JP2020129036A - ポリゴンミラー、導光装置及び光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走査範囲を高速で切換可能で、歪みの少ない走査が可能なポリゴンミラーを提供する。【解決手段】ポリゴンミラーは、回転軸を中心として回転する。ポリゴンミラーの複数の辺のうち２つ以上の辺に、第１反射面と、第２反射面と、がそれぞれ配置される。前記第１反射面は、前記回転軸に垂直な平面に対して傾斜した平面状に形成される。前記第２反射面は、前記回転軸に垂直な平面に対して傾斜した平面状に形成される。当該ポリゴンミラーに入射する光は、前記第１反射面で反射した後、前記第２反射面で反射する。複数の前記辺の間で、前記回転軸に垂直な平面に対して前記第１反射面が傾斜する方向、及び、前記第１反射面と前記第２反射面との間の前記回転軸の方向での距離のうち、少なくとも何れかが異なる。【選択図】図４

Description

本発明は、主として、光走査のために光を偏向させるポリゴンミラーに関する。

従来から、光源からの光をポリゴンミラー等によって導いて、直線状の走査線に沿って走査させる技術が、画像形成装置やレーザ加工装置等において広く利用されている。特許文献１は、ポリゴンミラーを備える光走査装置を開示する。

特許文献１の光走査装置は、投光手段と、光反射手段と、を備えている。投光手段はポリゴンミラーを有しており、所定の方向から入射された光を回転するポリゴンミラーの正多角形の各辺の反射面で反射することにより、当該ポリゴンミラーが回転しながら光を出射する。光反射手段は、投光手段から放射された光を複数の反射部により反射し、所定の走査線上の任意の被照射点に導く。

特許第５４０１６２９号公報

しかし、上記特許文献１の構成は、ポリゴンミラーの１つの辺に相当する光偏向範囲によって、走査線の全体が構成されている。従って、長い走査線を実現しようとすると、光偏向角度範囲をある程度確保する必要があるので、辺の数を多くすることが難しかった。ポリゴンミラーの多角形の辺が少ない場合、多角形の頂点付近で光が反射するときに走査の歪みが大きくなる場合があり、改善が望まれていた。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、走査範囲を高速で切換可能で、歪みの少ない走査が可能なポリゴンミラーを提供することにある。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の第１の観点によれば、以下の構成のポリゴンミラーが提供される。即ち、このポリゴンミラーは、回転軸を中心として回転する。前記ポリゴンミラーの複数の辺のうち２つ以上の辺に、第１反射面と、第２反射面と、がそれぞれ配置される。前記第１反射面は、前記回転軸に垂直な平面に対して傾斜した平面状に形成される。前記第２反射面は、前記回転軸に垂直な平面に対して傾斜した平面状に形成される。当該ポリゴンミラーに入射する光は、前記第１反射面で反射した後、前記第２反射面で反射する。複数の前記辺の間で、前記回転軸に垂直な平面に対して前記第１反射面が傾斜する方向、及び、前記第１反射面と前記第２反射面との間の前記回転軸の方向での距離のうち、少なくとも何れかが異なる。

これにより、ポリゴンミラーが回転するのに応じて、光が出射面で反射する位置（出射位置）が、回転軸方向で不連続的に切り換わる。従って、回転軸方向での出射位置に応じて異なる走査領域に出射光を導くことで、走査領域を高速で切り換えながら複数の領域の走査を行うことができる。逆に言えば、ポリゴンミラーの辺の数を増やして、多数の領域を走査する構成を容易に実現できる。従って、ポリゴンミラーの辺を短くすることができるので、それぞれの走査領域の両端部における走査の歪みを低減することができる。

本発明の第２の観点によれば、以下の構成の導光装置が提供される。即ち、この導光装置は、前記のポリゴンミラーと、第１光反射部と、第２光反射部と、を備える。前記第１光反射部は、前記ポリゴンミラーの複数の前記辺のうち、一方の辺で偏向された光を、第１走査領域に導く。前記第２光反射部は、他方の辺で偏向された光を、前記第１走査領域とは異なる第２走査領域に導く。

これにより、複数の走査領域に光を導くことで、様々な場所の走査を柔軟に行うことができる。それぞれの走査領域での走査の歪みが低減されているので、全体として高品質の走査を行うことができる。

本発明の第３の観点によれば、以下の構成の光走査装置が提供される。即ち、この光走査装置は、前記の導光装置を備える。前記第１光反射部及び前記第２光反射部のそれぞれは、光を反射させる複数の反射面を備える。前記第１光反射部及び前記第２光反射部のそれぞれは、回転する前記ポリゴンミラーから放射される光を２回以上反射して、直線状の走査線に含まれる任意の被照射点に導く。前記ポリゴンミラーへの光の入射位置から前記被照射点までの光路長が、前記走査線における全ての被照射点にわたって略一定である。前記ポリゴンミラーから前記光反射部によって導かれた光の前記走査線上での走査速度が略一定である。

これにより、複数の走査領域を切り換えながら走査することで、全体として長距離の直線走査を実現することができる。ところで、ポリゴンミラーの回転位相が、多角形の頂点に相当する部分に入射光の照射範囲が掛かる回転位相のときは、反射光の光強度が安定せず、事実上、光走査に用いることができない。また、ポリゴンミラーの１辺に対応する出射光の偏向角度範囲を分割して異なる走査領域に導く構成としている場合、その分割の境界に出射光の角度が差し掛かる回転位相のときは、同様に、光走査に用いることができない。この点、上記の構成では、入射光が多角形の頂点に照射されるポリゴンミラーの回転位相と、走査領域の切り換わりに相当するポリゴンミラーの回転位相と、を共通にすることができる。従って、光走査に使うことができないポリゴンミラーの回転位相の範囲が増加しにくくなるので、光を走査のために効率良く用いながら、歪みの少ない走査を実現できる。

本発明によれば、走査範囲を高速で切換可能で、歪みの少ない走査が可能なポリゴンミラーを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の構成を模式的に示す斜視図。 レーザ発振器から照射されたレーザ光がワークに照射されるまでの光路を示す模式図。 ポリゴンミラーの斜視図。 ポリゴンミラーの回転に伴って、レーザ光がポリゴンミラーから出射する出射位置が切り換わる様子を示す斜視図。 ポリゴンミラーの分解斜視図。 ポリゴンミラーの回転によるレーザ光の偏向によって焦点が移動する軌跡である仮想円弧の位置が、第２光案内部によって変換される様子を説明する概念図。 ポリゴンミラーと第２光案内部を示す斜視図。 レーザ光がポリゴンミラーから出射する出射位置の切換により、異なる照射ゾーンにレーザ光が照射されることを説明する模式図。 レーザ光がポリゴンミラーによって反射し、ワークに照射されるまでの光路を簡易的に示す図。 第１変形例のポリゴンミラーの斜視図。 第２変形例のポリゴンミラーの斜視図。 第２変形例のポリゴンミラーに対応する第２光案内部の構成を示す模式図。 第２光案内部を変更した第３変形例を示す模式図。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、レーザ発振器２１から照射されたレーザ光がワーク１０に照射されるまでの光路を示す模式図である。図３は、ポリゴンミラー５の斜視図である。図４は、ポリゴンミラー５の回転に伴って、レーザ光がポリゴンミラー５から出射する出射位置が切り換わる様子を示す斜視図である。図５は、ポリゴンミラー５の分解斜視図である。

図１に示すレーザ加工装置（光走査装置）１００は、レーザ光を用いて走査することによって、当該レーザ光により板状のワーク１０を加工することができる。加工作業は様々に考えられるが、例えば、ワーク１０の切断加工、及び、基板であるワーク１０の表面に成膜された薄膜を除去するパターニング加工等を挙げることができる。

本実施形態のレーザ加工装置１００は、生成したレーザ光（光）をワーク１０上で走査させることで、上記の加工作業を行う。走査とは、レーザ光等の光の照射位置を所定方向で変化させることである。

レーザ加工装置１００は、主として、ワーク搬送装置１と、レーザユニット２と、制御装置３と、を備える。

ワーク搬送装置１は、水平姿勢のワーク１０を所定の方向に一定の速度で搬送する。なお、水平姿勢とは、図１に示すように、ワーク１０の厚み方向を上下方向とした姿勢である。

レーザユニット２は、レーザ光を生成するとともに、当該レーザ光によってワーク１０を走査する。レーザユニット２の詳細な構成は後述する。

制御装置３は、ワーク搬送装置１及びレーザ発振器２１の動作を制御する。制御装置３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマ等からなるコンピュータによって実現される。

次に、レーザユニット２について詳細に説明する。レーザユニット２は、レーザ発振器２１と、導光装置２２と、を備えている。

レーザ発振器２１は、レーザ光の光源として機能する。レーザ発振器２１は、パルス発振により、時間幅が短いパルスレーザを発生する。パルスレーザの時間幅は特に限定されないが、例えばナノ秒オーダー、ピコ秒オーダー、又はフェムト秒オーダー等の短い時間間隔とすることができる。レーザ発振器２１は、連続波発振によりＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーザを発生しても良い。レーザ発振器２１は、レーザ光を導光装置２２に向けて照射する。

導光装置２２は、レーザ発振器２１で発生したレーザ光をワーク１０に導く。導光装置２２は、例えば、レンズ、プリズム等の光学部品から構成されている。

本実施形態の導光装置２２は、図２に示すように、第１光案内部４と、ポリゴンミラー５と、第２光案内部（導光部）６と、を備える。なお、これらの光学部品の少なくとも一部は、導光装置２２の筐体２２ａの内部に配置されている。

第１光案内部４は、レーザ発振器２１が発生したレーザ光をポリゴンミラー５まで導く光学部品から構成されている。第１光案内部４は、レーザ光の光路に沿ってレーザ発振器２１側から順に、導入レンズ４１と、導入プリズム４２と、第１導入ミラー４３と、第２導入ミラー４４と、を備える。

導入レンズ４１は、レーザ発振器２１で生成されたレーザ光を焦点において収束させるために用いられる。導入レンズ４１を通過したレーザ光が、導入プリズム４２、第１導入ミラー４３、第２導入ミラー４４によって、ポリゴンミラー５へ導かれる。

導入プリズム４２、第１導入ミラー４３及び第２導入ミラー４４は、ポリゴンミラー５よりも光路の上流側で、ワーク１０の表面上に焦点を位置させるために必要な光路長を確保するために光路を折り曲げる光学ユニットを構成する。なお、上記の第１光案内部４を構成する光学部品は適宜に省略しても良いし、他のプリズム又はミラーを導入レンズ４１とポリゴンミラー５との間に適宜に追加しても良い。また、導入レンズ４１の位置も、ポリゴンミラー５の前（ポリゴンミラー５よりも光路の上流側）であれば良い。即ち、導入プリズム４２、第１導入ミラー４３及び第２導入ミラー４４のうち、一部又は全てが、導入レンズ４１よりも上流側に配置されても良い。

ポリゴンミラー５は、その中心を通る回転軸５ａを中心として回転可能に取り付けられている。回転軸５ａに沿ってポリゴンミラー５を見たときに、当該ポリゴンミラー５は正多角形状となっている。本実施形態において、ポリゴンミラー５の多角形は、辺の数が１６である１６角形である。ただし、ポリゴンミラー５の辺の数は任意である。

ポリゴンミラー５は、図３に示すように、複数の第１反射面５１と、複数の第２反射面５２と、を備える。具体的には、多角形状に形成されたポリゴンミラー５のそれぞれの辺ごとに、１つの第１反射面５１と、１つの第２反射面５２と、が形成されている。第１反射面５１と第２反射面５２とは、互いに対応するように配置されている。

第１反射面５１及び第２反射面５２は、平面状に形成されている。第１反射面５１は、回転軸５ａの周囲に並べて設けられている。第２反射面５２は、回転軸５ａの周囲に並べて設けられている。

複数の第１反射面５１は何れも、回転軸５ａに垂直な仮想平面に対して傾斜して配置されている。ポリゴンミラー５の多角形が有する辺のうち、周方向で隣り合う任意の２つの辺において、それぞれの第１反射面５１は、逆向きに、かつ、互いに等しい角度（具体的には、４５°）で、回転軸５ａに垂直な仮想平面に対して傾斜している。第１反射面５１が設けられる位置は、ポリゴンミラー５の多角形が有する辺の何れにおいても、回転軸５ａの方向で変化しない。

複数の第２反射面５２は何れも、回転軸５ａに垂直な仮想平面に対して傾斜して配置されている。ポリゴンミラー５の多角形が有する辺のうち、周方向で隣り合う任意の２つの辺において、それぞれの第２反射面５２は、逆向きに、かつ、互いに等しい角度（具体的には、４５°）で、回転軸５ａに垂直な仮想平面に対して傾斜している。周方向で隣り合う任意の２つの辺において、第２反射面５２が設けられる位置は、回転軸５ａの方向で互いに異なっている。

第２反射面５２の位置及び傾斜の向きは、当該辺において第２反射面５２に対応する第１反射面５１の傾斜の向きと対応している。従って、ポリゴンミラー５の多角形の何れの辺においても、第２反射面５２と第１反射面５１とは、Ｖ字をなすように配置される。

第２導入ミラー４４によって導入されたレーザ光（入射光）は、ポリゴンミラー５に対して、回転軸５ａと垂直な方向に、ポリゴンミラー５の中心に向けて照射される。レーザ光が照射される位置は、ポリゴンミラー５の外周面のうち、第１反射面５１が周方向に並んでいる部分である。

例えば図４（ａ）を参照して説明すると、ポリゴンミラー５に入射したレーザ光は、第１反射面５１に当たって反射した後、第２反射面５２に当たって更に反射して、ポリゴンミラー５から出射する。ポリゴンミラー５の多角形のある辺に光が当たっている状態で、ポリゴンミラー５が回転すると、第１反射面５１及び第２反射面５２の向きが連続的に変わるので、第２反射面５２から出射する光の向きが、太線矢印で示す向きで滑らかに変化する。こうして、出射光の偏向が実現される。

第１反射面５１も第２反射面５２も、回転軸５ａに垂直な仮想平面に対する傾斜角度が４５°である。従って、ポリゴンミラー５からの出射光は、回転軸５ａと垂直な仮想平面内で偏向する。また、第１反射面５１及び第２反射面５２の傾斜の向きと、第２反射面５２の位置と、がポリゴンミラー５の多角形の辺ごとに切り換わっている。従って、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、レーザ光がポリゴンミラー５の多角形のどの辺に当たるかに応じて、ポリゴンミラー５からの出射光の出射位置（言い換えれば、出射光の偏向角度範囲を含む平面）が、回転軸５ａの方向で不連続的に切り換わる。図４（ａ）の状態では、出射位置は入射位置よりも回転軸５ａの方向で一側（図４の奥側）にあり、図４（ｂ）の状態では、出射位置は入射位置よりも回転軸５ａの方向で反対側（図４の手前側）にある。何れの状態でも、出射光は、回転軸５ａと垂直な仮想平面内で偏向する。

本実施形態のポリゴンミラー５は、図５に示すように、回転軸５ａの方向に２分割したものを組み合わせて構成される。分割された部品のそれぞれは、互いに同一の形状となっている。分割された部品のそれぞれにおいて、ポリゴンミラー５の多角形の辺の１つおきに、互いに対応する第１反射面５１と第２反射面５２が配置される。これにより、製造が容易になる。ただし、ポリゴンミラー５をどのように製造するかについては限定されない。例えば、ポリゴンミラー５が１つの部品から構成されても良い。

図２に示す第２光案内部６は、ポリゴンミラー５から出射したレーザ光を適宜反射して、ワーク１０の表面に導く。以下では、ワーク１０にレーザ光が照射される点を被照射点と呼ぶことがある。

第２光案内部６は、レーザ光を複数回反射してワーク１０の表面に導くように構成されている。第２光案内部６は、図２に示すように、複数の反射ミラーを有する第１導光ユニット６１と、複数の導光部品を有する第２導光ユニット６２と、を備えている。

第１導光ユニット６１及び第２導光ユニット６２は、ポリゴンミラー５からのレーザ光の出射位置及び偏向角度にかかわらず、ワーク１０の表面までの光路長が略一定に維持されるように配置されている。従って、ポリゴンミラー５の回転位相にかかわらず、レーザ光の焦点がワーク１０の表面近傍に実質的に位置した状態を維持することができる。

以下、第２光案内部６の機能について詳細に説明する。図６は、ポリゴンミラー５の回転によるレーザ光の偏向によって焦点が移動する軌跡である仮想円弧の位置が、第２光案内部６によって変換される様子を説明する概念図である。

第２光案内部６が設けられない場合を仮定すると、ポリゴンミラー５から出射したレーザ光の焦点（レーザ発振器２１から一定距離離れた点）は、図６の上側に描かれた鎖線で示すように、ポリゴンミラー５の回転角が１つの辺に相当する角度だけ変化するのに伴って円弧状の軌跡を描く。この軌跡の中心は、ポリゴンミラー５によってレーザ光を偏向させる偏向中心Ｃである。軌跡の半径は、偏向中心Ｃから焦点までの光路長に相当する。

上述したように、ポリゴンミラー５の多角形のどの辺にレーザ光が当たるかに応じて、ポリゴンミラー５からのレーザ光の出射位置が、回転軸５ａの方向に２段階で切り換わる。従って、図４の上側の円弧状の軌跡は１つに見えるが、実際は、２つの軌跡（仮想円弧ＤＡ１，ＤＡ２）が重なっている。

第２光案内部６は、偏向中心Ｃから焦点までの光路を折り曲げることで、２つの仮想円弧ＤＡ１，ＤＡ２のそれぞれの位置を、ワーク１０上で概ね走査方向に並ぶように変換する。即ち、仮想円弧ＤＡ１，ＤＡ２の位置は、対応する仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２の向きが走査線Ｌとほぼ一致するように、第２光案内部６によって変換される。これにより、位置が変換された２つの仮想円弧ＤＡ１，ＤＡ２の集合体は、走査線Ｌの長さをカバーするように、全体として略直線状に延びる。

このように、第１導光ユニット６１及び第２導光ユニット６２は、ポリゴンミラー５からレーザ光が出射する出射位置が２段階で切り換わることにより生成される２つの仮想円弧ＤＡ１，ＤＡ２の弦ＶＣ１，ＶＣ２が、走査方向と同じ方向となるように（走査方向に並ぶように）、光を複数回反射させる。

このように複数の仮想円弧ＤＡ１，ＤＡ２をそれぞれ異なる位置に変換するには、仮想円弧ＤＡ１，ＤＡ２に応じて、光を異なる向きに反射させる必要がある。この点、上述したように、ポリゴンミラー５からレーザ光が出射する位置は、２つの仮想円弧ＤＡ１，ＤＡ２毎に、回転軸５ａの方向で異なる。従って、円弧毎に光を異なる向きに反射させる構成を、反射ミラー及び導光部品等の機械的な干渉を容易に回避しながら実現することができる。

第２光案内部６により、仮想円弧ＤＡ１，ＤＡ２の両端の２点が走査線Ｌ上に再配置され、仮想円弧ＤＡ１，ＤＡ２（即ち、当該２点を繋ぐ曲線）が、走査線Ｌよりも光軸方向下流側へと再配置される。ポリゴンミラー５の回転に伴って、レーザ光の焦点は、このように位置が変換された円弧ＤＡ１，ＤＡ２に沿って移動する。

円弧の中心角が大きくなければ、仮想円弧ＤＡ１，ＤＡ２は、対応する仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２と近似する。従って、ポリゴンミラー５の回転による焦点の仮想円弧ＤＡ１，ＤＡ２に沿う移動は、走査線Ｌに沿う等速直線運動と実質的に等しいと考えることができる。

以上により、レーザ光の焦点を、ワーク１０の表面近傍で、実質的に直線に沿ってかつ等速で走査することができる。

次に、第１導光ユニット６１及び第２導光ユニット６２について詳細に説明する。図７は、ポリゴンミラー５と第２光案内部６を示す斜視図である。図８は、レーザ光がポリゴンミラー５から出射する出射位置の切換により、異なる照射ゾーンにレーザ光が照射されることを説明する模式図である。図９は、レーザ光がポリゴンミラー５によって反射し、ワーク１０に照射されるまでの光路を簡易的に示す図である。

第１導光ユニット６１は、図７及び図８に示すように、第１反射ミラー６１ａと、第２反射ミラー６１ｂと、を備える。第２導光ユニット６２は、第１導光部品６２ａと、第２導光部品６２ｂと、を備える。第１反射ミラー６１ａと第１導光部品６２ａにより、第１光反射部７１が構成される。第２反射ミラー６１ｂと第２導光部品６２ｂにより、第２光反射部７２が構成される。

第１反射ミラー６１ａ及び第２反射ミラー６１ｂは、ポリゴンミラー５からの出射光の、回転軸５ａの方向での２つの出射位置のそれぞれに対応して設けられている。図７に示すように、第１反射ミラー６１ａ及び第２反射ミラー６１ｂは、ポリゴンミラー５の回転軸５ａの方向で、互いに異なる位置に設けられている。

第１反射ミラー６１ａは、図４（ａ）の太線矢印のように出射光が偏向する角度範囲にわたって、光を第１導光部品６２ａに向けて反射するように配置されている。

第１導光部品６２ａは、第１反射ミラー６１ａに対応して配置されている。第１導光部品６２ａは、第１反射ミラー６１ａから導かれた光を、回転軸５ａの方向にズラしながら反射する。図７では第１導光部品６２ａが簡略化して描かれているが、第１導光部品６２ａは、例えばＶ字状の反射ミラーから構成することができる。

第１導光部品６２ａで反射した光は、第１反射ミラー６１ａと第２反射ミラー６１ｂとの間に配置される仮想平面に沿って導かれて、ワーク１０の仮想弦ＶＣ１の部分に照射される。この仮想弦ＶＣ１に相当する照射ゾーン（第１走査領域）が、図４（ａ）の出射光の偏向角度範囲に対応している。

第２反射ミラー６１ｂは、図４（ｂ）の太線矢印のように出射光が偏向する範囲にわたって、光を第２導光部品６２ｂに向けて反射するように配置されている。

第２導光部品６２ｂは、第２反射ミラー６１ｂに対応して配置されている。第２導光部品６２ｂは、第２反射ミラー６１ｂから導かれた光を、回転軸５ａの方向にズラしながら反射する。図７では第２導光部品６２ｂが簡略化して描かれているが、第２導光部品６２ｂは、例えばＶ字状の反射ミラーから構成することができる。

第２導光部品６２ｂで反射した光は、第１反射ミラー６１ａと第２反射ミラー６１ｂとの間に配置される仮想平面に沿って導かれて、ワーク１０の仮想弦ＶＣ２の部分に照射される。この仮想弦ＶＣ２に相当する照射ゾーン（第２走査領域）が、図４（ｂ）の出射光の偏向角度範囲に対応している。

以上の構成で、ポリゴンミラー５を回転させると、レーザ光の焦点は、２つの照射ゾーンの走査を交互に反復する。具体的には、ポリゴンミラー５のある辺に光が当たっているときは、ポリゴンミラー５からの出射光が第１光反射部７１で反射することで、図８（ａ）の仮想弦ＶＣ１に相当する照射ゾーンの走査が行われる。一方、その隣の辺に光が当たっているときは、ポリゴンミラー５からの出射光が第２光反射部７２で反射することで、図８（ｂ）の仮想弦ＶＣ２に相当する照射ゾーンの走査が行われる。なお、図８においては、ポリゴンミラー５を、光が反射する１辺だけに注目した３角形で簡易的に示している。以上により、全体として、長い走査線Ｌに沿った直線状の走査を実現することができる。

本実施形態の構成では、ポリゴンミラー５を回転させるだけで、出射光の偏向角度が所定の角度範囲の一端から他端まで変化する周期に同期したタイミングで、出射光の出射位置を回転軸５ａの方向で切り換えることができる。従って、回転軸５ａの方向で異なった位置から出射される光をそれぞれ異なる場所に導くことで、照射ゾーンを高速で切り換えることができる。

また、本実施形態では、出射光の出射位置が回転軸５ａの方向で不連続的に変化することを利用して、照射ゾーンの切換を実現している。従って、出射光の偏向角度範囲を（周方向で）分割してそれぞれの光を異なる場所に導くことで照射ゾーンを切り換える場合と比較して、ポリゴンミラー５の１つの辺に相当する出射光の偏向角度範囲を小さくすることができる。即ち、ポリゴンミラー５の辺の数を増やすことができる。

多角柱状のポリゴンミラーで考えると、光がポリゴンミラーに当たって反射する点（反射点）と、ポリゴンミラーの回転軸と、の間の距離は、厳密に考えると一定ではない。ポリゴンミラーの多角形を考えたときに、各辺の２等分点に光が当たるときに、反射点と回転軸との距離は最短となる。光が当たる点が上記の２等分点から辺の端部に近づくに従って、反射点と回転軸との距離が増大する。このように、ポリゴンミラー５の回転に応じて、反射点の位置は周期的に変動する。

この反射点の位置変動は、光路長の変動に繋がる。従って、特にポリゴンミラーの多角形の辺の端部（言い換えれば、頂点）付近に光が当たるときに、走査に歪みが生じる原因となる。

この点、本実施形態のポリゴンミラー５は、上述のように辺の数を増やすことができるので、１つ１つの辺を短くすることができる。この結果、走査に歪みをもたらす反射点の位置変動を小さくすることができる。即ち、ポリゴンミラー５の頂点（稜線）に近い部分にレーザ光が当たる状況での歪みを低減することができる。

更に、本実施形態のポリゴンミラー５では、光が当たる点が当該ポリゴンミラー５の頂点を通過することで、出射光の偏向角度が所定の角度範囲の端から端へ非連続的に移動するのと、出射光の出射位置が回転軸５ａの方向で非連続的に変化して照射ゾーンが切り換わるのと、が同時に行われる。従って、ポリゴンミラー５にレーザ光を照射できないタイミングを実質的に増やさないようにすることができる。

以下、具体的に説明する。レーザ光は無限に細い訳ではなく、ある程度の太さを有している。従って、レーザ光がポリゴンミラー５に当たるとき、その照射領域は、ある程度の面積を持っている。

ポリゴンミラー５は回転するので、レーザ光の照射領域にポリゴンミラー５の頂点（稜線）が含まれるタイミングが繰返し生じる。このタイミングでは、ポリゴンミラー５から出射してワーク１０に照射される光の強度が安定しないため、加工等の作業を良好に行うことができない。従って、このタイミングでは、レーザ光がポリゴンミラー５に入射しないように、レーザ発振器２１からのレーザ光の照射を一時的に中断する。

特許文献１の構成では、ポリゴンミラーの１つの辺による出射光の偏向角度範囲を（周方向で）分割して、分割されたそれぞれの光を異なる照射ゾーンに導いていた。この構成では、レーザ光の照射領域にポリゴンミラー５の頂点が含まれるタイミングだけでなく、偏向角度範囲が分割される境界に出射光が差し掛かるタイミングにおいても、ワーク１０に照射される光の強度が安定しないため、上述と同様にレーザ光を遮断する必要があった。

この点、本実施形態では、レーザ光の照射領域をポリゴンミラー５の頂点が通過するときに、照射ゾーンの切換が同時に行われる。従って、レーザ光を遮断しなければならないタイミングを実質的に増やさずに（特許文献１と同程度の照射率で）、走査の歪みを低減する効果を発揮することができる。

ポリゴンミラー５に照射されるレーザ光の径は、例えば数ミリメートルとすることが考えられる。しかし、例えば焦点において１００分の１ミリメートルオーダーまでレーザ光を絞りたいと考えると、ポリゴンミラー５に照射される時点での径を２０〜３０ミリメートルとしなければならない場合もある。このようにレーザ光の径が大きい場合、ポリゴンミラー５の辺が長くないと、レーザ光を遮断しなければならない時間の割合が増えてしまう。一方で、ポリゴンミラー５の辺を長くすることは、ポリゴンミラー５が大型化する原因となる。この意味で、レーザ光を遮断しなければならないタイミングを増やさないで良い本実施形態の構成は、レーザ光の有効活用とポリゴンミラー５の小型化を両立できる点で有利である。

図９（ａ）には、図７及び図８の構成において、レーザ光がポリゴンミラー５に反射して第１反射ミラー６１ａ又は第２反射ミラー６１ｂに到達するまでの光路が模式的に示されている。図９（ｂ）には、第１反射ミラー６１ａ又は第２反射ミラー６１ｂで反射したレーザ光が、第１導光部品６２ａ又は第２導光部品６２ｂで反射して、ワーク１０に到達するまでの光路が模式的に示されている。

図９（ａ）に示すように、ポリゴンミラー５からのレーザ光の出射位置Ｐ１，Ｐ２は、ポリゴンミラー５へのレーザ光の入射位置Ｑ１に関して対称となるように、回転軸５ａの方向で切り換わる。言い換えれば、回転軸５ａの方向で考えたときに、一方の出射位置Ｐ１から入射位置Ｑ１までの距離と、他方の出射位置Ｐ２から入射位置Ｑ１までの距離と、は等しくなっている。従って、第１導光ユニット６１及び第２導光ユニット６２を対称的に構成することで、レーザ光の出射位置Ｐ１，Ｐ２が回転軸５ａの方向で切り換わっても、ワーク１０に到達するまでの光路長が概ね変化しないようにすることが容易である。従って、簡素な構成で、歪みの少ない走査を実現できる。

以上に説明したように、本実施形態のポリゴンミラー５は、回転軸５ａを中心として回転する。ポリゴンミラー５の複数の辺のうち２つ以上の辺に、第１反射面５１と、第２反射面５２と、がそれぞれ配置される。第１反射面５１は、回転軸５ａに垂直な仮想平面に対して傾斜した平面状に形成される。第２反射面５２は、回転軸５ａに垂直な仮想平面に対して傾斜した平面状に形成される。ポリゴンミラー５に入射する光は、第１反射面５１で反射した後、第２反射面５２で反射する。複数の辺の間で、回転軸５ａに垂直な仮想平面に対して第１反射面５１が傾斜する方向が異なる。

これにより、ポリゴンミラー５が回転するのに応じて、光がポリゴンミラー５から出射する位置（出射位置）が、回転軸５ａの方向で不連続的に切り換わる。従って、回転軸５ａの方向での出射位置に応じて異なる走査領域に出射光を導くことで、走査領域を高速で切り換えながら複数の領域の走査を行うことができる。逆に言えば、ポリゴンミラー５の辺の数を増やして、多数の領域を走査する構成を容易に実現できる。従って、ポリゴンミラー５の辺を短くすることができるので、それぞれの走査領域の両端部における走査の歪みを低減することができる。

また、本実施形態のポリゴンミラー５において、複数の辺に、回転軸５ａに垂直な仮想平面に対して第１反射面５１が傾斜する方向が逆である２つの辺が含まれている。前記２つの辺の一方と、他方との間で、第１反射面５１と第２反射面５２との間の回転軸５ａの方向での距離が等しい。

これにより、ポリゴンミラー５からの出射位置が回転軸５ａの方向で切り換わっても、出射後の光をそれぞれの走査領域に導く構成を対称的とすることで、光路長の変動を小さくすることができる。従って、高品質の走査を実現することができる。

また、本実施形態の導光装置２２は、ポリゴンミラー５と、第１光反射部７１と、第２光反射部７２と、を備える。第１光反射部７１は、ポリゴンミラー５の複数の辺のうち一方の辺で偏向された光を、図８（ａ）に示すように、仮想弦ＶＣ１に対応する走査領域に導く。第２光反射部７２は、ポリゴンミラー５の他方の辺で偏向された光を、図８（ｂ）に示すように、仮想弦ＶＣ２に対応する走査領域に導く。

これにより、複数の走査領域に光を導くことで、様々な場所の走査を柔軟に行うことができる。それぞれの走査領域での走査の歪みが低減されているので、全体として高品質の走査を行うことができる。

また、本実施形態のレーザ加工装置１００は、導光装置２２を備える。第１光反射部７１及び第２光反射部７２のそれぞれは、光を反射させる複数の反射面を備える。第１光反射部７１及び第２光反射部７２は、回転するポリゴンミラー５から放射される光を複数回反射して、直線状の走査線Ｌに含まれる任意の被照射点に導く。ポリゴンミラー５への光の入射位置から被照射点までの光路長が、走査線Ｌにおける全ての被照射点にわたって略一定である。ポリゴンミラー５から第１光反射部７１及び第２光反射部７２によって導かれた光の走査線Ｌ上での走査速度が略一定である。

これにより、複数の走査領域を切り換えながら走査することで、全体として長距離の直線走査を実現することができる。ところで、ポリゴンミラーの回転位相が、多角形の頂点に相当する部分に入射光の照射範囲が掛かる回転位相のときは、反射光の光強度が安定せず、事実上、光走査に用いることができない。また、ポリゴンミラーの１辺に対応する出射光の偏向角度範囲を分割して異なる照射ゾーンに導く構成としている場合、その分割の境界に出射光の角度が差し掛かる回転位相のときは、同様に、光走査に用いることができない。この点、本実施形態の構成では、入射光が多角形の頂点に照射されるポリゴンミラー５の回転位相と、照射ゾーンの切り換わりに相当するポリゴンミラー５の回転位相と、を共通にすることができる。従って、光走査に使うことができないポリゴンミラー５の回転位相の範囲が増加しにくくなるので、光を走査のために効率良く用いながら、歪みの少ない走査を実現できる。

次に、上記ポリゴンミラー５の複数の変形例を説明する。なお、本変形例以降の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

図１０に示す第１変形例のポリゴンミラー５ｘは、回転軸５ａの方向で見たとき、正１２角形となるように構成されている。それぞれの辺に、第１反射面５１と第２反射面５２とが配置されている。本変形例のポリゴンミラー５ｘでは、回転軸５ａに垂直な仮想平面に対して第１反射面５１が傾斜する方向は、全ての辺において同じである。また、回転軸５ａに垂直な仮想平面に対して第２反射面５２が傾斜する方向も、全ての辺において同じである。周方向で隣り合う任意の２つの辺において、第２反射面５２が設けられる位置は、回転軸５ａの方向で互いに異なっている。従って、隣り合う２つの辺の間で、第１反射面５１と第２反射面５２との間の回転軸５ａの方向での距離が異なっている。

本変形例においても、ポリゴンミラー５ｘに入射したレーザ光は先ず第１反射面５１で反射し、その後、第２反射面５２で反射して、ポリゴンミラー５ｘから出射する。ポリゴンミラー５ｘからレーザ光が出射する出射位置は、レーザ光がポリゴンミラー５ｘの何れの辺に当たるかに応じて、回転軸５ａの方向で、２段階で切り換わる。

本変形例のポリゴンミラー５ｘは、図３のポリゴンミラー５と異なり、２つの出射位置と入射位置との関係が非対称的である。従って、本変形例のポリゴンミラー５ｘでは、出射位置が切り換えられるのに応じて、ポリゴンミラー５ｘに入射してから出射するまでの光路長が多少変化する。しかしながら、この光路長の差は、第２光案内部６の反射ミラー等の位置を適宜調整することにより相殺することができる。

このように、本変形例のポリゴンミラー５ｘにおいては、当該ポリゴンミラー５ｘの多角形の複数の辺に、回転軸５ａに垂直な仮想平面に対して第１反射面５１が傾斜する方向が同じである２つの辺が含まれている。周方向で隣り合う２つの辺の一方と、他方との間で、第１反射面５１と第２反射面５２との間の距離が異なる。

これにより、簡単な構成で、ポリゴンミラー５ｘからレーザ光が出射する位置の切換を実現することができる。

図１１に示す第２変形例のポリゴンミラー５ｙは、回転軸５ａの方向で見たとき、正３２角形となるように構成されている。本変形例のポリゴンミラー５ｙでは、図３のポリゴンミラー５における第１反射面５１の傾斜の向きの切換と、図１０のポリゴンミラー５ｘにおける第１反射面５１と第２反射面５２との距離の切換と、を組み合わせて、レーザ光の出射位置を回転軸５ａの方向で４段階に切換可能としたものである。ポリゴンミラー５ｙの回転に伴って、レーザ光の出射位置は、４つの位置の間で循環的に切り換わる。

このポリゴンミラー５ｙを用いる場合、第２光案内部６は図１２に示すように、４つの出射位置で偏向する出射光を、対応する４つの照射ゾーンに導くように構成することができる。このために、第１導光ユニット６１は、第１反射ミラー６１ａと、第２反射ミラー６１ｂと、第３反射ミラー６１ｃと、第４反射ミラー６１ｄと、を備える。第２導光ユニット６２は、第１導光部品６２ａと、第２導光部品６２ｂと、第３導光部品６２ｃと、第４導光部品６２ｄと、を備える。

次に、第２光案内部６に関する変形例を説明する。

ポリゴンミラー５の１辺に相当する偏向角度範囲（言い換えれば、仮想円弧ＤＡ１，ＤＡ２）のそれぞれを周方向で分割して、分割後の円弧が走査線Ｌ上に並ぶように第２光案内部６を構成することもできる。この変形例の構成が、図１３に示されている。

図１３の変形例では、回転軸５ａの方向で２つある出射位置のそれぞれについて、出射光の偏向角度範囲が２つに分割されている。この分割は、レーザ光の偏向範囲の一部だけに対応するように反射ミラー等を配置することで実現することができる。これにより、計４つの照射ゾーン（仮想弦ＶＣ１〜ＶＣ４に対応する照射ゾーン）に、レーザ光が導かれている。

仮想円弧を分割して短くすることで、それぞれの円弧が、直線に対して更に良好に近似するようになる。従って、走査の歪みを低減することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態及び変形例を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

ポリゴンミラー５，５ｘ，５ｙの多角形の辺の数は、任意に変更することができる。

ポリゴンミラー５，５ｘ，５ｙからの光の出射位置を、２段階でも４段階でもなく、例えば３段階、８段階等で切り換えるように変更することもできる。

第１反射面５１及び第２反射面５２を、プリズムを用いて実現することもできる。同様に、第２導光部品６２ｂを、プリズムを用いて実現することもできる。

ワーク搬送装置１を省略しても良い。即ち、固定されたワーク１０に対して、レーザユニット２の位置を調整しながら、レーザ加工を行っても良い。

ポリゴンミラー５，５ｘ，５ｙによる光走査は、レーザ加工以外の用途に用いられても良い。

５，５ｘ，５ｙ ポリゴンミラー
５ａ 回転軸
６ 第２光案内部
２２ 導光装置
５１ 第１反射面
５２ 第２反射面
７１ 第１光反射部
７２ 第２光反射部
１００ レーザ加工装置（光走査装置）

Claims (5)

1. 回転軸を中心として回転するポリゴンミラーにおいて、
   複数の辺のうち２つ以上の辺に、
   前記回転軸に垂直な平面に対して傾斜した平面状に形成された第１反射面と、
   前記回転軸に垂直な平面に対して傾斜した平面状に形成された第２反射面と、
   がそれぞれ配置され、
   当該ポリゴンミラーに入射する光は、前記第１反射面で反射した後、前記第２反射面で反射し、
   複数の前記辺の間で、前記回転軸に垂直な平面に対して前記第１反射面が傾斜する方向、及び、前記第１反射面と前記第２反射面との間の前記回転軸の方向での距離のうち、少なくとも何れかが異なることを特徴とするポリゴンミラー。
2. 請求項１に記載のポリゴンミラーであって、
   複数の辺に、前記回転軸に垂直な平面に対して前記第１反射面が傾斜する方向が逆である２つの辺が含まれており、
   前記２つの辺の一方と、他方との間で、前記第１反射面と前記第２反射面との間の前記回転軸の方向での距離が等しいことを特徴とするポリゴンミラー。
3. 請求項１又は２に記載のポリゴンミラーであって、
   複数の辺に、前記回転軸に垂直な平面に対して前記第１反射面が傾斜する方向が同じである２つの辺が含まれており、
   前記２つの辺の一方と、他方との間で、前記第１反射面と前記第２反射面との間の距離が異なることを特徴とするポリゴンミラー。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載のポリゴンミラーと、
   前記ポリゴンミラーの複数の前記辺のうち、一方の辺で偏向された光を、第１走査領域に導く第１光反射部と、
   他方の辺で偏向された光を、前記第１走査領域とは異なる第２走査領域に導く第２光反射部と、
   を備えることを特徴とする導光装置。
5. 請求項４に記載の導光装置を備え、
   前記第１光反射部及び前記第２光反射部のそれぞれは、光を反射させる複数の反射面を備え、
   前記第１光反射部及び前記第２光反射部のそれぞれは、回転する前記ポリゴンミラーから放射される光を２回以上反射して、直線状の走査線に含まれる任意の被照射点に導き、
   前記ポリゴンミラーへの光の入射位置から前記被照射点までの光路長が、前記走査線における全ての被照射点にわたって略一定であり、
   前記ポリゴンミラーから前記第１光反射部及び前記第２光反射部によって導かれた光の前記走査線上での走査速度が略一定であることを特徴とする光走査装置。

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