JP3483723B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ発振器から
のレーザ光を光伝送体および縮小結像光学系を通して被
加工物に照射するレーザ加工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来からレーザ光を利用した加工装置が
数多く提案されてきた。その大部分はマスクと縮小投影
光学系とを組み合わせた加工装置がほとんどであった。
これはレーザ光をマスクに照射し、そのマスクの開口部
を透過したレーザ光をレンズ系を用いて縮小投影して被
加工物へ照射する加工方式である。この方式では、レー
ザ光の大部分はマスクにより反射され、実際の加工に用
いられるレーザ光強度はマスク入射前の１〜２％程度で
しかなく、レーザ光利用効率は非常に低いものであっ
た。

【０００３】光の利用効率を改善するために、複数の光
伝送体を用いたレーザ加工装置が開発されている。この
ような複数の光伝送体を用いたレーザ加工装置として
は、図７に示す特開平６−５５２８８号公報記載の多軸
ビームレーザ加工機があげられる。

【０００４】以下、従来のレーザ加工機について説明す
る。図７において、１０１はレーザ発振器であり、レー
ザ光を発する。１０２はレーザ光が透過可能な加工用光
伝送体であり、そのレーザ光入射側はまとめられて導入
端１０２ａとなっている。導入端１０２ａは、図８に示
すように、複数の光伝送体１１１の端部を伝送体フォル
ダ１１２内において充填剤１１３により固めたもので、
鎖線で示した範囲がレーザビーム照射領域１１４になっ
ている。導入端１０２ａからレーザ光は、加工用光伝送
体１０２内を伝播し、加工用射出端１０２ｂから射出さ
れる。この光は縮小結像光学系１０３により縮少され、
試料設置台１０５に固定された被加工物１０４を照射し
加工を行う。加工条件を一定にするために、各加工用光
伝送体１０２から出射されるレーザ光出力を等しくする
ことが必要であり、十分調整して装置の据え付け・設置
が行われる。

【０００５】また、レーザ光強度を一定にするために、
レーザ発振器１０１内にレーザ出力を一定にする機構を
備えている。具体的には、レーザ光の一部を部分反射鏡
で分割し、その反射光の光強度を測定することで、レー
ザ光強度を検知し、この検知信号をもとにレーザ出力を
一定制御（フィードバック制御）している。これによ
り、レーザ発振器１０１から出射直後のレーザ光強度を
一定にすることが可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した特開平６−５
５２８８号公報記載の多軸ビームレーザ加工機では、各
ビーム間での加工品質を等しくするために、各光伝送体
間の出射レーザ光強度を等しくする必要があり、このた
めにはレーザ光の面内強度分布を均一化した後、各光伝
送体にレーザ光を入射させていた。しかしながら、レー
ザ加工機においては、光伝送体束へのレーザ光の入射角
度が微妙に変化しただけでも、各光伝送体間でのレーザ
光の強度が異なってしまう。レーザ光の入射角度は、各
種光学素子の径時的な位置ずれや、レーザ保守時の光軸
の変化等が発生した場合に変化するので、各伝送体間で
の出射レーザ光の強度はばらつくことになる。

【０００７】また、図７に示す構成では、各光伝送体間
での光強度のばらつきは、全出射光の光強度を測定し、
比較するしか方法がなかったが、装置の構成上、全出射
光の光強度を測定することは困難であることが多く、各
伝送体間での出射レーザ光の強度がほぼ一定であること
を確認する手段がないということも課題であった。

【０００８】さらに、被加工物に応じて照射するレーザ
出力を変更し、加工条件の最適化をする必要があるが、
図７に示す多軸ビームレーザ加工機の構成では、光伝送
体入射前のレーザ光強度を検知することはできるが、光
伝送体を透過した後のレーザ光強度を検知することがで
きなかった。レーザ加工に必要な加工条件は、被加工物
を照射するレーザ光強度である。加工光学系の劣化や径
時変化等があるため、加工光学系に入射するレーザ光強
度を一定にしても、被加工物を照射するレーザ光強度は
一定になるとは限らない。従来におけるレーザ光強度の
調整は、レーザ発振器から発した光の一部を分岐して光
強度を検出する方法しかなく、この方法では加工光学系
入射前の全レーザ光強度を検知できるが、個別の光伝送
体を透過した後の光強度を測定することができないとい
う課題があった。

【０００９】本発明は、上記の課題を解決するもので、
光伝送体間での光強度分布を一様にできるレーザ加工装
置を提供することを第１の目的とし、光伝送体透過後の
レーザ光を検出できるレーザ加工装置を提供することを
第２の目的とし、光伝送体透過後の光強度を一定に制御
できるレーザ加工装置を提供することを第３の目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明は、光伝送体束にレーザ光が照射され
た時に、光伝送体のうち、加工に供されない複数の光伝
送体の出射レーザ光強度を相互に比較出来るようにし、
その出射レーザ光強度が許容誤差範囲内で等しければ、
全光伝送体から出射されるレーザ光強度は等しいと推定
できるようにしたものである。これにより、加工装置の
構成を壊すことなく、各光伝送体からの出射レーザ光強
度がほぼ一様であることを確認することができる。さら
に、各光伝送体からの出射レーザ光強度を等しくするた
めの調整を行うことができる。

【００１１】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明は、光伝送体束にレーザ光が照射された時に、加
工に供されない光伝送体の出射レーザ光をモニターする
ことで、レーザ光強度の検知、レーザ光パルス数の検
知、累計照射パルスエネルギーの検知、レーザ光パルス
時間の検知、レーザ光の波長の検知の少なくともいずれ
か一つの検知をするように構成したものである。これに
より、光伝送体透過後のレーザ光を検出することができ
る。

【００１２】また、上記第３の目的を達成するために、
本発明は、加工に供されない光伝送体の出射レーザ光を
モニターし、光検知器とその出力信号を受け、レーザ発
振器の発振状態を変化させる制御信号を発する加工制御
装置を備えるようにしてフィードバック制御ができる構
成したものである。これにより、レーザ発振器出射口で
はなく、光伝送体透過後の光強度を一定に制御すること
ができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、レーザビームを出射するレーザ発振器と、前記レー
ザ発振器から出射されたレーザビームの強度分布を均一
化する均一化光学系と、前記均一化されたレーザビーム
を伝送するための複数の光伝送体の入射端を束ね、それ
ぞれの出射端を分離可能に束ねた光伝送体束と、前記光
伝送体束は、少なくとも加工に供される加工用伝送体と
少なくとも２本以上の光検出用に供される検出用伝送体
から構成され、さらに前記検出用伝送体のそれぞれの出
射端面から放出された光検出用出射レーザ光の光強度を
前記検出用伝送体ごとに検知して相互に比較することに
より、前記複数の光伝送体から出射されるレーザ光の光
強度分布を推定する光検知器とを備えたレーザ加工装置
であり、加工に供される加工用伝送体と光検知用に供さ
れる検出用伝送体の双方を有し、検出用伝送体からの出
射光のみを検知することにより、全ての光伝送体からの
出射光を測定する必要なしに、各光伝送体からの出射レ
ーザ光強度がほぼ一様であることを確認することがで
き、さらに各光伝送体からの出射レーザ光強度を等しく
するための調整を行うことができるいという作用を有す
る。

【００１４】本発明の請求項２に記載の発明は、前記光
検知器の検出結果をもとに、前記光検出用出射レーザ光
の光強度が等しくなるように、前記複数の光伝送体の入
射端の位置および傾きを調整することを特徴とする請求
項１記載のレーザ加工装置であり、検出用伝送体からの
レーザ光強度を比較して光伝送体束の位置や傾きを調整
することにより、光伝送体間の出力を一様にすることが
できるという作用を有する。

【００１５】本発明の請求項３に記載の発明は、光検知
器からの検知信号を用いてレーザ発振器を制御する加工
制御装置を備えた請求項１または２記載のレーザ加工装
置であり、光検知器からの検知信号をもとに加工制御装
置がレーザ発振器を制御することにより、レーザ加工に
適したレーザ光を得ることができるという作用を有す
る。

【００１６】本発明の請求項４に記載の発明は、光検知
器が、レーザ光強度の検知、レーザ光パルス数の検知、
累計照射パルスエネルギーの検知、レーザ光パルス時間
の検知、レーザ光の波長の検知の少なくともいずれか一
つの検知機能を有する請求項３記載のレーザ加工装置で
あり、光伝送体透過後のレーザ光強度、レーザ光パルス
数、累計照射パルスエネルギー、レーザ光パルス時間、
レーザ光の波長の少なくともいずれか一つを検知できる
という作用を有する。

【００１７】本発明の請求項５に記載の発明は、光検知
器からの検知信号を用いて、加工制御装置が光伝送体透
過後のレーザ光強度が一定になるようにレーザ発振器を
フィードバック制御することを特徴とする請求項４記載
のレーザ加工装置であり、光伝送体透過後のレーザ光を
光検知器で検知し、光検知器からの検知信号をもとに光
伝送体透過後のレーザ光強度が一定になるように、加工
制御装置がレーザ発振器をフィードバック制御すること
ができるという作用を有する。

【００１８】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図６を用いて説明する。 （実施の形態１）図１は本発明の第１の実施の形態にお
けるレーザ加工装置の構成を示す。図１において、１は
レーザ光を発するレーザ発振器、２はレーザ発振器１か
らのレーザ光の光軸に対して垂直面の強度分布を均一に
する均一化光学系であり、これにより面内強度分布が均
一化された均一化レーザビーム３が得られる。４は複数
の光伝送体をその入射端４ａで束ねた光伝送体束であ
り、加工用伝送体５と検出用伝送体１１とからなる。加
工用伝送体の射出端５ａは射出端保持板６に保持されて
いる。７は加工用伝送体５から射出された加工用出射ビ
ームであり、縮小結像光学系８により、試料設置台１０
上の被加工物９を照射する。１１は光伝送体束４の入射
端４ａから加工用伝送体５と分岐された検出用伝送体で
あり、その射出端１１ａは射出端保持板１２に保持され
ている。１３は検出用伝送体１１から出射された検出用
出射ビームであり、光検知器１４に入射する。

【００１９】図２は本実施の形態における均一化された
レーザビームの強度分布を示したものである。本実施の
形態では、レーザ光を矩形に整形している。Ｘ軸とＹ軸
とで構成されるＸＹ平面は、レーザ光の伝播方向に対す
る垂直面で、Ｚ軸はレーザ光の強度を示している。レー
ザビームが矩形に整形され、かつ整形後の面内強度分は
ほぼ一様になっていることが分かる。この均一化レーザ
ビーム３が光伝送体に照射される。

【００２０】図３は本実施の形態における光伝送体束の
構成を示している。図３において、２４は複数の光伝送
体であり、レーザ光強度を減衰させずにレーザ光を伝送
することができ、本実施の形態では石英製の光ファイバ
ーが用いられている。複数の伝送体２４の一端は、充填
剤２２により位置が固定され、その全体でレーザビーム
照射領域２３を構成しており、外周を伝送体フォルダ２
０により固定して取り扱いを容易にしている。伝送体２
４の導入端２１は光学研磨されており、レーザビーム照
射領域２３内に均一化レーザビーム３が照射されると、
伝送体２４内をレーザ光が伝播し、出射端２５から外界
に出る。出射端２５側では、伝送体２４は１本１本個別
に分離できる構造になっており、上記した加工用伝送体
５と検出用伝送体１１とに分離される。

【００２１】図４は本実施の形態における光伝送体束の
導入端の構成を示している。レーザビーム照射領域２３
内に、加工用伝送体５の加工用導入端２８と、光検出用
伝送体１１の検出用導入端２７と、配置はされているが
使用されていない伝送体の未使用導入端２６の３種類の
伝送体の端面が配置されている。各伝送体は、レーザビ
ーム照射領域２３内に配置されているので、各伝送体内
を伝播するレーザ光強度は同一となっている。本実施の
形態では、検出用導入端２７を光伝送体が配置されてい
る四隅に設定してある。このように構成された光伝送体
束の導入端２１に均一化レーザビーム３が照射される。

【００２２】加工用射出端５ａから出射された加工用出
射ビーム７は、その光軸上にある縮小結像光学系８によ
り集光され、試料設置台１０上の被加工物９を照射す
る。本実施の形態では、レーザ発振器１にＸｅＣｌエキ
シマレーザ発振器（波長３０８ｎｍ）を用いている。ま
た、被加工物９にポリイミド膜を用いている。被加工物
９上で、加工用出射ビーム７は集光され、そのエネルギ
ー密度は１Ｊ／ｃｍ² となるように調整されている。こ
の条件では、被加工物９であるポリイミド膜はＸｅＣｌ
エキシマレーザが１パルス照射される毎に、深さ方向約
０．５μｍの穴加工が行えることを確認している。被加
工物９であるポリイミド膜の膜厚が１５０μｍである場
合には、３００パルスのＸｅＣｌエキシマレーザ光を照
射すると、貫通穴の加工が行える。

【００２３】光軸ずれやレーザ発振器の交換などが原因
で加工用出射ビーム７の強度が各々異なった場合、導入
端４ａの位置および傾きを変化させて調整を行う。この
時、四隅に配置された検出用伝送体１１からの出射する
検出用出射ビーム１３の光強度を等しくすべく、導入端
４ａの位置および傾きを調整する。検出用出射ビーム１
３の光強度は、光検知器１４によって検知され、その光
強度を知ることができる。レーザビーム照射領域２３内
の光強度分布はなだらかに変化しているので、レーザビ
ーム照射領域２３内の四隅に配置した検出用伝送体１１
からの出射光である検出用出射ビーム１３の光強度を等
しくすることで、全ての光伝送体を伝播する光強度は等
しくなる。

【００２４】このように、本実施の形態１によれば、全
ての加工用出射端５ａから出射される加工用出射ビーム
７の光強度を測定することなく、加工用出射ビーム７の
光強度を均一になるように調整することができる。

【００２５】なお、本実施の形態１においては、光検出
器１４で２本の光検出用出射ビーム１３を同時に測定し
ているが、１本のビーム毎に測定を行っても構わない。

【００２６】（実施の形態２）図５は本発明の第２の実
施の形態におけるレーザ加工装置の構成を示しており、
図１に示した第１の実施の形態における光検知器１４と
レーザ発振器１との間に加工制御装置１５を接続したも
のである。その他は、検出用伝送体１１が１本であるこ
とを除いては、図１に示した構成と同じなので、同じ構
成要素には同じ符号を付して重複した説明は省略する。

【００２７】図６は本実施の形態における光伝送体束の
導入端の構成を示しており、図４に示した第１の実施の
形態と異なるのは、検出用伝送体１１の検出用導入端２
７が１個所設けられていることであり、他の構成は第１
の実施の形態と同じである。

【００２８】検出用伝送体１１からの出射光である検出
用出射ビーム１３は、光検知器１４でその光強度が検出
される。この検出信号を加工制御装置１５が取り込み、
基準値と比較演算する。この後、加工制御装置１５から
レーザ発振器１へ制御信号が送られ、レーザ発振器１
は、その制御信号をもとに発振状態を変化させて、出射
するレーザ光の強度を変化させる。このように、フィー
ドバック制御を行うことにより、加工用出射ビーム７の
光強度を設定値に制御可能となる。

【００２９】なお、本実施の形態において、光検知器１
４は、レーザ光強度を電気信号に変換し、レーザ光強度
を検出する目的に供していたが、レーザ光を検知しパル
ス数を計測する目的に供してもよい。さらに、レーザ光
を検知して他計測器の同期信号を発生する目的に供して
もよい。さらに、レーザ光強度とパルス数を検知し、累
計照射エネルギー量の検知する目的に供してもよい。さ
らに、レーザ光の波長の検知、レーザ光の発光時間の検
知等に用いてもよいことは言うまでもない。

【００３０】また、本実施の形態では、検出用伝送体１
１を１本のみ用いているが、２本以上を同時に用いても
よいことは言うまでもない。その際、個々の伝送体が異
なる目的に使用しても一向に構わない。また、本実施の
形態では、光検知器１４からの検知信号を利用してフィ
ードバック制御を行っているが、検知信号を外部に表示
・伝達したりする目的に供してもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光伝送体
間での光強度分布を一定にできるレーザ加工装置を提供
でき、また光伝送体透過後のレーザ光を検出できるレー
ザ加工装置を提供でき、さらに光伝送体透過後のレーザ
光を一定に制御できるレーザ加工装置を提供できるとい
う有利な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態におけるレーザ加工
装置の構成図

【図２】本発明の第１の実施の形態における均一化され
たレーザビームの面内強度分布図

【図３】本発明の第１の実施の形態における光伝送体束
の斜視図

【図４】本発明の第１の実施の形態における光伝送体束
の入射面の拡大正面図

【図５】本発明の第２の実施の形態におけるレーザ加工
装置の構成図

【図６】本発明の第２の実施の形態における光伝送体束
の入射面の拡大正面図

【図７】従来例におけるのレーザ加工装置の構成図

【図８】従来例における光伝送体束の入射面の拡大正面
図

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ 均一化光学系 ３ 均一化レーザビーム ４ 光伝送体束 ５ 加工用伝送体 ６ 射出端保持板 ７ 加工用出射ビーム ８ 縮小結像光学系 ９ 被加工物 １０ 試料設置台 １１ 検出用伝送体 １２ 射出端保持板 １３ 検出用出射ビーム １４ 光検知器 １５ 加工制御装置 ２０ 伝送体フォルダ ２１ 導入端 ２２ 充填剤 ２３ レーザビーム照射領域 ２４ 光伝送体 ２５ 出射端 ２６ 未使用導入端 ２７ 検出用導入端 ２８ 加工用導入端

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋 立 雄 二 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番 １号 松下技研株式会社内 (72)発明者 鈴 木 信 靖 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番 １号 松下技研株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−55288（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−187585（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−136510（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/42

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザビームを出射するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から出射されたレーザビームの強度分
   布を均一化する均一化光学系と、前記均一化されたレー
   ザビームを伝送するための複数の光伝送体の入射端を束
   ね、それぞれの出射端を分離可能に束ねた光伝送体束
   と、前記光伝送体束は、少なくとも加工に供される加工
   用伝送体と少なくとも２本以上の光検出用に供される検
   出用伝送体から構成され、さらに前記検出用伝送体のそ
   れぞれの出射端面から放出された光検出用出射レーザ光
   の光強度を前記検出用伝送体ごとに検知して相互に比較
   することにより、前記複数の光伝送体から出射されるレ
   ーザ光の光強度分布を推定する光検知器とを備えたレー
   ザ加工装置。
2. 【請求項２】 前記光検知器の検出結果をもとに、前記
   光検出用出射レーザ光の光強度が等しくなるように、前
   記複数の光伝送体の入射端の位置および傾きを調整する
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 前記光検知器からの検知信号を用いて前
   記レーザ発振器を制御する加工制御装置を備えた請求項
   １または２記載のレーザ加工装置。
4. 【請求項４】 前記光検知器が、レーザ光強度の検知、
   レーザ光パルス数の検知、累計照射パルスエネルギーの
   検知、レーザ光パルス時間の検知、レーザ光の波長の検
   知の少なくともいずれか一つの検知機能を有することを
   特徴とする請求項３記載のレーザ加工装置。
5. 【請求項５】 前記光検知器からの検知信号を用いて、
   前記加工制御装置が前記光伝送体透過後のレーザ光強度
   が一定になるように前記レーザ発振器をフィードバック
   制御することを特徴とする請求項４記載のレーザ加工装
   置。