KR20090079234A - 레이저 가공 장치 - Google Patents

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KR20090079234A
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카즈요시 쿠니시오
시게아키 나카야마
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히다치 조센 가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 매끄러운 곡면에 의해 원하는 빔 형상으로 신속하게 변화시키도록 한다.
[해결 수단] 레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔(2)을 집광 렌즈(3)를 통해서 피가공물(1)의 표면에 조사하여 소정의 가공을 행하는 레이저 가공 장치이다. 레이저빔(2)에 있어서, 예를 들면 종방향과 횡방향의 빔 형상을 변화시키는 미소 변형 렌즈(4), (5)와, 레이저빔(2)의 빔 형상을 소정의 형상으로 변화시키기 위해 상기 미소 변형 렌즈(4), (5)의 변형량을 제어하는 렌즈 변형량 제어 장치를 구비한다. 상기 미소 변형 렌즈(4), (5)는 렌즈의 외주부에 설치된 복수개의 액추에이터(4b), (5b)에 의해 소정 형상으로 변형시키는 구조이다.
[효과] 일반적인 렌즈와 동등한 매끄러운 곡면에 의해 원하는 빔 형상으로 신속하게 변화시킬 수 있으므로 피가공물의 형상이 변화되어도 원하는 빔 형상을 유지하면서 정밀하게 가공할 수 있다.
레이저 가공 장치

Description

레이저 가공 장치{LASER WORKING APPARATUS}
본 발명은 레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔을 피가공물에 집광하는 집광 렌즈를 통해서 피가공물의 표면에 조사하여 소정의 가공을 행하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
레이저빔을 이용하여 피가공물을 가공할 경우에 피가공물에 따라 레이저빔을 원하는 크기나 형상으로 변화시키는 것은 일상적으로 행해지고 있다.
이 레이저빔의 형상을 변화시키는 구체적 방법으로서는, 예를 들면 2장 이상의 렌즈를 이동시킴으로써 빔 형상을 변화시키는 방법이 일반적이다.
이 방법에서는 렌즈를 이동시키기 위한 기구가 필요하지만 피가공물을 고속으로 가공하는 경우 등, 신속하게 원하는 빔 형상으로 변화시키는 경우에 있어서, 상기한 바와 같은 렌즈 이동 기구에서는 대응할 수 있는 속도에 한계가 있으므로 사용될 수 없다는 문제가 있었다.
그래서, 상기 문제를 해결하기 위해 액추에이터에 의해 미소 변형 미러를 변형시킴으로써 고속으로 원하는 빔 형상으로 변화시키는 레이저 가공 장치가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1:일본 특허 공개 2006-7257호 공보
특허문헌 1에서는 상기 미소 변형 미러의 상세 구조를 도시한 도면은 없지만, 40개 정도의 액추에이터로서의 전극이 코팅으로 형성된 투명막에 의해 피복된 구성으로 액추에이터에 발생하는 전기적 흡인력에 의해 투명막을 미소 변형시킨다고 기재되어 있다.
그러나, 이러한 미소 변형 미러에서는 변형시의 미러 표면이 매끄러운 곡면이 아니라 의사적인 곡면이 되는 경향이 있으므로, 레이저빔의 강도 분포에 편차가 나타나기 쉽다는 문제가 고려된다.
본 발명이 해결하려고 하는 문제점은 레이저빔을 원하는 크기나 형상으로 변화시킬 때에 이동 기구에 의해 2장 이상의 렌즈를 이동시키는 방법에서 신속하게 원하는 빔 형상으로 변화시키려면 대응할 수 있는 속도에 한계가 있다는 점이다. 또한, 액추에이터에 의해 미소 변형 미러를 변형시키는 방법에서는 레이저빔의 강도 분포에 편차가 나타나기 쉽다는 점이다.
본 발명의 레이저 가공 장치는,
매끄러운 곡면에 의해 원하는 빔 형상으로 신속하게 변화시키도록 하기 위해서,
레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔을 집광 렌즈를 통해서 피가공물의 표면에 조사하여 소정의 가공을 행하는 레이저 가공 장치에 있어서,
상기 레이저빔의 빔 형상을 변화시키는 미소 변형 렌즈와,
상기 레이저빔의 빔 형상을 소정의 형상으로 변화시키기 위해 상기 미소 변형 렌즈의 변형량을 제어하는 렌즈 변형량 제어 장치를 구비하고,
상기 미소 변형 렌즈는 렌즈의 외주부에 설치된 복수개의 액추에이터에 의해 소정 형상으로 변형시키는 구조인 것을 가장 주요한 특징으로 하고 있다.
본 발명의 레이저 가공 장치에 있어서 상기 미소 변형 렌즈에 있어서의 미소 변형량의 제어는 상기 복수개의 액추에이터의 작동 위치 및/또는 작동량을 제어하는 것에 의해 행해지는 것이다.
본 발명의 레이저 가공 장치에 있어서,
상기 집광 렌즈로부터 피가공물까지의 거리를 계측하는 가공 거리 계측 장치를 설치하고,
이 가공 거리 계측 장치에 의해 계측된 집광 렌즈로부터 피가공물까지의 거리에 따라,
레이저빔에 있어서의 일방향의 빔 형상을 변화시키는 제 1 미소 변형 렌즈와 타방향의 빔 형상을 변화시키는 제 2 미소 변형 렌즈의 2개로 이루어진 상기 미소 변형 렌즈의 상기 제 1 미소 변형 렌즈와 제 2 미소 변형 렌즈의 변형량을 제어함으로써 제 1 미소 변형 렌즈 및/또는 제 2 미소 변형 렌즈에 의해 소정 빔 형상으로 변화시킨 레이저빔의 형상을 유지하면서 초점 위치를 보정하도록 구성된 경우에는 피가공물과의 거리에 의한 초점 위치의 변화에 정밀도 좋게 추종할 수 있다.
<발명의 효과>
본 발명에서는 미소 변형 렌즈의 변형시의 렌즈 곡면은 일반적인 렌즈와 동등한 매끄러운 곡면이므로 레이저빔의 강도 분포의 편차를 작게 할 수 있기 때문에 피가공물의 가공 편차가 작고 정밀도가 좋은 가공을 할 수 있다.
또한, 레이저빔을 원하는 빔 형상으로 신속하게 변화시킬 수 있으므로 피가공물을 고속으로 가공하는 경우에도 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명의 레이저 가공 장치의 일례를 나타내는 기본 구성도이다.
도 2는 빔 형상을 변형할 때의 기본 구성도이며, (a)는 정면도, (b)는 측면도이다.
도 3은 빔 형상을 변형할 때의 응용 구성도이며, (a)는 정면도, (b)는 측면도이다.
도 4는 가공시에 있어서의 초점 위치를 설명하는 도면이며, (a)는 일반적인 초점 위치의 설명도, (b)는 빔 형상 변형 후의 초점 위치의 설명도, (c)는 실제 가공시의 초점 위치의 설명도이다.
도 5의 (a)(b)는 본 발명의 레이저 가공 장치의 다른 예를 나타내는 개략적인 기본 구성도이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 레이저 가공 장치의 또 다른 예를 나타내는 개략적인 기본 구성도, (b) ∼ (d)는 (a)의 각 위치에서의 레이저빔의 파형을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1:피가공물 2:레이저빔
3:집광 렌즈 4, 5:미소 변형 렌즈
4b, 5b:액추에이터 6:렌즈 변형량 제어 장치
7:가공 거리 계측 장치
본 발명은 매끄러운 곡면에 의해 원하는 빔 형상으로 신속하게 변화시킨다는 목적을 이하의 구성에 의해 실현하였다.
즉, 본 발명은 레이저빔의 빔 형상을 변화시키는 미소 변형 렌즈를 렌즈의 외주부에 설치된 복수개의 액추에이터의 작동 위치 및/또는 작동량을 제어함으로써 소정 형상으로 변형시키는 것이다.
실시예
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태와 함께 각종 실시형태를 도 1 ∼ 도 6을 이용하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 레이저 가공 장치의 일례를 나타내는 기본 구성도, 도 2는 빔 형상을 변형할 때의 기본 구성도, 도 3은 빔 형상을 변형할 때의 응용 구성도, 도 4는 가공시에 있어서의 초점 위치를 설명하는 도면, 도 5 및 도 6은 본 발명의 레이저 가공 장치의 다른 예를 나타내는 개략적인 기본 구성도이다.
도 1은 기판 등의 피가공물(1)의 표면에 형성된 금속층을 제거하는 경우의 본 발명의 레이저 가공 장치의 일례를 나타낸 것이다.
이 도 1에 있어서, 2는 예를 들면 YAG 레이저 발진기(이하, 단지 레이저 발진기라고 함)로부터 출사된 레이저빔이며, 금속층을 제거하는데 적합한 파장 또는 강도를 갖고 있다. 이 레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔(2)은 집광 렌즈(3)를 통해서 피가공물(1)의 표면에 조사되어 상기 금속층을 제거한다.
본 발명은 이러한 레이저 가공 장치에 있어서, 레이저 발진기와 집광 렌즈(3) 간의 레이저빔(2)의 광로 도중에, 예를 들면 X(횡)방향과 Y(종)방향의 빔 형상을 변화시키는 2장의 미소 변형 렌즈(4, 5)를 배치하고 있다. 그리고, 이들 2장의 미소 변형 렌즈(4, 5)의 변형량을 렌즈 변형량 제어 장치(6)에 의해 제어하도록 한 것이다.
상기 미소 변형 렌즈(4, 5)는, 도 2나 도 3에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 시판의 렌즈(bk7, 석영 글래스 등)(4a, 5a)의 외주부에 복수개의 액추에이터(피에조 소자 등)(4b, 5b)를 소정의 간격(예를 들면, 등간격)으로 배치한 구성이다.
그리고, 렌즈 변형량 제어 장치(6)는 변형시키는 빔 형상에 따라 어느 액추에이터(4b, 5b)를 어떤 작동량으로 작동시킬지를 판단하여 렌즈(4a, 5a)를 원하는 형상으로 변형시켜 빔 형상을 변화시킨다.
이 경우, 도 2와 마찬가지로, 적어도 2점의 액추에이터(4b, 5b)를 배치함으로써 렌즈(4a, 5a)를 미소 변형시키는 것이 가능해진다. 또한, 도 3과 같이, 렌즈(4a, 5a)의 외주부를 둘러싸도록 액추에이터(4b, 5b)를 배치하면, 렌즈(4a, 5a)를 어느 방향으로도 고속으로 미소 변형시킬 수 있다.
이러한 미소 변형 렌즈(4, 5)는 일반적으로 기계적으로 렌즈를 작동시킬 경우에 비해서 고속으로 렌즈(4a, 5a)를 원하는 형상으로 변형시킬 수 있다. 또한, 렌즈(4a, 5a)의 외주부를 둘러싸는 액추에이터(4b, 5b)에 의해 렌즈(4a, 5a)의 형상을 변형시키기 때문에 미러의 배후로부터 액추에이터로 변형시키는 방법에 비해 서 변형 후의 렌즈 곡면은 매끄러운 상태가 된다. 또한, 일반적인 렌즈와 마찬가지로, 투과광을 이용할 수 있으므로 레이저 가공 중에 레이저 가공 상황의 관찰을 행하는 것이 가능하다.
그런데, 형상을 변형시킨 레이저빔(2)으로 피가공물(1)을 가공할 때에 피가공물(1) 상이 도 1과 같이 요철 형상이었던 경우에는 초점 위치에 어긋남이 발생한다. 그러나, 본 발명의 레이저 가공 장치에서는 도 1에 나타낸 2장의 미소 변형 렌즈(4, 5)를 서로 변형시킴으로써 이러한 초점 위치의 변화에 대응할 수 있다.
즉, 도 4(a)에서 나타낸 횡단면이 진원상의 레이저빔(2)의 초점 위치에 대하여 예를 들면 도 4(b)에서 나타낸 횡단면이 세로로 긴 타원 형상인 레이저빔(2)에서는 파선으로 나타내는 바와 같이 초점 위치가 짧아진다.
따라서, 앞(도 1에서는 Y 방향)의 미소 변형 렌즈(4)에 의해, 예를 들면 도 4(b)와 같이 변형한 빔 형상의 변화 상태를 유지하면서, 도 4(c)와 같이 집광 렌즈(3)를 이동시켜 초점 위치만을 고속으로 보정할 수 있다. 이로써 고속으로 피가공물(1)을 가공하는 경우여도 초점 위치의 변화를 추종하는 것이 가능하게 된다.
이 초점 위치의 변화에 추종시킴에 있어서는 집광 렌즈(3)로부터 피가공물(1)까지의 거리를, 예를 들면 X 방향의 미소 변형 렌즈(5)의 배면측에 설치된 가공 거리 계측 장치(관찰용 CCD 카메라)(7)에 의해 계측한다. 그리고, 이 계측한 거리에 따라 상기의 미소 변형 렌즈(4, 5)의 변형량을 제어하여 변화시킨 레이저빔(2)의 형상을 유지하면서 초점 위치를 보정하면 좋다.
또한, 도 5에 나타내는 바와 같이, 레이저빔(2)을 경사지게 조사하여 피가공 물(1)을 가공하는 경우 피가공물(1)과의 거리나 조사 각도에 의해 초점 위치가 변화된다. 이 때문에, 집광 렌즈(3)로부터 피가공물(1)까지는 레이저 빔(2)이 직선상으로 도달하는 것을 이용하여 각 미소 변형 렌즈(4, 5)의 변형량을 제어하는 것이다. 즉, 레이저빔(2)의 조사 각도와, X 방향의 미소 변형 렌즈(5)와 집광 렌즈(3) 사이에 설치된 갈바노 미러(8a, 8b)로부터 레이저빔(2)이 집광 렌즈(3)에 도달한 위치에 의해 피가공물(1)의 거리로부터 초점 거리의 보정량을 산출하여 상기 각 변형량을 제어하는 것이다. 이에 따라, 경사 조사에 의한 레이저 가공이여도 고정밀의 가공이 가능하게 된다.
또한, 도 5(a)는 피가공물(1)로의 레이저 조사 위치의 파악과 함께 소정의 빔 형상으로 되어 있는지의 관찰을 행하는 상기 가공 거리 계측 장치(7)로부터의 입력 신호에 의거하여 렌즈 변형량 제어 장치(6)로부터 X, Y 방향의 미소 변형 렌즈(4, 5)에 출력 신호를 출력하여 레이저 조사 위치, 빔 형상을 제어하는 예이다.
또한, 도 5(b)는 Y 방향의 미소 변형 렌즈(4)의 배면측에 검사용의 CCD 카메라(9)를 더 추가한 예이다. 검사용의 CCD 카메라(9)를 추가한 경우에는, 예를 들면 피가공물(1)의 소정의 금속 재질만을 가공할 경우에 레이저 가공시의 금속 재료 고유의 불꽃색을 검출함으로써 가공해야 할 금속 재질만이 가공되고 있는지를 검사할 수 있다. 따라서, 불꽃색이 소정의 것이 아닌 경우에는 가공 위치의 어긋남을 생각할 수 있으므로 상기와 같이 렌즈 변형량 제어 장치(6)로부터 X, Y 방향의 미소 변형 렌즈(4, 5)에 출력 신호를 출력하여 레이저 빔(2)의 조사 위치를 수정한다.
미소 변형 렌즈에 레이저빔을 투과시켰을 경우의 실시예로서는 앞의 가공 거 리 계측 장치(관찰용 CCD 카메라)(7)로 가공 상황을 직접 관찰할 수 있는 것 이외에 도 6(a)에 나타내는 X 방향 미소 변형 렌즈(5)와 같이 투과광(파선)과 반사광(실선)을 조합시키는 것도 가능하다. 단, X 방향의 미소 변형 렌즈(5)에 투과광을 사용하는 경우에는 X 방향의 빔 형상을 변경시킬 수 없고, Y 방향의 미소 변형 렌즈(4)에서만 빔 형상을 변화시키게 된다. 또한, 도 6(b)는 Y 방향의 미소 변형 렌즈(4)로 반사하기 전의 레이저빔(2)의 파형, (c)는 X 방향의 미소 변형 렌즈(5)를 투과하기 전의 레이저빔(2)의 파형, (d)는 집광 렌즈(3)를 투과한 후의 레이저빔(2)의 파형을 나타낸다.
본 발명은 상기의 예에 한정되는 것은 아니며, 각 청구항에 기재된 기술적 사상의 범주에 있어서 적절하게 실시예를 변경하여도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
예를 들면, 상기의 예에서는 액추에이터의 작동 위치와 작동량을 함께 제어하고 있지만, 소정의 형상으로 변화할 수 있다면 어느 한쪽만을 제어해도 좋다. 또한, 전자 회로에 있어서의 IC칩의 기판으로의 접합 등이 한정된 에리어에서만의 가공 등에서는 미소 변형 렌즈를 1장으로 레이저빔의 일방향만의 빔 형상을 변화시킨 레이저 가공에도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 장치 구성은 도 1, 5에 나타낸 구성으로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 5(b)에 나타낸 예의 경우에는 Y 방향의 미소 변형 렌즈(4)의 배면측에 가공 거리 계측 장치(7)를 설치하면 후단의 X 방향 미소 변형 렌즈(5)에 의해 빔 변형되기 때문에 빔 형상을 감지할 수 없게 된다.
본 발명은 피가공물에 레이저빔을 조사할 필요한 있는 가공이면, 박막 제거, 미세 가공 등 어떠한 레이저 가공에도 적용이 가능하다.

Claims (4)

  1. 레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔을 집광 렌즈를 통해서 피가공물의 표면에 조사하여 소정의 가공을 행하는 레이저 가공 장치에 있어서:
    상기 레이저빔의 빔 형상을 변화시키는 미소 변형 렌즈와,
    상기 레이저빔의 빔 형상을 소정의 형상으로 변화시키기 위해 상기 미소 변형 렌즈의 변형량을 제어하는 렌즈 변형량 제어 장치를 구비하고;
    상기 미소 변형 렌즈는 렌즈의 외주부에 설치된 복수개의 액추에이터에 의해 소정 형상으로 변형시키는 구조인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미소 변형 렌즈에 있어서의 미소 변형량의 제어는 상기 복수개의 액추에이터의 작동 위치 및/또는 작동량을 제어함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 미소 변형 렌즈는 레이저빔에 있어서의 일방향의 빔 형상을 변화시키는 제 1 미소 변형 렌즈와 타방향의 빔 형상을 변화시키는 제 2 미소 변형 렌즈 2개로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 집광 렌즈로부터 피가공물까지의 거리를 계측하는 가공 거리 계측 장치를 설치하고;
    상기 가공 거리 계측 장치에 의해 계측된 집광 렌즈로부터 피가공물까지의 거리에 따라 상기 제 1 미소 변형 렌즈와 제 2 미소 변형 렌즈의 변형량을 제어함으로써 제 1 미소 변형 렌즈 및/또는 제 2 미소 변형 렌즈에 의해 소정 빔 형상으로 변화시킨 레이저빔의 형상을 유지하면서 초점 위치를 보정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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