(57)【要約】【課題】安価で作製可能な、曲面状の鏡面を有する反射鏡、または、曲率や形状が可変な反射鏡を備えるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ発振器から被加工物へのレーザビームの光路上には、反射鏡１が配置されている。反射鏡１は、鏡面を形成する板状部材からなり、板状部材に一方向の曲げモーメントを生じさせるように力を加えて該板状部材を湾曲させる荷重負荷機構１５によって鏡面が湾曲させられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振反射鏡を有するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から被加工物へのレーザビームの光路上に配置された光学系反射鏡と、
を有し、
前記共振反射鏡および前記光学系反射鏡の少なくとも一方は、鏡面を形成する板状部材からなり、
前記板状部材に一方向の曲げモーメントを生じさせるように力を加えて該板状部材を湾曲させる荷重負荷機構をさらに有する、
レーザ加工装置。
【請求項２】
前記荷重負荷機構によって湾曲させられた反射鏡を複数有し、当該反射鏡は、湾曲方向が互いに異なる方向となるように配置されている、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記荷重負荷機構によって湾曲させられた反射鏡として、鏡面が放物線に沿って延びるように湾曲している反射鏡を含む、請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記荷重負荷機構によって湾曲させられた反射鏡として、鏡面が円弧に沿って延びるように湾曲している反射鏡を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記荷重負荷機構によって湾曲させられた反射鏡に接触し、前記荷重負荷機構により加えられる力によって当該反射鏡と共に湾曲する保持部材をさらに有する、請求項１から４のいずれか１項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、レーザ加工装置に関し、特に、レーザ発振器で発生するレーザビームの被加工物への光路上に、曲面状の鏡面を有する反射鏡が配置されたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、レーザ加工装置は、レーザ発振器と、レーザ発振器から出力されるレーザビームを、加工点に配置された被加工物まで導く光路を形成する部材とを有している。現在、広く実用に供されているレーザ加工装置では、その光路を形成する部材として、発振器内部から加工点までの間に数点の反射鏡を用いられるのが一般的である。これは、光路の途中に、光ファイバーを用いている場合であっても同様である。
【０００３】
これらの反射鏡の鏡面は、通常、平面で構成されている。しかし、次の２点の目的で曲面状の鏡面を有する反射鏡が用いられることがある。
【０００４】
曲面状の鏡面を有する反射鏡が用いられる第１の目的は、加工点でのレーザビームのサイズや形状を適切に保つことである。すなわち、最終的に集光光学系を用いて加工点にレーザビームを集光して照射する場合でも、集光光学系に入射するレーザビームのサイズと形状に応じて、集光されたレーザビームの照射されるスポットのサイズと形状が変化する。したがって、照射されるスポットを制御するためには、集光光学系に入射するレーザビームのサイズと形状を制御する必要があり、この制御に、反射鏡が利用される場合がある。
【０００５】
曲面状の鏡面を有する反射鏡が用いられる第２の目的は、レーザ発振器から出力されるレーザビームの特性を目的に応じたものにすることである。すなわち、レーザ発振器内部においてレーザ発振器を構成する反射鏡の曲率を変化させることによって、出力されるレーザビームの集光特性、安定性、出力効率などの特性を変化させることができる。
【０００６】
このように、曲面状の鏡面を有する反射鏡は、レーザ加工装置の特性を制御するのに有効に利用することができる。そこで、このような反射鏡の鏡面の曲率や形状を動的に変化させ、制御することによって、レーザ加工装置の特性を可変に制御する技術が特許文献１〜３に開示されている。
【０００７】
特許文献１〜３に開示された技術では、反射鏡の鏡面の曲率や形状を動的に変化させるのに、ピエゾ素子などの機械的な変位を利用したアクチュエータが用いられている。一方、反射鏡に、１ＭＰａ程度の流体の圧力を作用させることによって、反射鏡の曲率を変化させる技術が特許文献４，５に開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−０８４６８９号公報
【特許文献２】特開平１１−１４９４５号公報
【特許文献３】特開平０６−２２２３００号公報
【特許文献４】特開２００４−１８１５３２号公報
【特許文献５】特開平０８−０３９２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来、曲面状の鏡面は、所望の形状となるように制御された研磨加工や切削加工により形成されている。このような加工には、平面状の鏡面を形成するのに比べて手間がかかる。このため、曲面状の鏡面を有する反射鏡は、平面鏡に比較して高価である。
【００１０】
曲面状の鏡面を有する反射鏡には、変形を防ぎ、また耐熱性を持たせるために、通常、ある程度の厚みを有することが求められる。特に、レーザ加工装置では、高出力のレーザを扱うため、その光路に配置される反射鏡としては、その焼損を回避するめに、通常は、比較的厚いものが用いられる。これは、反射鏡にレーザを入射させた場合、反射鏡の表面では、光の損失が生じるのを避けられず、その損失による発熱を免れないためである。
【００１１】
図１４は、反射鏡にレーザビームを照射した場合の温度上昇を計測した例を示している。図１４（ａ）に示すように、反射鏡１６０として、銅材で外径φ５０ｍｍ、厚さｔのものを用い、反射鏡１６０の中心付近に、径φ５ｍｍのレーザビーム１６５を入射させた。そして、反射鏡１６０の背面中心に配置した温度センサ１６１によって、温度上昇を計測し、温度上昇が観測されなくなった時の温度を求めた。図１４（ｂ）は、温度上昇が観測されなくなった時の温度の、レーザビームのレーザパワーを変化させた時の変化を示している。
【００１２】
図１４（ｂ）から分かるように、ｔ＝１ｍｍ以下では、レーザパワーが数ｋｗで焼損に至る高温に達してしまう。このため、高出力のレーザを必要とするレーザ加工装置に用いる反射鏡には、通常、数ミリ以上の厚さが必要であり、実用上は、３ｍｍ以上のものが用いられている。図１４（ｂ）では、レーザパワーが４ｋｗの時までしか示していないが、ｔ＝４ｍｍでは、レーザパワーを８ｋｗとしても反射鏡が焼損することはなかった。
【００１３】
一方、従来技術による曲率や形状を可変とした反射鏡（以下、可変曲率反射鏡と称する）は、軸対称に変形させられ、すなわち、鏡面に沿う互いに直交する２つの軸線の両方に沿った変形が同時に行われている。このような変形をさせてスムースな湾曲面を生じさせるためには、変形させられる部材は、非常に薄く構成する必要がある。
【００１４】
このため、従来技術による可変曲率反射鏡は、発熱による悪影響を十分に抑えることができるほど厚く構成するのは困難であり、冷却機構を必要としている。そこで、可変曲率反射鏡では、通常、特に水を冷媒とした液冷が行われており、これによってもコストが嵩む。また、可変曲率反射鏡では、ごく薄い反射鏡に鏡面加工を施す必要があり、また変形を制御するため、その厚みが極めて高精度に制御されるように仕上げられている。これらの要因によって、可変曲率反射鏡の作製には非常に手間がかかり、このため、可変曲率反射鏡は、普通の反射鏡に対して１０倍程度の価格となっている。
【００１５】
本発明の目的は、安価で作製可能な、曲面状の鏡面を有する反射鏡、または、曲率や形状が可変な反射鏡を備えるレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の目的を達成するため、本発明によるレーザ加工装置は、共振反射鏡を有するレーザ発振器と、レーザ発振器から被加工物へのレーザビームの光路上に配置された光学系反射鏡と、を有し、共振反射鏡および光学系反射鏡の少なくとも一方は、鏡面を形成する板状部材からなり、板状部材に一方向の曲げモーメントを生じさせるように力を加えて該板状部材を湾曲させる荷重負荷機構をさらに有することを特徴とする。
【００１７】
この構成では、板状部材を、一方向のみの曲げモーメントを生じさせるように力を加えて湾曲させるので、軸対称に湾曲させるのに比べて、比較的厚い部材を用いても、良好にスムースな湾曲を生じさせることができ、また、湾曲の制御も容易である。また、板状部材を湾曲させることによって鏡面が曲面状にされるので、鏡面を初めから曲面状に形成する必要がない。
【００１８】
本発明による、荷重負荷機構によって湾曲させられた反射鏡では、湾曲面が軸対称ではない。しかし、荷重負荷機構によって湾曲させられた反射鏡を、湾曲方向が互いに異なる方向となるように複数配置することによって、非軸対称性を、複数の反射鏡によって補正し合うようにし、レーザビームを、軸対称に近い形態で変形させることができる。
【００１９】
荷重負荷機構によって湾曲させられた反射鏡の鏡面は、反射鏡へのレーザビームの入射角が比較的大きい場合には、放物線に沿うように湾曲した形状とするのが好ましく、入射角が比較的小さい場合には、円弧に沿うように湾曲した形状とするのが好ましい。それによって、反射後のレーザビームの歪みを小さく抑えることができる。
【００２０】
鏡面の湾曲形状は、反射鏡を構成する部材の、厚さや幅などの構造や材料を調整することにより、変形のしやすさを変化させたり、荷重負荷機構によって加える力の分布を変化させたりすることによって、種々の形状に調整することができる。さらに、反射鏡に接触し、該反射鏡と共に湾曲する保持部材を設けることによって、この保持部材の弾性を、鏡面の湾曲形状を制御するのに利用することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、曲面状の鏡面を有する反射鏡を、板状部材を湾曲させて形成するので、鏡面を初めから曲面状に形成する必要がなく、反射鏡の製造を容易にすることができ、低コスト化を図ることができる。また、湾曲を、一方向の曲げモーメントを生じさせるように力を加えて一方向に沿ってのみ生じさせるので、反射鏡を、比較的高出力のレーザを扱う場合でも冷却の必要のない比較的厚い構造にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態の反射鏡を示す模式図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ），（ｃ）は側面図である。
【００２３】
本実施形態の反射鏡１は、図１（ａ）に示すように、円板状の形態を有しており、周縁の、互いに対向する２箇所（図１での左右端部）の支点５で、不図示の機械フレームなどに支持されている。そして、図１（ａ），（ｃ）に模式的に示すように、反射鏡１は、その周縁の、各支点５から９０度ずれた２箇所（図１での上下端部）の荷重点１０に荷重をかけられている。それによって、反射鏡１は、２箇所の荷重点１０を結ぶ方向（図１での上下方向）に沿って円弧を描くように湾曲し、全体として円筒状に（円筒の一部を形成するように）湾曲している。
【００２４】
なお、反射鏡１の湾曲状態は、反射鏡１の形状や、厚みや剛性の面分布などに応じて、必ずしも厳密に円筒状にはならず、一般には、鏡面が一方向に沿って湾曲し、この湾曲している方向に直交する方向には、湾曲していない形状となる。以下では、便宜上、このような湾曲形状を、円筒状と称する場合がある。
【００２５】
本実施形態の反射鏡１は、図１（ｂ）に示すように、荷重をかけていない状態では、平坦な状態となる。すなわち、反射鏡１は、元々は平面鏡であり、したがって、最初から曲面状の鏡面を形成するのに比べて、製造が容易である。
【００２６】
また、本実施形態の反射鏡１は、円筒状に変形させられており、すなわち、変形を一方向に沿ってのみ生じさせている。このような変形は、従来技術における軸対称の変形に比べて、制御が容易であり、この点からも、本実施形態の反射鏡１は、製造が容易である。
【００２７】
また、円筒状の変形は、軸対称の変形に比べて、比較的厚い部材に対しても容易にスムースな湾曲面が生じるように実施することができる。このため、本実施形態では、反射鏡１を、比較厚い構成にすることができる。
【００２８】
金属板材のレーザ切断に用いられる０．５Ｗ〜１０ｋＷの出力のレーザ加工装置において、反射鏡１をレーザ発振器の内部（共振反射鏡）またはレーザ発振器外の光路上（光学系反射鏡）で用いる場合、反射鏡１の厚さは３ｍｍから２０ｍｍ程度とするのが好ましい。それによって、レーザ光の反射時の損失によって発生する熱による加熱を抑え、悪影響が生じるのを抑制することができる。
【００２９】
反射鏡１の材質としては、シリコン結晶または銅を基板として鏡面となる表面に金または銀あるいはモリブデンをコーティングし、場合によってはさらに誘電体多層膜を形成して反射率を高めたものとすることができる。レーザ加工装置におけるレーザビームの断面は、直径φ１ｍｍからφ５０ｍｍの円であることが多いが、楕円形や矩形の場合もあり、反射鏡１の大きさは、このようなレーザビームの大きさや形状に応じて適宜選択することができる。
【００３０】
典型的な例では、レーザの出力は５ｋＷであり、レーザ発振器の内部でのレーザビームのサイズは直径φ５０ｍｍである。この場合、加工点までの光路には、直径φ７５ｍｍの円形のシリコンを基板とする反射鏡１が用いられ、反射鏡１の厚さは５ｍｍから８ｍｍである。
【００３１】
反射鏡１を円筒状に変形させるように力を加える荷重負荷機構１５としては、例えば、図１（ａ）に模式的に示すように、支点５に加えて、ばね１６と、ばね１６の発生力を荷重点１０に伝達する部材１７とを有する機構を用いることができる。ばね１６を用いることによって、荷重点１０に加わる力を直接調整する構成とすることができ、それによって、反射鏡１の円筒状の鏡面の曲率を、トルク発生機構を用いた場合の摩擦力などの外乱を生じることなく、精密に調整することができる。
【００３２】
次に、本実施形態の反射鏡１の作用について、図２を参照して説明する。図２は、反射鏡１によってレーザビーム２０が反射される様子を模式的に示しており、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は平面図である。
【００３３】
円筒形に変形させられた反射鏡１を用いることによって、反射されるレーザビームの形状を変形させることができる。その変形は、入射角や入射方向によって変化するが、典型的には、図２に示すように、鏡面が描く円筒の軸線に垂直な面に平行にレーザビームが入射させる。それによって、レーザビームの断面において、鏡面が描く円筒の軸線の方向（Ｙ方向）には変形が生じず、これに垂直な方向（Ｘ方向）にのみ縮められるように、レーザビームが変形させられる。すなわち、図２（ｂ）に示すように、例えば、反射鏡１に入射するレーザビームの断面形状２１が円形であれば、反射鏡１によって反射されたレーザビームの断面形状２２は、長軸がＹ方向、短軸がＸ方向となった楕円形になる。
【００３４】
このようにレーザビームを変形させることによって、種々の加工に適するようにレーザビームを調整することができる。すなわち、例えば、被加工物の厚さに応じて、反射鏡１の曲率を変化させて、被加工物に対する集光レンズに入射するレーザビームの幅を、種々の厚さの被加工物に適するように調整することができる。
【００３５】
本実施形態の反射鏡１では、レーザビームが、一方向にのみ縮められ、扁平に変形させられるが、扁平なビーム形状は、例えば、縮められる方向に垂直な方向を、被加工物の切断線に平行に配置するといった形で利用することが考えられる。また、レーザ発振器が、その特性として、扁平な断面形状のレーザビームを出力する場合、反射鏡１によるレーザビームの断面形状の変形作用によって、その断面形状を、軸対称に近い形状に矯正することが考えられる。レーザビームの断面形状を軸対称に近い形状にすれば、エネルギの利用効率の向上を図る上で有利となる場合が多い。また、レーザビームの断面形状が矩形になる構成の場合、矩形のいずれかの辺に沿った方向にビームを縮めるといった利用の仕方も考えられる。
【００３６】
あるいは、円筒形に変形させられた複数の反射鏡を、それらの反射鏡によるレーザビームの変形の非軸対称性を互いに相殺させるようにレーザ光路上に配置してもよい。図３は、このような一例のレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【００３７】
図３に示す構成では、レーザ発振器３０の出力鏡３１から出射したレーザビームが、４つの反射鏡１ａ，１ｂ，２，３を介して集光レンズ３５に入射させられ、加工テーブル３７上の被加工物に照射される構成となっている。４つの反射鏡１ａ，１ｂ，２，３のうちの２つの反射鏡１ａ，１ｂとして、円筒状に変形させられたものを用いている。
【００３８】
反射鏡１ａ，１ｂに対するレーザビームの入射および出射の方向は、図２と同様に、各反射鏡１ａ，１ｂの鏡面の描く円筒の軸線に垂直な面に平行な方向に設定されている。そして、反射鏡１ａ，１ｂの鏡面は、それが描く円筒の軸線が互いに垂直な方向（ねじれの位置）となるように配置されている。したがって、出力鏡３１、および反射鏡１ａ，１ｂの中心点が位置する平面と、反射鏡１ａ，１ｂ，２の中心点が位置する平面とが互いに直交する配置となっている。
【００３９】
このような構成とすれば、レーザビームは、反射鏡１ａによって一方向に縮めるように変形させられた後、反射鏡１ｂによって、反射鏡１ａによって縮められたのとは垂直な方向に縮められるように変形される。その結果、レーザビームを、全体として、ほぼ軸対称に近い形態で縮められるように変形させることができる。すなわち、２つの反射鏡１ａ，１ｂを組み合わせることによって、軸対称に変形する従来の可変曲率反射鏡を用いたのと、ほぼ同様の作用を得ることができる。
【００４０】
上記のように、ほぼ軸対称にレーザビームを変形させる場合には、反射鏡１ａ，１ｂによるレーザビームの変形量が互いに同一になるように構成する必要がある。これは、特に、反射鏡１ａ，１ｂの鏡面の曲率を同一にし、かつ、各反射鏡１ａ，１ｂへのレーザビームの入射角を同一にすることによって実現できる。反射鏡１ａ，１ｂの鏡面の曲率を同一にするには、例えば、反射鏡１ａ，１ｂを同一の仕様とし、変形のために加える荷重を同一に設定すればよい。入射角は、例えば、反射鏡１ａ，１ｂの両者とも、４５°に設定することができる。
【００４１】
また、鏡面の描く円筒の軸線が、例えば、反射鏡１ａ，１ｂに対して４５°ずれたさらに２つの反射鏡を用いるなど、さらに多くの、円筒状に変形させられた反射鏡を用いてもよく、それによって、軸対称性の精度を高めることができる。
【００４２】
このような、軸対称な変形は、特に、円形のビームを用いる場合に有効である。また、レーザ発振器から矩形のビームが出力されるような場合でも、ＣＯ2レーザのように波長の長いレーザ光を用いる場合には、回折効果によって、長い伝播距離を経た後は、レーザビームの断面形状が丸くなるため、軸対称な変形が有効な場合が多い。ただし、例えば、レーザ発振器３０から出力されるレーザビームの断面が扁平な場合などには、反射鏡１ａ，１ｂによる変形は、必ずしも同一にしなくてもよく、用途に応じて、各方向の変形量を適切に調整する構成としてもよい。
【００４３】
以上のように、本実施形態によれば、製造が容易であり、その結果、安価にすることができる、曲面状の鏡面を有する反射鏡を提供することができる。また、曲面状の鏡面を有する反射鏡を、レーザ光の反射時の光の損失による加熱による影響が生じない程度に厚い構成とすることができ、それによって、冷却機構を不要とすることができ、それによっても、反射鏡をさらに安価なものとすることができる。
【００４４】
なお、上記の実施形態は、本発明を例示するものであり、特許請求の範囲に規定する本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【００４５】
例えば、荷重負荷機構１５としては、支点５と荷重点１０との間に、反射鏡を湾曲させる力を加える機構を示したが、反射鏡が一方向に沿ってのみ湾曲するように反射鏡に力を加える、換言すれば、板材の厚さ方向以外の一方向に曲げモーメントを生じさせる力を加える任意の構成を用いることができる。例えば、上記の実施形態では、反射鏡を変形させる荷重を加える荷重負荷機構１５として、ばね１６を用いて、加える力を設定する構成を例示したが、力を設定可能とする代わりに、変形量を設定可能な機構を用いてもよい。また、これらは、加工用途に応じて、適宜、力や変形量の設定を変更可能な構成とすることもできる。
【００４６】
また、レーザビームの伝播や発振モードを動的に制御するために、反射鏡の変形を動的に変化させることができる機構を用いてもよい。このような機構としては、作動流体の圧力制御によって押圧力を制御可能なエアシリンダのようなアクチュエータを用いるのが好ましい。あるいは、サブミクロン単位で動作を制御可能な、ギア機構などの精密な機械的動作機構も、反射鏡の変形を動的に変化させる機構として使用可能である。
【００４７】
また、反射鏡の変形は、円筒状に限られることはなく、例えば、入射角が大きい場合には、放物線に沿うように変形させるほうが好ましい。反射鏡の、円弧に沿う変形は、入射角が浅い場合や曲率半径が大きい場合に好ましい。それによって、反射後のレーザビームのゆがみを小さく抑えることができる。いずれにせよ、反射鏡の、変形させた時の形状を制御することは重要なことである。
【００４８】
反射鏡の、変形させた時の形状を制御する方法としては、反射鏡の幅および／または板厚を、変形させる方向に沿って変化させることで、断面２次係数を変化させる方法が考えられる。また、反射鏡に対して、変形させる方向に沿って間隔をおいた複数の位置で力を加え、各位置で加える力を調整することによって、変形を制御してもよい。
【００４９】
図４は、このような例を示しており、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は平面図、図４（ｃ）は変形形状を誇張して示す平面図である。図４（ａ）に示すように、この例では、矩形の反射鏡４１を用いており、その矩形の、互いに対向する２辺の中央に支点４５が設けられている。図４（ｂ）に、矢印によって模式的に示すように、反射鏡４１の背面には、２つの支点４５を結ぶ線に沿って、７つのアクチュエータ４７ａ〜４７ｇが間隔をおいて配置されている。
【００５０】
図４に示す構成では、アクチュエータ４７ａ〜４７ｇによって加える力の比率を調整することによって、反射鏡４１の鏡面の形状を種々の形状に調整することができる。図４（ｃ）は、特に、アクチュエータ４７ａ〜４７ｇによって加える力を均等にした場合を示しており、この場合、鏡面は円弧に沿う形状となる。なお、複数のアクチュエータを用いる代わりに、弾性部材などを介して、反射鏡４1に加わる荷重を、反射鏡４1の変形する方向に沿って様々に分散させ、それによって、反射鏡４１の形状を所望の形状に調整してもよい。
【００５１】
また、反射鏡に接触し、反射鏡と共に湾曲する保持部材を設けて、この保持部材の弾性を、反射鏡の形状を調整するのに利用してもよい。図５〜８は、このような構成例を示しており、各図の（ａ）は反射鏡を鏡面側から見た正面図、（ｂ）は側面図である。
【００５２】
図５に示す構成では、反射鏡５０は、その裏面に配置された、ばね６１によって荷重を発生する荷重負荷機構６０によって、反射鏡５０の裏面の周縁の、互いに対向する２点の荷重点６３で力を加えられている。それによって、反射鏡５０は、その鏡面側に配置された保持部材５５に当接させられて保持されている。保持部材５５は、円形の開口部５６が形成された円板状の構造を有しており、反射鏡５０の鏡面の周縁に当接し、鏡面が開口部５６から露出するように配置されている。保持部材５５は、その周縁の、荷重点６３とは９０°ずれた２つの支点５８で、不図示の機械フレームなどに支持されている。
【００５３】
図５に示す構成によれば、反射鏡５０は、２つの荷重点６３を結ぶ線の方向に沿って湾曲させられる。この湾曲変形には、保持部材５５の弾性変形を伴い、保持部材５５の弾性が、反射鏡５０の湾曲形状に影響を与える。したがって、保持部材５５の弾性を、反射鏡５０の湾曲形状の制御に利用することができる。
【００５４】
図６に示す構成は、図５に示す構成とほぼ同様であるが、保持部材７０として、その開口部７１が楕円形であり、また、厚みが、外周側ほど厚くなった構成のものを用いていている。このように保持部材７０の寸法や形状などの構造を変化させることによって、保持部材７０の各部の弾性を変化させ、それを、反射鏡５０の形状の制御に利用することができる。また、保持部材５５，７０としては、例えば、金属製のものを用いることができ、その熱処理などによって弾性を変化させたり、あるいは、材質を部分毎に変化させて弾性を変化させたりしてもよい。
【００５５】
なお、図６には、荷重負荷機構７５に、アクチュエータ７６、例えばエアシリンダを用いた例を示している。ばね６１を用いた荷重負荷機構６０と、アクチュエータ７６を用いた荷重負荷機構７５とは、前述のように、動的制御の必要の有無などに応じて、適宜選択して用いることができる。
【００５６】
図５などのように、反射鏡の両側に対称に荷重をかけるのが、設計上では簡便であるが、図７に示す例のように、反射鏡５０の周縁の一点の荷重点８０でのみ荷重をかけるようにしてもよい。すなわち、図７に示す例では、保持部材５５の周縁には、互いに対向する２点の支点５８に加えて、荷重点８０に対向する位置にも支点８３が配置されている。反射鏡５０の裏面側には、支点８３に対向する位置に支持部材８４が配置されている。荷重負荷機構８５としては、１点にのみ力を加えるものが用いられ、これは、例えば、単に、ばね８６のみによって構成することができる。図７に示すような構成によれば、反射鏡５０の鏡面の変位が最小限に抑えられ、これは、反射鏡５０の、光軸などの一部の設定の精度を高く保つ必要がある場合に有用である場合がある。
【００５７】
図８に示す例では、反射鏡５０の周縁の、互いに対向する２点に、反射鏡５０の縁を挟み込むように保持する保持部材９０が設けられている。この例では、アクチュエータ７６による力が、反射鏡５０に直接伝達されるのではなく、保持部材９０を介して伝達される構成となっている。支点も、同様に、反射鏡５０の周縁を挟み込む他の２つの保持部材９５によって形成されている。
【００５８】
また、基本的には、板状の反射鏡に力を加えて鏡面を一方向のみに沿って湾曲させた状態とするが、反射鏡に当接する他の部材との組み合わせることによって、主要な湾曲の生じる方向と交差する方向に沿っても湾曲を生じさせた構成の反射鏡も考えられる。このような構成例を図９，１０に示す。図９（ａ）は、鏡面側から見た図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図９（ｃ）は図９（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図、図９（ｄ）は図９（ｂ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図１０は、反射鏡１００の変形状態を示す概念図である。図１０（ａ）〜（ｃ）は、反射鏡１００が変形していない場合を想定した図であり、図１０（ａ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面に相当する図、図１０（ｂ）は、図９（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面に相当する図、図１０（ｃ）は、図９（ｂ）のＤ−Ｄ線に沿った断面に相当する図である。図１０（ｄ），（ｅ）は、反射鏡１００が変形している状態を示す図であり、図１０（ｄ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面に相当する図、図１０（ｅ）は、図９（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面に相当する図である。
【００５９】
図９，１０に示す例では、円筒状の側壁１０６と、側壁１０６の一端側を閉じる端壁１０７を有するハウジング１０５の端壁１０７上に、端壁１０７を直径方向に横断するように延び、両端部が上方に向かうように湾曲した板ばね１１０が配置されている。板ばね１１０の両端部上には、押当材１１１がそれぞれ配置され、この押当材１１１が、円板状の反射鏡１００の背面の周縁の、互いに対向する２箇所にそれぞれ当接している。
【００６０】
ハウジング１０５の側壁１０６の、端壁１０７とは反対側の端部には、ホルダ１１５が止め具１２０によって固定されている。ホルダ１１５は、ハウジング１０５の側壁１０６に接続された円筒状の側壁１１６と、側壁１１６の、ハウジング１０５側とは反対側の端部から半径方向内側に延びる端壁１１７を有している。端壁１１７の中央側は、円形の開口部１１８となっており、端壁１１７の、開口部１１８の縁部分には、ハウジング１０５側に向かう突出部１１９が形成されている。反射鏡１００は、その背面側を、押当材１１１を介して板ばね１１０によって押圧されて、鏡面側が、ホルダ１１５の突出部１１９に押し当てられ、突出部１１９との接触部を支点Ｑとして、湾曲させられる。このように、この例では、ハウジング１１１、ホルダ１１５、押当材１１１、および板ばね１１０によって、反射鏡１００に、それを一方向に沿って湾曲させる力を加える荷重負荷機構が構成されている。
【００６１】
ハウジング１０５内の周縁には、押当材１１１が配置されたのとは９０度ずれた、互いに対向する２つの位置にマウント１０８がそれぞれ配置されている。マウント１０８は、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、反射鏡１００が変形していない状態であれば、反射鏡１００に当接しない高さになっている。一方、上述のように、板ばね１１０によって反射鏡１００が変形させられると、図１０（ｄ），（ｅ）に示すように、反射鏡１００の、２つの押当材１１１との接触点を結ぶ方向に見た中央の部分が、ハウジング１０５側に変位することにより、マウント１０８に接触する。これによって、反射鏡１００は、２つのマウント１０８との接触点を結ぶ方向に沿っても湾曲させられる。
【００６２】
このように、図９，１０に示す構成によれば、反射鏡１００に、互いに直交する２つの方向の両方に沿った湾曲を同時に生じさせることができる。ただし、反射鏡１００の湾曲は、２つの押当材１１１との接触点を結ぶ方向に沿ったものが主であり、２つのマウント１０８との接触点を結ぶ方向に沿った湾曲は、より小さなものとなる。したがって、反射鏡１００の湾曲した鏡面は、概ね楕円体面状となる。
【００６３】
この楕円体面状の鏡面は極めて有用である。なぜなら、これを４５度といった大きな入射角でレーザビームを反射させる部位に用いると、球面や円筒面で反射させるときとは異なり、鏡面の各方向の曲率によってレーザビームの伝播を制御して、入射方向のために生じる非軸対称性を排除した伝播を実現可能になるからである。逆に非軸対称性を強調するように反射させてもよく、このようにした場合、円筒面鏡では線分状に集光してしまうのに対して、楕円体面状の鏡面によれば、楕円形状の集光スポット形状を得ることができる。すなわち、鏡面の各方向の曲率や入射方向の調整によって、所望の楕円状の入熱領域を構成できることになる。
【００６４】
また、本発明による、曲面状の鏡面を有する反射鏡は、レーザ発振器から出力されたレーザビームの光路において用いることができるだけでなく、レーザ発振器自体を構成する反射鏡のうちの少なくとも１つとしても用いることもできる。本発明による反射鏡を、レーザ発振器を構成する反射鏡として用いることによって、レーザビームの形状・集光特性・安定性および発振効率を制御することが可能になり大きな利点を生じる。このような例を図１１〜１３に示す。
【００６５】
図１１（ａ）は、三軸直交型ＣＯ2レーザ発振器に、本発明による、曲面状の鏡面を有する反射鏡を用いた例を示している。三軸直交型ＣＯ2レーザ発振器では、２つの電極１３０間に矢印１３２で模式的に示すようにレーザガスが流されて、レーザガスが放電励起される放電エリア１３１が構成される。放電エリア１３１の、互いに対向する端部には、出力鏡１３５とリア鏡１３６がそれぞれ配置され、また、折返し鏡１３７が配置されている。出力鏡１３５とリア鏡１３６および折返し鏡１３７間で、レーザ発振が生じ、部分反射鏡である出力鏡１３５から、レーザビームが出力される。
【００６６】
このような三軸直交型ＣＯ2レーザ発振器では、光軸断面に対してレーザガス流と励起放電電流が軸対称でない。このため、出力鏡１３５とリア鏡１３６に球面鏡を用い、折返し鏡１３７に平面鏡を用いると、図１１（ｂ）に模式的に示すように、出射レーザビーム１３９の断面形状が、非軸対称な楕円形状となってしまう場合がある。そこで、折返し鏡１３７として、本発明による、円筒状の鏡面を有する反射鏡を用いることによって、出射されるレーザビームの断面形状を、円形に近い形状に補正することができる。
【００６７】
このように、レーザビームの断面形状を、円形に近い形状にすることによって、アパーチャのために廃棄されるレーザビーム成分を減少させることができ、レーザの発振効率をある程度改善することが可能になる。なお、リア鏡１３６に、それを一方向に沿って変形させる力を加えることによって、非軸対称性を改善する構成とすることも考えられる。
【００６８】
図１２（ａ）は、スラブＹＡＧレーザ発振器に、本発明による反射鏡を用いた例を示している。スラブＹＡＧレーザ発振器では、図１２（ｂ）に示すように、レーザ光が、ＹＡＧ１４０内をジグザグに通過するようにした構成が知られており、この場合には、熱レンズ効果の影響が軽減されることが知られている。しかし、図１２（ａ）に示すように、レーザ光が、ＹＡＧ１４０内を直進する構成とした場合には、動作時間の経過に伴って、熱レンズ効果のために、発振効率やレーザビームの集光性に変化が生じる。
【００６９】
そこで、スラブＹＡＧレーザ発振器を構成する出力鏡１４１とリア鏡１４２のうちの一方を、本発明による、動的に曲率を変化させることができる反射鏡とすることができる。図１２（ａ）には、リア鏡を、本発明による、動的に曲率を変化させることができる反射鏡１４５に置き換えている。それにより、動作時間の経過に伴いＹＡＧ１４０の屈折率が部分的に変化することによる熱レンズ効果を相殺するように、反射鏡１４５の曲率を変化させることによって、発振効率やレーザビームの集光性の変化を抑えて、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００７０】
図１３は、ガススラブレーザ発振器に、本発明による、曲面状の鏡面を有する反射鏡を用いた例を示している。すなわち、ガススラブレーザ発振器を構成する、互いに対向する２つの折り返し鏡１５１，１５２のうちの一方、図１３に示す例では、出力鏡１５５に対向する側の折り返し鏡１５２を、アクチュエータ１５７を介して湾曲させられた構成としている。このように、折り返し鏡１５２を積極的に変形させることで、レーザビームの品質を変化させ、種々の用途に適したレーザビームを出力可能なレーザ加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一実施形態による反射鏡を示す模式図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ），（ｃ）は側面図である。
【図２】図１の反射鏡によってレーザビームが反射される様子を模式的に示す図であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は平面図である。
【図３】図１の反射鏡を、レーザビームの光路上に２つ配置したレーザ加工装置の模式図である。
【図４】反射鏡に対して、変形させる方向に沿う複数の位置で力を加える構成の反射鏡を示す模式図であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は平面図、図４（ｃ）は変形形状を誇張して示す平面図である。
【図５】変形の調整に保持部材を用いた一例の反射鏡を示す図である。
【図６】変形の調整に保持部材を用いた他の例の反射鏡を示す図である。
【図７】変形の調整に保持部材を用いたさらに他の例の反射鏡を示す図である。
【図８】変形の調整に保持部材を用いたさらに他の例の反射鏡を示す図である。
【図９】本発明による変形例の反射鏡を示す模式図である。
【図１０】図９の反射鏡の変形を説明するための模式図である。
【図１１】本発明による反射鏡を用いた三軸直交ＣＯ2レーザ発振器を示す模式図である。
【図１２】本発明による反射鏡を用いたスラブＹＡＧレーザ発振器を示す模式図である。
【図１３】本発明による反射鏡を用いたガススラブレーザ発振器を示す模式図である。
【図１４】反射鏡にレーザビームを照射した場合の温度上昇の計測例を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１    反射鏡
５    支点
１０    荷重点
１５    荷重負荷機構
【図１】
2010040784.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010040784.tif 000008
【図７】
2010040784.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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