(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある長さ及び幅をもち、長さ方向に配列した複数の被加工開始点が画定された加工対象物を準備する工程と、
前記加工対象物の長さ方向が第１の方向と平行になるように支持し、該第１の方向にある長さをもち、該第１の方向と交差する方向にある幅をもった加工可能領域を該第１の方向に通過するように該加工対象物を送る工程と、
前記被加工開始点の一つが前記加工可能領域に進入すると、レーザビームを、該加工可能領域に進入した該被加工開始点の一つから、前記第１の方向と交差する方向に走査し、レーザ加工を行う工程と
を有し、
前記レーザ加工を行う工程が、更に、前記レーザビームが前記加工可能領域に進入した前記被加工開始点の一つに入射するように、該レーザビームの入射位置を前記第１の方向に変位させる工程を含み、前記加工可能領域内には、加工が完了していない前記被加工開始点は含まれないか、または１個含まれるレーザ加工方法。
【請求項２】
前記レーザビームが、前記第１の方向と交差する方向に一定の周期で走査されている請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
レーザビームを出射するレーザ光源と、
第１の周期及び第１の速さを記憶するための第１の記憶手段と、
該レーザ光源から出射したレーザビームを、第１の方向にある長さを持ち、該第１の方向と交差する方向にある幅を持った加工可能領域内の点に到達させる光学系であって、前記第１の方向と交差する方向に、前記第１の記憶手段に記憶された第１の周期及び第１の速さで前記レーザビームを走査する第１の走査手段、及び前記レーザビームの到達点を前記第１の方向に移動させる第２の走査手段を含む前記光学系と、
加工対象物が前記加工可能領域を前記第１の方向に通過するように、該加工対象物を移動させる移動手段と、
を有するレーザ加工装置。
【請求項４】
更に、該レーザ加工装置が、前記移動手段で移動させる前記加工対象物の前記第１の方向の速度を検出する速度検出手段と、
前記加工対象物に配列された複数の被加工開始点間の距離を記憶するための第２の記憶手段と、
前記速度検出手段によって検出された速度、前記第１の記憶手段に記憶された前記第１の周期と前記第１の速さ、及び前記第２の記憶手段に記憶された前記被加工開始点間の距離とに基き、前記第１及び第２の走査手段を制御する第１の制御手段と、
を有する請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
更に、前記レーザ加工装置が、前記レーザ光源を制御する第２の制御手段を含み、
前記第１の制御手段は複数の前記被加工開始点のうち、前記加工可能領域への進入まで最も近い被加工開始点が、前記加工可能領域に進入したか否かを判定し、判定の対象となった前記被加工開始点が前記加工可能領域に進入していないと判定され、かつ、前記加工可能領域に加工の終了していない前記被加工開始点がない場合には、前記第２の制御手段が前記レーザ光源から前記レーザビームを出射させない請求項３または４に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
更に、前記レーザ加工装置が、前記レーザビームを前記加工対象物に照射させない加工待機機構を有する請求項３〜５のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
更に、前記レーザ加工装置が、前記加工対象物の表面上に前記レーザビームを集束させるフォーカスレンズと、
該フォーカスレンズを、該フォーカスレンズの光軸に平行な方向に変位させるレンズ変位機構と、
を有し、前記第１の制御手段は、該レンズ変位機構による前記フォーカスレンズの変位を、前記第１及び第２の走査手段による走査と同期させる請求項３〜６のいずれかに記載されたレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ある長さと幅をもち一定の送り方向に送られる加工対象物、特に長尺の薄板、たとえば紙に、レーザビームを照射し、等ピッチまたは不等ピッチで、送り方向と交差する方向に加工を施すレーザ加工方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、ある長さと幅をもち一定の送り方向に送られる加工対象物、特に長尺の薄板、たとえば紙に、レーザビームを照射し加工を行うレーザ加工装置においては、加工対象物に加工を開始する位置が、装置上に固定された１箇所と定まっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら加工開始可能位置が装置上に固定された１箇所である場合、送り方向に沿って任意の不等ピッチで加工しようとすると、一定周期でスキャンするレーザビームではこれを行うことができず、またたとえ等ピッチの加工を施す場合であっても、送り速度とピッチ長によって、その都度スキャン周期を変更しなければならなかった。ということは、スキャンの周期を変更できるスキャン機構が必要でもあった。
【０００４】
本発明の目的は、一定周期でスキャンするレーザビームスキャナを用いて、任意間隔の等ピッチ及び任意間隔の不等ピッチの加工を可能にする、レーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、ある長さ及び幅をもち、長さ方向に配列した複数の被加工開始点が画定された加工対象物を準備する工程と、前記加工対象物の長さ方向が第１の方向と平行になるように支持し、該第１の方向にある長さをもち、該第１の方向と交差する方向にある幅をもった加工可能領域を該第１の方向に通過するように該加工対象物を送る工程と、前記被加工開始点の一つが前記加工可能領域に進入すると、レーザビームを、該加工可能領域に進入した該被加工開始点の一つから、前記第１の方向と交差する方向に走査し、レーザ加工を行う工程とを有し、前記レーザ加工を行う工程が、更に、前記レーザビームが前記加工可能領域に進入した前記被加工開始点の一つに入射するように、該レーザビームの入射位置を前記第１の方向に変位させる工程を含み、前記加工可能領域内には、加工が完了していない前記被加工開始点は含まれないか、または１個含まれるレーザ加工方法が提供される。
【０００６】
該レーザ加工方法によると、前記加工可能領域において加工開始位置を自由に設定することができる。したがって、一定周期でスキャンする定速スキャナでレーザビームを走査し、加工対象物の送り方向に沿って、任意間隔のピッチ加工を施すことが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例による、レーザビームを用いた加工装置の構成を示すブロック図である。
【０００８】
ある長さ及び幅をもった加工対象物１４、たとえば紙が、移動装置１５、たとえば用紙搬送用ローラにより矢印２０方向に送られ、レーザ発振器１０から出射された、たとえばパルスレーザビームにより、加工、たとえばミシン目を形成される。レーザ発振器１０には加工対象物１４の材質に応じて貫通孔を形成できるもの、たとえばＣＯ2レーザ発振器、固体レーザ発振器が使用される。更にはパルスレーザビームとして、固体レーザ発振器から波長変換素子により生成される高調波レーザビームを用いてもよい。レーザ発振器１０はトリガー演算器１７の発するトリガー信号を受けてパルスレーザビームを出射する。
【０００９】
出射されたパルスレーザビームはコリメーションレンズ１１で平行光にされ、ＸＹスキャナ１２で２次元方向に走査される。走査されたパルスレーザビームはｆθレンズ１３を経て加工対象物１４に入射し、たとえば加工対象物１４の送り方向に垂直なミシン目を加工する。ｆθレンズ１３は加工対象物１４の中央部と端部とにかかわらず加工対象物１４上におけるパルスレーザビームのビームスポットの移動速度を一定に保ち、また焦点を常に加工対象物１４上に結ばせる役割を果たす。
【００１０】
ＸＹスキャナ１２は一対のガルバノミラーＭ及びＮを有し、加工対象物１４の幅方向（送り方向２０と直交する方向）中央付近の上方に固定されている。ガルバノミラーＭは加工対象物１４の送り方向２０にレーザビームの入射位置を変位させ、ガルバノミラーＮは幅方向（送り方向２０と直交する方向）に一定周期でレーザビームを走査する。この一対のガルバノミラーＭ及びＮによって、加工可能領域内の任意の位置にパルスレーザビームを照射することができる。加工可能領域は加工対象物の長さ方向にある長さをもち、長さ方向と交差する方向にある幅をもつ。
【００１１】
速度検出装置１６、たとえばロータリエンコーダは、移動装置１５によって搬送される加工対象物１４の速度を検出し、検出結果を出力する。検出された速度はトリガー演算器１７及びスキャナ動作演算器１８に伝えられる。
【００１２】
スキャナ動作演算器１８はＸＹスキャナ１２の動作を制御する。また、加工開始時刻からの送り速度履歴より加工対象物１４の搬送量を求める。
【００１３】
記憶装置１９は加工線パタンを記憶する記憶装置１９ａ、ＸＹスキャナ１２の一定のスキャン周期及び走査速度を記憶する記憶装置１９ｂ、たとえばともに半導体メモリ、とから構成される。記憶装置１９ａには加工線、たとえば等ピッチミシン目、の情報が記憶される。それはたとえばミシン目のカット（切断部分）及びタイ（未切断部分）の長さ、加工対象物１４上に形成される、加工対象物１４の長さ方向（矢印２０方向）のミシン目間隔（ピッチ）、加工対象物１４の幅方向（矢印２０方向と直交する方向）におけるミシン目加工開始位置及び終了位置などである。また記憶装置１９ｂには、ＸＹスキャナ１２が送り方向２０と交差する方向に一定の周期で行うスキャンの周期、及びスキャン速度が記憶されている。スキャン速度としては、加工対象物の幅方向（送り方向２０と直交する方向）の成分ｖxが記憶されていればよい。
【００１４】
このレーザ加工装置で行われるレーザ加工について説明する。
【００１５】
図２はＹ軸方向（矢印２０方向）に一定の速度で送られる加工対象物１４の、時刻ｔ1、ｔ2、ｔ3、及びｔ4における平面図である。時刻ｔiとｔi+1（ｉ＝１，２，３）との間隔はすべて等しい。加工対象物１４はある長さ及び幅をもち、加工対象物１４上には長さ方向に複数の被加工開始点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが配列している。一点鎖線内がＸＹスキャナ１２の加工可能領域を表す。加工対象物１４がＸＹスキャナ１２の加工可能領域内を通過する。
【００１６】
ここでは加工対象物１４を、特に長さ方向と垂直な方向に、等ピッチで加工する場合を考える。
【００１７】
被加工開始点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが加工対象物１４の一方の縁に沿って、この順番に等間隔で並ぶ。ｔ2−ｔ1、ｔ3−ｔ2、ｔ4−ｔ3はすべて等しく、これはＸＹスキャナ１２の幅方向の走査周期である。加工対象物１４の送り速度が一定であるので、ＸＹスキャナ１２のガルバノミラーＭ及びＮを揺動させ、レーザビームの走査方向をＸ方向からＹ方向に適当な一定角θだけ傾けることによって、加工対象物１４を長さ方向と垂直な方向に加工することが可能となる。加工対象物１４の一定送り速度をｖc、レーザビームの走査速度のＸ方向成分をｖxとすると、θはｔａｎθ＝ｖc／ｖxを満たす角度である。
【００１８】
時刻ｔ1において被加工開始点Ａにパルスレーザビームが入射し、スキャンが開始される。時刻ｔ2及びｔ3には、未加工の被加工開始点ＢがＸＹスキャナ１２の加工可能領域内に進入していない。スキャナ動作演算器１８は加工対象物１４の搬送量から、加工対象物１４上の未加工被加工開始点が、ＸＹスキャナ１２の加工可能領域にあるかないかの判定を行う。この場合、スキャナ動作演算器１８が被加工開始点なしと判定する。このスキャナ動作演算器１８の判定に従い、トリガー演算器１７がレーザ発振器１０にトリガー信号を発しない。このため、時刻ｔ2及びｔ3においては、ガルバノミラーＭ及びＮは一定の動き（ダミースキャン）を続けているが、パルスレーザビームが出射されないため、レーザ加工は行われない。
【００１９】
加工対象物１４の被加工開始点ＢがＸＹスキャナ１２の加工可能領域に進入している時刻ｔ4で、Ｂに始まる加工を行う。このスキャン開始時刻ｔ4において、Ｂは一般に時刻ｔ1におけるスキャン開始位置とは異なる位置にある。そこでスキャナ動作演算器１８が、記憶装置１９ａに記憶されている二つの被加工開始点Ａ、Ｂの間の距離（すなわちピッチ）、記憶装置１９ｂに記憶されているＸＹスキャナ１２の走査周期及び走査速度、及び速度検出装置１６で検出された加工対象物１４の送り速度に基いて制御信号を発する。その結果、ＸＹスキャナ１２のガルバノミラーＭが揺動して、パルスレーザビームの入射位置を被加工開始点Ｂに一致させる加工開始位置補正を行い、またトリガー演算機１７がトリガー信号をレーザ発振器１０に与える。これによって被加工開始点Ｂからレーザ加工が開始される。同様の手順を踏み、次の被加工開始点Ｃ及びＤに始まる加工を行う。
【００２０】
なおレーザ加工が行われる場合、トリガー演算器１７が記憶装置１９ａに記憶されたミシン目のカット及びタイの長さの設定をもとに、カット位置に相当する場合にはトリガー信号をレーザ発振器１０に与える。その結果、レーザ発振器１０は、設定されたタイ及びカットを有するミシン目加工を施すパルスレーザビームを出射する。
【００２１】
図３はこの間の加工開始位置の推移を示す。一点鎖線内は図２と同じ加工可能領域であり、図は左から順に、被加工開始点Ａに始まる加工時（時刻ｔ1）、２番目の被加工開始点Ｂに始まる加工時（時刻ｔ4）、３番目の被加工開始点Ｃに始まる加工時、４番目の被加工開始点Ｄに始まる加工時の加工開始位置を表している。時刻ｔ4以降もそれまでと同じ間隔で時刻ｔ5、ｔ6、ｔ7、ｔ8、ｔ9と各時刻を定めると、時刻ｔ5、ｔ6においては被加工開始点ＣがＸＹスキャナ１２の加工可能領域に進入していないため、被加工開始点Ｃから加工を開始するのは時刻ｔ7においてである。すなわちＸＹスキャナ１２は２度ダミースキャンを行う。ところが被加工開始点Ｄに始まる加工を行うにあたっては、ダミースキャンを一度行う間に被加工開始点Ｄが加工可能領域に進入する。したがって時刻ｔ9において、ガルバノミラーＭがパルスレーザビームを被加工開始点Ｄに入射させるように加工開始位置を補正し、加工を開始する。
【００２２】
図４はＹ軸方向（矢印２０方向）に一定の速度で送られる加工対象物１４の、時刻ｔ21、ｔ22、ｔ23、ｔ24、及びｔ25における平面図である。各時刻の間隔はすべて等しい。これを参照し、図１に示したレーザ加工装置を用いて行う不等ピッチ加工について説明する。一点鎖線内が図２と同じＸＹスキャナ１２の加工可能領域である。ある長さ及び幅をもち、長さ方向に複数の被加工開始点Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉが配列している加工対象物１４が、ＸＹスキャナ１２の加工可能領域内を通過する。ここでも加工対象物１４に長さ方向と垂直な方向に加工を施す場合を考える。加工対象物１４の送り速度を図２に示した等ピッチ加工の場合と等しくｖcとすると、パルスレーザビームの走査方向、すなわちＸ方向からＹ方向に傾ける適当な一定角も図２に示した等ピッチ加工の場合と等しくθとなる。
【００２３】
被加工開始点Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉが加工対象物１４の一方の縁に沿って、この順番に並ぶ。被加工開始点ＥとＦとの距離をＥＦと表す。他の２つの被加工開始点の距離についても同様とする。ＥＦ＝ＧＨ、ＦＧ＝ＨＩ、ＥＦ≠ＦＧであるような不等ピッチである。ｔ22−ｔ21、ｔ23−ｔ22、ｔ24−ｔ23、ｔ25−ｔ24はすべてＸＹスキャナ１２の走査周期に等しい。
【００２４】
時刻ｔ21において被加工開始点Ｅにパルスレーザビームが入射し、スキャンが開始される。時刻ｔ22及びｔ23には、未加工の被加工開始点ＦがＸＹスキャナ１２の加工可能領内に進入していない。スキャナ動作演算器１８が被加工開始点なしと判定する。このスキャナ動作演算器１８の判定に従い、トリガー演算器１７がレーザ発振器１０にトリガー信号を発しない。このため、時刻ｔ22及びｔ23においては、ガルバノミラーＭ及びＮは一定の動き（ダミースキャン）を続けているが、パルスレーザビームが出射されないため、レーザ加工は行われない。
【００２５】
加工対象物１４の被加工開始点ＦがＸＹスキャナ１２の加工可能領域に進入している時刻ｔ24で、被加工開始点Ｆに始まる加工を行う。このスキャン開始時刻ｔ24において、被加工開始点Ｂは一般に時刻ｔ21におけるスキャン開始位置とは異なる位置にある。そこでスキャナ動作演算器１８が、記憶装置１９ａに記憶されている二つの被加工開始点Ｅ、Ｆの間の距離（すなわちピッチ）、記憶装置１９ｂに記憶されているＸＹスキャナ１２の走査周期及び走査速度、及び速度検出装置１６で検出された加工対象物１４の送り速度に基いて制御信号を発する。その結果、ＸＹスキャナ１２のガルバノミラーＭが揺動して、パルスレーザビームの入射位置を被加工開始点Ｆに一致させる加工開始位置補正を行い、またトリガー演算機１７がトリガー信号をレーザ発振器１０に与える。これによって被加工開始点Ｆからレーザ加工が開始される。時刻ｔ25においても被加工開始点ＧがＸＹスキャナ１２の加工可能領域に進入しているので、同じ手順を経てＧからレーザ加工を開始する。以下、被加工開始点Ｈ、Ｉについても同様の手続きを繰り返す。
【００２６】
このように、加工開始位置を加工対象物１４の送り方向に変位させることにより、一定の走査周期で高速にスキャンする一定速スキャナを用いて、加工対象物１４に、任意間隔の、等ピッチ及び不等ピッチの加工を施すことを可能とする。
【００２７】
ここまで加工対象物１４の送り速度が一定の場合について言及したが、本発明はその範囲にとどまるものではない。加工対象物１４の送り速度に変化があった場合でも、速度検出装置１６の検出した速度に基いて、適切な加工を行うことができる。
【００２８】
図４を参照して説明を続ける。たとえば前記時刻ｔ24からｔ25までの加工時に、加工対象物１４の送り速度が上昇したとする。この送り速度の変化は速度検出装置１６によって検出され、スキャナ動作演算器１８に伝えられる。加工対象物１４を長さ方向と垂直な方向に加工するためには、図２に示した角θを大きくしなければならない。しかもこの角度は送り速度の変化に応じて、刻々と変化させる必要がある。スキャナ動作演算機１８は加工対象物１４の送り速度と、記憶装置１９ｂに記憶されているパルスレーザビームの走査速度に基き、ＸＹスキャナ１２に制御信号を送る。レーザビームの入射位置を加工対象物１４の長さ方向に変位させるためのガルバノミラーＭに、速度変化に対応する新たな揺動を加えることによって、走査中のパルスレーザビームが常に走査方向を調整される。その結果、加工対象物１４の長さ方向と垂直な方向への加工が実現される。
【００２９】
また加工対象物１４の送り速度が低下する場合も同様である。この場合、図２に示した角θを小さくしてスキャンを行う。
【００３０】
上記制御は、加工対象物１４の搬送開始時及び終了時の速度変化にも有効である。
【００３１】
また、上記実施例では、一対のガルバノミラーＭ及びＮを含むＸＹスキャナ１２を用いたが、パルスレーザビームのＸ方向への走査をポリゴンミラーで行い、Ｙ方向への走査をガルバノミラーで行うＸＹスキャナを使用してもよい。
【００３２】
更に、上記実施例ではレーザ発振器１０の発振を停止させることで、加工対象物１４に施すレーザ加工を待機したが、レーザ発振器１０から出射されたパルスレーザビームを中途で遮って加工対象物１４に到達させないようにするシャッタ機構を備えることにより、レーザ加工を待機してもよい。
【００３３】
図５に示すのは、ｆθレンズ１３の代わりに、フォーカスレンズ２１と、フォーカスレンズ２１を光軸方向に変位させるレンズ変位機構２２を用いた、本発明の実施例によるレーザ加工装置のブロック図である。レーザ発振器１０から出射されたパルスレーザビームはコリメーションレンズ１１で平行光にされ、フォーカスレンズ２１で加工対象物１４上に焦点を結ぶように集光された後、ＸＹスキャナ１２に入射する。ＸＹスキャナ１２は一対の揺動可能なガルバノミラーＭ及びＮを含んで構成され、パルスレーザビームを加工対象物１４上において２次元方向に走査する。レンズ変位機構２２はスキャナ動作演算器１８が与える制御信号により、フォーカスレンズ２１を光軸方向に移動させる。スキャナ動作演算器１８は、パルスレーザビームが照射される位置に合わせて、すなわちＸＹスキャナ１２の走査に同期させてフォーカスレンズ２１を変位させる信号を、レンズ変位機構２２に送る。レーザビームの照射位置に従ってフォーカスレンズ２１から加工対象物１４までの距離は変動するが、フォーカスレンズ２１の変位により、パルスレーザビームは常に加工対象物１４上に焦点を結ぶ。
【００３４】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能であることは当業者には自明であろう。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加工対象物の送り方向と該方向と交差する方向に広がる領域を加工可能な領域とし、その中では加工開始位置を自由に設定することができる。その結果、高速スキャンに適した一定速スキャナを用いて、任意間隔のピッチ加工を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例によるレーザ加工装置で行われる等ピッチのレーザ加工方法を説明するための、加工対象物の平面図である。
【図３】本発明の実施例によるレーザ加工装置で行われる等ピッチのレーザ加工方法を説明するための、加工対象物の平面図である。
【図４】本発明の実施例によるレーザ加工装置で行われる不等ピッチのレーザ加工方法を説明するための、加工対象物の平面図である。
【図５】本発明の実施例によるレーザ加工装置の一部構成を変更したブロック図である。
【符号の説明】
１０  レーザ発振器
１１  コリメーションレンズ
１２  ＸＹスキャナ
１３  ｆθレンズ
１４  加工対象物
１５  移動装置
１６  速度検出装置
１７  トリガー演算器
１８  スキャナ動作演算器
１９、１９ａ、１９ｂ  記憶装置
２０  矢印
２１  フォーカスレンズ
２２  レンズ変位機構
【図１】
0004040896.tif 000002
【図２】
0004040896.tif 000003
【図３】
0004040896.tif 000004
【図４】
0004040896.tif 000005
【図５】
0004040896.tif 000006