JP4505854B2

JP4505854B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP4505854B2
Application number: JP2004294463A
Authority: JP
Inventors: 秀和栗原
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2024-10-07
Also published as: JP2006102788A

Description

本発明は、被加工物をレーザ光によって加工するレーザ加工装置に係り、特に、誘電体ブロックフィルタのフィルタ波形調整工程でレーザトリミングによって導体膜を加工し所望の電気特性を得るためのレーザ加工装置に関する。

図５に示すように、従来のレーザ加工装置１００として、レーザ光Ｌを出射するレーザ光発振器１０２と、レーザ光発振器１０２から出射されたレーザ光Ｌを任意の方向に偏向する偏向ミラー１０４、１０６と、この偏向ミラー１０４、１０６の角度位置を各アクチュエータ１０８、１１０を介して制御する制御部１１２と、偏向ミラー１０４、１０６で偏向されたレーザ光Ｌを収束するｆθレンズ１１４と、ｆθレンズ１１４を透過したレーザ光Ｌを反射させる反射ミラー１１６と、を有するものが知られている。

このレーザ加工装置１００によれば、レーザ光発振器１０２から出射されたレーザ光Ｌが偏向ミラー１０４、１０６により任意の方向に偏向され、さらにｆθレンズ１１４により収束された後、反射ミラー１１６により反射されて被加工物Ｗに照射され、被加工物Ｗがレーザ加工される。
特開平６−２２６４７３号公報

ところで、上記レーザ加工装置では、反射ミラーが移動できない構成であるため、被加工物の高さが異なる側面を加工する際に、焦点位置がずれてしまい、被加工物の加工品質が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、上記事情を考慮し、被加工物の加工面の高さが変化しても、常に焦点位置でレーザ加工することによりレーザ加工の品質を向上させ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。

請求項１に記載の発明は、レーザ光を出射するレーザ光出射手段と、前記レーザ光出射手段から出射されたレーザ光を任意の方向に偏向するレーザ光偏向手段と、前記レーザ光偏向手段により偏向された前記レーザ光を収束させるレーザ光収束手段と、前記レーザ光収束手段により収束された前記レーザ光を任意の方向に反射するレーザ光反射手段と、前記レーザ光収束手段における前記レーザ光の屈折点から前記レーザ光反射手段における前記レーザ光の反射点までの光路長と前記レーザ光反射手段における前記レーザ光の反射点から前記レーザ光が被加工物に照射する照射点までの光路長との和が、前記レーザ光収束手段の焦点距離と略等しくなるように前記レーザ光偏向手段及び前記レーザ光反射手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、レーザ光出射手段から出射されたレーザ光がレーザ光偏向手段により任意の方向に偏向され、さらにレーザ光収束手段により収束された後、レーザ光反射手段により任意の方向に反射されて被加工物に照射される。これにより、被加工物がレーザ加工される。
ここで、制御手段によりレーザ光偏向手段及びレーザ光反射手段が制御され、レーザ光収束手段におけるレーザ光の屈折点からレーザ光反射手段におけるレーザ光の反射点までの光路長とレーザ光反射手段におけるレーザ光の反射点からレーザ光が被加工物に照射する照射点までの光路長との和が、レーザ光収束手段の焦点距離と略等しくなるように設定される。これにより、レーザ光を被加工物に対してあらゆる方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）からレーザ光を照射することができる。この結果、障害物を避けて被加工物にレーザ光を照射することができるとともに、特に被加工物の加工面の高さが変化しても、常に焦点位置でレーザ加工することができるため、レーザ加工の品質を向上させることができる。
なお、本明細書の「焦点距離」とは、焦点と主点の間隔のことを意味する。また、「焦点」とは、レーザ光収束手段（例えば、ｆθレンズ）に細い平行光を入射させたときの集光点であり、「主点」とは、光学系全体をそれと同じ機能の１枚の薄い仮想レンズに置き換えた場合、その薄い仮想レンズと光軸の交点のことである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光反射手段は、前記レーザ光反射手段を任意の方向に移動させる移動手段を有し、前記制御手段により前記移動手段が制御されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、レーザ光反射手段はレーザ光反射手段を任意の方向に移動させる移動手段を有しており、制御手段により移動手段が制御されてレーザ光反射手段が任意の方向に移動させられる構成とすることにより、レーザ光をあらゆる方向に反射させることが容易になる。

本発明によれば、被加工物の加工面の高さが変化しても、常に焦点位置でレーザ加工することによりレーザ加工の品質を向上させることができる。

次に、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、「Ｘ軸方向」とは、図１において水平方向を意味し、「Ｙ軸方向」とは、図１において垂直方向を意味し、「Ｚ軸方向」とは、紙面に対して直交する方向を意味する。
図１及び図２に示すように、レーザ加工装置１０は、レーザ光Ｌを出射するレーザ光発振器（レーザ光出射手段）１２と、レーザ光発振器１２から出射されたレーザ光Ｌを任意の方向（例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に偏向させるガルバノメータ型スキャナ（レーザ光偏向手段）１４と、ガルバノメータ型スキャナ１４により偏向されたレーザ光Ｌを収束させるｆθレンズ（レーザ光収束手段）１６と、ｆθレンズ１６により収束されたレーザ光Ｌを任意の方向（例えば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向）に反射させる反射ミラー（レーザ光反射手段）１８と、を有している。

レーザ光発振器１２は、パルス発振のＣＯ_２レーザ等が用いられ、内蔵するレーザ光源駆動回路（図示省略）からの駆動信号によってビームスポットが円形のレーザ光Ｌを出射する。レーザ光発振器１２から出射されるレーザ光Ｌは、照射エリア内でエネルギー密度が略一定となるように設定されている。

ガルバノメータ型スキャナ１４は、図２に示すように、例えば、Ｘ軸用ガルバノメータ１４ＡとこのＸ軸用ガルバノメータ１４Ａの先端に回転可能となるように取り付けられた偏向ミラー１４Ｂと、Ｙ軸用ガルバノメータ１４ＣとこのＹ軸用ガルバノメータ１４Ｃの先端に回転可能となるように取り付けられた偏向ミラー１４Ｄと、で構成されている。この２枚の偏向ミラー１４Ｂ、１４Ｄが回転することにより、レーザ光Ｌを任意の位置に走査することが可能となる。また、各偏向ミラー１４Ｂ、１４Ｄは、Ｘ軸用ガルバノメータ１４Ａ及びＹ軸用ガルバノメータ１４Ｃにそれぞれ内蔵された偏向ミラー駆動回路（図示省略）の駆動信号によって回転駆動し、その回転角度によってレーザ光Ｌの走査位置が決まる。
なお、各偏向ミラー１４Ｂ、１４Ｄは、Ｘ軸用ガルバノメータ１４Ａ及びＹ軸用ガルバノメータ１４Ｃにそれぞれ回転可能に取り付けられている構成を例にとり説明したが、これに限られるものではなく、例えば、各偏向ミラー１４Ｂ、１４ＤをＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能に設定されたテーブル（図示省略）に取り付けてもよい。

ｆθレンズ１６は、特殊な集光レンズであり、各偏向ミラー１４Ｂ、１４Ｄによって振られて比較的大きい入射角で入射するレーザ光Ｌを、入射角に比例して、被加工物Ｗの中心から変位した位置（＝ｆθ、ｆ：焦点距離）に合焦させるものである。これにより、被加工物Ｗの表面を焦点面としてレーザ光Ｌを集光させることができる。

反射ミラー１８は、４枚の平板状の反射ミラー１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ（図１では３枚の反射ミラー１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃのみを図示）で構成されている。この各反射ミラー１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能に設定されているモータ式（例えば、パルスモータやサーボモータなど）のＸＹＺテーブル（移動手段）２０に取り付けられており、このＸＹＺテーブル２０の移動により各反射ミラー１８Ａ、１８Ｂ、１８ＣもＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能な構成となっている。
なお、ＸＹＺテーブル２０はモータ式に限られるものではなく、シリンダー駆動により移動可能とした構成でもよい。
また、反射ミラー１８は、ＸＹＺテーブル２０に取り付けられた構成を例にとり説明したが、これに限られることなく、各反射ミラー１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ自体をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に変位可能に設け、後述の制御回路２２により各反射ミラー１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃを制御して変位させるようにしても良い。

また、レーザ光発振器１２、ガルバノメータ型スキャナ１４及び反射ミラー１８を任意の方向に移動させるＸＹＺテーブル２０は、それぞれ制御回路（制御手段）２２に接続されている。この制御回路２２によりレーザ光発振器１２、ガルバノメータ型スキャナ１４及びＸＹＺテーブル２０が駆動制御される。

ここで、本実施形態に係るレーザ加工装置１０により加工される被加工物について説明する。
本実施形態では、被加工物として、誘電体ブロックフィルタが挙げられる。この誘電体ブロックフィルタは、高周波用に開発された誘電体共振器を使用したフィルタの一種である。
本実施形態のレーザ加工装置１０は、上記した誘電体ブロックフィルタのフィルタ波形調整工程に用いられるものであり、フィルタ特性として所望する周波数範囲を設定するために、誘電体共振器に付与された導体膜を適宜レーザトリミングによって加工し、共振周波数を調整するためのものである。

次に、本実施形態のレーザ加工装置１０の作用について説明する。

図１に示すように、制御回路２２によりレーザ光源駆動回路（図示省略）が制御され、レーザ光源駆動回路からの駆動信号に基づいてレーザ光発振器１２からレーザ光Ｌが出射される。レーザ光発振器１２から出射されたレーザ光Ｌは、各偏向ミラー１４Ｂ、１４Ｄにより任意の方向（例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に偏向される。ここで、各偏向ミラー１４Ｂ、１４Ｄは、制御回路２２により制御された偏向ミラー駆動回路（図示省略）により回転駆動され、各偏向ミラー１４Ｂ、１４Ｄにより任意の方向にレーザ光Ｌが偏向される。各偏向ミラー１４Ｂ、１４Ｄにより偏向されたレーザ光Ｌは、ｆθレンズ１６に入射する。ｆθレンズ１６を透過したレーザ光Ｌは、集光されて、反射ミラー１８に照射される。

ここで、制御回路２２によりＸＹＺテーブル２０がＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に位置制御され、これによりＸＹＺテーブル２０に取り付けられた各反射ミラー１８Ａ、１８Ｂ、１８ＣがＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向にそれぞれ移動される。このように、各偏向ミラー１４Ｂ、１４Ｄ及び各反射ミラー１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃが制御回路２２により制御されることにより、ｆθレンズ１６におけるレーザ光Ｌの屈折点から各反射ミラー１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃにおけるレーザ光Ｌの反射点までの光路長と各反射ミラー１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃにおけるレーザ光Ｌの反射点からレーザ光Ｌが被加工物に照射する照射点までの光路長との和が、ｆθレンズ１６の焦点距離と略等しくなるように設定される。

例えば、レーザ加工面高さ（段差１ｍｍ）に合わせて焦点距離を適正化した際のｆθレンズ１６と反射ミラー１８の位置関係の具体例について説明する。
図３（ａ）に示すように、ｆθレンズ１６の焦点距離が１８５ｍｍで、被加工物Ｗの加工面高さが５ｍｍの場合では、ガルバノメータ型スキャナ１４によるレーザ光Ｌの走査位置を、移動基準点から２６．８８ｍｍに設定し、反射ミラー１８の位置を同じく４１．４５ｍｍに、また角度を７５°に設定すると、ｆθレンズ１６から反射ミラー１８までの光路長（Ｍ１）が１２２．５９ｍｍ、反射ミラー１８から被加工物Ｗまでの光路長（Ｎ１）が６２．４１ｍｍとなり、その和（１２２．５９＋６２．４１）をとると１８５ｍｍとなり、ｆθレンズ１６の焦点距離と一致する。
また、図３（ｂ）に示すように、ｆθレンズ１６の焦点距離が１８５ｍｍで、被加工物Ｗの加工面高さが４ｍｍの場合では、ガルバノメータ型スキャナ１４によるレーザ光Ｌの走査位置を、移動基準点から２３．１１ｍｍに設定し、反射ミラー１８の位置を同じく３８．２２ｍｍに、かつ図３（ａ）での高さより５．５２ｍｍ低くし、また角度を図３（ａ）と同じく７５°に設定すると、ｆθレンズ１６から反射ミラー１８までの光路長（Ｍ２）が１２８．２９ｍｍ、反射ミラー１８から被加工物Ｗまでの光路長（Ｎ２）が５６．７１ｍｍとなり、その和（１２８．２９＋５６．７１）をとると１８５ｍｍとなり、ｆθレンズ１６の焦点距離と一致する。
なお、上記実施例では、反射ミラー１８の位置を変えることで、ｆθレンズ１６から反射ミラー１８までの光路長と、反射ミラー１８から被加工物Ｗまでの光路長との和を、ｆθレンズ１６の焦点距離と一致させているが、反射ミラー１８の角度を可変としても、同様の目的を達成することができる。

各反射ミラー１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃで反射されたレーザ光Ｌは、被加工物Ｗの照射面に対して傾斜して照射される。このように、レーザ光Ｌを被加工物Ｗの照射面に対して傾斜して照射させるようにしたため、例えば、図４に示すように、被加工物Ｗである誘電体ブロックフィルタの開放面側の穴内の側面電極を、障害物（図示省略）を避けた状態で、容易にレーザ加工することができる。
なお、レーザ加工装置１０では、被加工物Ｗの側面をレーザ加工する場合に限られるものではなく、被加工物Ｗの上面も当然にレーザ加工することができる。

また、各偏向ミラー１４Ｂ、１４Ｄ及び各反射ミラー１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃを制御回路２２により制御してレーザ光Ｌの焦点位置を変更することにより、高さ方向（Ｙ軸方向）の位置が異なる複数の側面電極についても、レーザ光発振器１２の高さを変更することなく、常にレーザ光Ｌの焦点位置を加工箇所に合致させることができるため、高速かつ高品質なレーザ加工を実現することができる。

なお、本実施形態のレーザ加工装置１０は、レーザ光を用いた局所半田付けにも適用することができる。
すなわち、他の電子部品が実装済みの基板（図示省略）に対して、局所的に半田付けを行う場合、ｆθレンズと基板との間にＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能な反射ミラーを設け、上述したように、レーザ光Ｌを反射ミラーで反射させ、基板の照射面に対して傾斜させて照射することにより、実装済みの電子部品を避けてレーザ加工することができる。
また、半田付けが必要な箇所が複数あり、実装面の高さが異なる場合には、上記実施形態の場合と同様にして、偏向ミラー及び反射ミラーを制御回路等により制御してレーザ光Ｌの焦点位置を変更することにより、実装面の高さが異なる部位の半田付けも容易に行うことができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置を構成するレーザ光偏向手段の概略構成図である。本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置を構成する各構成部品の位置関係を示した説明図である。本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置によりレーザ加工される被加工物の説明図である。従来のレーザ加工装置の概略構成図である。

符号の説明

１０レーザ加工装置
１２レーザ光発振器（レーザ光出射手段）
１４ガルバノメータ型スキャナ（レーザ光偏向手段）
１６ｆθレンズ（レーザ光収束手段）
１８反射ミラー（レーザ光反射手段）
２０ＸＹＺテーブル（移動手段）
２２制御回路（制御手段）
Ｌレーザ光
Ｗ被加工物

Claims

レーザ光を出射するレーザ光出射手段と、
前記レーザ光出射手段から出射されたレーザ光を任意の方向に偏向するレーザ光偏向手段と、
前記レーザ光偏向手段により偏向された前記レーザ光を収束させるレーザ光収束手段と、
前記レーザ光収束手段により収束された前記レーザ光を任意の方向に反射するレーザ光反射手段と、
前記レーザ光収束手段における前記レーザ光の屈折点から前記レーザ光反射手段における前記レーザ光の反射点までの光路長と前記レーザ光反射手段における前記レーザ光の反射点から前記レーザ光が被加工物に照射する照射点までの光路長との和が、前記レーザ光収束手段の焦点距離と略等しくなるように前記レーザ光偏向手段及び前記レーザ光反射手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とするレーザ加工装置。
前記レーザ光反射手段は、前記レーザ光反射手段を任意の方向に移動させる移動手段を有し、前記制御手段により前記移動手段が制御されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。