富士時報 Vol.73 No.6 2000 精密加工・非接触加工分野へのレーザの適用川村浩徳（かわむらひろのり）佐々木光祐（ささきみつひろ）牧絵達弘（まきえたつひろ）まえがき加工光学系近年，隆盛を極める携帯電話，パーソナルコンピュータ加工光学系は，加工品質，タクト，位置決め精度，設置（パソコン）などの情報産業がけん引する電子・半導体分スペースなどを総合的に判断して選定される。頻繁に使用野では，小型化・高密度化により半導体デバイス， LCD （Liquid Crystal Display）などの穴あけ，切断，トリミング，スクライビング，リペアなどの微細加工技術の必要性される加工光学系の概念図を図４∼６に示す。（1）マスク結像光学系発振器から出射したレーザ光を任意形状のマスクを通し，が増大している。YAG レーザは，発振波長（基本波ω：このマスクの形状を結像レンズと対物レンズにより 1/2.5 1,064 nm，第二高調波 2 ω：532 nm，第三高調波 3 ω： ∼ 1/50 程度に縮小し，ワーク上に結像加工を行う。本方 355 nm）が赤外光から紫外光まで多様であり，かつ，発振形態（連続発振，パルス発振，Q スイッチパルス発振）図１ YAG レーザの発振形態も多彩であるため，対象ワークに最適な波長・形態・出力を選択することが可能となるために，これら微細加工を実 Qスイッチパルス発振現する有力な手段としてすでに広く市場で認知されている。富士電機では，基本波，第二高調波，第三高調波のシン多数の納入実績を有している。レーザを使用した微細加工パルス発振出力グルモードおよびマルチモードレーザを製品化し，すでにに必要とされる条件としては，微小スポット化であり，その意味では，本質的に，より波長の短い高調波レーザが有連続発振利であるが，基本波レーザは，装置の信頼性，高出力化，コスト，光ファイバの利用によるフレキシブル化の面で優 10∼400ns 0.1∼10ms れているため，生産ラインを中心に最も導入が進んでいる。時間第二高調波，第三高調波の短波長レーザでの適用例は他稿に譲り，本稿では，基本波の適用事例を紹介する。図２ Q スイッチパルス発振の出力特性例基本波レーザの特性と加工現象３に示す。これらの図からも分かるように，トリミング，マーキング，マイクロ除去，スクライビングなどの微細加工には，高パワー密度，短パルスエネルギーが得られるパルス幅 100 400 平均出力 50 200 パルス幅（ns) 力特性例，パワー密度と照射時間による加工現象を図１∼ せん頭出力（kW）平均出力（W）せん頭出力基本波レーザの発振形態， Q スイッチパルス発振の出 Q スイッチパルス発振が用いられる。 0 0 5 10 15 繰返し周波数（kHz） 0 20 川村浩徳佐々木光祐牧絵達弘レーザ応用装置のエンジニアリング業務に従事。現在，東京システム製作所開発設計部担当課長。レーザ協会会員。レーザマーカの設計に従事。現在，東京システム製作所開発設計部主任。レーザ応用装置のエンジニアリング業務に従事。現在，東京システム製作所開発設計部。 359（39）富士時報精密加工・非接触加工分野へのレーザの適用 Vol.73 No.6 2000 図３パワー密度と照射時間による加工現象図５光ファイバ光学系入射レンズパワー密度（W/cm2） 108 プラズマ発生トリミングマーキングマイクロ除去 107 スクライビング 10 レーザ発振器穴あけ 6 出射光学部蒸発せず 105 溶接出射レンズ熱処理 104 10 多点同時分割光学部 −9 10 −8 10 −7 10 −6 10 −5 10 −4 10 −3 10−2 10−1 100 光ファイバ加工物照射時間（s）図６スキャニング光学系図４マスク結像光学系 Xスキャナテレビカメラ X偏向ミラーダイクロイックミラー照明光マスクレーザ光線テレビモニタ Yスキャナレーザ光結像レンズ ×2.5，×5，×10，×20，×50 対物レンズ Y偏向ミラー Fθレンズ加工物加工物式は，１パルスで所望形状の加工が行えるだけでなく，集光光学系に比べて，レーザ光の励起ランプなどによる出力変化時においてもきわめて正確な加工形状が得られるため，最も微細加工に適する光学系である。（2 ）光ファイバ光学系本事例は，定速移動中のシート上方にマスク結像式レーザ加工機とスキャニング式レーザ加工機を複数台配置して，移動シートの同期信号に合わせてマスク結像式レーザ加工発振器から出射したレーザ光を入射レンズにより光ファ機でバーコード，スキャニング式レーザ加工機でアライメイバ内に集光・伝送し，出射レンズでワーク上に結象またントマークを高速・高精度に加工している。本事例では，は集光して加工を行う。光ファイバの種類としては，必要バーコードデータの内容が，逐次変化するため，マスクサな強度分布に応じて，SI（ステップインデックス）型またイズは，バーコードの基本単位である細バーに合致させ，は GI（グレーテッドインデックス）型のいずれかが選定細バーは 1 パルス照射，太バーは連続パルス照射，スペーされる。本方式は，光ファイバ伝送によりビーム品質が劣スは非照射とすることでバーコードを構成している。装置化するため，一般的には，微細加工適用には苦しい面があの概念図を図７に示す。るが，加工光学系が非常にコンパクトであるため，設置ス（2 ）細線の切断加工事例ペース上の制約を受けにくく，また多点同時加工光学系も容易に構築が可能であるという利点がある。（3）スキャニング光学系本事例は，パレット上に連結状態で複数配置されたフィラメント線（材質：タングステン，直径：最小φ 10 μm）に対して，画像処理装置から 1 パレット分の切断位置情報発振器から出射したレーザ光を一対のオプティカルスキャを取得し，スキャニング加工光学系にて一括して，切断加ナで偏向し，Fθレンズでワーク上に集光して加工を行う。工（切断幅：約 50 μm）を行っているものである。レーザ本方式では，コンピュータにてオプティカルスキャナの位微細加工機導入以前は，カッタによる機械的な切断加工を置（角度）とスピード（角速度）を制御するため，ワーク行っていたが，フィラメント線は，軽量かつ強硬度の特性を動かすことなく，任意形状の加工が広範囲（ φ 60 ∼ を有するために，加圧に伴う位置ずれと刃こぼれによる歩 φ 300 mm）かつ高速に行える。留りの低下が問題となっていた。この点，レーザ微細加工は非接触加工であり，ワークの切断位置情報取得位置にて，適用事例スキャニング加工光学系による 1 パレット分の切断加工が可能となり，ワークの固定と加工のための搬送処理が不要（1）高速・高精度バーコード加工事例 360（40）で，自動化が可能となった。装置の外観と切断加工サンプ富士時報精密加工・非接触加工分野へのレーザの適用 Vol.73 No.6 2000 り，幅約 20 μm に集光し，XY テーブル上で搬送される液ルを図８，図９に示す。（3）液晶基板のショートリング切断事例晶基板の所望位置にてレーザ光を照射することにより，ガ本事例は，液晶基板の製造工程において静電気対策用にラスにダメージを与えることなく，金属蒸着膜だけを切断設けられたアースパターン（金属蒸着膜）を切断（薄膜除する。レーザ微細加工機導入以前は，機械的な切断加工を去）するものである。レーザ光は，マスク結像光学系によ行っていたが，配線パターンの微細化・複雑化に伴い，切断部と非切断部が混在するようになり，フレキシブルな切図７高速・高精度バーコード加工装置の概念図断へのニーズが高まっていた。装置の外観と切断サンプルを図１０，図１１に示す。操作画面精密加工装置の適用分野では，その性格からミクロン単位の加工位置精度が要求され，それを実現するための周辺装置をレーザ装置に組み合わせてシステムアップする必要平面図レーザヘッドがある。ここで，精密位置決めに必要なコンポーネントとしては，画像処理技術を駆使した自動アライメント機構，加工スポット径を一定にするためのオートフォーカス機構，加工対象ワークを高精度に位置決めするための高精度 XYθテーブル機構と，これらを統合制御するためのコントローラにより構成される。オペレーター操作は，装置に組み込まれたタッチパネルにより，すべてのコンポーネン側面図トの起動停止操作・状態表示・動作プログラムと加工条件設定などが容易に行えるようになっている。操作画面の例を図１２に示す。図１０ショートリング切断加工装置の外観図８細線切断加工装置の外観図１１ショートリング切断加工のサンプル図９細線の切断加工サンプル 361（41）富士時報精密加工・非接触加工分野へのレーザの適用 Vol.73 No.6 2000 図１２操作画面の例あとがき本稿で紹介した事例は，いずれもレーザ光の優れた特徴を応用したものである。今後も電子業界を中心とした微細化・精密化へのニーズは急速に高まるものと考える。また，この微細化・精密化ニーズへの実現は，集光スポット径の微細化（短波長化，ビーム品質の改善，加工光学系の最適化）と安定化（レーザ出力，照射位置）といったレーザ装置に直接起因する要因だけでなく，システムを構成する位置決め装置・アライメント用ビジョンシステムとそれらを統合する運用制御ソフトウェア，さらには設置環境（温度変化，振動）などを総合的に考慮してシステムの構築を行うことが，ますます重要になってくるものと考える。技術論文社外公表一覧標題所属氏名燃料電池を用いた生ごみ処理システム新事業推進室〃中島憲之黒田健一水素/空気 1 kW 級 PEFC スタックの開発新事業推進室〃〃〃中川匡青木信瀬谷彰利鴨下友義富士電機におけるりん酸形燃料電池の開発状況新事業推進室〃〃〃大内崇鴨下友義工藤飛良生中島憲之 PAFC におけるリン酸マネージメントの研究新事業推進室〃〃〃岡江功弥加藤茂実瀬谷彰利鴨下友義ホロノミック全方向移動ロボットのための同期キャスタ駆動機構による移動プラットホーム富士電機総合研究所和田正義事室中島憲之 The Control System Design of a Traveling Crane using H∞ Control Theory 環境システム事業部戸高雄二 Anti-Sway Control System of a Rotational Crane using the Non-linear Controller 環境システム事業部戸高雄二 Compensation Characteristic of the Source Current Detection Type Active Filter 富士電機総合研究所 Using the Disturbance-observer for Reso〃 nance Suppression 徳田寛和天野功 Characteristics of a Monolithic Converter utilizing a Thin-film Inductor 富士電機総合研究所〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃菅原聡黒木一男松崎一夫松田昭憲林善智中森昭鷁頭政和片山靖米澤栄一中澤治雄江戸雅晴 Caster Drive Mechanisms for Holonomic and Omnidirectional Mobile Platforms with no Over Constraint 富士電機総合研究所〃〃和田正義高木昭森俊二燃料電池発電装置の生ごみ再資源化システムへの適用 DC-DC 362（42）業開発発表機関 FCDIC 主催第 7 回燃料電池シンポジウム（2000-5）日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会（2000-5）平成12年度天然ガス高度利用研究会技術サロン（2000-5） IEEE 6th International Workshop on Advanced Motion Control（2000-3） IAS IPEC-Tokyo 2000（2000-4） IEEE International Conference on Robotics and Automation（2000-4）＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する商標または登録商標である場合があります。