JP2010046701A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、かつ、設計変更をしなくても様々な用途で使用することが可能なレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】レーザ加工装置は、複数の半導体レーザ４と、複数の半導体レーザ４から射出されるレーザ光を被加工物に集光する集光部材と、複数の半導体レーザ４のそれぞれを保持するレーザ保持部材７と、レーザ保持部材７が取り付けられる取付部材８とを備えている。レーザ保持部材７には、凸曲面２１ｃが形成され、取付部材８には、凸曲面２１ｃに当接する凹曲面２３ｂが形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ光で被加工物を加工するレーザ加工装置に関する。

複数の半導体レーザから射出されるレーザ光を用いて被加工物を加工するレーザ加工装置が従来から広く利用されている。この種のレーザ加工装置として、被加工物である記録媒体上に画像を描くレーザ描画装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載のレーザ描画装置は、半導体レーザをそれぞれ有する３つのレーザ光学系を備えている。この３つのレーザ光学系は、３つのレーザ光学系の中心軸に向かってそれぞれ等しい角度だけ傾斜した状態で固定されている。また、３つのレーザ光学系の傾斜角度は、各レーザ光学系から出たレーザ光が生成する記録媒体上の光スポットが記録媒体上で重なるような角度に設定されている。

特開平８−３０９５７４号公報

近年、レーザ加工装置の用途は多様化している。しかしながら、特許文献１に記載のレーザ描画装置では、３つのレーザ光学系の中心軸に向かって一定の角度だけ傾斜した状態でレーザ光学系が固定されているため、各レーザ光学系から射出されるレーザ光の記録媒体上での集光位置や強度分布等は一定（固定）となる。すなわち、特許文献１に記載のレーザ描画装置のように構成されたレーザ加工装置では、複数の半導体レーザが配置されているにもかかわらず、被加工物に照射されるレーザ光の特性が一定となり、用途ごとに個別の設計を行わないと様々な用途で使用することは困難である。

そこで、本発明の課題は、簡易な構成で、かつ、設計変更をしなくても様々な用途で使用することが可能なレーザ加工装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明のレーザ加工装置は、複数の半導体レーザと、複数の半導体レーザから射出されるレーザ光を被加工物に集光する集光部材と、複数の半導体レーザのそれぞれを保持するレーザ保持部材と、レーザ保持部材が取り付けられる取付部材とを備え、レーザ保持部材または取付部材のいずれか一方には、凸曲面が形成され、レーザ保持部材または取付部材のいずれか他方には、凸曲面に当接する凹曲面または凸曲面に当接するとともに円錐台状に形成される円錐台面が形成されていることを特徴とする。本発明において、取付部材は、たとえば、集光部材を保持する集光部材保持部材である。

本発明のレーザ加工装置では、レーザ保持部材または取付部材のいずれか一方に凸曲面が形成され、いずれか他方に凸曲面に当接する凹曲面または凸曲面に当接するとともに円錐台状に形成される円錐台面が形成されている。そのため、凹曲面または円錐台面と凸曲面とを利用して、半導体レーザの光軸の傾きの調整や、半導体レーザの光軸回りの取付方向の調整を複数の半導体レーザごとに容易かつ適切に行うことができる。すなわち、凹曲面または円錐台面と凸曲面とを利用して、半導体レーザから射出されるレーザ光の被加工物上での集光位置や強度分布等の各種の特性を複数の半導体レーザごとに任意に調整した後に、レーザ保持部材を取付部材に固定することができる。したがって、本発明では、凹曲面または円錐台面と凸曲面とを用いた簡易な構成で、かつ、設計変更をしなくても、レーザ加工装置を様々な用途で使用することが可能になる。

本発明において、レーザ保持部材には、半導体レーザから射出されるレーザ光を平行光とするコリメータレンズが取り付けられていることが好ましい。このように構成すると、半導体レーザとコリメータレンズとを一緒に移動させて各種の特性を調整することができるため、レーザ加工装置の組立時における調整作業が容易になる。

本発明において、レーザ保持部材の、半導体レーザのレーザ光の射出方向端側に、凸曲面または凹曲面あるいは円錐台面が形成され、レーザ保持部材の、半導体レーザのレーザ光の反射出方向端側に、レーザ保持部材を把持するためのチャック部が形成されていることが好ましい。このように構成すると、チャック機構を有する所定の調整機構を用いてレーザ保持部材の調整（すなわち、半導体レーザの調整）を行うことができる。したがって、レーザ加工装置の組立時における半導体レーザの調整作業が容易になる。

本発明において、レーザ加工装置は、被加工物で反射されるレーザ光の画像を取り込むための撮像装置と、半導体レーザと集光部材との間に配置され被加工物で反射されるレーザ光を撮像装置に向かって反射する反射光学部材とを備えることが好ましい。このように構成すると、被加工物へ向かうレーザ光の光軸上に反射光学部材が配置されているため、被加工物上でのレーザ光の画像を撮像装置で精度良く取得することが可能になる。したがって、撮像装置で取得される画像を用いて半導体レーザの焦点位置を精度良く調整することが可能になる。

本発明において、被加工物を加工する際に半導体レーザから射出されるレーザ光は、可視光であることが好ましい。このように構成すると、可視光によって、被加工物の加工と半導体レーザの焦点位置の調整とを行うことができる。また、被加工物を加工する際に半導体レーザから射出されるレーザ光が非可視光である場合には、焦点位置の調整用に可視光を射出する半導体レーザが別途、必要となるが、このように構成すると、調整用の半導体レーザを別途、設ける必要がなくなるため、レーザ加工装置の構成を簡素化することができる。また、被加工物を加工する際に半導体レーザから射出されるレーザ光が非可視光である場合には、調整時の可視光の焦点位置と、加工時の非可視光の焦点位置との光軸方向におけるずれを考慮した設計が必要となるが、このように構成すると、その必要がなくなる。

本発明において、レーザ加工装置は、半導体レーザと被加工物との間に配置される波長板を備えることが好ましい。このように構成すると、波長板によってレーザ光の偏光方向を調整して、被加工物に効率良くレーザ光を照射して、レーザ光のエネルギーを吸収させることができる。また、レーザ光の偏光方向とレーザ光の強度分布とを別々に調整することができる。

本発明において、たとえば、被加工物は、電子部品が搭載される基板であり、レーザ加工装置は、基板上に配置される半田を溶融させて電子部品と基板とを接合するレーザ半田付け装置であり、複数の半導体レーザのそれぞれのレーザ光の基板上での集光位置がずれていることが好ましい。このように構成すると、レーザ光が照射される半田の局所的でかつ急激な温度上昇を防止することが可能になる。したがって、半田付け時にレーザ光が照射される半田が飛び散って、基板上にボール半田が発生するのを抑制することが可能になる。また、レーザ光の照射範囲を広げることができるため、半田全体に短時間で熱を伝えることが可能になり、半田の溶融時間を短縮することが可能になる。

なお、上述のように、複数の半導体レーザから射出されるレーザ光を用いて記録媒体上に画像を描くレーザ描画装置は、特許文献１で提案されているが、複数の半導体レーザから射出されるレーザ光を用いて基板上に配置される半田を溶融させて電子部品と基板とを接合するレーザ半田付け装置の具体的な構成は、従来、提案されていない。

以上のように、本発明のレーザ加工装置では、簡易な構成で、かつ、設計変更をしなくても様々な用途で使用することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（レーザ加工装置の概略構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置１の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示すレーザ加工装置１の内部構成を説明するための断面図である。図３は、図１に示すレーザ保持部材７の内部を示す縦断面斜視図である。

本形態のレーザ加工装置１は、被加工物（ワーク）２に対してレーザ光を照射して各種の加工を行う装置である。たとえば、ワーク２は、所定の電子部品（図示省略）が搭載される基板であり、レーザ加工装置１は、ワーク２としての基板の上に配置される半田を溶融させて電子部品と基板とを接合するレーザ半田付け装置である。また、レーザ加工装置１は、たとえば、ワーク２の表面に印字や描画を行うレーザマーカ装置、複数のワーク２を接合するレーザ接合装置、ワーク２を切断するレーザ切断装置あるいはワーク２の表面を所定形状に加工するレーザ表面加工装置である。なお、本形態では、レーザ光が照射されて加工される物質は、比較的融点の低い物質であり、たとえば、半田等の金属や樹脂である。

このレーザ加工装置１は、図１〜図３に示すように、複数の半導体レーザ（レーザダイオード）４と、半導体レーザ４から射出されるレーザ光（発散光）を平行光にするコリメータレンズ５と、複数の半導体レーザ４から射出されるレーザ光をワーク２に集光する集光部材としての集光レンズ（対物レンズ）６と、複数の半導体レーザ４のそれぞれを保持するレーザ保持部材７と、集光部材である集光レンズ６を保持する集光部材保持部材としてのレンズ保持部材８とを備えている。本形態では、後述のように、レンズ保持部材８にレーザ保持部材７が取り付けられており、本形態のレンズ保持部材８は、レーザ保持部材７が取り付けられる取付部材となっている。

また、レーザ加工装置１は、ワーク２が載置されるテーブル１１と、ワーク２で反射されるレーザ光の画像を取り込むための撮像装置１２と、ワーク２で反射されるレーザ光を撮像装置１２に向けて反射する反射光学部材としてのプリズム１３とを備えている。

図１に示すように、レーザ加工装置１はたとえば、７個の半導体レーザ４を備えており、７個の半導体レーザ４のうち、６個の半導体レーザ４が円環状に配置され、残りの１個の半導体レーザ４が円環状に配置される６個の半導体レーザ４の中心部に配置されている。半導体レーザ４は、所定のケーブル１４を介して、電源１５（図９参照）および制御部１６（図９参照）に接続されている。電源１５および制御部１６は、図１に示すように、制御ボックス１７の中に配置されている。

半導体レーザ４は、図２の下方向に向かってレーザ光を射出するように、レーザ保持部材７に保持されている。また、コリメータレンズ５は、光軸方向（図２の上下方向）において、半導体レーザ４と集光レンズ６との間に配置され、レーザ保持部材７に保持されている。本形態の半導体レーザ４は、ワーク２を加工する際に可視領域のレーザ光を射出する。すなわち、ワーク２の加工時に半導体レーザ４が射出するレーザ光は可視光である。なお、ワーク２の加工時に半導体レーザ４が射出するレーザ光は赤外光であっても良い。

レーザ保持部材７は、図３に示すように、半導体レーザ４が取り付けられるレーザ取付部２０と、コリメータレンズ５が取り付けられるレンズ取付部２１とを備えている。レーザ取付部２０とレンズ取付部２１とは、接着で固定されている。このレーザ保持部材７の詳細な構成については後述する。

レンズ保持部材８は、図２に示すように、略有底円筒状に形成された筒部２２と、複数のレーザ保持部材７が取り付けられる保持部材取付部２３とを備えている。筒部２２の底面（図２の下面）には、集光レンズ６からワーク２へ向かう光が通過する貫通孔２２ａが形成されている。集光レンズ６は、球面と平面とを有する平凸状に形成された球面レンズであり、貫通孔２２ａの上端に固定されている。また、筒部２２の側面には、プリズム１３で反射され撮像装置１２へ向かう光が通過する貫通孔２２ｂが形成されている。なお、集光レンズ６は、集光機能を有しているのであれば、どのような形状であっても良い。

保持部材取付部２３は、略円板状に形成され、筒部２２の上端に固定されている。この保持部材取付部２３の詳細な構成については後述する。

撮像装置１２は、たとえば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を有するカメラであり、入射する光をデジタル信号に変換する。この撮像装置１２は、筒部２２の側方（具体的には、貫通孔２２ｂの側方）に配置されている。プリズム１３は、保持部材取付部２３の下面に固定されており、図２に示すように、中心部に配置される半導体レーザ４と集光レンズ６との間に配置されている。なお、プリズム１３は、ワーク２で反射されるレーザ光を撮像装置１２に向けて反射することができる位置であれば、任意の位置に配置されても良い。

テーブル１１は、図示を省略する移動機構に連結されており、図２の上下方向、左右方向および紙面垂直方向に移動可能となっている。なお、テーブル１１に移動機構が連結される代わりに、レンズ保持部材８に移動機構が連結され、レンズ保持部材８が、図２の上下方向、左右方向および紙面垂直方向に移動可能となっていても良い。また、テーブル１１は、図２の上下方向、左右方向および／または紙面垂直方向を軸方向として回動可能となっていても良い。

本形態のレーザ加工装置１では、半導体レーザ４から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ５で平行光になった後に、集光レンズ６に入射する。本形態では、中心部に配置される半導体レーザ４の光軸と集光レンズ６の中心とがほぼ一致しており、この半導体レーザ４から射出されたレーザ光は、集光レンズ６の中心部分に入射する。一方、円環状に配置される６個の半導体レーザ４から射出されたレーザ光は、集光レンズ６の周辺部分に入射する。

集光レンズ６を通過したレーザ光は、ワーク２に集光する（すなわち、ワーク２に照射される）。また、ワーク２で反射されたレーザ光は、集光レンズ６を通過した後、プリズム１３で反射されて、撮像装置１２に入射する。

（レーザ保持部材および保持部材取付部の構成）
図４は、図１に示すレーザ保持部材７の内部およびその周辺部を示す縦断面図である。

レーザ保持部材７は、上述のように、レーザ取付部２０とレンズ取付部２１とを備えている。また、レンズ保持部材８は、保持部材取付部２３を備えている。なお、半導体レーザ４は、図４の下方向に向かってレーザ光を射出するため、以下の説明では、図４の下側を「射出方向」側とし、図４の上側を「反射出方向」側とする。

レーザ取付部２０は、図３、図４に示すように、段付の略円筒状に形成されている。すなわち、レーザ取付部２０には、半導体レーザ４が固定される段付のレーザ固定孔２０ａが光軸Ｌ方向に貫通するように形成されるとともに、レーザ取付部２０の外周面は、外径の異なる３個の円周面２０ｂ、２０ｃ、２０ｄによって構成されている。

円周面２０ｂ〜２０ｄは、射出方向端から反射出方向端に向かって、この順番で形成されている。また、円周面２０ｃの外径は、円周面２０ｂの外径よりも小さく、円周面２０ｄの外径は、円周面２０ｃの外径よりも小さくなっている。

本形態では、円周面２０ｃ、２０ｄが形成された部分（または、円周面２０ｃが形成された部分あるいは円周面２０ｄが形成された部分）は、図示を省略するチャック機構によって把持される。すなわち、この部分は、レーザ保持部材７を把持するためのチャック部となっている。このように、本形態では、レーザ保持部材７の、レーザ光の反射出方向端側に、レーザ保持部材７を把持するためのチャック部が形成されている。

レンズ取付部２１には、図３、図４に示すように、コリメータレンズ５が固定されるレンズ固定孔２１ａが光軸Ｌ方向に貫通するように形成されている。また、レンズ取付部２１の外周面は、反射出方向端側に形成される円周面２１ｂと、射出方向端側に形成される凸曲面２１ｃとから構成されている。

円周面２１ｂの径は、レーザ固定孔２０ａの射出方向端側の内径よりも小さく形成されており、レンズ取付部２１の反射出方向端は、レーザ固定孔２０ａの射出方向端側の中に配置されている。凸曲面２１ｃは、図４に示すように、図４の斜め下方向に向かって膨らむ曲面状に形成されている。また、凸曲面２１ｃは、光軸Ｌ方向に直交する方向から見たときの形状が円弧状となるように形成されている。本形態では、凸曲面２１ｃの曲率半径の中心が半導体レーザ４のレーザ光の発光点に近傍に配置されるように、凸曲面２１ｃが形成されている。なお、凸曲面２１ｃの曲率半径の中心は、半導体レーザ４のレーザ光の発光点と一致していることが好ましい。

上述のように、レーザ取付部２０とレンズ取付部２１とは、接着で固定されている。具体的には、半導体レーザ４とコリメータレンズ５との位置合わせを行った後に、レーザ取付部２０とレンズ取付部２１とは接着で固定される。

保持部材取付部２３には、複数のレーザ保持部材７が取り付けられる取付孔２３ａが保持部材取付部２３を光軸Ｌ方向で貫通するように形成されている。取付孔２３ａの反出力方向端には、図４に示すように、凸曲面２１ｃに当接する凹曲面２３ｂが形成されている。

凹曲面２３ｂは、図４に示すように、図４の斜め下方向に向かって窪む曲面状に形成されている。また、凹曲面２３ｂは、光軸Ｌ方向に直交する方向から見たときの形状が円弧状となるように形成されている。この凹曲面２３ｂの曲率は、凸曲面２１ｃの曲率とほぼ等しくなっており、図４（Ｂ）に示すように、凸曲面２１ｃと凹曲面２３ｂとを当接させながらレーザ保持部材７を動かすことで、保持部材取付部２３に対する光軸Ｌの傾きを調整したり、光軸Ｌ回りの半導体レーザ４の取付方向を調整することが可能になっている。

本形態では、レーザ保持部材７と保持部材取付部２３とは、接着で固定されている。具体的には、以下のように、半導体レーザ４の光軸Ｌの傾きの調整（図３のθｘ方向、θｙ方向等の調整）および光軸Ｌ回りの取付位置の調整を行った後に、レーザ保持部材７と保持部材取付部２３とが接着で固定される。以下、半導体レーザ４の調整に関して説明する。

（半導体レーザの調整）
図５は、図１に示す複数の半導体レーザ４から射出されワーク２に集光されるレーザ光のスポット形状の一例を示す図である。図６は、図１に示す複数の半導体レーザ４から射出されワーク２に集光されるレーザ光のスポット形状の他の例を示す図である。図７は、図１に示す複数の半導体レーザ４から射出されワーク２に集光されるレーザ光の集光位置と強度分布との関係の一例を説明するための図であり、（Ａ）はレーザ光の集光位置を説明するための模式図、（Ｂ）はレーザ光の強度分布を説明するためのグラフ、（Ｃ）は（Ｂ）のＥ部の拡大図である。図８は、図１に示す複数の半導体レーザ４から射出されワーク２に集光されるレーザ光の集光位置と強度分布との関係の他の例を説明するための図であり、（Ａ）はレーザ光の集光位置を説明するための模式図、（Ｂ）はレーザ光の強度分布を説明するためのグラフ、（Ｃ）は（Ｂ）のＦ部の拡大図である。

上述のように、レーザ保持部材７と保持部材取付部２３とを接着で固定する前には、半導体レーザ４の光軸Ｌの傾きの調整と、半導体レーザ４の光軸Ｌ回りの取付位置の調整が行われる。これらの調整は、撮像装置１２で取得される画像を確認しながら行われる。また、これらの調整は、レーザ保持部材７のチャック部を把持するチャック機構を有する所定の調整機構を用いて、凸曲面２１ｃと凹曲面２３ｂとを当接させながらレーザ保持部材７を動かすことで、行われる。

なお、本形態では、上述のように、７個の半導体レーザ４のうち、６個の半導体レーザ４が円環状に配置され、残りの１個の半導体レーザ４が円環状に配置される半導体レーザ４の中心部に配置されている。そのため、図５に示すように、中心部に配置された半導体レーザ４から射出されワーク２に集光されるレーザ光のスポット形状は円形になり、円環状に配置された半導体レーザ４から射出されワーク２に集光されるレーザ光のスポット形状は楕円形になる。また、半導体レーザ４のレーザ光の強度分布は楕円のガウス分布であることが一般的に知られている。

光軸Ｌの傾きの調整は、レーザ加工装置１の用途に応じて、図７（Ａ）に示すように、複数の半導体レーザ４から射出されるレーザ光のそれぞれの、ワーク２の加工面上での集光位置の全てが一点ｆ０に集中するように行う。あるいは、光軸Ｌの傾きの調整は、レーザ加工装置１の用途に応じて、複数の半導体レーザ４から射出されるレーザ光のそれぞれの、ワーク２の加工面上での集光位置がずれるように行う。たとえば、図８（Ａ）に示すように、円環状に配置された半導体レーザ４から射出されるレーザ光のワーク２の加工面上での集光位置の中心Ｃが、中心部に配置された半導体レーザ４から射出されるレーザ光のワーク２の加工面上での集光位置ｆ１の周りに円環状に配置されるように、光軸Ｌの傾きの調整を行う。

たとえば、ワーク２が電子部品が搭載される基板であり、レーザ加工装置１がワーク（基板）２の上に配置される半田を溶融させて電子部品とワーク（基板）２とを接合するレーザ半田付け装置である場合には、図８（Ａ）に示すように、円環状に配置された半導体レーザ４から射出されるレーザ光のワーク２の加工面上での集光位置の中心Ｃが、中心部に配置された半導体レーザ４から射出されるレーザ光のワーク２の加工面上での集光位置ｆ１の周りに円環状に配置されるように、光軸Ｌの傾きの調整を行う。

図７（Ｂ）、図８（Ｂ）からわかるように、複数の半導体レーザ４から射出されるレーザ光の集光位置の全てが一点ｆ０に集中している場合と比較して、複数の半導体レーザ４から射出されるレーザ光の集光位置がずれている場合には、レーザ光の合計強度のピークＰは低くなる。また、図７（Ｃ）、図８（Ｃ）からわかるように、レーザ光の集光位置の全てが一点ｆ０に集中している場合と比較して、レーザ光の集光位置がずれている場合には、レーザ光の合計強度のピークＰ近傍の増減率が緩やかになり、ピークＰ近傍の合計強度の分布が均一化される。

一方、半導体レーザ４の光軸Ｌ回りの取付位置の調整は、楕円状に形成されるレーザ光の強度分布を光軸Ｌ回りに調整して、レーザ光でワーク２を効率の良く加工するために行う。たとえば、図６（Ａ）に示すように、加工点（図６（Ａ）の原点）から分散しているレーザ光のスポット径が、図６（Ｂ）に示すように、加工点に集中するように、半導体レーザ４の光軸Ｌ回りの取付位置の調整を行う。このように、加工点から分散しているレーザ光のスポット径が加工点に集中するように半導体レーザ４の光軸Ｌ回りの取付位置の調整を行うことで、レーザ光の強度分布を加工点に集中させることができる。すなわち、半導体レーザ４の光軸Ｌ回りの取付位置の調整を行うことで、レーザ光のエネルギーを加工点に集中させることができる。すなわち、本形態では、円環状に配置された半導体レーザ４のレーザ光のスポット径内（楕円スポット径内）でレーザ光の強度分布の向きを任意に調整することができ、より微小スポットにエネルギーを集中させることが可能になる。

なお、組立後のレーザ加工装置１でワーク２の加工を行う前に行われる半導体レーザ４のレーザ光の焦点位置の調整では、中心部に配置される半導体レーザ４から可視領域のレーザ光を射出させる。また、ワーク２で反射されたこのレーザ光の画像を撮像装置１２で取得して、この画像を確認しながら、テーブル１１あるいはレンズ保持部材８を図２の上下方向に移動させる。

（半導体レーザの制御部の構成）
図９は、図１に示す半導体レーザ４の制御部１６およびその周辺部の構成を示すブロック図である。図１０は、図９に示す制御部１６およびその周辺部の回路図である。

半導体レーザ４の制御部１６は、図９に示すように、マイクロプロセッサー３０と、マイクロプロセッサー３０に接続される制御回路３１と、制御回路３１に接続される定電流回路３２と、定電流回路３２に接続されるとともに半導体レーザ４が接続される保護回路３３とを備えている。

本形態の制御部１６は、半導体レーザ４の数と同じ７個の制御回路３１、定電流回路３２および保護回路３３を備えている。また、７個の制御回路３１が１個のマイクロプロセッサー３０に接続されており、制御部１６では、１個のマイクロプロセッサー３０からの制御信号で、半導体レーザ４ごとのオンオフ制御を行うことが可能となっている。また、本形態では、１個の電源１５に７個の制御回路３１が接続されている。

マイクロプロセッサー３０は、ＣＰＵ等の演算手段、ＥＥＰＲＯＭ等の記憶手段、Ｉ／Ｏポートの入出力手段およびＡＤコンバータ、ＤＡコンバータ等の信号変換手段を備えている。マイクロプロセッサー３０には、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３５と、外部スイッチ３６とが接続されている。また、マイクロプロセッサー３０には、半導体レーザ４の温度を検出するためのサーミスタ３７が接続されている。

本形態では、マイクロプロセッサー３０の記憶手段に半導体レーザ４の複数の制御条件が記憶されており、ＰＣ３５あるいは外部スイッチ３６を操作することで、記憶された制御条件に応じた半導体レーザ４の制御を行うことが可能になっている。

また、本形態では、ＰＣ３５によって、半導体レーザ４の各種の制御を行うことが可能になっている。たとえば、ＰＣ３５によって、半導体レーザ４のオンオフ制御を行うことが可能になっている。また、たとえば、複数の半導体レーザ４のうち、いくつの半導体レーザ４をオンの状態とするか、どのタイミングで半導体レーザ４をオンするか、あるいは、半導体レーザ４の予熱時間の長さをどのようにするか等の制御をＰＣ３５で行うことが可能になっている。

サーミスタ３７は、たとえば、レーザ保持部材７の中に配置され、半導体レーザ４の近傍に配置されている。本形態では、サーミスタ３７での検出結果に基づいてマイクロプロセッサー３０で半導体レーザ４の温度が算出される。また、算出された半導体レーザ４の温度が規定温度以上である場合には、半導体レーザ４への通電が停止される。

制御回路３１は、マイクロプロセッサー３０から入力される制御信号（デジタル信号）に基づいて半導体レーザ４を制御するための回路である。この制御回路３１は、図１０に示すように、オペアンプ、トランジスタ、コンデンサおよび抵抗等によって構成されている。また、制御回路３１は、半導体レーザ４がレーザ光の射出を開始する際のサージ（瞬間的に発生する異常な電圧）から半導体レーザ４を保護するためのスロースタータ部３８を備えている。

定電流回路３２は、電源１５の電圧や温度の変動に左右されずに、半導体レーザ４に一定の安定した電流を流すための回路である。この定電流回路３２は、図１０に示すように、トランジスタ、コンデンサおよび抵抗等によって構成されている。保護回路３３は、レーザ光を射出しているときの半導体レーザ４に異常電流がかからないようにして、半導体レーザ４を保護するための回路である。この保護回路３３は、図１０に示すように、サイリスタ、トランジスタおよび抵抗等によって構成されている。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、レーザ保持部材７に凸曲面２１ｃが形成され、レンズ保持部材８に凸曲面２１ｃに当接する凹曲面２３ｂが形成されている。そのため、上述のように、凸曲面２１ｃと凹曲面２３ｂとを当接させながらレーザ保持部材７を動かすことで、半導体レーザ４の光軸Ｌの傾きの調整や半導体レーザ４の光軸Ｌ回りの取付方向の調整を半導体レーザ４ごとに容易かつ適切に行うことができる。すなわち、凸曲面２１ｃと凹曲面２３ｂとを利用して、半導体レーザ４から射出されるレーザ光のワーク２上での集光位置や強度分布等の各種の特性を半導体レーザ４ごとに任意に調整した後に、レーザ保持部材７をレンズ保持部材８に固定することができる。したがって、本形態では、凸曲面２１ｃと凹曲面２３ｂとを用いた簡易な構成で、かつ、設計変更をしなくても、レーザ加工装置１を様々な用途で使用することが可能になる。

本形態では、コリメータレンズ５がレーザ保持部材７に取り付けられている。そのため、半導体レーザ４とコリメータレンズ５とを一緒に移動させて各種の特性を調整することができる。したがって、レーザ加工装置１の組立時における調整作業が容易になる。

本形態では、レーザ保持部材７の反射出方向端側に、レーザ保持部材７を把持するためのチャック部が形成されている。そのため、上述のように、チャック機構を有する所定の調整機構を用いてレーザ保持部材７の調整（すなわち、半導体レーザ４の調整）を行うことができる。したがって、レーザ加工装置１の組立時における半導体レーザ４の調整作業が容易になる。

本形態では、ワーク２で反射されるレーザ光を撮像装置１２に向けて反射するプリズム１３が、中心部に配置される半導体レーザ４と集光レンズ６との間に配置されている。すなわち、中心部に配置される半導体レーザ４からワーク２へ向かうレーザ光の光軸Ｌ上にプリズム１３が配置されている。また、本形態では、上述のように、レーザ加工装置１でワーク２の加工を行う前に行われる半導体レーザ４のレーザ光の焦点位置の調整は、中心部に配置される半導体レーザ４から射出されワーク２で反射された可視領域のレーザ光の画像を確認しながら行われる。

そのため、レーザ光の焦点位置を調整するためのレーザ光の画像を精度良く取得することができ、撮像装置１２で取得される画像を用いて半導体レーザ４の焦点位置を精度良く調整することができる。また、本形態では、ワーク２を加工する際に半導体レーザ４から射出されるレーザ光は、可視光であるため、半導体レーザ４の焦点位置を調整したときのレーザ光と同じ可視光でワーク２を加工することができる。したがって、光軸Ｌ方向における加工時のレーザ光の焦点位置のずれを防止することができる。

ここで、半導体レーザ４に代えてＹＡＧレーザやＣＯ２レーザが配置される場合には、ワーク２を加工する際にこれらのレーザから射出されるレーザ光は、非可視光である。そのため、この場合には、焦点位置の調整用に可視光を射出するレーザが別途、必要となる。また、この場合には、たとえば、波長が６００〜７００ｎｍの調整用の可視光の焦点と、波長が１μｍの加工用の非可視光の焦点とが光軸方向でずれてしまうため、可視光を用いて焦点位置の調整を行っても、加工用の非可視光の焦点位置がずれてしまう。したがって、この場合には、レーザ光の焦点位置の調整に時間がかかる。これに対して、本形態では、ワーク２を加工する際に半導体レーザ４から射出されるレーザ光は、可視光であるため、撮像装置１２で取得された画像を確認しながら、レーザ光の焦点位置を容易に調整することができる。

本形態では、上述のように、たとえば、レーザ加工装置１が、ワーク（基板）２上に配置される半田を溶融させて電子部品とワーク（基板）２とを接合するレーザ半田付け装置である場合には、図８（Ａ）に示すように、円環状に配置された半導体レーザ４から射出されるレーザ光のワーク２の加工面上での集光位置の中心Ｃが、中心部に配置された半導体レーザ４から射出されるレーザ光のワーク２の加工面上での集光位置ｆ１の周りに円環状に配置されるように、光軸Ｌの傾きの調整を行っている。そのため、レーザ光が照射される半田の局所的でかつ急激な温度上昇を防止することができる。したがって、この場合には、半田付け時にレーザ光が照射される半田が飛び散って、基板上にボール半田が発生するのを軽減することができる。また、この場合には、レーザ光の照射範囲を広げることができるため、半田全体に短時間で熱を伝えることができ、半田の溶融時間を短縮することができる。

本形態では、６個の半導体レーザ４が円環状に配置され、残りの１個の半導体レーザ４が円環状に配置される６個の半導体レーザ４の中心部に配置されている。また、中心部に配置される半導体レーザ４から射出されたレーザ光は、集光レンズ６の中心部分に入射し、円環状に配置される６個の半導体レーザ４から射出されたレーザ光は、集光レンズ６の周辺部分に入射する。そのため、図１１（Ｃ）に示すように、ワーク２の加工面上で複数のレーザ光のスポットが最も接近しているときに、７個の半導体レーザ４による光軸方向におけるワーク２の最適な加工位置にワーク２の加工面が配置されていると言える。すなわち、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ワーク２の加工面上で複数のレーザ光のスポットが離れているときには、７個の半導体レーザ４による光軸方向におけるワーク２の最適な加工位置にワーク２の加工面が配置されているとは言えない。

したがって、本形態では、複数のレーザ光のスポットが最も接近した位置にワーク２の加工面上が配置されるようにテーブル１１を移動させることで、７個の半導体レーザ４による光軸方向におけるワーク２の最適な加工位置にワーク２の加工面を配置することができる。その結果、ワーク２の加工時の光軸方向でのワーク２の位置調整が容易になる。すなわち、半導体レーザ４が１個である場合には、ワーク２の加工面上のレーザ光のスポット径の大きさを見て、そのスポット径の大きさから光軸方向におけるワーク２の最適な加工位置にワーク２の加工面が配置されているか否かを推測する必要があるが、本形態では、そのような必要がなくなり、光軸方向でのワーク２の位置調整が容易になる。また、光軸方向でのワーク２の適切な位置調整が可能になる。

（他の実施の形態）
上述した形態は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形実施が可能である。たとえば、レーザ加工装置１は、半導体レーザ４とワーク２との間に配置される波長板を備えていても良い。この場合には、たとえば、波長板は、保持部材取付部２３の取付孔２３ａに固定されている。このように構成すると、波長板によってレーザ光の偏光方向を調整して、ワーク２でのレーザ光の反射を軽減することができ、効率良くワーク２を加工することができる。

上述した形態では、レーザ加工装置１は、７個の半導体レーザ４を備え、６個の半導体レーザ４が円環状に配置され、残りの１個の半導体レーザ４が円環状に配置される６個の半導体レーザ４の中心部に配置されている。この他にもたとえば、４個の半導体レーザ４が円環状に配置されても良い。

また、上述した形態では、光軸Ｌの傾きの調整は、たとえば、図８（Ａ）に示すように、複数の半導体レーザ４から射出されるレーザ光のそれぞれの、ワーク２の加工面上での集光位置がずれるように行っている。この他にもたとえば、図１２（Ａ）に示すように、複数の半導体レーザ４から射出されるレーザ光のそれぞれの、ワーク２の加工面上での集光位置ｆ２がずれるように、光軸Ｌの傾きの調整を行っても良い。すなわち、半導体レーザ４から射出されるレーザ光のワーク２の加工面上での集光位置ｆ２が円環状に配置されて、図１２（Ｂ）の示すように、レーザ光の合計強度のピークＰが２箇所に現れるように、光軸Ｌの傾きの調整を行っても良い。

このように構成されたレーザ加工装置１をレーザ半田付け装置として用いる場合には、スルーホールの半田付けを効果的に行うことができる。すなわち、このように構成すると、スルーホールの貫通孔部分でのレーザ光の強度を低減し、かつ、貫通孔周縁の半田ランド部分のレーザ光の強度を高めることができるため、スルーホールの半田付けを効果的に行うことができる。

上述した形態では、複数の半導体レーザ４から射出されたレーザ光は、集光レンズ６によって、ワーク２に集光されている。この他にもたとえば、図１３に示すように、複数の半導体レーザ４から射出されたレーザ光が、凹面鏡４６によって、ワーク２に集光されても良い。すなわち、複数の半導体レーザ４から射出されるレーザ光をワーク２に集光する集光部材は、凹面鏡４６であっても良い。

上述した形態では、レンズ保持部材８に凹曲面２３ｂが形成されている。この他にもたとえば、凹曲面２３ｂに代えて、レンズ保持部材８に、凸曲面２１ｃに当接するとともに円錐台状に形成される円錐台面が形成されても良い。すなわち、縦断面で見たときの形状が光軸Ｌに向かって傾斜する傾斜面となる円錐台面がレンズ保持部材８に形成されても良い。

上述した形態では、レーザ保持部材７に凸曲面２１ｃが形成され、レンズ保持部材８に凹曲面２３ｂが形成されている。この他にもたとえば、レンズ保持部材８に凸曲面が形成され、レーザ保持部材７にこの凸曲面に当接する凹曲面が形成されても良い。また、レンズ保持部材８に凸曲面が形成され、レーザ保持部材７にこの凸曲面に当接する円錐台面が形成されても良い。

上述した形態では、レーザ加工装置１は、ワーク２で反射されるレーザ光を撮像装置１２に向けて反射する反射光学部材として、プリズム１３を備えている。この他にもたとえば、レーザ加工装置１は、プリズム１３に代えてハーフミラーを備えていても良い。

上述した形態では、複数の半導体レーザ４から射出されるレーザ光を１個の集光レンズ６がワーク２に集光している。この他にもたとえば、半導体レーザ４の数と同数の集光レンズを配置して、半導体レーザ４のそれぞれから射出されるレーザ光をそれぞれの集光レンズがワーク２に集光しても良い。この場合には、この集光レンズは、レーザ保持部材７に取り付けられても良い。また、集光レンズがレーザ保持部材７に取り付けられる場合には、レーザ保持部材７が取り付けられる所定の取付部材またはレーザ保持部材７のいずれか一方に、凸曲面が形成され、レーザ保持部材７または取付部材のいずれか他方に、凸曲面に当接する凹曲面が形成されていれば良い。なお、この場合には、コリメータレンズ５がレーザ保持部材７に取り付けられていなくても良い。

上述した形態では、半導体レーザ４の制御部１６は、マイクロプロセッサー３０を備えている。この他にもたとえば、制御部１６は、図１４に示すように、マイクロプロセッサー３０を備えていなくても良い。この場合には、制御部１６は、たとえば、タイマーＩＣや所定のボリュームを備えている。

本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置の概略構成を示す斜視図である。 図１に示すレーザ加工装置の内部構成を説明するための断面図である。 図１に示すレーザ保持部材の内部を示す縦断面斜視図である。 図１に示すレーザ保持部材の内部およびその周辺部を示す縦断面図である。 図１に示す複数の半導体レーザから射出されワークに集光されるレーザ光のスポット形状の一例を示す図である。 図１に示す複数の半導体レーザから射出されワークに集光されるレーザ光のスポット径の他の例を示す図である。 図１に示す複数の半導体レーザから射出されワークに集光されるレーザ光の集光位置と強度分布との関係の一例を説明するための図であり、（Ａ）はレーザ光の集光位置を説明するための模式図、（Ｂ）はレーザ光の強度分布を説明するためのグラフ、（Ｃ）は（Ｂ）のＥ部の拡大図である。 図１に示す複数の半導体レーザから射出されワークに集光されるレーザ光の集光位置と強度分布との関係の他の例を説明するための図であり、（Ａ）はレーザ光の集光位置を説明するための模式図、（Ｂ）はレーザ光の強度分布を説明するためのグラフ、（Ｃ）は（Ｂ）のＦ部の拡大図である。 図１に示す半導体レーザの制御部およびその周辺部の構成を示すブロック図である。 図９に示す制御部およびその周辺部の回路図である。 図１に示す半導体レーザから射出されるレーザ光が可視光であることによって生じる効果を説明するための図である。 図１に示す複数の半導体レーザから射出されワークに集光されるレーザ光の集光位置と強度分布との関係の他の例を説明するための図であり、（Ａ）はレーザ光の集光位置を説明するための模式図、（Ｂ）はレーザ光の強度分布を説明するためのグラフである 本発明の他の実施の形態にかかる集光部材を説明するための図である。 本発明の他の実施の形態にかかる半導体レーザの制御部の回路図である。

符号の説明

１ レーザ加工装置
２ ワーク（被加工物）
４ 半導体レーザ
５ コリメータレンズ
６ 集光レンズ（集光部材）
７ レーザ保持部材
８ レンズ保持部材（集光部材保持部材、取付部材）
１２ 撮像装置
１３ プリズム（反射光学部材）
２０ｃ、２０ｄ 円周面（チャック部）
２１ｃ 凸曲面
２３ｂ 凹曲面
４６ 凹面鏡（集光部材）

Claims (8)

1. 複数の半導体レーザと、複数の前記半導体レーザから射出されるレーザ光を被加工物に集光する集光部材と、複数の前記半導体レーザのそれぞれを保持するレーザ保持部材と、前記レーザ保持部材が取り付けられる取付部材とを備え、
   前記レーザ保持部材または前記取付部材のいずれか一方には、凸曲面が形成され、
   前記レーザ保持部材または前記取付部材のいずれか他方には、前記凸曲面に当接する凹曲面または前記凸曲面に当接するとともに円錐台状に形成される円錐台面が形成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記取付部材は、前記集光部材を保持する集光部材保持部材であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザ保持部材には、前記半導体レーザから射出されるレーザ光を平行光とするコリメータレンズが取り付けられていることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工装置。
4. 前記レーザ保持部材の、前記半導体レーザのレーザ光の射出方向端側に、前記凸曲面または前記凹曲面あるいは前記円錐台面が形成され、
   前記レーザ保持部材の、前記半導体レーザのレーザ光の反射出方向端側に、前記レーザ保持部材を把持するためのチャック部が形成されていることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載のレーザ加工装置。
5. 前記被加工物で反射されるレーザ光の画像を取り込むための撮像装置と、前記半導体レーザと前記集光部材との間に配置され前記被加工物で反射されるレーザ光を前記撮像装置に向かって反射する反射光学部材とを備えることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載のレーザ加工装置。
6. 前記被加工物を加工する際に前記半導体レーザから射出されるレーザ光は、可視光であることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載のレーザ加工装置。
7. 前記半導体レーザと前記被加工物との間に配置される波長板を備えることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載のレーザ加工装置。
8. 前記被加工物は、電子部品が搭載される基板であり、
   前記レーザ加工装置は、前記基板上に配置される半田を溶融させて前記電子部品と前記基板とを接合するレーザ半田付け装置であり、
   複数の前記半導体レーザのそれぞれのレーザ光の前記基板上での集光位置がずれていることを特徴とする請求項１から７いずれかに記載のレーザ加工装置。

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