(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを被加工物に照射して加工を行うレーザ加工機であって、
レーザビームの光軸を変化させて被加工物が設置される設置面上の所望の目標照射位置にビームを照射するレーザ照射装置と、
レーザビームの照射を受けてその照射位置を検出するビーム検出センサと、
前記ビーム検出センサを前記設置面に沿って移動させビームの目標照射位置近傍に位置づけるセンサ駆動装置とを具備し、
前記ビーム検出センサは、被加工物を設置する設置台に埋設されており、
前記センサ駆動装置は、前記設置台を移動させるものであり、
前記レーザ照射装置から出射するレーザビームの照射位置の較正を実施する際、レーザ照射装置から複数の照射位置を順次目標としてレーザビームを照射するとともに、各目標照射位置に向けてレーザビームを照射する都度、前記センサ駆動装置により前記ビーム検出センサを移動させて当該ビーム検出センサの所定の基準点を当該目標照射位置に位置づけることとし、
レーザ照射装置に指令したレーザビームの目標照射位置とビーム検出センサで検出した実際の照射位置との誤差に基づき、加工時にその目標照射位置に照射するためにレーザ照射装置に与えるべき指令の補正量を決定することができるレーザ加工機。
【請求項２】
前記レーザ照射装置に対しレーザビームを各目標照射位置に照射させるための指令を行う照射位置指令部と、
前記センサ駆動装置に対し前記ビーム検出センサの所定の基準点を目標照射位置に移動させるための指令を行うセンサ位置指令部と、
前記ビーム検出センサを介して目標照射位置と実際の照射位置との誤差を取得する誤差取得部と、
前記誤差取得部で取得した誤差に基づき、加工時にその目標照射位置に照射するためにレーザ照射装置に与えるべき指令の補正量を決定して記憶する補正量記憶部とを有する制御装置を具備する請求項１記載のレーザ加工機。
【請求項３】
前記レーザ照射装置はレーザ発振器から発振されるレーザビームを走査するガルバノスキャナとそのレーザビームを集光する集光レンズとを有する請求項１または２記載のレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームを被加工物の任意の箇所に照射して加工を行うレーザ加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
被加工物の任意の箇所にレーザビームを照射する加工機には、ビームの光軸を変化させるものがある。ビームの光軸を変化させるための具体的手段としては、ガルバノスキャナと集光レンズとの組み合わせが採用されることが少なくない（例えば、下記特許文献を参照）。
【特許文献１】特開２００８−０６８２７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
レーザビームの光軸を変化させる走査は、ガルバノスキャナ等の回転位置決め誤差及び集光レンズによる光学的な歪みによって平面座標系に対する誤差が発生する。レーザ加工に際しては、その誤差を予め取り除いておく必要がある。
【０００４】
従前では、テストピースに試験用のパターンをレーザ加工し、しかる後にこれを顕微鏡で観察して試験用のパターンと実際に形成されたパターンとの誤差を計測、その誤差を低減するような補正量をガルバノスキャナ等に対する指令値に加味していた。
【０００５】
しかしながら、テストピースに形成されたパターンを顕微鏡で調査するのに非常に時間がかかる上、加工機の組立調整や納品調整において必ずこのような補正作業を行うので、作業現場に高精度な顕微鏡が必須であった。さらに、レーザ発振器の光学調整や集光レンズの交換時にも補正作業を行うので、その都度顕微鏡を加工機の設置場所に持ち込まなければならなかった。
【０００６】
上記の問題に鑑みてなされた本発明は、レーザビームの照射位置の誤差を簡便に較正できるレーザ加工機を提供することを所期の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、レーザビームの光軸を変化させて被加工物が設置される設置面上の所望の目標照射位置にビームを照射するレーザ照射装置と、レーザビームの照射を受けてその照射位置を検出するビーム検出センサと、前記ビーム検出センサを前記設置面に沿って移動させビームの目標照射位置近傍に位置づけるセンサ駆動装置とを具備し、前記ビーム検出センサは、被加工物を設置する設置台に埋設されており、前記センサ駆動装置は、前記設置台を移動させるものであり、前記レーザ照射装置から出射するレーザビームの照射位置の較正を実施する際、レーザ照射装置から複数の照射位置を順次目標としてレーザビームを照射するとともに、各目標照射位置に向けてレーザビームを照射する都度、前記センサ駆動装置により前記ビーム検出センサを移動させて当該ビーム検出センサの所定の基準点を当該目標照射位置に位置づけることとし、レーザ照射装置に指令したレーザビームの目標照射位置とビーム検出センサで検出した実際の照射位置との誤差に基づき、加工時にその目標照射位置に照射するためにレーザ照射装置に与えるべき指令の補正量を決定することができるレーザ加工機を構成した。
【０００８】
即ち、レーザビームの目標照射位置近傍にあるビーム検出センサによって直接にビームの照射位置及びその誤差を計測するようにしたのである。このようなものであれば、テストピースに形成したパターンを顕微鏡で観測するという煩瑣な手間を省くことができ、簡便に照射位置の較正を行い得る。また、高精度の顕微鏡を現場に用意する必要もない。
【０００９】
前記ビーム検出センサが被加工物を設置する設置台に埋設されており、前記センサ駆動装置が前記設置台を移動させるものであれば、誤差計測の度にビーム検出センサを設営したり被加工物の設置前にビーム検出センサを取り除いたりする手順を要しない。
【００１０】
前記レーザ照射装置に対しレーザビームを各目標照射位置に照射させるための指令を行う照射位置指令部と、前記センサ駆動装置に対し前記ビーム検出センサの所定の基準点を目標照射位置に移動させるための指令を行うセンサ位置指令部と、前記ビーム検出センサを介して目標照射位置と実際の照射位置との誤差を取得する誤差取得部と、前記誤差取得部で取得した誤差に基づき、加工時にその目標照射位置に照射するためにレーザ照射装置に与えるべき指令の補正量を決定して記憶する補正量記憶部とを有する制御装置をさらに具備するものとすれば、較正を人力を介さず自動で行うことができる。
【００１２】
前記レーザ照射装置が、レーザ発振器から発振されるレーザビームを走査するガルバノスキャナとそのレーザビームを集光する集光レンズとを有するものであれば、従来のレーザ加工機におけるそれらを流用できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、レーザビームの照射位置の誤差を簡便に較正できるレーザ加工機を実現可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。本実施形態のレーザ加工機０は、図１に示すように、被加工物を設置する設置台４と、被加工物に向けてレーザビームＬを照射するレーザ照射装置１とを備え、被加工物の任意の箇所にレーザ加工を施すことのできるものである。
【００１５】
設置台４には、ビーム検出センサ２を設けている。このビーム検出センサ２は、被加工物を載置する設置面近傍におけるレーザビームＬの照射位置を検出するために存在し、レーザ照射装置１から出射したレーザビームＬを直接受ける。ビーム検出センサ２は、設置台４に埋設されていて、設置面よりも上方には突き出さない。被加工物を載置する際に、このビーム検出センサ２を取り除く必要はない。ビーム検出センサ２は、例えばＣＣＤセンサ２またはＣＭＯＳセンサである。
【００１６】
設置台４は、センサ駆動装置３たるＸＹステージ３により、設置面に対して略平行に移動可能に支持させてある。ＸＹステージ３は、リニア位置センサを内部に有し、任意のＸＹ座標に誤差なく位置づけることができる。
【００１７】
レーザ照射装置１は、レーザ発振器（図示しない）と、レーザ発振器から発振されるレーザビームＬを走査するガルバノスキャナ１１、１２、１２と、そのレーザビームＬを集光する集光レンズ１３とを有する。
【００１８】
ガルバノスキャナ１１、１２は、レーザビームＬを反射するミラー１１２、１２２をサーボモータ、ステッピングモータ等１１１、１２１で回動させるものであり、ビームＬの光軸を変化させることができる。本実施形態では、ビームＬの光軸をＸ軸方向に変化させるＸ軸ガルバノスキャナ１１と、ビームＬの光軸をＹ軸方向に変化させるＹ軸ガルバノスキャナ１２とを両備し、設置面上におけるビームＬの照射位置をＸＹ二次元方向に制御できる。
【００１９】
集光レンズ１３は、例えばＦθレンズ１３とする。
【００２０】
設置面に照射されるレーザビームＬの照射位置は、ガルバノスキャナ１１、１２の回転位置決め誤差の影響を受ける。また、集光レンズ１３による光学的な歪みも発生する。レーザビームＬの照射位置の誤差は、ガルバノスキャナ１１、１２の走査範囲の中央から距離が離れるに従って大きくなる傾向にある。図４中符号Ａに、その様子を模式的に示している。
【００２１】
ＸＹステージ３及びガルバノスキャナ１１、１２を制御する制御装置５は、図３に示すように、プロセッサ５ａ、メインメモリ５ｂ、補助記憶デバイス５ｃ、Ｉ／Ｏインタフェース５ｄ等を有し、これらがコントローラ５ｅ（システムコントローラやＩ／Ｏコントローラ等）によって制御されて連携動作するものである。補助記憶デバイス５ｃは、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ、その他である。Ｉ／Ｏインタフェース５ｄは、サーボドライバ（サーボコントローラ）を含むことがある。
【００２２】
制御装置５が実行するべきプログラムは、補助記憶デバイス５ｃに記憶されており、プログラム実行の際に、メインメモリ５ｂに読み込まれ、プロセッサ５ａによって解読される。そして、制御装置５はプログラムに従い、図２に示す、照射位置指令部５１、センサ位置指令部５２、較正用位置データ記憶部５３、誤差取得部５４、補正量記憶部５５、加工用位置データ記憶部５６、及び加工時制御部５７としての機能を発揮する。
【００２３】
照射位置指令部５１は、レーザ照射装置１に対し、レーザビームＬを目標照射位置に照射させるための指令を行う。具体的には、設置面上における目標ＸＹ座標にレーザビームＬを照射するべく、ガルバノスキャナ１１、１２に目標ＸＹ座標に対応した制御信号を入力してミラー１１２、１２２の角度を操作する。
【００２４】
センサ位置指令部５２は、センサ駆動装置３に対し、ビーム検出センサ２を目標照射位置近傍に移動させるための指令を行う。具体的には、設置面上における目標ＸＹ座標にビーム検出センサ２の所定の基準点を位置づけるべく、ＸＹステージ３に目標ＸＹ座標に対応した制御信号を入力して設置台４の位置を操作する。
【００２５】
較正用位置データ記憶部５３は、較正用の位置データを記憶する。本実施形態では、設置面上におけるＸＹ平面座標系の複数点にレーザビームＬを照射して、各点での照射位置の誤差を検出、各点毎の補正量を決定する。通常、１００点ないし２００点の誤差の検出及び補正量の決定を行うので、その１００点ないし２００点のＸＹ座標を較正用位置データとして記憶する。
【００２６】
誤差取得部５４は、レーザビームＬの目標照射位置と実際の照射位置との誤差を取得する。即ち、上記の較正用位置データのＸＹ座標と、そのＸＹ座標を目標にレーザビームＬを照射したときの実際の照射位置のＸＹ座標との誤差を取得する。具体的には、ビーム検出センサ２がレーザビームＬを感知した位置座標と、ビーム検出センサ２の基準点の位置座標とのＸ軸、Ｙ軸方向それぞれの差を計測する。
【００２７】
補正量記憶部５５は、レーザビームＬの目標照射位置と実際の照射位置との誤差に基づき、加工時にその目標照射位置に照射するためにレーザ照射装置１に与えるべき指令の補正量を決定して記憶する。具体的には、目標ＸＹ座標及びＸ軸方向誤差、Ｙ軸方向誤差を所定の関数式に代入してガルバノスキャナ１１、１２に与える制御信号のＸ軸方向補正量、Ｙ軸方向補正量を演算し、その補正量を先の目標ＸＹ座標に関連づけてメインメモリ５ｂまたは補助記憶デバイス５ｃに記憶させる。
【００２８】
加工用位置データ記憶部５６は、加工用の位置データを記憶する。加工用位置データ記憶部５６は、被加工物のどの箇所にレーザビームＬを照射するかを規定するＣＡＤデータ等、または加工時にレーザビームＬを照射する複数点のＸＹ座標を、加工用位置データとして記憶する。
【００２９】
加工時制御部５７は、上記の加工用位置データで規定される照射位置にレーザビームＬを照射するべく、レーザ照射装置１を制御する。具体的には、加工用位置データを読み出してレーザビームＬの目標照射位置のＸＹ座標を知得し、かつその目標ＸＹ座標に関連づけられた補正量を読み出す。目標ＸＹ座標に直結した補正量が補正量記憶部５５に記憶されていない場合には、目標ＸＹ座標に近い複数の座標に関連づけられた複数の補正量を読み出して、それらの補間により適当な補正量を算定する。そして、照射位置指令部５１を介して、目標ＸＹ座標に補正量を加味した座標に対応する制御信号を、ガルバノスキャナ１１、１２に入力する。結果、本来の目標ＸＹ座標に正しくレーザビームＬが照射される。
【００３０】
本実施形態のレーザ加工機０を使用するにあたっては、レーザ加工作業前にレーザビームＬの照射位置の較正を実施する。較正時に制御装置５が実行する処理の手順を、図５のフローチャートに示す。制御装置５は、記憶している較正用位置データに含まれるＸＹ座標を読み出し（ステップＳ１）、読み出した目標ＸＹ座標にビーム検出センサ２の基準点を位置づけるべく、ＸＹステージ３を操作する（ステップＳ２）。並びに、ステップＳ２と相前後して、読み出した目標ＸＹ座標にレーザビームＬを照射するべく、ガルバノスキャナ１１、１２を操作する（ステップＳ３）。続いて、レーザビームＬを照射し（ステップＳ４）、ビーム検出センサ２を介して実際にレーザビームＬを感知したＸＹ座標と目標ＸＹ座標との誤差を取得する（ステップＳ５）。そして、取得した誤差に基づいて補正量の決定を行い（ステップＳ６）、決定した補正量と目標ＸＹ座標との組を記憶する（ステップＳ７）。制御装置５は、上述のステップＳ１ないしＳ７を、較正用位置データに含まれる全てのＸＹ座標について補正量を決定するまで反復する（ステップＳ８）。
【００３１】
レーザ加工作業時には、設置台４に被加工物を設置するとともに、ＸＹステージ３を制御して設置台４を原点位置に復帰させる。加工時に制御装置５が実行する処理の手順を、図６のフローチャートに示す。制御装置５は、記憶している加工用位置データで規定されるＸＹ座標を読み出し（ステップＳ９）、その目標ＸＹ座標にレーザビームＬを照射する際のガルバノスキャナ１１、１２に対する指令の補正量を読み出すか、補間により取得する（ステップＳ１０）。続いて、目標ＸＹ座標に補正量を加味した座標に対応する制御信号をガルバノスキャナ１１、１２に入力し、ガルバノスキャナ１１、１２を操作する（ステップＳ１１）。そして、レーザビームＬを照射する（ステップＳ１２）。制御装置５は、上述のステップＳ９ないしＳ１２を、加工用位置データに規定される必要なＸＹ座標についてレーザ加工を施すまで反復する（ステップＳ１３）。
【００３２】
本実施形態によれば、レーザビームＬの光軸を変化させて被加工物が設置される設置面上の所望の目標照射位置にビームＬを照射するレーザ照射装置１と、レーザビームＬの照射を受けてその照射位置を検出するビーム検出センサ２と、前記ビーム検出センサ２を前記設置面に沿って移動させビームＬの目標照射位置近傍に位置づけるセンサ駆動装置３とを具備し、レーザ照射装置１に指令したレーザビームＬの目標照射位置とビーム検出センサ２で検出した実際の照射位置との誤差に基づき、加工時にその目標照射位置に照射するためにレーザ照射装置１に与えるべき指令の補正量を決定することができるレーザ加工機０を構成したため、センサによって直接にビームＬの照射位置及びその誤差を計測でき、テストピースに形成したパターンを顕微鏡で観測するという煩瑣な手間をかけなくとも簡便に照射位置の較正を行い得る。また、高精度の顕微鏡を現場に用意する必要もない。センサ駆動装置３たるＸＹステージ３は、その精度を十分に確保することが容易である。ＸＹステージ３の精度が十分であれば、設置面上のＸＹ座標系に対するビーム検出センサ２の位置決め精度は保証される。集光レンズ１３の交換等に伴うビーム検出センサ２の位置の再較正も要求されない。
【００３３】
前記ビーム検出センサ２が被加工物を設置する設置台４に埋設されており、前記センサ駆動装置３が前記設置台４を移動させるものであるため、誤差計測の度にセンサを設営したり被加工物の設置前にセンサを取り除いたりする手順を要しない。
【００３４】
前記レーザ照射装置１に対しレーザビームＬを目標照射位置に照射させるための指令を行う照射位置指令部５１と、前記センサ駆動装置３に対し前記ビーム検出センサ２を目標照射位置近傍に移動させるための指令を行うセンサ位置指令部５２と、前記ビーム検出センサ２を介して目標照射位置と実際の照射位置との誤差を取得する誤差取得部５４と、前記誤差取得部５４で取得した誤差に基づき、加工時にその目標照射位置に照射するためにレーザ照射装置１に与えるべき指令の補正量を決定して記憶する補正量記憶部５５とを有する制御装置５をさらに具備するものとしたため、較正を人力を介さず自動で、短時間で行うことができる。
【００３５】
前記レーザ照射装置１が、レーザ発振器から発振されるレーザビームＬを走査するガルバノスキャナ１１、１２とそのレーザビームＬを集光する集光レンズ１３とを有するものであるため、従来のレーザ加工機０におけるそれらを流用できる。
【００３６】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。
【００３８】
また、レーザビームＬの光軸を変化させる具体的手段は、ガルバノスキャナ１１、１２には限定されない。例えば、レーザ発振器から発振されたレーザビームＬを導く光ファイバの終端に取り付けたレーザビーム出射ノズルの角度をサーボモータ等１１１、１２１で制御する機構であってもよい。
【００３９】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ加工機を模式的に示す斜視図。
【図２】同レーザ加工機のハードウェア資源構成を示す図。
【図３】同レーザ加工機の機能ブロック構成図。
【図４】同レーザ加工機におけるレーザ照射装置を示す斜視図。
【図５】同レーザ加工機が較正時に実行する処理の手順を示すフローチャート。
【図６】同レーザ加工機が加工作業時に実行する処理の手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４１】
０…レーザ加工機
１…レーザ照射装置
１１、１２…ガルバノスキャナ
１３…集光レンズ
２…ビーム検出センサ
３…センサ駆動装置
４…設置台
５…制御装置
５１…照射位置指令部
５２…センサ位置指令部
５４…誤差取得部
５５…補正量記憶部
【図１】
0005519123.tif 000002
【図２】
0005519123.tif 000003
【図３】
0005519123.tif 000004
【図４】
0005519123.tif 000005
【図５】
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【図６】
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