JP2008062259A - レーザ加工装置、レーザ加工方法及びレーザ加工プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 できるだけ短時間で良好に加工を行うことができるレーザ加工装置、レーザ加工方法及びレーザ加工プログラムを提供することを目的とする。
【解決手段】 複数の走査パターンでレーザ光ＬをＸ方向又はＹ方向に走査させるときに、走査パターンごとにレーザ光Ｌの焦点位置Ｓを移動させる。これにより、輪郭部分の走査パターンに対しては、スポット領域Ｐが小さい焦点位置Ｓを対象物Ｗの表面に合わせ、輪郭の内側部分の走査パターンに対しては、対象物Ｗの表面から焦点位置Ｓをずらすことができる。レーザ光Ｌの焦点位置Ｓを対象物Ｗの表面に対してずらした場合には、焦点位置Ｓと比べて大きなスポット領域Ｐで加工痕Ｍ２が形成されるので、上記内側部分全体に加工痕を形成するためにレーザ光Ｌを走査させる量を減少させることができ、短時間で良好に加工を行うことができる。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、レーザ加工装置、レーザ加工方法及びレーザ加工プログラムに係り、更に詳しくは、対象物にレーザ光を照射することにより印字や剥離等の表面加工を行うレーザ加工装置、レーザ加工方法及びレーザ加工プログラムに関する。

対象物の平面に向けてレーザ光を照射し、その平面に対して水平方向にレーザ光を走査させることにより表面加工を行うレーザ加工装置が知られている。この種のレーザ加工装置には、照射するレーザ光を集光させるための集光部が備えられており、レーザ光を集光させてエネルギー密度の高い焦点位置を対象物の平面上に合わせることにより、当該平面に対する印字や剥離等の加工を行うことができる。このとき、レーザ光の集光角を大きくすれば、焦点位置におけるレーザ光のビーム径が小さくなりエネルギー密度が高くなるので、より微細な加工を行うことができる。

一般的なレーザ加工装置は、固体又は気体からなるレーザ媒質をレーザ励起光で励起させることによりレーザ光を発生させる。固体のレーザ媒質を励起させることにより発生するレーザ光は、固体レーザと呼ばれており、レーザ媒質としてＮｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＶＯ４などが用いられる。一方、気体のレーザ媒質を励起させることにより発生するレーザ光は、気体レーザと呼ばれており、レーザ媒質としてＣＯ２やＡｒなどが用いられる。一般的に、固体レーザを用いたレーザ加工装置には、断続的にレーザ光を発生するパルス発振ＰＷ(Pulse Wave)が採用され、気体レーザを用いたレーザ加工装置には、連続的にレーザ光を発生する連続発振ＣＷ(Continues Wave)が採用される。

固体レーザと気体レーザとでは波長等の特性が異なるため、ユーザは、用途に応じていずれかのレーザ光を用いたレーザ加工装置を選択している。一般的に、固体レーザの波長は気体レーザの波長よりも短いが、波長が短いレーザ光の方が、集光角を大きくすることにより、焦点位置におけるレーザ光のビーム径を小さくしてエネルギー密度を高くすることができるので、固体レーザは微細加工に適している。しかし、集光角を大きくした場合には、レーザ光の光軸方向に沿った焦点位置のずれに対して、対象物の表面上におけるビーム径の変動量が大きくなるといった特性もある。

一方で、レーザ光の焦点位置を光軸方向に沿って移動可能なレーザ加工装置も提案されている（例えば、特許文献１）。このような機構を利用すれば、レーザ光の光軸に対して直交方向（Ｘ方向及びＹ方向）にレーザ光を走査させるだけでなく、レーザ光の光軸方向（Ｚ方向）に焦点位置を移動させることができるので、２次元の平面以外に曲面などの３次元形状の表面にも加工を行うことができる。
特開２０００−２０２６５５号公報

レーザ加工装置を用いて対象物に文字を印字する場合などには、対象物の表面上におけるレーザ光の照射領域（以下、「スポット領域」と呼ぶ。）が小さい焦点位置を対象物の表面に合わせて文字の輪郭部分の加工痕を形成すれば、細い加工痕を形成することができるので、輪郭部分を鮮明に印字することができる。しかし、焦点位置におけるスポット領域は小さいため、その輪郭の内側部分の領域が広い場合には、当該内側部分も焦点位置を合わせた状態で印字すると、印字に時間がかかるといった問題がある。

すなわち、文字の輪郭部分を鮮明に印字するためには、当該輪郭部分のみ焦点位置を合わせた状態で印字すれば十分であるにもかかわらず、従来のレーザ加工装置では、印字する文字の部分ごとに焦点位置を変更するといった設定ができなかったため、文字の輪郭部分を鮮明に印字しようとした場合には、焦点位置を対象物の表面に合わせた状態で、輪郭部分だけでなくその内側部分も含めた文字全体を印字しなければならなかった。

そのため、文字の輪郭部分を鮮明に印字するために必要のない内側部分についても、スポット領域が小さい焦点位置を対象物の表面に合わせた状態で印字を行うこととなり、内側部分全体を印字するためにレーザ光をＸ方向及びＹ方向に走査させる量が増えて、印字に時間がかかってしまうという問題があった。このような問題は、文字を印字するような場合に限らず、対象物の表面に図形を形成する場合など各種の加工を行う際に生じるおそれがある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、できるだけ短時間で良好に加工を行うことができるレーザ加工装置、レーザ加工方法及びレーザ加工プログラムを提供することを目的とする。

第１の本発明によるレーザ加工装置は、対象物にレーザ光を照射することにより表面加工を行うレーザ加工装置であって、対象物に向けてレーザ光を照射するレーザ照射手段と、照射するレーザ光の光軸に対して直交方向にレーザ光を走査させる走査手段と、照射するレーザ光の光軸方向に焦点位置を移動させる焦点位置制御手段と、上記走査手段による複数の走査パターンからなる走査データを記憶している走査データ記憶手段と、上記走査パターンごとに対応付けて焦点位置を記憶している焦点位置記憶手段とを備え、上記焦点位置記憶手段が、輪郭部分を走査させる走査パターンと輪郭の内側部分を走査させる走査パターンとで、異なる焦点位置を対応付けて記憶し、上記焦点位置制御手段が、上記走査手段が上記走査データに基づいて複数の走査パターンで順次にレーザ光を走査させるときに、レーザ光の焦点位置を各走査パターンに対応付けて上記焦点位置記憶手段に記憶されている焦点位置に移動させ、上記輪郭部分を走査させる走査パターンでレーザ光を走査させるときには、上記輪郭の内側部分を走査させる走査パターンでレーザ光を走査させるときよりも、対象物の表面上におけるレーザ光の照射領域が小さくなるように構成される。

このような構成によれば、走査データに基づいてレーザ光を光軸に対して直交方向に走査させるときに、複数の走査パターンごとにレーザ光の焦点位置を移動させることにより、輪郭部分を走査させる走査パターンと輪郭の内側部分を走査させる走査パターンとで、レーザ光の焦点位置を異ならせることができる。特に、輪郭部分のように鮮明な加工痕を形成したい走査パターンに対しては、レーザ光の照射領域が比較的小さくなるように焦点位置を移動させ、輪郭の内側部分のように鮮明な加工痕を形成する必要がない走査パターンに対しては、レーザ光の照射領域が比較的大きくなるように焦点位置を移動させることができる。

レーザ光の照射領域が小さい場合には、より鮮明な加工を行うことができるのに対して、レーザ光の照射領域が大きい場合には、比較的大きな加工痕が形成されるので、上記内側部分全体を印字するためにレーザ光を光軸に対して直交方向に走査させる量を減少させることができる。このように、本発明によれば、鮮明な加工痕を形成すべき走査パターンに対してはレーザ光の照射領域が小さくなるように設定し、それ以外の走査パターンに対してはレーザ光の照射領域が大きくなるように設定することにより、できるだけ短時間で良好に加工を行うことができる。

第２の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加えて、上記走査パターンごとに対応付けてレーザ光量を記憶しているレーザ光量記憶手段を備え、上記レーザ照射手段が、上記走査手段が上記走査データに基づいて複数の走査パターンで順次にレーザ光を走査させるときに、各走査パターンに対応付けて上記レーザ光量記憶手段に記憶されているレーザ光量でレーザ光を照射するように構成される。

このような構成によれば、走査データに基づいてレーザ光を光軸に対して直交方向に走査させるときに、複数の走査パターンごとにレーザ光量を変化させることができる。したがって、レーザ光の照射領域が比較的小さくなるように設定されている走査パターンのレーザ光量を比較的少なくし、レーザ光の照射領域が比較的大きくなるように設定されている走査パターンのレーザ光量を比較的多くすれば、より均一な加工痕を形成することができるので、さらに良好に加工を行うことができる。

第３の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加えて、上記レーザ照射手段が、固体からなるレーザ媒質をレーザ励起光で励起させることによりレーザ光を発生させるように構成される。

このような構成によれば、固体からなるレーザ媒質をレーザ励起光で励起させることにより発生する固体レーザを用いて、対象物の表面に対する加工を行うことができる。固体レーザを用いた場合には、レーザ光の集光角を大きくすることにより焦点位置のエネルギー密度を高くすることができるので、より微細な加工を行うことができる。したがって、固体レーザを用いて対象物の表面に焦点位置を合わせれば、輪郭部分などに対してより鮮明な加工痕を形成することができるので、さらに良好に加工を行うことができる。

また、固体レーザを用いてレーザ光の集光角を大きくした場合には、レーザ光の光軸方向に沿った焦点位置のずれに対して、レーザ光の照射領域の大きさの変動量が大きくなる。したがって、輪郭の内側部分などに対する加工時には、レーザ光の焦点位置を光軸方向に少しずらすだけでレーザ光の照射領域を大きくすることができるので、加工速度を速くすることができる。

第４の本発明によるレーザ加工方法は、照射するレーザ光の光軸に対して直交方向にレーザ光を走査させる走査手段と、照射するレーザ光の光軸方向に焦点位置を移動させる焦点位置制御手段とを用いて、対象物にレーザ光を照射することにより表面加工を行うレーザ加工方法であって、輪郭部分を走査させる走査パターンに基づいてレーザ光を走査させる第１走査ステップと、上記輪郭の内側部分を走査させる走査パターンに基づいてレーザ光を走査させる第２走査ステップとを備え、上記第１走査ステップでは、上記第２走査ステップよりも、上記対象物の表面上におけるレーザ光の照射領域の大きさが小さくなるように構成される。

第５の本発明によるレーザ加工方法は、上記構成に加えて、上記第２走査ステップが、上記第１走査ステップの後に行われるように構成される。このような構成によれば、輪郭部分の走査パターンでレーザ光を走査させた後、輪郭の内側部分の走査パターンで走査させることにより、対象物に対する表面加工を行うことができる。

第６の本発明によるレーザ加工方法は、上記構成に加えて、上記第２走査ステップが、上記第１走査ステップの途中で行われるように構成される。このような構成によれば、輪郭部分の走査パターンでレーザ光を走査させている途中で、輪郭の内側部分の走査パターンで走査させた後、再び輪郭部分の走査パターンで走査させることにより、対象物に対する表面加工を行うことができる。

第７の本発明によるレーザ加工方法は、上記構成に加えて、上記第１走査ステップでは、上記第２走査ステップよりも、上記対象物の表面上におけるレーザ光の照射領域が小さく、上記レーザ光の焦点位置に近い位置で照射するように構成される。このような構成によれば、輪郭部分に対して、輪郭の内側部分よりも焦点位置に近い位置でレーザ光を照射することにより、鮮明な加工痕を形成することができる。

第８の本発明によるレーザ加工方法は、上記構成に加えて、上記第１走査ステップで走査されるレーザ光のパラメータをユーザが設定するパラメータ設定ステップと、上記パラメータ設定ステップにより設定されたパラメータに基づいて、上記第２走査ステップで走査されるレーザ光のパラメータを算出するパラメータ算出ステップとを備えて構成される。このような構成によれば、輪郭部分の走査パターンにおけるレーザ光のパラメータをユーザが設定することにより、輪郭の内側部分の走査パターンにおけるレーザ光のパラメータが自動的に算出されるので、パラメータの設定作業が容易である。

第９の本発明によるレーザ加工方法は、上記構成に加えて、上記第２走査ステップで走査されるレーザ光のパラメータをユーザが設定するパラメータ設定ステップと、上記パラメータ設定ステップにより設定されたパラメータに基づいて、上記第１走査ステップで走査されるレーザ光のパラメータを算出するパラメータ算出ステップとを備えて構成される。このような構成によれば、輪郭の内側部分の走査パターンにおけるレーザ光のパラメータをユーザが設定することにより、輪郭部分の走査パターンにおけるレーザ光のパラメータが自動的に算出されるので、パラメータの設定作業が容易である。

第１０の本発明によるレーザ加工プログラムは、対象物にレーザ光を照射することにより表面加工を行うためのレーザ加工プログラムであって、照射するレーザ光の光軸に対して直交方向にレーザ光を走査させる走査手段と、照射するレーザ光の光軸方向に焦点位置を移動させる焦点位置制御手段としてレーザ加工装置を機能させ、上記走査手段が、輪郭部分を走査させる走査パターンと輪郭の内側部分を走査させる走査パターンとで順次にレーザ光を走査させ、上記焦点位置制御手段が、上記走査手段が複数の走査パターンで順次にレーザ光を走査させるときに、レーザ光の焦点位置を各走査パターンに対応付けられた焦点位置に移動させ、上記輪郭部分を走査させる走査パターンでレーザ光を走査させるときには、上記輪郭の内側部分を走査させる走査パターンでレーザ光を走査させるときよりも、対象物の表面上におけるレーザ光の照射領域が小さくなるように構成される。

本発明によれば、輪郭部分のように鮮明な加工痕を形成したい走査パターンに対しては、レーザ光の照射領域が比較的小さくなるように焦点位置を移動させ、輪郭の内側部分のように鮮明な加工痕を形成する必要がない走査パターンに対しては、レーザ光の照射領域が比較的大きくなるように焦点位置を移動させることにより、できるだけ短時間で良好に加工を行うことができる。

図１は、本発明の実施の形態によるレーザ加工装置１００の一構成例を示したブロック図である。このレーザ加工装置１００は、対象物Ｗにレーザ光Ｌを照射することにより表面加工を行うための装置であり、レーザ制御部１、レーザ出力部２及び入力部３を備えている。本実施の形態において説明する表面加工には、剥離などの加工の他、文字やバーコードを対象物Ｗの表面に印字するマーキングなどの各種加工が含まれるものとする。

入力部３は、このレーザ加工装置１００の動作に関する入力操作をユーザが行うための入力手段である。この例では、入力部３には液晶表示器からなる表示部（不図示）が備えられており、表示部の表示画面に各種情報を表示させることができる。表示部の表示画面上にはタッチパネルが取り付けられており、ユーザがタッチパネルに指を触れることにより、表示画面に表示されたボタンを選択する操作を行うことができるようになっている。ただし、このような構成に限らず、ユーザが押操作するための操作キーが入力部３に備えられたような構成であってもよいし、パーソナルコンピュータなどの入力装置が入力部３として用いられるような構成であってもよい。

レーザ制御部１は、レーザ出力部２の動作を制御するための制御装置であり、制御部４、メモリ部５、励起光発生部６及び電源７を備えている。制御部４は、プロセッサからなり、励起光発生部６やレーザ出力部２に備えられた各部の制御を行う。メモリ部５は、ＲＡＭ(Random Access Memory)やＲＯＭ(Read Only Memory)などの半導体メモリからなり、制御部４が実行するコンピュータプログラムの他、入力部３からの入力信号に基づく当該レーザ加工装置１００の動作設定などが記憶される。励起光発生部６は、電源７から駆動電圧が印加され、レーザ出力部２に供給するレーザ励起光を発生する。

図２は、励起光発生部６の一構成例を示した斜視図である。この励起光発生部６は、レーザ励起光源１０及び集光部１１をケーシング１２内に固定することにより形成されている。レーザ励起光源１０は、複数のレーザダイオードを一直線状に並べることにより形成されたレーザダイオードアレイを備えており、各レーザダイオードからレーザ光が放射されることにより、光軸が互いに平行な複数のレーザ光が集光部１１に入射するようになっている。

集光部１１は、集光レンズからなり、レーザ励起光源１０から入射した複数のレーザ光を集光することによりレーザ励起光として出力する。集光部１１から出力されるレーザ励起光は、光ファイバケーブル１３を介してレーザ出力部２へ送られ、後述するように、このレーザ励起光を用いてレーザ出力部２内でレーザ媒質８が励起されることにより、対象物Ｗに照射するためのレーザ光Ｌが発生するようになっている。

図３は、レーザ出力部２の内部構成の一例を示した斜視図である。図１及び図３に示すように、レーザ出力部２は、レーザ発振部５０、ミキシングミラー５４、ビームエキスパンダ５３、ベンドミラー５５、走査部９、集光部１５、走査回路基板５６、ガイド用光源６０、撮像部５７、ヒートシンク５８及びファン５９などの各構成部材を本体フレーム２０で保持することにより形成されている。

レーザ発振部５０は、レーザ制御部１から光ファイバケーブル１３を介して入力されるレーザ励起光をレーザ媒質８に入射させることにより、レーザ媒質８を励起させてレーザ光Ｌを照射するレーザ照射手段である。固体のレーザ媒質８としては、例えばＮｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＶＯ４などを用いることができる。この例では、ロッド状に形成されたＮｄ：ＹＡＧがレーザ媒質８として使用され、発生するレーザ光Ｌの波長が１０６４ｎｍに設定されている。

図３に示すように、レーザ出力部２の中央部には１枚の金属板２１が配置されており、この金属板２１が本体フレーム２０の一部を構成している。金属板２１は、熱伝導性の高い材料により形成され、ここではアルミ製の金属板が使用されている。金属板２１の一方の主面には、レーザ発振部５０が取り付けられている。金属板２１の他方の主面には、レーザ発振部５０に対向する位置にヒートシンク５８が取り付けられている。ヒートシンク５８は、金属製の薄板５８ａが互いに平行になるように複数枚連結されることによって表面積の大きい構造に形成された放熱部材であり、レーザ発振部５０から発生する熱が金属板２１を介してヒートシンク５８に伝導されるようになっている。

ファン５９は、ヒートシンク５８の側方であって、ヒートシンク５８に対して薄板５８ａが延びる方向に隣接した位置において、本体フレーム２０の外側に取り付けられている。このファン５９が駆動されることにより、図３に矢印Ａ１で示すように、外部の空気が装置内に導入され、ヒートシンク５８に供給されるようになっている。ヒートシンク５８に供給された空気が複数枚の薄板５８ａの間を通過する際に、それらの薄板５８ａとの間で熱交換が行われ、温まった空気がファン５９を介して外部に送り出されることにより、レーザ発振部５０から発生する熱が放熱される。

レーザ発振部５０から照射されたレーザ光Ｌは、図３に破線で示すように、ミキシングミラー５４、ビームエキスパンダ５３、ベンドミラー５５、走査部９及び集光部１５を介して、レーザ出力部２から対象物Ｗに向けて出力される。集光部１５は、レーザ光Ｌを対象物Ｗに向けて所定の集光角で集光させるための集光レンズであり、例えばｆθレンズからなる。ビームエキスパンダ５３は、後述するように２つのレンズを備えており、焦点位置制御用モータ５３ａを駆動させることにより、これらのレンズの相対距離を変化させ、集光部１５を介して対象物Ｗへ集光されるレーザ光Ｌの焦点位置を光軸方向に移動させることができる。このとき、ビームエキスパンダ５３、焦点位置制御用モータ５３ａ及び制御部４は、レーザ光Ｌの焦点位置を光軸方向に移動させる焦点移動制御手段を構成している。

走査部９には、１対のガルバノミラー１４ａ，１４ｂと、これらのガルバノミラー１４ａ，１４ｂがそれぞれ回動軸に固定されたガルバノモータ５１ａ，５１ｂとが備えられている。走査回路基板５６には、ガルバノモータ５１ａ，５１ｂを駆動させるためのスキャナ駆動回路５２が形成されている。レーザ発振部５０から照射されたレーザ光Ｌは、ミキシングミラー５４で反射され、ビームエキスパンダ５３を通過した後、ベンドミラー５５で反射されて走査部９に入射する。走査部９に入射したレーザ光Ｌは、１対のガルバノミラー１４ａ，１４ｂで順次に反射された後、集光部１５を介して対象物Ｗに照射される。各ガルバノモータ５１ａ，５１ｂは、回動軸が互いに直交するように配置されており、これらの直交する回動軸に各ガルバノミラー１４ａ，１４ｂが取り付けられている。

これにより、対象物Ｗに照射されるレーザ光Ｌは、一方のガルバノモータ５１ａを駆動させてガルバノミラー１４ａを回動させることにより走査される方向（Ｘ方向）と、他方のガルバノモータ５１ｂを駆動させてガルバノミラー１４ｂを回動させることにより走査される方向（Ｙ方向）とが直交している。したがって、走査部９及びその動作を制御する制御部４は、対象物Ｗに向けて照射するレーザ光Ｌの光軸に対して直交するＸ方向及びＹ方向にレーザ光Ｌを走査させる走査手段を構成し、１対のガルバノモータ５１ａ，５１ｂは、Ｘ方向及びＹ方向にレーザ光Ｌを走査させるために駆動される走査用モータを構成している。この場合、上記焦点移動制御手段を構成しているビームエキスパンダ５３、焦点位置制御用モータ５３ａ及び制御部４は、対象物Ｗに向けて照射するレーザ光Ｌの光軸に対して平行なＺ方向にレーザ光Ｌを走査させる手段と定義することもできる。

ガイド用光源６０は、後述するように、レーザ出力部２の設置位置を調整する際に使用されるガイド光を照射する。ミキシングミラー５４は、一方からの入射光を反射させ、他方からの入射光を透過させるミラーであり、ガイド用光源６０から照射されるガイド光は、ミキシングミラー５４を透過した後、レーザ光Ｌと同じ光路を通って対象物Ｗに照射される。ベンドミラー５５は、ミキシングミラー５４と同様に、一方からの入射光を反射させ、他方からの入射光を透過させるミラーである。撮像部５７は、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラにより構成され、ガルバノミラー１４ａ，１４ｂにより反射されて映し出される対象物Ｗの表面の画像が、ベンドミラー５５を透過して撮像部５７で撮像される。撮像部５７で撮像した対象物Ｗの表面の画像は、表示装置（不図示）の表示画面に表示させることができる。

この例では、集光部１５が、レーザ光Ｌの出射方向に対して、ガルバノミラー１４ａ，１４ｂよりも後に配置されているような構成が示されているが、このような構成に限らず、ビームエキスパンダ５３とガルバノミラー１４ａ，１４ｂの間に配置された構成であってもよい。例えば、ビームエキスパンダ５３の出射レンズ１８を集光部１５として兼用することも可能である。このように、ビームエキスパンダ５３とガルバノミラー１４ａ，１４ｂの間に集光部１５を配置することにより、ガルバノミラー１４ａ，１４ｂよりも後に集光部１５を配置するような構成と比べて、より小さな光学系に設計することが可能であり、より高精度なスポット集光が可能となる。

図４は、レーザ発振部５０の内部構成の一例を示した光路図である。レーザ発振部５０は、レーザ媒質８、レンズ７１〜７３、ビームスプリッタ７４、折り返しミラー７５〜７７、ダイクロイックミラー７８、反射ミラー７９、出力ミラー８０、Ｑスイッチ８１、アパーチャ８２、ビームエキスパンダ８３及びウィンドウ８４などの各構成部材がケーシング７０内に保持されることにより形成されている。ケーシング７０は金属製であり、図３に示すように、レーザ発振部５０はケーシング７０ごと一体的に金属板２１に取り付けられている。

レーザ制御部１から光ファイバケーブル１３を介してレーザ発振部５０に入力されるレーザ励起光は、レンズ７１で集光されてビームスプリッタ７４に入射する。ビームスプリッタ７４は、入射したレーザ励起光の一部を透過させ、他のレーザ励起光を反射させることにより、互いに直交する２方向へレーザ励起光を分離させる。ビームスプリッタ７４を透過したレーザ励起光は、折り返しミラー７５で反射された後、レンズ７２を通って反射ミラー７９に入射する。反射ミラー７９は、一方からの入射光を反射させ、他方からの入射光を透過させるミラーであり、レンズ７２からのレーザ励起光は反射ミラー７９を透過してレーザ媒質８の一端部に入射し、他端部から出射してダイクロイックミラー７８で反射される。

一方、ビームスプリッタ７４で反射されたレーザ励起光は、折り返しミラー７６，７７で順次に反射された後、レンズ７３を通ってダイクロイックミラー７８に入射する。ダイクロイックミラー７８は、一方からの入射光を反射させ、他方からの入射光を透過させるミラーであり、レンズ７３からのレーザ励起光はダイクロイックミラー７８を透過してレーザ媒質８の他端部に入射し、一端部から出射して反射ミラー７９で反射される。反射ミラーで反射されたレーザ励起光は、レーザ媒質８の一端部に再び入射し、他端部から出射してダイクロイックミラー７８で反射される。

このようにして、ビームスプリッタ７４で分離された２つのレーザ励起光は、それぞれレーザ媒質８を通過した後、ダイクロイックミラー７８で反射され、Ｑスイッチ８１及びアパーチャ８２を通って出力ミラー８０に入射する。出力ミラー８０は、入射したレーザ励起光の一部を透過させ、他のレーザ励起光を反射させる。出力ミラー８０で反射されたレーザ励起光は、アパーチャ８２及びＱスイッチ８１を通って再びダイクロイックミラー７８で反射され、レーザ媒質８の他端部に入射した後、一端部から出射して反射ミラー７９で反射される。反射ミラー７９で反射されたレーザ励起光は、レーザ媒質８の一端部に再び入射し、他端部から出射してダイクロイックミラー７８で反射される。

このように、反射ミラー７９及び出力ミラー８０でレーザ励起光を反射させ、レーザ励起光をレーザ媒質８に繰り返し入射させることにより、レーザ光の誘導放出を行うことができる。すなわち、レーザ励起光の照射によって励起されたレーザ媒質８には、エネルギー準位の反転分布が形成され、この状態でレーザ媒質８の放出光をレーザ媒質８に再入射させれば、レーザ媒質８において同波長かつ同位相の光が新たに放出される。このようにしてレーザ媒質８の放出光が増幅され、レーザ光が生成される。

Ｑスイッチ８１は、レーザ発振を制御するためのものであり、オン／オフ切替によってレーザ光を回折させる。Ｑスイッチ８１は、オン状態のときにのみレーザ光を回折させ、オフ状態のときにはレーザ光を回折させることなくそのまま通過させる。アパーチャ８２には、微小な開口部が形成されており、Ｑスイッチ８１がオフ状態のときには、Ｑスイッチ８１を通過したレーザ光がアパーチャ８２を通過するが、Ｑスイッチ８１がオン状態のときには、レーザ光が回折されることにより、Ｑスイッチ８１を通過したレーザ光がアパーチャ８２を通過できないようになっている。したがって、Ｑスイッチ８１によるオン／オフ切替によって、レーザ光をパルス発振ＰＷ(Pulse Wave)により断続的に発生させることができる。アパーチャ８２を通過した後、出力ミラー８０を透過したレーザ光は、ビームエキスパンダ８３によりビーム径が拡大された後、ウィンドウ８４を通ってレーザ発振部５０から出力される。

図５は、走査部９の一構成例を示した斜視図である。図６は、図５に示した走査部９を異なる角度から見た斜視図である。図７は、図５に示した走査部９の側面図である。図５及び図６では、走査部９とともにビームエキスパンダ５３、ガイド用光源６０、ミキシングミラー５４、ベンドミラー５５、ポインタ用光源６４及び固定ミラー６６も併せて図示している。また、図７では、走査部９とともにポインタ用光源６４を併せて図示している。なお、図５〜図７では、説明を簡略化するために集光部１５の構成を省略して示している。

レーザ発振部５０から照射されたレーザ光Ｌは、ミキシングミラー５４で反射されてビームエキスパンダ５３に入射し、このビームエキスパンダ５３でビーム径が調整された後、ベンドミラー５５で反射される。ベンドミラー５５で反射されたレーザ光Ｌは、１対のガルバノミラー１４ａ，１４ｂでさらに反射され、対象物Ｗへ照射される。このとき、１対のガルバノミラー１４ａ，１４ｂでレーザ光Ｌを走査することによって焦点位置が移動する領域を作業領域ＷＳとし、この作業領域ＷＳを対象物Ｗの表面に合わせることにより、エネルギー密度が高い焦点位置を対象物Ｗの表面に合わせて良好に表面加工を行うことができる。

レーザ光Ｌのエネルギー密度は、焦点位置に対してＺ方向の両側に向かうにつれて徐々に低くなる。焦点位置を中心にして所定値以上のエネルギー密度が得られるＺ方向の範囲は、焦点深度と呼ばれており、一般的には、焦点位置におけるエネルギー密度に対して半分以上のエネルギー密度が得られるＺ方向の範囲として定義される。焦点深度は、焦点位置における集光角に依存しており、集光角が大きいほど焦点深度が小さくなる。

ガイド用光源６０は、ガイド光Ｇを照射して作業領域ＷＳ内に所定のガイドパターンを表示させる。すなわち、ガイド用光源６０からのガイド光Ｇがミキシングミラー５４及びビームエキスパンダ５３を通過し、ベンドミラー５５で反射された後、１対のガルバノミラー１４ａ，１４ｂでさらに反射されることにより、作業領域ＷＳ内にガイドパターンが表示される。このガイドパターンは、ミキシングミラー５４からレーザ光Ｌと同じ光路を通るガイド光Ｇによって、レーザ光Ｌの焦点位置を中心とした一定領域を表す図形として表示される。

ポインタ用光源６４は、レーザ光Ｌの焦点位置を可視的に示すためのポインタ光Ｐを照射している。ポインタ光Ｐは、ガルバノミラー１４ｂの裏面に形成されたポインタ用ミラー１４ｄ及び固定ミラー６６で順次に反射され、レーザ光Ｌの焦点位置においてレーザ光Ｌの光軸と交差するように、作業領域ＷＳに向けて照射される。したがって、対象物Ｗの表面にガイド光Ｇによるガイドパターンを表示させた状態で、そのガイドパターンの中心にポインタ光Ｐが照射されるようにレーザ出力部２の設置位置を調整することにより、作業領域ＷＳを対象物Ｗの表面に合わせることができる。

図８及び図９は、ビームエキスパンダ５３の動作によってレーザ光Ｌの焦点位置が移動する態様を示した側面図であり、図８は焦点位置がレーザ出力部２に対して遠い場合、図９は焦点位置がレーザ出力部２に近い場合を示している。図１０は、ビームエキスパンダ５３の一構成例を示した正面図及び断面図である。なお、図８及び図９では、説明を簡略化するために、ミキシングミラー５４、ベンドミラー５５及び集光部１５の構成を省略して示している。

ビームエキスパンダ５３には、レーザ発振部５０からのレーザ光Ｌが入射する入射レンズ１６と、入射レンズ１６を通過したレーザ光Ｌを走査部９に向けて出射する出射レンズ１８とが備えられている。入射レンズ１６及び出射レンズ１８は、互いに平行に配置され、焦点位置制御用モータ５３ａを含む駆動手段が入射レンズ１６を平行移動させることにより、出射レンズ１８との相対距離を変化させることができるようになっている。ただし、出射レンズ１８を固定した状態で入射レンズ１６を移動させるような構成に限らず、入射レンズ１６を固定した状態で出射レンズ１８を移動させるような構成であってもよいし、入射レンズ１６及び出射レンズ１８をそれぞれ移動させるような構成であってもよい。

入射レンズ１６と出射レンズ１８との相対距離が変化すると、出射レンズ１８から出射されるレーザ光Ｌの集光角が変化することにより、レーザ光Ｌの光軸方向に焦点位置が移動し、レーザ出力部２に対する作業領域ＷＳの距離が変化する。具体的には、入射レンズ１６と出射レンズ１８との相対距離が短くなると、図８に示すように焦点位置がレーザ出力部２から遠くなり、入射レンズ１６と出射レンズ１８との相対距離が長くなると、図９に示すように焦点位置がレーザ出力部２に近くなる。

図１１は、集光角２θとスポット径２ｒの関係について説明するための模式図である。集光角２θは、焦点位置における中心点に対するレーザ光Ｌの漸近線の拡がり角であり、スポット径２ｒは、焦点位置におけるレーザ光Ｌのビーム径である。一般的に、集光角２θとスポット径２ｒとの間には、下記の関係式が成立する。ここで、λはレーザ光Ｌの波長であり、πは円周率である。
ｒ＝λ／πθ

このように、ｒはθに反比例し、λに比例している。したがって、集光角２θが大きくなるほどスポット径２ｒが小さくなり、波長λが短くなるほどスポット径２ｒが小さくなる。すなわち、集光角２θを大きくし、又は、波長λを短くすれば、スポット径２ｒを小さくすることができるので、焦点位置におけるエネルギー密度をより高くして、加工性能を向上させることができる。一般的に、固体のレーザ媒質を用いた場合の方が、気体のレーザ媒質を用いる場合よりも発生するレーザ光Ｌの波長λが短いので、本実施の形態のように固体のレーザ媒質８を用いた場合には、集光角２θを大きくすることによってスポット径２ｒを比較的小さくすることができる。

本実施の形態では、走査部９による走査時に、図８〜図１０で説明したようなビームエキスパンダ５３の動作を制御することにより、対象物Ｗの表面に対してレーザ光Ｌの焦点位置を制御することができるようになっている。より具体的には、走査部９によりレーザ光ＬをＸ方向又はＹ方向へ走査させるときに、ビームエキスパンダ５３の入射レンズ１６及び出射レンズ１８間の相対距離を変化させて、レーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向に移動させることにより、対象物Ｗの表面に対してレーザ光Ｌの焦点位置を部分的に合わせたり、部分的にずらしたりすることができる。

図１２は、走査部９による走査時にビームエキスパンダ５３を用いてレーザ光Ｌの焦点位置Ｓを移動させる際の態様について説明するための図である。図１２に示すように、対象物Ｗの表面に沿ってＸ方向又はＹ方向にレーザ光Ｌを走査させるときに、ビームエキスパンダ５３によりレーザ光Ｌの焦点位置ＳをＺ方向に移動させると、対象物Ｗの表面上におけるレーザ光Ｌの照射領域（以下、「スポット領域Ｐ」と呼ぶ。）の大きさが変化する。このとき、レーザ光Ｌの焦点位置ＳのＺ方向への移動範囲は、上述した焦点深度の範囲内であることが好ましい。

この例では、レーザ光Ｌの焦点位置Ｓを対象物Ｗの表面上に合わせた状態でＸ方向へ走査させた場合と、レーザ光Ｌの焦点位置Ｓを対象物Ｗの表面に対してずらした状態でＸ方向へ走査させた場合とが示されている。レーザ光Ｌの焦点位置Ｓを対象物Ｗの表面上に合わせた状態では、スポット領域Ｐの径が比較的小さいため、レーザ光ＬをＸ方向へ走査させることにより細い加工痕Ｍ１が形成される。一方、レーザ光Ｌの焦点位置Ｓを対象物Ｗの表面に対してずらした場合には、スポット領域Ｐの径が比較的大きくなり、レーザ光ＬをＸ方向へ走査させることにより太い加工痕Ｍ２が形成される。

図１２では、一直線状に加工痕を形成する場合を例にとって説明したが、湾曲又は屈曲する加工痕を形成する場合にも、レーザ光Ｌの焦点位置ＳをＺ方向に移動させることができる。屈曲する加工痕を形成する場合には、レーザ光Ｌの焦点位置Ｓを対象物Ｗの表面上に合わせた方が細い加工痕を形成することができるため、屈曲部を鋭く鮮明に形成することができる。

図１３は、レーザ光Ｌの焦点位置Ｓを移動させて対象物Ｗの表面上に図形を形成する際の態様の一例を示した図である。この例では、矩形の輪郭部分とその内側部分全体に加工痕を形成する場合について説明する。輪郭部分の加工痕を形成する際には、レーザ光Ｌの焦点位置Ｓを対象物Ｗの表面上に合わせることにより、図１３（ａ）に示すように、比較的小さいスポット領域Ｐで加工痕を形成する。この例では、複数の走査パターンで順次にレーザ光を走査させることにより、図１３（ａ）のように輪郭部分の走査パターンに基づいて加工痕を形成した後、その輪郭の内側部分の走査パターンに基づいて加工痕を形成する。

輪郭の内側部分の加工痕を形成する際には、レーザ光Ｌの焦点位置Ｓを対象物Ｗの表面に対してずらすことにより、図１３（ｂ）に示すように、比較的大きいスポット領域Ｐで加工痕を形成する。このように、輪郭部分の加工痕を形成するために走査部９がレーザ光Ｌを走査させる走査パターンと、輪郭の内側部分の加工痕を形成するために走査部９がレーザ光Ｌを走査させる走査パターンとで、走査パターンごとにレーザ光ＬのＺ方向における焦点位置Ｓを異ならせることにより、異なる大きさのスポット領域Ｐで対象物Ｗの表面上に加工痕を形成することができる。

この例では、鮮明な加工痕を形成したい輪郭部分の走査パターンに対しては、スポット領域Ｐが小さい焦点位置Ｓを対象物Ｗの表面に合わせ、鮮明な加工痕を形成する必要がない輪郭の内側部分の走査パターンに対しては、対象物Ｗの表面から焦点位置Ｓをずらすことができる。レーザ光Ｌの焦点位置Ｓを対象物Ｗの表面に対してずらした場合には、焦点位置Ｓと比べて大きなスポット領域Ｐで加工痕が形成されるので、上記内側部分全体に加工痕を形成するためにレーザ光ＬをＸ方向及びＹ方向に走査させる量を減少させることができる。このように、鮮明な加工痕を形成すべき輪郭部分の走査パターンに対しては焦点位置Ｓを対象物Ｗの表面に合わせるように設定し、輪郭の内側部分の走査パターンに対しては焦点位置Ｓを対象物Ｗの表面からずらすことにより、できるだけ短時間で良好に加工を行うことができる。

特に、固体からなるレーザ媒質８をレーザ励起光で励起させることにより発生する固体レーザを用いて、対象物Ｗの表面に対する加工を行う場合には、レーザ光Ｌの集光角を大きくすることにより焦点位置Ｓのエネルギー密度を高くすることができるので、より微細な加工を行うことができる。したがって、固体レーザを用いて対象物Ｗの表面に焦点位置Ｓを合わせれば、輪郭部分などに対してより鮮明な加工痕を形成することができるので、さらに良好に加工を行うことができる。

また、固体レーザを用いてレーザ光Ｌの集光角を大きくした場合には、レーザ光ＬのＺ方向に沿った焦点位置Ｓのずれに対して、スポット領域Ｐの大きさの変動量が大きくなる。したがって、輪郭の内側部分などに対する加工時には、レーザ光Ｌの焦点位置ＳをＺ方向に少しずらすだけでスポット領域Ｐを大きくすることができるので、加工速度を速くすることができる。

図１４は、制御部４の一構成例を示した機能ブロック図である。制御部４は、入力部３に対するユーザ操作により入力された条件設定に基づいて励起光発生部６、レーザ発振部５０、ビームエキスパンダ５３及び走査部９を制御することにより、対象物Ｗに対する表面加工を制御する。メモリ部５には、走査データ記憶部５ａ、焦点位置記憶部５ｂ及びレーザ光量記憶部５ｃが割り当てられており、制御部４は、これらの各記憶部５ａ〜５ｃに対してデータを書き込み又は読み出して制御を行う。

走査データ記憶部５ａには、図１３において説明した輪郭部分とその内側部分のように、複数の走査パターンからなる走査データが記憶されている。走査データ記憶部５ａには、複数種類の走査データが記憶されており、これらの走査データの中からユーザ操作に基づいていずれかの走査データが読み出され、その走査データに基づいて走査部９がレーザ光Ｌを走査させることにより、対象物Ｗに対する表面加工が行われる。走査データは、図１３に例示したような図形の走査データに限らず、文字などの他の走査データであってもよい。

制御部４は、パワー設定部４１、照射周期設定部４２、走査速度設定部４３、スポット径設定部４４、レーザ照射制御部４５、レーザ走査制御部４６及び焦点位置制御部４７によって構成され、これらの各機能部は制御部４により実行されるコンピュータプログラムとして実現される。ここで、ユーザは、入力部３を操作することにより、パワー設定、照射周期設定、走査速度設定及びスポット径設定を行うことができるようになっている。

パワー設定では、励起光発生部６から発生するレーザ励起光の光量を設定することにより、レーザ出力部２から出力されるレーザ光量を調整することができる。照射周期設定では、レーザ発振部５０からパルス発振ＰＷにより断続的に照射されるレーザ光Ｌの照射周波数を設定することができる。走査速度設定では、走査部９によるＸ方向及びＹ方向へのレーザ光Ｌの走査速度を設定することができる。スポット径設定では、対象物Ｗの表面上におけるスポット領域Ｐの径（以下、「スポット径」と呼ぶ。）を設定することにより、Ｚ方向における焦点位置をスポット径に応じた位置に調整することができる。

パワー設定部４１は、ユーザがパワー設定により入力したレーザ光量をメモリ部５（レーザ光量記憶部５ｃ）に記憶する。レーザ光量記憶部５ｃには、走査パターンごとに対応付けてレーザ光量を記憶することができるようになっている。照射周期設定部４２は、照射周期設定により入力した照射周波数をメモリ部５に記憶することにより、パルス発振ＰＷにより断続的にレーザ光Ｌを照射するときの周期を設定する。レーザ照射制御部４５は、パワー設定部４１及び照射周期設定部４２により設定された条件に基づいて励起光発生部６及びレーザ発振部５０を制御することによって、レーザ発振部５０からレーザ光Ｌを照射させる。

走査速度設定部４３は、ユーザが走査速度設定により入力した走査速度をメモリ部５に記憶する。レーザ走査制御部４６は、走査速度設定部４３により設定された条件及び走査データ記憶部５ａに記憶されている走査データに基づいて走査部９を制御することによって、対象物Ｗに照射されるレーザ光Ｌを走査パターンごとに異なる態様でＸ方向又はＹ方向に走査させる。

スポット径設定部４４は、ユーザがスポット径設定により入力したスポット径に対応する焦点位置をメモリ５（焦点位置記憶部５ｂ）に記憶する。焦点位置記憶部５ｂには、走査パターンごとに対応付けて焦点位置を記憶することができるようになっている。焦点位置制御部４７は、スポット径設定部４４により設定された条件に基づいてビームエキスパンダ５３を制御することによって、対象物Ｗに照射されるレーザ光Ｌの焦点位置をＺ方向に移動させる。

レーザ照射制御部４５は、走査部９が走査データ記憶部５ａに記憶されている走査データに基づいて複数の走査パターンで順次にレーザ光Ｌを走査させるときに、各走査パターンに対応付けてレーザ光量記憶部５ｃに記憶されている光量で励起光発生部６からレーザ励起光を発生させる。また、焦点位置制御部４７は、走査部９が走査データ記憶部５ａに記憶されている走査データに基づいて複数の走査パターンで順次にレーザ光Ｌを走査させるときに、レーザ光Ｌの焦点位置を各走査パターンに対応付けて焦点位置記憶部５ｂに記憶されている焦点位置に移動させる。

ここで、焦点位置と焦点位置に対してＺ方向にずれた位置とでは、エネルギー密度が異なるため、仮にパワー設定、照射周期設定、走査速度設定が一定であれば、対象物Ｗの表面上に焦点位置を合わせた状態でレーザ光Ｌを走査させた部分に比べて、対象物Ｗの表面に対して焦点位置をずらした状態でレーザ光Ｌを走査させた部分の方が、加工痕が浅くなってしまう。そこで、本実施の形態のように、走査パターンごとに異なるレーザ光量で加工痕を形成することができるような構成とすることにより、さらに良好に加工を行うことができる。すなわち、焦点位置を対象物Ｗの表面に合わせるように設定されている走査パターンのレーザ光量を比較的少なくし、焦点位置を対象物Ｗの表面からずらすように設定されている走査パターンのレーザ光量を比較的多くすることによって、より均一な加工痕を形成することができる。

本実施の形態では、走査パターンごとにパワー設定を行うことができるような構成について説明しているが、このような構成に限らず、照射周期設定又は走査速度設定を走査パターンごとに行うことができるような構成であってもよい。このような構成であっても、対象物Ｗの表面上に照射される単位時間当たりのレーザ光量を走査パターンごとに異ならせることによって、より均一な加工痕を形成することができる。

図１５は、走査データに基づいて対象物Ｗに対する表面加工を行う際の制御部４による処理の一例を示したフローチャートである。ユーザが入力部３を操作することにより、パワー設定、照射周期設定、走査速度設定及びスポット径設定を行った後、対象物Ｗに対する表面加工を指示する操作が行われると、制御部４は、走査データ記憶部５ａから走査データを読み出し（ステップＳ１０１）、その走査データを構成している複数の走査パターンごとに焦点位置記憶部５ｂ及びレーザ光量記憶部５ｃに記憶されている焦点位置及びレーザ光量を読み出す（ステップＳ１０２）。

その後、走査パターンごとに読み出した設定条件に基づいて、焦点位置制御部４７がビームエキスパンダ５３を制御し、レーザ照射制御部４５が励起光発生部６及びレーザ発振部５０を制御する（ステップＳ１０３，Ｓ１０４）。このように、走査パターンごとにレーザ光ＬのＺ方向の焦点位置及びレーザ光量が調整された状態で、レーザ走査制御部４６が各走査パターンに基づいて走査部９を制御することによりレーザ光ＬがＸ方向及びＹ方向に走査され（ステップＳ１０５）、走査パターンに応じた焦点位置及びレーザ光量で加工痕が順次に形成される。

図１３の例を用いて説明すると、まず、輪郭部分の走査パターンに基づいて、レーザ光ＬのＺ方向の焦点位置を対象物Ｗの表面上に合わせた状態で、設定されたレーザ光量でレーザ光ＬをＸ方向及びＹ方向に走査させることにより、輪郭部分の加工痕が形成される（図１３（ａ）参照）。その後、輪郭の内側部分の走査パターンに基づいて、レーザ光ＬのＺ方向の焦点位置を対象物Ｗの表面に対してずらした状態で、設定されたレーザ光量でレーザ光ＬをＸ方向及びＹ方向に走査させることにより、輪郭の内側部分の加工痕が形成される（図１３（ｂ）参照）。このようにして、走査データを構成している全ての走査パターンに基づいて加工痕が形成されると（ステップＳ１０６でＹｅｓ）、走査データに基づく対象物Ｗへの表面加工が完了する。

この例では、輪郭部分の走査パターンに基づいて走査されるレーザ光Ｌのレーザ光量は、輪郭の内側部分の走査パターンに基づいて走査されるレーザ光Ｌのレーザ光量よりも少なくなるように設定されている。しかし、このような構成に限らず、輪郭部分の走査パターンに基づいて走査されるレーザ光Ｌのレーザ光量が、輪郭の内側部分の走査パターンに基づいて走査されるレーザ光Ｌのレーザ光量よりも多くなるように設定されていてもよい。

また、上記の例では、輪郭部分の走査パターンでレーザ光Ｌを走査させた後、輪郭の内側部分の走査パターンで走査させることにより、対象物Ｗに対する表面加工を行う場合について説明したが、このような構成に限らず、輪郭部分の走査パターンでレーザ光Ｌを走査させている途中で、輪郭の内側部分の走査パターンで走査させた後、再び輪郭部分の走査パターンで走査させるような構成であってもよい。このような構成であれば、例えば矩形の輪郭部分及びその内側部分について加工痕を形成する場合に、輪郭部分の右辺及び上辺の加工痕を形成した後、輪郭の内側部分の加工痕を形成し、その後に輪郭部分の左辺及び下辺の加工痕を形成するといった加工態様が可能となる。

上記実施の形態では、走査パターンごとにレーザ光Ｌの焦点位置やレーザ光量が予め定められている場合について説明した。しかし、このような構成に限らず、ユーザが入力部３を操作することにより、対象物Ｗに照射するレーザ光Ｌに関するパラメータを設定することができるようになっていてもよい。

図１６は、入力部３の表示画面に表示されるパラメータ設定画面の一例を示した図である。このパラメータ設定画面では、走査パターンごとにレーザ光Ｌのパラメータを設定することができるようになっており、この例では、輪郭部分の走査パターン及び輪郭の内側部分の走査パターンのそれぞれについて、それらの走査パターンで走査するレーザ光Ｌのパラメータを設定することができる。

図１６に示すように、輪郭部分の走査パターンに対応するレーザ光Ｌのパラメータとしては、スポット径、照射出力及び出力周期をそれぞれ設定することができ、輪郭の内側部分の走査パターンに対応するレーザ光Ｌのパラメータとしては、スポット径、照射出力、出力周期及び出力ピッチをそれぞれ設定することができる。ここで、上記照射出力は、レーザ出力部２から出力されるレーザ光Ｌのエネルギーであり、上記出力周期は、レーザ発振部５０からパルス発振ＰＷにより断続的に照射されるレーザ光Ｌの照射周期である。また、上記出力ピッチは、図１３（ｂ）に示すように、輪郭の内側部分の走査パターンに基づいてレーザ光Ｌを平行に走査させる場合に、平行に走査されるレーザ光Ｌの光軸間の距離Ｄを示している。

図１７は、パラメータ設定画面でユーザが設定を行う際の制御部４による処理の一例を示したフローチャートである。図１７に示すように、パラメータ設定画面でユーザが入力部３を操作することにより、輪郭部分の走査パターンに対応するパラメータを設定した場合には（ステップＳ２０１でＹｅｓ）、その設定されたパラメータに基づいて、輪郭の内側部分の走査パターンに対応するパラメータが自動的に算出される（ステップＳ２０２）。一方、輪郭の内側部分の走査パターンに対応するパラメータを設定した場合には（ステップＳ２０３でＹｅｓ）、その設定されたパラメータに基づいて、輪郭部分の走査パターンに対応するパラメータが自動的に算出される（ステップＳ２０４）。

例えば、図１３の例に示したような矩形形状の加工痕を形成する場合、輪郭部分又はその内側部分の一方の走査パターンに対応するパラメータが設定されると、輪郭部分とその内側部分とで均一な加工痕が形成されるように、他方の走査パターンに対応するパラメータを自動的に設定することが可能である。このように、一方の走査パターンに対応するパラメータをユーザが設定することにより、他方の走査パターンに対応するパラメータが自動的に算出されるような構成とすることにより、パラメータの設定作業を容易にすることができる。

ここで、対象物Ｗの材質によっては、レーザ光Ｌを照射することにより表面加工を行うことができるレーザ光量に最小値が存在する。したがって、輪郭の内側部分の走査パターンについて、レーザ光量が最小値となるような最大スポット径が決まるので、その最大スポット径以下で当該内側部分の形状に応じた最も加工効率のよいスポット径を設定することができる。

なお、輪郭部分の走査パターンに対応するパラメータに基づくレーザ光Ｌの強度が、輪郭の内側部分の走査パターンに対応するパラメータに基づくレーザ光Ｌの強度よりも高くなるような設定のみが受け付けられるようになっていてもよい。すなわち、輪郭の内側部分の走査パターンに対応するパラメータの方が、輪郭部分の走査パターンに対応するパラメータよりもレーザ光Ｌの強度が高くなるような数値入力が行われた場合に、その入力がキャンセルされるようになっていてもよい。

以上の実施の形態では、固体のレーザ媒質８を用いてレーザ光Ｌを照射させるような構成について説明したが、このような構成に限らず、例えばＣＯ２やＡｒなどの気体のレーザ媒質を用いてレーザ光Ｌを照射させるような構成であってもよい。また、レーザ光Ｌをパルス発振ＰＷにより断続的に照射するような構成に限らず、連続発振ＣＷ(Continues Wave)により連続的にレーザ光Ｌを発生するような構成であってもよい。

本発明の実施の形態によるレーザ加工装置の一構成例を示したブロック図である。 励起光発生部の一構成例を示した斜視図である。 レーザ出力部の内部構成の一例を示した斜視図である。 レーザ発振部の内部構成の一例を示した光路図である。 走査部の一構成例を示した斜視図である。 図５に示した走査部を異なる角度から見た斜視図である。 図５に示した走査部の側面図である。 ビームエキスパンダの動作によってレーザ光の焦点位置が移動する態様を示した側面図であり、焦点位置がレーザ出力部に対して遠い場合を示している。 ビームエキスパンダの動作によってレーザ光の焦点位置が移動する態様を示した側面図であり、焦点位置がレーザ出力部に近い場合を示している。 ビームエキスパンダの一構成例を示した正面図及び断面図である。 集光角とスポット径の関係について説明するための模式図である。 走査部による走査時にビームエキスパンダを用いてレーザ光の焦点位置を移動させる際の態様について説明するための図である。 レーザ光の焦点位置を移動させて対象物の表面上に図形を形成する際の態様の一例を示した図である。 制御部の一構成例を示した機能ブロック図である。 走査データに基づいて対象物に対する表面加工を行う際の制御部による処理の一例を示したフローチャートである。 入力部の表示画面に表示されるパラメータ設定画面の一例を示した図である。 パラメータ設定画面でユーザが設定を行う際の制御部による処理の一例を示したフローチャートである。

符号の説明

１ レーザ制御部
２ レーザ出力部
３ 入力部
４ 制御部
５ メモリ部
５ａ 走査データ記憶部
５ｂ 焦点位置記憶部
５ｃ レーザ光量記憶部
６ 励起光発生部
８ レーザ媒質
９ 走査部
１４ａ，１４ｂ ガルバノミラー
１５ 集光部
１６ 入射レンズ
１８ 出射レンズ
４１ パワー設定部
４２ 照射周期設定部
４３ 走査速度設定部
４４ スポット径設定部
４５ レーザ照射制御部
４６ レーザ走査制御部
４７ 焦点位置制御部
５０ レーザ発振部
５１ａ，５１ｂ ガルバノモータ
５２ スキャナ駆動回路
５３ ビームエキスパンダ
５３ａ 焦点位置制御用モータ
１００ レーザ加工装置
Ｌ レーザ光
Ｍ１，Ｍ２ 加工痕
Ｓ 焦点位置
Ｗ 対象物
ＷＳ 作業領域

Claims (10)

1. 対象物にレーザ光を照射することにより表面加工を行うレーザ加工装置であって、
   対象物に向けてレーザ光を照射するレーザ照射手段と、
   照射するレーザ光の光軸に対して直交方向にレーザ光を走査させる走査手段と、
   照射するレーザ光の光軸方向に焦点位置を移動させる焦点位置制御手段と、
   上記走査手段による複数の走査パターンからなる走査データを記憶している走査データ記憶手段と、
   上記走査パターンごとに対応付けて焦点位置を記憶している焦点位置記憶手段とを備え、
   上記焦点位置記憶手段は、輪郭部分を走査させる走査パターンと輪郭の内側部分を走査させる走査パターンとで、異なる焦点位置を対応付けて記憶し、
   上記焦点位置制御手段は、上記走査手段が上記走査データに基づいて複数の走査パターンで順次にレーザ光を走査させるときに、レーザ光の焦点位置を各走査パターンに対応付けて上記焦点位置記憶手段に記憶されている焦点位置に移動させ、
   上記輪郭部分を走査させる走査パターンでレーザ光を走査させるときには、上記輪郭の内側部分を走査させる走査パターンでレーザ光を走査させるときよりも、対象物の表面上におけるレーザ光の照射領域が小さいことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 上記走査パターンごとに対応付けてレーザ光量を記憶しているレーザ光量記憶手段を備え、
   上記レーザ照射手段は、上記走査手段が上記走査データに基づいて複数の走査パターンで順次にレーザ光を走査させるときに、各走査パターンに対応付けて上記レーザ光量記憶手段に記憶されているレーザ光量でレーザ光を照射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。
3. 上記レーザ照射手段は、固体からなるレーザ媒質をレーザ励起光で励起させることによりレーザ光を発生させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 照射するレーザ光の光軸に対して直交方向にレーザ光を走査させる走査手段と、照射するレーザ光の光軸方向に焦点位置を移動させる焦点位置制御手段とを用いて、対象物にレーザ光を照射することにより表面加工を行うレーザ加工方法であって、
   輪郭部分を走査させる走査パターンに基づいてレーザ光を走査させる第１走査ステップと、
   上記輪郭の内側部分を走査させる走査パターンに基づいてレーザ光を走査させる第２走査ステップとを備え、
   上記第１走査ステップでは、上記第２走査ステップよりも、上記対象物の表面上におけるレーザ光の照射領域の大きさが小さいことを特徴とするレーザ加工方法。
5. 上記第２走査ステップは、上記第１走査ステップの後に行われることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工方法。
6. 上記第２走査ステップは、上記第１走査ステップの途中で行われることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工方法。
7. 上記第１走査ステップでは、上記第２走査ステップよりも、上記対象物の表面上におけるレーザ光の照射領域が小さく、上記レーザ光の焦点位置に近い位置で照射することを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工方法。
8. 上記第１走査ステップで走査されるレーザ光のパラメータをユーザが設定するパラメータ設定ステップと、
   上記パラメータ設定ステップにより設定されたパラメータに基づいて、上記第２走査ステップで走査されるレーザ光のパラメータを算出するパラメータ算出ステップとを備えたことを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工方法。
9. 上記第２走査ステップで走査されるレーザ光のパラメータをユーザが設定するパラメータ設定ステップと、
   上記パラメータ設定ステップにより設定されたパラメータに基づいて、上記第１走査ステップで走査されるレーザ光のパラメータを算出するパラメータ算出ステップとを備えたことを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工方法。
10. 対象物にレーザ光を照射することにより表面加工を行うためのレーザ加工プログラムであって、
    照射するレーザ光の光軸に対して直交方向にレーザ光を走査させる走査手段と、
    照射するレーザ光の光軸方向に焦点位置を移動させる焦点位置制御手段としてレーザ加工装置を機能させ、
    上記走査手段は、輪郭部分を走査させる走査パターンと輪郭の内側部分を走査させる走査パターンとで順次にレーザ光を走査させ、
    上記焦点位置制御手段は、上記走査手段が複数の走査パターンで順次にレーザ光を走査させるときに、レーザ光の焦点位置を各走査パターンに対応付けられた焦点位置に移動させ、
    上記輪郭部分を走査させる走査パターンでレーザ光を走査させるときには、上記輪郭の内側部分を走査させる走査パターンでレーザ光を走査させるときよりも、対象物の表面上におけるレーザ光の照射領域が小さいことを特徴とするレーザ加工プログラム。

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