JP6748150B2 - ガルバノミラー及びレーザ加工装置 - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光を反射するガルバノミラー、及びガルバノミラーを備えるレーザ加工装置に関する。
レーザ加工装置は、レーザ加工分野のマーキングや溶接加工で使用される。特許文献１には、レーザ光を第１の反射鏡及び第２の反射鏡（ガルバノミラー）で反射して加工対象物を加工するレーザ加工装置が開示されている。
このレーザ加工装置が加工対象物をレーザ加工したときに、加工対象物の加工点では光が発生する。この加工点の光は、レーザ光とは逆の経路を辿って第２の反射鏡（ガルバノミラー）で反射されて第１の反射鏡に戻ってくる。このような場合に、例えば、加工点の光を第１の反射鏡から外部に取り出して、その加工点の光の強度及び波長を検出器で検出すれば、加工対象物の加工状態を判断することができる。
このときに、加工点の光は、減衰されることがないように、第２の反射鏡（ガルバノミラー）によりも高い反射率で反射されて、第１の反射鏡から検出器に導かれる必要がある。
しかしながら、仮に、加工点の光を反射する層の上に、レーザ光を反射する層が重ねられて、第２の反射鏡（ガルバノミラー）が構成されると、層が厚くなるために、層の平滑性が劣化し、第２の反射鏡（ガルバノミラー）の反射率が低下する。
本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであり、層の平滑性を向上させて所定の波長の光の反射率及び所定の波長以外の波長の光の反射率を向上させることができるガルバノミラーを提供することを目的とする。
（１） 本発明は、透明な基板（例えば、後述の基板６１）と、前記基板の一方の面側に配置され、所定の波長のレーザ光を反射する第１反射層（例えば、後述のレーザ光反射層６２）と、前記基板の他方の面側に配置され、前記所定の波長以外の波長の光の反射率が前記第１反射層よりも高い第２反射層（例えば、後述の加工点光反射層６４）と、を備えるガルバノミラー（例えば、後述のガルバノミラー６０，１６０，２６０，３６０，４６０，５６０）に関する。
（２） （１）のガルバノミラーにおいて、前記基板の熱膨張率は１．０×１０−６／℃以下であってもよい。
（３） （１）又は（２）のガルバノミラーにおいて、前記基板の透過率は、４００〜２０００ｎｍの光に対して８０％／ｃｍ以上の透過率であってもよい。
（４） （１）〜（３）のいずれかのガルバノミラーにおいて、前記基板の材質は合成石英であってもよい。
（５） （１）〜（４）のいずれかのガルバノミラーにおいて、前記第１反射層は多層膜により構成され、前記第２反射層は多層膜により構成されていてもよい。
（６） （１）〜（４）のいずれかのガルバノミラーにおいて、前記第１反射層は多層膜により構成され、前記第２反射層は金属膜により構成されていてもよい。
（７） （１）〜（４）のいずれかのガルバノミラーにおいて、前記第１反射層は多層膜により構成され、前記第２反射層は、多層膜（例えば、後述の多層膜６６，６７）及び前記多層膜の最外面に配置された金属膜（例えば、後述の金属膜６８）により構成されていてもよい。
（８） （６）又は（７）のガルバノミラーにおいて、前記金属膜の材質は、金、銀、銅、又はアルミニウムであってもよい。
（９） （５）〜（７）のガルバノミラーにおいて、前記多層膜は、高屈折率層（例えば、後述の高屈折率層６６）及び低屈折率層（例えば、後述の低屈折率層６７）を交互に繰り返す膜であってもよい。
（１０） （１）〜（６）のいずれかのガルバノミラーにおいて、前記第２反射層（例えば、後述の加工点光反射層８５）は、前記基板の強度を補強するリブから構成され、前記リブは、前記所定の波長以外の波長の光を内部で反射してもよい。
（１１） （１）〜（６）のいずれかのガルバノミラーにおいて、前記第２反射層（例えば、後述の加工点光反射層６１１）は、前記基板と一体的に構成されると共に、前記基板の回転軸（例えば、後述の回転軸Ｘ）方向から見て階段状に形成された凸状部（例えば、後述の凸状部６１２，６１３）から構成され、前記凸状部は、前記所定の波長以外の波長の光を内部で反射させてもよい。
（１２） 本発明のレーザ加工装置（例えば、後述のレーザ加工装置５００）は、（１）〜（１１）のいずれかのガルバノミラーと、前記ガルバノミラーの前記第１反射層に照射されるレーザ光を発光するレーザ発振器（例えば、後述のレーザ発振器１００）と、を備える。
本発明によれば、層の平滑性を向上させて所定の波長の光の反射率及び所定の波長以外の波長の光の反射率を向上させることができるガルバノミラーを提供することができる。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。但し、本発明は、異なる態様で実施することができ、以下に例示する実施形態に限定して解釈されない。また、本明細書と図面において、前に説明した構成と同一の構成を後に説明する場合には、同一の符号を付したり、符号の下２桁を同じにしたりして、詳細な説明を適宜省略する場合がある。
〔第１実施形態〕
〔レーザ加工装置の全体構成〕
本発明の第１実施形態のレーザ加工装置について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態としてのレーザ加工装置を示す概略構成図である。図２は、本発明の第１実施形態としてのレーザ加工装置が有するレーザ発振器を示す概略構成図である。
図１に示されるように、本実施形態のレーザ加工装置５００は、レーザ発振器１００と、レーザ加工ヘッド４５と、を備える。レーザ発振器１００は、図２に示されるように、レーザ出射部１と、第１光ファイバ４０と、モジュール駆動部１１０と、を備える。
〔レーザ加工装置の全体構成〕
本発明の第１実施形態のレーザ加工装置について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態としてのレーザ加工装置を示す概略構成図である。図２は、本発明の第１実施形態としてのレーザ加工装置が有するレーザ発振器を示す概略構成図である。
図１に示されるように、本実施形態のレーザ加工装置５００は、レーザ発振器１００と、レーザ加工ヘッド４５と、を備える。レーザ発振器１００は、図２に示されるように、レーザ出射部１と、第１光ファイバ４０と、モジュール駆動部１１０と、を備える。
〔レーザ出射部〕
レーザ出射部１は、図２に示されるように、レーザ光を出射する部位である。レーザ出射部１は、複数個（図示の例では５個）の半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）と、モジュール内光ファイバ２０（２１，２２，２３，２４，２５）と、共振器もしくはコンバイナ３０（共振器３１，コンバイナ３２）と、を備える。
レーザ出射部１は、図２に示されるように、レーザ光を出射する部位である。レーザ出射部１は、複数個（図示の例では５個）の半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）と、モジュール内光ファイバ２０（２１，２２，２３，２４，２５）と、共振器もしくはコンバイナ３０（共振器３１，コンバイナ３２）と、を備える。
〔半導体レーザモジュール〕
半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）は、筐体２と、半導体レーザ素子３と、レンズ４と、を備える。筐体２は、半導体レーザ素子３及びレンズ４を収容する。半導体レーザ素子３は、レーザ光を発光する。レンズ４は、半導体レーザ素子３からのレーザ光を屈折させて集束させる。
半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）は、筐体２と、半導体レーザ素子３と、レンズ４と、を備える。筐体２は、半導体レーザ素子３及びレンズ４を収容する。半導体レーザ素子３は、レーザ光を発光する。レンズ４は、半導体レーザ素子３からのレーザ光を屈折させて集束させる。
半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）は、定格出力の異なるものを混在させて半導体レーザモジュール群を構成する。具体例としては、半導体レーザモジュール群の中に、５０Ｗと１００Ｗの半導体レーザモジュールを混在させる。この場合には、１００Ｗの半導体レーザモジュールのみでは１００Ｗ刻みでしかレーザ発振器のレーザ出力は制御できないところ、５０Ｗの半導体レーザモジュールも備えることで、５０Ｗ刻みでレーザ出力を制御することができる。半導体レーザモジュール群の中に１０Ｗ以下のような半導体レーザモジュールを備えることで、更に細かいレーザ出力制御をすることができる。
また、半導体レーザモジュールは、電流を制御することにより、レーザ出力を制御することもできる。
また、半導体レーザモジュールは、電流を制御することにより、レーザ出力を制御することもできる。
〔モジュール内光ファイバ〕
モジュール内光ファイバ２０（２１，２２，２３，２４，２５）は、筐体２から導出される。モジュール内光ファイバ２０（２１，２２，２３，２４，２５）は、半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）からのレーザ光を伝搬して、共振器もしくはコンバイナ３０（共振器３１，コンバイナ３２）に供給する。
モジュール内光ファイバ２０（２１，２２，２３，２４，２５）は、筐体２から導出される。モジュール内光ファイバ２０（２１，２２，２３，２４，２５）は、半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）からのレーザ光を伝搬して、共振器もしくはコンバイナ３０（共振器３１，コンバイナ３２）に供給する。
〔共振器もしくはコンバイナ〕
共振器３１を備える場合には、半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）からのレーザ光は、共振器３１の励起光として使用される。コンバイナ３２のみを備える場合には、複数の半導体レーザモジュール１１，１２，１３，１４，１５からのレーザ光をコンバイナ３２で集光して、使用する。共振器３１及びコンバイナ３２の両方を備える場合もある。何れかの方式で、レーザ発振器１００は、出力用の第１光ファイバ４０を通してレーザ光を出力する。
共振器３１を備える場合には、半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）からのレーザ光は、共振器３１の励起光として使用される。コンバイナ３２のみを備える場合には、複数の半導体レーザモジュール１１，１２，１３，１４，１５からのレーザ光をコンバイナ３２で集光して、使用する。共振器３１及びコンバイナ３２の両方を備える場合もある。何れかの方式で、レーザ発振器１００は、出力用の第１光ファイバ４０を通してレーザ光を出力する。
〔第１光ファイバ〕
第１光ファイバ４０は、半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）を備えるレーザ出射部１からのレーザ光を伝搬（伝送、導光）する。
第１光ファイバ４０は、半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）を備えるレーザ出射部１からのレーザ光を伝搬（伝送、導光）する。
〔モジュール駆動部〕
モジュール駆動部１１０は、複数の半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）を個別に駆動する部位である。
モジュール駆動部１１０は、複数の半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）を個別に駆動する部位である。
モジュール駆動部１１０は、定格出力を出力させるように駆動する定格駆動モード（該当するスイッチ部をＯＮ＝オンにする）と、駆動しない停止モード（該当するスイッチ部をＯＦＦ＝オフにする）との二通りの制御モードを、複数の半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）それぞれに対して選択的に適用して実行する。即ち、半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）の状態は、出力ＯＦＦ又は定格出力ＯＮの２通りの状態のみである。
モジュール駆動部１１０は、電源としての電流供給部９５と、スイッチ部１１１，１１２，１１３，１１４，１１５と、制御信号発生部１１６と、制御部９０と、を備える。
モジュール駆動部１１０は、電源としての電流供給部９５と、スイッチ部１１１，１１２，１１３，１１４，１１５と、制御信号発生部１１６と、制御部９０と、を備える。
〔電流供給部〕
電流供給部９５は、半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）の半導体レーザ素子３に励起電流を供給する部位である。
電流供給部９５は、半導体レーザモジュール１０（１１，１２，１３，１４，１５）の半導体レーザ素子３に励起電流を供給する部位である。
〔スイッチ部〕
切換部としてのスイッチ部１１１，１１２，１１３，１１４，１１５は、電流供給部９５から半導体レーザモジュール１１，１２，１３，１４，１５に励起電流を供給する回路中に介挿された部位である。スイッチ部１１１，１１２，１１３，１１４，１１５は、電流供給部９５から半導体レーザモジュール１１，１２，１３，１４，１５への励起電流のオン／オフを切り換え可能な部位である。
切換部としてのスイッチ部１１１，１１２，１１３，１１４，１１５は、電流供給部９５から半導体レーザモジュール１１，１２，１３，１４，１５に励起電流を供給する回路中に介挿された部位である。スイッチ部１１１，１１２，１１３，１１４，１１５は、電流供給部９５から半導体レーザモジュール１１，１２，１３，１４，１５への励起電流のオン／オフを切り換え可能な部位である。
〔制御信号発生部〕
制御信号発生部１１６は、スイッチ部１１１，１１２，１１３，１１４，１１５を制御する制御信号ＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３，ＳＣ４，ＳＣ５を発生させる部位である。
制御信号発生部１１６は、スイッチ部１１１，１１２，１１３，１１４，１１５を制御する制御信号ＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３，ＳＣ４，ＳＣ５を発生させる部位である。
〔制御部〕
制御部９０は、スイッチ部１１１，１１２，１１３，１１４，１１５、制御信号発生部１１６、及び後述の検出器８０の駆動を制御する。
制御部９０は、スイッチ部１１１，１１２，１１３，１１４，１１５、制御信号発生部１１６、及び後述の検出器８０の駆動を制御する。
〔レーザ加工ヘッド〕
図１に示されるように、レーザ加工ヘッド４５は、検出器前ミラー５０と、ガルバノミラー６０と、検出器８０と、を備える。
〔検出器前ミラー〕
検出器前ミラー５０は、検出器８０の前に対向して配置されている。検出器前ミラー５０は、所定の波長のレーザ光を反射すると共に所定の波長のレーザ光以外の光を透過する。例えば、レーザ発振器１００のレーザ出射部１（図２参照）から出射されるレーザ光が波長（中心波長）：１０７０ｎｍのレーザ光である場合には、検出器前ミラー５０は、波長（中心波長）が１０７０ｎｍのレーザ光を反射し、一方、波長が１０７０ｎｍ以外の光であって、加工対象物７０で発生した光を、透過させる。
図１に示されるように、レーザ加工ヘッド４５は、検出器前ミラー５０と、ガルバノミラー６０と、検出器８０と、を備える。
〔検出器前ミラー〕
検出器前ミラー５０は、検出器８０の前に対向して配置されている。検出器前ミラー５０は、所定の波長のレーザ光を反射すると共に所定の波長のレーザ光以外の光を透過する。例えば、レーザ発振器１００のレーザ出射部１（図２参照）から出射されるレーザ光が波長（中心波長）：１０７０ｎｍのレーザ光である場合には、検出器前ミラー５０は、波長（中心波長）が１０７０ｎｍのレーザ光を反射し、一方、波長が１０７０ｎｍ以外の光であって、加工対象物７０で発生した光を、透過させる。
〔検出器〕
検出器８０は、検出器前ミラー５０の裏面に対向して配置される。検出器８０は、加工対象物７０の加工点で発生した光であって、検出器前ミラー５０を透過する光を、検出する。制御部９０は、検出器８０の検出結果に基づいて加工対象物７０の加工状態をモニタすることができ、レーザ光の強度の良否を判断することができる。検出器８０は、光の波長を検出できるフォトダイオードなどから構成される。
検出器８０は、検出器前ミラー５０の裏面に対向して配置される。検出器８０は、加工対象物７０の加工点で発生した光であって、検出器前ミラー５０を透過する光を、検出する。制御部９０は、検出器８０の検出結果に基づいて加工対象物７０の加工状態をモニタすることができ、レーザ光の強度の良否を判断することができる。検出器８０は、光の波長を検出できるフォトダイオードなどから構成される。
〔ガルバノミラー〕
ガルバノミラー６０は、所定の回転軸を中心に回転するミラーであり、レーザ光の伝搬方向を変更する。例えば、ガルバノミラー６０が矢印Ａ方向に回転すると、矢印Ｌ２で示すレーザ光は矢印Ｍの方向に移動する。ガルバノミラー６０が矢印Ｂ方向に回転すると、矢印Ｌ２で示すレーザ光は矢印Ｎの方向に移動する。ガルバノミラー６０は、レーザ光，及び加工対象物７０の加工点で発生する光の両方を反射する必要がある。なお、加工内容は、切断や溶接などである。また、図１には、１個のガルバノミラー６０のみ示されているが、一般的には、Ｘ軸方向走査用のガルバノミラーと、Ｙ軸方向走査用のガルバノミラーとの２個のガルバノミラーが設けられる。これにより、レーザ発振器１００は、加工対象物７０の任意の加工点にレーザ光を照射することができる。
ガルバノミラー６０は、所定の回転軸を中心に回転するミラーであり、レーザ光の伝搬方向を変更する。例えば、ガルバノミラー６０が矢印Ａ方向に回転すると、矢印Ｌ２で示すレーザ光は矢印Ｍの方向に移動する。ガルバノミラー６０が矢印Ｂ方向に回転すると、矢印Ｌ２で示すレーザ光は矢印Ｎの方向に移動する。ガルバノミラー６０は、レーザ光，及び加工対象物７０の加工点で発生する光の両方を反射する必要がある。なお、加工内容は、切断や溶接などである。また、図１には、１個のガルバノミラー６０のみ示されているが、一般的には、Ｘ軸方向走査用のガルバノミラーと、Ｙ軸方向走査用のガルバノミラーとの２個のガルバノミラーが設けられる。これにより、レーザ発振器１００は、加工対象物７０の任意の加工点にレーザ光を照射することができる。
ガルバノミラー６０には、高い反射率が求められる。これは、以下の理由による。ガルバノミラー６０の反射率が低い場合には、ガルバノミラー６０が数ｋＷという出力が高いレーザ光を吸収して、レーザ光を減衰させ、ガルバノミラー６０が発熱し、エネルギーの損失が生じる可能性があり、これらの現象を抑制するためである。
また、ガルバノミラー６０には、熱膨張率が低く、且つ軽量であることが求められる。低い熱膨張率は、ガルバノミラー６０がレーザ光を吸収することにより発熱して熱膨張することを抑制するために必要とされる。軽量であることは、ガルバノミラー６０をモータで容易に回転させるために必要とされる。
図１及び図３Ａに示されるように、ガルバノミラー６０は、透明な基板６１と、第１反射層としてのレーザ光反射層６２と、第２反射層としての加工点光反射層６４と、を有する。
〔基板〕
基板６１には透明な材質が用いられる。加工点の光が基板６１を透過して基板６１の裏側に配置される加工点光反射層６４で反射するようにするためである。具体的には、４００〜２０００ｎｍの光に対して８０％／ｃｍ以上の透過率を有することが好ましい。
透明な基板６１の熱膨張率は、１．０×１０−６／℃以下であることが好ましい。ガルバノミラー６０には、正確なレーザの位置決めのためにλ／１０（６２ｎｍ）の面精度が求められ、発熱に対しても面精度を劣化させないように、熱膨張率が低いことが求められるからである。
透明な基板６１の材質は、例えば合成石英である。前述の透過率や熱膨張率を示す材料には、合成石英が該当する。
基板６１には透明な材質が用いられる。加工点の光が基板６１を透過して基板６１の裏側に配置される加工点光反射層６４で反射するようにするためである。具体的には、４００〜２０００ｎｍの光に対して８０％／ｃｍ以上の透過率を有することが好ましい。
透明な基板６１の熱膨張率は、１．０×１０−６／℃以下であることが好ましい。ガルバノミラー６０には、正確なレーザの位置決めのためにλ／１０（６２ｎｍ）の面精度が求められ、発熱に対しても面精度を劣化させないように、熱膨張率が低いことが求められるからである。
透明な基板６１の材質は、例えば合成石英である。前述の透過率や熱膨張率を示す材料には、合成石英が該当する。
〔レーザ光反射層〕
レーザ光反射層６２は、基板６１の一方の面側に配置されている。レーザ光反射層６２は、多層膜により構成されている。レーザ光反射層６２は、所定の波長のレーザ光を反射する。レーザ光反射層６２としては、例えば、高屈折率層は酸化タンタル、低屈折率層は酸化ケイ素のような材質の層が用いられる。高屈折率層及び低屈折率層の厚みや層数は、所定の波長のレーザ光を反射するように設計される。
レーザ光反射層６２は、基板６１の一方の面側に配置されている。レーザ光反射層６２は、多層膜により構成されている。レーザ光反射層６２は、所定の波長のレーザ光を反射する。レーザ光反射層６２としては、例えば、高屈折率層は酸化タンタル、低屈折率層は酸化ケイ素のような材質の層が用いられる。高屈折率層及び低屈折率層の厚みや層数は、所定の波長のレーザ光を反射するように設計される。
〔加工点光反射層〕
加工点光反射層６４は、基板６１の他方の面側に配置されている。加工点光反射層６４は、多層膜により構成されている。加工点光反射層６４は、加工対象物７０の加工点で発生した光を反射する面であり、所定の波長以外の波長の光の反射率がレーザ光反射層６２よりも高い。加工点光反射層６４としては、例えば、高屈折率層は酸化タンタル、低屈折率層は酸化ケイ素のような材質の層が用いられる。高屈折率層及び低屈折率層の厚みや層数は、所定の波長以外の波長の光の反射率がレーザ光反射層６２よりも高くなるように設計される。
加工点光反射層６４は、基板６１の他方の面側に配置されている。加工点光反射層６４は、多層膜により構成されている。加工点光反射層６４は、加工対象物７０の加工点で発生した光を反射する面であり、所定の波長以外の波長の光の反射率がレーザ光反射層６２よりも高い。加工点光反射層６４としては、例えば、高屈折率層は酸化タンタル、低屈折率層は酸化ケイ素のような材質の層が用いられる。高屈折率層及び低屈折率層の厚みや層数は、所定の波長以外の波長の光の反射率がレーザ光反射層６２よりも高くなるように設計される。
ガルバノミラー６０の反射層は、誘電体多層膜を数１０層重ねることで構成される。ガルバノミラー６０の反射率は、層の数や層の厚さの他に、層の平滑性の高さや異物の少なさにも影響を受ける。加工点光反射層６４及びレーザ光反射層６２を重ねると、層数が増えるために、平滑性が低下し、異物が多く発生し、反射率が低下する。そこで、基板６１の表側にレーザ光反射層６２を配置し、基板６１の裏側に加工点光反射層６４を配置することで、ガルバノミラー６０の表側の層数を減らし、ガルバノミラー６０のレーザ光及び加工点光の反射率を向上させる。レーザ光の波長が例えば１０７０ｎｍの場合には、レーザ光反射層６２は、波長：１０７０ｎｍのレーザ光を反射し、加工点光反射層６４は、その他の波長の光を反射する。
レーザ光が進行する様子を説明する。図１に示されるように、レーザ光は、レーザ発振器１００のレーザ出射部１（図２参照）から出射して、矢印Ｌ０のように進み、検出器前ミラー５０で反射して矢印Ｌ１のように進み、ガルバノミラー６０のレーザ光反射層６２で反射して矢印Ｌ２のように進む。レーザ光は、加工対象物７０に照射されて加工対象物７０を加工する。加工対象物７０の加工点で発生した光は、矢印Ｌ３のように進み、ガルバノミラー６０のレーザ光反射層６２及び基板６１を矢印Ｌ４のように透過し、ガルバノミラー６０の加工点光反射層６４で反射して、ガルバノミラー６０の基板６１及びレーザ光反射層６２を矢印Ｌ５のように透過し、矢印Ｌ６のように進む。その後、加工対象物７０の加工点で発生した光は、検出器前ミラー５０を透過して、検出器８０によって検出される。
本実施形態のガルバノミラー６０によれば、例えば、以下の効果が奏される。
本実施形態のガルバノミラー６０は、透明な基板６１と、基板６１の一方の面側に配置され、所定の波長のレーザ光を反射するレーザ光反射層６２と、基板６１の他方の面側に配置され、所定の波長以外の波長の光の反射率がレーザ光反射層６２よりも高い加工点光反射層６４と、を備える
本実施形態のガルバノミラー６０は、透明な基板６１と、基板６１の一方の面側に配置され、所定の波長のレーザ光を反射するレーザ光反射層６２と、基板６１の他方の面側に配置され、所定の波長以外の波長の光の反射率がレーザ光反射層６２よりも高い加工点光反射層６４と、を備える
そのため、本実施形態のガルバノミラー６０は、層の平滑性を向上させて所定の波長の光の反射率及び所定の波長以外の波長の光の反射率を向上させることができる。また、基板６１が透明であることから、基板６１が所定の波長以外の波長の光を吸収する程度が抑制され、加工点光反射層６４が所定の波長以外の光を反射する反射率が向上する。
また、本実施形態のガルバノミラー６０において、基板６１の熱膨張率は１．０×１０−６／℃以下である。このように基板６１の熱膨張率が１．０×１０−６／℃以下であることから、ガルバノミラー６０の発熱に対する形状の変化が抑制される。
また、本実施形態のガルバノミラー６０において、基板６１の透過率は、４００〜２０００ｎｍの光に対して８０％／ｃｍ以上の透過率である。加工対象物７０の加工点で発生した光は基板６１を透過しやすいため、検出器８０による検出精度の低下は抑制される。
また、本実施形態のガルバノミラー６０において、基板６１の材質は合成石英である。このように基板６１の材質に合成石英が用いられることから、基板６１の透明性及び低い熱膨張率が確保される。
また、本実施形態のガルバノミラー６０において、レーザ光反射層６２は多層膜により構成され、加工点光反射層６４は多層膜により構成される。このようにレーザ光反射層６２及び加工点光反射層６４は多層膜により構成されるので、高い反射率が得られる。
〔比較例〕
図３Ｂは、比較例に係るガルバノミラー９６０の構成の一部を概略的に示す断面図である。ガルバノミラー９６０は、基板６１の一方の面側にレーザ光反射層６２及び加工点光反射層６４が積層されて構成されている。
図３Ｂは、比較例に係るガルバノミラー９６０の構成の一部を概略的に示す断面図である。ガルバノミラー９６０は、基板６１の一方の面側にレーザ光反射層６２及び加工点光反射層６４が積層されて構成されている。
レーザ光が進行する様子を説明する。レーザ光は、図３Ｂに示されるように、レーザ出射部１から出射して矢印Ｌ１のように進み、レーザ光反射層６２で反射して矢印Ｌ２のように進む。図１に示されるように、レーザ光は、加工対象物７０に照射されて加工対象物７０を加工する。加工対象物７０の加工点で発生した光は、図３Ｂに示される矢印Ｌ３のように進み、レーザ光反射層６２を矢印Ｌ４のように透過し、加工点光反射層６４で反射して、レーザ光反射層６２を矢印Ｌ５のように透過し、矢印Ｌ６のように進む。
比較例の構成によれば、ガルバノミラー９６０は、レーザ光反射層６２及び加工点光反射層６４が基板６１の同一面側に積層されるために層の平滑性が低く、また、レーザ光反射層６２における所定の波長の光の反射率と加工点光反射層６４における所定の波長以外の波長の光の反射率が低い。
〔変形例１〕
図４Ａは、変形例１に係るガルバノミラー１６０の構成を示す断面図である。図４Ｂは、図４Ａの一部拡大断面図である。レーザ光反射層６２の多層膜は、高屈折率層６６及び低屈折率層６７を交互に繰り返すことで構成されている膜である。加工点光反射層６４の多層膜は、レーザ光反射層６２と同様に、高屈折率層６６及び低屈折率層６７を交互に繰り返すことで構成されている膜である。高屈折率層６６には、酸化チタンや酸化タンタルなどが用いられる。低屈折率層６７には、酸化ケイ素やフッ化マグネシウムなどが用いられる。一層の厚みは数十〜数百ｎｍ程度である。なお、高屈折率層６６及び低屈折率層６７の層数や厚みは、設計により適宜異なっていてもよい。
図４Ａは、変形例１に係るガルバノミラー１６０の構成を示す断面図である。図４Ｂは、図４Ａの一部拡大断面図である。レーザ光反射層６２の多層膜は、高屈折率層６６及び低屈折率層６７を交互に繰り返すことで構成されている膜である。加工点光反射層６４の多層膜は、レーザ光反射層６２と同様に、高屈折率層６６及び低屈折率層６７を交互に繰り返すことで構成されている膜である。高屈折率層６６には、酸化チタンや酸化タンタルなどが用いられる。低屈折率層６７には、酸化ケイ素やフッ化マグネシウムなどが用いられる。一層の厚みは数十〜数百ｎｍ程度である。なお、高屈折率層６６及び低屈折率層６７の層数や厚みは、設計により適宜異なっていてもよい。
〔変形例２〕
図５Ａは、変形例２に係るガルバノミラー２６０の構成を示す断面図である。レーザ光反射層６２は、多層膜により構成されている。加工点光反射層６４は、広い波長帯に対して高い反射率が必要なため、金属膜により構成されている。金属膜の材質は、金、銀、銅、又はアルミニウムである。
変形例２の構成によれば、加工点光反射層６４が金属膜により構成され、また、金属膜は幅広い波長に対して反射率が高いため、加工点の発光の幅広い波長成分を反射することができる。また、金属膜の材質が金、銀、銅、又はアルミニウムであるため、ガルバノミラー１６０の反射率が上がる。
図５Ａは、変形例２に係るガルバノミラー２６０の構成を示す断面図である。レーザ光反射層６２は、多層膜により構成されている。加工点光反射層６４は、広い波長帯に対して高い反射率が必要なため、金属膜により構成されている。金属膜の材質は、金、銀、銅、又はアルミニウムである。
変形例２の構成によれば、加工点光反射層６４が金属膜により構成され、また、金属膜は幅広い波長に対して反射率が高いため、加工点の発光の幅広い波長成分を反射することができる。また、金属膜の材質が金、銀、銅、又はアルミニウムであるため、ガルバノミラー１６０の反射率が上がる。
〔変形例３〕
図５Ｂは、変形例３に係るガルバノミラー３６０の構成を示す断面図である。レーザ光反射層６２は、多層膜により構成されている。加工点光反射層６４は、広い波長帯に対して高い反射率が必要なため、高屈折率層６６と低屈折率層６７を交互に重ねた多層膜、及びこの多層膜の最外面に配置された金属膜６８を備えている。金属膜の材質は、金、銀、銅、又はアルミニウムである。
図５Ｂは、変形例３に係るガルバノミラー３６０の構成を示す断面図である。レーザ光反射層６２は、多層膜により構成されている。加工点光反射層６４は、広い波長帯に対して高い反射率が必要なため、高屈折率層６６と低屈折率層６７を交互に重ねた多層膜、及びこの多層膜の最外面に配置された金属膜６８を備えている。金属膜の材質は、金、銀、銅、又はアルミニウムである。
〔第２実施形態〕
図６Ａは、第２実施形態に係るガルバノミラー４６０の正面図である。図６Ｂはガルバノミラー４６０の側面図である。図６Ａ及び図６Ｂに示される第２実施形態に係るガルバノミラー４６０は、基板６１と、レーザ光反射層６２と、加工点光反射層８５と、を備える。ガルバノミラー４６０は高速で回転しつつ位置決めされるので、ガルバノミラー４６０には、高速回転を可能にする軽さと、加速に対して変形しない強度とが必要とされる。そのため、加工点光反射層８５は、基板６１の強度を補強する直線状のリブから構成されている。加工点光反射層８５の上面８５１、側面８５２及び底面８５３と、基板６１の裏側とには、反射コーティングが施されており、加工点で発生した加工点の光を反射させることができる。
図６Ａは、第２実施形態に係るガルバノミラー４６０の正面図である。図６Ｂはガルバノミラー４６０の側面図である。図６Ａ及び図６Ｂに示される第２実施形態に係るガルバノミラー４６０は、基板６１と、レーザ光反射層６２と、加工点光反射層８５と、を備える。ガルバノミラー４６０は高速で回転しつつ位置決めされるので、ガルバノミラー４６０には、高速回転を可能にする軽さと、加速に対して変形しない強度とが必要とされる。そのため、加工点光反射層８５は、基板６１の強度を補強する直線状のリブから構成されている。加工点光反射層８５の上面８５１、側面８５２及び底面８５３と、基板６１の裏側とには、反射コーティングが施されており、加工点で発生した加工点の光を反射させることができる。
図６Ｃは、加工点で発生した光が加工点光反射層８５で反射する様子を示す断面図である。図６Ｃに示されるように、加工対象物７０の加工点で発生した所定の波長以外の波長の光は、矢印のように加工点光反射層８５の内部で反射する。すなわち、加工対象物７０の加工点で発生した光は、レーザ光反射層６２及び基板６１を透過して加工点光反射層８５で反射して、基板６１及びレーザ光反射層６２を透過して、検出器前ミラー５０へと向かう。
このような第２実施形態の構成によれば、加工点光反射層８５がリブで形成されているため、ガルバノミラー４６０の剛性が確保される。同時に、加工点光反射層８５及び基板６１に必要な剛性が少なく済む分、加工点光反射層８５及び基板６１の厚みを薄く形成することができるので、ガルバノミラー４６０の軽量化が実現される。
また、加工点光反射層８５の全面に反射コーティングされている。このため、加工点光反射層８５に進入した加工点の光は、加工点光反射層８５の中で複数回反射した後、ガルバノミラー４６０によって反射されることができる。
〔第３実施形態〕
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃは、本発明の第３実施形態としてのガルバノミラー５６０の平面図、正面図、側面図である。図７Ａ，図７Ｂ，図７Ｃに示される第３実施形態に係るガルバノミラー５６０は、基板６１と、レーザ光反射層６２と、加工点光反射層６１１と、を備える。加工点光反射層６１１は、基板６１と一体的に構成されると共に、基板６１の回転軸Ｘ方向から見て階段状に形成された凸状部６１２，６１３から構成される。凸状部６１２は、基板６１の回転軸Ｘ方向から見て、基板６１の一部から突出している。また、凸状部６１３は、基板６１の回転軸Ｘ方向から見て、凸状部６１２から突出している。
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃは、本発明の第３実施形態としてのガルバノミラー５６０の平面図、正面図、側面図である。図７Ａ，図７Ｂ，図７Ｃに示される第３実施形態に係るガルバノミラー５６０は、基板６１と、レーザ光反射層６２と、加工点光反射層６１１と、を備える。加工点光反射層６１１は、基板６１と一体的に構成されると共に、基板６１の回転軸Ｘ方向から見て階段状に形成された凸状部６１２，６１３から構成される。凸状部６１２は、基板６１の回転軸Ｘ方向から見て、基板６１の一部から突出している。また、凸状部６１３は、基板６１の回転軸Ｘ方向から見て、凸状部６１２から突出している。
凸状部６１２，６１３は、所定の波長以外の波長の光を内部で反射させる。回転軸Ｘに近い慣性モーメント（イナーシャ）への影響が小さい部分は厚く形成し、慣性モーメントへの影響が大きい部分は薄く形成されている。加工点光反射層６１１の階段状の凸部の全面には、反射コーティングが行われている。
このような第３実施形態の構成によれば、加工点光反射層６１１が階段状の凸部である。そのため、慣性モーメントの増加が抑制され、強度が確保され、軽量化が実現される。
また、加工点光反射層６１１の階段状の凸部の全面に反射コーティングされている。そのため、加工点光反射層６１１に進入した加工点の光は、加工点光反射層６１１の中で複数回反射した後、ガルバノミラー３６０によって反射されることができる。
〔変形例〕
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに制限されない。
基板の材質は、セラミック系の材料であってもよい。このセラミック系の材料の熱膨張率も１．０×１０−６／℃以下であることが望ましい。
前記の形態及び例においては、合成石英には、空洞が設けられていないが、これに制限されず、合成石英には、空洞が設けられていてもよい。そのように空洞が設けられることにより、ガルバノミラー３６０の軽量化が実現される。
基板の材質は合成石英に制限されず、強度の強いシリコンカーバイドが用いられてもよい。この場合には、基板の材質は、加工点光反射層において加工点で発生した光を反射できるようにするために、透過率が比較的高いことが必要である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに制限されない。
基板の材質は、セラミック系の材料であってもよい。このセラミック系の材料の熱膨張率も１．０×１０−６／℃以下であることが望ましい。
前記の形態及び例においては、合成石英には、空洞が設けられていないが、これに制限されず、合成石英には、空洞が設けられていてもよい。そのように空洞が設けられることにより、ガルバノミラー３６０の軽量化が実現される。
基板の材質は合成石英に制限されず、強度の強いシリコンカーバイドが用いられてもよい。この場合には、基板の材質は、加工点光反射層において加工点で発生した光を反射できるようにするために、透過率が比較的高いことが必要である。
４５ レーザ加工ヘッド
５０ 検出器前ミラー
６０，１６０，２６０，３６０，４６０，５６０ ガルバノミラー
６１ 基板
６２ レーザ光反射層（第１反射層）
６４ 加工点光反射層（第２反射層）
６６ 高屈折率層
６７ 低屈折率層
６８ 金属膜
８０ 検出器
８５ 加工点光反射層（第２反射層）
１００ レーザ発振器
５００ レーザ加工装置
６１１ 加工点光反射層（第２反射層）
Ｘ 回転軸
５０ 検出器前ミラー
６０，１６０，２６０，３６０，４６０，５６０ ガルバノミラー
６１ 基板
６２ レーザ光反射層（第１反射層）
６４ 加工点光反射層（第２反射層）
６６ 高屈折率層
６７ 低屈折率層
６８ 金属膜
８０ 検出器
８５ 加工点光反射層（第２反射層）
１００ レーザ発振器
５００ レーザ加工装置
６１１ 加工点光反射層（第２反射層）
Ｘ 回転軸
Claims (10)
- 透明な基板と、
前記基板の一方の面側に配置され、所定の波長のレーザ光を反射する第１反射層と、
前記基板の他方の面側に配置され、前記所定の波長以外の波長の光の反射率が前記第１反射層よりも高い第２反射層と、を備え、
前記第２反射層は、多層膜及び前記多層膜の最外面に配置された金属膜により構成されている、ガルバノミラー。 - 前記基板の熱膨張率は１．０×１０−６／℃以下である、請求項１に記載のガルバノミラー。
- 前記基板の透過率は、４００〜２０００ｎｍの光に対して８０％／ｃｍ以上の透過率である、請求項１又は２に記載のガルバノミラー。
- 前記基板の材質は合成石英である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガルバノミラー。
- 前記第１反射層は多層膜により構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガルバノミラー。
- 前記金属膜の材質は、金、銀、銅、又はアルミニウムである、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガルバノミラー。
- 前記多層膜は、高屈折率層及び低屈折率層を交互に繰り返す膜である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガルバノミラー。
- 前記第２反射層は、前記基板の強度を補強するリブの外表面に形成され、
前記リブは、前記所定の波長以外の波長の光を内部で反射する、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のガルバノミラー。 - 前記第２反射層は、前記基板と一体的に構成されると共に、前記基板の回転軸方向から見て階段状に形成された凸状部の外表面に形成され、
前記凸状部は、前記所定の波長以外の波長の光を内部で反射させる、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のガルバノミラー。 - 請求項１〜９のいずれか１項に記載のガルバノミラーと、
前記ガルバノミラーの前記第１反射層に照射されるレーザ光を発光するレーザ発振器と、
を備える、レーザ加工装置。
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