JP5997522B2 - Optical scanning apparatus and laser processing apparatus - Google Patents

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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。   The present invention relates to an optical scanning device that scans laser light along a scanning line, and a laser processing device including such an optical scanning device, and in particular, is set on a workpiece after reflecting the angularly moving laser light. The present invention relates to an optical scanning device configured to scan a laser beam along a scanning line.

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。   In a thin film solar cell manufacturing factory, a laser processing apparatus may be used to perform patterning on a workpiece (an intermediate product of a solar cell) formed by forming a semiconductor film on one side of a glass substrate. In patterning using a laser processing apparatus, laser light is scanned along a linear scanning line set on a workpiece, and a thin film layer of the workpiece is partially peeled off along the scanning line. Thus, in the patterning process, a plurality of linear grooves are formed on one side of the workpiece.

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。   A laser processing apparatus for patterning includes an optical scanning device that scans laser light from a laser oscillator along a scanning line. In general, an optical scanning device includes a deflector that reflects laser light from a laser oscillator at a deflection center and angularly moves around the deflection center at a constant speed.

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。   When scanning a laser beam along a linear scanning line using a deflector, the laser beam continues to be focused as much as possible on the scanning line, both the deflection speed and the scanning speed are constant, and the laser light It is required that the angle of incidence on the workpiece is as vertical as possible. In the patterning processing application, if these are not ensured, processing unevenness becomes obvious, and therefore, countermeasures are particularly required. As an optical element for solving these problems, an fθ lens is well known. However, since the fθ lens is expensive and difficult to enlarge, it is very difficult to apply the fθ lens to a laser processing apparatus for patterning. It is.

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。   Therefore, an optical scanning device configured to reflect the laser beam from the deflector with a mirror and guide it to the workpiece has been proposed (for example, see Patent Document 1). In Patent Document 1, a polygon mirror is applied to a deflector, and the mirror is disposed on the side opposite to the workpiece as viewed from the polygon mirror. The laser beam from the polygon mirror is first directed to the side opposite to the workpiece, then reflected by the mirror and then incident on the workpiece.

特開2011−000625号公報JP2011-000625A

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。   When the mirror is applied in this way, when the optical scanning device is projected onto the orthogonal plane of the rotation axis of the polygon mirror in the direction of the rotation axis of the polygon mirror, the optical path of the laser beam from the mirror to the workpiece passes through the polygon mirror. Naturally, since the optical path cannot interfere with the polygon mirror, in order to realize an optical scanning device to which the mirror is applied, the laser beam passes on a plane inclined with respect to the orthogonal plane, and the polygon is mirrored. Mirrors and mirrors must be placed. However, in placing the optical element, not only the position in the two axial directions defining the orthogonal plane, but also the position in the axial direction perpendicular to the plane and the posture around the two axes defining the orthogonal plane. Must be managed, and the work of arranging the elements becomes extremely complicated.

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。   In particular, in a laser processing apparatus for patterning processing, since the tolerance on the optical arrangement is too small compared to the size of the apparatus, there is a strong demand for a method for realizing the optical arrangement with ease and high accuracy. Moreover, the above problem becomes more prominent when the number of mirrors is increased.

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。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical scanning device and a laser processing apparatus equipped with the optical scanning device so that optical devices constituting the optical scanning device can be easily and accurately arranged.

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。   The present invention has been made to achieve the above object. An optical scanning device according to the present invention includes a light projecting unit that emits light while angularly moving the light, and one or more reflecting units that reflect the light emitted from the light projecting unit and guide the light onto a predetermined scanning line. And at least one of the one or more reflecting portions includes a right-angle prism having a hypotenuse surface, a first boundary surface, and a second interface surface, and light incident on the right-angle prism passes through the hypotenuse surface. Reflected by the first boundary surface, reflected by the second boundary surface, passed through the hypotenuse surface, emitted from the right-angle prism, and projected onto a plane through which the rotation axis of the angular movement of light in the light projecting unit passes. In this case, the incident light path to the right-angle prism is parallel to the output light path from the right-angle prism.

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。   According to the above configuration, the incident optical path and the outgoing optical path need not have a component in the direction in which the rotation axis extends. Therefore, the alignment operation of the incident optical path and the outgoing optical path is simplified, and as a result, the alignment operation of the device constituting the reflecting portion can be performed easily and with high accuracy.

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。   The light projecting unit has a reflective deflecting unit that reflects and deflects light, and includes a deflector that emits light while rotating the light from the reflective deflecting unit by rotation, and the reflective deflecting unit of the deflector also includes A right-angle prism having a hypotenuse surface, a first boundary surface, and the second boundary surface may be provided.

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。   According to the said structure, a light projection part can also be arrange | positioned simply and with high precision, and an optical scanning device can be manufactured still more easily.

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。   The right-angle prism is applied to each of the light projecting section and the one or more reflection sections, and the oblique sides of the right-angle prism are arranged in parallel to each other, and the light projection section and the one or more reflection sections are arranged. The parts may be arranged away from each other in the direction of the rotation axis.

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。   According to the said structure, all the light projection parts and the reflection parts can be arrange | positioned simply and with high precision, Furthermore, the optical path which goes to a light projection part, the optical path which goes to a reflection part from a light projection part, and reflection parts go back and forth. It is possible to prevent the optical path from the reflection part and the optical path from the reflection part to the scanning line from interfering with devices constituting the light projection part and the reflection part.

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。   The angle formed by the oblique side surface and the first boundary surface, and the angle formed by the oblique side surface and the second boundary surface may be 45 degrees.

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。   According to the above configuration, it is possible to easily realize the arrangement of the incident optical path and the outgoing optical path as described above.

前記直角プリズムの臨界角は45度以下であってもよい。   The right angle prism may have a critical angle of 45 degrees or less.

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。   According to the above configuration, since the light can be totally reflected at the first boundary surface and the second boundary surface, the reflection portion can be prevented from being damaged by the energy of the light, and in the vicinity of the scanning line. The energy of light can be kept high.

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。   A laser processing apparatus according to the present invention includes the above-described optical scanning device, and processes a workpiece with the laser light from the optical scanning device to form a groove along the scanning line in the workpiece. According to such a laser processing apparatus, since the apparatus which comprises an optical scanning device can be arrange | positioned simply and with high precision, a laser processing apparatus can be manufactured simply and operation reliability of a laser processing apparatus Can be high.

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。   As is apparent from the above description, according to the present invention, in providing an optical scanning device and a laser processing apparatus including the optical scanning device, it is possible to easily and accurately arrange optical devices constituting the optical scanning device. .

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。1 is a perspective view schematically showing a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention. 図1に示す光走査部の概要構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the schematic structure of the optical scanning part shown in FIG. 図2に示すポリゴンミラーの斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the polygon mirror shown in FIG. 2. 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。FIG. 3 is a conceptual diagram of an optical scanning head in which the polygon mirror, the primary light reflecting portion, and the secondary light reflecting portion shown in FIG. 2 are projected onto a plane through which the rotation axis of the polygon mirror passes. 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。It is a conceptual diagram which shows the positional relationship of the deflection | deviation center shown in FIG. 2, a primary light reflection part, a secondary light reflection part, and a scanning line.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals throughout all the drawings, and detailed description thereof is omitted. In the following description, the case where the laser processing apparatus 1 is used for patterning, which is one of the manufacturing processes of a thin film solar cell, and the workpiece 90 is an intermediate product of the thin film solar cell will be exemplified. The workpiece 90 is manufactured by forming a semiconductor thin film layer 92 on one surface of a substrate 91.

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。   In the following description, for convenience of explanation, of the two surfaces of the plate-like or sheet-like workpiece 90, the surface 90a on the side where the thin film layer 92 is formed is referred to as a “first surface” and vice versa. The side surface 90b is referred to as a “second surface”. The first surface 90 a of the work 90 is formed by the surface of the thin film layer 92, and the second surface 90 b of the work 90 is formed by the surface opposite to the one surface of the substrate 91.

[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。
[First Embodiment]
(Laser processing equipment)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a laser processing apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the laser processing apparatus 1 has a support portion 2 and an optical scanning portion 3. The support unit 2 has a function of supporting at least the workpiece 90. For example, the workpiece 90 is supported in a horizontal posture. The support unit 2 may further have a function of transporting in one horizontal direction while supporting the workpiece 90.

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。   The optical scanning unit 3 includes a laser oscillator 4 and an optical scanning head 5. The laser oscillator 4 sequentially oscillates pulsed laser light at a frequency in the order of kilohertz to megahertz, and emits the generated laser light to the optical scanning head 5. The optical scanning head 5 deflects the laser light from the laser oscillator 4 and irradiates the workpiece 90 with the laser light that is angularly moved. The laser beam from the optical scanning unit 3 (optical scanning head 5) is scanned linearly on the workpiece 90. As a result, the portion of the thin film layer 92 along the scanning line of the laser beam (see the one-dot chain line in FIG. 1) is peeled off from the substrate 91, and a linear groove (see the thick line in FIG. 1) is formed in the work 90. The In the patterning process, a plurality of grooves are formed in the workpiece 90 in order to configure a circuit in the solar cell.

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。   In the patterning process using the laser processing apparatus 1 according to the present embodiment, the laser beam is incident on the second surface 90b of the work 90 and is focused in the work 90, and the thin film layer 92 is caused by the microexplosion effect generated near the focus. Is peeled off from the substrate 91. In the present embodiment, at the time of processing, the workpiece 90 is supported with the first surface 90a facing up and the second surface 90b facing down. For this reason, the optical scanning unit 3 is configured and arranged to emit laser light upward from below the support unit 2. This configuration and arrangement is merely an example, and when the second surface 90a is directed upward, the optical scanning unit 3 is configured and arranged to emit laser light downward from above the support unit 2. May be.

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。   Hereinafter, for simplification of description, it is assumed that the grooves formed by patterning and the scanning line of the laser beam on the workpiece 90 at the time of patterning extend in parallel to the width direction of the workpiece 90. The extending direction of the scanning line is called “scanning direction”. A plurality of grooves formed by patterning are arranged in parallel to the vertical direction (direction perpendicular to the width direction) of the rectangular flat plate-like workpiece 90, and the direction in which the grooves are arranged is referred to as an “alignment direction”.

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。   As described above, the support unit 2 can have a function of conveying the workpiece 90. When one groove is formed in the workpiece 90 while the workpiece 90 is stationary, the scanning direction of the ground is the same as the scanning direction with the viewpoint on the workpiece 90. When one groove is formed in the workpiece 90 while conveying the workpiece 90 in the vertical direction (alignment direction) at a constant speed, the scanning direction with the viewpoint on the workpiece 90 coincides with the width direction of the workpiece 90. The ground scanning direction extends in a direction inclined by a certain inclination angle with respect to the width direction of the workpiece 90. The inclination angle is obtained from the conveyance speed of the workpiece 90 and the scanning speed of the laser beam. Hereinafter, for simplification of explanation, it is assumed that one groove is formed in the work 90 while the work 90 is stationary, and the scanning direction of the ground is collectively referred to as the scanning direction with the work 90 as a viewpoint. This will be described as “scanning direction”. The case where the groove is formed in the workpiece 90 while the workpiece 90 is being conveyed is similar to the configuration described below if the configuration described below is appropriately changed while considering the inclination angle as described above. Detailed description is omitted.

(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。
(Optical scanning head)
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the configuration of the optical scanning unit 3. The optical scanning unit 3 includes the laser oscillator 4 and the optical scanning head 5 as described above. The optical scanning head 5 includes a housing 10 incorporating a plurality of optical elements, and a plurality of optical elements or optical units constituting an optical system that scans laser light. For example, in such an optical element or optical unit, the lens 11, the prism 12, the first folding mirror 13, the second folding mirror 14, the light projecting unit 15, the light are sequentially arranged from the beam oscillator 4 along the optical path of the laser beam. A reflecting portion 16 and a cylindrical lens 17 are included. FIG. 2 illustrates the case where the housing 10 houses the second folding mirror 14, the light projecting unit 15, the light reflecting unit 16, and the cylindrical lens 17, but this is only an example. The lens 11, the prism 12, and the first folding mirror 13 may be disposed in the housing 10, and the cylindrical lens 17 may be disposed outside the housing 10.

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。   The lens 11 is an optical element that enables the beam light generated by the laser oscillator 4 to be focused. The prism 12, the first folding mirror 13, and the second folding mirror 14 guide the laser light that has passed through the lens 11 to the light projecting unit 15. These elements 12 to 14 constitute an optical unit that bends the optical path so as to secure an optical path length necessary for focusing the laser beam by the work 90 on the upstream side of the light path from the light projecting unit 15. These elements 12 to 14 can be omitted as appropriate, and other prisms or mirrors may be appropriately added between the lens 11 and the light projecting unit 15.

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。   The light projecting unit 15 is a unit that radiates the laser light incident from the upstream side of the optical path (that is, the laser oscillator 4 side) so as to be angularly moved. The light reflecting unit 16 is a unit that reflects the light emitted from the light projecting unit 15 at least twice and guides the light onto the scanning line of the workpiece 90. When the light projecting unit 15 operates, laser light is guided from the light reflecting unit 16 to the workpiece 90, and the irradiated point on the workpiece 90 sequentially moves in the scanning direction along the scanning line.

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)。   In the optical scanning unit 3 according to the present embodiment, the laser light from the light projecting unit 15 is angularly moved at a substantially constant angular velocity. The laser beam on the workpiece 90 also moves on the scanning line at a substantially constant scanning speed. The optical path length from the light projecting unit 15 to an arbitrary irradiated point on the scanning line is substantially constant at all irradiated points, thereby focusing the laser beam as much as possible at the arbitrary irradiated point. The light projecting unit 15 and the light reflecting unit 16 are configured and arranged so as to realize this action (see FIG. 5).

(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。
(Projector / Reflector)
The light projecting unit 15 includes a polygon mirror 21 and a deflection actuator 22 that rotationally drives the polygon mirror 21. The polygon mirror 21 is a deflector that is rotatably supported in the housing 10, and the rotation axis of the polygon mirror 21 extends in a horizontal direction perpendicular to the scanning direction (to the ground). The deflection actuator 22 is, for example, an electric motor controlled by a controller (not shown). The deflection actuator 22 drives the polygon mirror 21 to rotate at a constant speed in one direction around the rotation axis. In addition to the polygon mirror 21, a galvanometer mirror may be applied to the deflector.

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。   As shown in FIG. 3, the polygon mirror 21 includes a polygon base body 23 formed in a plate shape forming a low-profile polygonal column, and a plurality of reflection deflecting units 24 provided on the side surfaces of the polygon base body 23. Have. The laser light is incident on the reflection deflection unit 24 of the rotating polygon mirror 21 and is reflected at a reflection angle corresponding to the rotation angle position of the polygon mirror 21 at that time. The arbitrary reflection deflection unit 24 forms two ridges together with each of the two adjacent reflection deflection units 24, and after the laser beam is reflected at a certain ridge of the polygon mirror 21 until it is reflected at the next ridge. The polygon mirror 21 rotates 360 / N [deg] (N: the number of reflecting portions). During this time, the laser beam continuously reflected by a certain reflecting portion of the polygon mirror 21 is deflected on the side of the polygon mirror 21 (720 / N [deg]) by the rotation angle of the polygon mirror 21 (720 / N [deg]). Move the corner around the reflection point. Although the deflection center slightly moves according to the rotation of the polygon mirror 21, the movement of the deflection center according to the rotation of the polygon mirror 21 is ignored in the following description. In other words, in this document, the entire movement range of the deflection center in a strict sense is referred to as “deflection center”.

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。   Returning to FIG. 2, the light reflecting unit 16 according to the present embodiment includes a primary light reflecting unit 31 that reflects the laser light from the light projecting unit 15 and secondary light that further reflects the laser light from the primary light reflecting unit 31. The laser beam from the light projecting unit 15 is reflected twice and then guided to the workpiece 90. Therefore, in the optical scanning head 5 according to the present embodiment, the laser light from the second folding mirror 14 enters the polygon mirror 21 substantially downward. The reflection deflection unit 24 of the polygon mirror 21 reflects the laser beam from the second folding mirror 14 substantially upward. The primary light reflecting portion 31 is disposed above the polygon mirror 21 and reflects the laser light from the polygon mirror 21 substantially downward. The secondary light reflecting section 32 is disposed below the primary light reflecting section 31 and reflects the laser beam from the primary light reflecting section 31 substantially upward. The laser light from the secondary light reflecting portion 32 passes through the cylindrical lens 17 and enters the second surface 90b of the workpiece 90.

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。   The primary light reflecting portion 31 has a plurality of flat plate-like reflecting plates 33, and the secondary light reflecting portion 32 has a plurality of flat plate-like reflecting plates 34. The plurality of reflecting plates 33 constituting the primary light reflecting portion 31 are sequentially arranged so as to be adjacent to each other, but these reflecting plates 33 may be arranged apart from each other. Although the plurality of reflecting plates 34 constituting the secondary light reflecting portion 32 are arranged apart from each other, these reflecting plates 34 may be arranged so as to be adjacent to each other in sequence.

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。   As described above, the laser processing apparatus 10 includes the light reflecting section 16 that bends the laser light from the light projecting section 15 twice. Therefore, as can be seen with reference to FIG. 2, when viewed in the direction in which the rotation axis of the polygon mirror 21 extends, the optical path is bent zigzag in the vertical direction. In particular, in the optical scanning unit 3 according to the present embodiment, the primary light reflecting unit 31 and the secondary light reflecting unit 32 are arranged on the opposite sides in the vertical direction with respect to the polygon mirror 21, and thus the primary light. It is necessary to dispose the light projecting unit 15 and the light reflecting unit 16 so that the optical path from the reflecting unit 31 to the secondary light reflecting unit 32 does not interfere with the polygon mirror 21. Further, it is necessary to dispose the light projecting unit 15 and the light reflecting unit 16 so that the optical path from the secondary light reflecting unit 32 to the workpiece 90 does not interfere with the polygon mirror 21 and the primary light reflecting unit 31. .

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。   Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, each reflection deflector 24 of the polygon mirror 21, each reflector 33 constituting the primary light reflector 31, and each reflector 34 constituting the secondary light reflector 32 are provided. In each case, a right-angle prism 40 is applied. The right-angle prism 40 is formed in a triangular prism shape, and has three surfaces including a first boundary surface 41, a second boundary surface 42, and a hypotenuse surface 43 as side surfaces thereof. The first boundary surface 41 and the second boundary surface 42 form 90 degrees, the oblique side surface 43 and the first boundary surface 41 form 45 degrees, and the oblique side surface 43 and the second boundary surface 42 form 45 degrees. It is made. That is, the right-angle prism 40 has a cross-sectional shape of a right-angled isosceles triangle.

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。   The polygon main body 23 of the polygon mirror 21 has a V-shaped attachment groove 25 on each of a plurality of side surfaces. A plurality of right-angle prisms 40 are respectively fitted in a plurality of mounting grooves 25 provided in the polygon body 23 so that the hypotenuse surface 43 forms a side surface of the polygon body 23, and the first boundary surface 41 and the second boundary surface 42 is received in the mounting groove 25. The right angle prism 40 attached to the polygon main body 23 in this way functions as the reflection deflecting unit 24 of the polygon mirror 21.

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。   Each reflecting plate 33 constituting the primary light reflecting portion 31 and each reflecting plate 34 constituting the secondary light reflecting portion 32 have the same structure as the reflecting portion of the polygon mirror 21. The reflection plate 33 includes a block-shaped or plate-shaped main body 35, and a V-shaped attachment groove 36 is formed on one surface of the main body 35. The right-angle prism 40 is fitted into a mounting groove 36 provided in the main body 35 so that the oblique side surface 43 forms one side of the main body 35, and the first boundary surface 41 and the second boundary surface 42 are mounted in the mounting groove. 36. Each reflecting plate 34 of the secondary light reflecting portion 32 includes a main body portion 37 having a mounting groove 38, similarly to the reflecting plate 33 of the primary light reflecting portion 31, and the right-angle prism 40 is fitted in the mounting groove 38.

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。   In FIG. 4, the optical scanning head 5 is projected onto a plane through which the rotation axis of the polygon mirror 21 passes. When projected onto this plane, the oblique side surface 43 of the polygon mirror 21, the oblique side surface 43 of the primary light reflecting portion 31, and the oblique side surface 43 of the secondary light reflecting portion 32 are all represented as straight lines. Are arranged parallel to each other. Since the straight line representing the oblique side surface 43 in the polygon mirror 21 is parallel to the rotation axis of the polygon mirror 21, the other two straight lines are also parallel to the rotation axis of the polygon mirror 21.

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。   Further, the polygon mirror 21, the primary light reflecting portion 31, and the secondary light reflecting portion 32 are arranged so as to be shifted in the extending direction of the rotation axis of the polygon mirror 21. As described above, the oblique side surface 43 of the polygon mirror 21 partially overlaps with the oblique side surface of the primary light reflecting portion 31 in a plan view, while being displaced in the extending direction of the rotation axis. The oblique side surface 43 of the primary light reflecting portion 31 partially overlaps the oblique side surface 43 of the secondary light reflecting portion 32 in plan view.

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。   Then, the laser light from the second folding mirror 14 is incident on the oblique side surface 43 forming the reflecting portion 32 of the polygon mirror 21 along the optical path extending in the direction orthogonal to the rotation axis of the polygon mirror 21. Hereinafter, the optical path of this laser beam will be described in detail.

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。   In FIG. 4, since the rotation axis is shown to extend in the horizontal direction on the paper surface, the optical path incident on the polygon mirror 21 extends in the vertical direction on the paper surface. The laser light that has passed through the oblique side surface 43 is reflected by the first boundary surface 41 of the right-angle prism 40, is turned 45 degrees, and is directed to the second boundary surface 42. The laser beam from the first boundary surface 41 is reflected by the second boundary surface 42, folded back 45 degrees, and directed toward the oblique side surface 43. Laser light from the second boundary surface 42 passes through the oblique side surface 43 and is emitted from the right-angle prism 40.

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。   The critical angle of the right-angle prism 40 is 45 degrees or less. In order to realize such a critical angle, the right-angle prism 40 is manufactured from a glass material such as BK7 in consideration of the refractive index of air. If the critical angle of the right-angle prism 40 is 45 degrees or less, it is possible to transmit the laser beam on the oblique side surface 43 and totally reflect the laser beam on the boundary surfaces 41 and 42. Then, the energy of the laser light emitted from the right-angle prism 40 can be prevented from becoming smaller than the energy of the laser light incident on the right-angle prism 40. Since the optical scanning unit 3 according to this embodiment is applied to the laser processing apparatus 1, the energy of the laser beam is relatively large. Since such laser light can be totally reflected by the boundary surfaces 41 and 42, energy required for processing can be easily secured around the workpiece 90, and the polygon main body 23 can be damaged by the laser light. Can be prevented.

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。   The optical path of the laser light incident on the right-angle prism 40 is aligned in parallel with the optical path of the laser light emitted from the right-angle prism 40 when projected onto a plane through which the rotation axis of the polygon mirror 21 passes, and the rotation axis of the polygon mirror 21. Are arranged apart in the extending direction. Thus, since the incident optical path and the outgoing optical path extend in a direction orthogonal to the rotation axis and do not include a component in the extending direction of the rotation axis, the alignment work of the polygon mirror 21 and the second folding mirror 14 is very simple. Can be done.

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。   As described above, the laser light from the polygon mirror 21 is directed to the primary light reflecting portion 31. The oblique side surface 43 of the polygon mirror 21 and the oblique side surface 43 of the primary light reflecting portion 31 extend in parallel with the rotation axis and partially overlap when viewed in the direction orthogonal to the rotation axis. For this reason, the optical path of the laser light from the polygon mirror 21 passes through the hypotenuse surface 43 of the primary light reflecting portion 31. The laser light that has passed through the hypotenuse surface 43 of the primary light reflecting section 31 is sequentially totally reflected by the first boundary surface 41 and the second interface surface 42 in the same manner as the right angle prism 40 of the polygon mirror 21 described above, and is reflected on the hypotenuse surface 43. Pass through and exit from the right-angle prism 40.

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。   Then, the laser light from the primary light reflecting portion 31 is directed to the secondary light reflecting portion 32. The hypotenuse surface 43 of the primary light reflecting portion 31 and the hypotenuse surface 43 of the secondary light reflecting portion 32 extend in parallel to the rotation axis and partially overlap as seen in the direction perpendicular to the rotation axis. For this reason, the optical path of the laser light from the primary light reflecting portion 31 passes through the oblique side surface 43 of the secondary light reflecting portion 32. The laser light that has passed through the oblique side surface 43 of the secondary light reflecting portion 32 is totally totally reflected in turn by the first boundary surface 41 and the second boundary surface 42 in the same manner as the right-angle prism 40 of the secondary light reflecting portion 32 described above. The light passes through the oblique side surface 43 and exits from the right-angle prism 40.

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。   As described above, the outgoing optical path from the polygon mirror 21 extends in the direction orthogonal to the rotation axis along with the incident optical path to the polygon mirror 21. The outgoing optical path from the polygon mirror 21 is the same as the incident optical path to the primary light reflecting section 31. The incident optical path to the primary light reflecting portion 31 extends in a direction orthogonal to the rotation axis of the polygon mirror 21 together with the outgoing optical path from the primary light reflecting portion 31. The outgoing light path from the primary light reflecting portion 31 is the same as the incident light path to the secondary light reflecting portion 32, and the incident light path to the secondary light reflecting portion 32 is the outgoing light from the secondary light reflecting portion 32. Together with the road, it extends in a direction orthogonal to the rotational axis of the polygon mirror 21. As described above, during the period from the second folding mirror 14 to the workpiece 90, the laser light is guided in a direction perpendicular to the rotation axis of the polygon mirror 21 when entering the right-angle prism 40 and when emitting from the right-angle prism 40. In the right angle prism 40, the light is guided in the extending direction of the rotation axis of the polygon mirror 21. Thereby, the optical path between the polygon mirror 21 and the primary light reflecting portion 31 and the optical path between the primary light reflecting portion 31 and the secondary light reflecting portion 32 are in the extending direction of the rotation axis of the polygon mirror 21. The components are not included, so that the alignment work of these optical elements 21, 31, and 32 can be easily performed.

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。   In the same manner as described above, the energy loss of the laser light at the light reflecting portions 31 and 32 can be reduced as much as possible. Therefore, it becomes easy to secure the laser light having the intensity required for processing, and the primary light reflecting portions 31 and 2 can be secured. It is also possible to suitably prevent the base body of the secondary light reflecting portion 32 from being damaged by the laser light.

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。   The optical scanning unit 3 according to the present embodiment includes two light reflecting units 31 and 32, and the right angle prism 40 is applied to a total of three optical elements including the polygon mirror 21, but at least one of them is used. The right-angle prism 40 may be applied to. Note that, as in the present embodiment, by applying the right-angle prism 40 to all of the elements that reflect the laser light, the alignment operation of the entire optical scanning unit 3 can be performed remarkably easily. In other words, when there are a plurality of light reflecting portions as in the present embodiment, the operational effects obtained by applying the right angle prism become remarkable.

(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。
(Operation of the light reflection part)
Finally, the effects obtained when the optical scanning unit according to the present embodiment has two or more light reflecting units will be briefly described. In the above embodiment, there is no special means for changing the focal length of the laser light in accordance with the rotation angle of the polygon mirror 21. If there is no light reflecting portion, the focal point of the laser light draws an arc-shaped locus. The center of the locus becomes the deflection center, and the radius of the locus is the optical path length from the deflection center to the focal point. On the other hand, the scanning line on the work 90 extends linearly in the scanning direction, unlike an arc-shaped locus. Then, the distance from the arbitrary irradiated point on the scanning line to the focal point changes depending on the position of the irradiated point (that is, the deflection angle of the laser beam and the rotation angle of the polygon mirror 21). Therefore, the optical path length from the polygon mirror 21 to an arbitrary irradiated point on the scanning line is not constant over the entire irradiated point, and changes according to the position of the irradiated point. If the laser beam is angularly moved at a constant speed, the scanning speed of the laser beam on the scanning line is not constant. Therefore, in the optical scanning unit 3 according to the present embodiment, the light reflecting unit 16 is configured to reflect the laser light from the light projecting unit 15 at least twice and then guide it to the workpiece 90 in order to solve this problem. The

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。   FIG. 5 illustrates a case where the laser light moves in the scanning direction by the workpiece 90 along one scanning line while the laser light passes through one reflecting surface of the polygon mirror 21. If the primary light reflection part 31 and the secondary light reflection part 32 do not exist, the focal point of the laser light will draw an arc centered on the deflection center C. Since the radius of the virtual arc VA is the optical path length from the deflection center C to the focal point, the primary light reflecting unit 31 and the secondary light reflecting unit 32 bend the optical path from the deflection center C to the focal point, and thereby the virtual arc VA. Are rearranged so as to extend linearly on the workpiece 90 in the scanning direction. In order to change the position of the virtual arc VA in this way, the length of the virtual arc VA is required to be equal to the line length required for processing (required scanning line length).

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。   When the number of reflection surfaces of the polygon mirror 21 is N, the central angle of the virtual arc VA is 720 / π [deg]. When the circumference ratio is π and the radius of the virtual arc VA is R, the length of the virtual arc VA is 2πR / [360 × (N / 720)], which is equal to the necessary line length described above. On the other hand, geometrically, the required line length cannot be longer than the diameter of the virtual arc VA. From the inequalities derived from these relationships, the number of reflecting surfaces N is required to be smaller than the diameter (2R) of the virtual arc, and therefore the polygon mirror 21 preferably has seven or more reflecting surfaces.

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。   The methodology for rearranging the virtual arc VA so as to match the scanning line will be described. First, a plurality of virtual divided arcs DVA1, DVA2,... Are divided by dividing the virtual arc VA at equal intervals. A plurality of virtual strings VC1, VC2,. Then, the plurality of virtual divided arcs DVA1, DVA2,... Are rearranged so that the plurality of virtual strings VC1, VC2,. Thus, a scanning line is formed by the plurality of virtual strings VC1 ′, VC2 ′,.

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。   When the scanning line is formed in this way, two ends of the virtual divided arc DVA are rearranged on the scanning line, and the virtual divided arcs DVA1 ′, DVA2 ′,... (That is, a curve connecting the two points) Rearrangement is performed downstream of the scanning line in the optical path direction (upper side in the laser processing apparatus 1 according to the present embodiment). The focal point tends to move along the virtual divided arcs DVA1 ′, DVA2 ′,. The virtual divided arcs DVA1 ′, DVA2 ′,... After the rearrangement are sequentially continued in the scanning direction in the same manner as the virtual strings VC1 ′, VC2 ′,.

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。   When the virtual arc VA is divided to obtain a plurality of virtual divided arcs DVA1, DVA2,..., The virtual divided arcs DVA1, DVA2, ... are well approximated to the corresponding virtual chords VC1, VC2,. Therefore, the optical path length from the deflection center C of the polygon mirror 21 to an arbitrary irradiated point on the scanning line is substantially constant over all the focal points. If the laser beam is angularly moved at a constant speed, the focal point tends to move at a constant speed along the virtual divided arcs DVA1 ′, DVA2 ′,. Since the virtual divided arcs DVA1 ′, DVA2 ′,... After the rearrangement are well approximated with the corresponding virtual strings VC1 ′, VC2 ′,... After the rearrangement, the behavior of the focus is along the scanning line, etc. Good approximation to fast linear movement.

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。   As described above, if it is assumed that the light reflecting portion 16 does not exist, the focal point of the laser light emitted from the light projecting portion 16 draws a virtual arc VA with the deflection center C as the center. A plurality of virtual divided arcs DVA1, DVA2,... Obtained by dividing the virtual arc VA by reflecting them twice, and a plurality of virtual strings VC1, VC2,. The laser light guided to the workpiece 90 is scanned along a scanning line formed by a plurality of virtual strings VC1 ′, VC2 ′,. This makes it possible to keep the laser beam focused on the workpiece 90 as much as possible while rotating the deflection actuator 22 and the polygon mirror 21 at a constant speed to simplify these operations. It can also be moved to. Therefore, it is possible to simultaneously improve the operation reliability of the optical scanning unit 3, improve the processing efficiency, and suppress the processing unevenness. In addition, it is not necessary to use special means for changing the focal length of the laser light according to the rotation angle of the polygon mirror 21. The distance between the midpoint of the virtual chord and the midpoint of the virtual split arc increases as the number of divisions of the virtual split arc DVA1, DVA2,... Increases (the center angle of the virtual split arc decreases). Becomes smaller and the focal point approaches the virtual string. For this reason, the optical path length is kept constant, and the constant velocity of the laser light is also kept high. The number of divisions can be appropriately determined according to the error required for the optical scanning unit 3 and the laser processing apparatus 1.

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。   A more specific methodology for virtual string rearrangement will be described. In order to change the position of the virtual string on the workpiece 90, for example, a sector formed by a virtual divided arc corresponding to the virtual string may be bent at least twice. In the present embodiment, since the light reflecting portion has two light reflecting portions, that is, a primary light reflecting portion and a secondary light reflecting portion, the sector shape is bent twice. Thus, for example, when a sector is bent twice, two folds are formed into a sector. Of these, the first fold corresponds to one of the plurality of reflecting portions constituting the primary light reflecting portion, and the second fold corresponds to one of the plurality of reflecting portions constituting the secondary light reflecting portion. To do. That is, as described above, the primary light reflecting portion has a plurality of plate-like reflecting portions, and the number of the reflecting portions is equal to the number of divisions of the virtual divided arc. Note that a plurality of virtual strings cannot be rearranged along a straight line unless the sector is bent twice or more. For this reason, the light reflecting portion 16 has a plurality of reflecting portions.

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。   In order to make the virtual strings continue successively, it is preferable that adjacent first fan-shaped folds do not overlap each other. That is, it is preferable that the reflecting portion of the primary light reflecting portion corresponding to a certain virtual divided arc does not overlap the reflecting surface of the primary light reflecting portion corresponding to the virtual divided arc adjacent thereto. If it carries out like this, the 2nd crease | fold can be arranged in the up-down direction with the virtual string after the rearrangement corresponding to this. Thereby, the laser beam reflected by the secondary light reflecting portion can be incident on the workpiece 90 substantially vertically. Thereby, processing efficiency is further improved and processing unevenness can be further suppressed. In addition, if the ends of the adjacent first fan-shaped folds are continuous, it is beneficial because the entire primary light reflecting portion can be made as small as possible.

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。   Even when three or more light reflecting portions are present, the same effect as described above can be obtained. Also at this time, a right-angle prism can be applied to the reflecting surface of each light reflecting portion. By applying the right-angle prism 40 to all the light reflecting portions, the time and labor required for the alignment work of the light scanning portion 3 can be greatly reduced. Thus, in the optical scanning unit 3 according to the present embodiment, the operation of the light projecting unit 15 is simplified, the laser beam is moved at a constant speed on the scanning line, and the scanning line is scanned as much as possible during the scanning. The laser beam emitted from the light projecting unit 15 is bent twice or more in order to achieve the simultaneous focusing of the laser beam and the continuous focusing of the laser beam as much as possible. . If all the right-angle prisms 40 of the optical scanning unit 3 are applied, the optical path can be prevented from interfering with other optical elements even if the optical path is bent in a complicated manner. The entire 3 alignment operations can be easily performed, which is beneficial. As described above, the present invention is useful when applied to an optical scanning device including a plurality of light reflecting units 16, but is not limited to the optical scanning unit 3 having the above-described configuration, and various configurations (for example, a light reflecting unit may be used). The present invention can also be suitably applied to an optical scanning device having a structure with only one).

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。   In providing an optical scanning device and a laser processing apparatus including the optical scanning device, the present invention has a remarkable effect that an optical device constituting the optical scanning device can be easily and highly accurately arranged. It is useful when applied to an optical scanning device configured to reflect a plurality of times and guide it to an irradiation point of a scanning line and a laser processing apparatus including the same.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser processing apparatus 3 Optical scanning part 5 Optical scanning head 14 Second folding mirror 15 Light projection part 16 Light reflection part 21 Polygon mirror 22 Deflection actuator 24 Reflection deflection part 31 Primary light reflection part 32 Secondary light reflection parts 33 and 34 Reflection Plate 40 Right angle prism 41 First boundary surface 42 Second boundary surface 43 Oblique side surface

Claims (4)

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、
前記投光部は、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および前記1以上の反射それぞれ、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、
前記反射偏向部の前記斜辺面および前記反射部の前記斜辺面は、前記投光部における光の角移動の回転軸線と直交する面に対し垂直に配置され、前記投光部における光の角移動の回転軸線の延在方向に互いにずれて配置され、且つ前記延在方向に隣接する斜辺面同士を光路方向に見て部分的にオーバーラップさせるように配置され、
前記直角プリズムへの入射光路と当該直角プリズムからの出射光路とは前記延在方向の成分を含まない一方、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境界面で反射して前記直角プリズム内で前記延在方向と平行に進み、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する、光走査装置。
A light projecting unit that emits light while angularly moving, and one or more reflecting units that reflect the light emitted from the light projecting unit and guide the light onto a predetermined scanning line,
The light projecting unit includes a reflection deflecting unit that reflects and deflects light, and includes a deflector that emits light while rotating the light from the reflection deflecting unit by rotation.
The reflective deflecting portion and the one or more reflective portions of the deflector each include a right-angle prism having a hypotenuse surface, a first boundary surface, and a second boundary surface;
The oblique side surface of the reflection deflection unit and the oblique side surface of the reflection unit are arranged perpendicular to a plane perpendicular to the rotation axis of the angular movement of light in the light projecting unit, and the angular movement of light in the light projecting unit. Are arranged so as to partially overlap each other in the direction of the optical axis, and are arranged so as to be partially offset when viewed in the optical path direction between the oblique sides adjacent to each other in the extending direction.
The incident light path to the right-angle prism and the output light path from the right-angle prism do not include the component in the extending direction, while the light incident on the right-angle prism passes through the oblique side surface and the first boundary surface. in reflected and proceeds in parallel with the extending direction within the rectangular prism, is reflected by the second boundary surface through the hypotenuse surface, it is emitted from the rectangular prism, the optical scanning device.
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、請求項に記載の光走査装置。 Wherein said hypotenuse surface first boundary surface and the angle formed, the hypotenuse surface and the second boundary surface and the angle formed is 45 degrees, an optical scanning device according to claim 1. 前記直角プリズムの臨界角は45度以下である、請求項に記載の光走査装置。 The optical scanning device according to claim 2 , wherein a critical angle of the right-angle prism is 45 degrees or less. 請求項1乃至のいずれか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。
It includes the optical scanning apparatus according to any one of claims 1 to 3, to form a groove along the scan line on the workpiece by machining a workpiece with laser light from the optical scanning device, the laser processing apparatus.
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