(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シングルモード又はマルチモードのレーザビームを発振するレーザ発振器と、前記レーザビームのビームモードを変形させるビームシェイパとを有するレーザ加工装置であって、
前記ビームシェイパは、前記レーザビームを屈折及び合成させて前記ビームモードを円錐型のビームモードに変形させることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記ビームシェイパは、
集光光学系であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記ビームシェイパは、
入射されたレーザビームが拡散又は集光するよう前記レーザビームを屈折させる第一のレンズと、前記第一のレンズから発光されたレーザビームを合成する第二のレンズとを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記第一のレンズは、
前記ビームシェイパに入射されるレーザビームがシングルモードの場合に、前記レーザビームの中心部のレーザ光を外部に広げるように屈折させることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記第一のレンズは、
前記ビームシェイパに入射されるレーザビームがマルチモードの場合に、前記レーザビームの周囲部のレーザ光を中心部に集光するように屈折させることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記第二のレンズは、
前記第一のレンズより発光されるレーザビームを円錐型のビームモードに合成することを特徴とする請求項３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、レーザ加工装置に係り、特に、レーザ発振器より発振されるレーザビームを加工対象物に照射して、溶接、穴開け又は切断等の加工を行うレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ光を用いた加工（以下、レーザ加工という）としては、溶接、穴開け又は切断等の加工技術が機械、電子、半導体装置等の多様な分野の製造過程で利用されている。
【０００３】
ここで、従来のレーザ加工用光学系を有するレーザ加工装置の一例を図を用いて説明する。
【０００４】
図１は、従来のレーザ加工装置の一構成例の図である。
【０００５】
図１のレーザ加工装置はレーザ発振器１０と、ベンディングミラー１１と、加工レンズ１２とを有するように構成されている。
【０００６】
レーザ発振器１０から発振されたレーザビームはベンディングミラー１１で方向が曲げられ、結像光学系である加工レンズ１２により結像された後、加工対象物１３の表面に照射される。レーザビームが加工レンズ１２で結像されることにより、加工対象物１３の特定部分を溶融又は蒸発させて、溶接、穴開け又は切断等の加工を実現している。
【０００７】
また、一般にレーザ加工では、加工対象物の材質、どのように加工するかの加工内容等によりレーザビームの形状（ビームモード）及びその強さをレーザ発振器により調整している。また、マスク等を利用してレーザビームの調整を行う方法も用いられている。
【０００８】
ここで、レーザ発振器１０から出射されるビームモードの種類としては、シングルモード（ガウシアン）とマルチモード（トップフラット）と呼ばれる形状が存在し、夫々の用途に応じて使い分けて使用されている。ここで、従来のレーザビームの代表的な２つのビームモードを図２に示す。
【０００９】
ここで、図２の（ａ）はシングルモードのエネルギー密度分布の波形を、図（ｂ）はマルチモードのエネルギー密度分布の波形を示し、縦軸はエネルギー密度を、横軸は中心からの距離を示す。また、図２に示した波形は、レーザビームの光軸（進行方向）に対して垂直方向から見たものである。
【００１０】
図２に示すように、シングルモード（図２（ａ））は、中央に鋭いピークを有する分布となっており、マルチモード（図２（ｂ））は、ピーク幅の広い分布となっている。
【００１１】
つまり、シングルモードの場合、集光性の面でマルチモードより優れており、微細切断などに利用されることが多い。したがって、Φ１００μｍ以下のバイアホール形成やスルーホール形成が容易に行うことができる。また、マルチモードの場合、例えば、バイアホールの底面の導体にダメージを発生させることが少なく、また、バイアホール底面に残渣が残りにくい等の特徴がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シングルモードの場合は、レーザビームからマスクやアパーチャ等のフィルターにより強い波形を１つだけ取り出すため、全体のエネルギーはマルチモードと比べて弱くなってしまう。また、マルチモードの場合は、ピーク幅があるため、小さい径を加工することができず、加工穴径を大きくしてしまう。
【００１３】
上述の問題の解決策として、シングルモードとマルチモードの両方の長所を併せ持つことができる円錐型のビームモード（以下、円錐モード）が考えられる。ここで、円錐型のビームモードの一例を図３に示す。なお、図３の縦軸、横軸は図２と同様とする。図３のように、レーザビームの中心部にエネルギー密度のピークを有し、また、周囲部に行くほどエネルギー密度が徐々に小さくなる所謂円錐型のビームモードを形成することにより、加工対象物に対して径の小さい加工を可能にし、且つ、加工対象物へのダメージを発生させにくく、残渣も残りにくくい等、シングルモードとマルチモードの両方の長所を併せ持つことができる。
【００１４】
また、上述した円錐モードをマスクを用いたマスク結像光学系を用いて形成する場合、レーザ発振器から出射されるレーザビームがマルチモードであった場合に、マスクによりエネルギーを減少させてしまうため効率的ではない。また、レーザ発振器により円錐モードの出力を可能とした場合は、高価なレーザ発振器を購入し取り替える必要があり、また、現在の装置が無駄になってしまう。
【００１５】
本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、集光光学系により円錐モードのレーザビームを形成することにより、レーザによる加工品質を向上させたレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本件発明は、以下の特徴を有する課題を解決するための手段を採用している。
【００１７】
請求項１に記載された発明は、シングルモード又はマルチモードのレーザビームを発振させるレーザ発振器と、前記レーザビームのビームモードを変形させるビームシェイパとを有するレーザ加工装置であって、前記ビームシェイパは、前記レーザビームを屈折及び合成させて前記ビームモードを円錐型のビームモードに変形させることを特徴とする。
【００１８】
請求項１記載の発明によれば、円錐モードを用いることで、加工対象物に対して径の小さい加工を可能にし、且つ、加工対象物へのダメージを発生させにくく、残渣も残りにくくさせる等のシングルモードとマルチモードの長所を併せ持つことで、加工品質を向上させることができる。また、多種の加工処理に対応することができる。
【００１９】
請求項２に記載された発明は、前記ビームシェイパは、集光光学系であることを特徴とする。
【００２０】
請求項２記載の発明によれば、マスク結像光学系と比べて、マスク等によるエネルギーの減少を防ぐことができ、効率的に円錐モードを形成し加工を行うことができる。
【００２１】
請求項３に記載された発明は、前記ビームシェイパは、入射されたレーザビームが拡散又は集光するよう前記レーザビームを屈折させる第一のレンズと、前記第一のレンズから発光されたレーザビームを合成する第二のレンズとを有することを特徴とする。
【００２２】
請求項３記載の発明によれば、従来のレーザ発振器から発振される様々なレーザビーム（ビームモード）に対応して、円錐モードを形成することができる。
【００２３】
請求項４に記載された発明は、前記第一のレンズは、前記ビームシェイパに入射されるレーザビームがシングルモードの場合に、前記レーザビームの中心部のレーザ光を外部に広げるように屈折させることを特徴とする。
【００２４】
請求項４記載の発明によれば、レーザ発振器から発振されるレーザビームがシングルモードの場合に、ビーム強度の強い中心部のエネルギーを外部に拡散させることで、シングルモードから円錐モードに容易に変形させることができる。
【００２５】
請求項５に記載された発明は、前記第一のレンズは、前記ビームシェイパに入射されるレーザビームがマルチモードの場合に、前記レーザビームの周囲部のレーザ光を中心部に集光するように屈折させることを特徴とする。
【００２６】
請求項５記載の発明によれば、レーザ発振器から発振されるレーザビームがマルチモードの場合に、中心部分のビーム強度が高くなるよう周囲部分のレーザ光を集光させることにより、マルチモードから円錐モードに容易に変形させることができる。
【００２７】
請求項６に記載された発明は、前記第二のレンズは、前記第一のレンズより発光されるレーザビームを円錐型のビームモードに合成することを特徴とする。
【００２８】
請求項６記載の発明によれば、第一のレンズから発行されるレーザビームを利用することで、円錐モードを容易に形成するこができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明は、集光光学系を用いてシングルモードとマルチモードの長所を併せ持った円錐モードのレーザビームを形成し、加工対象物に照射して加工を行う事によりレーザ加工による加工品質を向上させることができるレーザ加工装置を提供することを主眼とする。
【００３０】
ここで、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００３１】
図４は、本発明におけるレーザ加工装置の一構成例の図である。
【００３２】
図４のレーザ加工装置は、レーザ発振器１０と、ベンティングミラー１１と、加工レンズ１２と、ビームシェイパ３１とを有するように構成されている。
【００３３】
図４において、まず、レーザ発振器１０から、レーザビームが発振されるとビームシェイパ３１により、ビームモードを円錐型に変形させる。なお、ビームシェイパ３１に入力されるビームモードはシングルモード、マルチモードのどちらでもよく、ビームシェイパ３１は各ビームモードに応じて、ビームシェイパ内部の光学系（レンズ）の変更を行う。
【００３４】
ビームシェイパ３１により円錐モードに変形されたレーザビームは、ベンディングミラー１１を経由して、加工レンズ１２に入射され、加工レンズ１２により結像されたレーザビームが加工対象物１３に照射され加工が行われる。
【００３５】
上述したように、レーザ発振器１０は従来の装置を使用したままで、シングルモードとマルチモードの特性を併せ持つ円錐モードのビームモードを形成することができる。
【００３６】
なお、本発明のレーザ加工装置におけるビームシェイパ３１の設置位置は、レーザ発振器１０から出射されたレーザビームが加工対象物１３に到達するまでの光路上において、どこに設置されてもよい。また、本発明におけるレーザ加工装置の構成はこの限りではなく、例えば、レーザ加工装置にマスク部を有していてもよく、また、マスクされたレーザビームをビームシェイパ３１に入力してもよい。
【００３７】
次に、ビームモード３１内の集光光学系の一構成例を図を用いて説明する。
【００３８】
図５は、本発明におけるビームシェイパの構成例を示す図である。ここで、図５（ａ）は、シングルモードから円錐モードに変形させるためのビームシェイパ（３１−１）の構成例であり、図５（ｂ）は、マルチモードから円錐モードに変形させるためのビームシェイパ（３１−２）の構成例である。
【００３９】
図５（ａ）のビームシェイパ３１−１は、拡散レンズ４１（第一のレンズ）と、合成レンズ４２（第二のレンズ）とを有するよう構成されている。また、図５（ｂ）のビームシェイパ３１−２は、集光レンズ４３（第一のレンズ）と、合成レンズ４２（第二のレンズ）とを有するように構成されている。
【００４０】
図５（ａ）において、シングルモードのレーザビーム４４がビームシェイパ３１−１に入力されると、拡散レンズ４１は、レーザビームの中心を広げるようにレンズで屈折させ、また、レーザビームの周囲部分は入射方向のままで、夫々出力させる。つまり、レーザビーム中央部のビーム強度の強い部分を周囲に拡散させるように屈折させる。したがって、図５（ａ）に示すような進行方向の異なるレーザビームが拡散レンズ４１から出力される。出力されたレーザビームは、入力されたシングルモードより周辺部のエネルギーが強いレーザビームとなり合成レンズ４２により合成が行われ、円錐型のビームモードを形成したレーザビームが出力される。
【００４１】
一方、図５（ｂ）において、マルチモードのレーザビーム４５がビームシェイパ３１−２に入力されると、集光レンズ４３は、レーザビームの周囲部を集光するように屈折させ、また、レーザビームの中心部は、入射方向のままで、夫々出力させる。つまり、中心部がフラットなビーム強度を中心部が強くなるようにレーザビーム周囲部を屈折させる。したがって、出力されたレーザビームは、入力されたマルチモードより中心部のエネルギーが強いレーザビームとなり、合成レンズ４２により合成が行われ、円錐モードを形成したレーザビームが出力される。
【００４２】
なお、本実施例では、説明を容易にするため、ビームシェイパ３１がシングルモード用３１−１、及びマルチモード用３１−２に分かれたビームシェイパについて説明したが、本発明におけるビームシェイパはこの限りではなく、例えば、１つのビームシェイパ内に拡散レンズと集光レンズと合成レンズとを有し、また、レンズ切換部を有する構成にすることで、入力されるビームモードに応じて拡散レンズ４１と集光レンズ４３とを切り換えてもよい。また、レーザ発振器とビームシェイパを制御する制御部を設け、レーザ発振器により発振させるレーザビームのレーザモードに対応して、自動的に拡散レンズと集光レンズが切り換わる機能を有してもよい。
【００４３】
また、ビームシェイパ内のレンズの枚数もこの限りではなく、円錐モードのレーザビームを出力する構成であればよく、レンズの代わりに鏡やプリズムを使用してもよい。
【００４４】
次に、実際にビームシェイパを用いて円錐モードに変形されたレーザビームにより、レーザ加工を行った際の加工形状を図を用いて説明する。
【００４５】
図６は、本実施例における円錐モードでの加工形状を示す一例の図である。
【００４６】
なお、図６においては、本発明による効果が容易に理解できるように、図６（ａ）にビームシェイパを用いていないシングルモードのレーザビームによる加工物の加工断面を示し、図６（ｂ）に本発明におけるビームシェイパを用いた円錐モードのレーザビームによる加工物の加工断面を示す。
【００４７】
また、加工対象物にはアクリルを使用し、パルスエネルギーを１４．７ｍＪ、マスク使用時のマスク径をΦ４．０とする。
【００４８】
図６（ａ）の場合、表面（図上部）から先端（図下部）までの深さは１９５μｍにまで達している。また、加工穴の側面に段差が見受けられる。一方、図６（ｂ）の場合、表面から先端までの深さは１１５μｍであるため、ブラインドホール（貫通していない穴）の先端面の導体にダメージを発生させることなく、且つ穴径が小さい加工を行うことができる。また、加工穴の側面の滑らかな加工が可能となる。
【００４９】
上述したように本発明により、円錐モードのレーザビームを用いることで加工の品質を向上させることができる。また、シングルモード又はマルチモード等のビームモードから円錐モードへのモード変換をビームシェイパを用いて行うことで、従来高価であるレーザ発振器を変更することなく、円錐モードを安価に形成させることができる。
【００５０】
更に、ビームシェイパにシングルモード及びマルチモード等のビームモードに対応したレンズを有することにより、レーザ発振器から発振される多種のレーザビームに対応することができる。
【００５１】
なお、加工対象物としては、プリント基板や電子部品等、精細で正確な加工が必要なもので利用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ発振器より発振されるレーザビームのビームモードを円錐モードに変形させ、そのレーザビームを加工対象物に照射して加工することにより溶接、穴開け、及び切断等のレーザ加工の品質を向上させることができるレーザ加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のレーザ加工装置の一構成例の図である。
【図２】従来のレーザビームのビームモードを示す図である。
【図３】本発明における円錐型のビームモードの一例を示す図である。
【図４】本発明におけるレーザ加工装置の一構成例の図である。
【図５】本発明におけるビームシェイパの構成例を示す図である。
【図６】本実施例における円錐モードでの加工形状を示す一例の図である。
【符号の説明】
１０  レーザ発振器
１１  ベンディングミラー
１２  加工レンズ
１３  加工対象物
３１  ビームシェイパ
４１  拡散レンズ
４２  合成レンズ
４３  集光レンズ
４４  レーザビーム（シングルモード）
４５  レーザビーム（マルチモード）
【図１】
0003795816.tif 000002
【図２】
0003795816.tif 000003
【図３】
0003795816.tif 000004
【図４】
0003795816.tif 000005
【図５】
0003795816.tif 000006
【図６】
0003795816.tif 000007