JP7190808B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。
レーザ加工の効率を高めるために、レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームの１つのパルスから２つのパルスを切り出して２本のレーザビームで加工を行う２軸レーザ加工装置が公知である（例えば、下記の特許文献１参照）。特許文献１に開示されたレーザ加工装置においては、パルスレーザビームの１つのパルスが、音響光学素子により時間軸上で２つのパルスに分離され、２つのパルスがそれぞれ異なる光路を伝搬する。音響光学素子は、１つのパルスから加工用のパルスを切り出す機能と、１本の光路を２本の光路に分岐させる機能とを持つ。
特開２０１３－０７１１３６号公報
音響光学素子により分岐された２本の光路のなす角度は小さい。このため、分岐後の２本の光路に配置すべき光学部品が空間的に干渉しやすくなり、光学部品を配置する位置が制約を受ける。
本発明の目的は、レーザビームから加工に用いられる一部分を切り出し、２つの光路に分岐させるとともに、分岐後の光路に配置する光学部品の配置の制約を緩和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である。
本発明の一観点によると、
入射するレーザビームの偏光方向に応じて、入側の光路を出側の２つの光路に分岐させる分岐素子と、
前記分岐素子よりも上流側の光路に配置され、前記分岐素子でレーザビームのパワーが出側の２つの光路に分岐される向きに、レーザビームの偏光方向を変化させる偏光方向調整機構と、
前記分岐素子よりも上流側の光路に配置され、レーザビームから一部分を切り出して前記分岐素子に向かわせる切出機構と
を有し、
前記切出機構は、前記偏光方向調整機構より上流側の光路に配置されている音響光学素子を含み、前記音響光学素子によって切り出されたレーザビームを２つの光路に分岐させて加工を行うレーザ加工装置が提供される。
切出機構によって、レーザビームから加工に用いられる一部分を切り出すことができる。入射するレーザビームの偏光方向に応じて、入側の光路を２本の出側の光路に分岐させる分岐素子を用いることにより、音響光学素子で分岐させる構成と比べて、分岐後の２本の光路のなす角度を大きくすることができる。その結果、分岐後の光路に配置する光学部品の配置の制約を緩和することができる。
図１は、実施例によるレーザ加工装置の模式図である。 図２は、実施例によるレーザ加工装置の水平面内方向に着目した概略図である。 図３は、実施例によるレーザ加工装置の高さ方向に着目した概略図である。 図４は、他の実施例によるレーザ加工装置の模式図である。
図１～図３を参照して、実施例によるレーザ加工装置について説明する。
図１は、実施例によるレーザ加工装置の模式図である。レーザ光源１０が直線偏光されたパルスレーザビームを出力する。レーザ光源１０として、例えば炭酸ガスレーザ発振器を用いることができる。レーザ光源１０から加工対象物３０までの光路に、複数の光学素子が配置されている。なお、レーザビームの光路には、図１に示した光学素子の他にも、必要に応じてリレーレンズ、フィールドレンズ、ベンディングミラー等を配置してもよい。
レーザ光源１０から出力されたパルスレーザビームが、アパーチャ１１を通過して切出機構１２に入射する。アパーチャ１１は、光路を伝搬するレーザビームのビーム断面の一部（周辺部）を遮光し、残り（中心部）のレーザビームを透過させる。
切出機構１２は、光路上に配置された音響光学素子１３と、音響光学素子１３に駆動信号を与えるドライバ１４とを含む。音響光学素子１３はドライバ１４から駆動信号を受けて、音響光学素子１３に入射するパルスレーザビームのレーザパルスＬＰ１から一部分を切り出して回折させ、入力側の光路から偏向した出力側の光路に伝搬させる。切り出されたレーザパルスＬＰ２は、音響光学素子１３に入射するレーザパルスＬＰ１の時間軸上における一部分に相当する。レーザパルスＬＰ１の残りの部分は音響光学素子１３を直進して、ビームダンパに入射する。
切出機構１２によって切り出されたパルスレーザビームが、偏光方向調整機構１５に入射する。偏光方向調整機構１５は、光路に沿って伝搬するレーザビームの偏光方向を、予め設定された角度だけ変化させる。偏光方向調整機構１５は、例えば複数のミラーにより構成することができる。
偏光方向調整機構１５により偏光方向が変化されたレーザビームが、分岐素子１６に入射する。分岐素子１６は、入射するレーザビームの偏光方向に応じて、入側の光路を２本の出側の光路に分岐させる。分岐素子１６として、例えば偏光ビームスプリッタを用いることができる。偏光ビームスプリッタは、Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する。偏光方向調整機構１５は、例えばＰ偏光成分とＳ偏光成分とのパワー比が等しくなるように、偏光方向を変化させる。そうすると、分岐素子１６の出側の２本の光路を伝搬するパルスレーザビームのレーザパルスＬＰ３、ＬＰ４の各々の光強度が、分岐前のパルスレーザビームのレーザパルスＬＰ２の光強度の半分になる。
分岐後の２本の光路を伝搬するパルスレーザビームが、それぞれビーム走査器１７Ａ、１７Ｂ及び集光レンズ１８Ａ、１８Ｂを経由して、ステージ１９に保持された加工対象物３０に入射する。ビーム走査器１７Ａ、１７Ｂは、パルスレーザビームを二次元方向に走査する。ビーム走査器１７Ａ、１７Ｂとして、例えば一対のガルバノミラーを含むガルバノスキャナを用いることができる。集光レンズ１８Ａ、１８Ｂは、それぞれ走査されたパルスレーザビームを加工対象物３０の表面に集光させる。集光レンズ１８Ａ、１８Ｂとして、例えばｆθレンズを用いることができる。
ステージ１９は、加工対象物３０を、その被加工面に平行な二次元方向に移動させる機能を持つ。加工対象物３０は、例えば穴開け加工前のプリント基板である。プリント基板の被加工点にパルスレーザビームを入射させることにより、穴開け加工が行われる。ステージ１９として、例えばＸＹステージを用いることができる。
制御装置３５が、レーザ光源１０、切出機構１２、ビーム走査器１７Ａ、１７Ｂ、及びステージ１９を制御する。
図２は、実施例によるレーザ加工装置の水平面内方向に着目した概略図である。光学プレート２０の上面にレーザ光源１０、アパーチャ１１、音響光学素子１３、偏光方向調整機構１５、分岐素子１６、ビームダンパ２１、及びミラー２２Ａ、２２Ｂが固定されている。レーザ光源１０から出力されるパルスレーザビームの偏光方向ＰＤは、光学プレート２０の上面に対して平行である。アパーチャ１１を透過し、音響光学素子１３を直進したレーザビームがビームダンパ２１に入射する。
音響光学素子１３によって偏向された光路に沿って伝搬するレーザビームが偏光方向調整機構１５に入射する。音響光学素子１３によって偏向された光路に沿って伝搬するレーザビームの偏光方向ＰＤも、光学プレート２０の上面に対して平行である。
分岐素子１６によって分岐された後の２本の光路に沿って伝搬するレーザビームが、それぞれミラー２２Ａ、２２Ｂによって下方に向けて反射される。偏光方向調整機構１５を通過した後の光路に沿って伝搬するレーザビームの偏光方向ＰＤは、例えば光学プレート２０の上面に対して４５度傾いている。分岐素子１６を透過したレーザビームの偏光方向ＰＤは、光学プレート２０の上面に対して平行である。分岐素子１６によって反射されたレーザビームの偏光方向ＰＤは、光学プレート２０の上面に対して垂直である。
図３は、実施例によるレーザ加工装置の高さ方向に着目した概略図である。光学プレート２０の上面に、レーザ光源１０、アパーチャ１１、音響光学素子１３、偏光方向調整機構１５、分岐素子１６、及びミラー２２Ａ、２２Ｂが固定されている。レーザ光源１０から偏光方向調整機構１５までの光路は、光学プレート２０の上面に対して平行である。この光路を伝搬するレーザビームの偏光方向ＰＤは光学プレート２０の上面に対して平行である。
偏光方向調整機構１５の内部で、レーザビームが複数のミラーで反射されることにより、光学プレート２０の上面を基準とした光路の高さが変化する。偏光方向調整機構１５から分岐素子１６までの光路は、光学プレート２０の上面に対して平行である。この光路を伝搬するレーザビームの偏光方向ＰＤは光学プレート２０の上面に対して４５度傾いている。
分岐素子１６を直進し、ミラー２２Ａに入射するレーザビームの偏光方向ＰＤは光学プレート２０の上面に対して平行である。分岐素子１６で反射され、ミラー２２Ｂに入射するレーザビームの偏光方向ＰＤ（図２）は光学プレート２０の上面に対して垂直である。
ミラー２２Ａによって下方に向けて反射されたレーザビームは、光学プレート２０に設けられた開口を通過し、ビーム走査器１７Ａ及び集光レンズ１８Ａを経由して、ステージ１９に保持された加工対象物３０に入射する。同様に、ミラー２２Ｂによって下方に向けて反射されたレーザビームは、光学プレート２０に設けられた開口を通過し、ビーム走査器１７Ｂ及び集光レンズ１８Ｂを経由して、ステージ１９に保持された加工対象物３０に入射する。
次に、本実施例によるレーザ加工装置の持つ優れた効果について説明する。
本実施例では、レーザビームの偏光方向に応じて光路を分岐させる分岐素子１６、例えば偏光ビームスプリッタを用いる。このため、音響光学素子を用いて光路を分岐させる場合と比べて、分岐後の２本の光路のなす角度を大きく、例えば９０度にすることができる。これにより、分岐後の２本の光路に配置する光学部品が空間的に干渉しにくくなり、光学部品を配置する位置の自由度を高めることができる。
また、本実施例では、音響光学素子１３が偏光方向調整機構１５よりも上流側の光路に配置されている。偏光方向調整機構１５より上流側の光路を伝搬するレーザビームの偏光方向は、光学プレート２０の上面に対して平行である（図２、図３）。一般的に、音響光学素子は、入射するレーザビームの偏波面に対して平行となる面に設置して使用される。このとき、回折光は、音響光学素子が設置された面に平行な方向に伝搬する。本実施例においては、音響光学素子が設置される面（光学プレート２０の上面）と、音響光学素子に入射するレーザビームの偏波面とが平行になるため、音響光学素子１３により回折されたレーザビームの光路も、光学プレート２０の上面に対して平行になる（図３）。このため、複数の光学部品の光軸調整が容易であるという効果が得られる。
実施例では、アパーチャ１１（図１）が音響光学素子１３より上流側の光路に配置されている。音響光学素子１３に入射するレーザビームのパワーがアパーチャ１１によって弱められるため、音響光学素子１３の過熱による損傷を抑制することができる。
また、実施例では、分岐素子１６（図１）によってレーザビームのパワーが２本の光路に分岐される。２本の光路に分岐された後のパルスレーザビームのレーザパルスＬＰ３、ＬＰ４（図１）の波形は同一である。このため、２本の光路を伝搬するパルスレーザビームにより均質なレーザ加工を行うことができる。さらに、レーザ光源１０から出力されたレーザパルスＬＰ１（図１）の波形に応じて、レーザパルスＬＰ１から加工に最適な部分を切出機構１２（図１）で切り出すことができる。
次に、図４を参照して他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下、図１～図３に示した実施例によるレーザ加工装置と共通の構成については説明を省略する。
図４は、他の実施例によるレーザ加工装置の模式図である。図１に示した実施例では、音響光学素子１３が偏光方向調整機構１５より上流側の光路に配置されていたが、本実施例では、音響光学素子１３が偏光方向調整機構１５より下流側の光路に配置されている。
本実施例においても、図１に示した実施例と同様に、音響光学素子を用いて光路を分岐させる場合と比べて、分岐後の２本の光路のなす角度を大きくすることができるという効果が得られる。
本実施例では、音響光学素子１３に入射するレーザビームの偏光方向ＰＤが、光学プレートの上面に対して４５度傾いている。このため、音響光学素子１３による回折光の光路は、光学プレートの上面に対して斜めになる。従って、音響光学素子１３と分岐素子１６との間の光路に、光路を光学プレートの上面に対して平行にするためのミラーを配置することが好ましい。
次に、図１～図４に示した実施例の変形例について説明する。図１～図４に示した実施例では、分岐素子１６に入射するレーザビームの偏光方向を、分岐素子１６の入射面に対して４５度傾けることにより、分岐後の２本の光路を伝搬するレーザビームのパワーを等しくした。分岐後の２つのレーザビームのパワーには、レーザ加工の品質に影響を及ぼさない程度のばらつきがあってもよい。例えば、分岐後のレーザビームのパワーに、入射するレーザビームのパワーの１／２に対して３％以下のずれが生じてもよい。分岐素子１６に入射するレーザビームの偏光方向の、入射面に対する傾き角は厳密に４５度である必要はなく、許容されるパワーのずれに対応する程度の角度のずれが生じてもよい。
また、分岐後の２本の光路のレーザビームのパワーを必ずしも等しくさせる必要はない。２本の光路で加工する対象物の材料、加工する深さ等が異なる場合には、加工条件に応じてレーザビームのパワーの分岐比を異ならせてもよい。この場合には、分岐素子１６に入射するレーザビームの偏光方向の、入射面に対する傾き角を、パワーの分岐比に応じて設定すればよい。
上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
１０ レーザ光源
１１ アパーチャ
１２ 切出機構
１３ 音響光学素子
１４ ドライバ
１５ 偏光方向調整機構
１６ 分岐素子
１７Ａ、１７Ｂ ビーム走査器
１８Ａ、１８Ｂ 集光レンズ
１９ ステージ
２０ 光学プレート
２１ ビームダンパ
２２Ａ、２２Ｂ ミラー
３０ 加工対象物
３５ 制御装置
ＬＰ１、ＬＰ２、ＬＰ３、ＬＰ４ レーザパルス

Claims (5)

  1. 入射するレーザビームの偏光方向に応じて、入側の光路を出側の２つの光路に分岐させる分岐素子と、
    前記分岐素子よりも上流側の光路に配置され、前記分岐素子でレーザビームのパワーが出側の２つの光路に分岐される向きに、レーザビームの偏光方向を変化させる偏光方向調整機構と、
    前記分岐素子よりも上流側の光路に配置され、レーザビームから一部分を切り出して前記分岐素子に向かわせる切出機構と
    を有し、
    前記切出機構は、前記偏光方向調整機構より上流側の光路に配置されている音響光学素子を含み、前記音響光学素子によって切り出されたレーザビームを２つの光路に分岐させて加工を行うレーザ加工装置。
  2. 前記音響光学素子は、入射するレーザビームを回折させることにより一部分を切り出す請求項１に記載のレーザ加工装置。
  3. さらに、前記音響光学素子よりも上流側の光路に配置され、レーザビームのビーム断面の一部を遮光するアパーチャを有する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
  4. 前記音響光学素子、前記分岐素子、及び前記偏光方向調整機構が共通の光学プレートの上に配置されており、前記音響光学素子の入側及び出側の光路、前記偏光方向調整機構の入側及び出側の光路、及び前記分岐素子の入側の光路が、前記光学プレートに対して平行である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
  5. レーザビームから音響光学素子によって一部分を切り出し、
    前記音響光学素子によって切り出されたレーザビームの偏光方向を変化させ、
    偏光方向が変化したレーザビームを、偏光方向に応じて分岐させる分岐素子に入射させて２つの光路に分岐させ、
    前記分岐素子で分岐された２つのレーザビームで加工を行うレーザ加工方法であって、
    前記レーザビームの偏光方向を変化させるときに、偏光方向が変化したレーザビームが前記分岐素子で２つの光路に分岐するように偏光方向を変化させるレーザ加工方法。
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