レーザ加工装置及び光軸調整方法
【課題】 交換性、拡張性、及び調整容易性に優れたレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 レーザビームを出射する光源と、光源を出射したレーザビームのビーム径を変化させるエキスパンダ光学系と、エキスパンダ光学系を出射したレーザビームの断面形状を整形するマスク光学系と、マスク光学系で整形されたレーザビームの断面形状を加工点に転写倍率可変に転写する転写倍率変化光学系と、転写倍率変化光学系を出射したレーザビームを、集光して加工点に入射させる集光光学系と、光源と加工点との間のレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームの通過と遮蔽とを切り替えることができるシャッタ光学系とを有し、エキスパンダ光学系、マスク光学系、転写倍率変化光学系、集光光学系、シャッタ光学系の少なくとも一つは、一体化されたモジュールとして構成されているレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 レーザビームを出射する光源と、光源を出射したレーザビームのビーム径を変化させるエキスパンダ光学系と、エキスパンダ光学系を出射したレーザビームの断面形状を整形するマスク光学系と、マスク光学系で整形されたレーザビームの断面形状を加工点に転写倍率可変に転写する転写倍率変化光学系と、転写倍率変化光学系を出射したレーザビームを、集光して加工点に入射させる集光光学系と、光源と加工点との間のレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームの通過と遮蔽とを切り替えることができるシャッタ光学系とを有し、エキスパンダ光学系、マスク光学系、転写倍率変化光学系、集光光学系、シャッタ光学系の少なくとも一つは、一体化されたモジュールとして構成されているレーザ加工装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工装置、及び、ビームの光軸を調整する光軸調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、従来のレーザ加工装置を示す概略図である。たとえばＣＯ２レーザ発振器であるレーザ光源１０がパルスレーザビーム２０を出射する。パルスレーザビーム２０は、入射するレーザビーム２０のビーム径を変化させて出射するエキスパンダ１１等の光学系を経由して加工点に伝搬される。加工点のビームプロファイルを調整する際には、レーザ光源１０から加工点までのレーザビーム２０の光軸上に、直接、レンズやアパーチャ等の光学部品が挿入される。また、光学部品の一部に不具合が生じた場合、たとえばエキスパンダ１１を構成する３枚のレンズのうちの１枚の不具合に対して、不具合のあるレンズだけの交換が行われる。レーザビーム２０の光軸上に、直接、光学部品が挿入されるため、一つの光学部品を交換するだけでも、交換の際に生じる光軸のずれに対して、レーザ光源１０から加工点までの全光路の光軸をアライメントし直す必要がある。更に、たとえばマスクの透光領域の形状を加工点に倍率可変に転写する転写倍率変化光学系を構成するレンズを交換する場合等には、加工点までの光路長が変化するため、レンズの焦点距離に応じて、マスクからレンズまでの距離を調整しなければならない。
【０００３】
レーザビームの光軸の位置を監視する光軸位置検出器を備え、光軸のずれを補正することのできるレーザ加工装置の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のレーザ加工装置においては、光軸位置検出器の受光素子で受光されたレーザビームの光強度に基き、ファジイ推論を利用して光軸が調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２８９４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、交換性、拡張性、及び調整容易性に優れたレーザ加工装置を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、容易に光軸の調整を行うことが可能な光軸調整方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によると、レーザビームを出射する光源と、前記光源を出射したレーザビームのビーム径を変化させるエキスパンダ光学系と、前記エキスパンダ光学系を出射したレーザビームの断面形状を整形するマスク光学系と、前記マスク光学系で整形されたレーザビームの断面形状を加工点に転写倍率可変に転写する転写倍率変化光学系と、前記転写倍率変化光学系を出射したレーザビームを、集光して加工点に入射させる集光光学系と、前記光源と加工点との間のレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームの通過と遮蔽とを切り替えることができるシャッタ光学系とを有し、前記エキスパンダ光学系、前記マスク光学系、前記転写倍率変化光学系、前記集光光学系、前記シャッタ光学系の少なくとも一つは、一体化されたモジュールとして構成されているレーザ加工装置が提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によると、光源を出射したレーザビームを加工点に伝搬する光学系の少なくとも一部が、一体化されたモジュールとして構成されているレーザ加工装置において、前記光源を出射するレーザビームの光軸を調整する方法であって、（ａ）モジュールについて光軸の調整を行う工程と、（ｂ）前記工程（ａ）で光軸の調整を行ったモジュールを、レーザビームの出射位置と加工点との間に配置して、ビーム出射位置から加工点までの光軸の調整を行う工程とを有する光軸調整方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、交換性、拡張性、及び調整容易性に優れたレーザ加工装置を提供することができる。
【００１０】
また、容易に光軸の調整を行うことが可能な光軸調整方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。
【図２】集光モジュール８０の他の例を示す概略図である。
【図３】エキスパンダモジュール４０の配設位置を示す平面図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、モジュールの配置について説明するための概略図である。
【図５】変形例によるレーザ加工装置の一部概略図である。
【図６】従来のレーザ加工装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。実施例によるレーザ加工装置は、レーザ光源３０、ガイド光源３１、エキスパンダモジュール４０、マスクモジュール５０、シャッタモジュール６０、転写倍率変化光学系モジュール７０、集光モジュール（ガルバノモジュール）８０、及びステージ９０を含んで構成される。各モジュール４０〜８０においては、光学部品が基材に一単位として一体化されている。
【００１３】
レーザ光源３０は、たとえばＣＯ２レーザ発振器を含んで構成され、パルスレーザビーム３０ａを出射する。また、ガイド光３１ａを出射するガイド光源３１を含む。ガイド光源３１は、たとえば半導体レーザ(laser diode; LD)であり、ガイド光３１ａは、一例として赤色波長領域の光である。レーザビーム３０ａとガイド光３１ａとは、レーザ光源３０の同一位置から出射される、相互に波長の異なる光である。両者３０ａ、３１ａの光軸は一致している。
【００１４】
レーザビーム３０ａとガイド光３１ａとは、ともに、エキスパンダモジュール４０、マスクモジュール５０、シャッタモジュール６０、転写倍率変化光学系モジュール７０、集光モジュール８０をこの順に経由して、たとえばＸＹステージであるステージ９０上に保持された加工対象物であるプリント基板９５上の加工点に入射可能である。
【００１５】
各モジュール４０〜７０は、モジュール入口に切り出し用ミラー４０ａ〜７０ａ、モジュール出口に戻し入れ用ミラー４０ｄ〜７０ｄを有する。切り出し用ミラー４０ａ〜７０ａ、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜７０ｄは、たとえば偏光ビームスプリッタであり、レーザビーム３０ａの波長の光に対しては全反射ミラー、ガイド光３１ａの波長の光に対してはハーフミラーの機能を有する。
【００１６】
ガイド光源３１を出射したガイド光３１ａは、エキスパンダモジュール４０の入口に設置された切り出し用ミラー４０ａに入射し、一部がこれを透過し、一部がこれに反射される。切り出し用ミラー４０ａを透過したガイド光３１ａの一部は戻し入れ用ミラー４０ｄを透過する。切り出し用ミラー４０ａに反射されたガイド光３１ａは、エキスパンダモジュール４０内に配置された光学部品を経由し、その一部が戻し入れ用ミラー４０ｄで反射される。切り出し用ミラー４０ａと戻し入れ用ミラー４０ｄの双方を透過するガイド光３１ａと、エキスパンダモジュール４０内の光学部品を経由した後、戻し入れ用ミラー４０ｄで反射されるガイド光３１ａとは同一光軸上に重畳され、マスクモジュール５０に入射する。
【００１７】
マスクモジュール５０、シャッタモジュール６０、転写倍率変化光学系モジュール７０においても同様で、各モジュール５０〜７０の切り出し用ミラー５０ａ〜７０ａと、戻し入れ用ミラー５０ｄ〜７０ｄの双方を透過するガイド光３１ａと、各モジュール５０〜７０内の光学部品を経由した後、戻し入れ用ミラー５０ｄ〜７０ｄで反射されるガイド光３１ａとは同一光軸上に重畳され、次のモジュール６０〜８０に入射する。集光モジュール８０を出射したガイド光３１ａは加工点に入射する。
【００１８】
各モジュール４０〜７０内部を直進するガイド光３１ａ（切り出し用ミラー４０ａ〜７０ａと、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜７０ｄの双方を透過するガイド光３１ａ）の光路によって、レーザ光源３０のビーム（レーザビーム３０ａ及びガイド光３１ａ）出射位置と、加工点との間に基準光軸が定められる。
【００１９】
レーザ光源３０を出射するレーザビーム３０ａは、加工用のレーザビームである。レーザ光源３０を出射し、各モジュール４０〜８０を経由したレーザビーム３０ａは、たとえばステージ９０に保持されたプリント基板９５の樹脂層に入射し、樹脂層を貫通する貫通孔を形成する。なお、プリント基板９５の加工時には、ガイド光源３１からガイド光３１ａは出射されない。
【００２０】
レーザ光源３０を出射したレーザビーム３０ａは、基準光軸上を進行してエキスパンダモジュール４０に入射する。エキスパンダモジュール４０は、それぞれ一軸ステージ４２、４４、４６に、レーザビーム３０ａの光軸方向（進行方向）に沿って移動可能に保持された３枚のレンズ４１、４３、４５を含んで構成され、入射するレーザビーム３０ａのビーム径を変化させて出射する。エキスパンダモジュール４０に入射したレーザビーム３０ａは、切り出し用ミラー４０ａで反射され、エキスパンダ光学系を経た後、戻し入れ用ミラー４０ｄで反射されて、エキスパンダモジュール４０を出射する。すなわち切り出し用ミラー４０ａで反射され、レンズ４１を透過した後、折り返しミラー４０ｂで反射される。更に、レンズ４３を透過し、折り返しミラー４０ｃで反射された後、レンズ４５を透過する。最後に、戻し入れ用ミラー４０ｄで反射されて、エキスパンダモジュール４０を出射する。エキスパンダモジュール４０を出射するレーザビーム３０ａの光軸は、基準光軸と一致する。
【００２１】
マスクモジュール５０は、マスク５１及びモータ５２を含んで構成される。マスク５１は、たとえば遮光領域に、相互に異なるサイズまたは形状の複数の透光領域が形成された円盤である。モータ５２でマスク５１を回転軸の周囲に回転させることにより、加工に応じた透光領域をレーザビーム３０ａの光路上に配置することができる。
【００２２】
基準光軸に沿ってマスクモジュール５０に入射したレーザビーム３０ａは、切り出し用ミラー５０ａ、マスク光学系、戻し入れ用ミラー５０ｄを経て、マスクモジュール５０を出射する。すなわち切り出し用ミラー５０ａ、折り返しミラー５０ｂで反射され、マスク５１の透光領域を透過することで断面形状を整形される。その後、折り返しミラー５０ｃ、戻し入れ用ミラー５０ｄで反射され、基準光軸に沿ってマスクモジュール５０を出射する。
【００２３】
シャッタモジュール６０は、遮光機能を有するシャッタ６１及びモータ６２を含んで構成される。シャッタ６１の開閉は、モータ６２を用いて行われる。シャッタ６１が開状態のとき、シャッタ６１に入射するレーザビーム３０ａはこれを通過し、閉状態のとき、これに遮られる。シャッタ６１は、入射するレーザビーム３０ａの通過と遮蔽を選択的に切り替えることができる。
【００２４】
基準光軸に沿ってシャッタモジュール６０に入射したレーザビーム３０ａは、切り出し用ミラー６０ａ、シャッタ光学系、戻し入れ用ミラー６０ｄを経て、シャッタモジュール６０を出射する。すなわち切り出し用ミラー６０ａ、折り返しミラー６０ｂで反射され、開状態のシャッタ６１を通過する。その後、折り返しミラー６０ｃ、戻し入れ用ミラー６０ｄで反射され、基準光軸に沿ってシャッタモジュール６０を出射する。
【００２５】
転写倍率変化光学系モジュール７０は、マスク５１の透光領域の形状を加工点に転写倍率可変に転写する転写倍率変化光学系を含むモジュールである。転写倍率変化光学系モジュール７０は、凹レンズ７１、凸レンズ７２、フィールドレンズ７３、７４を含む。フィールドレンズ７３、７４は、たとえばエアシリンダによってレーザビーム３０ａの光路上に着脱が可能である。レーザビーム３０ａの光路上へのフィールドレンズ７３、７４の配置、非配置によって、転写倍率を変化させることができる。
【００２６】
基準光軸に沿って転写倍率変化光学系モジュール７０に入射したレーザビーム３０ａは、切り出し用ミラー７０ａで反射され、凹レンズ７１及び凸レンズ７２を透過した後、折り返しミラー７０ｂで反射される。更に、フィールドレンズ７３を透過し、折り返しミラー７０ｃで反射された後、フィールドレンズ７４を透過する。なお、フィールドレンズ７３、７４は、転写倍率に応じて配置される。最後に、戻し入れ用ミラー７０ｄで反射され、基準光軸に沿って転写倍率変化光学系モジュール７０を出射する。
【００２７】
集光モジュール８０は、２枚のガルバノミラー８２、８４及びｆθレンズ８６を含んで構成される。モータ８３、８５は、それぞれガルバノミラー８２、８４の向きを変化させる。基準光軸に沿って集光モジュール８０に入射したレーザビーム３０ａは、折り返しミラー８１で反射され、ガルバノミラー８２、８４とモータ８３、８５とで構成されるガルバノスキャナによって、出射方向を２次元方向に変化されて、ｆθレンズ８６に入射する。レーザビーム３０ａは、ｆθレンズ８６によって集光され、鉛直上方からプリント基板９５上の加工点に入射し、プリント基板９５の穴あけ加工が行われる。
【００２８】
各モジュール４０〜８０は、たとえば外箱（モジュールボックス）と、その内部に配置された光学部品、たとえばエキスパンダモジュール４０であれば、切り出し用ミラー４０ａ、折り返しミラー４０ｂ、４０ｃ、戻し入れ用ミラー４０ｄ、レンズ４１、４３、４５、一軸ステージ４２、４４、４６を含んで構成される。光学部品は箱の内部に限らず、たとえば板上等、多様な基材に配置することが可能である。
【００２９】
図２は、集光モジュール８０の他の例を示す概略図である。本図に示す集光モジュール８０は、ガルバノスキャナ及びｆθレンズ８６を含まず、集光レンズ８７を備える。また、集光モジュール８０の入射口に切り出し用ミラー８０ａ、出射口に戻し入れ用ミラー８０ｄが配置される。切り出し用ミラー８０ａ、戻し入れ用ミラー８０ｄは、レーザビーム３０ａの波長の光に対しては全反射ミラーであり、ガイド光３１ａの波長の光に対してはハーフミラーである。切り出し用ミラー８０ａ、戻し入れ用ミラー８０ｄの機能及び作用は、他のモジュール４０〜７０におけるそれらと等しい。
【００３０】
基準光軸は、各モジュール４０〜８０内部を直進するガイド光３１ａ（切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａと、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄの双方を透過するガイド光３１ａ）の光路によって、レーザ光源３０のビーム出射位置と加工点との間に定められる。
【００３１】
基準光軸に沿って集光モジュール８０に入射した加工用のレーザビーム３０ａは、切り出し用ミラー８０ａで反射され、集光光学系を経た後、戻し入れ用ミラー８０ｄで反射されて集光モジュール８０を出射する。すなわち切り出し用ミラー８０ａ、折り返しミラー８０ｂで反射され、集光レンズ８７で集光された後、折り返しミラー８０ｃ、戻し入れ用ミラー８０ｄで反射され、基準光軸に沿って集光モジュール８０を出射し、加工点に入射する。
【００３２】
図３は、エキスパンダモジュール４０の配設位置を示す平面図である。実施例によるレーザ加工装置においては、基準光軸の長さが一定である。また、その長さは任意に定めることができる。レーザ光源３０と加工点との間の、モジュール（モジュールボックス）外の光路長が一定である実施例によるレーザ加工装置においては、各モジュール（モジュールボックス）４０〜８０の配設される（取り付けられる）位置が画定（規定）されている。各配設位置においては、各モジュール４０〜８０の配置の微調整が可能である。各モジュール４０〜８０は、たとえばノックピン４７〜４９を用いて、画定された配設位置に位置決めされ、配置される。
【００３３】
図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、モジュールの配置について説明する。図４（Ａ）に示すように、各モジュール（モジュールボックス）４０〜８０は、レーザ加工装置の台上に相互に相対位置を、高精度に取り決められている。また、各モジュール４０〜８０は、モジュール単位で、それぞれの配設位置に着脱可能であり、特に取り外した状態で個別のメンテナンスができる。更に、各モジュール４０〜８０の配設位置は、その位置に各モジュール４０〜８０を配置したとき、ビーム（レーザビーム３０ａ及びガイド光３１ａ）の光路に沿って隣接する２つのモジュールについて、上流側モジュールを出射するビームの光軸と下流側モジュールに入射するビームの光軸とが、一致するように画定されている。したがって、たとえばシャッタモジュール６０を取り外してメンテナンスを実施した後、画定されたシャッタモジュール６０の配設位置に配置すると、マスクモジュール５０とシャッタモジュール６０との間の光学的な調整、及び、シャッタモジュール６０と転写倍率変化光学系モジュール７０との間の光学的な調整が完了する。
【００３４】
図４（Ｂ）及び（Ｃ）を参照する。各モジュール（モジュールボックス）４０〜８０のサイズは相互に異なっていてもよい。ボックス内部の光射出位置（戻し入れ用ミラー設置位置）、光入射位置（切り出し用ミラー設置位置）に応じて各モジュール（モジュールボックス）４０〜８０の配置をずらすこともできる。あらかじめ互いの相対位置を規定する規定位置が、レーザ加工装置の台に画定されていればよい。
【００３５】
実施例によるレーザ加工装置においては、基準光軸からレーザビーム３０ａに対する折り返しミラー（切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａ及び戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄ）を用いて、各モジュール４０〜８０内にレーザビーム３０ａの光路が形成され、その光路上に光学部品が配置されている。また、切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａから、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄまでの光学部品はモジュール化されている。更に、各モジュール４０〜８０の入射口と出射口において、レーザビーム３０ａの光軸は基準光軸と一致している。
【００３６】
各モジュール４０〜８０内に配置される光学部品については、レーザ加工装置の設置前に、モジュール４０〜８０単位でアライメント（光軸調整）を完了させておく。アライメントは、ガイド光３１ａと等しい波長の光を、各モジュール４０〜８０に導入し、切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａで反射され、各モジュール４０〜８０内の他の光学部品を経由した後、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄで反射される光と、各モジュール４０〜８０内を直進する光（切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａと、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄの双方を透過する光）の光軸を一致させることで行う。
【００３７】
実施例によるレーザ加工装置の設置にあたっては、アライメントの終了した各モジュール４０〜８０の位置決めのみを行えばよい。このため、レーザ加工装置のアライメント時間、設置時間を短縮することができる。
【００３８】
また、実施例によるレーザ加工装置は、モジュール単位の光学部品交換が可能である。このため、たとえば光軸合わせの容易さの点から、装置故障時のダウンタイムを削減することができる。なおこの際、交換用のモジュールを準備しておいてもよい。
【００３９】
更に、装置の拡張性が向上される。一例として、小径加工等、要求される加工に応じて最適なモジュールを配置することが可能である。光学部品のオプションの追加等も容易に可能である。レーザビーム３０ａの光路長は全体として変化するが、その調整はモジュール内で行うことができる。光学部品を交換する場合においても、装置の機能を拡張する場合においても、光学部品の配置や光軸のアライメントなど、装置の調整が容易である。
【００４０】
実施例によるレーザ加工装置は、交換性、拡張性、及び調整容易性に優れたレーザ加工装置である。
【００４１】
上述した内容と一部重複するが、実施例によるレーザ加工装置を設置し、レーザ加工を行うに当たって、レーザビーム３０ａの光軸を調整する方法について説明する。レーザビーム３０ａの光軸の調整は、ガイド光３１ａを用いて行う。
【００４２】
まず、各モジュール４０〜８０について光軸の調整を行う。上述のように、ガイド光３１ａと等しい波長の光を、各モジュール４０〜８０に導入し、各モジュール４０〜８０内の光学部品を、切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａで反射されたガイド光３１ａの光路上に配置して、切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａで反射され、各モジュール４０〜８０内の他の光学部品を経由した後、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄで反射される光と、各モジュール４０〜８０内部を直進する光（切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａと、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄの双方を透過する光）の光軸を一致させることで、各モジュール４０〜８０について光軸の調整を行う。両光軸の一致はたとえば目視で判定することができる。
【００４３】
次に、レーザビーム３０ａとガイド光３１ａの光軸を一致させる。
【００４４】
続いて、レーザ光源３０を設置するとともに、画定された各モジュール４０〜８０の配設位置に、対応するモジュール４０〜８０を配置し、配置位置の微調整を行って、レーザ加工装置全体（ビーム出射位置から加工点まで）の光軸を合わせる。この光軸合わせに際しては、ガイド光３１ａを出射し、レーザビーム３０ａは出射しない。また、同時に複数のモジュール４０〜８０を配置して光軸の調整を行うより、たとえば加工点に近いモジュール４０〜８０から一つずつ、光軸調整を行うのが望ましい。
【００４５】
初めに集光モジュール８０を、集光モジュール８０の配設位置に配置し、ガイド光源３１からガイド光３１ａを出射させ、集光モジュール８０に入射させる。集光モジュール８０を出射したガイド光３１ａが加工点に伝搬されるように、集光モジュール８０の配置位置の微調整を行う。
【００４６】
転写倍率変化光学系モジュール７０を、対応する配設位置に配置する。ガイド光源３１からガイド光３１ａを出射させ、転写倍率変化光学系モジュール７０に入射させる。転写倍率変化光学系モジュール７０を出射したガイド光３１ａが、集光モジュール８０を経由して加工点に伝搬されるように、転写倍率変化光学系モジュール７０の配置位置の微調整を行う。
【００４７】
以下同様に、シャッタモジュール６０、マスクモジュール５０、エキスパンダモジュール４０を、順に対応する配設位置に配置し、ガイド光源３１を出射したガイド光３１ａが加工点に伝搬されるように、各モジュール４０〜６０の配置位置の微調整を行う。このようにして、レーザ光源３０（ビーム出射位置）から加工点までの光軸合わせを行う。レーザビーム３０ａとガイド光３１ａの光軸が一致しているため、この状態でレーザビーム３０ａを出射させ、たとえばプリント基板９５に対する穴あけ加工を行うことが可能である。
【００４８】
光学部品の一部を交換した場合も、まず交換した光学部品を含むモジュールについて光軸の調整を行う。たとえばエキスパンダモジュール４０のレンズ４３を交換した場合には、レンズ４３交換の終了したエキスパンダモジュール４０に、ガイド光３１ａと等しい波長の光を導入し、切り出し用ミラー４０ａで反射され、モジュール４０内の他の光学部品を経由した後、戻し入れ用ミラー４０ｄで反射される光と、モジュール４０内を直進する光（切り出し用ミラー４０ａと、戻し入れ用ミラー４０ｄの双方を透過する光）の光軸を一致させることで、エキスパンダモジュール４０について光軸の調整を行う。
【００４９】
次に、レーザビーム３０ａとガイド光３１ａの光軸を一致させる。
【００５０】
続いて、エキスパンダモジュール４０の配設位置に、エキスパンダモジュール４０を配置し、ガイド光源３１から出射したガイド光３１ａが加工点に伝搬されるように、モジュールの配置位置の微調整を行って、レーザ加工装置全体（ビーム出射位置から加工点まで）の光軸を合わせる。この場合、エキスパンダモジュール４０以外のモジュール５０〜８０が適正に配置されているときには、エキスパンダモジュール４０の配置位置の微調整のみを行えばよい。そうでないときには、必要に応じてモジュール５０〜８０の配置位置も微調整する。
【００５１】
上述の光軸調整方法においては、モジュール単位で光軸を調整した後、モジュール相互間の光軸合わせを行う。各モジュール４０〜８０では、切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａでガイド光３１ａを二分岐させ、モジュール内の光学部品を経由する一方の光路を進行するガイド光３１ａと、他方の直進光路を進行するガイド光３１ａとを、同一光軸上に重畳させる光軸調整を行う。この光軸調整方法によれば、ビーム出射位置から加工点までのレーザビーム３０ａの光軸合わせを、容易に行うことができる。
【００５２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。
【００５３】
たとえば、実施例においては、エキスパンダモジュール４０、マスクモジュール５０、シャッタモジュール６０、転写倍率変化光学系モジュール７０、集光モジュール８０のすべてをモジュール化したが、このうちの少なくとも一つがモジュール化されていればよい。たとえばマスク５１及びモータ５２は、マスクモジュール５０としてモジュール化しなくてもよい。シャッタ６１及びモータ６２についても、シャッタモジュール６０としてモジュール化の必要はない。なお配設位置は、モジュール化された光学系についてだけ画定されていればよい。この場合、光軸の調整は、まずモジュール化されたすべての光学系について行い、光軸の調整されたモジュールを、レーザビームの出射位置と加工点との間に配置して、ビーム出射位置から加工点までの光軸を合わせる。
【００５４】
また、実施例においては、加工用のレーザビーム３０ａを出射するレーザ発振器として、ＣＯ２レーザを用いたが、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＡＧ等の固体レーザや、エキシマレーザ等を使用することができる。
【００５５】
更に、実施例においては、シャッタモジュール６０を、マスクモジュール５０と転写倍率変化光学系モジュール７０との間のレーザビーム３０ａの光路上に配置したが、レーザ光源３０のビーム出射位置と加工点との間の任意の光路上に配置することが可能である。
【００５６】
また、実施例においては、ガイド光源３１はレーザ光源３０に含まれていたが、ガイド光源３１をレーザ光源３０と独立に設けることもできる。
【００５７】
図５に、変形例によるレーザ加工装置の一部概略を示す。変形例においては、ガイド光源３１は、レーザ光源３０の外部に配置される。レーザ光源３０から出射されるレーザビーム３０ａと、ガイド光源３１から出射されるガイド光３１ａとは、ビーム合成器３２で同一光軸上に重畳される。ビーム合成器３２は、たとえば偏光ビームスプリッタである。レーザ光源３０、ガイド光源３１、及びビーム合成器３２は、ビーム合成器３２がレーザビーム３０ａを透過し、ガイド光３１ａを反射するように配置される。なおこの場合、レーザ光源３０、ガイド光源３１、及びビーム合成器３２を含めて、光軸が同一であるレーザビーム３０ａとガイド光３１ａとを出射する光源と考えることが可能である。また、たとえばレーザビーム３０ａと、ガイド光３１ａとが同一光軸上に重畳されるビーム合成器３２上の位置を、ビーム出射位置と考えることができる。
【００５８】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
レーザ加工一般に利用可能である。プリント配線板に対するレーザドリル加工のほか、太陽電池の製造に用いられる基板のレーザパターニング加工等に使用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０ レーザ光源
１１ ビームエキスパンダ
２０ レーザビーム
３０ レーザ光源
３０ａ レーザビーム
３１ ガイド光源
３１ａ ガイド光
３２ ビーム合成器
４０ エキスパンダモジュール
４０ａ 切り出し用ミラー
４０ｂ、４０ｃ 折り返しミラー
４０ｄ 戻し入れ用ミラー
４１、４３、４５ レンズ
４２、４４、４６ 一軸ステージ
４７〜４９ ノックピン
５０ マスクモジュール
５０ａ 切り出し用ミラー
５０ｂ、５０ｃ 折り返しミラー
５０ｄ 戻し入れ用ミラー
５１ マスク
５２ モータ
６０ シャッタモジュール
６０ａ 切り出し用ミラー
６０ｂ、６０ｃ 折り返しミラー
６０ｄ 戻し入れ用ミラー
６１ シャッタ
６２ モータ
７０ 転写倍率変化光学系モジュール
７０ａ 切り出し用ミラー
７０ｂ、７０ｃ 折り返しミラー
７０ｄ 戻し入れ用ミラー
７１ 凹レンズ
７２ 凸レンズ
７３、７４ フィールドレンズ
８０ 集光モジュール（ガルバノモジュール）
８０ａ 切り出し用ミラー
８０ｂ、８０ｃ 折り返しミラー
８０ｄ 戻し入れ用ミラー
８１ 折り返しミラー
８２、８４ ガルバノミラー
８３、８５ モータ
８６ ｆθレンズ
８７ 集光レンズ
９０ ステージ
９５ プリント基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工装置、及び、ビームの光軸を調整する光軸調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、従来のレーザ加工装置を示す概略図である。たとえばＣＯ２レーザ発振器であるレーザ光源１０がパルスレーザビーム２０を出射する。パルスレーザビーム２０は、入射するレーザビーム２０のビーム径を変化させて出射するエキスパンダ１１等の光学系を経由して加工点に伝搬される。加工点のビームプロファイルを調整する際には、レーザ光源１０から加工点までのレーザビーム２０の光軸上に、直接、レンズやアパーチャ等の光学部品が挿入される。また、光学部品の一部に不具合が生じた場合、たとえばエキスパンダ１１を構成する３枚のレンズのうちの１枚の不具合に対して、不具合のあるレンズだけの交換が行われる。レーザビーム２０の光軸上に、直接、光学部品が挿入されるため、一つの光学部品を交換するだけでも、交換の際に生じる光軸のずれに対して、レーザ光源１０から加工点までの全光路の光軸をアライメントし直す必要がある。更に、たとえばマスクの透光領域の形状を加工点に倍率可変に転写する転写倍率変化光学系を構成するレンズを交換する場合等には、加工点までの光路長が変化するため、レンズの焦点距離に応じて、マスクからレンズまでの距離を調整しなければならない。
【０００３】
レーザビームの光軸の位置を監視する光軸位置検出器を備え、光軸のずれを補正することのできるレーザ加工装置の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のレーザ加工装置においては、光軸位置検出器の受光素子で受光されたレーザビームの光強度に基き、ファジイ推論を利用して光軸が調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２８９４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、交換性、拡張性、及び調整容易性に優れたレーザ加工装置を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、容易に光軸の調整を行うことが可能な光軸調整方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によると、レーザビームを出射する光源と、前記光源を出射したレーザビームのビーム径を変化させるエキスパンダ光学系と、前記エキスパンダ光学系を出射したレーザビームの断面形状を整形するマスク光学系と、前記マスク光学系で整形されたレーザビームの断面形状を加工点に転写倍率可変に転写する転写倍率変化光学系と、前記転写倍率変化光学系を出射したレーザビームを、集光して加工点に入射させる集光光学系と、前記光源と加工点との間のレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームの通過と遮蔽とを切り替えることができるシャッタ光学系とを有し、前記エキスパンダ光学系、前記マスク光学系、前記転写倍率変化光学系、前記集光光学系、前記シャッタ光学系の少なくとも一つは、一体化されたモジュールとして構成されているレーザ加工装置が提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によると、光源を出射したレーザビームを加工点に伝搬する光学系の少なくとも一部が、一体化されたモジュールとして構成されているレーザ加工装置において、前記光源を出射するレーザビームの光軸を調整する方法であって、（ａ）モジュールについて光軸の調整を行う工程と、（ｂ）前記工程（ａ）で光軸の調整を行ったモジュールを、レーザビームの出射位置と加工点との間に配置して、ビーム出射位置から加工点までの光軸の調整を行う工程とを有する光軸調整方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、交換性、拡張性、及び調整容易性に優れたレーザ加工装置を提供することができる。
【００１０】
また、容易に光軸の調整を行うことが可能な光軸調整方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。
【図２】集光モジュール８０の他の例を示す概略図である。
【図３】エキスパンダモジュール４０の配設位置を示す平面図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、モジュールの配置について説明するための概略図である。
【図５】変形例によるレーザ加工装置の一部概略図である。
【図６】従来のレーザ加工装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。実施例によるレーザ加工装置は、レーザ光源３０、ガイド光源３１、エキスパンダモジュール４０、マスクモジュール５０、シャッタモジュール６０、転写倍率変化光学系モジュール７０、集光モジュール（ガルバノモジュール）８０、及びステージ９０を含んで構成される。各モジュール４０〜８０においては、光学部品が基材に一単位として一体化されている。
【００１３】
レーザ光源３０は、たとえばＣＯ２レーザ発振器を含んで構成され、パルスレーザビーム３０ａを出射する。また、ガイド光３１ａを出射するガイド光源３１を含む。ガイド光源３１は、たとえば半導体レーザ(laser diode; LD)であり、ガイド光３１ａは、一例として赤色波長領域の光である。レーザビーム３０ａとガイド光３１ａとは、レーザ光源３０の同一位置から出射される、相互に波長の異なる光である。両者３０ａ、３１ａの光軸は一致している。
【００１４】
レーザビーム３０ａとガイド光３１ａとは、ともに、エキスパンダモジュール４０、マスクモジュール５０、シャッタモジュール６０、転写倍率変化光学系モジュール７０、集光モジュール８０をこの順に経由して、たとえばＸＹステージであるステージ９０上に保持された加工対象物であるプリント基板９５上の加工点に入射可能である。
【００１５】
各モジュール４０〜７０は、モジュール入口に切り出し用ミラー４０ａ〜７０ａ、モジュール出口に戻し入れ用ミラー４０ｄ〜７０ｄを有する。切り出し用ミラー４０ａ〜７０ａ、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜７０ｄは、たとえば偏光ビームスプリッタであり、レーザビーム３０ａの波長の光に対しては全反射ミラー、ガイド光３１ａの波長の光に対してはハーフミラーの機能を有する。
【００１６】
ガイド光源３１を出射したガイド光３１ａは、エキスパンダモジュール４０の入口に設置された切り出し用ミラー４０ａに入射し、一部がこれを透過し、一部がこれに反射される。切り出し用ミラー４０ａを透過したガイド光３１ａの一部は戻し入れ用ミラー４０ｄを透過する。切り出し用ミラー４０ａに反射されたガイド光３１ａは、エキスパンダモジュール４０内に配置された光学部品を経由し、その一部が戻し入れ用ミラー４０ｄで反射される。切り出し用ミラー４０ａと戻し入れ用ミラー４０ｄの双方を透過するガイド光３１ａと、エキスパンダモジュール４０内の光学部品を経由した後、戻し入れ用ミラー４０ｄで反射されるガイド光３１ａとは同一光軸上に重畳され、マスクモジュール５０に入射する。
【００１７】
マスクモジュール５０、シャッタモジュール６０、転写倍率変化光学系モジュール７０においても同様で、各モジュール５０〜７０の切り出し用ミラー５０ａ〜７０ａと、戻し入れ用ミラー５０ｄ〜７０ｄの双方を透過するガイド光３１ａと、各モジュール５０〜７０内の光学部品を経由した後、戻し入れ用ミラー５０ｄ〜７０ｄで反射されるガイド光３１ａとは同一光軸上に重畳され、次のモジュール６０〜８０に入射する。集光モジュール８０を出射したガイド光３１ａは加工点に入射する。
【００１８】
各モジュール４０〜７０内部を直進するガイド光３１ａ（切り出し用ミラー４０ａ〜７０ａと、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜７０ｄの双方を透過するガイド光３１ａ）の光路によって、レーザ光源３０のビーム（レーザビーム３０ａ及びガイド光３１ａ）出射位置と、加工点との間に基準光軸が定められる。
【００１９】
レーザ光源３０を出射するレーザビーム３０ａは、加工用のレーザビームである。レーザ光源３０を出射し、各モジュール４０〜８０を経由したレーザビーム３０ａは、たとえばステージ９０に保持されたプリント基板９５の樹脂層に入射し、樹脂層を貫通する貫通孔を形成する。なお、プリント基板９５の加工時には、ガイド光源３１からガイド光３１ａは出射されない。
【００２０】
レーザ光源３０を出射したレーザビーム３０ａは、基準光軸上を進行してエキスパンダモジュール４０に入射する。エキスパンダモジュール４０は、それぞれ一軸ステージ４２、４４、４６に、レーザビーム３０ａの光軸方向（進行方向）に沿って移動可能に保持された３枚のレンズ４１、４３、４５を含んで構成され、入射するレーザビーム３０ａのビーム径を変化させて出射する。エキスパンダモジュール４０に入射したレーザビーム３０ａは、切り出し用ミラー４０ａで反射され、エキスパンダ光学系を経た後、戻し入れ用ミラー４０ｄで反射されて、エキスパンダモジュール４０を出射する。すなわち切り出し用ミラー４０ａで反射され、レンズ４１を透過した後、折り返しミラー４０ｂで反射される。更に、レンズ４３を透過し、折り返しミラー４０ｃで反射された後、レンズ４５を透過する。最後に、戻し入れ用ミラー４０ｄで反射されて、エキスパンダモジュール４０を出射する。エキスパンダモジュール４０を出射するレーザビーム３０ａの光軸は、基準光軸と一致する。
【００２１】
マスクモジュール５０は、マスク５１及びモータ５２を含んで構成される。マスク５１は、たとえば遮光領域に、相互に異なるサイズまたは形状の複数の透光領域が形成された円盤である。モータ５２でマスク５１を回転軸の周囲に回転させることにより、加工に応じた透光領域をレーザビーム３０ａの光路上に配置することができる。
【００２２】
基準光軸に沿ってマスクモジュール５０に入射したレーザビーム３０ａは、切り出し用ミラー５０ａ、マスク光学系、戻し入れ用ミラー５０ｄを経て、マスクモジュール５０を出射する。すなわち切り出し用ミラー５０ａ、折り返しミラー５０ｂで反射され、マスク５１の透光領域を透過することで断面形状を整形される。その後、折り返しミラー５０ｃ、戻し入れ用ミラー５０ｄで反射され、基準光軸に沿ってマスクモジュール５０を出射する。
【００２３】
シャッタモジュール６０は、遮光機能を有するシャッタ６１及びモータ６２を含んで構成される。シャッタ６１の開閉は、モータ６２を用いて行われる。シャッタ６１が開状態のとき、シャッタ６１に入射するレーザビーム３０ａはこれを通過し、閉状態のとき、これに遮られる。シャッタ６１は、入射するレーザビーム３０ａの通過と遮蔽を選択的に切り替えることができる。
【００２４】
基準光軸に沿ってシャッタモジュール６０に入射したレーザビーム３０ａは、切り出し用ミラー６０ａ、シャッタ光学系、戻し入れ用ミラー６０ｄを経て、シャッタモジュール６０を出射する。すなわち切り出し用ミラー６０ａ、折り返しミラー６０ｂで反射され、開状態のシャッタ６１を通過する。その後、折り返しミラー６０ｃ、戻し入れ用ミラー６０ｄで反射され、基準光軸に沿ってシャッタモジュール６０を出射する。
【００２５】
転写倍率変化光学系モジュール７０は、マスク５１の透光領域の形状を加工点に転写倍率可変に転写する転写倍率変化光学系を含むモジュールである。転写倍率変化光学系モジュール７０は、凹レンズ７１、凸レンズ７２、フィールドレンズ７３、７４を含む。フィールドレンズ７３、７４は、たとえばエアシリンダによってレーザビーム３０ａの光路上に着脱が可能である。レーザビーム３０ａの光路上へのフィールドレンズ７３、７４の配置、非配置によって、転写倍率を変化させることができる。
【００２６】
基準光軸に沿って転写倍率変化光学系モジュール７０に入射したレーザビーム３０ａは、切り出し用ミラー７０ａで反射され、凹レンズ７１及び凸レンズ７２を透過した後、折り返しミラー７０ｂで反射される。更に、フィールドレンズ７３を透過し、折り返しミラー７０ｃで反射された後、フィールドレンズ７４を透過する。なお、フィールドレンズ７３、７４は、転写倍率に応じて配置される。最後に、戻し入れ用ミラー７０ｄで反射され、基準光軸に沿って転写倍率変化光学系モジュール７０を出射する。
【００２７】
集光モジュール８０は、２枚のガルバノミラー８２、８４及びｆθレンズ８６を含んで構成される。モータ８３、８５は、それぞれガルバノミラー８２、８４の向きを変化させる。基準光軸に沿って集光モジュール８０に入射したレーザビーム３０ａは、折り返しミラー８１で反射され、ガルバノミラー８２、８４とモータ８３、８５とで構成されるガルバノスキャナによって、出射方向を２次元方向に変化されて、ｆθレンズ８６に入射する。レーザビーム３０ａは、ｆθレンズ８６によって集光され、鉛直上方からプリント基板９５上の加工点に入射し、プリント基板９５の穴あけ加工が行われる。
【００２８】
各モジュール４０〜８０は、たとえば外箱（モジュールボックス）と、その内部に配置された光学部品、たとえばエキスパンダモジュール４０であれば、切り出し用ミラー４０ａ、折り返しミラー４０ｂ、４０ｃ、戻し入れ用ミラー４０ｄ、レンズ４１、４３、４５、一軸ステージ４２、４４、４６を含んで構成される。光学部品は箱の内部に限らず、たとえば板上等、多様な基材に配置することが可能である。
【００２９】
図２は、集光モジュール８０の他の例を示す概略図である。本図に示す集光モジュール８０は、ガルバノスキャナ及びｆθレンズ８６を含まず、集光レンズ８７を備える。また、集光モジュール８０の入射口に切り出し用ミラー８０ａ、出射口に戻し入れ用ミラー８０ｄが配置される。切り出し用ミラー８０ａ、戻し入れ用ミラー８０ｄは、レーザビーム３０ａの波長の光に対しては全反射ミラーであり、ガイド光３１ａの波長の光に対してはハーフミラーである。切り出し用ミラー８０ａ、戻し入れ用ミラー８０ｄの機能及び作用は、他のモジュール４０〜７０におけるそれらと等しい。
【００３０】
基準光軸は、各モジュール４０〜８０内部を直進するガイド光３１ａ（切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａと、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄの双方を透過するガイド光３１ａ）の光路によって、レーザ光源３０のビーム出射位置と加工点との間に定められる。
【００３１】
基準光軸に沿って集光モジュール８０に入射した加工用のレーザビーム３０ａは、切り出し用ミラー８０ａで反射され、集光光学系を経た後、戻し入れ用ミラー８０ｄで反射されて集光モジュール８０を出射する。すなわち切り出し用ミラー８０ａ、折り返しミラー８０ｂで反射され、集光レンズ８７で集光された後、折り返しミラー８０ｃ、戻し入れ用ミラー８０ｄで反射され、基準光軸に沿って集光モジュール８０を出射し、加工点に入射する。
【００３２】
図３は、エキスパンダモジュール４０の配設位置を示す平面図である。実施例によるレーザ加工装置においては、基準光軸の長さが一定である。また、その長さは任意に定めることができる。レーザ光源３０と加工点との間の、モジュール（モジュールボックス）外の光路長が一定である実施例によるレーザ加工装置においては、各モジュール（モジュールボックス）４０〜８０の配設される（取り付けられる）位置が画定（規定）されている。各配設位置においては、各モジュール４０〜８０の配置の微調整が可能である。各モジュール４０〜８０は、たとえばノックピン４７〜４９を用いて、画定された配設位置に位置決めされ、配置される。
【００３３】
図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、モジュールの配置について説明する。図４（Ａ）に示すように、各モジュール（モジュールボックス）４０〜８０は、レーザ加工装置の台上に相互に相対位置を、高精度に取り決められている。また、各モジュール４０〜８０は、モジュール単位で、それぞれの配設位置に着脱可能であり、特に取り外した状態で個別のメンテナンスができる。更に、各モジュール４０〜８０の配設位置は、その位置に各モジュール４０〜８０を配置したとき、ビーム（レーザビーム３０ａ及びガイド光３１ａ）の光路に沿って隣接する２つのモジュールについて、上流側モジュールを出射するビームの光軸と下流側モジュールに入射するビームの光軸とが、一致するように画定されている。したがって、たとえばシャッタモジュール６０を取り外してメンテナンスを実施した後、画定されたシャッタモジュール６０の配設位置に配置すると、マスクモジュール５０とシャッタモジュール６０との間の光学的な調整、及び、シャッタモジュール６０と転写倍率変化光学系モジュール７０との間の光学的な調整が完了する。
【００３４】
図４（Ｂ）及び（Ｃ）を参照する。各モジュール（モジュールボックス）４０〜８０のサイズは相互に異なっていてもよい。ボックス内部の光射出位置（戻し入れ用ミラー設置位置）、光入射位置（切り出し用ミラー設置位置）に応じて各モジュール（モジュールボックス）４０〜８０の配置をずらすこともできる。あらかじめ互いの相対位置を規定する規定位置が、レーザ加工装置の台に画定されていればよい。
【００３５】
実施例によるレーザ加工装置においては、基準光軸からレーザビーム３０ａに対する折り返しミラー（切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａ及び戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄ）を用いて、各モジュール４０〜８０内にレーザビーム３０ａの光路が形成され、その光路上に光学部品が配置されている。また、切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａから、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄまでの光学部品はモジュール化されている。更に、各モジュール４０〜８０の入射口と出射口において、レーザビーム３０ａの光軸は基準光軸と一致している。
【００３６】
各モジュール４０〜８０内に配置される光学部品については、レーザ加工装置の設置前に、モジュール４０〜８０単位でアライメント（光軸調整）を完了させておく。アライメントは、ガイド光３１ａと等しい波長の光を、各モジュール４０〜８０に導入し、切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａで反射され、各モジュール４０〜８０内の他の光学部品を経由した後、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄで反射される光と、各モジュール４０〜８０内を直進する光（切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａと、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄの双方を透過する光）の光軸を一致させることで行う。
【００３７】
実施例によるレーザ加工装置の設置にあたっては、アライメントの終了した各モジュール４０〜８０の位置決めのみを行えばよい。このため、レーザ加工装置のアライメント時間、設置時間を短縮することができる。
【００３８】
また、実施例によるレーザ加工装置は、モジュール単位の光学部品交換が可能である。このため、たとえば光軸合わせの容易さの点から、装置故障時のダウンタイムを削減することができる。なおこの際、交換用のモジュールを準備しておいてもよい。
【００３９】
更に、装置の拡張性が向上される。一例として、小径加工等、要求される加工に応じて最適なモジュールを配置することが可能である。光学部品のオプションの追加等も容易に可能である。レーザビーム３０ａの光路長は全体として変化するが、その調整はモジュール内で行うことができる。光学部品を交換する場合においても、装置の機能を拡張する場合においても、光学部品の配置や光軸のアライメントなど、装置の調整が容易である。
【００４０】
実施例によるレーザ加工装置は、交換性、拡張性、及び調整容易性に優れたレーザ加工装置である。
【００４１】
上述した内容と一部重複するが、実施例によるレーザ加工装置を設置し、レーザ加工を行うに当たって、レーザビーム３０ａの光軸を調整する方法について説明する。レーザビーム３０ａの光軸の調整は、ガイド光３１ａを用いて行う。
【００４２】
まず、各モジュール４０〜８０について光軸の調整を行う。上述のように、ガイド光３１ａと等しい波長の光を、各モジュール４０〜８０に導入し、各モジュール４０〜８０内の光学部品を、切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａで反射されたガイド光３１ａの光路上に配置して、切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａで反射され、各モジュール４０〜８０内の他の光学部品を経由した後、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄで反射される光と、各モジュール４０〜８０内部を直進する光（切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａと、戻し入れ用ミラー４０ｄ〜８０ｄの双方を透過する光）の光軸を一致させることで、各モジュール４０〜８０について光軸の調整を行う。両光軸の一致はたとえば目視で判定することができる。
【００４３】
次に、レーザビーム３０ａとガイド光３１ａの光軸を一致させる。
【００４４】
続いて、レーザ光源３０を設置するとともに、画定された各モジュール４０〜８０の配設位置に、対応するモジュール４０〜８０を配置し、配置位置の微調整を行って、レーザ加工装置全体（ビーム出射位置から加工点まで）の光軸を合わせる。この光軸合わせに際しては、ガイド光３１ａを出射し、レーザビーム３０ａは出射しない。また、同時に複数のモジュール４０〜８０を配置して光軸の調整を行うより、たとえば加工点に近いモジュール４０〜８０から一つずつ、光軸調整を行うのが望ましい。
【００４５】
初めに集光モジュール８０を、集光モジュール８０の配設位置に配置し、ガイド光源３１からガイド光３１ａを出射させ、集光モジュール８０に入射させる。集光モジュール８０を出射したガイド光３１ａが加工点に伝搬されるように、集光モジュール８０の配置位置の微調整を行う。
【００４６】
転写倍率変化光学系モジュール７０を、対応する配設位置に配置する。ガイド光源３１からガイド光３１ａを出射させ、転写倍率変化光学系モジュール７０に入射させる。転写倍率変化光学系モジュール７０を出射したガイド光３１ａが、集光モジュール８０を経由して加工点に伝搬されるように、転写倍率変化光学系モジュール７０の配置位置の微調整を行う。
【００４７】
以下同様に、シャッタモジュール６０、マスクモジュール５０、エキスパンダモジュール４０を、順に対応する配設位置に配置し、ガイド光源３１を出射したガイド光３１ａが加工点に伝搬されるように、各モジュール４０〜６０の配置位置の微調整を行う。このようにして、レーザ光源３０（ビーム出射位置）から加工点までの光軸合わせを行う。レーザビーム３０ａとガイド光３１ａの光軸が一致しているため、この状態でレーザビーム３０ａを出射させ、たとえばプリント基板９５に対する穴あけ加工を行うことが可能である。
【００４８】
光学部品の一部を交換した場合も、まず交換した光学部品を含むモジュールについて光軸の調整を行う。たとえばエキスパンダモジュール４０のレンズ４３を交換した場合には、レンズ４３交換の終了したエキスパンダモジュール４０に、ガイド光３１ａと等しい波長の光を導入し、切り出し用ミラー４０ａで反射され、モジュール４０内の他の光学部品を経由した後、戻し入れ用ミラー４０ｄで反射される光と、モジュール４０内を直進する光（切り出し用ミラー４０ａと、戻し入れ用ミラー４０ｄの双方を透過する光）の光軸を一致させることで、エキスパンダモジュール４０について光軸の調整を行う。
【００４９】
次に、レーザビーム３０ａとガイド光３１ａの光軸を一致させる。
【００５０】
続いて、エキスパンダモジュール４０の配設位置に、エキスパンダモジュール４０を配置し、ガイド光源３１から出射したガイド光３１ａが加工点に伝搬されるように、モジュールの配置位置の微調整を行って、レーザ加工装置全体（ビーム出射位置から加工点まで）の光軸を合わせる。この場合、エキスパンダモジュール４０以外のモジュール５０〜８０が適正に配置されているときには、エキスパンダモジュール４０の配置位置の微調整のみを行えばよい。そうでないときには、必要に応じてモジュール５０〜８０の配置位置も微調整する。
【００５１】
上述の光軸調整方法においては、モジュール単位で光軸を調整した後、モジュール相互間の光軸合わせを行う。各モジュール４０〜８０では、切り出し用ミラー４０ａ〜８０ａでガイド光３１ａを二分岐させ、モジュール内の光学部品を経由する一方の光路を進行するガイド光３１ａと、他方の直進光路を進行するガイド光３１ａとを、同一光軸上に重畳させる光軸調整を行う。この光軸調整方法によれば、ビーム出射位置から加工点までのレーザビーム３０ａの光軸合わせを、容易に行うことができる。
【００５２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。
【００５３】
たとえば、実施例においては、エキスパンダモジュール４０、マスクモジュール５０、シャッタモジュール６０、転写倍率変化光学系モジュール７０、集光モジュール８０のすべてをモジュール化したが、このうちの少なくとも一つがモジュール化されていればよい。たとえばマスク５１及びモータ５２は、マスクモジュール５０としてモジュール化しなくてもよい。シャッタ６１及びモータ６２についても、シャッタモジュール６０としてモジュール化の必要はない。なお配設位置は、モジュール化された光学系についてだけ画定されていればよい。この場合、光軸の調整は、まずモジュール化されたすべての光学系について行い、光軸の調整されたモジュールを、レーザビームの出射位置と加工点との間に配置して、ビーム出射位置から加工点までの光軸を合わせる。
【００５４】
また、実施例においては、加工用のレーザビーム３０ａを出射するレーザ発振器として、ＣＯ２レーザを用いたが、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＡＧ等の固体レーザや、エキシマレーザ等を使用することができる。
【００５５】
更に、実施例においては、シャッタモジュール６０を、マスクモジュール５０と転写倍率変化光学系モジュール７０との間のレーザビーム３０ａの光路上に配置したが、レーザ光源３０のビーム出射位置と加工点との間の任意の光路上に配置することが可能である。
【００５６】
また、実施例においては、ガイド光源３１はレーザ光源３０に含まれていたが、ガイド光源３１をレーザ光源３０と独立に設けることもできる。
【００５７】
図５に、変形例によるレーザ加工装置の一部概略を示す。変形例においては、ガイド光源３１は、レーザ光源３０の外部に配置される。レーザ光源３０から出射されるレーザビーム３０ａと、ガイド光源３１から出射されるガイド光３１ａとは、ビーム合成器３２で同一光軸上に重畳される。ビーム合成器３２は、たとえば偏光ビームスプリッタである。レーザ光源３０、ガイド光源３１、及びビーム合成器３２は、ビーム合成器３２がレーザビーム３０ａを透過し、ガイド光３１ａを反射するように配置される。なおこの場合、レーザ光源３０、ガイド光源３１、及びビーム合成器３２を含めて、光軸が同一であるレーザビーム３０ａとガイド光３１ａとを出射する光源と考えることが可能である。また、たとえばレーザビーム３０ａと、ガイド光３１ａとが同一光軸上に重畳されるビーム合成器３２上の位置を、ビーム出射位置と考えることができる。
【００５８】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
レーザ加工一般に利用可能である。プリント配線板に対するレーザドリル加工のほか、太陽電池の製造に用いられる基板のレーザパターニング加工等に使用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０ レーザ光源
１１ ビームエキスパンダ
２０ レーザビーム
３０ レーザ光源
３０ａ レーザビーム
３１ ガイド光源
３１ａ ガイド光
３２ ビーム合成器
４０ エキスパンダモジュール
４０ａ 切り出し用ミラー
４０ｂ、４０ｃ 折り返しミラー
４０ｄ 戻し入れ用ミラー
４１、４３、４５ レンズ
４２、４４、４６ 一軸ステージ
４７〜４９ ノックピン
５０ マスクモジュール
５０ａ 切り出し用ミラー
５０ｂ、５０ｃ 折り返しミラー
５０ｄ 戻し入れ用ミラー
５１ マスク
５２ モータ
６０ シャッタモジュール
６０ａ 切り出し用ミラー
６０ｂ、６０ｃ 折り返しミラー
６０ｄ 戻し入れ用ミラー
６１ シャッタ
６２ モータ
７０ 転写倍率変化光学系モジュール
７０ａ 切り出し用ミラー
７０ｂ、７０ｃ 折り返しミラー
７０ｄ 戻し入れ用ミラー
７１ 凹レンズ
７２ 凸レンズ
７３、７４ フィールドレンズ
８０ 集光モジュール（ガルバノモジュール）
８０ａ 切り出し用ミラー
８０ｂ、８０ｃ 折り返しミラー
８０ｄ 戻し入れ用ミラー
８１ 折り返しミラー
８２、８４ ガルバノミラー
８３、８５ モータ
８６ ｆθレンズ
８７ 集光レンズ
９０ ステージ
９５ プリント基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出射する光源と、
前記光源を出射したレーザビームのビーム径を変化させるエキスパンダ光学系と、
前記エキスパンダ光学系を出射したレーザビームの断面形状を整形するマスク光学系と、
前記マスク光学系で整形されたレーザビームの断面形状を加工点に転写倍率可変に転写する転写倍率変化光学系と、
前記転写倍率変化光学系を出射したレーザビームを、集光して加工点に入射させる集光光学系と、
前記光源と加工点との間のレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームの通過と遮蔽とを切り替えることができるシャッタ光学系と
を有し、
前記エキスパンダ光学系、前記マスク光学系、前記転写倍率変化光学系、前記集光光学系、前記シャッタ光学系の少なくとも一つは、一体化されたモジュールとして構成されているレーザ加工装置。
【請求項２】
前記エキスパンダ光学系、前記転写倍率変化光学系、前記集光光学系の少なくとも一つは、一体化されたモジュールとして構成されている請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記モジュールは、微調整可能に配設される位置が画定されている請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記光源は、レーザビームを出射する第１の光源と、該レーザビームとは波長の異なる光を出射する第２の光源とを含み、前記第１の光源からのレーザビームと、前記第２の光源からの光とを、光軸を同一として出射可能であり、
前記モジュールは、前記第１の光源からのレーザビームを反射し、前記第２の光源からの光については、一部を透過し、一部を反射する第１及び第２の光学部材を含み、
前記モジュールに入射する前記第１の光源からのレーザビーム、及び前記第２の光源からの光の一部は、前記第１の光学部材で反射され、前記モジュールとして構成される光学系を経由した後、前記第２の光学部材で反射されて前記モジュールを出射し、
前記モジュールに入射し、前記第１の光学部材で反射されなかった、前記第２の光源からの光の一部は、前記第２の光学部材を透過して前記モジュールを出射する請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
光源を出射したレーザビームを加工点に伝搬する光学系の少なくとも一部が、一体化されたモジュールとして構成されているレーザ加工装置において、前記光源を出射するレーザビームの光軸を調整する方法であって、
（ａ）モジュールについて光軸の調整を行う工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で光軸の調整を行ったモジュールを、レーザビームの出射位置と加工点との間に配置して、ビーム出射位置から加工点までの光軸の調整を行う工程と
を有する光軸調整方法。
【請求項６】
前記工程（ａ）において、光を二分岐し、分岐された一方の光をモジュールとして構成されている光学系を経由させた後、分岐された他方の光と同一光軸上に重畳させる請求項５に記載の光軸調整方法。
【請求項１】
レーザビームを出射する光源と、
前記光源を出射したレーザビームのビーム径を変化させるエキスパンダ光学系と、
前記エキスパンダ光学系を出射したレーザビームの断面形状を整形するマスク光学系と、
前記マスク光学系で整形されたレーザビームの断面形状を加工点に転写倍率可変に転写する転写倍率変化光学系と、
前記転写倍率変化光学系を出射したレーザビームを、集光して加工点に入射させる集光光学系と、
前記光源と加工点との間のレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームの通過と遮蔽とを切り替えることができるシャッタ光学系と
を有し、
前記エキスパンダ光学系、前記マスク光学系、前記転写倍率変化光学系、前記集光光学系、前記シャッタ光学系の少なくとも一つは、一体化されたモジュールとして構成されているレーザ加工装置。
【請求項２】
前記エキスパンダ光学系、前記転写倍率変化光学系、前記集光光学系の少なくとも一つは、一体化されたモジュールとして構成されている請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記モジュールは、微調整可能に配設される位置が画定されている請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記光源は、レーザビームを出射する第１の光源と、該レーザビームとは波長の異なる光を出射する第２の光源とを含み、前記第１の光源からのレーザビームと、前記第２の光源からの光とを、光軸を同一として出射可能であり、
前記モジュールは、前記第１の光源からのレーザビームを反射し、前記第２の光源からの光については、一部を透過し、一部を反射する第１及び第２の光学部材を含み、
前記モジュールに入射する前記第１の光源からのレーザビーム、及び前記第２の光源からの光の一部は、前記第１の光学部材で反射され、前記モジュールとして構成される光学系を経由した後、前記第２の光学部材で反射されて前記モジュールを出射し、
前記モジュールに入射し、前記第１の光学部材で反射されなかった、前記第２の光源からの光の一部は、前記第２の光学部材を透過して前記モジュールを出射する請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
光源を出射したレーザビームを加工点に伝搬する光学系の少なくとも一部が、一体化されたモジュールとして構成されているレーザ加工装置において、前記光源を出射するレーザビームの光軸を調整する方法であって、
（ａ）モジュールについて光軸の調整を行う工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で光軸の調整を行ったモジュールを、レーザビームの出射位置と加工点との間に配置して、ビーム出射位置から加工点までの光軸の調整を行う工程と
を有する光軸調整方法。
【請求項６】
前記工程（ａ）において、光を二分岐し、分岐された一方の光をモジュールとして構成されている光学系を経由させた後、分岐された他方の光と同一光軸上に重畳させる請求項５に記載の光軸調整方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１１５８９７（Ｐ２０１２−１１５８９７Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７０４３２（Ｐ２０１０−２７０４３２）
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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