JP2020028883A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工精度と生産性との低下を抑制することができるレーザ加工方法及びレーザ加工を提供する。【解決手段】加工対象物を第１方向Ｘに移動させる駆動ステージ１０２に保持し、次いで、駆動ステージにより加工対象物を第１方向に移動させつつ、ガルバノスキャナ２０２により、ガルバノスキャナとｆθレンズ２０３とを通過して加工対象物に照射するレーザ光Ｌを、加工対象物に対して、加工予定線４０２ａの一部の同一直線上で、第１方向と第１方向の逆方向とに３回以上往復移動させて走査する。レーザ光の走査の線速度Ｖ０は相対的に一定に制御し、往路及び復路走査での線速度Ｖ０は往路走査速度Ｖｓ１と加工対象物の移動速度Ｖｔとの差及び復路走査速度Ｖｓ２と移動速度Ｖｔとの差であり、移動速度Ｖｔ＝（Ｖｓ１−Ｖｓ２）／２、往路走査速度Ｖｓ１＞復路走査速度Ｖｓ２、走査速度Ｖｓ＞２×移動速度Ｖｔである。【選択図】 図４

Description

本発明は、例えば樹脂フィルムなどの加工対象物のレーザ切断加工における、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関するものである。

レーザ照射による様々な加工対象物（すなわち、ワーク）の切断及び穴あけ等の加工方法及び装置が既に知られている。

レーザ加工装置は、主に駆動ステージと、ガルバノスキャナと、レーザ発振器と、光学系部品とで構成されており、照射されたレーザを集光レンズに通し、ワークに焦点位置を合わせることで加工を施す方法が一般的である。また、２次元的な方向の加工には、駆動軸を持つステージ又はガルバノスキャナで、任意の軌跡を走査する方法がある。

例えば、ガルバノスキャナのみでレーザ光を走査する方法がある。この場合、ガルバノスキャナ走査速度が速い為、ワークの熱影響を低減でき、高品質な加工を実現できる。

また、前記方法に加えて、駆動ステージをピッチ移動させて加工する方法がある。この場合、大面積なワーク及び加工において効果的である。このように、色々な技術が提案されている。

近年では、高速及び高品質を目的として、駆動ステージ及びガルバノスキャナを組合せて協調制御して加工する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−１９６６５２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ｆθレンズの走査領域より大きい領域の大面積を加工するためには、以下のように動作している。まず、加工対象物をｆθレンズの走査領域の範囲で区切る。次いで、停止した駆動ステージ上の加工対象物の第１加工領域をレーザ加工する。その後、駆動ステージを駆動し、第１加工領域の隣の第２加工領域に加工対象物を移動する。その後、停止し加工対象物の第２加工領域にレーザ加工する。次いで、順次、これらの加工動作を繰り返す。つまり、駆動ステージを加工ピッチ分だけ繰返し移動させて加工させるステップ＆リピート方式で加工する必要がある。その為、走査範囲の境界において、加工痕に継ぎ目が発生し、過加工又は加工不足による、加工精度と生産性とが低下する課題を有している。

従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、加工精度と生産性との低下を抑制することができるレーザ加工方法及びレーザ加工を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかるレーザ加工方法は、
レーザ光を走査する走査領域より、加工領域が大きい加工対象物をレーザ加工するレーザ加工方法において、
前記加工対象物を第１方向に移動させる第１駆動装置に保持し、
次いで、前記第１駆動装置により前記加工対象物を前記第１方向に移動させつつ、ガルバノスキャナにより、前記ガルバノスキャナとｆθレンズとを通過して前記加工対象物に照射する前記レーザ光を、前記加工対象物に対して、前記第１方向と前記第１方向の逆方向とに往復移動させて走査するとき、
前記加工対象物の移動速度をＶｔとし、前記レーザ光の走査速度をＶｓとし、前記加工対象物を前記移動速度Ｖｔで移動させつつ、前記加工対象物の加工予定線の一部の同一直線上で、前記走査速度Ｖｓで前記レーザ光を連続して３回以上往復走査して前記レーザ光を照射し、
前記レーザ光の走査の線速度Ｖ_０は相対的に一定になるように制御部で制御され、前記走査速度Ｖｓによる前記往復走査のうち、往路走査のガルバノスキャナ往路走査速度をＶｓ_１とするとともに復路走査のガルバノスキャナ復路走査速度Ｖｓ_２とすると、
前記往路走査での前記線速度Ｖ_０は、
Ｖ_０＝Ｖｓ_１−Ｖｔ であり、
前記復路走査での前記線速度Ｖ_０は、
Ｖ_０＝Ｖｓ_２＋Ｖｔ であり、
前記線速度Ｖ_０は、相対的に一定に制御することから、
Ｖｔ＝（Ｖｓ_１−Ｖｓ_２）／２ であり、
前記ガルバノスキャナは、前記ガルバノスキャナ復路走査速度Ｖｓ_２より前記ガルバノスキャナ往路走査速度Ｖｓ_１が速く、Ｖｓ_１＞Ｖｓ_２ であり、
前記移動速度Ｖｔより前記ガルバノスキャナの前記走査速度Ｖｓが、２倍以上速く、Ｖｓ＞２Ｖｔ である、
レーザ加工方法を提供する。

以上のように、本発明の前記態様によれば、加工精度と生産性との低下を抑制することができて、加工対象物上に、任意の形状かつ、より広範囲で大面積を高速で継ぎ目のない均質な加工ができる。

本発明の実施の形態における設備構成の説明図 本発明の実施の形態における図１の詳細光学系の説明図 本発明の実施の形態における加工対象物の説明図 本発明の実施の形態におけるレーザ加工の軌跡の説明図 本発明の実施の形態におけるレーザ光走査の説明図 本発明の実施の形態におけるガルバノスキャナ往復動作の説明図 本発明の実施の形態におけるレーザ光走査に伴う加工深さの説明において、上側は平面図であり、下側は断面図として表した説明図 本発明の実施の形態におけるレーザ光走査に伴う加工深さにおいて、往復動作回数Ｎ＝１の動作における加工対象物の平面と断面の説明図 本発明の実施の形態におけるレーザ光走査に伴う加工深さにおいて、往復動作回数Ｎ＝２の動作における加工対象物の平面と断面の説明図 本発明の実施の形態におけるレーザ光走査に伴う加工深さにおいて、往復動作回数Ｎ＝３の動作における加工対象物の平面と断面の説明図 本発明の実施の形態におけるレーザ光走査に伴う加工深さにおいて、往復動作回数Ｎ＝４の動作における加工対象物の平面と断面の説明図 本発明の実施の形態におけるレーザ光走査に伴う加工深さにおいて、往復動作回数Ｎ＝５の動作における加工対象物の平面と断面の説明図 本発明の実施の形態における加工端のオーバーラップ量の説明において、上側は平面図であり、下側は断面図として表した説明図 本発明の実施の形態におけるｆθレンズ最大走査範囲及びレーザ光走査軌跡の説明図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態のレーザ加工装置９０の構成についての図である。

レーザ加工装置９０を使用するレーザ加工方法は、レーザ光Ｌを走査する走査領域４０１（図４参照）より、加工領域（図４の走査軌跡４０２及び加工予定線４０２ａを参照）が大きい加工対象物１０１をレーザ加工する方法である。ここでは、レーザ光Ｌを走査させて走査軌跡４０２を生成するが、走査軌跡４０２を生成する線を、加工予定線４０２ａと称する。

レーザ加工装置９０は、少なくとも、第１駆動装置の例としての加工対象物用の駆動ステージ１０２と、レーザ出射部と、ガルバノスキャナ２０２と、ｆθレンズ２０３と、第２駆動装置の例としての走査用の駆動ステージと、制御部１００とを備えている。

加工対象物用の駆動ステージは、一例として、Ｘ軸駆動ステージ１０２である。図１において、Ｘ軸駆動ステージ１０２は基台９１に配置され、加工対象物１０１はＸ軸駆動ステージ１０２に保持されて、Ｘ軸駆動ステージ１０２の駆動により加工対象物１０１がＸ軸方向に進退移動する。

ガルバノスキャナ２０２及びｆθレンズ２０３とは加工ヘッド１０３に備えられている。

走査用の駆動ステージは、一例として、少なくとも、Ｙ軸駆動ステージ１０５で構成されている。好ましくは、レーザ光用の駆動ステージは、Ｚ軸駆動ステージ１０４をさらに備えても良い。Ｙ軸駆動ステージ１０５とＺ軸駆動ステージ１０４とは基台９１に配置されている。詳しくは、Ｙ軸駆動ステージ１０５は、基台９１に固定された逆Ｕ字状の門柱１０６に取付けられている。

加工ヘッド１０３はＺ軸駆動ステージ１０４に支持されて、Ｚ軸駆動ステージ１０４の駆動により加工ヘッド１０３がＸ軸及びＹ軸と交差するＺ軸の方向に進退移動する。また、Ｚ軸駆動ステージ１０４はＹ軸駆動ステージ１０５に支持されて、Ｙ軸駆動ステージ１０５の駆動によりＺ軸駆動ステージ１０４とともに加工ヘッド１０３がＸ軸と交差するＹ軸の方向に進退移動する。

なお、別の例として、加工対象物用の駆動ステージがＹ軸駆動ステージで、走査用の駆動ステージがＸ軸駆動ステージで構成するようにしてもよい。

ガルバノスキャナ２０２は、Ｘ軸用及びＹ軸用のガルバノミラー２０２ａ，２０２ｂと、ガルバノミラー２０２ａ，２０２ｂの傾斜角度を調整する軸回転用モータ２０２ｃ，２０２ｄと、軸回転用モータ２０２ｃ，２０２ｄを駆動制御する回転角制御部２０２ｅとで構成されている。

Ｘ軸駆動ステージ１０２及びＹ軸駆動ステージ１０５は、動作速度を十分に確保できる能力を持つ（例えば、５００ｍｍ／ｓｅｃ以上）ような構成としている。本実施の形態では、一例として、Ｘ軸駆動ステージ１０２及びＹ軸駆動ステージ１０５は、それぞれ、駆動制御部（図示せず）で駆動制御されるリニアモータ（図示せず）と、リニアモータで進退移動するガイド（図示せず）とで構成している。

Ｚ軸駆動ステージ１０４は、レーザ光照射のフォーカス調整の為に使用し、前記のような高速駆動する能力を満たす必要はなく、繰り返し位置決め精度を確保できる構成にする。本実施の形態では、Ｚ軸駆動ステージ１０４の一例として、駆動制御部（図示せず）で駆動制御されるサーボモータ（図示せず）と、ボールネジ（図示せず）と、ガイド（図示せず）とで構成し、サーボモータの正逆回転駆動でボールネジが正逆回転し、ボールネジにねじで連結されたガイドがボールネジの軸方向すなわちＺ軸方向に進退移動する。ガイドには、加工ヘッド１０３が支持されている。

尚、Ｙ軸駆動ステージ１０５は、前記構成を満たすものであれば、Ｘ軸駆動ステージ１０２上に配置するなど、加工ヘッド１０３を駆動しない構成とすることもできる。すなわち、この場合は、加工対象物用の駆動ステージがＸ軸駆動ステージ１０２及びＹ軸駆動ステージ１０５で構成され、走査用の駆動ステージがＺ軸駆動ステージ１０４で構成されることになる。

制御部１００は、レーザ出射部と、Ｘ軸駆動ステージ１０２の駆動制御部と、Ｙ軸駆動ステージ１０５の駆動制御部と、Ｚ軸駆動ステージ１０４の駆動制御部と、ガルバノスキャナ２０２の回転角制御部２０２ｅとのそれぞれを制御して、協調制御を行いつつレーザ加工を実施するように制御する。

図２は、図１の一部の構成の詳細図である。レーザ出射部の一例としてのレーザ発振器２０１よりガルバノスキャナ２０２のガルバノミラー２０２ａ，２０２ｂにレーザ光Ｌが照射される。レーザ発振器２０１から照射されたレーザ光Ｌは、ガルバノスキャナ２０２のガルバノミラー２０２ａとガルバノミラー２０２ｂとで反射されて、ｆθレンズ２０３で集光される。ｆθレンズ２０３で集光されたレーザ光Ｌは、ｆθレンズ２０３を透過して加工対象物１０１に照射され、加工対象物１０１を加工する。その際、Ｘ軸駆動ステージ１０２とガルバノスキャナ２０２とＹ軸駆動ステージ１０５とで任意の加工予定線４０２ａを走査することで、所定の走査軌跡４０２を形成して所定の形状に切断して切断品３０１を得ることができる。本実施の形態では、Ｘ軸駆動ステージ１０２とガルバノスキャナ２０２とを制御部１００で協調制御するので、前記動作を実現することができる。

尚、前記制御部１００は、Ｘ軸駆動ステージ１０２に限らず、Ｙ軸駆動ステージ１０５に関しても、Ｘ軸駆動ステージ１０２と同様に協調制御を実施する。

図３より、レーザ光Ｌによる加工は、加工対象物１０１より、所定の切断形状の切断品３０１に切り出される。

尚、図３は大面積の加工対象物から複数形状の切断品を切り出す方法であるが、これに限らず、小面積の加工対象物から１形状の切断品を切り出す等、切り出しの形態は様々である。

また、切断品３０１の大きさは、図４に示すようにガルバノスキャナ２０２の走査領域４０１より大きい加工領域であり、Ｘ軸駆動ステージ１０２またはＹ軸駆動ステージ１０５を加工予定線４０２ａに沿って走査しながら、同加工予定線４０２ａ上を同時系列でガルバノスキャナ２０２を制御部１００で協調制御して動作させる。

制御部１００は、
レーザ光Ｌが任意の形状の加工予定線４０２ａを一定の速度及び一方向に走査できるように、Ｘ軸駆動ステージ１０２及びＹ軸駆動ステージ１０５のそれぞれの駆動制御部で制御しつつ、ガルバノスキャナ２０２の回転角制御部２０２ｅで、同加工予定線４０２ａ上を走査領域４０１内でガルバノスキャナ２０２を往復動作させながら、相対的な線速が一定になるように制御する。

レーザ発振器２０１は、超短パルス（例えばピコ秒〜フェムト秒）、及び、最大周波数１ＭＨｚ以上でレーザ光Ｌを発振する。レーザ発振器２０１からのレーザ光Ｌは、加工対象物１０１の加工予定線４０２ａに照射するまでは、複数枚の反射ミラー（図示せず）及びガルバノスキャナ２０２によりレーザ光Ｌを空間伝送され、集光レンズはｆθレンズ２０３を用いる。

尚、加工対象物１０１の材質及び加工方法は、加工の内容により、レーザ発振器２０１の波長、出力、又はパラメータ設定等は、適宜なものでよい。例えば、金属系材料では、レーザ波長は１０６４ｎｍ付近を使用するのが良い。

ガルバノスキャナ２０２は、往復動作すなわち往復走査の走査速度を十分に確保できる能力を持つもの（例えば、５０００ｍｍ／ｓｅｃ程度の走査速度を持つガルバノスキャナ）とし、反射ミラーとしてのガルバノミラー２０２ａ，２０２ｂは、前記レーザ発振器２０１の波長帯、パワー、及びビーム径などの条件に合ったものを選定する。ガルバノミラー２０２ａ，２０２ｂ以外の他の反射ミラー、光学系部材（例えばコリメータレンズ及びビームエキスパンダーなど）についても、前記条件を満たすもので構成する。

尚、ガルバノスキャナ２０２の構成は、ポリゴンミラー、又は、ピエゾ素子等の単体もしくは２軸構成で反射ミラーとしてガルバノミラー２０２ａ，２０２ｂを有した構成とすることができる。

ｆθレンズ２０３は、要求される加工精度に合わせてＦ値が４５以上で１１０以下のものを使用する。Ｆ値が小さいほどより高精度、Ｆ値が大きくなるほど生産性に優れる。また、ｆθレンズ２０３の焦点距離及び光束の直径は、選定したＦ値のｆθレンズ２０３を参照して、ビームエキスパンダー及びコリメータレンズを使用して光束口径は理論値になるように構成する。

図５は、本発明の実施の形態における、レーザ加工装置９０を使用したレーザ加工方法を示す図である。

本実施の形態は、レーザ走査領域４０１より加工領域が大きい加工対象物１０１をレーザ加工する加工方法で、Ｘ軸駆動ステージ１０２及びＹ軸駆動ステージ１０５を動作させると同時にガルバノスキャナ２０２でレーザ光Ｌを走査することで、継ぎ目の影響なく、加工できる。また、制御部１００の制御の下に、レーザ光Ｌの走査の線速度Ｖ_０を相対的に一定にするように制御することで、生産性の高い加工が実現できる。

レーザ走査の線速度を一定にする為に、Ｘ軸駆動ステージ１０２の駆動ステージ走査５０１とガルバノスキャナ２０２のガルバノスキャナ走査５０２とを制御部１００で協調制御する。駆動ステージ走査５０１では、与えられたレーザ光Ｌの加工予定線４０２ａを一方向（例えば図５の上方向）で走査し、同時系列で駆動ステージの加工予定線４０２ａ上を、ガルバノスキャナ２０２で反射したレーザ光Ｌが複数回往復で走査する。図５では、駆動ステージ走査５０１とガルバノスキャナ走査５０２との協調制御の結果としての同期走査の軌跡５０３を示すとともに、同期走査軌跡分解イメージ５０４も示している。

ガルバノスキャナ走査５０２におけるレーザ光Ｌの走査線速度Ｖ_０は、相対的に一定になるように制御部１００でガルバノスキャナ２０２の駆動が制御される。

ここで、与えられた加工予定線４０２ａを一方向に進むＸ軸駆動ステージ１０２の駆動ステージ速度をＶｔとし、Ｘ軸駆動ステージ１０２の移動方向（例えば図１の手前側に向けた方向）と同じ方向に進むガルバノスキャナ２０２のガルバノスキャナ往路走査速度をＶｓ_１とし、Ｘ軸駆動ステージ１０２の移動する方向を第１方向とする。このとき、走査線速度Ｖ_０は
Ｖ_０ ＝ Ｖｓ_１ − Ｖｔ
となる。

また、Ｘ軸駆動ステージ１０２の移動方向として、与えられた加工予定線４０２ａを一方向に進む駆動ステージ速度をＶｔとし、Ｘ軸駆動ステージ１０２の前記移動方向と逆方向に進むガルバノスキャナ２０２のガルバノスキャナ復路走査速度をＶｓ_２とし、前記逆方向を第２方向（すなわち、第１方向と逆方向）とする。このとき、走査線速度Ｖ_０は
Ｖ_０ ＝ Ｖｓ_２ ＋ Ｖｔ
となる。

ここで、ガルバノスキャンは、Ｘ軸駆動ステージ１０２の前記移動方向である第１方向とは逆方向に走査する第２方向より、Ｘ軸駆動ステージ１０２と同じ方向に走査する第１方向の方が、速い。このため、
Ｖｓ_１ ＞ Ｖｓ_２である。

走査線速度Ｖ_０は、制御部１００で相対的に一定になるように制御部１００で制御されるので、
Ｖｓ_１ − Ｖｔ ＞ Ｖｓ_２ ＋ Ｖｔ
であり、
（Ｖｓ_１ − Ｖｓ_２） ／ Ｖｔ ＞２
となる。

したがって、Ｘ軸駆動ステージ１０２の駆動ステージ速度（すなわち移動速度）Ｖｔより、ガルバノスキャナ２０２の走査速度Ｖｓが２倍以上速くなることになる。

尚、図５は、直線形状で説明しているが、直角又は円弧を有する形状においても、同様の考え方である。

このような加工方法によれば、Ｘ軸駆動ステージ１０２により加工対象物１０１をＸ軸の方向に移動させつつ、ガルバノスキャナ２０２により、ガルバノスキャナ２０２とｆθレンズ２０３とを通過して加工対象物１０１に照射するレーザ光りを、加工対象物１０１に対して、Ｘ軸方向沿いの第１方向と前記第１方向の逆方向の第２方向とに往復移動させて走査することができる。従って、レーザ発振器２０１の照射パワーを比較的小さく（例えば、従来の２０％程度に）設定することができて、レーザ加工時の加工対象物１０１への熱影響が小さくなる。また、走査速度を高速に複数回往復走査する為、レーザ発振器２０１の照射パワーが小さくても、レーザ加工における切削量は大きいので、加工時間を短縮する効果がある。例えば、走査距離が約３９１ｍｍで６インチ相当の加工対象物の場合には、従来より１．５〜２．０倍程度高速に加工することができる。

図６は、ガルバノスキャナ２０２の加工予定線４０２ａすなわち走査軌跡４０２を示し、主に往復動作であり、複数回行われるものとする。具体的には、往復動作回数Ｎは、３回以上かつ奇数である走査回数を満たす線速度及びパワー関係のプロセス条件を導出する。往復動作回数Ｎが２回未満であると、単なる往復動作であり、かつ形状走査が単純なものになるため、好ましくない。また、往復動作回数Ｎを偶数回動作にしてしまうと、後述する加工対象物１０１の断面形状において、ガルバノスキャンが復路で終わってしまい（図７Ｅ参照）、加工不良の原因となる可能性がある。このため、すなわち、加工精度と生産性との低下を抑制するため、往復動作回数Ｎは３回以上かつ奇数回とする。

尚、加工予定線４０２ａすなわち軌跡４０２の形状は、直線に限らず、円弧又はその他の形状を用いても良い。また、加工予定線４０２ａすなわち軌跡４０２の長さについては、ｆθレンズ２０３の最大走査範囲を超えなければ、任意の設定でよいが、後述する軌跡通過範囲内に収めるのが好ましい。

前述より、Ｘ軸駆動ステージ１０２が、Ｘ軸沿いの一方向に一定線速度で移動している。このＸ軸駆動ステージ１０２の移動と、制御部１００による協調制御におけるガルバノスキャナ走査とを組合せることで、走査軌跡４０２が、レーザ加工の深さ方向に関して、加工対象物１０１の断面形状が図７Ａのような階段形状になる。図７Ａでは、加工端エリア７０１と、切断ライン７０２とを示している。

これにより、加工対象物１０１が、走査軌跡４０２で除々に切削される効果が得られ、高品質な加工が可能となる。

具体的には、図７Ｂ〜図７Ｆで説明する。

図７Ｂは、往復動作回数Ｎ＝１の動作における加工対象物１０１の断面である。この動作は、Ｘ軸駆動ステージ１０２及びガルバノスキャナ２０２の往路動作を示している。

図７Ｃは、往復動作回数Ｎ＝２の動作における加工対象物１０１の断面である。この動作は、図７Ｂの動作に対してガルバノスキャナ２０２の復路動作をさらに加わっている。しかしながら、前述Ｘ軸駆動ステージ１０２は一方向に動作しているだけの為、移動量は短くなっている。

図７Ｄは往復動作回数Ｎ＝３の動作における加工対象物１０１の断面である。この動作では、Ｘ軸駆動ステージ１０２は一方向に動作し、ガルバノスキャナ２０２は往復動作に加えて往路動作をさらに行う。

さらに動作を複数回繰り返すと、図７Ｅは往復動作回数Ｎ＝４の動作における加工対象物１０１の断面であり、図７Ｆは往復動作回数Ｎ＝５の動作における加工対象物１０１の断面である。このように加工対象物１０１を加工して、レーザ切断加工を施す。

尚、３以上の往復動作の繰り返し回数については、線速度及びレーザ発振器２０１のパワーとの関係から、プロセス条件を導出して決定するのが好ましい。

また、前記走査動作では、図７Ｆのように、加工開始点と加工終了点の加工端エリア７０１において、深さ方向の段差７０１ａが残る。その為、加工端エリア７０１において段差７０１ａを無くすためには、加工端エリア７０１では、軌跡４０２が敢えてオーバーラップするような走査軌跡４０２を生成するように走査すればよい。

このときのオーバーラップ量は、図８のように、加工開始点及び加工終了点の前後に、往復動作回数Ｎ＞１もしくは、前記プロセス導出による、切断に要する往復繰り返し回数を十分に考慮した軌跡４０２を生成するように走査する。なお、図８においては、開始点オーバーラップ８０１と、終了点オーバーラップ８０２と、開始端８０３と、終了端８０４とを示している。

前述より、レーザ光Ｌは、ｆθレンズ２０３を介して集光したのち、加工対象物１０１に照射する。レーザ光Ｌがｆθレンズ２０３の中心を通る程、レーザ光Ｌの集光性が良く、高精度に加工できる特徴がある。この為、ガルバノスキャナ２０２で走査する加工予定線４０２ａは、ｆθレンズ２０３の中心２０３ａを通るように走査軌跡４０２を生成して走査される。

一例として、図９に示す通り、ｆθレンズ２０３には、最大走査範囲（言い換えれば、最大走査領域）９０１が存在する。例えば、Ｆ値が１００の場合、約直径７０ｍｍの円内（直径７０ｍｍ円内の正方形領域５０ｍｍ＊５０ｍｍ）の範囲が最大走査範囲９０１として有効であり、大きさはｆθレンズ２０３の種類によって様々であるが、最大走査範囲９０１は円形状である。前記より、走査する最大走査範囲９０１の円形状の中心を通る軌跡４０２は、図９の（ａ）の軌跡通過範囲幅９０２内として、ｆθレンズ２０３を中心に十字である。点線９０２ａは、軌跡通過範囲、すなわち、走査軌跡４０２による切断によって分離させれるワークの縁を示している。

最大走査直径Ｄｓとし、軌跡通過範囲幅Ａは下式で示す。

幅Ａ ＝ Ｄｓ ＊ ｓｉｎπ／４ ＊０．０６
前記より、ｆθレンズ２０３の中心２０３ａを通る為、精度良く加工され、かつ十字に軌跡通過範囲幅Ａがある為、最大走査範囲９０１の上限まで使用でき、かつ走査距離を長くできることで加工時間の短縮となることから、レーザ加工における加工精度と生産性とが両立できる。

また、図９の（ｂ）〜（ｅ）は、ｆθレンズ２０３の中心２０３ａを通る軌跡通過範囲幅Ａの走査軌跡パターン９０３の一部を示しており、主に図９の（ｂ）〜図９の（ｅ）のような走査軌跡パターン９０３をガルバノスキャナ２０２で往復走査させる。

図９の（ｂ）は、図９の（ｂ）の左右方向に走査されて生成された軌跡４０２の軌跡パターン９０３ａを示す。図９の（ｃ）は、図９の（ｃ）の上下方向に走査されて生成された軌跡４０２の軌跡パターン９０３ｂを示す。図９の（ｄ）は、図９の（ｄ）の上から中心を通過して右手にＬ字状に走査されて生成された軌跡４０２の軌跡パターン９０３ｃを示す。この軌跡パターン９０３ｃでは、切断形状の角部に、直角の角部を形成することができる。図９の（ｅ）は、図９の（ｄ）の軌跡パターン９０３ｃのうち、中心で直角に曲がらずに、中心近傍で緩やかに湾曲して曲がる軌跡パターン９０３ｄを示す。この軌跡パターン９０３ｄでは、切断形状の角部に湾曲したＲ部を形成することができる。

前記構成にかかるレーザ加工方法及び装置によれば、加工対象物１０１、あるいはレーザ走査光学系２０２，２０３を駆動して、加工対象物１０１とレーザ光ＬとをＸ軸及びＹ軸駆動ステージ１０２，１０５でＸＹ軸方向に駆動でき、レーザ光Ｌを走査範囲内で位置決めして照射させることができるレーザ走査光学系、例えばガルバノミラーＧｘ、Ｇｙ軸を有し、走査軌跡に応じて、Ｘ軸及びＹ軸駆動ステージ１０２，１０５のＸＹ軸とレーザ走査光学系２０２，２０３のＸ軸用及びＹ軸用のガルバノミラー２０２ａ，２０２ｂを同時に動作させることで、レーザ走査速度を一定に制御することで、レーザ強度を制御することなくレーザ加工することができる。

前記実施形態によれば、加工対象物１０１を移動速度Ｖｔで移動させつつ、加工対象物１０１の加工予定線４０２ａの一部の同一直線上で、走査速度Ｖｓでレーザ光Ｌを連続して３回以上かつ奇数回だけ往復走査するようにしたので、加工精度と生産性との低下を抑制することができて、加工対象物１０１上に、任意の形状かつ、より広範囲で大面積を高速で継ぎ目のない均質な加工ができる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかるレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、加工対象物上に、任意の形状かつ広範囲に高速に加工でき、樹脂フィルム以外の加工対象物（例えば、鉄系材料）等の切削又は切断加工の用途にも適用できる。

９０ レーザ加工装置
９１ 基台
１００ 制御部
１０１ 加工対象物
１０２ Ｘ軸駆動ステージ
１０３ 加工ヘッド
１０４ Ｚ軸駆動ステージ
１０５ Ｙ軸駆動ステージ
１０６ 門柱
２０１ レーザ発振器
２０２ ガルバノスキャナ
２０２ａ，２０２ｂ Ｘ軸用及びＹ軸用のガルバノミラー
２０２ｃ，２０２ｄ 軸回転用モータ
２０２ｅ 回転角制御部
２０３ ｆθレンズ
２０３ａ ｆθレンズの中心
３０１ 切断品
４０１ ガルバノスキャナの走査領域
４０２ レーザ走査軌跡
４０２ａ 加工予定線
５０１ 駆動ステージ走査
５０２ ガルバノスキャナ走査
５０３ 同期走査の軌跡
５０４ 同期走査軌跡分解イメージ
７０１ 加工端エリア
７０１ａ 段差
７０２ 切断ライン
８０１ 開始点オーバーラップ
８０２ 終了点オーバーラップ
８０３ 開始端
８０４ 終了端
９０１ ガルバノスキャナ最大走査範囲
９０２ 軌跡通過範囲幅
９０２ａ 軌跡通過範囲
９０３ 走査軌跡パターン
９０３ａ，９０３ｂ，９０３ｃ，９０３ｄ 軌跡パターン

Claims (11)

1. レーザ光を走査する走査領域より、加工領域が大きい加工対象物をレーザ加工するレーザ加工方法において、
   前記加工対象物を第１方向に移動させる第１駆動装置に保持し、
   次いで、前記第１駆動装置により前記加工対象物を前記第１方向に移動させつつ、ガルバノスキャナにより、前記ガルバノスキャナとｆθレンズとを通過して前記加工対象物に照射する前記レーザ光を、前記加工対象物に対して、前記第１方向と前記第１方向の逆方向とに往復移動させて走査するとき、
   前記加工対象物の移動速度をＶｔとし、前記レーザ光の走査速度をＶｓとし、前記加工対象物を前記移動速度Ｖｔで移動させつつ、前記加工対象物の加工予定線の一部の同一直線上で、前記走査速度Ｖｓで前記レーザ光を連続して３回以上往復走査して前記レーザ光を照射し、
   前記レーザ光の走査の線速度Ｖ_０は相対的に一定になるように制御部で制御され、前記走査速度Ｖｓによる前記往復走査のうち、往路走査のガルバノスキャナ往路走査速度をＶｓ_１とするとともに復路走査のガルバノスキャナ復路走査速度Ｖｓ_２とすると、
   前記往路走査での前記線速度Ｖ_０は、
   Ｖ_０＝Ｖｓ_１−Ｖｔ であり、
   前記復路走査での前記線速度Ｖ_０は、
   Ｖ_０＝Ｖｓ_２＋Ｖｔ であり、
   前記線速度Ｖ_０は、相対的に一定に制御することから、
   Ｖｔ＝（Ｖｓ_１−Ｖｓ_２）／２ であり、
   前記ガルバノスキャナは、前記ガルバノスキャナ復路走査速度Ｖｓ_２より前記ガルバノスキャナ往路走査速度Ｖｓ_１が速く、Ｖｓ_１＞Ｖｓ_２ であり、
   前記移動速度Ｖｔより前記ガルバノスキャナの前記走査速度Ｖｓが、２倍以上速く、Ｖｓ＞２Ｖｔ である、
   レーザ加工方法。
2. 前記往復走査は、前記加工予定線に沿った前記ガルバノスキャナによる往復動作により走査軌跡が形成され、
   前記往復動作の回数は３回以上かつ奇数回である、
   請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記制御部において、前記ガルバノスキャナによる前記往復走査と、前記第１駆動装置による前記第１方向沿いの一方向に一定速度での移動とを協調制御して組合せることで、前記走査軌跡が、レーザ加工の深さ方向に関しては階段形状になる、
   請求項２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記制御部は、前記レーザ光による加工開始点と加工終了点の加工端エリアにおいて、前記加工対象物の断面の段差を無くようにオーバーラップして走査する前記走査軌跡を生成して走査するように制御する、
   請求項３に記載のレーザ加工方法。
5. 前記ガルバノスキャナでからの前記レーザ光が前記ｆθレンズの中心を通るように前記走査軌跡を生成するように走査し、
   前記走査軌跡は、前記ｆθレンズの軌跡通過範囲内として、前記ｆθレンズの最大走査直径をＤｓとし、軌跡通過範囲幅をＡとするとき、
   Ａ ＝ Ｄｓ ＊ ｓｉｎπ／４ ＊０．０６
   となる条件の下で前記走査軌跡を生成するように前記走査を行う、
   請求項２〜４のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
6. レーザ光を走査するレーザ走査領域より、加工領域が大きい加工対象物をレーザ加工するレーザ加工装置において、
   前記加工対象物を保持した状態で移動速度Ｖｔで第１方向に移動する駆動ステージと、
   前記レーザ光を出射するレーザ出射部と、
   前記レーザ出射部から出射した前記レーザ光の走査方向を変更し、前記レーザ光を、前記加工対象物に対して、前記第１方向と前記第１方向の逆方向とに往復移動させるように走査速度Ｖｓで走査するガルバノスキャナと、
   前記ガルバノスキャナから出射した前記レーザ光を透過して前記加工対象物に任所定角度で照射するｆθレンズと、
   前記駆動ステージと前記ガルバノスキャナとの駆動をそれぞれ制御して、前記駆動ステージにより前記加工対象物を前記第１方向に移動させつつ、前記ガルバノスキャナにより前記ガルバノスキャナと前記ｆθレンズとを介して前記レーザ光を前記加工対象物に照射して走査するとき、前記加工対象物の前記移動速度をＶｔとし、前記レーザ光の前記走査速度をＶｓとし、前記加工対象物を前記移動速度Ｖｔで移動させつつ、前記加工対象物の加工予定線の一部の同一直線上で、前記走査速度Ｖｓで前記レーザ光を連続して３回以上往復走査して前記レーザ光を照射するように制御する制御部とを有し、
   前記制御部により制御するとき、
   前記レーザ光の走査の線速度Ｖ_０は相対的に一定になるように制御され、前記走査速度Ｖｓによる前記往復走査のうち、往路走査のガルバノスキャナ往路走査速度をＶｓ_１とするとともに復路走査のガルバノスキャナ復路走査速度Ｖｓ_２とすると、
   前記往路走査での前記線速度Ｖ_０は、
   Ｖ_０＝Ｖｓ_１−Ｖｔ であり、
   前記復路走査での前記線速度Ｖ_０は、
   Ｖ_０＝Ｖｓ_２＋Ｖｔ であり、
   前記線速度Ｖ_０は、相対的に一定に制御することから、
   Ｖｔ＝（Ｖｓ_１−Ｖｓ_２）／２ であり、
   前記ガルバノスキャナは、前記ガルバノスキャナ復路走査速度Ｖｓ_２より前記ガルバノスキャナ往路走査速度Ｖｓ_１が速く、Ｖｓ_１＞Ｖｓ_２ であり、
   前記移動速度Ｖｔより前記ガルバノスキャナの前記走査速度Ｖｓが、２倍以上速く、Ｖｓ＞２Ｖｔ である、
   レーザ加工装置。
7. 前記駆動ステージは、前記加工対象物が保持されて前記第１方向であるＸ軸沿いに移動させるＸ軸駆動ステージであり、
   前記レーザ加工装置は、
   前記ガルバノスキャナ及び前記ｆθレンズとを有する加工ヘッドと、
   前記加工ヘッドは、前記Ｘ軸と交差するＺ軸の方向に前記加工ヘッドを移動させるＺ軸駆動ステージと、
   前記Ｚ軸駆動ステージが取付けられ、前記Ｘ軸及び前記Ｚ軸とは交差するＹ軸の方向に前記加工ヘッドと前記Ｚ軸駆動ステージとを移動させるＹ軸駆動ステージとをさらに備え、
   前記制御部は、前記Ｚ軸駆動ステージと前記Ｙ軸駆動ステージとの駆動もそれぞれ制御する、
   請求項６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記制御部は、前記駆動ステージと前記ガルバノスキャナとを協調制御して前記往復走査を行い、所定の走査軌跡を生成して走査することで、前記加工対象物を所定の形状の切断品に切断する、
   請求項６〜７のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
9. 前記制御部は、前記レーザ光が任意の形状の前記加工予定線を一定の速度及び一方向に走査できるように、前記Ｘ軸駆動ステージ及び前記Ｙ軸駆動ステージで制御しつつ、前記ガルバノスキャナを同加工予定線上を走査領域内で往復動作させながら、相対的な線速が一定になるように制御する、
   請求項７に記載のレーザ加工装置。
10. 前記レーザ出射部は、ピコ秒〜フェムト秒の超短パルス、及び、最大周波数１ＭＨｚ以上で前記レーザ光を発振するレーザ発振器である、
    請求項６〜９のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
11. 前記ｆθレンズは、Ｆ値が４５以上でかつ１１０以下であるｆθレンズである、
    請求項６〜１０のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。

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