JPH0577067A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】比較的安価な光学部品を使用して、労力を要す
る面倒な調整作業を省くことのできるレーザ加工装置お
よびレーザ加工方法を提供すること。 【構成】 レーザ発振器１と、エキスパンダ３と、液晶
マスク４と、集光レンズ１１と、液晶マスクドライバ１
４と、マスクパターンデータ補正装置１５と、マスクパ
ターンデータ記憶装置１６とを備え、印字対象物１２上
にマーキングされたパターンが液晶マスク４上に表示さ
れたパターンに対して歪などで変形しているとき、マス
クパターンデータを補正装置１５により補正して液晶マ
スク４に表示するパターンを故意に変形し、歪などの変
形を補正して良好なパターンを印字対象物１２上にマー
キングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ加工装置およびレ
ーザ加工方法に係り、特にパターンマスクとして液晶マ
スクを使用したレーザマーキングなどに好適なレーザ加
工装置およびレーザ加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のレーザ加工方式として例えば特
開平１−１１０８８号公報に開示されたものがある。こ
れを図１２〜図１７により説明する。

【０００３】図１２において、１は可視から近赤外まで
の波長範囲のなかに発振波長を有するレーザ発振器であ
る。このレーザ発振器１から出射されるＹＡＧレーザに
代表される直線偏光レーザ光２は、凹状および凸状のシ
リンドリカルレンズを組み合せたエキスパンダ３により
拡大され、液晶マスク４に照射される。液晶マスク４は
駆動・制御部５により動作する。

【０００４】この液晶マスク４としては捩れネマテイッ
ク型のドットマトリックス方式透過形液晶マスクを使用
するが、これは図１３に示すような構成を有している。
すなわち、上ガラス板３０に形成されたドットマトリッ
クス用走査電極３１と、この電極３１と直交する方向に
配置形成された下ガラス板３４上のドットマトリックス
用信号電極３３とにそれぞれ配向処理を行い、これらの
間に液晶３２をはさみ込んで透過形液晶セルを構成して
いる。

【０００５】再び図１２に戻って、あるマーキングパタ
ーンを液晶マスク４上へ表示させたとすると、この液晶
マスク４を透過したレーザ光６は、偏光ビームスプリッ
タ７により、液晶マスク４上のマーキングパターン部分
を通過したものだけが透過しその他は反射される。透過
したレーザ光８はベンドミラー１０にて反射されその後
集光レンズ１１を通過し、印字対象物１２上に結像され
てこれをマーキングする。一方マーキングパターン以外
の部分を通過したレーザ光はビームスプリッタ７により
分離・反射されてレーザ光９となり、吸収体１３へ照射
され吸収される。

【０００６】いま図１４の（ａ）に示すような格子状の
パターンを液晶マスク４上に表示した場合、結像レンズ
の設計あるいは製作が適正でないと歪曲収差と呼ばれる
歪が生じて、図１４の（ｂ）や（ｃ）に示すように変形
した像が結像され、結果としてマーキングが歪んでしま
う。図１４の（ｂ）のようになる収差は糸巻収差、図１
４の（ｃ）のようになる収差は樽型収差と呼ばれてい
る。一般に結像レンズに求められる性能は上記のような
収差がないことの他に、透過率が良いこと、上記収差以
外の収差が少ないこと、焦点深度が大きいこと等がある
が、これらのすべての条件を満足することは困難であ
る。ｆθレンズと呼ばれるレンズは上記の条件を満たす
べく設計、製作されるものであるが、一般に非常に高価
である。専門メーカに発注した場合、設計には数ヶ月を
要し更に製作にも数ヶ月を要することも珍しくない。こ
の様に従来は結像レンズに多大な費用と時間とが必要で
あった。

【０００７】一方、図１２中のエキスパンダ３によりレ
ーザビームを広げ、かつまたレーザビームを所望の形状
に整形するが、この際に図１５の（ａ）や（ｂ）に示す
ようにレーザビームの縦方向と横方向の広がり角が等し
くなくなってしまう場合がある。これは主にエキスパン
ダ３を構成する光学部品（凹状と凸状のシリンドリカル
レンズ３５，３６）の配置の調整不良により起こるが、
光学部品の設計又は製作の不良によっても起こり得る。
この場合には図１６に示すような歪が生じる。すなわ
ち、図１６の（ａ）に示すような等間隔格子を液晶マス
ク４上に表示すると、マーキング結果は図１６の
（ｂ），（ｃ）に示すように縦方向と横方向の間隔が異
なるようになってしまう。

【０００８】上述の歪の他にも上記光学部品の配置の調
整不良によっては、図１７に示すような歪のパターンが
表われる。図１７の（ａ）〜（ｃ）に示すパターンはい
ずれも等間隔格子パターンのマスクからマーキングした
ものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように従来
技術においては、実際のマーキングパターンと全く相似
形のマスクパターンを用いてマーキングを行っていた
が、この方式の場合、所望のマーキングを印字対象物に
対して行う場合、光学系に寸分の誤差も許されないの
で、歪のなるべく少ない高価な光学部品を使用し、これ
を入念な調整を行いながら配置するという作業が必要で
あった。またその入念な調整後、所望のマーキングが得
られたとしても、経年変化等により光学部品の配置等に
狂いが生じた場合には、結果としてマーキングパターン
に歪が生じる。したがって、光学部品とそれらの調整に
非常な配慮がないと満足な歪の少ないマーキングが得ら
れない問題があった。

【００１０】本発明の目的は、比較的安価な光学部品を
使用して、労力を要する面倒な調整作業を省くことので
きるレーザマーキングなどに好適なレーザ加工装置およ
びレーザ加工方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のレーザ加工装置は、記憶手段に記憶された
パターン情報を補正して液晶マスクに与えるパターン情
報補正手段を設けたことを特徴とし、また本発明のレー
ザ加工方法は、被加工物上に加工されるパターンが液晶
マスクに表示されたパターンに対して変形していると
き、この変形量が少なくなるように液晶マスクに与える
上記パターン情報を補正して液晶マスクに表示するパタ
ーンを変形することを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明のレーザ加工装置およびレーザ加工方法
によれば、被加工物に加工されるパターンが歪などで液
晶マスクに表示されたパターンに対して変形していると
きには、この変形量が少なくなるようにパターン情報を
補正して液晶マスクに表示するパターンを故意に変形す
ることにより、歪などの変形を補正して良好なパターン
を被加工物に加工することができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１に示す。

【００１４】図１において、１は可視から近赤外までの
波長範囲のなかに発振波長を有するレーザ発振器であ
る。このレーザ発振器１から出射されるＹＡＧレーザに
代表される直線偏光レーザ光２は、凹状および凸状のシ
リンドリカルレンズを組み合わせたエキスパンダ３によ
り拡大され、液晶マスク４に照射される。液晶マスク４
は液晶マスクドライバ１４により駆動され、マスクパタ
ーンデータ補正装置１５から与られたデータに応じて液
晶マスク４上にマーキングパターンを現す。マスクパタ
ーンデータ補正装置１５はマスクパターンデータ記憶装
置１６に記憶されているマスクパターンデータを補正す
るものである。マーキングパターンが表示された液晶マ
スク４を透過したレーザ光６は偏光ビームスプリッタ７
により液晶マスク４上のマーキングパターン部分を通過
したものだけが透過してその他は反射される。透過した
レーザ光８はベンドミラー１０にて反射され、その後集
光レンズ１１を通過し印字対象物１２上に結像されてこ
れをマーキングする。一方マーキングパターン以外の部
分を通過したレーザ光はビームスプリッタ７により分
離、反射されてレーザ光９となり、吸収体１３へ照射さ
れ吸収される。

【００１５】ここで、液晶マスク４上にマーキングパタ
ーンとして表示する像を、印字対象物１２上にマーキン
グされるパターンの歪をなくすために、故意に変形させ
ることが本実施例の特長である。従来のハードマスク式
マーキング装置では、マスクパターンを任意に変形させ
ることが困難であるが、液晶マスク式マーキング装置の
場合はマスクパターンの変形は、マスクパターンデータ
を変えるだけなので、そのマスクパターンデータを適当
に変更するソフトウェアを作成することにより容易に実
現できる。

【００１６】次に、印字対象物上にマーキングされたパ
ターンに生じた歪を補正する方法について述べる。図１
４の（ｂ）は糸巻型収差による歪の生じた例であり、図
１４の（ｃ）は樽型収差による歪の生じた例であるが、
これは液晶マスク上に表示された像の高さと、印字対象
物上に結像した像の高さに比例関係がない場合に生じ
る。これを図２により説明する。液晶マスク４上に表示
された像１７は結像レンズ１１を透過して印字対象物１
２上に結像し像１８を作る。この時液晶マスク４上の像
の高さと印字対象物上に結像した像の高さの関係が図３
に示す曲線のようになっている時には糸巻型収差にな
り、また図４に示す曲線のようになっている時には樽型
収差となる。そこで、これらの収差を補正するために
は、図５および図６に示す曲線のように液晶マスク上の
本来の像の高さを、歪を打ち消すように変えれば良い。
一般的には、印字対象物上の像の高さをｙ、液晶マスク
上の像の高さをｘとすると、 ｙ＝ｆ（ｘ） の関係で歪が生じているときには、補正後の液晶マスク
上の像の高さをＹ、液晶マスク上の本来の像の高さをＸ
として、 Ｙ＝１／ｆ（Ｘ） となるように補正をかければ良い。

【００１７】具体例を示すと、ある結像レンズを使用し
たことにより糸巻型の収差が発生し、この場合の印字対
象物上の像の高さｙと液晶マスク上の像の高さｘの間
に、 ｙ＝tan ｘ のような関係があるとした場合には、補正後の液晶マス
ク上の像の高さＹが、液晶マスク上の本来の像の高さＸ
に対して Ｙ＝１／ｔａｎＸ となるように補正をすれば良い。図７にこのような補正
をした後の液晶マスク上の像の形状がどうなるかを示
す。また図８は同様に樽型の収差が出た場合の、補正後
の液晶マスク上の像の形状を示す。

【００１８】また、従来例で説明したような図１６の
（ｂ），（ｃ）に示すような形で歪が生じる場合がある
が、この場合の補正のやり方は、まず縦方向と横方向そ
れぞれにどの程度の割合で伸びたり縮んだりしているか
を調べる。縦方向がＡ倍となり横方向がＢ倍となってい
たとすると、補正前の像の形状を縦方向を１/Ａに、横
方向を１/Ｂとすれば良い。

【００１９】図１６の（ｂ）のように歪んだ場合は図９
の（ａ）のような形状が補正後の液晶マスク上の像の形
状であり、図１６の（ｃ）のように歪んだ場合は図９の
（ｂ）のような形状が補正後の液晶マスク上の像の形状
である。

【００２０】その他、図１７の（ａ）〜（ｃ）に示すよ
うな歪や他にも種々の歪が考えられるが、歪により変形
が生じた部分について、どのような割合でどのような方
向や角度だけずれたかを知ることができれば、その逆方
向に液晶マスク上の像を同じ割合で変形させることによ
り歪を取り除くことができる。

【００２１】また図１０に本発明の他の実施例を示す。
これは図１に示した実施例に視覚センサ２０と画像処理
装置１９を付加したものである。視覚センサ２０にて常
時マーキング結果をモニタしこのデータを画像処理装置
１９へ送り、ここでマスクパターン記憶装置１６から送
られてくる正常パターンデータとの比較を行う。ここで
正常パターンデータとのずれが検出された場合、このず
れ量やずれ方向のデータをマスクパターンデータ補正装
置１５へ送り、マスクパターンデータを補正して変形さ
せ、歪を取り除くことができる。この実施例は特に経年
変化により生じた歪を取り除く場合に好適である。

【００２２】さらに他の実施例を図１１に示す。レーザ
発振器２１から出射されたレーザ光２２はＸ方向スキャ
ンミラー２３に入射して反射され、次にＹ方向スキャン
ミラー２４に入射して反射される。ここで、Ｘ方向スキ
ャンミラー２３はガルバノメータ２５によって回転され
るようになっており、またＹ方向スキャンミラー２４は
ガルバノメータ２６によって回転されるようになってい
る。それぞれのガルバノメータ２５，２６は駆動装置２
７により駆動される。この駆動装置２７やレーザ発振器
２１は制御装置２８により制御される。これにより、液
晶マスク４上の任意の点へレーザ光を当てることがで
き、また任意のタイミングでレーザ光をＯＮ又はＯＦＦ
することができる。液晶マスク４は図１の実施例と同じ
く液晶マスクドライバ１４により駆動される。液晶マス
ク４に入射されたレーザ光は、液晶マスク４上に表示さ
れた像の部分を通るかどうかによって偏光方向が変わ
る。このため、液晶マスク４を通過した後のレーザ光を
ビームスプリッタ７に入射させると、液晶マスクの像の
部分を通過したものとその他の部分を通過したものとに
分離できる。液晶マスク４上の像の部分を通過したレー
ザ光はビームスプリッタ７を通過して集光レンズ２９に
より集光されて印字対象物１２上へ照射されてマーキン
グを行う。一方、液晶マスク４上で像でない部分を通過
したレーザ光はビームスプリッタ７で反射されて吸収体
１３に照射され吸収される。このようなマーキング装置
の場合、集光レンズには高価なｆθレンズと呼ばれる歪
の小さなレンズを使うが、このようなレンズを使わなく
とも、液晶マスク４上に表示する像を、使用するレンズ
による歪を補正するように、変形させればよい。これは
図１の実施例と同様な方法である。マスクパターンデー
タ記憶装置１６から送られるマスクパターンデータをマ
スクパターンデータ補正装置１５が一定の法則で変形さ
せて、液晶マスクドライバ１４を介して液晶マスク４上
に補正された像を表示することにより光学系の歪を補正
する。像の変形の方法は前述したものと同じである。本
実施例は図１の実施例とは光学系の一部の構成が異なる
が他は同じである。したがって、この実施例において
も、図１０の実施例のように画像処理装置１９と視覚セ
ンサ２０を付加してもよい。

【００２３】なお、上記各実施例では液晶マスクとして
捩れネマティック型のドットマトリックス方式透過形液
晶マスクを使用しているが、その他の液晶マスクを使用
することもできる。そして液晶マスクとして、液晶マス
ク上に表示されたパターン部分に照射されたレーザビー
ムのみが液晶マスクを透過する方式の液晶マスクを使用
する場合には、偏光ビームスプリッタは設ける必要がな
い。

【００２４】また、本発明は各実施例に示したようなマ
ーキング手段に限らず、その他の加工手段に適用するこ
ともできる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、被加工物に加工される
パターンが歪などで液晶マスクに表示されたパターンに
対して変形しているときには、この変形量が少なくなる
ようにパターン情報を補正して液晶マスクに表示するパ
ターンを故意に変形することにより、歪などの変形を補
正して良好なパターンを被加工物に加工することができ
る。したがって、比較的安価な光学部品を使用して、労
力を要する面倒な調整作業を省くことのできるレーザ加
工装置およびレーザ加工方法を提供することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すレーザーマーキング装
置の全体構成図である。

【図２】液晶マスク上の像の高さと印字対象物上の像の
高さの関係を示す説明図である。

【図３】糸巻型収差発生時における液晶マスク上の像の
高さと印字対象物上の像の高さの関係を示す特性図であ
る。

【図４】樽型収差発生時における液晶マスク上の像の高
さと印字対象物上の像の高さの関係を示す特性図であ
る。

【図５】糸巻収差補正時における液晶マスク上の本来の
像の高さと補正後の液晶マスク上の像の高さの関係を示
す特性図である。

【図６】樽型収差補正時における液晶マスク上の本来の
像の高さと補正後の液晶マスク上の像の高さの関係を示
す特性図である。

【図７】糸巻型収差を補正するマスクパターンを示す説
明図である。

【図８】樽型収差を補正するマスクパターンを示す説明
図である。

【図９】縦方向と横方向のレーザビームの開き角が異な
る場合を補正するマスクパターンの説明図である。

【図１０】本発明の他の実施例を示すレーザマーキング
装置の全体構成図である。

【図１１】本発明のさらに他の実施例を示すレーザマー
キング装置の全体構成図である。

【図１２】従来のレーザマーキング装置の全体構成図で
ある。

【図１３】液晶マスクの構成を示す縦断面図である。

【図１４】収差による変形パターン例を示す説明図であ
る。

【図１５】ビーム整形部におけるレーザビームの状態を
示す説明図である。

【図１６】他の変形パターン例を示す説明図である。

【図１７】さらに他の変形パターン例を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１，２１ レーザ発振器 ３ エキスパンダ ４ 液晶マスク １１，２９ 集光レンズ １２ 印字対象物 １４ 液晶マスクドライバ １５ マスクパターンデータ補正装置 １６ マスクパターンデータ記憶装置 １９ 画像処理装置 ２０ 視覚センサ ２３ Ｘ方向スキャンミラー ２４ Ｙ方向スキャンミラー

フロントページの続き (72)発明者 鈴木 実 茨城県日立市国分町１丁目１番１号 株式 会社日立製作所国分工場内 (72)発明者 藤本 実 茨城県日立市国分町１丁目１番１号 株式 会社日立製作所国分工場内 (72)発明者 石黒 浩二 茨城県日立市国分町１丁目１番１号 株式 会社日立製作所国分工場内 (72)発明者 奥村 清 茨城県日立市国分町１丁目１番１号 株式 会社日立製作所国分工場内 (72)発明者 中沢 彰男 茨城県日立市国分町１丁目１番１号 株式 会社日立製作所国分工場内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ源と、このレーザ源で発生するレ
   ーザビームを拡大する手段と、この拡大されたレーザビ
   ームが照射されると共に与えられるパターン情報に応じ
   て被加工物に加工すべきパターンを表示する液晶マスク
   と、この液晶マスクに表示されたパターン部分を透過し
   たレーザビームを被加工物上に集光して照射するレンズ
   と、上記パターン情報を記憶しこれを上記液晶マスクに
   与える記憶手段とを備えたレーザ加工装置において、上
   記記憶手段に記憶された上記パターン情報を補正して上
   記液晶マスクに与えるパターン情報補正手段を設けたこ
   とを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のものにおいて、さらに被
   加工物に加工されるパターンを監視する手段と、この監
   視手段で検知したパターンデータと上記パターン情報を
   比較する手段とを設け、上記パターン情報補正手段は上
   記比較手段の比較結果に基いて上記パターン情報を補正
   して上記液晶マスクに与えるものであることを特徴とす
   るレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 レーザ源と、このレーザ源で発生するレ
   ーザビームを偏向走査する手段と、この偏向走査された
   レーザビームが照射されると共に与えられるパターン情
   報に応じて被加工物に加工すべきパターンを表示する液
   晶マスクと、この液晶マスクに表示されたパターン部分
   を透過したレーザビームを被加工物上に集光して照射す
   るレンズと、上記パターン情報を記憶しこれを上記液晶
   マスクに与える記憶手段とを備えたレーザ加工装置にお
   いて、上記記憶手段に記憶されたパターン情報を補正し
   て上記液晶マスクに与えるパターン情報補正手段を設け
   たことを特徴とするレーザ加工装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載のものにおいて、さらに被
   加工物に加工されるパターンを監視する手段と、この監
   視手段で検知したパターンデータと上記パターン情報を
   比較する手段とを設け、上記パターン情報補正手段は上
   記比較手段の比較結果に基いて上記パターン情報を補正
   して上記液晶マスクに与えるものであることを特徴とす
   るレーザ加工装置。
5. 【請求項５】 レーザビームを拡大してパターン情報に
   応じた被加工物に加工すべきパターンが表示された液晶
   マスクに照射し、この液晶マスクに表示されたパターン
   部分を透過したレーザビームを被加工物上に集光、照射
   して被加工物を加工するレーザ加工方法において、被加
   工物上に加工されるパターンが液晶マスクに表示された
   パターンに対して変形しているとき、この変形量が少な
   くなるように上記液晶マスクに与えるパターン情報を補
   正して液晶マスクに表示するパターンを変形することを
   特徴とするレーザ加工方法。
6. 【請求項６】 請求項５記載のものにおいて、被加工物
   に加工されるパターンを検知し、このパターンデータと
   上記パターン情報を比較し、この比較結果に基いて上記
   変形量が少なくなるように上記液晶マスクに与えるパタ
   ーン情報を補正して液晶マスクに表示するパターンを変
   形することを特徴とするレーザ加工方法。
7. 【請求項７】 レーザビームを偏向走査してパターン情
   報に応じた被加工物に加工すべきパターンが表示された
   液晶マスクに照射し、この液晶マスクに表示されたパタ
   ーン部分を透過したレーザビームを被加工物上に集光、
   照射して被加工物を加工するレーザ加工方法において、
   被加工物上に加工されるパターンが液晶マスクに表示さ
   れたパターンに対して変形しているとき、この変形量が
   少なくなるように上記液晶マスクに与えるパターン情報
   を補正して液晶マスクに表示するパターンを変形するこ
   とを特徴とするレーザ加工方法。
8. 【請求項８】 請求項７記載のものにおいて、被加工物
   に加工されるパターンを検知し、このパターンデータと
   上記パターン情報を比較し、この比較結果に基いて上記
   変形量が少なくなるように上記液晶マスクに与えるパタ
   ーン情報を補正して液晶マスクに表示するパターンを変
   形することを特徴とするレーザ加工方法。