レーザ加工装置
【課題】加工速度の高速化を図ることができるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】焦点位置可変手段としての電気光学ユニットは、電気光学素子２１の第１及び第２電極２３，２４間に介在された電気光学材料（誘電体材料）としての電気光学部材２２に対し、第１及び第２電極２３，２４間に電圧が印加されることで、その電気光学部材２２に加えられる電界の作用によりレーザ光の光軸Ｌに対する拡がり角度を可変させる。そして、制御手段を構成する制御回路は、第１及び第２電極２３，２４間の電位差を周期的に変化させて、収束レンズ１７にて収束されたレーザ光の焦点位置を光軸Ｌ方向に振動させる。
【解決手段】焦点位置可変手段としての電気光学ユニットは、電気光学素子２１の第１及び第２電極２３，２４間に介在された電気光学材料（誘電体材料）としての電気光学部材２２に対し、第１及び第２電極２３，２４間に電圧が印加されることで、その電気光学部材２２に加えられる電界の作用によりレーザ光の光軸Ｌに対する拡がり角度を可変させる。そして、制御手段を構成する制御回路は、第１及び第２電極２３，２４間の電位差を周期的に変化させて、収束レンズ１７にて収束されたレーザ光の焦点位置を光軸Ｌ方向に振動させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、搬送ラインにて搬送される加工対象物（ワーク）の表面に文字・記号・図形等をマーキング加工するレーザ加工装置において、搬送ライン上における加工位置よりも上流側に配置した距離センサ等でワーク表面までの距離を測定し、その測定結果に基づきレーザ光の焦点を該表面に合わせて加工するものがある（例えば特許文献１）。このようなレーザ加工装置では、特にワーク表面が凹凸形状をなす場合等に、レーザ光の焦点がワーク表面からずれて所望のマーキングがなされないといった加工ミスの発生を抑えることができる。
【特許文献１】特開２００７−１１１７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のようなレーザ加工装置では、距離センサにてワークまでの距離を測定し、その後、レーザ光の焦点をワークの表面に合わす動作を行うため、その焦点位置調整に要する時間が長くなってしまうという不具合が生じていた。近年のレーザ加工装置において、レーザ光の２次元走査の高速化が可能であるが、焦点位置調整に時間がかかるために、それに合わせて２次元の走査速度を遅くする必要が生じてしまう。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、加工速度の高速化を図ることができるレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、レーザ光源から出射されたレーザ光を加工対象物の表面に収束させて加工を行うレーザ加工装置であって、第１及び第２電極間に介在された誘電体材料に対し、前記第１及び第２電極間に電圧が印加されることで、該誘電体材料に加えられる電界の作用により前記レーザ光の光軸に対する拡がり角度を可変させて、前記レーザ光の焦点位置を光軸方向に変化させる焦点位置可変手段と、前記焦点位置可変手段の第１及び第２電極間の電位差を周期的に変化させて前記焦点位置を前記光軸方向に振動させる制御手段とを備えたことをその要旨とする。
【０００６】
この発明では、第１及び第２電極間に介在された誘電体材料に対し、第１及び第２電極間に電圧が印加されることで、その誘電体材料に加えられる電界の作用によりレーザ光の光軸に対する拡がり角度を可変させて、レーザ光の焦点位置を光軸方向に変化させる焦点位置可変手段を備える。そして、制御手段はその焦点位置可変手段の第１及び第２電極間の電位差を制御手段により周期的に変化させて焦点位置を光軸方向に振動させる。これにより、例えば距離センサにて測定された加工対象物までの距離に応じてレーザ光の焦点位置を調整する必要がなくなるので、加工速度の高速化を図ることができる。尚、レーザ光源からのレーザ光は、焦点位置で加工可能なビームパワー（エネルギー密度）が得られるように設定されているのが好ましい。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記制御手段は、前記焦点位置可変手段に正弦波の交流電圧を付与して前記第１及び第２電極間の電位差を周期的に変化させることをその要旨とする。
【０００８】
この発明では、焦点位置可変手段に正弦波の交流電圧を付与して第１及び第２電極間の電位差を周期的に変化させるため、レーザ光の焦点位置を光軸方向に振動させることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光源は、フェムト秒レーザ光源であることをその要旨とする。
この発明では、レーザ光源は、フェムト秒レーザ光源である。フェムト秒レーザ光は焦点位置で加工可能なビームパワー（エネルギー密度）が得られる超短パルス幅のレーザ光である。このため、レーザ光の焦点から外れた位置では加工可能なビームパワーは得られず、レーザ光の焦点が加工対象物の表面に合ったときに加工されるため、焦点位置を振動させることによる加工線幅の変化を抑えることができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、前記誘電体材料は、加えられる電界強度に応じて屈折率が変化する電気光学材料からなることをその要旨とする。
【００１１】
この発明では、誘電体材料は加えられる電界強度に応じて屈折率が変化する電気光学材料からなるため、第１及び第２電極間の電位差の変化に応じてレーザ光の拡がり角度を変化させることができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、前記光軸上における前記焦点位置可変手段よりも前記加工対象物側の位置には、前記焦点位置可変手段からの光を前記加工対象物に収束して照射する収束レンズが設けられたことをその要旨とする。
【００１３】
この発明では、光軸上における焦点位置可変手段よりも加工対象物側の位置には、焦点位置可変手段からの光を加工対象物に収束して照射する収束レンズが設けられる。このため、光軸方向における焦点位置の振動範囲を大きくすることができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、前記光軸上において前記レーザ光を収束する収束レンズを備え、前記光軸上における収束レンズよりも前記レーザ光源側の位置には、前記レーザ光を発散するためのレンズが設けられたことをその要旨とする。
【００１５】
この発明では、光軸上においてレーザ光を収束する収束レンズを備え、光軸上における収束レンズよりもレーザ光源側の位置には、レーザ光を発散するためのレンズが設けられる。このため、加工対象物に収束角度が大きいレーザ光を照射することができ、その結果、焦点位置でのビームパワーと、その焦点位置以外の位置でのビームパワーとの差が大きくなるので、焦点位置で加工可能なビームパワーを得ることが可能となる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、前記焦点位置可変手段は、前記第１及び第２電極と前記誘電体材料とを有する電気光学素子を備え、前記電気光学素子は、前記レーザ光が通過する通過部と、前記第１及び第２電極を配置する電極部とを有し、前記電極部は、前記誘電体材料の入射側の端面に前記第１電極を設けるための第１配置面及び出射側の端面に前記第２電極を設けるための第２配置面が設けられ、該第１及び第２配置面の少なくとも一方は、前記光軸を挟んで対称位置においてその内面が前記光軸側に向く傾斜面に形成されたことをその要旨とする。
【００１７】
この発明では、第１及び第２電極間に誘電体材料を介在させてなる電気光学素子は、レーザ光が通過する通過部と、第１及び第２電極を配置する電極部とを有し、電極部の誘電体材料における第１及び第２電極が設けられた第１及び第２配置面の少なくとも一方は、レーザ光の光軸を挟んで対称位置においてその内面がその光軸側に向く傾斜面に形成される。この構成により、第１及び第２電極間に電位差が与えられると、第１及び第２電極間には誘電体材料を通過する電気力線が光軸側に突出するように湾曲して示される電界が発生し、その電界の作用によりレーザ光の拡がり角度が可変される。従って、レーザ光の拡がり角度の可変を的確に行うことができる。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のレーザ加工装置において、前記第１及び第２電極がそれぞれ前記光軸と直交する一方向に並んで配置された一対の電極を有してなる前記電気光学素子を２つ備え、該各電気光学素子は前記一対の電極の並ぶ方向が互いに直交するように前記光軸上に並設されたことをその要旨とする。
【００１９】
この発明では、第１及び第２電極がそれぞれ光軸と直交する一方向に並んで配置された一対の電極を有してなる電気光学素子を２つ備え、該各電気光学素子はその一対の電極の並ぶ方向が互いに直交するように光軸上に並設される。このため、各電気光学素子の第１及び第２電極間の電位差の変化に応じてレーザ光の拡がり角度を変化させることができる。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載のレーザ加工装置において、前記第１及び第２電極は透明電極であり、前記電極部は前記通過部を兼ねることをその要旨とする。
【００２１】
この発明では、第１及び第２電極は透明電極であり、電極部は通過部を兼ねるため、電気光学素子を小型に構成することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
従って、上記記載の発明によれば、加工速度の高速化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に概略構成を示す本実施形態のレーザ加工装置１０は、制御手段を構成する制御回路１１の制御に基づいて、搬送ラインにて搬送されるワーク（加工対象物）Ｗの表面に文字・記号・図形等をマーキング加工するものである。
【００２４】
レーザ加工装置１０は、加工用のレーザ光を出射するレーザ光源１２を備えている。レーザ光源１２は、例えばチタンサファイヤレーザ発振器からなり、フェムト秒領域の超短パルス幅のフェムト秒レーザ光（以下、レーザ光）を発振するものである。レーザ光源１２は制御回路１１にてその発振が制御される。
【００２５】
レーザ光源１２の後段に配置されたビームエキスパンダ１３は、レーザ光源１２から出射されたレーザ光のビーム径を一定の倍率で一旦拡大する。尚、本実施形態では、ビームエキスパンダ１３からは、光軸Ｌに対して一定の拡がり角度で拡がるレーザ光が出射されるようになっている。
【００２６】
ビームエキスパンダ１３の後段には、焦点位置可変手段としての電気光学ユニット１４が配置されている。電気光学ユニット１４は、その内部の屈折率変化によりビームエキスパンダ１３にて一旦拡大されたレーザ光の拡がり角度を変更可能に構成されている。
【００２７】
電気光学ユニット１４の後段に配置されたガルバノミラー１５は、該電気光学ユニット１４にて拡がり角度が可変されたレーザ光を反射してその照射方向を変更するものであり、例えば対をなすＸ軸ミラーとＹ軸ミラーとで構成されている。ガルバノミラー１５は、制御回路１１の制御に基づく駆動装置１６の駆動により角度制御され、マーキングする文字や記号、図形等に基づいて２次元でレーザ光を走査する。
【００２８】
ガルバノミラー１５の後段に配置された収束レンズ（ｆθレンズ）１７は、電気光学ユニット１４にて拡がり角度が変化されたレーザ光をワークＷの表面において所定のスポット径となるまで収束させ、マーキング加工に適したエネルギー密度まで高める。
【００２９】
上記のようなレーザ加工装置１０において、レーザ光の焦点をワークＷの表面に合わせる収束レンズ１７の屈折率は一定であるため、電気光学ユニット１４による拡がり角度の可変に応じてレーザ光の焦点距離が光軸Ｌ方向に変化する（図３参照）。即ち、レーザ光の光軸Ｌ方向における焦点位置は、電気光学ユニット１４から出射されるレーザ光の拡がり角度の大きさにより決定される。電気光学ユニット１４には、電源１８からの電圧を受ける制御回路１１の制御に基づき交流電圧発生器１９にて発生される正弦波交流電圧が印加される。そして、電気光学ユニット１４はその交流電圧の大きさに応じてレーザ光の拡がり角度を可変するようになっている。以下に、電気光学ユニット１４について説明する。
【００３０】
図２に示すように、電気光学ユニット１４は一対（２つの）の電気光学素子２１を有している。電気光学素子２１は、加えられる電界の強度に応じて屈折率が変化する電気光学材料（誘電体材料）からなる電気光学部材２２と、その電気光学部材２２に電界を加えるための第１及び第２電極２３，２４とを有している。本実施形態では、電気光学部材２２はＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶からなる。
【００３１】
電気光学部材２２は略台形柱状をなし、図３に示すように、上底面の中央部から下底面の中央部に向けて光軸Ｌが設定されており、その光軸Ｌに沿う断面が左右対称の山形に形成されている。尚、図３では、説明の便宜のため、電気光学ユニット１４において電気光学素子２１を１つのみ図示するとともに、ガルバノミラー１５を省略している。電気光学部材２２は、左右方向の中心線がレーザ光の光軸Ｌを重なるように配置されるとともに、入射側（ビームエキスパンダ１３側）を向く入射面２２ａがレーザ光の光軸Ｌと直交する平面状をなしている。入射面２２ａは第１電極２３を配置するための第１配置面であり、入射面２２ａには平面形状が該入射面２２ａと略同じ大きさの第１電極２３が固着されている。第１電極２３は平面板状に形成されるとともに、その中央にはレーザ光を入射するための通過部を構成する貫通孔２３ａが形成されている（図２参照）。尚、電気光学素子２１において、図３における左右方向中央にレーザ光が通過する通過部が形成されるとともに、該通過部の左右方向両側に電極を配置するための電極部が形成される。
【００３２】
電気光学部材２２の光軸Ｌ方向に沿って出射側に突出する凸部２２ｂの底面（頂面）は、第１電極２３の貫通孔２３ａから入射面２２ａに入射したレーザ光を出射する出射面２２ｃとなっており、この出射面２２ｃは入射面２２ａと平行な平面状に形成されている。凸部２２ｂの側面は、光軸Ｌから離れるにしたがって入射面２２ａに近づくとともに光軸Ｌ側に突出する湾曲形状に形成された傾斜面２２ｄとなっている。即ち、傾斜面２２ｄは、レーザ光の光軸Ｌを挟んで対称位置においてその内面がその光軸Ｌ側を向くように傾斜している。この傾斜面２２ｄは第２電極２４を配置するための第２配置面であり、左右両側の傾斜面２２ｄにはそれぞれ傾斜面２２ｄの湾曲に沿う形状をなす第２電極２４が固着されている。一対の第２電極２４は光軸Ｌと直交する一方向（図３における左右方向）に並んで配置されている。尚、各第２電極２４間に位置する出射面２２ｃが第２電極２４側の通過部となっている。また、第１及び第２電極２３，２４はともに金属部材からなる。
【００３３】
図２に示すように、電気光学ユニット１４において２つの電気光学素子２１よりも入射側（ビームエキスパンダ１３側）には、レーザ光を直線偏光に変えるための偏光板２５が設けられている。偏光板２５はその板面が光軸Ｌと直交するとともに、直線偏光化したレーザ光の偏光方向が偏光板２５のすぐ後段の電気光学素子２１の左右方向と一致するように設けられている。即ち、偏光板２５を通過し、すぐ後段の電気光学素子２１に入射するレーザ光の偏光方向と、その電気光学素子２１の第１及び第２電極２３，２４間に発生する電界の方向とが一致するようになっている。各電気光学素子２１は、一対の第２電極２４の並ぶ方向（前述した光軸Ｌと直交する一方向）が互いに直交するように光軸Ｌ上に並設されている。また、各電気光学素子２１間には、偏光板２５にて直線偏光化されたレーザ光の偏光方向を９０°回転させるためのλ／２波長板２６が介在されている。
【００３４】
このような電気光学ユニット１４において、ビームエキスパンダ１３から出射されたレーザ光は偏光板２５にて直線偏光化されて１つ目の電気光学素子２１に入射する。各電気光学素子２１は、第１電極２３が接地されるとともに、各第２電極２４には前記制御回路１１に基づいて交流電圧発生器１９にて発生される所定周波数及び振幅の交流電圧が印加される。尚、２つの電気光学素子２１の第２電極２４にはそれぞれ同様の交流電圧が印加される。
【００３５】
電気光学素子２１において、第２電極２４に交流電圧が印加されて該第１電極２３と第２電極２４との間に電位差が生じると、図３に示すように、電気光学素子２１の光軸Ｌに対して線対称の形状に起因して光軸Ｌに対して線対称の電界が発生する。この第１及び第２電極２３，２４間の電界の電気力線は、図３において破線で示すように、光軸Ｌ側に突出するように湾曲している。第１及び第２電極２３，２４間に電界が発生すると、電気光学部材２２はその電界の強度に応じてその屈折率が変化する。電気光学部材２２の入射面２２ａから入射したレーザ光は、電気光学部材２２の中心線（光軸Ｌ）側に屈折しながら進み、そのビーム径が各第２電極２４側から均等に収縮されるようになっている。即ち、１つ目の電気光学素子２１から出射されたレーザ光のビーム径は、各第２電極２４側から均等に収縮した楕円形状となる。
【００３６】
次に、１つ目の電気光学素子２１から出射されたレーザ光は、λ／２波長板２６にてその偏光方向が９０°回転する。尚、このとき、レーザ光の偏光方向は変わるが、ビーム径の楕円形状は回転することなくそのまま維持される。λ／２波長板２６を通過したレーザ光は２つ目の電気光学素子２１に入射する。２つ目の電気光学素子２１の第２電極２４には、上記１つ目の電気光学素子２１の第２電極２４と等しい電圧が制御回路１１により印加されている。そして、レーザ光は２つ目の電気光学素子２１によって楕円の長手方向に収縮され、そのビーム径は略円形となる。このように、電気光学ユニット１４は、ビームエキスパンダ１３から出射されたレーザ光の拡がり角度を可変する。
【００３７】
このような電気光学ユニット１４において、可変する拡がり角度の大きさは電気光学部材２２の屈折率によって決定され、その屈折率は第１電極２３に印加される電圧の大きさによって決定される。即ち、第２電極２４には、前述したように交流電圧発生器１９からの交流電圧が印加されるため、電気光学部材２２の屈折率が周期的に変動し、これに伴い、電気光学部材２２を通過するレーザ光の拡がり角度が周期的に変動する。このように、電気光学ユニット１４によって拡がり角度が周期的に変動されると、収束レンズ１７にて収束されるレーザ光の焦点位置が光軸Ｌ方向に振動する。尚、第２電極２４に印加される交流電圧の電圧値が大きくなるほど焦点位置が光軸Ｌに沿って収束レンズ１７側に移動し、電圧値が小さくなるほど焦点位置が光軸Ｌに沿って収束レンズ１７から遠ざかる位置に移動する。
【００３８】
このようなレーザ加工装置１０では、電気光学ユニット１４にてレーザ光の焦点位置を振動させながら、ガルバノミラー１５による２次元の走査を行いワークＷの表面へのマーキング加工を行う。レーザ光は超短パルス幅のフェムト秒レーザであり、焦点位置で加工可能なビームパワーを得るようになっている。つまり、レーザ光の焦点位置近傍の領域（焦点深度内）ではレーザ光のビーム径は微少であるが、この領域を外れた位置においてはビーム径が大きくなるため、十分なビームパワー（十分なレーザ光のエネルギー密度）が得られず加工不能となっている。尚、このようにレーザ光はその焦点近傍においての加工可能な領域（焦点深度）を有するが、フェムト秒レーザにおいてはその領域幅がワークＷの大きさに対して十分に小さいため、説明の便宜上、焦点位置のみで加工可能であるとする。即ち、レーザ光の焦点位置がワークＷの表面に合ったときに該表面に加工がなされるようになっている。尚、レーザ光の焦点の振動範囲は、ワークＷ表面の凹凸形状の大きさに対して十分大きな幅に設定される。また、交流電圧発生器１９は、制御回路１１からの信号に基づき、ガルバノミラー１５によるレーザ光の走査速度に対して十分に短い周期の交流電圧を電気光学ユニット１４に出力する。これにより、ワークＷの表面には断続的なマーキングがなされる。また、金属加工分野においては、レーザ光の焦点を金属表面に照射して、表面を溶融した直後、溶融して盛り下がった表面に再度レーザ光の焦点を照射することにより更にその表面を溶融させて深堀するという技術があるが、このような加工をする場合にも、本願発明は焦点位置が振動しているので、複雑な焦点位置可変機構を用いずに対応することができる。
【００３９】
次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）焦点位置可変手段としての電気光学ユニット１４は、第１及び第２電極２３，２４間に介在された電気光学材料（誘電体材料）としての電気光学部材２２に対し、第１及び第２電極２３，２４間に電圧が印加されることで、その電気光学部材２２に加えられる電界の作用によりレーザ光の光軸Ｌに対する拡がり角度を可変させる。そして、制御手段を構成する制御回路１１は、第１及び第２電極２３，２４間の電位差を周期的に変化させて、収束レンズ１７にて収束されたレーザ光の焦点位置を光軸Ｌ方向に振動させる。これにより、例えば距離センサにて測定された加工対象物までの距離に応じてレーザ光の焦点位置を調整する必要がなくなるので、加工速度の高速化を図ることができる。
【００４０】
（２）交流電圧発生器１９により電気光学ユニット１４に正弦波の交流電圧を付与して第１及び第２電極２３，２４間の電位差を周期的に変化させるため、レーザ光の焦点位置を光軸Ｌ方向に振動させることができる。
【００４１】
（３）レーザ光源１２は、フェムト秒レーザ光源である。フェムト秒レーザ光は焦点位置で加工可能なビームパワー（エネルギー密度）が得られる超短パルス幅のレーザ光である。このため、レーザ光の焦点から外れた位置では加工可能なビームパワーは得られず、レーザ光の焦点がワークＷの表面に合ったときに加工されるため、焦点位置を振動させることによる加工線幅の変化を抑えることができる。
【００４２】
（４）電気光学部材２２は電界強度に応じて屈折率が変化する電気光学材料からなるため、第１及び第２電極２３，２４間の電位差を変化に応じてレーザ光の拡がり角度を変化させることができる。特に、電界強度に応じた屈折率変化が大きいＫＴＮ結晶を用いているため、レーザ光の拡がり角度の可変幅を大きくすることができる。
【００４３】
（５）光軸Ｌ上における電気光学ユニット１４よりもワークＷ側の位置には、電気光学ユニット１４からのレーザ光をワークＷに収束して照射する収束レンズ１７が設けられる。このため、光軸Ｌ方向における焦点位置の振動範囲を大きくすることができる。
【００４４】
（６）電気光学部材２２において、第２電極２４が設けられた第２配置面としての傾斜面２２ｄは、その内面がその光軸Ｌ側を向くように傾斜している。これにより、第１及び第２電極２３，２４間に電位差が与えられると、電気光学部材２２を通過する電気力線が光軸Ｌ側に突出するように湾曲して示される電界が発生し、その電界の作用によりレーザ光の拡がり角度が可変される。従って、レーザ光の拡がり角度の可変を的確に行うことができる。
【００４５】
（７）一対の第２電極２４が光軸Ｌと直交する一方向に並んで配置された電気光学素子２１が２つ設けられ、該電気光学素子２１はその一対の第２電極２４の並ぶ方向が互いに直交するように光軸Ｌ上に並設される。このため、各電気光学素子に対する電圧制御によりレーザ光の拡がり角度を可変することができる。これとともに、レーザ光の偏光方向と電気光学部材２２にて発生する電界の方向とが一致しないことによるレーザ光の分散を抑制することができる。
【００４６】
（８）第１電極２３にはレーザ光を通過させるための通過部を構成する貫通孔２３ａが形成され、第２電極２４側においては出射面２２ｃが通過部を構成しているため、第１及び第２電極２３，２４に透明電極等を用いる必要がなくなる。従って、第１及び第２電極２３，２４として透明電極よりも高い電圧を印加可能な部材を用いれば、レーザ光の拡がり角度の可変幅を大きくすることができる。
【００４７】
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、収束レンズ１７は、光軸Ｌ上における電気光学ユニット１４よりもワークＷ側の位置に設けられたが、光軸Ｌ上における電気光学ユニット１４よりもレーザ光源１２側に設けてもよい。また、光軸Ｌ上における収束レンズ１７よりもレーザ光源１２側の位置に、レーザ光を発散するためのレンズを設けた構成としてもよい。この構成によれば、ワークＷに収束角度が大きいレーザ光を照射することができ、その結果、焦点位置でのビームパワーと、その焦点位置以外の位置でのビームパワーとの差が大きくなるので、焦点位置で加工可能なビームパワーを得ることが可能となる。
【００４８】
・上記実施形態では、電気光学ユニット１４はビームエキスパンダ１３の後段に設けられたが、特にこれに限定されるものではなく、レーザ光源１２の後段、ガルバノミラー１５の後段、又は収束レンズ１７の後段に設けてもよい。
【００４９】
・上記実施形態では、電気光学部材２２の入射面２２ａと出射面２２ｃとは互いに平行な平面状に形成されたが、これ以外に例えば、入射面２２ａ及び出射面２２ｃの少なくとも一方を球面状に形成してもよい。
【００５０】
・上記実施形態における電気光学ユニット１４の形状等の構成は、上記実施形態のものに限定されるものではなく、電気光学部材２２に加えられる電界の強度に応じてレーザ光の拡がり角度を変更可能であればよい。
【００５１】
・上記実施形態では、電気光学素子２１は凸部２２ｂの頂面が出射面２２ｃとなるように配置されたが、入射面２２ａとなるように配置してもよい。
・上記実施形態では、傾斜面２２ｄは光軸Ｌ側に突出する湾曲形状に形成されるが、これ以外に例えば、断面直線状となるように形成してもよい。
【００５２】
・上記実施形態では、電気光学部材２２の凸部２２ｂの傾斜面２２ｄは、図３における左右方向両端まで形成されたが、左右方向両端部分が入射面２２ａと平行となるように形成してもよい。
【００５３】
・上記実施形態では、第１電極２３が１つ、第２電極２４が２つ設けられたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば第１電極２３を分割し、光軸Ｌと直交する一方向に（図３における左右方向）並んで配置される一対の第１電極を設けてもよい。また、各第２電極２４をレーザ光が通過する以外の位置で繋がるように１つの部材で構成してもよい。
【００５４】
・上記実施形態では、第１及び第２電極２３，２４に金属部材を用いたが、これ以外に例えば、錫を添加した酸化インジウム（ＩＴＯ）等からなる透明電極を用いてもよい。この場合、透明電極ゆえ、貫通孔２３ａを形成していない第１電極と、傾斜面に形成された出射面を覆う第２電極とを形成してもよい。即ち、電気光学部材２２において、電極を配置する電極部をレーザ光が通過する通過部を兼ねる構成としてもよい。この構成によれば、電気光学素子２１を小型に構成することが可能である。
【００５５】
・上記実施形態では、電気光学部材２２にＫＴＮ結晶を用いたが、これ以外に例えば、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ラタン）結晶等を用いてもよい。また、電気光学材料としては、ＫＴＮ以外の材料でもよく主にポッケルス効果やカー効果を利用するもの、つまり、第１及び第２電極間に印加される電圧を変化することに基づいて電気光学素子２１に加えられる電界強度が変化し、この加えられる電界強度に応じて屈折率が変化するものであればよい。
【００５６】
・上記実施形態では、交流電圧発生器１９を備え、電気光学ユニット１４には該交流電圧発生器１９にて発生する交流電圧が印加されたが、これ以外に例えば、周期的に変化するパルス状の電圧や三角波状の電圧等を印加してもよい。また、０Ｖ以上又は０Ｖ以下の範囲で周期的に変化する電圧でもよい。
【００５７】
・上記実施形態では、入射面２２ａ側の第１電極２３が接地され、出射面２２ｃ側の第２電極２４に電圧が印加されたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば第１電極２３に電圧を印加し、第２電極２４を接地してもよく、また、第１及び第２電極２３，２４の両方に電圧を印加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本実施形態におけるレーザ加工装置を示す概略構成図。
【図２】電気光学ユニットを示す分解斜視図。
【図３】電気光学ユニットの作用を説明するための概略図。
【符号の説明】
【００５９】
Ｌ…光軸、Ｗ…ワーク、１０…レーザ加工装置、１１…制御手段を構成する制御回路、１２…レーザ光源、１４…焦点位置可変手段としての電気光学ユニット、１７…収束レンズ、２１…電気光学素子、２２ｄ…傾斜面、２２…電気光学材料及び誘電体材料としての電気光学部材、２３…第１電極、２４…第２電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、搬送ラインにて搬送される加工対象物（ワーク）の表面に文字・記号・図形等をマーキング加工するレーザ加工装置において、搬送ライン上における加工位置よりも上流側に配置した距離センサ等でワーク表面までの距離を測定し、その測定結果に基づきレーザ光の焦点を該表面に合わせて加工するものがある（例えば特許文献１）。このようなレーザ加工装置では、特にワーク表面が凹凸形状をなす場合等に、レーザ光の焦点がワーク表面からずれて所望のマーキングがなされないといった加工ミスの発生を抑えることができる。
【特許文献１】特開２００７−１１１７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のようなレーザ加工装置では、距離センサにてワークまでの距離を測定し、その後、レーザ光の焦点をワークの表面に合わす動作を行うため、その焦点位置調整に要する時間が長くなってしまうという不具合が生じていた。近年のレーザ加工装置において、レーザ光の２次元走査の高速化が可能であるが、焦点位置調整に時間がかかるために、それに合わせて２次元の走査速度を遅くする必要が生じてしまう。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、加工速度の高速化を図ることができるレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、レーザ光源から出射されたレーザ光を加工対象物の表面に収束させて加工を行うレーザ加工装置であって、第１及び第２電極間に介在された誘電体材料に対し、前記第１及び第２電極間に電圧が印加されることで、該誘電体材料に加えられる電界の作用により前記レーザ光の光軸に対する拡がり角度を可変させて、前記レーザ光の焦点位置を光軸方向に変化させる焦点位置可変手段と、前記焦点位置可変手段の第１及び第２電極間の電位差を周期的に変化させて前記焦点位置を前記光軸方向に振動させる制御手段とを備えたことをその要旨とする。
【０００６】
この発明では、第１及び第２電極間に介在された誘電体材料に対し、第１及び第２電極間に電圧が印加されることで、その誘電体材料に加えられる電界の作用によりレーザ光の光軸に対する拡がり角度を可変させて、レーザ光の焦点位置を光軸方向に変化させる焦点位置可変手段を備える。そして、制御手段はその焦点位置可変手段の第１及び第２電極間の電位差を制御手段により周期的に変化させて焦点位置を光軸方向に振動させる。これにより、例えば距離センサにて測定された加工対象物までの距離に応じてレーザ光の焦点位置を調整する必要がなくなるので、加工速度の高速化を図ることができる。尚、レーザ光源からのレーザ光は、焦点位置で加工可能なビームパワー（エネルギー密度）が得られるように設定されているのが好ましい。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記制御手段は、前記焦点位置可変手段に正弦波の交流電圧を付与して前記第１及び第２電極間の電位差を周期的に変化させることをその要旨とする。
【０００８】
この発明では、焦点位置可変手段に正弦波の交流電圧を付与して第１及び第２電極間の電位差を周期的に変化させるため、レーザ光の焦点位置を光軸方向に振動させることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光源は、フェムト秒レーザ光源であることをその要旨とする。
この発明では、レーザ光源は、フェムト秒レーザ光源である。フェムト秒レーザ光は焦点位置で加工可能なビームパワー（エネルギー密度）が得られる超短パルス幅のレーザ光である。このため、レーザ光の焦点から外れた位置では加工可能なビームパワーは得られず、レーザ光の焦点が加工対象物の表面に合ったときに加工されるため、焦点位置を振動させることによる加工線幅の変化を抑えることができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、前記誘電体材料は、加えられる電界強度に応じて屈折率が変化する電気光学材料からなることをその要旨とする。
【００１１】
この発明では、誘電体材料は加えられる電界強度に応じて屈折率が変化する電気光学材料からなるため、第１及び第２電極間の電位差の変化に応じてレーザ光の拡がり角度を変化させることができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、前記光軸上における前記焦点位置可変手段よりも前記加工対象物側の位置には、前記焦点位置可変手段からの光を前記加工対象物に収束して照射する収束レンズが設けられたことをその要旨とする。
【００１３】
この発明では、光軸上における焦点位置可変手段よりも加工対象物側の位置には、焦点位置可変手段からの光を加工対象物に収束して照射する収束レンズが設けられる。このため、光軸方向における焦点位置の振動範囲を大きくすることができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、前記光軸上において前記レーザ光を収束する収束レンズを備え、前記光軸上における収束レンズよりも前記レーザ光源側の位置には、前記レーザ光を発散するためのレンズが設けられたことをその要旨とする。
【００１５】
この発明では、光軸上においてレーザ光を収束する収束レンズを備え、光軸上における収束レンズよりもレーザ光源側の位置には、レーザ光を発散するためのレンズが設けられる。このため、加工対象物に収束角度が大きいレーザ光を照射することができ、その結果、焦点位置でのビームパワーと、その焦点位置以外の位置でのビームパワーとの差が大きくなるので、焦点位置で加工可能なビームパワーを得ることが可能となる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、前記焦点位置可変手段は、前記第１及び第２電極と前記誘電体材料とを有する電気光学素子を備え、前記電気光学素子は、前記レーザ光が通過する通過部と、前記第１及び第２電極を配置する電極部とを有し、前記電極部は、前記誘電体材料の入射側の端面に前記第１電極を設けるための第１配置面及び出射側の端面に前記第２電極を設けるための第２配置面が設けられ、該第１及び第２配置面の少なくとも一方は、前記光軸を挟んで対称位置においてその内面が前記光軸側に向く傾斜面に形成されたことをその要旨とする。
【００１７】
この発明では、第１及び第２電極間に誘電体材料を介在させてなる電気光学素子は、レーザ光が通過する通過部と、第１及び第２電極を配置する電極部とを有し、電極部の誘電体材料における第１及び第２電極が設けられた第１及び第２配置面の少なくとも一方は、レーザ光の光軸を挟んで対称位置においてその内面がその光軸側に向く傾斜面に形成される。この構成により、第１及び第２電極間に電位差が与えられると、第１及び第２電極間には誘電体材料を通過する電気力線が光軸側に突出するように湾曲して示される電界が発生し、その電界の作用によりレーザ光の拡がり角度が可変される。従って、レーザ光の拡がり角度の可変を的確に行うことができる。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のレーザ加工装置において、前記第１及び第２電極がそれぞれ前記光軸と直交する一方向に並んで配置された一対の電極を有してなる前記電気光学素子を２つ備え、該各電気光学素子は前記一対の電極の並ぶ方向が互いに直交するように前記光軸上に並設されたことをその要旨とする。
【００１９】
この発明では、第１及び第２電極がそれぞれ光軸と直交する一方向に並んで配置された一対の電極を有してなる電気光学素子を２つ備え、該各電気光学素子はその一対の電極の並ぶ方向が互いに直交するように光軸上に並設される。このため、各電気光学素子の第１及び第２電極間の電位差の変化に応じてレーザ光の拡がり角度を変化させることができる。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載のレーザ加工装置において、前記第１及び第２電極は透明電極であり、前記電極部は前記通過部を兼ねることをその要旨とする。
【００２１】
この発明では、第１及び第２電極は透明電極であり、電極部は通過部を兼ねるため、電気光学素子を小型に構成することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
従って、上記記載の発明によれば、加工速度の高速化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に概略構成を示す本実施形態のレーザ加工装置１０は、制御手段を構成する制御回路１１の制御に基づいて、搬送ラインにて搬送されるワーク（加工対象物）Ｗの表面に文字・記号・図形等をマーキング加工するものである。
【００２４】
レーザ加工装置１０は、加工用のレーザ光を出射するレーザ光源１２を備えている。レーザ光源１２は、例えばチタンサファイヤレーザ発振器からなり、フェムト秒領域の超短パルス幅のフェムト秒レーザ光（以下、レーザ光）を発振するものである。レーザ光源１２は制御回路１１にてその発振が制御される。
【００２５】
レーザ光源１２の後段に配置されたビームエキスパンダ１３は、レーザ光源１２から出射されたレーザ光のビーム径を一定の倍率で一旦拡大する。尚、本実施形態では、ビームエキスパンダ１３からは、光軸Ｌに対して一定の拡がり角度で拡がるレーザ光が出射されるようになっている。
【００２６】
ビームエキスパンダ１３の後段には、焦点位置可変手段としての電気光学ユニット１４が配置されている。電気光学ユニット１４は、その内部の屈折率変化によりビームエキスパンダ１３にて一旦拡大されたレーザ光の拡がり角度を変更可能に構成されている。
【００２７】
電気光学ユニット１４の後段に配置されたガルバノミラー１５は、該電気光学ユニット１４にて拡がり角度が可変されたレーザ光を反射してその照射方向を変更するものであり、例えば対をなすＸ軸ミラーとＹ軸ミラーとで構成されている。ガルバノミラー１５は、制御回路１１の制御に基づく駆動装置１６の駆動により角度制御され、マーキングする文字や記号、図形等に基づいて２次元でレーザ光を走査する。
【００２８】
ガルバノミラー１５の後段に配置された収束レンズ（ｆθレンズ）１７は、電気光学ユニット１４にて拡がり角度が変化されたレーザ光をワークＷの表面において所定のスポット径となるまで収束させ、マーキング加工に適したエネルギー密度まで高める。
【００２９】
上記のようなレーザ加工装置１０において、レーザ光の焦点をワークＷの表面に合わせる収束レンズ１７の屈折率は一定であるため、電気光学ユニット１４による拡がり角度の可変に応じてレーザ光の焦点距離が光軸Ｌ方向に変化する（図３参照）。即ち、レーザ光の光軸Ｌ方向における焦点位置は、電気光学ユニット１４から出射されるレーザ光の拡がり角度の大きさにより決定される。電気光学ユニット１４には、電源１８からの電圧を受ける制御回路１１の制御に基づき交流電圧発生器１９にて発生される正弦波交流電圧が印加される。そして、電気光学ユニット１４はその交流電圧の大きさに応じてレーザ光の拡がり角度を可変するようになっている。以下に、電気光学ユニット１４について説明する。
【００３０】
図２に示すように、電気光学ユニット１４は一対（２つの）の電気光学素子２１を有している。電気光学素子２１は、加えられる電界の強度に応じて屈折率が変化する電気光学材料（誘電体材料）からなる電気光学部材２２と、その電気光学部材２２に電界を加えるための第１及び第２電極２３，２４とを有している。本実施形態では、電気光学部材２２はＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶からなる。
【００３１】
電気光学部材２２は略台形柱状をなし、図３に示すように、上底面の中央部から下底面の中央部に向けて光軸Ｌが設定されており、その光軸Ｌに沿う断面が左右対称の山形に形成されている。尚、図３では、説明の便宜のため、電気光学ユニット１４において電気光学素子２１を１つのみ図示するとともに、ガルバノミラー１５を省略している。電気光学部材２２は、左右方向の中心線がレーザ光の光軸Ｌを重なるように配置されるとともに、入射側（ビームエキスパンダ１３側）を向く入射面２２ａがレーザ光の光軸Ｌと直交する平面状をなしている。入射面２２ａは第１電極２３を配置するための第１配置面であり、入射面２２ａには平面形状が該入射面２２ａと略同じ大きさの第１電極２３が固着されている。第１電極２３は平面板状に形成されるとともに、その中央にはレーザ光を入射するための通過部を構成する貫通孔２３ａが形成されている（図２参照）。尚、電気光学素子２１において、図３における左右方向中央にレーザ光が通過する通過部が形成されるとともに、該通過部の左右方向両側に電極を配置するための電極部が形成される。
【００３２】
電気光学部材２２の光軸Ｌ方向に沿って出射側に突出する凸部２２ｂの底面（頂面）は、第１電極２３の貫通孔２３ａから入射面２２ａに入射したレーザ光を出射する出射面２２ｃとなっており、この出射面２２ｃは入射面２２ａと平行な平面状に形成されている。凸部２２ｂの側面は、光軸Ｌから離れるにしたがって入射面２２ａに近づくとともに光軸Ｌ側に突出する湾曲形状に形成された傾斜面２２ｄとなっている。即ち、傾斜面２２ｄは、レーザ光の光軸Ｌを挟んで対称位置においてその内面がその光軸Ｌ側を向くように傾斜している。この傾斜面２２ｄは第２電極２４を配置するための第２配置面であり、左右両側の傾斜面２２ｄにはそれぞれ傾斜面２２ｄの湾曲に沿う形状をなす第２電極２４が固着されている。一対の第２電極２４は光軸Ｌと直交する一方向（図３における左右方向）に並んで配置されている。尚、各第２電極２４間に位置する出射面２２ｃが第２電極２４側の通過部となっている。また、第１及び第２電極２３，２４はともに金属部材からなる。
【００３３】
図２に示すように、電気光学ユニット１４において２つの電気光学素子２１よりも入射側（ビームエキスパンダ１３側）には、レーザ光を直線偏光に変えるための偏光板２５が設けられている。偏光板２５はその板面が光軸Ｌと直交するとともに、直線偏光化したレーザ光の偏光方向が偏光板２５のすぐ後段の電気光学素子２１の左右方向と一致するように設けられている。即ち、偏光板２５を通過し、すぐ後段の電気光学素子２１に入射するレーザ光の偏光方向と、その電気光学素子２１の第１及び第２電極２３，２４間に発生する電界の方向とが一致するようになっている。各電気光学素子２１は、一対の第２電極２４の並ぶ方向（前述した光軸Ｌと直交する一方向）が互いに直交するように光軸Ｌ上に並設されている。また、各電気光学素子２１間には、偏光板２５にて直線偏光化されたレーザ光の偏光方向を９０°回転させるためのλ／２波長板２６が介在されている。
【００３４】
このような電気光学ユニット１４において、ビームエキスパンダ１３から出射されたレーザ光は偏光板２５にて直線偏光化されて１つ目の電気光学素子２１に入射する。各電気光学素子２１は、第１電極２３が接地されるとともに、各第２電極２４には前記制御回路１１に基づいて交流電圧発生器１９にて発生される所定周波数及び振幅の交流電圧が印加される。尚、２つの電気光学素子２１の第２電極２４にはそれぞれ同様の交流電圧が印加される。
【００３５】
電気光学素子２１において、第２電極２４に交流電圧が印加されて該第１電極２３と第２電極２４との間に電位差が生じると、図３に示すように、電気光学素子２１の光軸Ｌに対して線対称の形状に起因して光軸Ｌに対して線対称の電界が発生する。この第１及び第２電極２３，２４間の電界の電気力線は、図３において破線で示すように、光軸Ｌ側に突出するように湾曲している。第１及び第２電極２３，２４間に電界が発生すると、電気光学部材２２はその電界の強度に応じてその屈折率が変化する。電気光学部材２２の入射面２２ａから入射したレーザ光は、電気光学部材２２の中心線（光軸Ｌ）側に屈折しながら進み、そのビーム径が各第２電極２４側から均等に収縮されるようになっている。即ち、１つ目の電気光学素子２１から出射されたレーザ光のビーム径は、各第２電極２４側から均等に収縮した楕円形状となる。
【００３６】
次に、１つ目の電気光学素子２１から出射されたレーザ光は、λ／２波長板２６にてその偏光方向が９０°回転する。尚、このとき、レーザ光の偏光方向は変わるが、ビーム径の楕円形状は回転することなくそのまま維持される。λ／２波長板２６を通過したレーザ光は２つ目の電気光学素子２１に入射する。２つ目の電気光学素子２１の第２電極２４には、上記１つ目の電気光学素子２１の第２電極２４と等しい電圧が制御回路１１により印加されている。そして、レーザ光は２つ目の電気光学素子２１によって楕円の長手方向に収縮され、そのビーム径は略円形となる。このように、電気光学ユニット１４は、ビームエキスパンダ１３から出射されたレーザ光の拡がり角度を可変する。
【００３７】
このような電気光学ユニット１４において、可変する拡がり角度の大きさは電気光学部材２２の屈折率によって決定され、その屈折率は第１電極２３に印加される電圧の大きさによって決定される。即ち、第２電極２４には、前述したように交流電圧発生器１９からの交流電圧が印加されるため、電気光学部材２２の屈折率が周期的に変動し、これに伴い、電気光学部材２２を通過するレーザ光の拡がり角度が周期的に変動する。このように、電気光学ユニット１４によって拡がり角度が周期的に変動されると、収束レンズ１７にて収束されるレーザ光の焦点位置が光軸Ｌ方向に振動する。尚、第２電極２４に印加される交流電圧の電圧値が大きくなるほど焦点位置が光軸Ｌに沿って収束レンズ１７側に移動し、電圧値が小さくなるほど焦点位置が光軸Ｌに沿って収束レンズ１７から遠ざかる位置に移動する。
【００３８】
このようなレーザ加工装置１０では、電気光学ユニット１４にてレーザ光の焦点位置を振動させながら、ガルバノミラー１５による２次元の走査を行いワークＷの表面へのマーキング加工を行う。レーザ光は超短パルス幅のフェムト秒レーザであり、焦点位置で加工可能なビームパワーを得るようになっている。つまり、レーザ光の焦点位置近傍の領域（焦点深度内）ではレーザ光のビーム径は微少であるが、この領域を外れた位置においてはビーム径が大きくなるため、十分なビームパワー（十分なレーザ光のエネルギー密度）が得られず加工不能となっている。尚、このようにレーザ光はその焦点近傍においての加工可能な領域（焦点深度）を有するが、フェムト秒レーザにおいてはその領域幅がワークＷの大きさに対して十分に小さいため、説明の便宜上、焦点位置のみで加工可能であるとする。即ち、レーザ光の焦点位置がワークＷの表面に合ったときに該表面に加工がなされるようになっている。尚、レーザ光の焦点の振動範囲は、ワークＷ表面の凹凸形状の大きさに対して十分大きな幅に設定される。また、交流電圧発生器１９は、制御回路１１からの信号に基づき、ガルバノミラー１５によるレーザ光の走査速度に対して十分に短い周期の交流電圧を電気光学ユニット１４に出力する。これにより、ワークＷの表面には断続的なマーキングがなされる。また、金属加工分野においては、レーザ光の焦点を金属表面に照射して、表面を溶融した直後、溶融して盛り下がった表面に再度レーザ光の焦点を照射することにより更にその表面を溶融させて深堀するという技術があるが、このような加工をする場合にも、本願発明は焦点位置が振動しているので、複雑な焦点位置可変機構を用いずに対応することができる。
【００３９】
次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）焦点位置可変手段としての電気光学ユニット１４は、第１及び第２電極２３，２４間に介在された電気光学材料（誘電体材料）としての電気光学部材２２に対し、第１及び第２電極２３，２４間に電圧が印加されることで、その電気光学部材２２に加えられる電界の作用によりレーザ光の光軸Ｌに対する拡がり角度を可変させる。そして、制御手段を構成する制御回路１１は、第１及び第２電極２３，２４間の電位差を周期的に変化させて、収束レンズ１７にて収束されたレーザ光の焦点位置を光軸Ｌ方向に振動させる。これにより、例えば距離センサにて測定された加工対象物までの距離に応じてレーザ光の焦点位置を調整する必要がなくなるので、加工速度の高速化を図ることができる。
【００４０】
（２）交流電圧発生器１９により電気光学ユニット１４に正弦波の交流電圧を付与して第１及び第２電極２３，２４間の電位差を周期的に変化させるため、レーザ光の焦点位置を光軸Ｌ方向に振動させることができる。
【００４１】
（３）レーザ光源１２は、フェムト秒レーザ光源である。フェムト秒レーザ光は焦点位置で加工可能なビームパワー（エネルギー密度）が得られる超短パルス幅のレーザ光である。このため、レーザ光の焦点から外れた位置では加工可能なビームパワーは得られず、レーザ光の焦点がワークＷの表面に合ったときに加工されるため、焦点位置を振動させることによる加工線幅の変化を抑えることができる。
【００４２】
（４）電気光学部材２２は電界強度に応じて屈折率が変化する電気光学材料からなるため、第１及び第２電極２３，２４間の電位差を変化に応じてレーザ光の拡がり角度を変化させることができる。特に、電界強度に応じた屈折率変化が大きいＫＴＮ結晶を用いているため、レーザ光の拡がり角度の可変幅を大きくすることができる。
【００４３】
（５）光軸Ｌ上における電気光学ユニット１４よりもワークＷ側の位置には、電気光学ユニット１４からのレーザ光をワークＷに収束して照射する収束レンズ１７が設けられる。このため、光軸Ｌ方向における焦点位置の振動範囲を大きくすることができる。
【００４４】
（６）電気光学部材２２において、第２電極２４が設けられた第２配置面としての傾斜面２２ｄは、その内面がその光軸Ｌ側を向くように傾斜している。これにより、第１及び第２電極２３，２４間に電位差が与えられると、電気光学部材２２を通過する電気力線が光軸Ｌ側に突出するように湾曲して示される電界が発生し、その電界の作用によりレーザ光の拡がり角度が可変される。従って、レーザ光の拡がり角度の可変を的確に行うことができる。
【００４５】
（７）一対の第２電極２４が光軸Ｌと直交する一方向に並んで配置された電気光学素子２１が２つ設けられ、該電気光学素子２１はその一対の第２電極２４の並ぶ方向が互いに直交するように光軸Ｌ上に並設される。このため、各電気光学素子に対する電圧制御によりレーザ光の拡がり角度を可変することができる。これとともに、レーザ光の偏光方向と電気光学部材２２にて発生する電界の方向とが一致しないことによるレーザ光の分散を抑制することができる。
【００４６】
（８）第１電極２３にはレーザ光を通過させるための通過部を構成する貫通孔２３ａが形成され、第２電極２４側においては出射面２２ｃが通過部を構成しているため、第１及び第２電極２３，２４に透明電極等を用いる必要がなくなる。従って、第１及び第２電極２３，２４として透明電極よりも高い電圧を印加可能な部材を用いれば、レーザ光の拡がり角度の可変幅を大きくすることができる。
【００４７】
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、収束レンズ１７は、光軸Ｌ上における電気光学ユニット１４よりもワークＷ側の位置に設けられたが、光軸Ｌ上における電気光学ユニット１４よりもレーザ光源１２側に設けてもよい。また、光軸Ｌ上における収束レンズ１７よりもレーザ光源１２側の位置に、レーザ光を発散するためのレンズを設けた構成としてもよい。この構成によれば、ワークＷに収束角度が大きいレーザ光を照射することができ、その結果、焦点位置でのビームパワーと、その焦点位置以外の位置でのビームパワーとの差が大きくなるので、焦点位置で加工可能なビームパワーを得ることが可能となる。
【００４８】
・上記実施形態では、電気光学ユニット１４はビームエキスパンダ１３の後段に設けられたが、特にこれに限定されるものではなく、レーザ光源１２の後段、ガルバノミラー１５の後段、又は収束レンズ１７の後段に設けてもよい。
【００４９】
・上記実施形態では、電気光学部材２２の入射面２２ａと出射面２２ｃとは互いに平行な平面状に形成されたが、これ以外に例えば、入射面２２ａ及び出射面２２ｃの少なくとも一方を球面状に形成してもよい。
【００５０】
・上記実施形態における電気光学ユニット１４の形状等の構成は、上記実施形態のものに限定されるものではなく、電気光学部材２２に加えられる電界の強度に応じてレーザ光の拡がり角度を変更可能であればよい。
【００５１】
・上記実施形態では、電気光学素子２１は凸部２２ｂの頂面が出射面２２ｃとなるように配置されたが、入射面２２ａとなるように配置してもよい。
・上記実施形態では、傾斜面２２ｄは光軸Ｌ側に突出する湾曲形状に形成されるが、これ以外に例えば、断面直線状となるように形成してもよい。
【００５２】
・上記実施形態では、電気光学部材２２の凸部２２ｂの傾斜面２２ｄは、図３における左右方向両端まで形成されたが、左右方向両端部分が入射面２２ａと平行となるように形成してもよい。
【００５３】
・上記実施形態では、第１電極２３が１つ、第２電極２４が２つ設けられたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば第１電極２３を分割し、光軸Ｌと直交する一方向に（図３における左右方向）並んで配置される一対の第１電極を設けてもよい。また、各第２電極２４をレーザ光が通過する以外の位置で繋がるように１つの部材で構成してもよい。
【００５４】
・上記実施形態では、第１及び第２電極２３，２４に金属部材を用いたが、これ以外に例えば、錫を添加した酸化インジウム（ＩＴＯ）等からなる透明電極を用いてもよい。この場合、透明電極ゆえ、貫通孔２３ａを形成していない第１電極と、傾斜面に形成された出射面を覆う第２電極とを形成してもよい。即ち、電気光学部材２２において、電極を配置する電極部をレーザ光が通過する通過部を兼ねる構成としてもよい。この構成によれば、電気光学素子２１を小型に構成することが可能である。
【００５５】
・上記実施形態では、電気光学部材２２にＫＴＮ結晶を用いたが、これ以外に例えば、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ラタン）結晶等を用いてもよい。また、電気光学材料としては、ＫＴＮ以外の材料でもよく主にポッケルス効果やカー効果を利用するもの、つまり、第１及び第２電極間に印加される電圧を変化することに基づいて電気光学素子２１に加えられる電界強度が変化し、この加えられる電界強度に応じて屈折率が変化するものであればよい。
【００５６】
・上記実施形態では、交流電圧発生器１９を備え、電気光学ユニット１４には該交流電圧発生器１９にて発生する交流電圧が印加されたが、これ以外に例えば、周期的に変化するパルス状の電圧や三角波状の電圧等を印加してもよい。また、０Ｖ以上又は０Ｖ以下の範囲で周期的に変化する電圧でもよい。
【００５７】
・上記実施形態では、入射面２２ａ側の第１電極２３が接地され、出射面２２ｃ側の第２電極２４に電圧が印加されたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば第１電極２３に電圧を印加し、第２電極２４を接地してもよく、また、第１及び第２電極２３，２４の両方に電圧を印加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本実施形態におけるレーザ加工装置を示す概略構成図。
【図２】電気光学ユニットを示す分解斜視図。
【図３】電気光学ユニットの作用を説明するための概略図。
【符号の説明】
【００５９】
Ｌ…光軸、Ｗ…ワーク、１０…レーザ加工装置、１１…制御手段を構成する制御回路、１２…レーザ光源、１４…焦点位置可変手段としての電気光学ユニット、１７…収束レンズ、２１…電気光学素子、２２ｄ…傾斜面、２２…電気光学材料及び誘電体材料としての電気光学部材、２３…第１電極、２４…第２電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源から出射されたレーザ光を加工対象物の表面に収束させて加工を行うレーザ加工装置であって、
第１及び第２電極間に介在された誘電体材料に対し、前記第１及び第２電極間に電圧が印加されることで、該誘電体材料に加えられる電界の作用により前記レーザ光の光軸に対する拡がり角度を可変させて、前記レーザ光の焦点位置を光軸方向に変化させる焦点位置可変手段と、
前記焦点位置可変手段の第１及び第２電極間の電位差を周期的に変化させて前記焦点位置を前記光軸方向に振動させる制御手段と
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記制御手段は、前記焦点位置可変手段に正弦波の交流電圧を付与して前記第１及び第２電極間の電位差を周期的に変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、
前記レーザ光源は、フェムト秒レーザ光源であることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記誘電体材料は、加えられる電界強度に応じて屈折率が変化する電気光学材料からなることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記光軸上における前記焦点位置可変手段よりも前記加工対象物側の位置には、前記焦点位置可変手段からの光を前記加工対象物に収束して照射する収束レンズが設けられたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記光軸上において前記レーザ光を収束する収束レンズを備え、
前記光軸上における収束レンズよりも前記レーザ光源側の位置には、前記レーザ光を発散するためのレンズが設けられたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記焦点位置可変手段は、前記第１及び第２電極と前記誘電体材料とを有する電気光学素子を備え、
前記電気光学素子は、前記レーザ光が通過する通過部と、前記第１及び第２電極を配置する電極部とを有し、
前記電極部は、前記誘電体材料の入射側の端面に前記第１電極を設けるための第１配置面及び出射側の端面に前記第２電極を設けるための第２配置面が設けられ、該第１及び第２配置面の少なくとも一方は、前記光軸を挟んで対称位置においてその内面が前記光軸側に向く傾斜面に形成されたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項８】
請求項７に記載のレーザ加工装置において、
前記第１及び第２電極がそれぞれ前記光軸と直交する一方向に並んで配置された一対の電極を有してなる前記電気光学素子を２つ備え、該各電気光学素子は前記一対の電極の並ぶ方向が互いに直交するように前記光軸上に並設されたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
請求項７又は８に記載のレーザ加工装置において、
前記第１及び第２電極は透明電極であり、前記電極部は前記通過部を兼ねることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１】
レーザ光源から出射されたレーザ光を加工対象物の表面に収束させて加工を行うレーザ加工装置であって、
第１及び第２電極間に介在された誘電体材料に対し、前記第１及び第２電極間に電圧が印加されることで、該誘電体材料に加えられる電界の作用により前記レーザ光の光軸に対する拡がり角度を可変させて、前記レーザ光の焦点位置を光軸方向に変化させる焦点位置可変手段と、
前記焦点位置可変手段の第１及び第２電極間の電位差を周期的に変化させて前記焦点位置を前記光軸方向に振動させる制御手段と
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記制御手段は、前記焦点位置可変手段に正弦波の交流電圧を付与して前記第１及び第２電極間の電位差を周期的に変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、
前記レーザ光源は、フェムト秒レーザ光源であることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記誘電体材料は、加えられる電界強度に応じて屈折率が変化する電気光学材料からなることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記光軸上における前記焦点位置可変手段よりも前記加工対象物側の位置には、前記焦点位置可変手段からの光を前記加工対象物に収束して照射する収束レンズが設けられたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記光軸上において前記レーザ光を収束する収束レンズを備え、
前記光軸上における収束レンズよりも前記レーザ光源側の位置には、前記レーザ光を発散するためのレンズが設けられたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記焦点位置可変手段は、前記第１及び第２電極と前記誘電体材料とを有する電気光学素子を備え、
前記電気光学素子は、前記レーザ光が通過する通過部と、前記第１及び第２電極を配置する電極部とを有し、
前記電極部は、前記誘電体材料の入射側の端面に前記第１電極を設けるための第１配置面及び出射側の端面に前記第２電極を設けるための第２配置面が設けられ、該第１及び第２配置面の少なくとも一方は、前記光軸を挟んで対称位置においてその内面が前記光軸側に向く傾斜面に形成されたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項８】
請求項７に記載のレーザ加工装置において、
前記第１及び第２電極がそれぞれ前記光軸と直交する一方向に並んで配置された一対の電極を有してなる前記電気光学素子を２つ備え、該各電気光学素子は前記一対の電極の並ぶ方向が互いに直交するように前記光軸上に並設されたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
請求項７又は８に記載のレーザ加工装置において、
前記第１及び第２電極は透明電極であり、前記電極部は前記通過部を兼ねることを特徴とするレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−１２０１１（Ｐ２００９−１２０１１Ａ）
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７３５０７（Ｐ２００７−１７３５０７）
【出願日】平成１９年６月２９日（２００７．６．２９）
【出願人】（０００１０６２２１）サンクス株式会社 (578)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２９日（２００７．６．２９）
【出願人】（０００１０６２２１）サンクス株式会社 (578)
【Ｆターム（参考）】
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