(57)【要約】【課題】下部プレート表面において凹部として実現されたマイクロ流体チャネルによって供与されるような地形構造マーカーに対してレーザー加工ビームの位置制御を行なう。【解決手段】被加工品の表面で特に凹部の地形構造マーカーに対するレーザー加工ビームの位置制御装置である。制御機構（１１）と、レーザー加工ビーム（２）を供与するレーザービーム供給機構（３、４）と、制御機構（１１）によって制御され、構造マーカー（２７）に対し表面（１４）上のレーザー加工ビーム（２）の位置制御を行なうレーザービーム位置決め機構（５）とを備える。構造マーカーの（２７）のための光学認識機構（１６）を備え、走査フィールド（Ａ）において認識される構造マーカー（２７）をもつ表面（１４）を照射する平行ビーム束（２４）を生成する照射機構（１７）と、表面（１４）で反射され、構造マーカー（２７）によって変更される平行ビーム束（２４）を記録するため走査フィールド（Ａ）を検出して、カメラ画像は制御機構（１１）によって評価され構造マーカー（２７）の位置を認識してレーザー加工ビーム（２）の対応する位置制御を行なうカメラ（２５）とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工品の表面で特に凹部の地形構造マーカーに対するレーザー加工ビームの位置制御装置であって、
制御機構（１１）と、
レーザー加工ビーム（２）を供与するレーザービーム供給機構（３、４）と、
制御機構（１１）によって制御され、構造マーカー（２７）に対し表面（１４）上のレーザー加工ビーム（２）の位置制御を行なうレーザービーム位置決め機構（５）とを備えるものにおいて、
構造マーカーの（２７）のための光学認識機構（１６）を備え、光学認識機構（１６）は、
走査フィールド（Ａ）において認識される構造マーカー（２７）をもつ表面（１４）を照射する平行ビーム束（２４）を生成する照射機構（１７）と、
表面（１４）で反射され、構造マーカー（２７）によって変更される平行ビーム束（２４）を記録するため走査フィールド（Ａ）を検出して、カメラ画像は制御機構（１１）によって評価され構造マーカー（２７）の位置を認識してレーザー加工ビーム（２）の対応する位置制御を行なうカメラ（２５）とを有することを特徴とするレーザー加工ビームの位置制御装置。
【請求項２】
照射機構（１７）の平行ビーム束（２４）及びカメラ（２５）のビーム経路（２６）はレーザー加工ビーム（２）と同軸に案内されることを特徴とする請求項１記載のレーザー加工ビームの位置制御装置。
【請求項３】
レーザー加工ビーム（２）のための焦合機構（１２）を備え、照射機構（１７）は焦合機構（１２）の焦点距離に適合され発散ビーム束（２１）を生成する凹レンズ（２０）をもつ単色光源（１８）を有し、発散ビーム束（２１）は焦合機構機構（１２）によって平行ビーム束（２４）に変換されることを特徴とする請求項２記載のレーザー加工ビームの位置制御装置。
【請求項４】
発散ビーム束（２１）及びカメラ（２５）のビーム経路（２６）は２色性ミラー（２３）によってレーザー加工ビーム（２）のビーム経路に連結されることを特徴とする請求項１乃至請求項３何れか１項記載のレーザー加工ビームの位置制御装置。
【請求項５】
焦合機構（１２）はＦシータ（Ｆθ）光学系（１３）を有することを特徴とする請求項２乃至請求項４何れか１項記載のレーザー加工ビームの位置制御装置。
【請求項６】
レーザー加工ビーム（２）は、２つの熱可塑性材料接合対（７、８）の間で、その接合対（７、８）の少なくとも１つにおける構造マーカー（２７）にしたがって溶接シーム（３１）を生成するレーザー溶接ビームであることを特徴とする請求項１乃至請求項５何れか１項記載の請求項５記載のレーザー加工ビームの位置制御装置。
【請求項７】
２つの接合対はマイクロ流体構成要素（７、８）によって形成され、マイクロ流体構成要素（７、８）の間に溶接シーム（３１）が構造マーカーを形成するマイクロ流体チャンネルに沿ってレーザー透過溶接法により生成されることを特徴とする請求項６記載のレーザー加工ビームの位置制御装置。
【請求項８】
レーザービーム位置決め機構は、ガルバノメータースキャナ（５）によって形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項７何れか１項記載のレーザー加工ビームの位置制御装置。
【請求項９】
制御機構（１１）はカメラ（２５）によって供与される構造マーカー（２７）の位置データにしたがってスキャナの輪郭を修正することを特徴とする請求項８記載のレーザー加工ビームの位置制御装置。
【請求項１０】
スキャナの輪郭の修正は最適なアルゴリズムに基づいて行われることを特徴とする請求項９記載のレーザー加工ビームの位置制御装置。
【請求項１１】
その光学構成要素（１０、１３、２２、２３）は、多層の反射防止コーティングを有することを特徴とする請求項１乃至請求項１０何れか１項記載のレーザー加工ビームの位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工品の表面において、特に凹部の地形構造マーカーに対するレーザー加工ビームの位置制御装置に関する。
【０００２】
本発明にしたがうレーザー加工システムにおいて既知の基本的な構成要素は、レーザー加工ビームの位置制御装置に設けられるように、請求項１のプリアンブル（前提事項）にしたがえば、制御機構、レーザー加工ビームを供与するレーザービーム供給機構及び冒頭に述べた構造マーカーに対する被加工品表面上でのレーザー加工ビームの位置制御装置によって制御されたレーザービーム位置決め機構である。
【背景技術】
【０００３】
本発明の背景技術に関して、マイクロ流体が典型的なアプリケーション領域として言及されるべきであり、そこではプラスチック材料構成要素が内部の、微視的に小さなチャンネルとともに使用される。ここでは、これらのマイクロ流体構成要素は、それ自体、下部プレートで構成され、その表面において、ベース本体として、必要な微視的に小さなチャンネルが例えば、分析液体を案内するために導入される。上部の平坦プレートがこの下部プレート上に蓋として配置される。
【０００４】
２つのプレートは、熱接着、ＵＶ接着によって又はマスク溶接技術によって一般的、恒久的に互いに接続される。
【０００５】
熱接着において、２つのプレートは全面加熱される。使用される温度は、材料が柔らかく関与するような態様で選択される。そして、２つの接合対は、一方の上に他方が位置付けされ、２つのプレートが押圧される。２つの構成要素の接触面はチャンネル構造との関係で非常に大きいので、押圧によって引き起こされる絞り溶融流れはチャンネルを遮断するか、その壁を変形させることができる。
【０００６】
ＵＶ接着において、接着フィルムが２つのプレートの一方の側に薄層で適用される。２つのプレートが接合された後、接着剤は、ＵＶ光によって全面硬化される。また、この方法において、接着剤がチャネル構造に浸透してマイクロ流体内での閉塞につながる危険性が存在する。
【０００７】
関連する従来技術は、特許文献１にしたがって既知のマスク溶接によって表わされ、線形レーザービームはマスク上に案内される。レーザービームは、被覆されていないマスク領域を通って入光し、溶接シームは、これらの諸点において構成要素上で、例えば既知の透過溶接によって生成される。しかしながら、この装置は、製品固有のマスクを必要とし、その輪郭を変更または適合させることができない。さらに、特定の間隔がマスクと構成要素との間に存在し、ビーム束の平行度も制限されている。このように、全体的に、これは溶接シームのエッジのシャープさが形成されて、したがって、達成されるマイクロ流体の微細化の程度が制限されるという事実につながる。
【０００８】
また、ガルバノメータースキャナによってレーザー透過法による２つの熱可塑性材料接合対の溶接は十分に知られている。また、このタイプの装置は、最も近い先行技術として使用することができ、溶接シームをマイクロ流体構成要素とともに生成する。ここで、特に問題となるのは、マイクロ流体構造に対する溶接輪郭の位置である。
【０００９】
この状況において、所謂基準マーカーを使用することが知られており、この基準マーカーは印刷方法において整致される構成要素に適用される。しかしながら、純粋に地形構造のマーカーは印刷法によって適用されず、したがって背景へのコントラストも何ら有していないが、その純粋に地形構造のマーカーの検出には問題がある。このタイプの地形構造のマーカーの微視的なマイクロ流体チャンネルは、下部プレートの表面に凹部により表現されるが、これらは典型的な例である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】EP 0 997 261 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、下部プレート表面において例えば、凹部として実現されたマイクロ流体チャネルによって供与されるような地形構造マーカーに対してレーザー加工ビームの位置制御装置を開示する目的に基づいており、構造マーカーおよび対応する位置制御の信頼性と安全性のある認識及びレーザー加工ビームの対応する位置制御が達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の特徴部分によれば、この目的は、構造マーカーのための光学検出機構によって達成され、これは平行ビーム束を生成するための照射機構を有し、これは走査フィールドで認識される構造マーカーで表面を照射する。また、この目的は、走査フィールドを検出して表面で反射され、構造マーカーによって変更された反射光束を記録するカメラによって達成される。ここで、カメラ画像は、構造マーカーの位置認識のための制御機構によって評価され、レーザー加工ビームは、これに対応して位置制御される。
【００１３】
本発明によれば、装置を用いて、プリント・オンされた基準マーカーのようなものとは独立して構造マーカー自体を検出することが有利な態様で可能である。また、これは、下部構成要素がある程度の反射率を持っている場合、それが十分なものであるので、下部構成要素の色と独立して可能である。平行ビーム束での照射のために、入射光ビームは構造マーカーの領域内で側方に偏向され、反射されることはなく、これは、対応する暗いコントラストによりカメラ画像において際立っている。そして、構造マーカーに関するこの位置情報を用いて、制御機構はレーザー加工ビームを構造マーカーに対しその位置に関して、言い換えれば、例えば、マイクロ流体チャンネルの横方向エッジ（縁部）に沿って特定の間隔で、対応して制御することができ、レーザー透過溶着法により下部、上部プレート間に対応する溶接シームを生成する。本発明にしたがう装置は、構造マーカーの走査に関して、それ自体、位置について、後者を完全に透過部品だとしても正確に認識し、レーザー加工ビームを対応して正確に制御することができる。
【００１４】
本発明にしたがう装置の好ましい実施例によれば、照射機構の平行ビーム束とカメラのビーム経路は、レーザー加工ビームと同軸に案内される。その結果、平行ビーム束によって検出された構造マーカーの領域とレーザー加工ビームの間に密接な関係が可能となり、この装置を用いて達成することができる作業結果の精度に利益をもたらすのである。
【００１５】
レーザー加工ビームが焦合機構を用いて対応する被加工品上に焦合される場合、単色光源と焦合機構の焦点距離に適合されて発散ビーム束を生成する凹レンズによって照射機構を構成することが有利であり、そして発散ビーム束は焦合機構によってレーザー加工ビームのための平行ビーム束に変換される。したがって、レーザー加工ビームのための焦合機構が平行ビーム束の平行化のために同時に使用されるので、この装置の光学構造は単純化される。
【００１６】
照射機構の発散光束とカメラのビーム経路は、好ましくは、二色ミラーによりレーザー加工ビームのビーム経路に結合されている。これは、個々の光学構成要素の幾つかのビーム経路の同軸案内のための実証済みの技術である。
【００１７】
レーザー加工機についてはそれ自体で知られているように、レーザー加工ビームのための焦合機構は、好ましくは、Ｆシータ（Ｆθ）光学系を有し、光学系を介してその通過角度および位置に関係なくレーザー加工ビームのクリーンな焦合を保証する。
【００１８】
本発明にしたがう装置が位置制御のため殆どの様々な地形で使用できるとしても、本発明にしたがう装置の特に好ましい構成は、表わされた構造マーカーにしたがって２つの熱可塑性材料接合対間に溶接シームを、例えば、２つの接合対の少なくとも１つにおけるマイクロ流体チャネル、換言すれば、特に、マイクロ流体システムの下部ベースプレートによって、生成するためのレーザー溶接機構におけるその使用にある。
【００１９】
このタイプのマイクロ流体構成要素のための本発明にしたがう装置において、溶接シームは、レーザー透過溶接法によって構造マーカーを形成するマイクロ流体チャンネルに沿って生成される。
【００２０】
次に、レーザー位置決め機構は、ガルバノメータースキャナによって形成され、これは対応する制御プログラムに基づいて制御機構によりその軸線に対して作動される。
【００２１】
制御機構を用いて、スキャナの輪郭、言い換えると溶接シームを生成するためのレーザー加工ビームによって走査されるトラックは、好ましくは、カメラによって供与される構造マーカーの位置データにしたがって修正される。
【００２２】
この修正は、それ自体既知の慣用の最適なアルゴリズムに基づいて行われる。
【００２３】
本発明にしたがう装置の光学的特性を改善するために、その光学構成要素は、多層の反射防止コーティングを有する。
【００２４】
本発明にしたがう装置の他の特徴、詳細及び利点は、実施例についての以下の説明と図面から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明によるマイクロ流体構成要素のためのレーザービーム溶接機構をレーザー加工ビームの位置制御のための装置とともにその概略図を示す。
【図２】陥凹部の領域におけるマイクロ流体構成要素を通る拡大詳細断面を組み合わされた位置光強度グラフとともに示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明のレーザー加工ビームの位置制御装置における実施の形態について図面を参照して詳述する。
【００２７】
図１は、慣用のレーザー透過溶接機構１を示し、レーザー加工ビーム２はレーザー光源（詳細に図示せず）からライトガイド３を用いて導出され、コリメートレンズ４により平行化される。レーザー加工ビーム２は、ガルバノメータースキャナ５によって下部ベースプレート７及びその上に配置するカバープレート８からなるマイクロ流体システム６に案内される。この場合、ガルバノメータースキャナ５は、複数軸線スキャナドライブ９により運動されるスキャナミラー１０を有している。スキャナドライブ９は、全体として１１で示された制御機構によって対応するアクチュエータ（図示せず）で作動される。ガルバノメータースキャナ５及び被加工品を表すマイクロ流体システム６との間に配設するのは、Ｆシータ（Ｆθ）光学系１３の形態の焦合機構１２であり、これによってレーザー加工ビーム２はマイクロ流体システム６上に、特に下部ベースプレート７の表面１４にレーザー透過上部カバープレート８を介して焦合（焦点１５）される（図２参照）。
【００２８】
レーザー加工ビーム２の位置制御のために、全体として１６で示された光学認識機構が設けられ、これは、例えば発光ダイオード１８のような単色光源を用いた照射機構１７を有している。照射ビーム１９は、凹レンズ２０により発散光束２１に変換され、ビーム経路内に４５°の角度で配置された半透過ミラー２２と、コリメートレンズ４及びガルバノメータースキャナ５間のレーザー加工ビーム２のビーム経路内に配設された二色性ミラー２３とによってレーザー加工ビーム２のビーム経路内に同軸に結合される。発散光束２１は、レーザー加工ビーム２と同様に、スキャナミラー１０及びＦシータ（Ｆθ）光学系１３を介して案内される。凹レンズ２０の焦点距離をＦシータ（Ｆθ）光学系１３の焦点距離に対応して適応させることによって、発散光束２１は、Ｆシータ（Ｆθ）光学系によって、平行化された平行ビーム束２４に変換され、レーザー加工ビーム２の焦点１５を中心に広い走査フィールドＡ内でマイクロ流体システム６上に投射する。
【００２９】
光学認識装置１６の他の構成要素として設けられるのは、半透過ミラー２２の背後に位置されたカメラ２５であり、そのビーム経路２６は半透過ミラー２２の後方で光束２１又は平行ビーム束２４と同軸に走行する。従って、平行ビーム束２４によって照射されたマイクロ流体システム６の領域はカメラ２５を用いて検出して、その領域から反射され戻った光を記録することができる。
【００３０】
図２はマイクロ流体チャンネル２７の領域内の光強度比を示しており、これは、そこで大幅に拡大表示され、下部ベースプレート７の表面１４内における横断台形陥凹部として配置される。製造上の理由から、マイクロ流体チャンネル２７は側壁２８、２９を有し、これはマイクロ流体チャンネル２７のベース面３０に対して９０°よりも僅かに小さい角度Ｗで配設される。したがって、平行ビーム束２４は２つの壁２８、２９の領域において反射されても戻らないが、側方に偏向するので、壁２８、２９はカメラ２５によってより暗くてシャープなラインとして検出され、対応するカメラ画像において黒く表示される。これは、制御機構１１によってマイクロ流体チャンネル２７の位置のための位置情報として処理することができ、ガルバノメータースキャナ５は、レーザー加工ビーム２の焦点１５がベースプレート７及びカバープレート８間のインタフェース上で２つの壁２８、２９のちょうど横方向外側に指向することができるように対応して作動される。したがって、溶接シーム３１は慣用の態様で製造することができ、マイクロ流体チャンネル２７を密封シールする。
【００３１】
カメラ２５により検出された強度分布は図２において下方の図に示され、高強度ＩＨは表面１４とベース面３０の領域で測定され、低強度ＩＮは、対照的に、壁２８、２９の領域において測定される。マイクロ流体チャンネル２７がｘ軸線と平行に整致しており、したがって、二次元の強度分布は、図２において下部に概略的に示されるようにｘ−ｙ平面で生成される。
【符号の説明】
【００３２】
１・・・レーザー透過溶接機構
２・・・レーザー加工ビーム
３・・・ライトガイド
４・・・コリメートレンズ
５・・・ガルバノメータースキャナ
６・・・マイクロ流体システム
７・・・下部ベースプレート
８・・・カバープレート
９・・・複数軸線スキャナドライブ
１０・・・スキャナミラー
１１・・・制御機構
１２・・・焦合機構
１３・・・Ｆシータ（Ｆθ）光学系
１４・・・表面
１５・・・焦点
１６・・・光学認識機構
１７・・・照射機構
１８・・・発光ダイオード
１９・・・照射ビーム
２０・・・凹レンズ
２１・・・発散光束
２２・・・半透過ミラー
２３・・・二色性ミラー
２４・・・平行ビーム束
２５・・・カメラ
２６・・・ビーム経路
２７・・・マイクロ流体チャンネル
２８、２９・・・側壁
３０・・・ベース面
３１・・・溶接シーム
Ａ・・・広い走査フィールド
Ｗ・・・角度
ＩＨ・・・高強度
ＩＮ・・・低強度
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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