JP5409711B2 - レーザ光によるワーク加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワーク加工装置、特に、ガラス基板等のワークにレーザ光を照射して加工を行うワーク加工装置に関する。

レーザ光によるワーク加工装置としては、例えば特許文献１に示された装置が知られている。この種の加工装置では、波長が５３２ｎｍ程度のグリーンレーザ光がガラス基板等のワークに照射される。グリーンレーザ光は、一般的にはガラス基板を透過するが、レーザ光を集光し、その強度があるしきい値を越えると、ガラス基板はレーザ光を吸収することになる。このような状態では、レーザ光の集光部にプラズマが発生し、これによりガラス基板は蒸散する。以上のような原理を利用して、ガラス基板に孔を形成する等の加工が可能である。

また、特許文献２には、レーザ光集光用光学系の下方に、偏芯用光学系及びアシストガスノズルを設けたレーザ加工ヘッドが示されている。偏芯用光学系は、回転駆動自在であり、レーザ光をレーザ光集光用光学系の光軸から偏芯させる。また、アシストガスノズルは、偏芯用光学系からのレーザ光を通過させると同時に、アシストガスを同軸に噴射する。この特許文献２の偏芯用光学系は、間隔をあけて配置された１組のウェッジプリズムを有している。そして、各ウェッジプリズムはそれぞれモータによって光軸の回りに回転自在である。

特開２００７−１１８０５４号公報 特開平１１−１５６５７９号公報

前述のような従来のレーザ光による加工装置を用いて、円、円弧、Ｓ字等の曲線に沿ってガラス基板上にレーザ光を走査する場合、ガラス基板が載置されたテーブルをｘ方向及びｙ方向に同期させて駆動する必要がある。例えば、ｘ方向に延びる直線から円弧状の曲線部分を介してｙ方向に延びる直線の軌跡に沿ってレーザ光を走査する場合、当初はｘ方向駆動用のモータのみでテーブルを移動し、円弧状の軌跡の開始位置でｙ方向駆動用モータを駆動させ、円弧状の軌跡の終了位置でｘ方向駆動用モータを停止させる必要がある。

しかし、テーブルは比較的大きな慣性を有しているので、各モータの駆動制御に対して即座にテーブルを移動させたり、停止させたりすることができない。すなわち、円弧状軌跡の開始位置でｙ方向駆動用モータの駆動を開始しても、テーブルのｙ方向の動きが遅れ、また逆に円弧状軌跡の終了位置でｘ方向駆動用モータを停止させてもテーブルの慣性でｘ方向の動きが即座に停止するわけではない。

このため、以上のようなテーブルの慣性による追従性の低下を見込んで制御を行うか、あるいは走査速度（テーブルの移動速度）を低くして加工を行う必要がある。この場合は、制御が複雑になり、また加工速度が低下するので加工効率が低下する。

本発明の課題は、円、円弧、Ｓ字等の曲線を含む加工ラインに沿ってレーザ光を走査する際に、走査速度の低下を抑えて、加工効率を向上させることにある。

第１発明に係るレーザ光によるワーク加工装置は、ワークにレーザ光を照射して加工を行う装置であって、加工すべきワークが載置されるワークテーブルと、テーブル駆動手段と、レーザ光を出力するレーザ光出力部と、偏向・回転手段と、走査制御手段と、を備えている。テーブル駆動手段は、ワークテーブルを、載置面と平行な面内において互いに直交するｘ，ｙ方向に移動する。偏向・回転手段は、レーザ光出力部から出射されたレーザ光を出射軸から偏向させるとともに、偏向されたレーザ光を出射軸の回りに回転させる。走査制御手段は、テーブル駆動手段及び偏向・回転手段の駆動を協調制御して、偏向・回転手段の出射軸が加工ラインの曲線部よりも大きな半径で移動するようにワークテーブルを移動させつつ出射軸の回りに回転するレーザ光を加工ラインに沿って走査する。

この装置では、ワークの載置されたワークテーブルがテーブル駆動手段によってｘ及びｙ方向に駆動されるとともに、出射軸から偏向されたレーザ光が偏向・回転手段によって出射軸の回りに回転させられる。このため、加工ラインが曲線を含む場合、その曲線部分において、ワークテーブルをｘ，ｙ方向に移動させながらレーザ光を偏向、回転させることによって、ワークテーブルを、加工ラインの曲線よりも大きな半径を描くような軌跡で移動させることが可能になる。

ここでは、ワークテーブルによる走査軌跡の半径を、より大きくすることができるので、駆動手段に対するワークテーブルの追従性が鈍い場合でも、走査速度を比較的速くすることができる。したがって、加工速度が速くなり、加工効率が向上する。

第２発明に係るレーザ光によるワーク加工装置は、第１発明の装置において、偏向・回転手段は、対向して配置された第１ウェッジプリズム及び第２ウェッジプリズムと、第１及び第２ウェッジプリズムを出射軸の回りに回転させるための回転手段と、レーザ光をワーク上に集光させる集光レンズと、を有する。

ここでは、１対のウェッジプリズムを出射軸回りに回転させることによって、ワーク上に集光されているレーザ光を回転させることができる。

第３発明に係るレーザ光によるワーク加工装置は、第２発明の装置において、偏向・回転手段の回転手段は、第１ウェッジプリズムを出射軸の回りに回転させるための第１モータと、第２ウェッジプリズムを出射軸の回りに回転させるための第２モータと、をさらに有する。

ここでは、各ウェッジプリズムを別々に回転制御できる。このため、レーザ光の偏向量を任意に制御することができる。

第４発明に係るレーザ光によるワーク加工装置は、第１発明の装置において、偏向・回転手段の回転手段は、第１及び第２ウェッジプリズムが内部に配置された中空モータである。

第５発明に係るレーザ光によるワーク加工装置は、第１発明の装置において、走査制御手段は、直線状の加工ラインを走査する場合は、テーブル駆動手段によってワークテーブルをｘ方向又はｙ方向に移動制御する。また、曲線状の加工ラインを走査する場合は、テーブル駆動手段によってワークテーブルをX方向及びＹ方向に移動制御するとともに、偏向・回転手段によってレーザ光を回転させる。

ここでは、前記同様に、ワークテーブルによる走査軌跡の半径を、より大きくすることができる。したがって、駆動手段に対するワークテーブルの追従性が鈍い場合でも、走査速度を比較的速くすることができ、加工効率が向上する。

第６発明に係るレーザ光によるワーク加工装置は、第５発明の装置において、偏向・回転手段は、対向して配置された第１ウェッジプリズム及び第２ウェッジプリズムと、第１及び第２ウェッジプリズムを出射軸の回りに回転させるための回転手段と、レーザ光をワーク上に集光させる集光レンズと、を有している。そして、走査制御手段は、直線部及び曲線部を含む加工ラインに沿ってレーザ光を走査する際に、加工ラインの直線部を走査する場合は、テーブル駆動手段によってワークテーブルをｘ方向又はｙ方向に移動制御する。また、加工ラインの曲線部を走査する場合は、テーブル駆動手段によってワークテーブルをｘ方向及びｙ方向に移動制御するとともに、第１及び第２ウェッジプリズムを出射軸の回りに同じ方向に回転させる。

ここでは、前記同様に、ワークテーブルによる走査軌跡の半径を、より大きくすることができる。

第７発明に係るレーザ光によるワーク加工装置は、第５発明の装置において、偏向・回転手段は、対向して配置された第１ウェッジプリズム及び第２ウェッジプリズムと、第１及び第２ウェッジプリズムを出射軸の回りに回転させるための回転手段と、レーザ光をワーク上に集光させる集光レンズと、を有している。そして、走査制御手段は、直線部及び曲線部を含む加工ラインに沿ってレーザ光を走査する際に、加工ラインの直線部を走査する場合は、テーブル駆動手段によってワークテーブルをｘ方向又はｙ方向に移動制御する。また、加工ラインの曲線部を走査する場合は、テーブル駆動手段によってワークテーブルをｘ方向及びｙ方向に移動制御するとともに、第１及び第２ウェッジプリズムを出射軸の回りに逆方向に回転させる。

ここでは、ワークテーブルの走査半径をより大きくすることができ、加工効率をより向上させることができる。

第８発明に係るレーザ光によるワーク加工装置は、第１から第７発明のいずれかの装置において、レーザ光出力部と偏向・回転手段との間に配置され、１対のウェッジプリズム及び１対のウェッジプリズムが内部に配置された中空モータからなり、レーザ光の集光点を回転させるための集光点回転機構をさらに備えている。

ここでは、１対のウェッジプリズムを通過して偏向されたレーザ光は、入射光軸の周りに回転させられる。この偏向され、かつ回転するレーザ光は、ワーク上に集光され、円形を描く。そして、この円形の軌跡全体が加工ラインに沿って走査される。

以上のような本発明では、レーザ光を用いたワークの加工において、曲線状の軌跡を含む走査線に沿ってレーザ加工する場合に、走査速度の低下を抑えて、加工効率を向上することができる。

本発明の一実施形態によるワーク加工装置の外観斜視図。 ワークテーブルの拡大斜視図。 レーザ照射ヘッドの構成を拡大して示す斜視図。 高速中空モータ及び高速回転用ウェッジプリズムの配置を模式的に示した図。 プリズムの頂角と偏角との関係を示す図。 第１及び第２低速モータ、第１及び第２ウェッジプリズム、並びに集光レンズの配置を模式的に示した図。 本装置の制御ブロック図。 レーザ光の軌跡を示す図。 集光点をｚ軸方向に制御する作用を説明する模式図。 本装置による第１加工例の加工ライン及び走査軌跡を示す図。 第１加工例の各モータの速度制御を示すタイムチャート。 第１加工例の制御フローチャート。 本装置による第２加工例の加工ライン及び走査軌跡を示す図。 第２加工例の各モータの速度制御を示すタイムチャート。 第２加工例の制御フローチャート。

［全体構成］
図１に本発明の一実施形態によるワーク加工装置の全体構成を示す。このワーク加工装置は、ガラス基板等のワークに加工ラインに沿ってレーザ光を照射し、孔開け等の加工を行うための装置である。この装置は、ベッド１と、ワークとしてのガラス基板が載置されるワークテーブル２と、ガラス基板にレーザ光を照射するためのレーザ光照射ヘッド３と、を備えている。ここで、図１に示すように、ベッド１の上面に沿った平面において、互いに直交する軸をｘ軸、ｙ軸とし、これらの軸に直交する鉛直方向の軸をｚ軸と定義する。また、ｘ軸に沿った両方向（＋方向及び−方向）をｘ軸方向、ｙ軸に沿った両方向をｙ軸方向、ｚ軸に沿った両方向をｚ軸方向と定義する。

［ワークテーブル及びその移動機構］
＜ワークテーブル＞
ワークテーブル２は、矩形状に形成されており、ワークテーブル２の下方には、ワークテーブル２をｘ軸方向及びｙ軸方向に移動させるためのテーブル移動機構５が設けられている。

ワークテーブル２は、図２に拡大して示すように、複数のブロック６を有している。この複数のブロック６は、図中、一点鎖線で示すガラス基板Ｇをワークテーブル２の表面から持ち上げて支持するための部材であり、ガラス基板Ｇの加工ラインＬ（破線で示す）を避けるために、ワークテーブル２の任意の位置に取り付けることが可能である。また、ワークテーブル２には複数の吸気口２ａが格子状に形成されるとともに、各ブロック６には上下方向に貫通する吸気孔６ａが形成されている。そして、ブロック６の吸気孔６ａとワークテーブル２の吸気口２ａとを接続することによって、ブロック６上に配置されるガラス基板Ｇを吸着固定することが可能である。なお、吸気のための機構は、周知の排気ポンプ等によって構成されており、詳細は省略する。

＜テーブル移動機構＞
テーブル移動機構５は、図１に示すように、それぞれ１対の第１及び第２ガイドレール８，９と、第１及び第２移動テーブル１０，１１と、各移動テーブル１０，１１を駆動するためのｙ軸モータ５ａ及びｘ軸モータ５ｂ（図７参照）と、を有している。１対の第１ガイドレール８はベッド１の上面にｙ軸方向に延びて設けられている。第１移動テーブル１０は、第１ガイドレール８の上部に設けられ、第１ガイドレール８に移動自在に係合する複数のガイド部１０ａを下面に有している。第２ガイドレール９は第１移動テーブル１０の上面にｘ軸方向に延びて設けられている。第２移動テーブル１１は、第２ガイドレール９の上部に設けられ、第２ガイドレール９に移動自在に係合する複数のガイド部１１ａを下面に有している。第２移動テーブル１１の上部には、固定部材１２を介してワークテーブル２が取り付けられている。

以上のようなテーブル移動機構５によって、ワークテーブル２は、ｘ軸方向及びｙ軸方向に移動自在である。

［レーザ光照射ヘッド］
レーザ光照射ヘッド３は、図１及び図３に示すように、ベッド１の上面に配置された門型フレーム１ａに装着されており、レーザ光出力部１５と、光学系１６と、内部に１対の高速回転用ウェッジプリズム（後述）が組み込まれた高速中空モータ１７と、内部に１対の低速回転用ウェッジプリズム（後述）及び集光レンズが組み込まれた偏向・回転機構１８と、を有している。また、レーザ光照射ヘッド３をｘ軸方向に移動させるためのｘ軸方向移動機構２１と、高速中空モータ１７及び偏向・回転機構１８をｚ軸方向に移動させるためのｚ軸方向移動機構２２と、が設けられている。ｚ軸方向移動機構２２はｚ軸モータ２２ａ（図７参照）等を有している。

＜レーザ光出力部＞
レーザ光出力部１５は従来と同様のレーザ管により構成されている。このレーザ光出力部１５によって、波長５３２ｎｍのグリーンレーザがｙ軸に沿ってワークテーブル２とは逆側に出射される。

＜光学系＞
光学系１６は、レーザ光出力部１５からのレーザ光を高速中空モータ１７に組み込まれた１対の高速回転用ウェッジプリズムに導くものである。この光学系１６は、図３に拡大して示すように、第１〜第４ミラー２５〜２８と、レーザ出力を計測するパワーモニタ２９と、ビームエキスパンダ３０と、を有している。

第１ミラー２５は、レーザ光出力部１５の出力側の近傍に配置されており、ｙ軸方向に出射されたレーザ光をｘ軸方向に反射する。第２ミラー２６は、ｘ軸方向において第１ミラー２５と並べて配置されており、ｘ軸方向に進行するレーザ光をｙ軸方向に反射して、ワークテーブル２側に導く。第３ミラー２７及び第４ミラー２８は、高速中空モータ１７の上方にｘ軸方向に並べて配置されている。第３ミラー２７は第２ミラー２６によって反射されてきたレーザ光を第４ミラー２８側に導く。第４ミラー２８は第３ミラー２７によって反射されてきたレーザ光を下方の高速中空モータ１７に導く。ビームエキスパンダ３０は、第２ミラー２６と第３ミラー２７との間に配置され、第２ミラー２６によって反射されてきたレーザ光を一定の倍率の平行光束に拡げるために設けられている。このビームエキスパンダ３０によって、レーザ光をより小さなスポットに集光させることが可能となる。

＜高速回転用ウェッジプリズム及び高速中空モータ＞
内部に高速回転用ウェッジプリズム３２１，３２２が配置された高速中空モータ１７の模式図を図４に示している。高速中空モータ１７は、中心にｚ軸方向に延びる回転軸Ｒを有し、この回転軸Ｒを含む中央部が中空になっている。そして、この中空部に１対の高速回転用ウェッジプリズム３２１，３２２が固定されている。１対のウェッジプリズム３２１，３２２は、同形状、同比重であって、屈折率のみが異なっている。各ウェッジプリズム３２１，３２２は、それぞれ回転軸Ｒに対して傾斜する斜面３２１ａ，３２２ａと、回転軸Ｒに垂直な垂直面３２１ｂ，３２２ｂと、を有している。そして、１対のウェッジプリズム３２１，３２２は、互いの垂直面３２１ｂ，３２２ｂが近接して対向するように配置され、２つの垂直面３２１ｂ，３２２ｂが平行で、かつ２つの斜面３２１ａ，３２２ａが平行になるように配置されている。

同形状、同比重の２つの高速回転用ウェッジプリズム３２１，３２２を以上のように配置することにより、２つの高速回転用ウェッジプリズム３２１，３２２の全体の重心は回転軸Ｒ上に位置することになる。このため、これらのウェッジプリズム３２１，３２２を高速で回転させても、動的アンバランス量を非常に小さくすることができる。

＜２つのウェッジプリズムを用いた場合の偏角について＞
図５を参照して、プリズムの頂角をδ、屈折率をｎとした場合、このプリズムの偏角θは、δが小さい場合、
（ｎ−１）・δ
である。なお、上式は、sinδ＝δ（単位はラジアン）で近似できる程度にδが小さい場合の近似式である。本実施形態で用いるプリズムでは、頂角δは大きくても５°程度なので、sinδ＝δと近似しても差し支えない。したがって、同形状（同じ頂角）で屈折率がそれぞれｎ１，ｎ２である２つのウェッジプリズムのそれぞれの偏角θ１，θ２は、
θ１＝（ｎ１−１）・δ
θ２＝（ｎ２−１）・δ
である。そして２つのウェッジプリズムの斜面が平行になるように組み合わせて配置した場合の偏角θは、
θ＝（ｎ１−１）・δ−（ｎ２−１）・δ＝（ｎ１−ｎ２）・δ
となる。以上から明らかなように、頂角δが同じで、かつ同じ材質のウェッジプリズムの組合せであれば、ｎ１＝ｎ２で、トータルの偏角は「０」になる。

しかし、ｎ１≠ｎ２であれば、トータルの偏角は、「０」にならず、２つのウェッジプリズムの屈折率の差に比例することになる。

そこで、ここでは、２つの高速回転用ウェッジプリズム３２１，３２２の屈折率を異ならせて、両ウェッジプリズム３２１，３２２を通過するレーザ光を偏向するようにしている。すなわち、このようなウェッジプリズム３２１，３２２を用いることによって、回転バランスの良いレーザ光を偏向するための機構を実現することができる。

なお、同比重で屈折率の異なるウェッジプリズムの例としては、例えば以下のような組み合わせが考えられる。

＜例１＞ S-BSM22＋S-TIH11（比重：3.24、株式会社オハラ製）
この組合せの場合の偏角（°）は、頂角１°に対して、「0.169」である。

＜例２＞ N-SSK2＋N-SF57（比重：3.53、ショット日本株式会社製）
この組合せの場合の偏角（°）は、頂角１°に対して、「0.232」である。

＜例３＞ BACD11＋E-FD10（比重：3.07、ＨＯＹＡ株式会社製）
この組合せの場合の偏角（°）は、頂角１°に対して、「0.170」である。

なお、両ウェッジプリズム３２１，３２２の形状（頂角）については、後述する集光レンズの焦点距離ｆと偏角θによって決まるレーザ光の回転半径ｒ（＝ｆ・tanθ又はｆ・θ）が、所望の値になるように設定される。

＜低速回転用ウェッジプリズム、集光レンズ＞
内部に１対の低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２が配置された偏向・回転機構１８を、図６に模式的に示す。偏向・回転機構１８は、中心にｚ軸方向に延びる回転軸を有している。この回転軸は、高速中空モータ１７の回転軸Ｒと同軸である。この偏向・回転機構１８は、回転軸Ｒを含む中心部に１対の低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２と、これらのウェッジプリズム３４１，３４２のそれぞれに対応して設けられた低速回転用の第１低速モータ３４５及び第２低速モータ３４６と、を有している。第１低速モータ３４５及び第２低速モータ３４６は中空モータであり、中空の回転軸の内部にウェッジプリズム３４１，３４２が装着されている。これらのウェッジプリズム３４１，３４２のそれぞれは、対応して設けられた低速回転用の第１低速モータ３４５及び第２低速モータ３４６によって個別に回転し、また所定の回転角度で維持することが可能である。

１対の低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２は、同形状、同材質（同比重）であり、したがって屈折率も同じである。また、１対の低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２は、それぞれ回転軸に対して傾斜する斜面３４１ａ，３４２ａと、回転軸に対して垂直な垂直面３４１ｂ，３４２ｂを有している。このような２つのウェッジプリズム３４１，３４２の組合せによって、１対の低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２は所定の偏角を有することができる。

また、偏向・回転機構１８の１対の低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２の出力側には、集光レンズ３５が固定されている。なお、集光レンズ３５は偏向・回転機構１８とは別に単独で配置するようにしても良い。

＜レーザ照射ヘッドの支持及び搬送系＞
以上のようなレーザ照射ヘッド３は、前述のように、ベッド１の門型フレーム１ａに支持されている。より詳細には、図３に示すように、門型フレーム１ａの上面にはｘ軸方向に延びる１対の第３ガイドレール３６が設けられており、この１対の第３ガイドレール３６及び図示しない駆動機構がｘ軸方向移動機構２１を構成している。そして、１対の第３ガイドレール３６には、支持部材３７が移動自在に支持されている。支持部材３７は、第３ガイドレール３６に支持された横支持部材３８と、横支持部材３８のワークテーブル２側の一端側から下方に延びる縦支持部材３９と、を有している。縦支持部材３９の側面には、ｚ軸方向に延びる１対の第４ガイドレール４０が設けられており、この１対の第４ガイドレール４０及び図示しない駆動機構がｚ軸方向移動機構２２を構成している。第４ガイドレール４０には、ｚ軸方向に移動自在に第３移動テーブル４１が支持されている。

そして、レーザ光出力部１５、第１〜第４ミラー２５〜２８、パワーモニタ２９、及びビームエキスパンダ３０が、横支持部材３８に支持されている。また、第３移動テーブル４１にはモータ支持部材４２が固定されており、このモータ支持部材４２に、高速中空モータ１７及び偏向・回転機構１８が支持されている。

［制御ブロック図］
このガラス基板加工装置は、図７に示すように、コントローラ５０を有している。コントローラ５０には、レーザ出力部１５や、各移動テーブル１０，１１を駆動するためのｙ軸モータ５ａ、ｘ軸モータ５ｂ、ｚ軸モータ２２ａ、高速中空モータ１７、第１及び第２低速モータ３４５，３４６が接続されている。そして、コントローラ５０は、レーザ出力部１５からのレーザ出力等を制御するとともに、各モータの回転を制御することによってレーザ光の走査軌跡等を制御する。

［動作］
＜基本的な加工動作＞
次に、レーザ光によるガラス基板の加工動作について説明する。

まず、ワークテーブル２の表面に複数のブロック６を設置する。このとき、複数のブロック６は、図２に示すように、ガラス基板Ｇの加工ラインＬを避けるように配置する。以上のようにして設置された複数のブロック６上に、加工すべきガラス基板Ｇを載置する。

次に、ｘ軸方向移動機構２１によってレーザ照射ヘッド３をｘ軸方向に移動し、またテーブル移動機構５によってワークテーブル２をｙ軸方向に移動し、レーザ照射ヘッド３によるレーザ光の集光点が加工ラインＬのスタート位置にくるように位置させる。

以上のようにしてレーザ照射ヘッド３及びガラス基板Ｇを加工位置に移動させた後、レーザ光をガラス基板に照射して加工を行う。ここでは、レーザ光出力部１５から出射されたレーザ光は、第１ミラー２５によって反射されて第２ミラー２６に導かれる。なお、第１ミラー２５に入射したレーザ光はパワーモニタ２９によってレーザ出力が計測される。第２ミラー２６に入射したレーザ光はｙ軸方向に反射され、ビームエキスパンダ３０によって光束が拡げられて第３ミラー２７に導かれる。そして、第３ミラー２７で反射され、さらに第４ミラー２８で反射されたレーザ光は、高速中空モータ１７の中心部に設けられた１対の高速回転用ウェッジプリズム３２１，３２２に入力される。

１対の高速回転用ウェッジプリズム３２１，３２２に入力されたレーザ光は、２つのウェッジプリズム３２１，３２２の屈折率が異なることにより、偏向されて出力される。また、高速回転用ウェッジプリズム３２１，３２２は，例えば１５０００rpm以上で高速回転させられるので、これらのウェッジプリズム３２１，３２２を透過したレーザ光は、小さい回転半径（例えば直径０．４mm〜０．８mm）で高速回転している。

高速回転用ウェッジプリズム３２１，３２２から出射されたレーザ光は、低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２に入力される。この低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２は、一方が他方に対して回転させられており、高速回転用ウェッジプリズム３２１，３２２に比較して大きな偏角を有している。このため、低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２を回転させることにより、高速回転するレーザ光が、比較的大きな回転半径（例えば外側直径５．０mm）で回転走査される。なお、低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２の回転数は低く、例えば４００〜８００rpm程度である。

以上のようなレーザ光のガラス基板上での軌跡を図８に示している。ここで、１対の高速回転用ウェッジプリズム３２１，３２２における加工誤差や取付誤差等によって、高速回転用ウェッジプリズム３２１，３２２によって偏向、回転されたレーザ光により描かれる円の径に誤差が生じる。この誤差によって、最終的に加工される孔の径に誤差が生じる。この場合は、低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２の一方を他方に対して回転させて、偏角を調整し、低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２を通過したレーザ光による走査軌跡を調整すればよい。これにより、高い精度で所望の径の孔を加工することができる。

ここで、レーザ光による１回の加工でガラスが除去される高さは数十μｍである。したがって、ガラス基板Ｇに孔開け加工を行う場合、集光点を加工ラインに沿って一度だけ走査しても孔を形成すること、すなわち加工ラインの内側の部分を抜き落とすことは、一般的に困難である。

そこで通常は、まず、集光点（加工部位）がガラス基板の下面に形成されるように、集光レンズ３５を含む偏向・回転機構１８のｚ軸方向の位置をｚ軸移動装置２２によって制御する（図９（ａ）参照）。この状態で集光点を加工ラインに沿って１周させた後、偏向・回転機構１８のｚ軸方向の位置を制御することにより、図９（ｂ）に示すように、集光点を上昇させる。そして、同様に集光点を加工ラインに沿って１周させた後、さらに集光点を上昇させる。以上の動作を繰り返し実行することにより、加工ラインの内側部分を抜き落として孔を形成することができる。

あるいは、集光点を加工ラインに沿って１周させる毎に上昇させる代わりに、適切な速さで連続的にｚ軸方向に上昇させ、螺旋状に加工することでも同様に孔開け加工を行うことができる。

＜コーナー部の第１加工例＞
次に、図１０に示すような、ｘ軸方向及びｙ軸方向に延びる２つの直線部と、２つの直線部の間に円弧状の曲線部と、を有する加工ラインに沿ってレーザ光を照射し、加工する場合の協調制御について説明する。図１０に示す例では、加工ラインの曲線部の前後において低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２のそれぞれを逆方向に回転させながら移動テーブル１０，１１が移動制御される。図１０において、実線が加工ラインであり、一点鎖線がワークテーブル２（レーザ光照射ヘッド３の光学系の中心：レーザ出力部１５の出射軸）の移動軌跡である。また、図１０における「９０°」、「０°」は、それぞれヘッド３の光学系の中心である出射軸に対するレーザ光の位置の角度を示している。

なお、図１１は図１０に示す加工を行う場合の、各モータの速度制御のタイムチャートである。

以上の加工を行う場合の、移動テーブル１０，１１の移動と低速モータの駆動の協調制御について、図１２のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１では、直線部分の加工を行う。ここでは、ｘ軸モータ５ｂによってワークテーブル２は−ｘ軸方向に定速で移動している。ステップＳ２では、ワークテーブル２の位置情報を取得する。そして、ステップＳ３では、ステップＳ２で得た位置情報から、円弧開始位置か否かを判断する。ここで、円弧開始位置とは、図１０の一点鎖線で示すワークテーブル２の走査軌跡において、直線部分が終了し、円弧部分が始まる位置である。

円弧の開始位置に到達するまでは、ステップＳ２及びステップＳ３を繰り返し実行する。円弧の開始位置に達した場合は、ステップＳ３からステップＳ４及びステップＳ５に移行する。

ステップＳ４では、円弧補間動作を実行する。すなわち、図１１に示すように、ｘ軸モータ５ｂの回転を徐々に低くして、ｘ軸方向の速度を低下させるとともに、ｙ軸モータ５ａの回転を「０」から徐々に高くして、ｙ軸方向の速度を上げる。

また、ステップＳ５では、図１１に示すように、第２低速モータ３４６を速度Ｖ_Ｈで時計周りに回転させるとともに、第１低速モータ３４５を速度Ｖ_Ｌで反時計周りに回転させる。なお、速度Ｖ_Ｈは速度Ｖ_Ｌの３倍程度に設定されている。

ステップＳ６では、円弧終了位置であるか否かを判断する。円弧の終了位置に到達するまでは、ステップＳ４及びステップＳ５を繰り返し実行する。

円弧の終了位置に到達した場合は、ステップＳ６からステップＳ７に移行する。ステップＳ７では、ｙ軸方向の直線部分の加工を実行する。すなわち、図１１に示すように、ｘ軸モータ５ｂ、第１及び第２低速モータ３４５，３４６の回転を停止し、ｙ軸モータ５ａのみを回転させて、ワークテーブル２をｙ軸方向に定速で移動させる。

以上のような協調制御によって、実線の加工ラインに対して、偏向・回転機構１８の回転中心が一点鎖線上を移動するように移動テーブル１０，１１を移動制御すればよい。すなわち、ワークテーブル２の走査半径を、加工ラインの曲線部の半径よりも大きくすることができ、ワークテーブル２の走査制御が容易になる。

＜コーナー部の加工例２＞
次に、第１加工例と同様の形状の加工ラインを別の制御処理によって加工する場合の第２加工例を図１３及び図１４に示す。この図１３及び図１４に示す例では、加工ラインの曲線部において低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２を同方向に回転させながら移動テーブル１０，１１が移動制御される。図１０において、実線が加工ラインであり、一点鎖線がワークテーブル２の移動軌跡である。図１４は図１３に示す加工を行う場合の、各モータの速度制御のタイムチャートである。

以上の加工を行う場合の、移動テーブルの移動と低速モータの駆動の協調制御について、図１５のフローチャートを用いて説明する。

ステップＰ１では、直線部分の加工を行う。ここでは、ｘ軸モータ５ｂによってワークテーブル２は−ｘ軸方向に定速で移動している。ステップＰ２では、ワークテーブル２の位置情報を取得する。そして、ステップＰ３では、ステップＰ２で得た位置情報から、円弧開始位置か否かを判断する。この加工例２の場合の円弧開始位置とは、加工ラインにおいて、直線部分が終了し、円弧部分が始まる位置である。

円弧の開始位置に到達するまでは、ステップＰ２及びステップＰ３を繰り返し実行する。円弧の開始位置に達した場合は、ステップＰ３からステップＰ４及びステップＰ５に移行する。

ステップＰ４では、円弧補間動作を実行する。すなわち、図１４に示すように、ｘ軸モータ５ｂの回転を徐々に低くして、ｘ軸方向の速度を低下させるとともに、ｙ軸モータ５ａの回転を「０」から徐々に高くして、ｙ軸方向の速度を上げる。

また、ステップＰ５では、図１４に示すように、第１低速モータ３４５及び第２低速モータ３４６を所定の速度で時計周りに回転させる。

ステップＰ６では、円弧終了位置であるか否かを判断する。円弧の終了位置に到達するまでは、ステップＰ４及びステップＰ５を繰り返し実行する。

円弧の終了位置に到達した場合は、ステップＰ６からステップＰ７に移行する。ステップＳ７では、ｙ軸方向の直線部分の加工を実行する。すなわち、図１４に示すように、ｘ軸モータ５ｂ、第１及び第２低速モータ３４５，３４６の回転を停止し、ｙ軸モータ５ａのみを回転させて、ワークテーブル２をｙ軸方向に定速で移動させる。

以上のような協調制御によって、実線の加工ラインに対して、偏向・回転機構１８の回転中心が一点鎖線上を移動するように移動テーブル１０，１１を移動制御すればよい。すなわち、ワークテーブル２の走査半径を、加工ラインの曲線部の半径よりも大きくすることができ、ワークテーブル２の走査制御が容易になる。

なお、加工例２のように低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２を同じ速度で同じ方向に回転させる場合には、１つのモータで低速回転用ウェッジプリズム３４１，３４２を一体的に回転させてもよい。

［特徴］
以上のような本実施形態では、ワークテーブル２をｘ，ｙ方向に移動させながらレーザ光を偏向、回転させることによって、加工ラインの曲線部分を加工する際に、加工ラインよりも大きな半径を描くような軌跡でワークテーブル２を移動させることが可能になる。したがって、各モータに対するワークテーブルの追従性が鈍い場合でも、走査速度を比較的速くすることができ、加工効率が向上する。

また、１対の第２ウェッジプリズムを別々に回転制御できるために、レーザ光の光軸からの偏向量を任意に制御することができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

前記実施形態では、１対の高速回転用ウェッジプリズムを設け、レーザ光を高速で回転させながら走査するようにしたが、高速回転用ウェッジプリズムを省略してもよい。

また、前記実施形態では、集光点をｚ軸方向に移動させる機構として、集光レンズ３５を含む偏向・回転機構１８をｚ軸移動装置２２によって移動させるようにしたが、集光レンズ３５を含む偏向・回転機構１８を固定しておき、ワークテーブル２をｚ軸方向に移動させるようにしても良い。

前記実施形態では、ワークとしてガラス基板を例にとって説明したが、樹脂フィルムを切断加工する場合にも本発明を同様に適用することができる。なお、樹脂フィルムに本発明を適用する場合は、高速回転用の光学系及びｚ軸移動機構は不要である。

図１０及び図１３に示した加工例は一例であって、他のさまざまの曲線部分を含む加工ラインについて本発明を適用することができる。

２ ワークテーブル
５ａ ｙ軸モータ
５ｂ ｘ軸モータ
１５ レーザ出力部
１６ 光学系
１７ 高速中空モータ
１８ 偏向・回転機構
３２１，３２２ 高速回転用ウェッジプリズム
３４１，３４２ 低速回転用ウェッジプリズム
３４５，３４６ 低速モータ
３５ 集光レンズ
５０ コントローラ
Ｇ ガラス基板

Claims (8)

1. ワークにレーザ光を照射して曲線部を含む加工ラインに沿って加工を行う加工装置であって、
   加工すべきワークが載置されるワークテーブルと、
   前記ワークテーブルを、載置面と平行な面内において互いに直交するｘ，ｙ方向に移動するためのテーブル駆動手段と、
   レーザ光を出力するレーザ光出力部と、
   前記レーザ光出力部から出射されたレーザ光を出射軸から偏向させるとともに、偏向されたレーザ光を出射軸の回りに回転させる偏向・回転手段と、
   前記テーブル駆動手段及び前記偏向・回転手段の駆動を協調制御して、前記偏向・回転手段の出射軸が加工ラインの曲線部よりも大きな半径で移動するように前記ワークテーブルを移動させつつ前記出射軸の回りに回転するレーザ光を前記加工ラインに沿って走査する走査制御手段と、
   を備えたレーザ光によるワーク加工装置。
2. 前記偏向・回転手段は、
   対向して配置された第１ウェッジプリズム及び第２ウェッジプリズムと、
   前記第１及び第２ウェッジプリズムを前記出射軸の回りに回転させるための回転手段と、
   レーザ光をワーク上に集光させる集光レンズと、
   を有する、請求項１に記載のレーザ光によるワーク加工装置。
3. 前記偏向・回転手段の回転手段は、
   前記第１ウェッジプリズムを前記出射軸の回りに回転させるための第１モータと、
   前記第２ウェッジプリズムを前記出射軸の回りに回転させるための第２モータと、
   を有する、請求項２に記載のレーザ光によるワーク加工装置。
4. 前記偏向・回転手段の回転手段は、前記第１及び第２ウェッジプリズムが内部に配置された中空モータである、請求項１に記載のレーザ光によるワーク加工装置。
5. 前記走査制御手段は、
   直線状の加工ラインを走査する場合は、前記テーブル駆動手段によって前記ワークテーブルをｘ方向又はｙ方向に移動制御し、
   曲線状の加工ラインを走査する場合は、前記テーブル駆動手段によって前記ワークテーブルをｘ方向及びｙ方向に移動制御するとともに、前記偏向・回転手段によってレーザ光を回転させる、
   請求項１に記載のレーザ光によるワーク加工装置。
6. 前記偏向・回転手段は、
   対向して配置された第１ウェッジプリズム及び第２ウェッジプリズムと、
   前記第１及び第２ウェッジプリズムを前記出射軸の回りに回転させるための回転手段と、
   レーザ光をワーク上に集光させる集光レンズと、
   を有し、
   前記走査制御手段は、直線部及び曲線部を含む加工ラインに沿ってレーザ光を走査する際に、
   加工ラインの直線部を走査する場合は、前記テーブル駆動手段によって前記ワークテーブルをｘ方向又はｙ方向に移動制御し、
   加工ラインの曲線部を走査する場合は、前記テーブル駆動手段によって前記ワークテーブルをｘ方向及びｙ方向に移動制御するとともに、前記第１及び第２ウェッジプリズムを前記出射軸の回りに同じ方向に回転させる、
   請求項５に記載のレーザ光によるワーク加工装置。
7. 前記偏向・回転手段は、
   対向して配置された第１ウェッジプリズム及び第２ウェッジプリズムと、
   前記第１及び第２ウェッジプリズムを光軸の回りに回転させるための回転手段と、
   レーザ光をワーク上に集光させる集光レンズと、
   を有し、
   前記走査制御手段は、直線部及び曲線部を含む加工ラインに沿ってレーザ光を走査する際に、
   加工ラインの直線部を走査する場合は、前記テーブル駆動手段によって前記ワークテーブルをｘ方向又はｙ方向に移動制御し、
   加工ラインの曲線部を走査する場合は、前記曲線部を含み前記曲線部の前後の領域において、前記テーブル駆動手段によって前記ワークテーブルをｘ方向及びｙ方向に移動制御するとともに、前記第１及び第２ウェッジプリズムを前記出射軸の回りに逆方向に回転させる、
   請求項５に記載のレーザ光によるワーク加工装置。
8. 前記レーザ光出力部と前記偏向・回転手段との間に配置され、１対のウェッジプリズム及び前記１対のウェッジプリズムが内部に配置された中空モータからなり、レーザ光の集光点を回転させるための集光点回転機構をさらに備えた、請求項１から７のいずれかに記載のレーザ光によるワーク加工装置。

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