(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の偏向手段により第１の方向に偏向させたレーザ光を、第２の偏向手段により第１の方向と異なる第２の方向に偏向させてｆθレンズに入射させ、前記レーザ光を集光して加工をするレーザ加工装置において、
第１のビーム径変換光学系と、第２のビーム径変換光学系と、を設け、
前記第１のビーム径変換光学系を前記レーザ光の光源と前記第１の偏向手段との間に配置し、
前記第２のビーム径変換光学系を前記第２の偏向手段と前記ｆθレンズとの間に配置する、ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザ光を第３の方向に偏向させる第３の偏向手段と、
前記レーザ光を前記第３の方向と異なる第４の方向に偏向させる第４の偏向手段と、
を設け、
前記第３の偏向手段と前記第４の偏向手段を、
前記第２のビーム径変換光学系と前記ｆθレンズとの間に直列に配置する、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】
前記第２のビーム径変換光学系が２枚の凸レンズで構成されている、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記第２のビーム径変換光学系により、前記第１の偏向手段の偏向点が前記第３の偏向手段の偏向点に、前記第２の偏向手段の偏向点が前記第４の偏向手段の偏向点にそれぞれ結像する位置に前記第１及び第２の偏向手段をそれぞれ配置する、ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記第１のビーム径変換光学系をビーム径拡大光学系とし、前記第２のビーム径変換光学系をビーム径縮小光学系とする、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１の偏向手段により偏向させたレーザ光をさらに第２の偏向手段により偏向させて集光レンズに入射させ、レーザ光をワーク上に集光させて穴加工や切断等を行うレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ｆθレンズによりレーザ光を集光するようにした従来のレーザ加工装置では、レーザ光の偏向手段を偏向角が大きいミラーとして、レーザ光の入射角を制御している。しかし、ミラーを機械的に回動させるため、偏向角を大きくすると応答速度が遅くなり、加工速度を向上させることができない。
【０００３】
ところで、応答速度が速い偏向手段として音響光学素子が知られているが、音響光学素子の偏向角は小さい。
【０００４】
そこで、特開平９−４３６３号公報では、レーザ光を分割し、分割したレーザ光をそれぞれ音響光学素子を用いて偏向させることにより、必要とする範囲をカバーするようにして、加工速度を向上させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多数の音響光学素子が必要になるため、装置構成が複雑になると共に価格が高くなった。
【０００６】
また、音響光学素子の偏向角は光の波長と素子材質に強く依存し、発熱などの外乱により素子特性が変動して照射位置が不安定になることがあった。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、装置構成が簡単で価格が安く、かつ加工能率および加工精度を向上させることができるレーザ加工装置を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、第１の偏向手段により第１の方向に偏向させたレーザ光を、第２の偏向手段により前記第１の方向と異なる第２の方向に偏向させてｆθレンズに入射させ、前記レーザ光を集光して加工をするレーザ加工装置において、第１のビーム径変換光学系と、第２のビーム径変換光学系と、を設け、前記第１のビーム径変換光学系を前記レーザ光の光源と前記第１の偏向手段との間に配置し、前記第２のビーム径変換光学系を前記第２の偏向手段と前記ｆθレンズとの間に配置する、ことを特徴とする。
【０００９】
この場合、前記第１と第２の偏向手段の偏向角が小さい場合には、前記レーザ光を第３の方向に偏向させる第３の偏向手段と、前記レーザ光を前記第３の方向と異なる第４の方向に偏向させる第４の偏向手段と、を設け、前記第３の偏向手段と前記第４の偏向手段を、前記第２のビーム径変換光学系と前記ｆθレンズとの間に直列に配置する、と効果的である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１１】
図１は本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工機の構成図である。
【００１２】
レーザ発振器１の光路上には、ミラー２、アパーチャ３、ビーム径拡大光学系５、高速偏向光学系４、ビーム径縮小光学系１０、スキャナ１３、スキャナ１６、ｆθレンズ１９および加工対象２０が配置されている。
【００１３】
ビーム径拡大光学系５は、レンズ６とレンズ７とから構成され、レーザ光のビーム径を拡大する機能を備えている。
【００１４】
高速偏向光学系４は音響光学素子８と音響光学素子９とから構成され、音響光学素子８はＸＹ面内で、音響光学素子９はＸＺ面内で、それぞれレーザ光を偏向させる。
【００１５】
ビーム径縮小光学系１０は、レンズ１１とレンズ１２とから構成され、レーザ光のビーム径を縮小する機能を備えている。また、後述するように、ビーム径縮小光学系１０は音響光学素子８、９の像をミラー１５、１８の近傍に結像させる機能も供えている。
【００１６】
スキャナ１３は、回動軸が紙面に垂直なモータ１４により、ミラー１５を任意の角度に位置決めする。ミラー１５の反射面は、モータ１４の回転軸の軸線を含むようにして形成されている。スキャナ１６は、回動軸が紙面と平行なモータ１７により、ミラー１８を任意の角度に位置決めする。ミラー１８の反射面は、モータ１７の回転軸の軸線を含むようにして形成されている。そして、ミラー１５とミラー１８は、それぞれｆθレンズ１９からの距離がほぼｆθレンズの焦点距離ｆになるように近接して配置されている。
【００１７】
ｆθレンズ１９は、予め設定したｆθレンズの光軸上の１点（以下、「設計上の偏向点」という。）を通り光軸に対する角度がθのレーザ光を集光して、光軸からｆθの位置（ただし、ｆはｆθレンズの焦点距離である。）の加工面に垂直に入射させる。なお、レーザ光が光軸と交差する位置が設計上の偏向点からずれた場合、集光位置は光軸からｆθの位置の加工面になるが、集光されたレーザ光は加工面に対して斜めに入射する。
【００１８】
加工対象２０は、ＸＹ方向に移動自在のＸＹステージ２１に載置されている。
【００１９】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
【００２０】
ミラー１５、１８の角度を加工位置によって定まる偏向角に合わせた後、レーザ発振器１を動作させる。レーザ発振器１から出力されたレーザ光は、ミラー２で反射されてアパーチャ３を照射する。アパーチャ３を通過したレーザ光は、ビーム径拡大光学系５、高速偏向光学系４、ビーム径縮小光学系１０、スキャナ１３、１６を経てｆθレンズ１９に入射し、加工対象２０の表面に集光されて（アパーチャ３の像が結像されて）、加工対象２０を加工する。そして、次の加工位置が音響光学素子８、９の偏向角内である場合には、ミラー１５、１８の角度をそのままにした状態で音響光学素子８、９を動作させ、レーザ発振器１を動作させる。なお、後述するように、この実施形態では、音響光学素子８、９の偏向角を光学的に増幅することができるので、ミラー１５、１８の位置決め回数を減らすことができる。以下、同様にして、ｆθレンズ１９の大きさで定まる加工領域内の加工を行う。そして、当該加工領域内の加工が終了した後、ＸＹステージ２１を移動させ、次の加工領域をｆθレンズ１９に対して位置決めする。
【００２１】
次に、高速偏向光学系４（音響光学素子８、９）の偏向角を増幅することができる理由について説明する。
【００２２】
図２は、図１におけるビーム径縮小光学系の近傍を示す図である。
【００２３】
ビーム拡大光学系５によってビーム径を拡大されたレーザ光は、音響光学素子８の偏向点Ａにおいてレンズ１１の光軸Ｏに対して偏向角αで偏向される。そして、ビーム径縮小光学系１０により光路を曲げられ、偏向角βで光軸Ｏに交差する。すなわち、レーザ光を一旦ビーム径拡大光学系５により拡大し、ビーム径縮小光学系１０により縮小することにより、音響光学素子８の偏向角をビーム径縮小光学系１０の縮小率の逆数倍に増幅することができる。また、音響光学素９の偏向角も同様の理由により、増幅することができる。
【００２４】
ここで、ビーム径縮小光学系１０のレンズ１１、１２を凸レンズにすると、音響光学素子８、９の偏向点を設計上の偏向点付近に結像させることができるので、加工形状に優れる穴を加工することができる。
【００２５】
そして、ビーム径縮小光学系１０により、音響光学素子８、９（偏向点）の結像位置での距離は、音響光学素子８、９間の実際の距離より縮小されるので、設計上の偏向点により接近させることができる。
【００２６】
そして、ビーム径縮小光学系１０からより遠い位置にある音響光学素子８は、音響光学素子９よりもビーム径縮小光学系１０により近い位置に結像される。そこで、音響光学素子８の像が偏向方向が同一（紙面と平行の方向）のミラー１５上に、また、音響光学素子９を偏向方向が同一（紙面と垂直の方向）のミラー１８上に結像するように、音響光学素子８、９を位置決めすると、同一方向のスキャニングにおいて、偏向角に対する加工点の移動距離を音響光学素子と機械的スキャナとで同じに設定することができる。すなわち、レーザ光を次の加工位置に移動させる場合、図２に示おける現在の偏向角βを次の偏向角γに変えてもよいし、ミラー１５の角度を現在の角度からβ−γだけ回転させてもよいので、位置決め制御が容易になる。
【００２７】
以上説明したように、この実施形態では、偏向角は小さいが応答速度が速い高速偏向光学系４と、偏向角は大きいが応答速度が遅いスキャナ１３、１６を組み合わせてレーザ光を偏向するようにしたので、スキャナ１３、１６だけでレーザ光を偏向する場合に比べて加工速度を向上させることができる。そして、この実施形態では、音響光学素子８、９自体の偏向角を拡大することができるので、スキャナ１３、１６の位置決め回数を減らすことが可能になり、さらに加工速度を向上させることができる。
【００２８】
なお、ビーム径縮小光学系１０とビーム径拡大光学系５は、ケプラー型（凸レンズ２枚の組み合わせ）、ガリレオ型（凸レンズと凹レンズまたは凹レンズと凸レンズの組み合わせ）のいずれであってもよいが、高速偏向光学系４の偏向点を設計上の偏向点位置付近に結像させるためには、ビーム径縮小光学系１０をケプラー型にするとよい。
【００２９】
また、本発明は、アパーチャの像を加工対象に結像させる転写型のレーザ加工装置だけでなく、アパーチャを使用しないで平行光を集光する（無限遠の点光源を結像させる）ようにしたレーザ加工装置にも適用することができる。
【００３０】
なお、音響光学素子８、９の偏向角が大きい場合は、図３に示すように、スキャナ１３、１６に代えて固定ミラー２Ａ、２Ｂを配置してもよいし、ビーム縮小光学系１０から出射されたレーザ光を直接ｆθレンズ１９に入射させてもよい。
【００３１】
この場合、機械的可動部がないので、加工速度を速くすることができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
【００３３】
図４は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工機の要部構成図であり、高速偏向光学系４に関するビーム径拡大光学系５とビーム径縮小光学系１０の位置を、上記第１の実施形態の場合と逆にしたものである。
【００３４】
この実施形態の場合、音響光学素子８、９の偏向角は縮小倍率に応じて縮小される結果、加工範囲は小さくなる。しかし、偏向角が大きい音響光学素子を用いる場合、温度変化等の外乱の影響を小さく抑えることができるので、加工精度を向上させることができる。
【００３５】
さらに要求される加工精度と加工範囲によっては、ビーム径拡大光学系とビーム径縮小光学系を焦点距離の等しい２つのレンズからなるビーム径等倍光学系とすることもできる。
【００３６】
また、上記では音響光学系８と、スキャナ１３および音響光学素子９と、スキャナ１５の偏向方向を同一にしたが、異なる方向にしてもよい。
【００３７】
なお、上記では、高速偏向光学系を２個の音響光学素子で構成したが、以下の構成にすることもできる。
【００３８】
図５は、他の高速偏向光学系の構成図である。
【００３９】
同図において、高速偏向光学系５１は、ホルダ５０と、高速微小偏向機構５２と、高速微小偏向機構５３とから構成されている。高速微小偏向機構５２と高速微小偏向機構５３は構成が同じである。
【００４０】
Ｌ字形のミラー台５７は、弾性のある材質（例えば、合成樹脂）で形成されており、一端がベース５５に固定されている。ミラー台５７の他端とベース５５との間には圧電素子５６が配置されている。ミラー５８は、ミラー台５７の圧電素子５６と反対側の面に固定されている。したがって、圧電素子５６に印加する電圧の値を変えると、圧電素子５６が伸縮し、これに伴ってミラー台５７の角度が変化するので、ミラー５８の角度を変えることができる。そして、ベース５５はミラー５８の反射面がＹＺ面に対して４５度になるようにしてホルダ５０に固定されている。
【００４１】
また、高速微小偏向機構５３のベース５９はミラー６２の反射面がＸＺ面に対して４５度になるようにして、ホルダ５０に固定されている。
【００４２】
以上の構成であるから、加工位置に応じてミラー６２、５８を位置決めし、ビーム径拡大光学系５（またはビーム径縮小光学系１０）から出射されたレーザ光を、ミラー６２によりＹＺ面内で、またミラー５８によりＸＺ面でそれぞれ偏向させた後、ビーム径縮小光学系１０（またはビーム径拡大光学系５）に入射させることができる。
【００４３】
圧電素子の応答速度は速いので、音響光学素子の場合と同様に、加工速度を向上させることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１の偏向手段によ第１の方向に偏向させたレーザ光を、第２の偏向手段により前記第１の方向と異なる第２の方向に偏向させてｆθレンズに入射させ、前記レーザ光を集光して加工をするレーザ加工装置において、第１のビーム径変換光学系と、第２のビーム径変換光学系と、を設け、前記第１のビーム径変換光学系を前記レーザ光の光源と前記第１の偏向手段との間に配置し、前記第２のビーム径変換光学系を前記第２の偏向手段と前記ｆθレンズとの間に配置するので、第１と第２の偏向手段の偏向角が小さい場合でも、加工範囲を広くすることができる。そして、第１と第２の偏向手段を、例えば応答速度が速い音響光学素子にすると、装置構成が簡単で価格が安く、かつ加工能率および加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工機の構成図である。
【図２】図１におけるビーム径縮小光学系の近傍を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の変形例を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工機の要部構成図である。
【図５】他の高速偏向光学系の構成図である。
【符号の説明】
１  レーザ発振器
２  ミラー
３  アパーチャ
５  ビーム径拡大光学系
７，１２  レンズ
８，９  音響光学素子
１０  ビーム径縮小光学系
１３，１６  スキャナ
１４，１７  モータ
１５、１８  ミラー
１９  ｆθレンズ
【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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