JP2023022603A - レーザ加工装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】音響光学素子の熱影響による歪みを抑制することが可能なレーザ加工装置を提供する。【解決手段】分岐光学素子が、パルスレーザビームを少なくとも2本の経路に分岐させる。分岐光学素子で分岐された経路のそれぞれに音響光学素子が配置されている。音響光学素子は、外部から与えられる指令に応じて、入射するパルスレーザビームの時間軸上の一部分を、加工対象物に向かう加工用の経路に振り向ける。【選択図】図1

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。
1本のパルスレーザビームを分岐させて2軸で穴あけ加工を行うレーザ加工装置が公知である(特許文献1等)。このレーザ加工装置は、レーザ光源と音響光学素子(AOM)とを含む。音響光学素子は、レーザ光源から出力されたパルスレーザビームの時間軸上の一部分を、加工対象物に向かう第1の加工経路に振り向け、他の一部分を第2の加工経路に振り向け、残りの部分をビームダンパに入射させる。第1の加工経路及び第2の加工経路に振り向けられたパルスレーザビームは、ガルバノスキャナで走査された後、加工対象物の目標位置に入射する。
特開2015-186822号公報
加工に高パワーのパルスレーザビームを用いると、熱影響によって音響光学素子に歪みが発生する場合がある。音響光学素子に歪みが発生すると、音響光学素子によって回折されたパルスレーザビームの断面形状やビームプロファイル等に歪みが発生する。パルスレーザビームにこのような歪みが発生すると、所望の加工品質が得られなくなる。
本発明の目的は、音響光学素子の熱影響による歪みを抑制することが可能なレーザ加工装置を提供することである。
本発明の一観点によると、
パルスレーザビームのパワーを少なくとも2本の経路に分岐させる分岐光学素子と、
前記分岐光学素子で分岐された経路のそれぞれに配置され、外部から与えられる指令に応じて、入射するパルスレーザビームの時間軸上の一部分を、加工対象物に向かう加工用の経路に振り向ける少なくとも2つの音響光学素子と
を備えたレーザ加工装置が提供される。
少なくとも2つの音響光学素子のそれぞれに入射するパルスレーザビームのパワーは、分岐光学素子で分岐させる前のパルスレーザビームのパワーより小さい。このため、音響光学素子のそれぞれが受ける熱的な影響が低減される。これにより、音響光学素子に、熱影響による歪みが生じにくくなる。
図1は、一実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図2は、制御装置が出力する発振指令trg、切出指令chp1、chp2、パルスレーザビームL0、L11、L12、L21、L22のタイミングチャートである。 図3は、他の実施例によるレーザ加工装置の光学系の一部を示す概略平面図である。 図4は、図3に示したレーザ加工装置の第2音響光学素子よりも下流側のビーム経路に配置されている光学部品の概略側面図である。 図5Aは、さらに他の実施例によるレーザ加工装置の一部を示す概略平面図であり、図5Bは、偏光方向調整光学系の概略斜視図である。 図6は、さらに他の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。
図1及び図2を参照して、一実施例によるレーザ加工装置について説明する。
図1は、一実施例によるレーザ加工装置の概略図である。このレーザ加工装置は、例えばプリント基板の穴明け加工等に用いられる。
レーザ発振器10が制御装置40から発振指令trgを受けて、パルスレーザビームL0を出力する。レーザ発振器10として、例えば炭酸ガスレーザ発振器等のガスレーザ発振器が用いられる。レーザ発振器10から出力されたパルスレーザビームL0が、ビームエキスパンダ11、アパーチャ12を経由して分岐光学素子13に入射する。ビームエキスパンダ11は、パルスレーザビームL0の広がり角及びビーム径の少なくとも一方を変化させる。アパーチャ12は、パルスレーザビームL0のビーム断面を整形する。
分岐光学素子13として、例えばハーフミラーが用いられる。1本のパルスレーザビームL0が、分岐光学素子13を透過したパルスレーザビームL11と、分岐光学素子13で反射されたパルスレーザビームL21とに分岐される。パルスレーザビームL11のパワーとパルスレーザビームL21のパワーとは同一である。
一方のパルスレーザビームL11は、第1音響光学素子(AOM)20Aに入射し、他方のパルスレーザビームL21は、折り返しミラー14で反射されて第2音響光学素子20Bに入射する。第1音響光学素子20Aは、制御装置40からの切出指令chp1に基づいてパルスレーザビームL11を回折させることにより、パルスレーザビームL11の時間軸上の一部分を加工用の経路に振り向ける。パルスレーザビームL11の加工用の経路に振り向けられなかった部分は、図1において破線で示すように、第1音響光学素子20Aを直進してビームダンパ21Aに入射する。加工用の経路に振り向けられたパルスレーザビームをL12と標記する。本明細書において、パルスレーザビームL11の時間軸上の一部分を加工用の経路に振り向けることを、「切り出す」という場合がある。
同様に、第2音響光学素子20Bは、制御装置40からの切出指令chp2に基づいてパルスレーザビームL21を回折させることにより、パルスレーザビームL21の時間軸上の一部分を加工用の経路に振り向ける。パルスレーザビームL21のうち切り出されなかった部分は、図1において破線で示すように、第2音響光学素子20Bを直進してビームダンパ21Bに入射する。加工用の経路に振り向けられたパルスレーザビームをL22と標記する。
パルスレーザビームL11の偏光方向は、第1音響光学素子20Aに入射するパルスレーザビームL11の進行方向と、回折されたパルスレーザビームL12の進行方向とに平行な平面(図1において紙面に平行な平面)に対して平行である。同様に、パルスレーザビームL21の偏光方向は、第2音響光学素子20Bに入射するパルスレーザビームL21の進行方向と、回折されたパルスレーザビームL22の進行方向とに平行な平面(図1において紙面に平行な平面)に対して平行である。
一方の加工用のパルスレーザビームL12は、折り返しミラー22A、ビーム走査器23A、集光レンズ24Aを経由して、加工対象物50Aに入射する。加工対象物50Aは、可動ステージ30A上に保持されている。ビーム走査器23Aは、制御装置40からの走査指令scn1に基づいて、入射するパルスレーザビームL12を二次元方向に走査する。ビーム走査器23Aとして、例えばガルバノスキャナが用いられる。可動ステージ30Aは、制御装置40からの移動指令mov1に基づいて、加工対象物50Aを水平な二方向に移動させる。可動ステージ30Aとして、例えばXYステージが用いられる。集光レンズ24Aは、パルスレーザビームL12を加工対象物50Aの表面に集光させる。集光レンズ24Aとして、例えばfθレンズが用いられる。
ビーム走査器23Aを動作させることにより、加工対象物50Aの表面の一部の領域(スキャンエリア)内の任意の位置にパルスレーザビームL12を入射させることができる。可動ステージ30Aは、加工対象物50Aの加工すべき領域をビーム走査器23Aのスキャンエリアに配置させることができる。
他方の加工用のパルスレーザビームL22も同様に、折り返しミラー22B、ビーム走査器23B、集光レンズ24Bを経由して、加工対象物50Bに入射する。加工対象物50Bは、可動ステージ30B上に保持されている。制御装置40からビーム走査器23Bに走査指令scn2が与えられ、可動ステージ30Bに移動指令mov2が与えられる。
制御装置40は、レーザ発振器10、第1音響光学素子20A、第2音響光学素子20B、ビーム走査器23A、23B、可動ステージ30A、30Bを制御する。これらを制御する機能は、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによって実現される。
図2は、制御装置40が出力する発振指令trg、切出指令chp1、chp2、パルスレーザビームL0、L11、L12、L21、L22のタイミングチャートである。発振指令trgが立ち上がる(時刻t0)と、一定の遅延時間tdが経過した後、パルスレーザビームL0のレーザパルスが立ち上がる(時刻t1)。パルスレーザビームL0が分岐光学素子13(図1)により、パルスレーザビームL11とパルスレーザビームL21とに分岐される。パルスレーザビームL0のパワーが2分岐されるため、パルスレーザビームL11、L21のパワーは、パルスレーザビームL0のパワーの約1/2になる。ここで、「パワー」とは、パルスレーザビームの平均パワーではなく、各瞬間におけるパワーを意味する。
パルスレーザビームL0の立ち上がり(時刻t1)からやや遅れて、切出指令chp1、chp2が立ち上がる(時刻t2)。切出指令chp1、chp2の立ち上がりが、切出し開始の指令に相当する。2つの切出指令chp1、chp2の立ち上がりのタイミングは一致している。切出指令chp1、chp2が立ち上がると、パルスレーザビームL11、L21からそれぞれ切り出されたパルスレーザビームL12、L22が立ち上がる。切出指令chp1、chp2の立下がり(時刻t3)に同期して、パルスレーザビームL12、L22が立下がる。切出指令chp1、chp2の立下がりが、切り出し終了の指令に相当する。
発振指令trgの立ち下り(時刻t4)に同期して、パルスレーザビームL0のパワーが低下し始め、一定時間経過後にパワーがゼロになる(時刻t5)。時刻t1からt2までの期間、及び時刻t3からt5までの期間は、パルスレーザビームL11、L21がビームダンパ21A、21B(図1)に入射する。図2において、パルスレーザビームL11、L21のうちビームダンパ21A、21Bに入射する部分を破線で示している。
次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bのそれぞれに入射するパルスレーザビームL11、L21のパワーが、分岐前のパルスレーザビームL0のパワーの約1/2になる。このため、パルスレーザビームL0から1つの音響光学素子で加工用のパルスレーザビームを切り出す構成と比べて、第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bが受ける熱的な影響が低減され、熱による歪みが生じにくくなる。これにより、第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bの温度上昇に起因する加工用のパルスレーザビームL12、L22の品質低下が抑制される。
次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームL0を2分岐させたが、4分岐させてもよい。例えば、分岐後のパルスレーザビームL11、L21(図1)を、それぞれ分岐光学素子でさらに2分岐させることにより、4本のパルスレーザビームを生成することができる。4本のパルスレーザビームのそれぞれの経路に音響光学素子を配置して、加工用のパルスレーザビームを切り出すとよい。この構成では、4つの音響光学素子のそれぞれに入射するパルスレーザビームのパワーが、分岐前のパルスレーザビームL0の約1/4になる。このため、音響光学素子が受ける熱影響がさらに低減される。
また、上記実施例では、第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bのそれぞれによって、1本の加工用のパルスレーザビームL12、L22が切り出されているが、第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bのそれぞれが2本の加工用のパルスレーザビームを切り出す構成としてもよい。例えば、第1音響光学素子20Aに入射するパルスレーザビームL11の1つのレーザパルスから、回折角の異なる2つの加工経路に向けて2つのレーザパルスを切り出すとよい。これにより4本のパルスレーザビームで加工を行うことができる。
また、上記実施例では、第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bにそれぞれ与える切出指令chp1、chp2(図2)の立ち上がり及び立ち下りのタイミングを一致させているが、両者を一致させなくてもよい。例えば、パルスレーザビームL12の最適加工条件と、パルスレーザビームL22の最適加工条件とが異なる場合は、切出指令chp1、chp2(図2)の立ち上がり及び立ち下りのタイミングをずらして、パルスレーザビームL12、L22のパルス幅を異ならせるとよい。
次に、図3及び図4を参照して、他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下、図1及び図2を参照して説明した実施例によるレーザ加工装置と共通の構成については説明を省略する。
図3は、本実施例によるレーザ加工装置の光学系の一部を示す概略平面図である。光学定盤45の上に、分岐光学素子13、第1音響光学素子20A、第2音響光学素子20B、ビームダンパ21A、21B、折り返しミラー22A、22B、25が支持されている。
図1及び図2に示した実施例では、分岐光学素子13にハーフミラーが用いられているが、本実施例では、分岐光学素子13が、偏光方向調整光学系13A及び偏光ビームスプリッタ13Bを含む。偏光ビームスプリッタ13Bは、そのスプリット面が光学定盤45に対して垂直になる姿勢で支持されている。パルスレーザビームL0が、偏光方向調整光学系13Aを経由して偏光ビームスプリッタ13Bに、入射角45°で入射する。偏光方向調整光学系13Aは、P偏光成分とS偏光成分とのパワーが等しくなるように、パルスレーザビームL0の偏光を調整する。偏光方向調整光学系13Aとして、例えば1/4波長板等を用いることができる。P偏光が偏光ビームスプリッタ13Bを透過し、S偏光が偏光ビームスプリッタ13Bで反射される。
偏光ビームスプリッタ13Bを透過したパルスレーザビームL11の偏光方向は光学定盤45に対して平行である。偏光ビームスプリッタ13Bで反射されたパルスレーザビームL21の偏光方向は光学定盤45に対して垂直である。
パルスレーザビームL11及びパルスレーザビームL21は、それぞれ第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bに入射する。第1音響光学素子20Aより下流側のパルスレーザビームの経路は、図1に示した実施例によるレーザ加工装置における経路と同一である。加工用のパルスレーザビームL12が、折り返しミラー22Aによって下方に向けて反射され、光学定盤45に設けられた開口を通って光学定盤45の下方に配置されたビーム走査器23A(図1)に入射する。
第2音響光学素子20Bよりも下流側のビーム経路について、図4を参照して説明する。図4は、第2音響光学素子20Bよりも下流側のビーム経路に配置されている光学部品の高さ方向の位置関係を示す概略図である。
第2音響光学素子20Bに入射するパルスレーザビームL21の偏光方向は、光学定盤45に対して垂直である。第2音響光学素子20Bは、パルスレーザビームL21を、光学定盤45に対して斜め上方向に回折させる。このため、加工用のパルスレーザビームL22は、光学定盤45に対して斜め上方に向かって伝搬する。
第2音響光学素子20Bで回折されず直進したパルスレーザビーム(破線で示したパルスレーザビーム)と、第2音響光学素子20Bで回折されたパルスレーザビームL22が、折り返しミラー25に入射する。パルスレーザビームL22は、折り返しミラー22Aで反射され、伝搬方向が光学定盤45に対して平行になる。第2音響光学素子20Bを直進したパルスレーザビームは、折り返しミラー22Aで反射され、光学定盤45に対して斜め下方に向かって伝搬し、ビームダンパ21Bに入射する。
折り返しミラー25で反射されたパルスレーザビームL22は、折り返しミラー22Bによって下方に向かって反射され、光学定盤45の開口を通って光学定盤45の下に配置されたビーム走査器23B(図1)に入射する。
次に、図3及び図4に示した実施例の優れた効果について説明する。本実施例においても、図1及び図2に示した実施例と同様に、第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bが受ける熱的影響を低減することができる。
第1音響光学素子20Aと第2音響光学素子20Bとで、入射光の偏光方向と回折方向との関係が同一である。より具体的には、音響光学素子への入射光の進行方向と回折光の進行方向とに平行な平面と、入射光の偏光方向とが平行である。第1音響光学素子20Aにおいては、入射光の進行方向と回折光の進行方向とに平行な平面が図3の紙面に相当する。第2音響光学素子20Bにおいては、入射光の進行方向と回折光の進行方向とに平行な平面が図4の紙面に相当する。このため、第1音響光学素子20Aと第2音響光学素子20Bとにおいて、入射するパルスレーザビームを同一の条件で回折させることができる。
次に、図5A及び図5Bを参照して、さらに他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下、図3及び図4に示した実施例によるレーザ加工装置と共通の構成については説明を省略する。
図5Aは、本実施例によるレーザ加工装置の一部を示す概略平面図である。図3を参照して説明した実施例では、入射光の偏光方向と回折方向との関係を、第1音響光学素子20Aと第2音響光学素子20Bとで同一にするために、第2音響光学素子20Bの入射光の進行方向と回折光の進行方向とに平行な平面を、光学定盤45に対して垂直に設定している。これに対して本実施例では、偏光方向調整光学系26によってパルスレーザビームL21の偏光方向を光学定盤45に対して平行にした後、第2音響光学素子20Bに入射させている。
図5Bは、偏光方向調整光学系26の概略斜視図である。偏光方向調整光学系26は、2枚の折り返しミラー26A、26Bを含む。光学定盤45に対して垂直な偏光方向を持つパルスレーザビームL21が、入射面が偏光方向と平行になる条件で、折り返しミラー26Aに45°の入射角で入射する。折り返しミラー26Aで反射されたパルスレーザビームL21は、光学定盤45に対して垂直な方向に進行する。光学定盤45に対して垂直な方向に進行するパルスレーザビームL21の偏光方向は、光学定盤45に対して平行である。
折り返しミラー26Aで反射されたパルスレーザビームL21が、偏光方向と入射面とが直交する条件で、折り返しミラー26Bに45°の入射角で入射する。折り返しミラー26Bで反射されたパルスレーザビームL21の偏光方向は、光学定盤45に対して平行である。折り返しミラー26Bで反射されたパルスレーザビームL21が第2音響光学素子20Bに入射する。図5Aに示すように、第2音響光学素子20Bで回折されたパルスレーザビームL22の進行方向は、第1音響光学素子20Aで回折されたパルスレーザビームL12の進行方向と同様に、光学定盤45に対して平行である。
次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例においても図3及び図4を参照して説明した実施例と同様に、第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bが受ける熱的影響を低減することができる。さらに、本実施例においては、第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bの両方の回折光の進行方向が光学定盤45に対して平行になる。このため、光軸調整が容易になるという優れた効果が得られる。
次に、図6を参照して、さらに他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下、図1及び図2に示した実施例によるレーザ加工装置と共通の構成については説明を省略する。
図6は、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。図1に示した実施例によるレーザ加工装置の折り返しミラー22A、22Bに代えて、本実施例では部分反射鏡27A、27Bが用いられる。パルスレーザビームL12、L22のそれぞれのパワーの極僅かの成分が部分反射鏡27A、27Bを透過し、光検出器28A、28Bに入射する。光検出器28A、28Bは、入射するパルスレーザビームのパワーを検出する。パワーの測定値が制御装置40に入力される。
第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bとして、回折効率が可変の音響光学素子が用いられる。回折効率は、制御装置40からの指令により制御される。
制御装置40は、光検出器28A、28Bによるパルスレーザビームのパワーの測定値が相互に近づくように、第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bの回折効率を調整する。例えば、光検出器28A、28Bの測定値が大きい方のパルスレーザビームに対応する音響光学素子の回折効率を相対的に低下させる。
次に、本実施例の優れた効果について説明する。分岐光学素子13の分岐比が50:50からわずかにずれている場合、パルスレーザビームL11とL21とのパワーに差が生じてしまう。本実施例では、パルスレーザビームL11とL21とのパワーに差が生じた場合でも、第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bの回折効率を調整することにより、加工対象物50A、50Bに入射するパルスレーザビームのパワーの差を低減させることができる。
次に、本実施例の変形例によるレーザ加工装置について説明する。
図6に示した実施例では、第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bによる回折後のパルスレーザビームの経路に光検出器28A、28Bを配置している。その他の構成として、分岐光学素子13と第1音響光学素子20Aとの間の経路、及び分岐光学素子13と第2音響光学素子20Bとの間の経路から分岐させた経路上に、それぞれ光検出器28A、28Bを配置してもよい。
図6に示した実施例では、2つの加工対象物50A、50Bに入射するパルスレーザビームのパワーの差を低減させているが、2つの加工対象物50A、50Bに入射するパルスレーザビームのパワーの絶対値を調整してもよい。例えば、光検出器28A、28Bによるパワーの測定値が目標値に近づくように、第1音響光学素子20A及び第2音響光学素子20Bの回折効率を調整してもよい。これにより、加工に使用されたパルスレーザビームL12、L22のパワーの絶対値を目標値に近づけることができる。
各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
10 レーザ発振器
11 ビームエキスパンダ
12 アパーチャ
13 分岐光学素子
13A 偏光方向調整光学系
13B 偏光ビームスプリッタ
14 折り返しミラー
20A、20B 音響光学素子
21A、21B ビームダンパ
22A、22B 折り返しミラー
23A、23B ビーム走査器
24A、24B 集光レンズ
25 折り返しミラー
26 偏光方向調整光学系
26A、26B 折り返しミラー
27A、27B 部分反射鏡
28A、28B 光検出器
30A、30B 移動機構
40 制御装置
45 光学定盤
50A、50B 加工対象物

Claims (5)

  1. パルスレーザビームを少なくとも2本の経路に分岐させる分岐光学素子と、
    前記分岐光学素子で分岐された経路のそれぞれに配置され、外部から与えられる指令に応じて、入射するパルスレーザビームの時間軸上の一部分を、加工対象物に向かう加工用の経路に振り向ける少なくとも2つの音響光学素子と
    を備えたレーザ加工装置。
  2. 前記分岐光学素子及び前記音響光学素子を支持する光学定盤を、さらに備え、
    前記分岐光学素子は、入射するパルスレーザビームを、前記光学定盤に対して平行な偏光方向を持つP偏光と、前記光学定盤に対して垂直な偏光方向を持つS偏光とに分岐させる偏光ビームスプリッタを含み、
    前記偏光ビームスプリッタで分岐されたP偏光とS偏光との伝搬方向は、前記光学定盤に対して平行であり、
    前記偏光ビームスプリッタで分岐されたP偏光及びS偏光が、それぞれ前記音響光学素子のうち一つの第1音響光学素子及び他の第2音響光学素子に入射し、
    前記第1音響光学素子は、入射するP偏光を前記光学定盤に対して平行な方向に回折させる姿勢で配置されており、
    前記第2音響光学素子は、入射するS偏光を前記光学定盤に対して傾斜した方向に回折させる姿勢で配置されている請求項1に記載のレーザ加工装置。
  3. 前記音響光学素子に切り出しの指令を与える制御装置を、さらに備えた請求項1または2に記載のレーザ加工装置。
  4. 前記制御装置は、前記音響光学素子に同一のタイミングで、同一の期間だけパルスレーザビームを切り出す指令を与える請求項3に記載のレーザ加工装置。
  5. 前記音響光学素子の回折効率が可変であり、
    前記分岐光学素子で分岐された後のパルスレーザビームのそれぞれのパワーを測定する光検出器を、さらに備え、
    前記制御装置は、前記光検出器によるパワーの測定値が相互に近づく方向に、前記音響光学素子の回折効率を調節する請求項3または4に記載のレーザ加工装置。
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