(57)【要約】【課題】本発明は、１つの光学部材の動作により光偏向角が容易に制御可能であり、しかも構造が簡便であり、精度低下の原因となるモータの発熱による光学部材の温度上昇が抑制可能となる光走査装置及び光走査方法を提供することを目的とする。【解決手段】光学部材１１の動作により光を走査する光走査装置であって、光学部材１１と揺動側磁性体１２が一体になって形成している揺動体１４と、揺動体１４を揺動可能に保持する保持機構及び前記揺動体が基準位置からずれた場合に基準位置に復元する復元機構を有する保持手段１０と、揺動体を揺動させる回動側磁性体２１を有した動作手段２０とを備えていることを特徴とする光走査装置およびそれを利用したレーザ加工装置。揺動体１４の揺動運動を非接触で誘起し、それに基づき光の偏向角の制御を行うことができる光走査方法およびそれを利用したレーザ加工方法。【選択図】図２
2014056008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学部材の動作により光を走査する光走査装置であって、前記光学部材と揺動側磁性体が一体となって揺動する揺動体と、前記揺動体を揺動可能に保持する保持機構及び前記揺動体が基準位置からずれた場合に基準位置に復元する復元機構を有する保持手段と、揺動体を揺動させる回動側磁性体を有した動作手段とを少なくとも備えていることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記復元機構は、前記揺動側磁性体の外側に対向配置された復元側磁性体を備え、前記揺動側磁性体と前記復元側磁性体の磁力の作用により前記揺動体を基準位置に復元することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記回動側磁性体および前記復元側磁性体の片方もしくは両方に対し電流により磁力を設定する手段を有していることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の光走査装置を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
光学部材の動作により当該光学部材を通過する光を走査する光走査方法において、前記光学部材を揺動可能に保持するとともに前記光学部材が基準位置からずれた場合に基準位置に復元させる復元力を作用させた状態で、前記光学部材を揺動させる力となる外力を非接触で作用させることで、前記光学部材を通過した光が走査されることを特徴とする光走査方法。
【請求項６】
前記復元力および前記外力は磁力により与えられ、前記光学部材に外力を作用させる磁場の回動運動を起点として、前記光学部材を揺動させることを特徴とする請求項５に記載の光走査方法。
【請求項７】
前記光学部材の動作により与えられる光偏向角は、前記外力、前記磁場の回動数、前記外力および前記復元力から成る振動系の共振周波数に基づいて設定されることを特徴とする請求項６に記載の光走査方法。
【請求項８】
前記光学部材の動作により与えられる光の走査速度は、前記回動運動の速度に基づいて設定されることを特徴とする請求項６から７のいずれかに記載の光走査方法。
【請求項９】
請求項５から８のいずれかに記載の光走査方法によりレーザ光を走査して被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部材の動作により光を走査する光走査装置及び光走査方法に関し、光を走査させ加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工は穴あけ、切断、溝加工、溶接など幅広い分野で利用されている。
【０００３】
レーザ加工は、非接触加工であり、エネルギー密度が高い、加工速度が速いなどの特徴を持つため、以前から産業上利用されているが、近年では機械精度の要求の高まりにより、レーザ加工の高精度・高品質化が求められている。
【０００４】
レーザ加工の一例として穴加工の場合には、次の代表的な３つの手法があり、レーザ光を１ショット照射し貫通穴を加工するシングルパルス、レーザ光を固定した状態で同一箇所に繰返しレーザパルスを照射するパーカッション，レーザ光を環状に走査し穴加工を行うトレパニングである。
【０００５】
加工品質を重視する場合にはトレパニングが用いられる。加工穴径を制御する際に、シングルパルス、パーカッションでは、加工穴径に応じてビーム径を変える必要があり、ビーム径の拡大に伴い、レーザ出力も併せて増加させる必要がある。一方、トレパニングではレーザ光を環状に走査させることで、加工径を制御することが可能となるため、ビーム径を変える必要がない。つまり、トレパニングは、より小さい出力のレーザ発振器での加工が可能となる点や曲率の大きい材料に対する加工が可能となる点、加工穴の真円度向上が期待できることから、加工品質を重視する際に用いられる。
【０００６】
通常のレーザのビームプロファイルはビーム中心部が最もエネルギー密度が高いため、ビームを静止して照射した場合では、加工痕の断面はテーパ状になる。レーザビームを回動させた場合では、加工対象物に対して斜め入射させることで、ストレート穴や逆テーパ形状の加工断面を形成することができる。また、レーザビームを回動させることで従来のレーザ加工よりもアスペクト比が高い加工が実現できることが知られている。
【０００７】
最近では超短パルスレーザの出現により、熱溶融層の極めて少ない精密加工が可能である。このため、自動車用燃料噴射ノズルの穴あけ加工に超短パルスレーザとビーム回動装置を併用する手法が提案されている。（特許文献２）
【０００８】
超短パルスレーザの中でもピコ秒レーザは高繰り返し化が進んでいるが、このようなレーザでは同一箇所に照射されるレーザパルスの重畳が増加し、熱蓄積が無視できなくなることから、加工品質が低下する。このため、レーザ加工の高速・高品質化のためにはレーザビームの高速回動が必要となる。
【０００９】
ビームを回動走査させる方法として、
（イ）プリズムを回動させる方法
（ロ）ウェッジ板を回動させる方法
（ハ）光軸に対し傾斜した状態の光学部材を自転させる方法
（ニ）振動子を用いる方法が知られている。
【００１０】
前記（イ）項のプリズムを自転させる方法として、特許文献１、２に記載されているようにドーププリズムまたはアッベ・キング・プリズムを回動させることで、レーザ光を所望の半径で回動させる装置が提案されている。しかし、この手法は平行ブロック、ウェッジ板、プリズムといったレーザ光が通過する媒質の長さが長い光学部品を多用しているため、レーザパルスのパルス幅が広がる、色収差による集光スポット径が拡大するという問題がある。
【００１１】
前記（ロ）項のウェッジ板を自転させる方法は、２枚のウェッジ板を近接配置させ、別々に自転させることにより、ビームを任意の半径で回動させるものであり、特許文献３にこの方法を利用したレーザ加工装置が提案されている。しかし、この手法は２枚のウェッジ基板を同期して回動させる必要があるため、制御機構が複雑であり、ビームの回動半径の変更の際に調整に手間がかかる。この課題を解決するために特許文献４に開示されているように１枚のウェッジ板によりビームを回動させる方法が提案されているが、ビーム回動半径の変更の際にウェッジ板を取り替える必要があるため、ビーム回動半径の変更毎にレーザビームの照射を止めなければならないという課題が残っている。
【００１２】
前記（ハ）項の光軸に対し傾斜した状態の光学部材を自転させる方法は、非特許文献１に示されるように光学部材の傾斜角度によりビーム回動半径を制御することができ、特許文献５、６に示されるような装置が提案されている。しかし、この手法では回動体の内部に設置された光学部材の傾斜角度を調整しなければならないため、外部制御機構により光学部材の傾斜角度を調整することは困難であり、ビームの回動半径の変更の際に調整に手間がかかる。また、前記（イ）（ロ）項の方法でも同様であるが、ビーム回動数の増加に伴い褶動部の温度が上昇し、それに伴い光学部材の温度が上昇、寸法変化および屈折率変化を引き起こす危険性があるため、高速回動の長期運転時には回動部に対して冷却機構を備える必要がある。また、高回動数の動作時には、自転している光学部材が破損する危険性が高まる。
【００１３】
前記（ニ）項の振動子を用いる方法は、光学部材に３個以上の振動子を連結させレーザビームを揺動させる方法であり、特許文献７に開示されている。この手法はレーザビームの高速回動を実現でき、光学部材の自転を伴わないため熱制御も容易であるが、このような電磁駆動機構においてはビーム回動数とレーザビームの光偏向角はトレードオフの関係になり、ビーム回動数の増加に伴い、レーザビームの光偏向角は小さくなる。このため、利用できる走査範囲は小さな光偏向角に限定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特表２００１−５１６６４８
【００１５】
【特許文献２】特表２００８−５４３５７６
【００１６】
【特許文献３】特開２００９−５０８６９
【００１７】
【特許文献４】特開２００６−２７２３８４
【００１８】
【特許文献５】特開２００６−８２１３０
【００１９】
【特許文献６】特表２００７−５１１３６８
【００２０】
【特許文献７】特開２０００−３０５０３７
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】レーザ加工の基礎工学  理論からシミュレーションまで、新井  武ニ著、丸善株式会社出版、平成１９年１月３１日発行、ｐ．２４２〜２４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、１つの光学部材の動作により光偏向角が容易に制御可能であり、しかも構造が簡便であり、精度低下の原因となるモータの発熱による光学部材の温度上昇が抑制可能となる光走査装置及び光走査方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は光学部材の動作により光を走査する光走査装置であって、前記光学部材と揺動側磁性体が一体となって揺動する揺動体と、前記揺動体を揺動可能に保持する保持機構及び前記揺動体が基準位置からずれた場合に基準位置に復元する復元機構を有した保持手段と、揺動体を揺動させる回動側磁性体を有した動作手段とを少なくとも備えていることを特徴とする。さらに、前記復元機構は、前記揺動側磁性体の外側に対向配置された復元側磁性体を備え、前記揺動側磁性体と前記復元側磁性体の磁力の作用により前記揺動体を基準位置に復元することを特徴とする。さらに、前記回動側磁性体および前記復元側磁性体の片方もしくは両方に対し電流により磁力を設定する手段を有していることを特徴とする。さらにレーザ加工装置に対し本発明による光走査装置を備えることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明は光学部材の動作により光を走査する光走査方法であって、前記光学部材を揺動可能に保持するとともに前記光学部材が基準位置からずれた場合に基準位置に復元させる復元力を作用させた状態で、前記光学部材を揺動させる力となる外力を非接触で作用させることで、前記光学部材を通過した光が走査する工程を備えていることを特徴とする。さらに、前記復元力および前記外力は磁力により与えられ、前記光学部材に外力を作用させる磁場の回動運動を起点として、前記光学部材を揺動させることを特徴とする。さらに、前記光学部材の動作により与えられる光偏向角は、前記外力、前記磁場の回動数、前記外力および前記復元力から成る振動系の共振周波数に基づいて設定されることを特徴とする。さらに、前記光学部材の動作により与えられる光の走査速度は、前記回動運動の角速度に基づいて設定されることを特徴とする。さらに、本発明による光走査方法によりレーザ光を走査して被加工物を加工することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、上記のような構成を備えることで、簡便な装置構成により、レーザ光が通過する光学部材の長さを抑制可能、精度低下の原因となるモータの発熱による光学部材の温度上昇が抑制可能、かつ光偏向角を常時外部から制御することが可能である。また、本発明は共振型の光走査装置であるため、高速回動時においても光偏向角の大きい走査が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る光走査を実施する装置例に関する縦断面構成図である。
【図２】本発明に係る光走査を実施する装置例に関する斜視図である。
【図３】本発明に係る光走査装置の揺動角、光偏向角に関する説明図である。
【図４】実施例１の揺動角の変位を計測した結果である。
【図５】本発明に係る光走査を実施する別の装置例に関する縦断面構成図である。
【図６】本発明に係るレーザ加工を実施する装置例に関する概略構成図である。
【図７】実施例３の加工穴のSEM写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明による実施形態を説明する。以下の装置構成は本発明の具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。また、以下の装置構成は、その技術分野の当事者であれば、本発明の様々な変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００２８】
図１は本発明に係る光走査装置の縦断面構成図であり、図２は当該装置の斜視図である。光走査装置１は、光学部材１１と揺動側磁性体１２が一体になって形成されている揺動体１４と、揺動体１４を揺動可能に保持する保持機構とともに前記揺動体が基準位置からずれた場合に基準位置に復元する復元機構を有した保持手段１０と、揺動体を揺動させる回動側磁性体２１を有した動作手段２０とを少なくとも有している。
【００２９】
光学部材１１は、光を透過する平面または曲面を有する、もしくは光を反射する平面または曲面を有する。光学部材１１が光を透過する曲面を有する場合において、当該光走査装置が及ぼす光偏向角θbは前記曲面の曲率に依存する。光偏向角θbを大きく設定したい場合は曲率を大きくし、光偏向角θbを小さくしたい場合には曲率を小さく設定することが望ましい。ここで、光偏向角θbは、光学部材１１の入射前後において光の進行方向が変位した角度を表す。揺動角θaは、揺動体１４が揺動した際に基準位置から変位した角度を表す。外力は揺動体１４を基準位置から変位させるために揺動体１４に加わる力であり、復元力は揺動体１４を基準位置に復元させるために揺動体１４に加わる力である。
【００３０】
揺動体１４は、光学部材１１の対称軸と中空形状の揺動側磁性体１２の対称軸が一致するように、光学部材１１と揺動側磁性体１２が一体となって形成している。ここで、対称軸は物体が線対称となる基準の軸を表す。
【００３１】
揺動側磁性体１２は、中空形状を有していることを特徴とする。
【００３２】
本発明における磁性体は、永久磁石、鉄などの強磁性体、電磁石を表す。
【００３３】
揺動体１４は、支持部材１５により保持され、外力、復元力の作用により基準位置を基点として揺動する。ここで、光を透過する光学部材１１が基準位置にある場合において、光学部材１１を透過した光は、通過前の光軸と同一線上にあり、光軸がずれないことが望ましい。基準位置は揺動体１４に外力が働かず復元力のみ働く状態における揺動体１４の静止位置を示す。
【００３４】
揺動体１４の外側の側面は凸状の曲面形状を有している。本発明において光を環状に走査させる場合には、揺動体１４の外側の側面は凸状の球面形状を有しており、支持部材１５の内側の側面に接することで球面揺動するように保持されることが望ましい。光を線状に走査させる場合には、１軸方向のみ揺動するように保持されることが望ましい。
【００３５】
支持部材１５は、揺動体１４を揺動可能に保持するためのもので前記保持機構に該当する。
【００３６】
図１において支持部材１５の内側の側面は凹状の曲面形状を有しているが、揺動体１４が揺動可能に保持されていれば、前記以外の方法であっても良い。
【００３７】
揺動体１４の外側の側面および支持部材１５の内側の側面は、揺動体１４が駆動する時の摺動面となるために低摩擦かつ耐摩耗性に優れていることが望ましい。
【００３８】
復元力は、磁性体の磁力またはバネの弾性力により与えることができるが、装置の耐久性の観点から磁力を用いることが望ましい。
【００３９】
本装置の駆動可能な回動数の上限は復元力に依存するため、必要となる回動数に基づき、復元機構に使用する材料の磁束密度またはバネ定数を決定する必要がある。
【００４０】
復元力に磁力を用いる際に前記復元機構の簡便な構成は、図１に示すように揺動側磁性体１２に干渉するように揺動側磁性体１２の外側に復元側磁性体１３を対向配置することである。ここで、復元側磁性体１３が復元機構に該当する。
【００４１】
復元側磁性体１３は中空形状であることを特徴とする。復元側磁性体１３の内径は揺動側磁性体１２の外径よりも大きく、揺動側磁性体１２と復元側磁性体１３を同心円状に配置する。互いの磁極が反対となる状態で揺動側磁性体１２を復元側磁性体１３の内側に配置することで、揺動側磁性体１２の位置が変位した際に復元側磁性体１３と平行な状態を基準位置として復元力が働く。図１の場合に、揺動側磁性体１２の基準位置は、復元側磁性体１３と平行な位置であるため、復元側磁性体１３の対称軸は光軸と一致するように配置している。前記のような揺動側磁性体１２と復元側磁性体１３の同心円状配置の際に、揺動側磁性体１２と復元側磁性体１３の中心点はそれぞれ光軸上にあるが、前記中心点が必ずしも一致する必要はなく、光軸方向にずれていても構わない。
【００４２】
図１の構成例において、支持部材１５、復元側磁性体１３は前記保持手段１０に該当する。
【００４３】
復元側磁性体１３は電磁石とすることで、復元力の大きさを外部から制御することができる。
【００４４】
動作手段２０は、揺動体１４を非接触で揺動させるために磁場を回動させて外力を与える手段である。動作手段２０の構成例は、図１に示すように中空形状の回動体２３に連動して棒状の回動側磁性体２１を公転運動させることである。この際、回動側磁性体２１の公転運動の軸が光軸と一致している。別の構成例として、図示していないが、回動体を用いずに電磁作用により回動する磁場を作り出すことも可能である。
【００４５】
回動側磁性体２１は回動体２３により公転した際に、揺動側磁性体１２の磁力に常に干渉し、回動側磁性体２１と揺動側磁性体１２が一定距離を保つように磁性体固定具２２により保持されている。回動側磁性体２１と揺動側磁性体１２に働く磁力の方向は、反発、吸引どちらの場合も使用が可能である。回動側磁性体２１は揺動体１４および支持部材１５と非接触で動作する。
【００４６】
磁性体固定具２２は光を透過するように中空形状を有しており、回動体２３に付設し回動する。
【００４７】
回動側磁性体２１は磁性体固定具２２に保持した状態で複数使用することが可能である。
【００４８】
揺動角θaは回動側磁性体２１と揺動側磁性体１２の間で作用する磁力に依存するため、永久磁石を用いる場合には前記揺動角θaの制御のために、揺動側磁性体１２と回動側磁性体２１の距離を変化させる直動機構２４が必要となる。別の構成例として回動側磁性体２１に電磁石を使用した場合には、回動側磁性体２１の磁力を変化させることが可能であるため、直道機構２４は必ずしも必要ではない。
【００４９】
直動機構２４は、回動体２３が付設されおり、回動体２３の回動中心が光軸上を直動するように保持されている。
【００５０】
図１の構成において、回動側磁性体２１、磁性体固定具２２，回動体２３および直動機構２４が前記動作手段２０に該当する。
【００５１】
前記保持手段１０および前記動作手段２０は連結部材３１により保持される。連結部材３１の材質には回動体２３からの発熱を遮断するよう断熱材を用いられることが望ましい。
【００５２】
動作手段２０のその他の手段としては、回動側磁性体２１に電磁石を用いて磁力の周期点な変動により磁場を回動させる手段がある。
【００５３】
図６に示すように、レーザ光を入射する場合に本装置１の光軸前方に平行光学部材３２を配置し、光学部材１１と平行光学部材３２をガリレオ式およびケプラー式平行光学系とすることで、光学部材１１を通過した後に平行光に戻すことができるため、光走査装置として幅広い光学系に組み込むことが可能となる。
【００５４】
本実施の形態に係る光走査方法は、図１のように構成された光走査装置１を用い、以下のように実施される。
【００５５】
直動機構２４により揺動側磁性体１２と回動側磁性体２１の距離を縮めることで前記外力が増加し、揺動体１４が基準位置から変位する。この状態で光学部材１１に光を入射することで、光学部材１１を通過した光が偏向する。
【００５６】
図３は、揺動体１４が揺動した際の光の偏向を表している。図３において、揺動体１４の基準位置は水平の位置であり、水平からの変位量が揺動角θaとなる。揺動角θaの増加に応じて、光学部材１１を通過した光は光偏向角θb偏向する。
【００５７】
回動側磁性体２１の磁場が静止している状態において、光偏向角θbは前記外力および前記復元力に基づいて設定することができる。光の走査位置は、光偏向角θbおよび回動側磁性体２１の磁極の位置により定まる。
【００５８】
回動側磁性体２１が回動している状態において、回動側磁性体２１の回動運動に伴い、揺動体１４が揺動運動を誘起する。揺動体１４が揺動を誘起する回動数は、前記外力および前記復元力から成る振動系の共振周波数に依存する。回動側磁性体２１の回動数が共振周波数に近いほど揺動角θaが大きくなり、それに従い光偏向角θbが大きくなる。回動側磁性体２１の回動数が共振周波数を超えた場合でも共振周波数に近い場合においては、揺動体１４が揺動を誘起するが、揺動角θaが小さくなり、回動側磁性体２１の回動運動と揺動体１４の揺動運動に位相差が生まれる。
【００５９】
揺動体１４と支持部材１５の摺動部の摩擦が小さい場合に、揺動体１４は揺動運動に併せて自転運動を引き起こす場合がある。この際、前記自転運動の回動数は回動側磁性体２１の回動数と比べて小さい。光偏向角θbは、揺動体１４の揺動運動および自転運動の両方に依存するため、揺動運動に併せて自転運動が生じている際に、光学部材１１を通過した光は回動径の異なる２つの回動運動を合成した軌跡を描く。
【００６０】
前記光走査装置によりレーザ加工を行う場合において、前記自転運動が生じている際には２つの回動運動が合成されるため、加工径は拡大するが、加工外周部の真円度が向上する。
【００６１】
前記光走査装置により単純な環状走査を望む場合には、揺動体１４の自転運動を防止する機構を付随することが望ましい。また、回動径の異なる２つの回動運動の合成により、レーザの照射幅を拡大したい場合には、揺動体１４の自転機構を付随することが望ましい。
【００６２】
本発明による光の走査速度は回動側磁性体２１の回動数により定まる。ここで、光の最大走査速度は前記共振周波数に基づいて定まる。前記最大走査速度を大きくする場合には、前記共振周波数が大きくなるように、復元力を大きくする、揺動体１４の重量を小さくすることが望ましい。
【００６３】
回動側磁性体２１が回動している状態において、光の走査速度は、回動体２３の回動数により制御を行うことができ、光偏向角θbは前記外力、前記復元力および回動体２３の回動数により制御を行うことができる。
【００６４】
回動体２３と光学部材１１が独立しており、揺動体１４の揺動は回動側磁性体２１の回動運動により磁場を通じて非接触で誘起されるため、回動体２３駆動時の発熱による光学部材の精度低下を防ぐことが構造上可能となる。
【００６５】
本発明において揺動体１４は必ずしも自転する必要がないため、高速駆動時に光学部材１１が損傷する危険性を軽減することができる。
【００６６】
従来技術では２枚のウェッジ板を用いて、ビーム回動を実現する手法が公知であるが、この場合ではビームの回動角を変える場合に、２つの回動ステージの同期制御が必要となるが、本発明は、回動ステージが１つで済むため従来技術と比べて制御が容易となる。また、レーザ光が通過する光学部材を減らすことができるため、超短パルスレーザを用いる際にパルス幅の広がりを抑制することができる。
【００６７】
本装置における駆動可能な回動数の上限は揺動体１４の共振周波数に基づいて決定する。揺動体１４の共振周波数は揺動体１４の重量、復元力の大きさに依存する。図１の構成において復元力は復元側磁性体１３の磁力で与えられるため、復元側磁性体１３の磁力を変化させることで前記共振周波数の制御が可能となる。
【００６８】
復元側磁性体１３に電磁石を使用した場合には、復元力となる復元側磁性体１３の磁力を変化させることが可能となるため、本装置の駆動可能な回動数の上限および揺動角θaを外部から制御することが可能となる。また、回動側磁性体２１の磁力または直道機構２４による揺動側磁性体１２と回動側磁性体２１の磁性体間距離を変化させることによっても揺動体１４の揺動角θaを外部から制御することが可能となる。
【００６９】
以上のように、復元側磁性体１３の磁力および回動側磁性体２１の磁力または直道機構２４による揺動側磁性体１２と回動側磁性体２１の磁性体間距離をそれぞれ選定することで、揺動角θaを任意に選定することが可能である。
【００７０】
本装置は動作中においても随時、揺動角θa及び光偏向角θbを変更することができるため、ディンプル加工を行う際などに加工断面形状の制御を行うことが可能となる。
【実施例１】
【００７１】
図１は本実施例の光走査装置１に関する縦断面構成図である。本実施例の光走査装置１は、光学部材１１と揺動側磁性体１２が一体になって形成している揺動体１４と、揺動体１４を揺動可能に保持する支持部材１５と、前記揺動体が基準位置からずれた場合に基準位置に復元する復元側磁性体１３と、揺動体を揺動させる回動側磁性体２１と、磁性体固定具２２と、回動側磁性体２１を回動させる回動体２３と、揺動側磁性体１２と回動側磁性体２１の磁石間距離を変えるための直動機構２４と、直動機構２４と支持部材１５を連結する連結機構３１と、を設置した。
【００７２】
揺動体１４は、凸状球面形状の側面を有しており、同じ曲率を持つ支持部材１５の内側の凹状側面に接することで球面揺動するように保持した。
【００７３】
光学部材１１は、焦点距離３５mmの合成石英製平凸レンズを使用した。
【００７４】
揺動側磁性体１２は、磁束密度５２９mTのリング状永久磁石であり、図１の上側極をN極とした。
【００７５】
復元側磁性体１３は、リング状永久磁石であり、揺動側磁性体１２と同心円状かつ図１の上側極をS極となるように対向配置した。本実施例では、復元側磁性体１３の磁束密度の違いによる揺動角θaの変化を検討するため、磁束密度３４３mTのリング状磁石Ａと、磁束密度５５４mTのリング状磁石Ｂと、２種類使用した。上記２種類のリング状磁石ともに磁極の向きは同一とした。
【００７６】
回動側磁性体２１は、磁束密度５０２mTの円柱状永久磁石である。揺動側磁性体１２と互いに引き合うように図１の下側極をS極とした。
【００７７】
磁性体固定具２２は、中空形状を有しており、回動側磁性体２１が公転した状態で揺動側磁性体１２と干渉するよう回動側磁性体２１を固定した。
【００７８】
回動体２３は、中空モータで、回動数は最大１２，０００ｒｐｍまで可能であり、外部から回動数の制御を行なった。
【００７９】
直動機構２４は、直動の電動ステージであり、外部から駆動制御が行われる。
【００８０】
図４に揺動側磁性体１２と回動側磁性体２１の光軸方向の距離と回動側磁性体２１の回動数における揺動角θaの関係を示す。揺動体の揺動角θaはハイスピードカメラを用いて揺動体１４の動作時の画像から算出した。上図の結果から特定の回動数のときに揺動角θaがピークになることが確認でき、本装置が共振型であることを示している。また、復元側磁性体１３の磁束密度を変化させた結果、復元力を大きくすることで、前記揺動角θaのピークが高回動側に移動した。さらに、図４より揺動側磁性体１２と回動側磁性体２１の磁石間距離により前記揺動角θaが変化した。前記磁石間距離が変化した場合でも前記揺動角θaのピークは変化していなかった。
【実施例２】
【００８１】
図５に本実施例の光走査装置に関する縦断面構成図を示す。本実施例の光走査装置は、実施例１で示した光走査装置１に対して、光学部材１１の前方に平行光学部材３２、レーザ光３４を照射する光源３３を取り付けた。それ以外の構成は実施例１と同様である。
【００８２】
平行光学部材３２は、焦点距離１００mmの平凸レンズであり、光学部材１１とケプラー型平行光学系となるように設置した
【００８３】
光源３３に連続発振のヘリウムネオンレーザを用いた。
【００８４】
光学部材１１を通過したレーザ光３４が平行光の状態で、回動走査することを確認した。また、実施例１の前記揺動角θaと同様に、回動側磁性体２１の回動数及び揺動側磁性体１２と回動側磁性体２１の磁石間距離により、光偏向角θbが変化することを確認した。
【実施例３】
【００８５】
図６に本実施例のレーザ加工装置の概略構成図を示す。本実施例のレーザ加工装置は、実施例１で示した光走査装置１に対して、レーザ光３４を照射する光源３３、レーザ光照射部を観察する観察機構３５、シャッター３６、１／４波長板３７、ダイクロイックミラー３８、制御用パソコン３９を取り付けた。光走査装置１の構成は実施例１と同様であり、制御用パソコン３９により外部から制御を行なった。
【００８６】
本実施例の復元側磁性体１３は実施例１で示したリング状磁石Ａを用いた。
【００８７】
光源３３は、波長７８０nm、パルス幅が２００fs、繰返し周波数１kHzのフェムト秒レーザを用いた。
【００８８】
観察機構３５は、加工対象物の表面観察像をレーザ光と同軸で得るためのもので、ＣＣＤカメラ、白色光源、ハーフミラー、ミラーからなる。集光レンズの焦点位置での観察像を得るように調整した。
【００８９】
シャッター３６は、制御用パソコン３９に接続されており、シャッター３６の開閉によりレーザ光３４の照射の有無を制御した。
【００９０】
被加工物４０は、厚さ０．５ｍｍのステンレス板とし、貫通穴加工を行った。
【００９１】
まず、揺動体１４が基準位置にある状態において、観察機構３５を用いて集光系となる光学部材１１の焦点位置に被加工物４０を設置した。その後、直動機構２４を駆動させ、揺動側磁性体１２と回動側磁性体２１の磁石間距離を任意の距離に設定した後、回動体２３を任意の回動数で駆動させ、揺動体１４が球面揺動を誘起した後に、シャッター３６を開き、被加工物４０にレーザ光を照射した。
【００９２】
図７に回動体２３を１００、３０００ｒｐｍで回動させた場合の加工結果を示す。図中の２つの加工穴について、回動数以外の条件は同じであり、右側の加工穴が１００ｒｐｍ、左側の加工穴が３０００ｒｐｍの結果である。レーザ光の照射エネルギーは同一条件において、揺動体１４の揺動角θaを変化させることで、加工穴径を制御できることを確認した。また、本実施例のレーザ加工装置を用いれば、光学素子１１のみでレーザ光の回動および集光が可能となることを確認した。
【符号の説明】
【００９３】
1     光走査装置
10    保持手段
11    光学部材
12    揺動側磁性体
13    復元側磁性体
14    揺動体
15    支持部材
20    動作手段
21    回動側磁性体
22    磁性体固定具
23    回動体
24    直動機構
31    連結機構
32    平行光学部材
33    光源
34    レーザ光
35    観察機構
36    シャッター
37    １／４波長板
38    ダイクロイックミラー
39    制御用パソコン
40    被加工物
【図１】
2014056008.tif 000003
【図２】
2014056008.tif 000004
【図３】
2014056008.tif 000005
【図４】
2014056008.tif 000006
【図５】
2014056008.tif 000007
【図６】
2014056008.tif 000008
【図７】
2014056008.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月28日(2013.3.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を透過する光学部材の動作により光を走査する光走査装置であって、前記光学部材と揺動側磁性体が一体となって外力、復元力の作用により揺動する揺動体と、前記揺動体に外力が働かず復元力のみ働く状態における揺動体の静止位置である基準位置を基点として前記揺動体を揺動可能に保持する保持機構及び前記揺動体が基準位置からずれた場合に前記基準位置に復元する復元機構を有する保持手段と、前記基準位置を基点として揺動体を揺動させるため、前記揺動側磁性体の磁力に常に干渉し揺動側磁性体と一定距離を保つように保持された状態で、前記揺動体に外力として作用する磁場を前記光学部材の光軸を軸として公転するよう回動させる回動側磁性体を有した動作手段とを少なくとも備えていることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記復元機構は、前記揺動側磁性体の外側に対向配置された復元側磁性体を備え、前記揺動側磁性体と前記復元側磁性体の磁力の作用により前記揺動体を前記基準位置に復元することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記回動側磁性体および前記復元側磁性体の片方もしくは両方に対し電流により磁力を設定する手段を有していることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の光走査装置を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
光を透過する光学部材の動作により当該光学部材を通過する光を走査する光走査方法において、前記光学部材に対し前記光学部材を揺動させる力となる外力が働かず前記光学部材が静止している位置である基準位置を基点として前記光学部材を揺動可能に保持するとともに前記光学部材が前記基準位置からずれた場合に前記基準位置に復元させる復元力を作用させた状態で、前記外力を磁力により非接触で作用させることで、前記光学部材を通過した光が走査されることを特徴とする光走査方法。
【請求項６】
前記復元力は磁力により与えられ、前記光学部材に前記外力を作用させる磁場の回動運動を起点として、前記光学部材を揺動させることを特徴とする請求項５に記載の光走査方法。
【請求項７】
前記光学部材の動作により与えられる光偏向角は、前記外力、前記外力として作用し前記光学部材の光軸を軸として公転する磁場の単位時間当たりの回転数、前記外力および前記復元力から成る振動系の共振周波数に基づいて設定されることを特徴とする請求項６に記載の光走査方法。
【請求項８】
請求項５から７のいずれかに記載の光走査方法によりレーザ光を走査して被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
本発明は光を透過する光学部材の動作により光を走査する光走査装置であって、前記光学部材と揺動側磁性体が一体となって外力、復元力の作用により揺動する揺動体と、前記揺動体に外力が働かず復元力のみ働く状態における揺動体の静止位置である基準位置を基点として前記揺動体を揺動可能に保持する保持機構及び前記揺動体が基準位置からずれた場合に基準位置に復元する復元機構を有した保持手段と、前記基準位置を基点として揺動体を揺動させるため、前記揺動側磁性体の磁力に常に干渉し揺動側磁性体と一定距離を保つように保持された状態で、前記揺動体に外力として作用する磁場を前記光学部材の光軸を軸として公転するよう回動させる回動側磁性体を有した動作手段とを少なくとも備えていることを特徴とする。さらに、前記復元機構は、前記揺動側磁性体の外側に対向配置された復元側磁性体を備え、前記揺動側磁性体と前記復元側磁性体の磁力の作用により前記揺動体を前記基準位置に復元することを特徴とする。さらに、前記回動側磁性体および前記復元側磁性体の片方もしくは両方に対し電流により磁力を設定する手段を有していることを特徴とする。さらにレーザ加工装置に対し本発明による光走査装置を備えることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
また、本発明は光を透過する光学部材の動作により光を走査する光走査方法であって、前記光学部材に対し前記光学部材を揺動させる力となる外力が働かず前記光学部材が静止している位置である基準位置を基点として前記光学部材を揺動可能に保持するとともに前記光学部材が基準位置からずれた場合に基準位置に復元させる復元力を作用させた状態で、前記外力を磁力により非接触で作用させることで、前記光学部材を通過した光が走査する工程を備えていることを特徴とする。さらに、前記復元力は磁力により与えられ、前記光学部材に外力を作用させる磁場の回動運動を起点として、前記光学部材を揺動させることを特徴とする。さらに、前記光学部材の動作により与えられる光偏向角は、前記外力、前記外力として作用し前記光学部材の光軸を軸として公転する磁場の単位時間当たりの回転数、前記外力および前記復元力から成る振動系の共振周波数に基づいて設定されることを特徴とする。さらに、本発明による光走査方法によりレーザ光を走査して被加工物を加工することを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
光学部材１１は、光を透過する平面または曲面を有する。光学部材１１が光を透過する曲面を有する場合において、当該光走査装置が及ぼす光偏向角θbは前記曲面の曲率に依存する。光偏向角θbを大きく設定したい場合は曲率を大きくし、光偏向角θbを小さくしたい場合には曲率を小さく設定することが望ましい。ここで、光偏向角θbは、光学部材１１の入射前後において光の進行方向が変位した角度を表す。揺動角θaは、揺動体１４が揺動した際に基準位置から変位した角度を表す。外力は揺動体１４を基準位置から変位させるために揺動体１４に加わる力であり、復元力は揺動体１４を基準位置に復元させるために揺動体１４に加わる力である。
【手続補正書】
【提出日】平成25年6月20日(2013.6.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を透過する光学部材の動作により光を走査する光走査装置であって、前記光学部材と揺動側磁性体が一体となって外力、復元力の作用により揺動する揺動体と、前記揺動体に外力が働かず復元力のみ働く状態における揺動体の静止位置である基準位置を基点として前記揺動体を揺動可能に保持する保持機構及び前記揺動体が基準位置からずれた場合に前記基準位置に復元する復元機構を有する保持手段と、前記基準位置を基点として揺動体を揺動させるため、前記揺動側磁性体の磁力に常に干渉し揺動側磁性体と一定距離を保つように保持された状態で、前記揺動体に外力として作用する磁場を前記光学部材の光軸を軸として公転するよう回動させる回動側磁性体を有した動作手段とを少なくとも備えていることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記復元機構は、前記揺動側磁性体の外側に対向配置された復元側磁性体を備え、前記揺動側磁性体と前記復元側磁性体の磁力の作用により前記揺動体を前記基準位置に復元することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記回動側磁性体および前記復元側磁性体の片方もしくは両方に対し電流により磁力を設定する手段を有していることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の光走査装置を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
光を透過する光学部材の動作により当該光学部材を通過する光を走査する光走査方法において、前記光学部材に対し前記光学部材を揺動させる力となる外力が働かず前記光学部材が静止している位置である基準位置を基点として前記光学部材を揺動可能に保持するとともに前記光学部材が前記基準位置からずれた場合に前記基準位置に復元させる復元力を磁力により作用させた状態で、前記外力を磁力により非接触で作用させて、前記光学部材に前記外力を作用させる磁場の回動運動を起点として、前記光学部材を揺動させることで、前記光学部材を通過した光が走査されることを特徴とする光走査方法。
【請求項６】
前記光学部材の動作により与えられる光偏向角は、前記外力、前記外力として作用し前記光学部材の光軸を軸として公転する磁場の単位時間当たりの回転数、前記外力および前記復元力から成る振動系の共振周波数に基づいて設定されることを特徴とする請求項５に記載の光走査方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の光走査方法によりレーザ光を走査して被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
また、本発明は光を透過する光学部材の動作により光を走査する光走査方法であって、前記光学部材に対し前記光学部材を揺動させる力となる外力が働かず前記光学部材が静止している位置である基準位置を基点として前記光学部材を揺動可能に保持するとともに前記光学部材が基準位置からずれた場合に基準位置に復元させる復元力を磁力により作用させた状態で、前記外力を磁力により非接触で作用させて、前記光学部材に前記外力を作用させる磁場の回動運動を起点として、前記光学部材を揺動させることで、前記光学部材を通過した光が走査されることを特徴とする。さらに、前記光学部材の動作により与えられる光偏向角は、前記外力、前記外力として作用し前記光学部材の光軸を軸として公転する磁場の単位時間当たりの回転数、前記外力および前記復元力から成る振動系の共振周波数に基づいて設定されることを特徴とする。さらに、本発明による光走査方法によりレーザ光を走査して被加工物を加工することを特徴とする。