(57)【要約】【課題】レーザ光軸がずれた場合でも被加工物上に最適な集光強度分布が得られる光学整形素子を用いたレーザ加工装置を提供することを目的とする。【解決手段】レーザ発振器１０１から出力されたレーザ光は、部分反射鏡１０３によって大部分が反射され、レーザ光の強度分布を整形する光学整形素子１０６に入射後マスク１０８を経て投影レンズ１０９に至り、被加工物１０７の加工位置まで誘導される。一方部分反射鏡１０３を透過したレーザ光のレーザ光軸位置１０２を検出する光位置検出装置１１１と、光学整形素子１０６の位置を検出する整形位置検出装置１１２の出力信号と関連してレーザ発振器１０１に対する光学整形素子１０６の相対位置を位置制御装置１１４によって制御するように構成したものである。【選択図】図１
2004202516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を被加工物の加工位置まで誘導する加工光学系と、前記レーザ光の光軸位置を検出する光位置検出手段と、前記加工光学系の光路上に配置され、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光の強度分布を所望のレーザ光強度分布に整形する光学整形手段と、前記光学整形手段の位置を検出する整形位置検出手段と、前記光位置検出手段と前記整形位置検出手段の出力信号と関連して前記レーザ発振器に対する前記光学整形手段の相対位置を制御する位置制御手段で構成されたレーザ加工装置。
【請求項２】
レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を屈折して被加工物の加工位置まで誘導する部分反射鏡を備えた加工光学系と、前記部分反射鏡を透過したレーザ光の光軸位置を検出する光位置検出手段と、前記加工光学系の光路上に配置され、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光の強度分布を所望のレーザ光強度分布に整形する光学整形手段と、前記光学整形手段の位置を検出する整形位置検出手段と、前記光位置検出手段と前記整形位置検出手段の出力信号と関連して前記レーザ発振器に対する前記光学整形手段の相対位置を制御する位置制御手段で構成されたレーザ加工装置。
【請求項３】
光学整形手段は、レーザ発振器から出力されたレーザ光の強度分布を均一に整形することを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
光学整形手段は、レーザ発振器から出力されたレーザ光の強度分布を不均一に整形することを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
レーザ発振器の出力条件毎のレーザ光の光軸位置または光学整形手段の位置情報またはレーザ光の状態を記憶したデータベースを備え、データベースからの所望のレーザ光に応じた位置情報に基づいてレーザ発振器に対する光学整形手段の相対位置を調整するように構成した請求項１または２記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
位置制御手段は、レーザ光の光軸に一致するようにレーザ発振器に対する光学整形手段の相対位置を調整することを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
位置制御手段は、レーザ光の光軸からずらすようにレーザ発振器に対する光学整形手段の相対位置を調整することを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
レーザ発振器から出力されたレーザ光の光軸位置を検出する光位置検出ステップと、加工光学系の光路上に配置され、レーザ発振器から出力されたレーザ光の強度分布を所望のレーザ光強度分布に整形する光学整形手段の位置を検出する整形手段位置検出ステップと、光位置検出ステップと前記整形手段位置検出ステップでの出力信号に関連してレーザ発振器に対する光学整形手段の相対位置を制御する位置制御ステップを有するレーザ加工方法。
【請求項９】
レーザ発振器から出力されたレーザ光の光軸位置を検出する光位置検出ステップと、部分反射鏡を備えた加工光学系の光路上に配置され、レーザ発振器から出力されたレーザ光の強度分布を所望のレーザ光強度分布に整形する光学整形手段の位置を検出する整形手段位置検出ステップと、光位置検出ステップと前記整形手段位置検出ステップでの出力信号に関連してレーザ発振器に対する光学整形手段の相対位置を制御する位置制御ステップを有するレーザ加工方法。
【請求項１０】
光学整形手段で、レーザ発振器から出力されたレーザ光の強度分布を均一に整形するステップを有する請求項８または９記載のレーザ加工方法。
【請求項１１】
光学整形手段で、レーザ発振器から出力されたレーザ光の強度分布を不均一に整形するステップを有する請求項８または９記載のレーザ加工方法。
【請求項１２】
レーザ発振器の出力条件毎のレーザ光の光軸位置または光学整形手段の位置情報またはレーザ光の状態を記憶したデータベースを備え、データベースからの所望のレーザ光に応じた位置情報に基づいてレーザ発振器に対する光学整形手段の相対位置を調整するステップを有する請求項８または９記載のレーザ加工方法。
【請求項１３】
位置制御ステップは、レーザ光の光軸に一致するようにレーザ発振器に対する光学整形手段の相対位置を調整することを特徴とする請求項８または９記載のレーザ加工方法。
【請求項１４】
位置制御ステップは、レーザ光の光軸からずらすようにレーザ発振器に対する光学整形手段の相対位置を調整することを特徴とする請求項８または９記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学整形手段を備えたレーザ加工装置またはレーザ加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報端末機器の小型化に伴い、電子部品等に微細な加工を行うため、従来のドリルを用いた機械的加工方法に変わり、レーザ光を用いた非接触加工方法が主流になりつつある。
【０００３】
穴開け等のレーザ加工に対し、被加工物上におけるレーザ光の強度分布は均一な分布をしているのが望ましい。しかし、実際のレーザ光の強度分布は、図４に示すように光軸付近は強度が強く、周辺に行くにつれて強度が指数関数的に弱くなる、いわゆるガウス分布に近い場合が多い。このようなレーザ光を用いて加工した場合、穴の開口形状がきれいでなくなり、後工程の不良原因となる。そのため、光学整形素子を用いて被加工物上でのレーザ光の強度分布を図５に示すように均一に変換することで、きれいな任意の断面形状の加工を行うことができるようになった。
【０００４】
従来のレーザ加工装置は、図７に示すように、レーザ発振器３０１と、レーザ発振器３０１から出力されたレーザ光３０２と、レーザ光３０２の被加工物３０５上での集光強度分布を整形する光学整形素子３０３と、レーザ光３０２を被加工物３０５上に投影する投影レンズ３０４より構成されており、光学整形素子３０３によって被加工物３０５上でのレーザ光３０２の強度分布を均一な分布になるように変換することで、安定した高品位な加工を行っていた。（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１２１２８２号公報（第７頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では光学整形素子３０３がレーザ光３０２の光路上に固定されているため、レーザ発振器３０１の出力条件の変化によってレーザ光３０２の光軸がずれたり、レーザ光３０２の強度分布が変動して、被加工物３０５上の所定の位置においてレーザ光の均一な強度分布が得られず、例えば図６に示すような強度分布となり、加工性能を安定させることができないという問題があった。
【０００７】
本発明では、従来の上記問題点を解決するためになされたものであり、レーザ発振器に対する光学整形素子の相対位置を制御することによって、被加工物上の所定の位置において所望の強度分布をもつレーザ光を得ることができるレーザ加工装置またはレーザ加工方法の提供を目的とした。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を被加工物の加工位置まで誘導する加工光学系と、前記レーザ光の光軸位置を検出する光位置検出手段と、前記加工光学系の光路上に配置され、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光の強度分布を所望のレーザ光強度分布に整形する光学整形手段と、前記光学整形手段の位置を検出する整形位置検出手段と、前記光位置検出手段と前記整形位置検出手段の出力信号と関連して前記レーザ発振器に対する前記光学整形手段の相対位置を制御する位置制御手段で構成したものである。
【０００９】
これにより、被加工物上に最適な集光強度分布を得ることができるので、安定した品質の良い加工ができ、またさらに所望の形状に加工することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１においてレーザ加工装置は、レーザを発振するレーザ発振器１０１と、レーザ発振器１０１から出力されたレーザ光のレーザ光軸１０２と、レーザ光の一部を透過し残りを反射させる部分反射鏡１０３と、レーザ光を遮るシャッター１０４と、シャッター１０４の開閉を制御するためのシャッター制御装置１０５と、レーザ発振器１０１から出力されたレーザ光の強度分布を変換する光学整形素子１０６と、被加工物１０７に加工を行う形状をしたマスク１０８と、被加工物１０７上にマスク１０８を投影する投影レンズ１０９と、被加工物１０７を配置する加工テーブル１１０と、レーザ光軸１０２の位置を検出する光位置検出装置１１１と、光学整形素子１０６の位置を検出する整形位置検出装置１１２と、レーザ発振器１０１の出力条件毎のレーザ光軸１０２の位置および光学整形素子１０６の位置情報とレーザ光の状態を記憶し、光位置検出装置１１１からの位置検出信号と整形位置検出装置１１２からの位置検出信号とを比較するデータベース１１３と、データベース１１３からの信号に基づいてレーザ発振器１０１に対する光学整形素子１０６の相対位置を制御する位置制御装置１１４から構成されている。
【００１１】
上記構成において、ある出力条件でレーザ発振器１０１から出力されたレーザ光は、レーザ光軸１０２上を伝播し、部分反射鏡１０３によって一部のレーザ光は透過し残りのレーザ光は９０度に屈折され光学整形素子１０６に入射する。部分反射鏡１０３を透過したレーザ光は光位置検出装置１１１に入射して前記出力条件でのレーザ光軸１０２の位置をこの光位置検出装置１１１で検出し、前記出力条件でのレーザ光軸１０２の位置情報をデータベース１１３に伝送する。
【００１２】
一方、光学整形素子１０６の位置を整形位置検出装置１１２で検出し、その位置情報をデータベース１１３に伝送する。そしてデータベース１１３において、光学整形素子１０６の位置情報と前記出力条件でのレーザ光軸１０２の位置情報とを比較し、新しい光学整形素子１０６の位置情報を位置制御装置１１４に伝送し、それに基づいて前記出力条件でのレーザ光軸１０２に対して光学整形素子１０６を最適な位置に制御する。
【００１３】
ここで最適な位置とは、レーザ光軸１０２が光学整形素子１０６の光軸に入射し、被加工物１０７上の所定位置において、レーザ光の集光強度分布が均一となる位置のことである。
【００１４】
そして、光学整形素子１０６は、レーザ発振器１０１から出力されたレーザ光の強度分布を整形し、マスク１０８上の強度分布に反映する。さらに、マスク１０８を通過したレーザ光を投影レンズ１０９で加工テーブル１１０上に配置された被加工物１０７上に投影することで加工を行う。
【００１５】
このような構成によって、被加工物１０７上の所定位置において所望のレーザ光の集光強度分布を得ることができ、品質の良い、精度の高い加工が可能となる。さらに加工作業能率の向上が図れる。
【００１６】
なお、上記データベース１１３には、レーザ発振器１０１の出力条件毎のレーザ光軸１０２の位置情報と光学整形素子１０６の位置情報とレーザ光の強度分布の関係がデータベース化されている。
【００１７】
次に、レーザ発振器１０１の出力条件を変更した場合について説明する。
【００１８】
被加工物１０７の材質や加工形状等が変化した場合、所望の加工を得るためにレーザ発振器１０１の出力条件を変更する必要がある。ここで出力条件とは、レーザ発振器１０１の出力エネルギーや発振周期のことである。しかし、レーザ発振器１０１の出力条件を変更すると、レーザ発振器１０１内部の熱的状態が変化し、出力されるレーザ光の光軸位置が所定の位置１０２からずれた状態１０２Aになる場合がある。この場合、光学整形素子１０６に対して、ずれたレーザ光軸１０２Aは最適な位置での入射が実現されないため、レーザ光は図６に示すような強度分布に変換される。
【００１９】
被加工物１０７上においてこのような強度分布を持つレーザ光によって加工を行うと、所定位置において所望の加工を実現することができない。そこで、光位置検出装置１１１によって検出したレーザ光軸１０２Aの位置をデータベース１１３に伝送すると共に、光学整形素子１０６の位置を整形位置検出装置１１２によって検出し、前記出力条件でのレーザ光軸１０２のずれ量（１０２−１０２A）に応じた新しい光学整形素子１０６の位置情報をデータベース１１３から位置制御装置１１４に伝送し、ずれたレーザ光軸１０２Aに対して最適な位置に光学整形素子１０６を制御する。
【００２０】
また本実施の形態例は、レーザ加工装置の環境条件（温度・湿度・振動など）の変化によるレーザ発振器１０１のレーザ光の出力への影響にも対応することができる。例えば、レーザ光軸１０２が外的な振動などにより所定のレーザ光軸１０２より平行にシフトした場合、あるいは傾きを持った場合にも光学整形素子１０６の位置を最適な位置にすることによって品質の良い加工が実現することができる。
【００２１】
さらに、加工の条件（開口形状など）によっては、被加工物１０７上の所定位置において図６に示すような集光強度分布を持つレーザ光が必要な場合がある。この場合、位置制御装置１１４によってレーザ光軸１０２に対して故意に光学整形素子１０６をずらすことによって所望の加工を実現することが可能である。
【００２２】
なお、上記シャッター１０４はレーザ発振器からのレーザ光の出力当初閉じており、光学整形素子１０６が最適な位置に制御された後、シャッター制御装置１０５により開放される。また本実施例において、シャッター１０４の位置は部分反射鏡１０３の後で被加工物１０７の前ならどこでも良い。
【００２３】
（実施の形態例２）
図２は図１のレーザ加工装置を用いたレーザ加工工程を示すもので、実施の方法は、まず開始ステップ２０１後、シャッター１０４を閉じるステップ２０２が実施される。その後、被加工物１０７に所望の加工を施すためのレーザ光の出力条件を設定するステップ２０３を実施する。ここで設定する出力条件とは、被加工物１０７の材質や加工形状により変更させるレーザ光の出力エネルギーや発振周期のことである。
【００２４】
次に、レーザ発振器１０１から出力されたレーザ光の光軸１０２の位置を光位置検出装置１１１によって検出し、この検出した位置情報をデータベース１１３に伝送するステップ２０４を実施する。また同時に光学整形素子１０６の位置を整形位置検出装置１１２によって検出し、この検出した位置情報をデータベース１１３に伝送するステップ２０５を実施する。
【００２５】
続いてデータベース１１３において、前記出力条件でのレーザ光軸１０２と光学整形素子１０６の位置関係と、実際のレーザ光軸１０２と光学整形素子１０６の位置関係を比較するステップ２０６を実施し、データベース１１３から新しい光学整形素子１０６の位置情報を位置制御装置１１４に対して伝送するステップ２０７を実行し、所望の出力条件を満たすようにレーザ発振器１０１に対する光学整形素子１０６の相対位置を制御するステップ２０８を実施する。
【００２６】
その結果、レーザ光軸１０２と光学整形素子１０６の位置関係が所望の出力条件を満たさないと判断された場合、光学整形素子１０６の位置を整形位置検出装置１１２によって検出し、この検出した位置情報をデータベース１１３に伝送するステップ２０５に戻る。そして再度、前記出力条件でのレーザ光軸１０２と光学整形素子１０６の位置関係と、実際のレーザ光軸１０２と光学整形素子１０６の位置関係を比較するステップ２０６を実施し、データベース１１３からさらに新しい光学整形素子１０６の位置情報を位置制御装置１１４に対して伝送するステップ２０８を実施する。レーザ光軸１０２と光学整形素子１０６の位置関係が所望の出力条件を満たすと判断されるまで上記ステップ２０５から上記ステップ２０８を繰り返し実施する。
【００２７】
そして、レーザ光軸１０２と光学整形素子１０６の位置関係が所望の出力条件を満たすと判断されると、シャッター１０４を開放するステップ２０９を行った後、終了ステップ２１０を実施し、加工が開始される。
【００２８】
（実施の形態例３）
図３には加工光学系を固定した場合の本発明の実施の形態例を示す。図１と同一構成要件には同符号を符して説明を省略する。
【００２９】
図３において、ある出力条件のもとレーザ発振器１０１から出力されたレーザ光は、レーザ光軸１０２の位置を光位置検出装置１１１で検出し、実際のレーザ光軸１０２の位置情報をデータベース１１３に伝送する。そしてデータベース１１３において実際のレーザ光軸１０２と前記出力条件でのレーザ光軸１０２の位置を比較し、新しいレーザ発振器１０１の位置情報を位置制御装置１１２に伝送し、それに基づいてレーザ発振器１０１の位置を制御することで、光学整形素子１０６に対して最適なレーザ光軸１０２の位置が得られ、被加工物１０７上において所望のレーザ光の強度分布を得ることができる。
【００３０】
このような構成により、加工光学系を動かさずとも、被加工物上の所定位置において、所望の集光強度分布を得ることができ、安定した品質の良い加工が可能となる。さらに加工作業能率の向上が図れる。
【００３１】
以上各実施の形態例において、説明したレーザ発振器は、例えば炭酸ガスレーザ、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ等、加工に適したものならばなんでもよい。
【００３２】
また、光学整形手段は、レーザ光の強度分布を整形できるものならなんでもよい。さらに出力条件とは、被加工物の材質や加工形状などによって変わるレーザ発振器の出力エネルギーや発振周期のことである。
【００３３】
上記した各実施の形態例の効果をまとめると、次の通りである。
１．レーザ光の伝送光軸の調整をせずに、被加工物上の所定の位置において所望のレーザ光の集光強度分布が得られる。
２．加工光学系を固定したまま、被加工物上の所定の位置において所望のレーザ光の集光強度分布が得られる。
３．所望の強度分布を精度効率よく得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、レーザ加工の精度および作業能率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例１におけるレーザ加工装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態例２におけるレーザ加工方法のフローチャート
【図３】本発明の実施の形態例３におけるレーザ加工装置の構成図
【図４】光学整形素子を用いない場合の被加工物上におけるレーザ光の集光強度分布図
【図５】光学整形素子を用いた場合および光学整形素子がレーザ光軸に一致した場合の被加工物上におけるレーザ光の集光強度分布図
【図６】光学整形素子がレーザ光軸からずれた場合の被加工物上におけるレーザ光の集光強度分布図
【図７】従来のレーザ加工装置の概略図
【符号の説明】
１０１  レーザ発振器
１０２  レーザ光軸
１０３  部分反射鏡
１０６  光学整形素子
１０７  被加工物
１１１  光位置検出装置
１１２  整形位置検出装置
１１３  データベース
１１４  位置制御装置
２０１  開始ステップ
２０２  シャッター１０４を閉じるステップ
２０３  レーザ光の出力条件を設定するステップ
２０４  レーザ光軸１０２位置を検出しデータベース１１３に伝送するステップ
２０５  光学整形素子１０６の位置を検出しデータベース１１３に伝送するステップ
２０６  該出力条件と実際のレーザ光軸１０２と光学整形素子１０６の位置関係を比較するステップ
２０７  位置制御装置１１４に位置情報を伝送するステップ
２０８  光学整形素子１０６の位置を制御するステップ
２０９  シャッター１０４を開放するステップ
２１０  終了ステップ
【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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