JP6881199B2 - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を走査して加工対象物に照射して印字を行うレーザ加工装置に備えられるレーザ加工ヘッドに関するものである。

従来、レーザ加工ヘッド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に記載の技術において、レーザ加工ヘッドは、レーザ光源、走査ユニット、ｆθレンズ等を備える。走査ユニットは、レーザ光源から出射したレーザ光を二次元走査する。ｆθレンズは、走査ユニットにより走査されたレーザ光を集光する。レーザ光が加工対象物に照射されることにより、加工対象物に対して印字（加工）がなされる。

特開２０１６−６８１３７号公報

レーザ光は、レーザ光を透過する部材であるｆθレンズを通過してレーザ加工ヘッドから出射する。レーザ光は走査ユニットによって走査された状態で出射するので、ｆθレンズは、レーザ光の走査範囲を全てカバーするように、走査領域より大きな面積のものが使用される。加工対象物からの反射光が、ｆθレンズを再度通過してレーザ加工ヘッド内に侵入する可能性がある。反射光は、ｆθレンズにおける走査領域の周辺部からも、レーザ加工ヘッド内に侵入する可能性がある。

レーザ加工ヘッドには、レーザ光の光路やビーム径等を調整するために、レーザ光の光路上に、反射ミラー、ダイクロイックミラー、レンズ等の光学部材が設置されている。また、一般に、レーザ加工ヘッドに、ガイドレーザー用の可視光を反射又は透過する為の光学部材が設置されることもある。光学部材は、ｆθレンズから侵入した反射光が当たらない位置に配置される必要がある。光学部材は、ｆθレンズから離隔した位置に配置されるので、レーザ光や可視光が光学部材からｆθレンズへ至る光路の長さが長くなり、レーザ加工ヘッド装置全体が大型化していた。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、光路の長さを短縮し、小型化したレーザ加工ヘッドを提供することである。

この目的を達成するために、請求項１記載の発明は、レーザ加工機に備えられるレーザ加工ヘッドであって、筐体と、筐体に内蔵され、レーザ光源から出射された光を走査して、筐体の一面へ向かう方向である照射方向に反射する走査部と、筐体に内蔵され、レーザ光源から出射された光が走査部へ向かう経路上であって、走査部の直前に配置される光学部材と、筐体の一面に設けられ、走査部に走査された光を筐体の外部へ透過させる透明部材と、透明部材の、走査部に走査された光が照射される領域である照射領域を露出するとともに、照射領域の周辺であって、照射方向において透明部材と重なる領域である周辺部を覆う遮光部材と、を有し、光学部材が、遮光部材より照射方向における上流であって照射方向において遮光部材及び透明部材と重なる位置に設けられ、遮光部材は、遮光部材の第１部分における、遮光部材から照射領域の中心軸までの距離である第１距離が、照射方向において第１部分より下流の第２部分における、遮光部材から中心軸までの距離である第２距離より、短く形成されること、を特徴とする。
また、請求項２記載の発明は、レーザ加工機に備えられるレーザ加工ヘッドであって、筐体と、筐体に内蔵され、レーザ光源から出射された光を走査して、筐体の一面へ向かう方向である照射方向に反射する走査部と、筐体に内蔵され、レーザ光源から出射された光が走査部へ向かう経路上であって、走査部の直前に配置される光学部材と、筐体の一面に設けられ、走査部に走査された光を筐体の外部へ透過させる透明部材と、透明部材の、走査部に走査された光が照射される領域である照射領域を露出するとともに、照射領域の周辺であって、照射方向において透明部材と重なる領域である周辺部を覆う遮光部材と、可視光を光学部材へ出射する可視光源と、を有し、光学部材は、遮光部材より照射方向における上流であって照射方向において遮光部材及び透明部材と重なる位置に設けられ、レーザ光源から出射された光及び可視光源から出射された光のいずれか一方を透過し、レーザ光源から出射された光及び可視光源から出射された光の他方を反射する、ダイクロイックミラーであること、を特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のレーザ加工ヘッドであって、遮光部材は、照射方向において透明部材と離隔して設けられること、を特徴とする。

また、請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか記載のレーザ加工ヘッドであって、遮光部材は、照射方向において透明部材より上流に配置されること、を特徴とする。

また、請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか記載のレーザ加工ヘッドであって、光学部材を保持する保持部を、さらに有し、保持部は、筐体より小さい熱伝導率を有する、ことを特徴とする。

請求項１又は２に係る発明のレーザ加工ヘッドでは、筐体に走査部が内蔵され、筐体の一面に透明部材が設けられる。レーザ光源からの光は走査部に走査される。走査部に走査された光は、透明部材を通過して筐体の外部へ出射する。筐体の外部へ出射された光は、加工対象物によってその一部が透明部材に向かって反射される。反射光が透明部材を通過して筐体の内部に侵入することがある。

レーザ加工ヘッドは、その筐体内に光学部材を有する。光学部材は、レーザ光源から出射された光が走査部へ向かう経路上であって、走査部の直前に配置される。

請求項１又は２に係る発明のレーザ加工ヘッドは、遮光部材を有する。遮光部材は、透明部材の、照射領域の周辺であって照射方向において透明部材と重なる領域である周辺部を覆うように配設され、遮光部材が反射光を遮るので、反射光が筐体内部へ侵入する範囲が限定される。したがって、請求項１又は２に係る発明のレーザ加工ヘッドにおいては、遮光部材を設けない場合と比較して、光学部材を透明部材に近づけて配置することができ、透明部材から光学部材までの距離を短縮することができる。よって、光学部材から透明部材へ至る光路の長さが短縮され、装置全体の小型化が実現される。

また、請求項３に係る発明のレーザ加工ヘッドでは、遮光部材は、照射方向において透明部材と離隔して設けられる。遮光部材に反射光が当たると、遮光部材が熱を持つ。請求項３に係る発明のレーザ加工ヘッドと異なり、遮光部材と透明部材との間に隙間が無く遮光部材と透明部材とが接触している場合、遮光部材から透明部材へ熱が伝わる。熱により透明部材が歪んだり損傷したりすることがある。透明部材の歪みや損傷により、印字品質が低下するおそれがある。例えば、透明部材の歪みや損傷により、レーザ光に対して屈折、散乱、回折、吸収などが生じ、レーザ光が目標位置と異なる位置に照射されたり意図した光強度に達しない場合があるため、印字位置ズレや印字カスレといった印字品質の低下が起こる。

遮光部材が透明部材と離隔して設けられる場合、遮光部材の熱が透明部材に伝わりにくくなる。熱の影響による透明部材の歪みや損傷が発生しにくくなるので、印字品質の低下が抑えられる。

また、請求項４に係る発明のレーザ加工ヘッドでは、遮光部材は、照射方向において透明部材より上流に配置される。走査部により走査されたレーザ光が照射される範囲は、照射方向において上流側の透明部材の面より下流側の透明部材の面の方が大きくなる。レーザ照射されない範囲に遮光部材を配置すると、上流側の面に配置する場合は下流側の面に配置する場合より、透明部材の広い範囲が遮光部材に覆われる。遮光部材が上流側の面に配置される場合、下流側の面に配置される場合と比較して広い範囲で反射光を遮るので、反射光が筐体内部へ侵入する範囲がより小さくなる。したがって、遮光部材が下流側の面に設けられる場合と比較して、透明部材から光学部材までの距離を短縮することができる。よって、光学部材から透明部材へ至る光路の長さが短縮され、装置全体の小型化が実現される。

また、請求項１に係る発明のレーザ加工ヘッドでは、遮光部材は、第１部分における、遮光部材から照射領域の中心軸までの距離である第１距離が、照射方向において第１部分より下流の第２部分における、遮光部材から照射領域の中心軸までの距離である第２距離より、短く形成される。レーザ光が照射される範囲は、照射方向における下流に向かうに連れて大きくなる。遮光部材は、走査部が走査したレーザ光を遮らないように、走査されたレーザ光が照射される範囲の外に配置される。遮光部材は、照射方向における上流に向かうに連れて、照射領域の中心軸の近くに配置することができる。第１部分における遮光部材から照射領域の中心軸までの距離である第１距離が、照射方向において前記第１部分より下流の第２部分における遮光部材から照射領域の中心軸までの距離である第２距離より短くなるように遮光部材を形成することにより、第１距離を第２距離と同じ長さとなるように遮光部材を形成する場合と比較して、透明部材をカバーする範囲が広くなるので、筐体内に侵入する反射光を少なくすることができる。したがって、光学部材から透明部材までの距離を短縮することができる。よって、光学部材から透明部材へ至る光路の長さが短縮され、装置全体の小型化が実現される。

また、請求項２に係る発明のレーザ加工ヘッドは、可視光を光学部材へ出射する可視光源を、さらに有し、光学部材は、レーザ光源から出射された光及び可視光源から出射された光のいずれか一方を透過し、レーザ光源から出射された光及び可視光源から出射された光の他方を反射する、ダイクロイックミラーである。ダイクロイックミラーを透明部材の近くに配置することができる。したがって、ダイクロイックミラーから透明部材までの距離を短縮することができる。よって、ダイクロイックミラーから透明部材へ至る光路の長さが短縮され、装置全体の小型化が実現される。

また、請求項５に係る発明のレーザ加工ヘッドは、光学部材を保持する保持部を、さらに有し、保持部は、筐体より小さい熱伝導率を有する。遮光部材は、遮光部材に入射した反射光が遮光部材に吸収されることにより、加熱される。遮光部材から保持部への伝熱により保持部が加熱されると、保持部が熱変形するなどして、保持された光学部材の位置ずれが起こることある。また、熱により光学部材に損傷が起こる場合がある。しかしながら、請求項５に係る発明のレーザ加工ヘッドでは、保持部は筐体より小さい熱伝導率を有する。遮光部材の熱は、伝導率の高い筐体に伝わりやすいが、伝導率の低い保持部に伝わりにくい。従って、保持部の熱損傷が抑えられ、光学部材への熱の影響が抑制される。したがって、保持部及び保持部に保持された光学部材から透明部材までの距離を短縮することができる。よって、光学部材から透明部材へ至る光路の長さが短縮され、装置全体の小型化が実現される。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工ヘッド１を有するレーザ加工装置１００を示す図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工ヘッド１を表した上面図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工ヘッド１を表した側面図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工ヘッド１を表した断面図である。 本発明の他の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１Ｂを表した上面図である。 本発明の他の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１Ｃを表した上面図である。 本発明の他の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１Ｄを表した上面図である。 本発明の他の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１における、遮光部材及び照射領域を説明する説明図である。

以下、本発明のレーザ加工ヘッドを具体化した実施の形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るレーザ加工ヘッド１は、レーザ加工装置１００に備えられる。レーザ加工装置１００は、コントローラユニット２とレーザ加工ヘッド１とにより構成される。レーザ加工ヘッド１は、伝送ケーブルＣを介してコントローラユニット２に接続する。

コントローラユニット２は、コンピュータで構成される。コントローラユニット２は、伝送ケーブルＣの信号線を介して、レーザ加工ヘッド１に対して各種の駆動制御信号を送る。尚、伝送ケーブルＣは、光ファイバ等を含んで構成されていてもよい。

レーザ加工ヘッド１は、コントローラユニット２から受け取った駆動制御信号に基づき、加工対象物Ｗに対してレーザ光Ｌを照射し、当該レーザ光Ｌを２次元走査して、加工対象物Ｗに印字（加工）を行う。

＜レーザ加工ヘッド＞
次に、レーザ加工ヘッド１の概略構成について、図１、図２、図３、図４に基づいて説明する。レーザ加工ヘッド１の説明において、図２の左方向、右方向、上方向、下方向が、レーザ加工ヘッド１の前方向、後方向、左方向、右方向である。図３の上方向、下方向が、レーザ加工ヘッド１の上方向、下方向である。上下方向は、前後方向及び左右方向に直交する。従って、レーザ加工ヘッド１から加工対象物Ｗに向けてレーザ光Ｌを出射する方向が、下方向である。図２は、レーザ加工ヘッド１の上面図である。図３は、レーザ加工ヘッド１の側面図である。図４は、図２のＡ−Ａ断面をＡ方向からみた、レーザ加工ヘッド１の断面図である。

図１に示すように、レーザ加工ヘッド１は、ベースプレート１１とカバー１２とから構成される筐体１０を備える。筐体１０は、略直方体形状である。図１においては、カバー１２がベースプレート１１に取り付けられた状態を示し、図２、図３及び図４においては、カバー１２がベースプレート１１から外された状態を示す。ベースプレート１１及びカバー１２は、例えばアルミなどの金属で形成される。カバー１２は、ベースプレート１１の上部に配置される。

図２、図３、図４に示すように、レーザ加工ヘッド１は、筐体１０の内部に、光源２０、ビームエキスパンダ３０、ダイクロイックミラー４０、走査ユニット５０、可視光源７０、遮光部材８０、保持部９０を備え、筐体１０の下面であるベースプレート１１にレンズユニット６００を備える。

光源２０は、例えば、受動Ｑスイッチレーザであり、ベースプレート１１上に固定される。受動Ｑスイッチレーザは、レーザ媒質として、例えば、ネオジウム添加イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）結晶を有する。受動Ｑスイッチレーザは、不図示の励起光源から出射された励起光が入射されることによりレーザ媒質が励起され、パルス状のレーザ光Ｌを発振する。なお光源２０は、上述のＮｄ：ＹＡＧをレーザ媒質とする受動Ｑスイッチレーザに限らず、他の光源であってもよい。例えば、レーザ媒質としてＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶やＮｄ：ＹＶＯ４結晶を用いた光源でもよいし、炭酸ガス等を媒質としたガスレーザであってもよい。

ビームエキスパンダ３０は、光源２０から発振されたレーザ光Ｌと同軸に設けられる。ビームエキスパンダ３０は、複数のレンズを備えて構成されており、レーザ光Ｌのビーム径を変更する。本実施形態において、光源２０及びビームエキスパンダ３０は、筐体１０の内部に配置されているが、光源２０及びビームエキスパンダ３０が配置される位置はこれに限らず、筐体２０の外部に配置されていてもよい。例えば、光源２０及びビームエキスパンダ３０がコントローラユニット２に配置され、光源２０及びビームエキスパンダ３０から出射されたレーザ光Ｌが伝送ケーブルＣの光ファイバを介してレーザ加工ヘッド１に入射される構成としてもよい。

ダイクロイックミラー４０は、保持部９０を介してベースプレート１１に対して固定される。ダイクロイックミラー４０は、ビームエキスパンダ３０から出射されたレーザ光Ｌの光路上に配置される。ダイクロイックミラー４０は、ビームエキスパンダ３０から出射されたレーザ光Ｌの光路に対して斜め右前方向に４５度の角度を形成するように配置される。ダイクロイックミラー４０は、レーザ光Ｌのほぼ全部を透過する。

可視光源７０は、可視レーザ光Ｍとして、例えば赤色レーザ光を出射する半導体レーザにより構成される。可視光源７０は、ダイクロイックミラー４０の左方向に配置されている。可視光源７０から出射された可視レーザ光Ｍは、ダイクロイックミラー４０に対して４５度の入射角で入射し、４５度の反射角で反射する。ダイクロイックミラー４０により反射された可視レーザ光Ｍの光路は、ダイクロイックミラー４０を通過したレーザ光Ｌの光路と一致する。可視レーザ光Ｍは、レーザ光Ｌが走査される位置を指し示すガイドとして使用される。

走査ユニット５０は、ベースプレート１１の前側端部に形成された貫通孔１１１の上側に取り付けられ、光源２０から出射されたレーザ光Ｌと、可視光源７０から出射されダイクロイックミラー４０で反射された可視レーザ光Ｍとを、下方のベースプレート１１の貫通孔１１１に向けて反射して、２次元走査する。走査ユニット５０により反射されたレーザ光Ｌは、走査ユニット５０からベースプレート１１の貫通孔１１１に向かい、レーザ加工ヘッド１の外部へ出射する。走査ユニット５０は、ガルバノＸ軸ミラー５１を有するガルバノＸ軸モータ５２と、ガルバノＹ軸ミラー５３を有するガルバノＹ軸モータ５４と本体部５５により構成されている。ガルバノＸ軸モータ５２とガルバノＹ軸モータ５４は、それぞれのモータ軸が互いに直交するように外側からそれぞれの取付孔に嵌入、保持されて本体部５５に取り付けられている。

ガルバノＹ軸モータ５４において、ガルバノＹ軸ミラー５３は、走査ミラーとして、モータ軸の先端部に取り付けられており、レーザ光Ｌと可視レーザ光Ｍを、加工対象物Ｗ表面上の加工領域においてＹ軸方向に走査する際に用いられる。そして、ガルバノＸ軸モータ５２において、ガルバノＸ軸ミラー５１は、走査ミラーとして、モータ軸の先端部に取り付けられており、ガルバノＹ軸ミラーによって反射されたレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍを、加工対象物Ｗ表面上の加工領域においてＸ軸方向に走査する際に用いられる。

従って、走査ユニット５０においては、ガルバノＸ軸モータ５２、ガルバノＹ軸モータ５４の各モータ軸の先端部に取り付けられたガルバノＸ軸ミラー５１及びガルバノＹ軸ミラー５３が内側で互いに対向している。そして、ガルバノＸ軸モータ５２、ガルバノＹ軸モータ５４の回転をそれぞれ制御して、ガルバノＸ軸ミラー５１及びガルバノＹ軸ミラー５３を回転させることによって、レーザ光Ｌと可視レーザ光Ｍとを下方へ２次元走査する。この２次元走査方向は、加工対象物Ｗ表面の加工領域において、左右方向（Ｘ軸方向）と前後方向（Ｙ軸方向）である。

走査ユニット５０においては、加工領域における照射範囲が所定の範囲となるように、ガルバノＸ軸モータ５２、ガルバノＹ軸モータ５４が回動する範囲が決められている。本実施形態においては、加工領域においてＸ軸方向に１２０ｍｍ、Ｙ軸方向に１２０ｍｍの矩形の内側となる領域が、加工領域における照射範囲とされる。走査ユニット５０により反射されたレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍが、加工領域における照射範囲の中心へ向かう経路を、中心軸Ｔ１として、図４に示す。走査ユニット５０により反射されたレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍが、加工領域における照射範囲のＹ軸方向の前端に向かう経路及び後端へ向かう経路を、経路Ｔ２及び経路Ｔ３として、図４に示す。経路Ｔ２と経路Ｔ３との間の領域は、ガルバノＹ軸モータ５４の回動によりレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍが照射され得る領域となる。走査ユニット５０により反射されたレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍが、走査ユニット５０からベースプレート１１の貫通孔１１１に向かい、加工領域の中心位置に到達する方向を、照射方向とする。従って、本発明の照射方向は、中心軸Ｔ１に沿った方向である。なお加工領域における照射範囲は、上述の範囲に限らず、他の範囲であってもよい。

レンズユニット６００は、平面視円形の形状を有し、ベースプレート１１の貫通孔１１１の内部に配置される。レンズユニット６００は、ｆθレンズ６０と鏡筒６５とから構成される。鏡筒６５は、略円筒状の形状を有し、円筒内部にｆθレンズ６０を保持する。ｆθレンズ６０は、平面視円形の形状を有する。ｆθレンズ６０は、ｆθレンズ６０の走査ユニット５０側の端面６１が、ベースプレート１１の走査ユニット５０側の端面より、照射方向において走査ユニット５０から離隔する位置に、設けられる。ｆθレンズ６０は、ｆθレンズ６０の走査ユニット５０と反対側の端面６２が、ベースプレート１１の走査ユニット５０と反対側の端面より、照射方向において走査ユニット５０から離隔する位置に、設けられる。ｆθレンズ６０は、加工対象物Ｗ表面の加工領域に対して、走査ユニット５０によって２次元走査されたレーザ光Ｌと可視レーザ光Ｍとを同軸に集光する。走査ユニット５０により反射したレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍは、ｆθレンズ６０を通過して、レーザ加工ヘッド１の外部へ出射される。ｆθレンズ６０は、本発明における透明部材として機能する。ガルバノＸ軸モータ５１、ガルバノＹ軸モータ５２の回転を制御することによって、レーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍが、加工対象物Ｗ表面上において、所望の加工パターンで前後方向（Ｙ軸方向）と左右方向（Ｘ軸方向）に２次元走査される。

ｆθレンズ６０は、端面６１における全面が光を透過可能な透明領域Ｓ３として形成されている。よって、加工対象物Ｗで反射した反射光が、ｆθレンズ６０の透明領域Ｓ３を通過して、照射方向においてｆθレンズ６０より上流の領域へ侵入することがある。また、上述したように、走査ユニット５０において、加工領域における照射範囲内にレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍが照射されるように、二次元走査される範囲が決まる。従って、加工領域における照射範囲内にレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍが照射されると、ｆθレンズ６０の端面６１においては、照射領域Ｓ１で示す領域にレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍが照射される。図４に示すように、照射領域Ｓ１は、Ｙ軸方向においては経路Ｔ２と経路Ｔ３の間の領域である。照射領域Ｓ１は、図２に示すように、上方からみて略矩形の領域となる。ｆθレンズ６０の端面６１において照射領域Ｓ１の周囲の周辺領域Ｓ２は、レーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍを透過可能であるが、走査ユニット５０に走査されたレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍが照射されない領域である。よって、加工対象物Ｗで反射した反射光等は、ｆθレンズ６０の周辺領域Ｓ２を通過して、照射方向においてｆθレンズ６０より上流側の領域へ侵入することがある。

遮光部材８０は、例えば、アルミなどの金属で構成される。遮光部材は、黒色に塗装され、光反射を防止する。遮光部材８０は、上方から見た外形形状が矩形で中央に矩形の開口８２を有する形状である、ロの字型の平板として形成される。遮光部材８０は、ベースプレート１１の貫通孔１１１の上部であって、照射方向においてベースプレート１１と走査ユニット５０との間に、配置される。遮光部材８０は、ベースプレート１１に対して、取付ネジ８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄにより固定される。ベースプレート１１に固定されることにより、遮光部材８０は、ベースプレート１１に接触する。従って、遮光部材８０は、照射方向においてｆθレンズ６０の上流に、ｆθレンズ６０と離隔して、配置される。遮光部材８０は、周辺領域Ｓ２と照射方向で重なる位置に、配置される。遮光部材８０は、照射領域Ｓ１の上方に開口８２が位置するよう、配置される。走査ユニット５０に走査されたレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍは、開口８２を通過して、遮光部材８０より下方へ進む。遮光部材８０は、走査ユニット５０に走査されたレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍの経路と交差しない位置に配置されており、走査ユニット５０に走査されたレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍがｆθレンズ６０に到達することを、妨げない。

なお、図４に示すように、遮光部材８０において、開口８２のサイズは照射方向に向かうにつれて大きくなる。言い換えると、遮光部材８０は、照射方向における上流の端部であり中心軸Ｔ１に近い端部である第１端部８０１から中心軸Ｔ１までの距離である第１距離Ｗ１が、照射方向における下流の端部であり中心軸Ｔ１に近い端部である第２端部８０２から中心軸Ｔ１までの距離である第２距離Ｗ２より、短く形成される。

保持部９０は、例えばステンレスで構成され、ダイクロイックミラー４０を保持する。保持部９０は、ベースプレート１１に近い一方の端部に開口９０１を有し、他方の端部に開口９０２を有する。保持部９０は、開口９０１に取付ネジ９１が挿入されることで、ベースプレート１１に対して固定される。保持部９０がベースプレート１１に固定されることにより、開口９０２は、ビームエキスパンダ３０から出射されたレーザ光Ｌの光路上に配置される。このとき、開口９０２は、遮光部材８０より照射方向における上流であって照射方向において遮光部材８０及びｆθレンズ６０の周辺領域Ｓ２と重なる位置に位置する。保持部９０は、他方の端部に、ダイクロイックミラー４０を保持する。保持部９０は、接着剤等によりダイクロイックミラー４０を固定する。従って、ダイクロイックミラー４０は、保持部９０に保持されることにより、遮光部材８０より照射方向における上流であって照射方向において遮光部材８０及びｆθレンズ６０の周辺領域Ｓ２と重なる位置に位置する。

＜まとめ＞
このように、本発明に係るレーザ加工ヘッド１は、ｆθレンズ６０における照射領域Ｓ１を露出するとともにｆθレンズ６０における周辺領域Ｓ２を覆うように配設される遮光部材８０を有する。遮光部材８０が照射領域Ｓ１を露出することにより、走査ユニット５０に走査されたレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍは、遮光部材８０に遮られることなく照射領域Ｓ１に照射され、加工領域において所定の範囲で二次元走査される。遮光部材８０がｆθレンズ６０の周辺領域Ｓ２を覆うことにより、周辺領域Ｓ２を通過して筐体内部へ向かう反射光を遮光部材が遮り、反射光が筐体内部へ侵入する範囲が限定される。例えば、遮光部材８０は、照射方向と反対方向に向かう反射光のうち、周辺領域Ｓ２を通過した反射光が反対方向にさらに進行することを、防ぐ。よって、反対方向に向かう反射光は、照射方向においてｆθレンズ６０の周辺領域Ｓ２及び遮光部材８０と重なる位置においては、遮光部材８０の上側の領域に侵入することが、無くなる。照射方向においてｆθレンズ６０の周辺領域Ｓ２及び遮光部材８０と重なる位置に、ダイクロイックミラー４０が配置されても、反対方向に向かう反射光がダイクロイックミラー４０に当たることがない。ダイクロイックミラー４０をｆθレンズ６０に近づけて配置することができ、ダイクロイックミラー４０からｆθレンズ６０までの距離を短縮することができる。よって、ダイクロイックミラー４０からｆθレンズ６０へ至る光路の長さが短縮され、レーザ加工ヘッド１の装置全体の小型化が実現される。

また、本発明に係るレーザ加工ヘッド１では、遮光部材８０は、照射方向においてｆθレンズ６０と離隔して設けられる。遮光部材８０がｆθレンズ６０と離隔して設けられるので、遮光部材８０の熱がｆθレンズ６０に伝わりにくくなる。ｆθレンズ６０が熱により歪んだり損傷を受けたりすることが起こりにくくなるので、印字品質の低下が抑えられる。

また、本発明に係るレーザ加工ヘッド１においては、保持部９０はステンレスで形成され、ベースプレート１１はアルミで形成されている。つまり、保持部９０は、筐体１０より小さい熱伝導率を有する。遮光部材８０は、入射した反射光を吸収することにより、加熱される。遮光部材８０から保持部９０へ伝熱すると、保持部９０が熱変形するなどして、保持されたダイクロイックミラー４０の位置ずれが起こることある。また、熱により光学部材に損傷が起こる場合がある。しかしながら、本発明に係るレーザ加工ヘッド１においては、保持部９０は筐体１０より小さい熱伝導率を有するので、遮光部材８０の熱は、筐体１０に伝わり、保持部９０に伝わりにくい。従って、保持部９０と遮光部材８０とを近接して配置しても、保持部９０の熱損傷が抑えられ、ダイクロイックミラー４０への熱の影響が抑制されるので、保持部９０の上に遮光部材８０を配置することができる。尚、本実施形態において、保持部９０がステンレスで形成され、ベースプレート１１がアルミで形成される例を示したが、これは一例であり、保持部９０及びベースプレート１１が他の材料で形成されていてもよい。保持部９０が、筐体１０より小さい熱伝導率を有するように形成されていれば、同様の効果が得られる。例えば、保持部９０が樹脂で形成され、ベースプレート１１が金属で形成されていてもよい。

次に、本発明における遮光部材８０の形状について、説明する。上述したように、本発明に係るレーザ加工ヘッド１において、遮光部材８０の開口８２側の端部は、照射方向に対して傾斜して形成されており、照射方向下流に向かうにつれて中心軸Ｔ１から離れるように形成される。言い換えると、遮光部材８０の開口８２を形成する遮光部材８０の内周面は、照射方向に対して傾斜して形成され、照射方向と垂直な方向において対向する内周面同士の間隔が照射方向下流の方が上流より大きくなるように形成されている。つまり、遮光部材８０は、第１端部８０１から中心軸Ｔ１までの距離である第１距離Ｗ１が、第２端部８０２から中心軸Ｔ１までの距離である第２距離Ｗ２より、短く形成される。走査ユニット５０に走査されたレーザ光Ｌ及び可視レーザ光Ｍが照射される範囲は、照射方向における上流に向かうに連れて小さくなる。遮光部材８０は、照射方向における上流に向かうに連れて、照射領域の中心軸の近くに配置可能となる。本発明においては、遮光部材８０はｆθレンズ６０より照射方向の上流に配置されているので、開口８２のサイズが照射領域Ｓ１のサイズより小さく形成されている。遮光部材８０は、開口８２のサイズを照射領域Ｓ１のサイズと同等のサイズとした場合と比較して、より広い範囲を覆うことができ、より多くの反射光を遮ることができる。また、本発明における遮光部材８０は第１距離Ｗ１が第２距離Ｗ２より短く形成されており、開口８２においては照射方向における下流におけるサイズより上流におけるサイズのほうが小さくなっている。本発明における開口８２は、上面視で矩形の形状であるが、照射方向における上流における開口８２の一辺の長さが、下流における開口８２の一辺の長さより、大きくなるような形状となっている。光学部材８０は、開口８２の上流において下流より広い範囲を覆うことができ、より多くの反射光を遮ることができる。したがって、ｆθレンズ６０からダイクロイックミラー４０までの距離を短縮して配置することができる。よって、ダイクロイックミラー４０からｆθレンズ６０へ至る光路の長さが短縮され、レーザ加工ヘッド１の小型化が実現される。尚、遮光部材８０の形状は、上述した開口８２側の端部が傾斜した形状に限らず、他の形状でもよい。例えば、開口８２の径が照射方向において段階的に異なっていて、照射方向上流に向かうにつれて径が小さくなるような段差状形状となっていてもよい。この場合、例えば、遮光部材８０の開口８２を形成する内周面が、照射方向の上流と下流とで中心軸Ｔ１からの距離が異なるように形成されており、照射方向上流における内周面は、照射方向下流の内周面より、中心軸Ｔ１までの距離が小さくなる段差形状に形成されていてもよい。また、例えば、開口８２に端部から中心軸Ｔ１からの距離が常に一定となるような形状に形成されてもよい。

尚、上述の実施形態において、レーザ加工装置１００は、本発明におけるレーザ加工機の一例である。筐体１０は、本発明における筐体の一例であり、ベースプレート１１は、本発明における筐体の一面の一例である。光源２０は、本発明におけるレーザ光源の一例である。走査ユニット５０は、本発明における走査部の一例である。照射方向は、本発明における照射方向の一例である。ダイクロイックミラー４０は、本発明における光学部材、ダイクロイックミラーの一例である。ｆθレンズ６０は、本発明における透明部材の一例である。照射領域Ｓ１は、本発明における照射領域の一例であり、周辺領域Ｓ２は、本発明における周辺部の一例である。遮光部材８０は、本発明における遮光部材の一例である。第１端部８０１は、本発明における第１部分の一例であり、第２端部８０２は、本発明における第２部分の一例である。第１距離Ｗ１は、本発明における第１距離の一例であり、第２距離Ｗ２は、本発明における第２距離の一例である。中心軸Ｔ１は、本発明における中心軸の一例である。可視光源７０は、本発明における可視光源の一例である。保持部９０は、本発明における保持部の一例である。レーザ光Ｌ、可視レーザ光Ｍは、本発明における光の一例である。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されることはなく、種々の改良、変形が可能であることは勿論である。尚、以下の説明において上述の実施形態のレーザ加工ヘッド１の構成等と同一符号は、上述の実施形態の構成等と同一あるいは相当部分を示すものである。

＜変形例１＞
上述の実施形態においては、レーザ光源から出射された光が走査ユニット５０へ向かう経路上であって走査ユニット５０の直前に配置される光学部材がダイクロイックミラー４０である例を示したが、光学部材はこれに限らない。光学部材としては、光に対して反射、透過、拡散、回折、屈折、偏光制御等をして光に影響を与える種々の部材が適用される。

例えば、図５に示すように、ビームエキスパンダ３０のレンズ４１が、レーザ光源から出射された光が走査ユニット５０へ向かう経路上であって走査ユニット５０の直前に配置される光学部材であってもよい。図５に示すレーザ加工ヘッド１Ｂは、ダイクロイックミラーや可視光源を有さず、ビームエキスパンダ３０から出射したレーザ光Ｌが走査ユニット５０に入射する。ビームエキスパンダ３０は、凸レンズ４１ａと凹レンズ４１ｂと、有する。凸レンズ４１ａ及び凹レンズ４１ｂは光軸に沿って配置される。凸レンズ４１ａ及び凹レンズ４１ｂにより、レーザ光Ｌの径が変更される。

凸レンズ４１ａは、照射方向においてｆθレンズ６０の周辺領域Ｓ２及び遮光部材８０と重なる位置に、配置される。凸レンズ４１ａがｆθレンズ６０の近くに配置され、凸レンズ４１からｆθレンズ６０までの距離を短縮することができる。よって、凸レンズ４１ａからｆθレンズ６０へ至る光路の長さが短縮され、装置全体の小型化が実現される。

＜変形例２＞
また、例えば、図６に示すように、反射ミラー４３が、レーザ光源から出射された光が走査ユニット５０へ向かう経路上であって走査ユニット５０の直前に配置される光学部材であってもよい。図６に示すレーザ加工ヘッド１Ｃは、ダイクロイックミラーや可視光源を有さず、ビームエキスパンダ３０から出射したレーザ光Ｌが反射ミラー４２及び反射ミラー４３で反射して走査ユニット５０に入射する。反射ミラー４２は、光源２０及びエキスパンダ３０の前方に、レーザ光Ｌの光路に対して４５度の角度をなすように配置される。反射ミラー４２は、入射したレーザ光Ｌを右方向に反射する。反射ミラー４３は、反射ミラー４２に反射されたレーザ光Ｌの光路上に、反射されたレーザ光Ｌの光路に対して４５度の角度をなすように配置される。反射ミラー４３は、入射したレーザ光Ｌを前方向に反射して、レーザ光Ｌを走査ユニット５０に導く。

反射ミラー４３は、照射方向においてｆθレンズ６０の周辺領域Ｓ２及び遮光部材８０と重なる位置に、配置される。反射ミラー４３がｆθレンズ６０の近くに配置され、反射ミラー４３からｆθレンズ６０までの距離を短縮することができる。よって、反射ミラー４３からｆθレンズ６０へ至る光路の長さが短縮され、装置全体の小型化が実現される。

＜変形例３＞
また、例えば、図７に示すように、ビームスプリッタ４４が、レーザ光源から出射された光が走査ユニット５０へ向かう経路上であって走査ユニット５０の直前に配置される光学部材であってもよい。図７に示すレーザ加工ヘッド１Ｄは、ダイクロイックミラーや可視光源を有さず、ビームスプリッタ４４と検出器７５とを有する。レーザ加工ヘッド１Ｄにおいては、ビームエキスパンダ３０から出射したレーザ光Ｌがビームスプリッタ４４を透過して走査ユニット５０に入射する。ビームスプリッタ４４は、光源２０及びエキスパンダ３０の前方に、レーザ光Ｌの光路に対して４５度の角度をなすように配置される。ビームスプリッタ４４は、入射したレーザ光Ｌの一部を透過して前方の走査ユニット５０に導き、一部を右方に反射する。検出器７５は、ビームスプリッタ４４の右方に配置される。検出器７５は、ビームスプリッタ４４で反射したレーザ光Ｌを受けて、レーザ光Ｌの強度等を検出する。

ビームスプリッタ４４は、照射方向においてｆθレンズ６０の周辺領域Ｓ２及び遮光部材８０と重なる位置に、配置される。ビームスプリッタ４４がｆθレンズ６０の近くに配置され、ビームスプリッタ４４からｆθレンズ６０までの距離を短縮することができる。よって、ビームスプリッタ４４からｆθレンズ６０へ至る光路の長さが短縮され、装置全体の小型化が実現される。

＜変形例４＞
また、上述の実施形態においては、照射領域Ｓ１が略矩形であり、矩形の開口８２を有する遮光部材８０を有する例を示したが、照射領域や遮光部材はこれに限らない。例えば、図８に示すように、上面からみて円形の透明領域Ｓ３Ｅより小さく、上面からみて円形の照射領域Ｓ１Ｅであってもよい。この場合、周辺領域Ｓ２Ｅは、照射領域Ｓ１Ｅの周囲の領域となる。レンズの端部分では中心部分に比べて歪みが大きくなることがあるが、透明領域Ｓ３Ｅの中心付近のみを照射領域Ｓ１Ｅとすることにより、歪みの小さい部分のみを使用することができる。このとき、遮光部材として、円形の開口８２Ｅを有する遮光部材８０Ｅとしてもよい。遮光部材８０Ｅが円形の開口８２Ｅを有することにより、照射領域Ｓ１Ｅを露出しつつ、遮光部材８０Ｅが覆う範囲を広くすることができる。

また、上述の実施形態においては、遮光部材８０が周辺領域Ｓ２の全域を覆う例を示したが、遮光部材はこれに限らず、周辺領域Ｓ２の一部分のみを覆っていてもよい。例えば、図８に示すように、照射領域Ｓ１Ｆが上面からみて矩形であり、その周囲が周辺領域Ｓ２Ｆである場合、遮光部材として、周辺領域Ｓ２Ｆの内の半分を覆う遮光部材８０Ｅとしてもよい。

また、上述の実施形態においては、加工領域における照射範囲が矩形であることに対応して、照射領域Ｓ１が略矩形である例を示したが、これに限らない。ｆθレンズ６０による光路歪みを考慮して、加工領域における照射範囲を矩形とするために、照射領域Ｓ１が所定の形状となるように走査ユニット５０の走査範囲が決められる場合もある。

＜その他の変形例＞
また、上述の実施形態においては、遮光部材８０がｆθレンズ６０の上側に配置される例を示したが、遮光部材はこれに限らず、ｆθレンズ６０の下側に配置されていてもよい。上述したように、走査ユニット５０により走査された光の照射範囲は下に向かうにつれ広くなるので、上述の実施形態のように遮光部材８０がｆθレンズ６０の上側に配置されると遮光部材が広い範囲を覆うことができる。しかしながら、遮光部材がｆθレンズ６０の下側に配置された場合であっても、遮光部材を設けない場合と比べて、筐体１０の内に侵入する反射光を減らすことができる。また、遮光部材をｆθレンズ６０の下側に配置する場合、例えば遮光部材を筐体１０の外側に設けることができ、筐体１０に対する遮光部材の交換が簡単になる。

また、上述の実施形態においては、筐体１０の下面に設けられ、走査ユニット５０に走査された光を筐体１０の外部へ透過させる透明部材がｆθレンズ６０である例を示したが、透明部材はこれに限らない。透明部材はレーザ光や可視光を透過可能な部材であればよく、例えば、テレセントリックレンズ等のレンズであってもよいし、光を収束させる機能のない透明な部材で構成される単なる窓であってもよい。透明部材が窓であっても、例えば、ビームエキスパンダ３０のレンズを調節しながらレーザ光Ｌを出射することで、焦平面にレーザ光Ｌを収束させて加工対象物Ｗに印字することができる。

また、上述の実施形態においては、保持部９０が遮光部材８０と接触する例を示したが、これに限らない。例えば、保持部９０が遮光部材８０と離隔して配置されてもよい。保持部９０と遮光部材８０とが離隔して配置される場合、遮光部材８０から保持部９０への熱伝導が抑制される。また、例えば、保持部９０と遮光部材８０との間に断熱材を配置してもよい。この場合、断熱材により、遮光部材８０から保持部９０への熱伝導が抑制される。保持部９０の熱損傷が抑えられ、ダイクロイックミラー４０への熱の影響が抑制されるので、遮光部材８０に対して保持部９０を近づけて配置することが可能となる。

また、上述の実施形態においては、保持部９０がベースプレート１１と接触する例を示したが、これに限らない。例えば、保持部９０とベースプレート１１との間に断熱材が配置されたり、保持部９０と取付ネジ９１との間に断熱材が配置されたりする等の構成により、保持部９０とベースプレート１１との間の熱伝導を抑制するような構成としてもよい。この場合、断熱材により、ベースプレート１１から保持部９０への熱伝導が抑制される。例えば、遮光部材８０からベースプレート１１に伝わった熱が、さらに保持部９０へ伝わることが抑制されるので、反射光により遮光部材８０やベースプレート１１が加熱された場合であっても保持部９０の熱損傷が抑えられ、ダイクロイックミラー４０への熱の影響が抑制される。よって遮光部材８０に対して保持部９０を近づけて配置することが可能となる。

１００レーザ加工装置
１、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ レーザ加工ヘッド
２ コントローラユニット
Ｃ 伝送ケーブル
１０ 筐体
１１ ベースプレート
２０ 光源
３０ ビームエキスパンダ
４０ ダイクロイックミラー
５０ 走査ユニット
６０ ｆθレンズ
７０ 可視光源
８０、８０Ｅ、８０Ｆ 遮光部材
９０ 保持部
８０１ 第１端部
８０２ 第２端部
Ｗ１ 第１距離
Ｗ２ 第２距離
Ｓ１、Ｓ１Ｅ、Ｓ１Ｆ 照射領域
Ｓ２、Ｓ２Ｅ、Ｓ２Ｆ 周辺領域
Ｔ１ 中心軸
Ｓ３ 透明領域
Ｌ レーザ光
Ｍ 可視レーザ光
Ｗ 加工対象物
４１ａ 凸レンズ
４１ｂ 凹レンズ
４２ 反射ミラー
４３ 反射ミラー
４４ ビームスプリッタ

Claims (5)

1. レーザ加工機に備えられるレーザ加工ヘッドであって、
   筐体と、
   前記筐体に内蔵され、レーザ光源から出射された光を走査して、前記筐体の一面へ向かう方向である照射方向に反射する走査部と、
   前記筐体に内蔵され、前記レーザ光源から出射された光が前記走査部へ向かう経路上であって、前記走査部の直前に配置される光学部材と、
   前記筐体の一面に設けられ、前記走査部に走査された光を前記筐体の外部へ透過させる透明部材と、
   前記透明部材の、前記走査部に走査された光が照射される領域である照射領域を露出するとともに、前記照射領域の周辺であって、前記照射方向において前記透明部材と重なる領域である周辺部を覆う遮光部材と、を有し、
   前記光学部材が、前記遮光部材より前記照射方向における上流であって前記照射方向において前記遮光部材及び前記透明部材と重なる位置に設けられ、
   前記遮光部材は、当該遮光部材の第１部分における、前記遮光部材から前記照射領域の中心軸までの距離である第１距離が、前記照射方向において前記第１部分より下流の第２部分における、前記遮光部材から前記中心軸までの距離である第２距離より、短く形成されること、を特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. レーザ加工機に備えられるレーザ加工ヘッドであって、
   筐体と、
   前記筐体に内蔵され、レーザ光源から出射された光を走査して、前記筐体の一面へ向かう方向である照射方向に反射する走査部と、
   前記筐体に内蔵され、前記レーザ光源から出射された光が前記走査部へ向かう経路上であって、前記走査部の直前に配置される光学部材と、
   前記筐体の一面に設けられ、前記走査部に走査された光を前記筐体の外部へ透過させる透明部材と、
   前記透明部材の、前記走査部に走査された光が照射される領域である照射領域を露出するとともに、前記照射領域の周辺であって、前記照射方向において前記透明部材と重なる領域である周辺部を覆う遮光部材と、
   可視光を前記光学部材へ出射する可視光源と、を有し、
   前記光学部材は、前記遮光部材より前記照射方向における上流であって前記照射方向において前記遮光部材及び前記透明部材と重なる位置に設けられ、前記レーザ光源から出射された光及び前記可視光源から出射された光のいずれか一方を透過し、前記レーザ光源から出射された光及び前記可視光源から出射された光の他方を反射する、ダイクロイックミラーであること、を特徴とするレーザ加工ヘッド。
3. 前記遮光部材は、前記透明部材と前記照射方向において離隔して設けられること、を特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工ヘッド。
4. 前記遮光部材は、前記照射方向において前記透明部材より上流に配置されること、を特徴とする請求項１〜３のいずれか記載のレーザ加工ヘッド。
5. 前記光学部材を保持する保持部を、さらに有し、
   前記保持部は、前記筐体より小さい熱伝導率を有する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載のレーザ加工ヘッド。

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