JP2020163414A - レーザ加工装置、レーザ加工システムおよびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギーの利用効率が高く、タクトタイムの短縮化と加工位置の高精度化とを両立させることができる、レーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供すること。【解決手段】 加工エリア内に複数の加工対象部位が設定されたワークにレーザビームを集光させたビームスポットを照射して、当該加工対象部位を加工するレーザ加工装置およびレーザ加工方法において、 レーザビームを出射するレーザ発振器と、 レーザビームを通過させる領域の空間光位相分布を変調させるホログラムパターンを表示させて、所定のビームスポットを生成させる位相変調器と、 位相変調器を通過させたレーザビームを集光させる集光レンズとを用い、 複数のビームスポットが複数の加工対象部位と合致するように、位相変調器にホログラムパターンを表示させ、当該複数のビームスポットを同時にワークに照射させて、当該複数の加工対象部位を加工する。【選択図】 図１

Description

本発明は、加工エリア内に複数の加工対象部位が設定されたワークにレーザビームを集光させたビームスポットを照射して、当該加工対象部位を加工する、レーザ加工装置、レーザ加工システムおよびレーザ加工方法に関する。

金属、樹脂、ガラス、或いはこれらの表面や内面に成膜された薄膜（いわゆる、ワーク）にレーザビームを照射し、アブレーション（蒸散ともいう）や改質加工により、アライメントマークや識別コードなど、所定のマーキングパターン等を形成したり、所定領域の除去加工や所定パターンでの切断等を行う技術が知られている。

そして、この様なレーザ加工では、レーザ発振器から出射されたレーザビームを集光レンズにて集光させ、エネルギー密度の高いビームスポットを形成して加工対象となるワークや薄膜をアブレーションや改質加工をしている。

さらに、加工エリア内に複数の加工対象部位が設定されている場合、ワークを移動させたり、ガルバノスキャナ等によりレーザビームをスキャンさせたりして、加工位置を変更しながらレーザ加工する技術が知られている。（例えば、特許文献１，２）
一方、レーザビームを液晶マスクや微小ミラーアレイで選択透過又は選択反射させて、所定パターンにしたものを投影させてレーザ加工する技術が知られている。（例えば、特許文献３，４）

特開昭６３−５２７９０号公報 特開平１１−３０９５９３号公報 特開平５−１７７３６７号公報 特開平８−１７４２４２号公報

加工エリア内に複数の加工対象部位が設定されている場合、ワークを移動させながらレーザ加工する方式では、全ての加工対象部位を加工し終わるまでの時間が長くなる。

一方、ガルバノスキャナ等によりレーザビームをスキャンさせてレーザ加工する方式では、より短いタクトタイムで多数の部位を加工しようとすると、ガルバノスキャナを高速でスキャンさせたり、高い周波数でレーザビームをＯＮ／ＯＦＦさせつつスキャナの動きを同期させたりする必要がある。そのため、タクトタイムの短縮化と、加工位置の高精度化とを両立させることが難しかった。

また、特許文献３，４に記載されたような技術では、ドット呼ばれる微小区画毎にＯＮ／ＯＦＦ制御させて、当該区画を通過又は反射するエネルギーを加工に使う／使わないの切り替えにより当該パターンを表示させている。そのため、レーザ光源から出射されたエネルギーのうち、一部のエネルギーしか実際のレーザ加工に用いられず、エネルギーの利用効率が低く、生産性の向上が求められていた。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、エネルギーの利用効率が高く、タクトタイムの短縮化と加工位置の高精度化とを両立させることができる、レーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的としている。

以上の課題を解決するために、本発明に係る一態様は、
加工エリア内に複数の加工対象部位が設定されたワークにレーザビームを集光させたビームスポットを照射して、当該加工対象部位を加工するレーザ加工装置およびレーザ加工方法において、
レーザビームを出射するレーザ発振器と、
レーザビームを通過させる領域の空間光位相分布を変調させるホログラムパターンを表示させて、所定のビームスポットを生成させる位相変調器と、
位相変調器を通過させたレーザビームを集光させる集光レンズとを用い、
複数のビームスポットが複数の加工対象部位と合致するように、位相変調器にホログラムパターンを表示させ、当該複数のビームスポットを同時にワークに照射させて、当該複数の加工対象部位を加工することを特徴とする。

上記のレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、エネルギーの利用効率が高く、タクトタイムの短縮化と加工位置の高精度化とを両立させることができる。

本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。 本発明を具現化する形態での加工例を示す平面図である。 本発明を具現化する別の形態の一例を示すシステム構成図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図を用いながら説明する。なお、以下の説明では、直交座標系の３軸をＸ、Ｙ、Ｚとし、ＸＹ平面を水平面、Ｚ方向を鉛直方向とする。特に、Ｚ方向は矢印の方向を上、その逆方向を下と表現する。

図１は、本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。

レーザ加工装置１は、加工エリア内に複数の加工対象部位が設定されたワークＷにレーザビームを集光させたビームスポットＢを照射して、当該加工対象部位を加工するものである。

具体的には、レーザ加工装置１は、ワーク保持部Ｈ、レーザ照射部Ｌ、相対移動部Ｍ、加工情報取得部６、制御部９等を備えている。

本発明を適用した加工対象となるワークＷ上には、例えば、所定の機能部品が多数形成されており、除去加工（つまり、アブレーション加工）する部位（つまり、加工対象部位）が不規則に点在（つまり、周期性が無い状態で点在）している。

図２は、本発明を具現化する形態での加工例を示す平面図である。図２には、ワークＷ上に所定の機能部品が所定間隔で多数形成されており、正常部位が白い四角、不良部位が黒い四角で示されている。つまり、図中の黒い四角で示した部分が、アブレーション加工する加工対象部位である。この不良部位は、ワークＷ毎およびワークＷ上の場所毎に、規則性が無く出現する。なお、この不良部位は、検査装置などで予め良否検査が行われ、正常部位と判別されている。

そして、これら不良部位がワークＷの加工対象部位として設定され、レーザ加工装置１は、それ自身の加工エリア内に設定された複数の加工対象部位に向けて、複数のビームスポットＰｓを同時に照射して、これら加工対象部位を加工するものである。

より具体的には、レーザ加工装置１の加工エリアの寸法に鑑みて、ワークＷを所定の区画Ｓ１〜Ｓｎ（図示の例の場合、ｎ＝１６）に分割し、それぞれの区画Ｓ１〜Ｓｎと加工エリアとの位置を整合（つまり、アライメント）させて、加工対象部位（つまり、不良部位）に対してレーザ加工を行う。

ワーク保持部Ｈは、ワークＷを保持するものである。
具体的には、ワーク保持部Ｈは、ワークＷを水平状態に保ちつつ、下面側から支えるものである。より具体的には、ワーク保持部Ｈは、クランプ機構や負圧吸引手段、静電密着手段等を備え、ワークＷの下面や外縁部等を保持する。

レーザ照射部Ｌは、レーザ発振器２、位相変調器３、集光レンズ４等を備え、レーザ発振器２から出射されたレーザビームＢを、薄膜Ｆの除去加工に足りるエネルギー密度の複数のビームスポットＰｓに集光させてワークＷに照射するものである。

具体的には、レーザ照射部Ｌは、詳細を後述する制御部９からの制御指令に基づいて、複数のビームスポットＰｓが複数の加工対象部位と合致するように、位相変調器３にホログラムパターンを表示させ、当該複数のビームスポットＰｓを同時にワークＷに照射するものである。このとき、レーザ照射部Ｌは、ワークＷの表面に沿う方向（つまりＸＹ方向）に、複数のビームスポットＰｓを生成させ、それらを同時にワークＷに照射する。

より具体的には、レーザ照射部Ｌは、所定のホログラムパターンを表示させた位相変調器３にレーザビームＢを照射し、位相変調器３を通過したレーザビームを集光レンズ４で集光させることで、複数のビームスポットＰｓを形成し、薄膜Ｆに向けて照射する。

なお、レーザビームＢは、レーザ発振器２から出射されたレーザビームＢ１、位相変調器３を通過したレーザビームＢ２、集光レンズ４を通過したレーザビームＢ３に区別することができるが、これらを総じてレーザビームＢと呼ぶ。

レーザ発振器２は、パルス状のレーザビームを連続的に出射するものである。具体的には、レーザ発振器２は、制御部９から出力されるトリガ信号を受けて、パルス状のレーザビームＢ１を連続的に出射する構成をしている。より具体的には、レーザビームＢ１は、光軸と直交する断面方向に着目すると、円形ないし楕円形状のスポット形状をしており、概ねガウス分布のエネルギー分布（ガウシアンなビームプロファイルとも言う）を有している。

位相変調器３は、レーザビームＢを通過させる領域の空間光位相分布を変調させるホログラムパターンを表示させて、複数のビームスポットＰｓを生成させるものである。具体的には、位相変調器３は、ホログラムパターン表示部を備え、ホログラムパターン生成機能を有するコンピュータや制御部９等により生成された、所定のホログラムパターンを表示させるものである。より具体的には、位相変調器３は、レーザビームＢを通過させる領域の微小区画毎に所定の屈折率を設定して、ホログラムパターンを表示させるものである。

このとき、複数のビームスポットＰｓがワークＷのある区画に対する複数の加工対象部位と合致するように、位相変調器３にホログラムパターンを表示させる。なお、このホログラムパターンは、所定の距離を隔てた位置で、複数のビームスポットＰｓとして集光されるよう、パターン設計されている。また、このホログラムパターンは、区画内の加工対象部位が変われば、その都度設計し直される。

集光レンズ４は、位相変調器３を通過させたレーザビームＢ２を集光させるものである。具体的には、集光レンズ４は、集光レンズ４を通過したレーザビームＢ３が複数のビームスポットＰｓとしてワークＷに照射されるよう、レーザビームを集光させるものである。

なお、ホログラムパターンは、位相変調器３に入射するレーザビームＢ１のビーム径やビームプロファイル、位相変調器３と集光レンズ４との距離、集光レンズ４と薄膜Ｆまでの距離、集光レンズ４の曲率や屈折率、複数のビームスポットＰｓそれぞれの個数や間隔、範囲等に基づいて、予め生成しておく。

なお、レーザ照射部Ｌは、必要に応じて、レーザビームＢの光路中にミラー２１やビームエキスパンダ２２、アッテネータなど（不図示）を備えた構成としても良い。

相対移動部Ｍは、ワークＷの厚み方向（Ｚ方向）に直交する方向（ＸＹ方向）に、ワークＷとレーザビームＢとの相対位置を移動させるものである。具体的には、相対移動部Ｍは、レーザ加工に際して、ワークＷを分割規定された区画Ｓ１〜Ｓｎとレーザ照射部Ｌの加工エリアとの位置や角度を整合（つまり、アライメント）させるものである。

より具体的には、相対移動部Ｍは、Ｘ軸アクチュエータＭ１、Ｙ軸アクチュエータＭ２、θ軸アクチュエータＭ３等を備えている。

Ｘ軸アクチュエータＭ１は、ワーク保持部ＨをＸ方向に所定の速度で移動させ、所定の位置で静止させるものである。Ｙ軸アクチュエータＭ２は、ワーク保持部ＨをＹ方向に所定の速度で移動させ、所定の位置所で静止させるものである。θ軸アクチュエータＭ３は、Ｙ方向を回転軸とするθ方向に、ワーク保持部Ｈを所定の角速度で回転させ、所定の角度で静止させるものである。Ｘ軸アクチュエータＭ１、Ｙ軸アクチュエータＭ２、θ軸アクチュエータＭ３は、制御部９から出力される制御信号に基づいて駆動制御される。

なお、ワークＷのアライメントは、ワークＷの外周部を外側から内側に向かって狭持するメカニカルクランプ方式や、ワークＷに付与された基準マークをカメラで撮像したり、ワークＷ設けられたノッチやオリエンテーションフラットをカメラで撮像／センサで検出等したりして、位置や角度を把握し、コンピュータ等で位置決め移動の際の送りピッチや角度を補正制御するソフトアライメント方式等が例示できる。

加工情報取得部６は、ワークＷに設定された複数の加工対象部位に関する加工情報Ｊを取得するものである。

例えば、加工情報Ｊは、図２で示す姿勢において、ワークＷのオリフラＴｘ，Ｔｙを基準座標（０，０）として、基準座標（０，０）に対する各加工対象部位のＸＹ方向の中心位置や面積等に関する座標データや、分割規定された区画Ｓ１〜Ｓｎの座標データ、分割規定された区画Ｓ１〜Ｓｎとの相対座標データ等が含まれている。

制御部９は、複数のビームスポットＰｓが複数の加工対象部位（図２で黒い四角で示した不良部位）と合致するように、位相変調器３にホログラムパターンを表示させ、複数のビームスポットＰｓを同時にワークＷに照射させて、当該複数の加工対象部位を加工するものである。

具体的には、制御部９は、以下の機能を備えている。
１）加工情報取得部６で取得した、ワークＷに設定された複数の加工対象部位に関する情報（つまり、加工情報）Ｊに基づいて、ホログラムパターンの生成または生成指示を行う。
２）レーザ発振器２に対してパルス状のレーザビームＢを照射するためのトリガ信号を送信する機能。
３）位相変調器３に表示させるホログラムパターンを取得または生成する機能。
４）位相変調器３に対して所定のホログラムパターンを表示させる機能。
５）Ｘ軸アクチュエータＭ１、Ｙ軸アクチュエータＭ２、θ軸アクチュエータＭ３等の現在位置情報を把握し、Ｘ軸アクチュエータＭ１、Ｙ軸アクチュエータＭ２、θ軸アクチュエータＭ３等の移動速度や位置、角度等を制御し、ワークＷをアライメントや位置・角度を補正する機能。
６）加工情報取得部６で取得した加工情報Ｊに含まれる座標データ等に基づいて、相対移動部Ｍを制御してワークＷに対する複数のビームスポットＰｓの照射位置をＸＹ方向に相対移動させたり、θ方向に回転させたりする。

より具体的には、制御部９は、レーザ発振器２、位相変調器３、相対移動部Ｍに対して制御信号やデータ等を出力し、各部を制御するものである。より具体的には、制御部９は、コンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ、制御用コントローラなど（ハードウェア）と、その実行プログラム（ソフトウェア）で構成されており、信号入出力手段やデータ通信手段などを介して各部を制御することができる。

この様な構成をしているので、本発明に係るレーザ加工装置１は、薄膜Ｆの除去加工に足りるエネルギー密度の複数のビームスポットＰｓが複数の加工対象部位と合致するように、位相変調器３にホログラムパターンを表示させ、当該複数のビームスポットＰｓを同時にワークＷに照射してレーザ加工することができる。

そのため、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、エネルギーの利用効率が高く、タクトタイムの短縮化と加工位置の高精度化とを両立させることができる。

［別の形態］
レーザ加工装置１は、上述した様な単体での使用に限らず、検査装置Ｋと連携させてレーザ加工システムとして運用しても良い。

図３は、本発明を具現化する別の形態の一例を示すシステム構成図である。図３には、本発明に係るレーザ加工システムのシステム構成が例示されている。
本発明に係るレーザ加工システムは、ワークＷ毎の異なる良否部位を検査装置Ｋで検査し、検査した結果をレーザ加工装置１に出力して、レーザ加工装置１を用いて迅速かつ確実に不良部位に対してレーザ加工が行える様に構築されたシステムである。

本発明に係るレーザ加工システムは、レーザ加工装置１と検査装置Ｋとを含み、さらには必要に応じてホストコンピュータＮ、データ処理コンピュータＣ等を含んで構成されている。なお、レーザ加工装置１、検査装置Ｋ、ホストコンピュータＮ、データ処理コンピュータＣは、ネットワーク回線や通信回線等で接続されており、データの送受信が可能な構成をしている。

検査装置Ｋは、ワークＷの検査対象部位について良否を検査するものである。
具体的には、検査装置Ｋは、ワークＷの検査結果Ｑを外部の機器（本発明に係るレーザ加工装置１や、ホストコンピュータＮ、データ処理コンピュータＣ等に出力するものである。

そして、検査装置Ｋから出力された検査結果Ｑは、下記の例のようにして加工情報Ｊとしてレーザ加工装置１にて生成または取得される。
１）検査装置Ｋから出力された検査結果Ｑを加工情報取得部６で取得し、加工情報Ｊを制御部９やコンピュータ等で生成する。
２）検査装置Ｋから出力された検査結果Ｑを、ホストコンピュータＮやデータ処理コンピュータＣを経由して加工情報取得部６で取得し、加工情報Ｊを制御部９等で生成する。
３）検査装置Ｋから出力された検査結果ＱをホストコンピュータＮやデータ処理コンピュータＣで処理し、これらホストコンピュータＮ等にて加工情報Ｊを生成し、これらホストコンピュータＮ等から出力した加工情報Ｊをレーザ加工装置１に送信（つまり、加工情報取得部６で取得）する。

１ レーザ加工装置
２ レーザ発振器
３ 位相変調器
４ 集光レンズ
６ 加工情報取得部
９ 制御部
Ｈ ワーク保持部
Ｌ レーザ照射部
Ｂ レーザビーム
Ｐｓ 複数のビームスポット
２１ ミラー
２２ ビームエキスパンダ
Ｍ 相対移動部（ＸＹステージ機構）
Ｍ１ Ｘ軸アクチュエータ
Ｍ２ Ｙ軸アクチュエータ
Ｍ３ θ軸アクチュエータ
Ｗ ワーク（加工対象物）
Ｆ 薄膜
Ｊ 加工情報
Ｑ 検査結果
Ｋ 検査装置
Ｎ ホストコンピュータ
Ｃ データ処理コンピュータ

Claims (4)

1. 加工エリア内に複数の加工対象部位が設定されたワークにレーザビームを集光させたビームスポットを照射して、当該加工対象部位を加工するレーザ加工装置において、
   前記レーザビームを出射するレーザ発振器と、
   前記レーザビームを通過させる領域の空間光位相分布を変調させるホログラムパターンを表示させて、所定のビームスポットを生成させる位相変調器と、
   前記位相変調器を通過させた前記レーザビームを集光させる集光レンズと、
   前記ワークに設定された前記複数の加工対象部位に関する加工情報を取得する加工情報取得部とを備え、
   複数のビームスポットが前記複数の加工対象部位と合致するように、前記位相変調器に前記ホログラムパターンを表示させ、当該複数のビームスポットを同時に前記ワークに照射させて、当該複数の加工対象部位を加工する制御部を備えた
   ことを特徴とする、レーザ加工装置。
2. 前記位相変調器は、前記レーザビームを通過させる領域の微小区画毎に所定の屈折率を設定して、前記ホログラムパターンを表示させる
   ことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工装置と、
   前記ワークの検査対象部位について良否を検査する検査装置とを用い、
   前記検査対象部位のうち、前記検査装置にて不良と判定された部位を、前記ワークの前記加工対象部位と設定して前記レーザ加工装置で加工する
   ことを特徴とする、レーザ加工システム。
4. 加工エリア内に複数の加工対象部位が設定されたワークにレーザビームを集光させたビームスポットを照射して、当該加工対象部位を加工するレーザ加工方法において、
   前記レーザビームを出射するレーザ発振器と、
   前記レーザビームを通過させる領域の空間光位相分布を変調させるホログラムパターンを表示させて、所定のビームスポットを生成させる位相変調器と、
   前記位相変調器を通過させた前記レーザビームを集光させる集光レンズとを用い、
   複数のビームスポットが前記複数の加工対象部位と合致するように、前記位相変調器に前記ホログラムパターンを表示させ、当該複数のビームスポットを同時に前記ワークに照射させて、当該複数の加工対象部位を加工することを特徴とする、レーザ加工方法。

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