JP4218209B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、レーザ加工装置、特に高速微細穴加工等に用いられるレーザ加工装置に関するものである。
背景技術
従来の一般的な微細穴加工用レーザ加工装置を第１１図に示す。第１１図に示したものは、例えば水平にＸＹテーブル１４上に置かれた被加工物１にパルス状レーザ光２を照射し任意のパターンに微細穴加工することを目的とした装置であり、パルス状レーザ光２を発生するレーザ発振器３、レーザ光２を反射させて光路中を導く数枚のベンドミラー４、レーザ光２を制御装置１０の指令により任意の角度に反射させるガルバノミラー５（この図では、２個のガルバノミラー５ａ，５ｂ）、ガルバノミラー５を駆動するガルバノスキャナ６、ガルバノミラー５により与えられるレーザ光２の角度を光路軸方向に対し平行に修正しレーザ光２が被加工物１に垂直に照射するようにするｆθレンズ７、加工結果の表示に使用するＣＣＤカメラ８、ガルバノスキャナ６，ｆθレンズ７，及びＣＣＤカメラ８を載せて被加工物１との距離を調整するためにＺ方向に移動するＺ軸テーブル９、これらの駆動系の制御を行なう制御装置１０からなっている。このレーザ加工装置によれば、被加工物１上に垂直にレーザ光２を高速に位置決めするガルバノスキャナ６，ガルバノミラー５，ｆθレンズ７と、ごく短時間ビームを発振可能なパルスレーザ発振器３との組合せにより、５００穴／秒という板金用レーザ加工に比べてはるかに高速な加工を可能としている。
上記のような加工装置を用いた微細穴加工について説明する。制御装置１０上で設定された周波数と出力値に従ってレーザ発振器３から出力されるパルス状のレーザ光２が、数枚のベンドミラー４によりガルバノスキャナ６に取付けられたガルバノミラー５ａ，５ｂまで導かれ、ガルバノスキャナ６により任意の角度に保持されたガルバノミラー５ａ，５ｂに反射してｆθレンズ７へ入射する。ｆθレンズ７に入射したレーザ光２は被加工物１上で焦点を結ぶ。またｆθレンズ７に入射する直前のレーザ光２は様々な入射角をもっているが、ｆθレンズ７により被加工物１に垂直に照射されるように修正される。
レーザ発振器３から出力されるレーザ光２の発振のタイミングとガルバノミラー５ａ，５ｂの角度とを制御装置１０で制御することにより、制御装置１０にあらかじめ入力されている形状を加工することが出来る。このとき１パルスのレーザ光照射で一つの穴が加工されるが、被加工物１の材質に対して出力が十分でない等の場合には数パルスを一個所に繰り返して照射し深い穴を開ける等の方法が取られたりする。ガルバノミラー５ａ，５ｂによりレーザ光２をスキャン出来る範囲は限られている為、一定の形状の加工が終了するとＸＹテーブル１４により被加工物１を次のスキャンエリアに移動し、再びガルバノスキャナ６を駆動し加工を行なう。上記のようにして任意の箇所に高速にレーザ光２を導き微細穴加工を行なう。
上記の手順によれば、加工装置一台の単位時間当たりの生産量を増やすにはガルバノスキャナの駆動速度をより高速にすること、パルスレーザ発振器の発振周波数をより高くかつ高出力のレーザ光を発振すること、ＸＹテーブルの移動速度を高速化すること、の３つの方法により今以上に高速な加工が可能になる。
昨今の微細穴加工市場の急激な成長にともない、要求される加工速度が短期間のうちに数倍乃至数十倍に増大している。このためより高速に駆動できるガルバノスキャナ、より短時間で高出力のレーザ光をパルス状に発生するレーザ発振器の開発が期待されており、短期間で飛躍的に加工速度を向上させる技術を開発し製品化することが急務となっている。しかし、市場から要求されている５倍，１０倍、更にそれ以上の加工時間の短縮を実現することはレーザ加工装置の位置決め速度を向上させる方法ではガルバノスキャナ，ＸＹテーブルの能力が限界に近づきつつある現状から考えると非常に困難である。
また１台の発振器に複数の加工ヘッドを用意し、発振器から出てくるレーザ光を半透過ミラーを使い数段階に分けて分光する方法では、巨大な光路系設計が必要であったり、光路調整が複雑になったりするなどの問題点が有る。
一方、回折型光学部品（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ、以下適宜ＤＯＥと記す）は、その表面に施された回折格子により入射する光を設計された分光数及びパターンに分光することが出来る光学部品であり、通常は一度のレーザ光発振で１個所の加工しかできないものが、例えば３分光するように設計されたＤＯＥを前述の微細穴加工用レーザ加工装置の光路系に挿入すれば、一度のレーザ光発振で同時に３個所の加工が可能となる。ＤＯＥはホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）とも呼ばれている。
このＤＯＥを利用すると、所望の分光数と分光パターンをもったＤＯＥを設計し、従来の光学系に使用して比較的簡単に加工速度を上げることが可能であり、上述の加工速度を向上させるといった課題の解決に繋がる。
ところが、ＤＯＥを光路系に挿入する場合、その挿入場所によっては設計通りの仕様が発揮されにくくなることがある。たとえば、像転写光学系を使用する場合は、レーザ光のパワーを効率良く使う為にマスクを使用するが、マスクの前にＤＯＥを挿入してしまうと分光パターンにマスクの影響が出てしまう。例えば、ガルバノミラーの直後、ｆθレンズの直前にＤＯＥを挿入した場合はレーザ光がＤＯＥに斜めに入射することになり屈折率の変化により分光パターンに影響を与えることになるので、入射角度、及び入射領域を考慮した複雑なＤＯＥの設計や複雑なガルバノスキャナ制御が必要である。例えばｆθレンズの直後にＤＯＥを挿入した場合は、ガルバノミラーのスキャンエリアを充分カバーする大きさのＤＯＥが必要となり膨大な製作コストがかかるうえに、加工時に発生する粉塵、スパッタ等からＤＯＥ表面を保護する手段が必要となり、さらにコストがかかってしまう。
また、ガルバノミラー，ｆθレンズを通ったレーザ光はＸ，Ｙ方向それぞれのガルバノミラーとｆθレンズの距離の差により指令値と加工位置とがずれてしまう。これを修正するためにプログラムによる位置の補正が必要となっている。またガルバノミラーは周囲温度等により微妙に反射角度が変化するため、空調室等で加工装置を使用することが望ましいが、夜間空調を切っていたり、空調の無い場所で使用したりする場合はこまめに補正値の修正を行なうことが必要である。これらの補正、補正値の修正を行なう方法としてＣＣＤカメラを利用した自動補正がある。補正プログラムにあらかじめ記入されたパターンにしたがってレーザ光で空けられた穴の座標値をＣＣＤカメラで認識し、指令値とＣＣＤカメラで測定した穴の座標値との位置ずれを検出し、ずれ量をスキャンエリア内の穴の位置に従って補正量を計算し、スキャンエリア内全てにわたって補正するという方法が取られる。しかしながらＤＯＥを装備した加工装置ではレーザ光が焦点でパターンに分岐してしまう為、ＣＣＤカメラで認識させるにはＤＯＥパターン毎にプログラムの修正を行なう必要があり、加工装置毎にプログラムを修正する手間がかるという問題が発生する。
また、ＤＯＥをその光路中に備えた加工装置においてはＤＯＥを通過したレーザ光はＤＯＥの製作精度によりその強度がある程度ばらついて分岐される。出来る限りバラツキが小さいことが望ましいが、実際はＤＯＥ製作手順上の問題や低次回折光の影響によるばらつきを全く無くすことは不可能である。そのためＤＯＥを利用して加工を行なうと、分光強度のばらつきに比例して加工穴径がばらつくという結果が得られる。
このまま同一位置で数回または長時間連続でレーザ光を照射したとしても、穴径はエネルギーの強さに比例する為、加工穴径を均一に戻すことは出来ない。
また、ＤＯＥを通過したレーザ光は、必要なパターン以外に高次回折光がノイズとしても同時に分岐される。ノイズはＤＯＥの製造過程や被加工物ごとに設定される加工条件の調整等によりある程度減少させることは可能であるが、全く無くすことは不可能である。分光数が少ない場合はノイズの分光強度は必要とされるパターンの分光強度に比べて小さく加工時も問題にならないことが多いが、分光数が増えてそれぞれの分光強度設計値が小さくなったり、ＤＯＥ製作上の問題によってパターンとノイズの分光強度が近い数値となる場合には、必要なパターン以外の場所に不必要な穴が加工されてしまうという問題が起きる。
この発明は、上述の課題を解決し、高速微細穴加工等の際に、従来のレーザ加工装置よりも高速で且つ正確な加工が可能なレーザ加工装置を提供することを目的としている。
発明の開示
この発明は、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、このレーザ発振器より出力された前記レーザ光を被加工物に導く光路を形成するガルバノミラーとｆθレンズとを有する光路系と、前記レーザ発振器と前記ガルバノミラーとの間の光路中に設けられた回折型光学部品とを備えたレーザ加工装置を提供するものである。
したがって、簡単な構成で、回折型光学部品による高速且つ正確な同時複数点加工ができるレーザ加工装置を得ることが出来る。
また、この発明は、回折型光学部品を前記光路中の定められた位置に着脱する着脱手段を備えたレーザ加工装置を提供するものである。
したがって、ガルバノミラー等の補正時に、光路から回折型光学部品を取り外した状態で補正を容易に行なうことが可能となり、また、複数種の回折型光学部品を交換して使い分けることができ、複数種の加工パターンに容易に対応することができる。
また、この発明は、光路中に設けられた回折型光学部品の姿勢を調整する調整手段を備えたレーザ加工装置を提供するものである。
したがって、レーザ光が垂直に入射するように回折型光学部品の姿勢を調整することが可能となり、適切な回折角を得ることができる。
また、この発明は、回折型光学部品により分岐されｆθレンズにより集光されたレーザ光の焦点位置でのビーム径を、光路中のレーザ発振器と回折型光学部品の間に設けた像転写光学系の調整により操作するレーザ加工装置を提供するものである。
したがって、回折型光学部品を備えたレーザ加工装置において、焦点位置での分光されたそれぞれのレーザ光の集光径を像転写光学系に設置されたマスク径によって一律に調整することが可能となり、被加工物の材質及び必要とする加工穴径に応じた加工結果を容易に得ることが出来る。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
第１図はこの発明の第１の実施の形態によるレーザ加工装置を示すものである。第１図において、レーザ発振器３により発生したレーザ光２は発振器３に設けられたシャッタ１３より放出される。レーザ光２は光路中に設けられた数枚のベントミラー４により、保持装置１２に保持されたＤＯＥ１１へ導かれる。ＤＯＥ１１が備える回折格子によりレーザ光２は一定のパターンに分岐される。分岐されたレーザ光２はベンドミラー４によりガルバノスキャナ６に保持されたガルバノミラー５ａ，５ｂへと導かれる。ガルバノスキャナ６により任意の角度にスキャンニングされるガルバノミラー５ａ，５ｂによって反射されたレーザ光２は任意の入射角をもってｆθレンズ７に入射する。ｆθレンズ７に入射したレーザ光２は、被加工物１に垂直に入射するように補正されて出てくるとともにｆθレンズ７が持つ焦点距離にしたがって集光されている。これらの構成により焦点位置におかれた被加工物１上に任意のパターンを加工することが可能となる。
第２図はこの実施の形態に使用される光路系の要部拡大図である。図中、１１はＤＯＥであり、ガルバノミラー５ａより発振器側に挿入されている。ＤＯＥ１１によって分岐されたレーザ光はガルバノミラー５ａ，５ｂ、ｆθレンズ７を経て被加工物に集光される。
このとき通常は第３図に示すように、ある１点で加工した後パターン２４分移動して次の加工を行なうが、第４図に示すようにあえて１穴分だけずらして移動し一度加工した箇所にパターン２４の一部を重ねて加工を行なう。その次はパターン２４分移動し、繰り返し一部重ね加工を行なう。このような加工方法を取ると、１回のビーム照射では分光強度の不均一性による不均一な穴径の加工結果がバラツキが発生してしまうが、１穴分移動して部分的に重ねてビーム照射することで穴径の不均一性を低くすることが出来る。
第５図，第６図，第７図はＤＯＥの光路系内の設置位置を説明するための概略図である。光路中におけるＤＯＥの挿入位置は様々であるが、第５図に示すように、光路中、ガルバノミラー５ａの前にＤＯＥ１１を置くことが望ましい。例えば第６図のようにガルバノミラー５ｂとｆθレンズ７との間にＤＯＥ１１を挿入した場合、ガルバノミラー５ｂに反射されたレーザ光が角度をもってＤＯＥ１１に入射することとなり、ＤＯＥ１１は垂直にレーザ光が入射するように設計されているため斜めに入射すると屈折率が変化して所定の分光形状、分光強度が得られなくなる。入射角度等を考慮したＤＯＥ１１の設計は非常に高度な計算が必要であり、現状では極めて困難である。
また、例えば第７図に示すように、光路中、ｆθレンズ７の後にＤＯＥ１１を挿入した場合、ガルバノミラー５ｂがスキャン出来るエリア全体のレーザ光をカバー出来る大きさのＤＯＥ１１が必要となる。さらにＤＯＥ１１を通過するレーザ光はｆθレンズ７により集光されている為、ＤＯＥ１１への熱影響を与えやすくなっており、冷却装置等の熱影響を小さくする機能が必要になる。
実施の形態２．
第８図は、第１の実施の形態に示す光路系においてＤＯＥを容易に挿入、交換することができる着脱保持装置である。第８図の着脱保持装置は、ストック部１５に保管してあるＤＯＥ１１を交換アーム１６により自動的に交換できる機構を備えている。また、光路調整や、ガルバノミラーのアライメント時にＤＯＥを使用しない場合には光路からＤＯＥを抜いた状態にして加工することが出来る。或いは、例えば作業者が必要に応じて手動でＤＯＥを交換出来るような着脱機構を設けたものでも良い。
ＤＯＥはそれ自身の形状が可変にはならない為、ある一定のパターンに分光する回折格子を施したＤＯＥを数種類用意しておき、それぞれを交換することにより任意のパターンの加工に、より木目細かく対応することが可能となる。
また、ガルバノミラー自動補正を行なう場合は、ＣＣＤカメラが加工結果を認識しやすくする為、またＤＯＥパターン毎にプログラムを修正する必要を無くす為、またＤＯＥの取付け姿勢等によりレーザ光が光軸中心に回転して照射され加工結果がＸＹテーブル座標軸に対して傾き、ＣＣＤカメラによる認識及びプログラム修正がＸ座標補正、Ｙ座標補正の他に回転軸補正を行う必要があり、装置及び制御が複雑になることを避ける為、ＣＣＤカメラの視野内には加工穴は１点であることが望ましく、そのため分岐されていないレーザ光が必要であり、補正時はＤＯＥを光路中から取り外し可能であることが望ましい。
実施の形態３．
第９図は、第１の実施の形態に示す光路系におけるＤＯＥの姿勢を容易に調整することができる姿勢調整装置を示したものである。焦点位置における分光パターンの精度はＤＯＥ製作の精度に大きく左右されるが、ＤＯＥと焦点位置間の距離も影響を与えるためレンズの持つ焦点距離の誤差を調整する等のために、姿勢調整用保持装置１７は光軸１８に対して上下方向に調整出来る機構を装備する。また、ガルバノミラーを介し被加工物にレーザ光が照査されるが、ガルバノミラーの取付け角度により加工テーブル上のＸＹ座標に対し分光パターンが傾く。このため姿勢調整用保持装置１７はＤＯＥ１１を光軸１８中心に回転させる機構を持つ。また、レーザ光はＤＯＥ１１に対し垂直に入射することが最適な回折角を得る為には望ましい。そのため姿勢調整用保持装置１７は光軸１８に対して垂直になるように調整できる機構を装備する。
実施の形態４．
第１０図は、第１の実施の形態に示す光路系においてマスク調整機構を装備した像転写光学系２５を光路中のＤＯＥ１１の前に採用した光路系である。この像転写光学系２５によればマスク１９の口径２０を調節することでマスク１９とｆθレンズ７との距離２２とｆθレンズ７の焦点距離２３との比により焦点位置におけるビーム径２１の大きさを調整し、マスク１９により決定されたサイズのビーム径を被加工物１に転写出来る。この実施の形態は、ＤＯＥ１１によって分光されたレーザ光の焦点位置でのそれぞれのビーム径を任意の大きさに調整する機能を持つ光路系の一例である。
ところで上記の説明では、この発明をレーザ加工装置を微細穴加工に利用する場合について述べたが、その他のレーザ加工についても利用できることは言うまでもない。
産業上の利用可能性
以上のように、この発明にかかるレーザ加工装置は、例えば微細穴加工など、高い加工精度を要求される工業用レーザ加工装置として用いられるのに適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の一実施形態によるレーザ加工機の構成の概略図である。
第２図は、第１図に示したＤＯＥ及びｆθレンズ周辺の要部拡大図である。
第３図は、一般的な加工方法を説明する図である。
第４図は、この発明の一実施形態による加工方法を示す図である。
第５図は、この発明の一実施形態によるＤＯＥの設置位置を説明する概略図である。
第６図は、ＤＯＥの設置位置の比較例を説明する概略図である。
第７図は、ＤＯＥの設置位置の別の比較例を説明する概略図である。
第８図は、この発明の一実施形態によるＤＯＥ着脱保持装置の構成の概略図である。
第９図は、この発明の一実施形態によるＤＯＥ姿勢調整装置の構成の概略図である。
第１０図は、この発明の一実施形態による光路構成の概略図である。
第１１図は、従来の一般的な微細穴加工用レーザ加工装置の構成の概略図である。

Claims (4)

1. レーザ光を発生させるレーザ発振器と、このレーザ発振器より出力された前記レーザ光を被加工物に導く光路を形成するガルバノミラーとｆθレンズとを有する光路系と、前記レーザ発振器と前記ガルバノミラーとの間の光路中に設けられた回折型光学部品とを備え、前記回折光学部品により分岐されたレーザ光が前記ガルバノミラーを経て前記被加工物に集光されることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 回折型光学部品を前記光路中の定められた位置に着脱する着脱手段を備えたことを特徴とする請求項第１項記載のレーザ加工装置。
3. 光路中に設けられた回折型光学部品の姿勢を調整する調整手段を備えたことを特徴とする請求の請求項第１項記載のレーザ加工装置。
4. 回折型光学部品により分岐されｆθレンズにより集光されたレーザ光の焦点位置でのビーム径を、光路中のレーザ発振器と回折型光学部品の間に設けた像転写光学系の調整により操作することを特徴とする請求項第１項記載のレーザ加工装置。

Images