JP6817027B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工対象物にレーザを照射して加工を行うレーザ加工装置に関する。

従来、レーザを偏向する光偏向器を備えるレーザ加工装置として、第１プリズムと第２プリズムとを有する偏向光学系と、偏向光学系を回転させる回転機構とを備えたレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このレーザ加工装置は、レーザの発振周波数が１ｋＨｚ未満のときに、回転機構により偏向光学系を１２０ｒｐｍ以上で回転させ、レーザの発振周波数が１ｋＨｚ以上のときに、回転機構により偏向光学系を１２００ｒｐｍ以上で回転させている。

また、光偏向器として、ＫＴＮ結晶を用いた電気光学偏向器が知られている（例えば、特許文献２参照）。ＫＴＮ結晶を用いた電気光学偏向器は、高速動作が可能となっている。一方で、電気光学偏向器において、ＫＴＮ結晶は、そのサイズが小さく、使用可能なビーム径が限られており、一例として、１ｍｍのＫＴＮ結晶に対して、ビーム径が０．５ｍｍとなるビームを照射している。

特開２０１３−１８４１９１号公報 特開２０１２−１４１４９８号公報

ここで、特許文献１のレーザ加工装置は、レーザの発振周波数が１ｋＨｚのオーダーとなっているが、一方で、レーザ加工装置には、より高速なレーザ加工が求められている。例えば、レーザ加工装置は、レーザの発振周波数を１００〜１０００ｋＨｚとしており、この発振周波数に応じてレーザを高速に偏向する場合、特許文献２の電気光学偏向器を適用することが考えられる。

ところで、特許文献１のレーザ加工装置は、コリメート光学系により平行光となったレーザを、偏向光学系により偏向している。平行光となったレーザのビーム径は、偏向光学系の第１プリズム及び第２プリズム部分において、２０ｍｍ〜１００ｍｍ程度となる。しかしながら、上記したように、ＫＴＮ結晶は、レンズ光学系に比べて、そのサイズが小さいことから、ＫＴＮ結晶を用いた電気光学偏向器を、特許文献１のレーザ加工装置の偏向光学系の偏向部分に適用することは困難である。

そこで、本発明は、電気光学結晶を用いて、レーザの偏向を高速に実行することができるレーザ加工装置を提供することを課題とする。

本発明のレーザ加工装置は、加工対象物へ向けてレーザを照射するレーザ照射装置と、前記レーザの光路上に設けられる電気光学結晶と前記電気光学結晶に電圧を印加する電極とを含む電気光学偏向器を有し、前記レーザが照射される照射方向において、前記レーザ照射装置の下流側に設けられ、前記レーザ照射装置から照射された前記レーザを前記電気光学偏向器により偏向する偏向光学系と、前記照射方向において、前記偏向光学系の下流側に設けられ、前記レーザのビーム径を拡大するビーム径拡大光学系と、前記照射方向において、前記ビーム径拡大光学系の下流側に設けられ、前記ビーム径が拡大された前記レーザを集光し、集光した前記レーザを前記加工対象物へ照射する集光光学系と、を備えることを特徴とする。

本発明のレーザ加工装置は、偏向光学系の電気光学結晶に、ビーム径が拡大される前のビーム径が小さいレーザが入射するため、電気光学結晶の大きさが小さい場合であっても、電気光学偏向器を用いて、レーザの偏向を高速に実行することが可能となる。

図１は、第１の実施形態に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。 図２は、案内光学系から集光光学系に至る構成を模式的に示す図である。 図３は、レーザ加工装置によるレーザ加工の一例を模式的に示す図である。 図４は、第２の実施形態に係るレーザ加工装置の偏向光学系を模式的に示す図である。 図５は、第３の実施形態に係るレーザ加工装置の偏向光学系を模式的に示す図である。 図６は、第４の実施形態に係るレーザ加工装置の偏向光学系を模式的に示す図である。 図７は、第５の実施形態に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。図１に示すように、第１の実施形態に係るレーザ加工装置１０は、加工対象物８に対してレーザＬを照射することで、切断加工、穴あけ加工等の各種加工を行う装置となっている。なお、加工の種類は特に限定されないが、第１の実施形態のレーザ加工装置１０は、穴あけ、切断等のレーザ加工を行う。

加工対象物８としては、種々の材料を適用することが可能となっており、例えば、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、ガラス等で作成された部材を用いることができる。また、加工対象物８としては、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック、Carbon Fiber Reinforced Plastics）、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＧＭＴ（ガラス長繊維強化プラスチック）等の繊維強化プラスチック、鋼板以外の鉄合金、アルミ合金等の各種金属、その他複合材料等で作成された材料も用いることができる。

レーザ加工装置１０は、レーザ照射装置１２と、紫外線照射装置１４と、案内光学系１６と、偏向光学系１８と、ビーム径拡大光学系２０と、集光光学系２２と、移動機構２４と、支持台２６と、制御装置２８と、を備える。ここで、第１の実施形態では、水平面をＸ方向とＸ方向に直交するＹ方向を含むＸＹ平面とし、水平面に直交する鉛直方向をＺ方向とする。

レーザ照射装置１２は、レーザＬを出力する装置である。レーザ照射装置１２には、光ファイバを媒質に用いてレーザＬを出力するファイバレーザ照射装置や、短パルスのレーザＬを出力する短パルスレーザ照射装置を用いることができる。ファイバレーザ照射装置としては、ファブリペロー型ファイバレーザ照射装置またはリング型ファイバレーザ照射装置が例示される。また、ファイバレーザ照射装置は、連続波発振（Continuous Wave Operation）とパルス発振（Plused Operation）のいずれの方式を用いるレーザ照射装置１２でもよい。ファイバレーザ照射装置のファイバには、例えば希土類元素（Ｅｒ、Ｎｄ、Ｙｂ）を添加したシリカガラスを使用することができる。また、短パルスとは、パルス幅が１００ピコ秒以下のパルスである。短パルスレーザ出力装置のレーザの発生源としては、例えばチタンサファイアレーザーを用いることができる。なお、第１の実施形態では、非熱加工が可能な短パルスレーザ照射装置を用いている。つまり、第１の実施形態のレーザ加工装置１０は、レーザ照射装置１２として、短パルスレーザ照射装置を適用したときの構成となっている。

このようなレーザ照射装置１２から照射されるレーザＬは、加工用レーザとなっており、１Ｗ以上の出力となる高出力レーザとなっている。具体的に、レーザＬは、その周波数が１ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚ程度となっており、またその出力が、１００Ｗ〜１０ｋＷ程度となっている。なお、レーザＬの波長については、特に限定されないが、後述する偏向光学系１８に設けられる電気光学結晶であるＫＴＮ結晶に適した波長帯域とすることがよい。

紫外線照射装置１４は、紫外線Ｕを出力する装置である。紫外線照射装置１４は、後述のＫＴＮ結晶を初期状態にリセットすべく、偏向光学系１８へ向かって紫外線Ｕを照射している。紫外線照射装置１４は、偏向光学系１８の光軸に沿うように、紫外線Ｕを照射している。このため、紫外線Ｕは、ＫＴＮ結晶において、レーザＬと重なり合う位置に照射される。また、紫外線照射装置１４は、紫外線Ｕの照射領域がレーザＬのビーム径よりも大きくなるように、つまり、レーザＬのビーム径よりも広い照射領域となるように、紫外線Ｕを照射している。なお、紫外線照射装置１４は、紫外線Ｕの照射領域が、後述のＫＴＮ結晶よりも大きくなるように照射することが、より好ましい。また、紫外線照射装置１４は、ＫＴＮ結晶から出射する紫外線Ｕの出射光の照射面積が、ＫＴＮ結晶に入射する紫外線Ｕの入射光の照射面積に比して大きくなる拡散光となるように、紫外線Ｕを照射してもよい。

案内光学系１６は、レーザ照射装置１２から照射されたレーザＬ、及び紫外線照射装置１４から照射された紫外線Ｕを、偏向光学系１８に案内する光学系である。案内光学系１６は、ミラー３１を有している。ここで、第１の実施形態において用いるミラー３１は、いわゆるダイクロイックミラーが好適である。このミラー３１は、一方の面がレーザＬを反射する反射面となり、他方の面が紫外線Ｕを透過する透過面となる、いわゆるビームスプリッターとして機能する光学部材である。ミラー３１は、レーザ照射装置１２から照射されたレーザＬを反射面において反射させることで、レーザＬを偏向光学系１８に案内する。一方で、ミラー３１は、紫外線照射装置１４から照射された紫外線Ｕを透過面において透過させることで、紫外線Ｕを偏向光学系１８に案内する。

偏向光学系１８は、レーザ照射装置１２から照射されたレーザＬを偏向する光学系である。偏向光学系１８は、レーザＬが照射される照射方向において、レーザ照射装置１２の下流側に設けられている。図２に示すように、偏向光学系１８は、加工対象物８に照射されるレーザＬの照射位置が、例えば、円形となる所定の軌跡（後述するビーム回転径ｄ）を描くように、レーザＬを偏向している。ここで、偏向光学系１８の光軸は、Ｚ方向に沿う方向となっており、偏向光学系１８は、光軸に直交する直交面（ＸＹ面）内において、レーザＬをＸ方向及びＹ方向に偏向している。

偏向光学系１８は、ビーム角度可変光学系３５と、ビーム回転径可変光学系３６と、冷却装置（冷却部）３７と、筐体３８と、を有している。ビーム角度可変光学系３５は、レーザＬの照射方向において、ビーム回転径可変光学系３６の上流側に設けられている。なお、第１の実施形態では、ビーム角度可変光学系３５をビーム回転径可変光学系３６の上流側に設けたが、ビーム角度可変光学系３５とビーム回転径可変光学系３６との位置関係は、特に限定されず、ビーム角度可変光学系３５をビーム回転径可変光学系３６の下流側に設けてもよい。

ビーム角度可変光学系３５は、偏向光学系１８の光軸に対するレーザＬのビーム角度が所定の角度となるように、レーザＬを偏向している。ビーム角度可変光学系３５は、Ｘ方向用電気光学偏向器４１と、Ｙ方向用電気光学偏向器４２と、を有している。

Ｘ方向用電気光学偏向器４１は、偏向光学系１８の光軸に直交する直交面内において、Ｘ方向にレーザＬを偏向する。Ｘ方向用電気光学偏向器４１は、電気光学結晶４５と、電気光学結晶４５を挟んでＸ方向に対向して設けられる一対の電極４６と、を含んで構成されている。電気光学結晶４５としては、例えば、ＫＴＮ結晶が用いられており、レーザＬの光路上に設けられている。ＫＴＮ結晶は、その大きさが小さく、例えば、１０ｍｍ程度となっている。このＸ方向用電気光学偏向器４１は、一対の電極４６により電気光学結晶４５に電圧が印加されることで、電気光学結晶４５中の屈折率を変化させ、レーザＬをＸ方向に偏向させる。なお、ＫＴＮ結晶を用いた電気光学偏向器の動作原理は、例えば、参考技術文献としてのJ Miyazu 著「New Beam Scanning Model for High-Speed Operation Using KTa_1-xNb_xO₃ Crystals」Applied Physics Express 4 (2011)111501に記載されているとおりである。

Ｙ方向用電気光学偏向器４２は、偏向光学系１８の光軸に直交する直交面内において、Ｙ方向にレーザＬを偏向する。Ｙ方向用電気光学偏向器４２は、Ｘ方向用電気光学偏向器４１と同様に、レーザＬの光路上に設けられる電気光学結晶４５であるＫＴＮ結晶と、電気光学結晶４５を挟んでＹ方向に対向して設けられる一対の電極４６と、を含んで構成されている。このＹ方向用電気光学偏向器４２は、一対の電極４６により電気光学結晶４５に電圧が印加されることで、電気光学結晶４５中の屈折率を変化させ、レーザＬをＹ方向に偏向させる。

ここで、図２に示すように、Ｙ方向用電気光学偏向器４２の後段（照射方向の下流側）には、凸レンズ２０１と凹レンズ２０２とが照射方向に沿って順に設けられている。このため、凸レンズ２０１及び凹レンズ２０２を通過したレーザＬは、その進行方向（照射方向）が光軸と平行となり、ビーム角度可変光学系３５の偏向制御によって、光軸と直交する垂直方向に平行移動する。これにより、レーザＬのビーム角度は、後述する集光レンズ６５の通過後において、光軸側または光軸の反対側となる外側に振ることができる。

ビーム回転径可変光学系３６は、加工対象物８に照射されるレーザＬのビーム回転径ｄが所定のビーム回転径ｄとなるように、レーザＬを偏向する。ビーム回転径可変光学系３６は、Ｘ方向用電気光学偏向器５１と、Ｙ方向用電気光学偏向器５２と、を有している。

Ｘ方向用電気光学偏向器５１は、偏向光学系１８の光軸に直交する直交面内において、Ｘ方向にレーザＬを偏向して、レーザＬのビーム回転径ｄをＸ方向に可変させる。Ｘ方向用電気光学偏向器５１は、Ｘ方向用電気光学偏向器４１と同様に、レーザＬの光路上に設けられる電気光学結晶４５であるＫＴＮ結晶と、電気光学結晶４５を挟んでＸ方向に対向して設けられる一対の電極４６と、を含んで構成されている。このＸ方向用電気光学偏向器５１は、一対の電極４６により電気光学結晶４５に電圧が印加されることで、電気光学結晶４５中の屈折率を変化させ、レーザＬをＸ方向に偏向して、レーザＬのビーム回転径ｄをＸ方向に可変させる。

Ｙ方向用電気光学偏向器５２は、偏向光学系１８の光軸に直交する直交面内において、Ｙ方向にレーザＬを偏向して、レーザＬのビーム回転径ｄをＹ方向に可変させる。Ｙ方向用電気光学偏向器５２は、Ｘ方向用電気光学偏向器４１と同様に、レーザＬの光路上に設けられる電気光学結晶４５であるＫＴＮ結晶と、電気光学結晶４５を挟んでＹ方向に対向して設けられる一対の電極４６と、を含んで構成されている。このＹ方向用電気光学偏向器５２は、一対の電極４６により電気光学結晶４５に電圧が印加されることで、電気光学結晶４５中の屈折率を変化させ、レーザＬをＹ方向に偏向して、レーザＬのビーム回転径ｄをＹ方向に可変させる。そして、上記のビーム角度可変光学系３５及びビーム回転径可変光学系３６は、加工対象物８に照射されるレーザＬの照射位置と同時に、レーザＬの照射角度も変化させることができる。

冷却装置３７は、ビーム角度可変光学系３５のＸ方向用電気光学偏向器４１及びＹ方向用電気光学偏向器４２と、ビーム回転径可変光学系３６のＸ方向用電気光学偏向器５１及びＹ方向用電気光学偏向器５２とを冷却する。冷却装置３７は、空冷及び水冷等のいずれの冷却方式を適用してもよい。

筐体３８は、長方形状となる箱状に形成され、その内部にビーム角度可変光学系３５、ビーム回転径可変光学系３６及び冷却装置３７を収容して一体とすることで、偏向光学系１８をパッケージ化している。

このような偏向光学系１８は、レーザ照射装置１２から照射されたレーザＬを偏向した後、偏向後のレーザＬを、ビーム径拡大光学系２０へ向けて出射させる。このとき、偏向光学系１８に設けられる電気光学結晶４５には、ビーム径拡大光学系２０によりビーム径が拡大される前のレーザＬが入射する。そして、偏向光学系１８は、レーザＬを偏向することで、光軸に直交する直交面内において、加工対象物８に対するレーザＬの照射位置を、Ｘ方向及びＹ方向に掃引することができる。

ビーム径拡大光学系２０は、偏向光学系１８から出射されたレーザＬを平行光とするコリメータ光学系である。ビーム径拡大光学系２０は、凹レンズ６１と、コリメータレンズ６２と、を含んで構成されている。凹レンズ６１は、出射するレーザＬの照射領域が、入射するレーザＬの照射領域に比して大きくなるように、レーザＬを拡散させる。コリメータレンズ６２は、凹レンズ６１から出射されたレーザＬを平行光とし、平行光となったレーザＬを集光光学系２２へ向けて出射させる。

集光光学系２２は、ビーム径拡大光学系２０から出射されたレーザＬを集光し、集光したレーザＬを加工対象物８に照射する光学系である。集光光学系２２は、集光レンズ６５を含んで構成されている。集光レンズ６５は、平行光となるレーザＬを加工対象物８において集光する。

移動機構２４は、図１に示すように、案内光学系１６、偏向光学系１８、ビーム径拡大光学系２０及び集光光学系２２を一体にしてこれらを移動させる。移動機構２４は、例えば、ＸＹＺの三次元の方向に加え、光軸を中心とするθ方向に移動させる。なお、移動機構２４としては、ＸＹＺステージ及びθテーブル等を用いた機構であってもよく、特に限定されない。

支持台２６は、加工対象物８を所定位置に支持する。なお、支持台２６は、加工対象物８をＸＹ方向に移動させるＸＹステージとしてもよい。

制御装置２８は、レーザ照射装置１２、紫外線照射装置１４、偏向光学系１８及び移動機構２４を含む各部に接続され、各部を制御することで、レーザ加工装置１０の動作を制御している。制御装置２８は、例えば、レーザ照射装置１２を制御することで、レーザ照射装置１２から照射されるレーザＬの各種条件を調整する。また、制御装置２８は、例えば、紫外線照射装置１４を制御することで、紫外線照射装置１４から照射される紫外線Ｕの各種条件を調整する。さらに、制御装置２８は、例えば、偏向光学系１８の各電気光学偏向器４１，４２，５１，５２を制御することで、レーザＬのビーム角度及びビーム径を調整する。また、制御装置２８は、例えば、移動機構２４を制御して、加工対象物８に対するレーザＬの照射位置を調整する。

ここで、紫外線照射装置１４から照射される紫外線Ｕの照射タイミングについて説明する。偏向光学系１８の各電気光学結晶４５は、電圧が印加されることによって、経時的に屈折率の再現性が低下し、その作動状態が不安定化する。この場合、偏向光学系１８により偏向されたレーザＬは、加工対象物８における照射位置がドリフトする。このため、制御装置２８は、紫外線照射装置１４から紫外線Ｕを、偏向光学系１８の各電気光学結晶４５に照射することで、電気光学結晶４５を初期状態に戻している。このとき、制御装置２８は、紫外線照射装置１４による紫外線Ｕの照射タイミングとして、レーザ加工の合間に、紫外線Ｕを照射している。具体的に、制御装置２８は、レーザ加工時において、レーザＬの照射状態から非照射状態となったときに、紫外線Ｕを照射している。または、制御装置２８は、レーザ加工が終了し、次のレーザ加工を行うまでの間に、紫外線Ｕを照射している。

上記のように構成されるレーザ加工装置１０は、レーザ照射装置１２からレーザＬを照射させ、照射されたレーザＬを、案内光学系１６により偏向光学系１８に案内する。レーザ加工装置１０は、偏向光学系１８に入射したレーザＬを、偏向光学系１８により適宜偏向させることで、加工対象物８におけるレーザＬの照射位置及びビーム回転径ｄを可変させる。レーザ加工装置１０は、偏向光学系１８から出射したレーザＬを、ビーム径拡大光学系２０を介して集光光学系２２に入射させ、加工対象物８に集光したレーザＬを照射する。

ここで、図３を参照して、レーザ加工装置１０によって加工対象物８に加工されるレーザ加工の一例について説明する。図３は、レーザ加工の一例を模式的に示す図である。図３に示すように、加工対象物８に穴あけ加工を行う場合、加工される穴としては、例えば、ストレート穴、テーパ穴、逆テーパ穴等がある。図３（１）に示すように、ストレート穴は、加工対象物８に貫通形成される中空円柱形状の穴である。図３（２）に示すように、テーパ穴は、レーザＬの照射方向に向かって細径となる穴である。図３（３）に示すように、逆テーパ穴は、レーザＬの照射方向に向かって太径となる穴である。

レーザ加工装置１０は、図３（１）に示すストレート穴をレーザ加工する場合、偏向光学系１８のビーム角度可変光学系３５により、レーザＬを光軸の直交面内において、ビーム回転径ｄに倣うように平行移動させる。また、ビーム回転径可変光学系３６は、ビーム角度可変光学系３５においてビーム回転径ｄに倣って平行移動するレーザＬを偏向せずに通過させることで、ビーム回転径ｄに倣うように移動させている。これにより、レーザＬは、加工対象物８に対して、光軸と平行な方向（垂直）となり、ストレート穴を形成できる。

レーザ加工装置１０は、図３（２）に示すテーパ穴をレーザ加工する場合、偏向光学系１８のビーム角度可変光学系３５により、レーザＬを光軸の直交面内において、ビーム回転径ｄの外側に位置するように平行移動させる。また、ビーム回転径可変光学系３６は、ビーム角度可変光学系３５においてビーム回転径ｄの外側で平行移動するレーザＬを、ビーム回転径ｄに倣うように偏向させ移動させている。これにより、レーザＬは、加工対象物８において、光軸側に向かう角度（内向き）となり、テーパ穴を形成できる。

レーザ加工装置１０は、図３（３）に示す逆テーパ穴をレーザ加工する場合、偏向光学系１８のビーム角度可変光学系３５により、レーザＬを光軸の直交面内において、ビーム回転径ｄの内側に位置するように平行移動させる。また、ビーム回転径可変光学系３６は、ビーム角度可変光学系３５においてビーム回転径ｄの内側で平行移動するレーザＬを、ビーム回転径ｄに倣うように偏向させ移動させている。これにより、レーザＬは、加工対象物８において、外側に向かう角度（外向き）となり、逆テーパ穴を形成できる。

以上のように、第１の実施形態によれば、レーザ照射装置１２から照射されたレーザＬを、偏向光学系１８により偏向した後、偏向後のレーザＬを、ビーム径拡大光学系２０によりビーム径を拡大することができる。つまり、偏向光学系１８の電気光学結晶４５には、ビーム径が拡大される前のレーザＬが入射するため、電気光学結晶４５の大きさが小さい場合であっても、レーザＬを偏向することができる。このため、レーザ加工装置１０は、電気光学偏向器４１，４２，５１，５２を用いて、レーザＬの偏向を高速に実行することが可能となる。

また、第１の実施形態によれば、レーザＬは、出力が１Ｗ以上となる加工用レーザであるため、高出力レーザの場合でも、偏向光学系１８によるレーザＬの偏向を高速に実行することができる。

また、第１の実施形態によれば、偏向光学系１８は、ビーム角度可変光学系３５とビーム回転径可変光学系３６とを含むため、レーザＬのビーム角度及びビーム回転径ｄを可変することができる。なお、第１の実施形態では、偏向光学系１８は、ビーム角度可変光学系３５とビーム回転径可変光学系３６との両方を含む構成であるが、少なくとも一方を含む構成であればよく、ビーム角度可変光学系３５のみを含む構成であってもよいし、ビーム回転径可変光学系３６のみを含む構成であってもよい。

また、第１の実施形態によれば、ビーム角度可変光学系３５は、Ｘ方向用電気光学偏向器４１によりレーザＬをＸ方向に偏向することができ、また、Ｙ方向用電気光学偏向器４２によりレーザＬをＹ方向に偏向することができる。

また、第１の実施形態によれば、偏向光学系１８は、冷却装置３７を有するため、レーザＬの出力が大きい場合であっても、冷却装置３７により各電気光学偏向器４１，４２，５１，５２を冷却することができる。このため、電気光学結晶４５に与えられる熱の影響を抑制することができる。また、偏向光学系１８は、筐体３８によりパッケージ化することができるため、偏向光学系１８の取り扱いを容易なものとすることができる。

また、第１の実施形態によれば、紫外線照射装置１４により電気光学結晶４５へ向けて紫外線Ｕを照射することができるため、電気光学結晶４５を初期状態に戻すことができる。このため、電気光学結晶４５の作動状態を安定化させることができるため、偏向光学系１８により偏向されたレーザＬを、加工対象物８に精度よく照射することができる。

また、第１の実施形態によれば、紫外線Ｕを偏向光学系１８の光軸に沿って照射することができるため、紫外線Ｕを電気光学結晶４５に容易に照射することができる。

また、第１の実施形態によれば、紫外線Ｕの照射領域を、レーザＬのビーム径よりも大きくすることができるため、少なくともレーザＬが照射される部位の電気光学結晶４５を、初期状態に近づけることができる。なお、紫外線Ｕの照射領域は、電気光学結晶４５よりも大きいことが、より好ましい。

また、第１の実施形態によれば、レーザ加工の合間に、電気光学結晶４５に紫外線Ｕを照射することができるため、レーザＬに重なることなく、紫外線Ｕを照射することができ、紫外線Ｕの照射によるレーザ加工への影響を抑制することができる。なお、レーザ加工と同時に、紫外線Ｕを照射してもよい。

なお、第１の実施形態において、紫外線照射装置１４は、偏向光学系１８の光軸に沿って紫外線Ｕを照射したが、光軸の外側から照射してもよい。つまり、紫外線照射装置１４は、電気光学結晶４５に紫外線Ｕを照射可能であれば、いずれの位置から紫外線Ｕを照射してもよい。

また、第１の実施形態では、レーザ加工の合間に紫外線Ｕを照射したが、電気光学結晶４５を監視して、電気光学結晶４５の状態が不安定となった場合に、紫外線Ｕを照射する構成としてもよい。この場合、電気光学結晶４５を監視するための計測器を設置し、この計測器と制御装置２８を接続し、制御装置２８が、計測器の計測結果に基づいて、紫外線Ｕを照射する。

［第２の実施形態］
次に、図４を参照して、第２の実施形態に係るレーザ加工装置１００について説明する。なお、第２の実施形態では、重複した記載を避けるべく、第１の実施形態と異なる部分について説明し、第１の実施形態と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図４は、第２の実施形態に係るレーザ加工装置の偏向光学系を模式的に示す図である。

第２の実施形態のレーザ加工装置１００は、第１の実施形態の偏向光学系１８におけるビーム角度可変光学系３５に、偏向原点をそろえるためのリレー光学系１０１をさらに有するものとなっている。なお、第２の実施形態では、リレー光学系１０１をビーム角度可変光学系３５に適用して説明するが、リレー光学系１０１をビーム回転径可変光学系３６に適用してもよい。

リレー光学系１０１は、ビーム角度可変光学系３５のＸ方向用電気光学偏向器４１とＹ方向用電気光学偏向器４２との間に設けられている。リレー光学系１０１は、複数のリレーレンズ１０２を有し、Ｘ方向用電気光学偏向器４１から出射されたレーザＬを、Ｙ方向用電気光学偏向器４２において結像している。

以上のように、第２の実施形態によれば、Ｘ方向用電気光学偏向器４１とＹ方向用電気光学偏向器４２との間にリレー光学系１０１を設け、Ｘ方向用電気光学偏向器４１から出射されたレーザＬを、Ｙ方向用電気光学偏向器４２において結像させることで、光軸の直交面内において、レーザＬのＸ方向用電気光学偏向器４１とＹ方向用電気光学偏向器４２とにおける偏向原点をそろえることができる。このとき、リレー光学系１０１を用いることで、構成が簡易なものとなり、また、設計が容易なものとなる。

［第３の実施形態］
次に、図５を参照して、第３の実施形態に係るレーザ加工装置１１０について説明する。なお、第３の実施形態でも、重複した記載を避けるべく、第１及び第２の実施形態と異なる部分について説明し、第１及び第２の実施形態と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図５は、第３の実施形態に係るレーザ加工装置の偏向光学系を模式的に示す図である。

第３の実施形態のレーザ加工装置１１０は、第１の実施形態の偏向光学系１８におけるビーム角度可変光学系３５に、偏向原点をそろえるための複数のシリンドリカルレンズ１１２をさらに有するものとなっている。

複数のシリンドリカルレンズ１１２は、レーザＬの照射方向において、ビーム角度可変光学系３５のＸ方向用電気光学偏向器４１の下流側に設けられるＸ方向用シリンドリカルレンズ１１２ａと、Ｙ方向用電気光学偏向器４２の下流側に設けられるＹ方向用シリンドリカルレンズ１１２ｂと、を有している。Ｘ方向用シリンドリカルレンズ１１２ａは、Ｘ方向用電気光学偏向器４１とＹ方向用電気光学偏向器４２との間に設けられ、Ｘ方向用電気光学偏向器４１から出射されたレーザＬを、Ｘ方向に亘ってビーム径を拡大し、Ｙ方向用電気光学偏向器４２へ照射する。Ｙ方向用シリンドリカルレンズ１１２ｂは、Ｙ方向用電気光学偏向器４２から出射されたレーザＬを、Ｙ方向に亘ってビーム径を拡大する。なお、この場合、ビーム径拡大光学系２０の凹レンズ６１は、省いた構成となる。

以上のように、第３の実施形態によれば、Ｘ方向用電気光学偏向器４１から出射されたレーザＬを、Ｘ方向用シリンドリカルレンズ１１２ａによりＸ方向に亘ってビーム径を拡大することができる。また、Ｙ方向用電気光学偏向器４２から出射されたレーザＬを、Ｙ方向用シリンドリカルレンズ１１２ｂによりＹ方向に亘ってビーム径を拡大することができる。このとき、複数のシリンドリカルレンズ１１２を用いることで、第２の実施形態のリレー光学系１０１に比してコンパクトな構成とすることができる。

［第４の実施形態］
次に、図６を参照して、第４の実施形態に係るレーザ加工装置１２０について説明する。なお、第４の実施形態でも、重複した記載を避けるべく、第１から第３の実施形態と異なる部分について説明し、第１から第３の実施形態と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図６は、第４の実施形態に係るレーザ加工装置の偏向光学系を模式的に示す図である。

第４の実施形態のレーザ加工装置１２０は、第３の実施形態の偏向光学系１８におけるビーム角度可変光学系３５に設けられる複数のシリンドリカルレンズ１１２の配置を異ならせたものとなっている。

複数のシリンドリカルレンズ１１２は、第３の実施形態と同様に、Ｘ方向用シリンドリカルレンズ１１２ａと、Ｙ方向用シリンドリカルレンズ１１２ｂと、を有している。そして、第４の実施形態では、レーザＬの照射方向において、Ｘ方向用シリンドリカルレンズ１１２ａが、Ｙ方向用電気光学偏向器４２の下流側に設けられ、Ｙ方向用シリンドリカルレンズ１１２ｂが、Ｘ方向用シリンドリカルレンズ１１２ａの下流側に設けられている。このため、Ｘ方向用シリンドリカルレンズ１１２ａとＹ方向用シリンドリカルレンズ１１２ｂとは、隣接して設けられている。

以上のように、第４の実施形態においても、Ｘ方向用電気光学偏向器４１から出射されたレーザＬを、Ｘ方向用シリンドリカルレンズ１１２ａによりＸ方向に亘ってビーム径を拡大することができる。また、Ｙ方向用電気光学偏向器４２から出射されたレーザＬを、Ｙ方向用シリンドリカルレンズ１１２ｂによりＹ方向に亘ってビーム径を拡大することができる。このとき、複数のシリンドリカルレンズ１１２を用いることで、第２の実施形態のリレー光学系１０１に比してコンパクトな構成とすることができる。

［第５の実施形態］
次に、図７を参照して、第５の実施形態に係るレーザ加工装置１３０について説明する。なお、第５の実施形態でも、重複した記載を避けるべく、第１から第４の実施形態と異なる部分について説明し、第１から第４の実施形態と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図７は、第５の実施形態に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。

第５の実施形態では、レーザ照射装置１２として、熱加工となるファイバレーザ照射装置を適用している。つまり、第５の実施形態のレーザ加工装置１３０は、レーザ照射装置１２として、ファイバレーザ照射装置を適用したときの構成となっている。

レーザ照射装置１２としてファイバレーザ照射装置を適用する場合、図７に示すように、案内光学系１６は、ミラー３１の他、コリメータレンズ１３２をさらに有するものとなっている。コリメータレンズ１３２は、レーザ照射装置１２に隣接して設けられ、レーザ照射装置１２から出射したレーザＬを平行光とし、平行光となったレーザＬをミラー３１へ向けて出射する。ミラー３１は、第１の実施形態とは反対の構成となっており、一方の面がレーザＬを透過する透過面となり、他方の面が紫外線Ｕを反射する反射面となる、いわゆるビームスプリッターとして機能する光学部材である。ミラー３１は、レーザ照射装置１２から照射されたレーザＬを透過面において透過させることで、レーザＬを偏向光学系１８に案内する。一方で、ミラー３１は、紫外線照射装置１４から照射された紫外線Ｕを反射面において反射させることで、紫外線Ｕを偏向光学系１８に案内する。

なお、第５の実施形態において、レーザ照射装置１２及び案内光学系１６の他の構成については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

以上のように、第５の実施形態においても、レーザ照射装置１２から照射されたレーザＬを、偏向光学系１８により偏向した後、偏向後のレーザＬを、ビーム径拡大光学系２０によりビーム径を拡大することができる。

なお、第１から第５の実施形態のレーザ加工装置１０，１００，１１０，１２０，１３０に、半波長板及び１／４波長板を含む偏光光学部材をさらに設置してもよい。偏光光学部材は、レーザＬの電界の向きと、電圧の印加時にＫＴＮ結晶の内部に発生する電界の向きと、が同じ向きとなるように設置される。具体的に、偏光光学部材は、レーザＬの照射方向において、各電気光学偏向器４１，４２，５１，５２の入射側に適宜設けられる。そして、Ｘ方向用電気光学偏向器４１，５１の入射側に設けられる偏光光学部材は、レーザＬがＸ方向の直線偏光となるように設置され、Ｙ方向用電気光学偏向器４２，５２の入射側に設けられる偏光光学部材は、レーザＬがＹ方向の直線偏光となるように設置される。

８ 加工対象物
１０ レーザ加工装置
１２ レーザ照射装置
１４ 紫外線照射装置
１６ 案内光学系
１８ 偏向光学系
２０ ビーム径拡大光学系
２２ 集光光学系
２４ 移動機構
２６ 支持台
２８ 制御装置
３１ ミラー
３５ ビーム角度可変光学系
３６ ビーム回転径可変光学系
３７ 冷却装置
３８ 筐体
４１ Ｘ方向用電気光学偏向器
４２ Ｙ方向用電気光学偏向器
４５ 電気光学結晶
４６ 電極
５１ Ｘ方向用電気光学偏向器
５２ Ｙ方向用電気光学偏向器
６１ 凹レンズ
６２ コリメータレンズ
６５ 集光レンズ
１００ レーザ加工装置（第２の実施形態）
１０１ リレー光学系
１０２ リレーレンズ
１１０ レーザ加工装置（第３の実施形態）
１１２ シリンドリカルレンズ
１１２ａ Ｘ方向用シリンドリカルレンズ
１１２ｂ Ｙ方向用シリンドリカルレンズ
１２０ レーザ加工装置（第４の実施形態）
１３０ レーザ加工装置（第５の実施形態）
１３２ コリメータレンズ
Ｌ レーザ
Ｕ 紫外線

Claims (11)

1. 加工対象物へ向けてレーザを照射するレーザ照射装置と、
   前記レーザの光路上に設けられる電気光学結晶と前記電気光学結晶に電圧を印加する電極とを含む電気光学偏向器を有し、前記レーザが照射される照射方向において、前記レーザ照射装置の下流側に設けられ、前記レーザ照射装置から照射された前記レーザを前記電気光学偏向器により偏向する偏向光学系と、
   前記照射方向において、前記偏向光学系の下流側に設けられ、前記レーザのビーム径を拡大するビーム径拡大光学系と、
   前記照射方向において、前記ビーム径拡大光学系の下流側に設けられ、前記ビーム径が拡大された前記レーザを集光し、集光した前記レーザを前記加工対象物へ照射する集光光学系と、を備え、
   前記偏向光学系は、
   前記偏向光学系の光軸に対する前記レーザのビーム角度を偏向するビーム角度可変光学系と、
   前記レーザのビームを偏向するビーム回転径可変光学系と、の両方を含むことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 加工対象物へ向けてレーザを照射するレーザ照射装置と、
   前記レーザの光路上に設けられる電気光学結晶と前記電気光学結晶に電圧を印加する電極とを含む電気光学偏向器を有し、前記レーザが照射される照射方向において、前記レーザ照射装置の下流側に設けられ、前記レーザ照射装置から照射された前記レーザを前記電気光学偏向器により偏向する偏向光学系と、
   前記照射方向において、前記偏向光学系の下流側に設けられ、前記レーザのビーム径を拡大するビーム径拡大光学系と、
   前記照射方向において、前記ビーム径拡大光学系の下流側に設けられ、前記ビーム径が拡大された前記レーザを集光し、集光した前記レーザを前記加工対象物へ照射する集光光学系と、を備え、
   前記偏向光学系は、
   前記偏向光学系の光軸に対する前記レーザのビーム角度を偏向するビーム角度可変光学系と、
   前記レーザのビームを偏向するビーム回転径可変光学系とのうち、少なくとも一方を含み、
   前記ビーム角度可変光学系及び前記ビーム回転径可変光学系の少なくとも一方は、
   前記光軸に直交する直交面内において、一方向となるＸ方向に前記レーザを偏向させるＸ方向用電気光学偏向器と、
   前記直交面内において、Ｘ方向に直交するＹ方向に前記レーザを偏向させるＹ方向用電気光学偏向器と、
   前記Ｘ方向用電気光学偏向器の下流側に設けられ、前記Ｘ方向用電気光学偏向器から出射された前記レーザを、Ｘ方向に亘ってビーム径を拡大するＸ方向用シリンドリカルレンズと、
   前記Ｙ方向用電気光学偏向器の下流側に設けられ、前記Ｙ方向用電気光学偏向器から出射された前記レーザを、Ｙ方向に亘ってビーム径を拡大するＹ方向用シリンドリカルレンズと、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
3. 前記レーザは、１Ｗ以上の出力となる加工用レーザであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記ビーム角度可変光学系及び前記ビーム回転径可変光学系の少なくとも一方は、
   前記光軸に直交する直交面内において、一方向となるＸ方向に前記レーザを偏向させるＸ方向用電気光学偏向器と、
   前記直交面内において、Ｘ方向に直交するＹ方向に前記レーザを偏向させるＹ方向用電気光学偏向器と、を有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。
5. 前記ビーム角度可変光学系及び前記ビーム回転径可変光学系の少なくとも一方は、
   前記Ｘ方向用電気光学偏向器と前記Ｙ方向用電気光学偏向器との間に設けられ、前記Ｘ方向用電気光学偏向器から出射された前記レーザを、前記Ｙ方向用電気光学偏向器において結像するリレー光学系を、さらに有することを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記ビーム角度可変光学系及び前記ビーム回転径可変光学系の少なくとも一方は、
   前記Ｘ方向用電気光学偏向器の下流側に設けられ、前記Ｘ方向用電気光学偏向器から出射された前記レーザを、Ｘ方向に亘ってビーム径を拡大するＸ方向用シリンドリカルレンズと、
   前記Ｙ方向用電気光学偏向器の下流側に設けられ、前記Ｙ方向用電気光学偏向器から出射された前記レーザを、Ｙ方向に亘ってビーム径を拡大するＹ方向用シリンドリカルレンズと、をさらに有することを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
7. 前記偏向光学系は、
   前記電気光学偏向器を冷却する冷却部と、
   前記電気光学偏向器と前記冷却部とを内部に収容して一体とする筐体と、をさらに有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
8. 前記電気光学結晶へ向けて紫外線を照射する紫外線照射装置を、さらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
9. 前記紫外線照射装置は、前記紫外線を前記偏向光学系の光軸に沿って照射することを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工装置。
10. 前記紫外線の照射領域は、前記レーザの前記ビーム径よりも大きいことを特徴とする請求項９に記載のレーザ加工装置。
11. 前記紫外線照射装置は、レーザ加工の合間に、前記紫外線を照射することを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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