JP2006326603A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガルバノメータやテーブル駆動機構を用い、スキャン距離や加工パターンに影響されずに、小型、低コストで高速なスキャンが可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 ガルバノメータ１４を少なくとも２軸備え、レーザ発振器１０から第１のガルバノミラー１５ａおよび第２のガルバノミラー１５ｂを経て被加工物１７に至る光経路、ならびに第１のガルバノメータおよび第２のガルバノメータの配置、のうちの少なくとも１つにおいて、第１および第２のガルバノミラーのレーザビームが当たる部分の面積が小さくなるように、ビーム被照射サイズ抑制機構が設けられ、ビーム被照射サイズ抑制機構は、２つのガルバノミラーでのレーザビームの入射角および反射角を、第１および第２のガルバノミラーともに４５ｄｅｇ以下となるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ビームスキャン機構によりレーザビームの走査を行うレーザ加工装置のスキャン方法に関する。

ビームスキャン機構を具備したレーザ加工装置の光学システムは、レーザ発振器から出射されたレーザビームを、ビームスキャン機構であるガルバノメータで反射し、スキャン用集光レンズによって被加工物上に位置決め、照射する構成をとる。被加工物上の四角形（レーザビーム照射領域）は、ガルバノメータとスキャン用集光レンズによって制限されるスキャン可能なエリアである。被加工物を保持したテーブルを、テーブル駆動機構によりＸＹ平面を２次元スキャン（以下、ＸＹスキャンと記す）することで、被加工物の全域を加工することができる。

ガルバノメータとテーブル駆動機構は共にＸＹスキャンする機構であるが、ガルバノメータはそのスキャン可能なエリアのサイズが数１０ｍｍ角と制限されており、テーブル駆動機構の駆動可能領域よりも狭い。上記スキャン方法を採る理由は、レーザ加工装置の高速化のためである。

テーブル駆動機構は駆動可能領域が広い代わりに、動作速度が遅い。一方、ガルバノメータはスキャン可能なエリアが狭い代わりに、動作速度が速い。ガルバノメータによって、スキャン可能なエリアを高速に加工する。その後、スキャン可能なエリアのサイズ分だけテーブルをスキャンする。再びガルバノメータによって高速加工を行う。この一連の作業を逐次繰り返すことにより、被加工物の全域の加工時間を短縮している。

上記のような標準タイプのレーザ加工装置のさらなる高速化が種々、考案されている。例えば上記のガルバノメータとテーブル駆動機構の関係と同様の発想で、ガルバノメータよりもさらにスキャン可能なエリアが狭い代わりに、ガルバノメータよりもさらに高速にスキャン可能な音響光学偏向素子を用いることが提案されている（特許文献１）。テーブルによって長距離のスキャンを行い、ガルバノメータによって中距離のスキャンを行い、音響光学偏向素子によって短距離のスキャンを行っている。これにより、被加工物全域の加工時間を短縮している。

また、音響光学偏向素子の代わりに、圧電素子により動作する微動ミラーを用いる提案もなされている（特許文献２）。さらに、標準タイプのレーザ加工装置のＸＹスキャン光学システムの部分、ガルバノメータとスキャン用集光レンズとを複数個並列に配置し、レーザ発振器より出射されたレーザビームを分光、またはチョッピングして、個々のＸＹスキャン光学システムに導く方式も提案されている（特許文献３）。この場合、２個並列に配置したならば、２倍の加工速度、３個並列に配置したならば、３倍の加工速度が得られる。

上記の標準タイプのレーザ加工装置におけるガルバノメータとテーブル駆動機構は共にＸＹスキャンする機構であるが、そのスキャンの軸方向は一致している。これに対して、ガルバノメータのスキャン軸方向とテーブル駆動機構のスキャン軸方向とに傾きを持たせ、この傾きを加工時間が最短になるよう加工パターンに合わせて調整する機構が提案されている（特許文献４）。
特開２００３−１３６２７０号公報 特開２００３−８８９８６号公報 特開平１０−３２３７８５号公報 特開２００２−３５９７５号公報

しかしながら、ＸＹ平面を２次元スキャンする光学システムにおいて、ガルバノメータよりも高速にスキャン可能な音響光学素子や圧電素子による微動ミラーを用いた場合、短距離のスキャンしか高速にできないので、中距離や長距離のスキャンが多い加工では高速化できない。

また、ガルバノメータやスキャン用集光レンズを複数個並列に配置した場合、装置コストは高額なものとなる。また、レーザ加工装置も大型化する。さらに、加工パターンに合わせたスキャン軸方向の設定では、特定の加工パターンでしか高速化が達成できず、すべての加工パターンでは効果が得られないという問題がある。

本発明は、ガルバノメータやテーブル駆動機構を用い、スキャン距離や加工パターンに影響されることなく、かつ、小型、低コストで高速なスキャンが可能なレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器から発振されたレーザビームをスキャンして、被加工物へと導いて被加工物を加工するレーザ加工装置である。このレーザ加工装置は、レーザビームをスキャンするために、それぞれの軸にガルバノミラーが設けられたガルバノメータを少なくとも２軸備え、レーザ発振器から第１のガルバノミラーおよび第２のガルバノミラーを経て被加工物に至る光経路、ならびに第１のガルバノメータおよび第２のガルバノメータの配置、のうちの少なくとも１つにおいて、第１および第２のガルバノミラーのレーザビームが当たる部分の面積が小さくなるように、ビーム被照射サイズ抑制機構が設けられる。そして、そのビーム被照射サイズ抑制機構は、２つのガルバノミラーでのレーザビームの入射角および反射角を、第１および第２のガルバノミラーともに４５ｄｅｇ以下となるようにする。ここで、レーザ加工には、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２次元スキャンし、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が含まれる。

上記のように、ビーム被照射サイズ抑制機構の作用で２つのガルバノミラーでの入射角および反射角を４５ｄｅｇ以下にすることにより、ガルバノミラーにおけるレーザビームの照射面を必要以上に大きくせず、またガルバノミラーからはみ出ることなく、ガルバノミラーの面積を小さくできる。上記入射角および反射角が４５ｄｅｇを超えると、レーザビームの断面サイズが有限であっても被照射面積は大きくなり、レーザビームのはみ出しをなくすためにガルバノミラーの面積を大きくしなければならない。上記入射角および反射角を４５ｄｅｇ以下とする結果、慣性モーメントを小さく抑えることができ、小型のまま、低コストで高速なスキャンが可能となる。なお、後記する垂直入射および垂直反射では、上記入射角および反射角はともにゼロｄｅｇである。

本発明のレーザ加工装置を用いることにより、スキャン距離や加工パターンに影響されることなく、かつ、小型、低コストで、高速のレーザ加工を実現することができる。

次に図面を用いて、本発明の実施の一形態を説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるビームスキャン機構を具備したレーザ加工装置を示す図である。図１では、レーザ発振器１０から出射されたレーザビーム１２を、ビームスキャン機構であるガルバノメータ１４で反射し、スキャン用集光レンズ１６によって被加工物１７上に位置決め、照射する構成をとる。被加工物１７上の四角形は、ガルバノメータ１４とスキャン用集光レンズ１６によって制限されるスキャン可能なエリア１８である。被加工物１７を保持したテーブル１９を、テーブル駆動機構２０によりＸＹ平面を２次元スキャン（以下、ＸＹスキャンと記す）することで、被加工物１７全域を加工することができる。

ガルバノメータ１４とテーブル駆動機構２０は共にＸＹスキャンする機構であるが、ガルバノメータ１４はそのスキャン可能なエリア１８のサイズが数１０ｍｍ角と制限されており、テーブル駆動機構２０の駆動可能領域よりも狭い。上記スキャン方法を採る理由は、レーザ加工装置の高速化のためである。

テーブル駆動機構２０は駆動可能領域が広い代わりに、動作速度が遅い。一方、ガルバノメータ１４はスキャン可能なエリア１８が狭い代わりに、動作速度が速い。ガルバノメータ１４によって、スキャン可能なエリア１８を高速に加工する。その後、スキャン可能なエリア１８のサイズ分だけテーブル１９をスキャンする。再びガルバノメータ１４によって高速加工を行う。この一連の作業を逐次繰り返すことにより、被加工物１７全域の加工時間を短縮している。以後の本発明の実施の形態において、少なくとも２軸のガルバノメータの部分については、とくに断らない限り図１に示すレーザ加工装置を基本的なタイプとして用いる。

本発明の実施の形態１におけるポイントは次のとおりである。上記の標準タイプのレーザ加工装置の高速化のためには、ビームスキャン機構であるガルバノメータ自身を高速化することが望ましいが、機構設計上、ガルバノメータの動作速度は限界に近づきつつある。ここで、ガルバノメータ先端のガルバノミラーを小さくすることで、ガルバノミラーの慣性モーメントを減らし、速度を向上させることができる。しかし、単純に小さくすると、ガルバノミラーで反射されるレーザビームのサイズも小さくなる。この結果、被加工物上に位置決めされる集光点のビーム径が大きくなり、加工の分解能が低下して、加工の品質低下につながる。したがって、良好な加工分解能を確保するために、レーザビームの必要とするサイズを確保しつつ、ガルバノミラーのサイズを最小限まで小さくし、慣性モーメントを小さく抑えられれば良い。本発明の実施の形態１では、ビーム被照射サイズ抑制機構は、第１および第２のガルバノミラー１５ａ，１５ｂの入射角および反射角が３０ｄｅｇ〜３５ｄｅｇとなるようにする機構である。

図２に、本発明の実施の形態１のレーザ加工装置におけるＸＹスキャンを行う２枚のガルバノミラーの配置を示す。図２（ｂ）はＸＹ平面のスキャンを行っている様子を重ね書きによって表し、図２（ａ）はスキャンを行っていない状態、すなわちガルバノ偏向角が０ｄｅｇの状態を示している。図中の矢印１１の方向から入射してくるレーザビーム１２は、一方のガルバノミラー１５ａによって図示を省略する被加工物面上Ｙ軸方向へスキャンされる。ガルバノミラー１５ａによって反射されたレーザビーム１２は、他方のガルバノミラー１５ｂによって前記被加工物面上Ｘ軸方向へスキャンされる。

また、図３は、比較のために示す比較例のガルバノミラーを示す図である。図３において、ガルバノミラーの形状は、楕円形もしくは長方形の角の取れた楕円形に近い形状で表している。このように楕円形や長方形の角の取れた楕円形に近い形状を用いるのも、ガルバノミラーの慣性モーメントを少しでも小さく抑えるためである。

図３（ａ），（ｂ）では、２枚のガルバノミラーそれぞれ１５ａ，１５ｂにおいて、レーザビーム１２は入射角４５ｄｅｇの反射角４５ｄｅｇ（以下、反射折り返し角９０ｄｅｇという風に記す）、反射折り返し角９０ｄｅｇであるのに対し、図２（ａ）ではその反射折り返し角を６０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇの鋭角にしている。反射折り返し角を鋭角にすることで、以下に述べるようにガルバノミラー１５の慣性モーメントをより小さく抑えることができる。反射折り返し角が７０ｄｅｇを超えると慣性モーメントの低減は十分ではなく、６０ｄｅｇ未満ではレーザビームの干渉等が起き、不都合を生じる。

図４（ａ）に、Ｙ軸方向スキャンのガルバノミラー１５ａ（以下、Ｙ軸ミラー１５ａと記す）の反射折り返し角が６２ｄｅｇである場合、すなわち図２のガルバノミラー１５ａの形状を示す。また、図４（ｂ）に、同じくＹ軸ミラー１５ａの反射折り返し角が９０ｄｅｇである場合、すなわち図３のガルバノミラー１５ａの形状を示す。また、図４（ｃ）に、Ｘ軸方向スキャンのガルバノミラー１５ｂ（以下、Ｘ軸ミラー１５ｂと記す）の反射折り返し角が６６ｄｅｇである場合、すなわち図２のガルバノミラー１５ｂの形状を示す。さらに、図４（ｄ）に、同じくＸ軸ミラー１５ｂの反射折り返し角が９０ｄｅｇである場合、すなわち図３のガルバノミラー１５ｂの形状を示す。

図中の寸法は、２枚のガルバノミラー１５同士の中心間隔を３５ｍｍ、反射される円形レーザビーム１２の必要サイズを直径φ３０ｍｍ、ガルバノ偏向角を±８ｄｅｇ、ビーム偏光角±１６ｄｅｇとした場合に、それぞれのガルバノミラー１５に求められる寸法である。単純なミラーによる反射現象であるので、ビームの偏向角はガルバノミラー１５の偏向角の２倍になる。なお、図４において、ガルバノミラー１５を保持するためのつかみ代は省略している。

図４（ａ）〜（ｄ）に示されたガルバノミラーの慣性モーメントは、ガルバノミラーが数ｍｍと比較的薄い場合、近似的に次のように表される。
（反射折り返し角６２ｄｅｇのＹ軸ミラー１５ａの慣性モーメント）
＝８４７００ｔρ [ｇ・ｍｍ^２]
（反射折り返し角９０ｄｅｇのＹ軸ミラー１５ａの慣性モーメント）
＝ １８３０００ｔρ [ｇ・ｍｍ^２]
（反射折り返し角６６ｄｅｇのＸ軸ミラー１５ｂの慣性モーメント）
＝ ２３４０００ｔρ [ｇ・ｍｍ^２]
（反射折り返し角９０ｄｅｇのＸ軸ミラー１５ｂの慣性モーメント）
＝ ４９４０００ｔρ [ｇ・ｍｍ^２]
ここで、ｔはガルバノミラーの厚み[ｍｍ]、ρはガルバノミラー材質の密度[ｇ/ｍｍ^３]である。

図５は、Ｙ軸ミラー１５ａとＸ軸ミラー１５ｂとが同じ反射折り返し角になるようにした場合における、反射折り返し角と２枚のガルバノミラーそれぞれの慣性モーメントとの関係を表したグラフである。但し、縦軸の慣性モーメントは、上記式におけるｔρ前の係数（すなわちガルバノミラーの厚みｔと、その材質の密度ρとを変数とした表式の係数）の値を示している。また、これらの慣性モーメントは、上記と同じく２枚のガルバノミラー１５同士の中心間隔を３５ｍｍ、レーザビーム１２のサイズを直径φ３０ｍｍ、ガルバノ偏向角を±８ｄｅｇ、ビーム偏光角±１６ｄｅｇとした場合に、Ｙ軸ミラー１５ａとＸ軸ミラー１５ｂとに求められる寸法から計算したものである。

図５のグラフ上×印は、図２において、Ｙ軸ミラーにおいては、反射折り返し角が６０ｄｅｇ以下になるとＹ軸ミラー１５ａに入射してくるレーザビーム１２がＸ軸ミラー１５ｂと干渉することを意味し、Ｘ軸ミラーにおいては、反射折り返し角が６５ｄｅｇ以下になるとＸ軸ミラー１５ｂによってスキャンされ図示を省略している集光用レンズへと出射していくレーザビーム１２がＹ軸ミラー１５ａと干渉することを意味している。すなわち、反射折り返し角が鋭角になりすぎると、所定のレーザビーム１２の直径φ３０ｍｍが達成されなくなることが分かる。

このように、反射折り返し角を６０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇの鋭角にすることで、反射折り返し角が９０ｄｅｇの場合と比べ、ガルバノミラーの慣性モーメントを半分程度に抑えることができる。標準タイプのレーザ加工装置で示したガルバノメータが同じ性能、動作速度であるならば、ガルバノミラーの慣性モーメントが小さい方がレーザ加工装置の加工速度は速くなる。

図４（ａ）〜（ｄ）に示したガルバノミラーを作成し、同じ位置決め精度にて被加工物面上１ｍｍピッチで繰り返し位置決めできる回数をスキャン速度と定義して、このスキャン速度を測定したところ、図３の光学システムでは約７７５回/秒、図２の光学システムでは約１１８０回/秒とおよそ１．５倍のスキャン速度が達成できた。

（実施の形態２）
図２や図３において、Ｘ軸ミラー１５ｂは、Ｙ軸ミラー１５ａによってスキャンされたレーザビーム１２をこぼさず反射させる必要があるため、必ずＹ軸ミラー１５ａよりもサイズ（面積）が大きく、慣性モーメントも大きくなる。このＸ軸ミラー１５ｂの慣性モーメントを小さくすることができれば、より効果的にレーザ加工装置の速度向上を達成することができる。

図６に、Ｙ軸ミラー１５ａとＸ軸ミラー１５ｂとの間にレンズを挿入した場合の、光学システムを示す。図６（ａ）において、Ｙ軸ミラー１５ａによってスキャンされたレーザビーム１２は、レンズ２１ａの作用によってＸ軸ミラー１５ｂに対し、入射角度は変化するものの移動はせず同じ点を照射し続ける。スキャンによるレーザビーム１２の振れをレンズ２１ａによって抑えることで、Ｘ軸ミラー１５ｂのサイズ、慣性モーメントを小さく抑えることができる。また、ビーム被照射サイズ抑制機構は、Ｙ軸ミラー（第１のガルバノミラー）１５ａおよびＸ軸ミラー（第２のガルバノミラー）１５ｂにおける反射折り返し角を９０ｄｅｇ以下にする機能も有する。とくに、上記のレンズ２１ａは、Ｘ軸ミラー（第２のガルバノミラー）１５ｂに対するビーム被照射サイズ抑制機構として機能する。

図６（ａ）において、レンズ２１ａはおよそ左右対称の構造をとる。そこで図６（ｂ）のように、反射ミラー２２によって光路を折り返し、さらにＹ軸ミラー１５ａとＸ軸ミラー１５ｂとを、レンズ２１ｂの光軸に対しそれぞれ上下方向へずらすことにより、図６（ａ）に比べて光学システムを小型化することができる。レンズ枚数を半分に減らし、コストを削減することができる。

実施の形態１と同様、反射される円形レーザビーム１２の必要サイズを直径φ３０ｍｍ、ガルバノ偏向角を±８ｄｅｇ、ビーム偏光角±１６ｄｅｇとして、図６に示した光学システムを作成し、前記スキャン速度を測定したところ、約１１００回/秒と図３の光学システムに比べ、約１．４倍のスキャン速度が達成できた。

図６の光学システムでは、簡単のため２枚のガルバノミラー１５ａ、１５ｂの反射折り返し角をともに９０ｄｅｇとしているが、図２で示したように反射折り返し角が鋭角になるようガルバノメータ、ガルバノミラー１５を配置すれば、さらにレーザ加工装置の加工速度は向上する。

（実施の形態３）
図２において、ＸＹスキャンを行う２枚のガルバノミラー１５ａ、１５ｂの反射折り返し角それぞれを６０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇの鋭角にすると、ガルバノミラー１５ａ、１５ｂの慣性モーメントを小さく抑えることができ、その結果レーザ加工装置の速度向上が達成されることを示した。６０ｄｅｇ以下の鋭角にすることができれば、より慣性モーメントを小さく抑えることができる。理想的にはガルバノミラー１５ａ、１５ｂに対しレーザビーム１２が垂直入射、垂直反射する、０ｄｅｇの反射折り返し角となることが望ましい。
しかし、図２の構造では６０ｄｅｇ以下の反射折り返し角を達成するのは困難である。それは、図５で示したように反射折り返し角を６０ｄｅｇ以下にすると、入射してくるレーザビーム１２がＸ軸ミラー１５ｂと干渉したり、Ｘ軸ミラー１５ｂによってスキャンされ図示を省略している集光用レンズへと出射していくレーザビーム１２がＹ軸ミラー１５ａと干渉したりするためである。

しかしながら、２枚のガルバノミラー１５同士の中心間隔をより遠ざけたり、反射される円形レーザビーム１２の必要サイズをより小さくしたりすることができれば、６０ｄｅｇ以下の反射折り返し角を達成することができる。しかし、これらはいずれもレーザ加工の品質低下につながる。図２においては、２枚のガルバノミラー１５同士の中心間隔を３５ｍｍまで遠ざけて良く、反射される円形レーザビーム１２には直径φ３０ｍｍのサイズが必要であるとしていた。このような条件下では、反射折り返し角の最小値は６０ｄｅｇ程度となる。

図７は、本発明の実施の形態３におけるレーザ加工装置のガルバノミラーを示す図である。図７において、ＸＹスキャンを行うガルバノミラー１５ａ、１５ｂは、０ｄｅｇの反射折り返し角を達成するための光学システムである。Ｙ軸ミラー１５ａとＸ軸１５ｂとを対向させて配置し、その間に偏光分離光学素子２３、２枚のλ/４板２４ａと２４ｂとを設けている。以下、この光学システムの動作を説明する。

まず、レーザビーム１２には直線偏光を用い、偏光分離素子２３に対しＳ偏光として入射させる。偏光分離素子２３によって反射されたレーザビーム１２は、λ/４板２４ａにより円偏光に変化してＹ軸ミラー１５ａに入射する。Ｙ軸ミラー１５ａによって反射された円偏光ビームは、再びλ/４板２４ａを通過することで今度はＰ偏光に変化して、偏光分離素子２３を透過する。偏光分離素子２３を透過したレーザビーム１２は、Ｘ軸ミラー１５ｂ手前のλ/４板２４ｂによって再び円偏光と変化し、Ｘ軸ガルバノミラー１５ｂで反射される。Ｘ軸ミラー１５ｂで反射された円偏光ビームは、再びλ/４板２４ｂを通過することでＳ偏光に戻るので、偏光分離素子２３によって反射され、図示を省略する集光用レンズ、被加工物へと向かう。レーザ加工の品質を向上させるため、上記光学システムと集光用レンズとの間にλ/４板をもう一枚挿入し、再びＳ偏光を円偏光に変えても良い。

上記のように、偏光分離素子および２つのλ／４板を含むビーム被照射サイズ抑制機構を備える光学システムを用いることにより、０ｄｅｇの反射折り返し角を達成することができる。図７ではキュービック型の偏光分離素子２３を用いたが、平板型の偏光分離素子を配置しても構わない。しかし、平板型の偏光分離素子を用いた場合は、キュービック型の場合に比べ、Ｙ軸ミラー１５ａのスキャンによるＸ軸ミラー１５ｂ上でのレーザビーム１２の振れが大きくなるため、Ｘ軸ミラー１５ｂも大きく、慣性モーメントも大きくなる。これに対し、キュービック型の場合は空気より屈折率の高い媒質が、より大きな空間を占めているため、Ｘ軸ミラー１５ｂ上でのレーザビーム１２の振れを小さくできる。同様の理由で、キュービック型の偏光分離素子２３も材料の屈折率が高ければ高いほど、Ｘ軸ミラー１５ｂを小さく、慣性モーメントを小さく抑制できる。

（実施の形態４）
図６では、Ｙ軸ミラー１５ａのスキャンによるＸ軸ミラー１５ｂ上のレーザビーム１２の振れを、レンズ２１ａや２１ｂによって抑えることにより、Ｘ軸ミラー１５ｂの慣性モーメントを小さく抑制できることを示し、図７では、ＸＹスキャンを行うガルバノミラー１５ａ、１５ｂ双方において、反射折り返し角を０ｄｅｇにすることで、同じく慣性モーメントを小さく抑制できることを示した。

これら２つの光学システムを組合せることによって、ＸＹスキャンを行うガルバノミラー１５ａ、１５ｂ双方の大きさを、レーザビーム１２の必要サイズにまでほぼ近づけることが可能になる。図８は、本発明の実施の形態４のレーザ加工装置のガルバノミラーを示す図である。図８では、２つの光学システムを組合せた新たな光学システムを示している。以下、この光学システムの動作を説明する。

図８（ａ）において、Ｓ偏光の直線偏光として偏光分離素子２３ａに入射したレーザビーム１２は、偏光分離素子２３ａによって反射され、その後Ｙ軸ミラー１５ａによって反射され再び偏光分離素子２３ａに戻ってくる。この間レーザビーム１２はλ/４板２４ａを２回通過するため、Ｐ偏光に変化しており、今度は偏光分離素子２３ａを透過する。レンズ２１ｂを通過したレーザビーム１２は反射ミラー２２によって反射され、再びレンズ２１ｂを通過して偏光分離素子２３ｂに達する。この時点ではレーザビーム１２はまだＰ偏光であるので、偏光分離素子２３ｂを透過しＸ軸ミラー１５ｂによって反射され、再び偏光分離素子２３ｂに戻ってくる。Ｙ軸ミラー１５ａによる反射と同様、この間レーザビーム１２はλ/４板２４ｂを２回通過するため、Ｓ偏光に変化している。Ｓ偏光となったレーザビーム１２は偏光分離素子２３ｂによって反射され、図示を省略する集光用レンズ、被加工物へと向かう。なお、図示は省略するが、図８（ａ）では２個の偏光分離素子２３ａと２３ｂとを水平方向に並べて配置したが、鉛直方向に並べて配置することも可能である。上記偏光分離素子２３ａ，２３ｂ、λ/４板２４ａ，２４ｂおよび反射ミラー２２は、２軸のガルバノメータの配置とともに、ビーム被照射サイズ抑制機構を構成する。図８（ｂ）に示す光学システムにおいても、対応する構成部が、同様にビーム被照射サイズ抑制機構を構成する。

図８（ｂ）では、図８（ａ）では２個であった偏光分離素子２３ａと２３ｂとを１個に統合することができることを示している。同じくＳ偏光の直線偏光として偏光分離素子２３に入射したレーザビーム１２を、今度は偏光分離素子２３によってレンズ２１ｂの方へ反射する。反射ミラー２２によって再びレンズ２１ｂを通過したレーザビーム１２は、Ｙ軸ミラー１５ａによってスキャンされ、再びレンズ２１ｂを往復して偏光分離素子２３に戻ってくる。この間レーザビーム１２はλ/４板２４ａを２回通過しているため、Ｐ偏光に変化している。Ｐ偏光となったレーザビーム１２は、偏光分離素子２３を透過しＸ軸ミラー１５ｂによって反射され、再び偏光分離素子２３へと戻ってくる。この間レーザビーム１２はλ/４板２４ｂを再び２回通過しているため、Ｓ偏光に変化している。Ｓ偏光となったレーザビームは偏光分離素子２３によって反射され、図示を省略する集光用レンズ、被加工物へと向かう。図８は、図６（ｂ）の光学システムと図７の光学システムとを組合せた例を示すが、図６（ａ）の光学システムと図７の光学システムとを同様の手法で組合せることも可能である。

このように、Ｙ軸ミラー１５ａのスキャンによるＸ軸ミラー１５ｂ上でのレーザビーム１２の振れを抑え、反射折り返し角０ｄｅｇを実現することによって、ＸＹスキャンを行うガルバノミラー１５ａ、１５ｂ双方の大きさを、ほぼレーザビーム１２の必要サイズまで小さくすることが可能となる。図９に、この場合のガルバノミラー形状を示す。図中の寸法は、反射される円形レーザビーム１２の必要サイズを直径φ３０ｍｍ、ガルバノ偏向角を±８ｄｅｇ、ビーム偏光角±１６ｄｅｇとした場合に、ガルバノミラー１５ａ、１５ｂそれぞれに求められる寸法である。なお、ガルバノミラー１５を保持するためのつかみ代は割愛している。

図９（ａ）〜（ｂ）に示されたガルバノミラーの慣性モーメントは、ガルバノミラーが数ｍｍと比較的薄い場合、近似的に次のように表される。
（反射折り返し角０ｄｅｇのＹ軸ミラー１５ａの慣性モーメント）
＝ ４１０００ｔρ [ｇ・ｍｍ^２]
（反射折り返し角０ｄｅｇのＸ軸ミラー１５ｂの慣性モーメント）
＝ ４２７００ｔρ [ｇ・ｍｍ^２]
ここで、ｔはガルバノミラーの厚み[ｍｍ]、ρはガルバノミラー材質の密度[ｇ/ｍｍ^３]である。

Ｙ軸ミラー１５ａについてみると、反射折り返し角６２ｄｅｇの時と比べても半分以下、９０ｄｅｇの時と比べると１/４以下に慣性モーメントを減らすことができる。Ｘ軸ミラー１５ｂについてみると、反射折り返し角６２ｄｅｇの時と比べても１/５以下、９０ｄｅｇの時と比べると１/１０以下にも慣性モーメントを減らすことができる。

このように、Ｙ軸ミラー１５ａのスキャンによるＸ軸ミラー１５ｂ上でのレーザビーム１２の振れをレンズ２１ａや２１ｂによって抑え、偏光分離素子２３、２３ａ、２３ｂ、λ/４板２４ａ、２４ｂ、直線偏光を用いることで反射折り返し角０ｄｅｇの垂直入射、垂直反射を実現する。これにより、ガルバノミラー１５の慣性モーメントを１/４〜１/１０以下に減らし、レーザ加工装置の速度向上を達成することができる。

（実施の形態５）
従来のＸＹスキャンは、直交する２軸のガルバノメータ１４、ガルバノミラー１５によって行う、という光学システムであった。図１０（ａ）に示すＸ軸とＹ軸の直交する２方向にスキャンできるガルバノメータ１４によって、スキャン可能なエリア１８ａ全域をカバーし、線上ではなく面加工するというものであった。

ここで、例えばＸ軸上、Ｙ軸上をスキャンする場合、単位微小時間Δｔに振ることのできるガルバノ偏向角をΔθとすると、実際に振られるレーザビーム１２の偏向角は２倍の２Δθとなる。実施の形態１に示したように、Ｙ軸ミラー１５ａとＸ軸ミラー１５ｂの慣性モーメントが異なるため、本来ならば動作速度が異なるが、簡単のため同じ動作速度Δθ/Δｔであるとする。この時のＸ軸上、Ｙ軸上をスキャンする場合のレーザビーム１２の移動距離Δｄ_０は、およそ集光用レンズ１６の焦点距離ｆに比例することが知られており、つぎのように表される。

Δｄ_０ ＝ Ｃ×ｆ×２Δθ ＝ ２ＣｆΔθ
ここで、式中のＣは比例定数である。

このような光学システムで、図１０（ａ）の四角形であるスキャン可能なエリア１８ａの対角方向へレーザビーム１２をスキャンする場合は、Ｙ軸ミラー１５ａとＸ軸ミラー１５ｂとを同じ距離だけスキャンすれば良いのであるから、同じく単位微小時間Δｔあたりに移動できる距離Δｄ_０’は次のようになる。

Δｄ_０’ ＝ √２×Δｄ_０ ≒ ２．８３ＣｆΔθ
軸方向へのスキャンよりも対角方向へのスキャンの方が、移動速度が√２倍大きく、レーザ加工の加工速度が速いことが分かる。また、上記式より集光用レンズ１６の焦点距離ｆが大きい場合も移動速度を速くすることができることが分かる。しかし、焦点距離ｆも大きくしすぎると、レーザ加工の品質低下につながる。

図１１は、本発明の実施の形態５のレーザ加工装置における、ＸＹスキャンに３枚のガルバノミラー１５ｃ、１５ｄ、１５ｅを用いる場合のスキャン模式図を示す。このようにＸ軸とＹ軸の２軸スキャンに対し、互いに直交ではなく、互いに６０ｄｅｇの角をなす３軸のガルバノメータを用いた場合、スキャン可能なエリア１８ｂは図１０（ｂ）に示すような六角形となる。図１０（ａ）のようにスキャン可能なエリア１８ａが四角形である場合の軸をＸ軸、Ｙ軸と呼んだのに対し、図１０（ｂ）のようにスキャン可能なエリア１８ｂが六角形である場合の、それぞれの軸をＬ軸、Ｍ軸、Ｎ軸と呼ぶことにする。以下、このような六角形のエリアをスキャンする場合について説明する。

前述の２軸のガルバノメータによるスキャンと同様、１軸あたりの単位微小時間Δｔにおける移動距離はΔｄ_０＝２ＣｆΔθと同じであるとする。次に例えば、被加工物面上Ｌ軸方向にレーザビーム１２をスキャンする場合、Ｌ軸のガルバノメータ１軸だけを偏向するだけでなくＭ軸とＮ軸も合わせて３軸同時に偏向することができる。Ｌ軸とＭ軸、Ｌ軸とＮ軸との成す角が６０ｄｅｇであることより、単位微小時間Δｔあたりの移動距離Δｄは、次のようになる。

Δｄ ＝ ２×Δｄ_０ ＝ ４ＣｆΔθ
上記の値はＬ軸方向へのスキャンだけでなく、Ｍ軸方向、Ｎ軸方向へのスキャンでも同様である。すなわち、軸方向へのスキャンにおいては、２軸スキャンに比べ３軸スキャンならば２倍の移動速度が達成される。

また、例えばＬ軸とＭ軸のちょうど中間方向へのスキャンは、同じくＬ軸とＭ軸との成す角が６０ｄｅｇであることより、単位微小時間Δｔあたりの移動距離Δｄ’は次のようになる。

Δｄ’ ＝ √３×Δｄ_０ ≒ ３．４６ＣｆΔθ
すなわち、２軸スキャンの対角方向への移動距離の約１．２２倍の移動速度が達成される。

上記３軸スキャンの光学システムにおいて、軸方向のスキャン可能な距離を、図１０に示すように２軸スキャンの場合と同じくＤとすると、前述のＬ軸とＭ軸のちょうど中間方向にスキャンする場合が最も大きなガルバノ偏向角が要求され、それは２軸スキャンの場合と比べ、次のようになる。
（２軸スキャンの最大ガルバノ偏向角）：（３軸スキャンの最大ガルバノ偏向角） ＝ ３：２
また、スキャン可能なエリアの面積比は、次のようになる。
（２軸スキャンのエリア面積）：（３軸スキャンのエリア面積） ＝ １：√３/２ ≒ １：０．８６
すなわち、およそ２/３のガルバノ偏向角で√３/２の面積をカバーしていることになるので、例えば２軸スキャンによるスキャン可能なエリア１８ａと同じ面積のレーザ加工を実現するためには、最大ガルバノ偏向角は２/３×２/√３≒０．７７相当分まで振れれば良いということになる。実施の形態１では、例として最大ガルバノ偏向角を±８ｄｅｇとしてきたが、本実施の形態２における３軸スキャンの場合では、±８ｄｅｇ×０．７７≒±６．２ｄｅｇの偏向角で、同じ面積のスキャン可能なエリア１８ｂが確保できることになる。

また、図１２に示すように、３軸スキャンが成す六角形のエリア１８ｂは、２軸スキャンが成す四角形１８ａのエリア同様、被加工物１７全域を隙間なく詰めていくことができる。例えば、３軸スキャンをさらに発展させた４軸スキャンのようなものを考えた場合、４軸スキャンが成す八角形のエリアの場合は、隙間なく詰めていくことができないため、互いのエリアを重ねる必要が生じ、無駄が発生するが、六角形の場合はこのような無駄が発生せず効率的である。

これまで、２軸スキャンにおいても３軸スキャンにおいても、１軸あたりの動作速度は同じであるとしてきた。しかし、実際にはガルバノメータ１４先端のガルバノミラー１５の慣性モーメントが軸毎によって異なるため、動作速度が異なってくる。この軸毎の動作速度の差を考慮し、それぞれの軸に優先順位をつける、すなわち動作速度の速い軸はより長い距離をスキャンし、動作速度の遅い軸はより短い距離しかスキャンさせないようにすることで、ビームスキャン機構全体としての速度を高く維持することができる。

上記のような場合、図１２（ａ）の２軸スキャンによるスキャン可能なエリア１８ａは、長方形になり、図１２（ｂ）の３軸スキャンによるスキャン可能なエリア１８ｂは、扁平した六角形になる。いずれの場合も、やはり被加工物１７全域を隙間なく詰めていくことができる。

また、この３軸スキャンは図１３に示すように、被加工物１７を保持したテーブル１９のスキャンにも適用することができる。すなわち、上記ガルバノメータ１４によるビームスキャン機構同様、各テーブル駆動機構２０同士の互いに成す角を６０ｄｅｇとして配置し、テーブル１９のスキャンを行う。上記ビームスキャン機構同様、１．２２〜２倍の移動速度で被加工物１７をスキャンでき、その最大ストロークはおよそ０．７７倍の長さで、従来と同じサイズの被加工物１７を加工することが可能となる。

このように、ＸＹ平面を２次元スキャンするガルバノメータ１４やテーブル駆動機構２０に対し、従来に比べ１軸多い３軸によるスキャンを行うことにより、１．２２〜２倍のビーム移動速度、テーブル移動速度の向上を達成することができる。なお、ガルバノメータ１４によるビームスキャン機構においては、実施の形態１〜４で述べたガルバノミラー１５の慣性モーメントを小さく抑える光学システムと、本実施の形態５の３軸スキャンとを組合せ、レーザ加工装置のさらなる速度向上を達成することもできる。

（実施の形態６）
本実施の形態６では、テーブル駆動機構２０の軸数を増やさずに、テーブル移動速度を向上させるスキャン方法を提供する。特開２００２−３５９７５号公報でも記載されているように、従来は上記標準タイプのようにガルバノメータとテーブル駆動機構は共にそのスキャンの軸方向は一致していた。このような場合、図１４（ａ）に示すように、ガルバノメータ１４のスキャン可能なエリア１８の移動を繰り返しながらレーザ加工を行う際、テーブル移動にはＸ軸もしくはＹ軸のテーブル駆動機構２０のいずれか一方しか用いておらず、実はもう片方の軸は機能していないことが分かる。

図１５は、本発明の実施の形態６のレーザ加工装置におけるテーブルスキャンの模式図である。図１５に示すように、テーブル駆動機構２０のスキャン軸方向をガルバノメータ１４のスキャン軸方向に対し（もしくは四角形のスキャン可能なエリア１８の辺に対し）４５ｄｅｇ傾けると、図１４（ｂ）のように、スキャン可能なエリア１８のレーザ加工が終わり、次のエリア１８へテーブル移動を行うには、Ｘ軸とＹ軸の両方のテーブル駆動機構２０が機能することが分かる。

この場合、テーブルの移動方向はＸ軸とＹ軸のテーブル駆動機構２０のスキャン軸方向に対しちょうど間の方向となるため、図１４（ａ）の時と同じ量のテーブル移動を行うには、Ｘ軸とＹ軸のテーブル駆動機構２０の移動距離はともに１/√２倍の距離で良いことが分かる。すなわち、テーブル移動速度を√２倍に向上させることができる。

被加工物１７を保持したテーブル１９のスキャンにおいて、３軸のスキャンではなく１軸少ない２軸スキャンでも、スキャン可能なエリア１８の形状とこのエリア１８を被加工物１７全域で隙間なく詰めていく時の動作とを考慮して、テーブル駆動機構２０のスキャン軸方向をガルバノメータ１４のスキャン軸方向に対し４５ｄｅｇ傾ければ、実質的なテーブル移動速度の向上を達成できる。

（実施の形態７）
本発明の実施の形態７では、ガルバノメータ１４の軸数を増やさずに、同じガルバノ偏向角で被加工物１７上のビーム移動距離を伸ばすスキャン方法を提供する。図１６は、本実施の形態７のレーザ加工装置におけるビームスキャン機構の模式図である。図１６（ａ）は簡単のため、Ｙ軸方向スキャンについてのみ図示しており、以下、その動作について説明する。

レーザビーム１２には直線偏向を用い、平板型の偏光分離素子２５ａに対しＰ偏光として入射するとする。偏光分離素子２５ａを透過したレーザビーム１２は、λ/４板２６ａを通過することで円偏光に変化して、Ｙ軸ミラー１５ａによって反射される。反射されたレーザビーム１２は再びλ/４板２６ａを通過するので、偏光分離素子２５ａに対して今度はＳ偏光に変わっているので、今度は反射される。偏光分離素子２５ａによって反射されたレーザビーム１２は、再びＹ軸ミラー１５ａによって反射され戻ってくるが、この間λ/４板２６ａを再び往復しているので、今度はＰ偏光に変化している。Ｐ偏光となったレーザビーム１２は偏光分離素子２５ａを透過する。

ここで、レーザビーム１２は２回同じガルバノミラー１５ａに入射、反射している。このように２回反射することで、前述と同じ単位微小時間Δｔに振ることのできるガルバノ偏向角がΔθであるのに対し、４倍のビーム偏向角４Δθを得ることができる。すなわち、ガルバノメータ１４の軸数を増やすことなく、２倍の移動速度を達成することができる。

ＸＹスキャンを行うには、１枚目のＹ軸ミラー１５ａにＰ偏光として入射したレーザビーム１２が、２回反射され出射してくる時には再びＰ偏光に戻っているため、２枚目のＸ軸ミラー１５ｂに入射する前に偏光方向を９０ｄｅｇ回しておく必要がある。すなわち、図１６（ｂ）に示すように、上記２倍角スキャンのガルバノミラー１５ａ、１５ｂ同士の間にλ/２板２７を挿入すれば良い。

図１６では、平板型の偏光分離素子２５ａ、２５ｂを用いているが、キュービック型の偏光分離素子でも同様の効果が得られる。しかし、キュービック型の場合は、ガルバノミラー１５との距離を広く取らなければならなくなる。このため、１回目反射するレーザビーム１２と２回目反射するレーザビーム１２との、ガルバノミラー１５上での照射位置のずれが大きくなり、双方のレーザビーム１２をともにこぼさないようにした場合、ガルバノミラー１５が大きくなり、慣性モーメントも大きくなってしまう。慣性モーメントをより小さく抑えるためには、偏光分離素子２５ａ、２５ｂには平板型を、λ/４板２６ａ、２６ｂやλ/２板２７にはより薄いものを用い、偏光分離素子２５ａ、２５ｂとλ/４板２６ａ、２６ｂとガルバノミラー１５ａ、１５ｂは、それぞれの軸毎で可能な限り近接させるのが、望ましい。偏光分離素子２５ａ、２５ｂとλ/４板２６ａ、２６ｂは貼り付けてしまっても構わない。

このように、偏光分離素子２５ａ、２５ｂ、λ/４板２６ａ、２６ｂ、λ/２板２７と直線偏光を用いることで、同じガルバノミラー１５で２回反射を繰り返し２倍の移動速度を持たせることで、レーザ加工装置の速度向上を達成することができる。

図１６では、反射折り返し角９０ｄｅｇでガルバノミラー１５を配置している。これをより鋭角に近づけていくことも可能だが、鋭角になればなるほど偏光分離素子２５ａ、２５ｂのＰ偏光とＳ偏光の分離特性を満足させることが困難になる。しかし、図１６の機構に、実施の形態２に示したレンズ２１ａ、２１ｂによって、Ｙ軸ミラー１５ａのスキャンによるＸ軸ミラー１５ｂ上でのレーザビーム１２の振れを抑える光学システムを組合せ、レーザ加工装置のさらなる速度向上を達成することは可能である。

上記実施の形態１〜７にあげた具体例と重複する説明となる場合もあるが、上記具体例よりも上位概念により、本発明の実施の形態を以下に説明する。

上記の２つのガルバノミラーでの入射角および反射角を、２枚のガルバノミラーともに４５ｄｅｇ未満となるように配置することができる。これにより、一層ガルバノミラーの慣性モーメントを小さくすることができる。

本発明のレーザ加工装置では、少なくとも２軸のガルバノメータ先端のガルバノミラーでの入射角および反射角を、２枚のガルバノミラーともに３５ｄｅｇ以下となるように配置することができる。より望ましくは、少なくとも２軸のガルバノメータ先端のガルバノミラーでの入射角、反射角を、２枚のガルバノミラーともに３０〜３５ｄｅｇとなるように配置することができる。これにより、レーザビームの干渉を生じないようにした上でガルバノミラーの面積を抑制し、その結果、慣性モーメントを小さくすることができる。

また、本発明のレーザ加工装置では、２つのガルバノミラー間にレンズを配置し、そのレンズを第２のガルバノミラーに対するビーム被照射サイズ抑制機構とすることができる。これにより、１枚目のガルバノミラーのスキャンによる２枚目のガルバノミラー上でのレーザビームの振れを抑えることができ、２枚目のガルバノミラーの慣性モーメントを小さく抑えることができる。

また、望ましくは、ビーム被照射サイズ抑制機構において、２つのガルバノミラーを互いに向き合うように配置し、光経路に偏光分離素子およびλ/４板を配置することにより、２枚のガルバノミラーともレーザビームが垂直入射、垂直反射するようにできる。これにより、ガルバノメータ先端のガルバノミラーの慣性モーメントを小さく抑えることができる。

また、ビーム被照射サイズ抑制機構において、２つのガルバノミラーがともに、反射面手前にλ／４板と偏光分離素子とを、反射面に対面するように配置することができる。これにより、同じガルバノ偏向角に対し、従来に比べ２倍の大きさのビーム偏向角を得ることができる。

さらに２枚のガルバノミラーの間にλ/２板を配置することができる。これにより、ガルバノメータ２軸において、同じガルバノ偏向角に対し、従来比で２倍の大きさのビーム偏向角を得ることができる。

また、ビームスキャン機構として３軸のガルバノメータを用い、各ガルバノメータのスキャン軸方向同士の成す角が６０ｄｅｇとなるように配置し、３軸のガルバノメータのスキャン可能なエリアを六角形とすることができる。これにより、より小さなガルバノ偏向角でより大きなビーム偏向角を得ることができる。

また、被加工物を保持したテーブルのスキャンに３軸のテーブル駆動機構を用い、各テーブル駆動機構のスキャン軸方向同士の成す角が６０ｄｅｇとなるように配置することができる。これにより、テーブル駆動機構のより小さなストローク量でより大きなテーブルスキャン量を得ることができる。

２軸スキャンを対象とする場合、上記被加工物を保持したテーブルのスキャンを行うテーブル駆動機構のスキャン軸方向を、ガルバノメータのスキャン軸方向に対し、４５ｄｅｇの角度を成すように配置することができる。これによってテーブル移動速度を実質的に高めることができる。

本発明の実施の形態に関わるスキャン方法はつぎのとおりである。第１のスキャン方法は、ＸＹスキャンを行う２軸のガルバノメータ先端のガルバノミラーでの入射角、反射角を、２枚のガルバノミラーともに３０〜３５ｄｅｇ、反射による折り返しの角度が６０°〜７０°の鋭角となるように２軸のガルバノメータを配置することで、ガルバノミラーの慣性モーメントを小さく抑えたことを特徴とする。

本発明に関わる第２のスキャン方法は、ＸＹスキャンを行う２軸のガルバノメータ先端のガルバノミラー間にレンズを配置し、１枚目のガルバノミラーのスキャンによる２枚目のガルバノミラー上でのレーザビームの振れを抑えることで、２枚目のガルバノミラーの慣性モーメントを小さく抑えたことを特徴とする。

本発明に関わる第３のスキャン方法は、ＸＹスキャンを行う２軸のガルバノメータ先端のガルバノミラーを互いに向き合うように配置し、前記２枚のガルバノミラーの間に偏光分離素子とλ/４板を配置し、レーザビームに直線偏光を用いることで、前記２枚のガルバノミラーともレーザビームが垂直入射、垂直反射するようにすることで、ガルバノミラーの慣性モーメントを小さく抑えたことを特徴とする。

本発明に関わる第４のスキャン方法は、ビームスキャン機構に３軸のガルバノメータを用い、各ガルバノメータのスキャン軸方向同士の成す角が６０ｄｅｇとなるように配置し、３軸のガルバノメータのスキャン可能なエリアを六角形とすることで、より小さなガルバノ偏向角でより大きなビーム偏向角を得ることを特徴とする。

本発明に関わる第５のスキャン方法は、上記のガルバノメータに限らず、被加工物を保持したテーブルのスキャンに３軸のテーブル駆動機構を用い、各テーブル駆動機構のスキャン軸方向同士の成す角が６０ｄｅｇとなるように配置することで、より小さなストローク量でより大きなテーブルスキャン量を得ることを特徴とする。

本発明に関わる第６のスキャン方法は、上記３軸のテーブルスキャンではなく１軸少ない２軸スキャンにおいて、テーブル駆動機構のスキャン軸方向をガルバノメータのスキャン軸方向に対し４５ｄｅｇ傾けることで、実質的なテーブル移動速度を向上させたことを特徴とする。

本発明に関わる第７のスキャン方法は、ＸＹスキャンを行う２軸のガルバノメータ先端のガルバノミラー反射面手前にλ/4板と偏光分離素子を配置し、またこのようなλ/4板と偏光分離素子を有した２枚のガルバノミラー同士の間にλ/２板を配置し、レーザビームに直線偏光を用いることで、同じガルバノ偏向角に対し、従来に比べ２倍の大きさのビーム偏向角を得ることを特徴とする。

上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図されている。

本発明の実施の形態１のレーザ加工装置を説明するための図である。 図１のレーザ加工装置のビームスキャン機構におけるガルバノミラーの空間配置を説明するための図である。（ａ）はスキャンを行っていない状態を表し、（ｂ）はＸＹ平面のスキャンを行っている様子を重ね書きによって表した図である。 図２のガルバノミラーの空間配置と比較するための、比較例のガルバノミラーの空間配置を説明するための図である。（ａ）は、２枚のガルバノミラーにおいて入射角４５ｄｅｇ、反射角４５ｄｅｇの場合、（ｂ）はより大きい入射角および反射角の場合を示す図である。 実施の形態１によるガルバノミラーのミラー形状と、比較のためのガルバノミラーのミラー形状とを説明するための図である。（ａ）は、Ｙ軸ミラーの反射折り返し角が６２ｄｅｇである場合、（ｂ）は、Ｙ軸ミラーの反射折り返し角が９０ｄｅｇである場合、（ｃ）は、Ｘ軸ミラーの反射折り返し角が６６ｄｅｇである場合、（ｄ）は、Ｘ軸ミラーの反射折り返し角が９０ｄｅｇである場合をそれぞれ示す図である。 ガルバノミラーにおける反射折り返し角と、２枚のガルバノミラーそれぞれの慣性モーメントとの関係を表した図である。 本発明の実施の形態２のレーザ加工装置において、レンズを用いたビームスキャン機構を説明するための図である。（ａ）は左右対称にレンズを配置した場合、また（ｂ）は反射ミラーにより小型化した場合を示す図である。 本発明の実施の形態３のレーザ加工装置において、ガルバノミラーに対しレーザビームを垂直入射、垂直反射させたビームスキャン機構を説明するための図である。 本発明の実施の形態４のレーザ加工装置において、図６の機構と図７の機構とを組合せたビームスキャン機構を説明するための図である。（ａ）は２つの偏光分離素子を設けた場合、（ｂ）は１つの偏光分離素子に統合した場合を示す図である。 本発明の実施の形態４のレーザ加工装置におけるガルバノミラーのミラー形状を説明するための図である。（ａ）は折り返し角度０ｄｅｇの場合のＹ軸ミラーの形状、（ｂ）は折り返し角度０ｄｅｇの場合のＸ軸ミラーの形状を示す図である。 本発明の実施の形態５のレーザ加工装置において、ビームスキャン機構の、スキャン可能なエリアを説明するための図である。（ａ）はスキャン可能エリアが四角形の場合、（ｂ）はスキャン可能エリアが六角形の場合を示す図である。 本発明の実施の形態５のレーザ加工装置において、３軸のガルバノメータを用いたビームスキャン機構を説明するための図である。 本発明の実施の形態５のレーザ加工装置における被加工物上のスキャン可能なエリアの配置を説明するための図である。（ａ）は２軸スキャンがなす四角形エリアを示し、（ｂ）は３軸スキャンがなす六角形エリアを示す図である。 本発明の実施の形態５のレーザ加工装置における３軸のテーブル駆動機構を説明するための図である。 本発明の実施の形態６のレーザ加工装置における被加工物上のスキャン可能なエリアから次のエリアへのテーブル移動を説明するための図である。（ａ）はガルバノメータのスキャン方向とテーブル移動のスキャン方向とが同じで、テーブル駆動機構の１つのスキャン方向のみを用いている場合、（ｂ）はガルバノメータのスキャン方向とテーブル移動のスキャン方向とが４５ｄｅｇの場合のテーブル駆動機構の作用を示す図である。 本発明の実施の形態６のレーザ加工装置において、ガルバノメータのスキャン軸に対し、スキャン軸を４５ｄｅｇ傾けたテーブル駆動機構を説明するための図である。 本発明の実施の形態７のレーザ加工装置における２倍角スキャンのビームスキャン機構を説明するための図である。（ａ）はＹ軸ミラーにおけるレーザビームの進行を示す断面図であり、（ｂ）はＸ軸ミラーとＹ軸ミラーとの間にλ／２板を配置した場合のレーザビームの進行を示す図である。

符号の説明

１０ レーザ発振器、１１ レーザビームの入射方向、１２ レーザビーム、１３ 固定ミラー、１４ ガルバノメータ、１５ ガルバノミラー、１６ 集光用レンズ、１７ 被加工物、１８ スキャン可能なエリア、１９ テーブル、２０ テーブル駆動機構、２１ レンズ、２２ 反射ミラー、２３ キュービック型偏光分離素子、２４ λ/４板、２５ 平板型偏光分離素子、２６ λ/４板、２７ λ/２板。

Claims (11)

1. レーザ発振器から発振されたレーザビームをスキャンして、被加工物へと導いて被加工物を加工するレーザ加工装置であって、
   前記レーザビームをスキャンするために、それぞれの軸にガルバノミラーが設けられたガルバノメータを少なくとも２軸備え、
   前記レーザ発振器から第１のガルバノミラーおよび第２のガルバノミラーを経て前記被加工物に至る光経路、ならびに第１のガルバノメータおよび第２のガルバノメータの配置、のうちの少なくとも１つにおいて、前記第１および第２のガルバノミラーの前記レーザビームが当たる部分の面積が小さくなるように、ビーム被照射サイズ抑制機構が設けられ、
   前記ビーム被照射サイズ抑制機構は、前記２つのガルバノミラーでの前記レーザビームの入射角および反射角を、第１および第２のガルバノミラーともに４５ｄｅｇ以下となるようにする、レーザ加工装置。
2. 前記２つのガルバノミラーでの入射角および反射角を、２枚のガルバノミラーともに４５ｄｅｇ未満となるように配置した、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記２つのガルバノミラーでの入射角および反射角を、２枚のガルバノミラーともに３５ｄｅｇ以下となるように配置した、請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記２つのガルバノミラーでの入射角および反射角を、２枚のガルバノミラーともに３０〜３５ｄｅｇとなるように配置した、請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
5. 前記２つのガルバノミラー間にレンズを配置して、そのレンズを前記第２のガルバノミラーに対するビーム被照射サイズ抑制機構とした、請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
6. 前記ビーム被照射サイズ抑制機構において、前記２つのガルバノミラーを互いに向き合うように配置し、前記光経路に偏光分離素子およびλ/４板を配置することにより、前記２枚のガルバノミラーともレーザビームが垂直入射、垂直反射するようにした、請求項１に記載のレーザ加工装置。
7. 前記ビーム被照射サイズ抑制機構において、前記２つのガルバノミラーがともに、反射面手前に、λ／４板と偏光分離素子とを、反射面に対面するように配置した、請求項１に記載のレーザ加工装置。
8. さらに前記２枚のガルバノミラーの間にλ/２板を配置した、請求項７に記載のレーザ加工装置。
9. 前記レーザビームをスキャンするために、３軸のガルバノメータを用い、各ガルバノメータのスキャン軸方向同士の成す角を６０ｄｅｇとなるように配置し、前記３軸のガルバノメータのスキャン可能なエリアを六角形とした、請求項１〜８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
10. 前記被加工物を保持したテーブルのスキャンに３軸のテーブル駆動機構を用い、各テーブル駆動機構のスキャン軸方向同士の成す角が６０ｄｅｇとなるように配置した、請求項１〜９のいずれかに記載のレーザ加工装置。
11. 前記被加工物を保持したテーブルのスキャンを行うテーブル駆動機構のスキャン軸方向を、前記ガルバノメータのスキャン軸方向に対し、４５ｄｅｇの角度を成すように配置した、請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザ加工装置。

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