JP2008221254A - Laser beam machining apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam machining apparatus that can perform stable laser oscillation by suppressing variation in output and in pointing position caused by instability of laser oscillation which is caused during machining by intermittent irradiation with high-output laser beam. <P>SOLUTION: The apparatus is equipped with: a focusing optical system that focuses a laser beam 17a emitted from a laser light source 11, a machining optical system 9 that guides the laser beam 17a to a workpiece 8 for irradiation with the laser beam, a shutter system 13 arranged between the focusing optical system and the machining optical system 9 and capable of shielding by reflecting the laser beam 17a. The shutter system 13 includes a reflection mirror 14 that can project onto the optical path of the focusing optical system and to the proximity of the focus point A of the laser beam 17a, wherein the reflection mirror 14, when projected, causes the laser beam 17a to diverge by reflecting (deflecting) it to outside the optical axis of the focusing optical system and the machining optical system 9. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、加工対象物にレーザ光を照射して高精度かつ高効率な加工を行う装置であって、たとえば、各種材料の切断、穴あけ、表面改質、溶接などに用いられるレーザ装置に関する。   The present invention relates to an apparatus for performing high-precision and high-efficiency processing by irradiating a workpiece with laser light, and relates to a laser apparatus used for cutting, drilling, surface modification, welding, and the like of various materials, for example.

近年、レーザ光を利用した加工は、金属材料の切断、電子部品の微細穴あけ、金属部品の溶接、液晶・半導体デバイスの作製など、様々な産業分野において種々の用途に利用されている。そのようなレーザ加工の普及に伴い、加工の高精度化・高効率化を目的としたレーザ装置用要素部品に関する技術が数多く提案されている。   In recent years, processing using laser light has been used for various applications in various industrial fields such as cutting of metal materials, fine drilling of electronic parts, welding of metal parts, and production of liquid crystal / semiconductor devices. Along with the spread of such laser processing, many techniques related to element parts for laser devices have been proposed for the purpose of improving the accuracy and efficiency of processing.

前記レーザ加工の高精度化のためには、レーザ出力(レーザパルスエネルギ)の安定化や、ポインティング位置の安定化(レーザ光源の光軸変動の安定化)が重要である。これらを安定させるためには、レーザを停止することなく連続的に発振し続けれることが好ましい。しかしながら、実際はレーザを連続的に発振させながら一筆書きのようにレーザを走査して加工を行う例は極めて少なく、加工対象物とレーザ照射位置の相対移動を繰返しながら、レーザを断続的に照射する方法を用いることが多い。   In order to improve the accuracy of the laser processing, it is important to stabilize the laser output (laser pulse energy) and the pointing position (stabilize the fluctuation of the optical axis of the laser light source). In order to stabilize these, it is preferable to continuously oscillate without stopping the laser. However, in reality, there are very few examples of processing by scanning the laser like a single stroke while continuously oscillating the laser, and the laser is intermittently irradiated while repeatedly moving the object to be processed and the laser irradiation position. The method is often used.

一方、レーザ加工の高効率化のためには、高出力のレーザ光源を用いる方法がある。しかしながら、レーザ出力の高出力化に伴って、レンズ・ミラーなどの光学素子や、不要な反射光や散乱光を吸収(ダンピング)するための終端器に、高いレーザ耐性が要求されるようになってきている。この中でも特に終端器は、レーザ光を吸収し熱エネルギに変換して冷媒で放熱するように構成された部品であるため、高出力レーザを終端するための終端器に関し、耐久性向上を目的とした提案がなされている(たとえば、特許文献1および特許文献2参照。)。   On the other hand, in order to increase the efficiency of laser processing, there is a method using a high-power laser light source. However, as laser output is increased, high laser resistance is required for optical elements such as lenses and mirrors and terminators for absorbing (damping) unnecessary reflected light and scattered light. It is coming. Of these, the terminator is a component that absorbs laser light, converts it into heat energy, and dissipates heat with a refrigerant. Therefore, the terminator is intended to improve durability with respect to a terminator for terminating a high-power laser. (See, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

前記特許文献1および特許文献2では、終端器の耐久性(寿命)を向上させるために、終端器の直前に凹レンズを配置する技術が開示されている。つまり、前記凹レンズによってレーザ光を発散させてレーザ光のエネルギ密度を低下させてから、終端器に反射光が入射するように構成されたシャッタが提案されている。   In Patent Document 1 and Patent Document 2, a technique of disposing a concave lens immediately before the terminator is disclosed in order to improve the durability (lifetime) of the terminator. That is, there has been proposed a shutter configured such that reflected light is incident on the terminator after the laser light is diverged by the concave lens to reduce the energy density of the laser light.

なお、本発明に係るレーザ装置と類似の構成を有するレーザ装置として、シャッタで反射した光がレーザ光源に戻る技術も開示されている(たとえば、特許文献3参照。)。しかし、シャッタで反射したレーザ光によって前記高出力レーザ光源が損傷してしまう虞があるため、高出力レーザ光源を用いたレーザ装置においては前記特許文献3に記載の技術を採用することは困難である。   As a laser apparatus having a configuration similar to that of the laser apparatus according to the present invention, a technique in which light reflected by a shutter returns to a laser light source is also disclosed (see, for example, Patent Document 3). However, since the high-power laser light source may be damaged by the laser light reflected by the shutter, it is difficult to adopt the technique described in Patent Document 3 in a laser device using the high-power laser light source. is there.

以上、レーザ装置用要素部品の性能が加工精度および加工効率に及ぼす影響について説明したが、新しい光学システムを用いて加工の高精度化や高効率化を図るための提案もなされている(たとえば、非特許文献1および非特許文献2参照。)。前記非特許文献2には、回折型光学素子を用いて、前記回折型光学素子に入射するレーザの位置、レーザの径、発散角度などを精密に調整することによって、照射強度の均一性を図ることができると記載されている。
特開平7−24591号公報 特開平11−342487号公報 実開昭61−61862号公報 「SEIテクニカルレビュー」,住友電気工業株式会社,2001年9月,第159号,p.72−p.77 「SEIテクニカルレビュー」,住友電気工業株式会社,2005年3月,第166号,p.13−p.18
As described above, the influence of the performance of the component parts for the laser device on the processing accuracy and the processing efficiency has been described. However, there are proposals for improving the processing accuracy and efficiency using a new optical system (for example, (See Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2.) In Non-Patent Document 2, using a diffractive optical element, the position of the laser incident on the diffractive optical element, the diameter of the laser, the divergence angle, and the like are precisely adjusted to achieve uniform irradiation intensity. It is described that it can.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-24591 Japanese Patent Laid-Open No. 11-342487 Japanese Utility Model Publication No. 61-61862 “SEI Technical Review”, Sumitomo Electric Industries, Ltd., September 2001, No. 159, p. 72-p. 77 “SEI Technical Review”, Sumitomo Electric Industries, Ltd., March 2005, No. 166, p. 13-p. 18

前記特許文献1および特許文献2に開示された方法では、レーザ光を発散させるためのレンズが少なくとも1枚余分に必要になるといった課題を有している。また、断続的に高出力のレーザを照射してレーザ加工を行う場合、レーザ発振を停止する時間が長くなるにつれて、レーザ出力(レーザパルスエネルギ)が不安定になったり、ポインティング位置が変動するなどの不具合が生じる。レーザ出力の変動は加工の不均一性を生じさせる要因であり、ポインティング位置の変動は加工位置精度が低下する要因になっている。   The methods disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 have a problem that at least one extra lens for diverging laser light is required. Also, when laser processing is performed by intermittently irradiating a high-power laser, the laser output (laser pulse energy) becomes unstable or the pointing position fluctuates as the time for stopping laser oscillation becomes longer. The problem occurs. The fluctuation of the laser output is a factor causing non-uniformity of machining, and the fluctuation of the pointing position is a factor of lowering the machining position accuracy.

ポインティング位置の安定性が悪いと、レンズの中心にレーザ光が入射し難くなり、加工対象物に照射されるレーザ光の特性が悪化して、加工精度を低下させる要因となる。特に、非球面レンズや前記非特許文献1および非特許文献2に記載の回折型光学素子を照射面のレーザ強度を均一化する目的で使用する場合には、所望の加工精度を得るために、屈折型のレンズに比べて、レーザ光とレンズ中心との位置決めをより高精度に行う必要がある。すなわち、回折型光学素子を利用する場合には、レーザ光源のポインティング位置をより安定させる必要があるため、レーザ径や発散角度等を精密に調整する必要がある。   When the stability of the pointing position is poor, it becomes difficult for the laser beam to enter the center of the lens, and the characteristics of the laser beam irradiated to the object to be processed are deteriorated, which causes a reduction in processing accuracy. In particular, when using an aspheric lens or the diffractive optical element described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 for the purpose of uniformizing the laser intensity of the irradiated surface, in order to obtain a desired processing accuracy, Compared with a refractive lens, it is necessary to position the laser beam and the center of the lens with higher accuracy. That is, when using a diffractive optical element, it is necessary to stabilize the pointing position of the laser light source, so it is necessary to precisely adjust the laser diameter, the divergence angle, and the like.

以上より、本発明の主たる目的は、断続的に高出力のレーザを照射して加工を行う際に生じる、レーザ発振の不安定さに起因する出力変動やポインティング位置の変動を抑制することである。   As described above, the main object of the present invention is to suppress output fluctuations and pointing position fluctuations caused by instability of laser oscillation, which occur when processing is performed by intermittently irradiating a high-power laser. .

本発明に係るレーザ装置は、レーザ光源と、レーザ光源から投光されるレーザ光を集束させる集束光学系と、レーザ光を加工対象物へと導いて照射する加工光学系と、集束光学系と加工光学系との間に配置され、レーザ光を反射することにより遮断可能なシャッタシステムと、を備える。シャッタシステムは、集束光学系の光路上かつレーザ光の集束点近傍へと突出可能な反射鏡を含む。反射鏡は、突出した際に前記レーザ光を集束光学系および加工光学系の光軸外へと反射(偏向)させることによって発散させるものである。ここで、「レーザ光の集束点近傍」とは、レーザ光の光軸上であって、集束光学系によって集束されたレーザ光のレーザ径がレーザ発振装置から発振された直後のレーザ光のレーザ径よりも小さい、レーザ光の光軸方向における範囲をいう。   A laser apparatus according to the present invention includes a laser light source, a focusing optical system that focuses the laser light projected from the laser light source, a processing optical system that guides and irradiates the laser light to a processing target, and a focusing optical system. And a shutter system that is disposed between the processing optical system and can be cut off by reflecting the laser beam. The shutter system includes a reflecting mirror that can project on the optical path of the focusing optical system and near the focusing point of the laser beam. The reflecting mirror diverges the laser beam by reflecting (deflecting) the laser beam outside the optical axis of the focusing optical system and the processing optical system when it protrudes. Here, “near the laser beam focusing point” is the laser beam on the optical axis of the laser beam and immediately after the laser diameter of the laser beam focused by the focusing optical system is oscillated from the laser oscillation device. A range in the optical axis direction of the laser beam that is smaller than the diameter.

この場合は、シャッタシステムで遮断される(反射鏡で反射される)レーザ光のレーザ径が、レーザ発振装置から発振された直後のレーザ光のレーザ径よりも小さいため、反射鏡そのものを小型化することができ、反射鏡の動作(シャッタシステムの開閉)を高速に行うことができる。その結果、レーザ発振を一時停止する時間が短縮化され、レーザ出力やポインティング位置等のレーザ発振状態が安定する。   In this case, since the laser diameter of the laser light blocked by the shutter system (reflected by the reflecting mirror) is smaller than the laser diameter of the laser light immediately after being oscillated from the laser oscillation device, the reflecting mirror itself is downsized. Thus, the operation of the reflecting mirror (opening and closing of the shutter system) can be performed at high speed. As a result, the time for suspending laser oscillation is shortened, and the laser oscillation state such as laser output and pointing position is stabilized.

好ましくは、レーザ装置は、反射鏡によって反射されたレーザ光が入射する終端器(ダンパー)をさらに備える。   Preferably, the laser device further includes a terminator (damper) into which the laser beam reflected by the reflecting mirror is incident.

好ましくは、反射鏡は、回動することによってレーザ光の集束点近傍へと突出可能に構成されており、反射鏡の回動軸は、反射鏡の反射面に平行または垂直に配設される。   Preferably, the reflecting mirror is configured to be able to project to the vicinity of the focal point of the laser beam by rotating, and the rotating shaft of the reflecting mirror is disposed parallel or perpendicular to the reflecting surface of the reflecting mirror. .

好ましくは、反射鏡の回動軸は、反射鏡の重心を通る。
好ましくは、反射鏡は、ガルバノスキャナ、ステッピングモータ、サーボモータ、およびロータリソレノイドのいずれかによって回動される。
Preferably, the rotation axis of the reflecting mirror passes through the center of gravity of the reflecting mirror.
Preferably, the reflecting mirror is rotated by any one of a galvano scanner, a stepping motor, a servo motor, and a rotary solenoid.

好ましくは、集束光学系と加工光学系とから構成される光路途上に、前記レーザ光の直径(レーザ径)と発散角度とが調整可能なコリメータレンズ系を備える。   Preferably, a collimator lens system capable of adjusting a diameter (laser diameter) and a divergence angle of the laser light is provided on an optical path composed of a focusing optical system and a processing optical system.

好ましくは、加工光学系は、少なくとも1枚の回折型光学素子を含む。
好ましくは、前記レーザ装置は、前記加工対象物が載置されるステージと、前記ステージと前記レーザ光源と前記シャッタシステムの制御を行う制御装置と、をさらに備え、前記制御装置は、前記ステージと前記レーザ光の光軸との相対位置を変化させ、前記シャッタシステムの開閉により、所望の相対位置および所望のタイミングにて前記加工対象物にレーザ光を照射して、前記加工対象物にレーザ加工を施し、前記レーザ光源は、前記シャッタシステムの開閉動作中に、レーザ光の照射を停止する。
Preferably, the processing optical system includes at least one diffractive optical element.
Preferably, the laser device further includes a stage on which the workpiece is placed, and a control device that controls the stage, the laser light source, and the shutter system, and the control device includes the stage, By changing the relative position of the laser beam with respect to the optical axis and opening and closing the shutter system, the workpiece is irradiated with the laser beam at a desired relative position and at a desired timing, and the workpiece is laser processed. The laser light source stops the laser beam irradiation during the opening / closing operation of the shutter system.

以上のように、本発明に係るレーザ装置は、断続的にレーザ発振を行う際においても、レーザ出力の変動やポインティング位置の変動が抑制される。その結果、加工対象物に照射されるレーザ光の特性が安定するため、レーザ光による加工精度が安定する。   As described above, the laser apparatus according to the present invention suppresses fluctuations in laser output and pointing position even when laser oscillation is intermittently performed. As a result, the characteristics of the laser beam irradiated onto the workpiece are stabilized, so that the machining accuracy by the laser beam is stabilized.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお以下の説明では、同一の部品については同一の符号を付すものとし、前記部品の名称や機能が同一である場合には、前記部品についての詳細な説明は繰り返さない。
[実施の形態1]
<レーザ装置>
図1は、本発明の実施の形態1に係るレーザ装置1の概略正面図である。図1に示すように、本実施の形態に係るレーザ装置1は、レーザ光源11と、集束凸レンズ12(集束光学系)と、シャッタシステム13と、加工光学系9と、ステージ5と、制御装置7とを含んで構成される。そして、前記加工光学系9は、主に、マスク2と、ミラー3と、結像レンズ4から構成されている。本実施の形態に係るレーザ装置1は、前記ステージ5上に載置されるウェハー・ガラス基板等の加工対象物8に対し、所望の位置に所望のタイミングでレーザ光17aを照射して、レーザ加工を施すレーザ加工装置である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same parts are denoted by the same reference numerals, and when the names and functions of the parts are the same, detailed description of the parts will not be repeated.
[Embodiment 1]
<Laser device>
FIG. 1 is a schematic front view of a laser apparatus 1 according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, a laser apparatus 1 according to the present embodiment includes a laser light source 11, a focusing convex lens 12 (focusing optical system), a shutter system 13, a processing optical system 9, a stage 5, and a control device. 7. The processing optical system 9 is mainly composed of a mask 2, a mirror 3, and an imaging lens 4. The laser apparatus 1 according to the present embodiment irradiates a processing target 8 such as a wafer / glass substrate placed on the stage 5 with a laser beam 17a at a desired position at a desired timing. This is a laser processing apparatus that performs processing.

レーザ光源11はレーザ光17aを発振し、該レーザ光17aによって、移動中の加工対象物8(たとえば、基板上に半導体薄膜が形成されたもの。)を加工するレーザ光源である。レーザ光17aとは、加工対象物8に施す加工の目的に応じて選択された任意のレーザ光であって、たとえば、エキシマレーザ、YAGレーザ、炭酸ガスレーザ等をいう。   The laser light source 11 is a laser light source that oscillates a laser beam 17a and processes the moving workpiece 8 (for example, a semiconductor thin film formed on a substrate) by the laser beam 17a. The laser beam 17a is an arbitrary laser beam selected according to the purpose of processing performed on the workpiece 8, and refers to, for example, an excimer laser, a YAG laser, a carbon dioxide gas laser, or the like.

ステージ5は、加工対象物8が載置され、後述する制御装置7から送信される指令によって連続的に移動する。   The workpiece 5 is placed on the stage 5 and continuously moves according to a command transmitted from the control device 7 described later.

マスク2は、遮光部と透光部とを含む(図示せず)。遮光部は照射されたレーザ光17aを遮光する。透光部はレーザ光17aを透過する。   The mask 2 includes a light shielding part and a light transmitting part (not shown). The light shielding unit shields the irradiated laser beam 17a. The light transmitting part transmits the laser light 17a.

ミラー3は、レーザ光17aを加工対象物8方向へと反射させる。ミラー3の配置箇所および数量は特に制限するものではなく、ミラー3はレーザ装置1の光学設計および機構設計に基づいて適切に配置することが可能である。本実施の形態においては、ミラー3は、マスク2よりも下流側に配置され、前記マスク2を透過したレーザ光17aを加工対象物8方向へと反射させる。   The mirror 3 reflects the laser light 17a toward the workpiece 8. The arrangement location and quantity of the mirror 3 are not particularly limited, and the mirror 3 can be appropriately arranged based on the optical design and mechanism design of the laser device 1. In the present embodiment, the mirror 3 is disposed on the downstream side of the mask 2 and reflects the laser beam 17a transmitted through the mask 2 toward the workpiece 8.

結像レンズ4は、前記マスク2を透過したレーザ光17aを加工対象物8の表面上に所定の倍率で結像させる。   The imaging lens 4 forms an image of the laser beam 17a transmitted through the mask 2 on the surface of the workpiece 8 with a predetermined magnification.

制御装置7は、ステージ5の移動速度および位置を制御するものであって、レーザ光17aを照射するタイミングや位置を記憶する装置でもある。また、制御装置7は、レーザ光源11を制御して、レーザ光17aの発振を制御する装置であって、各種センサを介してレーザ装置1内部の温度や雰囲気を認識して、前記温度や雰囲気を制御する装置でもある。また、制御装置7は、後述するシャッタシステム13(23,33)やコリメータレンズ系(41,51)の動作等を制御する装置でもある。   The control device 7 controls the moving speed and position of the stage 5, and also stores the timing and position at which the laser beam 17a is irradiated. The control device 7 controls the laser light source 11 to control the oscillation of the laser light 17a. The control device 7 recognizes the temperature and atmosphere inside the laser device 1 through various sensors, and the temperature and atmosphere. It is also a device that controls. The control device 7 is also a device that controls the operation of a shutter system 13 (23, 33) and a collimator lens system (41, 51), which will be described later.

ステージ5は、図示しない吸着盤、X軸リニアスケール、Y軸リニアスケール、Xリニアモータ、Yリニアモータ、Xリニアガイド、およびYリニアガイドから構成される。吸着盤は、加工対象物8を吸着する。X軸リニアスケールおよびY軸リニアスケールは、ステージ5の移動量を測定する。これらのリニアスケールは、ステージ5が移動する毎に一定間隔でパルスを出力する後述のパルス発生器19でもある。ステージ5の位置は、後述する制御装置7のCPU(Central Processing Unit)70によってカウントされたパルス(パルス発生器19が出力したパルス)の数に基づいて検出される。XリニアモータおよびYリニアモータは、ステージ5に推進力を与える。Xリニアガイドはステージ5のX方向の移動を規制し、Yリニアガイドはステージ5のY方向の移動を規制する。   The stage 5 includes an unillustrated suction plate, X-axis linear scale, Y-axis linear scale, X linear motor, Y linear motor, X linear guide, and Y linear guide. The suction disk sucks the workpiece 8. The X-axis linear scale and the Y-axis linear scale measure the amount of movement of the stage 5. These linear scales are also a pulse generator 19 to be described later, which outputs pulses at regular intervals each time the stage 5 moves. The position of the stage 5 is detected based on the number of pulses (pulses output from the pulse generator 19) counted by a CPU (Central Processing Unit) 70 of the control device 7 described later. The X linear motor and the Y linear motor give a driving force to the stage 5. The X linear guide regulates the movement of the stage 5 in the X direction, and the Y linear guide regulates the movement of the stage 5 in the Y direction.

図2は、本実施の形態に係る前記制御装置7に関する制御ブロック図である。図2に示すように、制御装置7は、モニタ62と、プリンタ64と、マウス66と、キーボード68と、CPU70と、メモリ72と、インターフェイス74と、固定ディスク76と、CD−ROM(Compact Disk Read Only Memory)駆動装置78と、FD(Flexible Disk)駆動装置80とを含む。   FIG. 2 is a control block diagram relating to the control device 7 according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the control device 7 includes a monitor 62, a printer 64, a mouse 66, a keyboard 68, a CPU 70, a memory 72, an interface 74, a fixed disk 76, a CD-ROM (Compact Disk). It includes a Read Only Memory (Drive) device 78 and an FD (Flexible Disk) drive device 80.

前記モニタ62は、情報を表示する。前記プリンタ64は、情報を紙に出力する。前記マウス66は、クリックされたりやスライドされることによって、ユーザから情報を受付ける。前記キーボード68は、キー入力により、ユーザからレーザ光17aによる加工のタイミング(照射時間等)や位置を受付ける。前記CPU70は、制御装置7の各ブロックおよび本実施の形態に係るレーザ装置1を構成する各装置を制御する。CPU70は、各種の演算を実施する装置でもある。前記メモリ72は、各種の情報を記憶する。前記インターフェイス74は、前記CPU70が出力した情報を前記ステージ5や前記レーザ光源11や後述するシャッタシステム13,23,33やコリメータレンズ系41,51が利用する信号へと変換する。インターフェイス74は、CPU70の情報をその他の各回路が利用できる信号に変換する装置でもある。インターフェイス74は、本実施の形態に係るレーザ装置1の各装置から入力された情報を受信し、かつCPU70が利用できる情報に変換する装置でもある。前記固定ディスク76は、CPU70が実行するプログラムを記憶する。前記CD−ROM駆動装置78には、CD−ROM52が装着される。前記MO駆動装置80には、MO50が装着される。
<レーザ装置の特性>
以下では、図3・図4・図5を参照しながら、レーザ光源11より断続的にレーザ光17aを照射して、加工対象物8にレーザ加工を施すレーザ装置1の特性を説明する。
The monitor 62 displays information. The printer 64 outputs information on paper. The mouse 66 receives information from the user when clicked or slid. The keyboard 68 receives the processing timing (irradiation time, etc.) and position of the laser beam 17a from the user by key input. The CPU 70 controls each block of the control device 7 and each device constituting the laser device 1 according to the present embodiment. The CPU 70 is also a device that performs various calculations. The memory 72 stores various information. The interface 74 converts information output from the CPU 70 into signals used by the stage 5, the laser light source 11, shutter systems 13, 23, 33 and collimator lens systems 41, 51 described later. The interface 74 is also a device that converts information of the CPU 70 into a signal that can be used by other circuits. The interface 74 is also a device that receives information input from each device of the laser device 1 according to the present embodiment and converts the information into information that can be used by the CPU 70. The fixed disk 76 stores a program executed by the CPU 70. A CD-ROM 52 is mounted on the CD-ROM driving device 78. An MO 50 is mounted on the MO drive device 80.
<Characteristics of laser device>
Hereinafter, the characteristics of the laser device 1 that performs laser processing on the workpiece 8 by irradiating the laser beam 17a intermittently from the laser light source 11 will be described with reference to FIGS. 3, 4, and 5. FIG.

図3は、加工対象物8に穴あけ加工を行う場合の、レーザ光17aの光軸(レーザ照射位置)と加工対象物8との相対位置の移動を示す平面図である。図3に示すように、レーザ装置1は、加工開始位置pから第一の穴加工位置qへと、加工対象物8に対するレーザ照射位置の相対位置を移動させる。詳しくは、レーザ装置1は、図3の矢印と逆向きにステージ5を移動させ、ステージ5が位置qに至るとステージ5を停止して、レーザ光17aによるレーザ加工を行う。前記レーザ加工が完了すれば、前記制御装置7はレーザ光17aの照射を一時停止する。その後、制御装置7は、第二の穴加工位置rへと、加工対象物8に対するレーザ照射位置の相対位置を移動させる。レーザ照射位置が位置rに達すると、制御装置7は、ステージ5を停止してレーザ光17aの照射を再開させる。レーザ装置1は、これら一連の動作を繰返しながら、加工対象物8に対して順次レーザ加工を行っていくのである。   FIG. 3 is a plan view showing the movement of the relative position between the optical axis (laser irradiation position) of the laser beam 17a and the workpiece 8 when drilling the workpiece 8. FIG. As shown in FIG. 3, the laser apparatus 1 moves the relative position of the laser irradiation position with respect to the workpiece 8 from the machining start position p to the first hole machining position q. Specifically, the laser apparatus 1 moves the stage 5 in the direction opposite to the arrow in FIG. 3, stops the stage 5 when the stage 5 reaches the position q, and performs laser processing with the laser light 17a. When the laser processing is completed, the control device 7 temporarily stops the irradiation of the laser beam 17a. Thereafter, the control device 7 moves the relative position of the laser irradiation position with respect to the workpiece 8 to the second hole machining position r. When the laser irradiation position reaches the position r, the control device 7 stops the stage 5 and restarts the irradiation with the laser beam 17a. The laser device 1 sequentially performs laser processing on the workpiece 8 while repeating these series of operations.

図4および図5は、レーザ照射位置に対する加工対象物8の位置(加工対象物8に対するレーザ照射位置)、レーザ照射タイミング(レーザパルス)、シャッタ動作、レーザパルスエネルギの変化を示すタイミングチャートであって、レ−ザ装置1のレーザ光源11から発振されるレーザ光17aの特性を示すものである。以下では、レーザ照射タイミングとシャッタ動作の違いによって、レーザ光源11から発振されるレーザ光17aの特性が変化する現象について説明する。   4 and 5 are timing charts showing changes in the position of the workpiece 8 relative to the laser irradiation position (laser irradiation position on the workpiece 8), laser irradiation timing (laser pulse), shutter operation, and laser pulse energy. The characteristics of the laser beam 17a oscillated from the laser light source 11 of the laser apparatus 1 are shown. Hereinafter, a phenomenon in which the characteristics of the laser light 17a oscillated from the laser light source 11 changes depending on the difference between the laser irradiation timing and the shutter operation will be described.

まず、図4に示すレーザ加工方法は、ステージ5が停止している間(時間:t2→t3)に前記加工対象物8にレーザ光17aが照射され、加工位置の変更時(レーザ照射位置に対する加工対象物8の位置が移動している間、時間:t3→t4)にレーザ発振が停止されるものである。この場合は、シャッタシステム13は常時開状態にしておくことが望ましい。   First, in the laser processing method shown in FIG. 4, while the stage 5 is stopped (time: t2 → t3), the processing object 8 is irradiated with the laser beam 17a, and the processing position is changed (with respect to the laser irradiation position). While the position of the workpiece 8 is moving, the laser oscillation is stopped at time: t3 → t4). In this case, it is desirable that the shutter system 13 is always open.

レーザ照射時のレーザパルスエネルギは、一般にレーザパルス照射の初期段階で高く、時間経過とともに低下して、そのエネルギ変化が安定する傾向にある。そのため、加工対象物8にレーザ光17aが照射されるか否かを、レーザ光源11のON・OFFではなく(図4参照)、シャッタシステム13の開閉によって制御する(図5参照)、レーザ加工方法の方が好ましい。   The laser pulse energy at the time of laser irradiation is generally high in the initial stage of laser pulse irradiation, decreases with time, and the energy change tends to be stable. Therefore, whether or not the processing object 8 is irradiated with the laser beam 17a is controlled not by turning the laser light source 11 ON / OFF (see FIG. 4) but by opening / closing the shutter system 13 (see FIG. 5). The method is preferred.

図5に示すレーザ加工方法は、前記図4に示す前記レーザ加工方法の場合と異なり、レーザ光源11がほぼ連続的にレーザ光17aを発振し、シャッタシステム13が完全に開状態または完全に閉状態に至るまでのシャッタシステム13の遷移状態(シャッタシステム13の開閉動作中、時間:t2付近やt3付近)にあるときだけ、一時的にレーザ発振を停止するものである。   The laser processing method shown in FIG. 5 differs from the laser processing method shown in FIG. 4 in that the laser light source 11 oscillates the laser light 17a almost continuously and the shutter system 13 is completely opened or completely closed. The laser oscillation is temporarily stopped only when the shutter system 13 is in a transition state (time during opening / closing operation of the shutter system 13, time: near t2 or near t3) until the state is reached.

レーザ光17a照射時のレーザパルスエネルギは、一般にレーザパルス放射の初期段階で高く、時間経過とともに低下して、そのエネルギ変化が安定する傾向にある。図5におけるレーザパルスエネルギの変動幅は図4の変動幅よりも小さくなっている。これは図4に示すレーザ加工方法よりも図5に示すレーザ加工方法の方が、レーザ光源11の発振停止時間が短いためであり、「レーザ光源11の発振停止時間が短いほどエネルギの変動も小さくなる」という一般的なレーザ装置の特性に起因している。なお、図示しないが、ポインティング位置の変動もレーザパルスエネルギ変動と同様の傾向を示し、連続的にレーザ光17aを発振すると時間経過とともにポインティング位置が安定する。   The laser pulse energy at the time of irradiation with the laser beam 17a is generally high at the initial stage of laser pulse radiation, and decreases with time, so that the energy change tends to be stable. The fluctuation width of the laser pulse energy in FIG. 5 is smaller than the fluctuation width of FIG. This is because the laser processing method shown in FIG. 5 has a shorter oscillation stop time of the laser light source 11 than the laser processing method shown in FIG. This is due to the characteristic of a general laser device that becomes “small”. Although not shown, the fluctuation of the pointing position shows the same tendency as the fluctuation of the laser pulse energy. When the laser beam 17a is continuously oscillated, the pointing position is stabilized with time.

図5に示すレーザ加工方法においても、シャッタシステム13が完全開閉するまでの遷移状態の間(シャッタシステム13の開閉動作中、t2付近やt3付近)は、レーザ光源11がレーザ発振を一時停止している。これはシャッタシステム13の開閉動作途中(遷移状態)において、レーザ光17aが反射鏡14に照射されて、不要な位置にレーザ光17aが反射されることを防止するためである。   Also in the laser processing method shown in FIG. 5, the laser light source 11 temporarily stops laser oscillation during the transition state until the shutter system 13 is completely opened and closed (near t2 and t3 during the opening and closing operation of the shutter system 13). ing. This is to prevent the laser beam 17a from being irradiated to the reflecting mirror 14 during the opening / closing operation (transition state) of the shutter system 13 and being reflected to an unnecessary position.

以上、図4および図5を用いて、レーザパルス発振するレーザ光源11をレーザ装置1に用いることを前提として、レーザ照射位置に対する加工対象物8の位置(加工対象物8に対するレーザ照射位置)、レーザ照射タイミング(レーザパルス)、シャッタ動作、レーザパルスエネルギの変化を例示的に説明したが、連続放射するレーザ光源11を用いるレーザ装置1においても前述同様の結果が得られる。   As described above, with reference to FIGS. 4 and 5, assuming that the laser light source 11 that oscillates a laser pulse is used in the laser apparatus 1, the position of the processing object 8 with respect to the laser irradiation position (laser irradiation position with respect to the processing object 8), Although the laser irradiation timing (laser pulse), shutter operation, and change in laser pulse energy have been described by way of example, the same result as described above can be obtained in the laser apparatus 1 using the laser light source 11 that continuously emits.

以上から、レーザ光源11の出力安定化、ポインティング位置の安定化のためには、極力連続的にレーザ光17aを発振し続けることが好ましく、図5に示すレーザ加工方法のように、シャッタシステム13の開閉に要する時間(シャッタシステム13の開閉動作中)にだけ、ごく一時的にレーザ光源11からのレーザ光17aの照射を停止する方法が有効である。このようなレーザ装置1の特性に鑑み、本発明においてはシャッタシステム13を以下のような構成とした。
<シャッタシステム>
図6は、本発明の本実施の形態に係るシャッタシステム13等を示す概略正面図である。図6に示すように、前記レーザ光源11から発振されたレーザ光17aは、前記集束凸レンズ12によって屈折されて集束される。シャッタシステム13は集束凸レンズ12(集束光学系)の下流側に配置され、反射鏡14とダンパー16(終端器)とを含むものである。より詳細には、前記反射鏡14が、レーザ光17aの光軸上であって、集束光学系(たとえば、集束凸レンズ12等)によるレーザ光17aの集束点Aの直後位置(直下流の位置)に突出可能に配置されている。
From the above, in order to stabilize the output of the laser light source 11 and the pointing position, it is preferable to continuously oscillate the laser beam 17a as much as possible, and as in the laser processing method shown in FIG. It is effective to temporarily stop the irradiation of the laser light 17a from the laser light source 11 only during the time required for opening and closing (during the opening and closing operation of the shutter system 13). In view of such characteristics of the laser device 1, in the present invention, the shutter system 13 is configured as follows.
<Shutter system>
FIG. 6 is a schematic front view showing the shutter system 13 and the like according to the present embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the laser light 17 a oscillated from the laser light source 11 is refracted and focused by the focusing convex lens 12. The shutter system 13 is disposed downstream of the focusing convex lens 12 (focusing optical system), and includes a reflecting mirror 14 and a damper 16 (terminator). More specifically, the reflecting mirror 14 is on the optical axis of the laser beam 17a, and is located immediately after the focusing point A of the laser beam 17a by the focusing optical system (for example, the focusing convex lens 12) (position immediately downstream). It is arranged so that it can protrude.

具体的には、前記反射鏡14は、シャッタシステム13内に回動可能に設けられた回動軸15によって、シャッタシステム13内にて回動可能に支持されている。そして、該反射鏡14は、回動軸15によって回動されて、前記レーザ光17aの光軸上に突出したり、光軸外へ外れたりする。即ち、反射鏡14が図6に示す点線位置(シャッタ開状態)にあるときは、レーザ光源11から発振されたレーザ光17aが、後述する加工光学系9や前記マスク2やミラー3や結像レンズ4を通過した後に、加工対象物8へと照射される。   Specifically, the reflecting mirror 14 is rotatably supported in the shutter system 13 by a rotating shaft 15 that is rotatably provided in the shutter system 13. Then, the reflecting mirror 14 is rotated by the rotating shaft 15 so as to protrude on the optical axis of the laser beam 17a or to be out of the optical axis. That is, when the reflecting mirror 14 is in the dotted line position (shutter open state) shown in FIG. 6, the laser light 17a oscillated from the laser light source 11 is processed by the processing optical system 9, the mask 2, the mirror 3 and the image forming described later. After passing through the lens 4, the workpiece 8 is irradiated.

一方、反射鏡14が図1に示す実線位置(シャッタ閉状態)にあるときは、すなわちレーザ光17aの遮断状態においては、反射鏡14で反射されたレーザ光17b(反射光)がダンパー16内に入射するように構成されている。   On the other hand, when the reflecting mirror 14 is in the solid line position (shutter closed state) shown in FIG. 1, that is, when the laser beam 17 a is blocked, the laser beam 17 b (reflected beam) reflected by the reflecting mirror 14 is inside the damper 16. It is comprised so that it may inject into.

回動軸15および反射鏡14の回動は、図5を参照しながら前述したように、レーザ光源11からのレーザ光17aの発振タイミングに合わせて行われるものであって、加工対象物8とレーザ光17aの光軸との相対位置等を基に制御されるものである。具体的には、前記ステージ5や前記制御装置7やその他の制御盤に、前記レーザ光源11やシャッタシステム13用の動作パルス(トリガ)を発生するためのパルス発生器19が設けられている。そして、図6に示すように、前記パルス発生器19から出力されたパルスが反射鏡ドライバ回路20へと送信され、該反射鏡ドライバ回路20から図示しないモータ等へと駆動信号が送信されて、該モータ等によって回動軸15が回動される構成となっている。   As described above with reference to FIG. 5, the rotation of the rotation shaft 15 and the reflecting mirror 14 is performed in accordance with the oscillation timing of the laser light 17 a from the laser light source 11. The laser beam 17a is controlled based on the relative position with respect to the optical axis. Specifically, a pulse generator 19 for generating operation pulses (triggers) for the laser light source 11 and the shutter system 13 is provided on the stage 5, the control device 7, and other control panels. Then, as shown in FIG. 6, the pulse output from the pulse generator 19 is transmitted to the reflecting mirror driver circuit 20, and a driving signal is transmitted from the reflecting mirror driver circuit 20 to a motor (not shown), The rotating shaft 15 is rotated by the motor or the like.

図6に示すように、レーザ光源11から発振されるレーザ光17aの強度分布18がガウス分布である場合、レーザ光17aの中心位置に強度ピークが現れる。レーザ光17aはそのレーザ径(以下、レーザ径という。)が小さい場合ほどエネルギ密度が高くなるため、高出力のレーザ光源11を用いる場合には、レーザ光17bが入射するためのダンパー16が損傷し易いなど、耐久性に課題があった。   As shown in FIG. 6, when the intensity distribution 18 of the laser beam 17a oscillated from the laser light source 11 is a Gaussian distribution, an intensity peak appears at the center position of the laser beam 17a. The laser beam 17a has a higher energy density as its laser diameter (hereinafter referred to as laser diameter) is smaller. Therefore, when the high-power laser light source 11 is used, the damper 16 for the incidence of the laser beam 17b is damaged. There was a problem in durability, such as easy to do.

このため、前述したように、前記特許文献1および特許文献2では、レーザ径を拡大してダンパー16にエネルギ密度の小さいレーザ光を入射させる技術が提案されている。しかしながら、前記特許文献1および特許文献2に記載の方法では、レーザ装置にレーザ径を拡大させるためのレンズが余分に必要になる。また、本実施の形態の対象とする高速のシャッタシステム13の開閉(反射鏡14の回動)を考慮したものではない。   For this reason, as described above, Patent Document 1 and Patent Document 2 propose a technique in which the laser diameter is enlarged and laser light having a small energy density is incident on the damper 16. However, the methods described in Patent Document 1 and Patent Document 2 require an extra lens for expanding the laser diameter in the laser device. Further, it does not consider the opening / closing of the high-speed shutter system 13 (rotation of the reflecting mirror 14) that is the subject of the present embodiment.

図6に示すように、本実施の形態においては、レーザ光17aの集束点Aの直後に反射鏡14(偏向器)の反射面(偏向面)が突出(配置)可能になっているため、反射鏡14で反射された後のレーザ光17bのレーザ径は、反射鏡14から離れるにつれて拡張していく。これによって、前記特許文献1および特許文献2に記載の方法とは異なり、ダンパー16の直前に凹レンズなどを配置する必要がなくなり、予めダンパー16の設置位置(図6における上下方向の設置位置)を調整するだけで、ダンパー16の照射面積に応じて、ダンパー16に入射するレーザ光17b(反射光)のエネルギ密度を小さくすることができる。ただし、本実施の形態においては、反射鏡14が集束凸レンズ12によるレーザ光17aの集束点A近傍に配置されているため、反射鏡14の反射面にはパワー密度もしくはエネルギ密度の高いレーザ光17aが照射される。反射鏡14のレーザ耐性(損傷閾値)を考慮の上で、反射鏡14の設置位置(図6における水平方向の設置位置)が定められることが好ましい。   As shown in FIG. 6, in the present embodiment, the reflecting surface (deflecting surface) of the reflecting mirror 14 (deflector) can protrude (arrange) immediately after the focusing point A of the laser light 17a. The laser diameter of the laser light 17 b after being reflected by the reflecting mirror 14 expands as the distance from the reflecting mirror 14 increases. Accordingly, unlike the methods described in Patent Document 1 and Patent Document 2, it is not necessary to dispose a concave lens or the like immediately before the damper 16, and the installation position of the damper 16 (the vertical installation position in FIG. 6) is set in advance. By simply adjusting, the energy density of the laser beam 17b (reflected light) incident on the damper 16 can be reduced according to the irradiation area of the damper 16. However, in the present embodiment, since the reflecting mirror 14 is disposed in the vicinity of the focal point A of the laser beam 17a by the focusing convex lens 12, the laser beam 17a having a high power density or energy density is formed on the reflecting surface of the reflecting mirror 14. Is irradiated. In consideration of the laser resistance (damage threshold) of the reflecting mirror 14, it is preferable that the installation position of the reflecting mirror 14 (horizontal installation position in FIG. 6) is determined.

より詳細に、たとえば、反射鏡14の損傷閾値がT(W/cm2)であり、位置Xにおけるレーザ光17aの半径がr(cm)であり、レーザ光源11のピークパワーがP(W)であって、レーザ光17aのビームプロファイルがガウス分布(正規分布)である場合について説明する。この場合には、T>2P/πr 2を満たす必要があるので、反射鏡14はr>(2P/πT1/2を満たす範囲内に突出するように、配置される必要がある。つまり、反射鏡14は、r>(2P/πT1/2を満たす範囲内において、集束凸レンズ12によるレーザ光17aの集束点Aにできるだけ近い位置に突出するように、配置されることが好ましい。換言すれば、上記の式を満たすような位置へ突出するように、反射鏡14の配置位置が調整されることが好ましい。 More specifically, for example, the damage threshold of the reflecting mirror 14 is T d (W / cm 2 ), the radius of the laser light 17a at the position X is r x (cm), and the peak power of the laser light source 11 is P ( W) and the case where the beam profile of the laser beam 17a has a Gaussian distribution (normal distribution) will be described. In this case, since it is necessary to satisfy T d > 2P / πr x 2 , the reflecting mirror 14 needs to be arranged so as to protrude within a range satisfying r x > (2P / πT d ) 1/2. There is. That is, the reflecting mirror 14 is disposed so as to protrude as close as possible to the focusing point A of the laser beam 17a by the focusing convex lens 12 within a range satisfying r x > (2P / πT d ) 1/2. Is preferred. In other words, it is preferable that the arrangement position of the reflecting mirror 14 is adjusted so as to protrude to a position satisfying the above expression.

また、レーザパルス発振するレーザ光源において、反射鏡14の損傷閾値がTd2(J/cm2)であり、位置Xにおけるレーザビーム半径がr(cm)であり、1パルスあたりのレーザエネルギ(パルスエネルギ)がE(J/Pulse)であって、レーザ光17aのビームプロファイルがガウス分布である場合には以下のようになる。この場合には、T>2P/πr 2を満たす必要があるので、反射鏡14は、r>(2P/πT1/2を満たす範囲内に突出するように、配置される必要がある。つまり、反射鏡14は、r>(2P/πT1/2を満たす範囲内において、集束凸レンズ12によるレーザ光17aの集束点Aにできるだけ近い位置に突出するように、配置されることが好ましい。換言すれば、上記の式を満たすような位置へ突出するように、反射鏡14の配置位置が調整されることが好ましい。 In the laser light source that oscillates with a laser pulse, the damage threshold of the reflecting mirror 14 is T d2 (J / cm 2 ), the laser beam radius at the position X is r x (cm), and the laser energy per pulse ( When the pulse energy is E (J / Pulse) and the beam profile of the laser beam 17a is a Gaussian distribution, the following occurs. In this case, since it is necessary to satisfy T d > 2P / πr x 2 , the reflecting mirror 14 is disposed so as to protrude within a range satisfying r x > (2P / πT d ) 1/2. There is a need. That is, the reflecting mirror 14 is disposed so as to protrude as close as possible to the focal point A of the laser beam 17a by the converging convex lens 12 within a range satisfying r x > (2P / πT d ) 1/2. Is preferred. In other words, it is preferable that the arrangement position of the reflecting mirror 14 is adjusted so as to protrude to a position satisfying the above expression.

反射鏡14は回動軸15の回りに回動可能なように構成されているが、高速回動させた後に所定位置で急停止させるためには、反射鏡14の回転慣性力を極力小さくする必要がある。ここで、回転慣性力を小さくするには、1)反射鏡14自体を小さくすること、2)回動軸15と反射鏡14の反射面とを平行または垂直(実施の形態3に記載)に配置すること、さらに、3)回動軸15が反射鏡14の重心位置を通るように回動軸15を配置すること(実施の形態2に記載)等、回動による反射鏡14の偏心荷重が極力作用しないような構造とすることが重要である。   The reflecting mirror 14 is configured so as to be rotatable around the rotation shaft 15. However, in order to suddenly stop at a predetermined position after rotating at a high speed, the rotational inertia force of the reflecting mirror 14 is made as small as possible. There is a need. Here, in order to reduce the rotational inertial force, 1) make the reflecting mirror 14 itself smaller, and 2) make the rotating shaft 15 and the reflecting surface of the reflecting mirror 14 parallel or perpendicular (described in the third embodiment). 3) Arrangement of the rotating shaft 15 so that the rotating shaft 15 passes through the center of gravity of the reflecting mirror 14 (described in the second embodiment), etc. It is important to make the structure that does not act as much as possible.

図6に示す実施の形態1では、レーザ光17aのレーザ径の小さい位置、すなわち集束凸レンズ12の集束点A直後に反射鏡14が設置されているため、反射鏡14が遮断するレーザ光17aのレーザ径は小さい。つまり、本実施の形態に係るレーザ装置1は、シャッタシステム13によってレーザ径が小さなレーザ光17aを遮断する構成となっているため、シャッタシステム13に小さな反射鏡14を用いることができる。また、反射鏡14を支持する回動軸15が、反射鏡14の反射面と平行になるように配置されている。これにより、反射鏡14の回転慣性力を小さくすることができ、反射鏡14を高速回動させることが可能になる。   In Embodiment 1 shown in FIG. 6, since the reflecting mirror 14 is installed at a position where the laser diameter of the laser beam 17a is small, that is, immediately after the focusing point A of the focusing convex lens 12, the laser beam 17a blocked by the reflecting mirror 14 is shown. The laser diameter is small. In other words, the laser apparatus 1 according to the present embodiment is configured to block the laser light 17a having a small laser diameter by the shutter system 13, and thus the small reflecting mirror 14 can be used for the shutter system 13. The rotating shaft 15 that supports the reflecting mirror 14 is disposed so as to be parallel to the reflecting surface of the reflecting mirror 14. Thereby, the rotational inertia force of the reflecting mirror 14 can be reduced, and the reflecting mirror 14 can be rotated at high speed.

そして、反射鏡14の回動軸15の回動に用いられる前記モータ等には、高速回動が可能であって、かつ、回動角度の制御性が優れたガルバノスキャナ、ステッピングモータ、サーボモータ、およびロータリソレノイドのいずれかを用いることが好ましい。   The motor or the like used for rotating the rotating shaft 15 of the reflecting mirror 14 is a galvano scanner, a stepping motor, and a servo motor that can rotate at high speed and has excellent controllability of the rotation angle. , And a rotary solenoid are preferably used.

このように、高速回動が可能な駆動方法、および、反射鏡14の回動慣性を小さくする構成(高速回動させた後に所定位置で急停止可能な構成)、を採用することによってシャッタシステム13の開閉動作(反射鏡14の回動)を高速に行うことが可能になり、レーザ発振の一時停止時間を短縮することができる。その結果、レーザ出力およびポインティング位置の安定化を実現することができる。   Thus, a shutter system is adopted by adopting a driving method capable of high-speed rotation and a configuration that reduces the rotational inertia of the reflecting mirror 14 (a configuration that can be rapidly stopped at a predetermined position after high-speed rotation). Thus, the opening / closing operation 13 (rotation of the reflecting mirror 14) can be performed at high speed, and the laser oscillation pause time can be shortened. As a result, stabilization of the laser output and the pointing position can be realized.

[実施の形態2]
図7は、本発明の実施の形態2に係るシャッタシステム23を示す正面図であって、図1ないし図6に示された実施の形態1に係るレーザ装置1のシャッタシステム13部分のみに関する別の実施の形態を示したものである。すなわち、以下では図7を参照して、主に実施の形態2に係るシャッタシステム23の構成について説明するものとし、図7に記載されていない部分の機能や構成は実施の形態1に係る当該部分と同様である。
[Embodiment 2]
FIG. 7 is a front view showing the shutter system 23 according to the second embodiment of the present invention, and is another example relating only to the shutter system 13 portion of the laser apparatus 1 according to the first embodiment shown in FIGS. This embodiment is shown. That is, in the following, the configuration of the shutter system 23 according to the second embodiment will be mainly described with reference to FIG. 7, and the functions and configurations of parts not described in FIG. 7 are related to the first embodiment. It is the same as the part.

図7に示すように、本実施の形態に係るレーザ装置1のシャッタシステム23は、反射鏡14とダンパー16とを含む。反射鏡14は、前記集束凸レンズ12によるレーザ光17aの集束点A直前に配置され、回動軸15の回りに回動可能に構成されている。本実施例における回動軸15は、反射鏡14の反射面と平行に反射鏡14に固設されており、反射鏡14の重心を通って反射鏡14を貫通しており、反射鏡14の回動による偏心荷重が極力作用しないような構成となっている。   As shown in FIG. 7, the shutter system 23 of the laser apparatus 1 according to the present embodiment includes a reflecting mirror 14 and a damper 16. The reflecting mirror 14 is disposed immediately before the focusing point A of the laser beam 17 a by the focusing convex lens 12 and is configured to be rotatable around the rotating shaft 15. The rotating shaft 15 in the present embodiment is fixed to the reflecting mirror 14 in parallel with the reflecting surface of the reflecting mirror 14, passes through the reflecting mirror 14 through the center of gravity of the reflecting mirror 14, and The configuration is such that the eccentric load due to rotation does not act as much as possible.

そして、反射鏡14および回動軸15は、レーザ光17aの集束点(集束凸レンズ12の焦点)の直前(直上流)の位置へ、すなわち集束凸レンズ12の下流側であってレーザ光17aの光軸上へ、反射鏡14の反射面が突出可能に配置されている。   Then, the reflecting mirror 14 and the rotating shaft 15 are moved to a position immediately before (just upstream) of the focusing point of the laser beam 17a (the focal point of the focusing convex lens 12), that is, on the downstream side of the focusing convex lens 12 and the laser beam 17a. On the axis, the reflecting surface of the reflecting mirror 14 is disposed so as to protrude.

つまり、前記特許文献1および特許文献2に記載の方法とは異なり、ダンパー16の直前に凹レンズなどを配置することなく、ダンパー16の上下方向設置位置を調整することによりダンパー16に入射するレーザ光17b(反射光)のエネルギ密度を小さくすることができる。ただし、反射鏡14の反射面にはエネルギ密度の高いレーザ光17aが照射されるため、反射鏡14のレーザ耐性(損傷閾値)を考慮の上で、反射鏡14の設置位置が定められることが望ましい。   That is, unlike the methods described in Patent Document 1 and Patent Document 2, the laser beam incident on the damper 16 is adjusted by adjusting the vertical installation position of the damper 16 without arranging a concave lens or the like immediately before the damper 16. The energy density of 17b (reflected light) can be reduced. However, since the laser beam 17a having a high energy density is irradiated on the reflecting surface of the reflecting mirror 14, the installation position of the reflecting mirror 14 may be determined in consideration of the laser resistance (damage threshold) of the reflecting mirror 14. desirable.

図7に示す実施の形態2では、上述した通り、レーザ光17aのレーザ径が小さい位置、すなわち集束凸レンズ12の集束点Aの直前に反射鏡14が設置されているため、レーザ装置1に反射面の面積が小さい反射鏡14を設置することができる。また、反射鏡14の回転慣性力を低減するため、回動軸15は反射鏡14の反射面と平行に配置されている。さらに、反射鏡14の回転慣性力を低減するため、回動軸15が反射鏡14の重心を通るように配置されている。このため、図6等に示した実施の形態1のシャッタシステム13と比較して、反射鏡14の回転慣性力がさらに低減され、反射鏡14の回動の高速化が可能になり、レーザ光源11の一時停止時間が短縮化される。   In the second embodiment shown in FIG. 7, as described above, the reflecting mirror 14 is installed at a position where the laser diameter of the laser light 17 a is small, that is, immediately before the focusing point A of the focusing convex lens 12. A reflecting mirror 14 having a small surface area can be installed. Further, in order to reduce the rotational inertia force of the reflecting mirror 14, the rotation shaft 15 is disposed in parallel with the reflecting surface of the reflecting mirror 14. Furthermore, in order to reduce the rotational inertia force of the reflecting mirror 14, the rotation shaft 15 is disposed so as to pass through the center of gravity of the reflecting mirror 14. For this reason, compared with the shutter system 13 of the first embodiment shown in FIG. 6 and the like, the rotational inertia force of the reflecting mirror 14 is further reduced, the rotating speed of the reflecting mirror 14 can be increased, and the laser light source 11 pause time is shortened.

その他の構成や作用効果は実施の形態1と同様であり、反射鏡14の高速回動が可能な駆動方法等を採用することによって、シャッタシステム23の開閉動作を高速に行うことが可能である。
[実施の形態3]
図8は、本発明の実施の形態3に係るシャッタシステム33を示す正面図であって、図1ないし図6に記載された実施の形態1に係るレーザ装置1のシャッタシステム13に関する別の実施の形態を示したものである。すなわち、以下では図8を参照して、主に実施の形態3に係るシャッタシステム33の構成について説明するものとし、図8に記載されていない部分の機能や構成は実施の形態1に係る当該部分と同様である。
Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment, and by adopting a driving method capable of rotating the reflecting mirror 14 at a high speed, the shutter system 23 can be opened and closed at high speed. .
[Embodiment 3]
FIG. 8 is a front view showing the shutter system 33 according to the third embodiment of the present invention, and is another implementation relating to the shutter system 13 of the laser device 1 according to the first embodiment described in FIGS. 1 to 6. The form of is shown. That is, hereinafter, the configuration of the shutter system 33 according to the third embodiment will be mainly described with reference to FIG. 8, and the functions and configurations of the parts not described in FIG. 8 are related to the first embodiment. It is the same as the part.

図8に示すように、本実施の形態に係るレーザ装置1のシャッタシステム33は、反射鏡14とダンパー16とを含む。反射鏡14は、前記レーザ光17aの集束点A(前記集束凸レンズ12の焦点)の直後に配置され、回動軸15の回りに回動可能に構成されている。   As shown in FIG. 8, the shutter system 33 of the laser apparatus 1 according to the present embodiment includes a reflecting mirror 14 and a damper 16. The reflecting mirror 14 is disposed immediately after the converging point A of the laser beam 17a (the focal point of the converging convex lens 12), and is configured to be rotatable around the rotating shaft 15.

本実施の形態においては、集束凸レンズ12によるレーザ光17aの集束点Aの直後に反射鏡14の反射面が配置されているため、前記特許文献1および特許文献2に記載の方法とは異なり、ダンパー16の直前(上方)に凹レンズを配置することなく、ダンパー16の反射鏡14からの距離を調整することによって、ダンパー16に入射するレーザ光17b(反射光)のエネルギ密度を小さくすることができる。ただし、前述したように、反射鏡14の反射面にはエネルギ密度の高いレーザ光17aが照射されるので、反射鏡14のレーザ耐性(損傷閾値)を考慮の上で、反射鏡14の設置位置を定める必要がある。   In the present embodiment, since the reflecting surface of the reflecting mirror 14 is arranged immediately after the focusing point A of the laser beam 17a by the focusing convex lens 12, unlike the methods described in Patent Document 1 and Patent Document 2, The energy density of the laser beam 17b (reflected light) incident on the damper 16 can be reduced by adjusting the distance of the damper 16 from the reflecting mirror 14 without arranging a concave lens immediately before (above) the damper 16. it can. However, as described above, the reflecting surface of the reflecting mirror 14 is irradiated with the laser beam 17a having a high energy density, and therefore the installation position of the reflecting mirror 14 is considered in consideration of the laser resistance (damage threshold) of the reflecting mirror 14. It is necessary to determine.

前述同様、本実施の形態においても、レーザ光17aのレーザ径の小さい位置、すなわち集束凸レンズ12の集束点Aの直後に反射鏡14が設置されているため、シャッタシステム33にレーザ径(反射面の面積)の小さい反射鏡14を使用することができる。また、反射鏡14の回動軸15が反射鏡14の反射面に垂直に配置され、さらに、反射鏡14の回動軸15が反射鏡14の重心を通るように構成されている。そのため、図6等に示す実施の形態1のシャッタシステム13と比較して、反射鏡14の回転慣性力がさらに低減されている。   As described above, also in the present embodiment, since the reflecting mirror 14 is installed at a position where the laser diameter of the laser beam 17a is small, that is, immediately after the focusing point A of the focusing convex lens 12, the shutter system 33 has a laser diameter (reflection surface). Can be used. The rotating shaft 15 of the reflecting mirror 14 is arranged perpendicular to the reflecting surface of the reflecting mirror 14, and the rotating shaft 15 of the reflecting mirror 14 passes through the center of gravity of the reflecting mirror 14. Therefore, the rotational inertia force of the reflecting mirror 14 is further reduced as compared with the shutter system 13 of the first embodiment shown in FIG.

但し、本実施の形態においては、回動軸15が前記集束凸レンズ12によって集束されたレーザ光17aの光路を遮らないように、シャッタシステム33を設計すべきである。回動軸15がレーザ光17aを遮ると、加工対象物8に照射されるレーザ光17aが不均一なものになる虞があるからである。具体的には、回動軸15と反射鏡14とが、レーザ光17aの光軸上の左右何れかに偏心されて配置されるようにすることが好ましい。その他の構成や作用効果は実施の形態1と同様であり、反射鏡14の高速回動が可能な駆動方法等により、シャッタシステム33の開閉動作(反射鏡14の回動)を高速化することができる。   However, in the present embodiment, the shutter system 33 should be designed so that the rotation shaft 15 does not block the optical path of the laser beam 17a focused by the focusing convex lens 12. This is because if the rotating shaft 15 blocks the laser beam 17a, the laser beam 17a applied to the workpiece 8 may be non-uniform. Specifically, it is preferable that the rotating shaft 15 and the reflecting mirror 14 be arranged eccentrically on either the left or right side of the optical axis of the laser beam 17a. Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment, and the opening / closing operation of the shutter system 33 (rotation of the reflecting mirror 14) is speeded up by a driving method capable of rotating the reflecting mirror 14 at high speed. Can do.

そして、反射鏡14の配置位置が集束凸レンズ12の近傍であること、すなわち集束点Aまたは集束点Aの直前または直後であること、反射鏡14の回動によってシャッタシステム13,23,33の開閉動作が行なわれること、前記回動軸15の配置位置・配置姿勢、はそれぞれが独立した事項である。以上は、その組合せ例の一部を前記実施の形態として記載したものであるが、これ以外の組合せによっても本発明の目的が達成できる。
[実施の形態4]
図9は、本発明の実施の形態4に係るレーザ装置1の光学系を示す正面図であって、図1ないし図6における実施の形態1に係る集束凸レンズ12(集束光学系)やシャッタシステム13や加工光学系9に関する部分の別の実施の形態を記載したものである。
Then, the position of the reflecting mirror 14 is in the vicinity of the converging convex lens 12, that is, the focal point A or immediately before or after the converging point A, and the shutter systems 13, 23, 33 are opened and closed by turning the reflecting mirror 14. The operation and the arrangement position / position of the rotation shaft 15 are independent matters. In the above, a part of the combination examples are described as the embodiment, but the object of the present invention can be achieved by other combinations.
[Embodiment 4]
FIG. 9 is a front view showing the optical system of the laser apparatus 1 according to the fourth embodiment of the present invention, and the focusing convex lens 12 (focusing optical system) and the shutter system according to the first embodiment in FIGS. 13 and another embodiment of the portion related to the processing optical system 9 are described.

加工対象物8に対するレーザ加工が行われる場合には、レーザ光源11のポインティング位置をより安定化させる必要がある。そこで、レーザ光17aのレーザ径や発散角度等を精密に調整するために、所謂ズーミングコリメータ等をレーザ光源11と後述する回折型光学素子46との間に設置することが好ましい。つまり、集束光学系(集束凸レンズ12)および加工光学系9から構成されるレーザ光17aの光路上に、レーザ径や発散角度等を調整できるコリメータレンズ系が配設されることによって、加工対象物8に対するレーザ光17aの照射強度の均一性が図られるのである。   When laser processing is performed on the workpiece 8, it is necessary to further stabilize the pointing position of the laser light source 11. Therefore, in order to precisely adjust the laser diameter, divergence angle, and the like of the laser light 17a, it is preferable to install a so-called zooming collimator or the like between the laser light source 11 and a diffractive optical element 46 described later. In other words, the collimating lens system capable of adjusting the laser diameter, the divergence angle, and the like is disposed on the optical path of the laser beam 17a composed of the focusing optical system (focusing convex lens 12) and the processing optical system 9. Therefore, the uniformity of the irradiation intensity of the laser beam 17a with respect to 8 is achieved.

前記ズーミングコリメータとは、コリメータ出射レーザのレーザ径と発散角度とが精緻に調整可能に構成されたレンズ群をいい、コリメータレンズ系の下位概念に相当する。本実施の形態においては、レーザ径と発散角度とをより精緻に調整するために「ズーミングコリメータ」を用いているが、光路上にレーザ径と発散角度とが調整可能なその他のコリメータレンズ系を配置する構成であってもよい。   The zooming collimator refers to a lens group configured such that the laser diameter and divergence angle of the collimator emission laser can be finely adjusted, and corresponds to a subordinate concept of the collimator lens system. In the present embodiment, a “zooming collimator” is used to adjust the laser diameter and the divergence angle more precisely, but other collimator lens systems capable of adjusting the laser diameter and the divergence angle on the optical path are used. The structure to arrange | position may be sufficient.

図9に示すように、本実施の形態に係るレーザ装置1は、レーザ光源11と、集束光学系(集束凸レンズ12)と、シャッタシステム13と、加工光学系49とを備える。シャッタシステムには、前記実施の形態1〜3にて説明したシャッタシステム13(23,33)が採用される。シャッタシステム13自体およびシャッタシステム13を構成する部品の配置位置も前記実施の形態1〜3のものと同様である。本実施の形態のレーザ装置1においては、集束光学系と加工光学系49とにまたがってコリメータレンズ系41が設けられている。但し、シャッタシステム13より上流側の集束光学系がコリメータレンズ系41を含む構成であっても、下流側の加工光学系49がコリメータレンズ系41を含む構成であってもよい。但し、前記何れの構成の場合であっても、前記シャッタシステム13の反射鏡14は、前記集束光学系(集束凸レンズ12)によるレーザ光17aの集束点A付近に配置される。   As shown in FIG. 9, the laser apparatus 1 according to the present embodiment includes a laser light source 11, a focusing optical system (focusing convex lens 12), a shutter system 13, and a processing optical system 49. The shutter system 13 (23, 33) described in the first to third embodiments is employed as the shutter system. The arrangement positions of the shutter system 13 itself and the components constituting the shutter system 13 are the same as those in the first to third embodiments. In the laser device 1 of the present embodiment, a collimator lens system 41 is provided across the focusing optical system and the processing optical system 49. However, the focusing optical system upstream of the shutter system 13 may include the collimator lens system 41, or the downstream processing optical system 49 may include the collimator lens system 41. However, in any case, the reflecting mirror 14 of the shutter system 13 is disposed in the vicinity of the focusing point A of the laser light 17a by the focusing optical system (the focusing convex lens 12).

本実施の形態においては、図9に示すように、集束光学系(集束凸レンズ12)と加工光学系49とから構成される光路途上に、集束凸レンズ12と3枚のレンズ42,43,44とから構成されるズーミングコリメータ(コリメータレンズ系41)が配置されている。具体的には、コリメータレンズ系41は、集束凸レンズ12側から順に、凸レンズ(以下、第1レンズ42という。)と、凹レンズ(以下、第2レンズ43という。)と、凸レンズ(以下、第3レンズ44という。)と、が並べられて構成されるものである。そして、前記コリメータレンズ系41の第1レンズ42と第3レンズ44とが図9における左右方向に移動することによって、コリメータレンズ系41から出射するレーザ光17aのレーザ径と発散角度とが精緻に調整される。   In the present embodiment, as shown in FIG. 9, the converging convex lens 12 and the three lenses 42, 43, and 44 are disposed on the optical path composed of the converging optical system (the converging convex lens 12) and the processing optical system 49. A zooming collimator (collimator lens system 41) composed of: Specifically, the collimator lens system 41 includes a convex lens (hereinafter referred to as a first lens 42), a concave lens (hereinafter referred to as a second lens 43), and a convex lens (hereinafter referred to as a third lens) in order from the converging convex lens 12 side. Lens 44)). Then, by moving the first lens 42 and the third lens 44 of the collimator lens system 41 in the left-right direction in FIG. 9, the laser diameter and the divergence angle of the laser light 17a emitted from the collimator lens system 41 are fine. Adjusted.

図9に示すように、本実施の形態においては、図1に示す実施の形態1とは異なり、加工光学系9に、コリメータレンズ系41と回折型光学素子46等が設けられている。前記回折型光学素子46は、たとえば、レーザ光17aの強度分布をガウス分布からトップフラット型の均一レーザに変換することや、1つのレーザ光を複数のレーザ光に分岐することなどが可能である。   As shown in FIG. 9, in the present embodiment, unlike the first embodiment shown in FIG. 1, the processing optical system 9 is provided with a collimator lens system 41, a diffractive optical element 46, and the like. The diffractive optical element 46 can, for example, convert the intensity distribution of the laser beam 17a from a Gaussian distribution to a top-flat uniform laser, or branch one laser beam into a plurality of laser beams. .

回折型光学素子46を用いる場合には、回折型光学素子46に入射するレーザ光17aの位置、レーザ径、発散角度などが精密に調整されることによって、レーザ照射面の強度の均一化が達成される。しかし、前記非特許文献2の図9および図10に記載されているように、レーザ径が設計値から10%(φ2±0.2mm)変動すると、照射面の強度は凹型または凸型に変化する。また、回折型光学素子46に入射するレーザ光17aの位置がレーザ径の12.5%(±25μm)シフトした場合、照射面のエネルギ強度プロファイルが傾斜した形状を示すようになる。   In the case where the diffractive optical element 46 is used, the position of the laser beam 17a incident on the diffractive optical element 46, the laser diameter, the divergence angle, and the like are precisely adjusted to achieve uniform intensity on the laser irradiation surface. Is done. However, as described in FIGS. 9 and 10 of Non-Patent Document 2, when the laser diameter varies by 10% (φ2 ± 0.2 mm) from the design value, the intensity of the irradiated surface changes to a concave or convex shape. To do. Further, when the position of the laser beam 17a incident on the diffractive optical element 46 is shifted by 12.5% (± 25 μm) of the laser diameter, the energy intensity profile of the irradiated surface shows an inclined shape.

このように、回折型光学素子46を用いる場合には、レーザシフト等が生じないようにレーザ光源11のポインティング位置を安定させる必要があり、また、加工対象物8に照射されるレーザ光17aを設計通りのレーザ径とするために、レーザ径と発散角度とを調整できるコリメータレンズ系41が、レーザ光源11と回折型光学素子46の間に配置されることが好ましい。
[実施の形態5]
図10は、本発明の実施の形態5に係るレーザ装置1の光学系を示す正面図である。図10に示すように実施の形態5に係るレーザ装置1の光学系は、図9に示す第4の実施の形態のものと比較して、コリメータレンズ系51の構成のみが異なっており、他の部分は同一である。すなわち、本実施の形態においては、コリメータレンズ系51の第1レンズ52と第2レンズ53とが図10における左右方向に移動することによって、コリメータレンズ系51から出射するレーザ光17aのレーザ径と発散角度とが調整される。
As described above, when the diffractive optical element 46 is used, it is necessary to stabilize the pointing position of the laser light source 11 so that a laser shift or the like does not occur, and the laser light 17a irradiated to the workpiece 8 is used. In order to obtain a designed laser diameter, it is preferable that a collimator lens system 41 capable of adjusting the laser diameter and the divergence angle is disposed between the laser light source 11 and the diffractive optical element 46.
[Embodiment 5]
FIG. 10 is a front view showing the optical system of the laser apparatus 1 according to Embodiment 5 of the present invention. As shown in FIG. 10, the optical system of the laser device 1 according to the fifth embodiment is different from that of the fourth embodiment shown in FIG. 9 only in the configuration of the collimator lens system 51. The parts of are the same. That is, in the present embodiment, the first lens 52 and the second lens 53 of the collimator lens system 51 move in the left-right direction in FIG. The divergence angle is adjusted.

以上のように、実施の形態4および5においては、それぞれの加工光学系49,59がコリメータレンズ系41,51の一部と加工用レンズ45,55と回折型光学素子46,46とを含んでいる。そして、実施の形態1と同様に、レーザ装置1には、回折型光学素子46と加工対象物8との間にマスク2やミラー3や結像レンズ4が配置されている。   As described above, in the fourth and fifth embodiments, each of the processing optical systems 49 and 59 includes a part of the collimator lens systems 41 and 51, the processing lenses 45 and 55, and the diffractive optical elements 46 and 46. It is out. Similarly to the first embodiment, the mask 2, the mirror 3, and the imaging lens 4 are disposed between the diffractive optical element 46 and the workpiece 8 in the laser device 1.

また、実施の形態1〜5において説明したシャッタシステム13,23,33は、反射鏡14が回動されることによってシャッタシステム13,23,33が開閉される構成としているが、反射鏡14がスライドされることによってシャッタシステム13,23,33が開閉される形態等であっても良い。この場合も、反射鏡14の面積が小さくなることによって、反射鏡14がスライドする速度を高速にすることができるからである。   In addition, the shutter systems 13, 23, and 33 described in the first to fifth embodiments are configured such that the shutter systems 13, 23, and 33 are opened and closed when the reflecting mirror 14 is rotated. For example, the shutter system 13, 23, 33 may be opened and closed by sliding. Also in this case, the area of the reflecting mirror 14 is reduced, so that the speed at which the reflecting mirror 14 slides can be increased.

そして、前記実施の形態においては、ダンパー16がシャッタシステム13内に配置され、シャッタシステム13がダンパー16を含む構成としているが、ダンパー16がシャッタシステム13に内包される構成に限定するものではなく、ダンパー16はレーザ装置1に備えられていれば良い。また、図6から図10に示すように、前記実施の形態においては、ダンパー16を所謂コーン型(円錐形)のダンパーとしているが、その他の形態のダンパーも使用可能である。   In the embodiment, the damper 16 is disposed in the shutter system 13 and the shutter system 13 includes the damper 16. However, the present invention is not limited to the configuration in which the damper 16 is included in the shutter system 13. The damper 16 may be provided in the laser device 1. In addition, as shown in FIGS. 6 to 10, in the above-described embodiment, the damper 16 is a so-called cone-type (conical) damper, but other types of dampers can be used.

以上に述べたように、前記実施の形態に係るレーザ装置1は、レーザ光源11と、前記レーザ光源11から投光されるレーザ光17aを集束させる集束光学系(集束凸レンズ12)と、前記レーザ光17aを加工対象物8へと導いて照射する加工光学系9と、前記集束光学系と前記加工光学系9との間に配置され、前記レーザ光17aを反射することにより遮断可能なシャッタシステム13と、を備える。そして、前記シャッタシステム13は、前記集束光学系の光路上かつ前記レーザ光17aの集束点A近傍へと突出可能な反射鏡14を含む。前記反射鏡14は、突出した際に前記レーザ光17aを前記集束光学系および加工光学系9の光軸外へと反射(偏向)させて発散させるものである。   As described above, the laser apparatus 1 according to the embodiment includes the laser light source 11, the focusing optical system (focusing convex lens 12) that focuses the laser light 17a projected from the laser light source 11, and the laser. A processing optical system 9 that guides and irradiates the light 17a to the processing object 8, and a shutter system that is disposed between the focusing optical system and the processing optical system 9 and can be blocked by reflecting the laser light 17a. 13. The shutter system 13 includes a reflecting mirror 14 that can project on the optical path of the focusing optical system and near the focusing point A of the laser beam 17a. When the reflecting mirror 14 protrudes, the laser beam 17a is reflected (deflected) out of the optical axis of the focusing optical system and the processing optical system 9 to diverge.

ここで、レーザ光源11は、加工対象物8に照射されるレーザ光17aを発振する。集束光学系は、レーザ光源11から発振されたレーザ光17aが加工対象物8へと至るレーザ経路の上流部に配置されており、レーザ光源11から発振されたレーザ光17aを集束する。加工光学系9は、レーザ光源11から発振されたレーザ光17aが加工対象物8へと至るレーザ経路の下流部に配置されており、集束されたレーザ光17aのレーザ径を調整し、かつレーザ光17aを加工対象物8に照射するためのレンズ系(ミラー3、結像レンズ4等)を備える。シャッタシステム13の反射鏡14は、レーザ光源11から発振されたレーザ光17aが加工対象物8へと至るレーザ経路の光路途上であって集束光学系と加工光学系9との間に配置されており、集束されたレーザ光17aのレーザ径が小さい位置に配置されている。「レーザ光の集束点近傍」とは、集束光学系によって集束されたレーザ光17aのレーザ径が、レーザ光源11から発振された直後のレーザ光17aのレーザ径よりも小さくなっている範囲をいう。   Here, the laser light source 11 oscillates the laser light 17a irradiated to the workpiece 8. The focusing optical system is disposed upstream of the laser path from which the laser light 17 a oscillated from the laser light source 11 reaches the workpiece 8, and focuses the laser light 17 a oscillated from the laser light source 11. The processing optical system 9 is arranged in the downstream part of the laser path from which the laser light 17a oscillated from the laser light source 11 reaches the workpiece 8, adjusts the laser diameter of the focused laser light 17a, and A lens system (mirror 3, imaging lens 4, etc.) for irradiating the workpiece 17 with the light 17 a is provided. The reflecting mirror 14 of the shutter system 13 is disposed between the focusing optical system and the processing optical system 9 on the optical path of the laser path from which the laser light 17 a oscillated from the laser light source 11 reaches the workpiece 8. The focused laser beam 17a is arranged at a position where the laser diameter is small. The “near the focal point of the laser beam” refers to a range in which the laser diameter of the laser beam 17a focused by the focusing optical system is smaller than the laser diameter of the laser beam 17a immediately after being oscillated from the laser light source 11. .

この場合は、シャッタシステム13で遮断される(反射鏡14で反射される)際のレーザ光17aのレーザ径が小さいため、反射鏡14を小型化することができ、反射鏡14の回動動作(シャッタシステム13の開閉動作)を高速にすることができる。その結果、レーザ発振を一時停止する時間が短縮化され、レーザ出力やポインティング等のレーザ発振状態が安定する。その結果、断続的にレーザ発振を行う際においても、レーザ出力の変動やポインティング位置の変動が抑制される。つまり、加工対象物8に照射されるレーザ光17aの特性が安定するため、レーザ光17aによる加工精度が安定する。   In this case, since the laser diameter of the laser beam 17a when blocked by the shutter system 13 (reflected by the reflecting mirror 14) is small, the reflecting mirror 14 can be reduced in size and the reflecting mirror 14 is rotated. (Opening / closing operation of the shutter system 13) can be performed at high speed. As a result, the time for suspending laser oscillation is shortened, and the laser oscillation state such as laser output and pointing is stabilized. As a result, even when laser oscillation is intermittently performed, fluctuations in laser output and fluctuations in pointing position are suppressed. That is, since the characteristics of the laser beam 17a applied to the workpiece 8 are stabilized, the processing accuracy by the laser beam 17a is stabilized.

そして、前記実施の形態に係るレーザ装置1は、加工対象物8が載置されるステージ5と、前記ステージ5と前記レーザ光源11と前記シャッタシステム13等の制御を行う制御装置7と、をさらに備える。前記制御装置7は、前記ステージ5(加工対象物8)とレーザ光17aの光軸との相対位置を変化させ、前記シャッタシステム13の開閉により、所望の相対位置および所望のタイミングにて前記加工対象物8にレーザ光17aを照射して、前記加工対象物8にレーザ加工を施し、前記シャッタシステム13の開閉動作中は、前記レーザ光源11によるレーザ光17aの照射が停止されるものである。この場合のレーザ装置1は、レーザ光17aの光軸と加工対象物8とを相対移動させながら、ユーザ等が予め定めた加工対象物8の所望の位置に所望のタイミングでレーザ光17aを照射して、加工対象物8に対してレーザ加工を行うことが可能である。そして、シャッタシステム13の開閉動作中のみ、レーザ光源11からのレーザ光17aの照射を停止するため、レーザ光源11の一時停止時間が短くなり、レーザ光17aの特性が安定する。   The laser device 1 according to the embodiment includes a stage 5 on which a workpiece 8 is placed, and a control device 7 that controls the stage 5, the laser light source 11, the shutter system 13, and the like. Further prepare. The control device 7 changes the relative position between the stage 5 (processing object 8) and the optical axis of the laser light 17a, and opens and closes the shutter system 13 to perform the processing at a desired relative position and a desired timing. The object 8 is irradiated with a laser beam 17a, and the workpiece 8 is subjected to laser processing. During the opening / closing operation of the shutter system 13, the irradiation of the laser beam 17a by the laser light source 11 is stopped. . In this case, the laser apparatus 1 irradiates the laser beam 17a at a desired timing to a desired position of the workpiece 8 that is determined in advance by a user or the like while relatively moving the optical axis of the laser beam 17a and the workpiece 8. Thus, it is possible to perform laser processing on the workpiece 8. Since the irradiation of the laser light 17a from the laser light source 11 is stopped only during the opening / closing operation of the shutter system 13, the pause time of the laser light source 11 is shortened and the characteristics of the laser light 17a are stabilized.

そして、レーザ装置1は、反射鏡14によって反射されたレーザ光17b(反射光)が入射する終端器(ダンパー16)をさらに備える。終端器は、レーザ光源11から発振されたレーザ光17aが加工対象物8へと至るレーザ経路外に配置されており、入射された反射光(レーザ光17b)のエネルギを熱エネルギへと変換して放熱させるものである。この場合は、レーザ光17bは反射鏡14によって反射された後もそのレーザ径が拡張するため、終端器に入射するレーザ光17bのエネルギ密度が小さくなる。つまり、レーザ装置1に高出力のレーザ光源11が用いられる場合であっても、余分な光学システムが設置されることなく、終端器の寿命が長期化するため、レーザ加工の効率化を図ることができる。終端器の耐久性が向上するため、レーザ装置1を安全に使用できる。   The laser device 1 further includes a terminator (damper 16) on which the laser light 17b (reflected light) reflected by the reflecting mirror 14 enters. The terminator is disposed outside the laser path where the laser beam 17a oscillated from the laser light source 11 reaches the workpiece 8, and converts the energy of the incident reflected light (laser beam 17b) into thermal energy. To dissipate heat. In this case, since the laser diameter of the laser light 17b is expanded even after being reflected by the reflecting mirror 14, the energy density of the laser light 17b incident on the terminator is reduced. That is, even when a high-power laser light source 11 is used in the laser device 1, the life of the terminator is extended without installing an extra optical system, so that the efficiency of laser processing is improved. Can do. Since the durability of the terminator is improved, the laser device 1 can be used safely.

そして、反射鏡14は、回動することによって、前記レーザ光の集束点A近傍へと突出可能に構成されており、前記反射鏡14の回動軸15が反射鏡14の反射面(反射面)に対して平行または垂直に配置されている。この場合は、反射鏡14の回転慣性力が小さくなるので、シャッタシステム13の開閉動作を高速化できる。これによって、シャッタシステム13の開閉動作中にレーザ発振を一時停止する時間を短縮することができ、レーザ発振状態が安定する。したがって、加工対象物8に照射されるレーザ光17aの特性をより安定化させることができ、加工精度をより安定化させることができる。   The reflecting mirror 14 is configured to be able to project to the vicinity of the focusing point A of the laser beam by rotating, and the rotating shaft 15 of the reflecting mirror 14 is configured to reflect the reflecting surface (reflecting surface) of the reflecting mirror 14. ) In parallel or perpendicular to In this case, since the rotational inertia force of the reflecting mirror 14 becomes small, the opening / closing operation of the shutter system 13 can be speeded up. As a result, it is possible to shorten the time for which laser oscillation is temporarily stopped during the opening / closing operation of the shutter system 13, and the laser oscillation state is stabilized. Therefore, the characteristic of the laser beam 17a irradiated to the workpiece 8 can be further stabilized, and the processing accuracy can be further stabilized.

そして、反射鏡14の回動軸15が反射鏡14の重心を通る。この場合は、反射鏡14の回転慣性力をさらに小さくできるので、シャッタシステム13の開閉動作をさらに高速化できる。シャッタシステム13の開閉動作中にレーザ発振を一時停止する時間をさらに短縮することができるため、レーザ発振状態が安定する。したがって、加工対象物8に照射されるレーザ光17aの特性をさらに安定化させることができ、加工精度をさらに安定化させることができる。   The rotating shaft 15 of the reflecting mirror 14 passes through the center of gravity of the reflecting mirror 14. In this case, since the rotational inertia force of the reflecting mirror 14 can be further reduced, the opening / closing operation of the shutter system 13 can be further speeded up. Since the time during which laser oscillation is temporarily stopped during the opening / closing operation of the shutter system 13 can be further shortened, the laser oscillation state is stabilized. Therefore, the characteristic of the laser beam 17a irradiated to the workpiece 8 can be further stabilized, and the processing accuracy can be further stabilized.

そして、反射鏡14(の回動軸15)が、ガルバノスキャナ、ステッピングモータ、サーボモータ、およびロータリソレノイドのいずれかによって回動される。この場合は、駆動高速回動できるとともに回動角度も高精度に制御できる(ガルバノスキャナ、ステッピングモータ、サーボモータ、ロータリソレノイドなどの)回動駆動体を用いることによって、反射鏡14を高速回動できるとともにレーザ光17aが終端器の中心に確実にかつ安定して入射するので、高出力のレーザ光源11を有するレーザ装置1であっても安定したダンピングが行われるようになる。   Then, the reflecting mirror 14 (the rotation shaft 15 thereof) is rotated by any one of a galvano scanner, a stepping motor, a servo motor, and a rotary solenoid. In this case, the reflecting mirror 14 can be rotated at a high speed by using a rotation driving body (such as a galvano scanner, a stepping motor, a servo motor, a rotary solenoid, etc.) that can rotate at a high speed and control the rotation angle with high accuracy. In addition, since the laser beam 17a is reliably and stably incident on the center of the terminator, even the laser apparatus 1 having the high-power laser light source 11 can perform stable damping.

そして、レーザ装置1は、集束光学系と加工光学系49,59とから構成される光路途上に、レーザ光17aのレーザ径と発散角度とが調整可能なコリメータレンズ系41,51を備える。反射鏡14は、レーザ光17aの集束点A近傍に配置される。コリメータレンズ系41,51はそれぞれが複数枚のレンズから構成されており、これらのレンズ間の相対距離が調整されることによって、加工対象物8に照射されるレーザ光17aのレーザ径と発散角度とが調整可能であるため、高精度加工を実現することができる。   The laser apparatus 1 includes collimator lens systems 41 and 51 that can adjust the laser diameter and the divergence angle of the laser light 17a on the optical path composed of the focusing optical system and the processing optical systems 49 and 59. The reflecting mirror 14 is disposed in the vicinity of the focal point A of the laser light 17a. Each of the collimator lens systems 41 and 51 is composed of a plurality of lenses, and the laser diameter and divergence angle of the laser light 17a irradiated on the workpiece 8 are adjusted by adjusting the relative distance between these lenses. Therefore, high-precision machining can be realized.

そして、加工光学系49,59が少なくとも1枚の回折型光学素子46を含む。この場合は、高速開閉できるシャッタシステム13によってレーザ光源11のポインティング位置変動を抑制できることから、レーザ光17aとの高精度な相対位置決めを必要とする回折型光学素子46が有効に機能する。回折型光学素子46が有効にレーザ装置1に用いられることによって、さらなるレーザ加工の高精度化や高効率化が達成される。   The processing optical systems 49 and 59 include at least one diffractive optical element 46. In this case, since the fluctuation of the pointing position of the laser light source 11 can be suppressed by the shutter system 13 that can be opened and closed at high speed, the diffractive optical element 46 that requires highly accurate relative positioning with the laser light 17a functions effectively. When the diffractive optical element 46 is effectively used in the laser apparatus 1, higher accuracy and higher efficiency of laser processing can be achieved.

前記開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内においてのすべての変更が含まれることが意図される。   The disclosed embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明の実施の形態1に係るレーザ装置の概略正面図である。It is a schematic front view of the laser apparatus concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る制御装置に関する制御ブロック図である。It is a control block diagram regarding the control apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. レーザ光の光軸の加工対象物に対する相対位置の移動を示す平面図である。It is a top view which shows the movement of the relative position with respect to the process target object of the optical axis of a laser beam. ステージの移動中にレーザ発振を停止する場合のエネルギ変動を示すチャートである。It is a chart which shows the energy fluctuation | variation in the case of stopping laser oscillation during the movement of a stage. シャッタ開閉動作中のみレーザ発振を停止する場合のエネルギ変動を示すチャートである。6 is a chart showing energy fluctuation when laser oscillation is stopped only during a shutter opening / closing operation. 本発明の実施の形態1に係るシャッタシステム等を示す正面図である。It is a front view which shows the shutter system etc. which concern on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2に係るシャッタシステムを示す側面図である。It is a side view which shows the shutter system which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3に係るシャッタシステムを示す側面図である。It is a side view which shows the shutter system which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4に係るレーザ装置の光学系を示す正面図である。It is a front view which shows the optical system of the laser apparatus concerning Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態5に係るレーザ装置の光学系を示す正面図である。It is a front view which shows the optical system of the laser apparatus concerning Embodiment 5 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 レーザ装置、8 加工対象物、9,49,59 加工光学系、11 レーザ光源、12 集束凸レンズ(集束光学系)、13,23,33 シャッタシステム、14 反射鏡(偏向器)、15 反射鏡の回動軸、16 ダンパー(終端器)、17a,17b レーザ光、41,51 コリメータレンズ系。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser apparatus, 8 Processing target object, 9, 49, 59 Processing optical system, 11 Laser light source, 12 Focusing convex lens (focusing optical system), 13, 23, 33 Shutter system, 14 Reflecting mirror (deflector), 15 Reflecting mirror Rotation axis, 16 damper (terminator), 17a, 17b laser beam, 41, 51 collimator lens system.

Claims (8)

レーザ光源と、
前記レーザ光源から投光されるレーザ光を集束させる集束光学系と、
前記レーザ光を加工対象物へと導いて照射する加工光学系と、
前記集束光学系と前記加工光学系との間に配置され、前記レーザ光を反射することにより遮断可能なシャッタシステムと、を備え、
前記シャッタシステムは、前記集束光学系の光路上かつ前記レーザ光の集束点近傍へと突出可能な反射鏡を含み、
前記反射鏡は、突出した際に前記レーザ光を前記集束光学系および加工光学系の光軸外へと反射させる、レーザ装置。
A laser light source;
A focusing optical system for focusing laser light projected from the laser light source;
A processing optical system for directing and irradiating the laser beam to a processing object;
A shutter system disposed between the focusing optical system and the processing optical system and capable of blocking by reflecting the laser light,
The shutter system includes a reflecting mirror capable of projecting on the optical path of the focusing optical system and near the focusing point of the laser beam,
The reflection mirror is a laser device that reflects the laser beam to the outside of the optical axis of the focusing optical system and the processing optical system when protruding.
前記反射鏡によって反射されたレーザ光が入射する終端器をさらに備える、請求項1に記載のレーザ装置。   The laser apparatus according to claim 1, further comprising a terminator on which the laser light reflected by the reflecting mirror is incident. 前記反射鏡は、回動することによって前記レーザ光の集束点近傍へと突出可能に構成されており、
前記反射鏡の回動軸は、該反射鏡の反射面に平行または垂直に配設される、請求項1または2に記載のレーザ装置。
The reflecting mirror is configured to be able to protrude to the vicinity of the focal point of the laser beam by rotating,
3. The laser device according to claim 1, wherein a rotation axis of the reflecting mirror is disposed in parallel or perpendicular to a reflecting surface of the reflecting mirror.
前記反射鏡の回動軸は、前記反射鏡の重心を通る、請求項3に記載のレーザ装置。   The laser apparatus according to claim 3, wherein a rotation axis of the reflecting mirror passes through a center of gravity of the reflecting mirror. 前記反射鏡は、ガルバノスキャナ、ステッピングモータ、サーボモータ、およびロータリソレノイドのいずれかによって回動される、請求項3または4に記載のレーザ装置。   The laser device according to claim 3, wherein the reflecting mirror is rotated by any one of a galvano scanner, a stepping motor, a servo motor, and a rotary solenoid. 前記集束光学系と加工光学系とから構成される光路途上に、前記レーザ光の直径と発散角度とが調整可能なコリメータレンズ系を備える、請求項1から5のいずれか1項に記載のレーザ装置。   The laser according to any one of claims 1 to 5, further comprising a collimator lens system capable of adjusting a diameter and a divergence angle of the laser light on an optical path configured by the focusing optical system and the processing optical system. apparatus. 前記加工光学系は、少なくとも1枚の回折型光学素子を含む、請求項1から6のいずれか1項に記載のレーザ装置。   The laser apparatus according to claim 1, wherein the processing optical system includes at least one diffractive optical element. 前記レーザ装置は、
前記加工対象物が載置されるステージと、
前記ステージと前記レーザ光源と前記シャッタシステムの制御を行う制御装置と、をさらに備え、
前記制御装置は、
前記ステージと前記レーザ光の光軸との相対位置を変化させ、
前記シャッタシステムの開閉により、所望の相対位置および所望のタイミングにて前記加工対象物にレーザ光を照射して、前記加工対象物にレーザ加工を施し、
前記レーザ光源は、前記シャッタシステムの開閉動作中に、レーザ光の照射を停止する、請求項1から7のいずれか1項に記載のレーザ装置。
The laser device is
A stage on which the workpiece is placed;
A control device for controlling the stage, the laser light source, and the shutter system;
The controller is
Changing the relative position of the stage and the optical axis of the laser beam;
By opening and closing the shutter system, the workpiece is irradiated with laser light at a desired relative position and desired timing, and laser processing is performed on the workpiece.
The laser device according to any one of claims 1 to 7, wherein the laser light source stops the irradiation of the laser beam during the opening / closing operation of the shutter system.
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