(57)【要約】【課題】高圧冷却水を発生させる装置を備えなくても、曲率可変鏡の熱変形を補正することができる曲率可変ユニットを提供する。【解決手段】レーザビーム２を被加工物６に集光する集光レンズ５に向けて、レーザビーム２を偏向させるために、圧力負荷９を鏡面部７の裏面の圧力負荷面１０に加えることにより、（サジタル方向の曲率）：（メリジオナル方向の曲率）＝２：１となる変形を発生する曲率可変鏡４と、レーザビーム２により曲率可変鏡４にて発生する熱変形と同等の熱変形を発生する熱変形補正鏡３とを備え、曲率可変鏡４と熱変形補正鏡３を互いの反射方向が９０°ねじれるように配置する構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを被加工物に集光する集光レンズに向けて、前記レーザビームを偏向させる曲率可変ユニットにおいて、
圧力負荷を鏡面部の裏面の圧力負荷面に加えることにより（サジタル方向の曲率）：（メリジオナル方向の曲率）＝２：１となる変形を発生する曲率可変鏡と、
前記レーザビームにより前記曲率可変鏡にて発生する熱変形と同等の熱変形を発生する熱変形補正鏡とを備え、
前記曲率可変鏡と前記熱変形補正鏡を互いの反射方向が９０°ねじれるように配置する構成とした曲率可変ユニット。
【請求項２】
前記曲率可変鏡により前記レーザビームを偏向させる偏向角を９０°とする請求項１に記載の曲率可変ユニット。
【請求項３】
前記熱変形補正鏡は、平面の鏡板部材と前記レーザビームを反射する鏡面の鏡裏面と接触する鏡押え部材から構成され、前記鏡板部材と接触する前記鏡押え部材の鏡板接触面に座ぐり加工が施されている請求項１または請求項２に記載の曲率可変ユニット。
【請求項４】
前記熱変形補正鏡の前記鏡板部材と接触する前記鏡押え部材の面に施された前記座ぐり加工の形状は、前記曲率可変鏡の前記圧力負荷面と相似関係の形状である請求項３に記載の曲率可変ユニット。
【請求項５】
前記熱変形補正鏡を前記曲率可変鏡に向けて前記レーザビームを偏向させる位置に配置する構成とした請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の曲率可変ユニット。
【請求項６】
前記レーザビームを発振するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から被加工物に前記レーザビームを伝送する加工光学系から構成されるレーザ加工装置において、請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の曲率可変ユニットを前記加工光学系に有するレーザ加工装置。
【請求項７】
単パルス、複数パルスあるいは連続発振の前記レーザビームを前記被加工物面上で位置決め照射して、前記被加工物を燃焼、溶融、昇華あるいは変色させて、切断、穴あけ、溶接、熱処理、あるいはマーキングなどの加工を行う請求項６に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザビームを用いたレーザ加工装置において、焦点距離やビーム径、あるいはビームプロファイルを調整する曲率可変鏡を備えた曲率可変ユニットおよびこの曲率可変ユニットを用いたレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザビームを用いたレーザ加工装置において、曲率可変鏡はその反射面の曲率を変化させることで、光学系全体の焦点距離や加工点でのビーム径、あるいはビームプロファイルを調整することができる。
その反射面形状を平面から凹面または凸面へと連続的に変化させることができる曲率可変鏡が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、曲率可変鏡は、球面状など回転対称な単純形状での凹凸変形であるため、曲率可変鏡を使用したレーザ加工装置では、変形時の非点収差などの発生を抑えるために、曲率可変鏡への入射角を１０°以下にするなど、垂直入射、垂直反射に近い状態で使用される（例えば、特許文献２参照）。
特許文献２の開示技術では、曲率可変鏡への入射角が１０°以下であるため、高出力（例えばレーザ出力が１ｋＷ以上）のレーザビームが入射した場合に発生する熱変形による非点収差が少ない。しかし、レーザビームを小さな角度で曲率可変鏡に入射させる付加的な偏向鏡が必要となり、レーザ加工装置の加工ヘッドにおいて、レーザビームの調整可能な収束を達成するためには２つの鏡が必要となり、加工ヘッドが大きく、重くなる問題点がある。
【０００３】
レーザ加工装置では、一般的に設計、製造を容易にするため、反射鏡は通常、入射角４５°、反射による折り返し角度９０°で用いられる。このため、回転対称でない曲率可変鏡として、鏡裏面の圧力負荷可能な面に対して平行に延びる切欠きを有し、切欠きにより圧力負荷面をほぼ楕円形またはほぼ方形あるいは卵形の面とし、冷却水により曲率可変可能な非球面鏡が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特許文献３の開示技術では、大きなビーム偏向角、特に９０°の偏向の場合に利用することができ、レーザ加工装置の加工ヘッドにおいて、曲率可変鏡を１つにすることができ、加工ヘッドを軽量、小型にすることが可能である。
【０００４】
しかし、レーザビームを大きなビーム偏向角、特に９０°に偏向させるため、高出力（例えばレーザ出力が１ｋＷ以上）のレーザビームが入射した場合に発生する熱変形により非点収差が発生するため、この熱変形を高圧の冷却水を使用した圧力負荷をかけることで抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２９３９１５号公報（段落［００１２］、［００５９］、図３）
【特許文献２】特許第３００９１０７号公報（段落［０００８］、［００１２］、図１）
【特許文献３】特許４６０３７９０号公報（段落［００２０］〜［００２２］、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献３開示の曲率可変鏡では、この曲率可変鏡の熱変形で非点収差が発生しないように、曲率可変鏡裏面の圧力負荷をかけるために高圧の冷却水を用いて熱変形を抑制しており、この高圧の冷却水を発生させるために、レーザ加工装置に備える専用の装置が必要となる問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高圧冷却水を発生させる装置を備えなくても、曲率可変鏡の熱変形を補正することができる曲率可変ユニット、およびこの曲率可変ユニットを使用したレーザ加工装置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】
【０００８】
この発明に係る曲率可変ユニットは、レーザビームを被加工物に集光する集光レンズに向けて、レーザビームを偏向させる曲率可変ユニットにおいて、圧力負荷を鏡面部の裏面の圧力負荷面に加えることにより、（サジタル方向の曲率）：（メリジオナル方向の曲率）＝２：１となる変形を発生する曲率可変鏡と、レーザビームにより曲率可変鏡にて発生する熱変形と同等の熱変形を発生する熱変形補正鏡とを備え、曲率可変鏡と熱変形補正鏡を互いの反射方向が９０°ねじれるように配置する構成としたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る曲率可変ユニットは、レーザビームを被加工物に集光する集光レンズに向けて、レーザビームを偏向させる曲率可変ユニットにおいて、圧力負荷を鏡面部の裏面の圧力負荷面に加えることにより、（サジタル方向の曲率）：（メリジオナル方向の曲率）＝２：１となる変形を発生する曲率可変鏡と、レーザビームにより曲率可変鏡にて発生する熱変形と同等の熱変形を発生する熱変形補正鏡とを備え、曲率可変鏡と熱変形補正鏡を互いの反射方向が９０°ねじれるように配置する構成としたものであるため、高圧冷却水を発生させる装置を備えなくても、曲率可変鏡の熱変形を熱変形補正鏡で補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１の曲率可変ユニットに係る構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１の曲率可変ユニットに係る曲率可変鏡の変形の概念図である。
【図３】この発明の実施の形態１の曲率可変ユニットに係る曲率可変鏡の断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１の曲率可変ユニットに係る熱変形補正鏡の構成図である。
【図５】この発明の実施の形態２のレーザ加工装置に係る構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
実施の形態１は、高圧冷却水を発生させる装置を備えなくても、曲率可変鏡の熱変形を熱変形補正鏡で補正することができる曲率可変ユニットに関するものである。
以下、本願発明の実施の形態１の構成、動作について、曲率可変ユニットの構成図である図１、曲率可変鏡の変形の概念図である図２、曲率可変鏡の断面図である図３、および熱変形補正鏡の構成図である図４に基づいて説明する。
【００１２】
まず、本願発明の実施の形態１に係る曲率可変ユニット１の構成について説明する。
図１において、曲率可変ユニット１は、熱変形補正鏡３、曲率可変鏡４、および集光レンズ５から構成される。
レーザ発振器（図示なし）から発振されたレーザビーム２は、例えば−Ｙ方向に進行し、熱変形補正鏡３で＋Ｘ方向に偏向される。次に＋Ｘ方向に進行するレーザビーム２は、曲率可変鏡４で−Ｚ方向に偏向される。さらに−Ｚ方向に進行するレーザビーム２は集光レンズ５により、被加工物６に集光される。
【００１３】
図２は、曲率可変ユニット１を構成する曲率可変鏡４の変形を説明する概念図である。
曲率可変鏡４は楕円形の外形をしており、レーザビーム２を反射する鏡面部７を有し、空圧による圧力負荷により平面から（サジタル方向の曲率）：（メリジオナル方向の曲率）＝２：１を保持しながら凸面に変形する。
ここで、サジタル方向、メリジオナル方向は、レーザビーム（光束）を含む概念であり、図２ではサジタル方向の曲率、メリジオナル方向の曲率はそれぞれ短軸方向の曲率８Ａ、長軸方向の曲率８Ｂに該当する。
図２では、曲率可変鏡４の外形は楕円形であるが、直交する２軸の曲率が２：１を保持しながら圧力負荷により変形するのであれば、外形は楕円形でなくても、例えば円形でもよい。
【００１４】
図３は、曲率可変鏡４の断面図である。曲率可変鏡４は、例えば（長軸の長さ）：（短軸の長さ）＝√２：１の寸法形状である圧力負荷面１０と鏡面部厚み１３を有する圧力負荷室１１を備える。空圧流入口１２からの空圧流により、圧力負荷面１０に圧力負荷９が加えられると、鏡面部７は平面から図２で説明した（短軸方向の曲率）：（長軸方向の曲率）＝２：１を保持しながら、圧力負荷９により凸面１４に変形する。
図２、図３では圧力負荷を加える前の鏡面部７は平面としているが、圧力負荷を加えたときの凸面形状を反転した（短軸方向の曲率）：（長軸方向の曲率）＝２：１の凹面形状としてもよい。
【００１５】
次に、曲率可変ユニット１を構成する熱変形補正鏡３について説明する。
図１の熱変形補正鏡３は、曲率可変鏡４に高出力（例えば１ｋＷ以上）のレーザビーム２を照射した場合に、レーザビーム２の出力に比例した熱変形と同一の熱変形を持つ平面鏡とする。
【００１６】
図４は、曲率可変ユニット１を構成する熱変形補正鏡３の構成図である。
熱変形補正鏡３は、レーザビームを９０°に偏向させる円形の鏡面１５を有する外形が円形の鏡板部材１６と、鏡板接触面１８が楕円形状の座ぐり加工された座ぐり部分１９を有する鏡押え部材２０から構成される。そして、鏡板部材１６の鏡裏面１７に対して、鏡押え部材２０の鏡板接触面１８が張り合わされる。
鏡押え部材２０を用いることで、熱変形補正鏡３を保持するホルダーに固定する場合に、鏡板部材１６を直接押えて変形を発生させることを防ぐことができる。また、鏡押え部材２０は、冷却管を備え、間接的に鏡板部材１６を冷却する役割も果たす。
【００１７】
座ぐり加工された楕円形状は、例えば曲率可変鏡４の圧力負荷面１０の楕円形状と同等の（座ぐり加工長軸２１Ａの長さ）：（座ぐり加工短軸２１Ｂの長さ）＝√２：１寸法形状とし、レーザビーム２の反射面と鏡面１５が交差する回転軸２２に対する回転方向の角度２３を０°とする。これにより、レーザビーム２が照射された場合、鏡板部材１６には曲率可変鏡４と相似の熱分布を持たせることができ、鏡板部材１６は曲率可変鏡４と相似な熱変形を発生する。
さらに、鏡押え部材２０の楕円形状の大きさを短軸の長さと長軸の長さの比を固定して、大きさを変化させることにより、レーザビーム２の出力による変形量の大きさを調整して、曲率可変鏡４の熱変形と同等の熱変形を再現することができる。
【００１８】
以下に、熱変形の補正、すなわち非点収差相殺のメカニズムについて説明する。
図１において、曲率可変鏡４にてレーザビーム２の照射により発生する熱変形が、レーザビーム２を含むＺＸ面での曲率可変鏡４の曲率（例えば凸面）とレーザビーム２を含むＸＹ面での曲率可変鏡４の曲率（例えば凸面）との比が１：２よりも小さくなる場合、集光レンズ５の入射面でのレーザビーム２断面は、Ｘ方向に長い楕円形状のレーザビーム２となる。しかし、熱変形補正鏡３にて曲率可変鏡４と同等の熱変形が発生すると、熱変形補正鏡３の熱変形は、レーザビーム２を含むＸＹ面での熱変形補正鏡３の曲率（例えば凸面）とレーザビーム２を含むＺＸ面での熱変形補正鏡３の曲率（例えば凸面）の比が曲率可変鏡４と同等に１：２よりも小さくなり、曲率可変鏡４の入射面でのレーザビーム２断面は、Ｙ方向に長い楕円形状のレーザビーム２となる。このレーザビーム２が曲率可変鏡４の変形により、集光レンズ５の入射面でのレーザビーム２断面は、Ｘ方向とＹ方向の長さは同値となり、非点収差を持たないレーザビーム２を得ることができる。
【００１９】
熱変形補正鏡３の熱変形は、レーザビーム２の出力に比例しているため、レーザビーム２の出力が変化しても、曲率可変鏡４の熱変形から発生する非点収差を、レーザビーム２の出力により熱変形補正鏡の変形を駆動制御することなく抑制することができる。
【００２０】
実施の形態１では、熱変形補正鏡３は、曲率可変鏡４の直前の位置に配置されているが、曲率可変鏡４の反射方向と９０°ねじれた反射方向となる位置に配置すれば、曲率可変鏡４と熱変形補正鏡３の間に平面鏡が配置されていてもよい。
また、曲率可変鏡４によるレーザビーム２の偏向角を９０°として説明しているが、９０°に限定されるものではない。熱変形補正鏡３についても、熱変形補正鏡３によるレーザビーム２の偏向角を９０°として説明しているが、９０°に限定されるものではない。
さらに、熱変形補正鏡３の圧力負荷面１０に圧力負荷９を加えるために空気流を使用しているが、圧電素子（例えば、ピエゾ素子）を使用して、圧力負荷を加えることもできる。
【００２１】
以上説明したように、実施の形態１に係る曲率可変ユニット１では、高圧冷却水を発生させる装置を備えなくても、曲率可変鏡４の熱変形を補正することができる効果がある。
【００２２】
実施の形態２．
実施の形態２のレーザ加工装置は、実施の形態１で説明した曲率可変ユニット１を備えたレーザ加工装置である。
【００２３】
図５は、実施の形態２に係るレーザ加工装置３０の構成図である。図５において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
【００２４】
レーザ発振器３１からレーザビーム２が発振され、反射鏡３２を経て、また、いろいろな光学系を経た後、Ｘ方向移動ユニット３３の直前反射鏡３４にレーザビーム２が入射される。入射されたレーザビーム２は、実施の形態１の曲率可変ユニット１を通ることにより、−Ｚ方向に偏向される。さらに、レーザビーム２は、集光レンズ５により被加工物６に集光される。
この時、Ｘ方向移動ユニット３３がＸ方向に移動することにより、集光ビームを被加工物上のＸ方向に走査することができる。また、加工ヘッド３５をＹ方向に移動することにより、集光ビームを被加工物上のＹ方向に走査することができる。
【００２５】
ここで、熱変形補正鏡３は、曲率可変鏡４の隣接する位置に配置されていることが好ましいが、Ｘ方向移動ユニットの直前反射鏡３４と熱変形補正鏡３が反対に配置されていてもよい。また、曲率可変鏡４の反射方向と９０°ねじれた反射方向となる位置であれば、熱変形補正鏡３を曲率可変鏡４とレーザ発振器３１の間で、図５の位置以外に配置してもよい。
【００２６】
このレーザ加工装置３０は、小さな角度にてレーザビーム２の入射角を入射する反射鏡を設ける必要がないため、加工ヘッド３５を曲率可変鏡４と集光レンズ５のみで構成することができ、構成が簡素で軽量な加工ヘッド３５とすることができる。
また、曲率可変鏡４の冷却用に、高圧冷却水を使用する必要がないため、高圧冷却水を発生させる装置を備える必要がない。
【００２７】
以上説明したように、実施の形態２に係るレーザ加工装置３０では、実施の形態１の曲率可変ユニット１を適用しているので、曲率可変鏡の熱変形を補正するために高圧冷却水を発生させる装置を備える必要がなく、光学系の構成が簡素化され、加工ヘッドを軽量で高速動作可能とできる効果がある。
【００２８】
また、単パルス、複数パルスあるいは連続発振のレーザビームを被加工物面上で位置決め照射して、被加工物を燃焼、溶融、昇華あるいは変色させて、切断、穴あけ、溶接、熱処理、あるいはマーキングなどの加工を行うレーザ加工装置に、曲率可変ユニット１を適用することにより、簡便に焦点距離やビーム径、あるいはビームプロファイルの調整を実時間で行うことが可能で安定した高出力のレーザ加工装置を低コストで提供できる効果もある。
【符号の説明】
【００２９】
１  曲率可変ユニット、２  レーザビーム、３  熱変形補正鏡、４  曲率可変鏡、
５  集光レンズ、６  被加工物、７  鏡面部、８Ａ  短軸方向の曲率、
８Ｂ  長軸方向の曲率、９  圧力負荷、１０  圧力負荷面、１１  圧力負荷室、
１２  空圧流入口、１５  鏡面、１６  鏡板部材、１７  鏡裏面、１８  鏡板接触面、
１９  座ぐり部分、２０  鏡押え部材、２１Ａ  座ぐり加工長軸、
２１Ｂ  座ぐり加工短軸、３０  レーザ加工装置、３１  レーザ発振器、
３３  Ｘ方向移動ユニット、３５  加工ヘッド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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