レーザ加工装置の光軸調整方法
【課題】光学系を移動させてレーザ光を走査し、加工する装置において、安価でかつ正確に光軸を調整でき、常に安定した加工が行えるようにする。
【解決手段】この光軸調整方法は、レーザ発振器１及び所定の範囲で移動可能な光学系３を有するレーザ加工装置のレーザ光の光軸を調整するための方法であって、第１工程及び第２工程を含む。第１工程は、レーザ光の光路に、レーザ光のビーム径より小径のピンホールが形成された光軸調整用の治具５を設置する工程である。第２工程は、治具５のピンホールを通過してきたレーザ光の出力を、光学系３の移動範囲にわたってパワーセンサ６により検出し、検出値が光学系の移動範囲において同じでかつ最大になるように、光学系３の姿勢を調整する工程である。
【解決手段】この光軸調整方法は、レーザ発振器１及び所定の範囲で移動可能な光学系３を有するレーザ加工装置のレーザ光の光軸を調整するための方法であって、第１工程及び第２工程を含む。第１工程は、レーザ光の光路に、レーザ光のビーム径より小径のピンホールが形成された光軸調整用の治具５を設置する工程である。第２工程は、治具５のピンホールを通過してきたレーザ光の出力を、光学系３の移動範囲にわたってパワーセンサ６により検出し、検出値が光学系の移動範囲において同じでかつ最大になるように、光学系３の姿勢を調整する工程である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光軸調整方法、特に、レーザ発振器及び所定の範囲で移動可能な光学系を有するレーザ加工装置のレーザ光の光軸調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池等を構成するガラス基板にレーザ光を照射し、基板に形成された半導体層に溝を形成するための装置や、ガラス基板にレーザ光を照射して分割する装置が従来から提案されている。このようなレーザ加工装置では、レーザ光の光軸が正規の位置からずれると、レーザビーム形状の悪化による加工精度の劣化や、レーザ光を走査したときに所望のラインに沿って走査することができない等の問題が発生する。
【０００３】
そこで、加工精度を低下させないために、レーザ光の光軸が正規の位置になるように調整する必要がある。光軸を調整する場合は、例えば、レーザ照射位置やレーザビームの形状をCCDカメラで観察しながら、光学系を構成するミラーの姿勢等を作業者が手動で調整し、照射位置が予め設置されたターゲット位置にくるように、あるいはレーザビームの形状が所定の形状になるようにしている。
【０００４】
また、特許文献１及び２に示されるような光軸調整方法も提案されている。特許文献１に示された方法は、まず、レーザ加工装置において、隣り合う２つのミラーの前側ミラーの後方及び後側ミラーの前方に、それぞれ光軸調整用のクロスヘアーを着脱自在に保持するターゲットホルダが設けられる。そして、光軸調整に際しては、レーザ光路中にクロスヘアーを挿入し、その像をもとに作業者が手動で調整を行っている。
【０００５】
また、特許文献２では、レーザ光路中に光軸調整装置が設けられている。この光軸調整装置は、２つの分離ミラーと、これらをそれぞれあおり駆動するアクチュエータと、から構成されている。
【０００６】
ここで、レーザ光を用いた各種の装置においては、光学系を構成するミラーを移動させることによってレーザ光を走査することが行われている。このような装置では、ミラーはガイドレールに沿って移動させられるが、ミラーの移動方向とレーザ光の光軸とがずれている場合がある。このような場合は装置の性能低下を招く。そこで、特許文献３には、移動光学系の光軸とレールとの平行関係の誤差を除去するようにした光軸調整方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２２６７６７号公報
【特許文献２】特開２００５−１０３５９８号公報
【特許文献３】特開平９−２７１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のCCDカメラによってレーザビームの形状等を観察しながら光軸を調整する方法や、特許文献１に示された装置では、作業者の目視による調整である。このため、調整を行う作業者によってバラツキが生じやすく、正確な光軸調整を行うことは困難である。また、特許文献３に示された方法も同様であり、モニタ上に表示された反射光の光点を観察しながらミラーの傾きを調整するようにしており、作業者によってバラツキが生じやすい。
【０００９】
また、特許文献２に示された装置では、複数の分離ミラーやそれに付属するアクチュエータが必要であり、装置が高価になってしまう。
【００１０】
本発明の課題は、特に、光学系を移動させてレーザ光を走査し、加工する装置において、光学系の移動方向とレーザ光の光軸の方向とを一致させるための光軸調整を、安価でかつ正確にできるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１発明に係るレーザ加工装置の光軸調整方法は、レーザ発振器及び所定の範囲で移動可能な光学系を有するレーザ加工装置のレーザ光の光軸を調整するための方法であって、第１工程及び第２工程を含む。第１工程は、レーザ光の光路に、レーザ光のビーム径より小径のピンホールが形成された光軸調整用の治具を設置する工程である。第２工程は、治具のピンホールを通過してきたレーザ光の出力を、光学系の移動範囲にわたってセンサにより検出し、検出値が光学系の移動範囲において同じでかつ最大になるように、光学系を調整する工程である。
【００１２】
この方法では、まず、レーザ光路中に、ピンホールが形成された治具が配置される。このピンホールの径はレーザビーム径よりも小径である。このため、ピンホールの下流側においては、レーザ光のうちの最も強度の高い部分のみを得ることができる。このピンホールを通過したレーザ光の出力はセンサによって検出される。そして、光学系の移動範囲にわたって、センサによる検出値が同じでかつ最大になるように、光学系の姿勢が調整される。
【００１３】
このような光軸調整方法では、光学系の移動方向とレーザ光の光軸の方向とを一致させることができ、光学系の移動範囲、すなわちレーザ光の走査範囲にわたって、安定した所望のレーザ光を得ることができる。そして、そのための光軸調整に際して、センサによってレーザ出力の値を検出し、光軸のずれを数値化して客観的に判断しているので、作業者が手動で調整しても、目視による従来方法に比較して、バラツキの少ない正確な光軸調整を行うことができる。また、手動で正確な調整が可能になるので、光学系をあおり駆動するための光軸調整用のアクチュエータ等が不要になる。
【００１４】
第２発明に係るレーザ加工装置の光軸調整方法は、第１発明の光軸調整方法において、光学系は、レーザ光の走査方向に沿って移動する移動ミラーを有し、移動ミラーはレーザ発振器に最も近い近点と最も遠い遠点との間で移動可能である。第１工程は治具をレーザ光路において移動ミラーの上流側に配置する工程である。第２工程は、近点でレーザ出力が最も高くなるように光学系を調整するX軸近点調整工程と、遠点でレーザ出力が最も高くなるように光学系を調整するX軸遠点調整工程と、を含んでいる。そして、X軸近点調整工程及びX軸遠点調整工程を繰り返し、両工程におけるレーザ出力が同じになれば、第２工程を終了とする。
【００１５】
ここでは、光学系を構成する移動ミラーを近点に位置させ、この状態で、ピンホールを通過してきたレーザ出力がセンサにより検出される。また、移動ミラーを遠点に位置させて、同様にピンホールを通過してきたレーザ出力がセンサにより検出される。そして、以上の操作を繰り返し実行し、近点及び遠点におけるレーザ出力が同じでかつ最大のときに、第２工程の終了、すなわち光軸調整完了と判断される。
【００１６】
この場合も、第１発明と同様に、光軸のずれを数値化して客観的に判断しているので、特に、レーザ光の走査方向において、バラツキの少ない正確な光軸調整を安価な構成で行うことができる
第３発明に係るレーザ加工装置の光軸調整方法は、第２発明の光軸調整方法において、X軸近点調整工程は移動ミラーに入射してくるレーザ光の光軸の位置を調整するものである。また、X軸遠点調整工程は移動ミラーに入射してくるレーザ光の角度を調整するものである。
【００１７】
第４発明に係るレーザ加工装置の光軸調整方法は、第２又は第３発明の光軸調整方法において、光学系は、加工対象に対向して配置される対向ミラーと、対向ミラーと加工対象との間に配置されレーザ光を集光するための集光レンズと、を有し、集光レンズは対向ミラーに最も近い近点と最も遠い遠点との間で移動可能である。第１工程は治具をレーザ光路において集光レンズの上流側に配置する工程である。第２工程は、近点でレーザ出力が最も高くなるように光学系を調整するZ軸近点調整工程と、遠点でレーザ出力が最も高くなるように光学系を調整するZ軸遠点調整工程と、を含んでいる。そして、Z軸近点調整工程及びZ軸遠点調整工程を繰り返し、両工程におけるレーザ出力が同じになれば、第２工程を終了とする。
【００１８】
ここでは、光学系を構成する集光レンズを近点に位置させ、この状態で、ピンホールを通過してきたレーザ出力がセンサにより検出される。また、対向ミラーを遠点に位置させて、同様にピンホールを通過してきたレーザ出力がセンサにより検出される。そして、以上の操作を繰り返し実行し、近点及び遠点におけるレーザ出力が同じでかつ最大のときに、第２工程の終了、すなわち光軸調整完了と判断される。
【００１９】
この場合も、第１発明と同様に、光軸のずれを数値化して客観的に判断しているので、特に、鉛直方向における軸において、バラツキの少ない正確な光軸調整を安価な構成で行うことができる。
【００２０】
第５発明に係るレーザ加工装置の光軸調整方法は、第４発明の光軸調整方法において、Z軸近点調整工程は、移動ミラー及び対向ミラーの位置を調整するものである。また、Z軸遠点調整工程は、対向ミラーから出射するレーザ光の光軸の位置を調整するものである。
【発明の効果】
【００２１】
以上のような本発明では、レーザ光の走査範囲内において、光学系の移動方向とレーザ光の光軸の方向とを、安価な方法で、かつ正確に一致させることができ、常に安定したレーザ光で加工が行える。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態による光軸（X軸）調整方法が実施されるレーザ加工装置の概略構成図。
【図２】本発明の一実施形態による光軸（X軸）調整方法が実施されるレーザ加工装置の概略構成図。
【図３】前記装置において、Z軸の光軸調整を行う場合の第４ミラーボックスと集光レンズ及び治具の配置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［レーザ加工装置］
図１及び図２は本発明の一実施形態による光軸調整方法が実施されるレーザ加工装置の概略構成図である。このレーザ加工装置は、レーザ発振器１と、門型フレーム２と、一部が門型フレーム２に支持された光学系３と、加工対象であるワークが載置されるテーブル４と、を備えている。また、このレーザ加工装置には、治具５と、レーザ出力を検出するためのレーザ用パワーセンサ６と、が設けられている。なお、治具5は、光軸の調整を実施する際に装着され、ワークに加工を行う場合は取り外されるものである。
【００２４】
レーザ発振器１は、レーザビームを射出する。レーザ発振器１から射出されるレーザビームの光強度分布は、典型的にはガウシアン分布であり、レーザビームの断面の中心で光強度が最も高くなる。
【００２５】
光学系３は、それぞれ内部に反射ミラーが設けられた第１〜第４ミラーボックス１０，１１，１２，１３と、図３に示す集光レンズ１４と、を有している。なお、図３は、第４ミラーボックス１３、集光レンズ１４を取り出して示したものである。各ミラーボックス１０〜１３にはミラーホルダ（図示せず）が設けられており、このミラーホルダに第１〜第４反射ミラー１０ａ，１１ａ，１２ａ，１３ａが固定されている。各ミラーホルダは、あおり及び回転位置を調整することによって、固定された反射ミラー１０ａ〜１３ａの姿勢を調整することが可能である。また、各ミラーボックス１０〜１３には、それぞれ特定の軸方向（図１及び図２に示すX,Y,Z軸方向のいずれか）にミラーホルダを移動させるための軸ステージ（図示せず）が設けられている。
【００２６】
第１ミラーボックス１０は、レーザ発振器１の側方に配置されており、レーザ発振器１から出射されたレーザ光を上方に反射するものである。この第１ミラーボックス１０にはY軸ステージが設けられている。第２ミラーボックス１１は、第１ミラーボックス１０からのレーザ光を水平方向に反射するものであり、Z軸ステージが設けられている。第３ミラーボックス１２は第２ミラーボックス１１からのレーザ光を反射して、同じ水平面内で方向を９０°変更するものである。この第３ミラーボックス１２にはX軸ステージが設けられている。第４ミラーボックス１３は、第３ミラーボックス１２からのレーザ光を下方に反射するものであり、Y軸ステージが設けられている。なお、第４ミラーボックス１３は、第３ミラーボックス１２からのレーザ光を、下方に反射するとともに、その一部をパワーセンサ６側にも導くことが可能である。集光レンズ１４は第４ミラーボックス１３からレーザ光をワーク表面上に集光させるものである。
【００２７】
第３ミラーボックス１２及び第４ミラーボックス１３は、門型フレーム２の上部に配置された移動テーブル１５に支持されている。移動テーブル１５は、門型フレーム２に設けられたガイドレール（図示せず）に沿って、水平面内のY軸方向に移動可能である。このような構成によって、第３ミラーボックス１２及び第４ミラーボックス１３は、集光レンズ１４及びパワーセンサ６とともに、Y軸方向に所定の範囲で移動が可能である。すなわち、第３ミラーボックス１２及び第４ミラーボックス１３は、Y軸に沿って、第２ミラーボックス１１（レーザ発振器１側）に最も近い位置である「近点」と、逆に第２ミラーボックス１１から最も遠く離れた位置である「遠点」との間で移動可能である。
【００２８】
また、集光レンズ１４は上下方向（Z軸方向）に所定の範囲で移動可能である。すなわち、集光レンズ１４は、第４ミラーボックス１３に最も近い「近点」と、第４ミラーボックス１３から最も離れた「遠点」との間で移動可能である。
【００２９】
なお、ワークが載置されたテーブル４は、水平面内でY軸と直交するX軸方向に移動可能である。
【００３０】
治具５は、例えばX軸の光軸調整を行うために、第３ミラーボックス１２に設けられている。より詳細には、治具５は、第３ミラーボックス１２内において、反射ミラー１２ａのレーザ光路上流側に、取り外し自在に取り付けられている。この治具５には、レーザ光のビーム径よりも小径のピンホールが形成されている。一例として、この実施形態では、レーザ光のビーム径が３mmであり、ピンホールの径は０．５mmである。なお、治具５を配置する位置は、調整する光軸によって変更される。
【００３１】
ここで、前述のように、レーザ光としては、ガウシアン分布の強度分布を有するレーザ光を用いている。このようなレーザ光に対してピンホールを有する治具５を設置することにより、ピンホールを通過したレーザ光の強度がもっとも高くなるときに、レーザ光の中心がピンホールに一致していると容易に判断することができる。
【００３２】
パワーセンサ６は、例えば第４ミラーボックス１３に隣接して配置されている。前述のように、第４ミラーボックス１３の反射ミラーは、第３ミラーボックス１２からのレーザ光の一部を、パワーセンサ６側に通過させることが可能である。なお、パワーセンサ６を配置する位置は、調整する光軸によって変更される。また治具５のピンホールを通過したレーザ光を受光できる位置であればどこでもよく、特に限定されない。
【００３３】
［光軸調整方法］
この実施形態では、X軸及びZ軸の光軸調整が可能である。光軸調整を行う場合は、ピンホールが形成された治具５を用意する。
【００３４】
まず、光軸調整に関する基本的な考え方について説明する。
【００３５】
光軸調整は、近点及び遠点において行われる。近点では、レーザ光の光軸は変えずに、ピンホールを通過したレーザ光の強度が最も大きくなるようにミラーの軸ステージを移動させ、ピンホールとレーザ光の中心とが一致するように調整する。移動する光学系（ここでは、第３ミラーボックス１２、第４ミラーボックス１３、及び集光レンズ１４）の移動方向とレーザ光の光軸とが平行であれば、遠点においても、ピンポールを通過したレーザ光の強度は最も大きい値のままである。しかし、移動する光学系の移動方向とレーザ光の光軸の方向がずれていれば、遠点において、ピンホールを通過したレーザ光の強度は小さくなる。このとき、遠点において、ピンホールを通過したレーザの強度が最も高くなるようにミラーの角度を調整する。
【００３６】
そして、ミラーの角度を調整すると、近点でのレーザ光の位置が変化するので、再度近点でのレーザの光軸の位置を調整する。
【００３７】
以上のような工程を繰り返すことにより、近点でも遠点でもピンポールを通過したレーザ光の強度が最も高くなる位置及び姿勢にミラーが調整されると、移動する光学系の移動方向とレーザ光の光軸の方向とが一致したことになる。
【００３８】
以下、具体的に、X軸の光軸調整方法とZ軸の光軸調整方法について説明する。
【００３９】
＜X軸の光軸調整＞
X軸の光軸を調整する場合は、以下の手順で行う。
【００４０】
ステップ１：図１及び図２に示すように、治具５を、第３ミラーボックス１２内において反射ミラー１２ａのレーザ光路上流側に配置する。また、パワーセンサ６を第４ミラーボックス１３に隣接して配置する。
【００４１】
ステップ２（X軸近点調整）：図１に示すように、第３ミラーボックス１２及び第４ミラーボックス１３を、移動範囲において最も第２ミラーボックス１１に近い近点に移動させ、治具５のピンホールを通過してきたレーザ光をパワーセンサ６によって検出する。そして、レーザ光の強度が最も高くなるように光学系３の調整を行う。具体的には、第１ミラーボックス１０のY軸ステージと第２ミラーボックス１１のZ軸ステージを調整して、各ボックス１０，１１の反射ミラー１０ａ，１１ａの位置を調整する。
【００４２】
ステップ３（X軸遠点調整）：図２に示すように、第３ミラーボックス１２及び第４ミラーボックス１３を、移動範囲において最も第２ミラーボックス１１から離れた遠点に移動させ、治具５のピンホールを通過してきたレーザ光をパワーセンサ６によって検出する。そして、ステップ２と同様に、レーザ光の強度が最も高くなるように光学系３の調整を行う。具体的には、各ミラーボックス１０〜１４のミラーホルダを調整し、各反射ミラー１０ａ〜１４ａの姿勢を調整する。
【００４３】
以上のステップ２及びステップ３の調整を繰り返し実施し、X軸近点調整及びX軸遠点調整においてパワーセンサ６で得られる最大の数値が同じになればX軸の光軸調整を終了する。
【００４４】
＜Z軸の光軸調整＞
Z軸の光軸を調整する場合は、前述のX軸の光軸調整を終了した後に、以下の手順で行う。
【００４５】
ステップ４：図３に示すように、治具５を、レーザ光路において集光レンズ１４の上流側に配置する。また、パワーセンサ６をワークが載置されるテーブル４上に載置する。
【００４６】
ステップ２（Z軸近点調整）：図３に示すように、集光レンズ１４及び治具５を、移動範囲において最も第４ミラーボックス１３に近い近点に移動させ、治具５のピンホールを通過してきたレーザ光をパワーセンサ６によって検出する。そして、レーザ光の強度が最も高くなるように光学系３の調整を行う。具体的には、第３ミラーボックス１２のX軸ステージと第４ミラーボックス１３のY軸ステージを調整して、各ボックス１２，１３の反射ミラー１２ａ，１３ａの位置を調整する。
【００４７】
ステップ３（Z軸遠点調整）：集光レンズ１４及び治具５を、移動範囲において最も第４ミラーボックス１３から離れた遠点に移動させ、治具５のピンホールを通過してきたレーザ光をパワーセンサ６によって検出する。そして、レーザ光の強度が最も高くなるように光学系３の調整を行う。具体的には、各ミラーボックス１０〜１４のミラーホルダを調整し、各反射ミラー１０ａ〜１４ａの姿勢を調整する。
【００４８】
以上のステップ２及びステップ３の調整を繰り返し実施し、Z軸近点調整及びZ軸遠点調整においてパワーセンサ６で得られる最大の数値が同じになればZ軸の光軸調整を終了する。
【００４９】
［特徴］
（１）レーザ光の走査範囲にわたって、安定した所望のレーザ光を得ることができ、レーザ光による加工品質が安定する。
【００５０】
（２）光軸調整に際して、パワーセンサ６によってレーザ強度を検出し、光軸のずれを数値化して客観的に判断している。このため、作業者の手動による調整であっても、作業者の目視による従来方法に比較して、バラツキの少ない正確な光軸調整を行うことができる。
【００５１】
（３）作業者の手動によって正確な光軸調整が可能であるために、光軸調整のために反射ミラーを駆動するためのアクチュエータ等が不要となり、安価な構成で光軸を調整することができる。
【００５２】
（４）ピンホールを通過した強度の高いレーザ光を検出し、光軸のずれを検出しているので、より正確な調整を行うことができる。
【００５３】
［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。
【００５４】
ピンホールが形成された治具の配置は前記実施形態に限定されない。治具の下流側にパワーセンサが配置されていれば、どのような位置に配置してもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１ レーザ発振器
３ 光学系
４ テーブル
５ 治具
６ パワーセンサ
１０〜１３ ミラーボックス
１０ａ〜１３ａ 反射ミラー
１４ 集光レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光軸調整方法、特に、レーザ発振器及び所定の範囲で移動可能な光学系を有するレーザ加工装置のレーザ光の光軸調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池等を構成するガラス基板にレーザ光を照射し、基板に形成された半導体層に溝を形成するための装置や、ガラス基板にレーザ光を照射して分割する装置が従来から提案されている。このようなレーザ加工装置では、レーザ光の光軸が正規の位置からずれると、レーザビーム形状の悪化による加工精度の劣化や、レーザ光を走査したときに所望のラインに沿って走査することができない等の問題が発生する。
【０００３】
そこで、加工精度を低下させないために、レーザ光の光軸が正規の位置になるように調整する必要がある。光軸を調整する場合は、例えば、レーザ照射位置やレーザビームの形状をCCDカメラで観察しながら、光学系を構成するミラーの姿勢等を作業者が手動で調整し、照射位置が予め設置されたターゲット位置にくるように、あるいはレーザビームの形状が所定の形状になるようにしている。
【０００４】
また、特許文献１及び２に示されるような光軸調整方法も提案されている。特許文献１に示された方法は、まず、レーザ加工装置において、隣り合う２つのミラーの前側ミラーの後方及び後側ミラーの前方に、それぞれ光軸調整用のクロスヘアーを着脱自在に保持するターゲットホルダが設けられる。そして、光軸調整に際しては、レーザ光路中にクロスヘアーを挿入し、その像をもとに作業者が手動で調整を行っている。
【０００５】
また、特許文献２では、レーザ光路中に光軸調整装置が設けられている。この光軸調整装置は、２つの分離ミラーと、これらをそれぞれあおり駆動するアクチュエータと、から構成されている。
【０００６】
ここで、レーザ光を用いた各種の装置においては、光学系を構成するミラーを移動させることによってレーザ光を走査することが行われている。このような装置では、ミラーはガイドレールに沿って移動させられるが、ミラーの移動方向とレーザ光の光軸とがずれている場合がある。このような場合は装置の性能低下を招く。そこで、特許文献３には、移動光学系の光軸とレールとの平行関係の誤差を除去するようにした光軸調整方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２２６７６７号公報
【特許文献２】特開２００５−１０３５９８号公報
【特許文献３】特開平９−２７１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のCCDカメラによってレーザビームの形状等を観察しながら光軸を調整する方法や、特許文献１に示された装置では、作業者の目視による調整である。このため、調整を行う作業者によってバラツキが生じやすく、正確な光軸調整を行うことは困難である。また、特許文献３に示された方法も同様であり、モニタ上に表示された反射光の光点を観察しながらミラーの傾きを調整するようにしており、作業者によってバラツキが生じやすい。
【０００９】
また、特許文献２に示された装置では、複数の分離ミラーやそれに付属するアクチュエータが必要であり、装置が高価になってしまう。
【００１０】
本発明の課題は、特に、光学系を移動させてレーザ光を走査し、加工する装置において、光学系の移動方向とレーザ光の光軸の方向とを一致させるための光軸調整を、安価でかつ正確にできるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１発明に係るレーザ加工装置の光軸調整方法は、レーザ発振器及び所定の範囲で移動可能な光学系を有するレーザ加工装置のレーザ光の光軸を調整するための方法であって、第１工程及び第２工程を含む。第１工程は、レーザ光の光路に、レーザ光のビーム径より小径のピンホールが形成された光軸調整用の治具を設置する工程である。第２工程は、治具のピンホールを通過してきたレーザ光の出力を、光学系の移動範囲にわたってセンサにより検出し、検出値が光学系の移動範囲において同じでかつ最大になるように、光学系を調整する工程である。
【００１２】
この方法では、まず、レーザ光路中に、ピンホールが形成された治具が配置される。このピンホールの径はレーザビーム径よりも小径である。このため、ピンホールの下流側においては、レーザ光のうちの最も強度の高い部分のみを得ることができる。このピンホールを通過したレーザ光の出力はセンサによって検出される。そして、光学系の移動範囲にわたって、センサによる検出値が同じでかつ最大になるように、光学系の姿勢が調整される。
【００１３】
このような光軸調整方法では、光学系の移動方向とレーザ光の光軸の方向とを一致させることができ、光学系の移動範囲、すなわちレーザ光の走査範囲にわたって、安定した所望のレーザ光を得ることができる。そして、そのための光軸調整に際して、センサによってレーザ出力の値を検出し、光軸のずれを数値化して客観的に判断しているので、作業者が手動で調整しても、目視による従来方法に比較して、バラツキの少ない正確な光軸調整を行うことができる。また、手動で正確な調整が可能になるので、光学系をあおり駆動するための光軸調整用のアクチュエータ等が不要になる。
【００１４】
第２発明に係るレーザ加工装置の光軸調整方法は、第１発明の光軸調整方法において、光学系は、レーザ光の走査方向に沿って移動する移動ミラーを有し、移動ミラーはレーザ発振器に最も近い近点と最も遠い遠点との間で移動可能である。第１工程は治具をレーザ光路において移動ミラーの上流側に配置する工程である。第２工程は、近点でレーザ出力が最も高くなるように光学系を調整するX軸近点調整工程と、遠点でレーザ出力が最も高くなるように光学系を調整するX軸遠点調整工程と、を含んでいる。そして、X軸近点調整工程及びX軸遠点調整工程を繰り返し、両工程におけるレーザ出力が同じになれば、第２工程を終了とする。
【００１５】
ここでは、光学系を構成する移動ミラーを近点に位置させ、この状態で、ピンホールを通過してきたレーザ出力がセンサにより検出される。また、移動ミラーを遠点に位置させて、同様にピンホールを通過してきたレーザ出力がセンサにより検出される。そして、以上の操作を繰り返し実行し、近点及び遠点におけるレーザ出力が同じでかつ最大のときに、第２工程の終了、すなわち光軸調整完了と判断される。
【００１６】
この場合も、第１発明と同様に、光軸のずれを数値化して客観的に判断しているので、特に、レーザ光の走査方向において、バラツキの少ない正確な光軸調整を安価な構成で行うことができる
第３発明に係るレーザ加工装置の光軸調整方法は、第２発明の光軸調整方法において、X軸近点調整工程は移動ミラーに入射してくるレーザ光の光軸の位置を調整するものである。また、X軸遠点調整工程は移動ミラーに入射してくるレーザ光の角度を調整するものである。
【００１７】
第４発明に係るレーザ加工装置の光軸調整方法は、第２又は第３発明の光軸調整方法において、光学系は、加工対象に対向して配置される対向ミラーと、対向ミラーと加工対象との間に配置されレーザ光を集光するための集光レンズと、を有し、集光レンズは対向ミラーに最も近い近点と最も遠い遠点との間で移動可能である。第１工程は治具をレーザ光路において集光レンズの上流側に配置する工程である。第２工程は、近点でレーザ出力が最も高くなるように光学系を調整するZ軸近点調整工程と、遠点でレーザ出力が最も高くなるように光学系を調整するZ軸遠点調整工程と、を含んでいる。そして、Z軸近点調整工程及びZ軸遠点調整工程を繰り返し、両工程におけるレーザ出力が同じになれば、第２工程を終了とする。
【００１８】
ここでは、光学系を構成する集光レンズを近点に位置させ、この状態で、ピンホールを通過してきたレーザ出力がセンサにより検出される。また、対向ミラーを遠点に位置させて、同様にピンホールを通過してきたレーザ出力がセンサにより検出される。そして、以上の操作を繰り返し実行し、近点及び遠点におけるレーザ出力が同じでかつ最大のときに、第２工程の終了、すなわち光軸調整完了と判断される。
【００１９】
この場合も、第１発明と同様に、光軸のずれを数値化して客観的に判断しているので、特に、鉛直方向における軸において、バラツキの少ない正確な光軸調整を安価な構成で行うことができる。
【００２０】
第５発明に係るレーザ加工装置の光軸調整方法は、第４発明の光軸調整方法において、Z軸近点調整工程は、移動ミラー及び対向ミラーの位置を調整するものである。また、Z軸遠点調整工程は、対向ミラーから出射するレーザ光の光軸の位置を調整するものである。
【発明の効果】
【００２１】
以上のような本発明では、レーザ光の走査範囲内において、光学系の移動方向とレーザ光の光軸の方向とを、安価な方法で、かつ正確に一致させることができ、常に安定したレーザ光で加工が行える。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態による光軸（X軸）調整方法が実施されるレーザ加工装置の概略構成図。
【図２】本発明の一実施形態による光軸（X軸）調整方法が実施されるレーザ加工装置の概略構成図。
【図３】前記装置において、Z軸の光軸調整を行う場合の第４ミラーボックスと集光レンズ及び治具の配置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［レーザ加工装置］
図１及び図２は本発明の一実施形態による光軸調整方法が実施されるレーザ加工装置の概略構成図である。このレーザ加工装置は、レーザ発振器１と、門型フレーム２と、一部が門型フレーム２に支持された光学系３と、加工対象であるワークが載置されるテーブル４と、を備えている。また、このレーザ加工装置には、治具５と、レーザ出力を検出するためのレーザ用パワーセンサ６と、が設けられている。なお、治具5は、光軸の調整を実施する際に装着され、ワークに加工を行う場合は取り外されるものである。
【００２４】
レーザ発振器１は、レーザビームを射出する。レーザ発振器１から射出されるレーザビームの光強度分布は、典型的にはガウシアン分布であり、レーザビームの断面の中心で光強度が最も高くなる。
【００２５】
光学系３は、それぞれ内部に反射ミラーが設けられた第１〜第４ミラーボックス１０，１１，１２，１３と、図３に示す集光レンズ１４と、を有している。なお、図３は、第４ミラーボックス１３、集光レンズ１４を取り出して示したものである。各ミラーボックス１０〜１３にはミラーホルダ（図示せず）が設けられており、このミラーホルダに第１〜第４反射ミラー１０ａ，１１ａ，１２ａ，１３ａが固定されている。各ミラーホルダは、あおり及び回転位置を調整することによって、固定された反射ミラー１０ａ〜１３ａの姿勢を調整することが可能である。また、各ミラーボックス１０〜１３には、それぞれ特定の軸方向（図１及び図２に示すX,Y,Z軸方向のいずれか）にミラーホルダを移動させるための軸ステージ（図示せず）が設けられている。
【００２６】
第１ミラーボックス１０は、レーザ発振器１の側方に配置されており、レーザ発振器１から出射されたレーザ光を上方に反射するものである。この第１ミラーボックス１０にはY軸ステージが設けられている。第２ミラーボックス１１は、第１ミラーボックス１０からのレーザ光を水平方向に反射するものであり、Z軸ステージが設けられている。第３ミラーボックス１２は第２ミラーボックス１１からのレーザ光を反射して、同じ水平面内で方向を９０°変更するものである。この第３ミラーボックス１２にはX軸ステージが設けられている。第４ミラーボックス１３は、第３ミラーボックス１２からのレーザ光を下方に反射するものであり、Y軸ステージが設けられている。なお、第４ミラーボックス１３は、第３ミラーボックス１２からのレーザ光を、下方に反射するとともに、その一部をパワーセンサ６側にも導くことが可能である。集光レンズ１４は第４ミラーボックス１３からレーザ光をワーク表面上に集光させるものである。
【００２７】
第３ミラーボックス１２及び第４ミラーボックス１３は、門型フレーム２の上部に配置された移動テーブル１５に支持されている。移動テーブル１５は、門型フレーム２に設けられたガイドレール（図示せず）に沿って、水平面内のY軸方向に移動可能である。このような構成によって、第３ミラーボックス１２及び第４ミラーボックス１３は、集光レンズ１４及びパワーセンサ６とともに、Y軸方向に所定の範囲で移動が可能である。すなわち、第３ミラーボックス１２及び第４ミラーボックス１３は、Y軸に沿って、第２ミラーボックス１１（レーザ発振器１側）に最も近い位置である「近点」と、逆に第２ミラーボックス１１から最も遠く離れた位置である「遠点」との間で移動可能である。
【００２８】
また、集光レンズ１４は上下方向（Z軸方向）に所定の範囲で移動可能である。すなわち、集光レンズ１４は、第４ミラーボックス１３に最も近い「近点」と、第４ミラーボックス１３から最も離れた「遠点」との間で移動可能である。
【００２９】
なお、ワークが載置されたテーブル４は、水平面内でY軸と直交するX軸方向に移動可能である。
【００３０】
治具５は、例えばX軸の光軸調整を行うために、第３ミラーボックス１２に設けられている。より詳細には、治具５は、第３ミラーボックス１２内において、反射ミラー１２ａのレーザ光路上流側に、取り外し自在に取り付けられている。この治具５には、レーザ光のビーム径よりも小径のピンホールが形成されている。一例として、この実施形態では、レーザ光のビーム径が３mmであり、ピンホールの径は０．５mmである。なお、治具５を配置する位置は、調整する光軸によって変更される。
【００３１】
ここで、前述のように、レーザ光としては、ガウシアン分布の強度分布を有するレーザ光を用いている。このようなレーザ光に対してピンホールを有する治具５を設置することにより、ピンホールを通過したレーザ光の強度がもっとも高くなるときに、レーザ光の中心がピンホールに一致していると容易に判断することができる。
【００３２】
パワーセンサ６は、例えば第４ミラーボックス１３に隣接して配置されている。前述のように、第４ミラーボックス１３の反射ミラーは、第３ミラーボックス１２からのレーザ光の一部を、パワーセンサ６側に通過させることが可能である。なお、パワーセンサ６を配置する位置は、調整する光軸によって変更される。また治具５のピンホールを通過したレーザ光を受光できる位置であればどこでもよく、特に限定されない。
【００３３】
［光軸調整方法］
この実施形態では、X軸及びZ軸の光軸調整が可能である。光軸調整を行う場合は、ピンホールが形成された治具５を用意する。
【００３４】
まず、光軸調整に関する基本的な考え方について説明する。
【００３５】
光軸調整は、近点及び遠点において行われる。近点では、レーザ光の光軸は変えずに、ピンホールを通過したレーザ光の強度が最も大きくなるようにミラーの軸ステージを移動させ、ピンホールとレーザ光の中心とが一致するように調整する。移動する光学系（ここでは、第３ミラーボックス１２、第４ミラーボックス１３、及び集光レンズ１４）の移動方向とレーザ光の光軸とが平行であれば、遠点においても、ピンポールを通過したレーザ光の強度は最も大きい値のままである。しかし、移動する光学系の移動方向とレーザ光の光軸の方向がずれていれば、遠点において、ピンホールを通過したレーザ光の強度は小さくなる。このとき、遠点において、ピンホールを通過したレーザの強度が最も高くなるようにミラーの角度を調整する。
【００３６】
そして、ミラーの角度を調整すると、近点でのレーザ光の位置が変化するので、再度近点でのレーザの光軸の位置を調整する。
【００３７】
以上のような工程を繰り返すことにより、近点でも遠点でもピンポールを通過したレーザ光の強度が最も高くなる位置及び姿勢にミラーが調整されると、移動する光学系の移動方向とレーザ光の光軸の方向とが一致したことになる。
【００３８】
以下、具体的に、X軸の光軸調整方法とZ軸の光軸調整方法について説明する。
【００３９】
＜X軸の光軸調整＞
X軸の光軸を調整する場合は、以下の手順で行う。
【００４０】
ステップ１：図１及び図２に示すように、治具５を、第３ミラーボックス１２内において反射ミラー１２ａのレーザ光路上流側に配置する。また、パワーセンサ６を第４ミラーボックス１３に隣接して配置する。
【００４１】
ステップ２（X軸近点調整）：図１に示すように、第３ミラーボックス１２及び第４ミラーボックス１３を、移動範囲において最も第２ミラーボックス１１に近い近点に移動させ、治具５のピンホールを通過してきたレーザ光をパワーセンサ６によって検出する。そして、レーザ光の強度が最も高くなるように光学系３の調整を行う。具体的には、第１ミラーボックス１０のY軸ステージと第２ミラーボックス１１のZ軸ステージを調整して、各ボックス１０，１１の反射ミラー１０ａ，１１ａの位置を調整する。
【００４２】
ステップ３（X軸遠点調整）：図２に示すように、第３ミラーボックス１２及び第４ミラーボックス１３を、移動範囲において最も第２ミラーボックス１１から離れた遠点に移動させ、治具５のピンホールを通過してきたレーザ光をパワーセンサ６によって検出する。そして、ステップ２と同様に、レーザ光の強度が最も高くなるように光学系３の調整を行う。具体的には、各ミラーボックス１０〜１４のミラーホルダを調整し、各反射ミラー１０ａ〜１４ａの姿勢を調整する。
【００４３】
以上のステップ２及びステップ３の調整を繰り返し実施し、X軸近点調整及びX軸遠点調整においてパワーセンサ６で得られる最大の数値が同じになればX軸の光軸調整を終了する。
【００４４】
＜Z軸の光軸調整＞
Z軸の光軸を調整する場合は、前述のX軸の光軸調整を終了した後に、以下の手順で行う。
【００４５】
ステップ４：図３に示すように、治具５を、レーザ光路において集光レンズ１４の上流側に配置する。また、パワーセンサ６をワークが載置されるテーブル４上に載置する。
【００４６】
ステップ２（Z軸近点調整）：図３に示すように、集光レンズ１４及び治具５を、移動範囲において最も第４ミラーボックス１３に近い近点に移動させ、治具５のピンホールを通過してきたレーザ光をパワーセンサ６によって検出する。そして、レーザ光の強度が最も高くなるように光学系３の調整を行う。具体的には、第３ミラーボックス１２のX軸ステージと第４ミラーボックス１３のY軸ステージを調整して、各ボックス１２，１３の反射ミラー１２ａ，１３ａの位置を調整する。
【００４７】
ステップ３（Z軸遠点調整）：集光レンズ１４及び治具５を、移動範囲において最も第４ミラーボックス１３から離れた遠点に移動させ、治具５のピンホールを通過してきたレーザ光をパワーセンサ６によって検出する。そして、レーザ光の強度が最も高くなるように光学系３の調整を行う。具体的には、各ミラーボックス１０〜１４のミラーホルダを調整し、各反射ミラー１０ａ〜１４ａの姿勢を調整する。
【００４８】
以上のステップ２及びステップ３の調整を繰り返し実施し、Z軸近点調整及びZ軸遠点調整においてパワーセンサ６で得られる最大の数値が同じになればZ軸の光軸調整を終了する。
【００４９】
［特徴］
（１）レーザ光の走査範囲にわたって、安定した所望のレーザ光を得ることができ、レーザ光による加工品質が安定する。
【００５０】
（２）光軸調整に際して、パワーセンサ６によってレーザ強度を検出し、光軸のずれを数値化して客観的に判断している。このため、作業者の手動による調整であっても、作業者の目視による従来方法に比較して、バラツキの少ない正確な光軸調整を行うことができる。
【００５１】
（３）作業者の手動によって正確な光軸調整が可能であるために、光軸調整のために反射ミラーを駆動するためのアクチュエータ等が不要となり、安価な構成で光軸を調整することができる。
【００５２】
（４）ピンホールを通過した強度の高いレーザ光を検出し、光軸のずれを検出しているので、より正確な調整を行うことができる。
【００５３】
［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。
【００５４】
ピンホールが形成された治具の配置は前記実施形態に限定されない。治具の下流側にパワーセンサが配置されていれば、どのような位置に配置してもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１ レーザ発振器
３ 光学系
４ テーブル
５ 治具
６ パワーセンサ
１０〜１３ ミラーボックス
１０ａ〜１３ａ 反射ミラー
１４ 集光レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器及び所定の範囲で移動可能な光学系を有するレーザ加工装置のレーザ光の光軸を調整するための方法であって、
前記レーザ光の光路に、レーザ光のビーム径より小径のピンホールが形成された光軸調整用の治具を設置する第１工程と、
前記治具のピンホールを通過してきたレーザ光の出力を、前記光学系の移動範囲にわたってセンサにより検出し、検出値が前記光学系の移動範囲において同じでかつ最大になるように、前記光学系を調整する第２工程と、
を含むレーザ加工装置の光軸調整方法。
【請求項２】
前記光学系は、レーザ光の走査方向に沿って移動する移動ミラーを有し、前記移動ミラーは前記レーザ発振器に最も近い近点と最も遠い遠点との間で移動可能であり、
前記第１工程は、前記治具をレーザ光路において前記移動ミラーの上流側に配置する工程であり、
前記第２工程は、
前記近点でレーザ出力が最も高くなるように前記光学系を調整するX軸近点調整工程と、
前記遠点でレーザ出力が最も高くなるように前記光学系を調整するX軸遠点調整工程と、
を含み、前記X軸近点調整工程及び前記X軸遠点調整工程を繰り返し、両工程におけるレーザ出力が同じになれば、前記第２工程を終了とする、
請求項１に記載のレーザ加工装置の光軸調整方法。
【請求項３】
前記X軸近点調整工程は、前記移動ミラーに入射してくるレーザ光の光軸の位置を調整するものであり、
前記X軸遠点調整工程は、前記移動ミラーに入射してくるレーザ光の角度を調整するものである、
請求項２に記載のレーザ加工装置の光軸調整方法。
【請求項４】
前記光学系は、加工対象に対向して配置される対向ミラーと、前記対向ミラーと加工対象との間に配置されレーザ光を集光するための集光レンズと、を有し、前記集光レンズは前記対向ミラーに最も近い近点と最も遠い遠点との間で移動可能であり、
前記第１工程は、前記治具をレーザ光路において前記集光レンズの上流側に配置する工程であり、
前記第２工程は、
前記近点でレーザ出力が最も高くなるように前記光学系を調整するZ軸近点調整工程と、
前記遠点でレーザ出力が最も高くなるように前記光学系を調整するZ軸遠点調整工程と、
を含み、前記Z軸近点調整工程及び前記Z軸遠点調整工程を繰り返し、両工程におけるレーザ出力が同じになれば、前記第２工程を終了とする、
請求項２又は３に記載のレーザ加工装置の光軸調整方法。
【請求項５】
前記Z軸近点調整工程は、前記移動ミラー及び前記対向ミラーの位置を調整するものであり、
前記Z軸遠点調整工程は、前記対向ミラーから出射するレーザ光の光軸の位置を調整するものである、
請求項４に記載のレーザ加工装置の光軸調整方法。
【請求項１】
レーザ発振器及び所定の範囲で移動可能な光学系を有するレーザ加工装置のレーザ光の光軸を調整するための方法であって、
前記レーザ光の光路に、レーザ光のビーム径より小径のピンホールが形成された光軸調整用の治具を設置する第１工程と、
前記治具のピンホールを通過してきたレーザ光の出力を、前記光学系の移動範囲にわたってセンサにより検出し、検出値が前記光学系の移動範囲において同じでかつ最大になるように、前記光学系を調整する第２工程と、
を含むレーザ加工装置の光軸調整方法。
【請求項２】
前記光学系は、レーザ光の走査方向に沿って移動する移動ミラーを有し、前記移動ミラーは前記レーザ発振器に最も近い近点と最も遠い遠点との間で移動可能であり、
前記第１工程は、前記治具をレーザ光路において前記移動ミラーの上流側に配置する工程であり、
前記第２工程は、
前記近点でレーザ出力が最も高くなるように前記光学系を調整するX軸近点調整工程と、
前記遠点でレーザ出力が最も高くなるように前記光学系を調整するX軸遠点調整工程と、
を含み、前記X軸近点調整工程及び前記X軸遠点調整工程を繰り返し、両工程におけるレーザ出力が同じになれば、前記第２工程を終了とする、
請求項１に記載のレーザ加工装置の光軸調整方法。
【請求項３】
前記X軸近点調整工程は、前記移動ミラーに入射してくるレーザ光の光軸の位置を調整するものであり、
前記X軸遠点調整工程は、前記移動ミラーに入射してくるレーザ光の角度を調整するものである、
請求項２に記載のレーザ加工装置の光軸調整方法。
【請求項４】
前記光学系は、加工対象に対向して配置される対向ミラーと、前記対向ミラーと加工対象との間に配置されレーザ光を集光するための集光レンズと、を有し、前記集光レンズは前記対向ミラーに最も近い近点と最も遠い遠点との間で移動可能であり、
前記第１工程は、前記治具をレーザ光路において前記集光レンズの上流側に配置する工程であり、
前記第２工程は、
前記近点でレーザ出力が最も高くなるように前記光学系を調整するZ軸近点調整工程と、
前記遠点でレーザ出力が最も高くなるように前記光学系を調整するZ軸遠点調整工程と、
を含み、前記Z軸近点調整工程及び前記Z軸遠点調整工程を繰り返し、両工程におけるレーザ出力が同じになれば、前記第２工程を終了とする、
請求項２又は３に記載のレーザ加工装置の光軸調整方法。
【請求項５】
前記Z軸近点調整工程は、前記移動ミラー及び前記対向ミラーの位置を調整するものであり、
前記Z軸遠点調整工程は、前記対向ミラーから出射するレーザ光の光軸の位置を調整するものである、
請求項４に記載のレーザ加工装置の光軸調整方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２３０１７９（Ｐ２０１１−２３０１７９Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０５２９２（Ｐ２０１０−１０５２９２）
【出願日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【出願人】（３９００００６０８）三星ダイヤモンド工業株式会社 (383)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【出願人】（３９００００６０８）三星ダイヤモンド工業株式会社 (383)
【Ｆターム（参考）】
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