WO2013187259A1

WO2013187259A1 - レーザ加工装置

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Publication number: WO2013187259A1
Application number: PCT/JP2013/065214
Authority: WO
Inventors: 直幸中村; 山本　達也; 西前　順一; 藤川　周一; 瀬口　正記; 彰倫西尾; 博幸村井; 健児猿田
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-12-19
Also published as: US20160238839A1; US20150137004A1; JP5885173B2; JPWO2013187259A1; DE112013002945T5; CN104379296B; US9348138B2; CN104379296A

Abstract

光路構成が特に複雑でない反射型ビームエキスパンダ機構を用いて、ビーム発散角を十分に抑制するとともに、無収差でかつ所望ビーム径のレーザ光を被加工材に照射することのできるレーザ加工装置を得るために、本発明のレーザ加工装置では、レーザ発振器（１）と、加工テーブル（２）と、レーザ発振器（１）から出射されたレーザ光Ｌを加工テーブル（２）まで伝送する伝送光学系と、伝送光学系を介して伝送されたレーザ光Ｌを被加工材に集光照射する加工ヘッド（４）と、被加工材に照射されるレーザ光Ｌと被加工材との相対位置を変化させる移動手段（５）と、球面可変曲率ミラー（６７）とを備える。伝送光学系は、レーザ発振器（１）からのレーザ光を平行化しかつ拡大する反射型ビームエキスパンダ機構（６）を備え、反射型ビームエキスパンダ機構（６）は、球面ミラー（６３）と、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー（６２）とを含む構成とした。

Description

レーザ加工装置

　この発明は、レーザ発振器から出射されたレーザ光を集光照射して被加工材を加工するレーザ加工装置に関するものである。

　従来から、レーザ発振器から出射されたレーザ光を用いて被加工材を加工するレーザ加工装置は良く知られている（たとえば、特許文献１参照）。
　図７は特許文献１に記載された従来のレーザ加工装置の光路構成を概略的に示すブロック構成図である。

　図７において、レーザ発振器１から発生したレーザ光Ｌは、伝送光学系を介して加工ヘッド４内の加工レンズ（図示せず）に伝送され、加工テーブル２上に載置された被加工材（図示せず）に集光照射される。

　加工テーブル２および加工ヘッド４は、少なくとも一軸方向に移動可能な移動手段５を有しており、レーザ光Ｌと被加工材との相対位置を所望方向に移動するとともに、所望位置に位置決めすることが可能になっている。
　この場合、移動手段５は、加工テーブル２をＸ軸方向に移動させ、加工ヘッド４をＹ軸方向に移動させるように構成されている。

　レーザ光Ｌの伝送光学系は、レーザ発振器１からのレーザ光Ｌが入射される反射型ビームエキスパンダ機構１０６と、反射型ビームエキスパンダ機構１０６から出射されるレーザ光Ｌを加工ヘッド４に導入する折り返しミラー８と、を備えている。

　反射型ビームエキスパンダ機構１０６は、レーザ発振器１からのレーザ光Ｌが入射される折り返しミラー６８と、折り返しミラー６８で反射されたレーザ光Ｌが入射される球面凸ミラー６３と、球面凸ミラー６３で反射されたレーザ光Ｌが入射される球面凹ミラー６５と、により構成されている。

　反射型ビームエキスパンダ機構１０６は、レーザ発振器１から発生するレーザ光Ｌの発散角の違いに起因することなく、レーザ光Ｌのビーム径を所望の倍率に拡大し、加工テーブル２上の加工点で適切な集光径を維持する。

　一般的に、球面凸ミラー６３および球面凹ミラー６５などの球面ミラーによる反射光には、入射角に応じた非点収差が発生することが知られている。特に、レーザ加工装置において、レーザ光Ｌに非点収差が発生した場合には、加工点において集光性の低下やビーム形状の異方性が発生する。

　このように、加工ヘッド４が移動する形式のレーザ加工装置においては、被加工材の加工点での適切な集光径を維持するために、レーザ光Ｌを拡大しかつ平行化するための反射型ビームエキスパンダ機構１０６が光路中に設けられているが、反射型ビームエキスパンダ機構１０６内で球面ミラーを用いる際には、非点収差の発生を抑制するために、球面ミラーに対する入射角を鋭角に制限する必要がある。

　したがって、レーザ加工装置の伝送光学系に球面ミラーを用いる場合には、非点収差によって加工品質の劣化や加工に異方性が発生するのを回避するために、非点収差が加工品質に影響を与えないように、球面ミラーに対するレーザ光Ｌの入射角を鋭角に制限する必要がある。
　一般に、球面ミラーに対する入射角を鋭角（望ましくは、１５°以内）に設定すれば、非点収差による加工品質の低下は無視できることが知られている。

　そこで、図７（特許文献１）においては、反射型ビームエキスパンダ機構１０６内の折り返しミラー６８によって、各球面ミラー（球面凸ミラー６３、球面凹ミラー６５）に対するレーザ光Ｌの入射角を鋭角に制限している。

　しかしながら、球面ミラーに対する入射角を制限するための折り返しミラー６８を設けることによって光路が複雑化するうえ、厳密には非点収差の発生を抑制することはできない。また、複雑化された光路中の光学素子がレーザ光を吸収することによって熱レンズ効果が発生するので、光学素子の増加が加工の不安定性の要因となっていた。

特開平５－３０５４７３号公報

　従来のレーザ加工装置は、伝送光学系として、球面ミラーを有する反射型ビームエキスパンダ機構を用いた場合には、特許文献１のように、球面ミラーに対する入射角を制限するための折り返しミラーを設けているが、光路構成が複雑化するうえ、非点収差の発生を十分に抑制することができないという課題があった。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、光路構成が特に複雑でない反射型ビームエキスパンダ機構を用いて、ビーム発散角を十分に抑制するとともに、無収差でかつ所望ビーム径のレーザ光を被加工材に照射することのできるレーザ加工装置を得ることを目的とする。

　この発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ発振器と、被加工材が載置された加工テーブルと、レーザ発振器から出射されたレーザ光を加工テーブルまで伝送する伝送光学系と、伝送光学系を介して伝送されたレーザ光を被加工材に集光照射する加工ヘッドと、被加工材に照射されるレーザ光と被加工材との相対位置を変化させる移動手段と、からなるレーザ加工装置であって、伝送光学系は、レーザ発振器からのレーザ光を平行化しかつ拡大する反射型ビームエキスパンダ機構と、球面可変曲率ミラーと、を備え、反射型ビームエキスパンダ機構は、球面ミラーと、直交する２軸の曲率が異なるミラーと、を含み、球面ミラーと、直交する２軸の曲率が異なるミラーの間に球面可変曲率ミラーが配置されることを特徴とするものである。

　この発明によれば、伝送光学系を構成する反射型ビームエキスパンダ機構において、直交する２軸の曲率が異なるミラーを用いることにより、特に複雑な構成の伝送光学系を用いることなく、ビーム発散角を十分に抑制するとともに、無収差でかつ所望ビーム径のレーザ光を被加工材に照射することができる。

この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の光路構成を概略的に示すブロック構成図である。この発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置の光路構成を概略的に示すブロック構成図である。この発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置の光路構成を概略的に示すブロック構成図である。この発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置の要部を概略的に示すブロック構成図である。この発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置の要部を概略的に示すブロック構成図である。この発明の実施の形態６に係るレーザ加工装置の要部を概略的に示すブロック構成図である。従来のレーザ加工装置の光路構成を概略的に示すブロック構成図である。この発明の実施の形態７に係るミラー調整機構を概略的に示す構成図である。

　実施の形態１．
　図１はこの発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の光路構成を概略的に示すブロック構成図である。
　図１において、この発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置は、レーザ光Ｌを出射するレーザ発振器１と、被加工材（図示せず）が載置された加工テーブル２と、反射型ビームエキスパンダ機構６および折り返しミラー８からなる伝送光学系と、伝送光学系を介したレーザ光Ｌを被加工材に照射する加工ヘッド４と、を備えている。

　レーザ発振器１から出射されたレーザ光Ｌは、伝送光学系内に設置された反射型ビームエキスパンダ機構６により平行化しかつ拡大化された後、折り返しミラー８によって加工ヘッド４に導かれ、加工ヘッド４内の加工レンズ（図示せず）によって集光された後、加工テーブル２上の被加工材に照射される。

　加工テーブル２および加工ヘッド４には、それぞれを実線位置から破線位置２’、４’までの範囲内で水平方向に移動させる移動手段５が設けられている。
　移動手段５は、制御手段（図示せず）の制御下で、加工テーブル２をＸ軸（点線矢印）方向に移動させるとともに、加工ヘッド４をＹ軸（点線矢印）方向に移動させることにより、レーザ光Ｌと被加工材との相対位置を変化させ、所望の加工対象位置への加工を可能にする。

　なお、図１においては、レーザ光Ｌと被加工材との相対位置を調整するために、加工テーブル２と加工ヘッド４との相対位置を変化させる移動手段５を用いているが、加工ヘッド４のみを駆動する移動手段を用いてもよい。

　反射型ビームエキスパンダ機構６は、直交する２軸の曲率が互いに異なるミラーを少なくとも１つ有している。
　図１において、反射型ビームエキスパンダ機構６は、レーザ発振器１からのレーザ光Ｌを反射する球面凸ミラー６３と、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２と、により構成されている。

　凹ミラー６２は、直交する２軸に対して異なる曲率を有しており、球面凸ミラー６３で反射されたレーザ光Ｌをさらに反射して、加工テーブル２側の折り返しミラー８に入射させる。

　なお、ここでは、反射型ビームエキスパンダ機構６において、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２と、球面凸ミラー６３とを用いたが、直交する２軸の曲率が異なる凸ミラーと、球面凹ミラーとを用いてもよい。
　また、凹ミラー６２と、球面凸ミラー６３との配置順序は、図１の構成に限定されることはなく、各ミラー配置順序を逆に設定してもよい。

　レーザ光Ｌのビーム径を平行化しかつ拡大化する反射型ビームエキスパンダ機構として最も簡単なものは、球面凸ミラーおよび球面凹ミラーを用いることが考えられるが、前述のように、球面ミラーによる反射光には入射角に応じた非点収差が発生し、非点収差によるビーム形状の異方性や集光性の低下によって加工品質が大幅に劣化する。

　一方、この発明の実施の形態１では、反射型ビームエキスパンダ機構６において、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２を用いており、凹ミラー６２による２軸の曲率は、反射光に収差が発生しないよう設計されている。

　この結果、レーザ光Ｌの入射角の制限が無いので、凹ミラー６２を、折り返しミラーとして扱う光路設計が可能になり、球面凸ミラー６３への入射角を制限するのみならず、非点収差を発生すること無く、ビーム径を拡大しかつ平行化することができる。

　以上のように、この発明の実施の形態１（図１）に係るレーザ加工装置は、レーザ光Ｌを出射するレーザ発振器１と、被加工材が載置された加工テーブル２と、レーザ発振器１から出射されたレーザ光Ｌを加工テーブル２まで伝送する伝送光学系と、伝送光学系を介して伝送されたレーザ光Ｌを被加工材に集光照射する加工ヘッド４と、被加工材に照射されるレーザ光Ｌと被加工材との相対位置を変化させる移動手段５と、を備えている。

　伝送光学系は、レーザ発振器１からのレーザ光Ｌを平行化しかつ拡大する反射型ビームエキスパンダ機構６を備えており、反射型ビームエキスパンダ機構６は、直交する２軸の曲率が異なるミラーを含む。
　反射型ビームエキスパンダ機構６は、球面凸ミラー６３と、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２と、を含む。または、反射型ビームエキスパンダ機構６は、球面凹ミラーと、直交する２軸の曲率が異なる凸ミラーと、を含む。

　このように、レーザ光Ｌを拡大しかつ平行化する反射型ビームエキスパンダ機構６に、反射時に収差の発生を抑制するように、曲率が設計された直交する２軸の曲率が異なるミラーを用いることにより、光路構成が特に複雑でない反射型ビームエキスパンダ機構６を用いて、ビーム発散角を十分に抑制するとともに、無収差でかつ所望ビーム径のレーザ光Ｌを被加工材に照射することができる。

　また、直交する２軸の曲率が異なるミラーに対するレーザ光Ｌの入射角が制限されないので、光路設計の自由度が広がるうえ、光学系が簡便になる。
　さらに、従来装置（図７）のような球面ミラーに対する入射角を制限するための折り返しミラー６８を除去することができ、伝送光学系内の光学素子を削減して光学構造が簡略化されるので、光学素子の熱レンズ効果による影響も削減され、長時間にわたり安定な加工が可能となる。

　なお、図１では、反射時に収差の発生を抑制するために、球面凸ミラー６３に対するレーザ光Ｌの入射角を鋭角に制限したが、凹ミラー６２の反射時に発生する非点収差と、球面ミラー６３への入射角に応じて発生する反射光の非点収差とを補償するように、凹ミラー６２の曲率を設計すれば、球面凸ミラー６３に対するレーザ光Ｌの入射角が鋭角に制限されることはない。

　実施の形態２．
　なお、上記実施の形態１（図１）では、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２と、球面凸ミラー６３とからなる反射型ビームエキスパンダ機構６を用いたが、図２のように、直交する２軸の曲率が異なる凸ミラー６１と、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２とからなる反射型ビームエキスパンダ機構６Ａを用いてもよい。

　図２はこの発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置の光路構成を概略的に示すブロック構成図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
　図２において、反射型ビームエキスパンダ機構６Ａは、直交する２軸の曲率が異なる凸ミラー６１と、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２と、により構成されている。

　前述（図１）の反射型ビームエキスパンダ機構６では、直交する２軸の曲率が異なるミラーを１つのみ用いたが、この発明の実施の形態２（図２）の反射型ビームエキスパンダ機構６Ａでは、直交する２軸の曲率が異なるミラーを２つ（凸ミラー６１および凹ミラー６２）用いている。

　このように、反射型ビームエキスパンダ機構６Ａにおいて、直交する２軸の曲率が異なるミラーを２枚用いることにより、反射型ビームエキスパンダ機構６Ａ内のミラーに対するレーザ光Ｌの入射角の制限が無くなるので、光路設計の自由度が広がるとともに、入射角を制限するための折り返しミラー６８が不要になるので、熱レンズ効果の影響が減少して、加工精度が安定化する。

　また、伝送光学系中のすべてのミラーを折り返しミラーとして利用することができるので、加工テーブル２側の折り返しミラー８が不要となり、伝送光学系をさらに簡素化することができる。
　また、光学素子の熱レンズ効果による影響もさらに削減されるので、長時間にわたり安定な加工が可能となる。

　実施の形態３．
　なお、上記実施の形態１、２（図１、図２）では、Ｘ軸方向に移動可能な加工テーブル２を用いたが、図３のように、移動しない加工テーブル２Ａを用いてもよい。
　図３はこの発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置の光路構成を概略的に示すブロック構成図であり、前述（図１、図２参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

　図３において、加工テーブル２Ａ上の加工ヘッド４には、加工ヘッド４を実線位置から破線位置４’までの範囲内でＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させる移動手段５Ａが設けられている。
　また、レーザ光Ｌの伝送光学系において、反射型ビームエキスパンダ機構６Ａと、加工テーブル２Ａ側の折り返しミラー８との間に、光路長一定機構７が挿入されている。

　この場合、加工テーブル２Ａは、前述の加工テーブル２よりも大きく、広い加工領域を有しており、加工テーブル２Ａを駆動することは効率的ではないので、移動手段５Ａは、レーザ光Ｌと被加工材との相対位置を、加工ヘッド４の駆動のみで変化させている。
　なお、加工ヘッド４のＹ軸方向への移動時には、折り返しミラー２８も実線位置から破線位置２８’までの範囲内で移動させる。

　また、このままでは、レーザ光Ｌがレーザ発振器１から加工ヘッド４に達するまでの光路長が、加工テーブル２Ａ上の加工位置によって大きく異なることから、被加工材への照射ビームの集光径に誤差が生じるので、光路長の変動分を相殺して一定に補償するための光路長一定機構７が設けられている。

　光路長一定機構７は、入射光と出射光との進行方向が互いに逆向きかつ平行関係になるように、複数のミラーで構成されたミラー群７８を備えている。
　また、光路長一定機構７は、ミラー群７８を実線位置から破線位置７８’までの範囲内で平行移動させる移動機構７９と、を備えている。

　移動機構７９は、制御手段（図示せず）の制御下で、加工ヘッド４の移動にともなう光路長変化を相殺するようにミラー群７８の位置を移動させることにより、レーザ光Ｌの光路長を常に一定値に調整している。

　なお、図３においては、レーザ光Ｌと被加工材との相対位置を、加工ヘッド４の移動のみで変化させる加工テーブル２Ａに対して光路長一定機構７を用いたが、前述（図１、図２）のように、加工ヘッド４と加工テーブル２の両方を移動させる構成であっても、光路長一定機構７を適用することができる。

　また、前述の実施の形態２（図２）による反射型ビームエキスパンダ機構６Ａを用いた場合を示したが、前述の実施の形態１（図１）による反射型ビームエキスパンダ機構６を用いた場合であっても、同様に適用可能である。

　反射型ビームエキスパンダ機構６Ａから出射されるレーザ光Ｌは、平行化されているので、加工テーブル２Ａ上の被加工材に照射されるレーザ光Ｌの集光径は、理想的には光路長変化に対しても不変となる。しかし、厳密には完全に発散角を抑制することは不可能なので、光路長の増加にともなう集光径の拡大変化を完全に回避することはできない。

　これに対し、図３のように光路長一定機構７を挿入することにより、光路長が長くなる大型の加工テーブル２Ａを用いたレーザ加工装置であっても、加工テーブル２Ａ上で一定の集光径を維持することができ、加工品質の維持が可能となる。

　以上のように、この発明の実施の形態３（図３）による伝送光学系は、光路長一定機構７を備えており、光路長一定機構７は、複数のミラーで構成されたミラー群７８と、ミラー群７８を平行移動させる移動機構７９と、により構成されており、ミラー群７８を構成する複数のミラーは、ミラー群７８に対する入射光と、ミラー群７８からの出射光との進行方向が、互いに逆向きかつ平行関係になるように配置されている。

　また、移動機構７９は、被加工材に照射されるレーザ光Ｌと被加工材との相対位置の変化を相殺して、被加工材に照射されるレーザ光Ｌの光路長が一定に維持されるように、ミラー群７８を、入射光および出射光の進行方向に対して平行に移動させる。
　このように、光路長一定機構７を有することにより、レーザ光Ｌと被加工材との相対位置に依存することなく、被加工材に照射されるレーザ光Ｌの集光径を維持することができるので、高品質な加工を維持することができる。

　実施の形態４．
　なお、上記実施の形態３（図３）では、直交する２軸の曲率が異なる凸ミラー６１と、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２とからなる反射型ビームエキスパンダ機構６Ａを用いたが、図４のように、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２と、球面凸ミラー６３と、球面可変曲率ミラー６７と、折り返しミラー６８とからなる反射型ビームエキスパンダ機構６Ｂを用いてもよい。

　図４はこの発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置の要部を概略的に示すブロック構成図であり、前述（図１～図３参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

　図４において、この発明の実施の形態４による反射型ビームエキスパンダ機構６Ｂは、伝送光学系として、レーザ発振器１からのレーザ光Ｌを反射する球面可変曲率ミラー６７と、球面可変曲率ミラー６７で反射されたレーザ光Ｌを反射する折り返しミラー６８と、折り返しミラー６８で反射されたレーザ光Ｌを反射する凸ミラー６１および凹ミラー６２と、を備えている。凸ミラー６１および凹ミラー６２は、それぞれ、直交する２軸の曲率が異なっている。

　直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２は、直交する２軸の曲率が異なる凸ミラー６３で反射されたレーザ光Ｌを反射して、光路長一定機構７に導入する。
　なお、球面可変曲率ミラー６７と、折り返しミラー６８との配置順序は、図４の構成に限定されることはなく、各ミラー配置順序を逆に設定してもよい。

　折り返しミラー６８は、球面可変曲率ミラー６７で反射されたレーザ光Ｌに発生する非点収差を、加工品質に影響を与えない範囲に抑制するために、球面可変曲率ミラー６７に対するレーザ光Ｌの入射角を制限可能にしている。

　前述（図１～図３）の実施の形態１～３では、被加工材上の加工点におけるレーザ光Ｌの集光径が一定であるが、図４のように、反射型ビームエキスパンダ機構６Ｂ内に球面可変曲率ミラー６７を設けることにより、レーザ光の集光径を変更可能となる。

　一般に、ピアス加工などの穴あけ加工においては、加工中に集光径を適切に変更することにより、集光径が一定の場合よりも高速加工が可能になる。
　また、コーナ部の加工などにおいては、被加工材に熱が溜まりやすく、切断面が荒れる場合があるが、加工中に集光径を変更して、被加工材に対するレーザ光の照射範囲を変化させることにより、高品質かつ高精度の加工が可能となる。

　以上のように、この発明の実施の形態４（図４）による伝送光学系は、球面可変曲率ミラー６７を備えており、被加工材に照射されるレーザ光Ｌの集光径を変更することが可能になるので、加工の高速化および高品位化を実現することができる。

　実施の形態５．
　なお、上記実施の形態４（図４）では、折り返しミラー６８を有する反射型ビームエキスパンダ機構６Ｂを用いたが、図５のように、折り返しミラー６８を不要とした反射型ビームエキスパンダ機構６Ｃを用いてもよい。

　図５はこの発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置の要部を概略的に示すブロック構成図であり、前述（図４参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

　図５において、この発明の実施の形態５による反射型ビームエキスパンダ機構６Ｃは、伝送光学系として、レーザ発振器１からのレーザ光Ｌを反射する球面凸ミラー６３と、球面凸ミラー６３で反射されたレーザ光Ｌを反射する球面可変曲率ミラー６７と、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２と、を備えている。

　球面凸ミラー６３および球面可変曲率ミラー６７は、それぞれ、入射されたレーザ光Ｌが反対方向に出射されるように、ほぼ対向配置されている。
　凹ミラー６２は、球面可変曲率ミラー６７で反射されたレーザ光Ｌを反射して、光路長一定機構７側に導いている。

　前述（図４）の反射型ビームエキスパンダ機構６Ｂは、非点収差を抑制するために、球面可変曲率ミラー６７に対する入射角を制限するための折り返しミラー６８を必要としたが、図５の反射型ビームエキスパンダ機構６Ｃは、球面可変曲率ミラー６７の入射側に球面凸ミラー６３が配置され、球面可変曲率ミラー６７と球面凸ミラー６３とが対向配置されているので、折り返しミラー６８を不要とすることができる。

　すなわち、図５の反射型ビームエキスパンダ機構６Ｃを用いることにより、折り返しミラー６８を不要として、球面可変曲率ミラー６７および球面凸ミラー６３に対するレーザ光Ｌの入射角を、非点収差が加工品質に影響を与えない範囲に制限することができる。

　また、伝送光学系の簡略化により、光学素子の熱レンズの影響が小さくなることから、安定な加工を実現することができ、かつ伝送光学系も簡素になることから、光路設計の自由度を拡大させることができる。

　以上のように、この発明の実施の形態５（図５）による反射型ビームエキスパンダ機構６Ｃは、球面可変曲率ミラー６７と、球面凸ミラー６３（球面ミラー）とを含み、球面可変曲率ミラー６７は、反射型ビームエキスパンダ機構６Ｃ内において、球面凸ミラー６３と対向配置されている。

　これにより、前述と同様に加工精度が向上するとともに、球面凸ミラー６３と球面可変曲率ミラー６７とを向かい合わせに配置することにより、各ミラーに対するレーザ光Ｌの入射角を鋭角に制限するための折り返しミラー６８が不要になるので、光路の簡素化、熱レンズ効果の減少による加工の安定化が可能になる。

　実施の形態６．
　なお、上記実施の形態５（図５）では、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２と、球面可変曲率ミラー６７とを有する反射型ビームエキスパンダ機構６Ｃを用いたが、図６のように、直交する２軸の曲率を変更可能な可変曲率ミラー６４を有する反射型ビームエキスパンダ機構６Ｄを用いてもよい。

　図６はこの発明の実施の形態６に係るレーザ加工装置の要部を概略的に示すブロック構成図であり、前述（図５参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

　図６において、この発明の実施の形態６による反射型ビームエキスパンダ機構６Ｄは、伝送光学系として、レーザ発振器１からのレーザ光Ｌを反射する球面凸ミラー６３と、直交する２軸の曲率を変更可能な可変曲率ミラー６４と、を備えている。

　直交する２軸の曲率を変更可能な可変曲率ミラー６４は、前述（図５）の直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２と、球面可変曲率ミラー６７との両方機能を代用しており、球面凸ミラー６３で反射されたレーザ光Ｌを反射して、光路長一定機構７側に導いている。

　図６の反射型ビームエキスパンダ機構６Ｄを用いることにより、伝送光学系が簡素になり、光学素子の枚数が削減されるので、熱レンズの影響をさらに小さくすることができるうえ、安定な加工を実現することができる。また、伝送光学系が簡素になることから、光路設計の自由度を拡大させることができる。

　以上のように、この発明の実施の形態６（図６）による反射型ビームエキスパンダ機構６Ｄは、直交する２軸の曲率を変更可能な可変曲率ミラー６４を備えており、可変曲率ミラー６４により、前述の直交する２軸の曲率が異なるミラーと、球面可変曲率ミラーとの両方を、単一の光学素子としてまとめることができる。
　したがって、光学素子を削減することができ、光路の簡素化および熱レンズ効果の減少による加工精度の安定化を実現することができる。

　実施の形態７．
　なお、上記実施の形態１から６（図１から図６）の、直交する２軸の曲率が異なる凸ミラー６１と、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラー６２を、図８のミラー調整機構９０に設置してもよい。

　図８においてミラー調整機構９０は水平方向調整ネジ９１と、垂直方向調整ネジ９２と、回転方向調整ネジ９３とにより、固定したミラーを、水平方向と、垂直方向に移動可能で、ミラー中心を中心としてミラー平面内で回転可能な機構を備えている。

　直交する二軸の曲率が異なる凸ミラー６１、凹ミラー６２は、球面の加工精度上の問題から、ミラー端付近の曲率の精度が低いためレーザ光Ｌを中心付近に照射することが望ましい。しかし伝送光学系や発振器の熱負荷、温度や湿度等の周辺環境の変化によってレーザ光Ｌのパスラインが変化する。

　また、レーザ光Ｌの入射面と、曲率を設計した軸がずれた場合、ビーム形状が回転した楕円形状になり、加工品質が低下する。

　図８のミラー調整機構９０により、レーザ光Ｌのパスラインが変化した場合にも、レーザ光Ｌを、直交する二軸の曲率が異なる凸ミラー６１、凹ミラー６２の中心に照射し、ビーム形状の歪み無くレーザ光伝送が可能になる。なお本実施の形態ではミラー調整機構９０は、水平方向調整ネジ９１と、垂直方向調整ネジ９２と、回転方向調整ネジ９３で調整を行う機構だが、ネジの代わりに圧電素子を用いても良い。

Claims

　レーザ光を出射するレーザ発振器と、
　被加工材が載置された加工テーブルと、
　前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を前記加工テーブルまで伝送する伝送光学系と、
　前記伝送光学系を介して伝送されたレーザ光を前記被加工材に集光照射する加工ヘッドと、
　前記被加工材に照射されるレーザ光と前記被加工材との相対位置を変化させる移動手段と、
　からなるレーザ加工装置であって、
　前記伝送光学系は、前記レーザ発振器からのレーザ光を平行化しかつ拡大する反射型ビームエキスパンダ機構と、球面可変曲率ミラーと、を備え、
　前記反射型ビームエキスパンダ機構は、球面ミラーと、直交する２軸の曲率が異なるミラーとを含み、
　前記球面可変曲率ミラーは、前記球面ミラーと、前記直交する２軸の曲率が異なるミラーの間に配置されることを特徴とするレーザ加工装置。
　前記反射型ビームエキスパンダ機構は、球面凸ミラーと、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラーと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
　前記反射型ビームエキスパンダ機構は、球面凹ミラーと、直交する２軸の曲率が異なる凸ミラーと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
　前記反射型ビームエキスパンダ機構は、直交する２軸の曲率が異なる凸ミラーと、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラーと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
　前記伝送光学系は、光路長一定機構を備え、
　前記光路長一定機構は、複数のミラーで構成されたミラー群と、前記ミラー群を平行移動させる移動機構と、を含み、
　前記ミラー群を構成する複数のミラーは、前記ミラー群に対する入射光と、前記ミラー群からの出射光との進行方向が、互いに逆向きかつ平行関係になるように配置され、
　前記移動機構は、前記被加工材に照射されるレーザ光と前記被加工材との相対位置の変化を相殺して、前記被加工材に照射されるレーザ光の光路長が一定に維持されるように、前記ミラー群を、前記入射光および前記出射光の進行方向に対して平行に移動させることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
　前記反射型ビームエキスパンダ機構内において、前記球面可変曲率ミラーが前記球面ミラーと対向配置されたことを特徴とする請求項１から請求項３と請求項５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
　前記反射型ビームエキスパンダ機構は、直交する２軸の曲率を変更可能な可変曲率ミラーを含むことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
　前記反射型ビームエキスパンダ機構は、球面凸ミラーと、直交する２軸の曲率が異なる凹ミラーで構成され、前記球面凸ミラーと前記球面可変曲率ミラーが対向配置され、前記球面可変曲率ミラーと、前記直交する２軸の曲率が異なる凹ミラーが対向配置されることを特徴とする請求項１と請求項２と請求項５と請求項６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
　垂直方向と、水平方向と、ミラー中心を中心軸とした回転方向に調整可能な機構を備えたミラー調整機構に、前記直交する２軸の曲率が異なる凹ミラーと、直交する２軸の曲率が異なる凸ミラーを設置することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のレーザ加工装置。