JPH0623578A

JPH0623578A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JPH0623578A
Application number: JP4180815A
Authority: JP
Inventors: Joji Iwamoto; 譲治岩本; Ikuo Hikima; 郁雄引間
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-07-08
Filing date: 1992-07-08
Publication date: 1994-02-01

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ加工装置において、ビームスポット照
射位置を変化させずに、ビームスポット径を変化させ
る。【構成】レーザビーム２ａをビームエクスパンダー３
で拡大したのち、集光レンズ５で被加工物６上にビーム
スポットを形成するレーザ加工装置であって、ビームエ
クスパンダー３によるビーム拡大光路中に開口の大きさ
を変化しうる絞り部材４を設けることにより、被加工物
６上に集光されるビームスポット径ａを変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ光をエネルギー源
として利用するレーザ加工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の装置は図４、図５に示す
様な構成であった。図４の様な構成の場合、レーザ光源
１から射出されたレーザビーム２ａはビームエクスパン
ダー３により径のより大きな平行ビーム２ｂに拡大さ
れ、集光レンズ５によって集光されたビーム２ｃとな
り、被加工物６上に微小なビームスポットとして照射さ
せる。そしてステージ７を駆動させて被加工物６の加工
が行われる。被加工物６上でのビームスポット径ａはレ
ーザ光源１から射出されるレーザの波長λと集光レンズ
５の被加工物６側の開口数（ＮＡ）により決定され、ａ
＝Ｋ・λ／ＮＡの関係が成り立つ。ここでＫはビームス
ポット径の定義方法などによって定まる定数、ＮＡ＝ｎ
sin θ（ｎ：空気の屈折率）である。

【０００３】ビームスポット径を変化させようとする場
合、一般的にレーザ波長を変更することは容易ではない
ため、集光レンズ５を交換するか、ビームエクスパンダ
ー３を拡大倍率の異なるものに交換するか、もしくは拡
大倍率が連続的に可変なズーム方式のビームエクスパン
ダーを使用することにより、レーザビーム２ｂの径ｄの
大きさを変え、開口数を変化させる方法がとられる。

【０００４】他方図５の様な構成の場合、レーザ光源１
から射出されたレーザビーム２ａはビームエクスパンダ
ー３によりビーム径が拡大されたレーザビーム２ｂにな
ったのち、反射鏡１７ａ、１７ｂで光路を折り曲げら
れ、適当な開口１５ａを有する絞り部材１５に照射され
る。この開口１５ａは投影レンズ１６を挟んで被加工物
６と光学的に共役な位置に置かれており、レーザビーム
２ａで照明された開口１５ａの光学像が被加工物６上に
投影される形となり、ステージ７を駆動させて加工が行
われる。

【０００５】この場合のビームスポット径ａは開口１５
ａの径ｄに投影レンズ１６の投影倍率を掛け合わせたも
のとなる。この様な構成でビームスポット径ａを変化さ
せるためには開口１５ａの大きさを連続的または段階的
に変化させる構成がとられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図４のような構成にお
いて、ビームスポット径ａを変化させるためにビームエ
クスパンダ３を拡大倍率の異なるものに交換した場合、
交換作業自体がかなり面倒であるだけでなく、各種光学
部品の制作誤差やビームエクスパンダの組立て、取付け
誤差のために、集光レンズ５に入射するレーザビーム２
ｂの向き（角度）が微妙に変化することは避けられず、
その結果、被加工物６上のビームスポット照射位置も微
妙に動いてしまう。また、ズーム方式のビームエクスパ
ンダを使用した場合も同様の理由によりズーミング動作
により集光レンズ５に入射するレーザビーム２ｂの向き
（角度）が微妙に変化することは避けられず、やはり結
果的には被加工物６上のビームスポット照射位置が微妙
に動いてしまう。したがって、これらの構成を高い位置
精度が要求される精密加工装置として用い、被加工物に
対してビームスポット径を変える場合、ビームスポット
径を変化させるたびに光軸の再調整を行ったり、ビーム
スポット照射位置を再計測する等の必要がある。このた
め、頻繁にビームスポット径を変化させることは極めて
困難である。

【０００７】また図５の構成の場合、ビームスポット照
射位置は被加工物６と光学的に共役な位置に置かれた開
口１５ａの位置で決まる。この場合もビームスポット径
を変化させるために開口の大きさの異なる絞り部材に交
換したり、開口の大きさを連続的に変化させることので
きる絞り部材を用いる際に開口の中心位置が微妙に動く
ことは避けられず、その結果、ビームスポット照射位置
も微妙に動いてしまう。したがって、この構成の場合で
も、高い位置精度を要求する精密加工装置として用いる
場合には、ビームスポット径を変化させるたびに各部の
再調整を行ったり、ビームスポット照射位置を再計測す
る等の必要があり、図４の例と同様、頻繁にビームスポ
ット径を変化させることはやはり困難である。

【０００８】本発明は、ビームスポット照射位置を変化
させずに、ビームスポット径を変化させることのできる
レーザ加工装置を得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決する為の手段】上記のような問題点を解決
するため、本発明ではレーザビームをビームエクスパン
ダーで拡大したのち、集光レンズで被加工物上にビーム
スポットを形成する構成において、ビームエクスパンダ
ーによるビーム拡大光路中に開口の大きさを変化しうる
絞り部材を設けることにより被加工物上に集光されるビ
ームスポット径を変化させることにした。

【００１０】

【作用】上記の如き構成においてはビームスポット照射
位置は集光レンズに入射するレーザビームの向き（角
度）で決まり、集光レンズの手前に配置された絞り部材
の位置に左右されない。ビームスポット径を変えるため
には絞り部材の開口の大きさを変化させるが、これによ
り集光レンズに入射するレーザビームの向き（角度）が
変化することはない。また、絞り部材の開口の大きさの
変化の操作により、開口中心位置はわずかに移動する可
能性があるが、これによってビームスポット照射位置が
変化することはない。

【００１１】したがって、本発明によれば、ビームスポ
ット径を変化させるたびに光軸の再調整を行ったり、ビ
ームスポット照射位置を再計測する等の必要がない。ま
た、本発明の構成によれば、絞り部材４の開口の大きさ
に被加工物上でのビームスポット径が反比例するので、
ビームスポット径に応じた適切な光量調整を行うことが
できるようにした。例えば被加工物の形状、材質等に応
じて頻繁にビームスポット径を変化させるような場合
に、被加工物に対して位置精度良く、適正光量で加工を
行うことができる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明による装置の一実施例のブロッ
ク図である。レーザ光源１から射出されたレーザビーム
２ａはビームエクスパンダー３にてビーム径が拡大され
たレーザビーム２ｂとなったのち、開口の大きさが可変
の絞り部材４によりそのビーム径が制限され、集光レン
ズ５に入射し、被加工物６上に微小なビームスポットが
形成される。

【００１３】制御装置８は入力装置１０から入力された
被加工物６の加工位置、加工ビームスポット径、加工エ
ネルギーからなる加工データをもとに、絞り部材４の開
口の大きさを制御することにより、被加工物６上でのビ
ームスポット径の初期設定を行う。次にステージ７上の
エネルギーメータ９にビームスポットが照射されるよう
にステージ７を移動し、レーザ光源１の光量を調整し、
加工エネルギーが加工データのそれに一致するように設
定を行う。なお、加工中はビームエクスパンダー３の光
路中に配設した光路分割器１７の反射光を集光レンズ
５’を介して受光するエネルギーメータ９’にてエネル
ギー安全性が常時モニターされる。そして上述の加工位
置のデータをもとに順次加工位置がビームスポット照射
位置に移動し、レーザビームが照射され、加工が実行さ
れる。加工データにもとづいて被加工物上のビームスポ
ット径を変える場合は（加工位置に応じてビームスポッ
ト径が変わることがある）、前述と同様に制御装置８よ
り絞り部材４の開口の大きさを変える。その際、被加工
物上のビームスポット径に応じて、絞り部材４の開口に
よってけられる光量が異なる（スポット径が大きい程、
開口の径が小さい）ため、ビームスポットのエネルギー
密度が一定になるように、加工エネルギーの再設定、す
なわち、レーザ光源１の光量調整を前述と同様に制御装
置８により行う。

【００１４】図２は、図１で用いた絞り部材４の具体的
な一例を示すもので、図１の絞り部材４を光彩絞り４０
で構成したものである。制御装置８はこの絞りを、モー
ターと減速機等のアクチュエーターからなる駆動部４１
で駆動すると共に、アクチュエータの回転軸に連結した
ロータリーエンコーダ（図示せず）により回転軸の回転
量をモニターすることにより、開口の大きさを制御し、
リモートコントロールで、ビームスポット径を所望の大
きさに変化させる（ビームスポット２ｂをビームスポッ
ト２ｂ’に変える）。

【００１５】また、図３に絞り部材４の具体的な他の例
を示す。これは図１における絞り部材４を切替え式の絞
り板４２としたものである。絞り固定部材上の軸４４の
回りに回転可能な円板状の絞り板４２を設け、その同心
円上の位置に径の異なる複数の絞り孔４３を設け、この
同心円がレーザビーム２ｂの略中心を通るように構成さ
れている。絞り板４２はモーターおよびロータリーエン
コーダ４４により回転、位置検知が行なわれ、制御装置
８からのリモートコントロールで所望のビームスポット
径に相当する開口が選択される。（ビームスポット２ｂ
をビームスポット２ｂ’に変える）。

【００１６】この場合は、ビームスポット径の設定は第
２の実施例のような連続的なものではなく段階的なもの
であるが、機構的にはより簡潔な構造である。また個々
の絞り径自体は決して変化しないので、絞り径の設定再
現性すなわちビームスポット径の設定再現性はきわめて
安定したものとなる。なお、本実施例では加工エネルギ
ーの調整はレーザ光源１の光量調整によって行っている
が、例えば光路中に設けた超音波変調器（ＡＯＭ）や複
数のＮＤフィルタの切換により行っても良い。

【００１７】

【発明の効果】以上の様に本発明によれば、ビームスポ
ット照射位置の微小な変動を伴うことなく、ビームスポ
ット径を任意にかつ容易に変化でき、また、ビームスポ
ット径の変化に応じてレーザ照射光量を調整できるた
め、頻繁にビームスポット径が変わる微細加工において
も適正な加工を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置の一実施例のブロック図であ
る。

【図２】絞り部材の具体的な一例である光彩絞りの斜視
図を示す図である。

【図３】絞り部材の具体的な他の例である切替え式絞り
部材の斜視図である。

【図４】従来技術によるレーザ加工装置の一例の概略を
示す図である。

【図５】従来技術によるレーザ加工装置の別の例の概略
を示す図である。

【符号の説明】

１レーザ光源２ａ、２ｂ、２ｂ’、２ｃレーザビーム３ビームエクスパンダー４絞り部材５、５’ 集光レンズ６被加工物７ステージ８制御装置９、９’ エネルギーメータ１５絞り部材１６投影レンズ１７光路分割器４０光彩絞り４１光彩絞り駆動部４２切替え式開口絞り板４３開口絞り孔４４モータ及びロータリーエンコーダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源と、前記レーザ光源より射出
したレーザビームの径を拡大するビームエクスパンダー
と、前記ビームエクスパンダーで拡大されたレーザ光を
微小なスポットに集光させる集光レンズとを有し、前記
集光レンズで集光したビームスポットにより被加工物を
加工するレーザ加工装置において、前記ビームエクスパ
ンダーで拡大されたレーザビームの光路中に開口の大き
さが可変の絞り部材を設けたことを特徴とするレーザ加
工装置。
【請求項２】被加工物に対する加工データをもとに前
記絞り部材の開口の大きさと被加工物へのレーザ照射光
量を設定する制御装置を設けたことを特徴とする請求項
１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】前記絞り部材の開口の大きさがリモート
コントロールで連続的に変化し、所望の大きさに設定可
能であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装
置。
【請求項４】前記絞り部材として、大きさの異なる複
数の開口の形成された固定絞り板をリモートコントロー
ルで移動することにより、レーザビームの光路中に所望
の大きさの開口を挿脱することを特徴とする請求項１記
載のレーザ加工装置。