JP6595879B2 - 光学装置、加工装置、および、物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学装置、加工装置、および、物品の製造方法に関する。

従来のレーザ加工装置における光線平行シフト機構が、例えば特許文献１，２に開示されている。特許文献１では、透明部材を回転させて光線を平行シフトさせる。特許文献２では、２つの同期された角度可変ミラーを用いて光線を平行シフトさせる。

特許第４３８６１３７号公報（段落００２３、図２） 特開２０１１−１２１１１９号公報（段落０００８、図８）

しかし、特許文献１の光線シフト機構では、光線の平行シフト量が透明部材の回転角度と長さで決定されるため、回転時の慣性が大きくなり目的とする光線シフトを高速に行うことが困難である。一例として特許文献１の方式で、光線平行シフト量5.3mmを透明部材（石英ガラスn=1.45）の回転角±10度で行う場合を考える。この場合、透明部材の現実的な設計によるサイズは、95mm×16mm×13mm程度となる。この結果、イナーシャは33000 g・mm² 程度と大きくなり、高速に平行シフトを行うことは困難である。

また、特許文献２の技術では、回転体の慣性が大きくなる問題を解決してはいるが、２つのミラー回転機構の同期を高速動作時に正確に行うことが困難なため、出射光線の角度が一定とならず光線を平行にシフトすることが困難である。

本発明は、光路の調整の高速化に有利な装置を提供することを例示的目的とする。

本発明の一側面によれば、第１反射面と第２反射面を有し、第１軸について回転可能な第１反射部材と、前記第１反射面で反射された光を順次反射させて前記第２反射面に導く第１の複数の反射面を有する第１光学系と、前記第１反射部材の回転角度を変更して、前記第２反射面で反射されて出射する光の光路を調整する第１調整部と、前記第２反射面で反射された光が入射する第３反射面と、第４反射面を有し、前記第１軸に対して平行ではない第２軸について回転可能な第２反射部材と、前記第３反射面で反射された光を順次反射させて前記第４反射面に導く第２の複数の反射面を有する第２光学系と、前記第２反射部材の回転角度を変更して、前記第４反射面で反射されて出射する光の光路を調整する第２調整部と、を有し、前記第１光学系内の光路により囲まれる第１面と、前記第２光学系内の光路により囲まれる第２面は、互いに交差することを特徴とする光学装置が提供される。
本発明の別の側面によれば、第１反射面と第２反射面を有し、第１軸について回転可能な第１反射部材と、前記第１反射面で反射された光を順次反射させて前記第２反射面に導く４つの反射面を有する第１光学系と、前記第１反射部材の回転角度を変更して、前記第２反射面で反射されて出射する光の光路を調整する第１調整部と、前記第２反射面で反射された光が入射する第３反射面と、第４反射面を有し、前記第１軸に対して平行ではない第２軸について回転可能な第２反射部材と、前記第３反射面で反射された光を順次反射させて前記第４反射面に導く４つの反射面を有する第２光学系と、前記第２反射部材の回転角度を変更して、前記第４反射面で反射されて出射する光の光路を調整する第２調整部と、を有し、前記第１反射部材に対して前記第２反射部材側に前記第１光学系内の光路を構成し、前記第２反射部材に対して前記第１反射部材側に前記第２光学系内の光路を構成することを特徴とする光学装置が提供される。

本発明によれば、光路の調整の高速化に有利な装置が提供される。

第１実施形態に係る光学装置の構成を示す図。 第１実施形態におけるミラー部材の回転角度と光線シフト量との関係を示すグラフ。 第１実施形態におけるミラー部材の厚さの光線シフト量への影響を示すグラフ。 第２実施形態に係る光学装置の構成を示す図。 第３実施形態に係る光学装置の構成を示す図。 第４実施形態に係る光学装置の構成を示す図。 第５実施形態に係る加工装置の構成を示す図。 実施形態におけるミラー部材の角度可変機構の例を説明する図。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施に有利な具体例を示すにすぎない。また、以下の実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の課題解決のために必須のものであるとは限らない。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。本実施形態における光学装置は、出射する光の光路を制御可能であり、例えば光線の平行シフトが可能である。本実施形態の光線平行シフト機構（より一般的には、光路の調整、典型的には光路の並進または並進移動、を行う機構）は、光源５０からの光線５１を反射するミラー部材２（反射部材ともいう）を含む。なお、以下の説明では、各反射面が平面とみなせ、光路の並進または並進移動を行う場合について例示する。ミラー部材２は、例えばガラスで構成され、光源５０からの光線５１を受ける第１反射面２ａと、その反対側の第２反射面２ｂとを有する。第１反射面２ａ及び第２反射面２ｂにはそれぞれ、高反射ミラーコーティングがされうる。なお、ミラー部材２はプリズム状に構成されてもよいし、第１反射面２ａと第２反射面２ｂとがそれぞれ独立した構成であってもよい。ここで、第１反射面と第２反射面とが互いに反対を向いていたり、プリズム上の別々の面であったり、独立した面であったりする構成は、それらが同一の（平）面である場合に比して、入射する光から受ける熱の影響の軽減に有利である。

また、ミラー部材２は、光学装置が出射する光の光路を制御するように角度可変に構成される。図８に、ミラー部材２の角度可変機構の例を示す。図示の如く、ミラー部材２は、ガルバノモータ１の出力軸１ａに軸支される。制御部６０（調整部）はガルバノモータ１に対して駆動信号を出力し、ガルバノモータ１内の不図示の回転駆動部は、入力した駆動信号に応じた駆動量で出力軸１ａを介してミラー部材２を回転させる。このようにして、ミラー部材２は回転可能に構成される。ここでは、ミラー部材２は光源５０からの光線５１に対して略45度に傾斜される。

本実施形態の光線平行シフト機構は、ミラー部材２に入射しこのミラー部材２によって反射された光を複数の反射面で偶数回、順次反射してミラー部材２に再入射させる光学系８０を有する。本実施形態における光学系８０は例えば、光線５１に対して対称になるように固定配置された４個のミラー３，４，５，６を含む。ミラー部材２の第１反射面２ａにより反射された光は、これらのミラー３，４，５，６により順次反射されて、ミラー部材２の第２反射面２ｂへと導かれる。最終的に第２反射面２ｂにより反射された光は、光線５１と略同一の方向に出射される。

この射出される光の角度はミラー部材２の回転角度を変更しても変化しない。そのため、制御部６０によりミラー部材２の回転角度を調整することで、ミラー部材２の反射面で反射されて射出する光の光路を調整することができる。

次に、平行光線シフト量とミラー部材２の角度変化との関係について説明する。まず、ミラー部材２の厚さを０と仮定した場合を考える。４個のミラー３，４，５，６で形成される四角形の外周距離Ｌを300mmにした場合と400mmにした場合の、ミラー部材２の角度変化と光線シフト量との関係を図２に示す。

この光線平行シフト量ΔＳは、次式で示される。

ΔＳ＝Ｌ×tan（2×Δθg） ・・・・・（式１）
ただし、Δθgは、ミラー部材２の角度変化量を表す。

式１は、Ｌを長くするほど、ミラー部材２のより小さな角度変化で大きな光線平行シフト量を実現できることを示しており、Ｌを長くすることで高速な可変光線シフトが可能になる。

次に、ミラー部材２の実際の厚さを考慮した場合を考える。図３に、ミラー部材２の厚さを０と仮定した場合と実際の厚さを考慮した場合との光線平行シフト量の差分を示す。図３によれば、Ｌに対してミラー部材２の厚さが小さい場合、ミラー厚さを０とした場合のシフト量との差は微小となり、近似的に式１と一致する。また、ミラー部材２の反射面の必要幅Ｗは、次式で示される。

Ｗ＝（Ｄ＋Ｓmax）/sin（45+θg）・・・・（式２）
ただし、Ｄは、シフト機構への入射光線幅、Ｓmaxは、最大シフト量を表す。

本実施形態の構成によれば、5.3mmの光線平行シフトを実現するための設計の結果、ミラー部材２の厚さを2mm（イナーシャ＝89 g・mm² ）、Ｌ＝300mmとした場合、±0.5度以内の制御で実現できるという結果が得られた。したがって、従来技術と比較して大幅な高速化が可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、光源５０からの光を受ける角度可変のミラー部材２と、４個のミラー３，４，５，６を用いた構成で、高速な光線平行シフト機構を実現することができる。

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。図４に示すように、光源５０からの光線５１を反射するミラー部材７は、第１実施形態におけるミラー部材２と同様の構成でありうる。すなわち、ミラー部材７は、例えばガラスで構成され、光源５０からの光線５１を受ける第１反射面７ａと、その反対側の第２反射面７ｂとを有する。第１反射面７ａ及び第２反射面７ｂにはそれぞれ、高反射ミラーコーティングがされうる。なお、ミラー部材７はプリズム状に構成されてもよいし、第１反射面７ａと第２反射面７ｂとがそれぞれ独立した構成であってもよい。また、ミラー部材７は第１実施形態のミラー部材２と同様に角度可変に構成される。ここで、ミラー部材７は光源５０からの光線５１に対して略45度に傾斜される。

本実施形態における光学系９０は、図４に示すように、光路が三角形を描くように固定配置された２個のミラー８，９を含む。ミラー部材７の第１反射面７ａにより反射された光は、これらのミラー８，９で順次反射して、ミラー部材７の第２反射面７ｂへと導かれる。最終的に第２反射面７ｂにより反射された光は、光線５１に対して側方、例えば直交する方向に、出射される。この構成において、ミラー部材７をガルバノモータでΔθg回転させることで式１に従った光線の平行シフトを実現できる。

以上のように、本実施形態によれば、光源５０からの光を受ける角度可変のミラー部材７と、２個のミラー８，９を用いた構成で、高速な光線平行シフト機構を実現することができる。

＜第３実施形態＞
図５は、第３実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。光源５０からの光線５１を反射するミラー部材１０は、第１実施形態のミラー部材２と同様に角度可変に構成される。ここで、ミラー部材１０は光源５０からの光線５１に対して略45度に傾斜される。

本実施形態における光学系１００は、図５に示すように、ミラー部材１０の下方に固定配置された２個のミラー１１，１２を含む。ミラー部材１０の、光源５０側の面である第１の面１０ａにおける第１の反射領域１０ｂにより反射された光は、これらのミラー１１，１２により順次反射されて、ミラー部材１０の第１の面１０ａにおける第２の反射領域１０ｃへと導かれる。その第２の反射領域１０ｃにより反射された光は、光線５１に対して例えば180度反転した方向に出射される。この構成において、ミラー部材１０をガルバノモータでΔθg回転させることで式１に従った光線の平行シフトを実現できる。

以上のように、本実施形態によれば、光源５０からの光を受ける角度可変のミラー部材１０と、２個のミラー１１，１２を用いた構成で、高速な光線平行シフト機構を実現することができる。

＜第４実施形態＞
図６は、第４実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。本構成は、第１実施形態（図１）で示した構成を組み合わせたものであり、光源５０からの光線５１を受ける第１の光学装置６１と、第１の光学装置６１からの出射光を受ける第２の光学装置６２とを含む。

第１の光学装置６１は、光源５０からの光線５１を反射する、角度可変のミラー部材１３を有する。これは第１実施形態のミラー部材２に対応する。また、第１の光学装置６１は、第１の実施形態のミラー３，４，５，６にそれぞれ対応するミラー１４−１，１４−２，１４−３，１４−４を有する。

第２の光学装置６２は、光源５０からの光線５１を反射する、角度可変のミラー部材１５を有する。これは第１実施形態のミラー部材２に対応する。また、第２の光学装置６２は、第１の実施形態のミラー３，４，５，６にそれぞれ対応するミラー１６−１，１６−２，１６−３，１６−４を有する。

そして、第１の光学装置６１のミラー部材１３の回転軸と第２の光学装置６２のミラー部材１５の回転軸とは非平行であり、例えば直交するように配置される。

第１の光学装置６１において、ミラー部材１３の第１反射面により反射された入射光は、これらのミラー１４−１，１４−２，１４−３，１４−４により順次反射されて、ミラー部材１３の第１反射面の反対側の第２反射面へと導かれる。第２反射面により反射された光は、第２の光学装置６２のミラー部材１５に入射する。第２の光学装置６２において、ミラー部材１５の第１反射面により反射された入射光は、ミラー１６−１，１６−２，１６−３，１６−４により順次反射されて、ミラー部材１５の第１反射面の反対側の第２反射面へと導かれる。最終的にミラー部材１５の第２反射面により反射された光は、光線５１と略同一の方向に出射される。

また、図６に示すように、第１の光学装置６１の各ミラーでの反射を伴う光路がなす平面と、第２の光学装置６２の各ミラーでの反射を伴う光路がなす平面が交差するような配置を採用してもよい。このように、光線の平行シフト機構を交差するように配置することで、光学装置の小型化を実現できる。

なお、上述の例では第１実施形態（図１）の光線平行シフト機構どうしをシフト方向が直交するように配置する例を示した。しかし、第１乃至第３実施形態のうちいずれかから選択される２つの光線平行シフト機構どうしを組み合わせても同様に光線平行シフトを２次元平面内で自在に行うことができる。

以上説明した種々の実施形態によれば、光学装置は、回転可能なミラー部材と、このミラー部材により反射された光を受けて所定方向へ出射する光学系を含む。光学系は、反射面で偶数回、順次反射させてミラー部材に再入射させる。その再入射した光は、ミラー部材により反射されることで光が所定方向に出射される。本発明者の検討によれば、この光学系において偶数回ではなく奇数回反射させる構成では本発明は成り立たない。

＜第５実施形態＞
以下、第４実施形態で示した光学装置から射出した光を対象物へ導く光学素子を含む加工装置の例を説明する。図７は、第５実施形態に係るレーザ加工装置の構成の図である。本実施形態におけるレーザ加工装置は、レーザ光源７１の後段に第４実施形態で示した光線平行シフト機構１７を含む。その後段には光線拡大系１８，１９が配置され、これにより光線シフト量・光線系を必要な量に拡大している。さらに、光線拡大系の後段には集光レンズ２２が配置され、焦点面に配置した対象物２３にレーザ光線が集光照射される。また、光線拡大系１９と集光レンズ２２との間に設けられたミラー２０，２１は、対象物２３上の目的位置に光線を導くようにそれらの角度が調整されうる。

この構成において、光線平行シフト機構１７で光線を平行シフトさせることで、対象物２３に照射されるレーザ光線の角度を自在に可変させることができる。その結果、テーパー穴加工や斜めの断面を持つ切断を行うことができる。

＜物品の製造方法に係る実施形態＞
以上に説明した実施形態に係る加工装置は、物品の製造方法に使用しうる。当該物品の製造方法は、当該加工装置を用いて物体（対象物）の加工を行う工程と、当該工程で加工を行われた物体を処理する工程と、を含みうる。当該処理は、例えば、当該加工とは異なる加工、搬送、検査、選別、組立（組付）、および包装のうちの少なくともいずれか一つを含みうる。本実施形態の物品製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストのうちの少なくとも１つにおいて有利である。

１：ガルバノモータ、２：ミラー部材、２ａ：第１反射面、２ｂ：第２反射面、３，４，５，６：ミラー、８０：光学系

Claims (16)

1. 第１反射面と第２反射面を有し、第１軸について回転可能な第１反射部材と、
   前記第１反射面で反射された光を順次反射させて前記第２反射面に導く第１の複数の反射面を有する第１光学系と、
   前記第１反射部材の回転角度を変更して、前記第２反射面で反射されて出射する光の光路を調整する第１調整部と、
   前記第２反射面で反射された光が入射する第３反射面と、第４反射面を有し、前記第１軸に対して平行ではない第２軸について回転可能な第２反射部材と、
   前記第３反射面で反射された光を順次反射させて前記第４反射面に導く第２の複数の反射面を有する第２光学系と、
   前記第２反射部材の回転角度を変更して、前記第４反射面で反射されて出射する光の光路を調整する第２調整部と、を有し、
   前記第１光学系内の光路により囲まれる第１面と、前記第２光学系内の光路により囲まれる第２面は、互いに交差することを特徴とする光学装置。
2. 第１反射面と第２反射面を有し、第１軸について回転可能な第１反射部材と、
   前記第１反射面で反射された光を順次反射させて前記第２反射面に導く４つの反射面を有する第１光学系と、
   前記第１反射部材の回転角度を変更して、前記第２反射面で反射されて出射する光の光路を調整する第１調整部と、
   前記第２反射面で反射された光が入射する第３反射面と、第４反射面を有し、前記第１軸に対して平行ではない第２軸について回転可能な第２反射部材と、
   前記第３反射面で反射された光を順次反射させて前記第４反射面に導く４つの反射面を有する第２光学系と、
   前記第２反射部材の回転角度を変更して、前記第４反射面で反射されて出射する光の光路を調整する第２調整部と、
   を有し、
   前記第１反射部材に対して前記第２反射部材側に前記第１光学系内の光路を構成し、前記第２反射部材に対して前記第１反射部材側に前記第２光学系内の光路を構成することを特徴とする光学装置。
3. 前記第１反射部材の前記第１反射面と前記第２反射面は、互いに反対側の面にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記第２反射部材の前記第３反射面と前記第４反射面は、互いに反対側の面にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。
5. 前記第１反射部材における前記第１反射面、前記第２反射面および前記第１光学系における前記第１の複数の反射面は、平面であり、前記第１調整部は、前記第２反射面で反射されて出射する光の光路を並進させることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
6. 前記第２反射部材における前記第３反射面、前記第４反射面および前記第２光学系における前記第２の複数の反射面は、平面であり、前記第２調整部は、前記第４反射面で反射されて出射する光の光路を並進させることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
7. 前記第１の複数の反射面又は前記第２の複数の反射面はそれぞれ、４つの反射面を有することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
8. 前記第１の複数の反射面又は前記第２の複数の反射面はそれぞれ、２つの反射面を有することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
9. 前記第１光学系内の光路がなす面と、前記第２光学系内の光路がなす面は、互いに平行ではないことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学装置。
10. 前記第１光学系内の光路により囲まれる第１面と、前記第２光学系内の光路により囲まれる第２面は、互いに交差することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
11. 前記第１面と前記第２面の交差線は、前記第１反射部材と前記第２反射部材との間にあることを特徴とする請求項１０に記載の光学装置。
12. 前記第１の複数の反射面は、前記第１反射部材により反射された光を、前記第１軸に対して平行ではない面の方向に反射させることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
13. 前記第１反射面で反射された光を、前記第１光学系の反射面で順次偶数回反射させて、前記第２反射面に入射させ、
    前記第３反射面で反射された光を、前記第２光学系の反射面で順次偶数回反射させて、前記第４反射面に入射させる、ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
14. 光源と、
    請求項１乃至請求項１３のうちいずれか１項に記載の光学装置と、を含み、前記光学装置からの光で物体を加工することを特徴とする加工装置。
15. 前記光学装置から射出した光を物体へ導く光学素子を含むことを特徴とする請求項１４に記載の加工装置。
16. 請求項１４又は１５に記載の加工装置を用いて物体を加工する工程と、
    前記加工された物体を処理する工程と、を有し、前記処理された物体から物品を製造することを特徴とする物品の製造方法。

Images