JP3708102B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を照射して加工対象物を加工するレーザ加工装置に関する。

従来、このような分野の技術として、特許文献１に記載されたレーザ加工装置がある。この文献に記載されたレーザ加工装置では、レーザヘッドから出射されるレーザ光の出射方向が加工対象物を載置するステージに対して垂直となるように、ステージの上方にレーザヘッドが設置されている。このような構成を採用するのは、レーザ光の出射方向がステージに対して平行となるようにレーザヘッドを設置すると、ステージに対して垂直にレーザ光を照射するために反射ミラーが必要となってしまい、構造が複雑化するからである。さらには、反射ミラーがレーザ光を受光することで、反射ミラーに熱歪みが生じ、その歪みによりレーザ光の特性が変化するおそれがあるからである。
特開平５−２４５６７５号公報

しかしながら、このような従来のレーザ加工装置には、次のような問題が存在している。すなわち、レーザヘッドから出射されるレーザ光の出射方向は、レーザヘッド毎に若干ばらついている。したがって、レーザヘッドの損傷等のためにレーザヘッドを交換すると、レーザヘッド毎のレーザ光の出射方向のばらつきによって、レーザ光の出射方向がレーザ加工装置本体の光軸からずれるおそれがある。このようなレーザ光の出射方向のずれは、レーザ光の照射により加工対象物を精密加工するような場合には特に大きな問題となる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、レーザヘッド毎のレーザ光の出射方向のばらつきを補正することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加工装置は、加工対象物にレーザ光を照射して加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、レーザ光を出射するレーザヘッドと、レーザヘッドを保持すると共に、レーザヘッドを冷却する冷却ジャケットと、レーザヘッドから出射されたレーザ光を所定の特性に調整する光学系本体部と、レーザヘッドの光軸及び光学系本体部の光軸上において冷却ジャケットと光学系本体部との間に配置され、レーザヘッドの光軸が光学系本体部の光軸と一致するように光学系本体部に対して冷却ジャケットの位置及び傾きを調整するための調整部とを備えることを特徴とする

このレーザ加工装置においては、レーザヘッドが冷却ジャケットによって保持されて冷却されるため、レーザヘッドを安定的に動作させることができる。しかも、このレーザ加工装置においては、レーザヘッドの損傷等のためにレーザヘッドを交換する際に、レーザ光の出射方向がばらついていても、調整部によって光学系本体部に対する冷却ジャケットの位置及び傾きを調整することにより、レーザ光の出射方向を光学系本体部の光軸に一致させることができる。このように、このレーザ加工装置によれば、レーザヘッド毎のレーザ光の出射方向のばらつきを容易に補正することが可能となる。

さらに、冷却ジャケットは、レーザヘッドから出射されたレーザ光の光路を開閉するシャッタユニットを保持すると共に、シャッタユニットを冷却すると好適である。この構成により、レーザ光の光路を閉鎖することで発熱したシャッタユニットを、レーザヘッドを冷却するための冷却ジャケットによって冷却することができる。このように、共通の冷却ジャケットによって、レーザヘッド及びシャッタユニットの双方を効率的に冷却することができ、併せてレーザ加工装置の小型化を図ることもできる。

また、光学系本体部は、レーザヘッドから出射されたレーザ光のビームサイズを調整するビームエキスパンダと、加工対象物を観察するための加工対象物観察光学系と、レーザ光を加工対象物に集光する加工用対物レンズとを有するとよい。この構成により、ビームエキスパンダによってレーザヘッドから出射されたレーザ光のビームサイズを調整することができ、加工対象物観察光学系によって加工対象物を観察することができ、また、加工用対物レンズによってレーザ光を加工対象物に集光して、加工対象物を加工することができる。

本発明によれば、レーザヘッド毎のレーザ光の出射方向のばらつきを補正することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係るレーザ加工装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係るレーザ加工装置１の一実施形態を示す概略構成図ある。図１に示すように、レーザ加工装置１は、ステージ２上に載置された平板状の加工対象物Ｓの内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射し、加工対象物Ｓの内部に多光子吸収による改質領域Ｒを形成する装置である。ステージ２は、上下方向及び左右方向への移動並びに回転移動が可能なものであり、このステージ２の上方には、主にレーザヘッドユニット３、光学系本体部４及び対物レンズユニット５からなるレーザ出力装置６が配置されている。

レーザヘッドユニット３は、光学系本体部４の上端部に着脱自在に取り付けられている。このレーザヘッドユニット３はＬ字状の冷却ジャケット１１を有しており、この冷却ジャケット１１の縦壁１１ａ内には、冷却水が流通する冷却管１２が蛇行した状態で埋設されている。この縦壁１１ａの前面には、レーザ光Ｌを下方に向けて出射するレーザヘッド１３と、このレーザヘッド１３から出射されたレーザ光Ｌの光路の開放及び閉鎖を選択的に行うシャッタユニット１４とが、ねじにより着脱自在に取り付けられている。したがって、レーザヘッド１３が損傷した際には、レーザヘッド１３を交換することができる。また、駆動により発熱するレーザヘッド１３、及びレーザ光Ｌの光路の閉鎖により発熱するシャッタユニット１４を、共通の冷却ジャケット１１によって効率的に冷却することができ、併せて、レーザ加工装置１の小型化も図られている。なお、レーザヘッド１３は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザを用いたものであり、レーザ光Ｌとしてパルス幅１μｓ以下のパルスレーザ光を出射する。

さらに、レーザヘッドユニット３において、冷却ジャケット１１の底壁１１ｂの下面には、冷却ジャケット１１の位置及び傾きを調整するための調整部１５が取り付けられている。この調整部１５は、レーザヘッド１３から出射されたレーザ光Ｌの光軸αを、上下方向に延在するように光学系本体部４及び対物レンズユニット５に設定された光軸βに一致させるためのものである。つまり、レーザヘッドユニット３の冷却ジャケット１１は調整部１５を介して光学系本体部４に取り付けられる。その後、調整部１５により冷却ジャケット１１の位置及び傾きが調整されると、冷却ジャケット１１の動きに応じてレーザヘッド１３の位置及び傾きも調整される。これにより、レーザ光Ｌは、その光軸αが光軸βと一致した状態で光学系本体部４内に進行することになる。なお、冷却ジャケット１１の底壁１１ｂ、調整部１５及び光学系本体部４の筐体２１には、レーザ光Ｌが通過する貫通孔が形成されている。

また、光学系本体部４の筐体２１内の光軸β上には、レーザヘッド１３から出射されたレーザ光Ｌのビームサイズを拡大するビームエキスパンダ２２と、レーザ光Ｌの出力を調整する光アッテネータ２３と、光アッテネータ２３により調整されたレーザ光Ｌの出力を観察する出力観察光学系２４と、レーザ光Ｌの偏光を調整する偏光調整光学系２５とが上から下にこの順序で配置されている。なお、光アッテネータ２３には、除去されたレーザ光を吸収するビームダンパ２６が取り付けられており、このビームダンパ２６は、ヒートパイプ２７を介して冷却ジャケット１１に接続されている。これにより、レーザ光を吸収したビームダンパ２６が過熱するのを防止することができる。このようにして、レーザヘッド１３から出射されたレーザ光Ｌが、光学系本体部４において所定の特性に調整される。

さらに、ステージ２上に載置された加工対象物Ｓを観察すべく、光学系本体部４の筐体２１には、観察用可視光を導光するライトガイド２８が取り付けられ、筐体２１内にはＣＣＤカメラ２９が配置されている。観察用可視光はライトガイド２８により筐体２１内に導かれ、視野絞り３１、レチクル３２、ダイクロイックミラー３３等を順次通過した後、光軸β上に配置されたダイクロイックミラー３４により反射される。反射された観察用可視光は、光軸β上を下方に向かって進行して加工対象物Ｓに照射される。なお、レーザ光Ｌはダイクロイックミラー３４を透過する。

そして、加工対象物Ｓの表面で反射された観察用可視光の反射光は、光軸βを上方に向かって進行し、ダイクロイックミラー３４により反射される。このダイクロイックミラー３４により反射された反射光は、ダイクロイックミラー３３によりさらに反射されて結像レンズ３５等を通過し、ＣＣＤカメラ２９に入射する。このＣＣＤカメラ２９により撮像された加工対象物Ｓの画像はモニタ（図示せず）に映し出される。このように、ライトガイド２８、ＣＣＤカメラ２９、視野絞り３１、レクチル３２、ダイクロイックミラー３３，３４、結像レンズ３５によって加工対象物観察光学系が構成されている。

また、対物レンズユニット５は、光学系本体部４の下端部に着脱自在に取り付けられている。対物レンズユニット５は、複数の位置決めピンによって光学系本体部４の下端部に対して位置決めされるため、光学系本体部４に設定された光軸βと対物レンズユニット５に設定された光軸βとを容易に一致させることができる。この対物レンズユニット５の筐体４１の下端には、ピエゾ素子を用いたアクチュエータ４３を介在させて、光軸βに光軸が一致した状態で加工用対物レンズ４２が装着されている。なお、光学系本体部４の筐体２１及び対物レンズユニット５の筐体４１には、レーザ光Ｌが通過する貫通孔が形成されている。また、加工用対物レンズ４２によって集光されたレーザ光Ｌの集光点Ｐにおけるピークパワー密度は１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上となる。

さらに、対物レンズユニット５の筐体４１内には、加工対象物Ｓの表面から所定の深さにレーザ光Ｌの集光点Ｐを位置させるべく、測定用レーザ光を出射するレーザダイオード４４と受光部４５とが配置されている。測定用レーザ光はレーザダイオード４４から出射され、ミラー４６、ハーフミラー４７により順次反射された後、光軸β上に配置されたダイクロイックミラー４８により反射される。反射された測定用レーザ光は、光軸β上を下方に向かって進行し、加工用対物レンズ４２を通過して加工対象物Ｓに照射される。なお、レーザ光Ｌはダイクロイックミラー４８を透過する。

そして、加工対象物Ｓの表面で反射された測定用レーザ光の反射光は、加工用対物レンズ４２に再入射して光軸β上を上方に向かって進行し、ダイクロイックミラー４８により反射される。このダイクロイックミラー４８により反射された測定用レーザ光の反射光は、ハーフミラー４５を通過して受光部４５内に入射し、フォトダイオードを４等分してなる４分割位置検出素子上に集光される。この４分割位置検出素子上に集光された測定用レーザ光の反射光の集光像パターンに基づいて、加工用対物レンズ４２による測定用レーザ光の集光点が加工対象物Ｓの表面に対してどの位置にあるかを検出することができる。

次に、図２〜図７を参照して、冷却ジャケット１１と光学系本体部４の間に配置された調整部１５についてより詳細に説明する。ここで、冷却ジャケット１１の左右方向をＸ軸方向、前後方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とする。

図２及び図３に示すように、調整部１５は、光学系本体部４に対して冷却ジャケット１１をＸ−Ｙ方向に移動させるＸ−Ｙ方向補正機構５０と、光学系本体部４に対して冷却ジャケット１１の傾きを調整する傾き調整機構５１とから構成されている。Ｘ−Ｙ方向補正機構５０は、Ｙ軸補正機構５２及びＸ軸補正機構５３からなり、傾き調整機構５１は、Ｘ−Ｙ方向補正機構５０上に設置されている。

Ｙ軸補正機構５２は、長方形状の板状部材５４と、筐体２１の天板２１ａ上の前側縁部に形成されたねじ保持部５６と、そのねじ保持部５６によりＹ軸方向に沿って保持された送りねじ５７と、天板２１ａ上に立設された一対のピン５８，５９とを有している。板状部材５４の前側側面にはねじ穴６１が形成され、板状部材５４の後側縁部には、Ｙ軸方向に延在する一対の切欠き６２，６３が形成されている。

図３及び図４に示すように、板状部材５４は、切欠き６２内にピン５８が配置され、且つ切欠き６３内にピン５９が配置された状態で天板２１ａ上に載置され、送りねじ５７はねじ穴６１に螺合されている。なお、天板２１ａの中央には、レーザヘッド１３から出射されたレーザ光Ｌを通過させる貫通孔２１ｂが形成されており、板状部材５４の中央にも、同じくレーザ光Ｌを通過させる貫通孔６４が形成されている。

Ｘ軸補正機構５３は、長方形状の板状部材６６と、板状部材５４上の左側縁部に形成されたねじ保持部６７と、そのねじ保持部６７によりＸ軸方向に沿って保持された送りねじ６８と、板状部材５４上に立設されたピン６９とを有している。板状部材６６の左側側面にはねじ穴７１が形成され、板状部材６６の右側縁部には、Ｘ軸方向に延在する切欠き７２が形成されている。

図３及び図５に示すように、板状部材６６は、切欠き７２内にピン６９が配置された状態で板状部材５４上に載置され、送りねじ６８はねじ穴７１に螺合されている。なお、板状部材６６の中央には、レーザヘッド１３から出射されたレーザ光Ｌを通過させる貫通孔７３が形成されている。

また、図３に示すように、傾き調整機構５１は、板状部材６６と、長方形状の板状部材７４と、これら板状部材６６及び板状部材７４を四隅で連結する１つの傾き補正支点機構７７及び３つの傾き補正動点機構７８とから構成されている。なお、板状部材７４の中央には、レーザヘッド１３から出射されたレーザ光Ｌを通過させる貫通孔７９が形成されている。

図３及び図６に示すように、傾き補正支点機構７７は支持ボルト８１を有しており、この支持ボルト８１の先端には小径ねじ部８２が形成されている。支持ボルト８１は、板状部材７４のねじ挿通孔８３を貫通し、小径ねじ部８２は板状部材６６の上面に形成されたねじ穴８４に螺合されている。また、このねじ穴８４に貫通するように、板状部材６６の側面からねじ穴８６が形成されている。そして、支持ボルト８１の小径ねじ部８２がねじ穴８４に螺合された状態で、ねじ穴８６に固定ボルト８７が螺合され、固定ボルト８７の先端で小径ねじ部８２が押圧されることで、支持ボルト８１は板状部材６６に強固に固定されている。

また、板状部材７４と板状部材６６との間には、支持ボルト８１が貫通した球体８８及び球面ワッシャ８９，９１が、各凹状球面ワッシャ８９，９１の球面で球体８８を挟んだ状態で配置されている。

さらに、板状部材７４上には、支持ボルト８１が貫通する凹状球面ワッシャ９２及び凸状球面ワッシャ９３が互いに嵌め合わされた状態で配置されており、これら凹状球面ワッシャ９２及び凸状球面ワッシャ９３の上側において、支持ボルト８１にはナット９４が螺合されている。

また、図３及び図７に示すように、傾き補正動点機構７８も支持ボルト８１を有しており、支持ボルト８１が板状部材７４のねじ挿通孔８３を貫通し、小径ねじ部８２が板状部材６６の上面に形成されたねじ穴８４に螺合されている。さらには、支持ボルト８１の小径ねじ部８２がねじ穴８４に螺合された状態で、板状部材６６の側面に形成されたねじ穴８６に固定ボルト８７が螺合され、固定ボルト８７の先端で小径ねじ部８２が押圧されて支持ボルト８１は板状部材６６に強固に固定されている。

板状部材７４と板状部材６６との間には、支持ボルト８１が貫通する凹状球面ワッシャ９６及び凸状球面ワッシャ９７が互いに嵌め合わされた状態で配置されている。さらに、これら凹状球面ワッシャ９６及び凸状球面ワッシャ９７の下側において、支持ボルト８１にはナット９８が螺合されている。

また、板状部材７４上には、支持ボルト８１が貫通する凹状球面ワッシャ９９及び凸状球面ワッシャ１０１が互いに嵌め合わされた状態で配置されており、さらに、これら凹状球面ワッシャ９９及び凸状球面ワッシャ１０１の上側において、支持ボルト８１にはナット１０２が螺合されている。

以上のように構成された調整部１５の使用方法の一例を説明する。この調整部１５は、レーザヘッド１３の交換時等において使用される。

図４に示すように、Ｙ軸補正機構５２の送りねじ５７を正転又は逆転させると、板状部材５４がピン６２及びピン６３に案内されてＹ軸方向に移動する。この移動に伴い、板状部材５４より上に存在するＸ軸補正機構５３、傾き調整機構５１、及び冷却ジャケット１１が天板２１ａに対してＹ軸方向に移動するため、レーザヘッド１３の光軸αと光学系本体部４の光軸βとをＸ軸方向において一致させることができる。

続いて図５に示すように、Ｘ軸補正機構５３の送りねじ６８を正転又は逆転させると、板状部材６６がピン６９に案内されてＸ軸方向に移動する。この移動に伴い、板状部材６６より上に存在する傾き調整機構５１、及び冷却ジャケット１１が天板２１ａに対してＸ軸方向に移動するため、レーザヘッド１３の光軸αと光学系本体部４の光軸βとをＹ軸方向において一致させることができる。

さらに、傾き調整機構５１において、傾き補正支点機構７７のナット９４、及び各傾き補正動点機構７８のナット９８，１０２を緩める（図６及び図７参照）。そして、レーザヘッド１３の光軸αと光学系本体部４の光軸βとが一致するように、冷却ジャケット１１が固定された板状部材７４を傾ける。このとき、傾き補正支点機構７７では、球体８８の球面に対して凹状球面ワッシャ８９，９１の各凹状球面が摺動し、凹状球面ワッシャ９２の凹状球面と凸状球面ワッシャ９３の凸状球面とが摺動しつつ、板状部材７４は傾けられる。また、各傾き補正動点機構７８では、図８に示すように、凸状球面ワッシャ９７の凸状球面と凹状球面ワッシャ９６の凹状球面とが摺動し、凹状球面ワッシャ９９の凹状球面と凸状球面ワッシャ１０１の凸状球面とが摺動する。そして、板状部材７４の傾きを最適にした状態で、傾き補正支点機構７７のナット９４を下方に締め付けると共に、各傾き補正動点機構７８のナット９８及びナット１０２を板状部材７４に向けて両側から締め付けることにより、板状部材７４を固定する。

このように、傾き調整機構５１を用いることにより、板状部材７４の傾きを調整することができる。ここで、板状部材７４上には冷却ジャケット１１が取り付けられており、この冷却ジャケット１１には、レーザヘッド１３が取り付けられている。したがって、傾き調整機構５１によって板状部材７４の傾きを調整することで、レーザヘッド１３の傾きを調整することが可能となる。

以上のように、Ｘ−Ｙ方向補正機構５０及び傾き調整機構５１を用い、光学系本体部４に対するレーザヘッド１３の位置及び傾きを調整することによって、レーザヘッド１３の光軸αと光学系本体部４の光軸βとを一致させることができる。したがって、レーザヘッド毎にレーザ光Ｌの出射方向がばらついていても、レーザヘッド１３を交換する都度、調整部１５によってレーザヘッド１３毎のレーザ光の出射方向のばらつきを容易に補正することができる。なお、この調整部１５を用いた光軸調整は、レーザヘッド１３を冷却ジャケット１１ごと交換した場合も可能である。

以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、Ｙ軸補正機構５２の送りねじ５７やＸ軸補正機構５３の送りねじ６８を電動で回転させるようにモータを設けても良い。また、上記実施形態では、板状部材７４及び板状部材６６を連結する四隅のうち三隅に傾き補正動点機構９６を設けたが、いずれか二隅に設けても、板状部材７４及び板状部材６６を安定的に連結することができる。また、上記実施形態では、光学系本体部４と対物レンズユニット５とは別体となっていたが、これに限らず、レーザ加工装置は、光学系本体部４に対物レンズユニット５が組み込まれた構造であってもよい。

本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態を示す概略構成図ある。 図１に示すレーザ加工装置のレーザヘッドユニットの斜視図である。 図２に示す調整部の分解斜視図である。 Ｙ軸補正機構の横断面図である。 Ｘ軸補正機構の横断面図である。 図２に示す傾き補正支点機構の縦断面図である。 図２に示す傾き補正動点機構の縦断面図である。 図７に示す傾き補正動点機構において板状部材を傾けた状態の縦断面図である。

符号の説明

１…レーザ加工装置、４…光学系本体部、１１…冷却ジャケット、１３…レーザヘッド、１４…シャッタユニット、１５…調整部、２２…ビームエキスパンダ、４２…加工用対物レンズ、Ｌ…レーザ光、Ｓ…加工対象物。

Claims (3)

1. 加工対象物にレーザ光を照射して前記加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
   レーザ光を出射するレーザヘッドと、
   前記レーザヘッドを保持すると共に、前記レーザヘッドを冷却する冷却ジャケットと、
   前記レーザヘッドから出射されたレーザ光を所定の特性に調整する光学系本体部と、
   前記レーザヘッドの光軸及び前記光学系本体部の光軸上において前記冷却ジャケットと前記光学系本体部との間に配置され、前記レーザヘッドの光軸が前記光学系本体部の光軸と一致するように前記光学系本体部に対して前記冷却ジャケットの位置及び傾きを調整するための調整部と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
   
2. 前記冷却ジャケットは、前記レーザヘッドから出射されたレーザ光の光路を開閉するシャッタユニットを保持すると共に、前記シャッタユニットを冷却す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. 前記光学系本体部は、
   前記レーザヘッドから出射された前記レーザ光のビームサイズを調整するビームエキスパンダと、
   前記加工対象物を観察するための加工対象物観察光学系と、
   前記レーザ光を前記加工対象物に集光する加工用対物レンズと、
   を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。

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