JP7240774B2 - 光学ユニット及びレーザー加工装置 - Google Patents
光学ユニット及びレーザー加工装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7240774B2 JP7240774B2 JP2022091874A JP2022091874A JP7240774B2 JP 7240774 B2 JP7240774 B2 JP 7240774B2 JP 2022091874 A JP2022091874 A JP 2022091874A JP 2022091874 A JP2022091874 A JP 2022091874A JP 7240774 B2 JP7240774 B2 JP 7240774B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- laser
- optical unit
- angle
- processing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Description
本発明は、光学ユニット、並びにレーザー加工装置、レーザー加工方法、及び三次元加工装置に関する。
近年、金属及び樹脂等の直接加工を行う製造現場では、バリが生じなく、アスペクト比［（深さ／穴径）比）］の高い穴あけ加工等を効率よく行うことができるレーザー加工方法として、短パルスレーザー（例えば、ナノ秒レーザー、ピコ秒レーザー、又はフェムト秒レーザー）が主流となりつつある。
このような短パルスレーザー加工においては、光の入射側からその進行方向に向かって加工領域を狭める加工（即ち、「順テーパー加工」）のみならず、光の入射側からその進行方向に向かって加工領域を拡げる加工（即ち、「逆テーパー加工」）が求められている。なぜなら、前記逆テーパー加工は、断面の三次元形状の制約がなくなり、任意の形状を取ることができ、三次元の直接加工が可能となるからである。しかし、前記短パルスレーザーを用いて逆テーパー加工を行う場合には、レーザービームを光軸から大きく傾斜するように制御しなければならず、その制御の困難性が課題となっていた。
前記課題を解決するため、例えば、ステージ上に載置した被加工物（ワーク）を傾けながらレーザービームを照射するレーザー加工方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この提案のようなステージを作動させてワークを傾ける方法では、ステージ及びワークの慣性質量によって、高速応答性に限界が生じてしまうという問題がある。そこで、レーザービーム自体に偏角を与えるための光学系に関する技術が提案されている。例えば、シュバルツシルト光学ユニットが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。前記シュバルツシルト光学ユニットを用いたレーザー加工方法は、図１に示すように、光軸周りに回転するレーザービームＡをコーンミラー１００に照射し、このコーンミラー１００から反射したレーザービームを反射鏡１０１によって反射して被加工物（ワーク）１０２に加工角度θ（ワークに対するレーザービームの入射角度）で照射する方法である。このため、例えば、図２に示すように、ポリゴンミラー又はガルバノミラーでレーザービームＡの入射光の位置を変化するか、もしくはワーク１０２を載置するステージ１０３をＸ－Ｙ方向に移動すると、二次元（Ｘ－Ｙ）平面内で逆テーパー加工を行うことができる。しかし、前記シュバルツシルト光学ユニットを用いたレーザー加工方法では、コーンミラー１００を空中に固定することが必要であり、コーンミラー１００を固定するための固定治具の影の部分、即ち、レーザー加工できない死角がどうしても生じてしまうという問題がある。
その後、「要素Ａ：光の光路を平行移動させる方法」と「要素Ｂ：入射光に偏角を生じさせる方法」との２つの要素が必要であるという技術発想に基づいて、以下に示すような数多くのレーザー加工装置が提案されている。
例えば、前記要素Ａとして平行平面板（以下、「平行プリズム」と称することもある）を用い、前記要素Ｂとして集光レンズを用いるレーザー加工装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この提案では、平行平面板を傾ける角度に制限があり、その結果、偏角を大きく取ることができないという問題がある。
例えば、前記要素Ａとして平行平面板（以下、「平行プリズム」と称することもある）を用い、前記要素Ｂとして集光レンズを用いるレーザー加工装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この提案では、平行平面板を傾ける角度に制限があり、その結果、偏角を大きく取ることができないという問題がある。
また、前記要素Ａとして平行平面板を用い、前記要素Ｂとして像の左右を反転させるダブプリズム（以下、「ドーブプリズム」と称することもある）を用いるレーザー加工装置が提案されている（例えば、特許文献３及び４参照）。これらの提案では、ダブプリズムの下流側に平行平面板を配置し、レーザービームを所定の軸まわりに自転させながら公転させ、かつ前記自転と前記公転を同期させるために、ダブプリズムと平行平面板を所定の条件で回転させる必要があり、装置構成が複雑になるため、高速応答性に限界が生じるという問題がある。
また、前記要素Ａとして電気光学素子又は音響光学素子を用い、前記要素Ｂとして集光レンズを用いるレーザー加工装置が提案されている（例えば、特許文献５及び６参照）。しかし、この提案では、電気光学素子又は音響光学素子の耐光性が低く、大きなレーザーエネルギーに耐えられないという問題がある。
また、電磁アクチュエータでレンズを傾斜及び回転させることによって偏光と集光の２つの機能を兼ねる、つまり前記要素Ａと前記要素Ｂを兼ね備えた光走査装置が提案されている（例えば、特許文献７参照）。しかし、この提案では、１つの要素で２つの機能を行うために、自由度が小さくなり、偏角の大きさに限界があり、かつ偏角が小さいという欠点が残されている。
また、複数のプリズムを用いてレーザービームを一端複数本に分岐し、分岐後のレーザービームを１点に集光する、つまり前記要素Ａと前記要素Ｂを兼ね備えた吐出ノズルの加工方法が提案されている（例えば、特許文献８参照）。しかし、この提案では、プリズムの仕様のみによってテーパー角度が決まってしまうため、偏角の自由度が小さいという問題がある。
また、前記要素Ａとして非常な複雑な構造からなる反射光学系を用い、前記要素Ｂとして回転させることによって平行面からの入射光を偏角することができるウェッジプリズム又はダブプリズムを用いるレーザービームをワークに円形に照射する機能を備えたビームローテータが提案されている（例えば、特許文献９参照）。しかし、この提案では、入射光の光路を平行移動させるために非常な複雑な構造からなる反射光学系を用いているので、装置構成が複雑となるため、高速応答性に限界が生じるという欠点が残されている。
したがって、製造現場において求められる、極めてシンプルな構造でありながら、大きな偏角を取ることができ、逆テーパー加工及び三次元の直接加工を高速で実現することができる光学ユニット、並びに前記光学ユニットを用いたレーザー加工装置、レーザー加工方法、及び三次元加工装置は、未だ提供されていないのが現状である。
Ｐ．Ｓｉｍｏｎ，Ｊ．Ｉｈｌｅｍａｎｎ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ６３，５０５－５０８（１９９６）
本発明は、極めてシンプルな構造でありながら、大きな偏角を取ることができ、逆テーパー加工及び三次元の直接加工を高速で実現できる光学ユニット、並びに前記光学ユニットを用いたレーザー加工装置、レーザー加工方法、及び三次元加工装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞ 光を平行に移動させる光平行移動手段と、
前記光平行移動手段からの光を反転させる光反転手段と、
前記光反転手段からの光を被加工物表面に集光する集光手段と、
を備えることを特徴とする光学ユニットである。
＜２＞ 前記光平行移動手段が２つのミラーを有し、該２つのミラーが同期して同一角度に回転可能である、前記＜１＞に記載の光学ユニットである。
＜３＞ 前記光反転手段が光軸周りに回転可能である、前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の光学ユニットである。
＜４＞ 前記光反転手段が、プリズムと該プリズムを光軸周りに回転させるモーターとを有する、前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の光学ユニットである。
＜５＞ 前記集光手段が集光レンズを有する、前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の光学ユニットである。
＜６＞ 前記集光手段がテレセントリックｆθレンズを有し、前記光反転手段からの光を走査可能である、前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の光学ユニットである。
＜７＞ 前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の光学ユニットと、パルス発振するレーザーと、を備えたことを特徴とするレーザー加工装置である。
＜８＞ 前記＜７＞に記載のレーザー加工装置を用いること特徴とするレーザー加工方法である。
＜９＞ 前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の光学ユニットを有することを特徴とする三次元加工装置である。
＜１＞ 光を平行に移動させる光平行移動手段と、
前記光平行移動手段からの光を反転させる光反転手段と、
前記光反転手段からの光を被加工物表面に集光する集光手段と、
を備えることを特徴とする光学ユニットである。
＜２＞ 前記光平行移動手段が２つのミラーを有し、該２つのミラーが同期して同一角度に回転可能である、前記＜１＞に記載の光学ユニットである。
＜３＞ 前記光反転手段が光軸周りに回転可能である、前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の光学ユニットである。
＜４＞ 前記光反転手段が、プリズムと該プリズムを光軸周りに回転させるモーターとを有する、前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の光学ユニットである。
＜５＞ 前記集光手段が集光レンズを有する、前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の光学ユニットである。
＜６＞ 前記集光手段がテレセントリックｆθレンズを有し、前記光反転手段からの光を走査可能である、前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の光学ユニットである。
＜７＞ 前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の光学ユニットと、パルス発振するレーザーと、を備えたことを特徴とするレーザー加工装置である。
＜８＞ 前記＜７＞に記載のレーザー加工装置を用いること特徴とするレーザー加工方法である。
＜９＞ 前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の光学ユニットを有することを特徴とする三次元加工装置である。
本発明によると、極めてシンプルな構造でありながら、大きな偏角を取ることができ、逆テーパー加工及び三次元の直接加工を高速で実現できる光学ユニット、並びに前記光学ユニットを用いたレーザー加工装置、レーザー加工方法、及び三次元加工装置を提供することができる。
（光学ユニット）
本発明の光学ユニットは、光を平行に移動させる光平行移動手段と、前記光平行移動手段からの光を反転させる光反転手段と、前記光反転手段からの光を被加工物表面に集光する集光手段と、を備え、更に必要に応じてその他の手段を備える。
本発明の光学ユニットは、光を平行に移動させる光平行移動手段と、前記光平行移動手段からの光を反転させる光反転手段と、前記光反転手段からの光を被加工物表面に集光する集光手段と、を備え、更に必要に応じてその他の手段を備える。
本発明においては、短パルスレーザーを用いた被加工物に対する逆テーパー加工において加工角度（被加工物に対するレーザービームの入射角度）が０度から照射可能な最高角度までの間で死角がなく、大きな逆テーパー角度を取ることができる。
また、本発明の光学ユニットは、独立した構造物であるため、様々な短パルスレーザー加工装置に容易に組み込むことができ、短パルスレーザー加工装置の機能を高度化できるという柔軟性を有している。
したがって、本発明の光学ユニットは、極めてシンプルな構造でありながら、大きな偏角を取ることができるので、逆テーパー加工、マイクロテクスチャ加工、及び三次元の直接加工を高速で実現することができ、現在世界各国で開発が進んでいる１ｍ２／ｍｉｎ．を超える超高速レーザー加工の基盤となる技術であり、ダイレクトプロセッシングを実現することができる今までにない新技術である。
また、本発明の光学ユニットは、独立した構造物であるため、様々な短パルスレーザー加工装置に容易に組み込むことができ、短パルスレーザー加工装置の機能を高度化できるという柔軟性を有している。
したがって、本発明の光学ユニットは、極めてシンプルな構造でありながら、大きな偏角を取ることができるので、逆テーパー加工、マイクロテクスチャ加工、及び三次元の直接加工を高速で実現することができ、現在世界各国で開発が進んでいる１ｍ２／ｍｉｎ．を超える超高速レーザー加工の基盤となる技術であり、ダイレクトプロセッシングを実現することができる今までにない新技術である。
＜光平行移動手段＞
前記光平行移動手段は、光を平行に移動させる手段である。
前記光平行移動手段は、前記光反転手段と切り離されて該光反転手段の上流側に配置され、前記光平行移動手段自体は光軸周りに回転しない。これにより、機械構造を簡素化でき、メンテナンスが容易になり、ハンドリング適性も向上するという利点がある。
前記光平行移動手段としては、光を平行に移動させることができる手段であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、平行平面板（平行プリズム）、ウエッジ基板、２つのミラーを有し該２つのミラーが同期して同一角度に回転可能である手段などが挙げられる。これらの中でも、アライメント構造となるため中心軸調整が容易であり、かつスキャナと同様の構造であることから長期間の使用にも十分耐えうる構造である点から、２つのミラーを有し該２つのミラーが同期して同一角度に回転可能である手段が好ましい。
前記２つのミラーはそれぞれモーターを備えており、前記２つのミラーは前記モーターの作動により同期して同一角度に回転することによって、入射光の光路を所定距離だけ平行移動させることができる。
前記ミラーとしては、例えば、ステップミラーなどが挙げられる。前記ステップミラーはステッピングモーターの作動によりステップミラーの中心点回りに回転可能なミラーである。
前記光平行移動手段は、光を平行に移動させる手段である。
前記光平行移動手段は、前記光反転手段と切り離されて該光反転手段の上流側に配置され、前記光平行移動手段自体は光軸周りに回転しない。これにより、機械構造を簡素化でき、メンテナンスが容易になり、ハンドリング適性も向上するという利点がある。
前記光平行移動手段としては、光を平行に移動させることができる手段であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、平行平面板（平行プリズム）、ウエッジ基板、２つのミラーを有し該２つのミラーが同期して同一角度に回転可能である手段などが挙げられる。これらの中でも、アライメント構造となるため中心軸調整が容易であり、かつスキャナと同様の構造であることから長期間の使用にも十分耐えうる構造である点から、２つのミラーを有し該２つのミラーが同期して同一角度に回転可能である手段が好ましい。
前記２つのミラーはそれぞれモーターを備えており、前記２つのミラーは前記モーターの作動により同期して同一角度に回転することによって、入射光の光路を所定距離だけ平行移動させることができる。
前記ミラーとしては、例えば、ステップミラーなどが挙げられる。前記ステップミラーはステッピングモーターの作動によりステップミラーの中心点回りに回転可能なミラーである。
前記ウエッジ基板は、第１のウエッジ基板と第２のウエッジ基板からなる。前記第１及び第２のウエッジ基板は、同一の形状、寸法、及び材質を備えており、互いの頂角が１８０度反対方向に向くように配置されている。前記第１のウエッジ基板と前記第２のウエッジ基板との間の距離を適宜調整可能である。
前記第１のウエッジ基板の屈折率と角度によって偏角されたレーザービームの光路を前記第２のウエッジ基板を用いてレーザービームの光路を平行移動（オフセット）することができる。任意にレーザービームの光路のオフセット量を変化させる場合には、前記第１のウエッジ基板と前記第２のウエッジ基板との間の距離を調整することにより、実現することができる。
前記第１のウエッジ基板の屈折率と角度によって偏角されたレーザービームの光路を前記第２のウエッジ基板を用いてレーザービームの光路を平行移動（オフセット）することができる。任意にレーザービームの光路のオフセット量を変化させる場合には、前記第１のウエッジ基板と前記第２のウエッジ基板との間の距離を調整することにより、実現することができる。
＜光反転手段＞
前記光反転手段は、前記光平行移動手段からの光を反転させる手段である。
前記光反転手段は、プリズムと該プリズムを光軸周りに回転させるモーターとを有することが好ましい。前記光反転手段を光軸周りに回転させることによって、３６０度の穴あけ加工を実現できる。
前記プリズムとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、三角プリズム、ダブプリズムなどが挙げられる。ダブプリズムは、三角プリズムに比べて慣性質量を小さくできるので、高速応答性の点から有利である。
前記モーターとしては、プリズムを高速回転することができれば特に制限はなく、例えば、ブラシモーター、ブラシレスＤＣモーター、パルスモーター、ステッピングモーター、サーボモーターなどが挙げられる。また、エアベアリングとサーボモーターとベルト駆動との組み合わせによりプリズムを回転させることができる。
プリズムはホルダー内に保持されていることが好ましく、ホルダーを光軸周りに回転させことでプリズムが回転する。
前記プリズム（又はホルダー）と前記プリズムを回転させるモーターは一体的に構成されていることが好ましい。
前記プリズムの回転数は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０ｒｐｍ以上１１，０００ｒｐｍ以下であることが好ましい。なお、プリズムを回転させない（０ｒｐｍ）場合には、溝加工、ライン加工などを行うことができる。
前記光反転手段は、前記光平行移動手段からの光を反転させる手段である。
前記光反転手段は、プリズムと該プリズムを光軸周りに回転させるモーターとを有することが好ましい。前記光反転手段を光軸周りに回転させることによって、３６０度の穴あけ加工を実現できる。
前記プリズムとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、三角プリズム、ダブプリズムなどが挙げられる。ダブプリズムは、三角プリズムに比べて慣性質量を小さくできるので、高速応答性の点から有利である。
前記モーターとしては、プリズムを高速回転することができれば特に制限はなく、例えば、ブラシモーター、ブラシレスＤＣモーター、パルスモーター、ステッピングモーター、サーボモーターなどが挙げられる。また、エアベアリングとサーボモーターとベルト駆動との組み合わせによりプリズムを回転させることができる。
プリズムはホルダー内に保持されていることが好ましく、ホルダーを光軸周りに回転させことでプリズムが回転する。
前記プリズム（又はホルダー）と前記プリズムを回転させるモーターは一体的に構成されていることが好ましい。
前記プリズムの回転数は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０ｒｐｍ以上１１，０００ｒｐｍ以下であることが好ましい。なお、プリズムを回転させない（０ｒｐｍ）場合には、溝加工、ライン加工などを行うことができる。
＜集光手段＞
前記集光手段は、前記光反転手段からの光を被加工物表面に集光する手段である。
前記集光手段は、前記光反転手段と切り離されて該光反転手段の下流側に配置され、前記集光手段自体は光軸周りに回転しない。光反転手段を透過した光は、集光手段により集光され、被加工物表面に所定の角度で照射される。
前記集光手段としては、例えば、集光レンズなどが挙げられる。前記集光レンズとしては、例えば、非球面レンズ、シリンドリカルレンズなどが挙げられる。前記シリンドリカルレンズは、レーザービームに直交する二次元平面の一方向のみにレンズとして作用する曲率を有するレンズである。
前記集光手段は、前記光反転手段からの光を被加工物表面に集光する手段である。
前記集光手段は、前記光反転手段と切り離されて該光反転手段の下流側に配置され、前記集光手段自体は光軸周りに回転しない。光反転手段を透過した光は、集光手段により集光され、被加工物表面に所定の角度で照射される。
前記集光手段としては、例えば、集光レンズなどが挙げられる。前記集光レンズとしては、例えば、非球面レンズ、シリンドリカルレンズなどが挙げられる。前記シリンドリカルレンズは、レーザービームに直交する二次元平面の一方向のみにレンズとして作用する曲率を有するレンズである。
前記集光手段としては、テレセントリックｆθレンズを有することが好ましい。前記テレセントリックｆθレンズは、スキャナヘッド（ＸＹガルバノミラーによるスキャナ又はポリゴンスキャナ）と組み合わせて使用され、任意のエリアの任意の位置にレーザービームをほぼ垂直に照射することが可能なレンズであり、平坦化レンズ又はスキャンレンズと呼ばれることもある。
前記集光手段としてテレセントリックｆθレンズを用いることにより、被加工物（ワーク）を動かさなくても、任意のエリアの任意の位置において複数の逆テーパー加工が可能になり、製造現場における高速度化及び高生産性を実現できる。
前記集光手段としてテレセントリックｆθレンズを用いることにより、被加工物（ワーク）を動かさなくても、任意のエリアの任意の位置において複数の逆テーパー加工が可能になり、製造現場における高速度化及び高生産性を実現できる。
本発明においては、光平行移動手段と、光反転手段と、集光手段とを一体化させて一つの光学ユニットとすることができる。これにより、様々な短パルスレーザー加工装置に組み込んで、その機能を高度化することができる。また、複数の光学ユニットを組み合わせて一つのワークに対してレーザー加工を行うこともできる。
＜被加工物＞
前記被加工物（ワーク）としては、その形状、大きさ、材質、構造等について特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記形状としては、例えば、平板状、正方形状、長方形状、矩形状、角柱状、円柱状、円筒状、球状、楕円球状などが挙げられる。前記構造としては単層構造であってもよいし、積層構造であってもよく、前記大きさとしては用途等に応じて適宜選択することができる。前記材質としては、例えば、金属、無機物、有機物などが挙げられる。
前記被加工物（ワーク）としては、その形状、大きさ、材質、構造等について特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記形状としては、例えば、平板状、正方形状、長方形状、矩形状、角柱状、円柱状、円筒状、球状、楕円球状などが挙げられる。前記構造としては単層構造であってもよいし、積層構造であってもよく、前記大きさとしては用途等に応じて適宜選択することができる。前記材質としては、例えば、金属、無機物、有機物などが挙げられる。
前記金属としては、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ等の各種金属、又はこれらの合金、炭素鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。
前記無機物としては、例えば、ガラス、シリコン（Ｓｉ）、チタン、石英（ＳｉＯ２）、セラミックスなどが挙げられる。
前記有機物としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート（ＰＣ）、低融点フッ素樹脂、ポリメタアクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、トリアセテートセルロース（ＴＡＣ）樹脂；ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）、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などが挙げられる。
前記無機物としては、例えば、ガラス、シリコン（Ｓｉ）、チタン、石英（ＳｉＯ２）、セラミックスなどが挙げられる。
前記有機物としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート（ＰＣ）、低融点フッ素樹脂、ポリメタアクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、トリアセテートセルロース（ＴＡＣ）樹脂；ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）、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などが挙げられる。
＜その他の手段＞
前記その他の手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ステージ、制御手段などが挙げられる。
前記ステージは、被加工物を載置する台座であり、被加工物が移動しない固定ステージであってもよいが、被加工物をＸ－Ｙ平面において二次元で移動させ得るＸ－Ｙステージであってもよく、Ｘ－Ｙ－Ｚ空間において三次元で移動させ得るＸ－Ｙ－Ｚステージであってもよい。
前記その他の手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ステージ、制御手段などが挙げられる。
前記ステージは、被加工物を載置する台座であり、被加工物が移動しない固定ステージであってもよいが、被加工物をＸ－Ｙ平面において二次元で移動させ得るＸ－Ｙステージであってもよく、Ｘ－Ｙ－Ｚ空間において三次元で移動させ得るＸ－Ｙ－Ｚステージであってもよい。
前記制御手段としては、前記各手段の動きを制御することができる限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、シークエンサー、コンピュータ等の機器が挙げられる。
＜用途＞
本発明の光学ユニットは、例えば、各種被加工物に対する、穴あけ加工、溝加工、ライン加工、マイクロテクスチュア加工、レーザーアブレーション加工、切断加工、溶接、トリミング、マーキングなどに幅広く用いられる。
本発明の光学ユニットは、例えば、各種被加工物に対する、穴あけ加工、溝加工、ライン加工、マイクロテクスチュア加工、レーザーアブレーション加工、切断加工、溶接、トリミング、マーキングなどに幅広く用いられる。
（レーザー加工装置及びレーザー加工方法）
本発明のレーザー加工装置は、本発明の光学ユニットと、パルス発振するレーザーと、を備え、更に必要に応じてその他の手段を備える。
本発明のレーザー加工方法は、本発明のレーザー加工装置を用いるものである。
本発明のレーザー加工装置は、本発明の光学ユニットと、パルス発振するレーザーと、を備え、更に必要に応じてその他の手段を備える。
本発明のレーザー加工方法は、本発明のレーザー加工装置を用いるものである。
前記パルス発振するレーザーにおけるレーザー光源としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、エキシマレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、半導体レーザーなどが挙げられる。
前記パルス発振するレーザーにおけるレーザー光源は、一定のピーク強度を有する短パルスレーザー光を繰り返し出力することができる。前記短パルスレーザー光は、ピーク強度が一定の複数のパルスを含むパルス列から構成される。
本発明においては、短パルスレーザー光は、ナノ秒（１×１０－９秒）以下のパルス幅を有するものを意味し、前記短パルスレーザー光のパルス幅は、フェムト秒（１０－１５秒）オーダーからピコ秒（１０－１２秒）オーダーであることが好ましい。
前記短パルスレーザー光の繰り返し周波数は、１０ｋＨｚ～１ＭＨｚであることが好ましく、５００ｋＨｚ～１ＭＨｚであることがより好ましい。
前記パルス発振するレーザーにおけるレーザー光源は、一定のピーク強度を有する短パルスレーザー光を繰り返し出力することができる。前記短パルスレーザー光は、ピーク強度が一定の複数のパルスを含むパルス列から構成される。
本発明においては、短パルスレーザー光は、ナノ秒（１×１０－９秒）以下のパルス幅を有するものを意味し、前記短パルスレーザー光のパルス幅は、フェムト秒（１０－１５秒）オーダーからピコ秒（１０－１２秒）オーダーであることが好ましい。
前記短パルスレーザー光の繰り返し周波数は、１０ｋＨｚ～１ＭＨｚであることが好ましく、５００ｋＨｚ～１ＭＨｚであることがより好ましい。
（三次元加工装置）
本発明の三次元加工装置は、本発明の光学ユニットを有し、更に必要に応じてその他の手段を有する。
前記三次元加工装置によると、被加工物の表面に三次元の直接加工が実現可能となる。
本発明の三次元加工装置は、本発明の光学ユニットを有し、更に必要に応じてその他の手段を有する。
前記三次元加工装置によると、被加工物の表面に三次元の直接加工が実現可能となる。
前記その他の手段として、被加工物をＸ－Ｙ－Ｚ空間において三次元で移動させ得るＸ－Ｙ－Ｚステージを有することが好ましい。
また、前記三次元加工装置は、被加工物を加工する形状に係るＣＡＤデータを作成し、該ＣＡＤデータに基づき被加工物を加工する三次元加工装置のレーザー加工位置及びレーザー加工軌道を設定するＮＣデータを作成するＮＣデータ作成手段と、Ｘ－Ｙ－Ｚステージの動作を制御するステージ動作制御手段と、を有することが好ましい。
また、前記三次元加工装置は、被加工物を加工する形状に係るＣＡＤデータを作成し、該ＣＡＤデータに基づき被加工物を加工する三次元加工装置のレーザー加工位置及びレーザー加工軌道を設定するＮＣデータを作成するＮＣデータ作成手段と、Ｘ－Ｙ－Ｚステージの動作を制御するステージ動作制御手段と、を有することが好ましい。
ここで、本発明の光学ユニットの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また、下記構成部材の数、位置、形状等は本実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好ましい数、位置、形状等にすることができる。
なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また、下記構成部材の数、位置、形状等は本実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好ましい数、位置、形状等にすることができる。
＜第１の実施形態＞
図３Ａは、第１の実施形態の光学ユニットの一例を示す概略図である。図３Ｂは、図３Ａにおいて、ダブプリズムを１８０度回動させた状態を示す概略図である。
この図３Ａ及び図３Ｂの光学ユニットは、ステップミラー１ａ，１ｂ、ダブプリズム２、モーター３、集光レンズ４を有している。図３Ａ及び図３Ｂ中５は、被加工物（ワーク）、７はダブプリズムを保持するホルダーである。
ステップミラー角度φは、垂直上方向を０°とし、時計回りを正とする。ステップミラー角度φが２２．５°（加工角度θ＝０°となる基準角度）の時に、ダブプリズム２の中心を通る。以下、ステップミラー角度φ＝２２．５°を基準角度としたときのミラー偏角をΔφとし、時計回りを正とする。
図３Ａは、第１の実施形態の光学ユニットの一例を示す概略図である。図３Ｂは、図３Ａにおいて、ダブプリズムを１８０度回動させた状態を示す概略図である。
この図３Ａ及び図３Ｂの光学ユニットは、ステップミラー１ａ，１ｂ、ダブプリズム２、モーター３、集光レンズ４を有している。図３Ａ及び図３Ｂ中５は、被加工物（ワーク）、７はダブプリズムを保持するホルダーである。
ステップミラー角度φは、垂直上方向を０°とし、時計回りを正とする。ステップミラー角度φが２２．５°（加工角度θ＝０°となる基準角度）の時に、ダブプリズム２の中心を通る。以下、ステップミラー角度φ＝２２．５°を基準角度としたときのミラー偏角をΔφとし、時計回りを正とする。
光を平行に移動させる光平行移動手段としてのステップミラー１ａ，１ｂは、それぞれステッピングモーターを備えており、ステップミラー１ａ，１ｂは前記モーターの駆動によって同期して同一角度に回転することによって、入射光の光路を所定距離だけ平行移動させることができる。
前記光平行移動手段からの光を反転させる光反転手段は、ダブプリズム２と該ダブプリズムを光軸周りに回転させるモーター３とを有する。ダブプリズム２をモーター３で回転させたときに偏心が生じない幾何学的配置であり、かつダブプリズム２の対称中心への入射光は光路が変化しないので、ダブプリズム２をモーター３で回転させることによって、軸対称の穴あけ加工を行うことができる。
なお、ダブプリズム２はレーザービームの光軸周りに回転するホルダー７に保持されている。ダブプリズム２（又はホルダー７）は、エアベアリングとサーボモーターとベルト駆動との組み合わせによって回転可能に構成されている。
なお、ダブプリズム２はレーザービームの光軸周りに回転するホルダー７に保持されている。ダブプリズム２（又はホルダー７）は、エアベアリングとサーボモーターとベルト駆動との組み合わせによって回転可能に構成されている。
前記光反転手段からの光を被加工物表面に集光する集光手段としての集光レンズ４としては、非球面レンズ、ビームに直交する二次元平面の一方向のみにレンズとして作用する曲率を有するシリンドリカルレンズが用いられる。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、レーザー光源（図示せず）から照射されたレーザービームＬが一組のステップミラー１ａ，１ａに入射する。なお、図３Ａ及び図３Ｂ中のステップミラー角度φは、加工角度θ＝０°となる基準角度を示し、レーザービームＬがダブプリズム２を通過してもオフセットが無い、被加工物の焦点Ｐを通る中心軸となる。
一組のステップミラー１ａ，１ａはモーターの作動によって同期してミラー角度φを基準角度（φ＝２２．５°）から傾けることより、レーザービームＬ（入射光）の光路を平行移動する。
平行移動されたレーザービームがダブプリズム２に入射する。ダブプリズム２に入射したレーザービームは、モーター３で所定角度（通常は３６０°）回転され、穴あけ加工を可能とする。
ダブプリズム２を透過したレーザービームは、集光レンズ４によって集光され、被加工物５表面に所定の加工角度θで照射される。
集光されたレーザービームが被加工物の焦点Ｐを通る中心軸を中心に回転することによって、被加工物５に所定の加工角度θ（逆テーパー角度）を有したまま軸対称の逆テーパーの穴あけ加工が行われる。
一組のステップミラー１ａ，１ａはモーターの作動によって同期してミラー角度φを基準角度（φ＝２２．５°）から傾けることより、レーザービームＬ（入射光）の光路を平行移動する。
平行移動されたレーザービームがダブプリズム２に入射する。ダブプリズム２に入射したレーザービームは、モーター３で所定角度（通常は３６０°）回転され、穴あけ加工を可能とする。
ダブプリズム２を透過したレーザービームは、集光レンズ４によって集光され、被加工物５表面に所定の加工角度θで照射される。
集光されたレーザービームが被加工物の焦点Ｐを通る中心軸を中心に回転することによって、被加工物５に所定の加工角度θ（逆テーパー角度）を有したまま軸対称の逆テーパーの穴あけ加工が行われる。
＜第２の実施形態＞
図６Ａ及び図６Ｂは、第２の実施形態の光学ユニットの一例を示す概略図である。なお、第２の実施形態において、既に説明した第１の実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。
この図６Ａ及び図６Ｂの光学ユニットは、光平行移動手段がウエッジ基板であること以外は、第１の実施形態の光学ユニットと共通するので、第１の実施形態の説明を参照して、詳細な説明を省略する。
図６Ａ及び図６Ｂは、第２の実施形態の光学ユニットの一例を示す概略図である。なお、第２の実施形態において、既に説明した第１の実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。
この図６Ａ及び図６Ｂの光学ユニットは、光平行移動手段がウエッジ基板であること以外は、第１の実施形態の光学ユニットと共通するので、第１の実施形態の説明を参照して、詳細な説明を省略する。
前記ウエッジ基板は、同一の形状、寸法、材質を備えており、互いの頂角が１８０度反対方向に向くように固定配置されている第１のウエッジ基板６ａと第２のウエッジ基板６ｂからなり、前記第１のウエッジ基板６ａと前記第２のウエッジ基板６ｂとの間の距離を調整可能である。
図６Ａに示すように、第１のウエッジ基板６ａと第２のウエッジ基板６ｂの傾斜面同士を密着させ、両者間の距離を限りなく０に近づけると、入射レーザービームと出射レーザービームは同じ光軸を通ることとなり、両者間に平行移動は生じないので、ウエッジ基板から出射したレーザービームは、ダブプリズム２の中心を通る（加工角度θ＝０°となる基準角度）。
次に、図６Ｂに示すように、第１のウエッジ基板６ａと第２のウエッジ基板６ｂの傾斜面間の距離を大きくすると、第１のウエッジ基板６ａから出射されたレーザービームは屈折して第２のウエッジ基板６ｂの中心から下に外れた位置に入射し、そのまま平行化される。その結果、入射レーザービームと出射レーザービーム間の平行移動量は大となり、ダブプリズム２におけるレーザービームの入射位置が平行移動するため、被加工物（ワーク）５に対するレーザービームの加工角度を変えることが可能となる。この第１のウエッジ基板６ａと第２のウエッジ基板６ｂ間の距離の変更は、サーボモーターの駆動により実現できる。
図６Ａに示すように、第１のウエッジ基板６ａと第２のウエッジ基板６ｂの傾斜面同士を密着させ、両者間の距離を限りなく０に近づけると、入射レーザービームと出射レーザービームは同じ光軸を通ることとなり、両者間に平行移動は生じないので、ウエッジ基板から出射したレーザービームは、ダブプリズム２の中心を通る（加工角度θ＝０°となる基準角度）。
次に、図６Ｂに示すように、第１のウエッジ基板６ａと第２のウエッジ基板６ｂの傾斜面間の距離を大きくすると、第１のウエッジ基板６ａから出射されたレーザービームは屈折して第２のウエッジ基板６ｂの中心から下に外れた位置に入射し、そのまま平行化される。その結果、入射レーザービームと出射レーザービーム間の平行移動量は大となり、ダブプリズム２におけるレーザービームの入射位置が平行移動するため、被加工物（ワーク）５に対するレーザービームの加工角度を変えることが可能となる。この第１のウエッジ基板６ａと第２のウエッジ基板６ｂ間の距離の変更は、サーボモーターの駆動により実現できる。
＜第３の実施形態＞
図８は、第３の実施形態の光学ユニットの一例を示す概略図である。なお、第３の実施形態において、既に説明した第１の実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。
この図８の光学ユニットは、集光手段がスキャナヘッド８とテレセントリックｆθレンズ９を有し、光反転手段としてのダブプリズム２からの光を走査可能であること以外は、第１の実施形態の光学ユニットと共通するので、第１の実施形態の説明を参照して、詳細な説明を省略する。
図８は、第３の実施形態の光学ユニットの一例を示す概略図である。なお、第３の実施形態において、既に説明した第１の実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。
この図８の光学ユニットは、集光手段がスキャナヘッド８とテレセントリックｆθレンズ９を有し、光反転手段としてのダブプリズム２からの光を走査可能であること以外は、第１の実施形態の光学ユニットと共通するので、第１の実施形態の説明を参照して、詳細な説明を省略する。
図７の（Ａ）は非テレセントリックｆθレンズの光路を示す概略図、図７の（Ｂ）はテレセントリックｆθレンズの光路を示す概略図である。
図７の（Ａ）の非テレセントリックｆθレンズ１０は、ミラー１１を走査させることによりレーザービームの入射角度を変えると、ビーム光軸が角度θａに傾斜し、集光ビームが楕円になる。これに対して、図７の（Ｂ）に示すテレセントリックｆθレンズ９は、ミラー１１を走査させてレーザービームの入射角度を変化させても、ワーク５の任意のエリアの任意の位置にレーザービームをほぼ垂直に照射することが可能である。
図８に示すように、ダブプリズム２により反転したレーザービームをスキャナヘッド８（ＸＹガルバノミラーによるスキャナ又はポリゴンスキャナ）により複数のレーザービームに分光し、複数に分光したレーザービームを、テレセントリックｆθレンズ９によって任意のエリアの任意の位置に垂直に照射することができる。
図８中の太線のレーザービームは、ダブプリズム２を通過してもオフセットが無い中心軸となる。図８中の細線のレーザービームは、ダブプリズム２を通過することによりオフセットした光軸となり、図８中の破線は、細線のレーザービームがダブプリズム２によって回転した光軸である。
図８に示すように、太線のレーザービームは、テレセントリックｆθレンズ９の作動によって被加工物５の任意のエリアの任意の位置に垂直に照射される。また、細線のレーザービーム及び破線のレーザービームは、太線のレーザービームの中心軸を中心に回転する。
第３の実施形態の光学ユニットは、集光手段がスキャナヘッド８とテレセントリックｆθレンズ９を有することによって、被加工物（ワーク）５を動かさないでも、任意のエリアの任意の位置において複数の逆テーパー加工が可能になり、製造現場における高速度化及び高生産性に寄与することができる。
図７の（Ａ）の非テレセントリックｆθレンズ１０は、ミラー１１を走査させることによりレーザービームの入射角度を変えると、ビーム光軸が角度θａに傾斜し、集光ビームが楕円になる。これに対して、図７の（Ｂ）に示すテレセントリックｆθレンズ９は、ミラー１１を走査させてレーザービームの入射角度を変化させても、ワーク５の任意のエリアの任意の位置にレーザービームをほぼ垂直に照射することが可能である。
図８に示すように、ダブプリズム２により反転したレーザービームをスキャナヘッド８（ＸＹガルバノミラーによるスキャナ又はポリゴンスキャナ）により複数のレーザービームに分光し、複数に分光したレーザービームを、テレセントリックｆθレンズ９によって任意のエリアの任意の位置に垂直に照射することができる。
図８中の太線のレーザービームは、ダブプリズム２を通過してもオフセットが無い中心軸となる。図８中の細線のレーザービームは、ダブプリズム２を通過することによりオフセットした光軸となり、図８中の破線は、細線のレーザービームがダブプリズム２によって回転した光軸である。
図８に示すように、太線のレーザービームは、テレセントリックｆθレンズ９の作動によって被加工物５の任意のエリアの任意の位置に垂直に照射される。また、細線のレーザービーム及び破線のレーザービームは、太線のレーザービームの中心軸を中心に回転する。
第３の実施形態の光学ユニットは、集光手段がスキャナヘッド８とテレセントリックｆθレンズ９を有することによって、被加工物（ワーク）５を動かさないでも、任意のエリアの任意の位置において複数の逆テーパー加工が可能になり、製造現場における高速度化及び高生産性に寄与することができる。
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
（実施例１）
＜光路シミュレーション＞
図３Ａ及び図３Ｂに示す光学ユニットについて、光学設計ソフト（ＣＯＤＥ－Ｖ、開発元：米国Ｓｙｎｏｐｓｙｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ社製、販売元：Ｃｙｂｅｒｎｅｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）を用いて光路設計のシミュレーションを行った。シミュレーション条件を以下に示した。
＜光路シミュレーション＞
図３Ａ及び図３Ｂに示す光学ユニットについて、光学設計ソフト（ＣＯＤＥ－Ｖ、開発元：米国Ｓｙｎｏｐｓｙｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ社製、販売元：Ｃｙｂｅｒｎｅｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）を用いて光路設計のシミュレーションを行った。シミュレーション条件を以下に示した。
［シミュレーション条件］
・集光レンズ：非球面レンズ（直径２５ｎｍ、焦点距離ｆ＝１９．６ｍｍ、Ｓ１ＡＤＸ０２２０／２９２、Ｓｉｌｌ Ｏｐｔｉｃｓ社製、Ｇｅｒｍａｎｙ）。予め製造会社からＣＯＤＥ－Ｖ用データが提供されている。
・レーザー光源：実測では、レーザー発振器（ＰＨＡＲＯＳ－６Ｗ、Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ社製）から直径３．５ｍｍで出力され、ステップミラーに４．８ｍｍで入射するような拡がり角が観察された。そこで、近特性を等価的に模擬したレンズ（物体側の開口数ＮＡ＝ｎｓｉｎθ＝０．０２５５、ｎは媒質の屈折率、ＳＬＳＱ－３０－７０Ｐ、シグマ光機株式会社製）をモデルに追加してシミュレーションを行った。
・ステップミラー角度φ：垂直上方向を０°とし、時計回りを正とする。
・ステップミラー角度φが２２．５°（加工角度θ＝０°となる基準角度）の時に、ダブプリズムの中心を通る。
・以後、ステップミラー角度φ＝２２．５°を基準角度としたときのミラー偏角をΔφとし、時計回りを正とする。
・集光レンズ：非球面レンズ（直径２５ｎｍ、焦点距離ｆ＝１９．６ｍｍ、Ｓ１ＡＤＸ０２２０／２９２、Ｓｉｌｌ Ｏｐｔｉｃｓ社製、Ｇｅｒｍａｎｙ）。予め製造会社からＣＯＤＥ－Ｖ用データが提供されている。
・レーザー光源：実測では、レーザー発振器（ＰＨＡＲＯＳ－６Ｗ、Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ社製）から直径３．５ｍｍで出力され、ステップミラーに４．８ｍｍで入射するような拡がり角が観察された。そこで、近特性を等価的に模擬したレンズ（物体側の開口数ＮＡ＝ｎｓｉｎθ＝０．０２５５、ｎは媒質の屈折率、ＳＬＳＱ－３０－７０Ｐ、シグマ光機株式会社製）をモデルに追加してシミュレーションを行った。
・ステップミラー角度φ：垂直上方向を０°とし、時計回りを正とする。
・ステップミラー角度φが２２．５°（加工角度θ＝０°となる基準角度）の時に、ダブプリズムの中心を通る。
・以後、ステップミラー角度φ＝２２．５°を基準角度としたときのミラー偏角をΔφとし、時計回りを正とする。
次に、光路シミュレーションにおける加工角度θ（ワークに対するレーザービームの入射角度）のシミュレーション結果を表１に示した。また、図４に、ミラー偏角Δφが－１．０°、０°、及び＋１．０°における光路シミュレーションの結果を示した。なお、図４では、ダブプリズムの代わりに三角プリズム２’を用いている。
（実施例２）
＜穴あけ実加工＞
実施例１の光路シミュレーションに用いたレーザー発振器（フェムト秒レーザー、ＰＨＡＲＯＳ－６Ｗ、Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ社製、５１５ｎｍ（グリーン））を使用し、以下の光学部品を有する図３Ａ及び図３Ｂに示す光学ユニットを作製した。
・ステップミラー（２枚一組）：
ミラー：全反射波長（λ＝５１５ｎｍ）、昭和オプトロニクス株式会社製
ステッピングモーター：角度分解能＝０．００８°、ＫＲＥ０４３６０－Ｃ、駿河精機株式会社製
・ダブプリズム：面精度λ／４（λ＝６３２．８ｎｍ）、ＤＯＰ－２５－４、シグマ光機株式会社製
・モーター駆動系（エアベアリング＋ベルト＋サーボモーター＋サーボアンプ）：
エアベアリング：最大回転数１０，０００ｒｐｍ、ＡＢ－１００Ｒ、キヤノン株式会社製
ベルト：ＳＥ－Ａ－ＰＢ（幅１５ｍｍ×長さ６２６ｍｍ×厚さ１．２ｍｍ）、ニッタ株式会社製
サーボモーター：瞬時許容回転速度６，９００ｒｐｍ、ＨＦ－ＫＰ１３、三菱電機株式会社製
サーボアンプ：エンコーダ分解能（サーボモーター１回転あたりの分解能）：２６２１４４ｐ／ｒｅｖ、ＭＲ－Ｊ３－１０Ａ、三菱電機株式会社製
・実加工時の最大回転数
サーボモーター側のプーリ直径１２０ｍｍ、ダブプリズム側のプーリ直径８０ｍｍ、
サーボモーターの瞬時許容回転速度が６，９００ｒｐｍ、
６，９００ｒｐｍ×（１２０ｍｍ／８０ｍｍ）＝１０，３５０ｒｐｍ
・集光レンズ：非球面レンズ（ｆ＝１９．６ｍｍ）、Ｓ１ＡＤＸ０２２０／２９２、Ｓｉｌｌ Ｏｐｔｉｃｓ社製、Ｇｅｒｍａｎｙ
＜穴あけ実加工＞
実施例１の光路シミュレーションに用いたレーザー発振器（フェムト秒レーザー、ＰＨＡＲＯＳ－６Ｗ、Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ社製、５１５ｎｍ（グリーン））を使用し、以下の光学部品を有する図３Ａ及び図３Ｂに示す光学ユニットを作製した。
・ステップミラー（２枚一組）：
ミラー：全反射波長（λ＝５１５ｎｍ）、昭和オプトロニクス株式会社製
ステッピングモーター：角度分解能＝０．００８°、ＫＲＥ０４３６０－Ｃ、駿河精機株式会社製
・ダブプリズム：面精度λ／４（λ＝６３２．８ｎｍ）、ＤＯＰ－２５－４、シグマ光機株式会社製
・モーター駆動系（エアベアリング＋ベルト＋サーボモーター＋サーボアンプ）：
エアベアリング：最大回転数１０，０００ｒｐｍ、ＡＢ－１００Ｒ、キヤノン株式会社製
ベルト：ＳＥ－Ａ－ＰＢ（幅１５ｍｍ×長さ６２６ｍｍ×厚さ１．２ｍｍ）、ニッタ株式会社製
サーボモーター：瞬時許容回転速度６，９００ｒｐｍ、ＨＦ－ＫＰ１３、三菱電機株式会社製
サーボアンプ：エンコーダ分解能（サーボモーター１回転あたりの分解能）：２６２１４４ｐ／ｒｅｖ、ＭＲ－Ｊ３－１０Ａ、三菱電機株式会社製
・実加工時の最大回転数
サーボモーター側のプーリ直径１２０ｍｍ、ダブプリズム側のプーリ直径８０ｍｍ、
サーボモーターの瞬時許容回転速度が６，９００ｒｐｍ、
６，９００ｒｐｍ×（１２０ｍｍ／８０ｍｍ）＝１０，３５０ｒｐｍ
・集光レンズ：非球面レンズ（ｆ＝１９．６ｍｍ）、Ｓ１ＡＤＸ０２２０／２９２、Ｓｉｌｌ Ｏｐｔｉｃｓ社製、Ｇｅｒｍａｎｙ
次に、作製した光学ユニットを用いて、下記の表２に示す短パルスレーザーの加工条件に基づき、ワーク（ポリウレタン樹脂製の平板）に対する穴あけ加工を行った。
次に、表３に示すように、ステップミラー（１ａ、１ｂ）のミラー角度φをその基準角度（φ＝２２．５°）から±１．５°の範囲で傾けて、ワーク（ポリウレタン樹脂製の平板）への穴あけ加工を行った。ワークの位置をｚ方向へずらした時の加工痕のｘ方向への位置変化から加工角度θ（ワークに対するレーザービームの入射角）を求めた。即ち、ワーク表面で焦点が結ばれる位置（焦点位置）をｚｏとする。オーバーハング加工（逆テーパー加工）ができていれば、ワークの位置をΔｚ高くすると、加工点が焦点位置からΔｘだけ右へ移動する。実証実験として、ミラー偏角Δφ＝１．０°においてΔｚを＋１００μｍ上昇させたとき、Δｘが＋１３μｍ変化した。この結果に基づき、下記数式から加工角度θを求めると、
となり、表１のシミュレーション結果とほぼ一致し、逆テーパー加工の実現可能性が検証できた。同様にして求めた加工角度θの結果を表３に示した。
また、ミラー偏角Δφ＝１．０°で加工角度θ＝７．５°でのワークの加工痕を側面方向からレーザー顕微鏡（ＯＬＳ４１００、オリンパス株式会社製）で観察した結果を図５に示した。
また、ミラー偏角Δφ＝１．０°で加工角度θ＝７．５°でのワークの加工痕を側面方向からレーザー顕微鏡（ＯＬＳ４１００、オリンパス株式会社製）で観察した結果を図５に示した。
１ａ，１ｂ ステップミラー
２ ダブプリズム
３ モーター
４ 集光レンズ
５ ワーク
６ａ，６ｂ ウエッジ基板
７ ホルダー
８ スキャナヘッド
９ テレセントリックｆθレンズ
１０ 非テレセントリックｆθレンズ
Ｌ レーザービーム
２ ダブプリズム
３ モーター
４ 集光レンズ
５ ワーク
６ａ，６ｂ ウエッジ基板
７ ホルダー
８ スキャナヘッド
９ テレセントリックｆθレンズ
１０ 非テレセントリックｆθレンズ
Ｌ レーザービーム
Claims (2)
- フェムト秒（１×１０－１５秒）のパルス幅を有する短パルスレーザーを用い、被加工物に対し光の入射側からその進行方向に向かって加工領域を拡げる逆テーパー加工を実現できる光学ユニットであって、
２つのミラーを有し、該２つのミラーが同期して同一角度に回転させることにより、光を平行に移動させる光平行移動手段と、
前記光平行移動手段からの光を反転させる光反転手段と、
前記光反転手段からの光を被加工物表面に集光する集光手段と、
を備え、
前記集光手段は、焦点距離が１９．６ｍｍである非球面集光レンズであり、
逆テーパー角度が３．７°以上１１．２°以下であり、
前記光反転手段が光軸周りに回転不能であり、溝加工及びライン加工のいずれかに用いられることを特徴とする光学ユニット。 - 請求項１に記載の光学ユニットと、パルス発振するレーザーと、を有することを特徴とするレーザー加工装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022091874A JP7240774B2 (ja) | 2020-10-16 | 2022-06-06 | 光学ユニット及びレーザー加工装置 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020174320A JP2022065693A (ja) | 2020-10-16 | 2020-10-16 | 光学ユニット、並びにレーザー加工装置、レーザー加工方法、及び三次元加工装置 |
| JP2022091874A JP7240774B2 (ja) | 2020-10-16 | 2022-06-06 | 光学ユニット及びレーザー加工装置 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020174320A Division JP2022065693A (ja) | 2020-10-16 | 2020-10-16 | 光学ユニット、並びにレーザー加工装置、レーザー加工方法、及び三次元加工装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022107852A JP2022107852A (ja) | 2022-07-22 |
| JP7240774B2 true JP7240774B2 (ja) | 2023-03-16 |
Family
ID=87654594
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022091874A Active JP7240774B2 (ja) | 2020-10-16 | 2022-06-06 | 光学ユニット及びレーザー加工装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7240774B2 (ja) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007268600A (ja) | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Mitsubishi Electric Corp | レーザ加工装置 |
| US20130175243A1 (en) | 2012-01-11 | 2013-07-11 | The Ex One Company, Llc | Laser Drilling and Trepanning Device |
| JP2016222529A (ja) | 2015-05-29 | 2016-12-28 | 株式会社Ｎｓｃ | ガラス基板製造方法 |
| JP2017186240A (ja) | 2016-03-31 | 2017-10-12 | 旭硝子株式会社 | ガラス基板の製造方法、ガラス基板に孔を形成する方法、およびガラス基板に孔を形成する装置 |
| JP6340459B1 (ja) | 2017-08-09 | 2018-06-06 | 株式会社ソディック | ワイヤダイスの製造方法 |
| JP2018525227A (ja) | 2015-06-22 | 2018-09-06 | スキャンラボ ゲーエムベーハー | ビーム位置センサを有する走査ヘッドおよび調整装置 |
| CN111496393A (zh) | 2020-03-23 | 2020-08-07 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种锥度可控的微群孔高效激光加工方法 |
| JP2020157324A (ja) | 2019-03-25 | 2020-10-01 | 三菱重工業株式会社 | レーザ加工方法及びレーザ加工装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1031105A (ja) * | 1996-07-15 | 1998-02-03 | Shinozaki Seisakusho:Kk | ２面集光プリズム並びにこれを備えるレーザ加工装置 |
-
2022
- 2022-06-06 JP JP2022091874A patent/JP7240774B2/ja active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007268600A (ja) | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Mitsubishi Electric Corp | レーザ加工装置 |
| US20130175243A1 (en) | 2012-01-11 | 2013-07-11 | The Ex One Company, Llc | Laser Drilling and Trepanning Device |
| JP2016222529A (ja) | 2015-05-29 | 2016-12-28 | 株式会社Ｎｓｃ | ガラス基板製造方法 |
| JP2018525227A (ja) | 2015-06-22 | 2018-09-06 | スキャンラボ ゲーエムベーハー | ビーム位置センサを有する走査ヘッドおよび調整装置 |
| JP2017186240A (ja) | 2016-03-31 | 2017-10-12 | 旭硝子株式会社 | ガラス基板の製造方法、ガラス基板に孔を形成する方法、およびガラス基板に孔を形成する装置 |
| JP6340459B1 (ja) | 2017-08-09 | 2018-06-06 | 株式会社ソディック | ワイヤダイスの製造方法 |
| JP2020157324A (ja) | 2019-03-25 | 2020-10-01 | 三菱重工業株式会社 | レーザ加工方法及びレーザ加工装置 |
| CN111496393A (zh) | 2020-03-23 | 2020-08-07 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种锥度可控的微群孔高效激光加工方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022107852A (ja) | 2022-07-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7123209B2 (ja) | 機械加工装置 | |
| US8338745B2 (en) | Apparatus and methods for drilling holes with no taper or reverse taper | |
| JP5953198B2 (ja) | 極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置及び形成方法 | |
| KR100681390B1 (ko) | 레이저빔의 초점위치를 임의의 3차원으로 고속이동 시킬 수 있는 광집속장치와 광편향장치를 이용한 반도체웨이퍼의 레이저 다이싱 및 스크라이빙 방법 | |
| JP6159428B2 (ja) | レーザ加工システム及び方法 | |
| CN111872548A (zh) | 一种光束入射角可控的激光加工装置及激光加工方法 | |
| JP2002066780A (ja) | レーザ加工装置 | |
| TW201434562A (zh) | 錐度控制之射束角協調及工件運動 | |
| KR102442690B1 (ko) | 평행-오프셋 유닛을 포함하는 레이저 재료 가공 장치 | |
| PL228001B1 (pl) | Układ odchylania wiazki promieniowania optycznego oraz urzadzenie zawierajace ten układ | |
| CN112372161A (zh) | 激光钻孔系统、方法、计算机设备及可读存储介质 | |
| JP3365388B2 (ja) | レーザ加工光学装置 | |
| JP2008180983A (ja) | レーザー微細加工方法 | |
| JPH0732183A (ja) | Ｃｏ２レーザ加工装置 | |
| JP2016131997A (ja) | レーザ切断光学ユニット及びレーザ切断装置 | |
| JP2022065693A (ja) | 光学ユニット、並びにレーザー加工装置、レーザー加工方法、及び三次元加工装置 | |
| JP7240774B2 (ja) | 光学ユニット及びレーザー加工装置 | |
| JP2005254618A (ja) | 樹脂溶着装置 | |
| CN114667196A (zh) | 激光加工系统及其方法 | |
| JP2020046455A (ja) | 光学装置及び加工装置 | |
| CN116710226A (zh) | 用于加工材料的设备 | |
| JP2002346775A (ja) | レーザ加工装置及び方法 | |
| JP2021142546A (ja) | 光学ユニット、レーザー加工装置及びレーザー加工方法 | |
| Zibner et al. | 1μm adjustment-tolerance for high-precision helical laser drilling | |
| Ocaña et al. | Micromachining of 2D-3D structures with high intensity laser pulses |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220608 |
|
| A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20220608 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220809 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220927 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20220927 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20221108 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20221208 |
|
| C60 | Trial request (containing other claim documents, opposition documents) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C60 Effective date: 20221208 |
|
| C11 | Written invitation by the commissioner to file amendments |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C11 Effective date: 20221220 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20230111 |
|
| C21 | Notice of transfer of a case for reconsideration by examiners before appeal proceedings |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C21 Effective date: 20230117 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230131 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230227 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7240774 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |