JP3822188B2 - 多重ビームレーザ穴あけ加工装置 - Google Patents
多重ビームレーザ穴あけ加工装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のレーザビームを用いた高速レーザ穴あけ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話等に用いられるプリント基板は、年々小形、多穴化が進み、１枚の基板で３０００もの微細な穴加工が必要となっている。
プリント基板の微細穴加工方法としては、レーザビームを用い、例えば特許文献１に開示されているような互いに直交する回転軸の回りに回転する二つの鏡（以下、ガルバノミラー系という。）とｆθレンズとで集光かつその位置決めをするレーザ穴あけ加工が主流であるが、穴数が多数になるにつれて加工の高速化が必要となってきた。ここで、ｆθレンズとは、平行光の入射角θと集光位置ｙとの関係が、レンズの焦点距離ｆを用いて、ｙ＝ｆθとなるように設計したレンズのことをいう。
【０００３】
この加工の高速化のために、特許文献２記載のように、レーザビームを偏光ビームスプリッターでＳ偏光とＰ偏光に分割し、各々の光路に独立に駆動できるガルバノミラー系を配置して角度を決めた後、偏光ビームミキサー（偏光ビームスプリッタを逆に使用）で反射又は透過させて、一つのｆθレンズに入射させて２箇所を同時に加工するレーザ加工機が開示されている。
【０００４】
また、本発明に係る従来技術として、特許文献３記載のように、２つの音響光学素子を用いてビームを分岐して２個所を加工できるようにしたレーザ加工機の例がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−１４７１３８号公報（第１図、第２図）
【特許文献２】
特開２０００−１９００８７号公報（図１）
【特許文献３】
特開２０００−２６３２７１号公報（図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一つのｆθレンズに対して２つのガルバノミラー系を用いる場合、ガルバノミラー系の大きさのために、ガルバノミラー系をｆθレンズから離さなければならない。そうすると、ガルバノミラー系がｆθレンズの焦点位置から離れてしまうため、テレセントリックエラーと呼ばれる不具合が発生する。テレセントリックエラーとは、ｆθレンズに入射する光ビームが焦点位置を通らないために、ｆθレンズにより集光された光ビームが加工面に垂直に入射せず、角度を持って入射してしまう現象である。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、ガルバノミラー系をｆθレンズの集光位置からできるだけ離さず、かつ２つのビームで同時に加工できるレーザヘッドを提供することにある。
【０００８】
一方、特許文献３記載のレーザ加工装置の場合には、ｆθレンズ等の部品を増やすことなく、３個所以上の加工を同時に行える装置が望まれていた。
【０００９】
そこで、本発明の他の目的は、１台のレーザパルス発生器から発生するビームパルスを分岐して複数の上記レーザヘッドに供給し、３個所以上の加工を同時に行えるレーザ加工装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためには、第１のレーザビームを固定された鏡により反射し、第１のガルバノミラー系とｆθレンズにより集光かつ位置決めして穴あけ加工を行うレーザ穴あけ加工装置において、前記固定された鏡を偏光ビームミキサーとし、第１のレーザビームをＳ偏光として反射させ、第２のＰ偏光としたレーザビームを第２のガルバノミラー系に偏向させて前記偏光ビームミキサーの裏側から透過させ、第１のガルバノミラー系と前記ｆθレンズにより集光かつ位置決めすることにより、第１と第２のレーザビームの両方のビームを用いて同時に２個所の加工を行うレーザヘッドを有することを特徴とする多重ビームレーザ穴あけ加工装置を参考とするとよい。ここで、Ｓ偏光とは偏光ビームミキサーで反射されるものをいい、Ｐ偏光とは偏光ビームミキサーを透過するものをいう。
【００１１】
第１のレーザビームに対して、ガルバノミラーを用いた従来の光学系を用いることにより、ガルバノミラーをｆθレンズに近づけることができるので、テレセントリックエラーを防止できる。第２のレーザビームに関しては、第２のガルバノミラー系の角度変化をわずかにすることにより、テレセントリックエラーを抑制できる。また、応答速度が遅くなるため第１のガルバノミラーの大きさを大きくできないため、第２のレーザビームの偏向角度を大きくした場合、第１のガルバノミラーから外れてしまう点から偏向角を大きくはできない。従って、第１のレーザビームの集光位置と第２のレーザビームの集光位置との距離は小さくせざるを得ないが、最近の穴あけ加工が必要な穴の間隔が１．５ｍｍ以下であるので、問題無い。
【００１２】
上記目的を達成する装置としては、第１のレーザビームを固定された鏡により反射し、第１のガルバノミラー系とｆθレンズにより集光かつ位置決めして穴あけ加工を行うレーザ穴あけ加工装置において、前記固定された鏡と第1のガルバノミラーとの間に、片方の鏡を回転偏光ビームミキサーとした第２のガルバノミラー系を設け、第２のＳ偏光としたレーザビームを片方の鏡を回転偏光ビームミキサーとした第２のガルバノミラー系により偏向させた後、第１のガルバノミラー系と前記ｆθレンズに入射させて集光かつ位置決めし、一方、第１のレーザビームをＰ偏光とすることにより前記回転偏光ビームミキサーを透過させて第１のガルバノミラー系と前記ｆθレンズに入射させ、第１と第２のレーザビームの両方のビームを用いて同時に２個所の加工を行うレーザヘッドを有することを特徴とする多重ビームレーザ穴あけ加工装置とするとよい。
【００１３】
このレーザヘッドの場合、第１のレーザビームに対しては前記のレーザヘッドと同様であるが、第２のレーザビームに対しての第２のガルバノミラー系を第１のガルバノミラー系に近づけることができるので、第２のレーザビームの偏向角度を大きくでき、第１のレーザビームと第２のレーザビームの集光位置の距離を少し広くすることができる。
【００１４】
また、上記目的を達成する他の装置としては、第１のレーザビームを第1の固定された鏡により反射し、第１のガルバノミラー系とｆθレンズにより集光かつ位置決めして穴あけ加工を行うレーザ穴あけ加工装置において、第1の固定された鏡と第1のガルバノミラー系との間に偏光ビームミキサーを設け、第１のレーザビームをＰ偏光として前記偏光ビームミキサーを透過させ、第２のＳ偏光としたレーザビームを第2のガルバノミラー系により偏向させて前記偏光ビームミキサーで反射させ、第１のガルバノミラー系と前記ｆθレンズにより集光かつ位置決めすることにより、第１と第２のレーザビームの両方のビームを用いて同時に２個所の加工を行うレーザヘッドを有することを特徴とする多重ビームレーザ穴あけ加工装置とするとよい。
【００１５】
このレーザヘッドの場合、偏光ビームミキサーの角度依存性は透過光に対しての方が厳しいが、透過する光は直進するものだけとなるので設計の自由度が増える。
【００１６】
さらに本レーザヘッドにおいて、第２のＳ偏光としたレーザビームを第２の固定された鏡で反射させ、Ｘ方向のガルバノミラーの駆動軸を第1のガルバノミラー系のＸ方向のガルバノミラーの駆動軸と一致させ、Ｙ方向のガルバノミラーの駆動軸を第1のガルバノミラー系のＹ方向のガルバノミラーの駆動軸と直交するように構成した第2のガルバノミラー系により偏向させるようにすると、ミラー駆動のモータなどの空間的な干渉を低減でき、各ガルバノミラーをより接近させることができるので、ｆθレンズのテレセントリックエラーをさらに低減できる。
【００１７】
上記、他の目的を達成するには、一つのレーザ発生器から発生した直線偏光のパルスレーザビームをハーフミラーで２分割し、その各々の光路中に複数段の光偏向素子を設けてパルス毎に複数の光路に分岐し、同時のパルスレーザビームどうしを組み合せ、一方の偏光方向を９０度回転して１組の第１と第２のパルスレーザビームとし、別の時刻に発生したパルスを別の組み合せにして複数個のパルスレーザビームの組を作製し、それぞれを複数個の上記レーザヘッドに導くことを特徴とする多重ビームレーザ穴あけ加工装置とするとよい。
【００１８】
一つのパルスをハーフミラーにより２分割し、その各々を光偏向素子により偏向かつパルス整形した後、一方の偏光方向を９０°回転してＳ偏光とＰ偏光の組を作製する。ハーフミラーにより２分割された一つのパルスレーザビームは同時性を持つため、これらのパルスは同時に一つのレーザヘッドに入射する。次のパルスは、次段の光偏向素子により偏向かつパルス整形した後、別のレーザヘッドに導く。これにより、複数のレーザヘッドを用いて加工することができる。
【００１９】
上記のようにパルスレーザビームの光路中に２段以上の光偏向素子を設けてパルス毎に２つの光路に分岐させる光学系において、前段から偏向されたパルスレーザビームと後段から偏向されたパルスレーザビームは、通過する光偏向素子の数が異なるため、個々の光偏向素子において発生する熱レンズ効果によるビームの広がりが異なるという問題があった。これは、前段の光偏向素子で偏向されたパルスレーザビームが後段の光偏向素子の中を通るように２段の光偏向素子の距離を調整することにより、ビームの広がりを同じにすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を使って本発明の実施の形態を説明する。
＜参考例＞
図１及び図２は本発明に係るレーザヘッド光学系の参考例を示す。ここで、１ａと１ｂは第１のガルバノミラー系、２ａと２ｂは第２のガルバノミラー系、３はｆθレンズ、１０はＳ偏光とした第１のレーザビーム、２０はＰ偏光とした第２のレーザビーム、３０は偏光ビームミキサー、１００は被加工プリント基板、１０１は第１のレーザビームの位置決め範囲、１０２は第２のレーザビームの位置決め範囲、Ｚはレーザヘッドを示す。まず、図２を用いて、第１のレーザビーム１０の位置決め範囲１０１を説明する。第１のレーザビーム２０はＳ偏光であるので、偏光ビームミキサー３０で反射され、以下従来と同様に、第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂで偏向されて、ｆθレンズ３に入射し、被加工プリント基板１００上の１０１の範囲内に位置決めかつ集光される。次に図１を用いて第２のレーザビーム２０の位置決め範囲１０２を説明する。ここでは、簡単のため、第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂを中心位置に固定して説明する。第２のレーザビーム２０は第２のガルバノミラー系２ａ、２ｂにより偏向され、Ｐ偏光であるので、偏光ビームミキサー３０を透過して第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂに入射し、ｆθレンズ３に入射し、被加工プリント基板１００上の、第１のレーザビームの照射位置を中心とした範囲内１０２に位置決めかつ集光される。ここで、第２のレーザビームの位置決め範囲１０２が第１のレーザビームの位置決め範囲１０１より狭いのは、第２のガルバノミラー系２ａ、２ｂでの偏向角が大きすぎると、第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂから外れてしまうためである。また、第２のガルバノミラー系での偏向角を小さくした方が、ｆθレンズ３のテレセントリックエラーが少なくなる。
【００２１】
＜実施例１＞
図３は、本発明によるレーザヘッド光学系を示す。ここで、１ａと１ｂは第１のガルバノミラー系、回転鏡２ａと回転偏光ビームミキサー３１とで第２のガルバノミラー系を形成、３はｆθレンズ、４は固定鏡、１０はＳ偏光とした第２のレーザビーム、２０はＰ偏光とした第１のレーザビーム、１００は被加工プリント基板、１０１は第１のレーザビームの位置決め範囲、１０２は第２のレーザビームの位置決め範囲、Ｚはレーザヘッドを示す。この図においては、図１と同様に第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂを固定したときの、第２のレーザビームの可動範囲１０２を示す。本例における第２のレーザビーム１０はＳ偏光であるので、回転偏光ビームミキサー３１により反射・偏向され、第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂにより偏向され、ｆθレンズ３に入射して、第１のレーザビーム２０の照射位置を中心とした範囲内１０２に位置決めかつ集光される。一方、この例の第１のレーザビーム２０はＰ偏光であるので、回転偏光ビームミキサー３１を透過し、従来と同様に位置決めかつ集光される。この例の場合、第２のガルバノミラー系２ａ、３１を第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂに近づけることができるので、位置決め範囲１０２を参考例の場合より少し広くすることができる。
【００２２】
＜実施例２＞
図４は、本発明による他のレーザヘッド光学系を示す。ここで、１ａと１ｂは第１のガルバノミラー系、２ａと２ｂは第２のガルバノミラー系、３はｆθレンズ、４及び５は固定鏡、１０はＳ偏光とした第２のレーザビーム、２０はＰ偏光とした第１のレーザビーム、１００は被加工プリント基板、１０１は第１のレーザビームの位置決め範囲、１０２は第２のレーザビームの位置決め範囲、Ｚはレーザヘッドを示す。この図においては、図１と同様に第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂを固定したときの、第２のレーザビームの可動範囲１０２を示す。本例における第２のレーザビーム１０は、図手前側に設けられた固定鏡５により反射され、第２のガルバノミラー系で偏向され、Ｓ偏光であるので偏光ビームミキサー３０で反射され、第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂにより偏向され、ｆθレンズ３に入射して、第１のレーザビーム２０の照射位置を中心とした範囲内１０２に位置決めかつ集光される。一方、固定鏡４で反射された第１のレーザビーム２０はＰ偏光であるので、偏光ビームミキサー３０を透過し、従来と同様に位置決めかつ集光される。この例の場合、第２のガルバノミラー系２ａ、２ｂを第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂに近づけることができ、かつ偏向範囲は偏光ビームミキサー３０の入射角反射特性のみで決まるので、位置決め範囲１０２を第1のガルバノミラー系の位置決め範囲１０１とほぼ同じ範囲にできる。
【００２３】
さらに、本例のように、第２のガルバノミラー系において、Ｘ方向のガルバノミラー２ａの駆動軸を第1のガルバノミラー系のＸ方向のガルバノミラー１ａの駆動軸と一致させ、Ｙ方向のガルバノミラー２ｂの駆動軸を第1のガルバノミラー系のＹ方向のガルバノミラー１ｂの駆動軸と直交するように構成すると、ミラー駆動のモータなどの空間的な干渉を低減できるため、各ガルバノミラー１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂをより接近させることができるので、ｆθレンズのテレセントリックエラーをさらに低減でき、かつ小形にできる。また、ガルバノミラーを接近させることにより、ガルバノミラー１ａ、１ｂ上での第２のレーザビーム１０の振れ幅を小さくできるので、ガルバノミラー１ａ、１ｂを小さくできる。これにより、慣性が小さくなってガルバノミラー１ａ、１ｂの高速応答性を向上させることができるという効果がある。
【００２４】
＜実施例３＞
図５は、本発明による複数のレーザヘッドを用いて構成した装置の例を示す。Ｚ１及びＺ２は参考例のレーザヘッド、１１及び１２はＳ偏光とした第１のパルスレーザビーム、２１及び２２はＰ偏光とした第２のパルスレーザビーム、４０はレーザ発振器、４１はビーム強度分布を均一にするビーム整形器、５０はハーフミラー、５１〜５７は固定鏡、６０、６１、７０、７１は光偏向素子、８１、８２は２分の１波長板、９１、９２はビームダンパー、１００は被加工プリント基板、１０１、２０１は第１のパルスレーザビームの位置決め範囲、１０２、２０２は、第２のパルスレーザビーム２１、２２の位置決め範囲を示す。レーザ発振器４０としてはＣＯ２ガスレーザ、光偏向素子としては音響光学光偏向素子を用いた。この例では、偏光方向を９０度回転させる手段として、２分の１波長板８１、８２を用いたが、２枚の鏡により高さを変えて進行方向を９０度偏向する場合に偏光方向が９０度回転する現象を用いてもよい。
【００２５】
レーザ発振器４０を出た直線偏光（Ｓ偏光）のパルスレーザビームはビーム整形器４１で強度分布を均一化され、ハーフミラー５０で２分割され、光偏向素子６０、６１及び７０、７１に導かれる。ここで、光偏向素子６０と７０を同期させて駆動させると、パルスレーザビームが同時に固定鏡５４と５５の方向に分岐される。この後、一方のパルスレーザビームは２分の１波長板８１を通して偏光方向を９０度回転され、レーザヘッドＺ１に入射する。
【００２６】
その次のパルスに対して光偏向素子６１と７１を同期させて駆動すると、パルスレーザビームは同時に固定鏡５６と５７の方向に分岐される。この後、一方のパルスレーザビームは２分の１波長板８２を通して偏光方向を９０度回転され、レーザヘッドＺ２に入射する。
【００２７】
本実施例においては、同時に発生したパルスどうしを第１と第２のパルスレーザビームとしてレーザヘッドに入射させて加工に用いるため、一つのレーザヘッドによる加工が終了した後、他のレーザヘッドでの加工が終了するまでの間、パルス周期に応じた待ち時間が発生する。この待ち時間を、ガルバノミラー系が次の加工位置に対しての位置決め動作するための時間に用いることができる。
【００２８】
ここで、光偏向素子６０、６１及び７０、７１は、図５に示すように、６０又は７０で偏向されたパルスレーザが６１又は７１の中を通る程度に近づけて配置すると良い。これにより、例えばパルスレーザビーム１１と１２の両方とも２つの光偏向素子７０、７１を通るため、光偏向素子の熱レンズ効果の影響を、パルスレーザビーム１１と１２でほぼ同じにすることができる。
【００２９】
この例においては、レーザヘッドが２個の場合を示したが、光偏向素子の段数を増加させれば、さらに多いレーザヘッドに対しても同様な構成で組み立てることができる。
【００３０】
また、この例においては、参考例のレーザヘッドを用いて示したが、実施例１及び実施例２のレーザヘッドを用いた場合は、第１のパルスレーザビームをＰ偏光、第２のパルスレーザビームをＳ偏光にするだけで他は同じである。
【００３１】
＜実施例４＞
図６は、実施例３の装置において、ハーフミラー５０を全反射ミラー５９と切換えることができるようにした装置の例を示す。
【００３２】
ハーフミラー５０でレーザビームを分割した場合、分割されたレーザビームのエネルギーが２分の１になるために直径２００μｍ以上の大きな穴をあけるのは困難であるが、その場合には全反射ミラー５９に切換えることにより加工できる。（エネルギーがハーフミラー使用時の２倍となるので、単純計算でも約１．４倍の直径の穴加工が可能となる。）
【００３３】
一方、実施例３の構成によっても、このような大きな直径の穴をあける場合には、各レーザヘッドＺ１、Ｚ２で第１のレーザビームでの加工位置と第２のレーザビームでの加工位置を同じに設定することにより可能となる。しかし、透過する光学部品が多くなるため、本実施例に比べてエネルギーの損失が少し大きい。
【００３４】
ここで、全反射ミラー５９への切り換えの替わりに、ハーフミラー５０を光路から外して全透過させる構成も考えられる。この場合、第２のレーザビームに対しての光学系がハーフミラー５０の屈折に合わせた光路にしてあるために、ハーフミラー５０がなくなることによる光路シフトを、例えばハーフミラー５０と同じ屈折率、同じ厚さの補償板を挿入する方法などにより、補償する必要がある。
【００３５】
【発明の効果】
第１のレーザビームに対して、ガルバノミラーを用いた従来の光学系を用いることにより、ガルバノミラーをｆθレンズに近づけることができるので、テレセントリックエラーを防止できる。第２のレーザビームに関しては、第２のガルバノミラー系で偏向した後に、偏向ビームミキサーを透過又は反射させて第１のガルバノミラー系とｆθレンズに入射させることにより、第1のレーザビームと合わせて２個所を同時に加工できる。
【００３６】
一つのレーザ発振器からでたパルスレーザビームをハーフミラーにより２分割し、その各々を複数段の光偏向素子により偏向かつパルス整形した後、一方の偏光方向を９０°回転してＳ偏向とＰ偏向の組を作製することにより、複数のレーザヘッドを用いて加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザヘッド光学系を示す。
【図２】本発明によるレーザヘッド光学系による第1のレーザビームの位置決め範囲を示す。
【図３】本発明による他のレーザヘッド光学系を示す。
【図４】本発明による他のレーザヘッド光学系を示す。
【図５】本発明による複数のレーザヘッドを用いて構成した装置を示す。
【図６】本発明による複数のレーザヘッドを用いて構成した他の装置を示す。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ・・・第１のガルバノミラー系
２ａ、２ｂ・・・第２のガルバノミラー系
３・・・ｆθレンズ
４・・・固定鏡
５・・・固定鏡
１０、１１、１２・・・Ｓ偏光
２０、２１、２２・・・Ｐ偏光
３０・・・偏光ビームミキサー
３１・・・回転偏向ビームミキサー
４０・・・レーザ発振器
４１・・・ビーム整形器
５０・・・ハーフミラー
５１〜５７・・・固定鏡
５９・・・全反射ミラー
６０、６１、７０、７１・・・光偏向素子
８１、８２・・・２分の１波長板
９１、９２・・・ビームダンパー
１００・・・被加工プリント基板
１０１、２０１・・・第１のレーザビームの位置決め範囲
１０２、２０２・・・第２のレーザビームの位置決め範囲
Ｚ、Ｚ１、Ｚ２・・・レーザヘッド
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のレーザビームを用いた高速レーザ穴あけ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話等に用いられるプリント基板は、年々小形、多穴化が進み、１枚の基板で３０００もの微細な穴加工が必要となっている。
プリント基板の微細穴加工方法としては、レーザビームを用い、例えば特許文献１に開示されているような互いに直交する回転軸の回りに回転する二つの鏡（以下、ガルバノミラー系という。）とｆθレンズとで集光かつその位置決めをするレーザ穴あけ加工が主流であるが、穴数が多数になるにつれて加工の高速化が必要となってきた。ここで、ｆθレンズとは、平行光の入射角θと集光位置ｙとの関係が、レンズの焦点距離ｆを用いて、ｙ＝ｆθとなるように設計したレンズのことをいう。
【０００３】
この加工の高速化のために、特許文献２記載のように、レーザビームを偏光ビームスプリッターでＳ偏光とＰ偏光に分割し、各々の光路に独立に駆動できるガルバノミラー系を配置して角度を決めた後、偏光ビームミキサー（偏光ビームスプリッタを逆に使用）で反射又は透過させて、一つのｆθレンズに入射させて２箇所を同時に加工するレーザ加工機が開示されている。
【０００４】
また、本発明に係る従来技術として、特許文献３記載のように、２つの音響光学素子を用いてビームを分岐して２個所を加工できるようにしたレーザ加工機の例がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−１４７１３８号公報（第１図、第２図）
【特許文献２】
特開２０００−１９００８７号公報（図１）
【特許文献３】
特開２０００−２６３２７１号公報（図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一つのｆθレンズに対して２つのガルバノミラー系を用いる場合、ガルバノミラー系の大きさのために、ガルバノミラー系をｆθレンズから離さなければならない。そうすると、ガルバノミラー系がｆθレンズの焦点位置から離れてしまうため、テレセントリックエラーと呼ばれる不具合が発生する。テレセントリックエラーとは、ｆθレンズに入射する光ビームが焦点位置を通らないために、ｆθレンズにより集光された光ビームが加工面に垂直に入射せず、角度を持って入射してしまう現象である。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、ガルバノミラー系をｆθレンズの集光位置からできるだけ離さず、かつ２つのビームで同時に加工できるレーザヘッドを提供することにある。
【０００８】
一方、特許文献３記載のレーザ加工装置の場合には、ｆθレンズ等の部品を増やすことなく、３個所以上の加工を同時に行える装置が望まれていた。
【０００９】
そこで、本発明の他の目的は、１台のレーザパルス発生器から発生するビームパルスを分岐して複数の上記レーザヘッドに供給し、３個所以上の加工を同時に行えるレーザ加工装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためには、第１のレーザビームを固定された鏡により反射し、第１のガルバノミラー系とｆθレンズにより集光かつ位置決めして穴あけ加工を行うレーザ穴あけ加工装置において、前記固定された鏡を偏光ビームミキサーとし、第１のレーザビームをＳ偏光として反射させ、第２のＰ偏光としたレーザビームを第２のガルバノミラー系に偏向させて前記偏光ビームミキサーの裏側から透過させ、第１のガルバノミラー系と前記ｆθレンズにより集光かつ位置決めすることにより、第１と第２のレーザビームの両方のビームを用いて同時に２個所の加工を行うレーザヘッドを有することを特徴とする多重ビームレーザ穴あけ加工装置を参考とするとよい。ここで、Ｓ偏光とは偏光ビームミキサーで反射されるものをいい、Ｐ偏光とは偏光ビームミキサーを透過するものをいう。
【００１１】
第１のレーザビームに対して、ガルバノミラーを用いた従来の光学系を用いることにより、ガルバノミラーをｆθレンズに近づけることができるので、テレセントリックエラーを防止できる。第２のレーザビームに関しては、第２のガルバノミラー系の角度変化をわずかにすることにより、テレセントリックエラーを抑制できる。また、応答速度が遅くなるため第１のガルバノミラーの大きさを大きくできないため、第２のレーザビームの偏向角度を大きくした場合、第１のガルバノミラーから外れてしまう点から偏向角を大きくはできない。従って、第１のレーザビームの集光位置と第２のレーザビームの集光位置との距離は小さくせざるを得ないが、最近の穴あけ加工が必要な穴の間隔が１．５ｍｍ以下であるので、問題無い。
【００１２】
上記目的を達成する装置としては、第１のレーザビームを固定された鏡により反射し、第１のガルバノミラー系とｆθレンズにより集光かつ位置決めして穴あけ加工を行うレーザ穴あけ加工装置において、前記固定された鏡と第1のガルバノミラーとの間に、片方の鏡を回転偏光ビームミキサーとした第２のガルバノミラー系を設け、第２のＳ偏光としたレーザビームを片方の鏡を回転偏光ビームミキサーとした第２のガルバノミラー系により偏向させた後、第１のガルバノミラー系と前記ｆθレンズに入射させて集光かつ位置決めし、一方、第１のレーザビームをＰ偏光とすることにより前記回転偏光ビームミキサーを透過させて第１のガルバノミラー系と前記ｆθレンズに入射させ、第１と第２のレーザビームの両方のビームを用いて同時に２個所の加工を行うレーザヘッドを有することを特徴とする多重ビームレーザ穴あけ加工装置とするとよい。
【００１３】
このレーザヘッドの場合、第１のレーザビームに対しては前記のレーザヘッドと同様であるが、第２のレーザビームに対しての第２のガルバノミラー系を第１のガルバノミラー系に近づけることができるので、第２のレーザビームの偏向角度を大きくでき、第１のレーザビームと第２のレーザビームの集光位置の距離を少し広くすることができる。
【００１４】
また、上記目的を達成する他の装置としては、第１のレーザビームを第1の固定された鏡により反射し、第１のガルバノミラー系とｆθレンズにより集光かつ位置決めして穴あけ加工を行うレーザ穴あけ加工装置において、第1の固定された鏡と第1のガルバノミラー系との間に偏光ビームミキサーを設け、第１のレーザビームをＰ偏光として前記偏光ビームミキサーを透過させ、第２のＳ偏光としたレーザビームを第2のガルバノミラー系により偏向させて前記偏光ビームミキサーで反射させ、第１のガルバノミラー系と前記ｆθレンズにより集光かつ位置決めすることにより、第１と第２のレーザビームの両方のビームを用いて同時に２個所の加工を行うレーザヘッドを有することを特徴とする多重ビームレーザ穴あけ加工装置とするとよい。
【００１５】
このレーザヘッドの場合、偏光ビームミキサーの角度依存性は透過光に対しての方が厳しいが、透過する光は直進するものだけとなるので設計の自由度が増える。
【００１６】
さらに本レーザヘッドにおいて、第２のＳ偏光としたレーザビームを第２の固定された鏡で反射させ、Ｘ方向のガルバノミラーの駆動軸を第1のガルバノミラー系のＸ方向のガルバノミラーの駆動軸と一致させ、Ｙ方向のガルバノミラーの駆動軸を第1のガルバノミラー系のＹ方向のガルバノミラーの駆動軸と直交するように構成した第2のガルバノミラー系により偏向させるようにすると、ミラー駆動のモータなどの空間的な干渉を低減でき、各ガルバノミラーをより接近させることができるので、ｆθレンズのテレセントリックエラーをさらに低減できる。
【００１７】
上記、他の目的を達成するには、一つのレーザ発生器から発生した直線偏光のパルスレーザビームをハーフミラーで２分割し、その各々の光路中に複数段の光偏向素子を設けてパルス毎に複数の光路に分岐し、同時のパルスレーザビームどうしを組み合せ、一方の偏光方向を９０度回転して１組の第１と第２のパルスレーザビームとし、別の時刻に発生したパルスを別の組み合せにして複数個のパルスレーザビームの組を作製し、それぞれを複数個の上記レーザヘッドに導くことを特徴とする多重ビームレーザ穴あけ加工装置とするとよい。
【００１８】
一つのパルスをハーフミラーにより２分割し、その各々を光偏向素子により偏向かつパルス整形した後、一方の偏光方向を９０°回転してＳ偏光とＰ偏光の組を作製する。ハーフミラーにより２分割された一つのパルスレーザビームは同時性を持つため、これらのパルスは同時に一つのレーザヘッドに入射する。次のパルスは、次段の光偏向素子により偏向かつパルス整形した後、別のレーザヘッドに導く。これにより、複数のレーザヘッドを用いて加工することができる。
【００１９】
上記のようにパルスレーザビームの光路中に２段以上の光偏向素子を設けてパルス毎に２つの光路に分岐させる光学系において、前段から偏向されたパルスレーザビームと後段から偏向されたパルスレーザビームは、通過する光偏向素子の数が異なるため、個々の光偏向素子において発生する熱レンズ効果によるビームの広がりが異なるという問題があった。これは、前段の光偏向素子で偏向されたパルスレーザビームが後段の光偏向素子の中を通るように２段の光偏向素子の距離を調整することにより、ビームの広がりを同じにすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を使って本発明の実施の形態を説明する。
＜参考例＞
図１及び図２は本発明に係るレーザヘッド光学系の参考例を示す。ここで、１ａと１ｂは第１のガルバノミラー系、２ａと２ｂは第２のガルバノミラー系、３はｆθレンズ、１０はＳ偏光とした第１のレーザビーム、２０はＰ偏光とした第２のレーザビーム、３０は偏光ビームミキサー、１００は被加工プリント基板、１０１は第１のレーザビームの位置決め範囲、１０２は第２のレーザビームの位置決め範囲、Ｚはレーザヘッドを示す。まず、図２を用いて、第１のレーザビーム１０の位置決め範囲１０１を説明する。第１のレーザビーム２０はＳ偏光であるので、偏光ビームミキサー３０で反射され、以下従来と同様に、第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂで偏向されて、ｆθレンズ３に入射し、被加工プリント基板１００上の１０１の範囲内に位置決めかつ集光される。次に図１を用いて第２のレーザビーム２０の位置決め範囲１０２を説明する。ここでは、簡単のため、第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂを中心位置に固定して説明する。第２のレーザビーム２０は第２のガルバノミラー系２ａ、２ｂにより偏向され、Ｐ偏光であるので、偏光ビームミキサー３０を透過して第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂに入射し、ｆθレンズ３に入射し、被加工プリント基板１００上の、第１のレーザビームの照射位置を中心とした範囲内１０２に位置決めかつ集光される。ここで、第２のレーザビームの位置決め範囲１０２が第１のレーザビームの位置決め範囲１０１より狭いのは、第２のガルバノミラー系２ａ、２ｂでの偏向角が大きすぎると、第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂから外れてしまうためである。また、第２のガルバノミラー系での偏向角を小さくした方が、ｆθレンズ３のテレセントリックエラーが少なくなる。
【００２１】
＜実施例１＞
図３は、本発明によるレーザヘッド光学系を示す。ここで、１ａと１ｂは第１のガルバノミラー系、回転鏡２ａと回転偏光ビームミキサー３１とで第２のガルバノミラー系を形成、３はｆθレンズ、４は固定鏡、１０はＳ偏光とした第２のレーザビーム、２０はＰ偏光とした第１のレーザビーム、１００は被加工プリント基板、１０１は第１のレーザビームの位置決め範囲、１０２は第２のレーザビームの位置決め範囲、Ｚはレーザヘッドを示す。この図においては、図１と同様に第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂを固定したときの、第２のレーザビームの可動範囲１０２を示す。本例における第２のレーザビーム１０はＳ偏光であるので、回転偏光ビームミキサー３１により反射・偏向され、第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂにより偏向され、ｆθレンズ３に入射して、第１のレーザビーム２０の照射位置を中心とした範囲内１０２に位置決めかつ集光される。一方、この例の第１のレーザビーム２０はＰ偏光であるので、回転偏光ビームミキサー３１を透過し、従来と同様に位置決めかつ集光される。この例の場合、第２のガルバノミラー系２ａ、３１を第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂに近づけることができるので、位置決め範囲１０２を参考例の場合より少し広くすることができる。
【００２２】
＜実施例２＞
図４は、本発明による他のレーザヘッド光学系を示す。ここで、１ａと１ｂは第１のガルバノミラー系、２ａと２ｂは第２のガルバノミラー系、３はｆθレンズ、４及び５は固定鏡、１０はＳ偏光とした第２のレーザビーム、２０はＰ偏光とした第１のレーザビーム、１００は被加工プリント基板、１０１は第１のレーザビームの位置決め範囲、１０２は第２のレーザビームの位置決め範囲、Ｚはレーザヘッドを示す。この図においては、図１と同様に第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂを固定したときの、第２のレーザビームの可動範囲１０２を示す。本例における第２のレーザビーム１０は、図手前側に設けられた固定鏡５により反射され、第２のガルバノミラー系で偏向され、Ｓ偏光であるので偏光ビームミキサー３０で反射され、第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂにより偏向され、ｆθレンズ３に入射して、第１のレーザビーム２０の照射位置を中心とした範囲内１０２に位置決めかつ集光される。一方、固定鏡４で反射された第１のレーザビーム２０はＰ偏光であるので、偏光ビームミキサー３０を透過し、従来と同様に位置決めかつ集光される。この例の場合、第２のガルバノミラー系２ａ、２ｂを第１のガルバノミラー系１ａ、１ｂに近づけることができ、かつ偏向範囲は偏光ビームミキサー３０の入射角反射特性のみで決まるので、位置決め範囲１０２を第1のガルバノミラー系の位置決め範囲１０１とほぼ同じ範囲にできる。
【００２３】
さらに、本例のように、第２のガルバノミラー系において、Ｘ方向のガルバノミラー２ａの駆動軸を第1のガルバノミラー系のＸ方向のガルバノミラー１ａの駆動軸と一致させ、Ｙ方向のガルバノミラー２ｂの駆動軸を第1のガルバノミラー系のＹ方向のガルバノミラー１ｂの駆動軸と直交するように構成すると、ミラー駆動のモータなどの空間的な干渉を低減できるため、各ガルバノミラー１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂをより接近させることができるので、ｆθレンズのテレセントリックエラーをさらに低減でき、かつ小形にできる。また、ガルバノミラーを接近させることにより、ガルバノミラー１ａ、１ｂ上での第２のレーザビーム１０の振れ幅を小さくできるので、ガルバノミラー１ａ、１ｂを小さくできる。これにより、慣性が小さくなってガルバノミラー１ａ、１ｂの高速応答性を向上させることができるという効果がある。
【００２４】
＜実施例３＞
図５は、本発明による複数のレーザヘッドを用いて構成した装置の例を示す。Ｚ１及びＺ２は参考例のレーザヘッド、１１及び１２はＳ偏光とした第１のパルスレーザビーム、２１及び２２はＰ偏光とした第２のパルスレーザビーム、４０はレーザ発振器、４１はビーム強度分布を均一にするビーム整形器、５０はハーフミラー、５１〜５７は固定鏡、６０、６１、７０、７１は光偏向素子、８１、８２は２分の１波長板、９１、９２はビームダンパー、１００は被加工プリント基板、１０１、２０１は第１のパルスレーザビームの位置決め範囲、１０２、２０２は、第２のパルスレーザビーム２１、２２の位置決め範囲を示す。レーザ発振器４０としてはＣＯ２ガスレーザ、光偏向素子としては音響光学光偏向素子を用いた。この例では、偏光方向を９０度回転させる手段として、２分の１波長板８１、８２を用いたが、２枚の鏡により高さを変えて進行方向を９０度偏向する場合に偏光方向が９０度回転する現象を用いてもよい。
【００２５】
レーザ発振器４０を出た直線偏光（Ｓ偏光）のパルスレーザビームはビーム整形器４１で強度分布を均一化され、ハーフミラー５０で２分割され、光偏向素子６０、６１及び７０、７１に導かれる。ここで、光偏向素子６０と７０を同期させて駆動させると、パルスレーザビームが同時に固定鏡５４と５５の方向に分岐される。この後、一方のパルスレーザビームは２分の１波長板８１を通して偏光方向を９０度回転され、レーザヘッドＺ１に入射する。
【００２６】
その次のパルスに対して光偏向素子６１と７１を同期させて駆動すると、パルスレーザビームは同時に固定鏡５６と５７の方向に分岐される。この後、一方のパルスレーザビームは２分の１波長板８２を通して偏光方向を９０度回転され、レーザヘッドＺ２に入射する。
【００２７】
本実施例においては、同時に発生したパルスどうしを第１と第２のパルスレーザビームとしてレーザヘッドに入射させて加工に用いるため、一つのレーザヘッドによる加工が終了した後、他のレーザヘッドでの加工が終了するまでの間、パルス周期に応じた待ち時間が発生する。この待ち時間を、ガルバノミラー系が次の加工位置に対しての位置決め動作するための時間に用いることができる。
【００２８】
ここで、光偏向素子６０、６１及び７０、７１は、図５に示すように、６０又は７０で偏向されたパルスレーザが６１又は７１の中を通る程度に近づけて配置すると良い。これにより、例えばパルスレーザビーム１１と１２の両方とも２つの光偏向素子７０、７１を通るため、光偏向素子の熱レンズ効果の影響を、パルスレーザビーム１１と１２でほぼ同じにすることができる。
【００２９】
この例においては、レーザヘッドが２個の場合を示したが、光偏向素子の段数を増加させれば、さらに多いレーザヘッドに対しても同様な構成で組み立てることができる。
【００３０】
また、この例においては、参考例のレーザヘッドを用いて示したが、実施例１及び実施例２のレーザヘッドを用いた場合は、第１のパルスレーザビームをＰ偏光、第２のパルスレーザビームをＳ偏光にするだけで他は同じである。
【００３１】
＜実施例４＞
図６は、実施例３の装置において、ハーフミラー５０を全反射ミラー５９と切換えることができるようにした装置の例を示す。
【００３２】
ハーフミラー５０でレーザビームを分割した場合、分割されたレーザビームのエネルギーが２分の１になるために直径２００μｍ以上の大きな穴をあけるのは困難であるが、その場合には全反射ミラー５９に切換えることにより加工できる。（エネルギーがハーフミラー使用時の２倍となるので、単純計算でも約１．４倍の直径の穴加工が可能となる。）
【００３３】
一方、実施例３の構成によっても、このような大きな直径の穴をあける場合には、各レーザヘッドＺ１、Ｚ２で第１のレーザビームでの加工位置と第２のレーザビームでの加工位置を同じに設定することにより可能となる。しかし、透過する光学部品が多くなるため、本実施例に比べてエネルギーの損失が少し大きい。
【００３４】
ここで、全反射ミラー５９への切り換えの替わりに、ハーフミラー５０を光路から外して全透過させる構成も考えられる。この場合、第２のレーザビームに対しての光学系がハーフミラー５０の屈折に合わせた光路にしてあるために、ハーフミラー５０がなくなることによる光路シフトを、例えばハーフミラー５０と同じ屈折率、同じ厚さの補償板を挿入する方法などにより、補償する必要がある。
【００３５】
【発明の効果】
第１のレーザビームに対して、ガルバノミラーを用いた従来の光学系を用いることにより、ガルバノミラーをｆθレンズに近づけることができるので、テレセントリックエラーを防止できる。第２のレーザビームに関しては、第２のガルバノミラー系で偏向した後に、偏向ビームミキサーを透過又は反射させて第１のガルバノミラー系とｆθレンズに入射させることにより、第1のレーザビームと合わせて２個所を同時に加工できる。
【００３６】
一つのレーザ発振器からでたパルスレーザビームをハーフミラーにより２分割し、その各々を複数段の光偏向素子により偏向かつパルス整形した後、一方の偏光方向を９０°回転してＳ偏向とＰ偏向の組を作製することにより、複数のレーザヘッドを用いて加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザヘッド光学系を示す。
【図２】本発明によるレーザヘッド光学系による第1のレーザビームの位置決め範囲を示す。
【図３】本発明による他のレーザヘッド光学系を示す。
【図４】本発明による他のレーザヘッド光学系を示す。
【図５】本発明による複数のレーザヘッドを用いて構成した装置を示す。
【図６】本発明による複数のレーザヘッドを用いて構成した他の装置を示す。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ・・・第１のガルバノミラー系
２ａ、２ｂ・・・第２のガルバノミラー系
３・・・ｆθレンズ
４・・・固定鏡
５・・・固定鏡
１０、１１、１２・・・Ｓ偏光
２０、２１、２２・・・Ｐ偏光
３０・・・偏光ビームミキサー
３１・・・回転偏向ビームミキサー
４０・・・レーザ発振器
４１・・・ビーム整形器
５０・・・ハーフミラー
５１〜５７・・・固定鏡
５９・・・全反射ミラー
６０、６１、７０、７１・・・光偏向素子
８１、８２・・・２分の１波長板
９１、９２・・・ビームダンパー
１００・・・被加工プリント基板
１０１、２０１・・・第１のレーザビームの位置決め範囲
１０２、２０２・・・第２のレーザビームの位置決め範囲
Ｚ、Ｚ１、Ｚ２・・・レーザヘッド
Claims (3)
- Ｐ偏光とした第１のレーザビームと、Ｓ偏光とした第２のレーザビームとを生成する光学系を有し、第１のレーザビームを固定された鏡により反射し、第１のガルバノミラー系とｆθレンズにより集光かつ位置決めして穴あけ加工を行うレーザ穴あけ加工装置において、
前記固定された鏡と第１のガルバノミラー系との間に、片方の鏡を回転偏光ビームミキサーとした第２のガルバノミラー系を設け、
第２のレーザビームを片方の鏡を回転偏光ビームミキサーとした第２のガルバノミラー系により偏向させた後、第１のガルバノミラー系と前記ｆθレンズに入射させて集光かつ位置決めし、
第１のレーザビームを前記回転偏光ビームミキサーを透過させて第１のガルバノミラー系と前記ｆθレンズに入射させ、
第１と第２のレーザビームの両方のビームを用いて同時に２個所の加工を行うレーザヘッドを有することを特徴とする多重ビームレーザ穴あけ加工装置。 - Ｐ偏光とした第１のレーザビームと、Ｓ偏光とした第２のレーザビームとを生成する光学系を有し、第１のレーザビームを第１の固定された鏡により反射し、第１のガルバノミラー系とｆθレンズにより集光かつ位置決めして穴あけ加工を行うレーザ穴あけ加工装置において、
第１の固定された鏡と第１のガルバノミラー系との間に偏光ビームミキサーを設け、
第１のレーザビームを前記偏光ビームミキサーを透過させ、
第２のレーザビームを第２の固定された鏡で反射させ、Ｘ方向のガルバノミラーの駆動軸を第１のガルバノミラー系のＸ方向のガルバノミラーの駆動軸と同じ側にしかつ方向を一致させ、Ｙ方向のガルバノミラーの駆動軸を第１のガルバノミラー系のＹ方向のガルバノミラーの駆動軸の方向と直交するように構成した第２のガルバノミラー系により偏向させて前記偏光ビームミキサーで反射させ、
第１のガルバノミラー系と前記ｆθレンズにより集光かつ位置決めすることにより、
第１と第２のレーザビームの両方のビームを用いて同時に２個所の加工を行うレーザヘッドを有することを特徴とする多重ビームレーザ穴あけ加工装置。 - 一つのレーザ発生器から発生した直線偏光のパルスレーザビームをハーフミラーで２分割し、その各々の光路中に複数段の光偏向素子を設けてパルス毎に複数の光路に分岐し、同時のパルスレーザビームどうしを組み合せ、一方の偏光方向を９０度回転して１組の第１と第２のパルスレーザビームとし、別の時刻に発生したパルスを別の組み合せにして複数個のパルスレーザビームの組を作製し、それぞれを複数個の請求項１又は２記載のレーザヘッドに導くことを特徴とする多重ビームレーザ穴あけ加工装置において、
前段の光偏向素子で偏向されたパルスレーザビームが後段の光偏向素子の中を通るように光偏向素子の距離を調整したことを特徴とする多重ビームレーザ穴あけ加工装置。
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