JP2007171703A - 形状可変鏡及び形状可変鏡を用いるレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 多数の駆動素子を持つ形状可変鏡は自由度が高いが、構造が複雑である。
【解決手段】 片側に反射面１Ａを有する反射鏡１と、反射鏡１の裏面１Ｂに２箇所で固定された第１軸部材４と、反射鏡１の裏面１Ｂに固定された２本の足５Ｂを有し第１軸部材４を跨ぐ第２軸部材５と、第２軸部材５と第１軸部材４の間の距離を変化させる距離変更機構２とを備え、第１軸部材４を固定する箇所を結ぶ線分と第２軸部材５の足５Ｂを固定する箇所を結ぶ線分とが交差することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

この発明は、レーザビームなどの光波の波面歪み、特に非点収差を補正する形状可変鏡及び形状可変鏡を用いるレーザ加工装置に関するものである。

形状可変鏡は光波の波面歪みを補正するもので、さまざまな光学製品で使用されている。例えば、天体望遠鏡では大気の揺らぎなどによる波面の歪み（収差）を補正し、像質を改善するために用いられる（例えば、特許文献１を参照）。また、ＣＤやＤＶＤなどの光ピックアップでは、光ディスク面の傾きやうねりなどによって発生する収差を補正するために用いられる（例えば、特許文献２を参照）。さらに、レーザ加工機では真円度が高くスポット径が小さいレーザビームを得ることができるように、レンズや反射鏡などの歪みによるレーザビームの波面歪みを補正するために用いられる（例えば、特許文献１を参照）。

形状可変鏡には一体鏡型のもの（例えば、特許文献１を参照）と分割鏡型のもの（例えば、特許文献３を参照）が有るが、いずれも多数の駆動素子例えばピエゾアクチュエータを駆動させて鏡面形状を変化させている。また、静電気力によって駆動する駆動素子を使用するものも報告されている（例えば、特許文献２参照）。これらは多数の駆動素子を持つため変形の自由度が高く、駆動素子数が十分に多ければ任意形状の反射面が作成でき、任意形状の波面歪みが補正可能である。
レーザビームの焦点距離などを調整するために、外周部が保持された板状の反射鏡に裏面から１個の駆動素子により力を加える形状可変鏡も報告されている（特許文献４を参照）。

特開平７−６６４６３号公報 特開平２００５−１２２８７８号公報 特開平５−１３６５０９号公報 特開平９−２９３９１５号公報

多数の駆動素子を持つ形状可変鏡は変形力の加え方の自由度が高いため、任意形状の反射面作成が可能であり、波面歪みの補正の自由度が大きいという長所が有る。しかし、駆動素子数が多く構造が複雑である。分割鏡型の場合はミラーも多数必要であることから、さらに部品数が多く構造が複雑になる。多数の部品が必要で精密に製造する必要が有るので、多数の駆動素子を持つ形状可変鏡は高価なものとなる。

用途によっては、波面歪みの補正の自由度が高い必要がなく、非点収差だけが補正できるだけでよい場合が有る。例えば、レーザビームによる切断、穴あけ、溶接などの加工において、レーザ発振器や加工点までの伝送光路を構成する反射鏡やレンズには、切削、研削、研磨などの製作工程で、アスと呼ばれる製造誤差が発生しやすい。アスとは、光軸に対し垂直な一軸方向をＸ方向、光軸とＸ方向双方に垂直な方向をＹ方向とした場合、Ｘ方向とＹ方向とで焦点距離が異なる誤差である。このアスにより非点収差が発生し、レーザ加工の品質が低下する場合が多い。非点収差の補正ができれば、レーザ加工における品質を向上させることができる。

１個の駆動素子により力を加える形状可変鏡は焦点距離などを変更するためのものしかなく、光波の非点収差を補正することを目的とした１個の駆動素子を用いた形状可変鏡は、これまでなかった。
本発明は、非点収差の補正が可能な形状可変鏡を得ることを目的とする。

この発明に係る形状可変鏡は、片側に反射面を有する反射鏡と、該反射鏡の裏面に２箇所で固定された第１軸部材と、前記反射鏡の裏面に固定された２本の足を有し前記第１軸部材を跨ぐ第２軸部材と、該第２軸部材と前記第１軸部材の間の距離を変化させる距離変更機構とを備え、前記第１軸部材を固定する箇所を結ぶ線分と前記第２軸部材の前記足を固定する箇所を結ぶ線分とが交差することを特徴とするものである。

また、片側に反射面を有する反射鏡と、該反射鏡の裏面に２箇所で固定された第１軸部材と、該第１軸部材に一端が固定されもう一端が前記反射鏡の裏面に固定される第１及び第２の距離変更機構とを備え、前記第１軸部材を固定する箇所を結ぶ線分と前記第１及び第２の距離変更機構を固定する箇所を結ぶ線分とが交差することを特徴とするものである。

この発明に係る形状可変鏡は、片側に反射面を有する反射鏡と、該反射鏡の裏面に２箇所で固定された第１軸部材と、前記反射鏡の裏面に固定された２本の足を有し前記第１軸部材を跨ぐ第２軸部材と、該第２軸部材と前記第１軸部材の間の距離を変化させる距離変更機構とを備え、前記第１軸部材を固定する箇所を結ぶ線分と前記第２軸部材の前記足を固定する箇所を結ぶ線分とが交差することを特徴とするものなので、反射鏡が反射する光の非点収差を補正できるという効果が有る。

また、片側に反射面を有する反射鏡と、該反射鏡の裏面に２箇所で固定された第１軸部材と、該第１軸部材に一端が固定されもう一端が前記反射鏡の裏面に固定される第１及び第２の距離変更機構とを備え、前記第１軸部材を固定する箇所を結ぶ線分と前記第１及び第２の距離変更機構を固定する箇所を結ぶ線分とが交差することを特徴とするものなので、反射鏡が反射する光の非点収差を補正できるという効果が有る。

実施の形態１．
図１に、本発明の実施の形態１における形状可変鏡の概念を説明する図を示す。反射鏡である円形反射鏡１は、光を反射する反射面であるミラー面１Ａと裏面１Ｂが円形の互いに平行な平面である。裏面１Ｂ上で、外周円の中心を通る第１軸であるＸ軸とＸ軸に直角に外周円の中心で交差する第２軸であるＹ軸を定義する。裏面１Ｂの外周円とＸ軸との交点である２箇所のＸ軸交点１Ｃ付近で、裏面１Ｂに対して垂直に押す方向で荷重Ａを加える。一方、裏面１Ｂの外周円とＹ軸との交点である２箇所のＹ軸交点１Ｄ付近では、裏面１Ｂに対して垂直に引く方向で荷重Ｂを加える。こうすると、円形反射鏡１のミラー面１ＡがＸ軸に平行な直線上では中央がへこんだ凹形であり、Ｙ軸に平行な直線上では中央が出た凸形である鞍形に、ミラー面１Ａが変形する。なお、荷重Ａと荷重Ｂの大きさは同じであり、Ｘ軸上での凹形の曲線形状と、Ｙ軸上での凸形の曲線形状とは、向きが反対で同じような形状になる。

円形反射鏡１で反射する光の焦点距離が短いすなわちパワーが強い方向をＹ軸に合わせると、Ｙ軸では凸面なので反射する光の焦点距離が長くなり、Ｘ軸では凹面なので反射する光の焦点距離が短くなる。これは、Ｘ軸とＹ軸のパワーの差を減少させることを意味する。つまり、鞍形の変形の度合いを適切に調整すれば、Ｘ軸とＹ軸のパワーを同じにして非点収差を補正できることになる。円形反射鏡１の変形の度合いは、数１０ｍｍの直径の円形反射鏡１に対して、０．１〜１０μ程度を想定している。なお、変形の度合いがこの想定よりも大きい場合も小さい場合にも、この発明を適用できる。また、Ｘ軸を凸にＹ軸を凹に変形させてもよい。

実施の形態１での形状可変鏡の構造を説明する組立図を、図２に示す。この実施の形態１での形状可変鏡は、ピエゾ逆圧電効果により電圧を印加することにより長さを正確に制御できる１個のピエゾアクチュエータ２により、図１に示す２箇所のＸ軸交点１Ｃ付近で円形反射鏡１を押す方向の荷重Ａと、２箇所のＹ軸交点１Ｄ付近で円形反射鏡１を引く方向の荷重Ｂを発生できる。円形反射鏡１の裏面側には、円形反射鏡１のミラー面１Ａを鞍形に変形させる力を発生させる変形力発生機構３がある。変形力発生機構３は、図１におけるＸ軸上のＸ軸交点１Ｃ付近に対応する位置の２箇所で円形反射鏡１の裏面１Ｂに固定される第１軸部材であるＸ軸部材４と、Ｙ軸上のＹ軸交点１Ｄ付近に対応する位置の２箇所で円形反射鏡１の裏面１Ｂに固定されＸ軸部材４を跨いで配置される第２軸部材であるＹ軸部材５と、Ｘ軸部材４とＹ軸部材５との間に配置されその間の距離を変化させる距離変更機構であるピエゾアクチュエータ２とから構成される。このように、４点に力を加える簡易な構造の変形力発生機構３により、円形反射鏡１を鞍形に変形できる。

Ｘ軸部材４は、円形反射鏡１とほぼ同じ径の円形で所定の厚さのＸ軸裏板４Ａと、Ｘ軸裏板４Ａの円形反射鏡１側の面からＸ軸裏板４Ａに垂直に立った角柱状の２本のＸ軸足４Ｂとから構成される。２本のＸ軸足４Ｂの長さは同じなので、円形反射鏡１に固定された状態ではＸ軸裏板４Ａは円形反射鏡１と平行になる。Ｘ軸足４Ｂの長さ方向に垂直な断面での形状はほぼ正方形で、長さ方向に同じ断面形状とする。Ｘ軸足４Ｂの底面をＸ軸足底面４Ｃと呼ぶ。２本のＸ軸足４ＢはＸ軸裏板４Ａの端部にあり、２個のＸ軸足底面４Ｃの中心を結ぶ線分はＸ軸裏板４Ａの中心を通る。ここで、２個のＸ軸足底面４Ｃの中心を結ぶ直線がＸ軸になる。Ｘ軸裏板４Ａの中心を通りＸ軸と直交するＹ軸と外周円との交点付近には、Ｙ軸部材５を通すための切欠き４Ｄを設けてある。Ｘ軸裏板４ＡとＸ軸足４Ｂは一体に形成してもよいし、別部品として形成したものを接合したものでもよい。さらには、Ｘ軸部材４と円形反射鏡１とを同一材料から切削などにより形成してもよい。Ｙ軸部材５に関しても同様である。
Ｘ軸足底面４Ｃは、Ｘ軸足４Ｂに対して垂直な平面でありほぼ正方形の形状である。２個のＸ軸足底面４Ｃは、円形反射鏡１の裏面１Ｂにネジ止め、ロウ付け、接着剤による接着などの適当な方法により、引っ張り力で固定面がはがれることが無いように固定される。他の箇所における固定方法でも同様な点に注意する。

Ｙ軸部材５はＸ軸部材４と同様な形状であり、Ｙ軸裏板５Ａと２本のＹ軸足５Ｂから構成される。Ｙ軸部材５の２個のＹ軸足底面５Ｃは、円形反射鏡１の裏面１Ｂに固定する。Ｙ軸部材５の形状がＸ軸部材４と異なる点は、以下の２点である。（１）Ｙ軸足５Ｂの長さが、Ｘ軸足４Ｂよりも長い。（２）Ｙ軸裏板５Ａには切欠きが無い。２個のＹ軸足底面５Ｃの中心を結ぶ直線を、Ｙ軸と呼ぶ。なお、Ｘ軸裏板４Ａの２個の切欠き４Ｄの中心を結ぶ直線はＸ軸と直交するので、この２個の切欠き４Ｄにそれぞれ１個ずつ入る２個のＹ軸足５Ｂから規定されるＹ軸はＸ軸と直交することになる。

ここで、Ｘ軸裏板４ＡとＹ軸裏板５Ａに関して、第１面と第２面を以下のように定義する。第１面とは、円形反射鏡１側とは反対側に有る面とする。第２面は、第１面の裏側に有る面とする。Ｘ軸裏板４Ａの第１面のＸ軸裏板中心４Ｅ（図示せず）とＹ軸裏板５Ａの第２面のＹ軸裏板中心５Ｅとには、ピエゾアクチュエータ２のそれぞれ一端を固定する。Ｘ軸裏板中心４ＥとＹ軸裏板中心５Ｅはともに、円形反射鏡１の中心を通り円形反射鏡１に垂直な直線上に有るので、ピエゾアクチュエータ２もこの直線上に有る。つまり、ピエゾアクチュエータ２は、円形反射鏡１に垂直な直線上でその両端の距離を変化させることになる。
Ｘ軸足４ＢとＹ軸足５Ｂの長さの差は、ピエゾアクチュエータ２の長さをその変化可能範囲のほぼ中間に有る時の長さと同じになるようにしておく。ピエゾアクチュエータ２に所定の電圧を印加しておき、ピエゾアクチュエータ２の長さがＸ軸足４ＢとＹ軸足５Ｂの長さの差と同じになる状態で、Ｘ軸足底面４ＣとＹ軸足底面５Ｃを円形反射鏡１の裏面１Ｂに固定する。こうすると、ピエゾアクチュエータ２の長さを長くするとＸ軸で凹かつＹ軸で凸にミラー面１Ａが鞍形変形し、ピエゾアクチュエータ２の長さを短くするとＸ軸で凸かつＹ軸で凹にミラー面１Ａが鞍形変形することになる。

Ｘ軸足４Ｂの断面の形状及び大きさとＸ軸裏板４Ａの厚さは、印加される力により破損しないような強度が得られるように適切に調整する。また、Ｘ軸足底面４Ｃの形状及び面積は、円形反射鏡１の裏面１Ｂへの固定が可能であり、かつ鞍形変形が適切に行え、かつ固定面での引っ張り力で固定面がはがれないように調整する。Ｙ軸裏板５ＡとＹ軸足５Ｂに関しても、同様な点に注意して調整する。
円形反射鏡１、Ｘ軸部材４及びＹ軸部材５の剛性は、適度な変形が発生できるようにする。Ｘ軸部材４とＹ軸部材５の剛性を円形反射鏡１よりも小さくしてやれば、距離変更機構による距離の変化に対する円形反射鏡１の変形の比が小さくなり、円形反射鏡１の細かな変形の制御がしやすくなる。

形状可変鏡は変形力発生機構３も含めて円柱状の形状であり、円筒形のミラーホルダー６（図示せず）の中にミラーホルダー６に対して回転可能に収納される。このため、任意の回転角で形状可変鏡を設置でき、より精度良く非点収差を補正できる。また、Ｙ軸裏板５Ａには、ピエゾアクチュエータ２を駆動する電気を送るための配線を通す穴（図示せず）を設けておく。

次に、レーザ加工装置のレーザビームの非点収差を形状可変鏡で補正する場合を例にして、動作を説明する。レーザ加工装置の構成は示さないが、レーザ発振器から加工点までの伝送光路の途中に、形状可変鏡が設置されているとする。なお、レーザ加工装置以外に適用する場合でも、同様な動作により非点収差を補正できる。
非点収差が有る場合には、レーザビーム形状が楕円になる。円柱状の形状可変鏡をミラーホルダー６の中で回転させて、レーザビーム形状の径が長い方向または径が短い方向と形状可変鏡のＸ軸またはＹ軸を一致させる。ピエゾアクチュエータ２の長さを長くまたは短くする方向に所定量だけ変化させる。所定量だけ変化させるとレーザビーム形状が楕円から真円に近くなれば、そのままピエゾアクチュエータ２の長さを同じ方向に変化させていき、レーザビーム形状が最も真円に近くなる長さに設定する。ピエゾアクチュエータ２の長さを所定量だけ変化させると、レーザビーム形状の扁平の度合いが大きくなる場合は、ピエゾアクチュエータ２の長さを反対方向に変化させて、レーザビーム形状が最も真円に近くなる長さに設定する。レーザ加工時に常にレーザビーム形状を監視し、真円からずれる場合は、ピエゾアクチュエータ２の長さを変化させて、最も真円に近くなるように補正する。なお、最も真円に近いというのは、最も真円に近い状態から所定の許容できる範囲の状態に有ることを意味する。

ピエゾアクチュエータ２の長さを初期状態から長くまたは短くの両方向に調整できることの効果を説明するために、ピエゾアクチュエータ２の長さを初期状態から長くまたは短くの１方向にしか変化できない場合の動作についても説明する。円柱状の形状可変鏡をミラーホルダー６の中で回転させて、レーザビーム形状の径が長い方向または径が短い方向と形状可変鏡のＸ軸またはＹ軸を一致させる。ピエゾアクチュエータ２の長さを変化できる方向に所定量だけ変化させるとレーザビーム形状が楕円から真円に近くなれば、そのままピエゾアクチュエータ２の長さを同じ方向に変化させていく。ピエゾアクチュエータ２の長さを所定量だけ変化させると、レーザビーム形状の扁平の度合いが大きくなる場合は、ミラーホルダー６内で形状可変鏡を９０度回転させた後で長さを変化させていく。レーザビーム形状を監視しながらピエゾアクチュエータ２の長さを変化させて、レーザビーム形状が最も真円に近くなる長さに設定する。

ピエゾアクチュエータ２の長さを初期状態から長くまたは短くの両方向に変化できるので、長くまたは短くの１方向にしか変化できない場合よりも、非点収差の補正のための形状可変鏡の操作が簡単になる。ピエゾアクチュエータ２の長さを初期状態から長くまたは短くの両方向に変化できようにするために、円形反射鏡１にピエゾアクチュエータ２および変形力発生機構３を接着させ、ピエゾアクチュエータ２に通電して調整可能範囲のほぼ中間の長さにした状態で、円形反射鏡１のミラー面１Ａを平面に加工してもよい。

ピエゾアクチュエータ２を用いることにより、非点収差の大きさが時間により変化する場合でも、ピエゾアクチュエータ２を連続的に制御でき、非点収差を補正できる。非点収差が時間によりほとんど変化しない場合は、ピエゾアクチュエータ２の替わりにネジなどの、長さの調整が可能であり、かつその長さを保持できる距離変更機構であれば、どのような機構を用いても非点収差を補正できる。
１個の距離変更機構を用いたが、２個以上の距離変更機構を用いてもよい。
ここでは、形状可変鏡を円形としたが、円形でなくてもよい。なお、円形の方が、形状可変鏡の形状が変形する２つの軸の何れかを焦点距離が最大または最小になる方向に合わせるために、形状可変鏡を容易に回転できるという利点が有る。

形状可変鏡が変形する２つの軸を直交させるとしたが、必ずしも直交していなくてもよい。変形する２つの軸が直交していない場合でも、変形が凹に最大となる箇所と凸に最大になる箇所の角度差はほぼ９０度になり、変形が凹に最大となる箇所を通る直線をＸ軸と考え、変形が凸に最大となる箇所を通る直線をＹ軸と考えて、Ｘ軸またはＹ軸のどちらかを光の形状の長さが長い方または短い方の方向と合わせて、形状可変鏡を変形させることにより非点収差を補正できる。
２個の第１軸部材の固定箇所を結ぶ線分と２個の第２軸部材の固定箇所を結ぶ線分との交点が、その線分の中間点に位置するようにしたが、少なくともどちらかの線分で中間点の位置に交点が無くてもよい。なお、第１軸部材の固定箇所を結ぶ線分において交点が中間点に無い場合は、この線分の両端に働く力は、交点の両側の回転モーメントが同じになるように交点からの距離の逆数に比例した大きさになる。第２軸部材の固定箇所に関しても同様である。力の釣り合いから、２個の第１軸部材の固定箇所に働く力の合計と、２個の第２軸部材の固定箇所に働く力の合計は同じになる。

第１軸部材の固定箇所及び第２軸部材の固定箇所に働く力を、反射鏡に対して垂直に働くとしたので、不要な変形が発生する可能性が小さい。なお、不要な変形が発生しないように、反射鏡及び変形力発生機構の剛性を十分に大きくしてやれば、第１軸部材の固定箇所及び第２軸部材の固定箇所に働く力を、反射鏡に対して垂直にしなくてもよい。なお、形状可変鏡に望ましい変形を発生させるために垂直でない力の成分が有用であれば、垂直でない所定の方向に力を加えるようにしてもよい。

ピエゾアクチュエータ２を円形反射鏡１に垂直でＸ軸とＹ軸の交点を通る直線上に配置したので、形状可変鏡を望ましい形に変形させるために不要または邪魔になる力を少なくできる。形状可変鏡を望ましい形に変形させるために不要または邪魔になる力を、何らかの手段により少なくまたは無害化できる場合は、ピエゾアクチュエータ２が距離を変化させるその両端の２点を通る直線が反射鏡に垂直でなかったり、Ｘ軸とＹ軸の交点を通らなかったりしてもよい。
第１軸部材及び第２軸部材として、裏板に２本の足を持つ形状のものを使用したが、これ以外の形状のものでもよい。第１軸部材は、ピエゾアクチュエータ２の一端が固定される箇所が第１軸部材の固定箇所に対して所定の位置に配置するものであればどのようなものでもよい。第２軸部材に関しても同様である。
反射鏡の反射面は、凸面や凹面などのような用途に適した所定の形状であってもよい。
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。

実施の形態２．
この実施の形態２は、ピエゾアクチュエータの替わりにネジ部品を距離変更機構として使用するように、実施の形態１を変更した場合である。図３に、実施の形態２での形状可変鏡の構造を説明する組立図を示す。実施の形態１の場合での図２と比較して、異なる点だけを説明する。
１個のピエゾアクチュエータの替わりに、両端に異なるピッチの雄ネジを切った１個のネジ部品７が有る。

Ｘ軸裏板４Ａの第１面のＸ軸裏板中心４Ｅ（図示せず）には、ネジ部品７の片側のネジに螺合する雌ネジを有するネジ穴４Ｆが、その中心をＸ軸裏板中心４Ｅに合わせて設けてある。Ｙ軸裏板５Ａの第２面のＹ軸裏板中心５Ｅ（図示せず）には、ネジ部品７のもう一方の側のネジに螺合する雌ネジを有するネジ穴５Ｆが、その中心をＹ軸裏板中心５Ｅに合わせて設けてある。

Ｘ軸部材４のネジ穴４Ｆにネジ部品７を捻じ込み、ネジ部品７の反対側をＹ軸部材５のネジ穴５Ｆに捻じ込み、ネジ部品７を所定の方向に回して、Ｘ軸足底面４ＣとＹ軸足底面５Ｃが同一平面上にあり、かつネジ部品７が両方向に必要なだけの回転ができる位置になるように調整する。このような調整ができるように、Ｘ軸足４ＢとＹ軸足５Ｂの長さの差と、ネジ部品７の両側に有るネジ部分の長さ、両側に有るネジのピッチの差、ネジ部品７の全体の長さなどを適切に製作しておく。このような状態で、Ｘ軸足底面４ＣとＹ軸足底面５Ｃを円形反射鏡１の裏面１Ｂに固定する。

次に動作を説明する。実施の形態１と同様に、レーザビーム形状の径が長い方向または径が短い方向と形状可変鏡のＸ軸またはＹ軸を一致させる。ネジ部品７を所定量だけ回転させる。レーザビーム形状が楕円から真円に近くなれば、そのままネジ部品７を同じ方向に回転させていき、レーザビーム形状が最も真円に近くなる長さに設定する。ネジ部品７を所定量だけ回転させると、レーザビーム形状の扁平の度合いが大きくなる場合は、ネジ部品７を反対方向に回転させて、レーザビーム形状が最も真円に近くなる位置までネジ部品７を回転させる。

このように、ネジ部品を用いる場合でも、形状可変鏡を鞍形変形させることにより、形状可変鏡が反射する光の非点収差を補正できる。
ネジ部品を使用することにより、形状可変鏡の変形力発生機構の構造が簡単になる。なお、ネジ部品を使用するので、非点収差が時間によりほとんど変化しない対象に対して適用する必要が有る。

ネジ部品７の両側のネジは、所定のピッチの差があればよく、右ネジと左ネジとによりピッチの差を出してもよい。ピッチの差を小さくすれば、形状可変鏡の鞍形変形を微妙に調整することが容易になる。また、両側にピッチが異なるネジ穴を設けたネジ部品を使用し、Ｘ軸部材とＹ軸部材に雄ネジを設けた棒状の部分を設け、ネジ部品のネジ穴に挿入するようにしてもよい。
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。

実施の形態３．
この実施の形態３は、通常のネジを距離変更機構として使用するように、実施の形態２を変更した場合である。図４に、実施の形態３での形状可変鏡の構造を説明する組立図を示す。実施の形態２の場合での図３と異なる点だけを説明する。
片側にネジが切られもう一方の側に頭が有る通常のネジ８を使用している。反射鏡から遠い方の部材であるＹ軸部材５には、ネジ穴５Ｆの替わりにネジ８の径よりも僅かに大きくネジ８の頭の径よりも小さい径の貫通穴５ＧをＹ軸裏板５Ａの中心に設ける。Ｘ軸足底面４ＣとＹ軸足底面５Ｃを円形反射鏡１の裏面１Ｂに固定した状態で、ネジ８をこの貫通穴５Ｇを通して、Ｘ軸裏板４Ａの中心に設けたネジ８の雄ネジと螺合する雌ネジを切ったネジ穴４Ｆに捻じ込む。ネジ８の頭の裏側をＹ軸裏板５Ａに接触させ、さらにネジ部品７を捻じ込むと、円形反射鏡１が鞍形変形することになる。
ネジ８の頭の裏側とＹ軸裏板５Ａが接触しなくなると、反射鏡を鞍形変形させる力を発生できないので、Ｘ軸が凸状になる方向でしか鞍形変形できない。

次に動作を説明する。実施の形態１と同様に、レーザビーム形状の径が長い方向または径が短い方向と形状可変鏡のＸ軸またはＹ軸を一致させる。ネジ８を所定量だけ回転させる。レーザビーム形状が楕円から真円に近くなれば、そのままネジ８を同じ方向に回転させていく。ネジ８を所定量だけ回転させるとレーザビーム形状の扁平の度合いが大きくなる場合は、ミラーホルダー６内で形状可変鏡を９０度回転させた後で、同じ方向にネジ８を回転させていく。レーザビームの形状を監視しながらネジ８を回転させて、レーザビーム形状が最も真円に近くなる位置までネジ８を捻じ込む。

このように、通常のネジを用いる場合でも、形状可変鏡を鞍形変形させることにより、形状可変鏡が反射する光の非点収差を補正できる。

実施の形態４．
この実施の形態４は、２個のピエゾアクチュエータを使用した場合である。図５に、実施の形態４での形状可変鏡の構造を説明する組立図を示す。
円形反射鏡１は実施の形態１〜３までの場合と同じである。変形力発生機構３が、構造部材９と２個のピエゾアクチュエータ２から構成される。構造部材９の形状は、実施の形態１の場合でのＸ軸部材４の形状とほぼ同じであり、裏板９Ａと２本の足９Ｂを有する。ただし、実施の形態１の場合でのＸ軸部材４にあった切欠き４Ｄは無く、切欠きがあった位置にはピエゾアクチュエータ２が固定される。２本の足９Ｂの長さは同じであり、ピエゾアクチュエータ２の長さが変化可能範囲のほぼ中間に有る時の長さに等しい。

足９Ｂの底面を足底面９Ｃと呼ぶ。２個の足底面９Ｃの中心を結ぶ直線をＸ軸と呼び、Ｘ軸と裏板９Ａの中心で直交する直線をＹ軸と呼ぶ。Ｙ軸上に有る裏板９Ａの両側の端部９Ｄには、それぞれ１個のピエゾアクチュエータ２の一端を固定する。ピエゾアクチュエータ２に通電させてピエゾアクチュエータ２の長さが足９Ｂと同じになった状態で、ピエゾアクチュエータ２のもう一端と足底面９Ｃを、円形反射鏡１の裏面１Ｂに固定する。なお、２本の足９Ｂの長さをピエゾアクチュエータ２が最短の時の長さと同じにしてもよい、そうすれば円形反射鏡１の裏面１Ｂとの固定時にピエゾアクチュエータ２を通電しなくてもよくなる。ただし、Ｙ軸で中央部がへこむ鞍形変形しかできなくなるか、ピエゾアクチュエータ２を通電した状態でミラー面１Ａを平面に研磨する必要が有る。

ここで、構造部材９が第１軸部材であり、ピエゾアクチュエータ２が第１及び第２の距離変更機構である。円形反射鏡１の裏面１Ｂにおいて、２本の足９Ｂを固定する箇所を結ぶ線分と２個のピエゾアクチュエータ２の一端が固定される箇所を結ぶ線分とは交差する。

次に動作を説明する。２個のピエゾアクチュエータ２の長さを同じにするという制約を守って長さを調整してやれば、形状可変鏡を鞍形変形できる。形状可変鏡の向きと非点収差が発生している向きとを合わせて、鞍形変形の度合いを適度に調整してやれば、非点収差を補正できる。
このように、２個のピエゾアクチュエータ２を用いて形状可変鏡を鞍形変形させることにより、形状可変鏡が反射する光の非点収差を補正できる。

ピエゾアクチュエータの替わりに、ネジ部品などを距離変更機構として使用してもよい。一端が第１軸部材に固定されもう一端が反射鏡の裏面に固定され、その長さを変更できる距離変更機構であれば、どのようなものでもよい。
以上のことは第１及び第２の距離変更機構を使用する他の実施の形態にもあてはまる。

実施の形態５．
この実施の形態５は、形状可変鏡を鞍形ではなく蒲鉾形に変形させるように、実施の形態２を変更した場合である。図６に、実施の形態５での形状可変鏡の構造を説明する組立図を示す。実施の形態２の場合での図３と異なる点だけを説明する。また、図７は、実施の形態５での形状可変鏡の概念を説明するための図である。
Ｘ軸足４Ｂの横幅が長く、Ｘ軸上でネジ穴４Ｆでない部分にはすべてＸ軸足４Ｂを設けている。そのため、Ｘ軸上のほぼ全体に均等に荷重Ａが加わるので、Ｘ軸に平行な直線上では変位が同じになり、形状可変鏡は鞍形ではなく図７に示すように蒲鉾形に変形することになる。なお、図７に示すようなＹ軸に平行な直線上で中央が出てＸ軸に平行な直線上では変位が同じになるような変形だけでなく、Ｙ軸に平行な直線上で中央がへこみＸ軸に平行な直線上では変位が同じになるような変形（蒲鉾の表面を内側から見るような変形）も、蒲鉾形に変形すると呼ぶことにする。
Ｘ軸足４Ｂが横長なので、Ｘ軸上のネジ穴４Ｆ以外の箇所でＸ軸足４Ｂは円形反射鏡１の裏面１Ｂに固定されることになり、Ｘ軸足４Ｂの両端を結ぶ線分の中央のＹ軸との交点付近でも円形反射鏡１の裏面１ＢにＸ軸部材４は固定される。Ｙ軸との交点付近にＸ軸部材４が固定されず鞍形に変形する場合は、Ｙ軸足５Ｂの２箇所の固定箇所に働く荷重ＢによりＹ軸との交点付近が、両端と比較してＸ軸上では最も変位が大きくなる。これに対して、Ｘ軸上のＹ軸との交点付近にＸ軸部材４が固定されると、この固定箇所ではほとんど変位できなくなり、Ｘ軸上及びＸ軸に平行な直線上での変位は位置によらずほぼ同じになる。

蒲鉾形に変形させた円形反射鏡１で反射する光の焦点距離が短いすなわちパワーが強い方向をＹ軸に合わせると、Ｙ軸では凸面なので反射する光の焦点距離が長くなり、Ｘ軸では直線なので反射する光の焦点距離は変化しない。これは、Ｙ軸のパワーをＸ軸のパワーに近づかせパワーの差を減少させることを意味する。つまり、蒲鉾形の変形の度合いを適切に調整すれば、Ｘ軸とＹ軸のパワーを同じにして非点収差を補正できることになる。
この実施の形態５でも、形状可変鏡を鞍形ではなく蒲鉾形に変形させる点は異なるが、実施の形態２と同様に動作する。

このように、形状可変鏡を蒲鉾形に変形させることにより、形状可変鏡が反射する光の非点収差を補正できる。
なお、ネジ部品７の替わりにピエゾアクチュエータを用いてもよい。
Ｘ軸部材４が横長の２個のＸ軸足４Ｂを有し、ネジ穴４Ｆ以外のＸ軸上のほぼ全体に同じ方向の力を加えられるようにしたが、どちらか一方のＸ軸足４Ｂだけを横長にしてもよいし、Ｘ軸足４Ｂの数を増やして、Ｘ軸上の３箇所以上でＸ軸部材４を反射鏡の裏面に固定してもよい。なお、両端以外の少なくとも１箇所は、Ｘ軸上ではほとんど変位の差が発生しないように、両端のＸ軸足４Ｂを結ぶ線分の中央のＹ軸との交点付近すなわち鞍形変形の場合にＸ軸上で両端と比較して最も変位が大きくなる位置付近に配置する。また、ネジ穴４Ｆが不要の場合には、１個の線状のＸ軸足４Ｂにより、Ｘ軸上のほぼ全体でＸ軸部材４を反射鏡の裏面に固定してもよい。
以上のことは他の実施の形態でもあてはまる。

実施の形態６．
この実施の形態６は、２個のピエゾアクチュエータを用いて形状可変鏡を蒲鉾形に変形させるように、実施の形態４を変更した場合である。図８に、実施の形態６での形状可変鏡の構造を説明する組立図を示す。実施の形態４の場合での図５と異なる点だけを説明する。
構造部材９の足９Ｂが３本であり、Ｘ軸上の両端以外に中央のＹ軸との交点付近でも足９Ｂが円形反射鏡１の裏面１Ｂに固定される。なお、足９Ｂの高さはすべて同じである。真中の足９Ｂがあるため、２個のピエゾアクチュエータ２の長さを変えても、Ｘ軸に平行な直線上では変位がほぼ同じになり、形状可変鏡は蒲鉾形に変形することになる。

この実施の形態６でも、２個のピエゾアクチュエータ２の長さを変えることにより、形状可変鏡を蒲鉾形に変形でき、蒲鉾形に変形することにより、形状可変鏡が反射する光の非点収差を補正できる。

実施の形態７．
この実施の形態７は、実施の形態１〜６の何れかの形状可変鏡をレーザ加工装置に適用した場合である。図９に、レーザ加工装置の構成図を示す。レーザ発振器５０より出射されたレーザビーム５１は、光路途中の反射鏡５２等によって伝送され、２組のガルバノメータ５３およびガルバノメータ５３の回転により回転駆動されるガルバノスキャナミラー５４で２次元スキャンされ、集光レンズ５５によって被加工物５６上に位置決め、照射される。被加工物５６上の点線で囲んだ四角の範囲は、スキャン可能範囲５７である。被加工物５６はテーブル５８に載せられ、テーブル５８は２個のテーブル駆動機構５９によって２次元に所定の範囲で移動可能である。

図１０に、非点収差の補正を行わない場合にレーザ加工装置により穴あけ加工された被加工物表面の写真を示す。図における上下方向に、焦点位置を光軸方向に等間隔で変化させながら（集光レンズ５５もしくは被加工物５６を光軸方向に沿って、等間隔で移動させながら）、穴あけ加工を行ったものである。１回だけだと加工精度のよしあしの判断が困難なので、同一条件で複数回実施している。そのため、図１０には、複数列の穴あけ加工された穴が有る。図１０ではレーザビームとして許容できるのは、上から４列目の１列だけである。レーザビームとして許容できかどうかは、あけられた穴の真円度が例えば９０％以上であるなどの所定の基準で判断する。
焦点位置が変化するにつれ、加工穴形状が縦長楕円から横長楕円へと変化している。加工穴形状は、被加工物表面におけるレーザビームスポットの形を表している。すなわち、この加工光学系には無視できない非点収差が発生している。

この加工光学系に対し、実施の形態１〜６の何れかの形状可変鏡を反射鏡５２として使用し、非点収差を補正する。図１０に示した加工穴の楕円の長軸方向もしくは短軸方向に、前記形状可変鏡のＸ軸もしくはＹ軸を合わせるように形状可変鏡を設置し、楕円の加工穴が真円に近づくように形状可変鏡の変形量を、ピエゾアクチュエータの駆動電圧もしくはネジの回転量により制御する。このようにして非点収差を補正した後で図１０と同じ条件で穴あけ加工を行って得られた被加工物表面の穴の写真を、図１１に示す。図１１ではレーザビームとして許容できるのは、上から３〜７列目の５列である。非点収差が減少し焦点深度が拡大していることが分かる。
焦点深度の拡大により、被加工物表面にうねりなどがあったとしても、安定したレーザ加工を実現できる。なお、反射鏡５２以外の光路途中の鏡を形状可変鏡としてもよい。

この実施の形態７では、図９に示すようにレーザビーム５１も、被加工物５６を保持するテーブル５８も２次元スキャンされるレーザ加工装置を用いたが、形状可変鏡を使用する効果は加工光学系の非点収差に対して作用するものであり、スキャンの方法に依存するものではない。すなわち、レーザビーム５１、集光レンズ５５、テーブル５８のいずれが１次元、２次元もしくは３次元のスキャン、あるいはスキャンをしないレーザ加工装置においても、同様の効果が得られる。レーザビームは、単パルス、複数パルスあるいは連続発振の何れであってもよい。加工内容は、穴あけに限定されず、切断、変形、溶接、熱処理、あるいはマーキングなどのレーザにより加工可能なものであればどのようなものでもよい。また、被加工物には、燃焼、溶融、昇華あるいは変色などのレーザにより発生できる変化であればどのような変化を発生させてもよい。

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、変形、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おいて、反射面が鞍形または蒲鉾形になるように変形できる形状可変鏡を有する非点収差補正機構を備えるレーザ加工装置であれば、レーザビームの非点収差を補正でき、加工精度を向上できる。
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、変形、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方法において、伝送光路途中の反射鏡を反射面が鞍形または蒲鉾形になるように変形させることで、レーザビームの非点収差を補正するレーザ加工方法によれば、レーザビームの非点収差を補正でき、加工精度を向上できる。

この発明の実施の形態１での形状可変鏡の概念を説明するための図である。 この発明の実施の形態１での形状可変鏡の構造を説明する組立図である。 この発明の実施の形態２での形状可変鏡の構造を説明する組立図である。 この発明の実施の形態３での形状可変鏡の構造を説明する組立図である。 この発明の実施の形態４での形状可変鏡の構造を説明する組立図である。 この発明の実施の形態５での形状可変鏡の構造を説明する組立図である。 この発明の実施の形態５での形状可変鏡の概念を説明するための図である。 この発明の実施の形態６での形状可変鏡の構造を説明する組立図である。 この発明の実施の形態７でのレーザ加工装置の構成図である。 この発明の実施の形態７での非点収差の補正を行わない場合にレーザ加工装置により穴あけ加工された被加工物表面の写真である。 この発明の実施の形態７での形状可変鏡の変形による非点収差の補正を行う場合にレーザ加工装置により穴あけ加工された被加工物表面の写真である。

符号の説明

１ ：円形反射鏡（反射鏡）
１Ａ：ミラー面（反射面）
１Ｂ：裏面
１Ｃ：裏面１Ｂの外周円とＸ軸との交点（Ｘ軸交点）
１Ｄ：裏面１Ｂの外周円とＹ軸との交点（Ｙ軸交点）
２ ：ピエゾアクチュエータ（距離変更機構）
３ ：変形力発生機構
４ ：Ｘ軸部材（第１軸部材）
４Ａ：Ｘ軸裏板
４Ｂ：Ｘ軸足
４Ｃ：Ｘ軸足底面
４Ｄ：切欠き
４Ｅ：Ｘ軸裏板中心
４Ｆ：ネジ穴
５ ：Ｙ軸部材（第２軸部材）
５Ａ：Ｙ軸裏板
５Ｂ：Ｙ軸足
５Ｃ：Ｙ軸足底面
５Ｅ：Ｙ軸裏板中心
５Ｆ：ネジ穴
５Ｇ：貫通穴
６ ：ミラーホルダー
７ ：ネジ部品（距離変更機構）
８ ：ネジ（距離変更機構）
９ ：構造部材（第１軸部材）
９Ａ：裏板
９Ｂ：足
９Ｃ：足底面
９Ｄ：Ｙ軸上の端部
５０ ：レーザ発振器
５１ ：レーザビーム
５２ ：反射鏡（形状可変鏡）
５３ ：ガルバノメータ
５４ ：ガルバノスキャナミラー
５５ ：集光レンズ
５６ ：被加工物
５７ ：スキャン可能範囲
５８ ：テーブル
５９ ：テーブル駆動機構
Ａ ：荷重
Ｂ ：荷重

Claims (10)

1. 片側に反射面を有する反射鏡と、該反射鏡の裏面に２箇所で固定された第１軸部材と、前記反射鏡の裏面に固定された２本の足を有し前記第１軸部材を跨ぐ第２軸部材と、該第２軸部材と前記第１軸部材の間の距離を変化させる距離変更機構とを備え、前記第１軸部材を固定する箇所を結ぶ線分と前記第２軸部材の前記足を固定する箇所を結ぶ線分とが交差することを特徴とする形状可変鏡。
2. 片側に反射面を有する反射鏡と、該反射鏡の裏面に２箇所で固定された第１軸部材と、該第１軸部材に一端が固定されもう一端が前記反射鏡の裏面に固定される第１及び第２の距離変更機構とを備え、前記第１軸部材を固定する箇所を結ぶ線分と前記第１及び第２の距離変更機構を固定する箇所を結ぶ線分とが交差することを特徴とする形状可変鏡。
3. 片側に反射面を有する反射鏡と、該反射鏡の裏面に線状に固定された第１軸部材と、前記反射鏡の裏面に固定された２本の足を有し前記第１軸部材を跨ぐ第２軸部材と、該第２軸部材と前記第１軸部材の間の距離を変化させる距離変更機構とを備え、前記第１軸部材を固定する箇所の線分と前記第２軸部材の前記足を固定する箇所を結ぶ線分とが交差することを特徴とする形状可変鏡。
4. 片側に反射面を有する反射鏡と、該反射鏡の裏面に線状に固定された第１軸部材と、該第１軸部材に一端が固定されもう一端が前記反射鏡の裏面に固定される第１及び第２の距離変更機構とを備え、前記第１軸部材を固定する箇所の線分と前記第１及び第２の距離変更機構を固定する箇所を結ぶ線分とが交差することを特徴とする形状可変鏡。
5. 前記第１軸部材を固定する箇所を結ぶ線分上の前記第２軸部材の前記足を固定する箇所を結ぶ線分との交点付近でも前記第１軸部材を前記反射鏡の裏面に固定することを特徴とする請求項１に記載の形状可変鏡。
6. 前記第１軸部材を固定する箇所を結ぶ線分上の前記第１及び第２の距離変更機構を固定する箇所を結ぶ線分との交点付近でも前記第１軸部材を前記反射鏡の裏面に固定することを特徴とする請求項２に記載の形状可変鏡。
7. 前記距離変更機構にピエゾアクチュエータを用いることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の形状可変鏡。
8. 前記距離変更機構にネジを用いることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の形状可変鏡。
9. 前記距離変更機構に両側にピッチが異なるネジを設けたネジ部品を用いることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の形状可変鏡。
10. 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レーザビームを伝送する加工光学系とを有するレーザ加工装置において、請求項１〜請求項９の何れかに記載の形状可変鏡を前記加工光学系に有することを特徴とするレーザ加工装置。

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