(57)【要約】      （修正有）【課題】広範囲の加工エリアを確保し、加工線幅をコントロールして、高速に加工する加工方法を提供する。【解決手段】１組のガルバノミラーと、集光素子と、駆動部とを備えた加工ヘッドを有し、その駆動部は加工ヘッド内の光学系のデフォーカス、かつ／または、光学倍率を変化させる加工装置を用いて、ガルバノミラーの走査方向で張る面上を、予め与えられた加工経路に沿って、予め与えられた加工線幅で加工を行なう加工方法において、１．加工経路Ｄ１からガルバノミラーのガルバノミラー駆動量Ｄ７を決定する工程Ｓ１と２．予め求められた光密度プロファイル情報Ｄ３と、加工経路中の加工位置から加工面光密度プロファイル情報Ｄ５を決定する工程Ｓ２と３．加工経路と、加工線幅Ｄ２と、加工面光密度プロファイル情報から駆動部駆動量Ｄ６を決定する工程Ｓ３とから成る工程を経て得られたガルバノミラー駆動量と駆動部駆動量に基づいて加工する。【選択図】図２
2018039040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から射出された光を、互いに平行ではない方向に走査する１組のガルバノミラーを備え、かつ、光路上に少なくとも１つの集光素子を備え、かつ、前記集光素子のうち少なくとも１つに前記集光素子を駆動させる駆動部を備えた加工ヘッドと
を有し、
前記駆動部は、前記光源と前記集光素子と、前記ガルバノミラーから成る光学系のデフォーカス、かつ／または、光学倍率を変化させることを特徴とし、
前記光学系は、光源に対し共役となる結像面を１つ以上有し、かつ、そのうち１つはワーク近傍にあること
を特徴とする加工装置を用いて、
前記１組のガルバノミラーの走査方向で張る面上を、予め与えられた加工経路に沿って、予め与えられた加工線幅で加工する加工方法において、 
１．前記加工経路から前記ガルバノミラーのガルバノミラー駆動量を決定する工程と、
２．予め求められた光密度プロファイル情報と、前記加工経路中の加工位置から加工面光密度プロファイル情報を決定する工程と、
３．前記加工経路と、前記加工線幅と、前記加工面光密度プロファイル情報から前記駆動部の駆動部駆動量を決定する工程と、
から成る工程から得られた前記ガルバノミラー駆動量と前記駆動部駆動量に基づいて加工することを特徴とした加工方法。
【請求項２】
光源と、前記光源から射出された光を、互いに平行ではない方向に走査する１組のガルバノミラーを備え、かつ、光路上に少なくとも１つの集光素子を備え、かつ、前記集光素子のうち少なくとも１つに前記集光素子を駆動させる駆動部を備えた加工ヘッドとを有し、
前記駆動部は、前記光源と前記集光素子と、前記ガルバノミラーから成る光学系のデフォーカス、かつ／または、光学倍率を変化させることを特徴とし、
前記光学系は、光源に対し共役となる結像面を１つ以上有し、かつ、そのうち１つはワーク近傍にあること
を特徴とする加工装置を用いて、
前記１組のガルバノミラーの走査方向と前記駆動部のデフォーカス方向で張る立体面上を、予め与えられた加工経路に沿って、予め与えられた加工線幅で加工を行なう加工方法において、 
１．前記加工経路から前記ガルバノミラーのガルバノミラー駆動量と前記駆動部の駆動部駆動量１を決定する工程と、
２．予め求められた光密度プロファイル情報と、前記加工経路中の加工位置から加工面光密度プロファイル情報を決定する工程と、
３．前記加工経路と、前記加工線幅と、前記加工面光密度プロファイル情報から前記駆動部の駆動部駆動量２を決定する工程と、
４．前記駆動部駆動量１と前記駆動部駆動量２とを統合し、前記駆動部駆動量３を決定する工程と、
から成る工程から得られた前記ガルバノミラー駆動量と前記駆動部駆動量３に基づいて加工することを特徴とした加工方法。
【請求項３】
前記加工面光密度プロファイル情報は、走査方向の断面プロファイルにおいて、エネルギー密度が加工閾値を超えた幅であることを特徴とする、請求項１または２に記載の加工方法。
【請求項４】
光源と、前記光源から射出された光を、互いに平行ではない方向に走査する１組のガルバノミラーを備え、かつ、光路上に少なくとも１つの集光素子を備え、かつ、前記集光素子のうち少なくとも１つに前記集光素子を駆動させる駆動部を備えた加工ヘッドと
を有し、
前記駆動部は、前記光源と前記集光素子と、前記ガルバノミラーから成る光学系のデフォーカス、かつ／または、光学倍率を変化させることを特徴とし、
前記光学系は、光源に対し共役となる結像面を１つ以上有し、かつ、そのうち１つはワーク近傍にあること
を特徴とする加工装置の制御パラメータを演算する加工演算器において、 
１．前記加工経路から前記ガルバノミラーのガルバノミラー駆動量を決定する工程と、
２．予め求められた光密度プロファイル情報と、前記加工経路中の加工位置から加工面光密度プロファイル情報を決定する工程と、
３．前記加工経路と、前記加工線幅と、前記加工面光密度プロファイル情報から前記駆動部の駆動部駆動量を決定する工程と、
から成る工程から決定された前記ガルバノミラー駆動量と前記駆動部駆動量を出力することを特徴とした加工演算器。
【請求項５】
光源と、前記光源から射出された光を、互いに平行ではない方向に走査する１組のガルバノミラーを備え、かつ、光路上に少なくとも１つの集光素子を備え、かつ、前記集光素子のうち少なくとも１つに前記集光素子を駆動させる駆動部を備えた加工ヘッドとを有し、
前記駆動部は、前記光源と前記集光素子と、前記ガルバノミラーから成る光学系のデフォーカス、かつ／または、光学倍率を変化させることを特徴とし、
前記光学系は、光源に対し共役となる結像面を１つ以上有し、かつ、そのうち１つはワーク近傍にあること
を特徴する加工装置の制御パラメータを演算する加工演算器において、
１．前記加工経路から前記ガルバノミラーのガルバノミラー駆動量と前記駆動部の駆動部駆動量１を決定する工程と、
２．予め求められた光密度プロファイル情報と、前記加工経路中の加工位置から加工面光密度プロファイル情報を決定する工程と、
３．前記加工経路と、前記加工線幅と、前記加工面光密度プロファイル情報から前記駆動部の駆動部駆動量２を決定する工程と、
４．前記駆動部駆動量１と前記駆動部駆動量２とを統合し、前記駆動部駆動量３を決定する工程と、
から成る工程から決定された前記ガルバノミラー駆動量と前記駆動部駆動量３を出力することを特徴とした加工演算器。
【請求項６】
前記光密度プロファイル情報は、走査方向の断面プロファイルにおいて、エネルギー密度が加工閾値を超えた幅であることを特徴とする、請求項４または５に記載の加工演算器。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか１項に記載の演算器が搭載されたレーザー加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガルバノミラーを用いてレーザー光を走査してワークを加工するレーザー加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池の溶接や、太陽電池パネルのスクライビングといったレーザー加工が広く行なわれている。中でも、ガルバノミラーによるスキャン加工が普及している。この加工では、広範囲なエリアを高速で加工できるというメリットがある。
【０００３】
その一方で、スキャン加工では加工可能エリア外周でレーザー光が斜入射されてしまう。そのため、そこではワーク面上のビームプロファイルが歪み、加工経路によってはエネルギー密度が大きく変化してしまう。これにより、電池の溶接幅や太陽電池パネルのスクライビング幅といった加工線幅が一定にならないという問題が発生する。従来、この問題を解決する手段として、テレセントリックｆθレンズを用いる方法（特許文献１）やワークのステージとしてゴニオステージを組み込む方法が知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−３３１７号公報
【特許文献２】特許４５４９６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、テレセントリックｆθレンズを用いる方法では、広範囲の加工エリアを確保しようとした場合、テレセントリックｆθの光軸断面積は加工面積よりも必然的に大きくなってしまう。そのため、加工ヘッドの体積や重量が増大し、使用条件が制約されてしまう。また、ゴニオステージを使用する方法では、ガルバノミラーの振り角の２倍可動させなければならなく、かつ、ゴニオステージの重量はガルバノミラーの重量と比較して大きいため、ゴニオステージの可動速度はガルバノミラーの可動速度よりも遅くなってしまう。
【０００６】
ゆえに、ゴニオステージを利用した場合は、加工速度の低下を引き起こしてしまう。このように、従来ではコンパクトな構成で、広範囲の加工エリアを確保し、加工線幅をコントロールして、高速に加工することは困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
光源と、前記光源から射出された光を、互いに平行ではない方向に走査する１組のガルバノミラーを備え、かつ、光路上に少なくとも１つの集光素子を備え、かつ、前記集光素子のうち少なくとも１つに前記集光素子を駆動させる駆動部を備えた加工ヘッドと
を有し、前記駆動部は、前記光源と前記集光素子と、前記ガルバノミラーから成る光学系のデフォーカス、かつ／または、光学倍率を変化させることを特徴とし、
前記光学系は、光源に対し共役となる結像面を１つ以上有し、かつ、そのうち１つはワーク近傍にあることを特徴とする加工装置を用いて、
前記１組のガルバノミラーの走査方向で張る面上を、予め与えられた加工経路に沿って、予め与えられた加工線幅で加工する加工方法において、 
１．前記加工経路から前記ガルバノミラーのガルバノミラー駆動量を決定する工程と、
２．予め求められた光密度プロファイル情報と、前記加工経路中の加工位置から加工面光密度プロファイル情報を決定する工程と、
３．前記加工経路と、前記加工線幅と、前記加工面光密度プロファイル情報から前記駆動部の駆動部駆動量を決定する工程と、
から成る工程から得られた前記ガルバノミラー駆動量と前記駆動部駆動量に基づいて加工することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明を適用すると、広範囲の加工エリアを確保し、加工線幅をコントロールして、高速に加工する加工方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態のレーザー加工機を示した図である。
【図２】本発明の第１実施形態の加工パラメータ導出フローを示した図である。
【図３】本発明の第１実施形態において、別例を示した図である。
【図４】本発明の第１実施形態における、予め計測された光密度プロファイルを示した図である。
【図５】本発明の第１実施形態における、加工面上での光密度プロファイルを示した図である。
【図６】本発明の第４実施形態のレーザー加工機を示した図である。
【図７】本発明の第４実施形態の加工パラメータ導出フローを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
〔第1実施形態〕
図１は本発明の第一形態のレーザー加工機の図であり、図２はそれによる加工のフロー表した図である。
【００１２】
＜レーザー加工機の構成＞
第一に本実施形態のレーザー加工機について説明する。図１に示すように、光源としてのレーザー光源１と加工ヘッドとしてのレーザー加工ヘッド３で構成されている。レーザー光源１には、パワー出力制御、シャッター制御などを行なう光源制御器５１が、伝送ケーブル６１によって接続されている。レーザー光源１から発振された加工光としてのレーザー光２は、導波路としての光ファイバーケーブル１１を経由して、ファイバー端１２からレーザー加工ヘッド３内へと射出される。次に、レーザー光２は集光素子としての集光レンズ２１でコリメートされた後、集光レンズ２３で拡散され、集光レンズ２４によって再度コリメートされた後、集光レンズ２２で集光光となる。
【００１３】
次に、レーザー光２は、ガルバノミラー３１によって偏向される。ガルバノミラー３１は、２つ１組で構成され、それぞれの回転軸は、互いに平行ではないねじれの関係になるように配置されている。ガルバノミラー３１には、その制御装置である制御器５３が接続されて、制御されている。
【００１４】
ワーク４は、ワーク駆動機構としてのＸＹＺステージ５上に取り付けられている。ワーク４が加工されるのに十分なエネルギー密度が確保できるように、ＸＹＺステージ５によってデフォーカス方向が調整されている。１組のガルバノミラー３１によって張る面が、ワーク４の加工面と一致するようにＸＹＺステージ５の調整が行なわれる。
【００１５】
本実施形態ではガルバノミラー３１とワーク４との間に集光レンズを配置していないが、集光レンズを配置しても良い。ただし、従来にあるテレセントリックｆθレンズを用いることは好ましくない。
【００１６】
集光レンズ２３には、レンズを駆動させる駆動部としてのリニアステージ４１が取り付けられている。リニアステージ４１の代わりに、別の形態として、ピエゾステージを用いてもよい。リニアステージは可動量が大きい点で優れており、ピエゾステージは応答性において優れている。リニアステージ４１には、信号伝達手段としての伝送ケーブル６２を介して、制御器５３が接続されて制御されている。
【００１７】
このズーム機構では、リニアステージ４１の駆動量に応じて、単独に光学倍率を変化させることができる。別の形態として、図３のように集光レンズ２４に駆動部２４を追加して設ける方法がある。この場合は、光学倍率の他に、デフォーカスを駆動させることが可能となる。第１実施形態では、光学倍率を単独に変化させる場合を例にとって説明する。
【００１８】
リニアステージ原点のＮＡをＮＡ0とし、リニアステージ原点からの駆動量をξとし、駆動量ξにおけるＮＡをＮＡ(ξ)とすると、
【００１９】
【数１】
2018039040.tif 000003
【００２０】
という関係になる。ここで、κは駆動量ξに対するＮＡ敏感度である。
【００２１】
制御器５２と制御器５３には、伝送ケーブル６４によって、同期装置５４が接続されている。同期装置５４では、同期装置５４の内部クロックや外部トリガー信号などによって、制御器５２と制御器５３の信号を同期させて送信することが可能となる。同期装置５４には、図示されてはいないが、教示装置としてのジョグボックス、教示装置としてのＰＣを接続するＬＡＮポート、教示プログラムを読み込むＣＤドライブといった、外部との情報授受器が設けられている。
【００２２】
＜加工パラメータの導出フロー＞
第二に、本発明の第一形態の加工パラメータの導出フローについて説明する。図２のフローチャートは、本発明におけるリニアステージ４１の駆動量を決定するまでのフローを示した図である。このフローで決定された駆動量に基づき、図１で説明した加工装置で加工が行なわれる。
【００２３】
（工程Ｓ１）
Ｄ１は加工経路情報である。加工経路情報は、予めティーチングやプログラムによって与えられたものである。ここでは、加工経路とは加工位置のことではない。加工位置とは、{(X_1,Y_1),(X_2,Y_2),(X_3,Y_3),・・・，（X_i,Y_i），・・・,(X_N,Y_N)} といった加工する位置の点群データのことであり、加工経路とは{(Xs_1,Ys_1,Xe_1,Ye_1), (Xs_2,Ys_2,Xe_2,Ye_2) ,・・・，(Xs_i,Ys_i,Xe_i,Ye_i)，・・・,(Xs_N,Ys_N,Xe_N,Ye_N)}といった、少なくとも始点位置と終点位置を含んだベクトル群データのことである。例外として一筆書きのような加工では、加工経路ベクトル群の（Xe_i,Ye_i）と(Xs_i+1,Ys_i+1)が一致するため、加工位置と同様の表記にすることも可能となる。
【００２４】
加工速度や加工種類（直線加工、円弧加工など）が一定でない場合は、ＮＣ加工機のＧコードのように、加工初期位置、経路種類（直線G01, 曲線G02など）、加工終了位置(Xe_i,Ye_i)、加工速度(F_i)で定義されたベクトル群データが好適である。この場合、加工初期位置を(Xs_i,Ys_i)と表し、経路種類をLiと表し、加工終了位置を(Xe_i,Ye_i)と表し、加工速度をF_iと表すと、加工経路は
{(Xs_1,Ys_1,L_1,Xe_1,Ye_1,F_1), (Xs_2,Ys_2,L_2,Xe_2,Ye_2,F_2), ・・・(Xs_i,Ys_i,L_i,Xe_i,Ye_i,F_i) ,・・・，(Xs_N,Ys_N,L_N,Xe_N,Ye_N,F_N)}と表記される。
第１実施例では、経路種類Liをすべて直線とし、{(Xs_1,Ys_1, Xe_1,Ye_1,F_1), (Xs_2,Ys_2,Xe_2,Ye_2,F_2), ・・・(Xs_i,Ys_i, Xe_i,Ye_i,F_i) ,・・・，(Xs_N,Ys_N, Xe_N,Ye_N,F_N)}を例にとって説明する。 
【００２５】
工程Ｓ１では、加工経路Ｄ１をガルバノミラー駆動量Ｄ７に変換する。ガルバノミラー駆動量Ｄ７が、加工経路Ｄ１と比例の関係である場合、
【００２６】
【数２】
2018039040.tif 000004
【００２７】
となる。
【００２８】
ここで、ωxs_i、ωys_i、ωxe_i、ωye_iは、それぞれ加工経路i番目初期位置でのガルバノXミラー駆動量、加工経路i番目初期位置でのガルバノYミラー駆動量、加工経路i番目終了位置でのガルバノXミラー駆動量、加工経路i番目終了位置でのガルバノYミラー駆動量である。また、Xs、Ys、Xe、Yeは、それぞれ加工経路i番目初期位置でのX方向加工位置、加工経路i番目初期位置でのY方向加工位置、加工経路i番目初期位置でのX方向加工位置、加工経路i番目終了位置でのY方向加工位置である。ωx_ostは、それぞれガルバノXミラーオフセット量、ωy_ostはガルバノYミラーオフセット量である。
【００２９】
ここでいうオフセット量とは、加工位置が原点であるときにおける垂直入射からのずれを表している。このように定義することで、ガルバノミラーの振り角に対して、ワークへの入射角が２倍になるように設定される。kx、kyは、それぞれX方向加工位置に対するガルバノXミラーの駆動敏感度、Y方向加工位置に対するガルバノXミラーの駆動敏感度である。
【００３０】
加工経路情報Ｄ１に対するガルバノミラー駆動量情報Ｄ７は、比例の関係と扱って説明したが、厳密な補正を行なう場合やガルバノ振り角が大きい場合には、式２のようにｍ次多項式で表すのが好適である。ここで、kx1はx方向での1次補正係数、ky1はｙ方向での1次補正係数、k2xはx方向での2次補正係数、k2ｙはｙ方向での2次補正係数、kxmはx方向でのｍ次補正係数、kymはｙ方向でのｍ次補正係数である。本実施形態では式１に基づいて説明する。
【００３１】
【数３】
2018039040.tif 000005
【００３２】
（工程Ｓ２）
工程Ｓ２では、加工経路情報Ｄ１と、予め求められた光密度プロファイル情報Ｄ３、光強度情報Ｄ４から加工面上の光密度プロファイル情報Ｄ５を算出する工程である。光密度プロファイル情報Ｄ３は、実際に計測して求めたり、レーザーによってその形状を仮定したりして求めたりして得られる。第１実施形態では、プロファイル形状を実測する場合について説明する。
【００３３】
実測データとして、図４を例にとって説明する。図４は、トータルパワーを１kWで規格化した垂直入射で、リニアステージ原点における垂直入射時の光密度プロファイルの２次元等高線マップである。この光密度プロファイルは、加工前に予め取得されている。駆動量ξに対する光密度プロファイルをIs(x,y;ξ)と表記すると、図４の光密度プロファイルはIs(x,y;0)となる。Is(x,y;ξ)は、Is(0,0;0)が光密度プロファイルの重心となっている。光密度プロファイル図４の横軸は、プロファイルx方向を表していて、図４の縦軸は、x方向と直交するプロファイルy方向を表している。
【００３４】
加工経路情報Ｄ１の加工経路iにおける光プロファイルは、加工経路iの中心位置（Xave_i,Yave_i）で表すことができる。ここで、Xave_i、Yave_iは
【００３５】
【数４】
2018039040.tif 000006
【００３６】
で定義される、加工経路iにおける初期位置と終了位置の中点である。式２から、ワークへの入射ベクトル（θxave_i, θyave_i）は、
【００３７】
【数５】
2018039040.tif 000007
【００３８】
となるので、入射角θave_iは
【００３９】
【数６】
2018039040.tif 000008
【００４０】
となる。図４(a)の光密度プロファイルIs(x,y;0)は、図５(a)のφave_iの方向において、1/cosθave_iだけ伸長する。ここで、φave_i=arctan(Xave_i/Yave_i)である。φave_i方向と一致するx'軸と、x'軸と直交するy'軸に座標変換すると、
【００４１】
【数７】
2018039040.tif 000009
【００４２】
で変換される光密度プロファイルIs(x',y';0)となる。
【００４３】
さらに、加工経路iにおける走査方向ρs_iは、Xs_i、Ys_i、Xe_i、Xs_iを用いて、
【００４４】
【数８】
2018039040.tif 000010
【００４５】
と表せられる。図５（ｂ）のように、走査方向ρにおける光密度プロファイルIρs_i(u,v)は、(x',y')に対してρだけ回転した関係になるので、
【００４６】
【数９】
2018039040.tif 000011
【００４７】
となる。u軸は加工経路iにおける走査方向であり、v軸は走査方向に対して垂直方向である。同様に、ワーク上の座標(X,Y)に対して(U, V）を定義し直したのが、図５(c)である。ここでlは、
【００４８】
【数１０】
2018039040.tif 000012
【００４９】
であり、加工経路iでの経路長である。
【００５０】
光密度プロファイルのデータが離散的に与えられている場合は、式９の変換を行なう前にIs(x,y;0)を補間してリメッシュたり、Is(x,y;0)を多項式で表したりして、データを補間するのが好適である。必要がある。あるいは、式９の変換を行なった後にIρs_i(u,v;ξ)のデータ補間をしてもよい。その際、トータルパワーを変換前後で等しくする必要がある。
【００５１】
ここでは、ξ=0を例に説明したが、同様にズーム駆動量ξのときの光密度プロファイルIρs_i(u,v;ξ)も取得する。ただし、Iρs_i(u,v;ξ)のプロファイル中心はIρs_i(u,v;0)と一致するように定義される。
【００５２】
光密度プロファイルは、トータルパワーで規格化しているため、光強度情報Ｄ４で与えられたレーザーパワーPを乗じれば、加工面上の光強度プロファイル情報が取得される。Ｄ４は予め取得されても良いし、加工時に取得されても良い。加工時に取得された場合は、より精密な加工が可能となる。このとき加工面上での光密度プロファイルI_i(u, v;ξ)は式１１となる。
【００５３】
【数１１】
2018039040.tif 000013
【００５４】
（工程Ｓ３）
工程Ｓ３では、加工経路情報Ｄ１と加工面上の光密度プロファイル情報Ｄ５と加工線幅情報Ｄ２から駆動部駆動量情報Ｄ５を求める工程である。所望の加工に必要なエネルギー密度の範囲は、例えばレーザー加工学会ホームページ「http://www.jlps.gr.jp/laser/atoz/2/」や、非特許文献「平成２２年度  特許出願技術動向調査報告書（概要）」に記載されている。これら文献によれば、所望の加工はエネルギー密度と作用時間の関係で決定される。ここでは、加工閾値の上限をWu,下限をWd、作用時間の上限をTu、下限をTdとして説明する。  
光密度プロファイルI_i(u,v;ξ)の(u,v)に対する最大値をImax_i(ξ)とする。Imax_i(ξ)はWu未満でなければならないから、
【００５５】
【数１２】
2018039040.tif 000014
【００５６】
が成り立たなければならない。
【００５７】
また、作用時間の観点では、上限Tuを超えてはいけない。あるvにおいてI_i(u,v;ξ)がWbを超えている範囲をΔ(v;ξ)と置くと、作用時間t_i(v;ξ)は、
【００５８】
【数１３】
2018039040.tif 000015
【００５９】
で定義される。加工線幅における作用時間t_i(u)の最大値tmax_i値は、
【００６０】
【数１４】
2018039040.tif 000016
【００６１】
となり、それは作用時間の上限値Tuを超えてはいけないので、
【００６２】
【数１５】
2018039040.tif 000017
【００６３】
が成り立たなければならない。
【００６４】
加工線幅δ_i(ξ)は、t_i(v;ξ)において作用時間下限値Tbを超えたvの範囲である。t_(v;ξ)≧Tbなるvの範囲をδ_i(ξ)と表現する。加工線幅情報D2で与えられた加工経路iにおける加工線幅をd_iとすると、式１６を満たすξが存在すれば、加工経路iにおいて所望の線幅で加工することが可能となる。
【００６５】
【数１６】
2018039040.tif 000018
【００６６】
このようにして、パワー密度上限Wuの条件、作用時間上限Tuの条件、加工線幅δ_iに対して、光密度プロファイルI_i(u,v;ξ)が定式化された。加工経路iごとに、式１６によってξを求め、それに対し式１２と式１５が同時に成り立つξが存在すれば、全経路において所望の加工線幅で加工することができる。
【００６７】
Wu、Tuなどの条件により、解が無い場合はF_iをさらにパラメータに取って、駆動量ξを求めても良い。ただし、加工経路iごとに加工速度を変えると、ガルバノ制御機構の負荷が多大になり、加工不良が生じやすくなるため加工速度は一定であることが望ましい。
【００６８】
また同じく、Wu、Tuなどの条件により、解が無い場合は、レーザーパワーPをパラメータにとってもよい。ただし、Pが大きい場合は、熱ドリフトが生じやすくなり、Pが小さい場合はFiを下げざるを得なくなる、加工時間が大きくなる問題が生じる。
【００６９】
また同じく、ξ、Fi、Pを同時にパラメータにとって、以上列挙した問題点を考慮して、最適化問題によって求めても良い。このとき、式１６の等式に対して重みをつけたり、式１６を範囲不等式に変形して最適化したりても、本発明の効果は変わらない。
【００７０】
I(u,v;0)の重心とI(u,v;ξ)の重心とが負一致した場合において、必要に応じてガルバノミラー３１の駆動量にフィードバックをかけても良い。この場合、加工精度が向上する効果が得られる。
【００７１】
ここでは、ズーム駆動量ξごとにI(u,v;ξ)を加工前に予め取得しているが、ξに対する関数として定式化しても良い。例えば本実施例の場合、ξによって光学倍率だけが変化するので、式１７のように定式化できる。
【００７２】
【数１７】
2018039040.tif 000019
【００７３】
この場合、予め取得しなければならない光密度プロファイル情報D3が少なくなるという効果が得られる。
【００７４】
＜加工＞
最後に、工程S１、工程S2、工程S3によって導出された、ガルバノミラーの駆動量{ωxs, ωys, ωxe, ωye }と、ズーム駆動系の駆動量ξを、同期装置５４に入力することで、加工線幅をコントロールして加工する作用を奏する。
【００７５】
このように本発明によれば、ｆθレンズを使用することなく、加工線幅をコントロールできるため、従来の加工機よりもコンパクトに構成でき、さらに広範囲のエリアを加工することができる。さらに、本発明によれば集光素子を駆動させ、光学倍率やデフォーカスを変えているので、ワークに取り付けられたステージを駆動させるよりを高速に駆動することができる。
【００７６】
第１実施形態では、光学倍率のみ変換する光学系を例に取り説明したが、別の例として、デフォーカスを行なう光学系でも効果は同様である。また、２つ以上のズーム機構を組み合わせてもよい。この場合、少ない駆動で光学倍率やデフォーカスを変換する作用を奏する。
【００７７】
また、本実施形態では、ワーク駆動機構として３軸ステージで説明したが、必要に応じて軸数を増減させたり、ゴニオステージやθステージなどの回転ステージを追加したり、ＸＹＺステージ５の代わりにロボットアームを用いたりしても、本発明の効果は変わらない。
【００７８】
また、本実施形態では、光密度プロファイルをスポットの重心位置で回転させていたが、ピーク位置、中心位置、２次モーメント平均値など、加工に応じて変更しても本発明の効果は変わらない。
【００７９】
また、本実施形態では駆動制御器５２、駆動制御器５３、同期装置５４を別々の装置で説明したが、マルチチャンネルの制御を行なう制御器に置き換えても本発明の効果は変わらない。
【００８０】
また、本実施形態では加工種類を直線として説明したが、曲線としても本発明の効果は変わらない。また、本実施形態では工程S1、工程S2、工程S3の順に説明したが、本発明はその順序に限定されるものではない。さらに、工程S2では加工経路情報D１と光密度プロファイル情報D３と光強度情報D4から加工面上光密度プロファイル情報D5を求めると説明したが、加工経路情報D1を駆動量情報D7に置き換えても、本発明の効果は変わらない。
【００８１】
[第２実施形態]
第１実施形態では、実測した光プロファイルに基づいて説明したが、シングルモードファイバーレーザーの光密度プロファイルがガウシアンビームで近似される場合について説明する。光密度プロファイルI_i(u,v;ξ)をガウシアンビームとすれば、式１８のように記述される。
【００８２】
【数１８】
2018039040.tif 000020
【００８３】
加工密度の上限条件は
【００８４】
【数１９】
2018039040.tif 000021
【００８５】
となり、式１２と比較して簡単な式に定式化される。
また、式１５で定義されるtmax_i(ξ)においても変形が可能で、
【００８６】
【数２０】
2018039040.tif 000022
【００８７】
を満たせばよい。さらに加工線幅δ_i(ξ)は、
【００８８】
【数２１】
2018039040.tif 000023
【００８９】
となり、式１９、式２０、式２１を満たすξを求めればよい。
【００９０】
第２実施形態では解析式を用いて説明を行なったが、マクローリン展開などの近似式や、数値テーブルを利用した数値解でξを導出しても、本発明の効果は変わらない。
【００９１】
[第３実施形態]
第１実施形態では、実測した光プロファイルに基づいて説明したが、マルチモードファイバーレーザーのようにトップフラットビームで近似される場合について説明する。
【００９２】
トップフラットビームの場合、光密度プロファイルI(u,v;ξ)は式２２のように記述される。
【００９３】
【数２２】
2018039040.tif 000024
【００９４】
加工密度の上限条件は式２３、作用時間の上限条件は式２４、加工線幅δ_i(ξ)は式２５のようになり、加工経路iにおいて、式２３、式２４、式２５を全て満たすξを求めればよい。
【００９５】
【数２３】
2018039040.tif 000025
【００９６】
【数２４】
2018039040.tif 000026
【００９７】
【数２５】
2018039040.tif 000027
【００９８】
第２実施形態と同様、第３実施形態においても、マクローリン展開などの近似式や、数値テーブルを利用した数値解でξを導出しても、本発明の効果は変わらない。
【００９９】
[第４実施形態]
第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態では、１組のガルバノミラーで張る面の加工について説明したが、焦点位置を変動させるズーム機構を組み合わせて、立体面を加工する場合にも適用できる。
【０１００】
＜レーザー加工機の構成＞
第一に、図６を用いて第４実施形態のレーザー加工機について説明する。第１実施形態と比較して、２つの構成要素が加わったレーザー加工機になっている。１つは、駆動部としてのリニアステージ４２である。図３で説明した通り、デフォーカスのみを調整が可能である。もう１つは制御器５５である。制御器５５によって、ズーム光学系２の駆動部が制御されている。
【０１０１】
＜加工パラメータの導出フロー＞
第二に、本発明の第４実施径形態に係る加工パラメータの導出フローについて説明する。図７のフローチャートは、本発明におけるリニアステージ４１とリニアステージ４２の駆動量を決定するまでのフローを示した図である。このフローで決定された駆動量に基づき、図６で説明した加工装置で加工が行なわれる。
【０１０２】
（工程Ｓ４）
第４実施形態では、第１実施形態のS1と異なり加工経路が３次元データで与えられる。加工経路情報Ｄ８では、{(Xs_1,Ys_1,Zs_1,L_1,Xe_1,Ye_1,Ze_1,F_1), (Xs_2,Ys_2, Zs_2,L_2,Xe_2,Ye_2, Ze_2,F_2), ・・・(Xs_i,Ys_i, Zs_i,L_i,Xe_i,Ye_i, Ze_i,F_i) ,・・・，(Xs_N,Ys_N,L_N,Xe_N,Ye_N, Ze_1,F_N)}となる。加工位置に対するガルバノミラー３１の駆動量は第１実施例に倣うが、それに加えリニアステージ４２の駆動部駆動量が加わった形となる。
【０１０３】
【数２６】
2018039040.tif 000028
【０１０４】
ここで、Zsは加工経路i番目初期位置での駆動部駆動量、Zeは加工経路i番目終了位置での駆動部駆動量である。また、加工位置原点に対する駆動部のオフセット量であり、ZsあるいはZeが0のとき、ζ_ofsはガルバノミラー３１からワーク上の加工原点までの距離と一致する。第４実施形態においても、ガルバノミラー駆動量やリニアステージ４２の駆動量を加工位置に対して線形の関係としたが、第１実施例の式３のように多項式近似にしても良い。
【０１０５】
このように工程Ｓ４によって、加工経路情報Ｄ８から、ガルバノミラー駆動量情報Ｄ９とリニアステージ４２の駆動部２駆動量情報Ｄ１０が得られる。
【０１０６】
（工程Ｓ５）
第４実施形態の工程Ｓ５は、第１実施形態のＳ２と同様の工程である。Ｓ５は、加工経路情報Ｄ８、光密度プロファイル情報Ｄ３、光強度情報Ｄ４から、加工面上の光密度プロファイル情報Ｄ５を導出する工程である。Ｓ２と異なる点は、第１実施形態ではガルバノミラー３１で張る面を加工面として扱ったのに対し、第４実施例ではさらに光軸方向が加わったことによって、加工面が立体面になったことである。その場合においても、ワーク４に対する加工光２の照射方向によって加工線幅が決定されることに変わりはない。ただし、y'方向にも光密度プロファイルが伸長することを考慮しなければならない。
【０１０７】
（工程Ｓ６と工程Ｓ７）
第４実施形態の工程Ｓ６においても、第１実施形態のＳ３と同様である。この工程によって、加工経路情報Ｄ８と加工面上の光密度プロファイル情報Ｄ５と加工線幅情報Ｄ２から、リニアステージ４２の駆動部駆動量情報Ｄ６が求まる。本実施例で、リニアステージ４１はその駆動量に対して光学倍率のみ変化する光学系であるため、Ｄ１０とＤ６は独立して扱うことができた。しかしながら、駆動部の駆動量に対して光学倍率とデフォーカスが同時に変化する場合は、工程Ｓ７が必要になる。工程Ｓ７は、Ｄ１０とＤ６を統合する工程である。そこでは、２つのステージ駆動量が線形和演算され、新たにリニアステージ４１の駆動量情報Ｄ１２、リニアステージ４２の駆動部駆動量情報Ｄ１１が得られる。こうすることで、複数の駆動部を有した場合でも、加工線幅をコントロールして加工する効果が得られる。
【０１０８】
＜加工＞
ガルバノ駆動量情報Ｄ９、リニアステージ４１の駆動部駆動量Ｄ６、リニアステージ４２の駆動部駆動量Ｄ１０を同期装置５４に入力することで、第１実施形態と同様に加工線幅をコントロールして加工する効果が得られる。あるいは、ガルバノミラー駆動量情報Ｄ９、リニアステージ４１の駆動部駆動量Ｄ１２、リニアステージ４２の駆動部駆動量Ｄ１１を同期装置５４に入力することで、第１実施形態と同様に加工線幅をコントロールして加工する効果が得られる。
【０１０９】
本実施形態の別例として、リニアステージ４１の駆動量に応じてデフォーカスが変化する場合では、リニアステージ４１とリニアステージ４２は同一のものとしてもよい。この場合、レーザー加工ヘッド３の構成をより簡易にできるというメリットがある。
【０１１０】
本実施例では、ガルバノミラーの駆動量はリニアステージ４２の駆動量と独立で扱っていたが、従属として扱っても良い。その場合、加工工程Ｓ７では、ガルバノミラー駆動量情報Ｄ９、リニアステージ４２の駆動部駆動量情報Ｄ１０、リニアステージ４１の駆動部駆動量情報Ｄ１１から、新たにガルバノミラー駆動量情報Ｄ１３、リニアステージ４２の駆動部駆動量情報Ｄ１１、リニアステージ４１の駆動部駆動量情報Ｄ１２が決定される工程となる。
【０１１１】
本実施形態において、光密度プロファイル情報Ｄ３は、第1実施形態のように実計測で得られた光密度プロファイルを用いてもよいし、第２実施形態や第３実施形態のように関数で近似されるものでもよい。いずれの場合においても、本発明の効果は変わらない。
【０１１２】
その他、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態で述べたとおり、種々変更が可能である。
【０１１３】
[第５実施形態]
第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態では、駆動量ξiの導出方法について述べたが、演算器によって自動化するのが好ましい。この場合、加工プログラムを高速に導出するという作用を奏することができる。また、演算器をレーザー加工機に常時接続して使用しても良い。この場合、加工プログラム作成から加工までを連続して行なうことができ、時間短縮の効果が得られる。
【０１１４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。また、本発明の演算器によって作成された加工プログラムや、本発明の加工方法によって製作された加工物や、本発明の演算器で求められた加工プログラムに基づいて加工された加工物や、本発明の加工機で製作された加工物も対象となる。
【符号の説明】
【０１１５】
Ｄ１・・・加工経路情報
Ｄ２・・・加工線幅情報
Ｄ３・・・光密度プロファイル情報
Ｄ４・・・光強度情報
Ｄ５・・・加工面上の光密度プロファイル情報
Ｄ６・・・駆動部駆動量
Ｄ７・・・ガルバノミラー駆動情報
Ｓ１・・・工程Ｓ１
Ｓ２・・・工程Ｓ２
Ｓ３・・・工程Ｓ３
【図１】
2018039040.tif 000029
【図２】
2018039040.tif 000030
【図３】
2018039040.tif 000031
【図４】
2018039040.tif 000032
【図５】
2018039040.tif 000033
【図６】
2018039040.tif 000034
【図７】
2018039040.tif 000035