JP2015080799A - レーザ加工装置、及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工速度の高速化及びコストの低減化を図ることができるレーザ加工装置、及びレーザ加工方法を得る。
【解決手段】レーザ加工装置１は、集光体２００と基板２との間に配置され、光軸に沿った方向について基板２に近付くにつれて連続的に狭くなるテーパ穴２１１が形成され、集光されたレーザ光の一部をテーパ穴２１１の側面で反射させて基板２へ照射することで照射形状を整形する整形用マスク２１２と、集光体２００及び整形用マスク２１２の少なくともいずれか一方に設けられ、集光されたレーザ光の一部をテーパ穴２１１の側面で反射させて基板２へ照射することで照射形状を所望の形状となるように、集光体２００と整形用マスク２１２との相対位置を変化可能にした機構部２１３とを備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、レーザ光を利用して基板に切断等の加工を行うレーザ加工装置、及びレーザ加工方法に関するものである。

従来、レーザ光を出射するレーザ光発振器と、出射されたレーザ光を加工面上で結像させるための焦点調整レンズと、加工面上で結像されるレーザ光の形状を任意の矩形状に整形するマスクと、整形されたレーザ光を加工面上で走査させるガルバノスキャナと、を有するレーザ加工装置が知られている。このマスクは、４つのスリット板を有しており、これらのスリット板によりレーザ光が任意の矩形状に整形される（例えば、特許文献１参照）。

また、加工面である基板に結像されるレーザスポットを楕円形状とするために、特許文献１に示されているマスクを用いず、基板に集光する集光光学系にシリンドリカルレンズを用いているスクライブ装置も従来から知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−４５６２６号公報 特開２０１１−１０４６３３号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に示された従来のレーザ加工装置では、レーザ光を整形するにあたり、レーザ光の一部がマスクにより遮光される。このため、遮光されたレーザ光のエネルギは、加工に寄与せず、加工速度の低下に繋がってしまう問題がある。

また、マスクにより遮光されたレーザ光は、反射される成分と、スリット板に熱として吸収される成分がある。従って、スリット板からの反射対策、及びスリット板の熱負荷対策を行う必要があり、コストがかかってしまうという問題もある。

また、特許文献２に示された従来のスクライブ装置では、シリンドリカルレンズが透過性の光学素子でできている。このことから、ミラー等の反射型の光学素子に比べて熱レンズの影響が大きく、加工の不安定性が増大するおそれがある。これの結果、加工速度の低下に繋がってしまうという問題がある。

さらに、加工方向に対してレーザスポットの形状を常に一定にする必要がある。このため、シリンドリカルレンズを加工方向に合わせて回転させる装置が別途必要となり、コストがかかってしまうという問題もある。また、レーザ光の楕円率を調整する場合は、シリンドリカルレンズ自体を交換する必要がある。従って、シリンドリカルレンズが複数必要となり、この点においてもコストがかかってしまうこととなる。

この発明は、上記の様な課題を解決するためになされたものであり、加工速度の高速化及びコストの低減化を図ることができるレーザ加工装置、及びレーザ加工方法を得ることを目的とする。

この発明によるレーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ光発振器、レーザ光を加工対象である基板に向けて集光させる集光体、集光体と基板との間に配置され、集光体により集光されたレーザ光の光軸に沿った方向について基板に近付くにつれて連続的に狭くなるテーパ穴が形成され、集光体により集光されたレーザ光の一部をテーパ穴の側面で反射させて基板へ照射することで基板上の照射形状を整形する整形用マスク、集光体及び整形用マスクの少なくともいずれか一方に設けられ、集光体により集光されたレーザ光の一部をテーパ穴の側面で反射させて基板へ照射することで基板状上に照射される照射形状を所望の形状となるように、集光体と整形用マスクとの相対位置を変化可能にした機構部、及び整形用マスクにより整形されたレーザ光を基板に照射する照射部を備える。

この発明によるレーザ加工方法は、レーザ光を出射するレーザ光発振器、レーザ光を加工対象である基板に向けて集光させる集光体、集光体と基板との間に配置され、集光体により集光されたレーザ光の光軸に沿った方向について基板に近付くにつれて連続的に狭くなるテーパ穴が形成され、集光体により集光されたレーザ光の一部をテーパ穴の側面で反射させて基板へ照射することで基板上の照射形状を整形する整形用マスク、集光体及び整形用マスクの少なくともいずれか一方に設けられ、集光体と整形用マスクとの相対位置を変化可能にした機構部、整形用マスクにより整形されたレーザ光を基板に照射する照射部、及び機構部の位置制御を行う移動量制御部を備えたレーザ加工装置に適用されるレーザ加工方法であって、移動量制御部において、基板の加工内容に応じて相対位置を変化させ、テーパ穴の側面で反射させて基板へ照射するレーザ光量を変えることで、基板上に照射される照射形状が所望の強度分布を有する形状となるように、機構部の位置制御を行うステップを有する。

この発明によるレーザ加工装置、及びレーザ加工方法によれば、整形用マスクに形成されたテーパ穴で反射したレーザ光が全て照射部側へ抜けることで、加工面上でのレーザ光の照射形状を加工方向後方に伸びた楕円形状とするように、テーパ穴のテーパ形状が工夫された整形用マスクを用いるとともに、整形用マスクとレーザ光の相対位置を調整する機能を備えている。これにより、加工面上に照射されたレーザ光エネルギの強度分布を、加工方向前方側が強くなるようにした上で、レーザ光全てのエネルギをワークの加工に寄与させることができ、加工速度の高速化を図ることができる。さらに、１つの整形用マスクによりワークへ照射するレーザ光の形状を変更できるので、コストの低減化を図ることもできる。

本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置を示す模式図である。 図１の加工ヘッド本体を示す拡大図である。 図２内の整形用マスクを移動させることで、集光光軸に対してテーパ穴の中心軸を偏心させた一例を示す拡大図である。 図３のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、及びＣ−Ｃ線に沿ったレーザ光の照射形状、及びレーザ光エネルギの強度分布を示す工程図である。 本発明の実施の形態２によるレーザ加工装置の加工ヘッド本体を示す拡大図である。 本発明の実施の形態３によるレーザ加工装置の加工ヘッド本体を示す拡大図である。 図６に示したレンズ移動機構部の上面図である。 本発明の実施の形態２におけるレンズ移動量制御部により加工レンズを移動させたことにより、光軸が偏心されたときの加工ガスの噴射を示す模式図である。 本発明の実施の形態４によるレーザ加工装置の加工ヘッド本体を示す拡大図である。 図９の照射部を示す拡大断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置を示す模式図である。本実施の形態１におけるレーザ加工装置１は、ワーク（基板）２をレーザ光により溶融して加工する装置である。そして、図１に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ光を出射するレーザ光発振器３と、出射されたレーザ光を伝送する伝送光学系４と、伝送されたレーザ光を集光してワーク（基板）２に照射する加工ヘッド本体１０と、ワーク２に照射されるレーザ光とともに噴射される加工ガスを供給するガス供給装置５とを有している。ここでは、ワーク２に金属が用いられている。

レーザ光発振器３は、例えば、加工するワーク２の厚さ及び種類によって、レーザの種類及び出力が使い分けられる。一般的にレーザ光発振器３には、ＣＯ_２レーザ等のガスレーザ光源あるいはＹＡＧレーザ等の固体レーザ光源が用いられている。この例では、レーザ光発振器３から出射されるレーザ光の形状が略円形になるレーザ光発振器３が用いられている。

伝送光学系４は、レーザ光発振器３から出射されたレーザ光を加工ヘッド本体１０に伝送する。この例では、レーザ光発振器３から出射されたレーザ光が、反射ミラー４ａによって反射されて伝送されている。なお、図１においては、反射ミラー４ａを１枚用いている場合を例示しているが、レーザ光発振器３と加工ヘッド本体１０との位置関係に応じて反射ミラー４ａを複数枚用いてもよい。また、レーザ光発振器３としてＹＡＧレーザ等の固体レーザ光源を用いる場合には、光ファイバーを通してレーザ光を伝送することもある。

伝送光学系４により伝送されたレーザ光は、加工ヘッド本体１０からワーク２に照射される。この際には、レーザ光により溶融されたワーク２の溶融金属を、吹き飛ばす必要がある。そこで、ガス供給装置５より供給される加工ガスが、加工ヘッド本体１０から、レーザ光とともにワーク２に対して噴射される。

ガス供給装置５は、ガスボンベ５ａと、一端がガスボンベ５ａに接続され、他端が加工ヘッド本体１０に接続されたガスパイプ５ｂとを有している。ガスボンベ５ａから出力された加工ガスは、ガスパイプ５ｂを通って加工ヘッド本体１０に供給され、レーザ光とともにワーク２に向けて加工ヘッド本体１０から噴射される。

図２は、図１の加工ヘッド本体１０を示す拡大図である。図２に示すように、加工ヘッド本体１０は、伝送光学系４により伝送されてきたレーザ光を集光する加工ヘッド部２０と、加工ヘッド部２０で集光されたレーザ光をワーク２に照射する照射部３０とを有している。

さらに、加工ヘッド部２０は、伝送光学系４により伝送されてきたレーザ光をワーク２に向けて集光させる加工レンズ（集光体）２００と、加工レンズ２００で集光されたレーザ光をワーク２に照射する形状に整形するレーザ形状整形部２１０（以下、単に「整形部２１０」と称す）とを有している。

加工レンズ２００には、レーザ光を集光することができる集光レンズが用いられている。レーザ光発振器３から略円形のレーザ光が出射されているので、加工レンズ２００で集光されたレーザ光の形状も略円形となる。また、加工レンズ２００は、レンズ移動制御装置（図示せず）に保持されており、伝送光学系４により伝送されてきたレーザ光の光軸方向に沿った方向（図２中に示した上下方向の両矢印参照）に変位可能になっている。これにより、加工レンズ２００は、ワーク２上の加工面２ａに照射されるレーザ光の焦点距離を変更することができる。加工レンズ２００により集光された略円形のレーザ光は、整形部２１０で照射形状に整形される。

整形部２１０でレーザ光を整形するのは、加工不良発生を防ぐためである。例えば、ワーク２を切断する加工を例にとると、レーザ光照射による溶融と、加工ガスによる溶融物の排出により切断が進行する。このとき、加工方向前方のレーザ光は、ワーク２の溶融を行う役割を果たし、加工方向後方のレーザ光は、ワーク２に熱を供給する役割を果たしている。

ワーク２の切断が進むと、ワーク２の溶融物の排出痕は、ドラグラインとなって加工切断面に現れる。ワーク２の粘性は、温度と負の相関を持っているので、ワーク２に充分な熱量を供給できない場合、ワーク２の粘性が増加する。これに伴い、ワーク２の溶融物排出に要する時間が増加するので、切断面下部に行くほど、加工方向に対してドラグラインが遅れる。この遅れが一定以上になると、加工不良、及び切断不良が発生する。

また、加工速度の増加に伴い、ワーク２の温度維持に必要な加工方向後方のレーザ光の照射時間が短くなる。この場合には、ワーク２の粘性が増加し、ドラグラインの遅れが生じ、加工不良が発生する。これを防ぐためにワーク２に照射されるレーザ光の形状を、ワーク２の加工に応じて最適な形状に整形する必要がある。

そこで、本実施の形態１における整形部２１０は、最適な照射形状に整形するために、テーパ穴２１１を含む整形用マスク２１２と、整形用マスク２１２に設けられたマスク移動機構部２１３と、マスク移動機構部２１３の位置制御を行うマスク移動量制御部２１４を有している。

整形用マスク２１２は、板状になっており、整形用マスク２１２の中央部には、加工レンズ２００により集光されたレーザ光の光軸（集光光軸）に沿った方向について、加工レンズ２００側から照射部３０側（ワーク２側）に近付く（ワーク２）につれて連続的に狭くなるテーパ穴２１１が設けられている。この例では、テーパ穴２１１の穴形状が、略円形になっているとともに、整形用マスク２１２の材料としては、レーザ光を反射する高反射材が用いられている。また、整形用マスク２１２は、マスク移動機構部２１３により、加工レンズ２００との相対位置が変更可能とされている。

マスク移動機構部２１３は、整形用マスク２１２に取り付けられている。マスク移動機構部２１３は、整形用マスク２１２と加工レンズ２００との相対位置を変化させることで、加工レンズ２００から集光されたレーザ光の一部をテーパ穴側面２１１ａで反射させる。これにより、基板２上に照射されるレーザ光の形状は、所望の形状となるように変更される。

マスク移動機構部２１３には、マスク移動量制御部２１４が接続されおり、マスク移動機構部２１３の位置が制御されている。マスク移動量制御部２１４によって位置制御されることで、加工レンズ２００と照射部３０との間で、加工レンズ２００により集光されたレーザ光全てがテーパ穴２１１を通り照射部３０側に抜ける位置に調整可能となっている。

具体的には、マスク移動量制御部２１４は、整形用マスク２１２に取り付けられたマスク移動機構部２１３を制御することで、レーザ光の集光光軸方向と直交する方向（図２中に示した左右方向の両矢印参照）に整形用マスク２１２を移動させることができる。これにより、マスク移動量制御部２１４は、基板２の加工内容に応じて整形用マスク２１２と加工レンズ２００との相対位置を変化させる。

この結果、マスク移動量制御部２１４は、集光光軸に対して整形用マスク２１２のテーパ穴２１１の中心軸の偏心量（整形用マスク２１２の移動量に相当）を制御することが可能となり、基板２へ照射するレーザ光量を変えることができ、所望の強度分布を有する照射形状を加工面上に形成できることとなる。

すなわち、マスク移動量制御部２１４は、整形用マスク２１２の位置を、集光光軸と直交した平面上で移動させることで、レーザ光の一部をテーパ穴側面２１１ａにあてた上で、照射部側へ抜けさせることができる。

マスク移動量制御部２１４は、テーパ穴２１１の中心軸と集光光軸とが一致している状態を基準として、ワーク２の加工内容に応じてテーパ穴２１１の中心軸と集光光軸との偏心量を決定する。なお、偏心量は、テーパ穴２１１の中心軸が集光光軸から偏心されることによりレーザ光の一部がテーパ穴側面２１１ａに当たって反射されても、反射されたレーザ光が加工レンズ２００側に戻ることなく照射部３０側に抜けることが可能な範囲で決定される。

従って、整形用マスク２１２は、テーパ穴側面２１１ａに当たって反射されたレーザ光も含め、加工レンズ２００で集光されたレーザ光の全てがテーパ穴２１１内を通過する位置に配置されることとなる。なお、マスク移動量制御部２１４は、テーパ穴２１１の中心軸と集光光軸との偏心量を、ワーク２の加工に最適な状態になるように、加工中でも適宜変更可能になっている。

ここで、レーザ光が、整形部２１０によりワーク２の加工に適した形状に変形される方法について、図面を用いて具体的に説明する。図３は、図２内の整形用マスク２１２を移動させることで、集光光軸に対してテーパ穴２１１の中心軸を偏心させた一例を示す拡大図である。また、図４は、図３のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、及びＣ−Ｃ線に沿ったレーザ光の照射形状、及びレーザ光エネルギの強度分布を示す説明図である。

図３において、整形用マスク２１２は、マスク移動機構部２１３により、テーパ穴２１１の中心軸と集光光軸とが一致している基準の状態に対して矢印Ｄで示されている加工方向とは反対方向（加工方向後方、図３の左方向）に移動されている。従って、集光光軸に対してテーパ穴２１１の中心軸が加工方向後方にずれている。これにより、加工レンズ２００により集光されたレーザ光の加工方向前方側の一部がテーパ穴側面２１１ａに当たり反射される。このとき、反射されたレーザ光は、傾斜したテーパ穴側面２１１ａにより加工方向後方に反射され、照射部３０側に抜ける。

図３のＡ−Ａ線は、整形用マスク２１２よりも上方の位置であるので、図４のＡに示すように、レーザ光の形状が、加工レンズ２００により集光された略円形状のままである。このとき、レーザ光エネルギの強度分布は、円の中心部の強度が強く、円の径方向に行くほど強度が弱くなっている。

また、図３のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線のそれぞれに対応する図４のＢ、Ｃでは、レーザ光は、整形用マスク２１２のテーパ穴２１１を通過した後である。従って、加工方向前方のレーザ光が、テーパ穴側面２１１ａに反射されている。これにより、レーザ光の形状は、加工方向後方に伸びる楕円状になる。また、レーザ光の形状は、整形用マスク２１２から遠ざかるにつれて加工方向後方に伸びた楕円形状になっている。このとき、レーザ光エネルギの強度分布は、加工方向前方側の強度分布の勾配が急峻になっており、加工方向前方側の強度が強いことがわかる。

以上のように、整形部２１０により整形されたレーザ光は、照射部３０から加工ガスとともにワーク２に向けて照射される。

次に、レーザ光発振器３から出射されたレーザ光が照射部３０から照射される方法について説明する。レーザ光発振器３から出射されたレーザ光は、伝送光学系４を介して加工ヘッド本体１０へ伝送される。伝送光学系４を介して伝送されてきたレーザ光は、加工レンズ２００により集光される。

このとき、マスク移動量制御部２１４は、マスク移動機構部２１３を制御することで、レーザ光の照射形状をワーク２の加工に最適な形状にする。具体的には、マスク移動量制御部２１４は、整形用マスク２１２と加工レンズ２００との相対位置を変化させて、テーパ穴２１１の中心軸と集光光軸とを偏心させるようにマスク移動機構部２１３を制御する。

加工レンズ２００により集光されたレーザ光は、マスク移動機構部２１３により移動された整形用マスク２１２を通過する際に、一部がテーパ穴２１１に反射して基板２上へ照射されるレーザ光量が変えられる。これと同時に、加工レンズ２００により集光されたレーザ光は、所望の強度分布を有する照射形状に変形される。これにより、レーザ光の照射形状は、ワーク２の加工に最適な形状に整形される。整形部２１０によりワーク２の加工に適した形状に変形されたレーザ光は、照射部３０から加工ガスとともにワーク２の加工面２ａに照射される。

このように、本実施の形態１におけるレーザ加工装置では、レーザ光がテーパ穴側面２１１ａに当たって反射されても、反射されたレーザ光全てが照射部３０側に抜けることが可能な構成を備えている。これにより、従来のように、レーザ光整形時にレーザ光のエネルギの一部を遮断してしまうことを無くすことができる。この結果、レーザ光発振器３から出射されたレーザ光全てのエネルギをワーク２の加工に寄与させることができる。さらに、レーザ光全てのエネルギがワーク２の加工に寄与するので、加工速度の高速化を図ることができる。

また、マスク移動機構部２１３がマスク移動量制御部２１４によって位置制御されることで、テーパ穴２１１の中心軸と集光光軸との偏心量をワーク２の加工に最適な状態になるように、加工中でも適宜変更可能になっている。この結果、加工内容に応じて、レーザ光の照射形状を、ワーク２の加工に最適な形状に変更することができる。

例えば、ワーク２のピアス加工（穴あけ加工）を行う際には、テーパ穴２１１の中心軸と集光光軸とが一致した通常の略円形状のレーザ光を用いて行い、切断加工を行う際には、テーパ穴２１１の中心軸と集光光軸とが偏心され、加工方向に伸張した楕円状のレーザ光を用いて行うことが可能になる。

また、別の事例としては、同一の加工工程において、速度が落ちるコーナ部では、テーパ穴２１１の中心軸と集光光軸との偏心量を小さくすることができる。これにより、加工方向後方に伸張する割合を抑え、エネルギを狭い範囲に集中させることで、加工速度の低下を抑制することができる。一方、加工速度が速い直線部では、テーパ穴２１１の中心軸と集光光軸との偏心量を大きくすることができる。これにより、加工方向後方に伸張する割合を増加させることで、ワーク２にあたる照射時間を長くすることできる。この結果、加工速度を高速化しても、ワーク２の加工不良を抑制することができる。

また、テーパ穴側面２１１ａで反射されたレーザ光全てが照射部３０側に抜けるように、高反射材により形成された整形用マスク２１２の加工レンズに対する相対位置を可変制御できる構成を備えている。これにより、従来のような反射対策、及び整形用マスク２１２の熱負荷対策をとる必要がなくなる。この結果、コストの低減化も図ることができる。

さらに、テーパ穴２１１の中心軸と集光光軸との偏心量をワーク２の加工に応じて最適な状態にするような整形用マスクの位置制御は、加工中でも適宜偏心量を変更させて実行可能となっている。このような位置制御を実現することで、従来のようにレンズ自体を交換しなくても、レーザ光の照射形状を容易に変更することができる。この結果、複数のレンズを用いることでかかるコストを低減化し、作業員によるレンズ交換の手間も省くことができる。

また、偏心量を適宜変更可能とする本願の技術的特徴は、上述したように、加工の種類、あるいは同一加工中の速度に応じて、適切な偏心量の設定ができる以外の用途も考えられる。例えば、ワーク２の材質、あるいはレーザ光発振器３から出射されるレーザ光のモードと強度分布に応じても、偏心量を適切な値に調整することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、加工レンズに対してテーパ穴を有する整形用マスクの相対位置を、集光光軸と直交した平面上で可変制御する構成を備えている。このような構成を備えることで、全てのレーザ光のエネルギを加工に用いることができるとともに、加工面上におけるレーザ光の照射形状を加工内容に応じて適切に変更することができる。この結果、加工速度の高速化を図り、かつコストの低減化を図ることができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、加工レンズ２００と整形用マスク２１２との相対位置を調整するにあたって、集光光軸と直交した平面上のみを整形用マスク２１２が移動可能とする場合について説明した。これに対して、本実施の形態２では、整形用マスク２１２が集光光軸に沿った方向にも移動可能とする場合について説明する。

図５は、本発明の実施の形態２によるレーザ加工装置１の加工ヘッド本体１０を示す拡大図である。図５に示すように、本実施の形態２におけるマスク移動機構部２１３は、先の実施の形態１の構成に加えて、集光光軸に沿った方向にも整形用マスク２１２を移動可能とする軸方向移動機構２１３ａをさらに有している。なお、集光光軸に沿った方向の移動量も、マスク移動量制御部２１４により制御される。その他の構成は、先の実施の形態１と同様である。

このように、本実施の形態２では、整形用マスク２１２を集光光軸に沿った方向にも移動可能な軸方向移動機構２１３ａを有している。これにより、加工レンズ２００に対する整形用マスク２１２の距離（すなわち、加工レンズ２００と整形用マスク２１２との集光光軸方向における相対位置に相当）を調整することができる。そして、結果的には、整形用マスク２１２とワーク２の加工面２ａとの距離も変更されることとなる。

これにより、整形用マスク２１２とワーク２の加工面２ａとの距離を、先の実施の形態１の整形用マスク２１２とワーク２の加工面２ａとの距離よりも広げたときには、テーパ穴２１１で反射して加工面２ａに到達するレーザ光の位置が、より加工方向後方にシフトすることとなる。この結果、ワーク２の加工面２ａ上に照射するレーザ光をより広範囲に拡大することができる。

一方、反対に整形用マスク２１２とワーク２の加工面２ａとの距離を、先の実施の形態１の整形用マスク２１２とワーク２の加工面２ａとの距離よりも狭めたときには、テーパ穴２１１で反射して加工面２ａに到達するレーザ光の位置が、より加工方向前方にシフトすることとなる。この結果、ワーク２の加工面２ａ上に照射するレーザ光をより狭い範囲に集中させることができる。

以上のように、実施の形態２におけるレーザ加工装置によれば、先の実施の形態１の構成に加えて、集光光軸に沿った方向にも整形用マスクを移動可能な構成を備えている。このような構成を備えることで、整形用マスクとワークの加工面との距離を調整することができる。この結果、レーザ光の照射形状の伸張／収縮させることができる。さらに、レーザ光の照射形状の伸張／収縮範囲を変更することができるので、レーザ光の形状をワークの加工内容に応じて最適な状態に変更できる。この結果、加工速度の高速化をさらに図ることができる。

実施の形態３．
先の実施の形態１では、整形用マスク２１２の位置を、集光光軸と直交した平面上で調整可能とする場合を説明した。また、先の実施の形態２では、整形用マスク２１２の位置を、集光光軸に沿った方向でもさらに調整可能とする場合を説明した。これに対して、本実施の形態３では、整形用マスクの位置は固定とし、加工レンズ２００の位置を可変制御する場合について説明する。

図６は、本発明の実施の形態３によるレーザ加工装置１の加工ヘッド本体１０を示す拡大図である。図６に示すように、整形用マスク２１２は図示しない固定材により加工ヘッド部２０内に固定されている。その一方で、加工レンズ２００には、レンズ移動機構部２０３と、レンズ移動機構部２０３の位置制御を行うレンズ移動量制御部（集光体移動量制御部）２０４が設けられている。

本実施の形態３において、レンズ移動機構部２０３は、レーザ光の集光光軸方向と直交する方向（図６中に示した左右方向の両矢印参照）に加工レンズ２００を移動させることができる。さらに、集光光軸に沿った方向にも加工レンズを移動可能とする軸方向移動機構２０３ａをさらに有している。

図７は、図６に示したレンズ移動機構部２０３の上面図である。図７に示すように、レンズ移動機構部２０３は、複数（この例では、４つ）の圧電素子２０３ｂを有している。各圧電素子２０３ｂは、加工レンズ２００を中心に互いに距離をおいて配置されている。この例では、各圧電素子２０３ｂが加工レンズ２００を中心に９０度間隔で配置されている。これにより、加工レンズ２００は、集光光軸と直交した平面上に移動可能になっている。

また、レンズ移動機構部２０３には、先の実施の形態２で説明した整形用マスク２１２に設けられた軸方向移動機構２１３ａと同様に、軸方向移動機構２０３ａが設けられている。これにより、加工レンズ２００は、集光光軸に沿った方向にも移動可能になっている。軸方向移動機構２１３ａおよび圧電素子２０３ｂを備えたレンズ移動機構部２０３は、先の実施の形態２と同様に、レンズ移動量制御部２０４に接続されている。

レンズ移動量制御部２０４は、集光光軸と加工レンズの中心軸とが一致している状態を基準として、ワーク２の加工内容に応じて集光光軸と加工レンズ２００の中心軸との偏心量を決定する。この偏心量は、加工レンズ２００の中心軸が集光光軸から偏心されることにより光軸がずれたレーザ光の一部がテーパ穴側面２１１ａに当たって反射されても、反射されたレーザ光が加工レンズ２００側に戻ることなく照射部３０側に抜けることが可能な範囲で決定される。

なお、レンズ移動量制御部２０４は、集光光軸と加工レンズの中心軸との偏心量を、ワーク２の加工に最適な状態になるように、加工中でも適宜変更可能になっている。その他の構成は、先の実施の形態１と同様である。

このように、本実施の形態３では、整形用マスク２１２の位置を固定とする代わりに、加工レンズ２００が、集光光軸と直交した平面上と集光光軸に沿った方向とに加工レンズ２００を移動可能な構成を備えている。この結果、テーパ穴２１１の中心軸に対して集光光軸が偏心され、整形用マスク２１２を移動させた場合と同様の効果を得ることができる。

図８は、本発明の実施の形態２におけるレンズ移動量制御部２０４により加工レンズ２００を移動させたことにより、光軸が偏心されたときの加工ガスの噴射を示す模式図である。なお、先の実施の形態１、２で説明したように、マスク移動量制御部２１４により整形用マスク２１２を移動させた場合も、この図８の状態となる。

図８のＡにおいて、テーパ穴２１１の中心軸と集光光軸とが一致しているとき、照射部３０の中央部からレーザ光が照射される。このとき、ワーク２に照射されるレーザ光の形状は、先の実施の形態１の図４のＡに示すように略円形となる。従って、円の中心部のエネルギが高くなる。これにより、レーザ光の中央部よりも加工方向前方の領域のワーク２は、加工されていない状態である。このとき、加工ガスの一部は、加工されていないワーク２に当たり、加工方向前方へ拡散されてしまう。すなわち、このように加工方向前方に拡散された加工ガスは、加工に寄与しないので、加工ガスが無駄に消費されてしまう結果となる。

これに対して、図８のＢに示すように、整形部２１０により光軸を加工方向前方に偏心させて加工を行うとき、照射部３０の加工方向前方からレーザ光が照射される。これにより、照射部３０の加工方向前方からワーク２の加工が開始される。従って、加工ガスが、加工されていないワーク２にあたり拡散してしまう量を図８のＡのときよりも減らすことができ、換言すると、加工方向後方に拡散する加工ガスの割合を増加させることができる。これにより、溶融金属の排出能力が向上し、加工の高速化にも繋げることができる。

以上のように、実施の形態３におけるレーザ加工装置によれば、加工レンズの位置を調整可能な構造を備えている。この構成を備えることで、テーパ穴の中心軸に対して集光光軸を偏心させることができる。この結果、先の実施の形態１、２で説明したような整形用マスクの位置を調整する場合と同様の効果を得ることができる。

さらに、レーザ光をテーパ穴の加工方向前方に近づけることができるので、加工ガスの消費の無駄を軽減し、コストの低減化を図ることができる。なお、この効果は、先の実施の形態１、２で説明したような整形用マスクの位置を調整する場合でも得ることができる。

なお、上記実施の形態３では、整形用マスク２１２を固定しているが、加工レンズ２００の位置調整と整形用マスク２１２の位置調整を併用することも可能である。

また、上記実施の形態３では、加工レンズ２００が、レンズ移動機構部２０３により集光光軸と直交した平面上を移動可能になっているが、移動方法はこれに限るのもではなく、加工レンズ２００が、集光光軸と直交した平面上と集光光軸に沿った方向とに移動可能な構成があればよい。例えば、実施の形態１で用いたレンズ移動制御装置により集光光軸に沿った方向に加工レンズ２００を移動させてもよい。

さらに、上記実施の形態３では、加工レンズ２００を移動させて偏心させているが、伝送光学系４の反射ミラー４ａのアライメント調整を自動化することによって、加工レンズ２００へ入射するレーザ光の光軸を偏心させてもよい。

実施の形態４．
先の実施の形態１〜３では、加工ヘッド部２０内に整形用マスク２１２が設けられている場合について説明した。これに対して、本実施の形態４では、整形用マスク２１２を加工ヘッド部２０内に設けるのではなく、整形用マスク２１２を照射部３０と一体構造とした場合について説明する。

図９は、本発明の実施の形態４によるレーザ加工装置１の加工ヘッド本体１０を示す拡大図である。また、図１０は、図９の照射部３０を示す拡大断面図である。図９に示すように、加工ヘッド部２０内には、整形用マスク２１２が設けられていない。その代わりに、本実施の形態４では、整形用マスク２１２は、図１０に示すように、照射部３０と一体となっている。従って、照射部３０には、レーザ光を反射する高反射材が用いられている。

また、照射部３０は、集光光軸に沿った方向について加工レンズ２００側からワーク２側に近付くにつれて連続的に狭くなるテーパ穴を有する筒状になっている。その他の構成は、先の実施の形態３と同様である。

照射部３０に対して高強度のレーザ光を照射する場合、照射部３０自身が加工されてしまうことが懸念される。しかし、照射部３０内部のテーパ穴側面２１１ａに照射されるレーザ光は、レーザ光の裾の部分であるため、強度が低くなり、照射部３０自身が加工されてしまうことは無い。

以上のように、実施の形態４におけるレーザ加工装置によれば、噴射部と整形用マスクとを一体としている。このような構成を備えることで、整形用マスクを別途製造する手間が省ける。この結果、コストの低減化を図ることができるとともに、加工ヘッド本体を軽量化することができる。

なお、各上記実施の形態では、ワーク２に金属が用いられているが、これに限るものではない。例えば、樹脂、セラミック、及びガラス等を用いてもよい。

また、各上記実施の形態では、整形用マスク２１２を高反射材で成形しているが、少なくともテーパ穴側面２１１ａが高反射材であればよい。従って、テーパ穴側面２１１ａに高反射材がコーティングされているものでもよい。

さらに、各上記実施の形態では、加工レンズ２００に集光レンズを用いているが、方物面鏡等の反射型の光学素子を用いても良い。

また、上記実施の形態１〜３では、整形部２１０を加工レンズ２００と照射部３０との間に配置しているが、整形部２１０をレーザ光発振器３と加工レンズ２００との間に配置してもよい。

また、整形用マスク２１２と加工レンズ２００との相対位置を変化させる機構部及び制御部は、整形用マスク２１２と加工レンズ２００との少なくともいずれか一方に設けられていればよく、組み合わせは各上記実施の形態に限定するものではない。

１ レーザ加工装置、２ ワーク（基板）、２ａ 加工面、３ レーザ光発振器、４ 伝送光学系、４ａ 反射ミラー、５ ガス供給装置、５ａ ガスボンベ、５ｂ ガスパイプ、１０ 加工ヘッド本体、２０ 加工ヘッド部、３０ 照射部、２００ 加工レンズ（集光体）、２０３ レンズ移動機構部、２０３ａ 軸方向移動機構、２０３ｂ 圧電素子、２０４ レンズ移動量制御部、２１０ レーザ形状整形部、２１１ テーパ穴、２１１ａ テーパ穴側面、２１２ 整形用マスク、２１３ マスク移動機構部、２１３ａ 軸方向移動機構、２１４ マスク移動量制御部。

Claims (9)

1. レーザ光を出射するレーザ光発振器、
   上記レーザ光を加工対象である基板に向けて集光させる集光体、
   上記集光体と上記基板との間に配置され、上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸に沿った方向について上記基板に近付くにつれて連続的に狭くなるテーパ穴が形成され、上記集光体により集光された上記レーザ光の一部を上記テーパ穴の側面で反射させて上記基板へ照射することで上記基板上の照射形状を整形する整形用マスク、
   上記集光体及び上記整形用マスクの少なくともいずれか一方に設けられ、上記集光体により集光された上記レーザ光の一部を上記テーパ穴の側面で反射させて上記基板へ照射することで上記基板状上に照射される上記照射形状が所望の強度分布を有する形状となるように、上記集光体と上記整形用マスクとの相対位置を変化可能にした機構部、及び
   上記整形用マスクにより整形された上記レーザ光を上記基板に照射する照射部
   を備える
   レーザ加工装置。
2. 上記機構部に接続され、上記基板の加工内容に応じて上記相対位置を変化させ、上記テーパ穴の側面で反射させて上記基板へ照射するレーザ光量を変えることで、上記基板上に照射される上記照射形状が所望の強度分布を有する形状となるように、上記機構部の位置制御を行う移動量制御部
   をさらに有する
   請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 上記機構部は、上記整形用マスクに設けられ、上記整形用マスクを上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸に対して直交する平面上で移動可能にしたマスク移動機構部であり、
   上記移動量制御部は、上記基板上に照射される上記照射形状が上記所望の強度分布を有する形状となるように、上記マスク移動機構部の位置制御を行うことで、上記整形用マスクを上記平面上で移動させる、
   請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 上記マスク移動機構部は、上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸に沿った方向である軸方向に上記整形用マスクを変位可能にした軸方向移動機構をさらに有し、
   上記移動量制御部は、上記基板上に照射される上記照射形状が上記所望の強度分布を有する形状となるように、上記マスク移動機構部の位置制御を行うことで、上記整形用マスクを上記平面上及び上記軸方向で移動させる
   請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 上記機構部は、上記集光体に設けられ、上記集光体を上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸に対して直交する平面上で移動可能にしたレンズ移動機構部であり、
   上記移動量制御部は、上記基板上に照射される上記照射形状が上記所望の強度分布を有する形状となるように、上記レンズ移動機構部の位置制御を行うことで、上記集光体を上記平面上で移動させ、上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸をずらす
   請求項１〜請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 上記レンズ移動機構部は、上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸に沿った方向である軸方向に上記整形用マスクを変位可能にした軸方向移動機構をさらに有し、
   上記移動量制御部は、上記基板上に照射される上記照射形状が上記所望の強度分布を有する形状となるように、上記レンズ移動機構部の位置制御を行うことで、上記集光体を上記平面上及び上記軸方向で移動させ、上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸をずらす
   請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. 上記整形用マスクは、上記照射部と一体となっている
   請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
8. 上記整形用マスクは、上記テーパ穴が高反射材で形成されている
   請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
9. レーザ光を出射するレーザ光発振器、
   上記レーザ光を加工対象である基板に向けて集光させる集光体、
   上記集光体と上記基板との間に配置され、上記集光体により集光された上記レーザ光の光軸に沿った方向について上記基板に近付くにつれて連続的に狭くなるテーパ穴が形成され、上記集光体により集光された上記レーザ光の一部を上記テーパ穴の側面で反射させて上記基板へ照射することで上記基板上の照射形状を整形する整形用マスク、
   上記集光体及び上記整形用マスクの少なくともいずれか一方に設けられ、上記集光体と上記整形用マスクとの相対位置を変化可能にした機構部、
   上記整形用マスクにより整形された上記レーザ光を上記基板に照射する照射部、及び
   上記機構部の位置制御を行う移動量制御部
   を備えたレーザ加工装置に適用されるレーザ加工方法であって、
   上記移動量制御部において、上記基板の加工内容に応じて上記相対位置を変化させ、上記テーパ穴の側面で反射させて上記基板へ照射するレーザ光量を変えることで、上記基板上に照射される上記照射形状が所望の強度分布を有する形状となるように、上記機構部の上記位置制御を行うステップを有する
   レーザ加工方法。

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