JPH01289588A - レーザ加工装置及び方法 - Google Patents

レーザ加工装置及び方法

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JPH01289588A
JPH01289588A JP63117202A JP11720288A JPH01289588A JP H01289588 A JPH01289588 A JP H01289588A JP 63117202 A JP63117202 A JP 63117202A JP 11720288 A JP11720288 A JP 11720288A JP H01289588 A JPH01289588 A JP H01289588A
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JP
Japan
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laser
optical device
laser processing
condensing
processing apparatus
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JP63117202A
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English (en)
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Yukio Nishikawa
幸男 西川
Yuji Uesugi
雄二 植杉
Kunio Oshima
大嶋 邦雄
Masahiro Nakashiro
正裕 中城
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multi-focusing
    • B23K26/0676—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multi-focusing into dependently operating sub-beams, e.g. an array of spots with fixed spatial relationship or for performing simultaneously identical operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はレーザ加工装置に関するものである。
従来の技術 以下図面を参照しながら、上述した従来のレーザ加工装
置の一例について説明する。
第5図は従来のレーザ加工装置のうち、X−Yテーブル
型の構成図である。第6図において、2゜はレーザ発振
器、21はレーザ・ビーム、22は反射鏡、23は集光
レンズ、24は被加工物、25はX−Yテーブルである
。レーザ発振器20がら出たレーザ・ビーム21は反射
鏡22を経由して集光レンズ23にて被加工物24に照
射される。
被加工物24はX−Yテーブル26にて移動され、所定
の加工が施される。
第6図は従来のレーザ加工装置のうち、ガルバノ・メー
タ型ビーム走査装置の構成図である。第6図において、
26はガルバノ・メータ、27はガルバノ・ミラーであ
る。レーザ発振器20から出たレーザ・ビーム21はガ
ルバノ・メータ26によって動かされる2枚のガルバノ
・ミラー27によって平面上を走査されながらfθレン
ズ28によって被加工物24上に集光照射され、所定の
加工が施される。
発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような加工跡を1本のレーザ・ビー
ムで形成する方法では、同一形状の加工を繰シ返し被加
工物に施す場合には加工に時間がかがシ十分な生産能力
が得られない。すなわち、レーザ・ビームをパルス状に
照射する場合には、パルスの繰シ返し数の限界によって
連続加工できる速度が制限されてしまう。また、X−Y
テーブルの移動速度やガルバノ・ミラー等の走査光学系
の能力によっても制限を受ける。さらに、X−Yテーブ
ルや走査光学系を高速で動かすほど、加工の位置決め精
度が悪くなるという問題点を有していた。
また上記した加工方法の課題に対して、特公昭51−2
7919号公報には、集光球体を複数個並設した加工光
学装置が用いられている。第7図は、その集光光学装置
を示している。第7図において、29は集光球体、30
は被加工物、31は形成された穴である。レーザ・ビー
ムを集光球体29の列に照射すると、各々の集光球体2
9において集光され、被加工物30に対して多点同時加
工することができる。しかしながら、この集光球体を用
いた方法では、集光球体と被加工物の間隔が高々1〜2
mmと短く、加工後の飛散物が集光球体に付着し易い等
の作業性の悪さがある。また集光性が悪く、例えば直径
2mmの集光球体のスポット径は180μmである。従
って、集光点におけるレーザ・ビームのエネルギー密度
が低下し、加工性が低下する。第8図は、スポット径と
エネルギー密度の関係を模式的に示した図である。第8
図において、aはスポット径大、bはスポット径小の場
合である。32と33はスポットの外周、34と35は
加工跡、36と37はエネルギー分布、38は加工され
るエネルギー密度のしきい値である。同じエネルギーを
与えた場合、スポット径が大きくなるaとエネルギー分
布の高さが低くなる。被加工物が加工されるためには、
エネルギー分布36が加工のしきい値38を越えなけれ
ばならず、加工跡の外周34は小さくなり、周辺の温度
上昇するだけの部分が大きくなる。スポット径が小さい
場合すにはエネルギー分布の高さが高くなシ、加工のし
きい値38を越えた加工跡は大きくなる。前記した直径
2mmの集光球体を用いて、Al膜厚1ooo人の蒸着
フィルムを、連続発振YAGレーザをQスイッチでパル
ス化して照射した場合、20m/パルスの条件で最大加
工幅50μmであった。第9図は、集光球体の大きさと
ビーム光路の関係を模式的に示した図である。dは球径
大、bは球径小の場合である。第9図において、39は
集光球体小、40は集光球体大、41はビーム光路、4
2と43はスポット径である。
ビーム光路41は集光球体40の外周に近づくほど大き
く屈折する。従って第9図に示すように、集光球体の直
径が大きくなるほど、さらに集光性が悪くなる。そのた
め、ピッチ2mm以上の多点加工の場合に、集光性を考
慮して直径の小さな集光球体を用いると、集光球体間に
隙間が生じ、レーザの利用効率が低くなるという問題点
のあることが判明した。
本発明は上記問題点に鑑み、多点同時加工することによ
って加工時間を短縮し、また加工のピッチや精度が良好
で、レンズと被加工物の距離を十分にと夛、作業性が易
く、また利用効率の高いレーザ加工装置を提供するもの
である。
課題を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明のレーザ加工装置は
、レーザ発振器と、少なくとも一方の面が平面であるレ
ンズを平面上に一列もしくは複数列に配置し、かつ前記
レーザ発振器からのレーザ・ビームの光路内に設置され
ている集光光学装置を構成として備えたものである。
作  用 本発明は上記した構成によって、レーザ発振器から出た
レーザ・ビームを、少なくとも一方の面が平面であるレ
ンズを平面上に一列もしくは複数列に配置し、かつ前記
レーザ発振器からのレーザ・ビームの光路内に設置され
ている集光光学装置に入射させることによシ、多点同時
加工し加工時間の短縮ができる。加工ピッチは集光光学
装置の組立精度で決まるので、加工中に加工位置がずれ
ることもなく、安定した加工形状が得られる。さらに平
凸レンズを用いることによって、レンズと被加工物の距
離を十分にとシ、作業性を向上させることができる。ま
た、凸型円柱レンズを平行にならべ、2段に重ねること
によって、レンズ間の隙間がなく、レーザの利用効率を
高めることができ、スポット形状も円または楕円を選択
することができる。
実施例 以下本発明の一実施例のレーザ加工装置と加工方法につ
いて、図面を参照しながら説明する。
第1図は本発明の第1の実施例におけるレーザ加工装置
の構成図を示すものである。第1図において、1はレー
ザ発振器、2aは発振器1から出たレーザ・ビーム、3
と4はレーザ・ビームの断面形状を変形するための凸レ
ンズ、5と6はレーザ・ビームの断面形状を変形するた
めの凸型円柱レンズ、7は反射ミラー、8は集光光学装
置、9はマスク、10は被加工物、11はX −Yテー
ブル、12は平凸レンズ、13は集光ビームである。
以上のように構成されたレーザ加工装置について、その
動作を説明する。レーザ発振器1から出たレーザ・ビー
ム2aは凸レンズ3を通過した後、−旦集光して再び拡
がシ、凸レンズ3よシも焦点距離の長い凸レンズ4によ
って、レーザ・ビーム2aよシも直径が大きく平行なレ
ーザ・ビーム2bとなる。レーザ・ビーム2bは凸型円
柱レンズ5によって水平方向が一旦集光して再び拡がり
、凸型円柱レンズ5よシも焦点距離の長い凸型円柱レン
ズ6によって、レーザ・ビーム2bよりも水平方向が拡
大された平行なレーザ・ビーム2cとなる。レーザ・ビ
ーム2Cは、反射ミラー7によって集光光学装置8に入
射され、構成する平凸レンズ12によって多点スポット
として、集光されない不要なビームがマスク9によって
しゃへいされた後、被加工物1oに照射される。平凸レ
ンズの曲率半径は10mm以上にすることによって、直
径が2mm以上でも焦点位置におけるスポット径が10
0μm以下で、レンズと被加工物の距離を15mm以上
とることができる。被加工物10はX−Yテーブル11
によって移動され、所定の加工が施される。
以上のように本実施例によれば、レーザ発振器と曲率半
径が10mm以上の平凸レンズを配置した集光光学装置
をレーザ・ビームの光路内に設けることにより、その焦
点が被加工物の表面近傍に位置するように配置すること
によって集光光学装置と被加工物の距離をとった状態で
多点同時加工することができる。また、平凸レンズによ
って集光されないレーザ・ビームが被加工物に対して悪
影響を与えない場合には、マスク9のようなしゃへい装
置を設ける必要は特にない。
第2図は本発明の第2の実施例を示すレーザ加工装置の
集光光学装置と加工状態の構成図である。
同図において、第1図の構成と異なるのは、集光光学装
置8の平凸レンズ12の配列を方眼状に設けた点である
。
以上のように平凸レンズ12を方眼状に設けることによ
シ、被加工物10に対して、−度に方眼状の加工を行う
ことができる。
第3図は本発明の第3の実施例を示すレーザ加工装置の
集光光学装置と加工状態を上面から見た図である。同図
において、14は加工跡である。
第1図あるいは第2図の構成と異なるのは、平凸レンズ
12の列をx−Yテーブル11の移動方向(矢印)に対
し、横方向に所定の間隔だけずらせて設けた点である。
上記のように構成されたレーザ加工装置について、以下
その動作を説明する。平凸レンズ12の列が、整形され
たレーザ・ビームの光路内に入るようにビームを入射さ
せる。x−Yテーブル11を矢印方向に移動させると、
図中に示すように、平凸レンズ12の列を横にずらした
長さに相轟してピッチのあいた加工跡14が形成される
。
以上のように平凸レンズの列を所定の間隔だけずらせて
設けることによシ、任意のピッチ間隔で加工跡を形成す
ることができる。
第4図は本発明の第4の実施例を示すレーザ加工装置の
集光光学装置の構成図である。第1〜3図の構成と異な
るのは、複数の凸型円柱レンズを平行にならべたものを
、上段16の方が下段16よシも焦点距離が長く、かつ
直交するように間隔17で設けた点である。
上記のように構成されたレーザ加工装置について、以下
その動作を説明する。円柱レンズの列16が全部レーザ
・ビームの光路内に納まるように整形して照射する。集
光に用いられるビームは、円柱レンズの列15によって
5分割され、図面上の横方向に集光される18oさらに
、このビームは、円柱レンズの列16によって4分割さ
れ、横方向に集光されながら同時に直角方向にも集光さ
れる19゜間隔17を上下段のレンズの焦点距離が一致
するように設置すれば被加工物10上で、2゜点のスポ
ットとして集光され加工される。また、間隔17を変化
させると、上段15と下段16の集光位置が一致しない
ので、被加工物1Q上で楕円状スポットとして集光され
る。
以上のように、集光光学装置を、複数の凸型円柱レンズ
を平行にならべたもの2段で構成し、上下段の間隔を変
化させることにより、1度に方眼状にスポットを集光で
き、形状も円形だけでなく楕円状にも変化させることが
できる。また、各段の円柱レンズ間に隙間がないので、
レーザ・ビームの利用効率が高い。
発明の効果 以上のように本発明は、レーザ発振器と、少なくとも一
方の面が平面であるレンズを平面上に一列もしくは複数
列に配置し、かつ前記レーザ発振器からのレーザ・ビー
ムの光路内に設置されている集光光学装置とを設けるこ
とにより、多点同時加工することによって加工時間を短
縮し、また加工のピッチや精度が良好で、レンズと被加
工物の距離を十分にとり、作業性が良く、またレーザ・
ビームの利用効率も高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例におけるレーザ加工装置
の構成図、第2図は本発明の第2の実施例を示すレーザ
加工装置の集光光学装置と加工状態の構成図、第3図は
本発明の第3の実施例を示すレーザ加工装置の集光光学
装置と加工状態の上面図、第4図は本発明の第4の実施
例を示すレーザ加工装置の集光光学装置の構成図、第5
図は従来のレーザ加工装置のうちX−Yテーブル型の構
成図、第6図は従来のレーザ加工装置のうちガルバノ・
メータ型ビーム走査装置の構成図、第7図は集光球体を
用いた集光光学装置、第8図はスポット径とエネルギー
密度の模式的関係を示す図、第9図は集光球体の大きさ
とビーム光路の関係の模式図である。 1・・・・・レーザ発振器、3,4・・・・・・レンズ
、5゜6・・・・・・円柱レンズ、8・・・・・・集光
光学装置、9・・・・・・マスク、12・・・・・・平
凸レンズ、15.16・・・・・・凸型円柱レンズ、1
7・・・・・・円柱レンズの間隔。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名(−
+、−fそ仮巻 3.4−−−レ′J人′ 5.6−−−@不tレコス“ f2−一平イコレシで イ 第5図 第8( (CLり ’J9  図 (α)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)レーザ発振器と、少なくとも一方の面が平面であ
    るレンズを平面上に一列もしくは複数列に配置し、かつ
    前記レーザ発振器からのレーザ・ビームの光路内に設置
    されている集光光学装置とを備えていることを特徴とす
    るレーザ加工装置。
  2. (2)集光光学装置は、曲率半径が10mm以上の平凸
    レンズで構成された特許請求の範囲第1項記載のレーザ
    加工装置。
  3. (3)集光光学装置は、複数の凸型円柱レンズを平行に
    配置したもの2段で構成され、上段の凸型円柱レンズの
    方が焦点距離が長く、2段の集光方向は異なり、また、
    間隔が可変である特許請求の範囲第1項記載のレーザ加
    工装置。
  4. (4)焦点距離が異なる2枚のレンズもしくは円柱レン
    ズを両者の焦点距離の和もしくは差の間隔で設置したレ
    ンズの組み合わせを1組以上有し、前記レーザ発振器の
    発生するレーザ・ビームを所定の断面形状とする整形光
    学装置を備えている特許請求の範囲第1項記載のレーザ
    加工装置。
  5. (5)集光されない不要なビームを被加工物に照射させ
    ないしゃへい装置とを備えている特許請求の範囲第1項
    記載のレーザ加工装置。
  6. (6)集光光学装置は、その焦点が被加工物の表面近傍
    に位置するよう配置された特許請求の範囲第1項記載の
    レーザ加工装置。
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