JP2008032524A - レーザ加工装置および計測用レーザ光の焦点検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能なレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】レーザ加工装置１は、ワーク２の加工を行うための加工用レーザ光とワーク２へ照射されるとともに加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光とを出射するレーザ光源３と、レーザ光源３から出射された計測用レーザ光の特性を測定するための第１受光素子４と、ワーク２で反射された計測用レーザ光の特性を測定するための第２受光素子５および遮蔽部材６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置、および、レーザ加工装置における計測用レーザ光の焦点検出方法に関する。

従来から、加工対象物（ワーク）に対して加工用レーザ光で除去加工等の微細なレーザ加工を行うレーザ加工装置が利用されている。この種のレーザ加工装置として、加工用レーザ光を出射する加工用レーザ光源に加え、加工用レーザ光の焦点とワークとの位置合せを行うため、加工用レーザ光と波長の異なる計測用レーザ光を出射する計測用レーザ光源を有するレーザ加工装置が知られている（たとえば、特許文献１および２参照）。

特許文献１に記載のレーザ加工装置では、計測用レーザ光源から出射されワークで反射された計測用レーザ光は、ＣＣＤカメラに入射する。また、特許文献２に記載のレーザ加工装置では、ワークで反射された計測用レーザ光は、ピンホールマスクを介してフォトディテクタに入射する。そして、ＣＣＤカメラでの撮影結果やフォトディテクタでの受光量に基づいて、計測用レーザ光の焦点とワークとの位置合せが行われる。なお、特許文献１および２に記載のレーザ加工装置では、加工用レーザ光源からワークまでの光路の一部と、計測用レーザ光源からワークまでの光路の一部とが共通になっている。

特開２００５−１６１３８７号公報 特開２００２−３２１０８０号公報

しかしながら、特許文献１および２に記載のレーザ加工装置では、加工用レーザ光と計測用レーザ光とがそれぞれ異なる光源から出射されているため、ワークに照射されるレーザ光の光軸に直交する方向で、加工用レーザ光の焦点位置と計測用レーザ光の焦点位置とを一致させることは困難である。また、加工用レーザ光の波長と計測用レーザ光の波長とが異なるにもかかわらず、加工用レーザ光源からワークまでの光路の一部と、計測用レーザ光源からワークまでの光路の一部とが共通であるため、ワークに照射されるレーザ光の光軸方向でも、加工用レーザ光の焦点位置と計測用レーザ光の焦点位置との間にずれが生じる。そのため、計測用レーザ光の焦点とワークとの位置合せが精度良く行われたとしても、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せの精度が低下する。

そこで、本発明の課題は、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能なレーザ加工装置および計測用レーザ光の焦点検出方法を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物の加工を行うための加工用レーザ光と加工対象物へ照射されるとともに加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光とを出射するレーザ光出射手段と、レーザ光出射手段から出射された計測用レーザ光の特性を測定するための出射光特性測定手段と、加工対象物で反射された計測用レーザ光の特性を測定するための反射光特性測定手段とを備えることを特徴とする。

本発明のレーザ加工装置では、加工用レーザ光と計測用レーザ光とが共通のレーザ光出射手段から出射されている。そのため、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向、および、光軸に直交する方向において、加工用レーザ光の焦点の位置と計測用レーザ光の焦点の位置とを一致させることが可能になる。また、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物で反射された計測用レーザ光の特性を測定するための反射光特性測定手段を備えているため、反射光特性測定手段で測定された計測用レーザ光の特性に基づいて、計測用レーザ光の焦点の位置の検出が可能になる。

ここで、レーザ光出射手段は、一般に、所定の出力で出射される加工用レーザ光の出力が安定するように構成されているため、加工用レーザ光と計測用レーザ光とを共通のレーザ光出射手段から出射する場合には、加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光を安定して出射することは困難である。そのため、計測用レーザ光が照射される加工対象物の光軸方向の位置が変動していない場合であっても、出射される計測用レーザ光の出力の変動に伴って、反射光特性測定手段で測定される反射光の特性も変動する。したがって、反射光特性測定手段で測定結果をそのまま用いて、計測用レーザ光の焦点の光軸方向の位置を検出すると、光軸方向の焦点位置の検出精度が低下する。

しかし、本発明のレーザ加工装置は、レーザ光出射手段から出射された計測用レーザ光の特性を測定するための出射光特性測定手段を備えているため、出射される計測用レーザ光の特性が変動しても、変動後の計測用レーザ光の特性を測定できる。したがって、出射される計測用レーザ光の特性が変動する場合であっても、出射光特性測定手段での測定結果に基づいて、計測用レーザ光の特性の変動分を考慮して、反射光特性測定手段で測定される反射光の特性を補正できる。

このように、本発明のレーザ加工装置では、加工用レーザ光と計測用レーザ光とが共通のレーザ光出射手段から出射されているため、加工用レーザ光の焦点と計測用レーザ光の焦点とを一致させることが可能になる。また、レーザ光出射手段から出射される計測用レーザ光の出力の変動に伴う特性の変動を考慮した反射光の特性の補正が可能であるため、出射される計測用レーザ光の特性が変動する場合であっても、計測用レーザ光の焦点の光軸方向の位置を高精度で検出できる。したがって、検出された計測用レーザ光の焦点に基づいて、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能になる。なお、本明細書において、「計測用レーザ光の特性」とは、たとえば、計測用レーザ光の出力、強度、光量あるいは所定の光学系を介して形成されるスポットの大きさ等である。

また、上記の課題を解決するため、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物の加工を行うための加工用レーザ光と加工対象物へ照射されるとともに加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光とを出射するレーザ光出射手段と、レーザ光出射手段から出射された計測用レーザ光の出射光量を測定するための出射光量測定手段と、加工対象物で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定するための反射光量測定手段とを備えることを特徴とする。

本発明のレーザ加工装置では、加工用レーザ光と計測用レーザ光とが共通のレーザ光出射手段から出射されているため、加工用レーザ光の焦点と計測用レーザ光の焦点とを一致させることが可能になる。また、本発明のレーザ加工装置は、計測用レーザ光の出射光量を測定するための出射光量測定手段を備えているため、計測用レーザ光の出力が変動し、出射光量が変動する場合であっても、変動後の出射光量を測定できる。したがって、共通のレーザ光出射手段から出力の小さな計測用レーザ光が出射されるために、計測用レーザ光の出射光量が変動する場合であっても、出射光量の変動を考慮して反射光量を補正できる。その結果、加工用レーザ光の焦点と一致させることが可能な計測用レーザ光の焦点の光軸方向の位置を高精度で検出でき、検出された計測用レーザ光の焦点に基づいて、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能になる。

本発明において、レーザ加工装置は、出射光量測定手段で測定される出射光量に基づいて、反射光量測定手段で測定される反射光量を補正する光量補正手段を備えることが好ましい。このように構成すると、光量補正手段で補正された補正光量に基づいて、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことができる。

本発明において、反射光量測定手段は、加工対象物で反射された計測用レーザ光の反射光の一部が通過する孔部が形成される遮蔽部材と、孔部を通過する反射光の光量を測定する受光素子とを備えることが好ましい。このように構成すると、孔部を微小孔にするとともに、反射光が結像する位置（合焦位置）に孔部が位置するように遮蔽部材を配置することで、出力が安定しにくい焦点外の余分な反射光を除去することが可能になる。その結果、受光素子によって、反射光量をより精度良く測定できる。

本発明において、反射光量測定手段は、加工用レーザ光が照射される加工対象物を撮影可能な撮像素子であることが好ましい。このように構成すると、加工対象物に照射される加工用レーザ光の光軸に直交する方向での加工対象物の位置検出が可能になる。

さらに、上記の課題を解決するため、本発明の計測用レーザ光の焦点検出方法は、加工対象物の加工を行うための加工用レーザ光を出射するレーザ光出射手段から、加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光を加工対象物に向けて出射する計測用レーザ光出射ステップと、レーザ光出射手段から出射された計測用レーザ光の特性を測定する出射光特性測定ステップと、加工対象物で反射された計測用レーザ光の特性を測定する反射光特性測定ステップと、出射光特性測定ステップでの測定結果に基づいて、反射光特性測定ステップで測定された計測用レーザ光の特性を補正する反射光特性補正ステップと、反射光特性補正ステップで補正された補正特性に基づいて、計測用レーザ光の焦点の位置を検出する焦点検出ステップとを備えることを特徴とする。

本発明の計測用レーザ光の焦点検出方法では、計測用レーザ光出射ステップで、加工用レーザ光を出射するレーザ光出射手段から計測用レーザ光を出射している。そのため、加工用レーザ光の焦点と計測用レーザ光の焦点とを一致させることが可能になる。また、出射光特性測定ステップでの測定結果に基づいて、反射光特性測定ステップで測定された計測用レーザ光の特性の補正を反射光特性補正ステップで行い、反射光特性補正ステップで補正された補正特性に基づいて、焦点検出ステップで計測用レーザ光の焦点の位置を検出している。したがって、レーザ光出射手段から出射される計測用レーザ光の出力が変動することで、その特性が変動する場合であっても、その変動分を考慮した計測用レーザ光の焦点の光軸方向の位置の検出が可能になる。そのため、計測用レーザ光の焦点の光軸方向の位置を高精度で検出できる。その結果、検出された計測用レーザ光の焦点に基づいて、計測用レーザ光の焦点と一致させることが可能な加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能になる。

以上説明したように、本発明のレーザ加工装置および計測用レーザ光の焦点検出方法では、加工用レーザ光の焦点と加工対象物の位置合せを高精度で行うことが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（レーザ加工装置の概略構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置１の概略構成を模式的に示す図である。図２は、図１に示すワーク２がＸ方向で計測用レーザ光の焦点Ｆから外れた位置にあるときの状態を示す図である。

本形態のレーザ加工装置１は、所定の加工対象物（ワーク）２に対して除去加工や接合加工等の微細なレーザ加工を行うレーザ微細加工装置である。特に、本形態のレーザ加工装置１は、卓上への設置が可能な軽量かつ小型の加工装置である。このレーザ加工装置１は、図１に示すように、ワーク２の加工を行うための加工用レーザ光および加工用レーザ光の焦点とワーク２との位置合せ等を行うための計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段としてのレーザ光源３と、レーザ光源３から出射された計測用レーザ光の出射光量を測定するための出射光量測定手段としての第１受光素子４と、ワーク２で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定するための反射光量測定手段としての第２受光素子５および遮蔽部材６と、計測用レーザ光の反射光を用いてワーク２を撮影可能な撮像素子７と、レーザ光源３から出射された加工用レーザ光や計測用レーザ光の光路を形成するための光学系８とを備えている。また、レーザ加工装置１は、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザ光源３に対して、ワーク２よりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板９と、ワーク２を移動可能に保持する移動機構１０と、レーザ加工装置１の各種の制御を行う制御部１１とを備えている。

なお、以下では、加工用レーザ光および計測用レーザ光をまとめて表す場合には「レーザ光」と表記する。また、以下では、図１の左右方向をＸ方向、紙面垂直方向をＹ方向、上下方向（すなわち、ワーク２に照射されるレーザ光の光軸方向）をＺ方向と表記する。

光学系８は、凹レンズ１４および凸レンズ１５を有するビームエキスパンダー１６と、凹レンズ１４と凸レンズ１５との間に配置された第１ビームサンプラー１７と、撮像素子７と第１ビームサンプラー１７との間に配置された第２ビームサンプラー１８と、ワーク２の配置位置とビームエキスパンダー１６との間に配置された対物レンズ１９とを備えている。

ビームエキスパンダー１６では、凹レンズ１４がレーザ光源３側に配置され、凸レンズ１５が対物レンズ１９側に配置されている。このビームエキスパンダー１６は、レーザ光源３から出射されるレーザ光の径を拡大する。第１ビームサンプラー１７は、レーザ光源３から出射され、凹レンズ１４を透過したレーザ光の大半を凸レンズ１５に向かって透過させるとともに、その一部を第１受光素子４に向かって反射する。また、第１ビームサンプラー１７は、ワーク２や反射板９で反射された計測用レーザ光の一部を撮像素子７に向かって反射する。第２ビームサンプラー１８は、第１ビームサンプラー１７で反射され撮像素子７へ向かう計測用レーザ光の一部を第２受光素子５に向かって反射する。対物レンズ１９は、凸レンズ１５を透過したレーザ光をワーク２に集光する。

レーザ光源３は、たとえばファイバーレーザであり、上述のように、加工用レーザ光と計測用レーザ光とを出力する。計測用レーザ光の出力は、加工用レーザ光の出力よりも非常に小さくなっている。たとえば、計測用レーザ光の出力は、加工用レーザ光の出力の２０分の１程度である。また、本形態のレーザ光源３は、ワーク２の適切な加工を行うため、出力の安定した加工用レーザ光を出射する。その一方で、レーザ光源３の特性上、加工用レーザ光よりも出力の非常に小さな計測用レーザ光のレーザ光源３からの出力は安定しない。すなわち、レーザ光源３から出射される計測用レーザ光の出力は、経時的に変動する。なお、本形態では、加工用レーザ光の波長と計測用レーザ光の波長とがほぼ等しくなっており、加工用レーザ光の焦点位置と計測用レーザ光の焦点位置とはほぼ一致する。

第１受光素子４および第２受光素子５は、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の素子で構成されている。第１受光素子４は、その受光量を電気量に変換することで、レーザ光源３から出射された計測用レーザ光の出射光量を測定する。また、第２受光素子５は、その受光量を電気量に変換することで、ワーク２で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定する。

遮蔽部材６には、第２ビームサンプラー１８で反射された計測用レーザ光が通過する孔部としての微小孔（ピンホール）６ａが形成されている。本形態では、ワーク２（具体的には、たとえば、図１のおけるワーク２の上面２ａ）が計測用レーザ光の焦点Ｆの位置にあるときに、ワーク２の反射光が結像する位置（合焦位置）が微小孔６ａの形成位置となるように、遮蔽部材６が配置されている。すなわち、本形態の第２受光素子５は、出力が安定しにくい焦点外の余分な反射光を除去する共焦点効果を利用して、ワーク２で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定する。

撮像素子７は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサである。この撮像素子７は、ワーク２が計測用レーザ光の焦点Ｆの位置にあるときに、ワーク２の反射光が結像する位置が撮像素子７の受光面となるように配置されている。

反射板９は、図２に示すように、ワーク２が、Ｚ方向に直交する方向で計測用レーザ光の焦点Ｆから外れた位置にあるときに、計測用レーザ光を反射する。この反射板９は、後述のように、ワーク２のＸ、Ｙ方向（Ｚ方向に直交する方向）の端部を検出するために用いられる。本形態の反射板９は、セラミック部材や金属部材で形成されている。また、反射板９の反射面（図１の上面）９ａは、入射された計測用レーザ光を乱反射させる乱反射面（粗面）となっている。すなわち、反射面９ａには、粗面加工が施されている。なお、反射面９ａは、鏡面であっても良い。

移動機構１０は、ワーク２を保持する保持部２１と、保持部２１を駆動する駆動部２２とを備えている。駆動部２２は、保持部２１をＸ、Ｙ、Ｚ方向の３軸方向へ駆動する。

制御部１１には、レーザ光源３と第１受光素子４と第２受光素子５と撮像素子７と移動機構１０とが接続されている。制御部１１は、上述のように、レーザ加工装置１の各種の制御を行う。たとえば、制御部１１は、レーザ光源３に対して、レーザ光の出射指令を出力する。また、制御部１１は、後述のように、第１受光素子４で測定された出射光量と第２受光素子５で測定された反射光量とに基づいて、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を特定し、移動機構１０を駆動させて焦点Ｆの位置までワーク２を移動する。

（計測用レーザ光の焦点のＺ方向位置の検出原理）
図３は、図１に示すワーク２のＺ方向の位置と、第２受光素子５で測定される反射光量との関係を示すグラフである。

本形態では、第１受光素子４で測定された計測用レーザ光の出射光量と、第２受光素子５で測定された計測用レーザ光の反射光量とに基づいて、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出される。以下、本形態の計測用レーザ光の焦点のＺ方向位置の検出原理を説明する。

レーザ光源３から出射される計測用レーザ光の出力が一定である場合には、第２受光素子５で測定される計測用レーザ光の反射光量と、ワーク２のＺ方向位置との関係は、図３の実線で示すグラフＧのように略正規分布状になる。すなわち、Ｚ方向で、ワーク２が計測用レーザ光の焦点Ｆの位置にあるときには、第２受光素子５で測定される反射光量は極大値Ｌとなり、ワーク２が焦点Ｆから対物レンズ１９側または反射板９側に向かって離れるにしたがって、第２受光素子５で測定される反射光量は小さくなる。

したがって、計測用レーザ光の出力が一定である場合には、移動機構１０でＺ方向にワーク２を移動させながら、第２受光素子５で計測用レーザ光の反射光量を測定して、極大点Ｍを特定し、極大点Ｍに対応するワーク２のＺ方向位置を測定することで、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出される。

しかしながら、上述のように、本形態のレーザ光源３から出射される計測用レーザ光の出力は安定せず、経時的に変動する。そのため、第２受光素子５で測定される反射光量とワーク２のＺ方向位置との関係は略正規分布状にはならず、たとえば、図３の二点鎖線で示すグラフＧ１０のように変動する。したがって、第２受光素子５で測定される反射光量をそのまま用いて、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を検出すると、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置の検出精度が低下する。

そこで、本形態では、第１受光素子４で測定された計測用レーザ光の出射光量に基づいて、第２受光素子５で測定された反射光量を補正した補正光量が算出される。すなわち、第１受光素子４によって、計測用レーザ光の現状の出力を把握し、第２受光素子５で測定された反射光量から出力の変動分をキャンセルした補正光量が算出される。そして、この補正光量に基づいて計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出される。

具体的には、第１受光素子４で測定される出射光量と計測用レーザ光の出力との関係（第１受光素子４の特性）、および、第２受光素子５で測定される反射光量と計測用レーザ光の出力との関係（第２受光素子５の特性）を予め求め、これらの関係から計測用レーザ光の出力の変動分をキャンセルした補正光量が算出される。たとえば、第１受光素子４の特性と第２受光素子５の特性とが同じであれば、補正光量は下記のように算出される。
（補正光量）＝（第２受光素子５での反射光量）／（第１受光素子４での出射光量）
そして、ワーク２のＺ方向位置との関係で、この補正光量が極大となる点を特定し、この極大点に対応するワーク２のＺ方向位置を測定することで、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出される。

本形態では、補正光量の算出は制御部１１で行われる。すなわち、制御部１１は、第１受光素子４で測定される出射光量に基づいて、第２受光素子５で測定される反射光量を補正して、補正光量を算出する光量補正手段となっている。また、計測用レーザ光の焦点Ｆの位置の検出も制御部１１で行われている。

（ワークのＸ、Ｙ方向端部の検出原理）
図４は、図１に示す反射板９で計測用レーザ光が反射されたときに撮像素子７で撮影される映像の一例を示す図である。

本形態では、反射板９で反射された計測用レーザ光を用いて、ワーク２のＸ、Ｙ方向の端部が検出される。以下、直方体状のワーク２のＸ方向端部２ｂ（図２参照）が検出される場合を例に、本形態のワーク２のＸ、Ｙ方向端部の検出原理を説明する。

ワーク２のＸ方向端部２ｂの検出前に、まず、上述の方法で計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出され、ワーク２と焦点Ｆとの位置合せが行われる。すなわち、図１に示すように、Ｚ方向で、ワーク２の上面２ａと焦点Ｆとの位置合せが行われる。この状態で、撮像素子７によって撮影された映像上に、焦点Ｆに対応する焦点対応点Ｆ１が設定される（図４参照）。その後、図２に示すように、移動機構１０によってワーク２がＸ方向へ移動され、Ｘ方向で焦点Ｆから外れた位置に配置される。

ワーク２がＸ方向で焦点Ｆから外れると、撮像素子７によってたとえば、図４に示す映像が撮影される。すなわち、反射板９で乱反射された計測用レーザ光の一部がワーク２によって遮られるため、撮像素子７によって撮影された映像上の、ワーク２に対応するワーク対応エリア２１が暗くなり、その他のエリアは明るくなる。また、Ｚ方向で、ワーク２の上面２ａと焦点Ｆとの位置合せが行われているため、ワーク２のＸ方向端部２ｂに対応する端部対応線２１１は、撮像素子７によって撮影された映像上で明確に特定される。すなわち、ワーク２のＸ方向端部２ｂが検出される。

端部対応線２１１が明確に特定されると、端部対応線２１１と焦点対応点Ｆ１とのＸ方向の距離Ｘ１が算出される。すなわち、Ｘ方向端部２ｂと焦点Ｆとの距離が算出される。また、Ｘ方向端部２ｂとワーク２の加工部位と距離は予め、設計上でわかっているため、焦点Ｆとワーク２の加工部位までのＸ方向の距離が算出される。同様に、ワーク２のＹ方向の端部も検出され、焦点Ｆとワーク２の加工部位までのＹ方向の距離が算出される。また、焦点Ｆとワーク２の加工部位までの距離の算出は、制御部１１で行われている。なお、反射板９の反射面９ａが鏡面である場合には、端部対応線２１１が撮像素子７によって撮影された映像上に現れるように、反射面９ａの傾きを調整する必要がある。

（ワークの位置合せ方法）
図５は、図１に示すレーザ加工装置１でのワーク２の位置合せの手順を示すフローチャートである。以上のように構成されたレーザ加工装置１では、以下のように、ワーク２の位置合せを行う。

まず、移動機構１０によって、ワーク２をＸ、Ｙ方向へ移動させて、レーザ光源３から出射されるレーザ光が照射される位置にワーク２を配置する（ステップＳ１）。その後、レーザ光源３から計測用レーザ光を出射し（ステップＳ２）、第１受光素子４で出射光量を測定するとともに、第２受光素子５で反射光量を測定する（ステップＳ３）。

その後、第１受光素子４で測定された出射光量と第２受光素子５で測定された反射光量とから、補正光量を算出して記憶する（ステップＳ４）。その後、ワーク２をＺ方向の所定範囲に配置して、各配置位置で出射光量および反射光量を測定したか否かを判断する（ステップＳ５）。具体的には、ステップＳ５では、Ｚ方向で計測用レーザ光の焦点Ｆの位置を含む所定範囲にワーク２を配置して、各配置位置で出射光量および反射光量を測定したか否かを判断する。所定範囲で測定が行われていない場合には、ステップＳ３へ戻る。

一方、所定範囲で出射光量および反射光量を測定している場合には、ステップＳ４で算出、記憶された補正光量から計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を検出する（ステップＳ７）。具体的には、ワーク２の各位置に対応する補正光量から近似曲線を作成し、ワーク２のＺ方向位置との関係で補正光量が極大となる点を特定して、焦点ＦのＺ方向位置を検出する。

計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を検出すると、移動機構１０でワーク２をＺ方向へ移動させ、Ｚ方向で、検出された焦点Ｆとワーク２との位置合せを行う（ステップＳ８）。その後、移動機構１０でワーク２をＸ、Ｙ方向へ移動させ、Ｘ、Ｙ方向で焦点Ｆから外れた位置にワーク２を配置する（ステップＳ９）。この状態で、反射板９からの反射光を用いて、撮像素子７によって、ワーク２の端部を検出する（ステップＳ１０）。その後、ワーク２の加工部位と焦点Ｆとの距離を算出する（ステップＳ１１）。そして、移動機構１０によって、Ｘ、Ｙ方向で加工部位と焦点Ｆとの位置合せを行い（ステップＳ１２）、ワーク２の位置合せが終了する。また、ワーク２の位置合せ後には、レーザ光源３から加工用レーザ光を出射してワーク２のレーザ加工を行う。

なお、本形態では、ステップＳ２は、レーザ光源３から計測用レーザ光を出射する計測用レーザ光出射ステップであり、ステップＳ３は、出射された計測用レーザ光の特性の１つである出射光量を測定する出射光特性測定ステップおよびワーク２で反射された計測用レーザ光の特性の１つである反射光量を測定する反射光特性測定ステップであり、ステップＳ４は、ステップＳ３での測定結果に基づいて第２受光素子５で測定された反射光量を補正する反射光特性補正ステップであり、ステップＳ７は、ステップＳ４で補正された補正光量に基づいて、計測用レーザ光の焦点Ｆの位置を検出する焦点検出ステップである。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、波長がほぼ等しい加工用レーザ光と計測用レーザ光とが共通のレーザ光源３から出射されている。そのため、加工用レーザ光の焦点と計測用レーザ光の焦点とがほぼ一致する。また、本形態では、第１受光素子４によって、レーザ光源３から出射された計測用レーザ光の出射光量を測定できる。そのため、計測用レーザ光の出力が変動し、出射光量が変動する場合であっても、変動後の出射光量を測定できる。したがって、共通のレーザ光源３から出力の安定しない計測用レーザ光が出射され、計測用レーザ光の出射光量が変動する場合であっても、出射光量の変動を考慮して反射光量を補正した補正光量を算出できる。その結果、補正光量に基づいて、計測用レーザ光の焦点のＺ方向位置を高精度で検出できる。したがって、検出された計測用レーザ光の焦点に基づいて、加工用レーザ光の焦点とワーク２との位置合せを高精度で行うことができる。

また、本形態では、ワーク２に対して除去加工が行われる場合に、レーザ加工の途中で、除去加工部位の加工量を測定できる。すなわち、まず、加工前の除去加工部位が焦点Ｆと一致するときのワーク２のＺ方向位置を特定し、記憶する。また、除去加工途中のワーク２に対して、ステップＳ２からステップＳ７までの処理を行い、加工中の除去加工部位が焦点Ｆと一致するときのワーク２のＺ方向位置を特定する。そして、それぞれ特定されたＺ方向位置の差から、除去加工部位の加工量を算出する。このように、本形態では、加工用レーザ光が出射されるレーザ光源３から計測用レーザ光が出射されるため、加工途中のワーク２をＸ、Ｙ方向へずらすことなく、除去加工部位の加工量を測定できる。

本形態では、第２受光素子５は、共焦点効果を利用して、ワーク２で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定している。そのため、出力が安定しにくい焦点外の余分な反射光を除去することができ、第２受光素子５によって、反射光量を精度良く測定できる。

（他の実施の形態）
上述した形態では、ワーク２で反射された計測用レーザ光の反射光量は、第２受光素子５で測定されているが、計測用レーザ光の反射光量は、撮像素子７で測定されても良い。また、計測用レーザ光の反射光量は、第２受光素子５と撮像素子７との両者で測定されても良い。ここで、撮像素子７に入射する反射光は、図６の実線で示すように、反射光の中心部が一番明るく、中心部から離れるにしたがって次第に暗くなる。そして、撮像素子７で撮影される反射光の映像において、所定の閾値ｔ以上の明るさを有する領域が反射光のスポットとして特定され、特定されたスポットの明るさの総和が撮像素子７で測定される計測用レーザ光の反射光量となる。また、第２受光素子５で反射光量が測定される場合と同様に、移動機構１０でＺ方向にワーク２を移動させながら、撮像素子７で計測用レーザ光の反射光量を測定して、ワーク２のＺ方向位置との関係で、反射光量の極大点を特定することで、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置の検出が可能である。

この場合にも、計測用レーザ光の出力が経時的に変動すると、ワーク２のＺ方向の位置が一定であっても、撮像素子７で測定される反射光量は変動する。たとえば、図６の二点鎖線で示すように、計測用レーザ光の出力が低下すると、撮像素子７に入射する反射光の明るさも低下して、スポットが小さくなり、その結果、測定される反射光量も低下する。そのため、上述した形態と同様に、第１受光素子４での測定結果から、出射光量の変動を考慮して撮像素子７で測定される反射光量を補正することで、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を高精度で検出できる。なお、撮像素子７のみで反射光量を測定する場合には、図７に示すように、第２受光素子５、遮蔽部材６および第２ビームサンプラー１８が不要となるため、レーザ加工装置１の構成を簡素化できる。また、第２受光素子５のみで反射光量を測定する場合には、撮像素子７を省略することも可能である。

上述した形態では、レーザ加工装置１は反射板９を備えているが、図８に示すように、反射板９を設けずに、移動機構５０にワーク２が載置されても良い。この場合には、ワーク２のＸ、Ｙ方向端部の検出は、以下のように行えば良い。すなわち、まず、図８に示すように、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向で、ワーク２が計測用レーザ光の焦点Ｆの位置に配置され、レーザ光源３から所定の基準出力で計測用レーザ光が出射されたときの基準反射光量を第２受光素子５または撮像素子７で測定する。そして、ワーク２をＸ方向またはＹ方向へ移動させながら、第２受光素子５または撮像素子７で測定される反射光量が基準反射光量に対してある割合（たとえば、基準反射光量の５０％）になったときにワーク２のＸ方向またはＹ方向の端部が検出されたと判断する。この場合にも、レーザ光源３から出射される計測用レーザ光の出力が経時的に変動すると、ワーク２の位置が一定であっても、第２受光素子５または撮像素子７で測定される反射光量は変動するが、第１受光素子４での測定結果から、出射光量の変動を考慮して反射光量を補正することで、ワーク２のＸ、Ｙ方向の端部を精度良く検出することが可能になる。その結果、Ｘ、Ｙ方向でワーク２の加工部位と、加工用レーザ光の焦点位置とを精度良く位置合せすることが可能になる。

上述した形態では、移動機構１０でＺ方向にワーク２を移動させながら、補正光量を算出して、焦点Ｆの位置を検出するとともにワーク２の位置合せを行っている。この他にもたとえば、レーザ光源３から所定の基準出力で計測用レーザ光を出射した状態でワーク２をＺ方向に移動させ、ワーク２のＺ方向位置と反射光量との関係を予め把握するとともに、この把握された関係に基づいて、第２受光素子５または撮像素子７で測定される反射光量から、ワーク２と焦点Ｆとの位置合せを行っても良い。この場合には、予め把握された関係に基づいて、反射光量からワーク２のＺ方向位置を検出することも可能になる。

上述した形態では、第１受光素子４で計測用レーザ光の出射光量が測定され、第２受光素子５で計測用レーザ光の反射光量が測定されている。また、測定された出射光量に基づいて、計測用レーザ光の出力の変動分をキャンセルした補正光量が算出されている。この他にもたとえば、出射光量に代えて、計測用レーザ光の出力、強度あるいは所定の光学系を介して形成されるスポットの大きさ等の計測用レーザ光の出力の変動を検出できる他の特性を測定し、これらの特性に基づいて、計測用レーザ光の出力の変動分をキャンセルした補正光量が算出されても良い。また、撮像素子７で検出されるスポットの大きさから計測用レーザ光の焦点Ｆの位置を検出するとともに、レーザ光源３から出射される計測用レーザ光の特性に基づいて、撮像素子７で検出されるスポットの大きさを補正しても良い。

なお、加工用レーザ光の出力が非常に大きく、第１ビームサンプラー１７で反射された加工用レーザ光によって、第１受光素子４が破壊されるおそれがある場合、あるいは、ワーク２等で反射された加工用レーザ光によって、第２受光素子５や撮像素子７が破壊されるおそれがある場合には、第１ビームサンプラー１７と第１受光素子４との間や、第１ビームサンプラー１７と第２ビームサンプラー１８との間に、シャッタ、減光用フィルムあるいは、減光を目的としたビームサンプラーを配置することが好ましい。

本発明の実施の形態のレーザ加工装置の概略構成を模式的に示す図。 図１に示すワークがＸ方向で計測用レーザ光の焦点から外れた位置にあるときの状態を示す図。 図１に示すワークのＺ方向の位置と、第２受光素子で測定される反射光量との関係を示すグラフ。 図１に示す反射板で計測用レーザ光が反射されたときに撮像素子で撮影される映像の一例を示す図。 図１に示すレーザ加工装置でのワークの位置合せの手順を示すフローチャート。 図１に示すワークで反射された反射光の明るさと反射光の中心部からの距離との関係を示す図。 本発明の他の形態にかかるレーザ加工装置の概略構成を模式的に示す図。 本発明の他の形態にかかる移動機構の概略構成を模式的に示す図。

符号の説明

１ レーザ加工装置
２ ワーク（加工対象物）
３ レーザ光源（レーザ光出射手段）
４ 第１受光素子（出射光特性測定手段、出射光量測定手段）
５ 第２受光素子（反射光特性測定手段の一部、反射光量測定手段の一部、受光素子）
６ 遮蔽部材（反射光特性測定手段の一部、反射光量測定手段の一部）
６ａ 微小孔（孔部）
７ 撮像素子（反射光特性測定手段、反射光量測定手段）
１１ 制御部（光量補正手段）
Ｓ２ 計測用レーザ光出射ステップ
Ｓ３ 出射光特性測定ステップ、反射光特性測定ステップ
Ｓ４ 反射光特性補正ステップ
Ｓ７ 焦点検出ステップ

Claims (6)

1. 加工対象物の加工を行うための加工用レーザ光と上記加工対象物へ照射されるとともに上記加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光とを出射するレーザ光出射手段と、上記レーザ光出射手段から出射された上記計測用レーザ光の特性を測定するための出射光特性測定手段と、上記加工対象物で反射された上記計測用レーザ光の特性を測定するための反射光特性測定手段とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 加工対象物の加工を行うための加工用レーザ光と上記加工対象物へ照射されるとともに上記加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光とを出射するレーザ光出射手段と、上記レーザ光出射手段から出射された上記計測用レーザ光の出射光量を測定するための出射光量測定手段と、上記加工対象物で反射された上記計測用レーザ光の反射光量を測定するための反射光量測定手段とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 前記出射光量測定手段で測定される前記出射光量に基づいて、前記反射光量測定手段で測定される前記反射光量を補正する光量補正手段を備えることを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
4. 前記反射光量測定手段は、前記加工対象物で反射された前記計測用レーザ光の反射光の一部が通過する孔部が形成される遮蔽部材と、上記孔部を通過する上記反射光の光量を測定する受光素子とを備えることを特徴とする請求項２または３記載のレーザ加工装置。
5. 前記反射光量測定手段は、前記加工用レーザ光が照射される前記加工対象物を撮影可能な撮像素子であることを特徴とする請求項２または３記載のレーザ加工装置。
6. 加工対象物の加工を行うための加工用レーザ光を出射するレーザ光出射手段から、上記加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光を上記加工対象物に向けて出射する計測用レーザ光出射ステップと、上記レーザ光出射手段から出射された上記計測用レーザ光の特性を測定する出射光特性測定ステップと、上記加工対象物で反射された上記計測用レーザ光の特性を測定する反射光特性測定ステップと、上記出射光特性測定ステップでの測定結果に基づいて、上記反射光特性測定ステップで測定された上記計測用レーザ光の特性を補正する反射光特性補正ステップと、上記反射光特性補正ステップで補正された補正特性に基づいて、上記計測用レーザ光の焦点の位置を検出する焦点検出ステップとを備えることを特徴とする計測用レーザ光の焦点検出方法。

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