JP2009039732A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 新規な構成のレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】
レーザ加工装置は、レーザ光源と、レーザ光源から出射したレーザビームを集光させるレンズと、レンズで集光されたレーザビームの経路のうち、集光位置よりも前方に配置され、集光されたレーザビームを、複数の出射経路のうち外部から指令された一つの出射経路に沿って伝搬させるビーム分岐装置と、ビーム分岐装置の複数の出射経路の各々に対応して配置された光ファイバであって、光ファイバの入射口が、対応する出射経路上におけるレーザビームの集光位置に配置され、入射口から入射したレーザビームを出射口から出射する光ファイバと、光ファイバの各々の出射口から出射したレーザビームが入射する位置に被照射物を保持する保持台と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数に振り分けられたレーザビームの各々を加工対象物に照射させるレーザ加工装置に関する。

炭酸ガスレーザを用いる光学系では、ビームの使用効率を高めるために、ビーム経路を２分岐あるいは４分岐して、２枚或いは４枚の基板を加工することが研究され、また、実用化されつつある。

入射するレーザビームを異なる方向に出射する偏向器として、音響光学偏向器（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＡＯＤ）が知られている。

ＡＯＤに高周波の電気信号（交流電圧）を印加すると、ＡＯＤの音響光学媒体内に電気信号に同期した超音波の粗密波が発生する。この粗密波が回折格子として作用し、入射するレーザビームの一部がブラッグ反射され（音響光学効果）、偏向されて出射する。

レーザビームの回折角は粗密波の周波数に依存する。粗密波の周波数を連続的に変えることで、回折角を連続的に変化させることができる。粗密波の周波数は、電気信号の周波数を変えることで制御できる。なお、ＡＯＤに電気信号が印加されない場合は、レーザビームの回折は起こらない。

ＡＯＤでレーザビームを偏向させることのできる最大角度は、例えば約８°である。このため、例えば１個のＡＯＤを用いて、４方向に均分的にレーザビームを偏向させる場合、隣り合う偏向レーザビーム間の角度は、約２°と小さくなる。これらの偏向レーザビームを相互に分離するためには、光路長を非常に長くとる必要があった。

ＡＯＤを用いた種々のレーザ機器の発明が開示されている（たとえば、特許文献１及び２参照）。

特開２００４−１９１８８０号公報 特開２００４−１０６０３３号公報

本発明の目的は、複数の経路に振り分けたレーザビームを各々独立に加工対象物に照射して加工することができるレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光させるレンズと、前記レンズで集光されたレーザビームの経路のうち、集光位置よりも前方に配置され、集光されたレーザビームを、複数の出射経路のうち外部から指令された一つの出射経路に沿って伝搬させるビーム分岐装置と、前記ビーム分岐装置の複数の出射経路の各々に対応して配置された光ファイバであって、該光ファイバの入射口が、対応する出射経路上におけるレーザビームの集光位置に配置され、該入射口から入射したレーザビームを出射口から出射する前記光ファイバと、前記光ファイバの各々の出射口から出射したレーザビームが入射する位置に被照射物を保持する保持台とを有するレーザ加工装置が提供される。

本発明によれば、複数の経路に振り分けたレーザビームを各々独立に加工対象物に照射して加工することができる。

図１は、実施例におけるレーザ加工装置を示す概略図である。

本図に示すレーザ加工装置は、レーザ光源１、集光レンズ２Ａ、２Ｂ、ビーム分岐装置３、光路調整機構４、光ファイバ５、マスク６、ガルバノスキャナ７、結像レンズ８、ステージ９、及び、制御装置１１を含んで構成される。

レーザ光源１が、制御装置１０から送出される信号を受けて、レーザビームＬＢを出射する。レーザ光源１は、例えば炭酸ガスレーザであり、波長９．４μｍもしくは１０．６μｍのパルスレーザビームを出射する。

レーザ光源から出射したレーザビームＬＢは、集光レンズ２Ａに入射して集光される。集光レンズ２Ａは例えばＺｎＳｅ（ジンクセレン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）などからなる。

集光レンズ２Ａから出射したレーザビームＬＢは、ビーム分岐装置３によって複数の経路に振り分けられる。実施例ではレーザビームＬＢを４つの経路に振り分ける。振り分けられた４つのレーザビームをそれぞれレーザビームＬＢ１、レーザビームＬＢ２、レーザビームＬＢ３、レーザビームＬＢ４と呼ぶこことする。

ビーム分岐装置３としてＡＯＤもしくは音響光学変調器（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＡＯＭ）を用いる。実施例ではＡＯＤを用いてレーザビームを振り分ける。振り分ける経路の設定はＡＯＤに印加する高周波電気信号を調整することによって行う。ＡＯＤ結晶の材料としてＧｅを用いる。

図２を参照する。図２は、ビーム分岐装置３および光路調整機構４付近の概略図である。ビーム分岐装置３によって振り分けられたレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４は、光路調整機構４に入射する。光路調整機構４は、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４を折り返せるように、複数の反射ミラーが光路上に配置された構成である（図では２枚の反射ミラーを使用）。反射ミラーとして、金コート銅ミラーや、誘電体多層膜コート銅ミラーを用いる。

光路調整機構４を設けることにより、省スペースでレーザビームの光路長を増やすことができ、隣り合うレーザビームの間隔を広げることができる。隣り合うレーザビームの間隔を広げることにより、光ファイバ５にレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の各々を独立して入射させることができる。なお、光路調整機構４はより多くの反射ミラーを備えても良い。

図１に戻って説明を続ける。光路調整機構４を出射したレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４は、各々の経路に対応して配置された光ファイバ５に入射する。レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４は、集光レンズ２Ａによって集光されている。集光されたレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４がロス無く光ファイバ５に入射するためには、光ファイバ５の入射口の位置において、各々のビーム径が入射口よりも小さいことが条件である（但し、ガウシアンビームはビームの外側に向かうに従ってパワーが低くなるので、（入射口の径）／（入射口でのビーム径）が９０％程度であれば許容範囲といえるであろう）。この条件を満たせば、光ファイバ５の入射口の位置は光路上で前後しても良い。

図３を参照する。図３は、光ファイバ５の断面図である。光ファイバ５として、例えば日立電線製中空ファイバを用いる。中空ファイバは、断面の中心から外側へ向けて、中空領域５ａ、透明誘電体層５ｂ、金属（銀など）層５ｃ、石英ガラス層５ｄ、ポリイミド保護層５ｅが順に積層した円筒構造である。サイズは例えば長さ２ｍ、中空領域の径（内径）７００μｍ、外径８５０μｍである。

中空ファイバは、反射面の損傷閾値が高く、ピークパワーの高いレーザビームの伝送に優れると共に、充実型の光ファイバに比べると出射ビーム広がり角が小さい。また、中空ファイバ自体がフレキシブルであるため、従来のミラーとアームを組み合わせた多関節型のビーム伝送系と比較すると、中空ファイバは容易にレーザビームを所望の位置に伝送させることができる。

例えば、実施例における４本の光ファイバのうち、任意に選択した２本の光ファイバの入射口の最短距離がｄであるとする。その場合、選択した２本の光ファイバの出射口の最短距離を、ｄより長くすることができる。特に、４００倍以上とすることにより、複雑なビーム伝送系を設けることなく、加工したい位置にレーザビームを伝送することができる。

また、中空ファイバ内を伝搬するレーザビームは伝搬中に複数回反射を行うため、入射時に光強度がガウシアン分布であるレーザビームがフラットトップ分布に変換される。

再び図１に戻る。光ファイバ５に入射したレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４は、反射（金属）層で複数回反射しながら光ファイバ５を伝搬し出射する。光ファイバ５の出射口には、集光レンズ２Ｂ（材料は２Ａと同じ）が配置される。光ファイバ５から出射したレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４は集光レンズ２Ｂによって集光される。

図４を参照する。図４は、光ファイバ５から加工対象物１０までの装置構成およびレーザビームの概略図である。光ファイバ５から出射したレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４は、集光レンズ２Ｂによって集光され、マスク６に入射する。マスク６の材料としてベリリウム銅やタングステンを用いる。マスク６は透光領域と遮光領域とを備える。レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４は、マスク６の透光領域を通過することによってその断面形状を整形される。

マスク６の透光領域を通過したレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４は、ガルバノスキャナ７に入射する。ガルバノスキャナ７は、一対の揺動可能な反射鏡を含んで構成され、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４を２次元方向に走査する。

ガルバノスキャナ７で走査されたレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４は、結像レンズ８を通過し、ステージ９に保持された加工対象物１０に照射される。結像レンズ８は、マスク６の透光領域を、加工対象物１０の表面に結像させる。結像レンズ８はｆθ（シータ）レンズであり、その材料は集光レンズ２Ａと同様である。

なお、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光強度分布はフラットトップであるから、マスク６によって切り出されるビームもフラットトップである。従って、複雑な形状のマスクを用いた場合でも、光強度分布に偏りの少ないビーム断面を持ったレーザビームを加工対象物１０に転写することができる。

図５を参照し、上記構成を持つ実施例の特徴を説明する。図５Ａは、比較例によるレーザビームの経路を示す概略図である。図５Ｂは、実施例によるレーザビームの経路を示す概略図である。なお、説明を簡単にするために光路調整機構４は省略した。

レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４が加工において有効に利用されるためには、光ファイバの入射口位置において、各々のビームが重なり部分を持たず、さらにビーム径が光ファイバの開口部分の径よりも絞られている必要がある。

比較例は、レーザビームの経路において光ファイバ５の前に集光レンズ２Ａを配置しない例である。背景技術の項で述べたように、ＡＯＤを用いたビーム分岐装置３がレーザビームを分岐させることのできる最大角度は、例えば約８°である。ビーム分岐装置３を直進したレーザビームＬＢ０は加工に用いずダンパ１２に吸収させる。ビーム分岐装置３により均等角度で分岐させた４本のレーザビームをレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４とすると、隣り合うレーザビームの角度差は２°に過ぎない。従って、図５Ａに示すように、レーザビーム同士の重なり部分Ｃが長くなる。

集光レンズを用いずにレーザビームを相互分離して光ファイバ５に入射させるには、レーザビームの経路のためのスペースを非常に大きく取る、もしくは多数の反射ミラーを３次元的に配置して、ビーム分岐装置３の偏向点から光ファイバ５までの光路長ｌ１を増やすなどの方法しかなく、装置の実現が困難である。

また、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４が光ファイバ５に入射するまでに集光レンズが配置されない場合、ビームが絞られない。従って、図５Ａのようにビーム径が光ファイバ５の開口径よりも大きなレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４を光ファイバ５に入射させようとすると、ビームのロスが大きいという問題がある。

一方、実施例では図５Ｂに示すように、レーザビームＬＢが、ビーム分岐装置３に入射する前に集光レンズ２Ａによって集光されるため、分岐させたレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４を短い距離で相互に完全分離させて、光ファイバ５に入射させることが可能となる。その際、ビーム分岐装置３の偏向点から光ファイバ５までの光路長をｌ２とすると、ｌ２＜＜ｌ１となる。これにより装置が小型化できる、もしくは複雑な反射ミラー構造を配置する必要がなくなる。

さらに、ビーム分岐装置３の前に集光レンズ２Ａを置くことで次のようなメリットもある。

・集光されたレーザビームがビーム分岐装置３に入射すると、ビーム分岐装置３におけるビーム径が小さくなるため、偏光の切替時間を短くできる。

・レーザビームの各々をロス無く光ファイバに入射させるためには、集光レンズによりビームを絞る必要がある。ビーム分岐装置３の後に集光レンズを配置する場合にはファイバ数と同じ数が必要であるのに対し、ビーム分岐装置３の前に配置する場合には１つで良い。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、レーザ光源として炭酸ガスレーザ以外のレーザを用いた場合、それに対応した光ファイバを用いれば応用が可能である。

その他種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１は、実施例におけるレーザ加工装置を示す概略図である。 図２は、ビーム分岐装置３および光路調整機構４付近の概略図である。 図３は、光ファイバ５の断面図である。 図４は、光ファイバ５から加工対象物１０までの装置構成およびレーザビームの概略図である。 図５Ａは、比較例によるレーザビームの経路を示す概略図であり、図５Ｂは、実施例によるレーザビームの経路を示す概略図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２Ａ、２Ｂ 集光レンズ
３ ビーム分岐装置
４ 光路調整機構
５ 光ファイバ
５ａ 中空領域
５ｂ 透明誘電体層
５ｃ 金属層
５ｄ 石英ガラス
５ｅ ポリイミド保護層
６ マスク
７ ガルバノスキャナ
８ 結像レンズ
９ ステージ
１０ 加工対象物
１１ 制御装置
１２ ダンパ
Ｃ 重なり部分
ＬＢ、ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３、ＬＢ４ レーザビーム

Claims (3)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光させるレンズと、
   前記レンズで集光されたレーザビームの経路のうち、集光位置よりも前方に配置され、集光されたレーザビームを、複数の出射経路のうち外部から指令された一つの出射経路に沿って伝搬させるビーム分岐装置と、
   前記ビーム分岐装置の複数の出射経路の各々に対応して配置された光ファイバであって、該光ファイバの入射口が、対応する出射経路上におけるレーザビームの集光位置に配置され、該入射口から入射したレーザビームを出射口から出射する前記光ファイバと、
   前記光ファイバの各々の出射口から出射したレーザビームが入射する位置に被照射物を保持する保持台と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記複数の光ファイバから選択される任意の２本の光ファイバの出射口の最短距離が、任意の２本の光ファイバの入射口の最短距離の４００倍以上である請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記ビーム分岐装置は、音響光学偏向器である請求項１または２に記載のレーザ加工装置。

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