(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークにレーザ光を照射して加工を行う加工装置であって、
ワークが載置されるワークテーブルと、
レーザ光を出力するレーザ光出力部と、
回折光学素子を含み、前記レーザ光出力部からのレーザ光を複数のレーザ光に分岐して、光軸から所定距離離れた位置に集光する加工用レーザスポットと、前記所定距離の２倍の距離だけ離れた位置に集光する高次のレーザスポットと、からなる複数組のレーザスポットを、それぞれ光軸から異なる位置に形成する分岐・集光ユニットと、
前記分岐・集光ユニットと前記ワークテーブルとの間に配置され、前記複数の加工用レーザスポットを通過させるとともに、前記複数の高次のレーザスポットを遮光する遮光板と、
前記遮光板を通過した複数の加工用レーザスポットのそれぞれを前記ワークテーブルに載置されたワーク上の異なる位置に集光するためのワーク側集光手段とを備え、
前記分岐・集光ユニットは、前記複数の加工用レーザスポットを第１ピッチで形成し、前記光軸から最も離れた加工用レーザスポットと前記光軸に最も近い高次のレーザスポットの間を前記第１ピッチより広い第２ピッチで形成する、レーザ加工装置。
【請求項２】
前記分岐・集光ユニットは、複数組の加工用レーザスポット及び対応する高次のレーザスポットを、各組毎に加工方向に向かってずれた位置に形成する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記分岐・集光ユニットは、
前記回折光学素子を含み、前記レーザ光出力部からのレーザ光を複数のレーザ光に分岐する分岐手段と、
前記分岐された複数のレーザ光を集光させる集光レンズと、
を含み、
前記分岐手段を、入力するレーザ光の光軸の回りに回転させる回転手段をさらに備えた、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置としては、例えば特許文献１に示された装置が知られている。特許文献１の装置では、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いて複数の集光点がガラス基板上に形成される。そして、この複数の集光点を回転しつつ加工ラインに沿って走査することによってガラス基板が加工される。
【０００３】
しかし、ＤＯＥを用いた場合、加工に寄与する±１次の回折光より高次の回折光が加工ラインの外側に照射される。この高次の回折光の照射によってガラス基板がダメージを受けるという問題がある。
【０００４】
そこで、特許文献２に示されるように、ＤＯＥからのレーザ光を集光する集光レンズとワークテーブルとの間に、ＤＯＥの高次の回折光を遮光する遮光板を設けた装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１１９１７号公報
【特許文献２】特開２０１４−４２９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に示されたレーザ加工装置において、加工時間を短縮するためには、ＤＯＥによって分岐されるレーザ光の数を増やすことが必要である。例えば、ＤＯＥ及び集光レンズによってピッチｄで一直線上に並んだＮ本のレーザ光をガラス基板上に集光させ、加工幅（（Ｎ−１）＊ｄ）で加工すれば、加工時間をより短縮することが可能になる。
【０００７】
しかし、ピッチｄが小さくなると、加工に必要なレーザ光と、それに伴って生じる高次の回折光との間隔が狭くなる。このような場合、不要な高次の回折光だけを遮光板によって遮光することが困難になる。
【０００８】
本発明の課題は、レーザ加工装置において、加工時間の高速化のために、回折光学素子を用いて複数のレーザ光をワーク上に集光させるようにした場合でも、不要な高次の回折光を容易に遮光できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明の一側面に係るレーザ加工装置は、ワークにレーザ光を照射して加工を行う装置であって、ワークが載置されるワークテーブルと、レーザ光を出力するレーザ光出力部と、分岐・集光ユニットと、遮光板と、ワーク側集光手段と、を備えている。分岐・集光ユニットは、回折光学素子を含み、レーザ光出力部からのレーザ光を複数のレーザ光に分岐して、光軸から所定距離離れた位置に集光する加工用レーザスポットと、所定距離の２倍の距離だけ離れた位置に集光する高次のレーザスポットと、からなる複数組のレーザスポットを、それぞれ光軸から異なる位置に形成する。遮光板は、分岐・集光ユニットとワークテーブルとの間に配置され、複数の加工用レーザスポットを通過させるとともに、複数の高次のレーザスポットを遮光する。ワーク側集光手段は、遮光板を通過した複数の加工用レーザスポットのそれぞれをワークテーブルに載置されたワーク上の異なる位置に集光する。
【００１０】
この装置では、レーザ光出力部から出力されたレーザ光は、分岐・集光ユニットによって分岐され、これにより複数のレーザスポットが形成される。具体的には、光軸から距離ｒ１，ｒ２，ｒＮ・・・離れた位置に加工用レーザスポットが形成されるとともに、その2倍の距離、すなわち光軸から２＊ｒ１，２＊ｒ２，２＊ｒＮ・・・だけ離れた位置に高次のレーザスポットが形成される。そして、遮光板によって、複数の高次のレーザスポットのみが遮光され、加工用レーザスポットがワーク上の異なる位置に集光される。
【００１１】
ここでは、複数の加工用レーザスポットと、複数の高次のレーザスポットと、の間の隙間を広くとれるようにレーザ光を分岐させることができる。このため、高次のレーザスポットのみを遮光することが容易になる。
【００１２】
（２）本発明の別の側面に係るレーザ加工装置では、分岐・集光ユニットは、複数の加工用レーザスポットを第１ピッチで形成し、光軸から最も離れた加工用レーザスポットと光軸に最も近い高次のレーザスポットの間を第１ピッチより広い第２ピッチで形成する。
【００１３】
ここでは、最も近接している加工用レーザスポットと高次のレーザスポットとの間のピッチが、他のレーザスポット間のピッチよりも広くなる。したがって、高次のレーザスポットのみを遮光することが容易になる。
【００１４】
（３）本発明のさらに別の側面に係るレーザ加工装置では、分岐・集光ユニットは、複数組の加工用レーザスポット及び対応する高次のレーザスポットを、各組毎に加工方向に向かってずれた位置に形成する。
【００１５】
ここでは、各レーザスポットが加工方向に向かってずれた位置に形成されるので、１つの加工用レーザスポットが別の加工用レーザスポットの影響を受けにくい。
【００１６】
（４）本発明のさらに別の側面に係るレーザ加工装置では、分岐・集光ユニットは、分岐手段と、集光レンズと、を有する。分岐手段は、回折光学素子を含み、レーザ光出力部からのレーザ光を複数のレーザ光に分岐する。集光レンズは分岐された複数のレーザ光を集光させる。そして、分岐手段を、入力するレーザ光の光軸の回りに回転させる回転手段をさらに備えている。
【００１７】
ここでは、分岐されたレーザ光を回転させるので、加工を高速化することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のような本発明では、レーザ加工装置において、加工時間の高速化のために、回折光学素子を用いて複数のレーザ光をワーク上に集光させるようにした場合でも、不要な高次の回折光を容易に遮光できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の外観斜視図。
【図２】レーザ照射ヘッドの構成を拡大して示す斜視図。
【図３】ＤＯＥを含む中空モータと結像ユニットとを示す模式図。
【図４】結像ユニットの一例を示す図。
【図５】ＤＯＥによって形成される加工用レーザスポットと高次のレーザスポットとを模式的に示す図。
【図６】ＤＯＥによって形成される加工用レーザスポットと高次のレーザスポットとを模式的に示す図。
【図７】集光点をＺ軸方向に制御する作用を説明する模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［全体構成］
図１に本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の全体構成を示す。このレーザ加工装置は、ワークとして例えばガラス基板にレーザ光を照射して孔開け等の加工を行うための装置である。この装置は、ベッド１と、ガラス基板が載置されるワークテーブル２と、ガラス基板にレーザ光を照射するためのレーザ光照射ヘッド３と、を備えている。ここで、図１に示すように、ベッド１の上面に沿った平面において、互いに直交する軸をＸ軸、Ｙ軸とし、これらの軸に直交する鉛直方向の軸をＺ軸と定義する。また、Ｘ軸に沿った両方向（＋方向及び−方向）をＸ軸方向、Ｙ軸に沿った両方向をＹ軸方向、Ｚ軸に沿った両方向をＺ軸方向と定義する。
【００２１】
［ワークテーブル及びその移動機構］
＜ワークテーブル２＞
ワークテーブル２は、矩形状に形成されており、ワークテーブル２の下方には、ワークテーブル２をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させるためのテーブル移動機構５が設けられている。ワークテーブル２にはガラス基板Ｇを吸着して固定することが可能である。
【００２２】
＜テーブル移動機構５＞
テーブル移動機構５は、図１に示すように、それぞれ１対の第１及び第２ガイドレール８，９と、第１及び第２移動テーブル１０，１１と、を有している。１対の第１ガイドレール８はベッド１の上面にＹ軸方向に延びて設けられている。第１移動テーブル１０は、第１ガイドレール８の上部に設けられ、第１ガイドレール８に移動自在に係合する複数のガイド部１０ａを下面に有している。第２ガイドレール９は第１移動テーブル１０の上面にＸ軸方向に延びて設けられている。第２移動テーブル１１は、第２ガイドレール９の上部に設けられ、第２ガイドレール９に移動自在に係合する複数のガイド部１１ａを下面に有している。第２移動テーブル１１の上部には、固定部材１２を介してワークテーブル２が取り付けられている。
【００２３】
以上のようなテーブル移動機構５によって、ワークテーブル２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動自在である。なお、第１及び第２移動テーブル１０，１１は、詳細は省略するが、周知のモータ等の駆動手段によって駆動されるようになっている。
【００２４】
［レーザ光照射ヘッド３］
レーザ光照射ヘッド３は、図１及び図２に示すように、ベッド１の上面に配置された門型フレーム１ａに装着されており、レーザ光出力部１５と、光学系１６と、内部に回折光学素子が組み込まれた中空モータ１７と、レンズ及び遮光板等を含む結像ユニット２０（詳細は後述）と、を有している。また、レーザ光照射ヘッド３をＸ軸方向に移動させるためのＸ軸方向移動機構２１と、中空モータ１７及び結像ユニット２０をＺ軸方向に移動させるためのＺ軸方向移動機構２２と、が設けられている。
【００２５】
＜レーザ光出力部１５＞
レーザ光出力部１５は従来と同様のレーザ管により構成されている。このレーザ光出力部１５によって、波長５３２ｎｍのグリーンレーザ光がＹ軸に沿ってワークテーブル２とは逆側に出射される。
【００２６】
＜光学系１６＞
光学系１６は、レーザ光出力部１５からのレーザ光を中空モータ１７に組み込まれた回折光学素子（後述）に導くものである。この光学系１６は、図２に示すように、第１〜第４ミラー２５〜２８と、レーザ出力を計測するパワーモニタ２９と、ビームエキスパンダ３０と、を有している。
【００２７】
第１ミラー２５は、レーザ光出力部１５の出力側の近傍に配置されており、Ｙ軸方向に出射されたレーザ光をＸ軸方向に反射する。第２ミラー２６は、Ｘ軸方向において第１ミラー２５と並べて配置されており、Ｘ軸方向に進行するレーザ光をＹ軸方向に反射して、ワークテーブル２側に導く。第３ミラー２７は、Ｙ軸方向において第２ミラー２６と対向して配置されており、第２ミラー２６によって反射されてきたレーザ光をＸ軸方向に反射する。第４ミラー２８は、中空モータ１７の上方に配置されており、第３ミラー２７によって反射されてきたレーザ光を下方（Ｚ軸方向）に導く。
【００２８】
ビームエキスパンダ３０は第２ミラー２６と第３ミラー２７との間に配置され、第２ミラー２６によって反射されてきたレーザ光を一定の倍率の平行光束に拡げるために設けられている。このビームエキスパンダ３０によって、レーザ光をより小さなスポットに集光させることが可能となる。
【００２９】
＜中空モータ１７＞
中空モータ１７は、図３の模式図で示すように、中心にＺ軸方向に延びる回転軸を有し、この回転軸を含む中央部が中空部１７ａになっている。そして、この中空部１７ａに回折光学素子（Diffractive Optical Element：以下、「ＤＯＥ」と記す）３４が固定されている。回折光学素子３４は、入力されたレーザ光を複数の光束に分岐するものである。
【００３０】
＜結像ユニット２０＞
結像ユニット２０の構成を図４に模式的に示している。なお、図４は、ＤＯＥ３４と結像ユニット２０との関係を示す図であって、他の構成は省略している。また、図４では、光軸の一方側において２本の加工用レーザスポットを形成（合計４本の加工用レーザスポットを形成）する場合の例であるが、図では、一方側のみのレーザスポットを示し、他方側のレーザスポットは省略している。
【００３１】
結像ユニット２０は、ＤＯＥ３４とともに分岐・集光ユニットを構成する集光レンズ２０１と、遮光板２０２と、リレーレンズ（ワーク側集光手段）２０３と、を有している。集光レンズ２０１は、ＤＯＥ３４からの分岐された複数のレーザ光をガラス基板の上方で集光させるためのレンズである。遮光板２０２は、集光レンズ２０１とリレーレンズ２０３との間に配置されている。この例では、遮光板２０２は集光レンズ２０１の集光位置（焦点面）に配置されている。遮光板２０２の中央部には、所定の大きさの径の円形の開口２０２ａが形成されている。リレーレンズ２０３は遮光板２０２とガラス基板Ｇとの間に配置されている。このリレーレンズ２０３によって、遮光板２０２を通過した複数のレーザ光がガラス基板Ｇ上あるいはガラス基板Ｇ中のＺ軸方向の任意の位置に集光させられる。
【００３２】
なお、リレーレンズ２０３によるＺ軸方向の集光位置は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向ともに例えば３０ｍｍ程度の限られた範囲内でのみ制御可能である。
【００３３】
＜複数組のレーザスポットについて＞
図５及び図６により、結像ユニット２０によって形成されるレーザスポット及び遮光について説明する。なお、図５及び図６ともに、光軸Ｌ０に対して一方側の回折光を示しており、他方側の回折光は省略している。
【００３４】
図５は、 加工用レーザスポット（1次回折光）Ｌ１と、高次のレーザスポット（2次回折光）Ｌ２と、の関係を示している。この図に示すように、加工用レーザスポットＬ１は光軸Ｌ０から距離ｒの位置に形成され、高次のレーザスポットＬ２は光軸Ｌ０から距離ｒの２倍の位置（２＊ｒ）に形成される。
【００３５】
図６は、ＤＯＥ３４によって、複数組の加工用レーザスポットと高次のレーザスポットが形成される例を示している。すなわち、光軸Ｌ０から距離ｒ１，ｒ２，・・・ｒＮの位置に加工用レーザスポットＬ１ｒ１，Ｌ２ｒ２，・・・Ｌ１ｒＮが形成され、光軸Ｌ０から距離２＊ｒ１，２＊ｒ２，・・・２＊ｒＮの位置に高次のレーザスポットＬ２ｒ１，Ｌ２ｒ２，・・・Ｌ２ｒＮが形成される。
【００３６】
そこで、複数の各加工用レーザスポットの光軸Ｌ０からの距離の差であるピッチｄ に対して、光軸から最も離れた加工用レーザスポットＬ１ｒ１と、光軸Ｌ０に最も近い高次のレーザスポットＬ２ｒＮと、の間のピッチＤの方が広くなるようにＤＯＥ３４を構成している。
【００３７】
このため、複数の加工用レーザスポットのピッチを狭くした場合であっても、高次のレーザスポットのみを遮光板２０２によって容易に遮光することができる。
【００３８】
＜レーザ光照射ヘッド３の支持及び搬送系＞
レーザ光照射ヘッド３は、前述のように、ベッド１の門型フレーム１ａに支持されている。より詳細には、図２に示すように、門型フレーム１ａの上面にはＸ軸方向に延びる１対の第３ガイドレール３６が設けられており、この１対の第３ガイドレール３６及び図示しない駆動機構がＸ軸方向移動機構２１を構成している。そして、１対の第３ガイドレール３６には、支持部材３７が移動自在に支持されている。支持部材３７は、第３ガイドレール３６に支持された横支持部材３８と、横支持部材３８のワークテーブル２側の一端から下方に延びる縦支持部材３９と、を有している。縦支持部材３９の側面には、Ｚ軸方向に延びる１対の第４ガイドレール４０が設けられており、この１対の第４ガイドレール４０及び図示しない駆動機構がＺ軸方向移動機構２２を構成している。第４ガイドレール４０には、Ｚ軸方向に移動自在に第３移動テーブル４１が支持されている。
【００３９】
そして、レーザ光出力部１５、第１〜第３ミラー２５〜２７、パワーモニタ２９、及びビームエキスパンダ３０が、横支持部材３８に支持されている。また、第４ミラー２８、中空モータ１７、及び結像ユニット２０が、第３移動テーブル４１に支持されている。
【００４０】
［動作］
例えば、ガラス基板に孔あけ加工を行う場合は、まず、ワークテーブル２の表面に複数のブロック（図示せず）等を介して加工すべきガラス基板Ｇを載置する。
【００４１】
次に、Ｘ軸方向移動機構２１によってレーザ光照射ヘッド３をＸ軸方向に移動し、またテーブル移動機構５によってワークテーブル２をＹ軸方向に移動し、レーザ光照射ヘッド３によるレーザ光の光軸を、加工される孔の中心と一致させる。
【００４２】
以上のようにしてレーザ光照射ヘッド３及びガラス基板Ｇを加工位置に移動させた後、レーザ光をガラス基板Ｇに照射して加工を行う。ここでは、レーザ光出力部１５から出射されたレーザ光は、第１ミラー２５によって反射されて第２ミラー２６に導かれる。なお、第１ミラー２５に入射したレーザ光はパワーモニタ２９によってレーザ出力が計測される。第２ミラー２６に入射したレーザ光はＹ軸方向に反射され、ビームエキスパンダ３０によって光束が拡げられて第３ミラー２７に導かれる。そして、第３ミラー２７で反射され、さらに第４ミラー２８で反射されたレーザ光は、中空モータ１７の中心部に設けられたＤＯＥ３４に入力される。
【００４３】
ＤＯＥ３４及び結像ユニット２０によって、ガラス基板Ｇに複数の集光点が形成される。すなわち、図６に示されるように、遮光板２０２がない場合は、それぞれ複数の加工用レーザスポットＬ１ｒ１〜Ｌ１ｒｎ及び高次のレーザスポットＬ２ｒ１〜Ｌ２ｒｎがガラス基板Ｇ上に形成される。しかし、遮光板２０２によって、高次のレーザスポットＬ２ｒ１〜Ｌ２ｒｎが遮光され、加工用レーザスポットＬ１ｒ１〜Ｌ１ｒｎのみがガラス基板Ｇ上に照射される。
【００４４】
そして、ＤＯＥ３４を中空モータ１７によって回転することにより、加工用レーザスポットＬ１ｒ１〜Ｌ１ｒｎが光軸を中心に回転し、これにより光軸から最も離れた加工用レーザスポットＬ１ｒ１を外周とする孔が形成される。
【００４５】
ここでは、遮光板２０２によって、ＤＯＥ３４からの高次のレーザ光は遮光され、ガラス基板Ｇ上に照射されることはない。このため、高次の回折光によるガラス基板Ｇへのダメージをなくすことができる。
【００４６】
ここで、レーザ光による１回の加工でガラスが除去される高さは数十μｍである。したがって、ガラス基板Ｇに孔開け加工を行う場合、集光点を加工ラインに沿って一度だけ走査しても孔を形成すること、すなわち加工ラインの内側の部分を抜き落とすことは、一般的に困難である。
【００４７】
そこで通常は、まず、集光点（加工部位）がガラス基板Ｇの下面に形成されるように、結像ユニット２０を制御する（図７（ａ）参照）。この状態で結像ユニット２０の結像位置（集光点）を加工ラインに沿って１周した後、結像ユニット２０を制御することにより、図７（ｂ）に示すように、集光点を上昇させる。そして、同様に集光点を加工ラインに沿って１周した後、さらに集光点を上昇させる。以上の動作を繰り返し実行することにより、加工ラインの内側部分を抜き落として孔を形成することができる。
【００４８】
［特徴］
以上のような本実施形態では、加工用レーザスポットと隣り合う高次のレーザスポットの間のピッチを、他のレーザスポット間のピッチよりも広げることができる。したがって、ピッチの狭い複数のレーザスポットを用いて加工を行う場合でも、ＤＯＥによる高次の回折光を容易に遮光することができる。
【００４９】
［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。
【００５０】
（ａ）結像ユニット２０に設けられたリレーレンズ２０３の位置を制御することによって、ガラス基板Ｇ上に結像される画像の倍率を変えることができる。具体的には、高い倍率でガラス基板Ｇ上に結像させる場合は、集光レンズ２０１とリレーレンズ２０３との間の距離を、より近づけることによって実現できる。また、逆に低い倍率でガラス基板Ｇ上に結像させる場合は、集光レンズ２０１とリレーレンズ２０３との間の距離を、より離すことによって実現できる。
【００５１】
（ｂ）レーザスポットの個数、配置は前記実施形態に限定されない。また、加工ラインの軌跡は円形に限定されない。光学系としてＸ，Ｙ方向のガルバノスキャナを用いることによって、直線あるいは曲線の加工ラインに沿って複数のレーザスポットを走査することが可能である。
【００５２】
（ｃ）前記実施形態では、被加工物としてガラス基板を用いたが、被加工物は、レーザ光で加工可能な部材であればよく、ガラス基板に限定されない。
【００５３】
（ｄ）リレーレンズを、可変の焦点距離を有するズームレンズにしてもよい。この場合は、ガラス基板上に結像される像の倍率を制御でき、しかもワークテーブルを移動させる必要がない。
【符号の説明】
【００５４】
２  ワークテーブル
３  レーザ光照射ヘッド
５  テーブル移動機構
１５  レーザ光出力部
１７  中空モータ
２０  結像ユニット
３４  回折光学素子（ＤＯＥ）
２０１  集光レンズ
２０２  遮光板
２０３  リレーレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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