JP5021277B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に係り、さらに詳しくは、レーザビームの焦点距離を制御可能なレーザ加工装置の改良に関する。

文字などを印字し、或いは、バーコードなどをマーキングする加工装置として、レーザ加工装置が知られている。レーザ加工装置は、加工対象物（ワーク）の表面に対してレーザビームを照射するとともに、レーザビームを走査させることにより、印字やマーキングなどの加工を行う。この様なレーザ加工装置では、レーザビームを反射させる２つのミラーをそれぞれ回転させることにより、レーザビームを２次元走査させている。

最近では、２次元走査による平面上での加工だけでなく、レーザビームの焦点距離を制御して３次元状の加工を可能としたレーザ加工装置も開発されている。具体的には、ビーム径を拡大させるビームエキスパンダを調整することにより、レーザビームの焦点距離を変化させている。

図１６は、従来のレーザ加工装置１００の構成の一例を示した図である。このレーザ加工装置１００は、レーザ発振器１１０、ビームエキスパンダ１２０、２次元走査用のミラー対１３０及び集光レンズ１４０により構成される。レーザ発振器１１０は、レーザビームを生成する装置であり、所定の断面形状からなるレーザビームＡ１０を所定方向に射出する。ビームエキスパンダ１２０は、レーザビームＡ１０のビーム径を拡大させるビーム拡大器であり、第１のレンズ１２１と、第１のレンズ１２１に光軸を一致させて配置される第２のレンズ１２２からなる。第１のレンズ１２１は、レーザビームＡ１０の入射側に配置されている。第２のレンズ１２２は、この第１のレンズ１２１を透過した光を光軸に近づく方へ屈折させる光学レンズであり、レーザビームＡ１０に比べてビーム径の拡大したレーザビームＡ２０が出射される。

ミラー対１３０は、第２のレンズ１２２を透過したレーザビームＡ２０を反射させる２つのミラー１３１及び１３２からなる、いわゆるガルバノミラーである。各ミラー１３１，１３２は、互いに異なる回転軸の回りに回転可能に保持され、回転軸の回りに所定量回転することにより、反射角が所定量変化してレーザビームＡ２０が走査される。集光レンズ１４０は、２次元走査用ミラー対１３０により反射されたレーザビームＡ２０を集光させる光学レンズである。この例では、集光レンズ１４０を透過したレーザビームが集光レンズ１４０の光軸位置に走査され、ワークＢ１０上にレーザスポットＢ２０が形成されている。

上記ビームエキスパンダ１２０における第１のレンズ１２１及び第２のレンズ１２２間の距離を変化させることにより、集光レンズ１４０に入射されるレーザビームＡ２０を構成する光の入射角度が変化する。この入射角度の変化により、集光レンズ１４０を透過するレーザビームの焦点距離が変化することとなる。また、各ミラー１３１及び１３２を回転させることにより、ワークＢ１０上でレーザスポットＢ２０を２次元方向に走査させることができる。

上記レーザスポットＢ２０は、点ではなく有限の大きさであることから、文字などを印字する場合に、印字時の線幅を小さくするには、レーザスポットＢ２０のサイズをより小さくする必要がある。一般に、レーザスポットのサイズは、レーザビームの焦点距離が長くなるほど、より大きくなる傾向にあることが知られている。レーザビームの焦点距離を短くしてレーザスポットを狭小化する方法として、集光レンズ１４０に屈折率の高いレンズを使用し、或いは、屈折面の曲率の大きなレンズを使用することが考えられるが、コスト面や技術面で限界がある。

そこで、ビームエキスパンダ１２０を用いてビーム径を拡大させるとともに、集光レンズ１４０に入射されるレーザビームＡ２０を構成する光の入射角度をより大きくすることにより、レーザビームＡ２０の焦点距離をより短くすることが従来から行われていた。この様な従来のレーザ加工装置１００では、２次元走査用の各ミラー１３１及び１３２よりもワークＢ１０側に集光レンズ１４０が配置されることから、集光レンズ１４０の球面収差の影響により、レーザスポットＢ２０が集光レンズ１４０の光軸位置から離れれば離れるほど、スポットの形状が大きく歪み印字品質が低下してしまうという問題があった。

通常、２次元走査用のミラーには、上述したように互いに異なる回転軸の回りに回転させる２つのミラーが用いられる。この様な２つのミラーを同じ位置に配置することは困難であることから、これらのミラーの少なくとも一方は、集光レンズ１４０の入射ひとみから離れた位置に配置される。このため、各ミラーにより反射されたレーザビームが集光レンズ１４０に入射する際の入射角度が大きくなると、球面収差の影響により、ビームの外側、すなわち、入射ひとみから遠い側と、近い側とで、集光位置にずれが生じることとなる。つまり、集光レンズ１４０の光軸から離れたワークＢ１０上の位置に印字させようとすると、入射ひとみから遠い側と近い側との間で生じる集光位置のずれにより、光軸付近に印字させる場合に比べて、形状が大きく歪んだレーザスポットＢ２０が形成されてしまうこととなる。レーザスポットＢ２０の形状に歪みが生じると、１本の線が二重に印字され、或いは、線幅が太くなり、印字品質が低下する。ここで、複数の光学レンズを組み合わせることにより球面収差を小さくしたものを集光レンズ１４０として使用し、スポット形状の歪みを抑制させることも考えられるが、この場合、製造コストが増大してしまうという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、製造コストを増大させることなく、印字品質を向上させたレーザ加工装置を提供することを目的とする。特に、集光レンズの光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットの形状に歪みが生じるのを抑制させたレーザ加工装置を提供することを目的とする。

第１の本発明によるレーザ加工装置は、所定の断面形状からなるレーザビームを生成するレーザ発振器と、上記レーザビームを拡散性に屈折させる第１のレンズと、上記第１のレンズを透過したレーザビームを収束性に屈折させる第２のレンズと、上記第２のレンズを透過したレーザビームを反射させるミラーと、上記ミラーにより反射されたレーザビームを集光させる集光レンズと、上記ミラーを回転させて上記レーザビームを２次元走査させる２次元走査手段と、上記第１のレンズ及び上記第２のレンズ間の距離を変化させて上記レーザビームの焦点距離を制御する焦点距離制御手段と、上記第１のレンズ及び上記ミラー間に配置され、上記レーザビームの周縁部を遮断してビーム径を減少させるビーム絞りと、上記第１のレンズ及び上記第２のレンズを保持するホルダーと、上記レーザ発振器が配置された筐体に上記ホルダーを取り付け、レーザ発振器及びホルダーの光軸が一致するように当該ホルダーを位置決めする光軸調整手段とを備え、上記ビーム絞りが上記ホルダーに取り付けられ、上記光軸調整手段によりビーム絞り及びホルダーが一体的に位置決めされるように構成される。

このレーザ加工装置では、レーザビームを拡散性に屈折させる第１のレンズと、この第１のレンズを透過したレーザビームを収束性に屈折させる第２のレンズとからビームエキスパンダが構成される。このビームエキスパンダにより、レーザ発振器において生成されたレーザビームのビーム径が拡大される。そして、これらのレンズを透過したレーザビームを反射させるミラーを回転させることにより、レーザビームが２次元走査される。その際、レーザビームの周縁部を遮断してビーム径を減少させるビーム絞りが第１のレンズと、ミラーとの間に配置され、このビーム絞りによってレーザビームの通過可能なエリアが狭められる。この様な構成により、集光レンズを透過するレーザビームがビーム絞りによって絞り込まれるので、集光レンズの光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットの形状に歪みが生じるのを抑制させることができる。

また、第１のレンズ及び第２のレンズを保持するホルダーが、レーザ発振器及びホルダーの光軸が一致するように位置決めされ、筐体に取り付けられる。その際、ビーム絞りが、ホルダーに取り付けられ、一体的に位置決めされるので、レーザビームの光軸合わせを容易化することができる。

第２の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記ビーム絞りが、第１のレンズ及び第２のレンズ間の中央よりもミラー側に配置されているように構成される。この様な構成によれば、第１のレンズ及び第２のレンズ間の中央よりも第１のレンズ側に配置するのに比べて、ビーム径のより大きなレーザビームの周縁部をビーム絞りに遮断させればよいことから、ビーム絞りに対して要求される加工精度を低減することができる。

第３の本発明によるレーザ加工装置は、上記構成に加え、上記ビーム絞りが、第２のレンズよりもミラー側に配置されているように構成される。

本発明によるレーザ加工装置によれば、集光レンズを透過するレーザビームがビーム絞りにより絞り込まれるので、集光レンズの光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットの形状に歪みが生じるのを抑制させることができる。従って、複数の光学レンズを組み合わせて集光レンズの球面収差を小さくするのに比べて、製造コストを増大させることなく、印字品質を向上させることができる。

図１は、本発明の実施の形態によるレーザ加工装置１の概略構成の一例を示した斜視図である。このレーザ加工装置１は、ワークＷにレーザビームＬを照射することによって表面加工を行う装置であり、レーザ制御部２、光ファイバーケーブル３及びレーザ出力部４からなる。なお、レーザ加工装置１を用いて行われる表面加工には、文字などの印字、バーコードなどのマーキング、塗装などを剥離する剥離加工、溝彫り加工、貫通孔を形成する穴あけ加工、フィルムなどの切断加工が含まれるものとする。

レーザ出力部４は、ワークＷに対してレーザビームＬを照射するとともに、レーザビームＬを３次元スキャンさせることができるレーザ照射装置である。このレーザ出力部４は、例えば、横長の筐体からなり、筐体先端部から下方に向けてレーザビームＬが射出される。

レーザ制御部２は、レーザ出力部４の動作を制御する制御装置であり、レーザビームＬを３次元スキャンさせるためのスキャン制御や、励起光の生成を行っている。この励起光の強度を調整することにより、レーザ出力部４から射出されるレーザビームＬの強度（レーザパワー）を制御することができる。

励起光は、光ファイバーケーブル３を介してレーザ出力部４へ供給され、レーザ出力部４内のレーザ発振器へ入力される。光ファイバーケーブル３は、励起光の光源及びレーザ発振器を光学的に結合している励起光の伝送路である。

（レーザ出力部４）
図２は、図１のレーザ加工装置１におけるレーザ出力部４内の構成例を示した斜視図である。このレーザ出力部４は、レーザ発振器１１、シャッタ１２、ビームコンバイナ１３、ビームエキスパンダ１４、ビーム絞り１５、走査用ミラー１６，１７、集光レンズ１８及びガイド用光源１９により構成される。

レーザ発振器１１は、レーザ制御部２からの励起光を用いて、照射用のレーザビームＬを生成するレーザ発振装置であり、所定の断面形状からなるレーザビームＬを所定方向に射出する。このレーザ発振器１１から射出されたレーザビームＬは、シャッタ１２、ビームコンバイナ１３、ビームエキスパンダ１４、ビーム絞り１５、走査用ミラー１６及び１７を順に経由した後、集光レンズ１８によってワークＷ上に集光される。

シャッタ１２は、レーザビームＬの遮断機である。ビームコンバイナ１３は、レーザ発振器１１から入射するレーザビームＬを透過させ、ガイド用光源１９から入射するガイド光を全反射させるためのハーフミラーである。

ビームエキスパンダ１４は、レーザビームＬのビーム径を拡大させるビーム拡大器であり、レーザビームＬの光軸（主軸）上に２枚の光学レンズ、すなわち、入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂを配置して構成される。このビームエキスパンダ１４は、レーザ発振器１１が配置されたフレーム４ａに、入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂを保持するホルダーを介して取り付けられている。

入射レンズ１４ａは、レーザビームＬを拡散性に屈折させる光学レンズであり、その光軸をレーザビームＬの光軸に一致させて配置されている。ここで、光を拡散性に屈折させるとは、入射した全ての光をレンズの光軸とは反対側、すなわち、光軸から遠ざかる方へ屈折させることであり、光路長に応じて径の拡大するビームが得られる。この様な入射レンズ１４ａには、例えば、レーザビームＬの入射面が平面であり、出射面が凹面であるレンズが用いられる。

出射レンズ１４ｂは、入射レンズ１４ａを透過したレーザビームＬを収束性に屈折させる光学レンズであり、その光軸を入射レンズ１４ａの光軸に一致させて配置されている。ここで、光を収束性に屈折させるとは、入射した全ての光をレンズの光軸側、すなわち、光軸に近づく方へ屈折させることである。この様な出射レンズ１４ｂには、例えば、入射面が平面であり、出射面が凸面であるレンズが用いられる。

ここでは、出射レンズ１４ｂに比べてレンズ径の小さな入射レンズ１４ａが、光軸方向Ｅ１−Ｆ１に摺動可能に保持されるものとする。つまり、出射レンズ１４ｂが、光軸上に固定されているのに対し、入射レンズ１４ａは、摺動可能に保持されているので、入射レンズ１４ａを光軸方向に移動させることによって、入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂ間の距離を変化させることができる。また、出射レンズ１４ｂを透過したレーザビームＬは、光路長に応じてビーム径の縮小する収束性のビーム（光線束）からなるものとする。

レーザ発振器１１から入射されるレーザビームＬは、光路長にかかわらずビーム径が一定の平行光であるが、入射レンズ１４ａを通過することによって、光路長に応じてビーム径が変化する非平行光となる。ここでは、入射レンズ１４ａがレーザビームＬを拡散性に屈折させているので、光路長が長くなれば、ビーム径が拡大していく。

入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂ間の距離を変化させると、出射レンズ１４ｂに入射する光の入射角度が変化し、集光レンズ１８に入射する光の入射角度も変化するので、レーザビームＬの焦点を集光レンズ１８の光軸方向Ｅ２−Ｆ２に移動させることができる。従って、集光レンズ１８の光軸方向をＺ軸方向とすれば、ビームエキスパンダ１４は、レーザビームＬの焦点をＺ軸方向に走査するＺ軸スキャナとなる。

なお、ここでは、出射レンズ１４ｂを固定し、入射レンズ１４ａを移動可能にするビームエキスパンダ１４について説明したが、ビームエキスパンダ１４は、レンズ１４ａ，１４ｂ間の距離が調整可能であればよい。従って、入射レンズ１４ａを固定して、出射レンズ１４ｂを移動可能としても良いし、入射レンズ１４ａ、出射レンズ１４ｂを共に移動可能とすることもできる。

ビーム絞り１５は、レーザビームＬを制限するための開口絞り（aperture：アパチャ）であり、レーザビームＬの周縁部を遮断してビーム径を減少させる。このビーム絞り１５により、レーザビームＬの通過可能なエリアが狭められ、集光レンズ１８に入射するレーザビームＬが絞り込まれる。ここでは、この様なビーム絞り１５が出射レンズ１４ｂよりも走査用ミラー１６側に配置されるものとする。

走査用ミラー１６及び１７は、出射レンズ１４ｂを透過したレーザビームＬを反射させ、レーザビームＬをその光軸に垂直な面内で移動させる２次元スキャナである。走査用ミラー１６は、出射レンズ１４ｂの光軸に垂直な回転軸を有するガルバノミラーであり、この回転軸の回りに所定量回転させることにより、レーザビームＬがＸ軸方向Ａ２−Ｂ２に走査される。ここでいう回転とは、ミラーの揺動運動、すなわち、所定の角度範囲内で行われる往復運動のことである。

走査用ミラー１７は、出射レンズ１４ｂの光軸に平行な回転軸を有するガルバノミラーであり、この回転軸の回りに所定量回転させることにより、レーザビームＬがＹ軸方向Ｃ２−Ｄ２に走査される。ここでは、走査用ミラー１６の回転方向をＡ１−Ｂ１とし、走査用ミラー１７の回転方向をＣ１−Ｄ１としている。

集光レンズ１８は、走査用ミラー１６，１７により反射されたレーザビームＬを集光させる光学レンズである。ここでは、集光レンズ１８として、ｆθレンズが用いられるものとする。ｆθレンズは、像高がレーザビームＬの入射角度に比例するように、設計された光学レンズである。この様なｆθレンズとして、例えば、レーザビームＬの入射面が凹面であり、出射面が入射面よりも大きな曲率の凸面であるレンズが用いられる。

走査用ミラー１６及び１７をそれぞれ所定の範囲内で回転させることにより、集光レンズ１８の光軸に垂直な面上の走査エリアＷ１内でレーザビームＬを走査させることができる。具体的には、例えば、５０ｍｍ×５０ｍｍの矩形エリアを走査させることができる。また、入射レンズ１４ａを所定の範囲内で移動させることにより、所定範囲内でレーザビームＬの焦点を光軸方向に移動させることができる。

つまり、走査用ミラー１６及び１７の回転量を変化させることにより、レーザビームＬが２次元走査され、回転量を調整することにより２次元走査を制御することができる。また、ビームエキスパンダ１４におけるレンズ間の距離を変化させることにより、レーザビームＬの焦点が光軸方向に移動し、レンズ間の距離を調整することによりレーザビームＬの焦点距離を制御することができる。

ガイド用光源１９は、可視光からなるガイド光を生成する光源装置であり、例えば、赤色レーザダイダイオードが用いられる。ガイド用光源１９から出射されたガイド光は、レーザビームＬの光路上のビームコンバイナ１３で反射され、レーザビームＬの光路に入る。レーザビームＬの光路に入ったガイド光は、ビームエキスパンダ１４、ビーム絞り１５、走査用ミラー１６，１７及び集光レンズ１８を経てワークＷへ照射される。この様なガイド光は、レーザビームＬの照射位置と同じ位置に照射されるので、レーザビームＬの照射前にガイド光を照射し、レーザビームＬの照射時と同様のＸＹ走査を行うことによって、レーザビームＬの照射位置を事前に目視確認することができる。

（レーザ発振器１１）
図３は、図２のレーザ出力部４におけるレーザ発振器１１の一構成例を示した図である。このレーザ発振器１１は、励起光をレーザ媒体２３に照射し、その誘導放出光を共振器内で増幅して、単一波長からなるレーザビームＬ１を生成するレーザ発振装置である。光ファイバーケーブル３を介して、レーザ制御部２から入力された励起光は、入射レンズ２１によってレーザ媒体２３内に集光され、レーザ媒体２３から誘導放射光が放出される。この誘導放射光は、対向配置された入力ミラー２２及び出力ミラー２６で反射され、レーザ媒体２３に再び入射される。

入力ミラー２２は、入射レンズ２１側からの入射光を透過させ、レーザ媒体２３側からの入射光を全反射させるハーフミラーである。出力ミラー２６は、レーザビームの大部分を反射させるとともに、一部を透過させる半透過ミラーであり、出力ミラー２６の透過光は、ビームエキスパンダ１４へ入射される。対向配置された入力ミラー２２及び出力ミラー２６は、レーザビームを往復させる共振器光軸２７を形成しており、この共振器光軸２７上にレーザ媒体２３、Ｑスイッチ２４及びアパチャ２５が順に配置されている。

Ｑスイッチ２４は、レーザビームを回折させる音響光学素子（ＡＯＭ：Acoustic Optical Modulator）であり、アパチャ２５は、共振器光軸２７から外れたレーザビームを遮断するための絞りであり、Ｑスイッチ２４及びアパチャ２５を用いて、レーザ発振を停止させることができる。すなわち、レーザビームの光軸が共振器光軸２７外となるように、Ｑスイッチ２４がレーザビームを回折させれば、アパチャ２５によってレーザビームが遮断され、レーザ発振が停止する。

レーザ媒体２３には、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ₄（ネオジウムイオンをドープしたイットリューム・バナジウム酸塩）を用いることができる。この場合、Ｎｄ：ＹＶＯ₄の吸収スペクトルの中心波長である８０９ｎｍの波長を有する励起光が用いられる。また、レーザ発振器１１は、固体レーザに限られず、ＣＯ₂やヘリウム−ネオン、アルゴン、窒素等の気体をレーザ媒質として用いる気体レーザを利用することもできる。

ここでは、この様なレーザ発振器１１により、所定の断面形状、例えば、円形形状からなるレーザビームＬ１が生成されるものとする。

（ビームエキスパンダ）
図４は、図２のレーザ出力部４におけるビームエキスパンダ１４の一構成例を示した図であり、断面の様子が模式的に示されている。このビームエキスパンダ１４は、ホルダー３１と、ホルダー３１をフレーム４ａに係止するための係止ネジ３２と、出射レンズ１４ｂが配置される鏡筒３３と、入射レンズ１４ａに取り付けられるレンズ枠３４からなる。フレーム４ａは、レーザ加工装置１の筐体の一部である。鏡筒３３は、出射レンズ１４ｂを保持し、所定の光路長を得るための筒体である。鏡筒３３は、出射側端部の厚みが大きくなっており、この肉厚部に出射レンズ１４ｂが配置されている。鏡筒３３は、中心軸をレーザビームＬ１の光軸３５に一致させて配置されている。

ホルダー３１は、鏡筒３３を介して出射レンズ１４ｂを保持するとともに、レンズ枠３４を介して入射レンズ１４ａを摺動可能に保持するレンズ保持手段である。入射レンズ１４ａ及びレンズ枠３４は、ボイスコイルモータなどの駆動手段によって駆動される可動部であり、この可動部を光軸３５方向に移動させることにより、焦点距離の調整が行われる。

ビーム絞り１５は、鏡筒３３の出射側端面に配置されている。このビーム絞り１５は、中央部に円形状の開口が設けられた円板からなり、開口面を光軸３５に直交させて配置されている。ビーム絞り１５は、例えば、鏡筒３３内にねじ込むことにより、鏡筒３３に固定されている。

鏡筒３３を介してビーム絞り１５が取り付けられているホルダー３１は、係止ネジ３２を用いてフレーム４ａに取り付けられる。その際、ホルダー３１の光軸がレーザ発振器１１の光軸に一致するように位置決めされ、ホルダー３１がフレーム４ａ上に取り付けられる。つまり、係止ネジ３２は、フレーム４ａにホルダー３１を取り付け、レーザ発振器１１及びホルダー３１の光軸が一致するように、当該ホルダー３１を位置決めする光軸調整手段となっている。このとき、ビーム絞り１５は、この光軸調整手段によりホルダー３１と一体的に位置決めされる。

具体的には、ホルダー３１の固定位置をフレーム４ａ上でずらすことにより、水平方向の光軸調整が行われ、スペーサーをホルダー３１及びフレーム４ａ間に挿入することにより、垂直な方向の光軸調整が行われる。または、上記スペーサーに代えて、一般的なアオリ調整機構を採用しても良い。

（ビーム絞り１５）
図５（ａ）及び（ｂ）は、図２のレーザ出力部４におけるビーム絞り１５の一構成例を示した図であり、図５（ａ）には、レーザビームＬ１の入射方向から見た図が示され、図５（ｂ）には、レーザビームＬ１の光軸を含む断面が示されている。このビーム絞り１５は、周縁部１５ａの厚みを中央部に比べて大きくした円板状の部材からなる。そして、厚みの薄い中央部には、レーザビームＬ１を通過させるための円形の開口１５ｂが設けられている。

開口１５ｂのサイズは、レーザビームＬ１のビーム径に基づいて定められる。ここでは、出射レンズ１４ｂの透過直後のビーム径に応じて定められるものとする。具体的には、出射レンズ１４ｂの透過直後のビーム径が、例えば、直径１７ｍｍである場合、開口１５ｂのサイズは、直径１５〜１６ｍｍ程度に定められる。この様なビーム絞り１５により、入射光の５％〜１５％を遮断し、従って、入射光の８５％〜９５％を透過させることができる。

この様なビーム絞り１５により、レーザビームＬ１の周縁部は、全周にわたって遮断されることとなる。

（Ｚ軸スキャン動作）
図６及び図７は、ビームエキスパンダ１４を用いたＺ軸方向のスキャン動作に関する説明図であり、ビームエキスパンダ１４を含む走査系が示され、集光レンズ１８は省略されている。図中の１６ａは、走査用ミラー１６を回転軸の回りに回転させるための駆動用モーターであり、１７ａは、走査用ミラー１７を回転させるための駆動用モーターである。

ここでは、ビームエキスパンダ１４内の入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂ間の距離が短くなれば、集光レンズ１８に入射する光の拡がり角が大きくなり、レーザビームＬ２の焦点距離が長くなる場合について説明する。

図６に示したレンズ間距離Ｒｄ１は、図７のレンズ間距離Ｒｄ２よりも短い。このため、ビームエキスパンダ１４から出射されて集光レンズ１８に入射する光の入射角度は、図６の方が小さく、図６の焦点距離Ｌｄ１は、図７の焦点距離Ｌｄ２よりも長くなっている。つまり、レンズ間距離Ｒｄ１，Ｒｄ２を短くすることによって、レーザ出力部４からワークＷまでの距離であるワーキングディスタンスを長くすることができる。

逆に、レンズ間距離を長くすれば、集光レンズ１８に入射する光の入射角度が大きくなり、レーザビームＬ２の焦点距離が短くなって、ワーキングディスタンスを短くすることができる。ここでは、例えば、９２ｍｍ±４ｍｍの範囲でワーキングディスタンスを調整することができるものとする。

（ＸＹ軸スキャン動作）
図８及び図９は、走査用ミラー１６及び１７を用いたＸＹ軸方向のスキャン動作に関する説明図であり、ビームエキスパンダ１４、ビーム絞り１５、走査用ミラー１６，１７及び集光レンズ１８を含む走査系が示されている。ここでは、集光レンズ１８の光軸から離れた位置を走査させる際に、レーザビームＬ２がワークＷ上に集光するように、ビームエキスパンダ１４におけるレンズ間距離を短くしてレーザビームＬ２の焦点距離が調整される場合について説明する。

図８には、集光レンズ１８を透過したレーザビームＬ２が光軸位置に走査され、ワークＷ上にレーザスポットＬ３が形成されている様子が示されている。レーザ発振器１１において射出されたレーザビームＬ１は、ビームエキスパンダ１４に入射され、入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂ間の距離に応じてビーム径が拡大され、出射される。ビームエキスパンダ１４から出射されたレーザビームＬ２は、その一部分がビーム絞り１５により遮断される。

ビーム絞り１５を通過したレーザビームＬ２は、走査用ミラー１６，１７により反射され、集光レンズ１８に入射する。集光レンズ１８を透過したレーザビームＬ２は、集光され、ワークＷ上にレーザスポットＬ３を形成する。

図９には、集光レンズ１８を透過したレーザビームＬ２が光軸から離れた位置（光軸からの距離ｄ２）に走査され、ワークＷ上にレーザスポットＬ４が形成されている様子が示されている。図９のレンズ間距離は、図８のレンズ間距離よりも短い。このため、ビームエキスパンダ１４から出射されて集光レンズ１８に入射する光の入射角度は、図９の方が小さく、図９の焦点距離は、図８の焦点距離よりも長くなっている。

この様に、集光レンズ１８の光軸から離れた位置を走査させる際には、レーザビームＬ２がワークＷ上に正しく集光するように、ビームエキスパンダ１４によってレーザビームＬ２の焦点距離が調整される。その際、集光レンズ１８に入射されるレーザビームＬ２が、ビーム絞り１５によって一部分遮断され、集光レンズ１８を透過するレーザビームＬ２が絞り込まれる。このため、集光レンズ１８の光軸から離れた位置にレーザスポットＬ４を形成させる場合であっても、スポット形状に歪みが生じるのを抑制させることができる。

（レーザビームＬ２の焦点距離）
図１０は、ビームエキスパンダ１４による焦点距離の調整動作に関する説明図であり、異なる入射角度で集光レンズ１８に入射する２つのレーザビームＬ２１及びＬ２２の様子が示されている。この例では、集光レンズ１８の光軸方向１８ａから各レーザビームＬ２１，Ｌ２２が入射するとともに、レーザビームＬ２２が、レーザビームＬ２１に比べて、光軸１８ａからの距離に応じた入射角度の小さなビーム（光線束）である場合が示されている。

一般に、集光レンズに入射させるビームを構成する各光線の入射角度を大きくすれば、ビームの焦点距離を短くすることができる。逆に、各光線の入射角度を小さくすることにより、焦点距離は長くなる。従って、レーザビームＬ２２は、レーザビームＬ２１よりも遠い位置に集光されることとなる。つまり、レーザビームＬ２２における光軸１８ａ上の焦点Ｓ２は、レーザビームＬ２１の焦点Ｓ１よりも遠い位置に形成される。Ｚ軸スキャンでは、この様な原理を利用してレーザビームＬの焦点距離の調整が行われる。

（集光レンズ１８の球面収差）
図１１は、走査用ミラー１６及び１７による２次元走査時の動作に関する説明図であり、入射ひとみ１８ｂから離れた位置に配置されたミラーにより大きな入射角度で集光レンズ１８に入射されるレーザビームＬの様子が示されている。各走査用ミラー１６及び１７は、互いに異なる回転軸の回りに回転させる必要があることから、両者を同じ位置に配置するのは不可能である。つまり、走査用ミラー１６又は１７のいずれか一方は、少なくとも集光レンズ１８の入射ひとみ１８ｂから離れた位置に配置されることとなる。

ここでは、入射ひとみ１８ｂが、集光レンズ１８の屈折面（球面）の曲率中心であるものとする。

この様なミラーにより反射されたレーザビームＬが集光レンズ１８に入射する際、ビームの入射角度が大きくなると、球面収差の影響により、ビームの外側、すなわち、入射ひとみ１８ｂから遠い側と、内側とで、集光位置にずれＡが生じることとなる。つまり、集光レンズ１８の光軸１８ａから離れた位置に印字させようとすると、ビームの外側の焦点位置Ｓ１２と、内側の焦点位置Ｓ１１とのずれＡにより、光軸１８ａ位置付近に印字させる場合に比べて、形状が大きく歪んだレーザスポットが形成されることとなる。

焦点位置のずれＡは、ミラーが入射ひとみ１８ｂの位置から離れれば離れるほど、或いは、集光レンズ１８に対するレーザビームＬの入射角度が大きくなればなるほど、大きくなると考えられる。本実施の形態では、各走査用ミラー１６及び１７によるずれＡを均一化させるという観点から、ミラー間の中央に入射ひとみ１８ｂが位置するように、各走査用ミラー１６，１７が位置決めされている。また、集光レンズ１８に入射するレーザビームＬの周縁部をビーム絞り１５によって遮断し、集光レンズ１８を透過するレーザビームＬを絞り込むことにより、集光レンズ１８の光軸１８ａから離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポット形状に歪みが生じるのを抑制させている。

（レーザビームＬの強度分布）
図１２は、レーザ発振器１１から射出されるレーザビームＬの強度分布を示した図であり、光軸からのずれに応じて変化するレーザビームＬの強度が示されている。一般に、レーザ発振器１１により生成されるレーザビームＬは、強度分布がガウス型の分布となることが知られている。すなわち、レーザビームＬの強度は、光軸上で最大（最大値ａ１）となり、光軸から遠ざかるのに従って、単調に減少する。

本実施の形態では、この様な強度分布を示すレーザビームＬに対して、ビーム絞り１５によりその周縁部を遮断して集光レンズ１８を透過するレーザビームから除去させている。つまり、ビーム絞り１５における開口１ｂａのサイズに応じて、光軸からのずれがｂ以上（強度がａ２以下）であるレーザビームＬの周縁領域Ｂが除去される。これにより、強度が高くエネルギーの集中している光軸付近を通過させ、強度が低くエネルギーの小さな周縁領域Ｂが除去されるので、レーザビームＬを効果的に制限することができる。

（スポット形状）
図１３及び図１４は、レーザ加工装置１により形成されたレーザスポットを従来例と比較して示した図であり、集光レンズ１８の光軸から離れた位置に走査させた場合のスポット形状が示されている。図１３の（ａ）〜（ｇ）には、本実施の形態によるレーザ加工装置１を用いて形成させたワーキングディスタンスの異なる複数のレーザスポットが示されている。図１４の（ａ）〜（ｇ）には、従来のレーザ加工装置を用いて形成させたレーザスポットが示されている。これらの例では、（ａ）から順に、ワーキングディスタンスが長くなっており、（ｄ）が焦点位置となっている。

本実施の形態では、ビーム絞り１５によりレーザビームＬの周縁部が遮断され、集光レンズ１８を透過するレーザビームから除去されるので、ワーキングディスタンスが変化しても、ワークＷ上に形成されるレーザスポットのサイズ及び形状は殆ど変化せず、スポット形状が均一化されている。また、集光レンズ１８の光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットのサイズ及び形状が殆ど変化しないので、走査エリアを拡大させることができる。

これに対し、従来のレーザ加工装置では、焦点位置におけるレーザスポットの形状に歪が生じているとともに、ワーキングディスタンスの変化によって像にボケが生じ、スポットのサイズ及び形状が著しく変化している。

図１５（ａ）及び（ｂ）は、レーザ加工装置１により得られた印字パターンを従来例と比較して示した図であり、集光レンズ１８の光軸から離れた位置に走査させた場合の印字例が示されている。図１５（ａ）には、本実施の形態によるレーザ加工装置１を用いて形成させた印字パターンの一部分が示されている。図１５（ｂ）には、従来のレーザ加工装置を用いて形成させた印字パターンが示されている。この例では、走査エリアの左下方に形成された印字パターンが示されている。

本実施の形態では、ビーム絞り１５によりレーザビームＬの周縁部が遮断され、集光レンズ１８を透過するレーザビームから除去されるので、光軸から離れた位置に走査させた場合であっても、ワークＷ上に形成されるレーザスポットのサイズ及び形状は殆ど変化せず、印字パターンが正しく形成されている。

これに対し、従来のレーザ加工装置では、レーザスポットの形状に歪が生じることにより、１本の線が二重に印字され、印字パターンに影が生じている。

本実施の形態によれば、集光レンズ１８を透過するレーザビームＬ２がビーム絞り１５によってレーザビームＬ２の周辺部が遮断されるので、集光レンズ１８の光軸から離れた位置にレーザスポットを形成させる場合であっても、スポットの形状に歪みが生じるのを抑制させることができる。

なお、本実施の形態では、ビーム絞り１５がビームエキスパンダ１４の出射レンズ１４ｂと、走査用ミラー１６，１７との間に配置される場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、入射レンズ１４ａよりも走査用ミラー１６，１７側であれば、他の位置に配置させても良い。特に、ビーム絞り１５に対して要求される加工精度が低減するという観点から、入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂ間の中央よりも走査用ミラー側であれば、ビーム絞り１５を入射レンズ１４ａ及び出射レンズ１４ｂ間に配置させても良い。

本発明の実施の形態によるレーザ加工装置１の概略構成の一例を示した斜視図である。 図１のレーザ加工装置１におけるレーザ出力部４内の構成例を示した斜視図である。 図２のレーザ出力部４におけるレーザ発振器１１の一構成例を示した図である。 図２のレーザ出力部４におけるビームエキスパンダ１４の一構成例を示した断面図であり、断面の様子が模式的に示されている。 図２のレーザ出力部４におけるビーム絞り１５の一構成例を示した図である。 ビームエキスパンダ１４を用いたＺ軸方向のスキャン動作に関する説明図である。 ビームエキスパンダ１４を用いたＺ軸方向のスキャン動作に関する説明図である。 走査用ミラー１６及び１７を用いたＸＹ軸方向のスキャン動作に関する説明図であり、ワークＷ上にレーザスポットＬ３が形成されている様子が示されている。 走査用ミラー１６及び１７を用いたＸＹ軸方向のスキャン動作に関する説明図であり、ワークＷ上にレーザスポットＬ４が形成されている様子が示されている。 ビームエキスパンダ１４による焦点距離の調整動作に関する説明図であり、集光レンズ１８に入射する２つのレーザビームＬ２１及びＬ２２の様子が示されている。 走査用ミラー１６及び１７による２次元走査時の動作に関する説明図であり、大きな入射角度で集光レンズ１８に入射されるレーザビームＬの様子が示されている。 レーザ発振器１１から射出されるレーザビームＬの強度分布を示した図であり、光軸からのずれに応じて変化するレーザビームＬの強度が示されている。 レーザ加工装置１により形成されたレーザスポットを従来例と比較して示した図であり、集光レンズ１８の光軸から離れた位置に走査させた場合が示されている。 レーザ加工装置１により形成されたレーザスポットを従来例と比較して示した図であり、集光レンズ１８の光軸から離れた位置に走査させた場合が示されている。 レーザ加工装置１により得られた印字パターンを従来例と比較して示した図であり、光軸から離れた位置に走査させた場合の印字例が示されている。 従来のレーザ加工装置１００の構成の一例を示した図である。

符号の説明

１ レーザ加工装置
２ レーザ制御部
３ 光ファイバーケーブル
４ レーザ出力部
１１ レーザ発振器
１２ シャッタ
１３ ビームコンバイナ
１４ ビームエキスパンダ
１４ａ 入射レンズ
１４ｂ 出射レンズ
１５ ビーム絞り
１５ａ 絞り周縁部
１５ｂ 開口
１６，１７ 走査用ミラー
１６ａ，１７ａ 駆動用モーター
１８ 集光レンズ
１９ ガイド用光源
２１ 入射レンズ
２２ 入力ミラー
２３ レーザ媒体
２４ Ｑスイッチ
２５ アパチャ
２６ 出力ミラー
３１ ホルダー
３２ 係止ネジ
３３ 鏡筒
３４ レンズ枠
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２ レーザビーム
Ｌ３ レーザスポット
Ｗ ワーク
Ｗ１ 走査エリア

Claims (3)

1. 所定の断面形状からなるレーザビームを生成するレーザ発振器と、
   上記レーザビームを拡散性に屈折させる第１のレンズと、
   上記第１のレンズを透過したレーザビームを収束性に屈折させる第２のレンズと、
   上記第２のレンズを透過したレーザビームを反射させるミラーと、
   上記ミラーにより反射されたレーザビームを集光させる集光レンズと、
   上記ミラーを回転させて上記レーザビームを２次元走査させる２次元走査手段と、
   上記第１のレンズ及び上記第２のレンズ間の距離を変化させて上記レーザビームの焦点距離を制御する焦点距離制御手段と、
   上記第１のレンズ及び上記ミラー間に配置され、上記レーザビームの周縁部を遮断してビーム径を減少させるビーム絞りと、
   上記第１のレンズ及び上記第２のレンズを保持するホルダーと、
   上記レーザ発振器が配置された筐体に上記ホルダーを取り付け、レーザ発振器及びホルダーの光軸が一致するように当該ホルダーを位置決めする光軸調整手段とを備え、
   上記ビーム絞りが上記ホルダーに取り付けられ、上記光軸調整手段によりビーム絞り及びホルダーが一体的に位置決めされることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 上記ビーム絞りが、第１のレンズ及び第２のレンズ間の中央よりもミラー側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 上記ビーム絞りが、第２のレンズよりもミラー側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。