JP2017144445A - レーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工機におけるレーザビームの照射軌道を高精度に制御する。【解決手段】レーザビームを使用して被加工物に加工を施すレーザ加工機であって、前記レーザビームの光路上流側から順に配置される第一から第四のプリズムと、前記第一から第四のプリズムをそれぞれ独立して保持する第一から第四のスピンドルと、前記第一から第四のスピンドルをそれぞれ回転可能に保持する第一から第四の保持手段と、前記第一から第四のスピンドルにそれぞれ固定されるロータと、前記第一から第四の保持手段にそれぞれ固定されるステータとから成る第一から第四のモータと、前記第一のプリズムまたは前記第二のプリズムの少なくとも一方を移動するプリズム移動手段とを備えて成る。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザビームを使用して被加工物に穴明け等の加工を施すレーザ加工機に関する。

レーザ加工機は、レーザ発振器から所定波長のレーザビームを発振し、集光レンズを介して当該レーザビームを被加工物に照射することにより、被加工物を溶融（または蒸発）して穴明け等の加工を行うものであり、微細な加工に適した工作機械である。

レーザ加工機には、レーザビームの光路を変位および偏向するための複数のプリズムが設けられており、これら複数のプリズムによって、集光レンズに入射される位置および角度、すなわち、当該集光レンズを介して被加工物に照射される角度および位置が制御されている。そして、複数のプリズムが同期して回転されることにより、レーザビームが被加工物に対して所定の照射角度および照射位置で旋回（軌道旋回）され、被加工物に所定の穴形状および穴径の穴が形成される。

このように、レーザ加工機においては、レーザビームの照射軌道（照射角度、照射位置および軌道旋回等）を制御することにより、所望の加工形状を得ることができる。複数のプリズムを用いてレーザビームの照射軌道を制御する技術として、例えば、特許文献１に記載のものがある。

特開２０１１−１６７７０４号公報

特許文献１には、四枚または六枚のウェッジプリズムを用いたビームローテータであって、ウェッジプリズム間の位相差によってレーザビームの照射角度および照射位置を調整し、当該ウェッジプリズムを同期回転することによってレーザビームを軌道旋回して穴明け加工を行う技術が記載されている。

しかし、特許文献１においては、ギアおよびベルト等を介してサーボモータの駆動を円筒支持部材に伝達し、当該円筒支持部材に嵌合されたウェッジプリズムを回転しているため、複数のウェッジプリズムを高精度に同期回転することは難しい。

また、特許文献１においては、レーザビームの照射角度および照射位置をウェッジプリズムの回転軸回りの相対位相差のみによって制御しており、レーザビームの照射角度または照射位置のいずれか一方を設定（変更）した場合であってもレーザビームが三次元的に偏向されてしまうため、複雑な軌道計算が必要となる。

近年では、電子機器等の製品の更なる小型化が進み、これらの製品に使用される部品の製造には、より微細かつ高精度な加工が求められている。しかし、特許文献１に記載の技術においては、レーザビームの照射軌道を高精細に制御することができず、微細かつ高精度な加工を行うことができない。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、レーザビームの照射軌道を高精細に制御することを目的とする。

上記課題を解決する第一の発明に係るレーザ加工機は、レーザビームを使用して被加工物に加工を施すレーザ加工機であって、前記レーザビームの光路上流側から順に配置される第一のプリズム、第二のプリズム、第三のプリズムおよび第四のプリズムと、前記第一のプリズム、前記第二のプリズム、前記第三のプリズムおよび前記第四のプリズムをそれぞれ独立して保持する第一のスピンドル、第二のスピンドル、第三のスピンドルおよび第四のスピンドルと、前記第一のスピンドル、前記第二のスピンドル、前記第三のスピンドルおよび前記第四のスピンドルをそれぞれ回転可能に保持する第一の保持手段、第二の保持手段、第三の保持手段および第四の保持手段と、前記第一のスピンドル、前記第二のスピンドル、前記第三のスピンドルおよび前記第四のスピンドルにそれぞれ固定されるロータと、前記第一の保持手段、前記第二の保持手段、前記第三の保持手段および前記第四の保持手段にそれぞれ固定されるステータとから成る第一のモータ、第二のモータ、第三のモータおよび第四のモータと、前記第一のプリズムまたは前記第二のプリズムの少なくとも一方を移動するプリズム移動手段とを備え、前記第一のプリズムと前記第二のプリズムは、通過する前記レーザビームを変位させる一対のプリズムであり、前記第三のプリズムと前記第四のプリズムは、通過する前記レーザビームを偏向させる一対のプリズムであることを特徴とする。

上記課題を解決する第二の発明に係るレーザ加工機は、第一の発明に係るレーザ加工機において、前記第一のスピンドル、前記第二のスピンドル、前記第三のスピンドルおよび前記第四のスピンドルが、それぞれ空気静圧軸受を介して前記第一の保持手段、第二の保持手段、第三の保持手段および第四の保持手段に回転可能に保持されるものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第三の発明に係るレーザ加工機は、第一または第二の発明に係るレーザ加工機において、前記レーザビームの光路上に配置され、前記被加工物に照射される前記レーザビームを集光する集光レンズと、前記集光レンズを前記レーザビームの旋回中心軸に沿って移動するレンズ移動手段とを備えたことを特徴とする。

上記課題を解決する第四の発明に係るレーザ加工機は、第一から第三のいずれか一つの発明に係るレーザ加工機において、前記レーザビームの光路上における前記第一のプリズムの光路上流側に配置され、前記レーザビームの非点収差を補正する非点収差補正手段を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決する第五の発明に係るレーザ加工機は、第四の発明に係るレーザ加工機において、前記非点収差補正手段が、一対のシリンドリカルレンズと一対の凹レンズとを備えたものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第六の発明に係るレーザ加工機は、第一から第五のいずれか一つの発明に係るレーザ加工機において、前記レーザビームの光路上における前記第一のプリズムの光路上流側に配置され、前記レーザビームの偏光状態を変換する偏光変換手段を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決する第七の発明に係るレーザ加工機は、第一から第六のいずれか一つの発明に係るレーザ加工機において、前記レーザビームが照射される前記被加工物を撮像する撮像手段を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決する第八の発明に係るレーザ加工機は、第一から第七のいずれか一つの発明に係るレーザ加工機において、前記レーザビームによって前記被加工物を加工する際のプラズマの発生を抑制するプラズマ発生抑制手段を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決する第九の発明に係るレーザ加工機は、第一から第八のいずれか一つの発明に係るレーザ加工機において、前記レーザビームによって前記被加工物を加工する際に発生するプラズマを吸引するプラズマ吸引手段を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決する第十の発明に係るレーザ加工機は、第一から第九のいずれか一つの発明に係るレーザ加工機において、前記レーザビームがナノ秒以下の短パルスレーザであることを特徴とする。

第一の発明に係るレーザ加工機によれば、第一のモータおよび第二のモータによって第一のプリズムおよび第二のプリズムが直接的（ギヤなどの間接的機構を介さず）に回転駆動されるので、バックラッシュ等による回転斑が発生せず、精密な同期回転が可能となる。また、移動手段によって、第一のプリズムと第二のプリズムとの間の距離、すなわち、第一のプリズムおよび第二のプリズムを通過するレーザビームが変位させられる量を制御することができ、当該制御を容易におこなうことができる。また、第一のプリズムおよび第二のプリズムが、第三のプリズムおよび第四のプリズムよりもレーザビームの光路上流側に位置するので、第三のプリズムおよび第四のプリズムに入射されるレーザビームの軌道が三次元的に変化（変位）されることはなく、第一から第四のプリズムの制御を簡易なものとすることができる。

第二の発明に係るレーザ加工機によれば、第一から第四のスピンドルが第一から第四の保持手段に対して非接触で回転可能となっているので、摩擦等による振動が発生せず、同期回転の精度を向上させることができる。

第三の発明に係るレーザ加工機によれば、集光レンズをレーザビームの旋回中心軸に沿って移動可能としたことにより、被加工物の表面形状等に合わせて移動することができる。よって、被加工物を移動（動作）させることなく、集光レンズと被加工物との距離を制御してレーザ加工を行うことができる。

第四の発明に係るレーザ加工機によれば、非点収差補正手段によって、レーザビームの光路上にある全ての光学素子に起因して生じるレーザビームの非点収差を補正することができる。非点収差を補正することにより、レーザビームの焦点と形状を高精度に制御することができるので、微細かつ高精度な加工が可能となる。また、非点収差補正手段が第一のプリズムの光路上流側に配置されているので、レーザビームを変位および偏向させる以前に、常に同じ軌道から入射されるレーザビームに対して非点収差補正手段による非点収差の補正が可能である。

第五の発明に係るレーザ加工機によれば、非点収差補正手段を簡易な構成とすることができる。

第六の発明に係るレーザ加工機によれば、偏光変換手段によって、レーザビームの偏光状態を変換することにより、レーザビームの偏光状態を加工形状に応じて変換することができる。つまり、レーザビームの偏光状態を加工形状に適したものとすることにより、微細かつ高精度な加工が可能となる。

第七の発明に係るレーザ加工機によれば、撮像手段によって、レーザビームの焦点位置の様子を観察することができる。この観察をレーザ加工の動作にフィードバックすることにより、クローズドループの制御が可能となる。

第八の発明に係るレーザ加工機によれば、プラズマ発生抑制手段によってプラズマの発生を抑制することにより、プラズマの発生による光の吸収および散乱を抑制し、安定した加工精度を維持することができる。

第九の発明に係るレーザ加工機によれば、プラズマ吸引手段によって発生したプラズマを吸引することにより、プラズマの発生による光の吸収および散乱を抑制し、安定した加工精度を維持することができる。

第十の発明に係るレーザ加工機によれば、ナノ秒（ｎｓ）以下の短パルスレーザを用いることにより、微細かつ高精度なレーザ加工が可能となる。

実施例１に係るレーザ加工機に備えられるレーザ加工用光学ヘッドの構造を示す説明図である。 実施例１に係るレーザ加工機に備えられるレーザ加工用光学ヘッドにおける第一および第二のプリズムユニットの構造を示す説明図である。 実施例１に係るレーザ加工機に備えられるレーザ加工用光学ヘッドにおける第三および第四のプリズムユニットの構造を示す説明図である。 実施例１に係るレーザ加工機に備えられるレーザ加工用光学ヘッドにおける光学系を示す説明図である。 実施例１に係るレーザ加工機に備えられるレーザ加工用光学ヘッドにおける制御を示すブロック図である。 実施例１に係るレーザ加工機に備えられるレーザ加工用光学ヘッドにおけるレーザビームの焦点位置近傍を示す説明図である。

以下に、本発明に係るレーザ加工機の実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。もちろん、本発明は、以下の実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施例１に係るレーザ加工機は、被加工物に対してレーザビームを照射することによって穴明け等の加工を行うものであり、被加工物に対するレーザビームの照射軌道を高精細に制御可能なレーザ加工用光学ヘッドを備えている。

本実施例に係るレーザ加工機に備えられるレーザ加工用光学ヘッドの構造について、図１から図５を参照して説明する。

図１に示すように、レーザ加工用光学ヘッド１には、レーザ発振器１０から発振されるレーザビームが全反射ミラー２０を介して導光される複数のプリズムユニット（第一のプリズムユニット３０、第二のプリズムユニット４０、第三のプリズムユニット５０、第四のプリズムユニット６０）が設けられており、これら第一から第四のプリズムユニット３０，４０，５０，６０を通過したレーザビームは、ダイクロイックミラー７０および集光レンズ８０を介して被加工物（ワーク）Ｗに照射されるようになっている。

ここで、本実施例に係るレーザ加工機は、アブレーション加工（蒸発による加工）が可能なものであり、レーザ発振器１０は、レーザビームとして、ナノ秒（ｎｓ）以下の短パルスレーザを発振可能なものである。また、第一から第四のプリズムユニット３０，４０，５０，６０の光路下流側に設置されるダイクロイックミラー７０は、レーザ発振器１０から発振されるレーザビーム（特定の波長の光）を反射し、その他（特定の波長とは異なる波長帯）の波長の光を透過するものである。

第一から第四のプリズムユニット３０，４０，５０，６０は、レーザビームの光路上流側（図１においては、右方側）から順に配列されており、レーザビームは、これら第一から第四のプリズムユニット３０，４０，５０，６０を順に通過することにより、集光レンズ８０に入射される位置（入射位置ｄ_L）および角度（入射角度θ_L）、すなわち、集光レンズ８０を介して被加工物Ｗに照射される角度（照射角度θ_W）および位置（照射位置ｄ_W）が制御されている（図５参照）。

図１に示すように、レーザ加工用光学ヘッド１には、支持フレーム９０に固定された第一のユニットテーブル１００および第二のユニットテーブル１１０が設けられており、これら第一および第二のユニットテーブル１００，１１０は、レーザビームの光路に沿うように隣接して配置されている。

第一のユニットテーブル１００には、レーザビームの光路に沿って延びるユニット移動レール１０１が設けられており、このユニット移動レール１０１を介して、第一のプリズムユニット３０がＸ軸方向（図１においては、左右方向）に移動可能に支持されている。また、第一のユニットテーブル１００には、ユニット移動モータ１０２が設けられており、このユニット移動モータ１０２が駆動されると、第一のプリズムユニット３０がユニット移動レール１０１に沿って移動されるようになっている。

一方、第二のユニットテーブル１１０には、第二から第四のプリズムユニット４０，５０，６０が固定支持されている。第二のユニットテーブル１１０上において、第二のプリズムユニット４０は第一のプリズムユニット３０と隣接するように一方側（図１においては、右方側）に配置され、第三のプリズムユニット５０は第二のプリズムユニット４０と隣接するように中央に配置され、第四のプリズムユニット６０は第三のプリズムユニット５０と隣接するように他方側（図１においては、左方側）に配置されている。

つまり、第一のプリズムユニット３０は、第一のユニットテーブル１００を介して支持フレーム９０に移動可能に支持されているのに対し、第二から第四のプリズムユニット４０，５０，６０は、第二のユニットテーブル１１０を介して支持フレーム９０に固定支持されており、ユニット移動モータ１０２の駆動によって、第一のプリズムユニット３０は第二のプリズムユニット４０に対して接近離反するようになっている。

図２Ａに示すように、第一のプリズムユニット３０は、その外殻であるユニットケーシング３１と当該ユニットケーシング３１内に設けられた筒状のスピンドル３２とから概略構成されている。スピンドル３２は、ラジアル空気静圧軸受３３およびスラスト空気静圧軸受３４を介して、ユニットケーシング３１に対して回転可能に支持されている。なお、スピンドル３２の中心軸は、全反射ミラー２０によって反射されて第一のプリズムユニット３０に入射されるレーザビームの光路（光軸Ｃ）と一致し、スピンドル３２は、この光軸Ｃを回転中心としたＣ₁軸回りに回転されるようになっている。

また、第一のプリズムユニット３０には、第一の回転モータ３５が設けられている。第一の回転モータ３５は、ユニットケーシング３１に固定されるステータ３５ａと、スピンドル３２に固定されるロータ３５ｂとから成る。よって、第一のプリズムユニット３０において、第一の回転モータ３５が駆動されると、スピンドル３２（ロータ３５ｂ）がユニットケーシング３１（ステータ３５ａ）に対してＣ₁軸回りに回転される。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、第二から第四のプリズムユニット４０，５０，６０には、第一のプリズムユニット３０と同様に、その外殻であるユニットケーシング４１，５１，６１と、このユニットケーシング４１，５１，６１内にラジアル空気静圧軸受４３，５３，６３およびスラスト空気静圧軸受４４，５４，６４を介して回転可能に支持される筒状のスピンドル４２，５２，６２と、ユニットケーシング４１，５１，６１（ステータ４５ａ，５５ａ，６５ａ）に対してスピンドル４２，５２，６２（ロータ４５ｂ，５５ｂ，６５ｂ）を回転するための第二から第四の回転モータ４５，５５，６５とがそれぞれ設けられている。なお、スピンドル４２，５２，６２の中心軸は、第一のスピンドル３２と同様に光軸Ｃと一致し、スピンドル４２，５２，６２は、光軸Ｃを回転中心としたＣ₂軸，Ｃ₃軸，Ｃ₄軸回りにそれぞれ回転されるようになっている。

図４に示すように、本実施例に係るレーザ加工機には、レーザ加工の制御を行うＮＣ装置１２０が設けられており、レーザ加工用光学ヘッド１におけるユニット移動モータ１０２および第一から第四の回転モータ３５，４５，５５，６５は、このＮＣ装置１２０と電気的に接続されている（図４参照）。

また、図１に示すように、第一のユニットテーブル１００には、第一のプリズムユニット３０の移動量（Ｘ軸方向における位置）を検出するためのリニアスケール１０３が設けられており、第一から第四のプリズムユニット３０，４０，５０，６０には、スピンドル３２，４２，５２，６２の回転位相を検出するためのエンコーダ（第一のエンコーダ３６、第二のエンコーダ４６、第三のエンコーダ５６、第四のエンコーダ６６）がそれぞれ設けられている。

これらリニアスケール１０３および第一から第四のエンコーダ３６，４６，５６，６６は、ＮＣ装置１２０と電気的に接続されており、リニアスケール１０３によって検出される第一のプリズムユニット３０の移動量および第一から第四のエンコーダ３６，４６，５６，６６によって検出される第一から第四のスピンドル３２，４２，５２，６２の回転位相の情報は、ＮＣ装置１２０に送られるようになっている（図４参照）。

そして、ＮＣ装置１２０は、これらの情報（第一のプリズムユニット３０の移動量および第一から第四のスピンドル３２，４２，５２，６２の回転位相）に基づいて、ユニット移動モータ１０２および第一から第四の回転モータ３５，４５，５５，６５を制御することができるようになっている。

図１に示すように、第一から第四のプリズムユニット３０，４０，５０，６０には、レーザビームの光路を変位または偏向するためのプリズム（第一のウェッジプリズム３７、第二のウェッジプリズム４７、第三のウェッジプリズム５７、第四のウェッジプリズム６７）がそれぞれ設けられている。第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７は、第一から第四のプリズムユニット３０，４０，５０，６０におけるスピンドル３２，４２，５２，６２内にそれぞれ固定支持されており、第一から第四の回転モータ３５，４５，５５，６５の駆動によってスピンドル３２，４２，５２，６２と共にＣ₁軸，Ｃ₂軸，Ｃ₃軸，Ｃ₄軸回りにそれぞれ回転されるようになっている（図２Ａおよび図２Ｂ参照）。

図３に示すように、第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７は、楔形の断面を有するプリズムであり、一方の面（直交面）３７ａ，４７ａ，５７ａ，６７ａが光軸Ｃと直交すると共に他方の面（傾斜面）３７ｂ，４７ｂ，５７ｂ，６７ｂが光軸Ｃと傾斜する（平行または直交とならない）ように配置されている。よって、レーザビームは、第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７を通過する際に、偏向（屈折）される。

第一のウェッジプリズム３７と第二のウェッジプリズム４７とは、互いの傾斜面３７ｂ，４７ｂが対向するように配置されており、レーザビームは、第一および第二のウェッジプリズム３７，４７を通過することにより、それぞれの偏向角（偏角）が相殺されて光軸Ｃに対して平行移動（変位）されるようになっている。

レーザビームが変位される量（変位量）は、第一のウェッジプリズム３７と第二のウェッジプリズム４７との間の距離に応じて変化し、集光レンズ８０を通過して被加工物Ｗに照射されるレーザビームの照射角度θ_Wに影響するものである（図５参照）。つまり、ユニット移動モータ１０２の駆動により、レーザビームの変位量、すなわち、照射角度θ_Wが制御されている。

また、図１に示すように、レーザ加工用光学ヘッド１には、第一および第二のウェッジプリズム３７，４７によるレーザビームの変位についての零点補正を行うための平行平板１３０が設けられている。平行平板１３０は、第二のプリズムユニット４０のスピンドル４２内において光軸Ｃに対して傾斜可能に設けられており、第一および第二のウェッジプリズム３７，４７の光路下流側、かつ、第三および第四のウェッジプリズム５７，６７の光路上流側に位置するように配置されている。

よって、第一および第二のウェッジプリズム３７，４７を通過したレーザビームは、平行平板１３０の傾斜角度に応じて変位された後、第三および第四のウェッジプリズム５７，６７に入射されるようになっている。つまり、第一のウェッジプリズム３７と第二のウェッジプリズム４７とが所定の距離である（第一のプリズムユニット３０が所定の位置にある）場合に、平行平板１３０を傾斜させてレーザビームを光軸Ｃと一致させることにより、第一および第二のウェッジプリズム３７，４７によるレーザビームの変位についての零点補正を行うことができる。

図３に示すように、第三のウェッジプリズム５７と第四のウェッジプリズム６７とは、互いの直交面５７ａ，６７ａが対向するように配置されており、レーザビームは、第三および第四のウェッジプリズム５７，６７を通過することにより、それぞれの偏向の角度が組み合わされた角度（偏角）だけ光軸Ｃに対して偏向（傾斜）されるようになっている。

レーザビームが偏向される角度（偏角）は、第三のウェッジプリズム５７と第四のウェッジプリズム６７との回転位相差に応じて変化し、集光レンズ８０を通過して被加工物Ｗに照射されるレーザビームの照射位置ｄ_Wに影響するものである（図５参照）。つまり、第三および第四の回転モータ５５，６５の駆動により、レーザビームの偏角、すなわち、照射位置ｄ_Wが制御されている。

また、図１に示すように、レーザ加工用光学ヘッド１には、レーザビームの偏光状態を所定の偏光状態（例えば、直線偏光、円偏光、楕円偏光、ラジアル（放射状）偏光、アジマス（同一円状）偏光など）へと変換するための偏光変換素子１４０が設けられている。偏光変換素子１４０は、第一のプリズムユニット３０におけるスピンドル３２内に取り付けられており、第一のウェッジプリズム３７よりも光路上流側に位置するように配置されている。

よって、レーザ発振器１０から発振されたレーザビームは、全反射ミラー２０によって反射され、偏光変換素子１４０によって所望の偏光状態に変換された後、第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７に入射されるようになっている。なお、偏光変換素子１４０には、変換する所定の偏光状態に応じた種々のものがあり、レーザ加工用光学ヘッド１においては、被加工物Ｗに施す加工形状に応じて、一種類の偏光変換素子１４０が選定され、または、複数種類の偏光変換素子１４０が組み合わされて使用される。

また、偏光変換素子１４０と代用または併用して、回折光学素子（不図示）を設けても良い。つまり、回折光学素子を用いることによって、レーザビームの形状を最適化し、レーザビームによる加工精度を向上させることができる他、丸穴に限らない形状の加工が可能となる。

また、図１に示すように、レーザ加工用光学ヘッド１には、レーザビームの非点収差を補正するための非点収差補正光学素子１５０が設けられている。非点収差補正光学素子１５０は、第一のプリズムユニット３０におけるスピンドル３２内に取り付けられており、第一のウェッジプリズム３７よりも光路上流側に位置するように配置されている。

図３に示すように、非点収差補正光学素子１５０は、光路上流側に凸部を有する第一のシリンドリカルレンズ１５１と、光路下流側に凹部を有する第一の凹レンズ１５２と、光路上流側に凹部を有する第二の凹レンズ１５３と、光路下流側に凸部を有する第二のシリンドリカルレンズ１５４とが光路上流側から順に配置されて成る。

レーザビームの非点収差は、第一のシリンドリカルレンズ１５１および第一の凹レンズ１５２と第二の凹レンズ１５３および第二のシリンドリカルレンズ１５４との間の距離および位相（Ｃ軸回りの回転位相）が調整されることによって補正される。なお、これらの調整は、図示しない機械的機構を介して、オペレータまたはＮＣ装置１２０によって行われるようになっている。

図１に示すように、レーザ加工用光学ヘッド１には、集光レンズ８０が取付けられるノズルヘッド１６０と、ノズルヘッド１６０をＺ軸方向に摺動可能に支持するノズルボディ１６１と、ノズルヘッド１６０をノズルボディ１６１に対して摺動するノズル移動モータ１６２（図４参照）とが設けられている。よって、ノズル移動モータ１６２が駆動されると、ノズルヘッド１６０および集光レンズ８０は、被加工物Ｗに対してＺ軸方向に移動される。つまり、ノズル移動モータ１６２の駆動を制御することにより、被加工物Ｗの表面形状に応じて集光レンズ８０をＺ軸方向に移動し、集光レンズ８０を介して被加工物Ｗに照射されるレーザビームの焦点位置を常に被加工物Ｗの表面に位置させることができる。

ここで、集光レンズ８０は、その回転対称軸が後述するレーザビームの軌道旋回における旋回中心軸Ｃ_Lと一致するように配置されており、集光レンズ８０を移動するＺ軸方向は、旋回中心軸Ｃ_Lと平行な方向である。よって、集光レンズ８０のＺ軸方向における移動によって、被加工物Ｗに対する旋回中心軸Ｃ_Lが移動する（ずれる）ことはない。

図１に示すように、レーザ加工用光学ヘッド１には、レーザ加工によるプラズマの発生を抑制するガス（プラズマ抑制ガス）を噴出するためのガス噴出装置１７０が設けられている。ガス噴出装置１７０は、ノズル１６０に設けられており、プラズマ抑制ガスは、被加工物Ｗにおける加工位置（レーザビームの焦点位置）に噴出されるようになっている。よって、レーザ加工中におけるプラズマの発生、すなわち、プラズマの発生による光（レーザビーム）の吸収および散乱を抑制し、レーザビームによる加工精度を安定させることができる。なお、プラズマ抑制ガスとしては、例えば、ヘリウムガスなどが挙げられる。

また、ガス噴出装置１７０と代用または併用して、レーザ加工によって発生したプラズマを吸引するためのプラズマ吸引装置１７１（図１においては、二点鎖線で図示）を設けても良い。このように、レーザ加工において発生したプラズマを吸引することにより、プラズマの発生による光（レーザビーム）の吸収および散乱を抑制し、レーザビームによる加工精度を安定させることができる。

また、図１に示すように、レーザ加工用光学ヘッド１には、レーザビームの焦点位置（被加工物Ｗの加工位置）の様子を観察するための観察用カメラ１８０および観察用照明１９０が設けられている。観察用照明１９０から発せられる照明光は、全反射ミラー２００、ハーフミラー２１０、全反射ミラー２２０、拡大レンズ２３０を介してダイクロイックミラー７０に達する。この照明光は、レーザビームと異なる波長（特定の波長とは異なる波長帯の波長）の光であるので、ダイクロイックミラー７０を透過することができる。ダイクロイックミラー７０を透過した照明光は、集光レンズ８０を介して被加工物Ｗにおける加工位置に照射され、当該被加工物Ｗによって反射される。被加工物Ｗによって反射された反射光は、集光レンズ８０を介してダイクロイックミラー７０に達する。この反射光は、レーザビームと異なる波長（特定の波長とは異なる波長帯の波長）の光であり、ダイクロイックミラー７０を透過し、拡大レンズ２３０、全反射ミラー２２０、ハーフミラー２１０を介して観察用カメラ１８０に達する。

つまり、被加工物Ｗにおける加工位置に観察用照明１９０の照明光が照射され、その様子が観察用カメラ１８０によって撮像されることにより、被加工物Ｗにおける加工位置すなわちレーザビームの焦点位置が可視化され、オペレータ（または、ＮＣ装置１２０）は、その様子を観察（確認）することができる。

本実施例に係るレーザ加工機によるレーザ加工は、図示しないワークテーブルに固定された被加工物Ｗに対してレーザビームを照射することによってなされ、レーザビームの照射軌道は、レーザ加工用光学ヘッド１によって制御される。

レーザ加工（本実施例においては、穴明け加工）時のレーザ加工用光学ヘッド１による照射軌道の制御について、図１から図５を参照して説明する。穴明け加工時には、レーザ加工用光学ヘッド１において、レーザビームの照射角度θ_Wの設定、レーザビームの照射位置ｄ_Wの設定、および、レーザビームの軌道旋回がなされることにより、被加工物Ｗに所定の形状および内径の穴が形成される。

レーザビームの照射角度θ_W（図５参照）の設定は、ユニット移動モータ１０２を駆動し、第一のプリズムユニット３０を第二のプリズムユニット４０に対して接近離反（Ｘ軸方向に移動）することによってなされる（図１および図２Ａ参照）。つまり、第一のウェッジプリズム３７と第二のウェッジプリズム４７との間の距離を所定値に設定し、第一および第二のウェッジプリズム３７，４７を通過するレーザビームを所定量だけ変位（平行移動）させ、集光レンズ８０を介して被加工物に照射されるレーザビームの照射角度θ_Wを所定角度に設定する。

なお、第一および第二のウェッジプリズム３７，４７によるレーザビームの変位について、零点補正を行う必要がある場合には、第二のプリズムユニット４０に設けられた平行平板１３０の光軸Ｃに対する傾斜角度を調整する。つまり、ユニット移動モータ１０２の駆動によって第一のプリズムユニット３０を所定位置に移動（第一のウェッジプリズム３７と第二のウェッジプリズム４７との間の距離を所定値に設定）し、平行平板１３０を傾斜してレーザビームを光軸Ｃと一致させ、零点補正を行う。

レーザビームの照射位置ｄ_W（図５参照）の設定は、第三および第四の回転モータ５５，６５の少なくとも一方を駆動し、第三および第四のプリズムユニット５０，６０の少なくとも一方をＣ₃軸またはＣ₄軸回りに回転することによってなされる（図１および図２Ｂ参照）。つまり、第三のウェッジプリズム５７と第四のウェッジプリズム６７とを所定の回転位相差に設定し、第三および第四のウェッジプリズム５７，６７を通過するレーザビームを所定の偏角だけ偏向（傾斜）させ、集光レンズ８０を介して被加工物Ｗに照射されるレーザビームの照射位置ｄ_Wを所定位置に設定する。

ここで、第三および第四のウェッジプリズム５７，６７に入射されるレーザビームは、第一および第二のウェッジプリズム３７，４７によって変位されているが、この変位は三次元的なものではない。これは、第一および第二のウェッジプリズム３７，４７を通過する際のレーザビームの変位量が、第一のウェッジプリズム３７と第二のウェッジプリズム４７との間の距離によって制御されているからである。つまり、レーザビームの変位量を変化させた場合においても、レーザビームは、光軸Ｃに対して常に同じ方向（二次元的）に変位される。よって、第三および第四のウェッジプリズム５７，６７に入射されるレーザビームが三次元的に変位されることはないので、従来技術（例えば、特許文献１に記載された技術）と比較して、レーザビームの軌道計算を簡易なものとすることができる。

レーザビームの軌道旋回は、第一のウェッジプリズム３７と第二のウェッジプリズム４７とを所定の距離に維持すると共に、第三のウェッジプリズム５７と第四のウェッジプリズム６７とを所定の回転位相差に維持した状態で、第一から第四の回転モータ３５，４５，５５，６５を駆動することによってなされる（図１、図２Ａおよび図２Ｂ参照）。つまり、第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７を同期回転し、第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７を通過して集光レンズ８０に入射されるレーザビームを旋回中心軸Ｃ_L回りに旋回させ、集光レンズ８０を介して被加工物Ｗに照射されるレーザビームの軌道を旋回中心軸Ｃ_L回りに旋回する。このように所定の照射角度θ_Wおよび照射位置ｄ_Wで被加工物Ｗに照射されるレーザビームの軌道を旋回中心軸Ｃ_L回りに旋回することにより、被加工物Ｗに所定の形状および内径の穴を形成することができる（図５参照）。

レーザ加工用光学ヘッド１においては、第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７を固定支持するスピンドル３２，４２，５２，６２が、ギアなどの間接的機構を介さずに、第一から第四の回転モータ３５，４５，５５，６５によって直接駆動されている（図２Ａおよび図２Ｂ参照）。よって、スピンドル３２，４２，５２，６２、すなわち、第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７を高精度に同期回転することができる。

また、レーザ加工用光学ヘッド１においては、スピンドル３２，４２，５２，６２の回転位相をエンコーダ３６，４６，５６，６６によって検出できるようにしている。よって、ＮＣ装置１２０は、当該エンコーダ３６，４６，５６，６６の検出結果に基づいて、スピンドル３２，４２，５２，６２（第一から第四の回転モータ３５，４５，５５，６５）、すなわち、第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７の回転を制御し、第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７を高精度に同期回転することができる（図２Ａ、図２Ｂおよび図４参照）。

また、レーザ加工用光学ヘッド１においては、スピンドル３２，４２，５２，６２は、ラジアル空気静圧軸受３３，４３，５３，６３およびスラスト空気静圧軸受３４，４４，５４，６４を介してそれぞれのユニットケーシング３１，４１，５１，６１に支持されており、ユニットケーシング３１，４１，５１，６１に対して接触することなく回転されるようになっている。よって、スピンドル３２，４２，５２，６２とユニットケーシング３１，４１，５１，６１との間には、接触抵抗がほとんど生じることはなく、例えば転がり軸受等を使用した従来技術と比較して、回転時の振動を抑えることができるので、第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７を高精度に同期回転することができる。

また、本実施例に係るレーザ加工機は、レーザ加工用光学ヘッド１においてレーザビームの照射軌道を更に高精細に制御することにより、被加工物Ｗに対して更に微細かつ高精度なレーザ加工を施すことができる。レーザ加工用光学ヘッド１においては、レーザビームの照射軌道の更なる制御として、レーザビームの偏光状態の変換、レーザビームの非点収差の補正がなされる。

レーザビームの偏光状態の変換は、被加工物Ｗに施す加工の形状に応じて、偏光変換素子１４０を選定し、第一のプリズムユニット３０におけるスピンドル３２に取り付けることによってなされる（図１および図２Ａ参照）。例えば、被加工物Ｗに施す加工形状が丸形状である場合には、偏光変換素子１４０によってレーザビームの偏光状態を円偏光またはラジアル偏光等に変換することにより、被加工物Ｗに形成される丸穴の真円度を向上させることができる。

なお、偏光変換素子１４０は、第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７よりも光路上流側に配置されており、レーザビームは、常に同じ角度および同じ位置で偏光変換素子１４０に入射されるため、偏光変換素子１４０による偏光状態の変換が確実（効率的）になされる。

レーザビームの非点収差の補正は、非点収差補正素子１５０を調整する、すなわち、第一のシリンドリカルレンズ１５１および第一の凹レンズ１５２と第二の凹レンズ１５３および第二のシリンドリカルレンズ１５４との間の距離および位相（Ｃ軸回りの回転位相）を調整することによってなされる（図１および図３参照）。つまり、非点収差による焦点距離のずれの方向に合わせて、第一のシリンドリカルレンズ１５１および第一の凹レンズ１５２と第二の凹レンズ１５３および第二のシリンドリカルレンズ１５４との間の位相を調整し、非点収差による焦点距離のずれの度合いに合わせて、第一のシリンドリカルレンズ１５１および第一の凹レンズ１５２と第二の凹レンズ１５３および第二のシリンドリカルレンズ１５４との間の距離を調整し、レーザビームの非点収差を補正する。

なお、非点収差補正光学素子１５０は、第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７よりも光路上流側に配置されており、レーザビームは、常に同じ角度および同じ位置で非点収差補正光学素子１５０に入射されるため、非点収差補正光学素子１５０による非点収差の補正が確実（効率的）になされる。

また、本実施例に係るレーザ加工機は、レーザ加工用光学ヘッド１においてレーザビームの照射軌道をクローズドループ制御によって高精細に制御することにより、被加工物Ｗに対して更に微細かつ高精度なレーザ加工を施すことができる。ＮＣ装置１２０には、第一から第四のエンコーダ３６，４６，５６，６６、リニアスケール１０３および観察用カメラ１８０によって検出される情報がフィードバックされるようになっている。

第一から第四のエンコーダ３６，４６，５６，６６によって検出されるスピンドル３２，４２，５２，６２の回転位相の情報がＮＣ装置１２０に送られることにより、ＮＣ装置１２０は、第一から第四の回転モータ３５，４５，５５，６５の動作を高精度に制御することができる。この制御により、スピンドル３２，４２，５２，６２、すなわち、第一から第四のウェッジプリズム３７，４７，５７，６７は、高精度に同期回転される。

リニアスケール１０３によって検出される第一のプリズムユニット３０の移動量（Ｘ軸方向における位置）がＮＣ装置１２０に送られることにより、ＮＣ装置１２０は、ユニット移動モータ１０２の動作を高精度に制御することができる。この制御により、第一のプリズムユニット３０は高精度に移動され、第一のプリズムユニット３０（第一のウェッジプリズム３７）と第二のプリズムユニット４０（第二のウェッジプリズム４７）との間の距離が高精度に設定され、第一および第二のウェッジプリズム３７，４７を通過するレーザビームの変位量、すなわち、集光レンズ８０を介して被加工物に照射されるレーザビームの照射角度θ_Wが高精度に設定される。

観察用カメラ１８０によって検出されるレーザビームの焦点位置の様子がＮＣ装置１２０に送られることにより、ＮＣ装置１２０（または、オペレータ）は、レーザビームの照射軌道（照射角度θ_W、照射位置ｄ_W、軌道旋回、偏光状態（被加工物Ｗに形成された穴の真円度）、非点収差）を確認し、その状態に応じたレーザビームの照射軌道の制御を行うことができる。この制御により、レーザビームの照射軌道は、高精細に制御される。

また、ＮＣ装置１２０は、観察用カメラ１８０による撮像に基づいて、集光レンズ８０と被加工物Ｗとの距離Ｄが一定となるように、ノズルヘッド１６０をＺ軸方向に摺動させることにより、レーザビームの焦点位置を被加工物Ｗの表面形状に合わせて移動させることができる。なお、被加工物Ｗの表面に観察用カメラ１８０が認識可能な認識マーク（不図示）を付加することにより、ＮＣ装置１２０は、当該認識マークを基準として被加工物Ｗの表面形状および加工位置等を正確に把握することができる。

もちろん、本発明に係るレーザ加工機は、本実施例のように観察用カメラ１８０の撮像に基づいてノズルヘッド１６０（集光レンズ８０）を移動するものに限定されず、例えば、被加工物Ｗの三次元加工データに基づいてノズルヘッド１６０（集光レンズ８０）を移動し、レーザビームの焦点位置を被加工物Ｗの表面形状に合わせるようにしても良い。

本発明は、以上に説明した実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることは言うまでもない。例えば、本実施例に係るレーザ加工機に備えられるレーザ加工用光学ヘッド１に、イメージローテータ（例えば、ダブプリズム）を更に設けても良い。このようなイメージローテータをレーザ加工用光学ヘッド１に設けた場合であっても、本実施例と同様に、レーザビームの照射軌道を高精細に制御し、微細かつ高精度なレーザ加工が可能である。

１ レーザ加工用光学ヘッド
１０ レーザ発振器
２０ 全反射ミラー
３０ 第一のプリズムユニット
３１ 第一のユニットケーシング（第一の保持手段）
３２ 第一のスピンドル
３３ ラジアル空気静圧軸受
３４ スラスト空気静圧軸受
３５ 第一の回転モータ（第一のモータ）
３５ａ 第一の回転モータにおけるステータ
３５ｂ 第一の回転モータにおけるロータ
３６ 第一のエンコーダ
３７ 第一のウェッジプリズム（第一のプリズム）
３７ａ 第一のウェッジプリズムにおける平坦面
３７ｂ 第一のウェッジプリズムにおける傾斜面
４０ 第二のプリズムユニット
４１ 第二のユニットケーシング（第二の保持手段）
４２ 第二のスピンドル
４３ ラジアル空気静圧軸受
４４ スラスト空気静圧軸受
４５ 第二の回転モータ（第二のモータ）
４５ａ ステータ
４５ｂ ロータ
４６ 第二のエンコーダ
４７ 第二のウェッジプリズム（第二のプリズム）
４７ａ 第二のウェッジプリズムにおける平坦面
４７ｂ 第二のウェッジプリズムにおける傾斜面
５０ 第三のプリズムユニット
５１ 第三のユニットケーシング（第三の保持手段）
５２ 第三のスピンドル
５３ ラジアル空気静圧軸受
５４ スラスト空気静圧軸受
５５ 第三の回転モータ（第三のモータ）
５５ａ ステータ
５５ｂ ロータ
５６ 第三のエンコーダ
５７ 第三のウェッジプリズム（第三のプリズム）
５７ａ 第三のウェッジプリズムにおける平坦面
５７ｂ 第三のウェッジプリズムにおける傾斜面
６０ 第四のプリズムユニット
６１ 第四のユニットケーシング（第四の保持手段）
６２ 第四のスピンドル
６３ ラジアル空気静圧軸受
６４ スラスト空気静圧軸受
６５ 第四の回転モータ（第四のモータ）
６５ａ ステータ
６５ｂ ロータ
６６ 第四のエンコーダ
６７ 第四のウェッジプリズム（第四のプリズム）
６７ａ 第四のウェッジプリズムにおける平坦面
６７ｂ 第四のウェッジプリズムにおける傾斜面
７０ ダイクロイックミラー
８０ 集光レンズ
９０ 支持フレーム
１００ 第一のユニットテーブル
１０１ ユニット移動レール（プリズム移動手段）
１０２ ユニット移動モータ（プリズム移動手段）
１０３ リニアスケール
１１０ 第二のユニットテーブル
１２０ ＮＣ装置
１３０ 平行平板
１４０ 偏光変換素子（偏光変換手段）
１５０ 非点収差補正光学素子（非点収差補正手段）
１５１ 第一のシリンドリカルレンズ
１５２ 第一の凹レンズ
１５３ 第二のシリンドリカルレンズ
１５４ 第二の凹レンズ
１６０ ノズルヘッド（レンズ移動手段）
１６１ ノズルボディ
１６２ ノズル移動モータ（レンズ移動手段）
１７０ ガス噴出装置（プラズマ発生抑制手段）
１７１ ガス吸引装置（プラズマ吸引手段）
１８０ 観察用カメラ（撮像手段）
１９０ 観察用照明（撮像手段）
２００ 全反射ミラー
２１０ ハーフミラー
２２０ 全反射ミラー
２３０ 拡大レンズ

上記課題を解決する第一の発明に係るレーザ加工機は、レーザビームを使用して被加工物に加工を施すレーザ加工機であって、前記レーザビームの光路上流側から順に配置される第一のプリズム、第二のプリズム、第三のプリズムおよび第四のプリズムと、前記第一のプリズム、前記第二のプリズム、前記第三のプリズムおよび前記第四のプリズムをそれぞれ独立して保持する第一のスピンドル、第二のスピンドル、第三のスピンドルおよび第四のスピンドルと、前記第一のスピンドル、前記第二のスピンドル、前記第三のスピンドルおよび前記第四のスピンドルをそれぞれ回転可能に保持する第一の保持手段、第二の保持手段、第三の保持手段および第四の保持手段と、前記第一のスピンドル、前記第二のスピンドル、前記第三のスピンドルおよび前記第四のスピンドルにそれぞれ固定されるロータと、前記第一の保持手段、前記第二の保持手段、前記第三の保持手段および前記第四の保持手段にそれぞれ固定されるステータとから成る第一のモータ、第二のモータ、第三のモータおよび第四のモータと、前記第一のプリズムまたは前記第二のプリズムの少なくとも一方を移動するプリズム移動手段と、前記第二のスピンドルにおいて光軸に対して傾斜可能に設けられ、前記第二のプリズムの光路下流側に配置される平行平板とを備え、前記第一のプリズムと前記第二のプリズムは、通過する前記レーザビームを変位させる一対のプリズムであり、前記第三のプリズムと前記第四のプリズムは、通過する前記レーザビームを偏向させる一対のプリズムであることを特徴とする。

上記課題を解決する第二の発明に係るレーザ加工機は、第一の発明に係るレーザ加工機において、前記第一のスピンドル、前記第二のスピンドル、前記第三のスピンドルおよび前記第四のスピンドルが、それぞれラジアル空気静圧軸受およびスラスト空気静圧軸受を介して前記第一の保持手段、第二の保持手段、第三の保持手段および第四の保持手段に回転可能に保持されるものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第四の発明に係るレーザ加工機は、第一から第三のいずれか一つの発明に係るレーザ加工機において、前記第一のスピンドルにおける前記第一のプリズムの光路上流側に固定され、前記レーザビームの非点収差を補正する非点収差補正手段を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決する第六の発明に係るレーザ加工機は、第一から第五のいずれか一つの発明に係るレーザ加工機において、前記第一のスピンドルにおける前記第一のプリズムの光路上流側に固定され、前記レーザビームの偏光状態を変換する偏光変換手段を備えたことを特徴とする。

Claims (10)

1. レーザビームを使用して被加工物に加工を施すレーザ加工機であって、
   前記レーザビームの光路上流側から順に配置される第一のプリズム、第二のプリズム、第三のプリズムおよび第四のプリズムと、
   前記第一のプリズム、前記第二のプリズム、前記第三のプリズムおよび前記第四のプリズムをそれぞれ独立して保持する第一のスピンドル、第二のスピンドル、第三のスピンドルおよび第四のスピンドルと、
   前記第一のスピンドル、前記第二のスピンドル、前記第三のスピンドルおよび前記第四のスピンドルをそれぞれ回転可能に保持する第一の保持手段、第二の保持手段、第三の保持手段および第四の保持手段と、
   前記第一のスピンドル、前記第二のスピンドル、前記第三のスピンドルおよび前記第四のスピンドルにそれぞれ固定されるロータと、前記第一の保持手段、前記第二の保持手段、前記第三の保持手段および前記第四の保持手段にそれぞれ固定されるステータとから成る第一のモータ、第二のモータ、第三のモータおよび第四のモータと、
   前記第一のプリズムまたは前記第二のプリズムの少なくとも一方を移動するプリズム移動手段と
   を備え、
   前記第一のプリズムと前記第二のプリズムは、通過する前記レーザビームを変位させる一対のプリズムであり、
   前記第三のプリズムと前記第四のプリズムは、通過する前記レーザビームを偏向させる一対のプリズムである
   ことを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記第一のスピンドル、前記第二のスピンドル、前記第三のスピンドルおよび前記第四のスピンドルが、それぞれ空気静圧軸受を介して前記第一の保持手段、第二の保持手段、第三の保持手段および第四の保持手段に回転可能に保持されるものである
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記レーザビームの光路上に配置され、前記被加工物に照射される前記レーザビームを集光する集光レンズと、
   前記集光レンズを前記レーザビームの旋回中心軸に沿って移動するレンズ移動手段と
   を備えた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機。
4. 前記レーザビームの光路上における前記第一のプリズムの光路上流側に配置され、前記レーザビームの非点収差を補正する非点収差補正手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
5. 前記非点収差補正手段が、一対のシリンドリカルレンズと一対の凹レンズとを備えたものである
   ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工機。
6. 前記レーザビームの光路上における前記第一のプリズムの光路上流側に配置され、前記レーザビームの偏光状態を変換する偏光変換手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
7. 前記レーザビームが照射される前記被加工物を撮像する撮像手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
8. 前記レーザビームによって前記被加工物を加工する際のプラズマの発生を抑制するプラズマ発生抑制手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
9. 前記レーザビームによって前記被加工物を加工する際に発生するプラズマを吸引するプラズマ吸引手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
10. 前記レーザビームがナノ秒以下の短パルスレーザである
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のレーザ加工機。

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