(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒パイプ状の加工対象物を、その中心軸方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段と、
加工用レーザ光を２次元空間光変調器を介した後、対物レンズを介して、前記加工対象物の中心軸線方向であるＸ軸方向に対して垂直方向となるＺ軸方向から前記加工対象物の表面に照射し、前記加工対象物の表面に前記２次元空間光変調器による模様に対応した像を形成して前記加工対象物をレーザ加工する加工用レーザ光照射手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向周りに回転させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向周りに回転させる回転手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向に変位させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向に移動させる移動手段とを備えたレーザ加工装置において、
照射方向が前記Ｚ軸方向に設定されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と、照射方向が前記Ｚ軸方向と前記Ｘ軸方向とに対して垂直方向となるＹ軸方向に設定されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射手段と、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影又は前記加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＺ軸方向レーザ光検出手段と、
前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影又は前記加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＹ軸方向レーザ光検出手段と、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の前記加工対象物に対する照射により前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段から出力される受光信号に基づいて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記対物レンズを前記Ｙ軸方向に駆動するＹ軸方向サーボ手段と、
前記Ｙ軸方向サーボ手段による対物レンズのＹ軸方向への駆動の際に、前記対物レンズに入射する前の前記加工用レーザ光の光軸と前記対物レンズとの位置関係が同一になるように、前記加工用レーザ光の光軸を変位させる光軸位置変位手段と、
前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物に対する照射により前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段から出力される受光信号に基づいて、前記２次元空間光変調器による模様に対応した像が前記加工対象物の表面に形成されるように前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボ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、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｚ軸方向に照射するＺ軸方向照射手段と、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射するＹ軸方向照射手段とを備え、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段は、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力し、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段は、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ加工装置において、
前記Ｚ軸方向照射手段は、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、前記加工用レーザ光照射手段から照射される加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、かつ前記加工対象物に対して前記加工用レーザ光の照射方向とは反対方向から照射し、
前記加工用レーザ光を前記加工対象物に照射するための光路の途中に、前記光路に入射した前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記光路から分離して前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段の受光面に導く分離用光学素子を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、
前記対物レンズにより集光したレーザ光を前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光として前記加工用レーザ光と同軸となる位置で前記加工対象物へ前記Ｚ軸方向に照射するＺ軸方向照射手段と、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射するＹ軸方向照射手段とを備え、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段は、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力し、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段は、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のうちのいずれか１つに記載のレーザ加工装置において、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段の受光面への入射光路に、前記Ｚ軸方向に移動可能なサーボレーザ用リレーレンズを設け、
前記Ｚ軸方向サーボ手段は、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影が前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段の受光面の中央に位置するように前記サーボレーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に駆動することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
円筒パイプ状の加工対象物を、その中心軸方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段と、
加工用レーザ光を２次元空間光変調器を介した後、対物レンズを介して、前記加工対象物の中心軸線方向であるＸ軸方向に対して垂直方向となるＺ軸方向から前記加工対象物の表面に照射し、前記加工対象物の表面に前記２次元空間光変調器による模様に対応した像を形成して前記加工対象物をレーザ加工する加工用レーザ光照射手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向周りに回転させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向周りに回転させる回転手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向に変位させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向に移動させる移動手段と、
照射方向が前記Ｚ軸方向に設定されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と、照射方向が前記Ｚ軸方向と前記Ｘ軸方向とに対して垂直方向となるＹ軸方向に設定されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射手段と、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及び前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物にそれぞれ照射して形成される前記加工対象物の射影又は前記加工対象物からの反射光をそれぞれ受光して、受光位置に応じた受光信号をそれぞれ出力するサーボ用レーザ光受光手段と、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の前記加工対象物に対する照射により前記サーボ用レーザ光受光手段から出力される受光信号に基づいて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記対物レンズを前記Ｙ軸方向に駆動するＹ軸方向サーボ手段と、
前記Ｙ軸方向サーボ手段による対物レンズのＹ軸方向への駆動の際に、前記対物レンズに入射する前の前記加工用レーザ光の光軸と前記対物レンズとの位置関係が同一になるように、前記加工用レーザ光の光軸を変位させる光軸位置変位手段と、
前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物に対する照射により前記サーボ用レーザ光受光手段から出力される受光信号に基づいて、前記２次元空間光変調器による模様に対応した像が前記加工対象物の表面に形成されるように前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボ手段とを備えたレーザ加工装置であって、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射する第１Ｙ軸方向照射手段と、
前記加工対象物の直径よりも小さな直径に集光したレーザ光を第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射する第２Ｙ軸方向照射手段とを備え、
前記サーボ用レーザ光受光手段は、
前記第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力する第１Ｙ軸方向レーザ光検出器と、
前記第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力する第２Ｙ軸方向レーザ光検出器とを備え、
前記第１Ｙ軸方向レーザ光検出器と前記第２Ｙ軸方向レーザ光検出器との共通の入射光路に、前記Ｚ軸方向に移動可能なサーボレーザ用リレーレンズを設け、
前記Ｚ軸方向サーボ手段は、
前記第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影が前記第１Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように前記サーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記対物レンズをＺ軸方向に駆動する第１Ｚ軸方向サーボ手段と、
前記第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光が前記第２Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように前記サーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に駆動する第２Ｚ軸方向サーボ手段と、
前記第１Ｚ軸方向サーボ手段の作動の後に、前記第２Ｚ軸方向サーボ手段が作動するように作動切替を行う作動切替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７】
円筒パイプ状の加工対象物を、その中心軸方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段と、
加工用レーザ光を２次元空間光変調器を介した後、対物レンズを介して、前記加工対象物の中心軸線方向であるＸ軸方向に対して垂直方向となるＺ軸方向から前記加工対象物の表面に照射し、前記加工対象物の表面に前記２次元空間光変調器による模様に対応した像を形成して前記加工対象物をレーザ加工する加工用レーザ光照射手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向周りに回転させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向周りに回転させる回転手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向に変位させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向に移動させる移動手段と、
照射方向が前記Ｚ軸方向に設定されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と、照射方向が前記Ｚ軸方向と前記Ｘ軸方向とに対して垂直方向となるＹ軸方向に設定されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射手段と、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及び前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物にそれぞれ照射して形成される前記加工対象物の射影又は前記加工対象物からの反射光をそれぞれ受光して、受光位置に応じた受光信号をそれぞれ出力するサーボ用レーザ光受光手段と、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の前記加工対象物に対する照射により前記サーボ用レーザ光受光手段から出力される受光信号に基づいて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記対物レンズを前記Ｙ軸方向に駆動するＹ軸方向サーボ手段と、
前記Ｙ軸方向サーボ手段による対物レンズのＹ軸方向への駆動の際に、前記対物レンズに入射する前の前記加工用レーザ光の光軸と前記対物レンズとの位置関係が同一になるように、前記加工用レーザ光の光軸を変位させる光軸位置変位手段と、
前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物に対する照射により前記サーボ用レーザ光受光手段から出力される受光信号に基づいて、前記２次元空間光変調器による模様に対応した像が前記加工対象物の表面に形成されるように前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボ手段とを備えたレーザ加工装置であって、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用レーザ光として出射する共通サーボ用レーザ光出射手段と、
前記共通サーボ用レーザ光出射手段からのサーボ用レーザ光を前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光と前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とに分離する分離光学素子とを備え、
前記サーボ用レーザ光受光手段は、
受光領域が十字状に分割された受光面を有し、各受光領域ごとに受光した光強度に応じた受光信号を出力するレーザ光検出器と、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光と前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射して形成されるそれぞれの射影が十字状にクロスするように合成して前記レーザ光検出器の受光面に導く合成光学素子とを備え、
前記Ｙ軸方向サーボ手段は、前記レーザ光検出器の左右又は上下の受光領域における受光信号の差に基づいて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記対物レンズを前記Ｙ軸方向に駆動し、
前記Ｚ軸方向サーボ手段は、前記レーザ光検出器の上下又は左右の受光領域における受光信号の差に基づいて、前記２次元空間光変調器による模様に対応した像が前記加工対象物の表面に形成されるように前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に駆動することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のうちのいずれか１つに記載のレーザ加工装置において、
前記加工用レーザ光照射手段により前記加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を検出し、前記検出した反射光の強度が基準値以下となる場合に、前記Ｙ軸方向サーボ手段又は前記Ｚ軸方向サーボ手段によるサーボ制御が適正でないと判定するサーボ制御不適正判定手段を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
円筒パイプ状の加工対象物を、その中心軸方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段と、
加工用レーザ光を２次元空間光変調器を介した後、対物レンズを介して、前記加工対象物の中心軸線方向であるＸ軸方向に対して垂直方向となるＺ軸方向から前記加工対象物の表面に照射し、前記加工対象物の表面に前記２次元空間光変調器による模様に対応した像を形成して前記加工対象物をレーザ加工する加工用レーザ光照射手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向周りに回転させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向周りに回転させる回転手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向に変位させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向に移動させる移動手段とを備えたレーザ加工装置に適用され、前記加工用レーザ光の照射位置を制御するサーボ制御方法において、
照射方向が前記Ｚ軸方向に設定されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と、照射方向が前記Ｚ軸方向と前記Ｘ軸方向とに対して垂直方向となるＹ軸方向に設定されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射ステップと、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影又は前記加工対象物からの反射光をＺ軸方向レーザ検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＺ軸方向レーザ光検出ステップと、
前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影又は前記加工対象物からの反射光をＹ軸方向レーザ検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＹ軸方向レーザ光検出ステップと、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の前記加工対象物に対する照射により前記Ｚ軸方向レーザ光検出ステップで出力される受光信号に基づいて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記対物レンズを前記Ｙ軸方向に駆動するＹ軸方向サーボステップと、
前記Ｙ軸方向サーボステップによる対物レンズのＹ軸方向への駆動の際に、前記対物レンズに入射する前の前記加工用レーザ光の光軸と前記対物レンズとの位置関係が同一になるように、前記加工用レーザ光の光軸を変位させる光軸位置変位ステップと、
前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物に対する照射により前記Ｙ軸方向サーボステップで出力される受光信号に基づいて、前記２次元空間光変調器による模様に対応した像が前記加工対象物の表面に形成されるように前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボステップとを含むことを特徴とするレーザ加工装置のサーボ制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のレーザ加工装置のサーボ制御方法において、
前記サーボ用レーザ光照射ステップは、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｚ軸方向に照射するＺ軸方向照射ステップと、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射するＹ軸方向照射ステップとを含み、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出ステップは、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を前記Ｚ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力し、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出ステップは、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力することを特徴とするレーザ加工装置のサーボ制御方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のレーザ加工装置のサーボ制御方法において、
前記Ｚ軸方向照射ステップは、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、前記加工用レーザ光照射手段から照射される加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、かつ前記加工対象物に対して前記加工用レーザ光の照射方向とは反対方向から照射し、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出ステップは、前記加工用レーザ光を前記加工対象物に照射するための光路の途中に設けた分離用光学素子により、前記光路に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記光路から分離して前記Ｚ軸方向レーザ光検出器の受光面に導くステップを含むことを特徴とするレーザ加工装置のサーボ制御方法。
【請求項１２】
請求項９に記載のレーザ加工装置のサーボ制御方法において、
前記サーボ用レーザ光照射ステップは、
前記対物レンズにより集光したレーザ光を前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光として前記加工用レーザ光と同軸となる位置で前記加工対象物へ前記Ｚ軸方向に照射するＺ軸方向照射ステップと、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射するＹ軸方向照射ステップとを含み、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出ステップは、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の前記加工対象物の反射光を前記Ｚ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力し、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出ステップは、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力することを特徴とするレーザ加工装置のサーボ制御方法。
【請求項１３】
請求項９乃至請求項１２のうちのいずれか１つに記載のレーザ加工装置のサーボ制御方法において、
前記Ｚ軸方向サーボステップは、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面への入射光路に、前記Ｚ軸方向に移動可能に設けられたサーボレーザ用リレーレンズを、前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の出力する受光信号に基づいて、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影が前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記対物レンズをＺ軸方向に駆動することを特徴とするレーザ加工装置のサーボ制御方法。
【請求項１４】
円筒パイプ状の加工対象物を、その中心軸方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段と、
加工用レーザ光を２次元空間光変調器を介した後、対物レンズを介して、前記加工対象物の中心軸線方向であるＸ軸方向に対して垂直方向となるＺ軸方向から前記加工対象物の表面に照射し、前記加工対象物の表面に前記２次元空間光変調器による模様に対応した像を形成して前記加工対象物をレーザ加工する加工用レーザ光照射手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向周りに回転させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向周りに回転させる回転手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向に変位させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向に移動させる移動手段とを備えたレーザ加工装置に適用され、
照射方向が前記Ｚ軸方向に設定されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と、照射方向が前記Ｚ軸方向と前記Ｘ軸方向とに対して垂直方向となるＹ軸方向に設定されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射ステップと、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及び前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物にそれぞれ照射して形成される前記加工対象物の射影又は前記加工対象物からの反射光をそれぞれ受光して、受光位置に応じた受光信号をそれぞれ出力するサーボ用レーザ光受光ステップと、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の前記加工対象物に対する照射により前記サーボ用レーザ光受光ステップで出力される受光信号に基づいて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記対物レンズを前記Ｙ軸方向に駆動するＹ軸方向サーボステップと、
前記Ｙ軸方向サーボステップによる対物レンズのＹ軸方向への駆動の際に、前記対物レンズに入射する前の前記加工用レーザ光の光軸と前記対物レンズとの位置関係が同一になるように、前記加工用レーザ光の光軸を変位させる光軸位置変位ステップと、
前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物に対する照射により前記サーボ用レーザ光受光ステップで出力される受光信号に基づいて、前記２次元空間光変調器による模様に対応した像が前記加工対象物の表面に形成されるように前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボステップとを含み、前記加工用レーザ光の照射位置を制御するサーボ制御方法であって、
前記サーボ用レーザ光照射ステップは、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射する第１Ｙ軸方向照射ステップと、
前記加工対象物の直径よりも小さな直径に集光したレーザ光を第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射する第２Ｙ軸方向照射ステップとを含み、
前記サーボ用レーザ光受光ステップは、
前記第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を第１Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力する第１Ｙ軸方向レーザ光検出ステップと、
前記第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光を第２Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力する第２Ｙ軸方向レーザ光検出ステップとを含み、
前記Ｚ軸方向サーボステップは、
第１Ｙ軸方向レーザ光検出器と前記第２Ｙ軸方向レーザ光検出器との共通の入射光路に、前記Ｚ軸方向に移動可能に設けられたサーボレーザ用リレーレンズを、前記第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影が前記第１Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に駆動する第１Ｚ軸方向サーボステップと、
第１Ｚ軸方向サーボステップの後に行われ、前記第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光が前記第２Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように前記サーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に駆動する第２Ｚ軸方向サーボステップとを含むことを特徴とするレーザ加工装置のサーボ制御方法。
【請求項１５】
円筒パイプ状の加工対象物を、その中心軸方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段と、
加工用レーザ光を２次元空間光変調器を介した後、対物レンズを介して、前記加工対象物の中心軸線方向であるＸ軸方向に対して垂直方向となるＺ軸方向から前記加工対象物の表面に照射し、前記加工対象物の表面に前記２次元空間光変調器による模様に対応した像を形成して前記加工対象物をレーザ加工する加工用レーザ光照射手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向周りに回転させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向周りに回転させる回転手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向に変位させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向に移動させる移動手段とを備えたレーザ加工装置に適用され、
照射方向が前記Ｚ軸方向に設定されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と、照射方向が前記Ｚ軸方向と前記Ｘ軸方向とに対して垂直方向となるＹ軸方向に設定されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射ステップと、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及び前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物にそれぞれ照射して形成される前記加工対象物の射影又は前記加工対象物からの反射光をそれぞれ受光して、受光位置に応じた受光信号をそれぞれ出力するサーボ用レーザ光受光ステップと、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の前記加工対象物に対する照射により前記サーボ用レーザ光受光ステップで出力される受光信号に基づいて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記対物レンズを前記Ｙ軸方向に駆動するＹ軸方向サーボステップと、
前記Ｙ軸方向サーボステップによる対物レンズのＹ軸方向への駆動の際に、前記対物レンズに入射する前の前記加工用レーザ光の光軸と前記対物レンズとの位置関係が同一になるように、前記加工用レーザ光の光軸を変位させる光軸位置変位ステップと、
前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物に対する照射により前記サーボ用レーザ光受光ステップで出力される受光信号に基づいて、前記２次元空間光変調器による模様に対応した像が前記加工対象物の表面に形成されるように前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボステップとを含み、前記加工用レーザ光の照射位置を制御するサーボ制御方法であって、
前記サーボ用レーザ光照射ステップは、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用レーザ光として出射するとともに、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光と前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とに分離するステップを含み、
前記サーボ用レーザ光受光ステップは、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光と前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射して形成される射影が十字状にクロスするように合成し、受光領域が十字状に分割された受光面を備え、各受光領域ごとに光強度に応じた受光信号を出力するレーザ光検出器の受光面に、前記合成した射影を導くステップを含み、
前記Ｙ軸方向サーボステップは、前記レーザ光検出器の左右又は上下の受光領域における受光信号の差に基づいて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記対物レンズを前記Ｙ軸方向に駆動し、
前記Ｚ軸方向サーボステップは、前記レーザ光検出器の上下又は左右の受光領域における受光信号の差に基づいて、前記２次元空間光変調器による模様に対応した像が前記加工対象物の表面に形成されるように前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に駆動することを特徴とするレーザ加工装置のサーボ制御方法。
【請求項１６】
請求項９乃至請求項１５のうちのいずれか１つに記載のレーザ加工装置のサーボ制御方法において、
前記加工用レーザ光照射ステップにより前記加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を検出し、前記検出した反射光の強度が基準値以下となる場合に、前記Ｙ軸方向サーボステップ又は前記Ｚ軸方向サーボステップによるサーボ制御が適正でないと判定するサーボ制御不適正判定ステップを含むことを特徴とするレーザ加工装置のサーボ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒パイプ状の加工対象物の表面をレーザ加工するレーザ加工装置、及びレーザ加工装置におけるレーザ光の照射位置を加工対象物の適正位置に合わせるサーボ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加工対象物へのレーザ光照射により複雑な模様を描画する場合、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）やドット形成の液晶のような２次元空間光変調器で変調されたレーザ光を表面が感光材料である加工対象物に照射し、加工対象物の移動に合わせて２次元空間光変調器に出力するデータを変化させることで２次元空間光変調器による描画模様を様々に変化させ、全体として複雑な模様を描画する方法がある。そして、加工対象物を移動させる方法としては、例えば下記特許文献１に示されているように、ドラム状の固定治具の外周面にシート状の加工対象物を固定し、固定治具をその中心軸周りに回転させながら軸方向に沿って照射されるレーザ光と相対的に移動させる方法がある。このとき加工対象物の表面に２次元空間光変調器による模様に対応した像が適正に形成されるのは加工対象物に照射されるレーザ光の光軸上の一点を含むレーザ光の光軸に垂直な面であり、加工対象物の表面がこの面に一致しないと、ピンボケの状態となって精度よく模様を描画することができない。このため、前記像が加工対象物の表面に適正に形成されるように加工対象物の位置を制御する必要がある。下記特許文献１では、結像される光のドラム周方向の長さを規制するようにしているが、ドラムが結像されるレーザ光の光軸方向に変動する場合、前記規制のみでは、レーザ光による像を加工対象物の表面に常に適正に形成することはできない。
【０００３】
この場合には、下記特許文献２に示されているように、描画用レーザ光（加工用レーザ光）とは別にサーボ用レーザ光を描画用レーザ光の光軸と一致させて加工対象物に照射し、光ディスク装置におけるフォーカスサーボ制御と同じように、加工対象物からのサーボ用レーザ光の反射光を用いてサーボ用レーザ光の焦点を加工対象物の表面と一致させるサーボ制御を行えばよい。描画用レーザ光とサーボ用レーザ光は同一の対物レンズにより集光されるので、描画用レーザ光による像が適正に形成される位置とサーボ用レーザ光の焦点を合わせ、サーボ用レーザ光の焦点が常に加工対象物の表面と一致するようにすれば、描画用レーザ光による像が加工対象物の表面に常に適正に形成されるようにすることができる。下記特許文献２では、描画用レーザ光とサーボ用レーザ光の焦点位置がレーザ光の照射方向で異なっているが、下記特許文献１に示された技術に適用する場合には同じ位置にすればよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２５５６６５号公報
【特許文献２】特開２００８−９３７２４号公報
【発明の概要】
【０００５】
しかしながら、上記フォーカスサーボ制御は、レーザ光を加工対象物の表面に垂直に照射できることを前提としているが、レーザ加工（レーザ光による描画）を、ステントのような非常に細い円筒パイプ状で円周面が複雑な模様になっているものを作成するために行う場合には、レーザ光の光軸が円筒パイプの中心からずれている（交差しない）と、レーザ光を加工対象物の表面に対して斜めに照射してしまうため、適切なサーボ用エラー信号を生成することができない。こうした場合においては、加工対象物のレーザ光の光軸方向の変動に加えて、光軸に垂直な方向の変動も考慮しなければならない。したがって、従来のサーボ制御では、レーザ光の焦点が加工対象物の適正位置になるように制御することは不可能であった。なお、ステントとは、人体の血管、気管などの管状の部分に挿入し、管腔内部から広げて管の狭窄を防止する治療に用いるものであり、人体の管の径に合わせて様々な大きさのものがある。血管のような直径の小さな管用のステントの直径は０．５ｍｍから３ｍｍといった細さであり、またステントの中には直径が０．５ｍｍよりも小さなものもある。そして、ステントには円周面が複雑な模様になっているものも開発されている。
【０００６】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、直径が非常に小さい円筒パイプ状の加工対象物ＯＢの表面に２次元空間光変調器を用いてレーザ加工による模様を形成する際、模様に対応したレーザ光による像が加工対象物ＯＢの表面に的確に形成されるようにすることにある。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、後述する実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、円筒パイプ状の加工対象物（ＯＢ）を、その中心軸方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段（５１）と、加工用レーザ光を２次元空間光変調器（１１０）を介した後、対物レンズ（１２２）を介して、加工対象物の中心軸線方向であるＸ軸方向に対して垂直方向となるＺ軸方向から加工対象物の表面に照射し、加工対象物の表面に２次元空間光変調器による模様に対応した像を形成して加工対象物をレーザ加工する加工用レーザ光照射手段（１０２，１０４，１１０，１１２，１２２）と、加工対象物又は加工用レーザ光照射手段をＸ軸方向周りに回転させて、加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、加工対象物に対して相対的にＸ軸方向周りに回転させる回転手段（５２）と、加工対象物又は加工用レーザ光照射手段をＸ軸方向に変位させて、加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、加工対象物に対して相対的にＸ軸方向に移動させる移動手段（５３〜５５）とを備えたレーザ加工装置において、照射方向がＺ軸方向に設定されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と、照射方向がＺ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直方向となるＹ軸方向に設定されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射手段（２０２，２０４，３０２，３０４，１４４，１４６，４０４，４１０，４１２，２１２）と、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影又は加工対象物からの反射光を受光面に受けて、受光面における射影又は反射光の位置に応じた受光信号を出力するＺ軸方向レーザ光検出手段（１４０，１５２）と、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影又は加工対象物からの反射光を受光面に受けて、受光面における射影又は反射光の位置に応じた受光信号を出力するＹ軸方向レーザ光検出手段（４０２）と、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の加工対象物に対する照射によりＺ軸方向レーザ光検出手段から出力される受光信号に基づいて、加工用レーザ光の光軸が加工対象物の中心軸と交差するように対物レンズをＹ軸方向に駆動するＹ軸方向サーボ手段（１２６ｙ，１７１〜１７３，５６１〜５６３）と、Ｙ軸方向サーボ手段による対物レンズのＹ軸方向への駆動の際に、対物レンズに入射する前の加工用レーザ光の光軸と対物レンズとの位置関係が同一になるように、加工用レーザ光の光軸を変位させる光軸位置変位手段（１２６ｙ，１２０，１２４）と、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物に対する照射によりＹ軸方向レーザ光検出手段から出力される受光信号に基づいて、２次元空間光変調器による模様に対応した像が加工対象物の表面に形成されるように対物レンズをＺ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボ手段（１２６ｚ，１７５〜１７７，５７１〜５７３）とを備えたことにある。
【０００９】
この場合、サーボ用レーザ光照射手段は、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光として加工対象物へＺ軸方向に照射するＺ軸方向照射手段（２０２，２０４）と、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光として加工対象物へＹ軸方向に照射するＹ軸方向照射手段（３０２，３０４）とを備え、Ｚ軸方向レーザ光検出手段（１４０）は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、受光面における射影の位置に応じた受光信号を出力し、Ｙ軸方向レーザ光検出手段（４０２）は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、受光面における射影の位置に応じた受光信号を出力するするとよい。
【００１０】
また、この場合、Ｚ軸方向照射手段（２０２，２０４）は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、加工用レーザ光照射手段から照射される加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、かつ加工対象物に対して加工用レーザ光の照射方向とは反対方向から照射し、加工用レーザ光を加工対象物に照射するための光路の途中に、光路に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を光路から分離してＺ軸方向レーザ光検出手段の受光面に導く分離用光学素子（１１８）を備えるとよい。
【００１１】
また、この場合、サーボ用レーザ光照射手段は、対物レンズにより集光したレーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光として加工用レーザ光と同軸となる位置で加工対象物へＺ軸方向に照射するＺ軸方向照射手段（１４４，１４６）と、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光として加工対象物へＹ軸方向に照射するＹ軸方向照射手段（３０２，３０４）とを備え、Ｚ軸方向レーザ光検出手段（１５２）は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の加工対象物からの反射光を受光面に受けて、受光面における反射光の位置に応じた受光信号を出力し、Ｙ軸方向レーザ光検出手段（４０２）は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、受光面における射影の位置に応じた受光信号を出力するとよい。
【００１２】
上記のように構成したレーザ加工装置においては、Ｚ軸方向とＹ軸方向との２方向における加工対象物の射影又は加工対象物からの反射光の検出位置に基づいて、Ｘ軸方向サーボ手段及びＹ軸方向サーボ手段が対物レンズをサーボ駆動制御する。したがって、加工対象物の位置がＺ軸方向及びＹ軸方向に変動しても、２次元空間光変調器による模様の像を加工対象物の表面に的確に形成でき、加工対象物を良好に加工することができる。また、光軸位置変位手段が、対物レンズに入射する前の加工用レーザ光の光軸と対物レンズとの位置関係が同一になるように加工用レーザ光の光軸を変位させるので、２次元空間光変調器からの加工用レーザ光が対物レンズに常に同じように入射し、２次元空間光変調器による模様の像が加工対象物の表面に常に同じように形成されるので、加工対象物は適正に加工されるようになる。
【００１３】
本発明の他の特徴は、Ｙ軸方向レーザ光検出手段の受光面への入射光路に、Ｚ軸方向に移動可能なサーボレーザ用リレーレンズ（４０４）を設け、Ｚ軸方向サーボ手段（１２６ｚ，１７１，１８２，１８３，４０８）は、Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影がＹ軸方向レーザ光検出手段の受光面の中央に位置するようにサーボレーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動するとともに、サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて対物レンズをＺ軸方向に駆動することすることにある。
【００１４】
上記のように構成したレーザ加工装置においては、Ｚ軸方向サーボ手段が、Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物の棒状の射影がＹ軸方向レーザ光検出手段の受光面の中央に位置するようにサーボレーザ用リレーレンズを駆動する。加工対象物がＺ軸方向に変位すると、それに伴って、Ｙ軸方向レーザ光検出手段の受光面に映し出されるサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物の射影が移動するが、サーボ用リレーレンズを光軸に対して垂直方向に加工対象物の変位と同じだけ変位させると、加工対象物の射影の位置は変化しない。したがって、Ｚ軸方向サーボ手段は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物の射影の位置をフィードバックして、射影がＹ軸方向レーザ光検出手段の受光面の中央に位置するようにサーボ用リレーレンズレンズを駆動制御することができる。
【００１５】
また、Ｚ軸方向サーボ手段は、このサーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて対物レンズをＺ軸方向に駆動することにより、２次元空間光変調器による模様に対応した像を加工対象物の表面に的確に形成させる。この結果、Ｚ軸方向サーボ手段の精度が向上するとともに、２次元空間光変調器による模様に対応した像の形成位置の調整範囲を広くすることができる。
【００１６】
本発明の他の特徴は、サーボ用レーザ光照射手段は、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として加工対象物へＹ軸方向に照射する第１Ｙ軸方向照射手段（３０２，３０４）と、加工対象物の直径よりも小さな直径に集光したレーザ光を第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として加工対象物へＹ軸方向に照射する第２Ｙ軸方向照射手段（４１０，４１２，４０４）とを備え、サーボ用レーザ光受光手段は、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、受光面における射影の位置に応じた受光信号を出力する第１Ｙ軸方向レーザ光検出器（４０２）と、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物からの反射光を受光面に受けて、受光面における反射光の位置に応じた受光信号を出力する第２Ｙ軸方向レーザ光検出器（４２４）とを備え、第１Ｙ軸方向レーザ光検出器と第２Ｙ軸方向レーザ光検出器との共通の入射光路に、Ｚ軸方向に移動可能なサーボレーザ用リレーレンズ（４０４）を設け、Ｚ軸方向サーボ手段は、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影が第１Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するようにサーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて対物レンズをＺ軸方向に駆動する第１Ｚ軸方向サーボ手段（１２６Ｚ，１９１１，１９２１，１８３，４０８）と、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物からの反射光が第２Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するようにサーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて対物レンズをＺ軸方向に駆動する第２Ｚ軸方向サーボ手段（１２６Ｚ，１９１２，１９２２，１８３，４０８））と、第１Ｚ軸方向サーボ手段の作動の後に、第２Ｚ軸方向サーボ手段が作動するように作動切替を行う作動切替手段（９０，Ｓ２０１〜Ｓ２０４）とを備えたことにある。
【００１７】
上記のように構成したレーザ加工装置においては、２次元空間光変調器による模様に対応した像の形成位置と加工対象物の表面とのずれを検出する場合、加工対象物の射影位置を用いれば検出範囲が広くなり、加工対象物の反射光位置を用いれば検出精度が高くなる。したがって、先に、加工対象物の射影位置に基づいてＺ軸方向のサーボ制御を開始し（サーボ制御の引き込みを行い）、その後、加工対象物の反射光位置に基づいてＺ軸方向のサーボ制御を行うことで、Ｚ軸方向のサーボ制御の引き込みを確実に行え、Ｚ軸方向のサーボ制御を高精度に行うことができる。
【００１８】
本発明の他の特徴は、サーボ用レーザ光照射手段は、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用レーザ光として出射する共通サーボ用レーザ光出射手段（２０２，２０４）と、共通サーボ用レーザ出射手段からのサーボ用レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とに分離する分離光学素子（２１２）とを備え、サーボ用レーザ光受光手段は、受光領域が十字状に分割された受光面を有し、各受光領域ごとに受光した光強度に応じた受光信号を出力するレーザ光検出器（２３０）と、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを加工対象物に照射して形成されるそれぞれの射影が十字状にクロスするように合成してレーザ光検出器の受光面に導く合成光学素子（２２８，２３２）とを備え、Ｙ軸方向サーボ手段（１２６ｙ，５６１〜５６３）は、レーザ光検出器の左右又は上下の受光領域における受光信号の差に基づいて、加工用レーザ光の光軸が加工対象物の中心軸と交差するように対物レンズをＹ軸方向に駆動し、Ｚ軸方向サーボ手段（１２６ｚ，５７１〜５７３）は、レーザ光検出器の上下又は左右の受光領域における受光信号の差に基づいて、２次元空間光変調器による模様に対応した像が加工対象物の表面に形成されるように対物レンズをＺ軸方向に駆動することにある。
【００１９】
上記のように構成したレーザ加工装置によれば、サーボ用のレーザ光源、レーザ光検出器、その他の光学素子を減らすことができるため、低コスト化を図ることができる。尚、本発明において、上下、左右とは、絶対的な方向を意味するものではなく、受光面における一方の方向を上下と定義したときに、それに対して垂直な方向を左右と定義するものである。
【００２０】
本発明の他の特徴は、加工用レーザ光照射手段により加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を検出し、前記検出した反射光の強度が基準値以下となる場合に、Ｙ軸方向サーボ手段又はＺ軸方向サーボ手段によるサーボ制御が適正でないと判定するサーボ制御不適正判定手段を備えたこと（１３２，９０，Ｓ１１２〜Ｓ１１６）を備えたことにある。
【００２１】
本発明においては、サーボ制御不適正判定手段が、加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を検出し、検出した反射光の強度が基準値以下となる場合に、２次元空間光変調器による模様に対応した像が加工対象物の表面に適正に形成されていないと判定する。したがって、レーザ加工を開始する前に、Ｙ軸方向サーボ手段とＺ軸方向サーボ手段とを作動させた状態で、サーボ制御不適正判定手段によりサーボ制御が適正に行われているか否かを確認することができる。このため、レーザ加工の失敗を防止することが可能となる。
【００２２】
さらに、本発明の実施にあたっては、レーザ加工装置の発明に限定されることなく、レーザ加工装置のサーボ制御方法の発明としても実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図である。
【図２】第１実施形態に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドとサーボ用Ｚ軸方向光ヘッドの概略構成図である。
【図３】第１実施形態に係るレーザ加工装置のサーボ用Ｙ軸方向光ヘッドとＹ軸方向受光装置の概略構成図である。
【図４】Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向を表す説明図である。
【図５】フォトディテクタに照射された射影の状態を表す説明図である。
【図６】加工対象物の変位とエラー信号波形値との関係を表す特性図である。
【図７】フォトディテクタに照射された射影の状態を表す説明図である。
【図８】レーザ加工制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図９】第２実施形態に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドの概略構成図である。
【図１０】加工対象物の変位とフォトディテクタに照射された反射光の位置変化との関係を表す説明図である。
【図１１】第３実施形態に係るレーザ加工装置のＹ軸方向受光装置とＺ軸方向サーボ系回路の概略構成図である。
【図１２】第４実施形態に係るレーザ加工装置のＹ軸方向受光装置とＺ軸方向サーボ系回路の概略構成図である。
【図１３】第４実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ加工制御ルーチンを表すフローチャート（変更部分）である。
【図１４】第５実施形態に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドとサーボ系回路の概略構成図である。
【図１５】フォトディテクタに照射された十字状の射影の状態を表す説明図である。
【図１６】第５実施形態の変形例に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドの概略構成図である。
【図１７】加工対象物の一例を示すステントの概観概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
ａ．第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態について図面を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図である。このレーザ加工装置は、細い円筒パイプ状の加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を螺旋状に照射してレーザ加工を行うものである。レーザ加工装置は、加工対象物ＯＢを保持して加工対象物ＯＢの中心軸周りに回転させるとともに加工対象物ＯＢをその中心軸方向に移動させるワーク駆動装置５０と、加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を照射する加工用ヘッド１０(図２参照）と、加工対象物ＯＢの表面にサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を照射するサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０(図２参照）と、同じく加工対象物ＯＢの表面にサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を照射するサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０（図３参照）と、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から照射されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を受光するＹ軸方向受光装置４０（図３参照）と、各種の電気回路（後述する）と、レーザ加工装置全体の作動を制御するコントローラ９０とを備えている。
【００２５】
ここで、レーザ加工装置における方向を定義する。図４に示すように、ワーク駆動装置５０に固定された加工対象物ＯＢの中心軸線方向をＸ軸方向と呼ぶ。また、Ｘ軸方向に対して垂直方向であって加工用ヘッド１０から加工対象物ＯＢに照射される加工用レーザ光の光軸の方向をＺ軸方向と呼ぶ。また、Ｘ軸方向とＺ軸方向との両方に対して垂直となる方向をＹ軸方向と呼ぶ。サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０は、加工対象物ＯＢに照射するサーボ用レーザ光の光軸がＹ軸方向となるように固定されている。したがって、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０とＹ軸方向受光装置４０は、図１中において、紙面の前後に位置するものであるが、ここでは、両者が重ならないように左右に配置して記載している。
【００２６】
本実施形態における加工対象物ＯＢは、例えば、人体の血管、気管などの管状の部分に挿入される細長いステントである。ステントは、ステンレス、タンタル、コバルト合金、ニッケル・チタン合金などの金属製の円筒パイプの側面に、図１７に示すように複数の帯状の孔を設けて、網目状にしたものである。このステントの製作においては、側面にフォトレジスト層を形成した円筒パイプの表面に加工用レーザ光を照射することにより、フォトレジスト層に所望の模様からなる反応跡を形成する。そして、残ったフォトレジストをマスクとして使ってエッチングすることにより、前記ステントが形成される。したがって、本発明に係るレーザ加工装置は、前記反応跡を形成するために利用される。
【００２７】
このように非常に細い径のパイプ状の加工対象物ＯＢに対してレーザ加工を行う場合には、従来から知られているように加工用レーザ光の反射光から非点収差法などによりフォーカスエラー信号を生成しても、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸から外れてしまうと、適正なフォーカスエラー信号が得られない。そこで、本実施形態においては、加工対象物ＯＢにサーボ用レーザ光をＺ軸方向とＹ軸方向とに照射し、加工対象物ＯＢが映し出される射影の位置に基づいて、加工用レーザ光によって形成される像の位置を制御する。
【００２８】
まず、ワーク駆動装置５０から説明する。ワーク駆動装置５０は、加工対象物ＯＢの両端をチャッキングして回転可能に保持する移動ステージ５１と、移動ステージ５１に保持された加工対象物ＯＢをその中心軸周りに回転させるスピンドルモータ５２と、移動ステージ５１をＸ軸方向に移動させるねじ送り機構５３とを備えている。
【００２９】
ねじ送り機構５３は、移動ステージ５１に固定されたナット(図示略）に螺合するスクリューロッド５４と、スクリューロッド５４を回転させるフィードモータ５５とを備えている。スクリューロッド５４は、移動ステージ５１に保持された加工対象物ＯＢの中心軸（即ち、スピンドルモータ５２の回転軸）と平行となるＸ軸方向に延びて設けられ、その一端側が、レーザ加工装置の本体フレーム（図示略）に固定されたフィードモータ５５の出力軸に連結され、他端側が、レーザ加工装置本体フレームに固定された軸受部（図示略）に回転可能に軸支される。また、移動ステージ５１は、図示しない案内ガイドにより、回転規制されており、Ｘ軸方向にのみ移動可能となっている。したがって、フィードモータ５５を正転あるいは逆転駆動すると、フィードモータ５５の回転運動が移動ステージ５１の直線運動に変換され、加工対象物ＯＢがＸ軸方向に前進あるいは後退できるようになっている。
【００３０】
スピンドルモータ５２内には、エンコーダ５２ａが組み込まれている。エンコーダ５２ａは、スピンドルモータ５２が所定の微小回転角度だけ回転する度に、その出力がハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号と、基準回転位置を表す基準回転位置信号とを出力する。エンコーダ５２ａから出力されるパルス列信号は、スピンドルモータ制御回路５６に入力される。スピンドルモータ制御回路５６は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、エンコーダ５２ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数からスピンドルモータ５２の回転速度を計算し、計算した回転速度がコントローラ９０によって設定された回転速度に等しくなるようにスピンドルモータ５２の回転を制御する。
【００３１】
フィードモータ５５内にも、エンコーダ５５ａが組み込まれている。このエンコーダ５５ａは、フィードモータ５５が所定の微小回転角度だけ回転する度に、その出力がハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号を出力する。エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号は、フィードモータ制御回路５７と移動位置検出回路５８に入力される。移動位置検出回路５８は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、作動開始後、エンコーダ５５ａから出力されるパルス信号が入力されなくなると移動限界位置を意味する信号をフィードモータ制御回路５７に出力し、カウント値を「０」として、以後、エンコーダ５５ａが出力するパルス信号のパルス数をカウントする。そして積算したカウント数から移動ステージ５１の移動位置を計算してコントローラ９０及びフィードモータ制御回路５７に出力する。このカウント値が「０」となる移動限界位置が、移動ステージ５１の移動位置を制御する原点位置となる。
【００３２】
フィードモータ制御回路５７は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、コントローラ９０から移動位置の設定値を入力すると、移動位置検出回路５８から所定時間間隔で出力される移動位置を入力し、入力した移動位置がコントローラ９０から入力した設定値になるまでフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動させる。なお、作動開始直後において移動位置の設定値が入力されると、フィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動限界位置方向に移動させ、移動位置検出回路５８から移動限界位置を表す信号を入力するとフィードモータ５５への駆動信号の出力を停止する。その後、移動位置検出回路５８から出力される移動位置がコントローラ９０から入力した移動位置の設定値になるまでフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動させる。
【００３３】
また、フィードモータ制御回路５７には、移動ステージ５１の移動速度の設定値（設定速度）がコントローラ９０により入力される。そして、コントローラ９０から移動開始の指示を入力すると、エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数から移動ステージ５１の移動速度を計算し、計算した移動速度が設定速度になるようにフィードモータ５５を駆動制御する。
【００３４】
次に、加工用ヘッド１０について図２を用いて説明する。加工用ヘッド１０は、加工対象物ＯＢの円筒表面に加工用レーザ光を照射する機能と、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から照射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を受光して加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれに応じた信号を出力する機能を有する。加工用ヘッド１０は、加工用レーザ光を出射するレーザ光源１０２と、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ１０４、ビームスプリッタ１０６、ミラー１０８、デジタルマイクロミラーデバイス（以下、単にＤＭＤという）１１０、フーリエ変換レンズ１１２、偏光ビームスプリッタ１１４、１／４波長板１１６、ダイクロイックミラー１１８、ミラー１２０及び対物レンズ１２２を備えている。
【００３５】
レーザ光源１０２は、加工用レーザ駆動回路１６０から供給される電流及び電圧により駆動されて加工用レーザ光を出射する。レーザ光源１０２から出射された加工用レーザ光は、コリメートレンズ１０４により平行光となってビームスプリッタ１０６に入射する。加工用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）がビームスプリッタ１０６で反射し、ミラー１０８に導かれる。ミラー１０８は、入射した平行光である加工用レーザ光を反射して、ＤＭＤ１１０に導く。ＤＭＤ１１０は、２次元空間光変調器として利用されるもので、空間光変調器データ供給回路１６２によってそれぞれオンオフ制御される多数の微小なマイクロミラーからなる。オン制御されたマイクロミラーは、ビームスプリッタ１０６からの加工用レーザ光をＤＭＤ１１０の盤面に対して垂直方向に反射して、フーリエ変換レンズ１１２を介して偏光ビームスプリッタ１１４に入射させる。オフ制御されたマイクロミラーは、ビームスプリッタ１０６からの加工用レーザ光を遮光板１１０ａ方向に反射する。これにより、ＤＭＤ１１０は、詳しくは後述するように、空間光変調器データ供給回路１６２によって規定される微細模様（微細模様パターン）に対応した像を加工対象物ＯＢの表面に形成する。また、ＤＭＤ１１０の作動制御が開始される前であって、電力が供給された状態では全てのマイクロミラーはオン状態に制御されて、全てのマイクロミラーによる反射光が偏光ビームスプリッタ１１４に導かれる。なお、このＤＭＤ１１０は、特開昭６２−２１２２０号公報、２００１−１７４７２１号公報などに詳しく説明されている周知の素子である。フーリエ変換レンズ１１２は、凸レンズで構成され、ＤＭＤ１１０による加工用レーザ光を入射して、対物レンズ１２２の前側焦点位置でフーリエ変換された模様の像を形成する。なお、図２は、見易くするためにＤＭＤ１１０で反射した加工用レーザ光を平行光で記載しているが、実際は回折光であるため進行方向に広がる光である。そして、フーリエ変換レンズ１１２で集光した光及び対物レンズ１２２で集光した光は一点に集光するように記載しているが、実際はある範囲に集光して、集光した範囲に像を形成するようになっている。図２以外の図においても、この点は同様である。
【００３６】
空間光変調器データ供給回路１６２には、回転角度検出回路１６３が接続されている。回転角度検出回路１６３は、コントローラ９０からの指示によって作動開始し、エンコーダ５２ａからのパルス信号及び基準回転位置信号を入力し、基準回転位置信号の到来ごとにカウント値をクリアするとともに、パルス信号の到来ごとにカウント値を更新して、加工対象物ＯＢのＸ軸方向周りの回転角度を検出して空間光変調器データ供給回路１６２に出力する。空間光変調器データ供給回路１６２には、この回転角度に加えて、移動位置検出回路５８によって検出された移動ステージ５１（すなわち加工対象物ＯＢ）の移動位置も入力される。空間光変調器データ供給回路１６２は、前記回転角度と移動位置に対して加工対象物ＯＢに形成される模様を表すデータを記憶しており、コントローラ９０からの指示によって作動開始し、加工対象物ＯＢの移動位置及び回転角度（すなわちＸ軸方向の移動位置及びＸ軸方向周りの回転角度）に応じて模様を表すデータをＤＭＤ１１０に出力してＤＭＤ１１０を制御する。これにより、加工対象物ＯＢの回転角度と移動位置ごとに設定された模様でレーザ加工が行われ、加工対象物ＯＢ全体を複雑な模様でレーザ加工することができる。
【００３７】
偏光ビームスプリッタ１１４に導かれた加工用レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１１４を通過して１／４波長板１１６に導かれて直線偏光から円偏光に変換される。円偏光に変換されたた加工用レーザ光は、ダイクロイックミラー１１８で反射されて、加工用レーザ光の進行方向を変更するミラー１２０に導かれる。ミラー１２０で反射した加工用レーザ光は、対物レンズ１２２に入射して、対物レンズ１２２により加工対象物ＯＢの表面にＤＭＤ１１０による模様に対応した像を形成する。これらのミラー１２０及び対物レンズ１２２は、1つの筐体１２４に保持されていて、後述するＹ軸アクチュエータ１２６ｙによるサーボ制御の場合、対物レンズ１２２のＹ軸方向の移動に連動して、ミラー１２０も同じ量だけＹ軸方向に移動する。
【００３８】
これにより、対物レンズ１２２に入射する前の加工用レーザ光の光軸位置も対物レンズ１２２のＹ軸方向の移動量と同じ量だけ移動し、対物レンズ１２２に入射する前の加工用レーザ光の光軸と対物レンズ１２２の相対位置関係が常に同じに保たれる。このような対物レンズ１２２の移動に連動したミラー１２０の移動により、Ｙ軸方向における対物レンズ１２２の位置と、対物レンズ１２２に入射する前の加工用レーザ光の光軸位置の相対関係が変化しないようにする理由は、加工対象物ＯＢがＹ軸方向に移動しても、ＤＭＤ１１０からの加工用レーザ光の対物レンズ１２２への入射状態を常に同じに保って、ＤＭＤ１１０による模様に対応した像が加工対象物ＯＢに常に適正に形成され、加工対象物ＯＢが前記模様に応じて適正に加工されるようにするためである。言い換えれば、レンズ１１２及び対物レンズ１２２によってＤＭＤ１１０のパターン模様に対応した像が加工対象物ＯＢ上に形成されるが、加工対象物ＯＢのＹ軸方向の移動量だけ対物レンズ１２２だけをＹ軸方向に移動させた場合には、ＤＭＤ１１０からの加工用レーザ光の対物レンズ１２２へ入射する量が減少し、加工対象物ＯＢに形成されるＤＭＤ１１０による模様に対応した像が薄くなる箇所や欠ける箇所が生じるという現象が起こるからである。
【００３９】
対物レンズ１２２には、対物レンズ１２２を加工用レーザ光の光軸方向すなわちＺ軸方向に移動させるＺ軸アクチュエータ１２６ｚが筐体１２４内にて設けられている。また、筐体１２４には、筐体１２４自身すなわちミラー１２０及び対物レンズ１２２を同時にＹ軸方向に移動させるＹ軸アクチュエータ１２６ｙが設けられている。したがって、Ｚ軸アクチュエータ１２６ｚを作動させることにより加工用レーザ光によって形成される像の位置（後述するように、対物レンズ１２２の焦点位置と同じ）をＺ軸方向（光軸方向）に移動でき、Ｙ軸アクチュエータ１２６ｙを作動させることにより加工用レーザ光によって形成される像の位置をＹ軸方向に移動できるようになっている。尚、対物レンズ１２２は、アクチュエータ１２６ｚ、１２６ｙが通電されていないときに、Ｚ軸方向及びＹ軸方向の可動範囲の中心に位置する。以下、この位置を対物レンズ１２２の原点位置と呼ぶ。
【００４０】
ここで、ＤＭＤ１１０による模様に対応した像を加工対象物ＯＢの表面に形成するためのＤＭＤ１１０、フーリエ変換レンズ１１２及び対物レンズ１２２の配置について説明しておく。ＤＭＤ１１０はフーリエ変換レンズ１１２の前側焦点位置（入射瞳面）に配置される。すなわち、ＤＭＤ１１０からフーリエ変換レンズ１１２までの光路長はフーリエ変換レンズ１１２の焦点距離に等しい。加工対象物ＯＢが本来の位置にある状態では、加工対象物ＯＢはその表面が対物レンズ１２２の後側焦点位置に配置される。すなわち、対物レンズ１２２から加工対象物ＯＢの表面までの光路長は対物レンズの焦点距離に等しい。また、フーリエ変換レンズ１１２から対物レンズ１２２までの光路長は、フーリエ変換レンズ１１２の焦点距離に対物レンズ１２２の焦点距離を加算した距離に等しい。このＤＭＤ１１０、フーリエ変換レンズ１１２及び対物レンズ１２２の配置により、ＤＭＤ１１０によって形成された加工用レーザ光の模様（パターン模様）は、フーリエ変換レンズ１１２により、フーリエ変換レンズ１１２の後側焦点位置であり、対物レンズ１２２の前側焦点位置である位置（図示、ダイクロイックミラー１１８とミラー１２０の間の位置）にフーリエ変換された模様の像が形成される。そして、このフーリエ変換された模様の像は、対物レンズ１２２により逆フーリエ変換されて、対物レンズ１２２の焦点位置にＤＭＤ１１０による模様に対応した像を形成、すなわち加工対象物ＯＢの表面にＤＭＤ１１０による模様に対応した像を形成する。ただし、対物レンズ１２２の焦点距離はフーリエ変換レンズ１１２の焦点距離よりも短い（対物レンズ１２２の倍率は、フーリエ変換レンズ１１２の倍率よりも大きい）ので、加工対象物ＯＢの表面に形成される像はＤＭＤ１１０による模様に比べて縮小されている。
【００４１】
対物レンズ１２２で集光された加工用レーザ光は、加工対象物ＯＢの表面に照射され反射する。加工対象物ＯＢで反射した反射光は、対物レンズ１２２、ミラー１２０、ダイクロイックミラー１１８及び１／４波長板１１６を通過する。この場合、反射光は、１／４波長板１１６を２回通過したことになるため、レーザ光源から出射されたレーザ光とは偏光方向が９０°相違したものとなる。したがって、１／４波長板１１６を通過した反射光は、偏光ビームスプリッタ１１４で反射する。偏光ビームスプリッタ１１４の反射方向には、集光レンズ１３０及びフォトディテクタ１３２が設けられている。このため、偏光ビームスプリッタ１１４で反射した反射光は、集光レンズ１３０によりフォトディテクタ１３２に集光する。
【００４２】
フォトディテクタ１３２は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ１３２は、加工用レーザ光が加工対象物ＯＢで反射した反射光の強度に対応した受光信号を出力する。フォトディテクタ１３２の出力する受光信号は、増幅回路１６５により増幅され、Ａ／Ｄ変換器１６６に供給される。Ａ／Ｄ変換器１６６は、コントローラ９０からの指令により作動し、増幅回路１６５から供給された受光信号をデジタル信号に変換してコントローラ９０に出力する。コントローラ９０は、この受光信号が表す反射光強度から、後述するＺ軸方向とＹ軸方向のサーボ制御が適切に行われているかを判定する。
【００４３】
また、加工用ヘッド１０は、レーザ光源１０２から出射された加工用レーザ光の一部（例えば、５％）をビームスプリッタ１０６を透過させ、その透過光を集光レンズ１３４によりフォトディテクタ１３６の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ１３６は、フォトディテクタ１３２と同様に、その受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ１３６は、レーザ光源１０２が出射した加工用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、加工用レーザ駆動回路１６０に供給される。
【００４４】
加工用レーザ駆動回路１６０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、レーザ光源に対して加工用強度、すなわち加工対象物ＯＢの表面を適切に加工できる一定強度のレーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。本実施形態においては、加工用レーザ駆動回路１６０は、フォトディテクタ１３６が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるようにレーザ光源１０２に出力する電流あるいは電圧を調整する。これにより、加工対象物ＯＢに照射される加工用レーザ光の強度が設定加工用強度に維持される。
【００４５】
加工用ヘッド１０には、さらに、ダイクロイックミラー１１８の透過方向にリレーレンズ（結像レンズ）１３８とフォトディテクタ１４０が設けられている。このリレーレンズ１３８及びフォトディテクタ１４０は、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から照射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を検出するために設けられたものである。したがって、先に、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０について説明する。
【００４６】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、図２に示すように、加工対象物ＯＢを挟んで加工用ヘッド１０と向き合うように、加工用ヘッド１０と対になってレーザ加工装置の本体フレーム（図示略）に固定される。サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、サーボ用レーザ光を出射するレーザ光源２０２と、レーザ光源２０２から出射されるサーボ用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ２０４及びビームスプリッタ２０６と、ビームスプリッタ２０６の反射方向に設けられる集光レンズ２０８及びフォトディテクタ２１０とを備えている。
【００４７】
レーザ光源２０２は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。レーザ光源２０２から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ２０４により平行光となってビームスプリッタ２０６に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）がビームスプリッタ２０６をそのまま透過してサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射する。このサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射したレーザ光が、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光である。サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光となる。
【００４８】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の出射方向がＺ軸方向となり、しかも、その光軸が、加工用ヘッド１０の対物レンズ１２２が原点位置にある時に加工用ヘッド１０から出射する加工用レーザ光の光軸と一致するように位置決めされている。この場合、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０と加工用ヘッド１０は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及び加工用レーザ光の光軸がワーク駆動装置５０の回転軸（スピンドルモータ５２の回転軸）と直交するように、ワーク駆動装置５０に対する相対位置関係が定められている。
【００４９】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、加工対象物ＯＢに遮られなかったレーザ光が加工用ヘッド１０の対物レンズ１２２に入射する。この場合、対物レンズ１２２に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、受光すると中央に加工対象物ＯＢの棒状の影が形成されたものとなる。この加工対象物ＯＢによってできた影を射影と呼び、射影とその周囲の光とを合わせて射影光と呼ぶ。
【００５０】
対物レンズ１２２に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、ミラー１２０で反射されるとともに集光されてダイクロイックミラー１１８に入射する。ダイクロイックミラー１１８は、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する光学素子であり、レーザ光源２０２から出射されるサーボ用レーザ光に対しては透過し、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光に対しては反射するように、各レーザ光の波長が設定されている。したがって、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、ダイクロイックミラー１１８を透過する。ダイクロイックミラー１１８の透過方向には、リレーレンズ１３８（結像レンズ）及びフォトディテクタ１４０が設けられており、ダイクロイックミラー１１８を透過したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光がリレーレンズ１３８により平行光になりフォトディテクタ１４０の受光面に入射する。フォトディテクタ１４０の受光面には、加工対象物ＯＢの影である棒状の射影が映し出される。
【００５１】
フォトディテクタ１４０は、図５に示すように、受光領域が左右に（Ｙ軸方向）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ａ，Ｂに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ａ，ｂ）として出力する。このフォトディテクタ１４０は、受光したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光（射影光Ｌ）における棒状の射影Ｓが受光領域Ａ，Ｂの分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ、Ｚ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影Ｓが受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【００５２】
フォトディテクタ１４０から出力される受光信号（ａ，ｂ）は、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１７１に入力される。Ｙ軸方向エラー信号生成回路１７１は、受光信号（ａ，ｂ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ａ−ｂ）を演算し、その演算結果をＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）としてＹ軸方向サーボ回路１７２に出力する。Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＹ軸方向におけるずれ量を表すものである。
【００５３】
図６は、加工対象物ＯＢの位置をＹ軸方向に変化させたときのＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の波高値を表したものである。図示するように、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は、Ｓ字状波形となる。したがって、Ｓ字状波形の山（ｃ位置）から谷（ａ位置）までの範囲ｒ（Ｓ字検出範囲ｒと呼ぶ）においては、加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれ量とＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさとが一対一に対応する。このため、Ｓ字検出範囲ｒ内において、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれ量を検出することができる。
【００５４】
例えば、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向にずれていない場合、（ｂ）に示すように、フォトディテクタ１４０に映し出される射影Ｓは、受光面の中央に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）はゼロとなる。一方、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向における一方側（左側と呼ぶ）にずれている場合には、（ａ）に示すように、フォトディテクタ１４０に映し出される射影Ｓが受光面の左側に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は負の値をとる。また、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向における他方側（右側と呼ぶ）にずれている場合には、（ｃ）に示すように、フォトディテクタ１４０に映し出される射影Ｓが受光面の右側に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は正の値をとる。
【００５５】
Ｙ軸方向サーボ回路１７２は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１７１から入力したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようなＹ軸方向サーボ信号を生成してＹ軸方向ドライブ回路１７３に出力する。Ｙ軸方向ドライブ回路１７３は、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてＹ軸アクチュエータ１２６ｙを駆動する信号を出力して、ミラー１２０及び対物レンズ１２２を含む筐体１２４をＹ軸方向に移動させる。したがって、フォトディテクタ１４０に映し出される射影が受光面の中央に維持されるようにミラー１２０及び対物レンズ１２２のＹ軸方向の位置が制御されることとなる。ミラー１２０及び対物レンズ１２２のＹ軸方向の移動は、加工対象物ＯＢに照射する加工用レーザ光の光軸をＹ軸方向に移動させることになる。このため、ミラー１２０及び対物レンズ１２２のＹ軸方向の位置制御により、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように維持される。
【００５６】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、レーザ光源２０２から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）をビームスプリッタ２０６で反射させ、その反射光を集光レンズ２０８によりフォトディテクタ２１０の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ２１０は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ２１０は、レーザ光源２０２が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に供給される。
【００５７】
サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、レーザ光源２０２に対して、加工対象物ＯＢの表面を変化させず、かつ、加工用ヘッド１０のフォトディテクタ１４０で射影光を検出できる強度のサーボ用レーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。本実施形態においては、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、フォトディテクタ２１０が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるようにレーザ光源２０２に出力する電流あるいは電圧を制御する。これにより、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射するサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の強度が一定の適正値に維持される。
【００５８】
次に、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０とＹ軸方向受光装置４０とについて説明する。図３に示すように、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０とＹ軸方向受光装置４０とは、互いに加工対象物ＯＢをＹ軸方向に挟んで向かい合うようにレーザ加工装置の本体フレーム（図示略）に固定される。サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０は、サーボ用レーザ光を出射するレーザ光源３０２と、レーザ光源３０２から出射されるサーボ用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ３０４及びビームスプリッタ３０６と、ビームスプリッタ３０６の反射方向に設けられる集光レンズ３０８及びフォトディテクタ３１０とを備えている。
【００５９】
レーザ光源３０２は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。レーザ光源３０２から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ３０４により平行光となってビームスプリッタ３０６に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）がビームスプリッタ３０６をそのまま透過してサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射する。このサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射したレーザ光がサーボ用Ｙ軸方向レーザ光である。サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光となる。
【００６０】
サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の出射方向がＹ軸方向となり、しかも、その光軸が、ワーク駆動装置５０の回転軸と交差するように位置決めされている。サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０と向かい合うＹ軸方向受光装置４０には、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を受光するフォトディテクタ４０２が設けられる。フォトディテクタ４０２は、その受光面の中心にサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の光軸が通るように位置決めされている。サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、フォトディテクタ４０２の受光面には加工対象物ＯＢの影である棒状の射影が映し出される。
【００６１】
フォトディテクタ４０２は、図７に示すように、受光領域が上下に（Ｚ軸方向に）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ｃ，ｄ）として出力する。このフォトディテクタ４０２は、受光したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光（射影光Ｌ）における棒状の射影Ｓが受光領域Ｃ，Ｄの分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ、Ｙ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影Ｓが受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【００６２】
フォトディテクタ４０２から出力される受光信号（ｃ，ｄ）は、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７５に入力される。Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７５は、受光信号（ｃ，ｄ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ｃ−ｄ）を演算し、その演算結果をＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）としてＺ軸方向サーボ回路１７６に出力する。Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）の大きさは、加工対象物ＯＢの位置をＺ軸方向に変化させると、上述したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の特性と同様にＳ字状に変化する（図６参照）。したがって、Ｓ字検出範囲ｒにおいては、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量（加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＺ軸方向におけるずれ量）とＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）の大きさとが一対一に対応する。このため、Ｓ字検出範囲ｒ内において、Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）に基づいて加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を検出することができる。
【００６３】
Ｚ軸方向サーボ回路１７６は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７５から入力したＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）に基づいて、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を検出し、このずれ量分に相当する対物レンズ１２２のＺ軸方向移動量を表すＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１７７に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路１７７は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてＺ軸アクチュエータ１２６ｚを駆動する信号を出力して、対物レンズ１２２をＺ軸方向に移動させる。したがって、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量だけ、対物レンズ１２２が原点位置からＺ軸方向に離れた位置に維持される。尚、フォトディテクタ４０２に映し出される射影の位置は、対物レンズ１２２のＺ軸方向移動によっては変化しない。
【００６４】
加工用ヘッド１０は、対物レンズ１２２が原点位置にあり、かつ加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致している場合に、ＤＭＤ１１０による模様に対応した像が加工対象物ＯＢの表面に形成されるように位置決めされている。すなわち、対物レンズ１２２から加工対象物ＯＢの表面までの距離が対物レンズ１２２の焦点距離に保たれるようになっている。このため、加工対象物ＯＢの位置がＺ軸方向に変動しても、その変動量だけ対物レンズ１２２を原点位置からＺ軸方向に移動させることにより、常に、ＤＭＤ１１０による模様に対応した像を加工対象物ＯＢの表面に形成させることができる。つまり、加工用レーザ光により形成される像を、ワーク駆動装置５０の回転軸よりも加工対象物ＯＢの半径分だけ対物レンズ１２２側に維持させることができる。
【００６５】
サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０は、レーザ光源３０２から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）をビームスプリッタ３０６で反射させ、その反射光を集光レンズ３０８によりフォトディテクタ３１０の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ３１０は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ３１０は、レーザ光源３０２が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０に供給される。
【００６６】
サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、レーザ光源３０２に対して、加工対象物ＯＢの表面を変化させず、かつＹ軸方向受光装置４０のフォトディテクタ４０２で射影光を検出できる強度のサーボ用レーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。本実施形態においては、サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０は、フォトディテクタ３１０が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるようにレーザ光源３０２に出力する電流あるいは電圧を制御する。これにより、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射するサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の強度が一定の適正値に維持される。
【００６７】
コントローラ９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータと、ハードディスクや不揮発性メモリなどの記憶装置と、入出力インタフェース等から構成される電子制御装置である。コントローラ９０には、作業者が各種パラメータや処理等を指示するための入力装置９１と、作業者に対して作動状況等を視覚的に知らせるための表示装置９２とが接続されている。
【００６８】
次に、レーザ加工を行う際の制御について説明する。図８は、コントローラ９０が実行するレーザ加工制御ルーチンを表すフローチャートである。レーザ加工制御ルーチンは、コントローラ９０のＲＯＭ内に制御プログラムとして記憶されている。作業者は、加工対象物ＯＢをワーク駆動装置５０にセットした後、入力装置９１を使ってレーザ加工の開始指示操作を行う。これにより、本制御ルーチンが起動する。
【００６９】
本制御ルーチンがステップＳ１００にて起動すると、コントローラ９０は、ステップＳ１０２において、各種回路の作動を開始させる。そして、ステップＳ１０４において、フィードモータ制御回路５７に対して加工開始位置への移動指令を出力する。この指令により、フィードモータ制御回路５７は、移動位置検出回路５８により検出される移動位置を取り込みながらフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を加工開始位置にまで移動させる。次に、コントローラ９０は、ステップＳ１０６において、スピンドルモータ制御回路５６に対して回転開始指令を出力する。これにより、スピンドルモータ５２が起動して加工対象物ＯＢの回転が始まる。このとき、スピンドルモータ制御回路５６は、エンコーダ５２ａにより検出されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数からスピンドルモータ５２の回転速度を計算し、計算した回転速度がコントローラ９０によって設定された回転速度に等しくなるようにスピンドルモータ５２の回転を制御する。
【００７０】
次に、コントローラ９０は、ステップＳ１０８において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０とサーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０とに対して、サーボ用レーザ光の照射開始指令を出力する。したがって、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からサーボ用Ｚ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＺ軸方向に照射され、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０からサーボ用Ｙ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＹ軸方向に照射される。
【００７１】
次に、コントローラ９０は、ステップＳ１１０において、Ｙ軸方向サーボ回路１７２とＺ軸方向サーボ回路１７６とに対して、サーボ制御の開始指令を出力する。これにより、Ｙ軸方向サーボ回路１７２は、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１７１からＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）を入力し、このＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようなＹ軸方向サーボ信号を生成してＹ軸方向ドライブ回路１７３に出力する。Ｙ軸方向ドライブ回路１７３は、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてＹ軸アクチュエータ１２６ｙを駆動する信号を出力して、ミラー１２０及び対物レンズ１２２を含む筐体１２４をＹ軸方向に移動させる。したがって、フォトディテクタ１４０に映し出される射影が受光面の中央に維持されるように対物レンズ１２２のＹ軸方向位置が制御され、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように維持される。
【００７２】
Ｚ軸方向サーボ回路１７６は、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７５からＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）を入力し、このＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）に基づいて、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を検出し、このずれ量分の対物レンズ１２２のＺ軸方向移動量を表すＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１７７に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路１７７は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてＺ軸アクチュエータ１２６ｚを駆動する信号を出力して、対物レンズ１２２をＺ軸方向に移動させる。したがって、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量だけ、対物レンズ１２２が原点位置からＺ軸方向に離れた位置に制御され、ＤＭＤ１１０による模様に対応した像が加工対象物ＯＢの表面に常に形成されるようになる。
【００７３】
次に、コントローラ９０は、ステップＳ１１２において、加工用レーザ駆動回路１６０に対して、加工用レーザ光の照射開始指令を出力する。この場合、コントローラ９０は、加工用レーザ光の強度を、加工対象物ＯＢが変化しない低レベルに設定した照射開始指令を出力する。これにより、加工用レーザ駆動回路１６０は、レーザ光源１０２に供給する電圧及び電流の強度を低いレベルに設定してレーザ光源１０２を駆動させる。したがって、加工用ヘッド１０からは、非加工強度のレーザ光が加工対象物ＯＢに向けて出射されることになる。加工対象物ＯＢは、この非加工強度のレーザ光に対してはレーザ加工されない。
【００７４】
次に、コントローラ９０は、ステップＳ１１４において、加工用ヘッド１０に設けられたフォトディテクタ１３２の出力する受光信号を増幅回路１６５及びＡ／Ｄ変換器１６６を介して取り込んで加工用レーザ光の反射光強度Ｒを検出する。次に、ステップＳ１１６において、反射光強度Ｒが下限値Ｒrefを上回っているか否かを判定する。なお、この状態では、ＤＭＤ１１０の全てのマイクロミラーは、オン制御状態にあって、入射したレーザ光を偏光ビームスプリッタ１１４に導く。これにより、レーザ光源１０２からの充分な光量のレーザ光が加工対象物ＯＢに照射されて、その反射光がフォトディテクタ１３２に入射する。反射光強度Ｒが下限値Ｒrefを上回っていれば、上述したＺ軸方向サーボ制御及びＹ軸方向サーボ制御が正常に行われていると判定して、その処理をステップＳ１１８に進める。一方、反射光強度Ｒが下限値Ｒref以下であれば、Ｚ軸方向サーボ制御又はＹ軸方向サーボ制御が正常に行われていないと判定して、ステップＳ１３８において、表示装置９２にその旨を表示し、その処理をステップＳ１３０に進める。
【００７５】
コントローラ９０は、ステップＳ１１６において「Ｙｅｓ」、すなわちＺ軸方向サーボ制御及びＹ軸方向サーボ制御が正常に行われていると判定した場合には、ステップＳ１１８において、加工用レーザ駆動回路１６０に対して、レーザ光源１０２から出射されているレーザ光の強度を非加工強度から加工強度に変更する指令を出力する。これにより、加工用レーザ駆動回路１６０は、レーザ光源１０２に供給する電圧及び電流の強度を加工用レベルに切り換えてレーザ光源１０２を作動させる。また、このステップＳ１１８においては、コントローラ９０は、空間光変調器データ供給回路１６２及び回転角度検出回路１６３にも作動開始を指示する。したがって、空間光変調器データ供給回路１６２は、移動位置検出回路５８によって検出された加工対象物ＯＢのＸ軸方向の移動位置及び回転角度検出回路１６３によって検出された加工対象物ＯＢのＸ軸周りの回転角度に応じて、加工対象物ＯＢに形成される模様に対応した制御データをＤＭＤ１１０に出力してＤＭＤ１１０を制御する。したがって、レーザ光源１０２は一定強度の加工用レーザ光を出射し始め、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光は、コリメートレンズ１０４及びビームスプリッタ１０６を介してＤＭＤ１１０に入射する。
【００７６】
ＤＭＤ１１０は、空間光変調器データ供給回路１６２によって制御され、レーザ光源１０２からの加工レーザ光を加工対象物ＯＢに付されるべき模様に対応したパターンの加工用レーザ光を、フーリエ変換レンズ１１２、偏光ビームスプリッタ１１４、１／４波長板１１６、ダイクロイックミラー１１８及びミラー１２０を介して対物レンズ１２２に入射させる。対物レンズ１２２は、前記模様に対応した像を加工対象物ＯＢの表面に形成、すなわち加工用レーザ光を加工対象物ＯＢの表面に照射し始める。
【００７７】
そして、コントローラ９０は、ステップＳ１２０において、フィードモータ制御回路５７に対して移動ステージ５１のＸ軸方向への移動開始指令を出力する。フィードモータ制御回路５７は、エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数から移動ステージ５１の移動速度を計算し、計算した移動速度が設定速度になるようにフィードモータ５５を駆動制御する。
【００７８】
これにより、加工対象物ＯＢは、その中心軸周りに回転するとともにＸ軸方向に移動し、その表面に加工用レーザ光が照射される。したがって、加工対象物ＯＢには、前記加工用レーザ光が照射され、その照射軌跡に沿って模様が形成される。また、同時に、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差し、かつＤＭＤ１１による模様に対応した像が加工対象物ＯＢの表面に形成されるように、対物レンズ１２２のＺ軸方向とＹ軸方向の位置が制御される。したがって、加工対象物ＯＢの表面には、適正に集光された加工用レーザ光が垂直に照射され、加工模様が形成される。
【００７９】
次に、コントローラ９０は、ステップＳ１２２において、移動位置検出回路５８により検出される移動ステージ５１の移動位置を取り込み、ステップＳ１２４において、現時点の移動位置が加工終了位置に到達したか否かを判定する。ステップＳ１２２、Ｓ１２４の処理は、移動ステージ５１の移動位置が加工終了位置に到達するまで繰り返される。したがって、この間は、上述したように、加工対象物ＯＢのレーザ加工及びサーボ制御が継続される。
【００８０】
移動ステージ５１の移動位置が加工終了位置に達すると、コントローラ９０は、ステップＳ１２４にて「Ｙｅｓ」と判定して、ステップＳ１２６にて加工用レーザ駆動回路１６０に対して加工用レーザ光の照射停止指令を出力する。これにより、加工用レーザ光の照射が停止される。このステップＳ１２６においては、コントローラ９０は空間光変調器データ供給回路１６２及び回転角度検出回路１６３の作動も停止させる。次に、ステップＳ１２８において、フィードモータ制御回路５７に対して移動ステージ５１の移動停止指令を出力する。これによりフィードモータ５５への通電が停止され移動ステージ５１が停止する。そして、コントローラ９０は、ステップＳ１３０において、Ｙ軸方向サーボ回路１７２とＺ軸方向サーボ回路１７６とに対して、サーボ制御の停止指令を出力する。これにより、Ｙ軸アクチュエータ１２６ｙ及びＺ軸アクチュエータ１２６ｚの作動が停止する。次に、ステップＳ１３２において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０とサーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０とに対して、サーボ用レーザ光の照射停止指令を出力する。これにより、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からのサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の照射、及びサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０からのサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の照射が停止される。
【００８１】
次に、コントローラ９０は、ステップＳ１３４において、スピンドルモータ制御回路５６に対して回転停止指令を出力する。これにより、スピンドルモータ５２への通電が停止され、加工対象物ＯＢの回転が停止する。そして、ステップＳ１３６において、フィードモータ制御回路５７に対して加工対象物ＯＢの取り外し位置への移動指令を出力する。これによりフィードモータ制御回路５７は、移動位置検出回路５８により検出される移動位置を取り込みながらフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を加工対象物ＯＢの取り外し位置にまで移動させる。作業者は、この位置で加工対象物ＯＢをワーク駆動装置５０から取り外す。こうして、移動ステージ５１が所定の取り外し位置にまで移動すると、ステップＳ１４０により本レーザ加工制御ルーチンが終了する。
【００８２】
以上説明した第１実施形態のレーザ加工装置によれば、加工対象物ＯＢに対して、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを加工対象物ＯＢに照射し、その射影の位置に基づいて、加工用レーザ光の光軸の位置が加工対象物ＯＢの中心軸と交差し、かつＤＭＤ１１０による模様に対応した像が加工対象物ＯＢの表面に形成されるように、対物レンズ１２２のＺ軸方向とＹ軸方向の位置が制御される。したがって、本実施形態のように非常に細いパイプ状の加工対象物ＯＢの表面を複雑な模様にレーザ加工する場合でも、適正に集光した加工用レーザ光を加工対象物ＯＢの表面に垂直に照射することができ、これにより、複雑な模様の加工跡を加工対象物ＯＢに高精度で施すことができる。
【００８３】
また、本実施形態においては、加工用レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とを同一の光軸上で照射し、フォトディテクタ１４０の受光信号から得られたＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）をフィードバックして、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようにクローズドループ制御によりＹ軸アクチュエータ１２６ｙを駆動するため、特にＹ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【００８４】
また、加工用レーザ光の反射光強度Ｒと下限値Ｒrefとの比較に基づいて、Ｚ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御の異常発生の有無を判定し、異常が検出されたときには、ＤＭＤ１１０による模様に対応した像が加工対象物ＯＢの表面に適正に形成されていないと判断してレーザ加工を中止する。これにより、レーザ加工の失敗を防止することができる。
【００８５】
また、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及びサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を出射するにあたり、フォトディテクタ２１０，３１０で検出した光の強度が設定強度となるようにレーザ光源２０２，３０２の出力を制御するため、Ｚ軸方向及びＹ軸方向のサーボ制御を精度良く行うことができる。
【００８６】
ｂ．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。図９は、第２実施形態のレーザ加工装置における加工用ヘッド１２の概略構成を表す。第２実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態のレーザ加工装置の加工用ヘッド１０とサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０に代えて、加工用ヘッド１２を設けたもので、他の構成については第１実施形態と同一である。この加工用ヘッド１２は、加工用レーザ光を照射／受光する構成に加えて、サーボ用Ｚ軸レーザ光を照射／受光する構成を備えている。以下、第１実施形態と同様な構成については、図面に第１実施形態と同一の符号を付して簡単な説明に留める。
【００８７】
加工用ヘッド１２は、第１実施形態の加工用ヘッド１０と同様に、加工用レーザ光を加工対象物ＯＢに照射する構成としてレーザ光源１０２、コリメートレンズ１０４、ビームスプリッタ１０６、ミラー１０８、ＤＭＤ１１０、遮光板１１０ａ、フーリエ変換レンズ１１２、偏光ビームスプリッタ１１４、１／４波長板１１６、ダイクロイックミラー１１８、ミラー１２０及び対物レンズ１２２を備え、加工用レーザ光の反射光強度を検出する構成として集光レンズ１３０及びフォトディテクタ１３２を備え、レーザ光源１０２から出射する加工用レーザ光の強度を検出する構成として集光レンズ１３４及びフォトディテクタ１３６を備え、対物レンズ１２２をＺ軸方向に駆動する構成としてＺ軸アクチュエータ１２６ｚと、ミラー１２０及び対物レンズ１２２を含む筐体１２４をＹ軸方向に駆動する構成としてＹ軸アクチュエータ１２６ｙとを備える。
【００８８】
さらに、加工用ヘッド１２は、サーボ用レーザ光を照射するレーザ光源１４４と、レーザ光源１４４から出射されるサーボ用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ１４６、偏光ビームスプリッタ１４８及び１／４波長板１５０を備えている。レーザ光源１４４は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。レーザ光源１４４から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ１４６により平行光となって偏光ビームスプリッタ１４８に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ１４８をそのまま透過して１／４波長板１５０を通過して直線偏光から円偏光に変換される。１／４波長板１５０を通過したサーボ用レーザ光は、加工用レーザ光の光路途中に設けられるダイクロイックミラー１１８に入射し、そこを透過する。したがって、サーボ用レーザ光と加工用レーザ光とが合成されてミラー１２０を介して対物レンズ１２２に入射する。この場合、ダイクロイックミラー１１８を透過したサーボ用レーザ光の光軸と、ダイクロイックミラー１１８で反射した加工用レーザ光の光軸とが一致するように、サーボ用レーザ光と加工用レーザ光の光路が設定されている。
【００８９】
サーボ用レーザ光は、対物レンズ１２２により加工対象物ＯＢの直径よりも小さな径に集光されて加工対象物ＯＢの表面にスポット状に照射される。この加工対象物ＯＢの照射されるサーボ用レーザ光がサーボ用Ｚ軸方向レーザ光である。サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの表面で反射して対物レンズ１２２に入射し平行光に戻される。この場合、加工用レーザ光は、ミラー１２０で反射するとともにダイクロイックミラー１１８でも反射するが、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、ミラー１２０で反射してダイクロイックミラー１１８を透過する。したがって、ダイクロイックミラー１１８で加工用レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とが分離されることになる。
【００９０】
ダイクロイックミラー１１８を透過したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、１／４波長板１５０を通過する。この場合、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光（反射光）は、１／４波長板を２回通過したことになるため、レーザ光源１４４から出射されたレーザ光とは偏光方向が９０°相違したものとなる。したがって、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１４８で反射する。
【００９１】
偏光ビームスプリッタ１４８の反射方向には、フォトディテクタ１５２が設けられている。したがって、加工対象物ＯＢの表面を反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、フォトディテクタ１５２に入射する。このフォトディテクタ１５２は、第１実施形態のフォトディテクタ１４０と同様に、受光領域が左右に（Ｙ軸方向）２分割された２つの受光素子を備え、その受光領域Ａ，Ｂに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ａ，ｂ）として出力する。また、フォトディテクタ１５２は、対物レンズ１２２が原点位置にあり、かつＺ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに、図１０（ｂ）に示すように、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【００９２】
フォトディテクタ１５２から出力される受光信号（ａ，ｂ）は、第１実施形態と同様にＹ軸方向エラー信号生成回路１７１に入力される。Ｙ軸方向エラー信号生成回路１７１は、受光信号（ａ，ｂ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ａ−ｂ）演算し、その演算結果をＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）としてＹ軸方向サーボ回路１７２に出力する。加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向に変動すると、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、その変動位置に応じて加工対象物ＯＢに照射されるサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の位置が変化し、これに伴って、フォトディテクタ１５２に受光される反射光ＲＬの位置が変化する。このため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＹ軸方向におけるずれ量を表すものとなる。
【００９３】
Ｙ軸方向サーボ回路１７２及びＹ軸方向ドライブ回路１７３の動作についても第１実施形態と同様である。つまり、Ｙ軸方向サーボ回路１７２が、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１７１から入力したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようなＹ軸方向サーボ信号を生成し、Ｙ軸方向ドライブ回路１７３が、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてＹ軸アクチュエータ１２６ｙに駆動信号を出力して、ミラー１２０及び対物レンズ１２２をＹ軸方向に移動させる。したがって、フォトディテクタ１５２に受光されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の反射光が、受光面の中央に維持されるようにミラー１２０及び対物レンズ１２２のＹ軸方向位置が制御されることとなる。このため、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように維持される。
【００９４】
加工用ヘッド１２は、さらに、レーザ光源１４４から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ１４８で反射させ、その反射光を集光レンズ１５４によりフォトディテクタ１５６の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ１５６は、第１実施形態のフォトディテクタ２１０と同様に、レーザ光源１４４が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に供給される。サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、フォトディテクタ１５６が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した強度となるようにレーザ光源１４４の出力を調整する。これにより、加工用ヘッド１２から加工対象物ＯＢに向けて出射するサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の強度が一定の適正値に維持される。
【００９５】
また、第２実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態と同様のレーザ加工制御ルーチンを実行する。
【００９６】
以上説明した第２実施形態のレーザ加工装置においては、加工用ヘッド１２によりサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を集光して加工対象物ＯＢに照射し、その反射光の位置に基づいて加工用レーザ光の光軸の位置が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するようにミラー１２０及び対物レンズ１２２のＹ軸方向の位置を制御するとともに、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０により加工対象物ＯＢの直径より大きな直径のサーボ用レーザ光（平行光）を加工対象物ＯＢに照射して、その射影光をＹ軸方向受光装置４０にて受光し、射影の位置に基づいてＤＭＤ１１０による模様に対応した像が加工対象物ＯＢの表面に形成されるように対物レンズ１２２のＺ軸方向の位置を制御する。すなわち、対物レンズ１２２と加工対象物ＯＢの表面とのＺ軸方向の相対的な位置関係が、対物レンズ１２２の焦点距離だけ隔てて常に一定に保たれる。したがって、第１実施形態と同様な効果を奏する。また、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の反射光の検出位置は、加工対象物ＯＢのＹ軸方向の変位に対して大きく変動するため、Ｙ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【００９７】
ｃ．第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。この第３実施形態のレーザ加工装置は、Ｚ軸方向のサーボ制御をクローズドループ制御で実施できるようにしたもので、第１実施形態のレーザ加工装置とは、Ｙ軸方向受光装置及びＺ軸方向のサーボ系回路が相違し、他の構成については第１実施形態と同一である。
【００９８】
図１１に示すように、第３実施形態のレーザ加工装置におけるＹ軸方向受光装置４３は、第１実施形態におけるＹ軸方向受光装置４０のフォトディテクタ４０２の入射部に第１リレーレンズ４０４及び第２リレーレンズ４０６を設け、さらに第１リレーレンズ４０４をＺ軸方向に駆動するリレーレンズアクチュエータ４０８を設けたものである。第１リレーレンズ４０４は、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光（加工対象物ＯＢの射影光）を集光し、第２リレーレンズ４０６は、第１リレーレンズ４０４で集光したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を平行光に戻す。フォトディテクタ４０２は、第２リレーレンズ４０６を通過したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を受光する。第１リレーレンズ４０４は、その位置がリレーレンズアクチュエータ４０８によりＺ軸方向に移動可能となっている。第１リレーレンズ４０４は、リレーレンズアクチュエータ４０８が通電されていないときに、Ｚ軸方向の可動範囲の中心に位置する（この位置を原点位置と呼ぶ）。フォトディテクタ４０２は、第１リレーレンズ４０４が原点位置にあるとき、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の光軸が受光面の中心を通るように位置決めされている。
【００９９】
フォトディテクタ４０２の受光面には、加工対象物ＯＢの棒状の射影が映し出されるが、リレーレンズアクチュエータ４０８により第１リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動された場合には、その移動に伴って射影の位置もＺ軸方向に移動する。
【０１００】
フォトディテクタ４０２は、上述したように、受光領域が上下に（Ｚ軸方向）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ｃ，ｄ）として出力する。また、フォトディテクタ４０２は、受光したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光における棒状の射影が受光領域の分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ第１リレーレンズ４０４が原点位置にありＹ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【０１０１】
第３実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態のＺ軸方向サーボ回路１７６及びＺ軸方向ドライブ回路１７７に代えて、Ｚ軸方向サーボ回路１８２及びＺ軸方向ドライブ回路１８３を備えている。尚、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７５については、第１実施形態と同一である。フォトディテクタ４０２から出力される受光信号（ｃ，ｄ）は、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７５に入力される。Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７５は、受光信号（ｃ，ｄ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ｃ−ｄ）を演算し、その演算結果をＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）としてＺ軸方向サーボ回路１８２に出力する。Ｚ軸方向サーボ回路１８２は、Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）を入力し、Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）が常にゼロとなるようなＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１８３に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路１８３は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてリレーレンズアクチュエータ４０８を駆動する信号を出力して第１リレーレンズ４０４をＺ軸方向に移動させるとともに、加工用ヘッド１０のＺ軸アクチュエータ１２６ｚを駆動する信号を出力して対物レンズ１２２をＺ軸方向に移動させる。この場合、第１リレーレンズ４０４の移動量と対物レンズ１２２の移動量とが同一となるように、それぞれの駆動信号は設定されている。したがって、対物レンズ１２２と第１リレーレンズ４０４とは、Ｚ軸方向における相対位置がほとんど変化しない。
【０１０２】
第１実施形態においては、対物レンズ１２２のみをＺ軸方向に移動させる構成であったため、フォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影は移動しないが、第３実施形態においては、第１リレーレンズ４０４もＺ軸方向サーボ信号によりＺ軸方向に移動するため、フォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影がＺ軸方向に移動する。したがって、この第３実施形態におけるＺ軸方向サーボ制御では、フォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影が、常に、受光面の中央、すなわち受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置となるように第１リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、これに合わせて対物レンズ１２２がＺ軸方向に駆動されることになる。したがって、Ｙ軸方向サーボ制御だけでなくＺ軸方向サーボ制御においてもクローズドループ制御を行うため、Ｚ軸方向サーボ制御も高精度となる。また、加工対象物ＯＢがＺ軸方向に大きく変動しても、それに合わせてリレーレンズアクチュエータ４０８が、フォトディテクタ４０２に映し出される射影の位置が受光面の中央側にくるように第１リレーレンズ４０４を移動させるため、加工対象物ＯＢのＺ軸方向の検出エリアが広くなる。
【０１０３】
また、第３実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態と同様のレーザ加工制御ルーチンを実行する。この場合、ステップＳ１１０においては、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようなＹ軸方向サーボ信号に基づいてＹ軸アクチュエータ１２６ｙを駆動するとともに、Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）が常にゼロとなるようなＺ軸方向サーボ信号に基づいてリレーレンズアクチュエータ４０８を駆動し、それと等しい駆動量でＺ軸アクチュエータ１２６ｚを駆動する。
【０１０４】
以上説明した第３実施形態のレーザ加工装置によれば、第１実施形態の効果に加えて、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ検出範囲が広くなるため、Ｚ軸方向のサーボ制御可能範囲を広くすることができる。また、クローズドループ制御を行うためＺ軸方向サーボ制御も高精度に行うことができる。
【０１０５】
ｄ．第４実施形態
次に、本発明の第４実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。第３実施形態においては、１つのサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物ＯＢに照射し、その加工対象物ＯＢの射影の位置に基づいて、Ｚ軸方向サーボ制御を行ったが、この第４実施形態においては、さらに別のサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物ＯＢに照射してその反射光の位置を検出することにより、射影と反射光との両方の位置に基づいてＺ軸方向サーボ制御を行うものである。第４実施形態のレーザ加工装置は、図１２に示すように、第３実施形態のレーザ加工装置におけるＹ軸方向受光装置４３に代えて、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４を備えている。
【０１０６】
尚、第４実施形態のレーザ加工装置は、以下に説明する構成以外については第３実施形態のレーザ加工装置と同一であるが、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０と第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４と区別するために、このサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０を第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０と呼ぶ。また、第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射されるサーボ用レーザ光を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光と呼び、レーザ光源３０２を第１レーザ光源３０２と呼び、第１レーザ光源３０２を駆動するサーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０と呼ぶ。
【０１０７】
まず、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４における、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物ＯＢの射影を検出する構成から説明する。図１２に示すように、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４は、第３実施形態のＹ軸方向受光装置４３と同様に、第１リレーレンズ４０４、第２リレーレンズ４０６、フォトディテクタ４０２及びリレーレンズアクチュエータ４０８を備えるが、さらに、第１リレーレンズ４０４と第２リレーレンズ４０６と間にダイクロイックミラー４１８を介装している。第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、その波長がダイクロイックミラー４１８で反射するように設定されている。したがって、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の進む光路は、ダイクロイックミラー４１８で９０度曲がった構成となっている。
【０１０８】
第１リレーレンズ４０４に入射する第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの射影光となる。射影光は、第１リレーレンズ４０４を通過して集光されダイクロイックミラー４１８で反射する。そして、第２リレーレンズ４０６で平行光に戻されてフォトディテクタ４０２の受光面に入射する。これにより、フォトディテクタ４０２の受光面には、加工対象物ＯＢの棒状の射影が映し出される。以下、フォトディテクタ４０２を第１フォトディテクタ４０２と呼ぶ。
【０１０９】
第１フォトディテクタ４０２は、受光領域が左右に（Ｙ軸方向に）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ｃ，ｄ）として出力する。この第１フォトディテクタ４０２は、受光した第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光における棒状の射影が受光領域の分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ第１リレーレンズ４０４が原点位置にありＹ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【０１１０】
第１リレーレンズ４０４は、その位置がリレーレンズアクチュエータ４０８によりＺ軸方向に移動可能となっている。第１リレーレンズ４０４は、リレーレンズアクチュエータ４０８が通電されていないときに、Ｚ軸方向の可動範囲の中心、すなわち原点に位置する。
【０１１１】
第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４は、さらに加工対象物ＯＢに対して第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とは反対方向から第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を照射し、その反射光を検出する構成として、第２レーザ光源４１０、コリメートレンズ４１２、偏光ビームスプリッタ４１４、１／４波長板４１６及び第２フォトディテクタ４２０を備えている。第２レーザ光源４１０は、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。第２レーザ光源４１０から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ４１２により平行光となって偏光ビームスプリッタ４１４に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ４１４をそのまま透過し、１／４波長板４１６を通過して直線偏光から円偏光に変換される。１／４波長板４１６を通過したサーボ用レーザ光は、ダイクロイックミラー４１８を透過し、第１リレーレンズ４０４に入射する。第１リレーレンズ４０４は、対物レンズとして働くためサーボ用レーザ光を集光する。こうして加工対象物ＯＢの直径よりも小さな径に集光されたレーザスポットが加工対象物ＯＢの表面に照射される。
【０１１２】
加工対象物ＯＢに照射されたサーボ用レーザ光（第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光）は、加工対象物ＯＢの表面で反射して第１リレーレンズ４０４に入射し平行光に戻されて、ダイクロイックミラー４１８をそのまま通過し、さらに、１／４波長板４１６を通過する。この場合、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第２レーザ光源４１０から出射されたサーボ用レーザ光とは偏光方向が９０°相違したものとなるため、偏光ビームスプリッタ４１４で反射する。偏光ビームスプリッタ４１４の反射方向には、第２フォトディテクタ４２０が設けられている。したがって、加工対象物ＯＢの表面で反射した第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第２フォトディテクタ４２０に入射する。この第２フォトディテクタ４２０は、受光領域が左右に（Ｙ軸方向に）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ｅ，Ｆに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ｅ，ｆ）として出力する。この第２フォトディテクタ４２０は、第１リレーレンズ４０４が原点位置にあり、かつＹ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢで反射した反射光が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【０１１３】
また、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４は、第２レーザ光源４１０から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ４１４で反射させ、その反射光を集光レンズ４２２によりフォトディテクタ４２４の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ４２４は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ４２４は、第２レーザ光源４１０が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０に供給される。
【０１１４】
第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、第２レーザ光源４１０に対して、加工対象物ＯＢの表面を変化させず、かつ第２フォトディテクタ４２０で加工対象物ＯＢからの反射光を検出できる強度のサーボ用レーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０は、フォトディテクタ４２４が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるように第２レーザ光源４１０に出力する電流あるいは電圧を調整する。これにより、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４から出射するサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の強度が一定に維持される。
【０１１５】
第４実施形態のレーザ加工装置は、第３実施形態のＺ軸方向エラー信号生成回路１７５及びＺ軸方向サーボ回路１８２に代えて、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１９１及びＺ軸方向サーボ回路１９２を備えている。尚、Ｚ軸方向ドライブ回路１８３に関しては、第３実施形態と同一である。
【０１１６】
第１フォトディテクタ４０２から出力される受光信号（ｃ，ｄ）及び第２フォトディテクタ４２０から出力される受光信号（ｅ，ｆ）は、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１９１に入力される。Ｚ軸方向エラー信号生成回路１９１は、第１生成部１９１１と第２生成部１９１２とからなり、第１フォトディテクタ４０２から出力される受光信号（ｃ，ｄ）が第１生成部１９１１に入力され、第２フォトディテクタ４２０から出力される受光信号（ｅ，ｆ）が第２生成部１９１２に入力される。第１生成部１９１１は、受光信号（ｃ，ｄ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ｃ−ｄ）を演算し、その演算結果を第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）として出力する。第２生成部１９１２は、受光信号（ｅ，ｆ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ｅ−ｆ）を演算し、その演算結果を第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−ｆ）として出力する。
【０１１７】
第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）及び第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−f）は、Ｚ軸方向サーボ回路１９２に入力される。Ｚ軸方向サーボ回路１９２は、第１サーボ部１９２１と第２サーボ部１９２２とからなり、第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）が第１サーボ部１９２１に入力され、第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−f）が第２サーボ部１９２２に入力される。
【０１１８】
第１サーボ部１９２１は、コントローラ９０から出力されるサーボ開始指令により作動を開始し、第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）に基づいて、第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）が常にゼロとなるようなＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１８３に出力する。したがって、第１フォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影が、受光面の中央、すなわち受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置となるように第１リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、これと同じ駆動量で対物レンズ１２２がＺ軸方向に駆動される。また、第１サーボ部１９２１は、コントローラ９０からのサーボ切替指令に基づいて作動を停止する。
【０１１９】
第２サーボ部１９２２は、コントローラ９０から出力されるサーボ切替指令により、第１サーボ部１９２１に代わって作動を開始し、第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−ｆ）に基づいて、第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−ｆ）が常にゼロとなるようなＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１８３に出力する。したがって、第２フォトディテクタ４２０に受光された第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の反射光が受光領域の中央に維持されるように第１リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、これと同じ駆動量で対物レンズ１２２がＺ軸方向に駆動される。
【０１２０】
次に、第４実施形態におけるコントローラ９０の実行するレーザ加工制御ルーチンについて説明する。第４実施形態のレーザ加工制御ルーチンは、第１実施形態のものと、ステップＳ１０８〜Ｓ１１０の処理及びステップＳ１３０〜Ｓ１３２の処理が相違する。図１３は、第１実施形態におけるステップＳ１０８〜Ｓ１１０及びステップＳ１３０〜Ｓ１３２の処理に代えて行う第４実施形態の処理を表す部分フローチャートである。
【０１２１】
コントローラ９０は、ステップＳ１０６において、スピンドルモータ制御回路５６に対して回転開始指令を出力すると、次に、ステップＳ２０１において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０と第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０とに対して、それぞれのサーボ用レーザ光の照射開始指令を出力する。したがって、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からサーボ用Ｚ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＺ軸方向に照射され、第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＹ軸方向に照射される。
【０１２２】
そして、コントローラ９０は、ステップＳ２０２において、Ｚ軸方向サーボ回路１９２とＹ軸方向サーボ回路１７２に対して、サーボ開始指令を出力する。これにより、各サーボ回路は、上述したＺ軸方向サーボ及びＹ軸方向サーボ制御を開始する。この場合、Ｚ軸方向サーボ回路１９２では、第１サーボ部１９２１のみが作動してＺ軸方向サーボ信号を生成する。
【０１２３】
次に、コントローラ９０は、ステップＳ２０３において、サーボ開始指令の出力から所定時間経過するまで待機する。この間、上述したサーボ制御が継続される。この場合、Ｚ軸方向サーボにおいては、第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射された第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物ＯＢの射影が、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４の第１フォトディテクタ４０２の受光面の中央位置にくるように第１リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、これと同じ駆動量で対物レンズ１２２がＺ軸方向に駆動されるため、Ｚ軸方向のサーボ制御可能範囲が広い。したがって、加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転中心軸に対してＺ軸方向に大きくずれていても、ＤＭＤ１０による模様に対応した像を加工対象物ＯＢの表面に形成させることができる。
【０１２４】
サーボ開始指令の出力から所定時間経過すると、コントローラ９０は、ステップＳ２０３にて「Ｙｅｓ」と判定して、ステップＳ２０４において、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０及びＺ軸方向サーボ回路１９２に対してサーボ切替指令を出力する。これにより、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０による第１レーザ光源３０２の駆動が停止され、代わりに、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０による第２レーザ光源４１０の駆動が開始される。したがって、加工対象物ＯＢには、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光に代わって第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光が照射される。
【０１２５】
また、同時に、Ｚ軸方向サーボ回路１９２においては、第１サーボ部１９２１に代わって第２サーボ部１９２２が作動を開始する。これにより、Ｚ軸方向のサーボ制御態様が切り替わり、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物ＯＢからの反射光が第２フォトディテクタ４２０の受光面の中央位置にくるように第１リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、これと同じ駆動量で対物レンズ１２２がＺ軸方向に駆動される。この場合、反射光位置に基づいてＺ軸方向サーボ制御を行うため、加工対象物ＯＢのＺ軸方向の変位に対して第２サーボ部１９２２の出力する第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−ｆ）の変化が大きくなり、高精度にＺ軸方向サーボ制御を行うことができる。コントローラ９０は、ステップＳ２０４においてＺ軸方向のサーボ制御態様を切り換えると、上述したステップＳ１１２からの処理を実行する。
【０１２６】
コントローラ９０は、第１実施形態のステップＳ１３０，Ｓ１３２の処理に代えて、ステップＳ２０５，Ｓ２０６の処理を実行する。コントローラ９０は、ステップＳ２０５において、Ｚ軸方向サーボ回路１９２とＹ軸方向サーボ回路１７２に対して、サーボ制御の停止指令を出力する。これにより、Ｚ軸アクチュエータ１２６ｚ、Ｙ軸アクチュエータ１２６ｙ及びリレーレンズアクチュエータ４０８の作動が停止する。次に、ステップＳ２０６において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０と第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０とに対して、サーボ用レーザ光の照射停止指令を出力する。これにより、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からのサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の照射、及び第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４からの第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の照射が停止される。
【０１２７】
以上説明した第４実施形態のレーザ加工装置によれば、最初に加工対象物ＯＢの射影の検出位置に基づいてＺ軸方向のサーボ制御を開始し（サーボ制御の引き込みを行い）、その後、加工対象物ＯＢの反射光の検出位置に基づいてＺ軸方向サーボ制御を行うようにしているため、Ｚ軸方向サーボ制御の引き込みを確実に行え、Ｚ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【０１２８】
ｅ．第５実施形態
次に、本発明の第５実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。上述した第１〜第４実施形態のレーザ加工装置においては、サーボ用レーザ光の照射源としてＺ軸方向とＹ軸方向とで別々のレーザ光源を備え、また、それらサーボ用レーザ光を検出する別々のフォトディテクタを備えた構成であったが、第５実施形態においては、Ｚ軸方向とＹ軸方向とでレーザ光源とフォトディテクタとを共通化した構成を採用している。
【０１２９】
図１４は、第５実施形態のレーザ加工装置における加工用ヘッド１５の概略構成を表す。この加工用ヘッド１５は、第１実施形態における加工用ヘッド１０、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０及びＹ軸方向受光装置４０に代えて設けられるもので、加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を照射する機能と、加工対象物ＯＢにサーボ用Ｚ軸方向レーザ光及びサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を照射する機能と、加工対象物ＯＢに照射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光及びサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の両方の射影光を検出する機能を有する。図中において、第１実施形態と同じものについては、第１実施形態で使用した符号と同一の符号を付して簡単な説明に留める。
【０１３０】
加工用ヘッド１５は、その中央に加工対象物ＯＢが挿通される領域Ｈ（空間）が設けられており、その領域Ｈに加工用レーザ光及びサーボ用レーザ光を出射するように構成されている。加工用ヘッド１５は、加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を照射する構成として、加工用レーザ駆動回路１６０により駆動されるレーザ光源１０２と、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ１０４、ビームスプリッタ１０６、ミラー１０８、ＤＭＤ１１０、フーリエ変換レンズ１１２、偏光ビームスプリッタ１１４、１／４波長板１１６、ダイクロイックミラー１１８、ミラー１２０及び対物レンズ１２２を備えるとともに、対物レンズ１２２をＺ軸方向に駆動する構成としてＺ軸アクチュエータ１２６ｚと、ミラー１２０及び対物レンズ１２２を含む筐体１２４をＹ軸方向に駆動する構成としてＹ軸アクチュエータ１２６ｙとを備えている。また、加工用レーザ光が加工対象物ＯＢで反射した反射光の強度を検出するための構成として、集光レンズ１３０とフォトディテクタ１３２とを備えている。また、加工用レーザ光の強度を検出するための構成として、集光レンズ１３４とフォトディテクタ１３６とを備えている。これらの構成は、第１実施形態と同一である。したがって、加工用レーザ光の進む経路や、フォトディテクタ１３２，１３６の出力に基づく制御についても第１実施形態と同一である。
【０１３１】
加工用ヘッド１５は、対物レンズ１２２が原点位置にあり、かつ加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致している場合に、ＤＭＤ１１０による模様に対応した像が加工対象物ＯＢの表面に形成されるように位置決めされている。
【０１３２】
次に、サーボ用レーザ光を加工対象物ＯＢに照射する構成について説明する。加工用ヘッド１５は、第１実施形態のサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０と同様な、サーボ用レーザ光を出射するレーザ光源２０２と、レーザ光源２０２から出射されるサーボ用レーザ光を平行光にするコリメートレンズ２０４と、平行光の大半（例えば９５％）を透過し残りを反射するビームスプリッタ２０６と、ビームスプリッタ２０６の反射方向に設けられる集光レンズ２０８と、集光レンズ２０８により集光されたサーボ用レーザ光の強度を検出するフォトディテクタ２１０を備えている。レーザ光源２０２は、サーボ用レーザ駆動回路５４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。このサーボ用レーザ駆動回路５４０は、第１実施形態のサーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に相当するもので、フォトディテクタ２１０により検出したサーボ用レーザ光の光強度が設定強度となるようにレーザ光源２０２に出力する電流あるいは電圧を調整する。
【０１３３】
サーボ用レーザ光がビームスプリッタ２０６を透過する方向には、ビームスプリッタ２１２が設けられる。ビームスプリッタ２１２は、入射したサーボ用レーザ光の半分を透過し残り半分を反射する。したがって、サーボ用レーザ光は、光強度が同程度となる２つのサーボ用レーザ光に分けられる。ビームスプリッタ２１２を透過したサーボ用レーザ光は、加工対象物ＯＢに対して加工用レーザ光とは反対方向からＺ軸方向に照射される。以下、ビームスプリッタ２１２を透過したサーボ用レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と呼ぶ。このサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、第１実施形態のサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と同様に、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であり、その光軸が、加工用ヘッド１５の対物レンズ１２２が原点位置にある時に加工用レーザ光の光軸と一致するように光路が位置決めされている。
【０１３４】
サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、加工対象物ＯＢに遮られなかったレーザ光が対物レンズ１２２に入射する。この場合、対物レンズ１２２に入射するサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、受光すると中央に加工対象物ＯＢの棒状の射影が形成された射影光となる。対物レンズ１２２に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は集光されるとともに、ミラー１２０で反射されてダイクロイックミラー１１８に入射して透過する。ダイクロイックミラー１１８の透過方向には、リレーレンズ１３８（結像レンズ）、偏光ビームスプリッタ２２８及びフォトディテクタ２３０が設けられている。偏光ビームスプリッタ２２８は、透過方向がレーザ光源２０２を出射したレーザ光の偏光方向に設定されている。したがって、ダイクロイックミラー１１８を透過したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、リレーレンズ１３８を通過して平行光となり、偏光ビームスプリッタ２２８を透過してフォトディテクタ２３０の受光面に入射する。こうしてフォトディテクタ２３０の受光面には、加工対象物ＯＢの影であるＸ軸方向に延びた棒状の射影が映し出される。
【０１３５】
フォトディテクタ２３０は、図１５に示すように、受光領域が十字状に４分割された４つの同一正方形状の受光素子を備え、時計周りに配置された受光領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）として出力する。このフォトディテクタ２３０は、十字状の分割線ＤＩＶがＺ軸方向とＸ軸方向とに向くように配置されている。以下、分割線ＤＩＶのうち、Ｘ軸方向に向いた分割線をＸ軸方向分割線ＤＩＶＸと呼び、Ｚ軸方向に向いた分割線をＺ軸方向分割線ＤＩＶＺと呼ぶ。
【０１３６】
また、ビームスプリッタ２１２で反射したサーボ用レーザ光は、第１反射ミラー２１４と第２反射ミラー２１６とで反射して加工対象物ＯＢに対してＹ軸方向に照射される。以下、ビームスプリッタ２１２で反射したサーボ用レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光と呼ぶ。このサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第１実施形態のサーボ用Ｙ軸方向レーザ光と同様に、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であり、その光軸がワーク駆動装置５０の回転軸と交差するように光路が位置決めされている。
【０１３７】
加工対象物ＯＢを挟んで第２反射ミラー２１６と向かい合う位置に第３反射ミラー２１８が設けられる。第２反射ミラー２１６で反射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、加工対象物ＯＢに遮られなかったレーザ光（射影光）が第３反射ミラー２１８に入射する。サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第３反射ミラー２１８で反射し、さらに、第４反射ミラー２２０で反射する。第４反射ミラー２２０の反射方向には、像回転プリズム（ダブプリズム）２２２及び第５反射ミラー２２４が設けられる。第４反射ミラー２２０で反射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、像回転プリズム２２２で像が９０度回転する。したがって、像回転プリズム２２２から出射するサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの射影の向きがＺ軸方向となる。像回転プリズム２２２から出射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第５反射ミラー２２４で反射して進行方向を変え、１／２波長板２２６を通過することで偏光方向が９０度変化して偏光ビームスプリッタ２２８に入射する。偏光ビームスプリッタ２２８は透過方向がレーザ光源２０２を出射したレーザ光の偏光方向に設定されているため、入射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は偏光ビームスプリッタ２２８で反射する。これにより、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とが合成される。
【０１３８】
フォトディテクタ２３０には、図１５に示すように、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とによる加工対象物ＯＢの射影Ｓが映し出されるが、この射影Ｓは、Ｚ軸方向とＸ軸方向とに延びた十字形状となる。このフォトディテクタ２３０は、Ｙ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに射影Ｓが受光領域のＺ軸方向分割線ＤＩＶＺにより２等分される位置で、かつ、対物レンズ１２２が原点位置にありＺ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに射影Ｓが受光領域のＸ軸方向分割線ＤＩＶＸにより２等分される位置に配置される。
【０１３９】
フォトディテクタ２３０の出力する受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）は、ぞれぞれ、Ｙ軸方向エラー信号生成回路５６１とＺ軸方向エラー信号生成回路５７１とに入力される。この第５実施形態においては、Ｙ軸方向エラー信号生成回路５６１は、受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を使って（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））の演算を行い、その演算結果をＹ軸方向エラー信号（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））として出力する。Ｙ軸方向エラー信号（（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＹ軸方向におけるずれ量を表すものとなる。また、Ｚ軸方向エラー信号生成回路５７１は、受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を使って（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））の演算を行い、その演算結果をＺ軸方向エラー信号（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））として出力する。Ｚ軸方向エラー信号（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＺ軸方向におけるずれ量を表すものとなる。
【０１４０】
Ｙ軸方向サーボ回路５６２は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｙ軸方向エラー信号生成回路５６１から入力したＹ軸方向エラー信号（（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号（（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））が常にゼロとなるようなＹ軸方向サーボ信号を生成してＹ軸方向ドライブ回路５６３に出力する。Ｙ軸方向ドライブ回路５６３は、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてＹ軸アクチュエータ１２６ｙを駆動する信号を出力して、ミラー１２０及び対物レンズ１２２を含む筐体１２４をＹ軸方向に移動させる。したがって、フォトディテクタ２３０に映し出される十字形状の射影におけるＸ軸方向に向いた部分が受光領域のＸ軸方向分割線ＤＩＶＸにより２等分される位置に維持されるように対物レンズ１２２のＹ軸方向位置が制御される。この結果、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差する位置に維持される。
【０１４１】
また、Ｚ軸方向サーボ回路５７２は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｚ軸方向エラー信号生成回路５７１から入力したＺ軸方向エラー信号（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））に基づいて、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を検出し、このずれ量分の対物レンズ１２２のＺ軸方向移動量を表すＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路５７３に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路５７３は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてＺ軸アクチュエータ１２６ｚを駆動する信号を出力して、対物レンズ１２２をＺ軸方向に移動させる。したがって、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量だけ、対物レンズ１２２が原点位置からＺ軸方向に離れた位置に維持される。このため、加工対象物ＯＢの位置がＺ軸方向に変動しても、加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸とずれている量だけ対物レンズ１２２を原点位置から移動させることにより、常に、ＤＭＤ１１０による模様に対応した像を加工対象物ＯＢの表面に形成させることができる。
【０１４２】
尚、本実施形態においても、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の光路上に第１リレーレンズ４０４及び第２リレーレンズ４０６を設け、第３実施形態と同様、第１リレーレンズ４０４をリレーレンズアクチュエータ４０８で駆動し、それと等しい駆動量でＺ軸アクチュエータ１２６ｚを駆動して、クローズドループ制御によりＺ軸方向サーボ制御を行うようにすることができる。
【０１４３】
また、加工対象物ＯＢに形成される像が大きくてもよい場合は、図１６に示すように、対物レンズ１２２の焦点距離を長くすることができるので、加工対象物ＯＢと対物レンズ１２２の間にビームスプリッタ２３２を設け、像回転プリズム２２２から出射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光と、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光とをビームスプリッタ２３２で合成させるようにしてもよい。この場合、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、対物レンズ１２２及びリレーレンズ１３８を介してフォトディテクタ２３０に入射するため、フォトディテクタ２３０で像が形成されるためには、加工対象物ＯＢから対物レンズ１２２までの光路長をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と同一にする必要がある。しかし、構造的にそれは不可能であるため、リレーレンズ２３４，２３６を設け、リレーレンズ２３６の後側で加工対象物ＯＢの射影が明確になる形成される位置から対物レンズ１２２までの光路長を加工対象物ＯＢから対物レンズ１２２までの光路長と同じする。これによれば、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光も対物レンズ１２２を通過させることができるので、リレーレンズを設けなくてもクローズドループ制御によりＺ軸方向サーボ制御を行うことができる。
【０１４４】
以上説明した第５実施形態のレーザ加工装置によれば、第１実施形態の効果を奏するだけでなく、サーボ用レーザ光のレーザ光源、サーボ用レーザ駆動回路、フォトディテクタ及びその他の光学素子の数を減らすことができ、装置の低コスト化を図ることができる。
【０１４５】
尚、第１実施形態では、レーザ加工制御ルーチンにおけるステップＳ１０８，Ｓ１３２の処理において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０とサーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０との両方に対して照射開始指令あるいは照射停止指令を出力したが、第５実施形態においては、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを共通のレーザ光源２０２から出射するように構成しているため、照射開始指令及び照射停止指令は、レーザ光源２０２を駆動するサーボ用レーザ駆動回路５４０のみに対して出力されることになる。
【０１４６】
ｆ．その他の変形例
以上、本発明の第１乃至第５実施形態について説明したが、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形も可能である。
【０１４７】
例えば、上記各実施形態においては、２次元空間光変調器としてＤＭＤ１１０を用いた。しかし、これに代えて、透過型のパネルを有する液晶表示装置で構成して、レーザ光を液晶表示装置のパネルを透過させて加工対象物ＯＢに導き、加工対象物ＯＢの側面にレーザ加工による液晶表示装置のパネルの明暗模様を形成するようにする。この場合も、液晶表示装置のパネルの明暗模様を２値化信号で制御するとよい。なお、この液晶表示装置を用いた２次元空間光変調器は、例えば特開２００７−６５２２２号公報、特開２００９−１９９６５６号公報などに示された周知の技術である。
【０１４８】
また、上記各実施形態においては、ミラー１２０及び対物レンズ１２２を筐体１２４内に収容しておいて、Ｙ軸アクチュエータ１２６ｙにより筐体１２４をＹ軸方向に移動させることにより、Ｙ軸方向における対物レンズ１２２の位置と、対物レンズ１２２に入射する前の加工用レーザ光の光軸位置の相対関係が変化しないようにした。しかし、これに代えて、筐体１２４をなくし、ミラー１２０を固定して、ダイクロイックミラー１１８に加工用レーザ光が入射する前にガルバノミラーを設け、対物レンズ１２２のＹ軸方向の移動に同期してガルバノミラーのアクチュエータを駆動することによりガルバノミラーを回転させて、対物レンズ１２２に入射する前の加工用レーザ光の光軸位置を対物レンズ１２２のＹ軸方向の移動量だけ移動させるようにしてもよい。
【０１４９】
また、対物レンズ１２２のＹ軸方向の移動に同期して、対物レンズ１２２のＹ軸方向の移動量だけＤＭＤ１１０を移動させてもよい。この場合のレーザ光の光軸は、ＤＭＤ１１０で模様が形成されるエリアの中心を通過し、かつレーザ光位置からレーザ光の進行方向に伸ばした線上とする。さらに、対物レンズ１２２のＹ軸方向の移動に同期して、ＤＭＤ１１０に対する空間光変調器データ供給回路１６２による制御パターンを変更することにより、ＤＭＤ１１０によって形成される模様を対物レンズ１２２のＹ軸方向の移動量だけ移動させてもよい。この場合も、レーザ光の光軸は、ＤＭＤ１１０で模様が形成されるエリアの中心を通過し、かつレーザ光位置からレーザ光の進行方向に伸ばした線上とする。
【０１５０】
また、上記第１実施形態においては、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、加工用レーザ光を集光させる対物レンズ１２２を介してフォトディテクタ１４０で受光する構成を採用しているが、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の光軸を加工用レーザ光の光軸から僅かにずらし、対物レンズ１２２の近傍に設けたフォトディテクタでサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を受光する構成であってもよい。この構成では、加工対象物ＯＢの変動を加工用レーザ光の焦点位置の近傍で検出することになるが、加工対象物ＯＢの変動が大きくなければサーボ制御は可能である。
【０１５１】
また、上記各実施形態においては、Ｙ軸アクチュエータ１２６ｙ及びＺ軸アクチュエータ１２６ｚによるミラー１２０及び対物レンズ１２２の駆動のみにより加工用レーザ光が加工対象物ＯＢの適正に照射されるように制御したが、Ｙ軸アクチュエータ１２６ｙに変位センサを設け、この変位センサが出力する信号の直流成分（オフセット部分）を検出し、この直流成分がゼロになるように加工用ヘッド及びサーボ用Ｚ軸方向光ヘッドをＹ軸方向に一体的に移動させるアクチュエータを別に設けるようにしてもよい。この場合には、対物レンズ１２２が原点位置を中心に駆動されるため、さらに精度の高いサーボ制御を行うことができる。尚、Ｙ軸アクチュエータ１２６ｙに変位センサを設けずに、Ｙ軸方向サーボ回路１７２、５６２が出力する信号の直流成分を検出するようにしてもよい。
【０１５２】
また、上記各実施形態においては、加工用レーザ光の照射位置をＸ軸方向に移動させるにあたって、ワーク駆動装置５０により加工対象物ＯＢをＸ軸方向に移動させているが、例えば、加工用ヘッド１０、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０及びＹ軸方向受光装置４０を一体化したユニットをＸ軸方向に移動させる構成であってもよい。
【０１５３】
また、上記各実施形態においては、加工対象物ＯＢをその中心軸周りに回転させているが、加工対象物ＯＢを固定し、加工用ヘッド１０、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０及びＹ軸方向受光装置４０を加工対象物ＯＢの中心軸周りに回転させる構成であってもよい。
【０１５４】
また、上記各実施形態においては、加工対象物ＯＢを横方向に向けて固定しているが、加工対象物ＯＢを固定する向きは任意の方向に設定できるものである。また、これに伴って、加工用レーザ光、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及びサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の向きに関しても、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の関係を満たす条件で任意に設定できるものである。
【符号の説明】
【０１５５】
１０，１２，１５…加工用ヘッド、２０…サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド、３０，４４…サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド、４０，４３…Ｙ軸方向受光装置、５０…ワーク駆動装置、５１…移動ステージ、５２…スピンドルモータ、５５…フィードモータ、５８…移動位置検出回路、９０…コントローラ、１０２，１４４，２０２，３０２，４１０…レーザ光源、１１０…ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、１１４，１４８，２２８，４１４…偏光ビームスプリッタ、１１８，４１８…ダイクロイックミラー、１２２…対物レンズ、１２６ｙ…Ｙ軸アクチュエータ、１２６ｚ…Ｚ軸アクチュエータ、１３２，１３６，１４０，１５２，１５６，２１０，２３０，３１０，４０２，４１０，４２０，４２４…フォトディテクタ、１６２…空間光変調器データ供給回路、１６３…回転角度検出回路、１７２，５６２…Ｙ軸方向サーボ回路、１７６，１８２，１９２，５７２…Ｚ軸方向サーボ回路、４０８…リレーレンズアクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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