(57)【要約】【課題】微小形状の穴の加工速度を飛躍的に向上させて加工時間を短縮することができる、生産性の高いレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１と、金属薄板２１を載置するＸＹテーブル１９と、レーザ光２２を金属薄板２１の表面上に導くとともに当該表面上にて所定の微小スポット径に集光させる加工光学系１２（ビームスキャナ１３、集光レンズユニット１６およびアシストガスノズル１７）とを備えている。ＸＹテーブル１９は、レーザ光２２の集光位置が金属薄板２１の表面上の任意の位置にくるよう、水平面内で移動する。加工光学系１２のビームスキャナ１３は、各偏向ミラー１４ａ，１４ｂを回転モータ１５ａ，１５ｂにより回転させ、金属薄板２１の表面上の任意の位置に位置付けられたレーザ光２２の集光位置を金属薄板２１の表面上の所定の微小範囲内で２次元的に走査する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板の表面にレーザ光を照射して多数の微小形状の穴を切断加工するレーザ加工装置において、
レーザ発振器と、
加工対象となる薄板を載置する載置テーブルと、
前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を前記載置テーブル上に載置された前記薄板の表面上に導くとともに当該表面上にて所定の微小スポット径に集光させる加工光学系と、
前記加工光学系により集光されるレーザ光の集光位置が前記載置テーブル上に載置された前記薄板の表面上の任意の位置にくるよう、前記加工光学系および前記載置テーブルの少なくとも一方を相対的に移動させる移動機構とを備え、
前記加工光学系は、前記薄板の表面上の任意の位置に位置付けられた前記レーザ光の集光位置を前記薄板の表面上の所定の微小範囲内で２次元的に走査するビームスキャナを有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記加工光学系の前記ビームスキャナは、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を反射する少なくとも２枚の偏向ミラーと、前記各偏向ミラーをレーザ光の軸線に略直交する軸線のまわりに回転させる回転駆動装置とを有す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】
薄板の表面にレーザ光を照射して多数の微小形状の穴を切断加工するレーザ加工方法において、
レーザ光の集光位置を加工対象となる薄板の表面上の任意の位置に位置付けるよう、前記レーザ光の集光位置を前記薄板の表面上で相対的に移動させる工程と、
前記薄板の表面上の任意の位置に位置付けられた前記レーザ光の集光位置を前記薄板の表面上の所定の微小範囲内で２次元的に走査する工程とを含むことを特徴とするレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工装置に係り、とりわけ、薄板の表面にレーザ光を照射して多数の微小形状の穴を切断加工するレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
はんだ印刷用メタルマスクを加工するためのはんだ印刷用メタルマスク加工機として、微小スポット径に集光されたレーザ光を例えば厚さ０．５ｍｍ以下の金属薄板の表面に照射して多数の微小形状の穴を切断加工するレーザ加工装置が知られている。
【０００３】
図４はこのような従来のレーザ加工装置を示す図である。
【０００４】
図４に示すレーザ加工装置１０′において、レーザ発振器１１から出射されたレーザ光２２は、加工光学系１２′を介して、架台２０上に設置されたＸＹテーブル１９上に載置されたはんだ印刷用メタルマスク用金属薄板２１の表面上に導かれ、当該表面上にて所定の微小スポット径に集光される。すなわち、レーザ発振器１１から出射されたレーザ光２２は、折り返しミラー２３により金属薄板２１の表面に向けて反射された後、集光レンズユニット１６により、金属薄板２１の表面上にて微小スポット径に集光される。なお、集光レンズユニット１６の下部にはアシストガスノズル１７が取り付けられており、金属薄板２１を切断するために必要な活性ガス（酸素や空気等）がレーザ光２２の光軸に沿って噴出されるようになっている。
【０００５】
ここで、ＸＹテーブル１９の駆動モータ（図示せず）およびレーザ発振器１１にはＮＣコントローラ１８が接続されており、このＮＣコントローラ１８による制御の下で、加工される穴の形状をトレースするようＸＹテーブル１９を移動させながら、レーザ発振器１１からレーザ光２２を照射することにより、金属薄板２１に多数の微小形状の穴を切断加工することができるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、このようなレーザ加工装置１０′により加工されるはんだ印刷用メタルマスクは、マスクサイズが大きくなる一方で、加工される穴のサイズは小さくなる傾向にある。具体的には例えば、１ｍ角程度の大きさのマスクに０．５ｍｍ角の穴や直径０．１ｍｍの穴が数万個程度形成される場合も一般的になってきており、このような場合には、大型のＸＹテーブルの移動によって数多くの微小形状の穴をトレースすることが要求されることとなる。
【０００７】
しかしながら、大型のＸＹテーブルは一般にその重量が大きく、大きな移動速度（加速度）を得ることが困難である。また、大型のＸＹテーブルは移動時に発生する慣性力も大きく、レーザ光の集光位置のずれに起因して加工後の穴の形状に崩れが発生しやすい。このため、加工される穴のサイズが小さくなるにつれてＸＹテーブルの移動速度（加速度）を抑えざるを得ず、結果として、加工時間が長くなり、生産性が低下するという問題がある。
【０００８】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、微小形状の穴の加工速度を飛躍的に向上させて加工時間を短縮することができる、生産性の高いレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の解決手段として、薄板の表面にレーザ光を照射して多数の微小形状の穴を切断加工するレーザ加工装置において、レーザ発振器と、加工対象となる薄板を載置する載置テーブルと、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を前記載置テーブル上に載置された前記薄板の表面上に導くとともに当該表面上にて所定の微小スポット径に集光させる加工光学系と、前記加工光学系により集光されるレーザ光の集光位置が前記載置テーブル上に載置された前記薄板の表面上の任意の位置にくるよう、前記加工光学系および前記載置テーブルの少なくとも一方を相対的に移動させる移動機構とを備え、前記加工光学系は、前記薄板の表面上の任意の位置に位置付けられた前記レーザ光の集光位置を前記薄板の表面上の所定の微小範囲内で２次元的に走査するビームスキャナを有することを特徴とするレーザ加工装置を提供する。
【００１０】
なお、上述した第１の解決手段において、前記加工光学系の前記ビームスキャナは、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を反射する少なくとも２枚の偏向ミラーと、前記各偏向ミラーをレーザ光の軸線に略直交する軸線のまわりに回転させる回転駆動装置とを有することが好ましい。
【００１１】
本発明は、第２の解決手段として、薄板の表面にレーザ光を照射して多数の微小形状の穴を切断加工するレーザ加工方法において、レーザ光の集光位置を加工対象となる薄板の表面上の任意の位置に位置付けるよう、前記レーザ光の集光位置を前記薄板の表面上で相対的に移動させる工程と、前記薄板の表面上の任意の位置に位置付けられた前記レーザ光の集光位置を前記薄板の表面上の所定の微小範囲内で２次元的に走査する工程とを含むことを特徴とするレーザ加工方法を提供する。
【００１２】
本発明によれば、レーザ光の集光位置を薄板の表面上の任意の位置に位置付けるよう、レーザ光の集光位置を薄板の表面上で相対的に移動させた後、位置付けられたレーザ光の集光位置を薄板の表面上の所定の微小範囲内で走査することにより、薄板に多数の微小形状の穴を切断加工するようにしているので、穴の切断加工のために必要とされるレーザ光の集光位置の相対的な微小移動を、ビームスキャナ等によるレーザ光の集光位置の走査により実現することができる。このため、微小形状の穴を高速にかつ形状の崩れなく切断加工することができ、微小形状の穴の加工速度を飛躍的に向上させて加工時間を短縮することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１乃至図３は本発明によるレーザ加工装置の一実施の形態を説明するための図である。なお、本実施の形態では、多数の微小形状の穴を有する金属薄板からなるはんだ印刷用メタルマスクを作製する場合を例に挙げて説明する。
【００１４】
図１に示すように、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１と、加工対象となるはんだ印刷用メタルマスク用金属薄板２１を載置するＸＹテーブル（載置テーブル）１９と、レーザ発振器１１から出射されたレーザ光２２をＸＹテーブル１９上に載置された金属薄板２１の表面上に導くとともに当該表面上にて所定の微小スポット径に集光させる加工光学系１２とを備えている。なお、ＸＹテーブル１９は架台２０上に設置されている。また、金属薄板２１は撓まないように適当な張力がかけられた状態でＸＹテーブル１９上に固定されている。なお、ＸＹテーブル１９には、図示しない駆動モータ（移動機構）が設けられており、加工光学系１２により集光されるレーザ光２２の集光位置がＸＹテーブル１９上に載置された金属薄板２１の表面上の任意の位置にくるよう、ＸＹテーブル１９を水平面（ＸＹ平面）内で移動させることができるようになっている。
【００１５】
ここで、加工光学系１２は、ビームスキャナ１３、集光レンズユニット１６およびアシストガスノズル１７を有している。このうち、ビームスキャナ１３は、レーザ発振器１１から出射されたレーザ光２２を反射する２枚の偏向ミラー１４ａ，１４ｂと、各偏向ミラー１４ａ，１４ｂに対応して設けられ、各偏向ミラー１４ａ，１４ｂをレーザ光２２の軸線に略直交する軸線のまわりに回転させる回転モータ（回転駆動装置）１５ａ，１５ｂとを有し、金属薄板２１の表面上の任意の位置に位置付けられたレーザ光２２の集光位置を金属薄板２１の表面上の所定の微小範囲内で２次元的に走査することができるようになっている。また、集光レンズユニット１６は、図２（ａ）に示すように、集光レンズ１６ａを有し、ビームスキャナ１３を介して出射されたレーザ光２２を金属薄板２１の表面上にて所定の微小スポット径に集光させるようになっている。さらに、アシストガスノズル１７は、図１および図２（ａ）に示すように、集光レンズユニット１６の下部に取り付けられており、金属薄板２１を切断するために必要な活性ガス（酸素や空気等）をレーザ光２２の光軸に沿って噴出させるようになっている。
【００１６】
なお、ＸＹテーブル１９の駆動モータ（図示せず）、ビームスキャナ１３の回転モータ１５ａ，１５ｂ、およびレーザ発振器１１には、ＮＣコントローラ１８が接続されており、このＮＣコントローラ１８により、ＸＹテーブル１９の水平面（ＸＹ平面）内での移動および偏向ミラー１４ａ，１４ｂの回転を制御するとともに、ＸＹテーブル１９の移動および偏向ミラー１４ａ，１４ｂの回転に同期させて、レーザ発振器１１によるレーザ光２２の照射の有無（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御することができるようになっている。
【００１７】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００１８】
図１に示すレーザ加工装置１０において、レーザ発振器１１から出射されたレーザ光２２は、加工光学系１２を介して、ＸＹテーブル１９上に載置された金属薄板２１の表面上に導かれ、当該表面上にて所定の微小スポット径に集光される。すなわち、レーザ発振器１１から出射されたレーザ光２２は、ビームスキャナ１３の偏向ミラー１４ａ，１４ｂにより反射された後、集光レンズユニット１６により、金属薄板２１の表面上にて微小スポット径に集光される。なおこのとき、集光レンズユニット１６の下部に取り付けられたアシストガスノズル１７により、金属薄板２１を切断するために必要な活性ガス（酸素や空気等）がレーザ光２２の光軸に沿って噴出される（図２（ａ）参照）。
【００１９】
このようなレーザ加工装置１０において、金属薄板２１に多数の微小形状の穴を切断加工する場合には、図３に示すように、ＮＣコントローラ１８による制御の下で、レーザ発振器１１によるレーザ光の照射をＯＦＦにした状態で（ステップ１０１）、ＸＹテーブル１９を水平面（ＸＹ平面）内で移動させ、加工光学系１２により集光されるレーザ光２２の集光位置がＸＹテーブル１９上に載置された金属薄板２１の表面上の所望の位置にくるよう、レーザ光２２の集光位置を金属薄板２１の表面上で相対的に移動させる（ステップ１０２）。
【００２０】
次いで、ＮＣコントローラ１８による制御の下で、レーザ発振器１１によるレーザ光の照射をＯＮにした状態で（ステップ１０３）、ビームスキャナ１３の偏向ミラー１４ａ，１４ｂを回転させ、金属薄板２１の表面上の所望の位置に位置付けられたレーザ光２２の集光位置を金属薄板２１の表面上の所定の微小範囲内で２次元的に走査しながら、レーザ発振器１１からレーザ光２２を照射する（ステップ１０４）。これにより、金属薄板２１の表面上の所定の微小範囲内に微小形状の穴が形成される。ここで、レーザ発振器１１によるレーザ光２２の照射の有無を適宜制御しながら、レーザ光２２の集光位置を走査することにより、図２（ｂ）に示すように、所定の微小範囲内に複数の微小形状の穴を形成することも可能である。なお、ビームスキャナ１３によるレーザ光２２の走査範囲はアシストガスノズル１７の先端孔１７ａの大きさによって制限され、アシストガスノズル１７の先端孔１７ａからレーザ光２２が出射される範囲でレーザ光２２の走査が行われる。
【００２１】
そして、ＮＣコントローラ１８による制御の下で、金属薄板２１の全面に亘ってステップ１０１乃至１０４の処理を繰り返し（ステップ１０５）、金属薄板２１の全面に亘って多数の微小形状の穴を切断加工する。
【００２２】
このように本実施の形態によれば、ＸＹテーブル１９の移動により、レーザ光２２の集光位置を金属薄板２１の表面上の任意の位置に位置付けるよう、レーザ光２２の集光位置を金属薄板２１の表面上で相対的に移動させた後、ビームスキャナ１３により、位置付けられたレーザ光２２の集光位置を金属薄板２１の表面上の所定の微小範囲内で走査することにより、金属薄板２１に多数の微小形状の穴を切断加工するようにしているので、穴の切断加工のために必要とされるレーザ光２２の集光位置の相対的な微小移動を、ビームスキャナ１３によるレーザ光２２の集光位置の走査により実現することができる。（ＸＹテーブル１９の移動は、切断加工される穴の基準位置までの移動に限定される。）このため、微小形状の穴を高速にかつ形状の崩れなく切断加工することができ、微小形状の穴の加工速度を飛躍的（切断加工をＸＹテーブル１９の移動のみにより行う場合に比べて１０倍〜２０倍）に向上させて加工時間を短縮することができる。また、ＸＹテーブル１９の移動速度（加速度）を必要以上に高める必要がないので、ＸＹテーブル１９の駆動モータ（図示せず）のトルクやＸＹテーブル１９の剛性等を抑えることができ、このため、ＸＹテーブル１９や架台２０等の装置コストを低減することができる。
【００２３】
なお、上述した実施の形態においては、レーザ光２２の集光位置を金属薄板２１の表面上の任意の位置に位置付けるための移動機構としてＸＹテーブル１９を設け、レーザ光２２の光学系（レーザ発振器１１および加工光学系１２）を静止させた状態で金属薄板２１を移動させるようにしているが、これに限らず、レーザ光２２の光学系（レーザ発振器１１および加工光学系１２）に移動機構を設け、金属薄板２１の側を静止させた状態でレーザ光２２の光学系の側の移動させるようにしたり、金属薄板２１およびレーザ光２２の光学系の両方を移動させるようにしてもよい。
【００２４】
また、上述した実施の形態においては、はんだ印刷用メタルマスクを作製する場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、薄板の表面に多数の微小形状の穴が形成される種類の製品（エッチング法マスクや電鋳法マスク等）に広く適用することが可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、微小形状の穴を高速にかつ形状の崩れなく切断加工することができ、微小形状の穴の加工速度を飛躍的に向上させて加工時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザ加工装置の一実施の形態の全体構成を示す概略斜視図。
【図２】図１に示すレーザ加工装置のＩＩ部分の詳細を示す図。
【図３】図１および図２に示すレーザ加工装置の制御方法を説明するためのフローチャート。
【図４】従来のレーザ加工装置を示す概略斜視図。
【符号の説明】
１０  レーザ加工装置
１１  レーザ発振器
１２  加工光学系
１３  ビームスキャナ
１４ａ，１４ｂ  偏向ミラー
１５ａ，１５ｂ  回転モータ（回転駆動装置）
１６  集光レンズユニット
１６ａ  集光レンズ
１７  アシストガスノズル
１７ａ  先端孔
１８  ＮＣコントローラ
１９  ＸＹテーブル
２０  架台
２１  はんだ印刷用メタルマスク用金属薄板
２２  レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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