(57)【要約】【課題】透過率の異なる複数の部材が積層された加工対象面に対して、安定した加工を行う。【解決手段】レーザ光を加工対象面内において少なくとも２次元平面内で走査させるためのレーザ光走査部を備えるレーザ加工装置を用いて、厚さ方向に透過率の異なる複数の領域を有する加工対象物に対して一方の面からレーザ光を走査して、透過率の低い領域に対して所望の加工パターンに加工するためのレーザ加工方法であって、レーザ加工装置に対して、加工位置条件を設定する工程と、加工対象物の、透過率の高い領域側がレーザ加工装置のレーザ光出射側と対向する姿勢となるように、加工対象物を位置決めする工程と、設定された加工位置条件に従い、加工対象物の透過率の高い領域側からレーザ光走査部でレーザ光を走査させ、透過率の高い領域の加工を行う工程とを含む。【選択図】図１
2009154196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を加工対象面内において少なくとも２次元平面内で走査させるためのレーザ光走査部を備えるレーザ加工装置を用いて、
厚さ方向に透過率の異なる複数の領域を有する加工対象物に対して一方の面からレーザ光を走査して、透過率の低い領域に対して所望の加工パターンに加工するためのレーザ加工方法であって、
前記レーザ加工装置に対して、加工位置条件を設定する工程と、
加工対象物の、透過率の高い領域側が前記レーザ加工装置のレーザ光出射側と対向する姿勢となるように、加工対象物を位置決めする工程と、
前記設定された加工位置条件に従い、加工対象物の透過率の高い領域側から前記レーザ光走査部でレーザ光を走査させ、透過率の高い領域の加工を行う工程と、
を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工方法において、
前記レーザ光走査部が、レーザ光をＸ軸方向に走査させるためのＸ軸スキャナ及びＹ軸方向に走査させるためのＹ軸スキャナを備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザ加工方法において、
前記透過率の高い領域のレーザ光透過率と、前記透過率の低い領域のレーザ光透過率との差が、約１５％以上であることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一に記載のレーザ加工方法において、
前記透過率の高い領域が、レーザ光透過率が略８０％以上であり、
前記透過率の低い領域が、レーザ光透過率が略７５％以下であることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一に記載のレーザ加工方法において、
前記レーザ光の波長が、前記レーザ光を生じさせるレーザ媒質で得られる基本波長以下であることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザ加工方法において、
前記レーザ光の波長が１０６４ｎｍ以下であることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一に記載のレーザ加工方法において、
前記レーザ光を生じさせるレーザ媒質として、ＹＡＧ又はＹＶＯ4を使用したことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一に記載のレーザ加工方法において、
前記透過率の高い領域がガラスで構成される基板であり、
前記透過率の低い領域が、ＩＴＯ又はＺｎＯよりなる透明電極であり、
加工対象物がガラス基板上にこれよりも薄い透明電極を積層した基板であることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項９】
厚さ方向に透過率の異なる複数の領域を積層した加工対象面に対してレーザ光を照射して、透過率の低い領域を所望の加工パターンに加工可能なレーザ加工装置であって、
レーザ光を発生させるためのレーザ発振部と、
前記レーザ発振部より出射されるレーザ光を、Ｘ軸方向に走査させるためのＸ軸スキャナ及びＹ軸方向に走査させるためのＹ軸スキャナを含むレーザ光走査部と、
前記レーザ発振部および前記レーザ光走査部を制御するためのレーザ駆動制御部と、
所望の加工パターンに加工する加工条件として、レーザ光出力条件と、ＸＹ座標平面上での加工パターンと、その３次元形状を設定するための加工条件設定部と、
加工対象物の透過率の高い領域側がレーザ光出射側と対向する姿勢となるように、加工対象物を位置決めする位置決め手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザマーキング装置等、レーザ光を加工対象物に照射して加熱除去等の加工を行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置は、レーザ光を所定の領域内において走査して、部品や製品等の加工対象物（ワーク）の表面に対しレーザ光を照射してマーキング等の加工を行う。レーザ加工装置の構成の一例を図９に示す。この図に示すレーザ加工装置３００は、レーザ制御部１とレーザ出力部２と入力部３とを備える。レーザ制御部１のレーザ励起部６で発生される励起光を、レーザ出力部２のレーザ発振部５０で発振器を構成するレーザ媒質８に照射し、レーザ発振を生じさせる。レーザ発振光はレーザ媒質８の出射端面から出射され、Ｑスイッチ１９でＯＮ／ＯＦＦ制御される。さらにビームエキスパンダ５３でビーム径を拡大されて、必要に応じミラーなどの光学部材により反射されてレーザ光走査部９に導かれる。レーザ光走査部９は、レーザ光ＬＢをガルバノミラー等のスキャニングミラーで反射させて所望の方向に偏光する。また、レーザ光走査部９の下方には、集光部１５が備えられる。集光部１５はレーザ光を作業領域に照射させるよう集光するための集光レンズで構成され、ｆθレンズが使用される。集光部１５から出力されるレーザ光ＬＢは、ワークＷＫの表面で走査されて加工を行う。この方法であれば、加工位置を変更するためにワーク側を移動させずともスキャニングミラーでレーザ光を走査できるので、より柔軟な設置が可能となる。
【０００３】
このようなレーザ加工装置を用いて、ガラス等の透明体の表面を加工することが行われている。例えば、液晶パネルなどに使用されるガラス基板の表面に積層されたＩＴＯやＺｎＯなどの透明電極を、周囲から電気的に絶縁する目的で、表面の一部を加熱除去するためにレーザ加工装置が用いた例を図１０に示す。この例では、ガラス基板上にＩＴＯの薄膜を積層したワークＷＫの加工対象面に対して、Ｘ方向ならびにＹ方向のスキャニングミラーを有するレーザ加工装置により、薄膜の剥離加工を行う。この作業は従来、加工したい面に対して直接レーザ光を走査して行われる。図１０の例では、ＩＴＯ側からレーザ光を照射していた。
【０００４】
しかしながら、この方法では薄膜側からレーザ光が照射されると、ＩＴＯ等の薄膜とガラス基板との境界面で反射されるレーザ光ＬＢ２と、Ａで示すようにガラス基板を透過し、ガラス基板の下面Ｂで反射するレーザ光ＬＢ１とが、加工位置である薄膜の位置Ｃにて干渉し合うことになる。レーザ光の干渉によって実効強度が低下すると加工不良の原因となり、剥離が不十分で絶縁が図れないおそれがある。
【０００５】
さらに、スキャニングミラーＭＲでレーザ光ＬＢ３を走査させる構成においては、図１１に示すようにレーザ光ＬＢ３がワークＷＫの加工対象面に照射される際の入射角度が、部位によって異なる事態が生じる。この結果、レーザ光の照射位置によって干渉の状態が変化し、実効強度を強めたり弱めたりすることから、加工が不均一となり、剥離部分の幅にばらつきが生じて剥離不十分な箇所が発生する恐れがあった。
【特許文献１】特開２０００−２０２６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の一の目的は、透過率の異なる複数の部材が積層された加工対象面に対して、安定して加工可能としたレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
第１発明に係るレーザ加工方法によれば、レーザ光を加工対象面内において少なくとも２次元平面内で走査させるためのレーザ光走査部を備えるレーザ加工装置を用いて、厚さ方向に透過率の異なる複数の領域を有する加工対象物に対して一方の面からレーザ光を走査して、透過率の低い領域に対して所望の加工パターンに加工するためのレーザ加工方法であって、前記レーザ加工装置に対して、加工位置条件を設定する工程と、加工対象物の、透過率の高い領域側が前記レーザ加工装置のレーザ光出射側と対向する姿勢となるように、加工対象物を位置決めする工程と、前記設定された加工位置条件に従い、加工対象物の透過率の高い領域側から前記レーザ光走査部でレーザ光を走査させ、透過率の高い領域の加工を行う工程とを含むことができる。これにより、厚さ方向に透過率の異なる複数の領域を有する加工対象物の、透過率の低い領域を加工したい場合に、通常とは逆面の透過率の高い側からレーザ光を入射させるように加工することで、安定した加工が実現できる。
【０００８】
また第２発明に係るレーザ加工方法によれば、前記レーザ光走査部が、レーザ光をＸ軸方向に走査させるためのＸ軸スキャナ及びＹ軸方向に走査させるためのＹ軸スキャナを備えることができる。これにより、加工対象物を固定したままでＸＹ平面上でレーザ光を走査できるので、設置を容易にすると共に、レーザ光の入射角度が変化してもレーザ光の干渉の影響を受けることなく安定した加工が可能となる。
【０００９】
さらに第３発明に係るレーザ加工方法によれば、前記透過率の高い領域のレーザ光透過率と、前記透過率の低い領域のレーザ光透過率との差が、約１５％以上あることが好ましい。これにより、透過率の異なる領域に対して、選択的なレーザ加工を安定的に行うことができる。
【００１０】
さらにまた第４発明に係るレーザ加工方法によれば、前記透過率の高い領域が、レーザ光透過率が略８０％以上であり、前記透過率の低い領域が、レーザ光透過率を略７５％以下とできる。これにより、透過率の異なる領域に対して、選択的なレーザ加工を安定的に行うことができる。
【００１１】
さらにまた第５発明に係るレーザ加工方法によれば、前記レーザ光の波長が、前記レーザ光を生じさせるレーザ媒質で得られる基本波長以下とできる。これにより、波長変換素子等を利用した高次高調波を用いたより高精度な加工が実現できる。
【００１２】
さらにまた第６発明に係るレーザ加工方法によれば、前記レーザ光の波長を１０６４ｎｍ以下とできる。これにより、ガラスなどの透過率の高い領域におけるレーザ光の吸収を低減でき、レーザ光のパワーを上げることなく透過率の低い領域を効率よく加工できる。
【００１３】
さらにまた第７発明に係るレーザ加工方法によれば、前記レーザ光を生じさせるレーザ媒質として、ＹＡＧ又はＹＶＯ4を使用できる。これにより、固体レーザを使用して透過率の低い領域を効率よく加工できる。
【００１４】
さらにまた第８発明に係るレーザ加工方法によれば、前記透過率の高い領域がガラスで構成される基板であり、前記透過率の低い領域が、ＩＴＯ又はＺｎＯよりなる透明電極であり、加工対象物がガラス基板上にこれよりも薄い透明電極を積層した基板とできる。これにより、透明電極の一部を剥離して絶縁する作業を、安定して行うことができる。
【００１５】
さらにまた第９発明に係るレーザ加工装置によれば、厚さ方向に透過率の異なる複数の領域を積層した加工対象面に対してレーザ光を照射して、透過率の低い領域を所望の加工パターンに加工可能なレーザ加工装置であって、レーザ光を発生させるためのレーザ発振部と、前記レーザ発振部より出射されるレーザ光を、Ｘ軸方向に走査させるためのＸ軸スキャナ及びＹ軸方向に走査させるためのＹ軸スキャナを含むレーザ光走査部と、前記レーザ発振部および前記レーザ光走査部を制御するためのレーザ駆動制御部と、所望の加工パターンに加工する加工条件として、レーザ光出力条件と、ＸＹ座標平面上での加工パターンと、その３次元形状を設定するための加工条件設定部と、加工対象物の透過率の高い領域側がレーザ光出射側と対向する姿勢となるように、加工対象物を位置決めする位置決め手段とを備えることができる。これにより、透過率の異なる材料からなる加工対象物の、透過率の低い部材を加工したい場合に、通常とは逆面の透過率の高い側からレーザ光を入射させるように加工することで、安定した加工が実現できる。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのレーザ加工方法及びレーザ加工装置を例示するものであって、本発明はレーザ加工方法及びレーザ加工装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
【００１７】
本明細書においてレーザ加工装置とこれに接続される操作、制御、入出力、表示、その他の処理等のためのコンピュータ、プリンタ、外部記憶装置その他の周辺機器との接続は、例えばＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２ｘ、ＲＳ−４２２、ＲＳ−４２３、ＲＳ−４８５、ＵＳＢ、ＰＳ２等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは１０ＢＡＳＥ−Ｔ、１００ＢＡＳＥ−ＴＸ、１０００ＢＡＳＥ−Ｔ等のネットワークを介して電気的に接続して通信を行う。接続は有線を使った物理的な接続に限られず、ＩＥＥＥ８０２．１ｘ、ＯＦＤＭ方式等の無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらに加工パターンのデータ保存や設定の保存等を行うための記録媒体には、メモリカードや磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が利用できる。
【００１８】
以下の実施の形態では、本発明を具現化したレーザ加工装置の一例として、レーザマーカについて説明する。ただ、本明細書においてレーザ加工装置は、その名称に拘わらずレーザ応用機器一般に利用でき、例えばレーザ発振器や各種のレーザ加工装置、例えば穴あけ、マーキング、トリミング、スクライビング、溶融や剥離、表面酸化、切削、変色その他の表面処理といったレーザ加工や、レーザ光源として他のレーザ応用分野、例えばＤＶＤやＢｌｕ−ｒａｙ（登録商標）等の光ディスクの高密度記録再生用光源等において、好適に利用できる。
（レーザ加工装置）
【００１９】
図１はレーザ加工装置１００を構成するブロック図を示す。この図に示すレーザ加工装置１００は、レーザ制御部１とレーザ出力部２と入力部３とを備える。
（入力部３）
【００２０】
入力部３はレーザ制御部１に接続され、レーザ加工装置を操作するための必要な設定を入力してレーザ制御部１に送信する。設定内容はレーザ加工装置の動作条件や具体的な加工内容等である。入力部３はキーボードやマウス、コンソール等の入力デバイスである。また、入力部３で入力された入力情報を確認したり、レーザ制御部１の状態等を表示する表示部８２を別途設けることもできる。表示部８２はＬＣＤやブラウン管等のモニタが利用できる。またタッチパネル方式を利用すれば、入力部と表示部を兼用することもできる。これによって、コンピュータ等を外部接続することなく入力部でレーザ加工装置の必要な設定を行うことができる。またこの入力部３は、所望の加工パターンに加工する加工条件として、レーザ光出力条件と加工パターンを設定するための加工条件設定部としても機能する。
（レーザ制御部１）
【００２１】
レーザ制御部１は、レーザ駆動制御部４とメモリ部５とレーザ励起部６と電源７とを備える。メモリ部５は入力部３から入力された各種設定内容を保持する。レーザ駆動制御部４はレーザ発振部５０およびレーザ光走査部９を制御する。具体的には、必要時にメモリ部５から設定内容を読み込み、加工内容に応じた加工信号に基づいてレーザ励起部６を動作させてレーザ出力部２のレーザ媒質８を励起する。メモリ部５はＲＡＭやＲＯＭ等の半導体メモリが利用できる。またメモリ部５はレーザ制御部１に内蔵する他、挿抜可能なＰＣカードやＳＤカード等の半導体メモリカード、カード型ハードディスク等のメモリカードを利用することもできる。メモリカードで構成されるメモリ部５は、コンピュータ等の外部機器で容易に書き換え可能であり、コンピュータで設定した内容をメモリカードに書き込み、レーザ制御部１にセットすることで、入力部をレーザ制御部に接続することなく設定を行うことができる。特に半導体メモリはデータの読み込み・書き込みが高速で、しかも機械的動作部分がないため振動等に強く、ハードディスクのようなクラッシュによるデータ消失事故を防止できる。
【００２２】
メモリ部５は設定情報やフォントデータを記憶する。設定情報は加工する文字やマークの種類、大きさ、加工位置、加工方向等の情報を含む。入力部３やレーザ加工データ設定装置、コンピュータその他の外部機器からコントローラに与えられた設定情報は、一旦メモリ部５に記憶される。コントローラのレーザ駆動制御部４は電源起動時又は設定変更時に、設定情報を読み出して展開情報を生成する。つまり、加工内容に関する設定情報とフォントデータからレーザ光がたどるべき軌跡を規定する線分データ及びレーザ制御データからなる展開情報を生成する。生成された展開情報は、加工実行指令（トリガ信号）に従って、コントローラからマーキングヘッドに転送される。マーキングヘッドでは、受信した展開情報に含まれる線分データに基づいてガルバノミラーが制御されると共に、レーザ制御データに基づいてレーザのＯＮ／ＯＦＦ制御が行われる。こうして、加工対象物の表面にレーザ光で加工が行われる。
【００２３】
図１の例では、メモリ部５は設定情報用メモリ５ａ、基本文字線分情報用メモリ５ｂ、展開情報用メモリ５ｃを含む。設定情報用メモリ５ａは、バッテリバックアップされたＳＲＡＭ又はＥＥＰＲＯＭのような不揮発性メモリで構成され、電源ＯＦＦ時にも記憶内容を保持することができる。設定情報用メモリ５ａに記憶される設定情報は、加工する文字又はマークの種類、大きさ、位置、方向等の加工内容の情報を含む。また基本文字線分情報用メモリ５ｂもバッテリバックアップされたＳＲＡＭ又はＥＥＰＲＯＭのような不揮発性メモリで構成される。基本文字線分情報用メモリ５ｂには、加工に使用される各種文字やマーク等の基本文字や基本線分の情報（基本文字線分情報）が記憶されている。この基本文字線分情報を加工内容の共通データとして管理することにより、各設定情報の情報量を少なくすることができる。したがって、設定情報から展開情報を生成するときに、基本文字線分情報用メモリ５ｂに記憶された基本文字線分情報が参照される。さらに展開情報用メモリ５ｃには、電源ＯＦＦ時に記憶内容が消えるが低コストで多くの情報を記憶できるＤＲＡＭ等の揮発性メモリが使用されている。設定情報及び基本文字線分情報から生成された展開情報が一時的に展開情報用メモリ５ｃに記憶され、加工の際に参照される。展開情報は、加工加工のためにレーザ光がたどるべき軌跡を規定する線分データとレーザのＯＮ／ＯＦＦ制御のためのレーザ制御データを含む複数ビットからなる時系列のデータである。
【００２４】
さらにこのメモリ部５は、加工条件設定部で設定された加工パターンの３次元形状に関して、ＸＹ座標位置とＺ座標位置との対応関係を関連付けて記憶するための対応関係記憶部としても機能する。ここでは設定情報用メモリ５ａが、対応関係記憶部に相当する。
【００２５】
さらにレーザ駆動制御部４は、設定された加工を行うようレーザ媒質８で発振されたレーザ光Ｌを加工対象物（ワーク）ＷＫ上で走査させるため、レーザ出力部２のレーザ光走査部９を動作させる走査信号をレーザ光走査部９に出力する。電源７は、定電圧電源として、レーザ励起部６へ所定電圧を印加する。加工動作を制御する加工信号は、そのＨＩＧＨ／ＬＯＷに応じてレーザ光ＬのＯＮ／ＯＦＦが切り替えられ、その１パルスが発振されるレーザ光Ｌの１パルスに対応するＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号は、その周波数に応じたデューティ比に基づいてレーザ強度が定められるが、周波数に基づいた走査速度によってもレーザ強度が変化するよう構成することもできる。
【００２６】
またレーザ駆動制御部４は、加工条件設定部で設定された加工パターンを構成する空間座標において、レーザ光走査部のＸ軸方向及び／又はＹ軸方向への移動量に対するＺ軸方向の相対的な移動量の比率に応じて、加工対象面における加工量を一定値に近付けるように、加工条件設定部で設定された加工条件を自動的に補正するための加工量補正手段として機能させることもできる。
（レーザ励起部６）
【００２７】
レーザ励起部６は、光学的に接合されたレーザ励起光源１０とレーザ励起光源集光部１１を備える。レーザ励起部６の内部の一例を図２の斜視図に示す。この図に示すレーザ励起部６は、レーザ励起光源１０とレーザ励起光源集光部１１をレーザ励起部ケーシング１２内に固定している。レーザ励起部ケーシング１２は、熱伝導性の良い銅等の金属で構成され、レーザ励起光源１０を効率よく外部に放熱する。レーザ励起光源１０は半導体レーザ（Laser Diode：ＬＤ）や励起ランプ等で構成される。図２の例では、複数の半導体レーザダイオード素子を直線状に並べたレーザダイオードアレイを使用しており、各素子からのレーザ発振がライン状に出力される。レーザ発振はレーザ励起光源集光部１１の入射面に入射されて、出射面から集光されたレーザ励起光として出力される。レーザ励起光源集光部１１はフォーカシングレンズ等で構成される。レーザ励起光源集光部１１からのレーザ励起光は光ファイバケーブル１３等によりレーザ出力部２のレーザ媒質８に入射される。レーザ励起光源１０とレーザ励起光源集光部１１、光ファイバケーブル１３は、空間あるいは光ファイバを介して光学的に結合されている。
（レーザ出力部２）
【００２８】
レーザ出力部２は、レーザ発振部５０を備える。レーザ光Ｌを発生させるレーザ発振部５０は、レーザ媒質８と、レーザ媒質８が放出する誘導放出光の光路に沿って所定の距離を隔てて対向配置された出力ミラー及び全反射ミラーと、これらの間に配されたアパーチャ、Ｑスイッチ１９等を備える。Ｑスイッチ１９はレーザ媒質８から出射されるレーザの光軸上に位置するよう一方の端面に面して配設されている。Ｑスイッチ１９を用いることで連続発振を尖頭出力値（ピーク値）の高い高速繰返しパルス発振に変えることが可能となる。またＱスイッチ１９には、これに印加するＲＦ信号を生成するＱスイッチ制御回路が接続されている。このレーザ発振部５０は、レーザ媒質８が放出する誘導放出光を、出力ミラーと全反射ミラーとの間での多重反射により増幅し、Ｑスイッチ１９の動作により短周期にて通断しつつアパーチャによりモード選別して、出力ミラーを経てレーザ光Ｌを出力する。レーザ媒質８は光ファイバケーブル１３を介してレーザ励起部６から入射されるレーザ励起光で励起されて、レーザ発振される。レーザ媒質８はロッド状の一方の端面からレーザ励起光を入力して励起され、他方の端面からレーザ光Ｌを出射する、いわゆるエンドポンピングによる励起方式を採用している。
（レーザ媒質８）
【００２９】
上記の例では、レーザ媒質８としてロッド状のＮｄ：ＹＶＯ4結晶を用いた。また固体レーザ媒質の励起用半導体レーザの波長は、このＮｄ：ＹＶＯ4の吸収スペクトルの中心波長である８０８ｎｍに設定した。ただ、この例に限られず他の固体レーザ媒質として、例えば希土類をドープしたＹＡＧ、ＬｉＳｒＦ、ＬｉＣａＦ、ＹＬＦ、ＮＡＢ、ＫＮＰ、ＬＮＰ、ＮＹＡＢ、ＮＰＰ、ＧＧＧ等も用いることもできる。また、固体レーザ媒質に波長変換素子を組み合わせて、出力されるレーザ光Ｌの波長を任意の波長に変換できる。また、固体レーザ媒質としてバルクに代わってファイバーを発振器として利用した、いわゆるファイバーレーザにも適用可能である。このようなファイバーレーザは、励起光源である半導体レーザから出射されるレーザ光をファイバー内に励起させる。この際、レーザ光の波長は、例えばＹＡＧやＹＶＯ4結晶等が媒体の基本波レーザの発振波長基本波長である約１０９０ｎｍ以下であればよいことは言うまでもない。さらに、レーザ媒質を使用せず、言い換えるとレーザ光を発振させる共振器を構成せず、波長変換のみを行う波長変換素子を使用することもできる。この場合は、半導体レーザの出力光に対して波長変換を行う。
【００３０】
波長変換素子は、非線形の周波数変換技術等を利用して基本周波数のレーザ光を異なる波長に変換する。このような波長変換素子としては、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＰＯ4）、有機非線形光学材料や他の無機非線形光学材料、例えばＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＫＡＰ（ＫＡｓＰＯ4）、ＢＢＯ（β−ＢａＢ2Ｏ4）、ＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）や、バルク型の分極反転素子（ＬｉＮｂＯ3（Periodically Polled Lithium Niobate ：ＰＰＬＮ）、ＬｉＴａＯ3等）が利用できる。また、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｎｄ等の希土類をドープしたフッ化物ファイバを用いたアップコンバージョンによるレーザの励起光源用半導体レーザを用いることもできる。このように、本実施の形態においてはレーザ発生源として様々なタイプを適宜利用できる。
【００３１】
また波長変換素子は一のみならず、複数使用することもできる。これにより第２次高調波発生（Second Harmonic Generation：ＳＨＧ）に限られず、第３次高調波発生（Third Harmonic Generation：ＴＨＧ）や第４次高調波発生（Fourth Harmonic Generation：ＦＨＧ）、第５次高調波発生（Fifth Harmonic Generation：ＦＩＨＧ）、和調波発生（Sum Frequency Generation：ＳＦＧ）、パラメトリック発振（Optical Parametric Oscillation：ＯＰＯ）、差調波発生（Differential Frequency Generation：ＤＦＧ）などの高次高調波を利用することもできる。
（２方向励起方式）
【００３２】
固体レーザ媒質を励起する構成としては、固体レーザ媒質を励起する励起光を一方の端面のみから入射して励起させ、他方の端面からレーザ光を出射する、いわゆるエンドポンピングによる１方向励起方式が利用できる。また、固体レーザ媒質の前後の端面から各々励起光を照射する２方向励起方式も採用できる。２方向励起においては、各端面に励起光源であるＬＤを各々配置する構成の他、単一のＬＤからの励起光を光ファイバ等で分岐して、固体レーザ媒質の両端面からポンピングする構成等が利用できる。
【００３３】
特に固体レーザ媒質を励起するレーザ加工装置では、量子効率の限界から、励起パワーのうち３割〜４割が熱となり失われてしまう。そのため極限的な性能を発揮させるためには、強励起により顕在化する熱複屈折や熱レンズ、熱複レンズ、更には熱による破壊等の様々な熱問題を解決する必要がある。特にＬＤ励起固体レーザ加工装置においては、固体レーザ媒質の励起光吸収に伴う発熱が結晶そのものにレンズ効果を誘起し、熱レンズを生じさせる。熱レンズはレーザ共振器の安定性を著しく阻害し、共振器の設計の大きな障害となる。２方向励起方式を採用することで、このような問題を軽減できる。また２方向励起方式においては、レーザ励起部として一の励起光源を使用し、これを分岐して各端面から投入する構成とすることで、熱レンズ等の発生を抑制することもできる。加えて、励起波長に対する安定性や立ち上がり特性の改善の効果も得られる。
（レーザ光走査部９）
【００３４】
レーザ発振部５０で得られたレーザ発振は、レーザ光走査部９により走査される。レーザ光走査部９を図３〜図５に示す。これらの図において、図３はレーザ加工装置のレーザ光走査部９の構成を示す斜視図を、図４は図３を逆方向から見た斜視図を、図５は側面図を、それぞれ示している。これらの図に示すレーザ加工装置は、レーザ光Ｌを発生させるレーザ発振部５０と光路を一致させたＺ軸スキャナを内蔵するビームエキスパンダ５３と、Ｘ軸スキャナ１４ａと、Ｘ軸スキャナ１４ａと直交するよう配置されたＹ軸スキャナ１４ｂとを備える。このレーザ光走査部９は、レーザ発振部５０より出射されるレーザ光ＬをＸ軸スキャナ１４ａ、Ｙ軸スキャナ１４ｂで作業領域ＷＳ内で２次元的に走査させ、さらにＺ軸スキャナ１４ｃで高さ方向にワーキングディスタンスすなわち焦点距離を調整することができ、３次元状に加工が可能となる。なお、Ｘ軸スキャナ、Ｙ軸スキャナ、Ｚ軸スキャナは、互いに入れ替えても同様に機能できることはいうまでもない。例えばＺ軸スキャナを出射したレーザ光をＹ軸スキャナで受けるよう構成したり、あるいはＸ軸スキャナでＹ軸を制御し、Ｙ軸スキャナでＺ軸を制御するよう配置してもよい。また図において集光レンズであるｆθレンズは図示を省略している。
【００３５】
レーザ加工装置においては一般に、第２のミラー（Ｙ軸スキャナ）で反射されたレーザ光を作業領域に照射させるよう集光するために、第２のミラーと作業領域の間には、ｆθレンズと呼ばれる集光レンズを配置している。ｆθレンズは、Ｚ軸方向の補正を行う。レーザマーカにおいて、例えばスポット径を約５０μｍより小さいビームを形成したい場合は、ｆθレンズを配置することが好ましい。一方、上述の小スポット径よりも大きい、スポット径が約１００μｍ程度（通常良く使用されるスポット径）のビーム径を採用する場合は、Ｚ軸スキャナ側のビームエキスパンダに備えられたＺ軸集光レンズをＺ軸方向に移動させることにより、ｆθレンズが行うべきＺ軸方向の補正を、補正制御として行うことができる。これにより、スポット径が大きい場合はｆθレンズを省略することも可能となる。例えば、ｆθレンズが行うべきＺ軸方向の補正を、Ｚ軸スキャナの補正制御に行わせることもできる。一方、スポット径が小さい場合は、Ｚ軸スキャナによる補正では焦点位置の調整が不十分となるため、上述の通りｆθレンズを用いる。本実施の形態では、レーザ光のスポット径として小スポット、標準、ワイドスポットの３種類を用意しており、この内の小スポットタイプのみ、ｆθレンズで作業領域ＷＳ端部の歪みを矯正し、標準及びワイドスポットではｆθレンズを使用せず、Ｚ軸スキャナで補正している。
【００３６】
各スキャナは、光を反射する反射面として全反射ミラーであるガルバノミラーと、ガルバノミラーを回動軸に固定して回動するためのガルバノモータと、回動軸の回転位置を検出して位置信号として出力する位置検出部を備える。またスキャナは、スキャナを駆動するスキャナ駆動回路５２に接続される。スキャナ駆動回路５２はレーザ駆動制御部４に接続され、スキャナを制御する制御信号をレーザ駆動制御部４から受けて、これに基づいてスキャナを駆動する。例えばスキャナ駆動回路５２は、制御信号に基づいてスキャナを駆動する駆動電流を調整する。またスキャナ駆動回路５２は、制御信号に対する各スキャナの回転角の時間変化を調整する調整機構を備える。調整機構は、スキャナ駆動回路５２の各パラメータを調整する可変抵抗等の半導体部品で構成される。
（Ｚ軸スキャナ１４ｃ）
【００３７】
Ｚ軸スキャナ１４ｃはレーザ光Ｌのスポット径を調整し、これによって焦点距離を調整するビームエキスパンダ５３を構成している。すなわち、ビームエキスパンダで入射レンズと出射レンズとの相対距離を変化させることでレーザ光のビーム径を拡大／縮小し、焦点位置も変化させることができる。ビームエキスパンダ５３は、小スポットへの集光を効果的に行わせるため、図３に示すようにガルバノミラーの前段に配置され、レーザ発振部５０から出力されるレーザ光Ｌのビーム径を調整すると共に、レーザ光Ｌの焦点位置を調整可能としている。なお、３次元加工、すなわちワークの高さ方向への加工が可能なレーザ加工装置は、Ｚ軸スキャナを調整する方式の他、例えば物理的に集光レンズを移動させる、あるいはレーザ出力部やマーキングヘッド自体を移動可能とする等、他の方式を利用することも可能である。
【００３８】
この例では、Ｚ軸スキャナは、Ｑスイッチ１９から出射されたレーザ光の焦点位置を光軸方向に調整可能な焦点位置調整手段として機能し、またＸ軸スキャナ、Ｙ軸スキャナは、Ｚ軸スキャナから出射されたレーザ光を２次元的に走査するレーザ光２次元走査系として機能する。なお、上記の例ではレーザ光走査部９に、レーザ光の焦点距離を調整可能な機構を設けることで３次元加工を可能としている。ただ、ワークを載置するステージの位置を上下方向に調整可能とすることで、レーザ光の焦点がワークの作業面で結ぶようにステージの高さを調整する制御を行うことでも、同様に３次元加工を行うこともできる。また、ステージをＸ軸あるいはＹ軸方向に移動可能とすることで、レーザ光走査部の該当するスキャナを省略できる。これらの構成は、ワークをライン上に搬送する形態でなく、ステージ上に載置して加工する形態において好適に利用できる。
【００３９】
なお、上記の例ではＺ軸スキャナで３次元加工が可能なレーザ加工装置について説明したが、本発明は２次元加工が可能なレーザ加工装置であれば適用でき、必ずしもＺ軸スキャナを必要としない。
（薄膜の剥離）
【００４０】
次に、上記のレーザ加工装置を用いた薄膜の剥離加工について説明する。ここでは、ガラス基板の表面にＩＴＯ膜の透明電極の薄膜が積層された加工対象物の膜部分を、レーザ光を照射して剥離する加工を取り上げる。従来は、図１０に示すように、ワークＷＫの加工したい面側、すなわちＩＴＯ膜側からレーザ光を入射することで、表面を直接加工していた。しかしながらこの方法では、ガラス基板の表面で反射する光ＬＢ２と、裏面で反射する光ＬＢ１とが干渉する問題があった。さらにレーザ光をスキャニングミラーＭＲでスキャンすることにより、図１１に示すようにスキャニングミラーＭＲの回転によって入射角が変化する。この結果、入射角度によって光が強め合う場合と弱め合う場合が生じ、ワークＷＫの加工位置によって加工の強さが変わってしまうことがあった。加工の強さが変化すると、加工位置であるＣで加工深さや太さが変化するため、加工結果にむらが生じる。例えばＩＴＯ膜を剥離して、その加工により囲った部分とその他の部分とを絶縁する加工であれば、加工の弱い部分で絶縁不良が生じるおそれがある。これを回避するには、レーザパワーを必要以上に高く設定しなければならない。
【００４１】
そこで本実施の形態では、図６に示すように基板の裏面側、すなわち加工対象面と反対側からレーザ光を入射させている。このように、透過率の高い領域ＲＨ側からレーザ光を入射させることで、レーザ光の入射位置Ａすなわち干渉が生じる位置Ｃでなく、透過及び反射する位置Ｂで透過率の低い領域ＲＬを加工するため、レーザ光の入射角度に拘わらず干渉による影響を排除できる。このため加工強度を一定にでき、加工深さや太さといった加工結果を安定させた高品質な加工が実現できる。図７に、本実施の形態に係るレーザ加工方法で加工した結果、図８に従来の方法で加工した結果の拡大イメージを示す。ここでは、厚さ７０μｍのガラス基板の表面に蒸着した膜厚数百ｎｍ、好ましくは２００〜３００ｎｍのＩＴＯ膜を、レーザパワー７．８Ｗで、基板の裏面側から加工した結果（図７）と、表面側から加工した結果（図８）を、倍率７０倍で撮影した結果を示している。これらを対比すると明らかな通り、従来の方法では線幅にむらがあり、周期的な段差が確認できるが、本実施の形態ではほぼ一定幅で均一な印字結果が得られていることが確認できる。このような透明電極としては、ＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）やＺｎＯ（酸化亜鉛）、酸化スズ等が適用できる。
【００４２】
このように、透過率の異なる材料を積層した加工対象物の、透過率の低い領域ＲＬを加工する場合は、裏側すなわち透過率の高い領域ＲＨ側からレーザ光を入射させる姿勢にワーク又はレーザ加工装置を設置することで、安定した加工結果が得られる。一般には、ワークの位置決め手段４０を用いてワークを裏側に配置することで、容易に裏側からレーザ光を照射できる。このような位置決め手段４０は、ワークの逆向きに保持できるコンベアなど、既存の設備を適宜利用できる。また、位置決め手段４０として、レーザ加工装置自体をワークの下側に配置する構成も同様の結果を得ることができることは言うまでもない。
【００４３】
なおこの方法では、レーザ光の内基板を透過した成分のみが加工に寄与するため、加工に費やされる実効パワーは若干低下するものの、実効パワーを安定させることができるので、加工品質を大きく向上できる。
（ワークのレーザ光透過率）
【００４４】
加工対象物のレーザ光の透過率は、一般に入射されるレーザ光の波長に応じて決定される。したがって、加工対象物の透過率の特性に応じてレーザ光の波長が選択される。レーザ光の波長は、固体レーザ媒質と波長変換素子によって決定される。波長変換素子は、加工対象物の材質、具体的にはレーザ光の透過率に応じて設定される。もちろん、波長変換素子を使用せず、固体レーザ媒質で得られる基本波長でのレーザ加工としてもよい。
【００４５】
例えば基板としてガラス基板を用いる場合は、固体レーザ媒質としてＹＡＧやＹＶＯ4、あるいはこれに波長変換素子を組み合わせたＳＨＧ（グリーンレーザ）が加工に適している。一例としてＹＶＯ4を用いたレーザ光の基本波長である１０６４ｎｍ以下のレーザ光に対しては、ガラス基板の透過率は８５％以上ある。ガラスは、入射光の波長によって透過率が変化し、１０６４ｎｍでは透過率が約９０％となる。一方でレーザ光の波長が１０６４ｎｍよりも長い場合、例えばＣＯ２レーザの場合は、ガラスに対しても熱吸収率が高いため、ガラス基板自体も加工されるため、好ましくない。よって透過率の高い領域のレーザ光透過率は約８０％以上とする。
【００４６】
一方で、透過率の低い領域については、高い領域との透過率の差が大きい程、レーザ光の選択的加工の効果が高くなる。例えば、ガラスの透過率が９０％、ＩＴＯの透過率が７０％とすれば、加工に費やされるレーザ光の比率は（１００−９０）：（１００−７０）となる。よってこの差が大きい程、効率のよいレーザ加工が実現できる。透過率の低い領域でのレーザ光透過率は、約７５％以下であることが好ましい。また、透過率の高い領域のレーザ光透過率と、透過率の低い領域のレーザ光透過率との差は、約１５％以上であることが好ましい。これにより、透過率の異なる領域に対して、選択的なレーザ加工を安定的に行うことができる。
【００４７】
以上のように、加工対象として透過率の異なる２つの材料を貼り合わせたワークに対し、透過率の低い材料を加工したい場合に、透過率の高い側からレーザ光を入射させるように加工することで、安定した加工が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明のレーザ加工方法及びレーザ加工装置は、例えばマーキング、穴あけ、トリミング、スクライビング、表面処理等、立体形状を有する立体の表面にレーザ照射を行う処理において広く適用可能である。なお、３次元印字が可能なレーザマーカの例について説明したが、本発明は２次元印字が可能なレーザマーカに対しても好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のレーザ励起部の内部構造を示す斜視図である。
【図３】レーザ加工装置のレーザ光走査部を含むマーキングヘッドの構成を示す斜視図である。
【図４】図３を背面方向から見た斜視図である。
【図５】図３を側面から見た側面図である。
【図６】本実施の形態に係る、基板の裏面側からレーザ光を照射して透明電極を除去する例を示す模式断面図である。
【図７】本実施の形態に係るレーザ加工方法で加工した結果を示す拡大イメージ図である。
【図８】従来の方法で加工した結果を示す拡大イメージ図である。
【図９】レーザ加工装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】基板上の透明電極にレーザ光を照射して除去する従来の例を示す模式断面図である。
【図１１】スキャニングミラーの回転によってレーザ光の入射角度が変化する様子を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１００、３００…レーザ加工装置
１…レーザ制御部；２…レーザ出力部；３…入力部
４…レーザ駆動制御部；５…メモリ部
５ａ…設定情報用メモリ；５ｂ…基本文字線分情報用メモリ；５ｃ…展開情報用メモリ
６…レーザ励起部；７…電源；８…レーザ媒質；９…レーザ光走査部
１０…レーザ励起光源；１１…レーザ励起光源集光部
１２…レーザ励起部ケーシング；１３…光ファイバケーブル
１４…スキャナ；１４ａ…Ｘ軸スキャナ；１４ｂ…Ｙ軸スキャナ
１４ｃ…Ｚ軸スキャナ；１４ｄ…ポインタ用スキャナミラー
１５…集光部；１６…入射レンズ；１８…出射レンズ；１９…Ｑスイッチ
４０…位置決め手段
５０…レーザ発振部；５１ａ、５１ｂ…ガルバノモータ
５２…スキャナ駆動回路；５３…ビームエキスパンダ
６０…ガイド用光源；６２…ハーフミラー；６４…ポインタ用光源；６６…固定ミラー
８２…表示部
ＬＢ、ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３…レーザ光
Ｇ…ガイド光；Ｐ…ポインタ光；ＷＫ…ワーク；ＷＳ…作業領域
ＭＲ…スキャニングミラー
ＲＨ…透過率の高い領域；ＲＬ…透過率の低い領域
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図７】
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【図８】
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