JP2014016398A - 光走査装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光走査装置及びこれを備えるレーザ加工装置を提供するにあたって、当該光走査装置を構成する素子を簡便且つ高精度に配置可能にする。
【解決手段】 光走査装置が、光を角移動させながら放射する投光部１５と、投光部１５から放射された光を反射して所定の走査線上に導く１以上の反射部１６と、を備える。１以上の反射部１６のうち少なくとも一つが、斜辺面４１、第１境界面４２及び第２境界面４３を有した直角プリズム４０を有し、直角プリズム４０に入射した光は、斜辺面４１を通過して第１境界面４２で反射し、第２境界面４３で反射して斜辺面４１を通過し、直角プリズム４０から出射し、直角プリズム４０への入射光路が当該直角プリズム４０からの出射光路と平行である。
【選択図】図５

Description

本発明は、レーザ光を走査線に沿って走査する光走査装置、及びこのような光走査装置を備えたレーザ加工装置に関し、特に、角移動するレーザ光を反射してからワーク上に設定された走査線に沿ってレーザ光を走査するように構成された光走査装置に関する。

薄膜太陽電池の製造工場においては、ガラス基板の片面に半導体を成膜して成るワーク（太陽電池の中間製品）にパターニング加工を施すため、レーザ加工装置を用いることがある。レーザ加工装置を用いたパターニング加工では、レーザ光がワーク上に設定された直線状の走査線に沿って走査され、ワークの薄膜層が走査線に沿って部分的に剥がされる。このように、パターニング加工では、複数本の直線状の溝がワークの片面に形成される。

パターニング加工用のレーザ加工装置は、レーザ発振器からのレーザ光を走査線に沿って走査する光走査装置を備えている。一般に、光走査装置は、レーザ発振器からのレーザ光を偏向中心で反射し、偏向中心周りに等速で角移動させる偏向器を備えている。

偏向器を用いて直線状の走査線に沿ってレーザ光を走査する場合、走査線上でレーザ光が極力合焦し続けること、偏向速度及び走査速度の両方とも等速性を有すること、レーザ光のワークへの入射角度が極力垂直であることが求められる。パターニング加工の用途では、これらを担保しなければ加工ムラが顕在化するため、対処を特に必要とする。これらの問題を解消する光学素子として、ｆθレンズが良く知られているが、ｆθレンズは高価であるし大型化しづらいので、ｆθレンズをパターニング加工用のレーザ加工装置に適用することは非常に困難である。

そこで、偏向器からのレーザ光をミラーで反射してワークに導くように構成された光走査装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、ポリゴンミラーが偏向器に適用されており、ポリゴンミラーから見てミラーをワークとは反対側に配置している。ポリゴンミラーからのレーザ光は、まず、ワークとは反対側に向けられ、その後ミラーで反射してからワークへと入射する。

特開２０１１−０００６２５号公報

このようにミラーを適用した場合には、ポリゴンミラーの回転軸線方向に光走査装置をポリゴンミラーの回転軸線の直交平面に投影すると、ミラーからワークに向かうレーザ光の光路がポリゴンミラーを通過する。当然、光路をポリゴンミラーと干渉させるわけにはいかないので、ミラーを適用した光走査装置を実現するためには、前記直交平面に対して傾斜した平面上をレーザ光が通過するようにして、ポリゴンミラー及びミラーを配置しなければならない。しかしながら、光学素子を配置するにあたり、前記直交平面を規定する２つの軸線方向の位置のみならず、当該平面に直交する軸線方向の位置と、当該直交平面を規定する２つの軸線周りの姿勢までをも管理しなければならなくなり、素子を配置する作業が極めて煩雑となる。

特に、パターニング加工用のレーザ加工装置では、装置のサイズに比べて光学配置上の公差が余りに小さいので、簡便且つ高精度に光学配置を実現する手法が強く求められている。また、ミラーの数を増やすと、上記の問題は更に顕著なものとなる。

そこで本発明は、光走査装置及びこれを備えるレーザ加工装置を提供するにあたって、当該光走査装置を構成する光学機器を簡便且つ高精度に配置可能にすることを目的としている。

本発明は上記目的を達成すべくなされたものである。本発明に係る光走査装置は、光を角移動させながら放射する投光部と、前記投光部から放射された光を反射して所定の走査線上に導く１以上の反射部と、を備え、前記１以上の反射部のうち少なくとも一つが、斜辺面、第１境界面及び第２境界面を有した直角プリズムを有し、前記直角プリズムに入射した光は、前記斜辺面を通過して前記第１境界面で反射し、前記第２境界面で反射して前記斜辺面を通過し、前記直角プリズムから出射し、前記投光部における光の角移動の回転軸線が通過する平面に投影したときに、前記直角プリズムへの入射光路が当該直角プリズムからの出射光路と平行である。

前記構成によれば、入射光路及び出射光路は回転軸線が延在する方向の成分を持たなくてもよくなる。よって、入射光路及び出射光路のアライメント作業が簡便になり、ひいては反射部を構成する機器のアライメント作業を簡便且つ高精度に行うことができるようになる。

前記投光部が、光を反射して偏向する反射偏向部を有し、回転により光を前記反射偏向部から角移動させながら放射する偏向器を備え、前記偏向器の前記反射偏向部にも、斜辺面、第１境界面及び前記第２境界面を有した直角プリズムが設けられていてもよい。

前記構成によれば、投光部も簡便且つ高精度に配置することができ、光走査装置を一層簡便に製造することができるようになる。

前記直角プリズムが、前記投光部及び前記１以上の反射部それぞれに適用されており、前記直角プリズムの前記斜辺面が、互いに平行に配置されており、前記投光部及び前記１以上の反射部が、前記回転軸線の方向に互いに離れて配置されていてもよい。

前記構成によれば、投光部及び反射部の全てを簡便且つ高精度に配置することができ、さらに、投光部に向かう光路、投光部から反射部に向かう光路、反射部同士を行き来する光路、反射部から走査線に向かう光路が、投光部や反射部を構成する機器と干渉するのを防ぐことができる。

前記斜辺面と前記第１境界面とがなす角、前記斜辺面と前記第２境界面とがなす角は、４５度であってもよい。

前記構成によれば、前述のような入射光路及び出射光路の配置を簡単に実現することができる。

前記直角プリズムの臨界角は４５度以下であってもよい。

前記構成によれば、第１境界面及び第２境界面において光を全反射させることができるので、当該光の持つエネルギーで反射部が損傷を受けるのを防ぐことができるし、走査線近傍において光のエネルギーを高く保つことができる。

本発明に係るレーザ加工装置は、上記の光走査装置を備え、前記光走査装置からのレーザ光でワークを加工して当該ワークに走査線に沿って溝を形成する。このようなレーザ加工装置によれば、光走査装置を構成する機器を簡便且つ高精度に配置することができるので、レーザ加工装置を簡便に製造することができるし、レーザ加工装置の動作信頼性を高くすることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、光走査装置及びこれを備えるレーザ加工装置を提供するにあたって、当該光走査装置を構成する光学機器を簡便且つ高精度に配置することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置を模式的に示す斜視図である。 図１に示す光走査部の概要構成を示す概念図である。 図２に示すポリゴンミラーの斜視図である。 図２に示すポリゴンミラー、一次光反射部及び二次光反射部をポリゴンミラーの回転軸線が通過する平面に投影して示す、光走査ヘッドの概念図である。 図２に示す偏向中心、一次光反射部、二次光反射部及び走査線の位置関係を示す概念図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。同一の又は対応する要素には全ての図を通じて同一の符号を付し、重複する詳細な説明を省略する。以降の説明では、レーザ加工装置１が、薄膜太陽電池の製造工程の一つであるパターニング加工に利用され、ワーク９０が、薄膜太陽電池の中間製品である場合を例示する。ワーク９０は、基板９１の片面に半導体の薄膜層９２を成膜することによって製作される。

以降の説明では、説明の便宜のため、板状又はシート状のワーク９０が有する２つの面のうち、薄膜層９２が形成されている側の面９０ａを「第１面」と称し、その反対側の面９０ｂを「第２面」と称する。ワーク９０の第１面９０ａは、薄膜層９２の表面によって形成され、ワーク９０の第２面９０ｂは、基板９１の前記片面とは反対側の面により形成される。

［第１実施形態］
（レーザ加工装置）
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、レーザ加工装置１は、支持部２と光走査部３とを有している。支持部２は、少なくともワーク９０を支持する機能を有しており、例えばワーク９０は水平姿勢で支持される。支持部２は、ワーク９０を支持しながら水平な一方向に搬送する機能を更に有していてもよい。

光走査部３は、レーザ発振器４と光走査ヘッド５とを有している。レーザ発振器４は、キロヘルツ〜メガヘルツオーダーの周波数でパルス状のレーザ光を逐次発振し、生成されたレーザ光を光走査ヘッド５へと出射する。光走査ヘッド５は、レーザ発振器４からのレーザ光を偏向し、それにより角移動しているレーザ光がワーク９０に照射される。光走査部３（光走査ヘッド５）からのレーザ光は、ワーク９０上では直線状に走査される。それにより薄膜層９２のうちレーザ光の走査線（図１中の一点鎖線参照）に沿った部分が基板９１から剥がされ、ワーク９０に直線状の溝（図１中の太線参照）が形成される。パターニング加工では、太陽電池内の回路を構成するため、複数本の溝がワーク９０に形成される。

本実施形態に係るレーザ加工装置１を用いたパターニング加工では、レーザ光がワーク９０の第２面９０ｂに入射してワーク９０内で合焦し、焦点付近で生じるマイクロエクスプロージョン効果により薄膜層９２が基板９１から剥がされる。本実施形態では、加工時に、第１面９０ａを上に向け第２面９０ｂを下に向けた状態でワーク９０が支持される。このため、光走査部３は、支持部２よりも下方からレーザ光を上向きに出射するように構成及び配置される。なお、この構成及び配置は一例に過ぎず、第２面９０ａが上に向けられた場合、光走査部３が支持部２よりも上方からレーザ光を下向きに出射するように構成及び配置されていてもよい。

以降では、説明の単純化のため、パターニング加工で形成される溝及びパターニング加工時におけるワーク９０上でのレーザ光の走査線が、ワーク９０の幅方向に平行に延在するものとし、これら溝及び走査線の延在方向を「走査方向」と呼ぶ。パターニング加工で形成される複数本の溝が、矩形平板状のワーク９０の縦方向（幅方向と直交する方向）に平行に並べられるものとし、この溝が並ぶ方向を「整列方向」と呼ぶ。

前述のとおり支持部２はワーク９０を搬送する機能を有することができる。ワーク９０が静止している間に１本の溝がワーク９０に形成される場合、対地の走査方向は、ワーク９０に視点をおいた走査方向と同じとなる。ワーク９０を縦方向（整列方向）に等速で搬送しながら１本の溝がワーク９０に形成される場合、ワーク９０に視点をおいた走査方向は、ワーク９０の幅方向と一致するが、対地の走査方向は、ワーク９０の幅方向に対して或る傾斜角だけ傾斜した方向に延在する。なお、当該傾斜角は、ワーク９０の搬送速度とレーザ光の走査速度とから求まる。以降では、説明の単純化のため、ワーク９０を静止している間に１本の溝をワーク９０に形成するものとし、対地の走査方向をワーク９０に視点をおいた走査方向と纏めて「走査方向」と呼んで説明する。ワーク９０を搬送しながらワーク９０に溝を形成する場合については、上記のように傾斜角を考慮しながら下記に説明する構成を適宜変更すれば、下記説明する構成と同様となるので、ここでは詳細な説明を省略する。

（光走査ヘッド）
図２は、光走査部３の構成を示す模式図である。光走査部３は、前述のとおり、レーザ発振器４と光走査ヘッド５とを備える。光走査ヘッド５は、複数の光学素子を内蔵する筐体１０と、レーザ光を走査する光学系を成す複数の光学素子又は光学ユニットとを備えている。例えば、このような光学素子又は光学ユニットには、レーザ光の光路に沿ってビーム発振器４から順に、レンズ１１、プリズム１２、第１折返しミラー１３、第２折返しミラー１４、投光部１５、光反射部１６及びシリンドリカルレンズ１７が含まれる。図２には、筐体１０が第２折返しミラー１４、投光部１５、光反射部１６及びシリンドリカルレンズ１７を収容する場合を例示しているが、これは一例に過ぎない。レンズ１１、プリズム１２及び第１折返しミラー１３が筐体１０内に配置されていてもよいし、シリンドリカルレンズ１７が筐体１０外に配置されていてもよい。

レンズ１１は、レーザ発振器４で生成されたビーム光が焦点を結ぶことを可能にするための光学素子である。プリズム１２、第１折返しミラー１３及び第２折返しミラー１４は、レンズ１１を通過したレーザ光を投光部１５に導く。これら素子１２〜１４は、投光部１５よりも光路上流側でレーザ光をワーク９０で合焦させるために必要な光路長を確保すべく、光路を折り曲げる光学ユニットを構成する。これら素子１２〜１４は適宜省略可能であるし、他のプリズム又はミラーがレンズ１１と投光部１５との間に適宜追加されてもよい。

投光部１５は、光路上流側（すなわち、レーザ発振器４側）から入射したレーザ光を角移動させるようにして放射するユニットである。光反射部１６は、投光部１５から放射された光を少なくとも２回反射し、ワーク９０の走査線上に導くユニットである。投光部１５が動作すると、光反射部１６からレーザ光がワーク９０に導かれ、ワーク９０上の被照射点が走査線に沿って走査方向に順次移動する。

本実施形態に係る光走査部３においては、投光部１５からのレーザ光は、略一定の角速度で角移動する。ワーク９０上のレーザ光も、略一定の走査速度で走査線上を移動する。投光部１５から走査線上の任意の被照射点までの光路長は、全ての被照射点において、略一定とされ、それにより任意の被照射点でレーザ光を極力合焦させる。投光部１５及び光反射部１６は、この作用を実現可能にするようにして構成及び配置されている（図５参照）。

（投光部・光反射部）
投光部１５は、ポリゴンミラー２１と、ポリゴンミラー２１を回転駆動する偏向アクチュエータ２２とを備える。ポリゴンミラー２１は、筐体１０内で回転可能に支持された偏向器であり、ポリゴンミラー２１の回転軸線は、（対地の）走査方向と直交する水平な方向に延びる。偏向アクチュエータ２２は、例えば、制御器（図示せず）によって制御される電気モータである。偏向アクチュエータ２２は、ポリゴンミラー２１を回転軸線周りの一方向に定速で回転駆動する。なお、偏向器には、ポリゴンミラー２１の他、ガルバノミラーが適用されてもよい。

図３に示すように、ポリゴンミラー２１は、低背正多角柱を成すプレート状に形成されたポリゴンベース体２３と、ポリゴンベース体２３の側面それぞれに設けられた複数の反射偏向部２４とを有している。レーザ光は、回転しているポリゴンミラー２１の反射偏向部２４に入射し、そのときのポリゴンミラー２１の回転角度位置に応じた反射角で反射する。任意の反射偏向部２４は隣接する２つの反射偏向部２４それぞれと共に２つの稜を形成するところ、レーザ光がポリゴンミラー２１の或る稜で反射してから次の稜で反射するまでの間に、ポリゴンミラー２１は３６０／Ｎ[deg] 回転する（Ｎ：反射部の数）。この間、ポリゴンミラー２１の或る一つの反射部で反射し続けたレーザ光は、ポリゴンミラー２１の回転角の２倍（７２０／Ｎ[deg] ）だけポリゴンミラー２１の側部上の偏向中心（反射点）を中心にして角移動する。なお、偏向中心は、ポリゴンミラー２１の回転に応じて僅かに移動するが、以降の説明では、ポリゴンミラー２１の回転に応じた偏向中心の移動を無視する。逆に言えば、本書では厳密な意味での偏向中心の移動範囲全体を指して「偏向中心」と称する。

図２に戻り、本実施形態に係る光反射部１６は、投光部１５からのレーザ光を反射する一次光反射部３１と、一次光反射部３１からのレーザ光を更に反射する二次光反射部３２とを有し、投光部１５からのレーザ光を２回反射してからワーク９０へ導く。そこで本実施形態に係る光走査ヘッド５では、第２折返しミラー１４からのレーザ光が、概ね下向きにポリゴンミラー２１に入射する。ポリゴンミラー２１の反射偏向部２４は、第２折返しミラー１４からのレーザ光を概ね上向きに反射する。一次光反射部３１は、ポリゴンミラー２１よりも上方に配置され、ポリゴンミラー２１からのレーザ光を概ね下向きに反射する。二次光反射部３２は、一次光反射部３１よりも下方に配置されており、一次光反射部３１からのレーザ光を概ね上向きに反射する。二次光反射部３２からのレーザ光は、シリンドリカルレンズ１７を通過してワーク９０の第２面９０ｂに入射する。

一次光反射部３１は、複数の平板状の反射板３３を有し、二次光反射部３２は、複数の平板状の反射板３４を有する。一次光反射部３１を構成する複数の反射板３３は、順次に隣接するように配置されているが、これら反射板３３は互いに離れて配置されていてもよい。二次光反射部３２を構成する複数の反射板３４は、互いに離れて配置されているが、これら反射板３４は順次に隣接するように配置されていてもよい。

このようにレーザ加工装置１０は、投光部１５からのレーザ光を２回折り曲げる光反射部１６を備えている。そのため、図２を参照するとわかるとおり、ポリゴンミラー２１の回転軸線の延在方向に見たとき、光路が上下方向にジグザグに折り曲げられる。特に、本実施形態に係る光走査部３では、一次光反射部３１と二次光反射部３２とが、ポリゴンミラー２１を基準にして上下方向に互いに反対側に配置されており、そのため一次光反射部３１から二次光反射部３２へ向かう光路が、ポリゴンミラー２１と干渉するのを避けるようにして、投光部１５及び光反射部１６を配置する必要がある。また、二次光反射部３２からワーク９０へ向かう光路が、ポリゴンミラー２１及び一次光反射部３１と干渉するのを避けるようにして、投光部１５及び光反射部１６を配置する必要がある。

そこで本実施形態では、図４に示すように、ポリゴンミラー２１の各反射偏向部２４、一次光反射部３１を構成する各反射板３３、二次光反射部３２を構成する各反射板３４にそれぞれ、直角プリズム４０が適用されている。直角プリズム４０は、三角柱状に形成され、その側面として第１境界面４１、第２境界面４２及び斜辺面４３の三面を有している。第１境界面４１と第２境界面４２とは９０度を成し、斜辺面４３と第１境界面４１とは４５度を成し、斜辺面４３と第２境界面４２とは４５度を成している。すなわち、直角プリズム４０は、直角二等辺三角形の断面形状を有する。

ポリゴンミラー２１のポリゴン本体２３は、複数の側面それぞれにＶ字状の取付け溝２５を有している。複数の直角プリズム４０が、斜辺面４３がポリゴン本体２３の側面を成すようにして、ポリゴン本体２３に設けられた複数の取付け溝２５内にそれぞれ嵌め込まれ、第１境界面４１と第２境界面４２とが取付け溝２５内に受容される。このようにしてポリゴン本体２３に取り付けられた直角プリズム４０が、ポリゴンミラー２１の反射偏向部２４として機能する。

一次光反射部３１を構成する各反射板３３も、二次光反射部３２を構成する各反射板３４も、ポリゴンミラー２１の反射部と同様の構造を有している。反射板３３は、ブロック状又はプレート状の本体部３５を備え、本体部３５の片面にはＶ字状の取付け溝３６が形成されている。直角プリズム４０は、斜辺面４３が本体部３５の当該片面を成すようにして本体部３５に設けられた取付け溝３６内に嵌め込まれ、第１境界面４１と第２境界面４２とが取付け溝３６内に受容される。二次光反射部３２の各反射板３４も、一次光反射部３１の反射板３３と同様、取付け溝３８を有した本体部３７を備え、取付け溝３８内に直角プリズム４０が嵌め込まれる。

図４では、光走査ヘッド５が、ポリゴンミラー２１の回転軸線が通過する平面に投影される。この平面に投影されると、ポリゴンミラー２１における斜辺面４３、一次光反射部３１における斜辺面４３、二次光反射部３２における斜辺面４３がいずれも直線として表されるところ、これら３つの直線が互いに平行に配置される。また、ポリゴンミラー２１における斜辺面４３を表す直線は、ポリゴンミラー２１の回転軸線と平行であることから、他の２つの直線も、ポリゴンミラー２１の回転軸線と平行となる。

更に、ポリゴンミラー２１、一次光反射部３１及び二次光反射部３２は、ポリゴンミラー２１の回転軸線の延在方向にずれて配置されている。このように回転軸線の延在方向にずれて配置されている一方で、ポリゴンミラー２１の斜辺面４３は、一次光反射部３１の斜辺面と平面視で部分的にオーバーラップしている。一次光反射部３１の斜辺面４３は、二次光反射部３２の斜辺面４３と平面視で部分的にオーバーラップしている。

そして、第２折返しミラー１４からのレーザ光は、ポリゴンミラー２１の回転軸線の直交方向に延びる光路に沿って、ポリゴンミラー２１の反射部３２を成す斜辺面４３に入射する。以降、このレーザ光の光路について詳細に説明する。

図４では回転軸線が紙面左右方向に延びるようにして示されているので、ポリゴンミラー２１に入射する光路は紙面上下方向に延びている。斜辺面４３を通過したレーザ光は、直角プリズム４０の第１境界面４１で反射して４５度折り返され、第２境界面４２に向けられる。第１境界面４１からのレーザ光は、第２境界面４２で反射して４５度折り返され、斜辺面４３に向けられる。第２境界面４２からのレーザ光は斜辺面４３を通過し、直角プリズム４０から出射する。

なお、直角プリズム４０の臨界角は４５度以下である。このような臨界角を実現するため、直角プリズム４０は、空気の屈折率を考慮して、例えばＢＫ７等のガラス材料から製作される。直角プリズム４０の臨界角が４５度以下であれば、斜辺面４３ではレーザ光を透過させ、境界面４１，４２ではレーザ光を全反射させることが可能になる。すると、直角プリズム４０から出射したレーザ光のエネルギーが、直角プリズム４０に入射したレーザ光のエネルギーよりも小さくなるのを防ぐことができる。本実施形態に係る光走査部３はレーザ加工装置１に適用されるので、レーザ光のエネルギーが比較的大きい。このようなレーザ光を境界面４１，４２で全反射させることができるので、加工に必要なエネルギーをワーク９０周辺でも容易に確保することができるし、ポリゴン本体２３がレーザ光で損傷するのを防ぐことができる。

直角プリズム４０に入射したレーザ光の光路は、直角プリズム４０から出射したレーザ光の光路と、ポリゴンミラー２１の回転軸線が通過する平面に投影したときに平行に並ぶと共に、ポリゴンミラー２１の回転軸線の延在方向に離れて配置される。このように、入射光路も出射光路も回転軸線と直交する方向に延び、回転軸線の延在方向の成分を含んでいないので、ポリゴンミラー２１及び第２折返しミラー１４のアライメント作業を非常に簡便に行うことができる。

前述のとおり、ポリゴンミラー２１からのレーザ光は、一次光反射部３１に向けられる。ポリゴンミラー２１の斜辺面４３及び一次光反射部３１の斜辺面４３は、回転軸線と平行に延びており且つ回転軸線と直交する方向に見て部分的にオーバーラップしている。このため、ポリゴンミラー２１からのレーザ光の光路は、一次光反射部３１の斜辺面４３を通過する。一次光反射部３１の斜辺面４３を通過したレーザ光は、前述したポリゴンミラー２１の直角プリズム４０と同様、第１境界面４１及び第２境界面４２で順次に全反射して斜辺面４３を通過し、直角プリズム４０から出射する。

そして、一次光反射部３１からのレーザ光は、二次光反射部３２に向けられる。一次光反射部３１の斜辺面４３及び二次光反射部３２の斜辺面４３は、回転軸線と平行に延びており且つ回転軸線と直交する方向に見て部分的にオーバーラップしている。このため、一次光反射部３１からのレーザ光の光路は、二次光反射部３２の斜辺面４３を通過する。二次光反射部３２の斜辺面４３を通過したレーザ光は、前述した二次光反射部３２の直角プリズム４０と同様、第１境界面４１及び第２境界面４２で順次に全反射して斜辺面４３を通過し、直角プリズム４０から出射する。

前述のとおり、ポリゴンミラー２１からの出射光路は、ポリゴンミラー２１への入射光路と共に回転軸線と直交する方向に延在する。ポリゴンミラー２１からの出射光路は、一次光反射部３１への入射光路と同一である。一次光反射部３１への入射光路は、一次光反射部３１からの出射光路と共に、ポリゴンミラー２１の回転軸線と直交する方向に延在する。この一次光反射部３１からの出射光路は、二次光反射部３２への入射光路と同一であり、二次光反射部３２への入射光路は、二次光反射部３２からの出射光路と共に、ポリゴンミラー２１の回転軸線と直交する方向に延在する。このように、第２折返しミラー１４からワーク９０に至るまでの間、レーザ光は、直角プリズム４０への入射時、直角プリズム４０からの出射時にはポリゴンミラー２１の回転軸線と直交する方向に導かれ、直角プリズム４０内ではポリゴンミラー２１の回転軸線の延在方向に導かれる。これにより、ポリゴンミラー２１と一次光反射部３１との間の光路、及び、一次光反射部３１と二次光反射部３２との間の光路は、ポリゴンミラー２１の回転軸線の延在方向に成分を含まなくなり、そのため、これら光学素子２１，３１，３２のアライメント作業を簡便に行えるようになる。

そして、上記同様にして、光反射部３１，３２でのレーザ光のエネルギー損失を極力減らすことができるので、加工に必要な強度のレーザ光を確保しやすくなるし、一次光反射部３１及び二次光反射部３２のベース体がレーザ光で損傷を受けることも好適に防ぐことができる。

本実施形態に係る光走査部３では、２つの光反射部３１，３２を備えており、ポリゴンミラー２１と合わせて合計３つの光学素子に直角プリズム４０が適用されているが、そのうち少なくとも１つに直角プリズム４０が適用されていてもよい。なお、本実施形態のように、レーザ光を反射させる素子の全てに直角プリズム４０を適用することで、光走査部３の全体としてのアライメント作業を格段に容易に行うことができる。逆に言えば、本実施形態のように、光反射部が複数存在する場合には、直角プリズムを適用することで得られる作用効果が顕著なものとなる。

（光反射部の作用）
最後に、本実施形態に係る光走査部が２以上の光反射部を有することによって得られる作用効果について簡単に説明する。上記実施形態では、ポリゴンミラー２１の回転角に応じてレーザ光の焦点距離を変える手段を特段備えてはいない。仮に光反射部が存在しなければ、レーザ光の焦点は円弧状の軌跡を描く。その軌跡の中心は偏向中心となり、その軌跡の半径は当該偏向中心から焦点までの光路長である。一方、ワーク９０上の走査線は、円弧状の軌跡とは異なり、走査方向に直線状に延在する。すると、走査線上の任意の被照射点から焦点までの距離は、当該被照射点の位置（すなわち、レーザ光の偏向角度及びポリゴンミラー２１の回転角度）に応じて変わってしまう。よって、ポリゴンミラー２１から走査線上の任意の被照射点までの光路長は、全被照射点にわたって一定とはならず、当該被照射点の位置に応じて変わることとなる。また、レーザ光が等速で角移動していれば、レーザ光の走査線上での走査速度も一定とはならない。そこで本実施形態に係る光走査部３においては、光反射部１６が、この問題を解消すべく、投光部１５からのレーザ光を少なくとも２度反射してからワーク９０に導くように構成される。

図５には、レーザ光がポリゴンミラー２１の１枚の反射面を通過する間に、レーザ光が１本の走査線に沿ってワーク９０で走査方向に移動する場合を例示している。仮に一次光反射部３１及び二次光反射部３２が存在しなければ、レーザ光の焦点は偏向中心Ｃを中心とした円弧を描くこととなる。仮想円弧ＶＡの半径は、偏向中心Ｃから焦点までの光路長であるので、一次光反射部３１及び二次光反射部３２は、偏向中心Ｃから焦点までの光路を折り曲げ、それにより仮想円弧ＶＡをワーク９０上で走査方向に直線状に延在するように配置転換する。このように仮想円弧ＶＡを配置転換するには、仮想円弧ＶＡの長さが加工に必要とされるライン長（要求される走査線の長さ）と等しいことが求められる。

ポリゴンミラー２１の反射面数をＮとすると、仮想円弧ＶＡの中心角は、７２０／π[deg]である。円周率をπ、仮想円弧ＶＡの半径をＲとすると、仮想円弧ＶＡの長さは２πＲ／［３６０×（Ｎ／７２０）］であり、これが前述の必要ライン長と等しい。一方、幾何学的に、必要ライン長は、仮想円弧ＶＡの直径よりも長くはなり得ない。これらの関係から導き出される不等式より、反射面数Ｎは、仮想円弧の直径（２Ｒ）よりも小さいことが求められ、そのため、ポリゴンミラー２１は７面以上の反射面を有することが好ましい。

仮想円弧ＶＡを走査線に一致させるように配置転換するための方法論を説明すると、まず、仮想円弧ＶＡを等間隔に分割することにより複数の仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…と、これに対応した複数の仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…を得る。そして、複数の仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…が、ワーク９０上で走査方向に順次に直線状に並ぶようにして複数の仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…を配置転換する。これによりワーク９０上に配置転換された複数の仮想弦ＶＣ１´，ＶＣ２´，…によって走査線が形成される。

このように走査線が形成されると、仮想分割円弧ＤＶＡの両端２点が走査線上に配置転換され、仮想分割円弧ＤＶＡ１´，ＤＶＡ２´，…（すなわち、当該２点間をつなぐ曲線）が、走査線よりも光路方向下流側（本実施形態に係るレーザ加工装置１においては上側）へと配置転換される。焦点は、この配置転換後の仮想分割円弧ＤＶＡ１´，ＤＶＡ２´，…にそって角移動しようとする。配置転換後の仮想分割円弧ＤＶＡ１´，ＤＶＡ２´，…は、配置転換後の仮想弦ＶＣ１´，ＶＣ２´，…と同様にして走査方向において順次に連続する。

仮想円弧ＶＡを分割して複数の仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…を得ると、仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…はこれに対応した仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…に良好に近似する。このためポリゴンミラー２１の偏向中心Ｃから走査線上の任意の被照射点までの光路長は、全ての焦点に亘って略一定となる。また、レーザ光が等速で角移動していれば、焦点は配置転換後の仮想分割円弧ＤＶＡ１´，ＤＶＡ２´，…に沿って定速で角移動しようとする。当該配置転換後の仮想分割円弧ＤＶＡ１´，ＤＶＡ２´，…は、対応する配置転換後の仮想弦ＶＣ１´，ＶＣ２´，…と良好に近似するので、焦点の挙動は、走査線に沿った等速直線移動と良好に近似する。

このように、仮に光反射部１６が存在しないと仮定すれば投光部１６から放射されたレーザ光の焦点が偏向中心Ｃを中心とする仮想円弧ＶＡを描くところ、光反射部１６はレーザ光を２度反射することによって仮想円弧ＶＡを分割することで得られた複数の仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…それぞれに対応した複数の仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…をワーク９０上で直線状に連続するように配置し、ワーク９０に導かれたレーザ光が配置転換された複数の仮想弦ＶＣ１´，ＶＣ２´，…によって形成される走査線に沿って走査される。これにより、偏向アクチュエータ２２及びポリゴンミラー２１を等速回転させてこれらの動作を単純化しながら、レーザ光をワーク９０上で極力合焦させ続けることもできるし、レーザ光を極力等速で走査方向に移動させることもできる。したがって、光走査部３の動作信頼性を高めることと、加工効率を向上させることと、加工ムラを抑えることとを同時に達成することができる。また、ポリゴンミラー２１の回転角に応じてレーザ光の焦点距離を変える特別な手段を用いる必要性もなくなる。なお、仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…の分割数を増やせば増やすほど（仮想分割円弧の中心角を小さくすればするほど）、仮想弦の中点と仮想分割円弧の中点との間の距離が小さくなり、焦点が仮想弦に近づく。このため、光路長の一定性が高く保たれるし、レーザ光の等速性も高く保たれる。分割数は、光走査部３及びレーザ加工装置１に要求される誤差に応じて適宜決めることができる。

仮想弦の配置転換のより具体的な方法論について説明する。仮想弦をワーク９０上に配置転換するには、一例として、当該仮想弦に対応する仮想分割円弧により構成される扇形を少なくとも２度折り曲げればよい。本実施形態では、光反射部が一次光反射部及び二次光反射部の２つの光反射部を有しているので、扇形が２度折り曲げられることとなる。このように例えば２度扇形を折り曲げると、２個の折り目が扇形に形成される。そのうち１つ目の折り目が一次光反射部を構成する複数の反射部のうちの一つに相当し、２つ目の折り目が二次光反射部を構成する複数の反射部の一つに相当する。すなわち、前述したように一次光反射部は複数の平板状の反射部を有しているところ、この反射部の個数は、仮想分割円弧の分割数と等しい。なお、扇形を２度以上折り曲げなければ、幾何学的に、複数の仮想弦を直線に沿って並べなおすことができない。このため、光反射部１６は、複数の反射部を有している。

仮想弦を順次に連続させていくには、隣接する扇形の１つ目の折り目同士が重ならないことが好ましい。すなわち、或る仮想分割円弧に対応した一次光反射部の反射部が、これに隣接する仮想分割円弧に対応した一次光反射部の反射面と重ならないことが好ましい。こうすれば、２つ目の折り目を、これに対応する配置転換後の仮想弦と上下方向に並べることができる。これにより、二次光反射部で反射したレーザ光を概ね垂直にワーク９０に入射させることができる。これにより加工効率が一層向上するし加工ムラを一層抑えることができる。また、隣接する扇形の１つ目の折り目の端部同士が連続していると、一次光反射部の全体を極力小型に構成することができるので有益である。

なお、３つ以上の光反射部が存在していても、上記同様の作用効果を得ることができる。このときにも各光反射部の反射面に、直角プリズムを適用することができる。全ての光反射部に直角プリズム４０を適用することにより、光走査部３のアライメント作業に要する時間と労力を大幅に削減することができる。このように、本実施形態に係る光走査部３においては、投光部１５の動作を簡便にすることと、レーザ光を走査線上で等速で移動させることと、走査中に極力走査線上でレーザ光を合焦させ続けることとを光路を同じくして極力合焦させ続けることとを同時に全て達成するために、投光部１５から出射したレーザ光を２度以上折り曲げるように構成されている。このような光走査部３の全ての直角プリズム４０を適用すれば、光路が複雑に折り曲げられているにしても、光路が他の光学素子と干渉することを防ぐことができるし、光走査部３全体のアライメント作業を簡便に行うことができ有益である。このように、本発明は、複数の光反射部１６を備える光走査装置に適用されると有益であるが、上記構成の光走査部３に限られず、種々の構成（例えば、光反射部を１つしか備えていない構造様式）の光走査装置にも好適に適用可能である。

本発明は、光走査装置及びこれを備えるレーザ加工装置を提供するにあたって、当該光走査装置を構成する光学機器を簡便且つ高精度に配置することができるとの顕著な作用効果を奏し、光を複数回反射して走査線の被照射点に導くように構成された光走査装置及びこれを備えるレーザ加工装置に適用すると有益である。

１ レーザ加工装置
３ 光走査部
５ 光走査ヘッド
１４ 第２折返しミラー
１５ 投光部
１６ 光反射部
２１ ポリゴンミラー
２２ 偏向アクチュエータ
２４ 反射偏向部
３１ 一次光反射部
３２ 二次光反射部
３３，３４ 反射板
４０ 直角プリズム
４１ 第１境界面
４２ 第２境界面
４３ 斜辺面

Claims (6)

1. 光を角移動させながら放射する投光部と、前記投光部から放射された光を反射して所定の走査線上に導く１以上の反射部と、を備え、
   前記１以上の反射部のうち少なくとも一つが、斜辺面、第１境界面及び第２境界面を有した直角プリズムを有し、前記直角プリズムに入射した光は、前記斜辺面を通過して前記第１境界面で反射し、前記第２境界面で反射して前記斜辺面を通過し、前記直角プリズムから出射し、
   前記投光部における光の角移動の回転軸線が通過する平面に投影したときに、前記直角プリズムへの入射光路が当該直角プリズムからの出射光路と平行である、光走査装置。
2. 前記投光部が、光を反射して偏向する反射偏向部を有し、回転により光を前記反射偏向部から角移動させながら放射する偏向器を備え、
   前記偏向器の前記反射偏向部にも、斜辺面、第１境界面及び前記第２境界面を有した直角プリズムが設けられている、請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記直角プリズムが、前記投光部及び前記１以上の反射部それぞれに適用されており、前記直角プリズムの前記斜辺面が、互いに平行に配置されており、前記投光部及び前記１以上の反射部が、一方向に互いに離れて配置されている、請求項１又は２に記載の光走査装置。
4. 前記斜辺面と前記第１境界面とがなす角、前記斜辺面と前記第２境界面とがなす角は、４５度である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光走査装置。
5. 前記直角プリズムの臨界角は４５度以下である、請求項４に記載の光走査装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光走査装置を備え、前記光走査装置からのレーザ光でワークを加工して当該ワークに走査線に沿って溝を形成する、レーザ加工装置。
   
   

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