JP3734812B2 - シャッタユニット及びそれを用いたレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光の光路の開放及び閉鎖を選択的に行うシャッタユニット及びそれを用いたレーザ加工装置に関する。

従来におけるこの種のシャッタユニットとして、特許文献１に記載された光学シャッタや、特許文献２に記載されたレーザ加工機のシャッタ機構がある。特許文献１記載の光学シャッタは、レーザ光の光軸と直交する軸線を中心として回転する円筒状のシャッタ部がレーザ光の光路上に配置され、このシャッタ部の側壁に、レーザ光の光軸に沿って貫通孔が形成されたものである。この光学シャッタにおいては、レーザ光の光路を開放する際にはレーザ光の光軸上に貫通孔を位置させてレーザ光を通過させ、一方、レーザ光の光路を閉鎖する際にはレーザ光の光軸上から貫通孔を移動させてシャッタ部の側壁によりレーザ光を遮断する。

また、特許文献２記載のシャッタ機構は、レーザ光の光軸と平行な軸線を中心として回転するレーザ光遮断板において回転中心を挟んで対向する位置に、それぞれ貫通孔と反射ミラーとが設けられたものである。このシャッタ機構においては、レーザ光の光路を開放する際にはレーザ光の光軸上に貫通孔を位置させてレーザ光を通過させ、一方、レーザ光の光路を閉鎖する際にはレーザ光の光軸上に反射ミラーを位置させてレーザ光をダンパに向けて反射する。
特開平７−１９３３００号公報 特開平１０−３４３６８号公報

しかしながら、特許文献１記載の光学シャッタにあっては、シャッタ部が円筒状であるため、その側壁により遮断されたレーザ光が散乱し、場合によっては、散乱したレーザ光の一部がレーザ共振器に戻るおそれがある。

また、特許文献２記載のシャッタ機構にあっては、レーザ光遮断板において回転中心を挟んで対向する位置にそれぞれ貫通孔と反射ミラーとが設けられているため、シャッタ機構の小型化を図ることが困難である。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、レーザ光の光路の閉鎖時において、遮断されたレーザ光が散乱するのを防止することができ、しかも、小型化を図ることができるシャッタユニット及びそれを用いたレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るシャッタユニットは、レーザ光の光路の開放及び閉鎖を選択的に行うシャッタユニットであって、レーザ光の光軸と略直交する軸線を中心として回転し、レーザ光を通過させる開口部、及びレーザ光を反射する反射面が形成された回転部材と、反射面により反射されたレーザ光を吸収する光吸収部材とを備えることを特徴とする。

このシャッタユニットにおいては、レーザ光の光路を開放する際には、レーザ光の光軸と略直交する軸線を中心として回転部材を回転させることで、開口部をレーザ光の光軸上に位置させてレーザ光を通過させる。一方、レーザ光の光路を閉鎖する際には、回転部材を回転させることで、反射面をレーザ光の光軸上に位置させてレーザ光を反射する。このとき、反射面により反射されたレーザ光は光吸収部材によって吸収されるため、レーザ光の光路の閉鎖時において、遮断されたレーザ光が散乱するのを防止することができる。しかも、レーザ光を通過させる開口部、及びレーザ光を反射する反射面の両者が、レーザ光の光軸と略直交する軸線を中心として回転する回転部材に形成されているため、シャッタユニットの小型化を図ることができる。

また、回転部材は、軸線を中心として回転する基部と、基部から光軸側に延在し且つ軸線側に傾斜した傾斜板とを有し、開口部は、基部と傾斜板との間に形成され、反射面は、軸線に対し傾斜板の外側の表面に形成されていることが好ましい。このような構成を採用することで、回転部材の構造の単純化及び回転部材の小型化を図ることができる。更に、開口部をレーザ光の光軸上に位置させた状態と、反射面をレーザ光の光軸上に位置させた状態との間において回転部材の回転ストロークが短くなるため、レーザ光の光路の開放と閉鎖との切替速度を高速化することが可能になる。

また、軸線上に配置された回転軸を有する駆動モータを備え、回転部材は回転軸に取り付けられていることが好ましい。このように、駆動モータの回転軸に回転部材を直接取り付けることで、シャッタユニットの構造の単純化を図ることができる。

また、反射面は、軸線と略平行な方向にレーザ光を反射し、光吸収部材は、反射面により反射されたレーザ光の光軸上に配置されていることが好ましい。これにより、各構成部品のレイアウトが効率的なものとなり、レーザユニットのより一層の小型化を図ることができる。

また、第１のフォトインタラプタと、第２のフォトインタラプタとを備え、回転部材には、開口部が光軸上に位置する際に第１のフォトインタラプタの光路を遮断し、反射面が光軸上に位置する際に第２のフォトインタラプタの光路を遮断する遮光板が取り付けられていることが好ましい。このような構成を採用することで、第１のフォトインタラプタによってレーザ光の光路の開放を検知することができ、一方、第２のフォトインタラプタによってレーザ光の光路の閉鎖を検知することができる。

また、本発明に係るレーザ加工装置は、加工対象物を加工するためのレーザ光の光路の開放及び閉鎖を選択的に行うシャッタユニットを備えたレーザ加工装置であって、シャッタユニットは、レーザ光の光軸と略直交する軸線を中心として回転し、レーザ光を通過させる開口部、及びレーザ光を反射する反射面が形成された回転部材と、反射面により反射されたレーザ光を吸収する光吸収部材とを備えることを特徴とする。

このレーザ加工装置は、上述した本発明に係るシャッタユニットを用いたものであるため、レーザ光の光路の閉鎖時において、遮断されたレーザ光が散乱するのを防止することができ、しかも、シャッタユニットの小型化を図ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、レーザ光の光路の閉鎖時において、遮断されたレーザ光が散乱するのを防止することができ、しかも、シャッタユニットの小型化を図ることができる。

以下、本発明に係るシャッタユニット及びレーザ加工装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、レーザ加工装置１は、ステージ２上に載置された平板状の加工対象物Ｓの内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射し、加工対象物Ｓの内部に多光子吸収による改質領域Ｒを形成する装置である。ステージ２は、上下方向及び左右方向への移動並びに回転移動が可能なものであり、このステージ２の上方には、主にレーザヘッドユニット３、光学系本体部４及び対物レンズユニット５からなるレーザ出射装置６が配置されている。

レーザヘッドユニット３は、光学系本体部４の上端部に着脱自在に取り付けられている。このレーザヘッドユニット３はＬ字状の冷却ジャケット１１を有しており、この冷却ジャケット１１の縦壁１１ａ内には、冷却水が流通する冷却管１２が蛇行した状態で埋設されている。この縦壁１１ａの前面には、レーザ光Ｌを下方に向けて出射するレーザヘッド１３と、このレーザヘッド１３から出射されたレーザ光Ｌの光路の開放及び閉鎖を選択的に行うシャッタユニット１４とが取り付けられている。これにより、レーザヘッド１３及びシャッタユニット１４が過熱するのを防止することができる。なお、レーザヘッド１３は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザを用いたものであり、レーザ光Ｌとしてパルス幅１μｓ以下のパルスレーザ光を出射する。

更に、レーザヘッドユニット３において、冷却ジャケット１１の底壁１１ｂの下面には、冷却ジャケット１１の傾き等を調整するための調整部１５が取り付けられている。この調整部１５は、レーザヘッド１３から出射されたレーザ光Ｌの光軸αを、上下方向に延在するように光学系本体４及び対物レンズユニット５に設定された軸線βに一致させるためのものである。つまり、レーザヘッドユニット３は調整部１５を介して光学系本体部４に取り付けられる。その後、調整部１５により冷却ジャケット１１の傾き等が調整されると、冷却ジャケット１１の動きに追従してレーザヘッド１３の傾き等も調整される。これにより、レーザ光Ｌは、その光軸αが軸線βと一致した状態で光学系本体４内に進行することになる。なお、冷却ジャケット１１の底壁１１ｂ、調整部１５及び光学系本体部４の筐体２１には、レーザ光Ｌが通過する貫通孔が形成されている。

また、光学系本体部４の筐体２１内の軸線β上には、レーザヘッド１３から出射されたレーザ光Ｌのビームサイズを拡大するビームエキスパンダ２２と、レーザ光Ｌの出力を調整する光アッテネータ２３と、光アッテネータ２３により調整されたレーザ光Ｌの出力を観察する出力観察光学系２４と、レーザ光Ｌの偏光を調整する偏光調整光学系２５とが上から下にこの順序で配置されている。なお、光アッテネータ２３には、除去されたレーザ光を吸収するビームダンパ２６が取り付けられており、このビームダンパ２６は、ヒートパイプ２７を介して冷却ジャケット１１に接続されている。これにより、レーザ光を吸収したビームダンパ２６が過熱するのを防止することができる。

更に、ステージ２上に載置された加工対象物Ｓを観察すべく、光学系本体部４の筐体２１には、観察用可視光を導光するライトガイド２８が取り付けられ、筐体２１内にはＣＣＤカメラ２９が配置されている。観察用可視光はライトガイド２８により筐体２１内に導かれ、視野絞り３１、レチクル３２、ダイクロイックミラー３３等を順次通過した後、軸線β上に配置されたダイクロイックミラー３４により反射される。反射された観察用可視光は、軸線β上を下方に向かって進行して加工対象物Ｓに照射される。なお、レーザ光Ｌはダイクロイックミラー３４を透過する。

そして、加工対象物Ｓの表面で反射された観察用可視光の反射光は、軸線βを上方に向かって進行し、ダイクロイックミラー３４により反射される。このダイクロイックミラー３４により反射された反射光は、ダイクロイックミラー３３により更に反射されて結像レンズ３５等を通過し、ＣＣＤカメラ２９に入射する。このＣＣＤカメラ２９により撮像された加工対象物Ｓの画像はモニタ（図示せず）に映し出される。

また、対物レンズユニット５は、光学系本体部４の下端部に着脱自在に取り付けられている。対物レンズユニット５は、複数の位置決めピンによって光学系本体部４の下端部に対して位置決めされるため、光学系本体４に設定された軸線βと対物レンズユニット５に設定された軸線βとを容易に一致させることができる。この対物レンズユニット５の筐体４１の下端には、ピエゾ素子を用いたアクチュエータ４３を介在させて、軸線βに光軸が一致した状態で加工用対物レンズ４２が装着されている。なお、光学系本体部４の筐体２１及び対物レンズユニット５の筐体４１には、レーザ光Ｌが通過する貫通孔が形成されている。また、加工用対物レンズ４２によって集光されたレーザ光Ｌの集光点Ｐにおけるピークパワー密度は１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上となる。

更に、対物レンズユニット５の筐体４１内には、加工対象物Ｓの表面から所定の深さにレーザ光Ｌの集光点Ｐを位置させるべく、測定用レーザ光を出射するレーザダイオード４４と受光部４５とが配置されている。測距用レーザ光はレーザダイオード４４から出射され、ミラー４６、ハーフミラー４７により順次反射された後、軸線β上に配置されたダイクロイックミラー４８により反射される。反射された測距用レーザ光は、軸線β上を下方に向かって進行し、加工用対物レンズ４２を通過して加工対象物Ｓに照射される。なお、レーザ光Ｌはダイクロイックミラー４８を透過する。

そして、加工対象物Ｓの表面で反射された測定用レーザ光の反射光は、加工用対物レン４２に再入射して軸線β上を上方に向かって進行し、ダイクロイックミラー４８により反射される。このダイクロイックミラー４８により反射された測定用レーザ光の反射光は、ハーフミラー４５を通過して受光部４５内に入射し、フォトダイオードを４等分してなる４分割位置検出素子上に集光される。この４分割位置検出素子上に集光された測定用レーザ光の反射光の集光像パターンに基づいて、加工用対物レンズ４２による測定用レーザ光の集光点が加工対象物Ｓの表面に対してどの位置にあるかを検出することができる。

以上のように構成されたレーザ加工装置１によるレーザ加工方法について説明する。まず、ステージ２上に加工対象物Ｓを載置し、ステージ２を移動させて加工対象物Ｓの内部にレーザ光Ｌの集光点Ｐを合わせる。このステージ２の初期位置は、加工対処物Ｓの厚さや屈折率、加工用対物レンズ４２の開口数等に基づいて決定される。

続いて、レーザヘッド１３からレーザ光Ｌを出射すると共に、レーザダイオード４４から測定用レーザ光を出射し、加工用対物レンズ４２により集光されたレーザ光Ｌ及び測定用レーザ光が加工対象物Ｓの所望のライン上をスキャンするようにステージ２を移動させる。このとき、受光部４５により測定用レーザ光の反射光が検出され、レーザ光Ｌの集光点Ｐの位置が加工対象物Ｓの表面から常に一定の深さとなるようにアクチュエータ４３がフィードバック制御されて、加工用対物レンズ４２の位置が軸線β方向に微調整される。

従って、例えば加工対象物Ｓの表面に面振れがあっても、表面から一定の深さの位置に多光子吸収による改質領域Ｒを形成することができる。このように平板状の加工対象物Ｓの内部にライン状の改質領域Ｒを形成すると、そのライン状の改質領域Ｒが起点となって割れが発生し、ライン状の改質領域Ｒに沿って容易且つ高精度に加工対象物Ｓを切断することができる。

次に、上述したシャッタユニット１４についてより詳細に説明する。図２及び図３に示すように、シャッタユニット１４は、左右方向に延在するように冷却ジャケット１１の縦壁１１ａの前面にスペーサ５１を介して取り付けられた直方体状の筐体５２を有している。筐体５２の上壁５２ａには、レーザヘッド１３から出射されるレーザ光Ｌの光軸αに沿ってレーザ光Ｌの入射孔５３が形成され、筐体５２の下壁５２ｂには、レーザ光Ｌの光軸αに沿ってレーザ光Ｌの出射孔５４が形成されている。

また、筐体５２の一方の側壁５２ｃには、筐体５２の外部に配置された状態で駆動モータ５５が取り付けられている。この駆動モータ５５の回転軸５６は、レーザ光Ｌの光軸αと略直交する軸線γ上に配置され、側壁５２ｃを貫通して筐体５２内に延在している。このように、駆動モータ５５を筐体５２の外部に配置することで、駆動モータ５５の効率の良い放熱が可能となる。なお、駆動モータ５５は、回転軸５６が１パルスの信号で３０度回転するステップロータリソレノイド型のモータである。

筐体５２内において、回転軸５６の先端部には回転部材５７が取り付けられている。この回転部材５７は、回転軸５６に直接固定された直方体状の基部５８と、この基部５８の一端部から光軸α側に延在し且つ軸線γ側に約４５度傾斜した傾斜板５９とを有している。この回転部材５７において、基部５８と傾斜板５９とに挟まれた三角形状の空間は、回転軸５６の回転により光軸α上に位置してレーザ光Ｌを通過させる開口部６１となる。また、軸線γに対し傾斜板５９の外側の表面５９ａは鏡面状に形成され、回転軸５６の回転により光軸α上に位置してレーザ光Ｌを反射する反射面６２となる。このように、駆動モータ５５の回転軸５６に回転部材５７を直接取り付けることで、シャッタユニット１の構造の単純化を図ることができる。

上述した反射面６２は、光軸α上に位置する際に光軸αと約４５度の角度を有することになるため、レーザ光Ｌは軸線γと略平行な方向に反射される。この反射されたレーザ光Ｌの光軸δ上には、レーザ光Ｌを吸収する光吸収部材６３が取り付けられている。この光吸収部材６３は、筐体５２の冷却ジャケット１１側の後壁５２ｄに接触しているため、レーザ光Ｌを吸収した光吸収部材６３が過熱するのを防止することができる。なお、光吸収部材６３は、アルミニウム、銅或いはセラミックス等により形成され、表面がサンドブラスト等で粗され、且つ表面に黒体処理が施されたものである。これにより、入射するレーザ光Ｌの全反射を防止することができる。

更に、図２〜図４に示すように、筐体５２の後壁５２ｄには第１のフォトインタラプタ６４が取り付けられ、筐体５２の下壁５２ｂには第２のフォトインタラプタ６５が取り付けられている。そして、回転部材５７の基部５８の他端部には、開口部６１が光軸α上に位置する際に第１のフォトインタラプタ６４の光路を遮断し、反射面６２が光軸α上に位置する際に第２のフォトインタラプタ６５の光路を遮断する遮光板６６が取り付けられている。

以上のように構成されたシャッタユニット１４の動作について説明する。図２〜図４に示すように、回転部材５７の反射面６２を光軸α上に位置させた状態でレーザヘッド１３からレーザ光Ｌが出射されると、レーザ光Ｌは、筐体５２の上壁５２ａに形成された入射孔５３を通って筐体５２内に進入し、反射面６２により反射された後、光吸収部材６３により吸収される。このとき、回転部材５７に取り付けられた遮光板６６は、第２のフォトインタラプタ６５の光路を遮断することになる。これにより、レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌの光路が閉鎖されていることを検知することができるため、例えば、加工用対物レンズ４２に対して所定の位置に加工対象物Ｓを配置させるべく、加工対象物Ｓが載置されたステージ２を移動させることが可能になる。

その後、駆動モータ５５に対して２パルス分の信号を送り、回転軸５６を第１及び第２のフォトインタラプタ６４，６５側から見て反時計回りに６０度回転させると、図５〜図７に示すように、回転部材５７の開口部６１が光軸α上に位置することになる。これにより、入射孔５３から筐体５２内に進入したレーザ光Ｌは、開口部６１、筐体５２の下壁５２ｂに形成された出射孔５４を順次通って光学系本体４内に進入し、加工用対物レンズ４２により集光されて加工対象物Ｓに照射される。このとき、回転部材５７に取り付けられた遮光板６６は、第１のフォトインタラプタ６４の光路を遮断することになる。これにより、レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌの光路が開放されていることを検知することができるため、例えば、加工対象物Ｓに対してレーザ光Ｌをスキャンさせるべく、加工対象物Ｓが載置されたステージ２を移動させることが可能になる。

なお、レーザ光Ｌの光路を再度閉鎖する場合には、駆動モータ５５に対して２パルス分の信号を送り、回転軸５６を第１及び第２のフォトインタラプタ６４，６５側から見て時計回りに６０度回転させて、回転部材５７の反射面６２を光軸α上に位置させればよい。

以上説明したように、シャッタユニット１においては、レーザ光Ｌの光路の閉鎖中、回転部材５７の反射面６２により反射されたレーザ光Ｌは光吸収部材６３によって吸収される。従って、レーザ光Ｌの光路の閉鎖時において、遮断されたレーザ光Ｌが散乱するのを防止することができる。

また、回転部材５７においては、基部５８と傾斜板５９との間に開口部６１が形成され、軸線γに対し傾斜板５９の外側の表面５９ａに反射面６２が形成されているため、回転部材５７の構造の単純化及び回転部材５７の小型化を図ることができる。しかも、反射面６２は、軸線γと略平行な方向にレーザ光Ｌを反射し、光吸収部材６３は、反射面６２により反射されたレーザ光Ｌの光軸δ上に配置されているため、シャッタユニット１における各構成部品のレイアウトが効率的なものとなる。従って、シャッタユニット１の小型化を図ることができる。

更に、回転部材５７においては、開口部６１をレーザ光Ｌの光軸α上に位置させた状態と、反射面６２をレーザ光Ｌの光軸α上に位置させた状態との間において回転部材５７の回転ストロークが短くなるため、レーザ光Ｌの光路の開放と閉鎖との切替速度を高速化することが可能になる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、回転部材５７の開口部６１は、基部５８と傾斜板５９とに挟まれた空間に限られず、回転部材５７に貫通孔を形成して、その貫通孔を開口部６１としてもよい。

本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態を示す構成図ある。 図１のレーザ加工装置においてレーザ光の光路が閉鎖されている際のシャッタユニットの内部構造を示す平面図である。 図２のIII-III線に沿っての断面図である。 図２のIV-IV線に沿っての断面図である。 図１のレーザ加工装置においてレーザ光の光路が開放されている際のシャッタユニットの内部構造を示す平面図である。 図５のVI-VI線に沿っての断面図である。 図５のVII-VII線に沿っての断面図である。

符号の説明

１…レーザ加工装置、１４…シャッタユニット、５５…駆動モータ、５６…回転軸、５７…回転部材、５８…基部、５９…傾斜板、６１…開口部、６２…反射面、６３…光吸収部材、６４…第１のフォトインタラプタ、６５…第２のフォトインタラプタ、６６…遮光板、α，δ…光軸、γ…軸線、Ｌ…レーザ光、Ｓ…加工対象物。

Claims (3)

1. レーザ光の光路の開放及び閉鎖を選択的に行うシャッタユニットであって、
   前記レーザ光の光軸と略直交する軸線を中心として回転し、前記レーザ光を通過させる開口部、及び前記レーザ光を反射する反射面が形成された回転部材と、
   前記反射面により反射されたレーザ光を吸収する光吸収部材と、
   前記軸線上に配置された回転軸を有する駆動モータと、
   を備え、
   前記回転部材は、前記軸線を中心として回転する基部と、前記基部から前記光軸側に延在し且つ前記軸線側に傾斜した傾斜板とを有すると共に前記回転軸に取り付けられ、
   前記開口部は、前記基部と前記傾斜板との間に形成され、前記反射面は、前記軸線に対し前記傾斜板の外側の表面に形成され前記軸線と略平行な方向に前記レーザ光を反射し、
   前記光吸収部材は、前記反射面により反射されたレーザ光の光軸上に配置され、
   前記駆動モータは、前記回転部材及び前記光吸収部材を収容する筐体の外部に配置されると共に、前記光吸収部材は前記光軸を挟んで前記駆動モータとは反対側の前記筐体内壁に配置されており、
   前記筐体に入射する前記レーザ光は、前記駆動モータの駆動により前記反射面が前記光路を閉鎖する場合に前記光吸収部材に入射し、前記駆動モータの駆動により前記反射面が前記光路を閉鎖せずに開放する場合に前記開口部を通過する、ことを特徴とするシャッタユニット。
2. 第１のフォトインタラプタと、第２のフォトインタラプタとを前記筐体内に備え、
   前記回転部材には、前記開口部が前記光軸上に位置する際に前記第１のフォトインタラプタの光路を遮断し、前記反射面が前記光軸上に位置する際に前記第２のフォトインタラプタの光路を遮断する遮光板が取り付けられており、
   当該遮光板は前記軸線を挟んで前記傾斜板と対向するように前記基部に配置され、前記傾斜板との間に前記開口部を形成していることを特徴とする請求項１に記載のシャッタユニット。
3. 請求項１又は２に記載のシャッタユニットを備えたレーザ加工装置であって、
   前記シャッタユニットは、前記レーザ光を出射するレーザ共振器を冷却するために当該レーザ共振器に取り付けられている冷却ジャケットに固定されていることを特徴とするレーザ加工装置。

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