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技術 レーザ加工装置

出願人 三星ダイヤモンド工業株式会社
発明者 林尚久清水政二
出願日 2015年1月22日 (5年1ヶ月経過) 出願番号 2015-010075
公開日 2016年7月25日 (3年6ヶ月経過) 公開番号 2016-132029
状態 特許登録済
技術分野 レーザ加工
主要キーワード 横支持部材 縦支持部材 レーザ光照射ヘッド 抜き落とし グリーンレーザ光 レーザ照射ヘッド 集光ユニット 軸方向移動機構
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年7月25日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

レーザ加工装置において、加工時間の高速化のために、回折光学素子を用いて複数のレーザ光をワーク上に集光させるようにした場合でも、不要な高次回折光を容易に遮光できるようにする。

解決手段

この装置は、ワークテーブル2と、レーザ光出力部15と、DOE34と、集光レンズ201と、遮光板202と、を備えている。DOE及び集光レンズ201は、レーザ光出力部15からのレーザ光を複数のレーザ光に分岐して、光軸から所定距離離れた位置に集光する加工用レーザスポットと、所定距離の2倍の距離だけ離れた位置に集光する高次のレーザスポットと、からなる複数組のレーザスポットを、それぞれ光軸から異なる位置に形成する。遮光板は、集光レンズ201とワークテーブル2との間に配置され、複数の加工用レーザスポットを通過させるとともに、複数の高次のレーザスポットを遮光する。

概要

背景

レーザ加工装置としては、例えば特許文献1に示された装置が知られている。特許文献1の装置では、回折光学素子DOE)を用いて複数の集光点ガラス基板上に形成される。そして、この複数の集光点を回転しつつ加工ラインに沿って走査することによってガラス基板が加工される。

しかし、DOEを用いた場合、加工に寄与する±1次の回折光より高次の回折光が加工ラインの外側に照射される。この高次の回折光の照射によってガラス基板がダメージを受けるという問題がある。

そこで、特許文献2に示されるように、DOEからのレーザ光集光する集光レンズワークテーブルとの間に、DOEの高次の回折光を遮光する遮光板を設けた装置が提案されている。

概要

レーザ加工装置において、加工時間の高速化のために、回折光学素子を用いて複数のレーザ光をワーク上に集光させるようにした場合でも、不要な高次の回折光を容易に遮光できるようにする。この装置は、ワークテーブル2と、レーザ光出力部15と、DOE34と、集光レンズ201と、遮光板202と、を備えている。DOE及び集光レンズ201は、レーザ光出力部15からのレーザ光を複数のレーザ光に分岐して、光軸から所定距離離れた位置に集光する加工用レーザスポットと、所定距離の2倍の距離だけ離れた位置に集光する高次のレーザスポットと、からなる複数組のレーザスポットを、それぞれ光軸から異なる位置に形成する。遮光板は、集光レンズ201とワークテーブル2との間に配置され、複数の加工用レーザスポットを通過させるとともに、複数の高次のレーザスポットを遮光する。

目的

本発明の課題は、レーザ加工装置において、加工時間の高速化のために、回折光学素子を用いて複数のレーザ光をワーク上に集光させるようにした場合でも、不要な高次の回折光を容易に遮光できるようにすることにある

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

ワークにレーザ光照射して加工を行う加工装置であって、ワークが載置されるワークテーブルと、レーザ光を出力するレーザ光出力部と、回折光学素子を含み、前記レーザ光出力部からのレーザ光を複数のレーザ光に分岐して、光軸から所定距離離れた位置に集光する加工用レーザスポットと、前記所定距離の2倍の距離だけ離れた位置に集光する高次レーザスポットと、からなる複数組のレーザスポットを、それぞれ光軸から異なる位置に形成する分岐・集光ユニットと、前記分岐・集光ユニットと前記ワークテーブルとの間に配置され、前記複数の加工用レーザスポットを通過させるとともに、前記複数の高次のレーザスポットを遮光する遮光板と、前記遮光板を通過した複数の加工用レーザスポットのそれぞれを前記ワークテーブルに載置されたワーク上の異なる位置に集光するためのワーク側集光手段と、を備えたレーザ加工装置

請求項2

前記分岐・集光ユニットは、前記複数の加工用レーザスポットを第1ピッチで形成し、前記光軸から最も離れた加工用レーザスポットと前記光軸に最も近い高次のレーザスポットの間を前記第1ピッチより広い第2ピッチで形成する、請求項1に記載のレーザ加工装置。

請求項3

前記分岐・集光ユニットは、複数組の加工用レーザスポット及び対応する高次のレーザスポットを、各組毎に加工方向に向かってずれた位置に形成する、請求項1又は2に記載のレーザ加工装置。

請求項4

前記分岐・集光ユニットは、前記回折光学素子を含み、前記レーザ光出力部からのレーザ光を複数のレーザ光に分岐する分岐手段と、前記分岐された複数のレーザ光を集光させる集光レンズと、を含み、前記分岐手段を、入力するレーザ光の光軸の回りに回転させる回転手段をさらに備えた、請求項1から3のいずれかに記載のレーザ加工装置。

技術分野

0001

本発明は、被加工物レーザ光照射して加工を行うレーザ加工装置に関する。

背景技術

0002

レーザ加工装置としては、例えば特許文献1に示された装置が知られている。特許文献1の装置では、回折光学素子DOE)を用いて複数の集光点ガラス基板上に形成される。そして、この複数の集光点を回転しつつ加工ラインに沿って走査することによってガラス基板が加工される。

0003

しかし、DOEを用いた場合、加工に寄与する±1次の回折光より高次の回折光が加工ラインの外側に照射される。この高次の回折光の照射によってガラス基板がダメージを受けるという問題がある。

0004

そこで、特許文献2に示されるように、DOEからのレーザ光を集光する集光レンズワークテーブルとの間に、DOEの高次の回折光を遮光する遮光板を設けた装置が提案されている。

先行技術

0005

特開2011−11917号公報
特開2014−42916号公報

発明が解決しようとする課題

0006

特許文献2に示されたレーザ加工装置において、加工時間を短縮するためには、DOEによって分岐されるレーザ光の数を増やすことが必要である。例えば、DOE及び集光レンズによってピッチdで一直線上に並んだN本のレーザ光をガラス基板上に集光させ、加工幅((N−1)*d)で加工すれば、加工時間をより短縮することが可能になる。

0007

しかし、ピッチdが小さくなると、加工に必要なレーザ光と、それに伴って生じる高次の回折光との間隔が狭くなる。このような場合、不要な高次の回折光だけを遮光板によって遮光することが困難になる。

0008

本発明の課題は、レーザ加工装置において、加工時間の高速化のために、回折光学素子を用いて複数のレーザ光をワーク上に集光させるようにした場合でも、不要な高次の回折光を容易に遮光できるようにすることにある。

課題を解決するための手段

0009

(1)本発明の一側面に係るレーザ加工装置は、ワークにレーザ光を照射して加工を行う装置であって、ワークが載置されるワークテーブルと、レーザ光を出力するレーザ光出力部と、分岐・集光ユニットと、遮光板と、ワーク側集光手段と、を備えている。分岐・集光ユニットは、回折光学素子を含み、レーザ光出力部からのレーザ光を複数のレーザ光に分岐して、光軸から所定距離離れた位置に集光する加工用レーザスポットと、所定距離の2倍の距離だけ離れた位置に集光する高次のレーザスポットと、からなる複数組のレーザスポットを、それぞれ光軸から異なる位置に形成する。遮光板は、分岐・集光ユニットとワークテーブルとの間に配置され、複数の加工用レーザスポットを通過させるとともに、複数の高次のレーザスポットを遮光する。ワーク側集光手段は、遮光板を通過した複数の加工用レーザスポットのそれぞれをワークテーブルに載置されたワーク上の異なる位置に集光する。

0010

この装置では、レーザ光出力部から出力されたレーザ光は、分岐・集光ユニットによって分岐され、これにより複数のレーザスポットが形成される。具体的には、光軸から距離r1,r2,rN・・・離れた位置に加工用レーザスポットが形成されるとともに、その2倍の距離、すなわち光軸から2*r1,2*r2,2*rN・・・だけ離れた位置に高次のレーザスポットが形成される。そして、遮光板によって、複数の高次のレーザスポットのみが遮光され、加工用レーザスポットがワーク上の異なる位置に集光される。

0011

ここでは、複数の加工用レーザスポットと、複数の高次のレーザスポットと、の間の隙間を広くとれるようにレーザ光を分岐させることができる。このため、高次のレーザスポットのみを遮光することが容易になる。

0012

(2)本発明の別の側面に係るレーザ加工装置では、分岐・集光ユニットは、複数の加工用レーザスポットを第1ピッチで形成し、光軸から最も離れた加工用レーザスポットと光軸に最も近い高次のレーザスポットの間を第1ピッチより広い第2ピッチで形成する。

0013

ここでは、最も近接している加工用レーザスポットと高次のレーザスポットとの間のピッチが、他のレーザスポット間のピッチよりも広くなる。したがって、高次のレーザスポットのみを遮光することが容易になる。

0014

(3)本発明のさらに別の側面に係るレーザ加工装置では、分岐・集光ユニットは、複数組の加工用レーザスポット及び対応する高次のレーザスポットを、各組毎に加工方向に向かってずれた位置に形成する。

0015

ここでは、各レーザスポットが加工方向に向かってずれた位置に形成されるので、1つの加工用レーザスポットが別の加工用レーザスポットの影響を受けにくい。

0016

(4)本発明のさらに別の側面に係るレーザ加工装置では、分岐・集光ユニットは、分岐手段と、集光レンズと、を有する。分岐手段は、回折光学素子を含み、レーザ光出力部からのレーザ光を複数のレーザ光に分岐する。集光レンズは分岐された複数のレーザ光を集光させる。そして、分岐手段を、入力するレーザ光の光軸の回りに回転させる回転手段をさらに備えている。

0017

ここでは、分岐されたレーザ光を回転させるので、加工を高速化することができる。

発明の効果

0018

以上のような本発明では、レーザ加工装置において、加工時間の高速化のために、回折光学素子を用いて複数のレーザ光をワーク上に集光させるようにした場合でも、不要な高次の回折光を容易に遮光できる。

図面の簡単な説明

0019

本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の外観斜視図。
レーザ照射ヘッドの構成を拡大して示す斜視図。
DOEを含む中空モータ結像ユニットとを示す模式図。
結像ユニットの一例を示す図。
DOEによって形成される加工用レーザスポットと高次のレーザスポットとを模式的に示す図。
DOEによって形成される加工用レーザスポットと高次のレーザスポットとを模式的に示す図。
集光点をZ軸方向に制御する作用を説明する模式図。

実施例

0020

[全体構成]
図1に本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の全体構成を示す。このレーザ加工装置は、ワークとして例えばガラス基板にレーザ光を照射して孔開け等の加工を行うための装置である。この装置は、ベッド1と、ガラス基板が載置されるワークテーブル2と、ガラス基板にレーザ光を照射するためのレーザ光照射ヘッド3と、を備えている。ここで、図1に示すように、ベッド1の上面に沿った平面において、互いに直交する軸をX軸、Y軸とし、これらの軸に直交する鉛直方向の軸をZ軸と定義する。また、X軸に沿った両方向(+方向及び−方向)をX軸方向、Y軸に沿った両方向をY軸方向、Z軸に沿った両方向をZ軸方向と定義する。

0021

[ワークテーブル及びその移動機構
<ワークテーブル2>
ワークテーブル2は、矩形状に形成されており、ワークテーブル2の下方には、ワークテーブル2をX軸方向及びY軸方向に移動させるためのテーブル移動機構5が設けられている。ワークテーブル2にはガラス基板Gを吸着して固定することが可能である。

0022

<テーブル移動機構5>
テーブル移動機構5は、図1に示すように、それぞれ1対の第1及び第2ガイドレール8,9と、第1及び第2移動テーブル10,11と、を有している。1対の第1ガイドレール8はベッド1の上面にY軸方向に延びて設けられている。第1移動テーブル10は、第1ガイドレール8の上部に設けられ、第1ガイドレール8に移動自在に係合する複数のガイド部10aを下面に有している。第2ガイドレール9は第1移動テーブル10の上面にX軸方向に延びて設けられている。第2移動テーブル11は、第2ガイドレール9の上部に設けられ、第2ガイドレール9に移動自在に係合する複数のガイド部11aを下面に有している。第2移動テーブル11の上部には、固定部材12を介してワークテーブル2が取り付けられている。

0023

以上のようなテーブル移動機構5によって、ワークテーブル2は、X軸方向及びY軸方向に移動自在である。なお、第1及び第2移動テーブル10,11は、詳細は省略するが、周知のモータ等の駆動手段によって駆動されるようになっている。

0024

[レーザ光照射ヘッド3]
レーザ光照射ヘッド3は、図1及び図2に示すように、ベッド1の上面に配置された門型フレーム1aに装着されており、レーザ光出力部15と、光学系16と、内部に回折光学素子が組み込まれた中空モータ17と、レンズ及び遮光板等を含む結像ユニット20(詳細は後述)と、を有している。また、レーザ光照射ヘッド3をX軸方向に移動させるためのX軸方向移動機構21と、中空モータ17及び結像ユニット20をZ軸方向に移動させるためのZ軸方向移動機構22と、が設けられている。

0025

<レーザ光出力部15>
レーザ光出力部15は従来と同様のレーザ管により構成されている。このレーザ光出力部15によって、波長532nmのグリーンレーザ光がY軸に沿ってワークテーブル2とは逆側に出射される。

0026

<光学系16>
光学系16は、レーザ光出力部15からのレーザ光を中空モータ17に組み込まれた回折光学素子(後述)に導くものである。この光学系16は、図2に示すように、第1〜第4ミラー25〜28と、レーザ出力計測するパワーモニタ29と、ビームエキスパンダ30と、を有している。

0027

第1ミラー25は、レーザ光出力部15の出力側の近傍に配置されており、Y軸方向に出射されたレーザ光をX軸方向に反射する。第2ミラー26は、X軸方向において第1ミラー25と並べて配置されており、X軸方向に進行するレーザ光をY軸方向に反射して、ワークテーブル2側に導く。第3ミラー27は、Y軸方向において第2ミラー26と対向して配置されており、第2ミラー26によって反射されてきたレーザ光をX軸方向に反射する。第4ミラー28は、中空モータ17の上方に配置されており、第3ミラー27によって反射されてきたレーザ光を下方(Z軸方向)に導く。

0028

ビームエキスパンダ30は第2ミラー26と第3ミラー27との間に配置され、第2ミラー26によって反射されてきたレーザ光を一定の倍率の平行光束に拡げるために設けられている。このビームエキスパンダ30によって、レーザ光をより小さなスポットに集光させることが可能となる。

0029

<中空モータ17>
中空モータ17は、図3の模式図で示すように、中心にZ軸方向に延びる回転軸を有し、この回転軸を含む中央部が中空部17aになっている。そして、この中空部17aに回折光学素子(Diffractive Optical Element:以下、「DOE」と記す)34が固定されている。回折光学素子34は、入力されたレーザ光を複数の光束に分岐するものである。

0030

<結像ユニット20>
結像ユニット20の構成を図4に模式的に示している。なお、図4は、DOE34と結像ユニット20との関係を示す図であって、他の構成は省略している。また、図4では、光軸の一方側において2本の加工用レーザスポットを形成(合計4本の加工用レーザスポットを形成)する場合の例であるが、図では、一方側のみのレーザスポットを示し、他方側のレーザスポットは省略している。

0031

結像ユニット20は、DOE34とともに分岐・集光ユニットを構成する集光レンズ201と、遮光板202と、リレーレンズ(ワーク側集光手段)203と、を有している。集光レンズ201は、DOE34からの分岐された複数のレーザ光をガラス基板の上方で集光させるためのレンズである。遮光板202は、集光レンズ201とリレーレンズ203との間に配置されている。この例では、遮光板202は集光レンズ201の集光位置(焦点面)に配置されている。遮光板202の中央部には、所定の大きさの径の円形の開口202aが形成されている。リレーレンズ203は遮光板202とガラス基板Gとの間に配置されている。このリレーレンズ203によって、遮光板202を通過した複数のレーザ光がガラス基板G上あるいはガラス基板G中のZ軸方向の任意の位置に集光させられる。

0032

なお、リレーレンズ203によるZ軸方向の集光位置は、X軸方向及びY軸方向ともに例えば30mm程度の限られた範囲内でのみ制御可能である。

0033

<複数組のレーザスポットについて>
図5及び図6により、結像ユニット20によって形成されるレーザスポット及び遮光について説明する。なお、図5及び図6ともに、光軸L0に対して一方側の回折光を示しており、他方側の回折光は省略している。

0034

図5は、加工用レーザスポット(1次回折光)L1と、高次のレーザスポット(2次回折光)L2と、の関係を示している。この図に示すように、加工用レーザスポットL1は光軸L0から距離rの位置に形成され、高次のレーザスポットL2は光軸L0から距離rの2倍の位置(2*r)に形成される。

0035

図6は、DOE34によって、複数組の加工用レーザスポットと高次のレーザスポットが形成される例を示している。すなわち、光軸L0から距離r1,r2,・・・rNの位置に加工用レーザスポットL1r1,L2r2,・・・L1rNが形成され、光軸L0から距離2*r1,2*r2,・・・2*rNの位置に高次のレーザスポットL2r1,L2r2,・・・L2rNが形成される。

0036

そこで、複数の各加工用レーザスポットの光軸L0からの距離の差であるピッチd に対して、光軸から最も離れた加工用レーザスポットL1r1と、光軸L0に最も近い高次のレーザスポットL2rNと、の間のピッチDの方が広くなるようにDOE34を構成している。

0037

このため、複数の加工用レーザスポットのピッチを狭くした場合であっても、高次のレーザスポットのみを遮光板202によって容易に遮光することができる。

0038

<レーザ光照射ヘッド3の支持及び搬送系>
レーザ光照射ヘッド3は、前述のように、ベッド1の門型フレーム1aに支持されている。より詳細には、図2に示すように、門型フレーム1aの上面にはX軸方向に延びる1対の第3ガイドレール36が設けられており、この1対の第3ガイドレール36及び図示しない駆動機構がX軸方向移動機構21を構成している。そして、1対の第3ガイドレール36には、支持部材37が移動自在に支持されている。支持部材37は、第3ガイドレール36に支持された横支持部材38と、横支持部材38のワークテーブル2側の一端から下方に延びる縦支持部材39と、を有している。縦支持部材39の側面には、Z軸方向に延びる1対の第4ガイドレール40が設けられており、この1対の第4ガイドレール40及び図示しない駆動機構がZ軸方向移動機構22を構成している。第4ガイドレール40には、Z軸方向に移動自在に第3移動テーブル41が支持されている。

0039

そして、レーザ光出力部15、第1〜第3ミラー25〜27、パワーモニタ29、及びビームエキスパンダ30が、横支持部材38に支持されている。また、第4ミラー28、中空モータ17、及び結像ユニット20が、第3移動テーブル41に支持されている。

0040

[動作]
例えば、ガラス基板に孔あけ加工を行う場合は、まず、ワークテーブル2の表面に複数のブロック(図示せず)等を介して加工すべきガラス基板Gを載置する。

0041

次に、X軸方向移動機構21によってレーザ光照射ヘッド3をX軸方向に移動し、またテーブル移動機構5によってワークテーブル2をY軸方向に移動し、レーザ光照射ヘッド3によるレーザ光の光軸を、加工される孔の中心と一致させる。

0042

以上のようにしてレーザ光照射ヘッド3及びガラス基板Gを加工位置に移動させた後、レーザ光をガラス基板Gに照射して加工を行う。ここでは、レーザ光出力部15から出射されたレーザ光は、第1ミラー25によって反射されて第2ミラー26に導かれる。なお、第1ミラー25に入射したレーザ光はパワーモニタ29によってレーザ出力が計測される。第2ミラー26に入射したレーザ光はY軸方向に反射され、ビームエキスパンダ30によって光束が拡げられて第3ミラー27に導かれる。そして、第3ミラー27で反射され、さらに第4ミラー28で反射されたレーザ光は、中空モータ17の中心部に設けられたDOE34に入力される。

0043

DOE34及び結像ユニット20によって、ガラス基板Gに複数の集光点が形成される。すなわち、図6に示されるように、遮光板202がない場合は、それぞれ複数の加工用レーザスポットL1r1〜L1rn及び高次のレーザスポットL2r1〜L2rnがガラス基板G上に形成される。しかし、遮光板202によって、高次のレーザスポットL2r1〜L2rnが遮光され、加工用レーザスポットL1r1〜L1rnのみがガラス基板G上に照射される。

0044

そして、DOE34を中空モータ17によって回転することにより、加工用レーザスポットL1r1〜L1rnが光軸を中心に回転し、これにより光軸から最も離れた加工用レーザスポットL1r1を外周とする孔が形成される。

0045

ここでは、遮光板202によって、DOE34からの高次のレーザ光は遮光され、ガラス基板G上に照射されることはない。このため、高次の回折光によるガラス基板Gへのダメージをなくすことができる。

0046

ここで、レーザ光による1回の加工でガラスが除去される高さは数十μmである。したがって、ガラス基板Gに孔開け加工を行う場合、集光点を加工ラインに沿って一度だけ走査しても孔を形成すること、すなわち加工ラインの内側の部分を抜き落とすことは、一般的に困難である。

0047

そこで通常は、まず、集光点(加工部位)がガラス基板Gの下面に形成されるように、結像ユニット20を制御する(図7(a)参照)。この状態で結像ユニット20の結像位置(集光点)を加工ラインに沿って1周した後、結像ユニット20を制御することにより、図7(b)に示すように、集光点を上昇させる。そして、同様に集光点を加工ラインに沿って1周した後、さらに集光点を上昇させる。以上の動作を繰り返し実行することにより、加工ラインの内側部分を抜き落として孔を形成することができる。

0048

[特徴]
以上のような本実施形態では、加工用レーザスポットと隣り合う高次のレーザスポットの間のピッチを、他のレーザスポット間のピッチよりも広げることができる。したがって、ピッチの狭い複数のレーザスポットを用いて加工を行う場合でも、DOEによる高次の回折光を容易に遮光することができる。

0049

[他の実施形態]
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

0050

(a)結像ユニット20に設けられたリレーレンズ203の位置を制御することによって、ガラス基板G上に結像される画像の倍率を変えることができる。具体的には、高い倍率でガラス基板G上に結像させる場合は、集光レンズ201とリレーレンズ203との間の距離を、より近づけることによって実現できる。また、逆に低い倍率でガラス基板G上に結像させる場合は、集光レンズ201とリレーレンズ203との間の距離を、より離すことによって実現できる。

0051

(b)レーザスポットの個数、配置は前記実施形態に限定されない。また、加工ラインの軌跡は円形に限定されない。光学系としてX,Y方向のガルバノスキャナを用いることによって、直線あるいは曲線の加工ラインに沿って複数のレーザスポットを走査することが可能である。

0052

(c)前記実施形態では、被加工物としてガラス基板を用いたが、被加工物は、レーザ光で加工可能な部材であればよく、ガラス基板に限定されない。

0053

(d)リレーレンズを、可変焦点距離を有するズームレンズにしてもよい。この場合は、ガラス基板上に結像される像の倍率を制御でき、しかもワークテーブルを移動させる必要がない。

0054

2ワークテーブル
3レーザ光照射ヘッド
5テーブル移動機構
15レーザ光出力部
17中空モータ
20結像ユニット
34回折光学素子(DOE)
201集光レンズ
202遮光板
203 リレーレンズ

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