JP5758237B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

従来、レーザ光を集光して照射することで、金属板などの加工対象物に対し穴あけ加工等を行うレーザ加工技術が広く用いられている。一般に、レーザ加工技術では、レーザ光出射側の径がレーザ光入射側の径より大きい、いわゆる逆テーパ状の貫通孔を形成することが難しい。この逆テーパ状の貫通孔を形成するために、機械的トレパニングという加工方法が提案されている（特許文献１参照）。機械的トレパニングでは、集光されたレーザ光（照射スポット）が円環状の軌跡を描くように、加工対象物の表面に照射スポットを走査することで、加工対象物に対し穴あけ加工を行っている。

例えば、特許文献１には、くさび状のウェッジ板によってレーザ光の光軸を集光レンズの光軸に対して傾斜させると共に、集光レンズの光軸を中心として該ウェッジ板を回転させることで、レーザ光を円環状に走査してトレパニング加工を行うレーザ加工装置が開示されている。ウェッジ板の回転により、光軸に対し傾斜したレーザ光が光軸周りに回転する、いわゆるレーザ光のすりこぎ運動が実現される。これにより、レーザ光の傾斜角度に応じて、内周面が傾斜した逆テーパ状の貫通孔が形成される。

しかしながら、特許文献１に記載されたレーザ加工装置では、レーザ光を円環状に走査してトレパニング加工を行うので、加工時間が長くなるという問題がある。また、機械的に回転するウェッジ板等を有する装置では、光軸調整が難しいという問題がある。

一方、静止した環状ビームを加工対象物の表面に集光させて穴あけ加工を行う、光学的トレパニングという加工方法が知られている（非特許文献１）。光学的トレパニングでは、例えば一対のアキシコンレンズで生成した平行な環状ビームを、集光レンズで集光させて被加工物に照射する。

光学的トレパニングは、上記の機械的トレパニングに対して、機械的に回転する可動部が不要である、加工時間が短縮される等の利点がある。しかしながら、従来の光学的トレパニングは、環状ビームを集光して照射するだけであり、テーパ状の貫通孔を形成することは可能でも、逆テーパ状の貫通孔を形成することは困難である。

特開２００６−２７２３８４号公報

"A New Method of laser drilling", Industrial Laser Solution for Manufacturing(2007/12/1).

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、機械的に回転する可動部を用いることなく、簡便な光学系を用いて逆テーパ状の貫通孔を形成することができる、レーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、レーザ光を射出するレーザ光源と、整形光学系から射出された加工用レーザ光の伝搬方向に向かって第１の位置、第２の位置及び第３の位置が当該順序で設定されており、前記加工用レーザ光の外径が前記第１の位置から前記第３の位置まで伝搬方向に向かって拡大すると共に、前記加工用レーザ光の内径が前記第２の位置から前記第３の位置まで伝搬方向に向かって拡大して、前記第３の位置で前記加工用レーザ光の外径及び内径が最大となり且つ光軸を中心とする円環状に結像するように、前記レーザ光源から射出されたレーザ光を整形する整形光学系と、を備え、前記第１の位置と前記第３の位置との間に配置された加工対象物であって、かつ、前記第２の位置と前記第３の位置との間に裏面が位置するように配置された前記加工対象物に対し、前記加工対象物の表面側から前記整形光学系で整形された加工用レーザ光を照射して、前記加工対象物に貫通孔を形成するレーザ加工装置である。

上記のレーザ加工装置によれば、加工用レーザ光の伝搬方向に向かって第１の位置、第２の位置及び第３の位置が、当該順序で設定される。レーザ光源から射出されたレーザ光は、簡便な構成の整形光学系により、加工用レーザ光の外径が第１の位置から第３の位置まで伝搬方向に向かって拡大すると共に、加工用レーザ光の内径が第２の位置から第３の位置まで伝搬方向に向かって拡大して、第３の位置で加工用レーザ光の外径及び内径が最大となり且つ光軸を中心とする円環状に結像するように整形される。

第１の位置と第３の位置との間に加工対象物を配置し、加工対象物の表面から裏面に向かって外径が拡大するビームプロファイルの加工用レーザ光を加工対象物に照射する。上記のビームプロファイルの加工用レーザ光を加工対象物に照射することで、機械的に回転する可動部を用いることなく、加工対象物に逆テーパ状の貫通孔を形成することができる。

上記のレーザ加工装置において、前記第１の位置、前記第２の位置及び前記第３の位置を、加工対象物の厚さ及び形成される貫通孔の開口径に応じて設定してもよい。また、前記加工用レーザ光が、前記第３の位置でのパワー密度が前記第１の位置でのパワー密度よりも高い構成としてもよい。或いは、前記加工用レーザ光が、前記加工対象物の表面から裏面まで伝搬方向に沿ってパワー密度が高くなる構成としてもよい。

請求項５に記載の発明は、レーザ光を射出するレーザ光源と、前記レーザ光源から射出されたレーザ光を集光する第１の光学素子と、前記第１の光学素子と前記第１の光学素子の焦点位置との間に配置され、第２の光学素子から射出された加工用レーザ光の伝搬方向に向かって第１の位置及び第２の位置が前記焦点位置の手前に当該順序で設定されており、前記加工用レーザ光の外径が前記第１の位置から前記焦点位置まで伝搬方向に向かって拡大すると共に、前記加工用レーザの内径が前記第２の位置から前記焦点位置まで伝搬方向に向かって拡大して、前記焦点位置で前記加工用レーザの外径及び内径が最大となり且つ光軸を中心とする円環状に結像するように、前記第１の光学素子で集光されたレーザ光を加工用レーザ光に変換する第２の光学素子と、を備え、前記第１の位置と前記焦点位置との間に配置された加工対象物であって、かつ、前記第２の位置と前記焦点位置との間に裏面が位置するように配置された前記加工対象物に対し、前記加工対象物の表面側から前記加工用レーザ光を照射して、前記加工対象物に貫通孔を形成するレーザ加工装置である。

上記のレーザ加工装置において、前記第２の光学素子が、頂角が前記第１の光学素子に対向するように光軸を合わせて配置された円錐レンズであり、前記円錐レンズの光軸上の位置に入射するレーザ光を屈折させて加工用レーザ光の外径を形成すると共に、前記円錐レンズの光軸から最も離れた位置に入射するレーザ光を屈折させて加工用レーザ光の内径を形成して、前記焦点位置において前記加工用レーザ光を円環状に結像させるように構成してもよい。

請求項１０に記載の発明は、加工対象物の厚さ及び形成する貫通孔の開口径に応じて、加工用レーザ光の伝搬方向に向かって第１の位置、第２の位置及び第３の位置を当該順序で設定し、前記加工用レーザ光の外径が前記第１の位置から前記第３の位置まで伝搬方向に向かって拡大すると共に、前記加工用レーザ光の内径が前記第２の位置から第３の位置まで伝搬方向に向かって拡大して、前記第３の位置で前記加工用レーザ光の外径及び内径が最大となり且つ光軸を中心とする円環状に結像するように、レーザ光を整形して加工用レーザ光を生成し、前記第１の位置と前記第３の位置との間に配置された加工対象物であって、かつ、前記第２の位置と前記第３の位置との間に裏面が位置するように配置された前記加工対象物に対し、前記加工対象物の表面側から生成された加工用レーザ光を照射して、前記加工対象物に貫通孔を形成するレーザ加工方法である。

以上説明したように、本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、機械的に回転する可動部を用いることなく、簡便な光学系を用いて逆テーパ状の貫通孔を形成することができる、という効果が得られる。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を示す概略構成図である。 図１に示すレーザ加工装置の整形光学系によりレーザ光が整形される様子を示す斜視図である。 （Ａ）は加工用レーザ光のビームプロファイルを示す模式図である。（Ｂ）は貫通孔が形成された加工対象物を表面側から見たときの平面図である。 （Ａ）は加工用レーザ光の光軸に沿った断面でのビームプロファイルを示す模式図である。（Ｂ）は（Ａ）に示す加工用レーザ光の伝搬方向の各位置における光軸に垂直な断面でのビームプロファイルを示す模式図である。 加工用レーザ光のビームプロファイルをｚｒ座標系で定義する模式図である。 加工用レーザ光のパワー密度変化の一例を示すグラフである。 加工用レーザ光のパワー密度変化の他の一例を示すグラフである。 加工用レーザ光を生成する整形光学系の設計例を示す模式図である。 第２の光学素子（アキシコンレンズ）に入射するレーザ光の入射角と出射角の関係を示す図である。 透過制御素子が挿入されたレーザ加工装置の構成の一例を示す概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

＜レーザ加工装置の構成＞
まず、レーザ加工装置の概略構成について説明する。
図１は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を示す概略構成図である。図１に示すように、レーザ加工装置１０は、レーザ光を射出するレーザ光源１２と、レーザ光源１２から射出されたレーザ光を整形する整形光学系１４と、を備えている。整形光学系１４は、レーザ光を集光する第１の光学素子１６と、第１の光学素子１６で集光されたレーザ光を加工用レーザ光２２に変換する第２の光学素子１８と、を備えている。加工用レーザ光２２により、加工対象物２０が加工される。整形光学系１４で整形されたレーザ光は、第１の光学素子１６の焦点位置３０において結像される。

本実施の形態において「加工用レーザ光」とは、半径方向の径が最小となる部分（ビームウエスト）より伝搬方向の下流側に生成される、外径が伝搬方向に向かって拡大するビームプロファイル（光強度分布）を有するレーザ光である。なお、加工用レーザ光２２のビームプロファイルについては、後で詳細に説明する。また、図１においては、レーザ光の光軸Ｌに沿った伝搬方向をｚ軸方向として図示すると共に、ｚ軸方向と直交するレーザ光の半径方向をｒ軸方向として図示している。本実施の形態では、ｚ軸は光軸Ｌと一致している。また、ｚ軸の原点（ｚ＝０となる「位置０」）は、第２の光学素子１８の出射面内にある。

本実施の形態では、第１の光学素子１６と第２の光学素子１８とは、レーザ光源１２の光出射側にこの順序で配置されている。また、第１の光学素子１６と第２の光学素子１８とは、その光軸がレーザ光の光軸Ｌと一致するように配置されている。第１の光学素子１６は、レーザ光を集光する集光素子としての機能を備えていれば特に制限はない。第１の光学素子１６は、非球面レンズでもよく、球面レンズでもよい。また、第１の光学素子１６は、単レンズでもよく、複数のレンズが組み合わされた複合レンズでもよい。

本実施の形態の第１の光学素子１６としては、球面レンズよりも収差が小さい非球面レンズが特に好適である。また、球面レンズを複数枚（例えば、ダブレットやトリプレット）組み合わせた複合レンズも、単レンズ（球面レンズ）より収差が小さく好適である。

第２の光学素子１８は、レーザ光を所定のビームプロファイルを有する加工用レーザ光２２に変換するプロファイル変換素子としての機能を備えていれば特に制限はない。プロファイル変換素子として機能するためには、円錐形状又は円錐台形状の光学素子（円錐レンズ）含んで構成されていることが好ましい。第２の光学素子１８としては、円錐レンズを代表するアキシコンレンズを用いることができる。

なお、レーザ光源１２としては、加工対象物２０の種類に応じて適切な出力の光源が選択される。レーザ光源１２として、パルス駆動レーザを用いてもよく、連続駆動レーザを用いてもよい。例えば、フェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ等のパルス駆動レーザを用いて、非熱加工を実現することができる。非熱加工では、加工対象物２０の側壁が過剰に除去される、いわゆる「ダレ」の発生が少ない。このため、レーザ加工用の光源としては、パルス駆動レーザが好適である。

＜レーザ加工装置の動作＞
次に、上記レーザ加工装置の動作（即ち、レーザ加工方法）について説明する。
上記のレーザ加工装置１０では、レーザ光源１２から射出されたレーザ光は、第１の光学素子１６により集光され、第２の光学素子１８により所定のビームプロファイルの加工用レーザ光２２に変換されて、加工対象物２０に照射される。

ここで、加工用レーザ光２２のビームプロファイルについて説明する。
図２（Ａ）は加工用レーザ光２２の集光特性を示す模式図である。図２（Ａ）に示すように、第２の光学素子１８から射出されたレーザ光は、伝搬方向（ｚ軸方向）に向かって一旦収束して半径方向（ｒ軸方向）の径が最小となった後に、伝搬方向に向かって拡散して半径方向の径が徐々に拡大する。上述した通り、加工用レーザ光２２（斜線部）は、ビームウエストの伝搬方向の下流側に生成されるレーザ光である。

ビームウエストの光軸Ｌ上の位置を「位置ａ」とし、後述する環状ビームに変換される光軸Ｌ上の位置を「位置ｂ」とし、第１の光学素子１６の焦点位置３０の光軸Ｌ上の位置を「位置ｃ」とする。加工用レーザ光２２は、位置ａ、位置ｂ、位置ｃの順序で、外径が伝搬方向に向かって拡大するビームプロファイルを有するレーザ光である。位置ａ、位置ｂ、位置ｃの各々の位置０（Ｚ＝０）からの距離は、「ａ」、「ｂ」及び「ｃ」で表される。

また、図２（Ａ）には、加工用レーザ光２２の光軸Ｌ（一点鎖線で図示する）に沿った断面でのビームプロファイルが図示されている。加工用レーザ光２２は、光軸Ｌに対して回転対称である３次元形状を有している。詳しくは、加工用レーザ光２２は、光軸Ｌを回転軸として、斜線を付した逆Ｖ字状の断面を光軸Ｌの周りに回転させて得られる３次元形状を有している。

加工対象物２０は、上記の位置ａと位置ｃとの間に配置される。好ましくは、加工対象物２０の表面２０Ａは位置ａと位置ｂとの間に配置され、加工対象物２０の裏面２０Ｂは位置ｂと位置ｃとの間に配置される。これにより、加工対象物２０には、表面２０Ａから裏面２０Ｂに向かって拡大する加工用レーザ光２２が照射される。加工用レーザ光２２は、加工対象物２０の表面２０Ａ側から入射し、加工対象物２０の裏面２０Ｂ側から射出される。

加工用レーザ光２２の照射により、加工対象物２０には貫通孔２０Ｃが形成される。図２（Ｂ）は貫通孔２０Ｃが形成された加工対象物２０を表面２０Ａ側から見たときの平面図である。図２（Ｂ）に示すように、加工対象物２０には、逆テーパ状の貫通孔２０Ｃが形成される。逆テーパ状の貫通孔２０Ｃとは、裏面２０Ｂ側での開口径Ｄ２が、表面２０Ａ側での開口径Ｄ１よりも大きい貫通孔である。

＜整形光学系のビーム整形動作＞
次に、整形光学系１４で行われるビーム整形動作について具体的に説明する。
以下の説明では、整形光学系１４の第１の光学素子１６を非球面レンズで構成し、整形光学系１４の第２の光学素子１８を１個のアキシコンレンズで構成した例について説明する。従って、第１の光学素子１６を「非球面レンズ１６」と言い換え、第２の光学素子１８を「アキシコンレンズ１８」と言い換える。図３は整形光学系１４によりレーザ光が整形される様子を示す斜視図である。

図３に示すように、アキシコンレンズ１８は、非球面レンズ１６の光出射側に、非球面レンズ１６と所定距離だけ離間して配置されている。アキシコンレンズ１８は、その円錐面が非球面レンズ１６と対向するように配置されている。また、上述した通り、非球面レンズ１６とアキシコンレンズ１８とは、その光軸がレーザ光の光軸Ｌと一致するように配置されている。従って、アキシコンレンズ１８の円錐頂点１８Ａは、光軸Ｌ上に位置している。

レーザ光源１２から射出されたレーザ光は、非球面レンズ１６により集光されて、アキシコンレンズ１８に入射する。アキシコンレンズ１８に入射したレーザ光は、アキシコンレンズ１８によって加工用レーザ光２２に変換される。加工用レーザ光２２は、その外径が伝搬方向に向かって拡大し、環状ビームに変換されて、非球面レンズ１６の焦点位置３０において円環状に結像する。

以下では、光軸Ｌから環状ビームの外周を形成する光線ｒｊまでの半径方向（ｒ軸方向）の距離を、加工用レーザ光２２の外径と称する。また、光軸Ｌから環状ビームの内周を形成する光線ｒｉまで半径方向（ｒ軸方向）の距離を、加工用レーザ光２２の内径と称する。なお、厳密には、位置ａ（ビームウエスト）から位置ｂまでの間では環状ビームが形成されないが、位置ｂ以降に環状ビームの内周を形成する光線ｒｉと光軸Ｌとの距離を、加工用レーザ光２２の内径と称する。

ここで、アキシコンレンズ１８によるプロファイル変換動作を詳細に説明する。また、このプロファイル変換動作により生成されるレーザ光のビームプロファイルについても併せて説明する。図４（Ａ）はレーザ光の光軸に沿った断面でのビームプロファイルを示す模式図である。図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示すレーザ光の伝搬方向の各位置における光軸に垂直な断面でのビームプロファイルを示す模式図である。ここでは、アキシコンレンズ１８は理想レンズとされ、その厚さはゼロと仮定されるものとする。

非球面レンズ１６により集光されたレーザ光は、アキシコンレンズ１８に入射する。伝搬方向（ｚ軸方向）に向かって収束するレーザ光が、アキシコンレンズ１８の円錐頂点１８Ａ及びその周囲の斜面１８Ｂに入射する。アキシコンレンズ１８の光軸Ｌ上に位置する円錐頂点１８Ａに入射したレーザ光（光線ｒｊ）は、アキシコンレンズ１８により屈折されてその出射面（位置０）から射出される。アキシコンレンズ１８から射出された光線ｒｊは、位置０から位置ｃに向かって光軸Ｌからの距離（ｒ軸方向の距離）を拡大しながら伝搬し、位置ａと位置ｃとの間で加工用レーザ光２２の外周を形成する。加工用レーザ光２２の外径は、位置ａから位置ｃに向かって拡大する。

一方、アキシコンレンズ１８の光軸Ｌから最も離れた位置に入射したレーザ光（光線ｒｉ）は、アキシコンレンズ１８により屈折されてその出射面（位置０）から射出される。アキシコンレンズ１８から射出された光線ｒｉは、位置０から位置ｂに向かって光軸Ｌからの距離を縮小しながら伝搬した後、位置ｂから位置ｃに向かって光軸Ｌからの距離を拡大しながら伝搬する。そして、光線ｒｉは、位置ｂと位置ｃとの間で加工用レーザ光２２の内周を形成する。加工用レーザ光２２の内径は、位置ｂから位置ｃに向かって拡大する。

ビームウエストである位置ａにおいては、光線ｒｊの光軸Ｌからの距離と光線ｒｉの光軸Ｌからの距離とが等しくなる。位置ｂにおいては、光線ｒｉの光軸Ｌからの距離がゼロとなる。位置ｂより伝搬方向の下流側では、円形ビームが環状ビームに変換され、光線ｒｊが加工用レーザ光２２の外周を形成すると共に、光線ｒｉが加工用レーザ光２２の内周を形成する。非球面レンズ１６の焦点位置３０である位置ｃにおいては、光線ｒｉと光線ｒｊとが角度αで交差する。このとき、加工用レーザ光２２の外径及び内径が最大となり、加工用レーザ光２２が円環状に結像する。

なお、アキシコンレンズ１８としては、円錐面における斜面１８Ｂの傾斜角α_ａｘが小さいレンズが好ましい。傾斜角α_ａｘを小さくすることで、後述する作動長ＷＤを長くすることができる（図８参照）。斜面１８Ｂの傾斜角α_ａｘは、円錐面における頂角をφとしたとき、α_ａｘ＝（２π−φ）／２で表される角度である。換言すれば、アキシコンレンズ１８としては、円錐面における頂角φが大きいレンズが好ましい。

上記では、非球面レンズ１６とアキシコンレンズ１８とにより整形光学系１４を構成する例について説明したが、整形光学系１４により上述したビームプロファイルの加工用レーザ光２２を生成することができればよく、整形光学系１４の構成は上記レンズの組合せや配置に限定されるものではない。例えば、非球面レンズ１６とアキシコンレンズ１８の順序を入れ替えて、アキシコンレンズ１８の下流側に非球面レンズ１６を配置してもよい。この場合、アキシコンレンズ１８は、その円錐面が非球面レンズ１６と対向するように近接させて配置されることが望ましい。

アキシコンレンズ１８には平行光が入射する。図３、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示した場合と同様に、アキシコンレンズ１８の円錐頂点１８Ａから射出される光線ｒｊは、加工用レーザ光２２の外周を形成する。また、アキシコンレンズ１８の斜面１８Ｂの光軸Ｌから最も離れた位置から射出される光線ｒｉは、加工用レーザ光２２の内周を形成する。

但し、上記の実施の形態で説明した通り、非球面レンズ１６の下流側にアキシコンレンズ１８を配置した場合には、アキシコンレンズ１８の下流側に非球面レンズ１６を配置した場合に比べて、後述する作動長ＷＤを長くすることができる。また、逆テーパ状の貫通孔２０Ｃを形成するための、加工用レーザ光２２のパワー密度分布の設計が容易になる。

＜加工用レーザ光のパワー密度＞
次に、加工用レーザ光２２のパワー密度分布について説明する。
図５は加工用レーザ光２２のビームプロファイルをｚｒ座標系で定義する模式図である。実際に加工に使用される加工用レーザ光２２は、位置ａから位置ｃまでのレーザ光である（ａ≦ｚ≦ｃ）。しかしながら、光線ｒｉ及び光線ｒｊの定義を容易にするために、ここでは位置０から位置ｃまでのレーザ光について（０≦ｚ≦ｃ）、ビームプロファイルを定義する。

ここで、光軸Ｌ（ｚ軸）と光線ｒｊとが成す角度を「傾き角θ（単位：°）」とし、アキシコンレンズ１８の出射面でのビーム半径を「ビーム幅ｗ０（単位：μｍ）」とする。

図５において、加工用レーザ光２２の内周を形成する光線ｒｉは、（０，−ｗ０）と（ｃ，ｃｔａｎθ）の２点を通る直線として定義される。光線ｒｉを表す直線は、ｚを変数として下記式（１）で表すことができる。

一方、加工用レーザ光２２の外周を形成する光線ｒｊは、（０，０）と（ｃ，ｃｔａｎθ）の２点を通る直線として定義される。光線ｒｊを表す直線は、ｚを変数として下記式（２）で表すことができる。

なお、図５に点線で図示した通り、厳密には、光線ｒｉ及び光線ｒｊの各々は、アキシコンレンズ１８で屈折されるので、ｚ＜０の領域では直線にならないが、加工用レーザ光２２のビームプロファイルを定義する場合には、上記の直線として取り扱うことができる。

上述した通り、光線ｒｊの光軸Ｌからの距離と、光線ｒｊの光軸Ｌからの距離とにより、円形ビームの外径、環状ビームの外径及び内径が定まる。従って、これらの外径及び内径を用いて、ｚ軸方向の任意の位置ｚにおいて、ｚ軸に垂直な断面での断面積Ｓ（ｚ）を求めることができる。パワー密度は、単位面積あたりのビーム強度（エネルギー量）である。伝搬中にエネルギー損失が生じないものと仮定すると、ビーム強度は面積に応じて再配分されることになる。従って、断面積Ｓ（ｚ）を求めることにより、任意の位置ｚでのパワー密度を求めることができる。

なお、ビームの進行方向（即ち、波面の法線方向）は、ｚ軸方向とは完全には一致していない。厳密には、パワー密度は、波面の法線方向に沿った断面での面積で規格化されるべきである。しかしながら、傾き角θが小さい領域では、ｚ軸に垂直な断面での断面積Ｓ（ｚ）で近似することができる。

位置０においてビーム半径ｗ０で射出された円形ビームは、ｚ軸方向に伝搬されて、位置ｃにおいて半径ｃｔａｎθの円環状ビームとなる。位置ａでのビーム径（直径）は線分ＡＡで表され、位置ｂでのビーム径は線分ＢＢで表され、位置ｃでのビーム径は線分ＣＣで表される。ｚ軸方向の距離が大きくなるに従って、即ち、位置ａから位置ｃに向かって、断面積Ｓ（ｚ）は略単調に減少する。加工用レーザ光２２のパワー密度は、断面積Ｓ（ｚ）に反比例して、位置ａから位置ｃに向かって略単調に増加する。

ここで「略単調に」としたのは、位置ａと位置ｂとの間では、断面積Ｓ（ｚ）が増減する場合や、パワー密度が増減する場合があるためである。換言すれば、断面積Ｓ（ｚ）が単調に減少するように、整形光学系１４のパラメータ（レーザ光のビーム径、ビーム強度等を含む）を設定することで、パワー密度が単調に増加する加工用レーザ光２２を生成することができる。少なくとも位置ｂと位置ｃとの間で、断面積Ｓ（ｚ）が単調に減少し、パワー密度が単調に増加する加工用レーザ光２２を生成することができる。

加工対象物２０には、表面２０Ａから裏面２０Ｂに向かってパワー密度が増加する加工用レーザ光２２を照射することができる。このようにパワー密度が伝搬方向に向かって増加する加工用レーザ光２２を用いることで、加工対象物２０に逆テーパ状の貫通孔２０Ｃを容易に形成することができる。

位置ｂと位置ｃとの間で断面積Ｓ（ｚ）が単調に減少するとは、加工対象物２０の厚さＴや形成する貫通孔２０Ｃの開口径Ｄ１、開口径Ｄ２に応じて、ｂ≦ｚ≦ｃの範囲で下記式（３）を満たすことである。

具体的に、加工対象物２０の厚さＴ、貫通孔２０Ｃの開口径Ｄ１、開口径Ｄ２の数値を設定して、ｂ≦ｚ≦ｃの範囲で下記式（３）を満たす条件を求めるシミュレーション計算を実施した。加工対象物２０の厚さＴを８００μｍとし、貫通孔２０Ｃの表面２０Ａでの開口径Ｄ１を５０μｍとし、貫通孔２０Ｃの裏面２０Ｂでの開口径Ｄ２を１００μｍとした。

計算モデルを単純化するために、アキシコンレンズ１８の出射面（ｚ＝０）でのレーザ光のビームプロファイルは、ビーム強度が半径方向に平坦化されたトップハットライク分布と仮定した。また、位置０と位置ｂとの間では、光軸Ｌの周囲でビームの重なりを生じているが、干渉特性は考慮せずにビーム強度が２倍になると仮定した。更に、アキシコンレンズ１８は、厚さゼロで収差なしの理想レンズとして取り扱うことにした。シミュレーション計算の結果を以下に示す。

図６は加工用レーザ光のパワー密度変化の一例を示すグラフである。横軸は伝搬方向（ｚ軸方向）の座標を表す。左縦軸は半径方向（ｒ軸方向）の座標を表し、右縦軸は規格化パワー密度を表す。パワー密度変化を示す線図は、矢印で右縦軸に対応付けられている。ここでは、加工用レーザ光２２の位置ａが加工対象物２０の表面２０Ａに在り、位置ｃが加工対象物２０の裏面２０Ｂに在るモデル（タイプＡ）を図示している。

タイプＡでは、加工対象物２０の厚さＴ（＝ｃ−ａ）を８００μｍ、開口径Ｄ１に対応する線分ＡＡの長さを約５０μｍとし、開口径Ｄ２に対応する線分ＣＣの長さを１００μｍとした。即ち、下記表１の備考欄に記載されているように、各数値を目標値として設定した。

タイプＡの形状の貫通孔が形成されるように、数値計算によって非線形計画問題を解くことで、ビーム幅ｗ０、傾き角θ、線分ＢＢの長さ、位置ａまでの距離ａ、位置ｂまでの距離ｂ、及び位置ｃまでの距離ｃを求めた。計算結果を下記表１に示す。なお、図６に示すグラフには、伝搬方向に沿ったパワー密度変化と共に、この計算結果が視覚的に表示されている。枠で囲んだ部分が加工対象物である。

図７は加工用レーザ光のパワー密度変化の他の一例を示すグラフである。横軸は伝搬方向（ｚ軸方向）の座標を表す。左縦軸は半径方向（ｒ軸方向）の座標を表し、右縦軸は規格化パワー密度を表す。パワー密度変化を示す線図は、矢印で右縦軸に対応付けられている。ここでは、加工用レーザ光２２の位置ｂが加工対象物２０の表面２０Ａに在り、位置ｃが加工対象物２０の裏面２０Ｂに在るモデル（タイプＢ）を図示している。

タイプＢでは、加工対象物２０の厚さＴ（＝ｃ−ｂ）を８００μｍ、開口径Ｄ１に対応する線分ＢＢの長さを５０μｍとし、開口径Ｄ２に対応する線分ＣＣの長さを１００μｍとした。即ち、下記表２の備考欄に記載されているように、各数値を目標値として設定した。タイプＡと同様に、タイプＢの形状の貫通孔が形成されるように各パラメータを求めた。計算結果を下記表２に示す。

図６及び表１、図７及び表２から分かるように、加工対象物２０の厚さ、貫通孔２０Ｃの開口径に応じて各種パラメータを最適化することで、加工対象物２０の表面２０Ａから裏面２０Ｂに向かって外径が拡大すると共に、加工対象物２０の表面２０Ａから裏面２０Ｂに向かってパワー密度が略単調に増加する加工用レーザ光２２を生成することができる。

また、図６と図７とを比較すれば分かるように、タイプＡでは、加工対象物２０の表面（位置ａ）と裏面（位置ｃ）との間で、位置ａから位置ｂまではパワー密度が減少する。これに対し、タイプＢでは、加工対象物２０の表面（位置ｂ）と裏面（位置ｃ）との間で、パワー密度が略単調に増加する。加工対象物２０に逆テーパ状の貫通孔２０Ｃを形成するためには、パワー密度が略単調に増加するタイプＢの方が、表面付近でパワー密度が減少するタイプＡよりも好適である。

また、タイプＡではｚ＝２０００μｍでのパワー密度が７．５７、ｚ＝２５００μｍでのパワー密度が２．３９である。これに対し、タイプＢではｚ＝２０００μｍでのパワー密度が６．９０、ｚ＝２５００μｍでのパワー密度が２．３０であり、パワー密度がより急峻に減少している。加工対象物２０の背景に後壁（バックウォール）が存在する場合には、加工対象物２０のレーザ光出射側でのパワー密度の減少が早いほど、バックウォールの損傷が低減されるので、タイプＢの方がタイプＡよりも好ましい。

＜整形光学系の設計例＞
次に、整形光学系１４の設計例について説明する。
図８は加工用レーザ光２２を生成する整形光学系１４の設計例を示す模式図である。整形光学系１４の構成は、図１及び図３に示す整形光学系１４と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。ここでは、上記のタイプＡ、タイプＢと同様に、加工対象物２０は、その裏面２０Ｂが非球面レンズ１６の焦点位置３０（位置ｃ）に位置するように配置されている。

図８に示すように、整形光学系１４の設計に必要な各種パラメータを定義する。既に定義されたパラメータも含め、下記表３に一覧表示する。

まず、アキシコンレンズ１８に対する入射角と出射角との関係について説明する。図９は図８の領域Ａを拡大して示す部分拡大図であり、アキシコンレンズ１８に入射するレーザ光の「入射角θｉ」と、アキシコンレンズ１８から射出されるレーザ光の「出射角θｏ」との関係を示している。レーザ光は太い矢印で図示されている。

非球面レンズ１６で集光されたレーザ光（入射光）は、アキシコンレンズ１８の円錐面側の斜面１８Ｂから入射角θｉで入射する。ここでの「入射角θｉ」は入射光と出射面の法線（点線で図示）とが成す角度である。入射光と斜面１８Ａの法線（実線で図示）とが成す角度は「角度θ１」である。

アキシコンレンズ１８に入射したレーザ光は、斜面１８Ａに対し角度θ１で入射し且つ角度θ２で屈折されて、アキシコンレンズ１８のレンズ媒体中を伝搬する。伝搬されたレーザ光は、アキシコンレンズ１８の平坦な出射面に対し角度θ３で入射し且つ角度θ４で屈折されて、出射面から出射角θｏで射出される（出射光）。

アキシコンレンズ１８の屈折率を「ｎ」、周辺媒体の屈折率を空気と同じ「１」とすると、スネルの法則より下記式（４）及び（５）が成立する。

傾斜角α_ａｘは斜面１８Ａと出射面とが成す角度であり、θ１＝θｉ−α_ａｘの関係を有している。従って、角度θ４は、下記式（６）で表される。

ここで、非球面レンズ１６のビーム集光特性は、下記式（７）で表される。

また、出射側では点線と実線とはいずれも出射面の法線を表し、θ４＝θｏの関係を有している。θ１＝θｉ−α_ａｘの関係式を用いて上記式（６）を書き換えると、下記式（８）が得られる。

光線ｒｊに対するｔａｎθ４を「ｔａｎθ４ｊ」とする。光線ｒｊはアキシコンレンズ１８の円錐頂点１８Ａに入射する光線であり、入射角θｉ＝０である。従って、ｔａｎθ４ｊは、下記式（９）で表される。

光線ｒｉに対するｔａｎθ４を「ｔａｎθ４ｉ」とする。光線ｒｉはアキシコンレンズ１８の光軸Ｌから最も離れた位置に入射する光線であり、入射角θｉは下記式（１０）で表される。

また、θ１＝θｉ−α_ａｘの関係がある。従って、ｔａｎθ４ｊは、下記式（１１）で表される。

なお、上述した通り、θ４＝θｏである。即ち、角度θ４は「出射角θｏ」と同じ大きさである。加工対象物２０の厚さ「Ｔ」、貫通孔２０Ｃの表面２０Ａでの開口径「Ｄ１」、表面２０Ａのｚ軸上の位置「Ｚ１」、貫通孔２０Ｃの裏面２０Ｂでの開口径「Ｄ２」、及び裏面２０Ｂのｚ軸上の位置「Ｚ２」の各々は、「ｔａｎθ４ｊ」及び「ｔａｎθ４ｉ」を用いて下記式（１２）〜（１６）で表される。

上記式（１２）〜（１６）で表されるように、厚さＴ、開口径Ｄ１、位置Ｚ１、開口径Ｄ２、及び位置Ｚ２の各々は、整形光学系１４のパラメータを用いて規定することができる。ここでいう整形光学系１４のパラメータとは、ビーム半径「ｗ０」、アキシコンレンズ１８から焦点位置３０までの距離「Ｌ」、非球面レンズ１６の焦点距離「ｆ」、「ｔａｎθ４ｊ」、及び「ｔａｎθ４ｉ」である。

また、厚さＴ、開口径Ｄ１、位置Ｚ１、開口径Ｄ２、及び位置Ｚ２の各パラメータにより、加工対象物２０に形成される貫通孔２０Ｃの形状が規定される。従って、整形光学系１４のパラメータを設計により最適化して、上記形状の貫通孔２０Ｃを形成するための所定のビームプロファイルを有する加工用レーザ光２２を生成することができる。得られた加工用レーザ光２２により、厚さＴの加工対象物２０に対し、表面２０Ａでの開口径Ｄ１、裏面２０Ｂでの開口径Ｄ２の逆テーパ状の貫通孔２０Ｃを形成することができる。

図８に示すように、アキシコンレンズ１８の出射面（ｚ＝０）から加工対象物２０の表面２０Ａ（例えば、ｚ＝ａ）までの距離を、作動長ＷＤ（ワーキングディスタンス）とする。作動長ＷＤは、加工対象物２０の厚さＴと、アキシコンレンズ１８から焦点位置３０までの距離Ｌとから、その差分として求められる。即ち、ＷＤ＝Ｌ−Ｔの関係を満たす。

加工対象物２０からの飛散物によるレーザ加工装置１０の汚れを低減する等の観点から、作動長ＷＤを長くすることが好ましい。例えば、整形光学系１４を設計する場合に、アキシコンレンズ１８の傾斜角α_ａｘを小さくし且つ非球面レンズ１６の焦点距離ｆを若干短くすることで、所定のビームプロファイルを維持したままで作動長ＷＤを長くすることができる。

以上説明したように、本実施の形態のレーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、加工対象物の表面から裏面に向かって外径が拡大すると共に、加工対象物の表面から裏面に向かってパワー密度が略単調に増加するビームプロファイルの加工用レーザ光を、簡便な光学系を用いて生成することができる。この加工用レーザ光を加工対象物に照射することで、機械的に回転する可動部を用いることなく、加工対象物に逆テーパ状の貫通孔を容易に形成することができる。

＜変形例＞
なお、上記実施の形態において、レーザ光の光路上にレーザ光の透過を制御する光学素子（以下、「透過制御素子」という。）を挿入してもよい。透過制御素子を挿入することで、加工用レーザ光のビームプロファイルが変化する。図１０は透過制御素子２４が挿入されたレーザ加工装置の構成の一例を示す概略構成図である。整形光学系１４の光入射側に透過制御素子２４を配置した以外は、図１に示すレーザ加工装置と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。

図１０に示す例では、透過制御素子２４は、遮光部材２４Ａに開口部（アパーチャ）２４Ｂが形成された光学絞りである。

図１０に示すレーザ加工装置１０Ａでは、整形光学系１４の光入射側に配置された透過制御素子２４により、第１の光学素子１６に入射するレーザ光のビーム半径ｗ０が変更される。このように整形光学系１４への入射ビーム幅を制限することで、加工用レーザ光２２のビームプロファイルを変更して、所望の加工特性を得ることが可能になる。整形光学系１４への入射ビーム幅が小さくなると、加工用レーザ光２２のビーム径が縮小して、加工対象物２０に形成される貫通孔２０Ｃのテーパ角を所望の値に制御できる。例えば、干渉効果により貫通孔２０Ｃのテーパ角を急峻にすることができる。

図１０に示す例では、透過制御素子２４として光学絞りを用いる例について説明したが、透過制御素子２４はレーザ光の透過を制御する光学素子であれば特に制限はない。透過制御素子２４としては、光軸付近を伝搬する光を制限する遮光部材（ストッパ）、面内方向において光透過率を制御する各種フィルタを用いることができる。ここで「面内方向において」とは、光軸を中心とし且つ光軸に直交する断面においてという意味である。光透過率を制御するフィルタとしては、面内方向において中心部分と周辺部分とで光透過率に差を付ける光学フィルタを用いることができる。

例えば、ビーム断面の光軸付近での光強度が大き過ぎる場合には、中心部分の光透過率を低下させるフィルタや、中心部分の光透過を完全に阻止するフィルタ等を用いればよい。また、面内方向における光透過率が滑らかに変化するように調整することもでき、面内方向における光透過率が急峻に変化するように調整することもできる。

上記の光学フィルタとしては、光強度分布を平滑化するアポダイジング・フィルタが挙げられる。アポダイジング・フィルタには、中心部分から周辺部分に向かって光透過率が高くなるブルズアイタイプ、中心部分から周辺部分に向かって光透過率が低下するリバースブルズアイタイプなどがある。

また、上記では、透過制御素子２４を整形光学系１４の光入射側に配置する例について説明したが、加工用レーザ光２２のビームプロファイルを変化させることができればよく、透過制御素子２４は他の位置に配置してもよい。例えば、整形光学系１４の第１の光学素子１６と第２の光学素子１８との間に透過制御素子２４を配置してもよい。また、整形光学系１４と加工点との間に透過制御素子２４を配置してもよい。

なお、上記の実施の形態で説明した加工装置及びレーザ加工方法の構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更可能である。

１０ レーザ加工装置
１２ レーザ光源
１４ 整形光学系
１６ 第１の光学素子（非球面レンズ）
１８ 第２の光学素子（アキシコンレンズ）
１８Ａ 円錐頂点
１８Ｂ 斜面
２０ 加工対象物
２０Ａ 表面
２０Ｂ 裏面
２０Ｃ 貫通孔
２２ 加工用レーザ光
２４ 透過制御素子
３０ 焦点位置

Claims (13)

1. レーザ光を射出するレーザ光源と、
   整形光学系から射出された加工用レーザ光の伝搬方向に向かって第１の位置、第２の位置及び第３の位置が当該順序で設定されており、前記加工用レーザ光の外径が前記第１の位置から前記第３の位置まで伝搬方向に向かって拡大すると共に、前記加工用レーザ光の内径が前記第２の位置から前記第３の位置まで伝搬方向に向かって拡大して、前記第３の位置で前記加工用レーザ光の外径及び内径が最大となり且つ光軸を中心とする円環状に結像するように、前記レーザ光源から射出されたレーザ光を整形する整形光学系と、
   を備え、
   前記第１の位置と前記第３の位置との間に配置された加工対象物であって、かつ、前記第２の位置と前記第３の位置との間に裏面が位置するように配置された前記加工対象物に対し、前記加工対象物の表面側から前記整形光学系で整形された加工用レーザ光を照射して、前記加工対象物に貫通孔を形成するレーザ加工装置。
2. 前記第１の位置、前記第２の位置及び前記第３の位置が、加工対象物の厚さ及び形成される貫通孔の開口径に応じて設定される、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記加工用レーザ光は、前記第３の位置でのパワー密度が前記第１の位置でのパワー密度よりも高い、請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記加工用レーザ光は、前記加工対象物の表面から裏面まで伝搬方向に沿ってパワー密度が高くなる、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. レーザ光を射出するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から射出されたレーザ光を集光する第１の光学素子と、
   前記第１の光学素子と前記第１の光学素子の焦点位置との間に配置され、第２の光学素子から射出された加工用レーザ光の伝搬方向に向かって第１の位置及び第２の位置が前記焦点位置の手前に当該順序で設定されており、前記加工用レーザ光の外径が前記第１の位置から前記焦点位置まで伝搬方向に向かって拡大すると共に、前記加工用レーザの内径が前記第２の位置から前記焦点位置まで伝搬方向に向かって拡大して、前記焦点位置で前記加工用レーザの外径及び内径が最大となり且つ光軸を中心とする円環状に結像するように、前記第１の光学素子で集光されたレーザ光を加工用レーザ光に変換する第２の光学素子と、
   を備え、
   前記第１の位置と前記焦点位置との間に配置された加工対象物であって、かつ、前記第２の位置と前記焦点位置との間に裏面が位置するように配置された前記加工対象物に対し、前記加工対象物の表面側から前記加工用レーザ光を照射して、前記加工対象物に貫通孔を形成するレーザ加工装置。
6. 前記第１の位置、前記第２の位置及び前記焦点位置が、加工対象物の厚さ及び形成される貫通孔の開口径に応じて設定される、請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. 前記加工用レーザ光は、前記焦点位置でのパワー密度が前記第１の位置でのパワー密度よりも高い、請求項５又は請求項６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記加工用レーザ光は、前記加工対象物の表面から裏面まで伝搬方向に沿ってパワー密度が高くなる、請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
9. 前記第２の光学素子が、頂角が前記第１の光学素子に対向するように光軸を合わせて配置された円錐レンズであり、
   前記円錐レンズの光軸上の位置に入射するレーザ光を屈折させて加工用レーザ光の外径を形成すると共に、前記円錐レンズの光軸から最も離れた位置に入射するレーザ光を屈折させて加工用レーザ光の内径を形成して、前記焦点位置において前記加工用レーザ光を円環状に結像させる、請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
10. 加工対象物の厚さ及び形成する貫通孔の開口径に応じて、加工用レーザ光の伝搬方向に向かって第１の位置、第２の位置及び第３の位置を当該順序で設定し、
    前記加工用レーザ光の外径が前記第１の位置から前記第３の位置まで伝搬方向に向かって拡大すると共に、前記加工用レーザ光の内径が前記第２の位置から第３の位置まで伝搬方向に向かって拡大して、前記第３の位置で前記加工用レーザ光の外径及び内径が最大となり且つ光軸を中心とする円環状に結像するように、レーザ光を整形して加工用レーザ光を生成し、
    前記第１の位置と前記第３の位置との間に配置された加工対象物であって、かつ、前記第２の位置と前記第３の位置との間に裏面が位置するように配置された前記加工対象物に対し、前記加工対象物の表面側から生成された加工用レーザ光を照射して、前記加工対象物に貫通孔を形成するレーザ加工方法。
11. 前記加工用レーザ光の前記第３の位置でのパワー密度が、前記第１の位置でのパワー密度よりも高くなるように、レーザ光を整形して加工用レーザ光を生成する、請求項１０に記載のレーザ加工方法。
12. 前記加工用レーザ光のパワー密度が、前記加工対象物の表面から裏面まで伝搬方向に沿って高くなるように、レーザ光を整形して加工用レーザ光を生成する、請求項１０又は請求項１１に記載のレーザ加工方法。
13. 前記加工対象物の表面が前記第２の位置に位置し且つ前記加工対象物の裏面が前記第３の位置に位置するように、前記加工対象物を配置する、請求項１０から請求項１２までのいずれか１項に記載のレーザ加工方法。