JPH106060A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工精度を低下させることなく加工面を観察
することができるレーザ加工装置を提供する。 【解決手段】 レーザ光の照射により被加工物７の加工
を行うレーザ加工装置において、回転シャッタ機構１１
により被加工物７に断続的に照明光を照射し、撮像手段
１４により照明光の照射と同期して被加工物の撮像を取
込む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、紫外線レーザ光の
光子エネルギーにより被加工物に加工を施すレーザ加工
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】紫外線領域のレーザ光を被加工物に照射
し、被加工物を加工するレーザ加工装置が知られてい
る。このようなレーザ加工装置では、加工中の被加工物
を監視し、あるいは加工形状を計測するために、可視光
領域の観察用照明を連続的に照射し、照明された被加工
物をＣＣＤカメラ等で撮像するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のレーザ
加工装置では、被加工物を観察するために可視光を連続
的に被加工物に照射しているので、被加工物の温度上昇
を招き、被加工物の熱膨張によって加工部位の位置ずれ
を引き起こす。したがって、レーザ光による加工精度を
低下させ、高精度の加工に対応できなくなるという問題
を生ずる。

【０００４】本発明の目的は、加工精度を低下させるこ
となく加工面を観察することができるレーザ加工装置を
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】実施の形態を示す図１〜
図４に対応づけて説明すると、請求項１に記載の発明
は、レーザ光の照射により被加工物７の加工を行うレー
ザ加工装置に適用される。そして、被加工物７に断続的
に照明光を照射する照明手段９，１１と、照明手段９，
１１による照明光が照射された被加工物７の撮像を取込
む撮像手段１４とを備えることにより上述の目的が達成
される。請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレ
ーザ加工装置において、撮像手段１４が、照明手段９，
１１による照明光の照射と同期して被加工物の撮像を取
込むようにしたものである。請求項３に記載の発明は、
請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、レ
ーザ光として紫外線レーザ光を用いるものである。

【０００６】請求項１および２に記載の発明では、断続
的な照明光により被加工物７の温度上昇が抑制される。
請求項３に記載の発明では、紫外線レーザ光による被加
工物７の温度上昇がほとんど起こらない。

【０００７】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために実施例の図を用いたが、これにより本発明が実施
例に限定されるものではない。

【０００８】

【発明の実施の形態】

−第１の実施の形態− 以下、図１〜図３を用いて本発明によるレーザ加工装置
の第１の実施の形態について説明する。図１において、
１はレーザパルスを射出するエキシマレーザ光源、２は
エキシマレーザ光源１から射出されたレーザパルス（紫
外線）を減衰させるアッテネータ、３はアッテネータ２
を通過した光を均一な照明に変換するホモジナイザ、４
は加工パターンに対応するパターンが形成されたマス
ク、５はダイクロイックミラー、６は対物レンズ、７は
被加工物、８は被加工物７を移動させるステージ、９は
ハロゲンランプを用いた観察用照明光源、１０は観察用
照明光源９の光を導くライトガイド、１１はライトガイ
ド１０により導かれた光を遮断する回転シャッタ機構、
１２はハーフミラー、１４はＮＴＳＣ方式のＣＣＤカメ
ラ、１５はＣＣＤカメラ１４の信号を受けて被加工物７
の撮影像を表示するモニタである。

【０００９】図１に示すように、回転シャッタ機構１１
は、モータ１１１と、モータ１１１により回転駆動され
る円盤形状の回転シャッタ１１２と、回転シャッタ１１
２に対向して設けられた位置センサ１１３とを備える。
図２に示すように、回転シャッタ１１２には開口１１２
Ａおよび反射ミラー１１２Ｂが形成されている。回転シ
ャッタ１１２の回転に伴い開口１１２Ａがライトガイド
１０の端部と正対する時に、同一のタイミングで反射ミ
ラー１１２Ｂが位置センサ１１３と正対するようにされ
ている。

【００１０】次に、以上のように構成された第１の実施
の形態のレーザ加工装置の動作について説明する。エキ
シマレーザ光源１から射出されたパルス光はアッテネー
タ２、ホモジナイザ３およびマスク４を経由してダイク
ロイックミラー５で図１において下向きに折り曲げら
れ、さらに対物レンズ６を通り、被加工物７の被加工面
に入射する。被加工面とマスク４とは互いに共役とされ
ているので、被加工面にはマスク４のパターンと相似形
の照射パターンでパルス光が照射され、これにより被加
工物７の加工が行われる。

【００１１】一方、ハロゲンランプ９から射出された光
はライトガイド１０により回転シャッタ機構１１に導か
れる。回転シャッタ機構１１の回転シャッタ１１２は、
モータ駆動電源２０から電流を供給されたモータ１１１
により回転駆動され、ライトガイド１０の端部が回転シ
ャッタ１１２の開口１１２Ａと正対した時だけ、ライト
ガイド１０を経由した光が開口１１２Ａを通過してハー
フミラー１２に照射される。ハーフミラー１２で折り曲
げられた光はダイクロイックミラー５を透過し、照明光
３０（図１）として被加工物７を照明する。

【００１２】モータ１１１は６０回転／秒の回転数でほ
ぼ等速回転し、回転シャッタ１１２はモータ１１１と同
一の回転速度で回転駆動される。したがって、回転シャ
ッタ１１２の開口１１２Ａは１秒間に６０回ライトガイ
ド１０の端部と正対し、開口１１２Ａとライトガイド１
０の端部とが正対する瞬間だけ、上述の照明光３０が被
加工物７に照射される。被加工物７で反射された照明光
３０は、対物レンズ６、ダイクロイックミラー５および
ハーフミラー１２を通ってＣＣＤカメラ１４に入射す
る。

【００１３】上述のように、開口１１２Ａがライトガイ
ド１０の端部と対向する時に反射ミラー１１２Ｂが位置
センサ１１３と対向し、図３に示すように、位置センサ
１１３の位置センサ出力（位置センサの受光光量に応じ
た出力）３１は被加工物７への照明光３０の照射と同一
タイミングで発生する。

【００１４】位置センサ出力３１はＣＣＤカメラ１４に
入力され、ＣＣＤカメラ１４では位置センサ出力３１を
トリガとして図３（ｂ）に示す撮像タイミングパルス３
２を発生させる。撮像タイミングパルス３２はＣＣＤカ
メラ１４のランダムシャッタを開放するためのタイミン
グ信号として用いられ、ＣＣＤカメラ１４では撮像タイ
ミングパルス３２のパルス幅に対応する時間のみ被加工
物７からの反射光を受光し、光電変換された電気信号は
ビデオ信号３５（図１）としてモニタ１５へ出力され
る。照明光３０の照射および撮像タイミングパルス３２
のタイミングは一致しているので、撮影タイミングパル
ス３２の発生ごとに被加工物７の撮像が更新され、ビデ
オ信号３５として出力される。

【００１５】第１の実施の形態では、図３に示すように
撮像タイミングパルス３２の幅を照明光３０のパルス幅
ｔ１よりもやや大きく設定し、照明光３０のパルス幅ｔ
１が撮像タイミングパルス３２内に完全に包含されるよ
うにしているので、照明光３０を完全に利用することが
できる。したがって、ＣＣＤカメラ１４での撮像に最低
限必要な光量まで照明光量を落とすことができるので、
熱的影響を減少させるうえで有利である。

【００１６】一般に、ＣＣＤカメラ１４のランダムシャ
ッタ機能により電子シャッタが開放される時間、すなわ
ち撮像タイミングパルス３２の幅は、１／１００００秒
程度まで短縮可能である。そして、開放時間を最短とし
た場合には、照明光３０の強度が充分であることを前提
として照明光３０の照射幅も１／１００００秒以下に設
定すればよい。例えば、照明光３０の照射幅を１／１０
０００秒とする場合、撮像周期を１／６０秒、回転シャ
ッタ１１２の開口１１２Ａの開口幅をＬａ、開口１１２
Ａから回転シャッタ１１２の回転中心までの距離をＲａ
とすると、 開口幅Ｌａ＝２πＲａ×（１／１００００）／（１／６
０） となる。したがって、被加工物７に照射される光量は連
続して照射する場合に比べ約１／１６７の光量で済むこ
ととなり、被加工物７が吸収する熱量もこれに比例して
小さくなる。これにより被加工物７の熱膨張が抑制され
るので、アライメント時に位置合わせ誤差が生じたり、
加工中に被加工物７の大きさが微妙に変化し、あるいは
加工中にステージ８上での位置ずれを起こすことがな
く、被加工物７への熱的影響を最小限に抑えつつ被加工
物７を安定して観察することができる。とくに、紫外線
領域のレーザ光を用いて加工を行う場合には、一般には
アブレーション効果を用いたものであるためレーザ加工
自体での加熱はほとんど起きず、したがって観察照明光
による熱的影響を低減することは微細な加工を精度良く
行う上で極めて重要である。

【００１７】なお、電子シャッタの開放時間を最短に設
定した場合において、なお照明の光量に余裕がある場合
には、上述したよりもさらに開口１１２Ａの開口幅Ｌａ
を小さくすることができ、被加工物７に与える熱量をそ
の分だけさらに減少することができる。また逆に、照明
光３０の強度によっては、ＣＣＤカメラの電子シャッタ
の開放時間を最短とした場合に撮像感度が不足するの
で、この場合には撮像感度に適合した撮像タイミングパ
ルス３２の幅を選択するとともに、照明光３０の照射幅
を撮像タイミングパルス３２の幅に一致させるようにす
れば、照明量を必要最小限度に抑制することができる。

【００１８】第１の実施の形態ではモータ２０の回転に
従って１／６０秒ごとに照明光３０が照射されるととも
に、照明光３０と同期してビデオ信号３５が更新され
る。第１の実施の形態では、１／６０秒ごとに映像信号
が形成されるＮＴＳＣ方式のＣＣＤカメラ１４を使用し
ており、ランダムシャッタは１／６０秒間隔内の任意の
時刻に１回、開放することができ、モータ２０の回転数
をこれに合わせている。したがって、仮にモータ２０の
回転数をさらに上昇させて１／６０秒よりも短い周期で
照明光３０を照射するようにしても、さらに観察像の情
報量を増加させることはできない。

【００１９】一方、撮像周期を１／６０秒とし、撮像に
必要な最低限の光量まで照明光３０の照射幅を減少させ
ても、なお熱膨張の影響が排除しきれない場合には、さ
らに照明光量を減少させるために撮像周期を長くするこ
とができる。１フレームに必要な撮影光量は一定である
ため、例えば撮像周期を１／３０秒とすれば被加工物７
に照射される照明頻度（照明光３０のパルスのデューテ
ィー比）を１／２とすることができる。撮像周期を２倍
に長くするには、例えばモータ２０の回転速度を１／２
とするとともに、シャッタ１１２の開口１１２の幅を１
／２にすればよい。これにより、位置センサ出力３１の
パルス幅が第１の実施の形態と同一となるので、照明光
３０の照射幅を一定としたまま照明量を１／２に抑制す
ることができる。

【００２０】第１の実施の形態では、熱膨張を抑制した
状態での被加工物７の撮像を取込むことができるので、
取込んだ撮像に基づいて加工前、加工中あるいは加工後
における加工寸法を測定する場合にも、誤差が極めて小
さくなる。

【００２１】なお、ＣＣＤカメラ１４のランダムシャッ
タは撮像タイミングパルス３２を必ずしも等間隔としな
くても正常に作動するので、モータ２０の回転速度につ
いて閉ループサーボ回路を用いなければならない程の精
度は要求されず、簡易的な電圧制御によりモータ２０の
回転数を制御してもよい。また、モータ２０の回転角を
位置制御が可能なサーボ回路によって制御するようにす
れば、任意の位置で回転シャッタ１１２を停止させるこ
とが可能となるので、上述の動作とは別に、観察照明を
連続的に照射したり、あるいは観察照明を周期的でな
く、例えば１回の照射のみをするような動作を行うこと
もできる。

【００２２】−第２の実施の形態− 以下、図４を用いて本発明によるレーザ加工装置の第２
の実施の形態について、第１の実施の形態の加工装置と
の相違点を中心として説明する。なお、第１の実施の形
態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を
省略する。

【００２３】第２の実施の形態のレーザ加工装置は、図
４に示すように、第１の実施の形態の装置の観察用照明
光源９および回転シャッタ機構１１に代えてストロボス
コープ４０を用いたものである。ストロボスコープ４０
は自動的に断続発光を繰返し、その発光周期が可変とさ
れている。第２の実施の形態では、ストロボスコープ４
０の投光をライトガイド４１によりハーフミラー１２に
導き、ハーフミラー１２で反射されさらにダイクロイッ
クミラー５を透過した光を被加工物７の照明光として用
いている。

【００２４】図４に示すように、ストロボスコープ４０
の発光時に発生するパルス４２をＣＣＤカメラ１４に入
力し、このパルス４２をトリガとして撮影タイミングパ
ルスを発生させているので、第１の実施の形態と同様、
観察のための照明光の照射と同一のタイミングによりＣ
ＣＤカメラ１４での撮像が行われる。

【００２５】第２の実施の形態では、ストロボスコープ
４０の発光時にのみ被加工物７への照明が行われるの
で、被加工物７の温度上昇が抑制され、熱膨張による加
工精度の低下を回避することができる。

【００２６】第２の実施の形態では、ストロボスコープ
４０を用いて発光を繰返すようにしているが、ストロボ
スコープ４０に代えてストローブを使用し、ストローブ
に外部からの発光のためのトリガを印加するようにすれ
ば、単一パルス光の発光や、一定時間の連続発光（トリ
ガを連続して印加することによる発光）を行うこともで
きる。

【００２７】

【発明の効果】請求項１および２に記載の発明によれ
ば、被加工物に断続的に照明光を照射するので、被加工
物の温度上昇が小さくなり、熱膨張に基づく加工精度の
低下が抑制される。請求項３に記載の発明によれば、レ
ーザ光として紫外線レーザ光を用いるので、被加工物の
温度上昇がさらに小さくなり、熱膨張に基づく加工精度
の低下が抑制される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ加工装置の第１の実施の形
態を示す図。

【図２】第１の実施の形態のレーザ加工装置の回転シャ
ッタを示す図。

【図３】第１の実施の形態のレーザ加工装置の動作を示
すタイミングチャート。

【図４】第２の実施の形態のレーザ加工装置を示す図。

【符号の説明】

７ 被加工物 ９ 観察用照明光源 １１ 回転シャッタ機構 １４ ＣＣＤカメラ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光の照射により被加工物の加工を
   行うレーザ加工装置において、 前記被加工物に断続的に照明光を照射する照明手段と、 前記照明手段による前記照明光が照射された前記被加工
   物の撮像を取込む撮像手段とを備えることを特徴とする
   レーザ加工装置。
2. 【請求項２】 前記撮像手段は、前記照明手段による前
   記照明光の照射と同期して前記被加工物の撮像を取込む
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 前記レーザ光として紫外線レーザ光を用
   いることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ
   加工装置。