JPH11347765A - レーザドリル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速加工が可能なレーザドリル装置を提供す
る。 【解決手段】 レーザ発振器１１からのレーザ光を、コ
リメータレンズ１３を通してカライドスコープに入射さ
せ、均一な強度のレーザ光とする。このレーザ光をバン
ドルファイバー１６で複数のレーザ光に分割し、それぞ
れマスク１８のマスク穴に照射する。マスク穴を通過し
たレーザ光をイメージングレンズ２０で集光し、リニア
ステージ２１上の被加工物２３に照射する。レーザ発振
器のレーザ発振は、リニアステージを移動させながら、
その位置に応じて行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザドリル装置
に関し、特に、高速加工が可能なレーザドリル装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ＹＡＧレーザや、ＣＯ₂レー
ザ、あるいはエキシマレーザ等からのレーザ光を用い
て、プリント基板などの被加工物に穴を空けるレーザド
リル装置が知られている。

【０００３】この種のレーザドリル装置では、被加工物
をワークステージに保持させ、被加工物の位置を決定し
た後、レーザ光を照射して穴あけ加工が行われる。ここ
で、従来のレーザドリル装置では、加工速度を向上させ
るために、ガルバノスキャナを用いて被加工物表面上で
のレーザ光の走査を可能にしたり、多穴マスクを用いて
複数の穴を同時に形成したりするようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザドリル装
置は、加工速度を向上させるために、ガルバノスキャナ
や、多穴マスク等を用いているが、いずれの場合も、ワ
ークステージによる被加工物の移動が終了した後に、被
加工物が停止した状態で、レーザ加工を行うものであ
る。

【０００５】ここで、レーザのパルス発振は、１ｋＨ
ｚ，２ｋＨｚ、といった高い周波数の発振が可能なの
で、例えば、１ショット加工を１穴ずつ行う場合には、
１０００穴／秒、２０００穴／秒の加工が理論上可能で
ある。さらに、２穴同時加工を行う場合には、２０００
穴／秒、４０００穴／秒の加工が理論上可能である。

【０００６】しかしながら、ワークステージの１回の移
動、停止には、高速移動が可能なものでも０．２〜０．
３秒の時間を要する。つまり、現実には、ワークステー
ジによる被加工物の移動、停止に要する時間によって、
レーザドリル装置の加工速度は決まるといってよい。

【０００７】また、ワークステージを全く動かさない場
合であっても、従来のレーザドリル装置では、ガルバノ
スキャナによる応答周波数が５００Ｈｚ程度であるた
め、その加工速度は、５００穴／秒程度に制限される。

【０００８】このように、従来のレーザドリル装置で
は、ワークステージの移動、停止、及びガルバノスキャ
ナの応答に時間がかかり、加工速度が制限されるという
問題点がある。

【０００９】本発明は、ワークステージによる被加工物
の移動に要する時間を抑え、高速加工が可能なレーザド
リル装置を提供することを目的とする。

【００１０】なお、特許番号第２６８７７９１号の特許
公報には、フォトンの利用効率の向上、及び高速加工を
目的として、光源とマスクとの間に光ファイバを配設し
た発明が開示されているが、この特許発明は、ワークス
テージの加工速度への影響を考慮したものではない。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、レーザ
光を発するレーザ発振器と、複数のマスク穴が形成され
たマスクと、前記複数のマスク穴に前記レーザ光を照射
するための光学系と、被加工物を保持移動させるための
ワークステージとを備えた、レーザドリル装置におい
て、前記レーザ発振器の発振と、前記ワークステージに
よる前記被加工物の移動をともに制御する制御手段を設
け、前記ワークステージを制御して前記被加工物を一定
速度で移動させながら、前記ワークステージの位置に応
じて前記レーザ発振器を発振させてレーザ穴あけ加工を
行なうようにしたことを特徴とするレーザドリル装置が
得られる。

【００１２】ここで、前記光学系は、複数の光ファイバ
ーを束ねたバンドルファイバーを含み、前記複数の光フ
ァイバーの先端が前記複数のマスク穴に対向して設けら
れている。

【００１３】また、前記光学系は、前記複数の光ファイ
バーに入射するレーザ光の光強度を均一にする均一光学
系を含む。

【００１４】さらに、前記マスクには、前記複数のマス
ク穴とは異なる径の別のマスク穴が形成されており、前
記光学系が、前記レーザ光を分岐するスプリッタと、該
スプリッタで分岐された一方のレーザ光を前記別のマス
ク穴に照射する光ファイバーとを含むようにしてもよ
い。

【００１５】前記レーザ発振器としては、ＹＡＧレーザ
が利用できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。

【００１７】図１に本発明の一実施の形態によるレーザ
ドリル装置を示す。このレーザドリル装置は、レーザ光
を発するレーザ発振器１１、レーザ発振器１１からのレ
ーザ光を２分岐するスプリッタ１２、スプリッタ１２で
分岐された一方のレーザ光を反射するミラー１３、スプ
リッタ１２で分岐された他方のレーザ光が入射するコリ
メーターレンズ１４、コリメータレンズ１４を通過した
レーザ光のエネルギー分布を均一にするカライドスコー
プ１５、複数の小径光ファイバーを束ねたバンドルファ
イバー１６、大径光ファイバー１７、バンドルファイバ
ー１６及び大径光ファイバー１７の先端に近接配置され
たマスク１８、マスクの穴を通過するレーザ光を遮るた
めの遮蔽板１９、マスクを通過したレーザ光を集光する
イメージングレンズ２０、被加工物を載置するためのワ
ークステージ（リニアステージ）２１、及びワークステ
ージを制御するとともにレーザ発振器を制御する制御部
２２を備えている。

【００１８】レーザ発振器１１としては、パルス発振す
るレーザ、例えばＹＡＧレーザが使用できる。

【００１９】スプリッタ１２は、レーザ発振器１１から
のレーザ光を、通常の穴あけ加工に使用されるレーザ光
と、アライメント用穴を形成するためのレーザ光とに分
岐する。

【００２０】ミラー１３は、スプリッタ１２で分岐され
た、アライメント用穴を形成するためのレーザ光を、大
径光ファイバー１７に導く。

【００２１】コリメーターレンズ１４は、スプリッタ１
２を通過した通常の穴空け加工用のレーザ光を集光す
る。

【００２２】カライドスコープ１５は、コリメータレン
ズ１４からのレーザ光であるガウシアンビームを、均一
な強度分布のビームに変換する。

【００２３】バンドルファイバー１６は、複数の小径光
ファイバーを束ねたものであり、カライドスコープ１５
からのレーザ光を複数の小径レーザ光に変換し、マスク
１８にその出射光を照射する。ここで、小径とはアライ
メント用穴を形成するためのレーザ光を導く大径光ファ
イバー１７及びその出射光に比べて径が小さいという意
味である。これらの小径光ファイバーの出射光は、カラ
イドスコープ１５の働きにより、全て均一の強度を持つ
とみなせる。

【００２４】なお、通常のバンドルファイバーは、その
入射側において、接着剤により束ねられているが、この
バンドルファイバーでは、金属ブロックに穴をあけ、そ
こに光ファイバーを挿入固定している。これは、大出力
のレーザ光が接着剤に照射された場合に、接着剤が融け
てしまう可能性があるからである。なお、このような構
成を採用することにより、各ファイバ間の距離が大きく
なるので、通常のバンドルファイバーよりもエネルギー
損失は大きくなる。

【００２５】大径光ファイバー１７は、ミラー１３で反
射されたレーザ光をマスク１８に導く。この大径光ファ
イバー１７は、矢印Ａで示すように、ミラー１３で反射
されたレーザ光の光路上から外せるようにしてある。

【００２６】マスク１８は、所定の間隔で、所定の径の
マスク穴が複数形成されている。通常、所定の間隔及び
所定の径は、それぞれ、被加工物に形成される穴の間隔
及び穴の径の１０倍程度に設定される。バンドルファイ
バー１６の小径光ファイバー及び大径光ファイバーの出
射側先端は、これらマスク１８に形成されたマスク穴に
対向するように配置される。なお、マスク穴の径は、こ
れら光ファイバーから出射するレーザ光の径よりも小さ
いものでなければならない。

【００２７】遮蔽板１９は、マスク１８のマスク穴を通
過するレーザ光を遮断するために使用されるもので、ア
ライメント用穴のみを形成する場合や、形成する穴の数
を調整する場合などに使用される。

【００２８】イメージングレンズ２０は、マスク像を所
定の倍率で縮小して、リニアステージ２１上に載置され
た被加工物の表面に結像させる。このイメージングレン
ズは、図の上下方向のずれに強い両テレセントリックレ
ンズが使用される。このようなレンズを用いることによ
り、マスク穴を通過したレーザ光を、被加工物にほぼ垂
直に入射させることができる。

【００２９】リニアステージ２１は、被加工物を保持固
定するための保持部を有している。保持部は、例えば被
加工物の隣り合う２辺に当接する突条部と、他の２辺を
抑えるマグネットを備える。そして、このリニアステー
ジ２１は、保持した被加工物をｘ方向及びｙ方向に移動
させることができる。しかも、少なくとも一方向には、
一定速度で、被加工物を移動させることができる。

【００３０】制御部２２は、リニアステージ２１の駆動
制御を行なうとともに、レーザ発振器１１の発振制御を
行なう。

【００３１】以下、このレーザ加工装置の動作について
説明する。

【００３２】まず、セラミックグリーンシート等の被加
工物２２をリニアステージ２１上に載置し、リニアステ
ージ２１に被加工物２２を保持固定させる。

【００３３】次に、制御部２２は、リニアステージ２１
を図のｙ方向に一定速度で移動させる。同時に、レーザ
発振器１１を周期的に、リニアステージの位置に応じて
発振させる。つまり、制御部２２は、リニアステージを
ｙ方向に一定速度で移動させつつ、リニアステージが所
定の移動距離を移動する毎にレーザ発振器１１へトリガ
ーを出力してパルス発振させる。

【００３４】このとき、アライメント用穴を形成する場
合は、大径光ファイバー１７が、ミラー１３で反射され
るレーザ光の光路上に配置される。逆にアライメント用
穴を形成しない場合には、大径光ファイバー１７は、ミ
ラー１３で反射されるレーザ光の光路上から外される。

【００３５】また、形成しようとする穴の数に応じて、
遮蔽板１９がマスクからのレーザ光を遮断するように配
置される。

【００３６】レーザ発振器１１から出射したレーザ光
は、スプリッタ１２で分岐され、一方はミラー１３で反
射される。また、スプリッタ１２で分岐された他方のレ
ーザ光は、コリメーターレンズ１４で集光され、拡散し
ながらカライドスコープに入射する。カライドスコープ
は、ガウシアンビームであるレーザ光を、均一な光強度
を持つレーザ光に変換し、バンドルファイバー１６の各
小径光ファイバーに入射させる。バンドルファイバー１
６に入射したレーザ光は、マスク１８のマスク穴に向け
て照射される。

【００３７】一方、ミラー１３で反射されたレーザ光
は、光路上に大径光ファイバー１７が置かれている場合
に、この大径光ファイバー１７に入射する。大径光ファ
イバーに入射したレーザ光は、マスク１８上のアライメ
ント穴用マスク穴に照射される。

【００３８】マスク１８に照射されたレーザ光は、その
一部が、マスク穴を通過し、イメージングレンズにより
集光されて被加工物に照射される。

【００３９】レーザ光が照射された被加工物では、レー
ザアブレーションが生じ、瞬時にして穴が形成される。

【００４０】本実施の形態では、上記の動作を、リニア
ステージ２１を移動させながら、その位置に応じて繰り
返し行なうので、被加工物には、所定の間隔で連続的に
穴が形成される。ここでは、リニアステージの移動、停
止に要する時間を考慮する必要が無いので、従来よりも
高速加工が可能になる。

【００４１】

【実施例】レーザ発振器１１としてＹＡＧレーザを用い
る。その特性は、出力：４００Ｗ，エネルギー：１．５
Ｊ／パルス、パルス発振周波数：約２５０Ｈｚ、出射
光：ガウシアンビーム、である。

【００４２】バンドルファイバー１６として、出射光径
が１．２mmの小径光ファイバーを１６本束ねたものを用
いる。

【００４３】マスク１８には、径０．２５〜１．０mmの
範囲で任意の径のマスク穴が、１６穴、８mmの間隔で直
線状に配列されている。なお、アライメント用のマスク
穴は、これより径が大きいとする。

【００４４】イメージングレンズ２０は、マスクに形成
された穴が１６穴で、その間隔が８mmであって、１６×
８＝１２８、であるので、これより大きな径、例えば径
１５０mmのレンズとする。なお、イメージングレンズ２
０は、マスク像を１／１０にして被加工物に投影するも
のとする。

【００４５】リニアステージ２１は、０．１μｍの分解
能のスケールを有し、最大速度１００mm／秒で走行す
る。

【００４６】以上のような構成において、１３５mm（ｘ
方向）×１３５mm（ｙ方向）のエリアの加工を行なう場
合について説明する。

【００４７】ｘ方向に０．８mm、ｙ方向に０．４mmの間
隔の穴を形成する場合、ｘ方向については、１３５mm÷
（０．８mm×１６）≒１０．５、であるから、１１回の
スキャンが必要になる。また、ｙ方向については、１３
５mm÷０．４mm＝３３７．５、であるから、３３８回の
スキャンが必要になるが、本実施例では、ｙ方向のスキ
ャンは一定速度で行なう。

【００４８】ｙ方向に関して、０．４mmピッチの穴を２
５０Ｈｚの周波数で形成するものとすると、０．４mm×
２５０＝１００mm／秒、の移動速度が必要になる。換言
すると、リニアステージ２１を１００mm／秒で移動させ
ながら、パルス発振周波数２５０Ｈｚのレーザ発振器か
らのレーザ光で加工を行なうと、０．４mmピッチの穴を
形成することができる。このとき、ｙ方向の１回のスキ
ャンに要する時間は、１３５mm÷１００mm／秒＝１．３
５秒である。

【００４９】ｘ方向に関しては、１２．８mmの移動が必
要で、それに要する時間を１秒と仮定する。

【００５０】以上のことから、本実施の形態による、レ
ーザドリル装置を用いて、１３５mm×１３５mmのエリア
の加工を行なうには、１．３５秒×１１スキャン＋１秒
×１１回≒２６秒、の時間を要する。そして、このとき
形成される穴の数は、ｘ方向が、１３５÷０．８＝１６
８．７５、であるから、１６９穴。ｙ方向が、１３５÷
０．４＝３３７．５であるから、３３８穴である。従っ
て、このエリアに形成される穴の数は、１６９×３３８
＝５７１２２穴、である。従って、このレーザドリル装
置の平均加工速度は、５７１２２÷２６＝２１９７穴／
秒である。

【００５１】なお、上記説明では、アライメント用穴の
加工を行なわない場合について説明した。アライメント
用穴の加工を行なう場合は、時間を要するため、平均加
工速度は、低下するが、それは、従来の場合も同じこと
である。

【００５２】また、上記説明では、碁盤状に穴を形成す
る場合について説明したが、千鳥状に穴を空けるように
しても、碁盤状に穴を形成する場合の約２倍の時間を要
するが、それでも、従来よりも高速加工が可能である。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、被加工物を移動させな
がら、レーザ発振器からのレーザ光を照射させるように
したことで、高速穴あけ加工が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す概略図である。

【符号の説明】 １１ レーザ発振器 １２ スプリッタ １３ ミラー １４ コリメーターレンズ １５ カライドスコープ １６ バンドルファイバー １７ 大径光ファイバー １８ マスク １９ 遮蔽板 ２０ イメージングレンズ ２１ ワークステージ（リニアステージ） ２２ 制御部 ２３ 被加工物

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を発するレーザ発振器と、複数
   のマスク穴が形成されたマスクと、前記複数のマスク穴
   に前記レーザ光を照射するための光学系と、被加工物を
   保持移動させるためのワークステージとを備えた、レー
   ザドリル装置において、 前記レーザ発振器の発振と、前記ワークステージによる
   前記被加工物の移動をともに制御する制御手段を設け、
   前記ワークステージを制御して前記被加工物を移動させ
   ながら、前記ワークステージの位置に応じて前記レーザ
   発振器を発振させてレーザ穴あけ加工を行なうようにし
   たことを特徴とするレーザドリル装置。
2. 【請求項２】 前記光学系が、複数の光ファイバーを束
   ねたバンドルファイバーを含み、前記複数の光ファイバ
   ーの先端が前記複数のマスク穴に対向して設けられてい
   ることを特徴とする請求項１のレーザドリル装置。
3. 【請求項３】 前記光学系が、前記複数の光ファイバー
   に入射するレーザ光の光強度を均一にする均一光学系を
   含むことを特徴とする請求項２のレーザドリル装置。
4. 【請求項４】 前記マスクには、前記複数のマスク穴と
   は異なる径の別のマスク穴が形成されており、前記光学
   系が、前記レーザ光を分岐するスプリッタと、該スプリ
   ッタで分岐された一方のレーザ光を前記別のマスク穴に
   照射する光ファイバーとを含むことを特徴とする請求項
   ２または３のレーザドリル装置。
5. 【請求項５】 前記レーザ発振器がＹＡＧレーザである
   ことを特徴とする請求項１，２，３、または４のレーザ
   ドリル装置。
6. 【請求項６】 被加工物を移動させつつ、レーザ発振器
   からのレーザ光を周期的に前記被加工物に照射して、前
   記被加工物に連続的に穴をあけることを特徴とするレー
   ザ穴あけ加工方法。