(57)【要約】【課題】  レーザ照射位置にずれを生じさせる可能性のある全ての要因を含めてのずれ量を求めることで、精度のよいレーザ加工を実現することを課題とする。【解決手段】  加工物２０の非加工領域２０ｂにレーザ加工機１６からレーザ光を照射してレーザ加工跡を形成する。非加工領域２０ｂに設けられている位置決めマークの座標位置とレーザ加工跡の座標位置との差を求め、求めた差に基づいて加工物２０上のレーザ照射位置を補正して加工物２０をレーザ加工機１６でレーザ加工する。【選択図】  図２
2010227962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物の非加工領域にレーザ加工機からレーザ光を照射してレーザ加工跡を形成し、
前記非加工領域に設けられている位置決めマークの座標位置と前記レーザ加工跡の座標位置との差を求め、
求めた差に基づいて加工物上のレーザ照射位置を補正して前記加工物を前記レーザ加工機でレーザ加工する
レーザ加工方法。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ加工方法であって、
前記位置決めマークの座標位置と前記レーザ加工跡の座標位置との差を求める際、前記非加工領域を撮像して得られた画像から認識するレーザ加工方法。
【請求項３】
請求項２記載のレーザ加工方法であって、
前記加工物上で前記位置決めマークが設けられた領域に、加工用のレーザ光に反応して変色する材料を塗布しておくレーザ加工方法。
【請求項４】
請求項１記載のレーザ加工方法であって、
前記加工物上に前記位置決めマークを２つ設けておき、一方の位置決めマークを用いて前記レーザ照射位置の縦方向のずれ量を求め、他方の位置決めマークを用いて前記レーザ照射位置の横方向のずれ量を求めるレーザ加工方法。
【請求項５】
ベース部に対して固定部を介して固定されたレーザ加工機と、
ベース部上に設けられ、加工物が載置され固定されるステージと、
前記ステージ上の加工物に設けられた位置決めマークを撮像するカメラと、
前記レーザ加工機、前記ステージ、及び前記カメラの動作を制御する制御部と
を有し、
前記制御部は、前記加工物の非加工領域にレーザ加工機からレーザ光を照射してレーザ加工跡を形成し、前記非加工領域に設けられている位置決めマークの座標軸と前記レーザ加工跡の座標位置との差を求め、求めた差に基づいて加工物上のレーザ照射位置を補正して前記加工物を前記レーザ加工機でレーザ加工するように、前記レーザ加工機、前記ステージ、及び前記カメラの動作を制御するレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加工物にレーザ光を照射して加工するレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置において、例えば加工物を切断加工する際には、切断線に沿ってレーザ光の照射位置を移動しながら切断を行なう。加工物上でレーザ光の照射位置を移動するには、照射位置が固定されたレーザ光に対して加工物を移動する方式と、位置が固定された加工物に対してレーザ光を移動する方式とがある。
【０００３】
レーザ光に対して加工物を移動する方法では、移動可能なステージ上に加工物を載せ、ステージをＸＹ方向に移動することにより、加工物上でレーザ照射位置を移動する。この方式では、質量の大きなステージを移動しなければならないため、ステージを精度よく移動するためには移動速度を遅くしなければならず、レーザ加工時間が長くなる。
【０００４】
一方、位置が固定された加工物に対してレーザ光を移動する方式では、ガルバノミラーを用いてレーザ光を偏向することで、容易にレーザ光の照射位置を高速で移動することができる。したがって、ガルバノミラーを用いたレーザ加工装置を用いることで、レーザ加工を短時間で行なうことができる。ただし、この方式では、レーザ加工中にガルバノミラーや光学系を含むレーザ加工装置の温度が上昇して各部が熱変形し、その影響でレーザ照射位置精度が悪化するというおそれがある。
【０００５】
具体的には、例えば、ガルバノミラーを用いてレーザ光の照射位置を制御する場合、ガルバノミラー本体や固定治具などの温度変化による熱膨張／熱収縮によりガルバノミラーの位置が変化し、レーザの照射位置精度に影響を及ぼすおそれがある。これを防止するために、ガルバノミラーの周辺に温度センサを設けてガルバノミラーの温度を検出し、温度変化によるレーザ照射位置の変化を補正することでレーザ照射位置精度を維持することが行なわれている。また、ガルバノミラーから熱源を遠ざけてガルバノミラーの温度上昇を抑制し、なるべくレーザ照射位置が変化しないようにしている。
【０００６】
そこで、ガイド用レーザ光を用いてレーザ照射位置のずれを検出し、ずれの補正量を求めてガルバノミラーの駆動部にフィードすることで、レーザ照射装置においてレーザ照射位置を補正することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５８−２２４０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示された補正機構は、レーザ照射装置の筐体内部において補正するものであり、加工物を載置するステージやステージに対してレーザ照射装置を支持するフレームなどを含むレーザ加工装置全体の熱変形が考慮されていない。しかし、レーザ加工装置全体を考慮したレーザ照射位置補正機構を設計／製作しようとすると、高価な光電変換装置や温度センサを複数個設ける必要があり、製造コストからみて実用的ではない。また、レーザ光を制御するミラーやレンズの歪を補正するための補正機構が必要であり、この補正機構を設けることもレーザ加工装置のコストアップの要因となっている。そこで、簡単な構成で安価なレーザ照射位置補正機構の開発が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態によれば、加工物の非加工領域にレーザ加工機からレーザ光を照射してレーザ加工跡を形成し、前記非加工領域に設けられている位置決めマークの座標位置と前記レーザ加工跡の座標位置との差を求め、求めた差に基づいて加工物上のレーザ照射位置を補正して前記加工物を前記レーザ加工機でレーザ加工するレーザ加工方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
上述のレーザ加工方法によれば、非加工領域に実際にレーザ加工を施してそのレーザ加工跡からレーザ照射位置のずれ量が求められる。このため、レーザ照射位置にずれを生じさせる可能性のある全ての要因を含めてのずれ量を求めることができ、精度のよいレーザ加工を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態によるレーザ加工装置の全体構成を示す簡略図である。
【図２】図１に示すレーザ加工装置で行われるレーザ加工工程のフローチャートである。
【図３】プラスチックシートの平面図である。
【図４】２台のカメラの一方で画像検出したアライメントマークとレーザ加工跡の画像を示す図である。
【図５】２台のカメラのもう一方で画像検出したアライメントマークとレーザ加工跡の画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は一実施形態によるレーザ加工装置の全体構成を示す簡略図である。図１に示す  レーザ加工装置１０は、一例として、レーザ光を用いて透明なプラスチックシートをハーフカットする加工を行なう加工装置である。
【００１３】
レーザ加工装置１０は、ベース部１２と、ベース部１２に固定されたレーザ筐体固定部１４と、レーザ筐体固定部１４に支持されたレーザ加工機１６とを有する。レーザ加工機１６はガルバノミラーによりレーザ光を偏向しながら照射するガルバノ内蔵レーザ加工機である。
【００１４】
ベース部１２はレーザ加工装置１０の本体となる部分である。ベース部１２の上に、加工物であるプラスチックシート２０を載置する吸着ステージ１８が配置される。吸着ステージ１８はベース部１２内に設けられた吸引機構（図示せず）に接続されている。吸着ステージ１８上のプラスチックシートを吸引機構で吸引することで、プラスチックシートを吸着ステージ１８上に固定することができる。
【００１５】
吸着ステージ１８は、ステージ移動機構（図示せず）によりワークセット位置（図１で実線で示された位置）とレーザ加工機１６からのレーザ光が照射される加工位置（図１で点線で示す位置）との間で移動可能である。吸着ステージ１８の移動の制御は、ベース部１２内に設けられたステージ制御装置２２により行なわれる。
【００１６】
吸着ステージ１８の下側には２台のカメラ２４が配置されている。２台のカメラ２４は、例えばＣＣＤカメラであり、透明なガラス等で形成された吸着ステージ１８上に載置された透明なプラスチックシート２０に設けられた位置決めマークであるアライメントマークを透明なプラスチックシート２０の裏側から撮像することができる。本実施形態では、アライメントマークはプラスチックシート２０の対角線上で非加工領域内の２箇所に設けられているものとし、アライメントマークの位置に合わせて２台のカメラ２４が配置されている。本実施形態では、プラスチックシート２０が透明であるため、プラスチックシート２０の表側に設けられたアライメントマークを裏側から撮像することができる。加工物が透明ではなくアライメントマークが加工物の表側に設けられている場合は、カメラを加工物の表側に配置すればよい。
【００１７】
カメラ２４で撮像したアライメントマークの画像データは、ベース部１２内に設けられた画像処理装置２６に送られる。画像処理装置２６は、アライメントマークの画像データを座標分析し、吸着ステージ１８上でのプラスチックシート２０の位置ずれを特定する。画像処理装置２６で特定されたプラスチックシート２０の位置ずれ量に関する情報を、レーザ加工機１６に供給する。レーザ加工機１６はプラスチックシート２０の位置ずれ量に応じてレーザ光の照射位置を調整しながら、プラスチックシート２０をレーザ加工する。
【００１８】
レーザ加工装置１０の全体の動作制御は、ベース部１２内に設けられた制御部２８が行なう。制御部２８は、例えばパーソナルコンピュータなどのコンピュータであり、上述のステージ制御装置２２及び画像処理装置２６も制御部２８に含まれることとしてもよい。
【００１９】
なお、本実施形態では、レーザ加工機１６のレーザ照射部分から加工位置に向かって広がりながら延在するダクト３０が設けられている。ダクト３０はプラスチックシート２０の加工中に発生する煙を集めて周囲に充満しないようにするために設けられる。ダクト３０で集められた煙はプラスチックシート２０から離れた場所に排出される。また、ダクト３０を設けることで、レーザ加工時に発生する散乱光などによるカメラ２４の損傷を防止することができる。
【００２０】
また、ベース部１２に表示装置３２が取り付けられており、表示装置３２にレーザ加工装置１０の状態を表示したり、表示装置３２を介して操作指令を入力したりすることができる。
【００２１】
次に、図１に示すレーザ加工装置１０によりプラスチックシート２０を加工する際のレーザ加工方法について説明する。図２はレーザ加工装置１０で行われるレーザ加工工程のフローチャートである。
【００２２】
プラスチックシート２０のレーザ加工を行なうには、まず、ステップＳ１において、加工物であるプラスチックシート２０を作業者がレーザ加工装置１０の吸着ステージ１８上に載置する。このとき、吸着ステージ１８はワークセット位置に移動している。プラスチックシート２０が吸着ステージ１８に載置されたら、吸引機構が作動してプラスチックシート２０は吸着ステージ１８に固定される。
【００２３】
次に、ステップＳ２において、カメラ２４によりプラスチックシート２０のアライメントマークを撮像しアライメントマークを画像検出する。そして、画像処理装置２６はアライメントマークを含む画像データからアライメントマークの座標位置Ａを求める。
【００２４】
続いて、ステップＳ３において、制御部２８はアライメント処理を行なう。アライメント処理では、アライメントマークの座標位置Ａに基づいてレーザ加工機１６からレーザ光を照射する位置が求められる。そして、ステップＳ４において、制御部２８はアライメントマークを検出したときの画像をメモリに格納して登録しておく。
【００２５】
次に、ステップＳ５において、制御部２８は移動機構を駆動して吸着ステージ１８を加工位置に移動する。したがって、吸着ステージ１８に固定されているプラスチックシート２０も加工位置に移動する。そして、レーザ加工機１６はレーザ光をプラスチックシート２０のアライメントマークの中心を目標にして照射して、アライメントマーク上にレーザ加工跡を形成する。
【００２６】
その後、ステップＳ６において、制御部２８は移動機構を駆動して吸着ステージ１８をワークセット位置に戻し、再びアライメントマークを画像検出する。このときのアライメントマーク上又はその近傍には、後述のようにレーザ加工跡が形成されている。
【００２７】
ここで、アライメントマーク及びレーザ加工跡について、図３乃至図５を参照しながら説明する。
【００２８】
図３はプラスチックシート２０の平面図である。プラスチックシート２０は、レーザ加工される加工領域２０ａと、加工領域２０ａの外側で加工されない非加工領域２０ｂとを有している。非加工領域２０ｂはプラスチックシート２０の外周部分であり、レーザ加工後に除去される部分である。
【００２９】
非加工領域２０ｂにおいて、右上の隅にレーザ加工跡形成領域２０ｃが設けられ、レーザレーザ加工跡形成領域２０ｃ内にアライメントマーク４０−１が設けられている。同様に、非加工領域２０ｂにおいて、左下の隅にもレーザ加工跡形成領域２０ｃが設けられ、レーザ加工跡形成領域２０ｃ内にアライメントマーク４０−２が設けられている。
【００３０】
レーザ加工跡形成領域２０ｃは後述のようにレーザ加工跡を形成するために設けられた領域である。レーザ加工領域２０ｃには、レーザ加工跡を画像検出したときにレーザ加工跡の輪郭が明瞭になるように、レーザ加工で容易に黒色に変色するようなマーキング用材料を塗布しておくことが好ましい。そのようなマーキング用材料として、例えばモリブデン含有複合酸化物が適することが知られている。あるいは、レーザに反応しやすい材料として、含リン酸無機物、含ホウ酸無機物、酸化ビスマスなどを含有した塗料を用いることもできる。
【００３１】
図４は２台のカメラ２４の一方で画像検出したアライメントマーク４０−１とレーザ加工跡４２−１の画像を示す。図５は２台のカメラ２４のもう一方で画像検出したアライメントマーク４０−２とレーザ加工跡４２−２の画像を示す。アライメントマーク４０−１，４０−２は十字形状のマークであるが、画像から位置決め用の基準を求めることができるような形状であれば、例えば長方形や正方形等の他の形状やそれらの組み合わせでもよい。
【００３２】
本実施形態では、プラスチックシート２０に設けられるアライメントマーク４０−１は、図４（ａ）に示すように十字形状のマークである。図４（ａ）に示す画像は、ステップＳ２において撮像したアライメントマーク４０−１の画像である。図４（ｂ）に示す画像は、ステップＳ６において撮像したアライメントマーク４０−１の画像である。図４（ｂ）に示す画像中のアライメントマーク４０−１上又はアライメントマーク４０−１の近傍には、ステップＳ５においてレーザ光を照射して形成したレーザ加工跡４２−１が形成されている。
【００３３】
ここで、ステップＳ５においてレーザ加工する目標位置は、図４（ａ）の点線で示すようにレーザ加工跡４２−１がアライメントマーク４０−１の中心を通るように、ステップＳ３で登録されたアライメントマーク４０−１の画像に基づいて設定される。すなわち、レーザ照射位置に誤差（ずれ）がなければ、図４（ａ）の点線で示す位置にレーザ加工跡が形成されるはずである。
【００３４】
ところが、レーザ加工機１６内の光学部品に歪みがあったり、レーザ加工機１６やレーザ加工機１６を支持するレーザ筐体用固定部１４やベース部１２などに熱変形が生じていると、レーザ光を目標位置に照射することができなくなる。すなわち、レーザ光を目標位置に照射するように設定しても、図４（ｂ）に示すように十字形のアライメントマーク４０−１の中心から偏った位置にレーザ光が照射されてレーザ加工跡４２−１が形成される。このときの、図４（ｂ）に示すアライメントマーク４０−１の中心とレーザ加工跡４２−１の中心との間の距離Ｄ１が、レーザ照射位置のずれ量に相当する。図４において、上下方向がプラスチックシート２０の縦方向に相当する。したがって、図４（ｂ）に示すずれ量（距離Ｄ１）はプラスチックシート２０の縦方向のずれ量に相当する。
【００３５】
図５（ａ）に示す画像は、ステップＳ２において撮像したアライメントマーク４０−２の画像である。図５（ｂ）に示す画像は、ステップＳ６において撮像したアライメントマーク４０−２の画像である。図５（ｂ）に示す画像中のアライメントマーク４０−２上又はアライメントマーク４０−２の近傍には、ステップＳ５においてレーザ光を照射して形成したレーザ加工跡４２−２が形成されている。
【００３６】
ここで、ステップＳ５においてレーザ加工する目標位置は、図５（ａ）の点線で示すようにレーザ加工跡４２−２がアライメントマーク４０−２の中心を通るように、ステップＳ３で登録されたアライメントマーク４０−２の画像に基づいて設定される。すなわち、レーザ照射位置に誤差（ずれ）がなければ、図５（ａ）の点線で示す位置にレーザ加工跡が形成されるはずである。
【００３７】
ところが、レーザ加工機１６内の光学部品に歪みがあったり、レーザ加工機１６を支持するレーザ筐体用固定部１４やベース部１２などに熱変形が生じていると、レーザ光を目標位置に照射することができなくなる。すなわち、レーザ光を目標位置に照射するように設定しても、図５（ｂ）に示すように十字形のアライメントマーク４０−１の中心から偏った位置にレーザ光が照射されてレーザ加工跡４２−２が形成される。このときの、図５（ｂ）に示すアライメントマーク４０−２の中心とレーザ加工跡４２−２の中心との間の距離Ｄ２が、レーザ照射位置のずれ量に相当する。図５において、左右方向がプラスチックシート２０の横方向に相当する。したがって、図５（ｂ）に示すずれ量（距離Ｄ２）はプラスチックシート２０の横方向のずれ量に相当する。
【００３８】
図２に戻ってレーザ加工工程の説明を続ける。ステップＳ６においてアライメントマークとレーザ加工跡を画像検出したら、処理はステップＳ７に進む。ステップＳ７では、画像処理装置２６はレーザ加工跡の中心を画像から求め、中心の位置をレーザ走査位置として座標位置Ｂを求める。そして、ステップＳ７において、制御部２８はアライメントマーク４０−１及び４０−２の各々に関して座標位置Ａと座標位置Ｂの差分を求める。この差分がレーザ照射位置のずれ量を表わす距離Ｄ１，Ｄ２に相当する。
【００３９】
ステップＳ８において、制御部２８はレーザ照射位置のずれ量を表わす距離Ｄ１，Ｄ２の情報をレーザ加工機１６に送信する。その後、ステップＳ１０において、吸着ステージ１８が加工位置に移動してプラスチックシート２０がレーザ加工位置に配置され、プラスチックシート２０のレーザ加工が行われる。このときのレーザ加工は、レーザ照射位置のずれ量を表わす距離Ｄ１，Ｄ２の情報に基づいてレーザ照射位置を補正してから行われる。したがって、レーザ照射位置に位置ずれがなく精度のよいレーザ加工を行うことができる。
【００４０】
レーザ照射位置の補正は、距離Ｄ１に基づいて縦方向（Ｙ方向）と、距離Ｄ２に基づいて横方向（Ｘ方向）の両方向について行うことができる。また、アライメントマークの中心線とレーザ加工跡の中心線との角度を検出することで、プラスチックシート２０の回転方向（θ方向）ずれ量を求めて補正することもできる。
【００４１】
ステップＳ１０におけるレーザ加工が長時間続く場合は、レーザ加工の途中で上述のステップＳ５からステップＳ９までの処理を再度行なうこととしてもよい。すなわち、レーザ加工を連続して続けていると、レーザ加工を始めた時点よりもレーザ加工装置１０の各部の温度が高くなるので、これに起因下レーザ照射位置のずれを補正するためにレーザ加工の途中で再度ずれ量を求めて補正するのである。
【００４２】
なお、上述の実施形態では、アライメントマークを２箇所に設け、一方を縦方向のずれ量を求めるために用い、他方を横方向のずれ量を求めるために使用したが、アライメントマークを必ずしも２箇所に設ける必要はない。例えば、１つのアライメントマークに対して、レーザ加工跡を縦方向と横方向に２つ形成し、１台のカメラで撮像した画像から、縦方向のずれ量と横方向のずれ量を求めることもできる。この場合、カメラも２台設ける必要はなく、１台のカメラでだけでよい。
【００４３】
以上のように、本実施形態によれば、非加工領域２０ｂに実際にレーザ加工を施してそのレーザ加工跡からレーザ照射位置のずれ量が求められる。このため、レーザ照射位置にずれを生じさせる可能性のある全ての要因を含めてのずれ量を求めることができ、精度のよいレーザ加工を実現することができる。
【００４４】
アライメントマークはプラスチックシート２０の位置決め用にもともと設けられているマークであり、レーザ照射位置補正のために特別に設けるものではない。また、カメラ２４もプラスチックシート２０の位置決め用にレーザ加工装置１０にもともと設けられている部品であり、レーザ照射位置補正のために特別に設けるものではない。したがって、本実施形態によれるレーザ加工方法は、制御部２８や画像処理装置２６での制御を変更するだけで、従来のレーザ加工装置の構造を変えることなく容易に実施することができる。
【００４５】
以上の如く、本明細書は以下の事項を開示する。
（付記１）
加工物の非加工領域にレーザ加工機からレーザ光を照射してレーザ加工跡を形成し、
前記非加工領域に設けられている位置決めマークの座標位置と前記レーザ加工跡の座標位置との差を求め、
求めた差に基づいて加工物上のレーザ照射位置を補正して前記加工物を前記レーザ加工機でレーザ加工する
レーザ加工方法。
（付記２）
付記１記載のレーザ加工方法であって、
前記位置決めマークの座標位置と前記レーザ加工跡の座標位置との差を求める際、前記非加工領域を撮像して得られた画像から認識するレーザ加工方法。
（付記３）
付記２記載のレーザ加工方法であって、
前記加工物上で前記位置決めマークが設けられた領域に、加工用のレーザ光に反応して変色する材料を塗布しておくレーザ加工方法。
（付記４）
付記１記載のレーザ加工方法であって、
前記加工物上に前記位置決めマークを２つ設けておき、一方の位置決めマークを用いて前記レーザ照射位置の縦方向のずれ量を求め、他方の位置決めマークを用いて前記レーザ照射位置の横方向のずれ量を求めるレーザ加工方法。
（付記５）
付記１記載のレーザ加工方法であって、
前記位置決めマークを前記加工物の外周付近に設けるレーザ加工方法。
（付記６）
付記１記載のレーザ加工方法であって、
前記加工物をレーザ加工している途中で、
前記加工物の前記非加工領域にレーザ光を照射してレーザ加工跡を形成し、
前記非加工領域に設けられている前記位置決めマークの座標位置と再び形成した前記レーザ加工跡の座標位置との差を求め、
求めた差に基づいて前記加工物上のレーザ照射位置を補正して前記レーザ加工を続ける
レーザ加工方法。
（付記７）
ベース部に対して固定部を介して固定されたレーザ加工機と、
ベース部上に設けられ、加工物が載置され固定されるステージと、
前記ステージ上の加工物に設けられた位置決めマークを撮像するカメラと、
前記レーザ加工機、前記ステージ、及び前記カメラの動作を制御する制御部と
を有し、
前記制御部は、前記加工物の非加工領域にレーザ加工機からレーザ光を照射してレーザ加工跡を形成し、前記非加工領域に設けられている位置決めマークの座標位置と前記レーザ加工跡の座標位置との差を求め、求めた差に基づいて加工物上のレーザ照射位置を補正して前記加工物を前記レーザ加工機でレーザ加工するように、前記レーザ加工機、前記ステージ、及び前記カメラの動作を制御するレーザ加工装置。
【符号の説明】
【００４６】
１０  レーザ加工装置
１２  ベース部
１４  レーザ筐体固定部
１６  レーザ加工機
１８  吸着ステージ
２０  プラスチックシート
２０ａ  加工領域
２０ｂ  非加工領域
２０ｃ  レーザ加工跡形成領域
２２  ステージ制御装置
２４  カメラ
２６  画像処理装置
２８  制御部
３０  ダクト
３２  表示装置
４０−１，４０−２  アライメントマーク
４２−１，４２−２  レーザ加工跡
【図１】
2010227962.tif 000003
【図２】
2010227962.tif 000004
【図３】
2010227962.tif 000005
【図４】
2010227962.tif 000006
【図５】
2010227962.tif 000007