JP5145673B2 - レーザ加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工対象物に対して加工用レーザ光を集光照射して該加工対象物を加工する方法および装置に関するものである。

加工対象物に対してレーザ光を集光照射して該加工対象物を加工する技術として、特許文献１に開示されたものが知られている。この特許文献１に開示された技術では、加工用の赤外レーザ光とは別に可視レーザ光をも加工対象物に向けて集光照射して、加工対象物における可視レーザ光の照射領域径を測定し、この測定した照射領域径に基づいて加工対象物の位置を測定し調整する。そして、位置調整後の加工対象物に対して加工用の赤外レーザ光を集光照射して、該加工対象物を加工する。
特開平１０−１３３１４５号公報

上記特許文献１に開示された技術では、加工対象物における位置調整用可視レーザ光の照射領域径の測定値に基づいて加工対象物の位置を調整することから、その位置調整の精度がよくない。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、加工対象物の位置を精度よく調整した後に該加工対象物を加工することができるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加工方法は、加工対象物に対して加工用レーザ光を集光照射して加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、複数の調整用レーザ光それぞれのビーム断面形状を特定形状として複数の調整用レーザ光を互いに異なる照射方向から１点で交差するように加工対象物に対して照射し、複数の調整用レーザ光の交差する位置と加工用レーザ光の集光点の位置の関係を設定し、加工対象物に照射される複数の調整用レーザ光それぞれの照射位置の目標位置を設定し、加工対象物における複数の調整用レーザ光それぞれの照射位置を測定するとともに、加工対象物における複数の調整用レーザ光それぞれのビームの照射領域形状を測定し、その測定した複数の調整用レーザ光それぞれの照射位置が、目標位置となるように、加工対象物の位置を調整するとともに、その測定した複数の調整用レーザ光それぞれのビームの照射領域形状が、予め設定された目標形状となるように、加工対象物の傾斜の方向及び傾斜の大きさを調整し、、その後、加工対象物に対して加工用レーザ光を集光照射することを特徴とする。加工用レーザ光の集光点と調整用レーザ光の交差点の位置は、一致しなくても良い。わざとずらして設定しても可である。要は、相対位置関係が分かっていればよい。

本発明に係るレーザ加工装置は、加工対象物に対して加工用レーザ光を集光照射して加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、加工用レーザ光を出力する加工用レーザ光源と、加工用レーザ光源から出力された加工用レーザ光を集光する集光光学系と、複数の調整用レーザ光それぞれのビーム断面形状を特定形状として複数の調整用レーザ光を出力するための調整用レーザ光源と、複数の調整用レーザ光を互いに異なる方向から１点で交差するように加工対象物に対して照射する調整用光学系と、加工対象物の位置を調整するとともに加工対象物の方位を調整する機能を有する調整部と、調整用光学系により照射された複数の調整用レーザ光それぞれの加工対象物における照射位置を測定するとともに、調整用光学系により照射された複数の調整用レーザ光それぞれの加工対象物におけるビームの照射領域形状を測定する測定部と、測定部により測定された複数の調整用レーザ光それぞれの照射位置が、複数の調整用レーザ光それぞれの予め設定された目標位置となるように、調整部による加工対象物の位置調整を制御するとともに、測定部により測定された複数の調整用レーザ光それぞれのビームの照射領域形状が、予め設定された目標形状となるように、調整部による加工対象物の傾斜の方向及び傾斜の大きさを制御する制御部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、加工対象物の位置を精度よく調整した後に該加工対象物を加工することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
先ず、本発明の第１実施形態に係るレーザ加工方法およびレーザ加工装置について説明する。図１は、第１実施形態に係るレーザ加工装置１の構成図である。この図に示されるレーザ加工装置１は、加工対象物９に対して加工用レーザ光Ｌ_０を集光照射して該加工対象物９を加工する装置であって、加工用レーザ光源１０、ビームエキスパンダ２１、ミラー２２、集光レンズ２３、調整用レーザ光源３０、ミラー４１、ミラー４２、調整部５０、ＣＣＤカメラ６１、結像レンズ６２および制御部７０を備える。

加工用レーザ光源１０は、加工対象物９を加工する為の加工用レーザ光Ｌ_０を出力するものであり、例えば波長１０６４ｎｍのレーザ光を出力するＹＡＧレーザ光源である。ビームエキスパンダ２１、ミラー２２および集光レンズ２３は、加工用レーザ光源１０から出力された加工用レーザ光Ｌ_０を集光する加工用光学系を構成している。

ビームエキスパンダ２１は、加工用レーザ光源１０から出力された加工用レーザ光Ｌ_０のビーム径を拡大する。ミラー２２は、ビームエキスパンダ２１から出力された加工用レーザ光Ｌ_０を反射させて、その反射後の加工用レーザ光Ｌ_０を加工対象物９の表面に対して垂直に入射させる。集光レンズ２３は、ミラー２２と加工対象物９との間に設けられ、ミラー２２により反射された加工用レーザ光Ｌ_０を集光する。

調整用レーザ光源３０は、調整用レーザ光を出力するものである。調整用レーザ光源３０から出力される調整用レーザ光の波長は、加工用レーザ光源１０から出力された加工用レーザ光の波長と同一であってもよいし相違していてもよく、また、可視域であってもよいし赤外域であってもよい。ただし、調整用レーザ光源３０から出力される調整用レーザ光は、加工用途ではないので、加工用レーザ光の波長と同一である場合には、集光されることはなく、或いは、低パワーとされる。

ミラー４１およびミラー４２は、調整用レーザ光源３０から出力された２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２を互いに異なる方向から１点で交差するように加工対象物９に対して照射する調整用光学系を構成している。ミラー４１は、調整用レーザ光源３０から出力された調整用レーザ光を２分岐して、そのうちの一方の調整用レーザ光Ｌ_１を加工対象物９に対して照射し、他方の調整用レーザ光Ｌ_２をミラー４２へ入射させる。ミラー４２は、ミラー４１から到達した調整用レーザ光Ｌ_２を反射させて、その反射後の調整用レーザ光Ｌ_２を加工対象物９に対して照射する。

なお、加工対象物９に対して照射される調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれのビーム断面形状は、特定形状（例えば、円形、楕円形、正方形、長方形、十字形、等）とされる。

調整部５０は、加工対象物９の位置を調整するものであり、また、加工対象物９の傾斜の方向及び傾斜の大きさも調整することが可能である。なお、加工対象物９の位置は、少なくとも、集光レンズ２３の光軸に沿う方向に調整され得る。

ＣＣＤカメラ６１および結像レンズ６２は、調整用光学系により照射された２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの加工対象物９における照射位置を測定する測定部を構成している。結像レンズ６２は、加工対象物９の表面に照射された調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２の反射光を、ＣＣＤカメラ６１の撮像面に結像させる。そして、ＣＣＤカメラ６１は、加工対象物９の表面における調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２の照射の様子を撮像する。また、調整用光学系により照射された２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの加工対象物９における照射領域形状をも測定することができる。

制御部７０は、ＣＣＤカメラ６１による測定結果に基づいて、調整部５０による加工対象物９の位置調整および傾斜調整を制御する。すなわち、制御部７０は、ＣＣＤカメラ６１により測定された２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの照射位置が、２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの照射方向および加工用レーザ光Ｌ_０の集光位置の間の関係に基づいて予め設定された目標位置となるように、調整部５０による加工対象物９の位置調整を制御する。また、制御部７０は、ＣＣＤカメラ６１により測定された２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの照射領域形状が、２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの照射方向に基づいて予め設定された目標形状となるように、調整部５０による加工対象物９の傾斜調整を制御する。さらに、制御部７０は、加工用レーザ光源１０および調整用レーザ光源３０それぞれのレーザ光出力をも制御する。

次に、第１実施形態に係るレーザ加工装置１の動作例について説明するとともに、第１実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。なお、以下に説明する動作は、制御部７０による制御の下に行われる。

加工用レーザ光源１０から加工用レーザ光が出力される前に、調整用レーザ光源３０から調整用レーザ光が出力される。調整用レーザ光源３０から出力されたレーザ光は、ミラー４１およびミラー４２を含む調整用光学系により２分岐されて調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２とされる。そして、これら調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２は、調整用光学系により、互いに異なる方向から１点で交差するように加工対象物９に対して照射される。調整用光学系により照射された２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの加工対象物９における照射位置が、結像レンズ６２を介してＣＣＤカメラ６１による撮像結果に基づいて測定される。

この測定された２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの照射位置が、２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの照射方向および加工用レーザ光Ｌ_０の集光位置の間の関係に基づいて予め設定された目標位置となるように、調整部５０による加工対象物９の位置調整が制御される。例えば、２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２の交差位置が加工用レーザ光Ｌ_０の集光位置と一致しているように光学系が調整されている場合には、測定された２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの照射位置が一致するように、調整部５０による加工対象物９の位置調整が制御される。

その後、加工用レーザ光源１０から加工用レーザ光が出力される。加工用レーザ光源１０から出力された加工用レーザ光Ｌ_０は、ビームエキスパンダ２１，ミラー２２および集光レンズ２３を含む加工用光学系により、加工対象物９に集光照射される。このようにすることにより、加工対象物９の位置を精度よく調整した後に該加工対象物９を加工することができる。

また、加工対象物９の傾斜の方向及び傾斜の大きさは以下のようにして調整され得る。すなわち、調整用光学系により照射された２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの加工対象物９における照射領域形状が、結像レンズ６２を介してＣＣＤカメラ６１による撮像結果に基づいて測定される。この測定された２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの照射領域形状が、２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの照射方向に基づいて予め設定された目標形状となるように、調整部５０による加工対象物９の傾斜調整が制御される。

例えば、２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれのビーム断面形状が円形である場合、図２に示されるように、加工対象物９における照射領域形状は一般に楕円形となる。この楕円形の短軸長さをＸとし、長軸長さをＹとすると、加工対象物９表面に対する調整用レーザ光の入射角θは「θ＝arccos(Ｘ／Ｙ)」なる式で表される。加工用レーザ光Ｌ_０の照射方向と調整用レーザ光の照射方向とがなす角度が４５度であるとすると、加工対象物９表面に対する調整用レーザ光の入射角θ（＝arccos(Ｘ／Ｙ)）が４５度となるように加工対象物９の傾斜の方向及び傾斜の大きさが調整されると、加工対象物９に対して加工用レーザ光Ｌ_０が垂直に照射される。

また、加工対象物９における加工用レーザ光Ｌ_０の集光位置は、加工対象物９の表面であってもよいし、加工対象物９の内部であってもよい。図３に示されるように、加工用レーザ光Ｌ_０の集光位置が加工対象物９の内部であって深さＨであるとし、加工対象物９表面における２つの調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの照射位置の間隔がＷであるとすると、「Ｗ＝２Ｈtanθ」なる式が成り立つ。したがって、所望の深さＨが得られる照射位置間隔Ｗとなるように、加工対象物９の位置が調整されればよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るレーザ加工方法およびレーザ加工装置について説明する。図４は、第２実施形態に係るレーザ加工装置２の構成図である。この図に示されるレーザ加工装置２は、加工対象物９に対して加工用レーザ光Ｌ_０を集光照射して該加工対象物９を加工する装置であって、加工用レーザ光源１０、ビームエキスパンダ２１、ミラー２２、集光レンズ２３、調整用レーザ光源３１、調整用レーザ光源３２、調整部５０、ＣＣＤカメラ６１、結像レンズ６２および制御部７０を備える。

図１に示した第１実施形態に係るレーザ加工装置１の構成と比較すると、この図４に示される第２実施形態に係るレーザ加工装置２は、調整用レーザ光源３０に替えて２つの調整用レーザ光源３１，３２を備える点で相違し、また、調整用レーザ光源３１，３２から出力される調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２を互いに異なる方向から１点で交差するように加工対象物９に対して照射する調整用光学系がミラーを有する必要が無い点で相違する。このように構成される第２実施形態に係るレーザ加工装置２も、第１実施形態に係るレーザ加工装置１と同様に動作し同様の効果を奏することができる。

また、この第２実施形態では、調整用レーザ光源３１から出力される調整用レーザ光Ｌ_１と、調整用レーザ光源３２から出力される調整用レーザ光Ｌ_２とは、互いに同じ波長であってもよいし、互いに異なる波長であってもよい。互いに異なる波長とする場合、例えば、調整用レーザ光源３１から出力される調整用レーザ光Ｌ_１の波長が６３３ｎｍであり、調整用レーザ光源３２から出力される調整用レーザ光Ｌ_２の波長が３５５ｎｍである。この場合、加工対象物９における調整用レーザ光Ｌ_１，Ｌ_２それぞれの照射領域は色によって識別することができ、また、両者の照射領域が重なる領域についても色によって識別することができる。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、加工対象物に照射する調整用レーザ光は３つ以上であってもよい。３つ以上の調整用レーザ光を互いに異なる照射方向から１点で交差するように加工対象物に対して照射することにより、加工対象物の位置および傾斜の方向及び傾斜の大きさの調整が更に容易かつ高精度に可能となる。

第１実施形態に係るレーザ加工装置１の構成図である。 加工対象物９における調整用レーザ光の照射領域形状と入射角θとの関係を説明する図である。 加工対象物９における調整用レーザ光の照射位置と加工用レーザ光の集光位置深さＨとの関係を説明する図である。 第２実施形態に係るレーザ加工装置２の構成図である。

符号の説明

１，２…レーザ加工装置、９…加工対象物、１０…加工用レーザ光源、２１…ビームエキスパンダ、２２…ミラー、２３…集光レンズ、３０〜３２…調整用レーザ光源、４１…ミラー、４２…ミラー、５０…調整部、６１…ＣＣＤカメラ、６２…結像レンズ、７０…制御部。

Claims (2)

1. 加工対象物に対して加工用レーザ光を集光照射して前記加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、
   複数の調整用レーザ光それぞれのビーム断面形状を特定形状として前記複数の調整用レーザ光を互いに異なる照射方向から１点で交差するように前記加工対象物に対して照射し、
   前記複数の調整用レーザ光の交差する位置と前記加工用レーザ光の集光点の位置の関係を設定し、
   前記加工対象物に照射される前記複数の調整用レーザ光それぞれの照射位置の目標位置を設定し、
   前記加工対象物における前記複数の調整用レーザ光それぞれの照射位置を測定するとともに、前記加工対象物における前記複数の調整用レーザ光それぞれのビームの照射領域形状を測定し、
   その測定した前記複数の調整用レーザ光それぞれの照射位置が、前記目標位置となるように、前記加工対象物の位置を調整するとともに、その測定した前記複数の調整用レーザ光それぞれのビームの照射領域形状が、予め設定された目標形状となるように、前記加工対象物の傾斜の方向及び傾斜の大きさを調整し、
   その後、前記加工対象物に対して前記加工用レーザ光を集光照射する
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 加工対象物に対して加工用レーザ光を集光照射して前記加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
   加工用レーザ光を出力する加工用レーザ光源と、
   前記加工用レーザ光源から出力された加工用レーザ光を集光する集光光学系と、
   複数の調整用レーザ光それぞれのビーム断面形状を特定形状として前記複数の調整用レーザ光を出力するための調整用レーザ光源と、
   前記複数の調整用レーザ光を互いに異なる方向から１点で交差するように前記加工対象物に対して照射する調整用光学系と、
   前記加工対象物の位置を調整するとともに前記加工対象物の方位を調整する機能を有する調整部と、
   前記調整用光学系により照射された前記複数の調整用レーザ光それぞれの前記加工対象物における照射位置を測定するとともに、前記調整用光学系により照射された前記複数の調整用レーザ光それぞれの前記加工対象物におけるビームの照射領域形状を測定する測定部と、
   前記測定部により測定された前記複数の調整用レーザ光それぞれの照射位置が、前記複数の調整用レーザ光それぞれの予め設定された目標位置となるように、前記調整部による前記加工対象物の位置調整を制御するとともに、前記測定部により測定された前記複数の調整用レーザ光それぞれのビームの照射領域形状が、予め設定された目標形状となるように、前記調整部による前記加工対象物の傾斜の方向及び傾斜の大きさを制御する制御部と
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
   

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