JP6083284B2

JP6083284B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP6083284B2
Application number: JP2013063158A
Authority: JP
Inventors: 克充芦原
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: JP2014188518A

Description

本発明は、レーザ加工装置に関し、特に、レーザ光を走査してワークを加工するレーザ加工装置に関する。

従来、レーザ光を収束する収束レンズとワークとの間の距離に応じて、収束レンズに入射するレーザ光のビーム径又は広がり角を変更することにより、レーザ光の焦点位置を調整し、ワーク上のレーザ光の加工幅を一定に保つレーザマーカが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５０６２８３８号公報

ところで、レーザマーカは、ワークの加工面上でレーザ光を走査して加工を行うが、加工エリアの中心部と周辺部とでは、レーザ光の光路長が異なる。そして、従来のレーザマーカでは、このレーザ光の光路長の差により、加工エリアの中心部と周辺部で、レーザ光のスポット径に差が生じ、加工ムラが生じていた。この点について、図１乃至図５を参照して説明する。

なお、以下、レーザ光の集光点において光軸に垂直な方向の径を集光径と称し、レーザ光がワークの加工面に照射されることにより形成されるスポットの径をスポット径と称し、集光径とスポット径を区別する。

図１は、従来のレーザマーカ１の構成例を示している。レーザマーカ１において、レーザ発振器２１から出射されたレーザ光は、光学系２２及びガルバノミラー２３を介して、ワーク２の加工面に照射され、ワーク２の加工が行われる。また、光学系２２により、ワーク２の加工面においてレーザ光が集光するようにレーザ光の焦点位置が調整され、ガルバノミラー２３により、レーザ光がワーク２の加工面において互いに直交する２軸方向に走査される。

図２は、光学系２２の構成例を示している。光学系２２は、可動レンズ５１及び集光レンズ５２により構成される。なお、以下、説明を簡単にするために、可動レンズ５１及び集光レンズ５２の厚みが無視できる程度に十分薄く、各レンズの主面を１面として扱うことができるものと仮定して説明する。

可動レンズ５１は、所定の可動範囲内で光軸方向に移動可能であり、可動レンズ５１と集光レンズ５２との間の距離を調整することができる。そして、可動レンズ５１と集光レンズ５２の間の距離を長くすることにより、光学系２２の焦点距離が短くなる。すなわち、集光レンズ５２とレーザ光の集光点との間の距離が短くなる。一方、可動レンズ５１と集光レンズ５２の間の距離を短くすることにより、光学系２２の焦点距離が長くなる。すなわち、集光レンズ５２とレーザ光の集光点との間の距離が長くなる。

従って、図１に示されるように、ワーク２の加工エリアの中心部を加工する場合、レーザ光の光路Ｌａが短くなるため、可動レンズ５１が集光レンズ５２から遠ざけられる。一方、ワーク２の加工エリアの周辺部を加工する場合、レーザ光の光路Ｌｂが長くなるため、可動レンズ５１が集光レンズ５２から近づけられる。

ここで、図２の上の図のように、光学系２２の焦点距離が短い場合のレーザ光の集光点Ｐａの集光径と比較して、下の図のように、光学系２２の焦点距離が長い場合のレーザ光の集光点Ｐｂの集光径の方が大きくなる。これについて、図３乃至図５を参照して説明する。

図３に示されるように、可動レンズ５１と集光レンズ５２の主面間距離をｄ１２とし、集光レンズ５２の主面と集光点Ｐとの間の距離、すなわち、光学系２２の焦点距離をＳ２とする。また、可動レンズ５１の焦点距離をｆ１とし、集光レンズ５２の焦点距離をｆ２とし、可動レンズ５１へのレーザ光の入射径をφ１とし、集光レンズ５２へのレーザ光の入射径をφ２とする。そうすると、次式（１）及び（２）が成り立つ。

そして、焦点距離ｆ１＝−３０ｍｍ、焦点距離ｆ２＝９８ｍｍとし、主面間距離ｄ１２を１００ｍｍから１１０ｍｍの範囲内で変化させた場合、光学系２２の焦点距離Ｓ２は、主面間距離ｄ１２に対して、図４に示されるように変化する。すなわち、主面間距離ｄ１２が長くなるほど、焦点距離Ｓ２が短くなる。

一方、光学系２２のＦ値（＝Ｓ２／φ２）は、主面間距離ｄ１２に対して、図５に示されるように変化する。すなわち、主面間距離ｄ１２が長くなるほど、Ｆ値が小さくなる。また、レーザ光の集光径は、光学系２２のＦ値に比例するため、主面間距離ｄ１２が長くなり、焦点距離Ｓ２が短くなるほど小さくなる。

従って、ワーク２の加工エリアの中心部と周辺部とで、光路長の違いに合わせて光学系２２の焦点距離Ｓ２を変更すると、図２に示されるように、レーザ光の集光径が変化し、その結果、スポット径にバラツキが生じ、加工ムラが発生する。

そこで、本発明は、レーザ光を走査してワークを加工する場合に、加工位置の違いによる加工ムラを低減できるようにするものである。

本発明の一側面のレーザ加工装置は、レーザ光を走査してワークの加工面を加工するレーザ加工装置において、第１乃至第３のレンズを含む光学系と、光学系と加工面の間に配置され、光学系から出射されたレーザ光を加工面において走査させる走査部とを備え、第１のレンズと第３のレンズの光軸方向の位置が固定され、第２のレンズは、第１のレンズと第３のレンズとの間において所定の可動範囲内で光軸方向に移動可能であり、第１のレンズはレーザ光を集め、第１のレンズと第２のレンズとの間の第１の距離が長くなるほど、第２のレンズに入射するレーザ光の径が小さくなり、第２のレンズはレーザ光を広げ、第２のレンズと第３のレンズとの間の第２の距離が長くなるほど、第２のレンズに入射するレーザ光の径が大きくなり、第３のレンズは、レーザ光を加工面において集光させる。

本発明の一側面のレーザ加工装置においては、第１のレンズと第２のレンズとの間の第１の距離が長くなるほど、第２のレンズに入射するレーザ光の径が小さくなり、第２のレンズと第３のレンズとの間の第２の距離が長くなるほど、第２のレンズに入射するレーザ光の径が大きくなり、第３のレンズにより、レーザ光が加工面において集光し、レーザ光がワークの加工面において走査される。

従って、レーザ光を走査してワークを加工する場合に、加工位置の違いによる加工ムラを低減することができる。

この操作部は、例えば、ガルバノミラー、デジタルミラーデバイス等により構成される。

このレーザ加工装置においては、第２のレンズの可動範囲内において、第１の距離が長くなるほど、加工面におけるレーザ光の集光径を小さくすることができる。

これにより、光学系の焦点距離を変化させても、レーザ光のスポット径を略一定に保つことができる。

このレーザ加工装置においては、第２のレンズの可動範囲内において、前記第１の距離に関わらず、前記加工面における前記レーザ光の集光径が略一定にすることができる。

このレーザ加工装置においては、第２のレンズの可動範囲内において、第１の距離が長くなるほど、加工面におけるレーザ光の球面収差を大きくし、第１の距離が短くなるほど、加工面におけるレーザ光の球面収差を小さくすることができる。

本発明の一側面によれば、レーザ光を走査してワークを加工する場合に、加工位置の違いによる加工ムラを低減することができる。

従来のレーザマーカの構成例を示すブロック図である。従来のレーザマーカの光学系の構成例を示す図である。光学系の各寸法の記号を示す図である。可動レンズと集光レンズの主面間距離と光学系の焦点距離の関係を示すグラフである。可動レンズと集光レンズの主面間距離と光学系のＦ値の関係を示すグラフである。本発明を適用したレーザマーカの一実施の形態を示すブロック図である。本発明を適用したレーザマーカの光学系の構成例を示す図である。光学系の各寸法の記号を示す図である。レーザ光の入射角によるスポット径の変化を説明するための図である。調整レンズと可動レンズの主面間距離と光学系の焦点距離の関係を示すグラフである。調整レンズと可動レンズの主面間距離と光学系のＦ値の関係を示すグラフである。従来のレーザマーカのレーザ光の球面収差及びスポット径の特性を示すグラフである。本発明を適用したレーザマーカのレーザ光の球面収差及びスポット径の特性を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態の効果を説明するための図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（レーザ光の集光径を調整する場合）
２．第２の実施の形態（レーザ光の球面収差を調整する場合）
３．変形例

＜１．第１の実施の形態＞
まず、図６乃至図１１を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。

［レーザマーカの構成例］
図６は、本発明を適用したレーザマーカの第１の実施の形態を示すブロック図である。

レーザマーカ１０１は、レーザ光を用いてワーク１０２の加工面に文字や図形等を印字する装置である。レーザマーカ１０１は、マーキングヘッド１１１を含むように構成される。マーキングヘッド１１１は、レーザ発振器１２１、光学系１２２及びガルバノミラー１２３を含むように構成される。なお、レーザ発振器１２１と光学系１２２の間に設けられる光学部品等のレーザマーカ１０１の一部の部品については、図示を省略している。

レーザ発振器１２１から出射されたレーザ光は、光学系１２２及びガルバノミラー１２３を介して、ワーク１０２の加工面に照射される。また、光学系１２２により、ワーク１０２の加工面においてレーザ光が集光するように、レーザ光の焦点位置が調整される。さらに、後述するように、光学系１２２により、ワーク１０２の加工位置により、レーザ光のスポット径がばらつかないように、レーザ光の集光径が調整される。また、ガルバノミラー１２３により、レーザ光がワーク１０２の加工面において互いに直交する２軸方向に走査される。

なお、レーザ発振器１２１の種類や方式は特に限定されるものではなく、レーザマーカ１０１の仕様や用途等に応じて、任意のものを採用することができる。

図７は、光学系１２２の構成例を示している。なお、図７の上の図は、光学系１２２の焦点距離が短い場合の状態を示し、下の図は、光学系１２２の焦点距離が長い場合の状態を示している。

光学系１２２は、調整レンズ１５１、可動レンズ１５２、及び、集光レンズ１５３を含むように構成される。なお、以下、説明を簡単にするために、調整レンズ１５１、可動レンズ１５２、及び、集光レンズ１５３の厚みが無視できる程度に十分薄く、各レンズの主面を１面として扱うことができるものと仮定して説明する。

調整レンズ１５１及び集光レンズ１５３は、光軸方向の位置が固定されており、可動レンズ１５２は、調整レンズ１５１と集光レンズ１５３の間において、所定の可動範囲内で光軸方向に移動することができる。

調整レンズ１５１は、レーザ発振器１２１から出射されたレーザ光が入射し、レーザ光を集める働きをする。従って、可動レンズ１５２に入射するレーザ光の入射径は、調整レンズ１５１と可動レンズ１５２の間の主面間距離ｄ１２が短くなるほど大きくなり、主面間距離ｄ１２が長くなるほど小さくなる。

なお、調整レンズ１５１に入射するレーザ光は、平行光であってもよいし、所定の角度を有していてもよい。

可動レンズ１５２は、レーザ光を広げる働きをする。従って、集光レンズ１５３に入射するレーザ光の集光径は、調整レンズ１５１と可動レンズ１５２の間の主面間距離ｄ２３が短くなるほど小さくなり、主面間距離ｄ２３が長くなるほど大きくなる。

そして、可動レンズ１５２を移動させることにより、光学系１２２の焦点距離が調整され、レーザ光の集光位置が調整される。すなわち、図７に示されるように、可動レンズ１５２を集光レンズ１５３の方向に移動し、主面間距離ｄ１２が長くなり、主面間距離ｄ２３が短くなるほど、レーザ光の集光点が集光レンズ１５３に近くなる。逆に、可動レンズ１５２を調整レンズ１５１の方向に移動し、主面間距離ｄ１２が短くなり、主面間距離ｄ２３が長くなるほど、レーザ光の集光点が集光レンズ１５３から遠くなる。

また、光学系１２２は、焦点距離に関わらず、レーザ光の集光角が略一定になるように設計される。すなわち、光学系１２２は、図７の集光点Ｐａにレーザ光を集光する場合の集光角２θａと、集光点Ｐａより遠い集光点Ｐｂにレーザ光を集光する場合の集光角２θｂが略同じになるように設計される。

例えば、図８に示されるように、調整レンズ１５１と集光レンズ１５３の主面間距離をｄ１３とし、調整レンズ１５１及び可動レンズ１５２からなる合成レンズの集光位置と可動レンズ１５２の主面との間の距離をＳ２とし、調整レンズ１５１及び可動レンズ１５２からなる合成レンズの集光位置と集光レンズ１５３の主面との間の距離をＳ３とする。また、集光レンズ１５３の主面と集光点Ｐとの間の距離、すなわち、光学系の焦点距離をＳ３’とする。さらに、調整レンズ１５１、可動レンズ１５２、集光レンズ１５３の焦点距離を、それぞれｆ１、ｆ２、ｆ３とし、調整レンズ１５１、集光レンズ１５３へのレーザ光の入射径をそれぞれφ１、φ３とする。そうすると、次式（３）乃至（６）が成り立つ。

そして、光学系１２２の焦点距離Ｓ３’は、主面間距離ｄ１２が長くなり、主面間距離ｄ２３が短くなるほど短くなる。

ここで、光学系１２２は、主面間距離ｄ１２に関わらず、光学系１２２のＦ値（＝Ｓ３’／φ３）が略一定になるように設計される。これにより、レーザ光の集光径は、光学系１２２のＦ値に比例するため、主面間距離ｄ１２が変化し、焦点距離Ｓ３’が変化しても、レーザ光の集光径は略一定になる。

従って、ワーク１０２の加工エリアの中心部と周辺部とで、光路の違いに合わせて光学系１２２の焦点距離Ｓ３’を変更しても、スポット径が略一定になる。これにより、レーザ光を走査してワークを加工する場合に、加工位置の違いによる加工ムラを低減し、加工品質を向上させることができる。

また、レーザマーカ１０１の光学系１２２は、従来の図１のレーザマーカ１の光学系２２に調整レンズ１５１を追加するだけの簡単な構成により実現することができ、複雑なレンズ設計等は必要ない。

ところで、図９に模式的に示されるように、斜線で示されるレーザ光がワーク１０２の加工面に照射される位置によって、より厳密には、ワーク１０２の加工面に対するレーザ光の入射角によって、レーザ光の集光径とスポット径の間の差が変化する。

具体的には、図９の左の図に示されるように、ワーク１０２の加工エリアの中心部にレーザ光を照射する場合、光学系１２２の焦点距離Ｓ３’が短く設定され、ワーク１０２の加工面へのレーザ光の入射角は略０になる。従って、レーザ光の集光径φａとレーザ光のスポット径φｂは略一致する。

一方、図９の右の図に示されるように、ワーク１０２の加工エリアの周辺部にレーザ光を照射する場合、光学系１２２の焦点距離Ｓ３’が長く設定され、ワーク１０２の加工面へのレーザ光の入射角は大きくなる。従って、レーザ光の集光径φａと比較して、レーザ光のスポット径φｂは大きくなる。

従って、上述したように、光学系１２２の焦点距離Ｓ３’に対して、レーザ光の集光径を略一定に保つ代わりに、焦点距離Ｓ３’が長くなるほど、レーザ光の集光径を小さくするようにしてもよい。

例えば、焦点距離ｆ１＝４８ｍｍ、焦点距離ｆ２＝−１８ｍｍ、焦点距離ｆ３＝９５ｍｍ、主面間距離ｄ１３＝１００ｍｍに設定し、主面間距離ｄ１２を１３ｍｍから２３ｍｍの範囲内で変化させた場合、光学系２２の焦点距離Ｓ３’は、主面間距離ｄ１２に対して、図１０に示されるように変化する。すなわち、主面間距離ｄ１２が長くなり、主面間距離ｄ２３が短くなるほど、焦点距離Ｓ３’が短くなる。

一方、光学系１２２のＦ値（＝Ｓ３’／φ３）は、主面間距離ｄ１２に対して、図１１に示されるように変化する。すなわち、主面間距離ｄ１２が長くなり、主面間距離ｄ２３が短くなるほど、光学系１２２のＦ値が大きくなる。また、レーザ光の集光径は、光学系１２２のＦ値に比例するため、主面間距離ｄ１２が長くなり、焦点距離Ｓ３’が短くなるほど大きくなり、主面間距離ｄ１２が短くなり、焦点距離Ｓ３’が長くなるほど小さくなる。

従って、焦点距離Ｓ３’に対するレーザ光の集光径の変化量を適切に設計することにより、ワーク１０２の加工エリアの中心部と周辺部とで、レーザ光の入射角が変化することによるスポット径の変動を相殺することができ、より厳密にスポット径を一定に保つことができる。これにより、加工位置の違いによる加工ムラの発生をより低減し、加工品質をより向上させることができる。

＜２．第２の実施の形態＞
次に、図１２乃至図１４を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。

なお、本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、図６のレーザマーカ１０１の光学系１２２の設計思想が異なる。具体的には、第１の実施の形態では、レーザ光のスポット径を一定に保つために、光学系１２２の焦点位置に対するレーザ光の集光径を調整するようにしたが、第２の実施の形態では、光学系１２２の焦点位置に対する球面収差を調整する。

図１２の上のグラフは、従来の図１のレーザマーカ１の光学系２２の球面収差の特性の例を示し、下のグラフは、レーザマーカ１のスポット径の特性の例を示している。なお、上のグラフの横軸は光学系２２の焦点距離Ｓ２を示し、縦軸は球面収差を示し、実線は設計値を示し、点線は誤差の範囲を示している。また、下のグラフの横軸は光学系２２の焦点距離Ｓ２を示し、縦軸はスポット径を示し、実線は設計値を示し、点線は誤差の範囲を示している。

従来のレーザマーカ１においては、図１２の上のグラフに示されるように、焦点距離Ｓ２に関わらず球面収差が略一定になるように光学系２２の設計がなされる。また、図１２の下のグラフに示されるように、図１乃至図５を参照して上述したとおり、光学系２２の焦点距離Ｓ２が長くなるほど、スポット径が大きくなり、加工ムラが生じていた。

一方、図１３の上のグラフは、本発明の第２の実施の形態におけるレーザマーカ１０１の光学系１２２の球面収差の特性の例を示し、下のグラフは、レーザマーカ１０１のスポット径の特性の例を示している。

すなわち、レーザマーカ１０１においては、図１３の上のグラフに示されるように、光学系１２２の焦点距離Ｓ３’が最も長くなるときに球面収差が略０になり、焦点距離Ｓ３’が短くなるほど球面収差（の絶対値）が大きくなるように設計されている。

従って、図１４に模式的に示されるように、主面間距離ｄ１２を長くし、光学系１２２の焦点距離Ｓ３’を短くし、レーザ光の集光径が小さくなるほど、集光点（加工面）における球面収差が大きくなり、主面間距離ｄ１２を短くし、光学系１２２の焦点距離Ｓ３’を長くし、レーザ光の集光径が大きくなるほど、集光点（加工面）における球面収差が小さくなる。

これにより、光学系１２２の焦点距離Ｓ３’の変化に伴うレーザ光の集光径の変動分が、光学系１２２の球面収差の変動分により相殺され、図１３の下のグラフに示されるように、焦点距離Ｓ３’に関わらず、レーザ光のスポット径が略一定に保たれる。例えば、図１４の焦点距離Ｓ３’が短い場合の集光点Ｐａと、焦点距離Ｓ３’が長い場合の集光点Ｐｂとで、レーザ光のスポット径が略一定になる。

この第２の実施の形態の場合、光学系１２２の焦点距離Ｓ３’に関わらずレーザ光の集光径及び球面収差を略一定に保つ必要がないため、第１の実施の形態と比較して、光学設計が容易になり、また、安価で性能が低いレンズを使用することが可能になる。

＜３．変形例＞
以下、上述した本発明の実施の形態の変形例について説明する。

例えば、本発明の第１の実施の形態と第２の実施の形態を組み合わせるようにしてもよい。すなわち、光学系１２２の焦点距離Ｓ３’に対して、レーザ光の集光径と球面収差の両方を調整して、レーザ光のスポット径を一定に保つようにしてもよい。

また、本発明の第２の実施の形態を、例えば、図１の従来のレーザマーカ１に適用するようにしてもよい。すなわち、調整レンズを設けずに、光学系２２の焦点距離Ｓ２が長くなるほど、球面収差を小さくし、焦点距離Ｓ２が短くなるほど、球面収差を大きくして、レーザ光のスポット径を一定に保つようにしてもよい。

さらに、光学系１２２の各レンズは、それぞれ１枚のレンズにより構成するようにしてもよいし、複数のレンズにより構成するようにしてもよい。

また、レーザ光を走査する走査手段は、上述したガルバノミラー１２３に限定されるものではなく、デジタルミラーデバイス等の他の走査デバイスにより構成することが可能である。さらに、本発明は、レーザ光を１軸又は３軸以上の方向に走査する場合にも適用することができる。

また、本発明の適用範囲はレーザマーカに限定されるものではなく、レーザ光を走査してワークの加工を行う装置全般に適用することができる。例えば、レーザ光を用いて基板の加工を行う装置、太陽電池パネル等の薄膜を剥離する装置、穴あけ加工を行う装置等に適用することが可能である。

なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１０１レーザマーカ
１０２ワーク
１１１マーキングヘッド
１２１レーザ発振器
１２２光学系
１２３ガルバノミラー
１５１調整レンズ
１５２可動レンズ
１５３集光レンズ

Claims

レーザ光を走査してワークの加工面を加工するレーザ加工装置において、
第１乃至第３のレンズを含む光学系と、
前記光学系と前記加工面の間に配置され、前記光学系から出射された前記レーザ光を前記加工面において走査させる走査部と
を備え、
前記第１のレンズと前記第３のレンズの光軸方向の位置が固定され、前記第２のレンズは、前記第１のレンズと前記第３のレンズとの間において所定の可動範囲内で光軸方向に移動可能であり、
前記第１のレンズは前記レーザ光を集め、前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間の第１の距離が長くなるほど、前記第２のレンズに入射するレーザ光の径が小さくなり、
前記第２のレンズは前記レーザ光を広げ、前記第２のレンズと前記第３のレンズとの間の第２の距離が長くなるほど、前記第２のレンズに入射するレーザ光の径が大きくなり、
前記第３のレンズは、前記レーザ光を前記加工面において集光させる
レーザ加工装置。
前記第２のレンズの前記可動範囲内において、前記第１の距離が長くなるほど、前記加工面における前記レーザ光の集光径が小さくなる
請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記第２のレンズの前記可動範囲内において、前記第１の距離に関わらず、前記加工面における前記レーザ光の集光径が略一定になる
請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記第２のレンズの前記可動範囲内において、前記第１の距離が長くなるほど、前記加工面における前記レーザ光の球面収差が大きくなり、前記第１の距離が短くなるほど、前記加工面における前記レーザ光の球面収差が小さくなる
請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ加工装置。