KR20180100417A

KR20180100417A - 레이저 가공기

Info

Publication number: KR20180100417A
Application number: KR1020187022858A
Authority: KR
Inventors: 요시히토 후지타; 기요타카 나카가와; 히데후미 오모카와
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2018-09-10
Also published as: US20190047083A1; JP2017144445A; EP3417985A1; WO2017141852A1; EP3417985A4; EP3417985B1; CN108602160B; JP6150313B1; CN108602160A

Abstract

레이저 빔을 사용하여 피가공물(W)에 가공을 실시하는 레이저 가공기로서, 상기 레이저 빔의 광로 상류 측에서부터 순서대로 배치되는 제1부터 제4 프리즘(37, 47, 57, 67)과, 상기 제1부터 제4 프리즘(37, 47, 57, 67)을 각각 독립적으로 지지하는 제1부터 제4 스핀들(32, 42, 52, 62)과, 상기 제1부터 제4 스핀들(32, 42, 52, 62)을 각각 회전 가능하게 지지하는 제1부터 제4 지지 수단(31, 41, 51, 61)과, 상기 제1부터 제4 스핀들(32, 42, 52, 62)에 각각 고정되는 로터(35b, 45b, 55b, 65b)와, 상기 제1부터 제4 지지 수단(31, 41, 51, 61)에 각각 고정되는 스테이터(35a, 45a, 55a, 65a)로 이루어지는 제1부터 제4 모터(35, 45, 55, 65)와, 상기 제1 프리즘(37) 또는 상기 제2 프리즘(47) 중 적어도 한쪽을 이동시키는 프리즘 이동 수단(101, 102)을 구비하여 이루어진다.

Description

레이저 가공기

본 발명은, 레이저 빔을 사용하여 피가공물에 천공 등의 가공을 실시하는 레이저 가공기에 관한 것이다.

레이저 가공기는, 레이저 발진기로부터 소정 파장의 레이저 빔을 발진하고, 집광 렌즈를 통하여 당해 레이저 빔을 피가공물에 조사함으로써, 피가공물을 용융(또는 증발)시켜 천공 등의 가공을 행하는 것이며, 미세한 가공에 적합한 공작 기계이다.

레이저 가공기에는, 레이저 빔의 광로를 변위 및 편향하기 위한 복수의 프리즘이 마련되어 있으며, 이들 복수의 프리즘에 의하여, 집광 렌즈에 입사되는 위치 및 각도, 즉 당해 집광 렌즈를 통하여 피가공물에 조사되는 각도 및 위치가 제어되고 있다. 그리고, 복수의 프리즘이 동기하여 회전됨으로써, 레이저 빔이 피가공물에 대하여 소정의 조사 각도 및 조사 위치에서 선회(궤도 선회)되어, 피가공물에 소정의 구멍 형상 및 내경의 구멍이 형성된다.

이와 같이, 레이저 가공기에 있어서는, 레이저 빔의 조사 궤도(조사 각도, 조사 위치 및 궤도 선회 등)를 제어함으로써, 원하는 가공 형상을 얻을 수 있다. 복수의 프리즘을 이용하여 레이저 빔의 조사 궤도를 제어하는 기술로서, 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 것이 있다.

일본 공개특허공보 2011-167704호

특허문헌 1에는, 4매 또는 6매의 웨지 프리즘을 이용한 빔 로테이터로서, 웨지 프리즘 간의 위상차에 의하여 레이저 빔의 조사 각도 및 조사 위치를 조정하고, 당해 웨지 프리즘을 동기 회전시킴으로써 레이저 빔을 궤도 선회하여 천공 가공을 행하는 기술이 기재되어 있다.

그러나, 특허문헌 1에 있어서는, 기어 및 벨트 등을 통하여 서보모터의 구동을 원통 지지 부재에 전달하여, 당해 원통 지지 부재에 끼워 맞춰진 웨지 프리즘을 회전시키고 있기 때문에, 복수의 웨지 프리즘을 고정밀도로 동기 회전시키는 것은 어렵다.

또, 특허문헌 1에 있어서는, 레이저 빔의 조사 각도 및 조사 위치를 웨지 프리즘의 회전축을 중심으로 한 상대 위상차에 의해서만 제어하고 있어, 레이저 빔의 조사 각도 또는 조사 위치 중 어느 한쪽을 설정(변경)한 경우여도 레이저 빔이 3차원적으로 편향되기 때문에, 복잡한 궤도 계산이 필요해진다.

최근에는, 전자 기기 등의 제품의 추가적인 소형화가 진행되어, 이들 제품에 사용되는 부품의 제조에는, 보다 미세하고 고정밀도의 가공이 요구되고 있다. 그러나, 특허문헌 1에 기재된 기술에 있어서는, 레이저 빔의 조사 궤도를 고정세(高精細)하게 제어할 수 없어, 미세하고 고정밀도의 가공을 행할 수 없다.

본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 레이저 빔의 조사 궤도를 고정세하게 제어하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하는 제1 발명에 관한 레이저 가공기는, 레이저 빔을 사용하여 피가공물에 가공을 실시하는 레이저 가공기로서, 상기 레이저 빔의 광로 상류 측에서부터 순서대로 배치되는 제1 프리즘, 제2 프리즘, 제3 프리즘 및 제4 프리즘과, 상기 제1 프리즘, 상기 제2 프리즘, 상기 제3 프리즘 및 상기 제4 프리즘을 각각 독립적으로 지지하는 제1 스핀들, 제2 스핀들, 제3 스핀들 및 제4 스핀들과, 상기 제1 스핀들, 상기 제2 스핀들, 상기 제3 스핀들 및 상기 제4 스핀들을 각각 회전 가능하게 지지하는 제1 지지 수단, 제2 지지 수단, 제3 지지 수단 및 제4 지지 수단과, 상기 제1 스핀들, 상기 제2 스핀들, 상기 제3 스핀들 및 상기 제4 스핀들에 각각 고정되는 로터와, 상기 제1 지지 수단, 상기 제2 지지 수단, 상기 제3 지지 수단 및 상기 제4 지지 수단에 각각 고정되는 스테이터로 이루어지는 제1 모터, 제2 모터, 제3 모터 및 제4 모터와, 상기 제1 프리즘 또는 상기 제2 프리즘 중 적어도 한쪽을 이동시키는 프리즘 이동 수단을 구비하고, 상기 제1 프리즘과 상기 제2 프리즘은, 통과하는 상기 레이저 빔을 변위시키는 한 쌍의 프리즘이며, 상기 제3 프리즘과 상기 제4 프리즘은, 통과하는 상기 레이저 빔을 편향시키는 한 쌍의 프리즘인 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하는 제2 발명에 관한 레이저 가공기는, 제1 발명에 관한 레이저 가공기에 있어서, 상기 제1 스핀들, 상기 제2 스핀들, 상기 제3 스핀들 및 상기 제4 스핀들이, 각각 공기 정압 베어링을 통하여 상기 제1 지지 수단, 상기 제2 지지 수단, 상기 제3 지지 수단 및 상기 제4 지지 수단에 회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하는 제3 발명에 관한 레이저 가공기는, 제1 또는 제2 발명에 관한 레이저 가공기에 있어서, 상기 레이저 빔의 광로 상에 배치되어, 상기 피가공물에 조사되는 상기 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈와, 상기 집광 렌즈를 상기 레이저 빔의 선회 중심축을 따라 이동시키는 렌즈 이동 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하는 제4 발명에 관한 레이저 가공기는, 제1에서 제3 중 어느 하나의 발명에 관한 레이저 가공기에 있어서, 상기 레이저 빔의 광로 상에 있어서의 상기 제1 프리즘의 광로 상류 측에 배치되어, 상기 레이저 빔의 비점 수차를 보정하는 비점 수차 보정 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하는 제5 발명에 관한 레이저 가공기는, 제4 발명에 관한 레이저 가공기에 있어서, 상기 비점 수차 보정 수단이, 한 쌍의 원통형 렌즈와 한 쌍의 오목 렌즈를 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하는 제6 발명에 관한 레이저 가공기는, 제1에서 제5 중 어느 하나의 발명에 관한 레이저 가공기에 있어서, 상기 레이저 빔의 광로 상에 있어서의 상기 제1 프리즘의 광로 상류 측에 배치되어, 상기 레이저 빔의 편광 상태를 변환하는 편광 변환 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하는 제7 발명에 관한 레이저 가공기는, 제1에서 제6 중 어느 하나의 발명에 관한 레이저 가공기에 있어서, 상기 레이저 빔이 조사되는 상기 피가공물을 촬상하는 촬상 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하는 제8 발명에 관한 레이저 가공기는, 제1에서 제7 중 어느 하나의 발명에 관한 레이저 가공기에 있어서, 상기 레이저 빔에 의하여 상기 피가공물을 가공할 때의 플라즈마의 발생을 억제하는 플라즈마 발생 억제 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하는 제9 발명에 관한 레이저 가공기는, 제1에서 제8 중 어느 하나의 발명에 관한 레이저 가공기에 있어서, 상기 레이저 빔에 의하여 상기 피가공물을 가공할 때에 발생하는 플라즈마를 흡인하는 플라즈마 흡인 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하는 제10 발명에 관한 레이저 가공기는, 제1에서 제9 중 어느 하나의 발명에 관한 레이저 가공기에 있어서, 상기 레이저 빔이 나노초 이하의 단펄스 레이저인 것을 특징으로 한다.

제1 발명에 관한 레이저 가공기에 의하면, 제1 모터 및 제2 모터에 의하여 제1 프리즘 및 제2 프리즘이 직접적(기어 등의 간접적 기구를 통하지 않고)으로 회전 구동되므로, 백래시 등에 의한 회전 불균일이 발생하지 않아, 정밀한 동기 회전이 가능해진다. 또, 이동 수단에 의하여, 제1 프리즘과 제2 프리즘의 사이의 거리, 즉 제1 프리즘 및 제2 프리즘을 통과하는 레이저 빔이 변위되는 양을 제어할 수 있어, 당해 제어를 용이하게 행할 수 있다. 또, 제1 프리즘 및 제2 프리즘이, 제3 프리즘 및 제4 프리즘보다 레이저 빔의 광로 상류 측에 위치하므로, 제3 프리즘 및 제4 프리즘에 입사되는 레이저 빔의 궤도가 3차원적으로 변화(변위)되는 일은 없고, 제1부터 제4 프리즘의 제어를 간이한 것으로 할 수 있다.

제2 발명에 관한 레이저 가공기에 의하면, 제1부터 제4 스핀들이 제1부터 제4 지지 수단에 대하여 비접촉으로 회전 가능하게 되어 있으므로, 마찰 등에 의한 진동이 발생하지 않아, 동기 회전의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

제3 발명에 관한 레이저 가공기에 의하면, 집광 렌즈를 레이저 빔의 선회 중심축을 따라 이동 가능하게 함으로써, 피가공물의 표면 형상 등에 맞추어 이동할 수 있다. 따라서, 피가공물을 이동(동작)시키는 일 없이, 집광 렌즈와 피가공물의 거리를 제어하여 레이저 가공을 행할 수 있다.

제4 발명에 관한 레이저 가공기에 의하면, 비점 수차 보정 수단에 의하여, 레이저 빔의 광로 상에 있는 모든 광학 소자에 기인하여 발생하는 레이저 빔의 비점 수차를 보정할 수 있다. 비점 수차를 보정함으로써, 레이저 빔의 초점과 형상을 고정밀도로 제어할 수 있으므로, 미세하고 고정밀한 가공이 가능해진다. 또, 비점 수차 보정 수단이 제1 프리즘의 광로 상류 측에 배치되어 있으므로, 레이저 빔을 변위 및 편향시키기 이전에, 항상 동일한 궤도로부터 입사되는 레이저 빔에 대하여 비점 수차 보정 수단에 의한 비점 수차의 보정이 가능하다.

제5 발명에 관한 레이저 가공기에 의하면, 비점 수차 보정 수단을 간이한 구성으로 할 수 있다.

제6 발명에 관한 레이저 가공기에 의하면, 편광 변환 수단에 의하여, 레이저 빔의 편광 상태를 변환함으로써, 레이저 빔의 편광 상태를 가공 형상에 따라 변환할 수 있다. 즉, 레이저 빔의 편광 상태를 가공 형상에 적합한 것으로 함으로써, 미세하고 고정밀도의 가공이 가능해진다.

제7 발명에 관한 레이저 가공기에 의하면, 촬상 수단에 의하여, 레이저 빔의 초점 위치의 상태를 관찰할 수 있다. 이 관찰을 레이저 가공의 동작에 피드백함으로써, 폐루프(closed-loop)의 제어가 가능해진다.

제8 발명에 관한 레이저 가공기에 의하면, 플라즈마 발생 억제 수단에 의하여 플라즈마의 발생을 억제함으로써, 플라즈마의 발생에 의한 광의 흡수 및 산란을 억제하여, 안정된 가공 정밀도를 유지할 수 있다.

제9 발명에 관한 레이저 가공기에 의하면, 플라즈마 흡인 수단에 의하여 발생한 플라즈마를 흡인함으로써, 플라즈마의 발생에 의한 광의 흡수 및 산란을 억제하여, 안정된 가공 정밀도를 유지할 수 있다.

제10 발명에 관한 레이저 가공기에 의하면, 나노초(ns) 이하의 단펄스 레이저를 이용함으로써, 미세하고 고정밀도의 레이저 가공이 가능해진다.

도 1은 실시예 1에 관한 레이저 가공기에 구비되는 레이저 가공용 광학 헤드의 구조를 나타내는 설명도이다.
도 2a는 실시예 1에 관한 레이저 가공기에 구비되는 레이저 가공용 광학 헤드에 있어서의 제1 및 제2 프리즘 유닛의 구조를 나타내는 설명도이다.
도 2b는 실시예 1에 관한 레이저 가공기에 구비되는 레이저 가공용 광학 헤드에 있어서의 제3 및 제4 프리즘 유닛의 구조를 나타내는 설명도이다.
도 3은 실시예 1에 관한 레이저 가공기에 구비되는 레이저 가공용 광학 헤드에 있어서의 광학계를 나타내는 설명도이다.
도 4는 실시예 1에 관한 레이저 가공기에 구비되는 레이저 가공용 광학 헤드에 있어서의 제어를 나타내는 블록도이다.
도 5는 실시예 1에 관한 레이저 가공기에 구비되는 레이저 가공용 광학 헤드에 있어서의 레이저 빔의 초점 위치 근방을 나타내는 설명도이다.

이하에, 본 발명에 관한 레이저 가공기의 실시예에 대하여, 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 물론, 본 발명은, 이하의 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 각종 변경이 가능한 것은 말할 필요도 없다.

실시예 1

본 발명의 실시예 1에 관한 레이저 가공기는, 피가공물에 대하여 레이저 빔을 조사함으로써 천공 등의 가공을 행하는 것이며, 피가공물에 대한 레이저 빔의 조사 궤도를 고정세하게 제어 가능한 레이저 가공용 광학 헤드를 구비하고 있다.

본 실시예에 관한 레이저 가공기에 구비되는 레이저 가공용 광학 헤드의 구조에 대하여, 도 1에서부터 도 5를 참조하여 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에는, 레이저 발진기(10)로부터 발진되는 레이저 빔이 전반사 미러(20)를 통하여 도광되는 복수의 프리즘 유닛(제1 프리즘 유닛(30), 제2 프리즘 유닛(40), 제3 프리즘 유닛(50), 제4 프리즘 유닛(60))이 마련되어 있으며, 이들 제1부터 제4 프리즘 유닛(30, 40, 50, 60)을 통과한 레이저 빔은, 다이크로익 미러(70) 및 집광 렌즈(80)를 통하여 피가공물(워크)(W)에 조사되도록 되어 있다.

여기에서, 본 실시예에 관한 레이저 가공기는, 어블레이션 가공(증발에 의한 가공)이 가능한 것이며, 레이저 발진기(10)는, 레이저 빔으로서, 나노초(ns) 이하의 단펄스 레이저를 발진 가능한 것이다. 또, 제1부터 제4 프리즘 유닛(30, 40, 50, 60)의 광로 하류 측에 설치되는 다이크로익 미러(70)는, 레이저 발진기(10)로부터 발진되는 레이저 빔(특정 파장의 광)을 반사하고, 그 외(특정 파장과는 다른 파장대)의 파장의 광을 투과하는 것이다.

제1부터 제4 프리즘 유닛(30, 40, 50, 60)은, 레이저 빔의 광로 상류 측(도 1에 있어서는, 우측)으로부터 순서대로 배열되어 있으며, 레이저 빔은, 이들 제1부터 제4 프리즘 유닛(30, 40, 50, 60)을 순서대로 통과함으로써, 집광 렌즈(80)에 입사되는 위치(입사 위치(d_L)) 및 각도(입사 각도(θ_L)), 즉 집광 렌즈(80)를 통하여 피가공물(W)에 조사되는 각도(조사 각도(θ_W)) 및 위치(조사 위치(d_W))가 제어되고 있다(도 5 참조).

도 1에 나타내는 바와 같이, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에는, 지지 프레임(90)에 고정된 제1 유닛 테이블(100) 및 제2 유닛 테이블(110)이 마련되어 있으며, 이들 제1 및 제2 유닛 테이블(100, 110)은, 레이저 빔의 광로를 따르도록 인접하여 배치되어 있다.

제1 유닛 테이블(100)에는, 레이저 빔의 광로를 따라 뻗은 유닛 이동 레일(101)이 마련되어 있으며, 이 유닛 이동 레일(101)을 통하여, 제1 프리즘 유닛(30)이 X축 방향(도 1에 있어서는, 좌우 방향)으로 이동 가능하게 지지되어 있다. 또, 제1 유닛 테이블(100)에는, 유닛 이동 모터(102)가 마련되어 있으며, 이 유닛 이동 모터(102)가 구동되면, 제1 프리즘 유닛(30)이 유닛 이동 레일(101)을 따라 이동되도록 되어 있다.

한편, 제2 유닛 테이블(110)에는, 제2부터 제4 프리즘 유닛(40, 50, 60)이 고정 지지되어 있다. 제2 유닛 테이블(110) 상에 있어서, 제2 프리즘 유닛(40)은 제1 프리즘 유닛(30)과 인접하도록 일방 측(도 1에 있어서는, 우측)에 배치되고, 제3 프리즘 유닛(50)은 제2 프리즘 유닛(40)과 인접하도록 중앙에 배치되며, 제4 프리즘 유닛(60)은 제3 프리즘 유닛(50)과 인접하도록 타방 측(도 1에 있어서는, 좌측)에 배치되어 있다.

즉, 제1 프리즘 유닛(30)은, 제1 유닛 테이블(100)을 통하여 지지 프레임(90)에 이동 가능하게 지지되어 있는 데 대하여, 제2부터 제4 프리즘 유닛(40, 50, 60)은, 제2 유닛 테이블(110)을 통하여 지지 프레임(90)에 고정 지지되어 있으며, 유닛 이동 모터(102)의 구동에 의하여, 제1 프리즘 유닛(30)은 제2 프리즘 유닛(40)에 대하여 접근 이반하도록 되어 있다.

도 2a에 나타내는 바와 같이, 제1 프리즘 유닛(30)은, 그 외각인 유닛 케이싱(31)과 당해 유닛 케이싱(31) 내에 마련된 통 형상의 스핀들(32)로 개략 구성되어 있다. 스핀들(32)은, 레이디얼 공기 정압 베어링(33) 및 스러스트 공기 정압 베어링(34)을 통하여, 유닛 케이싱(31)에 대하여 회전 가능하게 지지되어 있다. 또한, 스핀들(32)의 중심축은, 전반사 미러(20)에 의하여 반사되어 제1 프리즘 유닛(30)에 입사되는 레이저 빔의 광로(광축(C))와 일치하고, 스핀들(32)은, 이 광축(C)을 회전 중심으로 한 C₁ 축을 중심으로 회전되도록 되어 있다.

또, 제1 프리즘 유닛(30)에는, 제1 회전 모터(35)가 마련되어 있다. 제1 회전 모터(35)는, 유닛 케이싱(31)에 고정되는 스테이터(35a)와, 스핀들(32)에 고정되는 로터(35b)로 이루어진다. 따라서, 제1 프리즘 유닛(30)에 있어서, 제1 회전 모터(35)가 구동되면, 스핀들(32)(로터(35b))이 유닛 케이싱(31)(스테이터(35a))에 대하여 C₁ 축을 중심으로 회전된다.

도 2a 및 도 2b에 나타내는 바와 같이, 제2부터 제4 프리즘 유닛(40, 50, 60)에는, 제1 프리즘 유닛(30)과 마찬가지로, 그 외각인 유닛 케이싱(41, 51, 61)과, 이 유닛 케이싱(41, 51, 61) 내에 레이디얼 공기 정압 베어링(43, 53, 63) 및 스러스트 공기 정압 베어링(44, 54, 64)을 통하여 회전 가능하게 지지되는 통 형상의 스핀들(42, 52, 62)과, 유닛 케이싱(41, 51, 61)(스테이터(45a, 55a, 65a))에 대하여 스핀들(42, 52, 62)(로터(45b, 55b, 65b))을 회전시키기 위한 제2부터 제4 회전 모터(45, 55, 65)가 각각 마련되어 있다. 또한, 스핀들(42, 52, 62)의 중심축은, 제1 스핀들(32)과 마찬가지로 광축(C)과 일치하고, 스핀들(42, 52, 62)은, 광축(C)을 회전 중심으로 한 C₂ 축, C₃ 축, C₄ 축을 중심으로 각각 회전되도록 되어 있다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 관한 레이저 가공기에는, 레이저 가공의 제어를 행하는 NC 장치(120)가 마련되어 있으며, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에 있어서의 유닛 이동 모터(102) 및 제1부터 제4 회전 모터(35, 45, 55, 65)는, 이 NC 장치(120)와 전기적으로 접속되어 있다.

또, 도 1, 도 2a 및 도 2b에 나타내는 바와 같이, 제1 유닛 테이블(100)에는, 제1 프리즘 유닛(30)의 이동량(X축 방향에 있어서의 위치)을 검출하기 위한 리니어 스케일(103)이 마련되어 있으며, 제1부터 제4 프리즘 유닛(30, 40, 50, 60)에는, 스핀들(32, 42, 52, 62)의 회전 위상을 검출하기 위한 인코더(제1 인코더(36), 제2 인코더(46), 제3 인코더(56), 제4 인코더(66))가 각각 마련되어 있다.

이들 리니어 스케일(103) 및 제1부터 제4 인코더(36, 46, 56, 66)는, NC 장치(120)와 전기적으로 접속되어 있으며, 리니어 스케일(103)에 의하여 검출되는 제1 프리즘 유닛(30)의 이동량 및 제1부터 제4 인코더(36, 46, 56, 66)에 의하여 검출되는 제1부터 제4 스핀들(32, 42, 52, 62)의 회전 위상의 정보는, NC 장치(120)로 보내지도록 되어 있다(도 4 참조).

그리고, NC 장치(120)는, 이들 정보(제1 프리즘 유닛(30)의 이동량 및 제1부터 제4 스핀들(32, 42, 52, 62)의 회전 위상)에 근거하여, 유닛 이동 모터(102) 및 제1부터 제4 회전 모터(35, 45, 55, 65)를 제어할 수 있도록 되어 있다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 제1부터 제4 프리즘 유닛(30, 40, 50, 60)에는, 레이저 빔의 광로를 변위 또는 편향하기 위한 프리즘(제1 웨지 프리즘(37), 제2 웨지 프리즘(47), 제3 웨지 프리즘(57), 제4 웨지 프리즘(67))이 각각 마련되어 있다. 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)은, 제1부터 제4 프리즘 유닛(30, 40, 50, 60)에 있어서의 스핀들(32, 42, 52, 62) 내에 각각 고정 지지되어 있으며, 제1부터 제4 회전 모터(35, 45, 55, 65)의 구동에 의하여 스핀들(32, 42, 52, 62)과 함께 C₁ 축, C₂ 축, C₃ 축, C₄ 축을 중심으로 각각 회전되도록 되어 있다(도 2a 및 도 2b 참조).

도 3에 나타내는 바와 같이, 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)은, 쐐기형의 단면을 갖는 프리즘이며, 한쪽의 면(직교면)(37a, 47a, 57a, 67a)이 광축(C)과 직교함과 함께 다른 쪽의 면(경사면)(37b, 47b, 57b, 67b)이 광축(C)과 경사지도록(평행 또는 직교가 되지 않도록) 배치되어 있다. 따라서, 레이저 빔은, 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)을 통과할 때에, 편향(굴절)된다.

제1 웨지 프리즘(37)과 제2 웨지 프리즘(47)은, 서로의 경사면(37b, 47b)이 대향하도록 배치되어 있으며, 레이저 빔은, 제1 및 제2 웨지 프리즘(37, 47)을 통과함으로써, 각각의 편향각(편각)이 상쇄되어 광축(C)에 대하여 평행 이동(변위)되도록 되어 있다.

레이저 빔이 변위되는 양(변위량)은, 제1 웨지 프리즘(37)과 제2 웨지 프리즘(47)의 사이의 거리에 따라 변화하고, 집광 렌즈(80)를 통과하여 피가공물(W)에 조사되는 레이저 빔의 조사 각도(θ_W)에 영향을 주는 것이다(도 5 참조). 즉, 유닛 이동 모터(102)의 구동에 의하여, 레이저 빔의 변위량, 즉 조사 각도(θ_W)가 제어되고 있다.

또, 도 1에 나타내는 바와 같이, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에는, 제1 및 제2 웨지 프리즘(37, 47)에 의한 레이저 빔의 변위에 대한 영점 보정을 행하기 위한 평행 평판(130)이 마련되어 있다. 평행 평판(130)은, 제2 프리즘 유닛(40)의 스핀들(42) 내에 있어서 광축(C)에 대하여 경사 가능하게 마련되어 있으며, 제1 및 제2 웨지 프리즘(37, 47)의 광로 하류 측, 또한, 제3 및 제4 웨지 프리즘(57, 67)의 광로 상류 측에 위치하도록 배치되어 있다.

따라서, 제1 및 제2 웨지 프리즘(37, 47)을 통과한 레이저 빔은, 평행 평판(130)의 경사 각도에 따라 변위된 후, 제3 및 제4 웨지 프리즘(57, 67)에 입사되도록 되어 있다. 즉, 제1 웨지 프리즘(37)과 제2 웨지 프리즘(47)이 소정의 거리인(제1 프리즘 유닛(30)이 소정의 위치에 있는) 경우에, 평행 평판(130)을 경사시켜 레이저 빔을 광축(C)과 일치시킴으로써, 제1 및 제2 웨지 프리즘(37, 47)에 의한 레이저 빔의 변위에 대한 영점 보정을 행할 수 있다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 제3 웨지 프리즘(57)과 제4 웨지 프리즘(67)은, 서로의 직교면(57a, 67a)이 대향하도록 배치되어 있으며, 레이저 빔은, 제3 및 제4 웨지 프리즘(57, 67)을 통과함으로써, 각각의 편향의 각도가 조합된 각도(편각)만큼 광축(C)에 대하여 편향(경사)되도록 되어 있다.

레이저 빔이 편향되는 각도(편각)는, 제3 웨지 프리즘(57)과 제4 웨지 프리즘(67)의 회전 위상차에 따라 변화하고, 집광 렌즈(80)를 통과하여 피가공물(W)에 조사되는 레이저 빔의 조사 위치(d_W)에 영향을 주는 것이다(도 5 참조). 즉, 제3 및 제4 회전 모터(55, 65)의 구동에 의하여, 레이저 빔의 편각, 즉 조사 위치(d_W)가 제어되고 있다.

또, 도 1에 나타내는 바와 같이, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에는, 레이저 빔의 편광 상태를 소정의 편광 상태(예를 들면, 직선 편광, 원 편광, 타원 편광, 레이디얼(방사상) 편광, 방위각(동일 원상) 편광 등)로 변환하기 위한 편광 변환 소자(140)가 마련되어 있다. 편광 변환 소자(140)는, 제1 프리즘 유닛(30)에 있어서의 스핀들(32) 내에 장착되어 있으며, 제1 웨지 프리즘(37)보다 광로 상류 측에 위치하도록 배치되어 있다.

따라서, 레이저 발진기(10)로부터 발진된 레이저 빔은, 전반사 미러(20)에 의하여 반사되고, 편광 변환 소자(140)에 의하여 원하는 편광 상태로 변환된 후, 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)에 입사되도록 되어 있다. 또한, 편광 변환 소자(140)로는, 변환하는 소정의 편광 상태에 따른 다양한 것이 있으며, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에 있어서는, 피가공물(W)에 실시하는 가공 형상에 따라, 일 종류의 편광 변환 소자(140)가 선정되거나, 또는 복수 종류의 편광 변환 소자(140)가 조합되어 사용된다.

또, 편광 변환 소자(140)와 대용 또는 병용하여, 회절 광학 소자(도시 생략)를 마련해도 된다. 즉, 회절 광학 소자를 이용함으로써, 레이저 빔의 형상을 최적화하여, 레이저 빔에 의한 가공 정밀도를 향상시킬 수 있는 것 외에, 둥근 구멍에 한정되지 않는 형상의 가공이 가능해진다.

또, 도 1에 나타내는 바와 같이, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에는, 레이저 빔의 비점 수차를 보정하기 위한 비점 수차 보정 광학 소자(150)가 마련되어 있다. 비점 수차 보정 광학 소자(150)는, 제1 프리즘 유닛(30)에 있어서의 스핀들(32) 내에 장착되어 있으며, 제1 웨지 프리즘(37)보다 광로 상류 측에 위치하도록 배치되어 있다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 비점 수차 보정 광학 소자(150)는, 광로 상류 측에 볼록부를 갖는 제1 원통형 렌즈(151)와, 광로 하류 측에 오목부를 갖는 제1 오목 렌즈(152)와, 광로 상류 측에 오목부를 갖는 제2 오목 렌즈(153)와, 광로 하류 측에 볼록부를 갖는 제2 원통형 렌즈(154)가 광로 상류 측에서부터 순서대로 배치되어 이루어진다.

레이저 빔의 비점 수차는, 제1 원통형 렌즈(151) 및 제1 오목 렌즈(152)와 제2 오목 렌즈(153) 및 제2 원통형 렌즈(154)의 사이의 거리 및 위상(C축을 중심으로 회전 위상)이 조정됨으로써 보정된다. 또한, 이들 조정은, 도시하지 않은 기계적 기구를 통하여, 오퍼레이터 또는 NC 장치(120)에 의하여 행해지도록 되어 있다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에는, 집광 렌즈(80)가 장착되는 노즐 헤드(160)와, 노즐 헤드(160)를 Z축을 중심으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 노즐 보디(161)와, 노즐 헤드(160)를 노즐 보디(161)에 대하여 슬라이딩하는 노즐 이동 모터(162)(도 4 참조)가 마련되어 있다. 따라서, 노즐 이동 모터(162)가 구동되면, 노즐 헤드(160) 및 집광 렌즈(80)는, 피가공물(W)에 대하여 Z축을 중심으로 이동된다. 즉, 노즐 이동 모터(162)의 구동을 제어함으로써, 피가공물(W)의 표면 형상에 따라 집광 렌즈(80)를 Z축을 중심으로 이동하여, 집광 렌즈(80)를 통하여 피가공물(W)에 조사되는 레이저 빔의 초점 위치를 항상 피가공물(W)의 표면에 위치시킬 수 있다.

여기에서, 집광 렌즈(80)는, 그 회전 대칭축이 후술하는 레이저 빔의 궤도 선회에 있어서의 선회 중심축(C_L)과 일치하도록 배치되어 있으며, 집광 렌즈(80)를 이동하는 Z축 방향은, 선회 중심축(C_L)과 평행한 방향이다(도 5 참조). 따라서, 집광 렌즈(80)의 Z축 방향에 있어서의 이동에 의하여, 피가공물(W)에 대한 선회 중심축(C_L)이 이동하는(어긋나는) 일은 없다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에는, 레이저 가공에 의한 플라즈마의 발생을 억제하는 가스(플라즈마 억제 가스)를 분출하기 위한 가스 분출 장치(170)가 마련되어 있다. 가스 분출 장치(170)는, 노즐(160)에 마련되어 있으며, 플라즈마 억제 가스는, 피가공물(W)에 있어서의 가공 위치(레이저 빔의 초점 위치)로 분출되도록 되어 있다. 따라서, 레이저 가공 중에 있어서의 플라즈마의 발생, 즉 플라즈마의 발생에 의한 광(레이저 빔)의 흡수 및 산란을 억제하여, 레이저 빔에 의한 가공 정밀도를 안정시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 억제 가스로서는, 예를 들면, 헬륨 가스 등을 들 수 있다.

또, 가스 분출 장치(170)와 대용 또는 병용하여, 레이저 가공에 의하여 발생한 플라즈마를 흡인하기 위한 플라즈마 흡인 장치(171)(도 1에 있어서는, 이점쇄선으로 도시)를 마련해도 된다. 이와 같이, 레이저 가공에 있어서 발생한 플라즈마를 흡인함으로써, 플라즈마의 발생에 의한 광(레이저 빔)의 흡수 및 산란을 억제하여, 레이저 빔에 의한 가공 정밀도를 안정시킬 수 있다.

또, 도 1에 나타내는 바와 같이, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에는, 레이저 빔의 초점 위치(피가공물(W)의 가공 위치)의 상태를 관찰하기 위한 관찰용 카메라(180) 및 관찰용 조명(190)이 마련되어 있다. 관찰용 조명(190)으로부터 발사되는 조명광은, 전반사 미러(200), 하프 미러(210), 전반사 미러(220), 확대 렌즈(230)를 통하여 다이크로익 미러(70)에 도달한다. 이 조명광은, 레이저 빔과 다른 파장(특정 파장과는 다른 파장대의 파장)의 광이므로, 다이크로익 미러(70)를 투과할 수 있다. 다이크로익 미러(70)를 투과한 조명광은, 집광 렌즈(80)를 통하여 피가공물(W)에 있어서의 가공 위치에 조사되어, 당해 피가공물(W)에 의하여 반사된다. 피가공물(W)에 의하여 반사된 반사광은, 집광 렌즈(80)를 통하여 다이크로익 미러(70)에 도달한다. 이 반사광은, 레이저 빔과 다른 파장(특정 파장과는 다른 파장대의 파장)의 광이며, 다이크로익 미러(70)를 투과하여, 확대 렌즈(230), 전반사 미러(220), 하프 미러(210)를 통하여 관찰용 카메라(180)에 도달한다.

즉, 피가공물(W)에 있어서의 가공 위치에 관찰용 조명(190)의 조명광이 조사되고, 그 상태가 관찰용 카메라(180)에 의하여 촬상됨으로써, 피가공물(W)에 있어서의 가공 위치 즉 레이저 빔의 초점 위치가 가시화되어, 오퍼레이터(또는, NC 장치(120))는, 그 상태를 관찰(확인)할 수 있다.

본 실시예에 관한 레이저 가공기에 의한 레이저 가공은, 도시하지 않은 워크 테이블에 고정된 피가공물(W)에 대하여 레이저 빔을 조사함으로써 이루어지고, 레이저 빔의 조사 궤도는, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에 의하여 제어된다.

레이저 가공(본 실시예에 있어서는, 천공 가공) 시의 레이저 가공용 광학 헤드(1)에 의한 조사 궤도의 제어에 대하여, 도 1에서부터 도 5를 참조하여 설명한다. 천공 가공 시에는, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에 있어서, 레이저 빔의 조사 각도(θ_W)의 설정, 레이저 빔의 조사 위치(d_W)의 설정, 및 레이저 빔의 궤도 선회가 이루어짐으로써, 피가공물(W)에 소정의 형상 및 내경의 구멍이 형성된다.

레이저 빔의 조사 각도(θ_W)(도 5 참조)의 설정은, 유닛 이동 모터(102)를 구동하여, 제1 프리즘 유닛(30)을 제2 프리즘 유닛(40)에 대하여 접근 이반(X축을 중심으로 이동)함으로써 이루어진다(도 1 및 도 2a 참조). 즉, 제1 웨지 프리즘(37)과 제2 웨지 프리즘(47)의 사이의 거리를 소정값으로 설정하고, 제1 및 제2 웨지 프리즘(37, 47)을 통과하는 레이저 빔을 소정량만 변위(평행 이동)시켜, 집광 렌즈(80)를 통하여 피가공물에 조사되는 레이저 빔의 조사 각도(θ_W)를 소정 각도로 설정한다.

또한, 제1 및 제2 웨지 프리즘(37, 47)에 의한 레이저 빔의 변위에 대하여, 영점 보정을 행할 필요가 있는 경우에는, 제2 프리즘 유닛(40)에 마련된 평행 평판(130)의 광축(C)에 대한 경사 각도를 조정한다. 즉, 유닛 이동 모터(102)의 구동에 의하여 제1 프리즘 유닛(30)을 소정 위치로 이동(제1 웨지 프리즘(37)과 제2 웨지 프리즘(47)의 사이의 거리를 소정값으로 설정)하고, 평행 평판(130)을 경사시켜 레이저 빔을 광축(C)과 일치시키고, 영점 보정을 행한다.

레이저 빔의 조사 위치(d_W)(도 5 참조)의 설정은, 제3 및 제4 회전 모터(55, 65) 중 적어도 한쪽을 구동하여, 제3 및 제4 프리즘 유닛(50, 60) 중 적어도 한쪽을 C₃축 또는 C₄축을 중심으로 회전시킴으로써 이루어진다(도 1 및 도 2b 참조). 즉, 제3 웨지 프리즘(57)과 제4 웨지 프리즘(67)을 소정의 회전 위상차로 설정하고, 제3 및 제4 웨지 프리즘(57, 67)을 통과하는 레이저 빔을 소정의 편각만큼 편향(경사)시켜, 집광 렌즈(80)를 통하여 피가공물(W)에 조사되는 레이저 빔의 조사 위치(d_W)를 소정 위치로 설정한다.

여기에서, 제3 및 제4 웨지 프리즘(57, 67)에 입사되는 레이저 빔은, 제1 및 제2 웨지 프리즘(37, 47)에 의하여 변위되어 있지만, 이 변위는 3차원적인 것은 아니다. 이것은, 제1 및 제2 웨지 프리즘(37, 47)을 통과할 때의 레이저 빔의 변위량이, 제1 웨지 프리즘(37)과 제2 웨지 프리즘(47)의 사이의 거리에 의하여 제어되고 있기 때문이다. 즉, 레이저 빔의 변위량을 변화시킨 경우에 있어서도, 레이저 빔은, 광축(C)에 대하여 항상 동일한 방향(이차원적)으로 변위된다. 따라서, 제3 및 제4 웨지 프리즘(57, 67)에 입사되는 레이저 빔이 3차원적으로 변위될 일은 없기 때문에, 종래 기술(예를 들면, 특허문헌 1에 기재된 기술)과 비교하여, 레이저 빔의 궤도 계산을 간이한 것으로 할 수 있다.

레이저 빔의 궤도 선회는, 제1 웨지 프리즘(37)과 제2 웨지 프리즘(47)을 소정의 거리로 유지함과 함께, 제3 웨지 프리즘(57)과 제4 웨지 프리즘(67)을 소정의 회전 위상차로 유지한 상태로, 제1부터 제4 회전 모터(35, 45, 55, 65)를 구동함으로써 이루어진다(도 1, 도 2a 및 도 2b 참조). 즉, 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)을 동기 회전시켜, 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)을 통과하여 집광 렌즈(80)에 입사되는 레이저 빔을 선회 중심축(C_L)을 중심으로 선회시키고, 집광 렌즈(80)를 통하여 피가공물(W)에 조사되는 레이저 빔의 궤도를 선회 중심축(C_L)을 중심으로 선회시킨다. 이와 같이 소정의 조사 각도(θ_W) 및 조사 위치(d_W)에서 피가공물(W)에 조사되는 레이저 빔의 궤도를 선회 중심축(C_L)을 중심으로 선회시킴으로써, 피가공물(W)에 소정의 형상 및 내경의 구멍을 형성할 수 있다(도 5 참조).

레이저 가공용 광학 헤드(1)에 있어서는, 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)을 고정 지지하는 스핀들(32, 42, 52, 62)이, 기어 등의 간접적 기구를 통하지 않고, 제1부터 제4 회전 모터(35, 45, 55, 65)에 의하여 직접 구동되고 있다(도 2a 및 도 2b 참조). 따라서, 스핀들(32, 42, 52, 62), 즉 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)을 고정밀도로 동기 회전시킬 수 있다.

또, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에 있어서는, 스핀들(32, 42, 52, 62)의 회전 위상을 인코더(36, 46, 56, 66)에 의하여 검출할 수 있도록 하고 있다. 따라서, NC 장치(120)는, 당해 인코더(36, 46, 56, 66)의 검출 결과에 근거하여, 스핀들(32, 42, 52, 62)(제1부터 제4 회전 모터(35, 45, 55, 65)), 즉 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)의 회전을 제어하여, 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)을 고정밀도로 동기 회전시킬 수 있다(도 2a, 도 2b 및 도 4 참조).

또, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에 있어서는, 스핀들(32, 42, 52, 62)은, 레이디얼 공기 정압 베어링(33, 43, 53, 63) 및 스러스트 공기 정압 베어링(34, 44, 54, 64)을 통하여 각각의 유닛 케이싱(31, 41, 51, 61)에 지지되어 있으며, 유닛 케이싱(31, 41, 51, 61)에 대하여 접촉하는 일 없이 회전되도록 되어 있다. 따라서, 스핀들(32, 42, 52, 62)과 유닛 케이싱(31, 41, 51, 61)의 사이에는, 접촉 저항이 거의 발생할 일은 없고, 예를 들면 구름 베어링 등을 사용한 종래 기술과 비교하여, 회전 시의 진동을 억제할 수 있으므로, 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)을 고정밀도로 동기 회전시킬 수 있다.

또, 본 실시예에 관한 레이저 가공기는, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에 있어서 레이저 빔의 조사 궤도를 더욱 고정세하게 제어함으로써, 피가공물(W)에 대하여 더욱 미세하고 고정밀도의 레이저 가공을 실시할 수 있다. 레이저 가공용 광학 헤드(1)에 있어서는, 레이저 빔의 조사 궤도의 추가적인 제어로서, 레이저 빔의 편광 상태의 변환, 레이저 빔의 비점 수차의 보정이 이루어진다.

레이저 빔의 편광 상태의 변환은, 피가공물(W)에 실시하는 가공의 형상에 따라, 편광 변환 소자(140)를 선정하여, 제1 프리즘 유닛(30)에 있어서의 스핀들(32)에 장착함으로써 이루어진다(도 1 및 도 2a 참조). 예를 들면, 피가공물(W)에 실시하는 가공 형상이 환 형상인 경우에는, 편광 변환 소자(140)에 의하여 레이저 빔의 편광 상태를 원 편광 또는 레이디얼 편광 등으로 변환함으로써, 피가공물(W)에 형성되는 둥근 구멍의 진원도를 향상시킬 수 있다.

또한, 편광 변환 소자(140)는, 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)보다 광로 상류 측에 배치되어 있으며, 레이저 빔은, 항상 동일한 각도 및 동일한 위치에서 편광 변환 소자(140)에 입사되기 때문에, 편광 변환 소자(140)에 의한 편광 상태의 변환이 확실히(효율적으로) 이루어진다.

레이저 빔의 비점 수차의 보정은, 비점 수차 보정 소자(150)를 조정한다, 즉 제1 원통형 렌즈(151) 및 제1 오목 렌즈(152)와 제2 오목 렌즈(153) 및 제2 원통형 렌즈(154)의 사이의 거리 및 위상(C축을 중심으로 회전 위상)을 조정함으로써 이루어진다(도 1 및 도 3 참조). 즉, 비점 수차에 의한 초점 거리의 어긋나는 방향에 맞추어, 제1 원통형 렌즈(151) 및 제1 오목 렌즈(152)와 제2 오목 렌즈(153) 및 제2 원통형 렌즈(154)의 사이의 위상을 조정하고, 비점 수차에 의한 초점 거리의 어긋남의 정도에 맞추어, 제1 원통형 렌즈(151) 및 제1 오목 렌즈(152)와 제2 오목 렌즈(153) 및 제2 원통형 렌즈(154)의 사이의 거리를 조정하여, 레이저 빔의 비점 수차를 보정한다.

또한, 비점 수차 보정 광학 소자(150)는, 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)보다 광로 상류 측에 배치되어 있으며, 레이저 빔은, 항상 동일한 각도 및 동일한 위치에서 비점 수차 보정 광학 소자(150)에 입사되기 때문에, 비점 수차 보정 광학 소자(150)에 의한 비점 수차의 보정이 확실히(효율적으로) 이루어진다.

또, 본 실시예에 관한 레이저 가공기는, 레이저 가공용 광학 헤드(1)에 있어서 레이저 빔의 조사 궤도를 폐루프 제어에 의하여 고정세하게 제어함으로써, 피가공물(W)에 대하여 더욱 미세하고 고정밀도의 레이저 가공을 할 수 있다. NC 장치(120)에는, 제1부터 제4 인코더(36, 46, 56, 66), 리니어 스케일(103) 및 관찰용 카메라(180)에 의하여 검출되는 정보가 피드백되도록 되어 있다.

제1부터 제4 인코더(36, 46, 56, 66)에 의하여 검출되는 스핀들(32, 42, 52, 62)의 회전 위상의 정보가 NC 장치(120)로 보내짐으로써, NC 장치(120)는, 제1부터 제4 회전 모터(35, 45, 55, 65)의 동작을 고정밀도로 제어할 수 있다. 이 제어에 의하여, 스핀들(32, 42, 52, 62), 즉 제1부터 제4 웨지 프리즘(37, 47, 57, 67)은, 고정밀도로 동기 회전된다.

리니어 스케일(103)에 의하여 검출되는 제1 프리즘 유닛(30)의 이동량(X축 방향에 있어서의 위치)이 NC 장치(120)로 보내짐으로써, NC 장치(120)는, 유닛 이동 모터(102)의 동작을 고정밀도로 제어할 수 있다. 이 제어에 의하여, 제1 프리즘 유닛(30)은 고정밀도로 이동되고, 제1 프리즘 유닛(30)(제1 웨지 프리즘(37))과 제2 프리즘 유닛(40)(제2 웨지 프리즘(47))의 사이의 거리가 고정밀도로 설정되어, 제1 및 제2 웨지 프리즘(37, 47)을 통과하는 레이저 빔의 변위량, 즉 집광 렌즈(80)를 통하여 피가공물에 조사되는 레이저 빔의 조사 각도(θ_W)가 고정밀도로 설정된다.

관찰용 카메라(180)에 의하여 검출되는 레이저 빔의 초점 위치의 상태가 NC 장치(120)로 보내짐으로써, NC 장치(120)(또는, 오퍼레이터)는, 레이저 빔의 조사 궤도(조사 각도(θ_W), 조사 위치(d_W), 궤도 선회, 편광 상태(피가공물(W)에 형성된 구멍의 진원도), 비점 수차)를 확인하고, 그 상태에 따른 레이저 빔의 조사 궤도의 제어를 행할 수 있다. 이 제어에 의하여, 레이저 빔의 조사 궤도는, 고정세하게 제어된다.

또, NC 장치(120)는, 관찰용 카메라(180)에 의한 촬상에 근거하여, 집광 렌즈(80)와 피가공물(W)의 거리(D)가 일정하게 되도록, 노즐 헤드(160)를 Z축을 중심으로 슬라이딩시킴으로써, 레이저 빔의 초점 위치를 피가공물(W)의 표면 형상에 맞추어 이동시킬 수 있다. 또한, 피가공물(W)의 표면에 관찰용 카메라(180)가 인식 가능한 인식 마크(도시 생략)를 부가함으로써, NC 장치(120)는, 당해 인식 마크를 기준으로 하여 피가공물(W)의 표면 형상 및 가공 위치 등을 정확하게 파악할 수 있다.

물론, 본 발명에 관한 레이저 가공기는, 본 실시예와 같이 관찰용 카메라(180)의 촬상에 근거하여 노즐 헤드(160)(집광 렌즈(80))를 이동시키는 것에 한정되지 않고, 예를 들면, 피가공물(W)의 3차원 가공 데이터에 근거하여 노즐 헤드(160)(집광 렌즈(80))를 이동시켜, 레이저 빔의 초점 위치를 피가공물(W)의 표면 형상에 맞추도록 해도 된다.

본 발명은, 이상에서 설명한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 각종 변경이 가능한 것은 말할 필요도 없다. 예를 들면, 본 실시예에 관한 레이저 가공기에 구비되는 레이저 가공용 광학 헤드(1)에, 이미지 로테이터(예를 들면, 도페 프리즘)를 추가로 마련해도 된다. 이와 같은 이미지 로테이터를 레이저 가공용 광학 헤드(1)에 마련한 경우여도, 본 실시예와 마찬가지로, 레이저 빔의 조사 궤도를 고정세하게 제어하여, 미세하고 고정밀도의 레이저 가공이 가능하다.

1 레이저 가공용 광학 헤드
10 레이저 발진기
20 전반사 미러
30 제1 프리즘 유닛
31 제1 유닛 케이싱(제1 지지 수단)
32 제1 스핀들
33 레이디얼 공기 정압 베어링
34 스러스트 공기 정압 베어링
35 제1 회전 모터(제1 모터)
35a 제1 회전 모터에 있어서의 스테이터
35b 제1 회전 모터에 있어서의 로터
36 제1 인코더
37 제1 웨지 프리즘(제1 프리즘)
37a 제1 웨지 프리즘에 있어서의 평탄면
37b 제1 웨지 프리즘에 있어서의 경사면
40 제2 프리즘 유닛
41 제2 유닛 케이싱(제2 지지 수단)
42 제2 스핀들
43 레이디얼 공기 정압 베어링
44 스러스트 공기 정압 베어링
45 제2 회전 모터(제2 모터)
45a 제2 회전 모터에 있어서의 스테이터
45b 제2 회전 모터에 있어서의 로터
46 제2 인코더
47 제2 웨지 프리즘(제2 프리즘)
47a 제2 웨지 프리즘에 있어서의 평탄면
47b 제2 웨지 프리즘에 있어서의 경사면
50 제3 프리즘 유닛
51 제3 유닛 케이싱(제3 지지 수단)
52 제3 스핀들
53 레이디얼 공기 정압 베어링
54 스러스트 공기 정압 베어링
55 제3 회전 모터(제3 모터)
55a 제3 회전 모터에 있어서의 스테이터
55b 제3 회전 모터에 있어서의 로터
56 제3 인코더
57 제3 웨지 프리즘(제3 프리즘)
57a 제3 웨지 프리즘에 있어서의 평탄면
57b 제3 웨지 프리즘에 있어서의 경사면
60 제4 프리즘 유닛
61 제4 유닛 케이싱(제4 지지 수단)
62 제4 스핀들
63 레이디얼 공기 정압 베어링
64 스러스트 공기 정압 베어링
65 제4 회전 모터(제4 모터)
65a 제4 회전 모터에 있어서의 스테이터
65b 제4 회전 모터에 있어서의 로터
66 제4 인코더
67 제4 웨지 프리즘(제4 프리즘)
67a 제4 웨지 프리즘에 있어서의 평탄면
67b 제4 웨지 프리즘에 있어서의 경사면
70 다이크로익 미러
80 집광 렌즈
90 지지 프레임
100 제1 유닛 테이블
101 유닛 이동 레일(프리즘 이동 수단)
102 유닛 이동 모터(프리즘 이동 수단)
103 리니어 스케일
110 제2 유닛 테이블
120 NC 장치
130 평행 평판
140 편광 변환 소자(편광 변환 수단)
150 비점 수차 보정 광학 소자(비점 수차 보정 수단)
151 제1 원통형 렌즈
152 제1 오목 렌즈
153 제2 원통형 렌즈
154 제2 오목 렌즈
160 노즐 헤드(렌즈 이동 수단)
161 노즐 보디
162 노즐 이동 모터(렌즈 이동 수단)
170 가스 분출 장치(플라즈마 발생 억제 수단)
171 가스 흡인 장치(플라즈마 흡인 수단)
180 관찰용 카메라(촬상 수단)
190 관찰용 조명(촬상 수단)
200 전반사 미러
210 하프 미러
220 전반사 미러
230 확대 렌즈

Claims

레이저 빔을 사용하여 피가공물에 가공을 실시하는 레이저 가공기로서,
상기 레이저 빔의 광로 상류 측에서부터 순서대로 배치되는 제1 프리즘, 제2 프리즘, 제3 프리즘 및 제4 프리즘과,
상기 제1 프리즘, 상기 제2 프리즘, 상기 제3 프리즘 및 상기 제4 프리즘을 각각 독립적으로 지지하는 제1 스핀들, 제2 스핀들, 제3 스핀들 및 제4 스핀들과,
상기 제1 스핀들, 상기 제2 스핀들, 상기 제3 스핀들 및 상기 제4 스핀들을 각각 회전 가능하게 지지하는 제1 지지 수단, 제2 지지 수단, 제3 지지 수단 및 제4 지지 수단과,
상기 제1 스핀들, 상기 제2 스핀들, 상기 제3 스핀들 및 상기 제4 스핀들에 각각 고정되는 로터와, 상기 제1 지지 수단, 상기 제2 지지 수단, 상기 제3 지지 수단 및 상기 제4 지지 수단에 각각 고정되는 스테이터로 이루어지는 제1 모터, 제2 모터, 제3 모터 및 제4 모터와,
상기 제1 프리즘 또는 상기 제2 프리즘 중 적어도 한쪽을 이동시키는 프리즘 이동 수단과,
상기 제2 스핀들에 있어서 광축에 대하여 경사 가능하게 마련되어, 상기 제2 프리즘의 광로 하류 측에 배치되는 평행 평판을 구비하고,
상기 제1 프리즘과 상기 제2 프리즘은, 통과하는 상기 레이저 빔을 변위시키는 한 쌍의 프리즘이며,
상기 제3 프리즘과 상기 제4 프리즘은, 통과하는 상기 레이저 빔을 편향시키는 한 쌍의 프리즘인 것을 특징으로 하는 레이저 가공기.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 스핀들, 상기 제2 스핀들, 상기 제3 스핀들 및 상기 제4 스핀들이, 각각 레이디얼 공기 정압 베어링 및 스러스트 공기 정압 베어링을 통하여 상기 제1 지지 수단, 제2 지지 수단, 제3 지지 수단 및 제4 지지 수단에 회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 레이저 빔의 광로 상에 배치되어, 상기 피가공물에 조사되는 상기 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈와,
상기 집광 렌즈를 상기 레이저 빔의 선회 중심축을 따라 이동시키는 렌즈 이동 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 스핀들에 있어서의 상기 제1 프리즘의 광로 상류 측에 고정되어, 상기 레이저 빔의 비점 수차를 보정하는 비점 수차 보정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기.
청구항 4에 있어서,
상기 비점 수차 보정 수단이, 한 쌍의 원통형 렌즈와 한 쌍의 오목 렌즈를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 스핀들에 있어서의 상기 제1 프리즘의 광로 상류 측에 고정되어, 상기 레이저 빔의 편광 상태를 변환하는 편광 변환 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 빔이 조사되는 상기 피가공물을 촬상하는 촬상 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 빔에 의하여 상기 피가공물을 가공할 때의 플라즈마의 발생을 억제하는 플라즈마 발생 억제 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 빔에 의하여 상기 피가공물을 가공할 때에 발생하는 플라즈마를 흡인하는 플라즈마 흡인 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공기.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 빔이 나노초 이하의 단펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저 가공기.