(57)【要約】【課題】２個の２軸高速なミラーの偏向動作によりテレセントリックレンズを使用しながら、テレセントリックな条件を崩す方向を照射位置と照射方向に合わせて変更し、従来のような戻り光を防ぐ。【解決手段】レーザ光２０をテレセントリックｆθレンズ４の瞳中心Ｈから平行に移動させてオフセットさせる２個２軸の偏向手段２ａ，２ｂと、瞳位置Ａ１近傍において瞳中心光軸となす角度によりテレセントリックｆθレンズ４の中心からｆθ離れた位置にレーザ光２０を偏向させる回転軸が直交する２個の１軸偏向手段３ａ，３ｂを備え、レーザ光２０をパッケージカバー５の照射位置に照射する場合に、２個の２軸偏向手段２ａ，２ｂによりレーザ光２０を、瞳位置Ａ１での入射位置と照射位置とが瞳中心Ｈに対して略点対称になるように入射させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テレセントリックｆθレンズを通して被加工物にレーザ光を照射するレーザ照射方法であって、
前記テレセントリックｆθレンズの瞳中心に対して前記被加工物の照射位置と略点対称になる位置に、前記瞳位置において前記レーザ光を入射し、
前記テレセントリックｆθレンズの瞳位置において瞳中心から平行に前記レーザ光を移動させてオフセットし、
前記瞳位置近傍において瞳中心光軸となす角度により前記テレセントリックｆθレンズの中心軸からｆθ離れた位置にレーザ光を偏向させ、
前記被加工物に前記レーザ光を照射する
レーザ照射方法。
【請求項２】
前記レーザ光は、前記被加工物の照射位置によらず鉛直方向に対して常に一定の傾きを有する
請求項１に記載のレーザ照射方法。
【請求項３】
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器からのレーザ光が通過するテレセントリックｆθレンズと、
前記テレセントリックｆθレンズの瞳位置において、前記レーザ光を瞳中心から平行に移動させてオフセットする２個の２軸偏向手段と、
前記瞳位置近傍において、瞳中心光軸となす角度により前記テレセントリックｆθレンズの中心軸からｆθ離れた位置にレーザ光を偏向させる２個の１軸偏向手段と、を備えた
レーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物にレーザを照射するレーザ照射方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パッケージ本体にカバーまたは上蓋を被せて気密封止する封止方法がある。
【０００３】
従来、この種の封止方法としてカシメ方式が用いられていたが、近年、レーザ溶接が主流となっている。レーザ溶接では、レーザの光軸を動かさず、例えば、ＸＹステージ上に設置した被加工物を移動させる構成と、レーザ光をガルバノミラーなどにより高速に走査する構成がある。最近では、大出力レーザや高速ガルバノミラーによる生産方式が主流になりつつある。
【０００４】
レーザ溶接においては、レーザ戻り光によるレーザ発振器の不安定発振の発生や、光学部品あるいはレーザ発振器の損傷が問題となる。このうち、レーザ発振器の戻り光防止方法としては、レーザ発振器内への光アイソレータ（光の逆方向伝達を防止する光学部品）の挿入する方法（例えば、特許文献１参照）、被加工部品を光軸に対して３〜５度傾けて戻り光を防ぐ方法（例えば、特許文献２参照）、光軸を被加工物に対して傾けて戻り光を防ぐ方法（例えば、特許文献３参照）、などがある。
【０００５】
特許文献１の方法は、高耐力の光学部品が必要となり、使用するレーザ出力に応じて使用される部品が制限され、大出力レーザの使用は難しい。
【０００６】
特許文献２の方法は、被加工物を傾ける工夫が必要となり、また高速に追従させる必要があるため、装置が大掛かりになったり被加工物を傾斜させる速度が遅くなったりして生産性が悪くなる。
【０００７】
特許文献３の方法は、ワークの形状やサイズに関係なく実現でき、また高出力レーザについて対応可能である。
【０００８】
従来の戻り光防止のレーザ応用システムとして、特許文献３に記載の技術ではテレセントリック光学系を用いている。
【０００９】
特許文献３に記載の発明では、回動可能な折り曲げミラー５９により被加工物２５への入射角度は変更できるが、Ｙ方向からの入射方向は変更できない。また、瞳位置Ａ０での入射位置と照射位置が常に中心軸に対して同じ側にあるため、反射光５４はテレセントリックｆθレンズ５８の中心方向に反射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平４−２３５３６７号公報
【特許文献２】特開昭５８−１３２７０９号公報
【特許文献３】特開平２−１９１３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献３に記載の発明の構成では、例えば、被加工物２５の周端部を一周に亘ってレーザ溶接で接合する場合、図４（ａ），（ｂ）に示した構成ではＹ方向の走査が必要となる。
【００１２】
その場合は、被対象物２５にＸＹテーブルを搭載する方式か、回動可能な折り曲げミラー５９とテレセントリックｆθレンズ５８との間に、回転軸が直交する２個の１軸偏向手段を設ける方式が考えられる。
【００１３】
ＸＹテーブルを採用した方式では、溶接速度が５００ｍｍ／ｓ程度になり、高速（高生産性）な接合は望めない。
【００１４】
また、折り曲げミラー５９とテレセントリックｆθレンズ５８との間に回転軸が直交する２個の１軸偏向手段を設置した方式では、走査方向に対して入射方向が変化することになり、熱の伝達や溶け込み方向を制御することができず、均一な接合ができない。
【００１５】
また、瞳位置Ａ０での入射位置と照射位置とが常に中心軸５１に対して同じ側にあるため、反射光５４はテレセントリックｆθレンズ５８の中心方向に反射するため、上記２方式のいずれの場合でも、テレセントリックｆθレンズ５８への戻り光による損傷の可能性はあるという課題を有している。
【００１６】
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、戻り光を防ぐことができる高速かつ高品質なレーザ照射方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ照射方法は、テレセントリックｆθレンズを通して被加工物にレーザ光を照射するレーザ照射方法であって、前記テレセントリックｆθレンズの瞳中心に対して前記被加工物の照射位置と略点対称になる位置に、前記瞳位置において前記レーザ光を入射し、前記テレセントリックｆθレンズの瞳位置において瞳中心から平行に前記レーザ光を移動させてオフセットし、前記瞳位置近傍において瞳中心光軸となす角度により前記テレセントリックｆθレンズの中心軸からｆθ離れた位置にレーザ光を偏向させ、前記被加工物に前記レーザ光を照射する
また、上記の目的を達成するために、本発明のレーザ照射装置は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器からのレーザ光が通過するテレセントリックｆθレンズと、前記テレセントリックｆθレンズの瞳位置において、前記レーザ光を瞳中心から平行に移動させてオフセットする２個の２軸偏向手段と、前記瞳位置近傍において、瞳中心光軸となす角度により前記テレセントリックｆθレンズの中心軸からｆθ離れた位置にレーザ光を偏向させる２個の１軸偏向手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のレーザ照射方法および装置によれば、戻り光を防ぎながら高速にレーザ照射することができる。また、高出力レーザも使用可能となるため、戻り光を防止しつつ安定したレーザ照射が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態１の部品パッケージ封止装置の概略構成を示す斜視図
【図２】（ａ）本実施形態１のテレセントリックｆθレンズとパッケージ部分を示す斜視図、（ｂ）本実施形態１のテレセントリックｆθレンズの平面図
【図３】（ａ）〜（ｄ）テレセントリックｆθレンズの特徴についての説明図
【図４】（ａ）従来装置の概略構成を示す斜視図、（ｂ）従来装置の光学系を拡大して示す正面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１を説明するための、レーザ照射装置の一例である部品パッケージ封止装置の概略構成を示す斜視図である。
【００２２】
本部品パッケージ封止装置は、主要な構成要素として、レーザ発振器１、２個の２軸偏向手段２ａ，２ｂ、回転軸が直交する２個の１軸偏向手段３ａ，３ｂ、テレセントリックｆθレンズ４、被加工物を載置するためのステージとＸＹテーブル（共に図示せず）を具備している。そして、被加工物として、パッケージカバー５、パッケージ本体６をステージに載置して、この加工を行うためのものである。
【００２３】
レーザ発振器１はパルス発振あるいは連続発振のどちらの構造でもよい。また、レーザ発振器１から出射するレーザ光２０の波長は、被加工物であるパッケージカバー５やパッケージ本体６の材質によるが、例えば材質が鉄またはアルミの場合は、１μｍ程度の波長がよい。
【００２４】
パッケージカバー５はパッケージ本体６上部に被せるように装着され略固定されている。
【００２５】
レーザ発振器１から出射したレーザ光２０は、２個の２軸偏向手段２ａ，２ｂにより、その光軸を任意の位置に平行移動あるいは任意の傾きに変更することができる。２個の２軸偏向手段２ａ，２ｂは図１の位置Ａ３に対向設置されている。また、２個の１軸偏向手段３ａ，３ｂは図１の位置Ａ２に対向設置されており、回転軸が互い直交するものである。テレセントリックｆθレンズ４の瞳位置Ａ１はテレセントリックｆθレンズ４の後方焦点位置であり、その瞳直径をｄとすると、瞳直径ｄの半径分ｄ／２が、２個の２軸偏向手段２ａ，２ｂによってレーザ光２０を平行移動（オフセット）できる変位量である。
【００２６】
レーザ光２０は、テレセントリックｆθレンズ４の瞳位置Ａ１を通過後、回転軸が互いに直交する２個の１軸偏向手段３ａ，３ｂにより偏向されてテレセントリックｆθレンズ４を通過し、その後、パッケージカバー５の照射位置に入射する。テレセントリックｆθレンズ４によるテレセントリック特性のため、瞳位置Ａ１での瞳中心Ｈを通過するレーザ光２０は、位置Ａ２に設置された２個の１軸偏向手段３ａ，３ｂにより、パッケージカバー５のどの位置に照射しても垂直に照射することになる。この、パッケージカバー５のどの位置に対しても垂直に照射される理由については、後述する。
【００２７】
ここで、テレセントリックｆθレンズによるテレセントリック特性について説明する。
【００２８】
図３（ａ）〜（ｄ）はテレセントリックｆθレンズの特徴についての説明図である。
【００２９】
図３（ａ）において、テレセントリックｆθレンズ５８の瞳位置（後側焦点位置）をＡ０、テレセントリックｆθレンズ５８の瞳径をｄとすると、レーザ光がテレセントリックｆθレンズ５８の瞳位置Ａ０において瞳中心を通る。テレセントリックｆθレンズ５８の中心軸５１を通って物体面に投射されたレーザ光は、テレセントリックｆθレンズ５８により被加工物２５に集光され、その正反射光は、元の光路に沿つてレーザ光源（図示せず）に戻る。
【００３０】
図３（ｂ）において、瞳位置Ａ０で中心軸５１からθ１傾いて入射したレーザ光５２は、テレセントリックｆθレンズ５８により被加工物２５に集光される。この性質をテレセントリックという。集光されたレーザ光５２は、被加工物２５から反射して同じ経路を通り、レーザ光源まで達する。
【００３１】
ところが、このテレセントリックな性質を利用して、図３（ｃ）に示すように、レーザ光５３を、テレセントリックｆθレンズ５８の瞳位置Ａ０において、中心からｄ／２だけずらして入射させると、ずらした方向に関しては、被加工物２５に入射されるレーザ光５３がテレセントリックな条件からはずれて、被加工物２５に対して傾いて入射することになる。このため、被加工物２５からの反射光５４は、入射光５３とは異なる光路に沿って戻ることになる。このことにより戻り光を防止することができる。
【００３２】
このときの反射角度を計算してみると、瞳位置Ａ０におけるオフセット量を最大ｄ／２とし、瞳位置Ａ０での傾き角θ１（中心線５１と入射光５３のなす角度）とし、テレセントリックｆθレンズ５８の焦点距離をＦとすると、変位量Ｙ１（＝Ｆ・θ１）の位置に集光される。さらに、被加工物２５への入射角度θ２（反射光５４または入射光５３と鉛直方向線分とのなす角度）は下記（式１）の値となる。
【００３３】
θ２＝Ａｒｃｔａｎ（ｄ／２／Ｆ）    ‥‥（式１）
例えば、焦点距離１００ｍｍのテレセントリックｆθレンズ５８であって、瞳径ｄが直径２０ｍｍ（半径１０ｍｍ）とすると、θ２＝５．７度となる。
【００３４】
図３（ｃ）に示すように、瞳位置Ａ０での入射位置（中心軸５１の右側）と被加工物２５での照射位置（中心軸５１の左側）とが、瞳中心に対して略対称であるため、反射光５４はテレセントリックｆθレンズ５８の外側に反射し、入射ビーム方向には戻らない。
【００３５】
しかし、図３（ｄ）に示すように、逆に瞳位置Ａ０での入射位置（中心軸５１の左側）と被加工物２５での照射位置（中心軸５１の左側）とが、瞳中心に対して略対称でない場合には、反射光５４はテレセントリックｆθレンズ５８の中心方向に反射する。
【００３６】
この特性を利用した発明が特許文献３に記載されており、その装置の概略構成を図４（ａ）の斜視図に示し、図４（ａ）における光学系を拡大した正面図を図４（ｂ）に示す。
【００３７】
図４（ａ）において、レーザ光源５５から出射したレーザ光６０は、折り曲げミラー５６ａ，５６ｂ，５７により偏向されて、回動可能な折り曲げミラー５９に入射する。回動可能な折り曲げミラー５９により、レーザ光６０は図においてＹ方向に偏向される。
【００３８】
被加工物２５は、１軸ステージなどに搭載することによってレーザ光６０によるＸ軸方向走査が可能である。また、回動可能な折り曲げミラー５９とテレセントリックｆθレンズ５８との間に、折り曲げミラー５９の回転軸と直交する方向にさらに回動する折り曲げミラーを取り付けることにより、１軸ステージを用いずにＸ軸方向の走査が可能になる。
【００３９】
図４（ｂ）に示すように、回動可能な折り曲げミラー５９により、レーザ光６０が中心光軸５１からテレセントリックｆθレンズ５８の瞳位置Ａ０で瞳中心からオフセットした入射光５３として、被加工物２５に入射する。
【００４０】
この場合、瞳位置Ａ０での瞳中心からの前記オフセット量をｄ／２とすると、テレセントリックな条件（被加工物２５に垂直に入射する条件）が崩れ、入射光５３は被加工物２５に対して、ある傾きを持って入射し、戻り光５４が入射光５３と同じ経路をたどらずレーザ光源への戻り光は防止される。被加工物２５とレーザ光学系は紙面に対して垂直方向に相対的に移動し走査が行われる。
【００４１】
ここで、レーザ光２０を、２個の２軸偏向手段２ａ，２ｂにより、瞳位置Ａ１における瞳中心Ｈから平行移動（オフセット）させ、瞳位置Ａ１を通過した後、２個の１軸偏向手段３ａ，３ｂによりパッケージカバー５の任意の位置に入射させた場合について考える。この場合、レーザ光２０におけるパッケージカバー５への入射角は、前記（式１）に基づき、ＸＹ平面での平行移動量とテレセントリックｆθレンズ４の焦点距離とによって決定される角度となる。
【００４２】
このように、レーザ光２０を２個の２軸偏向手段２ａ，２ｂにより瞳位置Ａ１において入射位置を変えることができるため、パッケージカバー５でのレーザ光入射方向と入射角度とを変化させることができる。さらに、瞳位置Ａ１での入射位置をパッケージカバー５への照射位置と瞳中心Ｈに対して略点対称にすれば、反射光を常にテレセントリックｆθレンズ４の外側に向けることができる。
【００４３】
このことを図２（ａ），（ｂ）の説明図を参照して説明する。図２（ａ）は本実施形態のテレセントリックｆθレンズとパッケージ部分を示す斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のテレセントリックｆθレンズの平面図である。
【００４４】
図２（ａ）に示すように、パッケージカバー５を、カバー全周端部に亘って照射位置Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ１の順で順次照射する場合を考える。この場合、レーザ光２０は、位置Ａ３に設置された２個の２軸偏向手段２ａ，２ｂにより平行移動し、レーザ光７ａのように瞳位置Ａ１ではレーザ光通過位置Ｂ１となる。図２（ａ），（ｂ）において、レーザ光通過位置Ｂ１においてレーザ光７ａは、位置Ａ２に設置された２個の１軸偏向手段３ａ，３ｂにより、照射位置Ｅ１に偏向される。すなわち、本実施形態においては、瞳位置Ａ１においてレーザ光通過位置Ｂ１を通過したレーザ光７ａは、テレセントリックｆθレンズ４によって、照射位置Ｅ１に偏向される。また、瞳位置Ａ１においてレーザ光通過位置Ｂ２を通過したレーザ光７ｂは、テレセントリックｆθレンズ４によって、照射位置Ｅ２に偏向される。また、瞳位置Ａ１においてレーザ光通過位置Ｂ３を通過したレーザ光７ｃは、テレセントリックｆθレンズ４によって、照射位置Ｅ３に偏向される。また、瞳位置Ａ１においてレーザ光通過位置Ｂ４を通過したレーザ光７ｄは、テレセントリックｆθレンズ４によって、照射位置Ｅ４に偏向される。
【００４５】
このようにして、２個の１軸偏向手段３ａ，３ｂにより、照射位置Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の順に、パッケージカバー５の全周端部を直線的に走査を行う場合を考える。この場合、２個の１軸偏向手段３ａ，３ｂの動きに同期して、位置Ａ３に設置された２個の２軸偏向手段２ａ，２ｂによって、レーザ光２０を、瞳中心Ｈに対してレーザ光通過位置Ｂ１からＢ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ１（照射位置Ｅ１からＥ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ１の略点対称の位置）で、瞳位置Ａ１の瞳径の円弧に従って円弧走査を行うことになる。このように、瞳中心Ｈからの距離が等しければ、照射位置によらず入射角度が等しくなり、パッケージカバー５でのレーザ光７ａ〜７ｄの反射方向が全てテレセントリックｆθレンズ４の外側を向くことになる。よって、従来のような、レーザ発振器１への戻り光を確実に防止することができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、部品パッケージ封止方法の例を説明したが、レーザ照射において、戻り光の影響を軽減することが可能であるので、部品パッケージの封止以外に、レーザを照射する場合（たとえば、レーザ接合の場合）にも効果を奏するものである。
【００４７】
このようにして戻り光を防止した状態でのレーザ光７ａ〜７ｄの照射は、光学系やレーザへの損傷がなく、安定したレーザエネルギーによって瞬間的に溶接することができる。瞳位置Ａ１でのＸＹ平面の平行移動量を変更することにより、レーザ光の照射角度は変更でき、その方向も接合位置と接合方向とに関係なく設定することができる。そして、合わせてレーザ光の照射速度も変更できるため、最適な接合プロセスを設定することが可能である。
【００４８】
なお、レーザ光のスポットを高速で走査させるには、２個の２軸偏向手段２ａ，２ｂと２個の１軸偏向手段３ａ，３ｂとして、ガルバノスキャナ，ピエゾスキャナー，あるいはミラーホルダーの調整軸にアクチュエータを備えたものを用いることが好ましい。これにより、高速なレーザ接合を行うことができる。
【００４９】
また、高出力，集光性の高いレーザ光を得るには、最近のファイバーレーザやディスクレーザを用いることにより、さらに高速化が図れる。
【００５０】
良好なレーザ溶接を行うためには、レーザ光がカバーの全周端部を略一定の速度で一周し、この間、略一定のレーザ出力を維持するとよい。
【００５１】
また本実施形態において、瞳位置Ａ１における瞳中心Ｈからのレーザ光２０のオフセット量を等しくすれば、入射角を常に等しくできるため一定のパワー密度，等速度のレーザ走査、さらにはレーザ出力を一定にすることにより、レーザシーム溶接または封止加工の均一性を一層向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明のレーザ照射方法は、高速にレーザ照射角度と照射方向を変え、被加工物を傾けることなく、戻り光を防ぐことができ、さらに、高出力レーザを使用することができる戻り光防止法であるため、一般的なレーザ加工，レーザ計測の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００５３】
１  レーザ発振器
２ａ，２ｂ  ２軸偏向手段
３ａ，３ｂ  １軸偏向手段
４  テレセントリックｆθレンズ
５  パッケージカバー
６  パッケージ本体
２０，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ  レーザ光
Ａ１  瞳位置
Ａ２  位置
Ａ３  位置
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４  レーザ光通過位置
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４  照射位置
Ｈ  瞳中心
【図１】
2011255405.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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