JP3942585B2 - レーザ加工方法及び装置 - Google Patents

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本発明は、レーザ加工方法及び装置に係り、特にレーザ光を被加工物に集光あるいは結像して高アスペクト比の穴を加工する際に適用して好適なレーザ加工方法及び装置に関する。
ＵＶレーザやＣＯ2レーザ等のレーザ発振器から発振されるレーザ光を、プリント配線基板等の被加工物に集光して穴加工する場合、加工穴の深さは、レーザ光を集光するレンズの焦点深度やエネルギ密度等によって決まる。そのため、焦点距離が一定の加工装置により、特に小径の穴あけを行なう場合は、加工径に対する加工深さであるアスペクト比が１程度の穴しか加工できない。
そこで、特許文献１には、高アスペクト比の穴を加工するために、加工の進行に合わせて、加工対象が設置されているステージを移動させ、レーザ光を集光するレンズに加工対象を近づけることにより、高アスペクト比の穴を加工する技術が開示されている。
又、特許文献２には、レンズ等の光学部品を機械的な移動手段により移動させ、レーザ光を整形するアパーチャの結像位置を変更することにり高アスペクト比の穴を加工する技術が開示されている。
特開平５−２０８２８８号公報 特開２００２−３０７１８０号公報
しかしながら、特許文献１ではステージを、特許文献２では光学部品を、いずれも機械的な駆動により移動していることから、近年要求されている高速加工に対応できないため、加工時間を短縮することができないという問題がある。
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、レーザ光を被加工物に集光あるいは結像して高アスペクト比の穴を高速加工することができるレーザ加工方法及び装置を提供することを課題とする。
本発明は、レーザ光を被加工物の加工位置に集光あるいは結像して該被加工物を加工するレーザ加工方法において、光路を変更して予め用意した焦点距離の異なる複数の光学系を切換え変更し、前記レーザ光を、変更後の光学系を介して、前記被加工物の同一の加工位置に集光あるいは結像させることにより、前記課題を解決したものである。
本発明のレーザ加工方法においては、前記光学系を、焦点距離の短い方から長い方に順次変更することが好ましい。
同様に、前記光学系の変更を、電気光学素子を利用する偏光制御により行なうようにしてもよく、又、前記光学系の変更を、音響光学素子を利用する光路変更により行なうようにしてもよい。
本発明は、又、レーザ発振器から発振されるレーザ光を被加工物の加工位置に集光あるいは結像して該被加工物を加工するレーザ加工装置において、前記被加工物の同一の加工位置に対する焦点距離が異なる複数の光学系と、前記レーザ光を、光路を変更して、前記光学系の少なくとも１つに導びく光路変更手段とを備えたことにより、同様に前記課題を解決したものである。
本発明のレーザ加工装置においては、前記光路変更手段に、光路を変更するタイミングを設定するタイミング設定手段が設置されていることが好ましい。
同様に、前記光路変更手段が、電気光学素子と偏光ビームスプリッタとを含んで構成されるようにしてもよく、又、前記光路変更手段が、音響光学素子を含んで構成されるようにしてもよい。
本発明によれば、同一加工位置に対する焦点距離が異なる複数の光学系を予め用意し、該光学系を介してレーザ光を被加工物に集光あるいは結像を可能にしたので、機械的駆動手段を使用することなく、例えば焦点距離が短い集光あるいは結像から長い集光あるいは結像に高速で切換えることが可能となるため、高アスペクト比の穴を高速で加工することが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１には、本発明に係る第１実施形態のレーザ加工装置の概要を示す。
本実施形態のレーザ加工装置は、ＵＶレーザ用のレーザ発振機１０と、該発振器１０から発振されるレーザ光の偏光状態を切換える、例えばＥＯＭ（電気光学変調器）を用いた偏光切換器１２と、該切換器１２から入射されるレーザ光を偏光状態により、反射あるいは透過する第１偏光ビームスプリッタ１４とを備えている。
この第１偏光ビームスプリッタ１４では、Ｐ偏光は透過して第１光学系へ導かれ、Ｓ偏光は反射されて第２光学系へ導かれる。即ち、前記ＥＯＭ（偏光切換器）１２と第１偏光ビームスプリッタ１４により、光路変更手段が構成されている。又、ＥＯＭ１２にはタイマ（タイミング設定手段）１５が接続され、該タイマ１５によりＥＯＭ１２に対して偏光状態の切換タイミングが設定可能になっている。
第１光学系の主要部は、第１偏光ビームスプリッタ１４の入射光軸上に配設された第１リレーレンズ１６、第２偏光ビームスプリッタ１８及び加工レンズ２０とから構成される。
第２光学系の主要部は、第１偏光ビームスプリッタ１４の反射光軸上に配設された第１ミラー２２と、該ミラー２２の反射光軸上に配設された第２リレーレンズ２４及び第２ミラー２６と、該ミラー２６の反射光軸上に配設された前記第２偏光ビームスプリッタ１８と、該ビームスプリッタ１８の反射光軸上に配設された前記加工レンズ２０とから構成されている。
又、第２偏光ビームスプリッタ１８における透過光軸と反射光軸とは実質的に一致するように設計されているため、第１光学系及び第２光学系のいずれによっても、レーザ光はそれぞれ異なる焦点距離ｆ1及びｆ2で同一加工位置に集光あるいは結像可能になっている。
第１光学系の焦点距離ｆ1は、第１リレーレンズ１６と加工レンズ２０の関係で決まり、又、第２光学系の焦点距離ｆ2は、第２リレーレンズ２４と加工レンズ２０との関係で決まるが、以下では第１光学系の方が第２光学系より焦点距離が短い（ｆ1＜ｆ2）として説明する。
次に、本実施形態の作用を説明する。
前記レーザ加工装置により、被加工物２８に対して穴加工を行なう場合、加工初期段階では、前記ＥＯＭ１２に対してはＰ偏光を出射するように偏光状態を設定することにより、レーザ光を第１偏光ビームスプリッタ１４を透過させ、焦点距離ｆ1の第１光学系を介して穴を加工する。
この焦点距離の短い第１光学系を介する穴加工により、加工深さがある程度進んだ段階で、前記ＥＯＭ１２に対して、Ｓ偏光が出射されるように設定を切換えることにより、焦点距離ｆ2の第２光学系に光路を変更して加工を継続する。
このように、偏光制御により光路を変更し、光学系を変更する（切換える）ようにしているので、いずれの光学系を使用する場合でも、レーザ光のエネルギ密度が低下することを防止できる。
しかも、加工の進行程度に応じて焦点距離を変更し、同一スポット（加工位置）を２段階で加工できるようにしているので、従来に比べて高アスペクト比（例えば、２〜３）の穴加工を実現することができる。
前記ＥＯＭ１２に対する偏光状態の切換えは、前記タイマ１５によるタイミング設定により行なうことができる。その場合、実績に基づいて直接時間を設定をしてもよいが、被加工物２８に対する１パルス当たりの加工量は、材質、レーザ光の波長やエネルギ密度により決まるため、レーザ発振のパルス数で設定することもできる。
又、タイミング設定に限らず、第２偏光ビームスプリッタ１８と加工レンズ２０との間の光軸上に、ＵＶ光の透過率が高く、しかも可視光の反射率が高い第３ミラー３０を配置し、該ミラー３０に反射される加工の程度をモニタカメラ３２により監視し、加工径が予め設定してある基準径になった時点で手動又はフィードバック制御により偏光状態を切換えるようにしてもよい。
以上のように、本実施形態によれば、ＥＯＭ１２、第１偏光ビームスプリッタ１４を使用して、電気的、光学的に光路を選択するようにしたため、高アスペクト比の穴加工を機械的駆動によるものより高速で実現することが可能となる。
図２には、本発明に係る第２実施形態のレーザ加工装置の要部を示す。但し、前記第１実施形態と同一部分については同一の符号を使用して説明を省略する。
本実施形態では、光路変更手段として、前記ＥＯＭ１２、第１偏光ビームスプリッタ１４の代わりに、ＡＯＭ（音響光学素子）を使用し、レーザ発振器１０から発振されるレーザ光の光軸自体を回折により変更すると共に、前記第２偏光ビームスプリッタ１８の位置にハーフミラー３６を配設するようにした。
これにより、偏光制御によらない光路の高速変更が可能になると共に、第１光学系及び第２光学系を介して被加工物２８に集光されるレーザ光のエネルギ密度はそれぞれ半分程度になるが、同様に高アスペクト比の穴加工を実現することができる。
なお、前記 実施形態では、光路を変更して光学系を切換える場合を説明したが、材質の加工し易さや加工程度に応じて、第１光学系と第２光学系を同時使用し、レーザ光を各光学系に、例えば５０％、５０％に分割した後、該分割光を合成して被加工物２８に集光あるいは結像するようにしてもよい。
又、焦点距離が異なる光学系が２つの場合について説明したが、３つ以上であってもよいことは言うまでもない。
以上説明したとおり、本発明によれば、レーザ光を被加工物に集光して高アスペクト比の穴を高速加工することが可能となる。
本発明に係る第１実施形態のレーザ加工装置の概要を示すブロック図 本発明に係る第２実施形態のレーザ加工装置の要部を示すブロック図
符号の説明
１０…レーザ発振器
１２…偏光切換器（ＥＯＭ（電気光学変調器））
１４…第１偏光ビームスプリッタ
１５…タイマ
１６…第１リレーレンズ
１８…第２偏光ビームスプリッタ
２０…加工レンズ
２２…第１ミラー
２４…第２リレーレンズ
２６…第２ミラー
２８…被加工物
３０…第３ミラー
３２…モニタカメラ
３４…ＡＯＭ（音響光学変調器）
３６…ハーフミラー

Claims (8)

  1. レーザ光を被加工物の加工位置に集光あるいは結像して該被加工物を加工するレーザ加工方法において、
    光路を変更して予め用意した焦点距離の異なる複数の光学系を切換え変更し、前記レーザ光を、変更後の光学系を介して、前記被加工物の同一の加工位置に集光あるいは結像させることを特徴とするレーザ加工方法。
  2. 前記光学系を、焦点距離の短い方から長い方に順次変更することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
  3. 前記光学系の変更を、電気光学素子を利用する偏光制御により行なうことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
  4. 前記光学系の変更を、音響光学素子を利用する光路変更により行なうことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
  5. レーザ発振器から発振されるレーザ光を被加工物の加工位置に集光あるいは結像して該被加工物を加工するレーザ加工装置において、
    前記被加工物の同一の加工位置に対する焦点距離が異なる複数の光学系と、
    前記レーザ光を、光路を変更して、前記光学系の少なくとも１つに導びく光路変更手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
  6. 前記光路変更手段に、光路を変更するタイミングを設定するタイミング設定手段が設置されていることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。
  7. 前記光路変更手段が、電気光学素子と偏光ビームスプリッタとを含んで構成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載のレーザ加工装置。
  8. 前記光路変更手段が、音響光学素子を含んで構成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載のレーザ加工装置。
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