ざかる向きに伝搬する。このため、加工対象物１０に直接再入射することがない。これにより、加工対象物１０が損傷を受けにくくなる。

また、支持棒２１の第１の表面２３Ａの法線ベクトル２５Ａと仮想平面２２の法線ベクトル２４とのなす角度、及び第２の表面２３Ｂの法線ベクトル２５Ｂと仮想平面２２の法線ベクトル２４とのなす角度が４５°未満であっても、支持棒２１と加工対象物１０とが線で接触する場合には、第１の表面２３Ａ及び第２の表面２３Ｂと、加工対象物１０との間に隙間が形成される。この隙間をレーザビームが伝搬する間に、ビーム断面が大きくなる。このため、支持棒と加工対象物とが面で接触する場合に比べて、加工対象物１０が損傷を受けにくくなる。

図３Ｂに、第３の実施例によるレーザ加工装置に用いられるステージの断面図を示す。第１の実施例では、支持棒２１の第１の表面２３Ａ及び第２の表面２３Ｂが共に上方（レーザビームの上流側）を向いていた。これに対し、第３の実施例の支持棒２１Ｂにおいては、加工対象物１０に接触する稜の両側の表面のうち、一方の第１の表面２３Ａがレーザビームの上流側を向き、他方の第２の表面２３Ｂがレーザビームの下流側を向く。すなわち、第１の表面２３Ａの法線ベクトル２５Ａと、仮想平面２２の法線ベクトル２４とのなす角度が４５°以上９０°未満であり、第２の表面２３Ｂの法線ベクトル２５Ｂと、仮想平面２２の法線ベクトル２４とのなす角度が９０°よりも大きい。

第３の実施例においても、第１の実施例の場合と同様に、加工対象物１０に形成された貫通孔内を通過した後、支持棒２１Ｂの第１の表面２３Ａで反射したレーザビームが、隣の支持棒２１Ｂの第２の表面２３Ｂに入射する。第３の実施例では、第２の表面２３Ｂの法線ベクトル２５Ｂと仮想平面２２の法線ベクトル２４とのなす角度が９０度よりも大きいため、第２の表面２３Ｂで反射したレーザビームが、加工対象物１０から遠ざかる方向に伝搬する。このため、加工対象物１０に再入射しない。

加工対象物１０の貫通孔内を通過して支持棒２１Ｂに入射したレーザビームが加工対象物１０に再入射しないため、加工対象物１０の損傷を防止することができる。

上記第１〜第３の実施例では、加工対象物１０を支える支持棒が、薄板ではなく、棒状部材で形成されているため、薄板で形成されたハニカムコアに比べて、大きな機械的強度を確保することができる。

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。

第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 （２Ａ）及び（２Ｂ）は、それぞれ第１の実施例によるレーザ加工装置のステージの平面図及び断面図である （３Ａ）は、第２の実施例によるレーザ加工装置のステージの断面図であり、（３Ｂ）は、第３の実施例によるレーザ加工装置のステージの断面図である。 従来のレーザ加工装置のステージの断面図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ 反射鏡
３ ガルバノスキャナ
４ ｆθレンズ
５ ステージ
６ 駆動機構
７ 排気装置
８ 配管
１０ 加工対象物
２０ ベース
２１ 支持棒
２２ 仮想平面
２３Ａ 第１の表面
２３Ｂ 第２の表面
２４ 仮想平面の法線ベクトル
２５Ａ 第１の表面の法線ベクトル
２５Ｂ 第２の表面の法線ベクトル
２６ 空洞
３０ レーザビーム

Claims (7)

1. 加工対象物と線で接触して該加工対象物を保持するステージと、
   前記ステージに保持された加工対象物に、レーザビームを入射させるレーザ光源と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記ステージは、加工対象物と接する稜を構成する第１の表面及び第２の表面を含み、加工対象物と接する稜が１つの仮想平面に含まれ、該仮想平面の、レーザビーム入射側の空間を向く法線ベクトルと、該第１の表面及び第２の表面の任意の位置における法線ベクトルとのなす角度が４５°以上である請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記第１の表面及び第２の表面が、入射するレーザビームを散乱させる請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記第１の表面及び第２の表面が平面であり、両者が９０°の角度で交わる請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記ステージと加工対象物とが、相互に平行な複数の直線で接触する請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
6. 前記ステージと加工対象物とが、相互に平行な複数の直線状の稜で接触し、前記仮想平面の法線に平行な方向に伝搬するレーザビームが、１つの稜を構成する第１の表面で反射すると、隣の稜を構成する第２の表面に入射し、該第２の表面で反射した反射光が前記仮想平面から遠ざかる方向に伝搬するように前記第１の表面及び第２の表面が配置されている請求項２〜４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
7. 前記ステージは、直線状の稜を持つ複数の棒状部材を含み、該複数の棒状部材が、隙間を隔てて配置されており、
   さらに、前記複数の棒状部材の隙間を通して、加工対象物を真空吸着する排気手段を有する請求項６に記載のレーザ加工装置。