像転写式レーザー加工装置およびその加工方法
【課題】 像転写式レーザ加工装置においてワークの高さに応じてビーム整形用マスクを移動させて焦点を合わせた場合でも、加工品質を保ちつつ所定の加工形状のままにすることができるレーザー加工装置とレーザー加工方法を得る。
【解決手段】 レーザービームを出射するレーザー発振器１と、レーザー発振器１から出射されたレーザービームを所定の開口径の範囲内のみ通過させ、かつ開口径を大小に変化させることが出来る虹彩絞り２と調整手段１２からなるアパーチャと、アパーチャを通過したレーザービームを結像させる結像レンズ４と、アパーチャのレーザービームの進行方向に対する結像レンズ４までの物理的距離を変更する移動手段７とを備えた。
【解決手段】 レーザービームを出射するレーザー発振器１と、レーザー発振器１から出射されたレーザービームを所定の開口径の範囲内のみ通過させ、かつ開口径を大小に変化させることが出来る虹彩絞り２と調整手段１２からなるアパーチャと、アパーチャを通過したレーザービームを結像させる結像レンズ４と、アパーチャのレーザービームの進行方向に対する結像レンズ４までの物理的距離を変更する移動手段７とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー発振器から出力されたレーザービームが、光路中に挿入されたアパーチャを通過してワークに転写されることでワークの加工を行う像転写式レーザー加工装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来の像転写式レーザー加工装置の構成図である。レーザー発振器１から出力された矢印方向のレーザービームはレーザービーム整形用のマスク１８を通過することにより所望の形状のレーザービームに整形され、ミラー３によって反射された後、整形されたレーザービームは結像用レンズ４により集光され、ＸＹテーブル５上に載置されたワーク６の表面上にレーザービーム２が到達することにより加工を行うことができる。このような像転写式レーザー加工装置においては、レーザービーム整形用のマスク１８の形状を正確にワーク６に転写しワーク６の除去加工を行うために、レーザービームの焦点をワーク６の表面に合わせる必要がある。
【０００３】
図９は従来の第１の像転写式レーザー加工装置の構成図である。図９に示したように、例えば結像用レンズ４を光軸方向に移動させる駆動装置２１を備えることにより、レーザービームの焦点がワーク６の表面上となるように合わせる技術がある。（以下、従来技術１と呼ぶ）。
【０００４】
また図１０は、従来の第２の像転写式レーザー加工装置の構成図である。図１０に示すように、結像用レンズ４ではなく、レーザービーム整形用のマスク１８を光軸方向に移動させる移動手段７を備えることにより、レーザービームの焦点をワーク６の表面に合わせ、レーザービーム整形のマスク１８の形状を正確にワーク６に転写し、ワーク６の除去加工を行うレーザー加工装置およびレーザー加工方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。（以下、従来技術２と呼ぶ）
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２６３２６１号公報（第４〜７頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
像転写式レーザー加工装置において、加工穴の真円度や断面形状などの加工品質を保ちつつ良好に加工を行うには、レーザービームの焦点位置をワークの表面もしくは特定の位置に固定させる必要がある。特に多層基板の加工において、多層基板はその層数により厚さがまちまちであるため、特にレーザービームの焦点をワーク表面に固定する技術が重要となってきている。
【０００７】
従来技術１においては、焦点位置をワーク表面に一致させるために、結像用レンズと共に、結像用レンズ周辺にある、ワークからのスパッタによる結像用レンズの汚れを防ぐための集塵装置や、レーザーによる切断・穴あけ品質を向上させるための加工ガス供給機構や、加工速度向上のためのガルバノスキャンミラーなどの光学部品を一緒に移動させる必要があり、移動させる部品が体積・重量とも非常に大きくなり、移動手段は大型で、かつ大きなトルクを発生させられる大型サーボモータにする必要があった。
【０００８】
さらに、必要とされる焦点位置の移動量と結像用レンズの移動量は、ほぼ１対１で対応しており、焦点裕度が非常に狭い加工、例えば、パッケージ分野における多層基板のエポキシ樹脂層４０μｍ厚に穴径φ４０μｍの加工を行う場合においては、レーザー加工における焦点裕度は約±１０μｍであるので、１０μｍ程度の精度で焦点位置をワーク表面と一致させる必要があり、結像レンズとその周辺部品も１０μｍ程度の精度で移動させる必要がある。よって、移動手段には位置決め精度の高いボールねじ等の移動手段が必要となり、移動手段が高価な物が必要であった。
【０００９】
一方、従来技術２にて示されるように、ビーム整形用マスクを移動させて焦点を合わせるものは、ビーム整形用マスクの周辺には集塵装置や加工ガス供給装置やガルバノスキャンミラーなどが存在しないため、移動させる必要があるものはビーム整形用マスクのみであり、体積・重量とも小さく、上記のような問題は発生しない。また、必要とされる焦点位置の移動量とビーム整形用マスクの移動量は、一般的な像転写式レーザー加工装置の構造ではほぼ１対１００以上で対応しており、移動手段に１０μｍ程度の精度は必要とされず、１ｍｍ程度（＝１０μｍ×１００）の精度があれば良いため、位置決め精度の高い移動手段を要求されることはない。
【００１０】
しかし、ビーム整形用マスクを移動させて焦点を合わせた場合、焦点位置の移動量が大きくなるので、転写率の変化が大きく、ワークにおける加工形状が変化してしまうという問題があった。
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、ワークの高さに応じてビーム整形用マスクを移動させて焦点を合わせた場合でも、加工品質を保ちつつ所定の加工形状のままにすることができるレーザー加工装置とレーザー加工方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、レーザービームを出射するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射されたレーザービームを所定の形状の範囲内のみ通過させ、かつ前記形状を大小に変化させることが出来るアパーチャと、前記アパーチャを通過したレーザービームを被加工物に結像させる結像レンズと、前記アパーチャのレーザービームの進行方向に対する前記結像レンズまでの物理的距離を変更する移動手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明は、レーザービームを出射するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射されたレーザービームを所定の形状の範囲内のみ通過させ、かつ前記形状を大小に変化させることが出来るアパーチャと、前記アパーチャを通過したレーザービームを被加工物に結像させる結像レンズと、前記アパーチャのレーザービームの進行方向に対する前記結像レンズまでの物理的距離を変更する移動手段とを備えたので、ワークの高さに応じて前記アパーチャを移動させて焦点を合わせた場合でも、加工品質を保ちつつ所定の加工形状のままにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置を示す構成図である。図１において、レーザー発振器１から出力されたレーザービームは、アパーチャの一部を構成し、開口径が可変となりレーザービームを所望の形状に整形して通過させる虹彩絞り２を通過することで所望の形状に整形される。実施の形態１においては、虹彩絞り２の開口形状は円であるとする。また、アパーチャは虹彩絞り２と虹彩絞り２の開口径を調節する調整手段１２とから構成され、虹彩絞り２と調整手段１２から構成されるアパーチャは移動手段７によってレーザービームの光軸方向の位置が調節される。アパーチャの位置の調節と虹彩絞り２の開口径の調節については後述する。
【００１４】
虹彩絞り２を通過したレーザービームは、単数もしくは複数のミラー３により結像用レンズ４へ導かれる。また、図示していないが、ミラー３と結像用レンズ４との間に、ガルバノスキャンミラーを設けてもよい。結像用レンズ４を通過したレーザービームは、ＸＹ方向に可動するＸＹテーブル５上に載置された被加工物であるワーク６表面に到達し、虹彩絞り２の形状がワーク６表面に転写される。
【００１５】
虹彩絞り２と調節手段１２とからなるアパーチャの位置の調整について説明する。
アパーチャは、移動手段７によってレーザービームの光軸方向の移動がなされる。移動手段７は虹彩絞り２を配置した可動台８、第一のボールネジの軸９、第一のサーボモータ１０から構成される。
可動台８は、移動手段７の構成をなす第１のボールネジの軸方向の可動部分をも構成しており、レーザービームの光軸方向に配設された第１のボールネジの軸９が回転することで可動台８及び可動台８に固定された虹彩絞り２をレーザービームの光軸方向に動作させることが出来る。第１のボールネジの軸９を回転させるために、第１のサーボモータ１０が配設され、第１のサーボモータ１０が回転することで第１のボールネジの軸９を回転させるよう連結されている。第１のボールネジの軸９は固定台１１に回転可能に固定され、第１のサーボモータ１０も固定台１１に固定されている。
したがって、第１のサーボモータ１０の回転位置を調整することで、アパーチャの一部を構成する虹彩絞り２から結像用レンズ４までの物理的距離を調整することが可能となる。
【００１６】
アパーチャの一部を構成する虹彩絞り２の開口径の調整について説明する。
図２は、本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置の虹彩絞り２の開口径を調整する調整手段１２の拡大図である。図２は図１において矢印Ａ−Ａから調整手段１２を見たものである。
【００１７】
虹彩絞り２は、絞り調整レバー１３の位置を左右方向に移動させることでその開口径が変化する構成となっている。そして絞り調整レバー１３は第２のボールネジの可動部をかねており、左右方向に配置された第２のボールネジの軸１４が回転することで、第２のボールネジの可動部である絞り調整レバー１３を左右に移動させ、虹彩絞り２の開口径を大小に変化させることが出来る。第２のボールネジの軸１４を回転させるために、第２のサーボモータ１５が配設され、第２のサーボモータ１５が回転することで第２のボールネジの軸１４を回転させるよう連結されている。第２のボールネジの軸１４は可動台８に回転可能に固定され、第２のサーボモータ１５も可動台８に固定されている。
したがって、第２のサーボモータ１５の回転位置を調整することで、虹彩絞り２の開口径を調整することが可能となる。
【００１８】
上記によって虹彩絞り２の位置と開口径の調整をすることでワーク６の加工点近傍の表面高さに基づいて適切な焦点位置と加工径とになるようにすることが可能である。
尚、本実施の形態においては、加工点近傍のワーク６の表面高さを測定するためのセンサー１６とワーク６の表面高さのデータ情報に基づいて虹彩絞り２の位置と開口径の制御を行う制御手段１７によって自動的に虹彩絞り２の位置と開口径の調節が行われる。
具体的にはセンサー１６が加工点近傍のワーク６の表面高さを測定し、そのワーク６の表面高さのデータ情報を制御手段１７に出力する。制御手段１７は入力されたワーク６の加工点近傍の表面高さに基づいて適切な焦点位置と加工径とになるよう、計算した上で、第１のサーボモータ１０と第２のサーボモータ１５の回転位置を駆動信号により制御することで、虹彩絞り２の位置と開口径の調整が行われる。制御手段１７の機能の詳細については後述する。
【００１９】
次に、具体的な数値例を用いて、この実施の形態１の虹彩絞り２の位置と開口径の調整動作を説明する。
図３は、本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置の虹彩絞り２の位置と開口径の調整動作を示す図である。図３（ａ）はレーザービームの焦点をワーク６の高さ２ｍｍにあわせた場合、図３（ｂ）は、レーザービームの焦点をワーク６の高さ２．５ｍｍにあわせた場合のものである。
図３における像転写式レーザー加工装置に示されている寸法の一例について説明する。本仕様は特殊なものでは無く、一般的な像転写式レーザー加工装置の仕様とほぼ同じオーダーの値である。
上記像転写式レーザー加工装置において、図３（ａ）に示す厚さ２ｍｍと図３（ｂ）に示す厚さ２．５ｍｍの段差を有する樹脂板に対し、穴径φ０．２ｍｍの貫通穴を形成する場合を説明する。
【００２０】
まず、図３（ａ）中、ａ＝２０００．０００ｍｍは、虹彩絞り２から結像用レンズ４までの物理的距離の初期値であって虹彩絞り２の位置によって変動するものである。
同じく、ｆ＝１００．０００ｍｍは、結像用レンズ４の焦点距離（固定値）である。
ｂ＝１０５．２６３ｍｍは、ａが上記値の場合における結像用レンズ４から焦点位置までの光学的距離であり、一般的なレンズの公式である１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆの式（１）から求まるものである。
Ｙ＝３．８００ｍｍは、虹彩絞り２の開口径であり、左記の値は初期値であって変動可能なものである。
ｙ＝０．２００ｍｍ：虹彩絞り２の焦点位置における結像径であり、虹彩絞り２の開口径、ａ及びｂによって変化するものであり、一般的なレンズの公式から、Ｙ×ｂ／ａ＝ｙの式（２）にて求められる。
また、図中、ｃは結像用レンズ４からワーク５までの物理的距離であり、焦点裕度の範囲内でｃ＝ｂとなることで、加工穴の真円度や断面形状などの加工品質を保ちつつ良好に加工を行うことができる。
【００２１】
また、実施の形態１では、高さ測定手段１６により測定されたワーク６表面の高さ情報を制御手段１７が入手し、その情報と上記式（１）および式（２）より求められる最適な虹彩絞り２の位置と開口径の計算を行うとともに、虹彩絞り２の移動や開口径調整を行う。以下、制御手段１７が行う処理についても上記寸法の一例に合わせて説明する。
図４は、本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置の制御手段１７の処理を示すフローチャートである。
【００２２】
まず、ステップＳ０１にて、加工スタートと共に、高さ測定手段１６により現在のワーク高さを測定し、その測定値を制御手段１７に送る。制御手段１７はその測定値を初期ワーク高さ基準値として設定する。
具体的には、高さ測定手段１６は、例えば非接触式のレーザー変位計であり、ワーク６がない状態からワーク６がセットされた状態でのレーザー変位計の示す値を測定値として制御手段１７に送る。
尚、この時点では高さ測定手段１６によって測定された測定値とレーザー加工装置の仕様から決まる値に基づいて、式（１）および式（２）に当てはめた場合に、各値は適正なものであったものとする。
【００２３】
上記仕様の加工機により、図３（ａ）に示すように、まず、ＸＹテーブル５上にワーク６を配置した後、レーザの焦点位置（結像位置）がワーク６（樹脂板）の２ｍｍの厚さの部分の表面になるように虹彩絞り２の位置と口径と調節されている。この状態にて、虹彩絞り２の開口径をφ３．８００ｍｍ、レーザパルス幅１００μｓ、レーザービームエネルギー１０ｍＪ、パルス数２０パルスをワーク６（樹脂板）に照射することにより、穴径φ０．２ｍｍの貫通穴の加工を行うことができる。尚、上記の結像用レンズ４から焦点位置までの光学的距離ｂと結像径ｙは、ワーク６（樹脂板）の２ｍｍの厚さの部分の表面になるようにした場合の設定値であり、その際、結像用レンズ４から焦点位置までの光学的距離ｂ＝結像用レンズ４からワーク５までの物理的距離ｃとなっている。
【００２４】
その際、図４のステップＳ０２において、高さ測定手段１６は、定期的にワーク高さを測定し、測定値を制御手段１７に送る。ここで、定期的にとは、ＸＹテーブル５を連続的に移動させる場合には、例えば一定距離ＸＹテーブル５が移動する毎に測定したり、一定時間毎に測定したりしても良いし、ガルバノスキャンミラーを用いた場合は、ＸＹテーブル５によりスキャンエリアを変更する毎に測定しても良い。
【００２５】
次に、ステップＳ０３にて、制御手段１７は、ワーク高さ基準値と測定値とを比較して、その変化量が別途設定した判断値以上であるかどうかを比較する。現状態においては、ワーク高さに変動はなく判断値未満であるため、再度ステップＳ０２を実施する。ここで判断値とは、虹彩絞り２の移動や開口径の変更をさせるかどうかの判断値である。非常に焦点裕度の狭い加工においても±０．０１ｍｍの焦点裕度があるため、ワーク高さの変化量が０．０１ｍｍ以下であった場合は、加工品質は変化しないため、虹彩絞り１１の移動や開口径変更を行わず、現在の加工をそのまま進行する。駆動系の時間遅れによる焦点位置の追従遅れに伴う加工品質低下を防ぐため、判断値を小さく設定しても良い。また、判断値は各加工の焦点裕度の値により変化させても良い。
【００２６】
次に、図３（ｂ）のように、ワーク５（樹脂板）の２．５ｍｍの厚さの部分にφ０．２ｍｍの貫通穴の加工を行うため、ＸＹテーブル５をレーザービームの光軸方向とは直交に移動させることにより、結像用レンズ４の下がワーク６（樹脂板）の２．５ｍｍの厚さの部分となるよう移動させる。この状態では結像用レンズ４からワーク６の表面までの距離ｂと焦点位置（結像位置）ｃとが合っていないので真円度の良好なφ０．２ｍｍの加工は出来ないからである。
その際、図４のステップＳ０４にて、制御手段１７は、ワーク高さの変化量が判断値以上であったと判断し、式（１）および式（２）により虹彩絞り２の移動量や開口径の変更量を算出する。
結像用レンズ４からワーク６表面までの距離ｃは０．５ｍｍ小さくなり、１０４．７６３ｍｍとなっているので、所望の虹彩絞り２から結像用レンズ４までの距離ａは式（１）より以下の通りとなる。
【００２７】
式（１）に各値を代入すると１／ａ＋１／１０４．７６３＝１／１００．０００となる。ａを求めるとａ＝２１９９．５１７となる。
よって、虹彩絞り２は、１９９．５１７ｍｍだけレーザー発振器１側に移動させることにより焦点位置ｂ（結像位置）をワークの表面に合わせることができる。なお、加工種類にもよるが、焦点裕度が非常に狭い加工における焦点裕度を例えば±１０μｍであることを考慮すると、結像用レンズ４から焦点位置までの距離ｂが１０４．７５３〜１０４．７７３ｍｍとなるような虹彩絞り２から結像用レンズ４までの距離ａでも加工品質は保たれるので、この場合の距離ａは式（１）より以下の通りとなる。
【００２８】
ｂ＝１０４．７５３の場合は、１／ａ＋１／１０４．７５３＝１／１００．０００よりａ＝２２０３．９３４となる。
ｂ＝１０４．７７３の場合は、１／ａ＋１／１０４．７７３＝１／１００．０００よりａ＝２１９５．７７８となる。
よって、焦点位置（結像位置）をワーク５の表面に合わせるために、虹彩絞り２を移動させるために、虹彩絞り２から結像用レンズ４までの距離ａは、２１９６〜２２０３ｍｍの範囲にあれば良い。すなわち虹彩絞り２の移動手段７は、±３．５ｍｍ程度の精度があれば、焦点裕度の範囲内で焦点位置（結像位置）をワーク６の表面に合わせることができる。
【００２９】
この状態では、ワーク６の表面に焦点位置（結像位置）は合っているので虹彩絞り２の形状は正確にワーク６上に転写され加工が行われるが、ａとｂの距離が変更されているため、加工される穴径は式（２）よりｙ＝３．８００×１０４．７６３／２１９９．５１７＝０．１８１となり、穴径φ０．１８１ｍｍの穴加工を行ってしまう。一般的に要求される穴径は狙いの穴径に対して例えば±５％以下とすると、φ０．１８１ｍｍでは品質不良となってしまう。ここで、逆に結像径ｙがφ０．２ｍｍとなるような虹彩絞り２の開口径Ｙを式（２）から求めると、Ｙ×１０４．７６３／２１９９．５１７＝０．２００よりＹ＝４．１９９となる。
【００３０】
よって、虹彩絞り２の開口径をφ３．８００ｍｍからφ４．１９９ｍｍに広げることで、φ０．２００ｍｍの所望の穴加工を実現することができる。ここで、一般的に要求される穴径は狙いの穴径に対して例えば±５％以下、すなわちφ０．１９５〜０．２０５ｍｍであることを考慮すると、虹彩絞り２の開口径の精度は、式（２）より以下の通りとなる。
ｙ＝０．１９５の場合は、Ｙ×１０４．７６３／２１９９．５１７＝０．１９５よりＹ＝４．０９４となる。
ｙ＝０．２０１の場合は、Ｙ×１０４．７６３／２１９９．５１７＝０．２０５よりＹ＝４．３０４となる。
【００３１】
よって、虹彩絞り２の開口径は４．１〜４．３ｍｍの範囲にあればよく、すなわちφ０．２ｍｍの穴を加工する場合には、虹彩絞り２の開口径調整手段１６は±０．１ｍｍ程度の精度があれば、所望の径の穴加工ができる。一般的に穴径については現状１００〜２００μｍ程度が主流であり、よって開口径調整手段１６に用いられるボールねじの精度は０．１ｍｍ程度でよく、この場合安価な転造ボールねじを使用することができる。
【００３２】
次に、ステップＳ０５において、制御手段１７は、ステップＳ０４で算出された結果に基づき、第１のサーボモータ１０および第２のサーボモータ１５に駆動信号が送られ、算出結果の虹彩絞り２の位置や開口径となるよう第１のサーボモータ１０および第２のサーボモータ１５を制御して、虹彩絞り２の位置や開口径を変更する。
ステップＳ０６にて加工が停止されたかどうか確認し、停止されていなければ再度、ステップＳ０１もしくはＳ０２から処理を行う。この一連の動作を、加工が停止されるまで継続して同じ動作を繰り返す。
【００３３】
以上説明したように、レーザービームを出射するレーザー発振器１と、レーザー発振器１から出射されたレーザービームを所定の開口径の範囲内のみ通過させ、かつ開口径を大小に変化させることが出来る虹彩絞り２と調整手段１２からなるアパーチャと、アパーチャを通過したレーザービームを結像させる結像レンズ４と、アパーチャのレーザービームの進行方向に対する結像レンズ４までの物理的距離を変更する移動手段７とを備えたので、ワークの高さに応じて前記アパーチャを移動させて焦点を合わせた場合でも、加工品質を保ちつつ所定の加工形状のままにすることができる。
【００３４】
また、結像レンズ４から被加工物であるワーク６までの距離を直接または間接的に検出する高さ測定手段１６と、高さ測定手段１６により検出された結像レンズ４からワーク６までの距離と結像レンズ４からの焦点距離とを一致させるために、移動手段７を用いて、アパーチャのレーザービームの進行方向に対する結像レンズ４での物理的距離を制御する制御手段１７を備えたので、ワーク６の高さが加工品質に影響を与えると判断した場合に、制御手段１７は虹彩絞り２の位置を調整する移動手段７および開口径を調整する調整手段１２を制御して焦点と加工径をワーク６の加工位置に随時あわせることができる。
【００３５】
また、虹彩絞り２の移動手段７は１ｍｍ単位の精度しか要求されないため、例えば第１のボールネジ９では安価な転造ボールねじなどを使用することができ、安価に移動手段を構成できる。
【００３６】
さらに、虹彩絞り２は通常のマスクと同じ薄い金属板からなり、重量は通常のマスクとほとんど変わらない。また、虹彩絞り２のを可変するための絞り調整レバー１３は、可動範囲も小さく動作に必要なトルクも小さいことから、第２のボールネジおよび第２のサーボモータ１５は小型のもので動作可能である。よって、虹彩絞り２の調整手段１２は小型軽量に構成することができ、したがって、調整手段１２を載置した移動手段７も小型軽量に構成することができる。
【００３７】
実施の形態２．
実施の形態１においては、レーザービームを所望の開口径の範囲のみ通過させるアパーチャとして虹彩絞り２とその調整手段１２を用いたが、レーザービーム径の変更は、図２に示した虹彩絞り２のように開口径を連続的に変化させるタイプではなく、離散的に変化させるタイプでも実現可能であり、そのような場合について以下、説明する。
【００３８】
図５は、本発明の実施の形態２に係わる像転写式レーザー加工装置のアパーチャの拡大図である。尚、表示していない部分については実施の形態１と同じであり、図５中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。
実施の形態１においてアパーチャの一部を構成していた虹彩絞り２の代わりに、異なった開口径を有する複数の固定のマスク１８を並べている。固定のマスク１８の位置の微調整は、各マスク１８に設けられた位置微調用ネジ１９にて行う。
また、所定のマスク１８を選択するには、レーザービームの光軸と所定のマスクとの位置が合うよう調整手段１２の調整レバー１３を調整することで行う。尚、調整レバー１３は実施の形態１と同様、第２のボールネジの可動部を兼ねていることから、第２のサーボモータ１５の出力軸に連結された第２のボールネジの軸１４が回転することで調整レバー１３を動作させ、調整することが出来る。
【００３９】
従って、本実施の形態においては、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
尚、本実施の形態においては、設置するマスク１８の個数が制限されるので、マスク径の可変領域が制限され、マスク径の微調整が困難なので、ワークの高さの変化が小さく、また焦点裕度が比較的大きい加工に適しているものの、マスク１８によって光を通過させる部分の形状を変更することが容易となり、円形以外の形状（例えば矩形や三角形など）にも容易に対応することが出来るといった効果がある。
【００４０】
尚、アパーチャは実施の形態１に示した虹彩絞り２や多数のマスク１８を備えたものに限らず、レーザービームを通過させる所望の形状の範囲を変更し、かつレーザービームを通過させる際のその位置を変更できるものであれは、他のものでもよい。
【００４１】
実施の形態３．
実施の形態１では、１つのレーザービームを１つのワークに照射し加工を行う像転写式レーザー加工装置について説明したが、１つのレーザービームを複数に分けて複数のワークを一度に加工する、いわゆるマルチヘッドレーザー加工装置の場合について説明する。
図６は、本発明の実施の形態３に係わる像転写式レーザー加工装置の構成図である。尚、表示していない部分については実施の形態１と同じであり、図６中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００４２】
図６において、レーザー発振器１から出力されたレーザービームは、半透過ミラー２０により２つのレーザービームに分光される。分光された一方のレーザービームは、レーザービームを所望の形状に整形するための開口径が可変となる虹彩絞り２ａを通過し、結像用レンズ４ａへ導かれる。尚、レーザービームは半透過ミラー２０で分光され、直接虹彩絞り２ａに入射し、虹彩絞り２ａを通過した後、直接結像用レンズ４ａに入射しているが、その過程で単数もしくは複数の他のミラーによりその光路を適宜調整される場合もある。また、図示していないが、虹彩絞り２ａと結像用レンズ４ａとの間に、ガルバノスキャンミラーを設けてもよい。結像用レンズ４ａを通過したレーザービームは、結像用レンズ４ａにより集光され、ＸＹテーブル５ａ上に載置されたワーク６ａ表面に、虹彩絞り２ａの形状を転写する。
【００４３】
半透過ミラー２０にて分光された他方のレーザービームは、ミラー３によって反射された後、一方のレーザービームと同様に、虹彩絞り２ｂを通過し、結像用レンズ４ｂによりワーク６ｂ表面に集光される。他方のレーザービームの光路中には、単数もしくは複数の他のミラーが設けられ、適宜光路を調整しても良い。また、図示していないが、虹彩絞り２ｂと結像用レンズ４ｂとの間に、ガルバノスキャンミラーを設けてもよい。
【００４４】
一方及び他方のレーザービームの光径を調節するそれぞれの虹彩絞り２ａ、２ｂは、それぞれの移動手段７ａ、７ｂにより、レーザービームの光軸に沿ってその位置を調整することが可能であり、それぞれの虹彩絞り２ａ、２ｂの開口径は、それぞれの調整手段１２ａ１２ｂにより調整することが可能である。さらに、それぞれの虹彩絞り２ａ、２ｂの移動手段７ａ、７ｂおよび調整手段１２ａ、１２ｂは、加工点近傍のワーク６ａ、６ｂの表面高さを測定するためのそれぞれの高さ測定手段１６ａ、１６ｂからワーク高さデータを受信したそれぞれの制御手段１７により、ワーク高さデータに基づき動作を制御される。
なお、２つに分光されたレーザービームの一方のレーザービーム側をヘッドＡ、他方のレーザービーム側をヘッドＢとする。
【００４５】
次に、この実施の形態３の動作を説明する。
この実施の形態３における２ヘッドの像転写式レーザー加工装置の仕様は、ヘッドＡ、ヘッドＢとも実施の形態１に示した以下の例と同一とする。
【００４６】
ａ＝２０００．０００ｍｍ：虹彩絞り２ａ，２ｂから結像用レンズ４ａ，４ｂまでの距離
ｂ＝ １０５．２６３ｍｍ：結像用レンズ４ａ，４ｂから焦点位置までの距離
ｆ＝ １００．０００ｍｍ：結像用レンズ４ａ，４ｂの焦点距離（固定値）
Ｙ＝ ３．８００ｍｍ：虹彩絞り２ａ，２ａの開口径
ｙ＝ ０．２００ｍｍ：虹彩絞り２ａ，２ｂの焦点位置における結像径
ｃ：結像用レンズ４ａ、３ｂからワーク５ａ，５ｂまでの距離であり、焦点裕度の範囲内でｃ＝ｂとなることが望ましい。
【００４７】
本仕様も実施の形態１と同様に特殊なものでは無く、一般的な像転写式レーザー加工装置の仕様とほぼ同じオーダーの値である。
上記像転写式レーザー加工装置において、厚さ２ｍｍと厚さ２．５ｍｍの２種類の樹脂板に対し、穴径φ０．２ｍｍの貫通穴を形成する場合を説明する。
【００４８】
上記仕様の加工機により、図６に示すように、まずヘッドＡ、ヘッドＢ共に厚さ２ｍｍのワークを加工する場合、ＸＹテーブル５上に厚さ２ｍｍのワーク６ａ、６ｂが載置され、焦点位置（結像位置）がワーク６ａ、６ｂの表面になるように調整されている。この状態にて、虹彩絞り２の開口径をφ３．８００ｍｍ、レーザパルス幅１００μｓ、レーザービームエネルギー１０ｍＪ、パルス数２０パルスをワーク６ａ，６ｂに照射することにより、穴径φ０．２ｍｍの貫通穴の加工を行うことができる。ヘッドＡとヘッドＢが同じ厚さ２ｍｍのワークを加工する場合（図６）は、ヘッドＡとヘッドＢは上記のような同じマスク径とマスク位置にて加工を行う。
【００４９】
次に、ヘッドＡでは厚さ２ｍｍのワーク５ａを、ヘッドＢでは厚さ２．５ｍｍのワーク５ｃを加工する場合について説明する。図７は、本発明の実施の形態３に係わる像転写式レーザー加工装置の虹彩絞り２ａ，２ｂの位置と開口径の調整動作を示す図である。
【００５０】
ヘッドＢではワーク６ｃの表面に焦点位置（結像位置）が合っていないので真円度の良好なφ０．２ｍｍの加工は出来ない。焦点位置（結像位置）をワークの表面に合わせるために、虹彩絞り２ｂを移動させる。結像用レンズ４ｂからワーク６ｃ表面までの距離ｂが１０４．７６３ｍｍとなっているので、ビーム整形用マスクの移動距離は、実施の形態１と同様に、１９９．５１７ｍｍ発振器側に移動させることにより焦点位置（結像位置）をワークの表面に合わせることができる。なお、虹彩絞り２ｂの移動距離は実施の形態１と同様に、２１９６〜２２０３ｍｍの１ｍｍ単位程度で調整を行えば良い。さらに、ａとｂの距離が変更されているため、穴径φ０．１８１ｍｍの貫通穴の加工を行ってしまい品質不良となってしまうので、実施の形態１と同様に虹彩絞り２ｂの径を４．１〜４．３ｍｍとすることで、穴径φ０．２ｍｍの貫通穴の加工を行うことが出来る。
【００５１】
以上より、この実施の形態３に係る像転写式レーザー加工装置においては、実施の形態１と同様に、マルチヘッドタイプのものでも、実施の形態１と同様の効果を奏することが出来る。
また、本実施の形態３で説明した２ヘッドの加工機をはじめ複数のヘッドを有したマルチヘッドレーザー加工装置の場合、焦点調整手段はヘッド毎に必要であるため、従来技術１を適用したと比べて、よりコストの増加および装置の大型化を避けることができる。
さらに、本実施の形態３においては、ワークの厚さの変化によって焦点調整を行うことが出来る旨説明したが、マルチヘッドレーザー加工装置の場合、例えは各ヘッドで加工するワークの厚みが同じでも、各ヘッド間における機械精度の差は一般的に生じるものであり、それ吸収するためにヘッド毎の焦点調整を行うことに利用することが出来、そのことによる効果も奏することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置の虹彩絞り２の開口径を調整する調整手段１２の拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置の虹彩絞り２の位置と開口径の調整動作を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置の制御手段１７の処理を示すフォーチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２に係わる像転写式レーザー加工装置のアパーチャの拡大図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係わる像転写式レーザー加工装置の構成図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係わる像転写式レーザー加工装置の虹彩絞り２ａ，２ｂの位置と開口径の調整動作を示す図である。
【図８】従来の像転写式レーザー加工装置の構成図である。
【図９】従来の第２の像転写式レーザー加工装置の構成図である。
【図１０】従来の第３の像転写式レーザー加工装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ レーザー発振器、２ 虹彩絞り、３ ミラー、４ 結像用レンズ、５ ＸＹテーブル、６ ワーク、７ 移動手段、８、可動台、９ 第１のボールネジの軸、１０ 第１のサーボモータ、１１ 固定台、１２ 調整手段、１３ 調整レバー、１４ 第２のボールネジの軸、１５ 第２のサーボモータ、１６ 高さ測定手段、１７ 制御手段、１８マスク、１９ 位置微調整用ネジ、２０ 半透過ミラー、２１ 駆動装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー発振器から出力されたレーザービームが、光路中に挿入されたアパーチャを通過してワークに転写されることでワークの加工を行う像転写式レーザー加工装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来の像転写式レーザー加工装置の構成図である。レーザー発振器１から出力された矢印方向のレーザービームはレーザービーム整形用のマスク１８を通過することにより所望の形状のレーザービームに整形され、ミラー３によって反射された後、整形されたレーザービームは結像用レンズ４により集光され、ＸＹテーブル５上に載置されたワーク６の表面上にレーザービーム２が到達することにより加工を行うことができる。このような像転写式レーザー加工装置においては、レーザービーム整形用のマスク１８の形状を正確にワーク６に転写しワーク６の除去加工を行うために、レーザービームの焦点をワーク６の表面に合わせる必要がある。
【０００３】
図９は従来の第１の像転写式レーザー加工装置の構成図である。図９に示したように、例えば結像用レンズ４を光軸方向に移動させる駆動装置２１を備えることにより、レーザービームの焦点がワーク６の表面上となるように合わせる技術がある。（以下、従来技術１と呼ぶ）。
【０００４】
また図１０は、従来の第２の像転写式レーザー加工装置の構成図である。図１０に示すように、結像用レンズ４ではなく、レーザービーム整形用のマスク１８を光軸方向に移動させる移動手段７を備えることにより、レーザービームの焦点をワーク６の表面に合わせ、レーザービーム整形のマスク１８の形状を正確にワーク６に転写し、ワーク６の除去加工を行うレーザー加工装置およびレーザー加工方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。（以下、従来技術２と呼ぶ）
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２６３２６１号公報（第４〜７頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
像転写式レーザー加工装置において、加工穴の真円度や断面形状などの加工品質を保ちつつ良好に加工を行うには、レーザービームの焦点位置をワークの表面もしくは特定の位置に固定させる必要がある。特に多層基板の加工において、多層基板はその層数により厚さがまちまちであるため、特にレーザービームの焦点をワーク表面に固定する技術が重要となってきている。
【０００７】
従来技術１においては、焦点位置をワーク表面に一致させるために、結像用レンズと共に、結像用レンズ周辺にある、ワークからのスパッタによる結像用レンズの汚れを防ぐための集塵装置や、レーザーによる切断・穴あけ品質を向上させるための加工ガス供給機構や、加工速度向上のためのガルバノスキャンミラーなどの光学部品を一緒に移動させる必要があり、移動させる部品が体積・重量とも非常に大きくなり、移動手段は大型で、かつ大きなトルクを発生させられる大型サーボモータにする必要があった。
【０００８】
さらに、必要とされる焦点位置の移動量と結像用レンズの移動量は、ほぼ１対１で対応しており、焦点裕度が非常に狭い加工、例えば、パッケージ分野における多層基板のエポキシ樹脂層４０μｍ厚に穴径φ４０μｍの加工を行う場合においては、レーザー加工における焦点裕度は約±１０μｍであるので、１０μｍ程度の精度で焦点位置をワーク表面と一致させる必要があり、結像レンズとその周辺部品も１０μｍ程度の精度で移動させる必要がある。よって、移動手段には位置決め精度の高いボールねじ等の移動手段が必要となり、移動手段が高価な物が必要であった。
【０００９】
一方、従来技術２にて示されるように、ビーム整形用マスクを移動させて焦点を合わせるものは、ビーム整形用マスクの周辺には集塵装置や加工ガス供給装置やガルバノスキャンミラーなどが存在しないため、移動させる必要があるものはビーム整形用マスクのみであり、体積・重量とも小さく、上記のような問題は発生しない。また、必要とされる焦点位置の移動量とビーム整形用マスクの移動量は、一般的な像転写式レーザー加工装置の構造ではほぼ１対１００以上で対応しており、移動手段に１０μｍ程度の精度は必要とされず、１ｍｍ程度（＝１０μｍ×１００）の精度があれば良いため、位置決め精度の高い移動手段を要求されることはない。
【００１０】
しかし、ビーム整形用マスクを移動させて焦点を合わせた場合、焦点位置の移動量が大きくなるので、転写率の変化が大きく、ワークにおける加工形状が変化してしまうという問題があった。
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、ワークの高さに応じてビーム整形用マスクを移動させて焦点を合わせた場合でも、加工品質を保ちつつ所定の加工形状のままにすることができるレーザー加工装置とレーザー加工方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、レーザービームを出射するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射されたレーザービームを所定の形状の範囲内のみ通過させ、かつ前記形状を大小に変化させることが出来るアパーチャと、前記アパーチャを通過したレーザービームを被加工物に結像させる結像レンズと、前記アパーチャのレーザービームの進行方向に対する前記結像レンズまでの物理的距離を変更する移動手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明は、レーザービームを出射するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射されたレーザービームを所定の形状の範囲内のみ通過させ、かつ前記形状を大小に変化させることが出来るアパーチャと、前記アパーチャを通過したレーザービームを被加工物に結像させる結像レンズと、前記アパーチャのレーザービームの進行方向に対する前記結像レンズまでの物理的距離を変更する移動手段とを備えたので、ワークの高さに応じて前記アパーチャを移動させて焦点を合わせた場合でも、加工品質を保ちつつ所定の加工形状のままにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置を示す構成図である。図１において、レーザー発振器１から出力されたレーザービームは、アパーチャの一部を構成し、開口径が可変となりレーザービームを所望の形状に整形して通過させる虹彩絞り２を通過することで所望の形状に整形される。実施の形態１においては、虹彩絞り２の開口形状は円であるとする。また、アパーチャは虹彩絞り２と虹彩絞り２の開口径を調節する調整手段１２とから構成され、虹彩絞り２と調整手段１２から構成されるアパーチャは移動手段７によってレーザービームの光軸方向の位置が調節される。アパーチャの位置の調節と虹彩絞り２の開口径の調節については後述する。
【００１４】
虹彩絞り２を通過したレーザービームは、単数もしくは複数のミラー３により結像用レンズ４へ導かれる。また、図示していないが、ミラー３と結像用レンズ４との間に、ガルバノスキャンミラーを設けてもよい。結像用レンズ４を通過したレーザービームは、ＸＹ方向に可動するＸＹテーブル５上に載置された被加工物であるワーク６表面に到達し、虹彩絞り２の形状がワーク６表面に転写される。
【００１５】
虹彩絞り２と調節手段１２とからなるアパーチャの位置の調整について説明する。
アパーチャは、移動手段７によってレーザービームの光軸方向の移動がなされる。移動手段７は虹彩絞り２を配置した可動台８、第一のボールネジの軸９、第一のサーボモータ１０から構成される。
可動台８は、移動手段７の構成をなす第１のボールネジの軸方向の可動部分をも構成しており、レーザービームの光軸方向に配設された第１のボールネジの軸９が回転することで可動台８及び可動台８に固定された虹彩絞り２をレーザービームの光軸方向に動作させることが出来る。第１のボールネジの軸９を回転させるために、第１のサーボモータ１０が配設され、第１のサーボモータ１０が回転することで第１のボールネジの軸９を回転させるよう連結されている。第１のボールネジの軸９は固定台１１に回転可能に固定され、第１のサーボモータ１０も固定台１１に固定されている。
したがって、第１のサーボモータ１０の回転位置を調整することで、アパーチャの一部を構成する虹彩絞り２から結像用レンズ４までの物理的距離を調整することが可能となる。
【００１６】
アパーチャの一部を構成する虹彩絞り２の開口径の調整について説明する。
図２は、本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置の虹彩絞り２の開口径を調整する調整手段１２の拡大図である。図２は図１において矢印Ａ−Ａから調整手段１２を見たものである。
【００１７】
虹彩絞り２は、絞り調整レバー１３の位置を左右方向に移動させることでその開口径が変化する構成となっている。そして絞り調整レバー１３は第２のボールネジの可動部をかねており、左右方向に配置された第２のボールネジの軸１４が回転することで、第２のボールネジの可動部である絞り調整レバー１３を左右に移動させ、虹彩絞り２の開口径を大小に変化させることが出来る。第２のボールネジの軸１４を回転させるために、第２のサーボモータ１５が配設され、第２のサーボモータ１５が回転することで第２のボールネジの軸１４を回転させるよう連結されている。第２のボールネジの軸１４は可動台８に回転可能に固定され、第２のサーボモータ１５も可動台８に固定されている。
したがって、第２のサーボモータ１５の回転位置を調整することで、虹彩絞り２の開口径を調整することが可能となる。
【００１８】
上記によって虹彩絞り２の位置と開口径の調整をすることでワーク６の加工点近傍の表面高さに基づいて適切な焦点位置と加工径とになるようにすることが可能である。
尚、本実施の形態においては、加工点近傍のワーク６の表面高さを測定するためのセンサー１６とワーク６の表面高さのデータ情報に基づいて虹彩絞り２の位置と開口径の制御を行う制御手段１７によって自動的に虹彩絞り２の位置と開口径の調節が行われる。
具体的にはセンサー１６が加工点近傍のワーク６の表面高さを測定し、そのワーク６の表面高さのデータ情報を制御手段１７に出力する。制御手段１７は入力されたワーク６の加工点近傍の表面高さに基づいて適切な焦点位置と加工径とになるよう、計算した上で、第１のサーボモータ１０と第２のサーボモータ１５の回転位置を駆動信号により制御することで、虹彩絞り２の位置と開口径の調整が行われる。制御手段１７の機能の詳細については後述する。
【００１９】
次に、具体的な数値例を用いて、この実施の形態１の虹彩絞り２の位置と開口径の調整動作を説明する。
図３は、本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置の虹彩絞り２の位置と開口径の調整動作を示す図である。図３（ａ）はレーザービームの焦点をワーク６の高さ２ｍｍにあわせた場合、図３（ｂ）は、レーザービームの焦点をワーク６の高さ２．５ｍｍにあわせた場合のものである。
図３における像転写式レーザー加工装置に示されている寸法の一例について説明する。本仕様は特殊なものでは無く、一般的な像転写式レーザー加工装置の仕様とほぼ同じオーダーの値である。
上記像転写式レーザー加工装置において、図３（ａ）に示す厚さ２ｍｍと図３（ｂ）に示す厚さ２．５ｍｍの段差を有する樹脂板に対し、穴径φ０．２ｍｍの貫通穴を形成する場合を説明する。
【００２０】
まず、図３（ａ）中、ａ＝２０００．０００ｍｍは、虹彩絞り２から結像用レンズ４までの物理的距離の初期値であって虹彩絞り２の位置によって変動するものである。
同じく、ｆ＝１００．０００ｍｍは、結像用レンズ４の焦点距離（固定値）である。
ｂ＝１０５．２６３ｍｍは、ａが上記値の場合における結像用レンズ４から焦点位置までの光学的距離であり、一般的なレンズの公式である１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆの式（１）から求まるものである。
Ｙ＝３．８００ｍｍは、虹彩絞り２の開口径であり、左記の値は初期値であって変動可能なものである。
ｙ＝０．２００ｍｍ：虹彩絞り２の焦点位置における結像径であり、虹彩絞り２の開口径、ａ及びｂによって変化するものであり、一般的なレンズの公式から、Ｙ×ｂ／ａ＝ｙの式（２）にて求められる。
また、図中、ｃは結像用レンズ４からワーク５までの物理的距離であり、焦点裕度の範囲内でｃ＝ｂとなることで、加工穴の真円度や断面形状などの加工品質を保ちつつ良好に加工を行うことができる。
【００２１】
また、実施の形態１では、高さ測定手段１６により測定されたワーク６表面の高さ情報を制御手段１７が入手し、その情報と上記式（１）および式（２）より求められる最適な虹彩絞り２の位置と開口径の計算を行うとともに、虹彩絞り２の移動や開口径調整を行う。以下、制御手段１７が行う処理についても上記寸法の一例に合わせて説明する。
図４は、本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置の制御手段１７の処理を示すフローチャートである。
【００２２】
まず、ステップＳ０１にて、加工スタートと共に、高さ測定手段１６により現在のワーク高さを測定し、その測定値を制御手段１７に送る。制御手段１７はその測定値を初期ワーク高さ基準値として設定する。
具体的には、高さ測定手段１６は、例えば非接触式のレーザー変位計であり、ワーク６がない状態からワーク６がセットされた状態でのレーザー変位計の示す値を測定値として制御手段１７に送る。
尚、この時点では高さ測定手段１６によって測定された測定値とレーザー加工装置の仕様から決まる値に基づいて、式（１）および式（２）に当てはめた場合に、各値は適正なものであったものとする。
【００２３】
上記仕様の加工機により、図３（ａ）に示すように、まず、ＸＹテーブル５上にワーク６を配置した後、レーザの焦点位置（結像位置）がワーク６（樹脂板）の２ｍｍの厚さの部分の表面になるように虹彩絞り２の位置と口径と調節されている。この状態にて、虹彩絞り２の開口径をφ３．８００ｍｍ、レーザパルス幅１００μｓ、レーザービームエネルギー１０ｍＪ、パルス数２０パルスをワーク６（樹脂板）に照射することにより、穴径φ０．２ｍｍの貫通穴の加工を行うことができる。尚、上記の結像用レンズ４から焦点位置までの光学的距離ｂと結像径ｙは、ワーク６（樹脂板）の２ｍｍの厚さの部分の表面になるようにした場合の設定値であり、その際、結像用レンズ４から焦点位置までの光学的距離ｂ＝結像用レンズ４からワーク５までの物理的距離ｃとなっている。
【００２４】
その際、図４のステップＳ０２において、高さ測定手段１６は、定期的にワーク高さを測定し、測定値を制御手段１７に送る。ここで、定期的にとは、ＸＹテーブル５を連続的に移動させる場合には、例えば一定距離ＸＹテーブル５が移動する毎に測定したり、一定時間毎に測定したりしても良いし、ガルバノスキャンミラーを用いた場合は、ＸＹテーブル５によりスキャンエリアを変更する毎に測定しても良い。
【００２５】
次に、ステップＳ０３にて、制御手段１７は、ワーク高さ基準値と測定値とを比較して、その変化量が別途設定した判断値以上であるかどうかを比較する。現状態においては、ワーク高さに変動はなく判断値未満であるため、再度ステップＳ０２を実施する。ここで判断値とは、虹彩絞り２の移動や開口径の変更をさせるかどうかの判断値である。非常に焦点裕度の狭い加工においても±０．０１ｍｍの焦点裕度があるため、ワーク高さの変化量が０．０１ｍｍ以下であった場合は、加工品質は変化しないため、虹彩絞り１１の移動や開口径変更を行わず、現在の加工をそのまま進行する。駆動系の時間遅れによる焦点位置の追従遅れに伴う加工品質低下を防ぐため、判断値を小さく設定しても良い。また、判断値は各加工の焦点裕度の値により変化させても良い。
【００２６】
次に、図３（ｂ）のように、ワーク５（樹脂板）の２．５ｍｍの厚さの部分にφ０．２ｍｍの貫通穴の加工を行うため、ＸＹテーブル５をレーザービームの光軸方向とは直交に移動させることにより、結像用レンズ４の下がワーク６（樹脂板）の２．５ｍｍの厚さの部分となるよう移動させる。この状態では結像用レンズ４からワーク６の表面までの距離ｂと焦点位置（結像位置）ｃとが合っていないので真円度の良好なφ０．２ｍｍの加工は出来ないからである。
その際、図４のステップＳ０４にて、制御手段１７は、ワーク高さの変化量が判断値以上であったと判断し、式（１）および式（２）により虹彩絞り２の移動量や開口径の変更量を算出する。
結像用レンズ４からワーク６表面までの距離ｃは０．５ｍｍ小さくなり、１０４．７６３ｍｍとなっているので、所望の虹彩絞り２から結像用レンズ４までの距離ａは式（１）より以下の通りとなる。
【００２７】
式（１）に各値を代入すると１／ａ＋１／１０４．７６３＝１／１００．０００となる。ａを求めるとａ＝２１９９．５１７となる。
よって、虹彩絞り２は、１９９．５１７ｍｍだけレーザー発振器１側に移動させることにより焦点位置ｂ（結像位置）をワークの表面に合わせることができる。なお、加工種類にもよるが、焦点裕度が非常に狭い加工における焦点裕度を例えば±１０μｍであることを考慮すると、結像用レンズ４から焦点位置までの距離ｂが１０４．７５３〜１０４．７７３ｍｍとなるような虹彩絞り２から結像用レンズ４までの距離ａでも加工品質は保たれるので、この場合の距離ａは式（１）より以下の通りとなる。
【００２８】
ｂ＝１０４．７５３の場合は、１／ａ＋１／１０４．７５３＝１／１００．０００よりａ＝２２０３．９３４となる。
ｂ＝１０４．７７３の場合は、１／ａ＋１／１０４．７７３＝１／１００．０００よりａ＝２１９５．７７８となる。
よって、焦点位置（結像位置）をワーク５の表面に合わせるために、虹彩絞り２を移動させるために、虹彩絞り２から結像用レンズ４までの距離ａは、２１９６〜２２０３ｍｍの範囲にあれば良い。すなわち虹彩絞り２の移動手段７は、±３．５ｍｍ程度の精度があれば、焦点裕度の範囲内で焦点位置（結像位置）をワーク６の表面に合わせることができる。
【００２９】
この状態では、ワーク６の表面に焦点位置（結像位置）は合っているので虹彩絞り２の形状は正確にワーク６上に転写され加工が行われるが、ａとｂの距離が変更されているため、加工される穴径は式（２）よりｙ＝３．８００×１０４．７６３／２１９９．５１７＝０．１８１となり、穴径φ０．１８１ｍｍの穴加工を行ってしまう。一般的に要求される穴径は狙いの穴径に対して例えば±５％以下とすると、φ０．１８１ｍｍでは品質不良となってしまう。ここで、逆に結像径ｙがφ０．２ｍｍとなるような虹彩絞り２の開口径Ｙを式（２）から求めると、Ｙ×１０４．７６３／２１９９．５１７＝０．２００よりＹ＝４．１９９となる。
【００３０】
よって、虹彩絞り２の開口径をφ３．８００ｍｍからφ４．１９９ｍｍに広げることで、φ０．２００ｍｍの所望の穴加工を実現することができる。ここで、一般的に要求される穴径は狙いの穴径に対して例えば±５％以下、すなわちφ０．１９５〜０．２０５ｍｍであることを考慮すると、虹彩絞り２の開口径の精度は、式（２）より以下の通りとなる。
ｙ＝０．１９５の場合は、Ｙ×１０４．７６３／２１９９．５１７＝０．１９５よりＹ＝４．０９４となる。
ｙ＝０．２０１の場合は、Ｙ×１０４．７６３／２１９９．５１７＝０．２０５よりＹ＝４．３０４となる。
【００３１】
よって、虹彩絞り２の開口径は４．１〜４．３ｍｍの範囲にあればよく、すなわちφ０．２ｍｍの穴を加工する場合には、虹彩絞り２の開口径調整手段１６は±０．１ｍｍ程度の精度があれば、所望の径の穴加工ができる。一般的に穴径については現状１００〜２００μｍ程度が主流であり、よって開口径調整手段１６に用いられるボールねじの精度は０．１ｍｍ程度でよく、この場合安価な転造ボールねじを使用することができる。
【００３２】
次に、ステップＳ０５において、制御手段１７は、ステップＳ０４で算出された結果に基づき、第１のサーボモータ１０および第２のサーボモータ１５に駆動信号が送られ、算出結果の虹彩絞り２の位置や開口径となるよう第１のサーボモータ１０および第２のサーボモータ１５を制御して、虹彩絞り２の位置や開口径を変更する。
ステップＳ０６にて加工が停止されたかどうか確認し、停止されていなければ再度、ステップＳ０１もしくはＳ０２から処理を行う。この一連の動作を、加工が停止されるまで継続して同じ動作を繰り返す。
【００３３】
以上説明したように、レーザービームを出射するレーザー発振器１と、レーザー発振器１から出射されたレーザービームを所定の開口径の範囲内のみ通過させ、かつ開口径を大小に変化させることが出来る虹彩絞り２と調整手段１２からなるアパーチャと、アパーチャを通過したレーザービームを結像させる結像レンズ４と、アパーチャのレーザービームの進行方向に対する結像レンズ４までの物理的距離を変更する移動手段７とを備えたので、ワークの高さに応じて前記アパーチャを移動させて焦点を合わせた場合でも、加工品質を保ちつつ所定の加工形状のままにすることができる。
【００３４】
また、結像レンズ４から被加工物であるワーク６までの距離を直接または間接的に検出する高さ測定手段１６と、高さ測定手段１６により検出された結像レンズ４からワーク６までの距離と結像レンズ４からの焦点距離とを一致させるために、移動手段７を用いて、アパーチャのレーザービームの進行方向に対する結像レンズ４での物理的距離を制御する制御手段１７を備えたので、ワーク６の高さが加工品質に影響を与えると判断した場合に、制御手段１７は虹彩絞り２の位置を調整する移動手段７および開口径を調整する調整手段１２を制御して焦点と加工径をワーク６の加工位置に随時あわせることができる。
【００３５】
また、虹彩絞り２の移動手段７は１ｍｍ単位の精度しか要求されないため、例えば第１のボールネジ９では安価な転造ボールねじなどを使用することができ、安価に移動手段を構成できる。
【００３６】
さらに、虹彩絞り２は通常のマスクと同じ薄い金属板からなり、重量は通常のマスクとほとんど変わらない。また、虹彩絞り２のを可変するための絞り調整レバー１３は、可動範囲も小さく動作に必要なトルクも小さいことから、第２のボールネジおよび第２のサーボモータ１５は小型のもので動作可能である。よって、虹彩絞り２の調整手段１２は小型軽量に構成することができ、したがって、調整手段１２を載置した移動手段７も小型軽量に構成することができる。
【００３７】
実施の形態２．
実施の形態１においては、レーザービームを所望の開口径の範囲のみ通過させるアパーチャとして虹彩絞り２とその調整手段１２を用いたが、レーザービーム径の変更は、図２に示した虹彩絞り２のように開口径を連続的に変化させるタイプではなく、離散的に変化させるタイプでも実現可能であり、そのような場合について以下、説明する。
【００３８】
図５は、本発明の実施の形態２に係わる像転写式レーザー加工装置のアパーチャの拡大図である。尚、表示していない部分については実施の形態１と同じであり、図５中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。
実施の形態１においてアパーチャの一部を構成していた虹彩絞り２の代わりに、異なった開口径を有する複数の固定のマスク１８を並べている。固定のマスク１８の位置の微調整は、各マスク１８に設けられた位置微調用ネジ１９にて行う。
また、所定のマスク１８を選択するには、レーザービームの光軸と所定のマスクとの位置が合うよう調整手段１２の調整レバー１３を調整することで行う。尚、調整レバー１３は実施の形態１と同様、第２のボールネジの可動部を兼ねていることから、第２のサーボモータ１５の出力軸に連結された第２のボールネジの軸１４が回転することで調整レバー１３を動作させ、調整することが出来る。
【００３９】
従って、本実施の形態においては、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
尚、本実施の形態においては、設置するマスク１８の個数が制限されるので、マスク径の可変領域が制限され、マスク径の微調整が困難なので、ワークの高さの変化が小さく、また焦点裕度が比較的大きい加工に適しているものの、マスク１８によって光を通過させる部分の形状を変更することが容易となり、円形以外の形状（例えば矩形や三角形など）にも容易に対応することが出来るといった効果がある。
【００４０】
尚、アパーチャは実施の形態１に示した虹彩絞り２や多数のマスク１８を備えたものに限らず、レーザービームを通過させる所望の形状の範囲を変更し、かつレーザービームを通過させる際のその位置を変更できるものであれは、他のものでもよい。
【００４１】
実施の形態３．
実施の形態１では、１つのレーザービームを１つのワークに照射し加工を行う像転写式レーザー加工装置について説明したが、１つのレーザービームを複数に分けて複数のワークを一度に加工する、いわゆるマルチヘッドレーザー加工装置の場合について説明する。
図６は、本発明の実施の形態３に係わる像転写式レーザー加工装置の構成図である。尚、表示していない部分については実施の形態１と同じであり、図６中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００４２】
図６において、レーザー発振器１から出力されたレーザービームは、半透過ミラー２０により２つのレーザービームに分光される。分光された一方のレーザービームは、レーザービームを所望の形状に整形するための開口径が可変となる虹彩絞り２ａを通過し、結像用レンズ４ａへ導かれる。尚、レーザービームは半透過ミラー２０で分光され、直接虹彩絞り２ａに入射し、虹彩絞り２ａを通過した後、直接結像用レンズ４ａに入射しているが、その過程で単数もしくは複数の他のミラーによりその光路を適宜調整される場合もある。また、図示していないが、虹彩絞り２ａと結像用レンズ４ａとの間に、ガルバノスキャンミラーを設けてもよい。結像用レンズ４ａを通過したレーザービームは、結像用レンズ４ａにより集光され、ＸＹテーブル５ａ上に載置されたワーク６ａ表面に、虹彩絞り２ａの形状を転写する。
【００４３】
半透過ミラー２０にて分光された他方のレーザービームは、ミラー３によって反射された後、一方のレーザービームと同様に、虹彩絞り２ｂを通過し、結像用レンズ４ｂによりワーク６ｂ表面に集光される。他方のレーザービームの光路中には、単数もしくは複数の他のミラーが設けられ、適宜光路を調整しても良い。また、図示していないが、虹彩絞り２ｂと結像用レンズ４ｂとの間に、ガルバノスキャンミラーを設けてもよい。
【００４４】
一方及び他方のレーザービームの光径を調節するそれぞれの虹彩絞り２ａ、２ｂは、それぞれの移動手段７ａ、７ｂにより、レーザービームの光軸に沿ってその位置を調整することが可能であり、それぞれの虹彩絞り２ａ、２ｂの開口径は、それぞれの調整手段１２ａ１２ｂにより調整することが可能である。さらに、それぞれの虹彩絞り２ａ、２ｂの移動手段７ａ、７ｂおよび調整手段１２ａ、１２ｂは、加工点近傍のワーク６ａ、６ｂの表面高さを測定するためのそれぞれの高さ測定手段１６ａ、１６ｂからワーク高さデータを受信したそれぞれの制御手段１７により、ワーク高さデータに基づき動作を制御される。
なお、２つに分光されたレーザービームの一方のレーザービーム側をヘッドＡ、他方のレーザービーム側をヘッドＢとする。
【００４５】
次に、この実施の形態３の動作を説明する。
この実施の形態３における２ヘッドの像転写式レーザー加工装置の仕様は、ヘッドＡ、ヘッドＢとも実施の形態１に示した以下の例と同一とする。
【００４６】
ａ＝２０００．０００ｍｍ：虹彩絞り２ａ，２ｂから結像用レンズ４ａ，４ｂまでの距離
ｂ＝ １０５．２６３ｍｍ：結像用レンズ４ａ，４ｂから焦点位置までの距離
ｆ＝ １００．０００ｍｍ：結像用レンズ４ａ，４ｂの焦点距離（固定値）
Ｙ＝ ３．８００ｍｍ：虹彩絞り２ａ，２ａの開口径
ｙ＝ ０．２００ｍｍ：虹彩絞り２ａ，２ｂの焦点位置における結像径
ｃ：結像用レンズ４ａ、３ｂからワーク５ａ，５ｂまでの距離であり、焦点裕度の範囲内でｃ＝ｂとなることが望ましい。
【００４７】
本仕様も実施の形態１と同様に特殊なものでは無く、一般的な像転写式レーザー加工装置の仕様とほぼ同じオーダーの値である。
上記像転写式レーザー加工装置において、厚さ２ｍｍと厚さ２．５ｍｍの２種類の樹脂板に対し、穴径φ０．２ｍｍの貫通穴を形成する場合を説明する。
【００４８】
上記仕様の加工機により、図６に示すように、まずヘッドＡ、ヘッドＢ共に厚さ２ｍｍのワークを加工する場合、ＸＹテーブル５上に厚さ２ｍｍのワーク６ａ、６ｂが載置され、焦点位置（結像位置）がワーク６ａ、６ｂの表面になるように調整されている。この状態にて、虹彩絞り２の開口径をφ３．８００ｍｍ、レーザパルス幅１００μｓ、レーザービームエネルギー１０ｍＪ、パルス数２０パルスをワーク６ａ，６ｂに照射することにより、穴径φ０．２ｍｍの貫通穴の加工を行うことができる。ヘッドＡとヘッドＢが同じ厚さ２ｍｍのワークを加工する場合（図６）は、ヘッドＡとヘッドＢは上記のような同じマスク径とマスク位置にて加工を行う。
【００４９】
次に、ヘッドＡでは厚さ２ｍｍのワーク５ａを、ヘッドＢでは厚さ２．５ｍｍのワーク５ｃを加工する場合について説明する。図７は、本発明の実施の形態３に係わる像転写式レーザー加工装置の虹彩絞り２ａ，２ｂの位置と開口径の調整動作を示す図である。
【００５０】
ヘッドＢではワーク６ｃの表面に焦点位置（結像位置）が合っていないので真円度の良好なφ０．２ｍｍの加工は出来ない。焦点位置（結像位置）をワークの表面に合わせるために、虹彩絞り２ｂを移動させる。結像用レンズ４ｂからワーク６ｃ表面までの距離ｂが１０４．７６３ｍｍとなっているので、ビーム整形用マスクの移動距離は、実施の形態１と同様に、１９９．５１７ｍｍ発振器側に移動させることにより焦点位置（結像位置）をワークの表面に合わせることができる。なお、虹彩絞り２ｂの移動距離は実施の形態１と同様に、２１９６〜２２０３ｍｍの１ｍｍ単位程度で調整を行えば良い。さらに、ａとｂの距離が変更されているため、穴径φ０．１８１ｍｍの貫通穴の加工を行ってしまい品質不良となってしまうので、実施の形態１と同様に虹彩絞り２ｂの径を４．１〜４．３ｍｍとすることで、穴径φ０．２ｍｍの貫通穴の加工を行うことが出来る。
【００５１】
以上より、この実施の形態３に係る像転写式レーザー加工装置においては、実施の形態１と同様に、マルチヘッドタイプのものでも、実施の形態１と同様の効果を奏することが出来る。
また、本実施の形態３で説明した２ヘッドの加工機をはじめ複数のヘッドを有したマルチヘッドレーザー加工装置の場合、焦点調整手段はヘッド毎に必要であるため、従来技術１を適用したと比べて、よりコストの増加および装置の大型化を避けることができる。
さらに、本実施の形態３においては、ワークの厚さの変化によって焦点調整を行うことが出来る旨説明したが、マルチヘッドレーザー加工装置の場合、例えは各ヘッドで加工するワークの厚みが同じでも、各ヘッド間における機械精度の差は一般的に生じるものであり、それ吸収するためにヘッド毎の焦点調整を行うことに利用することが出来、そのことによる効果も奏することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置の虹彩絞り２の開口径を調整する調整手段１２の拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置の虹彩絞り２の位置と開口径の調整動作を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係わる像転写式レーザー加工装置の制御手段１７の処理を示すフォーチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２に係わる像転写式レーザー加工装置のアパーチャの拡大図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係わる像転写式レーザー加工装置の構成図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係わる像転写式レーザー加工装置の虹彩絞り２ａ，２ｂの位置と開口径の調整動作を示す図である。
【図８】従来の像転写式レーザー加工装置の構成図である。
【図９】従来の第２の像転写式レーザー加工装置の構成図である。
【図１０】従来の第３の像転写式レーザー加工装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ レーザー発振器、２ 虹彩絞り、３ ミラー、４ 結像用レンズ、５ ＸＹテーブル、６ ワーク、７ 移動手段、８、可動台、９ 第１のボールネジの軸、１０ 第１のサーボモータ、１１ 固定台、１２ 調整手段、１３ 調整レバー、１４ 第２のボールネジの軸、１５ 第２のサーボモータ、１６ 高さ測定手段、１７ 制御手段、１８マスク、１９ 位置微調整用ネジ、２０ 半透過ミラー、２１ 駆動装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービームを出射するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射されたレーザービームを所定の形状の範囲内のみ通過させ、かつ前記形状を大小に変化させることが出来るアパーチャと、前記アパーチャを通過したレーザービームを被加工物に結像させる結像レンズと、前記アパーチャのレーザービームの進行方向に対する前記結像レンズまでの物理的距離を変更する移動手段とを備えたことを特徴とする像転写式レーザー加工装置。
【請求項２】
前記結像レンズから被加工物までの距離を直接または間接的に検出する高さ測定手段と、前記高さ測定手段により検出された前記結像レンズから被加工物までの距離と前記結像レンズからの焦点距離とを一致させるために、前記移動手段を用いて、前記アパーチャのレーザービームの進行方向に対する前記結像レンズまでの物理的距離を制御すると共に、前記結像レンズから被加工物までの距離によって所望の加工形状が変化しないように前記アパーチャの前記形状の大小を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の像転写式レーザー加工装置。
【請求項３】
単数のレーザービームを複数に分光する半透過ミラーと、分光されたレーザービームについて焦点位置を調整すべくそれぞれ前記アパーチャ及び前記移動手段とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の像転写式レーザー加工装置。
【請求項４】
レーザービームを出射するステップと、レーザー発振器から出力されたレーザービームを所定の形状の範囲内のみ通過させるステップと、前記形状を大小に変化させることが出来るステップと、前記アパーチャを通過したレーザービームを結像させるステップと、前記アパーチャのレーザービームの進行方向に対する前記結像レンズまでの物理的距離を変更するステップとを備えたことを特徴とする像転写式レーザー加工方法。
【請求項５】
前記結像レンズから被加工物までの距離を直接または間接的に検出するステップと、前記結像レンズから被加工物までの距離と前記結像レンズからの焦点距離とを一致させるために、前記移動手段を用いて前記アパーチャのレーザービームの進行方向に対する前記結像レンズまでの物理的距離を制御するステップと前記結像レンズから被加工物までの距離によって所望の加工形状が変化しないように前記アパーチャの前記形状の大小を制御するステップとを備えたことを特徴する請求項４に記載の像転写式レーザー加工方法。
【請求項６】
単数のレーザービームを複数に分光するステップと、分光されたレーザービームについてそれぞれ前記光径と、レーザービームの進行方向に対する位置を調整して被加工物の加工位置の高さが焦点となるよう制御するステップとを備えたことを特徴とする請求項４または５に記載の像転写式レーザー加工方法。
【請求項１】
レーザービームを出射するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射されたレーザービームを所定の形状の範囲内のみ通過させ、かつ前記形状を大小に変化させることが出来るアパーチャと、前記アパーチャを通過したレーザービームを被加工物に結像させる結像レンズと、前記アパーチャのレーザービームの進行方向に対する前記結像レンズまでの物理的距離を変更する移動手段とを備えたことを特徴とする像転写式レーザー加工装置。
【請求項２】
前記結像レンズから被加工物までの距離を直接または間接的に検出する高さ測定手段と、前記高さ測定手段により検出された前記結像レンズから被加工物までの距離と前記結像レンズからの焦点距離とを一致させるために、前記移動手段を用いて、前記アパーチャのレーザービームの進行方向に対する前記結像レンズまでの物理的距離を制御すると共に、前記結像レンズから被加工物までの距離によって所望の加工形状が変化しないように前記アパーチャの前記形状の大小を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の像転写式レーザー加工装置。
【請求項３】
単数のレーザービームを複数に分光する半透過ミラーと、分光されたレーザービームについて焦点位置を調整すべくそれぞれ前記アパーチャ及び前記移動手段とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の像転写式レーザー加工装置。
【請求項４】
レーザービームを出射するステップと、レーザー発振器から出力されたレーザービームを所定の形状の範囲内のみ通過させるステップと、前記形状を大小に変化させることが出来るステップと、前記アパーチャを通過したレーザービームを結像させるステップと、前記アパーチャのレーザービームの進行方向に対する前記結像レンズまでの物理的距離を変更するステップとを備えたことを特徴とする像転写式レーザー加工方法。
【請求項５】
前記結像レンズから被加工物までの距離を直接または間接的に検出するステップと、前記結像レンズから被加工物までの距離と前記結像レンズからの焦点距離とを一致させるために、前記移動手段を用いて前記アパーチャのレーザービームの進行方向に対する前記結像レンズまでの物理的距離を制御するステップと前記結像レンズから被加工物までの距離によって所望の加工形状が変化しないように前記アパーチャの前記形状の大小を制御するステップとを備えたことを特徴する請求項４に記載の像転写式レーザー加工方法。
【請求項６】
単数のレーザービームを複数に分光するステップと、分光されたレーザービームについてそれぞれ前記光径と、レーザービームの進行方向に対する位置を調整して被加工物の加工位置の高さが焦点となるよう制御するステップとを備えたことを特徴とする請求項４または５に記載の像転写式レーザー加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−８２１２５（Ｐ２００６−８２１２５Ａ）
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２７１５８２（Ｐ２００４−２７１５８２）
【出願日】平成１６年９月１７日（２００４．９．１７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月１７日（２００４．９．１７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]