JP2003230974A

JP2003230974A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2003230974A
Application number: JP2002029811A
Authority: JP
Inventors: Sadao Mori; 貞雄森; Atsushi Sakamoto; 淳坂本; Hiroyuki Sugawara; 弘之菅原; Hiroshi Aoyama; 博志青山
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2003-08-19
Anticipated expiration: 2022-02-06
Also published as: JP3935735B2

Abstract

(57)【要約】【課題】装置構成が簡単で価格が安く、かつ加工能率
および加工精度を向上させることができるレーザ加工装
置を提供すること。【解決手段】レーザ発振器１の光路上に、ミラー２、
アパーチャ３、ビーム径拡大光学系５、２個の音響光学
素子８、９、ビーム径縮小光学系１０、ミラー１５、１
８を回転させるスキャナ１３、スキャナ１６およびｆθ
レンズ１９を配置する。なお、音響光学素子８とスキャ
ナ１３および音響光学素子９とスキャナ１６の偏向方向
は、それぞれ同じである。そして、加工個所が音響光学
素子８、９の偏向角内の場合、ミラー１５、１８を停止
させたままの状態で音響光学素子８、９を動作させてレ
ーザ光を偏向させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、第１の偏向手段に
より偏向させたレーザ光をさらに第２の偏向手段により
偏向させて集光レンズに入射させ、レーザ光をワーク上
に集光させて穴加工や切断等を行うレーザ加工装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ｆθレンズによりレーザ光を集光するよ
うにした従来のレーザ加工装置では、レーザ光の偏向手
段を偏向角が大きいミラーとして、レーザ光の入射角を
制御している。しかし、ミラーを機械的に回動させるた
め、偏向角を大きくすると応答速度が遅くなり、加工速
度を向上させることができない。

【０００３】ところで、応答速度が速い偏向手段として
音響光学素子が知られているが、音響光学素子の偏向角
は小さい。

【０００４】そこで、特開平９−４３６３号公報では、
レーザ光を分割し、分割したレーザ光をそれぞれ音響光
学素子を用いて偏向させることにより、必要とする範囲
をカバーするようにして、加工速度を向上させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、多数の音響光
学素子が必要になるため、装置構成が複雑になると共に
価格が高くなった。

【０００６】また、音響光学素子の偏向角は光の波長と
素子材質に強く依存し、発熱などの外乱により素子特性
が変動して照射位置が不安定になることがあった。

【０００７】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決し、装置構成が簡単で価格が安く、かつ加工能
率および加工精度を向上させることができるレーザ加工
装置を提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、第１の偏向手段により第１の方向に偏向
させたレーザ光を、第２の偏向手段により前記第１の方
向と異なる第２の方向に偏向させてｆθレンズに入射さ
せ、前記レーザ光を集光して加工をするレーザ加工装置
において、第１のビーム径変換光学系と、第２のビーム
径変換光学系と、を設け、前記第１のビーム径変換光学
系を前記レーザ光の光源と前記第１の偏向手段との間に
配置し、前記第２のビーム径変換光学系を前記第２の偏
向手段と前記ｆθレンズとの間に配置する、ことを特徴
とする。

【０００９】この場合、前記第１と第２の偏向手段の偏
向角が小さい場合には、前記レーザ光を第３の方向に偏
向させる第３の偏向手段と、前記レーザ光を前記第３の
方向と異なる第４の方向に偏向させる第４の偏向手段
と、を設け、前記第３の偏向手段と前記第４の偏向手段
を、前記第２のビーム径変換光学系と前記ｆθレンズと
の間に配置する、と効果的である。

【００１０】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
を図示の実施の形態に基づいて説明する。

【００１１】図１は本発明の第１の実施形態に係るレー
ザ加工機の構成図である。

【００１２】レーザ発振器１の光路上には、ミラー２、
アパーチャ３、ビーム径拡大光学系５、高速偏向光学系
４、ビーム径縮小光学系１０、スキャナ１３、スキャナ
１６、ｆθレンズ１９および加工対象２０が配置されて
いる。

【００１３】ビーム径拡大光学系５は、レンズ６とレン
ズ７とから構成され、レーザ光のビーム径を拡大する機
能を備えている。

【００１４】高速偏向光学系４は音響光学素子８と音響
光学素子９とから構成され、音響光学素子８はＸＹ面内
で、音響光学素子９はＸＺ面内で、それぞれレーザ光を
偏向させる。

【００１５】ビーム径縮小光学系１０は、レンズ１１と
レンズ１２とから構成され、レーザ光のビーム径を縮小
する機能を備えている。また、後述するように、ビーム
径縮小光学系１０は音響光学素子８、９の像をミラー１
５、１８の近傍に結像させる機能も供えている。

【００１６】スキャナ１３は、回動軸が紙面に垂直なモ
ータ１４により、ミラー１５を任意の角度に位置決めす
る。ミラー１５の反射面は、モータ１４の回転軸の軸線
を含むようにして形成されている。スキャナ１６は、回
動軸が紙面と平行なモータ１７により、ミラー１８を任
意の角度に位置決めする。ミラー１８の反射面は、モー
タ１７の回転軸の軸線を含むようにして形成されてい
る。そして、ミラー１５とミラー１８は、それぞれｆθ
レンズ１９からの距離がほぼｆθレンズの焦点距離ｆに
なるように近接して配置されている。

【００１７】ｆθレンズ１９は、予め設定したｆθレン
ズの光軸上の１点（以下、「設計上の偏向点」とい
う。）を通り光軸に対する角度がθのレーザ光を集光し
て、光軸からｆθの位置（ただし、ｆはｆθレンズの焦
点距離である。）の加工面に垂直に入射させる。なお、
レーザ光が光軸と交差する位置が設計上の偏向点からず
れた場合、集光位置は光軸からｆθの位置の加工面にな
るが、集光されたレーザ光は加工面に対して斜めに入射
する。

【００１８】加工対象２０は、ＸＹ方向に移動自在のＸ
Ｙステージ２１に載置されている。

【００１９】次に、本実施の形態の動作を説明する。

【００２０】ミラー１５、１８の角度を加工位置によっ
て定まる偏向角に合わせた後、レーザ発振器１を動作さ
せる。レーザ発振器１から出力されたレーザ光は、ミラ
ー２で反射されてアパーチャ３を照射する。アパーチャ
３を通過したレーザ光は、ビーム径拡大光学系５、高速
偏向光学系４、ビーム径縮小光学系１０、スキャナ１
３、１６を経てｆθレンズ１９に入射し、加工対象２０
の表面に集光されて（アパーチャ３の像が結像され
て）、加工対象２０を加工する。そして、次の加工位置
が音響光学素子８、９の偏向角内である場合には、ミラ
ー１５、１８の角度をそのままにした状態で音響光学素
子８、９を動作させ、レーザ発振器１を動作させる。な
お、後述するように、この実施形態では、音響光学素子
８、９の偏向角を光学的に増幅することができるので、
ミラー１５、１８の位置決め回数を減らすことができ
る。以下、同様にして、ｆθレンズ１９の大きさで定ま
る加工領域内の加工を行う。そして、当該加工領域内の
加工が終了した後、ＸＹステージ２１を移動させ、次の
加工領域をｆθレンズ１９に対して位置決めする。

【００２１】次に、高速偏向光学系４（音響光学素子
８、９）の偏向角を増幅することができる理由について
説明する。

【００２２】図２は、図１におけるビーム径縮小光学系
の近傍を示す図である。

【００２３】ビーム拡大光学系５によってビーム径を拡
大されたレーザ光は、音響光学素子８の偏向点Ａにおい
てレンズ１１の光軸Ｏに対して偏向角αで偏向される。
そして、ビーム径縮小光学系１０により光路を曲げら
れ、偏向角βで光軸Ｏに交差する。すなわち、レーザ光
を一旦ビーム径拡大光学系５により拡大し、ビーム径縮
小光学系１０により縮小することにより、音響光学素子
８の偏向角をビーム径縮小光学系１０の縮小率の逆数倍
に増幅することができる。また、音響光学素９の偏向角
も同様の理由により、増幅することができる。

【００２４】ここで、ビーム径縮小光学系１０のレンズ
１１、１２を凸レンズにすると、音響光学素子８、９の
偏向点を設計上の偏向点付近に結像させることができる
ので、加工形状に優れる穴を加工することができる。

【００２５】そして、ビーム径縮小光学系１０により、
音響光学素子８、９（偏向点）の結像位置での距離は、
音響光学素子８、９間の実際の距離より縮小されるの
で、設計上の偏向点により接近させることができる。

【００２６】そして、ビーム径縮小光学系１０からより
遠い位置にある音響光学素子８は、音響光学素子９より
もビーム径縮小光学系１０により近い位置に結像され
る。そこで、音響光学素子８の像が偏向方向が同一（紙
面と平行の方向）のミラー１５上に、また、音響光学素
子９を偏向方向が同一（紙面と垂直の方向）のミラー１
８上に結像するように、音響光学素子８、９を位置決め
すると、同一方向のスキャニングにおいて、偏向角に対
する加工点の移動距離を音響光学素子と機械的スキャナ
とで同じに設定することができる。すなわち、レーザ光
を次の加工位置に移動させる場合、図２に示おける現在
の偏向角βを次の偏向角γに変えてもよいし、ミラー１
５の角度を現在の角度からβ−γだけ回転させてもよい
ので、位置決め制御が容易になる。

【００２７】以上説明したように、この実施形態では、
偏向角は小さいが応答速度が速い高速偏向光学系４と、
偏向角は大きいが応答速度が遅いスキャナ１３、１６を
組み合わせてレーザ光を偏向するようにしたので、スキ
ャナ１３、１６だけでレーザ光を偏向する場合に比べて
加工速度を向上させることができる。そして、この実施
形態では、音響光学素子８、９自体の偏向角を拡大する
ことができるので、スキャナ１３、１６の位置決め回数
を減らすことが可能になり、さらに加工速度を向上させ
ることができる。

【００２８】なお、ビーム径縮小光学系１０とビーム径
拡大光学系５は、ケプラー型（凸レンズ２枚の組み合わ
せ）、ガリレオ型（凸レンズと凹レンズまたは凹レンズ
と凸レンズの組み合わせ）のいずれであってもよいが、
高速偏向光学系４の偏向点を設計上の偏向点位置付近に
結像させるためには、ビーム径縮小光学系１０をケプラ
ー型にするとよい。

【００２９】また、本発明は、アパーチャの像を加工対
象に結像させる転写型のレーザ加工装置だけでなく、ア
パーチャを使用しないで平行光を集光する（無限遠の点
光源を結像させる）ようにしたレーザ加工装置にも適用
することができる。

【００３０】なお、音響光学素子８、９の偏向角が大き
い場合は、図３に示すように、スキャナ１３、１６に代
えて固定ミラー２Ａ、２Ｂを配置してもよいし、ビーム
縮小光学系１０から出射されたレーザ光を直接ｆθレン
ズ１９に入射させてもよい。

【００３１】この場合、機械的可動部がないので、加工
速度を速くすることができる。

【００３２】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態を説明する。

【００３３】図４は、本発明の第２の実施形態に係るレ
ーザ加工機の要部構成図であり、高速偏向光学系４に関
するビーム径拡大光学系５とビーム径縮小光学系１０の
位置を、上記第１の実施形態の場合と逆にしたものであ
る。

【００３４】この実施形態の場合、音響光学素子８、９
の偏向角は縮小倍率に応じて縮小される結果、加工範囲
は小さくなる。しかし、偏向角が大きい音響光学素子を
用いる場合、温度変化等の外乱の影響を小さく抑えるこ
とができるので、加工精度を向上させることができる。

【００３５】さらに要求される加工精度と加工範囲によ
っては、ビーム径拡大光学系とビーム径縮小光学系を焦
点距離の等しい２つのレンズからなるビーム径等倍光学
系とすることもできる。

【００３６】また、上記では音響光学系８と、スキャナ
１３および音響光学素子９と、スキャナ１５の偏向方向
を同一にしたが、異なる方向にしてもよい。

【００３７】なお、上記では、高速偏向光学系を２個の
音響光学素子で構成したが、以下の構成にすることもで
きる。

【００３８】図５は、他の高速偏向光学系の構成図であ
る。

【００３９】同図において、高速偏向光学系５１は、ホ
ルダ５０と、高速微小偏向機構５２と、高速微小偏向機
構５３とから構成されている。高速微小偏向機構５２と
高速微小偏向機構５３は構成が同じである。

【００４０】Ｌ字形のミラー台５７は、弾性のある材質
（例えば、合成樹脂）で形成されており、一端がベース
５５に固定されている。ミラー台５７の他端とベース５
５との間には圧電素子５６が配置されている。ミラー５
８は、ミラー台５７の圧電素子５６と反対側の面に固定
されている。したがって、圧電素子５６に印加する電圧
の値を変えると、圧電素子５６が伸縮し、これに伴って
ミラー台５７の角度が変化するので、ミラー５８の角度
を変えることができる。そして、ベース５５はミラー５
８の反射面がＹＺ面に対して４５度になるようにしてホ
ルダ５０に固定されている。

【００４１】また、高速微小偏向機構５３のベース５９
はミラー６２の反射面がＸＺ面に対して４５度になるよ
うにして、ホルダ５０に固定されている。

【００４２】以上の構成であるから、加工位置に応じて
ミラー６２、５８を位置決めし、ビーム径拡大光学系５
（またはビーム径縮小光学系１０）から出射されたレー
ザ光を、ミラー６２によりＹＺ面内で、またミラー５８
によりＸＺ面でそれぞれ偏向させた後、ビーム径縮小光
学系１０（またはビーム径拡大光学系５）に入射させる
ことができる。

【００４３】圧電素子の応答速度は速いので、音響光学
素子の場合と同様に、加工速度を向上させることができ
る。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１の偏向手段によ第１の方向に偏向させたレーザ光
を、第２の偏向手段により前記第１の方向と異なる第２
の方向に偏向させてｆθレンズに入射させ、前記レーザ
光を集光して加工をするレーザ加工装置において、第１
のビーム径変換光学系と、第２のビーム径変換光学系
と、を設け、前記第１のビーム径変換光学系を前記レー
ザ光の光源と前記第１の偏向手段との間に配置し、前記
第２のビーム径変換光学系を前記第２の偏向手段と前記
ｆθレンズとの間に配置するので、第１と第２の偏向手
段の偏向角が小さい場合でも、加工範囲を広くすること
ができる。そして、第１と第２の偏向手段を、例えば応
答速度が速い音響光学素子にすると、装置構成が簡単で
価格が安く、かつ加工能率および加工精度を向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工機の
構成図である。

【図２】図１におけるビーム径縮小光学系の近傍を示す
図である。

【図３】本発明の第１の実施形態の変形例を示す図であ
る。

【図４】本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工機の
要部構成図である。

【図５】他の高速偏向光学系の構成図である。

【符号の説明】

１レーザ発振器２ミラー３アパーチャ５ビーム径拡大光学系７，１２レンズ８，９音響光学素子１０ビーム径縮小光学系１３，１６スキャナ１４，１７モータ１５、１８ミラー１９ｆθレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菅原弘之茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者青山博志神奈川県海老名市上今泉2100番地日立ビアメカニクス株式会社内Ｆターム(参考） 2H045 AB81 BA16 BA41 DA22 DA31 4E068 CA09 CE03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の偏向手段により第１の方向に偏向
させたレーザ光を、第２の偏向手段により第１の方向と
異なる第２の方向に偏向させてｆθレンズに入射させ、
前記レーザ光を集光して加工をするレーザ加工装置にお
いて、第１のビーム径変換光学系と、第２のビーム径変換光学
系と、を設け、前記第１のビーム径変換光学系を前記レーザ光の光源と
前記第１の偏向手段との間に配置し、前記第２のビーム径変換光学系を前記第２の偏向手段と
前記ｆθレンズとの間に配置する、ことを特徴とするレ
ーザ加工装置。
【請求項２】前記レーザ光を第３の方向に偏向させる
第３の偏向手段と、前記レーザ光を前記第３の方向と異
なる第４の方向に偏向させる第４の偏向手段と、を設
け、前記第３の偏向手段と前記第４の偏向手段を、前記第２
のビーム径変換光学系と前記ｆθレンズとの間に配置す
る、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装
置。
【請求項３】前記第２のビーム径変換光学系が２枚の
凸レンズで構成されている、ことを特徴とする請求項１
または請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】前記第２のビーム径変換光学系により、
前記第１の偏向手段の偏向点と前記第２の偏向手段の偏
向点を、それぞれ前記第３または第４の偏向手段の偏向
点に結像させる、ことを特徴とする請求項２または請求
項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】前記第１のビーム径変換光学系をビーム
径拡大光学系とし、前記第２のビーム径変換光学系をビ
ーム径縮小光学系とする、ことを特徴とする請求項１な
いし請求項４のいずれかに記載のレーザ加工装置。