(57)【要約】【課題】レーザ加工装置において、ベストフォーカス位置で微細なスポットを得て、且つベストフォーカス位置近傍においてビーム径が伝播とともに広がり難くすることで、微細な加工且つ厚板の加工を可能とする。【解決手段】位相シフト部材ａ１３及び位相シフト部材ｂ１４でＣＯ２レーザビーム１２の位相を部分的にシフトし、集光レンズ１５で被加工物上に集光させることで、微小な集光径が得られるとともにベストフォーカス位置近傍においてビーム径を広がり難くすることで、従来技術よりも微細な加工且つ厚板加工が可能となる。【選択図】　図１
2004066321.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るレーザビームを被加工物上に集光する集光光学系と、前記レーザ発振器と前記集光光学系の間に配置され、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフト手段とを備え、前記位相シフト手段は前記レーザビームの光軸からの距離に対応して、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフト部材であり、前記位相シフト部材をレーザビームの光軸上の２箇所に配置してなるレーザ加工装置。
【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るレーザビームを被加工物上に集光する集光光学系と、前記レーザ発振器と前記集光光学系の間に配置され、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフト手段とを備え、前記位相シフト手段は前記レーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円状に、前記レーザビームの位相をシフトするよう形成された位相シフト部材であり、前記位相シフト部材をレーザビームの光軸上の２箇所に配置してなる請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力されるレーザビームを被加工物上に集光する集光光学系と、前記レーザ発振器と前記集光光学系の間に配置され、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフト手段とを備え、前記位相シフト手段は前記レーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円環状に、前記レーザビームの位相をシフトするよう形成された位相シフト部材であり、前記位相シフト部材をレーザビームの光軸上の２箇所に配置してなる請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
２つの位相シフト部材のうち、レーザ発振器に近い方に配置される一方の位相シフト部材と前記レーザ発振器の間にレーザビーム制御光学系を配置し、前記レーザビーム制御光学系は前記位相シフト部材の入射面において、前記レーザビームのビーム径及び光波面の曲率半径を所定の値に制御する請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
レーザビーム制御光学系は任意の枚数のレンズまたはミラーから構成される請求項４に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
レーザビーム制御光学系はレーザビームの光軸に沿って独立して移動可能な任意の枚数のレンズまたはミラーから構成される請求項４に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
一方の位相シフト部材は集光光学系と光軸を一致させて一体に設けてなる請求項１から６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
他方の位相シフト部材はレーザ発振器の光共振器の出力鏡と光軸を一致させて一体に設けてなる請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
一方の位相シフト部材は集光光学系と光軸を一致させて一体に設け、他方の位相シフト部材はレーザ発振器の光共振器の出力鏡と光軸を一致させて一体に設けてなる請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
位相シフト部材は位相シフト部分の位相シフト量が１８０度である請求項１から９のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
位相シフト部材は位相シフト部分の位相シフト量が９０度から２７０度の範囲内における所定の値である請求項１から９のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１２】
レーザビームを発振するステップと、前記レーザビームを被加工物上に集光するステップと、前記レーザビームを発振するステップと前記レーザビームを被加工物上に集光するステップの間において、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフトステップとを有し、前記位相シフトステップは前記レーザビームの光軸からの距離に対応して位相をシフトするステップで、前記位相シフトステップがレーザビームの光軸上の２箇所で行われるレーザ加工方法。
【請求項１３】
レーザビームを発振するステップと、前記レーザビームを被加工物上に集光するステップと、前記レーザビームを発振するステップと前記レーザビームを被加工物上に集光するステップの間において、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフトステップとを有し、前記位相シフトステップは前記レーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円状に位相をシフトするステップで、前記位相シフトステップがレーザビームの光軸上の２箇所で行われる請求項１２に記載のレーザ加工方法。
【請求項１４】
レーザビームを発振するステップと、前記レーザビームを被加工物上に集光するステップと、前記レーザビームを発振するステップと前記レーザビームを被加工物上に集光するステップの間において、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフトステップとを有し、前記位相シフトステップは前記レーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円環状に位相をシフトするステップで、前記位相シフトステップがレーザビームの光軸上の２箇所で行われる請求項１２に記載のレーザ加工方法。
【請求項１５】
２箇所で行われる位相シフトステップのうち、レーザビームを発振するステップに空間的に近い方において行われる一方の位相シフトステップと前記レーザビームを発振するステップとの間に、前記レーザビームを発振するステップに空間的に近い方において行われる前記一方の位相シフトステップの空間的に直前の位置で目的とする所定の値にビーム径及び光波面の曲率半径を制御するステップを有する請求項１２から１４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項１６】
レーザビームを発振するステップに空間的に近い方において行われる一方の位相シフトステップの空間的に直前の位置で目的とする所定の値にビーム径及び光波面の曲率半径を制御するステップは、レーザビームの位相分布を屈折または反射により制御する任意の数のステップから構成される請求項１５に記載のレーザ加工方法。
【請求項１７】
レーザビームを発振するステップに空間的に近い方において行われる一方の位相シフトステップの空間的に直前の位置で目的とする所定の値にビーム径及び光波面の曲率半径を制御するステップは、レーザビームの位相分布を屈折または反射により制御し、且つ前記レーザビームの光軸に沿って、各々が独立して移動可能な任意の数のステップからなる請求項１５に記載のレーザ加工方法。
【請求項１８】
一方の位相シフトステップはレーザビームを被加工物上に集光するステップと光軸を一致させて一体のステップにしている請求項１２から１７のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項１９】
一方の位相シフトステップはレーザビームを発振するステップと光軸を一致させて一体のステップにしている請求項１２から１４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項２０】
一方の位相シフトステップはレーザビームを被加工物上に集光するステップと光軸を一致させて一体のステップとし、他方の位相シフトステップはレーザビームを発振するステップと光軸を一致させて一体のステップとしている請求項１２から１４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項２１】
位相シフトステップは位相シフト部分の位相シフト量が１８０度である請求項１２から２０のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項２２】
位相シフトステップは位相シフト部分の位相シフト量が９０度から２７０度の範囲内における所定の値である請求項１２から２０のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項２３】
請求項１から２２に記載のレーザ加工装置またはレーザ加工方法を用いて製作された電子部品。
【請求項２４】
請求項１から２２に記載のレーザ加工装置またはレーザ加工方法を用いて製作された機構部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームで穴加工等を行うレーザ加工装置とレーザ加工方法及びそれを用いた電子部品と機構部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来のレーザ加工装置について、以下に説明する。図１３は従来のレーザ加工機の概念図である。図１３において１３１はＣＯ２レーザ発振器で、１３２はＣＯ２レーザ発振器１３１から発振されるＣＯ２レーザビームである。１３３は集光レンズ、１３４は集光ビーム、１３５は被加工物である。
【０００３】
次に動作について説明する。ＣＯ２レーザ発振器１３１から出力されたＣＯ２レーザビーム１３２は、集光性の良い強度分布がガウス分布のＴＥＭＯＯモードである場合が多い。ＣＯ２レーザビーム１３２は集光レンズ１３３により被加工物１３５上に集光され、被加工物１３５に対し、穴あけ、切断などの加工を行う。
【０００４】
一般的にレーザ加工は、微細な加工に適している。レーザ加工における微細加工の限界は、レーザビームが到達した被加工物においてどれだけレーザビームを微細に絞れるか、すなわち被加工物上でレーザビームのビーム径をどれだけ小さくできるかに依存する。レーザビームのビーム径は、集光レンズの焦点距離、集光レンズに入射するレーザビームのビーム径、レーザビームの波長及びレーザビームのビーム品質により決定される。具体的には集光レンズの焦点距離は短いほど、集光レンズに入射するビーム径は大きいほど、レーザビームの波長は短いほど、レーザビームのビーム品質は良いほどビーム径は小さくすることができる。
【０００５】
ここで、レーザビームの波長及びビーム品質は固定して考えると、レーザビームの集光径を小さくするためには、集光レンズの焦点距離を短くし、集光レンズに入射するビーム径を大きくする必要がある。しかしながら、上記のようにしてレーザビームの集光径を小さくできるが、レーザビームの集光径を小さくすればするほど、伝播とともにレーザビームのビーム径は広がりやすくなり、厚板におけるレーザビームが入射した面と、反対側の面との穴径に差が生じてしまい、厚板などの切断穴あけ等に適さない場合があるという課題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、レーザビームのビーム径が伝播とともに広がり難くすることにより、微細な加工、かつ厚板加工を可能とすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、請求項１に記載の本発明は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力されるレーザビームを被加工物上に集光する集光光学系と、前記レーザ発振器と前記集光光学系の間に配置され、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフト手段とを備え、前記位相シフト手段は前記レーザビームの光軸からの距離に対応して前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフト部材であり、前記位相シフト部材がレーザビームの光軸上の２箇所に配置したレーザ加工装置としたものである。
【０００８】
請求項２に記載の本発明は、請求項１の記載において、レーザ発振器と、前記レーザ発振器の発振するレーザビームを被加工物上に集光する集光光学系と、前記レーザ発振器と前記集光光学系の間に配置され、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフト手段とを備え、前記位相シフト手段は前記レーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円状に前記レーザビームの位相をシフトするよう形成された位相シフト部材であり、前記位相シフト部材をレーザビームの光軸上の２箇所に配置したレーザ加工装置としたものである。
【０００９】
請求項３に記載の本発明は、請求項１の記載において、レーザ発振器と、前記レーザ発振器の発振するレーザビームを被加工物上に集光する集光光学系と、前記レーザ発振器と前記集光光学系の間に配置され、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフト手段とを備え、前記位相シフト手段は前記レーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円環状に前記レーザビームの位相をシフトするよう形成された位相シフト部材であり、前記位相シフト部材をレーザビームの光軸上の２箇所に配置したレーザ加工装置としたものである。
【００１０】
請求項４に記載の本発明は、請求項１から３のいずれかの記載において、２箇所の位相シフト部材のうち、レーザ発振器に近い方に配置される一方の位相シフト部材と前記レーザ発振器の間にレーザビーム制御光学系を有し、前記レーザビーム制御光学系は前記レーザ発振器に近い方に配置される位相シフト部材の入射面において、前記レーザビームのビーム径及び光波面の曲率半径を所定の値に制御するレーザ加工装置としたものである。
【００１１】
請求項５に記載の本発明は、請求項４の記載において、レーザビーム制御光学系は任意の枚数のレンズまたはミラーから構成されるレーザ加工装置としたものである。
【００１２】
請求項６に記載の本発明は、請求項４の記載において、レーザビーム制御光学系はレーザビームの光軸に沿って独立して移動可能な任意の枚数のレンズまたはミラーから構成されるレーザ加工装置としたものである。
【００１３】
請求項７に記載の本発明は、請求項１から６のいずれかの記載において、一方の位相シフト部材は集光光学系と光軸を一致させて一体に設けられているレーザ加工装置としたものである。
【００１４】
請求項８に記載の本発明は、請求項１から３のいずれかの記載において、一方の位相シフト部材はレーザ発振器の光共振器の出力鏡と光軸を一致させて一体に設けられているレーザ加工装置としたものである。
【００１５】
請求項９に記載の本発明は、請求項１から３のいずれかの記載において、一方の位相シフト部材は集光光学系と光軸を一致させて一体に設けられ、他方の位相シフト部材はレーザ発振器の光共振器の出力鏡と光軸を一致させて一体に設けられているレーザ加工装置としたものである。
【００１６】
請求項１０に記載の本発明は、請求項１から９のいずれかの記載において、位相シフト部材は位相シフト部分の位相シフト量が１８０度であるレーザ加工装としたものである。
【００１７】
請求項１１に記載の本発明は、請求項１から９のいずれかの記載において、位相シフト部材は位相シフト部分の位相シフト量が９０度から２７０度の範囲内における所定の値であるレーザ加工装置としたものである。
【００１８】
請求項１２に記載の本発明は、レーザビームを発振するステップと、前記レーザビームを被加工物上に集光するステップと、前記レーザビームを発振するステップと前記レーザビームを被加工物上に集光するステップの間において、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフトステップとを有し、前記位相シフトステップは前記レーザビームの光軸からの距離に対応して位相をシフトするステップで、前記位相シフトステップがレーザビームの光軸上の２箇所で行われるレーザ加工方法としたものである。
【００１９】
請求項１３に記載の本発明は、請求項１２の記載において、レーザビームを発振するステップと、前記レーザビームを被加工物上に集光するステップと、前記レーザビームを発振するステップと前記レーザビームを被加工物上に集光するステップの間において、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフトステップとを有し、前記位相シフトステップは前記レーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円状に位相をシフトするステップで、前記位相シフトステップがレーザビームの光軸上の２箇所で行われるレーザ加工方法としたものである。
【００２０】
請求項１４に記載の本発明は、請求項１２の記載において、レーザビームを発振するステップと、前記レーザビームを被加工物上に集光するステップと、前記レーザビームを発振するステップと前記レーザビームを被加工物上に集光するステップの間において、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフトステップとを有し、前記位相シフトステップは前記レーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円環状に位相をシフトするステップで、前記位相シフトステップがレーザビームの光軸上の２箇所で行われるレーザ加工方法としたものである。
【００２１】
請求項１５に記載の本発明は、請求項１２から１４のいずれかの記載において、２箇所で行われる位相シフトステップのうち、レーザビームを発振するステップに空間的に近い方において行われる一方とレーザビームを発振するステップとの間に前記レーザビームを発振するステップに空間的に近い方において行われる一方の位相シフトステップの空間的に直前の位置で目的とする所定の値にビーム径及び光波面の曲率半径を制御するステップを有するレーザ加工方法としたものである。
【００２２】
請求項１６に記載の本発明は、請求項１５の記載において、レーザビームを発振するステップに空間的に近い方において行われる一方の位相シフトステップの空間的に直前の位置で目的とする所定の値にビーム径及び光波面の曲率半径を制御するステップは、レーザビームの位相分布を屈折または反射により制御する任意の数のステップを有するレーザ加工方法としたものである。
【００２３】
請求項１７に記載の本発明は、請求項１５の記載において、レーザビームを発振するステップに空間的に近い方において行われる一方の位相シフトステップの空間的に直前の位置で目的とする所定の値にビーム径及び光波面の曲率半径を制御するステップは、レーザビームの位相分布を屈折または反射により制御し、且つ前記レーザビームの光軸に沿って各々が独立して移動可能な任意の数のステップを有するレーザ加工方法としたものである。
【００２４】
請求項１８に記載の本発明は、請求項１２から１７のいずれかの記載において、一方の位相シフトステップはレーザビームを被加工物上に集光するステップと光軸を一致させて一体にするステップとしているレーザ加工方法である。
【００２５】
請求項１９に記載の本発明は、請求項１２から１４のいずれかの記載において、一方の位相シフトステップはレーザビームを発振するステップと光軸を一致させて一体にするステップとしているレーザ加工方法である。
【００２６】
請求項２０に記載の本発明は、請求項１２から１４のいずれかの記載において、一方の位相シフトステップはレーザビームを被加工物上に集光するステップと光軸を一致させて一体にするステップとし、他方の位相シフトステップはレーザビームを発振するステップと光軸を一致させて一体にするステップとしているレーザ加工方法としたものである。
【００２７】
請求項２１に記載の本発明は、請求項１２から２０のいずれかの記載において、位相シフトステップは位相シフト部分の位相シフト量が１８０度であるレーザ加工方法としたものである。
【００２８】
請求項２２に記載の本発明は、請求項１２から２０のいずれかの記載において、位相シフトステップは位相シフト部分の位相シフト量が９０度から２７０度の範囲内における所定の値であるレーザ加工方法としたものである。
【００２９】
請求項２３に記載の本発明は、請求項１から２２に記載のレーザ加工装置またはレーザ加工方法を用いて製作された電子部品である。
【００３０】
請求項２４に記載の本発明は、請求項１から２２に記載のレーザ加工装置またはレーザ加工方法を用いて製作された機構部品である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
上記した本発明の目的は、各請求項に記載した構成を実施の形態とすることにより達成できるので、以下には各請求項の構成にその構成による作用効果を併記し併せて請求項記載の構成のうち説明を必要とする特定用語については詳細な説明を加えて、本発明における実施の形態の説明とする。
【００３２】
請求項１に記載の本発明は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力されるレーザビームを被加工物上に集光する集光光学系と、前記レーザ発振器と前記集光光学系の間に配置され、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフト手段とを備え、前記位相シフト手段は前記レーザビームの光軸に対し軸対象に前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフト部材であり、前記位相シフト部材をレーザビームの光軸上の２箇所に配置したレーザ加工装置であり、前記２箇所の位相シフト部材でレーザビームの光軸に対し軸対象にレーザビームの位相を部分的にシフトすることにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くくして厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができる。
【００３３】
請求項２に記載の本発明は、請求項１の記載において、レーザ発振器と、前記レーザ発振器の発振するレーザビームを被加工物上に集光する集光光学系と、前記レーザ発振器と前記集光光学系の間に配置され、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフト手段とを備え、前記位相シフト手段は前記レーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円状に前記レーザビームの位相をシフトするよう形成された位相シフト部材であり、前記位相シフト部材がレーザビームの光軸上の２箇所に配置したレーザ加工装置であり、前記２箇所の位相シフト部材でレーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円状にレーザビームの位相を部分的にシフトすることにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くくして厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができる。
【００３４】
請求項３に記載の本発明は、請求項１の記載において、レーザ発振器と、前記レーザ発振器の発振するレーザビームを被加工物上に集光する集光光学系と、前記レーザ発振器と前記集光光学系の間に配置され、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフト手段とを備え、前記位相シフト手段は前記レーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円環状に前記レーザビームの位相をシフトするよう形成された位相シフト部材であり、前記位相シフト部材をレーザビームの光軸上の２箇所に配置したレーザ加工装置であり、前記２箇所の位相シフト部材でレーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円環状にレーザビームの位相を部分的にシフトすることにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くし、厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができる。
【００３５】
請求項４に記載の本発明は、請求項１から３のいずれかの記載において、２箇所の位相シフト部材のうち、前記レーザ発振器に近い方に配置される一方の位相シフト部材とレーザ発振器の間にレーザビーム制御光学系を有し、レーザビーム制御光学系は前記レーザ発振器に近い方に配置される位相シフト部材の入射面において、前記レーザビームのビーム径及び光波面の曲率半径を所定の値に制御するレーザ加工装置としたものであり、前記レーザビーム制御光学系で位相シフト部材の入射面において、前記レーザビームのビーム径及び光波面の曲率半径を所定の値に制御することにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くして厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができ、且つレーザ発振器から被加工物までのレーザビームの光路を加工機の大きさ等外部環境に応じて調整できる。
【００３６】
請求項５に記載の本発明は、請求項４の記載において、レーザビーム制御光学系は任意の枚数のレンズまたはミラーから構成されるレーザ加工装置であり、前記レンズまたはミラーは屈折または反射により位相シフト部材の入射面においてレーザビームのビーム径及び光波面の曲率半径を所定の値に制御することにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき、厚板加工などに適したビームプロファイルを得ることができ、且つレーザ発振器から被加工物までのレーザビームの光路を加工機の大きさ等外部環境に応じて調整できる。
【００３７】
請求項６に記載の本発明は、請求項４の記載において、レーザビーム制御光学系はレーザビームの光軸に沿って独立して移動可能な任意の枚数のレンズまたはミラーから構成されるレーザ加工装置であり、前記レンズまたはミラーはレーザビームの光軸に沿って独立して移動し屈折または反射により位相シフト部材の入射面においてレーザビームのビーム径及び光波面の曲率半径を所定の値に制御することにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき、厚板加工などに適したビームプロファイルを得ることができ、且つレーザ発振器から被加工物までのレーザビームの光路を加工機の大きさ等外部環境に応じて調整できる。
【００３８】
請求項７に記載の本発明は、請求項１から６のいずれかの記載において、一方の位相シフト部材は集光光学系と光軸を一致させて一体に設けたレーザ加工装置であり、集光光学系と光軸を一致させて一体に位相シフト部材を設けることにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき、厚板加工などに適したビームプロファイルを得ることができるとともに、レーザ加工装置のコンパクト化に繋がる。
【００３９】
請求項８に記載の本発明は、請求項１から３のいずれかの記載において、他方の位相シフト部材はレーザ発振器の光共振器の出力鏡と光軸を一致させて一体に設けたレーザ加工装置であり、レーザ発振器の光共振器の出力鏡と光軸を一致させて一体に位相シフト部材を設けることにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき、厚板加工などに適したビームプロファイルを得ることができるとともに、レーザ加工装置のコンパクト化に繋がる。
【００４０】
請求項９に記載の本発明は、請求項１から３のいずれかの記載において、一方の位相シフト部材は集光光学系と光軸を一致させて一体に設け、他方の位相シフト部材はレーザ発振器の光共振器の出力鏡と光軸を一致させて一体に設けたレーザ加工装置であり、位相シフト部材は一方が集光光学系と、他方がレーザ発振器の光共振器の出力鏡とそれぞれ光軸を一致させて一体に設けることにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき、厚板加工などに適したビームプロファイルを得ることができるとともに、レーザ加工装置の一層のコンパクト化に繋がる。
【００４１】
請求項１０に記載の本発明は、請求項１から９のいずれかの記載において、位相シフト部材は位相シフト部分の位相シフト量が１８０度であるレーザ加工装置であり、位相シフト部材によりレーザビームは１８０度シフトされ、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき、厚板加工などに適したビームプロファイルを得ることができる。
【００４２】
請求項１１に記載の本発明は、請求項１から９のいずれかの記載において、位相シフト部材は位相シフト部分の位相シフト量が９０度から２７０度の範囲内における所定の値であるレーザ加工装置であり、位相シフト部材によりレーザビームは９０度から２７０度の範囲内における所定の値でシフトされ、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき、厚板加工などに適したビームプロファイルを得ることができる。
【００４３】
請求項１２に記載の本発明は、レーザビームを発振するステップと、前記レーザビームを被加工物上に集光するステップと、前記レーザビームを発振するステップと前記レーザビームを被加工物上に集光するステップの間において、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフトステップとを有し、前記位相シフトステップは前記レーザビームの光軸からの距離に対応して位相をシフトするステップで、前記位相シフトステップがレーザビームの光軸上の２箇所で行われるレーザ加工方法であり、レーザビームはその光軸上の２箇所で位相シフトが行われることにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができる。
【００４４】
請求項１３に記載の本発明は、請求項１２の記載において、レーザビームを発振するステップと、前記レーザビームを被加工物上に集光するステップと、前記レーザビームを発振するステップと前記レーザビームを被加工物上に集光するステップの間において、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフトステップとを有し、前記位相シフトステップは前記レーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円状に位相をシフトするステップで、前記位相シフトステップがレーザビームの光軸上の２箇所で行われるレーザ加工方法であり、レーザビームはその光軸上の２箇所で光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円状に位相シフトが行われることにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができる。
【００４５】
請求項１４に記載の本発明は、請求項１２の記載において、レーザビームを発振するステップと、前記レーザビームを被加工物上に集光するステップと、前記レーザビームを発振するステップと前記レーザビームを被加工物上に集光するステップの間において、前記レーザビームの位相を部分的にシフトする位相シフトステップとを有し、前記位相シフトステップは前記レーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円環状に位相をシフトするステップで、前記位相シフトステップがレーザビームの光軸上の２箇所で行われるレーザ加工方法であり、レーザビームはその光軸上の２箇所で光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円環状に位相シフトが行われることにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができる。
【００４６】
請求項１５に記載の本発明は、請求項１２から１４のいずれかの記載において、２箇所で行われる位相シフトステップのうち、レーザビームを発振するステップに空間的に近い方において行われる一方とレーザビームを発振するステップとの間に前記レーザビームを発振するステップに空間的に近い方において行われる一方の位相シフトステップの空間的に直前の位置で目的とする所定の値にビーム径及び光波面の曲率半径を制御するステップを有するレーザ加工方法であり、一方の位相シフトステップの空間的に直前の位置で目的とする所定の値にレーザビームのビーム径及び光波面の曲率半径が制御されるステップにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができ、且つレーザ発振器から被加工物までのレーザビームの光路を加工機の大きさ等外部環境に応じて調整できる。
【００４７】
請求項１６に記載の本発明は、請求項１５の記載において、レーザビームを発振するステップに空間的に近い方において行われる一方の位相シフトステップの空間的に直前の位置で目的とする所定の値にビーム径及び光波面の曲率半径を制御するステップは、レーザビームの位相分布を屈折または反射により制御する任意の数のステップを有するレーザ加工方法である。
【００４８】
この実施の形態によれば、一方の位相シフトステップの空間的に直前の位置で目的とする所定の値にレーザビームのビーム径及び光波面の曲率半径が制御されるステップであって、レーザビームの位相分布を屈折または反射により制御する任意の数により、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができ、且つレーザ発振器から被加工物までのレーザビームの光路を加工機の大きさ等外部環境に応じて調整できる。
【００４９】
請求項１７に記載の本発明は、請求項１５の記載において、レーザビームを発振するステップに空間的に近い方において行われる一方の位相シフトステップの空間的に直前の位置で目的とする所定の値にビーム径及び光波面の曲率半径を制御するステップは、レーザビームの位相分布を屈折または反射により制御し、且つ前記レーザビームの光軸に沿って各々が独立して移動可能な任意の数のステップを有するレーザ加工方法である。
【００５０】
この実施の形態によれば、一方の位相シフトステップの空間的に直前の位置で目的とする所定の値にレーザビームのビーム径及び光波面の曲率半径を制御するステップであって、レーザビームの位相分布を屈折または反射により制御し、且つレーザビームの光軸に沿って各々が独立して移動可能な任意の数により、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができ、且つレーザ発振器から被加工物までのレーザビームの光路を加工機の大きさ等外部環境に応じて調整できる。
【００５１】
請求項１８に記載の本発明は、請求項１２から１７のいずれかの記載において、一方の位相シフトステップはレーザビームを被加工物上に集光するステップと光軸を一致させて一体にするステップとしているレーザ加工方法であり、これにより集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができる。
【００５２】
請求項１９に記載の本発明は、請求項１２から１４のいずれかの記載において、一方の位相シフトステップはレーザビームを発振するステップと光軸を一致させて一体にするステップとしているレーザ加工方法であり、レーザビームの発振と位相シフトとのステップが一体に行えることにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができる。
【００５３】
請求項２０に記載の本発明は、請求項１２から１４のいずれかの記載において、一方の位相シフトステップはレーザビームを被加工物上に集光するステップと光軸を一致させて一体にするステップとし、他方の位相シフトステップはレーザビームを発振するステップと光軸を一致させて一体にするステップとしているレーザ加工方法であり、レーザビームの位相シフトとレーザビームを被加工物上に集光するステップとが一体に行えることにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができる。
【００５４】
請求項２１に記載の本発明は、請求項１２から２０のいずれかの記載において、位相シフトステップは位相シフト部分の位相シフト量が１８０度であるレーザ加工方法であり、１８０度の位相シフトステップにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができる。
【００５５】
請求項２２に記載の本発明は、請求項１２から２０のいずれかの記載において、位相シフトステップは位相シフト部分の位相シフト量が９０度から２７０度の範囲内における所定の値であるレーザ加工方法であり、９０度から２７０度の範囲内における所定の値で行う位相シフトステップにより、集光点付近でのビーム径を従来のレーザビームより広がり難くでき厚板加工等に適したビームプロファイルを得ることができる。
【００５６】
請求項２３に記載の本発明は、請求項１から２２に記載のレーザ加工装置またはレーザ加工方法を用いて製作された電子部品であり、従来のものより微細に加工された高品質の電子部品を提供できるる。
【００５７】
請求項２４に記載の本発明は、請求項１から２２に記載のレーザ加工装置またはレーザ加工方法を用いて製作された機構部品であり、従来のものより微細に加工された高品質の機構部品を提供できる。
【００５８】
（実施の形態１）
図１は本発明の一実施の形態におけるレーザ加工装置及び加工方法の概略構成図である。図１において、１１は出力鏡（図示せず）を有する光共振器である安定共振器（図示せず）を備えるレーザ発振器（レーザ出力手段ともいう）であるＣＯ２レーザ発振器で、波長が９．３６μｍで、強度分布がガウス分布のＴＥＭＯＯモードのレーザビームであるＣＯ２レーザビーム１２を出力する。
【００５９】
１３はＣＯ２レーザビーム１２の位相を部分的に１８０度シフトする位相シフト手段である位相シフト部材ａで、１４はＣＯ２レーザビーム１２の位相を部分的に１８０度シフトする位相シフト手段である位相シフト部材ｂで、切削等の加工または透過膜の蒸着等で製作するものである。１５はＣＯ２レーザ発振器１１から出力されるＣＯ２レーザビーム１２を被加工物上に集光する集光光学系である集光レンズで、焦点距離は１００ｍｍに設定してある。１６はプリント基板、集積回路基板などの電子部品または機構部品などの被加工物である。
【００６０】
また、位相シフト部材ａ１３はＣＯ２レーザ発振器１１と集光レンズ１５の間にあって、ＣＯ２レーザ発振器１１の出射面の直後で、且つＣＯ２レーザビーム１２の光軸上に配置し、また位相シフト部材ｂ１４はＣＯ２レーザ発振器１１と集光レンズ１５の間にあって、集光レンズ１５の直前で、且つＣＯ２レーザビーム１２の光軸上に配置し、前記両者の間隔は２５００ｍｍとしている。
【００６１】
そして、位相シフト部材ａ１３と位相シフト部材ｂ１４は、同じ形状で、ＣＯ２レーザビーム１２の光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円状の位相シフト部分で、ＣＯ２レーザビーム１２の位相を１８０度シフトするよう形成されている。すなわち、図２（ａ）〜（ｃ）に示す位相シフト部材ａ１３で説明すると、図２（ａ）は位相シフト部材ａ１３を、光軸を含む面で切断した場合の断面図で、図２（ｂ）は位相シフト部材ａ１３をＣＯ２レーザ発振器１１の側からＣＯ２レーザビーム１２の光軸に沿ってみた場合の図で、図２（ｃ）は位相シフト部材ａ１３を透過した直後のＣＯ２レーザビーム１２の光軸を含む面内での位相分布の図である。図２（ａ）、（ｂ）において斜線部が位相シフト部分で、この斜線部を通過したＣＯ２レーザビーム１２は斜線部がない部分に対し、１８０度位相がシフトされる。ただし、位相シフト部分は、位相シフト部材ａ１３の直径が４ｍｍ、位相シフト部材ｂ１４の直径が２ｍｍと大きさは異なるものである。
【００６２】
次に上記実施の形態の動作について説明する。ＣＯ２レーザ発振器１１は、ＣＯ２レーザビーム１２を発振する。このＣＯ２レーザビーム１２は、ＣＯ２レーザ発振器１１の出射面でのビームスポットは５ｍｍ、光波面の曲率半径は無限大、つまり平面とした。そして、位相シフト部材ａ１３の斜線部で示すシフト部分を通過したＣＯ２レーザビーム１２は斜線部がない部分に対し、１８０度位相がシフトされる。
【００６３】
そして、位相シフト部材ａ１３を透過したＣＯ２レーザビーム１２は位相シフト部材ｂ１４に入射する。位相シフト部材ｂ１４を透過したＣＯ２レーザビーム１２は集光レンズ１５により被加工物１６上に集光され被加工物の切断、穴あけなどの加工を行うのである。
【００６４】
このようなレーザ加工装置におけるベストフォーカス位置でのレーザビームの強度分布は図３に示す通りである。太線ａが本実施の形態におけるベストフォーカス位置でのＣＯ２レーザビーム１２の強度分布である。また、比較のため本実施の形態から位相シフト部材ａ１３、及び位相シフト部材ｂ１４を除いた場合のベストフォーカス位置におけるＣＯ２レーザビーム１２の強度分布を細線ｂとして示す。太線ａ、細線ｂとも強度のピーク値を１に正規化した。なお、図３の計算を行う際、位相シフト部材ａ１３、位相シフト部材ｂ１４及び集光レンズ１５の厚さは０の薄レンズ系として計算を行った。
【００６５】
本実施の形態のレーザ加工装置におけるベストフォーカス位置におけるＣＯ２レーザビーム１２の強度分布は、周辺部分にサイドローブが発生するが、中心付近の強度分布は位相シフト部材ａ１３、位相シフト部材ｂ１４を用いない場合に対して細くなる。加工の閾値を正規化された強度で０．１３５とし、閾値より内側に入るＣＯ２レーザビームの直径をビーム径と定義すると本実施の形態における太線ａのビーム径は約８８μｍ、一方、位相シフト部材ａ１３、位相シフト部材ｂ１４を用いない場合の細線ｂのビーム径は約１１４μｍとなり、本実施の形態におけるＣＯ２レーザビームのビーム径の方が小さくなり、結果として微細な加工を行うことが可能になる。
【００６６】
また、本実施の形態のレーザ加工装置におけるベストフォーカス位置とその近傍におけるＣＯ２レーザビーム１２の集光ビームプロファイルは、図４に実線ａとして示す。図の横軸はデフォーカス位置でベストフォーカス位置を０に正規化し、縦軸はベストフォーカス位置における強度ピーク値の０．１３５倍の強度を加工の閾値とし、上記閾値よりも内側のレーザビームの半径である。
【００６７】
また、比較のため位相シフト部材ａ１３と位相シフト部材ｂ１４を用いない場合で、且つベストフォーカス位置のビーム径を合わせるため、集光レンズの焦点距離を１００ｍｍから７６．４ｍｍに変えた場合の集光ビームプロファイルを点線ｂとして示す。横軸及び縦軸のビーム径の定義は、実線ａの場合と等しい。なお実線ａと点線ｂのベストフォーカス位置は焦点距離の異なるレンズを集光レンズとして用いているので、当然異なるが比較のためベストフォーカス位置を０に正規化している。
【００６８】
このように本実施の形態におけるレーザ加工装置は、位相シフト部材ａ１３、位相シフト部材ｂ１４を用いない例の場合より、レーザービームの伝播とともにビーム径が広がり難く、従って例えば被加工物１６に上穴と下穴の穴径に差が少ない貫通穴をあける加工などに本実施の形態のレーザ加工装置は適している。さらに、厚板におけるＣＯ２レーザビームが入射した面の上穴と、反対側の面の下穴との穴径に差が少ない厚板などの切断、穴あけの加工に適していることはいうまでもない。
【００６９】
なお、本実施の形態では位相シフト部材ａをレーザ発振器の出射面の直後に、位相シフト部材ｂを集光レンズの直前に配置し、かつ位相シフト部材ａと位相シフト部材ｂの間隔を２５００ｍｍとしたが、これらの位置関係は、レーザビームをベストフォーカス位置とその近傍においてビーム径を減少させることができるようなものであれば、これに限らないことはいうまでもない。
【００７０】
また、本実施の形態における位相シフト部材ａは、レーザ発振器の光共振器の出力鏡に光軸を一致させて一体に設けており、また位相シフト部材ｂは、集光光学系に光軸を一致させて一体に設け、コンパクトにしているものである。
【００７１】
（実施の形態２）
図５は、また本発明の他実施の形態におけるレーザ加工装置及び加工方法の概略構成図である。本実施の形態は、実施の形態１におけるレーザ発振器とこれに近い位相シフト部材との間に、レーザビーム制御光学系を配置した点で実施の形態１と異なり、これ以外の同一構成並びに作用効果を奏する部分には同じ名称を使用して詳細な説明は省略し、異なるところを中心に説明する。
【００７２】
５１は出力鏡（図示せず）を有する光共振器である安定共振器（図示せず）を備えるレーザ発振器（レーザ出力手段ともいう）であるＣＯ２レーザ発振器で、波長が９．３６μｍで、強度分布がガウス分布のＴＥＭＯＯモードのレーザビームであるＣＯ２レーザビーム５２を出力する。５３はレーザ発振器５１に近い位置に配置された一方の位相シフト部材ａ５４とレーザ発振器５１との間に配置したレンズとしての２枚の凸レンズで構成されるレーザビーム制御光学系で、位相シフト部材ａ５４の入射面において、ＣＯ２レーザビーム５２のビーム径及び光波面の曲率半径を所定の値に制御するものである。
【００７３】
一方の位相シフト部材ａ５４はレーザ発振器５１に近い位置に配置され、ＣＯ２レーザビーム５２の位相を部分的に１８０度シフトする位相シフト手段で、同じく５５はＣＯ２レーザビーム５２の位相を部分的に１８０度シフトする位相シフト手段である他方の位相シフト部材ｂで、切削等の加工または透過膜の蒸着等で製作するものである。５６はＣＯ２レーザ発振器５１から出力されるＣＯ２レーザビーム５２を被加工物上に集光する集光光学系である集光レンズで、焦点距離は１００ｍｍに設定してある。５７はプリント基板、集積回路基板などの電子部品または機構部品などの被加工物である。
【００７４】
また、位相シフト部材ａ５４はレーザビーム制御光学系５３と他方の位相シフト部材ｂ５５の間にあって、ＣＯ２レーザビーム５２の光軸上に配置し、また他方の位相シフト部材ｂ５５はレーザビーム制御光学系５３と集光レンズ５６の間にあって、集光レンズ５６の直前で、且つＣＯ２レーザビーム５２の光軸上に配置し、前記両者の間隔は２５００ｍｍとしている。
【００７５】
そして、位相シフト部材ａ５４と位相シフト部材ｂ５５は、同じ形状で、ＣＯ２レーザビーム５２の光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円状の位相シフト部分で、ＣＯ２レーザビーム５２の位相を１８０度シフトするよう形成されている。すなわち、図６（ａ）〜（ｃ）に示す位相シフト部材ａ５４で説明すると、図６（ａ）は位相シフト部材ａ５４を、光軸を含む面で切断した場合の断面図で、図６（ｂ）は位相シフト部材ａ５４をＣＯ２レーザ発振器５１の側からＣＯ２レーザビーム５２の光軸に沿ってみた場合の図で、図６（ｃ）は位相シフト部材ａ５４を透過した直後のＣＯ２レーザビーム５２の光軸を含む面内での位相分布の図である。図６（ａ）、（ｂ）において斜線部が位相シフト部分で、この斜線部を通過したＣＯ２レーザビーム５２は斜線部がない部分に対し、１８０度位相がシフトされる。ただし、位相シフト部分は、位相シフト部材ａ５４の直径が４ｍｍ、位相シフト部材ｂ５５の直径が２ｍｍと大きさは異なるものである。
【００７６】
次に上記実施の形態の動作について説明する。ＣＯ２レーザ発振器５１は、ＣＯ２レーザビーム５２を発振する。このＣＯ２レーザビーム５２は、レーザビーム制御光学系５３に入射し、位相シフト部材ａ５４の入射面でのビームスポットは５ｍｍ、波面の曲率半径は無限大になり、位相シフト部材ａ５４の斜線部で示す位相シフト部分を通過したＣＯ２レーザビーム５２は斜線部がない部分に対し、１８０度位相がシフトされる。
【００７７】
そして、位相シフト部材ａ５４を透過したＣＯ２レーザビーム５２は位相シフト部材ｂ５５に入射する。位相シフト部材ｂ５５を透過したＣＯ２レーザビーム５２は、位相シフト部材ｂ５５の斜線部で示すシフト部分を通過したＣＯ２レーザビーム５２が斜線部のない部分に対し、１８０度位相がシフトされ集光レンズ５６により被加工物５７上に集光され、被加工物の切断、穴あけ等の加工を行うのである。
【００７８】
このようなレーザ加工装置におけるベストフォーカス位置でのＣＯ２レーザビームの強度分布は図７に示す通りである。太線ａが本実施の形態におけるベストフォーカス位置でのＣＯ２レーザビーム５２の強度分布である。また、比較のため本実施の形態から位相シフト部材ａ５４、及び位相シフト部材ｂ５５を除いた場合のベストフォーカス位置におけるＣＯ２レーザビーム５２の強度分布を細線ｂとして示す。太線ａ、細線ｂとも強度のピーク値を１に正規化した。なお、図７の計算を行う際、位相シフト部材ａ５４、位相シフト部材ｂ５５及び集光レンズ５６の厚さは０の薄レンズ系として計算を行った。
【００７９】
本実施の形態のレーザ加工装置及び加工方法におけるベストフォーカス位置におけるＣＯ２レーザビーム５２の強度分布は、周辺部分にサイドローブが発生するが、中心付近の強度分布は位相シフト部材ａ５４、位相シフト部材ｂ５５を用いない場合に対して細くなる。加工の閾値を正規化された強度で０．１３５とし、閾値より内側に入るＣＯ２レーザビームの直径をビーム径と定義すると本実施の形態における太線ａのビーム径は約８８μｍ、一方、位相シフト部材ａ５４、位相シフト部材ｂ５５を用いない場合の細線ｂのビーム径は約１１４μｍとなり、本実施の形態におけるビーム径の方が小さくなり、結果として微細な加工を行うことが可能になる。
【００８０】
また、本実施の形態のレーザ加工装置及び加工方法におけるベストフォーカス位置とその近傍におけるＣＯ２レーザビーム５２の集光ビームプロファイルは、図８に実線ａとして示す。図の横軸はデフォーカス位置でベストフォーカス位置を０に正規化し、縦軸はベストフォーカス位置におけるＣＯ２レーザビーム５２の強度ピーク値の０．１３５倍の強度を加工の閾値とし、上記閾値よりも内側のレーザビームの半径である。また、比較のため位相シフト部材ａ５４と位相シフト部材ｂ５５を用いない場合で、且つベストフォーカス位置のビーム径を合わせるため、集光レンズの焦点距離を１００ｍｍから７６．４ｍｍに変えた場合の集光ビームプロファイルを点線ｂとして示す。横軸及び縦軸のビーム径の定義は、実線ａの場合と等しい。なお実線ａと点線ｂのベストフォーカス位置は焦点距離の異なるレンズを集光レンズとして用いているので、当然異なるが比較のためベストフォーカス位置を０に正規化している。
【００８１】
このように本実施の形態におけるレーザ加工装置及び加工方法は、位相シフト部材ａ５４、位相シフト部材ｂ５５を用いない例の場合より、レーザービームの伝播とともにビーム径が広がり難く、従って例えば被加工物１６に上穴と下穴の穴径に差が少ない貫通穴をあける加工などに本実施の形態のレーザ加工装置が適している。さらに、厚板におけるＣＯ２レーザビームが入射した面の上穴と、反対側の面の下穴との穴径に差が少ない均一な加工が可能なので、厚板などの切断、穴あけの加工に適していることはいうまでもない。
【００８２】
また、位相シフト部材ａ５４の入射面におけるＣＯ２レーザビーム５２のスポットサイズ、及び光波面の曲率半径には最適な値、すなわちベストフォーカス位置におけるＣＯ２レーザビーム５２の微小なビーム径の値が得られ、且つベストフォーカス位置とその近傍においてＣＯ２レーザビーム５２が伝播とともに広がり難くするような値が存在するが、本実施の形態に示すようにレーザビーム制御光学系５３を用いることで、位相シフト部材ａを光軸上のいかなる位置に設置しようとも、ＣＯ２レーザビーム５２のスポットサイズ及び光波面の曲率半径を位相シフト部材ａの入射面において、上記最適な値に設定することができる。
【００８３】
なお、本実施の形態においてレーザビーム制御光学系は、２枚の凸レンズから構成したが、これに限定されるものではなく、１枚以上の任意の枚数から構成されるレンズまたはミラーから構成できる。また、本実施の形態では、位相シフト部材ｂ５５を集光レンズ５６の直前に配置し、かつ位相シフト部材ａ５４と位相シフト部材ｂ５５の間隔を２５００ｍｍとしたが、これらの位置関係は、レーザビームをベストフォーカス位置とその近傍においてビーム径を減少させることができるようなものであれば、これに限らないことはいうまでもない。
【００８４】
また、本実施の形態における位相シフト部材ｂは、集光光学系に光軸を一致させて一体に設け、コンパクトにしているものである。
【００８５】
（実施の形態３）
図９は、さらに本発明の他実施の形態におけるレーザ加工装置及び加工方法の概略構成図である。本実施の形態は、実施の形態２におけるレーザビーム制御光学系を駆動手段でレーザビームの光軸に沿い移動可能に構成した点で実施の形態２と異なり、これ以外の同一構成並びに作用効果を奏する部分には同じ名称を使用して詳細な説明は省略し、異なるところを中心に説明する。
【００８６】
図９において、９１は出力鏡（図示せず）を有する光共振器である安定共振器（図示せず）を備えるレーザ発振器（レーザ出力手段ともいう）であるＣＯ２レーザ発振器で、波長が９．３６μｍで、強度分布がガウス分布のＴＥＭＯＯモードのレーザビームであるＣＯ２レーザビーム９２を出力する。９３はレーザ発振器９１に近い位置に配置された一方の位相シフト部材ａ９６とレーザ発振器９１との間に配置したレンズとしての２枚の凸レンズで構成されるレーザビーム制御光学系で、位相シフト部材ａ９６の入射面において、ＣＯ２レーザビーム９２のビーム径及び波面の曲率半径を所定の値に制御するものである。
【００８７】
また、レーザビーム制御光学系９３を構成する２枚の凸レンズには、駆動手段である駆動機構ａ９４、駆動機構ｂ９５が取りつけられ、２枚の凸レンズが独立してレーザビームの光軸に沿って移動可能に構成してある。実際の加工の際、連続した加工のなかで、レーザの出力などレーザ発振器の運転条件を変化させることが多い。
【００８８】
このため、本実施の形態では、例えばＣＯ２レーザ発振器９１の運転条件を変化させた際、ＣＯ２レーザビーム９２のビームプロファイル等が変化しても、その変化に追従してレーザビーム制御光学系９３を構成する２枚の凸レンズをレーザビームの光軸方向に移動させることで、位相シフト部材ａ９６に入射するＣＯ２レーザビーム９２のスポットサイズと光波面の曲率半径を一定の値に保つことができるように構成している。
【００８９】
位相シフト部材ａ９６はレーザ発振器９１に近い位置に配置され、ＣＯ２レーザビーム９２の位相を部分的に１８０度シフトする位相シフト手段で、同じく９７はＣＯ２レーザビーム９２の位相を部分的に１８０度シフトする位相シフト手段である位相シフト部材ｂで、切削等の加工または透過膜の蒸着等で製作するものである。９８はＣＯ２レーザ発振器９１から出力されるＣＯ２レーザビーム９２を被加工物上に集光する集光光学系である集光レンズで、焦点距離は１００ｍｍに設定してある。９９はプリント基板、集積回路基板などの電子部品または機構部品などの被加工物である。
【００９０】
また、位相シフト部材ａ９６はレーザビーム制御光学系９３と他方の位相シフト部材ｂ９７の間にあって、ＣＯ２レーザビーム９２の光軸上に配置し、また他方の位相シフト部材ｂ９７は一方の位相シフト部材ａ９６と集光レンズ９８の間にあって、集光レンズ５６の直前で、且つＣＯ２レーザビーム９２の光軸上に配置し、前記両者の間隔は２５００ｍｍとしている。
【００９１】
そして、位相シフト部材ａ９６と位相シフト部材ｂ９７は、同じ形状で、ＣＯ２レーザビーム９２の光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円状の位相シフト部分で、ＣＯ２レーザビーム９２の位相を１８０度シフトするよう形成されている。すなわち、図１０（ａ）〜（ｃ）に示す位相シフト部材ａ９６で説明すると、図１０（ａ）は位相シフト部材ａ９６を、光軸を含む面で切断した場合の断面図で、図１０（ｂ）は位相シフト部材ａ９６をＣＯ２レーザ発振器９１の側からＣＯ２レーザビーム９２の光軸に沿ってみた場合の図で、図１０（ｃ）は位相シフト部材ａ９６を透過した直後のＣＯ２レーザビーム９２の光軸を含む面内での位相分布の図である。図１０（ａ）、（ｂ）において斜線部が位相シフト部分で、この斜線部を通過したＣＯ２レーザビーム９２は斜線部がない部分に対し、１８０度位相がシフトされる。ただし、位相シフト部分は、位相シフト部材ａ９６の直径が４ｍｍ、位相シフト部材ｂ９７の直径が２ｍｍと大きさは異なるものである。
【００９２】
次に上記実施の形態の動作について説明する。ＣＯ２レーザ発振器９１は、ＣＯ２レーザビーム９２を発振する。このＣＯ２レーザビーム９２は、レーザビーム制御光学系９３に入射し、位相シフト部材ａ９６の入射面でのビームスポットは５ｍｍ、波面の曲率半径は一定に保たれ、位相シフト部材ａ９６の斜線部で示す位相シフト部分を通過したＣＯ２レーザビーム９２は斜線部がない部分に対し１８０度位相がシフトされる。
【００９３】
そして、位相シフト部材ａ９６を透過したＣＯ２レーザビーム９２は位相シフト部材ｂ９７に入射する。位相シフト部材ｂ９７を透過したＣＯ２レーザビーム９２は、位相シフト部材ａ９７の斜線部で示す位相シフト部分を通過したＣＯ２レーザビーム９２が斜線部のない部分に対し、１８０度位相がシフトされ集光レンズ９８により被加工物９９上に集光され、被加工物の切断、穴あけ等の加工を行うのである。
【００９４】
特に、本実施の形態では、上記のような加工の際、実際には連続した加工のなかで、レーザの出力などレーザ発振器の運転条件を変化させることが多いため、レーザビーム制御光学系９３を構成する２枚の凸レンズをレーザビームの光軸方向に駆動手段で移動させる。
【００９５】
すなわち、本実施の形態では、例えばＣＯ２レーザ発振器９１の運転条件を変化させた際、ＣＯ２レーザビーム９２のビームプロファイル等が変化しても、その変化に追従してレーザビーム制御光学系９３を構成する２枚の凸レンズを光軸方向に移動させることで、位相シフト部材ａ９６に入射するＣＯ２レーザビーム９２のスポットサイズと光波面の曲率半径を一定の値に保つことができる。
【００９６】
本実施の形態では、ＣＯ２レーザビーム９２の位相シフト部材ａ９６の入射面でのビームスポットが５ｍｍ、波面の曲率半径が無限大になるようにレーザビーム制御光学系を設置し、ＣＯ２レーザビーム９２のビームプロファイルが変化しても、レーザビーム制御光学系９３を構成する２枚の凸レンズを光軸方向に移動させることで、位相シフト部材ａ９６に入射するＣＯ２レーザビーム９２のスポットサイズと光波面の曲率半径を一定に保つことができる。
【００９７】
このようなレーザ加工装置におけるベストフォーカス位置でのＣＯ２レーザビームの強度分布は図１１に示す通りである。太線ａが本実施の形態におけるベストフォーカス位置でのＣＯ２レーザビーム９２の強度分布である。また、比較のため本実施の形態から位相シフト部材ａ９６、及び位相シフト部材ｂ９７を除いた場合のベストフォーカス位置におけるＣＯ２レーザビーム９２の強度分布を細線ｂとして示す。太線ａ、細線ｂとも強度のピーク値を１に正規化した。なお、図１１の計算を行う際、位相シフト部材ａ９６、位相シフト部材ｂ９７及び集光レンズ９８の厚さは０の薄レンズ系として計算を行った。
【００９８】
本実施の形態のレーザ加工装置におけるベストフォーカス位置におけるＣＯ２レーザビーム９２の強度分布は、周辺部分にサイドローブが発生するが、中心付近の強度分布は位相シフト部材ａ９６、位相シフト部材ｂ９７を用いない場合に対して細くなる。加工の閾値を正規化された強度で０．１３５とし、閾値より内側に入るＣＯ２レーザビームの直径をビーム径と定義すると、本実施の形態における太線ａのビーム径は約８８μｍ、一方、位相シフト部材ａ９６、位相シフト部材ｂ９７を用いない場合の細線ｂのビーム径は約１１４μｍとなり、本実施の形態におけるビーム径の方が小さくなり、結果として微細な加工を行うことが可能になる。
【００９９】
また、本実施の形態のレーザ加工装置におけるベストフォーカス位置とその近傍におけるＣＯ２レーザビーム９２の集光ビームプロファイルは、図１２に実線ａとして示す。図の横軸はデフォーカス位置でベストフォーカス位置を０に正規化し、縦軸はベストフォーカス位置におけるＣＯ２レーザビーム９２の強度ピーク値の０．１３５倍の強度を加工の閾値とし、上記閾値よりも内側のレーザビームの半径である。
【０１００】
また、比較のため位相シフト部材ａ９６と位相シフト部材ｂ９７を用いない場合で、且つベストフォーカス位置のビーム径を合わせるため、集光レンズの焦点距離を１００ｍｍから７６．４ｍｍに変えた場合の集光ビームプロファイルを点線ｂとして示す。横軸及び縦軸のビーム径の定義は、実線ａの場合と等しい。なお実線ａと点線ｂのベストフォーカス位置は焦点距離の異なるレンズを集光レンズとして用いているので、当然異なるが比較のためベストフォーカス位置を０に正規化している。
【０１０１】
このように本実施の形態におけるレーザ加工装置および加工方法は、位相シフト部材ａ９６、位相シフト部材ｂ９７を用いない例の場合より、レーザービームの伝播とともにビーム径が広がり難く、従って例えば被加工物９９に上穴と下穴の穴径に差が少ない貫通穴をあける加工などに本実施の形態のレーザ加工装置が適している。さらに、厚板におけるＣＯ２レーザビームが入射した面の上穴と、反対側の面の下穴との穴径に差が少ない均一加工が可能なので、厚板などの切断、穴あけの加工に適していることはいうまでもない。
【０１０２】
また、位相シフト部材ａ９６の入射面におけるＣＯ２レーザビーム９２のスポットサイズ、及び波面の曲率半径には最適な値、すなわちベストフォーカス位置におけるＣＯ２レーザビーム９２の微小なビーム径の値が得られ、且つベストフォーカス位置とその近傍においてＣＯ２レーザビーム９２が伝播とともに広がり難くするような値が存在するが、本実施の形態に示すようにレーザビーム制御光学系９３を用いることで、位相シフト部材ａを光軸上のいかなる位置に設置しようとも、ＣＯ２レーザビーム９２のスポットサイズ及び光波面の曲率半径を位相シフト部材ａの入射面において、上記最適な値に設定することができる。
【０１０３】
また、例えばＣＯ２レーザ発振器９１の運転条件を変化させた際、ＣＯ２レーザビーム９２のビームプロファイル等が変化しても、その変化に追従してレーザビーム制御光学系９３を構成する２枚の凸レンズを駆動機構ａ９４及び駆動機構ｂ９５により光軸方向に移動させることで、位相シフト部材ａ９６に入射するＣＯ２レーザビーム９２のスポットサイズと光波面の曲率半径を一定の値に保つことができる。
【０１０４】
なお、本実施の形態では、位相シフト部材ｂ９７を集光レンズ９８の直前に配置し、かつ位相シフト部材ａ９６と位相シフト部材ｂ９７の間隔を２５００ｍｍとしたが、これらの位置関係は、レーザビームをベストフォーカス位置とその近傍においてビーム径を減少させることができるようなものであれば、これに限らないことはいうまでもない。
【０１０５】
また、本実施の形態においてレーザビーム制御光学系は、２枚の凸レンズから構成したが、これに限定されるものではなく、１枚以上の任意の枚数から構成されるレンズまたはミラーから構成できる。また、本実施の形態における位相シフト部材ｂは、集光光学系に光軸を一致させて一体に設け、コンパクトにしているものである。
【０１０６】
なお、上記各実施の形態において、位相シフト部材の位相シフト部分の形状をレーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中心とした円状に形成したが、位相シフト部分の形状がレーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する上記光軸を中心とした円環状に形成したり、円状と円環状のものを組み合わせたり、複数の円環状のものを形成してもよく、要はレーザビームをベストフォーカス位置とその近傍においてビーム径を減少させることができるように、レーザビームの光軸に対して軸対象に光軸からの距離に対応して、位相をシフトする形状であれば何でもよい。
【０１０７】
また、上記各実施の形態では、レーザビームとしてＣＯ２レーザビームを用いたが、これに限らず、例えばＹＡＧレーザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザビームなどコヒーレントなビームを加工の用途に応じて用いることが可能である。
【０１０８】
また、上記各実施の形態では、位相シフト部材ａ、位相シフト部材ｂをＣＯ２レーザ発振器と集光レンズの間にあってレーザービームの光軸上の２箇所に配置し、最もよい結果が得られたものであって、２箇所以上の配置でも所期の目的を達成できることは当然である。
【０１０９】
また、上記各実施の形態で、位相シフト部材ａ、位相シフト部材ｂはシフト量を１８０度に設定し、最もよい結果が得られたものであって、９０度から２７０度の範囲内の所定シフト量でも所期の目的を達成できることは当然である。
【０１１０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、位相シフト手段によりレーザビームの位相を部分的に２箇所でシフトし、集光レンズで被加工物上に集光させることで、レーザビームの微小な集光径が得られるとともにベストフォーカス位置近傍においてビーム径を広がり難くでき、微細な加工と厚板の加工が可能になる。
【０１１１】
また、レーザビーム制御光学系を用いることで、レーザ発振器と位相シフト手段の間隔を任意に決定することができ、レーザ加工装置の外形寸法等を実用に応じて決定できる。
【０１１２】
また、位相シフト手段を移動可能にすることで、例えばレーザ発振器の運転条件に伴い、レーザビームのビームプロファイルが変化しても常に位相シフト手段に入射するレーザビームのビーム径及び光波面の曲率半径を一定に保つことができ、安定した加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置及び加工方法の概略構成図
【図２】（ａ）同レーザ加工装置及び加工方法の位相シフト部材ａの光軸を含む面で切断した断面図
（ｂ）同レーザ加工装置及び加工方法の位相シフト部材ａのレーザ発振器側から光軸に沿って見た図
（ｃ）同レーザ加工装置及び加工方法の位相シフト部材ａを透過した直後のＣＯ２レーザビームの位相分布を表す図
【図３】同実施の形態１におけるレーザ加工装置及び加工方法のＣＯ２レーザビームのベストフォーカス位置における強度分布を表す図
【図４】同実施の形態１におけるレーザ加工装置及び加工方法のＣＯ２レーザビームのベストフォーカス位置とその近傍におけるビーム径の変化を表す図
【図５】本発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置及び加工方法の概略構成図
【図６】（ａ）同レーザ加工装置及び加工方法の位相シフト部材ａの光軸を含む面で切断した断面図
（ｂ）同レーザ加工装置及び加工方法の位相シフト部材ａのレーザ発振器側から光軸に沿って見た図
（ｃ）同レーザ加工装置及び加工方法の位相シフト部材ａを透過した直後のＣＯ２レーザビームの位相分布を表す図
【図７】同実施の形態２におけるレーザ加工装置及び加工方法のＣＯ２レーザビームのベストフォーカス位置における強度分布を表す図
【図８】同実施の形態２におけるレーザ加工装置及び加工方法のＣＯ２レーザビームのベストフォーカス位置とその近傍におけるビーム径の変化を表す図
【図９】本発明の実施の形態３におけるレーザ加工装置及び加工方法の概略構成図
【図１０】（ａ）同レーザ加工装置及び加工方法の位相シフト部材ａの光軸を含む面で切断した断面図
（ｂ）同レーザ加工装置及び加工方法の位相シフト部材ａのレーザ発振器側から光軸に沿って見た図
（ｃ）同レーザ加工装置及び加工方法の位相シフト部材ａを透過した直後のＣＯ２レーザビームの位相分布を表す図
【図１１】同実施の形態３におけるレーザ加工装置及び加工方法のＣＯ２レーザビームのベストフォーカス位置における強度分布を表す図
【図１２】同実施の形態３におけるレーザ加工装置及び加工方法のＣＯ２レーザビームのベストフォーカス位置とその近傍におけるビーム径の変化を表す図
【図１３】従来例におけるレーザ加工装置の概略構成図
【符号の説明】
１１、５１、９１　ＣＯ２レーザ発振器（レーザ発振器）
１２、５２、９２　ＣＯ２レーザビーム（レーザビーム）
１３、５４、９６　位相シフト部材ａ（位相シフト手段）
１４、５５、９７　位相シフト部材ｂ（位相シフト手段）
１５、５６、９８　集光レンズ（集光光学系）
１６、５７、９９　被加工物
５３、９３　レーザビーム制御光学系
９４　駆動機構ａ
９５　駆動機構ｂ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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