レーザ加工装置およびレーザ加工方法
【課題】従来のレーザ加工装置では、ｆシータレンズが投影倍率を限定していたため、投影倍率を変更できないという課題があった。
【解決手段】投影倍率を変更した時に生ずる像面湾曲９を補正する補正ウインドウ５ｂを装着することで、容易に投影倍率を変更可能とし、補正ウインドウ５ｂは、非球面の面形状を有し、像面湾曲９をきめ細かに補正するとともに、補正ウインドウ５ｂは、着脱可能であるため、投影倍率の変更が容易となるレーザ加工装置を提供することができる。
【解決手段】投影倍率を変更した時に生ずる像面湾曲９を補正する補正ウインドウ５ｂを装着することで、容易に投影倍率を変更可能とし、補正ウインドウ５ｂは、非球面の面形状を有し、像面湾曲９をきめ細かに補正するとともに、補正ウインドウ５ｂは、着脱可能であるため、投影倍率の変更が容易となるレーザ加工装置を提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて穴の加工や、切断を行うレーザ加工装置および加工方法に係り、特にプリント基板用レーザ穴あけ加工装置およびレーザ穴あけ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２は、従来のレーザ加工装置の概略図である。
【０００３】
被加工物６であるプリント基板は、ＸＹステージ１２上に固定されている。ｆシータレンズ４、偏向手段３、絞り２は所定の位置関係で配置されＺ方向に移動可能なＺステージ１３に固定されている。
【０００４】
Ｚステージ１３には板厚センサ１４が設けられ、被加工物６とｆシータレンズ４の位置関係を測定する。レーザ発振器１１から出射されたレーザ光１５は、コリメータレンズ１６を通してマスク１に照射される。
【０００５】
マスク１を通過したレーザ光１５は、複数枚のミラー１７で反射されてＺステージ１３に導かれる。絞り２によって高次の回折光を除去され、偏向手段３で走査されたレーザ光１５は、ｆシータレンズ４で被加工物６に集光、マスク形状が像転写される。
【０００６】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。走査距離は、偏向手段３による光学偏向角とｆシータレンズ４の焦点距離ｆの積である。走査距離の範囲内が加工エリアとなり、概一辺３０〜７０ｍｍの正方形が一般的な加工エリアである。
【０００７】
レーザで加工される穴はマスク１を像転写して得られるが、像転写径ｄは、マスク１からｆシータレンズ４までの距離ａとｆシータレンズ４から被加工物６表面までの距離ｂの比とマスク径φによって「ｄ＝φ・ｂ／ａ」として求められる。距離ａと距離ｂの比率は、投影倍率と呼ばれ、概１／１７〜１／７０であり、必要な加工穴径に応じて決めている。
【０００８】
ｆシータレンズ４の加工範囲内の穴あけ加工が終了すると、ＸＹステージ１２を移動し、被加工物６の加工を順次実行する。加工穴径を変更するためには、マスク径を変更することが主流であり、数種類の径のマスク１を自動交換して穴径を変更する。穴径をダイナミックに変えるには、投影倍率を変更するため、距離ａと距離ｂの比率を変更する（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６１−３７３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のレーザ加工装置の場合、ｆシータレンズ４は、設計投影倍率に最適化されており、異なる投影倍率で使用した場合には、平面上に結像ができない像面湾曲が現れる。そのため、ｆシータレンズ４は投影倍率を固定した条件で設計され、焦点深度の許容範囲内でのみ投影倍率の変更ができる。
【００１１】
近年、プリント基板の高密度化が加速され、より解像度の高いｆシータレンズを使用するようになってきたことにより、焦点深度が浅くなり、結像倍率が変えられないという問題点が出てきた。
【００１２】
本発明は、ｆシータレンズの基本設計を変えずに、補正ウインドウを取り付けることで、投影倍率を変更したときに生ずる像面湾曲を補正するもので、安価に投影倍率を変更できるレーザ加工機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題を解決するために本発明は、レーザ光の一部をマスク通過させ、マスクを通過したレーザ光を円形の絞りと偏向手段を介してｆシータレンズで被加工物にマスク転写加工を行う光学系において、マスク転写の投影倍率に応じた補正ウインドウを取り付け、像面湾曲を補正するように構成した。
【００１４】
また、本発明は、前記補正ウインドウの少なくとも１面が非球面形状を有するように構成した。
【００１５】
また、本発明は、前記補正ウインドウを着脱可能なように構成した。また、前記補正ウインドウは、ｆシータレンズの入射側、又は出射側、又は両側に設けるように構成した。
【００１６】
また、本発明は、補正係数の異なる前記補正ウインドウを複数枚備え、投影倍率に応じて自動切換えを行うように構成した。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、レーザ光の一部をマスク通過させ、マスクを通過したレーザ光を円形の絞りと偏向手段を介してｆシータレンズで被加工物にマスク転写加工を行う光学系において、マスク転写の投影倍率に応じた補正ウインドウを取り付け、像面湾曲を補正することにより、同一のｆシータレンズを用いたままで投影倍率を自在に変更できるレーザ加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウの模式図（最適設計された投影倍率（１／３３＝０.０３）で使用）
【図２】同レーザ加工装置のｆシータレンズの投影倍率を変えたときの像面湾曲を示すグラフ
【図３】本発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウの模式図（最適設計よりも大きい投影倍率（１／２５＝０.０４）で使用）
【図４】本発明の実施の形態３におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウの模式図（最適設計よりも小さい投影倍率（１／７０＝０.０１４３）で使用）
【図５】本発明の実施の形態４におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図（最適設計された投影倍率（１／３３＝０.０３）で使用）
【図６】本発明の実施の形態５におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図（最適設計よりも大きい投影倍率（１／２５＝０.０４）で使用）
【図７】本発明の実施の形態６におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図（最適設計よりも小さい投影倍率（１／７０＝０.０１４３）で使用）
【図８】本発明の実施の形態７におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと自動切換え補正ウインドウ（出射側設置）の模式図
【図９】本発明の実施の形態８におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと自動切換え補正ウインドウ（両側設置）の模式図
【図１０】本発明の実施の形態９におけるレーザ加工装置の旋回式自動切換え補正ウインドウの模式図
【図１１】本発明の実施の形態１０におけるレーザ加工装置の直動式自動切換え補正ウインドウの模式図
【図１２】従来のレーザ加工装置の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の請求項１に記載の発明は、レーザ光の一部をマスクを通過させ、マスクを通過したレーザ光を円形の絞りと偏向手段を介してｆシータレンズで被加工物にマスク転写加工を行う光学系において、マスク転写の投影倍率に応じた補正ウインドウを取り付け、像面湾曲を補正することで、同一のｆシータレンズを用いたままで投影倍率を自在に変更できる作用を有する。
【００２０】
請求項２記載の発明は、前記補正ウインドウの少なくとも１面が非球面形状を有することで、像面湾曲のきめ細かな補正を行う作用を有する。
【００２１】
請求項３記載の発明は、前記補正ウインドウを着脱可能としたことで、臨機応変に投影倍率の変更を可能とする作用を有する。
【００２２】
請求項４記載の発明は、前記補正ウインドウをｆシータレンズの入射側、又は出射側、又は両側に設けたことでｆシータレンズの塵埃からの保護を兼ね備える作用を有する。
【００２３】
請求項５記載の発明は、補正係数の異なる前記補正ウインドウを複数枚備え、投影倍率に応じて自動切換えを行うことで、迅速な像面湾曲補正を可能とする作用を有する。
【００２４】
請求項６記載の発明は、前記補正レンズの自動切換え移動を旋回式で行うことにより、長手方向の寸法を小さくする作用を有する。
【００２５】
請求項７記載の発明は、前記補正レンズの自動切換え移動が直動式で行うことにより、移動方向に対する横幅の寸法を小さくする作用を有する。
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（出射側設置）の模式図であり、最適設計された投影倍率（１／３３＝０.０３）で使用している場合を示している。
【００２７】
図１に示すように、本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置は、マスク１、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、被加工物６、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、および第２の凸レンズ４３を有し、レーザ光１５、第１光線７、および第２光線８が照射される。
【００２８】
図２は、本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置において、ｆシータレンズの投影倍率を変えたときの像面湾曲を示すグラフである。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（出射側設置）の模式図であり、最適設計よりも大きい投影倍率（１／２５＝０.０４）で使用している場合を示している。
【００２９】
図３に示すように、本発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂ、被加工物６、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、および第２の凸レンズ４３を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。なお、補正を行わない場合の像面湾曲９は図示の通りである。
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（出射側設置）の模式図であり、最適設計よりも小さい投影倍率（１／７０＝０.０１４３）で使用している場合を示している。
【００３０】
図４に示すように、本発明の実施の形態３におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃ、被加工物６、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、および第２の凸レンズ４３を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。なお、補正を行わない場合の像面湾曲１０は図示の通りである。
（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図であり、最適設計された投影倍率（１／３３＝０.０３）で使用している場合を示している。
【００３１】
図５に示すように、本発明の実施の形態４におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（平行平板）５ａ，５ｄ、被加工物６、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、および第２の凸レンズ４３を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。
（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図であり、最適設計よりも大きい投影倍率（１／２５＝０.０４）で使用している場合を示している。
【００３２】
図６に示すように、本発明の実施の形態５におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｅ、被加工物６、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、および第２の凸レンズ４３を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。なお、補正を行わない場合の像面湾曲９は図示の通りである。
（実施の形態６）
図７は、本発明の実施の形態６におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図であり、最適設計よりも小さい投影倍率（１／７０＝０.０１４３）で使用している場合を示している。
【００３３】
図７に示すように、本発明の実施の形態６におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｆ、被加工物６、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、および第２の凸レンズ４３を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。なお、補正を行わない場合の像面湾曲９は図示の通りである。
（実施の形態７）
図８は、本発明の実施の形態７におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと自動切換え補正ウインドウ（出射側設置）の模式図である。
【００３４】
図８に示すように、本発明の実施の形態７におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃ、および被加工物６を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。
【００３５】
なお、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂ、および補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃは図示しない補正ウインドウチェンジャーで選択される。
（実施の形態８）
図９は、本発明の実施の形態８におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと自動切換え補正ウインドウ（両側設置）の模式図である。
【００３６】
図９に示すように、本発明の実施の形態８におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、補正ウインドウ（平行平板）５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｅ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｆ、および被加工物６を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。
【００３７】
補正ウインドウ（平行平板）５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｅ、および補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｆは図示しない補正ウインドウチェンジャーで選択される。
（実施の形態９）
図１０は、本発明の実施の形態９におけるレーザ加工装置の旋回式自動切換え補正ウインドウの模式図である。
【００３８】
図１０に示すように、本発明の実施の形態９におけるレーザ加工装置では、補正ウインドウ（平行平板）５ａまたは５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂまたは５ｅ、および補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃまたは５ｆが、旋回式自動切換え補正ウインドウチェンジャー５１で選択される。
（実施の形態１０）
図１１は、本発明の実施の形態１０におけるレーザ加工装置の直動式自動切換え補正ウインドウの模式図である。
【００３９】
図１１に示すように、本発明の実施の形態１０におけるレーザ加工装置では、補正ウインドウ（平行平板）５ａまたは５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂまたは５ｅ、および補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃまたは５ｆが、直動式自動切換え補正ウインドウチェンジャー５２で選択される。
【実施例】
【００４０】
次に本発明の具体例を説明する。
（実施例１）
ｆシータレンズ４は、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、第２の凸レンズ４３の組み合わせレンズである。マスク１を通ったレーザ光１５は、絞りで高次の回折光を除去した後、偏向手段３で偏向されレンズ群を通って被加工物６に集光、結像される。
【００４１】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。
【００４２】
ｆシータレンズ４を構成するレンズは、球面収差による像面湾曲を小さくするため、非球面レンズを使用している。
【００４３】
設計値での光学解析結果は、像面位置＝７２.７９２ｍｍ、像面湾曲＝−１〜+２μｍである。この時の補正ウインドウ５ａは、平行平板であり、被加工物６から飛散する塵埃がｆシータレンズ４に付着することを防止する保護ウインドウの作用を兼ね備えている。補正ウインドウ５ａは、ｆシータレンズ４を通した第１光線７、第２光線８の光軸を屈折させる作用を有するため、ｂ寸法を伸ばす効果を有するため、ｆシータレンズ４の設計を行う場合は、補正ウインドウ５ａも含めた、トータルのレンズ設計を行っている。
【００４４】
補正ウインドウ５ａは、ｆシータレンズ４とは別体となっており、着脱が容易な方法で取り付けられている。
【００４５】
図２は、ｆシータレンズの投影倍率を変えたときの像面湾曲を示す。
【００４６】
投影倍率を変えると、レンズから像面までの距離ｂは変わるが、図２は、中心光軸での距離ｂを基準（=０）として、偏向手段３によって走査した位置での像面湾曲量を表している。
【００４７】
ここで、像面湾曲が正の場合、像面位置はｆシータレンズ４から遠ざかり、負の場合には、像面位置がｆシータレンズ４に近づくことを示す。
【００４８】
設計投影倍率（１／３３＝０．０３）での像面湾曲は、１〜+２μｍであるが、投影倍率を１／２５（＝０.０４）にすると、像面湾曲は、−４６μｍとなり、投影倍率を１／７０（＝０.０１４３）にすると像面湾曲は+６３μｍとなる。
【００４９】
像面湾曲の変化は、マスク１と絞り２の距離が変わったことに起因する。
【００５０】
即ち、投影倍率を大きくするとマスク１が絞り２に近づき（距離ａが減る）、絞り２を通るレーザ光の広がり角θが大きくなり、球面収差の影響が大きくなり、走査の外側に行くほど焦点位置がｆシータレンズ４近づく方向に像面湾曲を発生する。
【００５１】
逆に投影倍率を小さくすると、絞り２を通るレーザ光の広がり角θが平行光に近づき、レンズの非球面による球面収差補正が効きすぎて、走査の外側に行くほど焦点位置がｆシータレンズ４から遠ざかる方向に像面湾曲を発生する。
（実施例２）
図３は、本発明によるｆシータレンズと補正ウインドウの模式図であり、最適設計よりも大きい投影倍率（１／２５＝０.０４）で使用している場合を示している。
【００５２】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。
【００５３】
補正ウインドウ５ｂが無い（または平行平板の時）場合には、破線で示す−４６μｍの像面湾曲９を有するが、凹レンズ状の補正ウインドウ５ｂを用いると、像面湾曲は±２μｍ以内に修正される。この時の補正は、ウインドウの縁の厚さで２.５μｍであるが、面形状は非球面で構成される。本実施例においては、非球面係数Ａ４次項の補正を行っており、補正効果は以下の通りである。
【００５４】
補正なし：像面位置＝７３.７３３ｍｍ、像面湾曲＝−４６μｍ。
【００５５】
Ａ４次項補正：像面位置変化＝+２μｍ、像面湾曲＝+２〜−１μｍ。
【００５６】
補正ウインドウ５ｂは、ｆシータレンズ４とは別体となっており、着脱が容易な方法で取り付けられている。
（実施例３）
図４は、本発明によるｆシータレンズと補正ウインドウの模式図であり、最適設計よりも小さい投影倍率（１／７０＝０.０１４３）で使用している場合を示している。
【００５７】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。
【００５８】
補正ウインドウ５ｃが無い（または平行平板の時）場合には、破線で示す+６３μｍの像面湾曲１０を有するが、凸レンズ状の補正ウインドウ５ｃを用いると、像面湾曲は±３μｍ以内に修正される。
【００５９】
この時の補正は、ウインドウの縁の厚さで−３μｍであるが、面形状は非球面で構成される。本実施例においては、非球面係数Ａ４次項とＡ１０次項で補正を行っている。
【００６０】
非球面係数の補正次数によって像面湾曲の補正効果が異なる。
【００６１】
ウインドウの縁の厚さを−３μｍ一定として、（１）球面で補正した場合、（２）Ａ４次項だけで補正した場合、（３）Ａ４次項とＡ１０次項で補正した場合を比べると、以下のようになる。
【００６２】
補正なし：像面位置＝７１.２０４ｍｍ、像面湾曲＝６３μｍ。
（１）球面補正：像面位置変化＝−２６μｍ、像面湾曲＝５５μｍ。
（２）Ａ４次項補正：像面位置変化＝−２μｍ、像面湾曲＝１３μｍ。
（３）Ａ４次項Ａ１０次項補正：像面位置変化＝−３μｍ、像面湾曲＝３μｍ。
【００６３】
球面では、像面湾曲の補正効果は８μｍしか無く、像面位置が−２６μｍずれてしまう。Ａ４次項の補正を入れた場合は、像面湾曲の補正効果５０μｍが得られ、像面位置ずれは−２μｍと小さく押さえられる。さらに、Ａ１０次項の補正を加えると、像面湾曲補正効果は６０μｍになり、像面湾曲は３μｍに押さえられ、像面位置ずれも−３μｍに押さえられる。
【００６４】
補正ウインドウ５ｃは、ｆシータレンズ４とは別体となっており、着脱が容易な方法で取り付けられている。
（実施例４）
図５は、本発明によるｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図であり、最適設計の投影倍率（１／３３＝０.０３）で使用している場合を示している。
【００６５】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。
【００６６】
ｆシータレンズ４の両側に設置された補正ウインドウ５ａ，５ｄは、いずれも平行平板である。ｆシータレンズ４の入射側に設置された補正ウインドウ５ｄにより偏向手段３とｆシータレンズ４の距離が短縮されるため、ｆシータレンズ４の位置は、偏向手段３から遠ざけて設置する。具体的には、Ｇｅ製の補正レンズを設置することで、間隔を３.７８１ｍｍ広げている。
【００６７】
最適設計値における補正ウインドウ５ａ，５ｄは、平行平板であるため、レーザ光１５は平行移動し、ワーキングディスタンスは伸びるが、像面湾曲に影響は受けない。
【００６８】
補正ウインドウ５ａ，５ｄは、ｆシータレンズ４を塵埃から保護し、ｆシータレンズ４とは別体となっており、着脱が容易な方法で取り付けられている。
（実施例５）
第６は、本発明によるｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図であり、最適設計よりも大きい投影倍率（１／２５＝０.０４）で使用している場合を示している。
【００６９】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。
【００７０】
補正ウインドウ５ａは平行平板である。
【００７１】
補正ウインドウ５ｅが平行平板の場合には、破線で示す−４５μｍの像面湾曲９を有するが、凹レンズ状の補正ウインドウ５ｅを用いると、像面湾曲は±２μｍ以内に修正される。この時の補正は、ウインドウの縁の厚さで１.６μｍであるが、面形状は非球面で構成される。
【００７２】
本実施例においては、非球面係数Ａ４次項とＡ６次項の補正を行っており、補正効果は以下の通りである。
【００７３】
補正なし：像面位置＝７３.８８７ｍｍ、像面湾曲＝−４５μｍ。
【００７４】
Ａ４、Ａ６次項補正：像面位置変化＝+１２μｍ、像面湾曲＝+２〜−２μｍ。
【００７５】
補正ウインドウ５ａ、５ｅは、ｆシータレンズ４を塵埃から保護し、ｆシータレンズ４とは別体となっており、着脱が容易な方法で取り付けられている。
（実施例６）
図７は、本発明によるｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図であり、最適設計よりも小さい投影倍率（１／７０＝０.０１４３）で使用している場合を示している。
【００７６】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。
【００７７】
補正ウインドウ５ａは平行平板である。
【００７８】
補正ウインドウ５ｆが平行平板の場合には、破線で示す+６３μｍの像面湾曲１０を有するが、凸レンズ状の補正ウインドウ５ｆを用いると、像面湾曲は+２〜−１μｍ以内に修正される。
【００７９】
この時の補正は、ウインドウの縁の厚さで−２.６μｍであるが、面形状は非球面で構成される。本実施例においては、非球面係数Ａ４次項のみで補正を行っており、補正効果は以下の通りである。
【００８０】
補正なし：像面位置＝７１.３５８ｍｍ、像面湾曲＝−６３μｍ。
【００８１】
Ａ４次項補正：像面位置変化＝−１６μｍ、像面湾曲＝+２〜−１μｍ。
【００８２】
補正ウインドウ５ａ、５ｆは、ｆシータレンズ４を塵埃から保護し、ｆシータレンズ４とは別体となっており、着脱が容易な方法で取り付けられている。
（実施例７）
図８は、本発明によるｆシータレンズと自動切換え補正ウインドウ（出射側設置）の模式図である。
【００８３】
ｆシータレンズ４の出射側には、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃが、ウインドウチェンジャー５０に装着されている。図示していないマスク１とｆシータレンズ４の距離を変更し、投影倍率を切り替えたときに、像面湾曲を補正する最適の補正ウインドウ５ａ〜５ｃを自動切換えウインドウチェンジャー５０を用いて切り替えることができる。
（実施例８）
図９は、本発明によるｆシータレンズと自動切換え補正ウインドウ（両側設置）の模式図である。
【００８４】
ｆシータレンズ４の出射側には、補正ウインドウ（平行平板）５ａが取り付けられ、入射側には、補正ウインドウ（平行平板）５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｅ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｆが、ウインドウチェンジャー５０に装着されている。図示していないマスク１とｆシータレンズ４の距離を変更し、投影倍率を切り替えたときに、像面湾曲を補正する最適の補正ウインドウ５ｄ〜５ｆを自動切換えウインドウチェンジャー５０を用いて切り替えることができる。
（実施例９）
図１０は、本発明による旋回式自動切換え補正ウインドウの模式図である。
【００８５】
図８および図９におけるウインドウチェンジャー５０の一形態である旋回式自動切換え補正ウインドウチェンジャー５１は、円盤形状であり、補正ウインドウ（平行平板）５ａまたは５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂまたは５ｅ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃまたは５ｆが円周上に配置されている。旋回式補正ウインドウチェンジャー５１を回転させることにより、ｆシータレンズ４と必要な補正ウインドウ５ａ〜５ｆの組み合わせを選択することができる。
（実施例１０）
図１１は、本発明による直動式自動切換え補正ウインドウの模式図である。
【００８６】
図８および図９におけるウインドウチェンジャー５０の一形態である直動式自動切換え補正ウインドウチェンジャー５２は、長方形形状であり、補正ウインドウ（平行平板）５ａまたは５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂまたは５ｅ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃまたは５ｆが直線上に配置されている。直動式補正ウインドウチェンジャー５２をスライドさせることにより、ｆシータレンズ４と必要な補正ウインドウ５ａ〜５ｆの組み合わせを選択することができる。
【００８７】
以上のように、本発明に依れば、以下の効果が得られる。
【００８８】
ｆシータレンズは、投影倍率を限定して設計を行っており、設計と異なる投影倍率で使用することができないという問題点があったが、補正ウインドウを装着することで幅広い投影倍率に対して使用可能となる。
【００８９】
このことは、ｆシータレンズの設計に掛かる工数を大幅に減らし、開発期間を短縮するのみならず、開発費を大幅に削減し、結果として安価なレーザ加工機を提供することが可能となる。
【００９０】
また、本発明に依れば、レーザ加工機としては、投影倍率を変更可能とすることができるため、加工穴径の要望に対して幅広く対応可能となる。
【００９１】
また、本発明に依れば、補正ウインドウの面形状を非球面にすることで、球面収差の補正が容易になり、きめ細かな補正が可能となる。
【００９２】
また、本発明に依れば、補正ウインドウをｆシータレンズの入射側、反射側、または両側に装着することで、ｆシータレンズ周辺の配置設計自由度を大きくできる。
【００９３】
また、本発明に依れば、補正ウインドウを着脱可能にしたことにより、投影倍率の変更が容易なレーザ加工機の提供が可能になる。
【００９４】
また、本発明に依れば、補正ウインドウを複数枚装着し、自動切換えを行うことで、投影倍率を切り替えた時に必要な補正ウインドウを即座に選択、装着することが可能となり、加工機の段取り換え時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００９５】
また、本発明に依れば、補正ウインドウチェンジャーを旋回式または直動式にすることで、ｆシータレンズ周辺の構造部材に邪魔されない配置を選択可能となり、設計自由度が広がる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は、レーザ光を用いて穴の加工や、切断を行うレーザ加工装置および加工方法に係り、特にプリント基板用レーザ穴あけに有用である。
【符号の説明】
【００９７】
１ マスク
２ 絞り
３ 偏向手段
４ ｆシータレンズ
５ａ 補正ウインドウ（平行平板）
５ｂ 補正ウインドウ（凹レンズ状補正）
５ｃ 補正ウインドウ（凸レンズ状補正）
５ｄ 補正ウインドウ（平行平板）
５ｅ 補正ウインドウ（凹レンズ状補正）
５ｆ 補正ウインドウ（凸レンズ状補正）
６ 被加工物
７ 第１光線
８ 第２光線
９ 像面湾曲
１０ 像面湾曲
１１ レーザ発信器
１２ ＸＹステージ
１３ Ｚステージ
１４ 板厚センサ
１５ レーザ光
１６ コリメータレンズ
１７ ミラー
４１ 第１の凸レンズ
４２ 凹レンズ
４３ 第２の凸レンズ
５１ 旋回式自動切換え補正ウインドウチェンジャー
５２ 直動式自動切換え補正ウインドウチェンジャー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて穴の加工や、切断を行うレーザ加工装置および加工方法に係り、特にプリント基板用レーザ穴あけ加工装置およびレーザ穴あけ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２は、従来のレーザ加工装置の概略図である。
【０００３】
被加工物６であるプリント基板は、ＸＹステージ１２上に固定されている。ｆシータレンズ４、偏向手段３、絞り２は所定の位置関係で配置されＺ方向に移動可能なＺステージ１３に固定されている。
【０００４】
Ｚステージ１３には板厚センサ１４が設けられ、被加工物６とｆシータレンズ４の位置関係を測定する。レーザ発振器１１から出射されたレーザ光１５は、コリメータレンズ１６を通してマスク１に照射される。
【０００５】
マスク１を通過したレーザ光１５は、複数枚のミラー１７で反射されてＺステージ１３に導かれる。絞り２によって高次の回折光を除去され、偏向手段３で走査されたレーザ光１５は、ｆシータレンズ４で被加工物６に集光、マスク形状が像転写される。
【０００６】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。走査距離は、偏向手段３による光学偏向角とｆシータレンズ４の焦点距離ｆの積である。走査距離の範囲内が加工エリアとなり、概一辺３０〜７０ｍｍの正方形が一般的な加工エリアである。
【０００７】
レーザで加工される穴はマスク１を像転写して得られるが、像転写径ｄは、マスク１からｆシータレンズ４までの距離ａとｆシータレンズ４から被加工物６表面までの距離ｂの比とマスク径φによって「ｄ＝φ・ｂ／ａ」として求められる。距離ａと距離ｂの比率は、投影倍率と呼ばれ、概１／１７〜１／７０であり、必要な加工穴径に応じて決めている。
【０００８】
ｆシータレンズ４の加工範囲内の穴あけ加工が終了すると、ＸＹステージ１２を移動し、被加工物６の加工を順次実行する。加工穴径を変更するためには、マスク径を変更することが主流であり、数種類の径のマスク１を自動交換して穴径を変更する。穴径をダイナミックに変えるには、投影倍率を変更するため、距離ａと距離ｂの比率を変更する（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６１−３７３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のレーザ加工装置の場合、ｆシータレンズ４は、設計投影倍率に最適化されており、異なる投影倍率で使用した場合には、平面上に結像ができない像面湾曲が現れる。そのため、ｆシータレンズ４は投影倍率を固定した条件で設計され、焦点深度の許容範囲内でのみ投影倍率の変更ができる。
【００１１】
近年、プリント基板の高密度化が加速され、より解像度の高いｆシータレンズを使用するようになってきたことにより、焦点深度が浅くなり、結像倍率が変えられないという問題点が出てきた。
【００１２】
本発明は、ｆシータレンズの基本設計を変えずに、補正ウインドウを取り付けることで、投影倍率を変更したときに生ずる像面湾曲を補正するもので、安価に投影倍率を変更できるレーザ加工機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題を解決するために本発明は、レーザ光の一部をマスク通過させ、マスクを通過したレーザ光を円形の絞りと偏向手段を介してｆシータレンズで被加工物にマスク転写加工を行う光学系において、マスク転写の投影倍率に応じた補正ウインドウを取り付け、像面湾曲を補正するように構成した。
【００１４】
また、本発明は、前記補正ウインドウの少なくとも１面が非球面形状を有するように構成した。
【００１５】
また、本発明は、前記補正ウインドウを着脱可能なように構成した。また、前記補正ウインドウは、ｆシータレンズの入射側、又は出射側、又は両側に設けるように構成した。
【００１６】
また、本発明は、補正係数の異なる前記補正ウインドウを複数枚備え、投影倍率に応じて自動切換えを行うように構成した。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、レーザ光の一部をマスク通過させ、マスクを通過したレーザ光を円形の絞りと偏向手段を介してｆシータレンズで被加工物にマスク転写加工を行う光学系において、マスク転写の投影倍率に応じた補正ウインドウを取り付け、像面湾曲を補正することにより、同一のｆシータレンズを用いたままで投影倍率を自在に変更できるレーザ加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウの模式図（最適設計された投影倍率（１／３３＝０.０３）で使用）
【図２】同レーザ加工装置のｆシータレンズの投影倍率を変えたときの像面湾曲を示すグラフ
【図３】本発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウの模式図（最適設計よりも大きい投影倍率（１／２５＝０.０４）で使用）
【図４】本発明の実施の形態３におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウの模式図（最適設計よりも小さい投影倍率（１／７０＝０.０１４３）で使用）
【図５】本発明の実施の形態４におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図（最適設計された投影倍率（１／３３＝０.０３）で使用）
【図６】本発明の実施の形態５におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図（最適設計よりも大きい投影倍率（１／２５＝０.０４）で使用）
【図７】本発明の実施の形態６におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図（最適設計よりも小さい投影倍率（１／７０＝０.０１４３）で使用）
【図８】本発明の実施の形態７におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと自動切換え補正ウインドウ（出射側設置）の模式図
【図９】本発明の実施の形態８におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと自動切換え補正ウインドウ（両側設置）の模式図
【図１０】本発明の実施の形態９におけるレーザ加工装置の旋回式自動切換え補正ウインドウの模式図
【図１１】本発明の実施の形態１０におけるレーザ加工装置の直動式自動切換え補正ウインドウの模式図
【図１２】従来のレーザ加工装置の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の請求項１に記載の発明は、レーザ光の一部をマスクを通過させ、マスクを通過したレーザ光を円形の絞りと偏向手段を介してｆシータレンズで被加工物にマスク転写加工を行う光学系において、マスク転写の投影倍率に応じた補正ウインドウを取り付け、像面湾曲を補正することで、同一のｆシータレンズを用いたままで投影倍率を自在に変更できる作用を有する。
【００２０】
請求項２記載の発明は、前記補正ウインドウの少なくとも１面が非球面形状を有することで、像面湾曲のきめ細かな補正を行う作用を有する。
【００２１】
請求項３記載の発明は、前記補正ウインドウを着脱可能としたことで、臨機応変に投影倍率の変更を可能とする作用を有する。
【００２２】
請求項４記載の発明は、前記補正ウインドウをｆシータレンズの入射側、又は出射側、又は両側に設けたことでｆシータレンズの塵埃からの保護を兼ね備える作用を有する。
【００２３】
請求項５記載の発明は、補正係数の異なる前記補正ウインドウを複数枚備え、投影倍率に応じて自動切換えを行うことで、迅速な像面湾曲補正を可能とする作用を有する。
【００２４】
請求項６記載の発明は、前記補正レンズの自動切換え移動を旋回式で行うことにより、長手方向の寸法を小さくする作用を有する。
【００２５】
請求項７記載の発明は、前記補正レンズの自動切換え移動が直動式で行うことにより、移動方向に対する横幅の寸法を小さくする作用を有する。
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（出射側設置）の模式図であり、最適設計された投影倍率（１／３３＝０.０３）で使用している場合を示している。
【００２７】
図１に示すように、本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置は、マスク１、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、被加工物６、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、および第２の凸レンズ４３を有し、レーザ光１５、第１光線７、および第２光線８が照射される。
【００２８】
図２は、本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置において、ｆシータレンズの投影倍率を変えたときの像面湾曲を示すグラフである。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（出射側設置）の模式図であり、最適設計よりも大きい投影倍率（１／２５＝０.０４）で使用している場合を示している。
【００２９】
図３に示すように、本発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂ、被加工物６、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、および第２の凸レンズ４３を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。なお、補正を行わない場合の像面湾曲９は図示の通りである。
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（出射側設置）の模式図であり、最適設計よりも小さい投影倍率（１／７０＝０.０１４３）で使用している場合を示している。
【００３０】
図４に示すように、本発明の実施の形態３におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃ、被加工物６、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、および第２の凸レンズ４３を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。なお、補正を行わない場合の像面湾曲１０は図示の通りである。
（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図であり、最適設計された投影倍率（１／３３＝０.０３）で使用している場合を示している。
【００３１】
図５に示すように、本発明の実施の形態４におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（平行平板）５ａ，５ｄ、被加工物６、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、および第２の凸レンズ４３を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。
（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図であり、最適設計よりも大きい投影倍率（１／２５＝０.０４）で使用している場合を示している。
【００３２】
図６に示すように、本発明の実施の形態５におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｅ、被加工物６、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、および第２の凸レンズ４３を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。なお、補正を行わない場合の像面湾曲９は図示の通りである。
（実施の形態６）
図７は、本発明の実施の形態６におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図であり、最適設計よりも小さい投影倍率（１／７０＝０.０１４３）で使用している場合を示している。
【００３３】
図７に示すように、本発明の実施の形態６におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｆ、被加工物６、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、および第２の凸レンズ４３を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。なお、補正を行わない場合の像面湾曲９は図示の通りである。
（実施の形態７）
図８は、本発明の実施の形態７におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと自動切換え補正ウインドウ（出射側設置）の模式図である。
【００３４】
図８に示すように、本発明の実施の形態７におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃ、および被加工物６を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。
【００３５】
なお、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂ、および補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃは図示しない補正ウインドウチェンジャーで選択される。
（実施の形態８）
図９は、本発明の実施の形態８におけるレーザ加工装置のｆシータレンズと自動切換え補正ウインドウ（両側設置）の模式図である。
【００３６】
図９に示すように、本発明の実施の形態８におけるレーザ加工装置は、絞り２、偏向手段３、ｆシータレンズ４、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、補正ウインドウ（平行平板）５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｅ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｆ、および被加工物６を有し、レーザ光１５、第１光線７、第２光線８を照射する。
【００３７】
補正ウインドウ（平行平板）５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｅ、および補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｆは図示しない補正ウインドウチェンジャーで選択される。
（実施の形態９）
図１０は、本発明の実施の形態９におけるレーザ加工装置の旋回式自動切換え補正ウインドウの模式図である。
【００３８】
図１０に示すように、本発明の実施の形態９におけるレーザ加工装置では、補正ウインドウ（平行平板）５ａまたは５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂまたは５ｅ、および補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃまたは５ｆが、旋回式自動切換え補正ウインドウチェンジャー５１で選択される。
（実施の形態１０）
図１１は、本発明の実施の形態１０におけるレーザ加工装置の直動式自動切換え補正ウインドウの模式図である。
【００３９】
図１１に示すように、本発明の実施の形態１０におけるレーザ加工装置では、補正ウインドウ（平行平板）５ａまたは５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂまたは５ｅ、および補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃまたは５ｆが、直動式自動切換え補正ウインドウチェンジャー５２で選択される。
【実施例】
【００４０】
次に本発明の具体例を説明する。
（実施例１）
ｆシータレンズ４は、第１の凸レンズ４１、凹レンズ４２、第２の凸レンズ４３の組み合わせレンズである。マスク１を通ったレーザ光１５は、絞りで高次の回折光を除去した後、偏向手段３で偏向されレンズ群を通って被加工物６に集光、結像される。
【００４１】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。
【００４２】
ｆシータレンズ４を構成するレンズは、球面収差による像面湾曲を小さくするため、非球面レンズを使用している。
【００４３】
設計値での光学解析結果は、像面位置＝７２.７９２ｍｍ、像面湾曲＝−１〜+２μｍである。この時の補正ウインドウ５ａは、平行平板であり、被加工物６から飛散する塵埃がｆシータレンズ４に付着することを防止する保護ウインドウの作用を兼ね備えている。補正ウインドウ５ａは、ｆシータレンズ４を通した第１光線７、第２光線８の光軸を屈折させる作用を有するため、ｂ寸法を伸ばす効果を有するため、ｆシータレンズ４の設計を行う場合は、補正ウインドウ５ａも含めた、トータルのレンズ設計を行っている。
【００４４】
補正ウインドウ５ａは、ｆシータレンズ４とは別体となっており、着脱が容易な方法で取り付けられている。
【００４５】
図２は、ｆシータレンズの投影倍率を変えたときの像面湾曲を示す。
【００４６】
投影倍率を変えると、レンズから像面までの距離ｂは変わるが、図２は、中心光軸での距離ｂを基準（=０）として、偏向手段３によって走査した位置での像面湾曲量を表している。
【００４７】
ここで、像面湾曲が正の場合、像面位置はｆシータレンズ４から遠ざかり、負の場合には、像面位置がｆシータレンズ４に近づくことを示す。
【００４８】
設計投影倍率（１／３３＝０．０３）での像面湾曲は、１〜+２μｍであるが、投影倍率を１／２５（＝０.０４）にすると、像面湾曲は、−４６μｍとなり、投影倍率を１／７０（＝０.０１４３）にすると像面湾曲は+６３μｍとなる。
【００４９】
像面湾曲の変化は、マスク１と絞り２の距離が変わったことに起因する。
【００５０】
即ち、投影倍率を大きくするとマスク１が絞り２に近づき（距離ａが減る）、絞り２を通るレーザ光の広がり角θが大きくなり、球面収差の影響が大きくなり、走査の外側に行くほど焦点位置がｆシータレンズ４近づく方向に像面湾曲を発生する。
【００５１】
逆に投影倍率を小さくすると、絞り２を通るレーザ光の広がり角θが平行光に近づき、レンズの非球面による球面収差補正が効きすぎて、走査の外側に行くほど焦点位置がｆシータレンズ４から遠ざかる方向に像面湾曲を発生する。
（実施例２）
図３は、本発明によるｆシータレンズと補正ウインドウの模式図であり、最適設計よりも大きい投影倍率（１／２５＝０.０４）で使用している場合を示している。
【００５２】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。
【００５３】
補正ウインドウ５ｂが無い（または平行平板の時）場合には、破線で示す−４６μｍの像面湾曲９を有するが、凹レンズ状の補正ウインドウ５ｂを用いると、像面湾曲は±２μｍ以内に修正される。この時の補正は、ウインドウの縁の厚さで２.５μｍであるが、面形状は非球面で構成される。本実施例においては、非球面係数Ａ４次項の補正を行っており、補正効果は以下の通りである。
【００５４】
補正なし：像面位置＝７３.７３３ｍｍ、像面湾曲＝−４６μｍ。
【００５５】
Ａ４次項補正：像面位置変化＝+２μｍ、像面湾曲＝+２〜−１μｍ。
【００５６】
補正ウインドウ５ｂは、ｆシータレンズ４とは別体となっており、着脱が容易な方法で取り付けられている。
（実施例３）
図４は、本発明によるｆシータレンズと補正ウインドウの模式図であり、最適設計よりも小さい投影倍率（１／７０＝０.０１４３）で使用している場合を示している。
【００５７】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。
【００５８】
補正ウインドウ５ｃが無い（または平行平板の時）場合には、破線で示す+６３μｍの像面湾曲１０を有するが、凸レンズ状の補正ウインドウ５ｃを用いると、像面湾曲は±３μｍ以内に修正される。
【００５９】
この時の補正は、ウインドウの縁の厚さで−３μｍであるが、面形状は非球面で構成される。本実施例においては、非球面係数Ａ４次項とＡ１０次項で補正を行っている。
【００６０】
非球面係数の補正次数によって像面湾曲の補正効果が異なる。
【００６１】
ウインドウの縁の厚さを−３μｍ一定として、（１）球面で補正した場合、（２）Ａ４次項だけで補正した場合、（３）Ａ４次項とＡ１０次項で補正した場合を比べると、以下のようになる。
【００６２】
補正なし：像面位置＝７１.２０４ｍｍ、像面湾曲＝６３μｍ。
（１）球面補正：像面位置変化＝−２６μｍ、像面湾曲＝５５μｍ。
（２）Ａ４次項補正：像面位置変化＝−２μｍ、像面湾曲＝１３μｍ。
（３）Ａ４次項Ａ１０次項補正：像面位置変化＝−３μｍ、像面湾曲＝３μｍ。
【００６３】
球面では、像面湾曲の補正効果は８μｍしか無く、像面位置が−２６μｍずれてしまう。Ａ４次項の補正を入れた場合は、像面湾曲の補正効果５０μｍが得られ、像面位置ずれは−２μｍと小さく押さえられる。さらに、Ａ１０次項の補正を加えると、像面湾曲補正効果は６０μｍになり、像面湾曲は３μｍに押さえられ、像面位置ずれも−３μｍに押さえられる。
【００６４】
補正ウインドウ５ｃは、ｆシータレンズ４とは別体となっており、着脱が容易な方法で取り付けられている。
（実施例４）
図５は、本発明によるｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図であり、最適設計の投影倍率（１／３３＝０.０３）で使用している場合を示している。
【００６５】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。
【００６６】
ｆシータレンズ４の両側に設置された補正ウインドウ５ａ，５ｄは、いずれも平行平板である。ｆシータレンズ４の入射側に設置された補正ウインドウ５ｄにより偏向手段３とｆシータレンズ４の距離が短縮されるため、ｆシータレンズ４の位置は、偏向手段３から遠ざけて設置する。具体的には、Ｇｅ製の補正レンズを設置することで、間隔を３.７８１ｍｍ広げている。
【００６７】
最適設計値における補正ウインドウ５ａ，５ｄは、平行平板であるため、レーザ光１５は平行移動し、ワーキングディスタンスは伸びるが、像面湾曲に影響は受けない。
【００６８】
補正ウインドウ５ａ，５ｄは、ｆシータレンズ４を塵埃から保護し、ｆシータレンズ４とは別体となっており、着脱が容易な方法で取り付けられている。
（実施例５）
第６は、本発明によるｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図であり、最適設計よりも大きい投影倍率（１／２５＝０.０４）で使用している場合を示している。
【００６９】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。
【００７０】
補正ウインドウ５ａは平行平板である。
【００７１】
補正ウインドウ５ｅが平行平板の場合には、破線で示す−４５μｍの像面湾曲９を有するが、凹レンズ状の補正ウインドウ５ｅを用いると、像面湾曲は±２μｍ以内に修正される。この時の補正は、ウインドウの縁の厚さで１.６μｍであるが、面形状は非球面で構成される。
【００７２】
本実施例においては、非球面係数Ａ４次項とＡ６次項の補正を行っており、補正効果は以下の通りである。
【００７３】
補正なし：像面位置＝７３.８８７ｍｍ、像面湾曲＝−４５μｍ。
【００７４】
Ａ４、Ａ６次項補正：像面位置変化＝+１２μｍ、像面湾曲＝+２〜−２μｍ。
【００７５】
補正ウインドウ５ａ、５ｅは、ｆシータレンズ４を塵埃から保護し、ｆシータレンズ４とは別体となっており、着脱が容易な方法で取り付けられている。
（実施例６）
図７は、本発明によるｆシータレンズと補正ウインドウ（両側設置）の模式図であり、最適設計よりも小さい投影倍率（１／７０＝０.０１４３）で使用している場合を示している。
【００７６】
第１光線７は偏向手段３が動かず、中心光軸上に結像した状態の軌跡を表し、第２光線８は、偏向手段３によって走査された状態の軌跡を表している。
【００７７】
補正ウインドウ５ａは平行平板である。
【００７８】
補正ウインドウ５ｆが平行平板の場合には、破線で示す+６３μｍの像面湾曲１０を有するが、凸レンズ状の補正ウインドウ５ｆを用いると、像面湾曲は+２〜−１μｍ以内に修正される。
【００７９】
この時の補正は、ウインドウの縁の厚さで−２.６μｍであるが、面形状は非球面で構成される。本実施例においては、非球面係数Ａ４次項のみで補正を行っており、補正効果は以下の通りである。
【００８０】
補正なし：像面位置＝７１.３５８ｍｍ、像面湾曲＝−６３μｍ。
【００８１】
Ａ４次項補正：像面位置変化＝−１６μｍ、像面湾曲＝+２〜−１μｍ。
【００８２】
補正ウインドウ５ａ、５ｆは、ｆシータレンズ４を塵埃から保護し、ｆシータレンズ４とは別体となっており、着脱が容易な方法で取り付けられている。
（実施例７）
図８は、本発明によるｆシータレンズと自動切換え補正ウインドウ（出射側設置）の模式図である。
【００８３】
ｆシータレンズ４の出射側には、補正ウインドウ（平行平板）５ａ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃが、ウインドウチェンジャー５０に装着されている。図示していないマスク１とｆシータレンズ４の距離を変更し、投影倍率を切り替えたときに、像面湾曲を補正する最適の補正ウインドウ５ａ〜５ｃを自動切換えウインドウチェンジャー５０を用いて切り替えることができる。
（実施例８）
図９は、本発明によるｆシータレンズと自動切換え補正ウインドウ（両側設置）の模式図である。
【００８４】
ｆシータレンズ４の出射側には、補正ウインドウ（平行平板）５ａが取り付けられ、入射側には、補正ウインドウ（平行平板）５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｅ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｆが、ウインドウチェンジャー５０に装着されている。図示していないマスク１とｆシータレンズ４の距離を変更し、投影倍率を切り替えたときに、像面湾曲を補正する最適の補正ウインドウ５ｄ〜５ｆを自動切換えウインドウチェンジャー５０を用いて切り替えることができる。
（実施例９）
図１０は、本発明による旋回式自動切換え補正ウインドウの模式図である。
【００８５】
図８および図９におけるウインドウチェンジャー５０の一形態である旋回式自動切換え補正ウインドウチェンジャー５１は、円盤形状であり、補正ウインドウ（平行平板）５ａまたは５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂまたは５ｅ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃまたは５ｆが円周上に配置されている。旋回式補正ウインドウチェンジャー５１を回転させることにより、ｆシータレンズ４と必要な補正ウインドウ５ａ〜５ｆの組み合わせを選択することができる。
（実施例１０）
図１１は、本発明による直動式自動切換え補正ウインドウの模式図である。
【００８６】
図８および図９におけるウインドウチェンジャー５０の一形態である直動式自動切換え補正ウインドウチェンジャー５２は、長方形形状であり、補正ウインドウ（平行平板）５ａまたは５ｄ、補正ウインドウ（凹レンズ状補正）５ｂまたは５ｅ、補正ウインドウ（凸レンズ状補正）５ｃまたは５ｆが直線上に配置されている。直動式補正ウインドウチェンジャー５２をスライドさせることにより、ｆシータレンズ４と必要な補正ウインドウ５ａ〜５ｆの組み合わせを選択することができる。
【００８７】
以上のように、本発明に依れば、以下の効果が得られる。
【００８８】
ｆシータレンズは、投影倍率を限定して設計を行っており、設計と異なる投影倍率で使用することができないという問題点があったが、補正ウインドウを装着することで幅広い投影倍率に対して使用可能となる。
【００８９】
このことは、ｆシータレンズの設計に掛かる工数を大幅に減らし、開発期間を短縮するのみならず、開発費を大幅に削減し、結果として安価なレーザ加工機を提供することが可能となる。
【００９０】
また、本発明に依れば、レーザ加工機としては、投影倍率を変更可能とすることができるため、加工穴径の要望に対して幅広く対応可能となる。
【００９１】
また、本発明に依れば、補正ウインドウの面形状を非球面にすることで、球面収差の補正が容易になり、きめ細かな補正が可能となる。
【００９２】
また、本発明に依れば、補正ウインドウをｆシータレンズの入射側、反射側、または両側に装着することで、ｆシータレンズ周辺の配置設計自由度を大きくできる。
【００９３】
また、本発明に依れば、補正ウインドウを着脱可能にしたことにより、投影倍率の変更が容易なレーザ加工機の提供が可能になる。
【００９４】
また、本発明に依れば、補正ウインドウを複数枚装着し、自動切換えを行うことで、投影倍率を切り替えた時に必要な補正ウインドウを即座に選択、装着することが可能となり、加工機の段取り換え時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００９５】
また、本発明に依れば、補正ウインドウチェンジャーを旋回式または直動式にすることで、ｆシータレンズ周辺の構造部材に邪魔されない配置を選択可能となり、設計自由度が広がる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は、レーザ光を用いて穴の加工や、切断を行うレーザ加工装置および加工方法に係り、特にプリント基板用レーザ穴あけに有用である。
【符号の説明】
【００９７】
１ マスク
２ 絞り
３ 偏向手段
４ ｆシータレンズ
５ａ 補正ウインドウ（平行平板）
５ｂ 補正ウインドウ（凹レンズ状補正）
５ｃ 補正ウインドウ（凸レンズ状補正）
５ｄ 補正ウインドウ（平行平板）
５ｅ 補正ウインドウ（凹レンズ状補正）
５ｆ 補正ウインドウ（凸レンズ状補正）
６ 被加工物
７ 第１光線
８ 第２光線
９ 像面湾曲
１０ 像面湾曲
１１ レーザ発信器
１２ ＸＹステージ
１３ Ｚステージ
１４ 板厚センサ
１５ レーザ光
１６ コリメータレンズ
１７ ミラー
４１ 第１の凸レンズ
４２ 凹レンズ
４３ 第２の凸レンズ
５１ 旋回式自動切換え補正ウインドウチェンジャー
５２ 直動式自動切換え補正ウインドウチェンジャー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の一部をマスクを通過させ、マスクを通過したレーザ光を円形の絞りと偏向手段を介してｆシータレンズで被加工物にマスク転写加工を行う光学系において、マスク転写の投影倍率に応じた補正ウインドウを取り付け、像面湾曲を補正することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記補正ウインドウの少なくとも１面が非球面形状を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記補正ウインドウが着脱可能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。
【請求項４】
前記補正ウインドウをｆシータレンズの入射側、又は出射側、又は両側に設けたことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
補正係数の異なる前記補正ウインドウを複数枚備え、投影倍率に応じて自動切換えを行うことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記補正レンズの自動切換え移動が旋回式であることを特徴とする請求項５記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記補正レンズの自動切換え移動が直動式であることを特徴とする請求項５記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
レーザ光の一部をマスクを通過させ、マスクを通過したレーザ光を円形の絞りと偏向手段を介してｆシータレンズで被加工物にマスク転写加工を行う光学系において、マスク転写の投影倍率に応じた補正ウインドウを取り付け、像面湾曲を補正して加工することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１】
レーザ光の一部をマスクを通過させ、マスクを通過したレーザ光を円形の絞りと偏向手段を介してｆシータレンズで被加工物にマスク転写加工を行う光学系において、マスク転写の投影倍率に応じた補正ウインドウを取り付け、像面湾曲を補正することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記補正ウインドウの少なくとも１面が非球面形状を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記補正ウインドウが着脱可能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。
【請求項４】
前記補正ウインドウをｆシータレンズの入射側、又は出射側、又は両側に設けたことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
補正係数の異なる前記補正ウインドウを複数枚備え、投影倍率に応じて自動切換えを行うことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記補正レンズの自動切換え移動が旋回式であることを特徴とする請求項５記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記補正レンズの自動切換え移動が直動式であることを特徴とする請求項５記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
レーザ光の一部をマスクを通過させ、マスクを通過したレーザ光を円形の絞りと偏向手段を介してｆシータレンズで被加工物にマスク転写加工を行う光学系において、マスク転写の投影倍率に応じた補正ウインドウを取り付け、像面湾曲を補正して加工することを特徴とするレーザ加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１２５９０５（Ｐ２０１１−１２５９０５Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８７１２５（Ｐ２００９−２８７１２５）
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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