JP5242036B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ発振器から出射されたレーザビームを、被加工物に集光する集光レンズを介して被加工物の表面に照射して所定の加工を行なうレーザ加工装置に関するものである。

レーザビームを用いて被加工物を加工する場合に、被加工物に応じてレーザビームを所望の大きさや形状に変化させることは、日常的に行われている。
このレーザビームの形状を変化させる具体的方法としては、例えば２枚以上のレンズを移動させることでビーム形状を変化させる方法が一般的である。

この方法では、レンズを移動させるための機構が必要であるが、被加工物を高速で加工する場合など、すばやく所望のビーム形状に変化させる場合にあっては、前記のようなレンズ移動機構では対応できる速度に限界があり、使用できないという問題があった。

そこで、前記の問題を解決すべく、アクチュエータによって微小変形ミラーを変形させることにより、高速で所望のビーム形状に変化させたレーザ加工装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００６−７２５７号公報

特許文献１では、前記微小変形ミラーについて、詳細な構造を示す図面は示されていないが、４０個程度のアクチュエータとしての電極が、コーティングにより形成された透明膜により被覆された構成で、アクチュエータに発生する電気的吸引力により、透明膜を微小変形させると記載されている。

しかしながら、このような微小変形ミラーでは、変形時のミラー表面が滑らかな曲面ではなく、擬似的な曲面となる傾向があるので、レーザビームの強度分布にムラが出やすいという問題が考えられる。

本発明が解決しようとする問題点は、レーザビームを所望の大きさや形状に変化させる際に、移動機構によって２枚以上のレンズを移動させる方法では、素早く所望のビーム形状に変化させるには、対応できる速度に限界があると言う点、アクチュエータによって微小変形ミラーを変形させる方法では、レーザビームの強度分布にムラが出やすいという点である。

本発明のレーザ加工装置は、
滑らかな曲面にて、所望のビーム形状に素早く変化させるようにするために、
レーザ発振器から出射されたレーザビームを、集光レンズを介して被加工物の表面に照射し、所定の加工を行なうレーザ加工装置において、
前記レーザビームのＸ方向のビーム形状を変化させる第１の微小変形レンズと、Ｙ方向のビーム形状を変化させる第２の微小変形レンズと、
前記レーザビームのビーム形状を所定の形状に変化させるべく、前記第１、第２の微小変形レンズの変形量を制御するレンズ変形量制御装置を備え、
前記第１、第２の微小変形レンズは、光を透過し、かつ、レンズの外周部に設けた複数のアクチュエータの作動位置及び／または作動量を制御することにより所定形状に変形させる構造であることを最も主要な特徴としている。

本発明のレーザ加工装置において、
前記集光レンズから被加工物までの距離を計測する加工距離計測装置を設け、
この加工距離計測装置によって計測された、集光レンズから被加工物までの距離に応じて、
レーザビームにおける、一方向のビーム形状を変化させる第１の微小変形レンズと、他方向のビーム形状を変化させる第２の微小変形レンズの２つとした、前記微小変形レンズの、前記第１の微小変形レンズと、第２の微小変形レンズの変形量を制御することにより、第１の微小変形レンズ及び／または第２の微小変形レンズにより所定ビーム形状に変化させたレーザビームの形状を維持しつつ、焦点位置を補正するように構成した場合には、被加工物との距離による焦点位置の変化に精度よく追従できる。

本発明によれば、微小変形レンズの変形時のレンズ曲面は、通常のレンズと同等に滑らかな曲面であることから、レーザビームの強度分布のムラを少なくすることができるため、被加工物の加工ムラが少なく、精度の良い加工ができる。
また、レーザビームを所望のビーム形状に素早く変化させることができるので、被加工物を高速に加工する場合でも対応することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態と共に各種の形態を図１〜図６を用いて詳細に説明する。
図１は本発明のレーザ加工装置の一例を示す基本構成図、図２はビーム形状を変形する際の基本構成図、図３はビーム形状を変形する際の応用構成図、図４は加工時における焦点位置を説明する図、図５及び図６は本発明のレーザ加工装置の他の例を示す概略基本構成図である。

図１は、基板等の被加工物１の表面に形成された金属層を除去する場合の本発明のレーザ加工装置の一例を示したものである。

この図１において、２は例えばＹＡＧレーザ発振器（以下、単にレーザ発振器という。）から出射されたレーザビームであり、金属層を除去するのに適した波長又は強度を有している。このレーザ発振器から出射されたレーザビーム２は、集光レンズ３を介して、被加工物１の表面に照射され、前記金属層を除去する。

本発明は、このようなレーザ加工装置において、レーザ発振器と集光レンズ３の間のレーザビーム２の光路途中に、例えばＸ（横）方向とＹ（縦）方向のビーム形状を変化させる２枚の微小変形レンズ４，５を配置し、これら２枚の微小変形レンズ４，５の変形量をレンズ変形量制御装置６によって制御するようにしたものである。

前記の微小変形レンズ４，５は、図２や図３に示すように、例えば市販のレンズ（ｂｋ７、石英ガラス等）４ａ，５ａの外周部に複数のアクチュエータ（ピエゾ素子等）４ｂ，５ｂを所定の間隔（例えば等間隔）に配置した構成である。

そして、レンズ変形量制御装置６は、変形させるビーム形状に応じて、どのアクチュエ−タ４ｂ，５ｂをどのような作動量で作動させるのかを判断して、レンズ４ａ，５ａを所望の形状に変形させ、ビーム形状を変化させる。

この場合、図２のように、少なくとも２点のアクチュエータ４ｂ，５ｂを配置することにより、レンズ４ａ，５ａを微小変形させることが可能となる。また、図３のように、レンズ４ａ，５ａの外周部を取り巻くようにアクチュエータ４ｂ、５ｂを配置すれば、レンズ４ａ，５ａをどの方向にも高速で微小変形させることができる。

このような微小変形レンズ４，５は、通常の機械的にレンズを作動させる場合に比べて高速でレンズ４ａ，５ａを所望の形状に変形させることができる。また、レンズ４ａ，５ａの外周部を取り巻くアクチュエータ４ｂ，５ｂによってレンズ４ａ，５ａの形状を変形させるため、ミラーの背後からアクチュエータで変形させる方法に比べて、変形後のレンズ曲面は滑らか状態となる。さらに、通常のレンズと同様に、透過光が利用できるのでレーザ加工中に、レーザ加工状況の観察を行うこと等が可能である。

ところで、形状を変形させたレーザビーム２で被加工物１を加工する際に、被加工物１上が図１のように凹凸状であった場合は、焦点位置にズレが発生するが、本発明のレーザ加工装置では、図１に示した２枚の微小変形レンズ４，５を相互に変形させることで、このような焦点位置の変化に対応することができる。

すなわち、図４（ａ）で示した横断面が真円状のレーザビーム２の焦点位置に対して、例えば図４（ｂ）で示した横断面が縦長の楕円状のレーザビーム２では、破線で示したように焦点位置は短くなる。

従って、先（図１ではＹ方向）の微小変形レンズ４によって、例えば図４（ｂ）のように変形したビーム形状の変化状態を維持したままで、図４（ｃ）のように集光レンズ３を移動させて焦点位置のみを高速で補正することができる。このことで、高速で被加工物１を加工するような場合であっても、焦点位置の変化に追従することが可能になる。

この焦点位置の変化に追従させるに際しては、集光レンズ３から被加工物１までの距離を、例えばＸ方向の微小変形レンズ５の背面側に設置した加工距離計測装置（観察用ＣＣＤカメラ）７によって計測し、この計測した距離に応じて前記の微小変形レンズ４，５の変形量を制御し、変化させたレーザビーム２の形状を維持しつつ、焦点位置を補正すればよい。

また、図５に示したように、レーザビーム２を斜め照射して被加工物１を加工する場合、被加工物１との距離や照射角度によって、焦点位置が変化する。このため、集光レンズ３から被加工物１まではレーザビーム２が直線状に到達することを利用して、レーザビーム２の照射角度と、Ｘ方向の微小変形レンズ５と集光レンズ３の間に介設したガルバノミラー８ａ，８ｂからレーザビーム２が集光レンズ３に到達した位置によって、被加工物１の距離から焦点距離の補正量を算出し、各微小変形レンズ４，５の変形量を制御する。これにより、斜め照射によるレーザ加工であっても、高精度な加工が可能になる。

なお、図５（ａ）は、被加工物１へのレーザ照射位置の把握とともに、所定のビーム形状になっているかの観察を行う前記加工距離計測装置７からの入力信号に基づいて、レンズ変形量制御装置６からＸ，Ｙ方向の微小変形レンズ４，５に出力信号をだしてレーザ照射位置、ビーム形状を制御する例である。

また、図５（ｂ）は、Ｙ方向の微小変形レンズ４の背面側に検査用のＣＣＤカメラ９をさらに追加した例である。検査用のＣＣＤカメラ９を追加した場合は、例えば被加工物１の所定の金属材質のみを加工する場合に、レーザ加工時の金属材料固有の炎色を検出することで、加工すべき金属材質のみが加工されているかを検査することができる。従って、炎色が所定のものでない場合は、加工位置のずれが考えられるので、上記と同様、レンズ変形量制御装置６からＸ，Ｙ方向の微小変形レンズ４，５に出力信号をだして、レーザビーム２の照射位置を修正する。

微小変形レンズにレーザビームを透過させた場合の実施例としては、先の加工距離計測装置（観察用ＣＣＤカメラ）７で加工状況を直接観察できるほか、図６（ａ）に示すＸ方向微小変形レンズ５のように、透過光（破線）と反射光（実線）を組合せることも可能である。但し、Ｘ方向の微小変形レンズ５に透過光を用いる場合は、Ｘ方向のビーム形状を変えることができず、Ｙ方向の微小変形レンズ４でのみ、ビーム形状を変化させることになる。なお、図６（ｂ）はＹ方向の微小変形レンズ４で反射する前のレーザビーム２の波形、（ｃ）はＸ方向の微小変形レンズ５を透過する前のレーザビーム２の波形、（ｄ）は集光レンズ３を透過した後のレーザビーム２の波形を示す。

本発明は、前記の例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇内において、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
例えば上記の例では、アクチュエータの作動位置と作動量を共に制御しているが、所定の形状に変化できるのであれば、何れか一方のみを制御しても良い。また、電子回路におけるＩＣチップの基板への接合などの限られたエリアのみでの加工などでは、微小変形レンズを１枚で、レーザビームの一方向のみのビーム形状を変化させたレーザ加工にも適用できる。

また、本発明の装置構成は、図１，５に示した構成に限定されるものではないが、例えば図５（ｂ）に示した例の場合は、Ｙ方向の微小変形レンズ４の背面側に加工距離計測装置７を設置すると、後段のＸ方向微小変形レンズ５でビーム変形されるために、ビーム形状を検知することができなくなる。

本発明は、被加工物にレーザビームを照射する必要のある加工であれば、薄膜除去、微細加工等、どのようなレーザ加工にも適用が可能である。

本発明のレーザ加工装置の一例を示す基本構成図である。 ビーム形状を変形する際の基本構成図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 ビーム形状を変形する際の応用構成図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 加工時における焦点位置を説明する図で、（ａ）は通常の焦点位置の説明図、（ｂ）はビーム形状変形後の焦点位置の説明図、（ｃ）は実際の加工時の焦点位置の説明図である。 （ａ）（ｂ）は本発明のレーザ加工装置の他の例を示す概略基本構成図である。 （ａ）は本発明のレーザ加工装置のさらに他の例を示す概略基本構成図、（ｂ）〜（ｄ）は（ａ）の各位置でのレーザビームの波形を示した図である。

符号の説明

１ 被加工物
２ レーザビーム
３ 集光レンズ
４，５ 微小変形レンズ
４ｂ，５ｂ アクチュエータ
６ レンズ変形量制御装置
７ 加工距離計測装置

Claims (2)

1. レーザ発振器から出射されたレーザビームを、集光レンズを介して被加工物の表面に照射し、所定の加工を行なうレーザ加工装置において、
   前記レーザビームのＸ方向のビーム形状を変化させる第１の微小変形レンズと、Ｙ方向のビーム形状を変化させる第２の微小変形レンズと、
   前記レーザビームのビーム形状を所定の形状に変化させるべく、前記第１、第２の微小変形レンズの変形量を制御するレンズ変形量制御装置を備え、
   前記第１、第２の微小変形レンズは、光を透過し、かつ、レンズの外周部に設けた複数のアクチュエータの作動位置及び／または作動量を制御することにより所定形状に変形させる構造であることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記集光レンズから被加工物までの距離を計測する加工距離計測装置を設け、
   この加工距離計測装置によって計測された、集光レンズから被加工物までの距離に応じて、前記第１の微小変形レンズと、第２の微小変形レンズの変形量を制御することにより、第１の微小変形レンズ及び／または第２の微小変形レンズにより所定ビーム形状に変化させたレーザビームの形状を維持しつつ、焦点位置を補正するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

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