JP3935735B2 - レーザ加工装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、第1の偏向手段により偏向させたレーザ光をさらに第2の偏向手段により偏向させて集光レンズに入射させ、レーザ光をワーク上に集光させて穴加工や切断等を行うレーザ加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
fθレンズによりレーザ光を集光するようにした従来のレーザ加工装置では、レーザ光の偏向手段を偏向角が大きいミラーとして、レーザ光の入射角を制御している。しかし、ミラーを機械的に回動させるため、偏向角を大きくすると応答速度が遅くなり、加工速度を向上させることができない。
【0003】
ところで、応答速度が速い偏向手段として音響光学素子が知られているが、音響光学素子の偏向角は小さい。
【0004】
そこで、特開平9−4363号公報では、レーザ光を分割し、分割したレーザ光をそれぞれ音響光学素子を用いて偏向させることにより、必要とする範囲をカバーするようにして、加工速度を向上させている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多数の音響光学素子が必要になるため、装置構成が複雑になると共に価格が高くなった。
【0006】
また、音響光学素子の偏向角は光の波長と素子材質に強く依存し、発熱などの外乱により素子特性が変動して照射位置が不安定になることがあった。
【0007】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、装置構成が簡単で価格が安く、かつ加工能率および加工精度を向上させることができるレーザ加工装置を提供するにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、第1の偏向手段により第1の方向に偏向させたレーザ光を、第2の偏向手段により前記第1の方向と異なる第2の方向に偏向させてfθレンズに入射させ、前記レーザ光を集光して加工をするレーザ加工装置において、第1のビーム径変換光学系と、第2のビーム径変換光学系と、を設け、前記第1のビーム径変換光学系を前記レーザ光の光源と前記第1の偏向手段との間に配置し、前記第2のビーム径変換光学系を前記第2の偏向手段と前記fθレンズとの間に配置する、ことを特徴とする。
【0009】
この場合、前記第1と第2の偏向手段の偏向角が小さい場合には、前記レーザ光を第3の方向に偏向させる第3の偏向手段と、前記レーザ光を前記第3の方向と異なる第4の方向に偏向させる第4の偏向手段と、を設け、前記第3の偏向手段と前記第4の偏向手段を、前記第2のビーム径変換光学系と前記fθレンズとの間に直列に配置する、と効果的である。
【0010】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【0011】
図1は本発明の第1の実施形態に係るレーザ加工機の構成図である。
【0012】
レーザ発振器1の光路上には、ミラー2、アパーチャ3、ビーム径拡大光学系5、高速偏向光学系4、ビーム径縮小光学系10、スキャナ13、スキャナ16、fθレンズ19および加工対象20が配置されている。
【0013】
ビーム径拡大光学系5は、レンズ6とレンズ7とから構成され、レーザ光のビーム径を拡大する機能を備えている。
【0014】
高速偏向光学系4は音響光学素子8と音響光学素子9とから構成され、音響光学素子8はXY面内で、音響光学素子9はXZ面内で、それぞれレーザ光を偏向させる。
【0015】
ビーム径縮小光学系10は、レンズ11とレンズ12とから構成され、レーザ光のビーム径を縮小する機能を備えている。また、後述するように、ビーム径縮小光学系10は音響光学素子8、9の像をミラー15、18の近傍に結像させる機能も供えている。
【0016】
スキャナ13は、回動軸が紙面に垂直なモータ14により、ミラー15を任意の角度に位置決めする。ミラー15の反射面は、モータ14の回転軸の軸線を含むようにして形成されている。スキャナ16は、回動軸が紙面と平行なモータ17により、ミラー18を任意の角度に位置決めする。ミラー18の反射面は、モータ17の回転軸の軸線を含むようにして形成されている。そして、ミラー15とミラー18は、それぞれfθレンズ19からの距離がほぼfθレンズの焦点距離fになるように近接して配置されている。
【0017】
fθレンズ19は、予め設定したfθレンズの光軸上の1点(以下、「設計上の偏向点」という。)を通り光軸に対する角度がθのレーザ光を集光して、光軸からfθの位置(ただし、fはfθレンズの焦点距離である。)の加工面に垂直に入射させる。なお、レーザ光が光軸と交差する位置が設計上の偏向点からずれた場合、集光位置は光軸からfθの位置の加工面になるが、集光されたレーザ光は加工面に対して斜めに入射する。
【0018】
加工対象20は、XY方向に移動自在のXYステージ21に載置されている。
【0019】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
【0020】
ミラー15、18の角度を加工位置によって定まる偏向角に合わせた後、レーザ発振器1を動作させる。レーザ発振器1から出力されたレーザ光は、ミラー2で反射されてアパーチャ3を照射する。アパーチャ3を通過したレーザ光は、ビーム径拡大光学系5、高速偏向光学系4、ビーム径縮小光学系10、スキャナ13、16を経てfθレンズ19に入射し、加工対象20の表面に集光されて(アパーチャ3の像が結像されて)、加工対象20を加工する。そして、次の加工位置が音響光学素子8、9の偏向角内である場合には、ミラー15、18の角度をそのままにした状態で音響光学素子8、9を動作させ、レーザ発振器1を動作させる。なお、後述するように、この実施形態では、音響光学素子8、9の偏向角を光学的に増幅することができるので、ミラー15、18の位置決め回数を減らすことができる。以下、同様にして、fθレンズ19の大きさで定まる加工領域内の加工を行う。そして、当該加工領域内の加工が終了した後、XYステージ21を移動させ、次の加工領域をfθレンズ19に対して位置決めする。
【0021】
次に、高速偏向光学系4(音響光学素子8、9)の偏向角を増幅することができる理由について説明する。
【0022】
図2は、図1におけるビーム径縮小光学系の近傍を示す図である。
【0023】
ビーム拡大光学系5によってビーム径を拡大されたレーザ光は、音響光学素子8の偏向点Aにおいてレンズ11の光軸Oに対して偏向角αで偏向される。そして、ビーム径縮小光学系10により光路を曲げられ、偏向角βで光軸Oに交差する。すなわち、レーザ光を一旦ビーム径拡大光学系5により拡大し、ビーム径縮小光学系10により縮小することにより、音響光学素子8の偏向角をビーム径縮小光学系10の縮小率の逆数倍に増幅することができる。また、音響光学素9の偏向角も同様の理由により、増幅することができる。
【0024】
ここで、ビーム径縮小光学系10のレンズ11、12を凸レンズにすると、音響光学素子8、9の偏向点を設計上の偏向点付近に結像させることができるので、加工形状に優れる穴を加工することができる。
【0025】
そして、ビーム径縮小光学系10により、音響光学素子8、9(偏向点)の結像位置での距離は、音響光学素子8、9間の実際の距離より縮小されるので、設計上の偏向点により接近させることができる。
【0026】
そして、ビーム径縮小光学系10からより遠い位置にある音響光学素子8は、音響光学素子9よりもビーム径縮小光学系10により近い位置に結像される。そこで、音響光学素子8の像が偏向方向が同一(紙面と平行の方向)のミラー15上に、また、音響光学素子9を偏向方向が同一(紙面と垂直の方向)のミラー18上に結像するように、音響光学素子8、9を位置決めすると、同一方向のスキャニングにおいて、偏向角に対する加工点の移動距離を音響光学素子と機械的スキャナとで同じに設定することができる。すなわち、レーザ光を次の加工位置に移動させる場合、図2に示おける現在の偏向角βを次の偏向角γに変えてもよいし、ミラー15の角度を現在の角度からβ−γだけ回転させてもよいので、位置決め制御が容易になる。
【0027】
以上説明したように、この実施形態では、偏向角は小さいが応答速度が速い高速偏向光学系4と、偏向角は大きいが応答速度が遅いスキャナ13、16を組み合わせてレーザ光を偏向するようにしたので、スキャナ13、16だけでレーザ光を偏向する場合に比べて加工速度を向上させることができる。そして、この実施形態では、音響光学素子8、9自体の偏向角を拡大することができるので、スキャナ13、16の位置決め回数を減らすことが可能になり、さらに加工速度を向上させることができる。
【0028】
なお、ビーム径縮小光学系10とビーム径拡大光学系5は、ケプラー型(凸レンズ2枚の組み合わせ)、ガリレオ型(凸レンズと凹レンズまたは凹レンズと凸レンズの組み合わせ)のいずれであってもよいが、高速偏向光学系4の偏向点を設計上の偏向点位置付近に結像させるためには、ビーム径縮小光学系10をケプラー型にするとよい。
【0029】
また、本発明は、アパーチャの像を加工対象に結像させる転写型のレーザ加工装置だけでなく、アパーチャを使用しないで平行光を集光する(無限遠の点光源を結像させる)ようにしたレーザ加工装置にも適用することができる。
【0030】
なお、音響光学素子8、9の偏向角が大きい場合は、図3に示すように、スキャナ13、16に代えて固定ミラー2A、2Bを配置してもよいし、ビーム縮小光学系10から出射されたレーザ光を直接fθレンズ19に入射させてもよい。
【0031】
この場合、機械的可動部がないので、加工速度を速くすることができる。
【0032】
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。
【0033】
図4は、本発明の第2の実施形態に係るレーザ加工機の要部構成図であり、高速偏向光学系4に関するビーム径拡大光学系5とビーム径縮小光学系10の位置を、上記第1の実施形態の場合と逆にしたものである。
【0034】
この実施形態の場合、音響光学素子8、9の偏向角は縮小倍率に応じて縮小される結果、加工範囲は小さくなる。しかし、偏向角が大きい音響光学素子を用いる場合、温度変化等の外乱の影響を小さく抑えることができるので、加工精度を向上させることができる。
【0035】
さらに要求される加工精度と加工範囲によっては、ビーム径拡大光学系とビーム径縮小光学系を焦点距離の等しい2つのレンズからなるビーム径等倍光学系とすることもできる。
【0036】
また、上記では音響光学系8と、スキャナ13および音響光学素子9と、スキャナ15の偏向方向を同一にしたが、異なる方向にしてもよい。
【0037】
なお、上記では、高速偏向光学系を2個の音響光学素子で構成したが、以下の構成にすることもできる。
【0038】
図5は、他の高速偏向光学系の構成図である。
【0039】
同図において、高速偏向光学系51は、ホルダ50と、高速微小偏向機構52と、高速微小偏向機構53とから構成されている。高速微小偏向機構52と高速微小偏向機構53は構成が同じである。
【0040】
L字形のミラー台57は、弾性のある材質(例えば、合成樹脂)で形成されており、一端がベース55に固定されている。ミラー台57の他端とベース55との間には圧電素子56が配置されている。ミラー58は、ミラー台57の圧電素子56と反対側の面に固定されている。したがって、圧電素子56に印加する電圧の値を変えると、圧電素子56が伸縮し、これに伴ってミラー台57の角度が変化するので、ミラー58の角度を変えることができる。そして、ベース55はミラー58の反射面がYZ面に対して45度になるようにしてホルダ50に固定されている。
【0041】
また、高速微小偏向機構53のベース59はミラー62の反射面がXZ面に対して45度になるようにして、ホルダ50に固定されている。
【0042】
以上の構成であるから、加工位置に応じてミラー62、58を位置決めし、ビーム径拡大光学系5(またはビーム径縮小光学系10)から出射されたレーザ光を、ミラー62によりYZ面内で、またミラー58によりXZ面でそれぞれ偏向させた後、ビーム径縮小光学系10(またはビーム径拡大光学系5)に入射させることができる。
【0043】
圧電素子の応答速度は速いので、音響光学素子の場合と同様に、加工速度を向上させることができる。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第1の偏向手段によ第1の方向に偏向させたレーザ光を、第2の偏向手段により前記第1の方向と異なる第2の方向に偏向させてfθレンズに入射させ、前記レーザ光を集光して加工をするレーザ加工装置において、第1のビーム径変換光学系と、第2のビーム径変換光学系と、を設け、前記第1のビーム径変換光学系を前記レーザ光の光源と前記第1の偏向手段との間に配置し、前記第2のビーム径変換光学系を前記第2の偏向手段と前記fθレンズとの間に配置するので、第1と第2の偏向手段の偏向角が小さい場合でも、加工範囲を広くすることができる。そして、第1と第2の偏向手段を、例えば応答速度が速い音響光学素子にすると、装置構成が簡単で価格が安く、かつ加工能率および加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るレーザ加工機の構成図である。
【図2】図1におけるビーム径縮小光学系の近傍を示す図である。
【図3】本発明の第1の実施形態の変形例を示す図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係るレーザ加工機の要部構成図である。
【図5】他の高速偏向光学系の構成図である。
【符号の説明】
1 レーザ発振器
2 ミラー
3 アパーチャ
5 ビーム径拡大光学系
7,12 レンズ
8,9 音響光学素子
10 ビーム径縮小光学系
13,16 スキャナ
14,17 モータ
15、18 ミラー
19 fθレンズ
Claims (5)
- 第1の偏向手段により第1の方向に偏向させたレーザ光を、第2の偏向手段により第1の方向と異なる第2の方向に偏向させてfθレンズに入射させ、前記レーザ光を集光して加工をするレーザ加工装置において、
第1のビーム径変換光学系と、第2のビーム径変換光学系と、を設け、
前記第1のビーム径変換光学系を前記レーザ光の光源と前記第1の偏向手段との間に配置し、
前記第2のビーム径変換光学系を前記第2の偏向手段と前記fθレンズとの間に配置する、ことを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記レーザ光を第3の方向に偏向させる第3の偏向手段と、
前記レーザ光を前記第3の方向と異なる第4の方向に偏向させる第4の偏向手段と、
を設け、
前記第3の偏向手段と前記第4の偏向手段を、
前記第2のビーム径変換光学系と前記fθレンズとの間に直列に配置する、ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。 - 前記第2のビーム径変換光学系が2枚の凸レンズで構成されている、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ加工装置。
- 前記第2のビーム径変換光学系により、前記第1の偏向手段の偏向点が前記第3の偏向手段の偏向点に、前記第2の偏向手段の偏向点が前記第4の偏向手段の偏向点にそれぞれ結像する位置に前記第1及び第2の偏向手段をそれぞれ配置する、ことを特徴とする請求項2に記載のレーザ加工装置。
- 前記第1のビーム径変換光学系をビーム径拡大光学系とし、前記第2のビーム径変換光学系をビーム径縮小光学系とする、ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のレーザ加工装置。
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