(57)【要約】      （修正有）【課題】三次元直交座標系において任意の座標に任意のレーザスポット径を指定したレーザの軌跡制御をする。【解決手段】レーザ照射座標が記述されたスキャンプログラム３０５と、前記スキャンプログラムに記述された目標位置３０６を出力するプログラム解析部３０１と、前記目標位置を入力し、前記目標位置間の補間計算を行う補間処理部３０２と、補間位置３０８に補正量を加算して補正位置３０９を出力する補正量加算部３０３と、照射面上の前記レーザ照射座標をガルバノメータスキャナの回転角に変換する幾何学的な計算処理部３０４を備えたコントローラ２０２と、前記ガルバノメータスキャナを動作させるサーボアンプと、ダイナミックフォーカスレンズを備えたレーザスキャニング装置において、前記スキャナプログラムは、前記レーザ照射座標を指定するとともに、三次元直交座標系の前記レーザ照射座標で指定された点でのレーザスポット径を指定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ照射座標が記述されたスキャンプログラムと、前記スキャンプログラムを読み込み、前記スキャンプログラムに記述された目標位置を出力するプログラム解析部と、前記目標位置を入力し、前記目標位置間の補間計算を行う補間処理部と、補間位置にあらかじめ保存しておいた補正量を補正量加算処理で加算して補正位置を出力する補正量加算部と、照射面上の前記レーザ照射座標をガルバノメータスキャナの回転角に変換する幾何学的な計算処理部を備えたコントローラと、前記ガルバノメータスキャナを動作させるサーボアンプと、ダイナミックフォーカスレンズを備えたレーザスキャニング装置において、
前記スキャナプログラムは、前記レーザ照射座標を指定するとともに、三次元直交座標系の前記レーザ照射座標で指定された点でのレーザスポット径を指定することを特徴とするレーザスキャニング装置。
【請求項２】
前記プログラム解析処理は、スキャンプログラムを読み込み、スキャンプログラムに記述された目標位置と目標レーザスポット径を出力することを特徴とする請求項１記載のレーザスキャニング装置。
【請求項３】
前記幾何学的な計算処理部は、指令された前記三次元直交座標系での座標と前記レーザスポット径とから前記ガルバノメータスキャナ回転角と前記ダイナミックフォーカスレンズ位置を計算する幾何学的な計算処理を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザスキャニング装置。
【請求項４】
前記幾何学的な計算処理部は、レンズの合成の主点からレーザ焦点までの間の前記レーザ経路長とビーム径の関係を１次関数として、前記照射座標でのレーザスポット径を算出することを特徴とする請求項３記載のレーザスキャニング装置。
【請求項５】
前記レンズの合成の主点からレーザ焦点までの間の、前記レーザ経路長Ｌとビーム径Ｗの関係を表す１次関数は、
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の式であること特徴とする請求項４記載のレーザスキャンニング装置。
【請求項６】
前記幾何学的な計算処理部は、前記ダイナミックフォーカスレンズとレンズ間の距離を前記照射座標までのレーザ経路長とレーザビーム径の関数として求められたことを特徴とする請求項３記載のレーザスキャニング装置。
【請求項７】
前記幾何学的な計算処理部は、前記照射座標までのレーザ経路長とレーザビーム径の関数として求められた前記ダイナミックフォーカスレンズとレンズ間の距離になるように前期ダイナミックフォーカスレンズの移動距離を求められたことを特徴とする請求項３記載のレーザスキャニング装置。
【請求項８】
前記幾何学的な計算処理部は、指令された前記三次元直交座標系での前記座標と前記レーザスポット径を入力し、光角度θyを計算し、光角度θxを計算し、指令位置までのレーザ経路長Ｌを計算し、レンズ１とレンズ２間の距離を計算し、前記ダイナミックフォーカスレンズの移動距離を計算し、光角度θxと、光角度θｙと、前記ダイナミックフォーカスレンズの移動距離から前記ガルバノスキャナの回転角を計算し、前記ガルバノスキャナの前記回転角を出力することを特徴とする請求項３記載のレーザスキャニング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガルバノメータスキャナによってレーザ照射位置を制御するレーザスキャニング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザスキャニング装置は、ガルバノスキャナとｆθレンズを備えることで、ガルバノスキャナによりレーザ照射点のＸ、Ｙ方向の位置を移動させ、ｆθレンズによりレーザ焦点は常に被加工面上にあるようにしている。また、広範囲において被加工面上のレーザスポット径が一定となるように、ガルバノスキャナとfθレンズを備えたスキャニングヘッドを移動可能にして、所望の範囲へ移動させてからガルバノスキャナによる照射点の移動による刻印をしているものもある（例えば、特許文献１参照）。
また、レーザスポット径については、ダイナミックフォーカスレンズを備え、レンズ位置を動かすことによってレーザスポット径を変化できるようにしているものもある（例えば、非特許文献１参照）。
また、照射した図形の歪みについては、ダイナミックフォーカスレンズを備えた装置で、コントローラで幾何学的な計算を行って、ピンクッションエラーやＺフォーカスエラーなどの幾何学的エラーを除去し、ｆθレンズを不要としているものもある（例えば、非特許文献２参照）。
また、指令方法としては、照射点の座標Ｘ，Ｙとダイナミックフォーカスレンズの位置Ｚを同時制御できるように、Ｘ、Ｙ、Ｚを指示できる移動指令を備えているものもある（例えば、非特許文献３参照）。
図８は従来のレーザスキャニング装置の構成例であり、fθレンズを備えていない３軸構成のレーザスキャニング装置である。図８において、２０１はホストＰＣであり、Ｅｔｈｅｒｎｅｔなどの通信手段でコントローラ８０１と接続され、スキャンプログラムの実行の操作やステータス表示のためのヒューマンインタフェースを備えている。８０１はコントローラであり、ホストＰＣ２０１からの操作にしたがってスキャンプログラムの実行と停止を行ったり、レーザ照射点の現在位置、アラーム、運転状況などのステータスをホストＰＣ２０１に知らせたりする。２０３はサーボアンプであり、１対１にガルバノメータスキャナと接続され、さらにすべてのサーボアンプ２０３はアナログ線あるいはフィールドネットワークでコントローラ８０１と接続され、コントローラ８０１から指令された位置にしたがってガルバノメータスキャナの位置制御を行う。図８においては３軸を備えたシステムなので３個のサーボアンプがある。１０１はＸ軸ガルバノメータスキャナであり、Ｘミラー１０４を装着してある。１０２はＹ軸ガルバノメータスキャナであり、Ｙミラー１０５を装着してある。１０３はＺ軸であり、レンズ（１）１０６の位置を動かすために使用する。すなわちレンズ（１）１０６はダイナミックフォーカスレンズである。レーザ１０９はレンズ（１）１０６、レンズ（２）１０７、レンズ（３）１０８を通過し、Ｘミラー１０４、Ｙミラー１０５によって進行方向を変えられて、照射面１１０上の加工点８０２に到達する。ガルバノメータスキャナによってＸミラー、Ｙミラーを動かしてレーザの進行方向を変化させることにより、照射面上の加工点の位置を動かすしくみである。さらに照射面上のレーザの焦点を、ダイナミックフォーカスレンズにより動かすようになっている。
図８の構成のようにfθレンズをなくし、コントローラで幾何学的な計算を行うことによってピンクッション歪みとリニアリティ歪みは取り除かれるが、実際には取り付け誤差や機械の歪みによる理想座標との誤差が描画図形に現れる。したがって、照射面を格子状に区切った点で理想座標との誤差を計測して補正量とし、コントローラ内部で指令に加算する方法で誤差に対する補正を行う。
図９はコントローラ内部の処理を示すブロック図である。コントローラ８０１は、まずホストＰＣ２０１から送られたスキャンプログラム９０３を読み込んでプログラム解析９０１処理で移動指令を解析し、目標位置３０６を取り出す。目標位置３０６は、照射面１１０上のレーザ照射点の座標である。次に、目標位置３０６の間を補間する点を３０２補間処理で計算し、補間位置３０８を出力する。次に、補間位置３０８にあらかじめ計測して保存しておいた補正量を補正量加算処理３０３で加算して補正位置３０９とする。次に、Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ９０２で照射面上の座標を各ガルバノメータスキャナの回転角に変換する。Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ９０２は照射面上の座標に対するガルバノメータスキャナ回転角を幾何学的な計算から求める処理であり（計算方法は例えば、非特許文献２参照）、補正位置３０９を入力し、回転角３１０を出力する。回転角３１０は、通信手段あるいはアナログ線を通じてサーボアンプ２０３へ指令として送られる。
補正量加算処理３０３で用いる補正量は、コントローラ内部でＸ、Ｙ、Ｚの補正テーブルとして実装されている。被加工面を６５点×６５点などの格子に区切り、各格子点にＸ、Ｙ、Ｚの補正量を持たせる。図１０は非特許文献３の例であり、６５×６５の各点にＸ補正量ＸＤａｔａ、Ｙ補正量ＹＤａｔａ、Ｚ補正量ＺＤａｔａを持つＧｒｉｄ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  Ｔａｂｌｅである。Ｚの補正量は、ダイナミックフォーカスレンズの位置に加算する補正量であり、全ての格子点においてレーザ焦点を被加工面に合わせるために使用される。
図１１は、レーザ焦点を常に被加工面に合わせるように全ての格子点に補正量を入力した状態で、図８の座標系２０４のＸ座標のみ値を書き、ＹとＺ値は０とする指令をスキャンプログラムに記述して実行した場合の、レーザ焦点の軌跡を示す図である。コントローラでの幾何学的な計算と適切なＺ補正量によりＺ軸１０３が動いてレンズ（１）１０６が移動し、Ｚ補正１１０１による焦点移動が起こり、レーザ焦点１１４は常に照射面１１０上にある。したがって、Ｘ方向にのみ移動する指令で移動したときのレーザ焦点１１４の軌跡は水平な線であり、レーザ焦点の位置はスキャンプログラムに記述した指令位置に一致する。
図１２は非特許文献３におけるスキャンプログラムでの位置指定方法の例である。スキャンプログラム１２０１（ＧＣＸファイル）内には、レーザＯＦＦで移動するコマンドＭＤ＿ｊｕｍｐ＿ａｂｓ１２０２と、レーザＯＮで移動するコマンドＭＤ＿ｍａｒｋ＿ａｂｓ１２０３が書かれており、それぞれパラメータとしてＸ、Ｙ、Ｚの絶対位置を与えるようになっている。Ｘ位置１２０４は座標系２０４のＸ座標、Ｙ位置１２０５は座標系２０４のＹ座標である。Ｚ位置１２０６はダイナミックフォーカスレンズの位置であり、常に平面上にレーザ焦点を合わせておきたい場合には０を記入する。Ｚ位置１２０６に０でない値を指定するのは、照射面上のレーザスポット径を変化させたい場合か、あるいは、凹凸のある被加工面に対してもレーザパワーを一定で照射するために、レーザ焦点を被加工面に合わせて移動させるような場合である（例えば、非特許文献１）。ただし、ダイナミックフォーカスレンズの移動による焦点の移動が、照射面の高さ方向の移動になるにはｆθレンズを備えている必要がある。
図１３はｆθレンズを備えていないレーザスキャンニング装置において、Ｚ位置１２０６に一定の値を指定してＸの移動を行った場合のレーザ焦点の軌跡を示す図である。コントローラでの幾何学的な計算と、Ｚ補正量とスキャンプログラムによるＺ位置１２０６を加算したレンズ（１）１０６の位置により、Ｚ指令１３０１による焦点移動が起こる。Ｚ指令１３０１による焦点移動は照射面１１０の垂直方向の移動ではなく、レーザ経路の線上に移動したものであるため、Ｘを移動したときの１３０２レーザ焦点の軌跡は水平な線にはならない。ただし、レーザ焦点が常に照射面１１０上に合っている図１１の設定に、さらにレーザ経路の線上に焦点を移動させたのが図１３であるため、図１３では照射面１１０上のレーザスポット径は一定となる。
このように、従来のレーザスキャニング装置は、レーザ照射点の位置を制御するために被加工面上のレーザ照射点の座標Ｘ、Ｙを指定し、レーザ焦点の位置を制御するためにダイナミックフォーカスレンズの位置を指定するのである。レーザ焦点の位置を制御するのは、レーザスポット径を変化させる目的で使用する。また、ｆθレンズを備えたレーザスキャニング装置においては、照射面の高さ方向にレーザ焦点の位置を変化させる目的でも使用する。
【特許文献１】特開平６−２６９９７１号公報
【非特許文献１】進藤崇、ダイナミックフォーカス制御によるレーザパターニング法、「松下電工技報  Ｖｏｌ．５２  Ｎｏ．２」、２００５年５月、ｐ．３１−３６
【非特許文献２】山下仁、ガルバノメータスキャナ技術の流れとその応用、「第５７回レーザ加工学会・理研シンポジウム論文集」レーザ加工学会、平成１４年１２月
【非特許文献３】GSIL P/N: 7OM-1095 Rev B、「WinMCL Plus Software Manual」、GSI Lumonics Inc.、２００４年、ｐ．２３、２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のｆθレンズを備えていないレーザスキャニング装置は、座標Ｘ、Ｙが０ではない場合、Ｚ位置を指定してダイナミックフォーカスレンズを動かすと、図１３のようにレーザ焦点はレーザ経路の線上で移動する。すると、照射面上のどの位置でもレーザ焦点が合うようにＺの補正量を設定している場合でも、０でないＺ位置を指定してＸ、Ｙを動かすと、レーザ焦点の軌跡は照射面を垂直方向に平行移動した平面上にはなくなり、Ｚフォーカスエラーが生じる。したがって、ダイナミックフォーカスレンズの移動は被加工面でのレーザスポット径の変更のためには使用できるが、任意のＸ、Ｙの位置においてレーザ焦点を直交座標のＺ方向に移動することには使用できないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ｆθレンズを備えていないレーザスキャニング装置において、照射点の位置を三次元直交座標系の座標として指定できるようにするとともに、指定した座標でのレーザスポット径を指定できるようにし、任意の座標に任意のレーザスポット径を指定したレーザの軌跡制御をすることができるレーザスキャニング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、レーザ照射座標が記述されたスキャンプログラムを読み込み、指令位置間の補間点を計算し、補間点の位置をサーボアンプへ出力するコントローラと、サーボアンプと、ガルバノメータスキャナと、ダイナミックフォーカスレンズを備え、ｆθレンズを備えないレーザスキャニング装置において、照射面上に設定した三次元直交座標系での座標を指定する命令と、前記三次元直交座標系の座標で指定された点でのレーザスポット径を指定する命令とを備え、指令された前記レーザスポット径と前記三次元直交座標系での座標を前記ガルバノメータスキャナ回転角と前記ダイナミックフォーカスレンズ位置に変換する幾何学的な計算処理を備えたコントローラを備えたことを特徴とするレーザスキャニング装置とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、ｆθレンズを備えていないレーザスキャニング装置において、スキャンプログラムには三次元の座標で記述でき、幾何学的な計算はコントローラが行うため、高さ方向の移動をしたい場合にレンズの移動距離をオフラインで計算してからスキャンプログラムに書く必要はなく、スキャンプログラムの修正が容易である。
また、スキャンプログラムで三次元直交座標系の任意の座標に任意のレーザスポット径を指定した移動を実行することができるので、凹凸のある被加工物面に対して一定のレーザスポット径でレーザを照射しながら移動することができる。さらに、一つのスキャンプログラム中でスポット径を変化させながら移動することもできるので、スポット径を大きくしておいて荒く加工する部分と、スポット径を小さくして細かく加工する部分とを一つのプログラム中に記述して実行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図２は、本発明のレーザスキャニング装置の構成例であり、fθレンズを使用しない３軸構成のレーザスキャニング装置である。また、図３は、本発明のレーザスキャニング装置におけるコントローラの処理のブロック図である。スキャニングを制御するコントローラ２０２では、補正を含む図３の処理を実行して各スキャナの回転角指令を作成する。図３において、スキャンプログラム３０５は、図２のホストＰＣ２０１から送り込まれてコントローラ２０２の二次記憶装置に記憶されている。スキャンプログラム３０５には、照射面上に設定した三次元直交座標系２０４での座標を指定する命令と、三次元直交座標系の座標で指定された点でのレーザスポット径を指定する命令を含む移動命令が書かれている。
図４はスキャンプログラムの例である。スキャンプログラム４０１内には、レーザスポット径を指定する命令であるＬＷ４０２と、レーザＯＦＦで移動する命令であるＭＯＶ＿ＡＢＳ４０４と、レーザＯＮで移動する命令ＦＥＥＤ＿ＡＢＳ４０５が書かれている。ＬＷ４０２はパラメータとしてレーザスポット径４０３を与え、ＭＯＶ＿ＡＢＳ４０４とＦＥＥＤ＿ＡＢＳ４０５はパラメータとしてＸ、Ｙ、Ｚの絶対位置を与えるようになっている。Ｘ位置４０６は座標系２０４のＸ座標、Ｙ位置４０７は座標系２０４のＹ座標である。そして、Ｚ位置４０８は座標系２０４のＺ座標であり、常に平面上にレーザ焦点を合わせておきたい場合には０を記入する。図４のスキャンプログラム４０１は、１行目でレーザスポット径を指定し、２行目で座標系２０４の原点へ移動する。次に、３行目で描画の最初の点に移動し、４行目から７行目までで正方形を描く。次に、８行目で座標系２０４のＺ方向である、照射面１１０の垂直下方向に移動し、９行目から１２行目までで正方形を描く、という手順のプログラムである。
図３のプログラム解析処理３０１は、スキャンプログラム３０５を読み込み、スキャンプログラム３０５に記述された目標位置３０６と目標レーザスポット径３０７を出力する。図４のスキャンプログラム４０１の例では、Ｘ位置４０６、Ｙ位置４０７、Ｚ位置４０８が目標位置３０６であり、レーザスポット径４０３が目標レーザスポット径３０７として読み込まれる。図３の３０２補間処理は、目標位置３０６を入力し、目標位置３０６間の補間計算を行い、補間位置３０８を出力する。補正量加算処理３０９は、補間位置３０８を入力し、補正テーブルを参照して補間位置３０８に補正量を加算した結果である補正位置３０９を出力する。Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ処理３０４は、補正位置３０９と目標レーザスポット径３０７を入力し、位置の変換をして回転角３１０を出力する。回転角３１０は各サーボアンプへ指令される。
本発明が従来技術と異なる部分は、スキャンプログラムにおいてレーザスポット径を指定する命令と三次元直交座標系での位置を指定する命令とを備えた部分と、コントローラ内部の処理において、前記レーザスポット径を指定する命令と三次元直交座標系での位置を指定する命令とを解析するプログラム解析処理を備えた部分と、Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ処理において、直交座標系の位置とレーザスポット径を考慮した回転角への変換計算を備えた部分である。
【０００８】
コントローラ２０２内部では図３に示すように、スキャンプログラム３０５に記述された目標位置３０６と目標レーザスポット径３０７を実現するための、Ｘ軸ガルバノメータスキャナ１０１、Ｙ軸ガルバノメータスキャナ１０２、Ｚ軸１０３の回転角３１０の計算を行うが、直交座標系上の位置を回転角へ変換する処理はＩｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ処理３０４が行う。Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ処理３０４について詳細を説明する。
図２のレーザスキャニング装置における指令位置１１５を三次元直交座標系上の位置として表した移動命令と、前記指令位置１１５でのレーザスポット径がスキャンプログラムに書かれており、移動命令は前記コントローラ２０２のプログラム解析処理、補間処理、補正量加算処理を経て、ＩｎｖｅｒｓｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓ処理へ入力される。レーザスポット径はプログラム解析処理からＩｎｖｅｒｓｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓ処理へ入力され、スキャンプログラム中に新たなレーザスポット径命令がない間はレーザスポット径の値を保持する。
その動作は、まず、ＩｎｖｅｒｓｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓ処理の内部では、図２のＸ軸ガルバノメータスキャナ１０１とＹ軸ガルバノメータスキャナ１０２の回転角を求める計算を行う。Ｘ、Ｙ、Ｚは２０４三次元直交座標系上の位置、ｄ３はレンズ（３）１０６とＸミラー１０４間の距離、ｄ４はＸミラー１０４とＹミラー１０５間の距離、ｄ５はＹミラー１０５と照射面１１０間の距離である。
図２より、指令位置１１５が図２に示した位置のとき、Ｙの順変換は式１のようになる。Ｘの順変換は式２のようになる。式１と式２から逆変換を求めると、式３と式４になる。
【０００９】
【数１】
2008216873.tif 000003
【００１０】
【数２】
2008216873.tif 000004
【００１１】
【数３】
2008216873.tif 000005
【００１２】
【数４】
2008216873.tif 000006
【００１３】
式３と式４のａｔａｎ２（  ）はアークタンジェントを計算する関数である。ＩｎｖｅｒｓｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓ処理では式３と式４で指令位置Ｘ、Ｙ、Ｚに対するθxとθyを計算する。式３と式４で求めたθxとθyは光角度なため、１／２を掛け算することでスキャナの回転角に変換する。
次に、Ｚ軸の回転角を求める計算を行う。指令位置１１５が図２に示した位置のとき、レンズ３の第二主点から指令位置までのレーザ経路長Ｌは式５のようになる。
【００１４】
【数５】
2008216873.tif 000007
【００１５】
すなわち、ＬはＸ、Ｙ、Ｚ、ｄ３、ｄ４、ｄ５の関数である。
一方、３枚のレンズを組み合わせた系にレーザ１０９を入射したときのレーザ焦点１１４の位置は図５のようになる。図５では、Ｘミラー１０４とＹミラー１０５によるレーザ方向の変化がないものとして描いてある。レンズ（１）１０６の焦点距離をｆ１、レンズ（２）１０７の焦点距離をｆ２、レンズ（３）１０８の焦点距離をｆ３とする。レンズ（１）１０６は可動であり、レンズ（２）１０７との距離ｄ１は可変である。レンズ（２）１０７とレンズ（３）１０８との距離ｄ２は固定である。５０１はレンズ３の第二主点、５０２は３枚のレンズの合成の第二主点である。５０３は合成の焦点距離ｆ１２３、５０４はレンズ３の第二主点からレーザ焦点１１４までの距離（合成の焦点位置）ｓ１２３、５０５はレンズ３の第二主点から５０２合成の第二主点までの距離（合成の主点位置）ｐ１２３である。５０３合成の焦点距離ｆ１２３は式６のように前記ｄ１の関数として表せる。合成の焦点位置ｓ１２３５０４は式７のように前記ｄ１の関数として表せる。合成の主点位置ｐ１２３５０５は式８のように前記ｄ１の関数として表せる。ただし、ｐ、ｑ、ｒ、ｓは式９で表される定数である。レーザ焦点１１４におけるビーム径ｗ１は式１０のように表される。
【００１６】
【数６】
2008216873.tif 000008
【００１７】
【数７】
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【００１８】
【数８】
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【００１９】
【数９】
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【００２０】
【数１０】
2008216873.tif 000012
【００２１】
πは円周率、ｗ０は入射ビーム径、λは波長、ｆ１２３は合成の焦点距離である。Ｍ２は理論的な集光径に対する倍率を示すもので、ビーム品質の指標である。Ｍ２はガウシアンビームの場合は１である。
合成の第二主点５０７におけるビーム径は５０６入射ビーム径ｗ０に等しい。合成の第二主点でのビーム径からレーザ焦点でのビーム径までの間は、位置とビーム径の関係が１次関数であるとすると、レンズ３第二主点５０１からレーザ経路長Ｌを隔てた場所のビーム径５０８Ｗは式１１のように表せる。
【００２２】
【数１１】
2008216873.tif 000013
【００２３】
式１１のＬに式５を代入し、ｆ１２３に式６を代入し、ｐ１２３に式８を代入し、ｗ１に式１０を代入する。式１０のｆ１２３には式６を代入する。代入後の式をｄ１について解くと、レンズ（１）１０６とレンズ（２）１０７間の距離ｄ１を、指令位置までのレーザ経路長Ｌとビーム径Ｗの関数として表したことになる。関数をｆｕｎｃ（ ）とすると式１２のように書ける。
【００２４】
【数１２】
2008216873.tif 000014
【００２５】
前記Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ３０４では、目標位置をＸ、Ｙ、Ｚ、目標レーザスポット径をＷとして式１２の計算を行い、ｄ１を求める。スキャンプログラム中にレーザスポット径命令がない場合は、デフォルトのレーザスポット径としてＷ＝ｗ１としてｄ１を求める。
次に、レンズ１とレンズ２間の距離が前記ｄ１になるようなレンズ１移動距離ｌｚを計算する。ｌｚは式１３で計算する。
【００２６】
【数１３】
2008216873.tif 000015
【００２７】
ただし、Ｄ０はｌｚが基準位置にあるときのレンズ１とレンズ２間の距離であり、Ｌは図２のｄ３、ｄ４、ｄ５を加算した長さに等しく、Ｘ、Ｙ、Ｚは０、すなわちレーザ焦点が座標系２０４原点に一致しているときのレンズ１とレンズ２間の距離であるとする。
レンズ１の直動機構はギアを介してＺ軸と組み合わせてあるので、レンズ１を式１３で求めたｌｚだけ移動するためのＺ軸の回転角は、ｌｚとギア比の掛け算で計算する。
最後に、前記Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ処理３０４はＸ軸スキャナ、Ｙ軸スキャナ、Ｚ軸の回転角をサーボアンプへの指令として出力する。
前記Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ処理３０４を整理すると、その動作は図６に示す流れになる。まず、指令位置Ｘ、Ｙ、Ｚとレーザスポット径Ｗを入力し（Ｓ６０１）、次に式３によりθyを計算し（Ｓ６０２）、式４によりθxを計算し（Ｓ６０３）、式５により指令位置までのレーザ経路長Ｌを計算し（Ｓ６０４）、式１２によりレンズ１とレンズ２間の距離ｄ１を計算し（Ｓ６０５）、式１３により、レンズ１移動量ｌｚを計算し（Ｓ６０６）、θx、θｙ、ｌｚにギア比を掛けて各スキャナの回転角を計算し（Ｓ６０７）、最後に回転角を出力する（Ｓ６０８）。
本実施例のＩｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ処理を行うコントローラを使うと、スキャンプログラムでＸ、Ｙを動かさずにＺ位置だけを動かす移動命令を記述して、図７のように座標系のＺ方向である照射面の垂直方向にレーザ焦点を移動させることができる。
また、スキャンプログラムに記述されたレーザスポット径命令と直交座標の移動命令に基づいて、図１のように１１２Ｚ指令による焦点移動と、１１３レーザスポット径指令による焦点移動の両方が起こるので、三次元の座標で、指令位置１１５を目標のレーザスポット径で照射することができる。
【００２８】
このように、照射面上に設定した三次元直交座標系での座標を指定する命令と、前記三次元直交座標系の座標で指定された点でのレーザスポット径を指定する命令とを備えて、コントローラで直交座標系の位置とレーザスポット径を考慮した回転角への変換計算を備えた構成をしているので、スキャンプログラムにレーザスポット径命令と直交座標の移動命令を記述し、三次元の座標で、指令位置を目標のレーザスポット径で照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のレーザスキャニング装置の動作を示す図
【図２】本発明の第１実施例を示すレーザスキャニング装置の構成図
【図３】第１実施例を示すレーザスキャニング装置のコントローラ内部処理のブロック図
【図４】第１実施例を示すレーザスキャニング装置のスキャンプログラム例
【図５】第１実施例を示すレーザスキャニング装置の光学系の構成図
【図６】第１実施例を示すコントローラ内部のＩｎｖｅｒｓｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓ処理のフローチャート
【図７】本発明のレーザスキャニング装置のＺ位置指令による動作を示す図
【図８】従来のレーザスキャニング装置の例を示す構成図
【図９】従来のレーザスキャニング装置のコントローラ内部処理のブロック図
【図１０】従来のレーザスキャニング装置の補正テーブルの構造体
【図１１】従来のレーザスキャニング装置のＺ補正動作を示す図
【図１２】従来のレーザスキャニング装置のスキャンプログラム例
【図１３】従来のレーザスキャニング装置のＺ位置指令による動作を示す図
【符号の説明】
【００３０】
１０１  Ｘ軸ガルバノメータスキャナ
１０２  Ｙ軸ガルバノメータスキャナ
１０３  Ｚ軸ガルバノメータスキャナ
１０４  Ｘミラー
１０５  Ｙミラー
１０６  レンズ（１）（ダイナミックフォーカスレンズ）
１０７  レンズ（２）
１０８  レンズ（３）
１０９  レーザ
１１０  照射面
１１１  レンズ1移動距離ｌｚ
１１２  本発明のＺ位置指令による焦点移動距離
１１３  本発明のレーザスポット径指令による焦点移動距離
１１４  レーザ焦点
１１５  指令位置
２０１  ホストＰＣ
コントローラ２０２
２０３  サーボアンプ
２０４  座標系
３０１  プログラム解析処理
３０２  補間処理
３０３  補正量加算処理
３０４  Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ
３０５  スキャンプログラム
３０６  目標位置
３０７  レーザスポット径
３０８  補間位置
３０９  補正位置
３１０  回転角
４０１  スキャンプログラム
４０２  レーザスポット径指令ＬＷ
４０３  レーザスポット径の値
４０４  レーザＯＦＦ移動指令ＭＯＶ＿ＡＢＳ
４０５  レーザＯＮ移動指令ＦＥＥＤ＿ＡＢＳ
４０６  Ｘ座標
４０７  Ｙ座標
４０８  Ｚ座標
５０１  レンズ３の第二主点
５０２  合成の第二主点
５０３  合成の焦点距離
５０４  合成の焦点位置
５０５  合成の第二主点位置
５０６  入射ビーム径
５０７  合成の第二主点におけるビーム径
５０８  Ｌの位置でのビーム径
５０９  レンズ３の第二主点から指令位置までのレーザ経路長
８０１  従来のコントローラ
８０２  加工点
９０１  従来のプログラム解析処理
９０２  従来のＩｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ
９０３  従来のスキャンプログラム
１１０１  Ｚ補正による焦点移動距離
１１０２  レーザ焦点の軌跡
１２０１  スキャンプログラム
１２０２  レーザＯＦＦ移動指令ＭＤ＿ｊｕｍｐ＿ａｂｓ
１２０３  レーザＯＮ移動指令ＭＤ＿ｍａｒｋ＿ｒｅｌ
１２０４  Ｘ座標
１２０５  Ｙ座標
１２０６  Ｚ座標
１３０１  従来のＺ位置指令による焦点移動距離
１３０２  レーザ焦点の軌跡
【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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