JP2006339267A - レーザビームのビーム形状検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工部を照射するレーザビームの形状を適切に評価することができるレーザビームのビーム形状検出装置を提供すること。
【解決手段】 レーザビームのビーム形状表示装置１００を、入射するレーザビーム２の一部を反射し、残りを透過させるビームスプリッタ２０と、ビームスプリッタ２０で反射されたレーザビーム２を平行なレーザビームに変換するレンズ系３０と、平行なレーザビーム２を受光するＣＣＤセンサ４０と、ＣＣＤセンサ４０の受光結果を表示する表示装置５１により構成すると共に、レンズ系３０を直線案内装置３３によりレンズ系３０の中心軸Ｏ方向に位置決め自在に構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、レーザ加工に使用されるレーザビームの光軸に直角な方向の形状を確認するためのレーザビームのビーム形状検出装置に関する。

パーソナルコンピュータや携帯電話等の電子機器は年々小型化が進み、電子部品の実装密度が高密度化している。プリント基板の場合、上側の導体層から下側の導体層に接続する接続穴を明け、この接続穴をめっきすることにより上下の導体層を電気的に接続している。実装密度を高密度化するためには、接続穴を小さくすることが有効である。そこで、パルス状のレーザにより穴を加工する。穴の断面形状としては、めっき品質を向上させるために円形が採用され、直径５０〜１００μｍの穴の加工が実用化されている。

加工部に照射するレーザビームのエネルギ強度が変動すると加工品質が低下する。そこで、レーザビームの光路中に透過形のベンディングミラーを配置し、このベンディングミラーによりレーザ発振器から出力されたレーザビームの一部を取り出し、パワーモニターによりパルスエネルギをモニタリングする技術がある（特許文献１）。
特開平９−３０８９７７号公報

めっきの信頼性を向上するためには、穴の形状をできるだけ真円に近づけることが好ましい。

しかし、特許文献１の技術では、加工部に照射されるレーザビームの形状を評価することはできない。

また、ダミーのワークを加工し、加工された穴の形状からレーザビームの形状を評価しようとしても、加工した穴の入り口付近が熱影響により変形するため、精度良く測定することはできない。

本発明の目的は、上記した課題を解決し、加工部を照射するレーザビームの形状を適切に評価することができるレーザビームのビーム形状検出装置を提供するにある。

上記した課題を解決するため、本発明は、レーザビームのビーム形状表示装置を、ベースと、入射するレーザビームの一部を反射し、残りを透過させるビームスプリッタと、拡散するレーザビームを平行なレーザビームに変換するレンズ系と、前記レンズ系を直線方向に案内する案内手段と、前記平行なレーザビームを受光する受光手段と、前記受光手段の受光結果を表示する表示手段と、を設け、前記受光手段を受光面の水平面に対する角度が予め定める角度θになるようにして前記ベースに固定し、前記レンズ系をその中心軸が前記受光面に垂直になるように位置決めすると共に、前記案内手段により前記ベース上を当該中心軸に沿って移動可能に支持させ、前記ビームスプリッタを、表面の水平面に対する角度が（θ／２＋９０）度かつ前記中心軸と交差するようにして前記ベースに固定する、ことを特徴とする。

この場合、前記ビームスプリッタの透過側にレーザビームのエネルギを吸収する吸収装置を配置することができる。

加工部に照射されるレーザビームの形状を適切に評価することができるので、加工品質を向上させることができる。

図１は本発明に係るレーザビームのビーム形状検出装置を適用するに好適なレーザ加工機の構成図、図２は本発明に係るビーム形状表示装置の正面図である。

図１において、レーザ発振器８から出射されたレーザビーム２はアパーチャ９により外形を整形され、ガルバノミラー６，７で反射されてｆθレンズ１に入射し、ｆθレンズ１により集光されてＸ−Ｙ加工テーブル４上に配置されたプリント基板３に穴を加工する。ガルバノミラー６を回転させることによりレーザビーム２をプリント基板３上のＸ方向に、また、ガルバノミラー７を回転させることによりレーザビーム２をプリント基板３上のＹ方向に、それぞれ移動させることができる。

ガルバノミラー６，７およびｆθレンズ１で定まる加工領域１１の大きさは５０ｍｍ×５０ｍｍ程度である。１つの加工領域１１の穴の加工が終了すると、Ｘ−Ｙテーブル４を移動させ、次の加工領域１１をｆθレンズ１に対して位置決めする。以下、プリント基板３全域の加工が終了するまで、上記の動作を繰り返す。

制御装置１３は、ガルバノミラー６，７、レーザ発振器８及びＣＣＤカメラ１２を制御する。

なお、Ｘ−Ｙ加工テーブル４の表面は平坦に形成されており、水平に位置決めされている。また、ｆθレンズ１はその中心軸がＸ−Ｙ加工テーブル４に対して垂直、すなわち鉛直になるように位置決めされている。また、ｆθレンズ１の焦点距離（ここでは、ｆθレンズ１の下面からの距離）はｆ１である。

図２において、ビーム形状検出装置１００のビームスプリッタ２０はホルダ２１に支持されている。ビームスプリッタ２０の水平面に対する角度はα（ここでは、１３５度）である。ビームスプリッタ２０は入射するレーザビーム２の一部（ここでは、１０％以下）を反射し、残りを透過させる。ホルダ２１に支持され、ビームスプリッタ２０の下方に配置された吸熱手段２３はビームスプリッタ２０を透過したレーザビーム２を熱に変える。

ホルダ２１はベース２４に固定されている。

複数のレンズ３１からなる集光レンズ系３０は、中心軸Ｏの前後方向が（図の紙面に垂直な方向）ビームスプリッタ２０表面の中心に垂直な軸を含む鉛直面内、かつ図中の上下方向がベース２４の下面（すなわち、Ｘ−Ｙ加工テーブル４の表面）と平行になるように位置決めされて、レンズホルダ３２に支持されている。レンズ系３０は、入射する集束光を拡大された平行光、この実施例では直径で２０倍に拡大することができる。レンズ系３０の焦点距離はｆ２である。

レンズホルダ３２は、ベアリング３３ａと軌道３３ｂとからなる直線案内装置３３のベアリングに３３ａに支持され、ベース２４上を図の左右方向に位置決め自在である。

軌道３３ｂは、ベアリング３３ａがビームスプリッタ２０表面の中心に垂直な軸を含む鉛直面内を移動するように位置決めされ、ベース２４に固定されている。

ＣＣＤセンサ４０は、表面の水平面に対する角度がθ（ここでは、９０度）かつ表面の中心に垂直な軸が中心軸Ｏと同軸になるようにしてセンサホルダ４１に保持されている。ＣＣＤセンサ４０の分解能は７μｍ、すなわち表面に配置された受光素子の大きさは１辺が７μｍである。ＣＣＤセンサ４０の受光素子は、入射光の強度に応じた信号を制御装置５０に出力する。

センサホルダ４１はベース２４に固定されている。

制御装置５０は、ＣＣＤセンサ４０の出力を表示装置５１に表示させる。表示装置５１の表面には十字形のスケールが設けられており、受光結果を容易に評価できるようになっている。

次に、この実施形態の動作を説明する。
図３は、本発明における光学系の模式図である。
ビーム形状検出装置１００をｆθレンズ１の下方に位置決めする。このとき、ビームスプリッタ２０表面の中心をｆθレンズ１の中心軸Ｐに交差させる。

次に、ビームスプリッタ２０の表面の中心に関して焦点Ｆ１を９０度回転させた位置である点Ａにレンズ系３０の焦点を位置決めする。

この状態で、レーザビーム２を照射する。

ｆθレンズ１に入射するレーザビーム２は平行光である。平行光のレーザビーム２はｆθレンズ１により、ｆθレンズ１の焦点Ｆ１を通るように集光され、一部はビームスプリッタ２０を透過して吸熱手段２３に入射し、熱に変えられる。また、ビームスプリッタ２０により反射されたレーザビーム２は、点Ａに集光された後、再び拡散して点Ａからｇの距離にある点Ｂの位置にアパーチャ９の像を結像する（通常、点Ａと点Ｂ間の距離は０．１〜０．３ｍｍ程度である）。そして、さらに拡散してレンズ系３０に入射する。レンズ系３０の焦点は点Ａに位置決めされているので、レンズ系３０から出射するレーザビーム２は平行光になってＣＣＤセンサ４０に入射する。

この実施形態の場合、レンズ系３０によりレーザビームは直径方向に２０倍に拡大されるので、点Ｂにおける像の大きさが例えば直径５０μｍである場合、ＣＣＤセンサ４０に入射するレーザビーム２の直径は拡大されて１ｍｍになる。

ＣＣＤセンサ４０の分解能が７μｍであっても、レンズ系３０によりレーザビームが拡大されるので、見かけ上の分解能は０．０３５μｍになる。したがって、レーザビーム２の形状をほぼ正確に再現することができる。

制御装置５０は、ＣＣＤセンサ４０から出力される結果に基づき、ＣＣＤセンサ４０の出力をさらに２０〜４０倍にして表示装置５１に表示させる。

直径が１ｍｍのビーム形状を目視で評価する場合には評価の信頼性が低下するが、表示装置５１に表示されるビーム形状は目視であっても、評価の信頼性を容易に向上させることができる。

また、ビーム形状をワークに最も近い位置で評価するので、ｆθレンズ１およびレーザ発振器８からｆθレンズ１に至る光学系の影響を受けることがない。

なお、ビーム形状がいびつであった場合は、例えば、光路系に配置されている図示を省略する鏡の位置や反射角度を修正する。

本発明に係るレーザビームのビーム形状検出装置を適用するに好適なレーザ加工機の構成図である。 本発明に係るビーム形状表示装置の正面図である。 本発明における光学系の模式図である。

符号の説明

２ レーザビーム
２０ ビームスプリッタ
３０ レンズ系
３３ 直線案内装置
４０ ＣＣＤセンサ
５１ 表示装置
１００ レーザビームのビーム形状表示装置
Ｏ レンズ系３０の中心軸

Claims (2)

1. 入射するレーザビームの一部を反射し、残りを透過させるビームスプリッタと、
   拡散するレーザビームを平行なレーザビームに変換するレンズ系と、
   前記レンズ系を直線方向に案内する案内手段と、
   前記平行なレーザビームを受光する受光手段と、
   前記受光手段の受光結果を表示する表示手段とが、ベース上に設けられたレーザビームのビーム形状検出装置において、
   前記受光手段を受光面の水平面に対する角度が予め定める角度θになるようにして前記ベースに固定し、前記レンズ系をその中心軸が前記受光面に垂直になるように位置決めすると共に、前記案内手段により前記ベース上を当該中心軸に沿って移動可能に支持させ、前記ビームスプリッタを、表面の水平面に対する角度が（θ／２＋９０）度かつ前記中心軸と交差するようにして前記ベースに固定することを特徴とするレーザビームのビーム形状検出装置。
2. 前記レーザビームのエネルギを吸収する吸収装置をさらに備え、この吸収装置を前記ビームスプリッタの透過側に配置することを特徴とする請求項１に記載のレーザビームのビーム形状表示装置。

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