JP2007512558A - レーザービームによる材料加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザービームによって材料を加工する装置
【解決手段】材料を加工するための上記装置は、レーザービーム（１１）を発生させるためのレーザー光源（１）、レーザービーム（１１）の光路中に配置され、互いの角度を形成するミラー軸（３８、４８）に対して回動する少なくとも二つの反対のミラー（３５、４５）を有している偏向装置、およびレンズ（５）の形状をした結像を有する。上記偏向装置（２）の駆動装置のそれぞれは、ドメイン反転によって反対に分極された領域を交互に構成する圧電偏向プレート（３、４）によって形成され、交互に反対の分極を持つ電圧が印加されると、偏向プレートの各自由端（３５、４５）の捩じりおよびミラー軸（３８、４８）が有効に機能する。
この件に関し、電子回路基板および回路基板などの基板（６）を、非常に高精度かつ高速で加工することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザービームによって材料を加工するための装置に関する。該装置は、レーザービームを照射するレーザー光源と、互いに角度を形成するミラー軸の周りに駆動装置によってそれぞれが回動でき、レーザービームの光路中に順次配置される少なくとも２つの反対のミラー面を有してレーザービームの光路中に配置される偏向装置と、該偏向装置によって指定された被加工物の各箇所にレーザービームを集束する結像装置とによって構成される。

かかる装置は、例えばＤＥ１０１４５１８４Ａ１に記載されており、特に回路基板への穿孔が詳細に述べられている。同様に、かかる装置は電子産業における構造、トリミング、マーキング、溶接、はんだ付け、および材料の切削にも用いられる。例えばビーム偏向技術によるこの材料加工における速度および正確さは限られている。一方ではレーザーおよび上流光学系間の所定の相対位置、他方では加工テーブルに固定された基板において極力広い面積の加工を可能にするためには、上記偏向装置において、広範な角度でレーザービームを偏向させることが可能でなければならない。この際、加工テーブル上の基板の動きを最小にして経済的な運転を可能にすることが意図される。従って、かかる装置においてはガルボモーターで構成される現在一般的な偏向装置が用いられる。通常、これらのモーターは、最大で±２５°の光偏向角度を有する。しかし、ガルボモーターによって達成可能な偏向速度は、磁気飽和、ミラー質量の慣性などの抑圧又は限定要因によって制限される。ガルボモーターでは、その構造および動作モードのため、正確さを損なうことなく、速度をさらに高めること、また現在達成可能な範囲よりもさらに原動力を高めることは、ほとんど不可能である。

光およびレーザービームをそれぞれ偏向させるために伝統的な圧電素子の使用が既に提案されているが、これらの圧電素子では、高い角速度および加速度に対しては、通常、中位で±２°から±５°の小さい偏向角度しか達成できない。

しかし、ＤＥ１００３１８７７Ｃ１によって、圧電プレートを用いて光ビームを偏向させる装置が既に知られており、上記圧電プレートの無電極終端部は、上記ビームを偏向させるミラー部として機能することを特徴とする。上記文献においては、いわゆるドメイン反転によって、隣接し、反対の自発分極を有する圧電範囲を可能にする技術が記載されている。

ＤＥ１０１４５１８４Ａ１公報

本発明の目的は、材料を加工する装置、特に前述のような電子回路基板を加工する装置を提供することであり、上記装置においては、偏向装置が、より高い、少なくともわずかに高い偏向の速度および正確さで、ガルバノモーターにおけるのと同じ次元の偏向角度を可能にすることを特徴とする。

本発明によると、上記目的は、上記偏向装置の駆動装置のそれぞれが、それぞれ一端において固定され、それらの自由端においてミラー面を支持する無電極ミラー部で構成される、圧電偏向プレートによって形成されるという事実によって達成される。上記偏向プレートは、ドメイン反転による交互に反対の分極方向を持った領域によって構成されており、個々の領域に交互の分極を有する電圧を加える際、ミラー面を通じて縦方向に沿うねじり軸に対する各偏向プレートの各自由端のねじりが効果的に機能する。

本発明は、ＤＥ１００３１８７７Ｃ１に記述されるドメイン反転によって得られる圧電プレートにおいて、従来型の圧電素子においてよりもかなり高い偏向角度が達成されるという事実を利用する。上記理由のため、かかる偏向プレートは、回路基板の加工のためのレーザー装置においても経済的に有利に利用され、本構成において、比較的大きな領域の加工が高速かつ高精度で可能になる。従って上記偏向されたレーザービームは、非常に高い精度で、例えばテレセントリック集束光学系などの適切な光学系を介して、加工される対象物上に位置決めされる。従来のガルバノモーターと比べると、これらのねじり（トーション）偏向器は、曲げる偏向器におけるようなビームの位置ずれを回避して、非常に高い精度で高速度を達成できるという点で有利である。

本発明にて用いられる上記ねじれ偏向器は、±２０°から±２５°の光偏向角度を達成できる。ガルバノ偏向器の利点は、特に、レーザーを用いた穿孔、構成、トリミング、マーキングあるいはラベリングなど行う際、高速で機能できる点にある。さらに本発明の偏向装置は、例えばガルバノモーターにおいてしばしば起こるような機械摩擦及び／又は加熱などによる摩耗に耐えることができる。

二つのねじり偏向器は、お互いが９０°の角度になるように配置されることが好ましい。つまり、第一の偏向素子は上記レーザー光源から到着するビームおよび上記被加工物の加工面をそのねじり軸上で垂直に横切り、第二の偏向素子は、上記レーザー光源から到着するビームと共に被加工物の上記加工面に対して平行な面を決めるねじり軸を備えて構成される。

さらに本発明の有利な実施の形態において、上記偏向プレートは、縦方向に平行に並んで設けられ、反対に向けられた分極を交互に含み、交互に反対の電圧によって強調される、複数のドメインによってそれぞれ構成される。

本発明のさらなる実施の形態においては、それらのミラー面の範囲内の上記圧電偏向プレートは、偏向されるレーザービームの所定の波長に合わせた反射出力の層によってそれぞれ被覆されていてもよい。さらに、上記各ミラー部は、ミラー面の反対側の裏面にある反射面から構成されることが可能で、上記反射面は調査光ビームを偏向するために機能する。またこの反射面の被膜は、特に検査光ビームの波長に合わせられる。

本発明は、２００ｋＨｚ以上、あるいはより好適には５００ｋＨｚ以上の高パルス周波数に到達するレーザー波と組み合わせてより好適に用いられ、この高周波で例えば２０ｎｓ未満、あるいはより好適には５ｎｓ未満の非常に狭いパルス幅を示す。この方法により、レーザーを用いた加工プロセスはかなり簡略化できる。多くの応用例において、高速度の加工はこの方法においてのみ可能となる。

本発明によれば、用いれた偏向装置の反応時間の速さおよび非常に高い達成できる速度により、パルス列は、上記レーザーが異なるパルス周波数を出射したとき、例えばレイアウトに従って変化させることができる。これによってパルス重複はレーザーのレイアウトから独立したものとなる。即ち、二つの連続するパルスのパルス重複は、上記レーザーが一直線状または急カーブにするかに関係なく、レーザーを用いて構造化する間、常に同一に維持される。

さらにレーザーによる穿孔においては、トリパネーション、らせん穿孔あるいはいわゆるパンチングなどの色々な穿孔方法を組み合わせ、あるいは重複させて、穿孔の際に穴にかかる温度の負荷を分散させることができる。

図面の実施例を参照し、本発明を以下により詳細に説明する。

図1の概略図に示される上記加工装置は、レーザー光源１を有する。上記レーザー光源から出射されるレーザービーム１１は、互いに垂直な２つの面内に設けられた二つの圧電偏向プレート３および４を用いる偏向装置２を介して偏向され、テレセントリック（ｆθ）レンズ５を介して基板６の表面へ照射される。基板は、順番に加工テーブル７に固定され、少なくとも二つの水平方向に共に調節でき、さらに好ましくは、上記レーザービームと照射光学系（図示せず）とを垂直方向にも相対的に調節できる。

上記レーザープレート３および４は、上記偏向装置のそれぞれの支持壁２１および２２に、それぞれ一端３１および４１を固定して取り付けられる。中間部３２および４２は、所定の電圧を加える際に圧電プレートの捩じりを生じさせる、交互に反対の分極されたドメインから構成される。しかし、各圧電プレートの各自由端３５あるいは４５は、無電極部分であるが、それぞれ反射層３６あるいは４６が取り付けられ、ミラー面を形成している。ここで、上記反射層３６あるいは４６は、最適な反射を得るため、レーザーの波長に合わせられる。

より詳しい実施例として、図２は圧電プレート３の構造を概略的に示す。圧電プレート３の上記中間部３２は、この中間部３２の長さ全体にわたって並べて伸ばしている多くの短柵状ドメイン（領域）３３および３４によって構成され、上記ドメイン（領域）は、それらのｙおよびｚ軸が交互に反対になるように、自発分極におけるドメイン反転によって交互に調節される。各ドメイン３３および３４は、その上部および下部に電極３７をそれぞれ有している。これらの電極には、それぞれ逆の電圧が交互にかけられる。圧電プレートの端部３１は固定されているので、それぞれのドメイン３３および３４に反対の電圧を交互に印加する際の圧電の効果で、中間部３２の自由端にねじりが生じる。無圧電部分の上記隣接端部３５も、上記ねじり動作を起こすが、それ自体は変形しない。従って、ミラー面３６の点１３に照射されるレーザービーム１１は、オフセットが生じることなく正確に偏向される。ねじり軸３８は反射層３６内にあり、上記レーザービーム１１はこのねじり軸に対して正確に偏向されるようにさえすればよい。

図１による全体的な構成の機能を以下に説明する。上記レーザービーム１１は、圧電プレート３の点１３で偏向される。そこから反射し、反射端部３５が偏向されると、レーザービームは、順番に圧電プレート４のねじり軸４８上にある反射層４６上のライン１４上で移動する。そこから、レーザービームは、圧電プレート４のねじりによって、レンズ5内の領域１５の各ポイントに対して偏向することができ、上記レンズから基板６上の対応領域１６上に結像することができる。

さらに、図２に示すように、反射層３６からなる反対側のミラー面も、例えば調査光ビームを偏向するため、またレーザービームを制御するために、またセンサー列（図示せず）を介して各ビーム位置を検出するために、反射層３９によって被覆されている。

本発明の装置の基本的構造を示す図である。 本発明に従って設計された圧電偏向プレートを示す図である。

符号の説明

１…レーザー光源、２…偏向装置、３、４…駆動装置（偏向プレート）、５…結像装置（レンズ）、６…被加工物、１１…レーザービーム、１３…点、１４…ライン、１５…領域、１６…対応領域、２１、２２…支持壁、３２、４２…中間部、３１、４１…一端、３３、３４…ドメイン（領域）、３５、４５…ミラー部（自由端）（反射端部）、３６、４６…ミラー面、３８、４８…ミラー軸（ねじり軸）、３９、４９…被膜（反射層）。

Claims (8)

1. レーザービームを用いて材料を加工する装置であって、
   レーザービーム（１１）を出射するレーザー光源（１）と、
   前記レーザービーム（１１）の光路の中に配置され、更に、前記レーザービーム（１１）の光路の中に順に配置され、互いに角度を形成するミラー軸（３８；４８）の回りに駆動装置（３，４）によって回動する少なくとも二つの反対のミラー面（３６；４６）を有する偏向装置（２）と、
   前記偏向装置によって指定される被加工物（６）の各位置に上記レーザービームを集束する結像装置（５）とを有し、
   前記偏向装置（２）の前記駆動装置（３、４）の各々は、一端（３１、４１）において固定される各々の圧電偏向プレートによって形成され、更に、これらの自由端においてミラー面（３６、４６）を動かす無電極ミラー部（３５、４５）を備えて構成することを特徴とし、
   前記偏向プレート（３、４）は、それぞれドメイン反転によって交互に反対の分極方向を有する領域（３３、３４）によって構成され、交互に反対の分極を有する電圧が個々の領域（３３、３４）に印加されるとき、前記ミラー面を横切る縦方向のねじり軸（３８，４８）の回りに前記各偏向プレート（３、４）の前記各自由端のねじりが有効に機能することを特徴とするレーザービームによる材料加工装置。
2. 前記偏向プレート（３、４）のそれぞれは、その縦方向に平行に並べて配置され、交互に反対の分極を有し、そして交互に反対の電圧が印加される複数のドメイン（３３、３４）から構成されることを特徴とする請求項２記載の装置。
3. 第一の偏向素子は前記レーザー光源から到着する前記ビーム（１１）および前記被加工物の加工面をそのねじり軸（３８）上において垂直に横切り、更に、第二の偏向素子（４）は、前記レーザー光源（１）から到着する前記ビーム（１１）と共に前記被加工物の加工面に対して平行な面を決めるねじり軸（４８）を備えて構成することを特徴とする請求項１または２記載の装置。
4. 前記偏向プレート（３、４）の前記ミラー面のそれぞれには、偏向されるレーザービーム（１１）の波長に合わせられた被膜（３６、４６）を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
5. 前記ミラー部（３５、４５）は、そのミラー面（３６、４６）の反対側に反射面（３９、４９）を有し、該反射面は調査光ビームを反射する機能を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
6. 前記反対側の反射面には、前記調査光ビームの波長に合わせられた被膜（３９、４９）を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. ２００ｋＨｚ以上のパルス周波数および２０ｎｓ未満のパルス幅を有するレーザービームを発生させることができるレーザー光源（１）を備えたことを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の装置。
8. 前記レーザー光源が、５００ｋＨｚ以上のパルス周波数および５ｎｓ未満のパルス幅を有するレーザービームを発生させることを特徴とする請求項７記載の装置。

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