JPS63278692A - レ−ザ−加工装置に於ける自動焦点機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はレーザー加工装置に関し、特にレーザー加工
装置の焦点機構に関す。

〔従来技術とその問題点〕

レーザーを用いて金属の切断、掘削等を行わせるための
装置は、既に実用化されているのであるが、このような
従来からの装置を、加工面の面粗度が数μｍ以下を必要
とするフェライト素材の加工にそのまま適用することは
できない。そこで、本願出願人等はレーザーを用いてフ
ェライト素材を微細加工する方法について研究開発し、
昭和６２年２月２７日付で、特許出願している。

即ち、被加工物であるフェライト素材を配置したチャン
バー内にハロゲン又はハロゲン化合物を充填し、上記フ
ェライト素材に対して適当なパワーのレーザー光を照射
し、微細な加工を行おうとするものであり、磁気ヘッド
のトラック部の加工に有益である。また、この方法の適
用分野は特にフェライト素材の加工に限定されるもので
はなく、セラミック或いは金属の微細加工にも応用でき
る。

この方法は、上記のように高精度の微細加工を行うため
に開発されたものであり、従って、条件の選択幅は極め
て限定され、特定の条件から外れて実施された場合には
所期の精度、加工深さ、或いは加工速度を得ることはで
きない。レーザー光の焦点位置が適性な位置になってい
るか否かも重要な条件の−っであり、レーザー光の焦点
位置が適性な位置から僅かでも狂うと所定のレーザーパ
ワー密度を得ることが出来ず、従って、レーザーパワー
か弱くなって加工深さや精度に影響を与えることになる
。

この方法を実施する上に於いて、レーザー光の焦点が所
定に位置に合っているか否かの確認をする必要上、加工
前に被加工物の表面を観察できるようになっている。と
ころで、被加工物表面にレーザー光を照射すると、その
時点で既に加工が開始されたことになるので、被加工物
表面がらのレーザー光の反射を利用して、被加工物表面
の状態を観察しようとしても出来ない。そこで、レーザ
ー光とは別の弱い観察用の照明光を用いている。

即ち、先ず観察用の照明光を用いて肉眼あるいは撮像素
子を用いて電気的手段より得られた像を観察しながら焦
点合わせを行い、次に、加工に際してはレーザー光を照
射するようになっている。

しかしながら、このように観察用の照明光を用いて焦点
合わせを行った場合、該照明光とレーザー光の波長の相
違からレーザー光での焦点位置が僅かにずれることがあ
る。また、上記の方法の実施に使用されるダイクロイッ
クミラーや無限遠焦点レンズ等入射経路に配設される光
学素子が厳密な意味で所期の特性を有していない場合が
あり、観察用の照明光とレーザー光の入射経路が異なる
場合に焦点位置が異なる場合がある。更に、上記方法を
最も効率良〈実施するための焦点位置は、必ずしも被加
工物の表面位置でない場合もあり、観察用の照明光によ
って被加工物の表面位置に焦点合わせをしても、実際の
加工に必要とする焦点位置はそれより浅い或いは深い位
置である場合がある。

以上のような背景の下に一旦観察用の照明光で焦点合わ
せをした後、レーザー光を照射する時点で改めて焦点を
合わせ直す必要がある。

〔発明の目的〕

この発明は、上記従来の事情に鑑みて提案されたもので
あって、観察用の照明光による焦点合わせの後、レーザ
ー光を被加工物に照射したとき、実際の加工に必要な位
置に自動的にレーザー光の焦点が位置するようにした自
動焦点装置を提供することを目的とするものである。

〔目的を達成するための手段〕

この発明は、上記目的を達成するために、以下の手段を
採用している。即ち、ダイクロインクミラーとレンズを
介して、被加工物にレーザー光を照射するためのレーザ
ー光照射手段と、観察用の照明光を上記ダイクロイック
ミラーとレンズを透過させて被加工物に照射するための
観察用の照明光照射手段と、この観察用の照明光に基づ
いて手動あるいは電気的処理によって被加工物上に焦点
を合わせるための焦点合わせ手段と、上記焦点合わせが
完了したとき、レーザー光の焦点を加工に必要な適性な
位置に調整する焦点調整手段と、該焦点調整手段が作動
する前あるいは後にレーザー光照射手段を作動させる加
工開始制御手段とを備えたものである。

上記ダイクロイックミラーは特定波長の光の全部または
一部を選択的に反射するミラーであり、ここでは使用さ
れるレーザ光を反射し、それ以外の波長の光を透過でき
るようになっている。また上記ダイクロイックミラーの
反射率（透過率）は自在に設計することができる。更に
、上記焦点合わせ手段は被加工物の表面像を捉えること
ができる、肉眼あるいは光電素子による観察機構を有し
ており、この観察機構によって捉えられた像に基づいて
焦点合わせを行う。

上記焦点調整手段は焦点合わせが完了したときに自動的
に、或いは調整指示キーを押すことによって作動するよ
うになっている。

上記加工開始制御手段は、上記焦点調整手段による焦点
調整が完了した後、或いは焦点調整手段が作動する前に
、光学筒の前面に配置させたシャッターを開くようにな
っている。

上記構成により、観察用の照明光によって合わせられた
焦点位置を加工走査に適したレーザー光の焦点位置に合
わせることができ、フェライト加工、或いはセラミック
スや金属加工に於いて所望の加工深さ、精度を得ること
ができる。

〔実施例〕

第１図はこの発明が適用される装置の一例を示すもので
ある。ＸＹステージ１３上に配設されたチャンバー２内
には、テーブルホールダー４が着脱自在に取り付けられ
るようになっており、このテーブルホーシダー４上に被
加工物Ａが固定される。このチャンバー２は、真空ポン
プ（図外）によって一旦真空にされた後、ハロゲン或い
はハロゲン化合物が充填されるようになっている。レー
ザー発振装置８から発振されるレーザー光は、シャッタ
ー１０を介して光学筒１に側面から入射され、光学筒１
内に配設されたダイクロイックミラー３１を介して無限
焦点レンズ３２に入射され、この無限焦点レンズ３２の
高さ位置を、上述のように自動あるいは手動で調整する
よことによって、被加工物Ａの表面近傍に焦点を結ぶば
廿ることができるようになっている。上記ダイクロイ・
ツクミラー３１は、特定の波長の光の全部あるいは一部
を反射することができるミラーであって、この場合使用
するレーザー光のみに対する選択性を有している。また
、上記反射率は基板に蒸着あるいは塗布される物質の種
類や膜厚によって自在に調整でき、この場合、入射した
レーザー光の１〜２％のみを透過できるようにし、該透
過光は後に説明するように制御用に用いられる。

レーザー光の焦点が被加工物表面に合っているか否かの
確認をする必要上、加工前に被加工物の表面を観察する
ことができるようになっている。

ところで、レーザー光を被加工物に照射すると、その時
点で既に加工が開始されるので、レーザー光の被加工物
表面からの反射を利用して被加工物の表面状態を観察し
ようとしても出来ない。そこで、ここでは弱い観察用の
照明光を用いるようにしている。即ち、観察用の照明光
が照明光源７から上記レーザー光入財部より上の位置で
光学筒１に側面から入射され、ハーフミラ−３３を介し
て被加工物上に照射されるようになっている。ダイクロ
イックミラ−３１は観察用の照明光を透過するので、上
記被加工物への観察用の照明光の照射は支障なく行うこ
とができる。

被加工物Ａの表面に照射され反射した光は、レンズ３２
．ダイクロイックミラー３１とハーフミラ−３３を介し
て撮像手段に入力されるようになっている。この撮像手
段の最も簡単な例は、上記の反射光を直接観察者の肉眼
で捉えることであるが、ここではＣＣＤ等の撮像素子を
利用した構成を示している。即ち、撮像素子１日によっ
て光電変換された画像データは、一旦メモリ１９に入力
された後、ＣＰＵ２２によって処理される。また、その
とき同時に、ＣＲＴ２０により被加工物表面を観察でき
るようになっている。

ＣＰＵ２２は、レーザー制御装置９に指示を与えてレー
ザー発振装置８の制御等を行い、また、シャッター制御
装置１１にも指示を与え、レーザー光を光学筒１に入射
、或いは入射を遮断する制御をするようになっている。

以上の構成を用いてレーザー光の焦点合わせを行う手順
について以下に説明する。

先ず、観察用の照明光による焦点合わせを行う必要があ
る。その方法は、例えば、撮像素子１８によって得られ
た被加工物表面の画像データを一部メモリ１９に記憶し
ておき、該画像データをＣＰＵ２２で処理して、表面に
設けられたマーク或いは突起や窪み等の特定形状からの
反射光の立ち上がりが最も鋭いときに焦点が合っている
ものとするのであり、この方法は既に電子顕微鏡等で使
用されている。また、例えばＣＣＤ等の撮像素子Ｉ８の
画像をＣＲＴ２０に表示することや、直接観察すること
により、手動で行うことも勿論可能である。

本件発明は、例えば磁気コアの加工用に開発されたもの
であり、被加工物は第２図ｆａ）に示すように磁気コア
に仕上がった状態で、磁気ギャップとなるギャップライ
ンを有しており、このギャップラインに上記観察用の照
明光での焦点を合わせるようにする。

このとき、観察用の照明光による焦点位置とレーザー光
による焦点位置は、波長の相違から若干のずれがある。

また、走査加工に於けるレーザー光の焦点位置は、例え
ば被加工物表面より僅かに深くするようにした方が加工
精度あるいは加工深さ共に良い場合が考えられる。本願
発明のような微細加工を目的とする場合には、上記のよ
うな背景を考慮した焦点合わせは極めて重要である。そ
こで、まず、前もって観察用の照明光による焦点位置と
レーザー光による適性な焦点位置とのずれを観測してお
き、その値を予めＣＰＵ２２のメモリに記憶させておき
、上記のようにして、観察用の照明光によって被加工物
表面に焦点が合わされた時、Ｚ方向駆動装置１２を作動
させて、そのずれを補正するのである。その後、ＣＰＵ
２２はシャッター制御装置１１に指示してシャッターＩ
Ｏを開け、レーザー光を被加工物に照射する。

レーザー光の照射とずれ補正は、シャッターの開閉と連
動させてもよい。即ち、ＣＰＵ２２のプログラム制御に
より、又は手動によってシャッター１０を開状態にし、
同時に（ＣＰＵ２２からの開信号を受けて、或いは手動
キーからの信号を受けて）Ｚ方向駆動装置１２を作動さ
せてレーザー光の焦点を加工操作に適した位置に合わせ
るのであり、加工操作が終了した時点で、シャック−が
閉状態なったときに、観察用の焦点位置の戻すようにし
てもよい。

上記のようにしてシャッター１０が開かれると同時に、
上記シャッター１０が開かれたか否かをシャッターに連
動したスイッチを作動させることによって検知し、加工
走査を開始する。上記のようにレーザー光は直接被加工
物に照射されると共にその一部はグイクロイックミラー
３１を透過する。この透過光はフォトセル１６で光電変
換されて検出回路１７に入力され、更に、該検出回路１
７の出力によってレーザー光の出力調整等ができるよう
になっている。

以上のようにして正確な焦点合わせができた後に、ＣＰ
Ｕ２２に組み込まれたプログラムに従って加工走査をす
るのである。

このときの加工走査の手順を第２図を例に説明する。第
２図は磁気コアＣの巻線孔Ａに対応する空洞部４１と磁
気ギャップＢに対応するギャップライン４２を有する第
２図（ａ）に示すギャップバー４０に対して上辺がトラ
ック部４３を規定する２つ一対の台形の切除部４５を第
２図（ｅ）に示すようにジグザグに走査して切除する場
合を示したものである。先ず加工走査に先立って、ギャ
ップ・ライン４１のＸＹ平面上での方向を検出しておく
。

この検出は、例えば上記焦点合わせ手段による焦点合わ
せが終了した後、Ｘ方向くギャップライン４２がＸ方向
にほぼ平行に置かれている場合を想定する）に所定の間
隔を置いた２つの点でのギヤツブ・ラインの位置を計測
することによって第４図に示すように Ｉ　−Ｘ２ なる直線式を得ることによって行われる。次に、このよ
うにして得られた直線式に基づいてアジムス角を考慮し
た各直線ａ＋　　ｂ＋＊　　ｂ＋　　ＣＩ＋Ｃｚ　ｂ、
・・・を定める式及び走査範囲を算出し、これに従がっ
てＸＹステージの駆動を行うのである。

尚、第２図（１３）に於いてトランク部４３を規定する
破線部は高い精度が要求されるので比較的弱いレーザー
パワーで走査され、実線部はそれほど高い精度が要求さ
れないので高いレーザーパワーで走査される。このよう
にして切除部４５が切除された後、該切除部４５にガラ
ス４６が埋めこまれ、その後第２図（Ｃ）に示す形状の
磁気コアに切断される。

第４図は別の走査手順の例を示すものである。

即ち、空洞部４１をギャップライン４２の両側に略対称
に形成し、切除部４５に沿った正六角形の空洞部４１に
達する溝を加工して切除部４５を（り抜こうとするもの
である（この場合、切除部４５は第２図に示した相互に
隣なりあった切除部４５が２つ連続している）。この場
合も上記のように、先ずギャップライン４２の方向を決
める直線式を定めことによって、上記溝加工すべき各直
線αβ、βγ、γε・・・の式、及び加工範囲が自動的
に算出されるようにしておいて、その直線に沿って加工
走査することになる。このようにして切除部４３が切除
された後、上記第２図の場合と同様にガラス４６が埋め
られ、第３図（Ｃ）に示すような磁気コアの形状に切り
取られる。

ところで、磁気コアの加工に於いて最も精度を要する部
分はトランク部４３である。そこでこのトラック部４３
の加工を設計通り厳密に行うため、第２図（ｅｌを例に
説明すると、例えば、トランク部４３を規定する一方の
線分す、ＣＩに沿っての加工走査が完了した後、実際に
加工された位置を確認し、その位置に基づいてトラック
幅を勘案した対抗する線分ｂ’　Ｉ＋　Ｃ′Ｉの位置を
演算するようにしてもよい。以上のような走査によって
加工が終了すると、ＣＰＵ２２はシャッター１０を閉じ
るのである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明は、観察用の照明光によ
る焦点位置とレーザー光による適性な焦点位置とのずれ
を、レーザー光による加工走査の前に補正できるように
なっているので、所期の精度及び深さで磁気コアの加工
を行うことができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の概要を示すブロック図、第２図及び
第３図はこの発明に適用される被加工物であるギャップ
バーとその加工順序を示し、第４図はギャップラインの
方向の検出方法を示す説明図である。 図中、 ７・・・照明光源、 ８・・・レーザー発振装置、 １０・・・シャッター、 ２２・・・ｃｐｕ。 ３１・・・ダイクロイックミラー、 ３２・・・レンズ、 ３３・・・ハーフミラ−０ Ａ・・・被加工物 出　願　人　　株式会社ディ・ニス・スキャナー第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ダイクロイックミラーとレンズを介して被加工物にレー
   ザー光を照射するためのレーザー光照射手段と、 照明光を上記ダイクロイックミラーとレンズを透過させ
   て被加工物に照射するための照明光照射手段と、 上記照明光に基づいて、被加工物上に焦点を合わせるた
   めの焦点合わせ手段と、 上記焦点合わせが完了した後に、レーザー光による焦点
   が加工走査に最適の位置に形成されるようにレンズ位置
   を調整する焦点調整手段と、該焦点調整手段が作動する
   前あるいは後に上記レーザー光照射手段を作動させるた
   めの加工開始制御手段と を備えてなるレーザー加工装置に於ける自動焦点機構。