(57)【要約】【課題】１個の加工レンズに３つ以上の分割光を入射させることにより、高速加工が可能で、かつ、加工品質（加工穴の形状、大きさ、精度及び真直度）に優れるレーザ加工装置を提供すること。【解決手段】入射角の違いを利用する全反射・透過型のビーム合成手段３１ｃにより、偏光方向が同じビームＡの光路とビームＢの光路とを略同一方向に揃えた後、偏光型のビーム合成手段３２により、ビームＡおよびビームＢの光路と、これらと偏光方向が異なるビームＣの光路とを略同一方向に揃えて、加工レンズ４５に入射させる。【選択図】        図１
2004276063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光分割手段と、偏向手段と、ビーム合成手段と、加工レンズと、を備え、前記光分割手段によりレーザ光を光路が異なる複数の分割光に分割し、前記ビーム合成手段により前記分割光の光路を略同一方向に揃えて１個の前記加工レンズに入射させるようにしたレーザ加工装置において、
前記ビーム合成手段が、全反射・透過型のビーム合成手段と偏光型のビーム合成手段とから構成され、
前記全反射・透過型のビーム合成手段により２つの前記分割光の光路を略同一方向に揃えた後、前記偏光型のビーム合成手段により前記２つの分割光と他の前記分割光の光路とを略同一方向に揃えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
２つの前記分割光をそれぞれ２次元偏向手段により偏向させた後、前記全反射・透過型のビーム合成手段により光路を略同一方向に揃えると共に、前記偏光型のビーム合成手段の出射光を２次元に偏向させることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記偏光型のビーム合成手段の入射側に配置される２次元偏向手段と出射側に配置される２次元偏向手段との間にリレー光学系を配置することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ光を用いて穴加工や切断を行うレーザ加工装置に係り、特に、レーザ光源から出射されたレーザ光を光路が異なる複数の分割光に分割した後、１個の加工レンズに入射させてそれぞれ集光し、ワーク上の異なる位置を同時に加工するようにしたレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開平１１−５８０５５号公報には、レーザ光源から出射されたレーザ光を光路が異なる複数の分割光に分割し、分割光毎に用意した２次元スキャニング光学系と加工レンズにより分割光をそれぞれ集光して、ＸＹステージ上に載せたプリント基板の異なる位置に穴を加工している。
【０００３】
この場合、光学的にスキャンできる領域が限られるため、先ず、共通のＸＹステージでプリント基板を位置決めしてある限られた領域を光学スキャニングにより加工し、その後ＸＹステージを移動させて次の領域を加工する、という動作を加工が終了するまで繰り返す。
【０００４】
しかし、この技術では、高価な加工レンズが分割光と同数必要になる。また、スキャンできる領域が限られるため、複数の分割光により同時に穴明けできるように加工領域を割り振る必要がある。しかも、加工パターンによっては加工領域の割り振りが困難である。
【０００５】
そこで、特許文献１や特許文献２では、２つのスキャニング光学系を１つの加工レンズに対応させて加工速度を向上させている。この場合、加工領域の割り振りが不要になるので、作業性を向上させることができた。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３１４１８８号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２０００−１９００８７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、２つの光学的スキャニング手段を加工レンズに対して最適位置に置くことができないため、加工ビームがプリント基板の表面に対して垂直からかなりずれた角度で入射し、加工された穴の軸線が傾くという問題がある。さらに、３つ以上のビームを一つの加工レンズに入射させ、加工速度をより一層向上させると共に装置の低価格化を図る方法については言及されていない。
【０００９】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、１個の加工レンズに３つ以上の分割光を入射させることにより、高速加工が可能で、かつ、加工品質（加工穴の形状、大きさ、精度及び真直度）に優れるレーザ加工装置を提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、光分割手段と、偏向手段と、ビーム合成手段と、加工レンズと、を備え、前記光分割手段によりレーザ光を光路が異なる複数の分割光に分割し、前記ビーム合成手段により前記分割光の光路を略同一方向に揃えて１個の前記加工レンズに入射させるようにしたレーザ加工装置において、前記ビーム合成手段を、全反射・透過型のビーム合成手段と偏光型のビーム合成手段とから構成し、前記全反射・透過型のビーム合成手段により２つの前記分割光の光路を略同一方向に揃えた後、前記偏光型のビーム合成手段により前記２つの分割光と他の前記分割光の光路とを略同一方向に揃える、ことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施形態に係るレーザ加工機の構成図、図２は本発明の実施形態に係る全反射・透過型のビーム合成手段の構成図である。
【００１３】
始めに、全反射・透過型のビーム合成手段について説明する。なお、この実施形態では、構造が同じ全反射・透過型のビーム合成手段を３個採用している。
【００１４】
図２に示すように、全反射・透過型のビーム合成手段３１（３１ａ〜３１ｃ）は、三角プリズム８１と三角プリズム８２とから構成されている。三角プリズム８１と三角プリズム８２は、一定の距離を隔てて斜面８３と斜面８４が対向するようにして配置されている。光が通過する斜面８３、８４および面８５、８６には反射防止コーティングが施されている。
【００１５】
同図に示すように、面８５から入射し斜面８３に対する入射角がプリズムの屈折率で決まる臨界角θ０より大きい入射光Ｌ１は斜面８３で反射され、反射光Ｌ１１として図の下方に進む。また、面８５から入射し斜面８３に対する入射角が臨界角θ０より小さい入射光Ｌ２は斜面８３、８４および面８６を透過し、透過光Ｌ２１として直進する。
【００１６】
一方、透過光Ｌ２１の光路を逆に進み面８６から入射する光は三角プリズム８１と三角プリズム８２を透過して入射光Ｌ２の光路を逆に進み、反射光Ｌ１１の光路を逆に進み面８７から入射する光は斜面８３で反射されて入射光Ｌ１の光路を逆に進む。なお、斜面８３，８４に施こした反射コーティングにより斜面８３，８４を透過した光のエネルギと全反射された光のエネルギはほぼ同じになる。
【００１７】
このように、全反射・透過型のビーム合成手段３１は、一方向から入射する光を略直角な二方向に出射させることもできるし、略直角な二方向から入射する光を一方向に出射させることもできる。以下、ビーム合成手段３１により、一方向から入射する光を略直角な二方向に出射させる場合を「選別型で使用する」といい、略直角な二方向から入射する光を一方向に出射させる場合を「合成型で使用する」という。
【００１８】
次に、図１により、本発明に係るレーザ加工機の構成要素について説明する。
【００１９】
レーザ発振器１の光路上には、１／２波長板２と、音響光学偏向器（以下、「ＡＯＭ」と言う。）３、４と、１／２波長板６１と、ビーム合成手段３１ａ、３１ｂと、加工光学系６、８と、が配置されている。
【００２０】
レーザ発振器１は偏光面（電界ベクトルの振動方向）が紙面と平行な直線偏光をパルス発振する。１／２波長板２，６１は、入射したレーザ光の偏光面を９０度回転させ、出射するレーザ光の偏光面をそれぞれ紙面に対して垂直、平行にする。
【００２１】
ＡＯＭ３は、オンの場合、紙面に垂直な偏光面をもつ入射ビームを紙面内で微小な角度上方向に偏向させ、オフの場合、入射ビームを透過させる。ＡＯＭ４は、オンの場合、紙面に垂直な偏光面をもつ入射ビームを紙面内で微小な角度下方向に偏向させ、オフの場合、入射ビームを透過させる。
【００２２】
ビーム合成手段３１ａは選別型で使用され、ＡＯＭ３とＡＯＭ４がオフの場合は入射ビームを透過させてビーム合成手段３１ｂに導き、ＡＯＭ３がオフでＡＯＭ４がオンの場合は入射ビームを反射し、ミラー７を介して後述する加工光学系８に導く。
【００２３】
ビーム合成手段３１ｂは選別型で使用され、図示のようにビーム合成手段３１ａに対して裏返しの位置関係に設置されている。そして、ＡＯＭ３とＡＯＭ４がオフの場合は入射ビームを透過させ、ＡＯＭ３がオンでＡＯＭ４がオフの場合は入射ビームを反射し、ミラー１０２を介して入射ビームを加工光学系６に導く。
【００２４】
次に、加工光学系６について説明する。
【００２５】
ミラー１０２で反射されるレーザ光の光路上には、開口１１、ビーム分割手段（以下「ＢＳ」という）１２、ＢＳ１３、１／２波長板６２、ミラー３３、ミラー３５、ミラー３４、レンズ３６、ミラー３８、レンズ３７、ダミー素子３９、偏光ビームスプリッタ３２、１／４波長板４０、ミラー４２、ミラー４１、加工レンズ４５、加工対象４６が配置されている。
【００２６】
ＢＳ１２の反射側には、ミラー１５、ミラー１４、レンズ１８、レンズ１９、ビーム合成手段３１ｃが配置されている。
【００２７】
ＢＳ１３の反射側には、ミラー２５、ミラー２４、レンズ２８、ミラー３０、レンズ２９が配置されている。
【００２８】
開口１１はレーザ光の外径を加工に適した大きさに整形する。ＢＳ１２は、入射ビームを１：２の割合で反射・透過させる。ＢＳ１３は、入射ビームを１：１の割合で反射・透過させる。従って、ＢＳ１２の反射光強度と、ＢＳ１３の反射光及び透過光の強度は互いに等しい。すなわち、開口１１を通過したレーザ光はＢＳ１２、１３により強度が等しいビームに３分割される。以下、ＢＳ１２により反射されたレーザ光を「ビームＡ」と、ＢＳ１３により反射されたレーザ光を「ビームＢ」と、ＢＳ１３を透過したレーザ光を「ビームＣ」と、いう。
【００２９】
ビームＡの光路上に配置されたミラー１４は、モータ１６により、紙面内横方向を軸として任意の角度回転可能である。また、ミラー１５は、モータ１７により、紙面内縦方向を軸として任意の角度回転可能である。ミラー１４、１５およびモータ１６、１７により、２次元偏向手段５１を構成している。
【００３０】
レンズ１８とレンズ１９の焦点距離は同じであり、焦点距離の２倍隔てて設置され、リレー光学系５３を構成している。リレー光学系５３は、レンズ１８の外側の焦点がミラー１４とミラー１５を結ぶ光路の略中心に、レンズ１９の外側の焦点がミラー４１とミラー４２を結ぶ光路の略中心に、それぞれ一致するように位置決めされている。この結果、２次元偏向手段５１はリレー光学系５３によって２次元偏向手段５６の位置（加工レンズ４５の前焦点の位置付近）に結像される。
【００３１】
ビーム合成手段３１ｃは、合成型で使用され、図の左方から入射するビームＡを透過させ、図の下方から入射するするビームＢを図の右方に反射するように位置決めされている。
【００３２】
ビームＢの光路上に配置されたミラー２５は、モータ２７により、紙面内縦方向を軸として任意の角度回転可能であり、ミラー２４は、モータ２６により、紙面内横方向を軸として任意の角度回転可能である。ミラー２５、２４およびモータ２６、２７により、２次元偏向手段５２を構成している。
【００３３】
レンズ２８とレンズ２９の焦点距離は同じであり、焦点距離の２倍隔てて設置され、リレー光学系５４を構成している。リレー光学系５４は、レンズ２８の外側の焦点がミラー２４とミラー２５を結ぶ光路の略中心に、レンズ２９の外側の焦点がミラー４１とミラー４２を結ぶ光路の略中心に、それぞれ一致するように位置決めされている。この結果、２次元偏向手段５２はリレー光学系５４によって２次元偏向手段５６の位置（すなわち加工レンズ４５の前焦点の位置付近）に結像される。
【００３４】
ビームＣの光路上に配置されたレンズ３６とレンズ３７の焦点距離は同じであり、ミラー３８を介して焦点距離の２倍隔てて設置され、リレー光学系５５を構成している。ダミー素子３９は、ビーム合成手段３１ｃと同じ材質かつ同一形状に形成されている。なお、リレー光学系５５とダミー素子３９は、ビームＣの開口１１から後述する加工レンズ４５までの光学的な距離をビームＡ、Ｂの光学的な距離と等しくすることを主な目的として設置されている。
【００３５】
偏光ビームスプリッタ３２は、図の下方から入射するビームＣ（紙面に平行な偏光面を持つレーザ光）は透過させ、図の左方から入射するビームＡ、Ｂ（紙面と垂直な偏光面を持つレーザ光）は反射する。
【００３６】
１／４波長板４０は、直線偏光を円偏光に変換する。
【００３７】
ミラー４１は、モータ４３により、紙面内横方向を軸として任意の角度回転可能であり、ミラー４２は、モータ４４により、紙面内縦方向を軸として任意の角度回転可能である。ミラー４１、４２およびモータ４３、４４により、２次元偏向手段５６を構成している。
【００３８】
加工対象４６は、ＸＹステージ４７に載置されている。
【００３９】
なお、加工光学系８は構成要素を図示していないが、加工光学系６と同じ構成要素が加工光学系６の構成要素と対称に配置されている。
【００４０】
次に、光学系６の動作を説明する。
【００４１】
ビームＡは２次元偏向手段５１により２次元的な偏向を受けた後、リレー光学系５３を介してビーム合成手段３１ｃに入射し、ビーム合成手段３１ｃを透過した後、偏光ビームスプリッタ３２に入射する。
【００４２】
また、ビームＢは、２次元偏向手段５２により２次元的な偏向を受けた後、リレー光学系５４を介してビーム合成手段３１ｃに入射し、ビーム合成手段３１ｃにより反射された後、偏光ビームスプリッタ３２に入射する。
【００４３】
すなわち、２次元偏向手段５１によりビームＡの偏向量を適切に定めると、ビームＡはビーム合成手段３１ｃを透過し、ミラー３０の角度および２次元偏向手段５２によりビームＢの偏向量を適切に定めると、ビームＢは全反射される。この結果、ビームＡとビームＢの光路を略同じ方向に合わせる（合成する）ことができる。
【００４４】
一方、ビームＣは、１／２波長板６２、ミラー３３、ミラー３５、ミラー３４、レンズ３６、ミラー３８、レンズ３７、ダミー素子３９を介して偏光ビームスプリッタ３２に入射する。
【００４５】
ビームＡの振動面は２次元偏向手段５１（ミラー１５とミラー１４）により、ビームＢの振動面は２次元偏向手段５２（ミラー２５とミラー２４）により、また、ビームＣの振動面はミラー３５とミラー３４により、それぞれ偏向される際に９０度回転している。したがって、ビームＡとビームＢは偏光ビームスプリッタ３２により反射され、ビームＣは偏光ビームスプリッタ３２を透過する。この結果、ビームＡ、ビームＢおよびビームＣの光路を略同一方向に合わせる（合成する）ことができる。
【００４６】
これらのビームを１／４波長板４０で円偏光に変換した後、２次元偏向手段５６で偏向し、加工レンズ４５に入射させるので、加工対象物４６の所望の３箇所を同時に加工することができる。
【００４７】
ここで、ビーム合成手段３１ｃの動作原理から、ビームＡとビームＢの進行方向が一致することはない。一方、ビームＣの進行方向はビームＡまたはビームＢの進行方向と一致させることができる。したがって、図３に示すように、ビームＡまたはビームＢによる加工領域９１、９２とビームＣによる加工領域９３が重複するように設定することができる。
【００４８】
この実施形態では、２次元偏向手段５１、５２の像を、リレー光学系５３、５４により、加工レンズ４５の前焦点付近に結像させるので、ビームＡとビームＢを加工対象４６に対してほぼ垂直に入射させることができる。したがって、穴の真直度および形状精度を向上させることができる。
【００４９】
また、入射角と偏光の違いを利用して分割光を合成するので、分割光のエネルギロスは発生しない。
【００５０】
また、加工レンズ４５に入射させる光を円偏光としたので、加工対象４６の加工性が偏光方向に依存する場合でも、加工する穴の真円度を向上させることができる。
【００５１】
また、リレー光学系５５とダミー素子３９を設けたので、ビームＡ、ＢとビームＣのエネルギがほぼ等しく、加工品質が均一になる。
【００５２】
さらに、ＡＯＭ３、４およびビーム合成手段３１ａ、３１ｂを設けたので、これらによりレーザ発振器１から出力されたレーザ光を時分割して加工光学系６、８に割り振ることができる。すなわち、例えば加工対象４６に穴明けする場合、まず加工光学系６で穴明け加工を行うと共に、その間に加工光学系８の加工位置決めを行っておく。そして加工光学系６の加工終了と同時に、レーザ光を加工光学系８に供給して加工を直ちに開始する。そして、加工光学系８により加工をしている間に加工光学系６の加工位置決めを行う。この動作を交互に繰り返すことにより、分割光の加工位置決め時間を最小限に抑えることができる。
【００５３】
なお、この実施形態では、ビームＡによる加工領域９１とビームＣによる加工位置９３が重なるようにしたが、加工パターンによっては、図４に示すように、ビームＡとビームＢによる加工領域９１、９２とビーム３による加工位置９３が重ならないように設定することにより、加工速度を早くすることができる。
【００５４】
また、ミラー３４、３５を固定としたが、それぞれをモータにより回転可能として２次元スキャナを構成すると、図５に示すように、ビームＡとビームＢによる加工領域９１、９２とビームＣによる加工領域９３を重複するように設定することもできる。このようにすると、重複領域を広くすることができるので、種々の加工パターンに対して高速加工が可能になる。
【００５５】
さらに、各ビームによる加工領域の配置は、全反射・透過型ビーム合成手段３１や偏光ビームスプリッタ３２の特性および加工パターンによって、種々に組み合わせることができる。
【００５６】
また、開口１１の通過光をＢＳ１２、１３を用いて３分割したが、ＢＳ１２、１３に代えて回折光学素子（ＨＯＥなど）を用いることができる。
【００５７】
また、１／２波長板２、６１、６２に代えて、ファラデー素子や水晶旋光子等の旋光子（偏光面を回転させる素子）を用いることができる。
【００５８】
なお、加工レンズ４５の加工領域内に１個又は２個の穴をあける場合には、例えば、２次元偏向手段５１、５２のミラーを大きく回転させそれ以降の光学系へ光が供給されないようにすることで対処できる。
【００５９】
さらに、本発明によれば、入射角による全反射・透過特性を利用することにより、同じ偏光面を持つ光でもほぼ重ね合わせることができるので、ビームＣをさらに２分割し、それぞれを２次元的に微小スキャンさせた後、偏光ビームスプリッタ３２により、ビームＡ、ビームＢと重ね合わせることもできる。このようにすると、４ビームをほぼ重ね合わせて加工レンズ４５に入射させることができるので、４点を同時に加工することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、３本以上のレーザビームを１つの加工レンズに入射させることができるので、加工能率を向上させることができる。また、リレー光学系によりレーザ光がワークに対して垂直に入射すので、加工精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ加工機の構成図である。
【図２】本発明に係る全反射・透過型のビーム合成手段の構成図である。
【図３】本発明に係る加工領域の配置例である。
【図４】本発明に係る加工領域の他の配置例である。
【図５】本発明に係る加工領域のさらに他の配置例である。
【符号の説明】
３１ｃ  全反射・透過型のビーム合成手段
３２  偏光型のビーム合成手段
４５  加工レンズ
８１，８２  三角プリズム
Ａ  ビーム（分割光）
Ｂ  ビーム（分割光）
Ｃ  ビーム（分割光）
【図１】
2004276063.tif 000003
【図２】
2004276063.tif 000004
【図３】
2004276063.tif 000005
【図４】
2004276063.tif 000006
【図５】
2004276063.tif 000007