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JP4453112B2 - Laser processing method - Google Patents

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JP4453112B2
JP4453112B2 JP27176098A JP27176098A JP4453112B2 JP 4453112 B2 JP4453112 B2 JP 4453112B2 JP 27176098 A JP27176098 A JP 27176098A JP 27176098 A JP27176098 A JP 27176098A JP 4453112 B2 JP4453112 B2 JP 4453112B2
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Japan
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laser
laser beam
shaping unit
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laser processing
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彦治 青木
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一対のフライアイレンズへ、レーザビームを整形して導入するビーム整形部を備えたレーザ加工装置を用いるレーザ加工方法に関するもので、詳しくは例えばインクジェットプリンタのインク噴射用ノズル孔等、複数の孔加工を行う際に、一対のフライアイレンズを通過するレーザビームの干渉を最小限に抑えられるレーザ加工方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
上記したインク噴射用ノズル孔を加工するための従来の一般的なレーザ加工装置は、図1に示すようにレーザビーム発振器1と、レーザビームAを整形するビーム整形部5と、レーザビームAを拡大するためのビームエクスパンダー7と、ビーム平坦化光学系(ホモジナイザー)としての一対のフライアイレンズ8,8とを備え、これらのフライアイレンズ8,8にてレーザビームAを多数の細長状ビームに分散させコンデンサレンズ9により集光することによりビーム強度の均一化および光出力の制御を行わせている。また、コンデンサレンズ9下流側に配置されるマスク11には、被加工物Bへのレーザ加工形状すなわち複数のノズル孔が列状に並んだ孔パターン(図示せず)が設けられており、コンデンサレンズ9により集光した細長・長方形断面のレーザビームAを、マスク11の所定位置(孔パターン位置)に集光させる。
【0003】
こうしてマスク11を透過したレーザビームAは、投影光学手段としての結像レンズ12にて所定の倍率(例えば1/4倍や1/5倍)でポリイミドなどのポリマーからなる被加工物B上に結像され、マスク11の孔パターンに対応した複数のノズル孔(図示せず)が被加工物B上に穿設される。ここで、被加工物Bを載置するX−Yテーブル5によって被加工物BをX方向又はY方向に所定寸法移動させた状態で、レーザビーム発振器1により再度レーザビームAを出力して照射することにより、ノズル孔群が一定のピッチをあけて穿設される。なお、図中の符号2、3、4は全反射ミラーである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のレーザ加工装置には、次のような点で改良すべき余地がある。すなわち、図6に示すように、例えば、インクジェットプリンタのノズルプレート(被加工物)Bにインク噴射用の複数のノズル孔Cをレーザ加工する場合に、各ノズル孔Cは、インクの入る側から出る側へ向けて漸次口径が縮小される円錐台状に形成されるが、このノズル孔Cの出射側形状Coが歪んで真円にならないという現象が生じる。この現象は、被加工物B上の複数個のノズル孔Cにおいて規則的に生じている。いいかえれば、マスク11(図1)の孔パターンを透過させて被加工物Bに、複数のノズル孔Cを同時にレーザ加工する場合に、ノズル孔Cの位置によって出射側形状Coが周期的に歪んだり、歪まなかったりする。これは、一対のフライアイレンズ8,8でレーザビームAが干渉し、また干渉する位置が周期的に変化することによって、レーザビームAの干渉が加工時に歪みを生じさせると考えられる。つまり被加工物Bの表と裏とで、被加工物Bの厚み(本例では100μm)相当分の距離があるために、被加工物Bに対するレーザビームの入射側の位置では、レーザビームAの焦点深度内に収まって光の干渉による影響が生じにくいが、焦点深度から外れた出射側では集光特性が変わるために、光の干渉による影響が大きくなり、出射側形状Coが歪む。
【0005】
この発明は上述の点に鑑みなされたもので、上記の一対のフライアイレンズでのレーザビームの干渉を最小限に抑えて、歪みのほとんどない高精度のレーザ加工を可能にするレーザ加工方法を提供しようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するためにこの発明に係るレーザ加工方法は、レーザ発振器から出力された断面がほぼ長方形のレーザビームを、シリンドリカル凹レンズとシリンドリカル凸レンズとを含むビーム整形部で整形して一対のフライアイレンズへ導入し、同時に加工する複数の孔に対応したパターンを有するマスクを通して被加工物へ照射するレーザ加工装置を用いるレーザ加工方法であって、前記ビーム整形部を回転して前記両シリンドリカルレンズのシリンドリカル面を形成する円柱の中心軸方向を、前記レーザ発振器から出力されたレーザビームのほぼ長方形断面の長手方向に対して光軸のまわりにおいて傾斜させることによって、傾斜させない場合に比べて前記一対のフライアイレンズでのレーザビームの干渉を抑える角度にする工程と、前記干渉が抑えられたレーザビームを使用して前記複数の孔を加工する工程とを有することを特徴とする。
【0007】
上記の構成を有する請求項1のレーザ加工方法によれば、ビーム整形部を回転して両シリンドリカルレンズのシリンドリカル面を形成する円柱の中心軸方向を、前記レーザ発振器から出力されたレーザビームのほぼ矩形の長手方向に対して光軸のまわりにおいて傾斜させることによって、傾斜させない場合に比べて一対のフライアイレンズをレーザビームが通過するときに生じる光の干渉が低減され、同時に加工する複数の孔の加工精度を向上させることができる。
【0008】
請求項2に記載のように、前記レーザビームは、エキシマレーザビームであるのが望ましい。エキシマレーザは、レーザ発振器から出射されるレーザビームの断面形状がほぼ長方形であり、上記請求項1の構成に好適に実施することができる。
【0009】
請求項3に記載のように、前記ビーム整形部は、レーザビームの断面をほぼ長方形からほぼ菱形に変更する光学系であるのが望ましい。レーザ発振器から出射される断面形状ほぼ長方形のレーザビームが、ビーム整形部でほぼ菱形に整形されたのち、一対のフライアイレンズを通過する際に多数の細長状ビームに分散されてビーム強度の均一化が有効に図られる。
【0010】
【0011】
【0012】
請求項4に記載のように、前記ビーム整形部に、該ビーム整形部を光軸のまわりに回転させる回転手段が設けられることが望ましい。これによれば、干渉の大きさに応じて、ビーム整形部を回転させることで、エネルギーロスが少なくかつ干渉が少ない範囲を選択して、効率のよいレーザ加工をすることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るレーザ加工装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0014】
図1は本発明が適用されるレーザ加工装置を示す全体概略図、図2は図1の加工装置におけるビーム整形部を拡大して示す斜視図である。図3は図2のビーム整形部を下流側から見た概略正面図であり、図4は図2のビーム整形部の傾斜角θと、被加工物上の出射側におけるレーザビームのエネルギー密度および被加工物(出射側)の位置との関係を示す線図(グラフ)、図5は図2のビーム整形部の傾斜角θごとの被加工物上の出射側に加工されたノズル孔の形状との関係を示す図、図6は被加工物に対し同図の下方からレーザビームを当ててノズル孔を加工した斜視図である。
【0015】
図1に示すように、本実施例のレーザ加工装置20では、レーザ発振器1から出力(射出)された、例えば248nmの波長を有するエキシマレーザビーム(KrFレーザビーム)Aは、3つの45°傾斜させて配置した全反射ミラー2、3、4を経由してそれぞれ直角方向に屈折され、被加工物Bを支持する加工テーブル5へ至る。レーザ発振器1と第1ミラー2との間には、レーザビームAの長方形断面形状を所定形状に整形するビーム整形部6が配置されている。
【0016】
レーザビームAは第1ミラー2で直角方向に屈折され、図の上方に直進する。第1ミラー2と第2ミラー3との間には、レーザビームAを拡大するためのビームエキスパンダ(Beam Expander)7が配置され、このビームエキスパンダ7は本例では一対の凸レンズから構成されている。第2ミラー3の下流側に、ホモジナイザーとしての一対のフライアイレンズ(Fly-eye-Lenz)8,8が対峙するように配置されている。第2ミラー3で直角方向に屈折され、水平方向に図の右側へ直進するレーザビームAは、それらのフライアイレンズ8,8にてビームを多数の細長状ビームに分散させ、集光光学手段としてのコンデンサレンズ9により多数の細長状ビームを集光することにより、ビーム強度の均一化および出力の制御が図られる。
【0017】
コンデンサレンズ9の下流側には、マスク11が配置され、集光されたレーザビームAはマスク11の所定位置(孔パターン位置)に集光される。
【0018】
マスク11には、被加工物Bに対しレーザ加工する形状すなわち複数のノズル孔に対応した孔パターンが設けられており、マスク11はマスクホルダー(図示せず)に保持されている。マスク11の孔パターンを透過したレーザビームAは、第3ミラー4によって直角方向に屈折され、図の下方に直進する。この第3ミラー4の下流側において、被加工物Bが水平方向に移動自在な加工テーブル5上に載置されている。なお、被加工物B上でレーザビームが合焦するように、加工テーブル5は垂直方向にも昇降自在である。さらに、第3ミラー4と加工テーブル13の間には、結像レンズ(投影レンズともいう)12が配置されている。この結像レンズ12は、マスク11の孔パターンを透過したレーザビームA(の像)が所定の倍率(本例では1/5倍)に縮小して被加工物B上に結像され、マスク11の孔パターンに対応してレーザ加工が施される。被加工物Bには本例では高分子材料であるポリイミドシート(厚さ100μm)が使用されており、レーザビームAにより複数のノズル孔(口径30μm)が列状に同時に形成される。
【0019】
一箇所において一群のノズル孔が形成されたのち、加工テーブル5を水平に移動して被加工物B上の次の加工領域を、結像レンズ12の直下に対向させ、レーザビームAを出力することで、順次多数の群のノズル孔を形成することができる。
【0020】
図2に示すように、ビーム整形部6には、入射側よりシリンドリカル凹レンズ21と、シリンドリカル凸レンズ22とが光軸方向に配置されている。従来の一般的なレーザ加工装置では、両シリンドリカルレンズ21,22は、それぞれそのシリンドリカル面を形成する円柱の中心軸方向を、レーザビームの断面形状の長方形(本例では8mm×24mm)における長手方向と平行に置いている。後述するように、本実施の形態では、シリンドリカル面を形成する円柱の中心軸方向を、わずか傾斜させて使用する。
【0021】
本実施の形態では、両シリンドリカルレンズ21,22は、回転手段23によりレーザビームAの光軸A’を中心にそのまわりに回転可能に構成されている。すなわち、ビーム整形部6は大径のギヤ24に一体回転可能に取り付けられており、大径ギヤ24にはモータ26によって回転される小径の駆動ギヤ25が噛合されておいる。なお、モータ26には、正逆回転するステップモータが使用されているが、ビーム整形部6を任意の位置で停止し保持できる装置であれば、例えば手動式の回転手段であってもよい。また、本例では、符号24〜26の部材が回転手段23を構成する。
【0022】
図2において、両シリンドリカルレンズ21,22のシリンドリカル面を形成する円柱の中心軸方向を、従来と同様にレーザビームの長方形断面の長手方向と平行に置いた場合、レーザ発振器1(図1)から出射されたレーザビームAは、シリンドリカル凹レンズ21によって、長方形断面の短手方向が拡大され、シリンドリカル凸レンズ22によって、拡大された光路が平行化され、レーザビームAは正方形に整形される。そして、一対のフライアイレンズ8,8に入射される。この場合、同時に加工される複数のノズル孔のうち被加工物B上の位置によっては図5(a)のようにノズル孔Cの出射側形状Coが歪んで形成される。これは、一対のフライアイレンズ8,8でのレーザビームの干渉により、レーザビームAの照射される位置によってエネルギー密度が、図4(a)に示すように周期的に大きく変化するからである。
【0023】
被加工物Bの表と裏とで、被加工物Bの厚み(本例では100μm)相当分の距離があるため、被加工物Bに対するレーザービームの入射側の表面では、レーザビームAの焦点深度内に収まって干渉による影響が生じにくく、ノズル孔Cの入射側形状Ciは、歪んでおらず円形である。しかし、レーザビームAの焦点深度の範囲外になる被加工物Bの裏面では、上記のように一対のフライアイレンズ8,8による干渉による影響が現れ、ノズル孔Cの出射側形状Coが歪む。
【0024】
これに対し、本例のレーザ加工装置20によれば、ビーム整形部6を回転し、シリンドリカル面の軸方向をレーザビームの長方形断面の長手方向に対して傾斜させることにより、ビーム整形部6から出射されるレーザビームAは、図2に二点鎖線で示すように菱形になる。ビーム整形部6の傾斜角θがたとえば5°になると、一対のフライアイレンズ8,8でのレーザビームの干渉による影響が少なくなって、図4(b)に示すように、被加工物Bに対するレーザビームの出射側において位置の違いによるエネルギー密度の変化が小さくなり、図5(b)のようにノズル孔Cの出射側形状Coの歪みが低減する。さらに、傾斜角θが10°になると、図4(c)に示すように、エネルギー密度の変化がほとんどなくなり、ノズル孔Cの出射側形状Coが、図5(c)のように、ほぼ真円になるとともに、複数のノズル孔がほぼ均一に形成される。
【0025】
ところで、本例の場合、傾斜角θが10°前後でレーザビームAの干渉が最小限近くまで低減され、各位置のノズル孔Cの出射側形状Coが図5(c)のようにほぼ真円になったが、傾斜角θが10°を超えた場合にもレーザビームAの干渉は低減される。しかし、フライアイレンズ8にレーザビームAが入射する際に、その断面形状が上記したとおりほぼ菱形に変形しており、フライアイレンズ8に入射する際に削除される部分が生じてエネルギーロスになることがある。本例の実験では、傾斜角θは、10°前後で好適な結果を得ることができた。なお、この傾斜角θは、フライアイレンズにおけるレーザビームAの干渉の程度と、エネルギー効率とによって決定されればよい。
【0026】
以上に、本発明のレーザ加工装置20の、とくにビーム整形部6の一実施の形態を示したが、本発明は下記のように実施することができる。
【0027】
(1) ビーム整形部6は凹レンズと凸レンズの組み合わせのほか、他の任意数のレンズの組み合わせもある。
【0028】
(2) ビーム整形部6は任意に回転できるものでなく、所望の角度で固定したものであってもよい。
【0029】
(3) 結像レンズ12を省いて、マスク11を被加工物B上に直接に固定するコンタクトマスク方式においても、同様に実施できる。
【0030】
(4) インクジェットプリンタのノズル孔の加工のほか、例えば被加工物Bをセラミックス等他の材料に変えたり、溝加工などにも応用することができる。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明に係るレーザ加工方法には、次のような優れた効果がある。
【0032】
(1) 請求項1の発明では、簡単な構成の追加によってフライアイレンズでのレーザビームの干渉を最小限に抑えて、複数の孔に歪みがほとんどなく、同時に加工する複数の孔全体にわたり高精度のレーザ加工ができる。例えば複数のインク噴射用ノズル孔の加工にあっては出射側形状を真円に近く加工でき、かつ複数のノズル孔をほぼ均一に加工できる。
【0033】
(2) 請求項2記載の発明では、エキシマレーザであるから、レーザ発振器から出射されるレーザビームの断面形状がほぼ長方形で、上記請求項1の構成に好適に実施することができる。
【0034】
(3) 請求項3記載の発明では、ビーム整形部がレーザビームの断面をほぼ長方形からほぼ菱形に変更する光学系であるから、レーザ発振器から出射される断面形状ほぼ長方形のレーザビームが、ビーム整形部でほぼ菱形に整形されたのち、一対のフライアイレンズを通過する際に多数の細長状ビームに分散されてビーム強度の均一化が有効に図られる。
【0035】
【0036】
(4) 請求項4記載の発明では、ビーム整形部が光軸のまわりに回転されることにより、エネルギーロスが少なくかつ干渉が少ない範囲を選択して、効率のよいレーザ加工をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明が適用されるビーム整形部を備えたレーザ加工装置を示す全体概略図である。
【図2】 図1の加工装置におけるビーム整形部の本発明の一実施の形態を拡大して示す斜視図である。
【図3】 図2のビーム整形部を下流側から見た概略正面図である。
【図4】 図2のビーム整形部の傾斜角θと、被加工物上の出射側におけるレーザビームのエネルギー密度および被加工物(出射側)の位置との関係を示す線図(グラフ)である。
【図5】 図2のビーム整形部の傾斜角θと、被加工物上の出射側に加工されたノズル孔の形状との関係を示す図である。
【図6】 被加工物に対し同図の下方からレーザビームを当ててノズル孔を加工した被加工物の斜視図である。
【符号の説明】
1 レーザ発振器
2,3,4 全反射ミラー
5 加工テーブル
6 レーザ整形部
7 ビームエキスパンダ
8 フライアイレンズ(ホモジナイザー)
9 コンデンサレンズ
11 マスク
12 結像レンズ
20 レーザ加工装置
21 シリンドリカル凹レンズ
22 シリンドリカル凸レンズ
23 回転手段
24 大径ギヤ
25 小径ギヤ
26 モータ
A レーザビーム
B 被加工物
C ノズル孔
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing method using a laser processing apparatus including a beam shaping unit that shapes and introduces a laser beam into a pair of fly-eye lenses, and more specifically, for example, an ink ejection nozzle hole of an ink jet printer, etc. The present invention relates to a laser processing method capable of minimizing interference of a laser beam passing through a pair of fly-eye lenses when performing a plurality of holes.
[0002]
[Prior art]
A conventional general laser processing apparatus for processing the above-described nozzle holes for ink ejection includes a laser beam oscillator 1, a beam shaping unit 5 for shaping the laser beam A, and a laser beam A as shown in FIG. A beam expander 7 for enlarging and a pair of fly eye lenses 8 and 8 as a beam flattening optical system (homogenizer) are provided. The beam is dispersed and condensed by the condenser lens 9 to make the beam intensity uniform and control the light output. Further, the mask 11 disposed on the downstream side of the condenser lens 9 is provided with a laser processing shape to the workpiece B, that is, a hole pattern (not shown) in which a plurality of nozzle holes are arranged in a line. The long and rectangular laser beam A condensed by the lens 9 is condensed at a predetermined position (hole pattern position) of the mask 11.
[0003]
The laser beam A transmitted through the mask 11 in this manner is applied onto the workpiece B made of a polymer such as polyimide at a predetermined magnification (for example, 1/4 times or 1/5 times) by an imaging lens 12 as projection optical means. A plurality of nozzle holes (not shown) that are imaged and correspond to the hole pattern of the mask 11 are formed on the workpiece B. Here, with the XY table 5 on which the workpiece B is placed, the workpiece B is moved by a predetermined dimension in the X direction or the Y direction, the laser beam A is output again by the laser beam oscillator 1 and irradiated. By doing so, the nozzle hole group is formed with a certain pitch. Reference numerals 2, 3, and 4 in the figure denote total reflection mirrors.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional laser processing apparatus has room for improvement in the following points. That is, as shown in FIG. 6, for example, when a plurality of nozzle holes C for ink ejection are laser processed in a nozzle plate (workpiece) B of an ink jet printer, each nozzle hole C is formed from the ink entering side. Although it is formed in a truncated cone shape whose diameter is gradually reduced toward the exit side, the phenomenon that the exit side shape Co of the nozzle hole C is distorted and does not become a perfect circle occurs. This phenomenon occurs regularly in the plurality of nozzle holes C on the workpiece B. In other words, when the plurality of nozzle holes C are simultaneously laser processed on the workpiece B through the hole pattern of the mask 11 (FIG. 1), the emission side shape Co is periodically distorted depending on the positions of the nozzle holes C. Or distorted. This is considered that the laser beam A interferes with the pair of fly-eye lenses 8 and 8 and the position of the interference periodically changes, so that the interference of the laser beam A causes distortion during processing. That is, since there is a distance corresponding to the thickness of the workpiece B (100 μm in this example) between the front and back of the workpiece B, the laser beam A at the position on the incident side of the laser beam with respect to the workpiece B However, since the condensing characteristics change on the exit side outside the depth of focus, the influence due to the light interference increases, and the exit side shape Co is distorted.
[0005]
The present invention has been made in view of the above points, and provides a laser processing method that enables high-precision laser processing with almost no distortion while minimizing laser beam interference between the pair of fly-eye lenses. It is something to be offered.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a laser processing method according to the present invention is configured to shape a pair of fly beams by shaping a laser beam having a substantially rectangular cross section output from a laser oscillator by a beam shaping unit including a cylindrical concave lens and a cylindrical convex lens. A laser processing method using a laser processing apparatus that irradiates a workpiece through a mask having a pattern corresponding to a plurality of holes that are introduced into an eye lens and processed at the same time, wherein the cylindrical lenses are rotated by rotating the beam shaping unit. wherein the central axis of the cylinder forming the cylindrical surface, by Rukoto tilted around the optical axis with respect to the longitudinal direction of the substantially rectangular cross-section of a laser beam outputted from said laser oscillator, as compared with the case where not inclined The step of setting the angle to suppress the interference of the laser beam between the pair of fly-eye lenses Characterized by a step of processing the plurality of holes by using a laser beam the interference is suppressed.
[0007]
According to the laser processing method of claim 1 having the above-described configuration, the direction of the center axis of the cylinder that forms the cylindrical surfaces of the two cylindrical lenses by rotating the beam shaping unit is substantially the same as that of the laser beam output from the laser oscillator. By tilting around the optical axis with respect to the longitudinal direction of the rectangle, the interference of light that occurs when the laser beam passes through a pair of fly-eye lenses is reduced compared to the case of not tilting, and a plurality of holes to be processed simultaneously The machining accuracy can be improved.
[0008]
Preferably, the laser beam is an excimer laser beam. The excimer laser has a substantially rectangular cross section of the laser beam emitted from the laser oscillator, and can be suitably implemented in the configuration of claim 1.
[0009]
Preferably, the beam shaping unit is an optical system that changes the cross section of the laser beam from a substantially rectangular shape to a substantially diamond shape. A laser beam with a substantially rectangular cross-section emitted from the laser oscillator is shaped into a roughly diamond shape at the beam shaping section, and then dispersed into a number of elongated beams when passing through a pair of fly-eye lenses, resulting in uniform beam intensity Is effectively achieved.
[0010]
[0011]
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, the beam shaping unit is preferably provided with a rotating means for rotating the beam shaping unit around the optical axis. According to this, by rotating the beam shaping unit in accordance with the magnitude of interference, it is possible to perform efficient laser processing by selecting a range with less energy loss and less interference.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a laser processing apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 is an overall schematic view showing a laser processing apparatus to which the present invention is applied, and FIG. 2 is an enlarged perspective view showing a beam shaping unit in the processing apparatus of FIG. 3 is a schematic front view of the beam shaping unit of FIG. 2 as viewed from the downstream side, and FIG. 4 is an inclination angle θ of the beam shaping unit of FIG. 2 and the energy density of the laser beam on the emission side on the workpiece. FIG. 5 is a diagram (graph) showing the relationship with the position of the workpiece (outgoing side), and FIG. 5 shows the shape of the nozzle hole processed on the outgoing side on the workpiece for each inclination angle θ of the beam shaping section in FIG. FIG. 6 is a perspective view in which a nozzle hole is machined by applying a laser beam to the workpiece from below in the figure.
[0015]
As shown in FIG. 1, in the laser processing apparatus 20 of the present embodiment, an excimer laser beam (KrF laser beam) A having a wavelength of, for example, 248 nm output (emitted) from the laser oscillator 1 is inclined at 45 °. Then, the light is refracted in a right angle direction through the total reflection mirrors 2, 3, and 4, and reaches the processing table 5 that supports the workpiece B. Between the laser oscillator 1 and the first mirror 2, a beam shaping unit 6 for shaping the rectangular cross-sectional shape of the laser beam A into a predetermined shape is disposed.
[0016]
The laser beam A is refracted in the direction perpendicular to the first mirror 2 and goes straight upward in the figure. A beam expander (Beam Expander) 7 for expanding the laser beam A is disposed between the first mirror 2 and the second mirror 3, and this beam expander 7 is composed of a pair of convex lenses in this example. ing. A pair of fly-eye lenses (Fly-eye-Lenz) 8 and 8 as homogenizers are arranged on the downstream side of the second mirror 3 so as to face each other. The laser beam A refracted in the right angle direction by the second mirror 3 and traveling straight to the right in the figure in the horizontal direction is dispersed by the fly-eye lenses 8 and 8 into a number of elongated beams, and the condensing optical means. By condensing a large number of elongated beams by the condenser lens 9 as described above, the beam intensity can be made uniform and the output can be controlled.
[0017]
A mask 11 is disposed on the downstream side of the condenser lens 9, and the condensed laser beam A is condensed at a predetermined position (hole pattern position) of the mask 11.
[0018]
The mask 11 is provided with a shape for laser processing on the workpiece B, that is, a hole pattern corresponding to a plurality of nozzle holes, and the mask 11 is held by a mask holder (not shown). The laser beam A that has passed through the hole pattern of the mask 11 is refracted in the right-angle direction by the third mirror 4 and goes straight downward in the figure. On the downstream side of the third mirror 4, the workpiece B is placed on a processing table 5 that is movable in the horizontal direction. The processing table 5 can also be raised and lowered in the vertical direction so that the laser beam is focused on the workpiece B. Further, an imaging lens (also referred to as a projection lens) 12 is disposed between the third mirror 4 and the processing table 13. In this imaging lens 12, the laser beam A (image thereof) that has passed through the hole pattern of the mask 11 is reduced to a predetermined magnification (in this example, 1/5 times), and is imaged on the workpiece B. Laser processing is performed corresponding to the 11 hole patterns. In this example, a polyimide sheet (thickness: 100 μm), which is a polymer material, is used for the workpiece B, and a plurality of nozzle holes (diameter: 30 μm) are simultaneously formed in a row by the laser beam A.
[0019]
After a group of nozzle holes is formed at one location, the processing table 5 is moved horizontally so that the next processing area on the workpiece B faces directly below the imaging lens 12 and the laser beam A is output. Thus, a large number of nozzle holes can be formed sequentially.
[0020]
As shown in FIG. 2, in the beam shaping unit 6, a cylindrical concave lens 21 and a cylindrical convex lens 22 are arranged in the optical axis direction from the incident side. In a conventional general laser processing apparatus, the cylindrical lenses 21 and 22 each have a central axis direction of a cylinder forming the cylindrical surface in the longitudinal direction in a rectangle (8 mm × 24 mm in this example) having a cross-sectional shape of the laser beam. And put it in parallel. As will be described later, in the present embodiment, the central axis direction of the cylinder forming the cylindrical surface is used with a slight inclination.
[0021]
In the present embodiment, the cylindrical lenses 21 and 22 are configured to be rotatable around the optical axis A ′ of the laser beam A by the rotating means 23. That is, the beam shaping unit 6 is attached to a large-diameter gear 24 so as to be integrally rotatable, and the large-diameter gear 24 is engaged with a small-diameter drive gear 25 that is rotated by a motor 26. The motor 26 uses a stepping motor that rotates in the forward and reverse directions, but may be a manual rotating means as long as the apparatus can stop and hold the beam shaping unit 6 at an arbitrary position. In this example, members 24 to 26 constitute the rotating means 23.
[0022]
In FIG. 2, when the central axis direction of the cylinders forming the cylindrical surfaces of the cylindrical lenses 21 and 22 is placed parallel to the longitudinal direction of the rectangular cross section of the laser beam as in the conventional case, the laser oscillator 1 (FIG. 1) The emitted laser beam A is enlarged in the short direction of the rectangular cross section by the cylindrical concave lens 21, and the enlarged optical path is made parallel by the cylindrical convex lens 22, and the laser beam A is shaped into a square. Then, the light enters the pair of fly-eye lenses 8 and 8. In this case, depending on the position on the workpiece B among the plurality of nozzle holes processed simultaneously, the emission side shape Co of the nozzle hole C is distorted and formed as shown in FIG. This is because, due to the interference of the laser beams at the pair of fly-eye lenses 8 and 8, the energy density varies greatly periodically as shown in FIG. .
[0023]
Since there is a distance corresponding to the thickness of the workpiece B (100 μm in this example) between the front and back of the workpiece B, the focal point of the laser beam A on the laser beam incident side surface with respect to the workpiece B The incident side shape Ci of the nozzle hole C is circular without being distorted, and is less affected by interference within the depth. However, on the back surface of the workpiece B that is outside the range of the focal depth of the laser beam A, the influence of the interference by the pair of fly-eye lenses 8 and 8 appears as described above, and the emission side shape Co of the nozzle hole C is distorted. .
[0024]
On the other hand, according to the laser processing apparatus 20 of this example, the beam shaping unit 6 is rotated, and the axial direction of the cylindrical surface is inclined with respect to the longitudinal direction of the rectangular cross section of the laser beam. The emitted laser beam A has a diamond shape as shown by a two-dot chain line in FIG. When the inclination angle θ of the beam shaping unit 6 is 5 °, for example, the influence of laser beam interference on the pair of fly-eye lenses 8 and 8 is reduced, and as shown in FIG. On the laser beam emission side, the energy density change due to the difference in position becomes small, and the distortion of the emission side shape Co of the nozzle hole C is reduced as shown in FIG. Furthermore, when the inclination angle θ is 10 °, the energy density hardly changes as shown in FIG. 4C, and the emission side shape Co of the nozzle hole C is substantially true as shown in FIG. 5C. In addition to a circle, a plurality of nozzle holes are formed substantially uniformly.
[0025]
In the case of this example, when the tilt angle θ is around 10 °, the interference of the laser beam A is reduced to the minimum, and the emission side shape Co of the nozzle hole C at each position is substantially true as shown in FIG. Although it is a circle, the interference of the laser beam A is also reduced when the tilt angle θ exceeds 10 °. However, when the laser beam A is incident on the fly-eye lens 8, the cross-sectional shape is deformed into a substantially rhombus as described above, and a portion that is deleted when incident on the fly-eye lens 8 is generated, resulting in energy loss. May be. In the experiment of this example, a favorable result could be obtained when the inclination angle θ was around 10 °. Note that the inclination angle θ may be determined by the degree of interference of the laser beam A in the fly-eye lens and the energy efficiency.
[0026]
The embodiment of the laser processing apparatus 20 of the present invention, in particular, the embodiment of the beam shaping unit 6 has been described above, but the present invention can be implemented as follows.
[0027]
(1) The beam shaping unit 6 includes a combination of a concave lens and a convex lens, as well as other arbitrary number of lenses.
[0028]
(2) The beam shaping unit 6 is not arbitrarily rotatable and may be fixed at a desired angle.
[0029]
(3) A contact mask system in which the imaging lens 12 is omitted and the mask 11 is directly fixed on the workpiece B can be similarly implemented.
[0030]
(4) In addition to processing nozzle holes of ink jet printers, for example, the workpiece B can be changed to other materials such as ceramics, or can be applied to groove processing.
[0031]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the laser processing method according to the present invention has the following excellent effects.
[0032]
(1) In the present invention of claim 1, by suppressing the interference of the laser beam in the fly-eye lens by the addition of a simple construction to a minimum, almost no distortion in a plurality of holes, high throughout plurality of holes to be processed at the same time Precision laser processing is possible. For example, when processing a plurality of nozzle holes for ink ejection, the emission side shape can be processed close to a perfect circle, and the plurality of nozzle holes can be processed substantially uniformly.
[0033]
(2) Since the invention according to claim 2 is an excimer laser, the cross-sectional shape of the laser beam emitted from the laser oscillator is substantially rectangular, and can be suitably implemented in the configuration of claim 1 above.
[0034]
(3) In the invention according to claim 3, since the beam shaping section is an optical system that changes the cross section of the laser beam from a substantially rectangular shape to a substantially rhombus shape, the laser beam having a substantially rectangular cross section emitted from the laser oscillator is After being shaped into a roughly rhombus by the shaping unit, when passing through a pair of fly-eye lenses, it is dispersed into a large number of elongated beams, and the beam intensity is effectively uniformed.
[0035]
[0036]
(4) In the invention described in claim 4, by rotating the beam shaping unit around the optical axis, it is possible to perform efficient laser processing by selecting a range with less energy loss and less interference. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall schematic diagram showing a laser processing apparatus including a beam shaping unit to which the present invention is applied.
FIG. 2 is an enlarged perspective view showing an embodiment of the present invention of a beam shaping unit in the processing apparatus of FIG. 1;
FIG. 3 is a schematic front view of the beam shaping unit of FIG. 2 as viewed from the downstream side.
4 is a diagram (graph) showing the relationship between the inclination angle θ of the beam shaping section in FIG. 2, the energy density of the laser beam on the output side on the workpiece and the position of the workpiece (outgoing side). is there.
5 is a diagram showing the relationship between the inclination angle θ of the beam shaping unit in FIG. 2 and the shape of a nozzle hole machined on the exit side on the workpiece.
FIG. 6 is a perspective view of a workpiece in which a nozzle hole is machined by applying a laser beam to the workpiece from below in the drawing.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser oscillator 2,3,4 Total reflection mirror 5 Processing table 6 Laser shaping part 7 Beam expander 8 Fly eye lens (homogenizer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Condenser lens 11 Mask 12 Imaging lens 20 Laser processing apparatus 21 Cylindrical concave lens 22 Cylindrical convex lens 23 Rotating means 24 Large diameter gear 25 Small diameter gear 26 Motor A Laser beam B Workpiece C Nozzle hole

Claims (4)

レーザ発振器から出力された断面がほぼ長方形のレーザビームを、シリンドリカル凹レンズとシリンドリカル凸レンズとを含むビーム整形部で整形して一対のフライアイレンズへ導入し、同時に加工する複数の孔に対応したパターンを有するマスクを通して被加工物へ照射するレーザ加工装置を用いるレーザ加工方法であって、
前記ビーム整形部を回転して前記両シリンドリカルレンズのシリンドリカル面を形成する円柱の中心軸方向を、前記レーザ発振器から出力されたレーザビームのほぼ長方形断面の長手方向に対して光軸のまわりにおいて傾斜させることによって、傾斜させない場合に比べて前記一対のフライアイレンズでのレーザビームの干渉を抑える角度にする工程と、
前記干渉が抑えられたレーザビームを使用して前記複数の孔を加工する工程とを有することを特徴とするレーザ加工方法。
A laser beam having a substantially rectangular cross section output from the laser oscillator is shaped by a beam shaping unit including a cylindrical concave lens and a cylindrical convex lens and introduced into a pair of fly-eye lenses, and a pattern corresponding to a plurality of holes to be processed simultaneously is formed. A laser processing method using a laser processing apparatus for irradiating a workpiece through a mask having a mask,
The central axis direction of the cylinder forming the cylindrical surfaces of the cylindrical lenses by rotating the beam shaping unit is tilted around the optical axis with respect to the longitudinal direction of the substantially rectangular cross section of the laser beam output from the laser oscillator. a step of the angle to suppress the interference of the laser beam in the pair of fly-eye lens as compared with the case where the Rukoto is, not inclined,
And a step of processing the plurality of holes using a laser beam in which the interference is suppressed.
前記レーザビームは、エキシマレーザビームである請求項1に記載のレーザ加工方法。  The laser processing method according to claim 1, wherein the laser beam is an excimer laser beam. 前記ビーム整形部は、レーザビームの断面をほぼ長方形からほぼ菱形に変更する光学系である請求項2に記載のレーザ加工方法。  The laser processing method according to claim 2, wherein the beam shaping unit is an optical system that changes a cross section of the laser beam from a substantially rectangular shape to a substantially diamond shape. 前記ビーム整形部に、該ビーム整形部を光軸のまわりに回転させる回転手段が設けられている請求項1〜3のいずれかに記載のレーザ加工方法。  The laser processing method according to claim 1, wherein the beam shaping unit is provided with rotating means for rotating the beam shaping unit around an optical axis.
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