JP4466561B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板等の被加工物に対して穴あけ加工を主目的としたレーザ加工機に関するものであり、一つのレーザ光源からのレーザ光を複数に分光し、その生産性、及び加工品質向上を図るものである。

マスクを通過したレーザ光をハーフミラーを経由させて複数に分光し、分光した複数のレーザ光をそれぞれｆθレンズの入射側に配置した複数のガルバノスキャナ系に導き、該複数のガルバノスキャナ系により走査することにより、分割設定された加工エリアに照射することを可能としている。
なお、分光したレーザ光は第１のガルバノスキャナ系を経由してｆθレンズの半分の領域に導入する。
また分光した他方のレーザ光は第２のガルバノスキャナ系を経由してｆθレンズの残り半分の領域に導入させ、第１、第２のガルバノスキャナ系はｆθレンズの中心軸に関して対称に配置することにより、ｆθレンズを１／２ずつ同時利用し生産性向上を可能にしている。（特許文献１参照）。
日本特開平１１−３１４１８８号公報（第３頁、第１図）

従来のレーザ加工装置では、ハーフミラーを経由させて複数に分光した２つレーザ光をそれぞれ第１のガルバノスキャナ系と第２のガルバノスキャナ系で走査し、分割設定された加工エリアに照射する構成をとっているため、ハーフミラーにより分光した２つレーザ光の間にはハーフミラーを反射と透過することの違いによるレーザ光の品質のばらつきが生じ易く、また、分光のエネルギが異なったものになってしまった場合、エネルギを同等にするためにさらに高価な光学部品が必要であった。
また、分光した２つのレーザ光のマスク通過後、被加工物に照射されるまでの光路長が異なり、被加工物上での厳密なビームスポット径も異なったものになってしまうという問題もあった。
さらに、ｆθレンズを等分割し、分割設定された加工エリアを同時加工するため、加工エリアの加工穴数に大きな違いがある時、またワークの端部分等加工エリアの内どちらかに加工対象穴がない時等は生産性の向上が見込めない。

この発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、分光したレーザ光のエネルギや品質の違いを最小にし、それぞれの光路長を同一にすることでビームスポット径も同一にすることができ、また分光したレーザ光を同一領域に照射することにより、より安価に生産性を向上したレーザ加工装置を提供することを目的としている。
また、分光したレーザ光のエネルギー／焦点位置の差を容易な調整で均一にすることができ、加工性能をより安定したものにできるレーザ加工装置を提供することを目的としている。
この目的を達成するために、発振器から出射されたレーザ光を、第一の偏光手段で透過させ、ミラーを経由して第二の偏光手段で反射させた第１のレーザ光と、上記第一の偏光手段で反射させ、第一のガルバノスキャナで２軸方向に走査し、上記第二の偏光手段を透過させた第２のレーザ光とに分光し、第二のガルバノスキャナで走査し、被加工物を加工するレーザ加工装置において、第一の偏光手段の手前に、角度調節可能な第三の偏光角度調整用偏光手段を配置したものである。
また、発振器から出射されたレーザ光を、第一の偏光手段で透過させ、ミラーを経由して第二の偏光手段で反射させた第１のレーザ光と、上記第一の偏光手段で反射させ、第一のガルバノスキャナで２軸方向に走査し、上記第二の偏光手段を透過させた第２のレーザ光とに分光し、第二のガルバノスキャナで走査し、被加工物を加工するレーザ加工装置において、レーザ光の焦点位置を測定する測定手段に基づき、２つのレーザ光の焦点位置を計測し、２つのレーザ光の焦点位置の差が所望の基準以下になるように焦点位置調整手段により調整するものである。

第１図は、この発明の実施の形態１であるレーザ加工機の概略構成を示した図である。
第２図は、偏光ビームスプリッタの分光模式図である。
第３図は、この発明の実施の形態２であるレーザ加工機の概略構成を示した図である。
第４図は、偏光角度調整用偏光ビームスプリッタ部分を拡大した図である。
第５図は、偏光角度調整用偏光ビームスプリッタの自動調整プログラムのフロー図である。
第６図は、この発明の実施の形態３であるレーザ加工機の概略構成を示した図である。
第７図は、この発明の実施の形態３であるレーザ加工機における、焦点位置の変化を概略的に示した図である。
第８図は、この発明の実施の形態４であるレーザ加工機の概略構成を示した図である。
第９図は、この発明の実施の形態４であるレーザ加工機における、焦点位置の変化を概略的に示した図である。
第１０図は、この発明の実施の形態４であるレーザ加工機における、レーザ光の偏向方向の変化を示した模式図である。
第１１図は、焦点位置可変手段による、焦点位置の自動調整プログラムのフロー図である。

実施の形態１．
第１図は、１つのレーザ光を分光用偏光ビームスプリッタで２つのレーザ光に分光し、２つのレーザ光を独立に走査することにより、２箇所同時に加工を実施することができる穴あけ用レーザ加工装置を示す概略構成図である。
図において、１はレーザ発振器、２はレーザ光、２ａはリターダ３入射前のレーザ光２の偏光方向、２ｂはリターダ３で反射後のレーザ光２の偏光方向、３は直線偏光のレーザ光を円偏光に変えるリターダ、４は加工穴を所望の大きさ、形状にするために入射するレーザ光から必要な部分のレーザ光を切り取るマスク、５はレーザ光２を反射して光路を導く複数のミラー、６はレーザ光２を２つのレーザ光に分光する第一の偏光ビームスプリッタ、７は第一の偏光ビームスプリッタ６で分光された一方のレーザ光、７ａはレーザ光７の偏光方向、８は第一の偏光ビームスプリッタで分光されたもう一方のレーザ光、８ａはレーザ光８の偏光方向、９はレーザ光７とレーザ光８をガルバノスキャナ１２に導くための第二の偏光ビームスプリッタ、１０はレーザ光７、８を被加工物１３上に集光させるためのｆθレンズ、１１はレーザ光８を２軸方向に走査し、第二の偏光ビームスプリッタに導くための第一のガルバノスキャナ、１２はレーザ光７とレーザ光８を２軸方向に走査し被加工物２２に導くための第二のガルバノスキャナ、１３は被加工物、１４は被加工物１３を移動させるためのＸＹステージである。
なお、第一の変更ビームスプリッタ６で分光されたレーザ光７，８が第二の偏光ビームスプリッタ８に達するまでのそれぞれの光路長は同一光路長となるように設計されている。
次に、本実施の形態の詳細な動作を説明する。
本実施の形態に示される如く、１つのレーザ光を分光用偏光ビームスプリッタで２つのレーザ光に分光し、２つのレーザ光を独立に走査することにより、２箇所同時に加工を実施することができる穴あけ加工用レーザ加工装置では、レーザ発振器１より直線偏光にて発振されたレーザ光２は、光路の途中に配置されるリターダ３により円偏光に変えられ、マスク４、ミラー５を経由して第一の偏光ビームスプリッタ６に導かれる。そして、第一の偏光ビームスプリッタ６にて、円偏光で入射するレーザ光２は、Ｐ波成分は偏光ビームスプリッタ６を透過しレーザ光７となり、Ｓ波成分は偏光ビームスプリッタ６で反射しレーザ光８に分光される。なお、円偏光は、全ての方向の偏光成分を均質に持つため、レーザ７とレーザ光８は同一のエネルギーをもつように分光される。
第一の偏光ビームスプリッタ６を透過したレーザ光７は、ベンドミラー５を経由して、第二の偏光ビームスプリッタ９に導かれる。
一方、第一のビームスプリッタ６で反射したレーザ光８は、第一のガルバノスキャナ１１により２軸方向に走査された後、第二の偏光ビームスプリッタ９に導かれる。
なお、レーザ光７はいつも同じ位置で第二の偏光ビームスプリッタ９に導かれるが、レーザ光８は第一のガルバノスキャナ１１の振り角を制御することにより第二の偏光ビームスプリッタ９に入射する位置、角度を調整することができる。
その後、レーザ光７，８は第二のガルバノスキャナ１２により２軸方向に走査された後、ｆθレンズ１０に導かれ、それぞれ被加工物１３の所定位置に集光される。
このとき第一のガルバノスキャナ１１を走査することにより、レーザ光８は被加工物１３上においてレーザ光７と同一位置に照射することが可能である。
また、あらかじめ設定された範囲内でレーザ光７に対して任意の位置に、例えば、ガルバノスキャナ１１を走査することによりレーザ光８をレーザ光７を中心にビームスプリッタの光学素子の特性を考慮して、４ｍｍ角の範囲内を走査すると共に、例えば５０ｍｍ四方等加工可能な範囲で振れる第二のガルバノスキャナ１２を介して、被加工物１３上の任意の異なる２点にレーザ光を照射することを可能にしている。
また、本実施の形態では、第一の偏光ビームスプリッタ６を反射したレーザ光８は、第二の偏光ビームスプリッタ９を透過、第一の偏光ビームスプリッタ６を透過したレーザ光７は、第二の偏光ビームスプリッタ９を反射するよう構成されている。
そのため、分光した２つのレーザ光はそれぞれ反射と透過両方の過程を経ているため、反射と透過の違いによるレーザ光の品質のばらつきやエネルギバランスの崩れを相殺することを可能にしている。
ここで、レーザ光７とレーザ光８により被加工物１３に加工される加工穴の品質は、レーザ光のエネルギーに大きく依存する。
レーザ光７とレーザ光８で被加工物１３に同じ品質の穴を加工する場合レーザ光７とレーザ光８のエネルギーを同じにする必要がある。
そこで、本実施の形態では、レーザ光２をレーザ光７とレーザ光８に分光する第一の偏光ビームスプリッタ６を用いて、Ｐ波を透過させ、Ｓ波を反射させることにより、２つのレーザビームに分光している。
なお、第一の偏光ビームスプリッタ６には、Ｐ波とＳ波の成分を均等に持つレーザ光を入射させる必要がある。
第２図は、第一の偏光ビームスプリッタ６の正面図を中央に、その左右に側面図、上部に上面図が示されている。
図において、６１は偏光ビームスプリッタの光学素子部分で炭酸ガスレーザの場合、ＺｎＳｅやＧｅが使用される。
６２はレーザ光を９０°に折りかえすためのミラーである。
偏光ビームスプリッタ６に入射したレーザ光は、偏光方向７ａの成分（Ｐ波成分）は透過し、偏光方向８ａの成分（Ｓ波成分）は反射する性質を持っている。
ちなみに、Ｐ波とＳ波の偏光方向は直行する。
よって、入射するレーザ光の偏光方向が偏光方向７ａ（Ｐ波成分）と同じであれば全て透過し、偏光方向８ａ（Ｓ波成分）と同じであれば全て反射する。
また、あらゆる偏光方向が均質に存在する円偏光や、Ｐ波、Ｓ波に４５°の角度をなす偏光方向であればレーザ光は等分され、レーザ光７とレーザ光８のエネルギーは等しくなる。
本実施の形態では、２つの偏光ビームスプリッタを第１図に示すように配置したことにより、第一の偏光ビームスプリッタ６〜第二の偏光ビームスプリッタ９間のレーザ光８と７の光路長を同一としているため、分光した２つのレーザ光のビームスポット径を同一にすることができる。
例えば、本発明の実施の形態では光路をＸ、Ｙ、Ｚ方向に分解してもそれぞれ同一光路長なるため、光路構成要素を大小設計変更しても光路をＸ、Ｙ、Ｚ方向に伸縮することが可能でレーザ光８と７の光路長は同一まま保つことを可能にしている。
実施の形態２．
上述した実施の形態１では、レーザ発振器１から発振されたレーザ光２は、リターダ３において入射光と反射光が９０°をなす角度で入射させる必要があり、またレーザ光２の偏光方向２ａは、リターダ３において入射光軸と反射光軸を２辺とする平面とリターダ３の反射面の交線に対し４５°の角度で入射させる必要がある。
ここで、仮にリターダ３に対するレーザ光２の入射する偏光方向、及び光軸角度の調整が不十分であると、円偏光率が低下し、第一の偏光ビームスプリッタ６に入射するレーザ光２のＰ波成分とＳ波成分のバランスが崩れ、レーザ光７とレーザ光８のエネルギーが均一にならなくなり、レーザ光２のリターダ３に入射する際の偏光方向、及び光軸角度の調整は、偏光方向は目で見えず、炭酸ガスレーザのように可視光でない場合には光軸角度も目視できないため、円偏光率を測定し、不十分であれば角度調整を実施することを繰り返さなければならず、たいへん煩雑な作業となる場合も存在する。
また、レーザ光２を円偏光２ｂにした後、第一の偏光ビームスプリッタ６に入射するまでに、数枚のミラー５で反射させるが、ミラー５で反射する際、円偏光率が低下することもある。
そこで、本実施の形態では、円偏光を使用することなく、直線偏光で発振されたレーザ光を用いる場合について説明する。
第３図は、この発明の実施形態によるレーザ加工装置を示す概略構成図である。
図において、２ｃは第三の偏光ビームスプリッタ１５に入射前のレーザ光２の偏光方向、２ｄは第３の偏光ビームスプリッタ１５を透過後のレーザ光２の偏光方向、１５はレーザ光２の偏光方向を調整するための第三の偏光ビームスプリッタ、１６はｆθレンズ１０から出射されるレーザ光のエネルギーを測定するパワーセンサ、１７はレーザ光７を遮る第一のシャッター、１８はレーザ光８を遮る第二のシャッターである。
パワーセンサ１６は、ＸＹテーブル１４に固定されており、レーザ光のエネルギーを測定する際は、パワーセンサ１６の受光部にレーザ光が当たる位置にパワーセンサ１６が移動可能となっている。
なお、その他の同一符号は実施の形態１で示した第１図と同じであるため説明を割愛する。
第４図は、第３図で示される第三の偏光ビームスプリッタ１５の詳細図である。
図において、２０はサーボモータ、２１は第三の偏光ビームスプリッタ１５とサーボモータ２０を固定するブラケット、２２はサーボモータ２０の動力を第三の偏光ビームスプリッタ１５に伝えるタイミングベルト、２３はサーボモータ２０に取り付けられ、タイミングベルト２２にサーボモータ２０の動力を伝える第一のプーリー、２４は第三の偏光ビームスプリッタ１５に取り付けられタイミングベルト２２により回転される第二のプーリー、２５は第三の偏光ビームスプリッタ１５で反射するレーザ光２のＳ波成分を受け止めるダンパである。
レーザ光２は、レーザ発振器１から直線偏光２ｃで発振され、ミラー５で反射し、第三の偏光ビームスプリッタ１５へ導かれる。
レーザ光２のＰ波成分は、第三の偏光ビームスプリッタ１５を透過し、直線偏光２ｃとは異なった角度の直線偏光２ｄに偏光方向を変えマスク４に導かれる。
また、レーザ光２のＳ波成分は、第三の偏光ビームスプリッタ１５で反射しダンパ２５に吸収される。
マスク４において所望の部分のみ透過したレーザ光２は、ミラー５で反射し、第一の偏光ビームスプリッタ６に導かれる。
第一の偏光ビームスプリッタ６では、レーザ光のＰ波成分は第一の偏光ビームスプリッタ６を透過し（レーザ光７）、Ｓ波成分は第一の偏光ビームスプリッタ６で反射する（レーザ光８）。
レーザ光７は、ミラー５で反射し、第二の偏光ビームスプリッタ９へ導かれた後、第二のガルバノスキャナ１２に導かれ、Ｘ方向、Ｙ方向に走査され、ｆθレンズ１０で集光され、ＸＹテーブル１４に搭載された被加工物１３を加工する。
一方、レーザ光８は、第一のガルバノスキャナ１１でＸ方向、Ｙ方向に走査され、第二の偏光ビームスプリッタ９へ導かれる。
その後、第二のガルバノスキャナ１２で再度Ｘ方向、Ｙ方向へ走査された後、ｆθレンズ１０で集光され、ＸＹテーブル１４に搭載された被加工物１３を加工する。
レーザ光７とレーザ光８のエネルギーのバランスを変えるためには、第一の偏光ビームスプリッタ６に入射するＰ波成分とＳ波成分の割合を変えればよく、第一の偏光ビームスプリッタ６に直線偏光のレーザ光を入射する場合は、入射するレーザ光２の偏光角度２ｄを変えればよい。因みに、第一の偏光ビームスプリッタ６での損失、製作誤差等を除けば、Ｐ波と同じ偏光方向のレーザ光２を入射させれば、全てレーザ光７となって透過し、Ｓ波と同じ偏光方向のレーザ光２を入射させれば、全てレーザ光８となって反射する。
レーザ光７とレーザ光８をエネルギーが等しく分光するには、Ｐ波とＳ波に対し４５°の偏光角度でレーザ光２を入射させればよい。
レーザ光２のレーザ発振器１から発振される際の偏光角度２ｃは、レーザ発振器１の光学的構造により決定するため、容易に偏光角度が変えられない。
しかしながら、レーザ光２を第三の偏光ビームスプリッタ１５に通すと、Ｐ波成分のみ透過しＳ波成分は反射するため、第三の偏光ビームスプリッタ１５の角度を変えることにより、レーザ光２の偏光角度２ｃを容易に変えることが可能となる。前述のように、第三の偏光ビームスプリッタ１５で反射するレーザ光２のＳ波成分はダンパ２５で受け止められるようになっている。
第三の偏光ビームスプリッタ１５で偏光方向の角度を調整する際、Ｓ波成分は透過せず損失となってしまうため、効率よくレーザ光を利用する際は、第三の偏光ビームスプリッタ１５入射前のレーザ光２の偏光角度２ｃ（レーザ発振器１から発振される際の偏光角度）を第三の偏光ビームスプリッタ１５透過後のレーザ光２の偏光角度２ｄに出来る限り近づける設計すればよい。
そのように設計した場合、第３の偏光ビームスプリッタの角度調整量は、各光学系部分の製造誤差等を補う程度の量ですみ、この部分でのエネルギ損失は、数％以下である。
第三の偏光ビームスプリッタ１５の角度調整機構については、第４図に示すようになっている。
第三の偏光ビームスプリッタ１５はレーザ光２の光軸を中心に回転できるように、ブラケット２１に固定されており、第三の偏光ビームスプリッタ１５と一緒に回転するよう第二のプーリー２４が固定されている。
また、第一のプーリー２３が取り付けられたサーボモータ２０もブラケット２１に固定されており、第三の偏光ビームスプリッタ１５に固定された第二のプーリー２４とサーボモータ２０に固定された第一のプーリー２３は、タイミングベルト２２で連結されている。
図に記述されていない制御装置からの信号でサーボモータ２０が回転すると、タイミングベルト２２を通し第三の偏光ビームスプリッタ１５に動力が伝達され、第三の偏光ビームスプリッタ１５の角度が変化する。
なお、第三の偏光ビームスプリッタ１５で反射するレーザ光２のＳ波成分はダンパ２５で受け止められるようになっている。
ここで、第三の偏光ビームスプリッタ１５で偏光方向の角度を調整する際、Ｓ波成分は透過せず損失となってしまうため、効率よくレーザ光を利用する際は、第三の偏光ビームスプリッタ１５前のレーザ光２の偏光角度２０を第三の偏光ビームスプリッタ１５後のレーザ光２の偏光角度２ｄと出来る限り同じ角度に入射すると良い。
第三の偏光ビームスプリッタ１５の角度調整は、第一の偏光ビームスプリッタ６へ正確な偏光角度でレーザ光２を入射するため、偏光角度２ｄを微調整する役割となる。
第５図は、この発明の実施形態における所望の割合のエネルギーで２つレーザ光が取り出せるように、偏光角度調整用偏光ビームスプリッタの角度を自動調整する際のフローを示す。
説明は、第３図と第５図を用いて行うが、説明の便宜上、２つのエネルギーを等しくする場合について説明する。
なお、２つのレーザ光のエネルギーが異なる割合の場合でも初期設定を変更すれば同様な方法で実施することが可能である。
レーザ光７とレーザ光８の許容されるエネルギー差を決め、図には記述されていない制御装置に入力し、第三の偏光ビームスプリッタ１５の自動角度調整プログラムを実行する。
まず、ＸＹテーブル１４に固定されたパワーセンサ１６の受光部がｆθレンズ１０から出射されるレーザ光が受光できる位置にパワーセンサ１６が移動する。
その後、第二のシャッター１８が閉じ、レーザ発振器１からレーザ光が発振される。
第二のシャッター１８を閉じたことにより、レーザ光８はその部分で遮断され、ｆθレンズ１０からはレーザ光７のみが出射され、パワーセンサ１６ではレーザ光７のエネルギーが測定される。
エネルギー測定後、一旦レーザ光の発振は停止し、第一のシャッター１７が閉じ、第二のシャッター１８が開き、再度レーザ光が発振される。今度は、第一のシャッター１７を閉じたことにより、レーザ光７はその部分で遮断され、ｆθレンズ１０からはレーザ光８のみが出射され、パワーセンサ１６ではレーザ光８のエネルギーが測定される。エネルギー測定後、レーザ光の発振が停止し、第二のシャッター１８が開く。
制御装置の中で測定した２つのレーザ光のエネルギー差が計算され、始めに入力した許容値と比較される。
許容値内であればプログラムは終了するが、許容値を外れている場合は、第三の偏光ビームスプリッタ１５の角度を調整し、再度２つのレーザ光のエネルギー測定を実施し、許容値内になるまで前記動作を繰り返す。
第三の偏光ビームスプリッタ１５の角度調整量は、入射するレーザ光２の偏光方向２ｃと、第一の偏光ビームスプリッタ６の取付角度に依存し、第三の偏光ビームスプリッタ１５透過後のレーザ光２の偏光角度２ｄを第三の偏光ビームスプリッタ１５入射前のレーザ光２の偏光角度２ｃから数度程度変更するのであれば、第三の偏光ビームスプリッタ１５の角度１°当たり約７％エネルギー差を調整できることが理論的に導き出せる。
このように第三の偏光ビームスプリッタ１５の調整角度と２つのレーザ光のエネルギー差の関係が、入射するレーザ光２の偏光角度２ｃと第一の偏光ビームスプリッタ６の取付角度から理論的に導きだせるため、エネルギー差の許容値にもよるが、５％程度の許容値であれば、上記調整ループを２回実施すれば、調整（プログラム）が完了するため、短時間で容易な調整が可能である。
本実施の形態によれば、１つのレーザ光を分光用偏光ビームスプリッタで２つのレーザ光に分光し、２つのレーザ光を独立に走査することにより、２箇所同時に加工を実施することができるレーザ加工機において、分光用偏光ビームスプリッタのＰ波（透過波）とＳ波（反射波）に対しレーザ光の偏光角度を変更できるように分光用偏光ビームスプリッタの手前に偏光角度調整用偏光ビームスプリッタを設定し、該偏光角度調整用偏光ビームスプリッタに角度調節できる機構を設け、制御装置からの指令により角度調節可能としたことにより、分光したレーザ光のエネルギーバランスを容易に調整し、エネルギーを均一にすることにより加工性能を安定させたり、また、段取り時間の短縮を実現するとともに、安定した生産を実現することが可能となる。
また、レーザ光のエネルギーを測定できるセンサを設け、２つのレーザ光のエネルギーを測定し、所望の割合のエネルギーで２つのレーザ光が取り出せように、偏光角度調整用偏光ビームスプリッタの角度が自動調整できることにより、より一層の段取り時間の短縮が可能となる他、調整の容易化により作業者の熟練度が不要となり、安定した加工が実現できる。
実施の形態３．
上述した実施の形態２において、分光した２つのレーザ光の品質の違いを最小にするため、光路長を同一にすることでビームスポット径も同一になるよう工夫されているが、分光された２つのレーザ光がそれぞれ異なった位置に照射されるように走査され同じｆθレンズに導かれるまで、異なった光路を経由しているため、通過する光学部品の製作精度のばらつきにより集光特性が変化し、２つのレーザ光の焦点位置が異なる場合があり、加工品質（穴径、穴深さ、真円度等）に差異が生じることがある。
また、分光後の光学部品の内、ガルバノミラーはガルバノスキャナの駆動速度を向上するため軽量化がなされていること、偏光ビームスプリッタはレーサ光を反射、または透過させるための光学素子をマウント部分に固定し、一体化していることから、その特性上、ばらつきを抑えた製造をすることは困難であり、レーザ光の焦点位置が異なる要因となっていた。
そこで、本実施の形態では分光した２つのレーザ光の焦点位置が異なった場合でも、より加工品質を向上するために焦点位置調整手段を追加したレーザ加工装置について説明する。
第６図は、この発明の実施形態によるレーザ加工装置を示す概略構成図である。
図において、３０はレーザ光７の第一の焦点位置可変手段である第一の可変形ミラー、３１はレーザ光７の第二の焦点位置可変手段である第二の可変形ミラー、３２はレーザ光による加工穴の穴径、穴位置等を測定するための撮像素子であるＣＣＤカメラである。
なお、その他の同一符号は実施の形態１で示した図１と同じであるため説明を割愛する。
なお、本実施の形態における第３の偏光ビームスプリッタは、エネルギー調整用で、本実施形態の焦点位置調整用に対し、別の機能を果たすものである。すなわち、第６図の本実施形態では、第１図のシステムに追加することにより、上述した実施の形態１に対し、エネルギー調整より確実に行うべく追加している。
第一の偏光ビームスプリッタ６を透過したレーザ光７は、第一の可変形ミラー３０、第二の可変形ミラー３１を経由して、第二の偏光ビームスプリッタ７に導かれる。
一方、第一のビームスプリッタ６で反射したレーザ光８は、第一のガルバノスキャナ１１により２軸方向に走査された後、第二の偏光ビームスプリッタ９に導かれる。
その後、レーザ光７、８は第二のガルバノスキャナ１２により２軸方向に走査された後、ｆθレンズ１０により被加工物１３上に照射する。
第７図は、この発明の実施形態によるレーザ加工装置における、例えば、可変形ミラー３０を凹形状に変形させた場合のレーザ光７の焦点位置の変化を示す概略図である。
図において、４はマスク、１０はｆθレンズ（焦点距離Ｆ）、３０は可変形ミラー（焦点距離ｆ）、３３はｆθレンズ１０によりマスク４の像を転写するときの焦点位置、３４は可変形ミラー３０のレンズ効果により、移動したとみなされる仮想上のマスク位置、３５はｆθレンズ１０によりマスク３４の像を転写するときの焦点位置である。
マスク４により形成された像が焦点距離Ｆのｆθレンズ１０により焦点位置３３上に転写される場合、可変形ミラーが平面のとき、ｆθレンズ１０の焦点距離Ｆ、マスク４〜ｆθレンズ１０までの距離Ａ、ｆθレンズ１０〜焦点位置３３の距離であるワークディスタンスＢの関係は次式で表すことができる。
１／Ａ＋１／Ｂ＝１／Ｆ・・・（１）
ここで、光路中に配置した可変形ミラー３０の効果により、マスク４は仮想上の位置３４にあると考えることができる。
仮想上のマスク位置３４と可変形ミラー３０の距離ｂ１は、可変形ミラー３０を焦点距離ｆのレンズと等価と考えた場合、（２）式で表すことができ、（２）式を変形することにより、ｂ１は（３）式により求めることができる。
１／ａ１＋１／ｂ１＝１／ｆ ・・・（２）
ｂ１＝−ｆ・ａ１／（ａ１−ｆ）・・（３）
ここで求める（３）式の右辺に−１が掛けられているが、これは可変形ミラー３０の焦点距離ｆが極端に大きいため、式（３）を解くとｂ１の値が負になるためである。
次に、仮想上のマスク位置３４の像が焦点距離Ｆのｆθレンズ１０により、被加工物上に転写されると考えるとき、仮想上のマスク位置３４〜ｆθレンズ１０までの距離ａ２とｆθレンズ１０〜変化後の焦点位置３５の距離であるワークディスタンスｂ２の関係は（４）式により表すことができ、また仮想上のマスク位置３４〜ｆθレンズ１０までの距離ａ２は（５）式により表すことができる。
１／ａ２＋１／ｂ２＝１／Ｆ・・・（４）
ａ２＝ｂ１＋ｄ１・・・・・・・・（５）
よって、（４）式、（５）式から（６）式を導くことができる。
ｂ２＝Ｆ・（ｂ１＋ｄ１）／（（ｂ１＋ｄ１）−Ｆ）・（６）
光路の設計時にａ１、ｄ１、Ｆの３項目は予め決定し得る要素であるため、（３）式において第一の可変形ミラー３０と第二の可変形ミラー３１の焦点距離ｆを決定すればｂ１を求めることができ、（６）式からレーザ光７のワークディスタンスｂ２を求めることが可能である。
これらの式を逆算することにより、レーザ光７のワークディスタンスｂ２を自由に変化させることを可能にしている。
マスク４〜第一の可変形ミラー３０、３１の距離・・・ａ１
可変形ミラー３０、３１〜ｆθレンズ１０までの距離・ｄ１
ｆθレンズ１０の焦点距離・・・Ｆ
例えば、ａ１＝１５００ｍｍ、ｄ１＝１８５ｍｍ、Ｆ＝１００ｍｍの時、レーザ光８のワークディスタンスＢ＝１０６．３０９ｍｍ、この時、レーザ光７のワークディスタンスをレーザ光８に対して０．１ｍｍ短くしたい場合、焦点距離であるｂ１＝１５２５．５４ｍｍを算出することができ、この焦点距離になるよう可変形ミラー３０、３１の調整をすれば良い。
また、可変形ミラーは凸形状の場合にも同様の効果を得ることが可能で、この場合レーザ光７の焦点位置を長くなる方向に作用することができる。
この発明の実施形態では、第一の可変形ミラー３０または第二の可変形ミラー３１の焦点距離ｆを変化させることにより、レーザ光８においてｆθレンズ１０によりマスク４の像を転写するときの焦点位置に対して、レーザ光７の焦点位置を独立して変化させることができ、レーザ光８とレーザ光７がそれぞれ通過する光学部品のばらつきにより焦点位置に差が生じた場合、レーザ光８の焦点位置を基準として、レーザ光７の焦点位置のずれ量を計測することにより、可変形ミラー３０、３１の焦点距離ｆを決定し、レーザ光８と７の焦点位置の差を最小にすることを可能にしている。
ここで、レーザ光７の焦点位置を変化させるために、第一の可変形ミラー３０のみ、または第二の可変形ミラー３１のみのどちらか一方の焦点距離を調整する方法と、第一の可変形ミラー３０、第二の可変形ミラー３１を両方共の焦点距離を調整し、どちらか一方の可変形ミラーで焦点位置を変化させる場合と同等の焦点位置変化量になるように２つの可変形ミラーの焦点距離を調整する方法があり、どちらの場合にもレーザ光７の焦点位置を変化させるためには同等の効果を得ることが可能である。
本発明の実施形態のように、２つの可変形ミラーが互いにねじれの位置、例えば、可変形ミラー３０はＸ方向とＺ軸方向の光路を含む面に垂直で、かつＸ方向とＺ軸方向の９０°の光路角度に対して４５°の法線方向になるよう配置し、可変形ミラー３１はＺ方向とＹ軸方向の光路を含む面に垂直で、かつＺ方向とＹ軸方向の９０°の光路角度に対して４５°の法線方向になるよう配置している場合、２つの可変形ミラーの焦点距離の効果を合わせてレーザ光７の焦点位置を変化させ、かつ２つの可変形ミラーの焦点距離を同等にすることにより、光路中に可変形ミラーを入れたことにより発生する収差を軽減する効果があり、より安定した品質の加工を実施することを可能にしている。
実施の形態４．
本実施の形態では分光した２つのレーザ光の焦点位置が異なった場合の焦点位置調整手段として、光路長を変化させる手段を追加したレーザ加工装置について説明する。
第８図は、この発明の実施形態によるレーザ加工装置を示す概略構成図である。
図において、３７は焦点位置可変手段としての一部であり、Ｘ軸に平行移動が可能で、Ｙ軸と平行な軸を支点として角度変更が可能な構造を有する第一の可動ミラー、３６は焦点位置可変手段としての一部であり、第一の可動ミラー３７の移動により入射角が変化しても、第二の偏光ビームスプリッタ９へ導く光路を変化させさないような角度調整が可能な構造を有する第二の可動ミラーである。
なお、その他の同一符号は実施の形態３で示した第６図と同じであるため説明を割愛する。
第９図は、この発明の実施形態によるレーザ加工装置における、例えば、第一の可動ミラー３６、第二の可動ミラー３７の位置及び角度を変化させ、第一の可動ミラー３６と第二の可動ミラー３７間の光路長を延長することで、レーザ光７におけるマスク４〜ｆθレンズ１０間の光路長を延長した場合の、レーザ光７の焦点位置の変化を示す概略図である。図において、４はマスク、１０は焦点距離Ｆ１のｆθレンズ、３８は光路長延長によりレンズ１０を基準として移動したと考えられるマスク位置、３９はｆθレンズ１０によりマスク４の像を転写される焦点位置、４０はｆθレンズ１０によりマスク３８の像を転写される焦点位置である。
第９図において、実施形態３と同様に、ｆθレンズ１０の焦点距離Ｆ１、マスク４〜ｆθレンズ１０までの距離Ａ１、ｆθレンズ１０〜焦点位置３９の距離であるワークディスタンスＢ１の関係は次式で表すことができる。
１／Ａ１＋１／Ｂ１＝１／Ｆ１・・・（７）
また、第一の可動ミラー３７と第二の可動ミラー３６間の光路長延長により移動後のマスク位置３８〜ｆθレンズ１０までの距離Ａ２、ｆθレンズ１０〜焦点位置４０の距離であるワークディスタンスＢ２の関係は次式で表すことができる。
１／Ａ２＋１／Ｂ２＝１／Ｆ１・・・（８）
ここで、ｆθレンズ１０の焦点距離Ｆ１は一定のため、マスク４〜ｆθレンズ１０間の光路長延長により、Ａ１よりもＡ２の方が大きくなった場合、Ｂ１よりもＢ２の方が小さくなる。つまり、ワークディスタンスがＢ１からＢ２に移動することで、焦点位置３９を４０に移動させることが可能であることが解かる。
例えば、Ａ１＝１６８５ｍｍ、Ｆ１＝１００ｍｍの時、レーザ光８のワークディスタンスＢ１＝１０６．３０９１ｍｍ、このとき、レーザ光７のワークディスタンスをレーザ光８に対して０．０５ｍｍ短くしたい場合、Ｂ２＝１０６．２５９１ｍｍとするためには、Ａ１＝１６９７．６７ｍｍとなり、第一の可動ミラー３７と第二の可動ミラー３６間の光路長を１２．６７ｍｍ延長すればよい。
第１０図はこの発明の実施形態４において、第一の可動ミラー３７と第二の可動ミラー３６間の光路長を変化させ、レーザ光７の焦点位置を移動した場合の第一の可動ミラー３７、第二の可動ミラー３６の配置とレーザ光７の偏光方向７ａの変化を示す。
図において、７ａは光路長を変化させない場合の第二の偏光ビームスプリッタ９に入射するレーザ光７の偏光方向、７ｂは、第一の可動ミラー３７と第二の可動ミラー３６間の光路長を変化させた場合のレーザ光７の偏光方向を示す。
光路長を変化させない場合、レーザ光７の偏光方向７ａは、第二の偏光ビームスプリッタ９のＳ波成分と一致するため、レーザ光７の持つ全てのエネルギーが第二の偏光ビームスプリッタ９を反射し、加工エネルギーとして使用される。
しかしながら、光路長を変化させた場合には、レーザ光７の偏光方向７ｂは第二の偏光ビームスプリッタ９のＳ波成分に対して角度を持った状態で入射することにより、レーザ光７の持つエネルギーの内、一部は第二の偏光ビームスプリッタ９のＰ波成分として透過するため、この部分でレーザ光７のエネルギーのロスが生じる。
例えば、第三の偏光ビームスプリッタ１５を透過したレーザ光の偏光方向を第一の偏光ビームスプリッタ６のＳ波、Ｐ波に対して４５°の角度でレーザ光を導き、第一の偏光ビームスプリッタ６を反射したレーザ光８、透過したレーザ光７のエネルギーを等しくしても、第二の偏光ビームスプリッタ９において、レーザ光７のエネルギーがロスするため、レーザ光８とレーザ光７のエネルギーを等しくすることができない。
このような場合、第三の偏光ビームスプリッタ１５の偏光角度調整を実施し、第二の偏光ビームスプリッタ９でロスするレーザ光７のエネルギーを相殺するように、第一の偏光ビームスプリッタ６に入射するレーザ光の偏光角度を調整すれば良い。
例えば、第一の偏光ビームスプリッタ６を透過するＰ波成分を増やすことで、レーザ光７のエネルギーを増やすことができるため、第一の偏光ビームスプリッタ６に入射するレーザ光の偏光角度を互いに直交するＰ波、Ｓ波に対して４５°の角度から、さらにＰ波に近い方向に傾けるように、第三の偏光ビームスプリッタ１５の偏光角度調整をすれば良い。
この発明の実施形態では、第一の可動ミラー３７と第二の可動ミラー３６間の光路長を変化させることにより、レーザ光８がｆθレンズ１０によりマスク４の像を転写するときの焦点位置に対して、レーザ光７の焦点位置を独立して変化させることができ、レーザ光８とレーザ光７がそれぞれ通過する光学部品のばらつきにより、焦点位置に変化が生じた場合にも、レーザ光８の焦点位置を基準として、レーザ光７の焦点位置のずれ量を計測することにより、第一の可動ミラー３７と第二の可動ミラー３６の距離を決定し、レーザ光８と７の焦点位置の差を最小にすることを可能にしている。
また、この時発生するレーザ光７のエネルギーロスは、第三の偏光ビームスプリッタ１５を用い偏光角度調整を実施することで補うことが可能で、レーザ光８とレーザ光７のエネルギーを等しくすることができる。
次に、２つのレーザ光の焦点位置の差を調整するため、２つ可変形ミラーの焦点距離、または２つの可動式ミラーにより光路長を自動調整する際のフローを図１１を用いて説明する。
まず、ＸＹステージ１４上のあらかじめ設置された調整用の被加工物１３（例えばアクリル板）をｆθレンズ１０の加工エリア内に移動する。第一のシャッター１８を開き、第二のシャッター１７を閉じ、レーザ光８のみを被加工物に焦点位置確認用の加工、例えば図示されていない駆動装置により、第一の偏光ビームスプリッタ６〜ｆθレンズ１０間の光路部品、及びＣＣＤカメラ３２の一式をＺ方向に移動し、被加工物１３とｆθレンズ１０との距離をＺ軸方向に変化させるとともに、ＸＹステージ１４を移動することで異なる位置に異なるワークディスタンスによる加工を実施する。
その後、第一のシャッター１７を開け、第二のシャッター１８は閉じて、レーザ光７のみにおいて、被加工物に焦点位置確認用の加工を実施する。
加工実施後、ＸＹステージ１４を移動することによりＣＣＤカメラ３２でレーザ光８、７による加工穴の穴径、真円度を測定する。
制御装置において測定した加工穴径、真円度から、２つのレーザ光の焦点位置が判断され、焦点位置の差が許容値内であればプログラムは終了するが、許容値を外れている場合は２つのレーザ光８、７の焦点位置の差から、可変形ミラーの焦点距離、または可動式ミラーによる光路長の調整量が計算され、再度２つレーザ光の焦点位置確認用の加工を実施し、許容値内になるまで前記動作を繰り返す。
ここで、可動式ミラーにより光路長を調整した場合には、焦点位置の調整が終了した時点で、第三の偏光ビームスプリッタ１５により、２つのレーザ光のエネルギーが均一になるよう調整すれば良い。
このような焦点位置の調整は定期的に、例えば段取り時や、装置の立ち上げ時等に実施することで、２つレーザ光の穴品質は常により高い精度を維持することができ、作業者の熟練度も不要となるため安定した加工を実施することができる。
本発明によれば、分光したレーザ光のエネルギや品質の違いを最小にし、それぞれの光路長を同一にすることでビームスポット径も略同一にすることができ、安価に生産性を向上することができる。

Claims (11)

1. 発振器から出射されたレーザ光を、第一の偏光手段で透過させ、ミラーを経由して第二の偏光手段で反射させた第１のレーザ光と、上記第一の偏光手段で反射させ、第一のガルバノスキャナで２軸方向に走査し、上記第二の偏光手段を透過させた第２のレーザ光とに分光し、第二のガルバノスキャナで走査し、被加工物を加工するレーザ加工装置において、第一の偏光手段の手前に、角度調節可能な第三の偏光角度調整用偏光手段を配置したことを特徴とするレーザ加工装置。
2. レーザ光のエネルギーを測定できるセンサを設け、２つのレーザ光のエネルギーを測定し、所望の割合のエネルギーで２つのレーザ光が取り出せように、第三の偏向角度調整用変更手段の角度を調整することを特徴とする請求の範囲１に記載のレーザ加工装置。
3. レーザ光の焦点位置を測定する測定手段に基づき、２つのレーザ光の焦点位置を計測し、２つのレーザ光の焦点位置の差が所望の基準以下になるように焦点位置調整手段により調整することを特徴とする請求の範囲１に記載のレーザ加工装置。
4. レーザ光を２つに分光した後の一方の光路中に可変形ミラーを配置し、該可変形ミラーの焦点距離を変化させることで焦点位置を調整する焦点位置調整手段を備えたことを特徴とする請求の範囲３に記載のレーザ加工装置。
5. レーザ光を２つに分光した後の一方の光路中に分光した後の一方の光路の光路長を変化させることで焦点位置を調整する焦点位置調整手段を備えたことを特徴とする請求の範囲３に記載のレーザ加工装置。
6. レーザ光路中に配置され、上記レーザ光を反射させる反射ミラーの取り付けを可変とすることにより、光路長を変化させることを特徴とする請求の範囲５に記載のレーザ加工装置。
7. 発振器から出射されたレーザ光を、第一の偏光手段で透過させ、ミラーを経由して第二の偏光手段で反射させた第１のレーザ光と、上記第一の偏光手段で反射させ、第一のガルバノスキャナで２軸方向に走査し、上記第二の偏光手段を透過させた第２のレーザ光とに分光し、第二のガルバノスキャナで走査し、被加工物を加工するレーザ加工装置において、レーザ光の焦点位置を測定する測定手段に基づき、２つのレーザ光の焦点位置を計測し、２つのレーザ光の焦点位置の差が所望の基準以下になるように焦点位置調整手段により調整することを特徴とするレーザ加工装置。
8. レーザ光を２つに分光した後の一方の光路中に可変形ミラーを配置し、該可変形ミラーの焦点距離を変化させることで焦点位置を調整する焦点位置調整手段を備えたことを特徴とする請求の範囲７に記載のレーザ加工装置。
9. レーザ光を２つに分光した後の一方の光路中に分光した後の一方の光路の光路長を変化させることで焦点位置を調整する焦点位置調整手段を備えたことを特徴とする請求の範囲７に記載のレーザ加工装置。
10. レーザ光路中に配置され、上記レーザ光を反射させる反射ミラーの取り付けを可変とすることにより、光路長を変化させることを特徴とする請求の範囲７に記載のレーザ加工装置。
11. 第一及び第二の偏光手段の反射面が互いに向き合うように配置し、分光したそれぞれのレーザ光の光路長がそれぞれ同一になる光路を形成することを特徴とする請求の範囲１または７に記載のレーザ加工装置。

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