JP2008068313A - レーザ加工装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 レーザ光Lの出射点に基づいて予め定められる加工基準面上に設けられる3以上の基準点の位置座標を記憶する基準点記憶部401と、レーザ光Lを加工基準面上で走査させ、各基準点のいずれか2つを加工対象物上に表示する走査制御部407と、表示された基準点及び当該基準点に対応する加工基準面上の基準点間における位置の差分情報に基づいて、各基準点の位置座標を加工基準面内で変更する基準位置変更処理部402と、基準位置変更処理部402による変更後の基準点の位置座標及び変更前の基準点の位置座標に基づいて、加工基準面上の照射位置が規定された加工パターン情報の位置座標を変換する座標変換処理部404により構成される。
【選択図】 図27
Description
まず、本発明の実施の形態1によるレーザ加工装置100の全体構成を説明した後、レーザ加工装置100に含まれるレーザ発振部10、ビームエキスパンダ11、走査部12及び励起光発生部23の詳細について更に説明する。
レーザ出力部1は、レーザ光Lを3次元スキャンさせることができるレーザ照射装置であり、レーザ発振部10、ビームエキスパンダ11、走査部12、集光レンズ13及びスキャナ駆動回路16によって構成される。レーザ発振部10内のレーザ媒質32から放出される誘導放射光としてのレーザ光Lは、ビームエキスパンダ11及び走査部12を順に経由した後、集光レンズ13によってワークWの加工面上に集光される。この集光レンズ13にはfθレンズが用いられる。
レーザ制御部2は、レーザ出力部1の動作を制御する制御装置であり、メモリ部21、制御部22、励起光発生部23及び電源24によって構成される。メモリ部21は、入力部3から入力された設定データやその他の制御データを保持する記憶手段であり、例えばROM、RAMなどの半導体メモリが用いられる。
入力部3は、レーザ加工装置100の動作に関する様々な設定データをユーザが入力するための入力装置であり、キーボード、タッチパネル、マウスなどを用いることができる。例えば、レーザ加工装置100の動作条件や印字内容などがユーザによって入力され、入力部3からレーザ制御部1へ出力される。なお、図示しないが、入力部3で入力された設定データを確認したり、レーザ制御部2の状態等を表示するための表示部を別途設けることもできる。
図2は、励起光発生部23の内部の一例を示した斜視図である。この励起光発生部23は、光学的に接合された励起光源25及び励起光集光部26をケーシング27内に固定して構成される。励起光源25は、レーザ発振部10に供給する励起光を生成する光源装置であり、その放熱は、熱伝導性の良い真鍮などの金属からなるケーシング27によって効率的に行われている。この例では、励起光源25として、複数の半導体レーザダイオード素子を直線状に並べたレーザダイオードアレイが使用され、各素子で生成されたレーザ光が直線上に並んだ平行光として、励起光集光部26へ出力される。励起光集光部26は、フォーカシングレンズなどで構成され、励起光源25からの励起光を光ファイバケーブル28へ入射させている。光ファイバ28は、励起光発生部23及びレーザ発振部10を光学的に結合している励起光の伝送路である。
図3は、レーザ発振部10の一構成例を示した図である。レーザ発振部10は、励起光をレーザ媒体32に照射し、その誘導放出光を共振器内で増幅して、レーザ光を生成するレーザ発振装置である。光ファイバーケーブル28を介して、励起光発生部23から入力された励起光は、入射レンズ30によってレーザ媒体32内に集光され、レーザ媒体32から誘導放射光が放出される。この誘導放射光は、対向配置された入射ミラー31及び出力ミラー35で反射され、レーザ媒体32に再び入射される。
レーザ媒質32には、例えば、Nd:YVO4(ネオジウムイオンをドープしたイットリューム・バナジウム酸塩)を用いることができる。この場合、Nd:YVO4の吸収スペクトルの中心波長である809nmの波長を有する励起光が用いられる。また、希土類をドープしたYAG、LiSrF、LiCaF、YLF、NAB、KNP、LNP、NYAB、NPP、GGGなどをレーザ媒質32として用いることもできる。更に、このような固体レーザ媒質に波長変換素子を組み合わせて、出力されるレーザ光Lの波長を任意の波長に変換することもできる。
図4は、ビームエキスパンダ11の一構成例を示した図である。図中の(a)は、ビームエキスパンダ11をレーザ光Lの光軸方向から見た図であり、図中の(b)は、レーザ光Lの光軸を含む面で切断した場合の断面図である。
図5は、走査部12の一構成例を示した斜視図である。走査部12は、一対のガルバノミラー14a,14bと、これらのガルバノミラー14a,14bをそれぞれ回動させるガルバノモータ15a,15bとを備えている。ガルバノミラー14a及び14bは、レーザ光を反射させる全反射ミラーであり、ガルバノモータ15a,15bの回転軸にそれぞれ取り付けられている。ガルバノモータ15a,15bには、例えばステッピングモータが用いられ、スキャナ駆動回路16からの駆動信号に基づいて、両ガルバノミラー14a、14bが干渉しない範囲において、その回転角を自在に変化させることができる。
図6及び図7は、ビームエキスパンダ11を用いたZ軸方向のスキャン動作に関する説明図であり、ビームエキスパンダ11及び走査部12を含む走査系が示され、集光レンズ13は省略されている。ここでは、ビームエキスパンダ11内の入射レンズ40及び出射レンズ41間の距離が短くなれば、レーザ光Lのビーム径が大きくなる場合について説明する。
このレーザ加工装置100は、赤色光などの可視光をワークWに照射し、ワークW上にディスタンスポインタを表示させることができる。ディスタンスポインタは、照射面までの距離に応じて形状が変化する視認可能なパターンであり、その照射距離を指定することができ、ワークWまでの距離(ワーキングディスタンス)が上記照射距離に一致している場合に特徴的な形状となる。このため、ワークW上にディスタンスポインタを表示させることによって、ワーキングディスタンスが、予め指定された照射距離に一致しているかを視覚的に確認することができる。
図12は、図1のレーザ加工装置100を含むレーザマーキングシステムの構成例を示したブロック図である。このレーザマーキングシステムは、レーザ加工装置100と、ワークセンサ101と、高さ測定器102と、レーザ加工装置100に通信ケーブルを介して接続される外部機器200により構成される。レーザ加工装置100のレーザ出力部1は、例えば、製造ライン上に配置され、製造ラインを流れるワークWに対してレーザ光Lを照射し、文字などの加工パターンをワークW表面に加工する。
図16は、図12のレーザ加工装置100における動作の一例を示した図であり、Z値選択モード時における高さ方向のオフセット調整の様子が示されている。この例では、ワークセンサ101からのストローブ信号に同期して加工面の高さ、すなわち、印字高さを調整する処理が行われる。加工面のオフセット量z1は、PLC230からのトリガ信号に基づいて変更される。PLC230からのトリガ信号は、印字動作を開始させるためのタイミング信号であり、このトリガ信号に同期してレーザ光Lの走査制御が行われ、ワークWに対して加工パターンが印字される。
ストローブモード時には、ワークセンサ101から入力されるストローブ信号に同期してワークWの高さが測定され、加工面のオフセット量z1が変更される。そして、印字高さの調整後に入力されるPLC230からのトリガ信号に同期してレーザ光Lの走査制御が行われ、ワークWに対して加工パターンが印字される。
リアル動作モード時には、ワークセンサ101から入力されるストローブ信号に同期してワークWの高さが測定され、加工面のオフセット量z1が変更される。その際、高さ測定器102により、同一のワークWに対してワークWの移動方向に位置を異ならせて複数回の高さ測定が行われ、その高さ測定ごとにオフセット指定が生成される。
図24は、図12のレーザマーキングシステムにおけるパーソナルコンピュータ210の動作の一例を示した図であり、ディスプレイ上に表示される表示画面300が示されている。この表示画面300は、レーザ加工装置100の各種設定を行うためのアプリケーションプログラムにより表示される入力画面である。
実施の形態1では、高さの異なる加工対象物に文字などを印字する際、加工対象物間で印字精度や印字品質にバラツキが生じるのを抑制させる場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、加工面が加工基準面に対して相対的に傾いている加工対象物に加工パターンを印字する際、加工パターンを正しく印字させるために、加工パターン情報の位置座標を変換させる場合について説明する。
図26は、本発明の実施の形態2によるレーザ加工装置の要部における構成例を示したブロック図であり、レーザ制御部400が示されている。このレーザ制御部400は、基準点記憶部401、基準位置変更処理部402、変更後基準点記憶部403、座標変換処理部404、加工パターン記憶部405、変更後パターン記憶部406、走査制御部407及びビーム径調整部408により構成される。
図34は、図26のレーザ加工装置を含むレーザマーキングシステムにおけるコンソール220の動作の一例を示した図であり、ディスプレイ上に表示される表示画面421が示されている。この表示画面421は、レーザマーキングシステムの各種設定を行うための入力画面であり、各種設定画面を表示させるための複数のアイコン422〜430が配置されている。ここでは、この様な表示画面421をコンソールメニュー画面と呼ぶことにする。
図36は、図26のレーザ加工装置における動作の一例を示した斜視図であり、fθレンズ13aの光軸Bを中心軸として形成される走査領域の様子が示されている。一般に、加工基準面Cに平行な加工面上におけるレーザ光Lの走査可能な最大エリアは、加工面の高さが高くなるほど、すなわち、fθレンズ13aに近づくほど狭くなる。このため、任意の加工面上におけるレーザ光Lの走査可能な最大エリア(最大走査エリアと呼ぶことにする)により形成される領域は、fθレンズ13aを頂点とする角錐体形状となる。
2 レーザ制御部
3 入力部
11 ビームエキスパンダ
12 走査部
13 集光部
13a fθレンズ
14a X軸スキャナ
14b Y軸スキャナ
16 スキャナ駆動回路
21 メモリ部
22 制御部
23 励起光発生部
24 電源
32 レーザ媒質
100 レーザ加工装置
101 ワークセンサ
102 高さ測定器
111 識別情報取得部
112 高さ情報記憶部
115 オフセット指定生成部
116 加工パターン記憶部
117 加工パターン変更処理部
118 変更後パターン記憶部
119 ビーム径調整部
120 走査制御部
121〜123 加算器
200 外部機器
210 パーソナルコンピュータ
220 コンソール
230 PLC
400 レーザ制御部
401 基準点記憶部
402 基準位置変更処理部
403 変更後基準点記憶部
404 座標変換処理部
405 加工パターン記憶部
406 変更後パターン記憶部
407 走査制御部
408 ビーム径調整部
Claims (16)
- レーザ加工装置におけるレーザ光の出射点に基づいて予め定められる加工基準面を基準とする位置情報に基づいて、上記レーザ光の焦点距離を調整して加工対象物の3次元加工面にレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
上記加工基準面上に設けられる3以上の基準点の位置情報を記憶する基準点記憶手段と、
上記レーザ光を上記加工基準面上で走査させ、上記各基準点のいずれか2つを上記加工対象物上に表示する走査制御手段と、
上記走査制御手段により表示された基準点、及び、当該基準点に対応する上記加工基準面上の基準点間における位置の差分情報を指定する差分情報指定手段により指定された差分情報に基づいて、上記各基準点の位置情報を上記加工基準面内で変更する基準位置変更手段と、
上記基準位置変更手段による変更後の基準点の位置情報及び変更前の基準点の位置情報に基づいて、上記レーザ光の照射位置が規定された加工パターンにおける照射位置情報を変換する照射位置情報変換手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。 - 上記レーザ光の焦点距離を制御する焦点距離制御手段を備え、
上記基準点記憶手段には、上記出射点との距離を異ならせて定められる2以上の上記加工基準面のそれぞれに対応付けて設けられる上記基準点の位置座標が記憶され、
上記照射位置情報変換手段が、上記加工基準面間の位置座標を補間処理して上記加工パターンにおける照射位置座標を変換し、
上記照射位置情報変換手段による変換後の加工パターンの照射位置座標に基づいて、上記走査制御手段がレーザ光を走査させ、上記焦点距離制御手段がレーザ光の焦点距離を制御することを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。 - 上記走査制御手段が、上記加工基準面上の4つの上記基準点を頂点とする矩形エリアであって、上記加工基準面間で同一形状、同一サイズかつ加工基準面に平行な方向の位置が同一の矩形エリアを走査対象とする最大エリアとして上記レーザ光を走査させることを特徴とする請求項2に記載のレーザ加工装置。
- 上記走査制御手段が、上記加工基準面上の4つの上記基準点を頂点とする矩形エリアを走査可能な最大エリアとして上記レーザ光を走査させることを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ加工装置。
- 上記走査制御手段が、上記加工基準面上の3つの上記基準点を円周上の点とする円形エリアであって、上記加工基準面間で同一形状、同一サイズかつ加工基準面に平行な方向の位置が同一の円形エリアを走査対象とする最大エリアとして上記レーザ光を走査させることを特徴とする請求項2に記載のレーザ加工装置。
- 上記走査制御手段が、上記加工基準面上の3つの上記基準点を円周上の点とする円形エリアを走査可能な最大エリアとして上記レーザ光を走査させることを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ加工装置。
- レーザ光の出射点を頂点とする錐体からなる走査領域内でレーザスポットを移動させるレーザ加工装置において、
上記レーザ光を加工基準面に平行な平面上で走査させる2次元走査手段と、
上記レーザ光の焦点距離を調整する焦点距離調整手段と、
上記走査領域内に、上記加工基準面に平行な任意の断面が同一の柱状領域を形成し、上記レーザ光の走査エリアを上記柱状領域内に制限する走査エリア制限手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。 - レーザ加工装置におけるレーザ光の出射点に基づいて予め定められる加工基準面を基準とする位置情報に基づいて、上記レーザ光の焦点距離を調整して加工対象物の3次元加工面にレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、上記出射点を頂点とする錐体からなる走査領域内でレーザスポットを移動させるレーザ加工装置において、
上記レーザ光を上記加工基準面に平行な平面上で走査させる2次元走査手段と、
上記レーザ光の焦点距離を調整する焦点距離調整手段と、
上記走査領域内に定められる上記加工基準面上の所定エリアに基づいて、上記レーザ光の走査エリアを制限する走査エリア制限手段とを備え、
上記走査エリア制限手段が、上記加工基準面に平行な任意の平面上における上記レーザ光の走査エリアを上記所定エリアと同一形状、同一サイズかつ位置が同一のエリア内に制限することを特徴とするレーザ加工装置。 - 上記加工基準面が、上記焦点距離調整手段による焦点距離の調整可能な範囲の上限及び下限のいずれかにより規定され、
上記走査エリア制限手段が、上記所定エリアを端面とする柱状領域内に走査エリアを制限することを特徴とする請求項8に記載のレーザ加工装置。 - レーザ光の焦点距離を調整して加工対象物の3次元加工面にレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
上記レーザ光を光軸に垂直な平面上で走査させる2次元走査手段と、
上記レーザ光の焦点距離を調整して焦点位置を上記光軸方向に変更し、上記レーザ光の出射点を頂点とする錐体からなる走査領域内でレーザスポットを移動させる焦点距離調整手段と、
上記走査領域内に、上記焦点距離調整手段による焦点距離の調整可能な範囲の上限により規定される上記光軸に垂直な平面上の所定エリアを定め、上記所定エリアに基づいて上記レーザ光の走査エリアを制限する走査エリア制限手段とを備え、
上記走査エリア制限手段が、上記光軸に垂直な任意の平面上における上記レーザ光の走査エリアを同一形状、同一サイズかつ位置が同一のエリア内に制限することを特徴とするレーザ加工装置。 - レーザ光の焦点距離を調整して加工対象物の3次元加工面にレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
上記レーザ光を光軸に垂直な平面上で走査させる2次元走査手段と、
上記レーザ光の焦点距離を調整して焦点位置を上記光軸方向に変更し、上記レーザ光の出射点を頂点とする錐体からなる走査領域内でレーザスポットを移動させる焦点距離調整手段と、
上記走査領域内に、上記焦点距離調整手段による焦点距離の調整可能な範囲の下限により規定される上記光軸に垂直な平面上の所定エリアを定め、上記所定エリアに基づいて上記レーザ光の走査エリアを制限する走査エリア制限手段とを備え、
上記走査エリア制限手段が、上記光軸に垂直な任意の平面上における上記レーザ光の走査エリアを同一形状、同一サイズかつ位置が同一のエリア内に制限することを特徴とするレーザ加工装置。 - レーザ光が走査可能なエリアであって、レーザ光出射点を頂点とする錐体状からなる、上記レーザ光が走査可能な走査エリアを提供する2次元走査手段と、
上記2次元走査手段が提供する錐体上の走査エリアの中心軸に沿って伸びる方向にレーザ光の光軸を位置決めした際、この光軸に沿って所定の可動範囲においてレーザ光の焦点位置を変更可能なレーザ光焦点位置変更手段と、
上記レーザ光焦点位置変更手段の所定の可動範囲のいずれの位置に焦点位置設定されても、上記2次元走査手段の上記焦点位置における略2次元的走査範囲が、上記錐体内で且つ上記所定の可動範囲において、同一の大きさである範囲で設定する設定手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。 - 上記2次元走査手段の上記焦点位置における略2次元的走査範囲が、上記レーザ光焦点位置変更手段の所定の可動範囲内で上記レーザ出射点に最も近い端点もしくは最も遠い端点に焦点位置設定された際に規定されることを特徴とする請求項12に記載のレーザ加工装置。
- レーザ光が走査可能なエリアであって、レーザ光出射点を頂点とする錐体状からなる、上記レーザ光が走査可能な走査エリアを提供する2次元走査手段と、
上記2次元走査手段が提供する錐体上の走査エリアの中心軸に沿って伸びる方向にレーザ光の光軸を位置決めした際、この光軸に沿って所定の可動範囲においてレーザ光の焦点位置を変更可能なレーザ光焦点位置変更手段と、
上記レーザ光焦点位置変更手段の上記所定の可動範囲内で上記レーザ出射点に最も近い端点に焦点位置設定された際に規定される、上記2次元走査手段の上記焦点位置における略2次元的走査範囲を第1の範囲と規定し、上記錐体内で且つ上記所定の可動範囲において、上記2次元走査手段の上記焦点位置における略2次元的走査範囲を全て上記第1の範囲の大きさである範囲で設定する設定手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。 - レーザ光が走査可能なエリアであって、レーザ光出射点を頂点とする錐体状からなる、上記レーザ光が走査可能な走査エリアを提供する2次元走査手段と、
上記2次元走査手段が提供する錐体上の走査エリアの中心軸に沿って伸びる方向にレーザ光の光軸を位置決めした際、この光軸に沿って所定の可動範囲においてレーザ光の焦点位置を変更可能なレーザ光焦点位置変更手段と、
上記レーザ光焦点位置変更手段の上記所定の可動範囲内で上記レーザ出射点から最も遠い端点に焦点位置設定された際に規定される、上記2次元走査手段の上記焦点位置における略2次元的走査範囲を第2の範囲と規定し、上記錐体内で且つ上記所定の可動範囲において、上記2次元走査手段の上記焦点位置における略2次元的走査範囲を全て上記第2の範囲の大きさである範囲で設定する設定手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。 - レーザ光が走査可能なエリアであって、レーザ光出射点を頂点とする錐体状からなる、上記レーザ光が走査可能な走査エリアを提供する2次元走査手段と、
上記2次元走査手段が提供する錐体上の走査エリアの中心軸に沿って伸びる方向にレーザ光の光軸を位置決めした際、この光軸に沿って所定の可動範囲においてレーザ光の焦点位置を変更可能なレーザ光焦点位置変更手段とを用いてレーザ加工を行うレーザ加工装置のレーザ加工方法において、
上記レーザ光焦点位置変更手段の所定の可動範囲のいずれの位置に焦点位置設定されても、上記2次元走査手段の上記焦点位置における略2次元的走査範囲が、上記錐体内で且つ上記所定の可動範囲において、同一の大きさである範囲で設定する走査範囲設定ステップと、
上記レーザ光の焦点位置を上記所定の可動範囲内で設定する焦点位置設定ステップと、
上記設定ステップで、設定された走査範囲で上記2次元走査手段を用いて上記レーザ光を走査する走査ステップと、
上記焦点位置設定ステップで、設定された条件で焦点位置を上記レーザ光焦点位置変更手段を用いて変更する焦点位置変更ステップと、からなるレーザ加工方法。
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