JP2010224003A

JP2010224003A - 光偏向装置及び電気光学素子ユニット

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Publication number: JP2010224003A
Application number: JP2009068251A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Komiya; 友紀小宮; Kazuyoshi Miyata; 和佳宮田; Tadayuki Imai; 欽之今井; Ikutake Yagi; 生剛八木; Seiji Toyoda; 誠治豊田; Kazuo Fujiura; 和夫藤浦; Kenichiro Ahei; 研一郎阿閉
Original assignee: NTT Advanced Technology Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp; Sunx Ltd
Current assignee: NTT Advanced Technology Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp; Panasonic Industrial Devices SUNX Co Ltd
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-10-07

Abstract

【課題】高精度な偏向制御を行うことができる光偏向装置及び電気光学素子ユニットを提供する。
【解決手段】第１電気光学素子ユニット２２には、電圧の印加によって生じる誘電体材料３３の少なくとも第１及び第２電極３１，３２の対向方向への形状変化を規制するようにその誘電体材料３３及び各電極３１，３２を覆うモールド部材３４が設けられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えばレーザ加工装置に設けられる光偏向装置、及びその光偏向装置内の電気光学素子ユニットに関するものである。

従来、この種の光偏向装置は、第１及び第２電極間に誘電体材料を介在させてなる電気光学素子ユニットと、第１及び第２電極間に電圧を印加する電圧印加手段とを備えている。このような光偏向装置において、例えば特許文献１に示すものでは、第１及び第２電極は、誘電体材料に入射される入射光の光軸直交方向に互いに対向しており、電圧印加手段から印加される電圧の可変に応じた誘電体材料の屈折率変化によって入射光の光軸の向き（進行方向）を変更可能となっている。そして、特許文献１に示すレーザ加工装置では、このような光軸の向きを可変する技術がレーザ光の２次元走査に応用されている。

特開平３−２１０５８０号公報

しかしながら、上記のような光偏向装置では、誘電体材料への電圧の印加時に、その誘電体材料が電界の影響により歪んでしまう所謂「電歪」が発生する。この電歪により誘電体材料の内部の屈折率が変化してしまうため、レーザ光を意図したように偏向させることが困難となり、偏向制御の精度の低下を招いていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、高精度な偏向制御を行うことができる光偏向装置及び電気光学素子ユニットを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、第１及び第２電極間に誘電体材料を介在させてなる電気光学素子ユニットと、前記第１及び第２電極間に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧印加手段から印加される前記電圧の可変に応じた前記誘電体材料の屈折率変化により、該誘電体材料に入射された入射光の光軸に対する拡がり角度及び前記入射光の光軸の向きのいずれか一方を変更可能な光偏向装置であって、前記電気光学素子ユニットは、前記電圧印加手段からの電圧の印加によって生じる前記誘電体材料の少なくとも前記第１及び第２電極の対向方向への形状変化を規制するようにその誘電体材料及び前記第１及び第２電極を覆うモールド部材を有してなることを特徴とする。

この発明では、誘電体材料及び第１及び第２電極を覆うモールド部材によって誘電体材料の少なくとも第１及び第２電極の対向方向への形状変化が規制されるため、電圧の印加によって誘電体材料に生じる電歪を抑制することが可能となる。その結果、誘電体材料の電歪による偏向誤差の発生を抑制することが可能となり、高精度な偏向制御を行うことが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光偏向装置において、前記モールド部材は、前記誘電体材料及び前記第１及び第２電極に対して一体成形されてなることを特徴とする。

この発明では、モールド部材が誘電体材料及び第１及び第２電極に対して一体成形されるため、モールド部材を容易に形成することが可能となる。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光偏向装置において、前記モールド部材は、焼成により形成されたセラミック系材料よりなることを特徴とする。

この発明では、モールド部材が焼成により形成されたセラミック系材料よりなるため、誘電体材料の電歪をより強固に規制することが可能となる。特に、セラミック系材料は電気的絶縁性及び高熱伝導性に有するため、モールド部材に適しており、モールド部材が光偏向作用に与える影響を小さく抑えることができる。

請求項４に記載の発明は、電圧の印加により内部の屈折率が変化する誘電体材料が、第１電極及び第２電極間に介在されてなり、電圧の印加によって生じる前記誘電体材料の少なくとも前記第１及び第２電極の対向方向への形状変化を規制するようにその誘電体材料及び前記第１及び第２電極を覆うモールド部材を有してなることを特徴とする電気光学素子ユニットである。

従って、上記記載の発明によれば、高精度な偏向制御が可能な光偏向装置及び電気光学素子ユニットを提供することができる。

本実施形態におけるレーザ加工装置を示す概略構成図。光偏向装置の分解斜視図。第１電気光学素子ユニットの斜視図。第１電気光学素子ユニットの断面図。誘電体材料と第１及び第２電極の斜視図。光偏向装置の偏向作用を説明するための模式図。従来の電気光学素子ユニットを示す模式図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に概略構成を示す本実施形態のレーザ加工装置１０は、制御回路１１の制御に基づいて、搬送ラインにて搬送されるワーク（加工対象物）Ｗの表面に文字・記号・図形等をマーキング加工するものである。

レーザ加工装置１０は、加工用のレーザ光を出射する加工用レーザ光源１２を備えている。レーザ光源１２はレーザ発振器からなり、制御回路１１にてその発振が制御される。
レーザ光源１２の後段に配置されたビームエキスパンダ１３は、レーザ光源１２から出射されたレーザ光のビーム径を一定の倍率で一旦拡大する。尚、本実施形態では、ビームエキスパンダ１３からは、光軸Ｌに対して一定の拡がり角度で拡がるレーザ光が出射されるようになっている。

ビームエキスパンダ１３の後段には、光偏向装置１４が配置されている。光偏向装置１４は、ビームエキスパンダ１３にて一旦拡大されたレーザ光の拡がり角度を制御回路１１による制御に基づき可変する。

光偏向装置１４の後段に配置されたガルバノミラー１５は、該光偏向装置１４にて拡がり角度が可変されたレーザ光を反射してその照射方向を変更するものであり、例えば対をなすＸ軸ミラーとＹ軸ミラーとで構成されている。ガルバノミラー１５は、制御回路１１の制御に基づく駆動装置１６の駆動により角度制御され、マーキングする文字や記号、図形等に基づいて２次元でレーザ光を走査する。

ガルバノミラー１５の後段に配置された収束レンズ（ｆθレンズ）１７は、光偏向装置１４にて拡がり角度が調整されたレーザ光をワークＷの表面において所定のスポット径となるまで収束させ、マーキング加工に適したエネルギー密度まで高める。

［光偏向装置の構成］
図２に示すように、光偏向装置１４は、光軸Ｌ上に並設された偏光板２１、第１電気光学素子ユニット２２、λ／２波長板２３及び第２電気光学素子ユニット２４を備えている（入射側から順に列挙）。偏光板２１は、通過するレーザ光を直線偏光に変えるものであり、λ／２波長板２３は、直線偏光化されたレーザ光の偏光方向を９０°回転させるものである。

第１及び第２電気光学素子ユニット２２，２４は、レーザ光の光軸Ｌに対する拡がり角度を変化させるためのものである。第１及び第２電気光学素子ユニット２２，２４は、互いに同一構成であって、光軸Ｌ周りに互いに９０°ずれた状態で配置されている。説明の便宜のため、以下には、第１電気光学素子ユニット２２を例にとって説明し、第２電気光学素子ユニット２４の構成部材に関しては第１電気光学素子ユニット２２のものと同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図３〜図６に示すように、第１電気光学素子ユニット２２は、第１電極３１と、第２電極３２と、それら第１及び第２電極３１，３２間に介在された誘電体材料３３（電気光学結晶）とが、セラミック系材料よりなるモールド部材３４にてセラミックモールドされてなる。第１及び第２電極３１，３２は、誘電体材料３３に電界を加えるためのものである。誘電体材料３３は、加えられる電界の強度に応じて屈折率が変化するものであり、本実施形態では、誘電体材料３３はＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶からなる。

誘電体材料３３は、直方体をなし、第１及び第２電極３１，３２とそれぞれ接触する第１及び第２電極配置面３３ａ，３３ｂを有している。第１及び第２電極配置面３３ａ，３３ｂは、互いに平行をなしており、誘電体材料３３は、各電極配置面３３ａ，３３ｂがレーザ光の光軸Ｌと直交するように配置されている。各電極配置面３３ａ，３３ｂには、一対の金属箔３５が蒸着されている（図５において第１電極配置面３３ａ側のもののみ図示）。また、誘電体材料３３の中央部は、レーザ光が通過する通過部３３ｃとなっており、該通過部３３ｃを通過するレーザ光は、第１電極配置面３３ａの各金属箔３５間、及び第２電極配置面３３ｂの各金属箔間を通過するようになっている。

第１及び第２電極３１，３２は、金属板材からプレス加工等によりそれぞれ成形されるものであり、互いに同形状をなしている。各電極３１，３２の長手方向の一端部には、幅方向（短手方向）両端からそれぞれ直線状に延びる当接部３６，３７が形成されている。また、第１及び第２電極３１，３２は、当接部３６の延出方向が互いに反対向きとなるように配置されている。第１電極３１の各当接部３６は、誘電体材料３３の第１電極配置面３３ａの各金属箔３５と接触され、これにより、第１電極３１と各金属箔３５とが電気的に接続されている。また、第２電極３２の各当接部３７は、第２電極配置面３３ｂの各金属箔と接触され、これにより、第２電極３２と第２電極配置面３３ｂの各金属箔とが電気的に接続されている。

モールド部材３４は、焼成により形成されたセラミック系材料よりなり、直方体をなしている。本実施形態では、モールド部材３４にジーマ・イナス（「ジーマ」は登録商標）を用いている。モールド部材３４の中心部には、誘電体材料３３が内包されている。モールド部材３４には、レーザ光が通過する通過孔３４ａが形成されており、通過孔３４ａから入射するレーザ光が誘電体材料３３の通過部３３ｃに入射可能に構成されている。また、誘電体材料３３において通過孔３４ａと通じる部分以外の箇所は、モールド部材３４にて覆われている。本実施形態では、誘電体材料３３の光軸Ｌ方向の寸法は４ｍｍに設定され、モールド部材３４の光軸Ｌ方向における誘電体材料３３からの寸法は３ｍｍに設定されている。

第１及び第２電極３１，３２は、それらの一部がモールド部材３４に内包されるとともに、一部がモールド部材３４から突出するように構成されている。尚、第１及び第２電極３１，３２は、誘電体材料３３から互いに反対方向に突出している。また、各電極３１，３２の当接部３６，３７は、誘電体材料３３との接触面以外の全ての面がモールド部材３４にて略覆われている（図４及び図６参照）。

また、各電極３１，３２のモールド部材３４からの突出部分は、電圧印加手段を構成する前記制御回路１１と電気的に接続されるようになっており、各電極３１，３２には、制御回路１１から電位差が与えられるようになっている。尚、本実施形態では、第１及び第２電気光学素子ユニット２２，２４の第１電極３１はそれぞれ接地されており、第２電極３２にはそれぞれ、等しい大きさの電圧が制御回路１１から印加されるようになっている。また、制御回路１１は、電源１９からの電圧を直流電圧に変換し、距離センサ１８の測定結果に基づく大きさの電圧を各電気光学素子ユニット２２，２４の第２電極３２に印加する。

このような光偏向装置１４において、ビームエキスパンダ１３から出射されたレーザ光は、偏光板２１にて直線偏光化されて第１電気光学素子ユニット２２に入射される。このとき、第１及び第２電気光学素子ユニット２２，２４の第１電極３１は、それぞれ接地されるとともに、第１及び第２電気光学素子ユニット２２，２４の第２電極３２には、制御回路１１によってそれぞれ等しい大きさの電圧が印加される。

このような光偏向装置１４におけるレーザ光の偏向作用について説明する。ビームエキスパンダ１３から出射されたレーザ光は、偏光板２１にて直線偏光化されて第１電気光学素子ユニット２２に入射される。尚、偏光板２１を通過したレーザ光の偏向方向は、第１電気光学素子ユニット２２の第１電極３１の各当接部３６の並設方向（図６における左右方向）と一致するようになっている。

ここで、第１電極３１と第２電極３２との間に制御回路１１から電位差が与えられると、図６に示すように、誘電体材料３３内における第１及び第２電極３１，３２の当接部３６，３７間に光軸Ｌに対して線対称の電界が発生する。この電界の電気力線は、図６において破線で示すように、光軸Ｌ側に突出するように湾曲している。このとき、誘電体材料３３は、加えられる電界の強度に応じてその屈折率が変化するため、誘電体材料３３に入射したレーザ光は、誘電体材料３３の中心線（光軸Ｌ）側に屈折しながら進み、そのビーム径が各当接部３６の並設方向に収縮されるようになっている。即ち、第１電気光学素子ユニット２２を通過したレーザ光のビーム径は、各当接部３６の並設方向に収縮した楕円形状となる。

次に、第１電気光学素子ユニット２２から出射されたレーザ光は、λ／２波長板２３にてその偏光方向が９０°回転される。このとき、レーザ光の偏光方向は変わるが、ビーム径の楕円形状は回転することなくそのまま維持される。λ／２波長板２３を通過したレーザ光は第２電気光学素子ユニット２４に入射される。尚、λ／２波長板２３を通過したレーザ光の偏向方向は、第２電気光学素子ユニット２４の第１電極３１の各当接部３６の並設方向と一致するようになっている。ここで、第２電気光学素子ユニット２４の第２電極３２には、上記第１電気光学素子ユニット２２の第２電極３２に対して適した電圧が制御回路１１により印加されている。これにより、レーザ光は第２電気光学素子ユニット２４によって楕円の長手方向に収縮され、そのビーム径は略円形となる。このように、光偏向装置１４は、ビームエキスパンダ１３から出射されたレーザ光の拡がり角度を可変する。尚、図６には、説明の便宜のため、第１電気光学素子ユニット２２のみを図示し、レーザ光の拡がり角度の可変作用を模式的に示している。

また、レーザ光の拡がり角度は、各電気光学素子ユニット２２，２４の誘電体材料３３に加えられる電界強度の大きさ、即ち、制御回路１１にて第２電極３２に印加される電圧の大きさに応じて変更可能となっている。第２電極３２に印加する電圧を大きくし電界強度を大きくすると、焦点位置が光軸Ｌに沿って収束レンズ１７側に移動する。即ち、焦点距離が短くなる。一方、第２電極３２に印加する電圧を小さくし電界強度を小さくすると、焦点位置が光軸Ｌに沿って収束レンズ１７から遠ざかる位置に移動する。即ち、焦点距離が長くなる。このように、制御回路１１による電圧制御によりレーザ光の拡がり角度が可変され、収束レンズ１７にて収束される焦点位置が調整可能となっている。

以上のように構成された光偏向装置の各電気光学素子ユニット２２，２４では、誘電体材料３３と第１及び第２電極３１，３２とがセラミック系材料よりなるモールド部材３４にてモールドされており、その誘電体材料３３と第１及び第２電極３１，３２は、光軸Ｌ方向（第１及び第２電極３１，３２の対向方向）及び光軸Ｌ直交方向にモールド部材３４と当接している。これにより、電圧の印加によって生じる誘電体材料３３の形状変化（所謂、電歪）が規制されるようになっている。本実施形態の構成とは異なりモールド部材３４を設けない構成（図７参照）では、誘電体材料１０３は、電歪によって幅方向（図７における左右方向）の中央部分が第１及び第２電極１０１，１０２の対向方向に縮むとともに、幅方向の両端部分が前記対向方向に伸びるように変形してしまうが、本実施形態では、このような変形を抑制することが可能となっている。その結果、本実施形態の光偏向装置１４では、誘電体材料３３の電歪による偏向誤差の発生を抑制することが可能となっており、高精度な偏向制御を行うことが可能となっている。

尚、上記のモールド部材３４の材質には、硬度、絶縁係数及び耐熱係数が誘電体材料３３よりも高いものが用いられている。尚、モールド部材３４の絶縁係数は、２ｋＶ／ｍｍ以上が好ましい。また、モールド部材３４としては、縦弾性係数が３×ｅ^１１｛Ｎ／ｍ^２｝以上であって、ポアソン比が０．２５程度のものを用いるのが好ましい。尚、上記のモールド部材３４には、セラミックパウダーと樹脂材料の混合物（焼成温度が比較的低いもの）を用いてもよい。

また、上記したような各電気光学素子ユニット２２，２４では、金型（図示略）内で誘電体材料３３と第１及び第２電極３１，３２とを支持部材（図示略）により支持した状態で、その金型にセラミック系材料を流し込んで成形した後に焼成することでモールド部材３４が形成されるようになっている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、各電気光学素子ユニット２２，２４は、制御回路１１からの電圧の印加によって生じる誘電体材料３３の少なくとも第１及び第２電極３１，３２の対向方向への形状変化を規制するようにその誘電体材料３３及び各電極３１，３２を覆うモールド部材３４を有してなるため、電圧の印加によって誘電体材料３３に生じる電歪を抑制することが可能となる。その結果、誘電体材料３３の電歪による偏向誤差の発生を抑制することが可能となり、高精度な偏向制御を行うことが可能となる。また、この誘電体材料３３の形状変化を規制する手段がモールド部材３４からなるため、その規制手段を固定するための固定部材（例えば、ボルト）が不要となり、規制手段の電歪抑制効果を向上させることが可能となる。

（２）本実施形態では、モールド部材３４が誘電体材料３３及び第１及び第２電極３１，３２に対して一体成形されるため、モールド部材３４を容易に形成することが可能となる。

（３）本実施形態では、モールド部材３４が焼成により形成されたセラミック系材料よりなるため、誘電体材料３３の電歪をより強固に規制することが可能となる。特に、セラミック系材料は電気的絶縁性及び高熱伝導性に有するため、モールド部材３４に適しており、モールド部材３４が光偏向作用に与える影響を小さく抑えることができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、レーザ光の拡がり角度を変更可能な光偏向装置１４に本発明を適用したが、特にこれに限定されるものではなく、誘電体材料に入射される入射光の光軸の向き（進行方向）を変更可能な光偏向装置（所謂、１次スキャナや２次スキャナといった走査装置）に適用してもよい。尚、光軸の向きを変更可能な光偏向装置では、第１及び第２電極は光軸直交方向に対向配置される。また、このような構成の場合、モールド部材３４には、絶縁係数が１０ｋＶ／ｍｍ以上がものを用いるのが好ましい。

・上記実施形態では、誘電体材料３３にＫＴＮ結晶を用いたが、これ以外に例えば、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ラタン）結晶等を用いてもよい。また、誘電体材料としては、ＫＴＮ以外の材料でもよく、主にポッケルス効果やカー効果を利用するもの、つまり、加えられる電界強度に応じて屈折率が変化するものであればよい。

・上記実施形態では、モールド部材３４に電気的絶縁性及び高熱伝導性を有するセラミック系材料を用いたが、このセラミック系材料以外で例えば、低融点ガラス材料や樹脂材料を用いてもよい。要するに、モールド部材３４に用いる材料は、少なくとも被モールド部材（モールド部材により覆われる部材であって、上記実施形態では、誘電体材料３３及び各電極３１，３２）よりも低融点のものであればよい。具体的には、例えば融点が５００℃以下の低融点材料であればよい。

・上記実施形態では、本発明の光偏向装置をレーザ加工装置に適用した一例を説明したが、これ以外に例えば、レーザ変位計等に適用してもよい。

Ｌ…光軸、１４…光偏向装置、２２…第１電気光学素子ユニット、２４…第２電気光学素子ユニット、３１…第１電極、３２…第２電極、３３…誘電体材料、３４…モールド部材。

Claims

第１及び第２電極間に誘電体材料を介在させてなる電気光学素子ユニットと、
前記第１及び第２電極間に電圧を印加する電圧印加手段と
を備え、前記電圧印加手段から印加される前記電圧の可変に応じた前記誘電体材料の屈折率変化により、該誘電体材料に入射された入射光の光軸に対する拡がり角度及び前記入射光の光軸の向きのいずれか一方を変更可能な光偏向装置であって、
前記電気光学素子ユニットは、前記電圧印加手段からの電圧の印加によって生じる前記誘電体材料の少なくとも前記第１及び第２電極の対向方向への形状変化を規制するようにその誘電体材料及び前記第１及び第２電極を覆うモールド部材を有してなることを特徴とする光偏向装置。
請求項１に記載の光偏向装置において、
前記モールド部材は、前記誘電体材料及び前記第１及び第２電極に対して一体成形されてなることを特徴とする光偏向装置。
請求項２に記載の光偏向装置において、
前記モールド部材は、焼成により形成されたセラミック系材料よりなることを特徴とする光偏向装置。
電圧の印加により内部の屈折率が変化する誘電体材料が、第１電極及び第２電極間に介在されてなり、
電圧の印加によって生じる前記誘電体材料の少なくとも前記第１及び第２電極の対向方向への形状変化を規制するようにその誘電体材料及び前記第１及び第２電極を覆うモールド部材を有してなることを特徴とする電気光学素子ユニット。