JP2024062425A - ビームローテータ、レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents
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Abstract
Description
従来のビームローテータは、複数のウェッジプリズムを有する半径ローテータと、複数のウェッジプリズムを有する角度ローテータよりなり、各ローテータのウェッジプリズムの回転により、レンズを介してワーク上に結像されるレーザビームの照射スポットを、円周に沿って移動させる機能を備えている。
さらに、角度ローテータの各ウェッジプリズム間の位相差を調整することによってレーザビームの光軸を平行移動させ、ワークに対するレーザビームの照射角度を可変とすることもできる。
上記「偏向素子」としてはウェッジプリズムが典型であるが、その他にも回折格子やDOE(Diffractive Optical Element/回折光学素子)などが該当する(以下同様)。
また、角度ローテータ19のウェッジプリズム15は、円筒状支持部材22の左端開口部に嵌合されており、ウェッジプリズム16は、同円筒状支持部材22の右端開口部に嵌合されている。
さらに、角度ローテータ19のウェッジプリズム17は、円筒状支持部材23の左端開口部に嵌合されており、ウェッジプリズム18は、同円筒状支持部材23の右端開口部に嵌合されている。
また、各円筒状支持部材20~23の近傍には、それぞれサーボモータ26が配置されており、そのシャフトに接続されたギア27とプーリ25との間には、ベルト28が装着されている。
この結果、各サーボモータ26の回転により、各円筒状支持部材20~23内に配置されたウェッジプリズム12, 13, 15~18も回転する。
図示の通り、半径ローテータ14を構成する円筒状支持部材20, 21は、角度ローテータ19を構成する円筒状支持部材22, 23と同一の平面上に設置されている。
なお、サーボモータ26の代わりに中空サーボモータを採用すると共に、その中空シャフト内にウェッジプリズムを配置すれば、ギア27やプーリ25、ベルト28の設置を省略することができる。
また、ウェッジプリズム13、円筒状支持部材21、ベアリング24、プーリ25、サーボモータ26、ギア27及びベルト28よりなる半径ローテータ14の右側部分を、補正ローテータ31と称する。
また、ウェッジプリズム15、ウェッジプリズム16、円筒状支持部材22、ベアリング24、プーリ25、サーボモータ26、ギア27及びベルト28よりなる角度ローテータ19の左側部分を、第1のユニット32と称する。
さらに、ウェッジプリズム17、ウェッジプリズム18、円筒状支持部材23、ベアリング24、プーリ25、サーボモータ26、ギア27及びベルト28よりなる角度ローテータ19の右側部分を、第2のユニット33と称する。
各サーボモータ26はエンコーダを内蔵しており、パソコン35に対してそれぞれの位置情報がリアルタイムに送出される。
このパソコン35には、OSの他にレーザ発振器100及びビームローテータ10の制御用プログラムが搭載されている。
そして、パソコン35の拡張スロットに装着された制御ボードから各サーボモータ26に対して制御用の信号が送出され、それぞれの回転方向及び回転速度がコントロールされる。
汎用的なパソコン35を用いる代わりに、専用の制御装置(同期サーボ制御装置等)を制御手段として用いることも当然に可能である。
この結果、ウェッジプリズム15及びウェッジプリズム16を透過したレーザビームL23は、ウェッジプリズム15に入射したレーザビームL21に対して所定の幅で平行移動することとなる。
この結果、ウェッジプリズム17及びウェッジプリズム18を透過したレーザビームL25は、ウェッジプリズム17に入射したレーザビームL23に対して所定の幅で平行移動することとなる。
そして、ウェッジプリズム12及びウェッジプリズム13を透過し、所定の角度に偏向されたレーザビームL26は、ミラー36で反射される。
このミラー36で反射されたレーザビームL27はレンズ37に入射し、そこで集光されたレーザビームL28はワーク38に照射され、所望のレーザ加工が施される。
この結果、ワーク38における照射スポットは円周上を移動することとなる。
このウェッジプリズム12とウェッジプリズム13との位相差は、それぞれのサーボモータ26の回転速度を制御することにより実現される。
このウェッジプリズム16とウェッジプリズム17との位相差は、上記と同様、それぞれのサーボモータ26の回転速度を制御することにより実現される。
また、半径ローテータ14のメインローテータ30と補正ローテータ31についても同様であり、両者の位置を入れ替えてもよい。
因みに、上記「描画半径」は各ウェッジプリズムの偏向角度に基づいて調整される(詳細は後述)。
図11に示すように、レンズ前頂点位置におけるレーザビームの光軸に対する角度を偏向角度θとすると、描画半径Rは以下の式1より求められる。
式1:描画半径R=焦点距離f×tan(偏向角度θ)
つまり描画半径Rは、焦点距離fを一定とした場合、偏向角度θを調整することにより可変となる。
同じく焦点距離fが137.5mmの場合において、補正ローテータ31のウェッジプリズム13を0.00312度の偏向角度を保って立体角で回せば、加工平面に半径7.5μmの円が描かれることとなる。
メインローテータ30の偏向角度は、所定の焦点距離の下で、ワーク38における回転軌跡αの描画半径が50μmとなるように設定されている。また、補正ローテータ31の偏向角度は、同焦点距離の下で、回転軌跡βの描画半径が7.5μmとなるように設定されている。
これにメインローテータ30の回転分(20度)が加わるため、メインローテータ30の回転中心C1と補正ローテータ31の回転中心C2を結ぶ線L1と、照射ポイントPと補正ローテータ31の回転中心C2とを結ぶ線L2とのなす角は、以下の式2の通り-80度となる。
式2:-(20+20×3)=-80度
これにメインローテータ30の回転分(45度)が加わるため、線L1と線L2とのなす角は、以下の式3の通り-180度となる。
式3:-(45+45×3)=-180度
これにメインローテータ30の回転分(90度)が加わるため、線L1と線L2とのなす角は、以下の式4の通り-360度となる。
式4:-(90+90×3)=-360度
すなわち、メインローテータ30の回転軌跡αと補正ローテータ31の回転軌跡β、及び照射ポイントPを図14(a)の状態に配置した上でレーザ照射を開始し、メインローテータ30と補正ローテータ31の回転を継続することにより、同図 (b)~(e)に示すように、ワーク38の表面に略五芒星形状の加工軌跡γ(レーザ照射パターン47)が形成される。
メインローテータ30の偏向角度と補正ローテータ31の偏向角度を異ならせる方法として最も単純なのは、図15に示すように、それぞれに装着するウェッジプリズム12とウェッジプリズム13を、必要な偏向角度を備えたものと交換することである。
ただし、この場合には加工パターンを変更する都度、ウェッジプリズムの脱着作業が必要となる。また、偏向角度の調整幅も用意されたウェッジプリズムの範囲内に限定される。
この場合、メインローテータ30のウェッジプリズム12が、右側ウェッジプリズム12aと左側ウェッジプリズム12bの組合せによって構成されると共に、補正ローテータ31のウェッジプリズム13が、左側ウェッジプリズム13aと右側ウェッジプリズム13bの組合せによって構成されている。
※図示の便宜上、サーボモータ26、ギア27、ベルト28等の記載は省略している(以降も同様)。
また右側ウェッジプリズム13bの周縁部は、円筒状支持部材21の内周面に形成された溝50に回動自在に嵌合されており、右側ウェッジプリズム13bを任意の方向に回動させることで、対をなす左側ウェッジプリズム13aとの間に位相差が生じるように仕組まれている。
ただし、この場合でも加工パターンを変更する都度、加工を停止する必要があり、連続的に異なる加工パターンに移行することはできない。
この延長管54の先端部は、右側ウェッジプリズム12aの近傍まで延びており、その右端開口部には、比較的小径の左側ウェッジプリズム12bが嵌装されている。
円筒状支持部材52は、ベアリング24内に挿通されると共に、プーリ25が嵌装されている。このため、図示しないサーボモータ26が回転すると、その回転力が図示しないギア27及びベルト28を介してプーリ25に伝わり、円筒状支持部材52が回転する。
延長管54の基端部は、円筒状支持部材52の内周面に固定されているため、円筒状支持部材52の回転に呼応して延長管54及び左側ウェッジプリズム12bも回転する。
すなわち、補正ローテータ31の円筒状支持部材21の左端開口部には左側ウェッジプリズム13aが嵌装されると共に、右端開口部には他の円筒状支持部材56の延長管54が挿通されている。
この延長管54の先端部は、左側ウェッジプリズム13aの近傍まで延びており、その左端開口部には、比較的小径の右側ウェッジプリズム13bが嵌装されている。
円筒状支持部材56は、ベアリング24内に挿通されると共に、プーリ25が嵌装されている。このため、図示しないサーボモータ26が回転すると、その回転力が図示しないギア27及びベルト28を介してプーリ25に伝わり、円筒状支持部材56が回転する。
延長管54の基端部は、円筒状支持部材56の内周面に固定されているため、円筒状支持部材56の回転に呼応して延長管54及び右側ウェッジプリズム13bも回転する。
補正ローテータ31も相互に独立して回転可能な一対のウェッジプリズム(左側ウェッジプリズム13a及び右側ウェッジプリズム13b)を備えているため、回転時におけるそれぞれの位置を調整して位相差を設けることで偏向角度を任意の値に設定できる。
この結果、メインローテータ30と補正ローテータ31を停止することなく、パソコン35からの制御信号に基づいて加工中にそれぞれの偏向角度を自由に調整可能となり、必要な加工パターンを連続的に形成することができる。
まず、メインローテータ30は、円筒状支持部材20と他の円筒状支持部材52を備えており、円筒状支持部材20の左端開口部に右側ウェッジプリズム12aが嵌装されると共に、円筒状支持部材52の右端開口部に左側ウェッジプリズム12bが嵌装されている。
また補正ローテータ31も、円筒状支持部材21と他の円筒状支持部材56を備えており、円筒状支持部材21の右端開口部に左側ウェッジプリズム13aが嵌装されると共に、円筒状支持部材56の左端開口部に右側ウェッジプリズム13bが嵌装されている。
メインローテータ30及び補正ローテータ31間は、アフォーカル結合光学系(両面テレセントリック)58によって接続されている。
補正ローテータ31も相互に独立して回転可能な一対のウェッジプリズム(左側ウェッジプリズム13a及び右側ウェッジプリズム13b)を備えているため、それぞれの回転位置を調整して位相差を設けることで偏向角度を任意の値に設定できる。
このため、メインローテータ30と補正ローテータ31を停止することなく、それぞれの偏向角度を加工中に自由に調整可能となり、必要な加工パターンを連続的に形成することができる。
すなわち、図19(b)に示すように、第1のアフォーカル結合光学系58a及び第1の補正ローテータ31aの他に、第2のアフォーカル結合光学系58b及び第2の補正ローテータ31bを増設することにより、照射位置の2段階の補正が可能となる。
あるいは、図19(c)に示すように、第3のアフォーカル結合光学系58c及び第3の補正ローテータ31cをさらに増設することにより、照射位置の3段階の補正が可能となる。
図19(a)は、比較対象として一つの補正ローテータ31aを一つのアフォーカル結合光学系58aを介してメインローテータ30に接続した構成を示しており、図13に示した半径ローテータ14と同じものである。
まず、図20(a)は1段の補正ローテータ31を配置した場合(図19(a))の加工パターンを示しており、メインローテータ30の速度比を「1」に、偏向角度を「35度」に設定すると共に、第1の補正ローテータ31aの速度比を「3」に、偏向角度を「5度」に設定すると、図示の通りワーク38の表面に略正方形状のレーザ照射パターン59aが形成される。
この場合、第1の補正ローテータ31aの速度比が正の値であることから、回転方向はメインローテータ30と同じく「正転」であることを意味している。
この場合、第2の補正ローテータ31bの速度比が負の値であることから、回転方向はメインローテータ30と異なる「逆転」であることを意味している。
この場合も、第3の補正ローテータ31cの速度比が負の値であることから、回転方向はメインローテータ30とは異なる「逆転」であることが表されている。
補正ローテータ31の段数に限定はなく、さらに多くのアフォーカル結合光学系58及び補正ローテータ31を追加することもできる。
図21(a)は、図1に示した角度ローテータ19の構成を示しており、一対の円筒状支持部材(円筒状支持部材22及び円筒状支持部材23)の両端開口にそれぞれウェッジプリズム(ウェッジプリズム15、ウェッジプリズム16、ウェッジプリズム17及びウェッジプリズム18)を嵌装している。
このタイプの角度ローテータ19は、光軸の平行移動量を多く確保できる利点があるが、4枚のウェッジプリズムの特性を揃えて正確に組み付けないと位相差が生じ易く、光軸に対する平行性を確保できないという欠点があった。
あるいは、各円筒状支持部材の回転速度を調節することによって平行性を敢えて崩せば、加工面においては半径の差異として表れるため、半径ローテータとしての機能を角度ローテータ60に付与することも可能となる。
この種の角度ローテータ80は、ウェッジプリズムの数が少ない分、それぞれの特性を揃えるのは容易となるが、光軸の平行移動量が小さいという欠点があった。
12 ウェッジプリズム
13 ウェッジプリズム
14 半径ローテータ
15 ウェッジプリズム
16 ウェッジプリズム
17 ウェッジプリズム
18 ウェッジプリズム
19 角度ローテータ
30 メインローテータ
31 補正ローテータ
32 第1のユニット
33 第2のユニット
35 パソコン
36 ミラー
37 レンズ
38 ワーク
40 楕円形状のレーザ照射パターン
41 略正三角形状のレーザ照射パターン
42 略正方形状のレーザ照射パターン
43 略正五角形状のレーザ照射パターン
44 略正六角形状のレーザ照射パターン
45 略正七角形状のレーザ照射パターン
46 略正八角形状のレーザ照射パターン
47 略五芒星状のレーザ照射パターン
54 延長管
58 アフォーカル結合光学系
59a 略正方形状のレーザ照射パターン
59b 略正方形状のレーザ照射パターン
59c 略正方形状のレーザ照射パターン
60 角度ローテータ
63 ウェッジプリズム
64 ウェッジプリズム
65 第1のユニット
68 ウェッジプリズム
69 ウェッジプリズム
70 第2のユニット
85 角度ローテータ
88 平行平面基板状のウェッジプリズム
89 平行平面基板状のウェッジプリズム
90 第1のユニット
93 平行平面基板状のウェッジプリズム
94 平行平面基板状のウェッジプリズム
95 第2のユニット
96 アフォーカル結合光学系
100 レーザ発振器
102 レーザ加工装置
α メインローテータの回転軌跡
β 補正ローテータの回転軌跡
γ 加工軌跡(レーザ照射パターン)
P レーザ照射ポイント
C1 メインローテータの回転中心
C2 補正ローテータの回転中心
Claims (10)
- 回転可能に配置された1または複数の偏向素子を備えたメインローテータと、回転可能に配置された1または複数の偏向素子を備えた補正ローテータを有し、両ローテータ間の位相差を調整することによって透過レーザビームの偏向量を可変とし、以てワークに集光されるレーザビームの照射半径を可変とする半径ローテータと、
上記の各偏向素子の回転速度及び回転方向を制御する制御手段とを備えたビームローテータであって、
上記メインローテータの偏向素子の偏向角度、回転方向及び回転速度と、上記補正ローテータの偏向素子の偏向角度、回転方向及び回転速度を調整することにより、ワーク表面におけるレーザビームの照射形状を可変とすることを特徴とするビームローテータ。 - 回転可能に配置された1または複数の偏向素子を備えた第1のユニットと、回転可能に配置された1または複数の偏向素子を備えた第2のユニットを有し、両ユニット間の位相差を調整することによって透過レーザビームの光軸を所定幅で平行移動させ、以てワークに集光されるレーザビームの照射角度を可変とする角度ローテータを備えたことを特徴とする請求項1に記載のビームローテータ。
- 上記メインローテータが、
回転可能に配置された円筒状支持部材と、
この円筒状支持部材内に配置された複数の偏向素子を備えており、
少なくとも一つの偏向素子は上記円筒状支持部材の内周面に回動自在に配置されており、当該偏向素子を所定方向に所定量回動させることにより、他の偏向素子との間の位相差が変更され、以てメインローテータの偏向角度が可変となされ、
上記補正ローテータが、
回転可能に配置された円筒状支持部材と、
この円筒状支持部材内に配置された複数の偏向素子を備えており、
少なくとも一つの偏向素子は上記円筒状支持部材の内周面に回動自在に配置されており、当該偏向素子を所定方向に所定量回動させることにより、他の偏向素子との間の位相差が変更され、以て補正ローテータの偏向角度が可変となされることを特徴とする請求項1または2に記載のビームローテータ。 - 上記メインローテータが、
回転可能に配置された一対の円筒状支持部材と、
一方の円筒状支持部材の一の開口部に嵌装された第1の偏向素子と、
他方の円筒状支持部材の一の開口部から突出した延長管と、
この延長管の先端開口部に嵌装された第2の偏向素子よりなり、
上記延長管の先端開口部が第1の円筒状支持部材の他の開口部から内部に挿入されることにより、第2の偏向素子が第1の偏向素子の近傍に配置されており、
第1の偏向素子と第2の偏向素子間の回転速度を調整することによって両者間の位相差が変更され、以てメインローテータの偏向角度が可変となされ、
上記補正ローテータが、
回転可能に配置された一対の円筒状支持部材と、
一方の円筒状支持部材の一の開口部に嵌装された第1の偏向素子と、
他方の円筒状支持部材の一の開口部から突出した延長管と、
この延長管の先端開口部に嵌装された第2の偏向素子よりなり、
上記延長管の先端開口部が第2の円筒状支持部材の他の開口部から内部に挿入されることにより、第2の偏向素子が第1の偏向素子の近傍に配置されており、
第1の偏向素子と第2の偏向素子間の回転速度を調整することによって両者間の位相差が変更され、以て補正ローテータの偏向角度が可変となされ、
さらに、メインローテータの第1の偏向素子と、補正ローテータの第1の偏向素子とが近接配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載のビームローテータ。 - 上記メインローテータが、
回転可能に配置された一対の円筒状支持部材と、
各円筒状支持部材の対向する開口部にそれぞれ嵌装された第1の偏向素子及び第2の偏向素子よりなり、
上記補正ローテータが、
回転可能に配置された一対の円筒状支持部材と、
各円筒状支持部材の対向する開口部にそれぞれ嵌装された第1の偏向素子及び第2の偏向素子よりなり、
メインローテータの偏向素子と補正ローテータの偏向素子間が、アフォーカル結合光学系で接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載のビームローテータ。 - 上記補正ローテータを複数備え、
各補正ローテータの偏向素子間がアフォーカル結合光学系で接続されており、
各補正ローテータの偏向素子の偏向角度、回転方向及び回転速度を調整することにより、ワーク表面におけるレーザビームの照射形状を可変とすることを特徴とする請求項5に記載のビームローテータ。 - 上記角度ローテータが、
回転可能に配置された一対の円筒状支持部材と、各円筒状支持部材の対向する開口部にそれぞれ嵌装された第1の偏向素子及び第2の偏向素子を備えた第1のユニットと、
回転可能に配置された一対の円筒状支持部材と、各円筒状支持部材の対向する開口部にそれぞれ嵌装された第1の偏向素子及び第2の偏向素子を備えた第2のユニットとを備えたことを特徴とする請求項2に記載のビームローテータ。 - 上記角度ローテータが、
回転可能に配置された一対の円筒状支持部材と、各円筒状支持部材内に傾斜配置された平行平面基板状の偏向素子を備えた第1のユニットと、
回転可能に配置された一対の円筒状支持部材と、各円筒状支持部材内に傾斜配置された平行平面基板状の偏向素子を備えた第2のユニットとを備え、
第1のユニットの偏向素子と第2のユニットの偏向素子間が、アフォーカル結合光学系で接続されていることを特徴とする請求項2に記載のビームローテータ。 - ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒等の短パルスレーザ発振器、またはグリーンレーザ、UVレーザ、エキシマレーザ等の短波長レーザ発振器と、請求項1~8の何れかに記載のビームローテータとを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
- ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒等の短パルスレーザ発振器、またはグリーンレーザ、UVレーザ、エキシマレーザ等の短波長レーザ発振器と、請求項1~8の何れかに記載のビームローテータとを備えたレーザ加工装置を用いて、ワークに加工を施すことを特徴とするレーザ加工方法。
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JP7475725B1 (ja) | 2024-04-30 |
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