(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物にレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドと当該被加工物が相対的に複数の移動軸について二次元的に移動して当該被加工物をレーザ加工するレーザ加工装置であって、
当該複数の移動軸のそれぞれについて軸移動速度を、小さい軸移動速度では小さい速度刻みで、大きな軸移動速度に対しては大きな速度刻みで検出する複数の軸移動速度検出手段と、
当該複数の軸速度検出手段の出力から移動方向の合成移動速度を算出する合成移動速度算出手段であって、当該複数の移動軸に沿った各軸移動速度の組み合わせに対する合成移動速度のデータを記憶するメモリ装置を有する合成移動速度算出手段と、
当該合成移動速度算出手段により算出される当該合成移動速度に従い、当該被加工物に照射するレーザ光のパワーを調整するパワー制御手段
とを具備することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
当該被加工物に照射すべきレーザ光がパルス光であり、
当該パワー制御手段は、当該合成移動速度に応じて、当該合成移動速度が速いほど、当該パルス光のパルス幅を広くすると共に当該パルス光の繰り返し周波数を高くする
請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
更に、
当該合成移動速度算出手段の出力を積分し、移動距離を算出する移動距離算出手段と、
当該移動距離算出手段により算出された移動距離と加工線に沿った加工パターン・データに従い、当該被加工物に対するレーザ光の照射を制御するレーザ照射制御手段
とを具備する請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
被加工物にレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドと当該被加工物が相対的に複数の移動軸について二次元的に移動して当該被加工物をレーザ加工するレーザ加工装置であって、
当該複数の移動軸のそれぞれについて軸移動速度を、小さい軸移動速度では小さい速度刻みで、大きな軸移動速度に対しては大きな速度刻みで検出する複数の軸移動速度検出手段と、
当該複数の軸速度検出手段の出力から移動方向の合成移動速度を算出する合成移動速度算出手段であって、当該複数の移動軸に沿った各軸移動速度の組み合わせに対する合成移動速度のデータを記憶するメモリ装置を有する合成移動速度算出手段と、
当該合成移動速度算出手段の出力を積分し、移動距離を算出する移動距離算出手段と、
当該移動距離算出手段により算出された移動距離と加工線に沿った加工パターン・データに従い、当該被加工物に対するレーザ光の照射を制御するレーザ照射制御手段
とを具備することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
相対的又は絶対的に複数次元で移動する物体の移動方向に沿った合成移動速度を算出する合成移動速度算出装置であって、
当該複数の移動軸のそれぞれについて軸移動速度を、小さい軸移動速度では小さい速度刻みで、大きな軸移動速度に対しては大きな速度刻みで検出する複数の軸移動速度検出手段と、
当該複数の移動軸に沿った各軸移動速度の組み合わせに対する合成移動速度のデータ表を記憶するメモリ装置と、
当該複数の軸移動速度検出手段により検出された複数の軸移動速度を当該メモリ装置の当該データ表に照合するデータ読み出し手段
とを具備することを特徴とする合成移動速度算出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紙などのシート材をレーザ光により加工するレーザ加工装置及び、相対的又は絶対的に複数次元で移動する物体の移動方向に沿った合成移動速度を算出する合成移動速度算出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光は細いビームで被加工物に照射することにより、高精度で所望のパターンを加工できる。例えば、用紙加工では、カット、ハーフ・カット及びミシン目を任意のパターンで高速に形成できるという利点がある。レーザ発振器は、通常、炭酸ガス・レーザであり、それをパルス発振させる。
【０００３】
レーザ出力を一定にしたままでは、レーザ光を被加工用紙に照射するレーザ加工ヘッドと被加工用紙との相対的な速度により、加工品質に違いが生じる。レーザ出力は、励起パルスの周波数、パルス幅及びデューティ比などにより調整できるので、従来のレーザ加工装置、例えば、用紙を縦方向（用紙移動方向）に沿って加工する従来のレーザ加工装置では、被加工用紙の移動速度に応じてレーザ出力値を適応的に制御するようになっている（例えば、平成４年特許出願公開第１２８３４号公報）。
【０００４】
また、レーザ・ビームを一方向に移動させ、用紙をそれと直交する方向に移動させることで、用紙を任意のパターンにレーザ加工するレーザ加工装置が、昭和６３年特許出願公開第１７７９９３号公報に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、レーザ・ビーム（又は、レーザ光を被加工用紙に照射するレーザ加工ヘッド）と被加工用紙が相対的に二次元的に移動するレーザ加工でも、２次元の合成移動速度に応じて適応的にレーザ出力を制御するのが好ましい。そのためには、レーザ加工ヘッドと被加工用紙との間の相対的な合成速度を算出し、算出された合成移動速度に応じてレーザ出力を制御する必要がある。
【０００６】
合成速度を算出するのに、従来は、マイクロコンピュータ上のソフトウエアを使用していた。マイクロコンピュータ上のソフトウエアでは、時間がかかるだけでなく、比較的大掛かりな装置になっていた。
【０００７】
本発明は、被加工物に対してレーザ加工ヘッドが相対的な二次元移動する場合に、レーザ出力を合成移動速度に対して適応的に制御するレーザ加工装置を提示することを目的とする。
【０００８】
本発明はまた、加工パターン・データの設定が容易なレーザ加工装置を提示することを目的とする。
【０００９】
本発明はまた、相対的又は絶対的に複数次元で移動する物体の合成移動速度をより簡単な構成でより高速に算出できる合成移動速度算出装置を提示することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ加工装置は、被加工物にレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドと当該被加工物が相対的に複数の移動軸について二次元的に移動して当該被加工物をレーザ加工するレーザ加工装置であって、当該複数の移動軸のそれぞれについて軸移動速度を、小さい軸移動速度では小さい速度刻みで、大きな軸移動速度に対しては大きな速度刻みで検出する複数の軸移動速度検出手段と、当該複数の軸速度検出手段の出力から移動方向の合成移動速度を算出する合成移動速度算出手段であって、当該複数の移動軸に沿った各軸移動速度の組み合わせに対する合成移動速度のデータを記憶するメモリ装置を有する合成移動速度算出手段と、当該合成移動速度算出手段により算出される当該合成移動速度に従い、当該被加工物に照射するレーザ光のパワーを調整するパワー制御手段とを具備することを特徴とする。これにより、二次元的な移動でその移動速度が一定でなくても、一定品質でレーザ加工を行なえる。
【００１１】
本発明に係るレーザ加工装置は、被加工物にレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドと当該被加工物が相対的に複数の移動軸について二次元的に移動して当該被加工物をレーザ加工するレーザ加工装置であって、当該複数の移動軸のそれぞれについて軸移動速度を、小さい軸移動速度では小さい速度刻みで、大きな軸移動速度に対しては大きな速度刻みで検出する複数の軸移動速度検出手段と、当該複数の軸速度検出手段の出力から移動方向の合成移動速度を算出する合成移動速度算出手段であって、当該複数の移動軸に沿った各軸移動速度の組み合わせに対する合成移動速度のデータを記憶するメモリ装置を有する合成移動速度算出手段と、当該合成移動速度算出手段の出力を積分し、移動距離を算出する移動距離算出手段と、当該移動距離算出手段により算出された移動距離と加工線に沿った加工パターン・データに従い、当該被加工物に対するレーザ光の照射を制御するレーザ照射制御手段とを具備することを特徴とする。これにより、加工パターン・データが、加工線に沿ったデータでよくなり、かつまた、被加工物に対するレーザ光の照射の制御が容易且つ高速になる。
【００１６】
本発明に係る合成移動速度算出装置は、相対的又は絶対的に複数次元で移動する物体の移動方向に沿った合成移動速度を算出する合成移動速度算出装置であって、当該複数の移動軸のそれぞれについて軸移動速度を、小さい軸移動速度では小さい速度刻みで、大きな軸移動速度に対しては大きな速度刻みで検出する複数の軸移動速度検出手段と、当該複数の移動軸に沿った各軸移動速度の組み合わせに対する合成移動速度のデータ表を記憶するメモリ装置と、当該複数の軸移動速度検出手段により検出された複数の軸移動速度を当該メモリ装置の当該データ表に照合するデータ読み出し手段とを具備することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施例の斜視図、図２は、本実施例の概略構成ブロック図を示す。
【００１９】
図１を先ず、説明する。本実施例では、レーザ加工される用紙１０は、プルロール方式によりガイド・ローラ１２，１４の間でピンと張った状態に保たれる。用紙１０は、レーザ加工時には、静止する。ガイド・ローラ１２，１４の間の用紙１０の上空に直交する２方向の可動フレーム１６，１８が図示しないガイド・レールにより支持されている。可動フレーム１６の一端に取り付けられたモータ２０が、可動フレーム１８をＸ軸方向に移動させ、可動フレーム１８の端部に取り付けられたモータ２２が、レーザ加工ヘッド２４をＹ軸方向に移動させる。即ち、レーザ加工ヘッド２４は、ＸＹプロッタ方式で、用紙１０の上を二次元的に移動可能である。
【００２０】
可動フレーム１６の他端には、４５度傾けた反射ミラー２６が固定されており、レーザ発振器２８のレーザ出力光が、反射ミラー３０及び反射ミラー２６により反射されてレーザ加工ヘッド２４の頭部に入射し、ここで垂直下方向に反射され用紙１０に向けて照射されるようになっている。
【００２１】
モータ２０，２２には、その回転角（即ち、レーザ加工ヘッドの移動距離）を検出するロータリ・エンコーダ３２，３４がそれぞれ一体化されている。
【００２２】
図２を説明する。図１と同じ構成要素には、同じ符号を付してある。システム制御回路（ＣＰＵ）４０は、全体を制御する回路であり、入力された加工データをメモリ４２に記憶する。加工データは、加工開始座標（Ｘ１，Ｙ１）、加工終了座標（Ｘ２，Ｙ２）並びにその間の加工曲線データ及び加工パターン・データからなる。加工パターン・データは、例えば、ミシン目のタイ長とカット長であり、本実施例では、加工線に沿った長さデータでよい。
【００２３】
システム制御回路４０は、それぞれモータ駆動回路４４，４６を介してＸ軸モータ２０及びＹ軸モータ２２を駆動し、レーザ加工ヘッド２４を移動可能な範囲内の任意の位置に移動させることができる。
【００２４】
Ｘ軸カウンタ４８及びＹ軸カウンタ５０はどちらも、アップカウントとダウンカウントを外部制御できるアップダウン・カウンタからなり、システム制御回路４０からの移動方向信号４０ａ，４０ｂによりＸ軸ロータリ・エンコーダ３２及びＹ軸ロータリ・エンコーダ３４の出力パルスをアップカウント又はダウンカウントする。ロータリ・エンコーダ３２，３４は、所定回転角度当たり１つのパルスを出力する回転検出素子であり、その出力パルスを計数することで、回転量、即ち、レーザ加工ヘッド２４の移動量を検出できる。従って、Ｘ軸カウンタ４８及びＹ軸カウンタ５０の出力はそれぞれ、レーザ加工ヘッド２４のＸ軸方向の絶対位置ｘ及びＹ軸方向の絶対位置ｙを示す。
【００２５】
システム制御回路４０は、Ｘ軸カウンタ４８及びＹ軸カウンタ５０の出力ｘ，ｙとメモリ４２に記憶される加工データとを照合して、指定の加工線に沿って移動するように、Ｘ軸モータ２０及びＹ軸モータ２２を制御する。このような制御方式自体は周知である。システム制御回路４０は、Ｘ軸の移動方向を示す移動方向信号４０ａをＸ軸カウンタ４８のアップ／ダウン制御端子に印加し、Ｙ軸の移動方向を示す移動方向信号４０ｂをＹ軸カウンタ５０のアップ／ダウン制御端子に印加する。
【００２６】
差分算出回路５２，５４は、システム制御回路４０からのクロック４０ｃに従い、そのクロック４０ｃの１周期内でのＸ軸カウンタ４８及びＹ軸カウンタ５０の計数値の差分の絶対値Δｘ，Δｙを算出する。即ち、差分算出回路５２は、所定単位時間内の、Ｘ軸方向の移動距離Δｘを算出し、差分算出回路５２は、同じ所定単位時間内の、Ｙ軸方向の移動距離Δｙを算出する。従って、差分算出回路５０，５２の出力Δｘ，Δｙは、それぞれ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の移動速度をも示している。
【００２７】
差分算出回路５２，５４の一例を図３に示す。ラッチ回路８０はシステム制御回路４０からのクロック４０ｃの立ち下がりに応じて、カウンタ４８，５０の出力値をラッチする。減算器８２はカウンタ４８，５０の出力値からラッチ回路８０の出力を減算し、絶対値回路８４は減算器８２の出力を絶対値化する。ラッチ回路８６は、システム制御回路４０からのクロック４０ｃの立ち上がりに応じて、絶対値回路８６の出力をラッチする。これにより、差分算出回路５２，５４は、システム制御回路４０からのクロック４０ｃの１周期を単位時間とするＸ軸方向の移動距離Δｘ及びＹ軸方向の移動距離Δｙを逐次的に算出できる。
【００２８】
ルックアップ・テーブル５６は、クロック４０ｃにより規定される単位時間の移動距離Δｘ，Δｙの組み合わせに対する合成移動速度ｖｃの表データを記憶するメモリ装置からなり、ｘ入力にその差分算出回路５２の出力が入力すると共に、ｙ入力に差分算出回路５４の出力が入力し、ｘ入力とｙ入力で特定されるアドレスに記憶されるデータを出力する。即ち、ルックアップ・テーブル５６は、クロック４０ｃに応じて差分算出回路５２，５４の出力Δｘ，Δｙを取り込み、Δｘ，Δｙの値に応じた合成移動速度ｖｃを出力する。合成移動速度ｖｃは、周知の通り、下記式で算出される。
【００２９】
【数１】
0003867327.tif 000002
【００３０】
本実施例では、ルックアップ・テーブル方式で合成移動速度を算出するので、テーブル５６を構成するメモリ素子のアドレス取り込みとデータ出力に要する時間で合成移動速度を出力でき、ディジタル演算又はソフトウエア演算に比べ、高速であるだけでなく、構成も簡潔に出来る。
【００３１】
積分回路５８は、テーブル５６から出力される合成移動速度ｖｃを積算し、移動距離Ｌを算出する。但し、システム制御回路４０は、加工線のスタート時に、積分回路５８にクリア信号４０ｄを供給し、積分回路５８の移動距離Ｌをクリアする。これにより、積分回路５８は、加工線単位で移動距離を算出する。例えば、ミシン目加工では、タイ長及びカット長として加工パターンが決定される。その場合、指定されるタイ長又はカット長をＸ軸方向及びＹ軸方向の範囲に換算して、レーザ出力のオン／オフを制御してもよいが、そうすると、換算に時間がかかるだけでなく、レーザ加工ヘッド２４が加工を行なう位置にあるかどうかを２次元で逐次モニタしなければならず、システム制御回路又はＣＰＵの負担が大きい。また、本実施例のようにすることで、簡単な構成で且つ短時間でレーザ出力のオン／オフを制御できる。
【００３２】
レーザ制御装置６０は、レーザ発振器２８の出力電力を制御するパワー制御回路６２と、レーザ発振器２８のレーザ出力のオン／オフを制御するオン／オフ制御回路６４と、パワー制御回路６２から出力されるレーザ励起電流パルスをオン／オフ制御回路６４の出力の制御下で通過／遮蔽するゲート回路６６とを具備する。
【００３３】
レーザ加工ヘッド２４の移動速度に関わらず、加工品質を維持するには、レーザ加工ヘッド２４の移動速度が高速になるほどレーザ発振器２８の出力パワーを上げる必要がある。また、レーザ発振器２８をパルス発振させ、レーザ・パルスによるスポットを連続させることで連続加工する場合には、レーザ加工ヘッド２４の移動速度が高速になるほど、パルス発振間隔を狭くする必要がある。レーザ・パルスによるスポットがつながらなくなり、加工端面がスムーズに連続しなくなることがあるからである。この点は、用紙送り方向の加工に関して、同一出願人に係る平成７年特許出願第１９４６０９号に詳細に説明されている。そこで、パワー制御回路６２は、テーブル５６から出力される合成移動速度ｖｃに応じて、レーザ発振器２８に印加すべき励起電流パルスのパルス幅とその周波数を制御する。具体的には、合成移動速度ｖｃが速くなるほど、励起電流パルスのパルス幅を広くすると共に繰り返し周波数を高くし、レーザ・ビームによるスポットが連続しつつ、被加工物に照射されるレーザ・パワーが被加工物に適切な値になるようにする。どの程度のレーザ出力が適切かは、予め調査し、パワー制御回路６２に設定しておく。
【００３４】
システム制御回路４０は、加工線の加工開始直前にその加工線の、加工線に沿った加工パターン・データをオン／オフ制御回路６４にセットする。オン／オフ制御回路６４は、積分回路５８から出力される移動距離Ｌと、システム制御回路４０からの加工パターン・データとを照合し、ゲート回路６６の開閉を制御する。例えば、ミシン目では、オン／オフ制御回路６４は、タイ長部分ではゲート回路６６を閉じ、カット長部分ではゲート回路６６を開ける。
【００３５】
このようにして、パワー制御回路６２によりパルス幅及び繰り返し周波数を制御された励起電流パルスが、ゲート回路６６の開いている間、レーザ発振器２８に印加される。レーザ発振器２８は、印加される励起電流パルスに応じてパルス・レーザ発振し、レーザ・パルスを出力する。
【００３６】
なお、レーザ発振器によっては、パルス駆動で、レーザ発振しない期間にも、極く短いパルス幅の励起電流パルスを印加しておく必要があるものがある。そのようなレーザ発振器に対しては、オン／オフ制御回路６４の出力をパワー制御回路６２に印加し、レーザ出力を禁止すべき期間については、パワー制御回路６２の出力する励起電流パルスをその極く短いパルス幅に強制するようにして、ゲート回路６６を除去すればよい。
【００３７】
単位時間の移動距離Δｘ，Δｙを線形にとると、過剰な精度になり、ルックアップ・テーブル５６も巨大なものになってしまうことがある。例えば１〜１，０００ｍｍ／ｓの速度範囲で測定誤差を２％に抑えるには、速度ステップを０．０２ｍｍ／ｓとする必要がある。しかし、この速度ステップは、１，０００ｍｍ／ｓに対しては０．００２％となり、過剰な精度となる。一方の軸の１，０００ｍｍ／ｓに対して２％の誤差とすると、データ量が約５０，０００になり、２軸では５０，０００×５０，０００個になってしまう。
【００３８】
そこで、広い速度範囲内で所望の精度しつつ速度算出テーブルのデータ量を大幅に削減することが望まれる。図４は、そのような課題を解決する本発明の第２実施例の概略構成ブロック図を示す。図２と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
【００３９】
図４に示す実施例では、量子化回路７０，７２が差分算出回路５２，５４の出力Δｘ，Δｙを、所望の精度になるように非線形で量子化する。例えば、Δｘ，Δｙの大きさに応じて複数の区画に区分し、必要な範囲で所望の精度以上となるように、Δｘ，Δｙが大きくなるほどステップを粗くする。量子化回路７０，７２の出力が、ルックアップ・テーブル７４のそれぞれｘ入力及びｙ入力にそれぞれ印加される。
【００４０】
例えば、速度換算（単位は、ｍｍ／ｓ）で、
０．２０未満：０．００２刻み
０．２０以上、０．４０未満：０．００４刻み
０．４０以上、１．００未満：０．００８刻み
１．００以上、２．００未満：０．０２０刻み
２．００以上、４．００未満：０．０４０刻み
４．００以上、１０．０未満：０．０８０刻み
１０．０以上、２０．０未満：０．２刻み
２０．０以上、４０．０未満：０．４刻み
４０．０以上、１００．０未満：０．８刻み
１００以上、２００未満：２刻み
２００以上、４００未満：４刻み
４００以上：８刻み
とする。刻みに丁度合致する移動速度でない場合には、直近の移動速度と近似する。例えば、０．１２３ｍｍ／ｓに相当する移動距離に対しては、０．１２２ｍｍ／ｓ又は０．１２４ｍｍ／ｓ相当とする。
【００４１】
好ましくは、量子化回路７０，７２は、刻みに合致する移動距離を示すコード信号を出力する。これにより、移動距離をルックアップ・テーブル７４のアドレスに変換する手間が省ける。
【００４２】
量子化回路７０，７２により、広い速度範囲に渡り一定以上の精度を確保でき、特定の速度で過剰に精度がよくなったり悪くなると言うことが無くなる。更には、所望の速度範囲でルックアップ・テーブル７４のｘ入力及びｙ入力のデータ数が削減されるので、ルックアップ・テーブル７４に格納すべきデータ数も大幅に削減できる。
【００４３】
これ以外の動作は、図２に示す実施例と全く同じであるので、説明を省略する。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明から容易に理解できるように、本発明によれば、被加工物に対してレーザ加工ヘッドが相対的な二次元移動する場合の合成移動速度に対してレーザ出力を適応的に制御できる。これにより、加工線に沿った加工データにより加工パターンを指定できるようになるだけでなく、より簡略化した構成で、より高速にレーザ出力を制御できる。
【００４５】
また、２次元的に移動する物体の合成移動速度をより簡単な構成でより高速に算出できる。所望の範囲で一定以上の精度を確保しつつ、構成を簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例の機構部分の斜視図である。
【図２】  本実施例の概略構成ブロック図である。
【図３】  差分算出回路５２，５４の回路例である。
【図４】  本発明の変更実施例の概略構成ブロック図である。
【符号の説明】
１０：加工対象の用紙
１２，１４：ガイド・ローラ
１６，１８：可動フレーム
２０：Ｘ軸モータ
２２：Ｙ軸モータ
２４：レーザ加工ヘッド
２６：反射ミラー
２８：レーザ発振器
３０：反射ミラー
３２，３４：ロータリ・エンコーダ
４０：システム制御回路（ＣＰＵ）
４０ａ，４０ｂ：移動方向信号
４０ｃ：クロック
４０ｄ：クリア信号
４２：メモリ
４４，４６：モータ駆動回路
４８：Ｘ軸カウンタ
５０：Ｙ軸カウンタ
５２，５４：差分算出回路
５６：ルックアップ・テーブル
５８：積分回路
６０：レーザ制御装置
６２：パワー制御回路
６４：オン／オフ制御回路
６６：ゲート回路
７０，７２：量子化回路
７４：ルックアップ・テーブル
８０：ラッチ回路
８２：減算器
８４：絶対値回路
８６：ラッチ回路
【図１】
0003867327.tif 000003
【図２】
0003867327.tif 000004
【図３】
0003867327.tif 000005
【図４】
0003867327.tif 000006