JP5178557B2 - 分光ユニット及びそれを用いたレーザ加工装置 - Google Patents

Description

この発明は、プリント基板等の被加工物に対して穴あけ加工を主目的としたレーザ装置に関するものであり、特にその生産性、及び加工品質向上を図るものである。

従来のプリント基板等の被加工物に対して穴あけ加工を主目的としたレーザ加工装置においては、複数箇所同時に穴あけ加工を実施できるレーザ加工装置が求められている。
このような要求に答えるため、従来特許文献１に示すようなレーザ加工装置が提案されている。図４は１つのレーザ光を偏光ビームスプリッタで２つのレーザ光に分光し、２つのレーザ光を独立に走査することにより、２箇所同時に加工を実施することができる従来のレーザ加工装置の主要構成図であり、以下これについて簡単に説明する。

第４図において、レーザ発振器１より直線偏光にて発振されたレーザ光２は、マスク３、ミラー４を経由して入射角を光軸に対して45°の配置とした第一の偏光ビームスプリッタ５に導かれる。そして、第一の偏光ビームスプリッタ５にて、レーザ光２のＰ波成分は偏光ビームスプリッタ５を透過し6ｐの偏光方向を持つレーザ光６となり、Ｓ波成分は偏光ビームスプリッタ５で反射し7ｓの偏光方向を持つレーザ光７に分光される。

第一の偏光ビームスプリッタ５を透過したレーザ光６は、ミラー１４を経由して、第二の偏光ビームスプリッタ８に導かれる。一方、第一のビームスプリッタ５で反射されたレーザ光７は第一のガルバノスキャンミラー１３により2軸方向に走査された後、第二の偏光ビームスプリッタ８に導かれる。尚、レーザ光６はいつも同じ位置で第二の偏光ビームスプリッタ８に導かれるが、レーザ光７は第一のガルバノスキャンミラー１３の振り角を制御することにより第二の偏光ビームスプリッタ８に入射する位置、角度を調整することができる。

その後、レーザ光１０、１１は第二のガルバノスキャンミラー１２により2軸方向に走査された後、ｆθレンズ１７に導かれ、それぞれの被加工物２０の所定位置に集光される。このときレーザ光１１は、第一のガルバノスキャンミラー１３を走査することにより、レーザ光１０の光軸に対してある設定範囲内、例えば4mm角の範囲内で振ることを可能としている。これにより例えば、５０mm四方等の加工可能な範囲で振れる第二のガルバノスキャンミラー１２を介して、被加工物２０上の任意の異なる２点に同時にレーザ光を照射することを可能としている。

また、被加工物２０をＸＹ方向に移動させるためのＸＹテーブル１８、ｆθレンズ１７から出射されるレーザ光のエネルギーを測定するパワーセンサ１９、レーザ光６を遮る第一のシャッター１５、レーザ光７を遮る第二のシャッター１６、第二の偏光ビームスプリッタ８においてエネルギーロスとして発生するレーザ光を受け止めるダンパー９を具備している。

第一の偏光ビームスプリッタ５、第二の偏光ビームスプリッタ８は、例えば誘電体多層膜のコーティングを施すことにより、入射角を光軸に対し４５°の配置として、一定の精度でＰ波を透過し、かつある一定の精度でＳ波を反射させ、レーザ光のエネルギーを等しく分割する。そのため、第一の偏光ビームスプリッタ５に入射するレーザ光２は、あらゆる偏光方向が均一に存在する円偏光や、Ｐ波、Ｓ波に４５°の角度をなす偏光方向であればレーザ光は等分され、透過するレーザ光と反射するレーザ光のエネルギーを等しくすることができる。

ＷＯ２００５/１１８２０７号公報

上記特許文献１に開示された技術においては、第一の偏光ビームスプリッタ５に入射するレーザ光２があらゆる偏光方向が均一に存在する円偏光や、Ｐ波、Ｓ波に４５°の角度をなす偏光方向としているが、具体的に円偏光もしくはＰ波、Ｓ波に４５°の角度をなす偏光方向を生成する構造には触れられていない。また、さらに生産性、及び加工品質を向上させるために、２軸、４ビームの構造とした場合には、上記特許文献１に開示された構成によりビームを４分割する場合には、円偏光もしくはＰ波、Ｓ波に４５°の角度をなす偏光方向のビームをＰ波、Ｓ波に分割し、その後、分割したビームを再度、円偏光もしくはＰ波、Ｓ波に４５°の角度をなす偏光方向に偏光方向をねじる必要がある。

すなわち、上記特許文献１に開示された構成では、Ｐ波、Ｓ波に分割する機構と、分割されたビームの偏光方向を円偏光もしくはＰ波、Ｓ波に４５°の角度をなす偏光方向にねじる機構が必要となる。そのため、光学系が複雑になり光路調整が煩雑になり、また部品点数が増加することによりコスト増にもつながる。さらに、部品配置によるスペースの増加にもつながる等の問題がある。

この発明に係る分光ユニット及びそれを用いたレーザ加工装置は、レーザ発振器より出射されたレーザ光を２つのレーザ光に分光する分光ユニットにおいて、偏光方向がＹ方向あるいはＺ方向、あるいは円偏光を持ち、-Ｘ方向あるいは+Ｘ方向に進行しているレーザ光に対して、次の反射光がＹＺ平面においてＹ軸から４５°方向あるいは-４５°方向に進行するように第１の反射ミラーを配置し、この反射光に対してＸＹ平面もしくはＸＺ平面内に配した偏光分離手段によりＳ波とＰ波にレーザ光を分割し、分割されたレーザ光を再びＹＺ平面においてＹ軸から±４５°の偏光を持たせると共に、第１の反射ミラーに入射する進行方向と同一となる、それぞれ-Ｘ方向もしくは+Ｘ方向に進行するように第２、第３の反射ミラーを配置したことを特徴とするものである。

この発明に係る分光ユニット及びそれを用いたレーザ加工装置によれば、Ｐ波とＳ波に分光する機構と分光されたＰ波とＳ波を再び偏光方向をＰ波、Ｓ波に４５°の角度なす偏光方向を生成する機構を合成することにより、単純な系となり、部品点数を減らすことができ、また光軸の調整を簡易化することにより、コストダウン、省スペース化なレーザ加工機を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る分光ユニットの構成図である。 本発明の実施の形態２に係る分光ユニットの構成図である。 本発明の実施の形態１、２に係るレーザ加工装置の構成図である。 本発明に係る従来技術を示すレーザ加工装置の構成図である。

以下、添付の図面を参照して、この発明に係るレーザ分光ユニット及びそれを用いたレーザ加工装置について好適な実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この実施の形態１に係るレーザ分光ユニットを説明する構成図である。レーザ分光ユニットは、例えばＰ波成分の偏光方向２ｐを持つ、−Ｘ方向に進行するレーザ光２に対して、次の反射光２２がＹＺ平面においてＹ軸から−４５°方向（時計回り方向に４５°）に進行するように反射ミラー２１を配置する。

この時、反射光２２は偏光方向２２ｓｐを持っている。つまり、２２ｓｐはＳ波とＰ波に４５°の角度を持っている。この反射光２２に対して、ＸＹ平面内に配した偏光ビームスプリッタ２３により、反射光２２のＰ波成分は偏光ビームスプリッタ２３を透過し２４ｐの偏光方向を持つレーザ光２４となり、Ｓ波成分は偏光ビームスプリッタ２３で反射し２５ｓの偏光方向を持つレーザ光２５に分光される。偏光ビームスプリッタ２３を透過したレーザ光２４は、反射ミラー２６により再び−Ｘ方向もしくは＋Ｘ方向に進行するレーザ光２８を生成する。図１では−Ｘ方向に進行するレーザ光２８を示している。

このレーザ光２８はＳ波とＰ波に４５°の角度である偏光方向２８ｓｐを持っている。また、偏光ビームスプリッタ２３を反射したレーザ光２５は、反射ミラー２７により再び−Ｘ方向もしくは＋Ｘ方向に進行するレーザ光２９を生成する。図１では−Ｘ方向に進行するレーザ光２９としている。このレーザ光２９はＳ波とＰ波に４５°の角度である偏光方向２９ｓｐを持っている。つまり、この分光ユニットにＰ波の偏光方向２ｐを持つレーザ光２を入射させることにより、Ｓ波とＰ波に４５°の角度である偏光方向２８ｓｐと２９ｓｐを持つ２つのレーザ光２８、２９を生成することができる。

この後、再びレーザ光２８とレーザ光２９を光軸に対して４５°に偏光ビームスプリッタを配置することで、それぞれのレーザ光から２つのレーザ光を生成することができ、簡単に４つに分割されたレーザ光を得ることができる。偏光ビームスプリッタは例えば反射面に誘電体多層膜のコーティングを施しており、入射角を光軸に対して４５°の配置として、一定の精度でＰ波を透過し、かつある一定の精度でＳ波を反射させ、レーザ光のエネルギーを等しく等分する。また、反射光２２はＹＺ平面においてＹ軸から−４５°方向（時計回り方向に４５°）に進行しているが、＋４５°方向（反時計回り方向に４５°）に進行するように反射ミラー２１を配置してもよい。また、レーザ光２は、Ｐ波成分の偏光方向２ｐを持っているが、Ｓ波成分の偏光あるいは円偏光を持っていても問題ない。

以上のように実施の形態１に係るレーザ分光ユニットによれば、Ｓ波もしくはＰ波成分の直線偏光あるいは円偏光を持つレーザ光に対して、偏光ビームスプリッタ1個と反射ミラー３個を使用するのみで、Ｓ波とＰ波に４５°の角度である直線偏光を持つレーザ光を分光することが可能である。

実施の形態２．
図２は、この実施の形態２に係るレーザ分光ユニットを説明する構成図である。レーザ分光ユニットは、例えばＰ波成分の偏光方向２ｐを持つ、−Ｘ方向に進行するレーザ光２に対して、次の反射光２２がＹＺ平面においてＹ軸から−４５°方向（時計回り方向に４５°）に進行するように反射ミラー２１を配置する。この時、反射光２２は偏光方向２２ｓｐを持っている。つまり、２２ｓｐはＳ波とＰ波に４５°の角度を持っている。

この反射光２２に対して、ＸＺ平面内に配した偏光ビームスプリッタ２３により、反射光２２のＰ波成分は偏光ビームスプリッタ２３を透過し２４ｐの偏光方向を持つレーザ光２４となり、Ｓ波成分は偏光ビームスプリッタ２３で反射し２５ｓの偏光方向を持つレーザ光２５に分光される。偏光ビームスプリッタ２３を透過したレーザ光２４は、反射ミラー２６により再び−Ｘ方向もしくは＋Ｘ方向に進行するレーザ光２８を生成する。図２では−Ｘ方向に進行するレーザ光２８を示している。このレーザ光２８はＳ波とＰ波に４５°の角度である偏光方向２８ｓｐを持っている。

また、偏光ビームスプリッタ２３を反射したレーザ光２５は、反射ミラー２７により再び−Ｘ方向もしくは＋Ｘ方向に進行するレーザ光２９を生成する。図２では−Ｘ方向に進行するレーザ光２９としている。このレーザ光２９はＳ波とＰ波に４５°の角度である偏光方向２９ｓｐを持っている。つまり、この分光ユニットにＰ波の偏光方向２ｐを持つレーザ光２を入射させることにより、Ｓ波とＰ波に４５°の角度である偏光方向２８ｓｐと２９ｓｐを持つ２つのレーザ光２８、２９を生成することができる。

この後、再びレーザ光２８とレーザ光２９を光軸に対して４５°に偏光ビームスプリッタを配置することで、それぞれのレーザ光から２つのレーザ光を生成することができ、簡単に４つに分割されたレーザ光を得ることができる。偏光ビームスプリッタは例えば反射面に誘電体多層膜のコーティングを施しており、入射角を光軸に対して４５°の配置として、一定の精度でＰ波を透過し、かつある一定の精度でＳ波を反射させ、レーザ光のエネルギーを等しく等分する。

また、反射光２２はＹＺ平面においてＹ軸から−４５°方向（時計回り方向に４５°）に進行しているが、＋４５°方向（反時計回り方向に４５°）に進行するように反射ミラー２１を配置してもよい。また、レーザ光２は、Ｐ波成分の偏光方向２ｐを持っているが、Ｓ波成分の偏光あるいは円偏光を持っていても問題ない。また、偏光ビームスプリッタ２３をＸＺ平面内に配することができるため、ほこりや塵等の微小な汚れが付着しにくく、メンテナンスを行うことなく、光学性能を長く維持することができる。

以上のように実施の形態２に係るレーザ分光ユニットによれば、Ｓ波もしくはＰ波成分の直線偏光あるいは円偏光を持つレーザ光に対して、偏光ビームスプリッタ1個と反射ミラー3個を使用するのみで、Ｓ波とＰ波に４５°の角度である直線偏光を持つレーザ光を分光することが可能である。偏光ビームスプリッタが汚れにくいため、メンテナンスを行うことなく、光学性能を維持することができる。

実施の形態３．
図３は、実施の形態１、２のレーザ分光ユニットを具備し、１つのレーザ光を４つのレーザ光に分光し、４つのレーザ光を独立に走査することにより、4箇所同時に加工を実施することができる穴あけ用レーザ加工装置を示す構成図である。従来技術の第４図と同一構成については同一番号を付与し、詳細な説明は省略する。
レーザ発振器１よりＰ波の偏向方向２ｐを持つ直線偏光にて発振されたレーザ光２は、実施の形態２の分光ユニットを通ることにより、Ｓ波とＰ波に４５°の角度である偏光方向２８ｓｐと２９ｓｐを持つレーザ光２８、２９を生成する。

その後、レーザ光２８、２９はそれぞれマスク３a、３b、ミラー４a、4ｂを経由して第一の偏光ビームスプリッタ５a、５bに導かれる。そして、第一の偏光ビームスプリッタ５a、５bにて、レーザ光２８、２９のＰ波成分は透過されてレーザ光６a、６bとなり、Ｓ波成分は反射されてレーザ光７a、７bに分光される。つまり、レーザ光６a、６bは６ｐの偏光方向を持ち、レーザ光７a、７bは７ｓの偏光方向を持つ。第一の偏光ビームスプリッタ５a、５bを透過したレーザ光６a、６bは、ミラー１４aｘ、１４ay、１４bx、１４byを経由して、第二の偏光ビームスプリッタ８a、８bに導かれる。

一方、第一のビームスプリッタ５a、５bで反射したレーザ光７a、７bは、第一のガルバノスキャンミラー１３aｘ、１３ay、１３bx、１３byにより２軸方向に走査された後、第二の偏光ビームスプリッタ８a、８bに導かれる。尚、レーザ光６a、６bはいつも同じ位置で第二の偏光ビームスプリッタ８a、８bに導かれるが、レーザ光７a、７bは第一のガルバノスキャンミラー１３aｘ、１３ay、１３bx、１３byの振り角を制御することにより第二の偏光ビームスプリッタ８a、８bに入射する位置、角度を調整することができる。

その後、レーザ光１０a、１０b、１１a、１１bは第二のガルバノスキャンミラー１２a、１２bにより２軸方向に走査された後、ｆθレンズ１７a、１７ｂに導かれ、それぞれの加工物の所定位置に集光される。このときレーザ光１１a、１１bは第一のガルバノスキャンミラー１３aｘ、１３ay、１３bx、１３byを走査することにより、レーザ光１０a、１０bの光軸に対してある設定範囲内、例えば３ｍｍ角の範囲内で振ることを可能としている。これにより例えば、４０ｍｍ四方等の加工可能な範囲で振れる第二のガルバノスキャンミラー１２a、１２bを介して、被加工物上の任意の異なる２点に同時にレーザ光を照射することが可能であり、レーザ光２８、２９を利用することにより、４点に同時にレーザ光を照射することができる。

図３では、レーザ光７a、７bを、第一のガルバノスキャンミラー１３aｘ、１３ay、１３bx、１３byにより２軸方向に走査しているが、第一のガルバノスキャンミラー１３axとミラー１４axを入れ替え、第一のガルバノスキャンミラー１３bxとミラー１４bxを入れ替えることにより、レーザ光６a、６bを、第一のガルバノスキャンミラー１３ax、１３bxにより１軸方向に走査し、レーザ光７a、７bを第一のガルバノスキャンミラー１３ay、１３byにより先ほどの１軸方向に直行する１軸方向に走査してもよい。もしくは、第一のガルバノスキャンミラー１３ayとミラー１４ayを入れ替え、第一のガルバノスキャンミラー１３byとミラー１４byを入れ替えることにより、レーザ光６a、６bを、第一のガルバノスキャンミラー１３ay、１３byにより１軸方向に走査し、レーザ光７a、７bを第一のガルバノスキャンミラー１３ax、１３bxにより先ほどの１軸方向に直行する１軸方向に走査してもよい。レーザ光６a、６b、レーザ光７a、７bは共に第一のガルバノスキャンミラー１３aｘ、１３ay、１３bx、１３byの振り角を制御することにより第二の偏光ビームスプリッタ８a、８bに入射する位置、角度を調整することができる。

その後、レーザ光１０a、１０b、１１a、１１bは第二のガルバノスキャンミラー１２a、１２bにより２軸方向に走査された後、ｆθレンズ１７a、１７bに導かれ、それぞれの加工物の所定位置に集光される。このときレーザ光１０a、１０bは第一のガルバノスキャンミラー１３aｘ、１３bxを走査することにより、レーザ光１１a、１１bの光軸に対してある設定範囲内、例えばＸ方向に３ｍｍの範囲内で振ることを可能としており、またレーザ光１１a、１１bは第一のガルバノスキャンミラー１３ay、１３byを走査することにより、レーザ光１０a、１０bの光軸に対してある設定範囲内、例えばＹ方向に３ｍｍの範囲内で振ることを可能としている。

また、これにより例えば、４０ｍｍ四方等の加工可能な範囲で振れる第二のガルバノスキャンミラー１２a、１２bを介して、被加工物上の任意の異なる２点に同時にレーザ光を照射することが可能であり、レーザ光２８、２９を利用することにより、４点に同時にレーザ光を照射することができる。また、図３では分光ユニットは実施の形態２を用いたが、実施の形態２に限定されるものではなく、実施の形態１の分光ユニットを用いてもよい。また、図３の加工装置はレーザ光を４つに分割しているが、複数の分光ユニットを用いて、４つ以上のレーザ光に分光してもよい。

以上のように、実施の形態３に係るレーザ加工装置によれば、実施の形態１、２の分光ユニットを具備することにより、Ｐ波とＳ波を分光する機構とＰ偏光とＳ偏光を再び４５°偏光にねじる機構を合成することにより、系を単純化することが可能となる。従って複数箇所同時にレーザ加工を照射するレーザ加工装置において、部品点数を減らすことができるため、この構成により、部品点数が少なく、ダウンサイジング化を可能とすると共に、コストダウンが可能で、また部品点数が減った分、光路調整簡易化でき、省スペースな加工機を提供することができる。

１ レーザ発振器、 ２ レーザ光、 ３、３a、３b マスク、
４、４a、４b、２６、２７ 反射ミラー、
５、５a、５b 第一の偏光ビームスプリッタ、
８、８a、８b 第二の偏光ビームスプリッタ、 ９ ダンパー、
１２、１２a、１２b 第二のガルバノスキャンミラー、
１３、１３ax、１３ay、１３bx、１３by 第一のガルバノスキャンミラー、
１４、１４ax、１４ay、１４bx、１４by ミラー、
１５ 第一のシャッター、 １６ 第二のシャッター、
１７、１７a、１７b ｆθレンズ、 １８ ＸＹテーブル、
１９ パワーセンサ、 ２０ 被加工物、
２１ 第１の反射ミラー、 ２３ 偏光ビームスプリッタ。

Claims (7)

1. レーザ発振器より出射されたレーザ光を２つのレーザ光に分光する分光ユニットにおいて、偏光方向がＹ方向あるいはＺ方向、あるいは円偏光を持ち、-Ｘ方向あるいは+Ｘ方向に進行しているレーザ光に対して、次の反射光がＹＺ平面においてＹ軸から４５°方向あるいは-４５°方向に進行するように第１の反射ミラーを配置し、この反射光に対してＸＹ平面もしくはＸＺ平面内に配した偏光分離手段によりＳ波とＰ波にレーザ光を分割し、分割されたレーザ光を再びＹＺ平面においてＹ軸から±４５°の偏光を持たせると共に、第１の反射ミラーに入射する進行方向と同一となる、それぞれ-Ｘ方向もしくは+Ｘ方向に進行するように第２、第３の反射ミラーを配置したことを特徴とする分光ユニット。
2. レーザ発振器より出射されたレーザ光はＹ方向あるいはＺ方向の偏光方向を持つ直線偏光にて発振され、−Ｘ方向あるいは＋Ｘ方向に進行するレーザ光であることを特徴とする請求項１に記載の分光ユニット。
3. 第１の反射ミラーはＰ波成分あるいはＳ波成分の偏光方向を持つレーザ光をＰ波成分およびＳ波成分の両方に対して４５°の偏光方向を持つレーザ光に変換するものであることを特徴とする請求項１に記載の分光ユニット。
4. 偏光分離手段は第１の反射ミラーの出力光をＰ波成分およびＳ波成分のレーザ光に分光する偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１に記載の分光ユニット。
5. 偏光分離手段は表面に誘電体多層膜コーティングが形成されている偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１に記載の分光ユニット。
6. 第２、第３の反射ミラーは偏光分離手段により分光されたＰ波成分およびＳ波成分のレーザ光を再びＰ波成分およびＳ波成分の両方に対して４５°の偏光方向を持つレーザ光に変換するものであることを特徴とする請求項１に記載の分光ユニット。
7. 請求項１〜６に記載の分光ユニットを配置したことを特徴とするレーザ加工装置。

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