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JP4667329B2 - Laser processing equipment - Google Patents
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Description

この発明は、プリント基板材料やセラミックグリーンシートなどの電子材料に止まり穴や貫通穴を開けるレーザ加工装置に関するものである。   The present invention relates to a laser processing apparatus for making a blind hole or a through hole in an electronic material such as a printed circuit board material or a ceramic green sheet.

プリント基板材料やセラミックグリーンシートなどの加工対象物は、平面形状をしているので、従来のレーザ加工装置では、例えば図14に示すように2つのガルバノスキャナを用いてレーザ光を2次元的に走査して加工対象物に照射し、穴開け加工を行うようにしている(例えば、特許文献1等)。ここでは、この発明の理解を容易にするため、図14を参照してその概要を説明する。   Since processing objects such as printed circuit board materials and ceramic green sheets have a planar shape, a conventional laser processing apparatus, for example, uses two galvano scanners to two-dimensionally laser light as shown in FIG. Scanning is performed to irradiate the object to be processed, and hole making is performed (for example, Patent Document 1). Here, in order to facilitate understanding of the present invention, an outline thereof will be described with reference to FIG.

図14は、レーザ加工装置の一般的な構成と動作を説明する概念図である。図14に示すレーザ加工装置は、ガルバノスキャンミラー2a,2bと、ガルバノスキャナ3a,3bと、fθレンズ4と、加工ワーク5を載置するテーブルとを備えている。   FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating a general configuration and operation of a laser processing apparatus. The laser processing apparatus shown in FIG. 14 includes galvano scan mirrors 2a and 2b, galvano scanners 3a and 3b, an fθ lens 4, and a table on which a workpiece 5 is placed.

ガルバノスキャンミラー2aは、図示省略したレーザ発振器が出力するレーザ光1を最初に受ける第1のガルバノスキャンミラーであり、そのミラー面がガルバノスキャナ3aの駆動軸の回転に伴って変位し、入射するレーザ光1の光軸を一の方向(例えばX軸方向)に偏向走査し、それを第2のガルバノスキャンミラー2bに送出する。2番目にレーザ光を受けるガルバノスキャンミラー2bは、そのミラー面がガルバノスキャナ3bの駆動軸の回転に伴って変位し、入射するレーザ光1の光軸をほぼ直交する他の一の方向(今の例ではY軸方向)に偏向走査してfθレンズ4に送出する。fθレンズ4は、以上のように、XY面内で2次元走査されたレーザ光を加工ワーク5上に集光照射する。これによって、ガルバノスキャナ3a,3bによってレーザ光1を2次元走査できる範囲であるスキャンエリア7内の加工ワーク5に多数の加工穴6が形成される。   The galvano scan mirror 2a is a first galvano scan mirror that first receives laser light 1 output from a laser oscillator (not shown), and its mirror surface is displaced and incident as the drive shaft of the galvano scanner 3a rotates. The optical axis of the laser beam 1 is deflected and scanned in one direction (for example, the X-axis direction) and sent to the second galvano scan mirror 2b. The galvano scan mirror 2b that receives the second laser beam has its mirror surface displaced with the rotation of the drive shaft of the galvano scanner 3b, and another direction (currently orthogonal to the optical axis of the incident laser beam 1). In this example, the beam is deflected and scanned in the Y-axis direction and sent to the fθ lens 4. As described above, the fθ lens 4 condenses and irradiates the laser beam scanned two-dimensionally in the XY plane onto the workpiece 5. As a result, a large number of machining holes 6 are formed in the machining workpiece 5 in the scan area 7 which is a range in which the laser light 1 can be two-dimensionally scanned by the galvano scanners 3a and 3b.

ところで、レーザ加工の生産性は、以上の説明から理解できるように、2つのガルバノスキャナの位置決め速度に大きく依存する。そのため、ガルバノスキャナの位置決め速度は、年々向上を続けているが、機械的な動作であるので振動や発熱などの問題から自ずと限界がある。位置決め速度が限界になった場合に備えて、生産性を向上させる方法として同時に照射できるビーム本数を増加させる方法が検討され、実用化されつつある。これには、2つの方法がある。1つは、図15に示すように、多軸化する方法であり、他の1つは、図16に示すように、ホログラフィック光学素子(Holographic Optical Element:HOE)を用いる方法である。   By the way, the productivity of laser processing largely depends on the positioning speeds of the two galvano scanners, as can be understood from the above description. For this reason, the positioning speed of the galvano scanner continues to improve year by year. However, since it is a mechanical operation, it is naturally limited by problems such as vibration and heat generation. In preparation for the case where the positioning speed reaches the limit, a method for increasing the number of beams that can be irradiated simultaneously as a method for improving productivity is being studied and put into practical use. There are two ways to do this. One is a multi-axis method as shown in FIG. 15, and the other is a method using a holographic optical element (HOE) as shown in FIG.

図15は、多軸化したレーザ加工装置の構成例を示す概念図である。図15において、レーザヘッド9a,9bは、それぞれ、ガルバノスキャンミラー2a,2b、ガルバノスキャナ3a,3b及びfθレンズ4をセットにしたもので、分光器8によって分光されたレーザ光1が同時に供給され、それぞれの加工ワーク5に穴開け加工を同時に施すように構成される。   FIG. 15 is a conceptual diagram illustrating a configuration example of a multi-axis laser processing apparatus. In FIG. 15, laser heads 9a and 9b are a set of galvano scan mirrors 2a and 2b, galvano scanners 3a and 3b, and an fθ lens 4, respectively, and are supplied with laser light 1 dispersed by a spectroscope 8 at the same time. In addition, the machining work 5 is configured to be drilled simultaneously.

図15は、2ヘッドの構成例であるが、現在では、4ヘッドへと増加させることで、生産性を向上させる試みがなされている。しかし、この場合には、ガルバノスキャナ及びガルバノスキャンミラーも、1セットから、2セット、4セットと増やし、高価なfθレンズも2個、4個と増やさなければならず、メンテナンス性及びコスト面からみても問題が多い。   FIG. 15 shows a configuration example of two heads. At present, attempts are being made to improve productivity by increasing the number of heads to four. However, in this case, the number of galvano scanners and galvano scan mirrors must be increased from one set to two sets and four sets, and the number of expensive fθ lenses must be increased to two and four. There are many problems.

図16は、図14に示すレーザ加工装置に適用するHOEによる分光を説明する概念図である。図16に示すように、HOE10は、レーザ光1を複数の方向に分光することができるので、HOE10を用いたレーザ加工装置では、加工パターンが丸穴を複数個組み合わせたある形状の加工パターンに限定される制限はあるが、レーザヘッドを増やさなくともレーザ光の本数を増加させ得るので、上記の問題を回避して確実に速度アップが図れる。   FIG. 16 is a conceptual diagram illustrating spectroscopy by HOE applied to the laser processing apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 16, the HOE 10 can split the laser beam 1 in a plurality of directions. Therefore, in the laser processing apparatus using the HOE 10, the processing pattern becomes a processing pattern having a certain shape in which a plurality of round holes are combined. Although there is a limitation, since the number of laser beams can be increased without increasing the number of laser heads, the above problem can be avoided and the speed can be reliably increased.

HOE10を用いたレーザ加工装置での加工方法を説明すると、HOE10は、第1のガルバノスキャンミラー2aの入力段に設けられ、レーザの可干渉性を利用し、通過するビームを小片に分け、それぞれに位相差を持たせて干渉させ、ある所では強め合い、その他の所では弱め合うように設計されている。強め合う干渉縞の所にHOE入射前の情報が伝達されるので、1本のビームが複数に分かれたかのように加工される。   Explaining the processing method in the laser processing apparatus using the HOE 10, the HOE 10 is provided in the input stage of the first galvano scan mirror 2a, and uses the coherence of the laser to divide the passing beam into small pieces. It is designed to interfere with each other with a phase difference, strengthening in some places and weakening in others. Since the information before the HOE incidence is transmitted to the reinforcing interference fringes, it is processed as if one beam was divided into a plurality of parts.

このように、加工パターンが限定される制限はあるが、同じパターン加工を繰返し行うにはHOEを使用した加工方法(以降「HOE加工」と略称する)が生産性において非常に有利であるので、製品のコストを抑えなければならない電子部品業界を中心に、HOE加工の使用例が増加してきている。   Thus, although there is a limitation that the processing pattern is limited, a processing method using HOE (hereinafter abbreviated as “HOE processing”) is very advantageous in productivity in order to repeatedly perform the same pattern processing. Use cases of HOE processing are increasing, mainly in the electronic component industry where the cost of products must be reduced.

特開2002−66769号公報JP 2002-66769 A

しかしながら、加工対象物に形成する止まり穴や貫通穴は、非常に小さいので、加工時の位置精度も非常に重要な要素になってくるが、従来のHOE加工や、HOEを用いない加工でも穴形状が楕円や長方形などを施す従来の長穴加工では、この加工穴の位置精度を向上させることが困難である。   However, since blind holes and through holes formed in the workpiece are very small, the positional accuracy during processing is also a very important factor. However, even with conventional HOE processing or processing that does not use HOE, In conventional long hole processing in which the shape is an ellipse or rectangle, it is difficult to improve the position accuracy of the processed hole.

具体的には、従来のHOE加工では、スキャンエリアの中心部では歪みも少なく、良好な加工状態であるが、以下に説明するように(図17〜図19)、ガルバノスキャンミラーを傾け、レーザ光の照射位置をfθレンズの周辺部(即ちスキャンエリア周辺部)に持っていくと、歪みや形状の傾きが発生する(図20参照)。この点は、HOEを用いない単一の穴加工でも上記の長穴加工を施す場合は同様である(図21参照)。これがHOE加工時やHOEを用いない単一の穴加工での長穴加工時の位置精度悪化の主要因であり、できるだけ低減することが必要となる。   Specifically, in the conventional HOE processing, there is little distortion at the center of the scan area and it is in a good processing state, but as described below (FIGS. 17 to 19), the galvano scan mirror is tilted and the laser is When the light irradiation position is brought to the periphery of the fθ lens (that is, the periphery of the scan area), distortion and shape inclination occur (see FIG. 20). This is the same in the case of performing the above long hole processing even in single hole processing not using HOE (see FIG. 21). This is the main cause of the deterioration of the positional accuracy at the time of HOE processing or long hole processing in single hole processing without using HOE, and it is necessary to reduce it as much as possible.

以下、図17〜図19を参照してスキャンエリア周辺部で歪みや形状の傾きが発生する現象について説明する。なお、図17は、図14に示すレーザ加工装置において2つのガルバノスキャナ及び2つのガルバノスキャンミラーによる2次元走査を説明する光線追跡図である。図18は、図17において光線方向と走査角η,ξ及び仰角φとの関係を示し、(1)は光線方向の余弦成分、正弦成分を求める図であり、(2)光線方向の余弦成分、正弦成分及び正接成分を求める図である。図19は、図17に示す画面上での歪みと仰角φとの関係を示す図である。   Hereinafter, with reference to FIG. 17 to FIG. 19, a phenomenon in which a distortion or a shape inclination occurs in the periphery of the scan area will be described. FIG. 17 is a ray tracing diagram for explaining two-dimensional scanning by two galvano scanners and two galvano scan mirrors in the laser processing apparatus shown in FIG. 18 shows the relationship between the light beam direction and the scanning angles η and ξ and the elevation angle φ in FIG. 17. FIG. 18 shows the cosine component and sine component in the light beam direction, and (2) the cosine component in the light beam direction. It is a figure which calculates | requires a sine component and a tangent component. FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the distortion on the screen shown in FIG. 17 and the elevation angle φ.

図17において、A点は、第1のガルバノスキャンミラー2aのミラー面位置を示し、B点及びその直上に示すB’点は、第2のガルバノスキャンミラー2bのミラー面位置を示す。今、B点を原点とし、図中矢印で示すようにX、Y、Zの直交3軸を定義すると、A点における第1のガルバノスキャンミラー2aにて最初の反射が行われる。A点における第1のガルバノスキャンミラー2aでは、入射するレーザ光をY軸方向に角度η偏向して反射する。この反射レーザ光は、B点における第2のガルバノスキャンミラー2bのミラー面位置B’に入射し、そこでXZ面内での偏向操作を受けて反射され、fθレンズ4に向かうという経路を取る。図17では、レンズ面がXY面に平行するfθレンズ4は、4分割した第1象限が示されている。   In FIG. 17, point A indicates the mirror surface position of the first galvano scan mirror 2a, and point B and the point B 'immediately above it indicate the mirror surface position of the second galvano scan mirror 2b. Now, assuming that point B is the origin and three orthogonal axes of X, Y, and Z are defined as indicated by arrows in the figure, the first reflection is performed by the first galvano scan mirror 2a at point A. The first galvano scan mirror 2a at the point A reflects incident laser light with an angle η deflected in the Y-axis direction. This reflected laser light is incident on the mirror surface position B ′ of the second galvano scan mirror 2 b at the point B, where it is reflected by a deflection operation in the XZ plane and takes a path toward the fθ lens 4. In FIG. 17, the fθ lens 4 whose lens surface is parallel to the XY plane shows the first quadrant divided into four.

このとき、B点における第2のガルバノスキャンミラー2bでのZ軸からX軸に向かう振れ角をξとすると、図示しないレーザ発振器を出たレーザ光は、Y軸方向、X軸方向の走査角がそれぞれη、ξである光路Rに沿ってfθレンズ4の第1象限内のY軸方向からX軸方向へ離れた上方位置に入射し、図14に示した直下のスキャンエリア7である画面11の角部に集光される。   At this time, if the deflection angle from the Z axis to the X axis at the second galvano scan mirror 2b at point B is ξ, the laser beam emitted from a laser oscillator (not shown) is scanned in the Y axis direction and the X axis direction. Is incident on an upper position separated from the Y-axis direction in the first quadrant of the fθ lens 4 along the optical path R, which is η and ξ, respectively, and is the scan area 7 immediately below shown in FIG. 11 is collected at the corners.

このときの光路Rの方向余弦L、M、Nは、図18に示すように、
L=cosη・sinξ …(1)
M=sinη …(2)
N=cosη・cosξ …(3)
となる。
The direction cosines L, M, and N of the optical path R at this time are as shown in FIG.
L = cos η · sin ξ (1)
M = sin η (2)
N = cos η · cos ξ (3)
It becomes.

そして、光路Rが突き当たるfθレンズ4の第1象限内の上方位置は、XY面内において原点を起点としてX軸方向からY軸方向に向かう仰角φで表されるので、
Tanφ=M/L=tanη/sinξ …(4)
となる。
The upper position in the first quadrant of the fθ lens 4 that the optical path R strikes is represented by an elevation angle φ from the origin to the Y-axis direction in the XY plane.
Tanφ = M / L = tan η / sinξ (4)
It becomes.

このような走査偏向角を有するので、光軸回転対称のfθレンズ4にて2次元画像を作るとき、画面11の周辺部では必然的に画像歪が発生する。即ち、振れ角ξ、ηがそれぞれ等角速度の偏向で、かつ最大偏向角が等しい場合を考え、理想的なfθレンズを使用すれば、画面中心を通る水平垂直方向(つまり第1象限におけるX軸上、Y軸上)での歪の発生はない。しかし、振れ角ηと振れ角ξとを同じに変化させた場合、仰角φは、式(4)から45度にはならず、像面上の図形の角部は、図19に実線で示されるような歪を有するものになる。   Because of such a scanning deflection angle, when a two-dimensional image is created by the optical axis rotationally symmetric fθ lens 4, image distortion inevitably occurs in the peripheral portion of the screen 11. That is, when the deflection angles ξ and η are deflections of equal angular velocities and the maximum deflection angles are equal, if an ideal fθ lens is used, the horizontal and vertical directions passing through the center of the screen (that is, the X axis in the first quadrant). There is no distortion on the upper and Y axes). However, when the shake angle η and the shake angle ξ are changed to be the same, the elevation angle φ does not become 45 degrees from the equation (4), and the corner of the figure on the image plane is shown by a solid line in FIG. It will have such distortion.

この歪の補正は、fθレンズ4で行うことは困難であるので、従来の技術では、2つのガルバノスキャナ3a、3bでの振れ角ξ,ηの振り方を、式(4)からtanη=sinξとなるように変化させるのみならず、fθレンズ4の場所による特性等を踏まえて微調整・制御することで対処することになる。   Since it is difficult to correct this distortion with the fθ lens 4, according to the conventional technique, the swing angles ξ and η of the two galvano scanners 3 a and 3 b are changed from tan η = sin ξ from the equation (4). In addition to this, it is possible to cope with the problem by performing fine adjustment and control based on the characteristics depending on the location of the fθ lens 4.

ところが、ガルバノスキャナ3a、3bでの振れ角制御によって、図19に実線で示す歪み有する角部の位置が点線で示す正しい位置に来るようにすることはできるが、元の歪んだ位置にHOE10にて分光されたパターンが形成される。   However, by controlling the deflection angle by the galvano scanners 3a and 3b, the position of the corner having distortion indicated by the solid line in FIG. 19 can be brought to the correct position indicated by the dotted line, but the HOE 10 is moved to the original distorted position. As a result, a dispersed pattern is formed.

図20は、スキャンエリアの角部でのHOE分光パターンの歪み発生を説明する模式図である。つまり、上記のようにガルバノスキャナ3a、3bでの振れ角制御によって、この角部での歪みを補正すると、図20に示すように、HOE分光パターン12自体に回転が発生してしまうので、複数の丸穴が傾いて形成されることが起こる。   FIG. 20 is a schematic diagram for explaining the generation of distortion of the HOE spectral pattern at the corner of the scan area. That is, if the distortion at this corner is corrected by the deflection angle control by the galvano scanners 3a and 3b as described above, the HOE spectral pattern 12 itself is rotated as shown in FIG. It happens that the round hole is formed inclined.

また、図21は、HOEを用いないで楕円や長方形などの長穴を開ける加工を行う場合におけるスキャンエリアの角部での長穴パターンの歪み発生を説明する模式図である。HOEを使用しない穴あけ加工では、マスクの開口形状に応じた形状の穴加工が行われる。そのうち、丸形状の加工の場合は、丸は角度をつけても丸形状のままであるので、傾きは全く問題にならない。しかし、楕円や長方形のような長穴形状の場合は、図19に示す現象が同様に起こり、図21に示すように、長穴パターン13が回転してしまうので、加工穴が傾いてしまう。   FIG. 21 is a schematic diagram for explaining the occurrence of distortion of the long hole pattern at the corners of the scan area in the case of performing processing for opening a long hole such as an ellipse or a rectangle without using the HOE. In drilling without using the HOE, drilling is performed in a shape corresponding to the opening shape of the mask. Among them, in the case of round processing, since the circle remains round even when the angle is added, the inclination is not a problem at all. However, in the case of an elongated hole shape such as an ellipse or a rectangle, the phenomenon shown in FIG. 19 occurs in the same manner, and the elongated hole pattern 13 rotates as shown in FIG.

以上のように、HOEを用いて丸穴を複数個組み合わせたあるHOE分光パターンとして照射する場合や、HOEを用いない単一の穴加工でも穴形状が楕円や長方形などの長穴加工では、加工形状に傾きが発生し、この傾きが位置ズレを引き起こしてしまうので、従来では、加工穴の位置精度を向上させることが困難であった。加工穴の位置精度をよくするためには、以上説明した加工パターンの回転角度を最小化する必要があるが、どのようにして実現するかが問題である。   As described above, when irradiating as a certain HOE spectral pattern combining a plurality of round holes using HOE, or when processing a long hole such as an ellipse or a rectangle even when processing a single hole without using HOE, Since an inclination occurs in the shape and this inclination causes a positional shift, conventionally, it has been difficult to improve the position accuracy of the processed hole. In order to improve the position accuracy of the processed hole, it is necessary to minimize the rotation angle of the processed pattern described above, but how to achieve it is a problem.

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、HOEを用いて複数穴を同時に加工する場合やHOEを用いないで単一の長穴加工を行う場合に簡単にその加工穴の位置精度の向上や発生する歪みの低減が図れるレーザ加工装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and when processing a plurality of holes simultaneously using HOE or when performing a single long hole processing without using HOE, the position accuracy of the processing holes is easily achieved. It is an object of the present invention to obtain a laser processing apparatus capable of improving and reducing the generated distortion.

上述した目的を達成するために、この発明は、レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を2次元走査する一組のガルバノスキャナと、前記一組のガルバノスキャナにて2次元走査されたレーザ光を被加工物上に集光して照射するfθレンズとを備え、前記一組のガルバノスキャナのうちレーザ光軸上において前記発振器側に配置される第1のガルバノスキャナに入射するレーザ光は、その照射パターンに存在する長軸および短軸のうちの長軸方向側が前記第1のガルバノスキャナの駆動軸の軸線方向側に向くように設定されていることを特徴とする。   To achieve the above object, the present invention provides a laser oscillator that emits laser light, a set of galvano scanners that two-dimensionally scan the laser light emitted from the laser oscillator, and the set of galvano scanners. A first galvanometer disposed on the oscillator side on the laser optical axis of the set of galvano scanners. The laser beam incident on the scanner is set so that the major axis direction side of the major axis and minor axis existing in the irradiation pattern faces the axial direction side of the drive shaft of the first galvano scanner. And

この発明によれば、穴あけ加工を施す被加工物(ワーク)に照射する2次元走査レーザ光を生成する光学走査系に入射するレーザ光における照射パターンの方向を定める。具体的には、最初にレーザ光を受ける第1のガルバノスキャナに入射するレーザ光の照射パターンに存在する長軸および短軸のうちの長軸方向側を、駆動軸と直交する方向ではなく、その駆動軸の軸線方向側に向くように、好ましくは平行する方向に向くように調整設定する、という簡単な措置を講ずるだけでスキャンエリア角部での照射パターン回転角が小さくなるので、HOEを用いて複数穴を同時に加工する場合に位置精度を向上させることができ、HOEを用いないで単一の長穴加工を行う場合に歪みの発生を低く抑えることができる。   According to the present invention, the direction of the irradiation pattern in the laser beam incident on the optical scanning system that generates the two-dimensional scanning laser beam irradiated on the workpiece (work) to be drilled is determined. Specifically, the major axis direction side of the major axis and the minor axis existing in the irradiation pattern of the laser beam incident on the first galvano scanner that receives the laser beam first is not in a direction orthogonal to the drive axis, Since the irradiation pattern rotation angle at the corner of the scan area can be reduced by simply taking a simple measure of adjusting and setting the drive shaft to be in the axial direction, preferably in the parallel direction, the HOE can be reduced. The position accuracy can be improved when a plurality of holes are processed at the same time, and the occurrence of distortion can be suppressed low when a single long hole is processed without using the HOE.

この発明によれば、HOEを用いて複数穴を同時に加工する場合やHOEを用いないで単一の長穴加工を行う場合に、簡単にその加工穴の位置精度の向上や発生する歪みの低減が図れるという効果を奏する。   According to the present invention, when processing a plurality of holes simultaneously using HOE, or when performing a single long hole processing without using HOE, the positional accuracy of the processed holes is easily improved and distortion generated is reduced. There is an effect that can be achieved.

以下に図面を参照して、この発明にかかるレーザ加工装置及びレーザ加工方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。   Exemplary embodiments of a laser processing apparatus and a laser processing method according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1によるHOEを用いたレーザ加工装置にて実施されるレーザ加工方法の原理を説明する光線追跡図である。図2は、図1においてHOEの配置位置Hに近い方の第1のガルバノスキャンミラーのミラー面内での光線追跡拡大図である。図3は、図2に示す第1のガルバノスキャンミラーのミラー面の法線方向での光線追跡拡大図である。図4は、図1において第1のガルバノスキャンミラーでの反射光を受ける第2のガルバノスキャンミラーのミラー面内での光線追跡拡大図である。図5は、図1において第2のガルバノスキャンミラーでの反射光を受けるfθレンズの受光面内でのHOE分光パターンの回転角を説明する図である。なお、構成要素の名称・符号は、説明の便宜から図14等の従来技術にて用いた名称・符号をそのまま使用する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a ray tracing diagram for explaining the principle of a laser processing method performed by a laser processing apparatus using an HOE according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of ray tracing in the mirror plane of the first galvano scan mirror closer to the HOE placement position H in FIG. FIG. 3 is an enlarged view of ray tracing in the normal direction of the mirror surface of the first galvano scan mirror shown in FIG. FIG. 4 is an enlarged view of ray tracing in the mirror plane of the second galvano scan mirror that receives the reflected light from the first galvano scan mirror in FIG. FIG. 5 is a diagram for explaining the rotation angle of the HOE spectral pattern within the light receiving surface of the fθ lens that receives the reflected light from the second galvano scan mirror in FIG. 1. For the convenience of explanation, the names and symbols used in the prior art such as FIG.

図1では、HOEの配置位置Hと、第1及び第2のガルバノスキャンミラー2a,2bと、fθレンズ4とが示されている。ガルバノスキャンミラー2bのミラー面中央を座標原点(0,0,0)として図中矢印で示すようにX、Y、Zの直交3軸を定義すると、HOEの配置位置Hは、(X,Y,Z)=(−l,−k,0)の座標位置にある。この位置HからY軸方向に光学距離kだけ離れた位置にガルバノスキャンミラー2aが配置され、ガルバノスキャンミラー2aからX軸方向に光学距離lだけ離れた位置にガルバノスキャンミラー2bが配置され、ガルバノスキャンミラー2bからZ軸方向に光学距離sだけ離れた位置にfθレンズ4が配置されている。   In FIG. 1, the arrangement position H of the HOE, the first and second galvano scan mirrors 2a and 2b, and the fθ lens 4 are shown. If the three orthogonal axes X, Y, and Z are defined as indicated by arrows in the figure with the mirror surface center of the galvano scan mirror 2b as the coordinate origin (0, 0, 0), the arrangement position H of the HOE is (X, Y , Z) = (− l, −k, 0). A galvano scan mirror 2a is disposed at a position separated from the position H by an optical distance k in the Y-axis direction, and a galvano scan mirror 2b is disposed at a position separated from the galvano scan mirror 2a by an optical distance l in the X-axis direction. The fθ lens 4 is disposed at a position separated from the scan mirror 2b by an optical distance s in the Z-axis direction.

図14にて説明したように、ガルバノスキャンミラー2aは、そのミラー面がガルバノスキャナ3aの駆動軸の回転に伴って変位する。ガルバノスキャナ3aの駆動軸は、Z軸方向に向いている。また、ガルバノスキャンミラー2bは、そのミラー面がガルバノスキャナ3bの駆動軸の回転に伴って変位する。ガルバノスキャナ3bの駆動軸は、Y軸方向に向いている。   As described in FIG. 14, the mirror surface of the galvano scan mirror 2a is displaced with the rotation of the drive shaft of the galvano scanner 3a. The drive shaft of the galvano scanner 3a is oriented in the Z-axis direction. The mirror surface of the galvano scan mirror 2b is displaced with the rotation of the drive shaft of the galvano scanner 3b. The drive shaft of the galvano scanner 3b is oriented in the Y-axis direction.

さて、HOEによる分光パターンは、規則性を有して繰り返されるので、線状のみならず格子状にすることができる。いずれにせよ、HOEによる分光パターンは、丸穴を複数個組み合わせたある形状の加工パターンであり、長手方向を有する。そこで、ここでは、パターン形状を長方形に置き換えて簡略化し、長方形パターンをガルバノスキャンミラー2a,2bにて反射偏向させたのち、fθレンズ4を介して図14に示した直下のスキャンエリア7である画面11上に転写した場合に、その長方形の辺がどのように回転するかを調べた。なお、ここで説明する事項は、HOEをマスクに置き換えて単一の楕円や長方形など丸形状以外の長穴形状を開ける場合にもそのまま適用することができる。   Now, since the spectral pattern by HOE is repeated with regularity, it can be made into a lattice shape as well as a linear shape. In any case, the spectral pattern by HOE is a processing pattern having a certain shape in which a plurality of round holes are combined, and has a longitudinal direction. Therefore, here, the pattern shape is simplified by replacing it with a rectangle, and after the rectangular pattern is reflected and deflected by the galvano scan mirrors 2a and 2b, it is the scan area 7 immediately below shown in FIG. When the image was transferred onto the screen 11, how the side of the rectangle rotated was examined. Note that the items described here can also be applied as they are when a hole shape other than a round shape such as a single ellipse or rectangle is opened by replacing the HOE with a mask.

図1において、位置Hから3本の光線A1,A2,A3を発生させ、それらを最初に受けるガルバノスキャンミラー2a上の位置A{(X,Y,Z)=(−l,0,0)}を含みY軸に垂直な平面(XZ面)上に、図2に詳示するように、1つの辺が2nと2mとなる長方形を描き、その頂点を3本の光線A1,A2,A3が通るようにする。この3本の光線A1,A2,A3は、[数1]のように表せる。   In FIG. 1, three light rays A1, A2, A3 are generated from a position H, and a position A {(X, Y, Z) = (− 1, 0, 0) on the galvano scan mirror 2a that receives them first. } On a plane (XZ plane) perpendicular to the Y-axis, as shown in detail in FIG. 2, a rectangle with one side of 2n and 2m is drawn, and its vertex is set to three rays A1, A2, A3. To pass. These three rays A1, A2 and A3 can be expressed as [Equation 1].

Figure 0004667329
Figure 0004667329

また、図3に示すように、ガルバノスキャンミラー2aのミラー面が、入射・反射の角度が45度である破線で示す状態から入射角度が「45度+η」である実線で示す状態に角度ηだけ傾いたときに、これらの3本の光線A1,A2,A3がガルバノスキャンミラー2a上の点P1,P2,P3にて反射されるとすると、ガルバノスキャンミラー2a上の点P1,P2,P3は、[数2]のように表せる。   Further, as shown in FIG. 3, the mirror surface of the galvano scan mirror 2a is changed from the state shown by the broken line where the angle of incidence / reflection is 45 degrees to the state shown by the solid line where the incident angle is “45 degrees + η”. If these three rays A1, A2, and A3 are reflected at points P1, P2, and P3 on the galvano scan mirror 2a when tilted only by the angle, the points P1, P2, and P3 on the galvano scan mirror 2a are reflected. Can be expressed as [Equation 2].

Figure 0004667329
Figure 0004667329

ガルバノスキャンミラー2aのミラー面は、大きさを限定しないとすれば、α(x+l)+βy=0なる方程式で表せるので、3本の光線A1,A2,A3がガルバノスキャンミラー2aのミラー面で上記のように反射された光線をB1,B2,B3とすれば、この3本の反射光線B1,B2,B3は、[数3]のように表せる。   If the size of the mirror surface of the galvano scan mirror 2a is not limited, it can be expressed by the equation α (x + 1) + βy = 0, so that the three light beams A1, A2, and A3 are the mirror surfaces of the galvano scan mirror 2a. Assuming that the reflected rays are B1, B2, and B3, the three reflected rays B1, B2, and B3 can be expressed as [Equation 3].

Figure 0004667329
Figure 0004667329

次に、座標原点(0,0,0)を含むYZ面をミラー面とするガルバノスキャンミラー2bでは、図4に詳示するように、そのミラー面はY軸を回転中心とし、−X軸側から+Z軸側に向かって回転変位する。図4では、−X軸側から+Z軸側に向かって45度傾いた状態から+Z軸側に向かって更に角度ξだけ変位する場合が示されている。このように振れ角ξを有するガルバノスキャンミラー2bのミラー面は、γ=sinξ−cosξ、δ=cosξ+sinξとしたγ,δを用いて、γx+δy=0なる方程式で表せる。   Next, in the galvano scan mirror 2b having the YZ plane including the coordinate origin (0, 0, 0) as the mirror plane, as shown in detail in FIG. 4, the mirror plane has the Y axis as the rotation center, and the -X axis. From the side to the + Z-axis side. FIG. 4 shows a case where the angle is further displaced by an angle ξ toward the + Z-axis side from a state inclined 45 degrees from the −X-axis side toward the + Z-axis side. Thus, the mirror surface of the galvano scan mirror 2b having the deflection angle ξ can be expressed by the equation γx + δy = 0 using γ and δ where γ = sin ξ−cos ξ and δ = cos ξ + sin ξ.

上記した3本の反射光線B1,B2,B3は、このような振れ角ξを有するガルバノスキャンミラー2bのミラー面における点Q1,Q2,Q3にて反射されるとすると、その点Q1,Q2,Q3は、[数4]のように表せる。   If the above-mentioned three reflected light beams B1, B2, B3 are reflected at points Q1, Q2, Q3 on the mirror surface of the galvano scan mirror 2b having such a deflection angle ξ, the points Q1, Q2, Q3 can be expressed as [Equation 4].

Figure 0004667329
Figure 0004667329

また、反射後の光線をC1,C2,C3とすれば、この3本の反射光線C1,C2,C3は、[数5]のように表せる。   If the reflected light rays are C1, C2, and C3, the three reflected light rays C1, C2, and C3 can be expressed as [Equation 5].

Figure 0004667329
Figure 0004667329

そして、この3本の反射光線C1,C2,C3がfθレンズ4の表面と交わる点をR1,R2,R3とすれば、R1,R2,R3は長方形の頂点となり、この頂点R1,R2,R3は、[数6]のように表せる。   If the points where these three reflected rays C1, C2, C3 intersect the surface of the fθ lens 4 are R1, R2, R3, then R1, R2, R3 become rectangular vertices, and these vertices R1, R2, R3 Can be expressed as [Equation 6].

Figure 0004667329
Figure 0004667329

ここで、図5に示すように、頂点R1と頂点R2とを結ぶ線が垂直方向(Y軸方向)に対してなす角をθ12とし、頂点R2と頂点R3とを結ぶ線が水平方向(X軸方向)に対してなす角をθ23とすれば、角度θ12,θ23は、それぞれHOE分光パターンの回転の程度を表すパラメータである。   Here, as shown in FIG. 5, the angle formed by the line connecting the vertex R1 and the vertex R2 with respect to the vertical direction (Y-axis direction) is θ12, and the line connecting the vertex R2 and the vertex R3 is the horizontal direction (X If the angle formed with respect to the (axial direction) is θ23, the angles θ12 and θ23 are parameters representing the degree of rotation of the HOE spectral pattern.

そこで、この角度θ12,θ23を一方の振れ角ηの変化に対してプロットし、HOE分光パターンの回転角の変化(つまり、図19に示したスキャンエリアの4角部での位置ずれの程度)を調べた結果、図6及び図7に示す特性が得られた。図6は、図2に示すm,nがm>nである場合に振れ角ηと図5に示すように定義した角度θ12,θ23との関係を示す図である。図7は、図2に示すm,nがm<nである場合に振れ角ηと図5に示すように定義した角度θ12,θ23との関係を示す図である。   Therefore, the angles θ12 and θ23 are plotted against the change of one deflection angle η, and the change of the rotation angle of the HOE spectral pattern (that is, the degree of positional deviation at the four corners of the scan area shown in FIG. 19). As a result, the characteristics shown in FIGS. 6 and 7 were obtained. 6 is a diagram showing the relationship between the deflection angle η and the angles θ12 and θ23 defined as shown in FIG. 5 when m and n shown in FIG. 2 are m> n. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the deflection angle η and the angles θ12 and θ23 defined as shown in FIG. 5 when m and n shown in FIG. 2 are m <n.

但し、この計算では、他方の振れ角ξは、式(4)に示す仰角φが45度になるように変化させた。具体的には、tanη=sinξとし、Tanφ=1となるようにした。そして、光学距離l,k,sは、実際の光学系の値を入れ、残りのパラメータm,nは、m>nの例としてm=12,n=6である場合(図6)と、m<nの例としてm=6,n=12である場合(図7)とを採用した。   However, in this calculation, the other deflection angle ξ was changed so that the elevation angle φ shown in Equation (4) was 45 degrees. Specifically, tan η = sin ξ and Tanφ = 1. The optical distances l, k, and s are values of the actual optical system, and the remaining parameters m and n are m = 12, n = 6 as an example of m> n (FIG. 6), As an example of m <n, the case where m = 6 and n = 12 (FIG. 7) was adopted.

この計算結果から、振れ角ηの増加に伴い、角度θ12は、m>nの場合もm<nの場合も大きな増大傾向を示すので、回転角が増大し位置ずれの程度が悪化するが、角度θ23は、僅かな増大傾向を示すのでこれによる回転角の増加は極めて小さい。そして、角度θ23による回転角は、m>nの場合よりもm<nの場合の方が若干増加するが、振れ角ηの増加に対する角度θ12,θ23の全体としての回転角の増加は、計算上小さくなることが判明した。   From this calculation result, as the deflection angle η increases, the angle θ12 shows a large tendency to increase both in the case of m> n and m <n, so that the rotation angle increases and the degree of misalignment deteriorates. Since the angle θ23 shows a slight increase tendency, the increase in the rotation angle due to this is extremely small. The rotation angle due to the angle θ23 is slightly increased when m <n than when m> n, but the increase in the rotation angles of the angles θ12 and θ23 as a whole with respect to the increase of the deflection angle η is calculated. It turned out to be smaller.

そして、図8は、図2に示すm,nの大小関係と図5に示すように定義した角度θ12,θ23による回転角最大値との関係を示す図である。図8に示すように、回転角最大値は、角度θ12による方が角度θ23による方よりも大きな値を示しているが、明らかにnがmよりも大きい場合の方が角度θ12と角度θ23との全体としての回転角最大値は小さくなる。   FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the magnitude relationship between m and n shown in FIG. 2 and the rotation angle maximum value based on the angles θ12 and θ23 defined as shown in FIG. As shown in FIG. 8, the maximum value of the rotation angle is greater for the angle θ12 than for the angle θ23, but obviously when n is greater than m, the angle θ12 and the angle θ23 are greater. As a whole, the maximum rotation angle becomes small.

このことは、HOEが出力するレーザ光を最初に受ける第1のガルバノスキャンミラー2aのミラー面への入射態様として、HOEが出力するHOE分光パターンの長手方向側が、ガルバノスキャンミラー2aの回転軸であるZ軸の方向に向くように、好ましくは平行方向となる入射態様に設定しておけば、ワークへの加工形状の転写時の回転角が低く抑えられる、つまり、スキャンエリアの4角部での位置ずれが小さくなることを意味している。この措置は、HOEとガルバノスキャンミラー2aとの間に光学系が無い場合は、HOE自体の設置態様を定めることで実現でき、光学系が存在する場合は、HOEとその光学系とを含めた全体において上記した入射態様となるようにすることで実現できる。   This is because the longitudinal direction side of the HOE spectral pattern output from the HOE is the rotation axis of the galvano scan mirror 2a as an incident mode to the mirror surface of the first galvano scan mirror 2a that first receives the laser beam output from the HOE. If it is set to an incident mode that is preferably in a parallel direction so as to face a certain Z-axis direction, the rotation angle at the time of transferring the processed shape to the workpiece can be kept low, that is, at the four corners of the scan area. This means that the displacement of the position becomes smaller. This measure can be realized by determining the installation mode of the HOE itself when there is no optical system between the HOE and the galvano scan mirror 2a. If an optical system exists, the HOE and its optical system are included. This can be realized by adopting the above-described incident mode as a whole.

次に、以上のように計算結果から判明した「第1のガルバノスキャンミラー2aのミラー面への入射態様」の妥当性を実機によって具体的に検証したので、その検証内容を、図9〜図12及び表1を参照して説明する。なお、実機(図11,図12)では、HOEと第1のガルバノスキャンミラー2aとの間には、光学系は存在しないとしている。HOEと第1のガルバノスキャンミラー2aとの間に、HOEを透過したレーザ光を、単数若しくは複数のレンズやミラー等の光学素子を透過または反射させた後にガルバノスキャンミラー2bに導くような光学系が存在する場合は、その光学系等で上記した「第1のガルバノスキャンミラー2aのミラー面への入射態様」の措置を講ずればよい。   Next, since the validity of the “incident aspect on the mirror surface of the first galvano scan mirror 2a” found from the calculation results as described above was specifically verified by an actual machine, the verification contents are shown in FIGS. 12 and Table 1 will be described. In the actual machine (FIGS. 11 and 12), it is assumed that there is no optical system between the HOE and the first galvano scan mirror 2a. An optical system between the HOE and the first galvano scan mirror 2a that guides the laser beam that has passed through the HOE to the galvano scan mirror 2b after being transmitted or reflected by one or more optical elements such as lenses and mirrors. Is present, the measure of “incident on the mirror surface of the first galvano scan mirror 2a” may be taken in the optical system or the like.

図9は、スキャンエリアの4角部でのHOE分光パターンを概念的に示す。図9に示すように、HOEを、(1)そのHOE分光パターン14aの長手方向側を第1のガルバノスキャナ3aの駆動軸方向(図9中ではX軸方向)と平行する方向に設定した場合(これを「縦置き」と称している)と、(2)HOE分光パターン14bの長手方向側を第1のガルバノスキャナの駆動軸方向(図9中ではX軸方向)に直交する方向(Y軸方向)と平行する方向に設定した場合(これを「横置き」と称している)とを用意した。   FIG. 9 conceptually shows the HOE spectral pattern at the four corners of the scan area. As shown in FIG. 9, when the HOE is set to (1) a direction in which the longitudinal direction side of the HOE spectral pattern 14a is parallel to the drive axis direction (X-axis direction in FIG. 9) of the first galvano scanner 3a. (This is referred to as “vertical placement”) and (2) a direction (Y) in which the longitudinal direction side of the HOE spectral pattern 14b is orthogonal to the drive axis direction (X-axis direction in FIG. 9) of the first galvano scanner (Axial direction) and a case where it is set in a direction parallel to this (this is referred to as “horizontal placement”) were prepared.

そして、HOEを使用したレーザ加工装置は、図11と図12とに示すように、図14に示した構成において、HOE10を第1のガルバノスキャンミラー2aの入力段に設けた構成である。HOE10は、図示しないレーザ発振器が出力するレーザ光1を図3に示したように分光し、最初のガルバノスキャンミラー2aに与える。図11、図12では図示を省略したが、図14に示したように、第1のガルバノスキャンミラー2aは、第1のガルバノスキャナ3aの駆動軸に接続される。また、第2のガルバノスキャンミラー2bは、第2のガルバノスキャナ3bの駆動軸に接続される。   And the laser processing apparatus using HOE is the structure which provided HOE10 in the input stage of the 1st galvano scan mirror 2a in the structure shown in FIG. 14, as shown in FIG. 11 and FIG. The HOE 10 separates the laser beam 1 output from a laser oscillator (not shown) as shown in FIG. 3 and supplies the spectrum to the first galvano scan mirror 2a. Although not shown in FIGS. 11 and 12, as shown in FIG. 14, the first galvano scan mirror 2a is connected to the drive shaft of the first galvano scanner 3a. The second galvano scan mirror 2b is connected to the drive shaft of the second galvano scanner 3b.

このようなHOEを使用したレーザ加工装置において、HOE10を、図9(1)に示す縦置きにしてレーザ加工を行い(図11)、また図9(2)に示す横置きにしてレーザ加工を行い(図12)、両者間でのスキャンエリア7の4角部での回転角の大きさ(つまり位置ずれ程度)を比較した。   In such a laser processing apparatus using the HOE, the laser processing is performed by placing the HOE 10 in the vertical position shown in FIG. 9 (1) (FIG. 11) and in the horizontal position shown in FIG. 9 (2). This was done (FIG. 12), and the magnitude of the rotation angle at the four corners of the scan area 7 (that is, the degree of positional deviation) was compared.

この場合に、図10に示すように、スキャンエリアの4角部における、(1)図9(1)に示す縦置き時でのHOE分光パターン14aの長手方向側の第1のガルバノスキャナの駆動軸方向(図10中ではX軸方向)からの回転角θ1,θ2と、(2)図9(2)に示す横置き時でのHOE分光パターン14bの長手方向側の第1のガルバノスキャナの駆動軸方向(図10中ではX軸方向)と直交する方向(Y軸方向)からの回転角θ1,θ2とを、スキャンエリアの面積を変えて求めた(表1参照)。   In this case, as shown in FIG. 10, at the four corners of the scan area, (1) driving of the first galvano scanner on the longitudinal direction side of the HOE spectral pattern 14a in the vertical position shown in FIG. The rotation angles θ1 and θ2 from the axial direction (X-axis direction in FIG. 10), and (2) the first galvano scanner on the longitudinal direction side of the HOE spectral pattern 14b in the horizontal position shown in FIG. The rotation angles θ1 and θ2 from the direction (Y-axis direction) orthogonal to the drive axis direction (X-axis direction in FIG. 10) were obtained by changing the area of the scan area (see Table 1).

Figure 0004667329
Figure 0004667329

表1では、スキャンエリアの面積を26mm、33mm、43mm、65mmと大きくした場合の縦置き時と横置き時とにおける回転角θ1,θ2の変化が示されている。表1から理解できるように、スキャンエリアが大きくなると、そのパターン回転角度も大きくなるが、明らかに縦置き時の方が、回転角度が小さく抑えられることが解る。即ち、HOE分光パターンの長手方向側を、第1のガルバノスキャナの駆動軸方向と平行する方向に合わせた方(図11に示す場合)が、駆動軸に垂直な方向と平行する方向に合わせた場合(図12に示す場合)よりも、回転角度が小さく抑えられるという上記した検討結果の正しさが示されている。   Table 1 shows changes in the rotation angles θ1 and θ2 between the vertical placement and the horizontal placement when the area of the scan area is increased to 26 mm, 33 mm, 43 mm, and 65 mm. As can be understood from Table 1, when the scan area is increased, the pattern rotation angle is also increased. However, it can be clearly understood that the rotation angle can be suppressed smaller in the case of vertical placement. That is, the direction in which the longitudinal direction side of the HOE spectral pattern is aligned with the direction parallel to the drive axis direction of the first galvano scanner (in the case shown in FIG. 11) is aligned with the direction parallel to the direction perpendicular to the drive axis. The correctness of the above-described examination result that the rotation angle can be suppressed smaller than the case (the case shown in FIG. 12) is shown.

斯くして、この実施の形態1によれば、HOEを用いて複数穴を同時に加工するレーザ加工装置において、HOE分光パターンの長手方向側を、第1のガルバノスキャナの駆動軸と直交する方向に向けるのではなく、第1のガルバノスキャナの駆動軸方向に向くように、好ましくは平行する方向に合わせるという簡単な措置で、その加工穴の位置精度の向上が図れるようになる。この措置は、HOEの配置位置(光学系が存在する場合はそれを含む)を調整して実現するのが実際的であるが、第1のガルバノスキャナの駆動軸方向を調整することでも実現することができる。   Thus, according to the first embodiment, in the laser processing apparatus that simultaneously processes a plurality of holes using the HOE, the longitudinal direction side of the HOE spectral pattern is set in a direction orthogonal to the drive axis of the first galvano scanner. The position accuracy of the processed hole can be improved by a simple measure that is not oriented but preferably aligned in the direction parallel to the drive axis of the first galvano scanner. This measure is practically realized by adjusting the arrangement position of the HOE (including the optical system, if any), but it can also be realized by adjusting the drive axis direction of the first galvano scanner. be able to.

実施の形態2.
図13は、この発明の実施の形態2によるHOEを用いないレーザ加工装置にて実施されるレーザ加工方法の原理を説明する概念図である。HOEを用いないで単一の穴加工を行うレーザ加工装置は、図13に示すように、図14に示した構成において、マスク15を第1のガルバノスキャンミラー2aの入力段に設け、そのマスク形状を転写加工することが行われる。なお、図13では図示を省略したが、図14に示したように、第1のガルバノスキャンミラー2aは、第1のガルバノスキャナ3aの駆動軸に接続される。また、第2のガルバノスキャンミラー2bは、第2のガルバノスキャナ3bの駆動軸に接続される。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating the principle of a laser processing method performed by a laser processing apparatus that does not use an HOE according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 13, in the laser processing apparatus that performs single hole processing without using the HOE, the mask 15 is provided at the input stage of the first galvano scan mirror 2a in the configuration shown in FIG. The shape is transferred and processed. Although not shown in FIG. 13, as shown in FIG. 14, the first galvano scan mirror 2a is connected to the drive shaft of the first galvano scanner 3a. The second galvano scan mirror 2b is connected to the drive shaft of the second galvano scanner 3b.

この場合に、特に加工穴形状が楕円や長方形等の長手方向と短手方向とを有する形状の場合は、前述したように、スキャンエリアの角部で、傾きが発生し、その転写形状自体に歪みが発生してしまう。   In this case, particularly when the processed hole shape is a shape having a longitudinal direction and a short direction such as an ellipse or a rectangle, as described above, an inclination occurs at the corner of the scan area, and the transferred shape itself Distortion will occur.

したがって、実施の形態1と同様に、マスク15または第1のガルバノスキャナ3aの配置態様として、そのマスク転写形状パターンの長手方向(最大長となる方向)側が第1のガルバノスキャナ3aの駆動軸方向に向くように、好ましくは平行する方向となるように、マスク15または第1のガルバノスキャナ3aを設置すれば、この傾きに起因して長穴パターン16に発生する歪みを最小限に抑えることができる。   Accordingly, in the same manner as in the first embodiment, the mask 15 or the first galvano scanner 3a is arranged in the longitudinal direction (the maximum length direction) side of the mask transfer shape pattern in the drive axis direction of the first galvano scanner 3a. If the mask 15 or the first galvano scanner 3a is installed so as to be in a parallel direction, preferably, the distortion generated in the long hole pattern 16 due to this inclination can be minimized. it can.

なお、マスク15とガルバノスキャンミラー2aとの間には、図13では特別の光学系は存在しないかのように示してあるが、マスク15とガルバノスキャンミラー2aとの間に光学素子を配置しても、第1のガルバノスキャンミラー2aに入射するレーザ光における加工穴形状の長手方向側が、第1のガルバノスキャナの駆動軸方向に向くように、好ましくは平行する方向となるように、マスク15または第1のガルバノスキャナが配置されていれば、同様の歪み低減効果が得られる。   In FIG. 13, there is no special optical system between the mask 15 and the galvano scan mirror 2a. However, an optical element is disposed between the mask 15 and the galvano scan mirror 2a. Even so, the mask 15 is formed so that the longitudinal direction side of the processed hole shape in the laser light incident on the first galvano scan mirror 2a is in a direction parallel to the drive axis direction of the first galvano scanner. Or if the 1st galvano scanner is arrange | positioned, the same distortion reduction effect will be acquired.

斯くして、この実施の形態2によれば、HOEを用いないで単一の長穴加工を行うレーザ加工装置において、マスクのマスク転写形状パターンの長手方向側が第1のガルバノスキャナの駆動軸方向側を向くように、好ましくは平行する方向となるように合わせるという簡単な措置で、楕円や長方形など丸穴形状以外の長穴形状の加工を施す場合に発生する形状の歪みを軽減することができる。   Thus, according to the second embodiment, in the laser processing apparatus that performs a single long hole processing without using the HOE, the longitudinal direction side of the mask transfer shape pattern of the mask is the drive axis direction of the first galvano scanner. It is possible to reduce the distortion of the shape that occurs when processing a long hole shape other than a round hole shape such as an ellipse or a rectangle with a simple measure of aligning in a direction parallel to the side, preferably parallel. it can.

以上の実施の形態1,2での説明から理解できるように、穴あけ加工を施すワークに照射する2次元走査レーザ光をレーザ光軸上に所定の光学距離を置いて配置した2つのガルバノスキャナを用いて生成するレーザ加工においては、複数穴の同時加工あるいは単一の長穴加工を行う場合には、ワークへの照射パターンに長軸および短軸が存在するので、前記2つのガルバノスキャナのうちレーザ光軸上においてレーザ光発生源側に配置される第1のガルバノスキャナが回転駆動するミラー面に入射するレーザ光を、その照射パターンにおける長軸方向側が前記第1のガルバノスキャナの駆動軸の軸線方向側に向くように、好ましくは平行する方向に向くように設定すれば、同時に加工する複数の加工穴の位置精度を向上させることができ、また単一の加工長穴に発生する歪みを低く抑えることができる。   As can be understood from the description in the first and second embodiments, the two galvano scanners in which the two-dimensional scanning laser light to be irradiated to the workpiece to be drilled is arranged at a predetermined optical distance on the laser optical axis. In the laser processing to be generated, when performing the simultaneous processing of a plurality of holes or the processing of a single long hole, the long axis and the short axis exist in the irradiation pattern to the workpiece. The laser beam incident on the mirror surface that is rotationally driven by the first galvano scanner disposed on the laser beam generation source side on the laser beam axis is the long axis direction side of the irradiation pattern of the drive shaft of the first galvano scanner. If it is set so as to face in the axial direction, preferably in the parallel direction, the positional accuracy of a plurality of holes to be machined simultaneously can be improved. It is possible to reduce the distortion generated in a single machining slot.

以上のように、この発明にかかるレーザ加工装置は、HOEを用いて複数穴を同時に加工する場合やHOEを用いないで単一の長穴加工を行う場合に、その加工穴の位置精度の向上や発生歪みの低減を図るのに有用である。   As described above, the laser processing apparatus according to the present invention improves the positional accuracy of a processed hole when a plurality of holes are processed simultaneously using HOE or when a single long hole is processed without using HOE. It is useful for reducing the distortion.

この発明の実施の形態1によるHOEを用いたレーザ加工装置にて実施されるレーザ加工方法の原理を説明する光線追跡図である。It is a ray tracing diagram explaining the principle of the laser processing method implemented with the laser processing apparatus using HOE by Embodiment 1 of this invention. 図1においてHOEの配置位置Hに近い方の第1のガルバノスキャンミラーのミラー面内での光線追跡拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of ray tracing in a mirror plane of a first galvano scan mirror closer to the HOE arrangement position H in FIG. 1. 図2に示す第1のガルバノスキャンミラーのミラー面の法線方向での光線追跡拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of ray tracing in the normal direction of the mirror surface of the first galvano scan mirror shown in FIG. 2. 図1において第1のガルバノスキャンミラーでの反射光を受ける第2のガルバノスキャンミラーのミラー面内での光線追跡拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of ray tracing in a mirror plane of a second galvano scan mirror that receives light reflected by the first galvano scan mirror in FIG. 1. 図1において第2のガルバノスキャンミラーでの反射光を受けるfθレンズの受光面内でのHOE分光パターンの回転角を説明する図である。It is a figure explaining the rotation angle of the HOE spectral pattern in the light-receiving surface of the f (theta) lens which receives the reflected light by the 2nd galvano scan mirror in FIG. 図2に示すm,nがm>nである場合に振れ角ηと図5に示すように定義した角度θ12,θ23との関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a deflection angle η and angles θ12 and θ23 defined as shown in FIG. 5 when m and n shown in FIG. 2 are m> n. 図2に示すm,nがm<nである場合に振れ角ηと図5に示すように定義した角度θ12,θ23との関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a deflection angle η and angles θ12 and θ23 defined as shown in FIG. 5 when m and n shown in FIG. 2 are m <n. 図2に示すm,nの大小関係と図5に示すように定義した角度θ12,θ23による回転角最大値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the magnitude relationship of m and n shown in FIG. 2, and the rotation angle maximum value by angle (theta) 12 and (theta) 23 defined as shown in FIG. スキャンエリアの4角部でのHOE分光パターンを示し、HOE分光パターンの長手方向を第1のガルバノスキャナの駆動軸方向とほぼ平行に設定した縦置き時の概念図と、HOE分光パターンの長手方向を第1のガルバノスキャナの駆動軸方向と直交する方向にほぼ平行に設定した横置き時の概念図である。The HOE spectral pattern at the four corners of the scan area is shown, and the longitudinal direction of the HOE spectral pattern is set substantially parallel to the drive axis direction of the first galvano scanner, and the longitudinal direction of the HOE spectral pattern Is a conceptual diagram at the time of horizontal placement in which is set substantially parallel to a direction orthogonal to the drive axis direction of the first galvano scanner. スキャンエリアの4角部でのHOE分光パターンの回転角をスキャンエリアの面積を変えて求める場合のその回転角と第1のガルバノスキャナの駆動軸方向との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the rotation angle in the case of calculating | requiring the rotation angle of the HOE spectral pattern in the four corners of a scan area by changing the area of a scan area, and the drive axis direction of a 1st galvano scanner. 図9(1)に示す縦置き時の場合に行うレーザ加工の概念図である。It is a conceptual diagram of the laser processing performed in the case of the vertical installation shown to FIG. 9 (1). 図9(2)に示す横置き時の場合に行うレーザ加工の概念図である。It is a conceptual diagram of the laser processing performed in the case of the horizontal installation shown in FIG.9 (2). この発明の実施の形態2によるHOEを用いないレーザ加工装置にて実施されるレーザ加工方法の原理を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the principle of the laser processing method implemented with the laser processing apparatus which does not use HOE by Embodiment 2 of this invention. レーザ加工装置の一般的な構成と動作を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the general structure and operation | movement of a laser processing apparatus. 多軸化したレーザ加工装置の構成例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structural example of the multi-axis laser processing apparatus. 図14に示すレーザ加工装置に適用するHOEによる分光を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the spectroscopy by HOE applied to the laser processing apparatus shown in FIG. 図14に示すレーザ加工装置において2つのガルバノスキャナ及び2つのガルバノスキャンミラーによる2次元走査を説明する光線追跡図である。FIG. 15 is a ray tracing diagram for explaining two-dimensional scanning by two galvano scanners and two galvano scan mirrors in the laser processing apparatus shown in FIG. 14. 図17において光線方向と走査角η,ξ及び仰角φとの関係を示し、光線方向の余弦成分、正弦成分を求める図と、光線方向の余弦成分、正弦成分及び正接成分を求める図である。FIG. 17 shows the relationship between the light beam direction, the scanning angle η, ξ, and the elevation angle φ, and is a diagram for obtaining a cosine component and a sine component in the light beam direction, and a diagram for obtaining a cosine component, a sine component, and a tangent component in the light beam direction. 図17に示す画面上での歪みと仰角φとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the distortion on the screen shown in FIG. 17, and elevation angle (phi). スキャンエリアの角部でのHOE分光パターンの歪み発生を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining generation | occurrence | production of distortion of the HOE spectral pattern in the corner | angular part of a scan area. HOEを用いないで楕円や長方形などの長穴を開ける加工を行う場合におけるスキャンエリアの角部での長穴パターンの歪み発生を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the occurrence of distortion of the long hole pattern at the corner of the scan area when performing processing for opening a long hole such as an ellipse or a rectangle without using the HOE.

符号の説明Explanation of symbols

1 レーザ光
2a ガルバノスキャンミラー(第1のガルバノスキャンミラー)
2b ガルバノスキャンミラー(第2のガルバノスキャンミラー)
3a ガルバノスキャナ(第1のガルバノスキャナ)
3b ガルバノスキャナ(第2のガルバノスキャナ)
4 fθレンズ
5 加工ワーク
6 加工穴
7 スキャンエリア
8 分光器
9a,9b レーザヘッド
10 ホモグラフィック光学素子(HOE)
11 画面
12 HOE分光パターン
13 長穴パターン
14a 縦置き時のHOE分光パターン
14b 縦置き時のHOE分光パターン
15 マスク
16 長穴パターン
η,ξ 振れ角(走査角)
φ 仰角
1 Laser light 2a Galvano scan mirror (first galvano scan mirror)
2b Galvano scan mirror (second galvano scan mirror)
3a Galvano scanner (first galvano scanner)
3b Galvano scanner (second galvano scanner)
4 fθ lens 5 Processing workpiece 6 Processing hole 7 Scan area 8 Spectrometer 9a, 9b Laser head 10 Homographic optical element (HOE)
11 Screen 12 HOE Spectral Pattern 13 Slotted Hole Pattern 14a HOE Spectral Pattern at Vertical Position 14b HOE Spectral Pattern at Vertical Position 15 Mask 16 Slotted Hole Pattern η, ξ Swing Angle (Scanning Angle)
φ Elevation angle

Claims (3)

レーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を2次元走査する一組のガルバノスキャナと、
前記一組のガルバノスキャナにて2次元走査されたレーザ光を被加工物上に集光して照射するfθレンズとを備え、
前記一組のガルバノスキャナのうちレーザ光軸上において前記レーザ発振器側に配置される第1のガルバノスキャナに入射するレーザ光は、その照射パターンに存在する長軸および短軸のうちの長軸方向側が前記第1のガルバノスキャナの駆動軸の軸線方向側に向くように設定されている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
A laser oscillator that emits laser light;
A set of galvano scanners for two-dimensionally scanning the laser light emitted from the laser oscillator;
An fθ lens that condenses and irradiates laser light that is two-dimensionally scanned by the set of galvano scanners on a workpiece;
The laser beam incident on the first galvano scanner disposed on the laser oscillator side on the laser optical axis in the set of galvano scanners is in the major axis direction of the major axis and the minor axis existing in the irradiation pattern. The laser processing apparatus is characterized in that the side is set to face the axial direction side of the drive shaft of the first galvano scanner.
前記第1のガルバノスキャナに入射するレーザ光は、前記レーザ発振器からのレーザ光を複数のレーザ光に分光するレーザ分光手段の出力レーザ光であり、
前記長軸方向側は、前記レーザ分光手段にて分光されたレーザ光の分光パターンにおける長手方向側である
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。
The laser light incident on the first galvano scanner is an output laser light of a laser spectroscopic unit that splits the laser light from the laser oscillator into a plurality of laser lights,
2. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the long axis direction side is a longitudinal direction side in a spectral pattern of laser light spectrally separated by the laser spectroscopic means.
前記第1のガルバノスキャナに入射するレーザ光は、前記レーザ発振器からのレーザ光を所望の断面形状に整形するマスクの出力レーザ光であり、
前記長軸方向側は、前記マスクにて整形されたレーザ光の照射パターンにおける長手方向側である
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。
The laser beam incident on the first galvano scanner is an output laser beam of a mask that shapes the laser beam from the laser oscillator into a desired cross-sectional shape,
The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the major axis direction side is a longitudinal direction side in an irradiation pattern of laser light shaped by the mask.
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