JP7092155B2

JP7092155B2 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法

Info

Publication number: JP7092155B2
Application number: JP2020012181A
Authority: JP
Inventors: 覚加藤; 貫一角田; 元加藤
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2020-01-29
Filing date: 2020-01-29
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2040-01-29
Also published as: JP2021115620A

Description

本発明はレーザ加工装置等に関する。

微細または高精度な加工等は、レーザ加工によりなされることが多い。加工品質の向上等を目的として、レーザ光のビーム形状（ビームプロファイル）を変更することが提案されている。これに関する記載が、例えば、下記の特許文献にある。

特開２００８－４９３６１号公報特開２０１３－２４１３０１号公報

特許文献１は、シリンドリカルレンズにより円状ビームから整形した複数の楕円状ビームを、光軸まわりに重畳させて合成したレーザ光で加工することを提案している。

特許文献２は、シリンドリカルレンズ等のビーム調整光学系によるビーム整形と、マスクによるプロファイル整形とを行ったレーザ光を、所定のパルス幅で照射して加工することを提案している。

シリンドリカルレンズを用いて整形された楕円状ビームは、その集光ビームの焦点位置が長軸側と短軸側で異なる。このため、シリンドリカルレンズを用いると、所望の楕円率のレーザビームが安定して得られない。

アナモルフィックプリズムペア（Anamorphic Prism Pairs）を用いて楕円状ビームを整形すると、そのような焦点位置のずれは解消されるが、入射光と出射光の間で光軸のずれを生じる。このため、変換前の円状ビームと変換後の楕円状ビームとをそのまま併用してレーザ加工を行うと、光軸のずれによる収差を生じて、加工精度や加工効率が低下し得る。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、略円形のレーザビームと略楕円形のレーザビームとの間に生じる光軸のずれ（光軸差）を解消しつつ、両者を併用できるレーザ加工装置等を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、アナモルフィックプリズムペアを通過した際に生じる光軸のずれ量と同じだけ、光軸を移動させる光軸調整器を新たに設けることを思いついた。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《レーザ加工装置》
（１）本発明は、レーザ光源と、該レーザ光源から加工対象であるワークまでの間に配設されてレーザ光のビーム形状を変更する変更手段と、を備えるレーザ加工装置であって、該変更手段は、該ビーム形状を円形と楕円形の間で変換するアナモルフィックプリズムペアからなる形状変換器と、該レーザ光の入射面と出射面が平行で該ビーム形状を維持したまま、該レーザ光の入射光軸と該レーザ光の出射光軸を平行移動させる光軸調整器と、該形状変換器と該光軸調整器のいずれか一方へ該レーザ光を入射させる切替手段とを有し、該形状変換器による入射光軸と出射光軸のずれ量と該光軸調整器による入射光軸と出射光軸の移動量とが等しいレーザ加工装置である。

（２）本発明のレーザ加工装置（単に「加工装置」ともいう。）では、ビーム形状が略円形であるレーザ光とビーム形状が略楕円形であるレーザ光との間で生じ得る光軸差（入射光軸と出射光軸のずれ）が同じになる。このため、本発明の加工装置を用いると、ビーム形状を変更した場合でも、収差を抑止して高精度または高効率なレーザ加工が可能となる。

《レーザ加工方法》
（１）本発明はレーザ加工方法（単に「加工方法」という。）としても把握できる。例えば、本発明は、加工対象であるワークにビーム形状が略円形のレーザ光を照射して貫通部を形成する第１工程と、該ビーム形状が略楕円形のレーザ光を該貫通部を基点に走査させつつ該ワークへ照射して、該ワークを切断する第２工程とを備え、該第２工程は、該略楕円形のビーム形状の長軸方向に沿って該レーザ光を走査させるレーザ加工方法でもよい。

（２）この場合、第１工程で高エネルギー密度のレーザ光が照射されて形成された貫通部を起点に、第２工程で略楕円形のビーム形状の長軸方向に沿ってレーザ光が照射（走査）され、ワークが切断される。これにより、単に略円形のレーザ光だけで加工する場合よりも、楕円率（長軸長さ／短軸長さ）に応じた高速走査が可能となり、ワークの加工効率の向上（加工時間の短縮）が図られる。

なお、本発明の加工方法は、例えば、上述した本発明のレーザ加工装置を用いてなされるが、それ以外の加工装置を用いてなされてもよい。

《その他》
（１）レーザ光源から放出されるレーザ光（形状変換器または光軸調整器への入射前のレーザ光）のビーム形状（「原ビーム形状」という。）は、略円形でも略楕円形でもよい。原ビーム形状が略円形の場合、例えば、形状変換器の入射光、光軸調整器の入射光および出射光の各ビーム形状は略円形であり、形状変換器の出射光のビーム形状は略楕円形となる。原ビーム形状が略楕円形の場合、例えば、形状変換器の入射光、光軸調整器の入射光および出射光の各ビーム形状は略楕円形であり、形状変換器の出射光のビーム形状は略円形となる。

本明細書でいう「ビーム形状」は、光軸に垂直な横断面に現れるレーザ光の外周形状である。ビーム形状は、必ずしも、厳密な輪郭線を伴う必要はなく、全体観察により評価されれば足る。なお、「光軸」は、各ビーム形状の断面中心の軌跡である。

（２）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ～ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ～ｂ」のような範囲を新設し得る。特に断らない限り、本明細書でいう「ｘ～ｙｎｍ」はｘｎｍ～ｙｎｍを意味する。他の単位系についても同様である。

アナモルフィックプリズムペアを例示する模式図である。アナモルフィックプリズムペアに係る楕円率（Ｄ_ｏｕｔ／Ｄ_ｉｎ）と配置角度（α_１、α_２）の関係を示すグラフである。形状変換器と光軸調整器を例示する模式図である。レーザ加工装置によるピアシング（第１工程）を示す模式図である。レーザ加工装置による切断（第２工程）を示す模式図である。

本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明の加工装置、加工方法、加工物等に該当し得る。「方法」に関する構成要素は「物」に関する構成要素となり得る。

《加工装置》
（１）形状変換器
形状変換器は、アナモルフィックプリズムペア（単に「プリズムペア」ともいう。）からなる。一例であるプリズムペア１を図１Ａに示した。

プリズムペア１は、（第１）プリズム１１と（第２）プリズム１２からなる。プリズム１１は、（第１）入射面１１１と（第１）出射面１１２を有する。プリズム１２は、（第２）入射面１２１と（第２）出射面１２２を有する。

プリズム１１とプリズム１２は、プリズム１１への入射光軸とプリズム１２からの出射光軸が平行となるように、それらの形状と配置が決定される。例えば、同形状なプリズム１１とプリズム１２が、その一方を反転して配置される。なお、各プリズムは、筐体（マウント）等に収容され、相互の位置関係が固定される。

図１Ａに示すように、プリズム１１とプリズム１２が台形状（紙面に平行な断面）の柱体（板体を含む。）からなる場合、ビーム形状の変換倍率（楕円率：長軸長さ／短軸長さ）と、入射光軸と出射光軸のずれ量（Δｄ１）は、例えば、入射面１１１と出射面１１２のなす角（第１頂角：θ１という。）、入射面１２１と出射面１２２のなす頂角（第２頂角：θ２という。）、プリズム１１の配置角度（α１）、プリズム１２の配置角度（α２）、プリズム１１とプリズム１２の離間距離（出射面１１２と入射面１２１の距離）等により定まる。

なお、配置角度（α）は、プリズム１１への入射光軸に対する直交面またはプリズム１２からの出射光軸に対する直交面から、時計回りに測定した角度である。

一例として、同じ台形柱状（θ１＝θ２＝３０°）のプリズム１１とプリズム１２を図１Ａに示すように上下逆向きに配置したとき、その楕円率（Ｄｏｕｔ／Ｄｉｎ）と配置角度（α１、α２）の関係は、例えば、図１Ｂに示すようになる。

なお、図１Ａおよび図１Ｂでは、プリズム１１への入射光のビーム形状が略円形であり、プリズム１２からの出射光のビーム形状が略楕円形となる場合を示した。また、図１Ｂに例示した関係は、入射光の波長（λ）：６７０ｎｍ、各プリズムの屈折率（ｎ＝１．５１）のときである。

（２）光軸調整器
光軸調整器は、平行な入射面と出射面を有する柱体（板体を含む。）からなる。光軸調整器の入射光と出射光は、ビーム形状が同じで、光軸が平行移動する。

光軸調整器の一例である平行平板２を、上述したプリズムペア１と共に図２に示した。平行平板２は、平行な入射面２１と出射面２２を有する。平行平板２の配置（レーザ光の入射角度）、厚さ（入射面２１と出射面２２の間隔）、材質（屈折率）は、入射光軸と出射光軸の平行移動量（Δｄ２）が、既述したプリズムペア２のずれ量（Δｄ１）と等しくなるように設定される。

例えば、先ず、平行平板２の入射面２１とプリズム１１の入射面１１１が平行となるように平行平板２を配置する。次に、入射面２１から出射面２２までの光学距離とプリズムペア１の入射面１１１から入射面１２１までの光学距離とが等しくなるように、平行平板２の厚さ（光軸調整器の幅）を設定する。なお、光学距離は、各媒質（プリズム１１または平行平板２）の屈折率ｎと通過距離ｌとの積（ｎｌ）の和（Σｎｌ）として算出される。

（３）切替手段
切替手段は、レーザ光源から放出されたレーザ光の入射先を、形状変換器と光軸調整器のいずれか一方に切り替える。これにより、ワークに照射するレーザ光のビーム形状が切り替えられる。

切替手段は、例えば、形状変換器と光軸調整器を搭載したベース（基台）を移動させる駆動機構により実現される。ベースの駆動機構は、例えば、駆動源（サーボモータ、リニアモータ、ソレノイド等）、ギア（例えば、ラック・ピニオン）、リンク等から構成される。ベースの移動は、直線運動でも、回転運動でもよい。

（４）加工装置は、形状変換器または光軸調整器からの出射光を集光して、ワークへ照射する集光レンズを備えるとよい。これにより、レーザ光の高エネルギー密度化を図れる。ワークに対するレーザ光の走査は、ワーク側（ステージ等）を移動させてなされても、レーザ光側を移動させてなされてもよい。

《レーザ光源》
レーザ光源は、ワークの材質や加工の種類等に応じて、適宜、選択される。レーザは、レーザ媒質の相違により、固体レーザ、気体レーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ等がある。固体レーザは、例えば、レーザ媒質がＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４等であり、発振波長が１０６４ｎｍである。気体レーザは、例えば、レーザ媒質がＣＯ_２であり、発振波長が１０６００ｎｍ（１０．６μｍ）である。気体レーザは、ＴＥＡ（transversely excited atmospheric pressure）ＣＯ_２レーザでもよい。半導体レーザは、例えば、レーザ媒質（活性層）がＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ等からなり、発振波長は様々である。ファイバーレーザは、例えば、ファイバーのコア（例えばＹｂを含む）をレーザ媒質とし、発振波長が１０００～１１５０ｎｍである。

《ワーク》
ワークは、レーザ加工が可能である限り、材質や形態等を問わない。ワークの材質は、例えば、金属、樹脂、セラミックス、複合材等である。ワークの形態は、例えば、（薄）膜状、板状、塊状等である。ワークは、単一部材に限らず、複数部材からなる積層体（例えば、多層回路基板等）や組立体等でもよい。

《レーザ加工》
レーザ加工は、例えば、ワーク（被加工物）に略円状のレーザビームを照射する第１工程と、ワーク（被加工物）に略楕円状のレーザビームを照射する第２工程とによりなされる。

一例として切断（分断に至らないスリット形成を含む）を行う場合、第１工程で、ビーム形状が略円形で高エネルギー密度なレーザ光を照射すれば、貫通部が短時間に形成される。また第２工程で、その貫通部を起点として、略楕円形のビーム形状の長軸方向へレーザ光を走査させると、従来より高い走査速度で切断できる。

なお、貫通部（貫通孔）形成や切断の他、窪み（凹部）形成、溝形成、スクライビング、トリミング、マーキング等を、上述したレーザ加工で行ってもよい。

ビーム形状を変更できるレーザ加工装置を用いて、ワークの切断加工する場合を例示しつつ、本発明をさらに具体的に説明する。

《加工装置》
レーザ加工装置Ｓ（単に「装置Ｓ」という。）の要部を図３Ａおよび図３Ｂ（両者を併せて単に「図３」という。）に模式的に示した。

装置Ｓは、レーザ発振器からなるレーザ光源Ｌ（単に「光源Ｌ」という。）と、光源Ｌから放出されたビーム形状を変更する変更機器Ｂ（変更手段）と、変更機器Ｂを通過したレーザ光を集光してワークＷに照射するレンズＦとを備える。

変更機器Ｂは、アナモルフィックプリズムペア１（単に「プリズムペア１」という。／形状変換器）と、平行平板２（光軸調整器）と、それらを搭載するベース３と、ベース３の駆動機構（切替手段）とを備える。その駆動機構は、ベース３を直線的な２点間で移動させることにより、プリズムペア１と平行平板２のいずれか一方を、光源Ｌから放出されたレーザ光の入射光路中に配置する。駆動機構は、例えば、ベース３を誘導するリニアガイドと駆動源であるモータ等により構成される。

プリズムペア１と平行平板２の詳細は既述した通りであり、プリズムペア１の光軸ずれ量（Δｄ１）と、平行平板２による光軸の移動量（Δｄ２）が等しくなるように、形状、材質、配置が調整されている（図２参照）。

《加工方法》
装置Ｓを用いたワークＷの切断は、例えば、次のようにしてなされる。

（１）ピアシング（第１工程）
図３Ａに示すように、駆動機構を作動させて、平行平板２を入射光路中に配設する。ビーム形状が略円形であるレーザ光は、平行平板２の入射面２１へ斜めから入る。その入射光は、ビーム形状を維持したまま、Δｄ２だけ光軸を移動させて、出射面２２から出る。その出射光は、レンズＦで集光され高エネルギー密度化されて、ワークＷの加工点に照射される。このとき照射されるレーザビームは、レンズＦへの入射前よりも小径化された略円形のビーム形状となっている。こうして、その加工点（照射位置）には、微細な略円形の貫通孔（貫通部）が形成される。

（２）切断（第２工程）
図３Ｂに示すように、駆動機構を作動させて、プリズムペア１を入射光路中に配設する。ビーム形状が略円形であるレーザ光は、プリズムペア１の入射面１１１へ斜めから入る。その入射光は、ビーム形状を略楕円形に変換されると共に、Δｄ１だけ光軸をずらせて、出射面１２２から出る。その出射光は、レンズＦで集光され高エネルギー密度化されて、ワークＷの加工点に照射される。このとき照射されるレーザビームは、レンズＦへの入射前よりも縮小された略楕円形のビーム形状となっている。

図３Ｂには、ビーム形状が横方向（紙面の垂直方向）に長く、縦方向（紙面の上下方向）に短い略楕円形となる場合を示した。このような略楕円形のレーザ光を、既に形成されている貫通孔を基点として、横方向（紙面の垂直方向）へ走査させる。

その走査は、例えば、ワークＷを載置しているステージを横方向に所定速度（例えば一定速度）で移動させることによりなされる。なお、その走査は、ワークＷのステージを固定したまま、ガルバノミラー、ポリゴンミラー等を介してなされてもよい。

ビーム形状の断面積をほぼ等しくした略円形のレーザ光と略楕円形のレーザ光とを、それぞれ走査させてワークを切断する場合を比較すると、前者よりも後者は、細く長い領域にエネルギー密度が集約される。その結果、前者よりも後者は、より大きな走査速度で効率的な切断を行い得る。また、前者よりも後者は、切断に要する幅が小さいため、高精度な切断を行い得る。

１アナモルフィックプリズムペア（形状変換器）
２平行平板（光軸調整器）
３ベース
Ｌレーザ光源
Ｆレンズ
Ｗワーク

Claims

レーザ光源と、
該レーザ光源から加工対象であるワークまでの間に配設されてレーザ光のビーム形状を変更する変更手段と、
を備えるレーザ加工装置であって、
該変更手段は、
該ビーム形状を円形と楕円形の間で変換するアナモルフィックプリズムペアからなる形状変換器と、
該レーザ光の入射面と出射面が平行で該ビーム形状を維持したまま、該レーザ光の入射光軸と該レーザ光の出射光軸を平行移動させる光軸調整器と、
該形状変換器と該光軸調整器のいずれか一方へ該レーザ光を入射させる切替手段とを有し、
該形状変換器による入射光軸と出射光軸のずれ量と該光軸調整器による入射光軸と出射光軸の移動量とが等しいレーザ加工装置。
前記レーザ光源から放出されるレーザ光は、前記ビーム形状が略円形である請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記形状変換器または前記光軸調整器からの出射光を集光して前記ワークへ照射する集光レンズを備える請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
請求項１～３のいずれかに記載のレーザ加工装置を用いてなされるレーザ加工方法であって、
加工対象であるワークにビーム形状が略円形のレーザ光を照射して貫通部を形成する第１工程と、
該ビーム形状が略楕円形のレーザ光を該貫通部を基点に走査させつつ該ワークへ照射して、該ワークを切断する第２工程とを備え、
該第２工程は、該略楕円形のビーム形状の長軸方向に沿って該レーザ光を走査させるレーザ加工方法。