(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザ光による加工で用いられる電気光学素子の寿命を長くし、レーザ加工の稼働率を向上させる。【解決手段】レーザ発振器２１から出射されるレーザ光の偏波面を制御信号より制御する電気光学素子２２と、前記レーザ光の偏光状態からレーザ光路を分岐する偏光ビームスプリッタ２３とを介して、加工対象物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置２０において、前記電気光学素子に対して所定の周期に基づき交流電圧のパルス波形を印加する交流電圧印加部２９と、前記交流電圧印加部における交流電圧の印加、及び前記レーザ発振器におけるレーザ光の照射を制御する制御部３０とを有する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器から出射されるレーザ光の偏波面を制御信号により制御する電気光学素子と、前記レーザ光の偏光状態からレーザ光路を分岐する偏光ビームスプリッタとを介して、加工対象物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置において、
前記電気光学素子に対して所定の周期に基づき交流電圧のパルス波形を印加する交流電圧印加部と、
前記交流電圧印加部における交流電圧の印加、及び前記レーザ発振器におけるレーザ光の照射を制御する制御部とを有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記電気光学素子は、水素結合型誘電体であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
レーザ発振器から出射されるレーザ光の偏波面を制御信号により制御する電気光学素子と、前記レーザ光の偏光状態からレーザ光路を分岐する偏光ビームスプリッタとを介して、加工対象物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工方法において、
前記電気光学素子に対して所定の周期に基づき交流電圧のパルス波形を印加する交流電圧印加段階と、
前記交流電圧印加段階における交流電圧の印加、及び前記レーザ発振器におけるレーザ光の照射を制御する制御段階とを有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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に係り、特に、レーザ光による加工で用いられる電気光学素子の寿命を長くし、レーザ加工の稼働率を向上させることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ加工において、加工の精度、処理効率を向上させる１つの手段として、レーザ発振器から出射されるレーザ光を光変調器のＯＮ／ＯＦＦにより分岐させて処理を行う加工処理方法がある（例えば、特許文献１参照。）。これにより、レーザ照射系は１つしかない場合にも複数の加工地点への加工処理が可能になり処理効率を向上させることができる。
【０００３】
また、レーザ光の分岐手段としては、レーザ光が出射されてから加工対象物に照射されるまでの光路にハーフミラーやマスクモジュール等を設置し分岐を行うものや、電気光学素子を用いたＥＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ；電気光学変調器）、又は音響光学素子を用いたＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔ  Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ；音響光学変調器）等の光学変調器による分岐も行っている。
【０００４】
特にＥＯＭの場合は、電圧が印加されるとその領域の配列が変化し、透過する光の振動方向を変える。ＥＯＭは、特定の振動方向の光だけを透過させるので、ＥＯＭを通過する光の振動方向の違いが透過率の差として認識される。つまり、特定の偏光面を有するレーザ光を取得する場合に、ＥＯＭに電圧を印加するだけでよいため瞬時にレーザ光の偏波面の変更が可能であり、これによりレーザ光の高速な分岐が可能となり高い処理効率を実現することができる。
【０００５】
ここで、上述の内容を示す一例としてＥＯＭを用いた分岐の仕組みをレーザ光の偏光の様子と共に、図を用いて説明する。
【０００６】
図１は、ＥＯＭを用いた分岐の様子を示す一例の図である。
【０００７】
ここで、図１（ａ）は、ＥＯＭに電圧をかけていない場合（ＥＯＭがＯＦＦ）であり、図１（ｂ）は、ＥＯＭに電圧を掛けている場合（ＥＯＭがＯＮ）の場合を示している。また、どちらの場合もＥＯＭ１１と偏光面が縦偏光のレーザ光を通過させ、偏光面が横偏光のレーザ光を反射させる偏光ビームスプリッタ１２による分岐を行うものとし、説明を容易にするため、ＥＯＭへ入射するレーザ光を縦偏光レーザ光とする。
【０００８】
図１（ａ）の場合は（ＥＯＭがＯＦＦ）、ＥＯＭ１１に入射されたレーザ光は、縦偏光のまま出力される。出力されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１２に入力され、偏光ビームスプリッタ１２は、縦偏光のレーザビームは通過させるため、入射したレーザ光は、図１（ａ）に示すように、そのまま通過する。
【０００９】
一方、図１（ｂ）の場合は（ＥＯＦがＯＮ）、ＥＯＭ１１により縦偏光で入射されたレーザ光が横偏光として出力される。また、偏光面が横偏光のレーザ光が偏光ビームスプリッタ１２に入力されると、偏光ビームスプリッタ１２は、レーザ光を通過させずに反射させる。図１（ａ）、（ｂ）により、ＥＯＭに対する負荷電圧を与えるか否かにより、容易で且つ迅速にレーザ光の分岐を行うことができる。
【００１０】
現在では、ＥＯＭはレーザ加工処理におけるレーザ光の分岐モジュールとして構成されるだけでなく、各種表示装置やコンピュータ端末、光シャッター等広い分野で使われるようになっている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−２１５８７５号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＥＯＭは所望のレーザ加工を行うために多大な負荷をかけ加工装置を構成している他の部分よりも寿命が短い場合が多い。その主な原因としては、従来、ＥＯＭに対しての電圧の印加手段は直流の電圧を印加しているが、その印加時間が長時間に及ぶと、電気光学素子を形成する電気光学結晶内において電気分解が発生してしまい、これにより電気光学結晶が融解してしまうためである。
【００１３】
このため、電気光学素子の寿命がレーザ加工装置の他の主要構成部と比較して短いくなり電気光学素子（変調器）の取替え作業や、その装置毎の微妙な設定が取替え作業毎に必要となり、また、設定後の確認作業等が発生するため作業効率の低下を招いている。
【００１４】
本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、特に、電気光学素子の寿命を長くし、レーザ加工の稼働率を向上させるためのレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本件発明は、以下の特徴を有する課題を解決するための手段を採用している。
【００１６】
請求項１に記載された発明は、レーザ発振器から出射されるレーザ光の偏波面を制御信号により制御する電気光学素子と、前記レーザ光の偏光状態からレーザ光路を分岐する偏光ビームスプリッタとを介して、加工対象物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置において、前記電気光学素子に対して所定の周期に基づき交流電圧のパルス波形を印加する交流電圧印加部と、前記交流電圧印加部における交流電圧の印加、及び前記レーザ発振器におけるレーザ光の照射を制御する制御部とを有することを特徴とする。
【００１７】
請求項１記載の発明によれば、レーザ光の偏波面を制御するために印加される電圧を、所定の周期に基づき交流電圧のパルス波形とすることで、電気光学結晶内における電気分解の発生を防止して結晶の融解を防ぎ、電気光学素子の寿命を長くすることができ、レーザ加工装置の稼働率を向上させることができる。
【００１８】
請求項２に記載された発明は、前記電気光学素子は、水素結合型誘電体であることを特徴とする。
【００１９】
請求項２記載の発明によれば、電気分解を有する水素結合型誘電体により、ＢＢＯ等の水素結合型でない他の電気光学素子と比較しても安価であるため、レーザ加工装置のコストを削減させることができ、水素結合型誘電体であっても融解を防止して稼動率を向上させることができる。
【００２０】
請求項３に記載された発明は、レーザ発振器から出射されるレーザ光の偏波面を制御信号により制御する電気光学素子と、前記レーザ光の偏光状態からレーザ光路を分岐する偏光ビームスプリッタとを介して、加工対象物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工方法において、前記電気光学素子に対して所定の周期に基づき交流電圧のパルス波形を印加する交流電圧印加段階と、前記交流電圧印加段階における交流電圧の印加、及び前記レーザ発振器におけるレーザ光の照射を制御する制御段階とを有することを特徴とする。
【００２１】
請求項３記載の発明によれば、レーザ光の偏波面を制御するために印加される電圧を、所定の周期に基づき交流電圧のパルス波形とすることで、電気光学結晶内における電気分解を防止して結晶の融解を防ぎ、電気光学素子の寿命を長くすることができ、レーザ加工装置の稼働率を向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明は、レーザ光の分岐に用いられる偏波面を制御するために印加される電圧を所定の周期に基づく交流電圧のパルス波形とすることにより、電気光学結晶が融解を防ぎ、電気光学素子の寿命を長くして、レーザ加工装置の稼働率を向上させるためのレーザ加工装置を提供する。
【００２３】
また、電気光学素子には、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）、ＡＤＰ（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）、又は、ＫＤ＊Ｐ（ＫＤ２ＰＯ４）、ＡＤ＊Ｐ（ＮＨ４Ｄ２ＰＯ４）等の重水素単一結晶等を含む水素結合型誘電体を用いるものとする。
【００２４】
なお、電気光学素子としては、例えば、電気分解を行わないＢＢＯ（ベータバリウムボライト）もあるが、ＢＢＯは、他の素子に比べて高価であり、また、偏光するためには、ある程度の素子の長さが必要になるので、位置設定を正確に行わなければならない。そこで、本発明では、ＫＤＰ、ＫＤ＊Ｐ、ＡＤＰ、又はＡＤ＊Ｐ等の水素結合型誘電体を用いるものとする。
【００２５】
次に、本発明における実施の形態について図を用いて説明する。なお、ここでは、電気光学変調器によるレーザ光の分岐の様子の説明を容易にするため、ＥＯＭを用いた２軸分岐型のレーザ加工装置を用いて説明する。
【００２６】
図２は、本発明におけるレーザ加工装置の一実施例を示す図である。
【００２７】
図２のレーザ加工装置２０は、レーザ発振器２１と、ＥＯＭ２２と、偏光ビームスプリッタ２３と、全反射ミラー２４と、レーザ光の夫々の光路に対応した集光レンズ２５と、ステージ２６と、交流電源２７と、Ｄ／Ａ変換器２８と、反転アンプ２９と、制御部３０とを有するよう構成されている。また、ステージ２６には加工対象物３１が載置されている。
【００２８】
制御部３０は、レーザ発振器２１からのレーザの出射タイミングと、ＥＯＭ２２へ供給する電圧の供給タイミングと、Ｄ／Ａ変換器２８においてパルス波形を生成するための変換タイミングと、反転アンプ２９における電圧の反転タイミングと、ステージ２６の移動タイミングの制御を行う。
【００２９】
次に、動作について説明する。レーザ発振器２１は、制御部３０からの制御信号によりレーザ光を出射する。ＥＯＭ２２は、反転アンプ２９からの電圧制御信号に対して入力されたレーザ光を偏光する。偏光ビームスプリッタ２３は、レーザ光の偏光状態に基づいて反射又は通過を行い、全反射ミラー２４は入射光を加工対象物３１側へ反射させる。
【００３０】
集光レンズ２５−１及び集光レンズ２５−２は、所望する形状にレーザ光を集光して加工対象物３１の加工を行う。つまり、偏光ビームスプリッタ２３により、レーザ光路が図１のＫ１及びＫ２に分岐されるため、２軸でのレーザ加工を実現し、これにより、作業効率を向上させることができる。
【００３１】
ステージ２６は、制御部３０からの制御信号により載置された加工対象物３１の移動を行い、所望の加工地点の加工を可能にする。なお、ステージ２６は、ＸＹＺθテーブルであり、集光レンズ２５に対して前後左右方向（Ｘ、Ｙ方向）及び上下方向（Ｚ方向）への移動が可能であり、且つステージ２６を照射軸に対して傾斜角θ分傾かせることもできる。このようにステージ２６を移動させることで多種の加工形状を形成することが可能となる。
【００３２】
交流電源２７は、制御部３０からの制御信号により交流電圧を出力し、Ｄ／Ａ変換器２８は、制御部３０からの制御信号により入力されたアナログの交流電圧波形をデジタル化しパルス状の電圧信号を生成して反転アンプ２９に出力する。
【００３３】
また、反転アンプ２９は、制御部３０からの制御信号によりパルス波形電圧を所定の周期において反転させ、電圧値がプラスとマイナスの値を持つパルス波形をＥＯＭ２２に出力する。
【００３４】
ここで、ＥＯＭ２２に印加される電圧はプラスとマイナスが存在することでＥＯＭ内における電界の方向が逆になるため、結晶内で電気分解が発生することがなく結晶の融解を防止し、ＥＯＭ２２の寿命を延ばすことができる。
【００３５】
なお、ＥＯＭ２２にプラスの電圧を印加した場合と、マイナスの電荷を印加した場合はプラスの電圧値とマイナスの電圧値を同一にする必要があり、夫々の電圧値は、ＥＯＭ２２に入力されるレーザ光に対して＋９０°、及び−９０°に偏光させるように、制御部３０により交流電源の電圧値の電圧値が制御される。
ここで、プラス又はマイナスの電圧値により、電圧０Ｖ時の偏波面を０°として＋９０°又は−９０°に偏波面が偏向されるため、どちらの電圧値により偏光されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ２３において同じ方向の光路へ分岐される。なぜなら、プラスとマイナスの偏光差が１８０°であり、１８０°の変更差は偏光ビームスプリッタ２３により同一方向に偏光されるからである。
【００３６】
ここで、交流電源２７と、Ｄ／Ａ変換器２８と、反転アンプ２９とからなる交流電圧印加手段における電圧波形とレーザ加工装置の分岐の具体的な例について説明する。
【００３７】
図３は、ＥＯＭにおける入力と出力に伴うレーザ光路の分岐の様子を示す図である。ここで、図３（ａ）は、図２におけるＥＯＭ２２に入力されるレーザパルスの出射周期の例を示し、図３（ｂ）は、ＥＯＭ２２にて偏光されず、偏光ビームスプリッタ２３をそのまま通過し、光路Ｋ２にて加工対象物にレーザ光が照射されて加工を行う場合のレーザパルス周期の例を示し、図３（ｃ）は、ＥＯＭ２２にて偏光され、偏光ビームスプリッタ２３にて光路を偏光されて、光路Ｋ１にて加工対象物にレーザ光を照射されて加工を行う場合のレーザパルス周期の例を示すものである。また、図３（ａ）〜（ｃ）におけて横軸は時間を示し、縦軸はレーザパルスのパルス強度を示す図である。図３（ａ）に示すパルスレーザにおいて、レーザが通過するＥＯＭ２２にて周期的な電圧をかけることにより図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すようなパルスレーザの分岐を行うことができ、２軸レーザ加工を実現する。
【００３８】
ここで、図３に基づいてＥＯＭ２２に印加する電圧の例について図を用いて説明する。図４は、印加する電圧例を示す図である。ここで、図４（ａ）は従来における直流電圧の印加例を示す図であり、図４（ｂ）は、本発明おいて、反転アンプ２９を用いて生成される交流電圧のパルス波形がＥＯＭ２２に印加される電圧の周期の例を示すものである。また、図４（ａ）、図４（ｂ）の横軸は時間を示し、縦軸は電圧値を示している。
【００３９】
ここで、電圧を印加していない状態でレーザ光が入力された場合は（Ｔ０〜Ｔ１，Ｔ２〜Ｔ３，Ｔ４〜Ｔ５，Ｔ６〜：電圧ＯＦＦ時）、偏光ビームスプリッタ２３ではレーザ光がそのまま通過するため、光路Ｋ２を通って加工対象物３１に加工が行われる。また、電圧を印加した状態でレーザ光が入力された場合は（Ｔ１〜Ｔ２，Ｔ３〜Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ６：電圧ＯＮ時）、偏光ビームスプリッタ２３により偏光され、光路Ｋ１を通って加工対象物３１へ加工が行われる。
【００４０】
この時、図４（ａ）に示す電圧の印加方法では、電圧ＯＮの状態においてパルス波形の電圧は一例として＋２ＫＶに設定されており、この電圧値がＥＯＭ２２に印加されることにより、ＥＯＭ２２に入力されるレーザ光の偏波面を９０°偏光させることができる。ここで、上述したように電圧ＯＮ状態が長く継続される場合に、電気分解による結晶の融解が発生する。これを防ぐために、図４（ｂ）に示すようにプラスとマイナスの電圧を交互に印加する交流パルス波形とすることにより、電気分解による融解を防止することができる。なお、上述したようにプラスとマイナスに印加される電圧は、周期的に交互にＥＯＭ２２に印加されることが好ましい。つまり、時間Ｔ１〜Ｔ２、Ｔ５〜Ｔ６の場合は、制御部３０の制御により反転アンプ２９が動作し、入力される電圧を反転させマイナスの電圧していＥＯＭ２２に印加する。これによりＥＯＭ２２内の電荷の均一化を図ることができ、電気分解を防止して結晶の融解を防ぐ。
【００４１】
なお、本発明におけるＥＯＭの素子については、上述したようにＫＤＰ、ＫＤ＊Ｐ、ＡＤＰ、又はＡＤ＊Ｐ等の重水素単一結晶等を含む水素結合型誘電体を使用することができるが、ＢＢＯでも実施することはできる。
【００４２】
また、レーザ発振器２１については、パルスレーザを発振可能なパルスＹＡＧレーザは、エキシマレーザを用いることができる。
【００４３】
上述したように、本発明によれば、レーザ光の分岐に用いられる偏波面を制御するために印加される電圧を所定の周期に基づく交流電圧のパルス波形とすることにより、電気光学結晶内における電気分解を防止して結晶の融解を防ぎ、電気光学素子の寿命を長くして、レーザ加工装置の稼働率を向上させることができる。
【００４４】
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ光によるレーザ加工で用いられる電気光学素子の寿命を長くし、レーザ加工の稼働率を向上させることができる。
【００４６】
【図面の簡単な説明】
【図１】ＥＯＭを用いた分岐の様子を示す一例の図である。
【図２】本発明におけるレーザ加工装置の一実施例を示す図である。
【図３】ＥＯＭにおける入力と出力に伴うレーザ光路の分岐の様子を示す図である。
【図４】印加する電圧例を示す図である。
【符号の説明】
１１，２２  ＥＯＭ
１２，２３  偏光ビームスプリッタ
２１  レーザ発振器
２４  全反射ミラー
２５  集光レンズ
２６  ステージ
２７  交流電源
２８  Ｄ／Ａ変換器
２９  反転アンプ
３０  制御部
３１  加工対象物
【図１】
2004317796.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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