JP2015174100A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 必要最小限の回折光学素子により、加工に適した所望のプロファイルを得られるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】 レーザ発振器１から照射されたレーザ光Ｌ１は、移動ユニット３により回折光学素子２に設けられた少なくとも２つ以上の微細回折パターンのうち、１つの微細回折パターン上又は２つ以上の微細回折パターンを跨ぐように位置決めされる。所望のビームプロファイルを付与されたレーザ光Ｌ２は、走査ユニット４により、被加工物６上の目的位置に照射される角度に反射され、被加工物６の表面にレンズユニット５の集光点が合致するようにＺ軸方向の位置を制御されたレンズユニットを、レーザ光Ｌ２が透過する。レンズユニットにより集光された所望のレーザビームプロファイルを有するレーザ光Ｌ３が、被加工物に照射され、所望の加工がなされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、所望のレーザビームプロファイルを得ることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

ガラス、シリコン、若しくは、サファイア等にパターンを形成する際、又は、金属や樹脂などの接合にレーザを用いる場合、レーザ加工装置には、例えばＹＡＧレーザ発振器又はファイバレーザ発振器等をレーザ光源とし、レーザ光源から出射されるレーザ光を例えば回折格子などの回折光学素子により変調し、所望のレーザビームプロファイルを試料に照射して加工を行うものがある。

従来のレーザビームのプロファイルを所望の形状に分割及び形成する手段を備えたレーザ加工装置としては、回転ディスク上に回折光学素子を設けているものがある（例えば、特許文献１参照。）。図８Ａ及び図８Ｂは、特許文献１に記載された従来のレーザ加工装置を示す図である。

図８Ａにおいて、従来のレーザ加工装置は、レーザ光源１０１と、光量可変部１０２と、可変アパーチャ１０３と、回転ディスクＤを有する光変調装置１０４と、ダイクロイックミラー１０５と、対物レンズ１０６と等から構成されている。レーザ光源１０１は、繰り返しによってパルス状のレーザ光を出力するＱスイッチを備えたＹＡＧレーザ等で構成される。図８Ｂにおいて、回転ディスクＤ上には、例えば４つの回折光学素子１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄが設けられている。

レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌａは、光量可変部１０２と可変アパーチャ１０３とを透過し、回転ディスクＤ上の回折光学素子１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄによって変調されて所定の回折パターンとされたレーザ光Ｌｂは、ダイクロイックミラー１０５に当たって下方に反射されてレーザ光Ｌｂとなって、対物レンズ１０６に入射する。対物レンズ１０６は、レーザ光Ｌｂを集光し、その集光レーザＬｃを被加工物１０７に照射する。なお、被加工物１０７は、光軸方向（Ｚ軸）及び光軸直角面内（Ｘ，Ｙ，θ方向）において移動制御可能なステージ１０８上に載置されている。

レーザ光源１０１から出射され、光量調整及び波形成形を経たレーザ光Ｌｂを回転ディスクＤの表面上に設置された複数の透過型の回折光学素子１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄのうち、所望の素子を透過させることで、回折により被加工物１０７に所望のレーザビームプロファイルを有するレーザ光Ｌｃを照射することができ、それぞれ所望の加工パターンを形成することができる。

特開２０００−２８００８５号公報

しかしながら、特許文献１に示された従来のレーザ加工装置及びその装置を用いた加工方法では、図８Ｂに示すように、１つの回折光学素子には１つの微細回折パターンが設けられているため、レーザ光プロファイルを変更する際には、ディスクＤ上に設置された複数の回折光学素子１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄの中からレーザ光Ｌａを透過させる回折光学素子を選択し、必要なレーザ光プロファイル毎に対応した回折光学素子を設計及び製作して、ディスクＤ上に設置しておく必要がある。このため、多大なコスト及び時間を要することになり、レーザ光プロファイルの変更に要するコストを削減するという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するもので、必要最小限の回折光学素子により、加工に適した所望のプロファイルが得られるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の１つの態様によれば、レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されたレーザ光が透過する材質で、少なくとも２種類の微細回折パターンが隙間無く形成され、前記レーザ光のプロファイルを形成することができる回折光学素子と、
前記レーザ光と前記回折光学素子とのいずれか一方を移動させて、前記レーザ光と前記回折光学素子との間の相対位置を変更することができる移動ユニットと、
前記移動ユニットの動作を制御する制御ユニットと、
前記回折光学素子を透過した前記レーザ光を走査する走査ユニットと、
前記走査ユニットにより走査された前記レーザ光を、被加工物のレーザ照射面に集光するレンズユニットとを備えるレーザ加工装置を提供する。

本発明の別の態様によれば、レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されたレーザ光が反射する材質で、少なくとも２種類の微細回折パターンが隙間無く形成され、前記レーザ光のプロファイルを形成することができる反射型回折光学素子と、
前記レーザ光と前記反射型回折光学素子とのいずれか一方を移動させて、前記レーザ光と前記反射型回折光学素子との間の相対位置を変更することができる移動ユニットと、
前記移動ユニットの動作を制御する制御ユニットと、
前記レーザ発振器と前記反射型回折光学素子との間に、光軸と４５°の角度に配置されて、前記レーザ発振器からの前記レーザ光の直線偏光成分を取り出して直線偏光とするポラライザと、
前記ポラライザと前記反射型回折光学素子との間に配置されて、前記ポラライザから入射する直線偏光を円偏光にする一方、前記反射型回折光学素子から入射する円偏光を直線偏光にする１／４波長板と、
前記１／４波長板からの前記直線偏光が前記ポラライザにより反射された前記直線偏光のレーザ光を走査する走査ユニットと、
前記走査ユニットにより走査された前記レーザ光を、被加工物のレーザ照射面に集光するレンズユニットとを備えるレーザ加工装置を提供する。

本発明のさらに別の態様によれば、レーザ発振器より出射されたレーザ光と回折光学素子とのいずれか一方を、制御ユニットでの制御の下に移動ユニットにより移動させて、前記レーザ光と前記回折光学素子との間の相対位置を変更して、前記レーザ光が、前記回折光学素子において前記回折光学素子に隙間無く設けられた少なくとも２つ以上の微細回折パターン領域を跨るように照射して前記回折光学素子を前記レーザ光が透過する工程と、
前記回折光学素子を透過した前記レーザ光を走査ユニットを用いて走査する工程と、
前記走査ユニットにより走査された前記レーザ光を、レンズユニットにより被加工物のレーザ照射面に集光する工程とを備えるレーザ加工方法を提供する。

本発明の別の態様によれば、レーザ発振器より出射され、光軸と４５°の角度に配置されたポラライザで前記レーザ発振器からの前記レーザ光の直線偏光成分を取り出し、前記ポラライザと前記反射型回折光学素子との間に配置された１／４波長板で、前記ポラライザから入射するレーザ光の直線偏光を円偏光に変更し、前記円偏光に変更されたレーザ光と反射型回折光学素子とのいずれか一方を、制御ユニットでの制御の下に移動ユニットにより移動させて、前記レーザ光と前記反射型回折光学素子との間の相対位置を変更して、前記レーザ光が、前記反射型回折光学素子において前記反射型回折光学素子に隙間無く設けられた少なくとも２つ以上の微細回折パターン領域を跨るように照射して前記反射型回折光学素子で前記レーザ光を反射させる工程と、
前記反射型回折光学素子で反射された前記レーザ光を、前記１／４波長板で前記反射型回折光学素子から入射するレーザ光の円偏光を直線偏光に変更し、前記ポラライザで反射した前記レーザ光を走査ユニットを用いて走査する工程と、
前記走査ユニットにより走査された前記レーザ光を、レンズユニットにより被加工物のレーザ照射面に集光する工程とを備えるレーザ加工方法を提供する。

以上のように、本発明の前記態様にかかるレーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、必要な回折光学素子の数量を削減し、レーザ光回折光学素子間の相対位置によりビームプロファイル強度を調整することが可能となるため、レーザ加工に適した所望のプロファイルを安価に得ることができる。

本発明の第１実施形態におけるレーザ加工装置の模式図 本発明の第１実施形態における回折光学素子を示す図 本発明の第１実施形態における回折光学素子にレーザ光を照射する領域と集光点近傍で得られるレーザ光のプロファイル例とを示す説明図 本発明の第１実施形態における回折光学素子にレーザ光を照射する領域と集光点近傍で得られるレーザ光のプロファイル例とを示す説明図 本発明の第１実施形態における回折光学素子にレーザ光を照射する領域と集光点近傍で得られるレーザ光のプロファイル例とを示す説明図 本発明の第１実施形態における回折光学素子にレーザ光を照射する領域と集光点近傍で得られるレーザ光のプロファイル例とを示す説明図 本発明の第１実施形態におけるレーザ加工方法を示す図 本発明の第１実施形態におけるレーザ加工方法を示す図 本発明の第１実施形態におけるレーザ加工方法を示す図 本発明の第１実施形態における回折光学素子を示す図 本発明の第１実施形態における回折光学素子の働きを示す図 本発明の第２実施形態におけるレーザ加工装置の模式図 特許文献１に記載された従来のレーザ加工装置の模式図 特許文献１に記載された従来のレーザ加工装置の回転ディスク上の４つの回折光学素子を示す模式図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるレーザ加工装置２０の模式図である。図１において、レーザ加工装置２０の構成及びレーザ加工装置２０を使用するレーザ加工方法について説明する。

レーザ加工装置２０は、レーザ発振器１と、回折光学素子２と、移動ユニット３と、制御ユニット９と、走査ユニット４と、レンズユニット５とを備えるように構成している。 レーザ発振器１は、内部にレーザ光をコリメートする機能を有し、出射口からは平行なレーザ光Ｌ１を出射するものである。レーザ発振器１の一例として、第１実施形態では、波長１０７０ｎｍ、最大出力３ｋＷ、連続発振で、ビーム品質が良いため集光スポット径を小さくでき、かつ焦点深度の長いシングルモードファイバレーザを例に説明する。レーザ光Ｌ１は、レーザ発振器１より出射された平行なレーザ光である。

回折光学素子２には、下記するように少なくとも２種類の微細回折パターンが隙間無く形成され、レーザ光Ｌ１が透過する材質の光学素子でレーザ光のプロファイルを形成できるものである。図２に、回折光学素子２の模式図を示す。回折光学素子２は、少なくとも領域Ａ及び領域Ｂの２種類の微細回折パターン２ａ，２ｂを有する。一例として、回折光学素子２は四角形状であり、各領域は同じ形状の長方形で構成されている。

移動ユニット３は、回折光学素子２の微細回折パターン２ａ，２ｂに対向して移動ユニット３のレーザ透過部に開口を設けて回折光学素子２を固定支持することが可能である。移動ユニット３により、レーザ光Ｌ１に対して回折光学素子２がＸ及びＹ軸方向への移動が可能で、回折光学素子２とレーザ光Ｌ１との相対位置を変化させることができる。レーザ光Ｌ２は、回折光学素子２の微細回折パターン２ａ，２ｂのいずれか一方又は両方を透過したレーザである。なお、第１実施形態では、レーザ光に対して移動ユニット３により回折光学素子２を移動させているが、回折光学素子２を固定して、固定された回折光学素子２に対して移動ユニット３によりレーザ光側を移動させることも可能である。

走査ユニット４は、回折光学素子２を透過したレーザ光Ｌ２を走査するものであり、内部にレーザ光Ｌ２を反射させて方向を変えるためのＸ軸方向用ガルバノミラー及びＹ軸方向用ガルバノミラーを有し、任意の軌道でレーザ光Ｌ２を照射することができる。

レンズユニット５は、被加工物６のレーザ照射面にレーザ光Ｌ２を集光するものである。すなわち、レンズユニット５は、走査ユニット４により照射の向きを制御されたレーザ光Ｌ２を、一平面上に焦点を結ぶことができるｆθレンズである。レンズユニット５の一例として、第１実施形態では、焦点距離２５５ｍｍのものを用いる。

被加工物６には、レンズユニット５により集光されたレーザ光Ｌ３が照射される。

治具７は、被加工物６を固定する機能を有する。

ＸＹステージ８には、治具７が固定され、治具７をＸＹ方向に移動可能である。

制御ユニット９は、少なくとも移動ユニット３の動作を制御する。好ましくは、制御ユニット９は、レーザ発振器１と移動ユニット３と走査ユニット４とレンズユニット５とＸＹステージ８とに接続され、それぞれの動作を同期させて制御することができる。

次に、第１実施形態におけるレーザ加工装置２０の動作について説明する。

レーザ発振器１と移動ユニット３と走査ユニット４とレンズユニット５とＸＹステージ８とは、制御ユニット９により制御されている。制御ユニット９からの指令により。レーザ発振器１から照射されたレーザ光Ｌ１は、移動ユニット３により回折光学素子２に設けられた微細回折パターン２ａ，２ｂ上の所望の目的とする領域Ａ，Ｂを透過するように移動制御され、所望のビームプロファイルを付与されたレーザ光Ｌ２となる。このとき、レーザ光Ｌ１は、１つの微細回折パターン２ａ又は２ｂ上に位置決めされるか、あるいは、少なくとも２つ以上の微細回折パターン２ａ及び２ｂを跨ぐように位置決めされる。レーザ光Ｌ２は、走査ユニット４により、被加工物６上のレーザ加工目的の位置に照射される角度に反射される。このとき、被加工物６の表面にレンズユニット５の集光点が合致するように、レンズユニット５のＺ軸方向の位置を制御ユニット９により制御されている。走査ユニット４からのレーザ光Ｌ２が、レンズユニット５を透過し、レンズユニット５により集光されたレーザ光Ｌ３が、被加工物６に照射される。被加工物６は、治具７によりＸＹステージ８上に予め固定されている。所望のレーザビームプロファイルを有するレーザ光Ｌ３が被加工物６に照射されることにより、例えば、突合わされたアルミニウム板の溶接など、所望の加工がなされる。ＸＹステージ８は、被加工物６において、走査ユニット４の走査可能範囲外の部分を加工する場合に、被加工物６を移動させるため、又は、加工前後のレーザ加工装置２０への被加工物６の移載などのために使用される。

ここで、レーザ光Ｌ３の集光スポットのプロファイルは、回折光学素子２で特徴付けられている。よって、回折光学素子２の微細回折パターン２ａ，２ｂが異なれば、集光スポットのプロファイルも変化する。

図３Ａ〜図３Ｄに、回折光学素子２にレーザ光Ｌ１を照射する領域Ａ，Ｂと集光点近傍で得られるレーザ光Ｌ３のプロファイル例とを示す。図３Ａの上側の図（ａ−１）は、領域Ａの微細回折パターン２ａのみにレーザ光Ｌ１を照射した場合であり、図３Ａの下側の図（ａ−２）に示すようなプロファイル（プロファイルａ）が得られる。図３Ｂの上側の図（ｂ−１）は、領域Ｂの微細回折パターン２ｂのみにレーザ光Ｌ１を照射した場合であり、図３Ｂの下側の図（ｂ−２）に示すようなプロファイル（プロファイルｂ）が得られるとする。ここで、図３Ｃの上側の図（ｃ−１）に示すように、領域Ａの微細回折パターン２ａと領域Ｂの微細回折パターン２ｂにレーザ光Ｌ１を均等に照射することで、図３Ｃの下側の図（ｃ−２）に示すような図３Ａの上側の図（ａ−１）と図３Ｂの上側の図（ｂ−１）とを足し合わせたようなプロファイル（プロファイルｃ）を得ることができる。このとき、プロファイルｃのビームパワーは、プロファイルａ及びプロファイルｂと同等であることから、プロファイルｃにおけるプロファイルａ及びプロファイルｂに相当する部分のピークパワーは、相対的に低くなる。また、領域Ａの微細回折パターン２ａに照射されるレーザ光Ｌ１の領域をＬ１Ａとし、領域Ｂの微細回折パターン２ｂに照射される領域をＬ１Ｂとするとき、別のプロファイルを得るため、移動ユニット３により、回折光学素子２を図３Ｄの上側の図（ｄ−１）に示すようなＬ１Ａ＜Ｌ１Ｂとなる位置に移動させる。このときのビームプロファイル（プロファイルｄ）は図３Ｄの下側の図（ｄ−２）のようになり、プロファイルａとプロファイルｂとの強度比を変えることができる。

一例としてアルミニウム板の突合せ溶接を用いて説明する。

図４Ａに被加工物６ａ、６ｂを示す。一例として、被加工物６ａは枠体であり、被加工物６ｂは蓋体である。被加工物６ａの中心部には、被加工物６ｂが入る形状の穴６ｃがあいており、被加工物６ｂを被加工物６ａの穴部６ｃに設置した状態では、被加工物６ａ、６ｂ間の隙間は板厚に対して十分小さく、溶接は問題なくできるものとする。本事例においては、図４Ｂに示すように、被加工物６ｂを被加工物６ａの穴部６ｃに設置し、その突合わされた４つの辺６ｄにレーザ光Ｌ３を照射し、連続的に周回させることで、前記辺６ｄの部分を溶接する。図４Ｂの矢印は、レーザ光Ｌ３の走査方向を示す。また、溶接時に用いるレーザビームプロファイルは、スパッタ、ボイド、ブローホールなどの溶接欠陥を抑制するために、図４Ｂに示すようにメインビーム１０ａの周辺に予熱及び徐冷部１０ｂを設けたビームプロファイル１０ｃで、予熱及び徐冷部１０ｂの中心に対して走査方向にメインビーム１０ａの中心を偏らせたプロファイル１０ｃを用いることとする。図４Ｃに示すように、４つの辺６ｄを連続的に走査するためには、走査方向に応じてＬ３ａ、Ｌ３ｂ、Ｌ３ｃ、Ｌ３ｄの四種類のプロファイルを準備する必要がある。

ここで、図５に示すようなＣ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇの５つの微細回折パターン２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇの領域が隙間なく設けられている回折光学素子２−１を用いる。一例として、回折光学素子２−１は四角形状であり、中央の領域Ｇの周囲の各領域Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは同じＬ字形状で構成され、中央の領域Ｇのみ正方形で構成されている。例えば、領域ＣにレーザＬ１が照射された場合には図５の（ｃ）に示すプロファイルが得られるとする。領域Ｄにレーザが照射された場合には図５の（ｄ）に示すプロファイルが得られるとする。領域Ｅにレーザが照射された場合には図５の（ｅ）に示すプロファイルが得られるとする。領域Ｆにレーザが照射された場合には図５の（ｆ）に示すプロファイルが得られるとする。領域Ｇにレーザが照射された場合には図５の（ｇ）に示すプロファイルが得られるとする。すると、図３Ａ〜図３Ｄで説明した場合と同様に、レーザ光Ｌ１が領域Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇのいずれか複数の領域に照射された場合には、照射された各領域を透過するレーザ光Ｌ１のパワー配分に比例して、照射された領域により得られるプロファイルのパワーが決まり、各領域により得られるプロファイルを組み合わされたレーザビーム形状が得られる。

図６に回折光学素子２−１にレーザ光Ｌ１の照射領域に応じて得られるプロファイルを示す。図６の（ａ）〜（ｄ）に示すように、領域Ｇにレーザ光Ｌ１を照射することでメインビーム１０ａが得られ、領域Ｃ〜Ｆにレーザ光Ｌ１の残部を照射することで予熱及び徐例部１０ｂの方向違いプロファイルが得られる。よって、図４Ｂで示したように図６の紙面右方向にレーザ光Ｌ３を走査する場合には、レーザ光Ｌ１に対して、図６の（ｃ）で示す領域Ｆと領域Ｇとの両方を照射する位置に、移動ユニット３（図１）を用いて回折光学素子２−１を移動させる。図６の上方向にレーザ光Ｌ３を走査する場合には、図６の（ｄ）で示す領域Ｄと領域Ｇとの両方を照射する位置に、回折光学素子２−１を移動させる。図６の左方向にレーザ光Ｌ３を走査する場合には、図６の（ａ）で示す領域Ｃと領域Ｇとの両方を照射する位置に、回折光学素子２−１を移動させる。図６の下方向にレーザ光Ｌ３を走査する場合には、図６の（ｂ）で示す領域Ｅと領域Ｇとの両方を照射する位置に、回折光学素子２−１を移動させる。このようにすることで、四種類のプロファイル（ａ）〜（ｄ）を一つの回折光学素子２−１で実現することができる。

したがって、実際の溶接現場では、制御ユニット９により、レーザ光と回折光学素子２との間の相対位置を加工状態に応じて変化させながら移動させることにより、加工中にプロファイルを変化させるように移動ユニット３の動作を制御することができる。ここで、加工状態とは、一例として、前記被加工物６ｂを被加工物６ａの穴部６ｃに設置したときに突合わされた４つの辺６ｄのうちのどの辺を溶接するかを意味している。すなわち、図４Ｃに示すように、４つの辺６ｄのそれぞれの走査方向に応じてＬ３ａ、Ｌ３ｂ、Ｌ３ｃ、Ｌ３ｄの四種類のプロファイルを、制御ユニット９の内部記憶部に記憶させておく。そして、どの辺を溶接するかに応じて、制御ユニット９で移動ユニット３の動作を制御して、四種類のプロファイルのうちから適切なプロファイルを形成するように動作制御する。

また、別の例として、各辺の溶接時に、上方からカメラで隙間状態を観察しておき、レーザ加工により前記辺の例えば角部での隙間が所定の閾値より大きくなった場合には、当該辺用として記憶されていたプロファイルよりも、例えばメインビーム１０ａが大きい直径のプロファイルに変更するように動作制御することもできる。この場合には、加工状態とは、加工によって発生した溶接対象箇所の変化の状態を意味する。

かかる構成によれば、少なくとも２つの微細回折パターン２ａ，２ｂを設けた回折光学素子２を、移動ユニット３を用いて、レーザ光Ｌ１との相対位置を制御することにより、連続的にレーザ光Ｌ３を被加工物６に走査して照射している最中に、最小限の微細回折パターン２ａ，２ｂを有する回折光学素子２により複数のプロファイルを得ることが可能となる。よって、加工品質を維持しながら、加工コストを低減することができる。言い換えれば、必要な回折光学素子２の数量を削減し、レーザ光と回折光学素子２との間の相対位置によりビームプロファイル強度を調整することが可能となるため、レーザ加工に適した所望のプロファイルを安価に得ることができる。

なお、第１実施形態において、レーザ発振器１としてファイバレーザを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、溶接、除去、若しくは、切断など加工の種類、金属、樹脂、又は、脆性材料など材質に応じて、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、半導体レーザ、又は、超短パルスレーザ（ピコ秒レーザ、フェムト秒レーザ）なども用いることもできる。

回折光学素子２としては、二値位相格子、多値位相格子、又は、連続位相格子を用いることができる。また、一例として、領域Ｃ〜Ｆは、プロファイル形状が近いものを設定しているが、全く異なるプロファイルを設定してもよいし、領域数に関しては、少なくとも２つ以上であれば、加工に適した数量を設ければよい。

回折光学素子２にレーザ光Ｌ１が照射される際の相対関係は、必要なレーザ光プロファイルにより決めることができ、レーザ光Ｌ１が１つの微細回折パターン上に照射されてもよいし、あるいは少なくとも２つ以上の微細回折パターンを跨ぐように位置決めされてもよい。

（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態におけるレーザ加工装置２１の模式図である。

図７において、レーザ加工装置２１の構成及びレーザ加工装置２１を使用するレーザ加工方法について説明する。第１実施形態と同じ機能を有するものについては、同じ符号を付し、説明を省略する。

レーザ加工装置２１は、レーザ発振器１と、ポラライザ２２と、１／４波長板１１と、反射型回折光学素子１２と、移動ユニット１３と、制御ユニット９Ｂと、走査ユニット４と、レンズユニット５とを備えるように構成している。

ポラライザ２２は、レーザ発振器１からのレーザ光Ｌ１の直線偏光成分を取り出すことができ、それ以外は反射する光学素子であり、光軸に対して４５°の角度で設置する。１／４波長板１１からポラライザ２２に入射する直線偏光（のレーザ光）Ｌ４ｂは、ポラライザ２２で走査ユニット４に向って全反射される。

１／４波長板１１は、入射するレーザ光の電界振動方向（偏光面）にπ／２（＝λ／４）の位相差を与え、直線偏光を円偏光にする機能を有し、可逆的に円偏光を直線偏光の状態に変えることもできる光学素子である。よって、１／４波長板１１は、ポラライザ２２を透過して入射するレーザ光Ｌ１の電界振動方向（偏光面）にπ／２（＝λ／４）の位相差を与え、直線偏光（のレーザ光）Ｌ４ａを円偏光（のレーザ光）Ｌ５ａにする。一方、１／４波長板１１は、反射型回折光学素子１２から入射するレーザ光の電界振動方向（偏光面）にπ／２（＝λ／４）の位相差を与え、円偏光（のレーザ光）Ｌ５ｂを直線偏光（のレーザ光）Ｌ４ｂの状態に変える。

反射型回折光学素子１２には、少なくとも２種類の微細回折パターン（例えば、図２の２種類の微細回折パターン２ａ，２ｂを参照）が隙間無く形成され、１／４波長板１１を透過したレーザ光Ｌ１が反射する材質の光学素子で構成され、レーザ光のプロファイルを形成できるものである。

移動ユニット１３は、反射型回折光学素子１２を固定することが可能で、円偏光Ｌ５ａに対してＸ及びＹ軸方向への移動が可能で、反射型回折光学素子１２と円偏光Ｌ５ａとの相対位置を変化させることができる。

制御ユニット９Ｂは、少なくとも移動ユニット１３の動作を制御する。好ましくは、制御ユニット９Ｂは、レーザ発振器１と移動ユニット１３と走査ユニット４とレンズユニット５とＸＹステージ８とに接続され、それぞれの動作を同期させて制御することができる。

走査ユニット４は、反射型回折光学素子１２で反射されかつ直線偏光となったレーザ光Ｌ４ｂを走査するものであり、内部にレーザ光Ｌ２を反射させて方向を変えるためのＸ軸方向用ガルバノミラー及びＹ軸方向用ガルバノミラーを有し、任意の軌道でレーザ光Ｌ２を照射することができる。

次に、第２実施形態におけるレーザ加工装置の動作について説明する。レーザ発振器１と移動ユニット１３と走査ユニット４とレンズユニット５とＸＹステージ８とは制御ユニット９Ｂにより制御されている。制御ユニット９Ｂからの指令によりレーザ発振器１から照射されたレーザ光Ｌ１は、ポラライザ２２を透過することで電界振動方向にπ／２の位相差を与えられて直線偏光Ｌ４ａとなる。直線偏光Ｌ４ａは、１／４波長板１１を透過することで円偏光Ｌ５ａとなり、移動ユニット１３により、反射型回折光学素子１２に設けられた微細パターン上の狙いの領域で反射するように制御されて、所望のビームプロファイルを付与された円偏光Ｌ５ｂとなる。このとき、円偏光Ｌ５ａは、１つの微細回折パターン上、あるいは少なくとも２つ以上の微細回折パターンを跨ぐように位置決めされる。円偏光Ｌ５ｂは、再度、１／４波長板１１を透過することで電界振動方向にπ／２の位相差を与えられて、直線偏光Ｌ４ａとは偏光方向が９０°異なる直線偏光Ｌ４ｂが得られる。直線偏光Ｌ４ｂは、ポラライザ２２を透過せず、ポラライザ２２で全反射させることができる。ポラライザ２２により反射された直線偏光Ｌ４ｂは、走査ユニット４により、被加工物６上の目的とする位置に照射される角度に反射される。このとき、被加工物６の表面にレンズユニット５の集光点が合致するように、レンズユニット５のＺ軸方向の位置を制御ユニット９Ｂにより制御されている。走査ユニット４からのレーザ光Ｌ５ｂが、レンズユニット５を透過し、レンズユニット５により集光されたレーザ光Ｌ６が、被加工物６に照射される。被加工物６は、治具７によりＸＹステージ８上に予め固定されている。所望のレーザビームプロファイルを有するレーザ光Ｌ３が被加工物６に照射されることにより、例えば突合わされたアルミニウム板の溶接など、所望の加工がなされる。ＸＹステージ８は、被加工物６において、走査ユニット４の走査可能範囲外の部分を加工する場合に、被加工物６を移動させるため、又は、加工前後のレーザ加工装置２１への被加工物６の移載などのために使用される。

かかる構成によれば、少なくとも２つの微細回折パターンを設けた反射型回折光学素子１２を、移動ユニット１３を用いて、円偏光Ｌ５ａとの相対位置を制御することにより、最小限の微細回折パターンを有する回折光学素子１２により複数のプロファイルを得ることが可能となる。よって、加工コストを低減することができる。言い換えれば、必要な反射型回折光学素子１２の数量を削減し、レーザ光と反射型回折光学素子１２との間の相対位置によりビームプロファイル強度を調整することが可能となるため、レーザ加工に適した所望のプロファイルを安価に得ることができる。

なお、第２実施形態において、レーザ発振器１としてファイバレーザを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、溶接、除去、若しくは、切断など加工の種類、金属、樹脂、又は、脆性材料など材質に応じて、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、半導体レーザ、又は、超短パルスレーザ（ピコ秒レーザ、フェムト秒レーザ）なども用いることもできる。

反射型回折光学素子１２としては、二値位相格子、多値位相格子または連続位相格子を用いることができる。また、領域数に関しては、少なくとも２つ以上であれば、加工に適した数量を設ければよい。

反射回折光学素子１２に円偏光Ｌ５ａが照射される際の相対関係は、必要なレーザ光プロファイルにより決めることができ、円偏光Ｌ５ａが１つの微細回折パターン上に照射されてもよいし、あるいは少なくとも２つ以上の微細回折パターンを跨ぐように位置決めされてもよい。

なお、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明のレーザ加工装置及び加工方法は、必要な回折光学素子の数量を削減し、レーザ光と回折光学素子との間の相対位置によりビームプロファイル強度を調整することが可能となるため、レーザ加工に適した所望のプロファイルを安価に得ることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法などの加工用途に適用できる。

１ レーザ発振器
２，２−１ 回折光学素子
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ 微細回折パターン
３ 移動ユニット
４ 走査ユニット
５ レンズユニット
６，６ａ，６ｂ 被加工物
６ｃ 穴
６ｄ 辺
７ 治具
８ ＸＹステージ
９，９Ｂ 制御ユニット
１０ａ メインビーム
１０ｂ 予熱及び徐冷部
１０ｃ ビームプロファイル
１１ １／４波長板
１２ 反射型回折光学素子
１３ 移動ユニット
２０，２１ レーザ加工装置
２２ ポラライザ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ６ レーザ光
Ｌ４ａ，Ｌ４ｂ 直線偏光
Ｌ５ａ，Ｌ５ｂ 円偏光
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ 領域

Claims (12)

1. レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から出射されたレーザ光が透過する材質で、少なくとも２種類の微細回折パターンが隙間無く形成され、前記レーザ光のプロファイルを形成することができる回折光学素子と、
   前記レーザ光と前記回折光学素子とのいずれか一方を移動させて、前記レーザ光と前記回折光学素子との間の相対位置を変更することができる移動ユニットと、
   前記移動ユニットの動作を制御する制御ユニットと、
   前記回折光学素子を透過した前記レーザ光を走査する走査ユニットと、
   前記走査ユニットにより走査された前記レーザ光を、被加工物のレーザ照射面に集光するレンズユニットとを備えるレーザ加工装置。
2. 前記制御ユニットは、前記少なくとも２種類以上の微細回折パターンを跨ぐように前記レーザ光と前記回折光学素子との間の相対位置を調整するように前記移動ユニットの動作を制御する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記制御ユニットにより、前記レーザ光と前記回折光学素子との間の相対位置を加工状態に応じて変化させながら移動させることにより、加工中にプロファイルを変化させるように前記移動ユニットの動作を制御する、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から出射されたレーザ光が反射する材質で、少なくとも２種類の微細回折パターンが隙間無く形成され、前記レーザ光のプロファイルを形成することができる反射型回折光学素子と、
   前記レーザ光と前記反射型回折光学素子とのいずれか一方を移動させて、前記レーザ光と前記反射型回折光学素子との間の相対位置を変更することができる移動ユニットと、
   前記移動ユニットの動作を制御する制御ユニットと、
   前記レーザ発振器と前記反射型回折光学素子との間に、光軸と４５°の角度に配置されて、前記レーザ発振器からの前記レーザ光の直線偏光成分を取り出して直線偏光とするポラライザと、
   前記ポラライザと前記反射型回折光学素子との間に配置されて、前記ポラライザから入射する直線偏光を円偏光にする一方、前記反射型回折光学素子から入射する円偏光を直線偏光にする１／４波長板と、
   前記１／４波長板からの前記直線偏光が前記ポラライザにより反射された前記直線偏光のレーザ光を走査する走査ユニットと、
   前記走査ユニットにより走査された前記レーザ光を、被加工物のレーザ照射面に集光するレンズユニットとを備えるレーザ加工装置。
5. 前記制御ユニットは、前記少なくとも２種類以上の微細回折パターンを跨ぐように前記レーザ光と前記反射型回折光学素子との間の相対位置を調整するように前記移動ユニットの動作を制御する、請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記制御ユニットにより、前記レーザ光と前記反射型回折光学素子との間の相対位置を加工状態に応じて変化させながら移動させることにより、加工中にプロファイルを変化させるように前記移動ユニットの動作を制御する、請求項４又は５に記載のレーザ加工装置。
7. 前記レーザ発振器としてファイバレーザを用いる請求項１〜６のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
8. レーザ発振器より出射されたレーザ光と回折光学素子とのいずれか一方を、制御ユニットでの制御の下に移動ユニットにより移動させて、前記レーザ光と前記回折光学素子との間の相対位置を変更して、前記レーザ光が、前記回折光学素子において前記回折光学素子に隙間無く設けられた少なくとも２つ以上の微細回折パターン領域を跨るように照射して前記回折光学素子を前記レーザ光が透過する工程と、
   前記回折光学素子を透過した前記レーザ光を走査ユニットを用いて走査する工程と、
   前記走査ユニットにより走査された前記レーザ光を、レンズユニットにより被加工物のレーザ照射面に集光する工程とを備えるレーザ加工方法。
9. 前記レーザ光と前記回折光学素子に設けられた少なくとも２つ以上の微細パターン領域の相対位置が、前記レーザ光の走査位置により変化する請求項８に記載のレーザ加工方法。
10. レーザ発振器より出射され、光軸と４５°の角度に配置されたポラライザで前記レーザ発振器からの前記レーザ光の直線偏光成分を取り出し、前記ポラライザと前記反射型回折光学素子との間に配置された１／４波長板で、前記ポラライザから入射するレーザ光の直線偏光を円偏光に変更し、前記円偏光に変更されたレーザ光と反射型回折光学素子とのいずれか一方を、制御ユニットでの制御の下に移動ユニットにより移動させて、前記レーザ光と前記反射型回折光学素子との間の相対位置を変更して、前記レーザ光が、前記反射型回折光学素子において前記反射型回折光学素子に隙間無く設けられた少なくとも２つ以上の微細回折パターン領域を跨るように照射して前記反射型回折光学素子で前記レーザ光を反射させる工程と、
    前記反射型回折光学素子で反射された前記レーザ光を、前記１／４波長板で前記反射型回折光学素子から入射するレーザ光の円偏光を直線偏光に変更し、前記ポラライザで反射した前記レーザ光を走査ユニットを用いて走査する工程と、
    前記走査ユニットにより走査された前記レーザ光を、レンズユニットにより被加工物のレーザ照射面に集光する工程とを備えるレーザ加工方法。
11. 前記レーザ光と前記反射型回折光学素子に設けられた少なくとも２つ以上の微細パターン領域との相対位置が、前記レーザ光の走査位置により変化する請求項１０に記載のレーザ加工方法。
12. 前記レーザ発振器としてファイバレーザを用いて前記レーザ光を出射する請求項８〜１１のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。

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