JP2009178725A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を効率良く使用しつつも、収束レンズの球面収差を小さく抑えることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置１０は、レーザ光源１２からのレーザ光Ｌの全てを屈折させることで該レーザ光Ｌをその光軸Ａを中心とする円環状に成形するレーザ成形手段としてのレンズユニット２０を備え、該レンズユニット２０にて成形された円環状レーザＣを、収束レンズ２３にて１点で収束させてワークＷへの加工を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関するものである。

レーザ加工装置において、レーザ光源から出射されるレーザ光をｆθレンズ等の収束レンズにて収束させ、該レンズの焦点位置でワーク（被加工物）への孔開け、切断等の加工を行うものがある。このようなレーザ加工装置では、収束レンズの周辺部に入射したレーザ光がレンズ中心部を入射したものよりもレンズに近い位置で集光される、所謂球面収差が存在し、レンズ周辺部にて屈折されたレーザ光が集光される集光位置でのビームパワーの方がレンズ中心部にて屈折されたレーザ光のものよりも強くなっている。そのため、加工の際には、主にレンズ周辺部からのレーザ光がワークに集光されるように調整されている。

しかしながら、上記のようなレーザ加工装置では、レンズ中心部からのレーザ光はワークを通り越してその裏面側で集光されるため、ワーク裏面側に非加工対象物が存在する場合、その非加工対象物がレンズ中心部からのレーザ光により損傷される虞があった。

この問題を解決するレーザ加工装置の構成としては、収束レンズに入射するレーザ光の中心部を遮蔽するマスクを備えたものが考えられる（例えば特許文献１参照）。このような構成によれば、レンズ中心部に入射するレーザ光がマスクにより遮蔽されるため、収束レンズの球面収差による影響を抑えることができ、ワーク裏面側の非加工対象物がレンズ中心部からのレーザ光によって損傷されることを抑制できる。
特許第２８８００６１号公報

しかしながら、上記特許文献１のようなレーザ加工装置では、レーザ光の中央部分がマスクにより遮蔽されるため、レーザ光源から出射されるレーザ光の一部が無駄になってしまうという問題があり、この点においてなお改善の余地があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、レーザ光を効率良く使用しつつも、収束レンズの球面収差を小さく抑えることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、レーザ光源から出射されるレーザ光を収束レンズにて収束させ、該収束レンズの焦点位置で被加工物への加工を行うレーザ加工装置であって、前記レーザ光源からのレーザ光の全てを反射又は屈折させることで該レーザ光をその光軸を中心とする円環状に成形するレーザ成形手段を備え、該レーザ成形手段にて成形された円環状のレーザ光を、前記収束レンズにて１点で収束させて前記被加工物への加工を行うことをその要旨とする。

この発明では、レーザ光源からのレーザ光の全てを反射又は屈折させることで該レーザ光をその光軸を中心とする円環状に成形するレーザ成形手段を備え、該レーザ成形手段にて成形された円環状のレーザ光を、収束レンズにて１点で収束させて被加工物への加工を行う。これにより、レーザ光をその光量を維持したまま円環状に成形可能となるため、レーザ光を効率良く使用しつつも収束レンズの中心部にレーザ光が入射しないよう構成でき、その結果、収束レンズの球面収差を小さく抑えてワーク裏面側に配置される非加工対象物の損傷を抑制できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ成形手段は、前記レーザ光の光軸上において円錐部同士が対向、若しくは互いに反対方向に向くように並設された一対のアキシコンレンズからなることをその要旨とする。

この発明では、レーザ成形手段はレーザ光の光軸上において円錐部同士が対向、若しくは互いに反対方向に向くように配置された一対のアキシコンレンズからなるため、レーザ光をその光量を維持したまま円環状に成形することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のレーザ加工装置において、前記一対のアキシコンレンズ同士の間隔を制御する間隔制御手段を備えたことをその要旨とする。
この発明では、一対のアキシコンレンズ同士の間隔を制御する間隔制御手段を備えるため、その間隔制御手段によって一対のアキシコンレンズ同士の間隔に応じて変化する円環状のレーザ光の径を制御できる。その結果、収束レンズに入射する円環状のレーザ光の径に応じて変化する焦点深度を制御でき、被加工物の厚さに応じた適切な焦点深度で加工を行うことが可能となる。

請求項４に記載の発明は、前記レーザ成形手段は、前記レーザ光の入射側に頂部を有する円錐反射面を備え、前記レーザ光源からのレーザ光を前記円錐反射面で全周方向に反射させる第１反射部と、前記第１反射部で反射されたレーザ光を前記光軸と平行になるように反射させる円環状反射面を備えた第２反射部とからなることをその要旨とする。

この発明では、レーザ成形手段は、レーザ光の入射側に頂部を有する円錐反射面を備えレーザ光源からのレーザ光を円錐反射面で全周方向に反射させる第１反射部と、第１反射部で反射されたレーザ光を光軸と平行になるように反射させる円環状反射面を備えた第２反射部とからなる。そのため、レーザ光をその光量を維持したまま円環状に成形することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のレーザ加工装置において、前記第１及び第２反射部は、内面反射を用いた１つのプリズムから構成されたことをその要旨とする。
この発明では、第１及び第２反射部は内面反射を用いた１つのプリズムから構成されるため、部品点数を抑えてレーザ成形手段を構成できる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光源から出射されるレーザ光のビーム径を変更可能なビーム径可変手段を備えたことをその要旨とする。

この発明では、レーザ光源から出射されるレーザ光のビーム径を変更可能なビーム径可変手段を備えるため、収束レンズの焦点位置でのビームパワーを可変できる。
請求項７に記載の発明は、レーザ光源から出射されるレーザ光を収束レンズにて収束させ、該収束レンズの焦点位置で被加工物への加工を行うレーザ加工方法であって、前記レーザ光源からのレーザ光の全てを反射又は屈折させることで該レーザ光をその光軸を中心とする円環状レーザに成形し、その円環状レーザを前記収束レンズにて１点で収束させて前記被加工物への加工を行うことをその要旨とする。

この発明では、レーザ光源からのレーザ光の全てを反射又は屈折させることで該レーザ光をその光軸を中心とする円環状レーザに成形し、その円環状のレーザを、収束レンズにて１点で収束させて被加工物への加工を行う。これにより、レーザ光をその光量を維持したまま円環状に成形可能となるため、レーザ光を効率良く使用しつつも収束レンズの中心部にレーザ光が入射しないようにでき、その結果、収束レンズの球面収差を小さく抑えてワーク裏面側に配置される非加工対象物の損傷を抑制できる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のレーザ加工方法において、前記円環状レーザを生成するレーザ成形手段として、前記光軸上において円錐部同士が対向、若しくは互いに反対方向に向くように並設された一対のアキシコンレンズを用い、その一対のアキシコンレンズ同士の間隔を制御することをその要旨とする。

この発明では、レーザ成形手段としての一対のアキシコンレンズ同士の間隔を制御するため、その一対のアキシコンレンズ同士の間隔に応じて変化する円環状レーザの径を制御できる。その結果、収束レンズに入射する円環状レーザの径に応じて変化する焦点深度を制御でき、被加工物の厚さに応じた適切な焦点深度で加工を行うことが可能となる。

請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載のレーザ加工方法において、前記レーザ光源から出射されるレーザ光のビーム径を制御することをその要旨とする。
この発明では、レーザ光源から出射されるレーザ光のビーム径を制御するため、収束レンズの焦点位置でのビームパワーを可変できる。

従って、上記記載の発明によれば、レーザ光を効率良く使用しつつも、収束レンズの球面収差を小さく抑えることができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１（ａ）に示すレーザ加工装置１０は、制御回路１１の制御に基づきワーク（被加工物）Ｗへの孔開けや切断等の加工を行うものである。

レーザ加工装置１０は、加工用のレーザ光Ｌを出射する加工用レーザ光源１２を備えている。レーザ光源１２はレーザ発振器からなり、制御回路１１にてその発振が制御される。

レーザ光源１２の後段に配置されたビーム径可変手段としてのビームエキスパンダ１３は、レーザ光Ｌの光軸Ａ上に並設された一対の凸レンズ１３ａ，１３ｂからなる所謂ケプラー型の構成を有している。ビームエキスパンダ１３は、各凸レンズ１３ａ，１３ｂの間隔Ｄ１を変化させることで各凸レンズ１３ａ，１３ｂを通るレーザ光Ｌのビーム径を変更可能となっており、後段の凸レンズ１３ｂから平行なレーザ光Ｌを出射するようになっている。尚、各凸レンズ１３ａ，１３ｂの間隔Ｄ１は制御回路１１の制御に基づき変更される。

ビームエキスパンダ１３の後段には、入射されるレーザ光Ｌを光軸Ａ中心とする円環状に成形するレーザ成形手段としてのレンズユニット２０が配置されている。レンズユニット２０は第１及び第２アキシコンレンズ２１，２２からなる。各アキシコンレンズ２１，２２は円錐台形のレンズであり、互いに頂角が等しいものが用いられる。尚、本実施形態では、第１及び第２アキシコンレンズ２１，２２には互いに同サイズ、同形状のものを用いているが、頂角及び材質が互いに同じであれば、必ずしも同形状である必要はなく、例えばそれらの厚み（光軸Ａ方向長さ）が互いに異なっていてもよい。各アキシコンレンズ２１，２２は、それぞれの円錐部２１ａ，２２ａが対向するように配置されるとともに、その光軸（円錐軸）がレーザ光Ｌの光軸Ａと一致するように配置されている。尚、各アキシコンレンズ２１，２２は、互いの間隔Ｄ２が変更可能に設けられており、その間隔Ｄ２は間隔制御手段としての前記制御回路１１にて制御される。

第１アキシコンレンズ２１は、その平面側からレーザ光Ｌが入射すると、そのレーザ光Ｌを屈折させて円環状に成形し第２アキシコンレンズ２２に出射する。第２アキシコンレンズ２２は、第１アキシコンレンズ２１からの円環状のレーザ光を円錐部２２ａから取り入れ、そのレーザ光を平行な円環状のレーザ光（以下、円環状レーザ）Ｃに成形し、平面側から出射する。このようなレンズユニット２０では、レーザ光Ｌの一部を遮蔽することなく、そのレーザ光Ｌの全てを屈折させることで円環状に成形するため、レーザ光Ｌの光量を維持したまま円環状レーザＣに成形できる。

レンズユニット２０の後段に配置されたガルバノミラー１４は、そのレンズユニット２０からの円環状レーザＣを反射してその照射方向を変更するものであり、例えば対をなすＸ軸ミラーとＹ軸ミラーとで構成されている。ガルバノミラー１４は、制御回路１１の制御に基づく駆動装置１５の駆動により角度制御され、加工データに基づいて２次元でレーザ光Ｌを走査する。

ガルバノミラー１４の後段には、該ガルバノミラー１４からの円環状レーザＣをワークＷに向けて収束する収束レンズ（ｆθレンズ）２３が配置されている。収束レンズ２３は円環状レーザＣを焦点位置Ｐで１点に収束し、その焦点位置ＰでワークＷへの加工が可能となっている（図１（ｂ）参照）。尚、ここでいう１点で収束させるということは、焦点位置Ｐでのスポット形状（光軸直交断面の形状）が環状でなく点状となるように収束させるということである。収束レンズ２３は、球面収差の影響によりレンズ中心に近い位置を通る光ほど該レンズ２３から離れた位置で集光するが、本実施形態のレーザ加工装置１０では円環状レーザＣを収束させているため、収束レンズ２３の中央部を通って該レンズ２３から遠く離れた位置で集光するレーザ光をなくすことができる。これにより、レーザ光がワークＷ裏面Ｗｒを突き抜けて該裏面Ｗｒ側に配置された非加工対象物Ｂ上に集光され、その非加工対象物Ｂが損傷してしまうことが抑制されるようになっている。

上記したようなレーザ加工装置１０のビームエキスパンダ１３及びレンズユニット２０における動作態様について図２に従って説明する。尚、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）では、説明の便宜のためガルバノミラー１４の図示を省略している。

図２（ａ）には、ビームエキスパンダ１３の各凸レンズ１３ａ，１３ｂの間隔Ｄ１、及びレンズユニット２０の各アキシコンレンズ２１，２２の間隔Ｄ２が基準状態にあるときを示している。この基準状態に対し、例えば図２（ｂ）に示すように、各アキシコンレンズ２１，２２の間隔Ｄ２を広くすると、成形する円環状レーザＣの内外径がともに大きくなり、収束レンズ２３にて収束される焦点位置Ｐの光軸Ａ方向の幅（焦点深度）が小さくなる。反対に、各アキシコンレンズ２１，２２の間隔Ｄ２を狭くすると、円環状レーザＣの内外径がともに小さくなり、焦点深度が大きくなる。これにより、ワークＷの厚みに応じた適切な焦点深度で加工することが可能となっている。

また、図２（ａ）の基準状態に対し、例えば図２（ｃ）に示すように、各凸レンズ１３ａ，１３ｂの間隔Ｄ１を広くすると、前段の凸レンズ１３ａによるレーザ光Ｌの拡径幅が大きくなり、後段の凸レンズ１３ｂから出射される平行なレーザ光Ｌのビーム径が基準状態よりも大きくなる。すると、レンズユニット２０にて成形される円環状レーザＣの径方向幅Ｘが大きくなり、収束レンズ２３にて収束される焦点位置Ｐでのビームパワーが小さくなるようになっている。尚、円環状レーザＣの径方向幅Ｘを大きくすると、収束レンズ２３にて収束される焦点位置Ｐでの焦点深度が大きくなる一方、ビームパワーは小さくなる。反対に、円環状レーザＣの径方向幅Ｘが小さくすると、収束レンズ２３にて収束される焦点位置Ｐでの焦点深度が小さくなる一方、ビームパワーは大きくなるようになっている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態のレーザ加工装置１０は、レーザ光源１２からのレーザ光Ｌの全てを屈折させることで該レーザ光Ｌをその光軸Ａを中心とする円環状に成形するレーザ成形手段としてのレンズユニット２０を備え、該レンズユニット２０にて成形された円環状レーザＣを、収束レンズ２３にて１点で収束させてワークＷへの加工を行う。これにより、レーザ光Ｌをその光量を維持したまま円環状に成形可能となるため、レーザ光Ｌを効率良く使用しつつも収束レンズ２３の中心部にレーザ光Ｌが入射しないよう構成でき、その結果、収束レンズ２３の球面収差を小さく抑えてワーク裏面Ｗｒ側に配置された非加工対象物Ｂの損傷を抑制可能となっている。尚、本実施形態の各アキシコンレンズ２１，２２は、その頂部を含む中心軸がレーザ光の光軸Ａと一致するように配置されるため、径方向幅が均一の円環状レーザＣを生成可能である。しかしながら、各アキシコンレンズ２１，２２の中心軸がレーザ光の光軸Ａから若干ずれて、径方向幅が均一でない円環状レーザとなってしまっても、収束レンズ２３にて１点で収束させることは可能であり、レーザ光Ｌを効率良く使用しつつ収束レンズ２３の球面収差を小さく抑えることが可能である。また、径方向幅が均一であるがエネルギー分布が不均一な円環状レーザであっても、収束レンズ２３にて１点で収束させることは可能であり、レーザ光Ｌを効率良く使用しつつ収束レンズ２３の球面収差を小さく抑えることが可能である。

（２）本実施形態では、レンズユニット２０はレーザ光Ｌの光軸Ａ上において円錐部２１ａ，２２ａ同士が対向するように配置された一対のアキシコンレンズ２１，２２からなるため、レーザ光Ｌをその光量を維持したまま円環状に成形することができる。

（３）本実施形態では、一対のアキシコンレンズ２１，２２同士の間隔Ｄ２を制御する間隔制御手段としての制御回路１１を備えるため、該制御回路１１によって一対のアキシコンレンズ２１，２２同士の間隔Ｄ２に応じて変化する円環状レーザＣの径を制御できる。その結果、収束レンズ２３に入射する円環状レーザＣの径に応じて変化する焦点深度を制御でき、ワークＷの厚さに応じた適切な焦点深度で加工を行うことが可能となる。

（４）本実施形態では、レーザ光源１２から出射されるレーザ光Ｌのビーム径を変更可能なビーム径可変手段としてのビームエキスパンダ１３を備えるため、収束レンズ２３の焦点位置Ｐでのビームパワーを可変できる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、レーザ成形手段が一対のアキシコンレンズ２１，２２にて構成されたが、図３及び図４に示すような構成としてもよい。図３に示すレーザ成形手段としてのレーザ成形ユニット３０は、円錐形状をなす第１反射部３１とテーパ筒状をなす第２反射部３２とからなる。第１反射部３１は、レーザ光Ｌの入射側に頂部を有する円錐反射面３１ａを備え、該円錐反射面３１ａでレーザ光Ｌを全周方向に直角に反射させるようになっている。尚、第１反射部３１はその先端（頂点）が光軸Ａ上に位置するように設けられている。第２反射部３２は、出射側に拡径する形状をなし、その内周面には第１反射部３１で反射されたレーザ光Ｌを光軸Ａと平行になるように直角に反射させる円環状反射面３２ａが形成されている。レーザ光Ｌは該円環状反射面３２ａで反射されて平行な円環状レーザＣとなり、収束レンズ２３に出射される。このようなレーザ成形ユニット３０では、レーザ光Ｌの全てを反射することで該レーザ光Ｌを円環状レーザＣに成形するため、レーザ光Ｌの光量を維持できる。尚、レーザ成形ユニット３０の第１反射部３１及び第２反射部３２の少なくとも一方は光軸Ａ方向に移動可能に設けられ、光軸Ａ方向に移動させることで円環状レーザＣの径が変更可能である。

また、図４に示すレーザ成形手段では、第１及び第２反射部が内面反射を用いた１つのプリズム４０から構成されている。プリズム４０は、上記レーザ成形ユニット３０と同様な円錐反射面４１及び円環状反射面４２を有しており、プリズム４０に入射したレーザ光Ｌは円錐反射面４１及び円環状反射面４２に反射されて平行な円環状レーザＣに成形される。この構成によれば、第１及び第２反射部が１つのプリズム４０から構成されるため、部品点数を抑えてレーザ成形手段を構成できる。

また、レンズユニット２０において、第２アキシコンレンズ２２に替えて球面レンズを設けてもよい。
・上記実施形態では、一対のアキシコンレンズ２１，２２は、その各円錐部２１ａ，２２ａが対向するように配置されたが、互いに反対方向を向くように配置してもよい。このような構成としても、レーザ光Ｌをその光量を維持したまま円環状に成形することができる。

・上記実施形態では、一対のアキシコンレンズ２１，２２は円錐台形をなしたが、単に円錐形でもよく、また、角錐台形や角錐でもよい。また、各アキシコンレンズ２１，２２には互いに同サイズ、同形状のものが用いられたが、サイズが異なるものを用いてもよく、また、円錐部２１ａ，２２ａの角度が互いに異なるものを用いてもよい。

・上記実施形態では、ビームエキスパンダ１３を一対の凸レンズ１３ａ，１３ｂを組み合わせたケプラー型の構成としたが、凹レンズ及び凸レンズを組み合わせたガリレオ型の構成としてもよい。

・上記実施形態では、収束レンズ２３としてｆθレンズを用いたが、これ以外に例えば、凸レンズ等を用いてもよい。

（ａ）本実施形態におけるレーザ加工装置を示す概略構成図、（ｂ）焦点位置の拡大図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）レーザ加工装置の動作態様を説明するための模式図。 別例のレーザ成形手段を示す模式図。 別例のレーザ成形手段を示す模式図。

符号の説明

Ａ…光軸、Ｃ…円環状レーザ、Ｄ２…一対のアキシコンレンズの間隔、Ｌ…レーザ光、Ｐ…焦点位置、１０…レーザ加工装置、１１…間隔制御手段としての制御回路、１２…レーザ光源、１３…ビーム径可変手段としてのビームエキスパンダ、２０…レーザ成形手段としてのレンズユニット、２１…第１アキシコンレンズ、２１ａ，２２ａ…円錐部、２２…第２アキシコンレンズ、２３…収束レンズ、３０…レーザ成形手段としてのレーザ成形ユニット、３１…第１反射部、３１ａ，４１…円錐反射面、３２…第２反射部、３２ａ，４２…円環状反射面、４０…レーザ成形手段としてのプリズム。

Claims (9)

1. レーザ光源から出射されるレーザ光を収束レンズにて収束させ、該収束レンズの焦点位置で被加工物への加工を行うレーザ加工装置であって、
   前記レーザ光源からのレーザ光の全てを反射又は屈折させることで該レーザ光をその光軸を中心とする円環状に成形するレーザ成形手段を備え、該レーザ成形手段にて成形された円環状のレーザ光を前記収束レンズにて１点で収束させて前記被加工物への加工を行うことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記レーザ成形手段は、前記レーザ光の光軸上において円錐部同士が対向、若しくは互いに反対方向に向くように並設された一対のアキシコンレンズからなることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項２に記載のレーザ加工装置において、
   前記一対のアキシコンレンズ同士の間隔を制御する間隔制御手段を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記レーザ成形手段は、
   前記レーザ光の入射側に頂部を有する円錐反射面を備え、前記レーザ光源からのレーザ光を前記円錐反射面で全周方向に反射させる第１反射部と、
   前記第１反射部で反射されたレーザ光を前記光軸と平行になるように反射させる円環状反射面を備えた第２反射部とからなることを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項４に記載のレーザ加工装置において、
   前記第１及び第２反射部は、内面反射を用いた１つのプリズムから構成されたことを特徴とするレーザ加工装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
   前記レーザ光源から出射されるレーザ光のビーム径を変更可能なビーム径可変手段を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
7. レーザ光源から出射されるレーザ光を収束レンズにて収束させ、該収束レンズの焦点位置で被加工物への加工を行うレーザ加工方法であって、
   前記レーザ光源からのレーザ光の全てを反射又は屈折させることで該レーザ光をその光軸を中心とする円環状レーザに成形し、その円環状レーザを前記収束レンズにて１点で収束させて前記被加工物への加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
8. 請求項７に記載のレーザ加工方法において、
   前記円環状レーザを生成するレーザ成形手段として、前記光軸上において円錐部同士が対向、若しくは互いに反対方向に向くように並設された一対のアキシコンレンズを用い、その一対のアキシコンレンズ同士の間隔を制御することを特徴とするレーザ加工方法。
9. 請求項７又は８に記載のレーザ加工方法において、
   前記レーザ光源から出射されるレーザ光のビーム径を制御することを特徴とするレーザ加工方法。

Images