JP2003181673A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置がコンパクトで、しかも加工能率を向上
させることができるレーザ加工装置を提供すること。 【解決手段】 回折光学素子４と、第１の集光レンズ１
０と、空間フィルタ１１とを設け、空間フィルタ１１を
第１のレンズ１０の焦点面近傍に配置する。そして、レ
ーザ光を回折光学素子４により複数に分岐すると共に、
必要とするレーザ光を空間フィルタ１１により選択す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を用いて
多層基板に穴明け等の加工を行うレーザ加工装置に係
り、特に、多数の穴を同時に加工するレーザ加工装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザ光を用いてプリント基板
に穴明けを加工を行う場合、レーザ発振器から発振され
たレーザ光の外形を、マスクに設けたアパーチャにより
加工形状に合わせて整形し、加工レンズによりアパーチ
ャの像（以下、「アパーチャ像」という。）を加工面に
縮小投影して加工をする。

【０００３】例えば、特開平１１−７７３４４号公報で
は、レーザ光をホログラムにより複数に分岐させ、分岐
させたレーザ光をそれぞれ加工ターゲット上に結像させ
るようにしている。この技術によれば、多数の穴を同時
に加工することができるので、加工能率を向上させるこ
とができた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では、分岐させたレーザ光と同数のアパーチャが必要に
なる。このため、例えば直径０．１ｍｍの穴を０．５ｍ
ｍピッチで５個加工する場合、縮小率を１／２０とする
と、マスクには直径２ｍｍのアパーチャを１０ｍｍピッ
チで５個並べる必要がある。また、アパーチャ以降の光
学系を、少なくとも５０ｍｍ以上に広がるレーザ光をカ
バーできる大きさに構成する必要がある。しかも、同時
に加工する穴数を増せば増すほど、装置全体が大型にな
る。

【０００５】また、通常、加工レンズの手前側にガルバ
ノミラーを配置し、ガルバノミラーによりレーザ光を加
工位置に位置決めするようにして加工能率を向上させて
いるが、上記従来技術では、ガルバノミラーが大型にな
らざるを得ない。大型のガルバノミラーは高速で位置決
めすることは困難であるため、上記従来技術では、加工
能率はそれほど向上しない。

【０００６】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決し、装置がコンパクトで、しかも加工能率を向
上させることができるレーザ加工装置を提供するにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、レーザ光を加工レンズにより集光して加
工対象を加工するレーザ加工装置において、回折光学素
子と、第１の集光レンズと、空間フィルタとを設け、前
記空間フィルタを前記第１のレンズの焦点面近傍に配置
し、前記レーザ光を前記回折光学素子により複数に分岐
させ、分岐させたレーザ光を前記第１のレンズにより集
光させると共に、必要とする前記レーザ光を前記空間フ
ィルタにより選択することを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
に基づいて説明する。

【０００９】図１は本発明に係るレーザ加工装置の構成
図であり、図２は空間フィルタの形状と光強度分布を示
す図である。

【００１０】図１において、レーザ発振器１の光路上に
は、ミラー２、マスク３、回折光学素子４、結像光学系
５、スキャナ６のミラー１４、ｆθレンズ７、加工対象
８が配置されている。

【００１１】レーザ発振器１は、紙面と平行な電場振動
面をもつ光をパルス状に発振する。マスク３には、アパ
ーチャ３ａが形成されている。透過型の回折光学素子４
は、入射するレーザ光を必要数（ここでは３個。）に分
岐する。

【００１２】結像光学系５は、レンズ１０と、空間フィ
ルタ１１と、レンズ１２とから構成されている。レンズ
１０とレンズ１２の焦点距離はそれぞれｆθレンズ７の
焦点距離に等しく、レンズ１０とレンズ１２は、焦点距
離の２倍の距離を隔てて設置されている。また、結像光
学系５は、回析光学素子４の等倍率の実像がｆθレンズ
７の前焦点位置付近に形成されるように配置されてい
る。すなわち、回折光学素子４からレンズ１０までの距
離をＬとするとき、レンズ１２からｆθレンズの前焦点
までの距離がＬになるように配置されている。

【００１３】空間フィルタ１１は、レーザ光を透過させ
ない材質の部材で形成され、回析光学素子４側は鏡面に
形成されている。また、図２に示すように、複数（ここ
では３個。）の開口２１が形成されている。そして、空
間フィルタ１１は、レンズ１０の焦点から光路方向に僅
かにずらせた位置（ただし、後述するように、アパーチ
ャ像Ａとアパーチャ像Ｂが重ならない範囲である。）、
かつ光路に対して僅かに傾け、開口２１のそれぞれの中
心が後述するアパーチャ像Ａのそれぞれの中心と一致す
るようにして、位置決めされている。また、空間フィル
タ１１には、冷却用のペルチェ素子１３が配置されてい
る。

【００１４】ミラー１４は、モータ１５により、紙面と
垂直な方向の軸の回りに位置決め自在である。加工対象
８は、ＸＹステージ９に載置され、水平方向に位置決め
自在である。

【００１５】次に、本実施の形態の動作を説明する。

【００１６】レーザ発振器１から出力されたレーザ光
は、ミラー２で反射され、マスク３を照射する。アパー
チャ３ａを透過したレーザ光は、回折光学素子４により
所定の数（ここでは、３本）に分岐される。なお、回折
光学素子４によりレーザ光を分岐すると、回折光学素子
４の製作方法などにより、加工に必要な分岐光だけでな
く、加工に必要とされない分岐光（以下、「雑音ビー
ム」という。また、加工に用いる分岐光を「加工ビー
ム」として、両者を区別する。）も分岐される。分岐さ
れた加工ビームと雑音ビームはそれぞれレンズ１０によ
り集光され、図２に示すように、加工ビームはアパーチ
ャ像Ａを、雑音ビームはアパーチャ像Ｂを、それぞれ形
成する。なお、空間フィルタ１１はレンズ１０の焦点か
ら少しずれた位置に配置されているので、空間フィルタ
１１の面上に現れるアパーチャ像Ａとアパーチャ像Ｂは
多少ぼやけたものになる。そして、レンズ１０の焦点距
離はｆθレンズの焦点距離に等しいので、アパーチャ像
Ａおよびとアパーチャ像Ｂの大きさとピッチは加工対象
８の表面におけるアパーチャ像の大きさとピッチにほぼ
等しい。

【００１７】アパーチャ像Ａを結像する加工ビームは、
同図に示すように、穴２１を透過してレンズ１２により
平行光に変換され、ミラー１４で曲げられてｆθレンズ
７に入射し、アパーチャ像が加工面付近に実像として結
像されて加工を行う。一方、雑音ビームは、大部分が空
間フィルタ１１の表面で光路から外れる方向に反射さ
れ、残りの極く一部が空間フィルタ１１に吸収される。
吸収された雑音ビームにより、空間フィルタ１１は加熱
されるが、ペルチェ素子１５により直ちに冷却されるの
で、空間フィルタ１１が損傷することはない。

【００１８】以下、ミラー１４を動作させることによ
り、ｆθレンズ７の大きさで定まる加工領域内におい
て、加工ビームを位置決めして加工を行う。そして、当
該加工領域内の加工が終了すると、ＸＹステージを動作
させて次の加工領域をｆθレンズ７に対して位置決めす
る。以下、加工が終了するまで上記の動作を繰り返す。

【００１９】この実施形態では、空間フィルタ１１をレ
ンズのアパーチャ結像面から僅かにずらして配置するよ
うにしたので、空間フィルタ１１上に形成されるアパー
チャ像Ｂがぼける。この結果、雑音ビームのピーク強度
が小さくなり、空間フィルタ１１が損傷することを防止
できる。なお、光エネルギーがそれほど大きくないとき
には、アパーチャ結像面に空間フィルタ１１を配置して
もよい。

【００２０】また、空間フィルタ１１を光軸に対して垂
直方向から若干傾けることにより、空間フィルタ１１の
側面で反射されたレーザ光が光路を逆行することを抑制
できるので、レーザ発振器等の損傷を予防することがで
きると共に装置の信頼牲を向上させることができる。

【００２１】さらに、回折光学素子４の実像がｆθレン
ズ７の前焦点に形成されるように結像光学系５を配置し
たので、加工ビームは加工対象８に対してほぼ垂直方向
に入射する。この結果、加工した穴の軸線は加工対象の
表面に対してほぼ直角になるので、品質に優れた穴を加
工することができる。

【００２２】なお、上記では、結像光学系のレンズ１
０、１２を単レンズにしたが、複数のレンズで構成して
もよい。

【００２３】また、空間フィルタ１１を冷却する手投
は、ペルチェ素子に限らず、水の循環による水冷あるい
はファンやフィンを利用した空冷等であってもよ、。

【００２４】さらに、結像光学系５のレンズ１０、１２
の焦点距離をｆθレンズの焦点距離よりも大きくしても
よい。このようにすると、空間フィルタ１１付近に結像
されるアパーチャ像の大きさとピッチは加工面における
アパーチャ像の大きさとピッチよりも大きくなるが、像
が大きくなるだけアパーチャ像Ｂのピーク強度が小さく
なり、空間フィルタ１１の損傷を抑制することができ
る。

【００２５】また、透過型の回折光学素子４に代えて、
ブラッグ反射型あるいはラーマンナス型等の音響光学偏
向器（ＡＯ素子）を採用してもよい。音響光学偏向器
は、印加する電圧の周波数を変えることにより偏向角を
変えることができるので、加工動作中に加工ピッチ（加
工する穴の間隔）を高速で変えることが可能になる。な
お、加工中動作に偏向角を変える場合、加工ピッチに合
わせて空間フィルタ１１の開口２１の間隔も変える必要
がある。そこで、加工ピッチの変動が小さい場合は、開
口２１を大きくして加工ピッチの変動をカバーし、加工
ピッチの変化量が大きい場合は、空間フィルタ１１を数
種類用意して交換するようにするのが実用的である。

【００２６】なお、上記ではアパーチャ３ａをレーザ光
の光路上に配置したが アパーチャを設けなくてもよ
い。このような場合を、以下説明する。

【００２７】図３は、本発明に係るレーザ加工装置の変
形例を示す構成図であり、図１からマスク３を除いた構
成である。

【００２８】アパーチャ３ａを設けない場合も、上記の
場合と同様に、空間フィルタ１１の近傍には、図４に示
すように、加工ビームによるビーム像Ａ１と、雑音ビー
ムによるビーム像Ｂ１が形成される。そこで、空間フィ
ルタ１１の開口２１により、必要なビーム像Ａ１のみを
選択する。なお、この場合の結像面は結像させたいビー
ムの位置に対応して決まるので、結像させたいビームの
位置を与えれば、結像関係から空間フィルタ１１を配置
する位置を決定できる。すなわち、回折光学素子４のレ
ーザ発振器１側の所望の位置に開口径がレーザ光の直径
に等しいアパーチャが配置されていると仮定して結像面
を求め、空間フィルタ１１を配置すればよく、実用的に
は、レーザ発振器１の出口にアパーチャが配置されてい
るとすればよい。このように、アパーチャを使用しない
場合は、レーザ光が損失なく加工に利用できるという利
点がある。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
回折光学素子を用いてレーザ光を分割し、結像光学系を
用いることにより、光学系を大型にしなくても多点を同
時に加工できるので、装置をコンパクトに構成できると
共に、加工能率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ加工装置の構成図である。

【図２】本発明に係る空間フィルタの形状と、光強度分
布を示す図である

【図３】本発明に係るレーザ加工装置の変形例を示す構
成図である。

【図４】本発明に係る空間フィルタの形状と、光強度分
布を示す図である。

【符号の説明】

４ 回析光学素子 １０ 第１の集光レンズ １１ 空間フィルタ

フロントページの続き (72)発明者 青山 博志 神奈川県海老名市上今泉2100番地 日立ビ アメカニクス株式会社内 Ｆターム(参考） 4E068 CA05 CD01 CD03 CD08 CD10 5F072 JJ01 JJ08 KK05 KK07 KK09 YY06

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を加工レンズにより集光して加
   工対象を加工するレーザ加工装置において、 回折光学素子と、第１の集光レンズと、空間フィルタ
   と、を設け、 前記空間フィルタを前記第１のレンズの焦点面近傍に配
   置し、 前記レーザ光を前記回析光学素子により複数に分岐さ
   せ、分岐させたレーザ光を前記第１のレンズにより集光
   させると共に、必要とする前記レーザ光を前記空間フィ
   ルタにより選択することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 第２の集光レンズを設け、 この第２の集光レンズを、前記空間フィルタを挟み前記
   第１の集光レンズと反対の側に配置し、 前記空間フィルタによって選択した前記レーザ光を平行
   光に形成することを特徴とする請求項１に記載のレーザ
   加工装置。
3. 【請求項３】 アパーチャを備えるマスクを設け、 前記マスクを前記回折光学素子の入射側に配置し、 前記第１の集光レンズにより前記アパーチャの像を結像
   させることを特徴とする請求項１または２に記載のレー
   ザ加工装置。
4. 【請求項４】 前記第１および第２の集光レンズにより
   結像される前記回折光学素子の実像が前記加工レンズの
   前焦点付近に結像されるように、前記第１および第２の
   集光レンズを配置することを特徴とする請求項２または
   ３に記載のレーザ加工装置。