KR20160057341A - 광학장치, 가공 장치, 및 물품 제조 방법 - Google Patents

광학장치, 가공 장치, 및 물품 제조 방법 Download PDF

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캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

광학장치는, 제1반사면과 제2반사면을 구비하는 회전 가능한 반사 부재와, 상기 제1반사면에서 반사된 빛을 내부에 구비된 복수의 반사면에서 순차로 반사해서, 상기 제2반사면에 그 빛이 입사되게 하는 광학계와, 상기 반사 부재의 회전 각도를 변경하여, 상기 제2반사면에서 반사되어서 사출하는 빛의 광로를 조정하는 조정 디바이스를 구비한다.

Description

광학장치, 가공 장치, 및 물품 제조 방법{OPTICAL APPARATUS, PROCESSING APPARATUS, AND ARTICLE MANUFACTURING METHOD}
본 발명은, 광학장치, 가공 장치, 및 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래의 레이저 가공 장치에 있어서의 광빔 평행 쉬프트 기구가, 예를 들면 일본 특허 제4386137호 및 일본 특허공개2011-121119호에 개시되어 있다. 일본 특허 제4386137호에서는, 투명부재를 회전시켜서 광빔을 평행 쉬프트시킨다. 일본 특허공개2011-121119호에서는, 2개의 동기된 각도 가변 미러를 사용해서 광빔을 평행 쉬프트시킨다.
그러나, 일본 특허 제4386137호의 광빔 평행 쉬프트 기구에서는, 광빔의 평행 쉬프트량이 투명부재의 회전 각도와 길이로 결정되므로, 회전시의 관성이 커지기 때문에 원하는 광빔 쉬프트를 고속으로 행하는 것이 곤란하다. 예를 들면, 일본 특허 제4386137호의 방식으로, 광빔 평행 쉬프트량 5.3mm을 투명부재(석영 유리 n=1.45)의 회전 각도 ±10°로 행할 경우를 생각한다. 이 경우, 투명부재의 현실적인 설계에 의한 사이즈는, 95mm×16mm×13mm정도가 된다. 이 결과, 관성은, 33,000 g·mm2정도로 크고, 고속으로 평행 쉬프트를 행하는 것은 곤란하다.
일본 특허공개2011-121119호의 기술에서는, 회전체의 관성이 커지는 문제를 해결한다. 그렇지만, 2개의 미러 회전 기구의 동기를 고속동작시에 정확하게 행하는 것이 곤란하기 때문에, 출사 광빔의 각도가 일정하지 않고, 광빔을 평행하게 쉬프트하는 것이 곤란하다.
본 발명은, 예를 들면, 광로의 조정의 속도에 있어서 유리한 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 광학장치를 제공한다. 이 광학장치는, 제1반사면과 제2반사면을 구비하는 회전 가능한 반사 부재와, 상기 제1반사면에서 반사된 빛을 내부에 구비된 복수의 반사면에서 순차로 반사해서, 상기 제2반사면에 그 빛이 입사되게 하는 광학계와, 상기 반사 부재의 회전 각도를 변경하여, 상기 제2반사면에서 반사되어서 사출하는 빛의 광로를 조정하는 조정 디바이스를 구비한다.
본 발명의 또 다른 특징들은, (첨부도면을 참조하여) 이하의 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 제1실시예에 따른 광학장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 제1실시예에 있어서의 광빔 쉬프트량과 미러 부재의 회전 각도와의 관계를 나타내는 그래프다.
도 3은 제1실시예에 있어서의 미러 부재의 두께의 광빔 쉬프트량에의 영향을 나타내는 그래프다.
도 4는 제2실시예에 따른 광학장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 제3실시예에 따른 광학장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 제4실시예에 따른 광학장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 제5실시예에 따른 가공 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 실시예에 따른 미러 부재의 각도 가변 기구의 예를 설명하는 도다.
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 각종 실시예, 특징 및 측면에 대해서 상세하게 설명한다.
이후, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이때, 이하의 실시예는 첨부된 청구항의 범위에 한정되는 것이 아니고, 실시예들에서 설명되어 있는 특징들의 조합의 모두가 본 발명의 해결수단에 반드시 필수적인 것은 아니다.
<제1실시예>
도 1은, 제1실시예에 따른 광학장치의 구성을 나타낸다. 본 실시예에 따른 광학장치는, 출사광의 광로를 제어가능해서, 예를 들면 광빔의 평행 쉬프트가 가능하다. 본 실시예에 따른 광빔 평행 쉬프트 기구(보다 일반적으로는, 광로의 조정, 전형적으로는 광로의 병진 또는 병진 이동을 행하는 기구)는, 광원(50)으로부터의 광빔(51)을 반사하는 미러 부재(2)(반사 부재라고도 한다)를 구비한다. 또한, 이하의 설명에서는, 각 반사면이 평면으로서 간주될 수 있고, 광로의 병진 또는 병진 이동을 행하는 경우에 대해서 예시한다. 미러 부재(2)는, 예를 들면 유리로 제조되고, 광원(50)으로부터의 광빔(51)을 받는 제1반사면(2a)과, 그 반대측의 제2반사면(2b)을 구비한다. 제1반사면(2a) 및 제2반사면(2b)에는 각각, 고반사 미러 코팅이 도포될 수 있다. 또한, 미러 부재(2)는 프리즘형으로 구성되어도 좋고, 제1반사면(2a)과 제2반사면(2b)이 독립적인 구성요소이어도 좋다. 여기에서, 제1반사면과 제2반사면이 서로 반대를 향하고 있거나, 프리즘상의 분리된 면이고, 독립적인 면인 구성은, 그것들이 동일한 (평)면인 경우와 비교하여, 입사광으로부터의 열 영향의 경감에 유리하다.
미러 부재(2)는, 광학장치가 출사하는 빛의 광로를 제어하도록 광빔(51)에 대한 각도를 가변시킬 수 있게 형성된다. 도 8에, 미러 부재(2)의 각도 가변 기구의 예를 나타낸다. 도 8에 도시한 바와 같이, 미러 부재(2)는, 갈바노모터(1)의 출력 축(shaft)(1a)에 의해 축방향으로 지지된다. 제어부(60)(조정 디바이스)는 갈바노모터(1)에 구동신호를 출력한다. 갈바노모터(1)안에 (도시되지 않은) 회전 구동부는, 입력한 구동신호에 따른 구동량만큼 출력 축(1a)을 통해 미러 부재(2)를 회전시킨다. 이렇게 하여, 미러 부재(2)는 회전가능하다. 여기에서는, 미러 부재(2)는 광원(50)으로부터의 광빔(51)에 대하여 대략 45°정도 기울어진다.
본 실시예에 따른 광빔 평행 쉬프트 기구는, 미러 부재(2)에 입사해 이 미러 부재(2)에 의해 반사된 빛을 반사면에서 짝수회, 순차로 반사해서 미러 부재(2)에 재입사시키는 광학계(80)를 구비한다. 본 실시예에 따른 광학계(80)는, 예를 들면, 광빔(51)에 대하여 대칭으로 되도록 고정 배치된 4개의 미러(3, 4, 5, 6)를 구비한다. 미러 부재(2)의 제1반사면(2a)에 의해 반사된 빛은, 이것들의 미러(3, 4, 5, 6)에 의해 순차로 반사되어서, 미러 부재(2)의 제2반사면(2b)에 이끌어진다. 최종적으로, 제2반사면(2b)에 의해 반사된 빛은, 광빔(51)과 대략 동일한 방향으로 출사된다.
이 출사 빛의 각도는 미러 부재(2)의 회전 각도를 변경할 때도 변화되지 않는다. 이 때문에, 제어부(60)에 의해 미러 부재(2)의 회전 각도를 조정함으로써, 미러 부재(2)의 반사면에서 반사되어서 사출하는 빛의 광로를 조정할 수 있다.
다음에, 평행 광빔 쉬프트량과 미러 부재(2)의 각도 변화와의 관계에 대해서 설명한다. 미러 부재(2)의 두께를 0으로 가정했을 경우를 생각한다. 도 2는 4개의 미러(3, 4, 5, 6)로 형성된 4각형의 외주거리L을 300mm로 하는 경우와 외주거리를 400mm로 하는 경우의, 광빔 쉬프트량과 미러 부재(2)의 각도 변화와의 관계를 나타낸다.
이 광빔평행 쉬프트량ΔS는, 다음식으로 표시된다.
ΔS=L×tan(2×Δθg) ...(1)
여기서, Δθg는, 미러 부재(2)의 각도변화량이다.
식(1)은, L이 길수록, 미러 부재(2)의 보다 작은 각도변화로 큰 광빔 평행 쉬프트량을 실현할 수 있는 것을 나타낸다. L을 길게 함으로써 고속 가변 광빔 쉬프트가 행해질 수 있다.
다음에, 미러 부재(2)의 실제의 길이를 고려했을 경우를 생각한다. 도 3은, 미러 부재(2)의 두께를 0으로 가정했을 경우와 실제의 두께를 고려했을 경우간의 광빔 평행 쉬프트량의 차이를 나타낸다. 도 3에 의하면, L에 대하여 미러 부재(2)의 두께가 작을 경우, 미러 부재(2)의 두께를 0으로 했을 경우의 쉬프트량과의 차이는 작고, 광빔 쉬프트량이 근사적으로 식(1)과 일치한다. 미러 부재(2)의 반사면의 필요 폭W는, 다음식으로 표시된다.
W = (D+Smax)/sin(45+θg) ...(2)
여기서, D는 쉬프트 기구에의 입사 광빔 폭이고, Smax는 최대 쉬프트량이다.
본 실시예의 구성에 의하면, 5.3mm의 광빔 평행 쉬프트를 실현하기 위한 설계의 결과, 미러 부재(2)의 두께를 2mm(관성=89g·mm2), L=300mm이라고 했을 경우, ±0.5°의 범위내에서 제어로 쉬프트가 실현될 수 있다. 따라서, 종래기술과 비교해서 속도가 크게 증가될 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 의하면, 광원(50)으로부터의 빛을 받는 각도 가변의 미러 부재(2)와, 4개의 미러(3, 4, 5, 6)를 사용한 구성으로, 고속 광빔 평행 쉬프트 기구를 실현할 수 있다.
<제2실시예>
도 4는, 제2실시예에 따른 광학장치의 구성을 도시한 도면이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 광원(50)으로부터의 광빔(51)을 반사하는 미러 부재7은, 제1실시예에 따른 미러 부재2와 구성이 같을 수 있다. 즉, 미러 부재(7)는, 예를 들면 유리로 제조되고, 광원(50)으로부터의 광빔(51)을 받는 제1반사면(7a)과, 그 반대측의 제2반사면(7b)을 구비한다. 제1반사면(7a) 및 제2반사면(7b)에는 각각, 고반사 미러 코팅이 도포될 수 있다. 또한, 미러 부재(7)는 프리즘형으로 구성되어도 좋고, 제1반사면(7a)과 제2반사면(7b)이 독립적인 구성요소이어도 좋다. 또한, 미러 부재7은 제1실시예에 따른 미러 부재2와 같이 각도를 가변할 수 있도록 형성된다. 여기에서, 미러 부재(7)는 광원(50)으로부터의 광빔(51)에 대하여 대략 45°로 기울어진다.
본 실시예에 따른 광학계(90)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 광로가 삼각형을 형성하도록 고정 배치된 2개의 미러(8, 9)를 구비한다. 미러 부재(7)의 제1반사면(7a)에 의해 반사된 빛은, 이것들의 미러(8, 9)에서 순차로 반사하고, 미러 부재(7)의 제2반사면(7b)에 이끌어진다. 최종적으로, 제2반사면(7b)에 의해 반사된 빛은, 광빔(51)에 대하여 일측, 예를 들면 직교하는 방향으로, 출사된다. 이 구성에 있어서, 미러 부재(7)를 갈바노모터에서 Δθg만큼 회전시켜서 식(1)에 따른 광빔의 평행 쉬프트를 실현할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 의하면, 광원(50)으로부터의 빛을 받는 각도 가변의 미러 부재(7)와, 2개의 미러(8, 9)를 사용한 구성에서, 고속 광빔 평행 쉬프트 기구를 실현할 수 있다.
<제3실시예>
도 5는, 제3실시예에 따른 광학장치의 구성을 나타낸다. 광원(50)으로부터의 광빔(51)을 반사하는 미러 부재10은, 상기 제1실시예에 따른 미러 부재2와 같이 각도를 가변할 수 있도록 형성된다. 여기에서, 미러 부재(10)는 광원(50)으로부터의 광빔(51)에 대하여 대략 45°로 기울어진다.
본 실시예에 따른 광학계(100)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 미러 부재(10)의 아래쪽에 고정 배치된 2개의 미러(11, 12)를 구비한다. 미러 부재(10)의, 광원(50)측의 면인 제1의 면(10a)에 있어서의 제1의 반사 영역(10b)에 의해 반사된 빛은, 상기 미러(11, 12)에 의해 순차로 반사되어서, 미러 부재(10)의 제1의 면(10a)에 있어서의 제2의 반사 영역(10c)에 이끌어진다. 그 제2의 반사 영역(10c)에 의해 반사된 빛은, 광빔(51)에 대하여 예를 들면 180°반전한 방향으로 출사된다. 이 구성에 있어서, 미러 부재(10)를 갈바노모터에서 Δθg만큼 회전시켜서 식(1)에 따른 광빔의 평행 쉬프트를 실현할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 의하면, 광원(50)으로부터의 빛을 받는 각도 가변의 미러 부재(10)와, 2개의 미러(11, 12)를 사용한 구성에서, 고속 광빔 평행 쉬프트 기구를 실현할 수 있다.
<제4실시예>
도 6은, 제4실시예에 따른 광학장치의 구성을 나타낸다. 본 구성은, 제1실시예(도 1)에 나타낸 구성의 조합이며, 광원(50)으로부터의 광빔(51)을 받는 제1의 광학장치(61)와, 제1의 광학장치(61)로부터의 출사 빛을 받는 제2의 광학장치(62)를 구비한다.
제1의 광학장치(61)는, 광원(50)으로부터의 광빔(51)을 반사하는 각도 가변의 미러 부재(13)를 구비한다. 이것은 제1실시예에 따른 미러 부재(2)에 대응한다. 또한, 제1의 광학장치(61)는, 제1의 실시예에 따른 미러3, 4, 5, 6에 각각 대응하는 미러14-1, 14-2, 14-3, 14-4를 구비한다.
제2의 광학장치(62)는, 광원(50)으로부터의 광빔(51)을 반사하는, 각도 가변의 미러 부재(15)를 구비한다. 이것은 제1실시예에 따른 미러 부재(2)에 대응한다. 또한, 제2의 광학장치(62)는, 제1의 실시예의 미러3, 4, 5, 6에 각각 대응하는 미러16-1, 16-2, 16-3, 16-4를 구비한다.
그리고, 제1의 광학장치(61)의 미러 부재13의 회전축과 제2의 광학장치(62)의 미러 부재15의 회전축은 비평행하고, 예를 들면 서로 직교하도록 배치된다.
제1의 광학장치(61)에 있어서, 미러 부재(13)의 제1반사면에 의해 반사된 입사 빛은, 상기 미러14-1, 14-2, 14-3, 14-4에 의해 순차로 반사되어서, 미러 부재(13)의 제1반사면의 반대측의 제2반사면에 이끌어진다. 제2반사면에 의해 반사된 빛은, 제2의 광학장치(62)의 미러 부재(15)에 입사한다. 제2의 광학장치(62)에 있어서, 미러 부재(15)의 제1반사면에 의해 반사된 입사 빛은, 미러16-1, 16-2, 16-3, 16-4에 의해 순차로 반사되어서, 미러 부재(15)의 제1반사면의 반대측의 제2반사면에 이끌어진다. 최종적으로, 미러 부재(15)의 제2반사면에 의해 반사된 빛은, 광빔(51)과 대략 동일한 방향으로 출사된다.
도 6에 도시한 바와 같이, 그 미러들이 제1의 광학장치(61)에서 빛을 반사하는 광로가 형성한 평면과, 그 미러들이 제2의 광학장치(62)에서 빛을 반사하는 광로가 형성하는 평면이, 서로 교차하는 배치를, 채용해도 좋다. 이렇게, 광빔의 평행 쉬프트 기구를 서로 교차하도록 배치할 때, 광학장치의 소형화가 실현될 수 있다.
이때, 상기 예에서는 제1실시예(도 1)의 광빔 평행 쉬프트 기구끼리를 쉬프트 방향이 직교하도록 배치하는 예를 설명하였다. 그러나, 제1 내지 제3실시예에서 선택된 2개의 광빔 평행 쉬프트 기구들을 조합하는 경우도, 마찬가지로 광빔 평행 쉬프트를 2차원 평면내에서 자유롭게 행할 수 있다.
이상 설명한 여러 가지의 실시예에 의하면, 광학장치는, 회전 가능한 미러 부재와, 이 미러 부재에 의해 반사된 빛을 받아서 소정방향으로 출사하는 광학계를 구비한다. 광학계는, 반사면에서 짝수회, 순차 반사시켜서 미러 부재에 빛을 재입사시킨다. 그 재입사한 빛은, 미러 부재에 의해 반사되어서, 소정방향으로 출사된다. 본 발명자의 검토에 의하면, 본 발명은 짝수회가 아니고 홀수회 빛을 반사시키는 광학계의 구성에서는 성립할 수 없다.
<제5실시예>
이하, 제4실시예에서 나타낸 광학장치로부터 출사된 빛을 대상물에 이끄는 광학소자를 구비하는 가공 장치의 예를 설명한다. 도 7은, 제5실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타낸다. 본 실시예에 따른 레이저 가공 장치는, 레이저 광원(71)의 후단에 제4실시예에서 나타낸 광빔 평행 쉬프트 기구(17)를 구비한다. 그 광빔 평행 쉬프트 기구(17)의 후단에는 광빔 확대계(18, 19)가 배치되고, 이에 따라 광빔 쉬프트량/광빔계를 필요한 양으로 확대하고 있다. 광빔 확대계의 후단에는 집광 렌즈(22)가 배치되고, 초점면에 배치된 대상물(23)에, 상기 집광된 레이저빔이 조사된다. 광빔 확대계(19)와 집광 렌즈(22)의 사이에 설치된 미러(20, 21)의 각도는, 대상물(23)상의 원하는 위치에 광빔을 이끌도록, 조정될 수 있다.
이 구성에 있어서, 광빔 평행 쉬프트 기구(17)는 광빔을 평행 쉬프트시킴으로써, 대상물(23)에 조사하는 레이저빔의 각도를 자유롭게 가변시킨다. 그 결과, 테이퍼 구멍 가공이나 비스듬한 단면을 가지는 절단을 행할 수 있다.
[물품 제조 방법의 실시예]
이상 설명한 실시예에 따른 가공 장치는, 물품 제조 방법에 사용 가능하다. 그 물품 제조 방법은, 상기 가공 장치를 사용해서 대상물을 가공하는 공정과, 상기 공정에서 가공된 상기 대상물을 처리하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 처리는, 예를 들면, 상기 가공과는 다른 가공, 반송, 검사, 선별, 조립(맞붙힘), 및 포장 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 물품제조 방법은, 종래의 방법보다, 물품의 성능, 품질, 생산성 및 생산 비용 중 적어도 하나에 있어서 뛰어나다.
본 발명을 실시예들을 참조하여 기재하였지만, 본 발명은 상기 개시된 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 아래의 청구항의 범위는, 모든 변형예와, 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 폭 넓게 해석해야 한다.

Claims (12)

  1. 제1반사면과 제2반사면을 구비하는 회전 가능한 반사 부재;
    상기 제1반사면에서 반사된 빛을 내부에 구비된 복수의 반사면에서 순차로 반사해서, 상기 제2반사면에 그 빛이 입사되게 하는 광학계; 및
    상기 반사 부재의 회전 각도를 변경하여, 상기 제2반사면에서 반사되어서 사출하는 빛의 광로를 조정하는 조정 디바이스를 구비한, 광학장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1반사면과 상기 제2반사면은 서로 반대의 면인, 광학장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 부재의 상기 제1반사면 및 상기 제2반사면과 상기 광학계의 상기 복수의 반사면은, 평면이며, 상기 조정 디바이스는 상기 광로를 병진시키는, 광학장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 반사면은 4개의 반사면인, 광학장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 반사면은 2개의 반사면인, 광학장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2반사면에서 반사되어서 사출한 상기 빛이 입사하는 제2 회전 가능한 반사 부재;
    상기 제2반사 부재의 반사면에서 반사된 빛을 내부에 구비된 복수의 반사면에서 순차로 반사해서, 상기 제2반사 부재의 반사면에 상기 빛이 입사되게 하는 제2광학계; 및
    상기 제2반사 부재의 회전 각도를 변경하여, 상기 제2반사 부재를 사출하는 빛의 광로를 조정하는 제2조정 디바이스를 더 구비하는, 광학장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1반사면 및 제2반사면을 구비하는 상기 반사 부재의 회전축과 상기 제2반사 부재의 회전축이 서로 비평행한, 광학장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 제1반사면에서 반사된 상기 빛을 상기 복수의 반사면에서 순차로 반사해서 상기 제2반사면에 상기 빛이 입사되게 하는 상기 광학계에 있어서의 광로가 형성하는 평면과, 상기 제2광학계에 있어서의 광로가 형성하는 평면이, 서로 교차하도록 구성된, 광학장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 광학계는, 상기 제1반사면에서 반사된 빛을 짝수회 순차로 반사해서 상기 제2반사면에 상기 빛이 입사되게 하는, 광학장치.
  10. 광학장치를 구비한 가공 장치로서, 상기 광학장치는,
    제1반사면과 제2반사면을 구비하는 회전 가능한 반사 부재;
    상기 제1반사면에서 반사된 빛을 내부에 구비된 복수의 반사면에서 순차로 반사해서, 상기 제2반사면에 그 빛이 입사되게 하는 광학계; 및
    상기 반사 부재의 회전 각도를 변경하여, 상기 제2반사면에서 반사되어서 사출하는 빛의 광로를 조정하는 조정 디바이스를 구비하는, 가공 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광학장치를 사출한 빛을 대상물에 이끄는 광학소자를 더 구비하는, 가공 장치.
  12. 물품을 제조하는 방법으로서,
    가공 장치를 사용해서 대상물을 가공하는 공정; 및
    상기 가공된 대상물을 처리해서 상기 물품을 제조하는 공정을 포함하고,
    상기 가공 장치는 광학장치를 구비하고, 상기 광학장치는,
    제1반사면과 제2반사면을 구비하는 회전 가능한 반사 부재;
    상기 제1반사면에서 반사된 빛을 내부에 구비된 복수의 반사면에서 순차로 반사해서, 상기 제2반사면에 그 빛이 입사되게 하는 광학계; 및
    상기 반사 부재의 회전 각도를 변경하여, 상기 제2반사면에서 반사되어서 사출하는 빛의 광로를 조정하는 조정 디바이스를 구비하는, 물품 제조 방법.
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