(57)【要約】本発明は、レーザーを使用して対象物（１１）を機械加工するためのシステムに関するものである。本発明によるシステムは、対象物を支持するトレー（１０）と；電流制御型ヘッド（１２）であるとともに、出力側に第１フィルタ（１５）が付設された第１ワイドフィールドカメラ（１３）と、出力側に第２フィルタ（１８）が付設された第２ナローフィールドカメラ（１６）と、ガイドミラー（２０）と、偏向ミラー（２１，２２）と、トレー（１０）上に配置された少なくとも１つの対象物（１１）を表示するためのレンズ（２３）と、を備えているような、電流制御型ヘッド（１２）と；レーザー源（２４）と；形状認識ソフトウェア（２６）が搭載されているコンピュータ（２５）と；を具備している。
2005532170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーを使用して対象物（１１）を機械加工するためのシステムであって、
−参照表面上へと対象物を事前に配置するための対象物供給源と；
−対象物を支持するトレー（１０）と；
−電流制御型ヘッド（１２）であるとともに、
・第１ワイドフィールドカメラ（１３）であるとともに、出力側に、焦点合わせレンズ（１４）と、第１フィルタ（１５）と、が付設されているような、第１ワイドフィールドカメラ（１３）と、
・第２ナローフィールドカメラ（１６）であるとともに、出力側に、焦点合わせレンズ（１７）と、第２フィルタ（１８）と、が付設されているような、第２ナローフィールドカメラ（１６）と、
・ガイドミラー（２０）と、
・電流制御型偏向ミラー（２１，２２）と、
・前記トレー（１０）上に配置された少なくとも１つの対象物（１１）を表示するためのレンズ（２３）と、
を備えているような、電流制御型ヘッド（１２）と；
−レーザー源（２４）と；
−形状認識ソフトウェア（２６）が搭載されていて、前記第１カメラ（１３）と、前記第２カメラ（１６）と、前記レーザー源（２４）と、前記電流制御型ヘッド（１２）の駆動制御手段（ＸＹＺ）と、の動作をチェックし得るものとされたコンピュータ（２５）と；
を具備していることを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、
反射性の第１電流制御型ミラー（２１）と、反射性の第２電流制御型ミラー（２２）と、を具備していることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、
移動可能なミラー（２０）を具備していることを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、
フラットフィールドレンズ（２３）を具備していることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１記載のシステムにおいて、
機械加工されるべき複数の対象物を参照表面上に搭載しているベルト（１９）を具備し、
このベルト（１９）が、前記対象物供給源から、対象物の供給を受けることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項３記載のシステムにおいて、
前記トレー（１０）の近傍に、反応性ガス供給源（３２）を具備していることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記第１カメラ（１３）の出力側に付設された前記フィルタ（１５）が、６００ｎｍという波長を透過させることを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記レーザー源（２４）が、１０６４ｎｍという波長に関するレーザー源であり、
前記第２カメラ（１６）の出力側に付設された前記フィルタ（１８）が、１０６４ｎｍという波長を透過させることを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記機械加工が、マーキング、または、溶接、または、穴開け、または、カット、または、熱処理とされることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
対象物支持トレー（１０）と電流制御型ヘッド（１２）とレーザー源（２４）とコンピュータ（２５）とを具備することによって、レーザーを使用して対象物（１１）を機械加工するための方法であって、
−前記トレー（１０）上の参照表面上へと対象物（１１）を配置し；
−広い視野内においてすべての対象物（１１）を表示するとともに、各対象物（１１）の位置と向きとを認識し；
−１つの対象物（１１）に関し、狭い視野内において機械加工の対象をなす領域を高解像度でもって表示し；
−その対象物を、前記レーザー源から出力されたビームを使用して機械加工する；
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば形状認識といったような手法により、レーザーを使用して対象物を機械加工するためのシステムおよび方法に関するものである。本発明による方法は、特に、レーザーを使用することによって、マーキングや、溶接や、穴開けや、カットや、熱処理、を行うに際して使用することができる。
【０００２】
本発明の技術分野は、機械加工であり、例えば、非常に小さな対象物に関しての高速でのマーキングや溶接であって、参照表面上への事前配置や、機械加工の対象をなす位置の自動認識（位置や向き）、などを行う。対象物の向きは、オーバーラップのない状態であれば、ランダムなものとすることができる。
【０００３】
塗料や他の成分を追加使用することなく対象物をマーキングすることは、マーキング対象物の『医療的』品質や『電子的』清浄品質を維持するための手段をもたらす。
【背景技術】
【０００４】
塗料やインクジェットや サンディング（sanding）等を使用したような、多様なマーキング手法が存在している。しかしながら、小さな対象物をマーキングし得るような手法や、複雑な形状を有した対象物をマーキングし得るような手法は、存在していない。
【０００５】
また、塗料を使用すれば、対象物が汚染されてしまう。マーキングする前に位置決めする必要があるとともに、工業的規模では高価なものである。
【０００６】
従来技術においては、溶接操作と組立操作とマーキング操作とを同時に行い得るような手法は、存在していない。
【０００７】
現存のレーザー機械は、微細マーキングという要望を満たし得るほどには、十分に微細なビームを有していない。ビームの発散が大きすぎるため、マーキングに際してのレーザー機械の使用が制限されている。
【０００８】
よって、典型的な現存のレーザーマーキング設備は、
−連続動作型のクリプトンランプによってポンピングされるとともに、５０〜７０Ｗというパワーを有し、さらに、ＸＹ軸に沿ってビームを変位させるための電流制御型ヘッドを有し、さらに、２００〜３００ｍｍという焦点距離のフラットなフィールドフォーカシングレンズを有しているようなＹＡＧレーザーＱスイッチタイプのレーザー源であって、約８０μｍというレーザービームによるマーキングの対象をなす対象物の高さが、小さくても５００〜６００μｍであり、さらに、使用しているエネルギーが大き過ぎることのために、繊細な部材を変形させてしまうような、レーザー源と；
−様々なアルファベット文字列やロゴやバーコードや汚れ係数等をプリントするためのソフトウェアを使用したコンピュータと；
−特に、
・Ｚ軸（焦点距離調節軸）に沿って移動可能であるようなレーザー源支持台と、
・保護安全プレートと、
・マーキング対象物を搬出入するための搬出入ステーションであるとともに、製造ラインに固有のあるいは製造ライン内に一体化された搬出入ステーションと、
・ＸＹ方向に移動可能なテーブルと、
・±１８０°にわたってのあるいは追従型の回転トレーと、
・シータ回転ユニット等と、
・蒸気吸引フードと、
・雰囲気制御ノズルと、
を備えているような一体化フレームと；
を具備することができる。
【０００９】
レーザー源の寸法と、円滑な駆動のために必要とされる駆動設備とは、大きな機械を必須とする。マイクロエレクトロニクス産業においては、通常、クリーンルームが使用される。クリーンルームとは、１立方メートルあたりのダスト数が制限された空間であり、したがって、高価である。部材搬入ステーションは、通常、多くの場合には陽極酸化されたアルミニウムからなるものといったような平面テーブルを備えており、このテーブル上において、使用者自身が、部材の位置決めを行う。
【００１０】
従来技術においては、位置決めに際しては、高精度は要求されない。それは、マーキング対象物が大きいからであり、また、マーキングを行う位置が精密ではないからである（±２ｍｍ）。
【００１１】
同一配置において複数の部材をマーキングするに際して、所定ピッチでマーキングファイルを繰り返すような、よく適合したソフトウェアを使用することができる。
【００１２】
しかしながら、微細な対象物をレーザービームの下方において精度良く位置決めして向き調節することは、装置的にも取扱い的にも、困難かつ高価な操作を必要とする。このため、レーザーマーキングのコストが高くなり、実施が困難なものとなる。その結果、非常に小さな対象物や複雑な形状を有した対象物に関しては、例えばＩＳＯ９００１といったような品質管理システムを使用することができない。なお、本出願人の知る限りにおいては、本出願に関連性を有する先行技術文献は存在しない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の目的は、上記問題点を解決することである。
【００１４】
本発明は、レーザーを使用して対象物を機械加工するためのシステムに関するものであって、本発明によるシステムは、
−参照表面上へと対象物を事前に配置するための対象物供給源と；
−対象物を支持するトレーと；
−電流制御型ヘッドであるとともに、
・第１ワイドフィールドカメラであるとともに、出力側に、焦点合わせレンズと、第１フィルタと、が付設されているような、第１ワイドフィールドカメラと、
・第２ナローフィールドカメラであるとともに、出力側に、焦点合わせレンズと、第２フィルタと、が付設されているような、第２ナローフィールドカメラと、
・ガイドミラーと、
・電流制御型偏向ミラーと、
・トレー上に配置された少なくとも１つの対象物を表示するためのレンズと、
を備えているような、電流制御型ヘッドと；
−レーザー源と；
−形状認識ソフトウェアが搭載されていて、第１カメラと、第２カメラと、レーザー源と、電流制御型ヘッドの駆動制御手段（ＸＹＺ）と、の動作をチェックし得るものとされたコンピュータと；
を具備していることを特徴としている。
【００１５】
有利には、本発明によるシステムは、反射性の第１電流制御型ミラーと、反射性の第２電流制御型ミラーと、移動可能なミラーと、フラットフィールドレンズと、機械加工されるべき複数の対象物を搭載しているベルトと、トレーの近傍に配置された反応性ガス供給源と、を具備している。
【００１６】
最初の２つの回転可能な反射性ミラーは、システムの構成をよりコンパクトなものとし得るよう、旋回可能な支持体上に支持された単一のミラーによって代替することができる。
【００１７】
一実施形態においては、第１カメラの出力側に付設されたフィルタが、６００ｎｍという波長を透過させ得るものとされ、レーザー源が、１０６４ｎｍという波長に関するレーザー源とされ、第２カメラの出力側に付設されたフィルタが、１０６４ｎｍという波長を透過させ得るものとされる。
【００１８】
機械加工は、マーキング、または、溶接、または、穴開け、または、カット、または、熱処理とすることができる。
【００１９】
本発明は、また、対象物支持トレーと電流制御型ヘッドとレーザー源とコンピュータとを具備することによって、レーザーを使用して対象物を機械加工するための方法に関するものであって、この方法においては、
−トレー上の参照表面上へと対象物を配置し；
−広い視野内においてすべての対象物を表示するとともに、各対象物の位置と向きとを認識し；
−１つの対象物に関し、狭い視野内において機械加工の対象をなす領域を高解像度でもって表示し；
−その対象物を、レーザー源から出力されたビームを使用して機械加工する。
【００２０】
数μｍという程度の機械加工の微細さは、非常に小さな対象物や複雑な形状の対象物の高品質な観測を可能とする。また、マーキングは、複雑な形状にも追従することができる。光学的認識システムは、必要であれば、各対象物に関しての品質シート（光学的マーキング）を作成することを可能とする。
【００２１】
２つのカメラが存在すること（一方のカメラが、広い視野のものとされ、他方のカメラが、狭い視野のものとされる）は、機械加工の微細さと精度とを改良する。
【００２２】
本発明は、また、停止することなく大量の対象物をマーキングすることができる。本発明においては、複数の対象物を表示したり、複数の対象物の形状を認識したり、する（読取を行うことも可能である）。複数の小さな対象物を追跡することができる。
【００２３】
本発明は、また、溶接や関連するマーキング（エレクトロニクス）に関して適用することができる。この技術は、安価である。それは、高速処理を行うことができるからである。本発明においては、対象物を汚染することがない。基板の特性と、特定のガスの特性と、を組み合わせて使用することができる。したがって、本発明は、生物医学的な製品やエレクトロニクス製品に対して、好適に適用することができる。
【００２４】
本発明は、食品や家庭用品や自動車に対しても容易に適用することができ、製造ステージにおける品質精度を向上させることができる。
【００２５】
光学系部材と電流制御式走査部材とを組み合わせることによって、任意の位置での機械加工を可能とすることができる。
【００２６】
要約すれば、本発明による方法は、以下のような多くの利点を有している。
−表面を汚染することがなく、また、部品を追加する必要がない（医療用途、時計製造、等）。
−機械加工の品質が微細であり、解像度を選択することができる。
−形状認識を行うことのために、および、電流制御式ミラーによるビーム走査を行うことのために（部材の駆動や位置決めを行う必要がない）、高速である。
−自動的焦点合わせによって、３次元的部材を機械加工することができる。
−『芸術的』マーキング（複雑な図柄のマーキング）を行うことができる。
−バーコードを読み取ることができ、部材の数や拒否コードをコンピュータによって認識することができる。
−部材あたりに関するコストを非常に低減し得るとともに、従来技術では実行不可能であったような機械加工を行うことができる。
−品質制御を行うことができる。
−非常に小さな対象物を溶接することができ、また、一貫的品質制御のもとで、オンラインでマーキングを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１に示すように、本発明によるシステムは、
−複数の対象物（１１）を支持するトレー（１０）であり、例えば複数の対象物（１１）が供給されるベルト（１９）からなるような、トレー（１０）と；
−電流制御型ヘッド（１２）であるとともに、
・第１ワイドフィールドカメラ（１３）であるとともに、出力側には、レンズ（１４）が付設され、さらに、第１波長（λ１）を透過させ得る第１フィルタ（１５）が設置されているような、第１ワイドフィールドカメラ（１３）と、
・第２ナローフィールドカメラ（１６）であるとともに、出力側には、レンズ（１７）が付設され、さらに、第２波長（λ２）を透過させ得る第２フィルタ（１８）が設置されているような、第２ナローフィールドカメラ（１６）と、
・ガイドミラー（２０）と、
・電流制御型ミラー（２１，２２）と、
・レンズ（２３）と、
を備えているような、電流制御型ヘッド（１２）と；
−波長（λ２）で動作するレーザー源（２４）と；
−形状認識ソフトウェア（２６）が搭載されていて、第１カメラ（１３）と、第２カメラ（１６）と、レーザー源（２４）と、電流制御型ヘッド（１２）の駆動制御手段（２７）と、トレー（１０）の駆動制御手段（２８）と、の動作をチェックし得るものとされたコンピュータ（２５）と；
を具備している。
【００２８】
図１に示す実施形態においては、本発明によるシステムは、より詳細には、
−第１電流制御型ミラー（２１）および第２電流制御型ミラー（２２）と；
−駆動方向（３０）に沿って移動可能とされた反射ミラー（２０）と；
−フラットフィールドレンズ（２３）と；
−トレー（１０）の近傍に配置された反応性ガスまたは保護ガスの供給源（３２）と；
を具備している。
【００２９】
本発明による方法においては、以下の各ステップを行う。
【００３０】
第１ステップにおいては、機械加工対象をなす対象物（１１）を、対象物支持トレー（１０）上において、参照表面上へと堆積させる（矢印３１）。
【００３１】
その後、それら対象物は、図１に示すように、自動的に第１ワイドフィールドカメラ（１３）の視野内に入る。
【００３２】
したがって、トレー（１０）上に配置されたすべての対象物のワイドフィールド表示に関する光学的経路は、
−第１カメラ（１３）と、
−焦点合わせレンズ（１４）を通る経路と、
−第１フィルタ（１５）を通る経路と、
−電流制御型ミラー（２２）を通る経路と、
−レンズ（２３）を通る経路と、
である。
【００３３】
画像解析により、一般的座標系内において、対象物（１１）に関し、『カウント』と『向きの決定』とが行われる。すべての対象物が表示され、その際、各対象物の位置が認識され、各対象物の特徴的ポイント（例えば、各対象物の重心Ｇ）が格納され、各対象物の向きが認識される。
【００３４】
第１カメラ（１３）は、ミラー（２２）およびレンズ（２３）を介して、トレー（１０）と、このトレー上に配置された対象物（１１）と、を見る。参照画像と、見つけた対象物（１１）と、の重なり位置が、この視野内において位置決めされる。有効領域は、ＸＹ座標系内において記録される。
【００３５】
図２に示すように、第２ステップにおいては、第２カメラ（１６）が、上記において与えられたＸＹ座標系内において、より小さな視野内において、有効領域を表示する。第２カメラ（１６）は、移動可能な反射ミラー（２０）と、電流制御型ミラー（２１，２２）と、レンズ（２３）と、を通して表示する。
【００３６】
したがって、機械加工の対象をなす対象物の一部に関するナローフィールド表示に関する光学的経路は、
−第２カメラ（１６）と、
−焦点合わせレンズ（１７）を通る経路と、
−第２フィルタ（１８）を通る経路と、
−移動可能ミラー（２０）における反射と、
−ミラー（２１）における反射と、
−ミラー（２２）における反射と、
−レンズ（２３）を通る経路と、
である。
【００３７】
第１カメラ（１３）は、ミラー（２２）およびレンズ（２３）を介して、トレー（１０）と、このトレー上に配置された対象物（１１）と、を見る。参照画像と、高精度で見た第１対象物とが、数μｍ以内でもって重ね合わされる。
【００３８】
この領域を完全に認識した後に、当業者には周知な態様でもって直線経路または回転経路（３０）に沿ってミラー（２０）を移動させ、本発明による形状認識システムが、この第１対象物を選択して、この第１対象物を第２ナローフィールドカメラ（１６）の座標系内に配置し、これにより、開始ポイントの座標と、機械加工の向きと、を決定する。
【００３９】
コンピュータ（２５）は、移動方向（３３）における焦点合わせ（Ｚ方向）を調節する。電流制御型ミラー（２１，２２）は、向きの調節を行い、これにより、レンズ（２３）を通しつつレーザービーム（２４）を使用して機械加工を行う。
【００４０】
その後、次なる対象物（１１）に関して、システムは、最初のステップから実行する。つまり、第２対象物（１１）を、第２カメラ（１６）の座標系内に配置する。
【００４１】
光学系および移動の品質は、機械加工の対象をなす対象物（１１）のサイズに応じて、ミラー（２１，２２）によってカバーすべき機械加工面積視野に依存する。レーザー源（２４）の品質（焦点合わせ、波長）は、機械加工の対象をなす材質に依存する。反応性ガスまたは保護ガス（ガス供給源３２）は、対象物（１１）の性質に依存する。
【００４２】
図１〜図３に示すように、対象物支持面は、移動ベルト（１９）上の複数のトレーから形成することができる。しかしながら、これは、対象物（１１）を載置するための単純な支持体の例に過ぎない。
【００４３】
他の可能性においては、本発明によるシステムを、組立機械上に搭載することができる。
【００４４】
図４および図５は、それぞれマーキングと溶接とに関しての、本発明による方法の２つの実施形態を示している。
【００４５】
図４は、マーキングすべき対象物をなす歯付きホイール（４０）を示す平面図である。ホイール（４０）は、複数の凹所（４１）を備えている。ホイールの直径が５ｍｍの場合には、互いに隣接する凹所どうしの間の間隔は、０．２ｍｍとすることができる。本発明による方法を適用することにより、２つの凹所の間の第１スペースに、“RENAUD LASER”という文字列をマーキングした。例えば、このマーキングにおける文字の高さは、５０μｍとすることができ、文字列の厚さは、１０μｍとすることができる。符号（４２）は、本発明による方法を使用して２つの凹所の間にマーキングされたバーコードを示している。
【００４６】
図５は、図５Ａと図５Ｂとから構成されている。図５Ａは、電気コイル（５０）とその連結ラグ（６０）とを示す正面図であり、図５Ｂは、それらを示す平面図である。コイル（５０）は、支持体（５２）と、この支持体に対して固定されたプラスチックバー（５１）と、を備えている。支持体（５２）上に、コイルに関する参照位置がマーキングされている。導電性ワイヤ（５３）が、バー（５１）上に巻回されており、ワイヤ端部（５４）は、ラグ（６０）上に配置されている。本発明による方法を適用することにより、場所（６１）のところにおいて溶接が行われる。
【００４７】
［実施例］
ある有利な実施例においては、本発明によるシステムは、以下の構成要素を具備している。
・カメラ（１３）：およそ８０ｍｍ×８０ｍｍというワイドフィールド（広い視野）を表示するためのものである。
−列の数：７６８個
−行の数：４９４個
−波長：約６９０ｎｍ
−対物レンズ（１４）：８ｍｍという焦点距離
・フィルタ（１５）：
−透過させる波長（λ１）：約６９０ｎｍ
・ミラー（２２）：
−カメラ（１３）側に位置した面：約６９０ｎｍという波長に対して透明
−反対側の面：１０６４ｎｍという波長に対して反射性
・レンズ（２３）：
−焦点距離：１６３ｍｍ
・カメラ（１６）：およそ１０ｍｍ×８ｍｍというナローフィールド（狭い視野）を表示するためのものである。
−列の数：７６８個
−行の数：４９４個
−波長：約１０６４ｎｍ
−対物レンズ（１７）：１００ｍｍという焦点距離
・フィルタ（１８）：
−透過させる波長（λ２）：約１０６４ｎｍ
・移動可能ミラー（２０）：
−１０６４ｎｍという波長に対して反射性
・ミラー（２１）：
−１０６４ｎｍという波長に対して反射性
・レーザー源（２４）：ダイオードによってポンピングされるＹＡＧレーザー
−ビーム品質：１４μｍという焦点スポット径
−Ｑスイッチ型レーザー
−周波数：０〜１００ｋＨｚ
−出力ビーム直径：２０ｍｍ
−ＴＥＭ００という基本モードにおけるパワー：５ワット未満
【００４８】
また、他のレーザー源を使用することもできる。
−固体レーザー
・パルス型ＹＡＧレーザー
・連続型ＹＡＧレーザー
・２倍または３倍または４倍の周波数を有したＹＡＧレーザー
−気体レーザー
・ＣＯ２レーザー
・エキシマレーザー
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明のシステムの全体構成を示す図である。
【図２】本発明による方法における各ステップを示す図である。
【図３】本発明による方法における各ステップを示す図である。
【図４】本発明による方法に基づくある例を示す図である。
【図５Ａ】本発明による方法に基づく他の例を示す図である。
【図５Ｂ】本発明による方法に基づく他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  トレー
１１  対象物
１２  電流制御型ヘッド
１３  第１ワイドフィールドカメラ
１４  焦点合わせレンズ
１５  第１フィルタ
１６  第２ナローフィールドカメラ
１７  焦点合わせレンズ
１８  第２フィルタ
１９  ベルト
２０  ガイドミラー
２１  第１電流制御型ミラー
２２  第２電流制御型ミラー
２３  レンズ
２４  レーザー源
２５  コンピュータ
２６  形状認識ソフトウェア
３２  反応性ガス供給源
【図１】
2005532170.tif 000003
【図２】
2005532170.tif 000004
【図３】
2005532170.tif 000005
【図４】
2005532170.tif 000006
2005532170.tif 000007
【国際調査報告】
2005532170.tif 000008
2005532170.tif 000009
2005532170.tif 000010
2005532170.tif 000011