特許 7557401 レーザ光走査装置及びレーザ加工装置

(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】

(24)【登録日】2024-09-18

(45)【発行日】2024-09-27

(54)【発明の名称】レーザ光走査装置及びレーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/10 20060101AFI20240919BHJP

   G02B 26/12 20060101ALI20240919BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20240919BHJP

【ＦＩ】

G02B26/10 C

G02B26/12

B23K26/082

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021041974

(22)【出願日】2021-03-16

(65)【公開番号】P2022142019

(43)【公開日】2022-09-30

【審査請求日】2023-10-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000233332

【氏名又は名称】ビアメカニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003133

【氏名又は名称】弁理士法人近島国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大槻 治明

【審査官】山本 貴一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１２１０３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－００１９９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５２４２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－２８０７１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－００９２２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２２５３９３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２４１１１８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２６／１０，２６／１２，２６／０８

Ｂ２３Ｋ ２６／００－２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の光路上に配置され、レーザ光を偏向する第１の偏向手段と、
第２の光路上に配置され、レーザ光を偏向する第２の偏向手段と、
レーザ発振器から発振されたレーザ光が入射され、入射されたレーザ光を前記第１の光路若しくは前記第２の光路に向けて選択的に出射可能な選択手段と、
前記第１の偏向手段及び前記第２の偏向手段を駆動する駆動手段と、
前記第１の偏向手段及び前記第２の偏向手段によりそれぞれ偏向されたレーザ光を、走査対象物の所定位置に向けて反射させる反射手段と、を備え、
前記反射手段は、回転軸を中心に回転可能で、複数の反射面を有する回転多面鏡であり、
前記反射手段と前記走査対象物との間にはｆθレンズが配置されており、
前記回転多面鏡及び前記ｆθレンズは、前記ｆθレンズの光軸が前記回転多面鏡の回転軸に直交して前記回転多面鏡の反射面を通ると共に、前記ｆθレンズの前側焦点が前記回転多面鏡の反射面上の反射点付近になるように配置され、
前記第１の偏向手段及び前記第２の偏向手段は、偏向したレーザ光の出射方向が、前記回転多面鏡の所定の回転角度における前記ｆθレンズの光軸の反射方向と一致するように、前記回転多面鏡の回転方向に関して異なる位置に配置されていることを特徴とするレーザ光走査装置。

【請求項2】

第１の光路上に配置され、レーザ光を偏向する第１の偏向手段と、
第２の光路上に配置され、レーザ光を偏向する第２の偏向手段と、
レーザ発振器から発振されたレーザ光が入射され、入射されたレーザ光を前記第１の光路若しくは前記第２の光路に向けて選択的に出射可能な選択手段と、
前記第１の偏向手段及び前記第２の偏向手段を駆動する駆動手段と、
前記第１の偏向手段及び前記第２の偏向手段によりそれぞれ偏向されたレーザ光を、走査対象物の所定位置に向けて反射させる反射手段と、を備え、
前記第１の偏向手段及び前記第２の偏向手段は、それぞれ、
前記選択手段により光路を選択されたレーザ光が入射し、レーザ光の入射方向と直交する第１方向に中立位置を中心として移動可能であり、反射面が凹面形状である第１ミラーと、
前記第１ミラーで反射されたレーザ光が入射し、前記第１方向と直交する第２方向に中立位置を中心として移動可能であり、反射面が凹面形状である第２ミラーと、を有し、
前記駆動手段は、
前記第１ミラーを前記第１方向に移動させる第１移動手段と、
前記第２ミラーを前記第２方向に移動させる第２移動手段と、有することを特徴とするレーザ光走査装置。

【請求項3】

前記第１ミラー及び前記第２ミラーの反射面は、次の式を満たす凹面形状である
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ光走査装置。
但し、前記第１ミラーへのレーザ光の入射方向をｘ軸、前記第２ミラーへのレーザ光の入射方向をｙ軸とした場合、次の数式中の符号は次の通りである。
ｘ：前記反射面の断面をｘ軸及びｙ軸の直交座標系で示した場合のｘ軸方向の座標
ｙ：前記反射面の断面をｘ軸及びｙ軸の直交座標系で示した場合のｙ軸方向の座標
Ｌ：前記反射面の断面をｘ軸及びｙ軸の直交座標系で示した場合の原点から偏向点まで
の距離

【数17】

【請求項4】

前記第１ミラーの前記中立位置における反射点をＲ_１ 、前記第１ミラーの位置によらず前記第１ミラーにより偏向されたレーザ光が必ず通る空間の一点を点Ｐ _１ 、前記反射点Ｒ _１ から前記点Ｐ_１までの距離をＬ１、前記第２ミラーの前記中立位置における反射点Ｒ _２ 、前記第２ミラーの位置によらず前記第２ミラーにより偏向されたレーザ光が必ず通る空間の一点を点Ｐ _２ 、前記反射点Ｒ_２から前記点Ｐ_２までの距離をＬ２、前記反射点Ｒ_１と前記反射点Ｒ_２との間の距離をｄとした場合、
ｄ＝Ｌ１－Ｌ２
を満たすことを特徴とする請求項２又は３に記載のレーザ光走査装置。

【請求項5】

レーザ光によりワークを加工するレーザ加工装置であって、
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から発振されたレーザ光を走査してワークに向けて照射するレーザ光走査装置と、を備え、
前記レーザ光走査装置は、請求項１ないし４の何れか１項に記載のレーザ光走査装置であり、
前記ワークは、前記走査対象物であることを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項6】

前記レーザ発振器、前記選択手段、前記駆動手段及び前記反射手段を制御可能な制御部を備え、
前記制御部は、前記第１の偏向手段及び前記第２の偏向手段のうち、何れか１つの偏向手段により偏向されたレーザ光を前記ワークの加工位置に射出している間に、他の１つの偏向手段により偏向されるレーザ光が前記ワークの次の加工位置に向くように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ光を走査するレーザ光走査装置と、これを備えたレーザ加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ加工装置として、レーザ発振器から発振されるレーザ光を一対のガルバノスキャナミラーにより偏向してレーザ光の進行方向を所望の方向に変化させ、ｆθレンズによりレーザ光の進行方向を一定の方向にして、加工対象であるプリント基板などのワークの目標位置に垂直に照射する構成が提案されている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００２－１３７０７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来の構成の場合、レーザ光を射出してワークに加工を行った後、アクチュエータ（駆動手段）により、次の加工位置に向けてレーザ光を偏向する角度へとガルバノスキャナミラー（偏向手段）を位置決めし、再びレーザ光を射出することを繰り返すことで、ワークに連続して加工が行われる。このため、ガルバノスキャナミラーの位置決め時間が加工の進行を支配し、ガルバノスキャナミラーの位置決めの速さを越えて加工の生産性を上げることはできなかった。

【0005】

本発明は、高い加工生産性を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、第１の光路上に配置され、レーザ光を偏向する第１の偏向手段と、第２の光路上に配置され、レーザ光を偏向する第２の偏向手段と、レーザ発振器から発振されたレーザ光が入射され、入射されたレーザ光を前記第１の光路若しくは前記第２の光路に向けて選択的に出射可能な選択手段と、前記第１の偏向手段及び前記第２の偏向手段を駆動する駆動手段と、前記第１の偏向手段及び前記第２の偏向手段によりそれぞれ偏向されたレーザ光を、走査対象物の所定位置に向けて反射させる反射手段と、を備え、前記反射手段は、回転軸を中心に回転可能で、複数の反射面を有する回転多面鏡であり、前記反射手段と前記走査対象物との間にはｆθレンズが配置されており、前記回転多面鏡及び前記ｆθレンズは、前記ｆθレンズの光軸が前記回転多面鏡の回転軸に直交して前記回転多面鏡の反射面を通ると共に、前記ｆθレンズの前側焦点が前記回転多面鏡の反射面上の反射点付近になるように配置され、前記第１の偏向手段及び前記第２の偏向手段は、偏向したレーザ光の出射方向が、前記回転多面鏡の所定の回転角度における前記ｆθレンズの光軸の反射方向と一致するように、前記回転多面鏡の回転方向に関して異なる位置に配置されていることを特徴とするレーザ光走査装置である。
本発明の一態様は、第１の光路上に配置され、レーザ光を偏向する第１の偏向手段と、第２の光路上に配置され、レーザ光を偏向する第２の偏向手段と、レーザ発振器から発振されたレーザ光が入射され、入射されたレーザ光を前記第１の光路若しくは前記第２の光路に向けて選択的に出射可能な選択手段と、前記第１の偏向手段及び前記第２の偏向手段を駆動する駆動手段と、前記第１の偏向手段及び前記第２の偏向手段によりそれぞれ偏向されたレーザ光を、走査対象物の所定位置に向けて反射させる反射手段と、を備え、前記第１の偏向手段及び前記第２の偏向手段は、それぞれ、前記選択手段により光路を選択されたレーザ光が入射し、レーザ光の入射方向と直交する第１方向に中立位置を中心として移動可能であり、反射面が凹面形状である第１ミラーと、前記第１ミラーで反射されたレーザ光が入射し、前記第１方向と直交する第２方向に中立位置を中心として移動可能であり、反射面が凹面形状である第２ミラーと、を有し、前記駆動手段は、前記第１ミラーを前記第１方向に移動させる第１移動手段と、前記第２ミラーを前記第２方向に移動させる第２移動手段と、有することを特徴とするレーザ光走査装置である。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、高い加工生産性を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図。

【図2】第１の実施形態に係る第１ミラーの、（ａ）平面図、（ｂ）側面図。

【図3】第１の実施形態に係る第１ミラーの反射面を説明するための模式図。

【図4】第１の実施形態に係る第１ミラーのレーザ光の偏向を説明するための模式図。

【図5】第１の実施形態に係る第１ミラーと第２ミラーを組み合わせたレーザ光の偏向系のレーザ光の偏向作用を説明するための図で、（ａ）それぞれのミラーが中立位置の状態を、（ｂ）それぞれのミラーを変位させた状態を示す図。

【図6】第１の実施形態に係るレーザ光偏向部からワークまでのレーザ光の偏向作用を説明するための図で、（ａ）正面図、（ｂ）（ａ）の右側面図。

【図7】第１の実施形態に係る制御系の動作を示すタイミングチャート。

【図8】第２の実施形態に係るレーザ光偏向部からワークまでのレーザ光の偏向作用を説明するための図。

【図9】第２の実施形態に係る制御系の動作を示すタイミングチャート。

【発明を実施するための形態】

【0009】

＜第１の実施形態＞
第１の実施形態について、図１ないし図７を用いて説明する。まず、本実施形態のレーザ加工装置の概略構成について、図１を用いて説明する。

【0010】

［レーザ加工装置］
図１は、レーザ光走査装置１００を備えたレーザ加工装置２００の全体構成図である。レーザ加工装置２００は、レーザ発振器１、レーザ光走査装置１００、テーブル１０、制御部１１などを有する。レーザ光走査装置１００は、レーザ光分配器２、レーザ光偏向部３、レーザ光選択部６などを備え、レーザ発振器１から発振されたレーザ光を走査して、走査対象物であるワーク９に向けて照射する。

【0011】

レーザ発振器１から発振されたレーザ光（レーザビーム）Ｂは、レーザ光分配器２へ入射される。選択手段としてのレーザ光分配器２は、例えば、音響光学変調器などの高速で光路を切り替えられる光路切替装置である。このレーザ光分配器２の光路の切り替え速度は、後述する第１偏向系３０ａ（又は第２偏向系３０ｂ）の各ミラーを、次の加工位置に位置決めする速度よりも速い。レーザ発振器１及びレーザ光分配器２は、制御部１１によって制御され、所定のタイミングでレーザパルスの出力及び第１の光路Ｂ１ａと第２の光路Ｂ１ｂの切替を行う。即ち、レーザ光分配器２は、レーザ発振器１から発振されたレーザ光が入射され、入射されたレーザ光を第１の光路Ｂ１ａ若しくは第２の光路Ｂ１ｂに向けて選択的に出射可能である。言い換えれば、レーザ光分配器２は、レーザ光を複数の光路に切り替え可能であり、本実施形態では、２つの光路Ｂ１ａ、Ｂ１ｂにレーザ光の光路を切り替える。

【0012】

レーザ光分配器２で光路を切り替えられたレーザ光は、レーザ光偏向部３に送り込まれる。レーザ光偏向部３は、２系統からなる走査系であるマルチ２次元偏向系であり、レーザ光分配器２からのレーザ光は、２系統の走査系のうち、所定の系統の走査系へと送り込まれる。具体的には、レーザ光偏向部３は、第１の偏向手段としての第１偏向系（ａ系統偏向系）３０ａ及び第２の第２偏向系（ｂ系統偏向系）３０ｂと、第１偏向系３０ａ及び第２偏向系３０ｂを駆動する駆動手段としての駆動部３１とを有する。

【0013】

第１偏向系３０ａは、第１の光路Ｂ１ａ上に配置され、レーザ光を偏向するための第１ミラー４ａ及び第２ミラー５ａを有する。なお、図示の例の場合、レーザ光分配器２と第１偏向系３０ａとの間には、レーザ光分配器２からのレーザ光を第１偏向系３０ａに案内するミラー４１ａ、４２ａが配置されているが、ミラー４１ａ、４２ａを省略して、レーザ光分配器２からのレーザ光を、直接、第１偏向系３０ａに送り込むようにしても良い。駆動部３１は、これら第１ミラー４ａ及び第２ミラー５ａをそれぞれ移動させる第１移動手段としての第１アクチュエータ３２ａ及び第２移動手段としての第２アクチュエータ３３ａを有する。第１ミラー４ａ或いは第２ミラー５ａは、それぞれ第１アクチュエータ３２ａ或いは第２アクチュエータ３３ａと共にアクチュエータミラーを構成する。

【0014】

同様に、第２偏向系３０ｂは、第２の光路Ｂ１ｂ上に配置され、レーザ光を偏向するための第１ミラー４ｂ及び第２ミラー５ｂを有する。なお、図示の例の場合、レーザ光分配器２と第２偏向系３０ｂとの間には、レーザ光分配器２からのレーザ光を第２偏向系３０ｂに案内するミラー４１ｂ、４２ｂが配置されているが、ミラー４１ｂ、４２ｂを省略して、レーザ光分配器２からのレーザ光を第２偏向系３０ｂに送り込むようにしても良い。駆動部３１は、これら第１ミラー４ｂ及び第２ミラー５ｂをそれぞれ移動させる第１移動手段としての第１アクチュエータ３２ｂ及び第２移動手段としての第２アクチュエータ３３ｂを有する。第１ミラー４ｂ或いは第２ミラー５ｂは、それぞれ第１アクチュエータ３２ｂ或いは第２アクチュエータ３３ｂと共にアクチュエータミラーを構成する。これらのアクチュエータミラーの詳しい説明は後述する。

【0015】

レーザ光分配器２により第１の光路Ｂ１ａに切り替えられたレーザ光は、ミラー４１ａ、４２ａによって折り曲げられて、第１ミラー４ａに入射し、反射したレーザ光は第１ミラー４ａの作用で、まず平面内で１次元偏向される。この反射レーザ光はそれぞれ第２ミラー５ａに入射し、反射したレーザ光は上記の１次元偏向面と直交する方向に偏向され、２次元偏向がなされる。レーザ光分配器２により第２の光路Ｂ１ｂに切り替えられたレーザ光についても、同様に、第１ミラー４ｂで１次元偏向され、第２ミラー５ｂで２次元偏向される。

【0016】

ａ系統である第１偏向系３０ａ或いはｂ系統である第２偏向系３０ｂで偏向されたレーザ光Ｂ３ａ或いはＢ３ｂは、レーザ光選択部６に設けられた、反射手段としての回転多面鏡７に入射し、それぞれ反射光がｆθレンズ８に入射するような角度にあるタイミングで鏡面で反射されて、ｆθレンズ８の入射光Ｂ４となる。この入射光Ｂ４はｆθレンズ８を経由して出射光Ｂ５となり、プリント基板などであるワーク９の所定位置に照射され、加工が行われる。即ち、本実施形態は、第１偏向系３０ａ及び第２偏向系３０ｂで共通の回転多面鏡７を用いている。したがって、第１偏向系３０ａで偏向されたレーザ光Ｂ３ａも、第２偏向系３０ｂで偏向されたレーザ光Ｂ３ｂも同じ回転多面鏡７で反射され、ｆθレンズ８を介してワーク９に照射される。

【0017】

ワーク９は、テーブル１０に載置される。テーブル１０は、図１において、レーザ光偏向部３、レーザ光選択部６及びｆθレンズ８に対して相対移動可能である。具体的には、テーブル１０は不図示のモータなどの駆動源によりｆθレンズ８の光軸に直交する平面に沿って移動可能である。ワーク９は、ｆθレンズ８の実用的な直径に基づいて決定される加工領域に区分され、１つの加工領域内の加工が終了すると、テーブル１０を水平に移動させ、次の加工領域の中心をｆθレンズ８の中心軸上に位置決めする。

【0018】

制御部１１は、上述のレーザ発振器１、レーザ光分配器２、レーザ光偏向部３、レーザ光選択部６、テーブル１０の各部の動作を制御する。このような制御部１１は、例えばプログラム制御の処理装置を主体にしたものによって実現される。

【0019】

［アクチュエータミラー］
上述したように、第１ミラー４ａ、４ｂ或いは第２ミラー５ａ、５ｂは、それぞれ第１アクチュエータ３２ａ、３２ｂ或いは第２アクチュエータ３３ａ、３３ｂと共にアクチュエータミラーを構成する。これらのアクチュエータミラーについて、図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。なお、各アクチュエータミラーは、同じ構成を有するため、以下、代表して第１ミラー４ａと第１アクチュエータ３２ａとから構成されるアクチュエータミラー５０について説明する。

【0020】

第１ミラー４ａは、反射面が凹面形状である凹面ミラーであり、レーザ光の入射方向と直交する第１方向（図２（ａ）、（ｂ）の左右方向）に中立位置を中心として移動可能である。第１ミラー４ａは、レーザ発振器１及びレーザ光分配器２から入射されたレーザ光Ｂ１ａを偏向して、第２ミラー５ａへレーザ光Ｂ２ａを出射する。なお、第２ミラー５ａは、第１ミラー４ａで反射されたレーザ光が入射し、第１ミラー４ａが中立位置にある場合のレーザ光の入射方向及び第１方向と直交する第２方向に中立位置を中心として移動可能である。この第２ミラー５ａの反射面も凹面形状であり、第１ミラー４ａ及び第２ミラー５ａの反射面については後述する。

【0021】

第１アクチュエータ３２ａは、駆動コイル１３，インナーヨーク１４、アウターヨーク１５、永久磁石１６を有するボイスコイルモータである。第１ミラー４ａには駆動コイル１３が結合されていて、両者は一体となって第１方向に移動する。即ち、第１アクチュエータ３２ａは、第１ミラー４ａを第１方向に移動させる。なお、第２アクチュエータ３３ａは、第２ミラー５ａを第２方向に移動させる。

【0022】

駆動コイル１３の内部にはインナーヨーク１４の突出部が配置されており、図示しない軸受により駆動コイル１３及び第１ミラー４ａの運動を支えている。駆動コイル１３の外部には、アウターヨーク１５が配置され、インナーヨーク１４とアウターヨーク１５の間には永久磁石１６が配置されて、駆動コイル１３を貫く形で磁気回路が形成されている。駆動コイル１３は両端が駆動増幅器に接続されており、制御部１１により制御されて図中左右方向に駆動力を発生する。

【0023】

また、第１ミラー４ａと駆動コイル１３からなる可動部には光学グレーティング１７、固定部であるアウターヨーク１５には光学検出器１８がそれぞれ一体化されており、第１ミラー４ａの変位量を計測可能となっている。この光学検出器１８からの信号に基づいて制御部１１がフィードバック制御を行う位置決めサーボ機構により、第１ミラー４ａの位置決めが行われる。なお、第１ミラー４ａを駆動するアクチュエータは、リニアモータ、圧電素子などのアクチュエータを用いても良い。

【0024】

［ミラーの反射面］
次に、第１ミラー４ａ、４ｂ、第２ミラー５ａ、５ｂの反射面について、図３を用いて説明する。これらの各ミラーの反射面についても同じ形状であるため、以下、代表して第１ミラー４ａの反射面について説明する。図３では、第１ミラー４ａの反射面の断面をｘ軸およびｙ軸が交差した直交座標系で示し、０はｘ軸とｙ軸が交差する原点であり、凹面形状である第１ミラー４ａの反射面は、次の関数（式１）で定義される。

【数1】

【0025】

この第１ミラー４ａがｘ方向に－δ変位したとき、断面形状は次の式２となる。

【数2】

【0026】

ここで、ｙ軸に沿って上方から入射するレーザ光Ｂ１ａが、反射面上の反射点Ｒ（ｒ_ｘ、ｒ_ｙ）で反射して偏向点Ｐ（ｐ_ｘ，ｐ_ｙ）に進む場合を考える。

【0027】

この場合、反射点Ｒがｙ軸上に偏向点Ｐがｘ軸上に位置し、次の式３の関係が成り立つ。なお、ｒ_ｘは反射点Ｒのｘ軸方向の座標、ｒ_ｙは反射点Ｒのｙ軸方向の座標、ｐ_ｘは偏向点Ｐのｘ軸方向の座標、ｐ_ｙは偏向点Ｐのｙ軸方向の座標、Ｌは原点Ｏから偏向点Ｐまでの距離である。

【数3】

【0028】

次に、ΔＰＱＲがＲＰ＝ＲＱとなる二等辺三角形になるようにレーザ光Ｂ１ａ上、即ちｙ軸上に点Ｑを定めると、次の式４の関係が成り立つ。ｑ_ｘは点Ｑのｘ軸方向の座標、ｑ_ｙは点Ｑのｙ軸方向の座標である。

【数4】

【0029】

ここで、反射の法則を考慮して、線分ＰＱの中点をＭとすると、
∠ＱＲＭ＝∠ＰＲＭ
となる。即ち、反射面は、二等辺三角形ΔＰＱＲの反射点Ｒと底辺ＰＱの中点Ｍとを結ぶ線分ＲＭが反射点Ｒでの法線Ｎと重なるような断面形状となる。

【0030】

ＰＱの中点Ｍの座標は、次の式５のようになる。なお、ｍ_ｘは中点Ｍのｘ軸方向の座標、ｍ_ｙは中点Ｍのｙ軸方向の座標である。

【数5】

【0031】

また、線分ＲＭの傾きｓは、次の式６となる。

【数6】

【0032】

一方、反射点Ｒにおける反射面（凹面）の法線Ｎの方程式は、次の式７となる。

【数7】

【0033】

線分ＲＭの傾きｓが凹面の法線Ｎの傾きと等しいとすると、次の式８が成り立つ。

【数8】

【0034】

ここで、ｙ＝ｆ（δ）とすれば、次の式９の微分方程式を得る。

【数9】

【0035】

そして、ｆの逆関数をδ＝ｇ（ｙ）として上式を積分すれば、次の式１０のようになる。

【数10】

【0036】

但し、Ｃは積分定数である。ｙ＝０でδ＝０としてＣを定めると、次の式１１となる。

【数11】

【0037】

これを式１０に代入して、式１２となる。

【数12】

【0038】

従属変数をｘとして、第１ミラー４ａの反射面の形状が、次の式１３のように定まる。

【数13】

【0039】

ｙ＝ｆ（ｘ）という形式で考えれば、関数ｆは関数ｇの逆関数として決定される。第１ミラー４ａの反射面がこの形状を持てば、ミラーをｘ軸方向に直線変位させることで、ｙ軸の＋側から入射するレーザ光を、偏向点Ｐを維持しながら所望の角度に偏向することができる。

【0040】

そして、変位量δと、対応する偏向角αの関係は、次の式１４から求まる。

【数14】

【0041】

そして、ｆ（δ）の値を求めるには、次の式１５を解いてｙ＝ｆ（δ）の値を求める。

【数15】

【0042】

［レーザ光の偏向］
次に、上述のようなアクチュエータミラーにおいて、ミラーを変位させた場合のレーザ光の偏向について説明する。以下でも、代表して第１ミラー４ａを用いて説明する。図４では、第１ミラー４ａの位置をｘ軸方向に５通りに変位させた場合に偏向されるレーザ光Ｂ２ａを示している。図中上方から入射するレーザ光Ｂ１ａは、第１ミラー４ａの反射面上の反射点Ｒ（ｒ_ｘ，ｒ_ｙ）に入射する。

【0043】

第１ミラー４ａの横方向（ｘ軸方向）の移動量に応じて、反射点のｙ軸方向の位置が変化し、これに伴って、反射面の反射方向が変化することによって、レーザ光Ｂ２ａの出射方向が変化する。なお、偏向点Ｐの位置は、反射面を定める関数中の定数Ｌによって定まり、変位量δの影響を受けない。即ち、第１ミラー４ａの変位量或いは出射ビーム（レーザ光Ｂ２ａ）の偏向角によらず、出射ビームは常に偏向点Ｐを通る。

【0044】

図５（ａ）、（ｂ）は、本実施形態における第１ミラー４ａと第２ミラー５ａを組み合わせた第１偏向系３０ａのレーザ光の偏向を説明するための図である。なお、第１ミラー４ｂと第２ミラー５ｂとを組み合わせた第２偏向系３０ｂも同様であるため、以下では、代表して第１偏向系３０ａ二ついて説明する。

【0045】

図５（ａ）は、第１ミラー４ａと第２ミラー５ａが変位０の中立位置にある場合を、図５（ｂ）は、第１ミラー４ａと第２ミラー５ａを変位させた場合を含め、それぞれのミラーが３通りの位置にある場合を示している。図５（ａ）に示すように、空間には直交座標系ｏ－ｘｙｚが設けられており、入射されるレーザ光Ｂ１ａはｘ方向に平行逆向きのレーザ光である。レーザ光Ｂ１ａは、ｘ方向に関して図の上方から入射し、第１ミラー４ａで反射された後、ｙ方向へと進み、第２ミラー５ａで反射され、ｚ方向へと進む。

【0046】

図中、Ｒ_１は第１ミラー４ａの反射点、Ｒ_２は第２ミラー５ａの反射点、Ｐ_１は第１ミラー４ａの偏向点、Ｐ_２は第２ミラー５ａの偏向点である。また、反射点Ｒ_１、Ｒ_２、偏向点Ｐ_１、Ｐ_２の座標は、それぞれＲ１（０、ｒ_１ｙ、ｒ_ｚ）、Ｒ２（０、０、ｒ_ｚ）、Ｐ１（０、ｐ_１ｙ、ｒ_ｚ）、Ｐ２（０、０、ｐ_２ｚ）である。

【0047】

図５（ａ）に示した第１ミラー４ａとこれの反射点Ｒ_１は、第１ミラー４ａの変位が０、即ち、第１ミラー４ａが中立位置（図３においてδ＝０の状態）にある場合で、ｘ方向上方からのレーザ光Ｂ１ａをｙ方向に反射する。また、第２ミラー５ａとこれの反射点Ｒ_２は、同じく第２ミラー５ａの変位が０、即ち、第２ミラー５ａが中立位置（図３においてδ＝０の状態）にある場合で、ｙ方向左からのレーザ光Ｂ２ａをｚ方向に反射する。即ち、第１ミラー４ａ及び第２ミラー５ａが変位しない場合には、第２ミラー５ａで反射されたレーザ光Ｂ３ａは図中のｚ軸と一致する。

【0048】

図５（ｂ）に示すように、第１ミラー４ａは、レーザ光の入射方向と直交する第１方向に中立位置を中心として移動可能であり、図５（ｂ）のｙ方向に変位する。一方、第２ミラー５ａは、第１方向（ｙ方向）と直交する第２方向に中立位置を中心として移動可能であり、図５（ｂ）のｚ方向に変位する。図５（ｂ）では、第１ミラー４ａを中立位置、中立位置からｙ軸正方向、中立位置からｙ軸負方向に変位させ、第２ミラー５ａを中立位置、中立位置からｚ軸正方向、中立位置からｚ軸負方向に変位させた場合の光線を描いている。第１ミラー４ａからは３方向にレーザ光Ｂ２ａが反射され、第２ミラー５ａからは９方向にレーザ光Ｂ３ａが反射される。

【0049】

ここで、それぞれが中立位置にある２つのミラーの反射点Ｒ_１と反射点Ｒ_２との間の距離（間隔）は、第１ミラー４ａの偏向点Ｐ_１と反射点Ｒ_１との距離|Ｌ１|と、第２ミラー５ａの偏向点Ｐ_２と反射点Ｒ_２との距離|Ｌ２|との差に等しく設定されている。そして、各座標（ｐ_１ｙ、ｒ_ｚ、ｐ_２ｚ、ｒ_１ｙ）と距離|Ｌ１|、距離|Ｌ２|の関係が次の式１６で示される。

【数16】

【0050】

言い換えれば、反射点Ｒ_１と反射点Ｒ_２との間の距離ｄは、
ｄ＝Ｌ１―Ｌ２
を満たす。

【0051】

このとき、レーザ光Ｂ２ａの第２ミラー５ａの反射点Ｒ_２を通るｘ軸に平行な直線を中心として、偏向点Ｐ_１から反射点Ｒ_２までの部分の中立位置のレーザ光Ｂ２ａを回転させ、第２ミラー５ａでの反射後の中立位置のレーザ光Ｂ３ａと同一直線上に移動させるようにすれば、偏向点Ｐ_１は偏向点Ｐ_２に一致する。即ち、反射後のレーザ光Ｂ３ａは近似的偏向点Ｐ_２を中心としてｘ方向、ｙ方向の双方向に偏向される。

【0052】

［レーザ光走査装置によるレーザ光の走査］
次に、上述のような第１偏向系３０ａ、第２偏向系３０ｂ及び回転多面鏡７を備えるレーザ光走査装置１００によるレーザ光の走査について、図６（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図６（ａ）、（ｂ）は、第２ミラー５ａ、５ｂから出射したレーザ光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂがテーブル１０に搭載されたワーク９に照射されるまでの部分のレーザ光走査装置１００を描いた図である。図６（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。

【0053】

ここで、反射手段としての回転多面鏡７は、回転軸を中心に回転可能で、複数の反射面（鏡面）を有する。また、回転多面鏡７と走査対象物であるワーク９との間にはｆθレンズ８が配置されている。回転多面鏡７及びｆθレンズ８は、ｆθレンズ８の光軸が回転多面鏡７の回転軸に直交して回転多面鏡７の反射面を通ると共に、ｆθレンズ８の前側焦点が回転多面鏡７の反射面上の反射点付近になるように配置される。そして、第１偏向系３０ａ及び第２偏向系３０ｂは、偏向したレーザ光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂの出射方向が、回転多面鏡７の所定の回転角度におけるｆθレンズ８の光軸の反射方向と一致するように、回転多面鏡７の回転方向に関して異なる位置に配置されている。以下、具体的に説明する。

【0054】

まず、第１偏向系３０ａに入射したレーザ光は第２ミラー５ａで偏向され、回転多面鏡７の反射面に入射する。第１偏向系３０ａは、第２ミラー５ａの偏向点が回転多面鏡７が所定の回転角度にあるときの反射点に一致し、中立位置のレーザ光Ｂ３ａの反射後のレーザ光Ｂ４がｆθレンズ８の光軸と一致する位置に設置されている。これにより、第１偏向系３０ａで偏向されるレーザ光Ｂ３ａは偏向角によらず回転多面鏡７の反射面に集結し、反射光はｆθレンズ８の光軸を中心に散開する。

【0055】

同様に、第２偏向系３０ｂは、第２ミラー５ｂの偏向点が回転多面鏡７が所定の回転角度にあるときの反射点に一致し、中立位置のレーザ光Ｂ３ｂの反射後のレーザ光Ｂ４がｆθレンズ８の光軸と一致する位置に設置されている。これにより、第２偏向系３０ｂで偏向されるレーザ光Ｂ３ｂは偏向角によらず回転多面鏡７の反射面に集結し、反射光はｆθレンズ８の光軸を中心に散開する。

【0056】

回転多面鏡７に対してこのように設置されたレーザ光の走査系が２系統存在し、両者の設置位置は異なり、両者に設定されている所定の回転角度も異なった値となっているが、回転多面鏡７で反射されたレーザ光Ｂ４はいずれもｆθレンズ８の光軸を通るように各系統の所定の回転角度が設定されている。ｆθレンズ８は前側焦点がこれら２系統の所定の回転角度に対応する反射点の付近に存在するように設置されている。そして、ｆθレンズ８を経たレーザ光はワーク９の所定位置に照射される。

【0057】

［レーザ加工の制御］
本実施形態では、上述のように、複数のレーザ光の偏向系である第１偏向系３０ａ及び第２偏向系３０ｂを備えている。制御部１１は、レーザ発振器１、レーザ光分配器２、駆動部３１及び回転多面鏡７を制御可能である。そして、制御部１１は、複数の偏向系のうち、何れか１つの偏向系により偏向されたレーザ光をワーク９の加工位置に射出している間に、他の１つの偏向系により偏向されるレーザ光がワーク９の次の加工位置に向くように駆動部３１を構成する第１アクチュエータ３２ａ、第２アクチュエータ３３ａを制御する。

【0058】

即ち、制御部１１は、レーザ発振器１、レーザ光分配器２、第１偏向系３０ａ及び第２偏向系３０ｂを制御することで、第１偏向系３０ａ及び第２偏向系３０ｂにレーザ光を各々所定のタイミングで順次入射することを繰り返す。そして、第１偏向系３０ａ及び第２偏向系３０ｂのうちの一方のレーザ光の偏向系は、他方のレーザ光の偏向系が位置決め状態でレーザ光を射出している間に次の加工位置に狙いを定めるように第１ミラー４ａ又は４ｂ、第２ミラー５ａ又は５ｂの位置決めを行う。

【0059】

また、レーザ光走査装置１００の各構成要素の形状、配置は、上述のように、第１偏向系３０ａ及び第２偏向系３０ｂのそれぞれの偏向系から出射するレーザ光が回転多面鏡７に入射し、回転多面鏡７の反射面上の反射点付近を偏向点として集結し散開するように定められている。このため、上述のように、各々所定のタイミングで回転多面鏡７の反射面で反射したレーザ光は、反射面上の反射点付近を前側焦点とするｆθレンズ８に入射し、ワーク９の所定位置に照射される。

【0060】

図７を用いて具体的に説明する。図７は、本実施形態のレーザ加工の制御におけるタイムチャートである。上から１番目のグラフは、横軸を時間、縦軸を回転多面鏡７の反射面の傾角としたグラフであり、回転多面鏡７がａ系統（第１偏向系３０ａ）、ｂ系統（第２偏向系３０ｂ）の所定の回転角度に対応する反射面傾角になる時点をマーカーで示してある。これらの時点において、ワーク９の所定位置に対する照射位置にそれぞれの偏向系の第１ミラー４ａ又は４ｂ、第２ミラー５ａ又は５ｂが位置決めされる。

【0061】

２、３段目のグラフは、それぞれａ系統の照射位置のｘ座標、ｙ座標の時間的変化を示すグラフである。４、５段目のグラフはそれぞれｂ系統照射位置のｘ座標、ｙ座標の時間的変化を示すグラフである。第１ミラー４ａ又は４ｂ、第２ミラー５ａ又は５ｂは、回転多面鏡７が各偏向系の所定の回転角度になる時点、即ち、図中のマーカーで示した時点までに照射位置に対応する位置決めを完了する。６、７段目のグラフは、ワーク９の加工位置に対するレーザの照射、即ち、レーザショットを示す。回転多面鏡７が各系統の所定の回転角度になる時点でレーザショットが行われる。

【0062】

このように本実施形態のレーザ光走査装置１００を備えたレーザ加工装置２００は、レーザ発振器１から出射されたレーザ光をワーク９の所定の加工位置へと偏向する。即ち、
レーザ発振器１から出射されるレーザ光をレーザ光分配器２により、タイミングを制御しつつ複数の光路Ｂ１ａ、Ｂ１ｂに分配し、各光路に対応する２方向偏向を行う第１偏向系３０ａ又は第２偏向系３０ｂに入射させる。

【0063】

各偏向系では、一方向には形状が変化しない凹面形状の第１ミラー４ａ又は４ｂを設けた第１のアクチュエータミラーがあって、第１ミラー４ａ又は４ｂに入射されるレーザ光と垂直かつ第１ミラー４ａ又は４ｂの非湾曲方向とも垂直な方向へ、第１ミラー４ａ又は４ｂが駆動される。

【0064】

その後段には、第１ミラー４ａ又は４ｂの出射光が入射する第２ミラー５ａ又は５ｂを設けた第２のアクチュエータミラーがある。第２ミラー５ａ又は５ｂは、反射面が一方向には形状が変化しない凹面形状で非湾曲方向が第１ミラー４ａ又は４ｂに入射されるレーザ光と平行である。第２ミラー５ａ又は５ｂは、第１ミラー４ａ又は４ｂに入射されるレーザ光及び第１ミラー４ａ又は４ｂの駆動方向の双方に垂直な方向へ駆動される。本実施形態では、各偏向系がこのような一対の曲面ミラー駆動システムを備えて、出射光が２次元走査によらずほぼ空間の一点（偏向点）を通るようにしている。

【0065】

全ての偏向系３０ａ、３０ｂは、レーザ光の出射の各タイミングで選択された偏向系からの出射光が回転多面鏡７の反射点に入射すると共に、反射後はｆθレンズ８に入射するように配置されている。反射点はｆθレンズ８の前側焦点とほぼ一致しておりｆθレンズ８の出射光が垂直にワーク９に入射するように構成されている。

【0066】

制御部１１は、回転多面鏡７の回転に同期して、各偏向系３０ａ、３０ｂのうちの位置決め状態にある一つの偏向系の出射光の光路が回転多面鏡７の鏡面で反射されてワーク９上の所定の加工位置に照射されるタイミングで、該当する光路にレーザ光を射出させる。

【0067】

本実施形態では、これによって、アクチュエータミラーの位置決めに要する時間に基づく限界を越える頻度でレーザ光の走査位置決め射出を可能としている。即ち、偏向系が１つの場合、或る位置の加工が終わった後に次の位置にミラーの位置決めを行う場合、このミラーの位置決めに要する時間に基づく頻度で加工が順次行われることになる。これに対して本実施形態では、第１偏向系３０ａ及び第２偏向系３０ｂの２系統の偏向系を有することで、一方の偏向系は、他の偏向系が位置決めされた状態でレーザ光を射出している間に、次の加工位置に向けて位置決めを行える。したがって、ミラーの位置決めに要する時間に基づく頻度よりも多い頻度で、加工位置の変更ができる。この結果、本実施形態のレーザ光走査装置１００を組み込んだレーザ加工装置２００によれば、高い加工生産性を実現できる。

【0068】

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態について、図１を参照しつつ、図８及び図９を用いて説明する。上述の第１の実施形態と異なる点は、レーザ光の偏向系をａ系統からｄ系統まで４系統装備している点である。その他の構成及び作用、特に、各偏向系の構成及び作用は、上述の第１の実施形態と同様である。このため、同様の構成には同じ符号を付して説明及び図示を省略又は簡略にし、以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。

【0069】

図８は、本実施形態のレーザ光走査装置１００Ａの構成のうち、第１、第２、第３、第４偏向系３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄから回転多面鏡７、ｆθレンズ８を経てワーク９にいたる部分を示す図である。本実施形態では、複数の偏向手段として、第１～第４偏向系３０ａ～３０ｄを有し、これら各偏向系は、上述の第１偏向系３０ａ及び第２偏向系３０ｂと同様の構成を有する。即ち、第１～第４偏向系３０ａ～３０ｄは、互いに、第１の偏向手段と第２の偏向手段の関係を有する。また、本実施形態のレーザ光分配器２（図１参照）は、レーザ発振器１から発振されたレーザ光を４つの光路にレーザ光の光路を切り替える。即ち、レーザ光分配器２は、レーザ発振器１から発振されたレーザ光が入射され、入射されたレーザ光を４つの光路の何れかに向けて選択的に出射可能である。これら４つの光路は、互いに、第１の光路と第２の光路の関係を有する。

【0070】

レーザ発振器１からのレーザ光は、回転多面鏡７の回転に同期して、ａ～ｄの４系統の偏向系３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０のそれぞれについて定められている所定の回転角度となったタイミングで発射され、レーザ光分配器２でａ～ｄ系統の光路Ｂ１ａ～Ｂ１ｄまで順番に振り分けられる。レーザ光は、各偏向系３０ａ～３０ｄで２方向に偏向された後、各系統の第２ミラー５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄのそれぞれから出射される。偏向系３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０は、それぞれ第１ミラー及びこれを駆動するアクチュエータ、第２ミラー５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ及びこれを駆動するアクチュエータ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄを有する。

【0071】

図８では、各偏向系で駆動される第１ミラー及び第２ミラー５ａ～５ｄが中立位置にあるときのレーザ光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂ、Ｂ３ｃ、Ｂ３ｄを示している。これら中立位置での出射レーザ光が回転多面鏡７の反射面に入射し、反射面の傾角がそれぞれ異なる位置で反射されたレーザ光が、すべてｆθレンズ８の光軸を通るレーザ光Ｂ４となるように、各偏向系の構成要素が配置されている。

【0072】

第１ミラー及び第２ミラー５ａ～５ｄが中立位置から変位した場合には、Ｂ３ａからＢ３ｄで示すレーザ光も変位するが、第１ミラー及び第２ミラー５ａ～５ｄの作用により、回転多面鏡７の反射面上の反射点付近でビームが集結し、ｆθレンズ８に向けてレーザ光が散開する。ｆθレンズ８の前側焦点がこの反射点付近に設定されているので、ｆθレンズ８から出射するレーザ光Ｂ５は、テーブル１０に搭載されたワーク９にほぼ垂直に入射し加工が行われる。

【0073】

本実施形態の場合も、制御部１１は、レーザ発振器１、レーザ光分配器２、第１～第４偏向系３０ａ～３０ｄを制御することで、各偏向系３０ａ～３０ｄにレーザ光を各々所定のタイミングで順次入射することを繰り返す。そして、複数の偏向系３０ａ～３０ｄのうち、何れか１つの偏向系により偏向されたレーザ光をワーク９の加工位置に射出している間に、他の１つの偏向系により偏向されるレーザ光がワーク９の次の加工位置に向くようにする。即ち、何れか１つの偏向系の第１ミラー及び第２ミラーが位置決め状態でレーザ光を射出している間に、他の１つの偏向系は、次の加工位置に狙いを定めるように第１ミラー及び第２ミラーの位置決めを行う。

【0074】

なお、上述の何れか１つの偏向系及び他の１つ偏向系以外の残りの１つ又は２つの偏向系については、何れか１つの偏向系によるレーザ光の照射中に、次の次の加工位置、更に次の加工位置にミラーの位置決めを行うようにしても良い。要は、偏向系が３つ以上ある場合に、何れか１つの偏向系によるレーザ加工が行われている間に、他の偏向系については、加工位置の順番に応じた位置に予めミラーの位置決めを行うようにしても良い。

【0075】

図９は、本実施形態のレーザ加工の制御におけるタイムチャートである。上から１番目のグラフは、横軸を時間、縦軸を回転多面鏡７の反射面の傾角としたグラフであり、回転多面鏡７がａ系統、ｂ系統、ｃ系統、ｄ系統の所定の回転角度に対応する反射面傾角になる時点をマーカーで示してある。これらの時点において所定の照射位置にレーザ光を偏向する位置にそれぞれの偏向系の第１ミラー及び第２ミラーが位置決めされる。

【0076】

２、３段目のグラフは、それぞれａ系統照射位置のｘ座標、ｙ座標の時間的変化を示すグラフであり、４、５段目のグラフはそれぞれｂ系統照射位置のｘ座標、ｙ座標の時間的変化を示すグラフであり、６、７段目のグラフはそれぞれｃ系統照射位置のｘ座標、ｙ座標の時間的変化を示すグラフであり、８、９段目のグラフはそれぞれｄ系統照射位置のｘ座標、ｙ座標の時間的変化を示すグラフである。

【0077】

各偏向系の第１ミラー及び第２ミラーは、回転多面鏡７が各偏向系の所定の回転角度になる時点、即ち、図中のマーカーで示した時点までに照射位置に対応する位置決めを完了する。１０、１１、１２、１３段目のグラフは、各系統のレーザショットを示す。回転多面鏡７が各系統の所定の回転角度になる時点でレーザショットが行われる。

【0078】

本実施形態では、第１の実施形態に比べて２倍の系統の偏向系が設けられており、図７、図９の時間軸を同一スケールとすれば、単位時間当たりのレーザショット数も２倍に増大できるが、それぞれのアクチュエータミラーの位置決め時間は短縮する必要は無く、走査系の系統数を増やすことで加工効率を向上できる。

【0079】

＜他の実施形態＞
上述の第１の実施形態では２系統の、第２の実施形態では４系統のレーザ光の偏向系を設けたが、偏向系の数はこれに限らない。また、偏向系において駆動されるミラーの数は、上述の２個に限らず、１個、或いは、３個以上であっても良い。更に、各偏向系が有するミラーは、上述のように凹面形状のミラー以外に、平面状や凸面状のミラーでも良いし、アクチュエータミラーは、一般的なガルバノスキャナミラーであっても良い。

【符号の説明】

【0080】

１：レーザ発振器
２：レーザ光分配器（選択手段）
３：レーザ光偏向部
４ａ、４ｂ：第１ミラー
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ：第２ミラー
７：回転多面鏡（反射手段）
８：ｆθレンズ
９：ワーク（走査対象物）
１１：制御部
３０ａ：第１偏向系（偏向手段）
３０ｂ：第２偏向系（偏向手段）
３０ｃ：第３偏向系（偏向手段）
３０ｄ：第４偏向系（偏向手段）
３１：駆動部（駆動手段）
３２ａ、３２ｂ：第１アクチュエータ（第１移動手段）
３３ａ、３３ｂ：第２アクチュエータ（第２移動手段）
１００：レーザ光走査装置
２００：レーザ加工装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】