WO2016071986A1 - レーザ加工方法及び装置 - Google Patents

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WO2016071986A1
WO2016071986A1 PCT/JP2014/079435 JP2014079435W WO2016071986A1 WO 2016071986 A1 WO2016071986 A1 WO 2016071986A1 JP 2014079435 W JP2014079435 W JP 2014079435W WO 2016071986 A1 WO2016071986 A1 WO 2016071986A1
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laser beam
optical system
laser
workpiece
incident optical
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秀則 深堀
伊藤　健治
Original Assignee
三菱電機株式会社
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing method and apparatus for processing a workpiece by irradiating a laser beam.
  • the output of the laser oscillator may decrease due to aging of the laser oscillator or individual differences.
  • the output of the laser oscillator decreases, there is a possibility that the necessary processing cannot be performed on the workpiece. Specifically, there is a possibility that a hole having a desired diameter cannot be formed in the workpiece.
  • Patent Document 1 As a related technique, in Patent Document 1 below, a movable lens is installed between an aperture and a laser oscillator, and the laser beam diameter on the aperture is changed by changing the position of the movable lens, and after passing through the aperture. A technique for improving the reproducibility of processing by adjusting the laser power is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a technique for obtaining a desired processing width by moving a converging lens according to the height of a workpiece and focusing the laser beam on the workpiece surface.
  • Patent Document 2 does not include an aperture, and does not disclose adjusting the energy of a laser beam with the aperture. That is, it is not considered that the energy of the laser beam emitted from the laser oscillator is lowered due to the deterioration of the laser oscillator with time or individual differences. Furthermore, the technique described in Patent Document 2 moves the converging lens in accordance with the height of the work to focus the laser beam on the work surface.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a laser processing method and apparatus capable of performing desired laser processing on a workpiece even when the output of a laser oscillator is reduced. .
  • the present invention provides an incident optical system for irradiating a mask with a laser beam emitted from a laser oscillator in a direction in which the laser beam travels or in a direction opposite to the laser beam travel direction.
  • the first step of adjusting the energy of the laser beam after passing through the opening of the mask and the movement of the incident optical system on the workpiece, the laser beam after passing through the opening on the workpiece And a second step of adjusting the diameter of the workpiece on the workpiece surface by moving the transfer optical system to be irradiated in the laser beam traveling direction or in the direction opposite to the laser beam traveling direction. It is characterized by.
  • the laser processing method and apparatus according to the present invention have an effect that desired laser processing can be performed on a workpiece even when the output of a laser oscillator is lowered.
  • the figure which shows the profile of the laser beam after passing the opening part of Embodiment 1 The figure which shows the profile of the laser beam in the to-be-processed surface of the to-be-processed object of Embodiment 1
  • the figure which shows the profile of the laser beam in the to-be-processed surface of the to-be-processed object of Embodiment 1 Flowchart showing the laser processing method of the first embodiment Graph showing the relationship between the position of the incident optical system, the position of the transfer optical system, and the processing hole diameter in the first embodiment
  • the figure which shows the table memorize
  • FIG. 1 The figure which shows the mode at the time of adjusting the energy of the laser beam of the laser processing apparatus of Embodiment 1.
  • FIG. 3 The figure which shows the structure of the laser processing apparatus of Embodiment 3.
  • the figure which shows the table memorize
  • the figure which shows the structure of the laser processing apparatus of a comparative example The figure which shows the profile of the laser beam on the mask of a comparative example The figure which shows the profile of the laser beam after passing the opening part of a comparative example The figure which shows the profile of the laser beam on the mask of a comparative example The figure which shows the profile of the laser beam after passing the opening part of a comparative example
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the laser processing apparatus according to the first embodiment.
  • the laser processing apparatus 1 includes a laser oscillator 2 that emits a laser beam 15a, an incident optical system 3 on which the laser beam 15a is incident, and the incident optical system 3 in the traveling direction 16 of the laser beam 15a or A first drive unit 4 that moves the laser beam 15a in a direction 17 opposite to the traveling direction 16 of the laser beam 15a.
  • the laser processing apparatus 1 includes a mask 5 having an aperture 5a that allows a part of the laser beam 15b that has passed through the incident optical system 3 to pass through, and a transmission optical that transmits the laser beam 15c that has passed through the aperture 5a.
  • the system 6 and the transfer optical system 7 that receives the laser beam 15c transmitted by the transmission optical system 6 and transfers the image of the opening 5a onto the processing surface of the workpiece 14, and the transfer optical system 7 as a laser beam.
  • a second drive unit 8 that moves in a direction 19 opposite to the traveling direction 18 of the laser beam 15c or the traveling direction 18 of the laser beam 15c.
  • the laser processing apparatus 1 includes a table 9 on which the workpiece 14 is placed, a third drive unit 10 that moves the table 9 in a direction that intersects the traveling direction 18 of the laser beam 15c, and a table 9 A sensor 11 that measures the laser beam 15c, a storage unit 12 that stores the table 12a, and a control unit 13 that controls the laser oscillator 2, the first drive unit 4, the second drive unit 8, and the third drive unit 10. And comprising.
  • the incident optical system 3 is a single lens, but it may be a plurality of lenses.
  • the incident optical system 3 is movable in a traveling direction 16 of the laser beam 15a or a direction 17 opposite to the traveling direction 16 of the laser beam 15a.
  • the controller 13 can adjust the beam diameter of the laser beam 15 b incident on the mask 5 by moving the incident optical system 3. Thereby, the control part 13 can change the ratio of the laser beam 15c with respect to the whole laser beam 15b, and can adjust the energy of the laser beam 15c.
  • the incident optical system 3 is positioned at a position where the energy of the laser beam 15c becomes energy suitable for processing the workpiece 14 in the initial stage.
  • the position of the incident optical system 3 at this time will be referred to as a reference position of the incident optical system 3.
  • the transmission optical system 6 is composed of one or a plurality of mirrors.
  • the transmission optical system 6 may include a scan mirror.
  • the scan mirror is exemplified by a galvano mirror.
  • the transfer optical system 7 may be an f ⁇ lens.
  • the transfer optical system 7 is positioned at a position where an image of the opening 5a is formed on the processing surface of the workpiece 14 in the initial stage.
  • the position of the transfer optical system 7 at this time will be referred to as a reference position of the transfer optical system 7.
  • the laser beam 15 a emitted from the laser oscillator 2 first enters the incident optical system 3.
  • a laser beam 15 b whose beam diameter has been changed by the incident optical system 3 enters the mask 5.
  • the laser beam 15 b converges once at the convergence point 20 and then diverges and enters the mask 5.
  • the laser beam 15 b may enter the mask 5 while being converged, or may be incident on the mask 5 after being collimated. May be incident.
  • the control unit 13 controls the position of the incident optical system 3 so that the beam diameter of the laser beam 15b on the mask 5 is larger than the opening diameter of the opening 5a. Thereby, a part of the laser beam 15b passes through the opening 5a and becomes the laser beam 15c. At this time, the control unit 13 is configured so that the energy of the laser beam 15c after passing through the opening 5a is constant even if the energy of the laser beam 15a is reduced due to individual differences of the laser oscillator 2 or deterioration with time. Adjust the position of system 3.
  • the control unit 13 moves the incident optical system 3 in the traveling direction 16 of the laser beam 15a and moves the laser beam 15b on the mask 5. Reduce the beam diameter at. Thereby, the control part 13 can raise the ratio of the laser beam 15c with respect to the whole laser beam 15b, and can maintain the energy of the laser beam 15c.
  • the laser beam 15 c that has passed through the opening 5 a is incident on the transfer optical system 7 by the transmission optical system 6.
  • the transfer optical system 7 transfers the image of the opening 5 a onto the processing surface of the workpiece 14. Thereby, a processed hole corresponding to the opening diameter of the opening 5a is formed in the workpiece 14.
  • the processed hole may be a bottomed hole or a through hole.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a laser processing apparatus of a comparative example.
  • the laser processing apparatus 81 includes a laser oscillator 82 that emits a laser beam 90a, an incident optical system 83 on which the laser beam 90a is incident, and the incident optical system 83 in the traveling direction 100 of the laser beam 90a or And a drive unit 84 that moves the laser beam 90a in a direction 101 opposite to the traveling direction 100 of the laser beam 90a.
  • the laser processing apparatus 81 includes a mask 85 having an opening 85a that allows a part of the laser beam 90b that has passed through the incident optical system 83 to pass, and a transmission optical system 86 that transmits the laser beam 90c that has passed through the opening 85a.
  • the laser beam 90c transmitted by the transmission optical system 86 is incident, and the transfer optical system 87 for transferring the image of the opening 85a onto the processing surface of the workpiece 89, the laser oscillator 82, and the driving unit 84 are controlled.
  • a control unit 88 is controlled.
  • the laser beam 90 a emitted from the laser oscillator 82 first enters the incident optical system 83.
  • the laser beam 90 b whose beam diameter has been changed by the incident optical system 83 is incident on the mask 85.
  • the laser beam 90 b converges once at the convergence point 91 and then diverges and enters the mask 85.
  • the laser beam 90 c after passing through the opening 85 a is incident on the transfer optical system 87 by the transmission optical system 86.
  • the transfer optical system 87 transfers the image of the opening 85 a onto the processing surface of the workpiece 89. Thereby, a processed hole corresponding to the opening diameter of the opening 85a is formed in the workpiece 89.
  • FIG. 15 is a diagram showing a laser beam profile on the mask of the comparative example.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a profile of the laser beam after passing through the opening of the comparative example. Note that the profile of the laser beam may be referred to as a beam shape or a mode shape.
  • the profile 92 of the laser beam 90b on the mask 85 has a Gaussian shape.
  • a part of the laser beam 90 b passes through an opening 85 a having a diameter 93.
  • the profile 94 of the laser beam 90 c after passing through the opening 85 a has a diameter 93.
  • the beam intensity of the entire laser beam 90c exceeds the machining threshold 99, and a machining hole having a desired diameter can be formed in the workpiece 89.
  • the controller 88 moves the incident optical system 83 in the traveling direction 100 of the laser beam 90a to reduce the beam diameter of the laser beam 90b on the mask 85.
  • the control part 88 can raise the ratio of the laser beam 90c with respect to the whole laser beam 90b, and can maintain the energy of the laser beam 90c.
  • FIG. 17 is a diagram showing a laser beam profile on the mask of the comparative example.
  • FIG. 18 is a diagram showing a profile of the laser beam after passing through the opening of the comparative example.
  • the profile 95 of the laser beam 90b on the mask 85 is Gaussian. However, since the diameter of the laser beam 90b is smaller than the profile 92 before the output reduction of the laser oscillator 82 shown in FIG. 15, the profile 95 of the laser beam 90b on the mask 85 has a sharp shape. It has become. Then, the laser beam 90b passes through the opening 85a up to a portion where the beam intensity at the peripheral portion is low.
  • the laser processing device 81 cannot form a processing hole having a desired diameter in the workpiece 89. Specifically, the laser processing apparatus 81 can form only a processed hole having a diameter smaller than a desired diameter in the workpiece 89.
  • the optical system of the laser processing apparatus 1 shown in FIG. 1 is an optical system that transfers the image of the opening 5a onto the workpiece 14, the diameter of the processing hole is determined by the opening diameter of the opening 5a.
  • the profile of the laser beam 15c after passing through the opening 5a is: It has a sharp shape.
  • FIG. 2 is a diagram showing a profile of the laser beam after passing through the opening of the first embodiment.
  • the profile 30 of the laser beam 15c after passing through the opening 5a shown in FIG. 2 includes a portion having a low beam intensity at the peripheral portion.
  • FIG. 3 is a view showing a laser beam profile on the surface of the workpiece of the first embodiment.
  • the beam intensity of the portion 32 including the optical axis of the laser beam 15 d on the surface of the workpiece 14 exceeds the machining threshold 37. ing.
  • the beam intensities of the peripheral portions 33 and 34 of the laser beam 15d are below the processing threshold 37.
  • the laser processing apparatus 1 cannot form a processing hole having a desired diameter in the workpiece 14.
  • the laser processing apparatus 1 can form only a processed hole having a diameter smaller than a desired diameter in the workpiece 14.
  • the control unit 13 moves the transfer optical system 7 in the traveling direction 18 of the laser beam 15d from the reference position at which the image of the opening 5a is formed on the workpiece 14. That is, the control unit 13 shifts the image of the opening 5a in the traveling direction 18 of the laser beam 15d from the processing surface of the workpiece 14. Thereby, the control part 13 blurs the image of the opening part 5a on the to-be-processed surface of the to-be-processed object 14.
  • the blurring of the image of the opening 5a on the processing surface of the workpiece 14 means that the outline of the image of the opening 5a on the processing surface of the processing object 14 and the boundary between light and shade are conspicuous. Don't say that it's blurry.
  • the control part 13 expands the beam diameter of the part exceeding the process threshold value of the laser beam 15d on the to-be-processed surface of the to-be-processed object 14.
  • the laser processing apparatus 1 can increase the diameter of a processing hole to a desired processing hole diameter, and can form the processing hole of a desired diameter.
  • FIG. 4 is a diagram showing a profile of a laser beam on the surface of the workpiece of the first embodiment.
  • the control unit 13 shifts the transfer optical system 7 in the traveling direction 18 of the laser beam 15 d from the reference position where the image of the opening 5 a is formed on the workpiece 14. That is, the control unit 13 shifts the image of the opening 5a in the traveling direction 18 of the laser beam 15d from the processing surface of the workpiece 14. Thereby, the control part 13 blurs the image of the opening part 5a on the to-be-processed surface of the to-be-processed object 14. FIG. Thereby, the control part 13 expands the beam diameter of the part exceeding the process threshold value of the laser beam 15d on the to-be-processed surface of the to-be-processed object 14.
  • the beam diameter of the portion exceeding the machining threshold of the laser beam 15d is enlarged. Can be formed.
  • the wavy shape of the profile 35 is due to the influence of diffraction caused by shifting the transfer optical system 7 from the imaging position.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the laser processing method according to the first embodiment.
  • the flowchart shown in FIG. 5 is a flowchart showing a method for obtaining the relationship between the position of the incident optical system 3, the position of the transfer optical system 7, and the processing hole diameter.
  • the flowchart shown in FIG. 5 may be executed when the laser processing apparatus 1 is installed, or may be executed when the laser oscillator 2 is replaced. Further, the program for executing the flowchart shown in FIG. 5 may be stored in the storage unit 12.
  • step S100 the controller 13 drives the laser oscillator 2 to process the device under test.
  • step S102 the control unit 13 acquires the relationship between the position of the transfer optical system 7 and the processing hole diameter.
  • step S104 the control unit 13 determines whether or not the transfer optical system 7 has reached the measurement end. If it is determined in step S104 that the transfer optical system 7 has not reached the measurement end (No), the control unit 13 moves the transfer optical system 7 by one reference amount in step S106, and advances the process to step S100.
  • the one reference amount is exemplified on the order of micrometers.
  • step S104 determines in step S104 whether the transfer optical system 7 has reached the measurement end. If it is determined in step S108 that the incident optical system 3 has not reached the measurement end (No), the control unit 13 moves the incident optical system 3 by one reference amount in step S110.
  • the one reference amount is exemplified on the order of millimeters.
  • step S112 the control unit 13 returns the transfer optical system 7 to the reference position, and proceeds to step S100.
  • step S108 determines in step S108 that the incident optical system 3 has reached the measurement end (Yes)
  • the process ends.
  • the relationship between the position of the incident optical system 3, the position of the transfer optical system 7, and the diameter of the processed hole may be acquired by executing a simulation of the flowchart shown in FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the position of the incident optical system, the position of the transfer optical system, and the processing hole diameter in the first embodiment.
  • the graph shown in FIG. 6 is obtained by executing a simulation of the flowchart shown in FIG.
  • the horizontal axis represents the position of the transfer optical system 7, and the vertical axis represents the diameter of the portion of the workpiece 14 that exceeds the machining threshold of the laser beam 15d on the workpiece surface.
  • ⁇ indicates that the transfer optical system 7 is moved to the traveling direction 18 side of the laser beam 15d
  • + indicates that the transfer optical system 7 is moved to the direction 19 side opposite to the traveling direction 18 of the laser beam 15d.
  • FIG. 6 when the position of the incident optical system 3 is the reference position, when the position of the incident optical system 3 is ⁇ 1 mm from the reference position, when the position of the incident optical system 3 is ⁇ 2 mm from the reference position, It shows the case where the position of the incident optical system 3 is -3 mm from the reference position and the position of the incident optical system 3 is -4 mm from the reference position.
  • the case where the incident optical system 3 is moved toward the traveling direction 16 of the laser beam 15b is indicated by “ ⁇ ”.
  • the line 40 is an approximate straight line of the sample point when the position of the incident optical system 3 is the reference position.
  • a line 41 is an approximate straight line of a sample point when the position of the incident optical system 3 is ⁇ 1 mm from the reference position.
  • a line 42 is an approximate straight line of a sample point when the position of the incident optical system 3 is ⁇ 2 mm from the reference position.
  • a line 43 is an approximate straight line of a sample point when the position of the incident optical system 3 is ⁇ 3 mm from the reference position.
  • a line 44 is an approximate straight line of a sample point when the position of the incident optical system 3 is ⁇ 4 mm from the reference position.
  • the desired hole diameter is 50 ⁇ m.
  • the intersection point 45, the intersection point of the line 40, the line 41, the line 42, the line 43, and the line 44 and the diameter of the portion exceeding the processing threshold value of the laser beam 15d on the processing surface of the workpiece 14 50 ⁇ m.
  • 46, intersection 47, intersection 48 and intersection 49 are obtained.
  • the positions of the horizontal axis of the intersection 45, the intersection 46, the intersection 47, the intersection 48, and the intersection 49 are such that the position of the incident optical system 3 is the reference position, the position of the incident optical system 3 is -1 mm from the reference position.
  • the incident optical system 3 is at a position ⁇ 2 mm from the reference position, the incident optical system 3 is at a position ⁇ 3 mm from the reference position, and the incident optical system 3 is at a position ⁇ 4 mm from the reference position.
  • the position is the position of the transfer optical system 7 to be arranged.
  • the position of the transfer optical system 7 is ⁇ 140 ⁇ m from the reference position.
  • the position of the transfer optical system 7 is ⁇ 120 ⁇ m from the reference position.
  • the position of the transfer optical system 7 is ⁇ 95 ⁇ m from the reference position.
  • the position of the transfer optical system 7 is ⁇ 70 ⁇ m from the reference position.
  • the position of the transfer optical system 7 is ⁇ 25 ⁇ m from the reference position.
  • FIG. 7 is a diagram showing a table stored in the storage unit of the first embodiment.
  • the table 12a shown in FIG. 7 is based on the graph of FIG. 6, and the transfer optical system when the position of the incident optical system 3 and the diameter of the laser beam 15d on the workpiece surface of the workpiece 14 become a desired diameter. 7 describes the relationship between the position 7 and FIG.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the laser processing method of the first embodiment.
  • the flowchart shown in FIG. 8 is a flowchart showing a method for adjusting the laser processing apparatus 1 during laser processing.
  • the process of the flowchart shown in FIG. 8 may be executed every time laser processing is performed, may be executed before daily operation, or may be executed in anticipation of a decrease in the output of the laser oscillator 2.
  • a program that executes the processing of the flowchart illustrated in FIG. 8 may be stored in the storage unit 12.
  • step S120 the control unit 13 moves the incident optical system 3 in the traveling direction 16 of the laser beam 15a or the direction 17 opposite to the traveling direction 16 of the laser beam 15a, and then passes through the opening 5a. Adjust the energy.
  • FIG. 9 is a diagram showing a state of adjusting the energy of the laser beam of the laser processing apparatus of the first embodiment.
  • the control unit 13 drives the third driving unit 10 to move the table 9, and positions the sensor 11 on the optical axis of the laser beam 15d.
  • the control unit 13 adjusts the energy of the laser beam 15d incident on the sensor 11 to a desired value by moving the incident optical system 3 while monitoring the energy of the laser beam 15d measured by the sensor 11. .
  • step S122 the control unit 13 moves the transfer optical system 7 in the traveling direction 18 of the laser beam 15d or the direction 19 opposite to the traveling direction 18 of the laser beam 15d based on the movement of the incident optical system 3.
  • the controller 13 can determine the position of the transfer optical system 7 according to the position of the incident optical system 3 by referring to the table 12a shown in FIG.
  • the table 12a is stored in the storage unit 12 and the position of the transfer optical system 7 is determined in accordance with the position of the incident optical system 3.
  • a mode in which the table 12a is not stored in the storage unit 12 is also possible. It is. Specifically, the operator operates the laser processing apparatus 1 to perform transfer so that the diameter of the portion of the workpiece 14 that exceeds the processing threshold of the laser beam 15d on the processing surface becomes a desired diameter. It is also possible to adjust the position of the optical system 7. Further, the operator can adjust the position of the transfer optical system 7 while operating the laser processing apparatus 1 so that the diameter of the hole actually formed in the workpiece 14 becomes a desired diameter. is there.
  • the usable period of the laser oscillator 2 can be extended, and the replacement frequency of the laser oscillator 2 can be reduced. Therefore, according to Embodiment 1, the cost of laser processing can be reduced.
  • FIG. FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of the laser processing apparatus according to the second embodiment.
  • a laser processing apparatus 1A according to the second embodiment includes a laser oscillator 2A that can output a signal indicating a laser output, instead of the laser oscillator 2 of the laser processing apparatus 1 according to the first embodiment.
  • the control unit 13 can acquire the output of the laser oscillator 2A from the signal indicating the laser output received from the laser oscillator 2A. If the laser output of the laser oscillator 2A can be acquired, the position of the incident optical system 3 when the energy of the laser beam 15c becomes a desired energy can be determined. Therefore, the relationship between the signal indicating the laser output and the position of the incident optical system 3 when the energy of the laser beam 15c becomes the desired energy is acquired in advance, and the signal indicating the laser output and the energy of the laser beam 15c are obtained.
  • a table 12b describing the relationship between the position of the incident optical system 3 when the desired energy is obtained is stored in the storage unit 12.
  • the control unit 13 refers to the table 12b based on the signal indicating the laser output received from the laser oscillator 2A, determines the position of the incident optical system 3, and moves the incident optical system 3. Furthermore, the control unit 13 refers to the table 12 a based on the movement of the incident optical system 3, determines the position of the transfer optical system 7, and moves the transfer optical system 7.
  • the trouble of measuring the energy of the laser beam 15d by the sensor 11 can be saved. Therefore, according to the second embodiment, the efficiency of laser processing can be improved.
  • the position of the transfer optical system 7 may be adjusted each time laser processing is performed. That is, as a setup process before laser processing, laser processing is performed by changing the position of the transfer optical system 7, and the position of the transfer optical system 7 having a desired processing hole diameter is determined.
  • the relationship between the position of the incident optical system 3 and the beam diameter on the mask 5 also changes. That is, the relationship between the position of the incident optical system 3 and the profile of the laser beam 15c after passing through the opening 5a also changes.
  • the relationship between the tables 12a and 12b stored in the storage unit 12 in advance in the first and second embodiments also changes, and there is a possibility that the processed hole diameter cannot be maintained at a desired diameter.
  • the position of the transfer optical system 7 is adjusted each time laser processing is performed, the processing hole diameter can be maintained at a desired diameter even when the divergence angle or profile of the laser beam 15a varies.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of the laser processing apparatus according to the third embodiment.
  • the laser beam 15 b converges at the convergence point 20 and then diverges and enters the mask 5.
  • the laser beam 15b is incident on the mask 5 before being converged.
  • the laser beam 15 c after passing through the opening 5 a is converged at the convergence point 20.
  • the control unit 13 moves the incident optical system 3 in the direction 17 opposite to the traveling direction 16 of the laser beam 15a, and the laser beam The beam diameter on the mask 5 of 15b is reduced.
  • the control part 13 can raise the ratio of the laser beam 15c with respect to the whole laser beam 15b, and can maintain the energy of the laser beam 15c.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the position of the incident optical system, the position of the transfer optical system, and the processing hole diameter in the third embodiment.
  • the graph shown in FIG. 12 is obtained by executing a simulation of the flowchart shown in FIG.
  • the horizontal axis represents the position of the transfer optical system 7, and the vertical axis represents the diameter of the portion of the workpiece 14 that exceeds the machining threshold of the laser beam 15d on the workpiece surface.
  • ⁇ indicates that the transfer optical system 7 is moved to the traveling direction 18 side of the laser beam 15d
  • + indicates that the transfer optical system 7 is moved to the direction 19 side opposite to the traveling direction 18 of the laser beam 15d.
  • the line 60 is an approximate straight line of sample points when the position of the incident optical system 3 is the reference position.
  • a line 61 is an approximate straight line of sample points when the position of the incident optical system 3 is +1 mm from the reference position.
  • a line 62 is an approximate straight line of sample points when the position of the incident optical system 3 is +2 mm from the reference position.
  • a line 63 is an approximate straight line of sample points when the position of the incident optical system 3 is +3 mm from the reference position.
  • the desired hole diameter is 50 ⁇ m.
  • the intersection point 64, the intersection point 65, and the intersection point of the line 60, the line 61, the line 62, and the line 63 and the diameter of the portion of the workpiece 14 that exceeds the machining threshold of the laser beam 15d on the workpiece surface 50 ⁇ m. 66 and intersection point 67 are obtained.
  • the values of the horizontal axis of the intersection point 64, the intersection point 65, the intersection point 66, and the intersection point 67 indicate that when the position of the incident optical system 3 is the reference position and the position of the incident optical system 3 is +1 mm from the reference position, the incident optical This is the position of the transfer optical system 7 to be arranged when the position of the system 3 is +2 mm from the reference position and when the position of the incident optical system 3 is +3 mm from the reference position.
  • the position of the transfer optical system 7 is +260 ⁇ m from the reference position.
  • the position of the transfer optical system 7 is +200 ⁇ m from the reference position.
  • the position of the transfer optical system 7 is +75 ⁇ m from the reference position.
  • the position of the transfer optical system 7 is +10 ⁇ m from the reference position.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a table stored in the storage unit of the third embodiment.
  • the table 12c shown in FIG. 13 is based on the graph of FIG. 12, and the transfer optical system when the position of the incident optical system 3 and the diameter of the laser beam 15d on the workpiece surface of the workpiece 14 become a desired diameter. 7 positions are described.
  • the control unit 13 moves the incident optical system 3 in the direction 17 opposite to the traveling direction 16 of the laser beam 15a to adjust the energy of the laser beam 15c after passing through the opening 5a.
  • the control unit 13 moves the transfer optical system 7 in a direction 19 opposite to the traveling direction 18 of the laser beam 15d based on the movement of the incident optical system 3. That is, the control unit 13 shifts the image of the opening 5a from the processing surface of the workpiece 14 toward the direction 19 opposite to the traveling direction 18 of the laser beam 15d. Thereby, the control part 13 blurs the image of the opening part 5a on the to-be-processed surface of the to-be-processed object 14. FIG. Thereby, the control part 13 expands the beam diameter of the part exceeding the process threshold value of the laser beam 15d on the to-be-processed surface of the to-be-processed object 14. FIG. Thereby, the laser processing apparatus 1 can increase the diameter of a processing hole, and can form the processing hole of a desired diameter.
  • a processed hole having a desired diameter can be formed in the workpiece 14 even if the output of the laser oscillator 2 decreases. Therefore, according to the third embodiment, the usable period of the laser oscillator 2 can be extended, and the replacement frequency of the laser oscillator 2 can be reduced. Therefore, according to the third embodiment, the cost of laser processing can be reduced.
  • the configuration described in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and can be combined with other configurations without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change the part.
  • 1, 1A, 1B laser processing device 2, 2A laser oscillator, 3 incident optical system, 4th drive unit, 5 mask, 6 transmission optical system, 7 transfer optical system, 8 second drive unit, 9 table, 10th 3 drive units, 11 sensors, 12 storage units, 13 control units.

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Abstract

レーザ発振器から出射されるレーザビームをマスク（５）に照射する入射光学系（３）をレーザビームの進行方向又はレーザビームの進行方向と逆方向に移動させて、マスク（５）の開口部を通過後のレーザビームのエネルギーを調整する第１の工程と、入射光学系（３）の移動に基づいて、開口部を通過後のレーザビームを被加工物に照射する転写光学系（７）をレーザビームの進行方向又はレーザビームの進行方向と逆方向に移動させて、レーザビームの被加工物の被加工表面での径を調整する第２の工程と、を含むことで、レーザ発振器（２）の出力が低下しても、被加工物に所望のレーザ加工を行うことを可能とする。

Description

レーザ加工方法及び装置
　本発明は、レーザビームを照射することにより被加工物に加工を行うレーザ加工方法及び装置に関する。
　レーザ加工装置では、レーザ発振器の経時劣化又は個体差により、レーザ発振器の出力が低下して行くことがある。レーザ発振器の出力が低下すると、被加工物に必要な加工を行うことができなくなる可能性がある。具体的には、被加工物に所望の径の穴を開けることができなくなる可能性がある。
　関連する技術として、下記の特許文献１には、アパーチャとレーザ発振器との間に可動レンズを設置し、可動レンズの位置を変化させてアパーチャ上でのレーザビーム径を変化させて、アパーチャ通過後のレーザパワーを調整することで、加工の再現性を高める技術が開示されている。
　また、下記の特許文献２には、ワークの高さに応じて収束レンズを移動させて、レーザビームの焦点をワーク表面に合わせることで、所望の加工幅を得る技術が開示されている。
特開２０００－１７６６６１号公報 特開２００９－２０８０９３号公報
　しかしながら、特許文献１記載の技術では、アパーチャ上でのレーザビームの径を小さくすると、アパーチャ通過後のレーザビームのプロファイルの光軸部と辺縁部との差が大きくなる。そして、被加工物に到達するレーザビームの辺縁部での強度が不足して、所望の径の穴を開けることができなくなる可能性がある。
　また、特許文献２記載の技術は、アパーチャを備えておらず、アパーチャでレーザビームのエネルギーを調整することは開示されていない。つまり、レーザ発振器の経時劣化又は個体差によりレーザ発振器から出射されるレーザビームのエネルギーが低下して行くことは、考慮されていない。更に、特許文献２記載の技術は、ワークの高さに応じて収束レンズを移動させて、レーザビームの焦点をワーク表面に合わせるものである。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ発振器の出力が低下しても、被加工物に所望のレーザ加工を行うことができるレーザ加工方法及び装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ発振器から出射されるレーザビームをマスクに照射する入射光学系をレーザビームの進行方向又はレーザビームの進行方向と逆方向に移動させて、前記マスクの開口部を通過後のレーザビームのエネルギーを調整する第１の工程と、前記入射光学系の移動に基づいて、前記開口部を通過後のレーザビームを被加工物に照射する転写光学系をレーザビームの進行方向又はレーザビームの進行方向と逆方向に移動させて、レーザビームの被加工物の被加工表面での径を調整する第２の工程と、を含むことを特徴とする。
　本発明にかかるレーザ加工方法及び装置は、レーザ発振器の出力が低下しても、被加工物に所望のレーザ加工を行うことができるという効果を奏する。
実施の形態１のレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態１の開口部を通過後のレーザビームのプロファイルを示す図 実施の形態１の被加工物の被加工表面でのレーザビームのプロファイルを示す図 実施の形態１の被加工物の被加工表面でのレーザビームのプロファイルを示す図 実施の形態１のレーザ加工方法を示すフローチャート 実施の形態１の入射光学系の位置と、転写光学系の位置と、加工穴径と、の関係を示すグラフ 実施の形態１の記憶部に記憶されるテーブルを示す図 実施の形態１のレーザ加工方法を示すフローチャート 実施の形態１のレーザ加工装置のレーザビームのエネルギーを調整する際の様子を示す図 実施の形態２のレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態３のレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態３の入射光学系の位置と、転写光学系の位置と、加工穴径と、の関係を示すグラフ 実施の形態３の記憶部に記憶されるテーブルを示す図 比較例のレーザ加工装置の構成を示す図 比較例のマスク上でのレーザビームのプロファイルを示す図 比較例の開口部を通過後のレーザビームのプロファイルを示す図 比較例のマスク上でのレーザビームのプロファイルを示す図 比較例の開口部を通過後のレーザビームのプロファイルを示す図
　以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工方法及び装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１のレーザ加工装置の構成を示す図である。図１に示すように、レーザ加工装置１は、レーザビーム１５ａを出射するレーザ発振器２と、レーザビーム１５ａが入射される入射光学系３と、入射光学系３をレーザビーム１５ａの進行方向１６又はレーザビーム１５ａの進行方向１６の逆方向１７に移動させる第１駆動部４と、を備える。
　更に、レーザ加工装置１は、入射光学系３を通過したレーザビーム１５ｂの一部を通過させる開口部（aperture）５ａを有するマスク５と、開口部５ａを通過したレーザビーム１５ｃを伝送する伝送光学系６と、伝送光学系６によって伝送されたレーザビーム１５ｃが入射され、開口部５ａの像を被加工物１４の被加工表面上に転写する転写光学系７と、転写光学系７をレーザビーム１５ｃの進行方向１８又はレーザビーム１５ｃの進行方向１８の逆方向１９に移動させる第２駆動部８と、を備える。
　また更に、レーザ加工装置１は、被加工物１４が載置されるテーブル９と、テーブル９をレーザビーム１５ｃの進行方向１８と交差する方向に移動させる第３駆動部１０と、テーブル９上に設けられ、レーザビーム１５ｃを計測するセンサ１１と、テーブル１２ａを記憶する記憶部１２と、レーザ発振器２、第１駆動部４、第２駆動部８及び第３駆動部１０を制御する制御部１３と、を備える。
　図１では、入射光学系３は、１枚のレンズであるが、複数のレンズであってもよい。入射光学系３は、レーザビーム１５ａの進行方向１６又はレーザビーム１５ａの進行方向１６の逆方向１７に移動可能である。制御部１３は、入射光学系３を移動させることにより、マスク５へ入射するレーザビーム１５ｂのビーム径を調節できる。これにより、制御部１３は、レーザビーム１５ｂ全体に対するレーザビーム１５ｃの比率を変更することができ、レーザビーム１５ｃのエネルギーを調節することができる。
　入射光学系３は、初期時において、レーザビーム１５ｃのエネルギーが被加工物１４の加工に適したエネルギーとなる位置に位置決めされる。なお、以降において、このときの入射光学系３の位置を入射光学系３の基準位置と呼ぶことにする。
　伝送光学系６は、１枚又は複数枚のミラーで構成される。伝送光学系６は、スキャンミラーを含んでも良い。スキャンミラーは、ガルバノミラー（galvano　mirror）が例示される。転写光学系７は、ｆθレンズであっても良い。
　転写光学系７は、初期時において、開口部５ａの像を被加工物１４の被加工表面上に結像する位置に位置決めされる。なお、以降において、このときの転写光学系７の位置を転写光学系７の基準位置と呼ぶことにする。
　次に、レーザ加工装置１の動作の概要について説明する。レーザ発振器２から出射されたレーザビーム１５ａは、まず入射光学系３へ入射する。レーザビーム１５ａが入射光学系３によってビーム径を変えられたレーザビーム１５ｂは、マスク５へ入射する。図１では、レーザビーム１５ｂは、収束点２０で一度収束した後発散してマスク５へ入射しているが、収束したままマスク５へ入射してもよいし、コリメート光にされてからマスク５へ入射してもよい。
　制御部１３は、レーザビーム１５ｂのマスク５上でのビーム径が開口部５ａの開口径よりも大きくなるように、入射光学系３の位置を制御する。これにより、レーザビーム１５ｂの一部は、開口部５ａを通過し、レーザビーム１５ｃとなる。このとき、制御部１３は、レーザ発振器２の個体差又は経時劣化によってレーザビーム１５ａのエネルギーが低下しても、開口部５ａを通過後のレーザビーム１５ｃのエネルギーが一定となるように、入射光学系３の位置を調整する。
　具体的には、制御部１３は、レーザ発振器２から出射されるレーザビーム１５ａのエネルギーが低下したら、入射光学系３をレーザビーム１５ａの進行方向１６に移動させて、レーザビーム１５ｂのマスク５上でのビーム径を小さくする。これにより、制御部１３は、レーザビーム１５ｂ全体に対するレーザビーム１５ｃの比率を高めることができ、レーザビーム１５ｃのエネルギーを保つことができる。
　開口部５ａを通過後のレーザビーム１５ｃは、伝送光学系６によって転写光学系７へ入射される。転写光学系７は、開口部５ａの像を被加工物１４の被加工表面上へ転写する。これにより、開口部５ａの開口径に応じた加工穴が被加工物１４に形成される。なお、加工穴は、有底穴であっても良いし、貫通孔であっても良い。
　ここで、比較例について説明する。図１４は、比較例のレーザ加工装置の構成を示す図である。図１４に示すように、レーザ加工装置８１は、レーザビーム９０ａを出射するレーザ発振器８２と、レーザビーム９０ａが入射される入射光学系８３と、入射光学系８３をレーザビーム９０ａの進行方向１００又はレーザビーム９０ａの進行方向１００の逆方向１０１に移動させる駆動部８４と、を備える。
　更に、レーザ加工装置８１は、入射光学系８３を通過したレーザビーム９０ｂの一部を通過させる開口部８５ａを有するマスク８５と、開口部８５ａを通過したレーザビーム９０ｃを伝送する伝送光学系８６と、伝送光学系８６によって伝送されたレーザビーム９０ｃが入射され、開口部８５ａの像を被加工物８９の被加工表面上に転写する転写光学系８７と、レーザ発振器８２及び駆動部８４を制御する制御部８８と、を備える。
　レーザ発振器８２から出射されたレーザビーム９０ａは、まず入射光学系８３へ入射する。レーザビーム９０ａが入射光学系８３によってビーム径を変えられたレーザビーム９０ｂは、マスク８５へ入射する。図１４では、レーザビーム９０ｂは、収束点９１で一度収束した後発散してマスク８５へ入射している。
　開口部８５ａを通過後のレーザビーム９０ｃは、伝送光学系８６によって転写光学系８７へ入射される。転写光学系８７は、開口部８５ａの像を被加工物８９の被加工表面上へ転写する。これにより、開口部８５ａの開口径に応じた加工穴が被加工物８９に形成される。
　図１５は、比較例のマスク上でのレーザビームのプロファイルを示す図である。図１６は、比較例の開口部を通過後のレーザビームのプロファイルを示す図である。なお、レーザビームのプロファイルは、ビーム形状又はモード形状と呼ばれることがある。
　図１５に示すように、マスク８５上でのレーザビーム９０ｂのプロファイル９２は、ガウス形状である。そして、レーザビーム９０ｂの一部は、径９３を有する開口部８５ａを通過する。図１６に示すように、開口部８５ａを通過後のレーザビーム９０ｃのプロファイル９４は、径９３を有する。このとき、レーザビーム９０ｃ全体のビーム強度が加工閾値９９を上回っており、被加工物８９に所望の径の加工穴を形成することができる。
　次に、レーザ発振器８２の個体差又は経時劣化によってレーザビーム９０ａのエネルギーが低下した場合について、説明する。
　この場合、再び図１４を参照すると、制御部８８は、入射光学系８３をレーザビーム９０ａの進行方向１００に移動させて、レーザビーム９０ｂのマスク８５上でのビーム径を小さくする。これにより、制御部８８は、レーザビーム９０ｂ全体に対するレーザビーム９０ｃの比率を高めることができ、レーザビーム９０ｃのエネルギーを保つことができる。
　図１７は、比較例のマスク上でのレーザビームのプロファイルを示す図である。図１８は、比較例の開口部を通過後のレーザビームのプロファイルを示す図である。
　図１７に示すように、マスク８５上でのレーザビーム９０ｂのプロファイル９５は、ガウス形状である。但し、図１５に示したレーザ発振器８２の出力低下前のプロファイル９２と比較してレーザビーム９０ｂの径が小さくなっているので、マスク８５上でのレーザビーム９０ｂのプロファイル９５は、尖った形状となっている。そして、レーザビーム９０ｂの周縁部のビーム強度が低い部分まで、開口部８５ａを通過する。
　そして、レーザビーム９０ｂの一部は、径９３を有する開口部８５ａを通過する。図１８に示すように、開口部８５ａを通過後のレーザビーム９０ｃのプロファイル９６は、径９３を有する。ここで、レーザビーム９０ｃの光軸を含む部分のビーム強度は、加工閾値９９を上回っている。しかし、レーザビーム９０ｃの周縁部９７及び９８のビーム強度は、加工閾値９９を下回っている。このため、レーザ加工装置８１は、被加工物８９に所望の径の加工穴を形成することができない。具体的には、レーザ加工装置８１は、被加工物８９に所望の径よりも小さい径の加工穴しか形成することができない。
　次に、実施の形態１にかかるレーザ加工方法の原理について説明する。図１に示すレーザ加工装置１の光学系は、開口部５ａの像を被加工物１４上へ転写する光学系となっているので、開口部５ａの開口径により加工穴の径は決まる。
　しかし、レーザ発振器８２の出力が低下し、制御部１３がマスク５へ入射するレーザビーム１５ｂのビーム径が小さくなるように制御したときは、開口部５ａを通過後のレーザビーム１５ｃのプロファイルは、尖った形状となる。
　図２は、実施の形態１の開口部を通過後のレーザビームのプロファイルを示す図である。図２に示す開口部５ａを通過後のレーザビーム１５ｃのプロファイル３０では、周縁部のビーム強度が低い部分まで含まれている。
　図３は、実施の形態１の被加工物の被加工表面でのレーザビームのプロファイルを示す図である。図３に示す被加工物１４の被加工表面でのレーザビーム１５ｄのプロファイル３１では、被加工物１４の表面でのレーザビーム１５ｄの光軸を含む部分３２のビーム強度は、加工閾値３７を上回っている。しかし、レーザビーム１５ｄの周縁部３３及び３４のビーム強度は、加工閾値３７を下回っている。このため、レーザ加工装置１は、被加工物１４に所望の径の加工穴を形成することができない。具体的には、レーザ加工装置１は、被加工物１４に所望の径よりも小さい径の加工穴しか形成することができない。
　そこで、制御部１３は、転写光学系７を、開口部５ａの像を被加工物１４上へ結像させる基準位置からレーザビーム１５ｄの進行方向１８へ移動させる。つまり、制御部１３は、開口部５ａの像を被加工物１４の被加工表面よりもレーザビーム１５ｄの進行方向１８へずらす。これにより、制御部１３は、被加工物１４の被加工表面上での開口部５ａの像をぼやけさせる。なお、被加工物１４の被加工表面上での開口部５ａの像をぼやけさせるとは、被加工物１４の被加工表面上での開口部５ａの像の輪郭及び濃淡の境目をきわだたせないで、ぼんやりさせることを言う。これにより、制御部１３は、被加工物１４の被加工表面上でのレーザビーム１５ｄの加工閾値を上回る部分のビーム径を拡大する。これにより、レーザ加工装置１は、加工穴の径を所望の加工穴径に増大させ、所望の径の加工穴を形成することができる。
　図４は、実施の形態１の被加工物の被加工表面でのレーザビームのプロファイルを示す図である。制御部１３は、転写光学系７を、開口部５ａの像を被加工物１４上へ結像させる基準位置からレーザビーム１５ｄの進行方向１８へずらす。つまり、制御部１３は、開口部５ａの像を被加工物１４の被加工表面よりもレーザビーム１５ｄの進行方向１８へずらす。これにより、制御部１３は、被加工物１４の被加工表面上での開口部５ａの像をぼやけさせる。これにより、制御部１３は、被加工物１４の被加工表面上でのレーザビーム１５ｄの加工閾値を上回る部分のビーム径を拡大する。
　図４に示す被加工物１４の被加工表面でのレーザビーム１５ｄのプロファイル３５では、レーザビーム１５ｄの加工閾値を上回る部分のビーム径が拡大されているので、必要な寸法の径３６の加工穴を形成することができる。なお、プロファイル３５が波打つ形状となっているのは、転写光学系７を結像位置からずらしたことによる、回折の影響である。
　次に、実施の形態１にかかるレーザ加工方法の手順について説明する。図５は、実施の形態１のレーザ加工方法を示すフローチャートである。図５に示すフローチャートは、入射光学系３の位置と、転写光学系７の位置と、加工穴径と、の関係を取得する方法を示すフローチャートである。図５に示すフローチャートは、レーザ加工装置１の設置時に実行しても良いし、レーザ発振器２の交換時に実行しても良い。また、図５に示すフローチャートを実行するプログラムは、記憶部１２に記憶しておいても良い。
　まず、制御部１３は、ステップＳ１００において、レーザ発振器２を駆動して、被試験物を加工する。そして、制御部１３は、ステップＳ１０２において、転写光学系７の位置と、加工穴径との関係を取得する。
　次に、制御部１３は、ステップＳ１０４において、転写光学系７が計測末端に到達したか否かを判定する。制御部１３は、ステップＳ１０４で転写光学系７が計測末端に到達していないと判定したら（Ｎｏ）、ステップＳ１０６において、転写光学系７を１基準量移動させて、処理をステップＳ１００に進める。なお、１基準量は、マイクロメートルのオーダが例示される。
　一方、制御部１３は、ステップＳ１０４で転写光学系７が計測末端に到達したと判定したら（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０８において、入射光学系３が計測末端に到達したか否かを判定する。制御部１３は、ステップＳ１０８で入射光学系３が計測末端に到達していないと判定したら（Ｎｏ）、ステップＳ１１０において、入射光学系３を１基準量移動させる。なお、１基準量は、ミリメートルのオーダが例示される。
　次いで、制御部１３は、ステップＳ１１２において、転写光学系７を基準位置に戻し、処理をステップＳ１００に進める。
　一方、制御部１３は、ステップＳ１０８で入射光学系３が計測末端に到達したと判定したら（Ｙｅｓ）、処理を終了する。
　なお、レーザ加工装置１を図５に示すフローチャートに従って実際に動作させることで、入射光学系３の位置と、転写光学系７の位置と、加工穴径と、の関係を取得することが好ましい。しかしながら、図５に示すフローチャートをシミュレーション実行することによって入射光学系３の位置と、転写光学系７の位置と、加工穴径と、の関係を取得しても良い。
　図６は、実施の形態１の入射光学系の位置と、転写光学系の位置と、加工穴径と、の関係を示すグラフである。図６に示すグラフは、図５に示すフローチャートをシミュレーション実行することによって取得したものである。
　図６に示すグラフにおいて、横軸は、転写光学系７の位置を表し、縦軸は、被加工物１４の被加工表面上でのレーザビーム１５ｄの加工閾値を上回る部分の径を表す。また、転写光学系７をレーザビーム１５ｄの進行方向１８側に移動させる場合を「－」で示し、転写光学系７をレーザビーム１５ｄの進行方向１８の逆方向１９側に移動させる場合を「＋」で示している。
　図６では、入射光学系３の位置が基準位置の場合、入射光学系３の位置が基準位置から－１ｍｍの位置の場合、入射光学系３の位置が基準位置から－２ｍｍの位置の場合、入射光学系３の位置が基準位置から－３ｍｍの位置の場合及び入射光学系３の位置が基準位置から－４ｍｍの位置の場合を示している。なお、入射光学系３をレーザビーム１５ｂの進行方向１６側に移動させる場合を「－」で示している。
　線４０は、入射光学系３の位置が基準位置の場合のサンプル点の近似直線である。線４１は、入射光学系３の位置が基準位置から－１ｍｍの場合のサンプル点の近似直線である。線４２は、入射光学系３の位置が基準位置から－２ｍｍの場合のサンプル点の近似直線である。線４３は、入射光学系３の位置が基準位置から－３ｍｍの場合のサンプル点の近似直線である。線４４は、入射光学系３の位置が基準位置から－４ｍｍの場合のサンプル点の近似直線である。
　ここで、所望の加工穴径が５０μｍとする。この場合、線４０、線４１、線４２、線４３及び線４４と、被加工物１４の被加工表面上でのレーザビーム１５ｄの加工閾値を上回る部分の径＝５０μｍと、の交点４５、交点４６、交点４７、交点４８及び交点４９を求める。そして、交点４５、交点４６、交点４７、交点４８及び交点４９の横軸の値が、入射光学系３の位置が基準位置の場合、入射光学系３の位置が基準位置から－１ｍｍの位置の場合、入射光学系３の位置が基準位置から－２ｍｍの位置の場合、入射光学系３の位置が基準位置から－３ｍｍの位置の場合及び入射光学系３の位置が基準位置から－４ｍｍの位置の場合に配置すべき転写光学系７の位置となる。
　具体的には、入射光学系３の位置が基準位置の場合、転写光学系７の位置は、基準位置から－１４０μｍとなる。また、入射光学系３の位置が基準位置から－１ｍｍの位置の場合、転写光学系７の位置は、基準位置から－１２０μｍとなる。また、入射光学系３の位置が基準位置から－２ｍｍの位置の場合、転写光学系７の位置は、基準位置から－９５μｍとなる。また、入射光学系３の位置が基準位置から－３ｍｍの位置の場合、転写光学系７の位置は、基準位置から－７０μｍとなる。また、入射光学系３の位置が基準位置から－４ｍｍの位置の場合、転写光学系７の位置は、基準位置から－２５μｍとなる。
　図７は、実施の形態１の記憶部に記憶されるテーブルを示す図である。図７に示すテーブル１２ａは、図６のグラフに基づいて、入射光学系３の位置と、レーザビーム１５ｄの被加工物１４の被加工表面での径が所望の径になるときの転写光学系７の位置と、の関係を記述したものである。
　図８は、実施の形態１のレーザ加工方法を示すフローチャートである。図８に示すフローチャートは、レーザ加工に際し、レーザ加工装置１を調整する方法を示すフローチャートである。図８に示すフローチャートの処理は、レーザ加工の都度、実行されても良いし、毎日の稼働の前に実行されても良いし、レーザ発振器２の出力の低下を見計らって実行されても良い。また、図８に示すフローチャートの処理を実行するプログラムは、記憶部１２に記憶されていても良い。
　まず、制御部１３は、ステップＳ１２０において、入射光学系３をレーザビーム１５ａの進行方向１６又はレーザビーム１５ａの進行方向１６の逆方向１７に移動させて、開口部５ａを通過後のレーザビーム１５ｃのエネルギーを調整する。
　図９は、実施の形態１のレーザ加工装置のレーザビームのエネルギーを調整する際の様子を示す図である。図９に示すように、制御部１３は、第３駆動部１０を駆動させてテーブル９を移動させ、センサ１１をレーザビーム１５ｄの光軸上に位置させる。そして、制御部１３は、センサ１１で計測されるレーザビーム１５ｄのエネルギーをモニタしながら、入射光学系３を移動させることで、センサ１１に入射するレーザビーム１５ｄのエネルギーを所望の値に調整する。
　再び図８を参照すると、制御部１３は、ステップＳ１２２において、入射光学系３の移動に基づいて、転写光学系７をレーザビーム１５ｄの進行方向１８又はレーザビーム１５ｄの進行方向１８の逆方向１９に移動させて、被加工物１４の被加工表面上でのレーザビーム１５ｄの加工閾値を上回る部分のビーム径を調整する。このとき、制御部１３は、図７に示すテーブル１２ａを参照することで、入射光学系３の位置に応じた転写光学系７の位置を決定することができる。
　なお、上記では、記憶部１２にテーブル１２ａを記憶させて入射光学系３の位置に応じた転写光学系７の位置を決定することとしたが、記憶部１２にテーブル１２ａを記憶させない態様も可能である。具体的には、作業者が、レーザ加工装置１を操作しながら、被加工物１４の被加工表面上でのレーザビーム１５ｄの加工閾値を上回る部分の径が所望の径になるように、転写光学系７の位置を調整することも可能である。また、作業者が、レーザ加工装置１を操作しながら、被加工物１４に実際に形成された加工穴径が所望の径になるように、転写光学系７の位置を調整することも可能である。
　以上説明したように、実施の形態１によれば、レーザ発振器２の出力が低下しても、被加工物１４に必要な寸法の径の加工穴を形成することができる。従って、実施の形態１によれば、レーザ発振器２の使用可能期間を延ばすことができ、レーザ発振器２の交換頻度を少なくすることができる。従って、実施の形態１によれば、レーザ加工のコストを低減することができる。
実施の形態２．
　図１０は、実施の形態２のレーザ加工装置の構成を示す図である。実施の形態２にかかるレーザ加工装置１Ａは、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１のレーザ発振器２に代えて、レーザ出力を示す信号を出力できるレーザ発振器２Ａを備えている。
　制御部１３は、レーザ発振器２Ａから受信するレーザ出力を示す信号によって、レーザ発振器２Ａの出力を取得することができる。レーザ発振器２Ａのレーザ出力を取得できれば、レーザビーム１５ｃのエネルギーが所望のエネルギーとなるときの入射光学系３の位置を決定できる。そこで、レーザ出力を示す信号と、レーザビーム１５ｃのエネルギーが所望のエネルギーとなるときの入射光学系３の位置と、の関係を予め取得し、レーザ出力を示す信号と、レーザビーム１５ｃのエネルギーが所望のエネルギーとなるときの入射光学系３の位置と、の関係を記述したテーブル１２ｂを記憶部１２に記憶させておく。
　制御部１３は、レーザ発振器２Ａから受信するレーザ出力を示す信号に基づいて、テーブル１２ｂを参照し、入射光学系３の位置を決定し、入射光学系３を移動させる。更に、制御部１３は、入射光学系３の移動に基づいて、テーブル１２ａを参照し、転写光学系７の位置を決定し、転写光学系７を移動させる。
　以上説明したように、実施の形態２によれば、レーザビーム１５ｄのエネルギーをセンサ１１で計測する手間を省くことができる。従って、実施の形態２によれば、レーザ加工の効率を向上させることができる。
　なお、上記した実施の形態１及び実施の形態２では、入射光学系３の位置と転写光学系７の位置との関係をあらかじめ記憶部１２に記憶させておく構成を示した。しかし、レーザ加工の都度転写光学系７の位置を調整してもよい。すなわち、レーザ加工前の段取り工程として、転写光学系７の位置を変えてレーザ加工を行い、所望の加工穴径となる転写光学系７の位置を決定する。
　レーザビーム１５ａの発散角又はプロファイルが変化した場合、入射光学系３の位置と、マスク５上でのビーム径と、の関係も変わる。つまり、入射光学系３の位置と、開口部５ａを通過後のレーザビーム１５ｃのプロファイルと、の関係も変わる。これにより、実施の形態１及び実施の形態２で予め記憶部１２に記憶させておいたテーブル１２ａ及び１２ｂの関係も変わり、加工穴径を所望の径に保つことができなくなる可能性がある。しかしレーザ加工の都度転写光学系７の位置を調整することとすれば、レーザビーム１５ａの発散角又はプロファイルが変動した場合でも、加工穴径を所望の径に保つことができる。
実施の形態３．
　図１１は、実施の形態３のレーザ加工装置の構成を示す図である。
　実施の形態１にかかるレーザ加工装置１では、レーザビーム１５ｂが、収束点２０で収束した後、発散してマスク５に入射している。
　一方、実施の形態３にかかるレーザ加工装置１Ｂでは、レーザビーム１５ｂが、収束する前にマスク５に入射している。そして、開口部５ａを通過後のレーザビーム１５ｃが収束点２０で収束している。
　実施の形態３では、制御部１３は、レーザ発振器２から出射されるレーザビーム１５ａのエネルギーが低下したら、入射光学系３をレーザビーム１５ａの進行方向１６の逆方向１７に移動させて、レーザビーム１５ｂのマスク５上でのビーム径を小さくする。これにより、制御部１３は、レーザビーム１５ｂ全体に対するレーザビーム１５ｃの比率を高めることができ、レーザビーム１５ｃのエネルギーを保つことができる。
　図１２は、実施の形態３の入射光学系の位置と、転写光学系の位置と、加工穴径と、の関係を示すグラフである。図１２に示すグラフは、図５に示すフローチャートをシミュレーション実行することによって取得したものである。
　図１２に示すグラフにおいて、横軸は、転写光学系７の位置を表し、縦軸は、被加工物１４の被加工表面上でのレーザビーム１５ｄの加工閾値を上回る部分の径を表す。また、転写光学系７をレーザビーム１５ｄの進行方向１８側に移動させる場合を「－」で示し、転写光学系７をレーザビーム１５ｄの進行方向１８の逆方向１９側に移動させる場合を「＋」で示している。
　図１２では、入射光学系３の位置が基準位置の場合、入射光学系３の位置が基準位置から＋１ｍｍの位置の場合、入射光学系３の位置が基準位置から＋２ｍｍの位置の場合及び入射光学系３の位置が基準位置から＋３ｍｍの位置の場合を示している。なお、入射光学系３をレーザビーム１５ｂの進行方向１６の逆方向１７側に移動させる場合を「＋」で示している。
　線６０は、入射光学系３の位置が基準位置の場合のサンプル点の近似直線である。線６１は、入射光学系３の位置が基準位置から＋１ｍｍの場合のサンプル点の近似直線である。線６２は、入射光学系３の位置が基準位置から＋２ｍｍの場合のサンプル点の近似直線である。線６３は、入射光学系３の位置が基準位置から＋３ｍｍの場合のサンプル点の近似直線である。
　ここで、所望の加工穴径が５０μｍとする。この場合、線６０、線６１、線６２及び線６３と、被加工物１４の被加工表面上でのレーザビーム１５ｄの加工閾値を上回る部分の径＝５０μｍと、の交点６４、交点６５、交点６６及び交点６７を求める。そして、交点６４、交点６５、交点６６及び交点６７の横軸の値が、入射光学系３の位置が基準位置の場合、入射光学系３の位置が基準位置から＋１ｍｍの位置の場合、入射光学系３の位置が基準位置から＋２ｍｍの位置の場合及び入射光学系３の位置が基準位置から＋３ｍｍの位置の場合に配置すべき転写光学系７の位置となる。
　具体的には、入射光学系３の位置が基準位置の場合、転写光学系７の位置は、基準位置から＋２６０μｍとなる。また、入射光学系３の位置が基準位置から＋１ｍｍの位置の場合、転写光学系７の位置は、基準位置から＋２００μｍとなる。また、入射光学系３の位置が基準位置から＋２ｍｍの位置の場合、転写光学系７の位置は、基準位置から＋７５μｍとなる。また、入射光学系３の位置が基準位置から＋３ｍｍの位置の場合、転写光学系７の位置は、基準位置から＋１０μｍとなる。
　図１３は、実施の形態３の記憶部に記憶されるテーブルを示す図である。図１３に示すテーブル１２ｃは、図１２のグラフに基づいて、入射光学系３の位置と、レーザビーム１５ｄの被加工物１４の被加工表面での径が所望の径になるときの転写光学系７の位置と、を記述したものである。
　制御部１３は、入射光学系３をレーザビーム１５ａの進行方向１６の逆方向１７に移動させて、開口部５ａを通過後のレーザビーム１５ｃのエネルギーを調整する。
　そして、制御部１３は、入射光学系３の移動に基づいて、転写光学系７をレーザビーム１５ｄの進行方向１８の逆方向１９に移動させる。つまり、制御部１３は、開口部５ａの像を被加工物１４の被加工表面よりもレーザビーム１５ｄの進行方向１８と逆方向１９側へずらす。これにより、制御部１３は、被加工物１４の被加工表面上での開口部５ａの像をぼやけさせる。これにより、制御部１３は、被加工物１４の被加工表面上でのレーザビーム１５ｄの加工閾値を上回る部分のビーム径を拡大する。これにより、レーザ加工装置１は、加工穴の径を増大させ、所望の径の加工穴を形成することができる。
　以上説明したように、実施の形態３によれば、レーザ発振器２の出力が低下しても、被加工物１４に所望の径の加工穴を形成することができる。従って、実施の形態３によれば、レーザ発振器２の使用可能期間を延ばすことができ、レーザ発振器２の交換頻度を少なくすることができる。従って、実施の形態３によれば、レーザ加工のコストを低減することができる。
　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　１，１Ａ，１Ｂ　レーザ加工装置、２，２Ａ　レーザ発振器、３　入射光学系、４　第１駆動部、５　マスク、６　伝送光学系、７　転写光学系、８　第２駆動部、９　テーブル、１０　第３駆動部、１１　センサ、１２　記憶部、１３　制御部。

Claims (10)

  1. 　レーザ発振器から出射されるレーザビームをマスクに照射する入射光学系をレーザビームの進行方向又はレーザビームの進行方向と逆方向に移動させて、前記マスクの開口部を通過後のレーザビームのエネルギーを調整する第１の工程と、
    　前記入射光学系の移動に基づいて、前記開口部を通過後のレーザビームを被加工物に照射する転写光学系をレーザビームの進行方向又はレーザビームの進行方向と逆方向に移動させて、レーザビームの被加工物の被加工表面での径を調整する第２の工程と、
    　を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
  2. 　前記第２の工程は、前記転写光学系により結像される前記開口部の像を、被加工物の被加工表面よりもレーザビームの進行方向又はレーザビームの進行方向と逆方向にずらすことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工方法。
  3. 　前記第２の工程は、被加工物の被加工表面上でのレーザビームの加工閾値を上回る部分のビーム径を、所望の加工穴径に増大させることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工方法。
  4. 　前記第２の工程は、前記入射光学系の位置と、レーザビームの被加工物の被加工表面での径が所望の径になるときの前記転写光学系の位置と、の関係を記述したテーブルを参照することで、前記転写光学系の位置を決定することを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工方法。
  5. 　前記第１の工程は、前記レーザ発振器から受信するレーザ出力を示す信号と、前記開口部を通過後のレーザビームのエネルギーが所望のエネルギーとなるときの入射光学系の位置と、の関係を記述したテーブルを参照することで、前記入射光学系の位置を決定することを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工方法。
  6. 　レーザ発振器から出射されるレーザビームをマスクに照射する入射光学系と、
    　前記マスクの開口部を通過後のレーザビームを被加工物に照射する転写光学系と、
    　前記入射光学系をレーザビームの進行方向又はレーザビームの進行方向と逆方向に移動させて、前記開口部を通過後のレーザビームのエネルギーを調整し、前記入射光学系の移動に基づいて、前記転写光学系をレーザビームの進行方向又はレーザビームの進行方向と逆方向に移動させて、レーザビームの被加工物の被加工表面での径を調整する制御を行う制御部と、
    　を備えることを特徴とする、レーザ加工装置。
  7. 　前記制御部は、前記転写光学系により結像される前記開口部の像を、被加工物の被加工表面よりもレーザビームの進行方向又はレーザビームの進行方向と逆方向にずらすことを特徴とする、請求項６に記載のレーザ加工装置。
  8. 　前記制御部は、被加工物の被加工表面上でのレーザビームの加工閾値を上回る部分のビーム径を、所望の加工穴径に増大させることを特徴とする、請求項６に記載のレーザ加工装置。
  9. 　前記入射光学系の位置と、レーザビームの被加工物の被加工表面での径が所望の径になるときの前記転写光学系の位置と、の関係を記述したテーブルを記憶する記憶部を更に備え、
    　前記制御部は、前記テーブルを参照することで、前記転写光学系の位置を決定することを特徴とする、請求項６に記載のレーザ加工装置。
  10. 　前記レーザ発振器から受信するレーザ出力を示す信号と、前記開口部を通過後のレーザビームのエネルギーが所望のエネルギーとなるときの入射光学系の位置と、の関係を記述したテーブルを記憶する記憶部を更に備え、
    　前記制御部は、前記テーブルを参照することで、前記入射光学系の位置を決定することを特徴とする、請求項６に記載のレーザ加工装置。
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