JP2015080799A - Laser processing device and method - Google Patents

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直幸 中村
Naoyuki Nakamura
直幸 中村
悌史 ▲高▼橋
悌史 ▲高▼橋
Yoshifumi Takahashi
輝章 福岡
Teruaki Fukuoka
輝章 福岡
孝洋 中井
Takahiro Nakai
孝洋 中井
瀬口 正記
Masaki Seguchi
正記 瀬口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser processing device and a laser processing method, capable of increasing processing speed and reducing cost.SOLUTION: A laser processing device 1 comprises: a forming mask 212 disposed between a light focusing body 200 and a substrate 2, through which a tapered hole 211 becoming narrower continuously as coming close to the substrate 2 in a direction along a light axis is formed, and irradiating a focused laser beam to the substrate 2 for forming an irradiation shape while reflecting a part of the focused laser beam on a side surface of the tapered hole 211; and a mechanism part 213 disposed at at least one of the light focusing body 200 and the forming mask 212, and changing a relative position between the light focusing body 200 and the forming mask 212 so that the irradiation shape becomes a desired shape by reflecting the part of the focused laser beam on the side surface of the tapered hole 211 and irradiating the remnant to the substrate 2.

Description

この発明は、レーザ光を利用して基板に切断等の加工を行うレーザ加工装置、及びレーザ加工方法に関するものである。   The present invention relates to a laser processing apparatus that performs processing such as cutting on a substrate using laser light, and a laser processing method.

従来、レーザ光を出射するレーザ光発振器と、出射されたレーザ光を加工面上で結像させるための焦点調整レンズと、加工面上で結像されるレーザ光の形状を任意の矩形状に整形するマスクと、整形されたレーザ光を加工面上で走査させるガルバノスキャナと、を有するレーザ加工装置が知られている。このマスクは、4つのスリット板を有しており、これらのスリット板によりレーザ光が任意の矩形状に整形される(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, a laser light oscillator that emits laser light, a focus adjustment lens that forms an image of the emitted laser light on the processing surface, and the shape of the laser light imaged on the processing surface is an arbitrary rectangular shape There is known a laser processing apparatus having a mask for shaping and a galvano scanner for scanning the shaped laser beam on a machining surface. This mask has four slit plates, and laser light is shaped into an arbitrary rectangular shape by these slit plates (see, for example, Patent Document 1).

また、加工面である基板に結像されるレーザスポットを楕円形状とするために、特許文献1に示されているマスクを用いず、基板に集光する集光光学系にシリンドリカルレンズを用いているスクライブ装置も従来から知られている(例えば、特許文献2参照)。   Moreover, in order to make the laser spot imaged on the substrate which is the processing surface into an elliptical shape, a cylindrical lens is used for the condensing optical system for condensing on the substrate without using the mask disclosed in Patent Document 1. Conventional scribing apparatuses are also known (see, for example, Patent Document 2).

特開2009−45626号公報JP 2009-45626 A 特開2011−104633号公報JP 2011-104633 A

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献1に示された従来のレーザ加工装置では、レーザ光を整形するにあたり、レーザ光の一部がマスクにより遮光される。このため、遮光されたレーザ光のエネルギは、加工に寄与せず、加工速度の低下に繋がってしまう問題がある。
However, the prior art has the following problems.
In the conventional laser processing apparatus disclosed in Patent Document 1, a part of the laser light is shielded by a mask when shaping the laser light. For this reason, there is a problem that the energy of the shielded laser beam does not contribute to processing and leads to a decrease in processing speed.

また、マスクにより遮光されたレーザ光は、反射される成分と、スリット板に熱として吸収される成分がある。従って、スリット板からの反射対策、及びスリット板の熱負荷対策を行う必要があり、コストがかかってしまうという問題もある。   Further, the laser light shielded by the mask has a component to be reflected and a component to be absorbed as heat by the slit plate. Therefore, it is necessary to take measures against reflection from the slit plate and measures against heat load on the slit plate, and there is a problem that costs increase.

また、特許文献2に示された従来のスクライブ装置では、シリンドリカルレンズが透過性の光学素子でできている。このことから、ミラー等の反射型の光学素子に比べて熱レンズの影響が大きく、加工の不安定性が増大するおそれがある。これの結果、加工速度の低下に繋がってしまうという問題がある。   Moreover, in the conventional scribing apparatus shown in Patent Document 2, the cylindrical lens is made of a transmissive optical element. For this reason, the influence of the thermal lens is greater than that of a reflective optical element such as a mirror, which may increase the instability of processing. As a result, there is a problem that the processing speed is reduced.

さらに、加工方向に対してレーザスポットの形状を常に一定にする必要がある。このため、シリンドリカルレンズを加工方向に合わせて回転させる装置が別途必要となり、コストがかかってしまうという問題もある。また、レーザ光の楕円率を調整する場合は、シリンドリカルレンズ自体を交換する必要がある。従って、シリンドリカルレンズが複数必要となり、この点においてもコストがかかってしまうこととなる。   Furthermore, the shape of the laser spot must always be constant with respect to the processing direction. For this reason, a separate device for rotating the cylindrical lens in accordance with the processing direction is required, which increases the cost. Further, when adjusting the ellipticity of the laser beam, it is necessary to replace the cylindrical lens itself. Therefore, a plurality of cylindrical lenses are required, and this is also expensive.

この発明は、上記の様な課題を解決するためになされたものであり、加工速度の高速化及びコストの低減化を図ることができるレーザ加工装置、及びレーザ加工方法を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a laser processing apparatus and a laser processing method capable of increasing the processing speed and reducing the cost. .

この発明によるレーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ光発振器、レーザ光を加工対象である基板に向けて集光させる集光体、集光体と基板との間に配置され、集光体により集光されたレーザ光の光軸に沿った方向について基板に近付くにつれて連続的に狭くなるテーパ穴が形成され、集光体により集光されたレーザ光の一部をテーパ穴の側面で反射させて基板へ照射することで基板上の照射形状を整形する整形用マスク、集光体及び整形用マスクの少なくともいずれか一方に設けられ、集光体により集光されたレーザ光の一部をテーパ穴の側面で反射させて基板へ照射することで基板状上に照射される照射形状を所望の形状となるように、集光体と整形用マスクとの相対位置を変化可能にした機構部、及び整形用マスクにより整形されたレーザ光を基板に照射する照射部を備える。   A laser processing apparatus according to the present invention includes a laser light oscillator that emits laser light, a light collector that condenses the laser light toward a substrate to be processed, and a light collector disposed between the light collector and the substrate. A tapered hole is formed that narrows continuously as it approaches the substrate in the direction along the optical axis of the laser beam collected by, and a part of the laser beam collected by the collector is reflected by the side surface of the tapered hole. A portion of the laser beam condensed by the condensing body is provided on at least one of a shaping mask, a condensing body, and a shaping mask that shapes the irradiation shape on the substrate by irradiating the substrate. A mechanism that allows the relative position of the condenser and the shaping mask to be changed so that the irradiation shape on the substrate shape is reflected by irradiating the substrate with reflection from the side surface of the tapered hole. , And shaped by a mask for shaping And the laser beam comprises irradiating unit for irradiating the substrate.

この発明によるレーザ加工方法は、レーザ光を出射するレーザ光発振器、レーザ光を加工対象である基板に向けて集光させる集光体、集光体と基板との間に配置され、集光体により集光されたレーザ光の光軸に沿った方向について基板に近付くにつれて連続的に狭くなるテーパ穴が形成され、集光体により集光されたレーザ光の一部をテーパ穴の側面で反射させて基板へ照射することで基板上の照射形状を整形する整形用マスク、集光体及び整形用マスクの少なくともいずれか一方に設けられ、集光体と整形用マスクとの相対位置を変化可能にした機構部、整形用マスクにより整形されたレーザ光を基板に照射する照射部、及び機構部の位置制御を行う移動量制御部を備えたレーザ加工装置に適用されるレーザ加工方法であって、移動量制御部において、基板の加工内容に応じて相対位置を変化させ、テーパ穴の側面で反射させて基板へ照射するレーザ光量を変えることで、基板上に照射される照射形状が所望の強度分布を有する形状となるように、機構部の位置制御を行うステップを有する。   A laser processing method according to the present invention includes a laser light oscillator that emits laser light, a light collector that condenses the laser light toward a substrate to be processed, a light collector that is disposed between the light collector and the substrate, A tapered hole is formed that narrows continuously as it approaches the substrate in the direction along the optical axis of the laser beam collected by, and a part of the laser beam collected by the collector is reflected by the side surface of the tapered hole. It is provided on at least one of the shaping mask, the condensing body, and the shaping mask that shapes the irradiation shape on the substrate by irradiating the substrate, and the relative position between the condensing body and the shaping mask can be changed. A laser processing method applied to a laser processing apparatus including a mechanism unit, an irradiation unit that irradiates a substrate with laser light shaped by a shaping mask, and a movement amount control unit that performs position control of the mechanism unit. , Movement amount control In this case, the irradiation position irradiated onto the substrate has a desired intensity distribution by changing the relative position according to the processing content of the substrate and changing the amount of laser light reflected on the side surface of the tapered hole and irradiating the substrate. So that the position of the mechanism is controlled.

この発明によるレーザ加工装置、及びレーザ加工方法によれば、整形用マスクに形成されたテーパ穴で反射したレーザ光が全て照射部側へ抜けることで、加工面上でのレーザ光の照射形状を加工方向後方に伸びた楕円形状とするように、テーパ穴のテーパ形状が工夫された整形用マスクを用いるとともに、整形用マスクとレーザ光の相対位置を調整する機能を備えている。これにより、加工面上に照射されたレーザ光エネルギの強度分布を、加工方向前方側が強くなるようにした上で、レーザ光全てのエネルギをワークの加工に寄与させることができ、加工速度の高速化を図ることができる。さらに、1つの整形用マスクによりワークへ照射するレーザ光の形状を変更できるので、コストの低減化を図ることもできる。   According to the laser processing apparatus and the laser processing method of the present invention, the laser beam reflected on the tapered hole formed in the shaping mask is all emitted to the irradiation unit side, so that the irradiation shape of the laser beam on the processing surface can be reduced. A shaping mask with a tapered shape of the tapered hole is used so as to have an elliptical shape extending backward in the processing direction, and a function of adjusting the relative position between the shaping mask and the laser beam is provided. As a result, the intensity distribution of the laser beam energy irradiated on the processing surface is made stronger at the front side in the processing direction, and all the energy of the laser beam can be contributed to the processing of the workpiece, resulting in a high processing speed. Can be achieved. Furthermore, since the shape of the laser light irradiated onto the workpiece can be changed with one shaping mask, the cost can be reduced.

本発明の実施の形態1によるレーザ加工装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the laser processing apparatus by Embodiment 1 of this invention. 図1の加工ヘッド本体を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the process head main body of FIG. 図2内の整形用マスクを移動させることで、集光光軸に対してテーパ穴の中心軸を偏心させた一例を示す拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view showing an example in which the central axis of the tapered hole is decentered with respect to the light collection optical axis by moving the shaping mask in FIG. 2. 図3のA−A線、B−B線、及びC−C線に沿ったレーザ光の照射形状、及びレーザ光エネルギの強度分布を示す工程図である。It is process drawing which shows the irradiation shape of the laser beam along the AA line of FIG. 3, BB line, and CC line, and intensity distribution of laser beam energy. 本発明の実施の形態2によるレーザ加工装置の加工ヘッド本体を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the process head main body of the laser processing apparatus by Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3によるレーザ加工装置の加工ヘッド本体を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the process head main body of the laser processing apparatus by Embodiment 3 of this invention. 図6に示したレンズ移動機構部の上面図である。It is a top view of the lens moving mechanism part shown in FIG. 本発明の実施の形態2におけるレンズ移動量制御部により加工レンズを移動させたことにより、光軸が偏心されたときの加工ガスの噴射を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the injection of the processing gas when the optical axis is decentered by moving the processing lens by the lens movement amount control unit in the second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態4によるレーザ加工装置の加工ヘッド本体を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the process head main body of the laser processing apparatus by Embodiment 4 of this invention. 図9の照射部を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view which shows the irradiation part of FIG.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1によるレーザ加工装置を示す模式図である。本実施の形態1におけるレーザ加工装置1は、ワーク(基板)2をレーザ光により溶融して加工する装置である。そして、図1に示すように、レーザ加工装置1は、レーザ光を出射するレーザ光発振器3と、出射されたレーザ光を伝送する伝送光学系4と、伝送されたレーザ光を集光してワーク(基板)2に照射する加工ヘッド本体10と、ワーク2に照射されるレーザ光とともに噴射される加工ガスを供給するガス供給装置5とを有している。ここでは、ワーク2に金属が用いられている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a laser processing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The laser processing apparatus 1 according to the first embodiment is an apparatus that melts and processes a workpiece (substrate) 2 with laser light. As shown in FIG. 1, the laser processing apparatus 1 includes a laser beam oscillator 3 that emits laser light, a transmission optical system 4 that transmits the emitted laser beam, and a laser beam that is transmitted. It has a processing head main body 10 that irradiates a workpiece (substrate) 2 and a gas supply device 5 that supplies a processing gas that is ejected together with a laser beam irradiated to the workpiece 2. Here, a metal is used for the workpiece 2.

レーザ光発振器3は、例えば、加工するワーク2の厚さ及び種類によって、レーザの種類及び出力が使い分けられる。一般的にレーザ光発振器3には、COレーザ等のガスレーザ光源あるいはYAGレーザ等の固体レーザ光源が用いられている。この例では、レーザ光発振器3から出射されるレーザ光の形状が略円形になるレーザ光発振器3が用いられている。 In the laser oscillator 3, for example, the type and output of the laser are properly used depending on the thickness and type of the workpiece 2 to be processed. In general, a gas laser light source such as a CO 2 laser or a solid-state laser light source such as a YAG laser is used for the laser light oscillator 3. In this example, a laser beam oscillator 3 in which the shape of the laser beam emitted from the laser beam oscillator 3 is approximately circular is used.

伝送光学系4は、レーザ光発振器3から出射されたレーザ光を加工ヘッド本体10に伝送する。この例では、レーザ光発振器3から出射されたレーザ光が、反射ミラー4aによって反射されて伝送されている。なお、図1においては、反射ミラー4aを1枚用いている場合を例示しているが、レーザ光発振器3と加工ヘッド本体10との位置関係に応じて反射ミラー4aを複数枚用いてもよい。また、レーザ光発振器3としてYAGレーザ等の固体レーザ光源を用いる場合には、光ファイバーを通してレーザ光を伝送することもある。   The transmission optical system 4 transmits the laser light emitted from the laser light oscillator 3 to the processing head main body 10. In this example, the laser beam emitted from the laser beam oscillator 3 is reflected and transmitted by the reflection mirror 4a. Although FIG. 1 illustrates the case where one reflection mirror 4a is used, a plurality of reflection mirrors 4a may be used depending on the positional relationship between the laser light oscillator 3 and the processing head body 10. . When a solid-state laser light source such as a YAG laser is used as the laser light oscillator 3, the laser light may be transmitted through an optical fiber.

伝送光学系4により伝送されたレーザ光は、加工ヘッド本体10からワーク2に照射される。この際には、レーザ光により溶融されたワーク2の溶融金属を、吹き飛ばす必要がある。そこで、ガス供給装置5より供給される加工ガスが、加工ヘッド本体10から、レーザ光とともにワーク2に対して噴射される。   The laser beam transmitted by the transmission optical system 4 is applied to the workpiece 2 from the processing head body 10. At this time, it is necessary to blow away the molten metal of the work 2 melted by the laser beam. Therefore, the processing gas supplied from the gas supply device 5 is jetted from the processing head body 10 to the workpiece 2 together with the laser beam.

ガス供給装置5は、ガスボンベ5aと、一端がガスボンベ5aに接続され、他端が加工ヘッド本体10に接続されたガスパイプ5bとを有している。ガスボンベ5aから出力された加工ガスは、ガスパイプ5bを通って加工ヘッド本体10に供給され、レーザ光とともにワーク2に向けて加工ヘッド本体10から噴射される。   The gas supply device 5 includes a gas cylinder 5 a and a gas pipe 5 b having one end connected to the gas cylinder 5 a and the other end connected to the processing head body 10. The processing gas output from the gas cylinder 5a is supplied to the processing head main body 10 through the gas pipe 5b, and is jetted from the processing head main body 10 toward the workpiece 2 together with the laser beam.

図2は、図1の加工ヘッド本体10を示す拡大図である。図2に示すように、加工ヘッド本体10は、伝送光学系4により伝送されてきたレーザ光を集光する加工ヘッド部20と、加工ヘッド部20で集光されたレーザ光をワーク2に照射する照射部30とを有している。   FIG. 2 is an enlarged view showing the processing head body 10 of FIG. As shown in FIG. 2, the processing head main body 10 irradiates the workpiece 2 with the processing head unit 20 that condenses the laser light transmitted by the transmission optical system 4 and the laser light condensed by the processing head unit 20. And an irradiating unit 30.

さらに、加工ヘッド部20は、伝送光学系4により伝送されてきたレーザ光をワーク2に向けて集光させる加工レンズ(集光体)200と、加工レンズ200で集光されたレーザ光をワーク2に照射する形状に整形するレーザ形状整形部210(以下、単に「整形部210」と称す)とを有している。   Further, the processing head unit 20 includes a processing lens (condenser) 200 that condenses the laser light transmitted by the transmission optical system 4 toward the work 2, and the laser light condensed by the processing lens 200. 2 has a laser shape shaping section 210 (hereinafter simply referred to as “shaping section 210”) for shaping into a shape to be irradiated.

加工レンズ200には、レーザ光を集光することができる集光レンズが用いられている。レーザ光発振器3から略円形のレーザ光が出射されているので、加工レンズ200で集光されたレーザ光の形状も略円形となる。また、加工レンズ200は、レンズ移動制御装置(図示せず)に保持されており、伝送光学系4により伝送されてきたレーザ光の光軸方向に沿った方向(図2中に示した上下方向の両矢印参照)に変位可能になっている。これにより、加工レンズ200は、ワーク2上の加工面2aに照射されるレーザ光の焦点距離を変更することができる。加工レンズ200により集光された略円形のレーザ光は、整形部210で照射形状に整形される。   The processing lens 200 is a condensing lens that can condense laser light. Since the substantially circular laser light is emitted from the laser light oscillator 3, the shape of the laser light condensed by the processing lens 200 is also substantially circular. Further, the processing lens 200 is held by a lens movement control device (not shown), and the direction along the optical axis direction of the laser beam transmitted by the transmission optical system 4 (the vertical direction shown in FIG. 2). It can be displaced in the double arrow. Thereby, the processing lens 200 can change the focal length of the laser light irradiated to the processing surface 2a on the workpiece 2. The substantially circular laser beam condensed by the processing lens 200 is shaped into an irradiation shape by the shaping unit 210.

整形部210でレーザ光を整形するのは、加工不良発生を防ぐためである。例えば、ワーク2を切断する加工を例にとると、レーザ光照射による溶融と、加工ガスによる溶融物の排出により切断が進行する。このとき、加工方向前方のレーザ光は、ワーク2の溶融を行う役割を果たし、加工方向後方のレーザ光は、ワーク2に熱を供給する役割を果たしている。   The laser beam is shaped by the shaping unit 210 in order to prevent processing defects. For example, taking the process of cutting the workpiece 2 as an example, the cutting proceeds by melting by laser light irradiation and discharging of the melt by the processing gas. At this time, the laser beam ahead in the machining direction plays a role of melting the workpiece 2, and the laser beam behind the machining direction plays a role of supplying heat to the workpiece 2.

ワーク2の切断が進むと、ワーク2の溶融物の排出痕は、ドラグラインとなって加工切断面に現れる。ワーク2の粘性は、温度と負の相関を持っているので、ワーク2に充分な熱量を供給できない場合、ワーク2の粘性が増加する。これに伴い、ワーク2の溶融物排出に要する時間が増加するので、切断面下部に行くほど、加工方向に対してドラグラインが遅れる。この遅れが一定以上になると、加工不良、及び切断不良が発生する。   As the cutting of the workpiece 2 proceeds, the discharge trace of the melt of the workpiece 2 becomes a drag line and appears on the processed cut surface. Since the viscosity of the workpiece 2 has a negative correlation with the temperature, the viscosity of the workpiece 2 increases when a sufficient amount of heat cannot be supplied to the workpiece 2. Along with this, the time required for discharging the melt of the workpiece 2 increases, so that the drag line is delayed with respect to the processing direction as it goes to the lower part of the cut surface. When this delay exceeds a certain level, processing defects and cutting defects occur.

また、加工速度の増加に伴い、ワーク2の温度維持に必要な加工方向後方のレーザ光の照射時間が短くなる。この場合には、ワーク2の粘性が増加し、ドラグラインの遅れが生じ、加工不良が発生する。これを防ぐためにワーク2に照射されるレーザ光の形状を、ワーク2の加工に応じて最適な形状に整形する必要がある。   Further, as the processing speed increases, the irradiation time of the laser beam behind the processing direction necessary for maintaining the temperature of the workpiece 2 is shortened. In this case, the viscosity of the workpiece 2 is increased, the drag line is delayed, and machining failure occurs. In order to prevent this, it is necessary to shape the shape of the laser light applied to the workpiece 2 to an optimum shape according to the processing of the workpiece 2.

そこで、本実施の形態1における整形部210は、最適な照射形状に整形するために、テーパ穴211を含む整形用マスク212と、整形用マスク212に設けられたマスク移動機構部213と、マスク移動機構部213の位置制御を行うマスク移動量制御部214を有している。   Therefore, the shaping unit 210 according to the first embodiment includes a shaping mask 212 including a tapered hole 211, a mask moving mechanism unit 213 provided in the shaping mask 212, and a mask for shaping into an optimal irradiation shape. A mask movement amount control unit 214 that controls the position of the movement mechanism unit 213 is provided.

整形用マスク212は、板状になっており、整形用マスク212の中央部には、加工レンズ200により集光されたレーザ光の光軸(集光光軸)に沿った方向について、加工レンズ200側から照射部30側(ワーク2側)に近付く(ワーク2)につれて連続的に狭くなるテーパ穴211が設けられている。この例では、テーパ穴211の穴形状が、略円形になっているとともに、整形用マスク212の材料としては、レーザ光を反射する高反射材が用いられている。また、整形用マスク212は、マスク移動機構部213により、加工レンズ200との相対位置が変更可能とされている。   The shaping mask 212 has a plate shape, and a processing lens is provided at the center of the shaping mask 212 in the direction along the optical axis (condensing optical axis) of the laser light collected by the processing lens 200. A tapered hole 211 that is continuously narrowed from the 200 side toward the irradiation unit 30 side (work 2 side) (work 2) is provided. In this example, the hole shape of the taper hole 211 is substantially circular, and as the material of the shaping mask 212, a highly reflective material that reflects laser light is used. In addition, the shaping mask 212 can be changed in relative position with the processing lens 200 by the mask moving mechanism unit 213.

マスク移動機構部213は、整形用マスク212に取り付けられている。マスク移動機構部213は、整形用マスク212と加工レンズ200との相対位置を変化させることで、加工レンズ200から集光されたレーザ光の一部をテーパ穴側面211aで反射させる。これにより、基板2上に照射されるレーザ光の形状は、所望の形状となるように変更される。   The mask moving mechanism unit 213 is attached to the shaping mask 212. The mask moving mechanism unit 213 changes a relative position between the shaping mask 212 and the processing lens 200 to reflect a part of the laser light collected from the processing lens 200 at the tapered hole side surface 211a. Thereby, the shape of the laser beam irradiated on the board | substrate 2 is changed so that it may become a desired shape.

マスク移動機構部213には、マスク移動量制御部214が接続されおり、マスク移動機構部213の位置が制御されている。マスク移動量制御部214によって位置制御されることで、加工レンズ200と照射部30との間で、加工レンズ200により集光されたレーザ光全てがテーパ穴211を通り照射部30側に抜ける位置に調整可能となっている。   A mask movement amount control unit 214 is connected to the mask movement mechanism unit 213, and the position of the mask movement mechanism unit 213 is controlled. The position at which all the laser light condensed by the processing lens 200 passes through the tapered hole 211 to the irradiation unit 30 side between the processing lens 200 and the irradiation unit 30 by the position control by the mask movement amount control unit 214. Can be adjusted.

具体的には、マスク移動量制御部214は、整形用マスク212に取り付けられたマスク移動機構部213を制御することで、レーザ光の集光光軸方向と直交する方向(図2中に示した左右方向の両矢印参照)に整形用マスク212を移動させることができる。これにより、マスク移動量制御部214は、基板2の加工内容に応じて整形用マスク212と加工レンズ200との相対位置を変化させる。   Specifically, the mask movement amount control unit 214 controls the mask movement mechanism unit 213 attached to the shaping mask 212 to thereby make a direction (shown in FIG. 2) orthogonal to the laser beam condensing optical axis direction. In addition, the shaping mask 212 can be moved in the left-right direction). Accordingly, the mask movement amount control unit 214 changes the relative position between the shaping mask 212 and the processing lens 200 according to the processing content of the substrate 2.

この結果、マスク移動量制御部214は、集光光軸に対して整形用マスク212のテーパ穴211の中心軸の偏心量(整形用マスク212の移動量に相当)を制御することが可能となり、基板2へ照射するレーザ光量を変えることができ、所望の強度分布を有する照射形状を加工面上に形成できることとなる。   As a result, the mask movement amount control unit 214 can control the amount of eccentricity of the central axis of the tapered hole 211 of the shaping mask 212 (corresponding to the movement amount of the shaping mask 212) with respect to the converging optical axis. The amount of laser light applied to the substrate 2 can be changed, and an irradiation shape having a desired intensity distribution can be formed on the processed surface.

すなわち、マスク移動量制御部214は、整形用マスク212の位置を、集光光軸と直交した平面上で移動させることで、レーザ光の一部をテーパ穴側面211aにあてた上で、照射部側へ抜けさせることができる。   That is, the mask movement amount control unit 214 moves the position of the shaping mask 212 on a plane orthogonal to the condensing optical axis, so that a part of the laser light is applied to the tapered hole side surface 211a and irradiated. It can be pulled out to the part side.

マスク移動量制御部214は、テーパ穴211の中心軸と集光光軸とが一致している状態を基準として、ワーク2の加工内容に応じてテーパ穴211の中心軸と集光光軸との偏心量を決定する。なお、偏心量は、テーパ穴211の中心軸が集光光軸から偏心されることによりレーザ光の一部がテーパ穴側面211aに当たって反射されても、反射されたレーザ光が加工レンズ200側に戻ることなく照射部30側に抜けることが可能な範囲で決定される。   The mask movement amount control unit 214 sets the central axis of the tapered hole 211 and the condensing optical axis according to the processing content of the workpiece 2 with reference to the state where the central axis of the tapered hole 211 and the condensing optical axis coincide with each other. Determine the amount of eccentricity. It should be noted that the amount of eccentricity is such that even if a part of the laser light hits the tapered hole side surface 211a and is reflected by the central axis of the tapered hole 211 being decentered from the condensing optical axis, the reflected laser light is directed to the processing lens 200 side. It is determined within a range where it can escape to the irradiation unit 30 side without returning.

従って、整形用マスク212は、テーパ穴側面211aに当たって反射されたレーザ光も含め、加工レンズ200で集光されたレーザ光の全てがテーパ穴211内を通過する位置に配置されることとなる。なお、マスク移動量制御部214は、テーパ穴211の中心軸と集光光軸との偏心量を、ワーク2の加工に最適な状態になるように、加工中でも適宜変更可能になっている。   Therefore, the shaping mask 212 is disposed at a position where all of the laser light condensed by the processing lens 200 including the laser light reflected by the tapered hole side surface 211 a passes through the tapered hole 211. Note that the mask movement amount control unit 214 can appropriately change the amount of eccentricity between the central axis of the tapered hole 211 and the converging optical axis even during processing so as to be in an optimum state for processing the workpiece 2.

ここで、レーザ光が、整形部210によりワーク2の加工に適した形状に変形される方法について、図面を用いて具体的に説明する。図3は、図2内の整形用マスク212を移動させることで、集光光軸に対してテーパ穴211の中心軸を偏心させた一例を示す拡大図である。また、図4は、図3のA−A線、B−B線、及びC−C線に沿ったレーザ光の照射形状、及びレーザ光エネルギの強度分布を示す説明図である。   Here, a method in which the laser light is deformed into a shape suitable for processing the workpiece 2 by the shaping unit 210 will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 3 is an enlarged view showing an example in which the central axis of the tapered hole 211 is decentered with respect to the light collection optical axis by moving the shaping mask 212 in FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the irradiation shape of the laser light and the intensity distribution of the laser light energy along the lines AA, BB, and CC in FIG.

図3において、整形用マスク212は、マスク移動機構部213により、テーパ穴211の中心軸と集光光軸とが一致している基準の状態に対して矢印Dで示されている加工方向とは反対方向(加工方向後方、図3の左方向)に移動されている。従って、集光光軸に対してテーパ穴211の中心軸が加工方向後方にずれている。これにより、加工レンズ200により集光されたレーザ光の加工方向前方側の一部がテーパ穴側面211aに当たり反射される。このとき、反射されたレーザ光は、傾斜したテーパ穴側面211aにより加工方向後方に反射され、照射部30側に抜ける。   In FIG. 3, the shaping mask 212 has a processing direction indicated by an arrow D with respect to a reference state in which the central axis of the tapered hole 211 coincides with the converging optical axis by the mask moving mechanism unit 213. Is moved in the opposite direction (rear in the processing direction, left direction in FIG. 3). Therefore, the central axis of the tapered hole 211 is shifted rearward in the processing direction with respect to the light collecting optical axis. Thereby, a part of the laser beam condensed by the processing lens 200 on the front side in the processing direction hits and is reflected by the tapered hole side surface 211a. At this time, the reflected laser light is reflected rearward in the processing direction by the inclined tapered hole side surface 211a and exits to the irradiation unit 30 side.

図3のA−A線は、整形用マスク212よりも上方の位置であるので、図4のAに示すように、レーザ光の形状が、加工レンズ200により集光された略円形状のままである。このとき、レーザ光エネルギの強度分布は、円の中心部の強度が強く、円の径方向に行くほど強度が弱くなっている。   Since the AA line in FIG. 3 is a position above the shaping mask 212, as shown in FIG. 4A, the shape of the laser light remains a substantially circular shape condensed by the processing lens 200. It is. At this time, the intensity distribution of the laser beam energy is strong at the center of the circle, and the intensity decreases as it goes in the radial direction of the circle.

また、図3のB−B線、C−C線のそれぞれに対応する図4のB、Cでは、レーザ光は、整形用マスク212のテーパ穴211を通過した後である。従って、加工方向前方のレーザ光が、テーパ穴側面211aに反射されている。これにより、レーザ光の形状は、加工方向後方に伸びる楕円状になる。また、レーザ光の形状は、整形用マスク212から遠ざかるにつれて加工方向後方に伸びた楕円形状になっている。このとき、レーザ光エネルギの強度分布は、加工方向前方側の強度分布の勾配が急峻になっており、加工方向前方側の強度が強いことがわかる。   Further, in FIGS. 4B and C corresponding to the BB line and the CC line in FIG. 3, the laser light has passed through the tapered hole 211 of the shaping mask 212, respectively. Therefore, the laser beam ahead in the processing direction is reflected on the tapered hole side surface 211a. Thereby, the shape of the laser beam becomes an ellipse extending backward in the processing direction. The shape of the laser beam is an elliptical shape extending backward in the processing direction as the distance from the shaping mask 212 increases. At this time, the intensity distribution of the laser beam energy has a steep gradient of the intensity distribution on the front side in the processing direction, and it can be seen that the intensity on the front side in the processing direction is strong.

以上のように、整形部210により整形されたレーザ光は、照射部30から加工ガスとともにワーク2に向けて照射される。   As described above, the laser light shaped by the shaping unit 210 is irradiated toward the workpiece 2 from the irradiation unit 30 together with the processing gas.

次に、レーザ光発振器3から出射されたレーザ光が照射部30から照射される方法について説明する。レーザ光発振器3から出射されたレーザ光は、伝送光学系4を介して加工ヘッド本体10へ伝送される。伝送光学系4を介して伝送されてきたレーザ光は、加工レンズ200により集光される。   Next, a method in which the laser beam emitted from the laser beam oscillator 3 is irradiated from the irradiation unit 30 will be described. The laser light emitted from the laser light oscillator 3 is transmitted to the processing head main body 10 via the transmission optical system 4. The laser beam transmitted through the transmission optical system 4 is collected by the processing lens 200.

このとき、マスク移動量制御部214は、マスク移動機構部213を制御することで、レーザ光の照射形状をワーク2の加工に最適な形状にする。具体的には、マスク移動量制御部214は、整形用マスク212と加工レンズ200との相対位置を変化させて、テーパ穴211の中心軸と集光光軸とを偏心させるようにマスク移動機構部213を制御する。   At this time, the mask movement amount control unit 214 controls the mask movement mechanism unit 213 so as to make the irradiation shape of the laser light optimal for processing the workpiece 2. Specifically, the mask movement amount control unit 214 changes the relative position of the shaping mask 212 and the processing lens 200 to decenter the central axis of the tapered hole 211 and the condensing optical axis. The unit 213 is controlled.

加工レンズ200により集光されたレーザ光は、マスク移動機構部213により移動された整形用マスク212を通過する際に、一部がテーパ穴211に反射して基板2上へ照射されるレーザ光量が変えられる。これと同時に、加工レンズ200により集光されたレーザ光は、所望の強度分布を有する照射形状に変形される。これにより、レーザ光の照射形状は、ワーク2の加工に最適な形状に整形される。整形部210によりワーク2の加工に適した形状に変形されたレーザ光は、照射部30から加工ガスとともにワーク2の加工面2aに照射される。   When the laser beam condensed by the processing lens 200 passes through the shaping mask 212 moved by the mask moving mechanism unit 213, a part of the laser beam is reflected by the tapered hole 211 and irradiated onto the substrate 2. Can be changed. At the same time, the laser beam condensed by the processing lens 200 is transformed into an irradiation shape having a desired intensity distribution. Thereby, the irradiation shape of the laser beam is shaped into an optimum shape for processing the workpiece 2. The laser beam transformed into a shape suitable for processing the workpiece 2 by the shaping unit 210 is irradiated from the irradiation unit 30 onto the processing surface 2a of the workpiece 2 together with the processing gas.

このように、本実施の形態1におけるレーザ加工装置では、レーザ光がテーパ穴側面211aに当たって反射されても、反射されたレーザ光全てが照射部30側に抜けることが可能な構成を備えている。これにより、従来のように、レーザ光整形時にレーザ光のエネルギの一部を遮断してしまうことを無くすことができる。この結果、レーザ光発振器3から出射されたレーザ光全てのエネルギをワーク2の加工に寄与させることができる。さらに、レーザ光全てのエネルギがワーク2の加工に寄与するので、加工速度の高速化を図ることができる。   As described above, the laser processing apparatus according to the first embodiment has a configuration in which even if the laser light hits the tapered hole side surface 211a and is reflected, all the reflected laser light can escape to the irradiation unit 30 side. . As a result, it is possible to eliminate blocking of a part of the energy of the laser beam during the laser beam shaping as in the prior art. As a result, the energy of all the laser beams emitted from the laser beam oscillator 3 can be contributed to the processing of the workpiece 2. Furthermore, since all the energy of the laser beam contributes to the machining of the workpiece 2, the machining speed can be increased.

また、マスク移動機構部213がマスク移動量制御部214によって位置制御されることで、テーパ穴211の中心軸と集光光軸との偏心量をワーク2の加工に最適な状態になるように、加工中でも適宜変更可能になっている。この結果、加工内容に応じて、レーザ光の照射形状を、ワーク2の加工に最適な形状に変更することができる。   Further, the position of the mask moving mechanism unit 213 is controlled by the mask moving amount control unit 214 so that the amount of eccentricity between the central axis of the tapered hole 211 and the converging optical axis becomes an optimum state for processing the workpiece 2. It can be changed as appropriate even during processing. As a result, the irradiation shape of the laser light can be changed to an optimum shape for processing the workpiece 2 according to the processing content.

例えば、ワーク2のピアス加工(穴あけ加工)を行う際には、テーパ穴211の中心軸と集光光軸とが一致した通常の略円形状のレーザ光を用いて行い、切断加工を行う際には、テーパ穴211の中心軸と集光光軸とが偏心され、加工方向に伸張した楕円状のレーザ光を用いて行うことが可能になる。   For example, when performing the piercing process (drilling process) of the workpiece 2, the cutting process is performed by using a normal substantially circular laser beam in which the central axis of the tapered hole 211 coincides with the converging optical axis. In this case, the center axis of the tapered hole 211 and the condensing optical axis are decentered, and it becomes possible to perform using an elliptical laser beam extending in the processing direction.

また、別の事例としては、同一の加工工程において、速度が落ちるコーナ部では、テーパ穴211の中心軸と集光光軸との偏心量を小さくすることができる。これにより、加工方向後方に伸張する割合を抑え、エネルギを狭い範囲に集中させることで、加工速度の低下を抑制することができる。一方、加工速度が速い直線部では、テーパ穴211の中心軸と集光光軸との偏心量を大きくすることができる。これにより、加工方向後方に伸張する割合を増加させることで、ワーク2にあたる照射時間を長くすることできる。この結果、加工速度を高速化しても、ワーク2の加工不良を抑制することができる。   As another example, in the same machining process, the amount of eccentricity between the central axis of the tapered hole 211 and the converging optical axis can be reduced in the corner portion where the speed decreases. Thereby, the reduction | decrease of a processing speed can be suppressed by suppressing the ratio extended | stretched back to a process direction, and concentrating energy in a narrow range. On the other hand, in the straight portion where the processing speed is high, the amount of eccentricity between the central axis of the tapered hole 211 and the converging optical axis can be increased. Thereby, the irradiation time which hits the workpiece | work 2 can be lengthened by increasing the ratio extended | stretched back to a process direction. As a result, processing defects of the workpiece 2 can be suppressed even when the processing speed is increased.

また、テーパ穴側面211aで反射されたレーザ光全てが照射部30側に抜けるように、高反射材により形成された整形用マスク212の加工レンズに対する相対位置を可変制御できる構成を備えている。これにより、従来のような反射対策、及び整形用マスク212の熱負荷対策をとる必要がなくなる。この結果、コストの低減化も図ることができる。   In addition, a configuration is provided in which the relative position of the shaping mask 212 formed of a highly reflective material with respect to the processing lens can be variably controlled so that all of the laser light reflected by the tapered hole side surface 211a passes to the irradiation unit 30 side. As a result, it is not necessary to take a countermeasure against reflection and a countermeasure against the thermal load of the shaping mask 212 as in the prior art. As a result, the cost can be reduced.

さらに、テーパ穴211の中心軸と集光光軸との偏心量をワーク2の加工に応じて最適な状態にするような整形用マスクの位置制御は、加工中でも適宜偏心量を変更させて実行可能となっている。このような位置制御を実現することで、従来のようにレンズ自体を交換しなくても、レーザ光の照射形状を容易に変更することができる。この結果、複数のレンズを用いることでかかるコストを低減化し、作業員によるレンズ交換の手間も省くことができる。   Further, the position control of the shaping mask so that the amount of eccentricity between the central axis of the tapered hole 211 and the converging optical axis is optimized in accordance with the processing of the workpiece 2 is executed by changing the amount of eccentricity appropriately even during processing. It is possible. By realizing such position control, the irradiation shape of the laser light can be easily changed without replacing the lens itself as in the prior art. As a result, the cost can be reduced by using a plurality of lenses, and the labor of exchanging lenses by an operator can be saved.

また、偏心量を適宜変更可能とする本願の技術的特徴は、上述したように、加工の種類、あるいは同一加工中の速度に応じて、適切な偏心量の設定ができる以外の用途も考えられる。例えば、ワーク2の材質、あるいはレーザ光発振器3から出射されるレーザ光のモードと強度分布に応じても、偏心量を適切な値に調整することができる。   Further, as described above, the technical feature of the present application that makes it possible to appropriately change the amount of eccentricity can be used for applications other than setting an appropriate amount of eccentricity according to the type of processing or the speed during the same processing. . For example, the amount of eccentricity can be adjusted to an appropriate value depending on the material of the workpiece 2 or the mode and intensity distribution of the laser beam emitted from the laser beam oscillator 3.

以上のように、実施の形態1によれば、加工レンズに対してテーパ穴を有する整形用マスクの相対位置を、集光光軸と直交した平面上で可変制御する構成を備えている。このような構成を備えることで、全てのレーザ光のエネルギを加工に用いることができるとともに、加工面上におけるレーザ光の照射形状を加工内容に応じて適切に変更することができる。この結果、加工速度の高速化を図り、かつコストの低減化を図ることができる。   As described above, according to the first embodiment, there is provided a configuration in which the relative position of the shaping mask having a tapered hole with respect to the processing lens is variably controlled on a plane orthogonal to the converging optical axis. By providing such a configuration, the energy of all the laser beams can be used for processing, and the irradiation shape of the laser beams on the processing surface can be appropriately changed according to the processing content. As a result, the processing speed can be increased and the cost can be reduced.

実施の形態2.
先の実施の形態1では、加工レンズ200と整形用マスク212との相対位置を調整するにあたって、集光光軸と直交した平面上のみを整形用マスク212が移動可能とする場合について説明した。これに対して、本実施の形態2では、整形用マスク212が集光光軸に沿った方向にも移動可能とする場合について説明する。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the case where the shaping mask 212 can be moved only on a plane orthogonal to the converging optical axis when adjusting the relative position between the processing lens 200 and the shaping mask 212 has been described. On the other hand, in the second embodiment, a case will be described in which the shaping mask 212 is movable in the direction along the condensed optical axis.

図5は、本発明の実施の形態2によるレーザ加工装置1の加工ヘッド本体10を示す拡大図である。図5に示すように、本実施の形態2におけるマスク移動機構部213は、先の実施の形態1の構成に加えて、集光光軸に沿った方向にも整形用マスク212を移動可能とする軸方向移動機構213aをさらに有している。なお、集光光軸に沿った方向の移動量も、マスク移動量制御部214により制御される。その他の構成は、先の実施の形態1と同様である。   FIG. 5 is an enlarged view showing the processing head body 10 of the laser processing apparatus 1 according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, in addition to the configuration of the first embodiment, the mask moving mechanism unit 213 according to the second embodiment can move the shaping mask 212 in the direction along the converging optical axis. It further has an axial movement mechanism 213a. Note that the movement amount in the direction along the condensed optical axis is also controlled by the mask movement amount control unit 214. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

このように、本実施の形態2では、整形用マスク212を集光光軸に沿った方向にも移動可能な軸方向移動機構213aを有している。これにより、加工レンズ200に対する整形用マスク212の距離(すなわち、加工レンズ200と整形用マスク212との集光光軸方向における相対位置に相当)を調整することができる。そして、結果的には、整形用マスク212とワーク2の加工面2aとの距離も変更されることとなる。   As described above, the second embodiment includes the axial movement mechanism 213a that can move the shaping mask 212 also in the direction along the condensed optical axis. Thereby, the distance of the shaping mask 212 with respect to the processing lens 200 (that is, corresponding to the relative position of the processing lens 200 and the shaping mask 212 in the light collecting optical axis direction) can be adjusted. As a result, the distance between the shaping mask 212 and the processed surface 2a of the workpiece 2 is also changed.

これにより、整形用マスク212とワーク2の加工面2aとの距離を、先の実施の形態1の整形用マスク212とワーク2の加工面2aとの距離よりも広げたときには、テーパ穴211で反射して加工面2aに到達するレーザ光の位置が、より加工方向後方にシフトすることとなる。この結果、ワーク2の加工面2a上に照射するレーザ光をより広範囲に拡大することができる。   As a result, when the distance between the shaping mask 212 and the processing surface 2a of the workpiece 2 is wider than the distance between the shaping mask 212 of the first embodiment and the processing surface 2a of the workpiece 2, the tapered hole 211 The position of the laser beam that is reflected and reaches the processing surface 2a is further shifted backward in the processing direction. As a result, the laser beam irradiated onto the processed surface 2a of the workpiece 2 can be expanded in a wider range.

一方、反対に整形用マスク212とワーク2の加工面2aとの距離を、先の実施の形態1の整形用マスク212とワーク2の加工面2aとの距離よりも狭めたときには、テーパ穴211で反射して加工面2aに到達するレーザ光の位置が、より加工方向前方にシフトすることとなる。この結果、ワーク2の加工面2a上に照射するレーザ光をより狭い範囲に集中させることができる。   On the other hand, when the distance between the shaping mask 212 and the processed surface 2a of the workpiece 2 is narrower than the distance between the shaping mask 212 of the first embodiment and the processed surface 2a of the workpiece 2, the tapered hole 211 is provided. Therefore, the position of the laser beam reflected by the laser beam and reaching the processing surface 2a is shifted further forward in the processing direction. As a result, the laser beam irradiated onto the processing surface 2a of the workpiece 2 can be concentrated in a narrower range.

以上のように、実施の形態2におけるレーザ加工装置によれば、先の実施の形態1の構成に加えて、集光光軸に沿った方向にも整形用マスクを移動可能な構成を備えている。このような構成を備えることで、整形用マスクとワークの加工面との距離を調整することができる。この結果、レーザ光の照射形状の伸張/収縮させることができる。さらに、レーザ光の照射形状の伸張/収縮範囲を変更することができるので、レーザ光の形状をワークの加工内容に応じて最適な状態に変更できる。この結果、加工速度の高速化をさらに図ることができる。   As described above, according to the laser processing apparatus in the second embodiment, in addition to the configuration in the first embodiment, the shaping mask can be moved in the direction along the converging optical axis. Yes. By providing such a configuration, the distance between the shaping mask and the work surface of the workpiece can be adjusted. As a result, the irradiation shape of the laser beam can be expanded / contracted. Furthermore, since the expansion / contraction range of the irradiation shape of the laser light can be changed, the shape of the laser light can be changed to an optimum state according to the processing content of the workpiece. As a result, the processing speed can be further increased.

実施の形態3.
先の実施の形態1では、整形用マスク212の位置を、集光光軸と直交した平面上で調整可能とする場合を説明した。また、先の実施の形態2では、整形用マスク212の位置を、集光光軸に沿った方向でもさらに調整可能とする場合を説明した。これに対して、本実施の形態3では、整形用マスクの位置は固定とし、加工レンズ200の位置を可変制御する場合について説明する。
Embodiment 3 FIG.
In the first embodiment, the case where the position of the shaping mask 212 can be adjusted on a plane orthogonal to the light collection optical axis has been described. In the second embodiment, the case where the position of the shaping mask 212 can be further adjusted in the direction along the converging optical axis has been described. On the other hand, in the third embodiment, the case where the position of the shaping mask is fixed and the position of the processing lens 200 is variably controlled will be described.

図6は、本発明の実施の形態3によるレーザ加工装置1の加工ヘッド本体10を示す拡大図である。図6に示すように、整形用マスク212は図示しない固定材により加工ヘッド部20内に固定されている。その一方で、加工レンズ200には、レンズ移動機構部203と、レンズ移動機構部203の位置制御を行うレンズ移動量制御部(集光体移動量制御部)204が設けられている。   FIG. 6 is an enlarged view showing the processing head body 10 of the laser processing apparatus 1 according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the shaping mask 212 is fixed in the processing head unit 20 by a fixing material (not shown). On the other hand, the processing lens 200 is provided with a lens movement mechanism unit 203 and a lens movement amount control unit (condenser movement amount control unit) 204 that controls the position of the lens movement mechanism unit 203.

本実施の形態3において、レンズ移動機構部203は、レーザ光の集光光軸方向と直交する方向(図6中に示した左右方向の両矢印参照)に加工レンズ200を移動させることができる。さらに、集光光軸に沿った方向にも加工レンズを移動可能とする軸方向移動機構203aをさらに有している。   In the third embodiment, the lens moving mechanism unit 203 can move the processing lens 200 in a direction orthogonal to the condensing optical axis direction of the laser light (see the left and right arrows shown in FIG. 6). . In addition, it further includes an axial movement mechanism 203a that allows the processing lens to move in the direction along the converging optical axis.

図7は、図6に示したレンズ移動機構部203の上面図である。図7に示すように、レンズ移動機構部203は、複数(この例では、4つ)の圧電素子203bを有している。各圧電素子203bは、加工レンズ200を中心に互いに距離をおいて配置されている。この例では、各圧電素子203bが加工レンズ200を中心に90度間隔で配置されている。これにより、加工レンズ200は、集光光軸と直交した平面上に移動可能になっている。   FIG. 7 is a top view of the lens moving mechanism unit 203 shown in FIG. As shown in FIG. 7, the lens moving mechanism unit 203 includes a plurality (four in this example) of piezoelectric elements 203b. The piezoelectric elements 203b are arranged at a distance from each other around the processing lens 200. In this example, the piezoelectric elements 203b are arranged at intervals of 90 degrees around the processing lens 200. Thereby, the processing lens 200 is movable on a plane orthogonal to the condensing optical axis.

また、レンズ移動機構部203には、先の実施の形態2で説明した整形用マスク212に設けられた軸方向移動機構213aと同様に、軸方向移動機構203aが設けられている。これにより、加工レンズ200は、集光光軸に沿った方向にも移動可能になっている。軸方向移動機構213aおよび圧電素子203bを備えたレンズ移動機構部203は、先の実施の形態2と同様に、レンズ移動量制御部204に接続されている。   The lens moving mechanism 203 is provided with an axial moving mechanism 203a, similar to the axial moving mechanism 213a provided on the shaping mask 212 described in the second embodiment. Thereby, the processing lens 200 is movable also in the direction along the condensing optical axis. The lens movement mechanism unit 203 including the axial direction movement mechanism 213a and the piezoelectric element 203b is connected to the lens movement amount control unit 204 as in the second embodiment.

レンズ移動量制御部204は、集光光軸と加工レンズの中心軸とが一致している状態を基準として、ワーク2の加工内容に応じて集光光軸と加工レンズ200の中心軸との偏心量を決定する。この偏心量は、加工レンズ200の中心軸が集光光軸から偏心されることにより光軸がずれたレーザ光の一部がテーパ穴側面211aに当たって反射されても、反射されたレーザ光が加工レンズ200側に戻ることなく照射部30側に抜けることが可能な範囲で決定される。   The lens movement amount control unit 204 uses a state in which the condensing optical axis and the central axis of the processing lens coincide with each other as a reference to determine whether the condensing optical axis and the central axis of the processing lens 200 correspond to the processing content of the workpiece 2 Determine the amount of eccentricity. The amount of decentering is such that even if a part of the laser beam whose optical axis is shifted due to the center axis of the processing lens 200 being decentered from the converging optical axis hits the side surface 211a of the tapered hole and is reflected, the reflected laser beam is processed. It is determined within a range in which it can escape to the irradiation unit 30 side without returning to the lens 200 side.

なお、レンズ移動量制御部204は、集光光軸と加工レンズの中心軸との偏心量を、ワーク2の加工に最適な状態になるように、加工中でも適宜変更可能になっている。その他の構成は、先の実施の形態1と同様である。   The lens movement amount control unit 204 can be appropriately changed even during processing so that the amount of eccentricity between the condensing optical axis and the center axis of the processing lens becomes an optimum state for processing the workpiece 2. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

このように、本実施の形態3では、整形用マスク212の位置を固定とする代わりに、加工レンズ200が、集光光軸と直交した平面上と集光光軸に沿った方向とに加工レンズ200を移動可能な構成を備えている。この結果、テーパ穴211の中心軸に対して集光光軸が偏心され、整形用マスク212を移動させた場合と同様の効果を得ることができる。   As described above, in the third embodiment, instead of fixing the position of the shaping mask 212, the processing lens 200 is processed in a plane perpendicular to the converging optical axis and in a direction along the converging optical axis. The lens 200 can be moved. As a result, the condensed optical axis is decentered with respect to the central axis of the tapered hole 211, and the same effect as when the shaping mask 212 is moved can be obtained.

図8は、本発明の実施の形態2におけるレンズ移動量制御部204により加工レンズ200を移動させたことにより、光軸が偏心されたときの加工ガスの噴射を示す模式図である。なお、先の実施の形態1、2で説明したように、マスク移動量制御部214により整形用マスク212を移動させた場合も、この図8の状態となる。   FIG. 8 is a schematic diagram showing the injection of the processing gas when the optical axis is decentered by moving the processing lens 200 by the lens movement amount control unit 204 in the second embodiment of the present invention. As described in the first and second embodiments, the mask moving amount control unit 214 moves the shaping mask 212 as shown in FIG.

図8のAにおいて、テーパ穴211の中心軸と集光光軸とが一致しているとき、照射部30の中央部からレーザ光が照射される。このとき、ワーク2に照射されるレーザ光の形状は、先の実施の形態1の図4のAに示すように略円形となる。従って、円の中心部のエネルギが高くなる。これにより、レーザ光の中央部よりも加工方向前方の領域のワーク2は、加工されていない状態である。このとき、加工ガスの一部は、加工されていないワーク2に当たり、加工方向前方へ拡散されてしまう。すなわち、このように加工方向前方に拡散された加工ガスは、加工に寄与しないので、加工ガスが無駄に消費されてしまう結果となる。   In FIG. 8A, when the central axis of the tapered hole 211 coincides with the converging optical axis, the laser beam is irradiated from the central portion of the irradiation unit 30. At this time, the shape of the laser light applied to the workpiece 2 is substantially circular as shown in FIG. 4A of the first embodiment. Accordingly, the energy at the center of the circle is increased. Thereby, the workpiece | work 2 of the area | region ahead of a process direction rather than the center part of a laser beam is a state which is not processed. At this time, a part of the processing gas hits the workpiece 2 that has not been processed and is diffused forward in the processing direction. That is, since the processing gas diffused forward in the processing direction does not contribute to the processing, the processing gas is wasted.

これに対して、図8のBに示すように、整形部210により光軸を加工方向前方に偏心させて加工を行うとき、照射部30の加工方向前方からレーザ光が照射される。これにより、照射部30の加工方向前方からワーク2の加工が開始される。従って、加工ガスが、加工されていないワーク2にあたり拡散してしまう量を図8のAのときよりも減らすことができ、換言すると、加工方向後方に拡散する加工ガスの割合を増加させることができる。これにより、溶融金属の排出能力が向上し、加工の高速化にも繋げることができる。   On the other hand, as shown in FIG. 8B, when the shaping unit 210 performs machining with the optical axis decentered forward in the machining direction, laser light is emitted from the front of the irradiation unit 30 in the machining direction. Thereby, the process of the workpiece | work 2 is started from the process direction front of the irradiation part 30. FIG. Therefore, the amount that the processing gas diffuses to the workpiece 2 that has not been processed can be reduced as compared with the case of FIG. 8A. In other words, the ratio of the processing gas that diffuses backward in the processing direction can be increased. it can. Thereby, the discharge | emission capability of a molten metal improves and it can also lead to the speeding-up of a process.

以上のように、実施の形態3におけるレーザ加工装置によれば、加工レンズの位置を調整可能な構造を備えている。この構成を備えることで、テーパ穴の中心軸に対して集光光軸を偏心させることができる。この結果、先の実施の形態1、2で説明したような整形用マスクの位置を調整する場合と同様の効果を得ることができる。   As described above, the laser processing apparatus according to the third embodiment has a structure capable of adjusting the position of the processing lens. By providing this configuration, the condensing optical axis can be decentered with respect to the central axis of the tapered hole. As a result, it is possible to obtain the same effect as the case of adjusting the position of the shaping mask as described in the first and second embodiments.

さらに、レーザ光をテーパ穴の加工方向前方に近づけることができるので、加工ガスの消費の無駄を軽減し、コストの低減化を図ることができる。なお、この効果は、先の実施の形態1、2で説明したような整形用マスクの位置を調整する場合でも得ることができる。   Further, since the laser beam can be brought closer to the front of the taper hole in the processing direction, waste of processing gas consumption can be reduced and the cost can be reduced. This effect can be obtained even when the position of the shaping mask as described in the first and second embodiments is adjusted.

なお、上記実施の形態3では、整形用マスク212を固定しているが、加工レンズ200の位置調整と整形用マスク212の位置調整を併用することも可能である。   In the third embodiment, the shaping mask 212 is fixed. However, the position adjustment of the processing lens 200 and the position adjustment of the shaping mask 212 can be used in combination.

また、上記実施の形態3では、加工レンズ200が、レンズ移動機構部203により集光光軸と直交した平面上を移動可能になっているが、移動方法はこれに限るのもではなく、加工レンズ200が、集光光軸と直交した平面上と集光光軸に沿った方向とに移動可能な構成があればよい。例えば、実施の形態1で用いたレンズ移動制御装置により集光光軸に沿った方向に加工レンズ200を移動させてもよい。   In the third embodiment, the processing lens 200 can be moved on a plane perpendicular to the light collection optical axis by the lens moving mechanism 203. However, the moving method is not limited to this, and the processing is not limited to this. It is only necessary that the lens 200 be movable on a plane perpendicular to the light collection optical axis and in a direction along the light collection optical axis. For example, the processing lens 200 may be moved in the direction along the condensed optical axis by the lens movement control device used in the first embodiment.

さらに、上記実施の形態3では、加工レンズ200を移動させて偏心させているが、伝送光学系4の反射ミラー4aのアライメント調整を自動化することによって、加工レンズ200へ入射するレーザ光の光軸を偏心させてもよい。   Further, in the third embodiment, the processing lens 200 is moved and decentered. However, by automating the alignment adjustment of the reflection mirror 4a of the transmission optical system 4, the optical axis of the laser light incident on the processing lens 200 is obtained. May be decentered.

実施の形態4.
先の実施の形態1〜3では、加工ヘッド部20内に整形用マスク212が設けられている場合について説明した。これに対して、本実施の形態4では、整形用マスク212を加工ヘッド部20内に設けるのではなく、整形用マスク212を照射部30と一体構造とした場合について説明する。
Embodiment 4 FIG.
In the first to third embodiments, the case where the shaping mask 212 is provided in the processing head unit 20 has been described. On the other hand, in the fourth embodiment, a case where the shaping mask 212 is not provided in the processing head unit 20 but the shaping mask 212 is integrated with the irradiation unit 30 will be described.

図9は、本発明の実施の形態4によるレーザ加工装置1の加工ヘッド本体10を示す拡大図である。また、図10は、図9の照射部30を示す拡大断面図である。図9に示すように、加工ヘッド部20内には、整形用マスク212が設けられていない。その代わりに、本実施の形態4では、整形用マスク212は、図10に示すように、照射部30と一体となっている。従って、照射部30には、レーザ光を反射する高反射材が用いられている。   FIG. 9 is an enlarged view showing the processing head body 10 of the laser processing apparatus 1 according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view showing the irradiation unit 30 of FIG. As shown in FIG. 9, the shaping mask 212 is not provided in the processing head unit 20. Instead, in the fourth embodiment, the shaping mask 212 is integrated with the irradiation unit 30 as shown in FIG. Therefore, a highly reflective material that reflects laser light is used for the irradiation unit 30.

また、照射部30は、集光光軸に沿った方向について加工レンズ200側からワーク2側に近付くにつれて連続的に狭くなるテーパ穴を有する筒状になっている。その他の構成は、先の実施の形態3と同様である。   In addition, the irradiation unit 30 has a cylindrical shape having a tapered hole that continuously narrows from the processing lens 200 side toward the work 2 side in the direction along the condensing optical axis. Other configurations are the same as those of the third embodiment.

照射部30に対して高強度のレーザ光を照射する場合、照射部30自身が加工されてしまうことが懸念される。しかし、照射部30内部のテーパ穴側面211aに照射されるレーザ光は、レーザ光の裾の部分であるため、強度が低くなり、照射部30自身が加工されてしまうことは無い。   When irradiating the irradiation unit 30 with high-intensity laser light, there is a concern that the irradiation unit 30 itself is processed. However, since the laser beam irradiated to the tapered hole side surface 211a inside the irradiation unit 30 is a skirt portion of the laser beam, the intensity is lowered and the irradiation unit 30 itself is not processed.

以上のように、実施の形態4におけるレーザ加工装置によれば、噴射部と整形用マスクとを一体としている。このような構成を備えることで、整形用マスクを別途製造する手間が省ける。この結果、コストの低減化を図ることができるとともに、加工ヘッド本体を軽量化することができる。   As described above, according to the laser processing apparatus in the fourth embodiment, the injection unit and the shaping mask are integrated. By providing such a configuration, the trouble of separately manufacturing a shaping mask can be saved. As a result, the cost can be reduced and the processing head body can be reduced in weight.

なお、各上記実施の形態では、ワーク2に金属が用いられているが、これに限るものではない。例えば、樹脂、セラミック、及びガラス等を用いてもよい。   In each of the above embodiments, metal is used for the work 2, but is not limited thereto. For example, resin, ceramic, glass, or the like may be used.

また、各上記実施の形態では、整形用マスク212を高反射材で成形しているが、少なくともテーパ穴側面211aが高反射材であればよい。従って、テーパ穴側面211aに高反射材がコーティングされているものでもよい。   In each of the above embodiments, the shaping mask 212 is formed of a highly reflective material, but at least the tapered hole side surface 211a may be a highly reflective material. Therefore, the taper hole side surface 211a may be coated with a highly reflective material.

さらに、各上記実施の形態では、加工レンズ200に集光レンズを用いているが、方物面鏡等の反射型の光学素子を用いても良い。   Further, in each of the above-described embodiments, a condensing lens is used as the processing lens 200, but a reflective optical element such as a rectangular mirror may be used.

また、上記実施の形態1〜3では、整形部210を加工レンズ200と照射部30との間に配置しているが、整形部210をレーザ光発振器3と加工レンズ200との間に配置してもよい。   In Embodiments 1 to 3, the shaping unit 210 is disposed between the processing lens 200 and the irradiation unit 30, but the shaping unit 210 is disposed between the laser light oscillator 3 and the processing lens 200. May be.

また、整形用マスク212と加工レンズ200との相対位置を変化させる機構部及び制御部は、整形用マスク212と加工レンズ200との少なくともいずれか一方に設けられていればよく、組み合わせは各上記実施の形態に限定するものではない。   Moreover, the mechanism part and control part which change the relative position of the shaping mask 212 and the process lens 200 should just be provided in at least any one of the shaping mask 212 and the process lens 200, and the combination is each said. The present invention is not limited to the embodiment.

1 レーザ加工装置、2 ワーク(基板)、2a 加工面、3 レーザ光発振器、4 伝送光学系、4a 反射ミラー、5 ガス供給装置、5a ガスボンベ、5b ガスパイプ、10 加工ヘッド本体、20 加工ヘッド部、30 照射部、200 加工レンズ(集光体)、203 レンズ移動機構部、203a 軸方向移動機構、203b 圧電素子、204 レンズ移動量制御部、210 レーザ形状整形部、211 テーパ穴、211a テーパ穴側面、212 整形用マスク、213 マスク移動機構部、213a 軸方向移動機構、214 マスク移動量制御部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser processing apparatus, 2 Workpiece | work (board | substrate), 2a Processing surface, 3 Laser light oscillator, 4 Transmission optical system, 4a Reflection mirror, 5 Gas supply apparatus, 5a Gas cylinder, 5b Gas pipe, 10 Processing head main body, 20 Processing head part, 30 irradiation unit, 200 processing lens (condenser), 203 lens movement mechanism unit, 203a axial movement mechanism, 203b piezoelectric element, 204 lens movement amount control unit, 210 laser shape shaping unit, 211 taper hole, 211a side surface of taper hole , 212 Shaping mask, 213 Mask moving mechanism, 213a Axial moving mechanism, 214 Mask moving amount controller.

Claims (9)

レーザ光を出射するレーザ光発振器、
上記レーザ光を加工対象である基板に向けて集光させる集光体、
上記集光体と上記基板との間に配置され、上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸に沿った方向について上記基板に近付くにつれて連続的に狭くなるテーパ穴が形成され、上記集光体により集光された上記レーザ光の一部を上記テーパ穴の側面で反射させて上記基板へ照射することで上記基板上の照射形状を整形する整形用マスク、
上記集光体及び上記整形用マスクの少なくともいずれか一方に設けられ、上記集光体により集光された上記レーザ光の一部を上記テーパ穴の側面で反射させて上記基板へ照射することで上記基板状上に照射される上記照射形状が所望の強度分布を有する形状となるように、上記集光体と上記整形用マスクとの相対位置を変化可能にした機構部、及び
上記整形用マスクにより整形された上記レーザ光を上記基板に照射する照射部
を備える
レーザ加工装置。
A laser oscillator that emits laser light,
A condenser for condensing the laser beam toward a substrate to be processed;
A tapered hole is formed which is disposed between the light collector and the substrate and continuously narrows as it approaches the substrate in the direction along the optical axis of the laser light collected by the light collector, A shaping mask for shaping the irradiation shape on the substrate by reflecting a part of the laser beam condensed by the condenser on the side surface of the tapered hole and irradiating the substrate;
A part of the laser beam, which is provided on at least one of the light collector and the shaping mask and is condensed by the light collector, is reflected by the side surface of the tapered hole and irradiated onto the substrate. A mechanism part capable of changing a relative position between the light collector and the shaping mask so that the irradiation shape irradiated on the substrate has a desired intensity distribution; and the shaping mask A laser processing apparatus comprising: an irradiation unit configured to irradiate the substrate with the laser beam shaped by step (b).
上記機構部に接続され、上記基板の加工内容に応じて上記相対位置を変化させ、上記テーパ穴の側面で反射させて上記基板へ照射するレーザ光量を変えることで、上記基板上に照射される上記照射形状が所望の強度分布を有する形状となるように、上記機構部の位置制御を行う移動量制御部
をさらに有する
請求項1に記載のレーザ加工装置。
Irradiated on the substrate by changing the relative position according to the processing content of the substrate and changing the amount of laser light reflected on the side surface of the tapered hole and irradiated on the substrate. The laser processing apparatus according to claim 1, further comprising a movement amount control unit that performs position control of the mechanism unit so that the irradiation shape has a desired intensity distribution.
上記機構部は、上記整形用マスクに設けられ、上記整形用マスクを上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸に対して直交する平面上で移動可能にしたマスク移動機構部であり、
上記移動量制御部は、上記基板上に照射される上記照射形状が上記所望の強度分布を有する形状となるように、上記マスク移動機構部の位置制御を行うことで、上記整形用マスクを上記平面上で移動させる、
請求項2に記載のレーザ加工装置。
The mechanism part is a mask moving mechanism part provided on the shaping mask and configured to be movable on a plane orthogonal to the optical axis of the laser beam condensed by the condenser. Yes,
The movement amount control unit controls the position of the mask movement mechanism unit so that the irradiation shape irradiated on the substrate has a shape having the desired intensity distribution, thereby removing the shaping mask. Move on a plane,
The laser processing apparatus according to claim 2.
上記マスク移動機構部は、上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸に沿った方向である軸方向に上記整形用マスクを変位可能にした軸方向移動機構をさらに有し、
上記移動量制御部は、上記基板上に照射される上記照射形状が上記所望の強度分布を有する形状となるように、上記マスク移動機構部の位置制御を行うことで、上記整形用マスクを上記平面上及び上記軸方向で移動させる
請求項3に記載のレーザ加工装置。
The mask moving mechanism unit further includes an axial direction moving mechanism that enables the shaping mask to be displaced in an axial direction that is a direction along the optical axis of the laser beam collected by the light collector,
The movement amount control unit controls the position of the mask movement mechanism unit so that the irradiation shape irradiated on the substrate has a shape having the desired intensity distribution, thereby removing the shaping mask. The laser processing apparatus according to claim 3, wherein the laser processing apparatus is moved on a plane and in the axial direction.
上記機構部は、上記集光体に設けられ、上記集光体を上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸に対して直交する平面上で移動可能にしたレンズ移動機構部であり、
上記移動量制御部は、上記基板上に照射される上記照射形状が上記所望の強度分布を有する形状となるように、上記レンズ移動機構部の位置制御を行うことで、上記集光体を上記平面上で移動させ、上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸をずらす
請求項1〜請求項4に記載のレーザ加工装置。
The mechanism unit is a lens moving mechanism unit that is provided on the light collector and is movable on a plane orthogonal to the optical axis of the laser beam condensed by the light collector. Yes,
The movement amount control unit controls the position of the lens moving mechanism unit so that the irradiation shape irradiated on the substrate has a shape having the desired intensity distribution, thereby allowing the condenser to The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the laser beam is moved on a plane and the optical axis of the laser beam condensed by the condenser is shifted.
上記レンズ移動機構部は、上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸に沿った方向である軸方向に上記整形用マスクを変位可能にした軸方向移動機構をさらに有し、
上記移動量制御部は、上記基板上に照射される上記照射形状が上記所望の強度分布を有する形状となるように、上記レンズ移動機構部の位置制御を行うことで、上記集光体を上記平面上及び上記軸方向で移動させ、上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸をずらす
請求項5に記載のレーザ加工装置。
The lens moving mechanism unit further includes an axial moving mechanism that enables the shaping mask to be displaced in an axial direction that is a direction along the optical axis of the laser light condensed by the condenser.
The movement amount control unit controls the position of the lens moving mechanism unit so that the irradiation shape irradiated on the substrate has a shape having the desired intensity distribution, thereby allowing the condenser to The laser processing apparatus according to claim 5, wherein the laser beam is moved in a plane and in the axial direction, and the optical axis of the laser beam condensed by the condenser is shifted.
上記整形用マスクは、上記照射部と一体となっている
請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the shaping mask is integrated with the irradiation unit.
上記整形用マスクは、上記テーパ穴が高反射材で形成されている
請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the shaping mask has the tapered hole formed of a highly reflective material.
レーザ光を出射するレーザ光発振器、
上記レーザ光を加工対象である基板に向けて集光させる集光体、
上記集光体と上記基板との間に配置され、上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸に沿った方向について上記基板に近付くにつれて連続的に狭くなるテーパ穴が形成され、上記集光体により集光された上記レーザ光の一部を上記テーパ穴の側面で反射させて上記基板へ照射することで上記基板上の照射形状を整形する整形用マスク、
上記集光体及び上記整形用マスクの少なくともいずれか一方に設けられ、上記集光体と上記整形用マスクとの相対位置を変化可能にした機構部、
上記整形用マスクにより整形された上記レーザ光を上記基板に照射する照射部、及び
上記機構部の位置制御を行う移動量制御部
を備えたレーザ加工装置に適用されるレーザ加工方法であって、
上記移動量制御部において、上記基板の加工内容に応じて上記相対位置を変化させ、上記テーパ穴の側面で反射させて上記基板へ照射するレーザ光量を変えることで、上記基板上に照射される上記照射形状が所望の強度分布を有する形状となるように、上記機構部の上記位置制御を行うステップを有する
レーザ加工方法。
A laser oscillator that emits laser light,
A condenser for condensing the laser beam toward a substrate to be processed;
A tapered hole is formed which is disposed between the light collector and the substrate and continuously narrows as it approaches the substrate in the direction along the optical axis of the laser light collected by the light collector, A shaping mask for shaping the irradiation shape on the substrate by reflecting a part of the laser beam condensed by the condenser on the side surface of the tapered hole and irradiating the substrate;
A mechanism that is provided on at least one of the light collector and the shaping mask, and that allows a relative position between the light collector and the shaping mask to be changed;
A laser processing method applied to a laser processing apparatus including an irradiation unit that irradiates the substrate with the laser light shaped by the shaping mask, and a movement amount control unit that performs position control of the mechanism unit,
In the movement amount control unit, the relative position is changed according to the processing content of the substrate, and the amount of laser light irradiated to the substrate by being reflected by the side surface of the tapered hole is changed to be irradiated onto the substrate. The laser processing method which has the step which performs the said position control of the said mechanism part so that the said irradiation shape may become a shape which has desired intensity distribution.
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CN111098043A (en) * 2020-01-19 2020-05-05 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 Water-guided laser processing device and processing system

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