JP2002283083A

JP2002283083A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2002283083A
Application number: JP2001090306A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Sekizawa; 紀之堰澤; Kazuaki Sajiki; 一明桟敷; Yoshiyuki Niwatsukino; 義行庭月野
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2002-10-02

Abstract

(57)【要約】【課題】異なる孔径の孔を効率良く加工することので
きるレーザ加工装置を提供すること。【解決手段】コントローラ６０は、ビームスポットの
径がｄであるレーザ光の集光点が半径ｒの円を描くよう
に、マイクロレンズアレイ３０から出射されるレーザ光
の被加工物２０に対する相対的な集光点の位置を所定の
角度△ωずつ移動させるべく、ＸＹステージ５０を移動
制御する。これにより、被加工物２０には、レーザ光の
ビームスポット径ｄよりも大きい孔径の孔が加工され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を照射し
て被加工物の孔あけ等の加工を行うレーザ加工装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、レーザ光を照射して被加工物
を孔あけ等の精密加工するレーザ加工装置が知られてお
り、これには、たとえば特開平４−３５６３９２号公報
（以下、公報という）に記載されたものや、「SPIE Vo
l.2789,145-157,"Processing ofNi-based aero engine
components with repetitively Q-switched Nd:YAG-las
ers"」（以下、文献という）に記載されたものが知られ
ている。

【０００３】上記公報に記載されたものでは、図１８に
示すように、平面波からなるレーザ光１をフレネル帯板
２又はマイクロレンズを設けたマスク３に照射し、この
マスク３によってレーザ光１を集光し、プリント基板等
の被加工物４に孔あけ加工している。

【０００４】また、上記文献に記載されたものでは、レ
ーザビアホール加工において、レーザ装置から発振され
たレーザ光をプリズムあるいはウェッジ板を介して単一
のレンズを透過させて集光させると共に、プリズムある
いはウェッジ板を入射するレーザ光の光軸を中心に回転
（円運動）させて、集光スポットが円を描くように移動
するようにしている。これにより、被加工物に対して、
ビームスポットの径よりも大きい孔径の孔を孔あけ加工
することができるとしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記公報に
記載されているようにレーザ光１の波面が平面波のとき
はレーザ光１の集光性が良くなり、微細な加工が可能で
あるということは周知であるが、上記公報には、平面波
からなるレーザ光１をマスク３に照射する旨が記載され
ているものの、レーザ光１の波面を平面波にする具体的
な手段が記載されていない。

【０００６】また、上記公報では、波長を２４８ｎｍと
例示しており、エキシマレーザや水銀ランプを光源とし
て仮定しているが、エキシマレーザや水銀ランプは平面
波とするのが困難で、光のコヒーレント性が低く、集光
性が低い。特に、エキシマレーザの共振器として一般的
である安定型共振器から出射されたレーザ光１は、ビー
ムの発散角が大きいために平行度が低いため、小さなス
ポットに集光させることが難しく、微細な加工が困難で
ある。

【０００７】周知のように、同じ光源を用いた場合に
は、レンズ径と焦点距離とが決まるとビームスポット径
が一意に決定される。上述した公報のものは、レンズ径
と焦点距離とを一定（固定）とした状態で孔あけ加工す
るようにしているので、ビームスポット径が一意に決ま
り、このビームスポット径に基づいて、被加工物４に対
して同一の孔径の複数の孔が孔あけ加工される。このこ
とは、上記公報のものでは、複数種類の直径の孔を加工
する場合には、それらの直径に対応した複数種類のレン
ズが必要となることを意味する。

【０００８】例えば、φ５０μｍの孔が形成された製品
（被加工物）とφ１００μｍの孔が形成された製品の製
品（被加工物）の２種類を製作する場合は、それらに対
応する２種類のレンズが必要となる。

【０００９】さらに、被加工物に対するレーザ加工を行
うには、加工点のエネルギー密度が所定の値（加工閾
値）より大きい値でなければならない。そのため、レン
ズ径と比較して加工寸法が大きい場合（ビアホール径が
大きい場合）には、例えば焦点距離を変化させて、加工
寸法と同等のビームスポット径が得られるようにしたと
しても、集光性が低いので所定のエネルギー密度が得ら
れず、よって被加工物に対する所望のレーザ加工を実施
することは困難である。

【００１０】また、上記文献のものでは、被加工物に対
するレーザ光のビームスポットの位置を変更させながら
加工処理することで、被加工物に対して、そのビームス
ポットの径よりも大きい孔径の孔を加工することができ
るものの、次のような問題点が発生する。

【００１１】すなわち、上記文献には、不安定共振器に
よって共振されたレーザ光を集光させるようにしている
旨、あるいはレーザ光の波面が平面波である旨は記載さ
れておらず、また示唆もされていない。このため、上記
文献のものでは、集光されるレーザ光は、ビームの発散
角が大きいために平行度が低いため、小さなスポットに
集光させることが難しく、微細な加工が困難である。

【００１２】そこで、本発明は、上記実状に鑑みてなさ
れたものであり、異なる孔径の孔を効率良く加工するこ
とのできるレーザ加工装置を提供することを解決課題と
する。

【００１３】

【課題を解決するための手段、作用および効果】上記解
決課題を達成するため、第１の発明は、レーザ装置から
出射されたレーザ光を被加工物に照射して加工を行うレ
ーザ加工装置において、前記レーザ装置と前記被加工物
との間に設けられ、前記レーザ装置からのレーザ光を集
光させて被加工物に照射する複数の集光手段を備え、前
記複数の集光手段から出射されたレーザ光の集光点の前
記被加工物に対する相対的な位置を変更させながら、前
記被加工物に対する加工処理を実施することを特徴とす
る。

【００１４】第２の発明は、第１の発明において、前記
複数の集光手段を移動する移動手段を更に備え、前記移
動手段によって前記複数の集光手段を移動することによ
り前記被加工物に対する相対的なレーザ光の集光点の位
置を変更させながら、前記被加工物に対する加工処理を
実施することを特徴とする。

【００１５】第３の発明は、第１の発明において、前記
被加工物を移動する移動手段を更に備え、前記移動手段
によって前記被加工物を移動することにより前記被加工
物に対する相対的なレーザ光の集光点の位置を変更させ
ながら、前記被加工物に対する加工処理を実施すること
を特徴とする。

【００１６】第４の発明は、第１の発明において、前記
複数の集光手段に対するレーザ光の入射角を変更する変
更手段を更に備え、前記変更手段によってレーザ光の入
射角を変更することにより前記被加工物に対する相対的
なレーザ光の集光点の位置を変更させながら、前記被加
工物に対する加工処理を実施することを特徴とする。

【００１７】第１乃至第４の発明では、移動手段（例え
ばＸＹステージ）による被加工物又は複数の集光手段
（例えばマイクロレンズアレイ）の移動、又は変更手段
（例えばミラー又はプリズム）による複数の集光手段に
対するレーザ光の入射角の変更により、被加工物に対す
る相対的な複数の集光手段から出射されたレーザ光の集
光点の位置を変更しながら、孔あけ加工する。

【００１８】このため、第１乃至第４の発明によれば、
同一の複数の集光手段たとえばレンズ（マイクロレン
ズ）を用いて、被加工物に対して異なる直径（孔径）の
孔を孔あけ加工することができる。すなわち、集光手段
から出射されたレーザ光の集光点の径（ビームスポット
の径）に対して加工寸法（孔径）が大きい場合でも孔あ
け加工を実施することができる。

【００１９】また、上記解決課題を達成するため、第５
の発明は、第１乃至第４の発明のうちの何れかの発明に
おいて、前記被加工物における照射領域のうちの一部の
予め設定された加工領域に対して、レーザ光が照射され
ないように遮光する遮光手段を更に備え、異なる複数の
前記加工領域毎に、前記遮光手段によって加工領域へ照
射されるべくレーザ光を遮光し、前記複数の加工領域毎
に異なる加工条件で前記被加工物に対する加工処理を実
施することを特徴とする。

【００２０】第５の発明では、被加工物における異なる
複数の加工領域毎に、遮光手段によって加工領域へ照射
されるべくレーザ光が遮光され、異なる加工条件に従っ
て加工処理（たとえば異なる孔径の孔の加工）される。

【００２１】このように第５の発明によれば、１つの被
加工物に対して、複数種類の直径の孔を加工することが
できると共に、複数の被加工物それぞれに、異なった直
径の孔を加工することができる。

【００２２】さらに、上記解決課題を達成するため、第
６の発明は、第１乃至第５の発明のうちの何れかの発明
において、前記レーザ装置は、不安定共振器を備え、こ
の不安定共振器によって共振されたレーザ光を出射する
ことを特徴とする。

【００２３】第６の発明では、不安定共振器から出射さ
れたレーザ光は平行度が高く、これを複数の集光手段に
入射させ、さらに被加工物に対する相対的な当該複数の
集光手段から出射されたレーザ光の集光点の位置を変更
させながら、当該被加工物に対する加工処理を実施す
る。

【００２４】このように第６の発明によれば、所望する
位置に精度良く集光させることができ（レーザ光の集光
性を向上させることができ）、しかも被加工物に集光さ
れるレーザ光のビームスポットの径より大きい孔径の孔
を加工することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面を参照して説明する。

【００２６】本発明に係るレーザ加工装置では、レーザ
装置と被加工物との間に設けられた複数の集光手段（例
えばレンズ）により集光されたレーザ光を、例えばプリ
ント基板等の被加工物に照射することにより、当該被加
工物の孔あけ等の加工を実施するに際し、詳細は後述す
るが、被加工物に対する相対的な複数の集光手段（例え
ばレンズ）の位置すなわち各集光手段から出射されるレ
ーザ光の集光点の位置を変更させながら、被加工物に対
して孔あけ加工等の加工を行うことを想定している。

【００２７】ここで、被加工物に対して３つの集光手段
に対応する３つの孔を孔あけ加工する場合の原理につい
て、図１を参照して説明する。

【００２８】図１（ａ）に示すようにビームスポットの
径がｄであるレーザ光を半径ｒの円を描くように、被加
工物に対する相対的な各集光手段から出射されるレーザ
光の集光点の位置を、図１（ｂ）に示すように所定の角
度△ωずつ移動させることにより、図１（ｃ）に示すよ
うにビームスポット径ｄよりも大きい孔径の３つの孔を
孔あけ加工することが可能となる。

【００２９】この場合、例えば、ビームスポット径ｄ＝
２０μｍのレーザ光の集光点を、半径ｒ＝１０μｍの円
を描くように上記レーザ装置からパルス発振されるレー
ザ光（パルス光）の１パルス毎に角度△ω＝１度ずつ位
置を移動させることにより、被加工物に対して、３６０
パルスで１つの円が描かれて直径Ｄ＝４０μｍの孔を得
ることができる。

【００３０】本実施形態では、被加工物に対する相対的
な複数の集光手段から出射されたレーザ光の集光点の位
置を変更させる手段として、次の（１）の手段を含むも
のとしている。

【００３１】（１）被加工物に対する相対的な複数の集
光手段の位置を変更する手段。具体的には、次の（１−
ａ）、（１−ｂ）の方法が含まれる。

【００３２】（１−ａ）ＸＹステージに被加工物を搭載
してＸＹステージの移動に伴って被加工物を移動させ
る。

【００３３】（１−ｂ）中空のＸＹステージに複数の集
光手段を搭載してＸＹステージの移動に伴って複数の集
光手段を移動させる。

【００３４】つぎに、上述したような加工処理を行うレ
ーザ加工装置について説明する。

【００３５】図２は、本実施形態に係るレーザ加工装置
の構成図を示している。

【００３６】図２において、レーザ加工装置１０は、レ
ーザ光Ｌ１を発振するエキシマレーザ装置１１と、プリ
ント基板等の被加工物２０に加工される孔２１と同パタ
ーンに配置された複数のマイクロレンズ３１を有するマ
イクロレンズアレイ３０と、エキシマレーザ装置１１か
らのレーザ光Ｌ１を被加工物２０つまりマイクロレンズ
アレイ３０へ反射させるミラー４０と、被加工物２０が
載置されＸＹ方向に移動するＸＹステージ５０と、被加
工物２０に加工すべき加工パターンに従ってＸＹステー
ジ５０を移動制御するコントローラ６０とを備えてい
る。

【００３７】図３はエキシマレーザ装置１１の構成図を
示している。

【００３８】エキシマレーザ装置１１は、例えばフッ素
（Ｆ２）、クリプトン（Ｋｒ）、及びネオン（Ｎｅ）を
含むレーザガスを封入するレーザチャンバ１２と、レー
ザチャンバ１２の両端部に設けられたウィンドウ１３、
１４とを備えている。

【００３９】フロントウィンドウ１３の前方外側の図３
中下方一端側には凸面鏡１５が設けられ、リアウィンド
ウ１４の後方外側には凹面鏡１６が設けられて、凸面鏡
１５及び凹面鏡１６によって、不安定共振器１５、１６
を構成している。また、レーザチャンバ１２の内部には
所定位置に放電電極１７ａ、１７ｂが配置され、図示し
ない高圧電源により高電圧を印加可能となっている。

【００４０】図３において、レーザチャンバ１２の内部
で発生したレーザ光は凸面鏡１５で反射し、凹面鏡１６
に反射して、凸面鏡１５の周囲から出射する。そして、
レーザチャンバ１２内を往復する間に、上下を電極間で
左右を電極幅でそれぞれ制限された、断面形状が略方形
の出射レーザ光Ｌ２として取り出される。

【００４１】このとき、出射レーザ光Ｌ２は、凹面鏡１
６によって反射されて平行光として出射するため、通常
の安定型共振器を備えたエキシマレーザ装置から出射す
るレーザ光よりも平行度が高くなる。

【００４２】図４は、エキシマレーザ装置１１から出射
された出射レーザ光Ｌ２の正面視形状を示している。

【００４３】図４に示すように、下部の凸面鏡１５に相
当する部分からは光が出射されず、円形の影１５Ａが生
じている。そこで図２に示すように、レーザチャンバ１
２の前方に方形の開口部１８Ａを有するアパーチャ１８
を配し、このアパーチャ１８によって凸面鏡１５によっ
て生成される影１５Ａを避けるように方形のレーザ光Ｌ
１を切り出して加工に使用する。あるいは、アパーチャ
１８の開口部を円形として、レーザ光Ｌ１の断面形状を
円形としても良い。

【００４４】このように、不安定共振器１５、１６から
出射した平行度の高いレーザ光Ｌ１は、図２に示すよう
にミラー４０で図中下向きに反射され、マイクロレンズ
アレイ３０に入射する。

【００４５】ここでは、同一加工径の孔２１を複数個、
孔あけ加工する場合について説明する。図２に示すよう
に、マイクロレンズアレイ３０には、焦点距離が同一の
微小なマイクロレンズ３１が、プリント基板等の被加工
物２０に加工される孔２１に１対１で対応して並んでい
る。

【００４６】このとき、各マイクロレンズ３１の焦点距
離を焦点距離ｆとすると、マイクロレンズ３１の主点か
らプリント基板の表面までの距離が焦点距離ｆと等しく
なるように被加工物２０を配置する。

【００４７】これにより、マイクロレンズアレイ３０に
照射された平行なレーザ光Ｌ１は、マイクロレンズ３１
によって被加工物２０表面で焦点を結び、スポット径が
最も小さくなるビームウェストがプリント基板表面に合
致する。

【００４８】マイクロレンズ３１によって集光されたレ
ーザ光Ｌ１の強度分布は、同心円状の明縞と暗縞とから
構成されている。このとき、第１暗縞の直径をビームウ
ェスト径Ｗと称する。

【００４９】ビームウェストＷは、マイクロレンズ３１
の焦点距離をｆ、レンズ径をφ、入射する光の波長をλ
とすると、次式（１）で表される。

【００５０】Ｗ＝２．４４λ・ｆ／φ ・・・（１）すなわち、この数式（１）を満たすビームウェスト径Ｗ
に集光されたレーザ光Ｌ１が、プリント基板表面に照射
される。

【００５１】そして、実際にこのような条件で加工を行
った場合、ビームウェスト径Ｗとほぼ等しい加工径Ｄを
有する孔２１が貫通加工される。即ち、マイクロレンズ
３１の焦点距離ｆとレンズ径φとを決定することによ
り、目的とする所望の加工径Ｄの孔２１を得ることが可
能となっている。

【００５２】以上までの処理で、ビームスポット径ｄ＝
ビームウェスト径Ｗ≒加工径Ｄの複数の孔２１が加工さ
れることになる。

【００５３】次に、ビームスポット径ｄ＝ビームウェス
ト径Ｗよりも孔径が大きい加工径Ｄの複数の孔２１を孔
あけ加工する場合の処理について説明する。

【００５４】コントローラ６０は、ＸＹステージ５０に
対して、現在の位置（基準位置）を中心にして半径ｒの
円を描くべく、エキシマレーザ装置１１からパルス発振
されるレーザ光（パルス光）の１パルス毎に、角度△ω
＝１度ずつ位置が移動（ＸＹ方向に移動）するように制
御する。

【００５５】この場合、ＸＹステージ５０では、コント
ローラ６０の制御（加工パターンに従った加工を実施す
べく制御）に従って、たとえば半径ｒ＝１０μｍの円を
描くように（図１（ａ）参照）、パルス発振されるレー
ザ光（パルス光）の１パルス毎に角度△ω＝１度ずつ位
置を移動することにより（図１（ｂ）参照）、３６０パ
ルスで１つの円を描く。従って、例えばビームスポット
径ｄ＝２０μｍのレーザ光が被加工物２０に照射される
場合には、３６０パルスで１つの円が描かれて直径Ｄ＝
４０μｍの複数の孔２１（図１（ｃ）参照）を得ること
ができる。

【００５６】上述した実施形態では、ＸＹステージ５０
によって被加工物２０を移動させることで、被加工物２
０に対する相対的なマイクロレンズアレイ３０から出射
されたレーザ光の集光点の位置を変更するようにしてい
るが、本発明はこれに限定されることなく、次のように
しても良い。

【００５７】この場合のレーザ加工装置１０は、図５に
示すように、図２に示した装置の構成において、ＸＹス
テージ５０を削除し、マイクロレンズアレイ３０が載置
される中空のＸＹステージ７０を追加した構成になって
いる。同図５において、図２に示したエキシマレーザ装
置１１、ミラー４０及びコントローラ６０は省略してい
る。

【００５８】ＸＹステージ７０は、マイクロレンズアレ
イ３０に設けられた複数のマイクロレンズ３１から被加
工物２０へ出射されるレーザ光を遮光しないように、中
空構造になっている。

【００５９】ＸＹステージ７０も、上記ＸＹステージ５
０の処理動作と同様に、コントローラ６０の制御（加工
パターンに従った加工を実施すべく制御）に従って、半
径ｒ（例えば１０μｍ）の円を描くように（図１（ａ）
参照）、パルス発振されるレーザ光（パルス光）の１パ
ルス毎に角度△ω（例えば１度）ずつ位置を移動（ＸＹ
方向に移動）する。

【００６０】これにより、例えばビームスポット径ｄ＝
２０μｍのレーザ光が被加工物２０に照射される場合に
は、３６０パルスで１つの円が描かれて直径Ｄ＝４０μ
ｍの複数の孔２１（図１（ｃ）参照）を得ることができ
る。

【００６１】なお、図２に示したレーザ加工装置あるい
は図５に示したレーザ加工装置では、例えばビームスポ
ット径ｄ＝２０μｍのレーザ光が被加工物２０に照射さ
れる場合には、３６０パルスで１つの円が描かれて直径
Ｄ＝４０μｍの複数の孔２１（図１（ｃ）参照）を得る
ようにしているが、本発明はこのような加工パターンに
限定されることなく、次のような加工パターンで孔あけ
加工することができる。

【００６２】すなわち、ＸＹステージ５０によって被加
工物２０を、あるいはＸＹステージ７０によってマイク
ロレンズアレイ３０を半径ｒが５μｍの円を描くよう
に、パルス発振されるレーザ光（パルス光）の１パルス
毎に角度△ω（例えば１度）ずつ位置を移動（ＸＹ方向
に移動）することにより、例えばビームスポット径ｄ＝
２０μｍのレーザ光が被加工物２０に照射される場合に
は、３６０パルスで１つの円が描かれて直径Ｄ＝３０μ
ｍの複数の孔２１を得ることができる。

【００６３】また、被加工物２０に対して「加工される
孔の径Ｄ＞ビームスポット径ｄの２倍」の関係が成立す
る孔を孔あけ加工する場合には、図６（ａ）、（ｂ）に
示すように、加工される孔の円の内周縁とビームの外周
縁とが接するような半径ｒの円を描くようにＸＹステー
ジを移動させると共に、所望する孔に対して加工されな
い部分にもレーザ光を照射するようにする。例えば、被
加工物２０に対して図６（ａ）に示すように半径ｒの円
を描くように孔あけ加工した場合であっても、所望する
孔に対して中心部に加工されない部分が存在するとき
は、当該中心部にレーザ光が照射されるようにＸＹステ
ージを移動させる。

【００６４】また、被加工物２０に対して図６（ｂ）に
示すように半径ｒの円を描くように孔あけ加工し、かつ
中心部に対しても孔あけ加工した場合であっても、所望
する孔に対して中心部に加工されない部分が存在すると
きは、半径ｒよりも短い半径ｒ１をもって円を描くよう
に加工するようにする。この場合、半径ｒの円を描くよ
うに加工した後、半径ｒ１の円を描くように加工をし、
更に中心部に対する加工を実施するようにしても良い。

【００６５】さらに、図７（ａ）に示すように、被加工
物２０のＸ方向の長さＸ１について孔あけ加工すべく、
パルス毎に、レーザ光Ｌ１のビームスポットを例えばス
ポット位置１からスポット位置２へ移動させるために、
ＸＹステージ５０あるいはＸＹステージ７０を移動す
る。また、被加工物２０のＹ方向の長さＹ１について孔
あけ加工すべく、パルス毎に、レーザ光Ｌ１のビームス
ポットを例えばスポット位置２からスポット位置３へ移
動させるために、ＸＹステージ５０あるいはＸＹステー
ジ６０を移動する。同様にして、図７（ｂ）に示すよう
に長さＸ１及び長さＹ１の四角形の孔が孔あけ加工され
るように、レーザ光Ｌ１のビームスポットをスポット位
置３、４、５、６へと順に移動させるようにする。

【００６６】また、上記実施形態では、エキシマレーザ
装置１１からは、クリプトンフッ素（ＫｒＦ）レーザが
レーザ発振されるようになっているが、アルゴンフッ素
（ＡｒＦ）レーザなどエキシマレーザであればレーザの
種類は問わない。また、レーザ装置はエキシマレーザ装
置に限定されることなく、装置の種類は問わない。

【００６７】また、上述した実施形態では、コントロー
ラ６０は、エキシマレーザ装置１１からパルス発振され
る所定の発振周波数のパルスに同期して、ＸＹステージ
を制御するようにしているが、本発明はこれに限定され
ることなく、前記所定の発振周波数のパルスに非同期的
にＸＹステージを制御するようにしても良い。

【００６８】さらに、上述した実施形態では、１パルス
毎にビームスポットを移動するようにしているが、本発
明はこれに限定されることなく、複数のパルス毎（例え
ば１０パルス毎）に移動するようにしても良い。

【００６９】以上説明したように本実施形態によれば、
次のような作用効果を奏する。

【００７０】（１）被加工物２０に対する相対的なマイ
クロレンズアレイ３０から出射されたレーザ光Ｌ１の集
光点の位置を変更しながら、孔加工するようにしている
ので、同一のレンズ（マイクロレンズ３１）を用いて、
異なる直径（孔径）の孔を加工することができる。この
ことから、ビームスポットの径に対して加工寸法（孔
径）が大きい場合であっても、所望の孔の孔あけ加工を
実施することができる。

【００７１】（２）また、本実施形態によれば、不安定
共振器１５、１６を有するエキシマレーザ装置１１から
発振した出射レーザ光Ｌ２の一部を切り出したレーザ光
Ｌ１を、マイクロレンズアレイ３０に照射して孔あけ加
工を行っている。このため不安定共振器１５、１６を有
するエキシマレーザ装置１１から出射したレーザ光Ｌ１
は、拡がり角が小さく、ピンホール等を通過させずとも
平行度が強い。

【００７２】このように平行度の高いレーザ光Ｌ１をマ
イクロレンズ２８等の集光器に照射しているので、マイ
クロレンズ３０を通過するレーザ光Ｌ１の集光性が向上
する。これにより、レーザ光Ｌ１を回折限界近くまで小
さく集光することが可能となり、直径のより小さな孔２
１を孔あけ加工することが可能となって、加工の微細性
が向上する。

【００７３】［第２の実施形態］この第２の実施形態で
は、被加工物に対する相対的な複数の集光手段から出射
されたレーザ光の集光点の位置を変更させる手段とし
て、次の（１）の手段を含むものとしている。

【００７４】（１）複数の集光手段に入射するレーザビ
ームの入射角を変更する手段。具体的には、次の（１−
ａ）、（１−ｂ）の方法が含まれる。

【００７５】（１−ａ）レーザ光を１つ又は複数のミラ
ーを介して複数の集光手段に入射させ、当該１つ又は複
数のミラーを回転させる。

【００７６】（１−ｂ）レーザ光をウェッジ板あるいは
プリズムなどの光学部品を介して複数の集光手段に入射
させ、当該光学部品を回転させる。

【００７７】図８は、第２の実施形態に係るレーザ加工
装置１００の構成図を示しており、図８（ａ）はレーザ
加工装置１００の平面図を示し、図８（ｂ）は図８
（ａ）のＡ方向から見た図（側面図）を示している。な
お、図８（ｂ）においてはコントローラ６０は省略して
いる。

【００７８】このレーザ加工装置１００は、図２に示し
た第１の実施形態の構成において、ミラー４０及びＸＹ
ステージ５０を削除し、ミラー４１、４２を追加した構
成になっている。なお同図８（ａ）、（ｂ）において、
図２に示した構成要素と同様の機能を果たす部分には同
一の符号を付する。

【００７９】ミラー４１は、図９に示すように、図９中
のＹ軸を中心に時計方向あるいは反時計方向に所定の最
大の角度まで回転可能に設定されており、ミラー４２
は、図９中のＸ軸を中心に時計方向あるいは反時計方向
に所定の最大の角度まで回転可能に設定されている。

【００８０】コントローラ６０は、被加工物２０に対し
て予め設定された加工パターンに従った加工穴が孔あけ
加工されるように、ミラー４１、４２に対する回転移動
制御を実施する。

【００８１】ここで、レーザ光のレンズ（マイクロレン
ズ３１）への入射角が異なった場合のレーザ光の集光点
の位置について、図１０を参照して説明する。

【００８２】なお、図１０（ａ）、（ｂ）においては、
両凸レンズ３１を示しているが、平凸レンズであっても
良い。

【００８３】周知のように、図１０（ａ）に示すように
レーザ光ＬAのようにマイクロレンズ３１への入射角が
０度（レーザ光ＬAの光軸がレンズに対して垂直）の場
合には、レーザ光ＬAの集光点はマイクロレンズ３１の
中央部の真下の位置に形成され、これに対し、図１０
（ａ）に示すようにレーザ光のＬBのようにマイクロレ
ンズ３１への入射角がθ（≠０）の場合は、レーザ光Ｌ
Bの集光点はマイクロレンズ３１の中央部の真下の位置
よりも距離ｒだけズレた位置に形成される。

【００８４】ここで、図１０（ｂ）に示すように、マイ
クロレンズ３１の主点からプリント基板等の被加工物の
表面までの距離が距離ｈとした場合に、入射角θと移動
距離ｒとの関係は、次式（２）で表される。

【００８５】 θ＝ｒ／ｈ（単位：ｒａｄ）・・・（２）たとえば、ｈ＝２０ｍｍ、ｒ＝２０μｍとした場合に
は、これらの値を上記式（２）に代入して演算すること
により、θ＝１ｍｍｒａｄとなる。

【００８６】そこで、コントローラ６０がミラー４１、
４２を適宜回転制御することにより、マイクロレンズ３
１（あるいはマイクロレンズアレイ３０）から出射され
たレーザ光のビームスポットを、図１１に示すように、
移動距離ｒ＝半径ｒの円を描くように移動させることが
可能となる。この場合、原点からの半径ｒの点はビーム
スポットの中心点に対応する。

【００８７】従って、たとえば、マイクロレンズ３１の
焦点距離ｆ＝ｈ＝２０ｍｍ、マイクロレンズ３１へのレ
ーザ光の入射角θ＝１ｍｍｒａｄ、ビームスポット径ｄ
＝２０μｍの場合には、被加工物２０に、孔径Ｄ＝６０
μｍの孔を孔加工することができる。この場合、マイク
ロレンズ３１へのレーザ光の入射角θが１ｍｍｒａｄで
あるので、加工される加工孔の中心部はレーザ光が照射
されていないため、当該中心部も孔あけ加工するとき
は、マイクロレンズ３１へのレーザ光の入射角θが０と
なるように、コントローラ６０によってミラー４１、４
２を適宜回転制御する。

【００８８】このようにして、被加工物２０に対する相
対的なマイクロレンズアレイ３０から出射されたレーザ
光Ｌ１の集光点の位置を変更しながら、孔あけ加工する
ことにより、同一のレンズ（マイクロレンズ３１）を用
いて、被加工物２０に対して異なる直径（孔径）の孔を
加工することができる。

【００８９】なお、図８に示したレーザ加工装置１００
においてはミラー４１、４２を設けて、これらのミラー
を適宜回転することで、被加工物２０に対する相対的な
レーザ光の集光点の位置を変更するようにしているが、
これに限定されることなく、１つのミラーのみを設ける
ようにしても良い。この場合は、２つのミラーを適宜回
転する場合と比較して、レーザ光の集光点の位置の移動
範囲は限定される（一方向への移動となる）。

【００９０】次に、第２の実施形態の応用例について説
明する。

【００９１】図１２は、第２の実施形態に係るレーザ加
工装置１００の応用例の構成図を示している。この応用
例の装置１００は、図２に示した第１の実施形態の構成
において、ＸＹステージ５０を削除し、プリズム（ある
いはウェッジ板）８０を追加した構成になっている。な
お同図１２において、図２に示した構成要素と同様の機
能を果たす部分には同一の符号を付する。

【００９２】プリズム８０は、図１３に示すように、入
射面８１に入射するレーザ光の入射角が０度（あるいは
０ｒａｄ）の場合に、出射面８２から出射されるレーザ
光の出射角（つまりマイクロレンズ３１へのレーザ光の
入射角）がθ（≠０）（度あるいはｒａｄ）となるよう
に形成されている。

【００９３】コントローラ６０は、プリズム８０を、そ
の入射面８１に入射するレーザ光の光軸を中心に回転さ
せる。

【００９４】なお、プリズム８０は図１３中符号８３で
示される方向に回転されないように設定されているの
で、マイクロレンズ３１の中央部の真下の位置には、ビ
ームスポットの中心点は存在しないことになる。従っ
て、プリズム８０は、ビームスポットの径ｄの１／２の
長さが移動距離ｒ＝半径ｒとなるように、出射面８２か
ら出射されるレーザ光の出射角θとなるように形成され
ている必要がある。

【００９５】例えば、マイクロレンズ３１の焦点距離ｆ
＝ｈ＝２０ｍｍ、およびビームスポット径ｄ＝２０μｍ
の場合には、移動距離ｒ＝半径ｒ＝１０μｍとなる。こ
のｒの値（１０μｍ）と上記ｈの値（２０ｍｍ）を上記
式（２）に代入して演算すると、入射角θは０．５ｍｍ
ｒａｄとなる。従って、プリズム８０は、その出射面８
２から出射されるレーザ光の出射角θが０．５ｍｍｒａ
ｄとなるように形成されていた場合には、コントローラ
６０によってプリズム８０が３６０度回転されること
で、被加工物２０に対して、図１（ａ）、（ｂ）に示し
たように孔径Ｄの孔を孔あけ加工することができる。

【００９６】また、第２の実施形態においては、プリズ
ム８０を使用するようにしたが、本発明はこれに限定さ
れることなく、例えばウエッジ板、回折格子などレーザ
光の方向を変える光学部品であれば良い。

【００９７】以上説明したように第２の実施形態によれ
ば、上述した第１の実施形態の作用効果（１）、（２）
と同様の作用効果を奏する。

【００９８】［第３の実施形態］図１４は第３の実施形
態に係るレーザ加工装置２００の構成図を示している。

【００９９】このレーザ加工装置２００は、図２に示し
た第１の実施形態の構成において、遮光板９０を追加し
た構成になっている。

【０１００】遮光板９０は、図１５に示すように、被加
工物２０の照射領域に応じた領域大きさで形成され、予
め設定された加工領域に、マイクロレンズアレイ３０か
ら出射されたレーザ光が照射されないように遮光性を有
して構成されている。例えば、図１５に示すように、被
加工物２０において加工領域２０Ａに対するレーザ光を
遮光する場合は、この加工領域２０Ａに対応する遮光板
９０における遮光性を有する遮光領域９０Ａが形成され
る。また遮光板９０の遮光領域９０Ａ以外の領域は透過
性を有している。

【０１０１】この第３の実施形態では、遮光板９０と同
様の機能を有し、被加工物２０における異なった加工領
域へのレーザ光を遮光すべく遮光領域が形成されている
異なる複数の遮光板９０−１、９０−２、・・・、９０
−ｎ（ｎは整数）が用意され、適宜交換可能に設定され
ている。

【０１０２】例えば、複数の遮光板９０−１〜９０−ｎ
は、ターレットなどの回転可能な回転部材９１に載置さ
れ、被加工物２０における遮光ずべき加工領域に応じ
て、回転軸９１Ａを中心に回転部材９１が回転すること
で適宜選択されるように設定される。なお、回転部材９
１は、回転軸９１Ａが被加工物２０に対する孔あけ加工
に支障がないように配置され、コントローラ６０の制御
により回転するように設定されている。

【０１０３】コントローラ６０は、ＸＹステージ５０の
移動制御を実施するとともに、被加工物２０における遮
光すべき加工領域に応じて、その加工領域へのレーザ光
を遮光する遮光領域が形成されている遮光板を用いるべ
く、回転部材９１を回転制御する。

【０１０４】次に、遮光板を用いた孔あけ加工について
説明する。

【０１０５】ここでは、回転部材９１を回転させて、遮
光板９０−１及び遮光板９０−２を適宜選択するものと
する。

【０１０６】遮光板９０−１は斜線部分が遮光領域９０
−１Ａ（図１７（ａ）参照）に設定されており、遮光板
９０−２は斜線部分が遮光領域９０−２Ａ（図１７
（ａ）参照）に設定されている。なお、遮光領域９０−
１Ａと遮光板９０−２における遮光領域９０−２Ａ以外
の領域（図１７（ａ）中白の部分）とは同一の領域にな
るように設定されているものとする。

【０１０７】また、被加工物２０においては、図１７
（ｂ）に示すように、照射領域のうち、加工領域２０−
１と加工領域２０ー２（斜線部分）とには、各々異なる
孔径の孔を加工するものとする。ここでは、加工領域２
０−１に対してはビームスポット（集光点）を移動させ
ながら孔あけ加工し、また加工領域２０ー２に対しては
ビームスポットを移動させないで孔あけ加工するものと
する。

【０１０８】さて、コントローラ６０は、被加工物２０
が基準位置に存在するようにＸＹステージ５０を移動制
御すると共に、遮光板９０−１における遮光領域９０−
１Ａの領域が、図１７（ｂ）に示す被加工物２０の加工
領域２０−２と一致（遮光板９０−１がマイクロレンズ
アレイ３０の上方部に位置）するように、回転部材９１
を回転制御する。

【０１０９】次に、コントローラ６０は、上述した第１
の実施形態の処理と同様に、ＸＹステージ５０に対し
て、現在の位置（基準位置）を中心にして半径ｒの円を
描くべく、エキシマレーザ装置１１からパルス発振され
るレーザ光（パルス光）の１パルス毎に、角度△ω＝１
度ずつ位置が移動（ＸＹ方向に移動）するように制御す
る。

【０１１０】これにより被加工物２０においては、図１
７（ｂ）に示すように、照射領域のうち、加工領域２０
−１のみに所定の孔径の孔が孔あけ加工され、一方、加
工領域２０−２についてはレーザ光が照射されないの
で、孔あけ加工は実施されていない。

【０１１１】そして、加工領域２０−１に対する孔あけ
加工が終了したと判断したコントローラ６０は、被加工
物２０が基準位置に存在するようにＸＹステージ５０を
移動制御すると共に、遮光板９０−１に代替して、遮光
板９０−２の遮光領域９０−２Ａが被加工物２０の加工
領域２０−１と一致するように回転部材９１を回転制御
する。

【０１１２】これにより被加工物２０においては、図１
７（ｂ）に示すように、照射領域のうち、加工領域２０
−２のみにビームスポットの径と同等の孔径の孔が孔あ
け加工され、一方、加工領域２０−１についてはレーザ
光が照射されないので、孔あけ加工は実施されない。

【０１１３】以上の処理により、被加工物２０において
は、照射領域のうち、加工領域２０−１には所定の孔径
の孔が孔あけ加工され、一方、加工領域２０ー２（斜線
部分）には、ビームスポットの径と同等の孔径の孔が孔
あけ加工される。

【０１１４】勿論、加工領域２０−２においても、ＸＹ
ステージ５０が、コントローラ６０の制御にしたがっ
て、現在の位置（基準位置）を中心にして上記半径ｒと
は異なる半径Ｒの円を描くべく、エキシマレーザ装置１
１からパルス発振されるレーザ光（パルス光）の１パル
ス毎に、角度△ω＝１度ずつ位置を移動（ＸＹ方向に移
動）することにより、ビームスポットの径よりも大きい
孔径の孔を孔あけ加工することができる。

【０１１５】なお、上記第３の実施形態では、被加工物
２０を移動つまりＸＹステージ５０を移動することによ
り、被加工物２０に対するレーザ光の集光点の位置を移
動させるようにしているが、本発明はこれに限定される
ことなく、次のようにしても良い。

【０１１６】すなわち、図５に示した第１の実施形態に
係る他のレーザ加工装置のように、マイクロレンズアレ
イ３０つまりＸＹステージ７０を移動することにより、
被加工物２０に対するレーザ光の集光点の位置を移動さ
せるようにしても良い。

【０１１７】また、図８に示した第２の実施形態に係る
レーザ加工装置のように、２つのミラーを適宜回転移動
させて、被加工物２０に対するレーザ光の集光点の位置
を移動させるようにしても良い。

【０１１８】さらに、図１２に示した第２の実施形態に
係る他のレーザ加工装置のように、プリズム８０（ある
いはウェッジ板）を回転移動させることで、被加工物２
０に対するレーザ光の集光点の位置を移動させるように
しても良い。

【０１１９】以上説明したように第３の実施形態によれ
ば、上述した第１の実施形態の作用効果（１）、（２）
と同様の作用効果を得ることができることに加えて、１
つの被加工物に対して複数種類の直径の孔を加工するこ
とができると共に、複数の被加工物それぞれに、異なっ
た直径の孔を加工することができる、という作用効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の原理を
説明するための図である。

【図２】図２は第１の実施形態に係るレーザ加工装置の
構成を示す構成図である。

【図３】図３は第１の実施形態に係るレーザ加工装置で
用いたエキシマレーザ装置の構成を示す構成図である。

【図４】図４は第１の実施形態に係るレーザ光の正面視
形状を示す図である。

【図５】図５は第１の実施形態に係る他のレーザ加工装
置の要部構成を示す構成図である。

【図６】図６（ａ）、（ｂ）は第１の実施形態に係る孔
あけ加工の過程を説明するための図である。

【図７】図７（ａ）、（ｂ）は第１の実施形態に係る孔
あけ加工の過程を説明するための図である。

【図８】図８（ａ）、（ｂ）は第２の実施形態に係るレ
ーザ加工装置の構成を示す構成図である。

【図９】図９は第２の実施形態に係るミラーを用いた場
合の被加工物に対する相対的なレーザ光の集光点の位置
の変更を説明するための図である。

【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は第２の実施形態に係
る被加工物に対する相対的なレーザ光の集光点の位置の
変更を説明するための図である。

【図１１】図１１は第２の実施形態に係る所定の孔の孔
あけ加工する過程を説明するための図である。

【図１２】図１２は第２の実施形態に係る他のレーザ加
工装置の構成を示す構成図である。

【図１３】図１３は第２の実施形態に係るプリズムを用
いた場合の被加工物に対する相対的なレーザ光の集光点
の位置の変更を説明するための図である。

【図１４】図１４は第３の実施形態に係るレーザ加工装
置の構成を示す構成図である。

【図１５】図１５は第３の実施形態に係る遮光板を用い
て孔あけ加工する過程を説明するための図である。

【図１６】図１６は第３の実施形態に係る遮光板を用い
て孔あけ加工する過程を説明するための図である。

【図１７】図１７は第３の実施形態に係る遮光板を用い
て孔あけ加工する過程を説明するための図である。

【図１８】図１８は従来技術の孔あけ加工を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１１エキシマレーザ装置１２レーザチャンバ１３、１４ウィンドウ１５凸面鏡１６凹面鏡２０被加工物３０マイクロレンズアレイ３１マイクロレンズ４０、４１、４２ミラー５０、７０ＸＹステージ６０コントローラ８０プリズム９０、９０−１、９０−２、９０−ｎ遮光板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者庭月野義行神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所研究所内Ｆターム(参考） 4E068 AF00 CA09 CA11 CB05 CD01 CD10 CD14 CE04 CK01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ装置から出射されたレーザ光を被加
工物に照射して加工を行うレーザ加工装置において、前記レーザ装置と前記被加工物との間に設けられ、前記
レーザ装置からのレーザ光を集光させて被加工物に照射
する複数の集光手段を備え、前記複数の集光手段から出
射されたレーザ光の集光点の前記被加工物に対する相対
的な位置を変更させながら、前記被加工物に対する加工
処理を実施することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】前記複数の集光手段を移動する移動手段を
更に備え、前記移動手段によって前記複数の集光手段を移動するこ
とにより前記被加工物に対する相対的なレーザ光の集光
点の位置を変更させながら、前記被加工物に対する加工
処理を実施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】前記被加工物を移動する移動手段を更に備
え、前記移動手段によって前記被加工物を移動することによ
り前記被加工物に対する相対的なレーザ光の集光点の位
置を変更させながら、前記被加工物に対する加工処理を
実施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４】前記複数の集光手段に対するレーザ光の入
射角を変更する変更手段を更に備え、前記変更手段によってレーザ光の入射角を変更すること
により前記被加工物に対する相対的なレーザ光の集光点
の位置を変更させながら、前記被加工物に対する加工処
理を実施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５】前記被加工物における照射領域のうちの一
部の予め設定された加工領域に対して、レーザ光が照射
されないように遮光する遮光手段を更に備え、異なる複数の前記加工領域毎に、前記遮光手段によって
加工領域へ照射されるべくレーザ光を遮光し、前記複数
の加工領域毎に異なる加工条件で前記被加工物に対する
加工処理を実施することを特徴とする請求項１乃至４の
うちの何れかの請求項記載のレーザ加工装置。
【請求項６】前記レーザ装置は、不安定共振器を備え、
この不安定共振器によって共振されたレーザ光を出射す
ることを特徴とする請求項１乃至５のうちの何れかの請
求項記載のレーザ加工装置。