WO2024084750A1 - レーザ旋回装置、レーザ加工装置および加工方法 - Google Patents

レーザ旋回装置、レーザ加工装置および加工方法 Download PDF

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WO2024084750A1
WO2024084750A1 PCT/JP2023/025437 JP2023025437W WO2024084750A1 WO 2024084750 A1 WO2024084750 A1 WO 2024084750A1 JP 2023025437 W JP2023025437 W JP 2023025437W WO 2024084750 A1 WO2024084750 A1 WO 2024084750A1
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laser
prism
wedge prism
laser light
optical axis
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PCT/JP2023/025437
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French (fr)
Inventor
真之 呉屋
竜一 成田
Original Assignee
三菱重工業株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head

Definitions

  • This disclosure relates to a processing device that performs processing by irradiating a workpiece with laser light (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), and in particular to an optical system that is suitable for use in a laser processing device.
  • laser light Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
  • Patent Documents 1 and 2 disclose drilling holes in an object while tracing a circular trajectory with a laser beam.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose a Dove prism.
  • a wedge prism is used to rotate the laser light so that it traces a circular path.
  • a wedge prism is used to control the angle of incidence of the laser light on the Dove prism.
  • the wedge prism is a prism in which one surface is inclined at a small angle relative to the other surface, and it can deflect the light by a small angle.
  • the diameter of the circular trajectory of the laser light is controlled by the angle of incidence of the laser light on the Dove prism.
  • a Dove prism is characterized by the fact that the laser light rotates twice while the Dove prism itself rotates once, making it suitable for high-speed rotation.
  • the angle of incidence is controlled by tilting a wedge prism around its diameter.
  • tilting the wedge prism results in a large change in the diameter of the trajectory in response to variations in the angle of tilt. For this reason, it is necessary to control the angle of incidence in a very small range of, for example, less than 1 degree with good reproducibility, but with conventional configurations it is difficult to control the diameter of the circular trajectory with good reproducibility.
  • the present disclosure aims to provide a laser processing device that can easily control the minute angle of incidence of the laser light on the tab prism and can control the diameter of the circular trajectory of the laser light with good reproducibility.
  • the disclosed laser rotation device for rotating the incident laser light includes a first wedge prism that refracts the incident laser light about the optical axis, a Dove prism that rotates the laser light that has passed through the first prism about the optical axis, a first wedge rotation mechanism that rotates the first wedge prism about the optical axis, and a Dove rotation mechanism that rotates the Dove prism about the optical axis.
  • the laser processing apparatus includes a laser oscillator that outputs laser light, and an irradiation head that rotates the laser light and irradiates it toward an object to be processed.
  • the irradiation head includes a laser turning unit that turns the laser light relative to the workpiece, and a focusing optical system that focuses the laser light turned by the laser turning unit.
  • the laser turning unit includes a first wedge prism that refracts the incident laser light relative to the optical axis, a Dove prism that rotates the laser light that has passed through the first wedge prism around the optical axis, a first wedge prism rotation mechanism that rotates the first wedge prism around the optical axis, and a Dove prism rotation mechanism that rotates the Dove prism around the optical axis.
  • the Dove prism is continuously rotated by the Dove prism rotation mechanism while the workpiece is being processed.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser processing apparatus according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the rotation of laser light.
  • 13 is a diagram showing an example of correlation information in which the relative angle ⁇ (degrees) of the first wedge prism 41 is associated with the turning radius R.
  • FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration of a laser processing apparatus according to a second embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration of a laser processing apparatus according to a third embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration of a laser processing apparatus according to a fourth embodiment.
  • the laser processing device 1 includes a laser oscillator 10 that outputs laser light, and an irradiation head 20 that rotates the laser light output from the laser oscillator 10 and irradiates the laser light toward a workpiece W.
  • the laser processing device 1 also includes a controller 100 that controls the operations of the laser oscillator 10 and the irradiation head 20.
  • an optical fiber is provided as a guide optical system 15 that guides the laser output from the laser oscillator 10 to the irradiation head 20.
  • One end of this guide optical system 15 is connected to the laser emission port of the laser oscillator 10, and the other end is connected to the laser entrance end of the irradiation head 20.
  • the laser oscillator 10 is a device that outputs laser light LB, and may be, for example, a fiber laser output device that outputs laser light LB using an optical fiber as a medium, or a short pulse laser output device that outputs short pulse laser light LB.
  • a fiber laser output device for example, a Fabry-Perot type fiber laser output device or a ring type fiber laser output device can be used, and these output devices are excited to oscillate the laser light LB.
  • the fiber of the fiber laser output device for example, silica glass doped with a rare earth metal element such as erbium (Er), neodymium (Nd), or ytterbium (Yb) can be used.
  • a titanium sapphire laser can be used as an oscillation source of the laser light LB, and can oscillate a pulse having a pulse width of 100 picoseconds or less.
  • Laser light LB that oscillates in nanosecond order pulses such as a YAG laser (yttrium aluminum garnet) or a YVO4 laser, can also be used.
  • the irradiation head 20 includes a collimating optical system 30, a laser turning unit 40, a collecting optical system 50, and an imaging camera 60. These elements of the irradiation head 20 are arranged in the optical path of the laser light LB output from the guide optical system 15 in the order of the collimating optical system 30, the laser turning unit 40, and the collecting optical system 50, from the upstream side to the downstream side.
  • the irradiation head 20 irradiates the laser light LB output from the guide optical system 15 toward a workpiece W, which is not shown in FIG.
  • the collimating optical system 30 is disposed opposite to the end surface of the guide optical system 15 from which the laser light LB is emitted. That is, the collimating optical system 30 is disposed between the guide optical system 15 and the laser turning unit 40.
  • the collimating optical system 30 includes a plurality of collimating lenses, and collimates the laser light LB output from the guide optical system 15 and emits it toward the laser turning unit 40 via the first reflecting mirror 35.
  • the collimated light is a light beam in which all light rays are parallel to all other light rays.
  • the first reflecting mirror 35 is a metal mirror having excellent thermal conductivity, such as copper (Cu) or aluminum (Al).
  • the reflecting surface of the metal mirror can be coated with gold (Au) or a dielectric multilayer film.
  • the optical system is shown by a rectangular dashed line, with the lenses omitted.
  • the laser turning unit 40 rotates the laser light LB around the optical axis OA which is the center of the laser beam LB, and turns the irradiated laser on the workpiece W, that is, the irradiation position IP of the laser light LB, as shown in Fig. 2.
  • the turning radius R is the distance from the optical axis OA to the irradiation position IP of the laser light LB irradiated to the workpiece W, as shown in Fig. 2, and refers to the radius of turning of the laser light LB irradiated to the workpiece W around the optical axis OA.
  • the laser turning unit 40 has a first wedge prism 41 , a Dove prism 46 , a first wedge prism rotating mechanism 42 , and a Dove prism rotating mechanism 47 .
  • the first wedge prism 41 refracts the laser beam LB and tilts it with respect to the optical axis OA.
  • the swirl diameter R can be changed by rotating the first wedge prism 41 about its optical axis OA.
  • the swirl diameter R required for processing the workpiece W can be obtained by controlling the rotation angle (relative angle) of the wedge prism 41 about the optical axis OA.
  • the first wedge prism 41 has an entrance surface 41A where the laser light LB is incident, and an exit surface 41B where the laser light LB is emitted.
  • the entrance surface 41A is a flat surface that is perpendicular to the optical axis OA or slightly inclined. If the entrance surface 41A is inclined, the inclination with respect to the optical axis OA is, for example, less than 1°. In other words, when the laser light LB output from the guiding optical system 15 is incident on the entrance surface 41A, the laser light LB reflected on the entrance surface 41A can be shifted from the optical axis OA. This allows the first wedge prism 41 to reduce the amount of laser reflected from the entrance surface 41A toward the guiding optical system 15, and to reduce the amount of laser reflected toward the exit of the laser oscillator 10.
  • the exit surface 41B is a flat surface with an inclination that refracts the emitted laser light LB. This allows the first wedge prism 41 to incline the laser light LB output from the guide optical system 15 with respect to the optical axis OA.
  • the first wedge prism rotation mechanism 42 holds the first wedge prism 41 and rotates it about the optical axis OA.
  • the first wedge prism rotation mechanism 42 includes a hollow motor having a hollow rotor that holds the first wedge prism 41 and a hollow stator disposed opposite the hollow rotor.
  • the first wedge prism rotation mechanism 42 may also have a hollow spindle interposed between it and the first wedge prism 41. The above also applies to the second wedge prism rotation mechanism 44.
  • the first wedge prism rotation mechanism 42 can also be equipped with an encoder that detects the relative position and number of rotations between the rotating part (hollow rotor) and the fixed part (hollow stator).
  • the encoder has an identifier fixed to the rotating part, and a detection part fixed to the fixed part and detecting the identifier.
  • the encoder can detect the relative position (angle) of the rotating part by detecting the identifier with the detection part.
  • the encoder outputs information on the detected number of rotations and rotation position (phase angle) of the rotating part to the control device.
  • the encoder it is preferable to use, for example, a detection device that detects the rotation position (phase angle) with a resolution of one thousandth of a degree (0.001 degrees or less).
  • a similar encoder can also be provided for the Dove prism rotation mechanism 47.
  • Dove prism 46 has a shape in which both ends of a square prism are cut obliquely, and its longitudinal section is an isosceles trapezoid, with the inclined surfaces at both ends being symmetrical with respect to a plane perpendicular to the optical axis OA of the incident light. Since the laser light LB passing through this Dove prism 46 is inverted before being emitted, when the incident light is rotated by a certain angle about the optical axis OA, the emitted light has the property of rotating around the optical axis OA by twice the rotation angle.
  • the Dove prism 46 has an entrance surface 46A on which the laser beam LB is incident and an exit surface 46B from which the laser beam LB is emitted.
  • the laser beam LB When the laser beam LB is incident on the entrance surface 46A of the Dove prism 46 at a specific angle, the laser beam LB can draw two concentric circles of the same diameter, i.e., the turning radius R, during one rotation of the Dove prism 46.
  • Dove prism rotation mechanism 47 holds the Dove prism 46 and rotates it about the optical axis OA. It is sufficient for the Dove prism rotation mechanism 47 to have a similar configuration to the first wedge prism rotation mechanism 42.
  • the focusing optical system 50 has a plurality of lenses (not shown) that focus the laser light LB emitted from the laser turning unit 40 to form the laser light LB with a predetermined focal length and focal depth.
  • the focusing optical system 50 irradiates the workpiece W with the laser light LB having a predetermined spot diameter.
  • the laser light LB output from the laser rotation unit 40 is reflected by the second reflecting mirror 37 and the third reflecting mirror 39.
  • the second reflecting mirror 37 is made of a half mirror.
  • the second reflecting mirror 37 reflects it toward the third reflecting mirror 39.
  • the laser light LB reflected by the third reflecting mirror 39 makes it possible to image the processed portion of the workpiece W with the imaging camera 60.
  • the imaging camera 60 is, for example, a camera having a CCD (Charge Coupled Device) image sensor, etc.
  • the imaging camera 60 captures an image of the irradiation position IP of the laser light LB, the turning radius R, etc., generates image data from the captured image, and outputs the image data to the controller 100.
  • the imaging camera 60 is disposed coaxially with the optical axis OA.
  • the controller 100 is connected to the laser oscillator 10 and the irradiation head 20, and controls the operation of each part.
  • the controller 100 controls various conditions of the laser output from the laser oscillator 10, and controls the operation of a moving mechanism of the irradiation head 20 (not shown) to adjust the position of the irradiation head 20 with respect to the workpiece W.
  • the controller 100 also detects and sets the allowable thickness of the heat-affected layer from the specifications (material, thickness, etc.) of the workpiece W and the processing conditions, and controls the swirl radius R of the laser light LB irradiated from the irradiation head 20 to the workpiece W.
  • the controller 100 holds correlation information that associates the relative angle ⁇ (degrees) of the first wedge prism 41 with the gyration diameter R in order to control the gyration diameter R.
  • FIG. 3 shows an example, in which the range of relative angles ⁇ from 0 degrees to 90 degrees is shown. As is clear from the correlation information shown in FIG. 3, by rotating the first wedge prism 41, any gyration diameter R can be precisely set.
  • STEP 2 Rotation of Dove Prism 46 After operating the first wedge prism 41 so that the relative angle is ⁇ n, the controller 100 rotates the Dove prism 46 by driving the Dove prism rotation mechanism 47 to rotate.
  • the above-described STEP 1 and STEP 2 provide the preconditions for machining a circular path having the required turning radius Rn.
  • STEP 2 is performed after STEP 1 has been described, but STEP 1 can also be performed after STEP 2, or STEP 1 and STEP 2 can also be performed simultaneously in parallel.
  • STEP 3 Output of laser light LB, processing of workpiece W
  • the controller 100 operates the laser oscillator 10 to output the laser light LB from the laser oscillator 10.
  • the laser light LB output from the laser oscillator 10 passes through the irradiation head 20 and is irradiated onto the workpiece W.
  • this laser light LB processes the workpiece W into a circular shape, for example cutting it, while rotating around the optical axis OA with a rotation radius Rn.
  • the irradiation head 20 and the workpiece W can be moved by a drive system (not shown).
  • the machining procedure described above is based on the premise that the turning radius Rn is constant during machining, but the turning radius Rn can be changed during machining, for example to turning radius R1, R2, R3.
  • turning radius R1, R2, R3 are input to the controller 100 in advance. Assuming machining is started with turning radius R1, the timing for changing from turning radius R1 to turning radius R2, and further, the timing for changing from turning radius R2 to turning radius R3 are also input to the controller 100.
  • the laser turning unit 40 of the laser processing device 1 places a first wedge prism 41 in front of the Dove prism 46 and controls the relative angle, i.e., the phase, of the first wedge prism 41 to control the incidence angle ⁇ of the laser light LB on the Dove prism 46. Therefore, compared to tilting the wedge prism 41 with respect to the optical axis OA, the incidence angle ⁇ of the laser light LB on the Dove prism 46 can be set with high accuracy.
  • a laser processing device 2 Refer to a second embodiment will be described. 4, in the laser processing apparatus 2, a second wedge prism 43 is provided between the first wedge prism 41 and the Dove prism 46. By providing the second wedge prism 43, the laser processing apparatus 2 can control the incidence angle ⁇ of the laser light LB to the Dove prism 46 with higher accuracy than the laser processing apparatus 1. Note that while the first wedge prism 41 can be rotated by a first wedge prism rotation mechanism 42, the second wedge prism 43 cannot be rotated around the optical axis OA and is fixed.
  • the second wedge prism 43 has an incident surface 43A onto which the laser beam LB is incident, and an exit surface 43B from which the laser beam LB is emitted.
  • the incident surface 43A is a flat surface having an inclination that refracts the laser light LB output from the first wedge prism 41. As a result, the second wedge prism 43 refracts the laser light LB refracted by the first wedge prism 41 again.
  • the exit surface 43B is a flat surface that is perpendicular to or slightly inclined with respect to the optical axis OA of the laser light LB refracted at the incident surface 43A.
  • the inclination with respect to the optical axis of the laser light LB refracted at the incident surface 43A is, for example, less than 1°.
  • the laser processing device 2 includes a second wedge prism 43 in addition to the first wedge prism 41.
  • the angle range controlled by each wedge prism can be halved compared to when only one set of wedge prisms is used for control. Therefore, according to the laser processing device 2, the incidence angle ⁇ of the laser light LB to the Dove prism 46 can be controlled with twice the accuracy of the first embodiment.
  • the laser processing device 3 is similar to the laser processing device 2 according to the second embodiment, except that a third wedge prism 44 is further provided opposite the first wedge prism 41 .
  • the third wedge prism 44 has the same specifications as the first wedge prism 41, including the ability to rotate, and refracts the laser light LB and emits it toward the first wedge prism 41 at an angle relative to the optical axis OA.
  • the angle of incidence ⁇ of the laser light LB from the laser processing device 3 into the Dove prism 46 is the sum of the angle of incidence ⁇ 1 from the first wedge prism 41 and the angle of incidence ⁇ 2 from the third wedge prism 44.
  • the laser processing device 3 achieves the following effects.
  • the incidence angle ⁇ of the laser beam LB from the laser processing device 3 to the Dove prism 46 is equal to the sum of the incidence angle ⁇ 1 from the first wedge prism 41 and the incidence angle ⁇ 2 from the third wedge prism 44. Therefore, according to the laser processing device 3, the swirl diameter R of the laser beam LB when processing the workpiece W can be increased.
  • the laser processing device 4 includes an aperture 33 between the collimating optical system 30 and the first wedge prism 41.
  • the basic configuration of the laser processing device 4 shown in FIG. 6 follows that of the laser processing device 2 as an example, but the aperture 33 can be provided in the laser processing device 1 or the laser processing device 3.
  • the aperture 33 has a front surface 33A and a rear surface 33B, and is provided with a light transmitting path 34 with a circular outer shape that penetrates the front surface 33A and the rear surface 33B.
  • An entrance 34A is provided on the front surface 33A side of the light transmitting path 34, and an exit 34B for the laser light LB is provided on the rear surface 33B side.
  • the opening diameter of the light transmitting path 34 of the aperture 33 is formed so that it continuously decreases from the entrance 34A to the exit 34B, and the light transmitting path 34 is surrounded by a tapered conical inclined surface.
  • Laser light LB is irradiated toward the entrance 34A of the aperture 33. If the beam diameter of the laser light LB is larger than the opening diameter of the entrance 34A, the edge of the laser light LB, i.e., the base of the beam energy profile, is irradiated to the front surface 33A, the edge of the entrance 34A, and is blocked by the aperture 33. If the beam diameter of the laser light LB is equal to or smaller than the opening diameter of the entrance 34A, it passes through the light transmission path 34. Note that the laser light LB irradiated to the front surface 33A is absorbed by the aperture 33, causing the temperature of the aperture 33 to rise, so it is preferable to provide a cooling structure such as water cooling for the aperture 33.
  • a cooling structure such as water cooling for the aperture 33.
  • the aperture 33 controls the beam diameter of the collimated light, which is the laser light LB output from the collimating optical system 30, and can suppress the laser light entering the downstream wedge prism or Dove prism from interfering with unnecessary portions.
  • the aperture 33 transmits energy equivalent to 99% of the laser light LB defined by the following formula (1), but blocks the peripheral portion of the beam equivalent to 1%. (1/ e2 : Gaussian beam diameter) ⁇ 1.5...Equation (1)
  • the laser processing apparatus 4 having the aperture 33 can prevent the temperature of the Dove prism 46 from increasing.
  • Dove prism 46 is rotatable by Dove prism rotation mechanism 47. If the opening diameter (inner diameter) of the spindle of Dove prism rotation mechanism 47 is small, the peripheral portion of laser beam LB is irradiated onto the spindle, causing the spindle to heat up. This may result in heating of Dove prism 46 via members such as the spindle and the holder that holds Dove prism 46.
  • the beam diameter of the laser light LB can be controlled by the aperture 33 to be smaller than the inner diameter of the spindle, so that heating of the Dove prism 46 can be suppressed.
  • the aperture 33 also forms a tapered conical inclined surface around the light transmission path 34. Therefore, the laser light LB reflected by this inclined surface is offset from the optical axis OA and is not likely to return to the laser oscillator 10, which prevents the laser oscillator 10 from being damaged.
  • various materials such as metal materials, ceramic materials, and resin materials are used for the workpiece W.
  • the metallic material include Fe-based alloys such as carbon steel, heat-resistant steel, and stainless steel, Ni-based alloys such as superalloys and magnetic alloys, and titanium alloys.
  • ceramic materials include zirconium ceramics such as ZrO2 , and silicon nitride ceramics such as Si3N4 .
  • the resin material include fiber-reinforced plastics such as carbon fiber reinforced plastics (CFRP), glass fiber reinforced plastics (GFRP), and glass-mat reinforced thermoplastics (GMT).
  • the processing may be any of the following: cutting, drilling, welding, cladding, surface modification, surface finishing, and laser additive manufacturing, and may also be a combination of these processes.
  • the shape of the workpiece W may be arbitrary, but typically it is a plate material.
  • a laser rotation device (40) that rotates an incident laser light (LB) includes a first wedge prism (41) that refracts the incident laser light (LB) about an optical axis (OA), a Dove prism (46) that rotates the laser light (LB) that has passed through the first prism (41) about the optical axis (OA), a first wedge prism rotation mechanism (42) that rotates the first wedge prism (41) about the optical axis (OA), and a Dove prism rotation mechanism (47) that rotates the Dove prism (46) about the optical axis (OA).
  • a second wedge prism (43) is provided between the first wedge prism (41) and the Dove prism (46) for refracting the incident laser light (LB) toward the optical axis (OA), and the second wedge prism (43) is fixed in rotation around the optical axis (OA).
  • the incidence angle ⁇ of the laser beam LB on the Dove prism 46 can be set with higher accuracy.
  • the optical system further comprises a third wedge prism (44) that is provided in front of the first wedge prism (41) where the laser light (LB) is incident and that refracts the incident laser light (LB) toward the optical axis (OA), and a third wedge prism rotation mechanism (45) that rotates the third wedge prism (44) around the optical axis (OA).
  • a third wedge prism rotation mechanism 45
  • the swirling radius R of the laser light LB when processing the workpiece W can be increased.
  • the laser processing apparatus (1, 2, 3, 4) includes a laser oscillator (10) that outputs a laser beam (LB) and an irradiation head (20) that rotates the laser beam (LB) and irradiates the laser beam (LB) toward a workpiece (W).
  • the irradiation head (20) includes a laser rotation unit (40) that rotates the laser light (LB) relative to the workpiece (W), and a focusing optical system (50) that focuses the laser light (LB) rotated by the laser rotation unit (40).
  • the laser turning unit (40) includes a first wedge prism (41) that refracts the incident laser light (LB) toward the optical axis (OA), a Dove prism (46) that rotates the laser light (LB) that has passed through the first prism (41) around the optical axis (OA), a first wedge prism rotation mechanism (42) that rotates the first wedge prism (41) around the optical axis (OA), and a Dove prism rotation mechanism (47) that rotates the Dove prism (46) around the optical axis (OA).
  • a first wedge prism (41) that refracts the incident laser light (LB) toward the optical axis (OA)
  • a Dove prism (46) that rotates the laser light (LB) that has passed through the first prism (41) around the optical axis (OA)
  • a first wedge prism rotation mechanism (42) that rotates the first wedge prism (41) around the optical axis (OA)
  • a Dove prism rotation mechanism (47) that rotates the Dove prism
  • the laser turning unit (40) includes a second wedge prism (43) between the first wedge prism (41) and the Dove prism (46) for refracting the incident laser light (LB) toward the optical axis (OA), and the second wedge prism (43) is not capable of rotating around the optical axis (OA).
  • the laser turning unit (40) is provided on the front side of the first wedge prism (41) where the laser light (LB) is incident, and includes a third wedge prism (44) that refracts the incident laser light (LB) toward the optical axis (OA), and a third wedge prism rotation mechanism (45) that rotates the third wedge prism (44) around the optical axis (OA).
  • an aperture (33) is provided which blocks a part of the laser light (LB) output from the laser oscillator (10) and outputs the part toward the irradiation head (20).
  • the beam diameter of the laser light LB is adjusted by the aperture 33, so that heating of the Dove prism 46 can be suppressed.
  • ⁇ Appendix 8> A processing method in which a laser processing apparatus according to any one of Supplementary Notes 4 to 7 is used to irradiate a workpiece (W) with laser light (LB) to perform processing, in which a Dove prism (46) is continuously rotated by a Dove prism rotation mechanism (47) while the workpiece (W) is being processed.
  • Appendix 9 preferably, prior to processing the workpiece (W), the first wedge prism (41) is set to a predetermined relative angle by the first wedge prism rotation mechanism (42), and the first wedge prism (41) is maintained at the predetermined relative angle while the workpiece (W) is being processed.
  • Appendix 10 preferably, the laser light (LB) irradiated to the workpiece (W) rotates with a predetermined rotation diameter R, and the predetermined relative angle is set based on correlation information in which the relative angle of the first wedge prism (41) and the rotation diameter correspond to each other.

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Abstract

タブプリズムへのレーザ光の微小な入射角度の制御が容易にできるレーザ加工装置を提供する。　入射されるレーザ光を旋回させるレーザ旋回装置は、入射されるレーザ光を光軸に対して屈折させる第１ウェッジプリズムと、第１プリズムを透過したレーザ光を光軸の周りに回転させるダブプリズムと、第１ウェッジプリズムを光軸の周りに回転させる第１ウェッジプリズム回転機構と、ダブプリズムを光軸の周りに回転させるダブプリズム回転機構と、を備えるレーザ旋回装置。

Description

レーザ旋回装置、レーザ加工装置および加工方法
　本開示は、加工対象物にレーザ光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）を照射して加工を行う加工装置に関し、特にレーザ加工装置に好適に用いられる光学系統に関する。
　レーザ光を照射して加工対象物を加工する加工装置が広く知られている。加工の一形態として、レーザ光で円形の軌跡を描きながら加工対象物を穿孔することが、特許文献１および特許文献２に開示されている。特許文献１および特許文献２は、ダブプリズム（Dove
Prism）を用いてレーザ光を回転させることで、円形の軌跡を描く。特許文献１および特許文献２は、ダブプリズムへのレーザ光の入射角度を制御するのにウェッジプリズム（Wedge Prism）を用いている。ウェッジプリズムは、一方面が他方の面に対して小さい角度で傾斜しているプリズムであり、光を微小な角度で偏角することができる。
特表２００８－５４３５７６号公報 中国実用新案登録２１３７０２２４８（Ｕ）号公報
　レーザ光の円形の軌跡の径は、ダブプリズムへのレーザ光の入射角度で制御される。ダブプリズムは、ダブプリズム自体が一回転する間に、レーザ光が２回転する特徴があり、高速回転に適している。特許文献１および特許文献２は、直径を軸にしてウェッジプリズムを傾転することで入射角度を制御する。ところが、ダブプリズムへのレーザ光の入射角度の変化に対する軌跡の径の変化が大きいため、ウェッジプリズムを傾転させると、傾転の角度のばらつきに対する軌跡の径の変化が大きくなる。そのため、例えば１度以下の微小な範囲の入射角度を再現性良く制御する必要があるが、従来の構成では再現性良く円形の軌跡の径を制御することが難しい。
　以上より、本開示は、タブプリズムへのレーザ光の微小な入射角度の制御が容易にでき、レーザ光の円形の軌跡の径を再現性良く制御することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
　入射されるレーザ光を旋回させる本開示のレーザ旋回装置は、入射されるレーザ光を光軸に対して屈折させる第１ウェッジプリズムと、第１プリズムを透過したレーザ光を光軸の周りに回転させるダブプリズムと、第１ウェッジプリズムを光軸の周りに回転させる第１ウェッジ回転機構と、ダブプリズムを光軸の周りに回転させるダブ回転機構と、を備える。
　本開示に係るレーザ加工装置は、レーザ光を出力するレーザ発振器と、レーザ光を旋回させつつ加工対象物に向けて照射する照射ヘッドと、を備える。
　照射ヘッドは、レーザ光を加工対象物に対して旋回させるレーザ旋回部と、レーザ旋回部で旋回されたレーザ光を集光させる集光光学系と、を備える。
　レーザ旋回部は、入射されるレーザ光を光軸に対して屈折させる第１ウェッジプリズムと、第１ウェッジプリズムを透過したレーザ光を光軸の周りに回転させるダブプリズムと、第１ウェッジプリズムを光軸の周りに回転させる第１ウェッジプリズム回転機構と、ダブブプリズムを光軸の周りに回転させるダブプリズム回転機構と、を備える。
　本開示のレーザ加工装置を用いて加工対象物にレーザ光を照射して加工処理を行う本開示の加工方法は、加工対象物を加工する際中に、ダブプリズム回転機構によりダブプリズムが連続的に回転される。
　本開示によれば、タブプリズムへのレーザ光の微小な入射角度の制御が容易にできる。
第１実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図である。 レーザ光の旋回を説明する図である。 第１ウェッジプリズム４１の相対角度θ（度）と旋回径Ｒとが対応付けられた相関情報の一例を示す図である。 第２実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図である。 第３実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図である。 第４実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図である。
　以下、添付図面を参照しながら、実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
　レーザ加工装置１は、図１に示すように、レーザ光を出力するレーザ発振器１０と、レーザ発振器１０から出力されるレーザ光を旋回させつつ加工対象物Ｗに向けて照射する照射ヘッド２０と、を備える。また、レーザ加工装置１は、レーザ発振器１０および照射ヘッド２０の動作を制御するコントローラ１００を備える。
　レーザ発振器１０と照射ヘッド２０の間には、レーザ発振器１０から出力されたレーザを照射ヘッド２０へ案内する案内光学系１５としての光ファイバが設けられる。この案内光学系１５は、一方の端部がレーザ発振器１０のレーザ出射口と接続され、他方の端部が照射ヘッド２０のレーザ入射端と接続される。
［レーザ発振器１０：図１を参照］
　レーザ発振器１０は、レーザ光ＬＢを出力する装置であり、例えば、光ファイバを媒質としてレーザ光ＬＢを出力するファイバレーザ出力装置、または、短パルスのレーザ光ＬＢを出力する短パルスレーザ出力装置などが用いられる。
　ファイバレーザ出力装置としては、例えば、ファブリペロー型ファイバレーザ出力装置やリング型ファイバレーザ出力装置を用いることができ、これらの出力装置が励起されることによりレーザ光ＬＢが発振される。ファイバレーザ出力装置のファイバとしては、例えば、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類金属元素が添加されたシリカガラスを用いることができる。
　短パルスレーザ出力装置としては、レーザ光ＬＢの発振源として例えば、チタンサファイアレーザを用いることができ、パルス幅が１００ピコ秒以下のパルスを発振することができる。また、ＹＡＧレーザ（Yttrium Aluminum Garnet）やＹＶＯ４レーザ等のナノ秒オーダーパルス発振をするレーザ光ＬＢも使用可能である。
［照射ヘッド２０：図１を参照］
　照射ヘッド２０は、コリメート光学系３０と、レーザ旋回部４０と、集光光学系５０と、撮像カメラ６０と、を含む。照射ヘッド２０のこれらの要素は、案内光学系１５から出力されるレーザ光ＬＢの光路において、上流側から下流側に向かって、コリメート光学系３０、レーザ旋回部４０、および集光光学系５０の順で配置される。照射ヘッド２０は、案内光学系１５から出力されたレーザ光ＬＢを図１においては図示が省略される加工対象物Ｗに向けて照射する。
［コリメート光学系３０：図１を参照］
　コリメート光学系３０は、案内光学系１５のレーザ光ＬＢが出射される端面に対向して配置される。つまり、コリメート光学系３０は、案内光学系１５とレーザ旋回部４０との間に配置される。コリメート光学系３０は、図示を省略するが、複数のコリメートレンズを備えており、案内光学系１５から出力されたレーザ光ＬＢをコリメート（collimate）光とし、第１反射ミラー３５を介してレーザ旋回部４０に向けて出射する。コリメート（collimate）光とは、いずれの光線も他の全ての光線と平行になっている光束をいう。第１反射ミラー３５は、一例として銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの熱伝導性に優れた金属製ミラーが適用される。金属製ミラーの反射面には、金（Ａｕ）、誘電体多層膜による表面被覆を施すことができる。なお、光学系についてはレンズの記載を省略して、矩形の破線で示している。
［レーザ旋回部４０：図１、図２、図３を参照］
　レーザ旋回部４０は、レーザビームＬＢの中心である光軸ＯＡの周りにレーザ光ＬＢを回転させて、図２に示すように、加工対象物Ｗに照射レーザ、つまりレーザ光ＬＢの照射位置ＩＰを旋回させる。旋回径Ｒは、図２に示すように、光軸ＯＡから加工対象物Ｗに照射されるレーザ光ＬＢの照射位置ＩＰまでの距離であって、加工対象物Ｗに照射されるレーザ光ＬＢが光軸ＯＡの周りに旋回する半径のことをいう。
　レーザ旋回部４０は、第１ウェッジプリズム（Wedge Prism）４１と、ダブプリズム（Dove Prism）４６と、第１ウェッジプリズム回転機構４２と、ダブプリズム回転機構４７と、を有する。
［第１ウェッジプリズム４１］
　第１ウェッジプリズム４１は、レーザ光ＬＢを屈折させて、光軸ＯＡに対して傾ける。旋回径Ｒは、第１ウェッジプリズム４１をその光軸ＯＡを中心にして回転させることにより変えることができる。つまり、ウェッジプリズム４１の光軸ＯＡを中心にした回転角度（相対角度）を制御することにより、加工対象物Ｗの加工に要求される旋回径Ｒを得ることができる。
　第１ウェッジプリズム４１は、レーザ光ＬＢが入射される入射面４１Ａと、レーザ光ＬＢが出射される出射面４１Ｂと、を有する。入射面４１Ａは、光軸ＯＡに対して直交するか僅かに傾く平坦面である。入射面４１Ａは、傾く場合、光軸ＯＡに対する傾きが例えば１°未満である。つまり、入射面４１Ａは、案内光学系１５から出力されたレーザ光ＬＢが入射する時、入射面４１Ａで反射するレーザ光ＬＢを光軸ＯＡからずらすことができる。これにより、第１ウェッジプリズム４１は、入射面４１Ａから案内光学系１５に向かって反射するレーザの反射量を抑え、レーザ発振器１０の出射口に向かって反射するレーザの量を抑制することができる。
　出射面４１Ｂは、出射するレーザ光ＬＢを屈折させる傾きの平坦面である。これにより、第１ウェッジプリズム４１は、案内光学系１５から出力されたレーザ光ＬＢを光軸ＯＡに対して傾けることができる。
［第１ウェッジプリズム回転機構４２］
　第１ウェッジプリズム回転機構４２は、第１ウェッジプリズム４１を保持しかつ光軸ＯＡを中心にして回転させる。第１ウェッジプリズム回転機構４２は、一例として、第１ウェッジプリズム４１を保持する中空ロータと、中空ロータに対向配置された中空ステータと、を有する中空モータを備える。第１ウェッジプリズム回転機構４２は、第１ウェッジプリズム４１との間に中空のスピンドルを介在させることもできる。以上は、第２ウェッジプリズム回転機構４４においても同様に当てはまる。
　また、第１ウェッジプリズム回転機構４２は、回転部（中空ロータ）と固定部（中空ステータ）との相対的な位置、回転数を検出するエンコーダを備えることができる。エンコーダは、回転部側に固定される識別子と、固定部側に固定され、識別子を検出する検出部と、を有する。エンコーダは、検出部で識別子を検出することで、上記回転部の相対的な位置（角度）を検出することができる。エンコーダは、検出した回転部の回転数および回転位置（位相角）の情報を制御装置に出力する。また、エンコーダとしては、例えば、回転位置（位相角）を数千分の一度（０．００１度以下）の分解能で検出する検出機器を用いることが好ましい。ダブプリズム回転機構４７についても、同様のエンコーダを設けることができる。
［ダブプリズム４６］
　ダブプリズム４６は、四角柱の両端を斜めに切断した形状を有し、その縦断面は等脚台形をしており、両端の傾斜面が入射する光の光軸ＯＡに垂直な面に対して対称となっている。このダブプリズム４６を透過するレーザ光ＬＢは反転してから出射されるので、入射する光の光軸ＯＡを中心にある角度だけ回転させると、出射する光はその光軸ＯＡのまわりに回転角度の２倍だけ回転する性質を有している。
　ダブプリズム４６は、レーザ光ＬＢが入射される入射面４６Ａと、レーザ光ＬＢが出射される出射面４６Ｂと、を有する。レーザ光ＬＢがダブプリズム４６の入射面４６Ａに特定の角度で入射したとき、レーザ光ＬＢはダブプリズム４６が１回転する間に同一直径、つまり旋回径Ｒの２つの同心円を描くことができる。
［ダブプリズム回転機構４７］
　ダブプリズム回転機構４７は、ダブプリズム４６を保持しかつ光軸ＯＡを中心にして回転させる。ダブプリズム回転機構４７は、第１ウェッジプリズム回転機構４２と同様の構成を備えていれば足りる。
［集光光学系５０：図１］
　集光光学系５０は、図示が省略される複数のレンズを有しており、この複数のレンズにより、レーザ旋回部４０から照射されたレーザ光ＬＢを集光し、所定の焦点距離、焦点深度となるレーザ光ＬＢを形成する。集光光学系５０は、加工対象物Ｗに所定のスポット径のレーザ光ＬＢを照射する。
　レーザ旋回部４０から出力されるレーザ光ＬＢは、第２反射ミラー３７と第３反射ミラー３９で反射される。第２反射ミラー３７はハーフミラーからなる。第２反射ミラー３７は、レーザ旋回部４０から受けたレーザ光ＬＢを集光光学系５０に向けて透過させるのに加えて、第３反射ミラー３９に向けて反射させる。第３反射ミラー３９で反射されるレーザ光ＬＢにより加工対象物Ｗの加工部位を撮像カメラ６０で撮像可能とする。
［撮像カメラ６０：図１］
　撮像カメラ６０は、例えば、ＣＣＤ（Charge　Coupled　Device）イメージセンサ等を有するカメラである。撮像カメラ６０は、レーザ光ＬＢの照射位置ＩＰや旋回径Ｒなどを撮像し、この撮像した画像から画像データを生成し、コントローラ１００に画像データを出力する。撮像カメラ６０は、光軸ＯＡと同軸上に配置される。
［コントローラ１００：図１，図３］
　コントローラ１００は、レーザ発振器１０および照射ヘッド２０に接続され、各部の動作を制御する。コントローラ１００は、例えば、レーザ発振器１０から出力されるレーザの各種条件を制御したり、図示を省略する照射ヘッド２０の移動機構の動作を制御して照射ヘッド２０の加工対象物Ｗに対する位置を調整したりする。また、コントローラ１００は、加工対象物Ｗの仕様（材質、厚み等）や加工処理の条件から熱影響層の許容厚みを検出して設定したり、照射ヘッド２０から加工対象物Ｗに照射されるレーザ光ＬＢの旋回径Ｒを制御したりする。
　コントローラ１００は、旋回径Ｒを制御するために、第１ウェッジプリズム４１の相対角度θ（度）と旋回径Ｒとが対応付けられた相関情報を保持する。図３はその一例であり、この例は相対角度θが０度から９０度までの範囲が示されている。図３に示される相関情報からも明らかなように、第１ウェッジプリズム４１を回転させることにより、任意の旋回径Ｒを緻密に設定できる。
［加工手順］
　レーザ加工装置１を用いて加工対象物Ｗを加工する手順の一例を説明する。
　ＳＴＥＰ１：旋回径Ｒｎ、相対角度θｎの設定
　レーザ加工に先立って、例えばコントローラ１００に加工対象物Ｗの加工に要求される特定の旋回径Ｒｎを入力する。コントローラ１００は入力された旋回径Ｒｎと図３に示される相関情報を対比することで、旋回径Ｒｎの加工に必要な第１ウェッジプリズム４１の相対角度θｎを特定する。コントローラ１００は、相対角度θｎを特定したならば、第１ウェッジプリズム４１が相対角度θｎとなるように第１ウェッジプリズム回転機構４２を回転駆動させる。
　ＳＴＥＰ２：ダブプリズム４６の回転
　コントローラ１００は、第１ウェッジプリズム４１を相対角度θｎとなるように動作させた後に、ダブプリズム回転機構４７を回転駆動させることにより、ダブプリズム４６を回転させる。
　以上のＳＴＥＰ１およびＳＴＥＰ２により、要求される旋回径Ｒｎを有する円形の軌跡の加工を行える前提条件が整う。なお、ここではＳＴＥＰ１の次にＳＴＥＰ２を行う例を説明したが、ＳＴＥＰ２の次にＳＴＥＰ１を行うこともできるし、ＳＴＥＰ１とＳＴＥＰ２とを同時並行的に行うこともできる。
　ＳＴＥＰ３：レーザ光ＬＢの出力、加工対象物Ｗの加工
　次に、コントローラ１００はレーザ発振器１０を動作させることでレーザ光ＬＢをレーザ発振器１０から出力させる。レーザ発振器１０から出力されるレーザ光ＬＢは、照射ヘッド２０を通過し、加工対象物Ｗに照射される。このレーザ光ＬＢは図２に示すように、光軸ＯＡの周りを旋回径Ｒｎで回転しながら加工対象物Ｗを円形に加工、例えば切断をする。加工の際には、図示が省略される駆動系により、照射ヘッド２０を移動させたり、加工対象物Ｗを移動させたりすることができる。
　以上で説明した加工手順においては、加工の過程で旋回径Ｒｎが一定であることを前提としているが、加工の過程で旋回径Ｒｎを例えば旋回径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３というように変更することができる。この場合、予めコントローラ１００に旋回径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を入力する。仮に旋回径Ｒ１で加工を始めるとして、旋回径Ｒ１から旋回径Ｒ２に変更するタイミング、さらに，旋回径Ｒ２から旋回径Ｒ３に変更するタイミングも合わせてコントローラ１００に入力する。
［第１実施形態による効果］
　レーザ加工装置１のレーザ旋回部４０は、ダブプリズム４６の前に第１ウェッジプリズム４１を配置し、第１ウェッジプリズム４１の相対角度、つまり位相を制御してダブプリズム４６のレーザ光ＬＢの入射角度φを制御する。したがって、光軸ＯＡに対してウェッジプリズム４１を傾転させるのに比べて、レーザ光ＬＢのダブプリズム４６への入射角度φを高い精度で設定できる。
　なお、レーザ光ＬＢのダブプリズム４６への入射角度φは例えば１度程度と微少のため、ダブプリズム４６に入射角度φのずれ量は以下の式で表される。
　ずれ量≒入射角度φ×Ｌ１
　Ｌ１＝第１ウェッジプリズム４１とダブプリズム４６と間の距離
〔第２実施形態：図４を参照〕
　次に、第２実施形態に係るレーザ加工装置２を説明する。
　レーザ加工装置２は、図４に示すように、第１ウェッジプリズム４１とダブプリズム４６の間に第２ウェッジプリズム４３が設けられる。第２ウェッジプリズム４３を設けることにより、レーザ加工装置２は、レーザ光ＬＢのダブプリズム４６への入射角度φをレーザ加工装置１よりも高い精度で制御できる。なお、第１ウェッジプリズム４１は第１ウェッジプリズム回転機構４２により回転が可能とされるのに対して、第２ウェッジプリズム４３は光軸ＯＡ周りに回転が不能であり固定されている。
　第２ウェッジプリズム４３は、レーザ光ＬＢが入射される入射面４３Ａと、レーザ光ＬＢが出射される出射面４３Ｂと、を有する。
　入射面４３Ａは、第１ウェッジプリズム４１から出力されたレーザ光ＬＢを屈折させる傾きを有する平坦面である。これにより、第２ウェッジプリズム４３は、第１ウェッジプリズム４１で屈折されたレーザ光ＬＢを再度屈折させる。
　出射面４３Ｂは、入射面４３Ａで屈折したレーザ光ＬＢの光軸ＯＡに対して直交するかまたは僅かに傾く平坦面である。出射面４３Ｂが傾く場合、入射面４３Ａで屈折したレーザ光ＬＢの光軸に対する傾きが例えば１°未満である。そうすることにより、出射面４３Ｂは、第１ウェッジプリズム４１から出力されたレーザ光ＬＢが出射する時、出射面４３Ｂで反射するレーザ光ＬＢを、入射面４３Ａで屈折したレーザ光ＬＢの光軸からずらすことができる。
［レーザ加工装置２が奏する効果］
　レーザ加工装置２は、第１ウェッジプリズム４１に加えて第２ウェッジプリズム４３を備える。ここで、１セットのウェッジプリズムだけで制御するのに比べて、２セットのウェッジプリズムで制御すると、それぞれのウェッジプリズムで制御する角度範囲が半分でよい。したがって、レーザ加工装置２によれば、レーザ光ＬＢのダブプリズム４６への入射角度φを第１実施形態よりも、２倍の精度で制御できる。
〔第３実施形態：図５を参照〕
　次に、第３実施形態に係るレーザ加工装置３を説明する。
　レーザ加工装置３は、図５に示すように、第２実施形態に係るレーザ加工装置２にさらに第３ウェッジプリズム４４が第１ウェッジプリズム４１に対向して設けられる。
　第３ウェッジプリズム４４は、回転可能とされることを含めて第１ウェッジプリズム４１と同じ仕様を有しており、レーザ光ＬＢを屈折させて、光軸ＯＡに対して傾けて第１ウェッジプリズム４１に向けて出射する。レーザ加工装置３によるレーザ光ＬＢのダブプリズム４６への入射角度φが、第１ウェッジプリズム４１による入射角度φ１と第３ウェッジプリズム４４による入射角度φ２とを合計した値となる。
［レーザ加工装置３が奏する効果］
　レーザ加工装置３は、レーザ加工装置２が奏する効果に加えて、以下の効果を奏する。
　レーザ加工装置３によるレーザ光ＬＢのダブプリズム４６への入射角度φが、第１ウェッジプリズム４１による入射角度φ１と第３ウェッジプリズム４４による入射角度φ２とを合計した値となる。したがって、レーザ加工装置３によれば、加工対象物Ｗを加工する際のレーザ光ＬＢの旋回径Ｒを大きくできる。
〔第４実施形態：図６を参照〕
　次に、第４実施形態に係るレーザ加工装置４を説明する。
　レーザ加工装置４は、コリメート光学系３０と第１ウェッジプリズム４１の間に、アパーチャ（aperture）３３を備える。なお、図６に示されるレーザ加工装置４の基本的な構成は、一例としてレーザ加工装置２を踏襲するが、レーザ加工装置１またはレーザ加工装置３にアパーチャ３３を設けることもできる。
　アパーチャ３３は、おもて面３３Ａとうら面３３Ｂとを有し、おもて面３３Ａとうら面３３Ｂとを貫通する外形が円形の透光路３４を備える。透光路３４のおもて面３３Ａの側は入射口３４Ａが設けられ、うら面３３Ｂの側にレーザ光ＬＢの出射口３４Ｂが設けられる。アパーチャ３３の透光路３４は入射口３４Ａから出射口３４Ｂに向けて開口径が連続的に小さく形成されており、透光路３４は先細りの円錐形の傾斜面に取り囲まれる。
　アパーチャ３３の入射口３４Ａに向けてレーザ光ＬＢが照射され、レーザ光ＬＢのビーム径が入射口３４Ａの開口径より大きければ、レーザ光ＬＢの周縁、つまりビームエネルギープロファイルのすそ野の部分はおもて面３３Ａであって入射口３４Ａの周縁に照射され、アパーチャ３３により遮断される。レーザ光ＬＢのビーム径が入射口３４Ａの開口径と等しいか開口径よりも小さければ、透光路３４を透過する。なお、おもて面３３Ａに照射されたレーザ光ＬＢはアパーチャ３３に吸収されることで、アパーチャ３３の温度が上昇するので、アパーチャ３３には水冷などの冷却構造を設けることが好ましい。
　アパーチャ３３は、以上のように、コリメート光学系３０から出力されるレーザ光ＬＢであるコリメート光のビーム径を制御し、後段のウェッジプリズムやダブプリズムに入光するレーザ光が余計な部分と干渉することを抑制することができる。好ましい制御の具体例として、以下の式（１）で定義されるレーザ光ＬＢの９９％相当のエネルギを透過するが、１％に相当するビームの周縁を遮断する。
　(１／ｅ２：ガウシアンビーム径)×１．５…式（１）
［レーザ加工装置４が奏する効果］
　アパーチャ３３を備えるレーザ加工装置４は、ダブプリズム４６の温度上昇を防ぐことができる。
　ダブプリズム４６は、ダブプリズム回転機構４７により回転可能とされる。ダブプリズム回転機構４７の例えばスピンドルの開口径（内径）が小さければ、レーザ光ＬＢの周縁部分がスピンドルに照射され、スピンドルが発熱する。そうすると、スピンドルおよびダブプリズム４６を保持するホルダなどの部材を介してダブプリズム４６が加熱されるおそれがある。
　ところが、レーザ加工装置４は、レーザ光ＬＢのビーム径をアパーチャ３３によりスピンドルの内径よりも小さく制御できるので、ダブプリズム４６の加熱を抑えることができる。
　また、アパーチャ３３は、透光路３４の周囲が先細りの円錐形の傾斜面を構成する。したがって、この傾斜面で反射するレーザ光ＬＢは光軸ＯＡからずれておりレーザ発振器１０に戻るおそれがないため、レーザ発振器１０を破損することを抑制できる。
　上記以外にも、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
　本開示における加工対象物Ｗには、金属材料、セラミックス材料、樹脂材料などの種々の材料が適用される。
　金属材料としては、例えば、炭素鋼、耐熱鋼、ステンレス鋼などのＦｅ基合金、超合金、磁性合金などのＮｉ基合金、チタニウム合金などが掲げられる。
　セラミックス材料としては、例えば、ＺｒＯ２などのジルコニウム系セラミックス、Ｓｉ３Ｎ４などの窒化ケイ素系セラミックスなどが掲げられる。
　樹脂材料としては、例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon　Fiber　Reinforced　Plastics）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass　Fiber　Reinforced　Plastics）、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ：Glass-mat　Reinforced　Thermoplastics）等の繊維強化プラスチックなどが掲げられる。
　また、加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形のいずれかの種類が該当し、これらの加工を組み合わせることもできる。この加工対象物Ｗの形態は任意であるが、典型的には板材を対象とする。
［付記］
＜付記１＞
　入射されるレーザ光（ＬＢ）を旋回させるレーザ旋回装置（４０）は、入射されるレーザ光（ＬＢ）を光軸（ＯＡ）に対して屈折させる第１ウェッジプリズム（４１）と、第１プリズム（４１）を透過したレーザ光（ＬＢ）を光軸（ＯＡ）の周りに回転させるダブプリズム（４６）と、第１ウェッジプリズム（４１）を光軸（ＯＡ）の周りに回転させる第１ウェッジプリズム回転機構（４２）と、ダブプリズム（４６）を光軸（ＯＡ）の周りに回転させるダブプリズム回転機構（４７）と、を備える。
＜付記２＞
　付記１において、好ましくは、第１ウェッジプリズム（４１）とダブプリズム（４６）の間に、入射されるレーザ光（ＬＢ）を光軸（ＯＡ）に対して屈折させる第２ウェッジプリズム（４３）を備え、第２ウェッジプリズム（４３）は、光軸（ＯＡ）の周りの回転が固定される。
　付記２によれば、より高い精度でレーザ光ＬＢのダブプリズム４６への入射角度φを設定できる。
＜付記３＞
　付記１または付記２において、好ましくは、第１ウェッジプリズム（４１）よりもレーザ光（ＬＢ）が入射される前側に設けられ、入射されるレーザ光（ＬＢ）を光軸（ＯＡ）に対して屈折させる第３ウェッジプリズム（４４）と、第３ウェッジプリズム（４４）を光軸（ＯＡ）の周りに回転させる第３ウェッジプリズム回転機構（４５）と、を備える。
　付記３によれば、第３ウェッジプリズム（４４）を加えることにより、加工対象物Ｗを加工する際のレーザ光ＬＢの旋回径Ｒを大きくできる。
＜付記４＞
　レーザ加工装置（１，２，３，４）は、レーザ光（ＬＢ）を出力するレーザ発振器（１０）と、レーザ光（ＬＢ）を旋回させつつ加工対象物（Ｗ）に向けて照射する照射ヘッド（２０）と、を備える。
　照射ヘッド（２０）は、レーザ光（ＬＢ）を加工対象物（Ｗ）に対して旋回させるレーザ旋回部（４０）と、レーザ旋回部（４０）で旋回されたレーザ光（ＬＢ）を集光させる集光光学系（５０）と、を備える。
　レーザ旋回部（４０）は、入射されるレーザ光（ＬＢ）を光軸（ＯＡ）に対して屈折させる第１ウェッジプリズム（４１）と、第１プリズム（４１）を透過したレーザ光（ＬＢ）を光軸（ＯＡ）の周りに回転させるダブプリズム（４６）と、第１ウェッジプリズム（４１）を光軸（ＯＡ）の周りに回転させる第１ウェッジプリズム回転機構（４２）と、ダブプリズム（４６）を光軸（ＯＡ）の周りに回転させるダブプリズム回転機構（４７）と、を備える。
＜付記５＞
　付記４において、好ましくは、レーザ旋回部（４０）は、第１ウェッジプリズム（４１）とダブプリズム（４６）の間に、入射されるレーザ光（ＬＢ）を光軸（ＯＡ）に対して屈折させる第２ウェッジプリズム（４３）を備え、第２ウェッジプリズム（４３）は、光軸（ＯＡ）の周りの回転が不能とされる。
＜付記６＞
　付記５において、好ましくは、レーザ旋回部（４０）は、第１ウェッジプリズム（４１）よりもレーザ光（ＬＢ）が入射される前側に設けられ、入射されるレーザ光（ＬＢ）を光軸（ＯＡ）に対して屈折させる第３ウェッジプリズム（４４）と、第３ウェッジプリズム（４４）を光軸（ＯＡ）の周りに回転させる第３ウェッジプリズム回転機構（４５）と、を備える。
＜付記７＞
　付記５または付記６において、好ましくは、レーザ発振器（１０）から出力されるレーザ光（ＬＢ）の一部を遮断して照射ヘッド（２０）に向けて出射するアパーチャ（３３）を備える。
　レーザ光ＬＢのビーム径をアパーチャ３３により、ダブプリズム４６の加熱を抑えることができる。
＜付記８＞
　付記４から付記７のいずれか一項に記載のレーザ加工装置を用いて、加工対象物（Ｗ）にレーザ光（ＬＢ）を照射して加工処理を行う加工方法であって、加工対象物（Ｗ）を加工する際中に、ダブプリズム回転機構（４７）によりダブプリズム（４６）が連続的に回転される。
＜付記９＞
　付記８において、好ましくは、加工対象物（Ｗ）を加工するのに先立って、第１ウェッジプリズム回転機構（４２）により第１ウェッジプリズム（４１）が所定の相対角度に設定され、加工対象物（Ｗ）を加工する際中に、第１ウェッジプリズム（４１）が所定の相対角度に維持される。
＜付記１０＞
　付記８または付記９において、好ましくは、加工対象物（Ｗ）に照射されるレーザ光（ＬＢ）は所定の旋回径Ｒで旋回し、第１ウェッジプリズム（４１）の相対角度と旋回径とが対応付けられた相関情報に基づいて、所定の相対角度が設定される。
１，２，３，４ 　レーザ加工装置
１０　　レーザ発振器
１５　　案内光学系
２０　　照射ヘッド
３０　　コリメート光学系
３３　アパーチャ
３３Ａ　おもて面
３３Ｂ　うら面
３４　　透光路
３４Ａ　入射口
３４Ｂ　出射口
３５　　第１反射ミラー
３７　　第２反射ミラー
３９　　第３反射ミラー
４０　　レーザ旋回部
４１　　第１ウェッジプリズム（回転）
４１Ａ　入射面
４１Ｂ　出射面
４２　　第１ウェッジプリズム回転機構
４３　　第２ウェッジプリズム（固定）
４３Ａ　入射面
４３Ｂ　出射面
４４　　第３ウェッジプリズム（回転）
４４Ａ　入射面
４４Ｂ　出射面
４５　　第３ウェッジプリズム回転機構
４６　　ダブプリズム
４６Ａ　入射面
４６Ｂ　出射面
４７　　ダブプリズム回転機構
５０　　集光光学系
６０　　撮像カメラ
１００　コントローラ
ＬＢ　　レーザ光
ＯＡ　　光軸
ＩＰ　　照射位置
Ｒ　　　旋回径
Ｗ　　　加工対象物

Claims (10)

  1. 　入射されるレーザ光を旋回させるレーザ旋回装置であって、
    　入射される前記レーザ光を光軸に対して屈折させる第１ウェッジプリズムと、
    　前記第１ウェッジプリズムを透過した前記レーザ光を前記光軸の周りに回転させるダブプリズムと、
    　前記第１ウェッジプリズムを前記光軸の周りに回転させる第１ウェッジプリズム回転機構と、
    　前記ダブプリズムを前記光軸の周りに回転させるダブプリズム回転機構と、を備えるレーザ旋回装置。
  2. 　前記第１ウェッジプリズムと前記ダブプリズムの間に、入射される前記レーザ光を前記光軸に対して屈折させる第２ウェッジプリズムを備え、
    　前記第２ウェッジプリズムは、前記光軸の周りの回転が不能とされる、
    請求項１に記載のレーザ旋回装置。
  3. 　前記第１ウェッジプリズムよりも前記レーザ光が入射される前側に設けられ、入射される前記レーザ光を前記光軸に対して屈折させる第３ウェッジプリズムと、
    　前記第３ウェッジプリズムを前記光軸の周りに回転させる第３ウェッジプリズム回転機構と、を備える請求項１に記載のレーザ旋回装置。
  4. 　レーザ光を出力するレーザ発振器と、
    　前記レーザ光を旋回させつつ加工対象物に向けて照射する照射ヘッドと、を備え、
    　前記照射ヘッドは、
    　前記レーザ光を前記加工対象物に対して旋回させるレーザ旋回部と、
    　前記レーザ旋回部で旋回された前記レーザ光を集光させる集光光学系と、を備え、
    　前記レーザ旋回部は、
    　入射される前記レーザ光を光軸に対して屈折させる第１ウェッジプリズムと、
    　前記第１ウェッジプリズムを透過した前記レーザ光を前記光軸の周りに回転させるダブプリズムと、
    　前記第１ウェッジプリズムを前記光軸の周りに回転させる第１ウェッジプリズム回転機構と、
    　前記ダブプリズムを前記光軸の周りに回転させるダブプリズム回転機構と、を備えるレーザ加工装置。
  5. 　前記レーザ旋回部は、
    　前記第１ウェッジプリズムと前記ダブプリズムの間に、入射される前記レーザ光を前記光軸に対して屈折させる第２ウェッジプリズムを備え、
    　前記第２ウェッジプリズムは、前記光軸の周りの回転が不能とされる、
    請求項４に記載のレーザ加工装置。
  6. 　前記レーザ旋回部は、
    　前記第１ウェッジプリズムよりも前記レーザ光が入射される前側に設けられ、入射される前記レーザ光を前記光軸に対して屈折させる第３ウェッジプリズムと、
    　前記第３ウェッジプリズムを前記光軸の周りに回転させる第３ウェッジプリズム回転機構と、を備える請求項４に記載のレーザ加工装置。
  7. 　前記レーザ発振器から出力される前記レーザ光のすそ野の一部を遮断して前記照射ヘッドに向けて出射するアパーチャを備える、
    請求項４に記載のレーザ加工装置。
  8. 　請求項４から請求項７のいずれか一項に記載のレーザ加工装置を用いて、前記加工対象物に前記レーザ光を照射して加工処理を行う加工方法であって、
    　前記加工対象物を加工する際中に、
    　前記ダブプリズム回転機構により前記ダブプリズムが連続的に回転される、加工方法。
  9. 　前記加工対象物を加工するのに先立って、
    　前記第１ウェッジプリズム回転機構により前記第１ウェッジプリズムが所定の相対角度に設定され、
    　前記加工対象物を加工する際中に、前記第１ウェッジプリズムが所定の前記相対角度に維持される、請求項８に記載の加工方法。
  10. 　前記加工対象物に照射される前記レーザ光は所定の旋回径で旋回し、
    　前記第１ウェッジプリズムの前記相対角度と前記旋回径とが対応付けられた相関情報に基づいて、所定の前記相対角度が設定される、請求項９に記載の加工方法。
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