JP4667329B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

この発明は、プリント基板材料やセラミックグリーンシートなどの電子材料に止まり穴や貫通穴を開けるレーザ加工装置に関するものである。

プリント基板材料やセラミックグリーンシートなどの加工対象物は、平面形状をしているので、従来のレーザ加工装置では、例えば図１４に示すように２つのガルバノスキャナを用いてレーザ光を２次元的に走査して加工対象物に照射し、穴開け加工を行うようにしている（例えば、特許文献１等）。ここでは、この発明の理解を容易にするため、図１４を参照してその概要を説明する。

図１４は、レーザ加工装置の一般的な構成と動作を説明する概念図である。図１４に示すレーザ加工装置は、ガルバノスキャンミラー２ａ，２ｂと、ガルバノスキャナ３ａ，３ｂと、ｆθレンズ４と、加工ワーク５を載置するテーブルとを備えている。

ガルバノスキャンミラー２ａは、図示省略したレーザ発振器が出力するレーザ光１を最初に受ける第１のガルバノスキャンミラーであり、そのミラー面がガルバノスキャナ３ａの駆動軸の回転に伴って変位し、入射するレーザ光１の光軸を一の方向（例えばＸ軸方向）に偏向走査し、それを第２のガルバノスキャンミラー２ｂに送出する。２番目にレーザ光を受けるガルバノスキャンミラー２ｂは、そのミラー面がガルバノスキャナ３ｂの駆動軸の回転に伴って変位し、入射するレーザ光１の光軸をほぼ直交する他の一の方向（今の例ではＹ軸方向）に偏向走査してｆθレンズ４に送出する。ｆθレンズ４は、以上のように、ＸＹ面内で２次元走査されたレーザ光を加工ワーク５上に集光照射する。これによって、ガルバノスキャナ３ａ，３ｂによってレーザ光１を２次元走査できる範囲であるスキャンエリア７内の加工ワーク５に多数の加工穴６が形成される。

ところで、レーザ加工の生産性は、以上の説明から理解できるように、２つのガルバノスキャナの位置決め速度に大きく依存する。そのため、ガルバノスキャナの位置決め速度は、年々向上を続けているが、機械的な動作であるので振動や発熱などの問題から自ずと限界がある。位置決め速度が限界になった場合に備えて、生産性を向上させる方法として同時に照射できるビーム本数を増加させる方法が検討され、実用化されつつある。これには、２つの方法がある。１つは、図１５に示すように、多軸化する方法であり、他の１つは、図１６に示すように、ホログラフィック光学素子（Holographic Optical Element：ＨＯＥ）を用いる方法である。

図１５は、多軸化したレーザ加工装置の構成例を示す概念図である。図１５において、レーザヘッド９ａ，９ｂは、それぞれ、ガルバノスキャンミラー２ａ，２ｂ、ガルバノスキャナ３ａ，３ｂ及びｆθレンズ４をセットにしたもので、分光器８によって分光されたレーザ光１が同時に供給され、それぞれの加工ワーク５に穴開け加工を同時に施すように構成される。

図１５は、２ヘッドの構成例であるが、現在では、４ヘッドへと増加させることで、生産性を向上させる試みがなされている。しかし、この場合には、ガルバノスキャナ及びガルバノスキャンミラーも、１セットから、２セット、４セットと増やし、高価なｆθレンズも２個、４個と増やさなければならず、メンテナンス性及びコスト面からみても問題が多い。

図１６は、図１４に示すレーザ加工装置に適用するＨＯＥによる分光を説明する概念図である。図１６に示すように、ＨＯＥ１０は、レーザ光１を複数の方向に分光することができるので、ＨＯＥ１０を用いたレーザ加工装置では、加工パターンが丸穴を複数個組み合わせたある形状の加工パターンに限定される制限はあるが、レーザヘッドを増やさなくともレーザ光の本数を増加させ得るので、上記の問題を回避して確実に速度アップが図れる。

ＨＯＥ１０を用いたレーザ加工装置での加工方法を説明すると、ＨＯＥ１０は、第１のガルバノスキャンミラー２ａの入力段に設けられ、レーザの可干渉性を利用し、通過するビームを小片に分け、それぞれに位相差を持たせて干渉させ、ある所では強め合い、その他の所では弱め合うように設計されている。強め合う干渉縞の所にＨＯＥ入射前の情報が伝達されるので、１本のビームが複数に分かれたかのように加工される。

このように、加工パターンが限定される制限はあるが、同じパターン加工を繰返し行うにはＨＯＥを使用した加工方法（以降「ＨＯＥ加工」と略称する）が生産性において非常に有利であるので、製品のコストを抑えなければならない電子部品業界を中心に、ＨＯＥ加工の使用例が増加してきている。

特開２００２−６６７６９号公報

しかしながら、加工対象物に形成する止まり穴や貫通穴は、非常に小さいので、加工時の位置精度も非常に重要な要素になってくるが、従来のＨＯＥ加工や、ＨＯＥを用いない加工でも穴形状が楕円や長方形などを施す従来の長穴加工では、この加工穴の位置精度を向上させることが困難である。

具体的には、従来のＨＯＥ加工では、スキャンエリアの中心部では歪みも少なく、良好な加工状態であるが、以下に説明するように（図１７〜図１９）、ガルバノスキャンミラーを傾け、レーザ光の照射位置をｆθレンズの周辺部（即ちスキャンエリア周辺部）に持っていくと、歪みや形状の傾きが発生する（図２０参照）。この点は、ＨＯＥを用いない単一の穴加工でも上記の長穴加工を施す場合は同様である（図２１参照）。これがＨＯＥ加工時やＨＯＥを用いない単一の穴加工での長穴加工時の位置精度悪化の主要因であり、できるだけ低減することが必要となる。

以下、図１７〜図１９を参照してスキャンエリア周辺部で歪みや形状の傾きが発生する現象について説明する。なお、図１７は、図１４に示すレーザ加工装置において２つのガルバノスキャナ及び２つのガルバノスキャンミラーによる２次元走査を説明する光線追跡図である。図１８は、図１７において光線方向と走査角η，ξ及び仰角φとの関係を示し、（１）は光線方向の余弦成分、正弦成分を求める図であり、（２）光線方向の余弦成分、正弦成分及び正接成分を求める図である。図１９は、図１７に示す画面上での歪みと仰角φとの関係を示す図である。

図１７において、Ａ点は、第１のガルバノスキャンミラー２ａのミラー面位置を示し、Ｂ点及びその直上に示すＢ’点は、第２のガルバノスキャンミラー２ｂのミラー面位置を示す。今、Ｂ点を原点とし、図中矢印で示すようにＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸を定義すると、Ａ点における第１のガルバノスキャンミラー２ａにて最初の反射が行われる。Ａ点における第１のガルバノスキャンミラー２ａでは、入射するレーザ光をＹ軸方向に角度η偏向して反射する。この反射レーザ光は、Ｂ点における第２のガルバノスキャンミラー２ｂのミラー面位置Ｂ’に入射し、そこでＸＺ面内での偏向操作を受けて反射され、ｆθレンズ４に向かうという経路を取る。図１７では、レンズ面がＸＹ面に平行するｆθレンズ４は、４分割した第１象限が示されている。

このとき、Ｂ点における第２のガルバノスキャンミラー２ｂでのＺ軸からＸ軸に向かう振れ角をξとすると、図示しないレーザ発振器を出たレーザ光は、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向の走査角がそれぞれη、ξである光路Ｒに沿ってｆθレンズ４の第１象限内のＹ軸方向からＸ軸方向へ離れた上方位置に入射し、図１４に示した直下のスキャンエリア７である画面１１の角部に集光される。

このときの光路Ｒの方向余弦Ｌ、Ｍ、Ｎは、図１８に示すように、
Ｌ＝ｃｏｓη・ｓｉｎξ …（１）
Ｍ＝ｓｉｎη …（２）
Ｎ＝ｃｏｓη・ｃｏｓξ …（３）
となる。

そして、光路Ｒが突き当たるｆθレンズ４の第１象限内の上方位置は、ＸＹ面内において原点を起点としてＸ軸方向からＹ軸方向に向かう仰角φで表されるので、
Ｔａｎφ＝Ｍ／Ｌ＝ｔａｎη／ｓｉｎξ …（４）
となる。

このような走査偏向角を有するので、光軸回転対称のｆθレンズ４にて２次元画像を作るとき、画面１１の周辺部では必然的に画像歪が発生する。即ち、振れ角ξ、ηがそれぞれ等角速度の偏向で、かつ最大偏向角が等しい場合を考え、理想的なｆθレンズを使用すれば、画面中心を通る水平垂直方向（つまり第１象限におけるＸ軸上、Ｙ軸上）での歪の発生はない。しかし、振れ角ηと振れ角ξとを同じに変化させた場合、仰角φは、式（４）から４５度にはならず、像面上の図形の角部は、図１９に実線で示されるような歪を有するものになる。

この歪の補正は、ｆθレンズ４で行うことは困難であるので、従来の技術では、２つのガルバノスキャナ３ａ、３ｂでの振れ角ξ，ηの振り方を、式（４）からｔａｎη＝ｓｉｎξとなるように変化させるのみならず、ｆθレンズ４の場所による特性等を踏まえて微調整・制御することで対処することになる。

ところが、ガルバノスキャナ３ａ、３ｂでの振れ角制御によって、図１９に実線で示す歪み有する角部の位置が点線で示す正しい位置に来るようにすることはできるが、元の歪んだ位置にＨＯＥ１０にて分光されたパターンが形成される。

図２０は、スキャンエリアの角部でのＨＯＥ分光パターンの歪み発生を説明する模式図である。つまり、上記のようにガルバノスキャナ３ａ、３ｂでの振れ角制御によって、この角部での歪みを補正すると、図２０に示すように、ＨＯＥ分光パターン１２自体に回転が発生してしまうので、複数の丸穴が傾いて形成されることが起こる。

また、図２１は、ＨＯＥを用いないで楕円や長方形などの長穴を開ける加工を行う場合におけるスキャンエリアの角部での長穴パターンの歪み発生を説明する模式図である。ＨＯＥを使用しない穴あけ加工では、マスクの開口形状に応じた形状の穴加工が行われる。そのうち、丸形状の加工の場合は、丸は角度をつけても丸形状のままであるので、傾きは全く問題にならない。しかし、楕円や長方形のような長穴形状の場合は、図１９に示す現象が同様に起こり、図２１に示すように、長穴パターン１３が回転してしまうので、加工穴が傾いてしまう。

以上のように、ＨＯＥを用いて丸穴を複数個組み合わせたあるＨＯＥ分光パターンとして照射する場合や、ＨＯＥを用いない単一の穴加工でも穴形状が楕円や長方形などの長穴加工では、加工形状に傾きが発生し、この傾きが位置ズレを引き起こしてしまうので、従来では、加工穴の位置精度を向上させることが困難であった。加工穴の位置精度をよくするためには、以上説明した加工パターンの回転角度を最小化する必要があるが、どのようにして実現するかが問題である。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ＨＯＥを用いて複数穴を同時に加工する場合やＨＯＥを用いないで単一の長穴加工を行う場合に簡単にその加工穴の位置精度の向上や発生する歪みの低減が図れるレーザ加工装置を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、この発明は、レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を２次元走査する一組のガルバノスキャナと、前記一組のガルバノスキャナにて２次元走査されたレーザ光を被加工物上に集光して照射するｆθレンズとを備え、前記一組のガルバノスキャナのうちレーザ光軸上において前記発振器側に配置される第１のガルバノスキャナに入射するレーザ光は、その照射パターンに存在する長軸および短軸のうちの長軸方向側が前記第１のガルバノスキャナの駆動軸の軸線方向側に向くように設定されていることを特徴とする。

この発明によれば、穴あけ加工を施す被加工物（ワーク）に照射する２次元走査レーザ光を生成する光学走査系に入射するレーザ光における照射パターンの方向を定める。具体的には、最初にレーザ光を受ける第１のガルバノスキャナに入射するレーザ光の照射パターンに存在する長軸および短軸のうちの長軸方向側を、駆動軸と直交する方向ではなく、その駆動軸の軸線方向側に向くように、好ましくは平行する方向に向くように調整設定する、という簡単な措置を講ずるだけでスキャンエリア角部での照射パターン回転角が小さくなるので、ＨＯＥを用いて複数穴を同時に加工する場合に位置精度を向上させることができ、ＨＯＥを用いないで単一の長穴加工を行う場合に歪みの発生を低く抑えることができる。

この発明によれば、ＨＯＥを用いて複数穴を同時に加工する場合やＨＯＥを用いないで単一の長穴加工を行う場合に、簡単にその加工穴の位置精度の向上や発生する歪みの低減が図れるという効果を奏する。

以下に図面を参照して、この発明にかかるレーザ加工装置及びレーザ加工方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるＨＯＥを用いたレーザ加工装置にて実施されるレーザ加工方法の原理を説明する光線追跡図である。図２は、図１においてＨＯＥの配置位置Ｈに近い方の第１のガルバノスキャンミラーのミラー面内での光線追跡拡大図である。図３は、図２に示す第１のガルバノスキャンミラーのミラー面の法線方向での光線追跡拡大図である。図４は、図１において第１のガルバノスキャンミラーでの反射光を受ける第２のガルバノスキャンミラーのミラー面内での光線追跡拡大図である。図５は、図１において第２のガルバノスキャンミラーでの反射光を受けるｆθレンズの受光面内でのＨＯＥ分光パターンの回転角を説明する図である。なお、構成要素の名称・符号は、説明の便宜から図１４等の従来技術にて用いた名称・符号をそのまま使用する。

図１では、ＨＯＥの配置位置Ｈと、第１及び第２のガルバノスキャンミラー２ａ，２ｂと、ｆθレンズ４とが示されている。ガルバノスキャンミラー２ｂのミラー面中央を座標原点（０，０，０）として図中矢印で示すようにＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸を定義すると、ＨＯＥの配置位置Ｈは、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（−ｌ，−ｋ，０）の座標位置にある。この位置ＨからＹ軸方向に光学距離ｋだけ離れた位置にガルバノスキャンミラー２ａが配置され、ガルバノスキャンミラー２ａからＸ軸方向に光学距離ｌだけ離れた位置にガルバノスキャンミラー２ｂが配置され、ガルバノスキャンミラー２ｂからＺ軸方向に光学距離ｓだけ離れた位置にｆθレンズ４が配置されている。

図１４にて説明したように、ガルバノスキャンミラー２ａは、そのミラー面がガルバノスキャナ３ａの駆動軸の回転に伴って変位する。ガルバノスキャナ３ａの駆動軸は、Ｚ軸方向に向いている。また、ガルバノスキャンミラー２ｂは、そのミラー面がガルバノスキャナ３ｂの駆動軸の回転に伴って変位する。ガルバノスキャナ３ｂの駆動軸は、Ｙ軸方向に向いている。

さて、ＨＯＥによる分光パターンは、規則性を有して繰り返されるので、線状のみならず格子状にすることができる。いずれにせよ、ＨＯＥによる分光パターンは、丸穴を複数個組み合わせたある形状の加工パターンであり、長手方向を有する。そこで、ここでは、パターン形状を長方形に置き換えて簡略化し、長方形パターンをガルバノスキャンミラー２ａ，２ｂにて反射偏向させたのち、ｆθレンズ４を介して図１４に示した直下のスキャンエリア７である画面１１上に転写した場合に、その長方形の辺がどのように回転するかを調べた。なお、ここで説明する事項は、ＨＯＥをマスクに置き換えて単一の楕円や長方形など丸形状以外の長穴形状を開ける場合にもそのまま適用することができる。

図１において、位置Ｈから３本の光線Ａ１，Ａ２，Ａ３を発生させ、それらを最初に受けるガルバノスキャンミラー２ａ上の位置Ａ｛（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（−ｌ，０，０）｝を含みＹ軸に垂直な平面（ＸＺ面）上に、図２に詳示するように、１つの辺が２ｎと２ｍとなる長方形を描き、その頂点を３本の光線Ａ１，Ａ２，Ａ３が通るようにする。この３本の光線Ａ１，Ａ２，Ａ３は、［数１］のように表せる。

また、図３に示すように、ガルバノスキャンミラー２ａのミラー面が、入射・反射の角度が４５度である破線で示す状態から入射角度が「４５度＋η」である実線で示す状態に角度ηだけ傾いたときに、これらの３本の光線Ａ１，Ａ２，Ａ３がガルバノスキャンミラー２ａ上の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３にて反射されるとすると、ガルバノスキャンミラー２ａ上の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、［数２］のように表せる。

ガルバノスキャンミラー２ａのミラー面は、大きさを限定しないとすれば、α（ｘ＋ｌ）＋βｙ＝０なる方程式で表せるので、３本の光線Ａ１，Ａ２，Ａ３がガルバノスキャンミラー２ａのミラー面で上記のように反射された光線をＢ１，Ｂ２，Ｂ３とすれば、この３本の反射光線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は、［数３］のように表せる。

次に、座標原点（０，０，０）を含むＹＺ面をミラー面とするガルバノスキャンミラー２ｂでは、図４に詳示するように、そのミラー面はＹ軸を回転中心とし、−Ｘ軸側から＋Ｚ軸側に向かって回転変位する。図４では、−Ｘ軸側から＋Ｚ軸側に向かって４５度傾いた状態から＋Ｚ軸側に向かって更に角度ξだけ変位する場合が示されている。このように振れ角ξを有するガルバノスキャンミラー２ｂのミラー面は、γ＝ｓｉｎξ−ｃｏｓξ、δ＝ｃｏｓξ＋ｓｉｎξとしたγ，δを用いて、γｘ＋δｙ＝０なる方程式で表せる。

上記した３本の反射光線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は、このような振れ角ξを有するガルバノスキャンミラー２ｂのミラー面における点Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３にて反射されるとすると、その点Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は、［数４］のように表せる。

また、反射後の光線をＣ１，Ｃ２，Ｃ３とすれば、この３本の反射光線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は、［数５］のように表せる。

そして、この３本の反射光線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３がｆθレンズ４の表面と交わる点をＲ１，Ｒ２，Ｒ３とすれば、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は長方形の頂点となり、この頂点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、［数６］のように表せる。

ここで、図５に示すように、頂点Ｒ１と頂点Ｒ２とを結ぶ線が垂直方向（Ｙ軸方向）に対してなす角をθ１２とし、頂点Ｒ２と頂点Ｒ３とを結ぶ線が水平方向（Ｘ軸方向）に対してなす角をθ２３とすれば、角度θ１２，θ２３は、それぞれＨＯＥ分光パターンの回転の程度を表すパラメータである。

そこで、この角度θ１２，θ２３を一方の振れ角ηの変化に対してプロットし、ＨＯＥ分光パターンの回転角の変化（つまり、図１９に示したスキャンエリアの４角部での位置ずれの程度）を調べた結果、図６及び図７に示す特性が得られた。図６は、図２に示すｍ，ｎがｍ＞ｎである場合に振れ角ηと図５に示すように定義した角度θ１２，θ２３との関係を示す図である。図７は、図２に示すｍ，ｎがｍ＜ｎである場合に振れ角ηと図５に示すように定義した角度θ１２，θ２３との関係を示す図である。

但し、この計算では、他方の振れ角ξは、式（４）に示す仰角φが４５度になるように変化させた。具体的には、ｔａｎη＝ｓｉｎξとし、Ｔａｎφ＝１となるようにした。そして、光学距離ｌ，ｋ，ｓは、実際の光学系の値を入れ、残りのパラメータｍ，ｎは、ｍ＞ｎの例としてｍ＝１２，ｎ＝６である場合（図６）と、ｍ＜ｎの例としてｍ＝６，ｎ＝１２である場合（図７）とを採用した。

この計算結果から、振れ角ηの増加に伴い、角度θ１２は、ｍ＞ｎの場合もｍ＜ｎの場合も大きな増大傾向を示すので、回転角が増大し位置ずれの程度が悪化するが、角度θ２３は、僅かな増大傾向を示すのでこれによる回転角の増加は極めて小さい。そして、角度θ２３による回転角は、ｍ＞ｎの場合よりもｍ＜ｎの場合の方が若干増加するが、振れ角ηの増加に対する角度θ１２，θ２３の全体としての回転角の増加は、計算上小さくなることが判明した。

そして、図８は、図２に示すｍ，ｎの大小関係と図５に示すように定義した角度θ１２，θ２３による回転角最大値との関係を示す図である。図８に示すように、回転角最大値は、角度θ１２による方が角度θ２３による方よりも大きな値を示しているが、明らかにｎがｍよりも大きい場合の方が角度θ１２と角度θ２３との全体としての回転角最大値は小さくなる。

このことは、ＨＯＥが出力するレーザ光を最初に受ける第１のガルバノスキャンミラー２ａのミラー面への入射態様として、ＨＯＥが出力するＨＯＥ分光パターンの長手方向側が、ガルバノスキャンミラー２ａの回転軸であるＺ軸の方向に向くように、好ましくは平行方向となる入射態様に設定しておけば、ワークへの加工形状の転写時の回転角が低く抑えられる、つまり、スキャンエリアの４角部での位置ずれが小さくなることを意味している。この措置は、ＨＯＥとガルバノスキャンミラー２ａとの間に光学系が無い場合は、ＨＯＥ自体の設置態様を定めることで実現でき、光学系が存在する場合は、ＨＯＥとその光学系とを含めた全体において上記した入射態様となるようにすることで実現できる。

次に、以上のように計算結果から判明した「第１のガルバノスキャンミラー２ａのミラー面への入射態様」の妥当性を実機によって具体的に検証したので、その検証内容を、図９〜図１２及び表１を参照して説明する。なお、実機（図１１，図１２）では、ＨＯＥと第１のガルバノスキャンミラー２ａとの間には、光学系は存在しないとしている。ＨＯＥと第１のガルバノスキャンミラー２ａとの間に、ＨＯＥを透過したレーザ光を、単数若しくは複数のレンズやミラー等の光学素子を透過または反射させた後にガルバノスキャンミラー２ｂに導くような光学系が存在する場合は、その光学系等で上記した「第１のガルバノスキャンミラー２ａのミラー面への入射態様」の措置を講ずればよい。

図９は、スキャンエリアの４角部でのＨＯＥ分光パターンを概念的に示す。図９に示すように、ＨＯＥを、（１）そのＨＯＥ分光パターン１４ａの長手方向側を第１のガルバノスキャナ３ａの駆動軸方向（図９中ではＸ軸方向）と平行する方向に設定した場合（これを「縦置き」と称している）と、（２）ＨＯＥ分光パターン１４ｂの長手方向側を第１のガルバノスキャナの駆動軸方向（図９中ではＸ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）と平行する方向に設定した場合（これを「横置き」と称している）とを用意した。

そして、ＨＯＥを使用したレーザ加工装置は、図１１と図１２とに示すように、図１４に示した構成において、ＨＯＥ１０を第１のガルバノスキャンミラー２ａの入力段に設けた構成である。ＨＯＥ１０は、図示しないレーザ発振器が出力するレーザ光１を図３に示したように分光し、最初のガルバノスキャンミラー２ａに与える。図１１、図１２では図示を省略したが、図１４に示したように、第１のガルバノスキャンミラー２ａは、第１のガルバノスキャナ３ａの駆動軸に接続される。また、第２のガルバノスキャンミラー２ｂは、第２のガルバノスキャナ３ｂの駆動軸に接続される。

このようなＨＯＥを使用したレーザ加工装置において、ＨＯＥ１０を、図９（１）に示す縦置きにしてレーザ加工を行い（図１１）、また図９（２）に示す横置きにしてレーザ加工を行い（図１２）、両者間でのスキャンエリア７の４角部での回転角の大きさ（つまり位置ずれ程度）を比較した。

この場合に、図１０に示すように、スキャンエリアの４角部における、（１）図９（１）に示す縦置き時でのＨＯＥ分光パターン１４ａの長手方向側の第１のガルバノスキャナの駆動軸方向（図１０中ではＸ軸方向）からの回転角θ１，θ２と、（２）図９（２）に示す横置き時でのＨＯＥ分光パターン１４ｂの長手方向側の第１のガルバノスキャナの駆動軸方向（図１０中ではＸ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）からの回転角θ１，θ２とを、スキャンエリアの面積を変えて求めた（表１参照）。

表１では、スキャンエリアの面積を２６ｍｍ、３３ｍｍ、４３ｍｍ、６５ｍｍと大きくした場合の縦置き時と横置き時とにおける回転角θ１，θ２の変化が示されている。表１から理解できるように、スキャンエリアが大きくなると、そのパターン回転角度も大きくなるが、明らかに縦置き時の方が、回転角度が小さく抑えられることが解る。即ち、ＨＯＥ分光パターンの長手方向側を、第１のガルバノスキャナの駆動軸方向と平行する方向に合わせた方（図１１に示す場合）が、駆動軸に垂直な方向と平行する方向に合わせた場合（図１２に示す場合）よりも、回転角度が小さく抑えられるという上記した検討結果の正しさが示されている。

斯くして、この実施の形態１によれば、ＨＯＥを用いて複数穴を同時に加工するレーザ加工装置において、ＨＯＥ分光パターンの長手方向側を、第１のガルバノスキャナの駆動軸と直交する方向に向けるのではなく、第１のガルバノスキャナの駆動軸方向に向くように、好ましくは平行する方向に合わせるという簡単な措置で、その加工穴の位置精度の向上が図れるようになる。この措置は、ＨＯＥの配置位置（光学系が存在する場合はそれを含む）を調整して実現するのが実際的であるが、第１のガルバノスキャナの駆動軸方向を調整することでも実現することができる。

実施の形態２．
図１３は、この発明の実施の形態２によるＨＯＥを用いないレーザ加工装置にて実施されるレーザ加工方法の原理を説明する概念図である。ＨＯＥを用いないで単一の穴加工を行うレーザ加工装置は、図１３に示すように、図１４に示した構成において、マスク１５を第１のガルバノスキャンミラー２ａの入力段に設け、そのマスク形状を転写加工することが行われる。なお、図１３では図示を省略したが、図１４に示したように、第１のガルバノスキャンミラー２ａは、第１のガルバノスキャナ３ａの駆動軸に接続される。また、第２のガルバノスキャンミラー２ｂは、第２のガルバノスキャナ３ｂの駆動軸に接続される。

この場合に、特に加工穴形状が楕円や長方形等の長手方向と短手方向とを有する形状の場合は、前述したように、スキャンエリアの角部で、傾きが発生し、その転写形状自体に歪みが発生してしまう。

したがって、実施の形態１と同様に、マスク１５または第１のガルバノスキャナ３ａの配置態様として、そのマスク転写形状パターンの長手方向（最大長となる方向）側が第１のガルバノスキャナ３ａの駆動軸方向に向くように、好ましくは平行する方向となるように、マスク１５または第１のガルバノスキャナ３ａを設置すれば、この傾きに起因して長穴パターン１６に発生する歪みを最小限に抑えることができる。

なお、マスク１５とガルバノスキャンミラー２ａとの間には、図１３では特別の光学系は存在しないかのように示してあるが、マスク１５とガルバノスキャンミラー２ａとの間に光学素子を配置しても、第１のガルバノスキャンミラー２ａに入射するレーザ光における加工穴形状の長手方向側が、第１のガルバノスキャナの駆動軸方向に向くように、好ましくは平行する方向となるように、マスク１５または第１のガルバノスキャナが配置されていれば、同様の歪み低減効果が得られる。

斯くして、この実施の形態２によれば、ＨＯＥを用いないで単一の長穴加工を行うレーザ加工装置において、マスクのマスク転写形状パターンの長手方向側が第１のガルバノスキャナの駆動軸方向側を向くように、好ましくは平行する方向となるように合わせるという簡単な措置で、楕円や長方形など丸穴形状以外の長穴形状の加工を施す場合に発生する形状の歪みを軽減することができる。

以上の実施の形態１，２での説明から理解できるように、穴あけ加工を施すワークに照射する２次元走査レーザ光をレーザ光軸上に所定の光学距離を置いて配置した２つのガルバノスキャナを用いて生成するレーザ加工においては、複数穴の同時加工あるいは単一の長穴加工を行う場合には、ワークへの照射パターンに長軸および短軸が存在するので、前記２つのガルバノスキャナのうちレーザ光軸上においてレーザ光発生源側に配置される第１のガルバノスキャナが回転駆動するミラー面に入射するレーザ光を、その照射パターンにおける長軸方向側が前記第１のガルバノスキャナの駆動軸の軸線方向側に向くように、好ましくは平行する方向に向くように設定すれば、同時に加工する複数の加工穴の位置精度を向上させることができ、また単一の加工長穴に発生する歪みを低く抑えることができる。

以上のように、この発明にかかるレーザ加工装置は、ＨＯＥを用いて複数穴を同時に加工する場合やＨＯＥを用いないで単一の長穴加工を行う場合に、その加工穴の位置精度の向上や発生歪みの低減を図るのに有用である。

この発明の実施の形態１によるＨＯＥを用いたレーザ加工装置にて実施されるレーザ加工方法の原理を説明する光線追跡図である。 図１においてＨＯＥの配置位置Ｈに近い方の第１のガルバノスキャンミラーのミラー面内での光線追跡拡大図である。 図２に示す第１のガルバノスキャンミラーのミラー面の法線方向での光線追跡拡大図である。 図１において第１のガルバノスキャンミラーでの反射光を受ける第２のガルバノスキャンミラーのミラー面内での光線追跡拡大図である。 図１において第２のガルバノスキャンミラーでの反射光を受けるｆθレンズの受光面内でのＨＯＥ分光パターンの回転角を説明する図である。 図２に示すｍ，ｎがｍ＞ｎである場合に振れ角ηと図５に示すように定義した角度θ１２，θ２３との関係を示す図である。 図２に示すｍ，ｎがｍ＜ｎである場合に振れ角ηと図５に示すように定義した角度θ１２，θ２３との関係を示す図である。 図２に示すｍ，ｎの大小関係と図５に示すように定義した角度θ１２，θ２３による回転角最大値との関係を示す図である。 スキャンエリアの４角部でのＨＯＥ分光パターンを示し、ＨＯＥ分光パターンの長手方向を第１のガルバノスキャナの駆動軸方向とほぼ平行に設定した縦置き時の概念図と、ＨＯＥ分光パターンの長手方向を第１のガルバノスキャナの駆動軸方向と直交する方向にほぼ平行に設定した横置き時の概念図である。 スキャンエリアの４角部でのＨＯＥ分光パターンの回転角をスキャンエリアの面積を変えて求める場合のその回転角と第１のガルバノスキャナの駆動軸方向との関係を示す図である。 図９（１）に示す縦置き時の場合に行うレーザ加工の概念図である。 図９（２）に示す横置き時の場合に行うレーザ加工の概念図である。 この発明の実施の形態２によるＨＯＥを用いないレーザ加工装置にて実施されるレーザ加工方法の原理を説明する概念図である。 レーザ加工装置の一般的な構成と動作を説明する概念図である。 多軸化したレーザ加工装置の構成例を示す概念図である。 図１４に示すレーザ加工装置に適用するＨＯＥによる分光を説明する概念図である。 図１４に示すレーザ加工装置において２つのガルバノスキャナ及び２つのガルバノスキャンミラーによる２次元走査を説明する光線追跡図である。 図１７において光線方向と走査角η，ξ及び仰角φとの関係を示し、光線方向の余弦成分、正弦成分を求める図と、光線方向の余弦成分、正弦成分及び正接成分を求める図である。 図１７に示す画面上での歪みと仰角φとの関係を示す図である。 スキャンエリアの角部でのＨＯＥ分光パターンの歪み発生を説明する模式図である。 ＨＯＥを用いないで楕円や長方形などの長穴を開ける加工を行う場合におけるスキャンエリアの角部での長穴パターンの歪み発生を説明する模式図である。

符号の説明

１ レーザ光
２ａ ガルバノスキャンミラー（第１のガルバノスキャンミラー）
２ｂ ガルバノスキャンミラー（第２のガルバノスキャンミラー）
３ａ ガルバノスキャナ（第１のガルバノスキャナ）
３ｂ ガルバノスキャナ（第２のガルバノスキャナ）
４ ｆθレンズ
５ 加工ワーク
６ 加工穴
７ スキャンエリア
８ 分光器
９ａ，９ｂ レーザヘッド
１０ ホモグラフィック光学素子（ＨＯＥ）
１１ 画面
１２ ＨＯＥ分光パターン
１３ 長穴パターン
１４ａ 縦置き時のＨＯＥ分光パターン
１４ｂ 縦置き時のＨＯＥ分光パターン
１５ マスク
１６ 長穴パターン
η，ξ 振れ角（走査角）
φ 仰角

Claims (3)

1. レーザ光を出射するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を２次元走査する一組のガルバノスキャナと、
   前記一組のガルバノスキャナにて２次元走査されたレーザ光を被加工物上に集光して照射するｆθレンズとを備え、
   前記一組のガルバノスキャナのうちレーザ光軸上において前記レーザ発振器側に配置される第１のガルバノスキャナに入射するレーザ光は、その照射パターンに存在する長軸および短軸のうちの長軸方向側が前記第１のガルバノスキャナの駆動軸の軸線方向側に向くように設定されている
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記第１のガルバノスキャナに入射するレーザ光は、前記レーザ発振器からのレーザ光を複数のレーザ光に分光するレーザ分光手段の出力レーザ光であり、
   前記長軸方向側は、前記レーザ分光手段にて分光されたレーザ光の分光パターンにおける長手方向側である
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記第１のガルバノスキャナに入射するレーザ光は、前記レーザ発振器からのレーザ光を所望の断面形状に整形するマスクの出力レーザ光であり、
   前記長軸方向側は、前記マスクにて整形されたレーザ光の照射パターンにおける長手方向側である
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

Images