JP2008055485A

JP2008055485A - レーザ加工方法およびレーザ加工装置

Info

Publication number: JP2008055485A
Application number: JP2006237033A
Authority: JP
Inventors: Kunio Arai; 邦夫荒井; Yasuhiko Kita; 泰彦北; Yasushi Ito; 靖伊藤
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: CN101134267A; JP4960043B2; TW200817125A; TWI406728B; US7923659B2; CN101134267B; KR101369635B1; US20080053974A1; KR20080020471A

Abstract

【課題】形状精度に優れる穴を能率良く加工することができるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】ミラー１ａまたは／およびミラー１ｂの反射面の変形を補正するシリンドリカルレンズ５０ａまたは／およびシリンドリカルレンズ５０ｂをレーザビーム２０の光軸上に配置し、レーザビーム２０のＸ成分とＹ成分の集光位置を光軸方向に一致させる。シリンドリカルレンズに代えて、反射面が曲面である反射鏡を用いてもよい。レーザビーム２０のＸ成分とＹ成分の集光位置を光軸方向に一致させる方法として、Ｘ成分とＹ成分の両者を設計位置Ｆａに合わせるようにしても良いし、一方は補正せず、他方を補正しないものに合わせても良い。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転の軸線がねじれの位置に配置された２個のミラーによりレーザ（以下、「レーザビーム」という。）を位置決めして集光レンズに入射させ、集光させたレーザビームによりワークを加工をするレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。

図６は、従来のレーザ加工機におけるヘッド部の光学系を示す図である。
図示を省略するレーザ発振器から出力されたＰ偏光である第１のレーザビーム２０は、固定鏡４に反射され、偏光ビームミキサー３０を透過してミラー１ａ（Ｘミラー）、ミラー１ｂ（Ｙミラー）により反射されてｆθレンズ３に入射し、プリント基板１００に入射する。また、図示を省略するレーザ発振器から出力されたＳ偏光である第２のレーザビーム１０は、固定鏡５に反射され、ミラー２ａ、２ｂにより反射された後、偏光ビームミキサー３０により反射され、さらにミラー１ａ、１ｂにより反射されてｆθレンズ３に入射し、プリント基板１００に入射する。第１のレーザビーム２０の加工範囲は領域１０１、第２のレーザビーム１０の加工範囲は領域１０２である。ミラー１ａ、１ｂ、固定鏡４、５、ミラー２ａ、２ｂ、偏光ビームミキサー３０およびｆθレンズ３は、一点鎖線で囲んで示すヘッド部Ｚに配置されている（特許文献１）。

次に、ミラー１ａ、１ｂについてさらに詳しく説明する。
図７は、ミラー１ａ、１ｂとｆθレンズ３との関係を示す図であり、（ａ）は加工部光学系の上面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図、（ｃ）はレーザビーム進行方向（一点鎖線方向）の展開平面図である。
ミラー１ａ、１ｂの反射面が平坦な場合、例えば、断面が円形のレーザビーム２０は、焦点距離ｆのｆθレンズ３の焦点位置Ｆａ（すなわち、焦点位置Ｆａは設計上の焦点位置である）に集光する。ここで、図中の１ａａはミラー１ａを回転させるアクチュエータの回転軸であり、１ｂｂはミラー１ｂを回転させるアクチュエータの回転軸である。
なお、集光位置Ｆａの前後（ここでは、Ｚ方向）の位置におけるレーザビーム２０の直径（スポット径）は集光位置Ｆａにおけるスポット径よりも大きくなるが、真円度は確保される。例えば、穴径５０μｍの穴を加工するのに好適なビーム径ｄがｄ＝３０ｍｍの場合、真円度が９５％以上になるのは、焦点位置Ｆａを基準にして約±５０μｍの範囲である。

このレーザ加工機の場合、第２のミラー系（ミラー２ａ、２ｂ）で定まる位置決め範囲１０２を第１のミラー系（ミラー１ａ、１ｂ）の位置決め範囲１０１とほぼ重ねることができるので、第１のレーザビーム２０と第２のレーザビーム１０をそれぞれ位置決めすることにより、加工能率を向上させることができた。
特開２００４−２４９３６４号公報

レーザ発振器がレーザビームを発振する周波数は、ミラー１ａ、１ｂ、２ａ，２ｂ（以下、特に区別をする必要がある場合を除き、「ミラーＡ」という。）の位置決め周波数よりも十分高い。したがって、ミラーＡを高速に位置決めすることができれば、加工能率を向上させることができる。ミラーＡを高速に位置決めするためには、ミラーＡの質量を小さくすることが有効である。

よく知られているように、形状精度に優れる小径の穴を加工するためには、レーザビームの外径を大きくすることが有効であるため、ミラーＡの大きさを小さくすることはできない。したがって、ミラーＡの質量を小さくするためには、ミラーＡの板厚を薄くしなければならない。

しかし、ミラーＡの板厚を薄くすると、研削加工に伴う研削ひずみにより反射面に曲がりやひずみ等の変形が発生する場合がある。また、単体のミラーＡ反射面は平坦であっても、ミラーＡを接着等によりアクチュエータに支持させると、反射面に変形が発生する場合がある。反射面が変形していると、例えば、Ｘ方向とＹ方向の焦点位置が光軸方向にずれ、穴の真円度が低下するだけでなく、ビームモードが劣化することによりエネルギ分布が均一でなくなり、穴品質が低下する。

このため、加工能率を向上させるためにミラーＡの質量を小さくすると、加工した穴の形状精度が低下した。また、穴の形状精度に優れる加工をするためにミラーＡの板厚を厚くすると、ミラーＡの質量が大きくなり、加工能率が低下した。
本発明の目的は、上記した従来の課題を解決し、形状精度に優れる穴を能率良く加工することができるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供するにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の手段は、回転の軸線がＸ方向であるＸミラーと回転の軸線がＹ方向であるＹミラーとによりレーザを位置決めして集光レンズに入射させ、集光させたレーザにより加工をするレーザ加工方法において、前記ＸミラーまたはＹミラーの反射面の曲率を補正する光学手段を設け、前記光学手段を前記レーザの光軸上に配置し、前記レーザのＸ方向とＹ方向の集光位置を光軸方向に一致させることを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、回転の軸線がＸ方向であるＸミラーと、回転の軸線がＹ方向であるＹミラーと、集光レンズと、を備え、前記Ｘミラーと前記Ｙミラーとによりレーザを位置決めして前記集光レンズに入射させ、集光させたレーザにより加工をするレーザ加工装置において、前記ＸミラーまたはＹミラーの反射面の曲率を補正する光学手段を設け、この光学手段を前記レーザの光軸上に配置し、前記レーザのＸ方向とＹ方向の集光位置を光軸方向に一致させることを特徴とする。

ミラーＡに発生したひずみを光学的に解消することができるので、形状精度に優れる穴を能率良く加工することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明について説明する。

始めに、ミラーＡに発生する変形として頻度が最も高い、ミラーＡの反射面が回転軸の軸線を中心とする略一様な凹面または凸面になる場合について説明する。なお、ミラーＡとしては、ミラー１ａとミラー１ｂの２個だけであるとする。

図１は、本発明の加工部光学系の展開図であり、（ａ）はレーザビームのＸ方向の成分（以下、Ｘ成分という。）を、（ｂ）はレーザビームのＹ方向の成分（以下、Ｙ成分という。）を、（ｃ）は従来技術におけるレーザビームのＸ成分を示している。また、図２は、ミラーＡの変形を説明する図である。
ここで、ミラーＡの幅ｗは、ミラーＡが回転（揺動）する角度（±θ°）と使用するレーザビームの最大径とで定まる（ｗ≧ｄ／ｓｉｎθ）。すなわち、例えば、θ＝±１０°、レーザビームの最大径ｄをｄ＝３０ｍｍとすると、ミラーＡの幅ｗは３１ｍｍ以上であればよい。以下の実施例では、ｄ＝３０，ｗ＝３１であるとする。

図２に示すように、ミラーＡの反射面が凹面に変形している場合、この凹面の半径（曲率）Ｒは、変形量をｋとすると、式１で表される。
Ｒ^２＝（Ｒ−ｋ）^２＋（ｗ／２）^２・・・（式１）
ここで、ｋは十分小さいので、ｋ^２の項は無視できる。すなわち、
Ｒ＝ｗ^２／８ｋ・・・（式２）
例えば、ｋ＝０．５μｍの場合、式２から、Ｒは２４０ｍ程度である。

図１の場合、ミラー１ａの反射面は曲率Ｒの凹面、ミラー１ｂの反射面は平坦である。この場合、レーザビーム２０の光路上に凹型のシリンドリカルレンズ５０を配置する。同図（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ５０の有無にかかわらず、レーザビーム２０のＹ成分は設計上の焦点位置Ｆａに集光される。一方、レーザビーム２０のＸ成分は、同図（ａ）の実線で示すように、シリンドリカルレンズ５０により拡散され、ミラー１ａで反射されることにより平行光に修正され、Ｙ成分と同様に焦点位置Ｆａに集光される。
なお、シリンドリカルレンズ５０が設けられていない場合、レーザビーム２０のＸ成分は、同図（ｃ）に実線で示すように、焦点位置Ｆａよりもｆθレンズ３に近い焦点位置Ｆｘに集光されるため、穴の真円度が低下するだけでなく、エネルギ分布が均一でなくなり、穴品質が低下する。

ここで、シリンドリカルレンズ５０の焦点距離をｆｓとすると、レーザビーム２０のＸ成分を補正できるのは、ｆｓ≒Ｒ／２のシリンドリカルレンズである。したがって、ミラー１ａの反射面の変形を予め測定し、反射面の曲率Ｒを演算で求めることにより、シリンドリカルレンズ５０の焦点距離ｆｓを定めることができる。

なお、ミラーＡの反射面が凸面である場合（曲率が−Ｒである場合）には、ｆｓ＝−Ｒ／２の凸型のシリンドリカルレンズ５０を選択すればよいことは言うまでもない。

次に、ミラー１ａとミラー１ｂの反射面が、いずれも曲面になっている場合について説明する。
この場合、以下に示す２つの方法がある。
（１）第１の方法：ミラー１ａの変形をキャンセルするためのシリンドリカルレンズ５０ａと、ミラー１ｂの変形をキャンセルするためのシリンドリカルレンズ５０ｂと、を設ける。
この場合、ミラー１ａ、１ｂの変形はそれぞれ補正されるので、レーザビーム１０を焦点位置Ｆａに集光させることができる。

（２）第２の方法：ミラー１ａの変形をキャンセルするためのシリンドリカルレンズ５０ａだけを設ける。すなわち、ミラー１ｂの変形をキャンセルするためのシリンドリカルレンズ５０ｂは設けない。
この場合、ミラー１ｂの変形は補正されないので、レーザビーム２０のＹ成分は焦点ｆからずれた位置Ｆｙに集光される。そこで、レーザビーム２０のＸ成分が位置Ｆｙに集光されるようにシリンドリカルレンズ５０ａの焦点距離ｆｓを選定する。
例えば、ミラー１ｂの曲率がＮであり、ミラー１ａの曲率がＭであったとすると、シリンドリカルレンズ５０ｂの焦点距離ｆｓを以下のように定める。
ｆｓ＝（Ｍ−Ｎ）／２
この場合、例えば、穴径５０μｍの穴を加工するのに好適なビーム径ｄ＝３０ｍｍの場合、真円度が９５％以上になるのは、位置Ｆｙを基準にして約±４０μｍに狭まるが（焦点位置Ｆａの場合は約±５０μｍ）、実用上ほとんど問題ない。
なお、ミラーＡがミラー１ａとミラー１ｂの２個だけである場合、シリンドリカルレンズ５０ａ、５０ｂを加工点からレーザ発振器までのいずれの位置に配置しても良いが、レーザ発振器とｆθレンズ３の間に配置するのが実用的である。

次に、ミラーＡがミラー１ａ、１ｂとミラー２ａ、２ｂの４である場合について説明する。

図３は、本発明におけるミラー１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂとｆθレンズ３との関係を示す加工部光学系の展開図である。
図示の場合、第１のレーザビームはミラー１ａ、１ｂを介してｆθレンズ３に入射するが、第２のレーザビームはミラー２ａ、２ｂで反射された後、さらにミラー１ａ、１ｂを介してｆθレンズ３に入射する。
この場合、第１のレーザビーム２０に関しては、上記実施例１で説明した方法によりミラー１ａ、１ｂの変形を補正できる。そして、同図に示すように、シリンドリカルレンズ５０ａ、５０ｂを偏光ビームミキサー３０とレーザ発振器との間に配置すると、第２のレーザビーム１０に影響を及ぼさないので、実用的である。

一方、第２のレーザビーム１０のＸ成分を補正するシリンドリカルレンズ６０ａとしてミラー１ａとミラー２ａの変形を相殺できる焦点距離のシリンドリカルレンズを、Ｙ成分を補正するシリンドリカルレンズ６０ｂとしてミラー１ｂとミラー２ｂの変形を相殺できる焦点距離のシリンドリカルレンズを、それぞれ選択すればよい。

なお、ミラー１ａ、１ｂのいずれもが変形している場合に、例えばミラー１ａの変形だけを補正するシリンドリカルレンズ５０ａ配置し、このシリンドリカルレンズ５０ａによりＸ成分をＹ成分の焦点位置Ｆｙに合わせるようにしてもよい。この場合、第２のレーザビーム１０のＹ成分を補正するシリンドリカルレンズ６０ｂは、ミラー２ｂの変形を相殺する焦点距離のシリンドリカルレンズにすればよい。また、第２のレーザビーム１０のＸ成分を補正するシリンドリカルレンズ６０ａとしては、ミラー２ａの変形とミラー１ａの変形を考慮してかつ第２のレーザビーム１０のＸ成分を焦点位置Ｆｙに集光させるシリンドリカルレンズにすればよい。

ところで、ミラーＡ毎に反射面の変形を相殺するシリンドリカルレンズを設ければ、レーザビーム１０とレーザビーム２０を焦点位置Ｆａに集光させることができるが、構造が複雑になる。以下、ミラーＡの個々の変形がそれほど大きくない場合における、シリンドリカルレンズの配置について説明する。

図４は、図３の場合のミラーＡの反射面を展開して示す図である。
同図に示すように、レーザビーム２０がミラー１ａに入射するときの位置を基準にしてＸ、Ｙを定めると、ミラー１ａのア〜エに入射したレーザビームはミラー１ｂのア〜エに入射する。すなわち、ミラー１ｂのア〜エは、ミラー１ａのア〜エに対して９０°回転した位置になっている。また、第２のレーザビームは、ミラー２ａ、２ｂの図中ア〜エを通過する。ここで、ア〜エは反射面の中心を基準としてそれぞれＸ、Ｙ方向に１５ｍｍの位置である。
図５（ａ）〜（ｄ）は、反射面の変形を実測した例を示す図であり、各ミラーのア〜エに対応する位置のそれぞれの中心位置に対する変形量であり、単位はμｍである。

以下、シリンドリカルレンズの焦点距離を定める手順を、（ａ）の場合について説明する。
同図（ａ）の場合、先ず、式３により変形量ｋを求め、変形量ｋを式２に代入してこの場合の曲率Ｒｔを求める。そして、焦点距離ｆｓをｆｓ＝Ｒｔ／２とする。
ｋ＝Ａｖｇ（Σア、Σウ）−Ａｖｇ（Σイ、Σエ）・・・（式３）
なお、式３は、Ｘ方向の変形量の和とＹ方向の変形量の和との差を求める式である。そして、得られた焦点距離のシリンドリカルレンズを偏光ビームミキサー３０とミラー２ｂとの間に配置することにより、レーザビーム１０，２０のＸ，Ｙ方向の集光位置のばらつきを１０μｍ程度にすることができる。

また、ミラーＡの変形を測定しておき、加工テストを行った結果、式３で求めた変形量ｋが０．１μｍ以下の場合は、特に変形を修正しなくても良いことを見出した。

なお、同図（ｂ）〜（ｄ）の場合も同様に、１個のシリンドリカルレンズで良好な結果を得ることができることを確認した。

また、この実施例ではミラーＡの中心からＸ、Ｙ方向に１５ｍｍの位置にある４点を用いて反射面の変形を推定したが、反射面を格子状に多分割し、それぞれの変形から変形を推定するようにしてもよい。

本発明の加工部光学系の展開図である。ミラーＡの変形を説明する図である。本発明における加工部光学系の展開図である。図３の場合のミラーＡの反射面を展開して示す図である。反射面の変形を実測した例を示す図である。従来のレーザ加工機におけるヘッド部の光学系を示す図である。従来技術の説明図である。

符号の説明

１ａミラー
１ｂミラー
２０レーザビーム
５０ａシリンドリカルレンズ
５０ｂシリンドリカルレンズ

Claims

回転の軸線がＸ方向であるＸミラーと回転の軸線がＹ方向であるＹミラーとによりレーザを位置決めして集光レンズに入射させ、集光させたレーザにより加工をするレーザ加工方法において、
前記ＸミラーまたはＹミラーの反射面の曲率を補正する光学手段を設け、
前記光学手段を前記レーザの光軸上に配置し、
前記レーザのＸ方向とＹ方向の集光位置を光軸方向に一致させることを特徴とするレーザ加工方法。
前記光学手段はシリンドリカルレンズまたはシリンドリカルミラーであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
前記光学手段を１軸方向に設け、その焦点距離を、前記Ｘミラーおよび前記Ｙミラーのそれぞれの中心に対するＸ方向の変形量の和と、Ｙ方向の変形量の和との差に基づいて決定することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
前記Ｘ方向の変形量の和とＹ方向の変形量の和との差が０．１μｍ以上の場合は前記光学手段を設け、前記差が０．１μｍ未満の場合は前記光学手段を設けないことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工方法。
回転の軸線がＸ方向であるＸミラーと、回転の軸線がＹ方向であるＹミラーと、集光レンズと、を備え、前記Ｘミラーと前記Ｙミラーとによりレーザを位置決めして前記集光レンズに入射させ、集光させたレーザにより加工をするレーザ加工装置において、
前記ＸミラーまたはＹミラーの反射面の曲率を補正する光学手段を設け、この光学手段を前記レーザの光軸上に配置し、
前記レーザのＸ方向とＹ方向の集光位置を光軸方向に一致させることを特徴とするレーザ加工装置。