WO2008053915A1

WO2008053915A1 - Système optique de balayage, dispositif de traitement laser et dispositif optique de balayage

Info

Publication number: WO2008053915A1
Application number: PCT/JP2007/071199
Authority: WO
Inventors: Tsuneo Murakami; Isao Kojima; Tatsuo Inubuse; Takakuni Ueno
Original assignee: Nabtesco Corporation; Cmet Inc.
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2008-05-08
Also published as: TW200827078A; JPWO2008053915A1

Description

明細書

スキャナ光学システム、レーザ加工装置、及び、スキャナ光学装置技術分野

[0001] 本発明は、光源から放射された光の対象物における照射位置を偏向するスキャナ光学システム、及び、このスキャナ光学システムを備えたレーザ加工装置に関する。また、本発明は、光源が放射した光を偏向して対象物を走査するスキャナ光学装置、及び、このスキャナ光学装置を備えたレーザ加工装置にも関する。

背景技術

[0002] 被加工物にレーザ光を照射して加工するレーザ加工装置は、一般に、レーザ光の光路を偏向して被加工物における照射位置を可変にするスキャナ光学システムを備えている（例えば、特許文献 1参照）。また近年では、スキャナ光学システムとして、回転軸の回りに回転自在に保持され、反射面を任意の角度に位置決め可能なガルバノミラーを備え、サーボ制御によりガルバノミラーの回転を制御して、高速に、かつ、高精度に照射位置を可変可能にしたガルバノスキャナが知られている。このガルバノスキャナをレーザ加工装置に用いることで、被加工物を高速に加工し加工時間を短縮可能となる。

特許文献 1 :特開 2004— 358507公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] しかしながら、ガルバノスキャナのように照射位置を高速に可変するスキャナ光学システムを用いてレーザ光の走査速度を可変しながらレーザ加工する場合、走査速度の変動により照射位置におけるレーザ光のエネルギー密度が一定しないため、加工深度が不均一となり加工品質が低下する、といった問題がある。

レーザ走査時のエネルギー密度の不安定さによる問題は、レーザ加工装置に限つた問題ではなぐ例えば、描画面に対して光を高速に走査させて描画像を描画する描画装置においては描画像にムラが生じ、描画像の品質が低下するといつた問題を生じ、また例えば、試料に対してレーザ光を高速に走査させて検査 ·測定を行う測定装置にぉレ、ては検出値に誤差が生じ、正確な測定結果が得られな!/、と!/、つた問題を生じる。

[0004] 本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、高速に、かつ、走査速度を可変させながら光で対象物を走査しつつ、安定した光走査を可能にするスキャナ光学システム、及び、レーザ光で被加工物を高速に走査しつつ、高品位な加工を可能にするレーザ加工装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0005] 上記目的を達成するために、本発明は、光源から出力された光を、対象物に照射し走査するスキャナ光学システムであって、前記光の強度を調整する光強度調整手段と、前記光を前記対象物の所定位置に向けて偏向すると共に、ゼロレベルから所定の走査速度となるように前記光を偏向する偏向手段とを備え、前記光強度調整手段は、前記偏向手段による光の走査速度に比例して、或いは、前記光のエネルギー密度が略一定となるように、前記光の強度を調整することを特徴とする。

[0006] また本発明は、上記スキャナ光学システムにおいて、前記偏向手段は、スキャナミラ一と、このスキャナミラーを駆動する駆動モータと、この駆動モータを制御するコント口一ラとを有し、前記スキャナミラーの駆動量に応じたデジタルパルス信号を出力するエンコーダを前記駆動モータに設け、前記コントローラは、前記デジタルパルス信号をカウントして前記駆動量を特定し、当該駆動量に基づ!/、て前記駆動モータに制御信号を出力するフィードバック制御を実行することを特徴とする。

[0007] また本発明は、上記スキャナ光学システムにおいて、前記偏向手段は、前記対象物の平面内を互いに直交する X軸方向及び Y軸方向のそれぞれに前記光を偏向する X軸偏向手段及び Y軸偏向手段を備え、前記 X軸偏向手段による偏向及び Y軸偏向手段による偏向を共に同一のコントローラで同時に両軸を制御したことを特徴とす

[0008] また本発明は、上記スキャナ光学システムにおいて、前記 X軸偏向手段による偏向及び前記 Y軸偏向手段による偏向によって規定される前記光の前記対象物への照射位置に応じて、レンズ間の距離を調整して前記光の焦点距離を調整するフォー力ス調整手段を更に備え、前記 X軸偏向手段による偏向及び前記 Y軸偏向手段による偏向と共に、前記フォーカス調整手段による焦点距離調整を同一のコントローラで同時に全軸を制御することを特徴とする。

[0009] また本発明は、上記スキャナ光学システムにおいて、前記コントローラは、前記対象物の表面凹凸に応じて前記光の焦点距離が調整されるように前記フォーカス調整手段を制御することを特徴とする。

[0010] また本発明は、上記スキャナ光学システムにおいて、前記対象物の形状及び前記光の走査態様に基づいて、前記偏向手段による前記光の偏向軌道を演算する軌道演算手段と、前記軌道演算手段による偏向軌道と、前記光の偏向の検出値とに基づいて、前記偏向手段による前記光の偏向をフィードバック制御す偏向制御手段とを備え、前記軌道演算手段と前記偏向制御手段とを各々個別の CPUで構成したことを特徴とする。

[0011] また本発明は、上記スキャナ光学システムにおいて、前記光で走査する予定の軌道上に、前記光の走査方向が切り替わる切替点が存在する場合、前記切替点の手前から、前記光の走査方向を前記切替後の走査方向に徐々に変化させて走査しつつ、前記光の走査方向が前記切替後の走査方向に切り替わったときの前記光の走查位置が、前記切替後の走査方向で走査すべき軌道上に位置するように前記偏向手段を制御することを特徴とする。

[0012] また本発明は、上記スキャナ光学システムにおいて、前記光源は、レーザ光を発振するレーザ装置を有し、前記光強度調整手段は、前記レーザ装置のレーザ電源の出力、前記レーザ装置が Qスィッチを内蔵する場合には当該 Qスィッチ、前記レーザ装置がレーザ光を遮蔽するシャッターを有する場合には当該シャッター、前記レーザ装置が強度変調用の音響光学素子を有する場合には当該音響光学素子、及び、前記レーザ装置力 Sパルスレーザ光を発振する場合には発振周期の少なくともいずれか 1つを調整し、前記レーザ光の強度を調整することを特徴とする。

[0013] また上記目的を達成するために、本発明は、レーザ発振器から出力されたレーザ光を、被加工物の加工面に照射してレーザ加工するレーザ加工装置であって、前記レーザ光の強度を調整する光強度調整手段と、前記レーザ光を偏向し、ゼロレベル力、ら所定の走査速度で前記被加工物の加工面を前記レーザ光でベクトル走査する偏向手段とを備え、前記光強度調整手段は、前記偏向手段による前記レーザ光のベクトル走査速度に比例して、或いは、前記レーザ光のエネルギー密度が略一定となるように、前記レーザ光の強度を調整することを特徴とする。

[0014] なお、本発明に係るレーザ加工装置において、ゲート信号を入力しつつ、前記パノレスレーザ光の発振トリガとなるトリガノルス信号を前記レーザ発振器に入力し、当該トリガノくルス信号に合わせてノルスレーザ光を出力させるレーザ発振制御手段と、前記パルスレーザ光を遮蔽する遮蔽手段とを備え、前記ゲート信号を入力した後、所定パルス数の前記トリガパルス信号が入力されるまで前記遮蔽手段によりパルスレ一ザ光を遮蔽し、発振当初のジャイアントパルスが被加工物に照射される事を防止する構成としても良い。

[0015] また上記目的を達成するために、本発明は、光源から出力された光を対象物に向けて偏向する偏向モジュールを有し、前記偏向モジュールにより前記光を偏向し対象物を走査するスキャナ光学装置であって、直線状のレール部材に前記偏向モジュールを固定すると共に、前記光源力出力された光の焦点距離を調整するフォー力ス調整手段を前記レール部材に着脱自在に設け、前記フォーカス調整手段から出力された光を整形し前記偏向モジュールに入力する光学素子を前記レール部材に位置決め自在に設けたことを特徴とする。

[0016] また本発明は、上記スキャナ光学装置において、前記フォーカス調整ユニットに入射するレーザ光のレーザ光強度を調整するレーザ光強度調整モジュールを前記レ一ル部材に着脱自在に設けたことを特徴とする。

なお、レーザ光にはパルスレーザ光と連続発振レーザ光とがある力前記フォー力ス調整ユニットに入射するレーザ光はどちらでも良い。

また、当該フォーカス調整ユニットを前記レール部材に設ける際に、当該フォーカス調整ユニットに入射するレーザ光を整形する光学素子を要する場合には、当該光学素子も前記レールに前記フォーカス調整ユニットと共に着脱自在に設けられることになる。

[0017] また本発明は、上記スキャナ光学装置において、前記偏向モジュールを前記レール部材及び前記石定盤で支持したことを特徴とする。なお、前記偏向モジュールを前記レール部材及び前記石定盤に両持支持する構成としても良い。

[0018] また本発明は、上記スキャナ光学装置において、前記光源と、前記光源が出力する光を前記スキャナ光学装置に導く光学素子とを共に前記石定盤に固定したことを特徴とする。

[0019] また本発明は、上記スキャナ光学装置において、前記偏向モジュールを前記石定盤に保持させたことを特徴とする。

[0020] また本発明は、上記スキャナ光学装置において、前記レール部材を長手方向に沿つて複数のレール片に分断し、各レール片を互いに隙間をあけて配列したことを特徴とする。

なお、各レール片を上記石定盤をベース部材として配列する構成としても良い。

[0021] また、本発明は、上記スキャナ光学装置において、前記レール部材に取り付けられる部材ごとに、取付位置の目安を示すマーク部を有することを特徴とする。

[0022] また上記目的を達成するために、本発明は、上述したいずれかのスキャナ光学装置と、前記スキャナ光学装置にレーザ光を出力するレーザ装置とを備え、前記スキヤナ光学装置が前記レーザ光を偏向し、被加工物の加工面を前記レーザ光で走査して加工することを特徴とするレーザ加工装置を提供する。

発明の効果

[0023] 本発明のスキャナ光学システム及び当該スキャナ光学システムを有するレーザ加工装置によれば、光の走査速度に比例して、或いは、光のエネルギー密度が略一定となるように、光の強度を調整するため、光で対象物を高速に走査しつつ、光走査時においては、対象物の照射位置における光のエネルギー密度が略一定に維持され、安定した光走査が実現される。

また本発明のスキャナ光学装置及び当該スキャナ光学装置を有するレーザ加工装置によれば、直線状のレール部材に偏向モジュールを固定すると共に、光源から出力された光の焦点距離を調整するフォーカス調整手段を前記レール部材に着脱自在に設ける構成としたため、フォーカス調整機能が一体化されたスキャナ光学装置が提供される。さらに、前記フォーカス調整手段から出力された光を整形し前記偏向モジュールに入力する光学素子が前記レール部材に位置決め自在に設けられて!/、るため、前記フォーカス調整手段を取り外し、或いは、交換した際に、前記光学素子と前記偏向モジュールとの間の距離を調整する必要が生じた場合であっても、前記光学素子は前記レール部材にガイドされながら移動するため、前記光学素子と前記偏向モジュールとの間の光軸を合わせたまま、距離だけを簡単に調整することが可能となる。

図面の簡単な説明

[0024] [図 1]本発明の第 1実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

[図 2]コントロールユニットの構成を示す図である。

[図 3]切替点を含む軌道のレーザ光走査を説明するための図である。

[図 4]図 2に示すコントロールユニットの変形例を示す図である。

[図 5]本発明の第 2実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

[図 6]第 2実施形態に係るレーザ発振器を示す図である。

[図 7]第 2実施形態に係るスキャナ光学装置の構成を示す図である。

[図 8]スキャナ光学装置への光学素子の取付を説明するための図である。

[図 9]第 2実施形態の変形例に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

[図 10]第 2実施形態の変形例に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

[図 11]第 2実施形態の変形例に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

[図 12]第 2実施形態の変形例に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

[図 13]第 2実施形態の変形例に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

[図 14]第 2実施形態の変形例に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

[図 15]第 2実施形態の変形例に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

[図 16]第 2実施形態の変形例に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。

[図 17]第 2実施形態の変形例に係るスキャナ光学装置の構成を示す図である。

[図 18]第 2実施形態の他の変形例に係るスキャナ光学装置の構成を示す図である。符号の説明

[0025] 1、 100 レーザ加工装置

2、 102 レーザ発振器

5 AOM (光強度調整手段） 6 ダイナミックフォーカスレンズユニット（焦点距離調整手段)

7 スキャナヘッド (偏向手段）

8、 8A コントロールユニット

13 コンピュータシステム

20 スキャナ光学システム

72A X軸モータ

72B Y軸モータ

80A、 80B DSP

90A〜90C エンコーダ

91 DFモータ

92A〜92C ドライバ回路

98 被加工物（対象物）

103 スキャナ光学装置

131 ダイナミックフォーカスレンズ (フォーカス調整手段） 132 スキャナヘッド

133、 166 レーノレ（レーノレ材）

133A~133E レーノレ片

134、 135A、 135B レンズ（光学素子）

136、 136A 保持片

140 あり

142 位置合用脚

150 位置決用マーク

151 位置合用マーク

1330 あり溝 (ガイド溝）

1340 延出部

BCS 描画条件指令信号

SA〜SC デジタルパルス信号

Q 切替点 Qs 走査方向切替開始点

Qe 合流点

発明を実施するための最良の形態

[0026] 以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

<第 1実施形態 >

図 1は、本発明に係るスキャナ光学システムが適用されたレーザ加工装置 1の概略構成を示す図である。この図に示すように、レーザ加工装置 1は、レーザ発振器 2、及び、このレーザ発振器 2のレーザ発振を制御する、電源を有するレーザコントロール装置 3とを有するレーザ装置 4と、レーザ光強度調整手段としての AOM (音響光学素子） 5と、焦点距離調整手段としてのダイナミックフォーカスレンズユニット 6と、ヮークステージ 99に載置された被加工物 98の加工面におけるレーザ光照射位置を可変して加工面内をレーザ光で走査する偏向手段としてのスキャナヘッド 7とを有し、さらに、レーザ装置 4、 AOM5、ダイナミックフォーカスレンズユニット 6及びスキャナへッド 7の各々を制御する制御手段としてのコントロールユニット 8を備えている。そして、上記 AOM5、スキャナヘッド 7及びコントロールユニット 8とによって、レーザ光の強度を調整しながら加工面を高速にレーザ光で走査するスキャナ光学システム 20が構成されている。

[0027] 各構成要素について、より詳細に説明すると、レーザ発振器 2は、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、液体レーザ発振器或いは気体レーザ発振器であり、レーザ媒質に応じた波長のレーザ光を出力する。本実施形態では、このレーザ発振器 2 として、レーザ光を連続発振するものが用いられている。

AOM5は、コントロールユニット 8の制御の下、所定の周波数でレーザ光を強度変調して出力するものであり、この AOM5には、レーザ発振器 2から出力され、 2枚の集光レンズ 9A及び 9Bを通過して整形されたレーザ光が入力される。

ダイナミックフォーカスレンズユニット 6は、コントロールユニット 8の制御の下、被加ェ物 98の加工面におけるレーザ光の照射位置に応じて、 AOM5を経由したレーザ光の焦点距離を可変するものであり、このダイナミックフォーカスレンズユニット 6の焦点距離調整により、被加工物 98における照射スポット面積が略一定に維持される。なお、ダイナミックフォーカスレンズユニット 6に代えて、 f Θレンズを用いても良いことは勿論である。

さらに、焦点距離が比較的長ぐなおかつ、加工領域 (レーザ光を走査する領域）が狭い場合には、加工面における焦点位置のズレが小さいため、ダイナミックフォー力スレンズユニット 6や f Θレンズ等の焦点距離調整手段をスキャナ光学システム 20に設ける必要はない。

[0028] スキャナヘッド 7は、コントロールユニット 8の制御の下、ダイナミックフォーカスレンズユニット 6を経由したレーザ光の光路を偏向し、被加工物 98の加工面内で照射位置をワークステージ 99に対して相対的に可変してレーザ光を走査するものであり、光路を X軸方向に偏向するスキャナミラー 71A、及び、このスキャナミラー 71Aを軸回転する X軸モータ 72Aと、光路を X軸と直交する Y軸方向に偏向するスキャナミラー 71 B、及び、このスキャナミラー 71Bを軸回転する Y軸モータ 72Bとを有し、ダイナミックフォーカスレンズユニット 6を経由したレーザ光が集光レンズ 10を介して上記スキャナミラー 71Aに入射され、このスキャナミラー 71A及びスキャナミラー 71Bの各反射面の角度によって規定される方向にレーザ光の光路が偏向される。なお、上記 X軸及ひ Ύ軸からなる XY平面はワークステージ 99の上面と略平行な面として規定され、また、この XY平面に直交する軸が Z軸として規定される。

[0029] コントロールユニット 8には、表示装置としてのディスプレイ 11及び入力装置としてのキーボード 12を有するコンピュータシステム 13に接続（内蔵でも良い）されている。コンピュータシステム 13には、被加工物 98の 3次元形状や材質、当該被加工物 98 に対してレーザ光を照射して加工する加工位置（レーザ照射位置）、加工深度、レーザマーキングやトリミング、孔あけ加工と!/、つた加工の種類等を含む加工データが入力されており、コンピュータシステム 13は、レーザ加工時に、加工データに基づく描画条件指令信号 BCSをコントロールユニット 8に出力し、コントロールユニット 8は、描画条件指令信号 BCSに基づいてレーザ装置 4、 AOM5、ダイナミックフォーカスレンズユニット 6及びスキャナヘッド 7を制御する。

[0030] 図 2は、上記コントロールユニット 8の構成を模式的に示すブロック図である。この図に示すように、コントロールユニット 8は、演算処理装置としての 2つの DSP80A及び DSP80Bを有している。なお、 DSP80A及び DSP80Bの演算処理装置には、 DSP に代えて CPUを用いても良!/、事は勿論である。

DSP80Aは、上記描画条件指令信号 BCSにより示される被加工物 98の形状 (例えば CADデータ）、及び、当該被加工物 98に対するレーザ光の走査態様に基づいて、被加工物 98におけるレーザ光の照射位置の移動軌道（すなわち走査軌道）を演算する軌道演算部 81と、 XY平面内で照射位置を移動することによって生じる照射位置（結像点）のズレ（ディストーション）を補正するディストーション補正部 82として機能するものであり、主として、コンピュータシステム 13から入力された描画条件指令信号 BCSに基づく演算処理を実行する。これら軌道演算部 81及びディストーション補正部 82の演算により、所定時間（例えば数十 s以内）毎に、レーザ光照射位置の X Y座標指令値、この XY座標値に応じた焦点距離指令値、及び、レーザ光強度を指示するレーザ出力指令値の各種指令値が出力される。

[0031] DSP80Bは、レーザ装置 4に対するレーザパワー制御、ダイナミックフォーカスレンズユニット 6による焦点位置可変制御、スキャナヘッド 7によるレーザ光の偏向制御、及び、照射位置や走査速度、照射スポット面積に応じたレーザ光強度制御といった、各部の駆動制御を主として実行するものである。これら DSP80A及び DSP80Bは、図示せぬクロックジェネレータが生成するクロック信号に基づいて互いに同期して処理を実行する。

[0032] また、コントロールユニット 8には、 2つの DSP80A、 80Bの各々からアクセス可能な共有データメモリ 83が設けられており、各 DSP80A、 80Bは共有データメモリ 83を介してデータを共有する。この共有データには、例えば、 DSP80Aが DSP80Bに対して指令すべき指令コマンドや、当該指令コマンドに対する DSP80Bから DSP80A の確認コマンド、当該 DSP80Bが指令コマンドを実行終了した旨を DSP80Aに対して通知する終了コマンドといった DSP80A、 80Bの間での各種コマンドの他、 DSP8 OAが所定時間毎に出力するレーザ光照射位置の XY座標指令値、この XY座標指令値に応じた焦点距離指令値、及び、レーザ光強度を指示するレーザ出力指令値の各種指令値がある。

そして、 DSP80Aが共有データメモリ 83に出力した各種指令値を DSP80Bが読み込み、これらの指令値に基づいて、各部の駆動制御を実行する。

[0033] このように、コントロールユニット 8力 2つの DSP80A及び DSP80Bを備え、軌道演算やディストーション補正等の演算処理と、各部を駆動制御する駆動制御処理とを、各々異なる DSP80A、 80Bにより実行する構成としているため、演算処理によって、スキャナヘッド 7の偏向制御及び AOM5の光強度制御に遅滞が生じることが無ぐレーザ光の走査速度の高速化が実現され加工速度が向上する。

[0034] さて、上記 DSP80Bによる駆動制御について詳述すると、 DSP80Bは、レーザ出力指令値に基づいて、 D/A変換器 88を介してレーザコントロール装置 3にパワー制御信号を出力し、レーザパワーを制御すると共に、レーザ光強度を調整すべく AO M5に対して強度制御信号を出力し、また、 XY座標指令値及び焦点距離指令値に基づいて、 X軸モータ 72A、 Y軸モータ 72B及び DFモータ 91を制御してダイナミックフォーカスレンズユニット 6による焦点距離及びスキャナヘッド 7による偏向を制御し、被加工物 98の加工面におけるレーザ光の照射位置を制御する。

本実施形態では、高精度な照射位置制御を実現すベぐダイナミックフォーカスレンズユニット 6及びスキャナヘッド 7の制御系としてクローズドループ制御系が構成されており、以下、かかる構成について説明する。

[0035] 図 2に示すように、スキャナヘッド 7の X軸モータ 72A及び Y軸モータ 72Bには、スキヤナミラー 71A、 71Bの回転量に応じたパルス数のデジタルパルス信号 SA、 SBをコントロールユニット 8に出力するエンコーダ 90A及び 90Bが設けられていると共に、ダイナミックフォーカスレンズユニット 6には、焦点距離を可変する図示せぬ光学系を駆動する DF (ダイナミックフォーカス）モータ 91及び光学系の駆動量に応じたパルス数のデジタルパルス信号 SCをコントロールユニット 8に出力するエンコーダ 90Cを有し、また、コントロールユニット 8には、各エンコーダ 90A〜90Cから出力されたデジタルパルス信号 SA〜SCが入力され、これらのデジタルパルス信号 SA〜SCをカウントして DSP80Bに出力するカウンタ回路 84が設けられている。

[0036] DSP80Bは、カウンタ回路 84によってカウントされた各デジタルパルス信号 SA〜S Cのカウンタ値に基づいて、スキャナミラー 71A、 71Bの回転量、及び、ダイナミックフオーカスレンズユニット 6の光学系の駆動量を特定し、現在のレーザ光照射位置の X Y座標値、及び、現在の焦点距離を特定する。

また、この DSP80Bは、共有データメモリ 83に格納されたレーザ光照射位置の ΧΥ 座標指令値、及び、この ΧΥ座標指令値に応じた焦点距離指令値を取得し、これら指令値と現在値とを比較して偏差信号をモータ制御部 87に出力する位置比較部 85 、及び、上記 ΧΥ座標指令値及び焦点距離指令値と同期して共有データメモリ 83に格納されたレーザ出力指令値を取得し、 ΑΟΜ5 (必要に応じてレーザコントロール装置 3)に対して制御信号を出力する信号出力調整部 86を有して!/、る。

[0037] 上記モータ制御部 87は、 DSP80Bからの偏差信号に基づいて、偏差を打ち消すためのデジタル制御信号を、 X軸モータ 72Αのドライバ回路 92Α、 Υ軸モータ 72Βのドライバ回路 92Β、及び、 DFモータ 91のドライバ回路 92Cのそれぞれに出力してネガティブフィードバック制御を実行するものである。各ドライバ回路 92A〜92Cは、デジタル制御信号が入力されると、 X軸モータ 72A、 Y軸モータ 72B、及び、 DFモータ 91に駆動電流を出力し、これにより、 X軸モータ 72A、 Y軸モータ 72B及び DFモータ 91が駆動される。

[0038] このように、コントロールユニット 8においては、デジタルパルス信号 SA〜SCを出力するエンコーダ 90A〜90C、カウンタ回路 84、 DSP80B、モータ制御部 87、及び、ドライバ回路 92A〜92Cによりクローズドループ制御系が構成されており、各モータ 7 2A、 72B、 91の駆動が高精度に補償される。これにより、高精度なモータ制御、すなわち、被加工物 98の加工面における高精度な照射位置制御が実現される。

[0039] さらに、各モータ 72A、 72B、 91の回転量の検出手段として、デジタルパルス信号 SA〜SCを出力するエンコーダ 90A〜90Cを用いる構成としているため、 X軸モータ 72A、 Y軸モータ 72B及び DFモータ 91のデジタル制御が可能になり、回転量に応じたアナログ検出信号に基づいてモータ回転量を制御する構成に比べて、検出誤差を最小に抑え、以つて、より高精度な照射位置制御が実現されることとなる。

[0040] また、 X軸モータ 72A、 Y軸モータ 72B及び DFモータ 91の各々を DSP80Bが同時にフォードバック制御するため、レーザ光の X軸方向及び Y軸方向の偏向と、 Z軸方向の焦点距離とが互いに同期し、かつ、軸間のズレを抑制しながら制御され、より高精度な照射位置制御が実現される。 [0041] 以上の構成の下、コンピュータシステム 13から描画条件指令信号 BCSがコントロールユニット 8に入力されると、コントロールユニット 8の DSP80Aは、この描画条件指令信号 BCSに基づいて、被加工物 98の加工面内をレーザ光で走査するときの照射位置の軌道を演算すると共に、各照射位置の XY座標値に対してディストーション補正を行う。また、 DSP80Aは、各照射位置ごとに、加工深度や被加工物 98の材質、加ェの種類に応じてレーザ光強度を演算すると共に、走査時のライン幅、 XY座標値及び加工面の凹凸に応じて焦点距離を演算する。

上記照射位置の軌道演算においては、被加工物 98の加工面に描画するラインをベクトル走査するための軌道、或いは、加工面における複数の加工点を最短距離で結ぶラインをベクトル走査するための軌道が演算される。

[0042] また、上記レーザ光強度演算においては、 DSP80Aは、レーザ光の走査速度によらず、照射位置の単位面積あたりのレーザ光のエネルギー密度が略一定となるように、各焦点位置でのレーザ光強度を算出する。

詳述すると、レーザ装置 4のレーザ光出力、及び、照射スポット面積が一定である場合、レーザ光の走査速度が速くなるにしたがって、単位面積あたりのエネルギー密度は小さくなり、遅い走査速度で加工した箇所と、速い走査速度で加工した箇所との間に、加工深度等のバラツキが生じ、加工品質が損なわれる。

そこで、 DSP80Aは、レーザ装置 4のレーザ光出力、及び、照射スポット面積が一定である場合には、レーザ光の走査速度が速くなるにしたがってレーザ光強度を高め、また、レーザ光の走査速度又は/及び照射スポットが可変する場合、或いは、レ一ザ装置 4のレーザ光出力が変動する場合には、照射スポットにおける単位面積あたりのエネルギー密度が略一定となるレーザ光強度を演算する。

[0043] そして、 DSP80Aは、所定時間ごとに、被加工物 98の加工面における照射位置を示す XY座標指令値、その照射位置での焦点距離指令値、及び、レーザ光強度指令値を共有データメモリ 83に書き込み、 DSP80Bが、 DSP80Aによる書き込みに同期して、 AOM5と、ダイナミックフォーカスレンズユニット 6の DFモータ 91と、スキャナヘッド 7の X軸モータ 72A及び Y軸モータ 72Bのそれぞれを互いに同期させて同時に制御して、加工面をレーザ光でベクトル走査させて被加工物 98を加工する。 [0044] このとき、 DSP80Bは、レーザ光の照射位置を、前掲図 1に示すように、被加工物 9 8から外れた位置（ホームポジション) PHからベクトル走査開始点 Stまで移動させる際、及び、ベクトル走査終了点から、次のベクトル走査開始点 Stまで移動させる際には、 X軸モータ 72A及び Y軸モータ 72Bの駆動ピッチを大きくし、照射位置をべタトル走査開始点に高速に移動させ、また、ベクトル走査中においては、駆動ピッチを小さくし、所定の照射位置に正確にレーザ光が照射されるように制御する。

[0045] また、レーザ光の照射位置を、ホームポジション PHからベクトル走査開始点 Stまで移動させたときには、ベクトル走査開始点 Stにおけるビーム径が所定値となるように、 DSP80Bは、 DFモータ 91のみを粗動動作させて焦点距離を調整し、また、ベクトル走査中においては、加工面における照射位置によらずビーム径が所定値となるように、 X軸モータ 72A及び Y軸モータ 72Bの駆動（すなわち、レーザ光の照射位置）と同期して DFモータ 91を微動動作させる。

[0046] また、加工面に凹凸のある被加工物 98をレーザ光でベクトル走査する際には、ベタトル走査中に、 DSP80Bは、照射位置における凹凸の高低に合わせてダイナミックフオーカスレンズユニット 6の DFモータ 91を上記微動動作させてビーム径を一定に維持する。このとき、加工面の凹凸における高低差が比較的大きい場合には、ベクトノレ走査中に DFモータ 91の微動動作のみでビーム径を一定に維持する事は困難であるため、この場合には、 X軸モータ 72A及び Y軸モータ 72Bの駆動と同期して DFモータ 91を粗動動作させる。

[0047] なお、 X軸モータ 72A及び Y軸モータ 72Bの駆動と同期して DFモータ 91を粗動動作及び微動動作させて、ベクトル走査中における焦点位置調整を行っても良いことは勿論である。

また、上記加工面における凹凸の高低差は、被加工物 98の加工面の形状を示す CADデータに基づいて判定する事が可能であり、また、加工面の形状を示すデータに凹凸のデータが含まれていない場合には、加工面までの距離を計測する距離センサを用いてベクトル走査中にリアルタイム、或いは、ベクトル走査前に予め加工面の凹凸の高低差を計測するようにしても良い。

[0048] 次いで、レーザ加工装置 1による被加工物 98の加工面に対するレーザ光のベタトル走査について説明する。

図 3は、ベクトル走査する軌道 Lの一態様を示す図である。

図 2に示して説明した DSP80Bは、軌道 L上をレーザ光でベクトル走査する際、走查方向 Kが一定 (軌道 Lが直線)である場合には、走査速度が所定の走査速度（最大走査速度）に達するまで走査速度を加速させながらベクトル走査開始点 Stからレ一ザ光走査を開始し、走査速度が所定の走査速度に達した後は、その走査速度を保ったまま軌道 L上を走査するように制御することで、加工時間の高速化を図ってい

[0049] このとき、図 3に示すように、走査方向 Kを切り替える切替点 Qが軌道 L上に存在する場合、一般に、レーザ走査方向 Kを不連続に切替えることは機構上困難であるため、切替点 Qでレーザ走査が一端停止するように当該切替点 Qの手前で走査速度を減速させ、そして、切替点 Qにてレーザ走査方向 Kを切替えて走査を開始させるという制御が従来力、ら行われてレ、る。

[0050] しかしながら、切替点 Qにて一端走査を停止させると、軌道 Lの走査に要する時間、すなわち、レーザ加工時間が延びてしまうという問題がある。

そこで、本実施形態では、切替点 Qが軌道 L上に存在する場合に、走査時間が延びることを防止すベぐ次のようなレーザ光走査 (偏向）制御を行うこととして!/、る。すなわち、図 2に示して説明した DSP80Aの軌道演算部 81は、レーザ光をべタトル走査する軌道 Lを演算した後、図 3に示すように、その軌道上に切替点 Qが存在する場合に、軌道 L上にお!/、て切替点 Qよりも手前に設定される走査方向切替開始点 Qsと、軌道 L上において切替点 Qよりも先に設定される合流点 Qeとを緩やかな曲線軌道 Rrにて結んだ軌道 Lに補正する。

[0051] そして、 DSP80Bは、 X軸モータ 72A、 Y軸モータ 72B及び DFモータ 91を駆動して軌道 Lに沿ったレーザ光走査制御を実行する場合、レーザ光の照射位置が走査方向切替開始点 Qsに達したときに、走査速度を維持したまま曲線軌道 Rrに沿ったレ一ザ光走査を継続する。これにより、レーザ光の走査方向 Kが切替点 Q通過後の走查方向 Kになるように徐々に変化し、曲線軌道 Rrの終点位置、つまり、合流点 Qeにてレーザ光の走査方向 Kの切替えが完了し、当初の軌道 Lに沿ってレーザ光走査が行われる。この結果、切替点 Qにおけるレーザ走査の一端停止が不要となるため、軌道 Lの走査に要する時間の延長を防止し、高速なレーザ加工が実現される。

[0052] 上記走査方向切替開始点 Qs及び合流点 Qeの各々は、軌道 Lに沿って切替点 Q 力所定距離 Ts、Teだけ離れた点に設定される。このとき、曲線軌道 Rrの曲率は、切替点 Qにおける走査方向 Kの切替角度 Θに依存し、所定距離 Ts、 Teを常に一定とした場合、切替角度 Θ力 S小さくなるほど、曲線軌道 Rrの曲率が大となる。例えば、図 3において、切替点 Ql、 Q2の切替角度 Θ 1、 Θ 2よりも、切替点 Q3の切替角度 Θ 3の方が小さいため、所定距離 Ts、 Teが常に一定である場合には、切替点 Ql、 Q2 における曲線軌道 Rrl、Rr2よりも切替点 Q3における曲線軌道 Rr3の方が曲率が大きくなる。

[0053] 曲線軌道 Rrの曲率が大きくなる程、曲線軌道 Rrに沿ってレーザ光を走査する際に、走査方向 Kの急激な変更制御が必要となり、 X軸モータ 72A、 Y軸モータ 72B及び DFモータ 91が困難となる。そこで DSP80Aは、所定距離 Ts、 Teを常に一定にして走査方向切替開始点 Qs及び合流点 Qeを設定する場合、切替点 Qの切替角度 Θが所定のしきい値 Θ th以下であるときには、軌道 L上において走査方向切替開始点 Q sよりも更に手前に走査速度の減速開始点 Qdを設定し、当該減速開始点 Qdから走查速度が減速されるように XY座標指令値を生成する。所定のしきい値 Θ thは、最大走査速度を維持したまま走査可能な曲率が得られる切替角度の最小値である。

[0054] 上記のように DSP80Aが減速開始点 Qdを設定及び当該減速開始点 Qdから走査速度が減速されるように XY座標指令値を生成する制御を実行することで、 DSP80B の制御によって、レーザ光照射位置が走査方向切替開始点 Qsに達する前に走査速度を十分に減速した後、そのときの走査速度を維持したまま曲線軌道 Rrが走査されるため、単位時間辺りの走査方向 Kの変化量が小さく抑えられ、 X軸モータ 72A、 Y 軸モータ 72B及び DFモータ 91の駆動制御による照射位置制御が容易となる。また、レーザ光の照射位置が合流点 Qeに達した場合、 DSP80Aは、走査速度が所定の走査速度（最大走査速度）に達するまで加速させ、所定の走査速度に達した後は、その走査速度を維持してレーザ光走査を継続することになる。

[0055] なお、走査速度が減速及び加速された場合には、 DSP80Aは、エネルギー密度を一定にするために、走査速度の減速及び加速に応じてレーザ光強度が高め、或いは、低められるようにレーザ出力指令値を出力する。

また、切替点 Qが軌道 L上に存在する場合に、 DSP80Aが所定距離 Ts、 Teが常に一定となるように、走査方向切替開始点 Qs及び合流点 Qeを軌道 L上に設定する構成に限らず、曲線軌道 Rrの曲率が常に一定となるように走査方向切替開始点 Qs 及び合流点 Qeを設定する構成としても良い。この構成によれば、曲線軌道 Rrの曲率を最大走査速度で走査可能な曲率に設定することで、切替点 Qの切替角度 Θに依らず最大走査速度で曲線軌道 Rrを走査することが可能となる。

[0056] 以上説明したように、本実施形態によれば、 DSP80Bが AOM5を制御して、被加ェ物 98の加工面におけるレーザ光の走査速度に比例してレーザ光強度を高め、或いは、照射位置ごとのレーザ光のエネルギー密度が略一定となるようにレーザ光強度を調整する構成としたため、レーザ光の走査速度が速い場合であっても、加工面における加工深度のバラツキを防止し、高品位な加工が可能となる。

[0057] また、本実施形態によれば、デジタルパルス信号を出力するエンコーダ 90A〜90 C、カウンタ回路 84、 DSP80B、モータ制御部 87、及び、ドライバ回路 92A〜92C がクローズドループ制御系を構成し、 X軸モータ 72A、 Y軸モータ 72B及び DFモータ 91の駆動を高精度に補償可能としたため、被加工物 98の加工面における照射位置を高精度に制御し、高品位な加工が可能となる。

[0058] 特に、 X軸モータ 72A、 Y軸モータ 72B及び DFモータ 91の回転量の検出手段として、デジタルパルス信号 SA〜SCを出力するエンコーダ 90A〜90Cを用いる構成としているため、 X軸モータ 72A、 Y軸モータ 72B及び DFモータ 91のデジタル制御が可能になり、回転量に応じたアナログ検出信号に基づいてモータ回転量を制御する構成に比べて、検出誤差を最小に抑え、以つて、より高精度な照射位置制御が可能となる。

特に、 X軸モータ 72A、 Y軸モータ 72B及び DFモータ 91の回転量に応じたアナ口グ信号を出力するアナログ検出器にお!/、ては、モータ温度の上昇に伴って回転量に応じた信号が非線形に変化するため、モータ温度に応じた補正が必要となり、また、その補正精度によっては、検出誤差が大きくなる。さらに、アナログ検出器は、回転量検出素子の経年劣化によっても検出精度に影響が生じる。

これに対して、本実施形態によれば、上記エンコーダ 90A〜90Cを用いて X軸モータ 72A、 Y軸モータ 72B及び DFモータ 91のデジタル制御を行う構成としたため、モータ温度の影響、及び、経年劣化の影響を受け難ぐ高精度な照射位置制御を維持できる。

[0059] また、本実施形態によれば、 X軸モータ 72A、 Y軸モータ 72B及び DFモータ 91の各々を 1つの DSP80Bが同時にフォードバック制御する構成としたため、レーザ光の X軸方向及び Y軸方向の偏向と、 Z軸方向の焦点距離とが互いに同期し、かつ、軸間のズレを抑制しながら制御可能となり、これにより、照射位置が更に高精度に制御され、より高品位な加工が可能となる。

[0060] さらに、本実施形態によれば、コントロールユニット 8力 2つの DSP80A、 80Bを備え、軌道演算やディストーション補正等の演算処理と、各部を駆動制御する駆動制御処理とを、各々異なる DSP80A、 80Bにより実行する構成としているため、演算処理によって、スキャナヘッド 7の偏向制御及び AOM5のレーザ光強度制御に遅滞が生じることが無ぐ上記の高精度な照射位置制御を実現しつつ、レーザ光の走査速度の高速化が実現可能となり、高品位な加工を短時間で行うことができる。

[0061] また、本実施形態によれば、被加工物 98の加工面の凹凸に基づいて、レーザ光の焦点距離を調整するため、加工面が平らな被加工物 98に限らず、加工面が曲面を描くような被加工物 98に対するレーザ加工も可能になる。

[0062] さらにまた、本実施形態によれば、軌道 L上に、切替点 Qが存在する場合、切替点 Qの手前（走査方向切替開始点 Qs)から、レーザ光の走査方向 Kを切替後の走査方向 Kに徐々に変化させて走査しつつ、レーザ光の走査方向 Kが切替後の走査方向 Kに切り替わったときの照射位置が、切替後の走査方向 Kで走査すべき軌道 L上 (合流点 Qe)に位置するようにレーザ光の走査を制御するため、切替点 Qにおけるレーザ走査の一端停止が不要となり、軌道 Lの走査に要する時間の延長を防止し、高速なレーザ加工が実現される。

[0063] なお、上述した第 1実施形態においては、コントロールユニット 8が、 2つの DSP80 A、 80Bの各々力、らアクセス可能な共有データメモリ 83を備える構成を例示した。これに対して、コントロールユニット 8Aの構成を、図 4に示すように、 DSP80Aがメモリ 83Aを、 DSP80B力 Sメモリ 83Bをそれぞれ備え、 DSP80A、 80Bが互いの処理に要するデータを通信により送受する構成としても良い。

[0064] 例えば、上述した第 1実施形態では、レーザ光を連続発振するレーザ発振器 2を例示したが、これに限らず、ノルス光を出力するレーザ発振器を用いる構成としても良い。この構成においてレーザ光強度を可変する場合には、例えば、レーザ発振器が Qスィッチを用いてレーザ発振するものであれば、この Qスィッチのタイミングを可変してレーザ光強度を可変すれば良ぐまた、レーザ発振器がレーザ光を遮蔽するシャツターを有している場合には、当該シャッターの開閉タイミング（開又は閉時間）、レーザ発振器が強度変調用の音響光学素子 (AOM)を有している場合には当該音響光学素子の少なくともいずれ力、 1を調整してレーザ光強度を可変しても良い。

[0065] また、上述した第 1実施形態では、レーザ加工時に、常にレーザ光をベクトル走査することとしたが、これに限らず、比較的長い直線を描画する等、軌道 Lに切替点 Q や屈曲部が無い場合には、レーザ光強度及び走査速度を常に一定に維持したままレーザ光走査するラスター走査を行っても良い。

[0066] また、上述した第 1実施形態では、本発明に係るスキャナ光学システム 20をレーザ加工装置に適用した場合を例示したが、これに限らず、例えば、光源からの光（レーザ光に限らない）で描画面を高速に走査して描画像を描画する描画装置や、試料に対してレーザ光を高速に走査させて検査測定を行う測定装置といった光を高速に偏向する必要のある各種装置にも応用可能である。

[0067] <第 2実施形態〉

次!/、で本発明の第 2実施形態につ!/、て説明する。

従来から、ミラーを回転軸に回転自在に保持し、当該ミラーの反射面を任意の角度に調整可能に構成したスキャナ光学装置が知られている。そして、このようなスキャナ光学装置は、例えば、特開 2004— 358507公報に示されているように、被加工物の加工面をレーザ光で走査する際の偏向手段としてレーザ加工装置に広く用いられている。

[0068] しかしながら、被加工物等の対象物を光走査する際、多くの場合には、照射光の強度や焦点位置等も制御されるものの、従来のスキャナ光学装置は、光の偏向手段を提供するのみであるため、強度調整や焦点位置調整のための光学モジュール或いは光学素子をユーザが別途用意し、これらの光学モジュール或いは光学素子とスキャナ光学装置とを適宜に配列して 1つの光学システムを構築する必要がある。

さらに、光学システムの構築の際には、光学モジュールや光学素子、スキャナ光学装置の各々の光軸を合わせたり、光のビーム径を光学素子や光学モジュールごとに調整したりする、 V、わゆるァライメント作業が必要となる。

光学システムのァライメント作業は、熟練が必要なものであり、経験の浅い者等には、非常に手間の力、かる作業である。

そこで本実施形態では、光走査のための光学システムを簡単に構築することのできるスキャナ光学装置、及び、このスキャナ光学装置を用いて好適なレーザ加工装置について説明する。

[0069] 図 5は、本実施形態に係るレーザ加工装置 100の構成を示す図である。

レーザ加工装置 100は、レーザ発振器 102と、スキャナ光学装置 103と、レーザ発振器 102から放射されたレーザ光をスキャナ光学装置 103に導く光学素子たる 1対のミラー 104A、 104Bとを有し、これらが板状の石定盤 105に載置 '固定されている。石定盤 105は、一般に、平面精度が非常に高ぐこのような石定盤 105に各光学要素を載置、固定することで、各光学要素間の光軸のずれが防止され、さらに、各光学要素間の光軸合わせが容易となる。なお、上記ミラー 104A、 104Bは、反射型光学素子たるミラーに代えて、例えばプリズムレンズ等の透過型光学素子を用いても良い。また、レーザ発振器 102とスキャナ光学装置 103とが直線状に配置されている場合には、レーザ発振器 102から放射されたレーザ光をスキャナ光学装置 103に導く光学素子は不要である。

[0070] レーザ発振器 102は、固体レーザ発振器、液体レーザ発振器、気体レーザ発振器、半導体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、或いは、自由電子レーザ発振器であり、図示せぬレーザ制御装置により制御され、レーザ媒質に応じた波長のレーザ光を発振する。レーザ発振器 102は、図 6に示すように、レーザ共振器を内蔵する直方体形状の発振器本体 120と、発振器本体 120の先端部 120Aに開口するレーザ出射口 121とを有して構成されて!/、る。

[0071] また、発振器本体 120の底面の先端部 120A側及び後端部 120B側には、 XYZ軸ステージ 122が設けられ、これら XYZ軸ステージ 122が石定盤 105にねじ止め固定されており、 XYZ軸ステージ 122を調整することで、レーザ発振器 102の光軸が微調整可能となっている。このように、本実施形態では、レーザ発振器 102を石定盤 105 に載置されているが、石定盤 105は熱伝導率が非常に小さいため、レーザ発振器 10 2が発熱しても他の光学要素に与える熱影響を最小に抑えることが可能となる。

[0072] 図 7は、スキャナ光学装置 103を拡大して示す図である。

スキャナ光学装置 103は、レーザ発振器 102から出力されたレーザ光の強度を変調する AOM (音響光学変調素子） 130と、レーザ光のフォーカスを調整するダイナミックフォーカスレンズ 131と、レーザ光を偏向して対象物に照射するスキャナヘッド 13 2とを有し、これらの光学要素が直線状に延びるレール 133に取り付けられている。さらに、このレール 133には、ダイナミックフォーカスレンズ 131及びスキャナヘッド 132 の間に設けられ、ダイナミックフォーカスレンズ 131から出力された光を整形してスキャナヘッド 132に入力する光学素子としてのレンズ 134と、 AOM130に入射するレ一ザ光を整形する光学素子としての 2組のレンズ 135A、 135Bとのそれぞれが位置決め自在に取り付けられて!/、る。

[0073] スキャナヘッド 132は、レーザ光を偏向するスキャナミラー 1321A、及び、スキャナミラー 1321Aの偏向方向に対して所定の角度となる方向にレーザ光を偏向するスキャナミラー 1321Bと、これらのスキャナミラー 1321A、 1321Bを駆動するモータ 132 2A、 1322Bと、スキャナミラー 1321A、 1321Bを収容する、底面が開口した箱型の筐体 1323を有している。

[0074] 筐体 1323には、図示せぬレーザ光の導入口が側面に形成されている。前掲図 5 に示すように、レール 133は、石定盤 105の端部 105Bから延出する延出部 1340を有し、この延出部 1340にスキャナヘッド 132の筐体 1323が配置されると共に、当該レール 133に立設した保持片 136により側面が保持され、いわゆる、両持支持構造によりレール 133に保持されている。なお、レール 133には、上記スキャナミラー 132 1A、 1321Bにて偏向された光を出射する出射口 1324が設けられている。そして、本実施形態では、スキャナヘッド 132、レンズ 134及び出射口 1324により、偏向モジユールが構成されている。

[0075] ダイナミックフォーカスレンズ 131は、レーザ光をスキャナヘッド 132で偏向し対象物をレーザ光で走査する際に、対象物の走査面におけるレーザ光の照射スポット径を照射位置によらず略一定に維持するようにレーザ光の焦点距離を可変するものである。ダイナミックフォーカスレンズ 131は、図示せぬモータによってレンズ系が駆動されレーザ光の焦点距離が可変される。この図示せぬモータ、及び、上記スキャナへッド 132のモータ 1322A、 1322Βίま、前掲図 5ίこ示すコントローノレユニット 106ίこより制御されている。このコントロールユニット 106は、走査面におけるレーザ光の照射位置に基づいて焦点距離を調整すベぐダイナミックフォーカスレンズ 131のモータと、スキャナヘッド 132のモータ 1322A、 1322Bとを互いに同期させながら制御する。なお、ダイナミックフォーカスレンズ 131に代えて f Θレンズを焦点距離調整手段として用いても良い。

[0076] AOM130は、上記の通り、レーザ発振器 102から出力された連続発振レーザ光、或いは、パルスレーザ光の強度変調を行うものであり、上記コントロールユニット 106 により制御されており、コントロールユニット 106は、対象物の走査面におけるレーザ加工深度等の加工度合いを常に一定に維持すベぐスキャナヘッド 132のモータ 13 22A、 1322Bの駆動量によって規定されるレーザ光の走査速度に応じて、レーザ光強度を可変する。すなわち、コントロールユニット 106は、レーザ光の走査速度が速い場合には、単位面積あたりのエネルギーが低下するためレーザ光強度もしくはレ一ザ光密度を高め、これとは逆に、走査速度が遅い場合にはレーザ光強度もしくはレーザ光密度を低める制御を行!/、、レーザ光走査時の単位面積あたりのエネルギーを略一定に維持する制御を行う。

なお、上記レーザ光密度は、ノルスレーザ光の単位時間当たりのノルス数により定義され、当該レーザ光密度を可変することで、単位面積当たりのレーザ光のエネルギ一を可変することができる。

[0077] これら AOM130及びダイナミックフォーカスレンズ 131は、図 7に示すように、台座 137にマウントされており、この台座 137がレール 133に位置決め自在に取り付けられる。また、各レンズ 134、 135Α、 135Βίまレンズホノレダ 138 ίこ保持されており、このレンズホルダ 138の底部にレール取付部 139が設けられ、このレール取付部 139がレール 133に位置決め自在に取り付けられている。さらに、台座 137及びレール取付部 139には、多数のねじ孔 144が穿設されており、 AOM130等の取付位置の調整後に各ねじ孔 144にねじを螺合してレール 133にねじ止め固定される。

[0078] 台座 137及びレンズホルダ 138のレール取付部 139には、図 8に示すように、あり溝構造のあり 140が設けられており、また、レール 133の上面には、長手方向に延びる一条のあり溝 1330が形成されている。

したがって、台座 137及びレール取付部 139のあり 140をレール 133の一端からあり溝 1330に通し嵌合させることで、各光学要素のレール 133への取付が行われる。このとき、台座 137及びレンズホルダ 138の直線的な配列は、レール 133のあり溝 13 30によって規制されるため、レール 133への取付と同時に、 AOM130やダイナミツクフォーカスレンズ 131、各レンズ 134、 135A、 135Bの直線的な光軸の位置合わせが完了する。特に、各光学要素のレール 133への取付構造に、あり溝構造を採用することで、レール 133と各光学要素との間のガタツキが抑えられ、レール 133に取り付けるだけで、各光学要素同士の光軸を精度良く合わせることができる。さらに、ねじ孑 L144にねじをねじ込むことによりレール 133と台座 137及びレール取付部 139とを強く固定することができる。

[0079] また、前掲図 7に示すように、レール 133の上面には、 ΑΟΜ130、ダイナミックフォ一カスレンズ 131、及びレンズ 134、 135A、 135Bのそれぞれの取付位置に位置決用マーク 150が描かれており、また、台座 137及びレンズホルダ 138のレール取付部 139のそれぞれの側面には、位置合用マーク 151が描かれており、これら位置決用マーク 150及び位置合用マーク 151を合わせることで、 ΑΟΜ130、ダイナミックフォ一カスレンズ 131、及びレンズ 134、 135A、 135Bの位置決めが完了する。

[0080] このように、位置決用マーク 150及び位置合用マーク 151を予め設けておくことで、スキャナ光学装置 103を搬送する際等に、 ΑΟΜ130、ダイナミックフォーカスレンズ 131、及びレンズ 134、 135A、 135Bのそれぞれをレーノレ 133力、ら取り外して搬送した場合であっても、これらをレール 133に取り付ける時のァライメントが容易となる。さらに、経年劣化やレンズや光学素子の個体差等によって、各部の取付位置を微調整する際には、位置決用マーク 150及び位置合用マーク 151を基準にレール 133 のあり溝 1330に沿って各部を前後させるだけで良ぐ取付位置の目安が全く無い場合と比較して、位置決め作業が容易となる。

[0081] なお、これら位置決用マーク 150及び位置合用マーク 151の位置は、ダイナミックフォーカスレンズ 131やレンズ 134、 135A、 135B等の光学要素の光学特性、換言すれば、スキャナ光学装置 3の光学設計（特に、レーザ光の走査角範囲やスポット径 )に応じて当然に変更され得るものである。したがって、これら位置決用マーク 150及び位置合用マーク 151を、幾つかの光学設計値ごとに設ける構成としても良い。これにより、ユーザがスキャナ光学装置 3を異なる光学設計値で運用する際に、各光学要素を簡単に交換し、かつ、位置決めすることが可能となる。

[0082] また、位置決用マーク 150及び位置合用マーク 151がレール 133、台座 137及びレール取付部 139の各々に直接描画された構成とした力これに限らない。すなわち、これらの位置決用マーク 150及び位置合用マーク 151は、レール 133に取り付けられる各光学要素間の相対的な距離が規定されるように設けられていれば十分であり、例えば、位置決用マーク 150を別部材の板材に標し、これをレール 133に貼設しても良ぐさらに、位置合用マーク 151についても同様に別部材としても良い。

[0083] ここで、 AOM130がレーザ発振器 102に既に内蔵されている場合や、レーザ発振器 102でエネルギー制御が可能な場合、そもそもエネルギー制御が不要な場合、スキヤナ光学装置 103には、上記 AOM130が不要となり、当該 AOM130をレーザ光の光軸（経路）上から取り除く必要がある。このような場合であっても、本実施形態においては、レール 133への各光学要素の取付に、あり溝構造を採用しているため、 A OM130及び当該 AOM130をマウントする台座 137をレール 133から簡単に取り外すことが可能となる。

[0084] これとは逆に、 AOM130をレーノレ 133に取り付ける際には、上記のように、位置決用マーク 150及び位置合用マーク 151を合わせることで、 AOM130の取付及び位置決めを簡単に行うことが可能となる。また、 AOM130をレール 133に取り付ける際には、 AOM130をレール 133から取り外されている状態で、レーノレ 133に取り付けられている各光学要素同士の光軸を合わせ、その後に、 AOM130を取り付けることで、各光学要素同士の光軸を合わせる際に AOM130の影響を無くすことができる。

[0085] さらに、スキャナヘッド 132による走査角範囲が比較的狭い場合や、対象物の走査面での照射スポット径の変化が小さい場合等には、ダイナミックフォーカスレンズ 131 が（ί θレンズも勿論）不要となる場合がある。このような場合には、ダイナミックフォーカスレンズ 131 (或いは f Θレンズ）に代えて、レンズ 134の前段に他のレンズが配設される。このような場合でも、 AOM130と同様に、ダイナミックフォーカスレンズ 131を簡単に取り外し、さらに、このダイナミックフォーカスレンズ 131に代わるレンズを取り付けることが可能となる。

[0086] このように、ダイナミックフォーカスレンズ 131をレール 133から取り外した場合、或いは、ダイナミックフォーカスレンズ 131を異なる光学特性のものに変更した場合、スキヤナヘッド 132の上記スキャナミラー 1321A、 1321Bに入射するレーザ光のビーム径が変わってしまうため、当該スキャナヘッド 132の前段に配置されたレンズ 134 の位置を調整する必要が生じる場合がある。このような場合であっても、レンズ 134が直線上のレール 133に位置決め自在に取り付けられているため、あり溝 1330に沿つてレンズ 134を前後に移動して調整することで、光軸をずらすことなぐ位置決め調整を行うことが可能となる。

[0087] さて、レール 133は、図 7及び図 8に示すように、長手方向に沿って複数のレール片 133A〜； 133Eに分断されている。各レール片 133A〜； 133Eは略同一寸法の形状に構成されており、先頭のレール片 133Aにのみ、上記スキャナヘッド 132を載置するための延出部 1340が設けられている。これらのレール片 133A〜133Eは、石定盤 105に取り付けられることで、レールガイド部材の機能を維持しており、換言すれば、石定盤 105が各レール片 133A〜 133Eを連結するためのベース材として機能している。

[0088] 石定盤 105への取付構造について説明すると、各レール片 133A〜133Eが側面視 L字状に形成され、上記石定盤 105の端面 105Aに面接触する位置合用脚 142 を有している。すなわち、石定盤 105の一辺に沿って、各レール片 133A〜； 133Eの位置合用脚 142を石定盤 105の端面 105Aに宛がいながら固定することで、石定盤 105の端面 105Aを使っての各レール片 133A〜133Eの各々が直線状に位置合わせされて連結される。各レール片 133A〜； 133Eを石定盤 105に固定する際には、間隔 δ (図 7参照）をあけて各々が固定されており、あるレール片 133Α〜133Εが熱膨張等を起こしても、他のレール片 133A〜； 133Eと分断されることで位置ズレ（特に、光学要素間の相対距離の変動）の発生が防止される。なお、上記間隔 δは例えば隙間ゲージを用いて調整されて!/、る。

[0089] 以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ加工装置 100が備えるスキャナ光学装置 103において、レール 133の端部にスキャナヘッド 132を固定すると共に、ダイナミックフォーカスレンズ 131をレール 133に着脱自在に設けると共に、レンズ 13 4をレール 133に位置決め自在に設ける構成としている。この構成によれば、スキヤナヘッド 132及びダイナミックフォーカスレンズ 131がレール 133に共に取り付けられてユニット化されているため、レーザ光をスキャナヘッド 132で偏向し対象物をレーザ光で走査する際に、レーザ光の照射スポット径を照射位置によらず常に一定とすることを可能としつつ、さらに、ダイナミックフォーカスレンズ 131を変更或いは取り外して、スキャナ光学装置 103の光学設計値を簡単に変更することができる。

[0090] さらに、ダイナミックフォーカスレンズ 131を変更或いは取り外した事により、レンズ 1 34とスキャナヘッド 132との間の距離を調整する必要が生じた場合であっても、直線上のレール 133に位置決め自在に取り付けられているため、レンズ 134とスキャナへッド 132との間の光軸を合わせたまま、当該レンズ 134をレール 133に沿って前後させて距離を調整することが可能となり、光学設計変更時のァライメント作業が容易とな

[0091] また、本実施形態によれば、 AOM130をレール 133に着脱自在に取付可能な構成とした。この構成によれば、レーザ光をスキャナヘッド 132で偏向し対象物をレーザ光で走査する際に、レーザ光の強度調整する機能が一体的に組み込まれたスキャナ光学装置 103が提供される。さらに、 AOM130がレーザ発振器 2に既に内蔵されている場合や、レーザ発振器 102がレーザ光をパルス発振する場合には、レール 133 力も AOM130を着脱し、スキャナ光学装置 103と共に用いられるレーザ発振器 102 の仕様に簡単に合わせることができる。 [0092] また、本実施形態によれば、レール 133を石定盤 105に固定する構成としたため、レール 133に取り付けられる各光学要素間の光軸のずれが防止され、さらに、各光学要素間の光軸合わせが容易となる。

[0093] さらにまた、本実施形態によれば、上記石定盤 105には、スキャナ光学装置 103と共に、レーザ発振器 102及び 1対のミラー 104A、 104Bを載置'固定する構成としている。この構成によれば、石定盤 105に載置されている各光学要素間の光軸のずれが防止され、さらに、各光学要素間の光軸合わせが容易となる。また、レーザ発振器 102を石定盤 105に載置したとしても、石定盤 105は熱伝導率が非常に小さいため、レーザ発振器 102の発熱が他の光学要素に与える熱影響を最小に抑えることができる。

[0094] また、本実施形態によれば、レール 133を長手方向に沿って複数のレール片 133 A〜； 133Eに分断し、各レール片 133A〜133Eを石定盤 105の一辺に沿って配列して互いの軸（あり溝 1330)を合わせつつ、各レール片 133A〜133Eを互いに間隔 δの隙間をあけて配列する構成とした。

この構成によれば、あるレール片 133Α〜133Εが熱膨張等を起こしても、他のレール片 133A〜； 133Eと分断されることで位置ズレの発生が防止される。さらに、複数のレール片 133Α〜133Εを、平面精度の高い石定盤 105の一辺に沿って配列したため、互いのあり溝 1330を簡単に、かつ、精度良く合わせることが可能となる。

[0095] なお、第 2実施形態は、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。

第 2実施形態では、複数のレール片 133A〜； 133Eの先頭のレール片 133Aに延出部 1340を設け、この延出部 1340にスキャナヘッド 132を配置すると共に延出部 1 340に立設した保持片 136でスキャナヘッド 132を保持する構造とした。

これに対して、例えば、図 9に示すように、レール片 133Aを石定盤 105の端部 105 Βよりも手前に配置すると共に、レール片 133Aの先端部 1350に保持片 136Aを設け、石定盤 105にスキャナヘッド 132を載置すると共に保持片 136Aに保持させる構造のスキャナ光学装置 103Α、及び、このスキャナ光学装置 103Aを用いたレーザ加ェ装置 100Aを構成しても良い。力、かる構成によれば、スキャナヘッド 132が石定盤 105側に載置され、スキャナヘッド 132の振動が他の光学素子に伝達し難くなるため、当該スキャナヘッド 132の振動による光学素子の位置ズレ等を防止することができ

[0096] 第 2実施形態では、ダイナミックフォーカス 131の後段に集光用のレンズ 134を設けてスキャナ光学装置 103を構成した。

これに対して、例えば図 10に示すように、レンズ 134をダイナミックフォーカス 131 の前段に設けたスキャナ光学装置 103Bを構成し、このスキャナ光学装置 103Bを備えたレーザ加工装置 101Bとしても良い。

[0097] また第 2実施形態では、ダイナミックフォーカス 131の前段に AOM130及びレンズ

135A、 135Bを設けてスキャナ光学装置 103を構成した。

これに対して、例えば図 11に示すように、ダイナミックフォーカス 131の前段に AO

M130及びレンズ 135A、 135Bを省略してスキャナ光学装置 103Cを構成し、このスキヤナ光学装置 103Cを備えたレーザ加工装置 101Cとしても良い。

[0098] また第 2実施形態では、ダイナミックフォーカス 131の前段に AOM130及びレンズ

135A、 135Bを設け、さらに、ダイナミックフォーカス 131の後段に集光用のレンズ 1

34を設けてスキャナ光学装置 103を構成した。

これに対して、例えば図 12に示すように、ダイナミックフォーカス 131の前段に AO

M130及びレンズ 135A、 135Bを省略し、また、レンズ 134をダイナミックフォーカス

131の前段に設けてスキャナ光学装置 103Dを構成し、このスキャナ光学装置 103D を備えたレーザ加工装置 101Dとしても良い。

[0099] また第 2実施形態では、レーザ発振器 102から出力されたレーザ光を一対のミラー

104A、 104Bにより偏向させてスキャナ光学装置 103に導く構成とした。

これに対して、例えば図 13に示すように、レーザ発振器 102とスキャナ光学装置 10

3とを光軸を合わせて直線上に配置して、レーザ発振器 102から出力されたレーザ光をそのままスキャナ光学装置 103に入射する構成のレーザ加工装置 101Eとしても良い。

なお、レーザ発振器 102とスキャナ光学装置 103とを光軸を合わせて直線上に配置する構成においては、例えば図 14に示すように、スキャナ光学装置 103に代えて上記のスキャナ光学装置 103Bを用いてレーザ加工装置 101Fを構成しても良ぐまた例えば図 15に示すように、上記のスキャナ光学装置 103Cを用いてレーザ加工装置 101Gを構成しても良ぐまた例えば図 16に示すように、上記のスキャナ光学装置 103Dを用いてレーザ加工装置 101Hを構成しても良い。

[0100] 第 2実施形態では、先頭のレール片 133Aを除く他のレール片 133B〜； 133Eのそれぞれを略同一寸法のものとしたが、これに限らず、図 17に示すように、取り付けられる光学要素ごとにレール 133をレール片 133A'〜； 133E'に分断し、スキャナ光学装置 103Eを構成しても良い。

さらに、図 18に示すように、 1本のレール 160を用いてスキャナ光学装置 103Fを構成しても良い。また、図 17及び図 18に示すように、スキャナヘッド 132を、レール片 1 33A'の端部、或いは、レール 160の端部に立設した保持片 136にのみ保持する、片持支持構造としても良い。

[0101] なお、これら図 10〜図 18においては、位置決用マーク 150及び位置合用マーク 1 51の図示を省略している。

[0102] また上述したレール 133に代えて、直線案内用軸軸受として一般的に利用されて V、るリニアガイドを用いる構成としても良レ、。

また、第 2実施形態では、レール 133と各光学要素との取り付け構造をあり溝構造としたが、これに限らない。例えば、レール 133の上面に互いに平行に延びる 1或いは複数の凸条を設けると共に、台座 137及びレール取付部 139の各々の底面に、レール 133の凸条に係合する凹条を設け、これら凸条及び凹条の係合構造により、レーノレ 133に各光学要素を取り付ける構成としても良い。これにより、レール 133に溝を設けて各光学要素を取り付ける構造に比べ、各光学要素をレール 133から個別に取り外すことができる。

[0103] また、第 1及び第 2実施形態では、レーザ発振器 1 , 102から放射された光をスキヤナヘッド 7或いはスキャナ光学装置 103により鉛直下方に偏向して被加工物に照射する構成を例示したが、これに限らない。すなわち、レーザ光の光軸（入射側）を中心軸としてスキャナヘッド 7或いはスキャナ光学装置 103を所定角度回転させて設け、鉛直下方を 0度と定義した場合に、水平方向に例えば ± 90度範囲の任意の角度を持たせてレーザ光を照射したり、水平方向 180度として鉛直上方にレーザ光を照射する構成としても良い。このような構成とすることで、スキャナヘッド 7或いはスキャナ光学装置 103を回転させない構成に比べて、レーザ光の照射範囲を広げることができる。

なお、スキャナヘッド 7或いはスキャナ光学装置 103の上記所定角度を任意の角度に調整する回転駆動手段を別途に設ける構成としても良い。

Claims

請求の範囲

[1] 光源から出力された光を、対象物に照射し走査するスキャナ光学システムであって前記光の強度を調整する光強度調整手段と、

前記光を前記対象物の所定位置に向けて偏向すると共に、ゼロレベルから所定の走査速度となるように前記光を偏向する偏向手段とを備え、

前記光強度調整手段は、前記偏向手段による光の走査速度に比例して、或いは、前記光のエネルギー密度が略一定となるように、前記光の強度を調整することを特徴とするスキャナ光学システム。

[2] 請求項 1に記載のスキャナ光学システムにお!/、て、

前記偏向手段は、スキャナミラーと、このスキャナミラーを駆動する駆動モータと、この駆動モータを制御するコントローラとを有し、

前記スキャナミラーの駆動量に応じたデジタルパルス信号を出力するエンコーダを前記駆動モータに設け、

前記コントローラは、前記デジタルパルス信号をカウントして前記駆動量を特定し、当該駆動量に基づいて前記駆動モータに制御信号を出力するフィードバック制御を実行する

ことを特徴とするスキャナ光学システム。

[3] 請求項 1に記載のスキャナ光学システムにお!/、て、

前記偏向手段は、

前記対象物の平面内を互いに直交する X軸方向及び Y軸方向のそれぞれに前記光を偏向する X軸偏向手段及び Y軸偏向手段を備え、

前記 X軸偏向手段による偏向及び Y軸偏向手段による偏向を共に同一のコント口ーラで同時に両軸を制御したことを特徴とするスキャナ光学システム。

[4] 請求項 3に記載のスキャナ光学システムにおいて、

前記 X軸偏向手段による偏向及び前記 Y軸偏向手段による偏向によって規定される前記光の前記対象物への照射位置に応じて、レンズ間の距離を調整して前記光の焦点距離を調整するフォーカス調整手段を更に備え、前記 X軸偏向手段による偏向及び前記 Y軸偏向手段による偏向と共に、前記フォ一カス調整手段による焦点距離調整を同一のコントローラで同時に全軸を制御することを特徴とするスキャナ光学システム。

[5] 請求項 4に記載のスキャナ光学システムにおいて、

前記コントローラは、前記対象物の表面凹凸に応じて前記光の焦点距離が調整されるように前記フォーカス調整手段を制御する

ことを特徴とするスキャナ光学システム。

[6] 請求項 1に記載のスキャナ光学システムにお!/、て、

前記対象物の形状及び前記光の走査態様に基づ!/、て、前記偏向手段による前記光の偏向軌道を演算する軌道演算手段と、

前記軌道演算手段による偏向軌道と、前記光の偏向の検出値とに基づいて、前記偏向手段による前記光の偏向をフィードバック制御す偏向制御手段とを備え、前記軌道演算手段と前記偏向制御手段とを各々個別の CPUで構成したことを特徴とするスキャナ光学システム。

[7] 請求項 1に記載のスキャナ光学システムにお!/、て、

前記光で走査する予定の軌道上に、前記光の走査方向が切り替わる切替点が存在する場合、

前記切替点の手前から、前記光の走査方向を前記切替後の走査方向に徐々に変化させて走査しつつ、前記光の走査方向が前記切替後の走査方向に切り替わつたときの前記光の走査位置が、前記切替後の走査方向で走査すべき軌道上に位置するように前記偏向手段を制御する

ことを特徴とするスキャナ光学システム。

[8] 請求項 6または 7に記載のスキャナ光学システムにおいて、

前記光源は、レーザ光を発振するレーザ装置を有し、

前記光強度調整手段は、前記レーザ装置が Qスィッチを内蔵する場合には当該 Q スィッチ、前記レーザ装置がレーザ光を遮蔽するシャッターを有する場合には当該シャッター、前記レーザ装置が強度変調用の音響光学素子を有する場合には当該音響光学素子、及び、前記レーザ装置力パルスレーザ光を発振する場合には発振周期の少なくともいずれ力、 1つを調整し、前記レーザ光の強度を調整することを特徴とするスキャナ光学システム。

レーザ発振器から出力されたレーザ光を、被加工物の加工面に照射してレーザ加ェするレーザ加工装置であって、

前記レーザ光の強度を調整する光強度調整手段と、

前記レーザ光を偏向し、ゼロレベルから所定の走査速度で前記被加工物の加工面を前記レーザ光でベクトル走査する偏向手段とを備え、

前記光強度調整手段は、前記偏向手段による前記レーザ光のベクトル走査速度に比例して、或いは、前記レーザ光のエネルギー密度が略一定となるように、前記レーザ光の強度を調整することを特徴とするレーザ加工装置。

光源から出力された光を対象物に向けて偏向する偏向モジュールを有し、前記偏向モジュールにより前記光を偏向し対象物を走査するスキャナ光学装置であって、直線状のレール部材に前記偏向モジュールを固定すると共に、

前記光源から出力された光の焦点距離を調整するフォーカス調整手段を前記レール部材に着脱自在に設け、

前記フォーカス調整手段から出力された光を整形し前記偏向モジュールに入力する光学素子を前記レール部材に位置決め自在に設けた

ことを特徴とするスキャナ光学装置。

請求項 10に記載のスキャナ光学装置において、

前記フォーカス調整ユニットに入射するレーザ光のレーザ光強度を調整するレーザ光強度調整モジュールを前記レール部材に着脱自在に設けたことを特徴とするスキャナ光学装置。

請求項 10に記載のスキャナ光学装置において、

前記レール部材を石定盤に固定したことを特徴とするスキャナ光学装置。

請求項 12に記載のスキャナ光学装置において、

前記光源と、前記光源が出力する光を前記スキャナ光学装置に導く光学素子とを共に前記石定盤に固定したことを特徴とするスキャナ光学装置。

請求項 12に記載のスキャナ光学装置において、前記偏向モジュールを前記レール部材及び前記石定盤で支持したことを特徴とするスキャナ光学装置。

[15] 請求項 10に記載のスキャナ光学装置において、

前記レール部材を長手方向に沿って複数のレール片に分断し、各レール片を互いに隙間をあけて配列したことを特徴とするスキャナ光学装置。

[16] 請求項 10に記載のスキャナ光学装置において、

前記レール部材に取り付けられる部材ごとに、取付位置の目安を示すマーク部を有することを特徴とするスキャナ光学装置。

[17] 光源から出力された光を対象物に向けて偏向する偏向モジュールを有し、前記偏向モジュールにより前記光を偏向し対象物を走査するスキャナ光学装置であって、直線状のレール部材に前記偏向モジュールを固定すると共に、前記光源から出力された光の焦点距離を調整するフォーカス調整手段を前記レール部材に着脱自在に設け、前記フォーカス調整手段から出力された光を整形し前記偏向モジュールに入力する光学素子を前記レール部材に位置決め自在に設けたスキャナ光学装置と、前記スキャナ光学装置にレーザ光を出力するレーザ装置とを備え、

前記スキャナ光学装置が前記レーザ光を偏向し、被加工物の加工面を前記レーザ光で走査して加工することを特徴とするレーザ加工装置。