(57)【要約】【課題】レーザビームを高精度で走査できるガルバノメータ走査装置を得る。【解決手段】加工用レーザビームにガイド用レーザビームを重ね合わせてガルバノメータで２次元にこれを走査する。その後、ガイド用レーザビームだけをビームスプリッタ―などで分離し、２次元位置センサーへ入射してレーザビームの位置を検出する。このようにガルバノメータの外部に設けた位置センサーを用いることでガルバノメータの発熱による位置センサーや検出回路の安定度の低下を防止でき、また走査するレーザビームそのものの位置を検出することで、走査ミラーの振動やねじれなどの影響も含む位置補正が可能である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工用レーザ発振器とガイド用レーザ発振器、および前記の加工用レーザ発振器から射出される加工用レーザビームと前記のガイド用レーザビームから射出されるガイド用レーザビームとを結合して混合レーザビームを生成するためのレーザカップリング手段と、上記混合レーザビームを空間的に走査するためのレーザスキャニング手段と、当該走査された混合レーザビームを再度結合前の加工用レーザビームとガイド用レーザビームに分離するためのレーザビームスプリット手段と、上記分離して得られたガイド用レーザビームを受光して上記ガイド用レーザビームの位置の変化を検出するためのレーザビーム検出手段とからなり、当該レーザビーム検出手段にて検出した前記ガイド用レーザビームの位置検出信号の変化をフィードバックして前記レーザスキャニング手段のスキャン動作制御を行なうことを特徴とするレーザ走査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はレーザ装置に係り、特にレーザビームを加工対象物の任意の位置に高い精度で位置決め走査できるレーザ走査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来からレーザビームの走査方法には、ガルバノメータ（またはガルバノスキャナー）によるビーム走査方式が多く用いられている。これは一定の角度範囲で回動するように制御したガルバノモータの出力軸先端に反射ミラーを取付け、これに入射するレーザビームの反射方向をガルバノモータの回転角度を変化させて任意の方向に走査制御するものである。
【０００３】
例えば特開平０９−１０３８９３、特開平１１−１４９６３５などにこのようなレーザ走査装置の記述がある。これらはレーザビームを方向の異なる２つのガルバノメータにて２回反射させた後に、集光レンズにより加工対象物の表面に集光してこれを加工するものである。加工対象物の任意の位置をレーザビームで加工するためにガルバノメータを２個使用しており、これらを制御してレーザビームの集光点を被加工物表面上の任意の位置に走査するようになっている。
【０００４】
上記の目的で使用されるガルバノメータでは反射ミラーを正確に位置決めするためにガルバノメータ自身に位置センサーを内臓しており、これによりガルバノメータの回転角度を検出して制御している。しかしながらガルバノメータ自身に位置センサー設ける方法ではいくつかの回避できない問題が残る。
【０００５】
第一の問題は位置センサーの分解能と精度に関するものである。通常ガルバノメータに内蔵される位置センサーは静電容量式あるいは光学式のものが多く用いられるが、これらはいずれもガルバノメータのローターとステータとの相対角度の変化を検出するものである。例えば、ガルバノメータを２０度の角度に回転させたときにレーザービームをその焦点位置で２５ｍｍ走査するように設計した場合、レーザビームを１μｍの精度に位置決めするためには単純な比例計算により
２０度×０．００１ｍｍ／２５ｍｍ＝０．０００８度
の角度精度と分解能が必要であり、位置センサーはこの角度を高い精度で検出する必要がある。しかしガルバノメータは駆動時の通電によって発熱し、内蔵された位置センサーの感度特性や増幅回路のゲインドリフト、原点ドリフトなどが発生するので上記の検出制度を維持することは現実的に不可能であった。
【０００６】
第二の問題は方式に関するものであり、根本的な問題である。ガルバノメータ内部に位置センサーを内蔵してガルバノメータ単体での回転位置を検出する方式では高い精度のレーザビーム走査に限界がある。例えばレーザビームを走査するための反射ミラーはガルバノメータの出力軸先端に取付けられて回転するが、このときの加速減速駆動によりねじりや曲げなどの微小な振動を伴っている。レーザビームは反射ミラーの振動などによる反射面の変位を角度にして２倍に拡大して走査するため反射ミラーの振動はレーザービームの走査精度に悪影響をおよぼす。ガルバノメータに内蔵された位置センサーはガルバノメータのローターの回転角度を検出できても反射ミラー自身の振動による誤差を検出することはできない。
【０００７】
特開２００１−０４２２４７ではこのような問題を回避するためのガルバノメータの位置検出と制御の方法が述べられている。これは外部から位置参照用の別のガイドレーザをガルバノメータの先端に設けた走査ミラーの裏面に反射させてガルバノメータ外部に設けた光学センサーにより走査ミラーの回転方向の位置を検出するものである。
【０００８】
この方法ではガルバノメータとは別に設けた位置センサーを用いるので発熱による検出精度の低下が発生せず、また反射ミラーそのものの変位を検出するため反射ミラーの振動も含めた誤差検出ができる。
【０００９】
しかし、この方法ではガイドレーザーを反射ミラーの裏面で反射させているため、２次元の走査を行なう場合には不都合である。２次元の走査を行なうためには先の２つの実施例で述べられているようにレーザービームを２つのガルバノメータで直交する方向に２回反射させる必要があるが、特開２００１−０４２２４７の方法では２個のガルバノメータそれぞれの反射ミラー裏面にガイドレーザーを反射させなければならない。
【００１０】
このため、ガイドレーザの光源や位置センサーを夫々のガルバノメータごとに用意し、かつ検出感度や電気的な特性を揃えておく必要があり、装置の構成が複雑になってしまう。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は上記の従来技術の問題点を解決し、レーザービームを高精度に走査できるレーザ走査装置を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために加工用レーザ発振器とガイド用レーザ発振器、および前記の加工用レーザ発振器から射出される加工用レーザビームと前記のガイド用レーザビームから射出されるガイド用レーザビームとを結合して混合レーザビームを生成するためのレーザカップリング手段と、上記混合レーザビームを空間的に走査するためのレーザスキャニング手段と、当該走査された混合レーザビームを再度結合前の加工用レーザビームとガイド用レーザビームに分離するためのレーザビームスプリット手段と、上記分離して得られたガイド用レーザビームを受光して上記ガイド用レーザビームの位置の変化を検出するためのレーザビーム検出手段を設け、当該レーザビーム検出手段にて検出した前記ガイド用レーザビームの位置検出信号の変化をフィードバックして前記レーザスキャニング手段のスキャン動作制御を行なうようにしたものである。
【００１３】
【作用】
以下、本発明の作用につき、説明する。
【００１４】
２次元の走査を行なう場合も含め、ガルバノメータ外部に設けた別の光学センサーによって走査するレーザービームそのものの位置を検出し、これを夫々のガルバノメータにフィードバックしてやれば実質的にレーザビームの位置を直接制御することができる。
【００１５】
また、走査するレーザービームに別の波長あるいは別の偏光のガイド用レーザービームを重ね合わせてこれをガルバノメータで走査し、その後にガイド用レーザーだけを分離してガルバノメータ外部に設けた別の光学センサーによってその位置を検出する方法もある。
【００１６】
通常レーザービームを走査するのはレーザービームによって加工対象物を加工したり、あるいは溶接を行なう目的の場合が多く、このような場合には加工用レーザービームはパルス状出力であったりまた、発振／停止を繰り返すなどする。このため位置検出に用いるには不都合なことが多いので本発明では後者の方法について主に説明する。
【００１７】
加工用レーザービームにガイド用レーザービームを重ね合わせるには４５度の２波長ミラーを用いれば良い。ミラーの第一面に４５度の入射角で加工用レーザービームを入射してこれを全反射するように、また別の波長のガイド用レーザービームは完全に透過するようにコーティングする。一方ミラーの第二面は４５度の入射角のガイド用レーザービームを完全に透過するようにコーティングしておく。
【００１８】
このようなミラーの第一面に４５度の入射角で加工用レーザービームを入射し、これを反射した後の光軸と重なるように第二面を通してガイド用レーザビームを入射する。このようにすると加工用レーザビームとガイド用レーザビームを一つの光軸上に重ね合わせることができる。また同じミラーを用いて第一面側から重ね合わされた混合レーザービームを４５度の入射角で入射すると、逆にもともとの２つの波長のレーザービームに分離することができる。
【００１９】
上記のようにして重ね合わせたレーザービームを、２個のガルバノメータによって２方向に走査する。この際、ガルバノメータに取付けた反射ミラーは加工用レーザビームとガイド用レーザビームの両方を反射するようにコーティングしてある。
【００２０】
重ね合わせたレーザビームの走査をなった後に、先のレーザービームを重ね合わせたときと同じミラーによって再度これを２つのレーザービームに分離し、ガイド用レーザービームだけを別に設けた２次元の光位置センサーに入射することでガルバノメータや反射ミラーの誤差を含むレーザービームそのものの位置を検出できる。この位置検出信号をフィードバックして夫々のガルバノメータをコントロールすれば良い。
【００２１】
【実施例】
以下本発明の一実施例につき、図１に従って説明する。
【００２２】
加工用レーザ発振器１からは加工用レーザビーム２が射出される。これは波長２６６ｎｍの紫外線パルスレーザである。またガイド用レーザ発振器３が加工用レーザビーム２と直交する向きにガイド用レーザビーム４を射出する。ガイド用レーザビーム４は波長６７０ｎｍの連続赤色レーザビームである。
【００２３】
第一の折り返しミラー５はこれら２つのレーザビームが４５度の角度で入射するように配置される。第一の折り返しミラー５の第一の面Ｓ１は波長２６６ｎｍのレーザビームを完全に反射するとともに波長６７０ｎｍのレーザビームは完全に透過するように誘電体多層コートがなされており、また第二の面Ｓ２は波長６７０ｎｍのレーザビームだけを完全に透過するようにコートされている。
【００２４】
第一の折り返しミラー５によって９０度の角度で反射された加工用レーザビーム２に、同じく第一の折り返しミラー５を透過したガイド用レーザビーム４が丁度光軸が一致するように重ね合わされて混合レーザビーム２＋４となる。
【００２５】
混合レーザビーム２＋４は第一の走査ミラー６と第二の走査ミラー８によって２回反射された後に集光レンズ１０に入射する。第一、第二の走査ミラー６と８はともに波長２６６ｎｍと６７０ｎｍの２つのレーザビームをほぼ完全に反射するようにコーティングされている。また夫々が第一のガルバノメータ７と第二のガルバノメータ９の出力軸先端に取付けられて回転駆動され、混合レーザビーム２＋４を２次元に走査するようになっている。
【００２６】
集光レンズ１０は入射したレーザビームの走査角度に応じた距離だけレーザビームの射出位置を移動しつつ焦点を結ぶように設計されたＦθレンズであり、集光レンズ１０の形状と配置は波長２６６ｎｍのレーザビームが丁度加工対象物１４の表面で焦点を結ぶようになっている。集光レンズ１０を出た混合レーザビーム２＋４は第二の折り返しミラー１１によって９０度の角度で反射されて第三の折り返しミラー１２に入射される。
【００２７】
第三の折り返しミラー１２は第一の折り返しミラー５と同じものであり、第一の面Ｓ１と第二の面Ｓ２にそれぞれコーティングしたものである。第一の面Ｓ１は波長２６６ｎｍの加工用レーザビーム２だけを反射するようにコーティングしてあるので加工用レーザビーム２がここで分離されて９０度に反射され、加工対象物１４の表面で焦点を結ぶ。
【００２８】
一方ガイド用レーザビーム４は第三の折り返しミラー１２の第一の面Ｓ１と第二の面Ｓ２を透過して凸レンズ１３によって集光され、その後２次元位置センサー１５へと入射される。凸レンズ１３は第一と第二のガルバノメータ７と９によって２次元に走査されたガイド用レーザビーム４を集光することでその走査範囲を狭く制限するために設けてある。これにより第一と第二のガルバノメータ７と９とが混合レーザビーム２＋４を走査した後の加工用レーザビーム２の走査範囲ＸおよびＹに対してガイド用レーザビーム４の２次元位置センサー１５上での走査範囲ｘおよびｙが狭くなるように調節することができ、サイズの小さな２次元位置センサー１５で全走査範囲にわたってレーザビームの位置を検出することが可能である。
【００２９】
２次元位置センサー１５上でのガイド用レーザビーム４の動きｘとｙは加工対象物１４の表面での加工用レーザビーム２の動きＸとＹに一対一で対応しており、これにより第一と第二のガルバノメータ７と９により回転駆動される第一と第二の走査ミラー６と８のねじりや曲げによる影響を含めた加工用レーザビーム２の位置を検出することができる。また、２次元位置センサー１５による位置検出信号を夫々対応する第一と第二のガルバノメータの制御回路フィードバックしてやることで加工用レーザビーム２を高い精度で走査・位置決めすることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明では、ガルバノメーとは別に設けた位置検出用のセンサーを用いて、レーザービームそのものの走査位置を検出する。従ってガルバノメータの発熱による位置センサの安定性の低下がなく、またガルバノメータによって走査される反射ミラーが変形や振動して生ずるレーザビームの位置ずれなども合わせて検出、補正できる。従って高い安定度のレーザ走査装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例である。
【符号の説明】
１    加工用レーザ発振器
２    加工用レーザビーム
３    ガイド用レーザ発振器
４    ガイド用レーザビーム
２＋４  混合レーザビーム
５    第一の折り返しミラー
６    第一の走査ミラー
７    第一のガルバノメータ
８    第二の走査ミラー
９    第二のガルバノメータ
１０  集光レンズ
１１  第二の折り返しミラー
１２  第三の折り返しミラー
１３  凸レンズ
１４  加工対象物
１５  ２次元位置センサー
Ｓ１  第一の面
Ｓ２  第二の面
Ｘ、Ｙ  加工用レーザビームの走査範囲
ｘ、ｙ  ガイド用レーザビームの走査範囲
【図１】
2004177502.tif 000003