(57)【要約】【課題】レーザー加工ヘッドの構成を複雑化することなく、確実にレーザーのアライメント調整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】本発明は、液体噴流により導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置（１）であって、液体を噴射して液柱を形成するジェットノズル（１８）と、液柱内にレーザーを集光させるレーザー光学系（４）と、レーザーの焦点をジェットノズルの入口開口部に対する所定の目標焦点位置に位置合わせできるように、ジェットノズルとレーザーの焦点を相対的に移動させる相対移動機構（１２）と、ジェットノズルから噴射された液柱及びレーザーを受ける透光板（２０）と、この透光板を透過したレーザーが投射されるように配置され、投射されたレーザーの像に基づいて、レーザーの焦点を位置合わせするための受光部材（２４）と、を有することを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体噴流により導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置であって、
液体を噴射して液柱を形成するジェットノズルと、
上記液柱内にレーザーを集光させるレーザー光学系と、
上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの入口開口部に対する所定の目標焦点位置に位置合わせできるように、上記ジェットノズルと上記レーザーの焦点を相対的に移動させる相対移動機構と、
上記ジェットノズルから噴射された液柱及びレーザーを受ける透光板と、
この透光板を透過したレーザーが投射されるように配置され、投射されたレーザーの像に基づいて、上記レーザーの焦点を位置合わせするための受光部材と、
を有することを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
さらに、上記受光部材に投射されたレーザーの像を撮像する撮像手段を有する請求項１記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
さらに、上記撮像手段によって撮像された画像に基づいて上記相対移動機構を制御して、上記レーザーの焦点を上記目標焦点位置に移動させるアライメント制御手段を有する請求項２記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
上記アライメント制御手段は、
（ａ）上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの軸線に直交する平面内で移動させ、上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの軸線上に移動させるステップと、
（ｂ）上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの軸線方向に移動させ、上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの入口開口面上に移動させるステップと、
を実行するように構成されている請求項３記載のレーザー加工装置。
【請求項５】
上記ステップ（ａ）は、
（ａ１）上記ジェットノズルの入口開口面上に形成されるレーザーのスポット径が上記ジェットノズルの直径よりも大きくなるように、上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの軸線方向に移動させるステップと、
（ａ２）上記レーザーの像が最も小さくなるように、上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの軸線に直交する平面内で移動させるステップと、
を有する請求項４記載のレーザー加工装置。
【請求項６】
上記ジェットノズルはレーザーを透過する材料で構成されており、上記ステップ（ａ）は、
（ａ１）上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの入口開口から外れた第１オフセット位置に移動させ、上記受光部材上に上記液柱の方向が欠けた第１の像を形成させるステップと、
（ａ２）上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの入口開口から外れた、上記第１オフセット位置とは異なる第２オフセット位置に移動させ、上記受光部材上に上記液柱の方向が欠けた第２の像を形成させるステップと、
（ａ３）上記第１オフセット位置を通り、上記第１の像の欠けの方向に向けられた第１の直線と、上記第２オフセット位置を通り、上記第２の像の欠けの方向に向けられた第２の直線との交点を求め、その交点の位置に上記レーザーの焦点を移動させるステップと、
を有する請求項４記載のレーザー加工装置。
【請求項７】
上記ステップ（ｂ）は、
（ｂ１）上記レーザーの焦点を、上記ジェットノズルの軸線に直交する平面内で、所定のオフセット方向に所定のオフセット距離移動させるステップと、
（ｂ２）上記レーザーの像が最も暗くなるように、上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの軸線方向に移動させるステップと、
（ｂ３）上記レーザーの焦点を、上記ジェットノズルの軸線に直交する平面内で、上記オフセット方向の反対方向に上記オフセット距離移動させるステップと、
を有する請求項４乃至６の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項８】
上記オフセット距離は、上記ジェットノズルのノズル穴の半径とほぼ等しい請求項７記載のレーザー加工装置。
【請求項９】
上記ステップ（ｂ）は、
（ｂ１）上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの軸線方向に移動させ、上記レーザーの像が所定の直径よりも大きくなる範囲を求めるステップと、
（ｂ２）求められた上記範囲の中間の点に、上記レーザーの焦点を移動させるステップと、
を有する請求項４乃至６の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項１０】
請求項１又は２記載のレーザー加工装置の、上記レーザーの焦点を位置合わせする方法であって、
（ａ）上記ジェットノズルの入口開口面上に形成されるレーザーのスポット径が上記ジェットノズルの直径よりも大きくなるように、上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの軸線方向に移動させるステップと、
（ｂ）上記レーザーの像が最も小さくなるように、上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの軸線に直交する平面内で移動させるステップと、
（ｃ）上記レーザーの焦点を、上記ジェットノズルの軸線に直交する平面内で、所定のオフセット方向に所定のオフセット距離移動させるステップと、
（ｄ）上記レーザーの像が最も暗くなるように、上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの軸線方向に移動させるステップと、
（ｅ）上記レーザーの焦点を、上記ジェットノズルの軸線に直交する平面内で、上記オフセット方向の反対方向に上記オフセット距離移動させるステップと、
を有することを特徴とするアライメント調整方法。
【請求項１１】
請求項１又は２記載のレーザー加工装置の、上記レーザーの焦点を位置合わせする方法であって、
（ａ）上記レーザーの焦点を、レーザーを透過する材料で構成された上記ジェットノズルの入口開口から外れた第１オフセット位置に移動させ、上記受光部材上に上記液柱の方向が欠けた第１の像を形成させるステップと、
（ｂ）上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの入口開口から外れた、上記第１オフセット位置とは異なる第２オフセット位置に移動させ、上記受光部材上に上記液柱の方向が欠けた第２の像を形成させるステップと、
（ｃ）上記第１オフセット位置を通り、上記第１の像の欠けの方向に向けられた第１の直線と、上記第２オフセット位置を通り、上記第２の像の欠けの方向に向けられた第２の直線との交点を求め、その交点の位置に上記レーザーの焦点を移動させるステップと、
（ｄ）上記レーザーの焦点を上記ジェットノズルの軸線方向に移動させ、上記レーザーの像が所定の直径よりも大きくなる範囲を求めるステップと、
（ｅ）求められた上記範囲の中間の点に、上記レーザーの焦点を移動させるステップと、
を有することを特徴とするアライメント調整方法。
【請求項１２】
液体を噴射して液柱を形成するジェットノズル、上記液柱内にレーザーを集光させるレーザー光学系、及び上記ジェットノズルと上記レーザーの焦点を相対的に移動させる相対移動機構を備えた、液体噴流により導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置において、上記レーザーの焦点を位置合わせするアライメント装置であって、
上記ジェットノズルから噴射された液柱及びレーザーを受ける透光板と、
この透光板を透過したレーザーが投射されるように配置され、投射されたレーザーの像に基づいて、上記レーザーの焦点を位置合わせするための受光部材と、
を有することを特徴とするアライメント装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アライメント調整方法及び装置、及びそれを備えたレーザー加工装置に関し、特に、レーザー加工装置のレーザーの焦点を位置合わせするアライメント調整方法及び装置、及びそれを備えたレーザー加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００５−２８８４７２号公報（特許文献１）には、ハイブリッド加工装置の軸合せ方法及びハイブリッド加工装置が記載されている。この軸合せ方法においては、レーザーがウォータージェット流を透過して導かれる際に発生するラマン散乱光の強度を測定することによって、レーザーとウォータージェット流の軸合わせを行っている。
【０００３】
特許第２７３２２３０号公報（特許文献２）には、レーザー光加工における同軸観測装置が記載されている。この同軸観測装置においては、加工用レーザーの加工対象物への照射位置を観測するために、ハーフミラー等を使用して、加工用レーザーを導く光学系の途中から観測用のレーザーを入射させている。さらに、この装置では、加工対象物によって反射された観測用のレーザーを、加工用レーザーの光学系の一部を介してＣＣＤカメラに導き、加工対象物を観測している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２８８４７２号公報
【特許文献２】特許第２７３２２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特開２００５−２８８４７２号公報記載の位置合わせでは、光が透明媒質中を通過する際に生じるラマン散乱光を観測しているため、ラマン散乱光を観測するための特別な装置が必要になるという問題がある。また、この方法では、ラマン散乱光により間接的に位置合わせの状態を観測しているため、外乱の影響を受けやすいという問題がある。
【０００６】
また、特許第２７３２２３０号公報記載の同軸観測装置では、加工用レーザーを導く光学系の途中に、位置合わせに使用する光を入射させ、また、光学系の途中から観測に必要な光を分岐させて引き出す必要があるため、光学系の構成が複雑化するという問題がある。さらに、この装置では、光を合流させ又は分岐させる構成を光学系の途中に設ける必要があるため、加工用レーザーの伝送効率が低下するという問題がある。特に、噴射された液柱によって加工用のレーザーを導く形式のレーザー加工装置においては、光学系が複雑化すると照射ヘッドの構造が非常に複雑になるため、照射ヘッドの重量増、メンテナンスの困難化、照射ヘッドの駆動に必要な駆動力の増大等の問題が顕著になる。
【０００７】
従って、本発明は、レーザー加工ヘッドの構成を複雑化することなく、確実にレーザーのアライメント調整を行うことができるアライメント調整方法及び装置、及びそれを備えたレーザー加工装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明は、液体噴流により導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置であって、液体を噴射して液柱を形成するジェットノズルと、液柱内にレーザーを集光させるレーザー光学系と、レーザーの焦点をジェットノズルの入口開口部に対する所定の目標焦点位置に位置合わせできるように、ジェットノズルとレーザーの焦点を相対的に移動させる相対移動機構と、ジェットノズルから噴射された液柱及びレーザーを受ける透光板と、この透光板を透過したレーザーが投射されるように配置され、投射されたレーザーの像に基づいて、レーザーの焦点を位置合わせするための受光部材と、を有することを特徴としている。
【０００９】
このように構成された本発明においては、ジェットノズルから液体が噴射され液柱が形成される。レーザー光学系はレーザーを液柱内に集光させ、レーザーは液体噴流により導かれる。液体噴流により導かれたレーザーは透光板によって受けられ、レーザーは透光板を透過する。透光板を透過したレーザーは受光部材に投射され、受光部材上にレーザーの像が形成される。この受光部材上のレーザーの像に基づいて、ジェットノズルとレーザーの焦点を相対的に移動させる相対移動機構を作動させることにより、レーザーの焦点を所定の目標焦点位置に位置合わせする。
【００１０】
このように構成された本発明によれば、受光部材上のレーザーの像に基づいてレーザーの焦点が目標焦点位置に位置合わせされるので、ヘッドの構成を複雑化することなく、確実にレーザーのアライメント調整を行うことができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、さらに、受光部材に投射されたレーザーの像を撮像する撮像手段を有する。
このように構成された本発明によれば、受光部材に投射されたレーザーの像が撮像手段により撮像されるので、撮像された画像に基づいて位置合わせを行うことができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、さらに、撮像手段によって撮像された画像に基づいて相対移動機構を制御して、レーザーの焦点を目標焦点位置に移動させるアライメント制御手段を有する。
【００１３】
このように構成された本発明によれば、アライメント制御手段が相対移動機構を制御して、レーザーの焦点を目標焦点位置に移動させるので、位置合わせを自動的に行うことができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、アライメント制御手段は、（ａ）レーザーの焦点をジェットノズルの軸線に直交する平面内で移動させ、レーザーの焦点をジェットノズルの軸線上に移動させるステップと、（ｂ）レーザーの焦点をジェットノズルの軸線方向に移動させ、レーザーの焦点をジェットノズルの入口開口面上に移動させるステップと、を実行するように構成されている。
【００１５】
このように構成された本発明においては、アライメント制御手段は、レーザーの焦点をジェットノズルの軸線に一致させた後、ジェットノズルの入口開口面に一致させる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、ステップ（ａ）は、（ａ１）ジェットノズルの入口開口面上に形成されるレーザーのスポット径がジェットノズルの直径よりも大きくなるように、レーザーの焦点をジェットノズルの軸線方向に移動させるステップと、（ａ２）レーザーの像が最も小さくなるように、レーザーの焦点をジェットノズルの軸線に直交する平面内で移動させるステップと、を有する。
このように構成された本発明によれば、レーザーの焦点を、ジェットノズルの軸線に確実に一致させることができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、ジェットノズルはレーザーを透過する材料で構成されており、ステップ（ａ）は、（ａ１）レーザーの焦点をジェットノズルの入口開口から外れた第１オフセット位置に移動させ、受光部材上に液柱の方向が欠けた第１の像を形成させるステップと、（ａ２）レーザーの焦点をジェットノズルの入口開口から外れた、第１オフセット位置とは異なる第２オフセット位置に移動させ、受光部材上に液柱の方向が欠けた第２の像を形成させるステップと、（ａ３）第１オフセット位置を通り、第１の像の欠けの方向に向けられた第１の直線と、第２オフセット位置を通り、第２の像の欠けの方向に向けられた第２の直線との交点を求め、その交点の位置にレーザーの焦点を移動させるステップと、を有する。
このように構成された本発明によれば、少なくとも２つのレーザーの像を得るだけで、レーザーの焦点をジェットノズルの軸線に一致させることができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、ステップ（ｂ）は、（ｂ１）レーザーの焦点を、ジェットノズルの軸線に直交する平面内で、所定のオフセット方向に所定のオフセット距離移動させるステップと、（ｂ２）レーザーの像が最も暗くなるように、レーザーの焦点をジェットノズルの軸線方向に移動させるステップと、（ｂ３）レーザーの焦点を、ジェットノズルの軸線に直交する平面内で、オフセット方向の反対方向にオフセット距離移動させるステップと、を有する。
【００１９】
このように構成された本発明によれば、レーザーの像が最も暗くなる位置を求めるだけで、レーザーの焦点をジェットノズルの入口開口面に一致させることができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、オフセット距離は、ジェットノズルのノズル穴の半径とほぼ等しい。
このように構成された本発明によれば、レーザーの焦点を、ジェットノズルの入口開口面に、確実に一致させることができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、ステップ（ｂ）は、（ｂ１）レーザーの焦点をジェットノズルの軸線方向に移動させ、レーザーの像が所定の直径よりも大きくなる範囲を求めるステップと、（ｂ２）求められた範囲の中間の点に、レーザーの焦点を移動させるステップと、を有する。
【００２２】
このように構成された本発明によれば、レーザーの焦点をジェットノズルの軸線方向に移動させるだけで、レーザーの焦点をジェットノズルの入口開口面に一致させることができる。
【００２３】
また、本発明は、本発明のレーザー加工装置のレーザーの焦点を位置合わせするアライメント調整方法であって、（ａ）ジェットノズルの入口開口面上に形成されるレーザーのスポット径がジェットノズルの直径よりも大きくなるように、レーザーの焦点をジェットノズルの軸線方向に移動させるステップと、（ｂ）レーザーの像が最も小さくなるように、レーザーの焦点をジェットノズルの軸線に直交する平面内で移動させるステップと、（ｃ）レーザーの焦点を、ジェットノズルの軸線に直交する平面内で、所定のオフセット方向に所定のオフセット距離移動させるステップと、（ｄ）レーザーの像が最も暗くなるように、レーザーの焦点をジェットノズルの軸線方向に移動させるステップと、（ｅ）レーザーの焦点を、ジェットノズルの軸線に直交する平面内で、オフセット方向の反対方向にオフセット距離移動させるステップと、を有することを特徴としている。
【００２４】
また、本発明は、本発明のレーザー加工装置のレーザーの焦点を位置合わせするアライメント調整方法であって、（ａ）レーザーの焦点を、レーザーを透過する材料で構成されたジェットノズルの入口開口から外れた第１オフセット位置に移動させ、受光部材上に液柱の方向が欠けた第１の像を形成させるステップと、（ｂ）レーザーの焦点をジェットノズルの入口開口から外れた、第１オフセット位置とは異なる第２オフセット位置に移動させ、受光部材上に液柱の方向が欠けた第２の像を形成させるステップと、（ｃ）第１オフセット位置を通り、第１の像の欠けの方向に向けられた第１の直線と、第２オフセット位置を通り、第２の像の欠けの方向に向けられた第２の直線との交点を求め、その交点の位置にレーザーの焦点を移動させるステップと、（ｄ）レーザーの焦点をジェットノズルの軸線方向に移動させ、レーザーの像が所定の直径よりも大きくなる範囲を求めるステップと、（ｅ）求められた範囲の中間の点に、レーザーの焦点を移動させるステップと、を有することを特徴としている。
【００２５】
また、本発明は、液体を噴射して液柱を形成するジェットノズル、液柱内にレーザーを集光させるレーザー光学系、及びジェットノズルとレーザーの焦点を相対的に移動させる相対移動機構を備えた、液体噴流により導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置において、レーザーの焦点を位置合わせするアライメント装置であって、ジェットノズルから噴射された液柱及びレーザーを受ける透光板と、この透光板を透過したレーザーが投射されるように配置され、投射されたレーザーの像に基づいて、レーザーの焦点を位置合わせするための受光部材と、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のアライメント調整方法及び装置、及びそれを備えたレーザー加工装置によれば、レーザー加工ヘッドの構成を複雑化することなく、確実にレーザーのアライメント調整を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置を説明する。図１は、本実施形態によるレーザー加工装置全体の構成を示す図である。
【００２８】
図１に示すように、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置１は、レーザー加工ヘッド２と、このレーザー加工ヘッド２内の所定の位置にレーザーを集光させるレーザー光学系４と、このレーザー光学系４にレーザーを入射させるレーザー光源６と、レーザー加工ヘッド２に高圧水を送り込む加圧ポンプ８と、を有する。
また、レーザー加工装置１は、レーザー光学系４から射出されるレーザーの焦点を位置合わせするためのアライメント装置１０を備えている。さらに、レーザー加工装置１は、レーザー光源６、加圧ポンプ８、及びアライメント装置１０を制御するコントローラ１４を有する。
【００２９】
また、レーザー加工ヘッド２は、ヘッド本体部１６と、このヘッド本体部１６に取り付けられたジェットノズル１８と、を有する。
レーザー光学系４は、レーザー光源６から射出されたレーザーを、レーザー加工ヘッド２に導くと共に、このレーザーをジェットノズル１８の入口開口部に集光させるように構成されている。レーザー光学系４によりジェットノズル１８の入口開口部に集光されたレーザーは、ジェットノズル１８から噴射される水柱（液柱）内で全反射を繰り返し、水柱により被加工物（図示せず）まで導かれる。
【００３０】
また、レーザー光学系４は、相対移動機構１２によって、レーザー加工ヘッド２に対して支持されている。この相対移動機構１２により、レーザー光学系４から射出されるレーザーの焦点は、ジェットノズル１８の軸線方向（Ｚ軸方向）及びジェットノズル１８の軸線に直交する平面（ＸＹ平面）内で移動可能に構成されている。相対移動機構１２は、コントローラ１４からの制御信号により制御され、レーザーの焦点を所定の目標焦点位置に移動させるように構成されている。
【００３１】
レーザー光源６は、コントローラ１４からの制御信号に基づいて、所定強度のレーザーを生成するように構成されている。なお、本実施形態においては、レーザーとしてグリーンレーザーを使用している。
【００３２】
加圧ポンプ８は、コントローラ１４からの制御信号に基づいて水を所定の圧力に加圧し、レーザー加工ヘッド２のヘッド本体部１６内に流入させるように構成されている。ヘッド本体部１６に送り込まれた水は、ジェットノズル１８から噴射され、水柱を形成する。
【００３３】
ヘッド本体部１６は、その内部に液体供給チャンバ１６ａが形成されており、この液体供給チャンバ１６ａに連通するように液体供給通路１６ｂが形成されている。また、液体供給チャンバ１６ａの底部には、液体供給チャンバ１６ａに連通するようにジェットノズル受入凹部が形成され、その中にジェットノズル１８が配置されている。さらに、液体供給チャンバ１６ａの上端には、レーザー光学系４から射出されたレーザーを透過させ、ジェットノズル１８の入口開口部まで導くための窓部材１６ｃが取り付けられている。加圧ポンプ８から送られた水は、液体供給通路１６ｂを通って液体供給チャンバ１６ａに流入し、ジェットノズル１８から噴射される。
【００３４】
ジェットノズル１８は、概ね円柱形の部材であり、その中心軸線上に鉛直方向に向けられたノズル穴が形成されている。ノズル穴は、直径が小さく円筒状に延びる円筒形部分１８ａと、この円筒形部分１８ａに連なり、下流側に向かって直径が拡張されている円錐状部分から構成されている。なお、ジェットノズル１８の直径とは、円筒形部分１８ａの直径を意味するものとする。ジェットノズル１８は、ヘッド本体部１６のジェットノズル受入凹部内に配置されている。
【００３５】
アライメント装置１０は、レーザー加工装置１のアライメント調整時にレーザー加工ヘッド２の下方に配置され、レーザーの焦点を位置合わせするために必要な信号をコントローラ１４に出力するように構成されている。図１に示すように、アライメント装置１０は、ジェットノズル１８から噴射された液柱及びレーザーを受ける透光板であるガラス板２０と、このガラス板２０を透過したレーザーを所定の方向に反射させるミラー２２と、ガラス板２０を透過したレーザーがミラー２２を介して投射されるように配置された受光部材であるスクリーン２４と、このスクリーン２４上に形成されたレーザーの像を撮像する撮像手段であるＣＣＤカメラ２６と、を有する。
【００３６】
ガラス板２０は、レーザー加工ヘッド２の下方にほぼ水平に配置され、ほぼ鉛直方向に噴射される水柱及びこれによって導かれるレーザーを受けるように構成されている。なお、レーザー加工装置１により被加工物を加工する際には、アライメント装置１０は他の位置に移動され、図１においてガラス板２０が配置されている位置に被加工物が配置される。また、アライメント装置１０の使用時においては、レーザー加工時よりも低出力のレーザーがレーザー光源６から射出される。
【００３７】
ガラス板２０に入射したレーザー及び噴流は、ガラス板２０によりレーザーと水に分離される。即ち、レーザーはガラス板２０を透過してアライメント装置１０の内部に透過し、水はガラス板２０によって遮断され、アライメント装置１０の外部に流れ落ちる。なお、本実施形態においては、透光板としてガラス板を使用しているが、プラスチック製の板等、液体を遮断し、低出力のレーザーによっても加工されずレーザーを透過させることができる任意の部材を使用することができる。
【００３８】
ミラー２２は、アライメント装置１０に内蔵され、ガラス板２０の下方に配置されている。ミラー２２は、鉛直軸線に対して約４５゜の角度に向けられ、ガラス板２０を透過してほぼ鉛直方向に入射したレーザーを、ほぼ水平方向に向けて反射するように配置されている。
【００３９】
スクリーン２４は、ガラス板２０を透過したレーザーをミラー２２を介して受光するように構成され、ほぼ鉛直方向に向けて配置されている。スクリーン２４は、レーザーの強度を減衰し、不必要な反射をすることがない部材で構成することができる。本実施形態においては、すりガラスによってスクリーン２４を構成している。スクリーン２４に入射したレーザーは像を形成し、このレーザーの像は、レーザーの焦点の位置に応じて様々な形状、模様を呈する。
【００４０】
ＣＣＤカメラ２６は、スクリーン２４上に形成されたレーザーの像を撮像するように、アライメント装置１０内に備えられている。ＣＣＤカメラ２６によって撮像された画像のデータは、コントローラ１４に送られる。また、ガラス板２０を透過したレーザー、又はミラー２２によって反射されたレーザーを、ＣＣＤカメラ２６によって直接撮像するように、アライメント装置１０を構成することもできる。この場合には、ＣＣＤカメラ２６に内蔵された撮像素子（ＣＣＤ）上に直接画像が形成されるので、撮像素子が受光部材として機能する。
【００４１】
コントローラ１４は、レーザー光源６、加圧ポンプ８及び相対移動機構１２を作動させ、レーザーの焦点の位置合わせを実行し、又は被加工物を加工するように構成されている。具体的には、コントローラ１４は、各種信号の入出力インターフェイス、メモリ、マイクロプロセッサ、及びこれらを作動させるプログラム等により構成されている。また、コントローラ１４は、レーザーの焦点の位置合わせを実行する際には、アライメント制御手段として機能する。
【００４２】
次に、図２乃至図１０を参照して、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置１におけるアライメント調整方法を説明する。図２は、本実施形態のレーザー加工装置１において、アライメントを調整する手順を示すフローチャートである。また、図３は、ノズル穴の直径が１００μｍの場合における、各方向の位置合わせのずれ量と、ガラス板２０に到達するレーザーのパワーの関係を示すグラフである。さらに、図４乃至図１０は、ジェットノズル１８のノズル穴を通過するレーザーの模式図、及びスクリーン２４上に形成されるレーザーの像を示す。
【００４３】
なお、本実施形態のレーザー加工装置１は、図１に示したように、ガラス板２０を透過したレーザーがミラー２２によって反射された後、スクリーン２４上に像を形成するように構成されているが、ミラー２２は単にレーザーの方向を変えるために配置されているものであり、省略することができる。従って、以下では、ガラス板２０を透過したレーザーがミラー２２を介することなく直接スクリーン２４に入射するものとして説明するが、以下に説明するアライメント調整方法は、ミラー２２を介する場合にも全く同様に適用することができる。
【００４４】
図２は、本実施形態のレーザー加工装置１において、レーザーの焦点を所定の目標焦点位置に位置合わせする手順を示すフローチャートである。本実施形態においては、目標焦点位置は、ジェットノズル１８の入口開口面１８ｂと、円筒形部分１８ａの中心軸線との交点に設定されている。
【００４５】
まず、図２のステップＳ１において、コントローラ１４は相対移動機構１２に信号を送り、レーザー光学系４から射出されるレーザーの焦点をジェットノズル１８の入口開口面１８ｂよりも出口側に、即ち、ジェットノズル１８の上端面よりも下側に所定距離移動させる。この際、レーザーの焦点の水平面内の位置は、ジェットノズル１８のノズル穴の近傍であれは何れの位置であっても良い。なお、レーザーの焦点を移動させる所定距離は、入口開口面１８ｂ上に形成されるレーザーのスポット径ＤＳ（図４（ａ））が、円筒形部分１８ａの直径よりも大きくなるように選択する。また、本実施形態においては、レーザーの焦点をジェットノズル１８の入口開口面１８ｂよりも下側に移動させることにより、レーザーのスポット径ＤＳを大きくしているが、レーザーの焦点を上方に移動させることにより、レーザーのスポット径ＤＳを大きくしてもよい。
【００４６】
この状態においては、図４（ａ）に示すように、レーザー光学系４から射出されたレーザーのうちの、角度θ１の範囲のレーザーがジェットノズル１８を通過し、ジェットノズル１８から噴射される水柱によって導かれる。ジェットノズル１８から噴射された水柱は、ガラス板２０に当たり、水はガラス板２０によって遮断され、レーザーのみがガラス板２０を透過してアライメント装置１０に入射する。ガラス板２０を透過したレーザーは、開口数ＮＡによって広がりながら、即ち、概ね角度θ１で広がりながらスクリーン２４に投射される。
【００４７】
これにより、スクリーン２４上に、図４（ｂ）に示すようなレーザーの像が形成される。従って、スクリーン２４上のレーザーの像の直径は、角度θ１に比例する。スクリーン２４上のレーザーの像は、ＣＣＤカメラ２６によって撮像され、その画像データは時々刻々コントローラ１４に送られる。
【００４８】
次に、ステップＳ２において、コントローラ１４は、相対移動機構１２に信号を送り、レーザー光学系４のＺ軸方向の位置（ジェットノズル１８の軸線方向の位置）を固定したまま、ＸＹ平面（ジェットノズル１８の軸線に直交する平面）内、即ち、入口開口面１８ｂに平行な平面内で、レーザー光学系４を走査する。各位置におけるレーザーの像の画像は、時々刻々コントローラ１４に送られ、コントローラ１４はレーザーの像の直径が最も小さくなる位置をサーチし、その位置にレーザー光学系４を移動させる（図５（ａ））。即ち、コントローラ１４は、ＣＣＤカメラ２６から送られる画像データを逐次、画像解析し、レーザーの像の直径が最も小さくなるレーザー光学系４の位置を特定し、その位置にレーザー光学系４を移動させる。
【００４９】
図５（ａ）に示すように、レーザーの焦点がジェットノズル１８の円筒形部分１８ａの中心軸線上にある状態では、角度θ２の範囲のレーザーのみがノズル穴を通過し、ガラス板２０を透過したレーザーは、角度θ２で広がる。スクリーン２４上に形成されるレーザーの像は、図５（ｂ）に示すように、この際最も直径が小さくなる。これにより、レーザーの焦点と、ジェットノズル１８の円筒形部分１８ａの中心軸線が整合する位置が、求められる。
【００５０】
次に、ステップＳ３において、コントローラ１４は、レーザー光学系４のＸ軸方向、Ｙ軸方向の位置を固定したままレーザー光学系４を上昇させ、スクリーン２４上に形成されるレーザーの像が最も大きくなる位置をサーチする。即ち、コントローラ１４は、ＣＣＤカメラ２６から送られる画像データを逐次、画像解析し、レーザーの像の直径が最も大きくなるレーザー光学系４のＺ方向の位置を特定し、その位置にレーザー光学系４を移動させる。図６（ａ）に示すように、レーザーの焦点がジェットノズル１８の入口開口面１８ｂ近傍にある場合には、レーザー光学系４から射出されるレーザー全体である角度θ３の範囲のレーザーがノズル穴を通過し、ガラス板２０を透過したレーザーは角度θ３で広がる。ガラス板２０を透過したレーザーは、角度θ３で広がり、スクリーン２４上には図６（ｂ）に示すように、最も直径が大きいレーザーの像が形成される。
【００５１】
しかしながら、スクリーン２４上に形成されるレーザーの像の直径はレーザーの焦点が入口開口面１８ｂの近傍にある所定の範囲でほぼ一定となる。このことは、Ｚ方向のアライメントのずれ量とジェットノズル１８を通過するレーザーの強度の関係を示す図３（ｃ）からも明らかである。これは、図３（ａ）（ｂ）に示すＸ軸方向、Ｙ軸方向のアライメントのずれが、ジェットノズル１８を通過するレーザーの強度に与える影響とは大きく異なるものである。
【００５２】
図７（ａ）乃至（ｃ）に示すように、この現象は、レーザーの焦点が入口開口面１８ｂ上にある図７（ｂ）に対して、図７（ａ）（ｃ）のように、焦点の位置が上下にずれた場合でも、レーザー全体がジェットノズル１８を通過することができるためである。従って、スクリーン２４上に形成されるレーザーの像の直径が最大になる位置に基づいて、レーザーの焦点を入口開口面１８ｂ上に精度良く位置合わせすることは困難である。
【００５３】
次に、ステップＳ４において、コントローラ１４は、レーザーの焦点とジェットノズル１８の円筒形部分１８ａの中心軸線が整合している現在のＸ軸、Ｙ軸方向の位置をメモリに記憶する。次いで、コントローラ１４は、レーザーの焦点を所定のオフセット方向であるＸ軸方向に所定のオフセット距離移動させる。本実施形態においては、オフセット距離は、ジェットノズル１８の円筒形部分１８ａの半径に等しく設定されている。従って、レーザーの焦点は、円筒形部分１８ａの円周上に移動される。なお、オフセット方向は、Ｙ軸方向の他、入口開口面１８ｂに平行な平面内の任意の方向に設定することができる。
【００５４】
次に、ステップＳ５において、コントローラ１４は、レーザー光学系４のＸ軸方向、Ｙ軸方向の位置を固定したままレーザー光学系４を上昇、下降させ、スクリーン２４上に形成されるレーザーの像が最も暗くなる位置をサーチする。図８（ａ）、（ｃ）に示すように、レーザーの焦点がジェットノズル１８の入口開口面１８ｂよりも上又は下にある場合には、図９（ａ）（ｃ）に示すようにスクリーン２４上に形成されるレーザーの像は明るくなる。これに対して、図８（ｂ）に示すように、レーザーの焦点が入口開口面１８ｂ上にある場合には、図９（ｂ）に示すようにスクリーン２４上に形成されるレーザーの像は暗くなる。
【００５５】
この現象は、以下のように説明することができる。まず、ジェットノズル１８を通過するレーザーの光量は、入口開口面１８ｂ上に形成されるレーザーのスポット面積のうち、円筒形部分１８ａと重なる部分の面積の割合が多いほど、大きくなるものと考えられる。しかしながら、実際には、ジェットノズル１８から噴射される液柱の直径は、図８に想像線で示すように、縮流により円筒形部分１８ａの直径よりも僅かに小さくなる。このため、円筒形部分１８ａの周縁部（想像線の外側部分）に入射したレーザーは、液柱によって導光されないことになる。ここで、図８（ａ）乃至（ｃ）を比較すると、図８（ｂ）のようにレーザーの焦点が入口開口面１８ｂ上にあり、レーザーのスポット径が小さい場合には、円筒形部分１８ａの周縁部に入射するレーザー及び、円筒形部分１８ａの外側に入射するレーザーが多くなり、この結果、液柱によって導かれるレーザーの光量が少なくなり、スクリーン２４上に形成されるレーザーの像が暗くなるものと考えられる。
【００５６】
最後に、ステップＳ６においては、コントローラ１４は、レーザー光学系４をステップＳ４でメモリに記憶したＸ軸、Ｙ軸方向の位置に復帰させる。即ち、コントローラ１４は、レーザーの焦点を、ステップＳ４において移動させたオフセット方向とは反対の方向に、オフセット距離だけ移動させる。これにより、図１０（ａ）に示すように、レーザーの焦点は所定の目標焦点位置に位置合わせされる。また、この際、スクリーン２４上には、図１０（ｂ）に示す像が形成される。
【００５７】
本発明の第１実施形態のレーザー加工装置によれば、スクリーン上のレーザーの像に基づいてレーザーの焦点が目標焦点位置に位置合わせされるので、レーザー加工ヘッドの構成を複雑化することなく、確実にレーザーのアライメント調整を行うことができる。
【００５８】
また、本実施形態のレーザー加工装置によれば、スクリーンに投射されたレーザーの像がＣＣＤカメラにより撮像されるので、撮像された画像に基づいて位置合わせを行うことができる。
【００５９】
さらに、本実施形態のレーザー加工装置によれば、コントローラが相対移動機構を制御して、レーザーの焦点を目標焦点位置に移動させるので、位置合わせを自動的に行うことができる。
【００６０】
また、上述した実施形態においては、図２のステップＳ２の後、Ｚ軸方向にレーザー光学系４を移動させ、レーザーの像が最も大きくなる位置をサーチした（ステップＳ３）が、この手順を省略することもできる。即ち、図２のステップＳ２を実行した後、ステップＳ３を実行することなく、ステップＳ４を実行しても良い。
【００６１】
さらに、上述した実施形態においては、図２のステップＳ４において、所定のオフセット距離として、円筒形部分１８ａの半径に等しい距離レーザー光学系４を移動させたが、オフセット距離は、円筒形部分１８ａの半径と同程度の距離であれば良く、必ずしも半径と等しくなくても良い。
【００６２】
しかしながら、より確実にレーザーの焦点を位置合わせするには、図２のステップＳ３の手順を実行し、オフセット距離を円筒形部分１８ａの半径とほぼ等しくするのが良い。
【００６３】
次に、図１０乃至図１６を参照して、本発明の第２実施形態によるレーザー加工装置を説明する。本実施形態のレーザー加工装置は、レーザーの焦点の位置合わせを行う手順が、上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本実施形態の第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の点については説明を省略する。図１１は、本実施形態のアライメント調整方法の原理を示す模式図である。図１２は、本実施形態におけるアライメント調整方法の手順を示すフローチャートである。
【００６４】
本実施形態においては、ジェットノズル１８の材料として、ダイヤモンド、サファイア等のレーザーを透過する硬質なものが使用される。この場合には、図１１に示すように、レーザーの焦点がジェットノズル１８のノズル穴から外れた場合にもレーザーはガラス板２０に到達し、スクリーン２４上にレーザーの像が形成される。加えて、このレーザーの像には、図１１に示すような欠け１００が発生する。本件発明者は、この欠け１００は、ジェットノズル１８のノズル穴でない部分を透過したレーザーの近傍に位置する液柱Ｂの影であり、レーザーの像には、ノズル穴が位置する方向に欠け１００が発生することを見出した。本実施形態のアライメント調整方法は、この性質を利用したものである。
【００６５】
まず、図１２のステップＳ１１においては、コントローラ１４は、図１１に示したような欠けが発生しているレーザーの像を形成させる。レーザーの像に欠けが発生する領域は十分に広いため、コントローラ１４はレーザー光学系４を適宜移動させることにより、容易に欠けが発生している像を形成させることができる。例えば、コントローラ１４が第１のオフセット位置にレーザーの焦点を移動させ、スクリーン２４上に第１の像である図１３（ａ）に示すようなレーザーの像が形成されている場合には、コントローラ１４は、レーザーの焦点のＸ座標ｘ１、Ｙ座標ｙ１、及びレーザーの像の欠けの方向α１をメモリに記憶する。この場合、ノズル穴（円筒形部分１８ａ）の中心Ｃは、図１３（ｂ）に示すように、レーザーの焦点の座標（ｘ１、ｙ１）を通り、α１の方向に向けられた第１の直線Ｌ１上に位置する。
【００６６】
さらに、コントローラ１４は、第１のオフセット位置とは異なる第２のオフセット位置にレーザーの焦点を移動させ、スクリーン２４上に第２の像である図１４（ａ）に示すようなレーザーの像を形成させる。コントローラ１４は、レーザーの焦点のＸ座標ｘ２、Ｙ座標ｙ２、及びレーザーの像の欠けの方向α２をメモリに記憶する。この場合、ノズル穴（円筒形部分１８ａ）の中心Ｃは、図１４（ｂ）に示すように、レーザーの焦点の座標（ｘ２、ｙ２）を通り、α２の方向に向けられた第２の直線Ｌ２上に位置する。
【００６７】
次いで、ステップＳ１２において、コントローラ１４は、第１のオフセット位置の座標（ｘ１、ｙ１）、欠けの方向α１、第２のオフセット位置の座標（ｘ２、ｙ２）、欠けの方向α２に基づいて、第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２の交点の座標を計算する。この計算された座標は、ノズル穴の中心Ｃの座標にほぼ一致するものであり、この位置を入口開口面１８ｂ内における仮の目標焦点位置とする。或いは、欠けが発生している３つ以上の像を求め、これらに対応する３本以上の直線の交点からノズル穴の中心Ｃの座標を計算しても良い。
【００６８】
さらに、ステップＳ１３において、コントローラ１４は、レーザー光学系４を移動させ、レーザーの焦点位置を第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２の交点に移動させる。
【００６９】
次に、ステップＳ１４において、コントローラ１４は、レーザー光学系４のＸ軸方向、Ｙ軸方向の位置を固定したままレーザー光学系４を上昇、下降させ、スクリーン２４上に形成されるレーザーの像の直径を検出する。
【００７０】
図１５は、レーザーの焦点位置のＺ方向のずれ量と、形成されるレーザーの像の直径の関係を示すグラフである。図１５に示すように、スクリーン２４上に形成されるレーザーの像の直径は、レーザーの焦点が入口開口面１８ｂに一致する位置を中心として、所定の範囲でほぼ一定の大きな値になる。
【００７１】
ステップＳ１５において、コントローラ１４は、スクリーン２４上に形成されるレーザーの像の直径が所定の直径Ｄ１よりも大きくなる範囲Ａを計算する。次に、この範囲の中心点をレーザーの焦点が入口開口面１８ｂに一致する位置として決定する。
最後に、ステップＳ１６において、コントローラ１４は、レーザーの焦点を入口開口面１８ｂ上で微小な距離移動させる。
【００７２】
図１６は、レーザーの焦点を、円筒形部分１８ａの中心軸線近傍で微小距離移動させた場合におけるレーザーの像の変化を示す図である。レーザーの焦点が円筒形部分１８ａの中心軸線から或る程度外れている場合には、スクリーン２４上に形成されるレーザーの像は、図１６（ａ）のようにドーナツ状になる。レーザーの焦点が、図１６（ａ）の場合よりも中心軸線に近づくと、レーザーの像は、図１６（ｂ）に示すように中央の暗い部分が減少する。さらに、レーザーの焦点が円筒形部分１８ａの中心軸線に一致すると、図１６（ｃ）に示すように、レーザーの像は中央に暗い部分が存在しない円形になる。
【００７３】
コントローラ１４は、この性質を利用して、レーザーの像が同程度のドーナツ状になる２つの点をサーチし、これらの点の中点を、レーザーの焦点が円筒形部分１８ａの中心軸線に一致する点として決定する。或いは、変形例として、レーザーの像がドーナツ状にならない位置を、レーザーの焦点が円筒形部分１８ａの中心軸線に一致する点として決定しても良い。
【００７４】
本発明の第２実施形態のレーザー加工装置によれば、少なくとも２つのレーザーの像を得るだけで、レーザーの焦点をジェットノズルの軸線に一致させることができる。
【００７５】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、ＣＣＤカメラによって撮像された像が、コントローラに読み込まれ、コントローラが画像解析を行うことにより自動的にアライメント調整が行われていたが、これをレーザー加工装置の使用者が手動で行っても良い。この場合には、ＣＣＤカメラによって撮像された画像を、使用者がモニターで確認しながら相対移動機構を駆動し、上述した手順に従ってアライメント調整を行う。
【００７６】
或いは、ＣＣＤカメラによって撮像された画像ではなく、スクリーン上に形成された像を、使用者が確認しながらアライメント調整を行うこともできる。この場合には、スクリーン上の像を確認しやすくするために、適当な光学系を介して像を観察できるように構成することもできる。
【００７７】
また、上述した実施形態においては、アライメント装置は、レーザー加工装置の一部として構成されていたが、アライメント装置をレーザー加工装置とは別個のユニットとして構成することもできる。
【００７８】
さらに、上述した第１、第２実施形態におけるアライメント調整手順を適宜組み合わせて、アライメント調整を行うこともできる。例えば、図２のステップＳ１、Ｓ２により、入口開口面内におけるレーザーの焦点の位置を位置合わせした後、図１２のステップＳ１４、Ｓ１５により、レーザーの焦点のＺ軸方向の位置を位置合わせすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置全体の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置において、アライメントを調整する手順を示すフローチャートである。
【図３】各方向の位置合わせのずれ量と、ガラス板に到達するレーザーのパワーの関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）ジェットノズルのノズル穴を通過するレーザーの模式図、及び（ｂ）スクリーン上に形成されるレーザーの像を示す図である。
【図５】（ａ）ジェットノズルのノズル穴を通過するレーザーの模式図、及び（ｂ）スクリーン上に形成されるレーザーの像を示す図である。
【図６】（ａ）ジェットノズルのノズル穴を通過するレーザーの模式図、及び（ｂ）スクリーン上に形成されるレーザーの像を示す図である。
【図７】ジェットノズルのノズル穴を通過するレーザーの模式図である。
【図８】ジェットノズルのノズル穴を通過するレーザーの模式図である。
【図９】スクリーン上に形成されるレーザーの像を示す図である。
【図１０】（ａ）ジェットノズルのノズル穴を通過するレーザーの模式図、及び（ｂ）スクリーン上に形成されるレーザーの像を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施形態におけるアライメント調整方法の原理を示す模式図である。
【図１２】本発明の第２実施形態におけるアライメント調整方法の手順を示すフローチャートである。
【図１３】（ａ）スクリーン上に形成されるレーザーの第１の像、及び（ｂ）レーザーの焦点の座標とノズル穴の位置関係を示す図である。
【図１４】（ａ）スクリーン上に形成されるレーザーの第２の像、及び（ｂ）レーザーの焦点の座標とノズル穴の位置関係を示す図である。
【図１５】レーザーの焦点位置のＺ方向のずれ量と、形成されるレーザーの像の直径の関係を示すグラフである。
【図１６】レーザーの焦点を、ノズル穴の中心軸線近傍で微小距離移動させた場合におけるレーザーの像の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
１      本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置
２      レーザー加工ヘッド
４      レーザー光学系
６      レーザー光源
８      加圧ポンプ
１０    アライメント装置
１２    相対移動機構
１４    コントローラ
１６    ヘッド本体部
１６ａ  液体供給チャンバ
１６ｂ  液体供給通路
１６ｃ  窓部材
１８    ジェットノズル
１８ａ  円筒形部分
１８ｂ  入口開口面
２０    ガラス板（透光板）
２２    ミラー
２４    スクリーン（受光部材）
２６    ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１００  欠け
【図１】
2009262163.tif 000003
【図２】
2009262163.tif 000004
【図３】
2009262163.tif 000005
【図７】
2009262163.tif 000006
【図８】
2009262163.tif 000007
【図１１】
2009262163.tif 000008
【図１２】
2009262163.tif 000009
【図１３】
2009262163.tif 000010
【図１４】
2009262163.tif 000011
【図１５】
2009262163.tif 000012
【図４】
2009262163.tif 000013
【図５】
2009262163.tif 000014
【図６】
2009262163.tif 000015
【図９】
2009262163.tif 000016
【図１０】
2009262163.tif 000017
【図１６】
2009262163.tif 000018