JP2009208092A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工により形成される孔のテーパ角を自在に制御できるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置１１は、互いに平行な第１入射面４３及び第１出射面４４を有する第１透明部材４１と、第１回動軸を中心として第１透明部材４１を回動させる第１モータ４２を有し、第１入射面４３の入射光と平行に第１出射面４４から出射されるレーザ光Ｌを第１方向へシフトする第１シフト機構３１を備えた。また、互いに平行な第２入射面４８及び第２出射面４９を有する第２透明部材４６と、第２回動軸を中心にして第２透明部材４６を回動させる第２モータ４７を有し、第２入射面４８の入射光と平行に第２出射面４９から出射されるレーザ光Ｌを第２方向へシフトする第２シフト機構３２を備えた。そして、第２シフト機構３２によりシフトされたレーザ光Ｌを集光レンズ２２にて集光しワークＷ１を加工するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工対象物にレーザ光を照射することで孔あけ、切断等の加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関するものである。

従来、レーザ光源から出射されるレーザ光を集光手段によって集光させ、該集光されたレーザ光を照射することで加工対象物に孔あけ加工を行うレーザ加工装置がある。この種のレーザ加工装置として、ワーク上に集光されたレーザ光（スポット光）が所定の軌跡（例えば、円環状の軌跡）を描くように該レーザ光を走査することでワークをくり抜く所謂トレパニング加工を行うものが知られている。例えば、特許文献１には、ウェッジ板によってレーザ光の光軸を集光レンズの光軸に対して傾斜させるとともに、集光レンズの光軸を中心として該ウェッジ板を回転させることで、レーザ光を円環状に走査してトレパニング加工を行うレーザ加工装置が開示されている。
特開２００６−２７２３８４号公報

ところで、レーザ光の加工対象物に対する照射角度等に応じて、加工された孔の内周面はその軸に対して傾斜したテーパ状に形成される。ところが、上記特許文献１では、ウェッジ板の角度や集光レンズの焦点距離等によって、レーザ光の加工対象物に対する照射角度が決まり、形成される孔のテーパ角が決まってしまう。そのため、孔のテーパ角を自在に制御することは困難であるという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、レーザ加工により形成される孔のテーパ角を自在に制御できるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、レーザ光を出射するレーザ光源と、互いに平行な第１入射面及び第１出射面を有する第１透明部材と、前記第１入射面及び前記第１出射面を前記レーザ光が通過するように前記第１透明部材を支持するとともに第１回動軸を中心として前記第１透明部材を回動させ前記第１入射面におけるレーザ光の入射角度を変更する第１回動手段とを有し、前記第１入射面の入射光と平行に前記第１出射面から出射される出射光を第１方向へシフトする第１シフト手段と、前記第１シフト手段から出射されるレーザ光が入射される第２入射面及び前記第２入射面と平行な第２出射面を有する第２透明部材と、前記第２入射面及び前記第２出射面を前記レーザ光が通過するように前記第２透明部材を支持するとともに前記第１回動軸と直交する第２回動軸を中心にして前記第２透明部材を回動させ前記第２入射面におけるレーザ光の入射角度を変更する第２回動手段とを有し、前記第２入射面の入射光と平行に前記第２出射面から出射される出射光を前記第１方向と直交する第２方向へシフトする第２シフト手段と、前記第２シフト手段から出射されるレーザ光を集光する集光手段とを備えた。

上記構成によれば、第１透明部材及び第２透明部材を回動させることで、第１入射面に入射する入射光（レーザ光）と平行な出射光（レーザ光）が第１方向へシフト（偏移）して第１出射面から出射され、第２入射面に入射する入射光と平行な出射光が第１方向と直交する第２方向へシフトして第２出射面から出射される。このようにして、レーザ光が第１及び第２方向にシフトされて、集光手段におけるレーザ光の入射位置を変更できる。ここで、レーザ光は、集光手段における入射位置（例えば集光レンズの場合ではその光軸からの距離）に応じてレーザ光の屈折角が異なり、レーザ光の加工対象物に対する照射角度が変化するため、孔のテーパ角を変更できる。従って、第１及び第２透明部材を回動させることで形成される孔のテーパ角を自在に制御できる。

また、例えばガルバノミラー等によりレーザ光の光軸を集光レンズの光軸に対して傾斜させる場合には、形成される孔のテーパ角とともに焦点位置が変化してしまう。この点、上記構成によれば、第１及び第２シフト手段は、それぞれ入射光と平行に出射される出射光をシフトするため、テーパ角を変更しても焦点位置が変化せず、焦点位置を変えずにテーパ角のみを制御できる。

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、前記レーザ光の光路上における前記レーザ光源と前記第１シフト手段との間に配置され、前記レーザ光の全てを反射又は屈折させて、前記レーザ光を該レーザ光の光軸を中心とする円環状に成型するレーザ成型手段を備えた。

例えば球面レンズ等の集光レンズでは、集光レンズの周辺部に入射したレーザ光がレンズ中心部を入射したものよりもレンズに近い位置で集光される、所謂球面収差が存在する。そのため、レーザ光が加工対象物の裏面で集光し、該裏面側に配置された非加工対象物が損傷する虞がある。この点、上記構成によれば、円環状のレーザ光を集光手段にて１点に集光させて加工対象物への加工を行うことで、集光手段の中心部にレーザ光が入射しないよう構成でき、集光手段の球面収差の影響を小さく抑えることができる。その結果、焦点深度を浅くしてレーザ光がワーク裏面側に集光することを抑制できるため、例えばワーク裏面側に非加工対象物が配置された場合でも、非加工対象物が損傷することを抑制できる。また、レーザ光源からのレーザ光の全てを反射又は屈折させることで該レーザ光をその光軸を中心とする円環状に成形するため、レーザ光の光量を維持でき、レーザ光を効率良く使用できる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光の光路上における前記レーザ成型手段と前記第１シフト手段との間、又は前記レーザ光の光路上における前記第２シフト手段と前記集光手段との間に配置され、前記レーザ光の方向を反射させて変更する第１ガルバノミラー及び第２ガルバノミラーと、前記第１ガルバノミラー及び前記第２ガルバノミラーを互いに直交する軸を中心としてそれぞれ回動させるガルバノ駆動手段とを備えた。

上記構成によれば、加工対象物上に集光されたレーザ光が所定の軌跡（例えば、円環状の軌跡）を描くように該レーザ光を走査することで加工対象物をくり抜くトレパニング加工を行うことができる。これにより、例えば集光されたレーザ光のスポット径よりも大きな孔あけ加工などを行うことができる。そして、第１及び第２シフト手段によるレーザ光のシフト方向と同期させることで、トレパニング加工により形成された孔等のテーパ角を自在に制御できる。この際に、第１及び第２シフト手段は、それぞれ入射光と平行に出射される出射光をシフトするため、テーパ角を変更しても焦点位置が変更されず、焦点位置を変えずにテーパ角のみを独立して制御できる。

請求項４に記載の発明は、レーザ光源から出射されたレーザ光を、互いに平行な第１入射面及び第１出射面を有する第１透明部材に通過させることで、前記第１入射面の入射光と平行に前記第１出射面から出射される出射光を第１方向へシフトさせ、第１シフト手段から出射される出射光が入射される第２入射面及び前記第２入射面と平行な第２出射面を有する第２透明部材に前記レーザ光を通過させることで、前記第２入射面の入射光と平行に前記第２出射面から出射される出射光を前記第１方向と直交する第２方向へシフトさせ、前記第２方向へシフトされたレーザ光を集光手段にて集光させて加工対象物を加工するようにした。上記構成によれば、請求項１と同様に、第１及び第２透明部材を回動させることで形成される孔のテーパ角を自在に制御できる。また、焦点位置を変えずにテーパ角のみを制御できる。

本発明によれば、レーザ加工により形成される孔のテーパ角を自在に制御可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することができる。

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１１は、制御回路１２の制御に基づいてレーザ光をワーク（加工対象物）Ｗ１に照射し、孔あけ加工、或いはワークＷ１に照射されたレーザ光が所定の軌跡を描くように走査することでワークＷ１をくり抜く所謂トレパニング加工を行うものである。

レーザ加工装置１１は、加工用のレーザ光Ｌを出射するレーザ光源１３を備え、該レーザ光源１３は、制御回路１２によってその発振が制御される。レーザ光Ｌの光路上におけるレーザ光源１３の後段には、レーザ光Ｌのビーム径を変更するビームエキスパンダ１５が配置されている。本実施形態では、ビームエキスパンダ１５は、中心がレーザ光Ｌの光軸ＬＸ１上に並設された一対の凸レンズ１６，１７からなる所謂ケプラータイプのビームエキスパンダとして構成されてなり、後段の凸レンズ１７から平行なレーザ光Ｌを出射するようになっている。ビームエキスパンダ１５は、凸レンズ１６，１７の間隔Ｄ１が変更されて、凸レンズ１６，１７の間隔Ｄ１に応じたビーム径のレーザ光Ｌを出射する。凸レンズ１６，１７の間隔Ｄ１は制御回路１２の制御に基づき変更される。

ビームエキスパンダ１５の後段には、入射されるレーザ光Ｌを、光軸ＬＸ１を中心とする円環状に成型するレーザ成型手段としてのレンズユニット１８が配置されている。本実施形態では、レンズユニット１８は、第１及び第２アキシコレンズ１９，２０からなる。第１及び第２アキシコレンズ１９，２０は、それぞれ円錐台形状に形成されたレンズであり、それらの頂角が互いに等しく形成されている。なお、本実施形態では、第１及び第２アキシコレンズ１９，２０は、互いに同形状のものを用いている。また、第１及び第２アキシコレンズ１９，２０は、それぞれの円錐部１９ａ，２０ａが対向するとともに、その光軸（円錐軸）がレーザ光Ｌの光軸ＬＸ１と一致するように配置されている。そして、第１及び第２アキシコレンズ１９，２０は、互いの間隔Ｄ２が変更可能に設けられている。第１及び第２アキシコレンズ１９，２０の間隔は間隔制御手段としての制御回路１２により制御されるようになっている。

第１アキシコレンズ１９は、その平面側からレーザ光Ｌが入射すると、該レーザ光Ｌを屈折させて円環状に成形し出射するようになっている。そして、第２アキシコレンズ２０は、第１アキシコレンズ１９により円環状に成形され円錐部２０ａに入射されたレーザ光Ｌを光軸ＬＸ１に平行な円環状のレーザ光Ｌに成形し、その平面側から出射する。このような、レンズユニット１８では、レーザ光Ｌの一部を遮蔽することなく、そのレーザ光Ｌの全てを屈折させることで円環状に成形するため、レーザ光Ｌの光量を維持したまま円環状のレーザ光Ｌに成形することができる。

レンズユニット１８の後段には、トレパニングユニット２１が配置され、トレパニングユニット２１の後段には、例えば凸レンズからなる集光レンズ２２が配置されている。トレパニングユニット２１は、入射されるレーザ光Ｌと平行に出射されるレーザ光Ｌを、レーザ光Ｌの光軸ＬＸ１と略直交する方向にシフト（移動）させるとともに、ワークＷ１に対してレーザ光Ｌを２次元的に走査させるようになっている。

また、集光手段としての集光レンズ２２は円環状のレーザ光Ｌを焦点範囲Ｐで１点に収束する。これにより、集光レンズ２２の焦点範囲ＰでワークＷ１への加工が可能となっている。なお、ここでいう１点に収束させるということは、焦点範囲Ｐでのスポット形状（光軸直交断面の形状）が環状でなく点状となるように集光させることをいう。集光レンズ２２は、球面収差の影響によりレンズ中心に近い位置を通る光ほど該集光レンズ２２から離れた位置で集光する。本実施形態では円環状のレーザ光Ｌを集光させているため、集光レンズ２２から略等しい距離でレーザ光Ｌを集光させる、つまり焦点深度を浅くすることができる。これにより、レーザ光ＬがワークＷ１の裏面Ｗｒ側に集光することを抑制できるため、例えばワークＷ１の裏面Ｗｒ側に非加工対象物Ｗ２が配置された場合でも、非加工対象物Ｗ２が損傷することを抑制できる。

次に、トレパニングユニット２１の構成を説明する。
トレパニングユニット２１は、入射されるレーザ光Ｌと平行に出射されるレーザ光Ｌを、光軸ＬＸ１と略直交する第１方向へシフトさせる第１シフト機構３１と、同様に入射されるレーザ光Ｌと平行に出射されるレーザ光Ｌを、光軸ＬＸ１及び第２方向と略直交する第２方向へシフトさせる第２シフト機構３２とを備えている。また、トレパニングユニット２１は、レーザ光Ｌの方向を反射させて変更する第１及び第２ガルバノミラー３３ｘ，３３ｙと、第１及び第２ガルバノミラー３３ｘ，３３ｙを互いに略直交する軸を中心としてそれぞれ回動させるガルバノ駆動手段としての第１及び第２ガルバノモータ３４ｘ，３４ｙとを備えている。なお、本実施形態では、レーザ光Ｌを第１及び第２シフト機構３１，３２によりシフトさせず、且つ第１及び第２ガルバノミラー３３ｘ，３３ｙにより走査していない状態で、レーザ光Ｌの光軸ＬＸ１と集光レンズ２２の光軸ＬＸ２とが一致するようになっている。

図２（ａ）に示すように、第１シフト手段としての第１シフト機構３１は、石英プリズムからなる第１透明部材４１と、第１透明部材４１を回動させる第１モータ４２とを備えている。なお、図２（ａ）〜（ｃ）において、説明の便宜上、円環状のレーザ光Ｌを直線（一点鎖線）にて示す。第１透明部材４１は、互いに平行な第１入射面４３及び第１出射面４４を有している。また、第１モータ４２は、レーザ加工装置１１の本体部（図示略）に固定されるとともに、第１入射面４３及び第１出射面４４にレーザ光Ｌが通過するように断面コ字状の支持部材４５を介して第１透明部材４１を支持している。従って、本実施形態では、第１モータ４２及び支持部材４５によって第１回動手段が構成される。そして、制御回路１２は第１モータ４２を駆動し、第１入射面４３及び第１出射面４４と平行な第１回動軸ＡＸ１を中心にして第１透明部材４１を回動させ、レーザ光Ｌの第１入射面４３に入射する入射角度を変更するようになっている。

また、第２シフト手段としての第２シフト機構３２は、石英プリズムからなる第２透明部材４６と、第２透明部材４６を回動させる第２モータ４７とを備えている。第２透明部材４６は、互いに平行な第２入射面４８及び第２出射面４９を有している。第２モータ４７は、本体部に固定されるとともに、第１透明部材４１の後段にて、第２入射面４８及び第２出射面４９にレーザ光Ｌが通過するように、断面コ字状の支持部材５０を介して第２透明部材４６を支持している。従って、本実施形態では、第２モータ４７及び支持部材５０によって第２回動手段が構成される。そして、制御回路１２は第２モータ４７を駆動し、第１回動軸ＡＸ１と略直交するとともに第２入射面４８及び第２出射面４９に平行な第２回動軸ＡＸ２を中心にして第２透明部材４６を回動させるようになっている。

図２（ｂ）に示すように、第１モータ４２により、第１透明部材４１を回動させ、第１入射面４３に入射するレーザ光Ｌ（入射光）が該第１入射面４３に対して傾斜するようにすると、入射光と平行な出射光が光軸ＬＸ１と略直交する第１方向（図２（ｂ）における上下方向）へシフトして第１出射面４４から出射される。詳述すると、レーザ光Ｌは第１透明部材４１内に入射する際に、空気中の屈折率と第１透明部材４１との屈折率との違いに応じ、第１入射面４３にて屈折し、第１出射面４４にて再び屈折する。ここで、第１入射面４３と第１出射面４４とは平行であるため、第１透明部材４１内で屈折した角度と該第１透明部材４１の軸方向長さとに応じた量だけ入射光と平行に出射される出射光が第１方向へシフトする。

また、図２（ｃ）に示すように、第２モータ４７により、第１透明部材４１を回動させ、第２入射面４８に入射するレーザ光Ｌ（入射光）が該第２入射面４８に対して傾斜して入射するようにすると、入射光と平行な出射光が光軸ＬＸ１及び第１方向と略直交する第２方向（図２（ｃ）における上下方向）へシフトして第２出射面４９から出射される。従って、第１及び第２透明部材４１，４６の回動量を制御することで、第１及び第２シフト機構３１，３２は、それぞれ入射光と平行に出射される出射光をシフトする、即ちレーザ光Ｌはその光軸が平行な状態でその光軸ＬＸ１と略直交する方向に２次元的へシフトされる。

第１及び第２ガルバノミラー３３ｘ，３３ｙは、第２シフト機構３２の後段、即ち第２シフト機構３２と集光レンズ２２との間に配置されている。第１及び第２ガルバノモータ３４ｘ，３４ｙは、制御回路１２の制御に基づいて駆動し、第１及び第２ガルバノミラー３３ｘ，３３ｙの角度制御を行うようになっている。そして、第１及び第２シフト機構３１，３２からのレーザ光Ｌを偏向反射し、レーザ光Ｌの集光レンズ２２に対する入射方向（入射角度）を変更させることで、ワークＷ１上におけるレーザ光の焦点位置を変更する。具体的には、第１及び第２ガルバノミラー３３ｘ，３３ｙにより集光レンズ２２の光軸ＬＸ２に対して、レーザ光Ｌの光軸ＬＸ１が所定角度θだけ傾斜された場合には、集光レンズ２２によってワークＷ１上における光軸ＬＸ２から距離Ｒだけ離れた位置にレーザ光Ｌが集光する（図３（ａ）及び図４（ａ）参照）。具体的には、距離Ｒは、次の（１）式により表される。

Ｒ＝Ｆｔａｎθ （１）
ここで、「Ｆ」は集光レンズ２２の焦点距離である。
このようにして、レーザ加工装置１１は、レーザ光Ｌの集光レンズ２２に対する入射方向を変更させ、レーザ光ＬがワークＷ１上で所望の軌跡（例えば、円環状）を描くように走査することでトレパニング加工を行う。

次に、レーザ加工装置１１における形成される孔のテーパ角制御について説明する。
先ず、レーザ光Ｌの光軸ＬＸ１が集光レンズ２２の光軸ＬＸ２に対してシフトしていない場合、即ち光軸ＬＸ１と光軸ＬＸ２とが一致している場合について説明する。図３（ａ）に示すように、レーザ光Ｌの光軸ＬＸ１が集光レンズ２２の光軸ＬＸ２に対して所定角度θだけ傾斜された場合には、集光レンズ２２によってワークＷ１上における光軸ＬＸ２から距離Ｒだけ離れた位置にレーザ光が集光する。そして、ワークＷ１における光軸ＬＸ２からＲだけ離れた位置では、図３（ｂ）に示す照射角度でレーザ光ＬがワークＷ１に照射され、この照射角度に応じたテーパ角α１の孔が形成される。

一方、図４（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌの光軸ＬＸ１が集光レンズ２２の光軸ＬＸ２に対して上記の場合と同一の所定角度θだけ傾斜され、レーザ光Ｌの光軸ＬＸ１がシフトされた場合には、上記と同様に、ワークＷ１上における光軸ＬＸ２から距離Ｒだけ離れた位置にレーザ光Ｌが集光する。しかしながら、上記の場合（図３（ａ））とは異なり、レーザ光Ｌの光軸ＬＸ１が平行な状態でシフトしたことで、集光レンズ２２におけるレーザ光Ｌの入射位置のみが変更される。ここで、レーザ光Ｌは集光レンズ２２において、集光レンズ２２の光軸ＬＸ２からの距離に応じてその屈折角が異なるため、集光レンズ２２におけるレーザ光Ｌの入射位置によってレーザ光ＬのワークＷ１に対する照射角度、特にレーザ光Ｌにおける外周部分の照射角度が変更される。具体的には、図４（ｂ）に示す角度でレーザ光Ｌが照射し、ワークＷ１にテーパ角α２の孔が形成される。

このように、レーザ光Ｌの光軸ＬＸ１を集光レンズ２２の光軸ＬＸ２へシフトさせることで、ワークＷ１におけるレーザ光Ｌの焦点位置を変更せず、形成される孔のテーパ角を独立に制御することができる。

さらに、本実施形態では、第１及び第２ガルバノミラー３３ｘ，３３ｙによりレーザ光ＬがワークＷ１上で所定の軌跡を描くように走査することで、ワークＷ１がくり抜かれる。これにより、レーザ光Ｌのスポット径よりも大きな孔をワークＷ１に形成できる。このとき、レーザ光ＬをワークＷ１上で走査するのと同期させてレーザ光Ｌをシフトさせることで、トレパニング加工によりくり抜かれた孔のテーパ角を自在に制御できる。この際に、第１及び第２シフト機構３１，３２は、それぞれ入射光と平行に出射される出射光をシフトするため、テーパ角を変更しても焦点位置が変更されず、焦点位置を変えずにテーパ角のみを独立して制御できる。

以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）レーザ加工装置１１は、互いに平行な第１入射面４３及び第１出射面４４を有する第１透明部材４１と、第１回動軸ＡＸ１を中心として第１透明部材４１を回動させる第１モータ４２を有し、第１入射面４３の入射光と平行に第１出射面４４から出射されるレーザ光Ｌを第１方向へシフトする第１シフト機構３１を備えた。また、レーザ加工装置１１は、互いに平行な第２入射面４８及び第２出射面４９を有する第２透明部材４６と、第２回動軸ＡＸ２を中心にして第２透明部材４６を回動させる第２モータ４７を有し、第２入射面４８の入射光と平行に第２出射面４９から出射されるレーザ光Ｌを第２方向へシフトする第２シフト機構３２を備えた。そして、第２シフト機構３２によりシフトされたレーザ光Ｌを集光レンズ２２にて集光しワークＷ１を加工するようにした。このようにして、レーザ光が第１及び第２方向にシフトすることで、集光レンズ２２におけるレーザ光Ｌの入射位置を変更できる。従って、第１及び第２透明部材４１，４６を回動させることで形成される孔のテーパ角を自在に制御できる。また、例えばガルバノミラー等によりレーザ光の光軸を集光レンズの光軸に対して傾斜させる場合には、形成される孔のテーパ角とともに焦点位置が変化してしまう。この点、本実施形態によれば、第１及び第２シフト機構３１，３２は、それぞれ入射光と平行に出射される出射光をシフトするため、テーパ角を変更しても焦点位置が変化せず、焦点位置を変えずにテーパ角のみを制御できる。

また、第１及び第２透明部材４１，４６を回動させることでレーザ光Ｌをシフトしてテーパ角を変更できるため、例えばレーザ加工装置に設けられた集光レンズやウェッジ板を傾斜させて加工される孔のテーパ角を変更する場合や、集光レンズやウェッジ板を交換してテーパ角を変更する場合等に比べ、作業効率の低下を抑制できる。さらに、加工する孔のテーパ角の種類に応じて部品点数を増加させることなく、コストの増大を防止できる。

さらに、例えば集光レンズ２２の光軸ＬＸ２を中心として回動させるイメージローテータ等を用いてシフトさせたレーザ光Ｌを、集光レンズ上で走査させること等が考えられる。しかしながら、この場合には、中空状のシャフト等によりイメージローテータを保持し、光軸ＬＸ２と交差する方向に配置された駆動手段によって該イメージローテータを回動させなければならず、レーザ光Ｌをシフトさせる構成が複雑になる。この点、本実施形態によれば、集光レンズ２２の光軸ＬＸ２を中心として第１及び第２透明部材４１，４６を回動させないため、簡単な構成でシフトさせたレーザ光Ｌを集光レンズ２２上で走査できる。

（２）ビームエキスパンダ１５と第１シフト機構３１との間に配置され、レーザ光Ｌの全てを屈折させることで、レーザ光Ｌを該レーザ光Ｌの光軸ＬＸ１を中心とする円環状に成型するレンズユニット１８を備えた。球面レンズ等の集光レンズ２２では所謂球面収差が存在する。そのため、レーザ光ＬがワークＷ１の裏面Ｗｒで集光し、該裏面Ｗｒ側に配置された非加工対象物Ｗ２が損傷する虞がある。この点、本実施形態によれば、円環状のレーザ光Ｌを集光レンズ２２にて１点で集光させてワークＷ１への加工を行うことで、集光レンズ２２の中心部にレーザ光Ｌが入射しないよう構成でき、集光レンズ２２の球面収差の影響を小さく抑えることができる。その結果、焦点深度を浅くしてレーザ光ＬがワークＷ１の裏面Ｗｒ側に集光することを抑制できるため、例えばワークＷ１の裏面Ｗｒ側に非加工対象物Ｗ２が配置された場合でも、非加工対象物Ｗ２が損傷することを抑制できる。また、レーザ光源１３からのレーザ光Ｌの全てを屈折させることで該レーザ光Ｌをその光軸ＬＸ１を中心とする円環状に成形するため、レーザ光Ｌをその光量を維持でき、レーザ光を効率良く使用できる。

（３）第２シフト機構３２と集光レンズ２２との間に配置された第１及び第２ガルバノミラー３３ｘ，３３ｙと、これら第１及び第２ガルバノミラー３３ｘ，３３ｙを互いに略直交する軸を中心としてそれぞれ回動させる第１及び第２ガルバノモータ３４ｘ，３４ｙとを備えた。これにより、例えば集光されたレーザ光Ｌのスポット径よりも大きな孔あけ加工などを行うことができる。そして、第１及び第２シフト機構３１，３２によるレーザ光Ｌのシフト方向と同期させることで、トレパニング加工により形成された孔等のテーパ角を自在に制御できる。この際に、第１及び第２シフト機構３１，３２は、それぞれ入射光と平行に出射される出射光をシフトするため、テーパ角を変更しても焦点位置が変更されず、焦点位置を変えずにテーパ角のみを独立して制御できる。

なお、本実施形態は、以下の態様で実施してもよい。
・本実施形態では、集光手段として凸レンズからなる集光レンズ２２を用いたが、これに限らず、ｆθレンズなどでもよい。また、集光手段として、放物面ミラーによってレーザ光Ｌを集光するようにしてもよい。

・本実施形態では、ワークＷ１を集光レンズ２２の焦点範囲Ｐに配置するようにしたが、これに限らず、集光レンズの焦点範囲Ｐよりも手前にワークＷ１を配置するようにしてもよい。このようにすることで、ワークＷ１の表面での半径が裏面の半径よりも大きな孔、即ち本実施形態とは反対方向に傾斜したテーパの孔を加工することができる。

・本実施形態では、レーザ光Ｌを第１及び第２シフト機構３１，３２によりシフトさせず、且つ第１及び第２ガルバノミラー３３ｘ，３３ｙにより走査していない状態で、レーザ光Ｌの光軸ＬＸ１と集光レンズ２２の光軸ＬＸ２とが一致するようにした。しかしながら、これに限らず、上記状態でレーザ光Ｌの光軸ＬＸ１と集光レンズ２２の光軸ＬＸ２とが一致していなくともよい。

・本実施形態では、レーザ光Ｌを円環状に成形したが、これに限らず、レーザ加工装置１１にレンズユニット１８を設けず、円環状に成形しなくともよい。
・本実施形態では、第１及び第２透明部材４１，４６を石英プリズムにより構成したが、これに限らず、第１及び第２透明部材４１，４６が配置される周囲の屈折率と異なり、且つレーザ光が透過することができれば、その他の部材により第１及び第２透明部材を構成してもよい。

・本実施形態では、第１及び第２アキシコレンズ１９，２０は、その各円錐部１９ａ，２０ａが対向するように配置されたが、互いに反対方向を向くように配置してもよい。このような構成としても、レーザ光Ｌをその光量を維持したまま円環状に成形することができる。

・本実施形態では、第１及び第２アキシコレンズ１９，２０は円錐台形をなしたが、単に円錐形でもよく、また、角錐台形や角錐でもよい。また、第１及び第２アキシコレンズ１９，２０には互いに同サイズ、同形状のものが用いられたが、サイズが異なるものを用いてもよく、また、円錐部１９ａ，２０ａの角度が互いに異なるものを用いてもよい。

・本実施形態では、第１及び第２アキシコレンズ１９，２０の間隔Ｄ２を変更可能に構成したが、これに限らず、第１及び第２アキシコレンズ１９，２０の間隔Ｄ２を変更できないようにレンズユニット１８を構成してもよい。

・本実施形態では、ビームエキスパンダ１５を一対の凸レンズ１６，１７を組み合わせたケプラー型の構成としたが、凹レンズ及び凸レンズを組み合わせたガリレオ型の構成としてもよい。また、ビームエキスパンダ１５を構成するレンズは、２枚（一対）に限らず、３枚以上のレンズによって構成してもよい。

・本実施形態では、凸レンズ１６，１７の間隔Ｄ１を変更可能に構成したが、これに限らず、凸レンズ１６，１７の間隔Ｄ１を変更できないようにビームエキスパンダ１５を構成してもよい。

・本実施形態では、レーザ成形手段を第１及び第２アキシコレンズ１９，２０にて構成したが、これに限らず、レーザ光を反射させて円環状に成形してもよい。例えば、先端（頂点）が入射側に位置するとともに光軸ＬＸ１上に位置するように配置された円錐形状の第１反射部と、出射側に拡径する形状をなし、内周面にて第１反射部で反射されたレーザ光を光軸と平行になるように直角に反射させるテーパ筒状をなす第２反射部とによりレーザ光を反射させて円環状に成形してもよい。また、第１反射部及び第２反射部の少なくとも一方を光軸ＬＸ１方向に移動可能に設け、光軸方向に移動させることで円環状のレーザ光の径が変更可能である。

また、内面反射を利用した１つのプリズムによりレーザ光を反射させて円環状に成形してもよい。この構成によれば、第１及び第２反射部が１つのプリズムから構成されるため、部品点数を抑えてレーザ成形手段を構成できる。さらに、レンズユニット１８において、第２アキシコレンズ２０に替えて球面レンズを設けてもよい。

・本実施形態では、第１及び第２ガルバノミラー３３ｘ，３３ｙを第２シフト機構３２と集光レンズ２２との間に配置したが、これに限らず、レンズユニット１８と第１シフト機構３１との間に配置してもよい。

・本実施形態では、トレパニング加工を行うようにしたが、孔あけ、切断等の加工を行うようにしてもよい。
上記実施形態から把握できる技術的思想を以下に記載する。

（イ）前記レーザ成形手段は、前記レーザ光の光軸上において円錐部同士が対向、若しくは互いに反対方向に向くように並設された第１及び第２アキシコレンズからなることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。同構成によれば、レーザ成形手段はレーザ光の光軸上において円錐部同士が対向、若しくは互いに反対方向に向くように配置された第１及び第２アキシコレンズからなるため、レーザ光をその光量を維持したまま円環状に成形することができる。

（ロ）前記第１アキシコレンズと前記第２のアキシコレンズとの間隔を制御する間隔制御手段を備えたことを特徴とする上記（イ）に記載のレーザ加工装置。同構成によれば、第１及び第２アキシコレンズ同士の間隔を制御する間隔制御手段を備えるため、その間隔制御手段によって第１及び第２アキシコレンズ同士の間隔に応じて変化する円環状のレーザ光の径を制御できる。その結果、集光手段に入射する円環状のレーザ光の径に応じて変化する焦点深度を制御でき、加工対象物の厚さに応じた適切な焦点深度で加工を行うことが可能となる。

（ハ）前記レーザ光源から出射されるレーザ光のビーム径を変更可能なビーム径可変手段を備えたことを特徴とする請求項２又は３，上記（イ），（ロ）に記載のレーザ加工装置。同構成によれば、レーザ光源から出射されるレーザ光のビーム径を変更可能なビーム径可変手段を備えるため、集光レンズの焦点でのビームパワーを可変できる。

レーザ加工装置の概略構成図及び焦点位置の拡大図。 （ａ）トレパニングユニットの斜視図、（ｂ）（ａ）の第１回転軸方向から見た底面図、（ｃ）（ａ）の第２回転軸から見た側面図。 （ａ）レーザ光の光軸を集光レンズの光軸に対してシフトさせていない場合のレーザ光の光路を示す模式図、（ｂ）（ａ）の孔形状を示す断面模式図。 （ａ）レーザ光の光軸を集光レンズの光軸に対してシフトさせた場合のレーザ光の光路を示す模式図、（ｂ）（ａ）の孔形状を示す断面模式図。

符号の説明

１１…レーザ加工装置、１３…レーザ光源、１８…レンズユニット、１９…第１アキシコレンズ、２０…第２アキシコレンズ、２１…トレパニングユニット、２２…集光レンズ、３３ｘ…第１ガルバノミラー、３３ｙ…第２ガルバノミラー、３４ｘ…第１ガルバノモータ、３４ｙ…第２ガルバノモータ、４１…第１透明部材、４２…第１モータ、４３…第１入射面、４４…第１出射面、４５，５０…支持部材、４６…第２透明部材、４７…第２モータ、４８…第２入射面、４９…第２出射面、ＡＸ１…第１回動軸、ＡＸ２…第２回動軸、Ｌ…レーザ光、ＬＸ１，ＬＸ２…光軸、θ…角度。

Claims (4)

1. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   互いに平行な第１入射面及び第１出射面を有する第１透明部材と、前記第１入射面及び前記第１出射面を前記レーザ光が通過するように前記第１透明部材を支持するとともに第１回動軸を中心として前記第１透明部材を回動させ前記第１入射面におけるレーザ光の入射角度を変更する第１回動手段とを有し、前記第１入射面の入射光と平行に前記第１出射面から出射される出射光を第１方向へシフトする第１シフト手段と、
   前記第１シフト手段から出射されるレーザ光が入射される第２入射面及び前記第２入射面と平行な第２出射面を有する第２透明部材と、前記第２入射面及び前記第２出射面を前記レーザ光が通過するように前記第２透明部材を支持するとともに前記第１回動軸と直交する第２回動軸を中心にして前記第２透明部材を回動させ前記第２入射面におけるレーザ光の入射角度を変更する第２回動手段とを有し、前記第２入射面の入射光と平行に前記第２出射面から出射される出射光を前記第１方向と直交する第２方向へシフトする第２シフト手段と、
   前記第２シフト手段から出射されるレーザ光を集光する集光手段と
   を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記レーザ光の光路上における前記レーザ光源と前記第１シフト手段との間に配置され、前記レーザ光の全てを反射又は屈折させて、前記レーザ光を該レーザ光の光軸を中心とする円環状に成型するレーザ成型手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザ光の光路上における前記レーザ成型手段と前記第１シフト手段との間、又は前記レーザ光の光路上における前記第２シフト手段と前記集光手段との間に配置され、前記レーザ光の方向を反射させて変更する第１ガルバノミラー及び第２ガルバノミラーと、
   前記第１ガルバノミラー及び前記第２ガルバノミラーを互いに直交する軸を中心としてそれぞれ回動させるガルバノ駆動手段とを備えたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. レーザ光源から出射されたレーザ光を、互いに平行な第１入射面及び第１出射面を有する第１透明部材に通過させることで、前記第１入射面の入射光と平行に前記第１出射面から出射される出射光を第１方向へシフトさせ、
   第１シフト手段から出射される出射光が入射される第２入射面及び前記第２入射面と平行な第２出射面を有する第２透明部材に前記レーザ光を通過させることで、前記第２入射面の入射光と平行に前記第２出射面から出射される出射光を前記第１方向と直交する第２方向へシフトさせ、
   前記第２方向へシフトされたレーザ光を集光手段にて集光させて加工対象物を加工することを特徴とするレーザ加工方法。

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