(57)【要約】【課題】  高精度のレーザー加工を行うことができるレーザー加工装置を提供する。【解決手段】  レーザー光Ｌを生成するレーザー発振器４１と、ワークＷ上におけるレーザー光Ｌの照射位置をＸＹ方向に走査させるＸＹスキャナ４７と、ＸＹスキャナ４７から入射するレーザー光Ｌの入射角にかかわらず、ワークＷに向けて出射するレーザー光Ｌの出射角を一定にするテレセントリックレンズ４８と、レーザー発振器４１及びＸＹスキャナ４７を収容する一体成形された筐体フレーム６０により構成される。筐体フレーム６０は、レーザー発振器４１の出射光軸に交差するように配置された仕切り板６１を有する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を生成するレーザー発振器と、
加工対象物上における上記レーザー光の照射位置を２次元方向に走査させるＸＹスキャナと、
上記ＸＹスキャナから入射する上記レーザー光の入射角にかかわらず、上記加工対象物に向けて出射する上記レーザー光の出射角を一定にするテレセントリックレンズと、
上記レーザー発振器及び上記ＸＹスキャナを収容する一体成形された筐体とを備え、
上記筐体は、上記レーザー発振器の出射光軸に交差するように配置された隔壁を有することを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
上記レーザー光の焦点距離を制御するＺスキャナを備え、
上記レーザー発振器、上記Ｚスキャナ及び上記ＸＹスキャナは、略直線上に整列した状態で上記筐体に固着されることを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
上記筐体の内部空間は、上記隔壁によって第１収容部及び第２収容部に分割され、
第１収容部は、上記レーザー発振器を収容するとともに、励起光を伝送するための光ファイバーが外部から引き込まれ、
第２収容部は、上記Ｚスキャナ及び上記ＸＹスキャナを収容することを特徴とする請求項２に記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
上記Ｚスキャナは、上記レーザー光のビーム径を拡大し、
上記レーザー発振器は、一端に上記レーザー光を出力するための出力窓が形成された出力筒が固着され、
上記出力筒は、上記出力窓が第２収容部に配置されるように、上記隔壁を貫通して配置されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザー加工装置。
【請求項５】
配線ケーブルが着脱可能に接続されるコネクタが両面に設けられた配線基板を備え、
上記配線基板が、上記隔壁に形成される配線用の貫通孔を塞いでいることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【請求項６】
上記レーザー発振器、上記Ｚスキャナ及び上記ＸＹスキャナの配列方向の重心位置が上記隔壁よりも上記ＸＹスキャナ側となるように配置され、上記筐体下面を支持する３つの支持脚を備えたことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー加工装置に係り、さらに詳しくは、レーザー光を照射して加工対象物の加工を行うレーザー加工装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーマーカは、レーザー光を照射することにより加工対象物（ワーク）を加工するレーザー加工装置であり、レーザー光の照射位置を走査させることにより、ワーク上に文字、記号、図形などを印字することができる。
【０００３】
この種のレーザー加工装置は、金属などの遮光性部材からなる防塵構造のヘッド筐体を有し、レーザー光を出射させるための光学系を当該ヘッド筐体内に収容することにより、レーザー光の漏出を防止するとともに、粉塵などの影響による性能劣化を防止している。例えば、加工用のレーザー光を生成するレーザー発振器やレーザー光を走査させるスキャナが、ヘッド筐体内に収容されている。
【０００４】
また、ヘッド筐体内におけるレーザー光の光路を屈曲させることによってヘッド筐体の長さを短縮させ、小型化を図るレーザー加工装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載されたレーザー加工装置では、レーザー発振器から水平方向に出射されたレーザー光が前方に配置された第１の固定ミラーにより直角に曲げられ、下方に配置されたＺスキャナに入射する。そして、Ｚスキャナを通過したレーザー光は、第２の固定ミラーにより直角に曲げられ、後方に配置されたＸＹスキャナに入射し、ワークに向けて出射される。
【０００５】
この様な構成を採用した場合、ヘッド筐体を小型化することができるが、固定ミラーの光学特性の誤差やばらつきにより、レーザー光を固定ミラーで反射させるごとにレーザー光の特性が劣化し、高精度のレーザー加工を行うことができないという課題があった。そこで、レーザー発振器から出射されたレーザー光を屈曲させずにＸＹスキャナへ入射させることが考えられるが、この様な構成を採用すれば、ヘッド筐体が長くなることにより、ヘッド筐体の剛性が低下し、加工精度が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
特に、レーザー加工の精度を上げるために、ＸＹスキャナを介して入射したレーザー光をテレセントリックレンズを介してワークに照射するレーザー加工装置の場合、テレセントリックレンズの重さによってヘッド筐体が変形することが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−７８２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、高精度のレーザー加工を行うことができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。
【０００９】
特に、固定ミラーの光学特性の誤差やばらつきによる加工精度の低下を抑制することができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。また、光学ユニットの配置の誤差による加工精度の低下を抑制することができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、光ファイバーにおける損失を抑制しつつ、レーザー光の出射経路の防塵性を確保し、加工精度を向上させることができるレーザー加工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】
【００１１】
第１の本発明によるレーザー加工装置は、レーザー光を生成するレーザー発振器と、加工対象物上における上記レーザー光の照射位置を２次元方向に走査させるＸＹスキャナと、上記ＸＹスキャナから入射する上記レーザー光の入射角にかかわらず、上記加工対象物に向けて出射する上記レーザー光の出射角を一定にするテレセントリックレンズと、上記レーザー発振器及び上記ＸＹスキャナを収容する一体成形された筐体とを備え、上記筐体が、上記レーザー発振器の出射光軸に交差するように配置された隔壁を有するように構成される。
【００１２】
このレーザー加工装置は、一体成形することにより剛性を向上させた筐体に対し、レーザー発振器及びＸＹスキャナを収容させることにより、これらの光学ユニットの配置の誤差を低減し、加工精度を向上させている。さらに、レーザー発振器の出射光軸に交差する隔壁を形成することにより、筐体の剛性を更に向上させることができる。この様な構成によれば、ＸＹスキャナがレーザー光を２次元走査させても、加工対象物に対し一定の角度でレーザー光を照射することができるので、レーザー加工の精度を向上させることができる。しかも、一体成形するとともに、隔壁を形成することによって筐体の剛性を向上させているので、テレセントリックレンズの重さの影響による筐体の変形を抑制することができる。
【００１３】
第２の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記レーザー光の焦点距離を制御するＺスキャナを備え、上記レーザー発振器、上記Ｚスキャナ及び上記ＸＹスキャナが、略直線上に整列した状態で上記筐体に固着されるように構成される。
【００１４】
このレーザー加工装置は、レーザー発振器、Ｚスキャナ及びＸＹスキャナを略直線上に配置することにより、レーザー発振器及びＸＹスキャナ間にレーザー光の光路を屈曲させるための固定ミラーを配置することなく構成される。このため、固定ミラーの光学特性の誤差やばらつきによる加工精度の低下を抑制することができる。さらに、光学ユニットを略直線上に配置するのに伴って、レーザー発振器及びＸＹスキャナ間の距離が長くなり、加工精度が低下するのを抑制することができる。
【００１５】
第３の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記筐体の内部空間が、上記隔壁によって第１収容部及び第２収容部に分割され、第１収容部は、上記レーザー発振器を収容するとともに、励起光を伝送するための光ファイバーが外部から引き込まれ、第２収容部は、上記Ｚスキャナ及び上記ＸＹスキャナを収容するように構成される。
【００１６】
このレーザー加工装置は、隔壁により筐体の内部空間を第１収容部及び第２収容部に分割し、第１収容部に光ファイバーを引き込み、第２収容部にＺスキャナ及び上記ＸＹスキャナを収容している。このため、第２収容部の気密性を第１収容部よりも高くすることにより、光ファイバーに過大なストレスをかけることなく、第２収容部の防塵性を確保することができる。従って、光ファイバーにおける損失を抑制しつつ、加工精度を向上させることができる。
【００１７】
第４の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記Ｚスキャナが、上記レーザー光のビーム径を拡大し、上記レーザー発振器が、一端に上記レーザー光を出力するための出力窓が形成された出力筒が固着され、上記出力筒は、上記出力窓が第２収容部に配置されるように、上記隔壁を貫通して配置されている。
【００１８】
このレーザー加工装置は、第１収容部に収容されたレーザー発振器の出力窓を第２収容部内に配置することにより、レーザー発振器及びＺスキャナ間における防塵性を確保している。このため、レーザー発振器から出力され、ビーム径が拡大される前のレーザー光が粉塵の影響を受けるのを抑制し、加工精度を向上させることができる。
【００１９】
第５の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、配線ケーブルが着脱可能に接続されるコネクタが両面に設けられた配線基板を備え、上記配線基板が、上記隔壁に形成される配線用の貫通孔を塞いでいるように構成される。この様な構成によれば、隔壁に形成される配線用の貫通孔を確実にシールすることができる。
【００２０】
第６の本発明によるレーザー加工装置は、上記構成に加えて、上記レーザー発振器、上記Ｚスキャナ及び上記ＸＹスキャナの配列方向の重心位置が上記隔壁よりも上記ＸＹスキャナ側となるように配置され、上記筐体下面を支持する３つの支持脚を備えて構成される。この様な構成によれば、テレセントリックレンズやレーザー発振器、隔壁などが配置された筐体をバランス良く支持させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によるレーザー加工装置は、一体成形するとともに、隔壁を設けることにより剛性を向上させた筐体に対し、レーザー発振器及びＸＹスキャナを収容させることにより、これらの光学ユニットの配置の誤差を低減し、加工精度の向上させることができる。特に、光学ユニットを略直線上に配置することにより、レーザー発振器及びＸＹスキャナ間の距離が長くなり、加工精度が低下するのを抑制することができる。
【００２２】
また、本発明によるレーザー加工装置は、レーザー発振器、Ｚスキャナ及びＸＹスキャナを略直線上に配置し、レーザー光の光路を屈曲させるための固定ミラーを配置することなく構成される。このため、固定ミラーの光学特性の誤差やばらつきによる加工精度の低下を抑制することができる。
【００２３】
また、本発明によるレーザー加工装置は、隔壁により筐体の内部空間を第１収容部及び第２収容部に分割し、第２収容部の気密性を第１収容部よりも高くすることにより、光ファイバーに過大なストレスをかけることなく、第２収容部の防塵性を確保することができる。従って、光ファイバーにおける損失を抑制しつつ、加工精度を向上させることができる。
【００２４】
また、本発明によるレーザー加工装置は、第１収容部に収容されたレーザー発振器の出力窓を第２収容部内に配置することにより、レーザー発振器及びＺスキャナ間における防塵性を確保している。このため、レーザー発振器から出力され、ビーム径が拡大される前のレーザー光が粉塵の影響を受けるのを抑制し、加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態によるレーザーマーカ２０を含むレーザーマーキングシステム１の概略構成の一例を示したシステム図である。
【図２】図１のレーザーマーカ２０の詳細構成を示したブロック図である。
【図３】図２のテレセントリックレンズ４８の作用の一例を示した説明図である。
【図４】図２の光学ユニット４１〜４８，５１〜５６の空間的配置を示した図である。
【図５】図１のマーカヘッド２１の内部構造を示した斜視図である。
【図６】図５のマーカヘッド２１における筐体フレーム６０の詳細構成を示した斜視図である。
【図７】図５のレーザー発振器４１の出力筒４１Ｂの一構成例を示した断面図である。
【図８】Ｚスキャナ４５、ＸＹスキャナ４７、制御基板７１〜７３間の配線を示した図である。
【図９】Ｚスキャナ４５側から見た中継基板ユニット７２０の一構成例を示した図である。
【図１０】レーザー発振器４１側から見た中継基板ユニット７２０の一構成例を示した図である。
【図１１】仕切り板６１に取り付けられた中継基板ユニット７２０の断面図である。
【図１２】図６の配線引出孔６３ｃを封止する配線ガイド板７５の一構成例を示した斜視図である。
【図１３】図１２の配線ガイド板７５の取り付け時の様子を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
＜レーザーマーキングシステム１＞
図１は、本発明の実施の形態によるレーザー加工装置を含むレーザーマーキングシステム１の概略構成の一例を示したシステム図であり、レーザー加工装置の一例としてレーザーマーカ２０が示されている。このレーザーマーキングシステム１は、レーザー光Ｌを照射してワークＷを加工するレーザーマーカ２０と、その加工条件を編集するための端末装置１０とにより構成される。また、レーザーマーカ２０は、レーザー光Ｌの生成及び走査を行うマーカヘッド２１と、マーカヘッド２１の動作制御を行うマーカコントローラ２２とからなる。
【００２７】
端末装置１０は、レーザーマーカ２０を制御するための装置であり、例えば、レーザーマーカ用のアプリケーションプログラムがインストールされたパーソナルコンピュータを用いることができる。ユーザは、端末装置１０を用いることにより、レーザーマーカ２０の加工条件を規定する加工設定データを作成し、編集することができる。
【００２８】
マーカコントローラ２２は、端末装置１０から受信した加工設定データに基づいて、マーカヘッド２１の動作制御を行っている。また、レーザー発振用の励起光は、マーカコントローラ２２において生成され、光ファイバー２３を介してマーカヘッド２１へ伝送される。
【００２９】
マーカヘッド２１は、マーカコントローラ２２からの励起光に基づいて、レーザー光Ｌを生成し、ワークＷへ照射する。このとき、マーカコントローラ２２からの制御信号に基づいてレーザー光Ｌの出射軸を走査することにより、ワークＷ上に文字、記号、図形などのシンボルを印字することができる。また、マーカヘッド２１内には、図示しない照明光源及びカメラが内蔵され、当該カメラにより撮影されたワークＷの撮影画像が、マーカコントローラ２２を介して端末装置１０に転送され、ディスプレイ上に表示される。ユーザは、この撮影画像を閲覧することにより、ワークＷ上の加工位置の確認、調整などを行うことができる。
【００３０】
＜レーザーマーカ２０＞
図２は、図１のレーザーマーカ２０の詳細構成を示したブロック図であり、マーカヘッド２１及びマーカコントローラ２２の内部構成の一例が示されている。このレーザーマーカ２０は、テレセントリックレンズ４８を介してレーザー光Ｌを照射することにより、高精度のレーザー加工を行うことができる。
【００３１】
＜マーカコントローラ２２＞
マーカコントローラ２２は、電源３０、励起光生成部３１及び制御部３２からなる。電源３０は、商用電源を利用して、マーカヘッド２１、励起光生成部３１及び制御部３２へ電力を供給する。励起光生成部３１は、レーザー発振のための励起光を生成する。この励起光は、光ファイバー２３を介してマーカヘッド２１に伝送される。制御部３２は、端末装置１０から転送された加工設定データに基づいて励起光生成部３１及びマーカヘッド２１を制御し、レーザー光Ｌの出力制御及び走査制御を行う。
【００３２】
＜マーカヘッド２１＞
マーカヘッド２１は、レーザー発振器４１、ビームサンプラー４２、発振器用シャッタ４３、ミキシングミラー４４、Ｚスキャナ４５、偏光ビームスプリッタ４６、ＸＹスキャナ４７、テレセントリックレンズ４８、パワーモニタ５１、ガイド光源５２、照明光源５３、ハーフミラー５４、カメラ用シャッタ５５及びカメラ５６により構成される。
【００３３】
レーザー発振器４１は、励起光を吸収してレーザービームからなるレーザー光Ｌを生成するレーザー生成器であり、レーザー媒質、共振器、Ｑスイッチなどによって構成される。ここでは、レーザー発振器４１が、パルス発振する固体レーザー発振器、例えば、ＳＨＧ型レーザー発振器であるものとする。ＳＨＧ型レーザー発振器は、レーザー媒質として、Ｎｄ（ネオジム）がドープされたＹＶＯ４（イットリウム・バナデート）結晶を用い、第２高調波を利用して波長５３２ｎｍの緑色光を出力する。上記レーザー媒質を励起するための励起光には、波長８０８ｎｍのレーザー光が用いられる。レーザー発振器４１によって生成されたレーザー光Ｌは、ビームサンプラー４２、ミキシングミラー４４、Ｚスキャナ４５、偏光ビームスプリッタ４６、ＸＹスキャナ４７及びテレセントリックレンズ４８を順に経由してワークＷに照射される。
【００３４】
ビームサンプラー４２は、レーザー発振器４１から出力されるレーザー光Ｌのうち、一定割合をサンプリングビームとして分岐させる光学スプリッタである。例えば、透明基板の表面反射などを利用することにより、入射したレーザー光Ｌの全光量の約３％が分光され、サンプリングビームとしてパワーモニタ５１へ入射される。パワーモニタ５１は、レーザー発振器４１の出力パワーを検出するための光強度検出手段であり、例えば、サーモパイルなどの感熱素子からなり、その検出結果はレーザー発振器４１の出力制御に用いられる。
【００３５】
発振器用シャッタ４３は、レーザー光Ｌの出射経路を開閉可能に遮断し、レーザー光Ｌの漏出を防止する漏出防止用遮断手段であり、偏光ビームスプリッタ４６よりも上流側に配置される。ここでは、ビームサンプラー４２及びミキシングミラー４４間に発振器用シャッタ４３が設けられ、レーザー光Ｌの出力制御信号に基づいて、レーザー光Ｌの照射時を除き、レーザー光Ｌの出射経路を遮断している。このため、カメラ５６によるワークＷの撮影時には、レーザー光Ｌの出射経路が、発振用シャッタ４３により遮断されている。
【００３６】
ミキシングミラー４４は、ガイド光の出射軸をレーザー光Ｌの出射軸と略一致させる光混合用光学スプリッタであり、レーザー発振器４１からのレーザー光Ｌを透過させ、ガイド光源５２からのガイド光を反射させることにより、ともにＺスキャナ４５へ送り出している。ガイド光源５２は、加工位置をワークＷ上に表示するガイド光を生成する光源装置であり、ＬＤ（レーザーダイオード）などの発光素子からなる。ガイド光の点灯制御と、ガイド光の出射軸の高速スキャンとによって、印字しようとするシンボルパターンを照射スポットの残像として視認させることができる。
【００３７】
Ｚスキャナ４５は、レーザー光Ｌのビーム径を調整するビーム径制御手段であり、ビーム径の拡大率を調整することにより、レーザー光Ｌの焦点距離を制御している。このＺスキャナ４５は、レーザー光Ｌの光軸上に配置された２枚のレンズからなり、これらのレンズの相対距離を変化させることにより、例えば、入射されるレーザー光Ｌのビーム径２ｍｍφを最大８ｍｍφまで拡大させることができる。レーザー光Ｌのビーム径を拡大すれば、焦点距離が長くなり、加工対象物上のスポット径が拡大する。この様にしてレーザー光のスポット径を拡大させることにより、スポット内におけるエネルギー密度を低下させるデフォーカス制御を行うことができる。
【００３８】
偏光ビームスプリッタ４６は、レーザー光Ｌの出射経路上であって、ＸＹスキャナ４７よりも上流側に配置され、Ｚスキャナ４５からのレーザー光Ｌを透過させる一方、カメラ５６の受光軸をレーザー光Ｌの出射軸と略一致させるカメラ用光学スプリッタである。すなわち、ワークＷによる反射光のうち、テレセントリックレンズ４８に入射してレーザー光Ｌの出射経路を遡る戻り光は、偏光ビームスプリッタ４６で反射されることにより、レーザー光Ｌの出射軸から分離され、カメラ５６の方へ向かう。また、偏光ビームスプリッタ４６は、ハーフミラー５４を介して入射される照明光をＸＹスキャナ４７に向けて反射し、照明光の出射軸をレーザー光Ｌの出射軸と一致させている。例えば、レーザー発振器４１により、Ｐ偏光のレーザー光Ｌが生成される場合、Ｐ偏光成分を選択的に透過させ、Ｓ偏光成分を反射させる偏光ビームスプリッタ４６を用いることにより、レーザー光Ｌを通過させる一方、Ｓ偏光成分を含む戻り光及び照射光をそれぞれ反射させることができる。
【００３９】
ＸＹスキャナ４７は、レーザー光Ｌの出射光軸を２次元走査させる走査装置であり、レーザー光Ｌを反射させる走査用ミラーなどの光学系と、走査用ミラーを回動させる駆動部からなる。走査用ミラーは、ガルバノミラーと呼ばれ、レーザー光Ｌの出射経路上に配置される。このＸＹスキャナ４７は、マーカコントローラ２２からの位置制御信号に基づいて、上記走査用ミラーを回動させる。ＸＹスキャナ４７により、ワークＷ上におけるレーザー光Ｌの照射位置がＸＹ方向に走査される。
【００４０】
テレセントリックレンズ４８は、レーザー光ＬをワークＷに向けて出射させる出射光学系であり、レーザー光Ｌの出射経路においてＸＹスキャナ４７よりも下流側、すなわち、ワークＷ側に配置される。このテレセントリックレンズ４８は、複数の光学レンズやカバーガラスによって構成され、ワークＷ側の画角が略０°となるオブジェクト側テレセントリック光学系からなる。つまり、テレセントリックレンズ４８は、レーザー光Ｌの入射角度に関わらず、レーザー光の主光線がレンズ光軸と略平行となるように、ワークＷに向けてレーザー光Ｌを出射させる。
【００４１】
照明光源５３は、ワークＷを照明するための照明光を生成する光源装置であり、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの発光素子からなる。この照明光源５３は、少なくともレーザー光Ｌと略同一の波長を含む照明光を生成し、ハーフミラー５４へ出射する。
【００４２】
ハーフミラー５４は、カメラ５６の受光経路上に配置され、偏光ビームスプリッタ４６からの戻り光を透過させる一方、照明光の出射軸をカメラ５６の受光軸と略一致させる照明用光学スプリッタである。すなわち、偏光ビームスプリッタ４６からの戻り光を透過させ、カメラ５６に入射する一方、照明光源５３からの照明光を偏光ビームスプリッタに向けて反射する。
【００４３】
カメラ用シャッタ５５は、カメラ５６の受光経路を開閉可能に遮断し、レーザー光Ｌの照射時に戻り光がカメラ５６に入射するのを防止するためのカメラ保護用遮断手段であり、偏光ビームスプリッタ４６よりも上流側に配置される。ここでは、ハーフミラー５４及びカメラ５６間にカメラ用シャッタ５５が設けられ、レーザー光Ｌの出力制御信号に基づいて開閉され、少なくともレーザー光Ｌの照射期間中は、カメラ５６の受光経路を遮断している。このため、レーザー照射のタイミングと、カメラ撮影のタイミングを異ならせれば、レーザー光Ｌの戻り光によってカメラ５６が損傷を受けるのを防止することができる。
【００４４】
カメラ５６は、ワークＷを撮影し、撮影画像を生成するための撮像ユニットであり、マーカコントローラ２２からの撮像制御信号に基づいて撮影を行い、得られた撮影画像をマーカコントローラ２２へ出力する。ここでは、カメラ５６が、レーザー光と略同一の波長を受光し、撮影画像を生成しているものとする。
【００４５】
＜テレセントリックレンズ４８＞
図３は、図２のテレセントリックレンズ４８の作用の一例を示した説明図である。図中の（ａ）には、印字可能エリアの中央にレーザー光Ｌを照射する場合、（ｂ）には、印字可能エリアの左端付近にレーザー光Ｌを照射する場合、（ｃ）には、印字可能エリアの右端付近にレーザー光Ｌを照射する場合がそれぞれ示されている。
【００４６】
このテレセントリックレンズ４８は、レーザー光Ｌの入射角度にかかわらず、その主光線がテレセントリックレンズ４８の光軸と略平行となるようにレーザー光Ｌを出射させる。このため、ＸＹスキャナ４７の走査角が深くなり、テレセントリックレンズ４８への入射角が大きくなった場合であっても、ワークＷ上に形成されるレーザー光Ｌのスポット径は変化せず、高精度のレーザー加工を行うことができる。
【００４７】
この様なレーザーマーカ２において、レーザー光Ｌの出射軸と略一致させた受光軸を有するカメラ５６を用いてワークＷを撮影すれば、歪みの少ない撮影画像を得ることができる。すなわち、ＸＹスキャナ４７の走査角が深くなり、テレセントリックレンズ４８への入射角が大きくなった場合であっても、撮影画像が歪むことはない。さらに、ＸＹスキャナ４７の走査角にかかわらず、撮影画像内において周辺の画像が歪むこともなくなる。従って、歪みの少ない撮影画像に基づいて、加工位置の確認又は調整を高い精度で行うことができる。
【００４８】
＜光学ユニットの空間的配置＞
図４は、図２の光学ユニット４１〜４８，５１〜５６の空間的配置を示した図である。レーザー発振器４１、ビームサンプラー４２、ミキシングミラー４４、Ｚスキャナ４５、偏向ビームスプリッタ４６及びＸＹスキャナ４７は、水平方向の略直線上に整列配置され、レーザー光Ｌは、レーザー発振器４１からＸＹスキャナ４７まで略直線の経路を通り、ＸＹスキャナ４７によって下方へ曲げられ、テレセントリックレンズ４８に入射する。このような直線配置を採用することにより、従来のレーザー加工装置のように、レーザー発振器４１及びＸＹスキャナ４７間に固定ミラーを配置し、レーザー光の出射経路を屈曲させる必要がない。従って、固定ミラーの光学特性の誤差やばらつきにより、レーザー加工の精度が低下するのを防止することができる。
【００４９】
レーザー発振器４１は、Ｔ字型の形状からなり、右下の入力端子４１Ｔから励起光が入力され、左上の出力筒４１Ｂの先端に形成された出力窓４１Ｗからレーザー光Ｌが出力される。
【００５０】
ビームサンプラー４２及びミキシングミラー４４は、レーザー光Ｌの出射軸に対し、４５°傾斜させて配置されている。
【００５１】
偏向ビームスプリッタ４６は、レーザー光Ｌの出射軸に対して約５６．６°傾斜させて配置され、レーザー光Ｌの入射角をブリュースター角と略一致させている。このため、レーザー光Ｌを概ね１００％透過させることができる。戻り光は、偏向ビームスプリッタ４６で反射され、水平方向のレーザー光Ｌの出射軸に対し、約６６．８°の角度をもって上に向かう。
【００５２】
照明モジュール５３０は、紙面手前側に照明光源５３が配置され、紙面奥側にハーフミラー５４が配置されたモジュールであり、手前から奥に向けて照射された照明光は、ハーフミラー５４で反射され、左下方向の偏向ビームスプリッタ４６に入射する。また、偏向ビームスプリッタ４６から入射する戻り光は、ハーフミラー５４を透過して、右上方向のカメラモジュール５６０へ入射される。
【００５３】
カメラモジュール５６０は、カメラ５６及びレンズ鏡筒５７により構成されるモジュールであり、カメラ５６は、レンズ鏡筒５７に対して交換可能に取り付けられている。
【００５４】
＜マーカヘッド２１の内部構造＞
図５は、図１のマーカヘッド２１の内部構造を示した斜視図である。マーカヘッド２１は、図２に示した光学ユニット４１〜４８，５１〜５６のうち、テレセントリックレンズ４８及びカメラ５６を除く各光学ユニットが、筐体フレーム６０内に収容されている。また、筐体フレーム６０の内部空間は、仕切り板６１によって２つの収容部６２，６３に分割されている。この図は、右側がマーカヘッド２１の後方であり、左側が前方である。
【００５５】
右側（後方）の収容部６２は、レーザー発振器４１が収容されるとともに、光ファイバー２３のケーブル接続部２３１が外壁に取り付けられ、光ファイバー２３が壁面を貫通している。励起光は、光ファイバー２３を介して、レーザー発振器４１の右下部へ入射され、レーザー発振器４１の左上部の出力窓４１Ｗからレーザー光Ｌが出射される。この出力窓４１Ｗは、仕切り板６１を貫通するレーザー発振器４１の出力筒の先端、つまり、左側（前方）の収容部６３内に配置されている。
【００５６】
左側の収容部６３には、レーザー発振器４１、テレセントリックレンズ４８及びカメラ５６を除く、各光学ユニットが収容されている。この収容部６３は、防塵構造を有し、粉塵の影響によるレーザー加工の精度低下を防止している。
【００５７】
筐体フレーム６０には、マーカヘッド２１を支持するための３本の高さ調整可能な支持脚６５が取り付けられている。各支持脚６５は、テレセントリックレンズ４８の光軸方向に延びる円柱状の支持部材であり、個別に長さを調整することができる。各支持脚６５は、共通のアタッチメントプレート６６に取り付けられ、マーカヘッド２１は、アタッチメントプレート６６を介して作業台などの上に設置される。また、各支持脚６５は、レーザー発振器４１、Ｚスキャナ４５及びＸＹスキャナ４７の配列方向の重心位置が仕切り板６１よりもＸＹスキャナ４７側となるように配置されている。すなわち、仕切り板６１は、レーザー発振器４１、Ｚスキャナ４５及びＸＹスキャナ４７の配列方向に関し、３つの支持脚６５の重心よりもレーザー発振器４１側に配置されている。
【００５８】
右側の収容部６２内には、マーカコントローラ２２と通信するための通信回路や、マーカヘッド２１内の光学ユニットを制御するための制御回路が形成されたメイン基板７１が配置されている。各種制御信号は、信号伝送ケーブル７０を介してメイン基板７１に入力される。メイン基板７１は、レーザー発振器４１の出射光軸に平行な鉛直面内に配置されている。
【００５９】
一方、左側の収容部６３内には、中継基板７２が配置されている。中継基板７２は、Ｚスキャナ４５やＸＹスキャナ４７の制御基板と、メイン基板７１とを中継する配線基板である。この中継基板７２は、仕切り板６１に固着されている。
【００６０】
＜筐体フレーム６０＞
図６は、図５の筐体フレーム６０の詳細構成を示した斜視図である。この筐体フレーム６０は、アルミニウムなどの金属からなる一体成形されたヘッド筐体であり、底板６０１と、底板６０１の外縁に沿って立設された側壁６０２と、収容部６２，６３を区分する仕切り板６１とからなり、砂型鋳造によって一体的に形成される。このような高剛性の筐体フレーム６０に対し、各光学ユニット４１〜４８，５１〜５６を固定することにより、これらの光学ユニットの配置精度を向上させ、レーザー加工の精度を向上させている。
【００６１】
特に、本実施の形態によるマーカヘッド２１では、レーザー発振器４１からＸＹスキャナ４７までの各光学ユニットを直線配置している。このような構成を採用することにより、固定ミラーが不要になり、固定ミラーの誤差やばらつきによる加工精度の低下を抑制できるが、レーザー発振器４１及びＸＹスキャナ４７間の距離が長くなり、筐体フレーム６０の歪みが加工精度に与える影響が大きくなる。そこで、筐体フレーム６０の剛性を向上させることにより、光学ユニットの直線配置に伴う加工精度の低下を抑制している。
【００６２】
仕切り板６１は、筐体フレーム６０の内部空間を収容部６２，６３に分割する隔壁であり、レーザー発振器４１、Ｚスキャナ４５及びＸＹスキャナ４７の整列方向に交差するように配置されている。すなわち、レーザー発振器４１の出射光軸に垂直な壁面からなり、底板６０１及び互いに対向する側壁６０２にそれぞれ連結され、筐体フレーム６０の内部空間を分割するとともに、筐体フレーム６０の剛性を向上させている。
【００６３】
右側の収容部６２は、右手の側壁６０２に光ファイバー引込孔６２ａ及び配線引込孔６２ｂが形成されている。光ファイバー引込孔６２ａは、光ファイバー２３を外部から引き込むための貫通孔であり、配線引込孔６２ｂは、信号伝送ケーブル７０の接続部が取り付けられる貫通孔である。
【００６４】
左側の収容部６３は、下方の側壁６０２にレンズ鏡筒取付孔６３ａが形成され、上方の側壁６０２にレンズ鏡筒引出孔６３ｂが形成され、底板６０１に配線引出孔６３ｃが形成されている。レンズ鏡筒取付孔６３ａは、テレセントリックレンズ４８のレンズ鏡筒の上端を収容部６３内に挿入するための円形状の貫通孔である。レンズ鏡筒引出孔６３ｂは、カメラモジュール５６０のレンズ鏡筒５７を収容部６３から筐体フレーム６０外に引き出すための矩形状の貫通孔である。配線引出孔６３ｃは、ＸＹスキャナ４７を制御するための配線ケーブルを引き出すための矩形状の貫通孔である。
【００６５】
仕切り板６１には、レーザー発振器４１の出力筒４１Ｂを挿通させ、出力窓４１Ｗを収容部６３内に配置するための円形状の出力筒挿通孔６１ａと、配線ケーブルを貫通させる長孔からなる配線孔６１ｂが形成されている。レーザー発振器４１は、出力筒４１Ｂを出力筒挿通孔６１ａ内に挿入した状態で底板６０１に固定される。一方、Ｚスキャナ４５は、底板６０１のＺスキャナ配置領域６３１に固定され、ＸＹスキャナ４７は、ＸＹスキャナ配置領域６３２に固定される。これらのスキャナ４５，４７は、その光軸をレーザー発振器４１の出射光軸と略一致させて配置される。
【００６６】
レンズ鏡筒取付孔６３ａ、レンズ鏡筒引出孔６３ｂ、配線引出孔６３ｃ、出力筒挿通孔６１ａ及び配線孔６１ｂは、Ｏリングなどの所定のシール部材を用いて封止される。また、側壁６０２及び仕切り板６１の端面には、Ｏリング用の溝が形成され、Ｏリング６２ｃ及び６３ｄがそれぞれ収容部６２，６３を取り囲むように配置されている。このため、図示しない上板を筐体フレーム６０に被せることにより、収容部６２及び６３をそれぞれ密封することができる。
【００６７】
光ファイバー引込孔６２ａは、光ファイバー２３のケーブル接続部２３１によって塞がれるが、密封しようとすると、光ファイバー２３に過大なストレスをかけることになり、伝送ロスによるパワー低下や光学特性の劣化が生じてしまう。このため、収容部６２は、光ファイバー引込孔６２ａを介して、外部から粉塵が流入するのを許容している。
【００６８】
これに対し、収容部６３は、仕切り板６１を隔てて収容部６２と分離され、収容部６２よりも気密性の高い空間として形成される。このため、収容部６２内の粉塵が、収容部６３に侵入し、Ｚスキャナ４５及びＸＹスキャナ４７が故障するのを防止している。また、粉塵がレーザー光Ｌの光路上に侵入し、レーザー光Ｌの特性を劣化させ、加工精度を低下させるのを防止している。
【００６９】
側壁６０２の外壁面には、支持脚６５を取り付けるための３つの脚取付孔６０３が形成されている。各脚取付孔６０３は、支持脚６５を固着するための係合孔であり、３つの支持脚６５の重心が仕切り板６１よりもテレセントリックレンズ４８側となるように配置されている。
【００７０】
＜出力筒４１Ｂ＞
図７は、図５のレーザー発振器４１の出力筒４１Ｂの一構成例を示した断面図であり、レーザー発振器４１の出射光軸を含む鉛直面によってマーカヘッド２１を切断した場合の様子が示されている。
【００７１】
レーザー発振器４１は、出力レンズ４１１を介してレーザー光Ｌを出射する。出力レンズ４１１は、出力レンズ係止フランジ４１３を発振器筐体４１０に螺入することにより発振器筐体４１０内に係止されている。発振器筐体４１０の内部空間は、出力レンズ４１１と発振器筐体４１０との間に配置されたＯリング４１２によって密閉されている。
【００７２】
出力筒４１Ｂは、レーザー発振器４１の出射光軸方向に延びる鏡筒であり、一端にレーザー光Ｌを出力するための出力窓４１Ｗが形成され、他端にフランジ部が形成されている。この出力筒４１Ｂは、出力レンズ係止フランジ４１３と螺合させることによってレーザー発振器４１に固着されている。出力筒４１Ｂと発振器筐体４１０との間には、Ｏリング４２１が配置されている。また、出力筒４１Ｂは、出力窓４１Ｗが収容部６３内に配置されるように、出力筒挿通孔６１ａを介して仕切り板６１を貫通している。
【００７３】
出力筒４１Ｂの外周面には、ネジ溝が形成されており、出力筒係止ナット４３１を螺合させることによって、仕切り板６１が出力筒係止ナット４３１と出力筒４１Ｂのフランジ部との間に挟持され、出力筒４１Ｂが仕切り板６１に対し固定される。また、出力筒係止ナット４３１と出力筒４１Ｂの間にはＯリング４３２が配置されるとともに、出力筒係止ナット４３１と仕切り板６１との間にはＯリング４３３が配置され、出力筒挿通孔６１ａが完全に封止されている。この様な構成により、収容部６２側から収容部６３内に粉塵が進入するのを防止することができる。
【００７４】
＜配線図＞
図８は、Ｚスキャナ４５、ＸＹスキャナ４７、制御基板７１〜７３間の配線を示した図であり、配線引出孔６３ｃを通る水平面によってマーカヘッド２１を切断した場合の切断面が模式的に示されている。このマーカヘッド２１には、ＸＹスキャナドライバ基板７３及びヒートシンク７６が取り付けられている。
【００７５】
ＸＹスキャナドライバ基板７３は、ＸＹスキャナ４７を制御するための制御回路が形成された制御基板であり、筐体フレーム６０の外側に配置されている。ＸＹスキャナドライバ基板７３とＸＹスキャナ４７とを接続する配線ケーブル７４や、ＸＹスキャナドライバ基板７３と中継基板７２とを接続する配線ケーブル７４は、配線引出孔６３ｃを介して外部へ引き出され、配線ガイド板７５を貫通してＸＹスキャナドライバ基板７３に接続されている。
【００７６】
配線ガイド板７５は、配線ケーブルのシール部材であり、筐体フレーム６０の配線引出孔６３ｃを塞ぐように配置される。ヒートシンク７６は、ＸＹスキャナドライバ基板７３を放熱させるための放熱部材である。
【００７７】
中継基板７２は、収容部６３内において仕切り板６１の配線孔６１ｂを塞ぐように配置され、配線ケーブル７４を介してＸＹスキャナドライバ基板７３、Ｚスキャナ４５及びメイン基板７１が接続されている。
【００７８】
＜中継基板７２＞
図９は、Ｚスキャナ４５側から見た中継基板ユニット７２０の一構成例を示した斜視図である。図１０は、レーザー発振器４１側から見た中継基板ユニット７２０の一構成例を示した図である。図１１は、仕切り板６１に取り付けられた中継基板ユニット７２０の断面図であり、レーザー発振器４１の出射光軸に平行な鉛直面により切断した面が示されている。中継基板ユニット７２０は、中継基板７２と、中継基板７２が固着されるシール用補強板７２１とからなり、配線孔６１ｂを塞ぐように、収容部６３側から仕切り板６１に取り付けられる。
【００７９】
中継基板７２には、配線ケーブル７４を着脱可能に接続するための複数のコネクタ７２３が両主面上に配置されている。シール用補強板７２１は、配線ケーブル７４を貫通させる貫通孔７２６を有し、Ｚスキャナ４５側には、この貫通孔７２６を取り囲むように環状溝が形成され、Ｏリング７２２が配置されている。中継基板７２は、取付ネジをシール用補強板７２１に螺入させることによりシール用補強板７２１に固着され、中継基板７２及びシール用補強板７２１間はＯリング７２２によってシールされる。
【００８０】
一方、シール用補強板７２１のレーザー発振器４１側には、外縁に沿って環状溝が形成され、Ｏリング７２４が配置されている。中継基板ユニット７２０は、取付ネジを仕切り板６１に螺入させることによって仕切り板６１に固着され、中継基板７２及び仕切り板６１間はＯリング７２４によってシールされる。従って、配線孔６１ｂは、Ｏリング７２２，７２４によって完全に封止される。
【００８１】
＜配線ガイド板７５＞
図１２は、図６の配線引出孔６３ｃを封止する配線ガイド板７５の一構成例を示した斜視図である。また、図１３は、図１２のガイド板７５の取り付け時の様子を示した斜視図である。配線ガイド板７５は、配線用ブロック片７５１及び７５２からなり、これらのブロック片の端面を対向させることにより、配線ケーブル７４を貫通させる複数の貫通孔が形成される。これらの貫通孔に配線ケーブル７４を挿通し、筐体フレーム６０の配線引出孔６３ｃを塞ぐように配線ガイド板７５を配置することにより、配線引出孔６３ｃが、配線ケーブル７４を挿通させた状態で封止される。
【００８２】
配線引出孔６３ｃから引き出された各配線ケーブル７４は、配線用ブロック７５１の係合溝７５７に収容され、Ｏリング７５６及び係止フランジ７５５に順に挿通される。配線用ブロック片７５１，７５２には、複数の係合溝７５７がそれぞれ設けられ、対向する係合溝７５７によって貫通孔が形成される。これらの貫通孔の内径は、筐体フレーム６０側において狭小化しており、係止フランジ７５５を用いて、Ｏリング７５６を外側から貫通孔に押し込めば、Ｏリング７５６は、貫通孔内において係合溝７５７の内壁と係止フランジ７５５間に挟まれる。このため、配線ケーブル７４を挿通させた状態で、Ｏリング７５６によって貫通孔がシールされる。
【００８３】
また、配線用ブロック片７５１，７５２間には、シール用ゴムシート７５３が配置され、シールされている。さらに、筐体フレーム６０の外壁面上には、配線引出孔６３ｃを取り囲むようにＯリング７５４が配置されている。このため、配線用ブロック片７５１及び７５２を係合させた配線ガイド板７５を筐体フレーム６０に固着することにより、配線引出孔６３ｃが完全に封止される。
【００８４】
本実施の形態によれば、レーザー発振器４１、Ｚスキャナ４５及びＸＹスキャナ４７を略直線上に配置することにより、レーザー発振器４１及びＸＹスキャナ４７間のレーザー光Ｌの出射経路を略直線状とし、ミラーによって屈曲させる回数を少なくしたので、光学ユニットの誤差による加工精度の低下を抑制することができる。また、レーザー発振器４１、Ｚスキャナ４５及びＸＹスキャナ４７を一体成形された筐体フレーム６０に固着させるので、これらの光学ユニットの配置の誤差を低減し、加工精度を向上させることができる。さらに、仕切り板６１（隔壁）を形成することにより、筐体フレーム６０の剛性を向上させ、光学ユニットの配置の誤差がより低減されるので、加工精度を大幅に向上させることができる。
【００８５】
また、Ｚスキャナ４５及びＸＹスキャナ４７を収容部６３に収容する一方、レーザー発振器４１を収容部６２に収容し、収容部６２に光ファイバー２３を引き込むことにより、収容部６３を収容部６２よりも高気密とすれば、励起光を伝送する光ファイバー２３に過大なストレスをかけることなく、収容部６３の防塵性を確保することができる。このため、光ファイバー２３における損失を抑制しつつ、加工精度を向上させることができる。
【００８６】
なお、本実施の形態では、レーザーマーカ２０がＳＨＧ型レーザーマーキング装置である場合の例について説明したが、本発明によるレーザー加工装置はこれに限定されるものではない。例えば、ファイバーレーザー型のマーキング装置にも本発明は適用することができる。ファイバーレーザー型マーキング装置は、Ｙｂ（イッテルビウム）をドープしたファイバーを増幅器として用いるレーザーマーカである。
【符号の説明】
【００８７】
２０  レーザーマーカ
２１  マーカヘッド
２２  マーカコントローラ
２３  光ファイバー
２３１  ケーブル接続部
４１  レーザー発振器
４１Ｔ  入力端子
４１Ｂ  出力筒
４１Ｗ  出力窓
４１０  発振器筐体
４１１  出力レンズ
４１２  発振器内シール用のＯリング
４１３  出力レンズ係止フランジ
４２１，４３２，４３３  Ｏリング
４３１  出力筒係止ナット
４５  Ｚスキャナ
４７  ＸＹスキャナ
４８  テレセントリックレンズ
５６０  カメラモジュール
５７  カメラ用のレンズ鏡筒
６０  筐体フレーム
６０１  底板
６０２  側壁
６０３  脚取付孔
６１  仕切り板
６１ａ  出力筒挿通孔
６１ｂ  配線孔
６２  右側の収容部
６２ａ  光ファイバー引込孔
６２ｂ  配線引込孔
６２ｃ  発振器収容部シール用のＯリング
６３  左側の収容部
６３ａ  レンズ鏡筒取付孔
６３ｂ  レンズ鏡筒引出孔
６３ｃ  配線引出孔
６３ｄ  スキャナ収容部シール用のＯリング
６３１  Ｚスキャナ配置領域
６３２  ＸＹスキャナ配置領域
７０  信号伝送ケーブル
７１  メイン基板
７２  中継基板
７２０  中継基板ユニット
７２１  シール用補強板
７２２，７２４  配線孔シール用のＯリング
７２３  コネクタ
７２６  貫通孔
７３  ＸＹスキャナドライバ基板
７４  配線ケーブル
７５  配線ガイド板
７５１，７５２  配線用ブロック片
７５３  シール用ゴムシート
７５４，７５６  配線孔シール用のＯリング
７５５  配線ケーブル係止フランジ
７６  ヒートシンク
Ｌ    レーザー光
【図１】
2012148313.tif 000003
【図２】
2012148313.tif 000004
【図３】
2012148313.tif 000005
【図４】
2012148313.tif 000006
【図５】
2012148313.tif 000007
【図６】
2012148313.tif 000008
【図７】
2012148313.tif 000009
【図８】
2012148313.tif 000010
【図９】
2012148313.tif 000011
【図１０】
2012148313.tif 000012
【図１１】
2012148313.tif 000013
【図１２】
2012148313.tif 000014
【図１３】
2012148313.tif 000015