特許 6974719 光ビームスキャナモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6974719

(24)【登録日】2021年11月9日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】光ビームスキャナモジュール

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/29 20060101AFI20211118BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/29

【請求項の数】6

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-239946(P2017-239946)

(22)【出願日】2017年12月14日

(65)【公開番号】特開2019-105811(P2019-105811A)

(43)【公開日】2019年6月27日

【審査請求日】2020年2月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】赤毛 勇一

(72)【発明者】

【氏名】坂本 尊

【審査官】 奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１２５４３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２１７６８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１２６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−２０３８４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／００７７１４７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 SAKAMOTO et al.，High-speed optical beam scanning using KTN crystal，IEEE CPMT Symposium Japan 2014，米国，IEEE，2014年11月04日，https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7009638，DOI: 10.1109/ICSJ.2014.7009638

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００− １／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１− ７／００

Ｈ０１Ｓ ３／００− ４／００

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

透明な電気光学材料で構成された結晶素子であって、結晶の主成分が周期律表Ｉａ族及びＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ及びタンタルの少なくとも１つを含む結晶素子、または、結晶の主成分が周期律表Ｉａ族及びＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ及びタンタルの少なくとも１つを含み、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族またはＩＩａ族の１または複数種を含む結晶素子と、
前記結晶素子上に対向して形成された電極対と、
前記電極対のうちの少なくとも一方の電極に設けられた温度モニタ部であって、前記結晶素子の温度をモニタする温度モニタ部と、
前記少なくとも一方の電極に設けられた温度制御部であって、前記温度モニタ部からモニタ温度がフィードバックされ、当該フィードバックされたモニタ温度が所定の温度となるように前記結晶素子の温度制御をする温度制御部と、
前記結晶素子において、前記電極対が形成された面である電極面以外の光ビームが入射する面に、温度制御された気流を吹き付ける気流吹き付け部と、
を備えたことを特徴とする光ビームスキャナモジュール。

【請求項2】

前記気流吹き付け部は、気流を送出するコンプレッサと、前記コンプレッサから送出された気流を温度制御するためのヒーター付き配管と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の光ビームスキャナモジュール。

【請求項3】

前記結晶素子及び前記電極対を囲うケースであって、前記気流吹き付け部から供給される気流を一定領域に閉じ込め可能に構成されたケースをさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ビームスキャナモジュール。

【請求項4】

前記温度制御部は、
ペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子に設置されたヒートシンクと、
前記温度モニタ部からモニタ温度がフィードバックされ、当該フィードバックされたモニタ温度が所定の温度となるように前記ペルチェ素子の温度制御を介した前記結晶素子の温度制御をするペルチェコントローラと、
を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光ビームスキャナモジュール。

【請求項5】

前記気流吹き付け部における気流の制御温度と、前記温度制御部における前記結晶素子の制御温度は等しいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光ビームスキャナモジュール。

【請求項6】

前記温度モニタ部は、サーミスタであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光ビームスキャナモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光ビームスキャナモジュールに関し、より詳細には、偏向したビームの照射位置の安定性や再現性の向上を図るために電気光学材料からなる結晶素子によって実現された光ビームスキャナモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光ビームの照射位置を走査する光ビームスキャナとして広く利用されているガルバノスキャナ等では、機械的にミラーを動かすことによってビーム走査をしており、動作速度が機械制御速度に制限される。

【0003】

それに対し、電気光学材料としてＫＴＮ結晶を利用するＫＴＮ光ビームスキャナでは、電圧制御によってビーム走査を実現していることを大きな特徴としている。ＫＴＮ結晶は、二次のＥＯ効果であるカー効果が大きいという特徴をもち、その効果を利用した偏向特性の応用が期待されている。ＫＴＮ光ビームスキャナは、２００ｋＨｚを超える高速な動作速度を実現できることから、一般に利用されているガルバノビームスキャナなどの動作速度が数ｋＨｚである他のスキャナに比べて高速なビーム走査が可能であり、実用化に向けた検討に期待が寄せられている。

【0004】

また、ガルバノスキャナなどのミラーを使った反射型のビームスキャナでは、光路を折り返すような複雑な構成が必要であるため、スキャナの光路設計が難しいことや、小型化が困難であることなどの問題があった。一方で、ＫＴＮ光ビームスキャナは、透過型のスキャナであるため、光路設計が容易でスキャナや装置の小型化に有利であること、レーザ加工などの応用においてスループットの向上に有利であることなどから、その利用が期待されている。

【0005】

以上のようなＫＴＮ光ビームスキャナの特徴から、昨今、盛んにＫＴＮ光ビームスキャナの応用検討が進められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１３−１９５９１６号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】「光偏向器の適用領域及び技術情報（Application and technical information of optical deflectors）」、一般財団法人産業技術振興協会、２０１７年３月、OITDA/TP 27/AA：2017、第１版、ｐ．１−１９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

図１は、ＫＴＮ光ビームスキャナにおける、ＫＴＮ結晶素子が出力する光の光路と電極の位置との関係を概略的に示す。図１には、ＫＴＮ結晶素子１と、ＫＴＮ結晶素子１に電圧を印加するようにＸ軸及びＺ軸で構成されるＸＺ平面上においてＫＴＮ結晶素子１上に対向して形成された電極対２と、を備えたＫＴＮ光ビームスキャナモジュールにおいて、ＫＴＮ結晶素子１から出射された光がスクリーン３に照射される様子が示されている。

【0009】

図１に示すように、ＫＴＮ光ビームスキャナモジュールにおいては、Ｘ軸方向にＫＴＮ結晶素子１の光入出射面が構成され、Ｙ軸方向にＫＴＮ結晶素子１において電極対２を形成する電極面（以下、ＫＴＮ結晶素子において電極対が形成されている面を電極面とする。）が構成されている。ＫＴＮ光ビームスキャナモジュールでは、電極対２により光の進行方向に垂直に電圧を印加することにより、ＫＴＮ結晶素子１を透過して偏向した光ビームのスクリーン３上での照射位置についてのＹ軸方向の走査を実現している。

【0010】

ＫＴＮ光ビームスキャナモジュールにおいてスクリーン上での光ビームの照射位置の安定性・再現性が高いことは、例えば、レーザ加工の場合においては加工精度や加工バラツキに直接影響し、トレパリングによる穴あけ加工の場合においては加工できる最小穴径をさらに小さくすること、およびレーザによる溶断加工の場合においては加工断面の直線性を向上することに寄与するため、光ビームスキャナとして利用する上で基本的且つ非常に重要な特性である。

【0011】

ここで、ＫＴＮ結晶は、結晶温度に応じて誘電率の変化を示す光学結晶であり、光ビームが透過する際、ＫＴＮ結晶素子の温度が偏向特性に影響を及ぼすことがわかっている。また、ＫＴＮ光ビームスキャナモジュールは、ＫＴＮ結晶素子の温度制御に加え、ＫＴＮ結晶素子への電圧印加により光が透過する際のＫＴＮ結晶素子の誘電率を制御することで偏向特性の制御を実現するものであるため、光ビームの照射位置の安定性・再現性の向上のためには、結晶温度の安定性と、外部から与える電圧信号の安定性とが非常に重要なパラメータとなる。

【0012】

図２は、従来のＫＴＮ光ビームスキャナモジュールの構成例を示す。図２には、ＫＴＮ結晶素子１１と、ＫＴＮ結晶素子１１上に対向して形成された電極対１２と、電極対１２のうちの一方の電極に設けられた温度モニタ部１３と、電極対１２のうちの一方の電極に設けられた温度制御部１４と、を備えたＫＴＮ光ビームスキャナモジュールが示されている。

【0013】

また、図３は、従来のＫＴＮ光ビームスキャナモジュールの他の構成例を示す。図３に示すＫＴＮ光ビームスキャナモジュールでは、ＫＴＮ結晶素子１１上に対向して形成された電極対１２及び１２’を挟み込むように２つの温度制御部１４及び１４’をそれぞれ設け、温度モニタ部１３及び１３’を電極対１２及び１２’にそれぞれ設けている。

【0014】

温度モニタ部１３は、電極対１２の温度をモニタするように電極対１２に設けられており、そのモニタ温度を温度制御部１４にフィードバックする。温度モニタ部１３は、例えば、サーミスタや熱電対などの温度モニタを行う部品とすることができる。

【0015】

温度制御部１４は、例えば、ペルチェ素子やヒーター、ヒートシンクなどの温度制御を行う部品を組合せて構成され、温度モニタ部１３からフィードバックされるモニタ温度が温度制御部１４におけるＫＴＮ結晶素子１１の制御温度で一定となるようにＫＴＮ結晶素子１１の温度を制御する。

【0016】

以下、温度制御部１４としてペルチェ素子及びペルチェ素子の温度制御を介してＫＴＮ結晶素子の温度制御を行うペルチェコントローラを用いた構成を例に説明する。図２及び図３に示すような従来のＫＴＮ光ビームスキャナモジュールにおいて、ＫＴＮ結晶素子の温度は、ＫＴＮ結晶素子１１に電気的に接続している電極対１２に設けられた温度モニタ部１３によってモニタされている。従来のＫＴＮ光ビームスキャナモジュールでは、そのモニタ温度をペルチェコントローラにフィードバックし、ＫＴＮ結晶素子１１の偏向動作に最適な温度で利用するためにモニタ温度がＫＴＮ結晶素子１１の制御温度で一定となるようにペルチェ素子を温度制御することで、ペルチェ素子に接触した電極対１２を介してＫＴＮ結晶素子１１の温度を調整している（例えば特許文献１参照）。

【0017】

しかしながら、従来のＫＴＮ光ビームスキャナモジュールでは、フィードバック制御自体の時間的な遅延に起因してＫＴＮ結晶素子１１の制御温度の時間的な遅延が生じるため、ＫＴＮ結晶素子１１の温度揺らぎを完全になくすことは不可能である。

【0018】

また、ＫＴＮ結晶素子においては、電極に接する部分はＫＴＮ結晶素子の制御温度で安定する一方で、電極から離れるに従って当該制御温度からズレが生じていた。特に、ＫＴＮ結晶素子自体の熱伝導特性が悪く、ＫＴＮ結晶素子がペルチェ素子による電極を介した温度制御に比べて周辺温度の影響を強く受けるため、電極から離れた位置にある光の入出射部において温度揺らぎが生じ、その結果、偏向特性が揺らぐことがわかってきた。例えば、ＫＴＮ結晶素子の相転移温度が周辺温度よりも高い場合、ＫＴＮ結晶素子の温度は制御温度よりも周辺温度に影響を受け、光の入出射部において温度揺らぎが生じる。

【0019】

図４（ａ）はＫＴＮ結晶素子の制御温度を室温よりも約３０℃高く設定した場合におけるＫＴＮ結晶素子の温度の揺らぎ幅の測定結果を示し、図４（ｂ）はＫＴＮ結晶素子の制御温度を室温よりも約１０℃高く設定した場合におけるＫＴＮ結晶素子の温度の揺らぎ幅の測定結果を示す。図４では、ＫＴＮ結晶素子において光が伝搬する中央部分の温度を測定した。

【0020】

図４（ａ）に示すようにＫＴＮ結晶素子の制御温度を室温よりも約３０℃高く設定した場合、ＫＴＮ結晶素子の温度の揺らぎ幅は０．００６℃であり、図４（ｂ）に示すように、ＫＴＮ結晶素子の制御温度を室温よりも約１０℃高く設定した場合、ＫＴＮ結晶素子の温度の揺らぎ幅は０．００２℃である。従って、ＫＴＮ結晶素子の制御温度が室温から離れるのに伴い、ＫＴＮ結晶素子の温度の揺らぎ幅が大きくなっている。

【0021】

また、温度揺らぎ幅がビーム位置の揺らぎ幅に与える影響を見積もるために、従来のＫＴＮ光ビームスキャナモジュールにおけるＫＴＮ結晶素子の制御温度に対するＫＴＮ結晶素子の温度の揺らぎ幅及び偏向したビーム位置の揺らぎ幅を評価した。図５（ａ）はＫＴＮ結晶素子の制御温度に対するＫＴＮ結晶素子の中央部分の温度の揺らぎ幅の評価結果を示し、図５（ｂ）はＫＴＮ結晶素子の制御温度に対する偏向ビームの照射位置の揺らぎ幅の評価結果を示す。

【0022】

図５（ｂ）に示す偏向ビームの照射位置評価では、ＫＴＮ結晶素子にＡＣ電圧を印加し、一定の電圧が印加されるタイミングでレーザ光を入射して、偏向したビームの照射位置をＫＴＮ結晶素子から約１０ｃｍ離れたＣＣＤカメラで５分間評価し、５分間のうちにＣＣＤ上で偏向したビームの照射位置がどの程度揺らぐかを測定した。

【0023】

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるように、ＫＴＮ結晶素子の制御温度が室温（約２０℃）から高くなるにしたがってＫＴＮ結晶素子の温度の揺らぎ幅が大きくなり、それに比例するようにＫＴＮ結晶素子によって偏向したビームの照射位置の揺らぎ幅が大きくなっている様子がわかる。これらの結果より、ＫＴＮ結晶素子の制御温度と室温の差が大きいと偏向特性が不安定になり、偏向ビームの位置精度が劣化することがわかる。

【0024】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、結晶素子の温度制御精度を向上し、偏向特性の安定性を高めることが可能な光ビームスキャナモジュールを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0025】

本発明の一態様に係る光ビームスキャナモジュールは、透明な電気光学材料で構成された結晶素子であって、結晶の主成分が周期律表Ｉａ族及びＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ及びタンタルの少なくとも１つを含む結晶素子、または、結晶の主成分が周期律表Ｉａ族及びＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ及びタンタルの少なくとも１つを含み、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族またはＩＩａ族の１または複数種を含む結晶素子と、前記結晶素子上に対向して形成された電極対と、前記電極対のうちの少なくとも一方の電極に設けられた温度モニタ部であって、前記結晶素子の温度をモニタする温度モニタ部と、前記少なくとも一方の電極に設けられた温度制御部であって、前記温度モニタ部からモニタ温度がフィードバックされ、当該フィードバックされたモニタ温度が所定の温度となるように前記結晶素子の温度制御をする温度制御部と、前記結晶素子において、前記電極対が形成された面である電極面以外の光ビームが入射する面に、温度制御された気流を吹き付ける気流吹き付け部と、を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、光ビームスキャナモジュールにおける結晶素子の温度制御精度を向上し、偏向特性の安定性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】ＫＴＮ光ビームスキャナにおける、ＫＴＮ結晶素子が出力する光の光路と電極の位置との関係を概略的に示す図である。

【図2】従来のＫＴＮ光ビームスキャナモジュールの構成例を示す。

【図3】従来のＫＴＮ光ビームスキャナモジュールの構成の他の例を示す。

【図4】従来のＫＴＮ光ビームスキャナモジュールにおける、ＫＴＮ結晶素子の制御温度に対するＫＴＮ結晶素子の温度の揺らぎ幅の測定結果を示す図である。

【図5】従来のＫＴＮ光ビームスキャナモジュールにおける、ＫＴＮ結晶素子の制御温度に対するＫＴＮ結晶素子の温度の揺らぎ幅及び偏向ビームの照射位置の揺らぎ幅の評価結果を示す図である。

【図6】本発明の実施例１に係る光ビームスキャナモジュールの構成を概略的に示す図である。

【図7】本発明の実施例２に係る光ビームスキャナモジュールの構成を概略的に示す図である。

【図8】本発明の実施例２に係る光ビームスキャナモジュールにおけるＫＴＮ結晶素子の温度の安定性を評価した結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

（実施例１）
図６は、本発明の実施例１に係る光ビームスキャナモジュールの構成を概略的に示す。図６には、ＫＴＮ結晶素子１１０と、ＫＴＮ結晶素子１１０上に対向して形成された電極対１２０と、電極対１２０のうちの一方の電極に設けられた温度モニタ部１３０と、電極対１２０の一方の電極に設けられた温度制御部１４０と、温度制御された気流をＫＴＮ結晶素子１１０に吹き付ける気流吹き付け部１５０と、を備えた光ビームスキャナモジュールが示されている。

【0029】

温度モニタ部１３０は、電極対１２０の温度をモニタするように電極対１２０に設けられており、そのモニタ温度を温度制御部１４０にフィードバックする。温度モニタ部１３０は、例えば、サーミスタや熱電対などの温度モニタを行う部品とすることができる。

【0030】

温度制御部１４０は、例えば、ペルチェ素子やヒーター、ヒートシンクなどの温度制御を行う部品を組合せて構成され、温度モニタ部１３０からフィードバックされるモニタ温度が温度制御部１４０におけるＫＴＮ結晶素子１１０の制御温度で一定となるようにＫＴＮ結晶素子１１０の温度を制御する。

【0031】

気流吹き付け部１５０は、例えば、気流の吹き出しノズルや配管を組み合わせたものを熱制御することでそこを通る気流の温度調節を行い、当該温度調節された気流をＫＴＮ結晶素子１１０に吹き付けることができる。気流吹き付け部１５０では、例えば、吹き出しノズルや配管の一部にヒーターを巻きつけたり、チラーで制御された水中に配管の一部を通すことで気流の温度調整が可能である。本発明に係る光ビームスキャナモジュールは、気流吹き付け部１５０を有する点で従来の光ビームスキャナモジュールと異なる。

【0032】

前述のように、ＫＴＮ結晶素子の偏向特性の安定性を向上するために、ＫＴＮ結晶素子の温度を安定化することは非常に重要であり、光ビームが伝搬するＫＴＮ結晶素子の光入射面から光出射面にかけての領域の温度の安定化がポイントである。

【0033】

従来、ＫＴＮ光ビームスキャナモジュールにおいては光の入出射面と温度制御を積極的に行う面は区別されてきた。図２及び図３に示すような従来のＫＴＮ光ビームスキャナモジュールでは、光の入出射面に垂直な電極面側からＫＴＮ結晶素子の温度制御がなされている。しかし、電極面以外の面（光の入出射面及び図６中Ｚ軸方向の面。）については、光路の確保や電極対からＫＴＮ結晶素子に効率的に電気信号を印加するための電気的な絶縁の確保の観点から、ＫＴＮ結晶素子の積極的な温度制御は考慮されてこなかった。

【0034】

そのため、本発明に係る光ビームスキャナモジュールでは、温度制御部１４０による電極面からの温度制御に加え、気流吹き付け部１５０によりＫＴＮ結晶素子１１０に温度制御された空気を吹き付けることにより、ＫＴＮ結晶素子１１０の温度が素子全域で一定となるように制御している。

【0035】

本発明に係る光ビームスキャナモジュールによると、気流吹き付け部１５０によりＫＴＮ結晶素子１１０に温度制御された空気を吹き付けることにより、ＫＴＮ結晶素子１１０の温度が一定となるように制御しているため、光ビームスキャナモジュールにおける結晶素子の温度制御精度を向上し、偏向特性の安定性を高めることができる。

【0036】

気流吹き付け部１５０における気流の制御温度は、温度制御部１４０におけるＫＴＮ結晶素子１１０の制御温度と等しくすることが好ましい。ただし、気流吹き付け部１５０における気流の制御温度は、温度制御部１４０におけるＫＴＮ結晶素子１１０の制御温度と近ければよく、ペルチェ素子などの温度制御部１４０の性能やサーミスタなどの温度モニタ部１３０とペルチェ素子との間の距離などに応じて調整してもよい。

【0037】

ここで、図６に示す例では、気流吹き付け部１５０により、ＫＴＮ結晶素子１１０の入射面のみに気流を吹き付けている構成を示しているが、これに限定されず、電極面以外の４つの面の１又は複数にそれぞれ気流を吹き付けるように構成してもよい。複数の面に気流を吹き付けるように構成した場合、温度制御の安定性をさらに向上させることができる。

【0038】

また、図６に示すようにＫＴＮ結晶素子１１０の入射面に気流を吹き付ける場合には、光ビームの入射点が最も発熱が高いことが想定されるため、気流吹き付け部１５０から気流を吹き付けるポイントは、光ビームの入射点に合わせることが好ましい。

【0039】

なお、本発明に係る光ビームスキャナモジュールにおいては、温度制御部１４０による温度制御はＫＴＮ結晶素子１１０の温度を目標温度とすることが目的であるためフィードバック制御し、気流吹き付け部１５０による温度制御はＫＴＮ結晶素子の温度揺らぎを極小化することが目的であるため大雑把な温度制御のみでよく、フィードバック制御の必要はない。しかし、ビームの位置制御精度が求められる応用などの精細な温度制御の必要がある場合やハイパワーのレーザ光が入射することによりＫＴＮ結晶素子の表面の温度上昇が見込まれる場合などでは、気流吹き付け部１５０による温度制御においても温度制御部でのモニタ温度を利用してフィードバック制御を行ってもよい。

【0040】

本実施例では、電気光学材料としてＫＴＮを使用したＫＴＮ結晶素子を例として説明したが、これに限定されず、本発明が対象とする電気光学材料については、結晶の主成分が周期律表Ｉａ族及びＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ及びタンタルの少なくとも１つを含むことができ、さらに、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族、例えばリチウム、またはＩＩａ族の１または複数種を含むこともできる。以下の実施例でも同様である。

【0041】

また、本実施例では、温度モニタ部及び温度制御部を電極対の一方の電極にそれぞれ設けた構成を例示しているが、電極対の両方の電極に温度モニタ部及び温度制御部を設けてもよい。以下の実施例でも同様である。

【0042】

さらに、本実施例では、気流吹き付け部がＫＴＮ結晶素子に吹き付ける気体を空気（大気）としたが、熱交換効率を高めるためにＨｅなど分子量の軽い気体としてもよく、また金属部の酸化などが進まないようにＮ_２などの不活性ガスを利用してもよい。以下の実施例でも同様である。

【0043】

（実施例２）
図７は、本発明の実施例２に係る光ビームスキャナモジュールの構成を示す。図７には、ＫＴＮ結晶素子２１０と、ＫＴＮ結晶素子２１０上に対向して形成された電極対２２０と、電極対２２０のうちの一方の電極に埋め込まれたサーミスタ２３０と、電極対２２０のうちの一方の電極に設けられた温度制御部２４０と、温度制御された気流をＫＴＮ結晶素子２１０に吹き付ける気流吹き付け部２５０と、を備えた光ビームスキャナモジュールが示されている。

【0044】

サーミスタ２３０は、ＫＴＮ結晶素子２１０の温度をモニタすることができ、当該モニタ温度を温度制御部２４０にフィードバックする。

【0045】

温度制御部２４０は、ペルチェ素子２４１と、ペルチェ素子２４１に設置されたヒートシンクと、サーミスタ２３０とペルチェ素子２４１とに接続されたペルチェコントローラ２４３と、を含む。ペルチェコントローラ２４３は、サーミスタ２３０からモニタ温度がフィードバックされ、フィードバックされたモニタ温度が所定の温度となるようにペルチェ素子２４１の温度制御を介してＫＴＮ結晶素子２１０の温度制御をする。

【0046】

気流吹き付け部２５０は、気流を送出するコンプレッサ２５１と、コンプレッサ２５１から送出された気流を温度制御するためのヒーター付き配管２５２と、コンプレッサ２５１からヒーター付き配管２５２を通して送出された気流を閉じ込めるためのケース２５３と、を含む。コンプレッサ２５１には供給する気流の量を制御するためのマスフローコントローラ（不図示）が接続されている。

【0047】

気流吹き付け部２５０では、コンプレッサ２５１からヒーター付き配管２５２を通して供給される温度制御された気流（例えば大気など）をＫＴＮ結晶素子２１０に吹き付けている。コンプレッサ２５１から吹き付けられる前の気流は、ヒーター付き配管２５２を通る間に設定温度になるように温度調整される。その結果、ＫＴＮ結晶素子２１０は、周辺の環境温度にかかわらずモジュール全体が一定の温度になるように制御されるため、ＫＴＮ結晶素子２１０の温度揺らぎを小さくすることができる。

【0048】

本実施例２では、周辺環境からのホコリ等が付着することを防止するため、エアーの吹付け効率を高めるため、および外部からのホコリ等が舞い込むことを抑制するために、気流吹き付け部２５０から供給される気流を一定領域に閉じ込め可能に構成されたケース２５３によりＫＴＮ結晶素子２１０及び電極対２２０を囲っている。また、ケース２５３は、気流吹き付け部２５０から供給される気流をＫＴＮ結晶素子２１０に吹き付けることが可能なように、気流吹き付け部と連結した流入口を有する。外部から空気やホコリなどの流入を防ぐため、ケース２５３内が陽圧となるように気流の流量が調整されている。

【0049】

特にハイパワー応用では、ＫＴＮ結晶素子２１０をケース２５３で囲うことにより、ＫＴＮ結晶素子２１０の電極面以外の面に大気中のホコリが焼き付くことを防ぐ効果も期待できる。

【0050】

ＫＴＮ結晶素子２１０に吹き付ける気流に湿度やホコリが含まれると問題となることから、気流吹き付け部２５０に除湿剤やフィルターを設けることにより、除湿剤やフィルターを通した気流を吹き付けるとよい。これにより、周辺大気に含まれる水分等による入射光の損失が抑制される効果も期待できる。

【0051】

尚、レーザ加工では、レーザ光によって溶かした材料や蒸発した材料の再付着を防止するためにレーザ光が照射される領域にエアーを吹き付ける装置があるため、気流吹き付け部２５０において、そのエアーの一部をＫＴＮ結晶素子の温度制御用に流用してもよい。

【0052】

図８は、本発明の実施例２に係る光ビームスキャナモジュールにおけるＫＴＮ結晶素子の温度の安定性を評価した結果を示す。本評価においては、ＫＴＮ結晶素子２１０に吹き付けるエアーの設定温度を温度制御部２４０におけるＫＴＮ結晶素子２１０の制御温度とし、ＫＴＮ結晶素子２１０の中央部分の温度を測定した。

【0053】

図８に示されるように、本発明の実施例２に係る光ビームスキャナモジュールでは、ペルチェ素子の制御温度は室温よりも約３０℃高いにも関わらず、ＫＴＮ結晶素子の温度の揺らぎ幅が０．００２℃であって、図４に示す従来の光ビームスキャナモジュールのＫＴＮ結晶素子の温度の揺らぎ幅である０．００６℃と比較して、大幅に小さいことがわかる。このことから、本発明の実施例２に係る光ビームスキャナモジュールによると、ＫＴＮ結晶素子２１０の制御温度が室温と大きく異なった場合にも、ＫＴＮ結晶素子の温度安定化が達成できることがわかった。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】