JP4874030B2 - Laser processing head - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光によって金属材料、半導体材料、セラミックスなどの硬質脆性材料等の加工対象物に穴明け、溝入れ、切断等のレーザ加工を行う技術分野に関する。 The present invention relates to a technical field in which laser processing such as drilling, grooving, cutting, and the like is performed on an object to be processed such as a hard brittle material such as a metal material, a semiconductor material, and ceramics with a laser beam.
従来、レーザ加工ヘッドは、円筒状のレンズホルダに集光レンズを設けて、レーザ発振器で発生させたレーザ光を集光し、先端に設けられた先細り状のノズルから集光されたレーザ光を加工対象物に照射し、それと共に当該ノズルからガスを吹き出し、加工副次物の付着を防止しながら、穴明け、溝入れ、切断等のレーザ加工を行なうものである。このようなものとして、例えば特開昭60−27487号公報にその構造が開示されている。
レーザ発振器で発生させた直線偏光を有するレーザ光は、縦と横で異なる光電場の振動強度をもち、強く振動する偏光方向に走査すると加工速度が速く、弱く振動する偏光方向に走査すると加工速度が遅くなる。そのため、溝入れ加工を行ったとき、溝の幅が走査する方向で異なってしまう。その対策として、光路上に1/4波長板を導入し、レーザ光を円偏光へ変換してから加工対象物へ照射することで、縦横均等な溝の幅で加工するという技術が知られている。 Laser light with linearly polarized light generated by a laser oscillator has different vertical and horizontal photoelectric field vibration intensities. The scanning speed is high when scanning in the strongly oscillating polarization direction, and the processing speed when scanning in the weakly oscillating polarization direction. Becomes slower. For this reason, when grooving is performed, the width of the groove differs in the scanning direction. As a countermeasure, a technique is known in which a quarter-wave plate is introduced on the optical path, the laser light is converted into circularly polarized light, and then the object to be processed is irradiated to process with a uniform width of the groove. Yes.
一方、1/4波長板で反射したレーザ光がレーザ発振器まで戻ると(戻り光)、レーザ発振器が損傷を受けるか又は不安定な状態となる。そのため、波長板に無反射コートを施して、レーザ光がレーザ発振器まで戻らないようにすることが考えられる。しかし、無反射コートを施した波長板は一般に耐光強度が低いため、レーザ出力を大きくしたい場合、無反射コートを施していない波長板を使用せざるをえず、戻り光によりレーザ発振器が損傷を受ける等の上記問題が生じる。
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑み、1/4波長板を光路に導入しても、その戻り光によりレーザ発振器が損傷を受けることや不安定になることを低減できるレーザ用加工ヘッドを提供することを目的とする。
On the other hand, when the laser beam reflected by the quarter-wave plate returns to the laser oscillator (return light), the laser oscillator is damaged or becomes unstable. Therefore, it is conceivable to apply a non-reflective coating to the wave plate so that the laser beam does not return to the laser oscillator. However, wave plates with anti-reflection coatings generally have low light resistance, so if you want to increase the laser output, you must use wave plates without anti-reflection coating, and the laser beam is damaged by the return light. The above problems such as receiving are caused.
In view of the problems of the prior art, the present invention provides a laser processing that can reduce damage and instability of a laser oscillator due to return light even if a quarter-wave plate is introduced into the optical path. The object is to provide a head.
上記目的を達成するため、本発明は次の技術的手段を講じた。
すなわち本発明は、レーザ光を加工対象物に照射して所定の加工を施すためのレーザ加工ヘッドであって、発生したレーザ光を直線偏光から円偏光へ変換する1/4波長板と、この1/4波長板により円偏光に変換されたレーザ光を集光する集光レンズと、この集光レンズよりも加工対象物側に配置された保護ガラスと、加工副次物(ドロスと通称される)が加工対象物の表面及び加工面に付着することを防止するためのガス流れを形成するガス噴出手段と、当該レーザ加工ヘッドの先端に設けられ、前記ガスを加工対象物側に排出させる先細り状のノズルと、光軸を回転軸とした前記1/4波長板の回転角度を調整する波長板調整手段とを備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッドである。
In order to achieve the above object, the present invention takes the following technical means.
That is, the present invention is a laser processing head for performing predetermined processing by irradiating an object to be processed with laser light, a quarter wavelength plate for converting generated laser light from linearly polarized light to circularly polarized light, and this A condensing lens that condenses laser light converted to circularly polarized light by a quarter-wave plate, a protective glass disposed closer to the object to be processed than the condensing lens, and a processing by-product (commonly called dross) Is provided at the tip of the laser processing head, and discharges the gas to the processing target side. The gas jetting means forms a gas flow for preventing the gas from adhering to the surface and processing surface of the processing target. A laser processing head comprising: a tapered nozzle; and a wave plate adjusting means for adjusting a rotation angle of the quarter wave plate with an optical axis as a rotation axis .
上記本発明のレーザ加工ヘッドによれば、1/4波長板がレーザ加工ヘッド内に導入されているので、当該1/4波長板を従来よりもレーザ発振器から遠ざけることができ、1/4波長板からの戻り光によりレーザ発振器が損傷を受けることや不安定になることを低減することができる。また、レーザ加工光学装置をコンパクト化することもできる。 According to the laser processing head of the present invention, since the quarter-wave plate is introduced into the laser processing head, the quarter-wave plate can be further away from the laser oscillator than the conventional one, and the quarter wavelength plate It is possible to reduce damage and instability of the laser oscillator due to the return light from the plate. Further, the laser processing optical device can be made compact.
1/4波長板で直線偏光から円偏光へ変換するためにはその回転角度を調整する必要があるため、上記波長板調整手段によりその回転角度の調整が簡単となる。 In order to convert from linearly polarized light to circularly polarized light with the ¼ wavelength plate, it is necessary to adjust the rotation angle. Therefore, the adjustment of the rotation angle is simplified by the wavelength plate adjusting means.
上記本発明において、前記集光レンズが非球面レンズであることが好ましい。
この場合、ドロス、テーパ、チッピング、面ダレ等の少ない良好な加工をすることができる。
In the present invention, the condenser lens is preferably an aspheric lens.
In this case, it is possible to perform good processing with little dross, taper, chipping, sagging, and the like.
上記本発明において、光軸と直交する方向における前記集光レンズの位置を調整する集光レンズ調整手段と、光軸と直交する方向における前記ノズルの位置を調整するノズル調整手段とを備えていることが好ましい。
この場合、集光レンズ及びノズルの位置調整を簡単に行うことができる。
In the present invention, a condenser lens adjusting unit that adjusts a position of the condenser lens in a direction orthogonal to the optical axis and a nozzle adjusting unit that adjusts the position of the nozzle in a direction orthogonal to the optical axis are provided. It is preferable.
In this case, it is possible to easily adjust the positions of the condenser lens and the nozzle.
上記本発明において、前記保護ガラスは、100kPa〜2000kPaの耐圧強度を有するガラスよりなることが好ましい。
この場合、十分なガス圧をレーザ加工ヘッドに供給することができ、加工副次物(ドロス)の付着を効果的に防止することができる。
In the present invention, the protective glass is preferably made of glass having a pressure strength of 100 kPa to 2000 kPa.
In this case, a sufficient gas pressure can be supplied to the laser processing head, and adhesion of processing by-products (dross) can be effectively prevented.
上記の通り、本発明によれば、1/4波長板をレーザ加工ヘッド内に導入したことで、当該1/4波長板がレーザ発振器から遠ざかり、その戻り光によりレーザ発振器が損傷を受けることや不安定になることを低減することができる。 As described above, according to the present invention, by introducing the quarter wavelength plate into the laser processing head, the quarter wavelength plate is moved away from the laser oscillator, and the laser beam is damaged by the return light. Instability can be reduced.
以下、本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明に係るレーザ加工ヘッドを備えるレーザ加工光学系1の一実施形態を示し、図2は、レーザ加工ヘッド2の断面模式図を示している。レーザ加工光学系1は、レーザ光を加工対象物に照射して所定の加工を施すためのものであって、YAGレーザ光を出力するレーザ発振器3と、レーザビーム径を拡大するビームエキスパンダ4と、折り返しミラー5と、レーザ加工ヘッド2とを備えている。このレーザ加工光学系1により、例えばガラス基板50上に置かれた単結晶ダイヤモンド51の溝入れ加工等が行われる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 shows an embodiment of a laser processing optical system 1 including a laser processing head according to the present invention, and FIG. 2 shows a schematic sectional view of the
レーザ加工ヘッド2は、筒状のヘッド本体6と、このヘッド本体に設けられた1/4波長板7と、レーザ光を集光する集光レンズとしての非球面レンズ8と、この非球面レンズ8を支持するレンズホルダ9と、非球面レンズ8よりも先端側に設けられた保護ガラス10と、レーザ加工ヘッド2内の内部空間11にガスを供給するガス噴出手段12と、レーザ加工ヘッド2の先端に設けられたノズル13と、1/4波長板7の回転角度を調整する波長板調整手段14と、非球面レンズ8の位置調整を行うレンズ調整手段15と、ノズルの位置調整を行うノズル調整手段16を備えている。
The
1/4波長板7は、レーザ発振器3で発生させたレーザ光を直線偏光から円偏光へ変換する複屈折光学素子である。波長板調整手段14は、ヘッド本体6に設けられた調整盤14kと、この調整盤14kの外周に固定された取手14tよりなり、当該取手14tを回すことにより、光軸を回転軸とした1/4波長板7の回転角度を調整することができる。ヘッド本体6の先端側には筒状のレンズホルダ9が取り付けられており、このレンズホルダ9内に、上記非球面レンズ8の外周に固定された固定リング17が組み込まれている。
The quarter-
レンズ調整手段15は、レンズホルダ9内に設けられ固定リング17の外周に内側面を当接させた図示しないくの字状金属バネ板と、非球面レンズ8の位置を二方向から調整すべくレンズホルダ9にねじ込まれ当該固定リング17の外周に先端を当接させた二つのネジ15nよりなるものである。そして、これら二つのネジ15nのねじ込み度合いを変えることで光軸と直交する方向における非球面レンズ8の位置を変えることができる。これにより、レーザ光に対する非球面レンズ8の位置を簡単に調整することができる。
The lens adjusting means 15 is provided in the
また、保護ガラス10は、100kPa〜2000kPaの耐圧強度を有するガラスよりなるものであり、レンズホルダ9内の先端側に固定されている。この保護ガラス10により、非球面レンズ8がガス圧の影響を受けず、かつ加工中に加工対象物から飛散されるスパッタの非球面レンズ8への付着が効果的に防止されている。なお、耐圧強度の下限である上記100kPaという値は、必要なガス圧に対してガラスが充分に耐えられるように安全性を見込んだ値である。
The
ノズル13は、円板状のノズル座部13zと、このノズル座部13zを介してレンズホルダ9に取り付けられた先細り状のノズル本体13hとよりなるものであって、内部空間11に供給されたガスを加工焦点近傍に排出させる。ノズル調整手段16は、ノズル座部13zの外周に設けられた調整座部16cと、この調整座部16cに四方からねじ込まれた四つの調整ネジ16nよりなる。これら調整ネジ16nのねじ込み度合いを変えることで、光軸と直交する方向におけるノズル本体13hの位置を簡単に変えることができる。ガス噴出手段12は、図示しないガス貯留部と、レンズホルダ9の先端側に設けられ内部空間11に連通するガス流通部12gよりなるものである。ガス流通部12より供給された加圧ガスは、内部空間11を流れてノズル本体13hの先端の開口から高速で噴出される。これにより、保護ガラス10等への加工副次物の付着が防止される。
The
上記のレーザ加工光学系1で単結晶ダイヤモンド51に溝入れ加工を行う場合、レーザ発振器3で発生させたレーザビーム径をビームエキスパンダ4で拡大し、このレーザ光を折り返しミラー5で角度を変えて、レーザ加工ヘッド2に入射させる。そして、レーザ加工ヘッド2に導入された1/4波長板7でレーザ光を直線偏光から円偏光に変換し、円偏光を有するレーザ光で単結晶ダイヤモンド51を走査し溝入れ加工を行う。
When grooving the
上記実施形態のレーザ加工ヘッド2によれば、1/4波長板7が加工ヘッド2内に導入されているので、1/4波長板7を従来よりもレーザ発振器3から遠ざけることができ、1/4波長板7からの戻り光によりレーザ発振器3が損傷を受けることや不安定になることを低減することができる。また、レーザ加工光学系1をコンパクト化することもできる。また、1/4波長板7で直線偏光から円偏光へ変換するためにはその回転角度を調整する必要があるが、波長板調整手段14によりその調整が簡単となっている。
According to the
また、集光レンズが非球面レンズ8とされているため、ドロス、テーパ、チッピング、面ダレ等の少ない良好な加工をすることができる。また、保護ガラス10が、100kPa〜2000kPaの耐圧強度を有しているので、十分なガス圧をレーザ加工ヘッド2に供給することができ、加工副次物(ドロス)の付着を効果的に防止することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、1/4波長板の形状は限定されず、波長板調整手段、レンズ調整手段、ノズル調整手段は他の形態のものを採用してもよい。
Further, since the condensing lens is the
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, The shape of a quarter wave plate is not limited, A wave plate adjustment means, a lens adjustment means, and a nozzle adjustment means may employ | adopt the thing of another form. Good.
1 レーザ加工光学系
2 レーザ加工ヘッド
3 レーザ発振器
6 ヘッド本体
7 波長板
8 集光レンズ
10 保護ガラス
12 ガス噴出手段
13 ノズル
14 波長板調整手段
15 レンズ調整手段
16 ノズル調整手段
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