JPH04187393A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はレーザ加工装置に関し、特に曲率をもった試料
をレーザ光により加工するレーザ加工に関する。

従来技術 近年、種々の材料に対してレーザ加工が適用され、生産
性向上に大きく寄与している。

この種のレーザ加工装置は、第４図に示すように、レー
ザ光源１と、光学系３と、試料６を載置する載物台７と
、載物台７をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させるＸＹ
ステージ８と、レーザ光源１およびＸＹステージ８を制
御する制御系９とから構成されている。

レーザ光源１としてはＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、Ａ
ｒレーザ、エキシマレーザなどが用いられ、試料６の材
質や加工目的に応じて選択される。

光学系３はレーザ光源１から出射されたレーザビームを
加工目的に応じて整形し、試料６上に集光する機能を有
し、−船釣には第５図に示すように、ミラー３１と、ビ
ームエキスパンダ３２と、集光レンズ３３とからなる。

ここで、ビームエキスパンダ３２はレーザビームのビー
ム径を拡大し、かつコリメートするためのものである。

集光レンズ３３はビームエキスパンダ３２でコリメート
されたレーザビームを細く絞るためのものである。

今、集光レンズ３３の焦点距離をｆとし、入射ビーム直
径をＤとすると、焦点でのビーム径（通称スポット径と
呼ばれる）ｄｏは、ｄｏ霞４λｆ／πＤで与えられる。

ここで、λはレーザビームの波長である。

したがって、集光レンズ３３への入射ビーム直径りを大
きくするほどスポット径ｄ。を小さくすることができる
ので、スポット径ｄ。を小さくするためにはビームエキ
スパンダ３２での拡大倍率を変えればよい。

また、試料６表面を観察する必要がある場合には、第６
図に示すように、上記の構成に照明装置３４と、テレビ
カメラ３５と、テレビモニタ３６とを付加することもあ
る。

試料６は載物台７に設置固定され、載物台７はＸＹステ
ージ８上に設置固定される。

制御系９はレーザ光源↓とＸＹステージ８とを制御して
いる。

上述した構成の場合、通常、試料６はフラットなものて
弗り、最初にレーザビームの焦点位置を試料６表面に合
わせて固定しておき、ＸＹステージ８で試料６を移動さ
せながらレーザビームを照射するという方法が取られる
。

但し、この場合にはＸＹステージ８の平坦度に応じて試
料６の高さが変化するので、試料６の加工面が焦点位置
からはずれ、加工幅や加工深さが変化して加工品質が低
下する可能性がある。

また、試料６がフラットでなく、曲面を有する場合には
自動焦点機構を組込んで、試料６と集光レンズ３３との
距離が一定となるようにしたものもある。

この種の一般的な構成例としては、第７図に示すように
、集光レンズ３３を上下に移動させる上下駆動機構３７
と、上下駆動機構３７を駆動するモータ３８と、試料６
と集光レンズ３３との距離を検出する自動焦点信号検出
ヘッド（以下Ａｌｅ’ヘッドとする）３９と、自動焦点
制御回路（以下ＡＦコントローラとする）４０とから構
成されているものがある。

この上下駆動機構３７として代表的なものに、集光レン
ズ３３のレンズマウントにギアをつけ、このギアとモー
タ３８に駆動される別のギアとを噛合させ、モータ３８
によりドライブするなどの方法をとるものがある。

ＡＦヘッド３９はレーザダイオードなどの光源と、試料
６からの反射光を検出するフォトセンサと、レーザダイ
オードからの光を試料６上に照射するためのレンズやミ
ラーなどの光学系とから構成され、集光レンズ３３と試
料６との距離に応じて電気信号を出力するようになって
いる。

ＡＦコントローラ４０はＡＦヘッド３９からの出力信号
を変換し、増幅してモータ３８に出力する。

つまり、集光レンズ３３と試料６との距離が離れると、
ＡＦコントローラ４０からの出力信号に応じてモータ３
８が回転し、常に集光レンズ３３と試料６との距離が一
定距離になるように制御される。

このようにすれば、試料６が曲面を有する場合や、試料
６がフラットでＸＹステージ８の平坦度が悪い場合でも
、集光レンズ３３と試料６との距離を一定距離に保つこ
とができるので、安定したレーザ加工を実現することが
可能である。

このような従来のレーザ加工装置では、自動焦点機構を
組込むことによって原理的には曲面を有する試料でもレ
ーザ加工が可能となる。

近年、この自動焦点法として種々のものが開発されてお
り、距離の検出法に応じて光学的手法や静電容量検出法
、あるいはエアギャップ法など数多くある。

しかしながら、これらの方法には試料６の材質に制限が
あったり、試料６の曲率の度合いによって感度が変わっ
たりするという問題がある。

たとえば、光学的手法の場合には試料６に所定の光を投
射し、その光に対する試料６からの反射光を検出してい
るので、試料６の反射率が低かったり、あるいは投射し
た光が表面で散乱したりすると、この方法の使用が難し
くなる。

また、静電容量検出法の場合には試料６が導電性のもの
でないと使用することができず、エアギャップ法の場合
には集光レンズ３３の先端にエアノズルを取付けるため
、集光レンズ３３の作動距離が実質的に短くなり、勾配
の大きな試料６には使いづらいといった問題がある。

さらに、通常の自動焦点機構では感度を上げ、レスポン
スを良くするために、できるだけ軽い部分を上下駆動す
る必−があるので、第７図に示すように、集光レンズ３
３のみを上下駆動する方法をとっている。

したがって、上下駆動のストロークはそれ程大きくとる
ことができず、通常数Ｉ程度であるため、高低差が数十
Ｉもあるような曲面を有する試料６には上記のレーザ加
工方法が適用しにくいといった問題がある。

発明の目的 本発明は上記のような従来のものの問題点を除去すべく
なされたもので、被加工物の表面がフラットでないもの
や高低差が大きいものでも被加工物と集光レンズとの距
離を一定に保つことができ、安定した高品質のレーザ加
−王を実現することができるレーザ加工装置の提供を目
的とする。

発明の構成 本発明によるレーザ加工装置は、被加工物の加工面に対
して直交する方向に光学系の集光レンズを移動させ、前
記集光レンズと前記被加工物との距離を所定距離に保ち
ながら前記集光レンズにより集光されたレーザ光で前記
被加工物の加工を行うレーザ加工装置であって、前記加
工面に対して直交する方向における前記光学系と前記被
加工物との相対距離を変化させる移動手段と、前記移動
手段により予め設定された前記被加工物の断面形状にし
たがって前記相対距離を変化させ、前記相対距離を一定
距離に保つよう制御する制御手段とを設けたことを特徴
とする。

実施例 次に、本発明について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す構成図である。

図において、本発明の一実施例によるレーザ加工装置は
、レーザビームを出射するレーザ光源１と、レーザ光源
１から出射されたレーザビームを光学系３に導くための
光ファイバ２と、レーザ光源１からのレーザビームを所
望の形状に整形し、試料６表面に集光するための光学系
３と、図示せぬ集光レンズと試料６との距離を一定距離
に保つための自動焦点機構４と、試料６に対して光学系
３を垂直方向に移動させるＺステージ５と、試料６を載
置するための載物台７と、試料６を水平方向に移動させ
るＸＹステージ８と、レーザ光源１と自動焦点機構４と
２ステージ５とＸＹステージ８とを夫々制御する制御系
９とから構成されている。

本発明の一実施例では光学系３に自動焦点機構４を備え
、光学系３をＺステージ５により垂直方向に移動させる
ようにしたことが特徴であり、試料６の表面はフラット
でなく、曲面を有するものである。

以下、第１図を用いて本発明の一実施例の動作について
説明する。

まず、自動焦点機構４は従来のものと同様の通常の方式
、つまり光学的手法や静電容量検出法、あるいはエアギ
ャップ法によるものでよい。したがって、この自動焦点
機構４のストロークは数■程度である。

一方、Ｚステージ５のストロークは試料６の曲面の高低
差に応じてそれより少し余裕を有するものであればよい
。たとえば、試料６の高低差が５０１Ｉｍ程度あれば、
Ｚステージ５のストロークは６０１程度でよい。

このＺステージ５は試料６の形状が判っている場合、そ
あ形状データを制御系９に入力しておくことにより、制
御系９によってその形状データに基づいて高さ制御がな
される。

この２ステージ５に対する制御系９の高さ制御により、
形状データの精度範囲内で光学系３を試　“料６の表面
形状に追従させることができる。

この場合、試料６に対する最終的な精度の高い追従が自
動焦点機構４により行われるので、Ｚステージ５の追従
精度はそれ程必要としない。

たとえば、光学的な自動焦点機構４の追従範囲が±５０
＃Ｉであるとすれば、Ｚステージ５は±５０ｓｌの追従
精度があればよい。

制御系９によるＺステージ５の高さ制御においては試料
６の高さ方向の形状データを実際に得られるかどうかが
問題となるが、試料６が金属であったり、弾性変形のし
にくい材料であれば、設計データと実際に制作した形状
との間に数真−程度の誤差しか生じないので問題とはな
らない。

また、載物台７への置き方により試料６が変形する場合
には、−度試料６を載物台７に設置してから、レーザビ
ームを出射させないで自動焦点機構４による試料６の追
従およびＺステージ５による光学系３の移動を行わせ、
試料６における必要なポイントの高さデータをとるよう
にすればよい。

上述したように、２ステージ５による粗動追従機能と自
動焦点機構４による微動追従機能とを組合せることによ
り、試料６がフラットでない場合や高低差のある場合で
も、集光レンズと試料６との間を一定に保つことが工き
るので、安定した高品質のレーザ加工を実現することが
でき、またレーザ加工の適用範囲を広げることができる
。

第２図は本発明の他の実−施例を示す構成図である。図
において、本発明の他の実施例は光学系３を固定とし、
試料６を２ステージ１０およびＸＹステージ１１により
移動させるようにした以外は、第１図に示す本発明の一
実施例と同様の構成となっており、同一構成要素には同
一符号を付しである。また、それら同一構成要素の動作
は本発明の一実施例と同様である。

本発明の他の実施例では光学系３を固定としているので
、光ファイバ２が不要となる。

また、Ｚステージ１０およびＸＹステージ１１は制御系
９により試料６の形状データに基づいて高さ制御がなさ
れるので、試料６がその形状データにしたがって上下動
させられ、形状データの精度範囲内で光学系３と試料６
との距離が一定に保たれる。

したがって、本発明の他の実施例では試料６が比較的小
型で軽い場合に適用される。

第３図は本発明の別の実施例を示す構成図である。図に
おいて、本発明の別の実施例は試料６を固定とし、光学
系３をＺステージ１２およびＸＹステージ１３により移
動させるようにした以外は、第１図に示す本発明の一実
施例と同様の構成となっており、同一構成要素には同一
符号を付しである。また、それら同一構成要素の動作は
本発明の一実施例と同様である。

本発明の別の実施例では光学系３がＺステージ１２およ
びＸＹステージ１３により移動されるので、レーザ光源
ｌから出射されたレーザビームは光ファイバ２により光
学系３に導かれる。

また、２ステージ１２およびＸＹステージ１３は制御系
９により試料６の形状データに基づいて高さ制御がなさ
れるので、光学系３がその形状データにしたがって垂直
方向および水平方向に移動され、形状データの精度範囲
内で光学系３と試料６との距離が一定に保たれる。

一方、試料６は載物台７に載置されて固定となっている
ので、本発明の別の実施例では試料６が大型で重量物で
ある場合や、試料６の形状が複雑な場合に適用される。

このように、Ｚステージ５．１０．１２による粗動追従
機能と自動焦点機構４による微動追従機能とを組合せて
レーザ加工を行うようにすることによって、試料６がフ
ラットでない場合や高低差のある場合でも、集光レンズ
と試料６との距離を一定に保つことができる。

よって、加工幅や加工法さなどを一定に保つことができ
、安定した高品質のレーザ加工を実現することができる
。

また、従来、加工が不可能であった形状の試料６に対し
てもレーザ加工が適用できる。

発明の詳細 な説明したように本発明によれば、予め設定された被加
工物の断面形状にしたがって光学系と被加工物との相対
距離を変化させ、その相対距離を一定距離に保つように
制御することによって、被加工物の表面がフラットでな
いものや高低差が大きいものでも被加工物と集光レンズ
との距離を一定に保つことができ、安定した高品質のレ
ーザ加工を実現することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は本発
明の他の実施例を示す構成図、第３図は本発明の別の実
施例を示す構成図、第４図は従来例を示す構成図、第５
図は従来例の加工光学系を示す構成図、第６図は従来例
のモニタを用いた光学系を示す構成図、第７図は従来例
の自動焦点機構を用いた場合を示す構成図である。 主要部分の符号の説明 １・・・・・・レーザ光源 ２・・・・・・光ファイバ ３・・・・・・光学系 ４・・・・・・自動焦点機構 ５．１０．１２・・・・・・Ｚステージ６・・・・・・
試料 ８．１１．１３・・・・・・ＸＹステージ９・・・・・
・制御系

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被加工物の加工面に対して直交する方向に光学系
   の集光レンズを移動させ、前記集光レンズと前記被加工
   物との距離を所定距離に保ちながら前記集光レンズによ
   り集光されたレーザ光で前記被加工物の加工を行うレー
   ザ加工装置であって、前記加工面に対して直交する方向
   における前記光学系と前記被加工物との相対距離を変化
   させる移動手段と、前記移動手段により予め設定された
   前記被加工物の断面形状にしたがって前記相対距離を変
   化させ、前記相対距離を一定距離に保つよう制御する制
   御手段とを設けたことを特徴とするレーザ加工装置。