JP2009142865A - レーザ加工装置、レーザ加工方法及びレーザ加工装置の設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱レンズ効果の発生による焦点位置の調整を容易に行えるようにする。
【解決手段】レーザ光の光軸方向の焦点位置を調整可能なＺ軸スキャナ１４ｃと、Ｘ軸スキャナ１４ａ、Ｙ軸スキャナ１４ｂを備えるレーザ光走査部９と、レーザ発振部５０およびレーザ光走査部９を制御するためのレーザ駆動制御部４と、所望の加工パターンに加工する加工条件として、レーザ光出力条件と加工パターンを設定するための加工条件設定部３Ｃと、加工条件設定部３Ｃで設定されたレーザ光出力条件に基づいて発生する熱レンズ効果に起因する光軸方向の焦点位置のずれを焦点位置補正量として特定する補正量特定手段８０Ｂとを備え、レーザ光照射時に、加工条件設定部３Ｃで設定された加工条件に、補正量特定手段８０Ｂにより特定された焦点位置補正量を加味して、レーザ駆動制御部４がレーザ光を走査する。
【選択図】図１１

Description

本発明は、レーザマーキング装置等、レーザ光を加工対象物に照射して印字等の加工を行うレーザ加工装置、レーザ加工方法及びレーザ加工装置の設定方法に関する。

レーザ加工装置は、レーザ光を所定の領域内において走査して、部品や製品等の加工対象物（ワーク）の表面に対しレーザ光を照射して印字やマーキング等の加工を行う。レーザ加工装置の構成の一例を図２２に示す。この図に示すレーザ加工装置は、レーザ制御部１とレーザ出力部２と入力部３とを備える。レーザ制御部１のレーザ励起部６で発生される励起光を、レーザ出力部２のレーザ発振部５０で発振器を構成するレーザ媒質８に照射し、レーザ発振を生じさせる。レーザ発振光はレーザ媒質８の出射端面から出射され、ビームエキスパンダ５３でビーム径を拡大されて、必要に応じミラーなどの光学部材により反射されてレーザ光走査部９に導かれる。レーザ光走査部９は、レーザ光Ｌをガルバノミラー等で反射させて所望の方向に偏光する。また、レーザ光走査部９の下方には、集光部１５が備えられる。集光部１５はレーザ光を作業領域に照射させるよう集光するための集光レンズで構成され、ｆθレンズが使用される。集光部１５から出力されるレーザ光Ｌは、ワークＷＫの表面で走査されて印字等の加工を行う。

図２３に、レーザ出力光をワーク上で走査させるためのレーザ光走査部９の詳細を示す。レーザ光走査部９は、一対のガルバノミラーを構成するＸ・Ｙ軸スキャナ１４ａ、１４ｂと、各ガルバノミラーをそれぞれ回動軸に固定し回動するためのガルバノモータ５１ａ、５１ｂとを備えている。Ｘ・Ｙ軸スキャナ１４ａ、１４ｂは、図２３に示すように互いに直交する姿勢で配置されており、レーザ光をＸ方向、Ｙ方向に反射させて走査させることができる。

さらに図２３に示すレーザ加工装置は、Ｚ軸スキャナ１４ｃを付加することで光軸方向の焦点位置を調整可能としている。これにより２次元平面内での加工のみならず、高さ方向すなわちＺ軸方向にレーザ光の焦点位置を変化させて３次元状の加工を可能としている。Ｚ軸スキャナ１４ｃは、レーザ発振部側に面する入射レンズと、レーザ出射側に面する出射レンズを含んでおり、レンズを駆動モータ等で摺動させてレンズ間の距離を相対的に変化させ、焦点位置すなわち高さ方向のワーキングディスタンス（ＷＤ）を調整可能としている。このようなレーザ加工装置はレーザ発振器から出射されるレーザパワー、又はＱスイッチの周波数、デューティ比の設定等により、出力を調整できる。
特開２０００−２０２６５５号公報

一方で、レーザ結晶には熱によって結晶の端面が変形する熱レンズ効果と呼ばれる現象が存在し、これにより焦点距離が変化してしまうという問題がある。熱レンズ効果とはレーザを照射することによってレーザ結晶が局所的に温度上昇して屈折率分布が生じる現象である。例えば固体レーザであるＹＡＧレーザやＹＶＯ_４レーザ等の固体レーザ媒質は、レーザパワー、Ｑスイッチの周波数、Ｑスイッチのデューティ比に依存して、結晶内部の屈折率分布に基づいて仮想レンズ、すなわち熱レンズが内部に形成される。熱レンズ効果はレーザ発振器内部に滞留する熱量の大きさによって程度が変動し、この熱レンズ効果の程度によって焦点距離が変化する。焦点距離が変化すると、本来の焦点位置で正しい加工が行われるように設計されたレーザ加工装置で、本来の加工を行うことができず、加工品質が低下する。これを回避するためには、熱レンズ効果を考慮して焦点位置を補正するように、加工対象とレーザ加工装置とのワーキングディスタンスを手動で調整する必要がある。困ったことに、熱レンズ効果を左右する発振器内部に滞留する熱量は、レーザ発振器の設定値に依存するため、設定値を変更すると、焦点距離も変わってしまうことになる。したがって、レーザの加工条件を変更するたびに、ワーキングディスタンスの設定もやり直す必要が生じ、極めて煩雑な調整作業をユーザに強いることとなっていた。特にレーザ加工装置では、加工する領域のブロック単位で、レーザパワーやＱスイッチ周波数、デューティ比等の条件を変更可能となっているものが多く、このため加工ブロック単位で発生する熱レンズ効果の程度が異なる虞もあり、この結果、同一の加工品質でブロック単位で加工を行うことが困難であるという問題もあった。

本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の一の目的は、熱レンズ効果の発生による焦点位置の調整を容易に行うことのできるレーザ加工装置、レーザ加工方法及びレーザ加工装置の設定方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

第１発明に係るレーザ加工装置によれば、加工対象面に対してレーザ光を照射して、所望の加工パターンに加工可能なレーザ加工装置であって、レーザ光を発生させるためのレーザ発振部と、前記レーザ発振部より出射されるレーザ光を作業領域内において走査させるためのレーザ光走査部として、入射レンズと出射レンズを備え、前記レーザ発振部から照射されるレーザ光の光軸に前記入射レンズ及び出射レンズの光軸を一致させた状態で、入射レンズと出射レンズ間の相対距離をこれらの光軸に沿って変化させてレーザ光の光軸方向の焦点位置を調整可能なＺ軸スキャナと、前記Ｚ軸スキャナを透過するレーザ光を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に走査させるためのＸ軸スキャナ及びＹ軸スキャナと、を備えるレーザ光走査部と、前記レーザ発振部および前記レーザ光走査部を制御するためのレーザ駆動制御部と、所望の加工パターンに加工する加工条件として、レーザ光出力条件と加工パターンを設定するための加工条件設定部と、前記加工条件設定部で設定されたレーザ光出力条件に基づいて発生する熱レンズ効果に起因する光軸方向の焦点位置のずれを焦点位置補正量として特定する補正量特定手段と、を備え、レーザ光照射時に、前記加工条件設定部で設定された加工条件に、前記補正量特定手段により特定された焦点位置補正量を加味して、前記レーザ駆動制御部がレーザ光を走査するよう構成できる。これにより、３次元加工を実現するＺ軸スキャナで、熱レンズ効果による光軸方向のずれを補正することができ、レーザ加工装置の焦点位置を物理的に調整する設定作業を不要とでき、初期設定を容易にした使い勝手のよいレーザ加工装置を実現できる。

また第２発明に係るレーザ加工装置によれば、さらに前記レーザ光をパルス発振させるためのＱスイッチを備えており、前記加工条件設定部が、レーザ光出力条件として、レーザパワー、前記Ｑスイッチの周波数又は前記ＱスイッチのＯＮ／ＯＦＦのデューティ比の少なくともいずれかを設定可能であり、前記補正量特定手段が、熱レンズ効果による光軸方向の焦点位置補正量を、前記加工条件設定部でレーザパワーが大きくなる、Ｑスイッチ周波数が小さくなる又はＯＮ／ＯＦＦデューティ比が大きくなる方向に設定される場合は、焦点距離が長くなると判断して焦点位置を近付ける方向に焦点位置補正量を設定し、前記加工条件設定部でレーザパワーが小さくなる、Ｑスイッチ周波数が大きくなる又はＯＮ／ＯＦＦデューティ比が小さくなる方向に設定される場合は、焦点距離が短くなると判断して焦点位置を遠ざける方向に焦点位置補正量を設定するよう構成できる。これにより、レーザ光出力条件に基づいて補正量特定手段が適切な焦点位置となるよう補正することができる。具体的には焦点距離が伸びる場合は焦点位置を短くする位置に、焦点距離が短くなる場合は焦点位置を遠ざける位置に、それぞれ焦点位置補正量を設定する。

さらに第３発明に係るレーザ加工装置によれば、さらに熱レンズ効果による光軸方向の焦点位置補正量を、レーザ光出力条件に対応させて予め記録した補正量記憶手段を備え、前記補正量特定手段は、設定されたレーザ光出力条件に応じた焦点位置補正量を、前記補正量記憶手段から読み出すことで特定できる。これにより、補正量特定手段による焦点位置補正量の特定を容易に行うことができ、補正量特定手段の処理を低負荷とし、高速化できる。

さらにまた第４発明に係るレーザ加工装置によれば、前記補正量特定手段は、熱レンズ効果による光軸方向の焦点位置補正量を、予め設定された演算式に基づく演算により特定できる。これにより、テーブルなどを用いることなく、焦点位置補正量を適切に決定できる。

さらにまた第５発明に係るレーザ加工装置によれば、前記加工条件設定部が、レーザ光の焦点位置を意図的にずらしたデフォーカス量を設定可能であり、前記補正量特定手段は、さらに設定された該デフォーカス量に基づいて熱レンズ効果による光軸方向の焦点位置補正量を特定できる。これにより、デフォーカス量が設定された場合でも、熱レンズ効果の影響を適切に低減できる。

さらにまた第６発明に係るレーザ加工装置によれば、前記加工条件設定部がさらに加工条件として、加工対象面の３次元形状の加工パターンを、異なる条件に一以上設定可能に構成できる。これにより、３次元加工可能なレーザ加工装置の焦点位置調整機能を利用して、熱レンズ効果の補正を行うことができる。また異なる加工パターンを複数設定する場合においても、各加工パターン毎に焦点位置移動量を調整することができ、各位置の加工品質を一定とした高品質の加工が実現される。

さらにまた第７発明に係るレーザ加工装置によれば、前記レーザ駆動制御部がさらに、複数の異なる加工パターンの加工に際して、前記Ｚ軸スキャナに対して動作命令を行った後、前記Ｚ軸スキャナが該動作命令により指示された動作を完了するまでの間、レーザ光の出力開始を待機するための遅れ時間を、レーザ光出力条件及び／又は加工パターンに基づいて設定可能に構成できる。これにより、加工時にＺ軸スキャナの焦点位置への移動が完了するまでの間、レーザ光を出力しないようディレイ動作を行うことができる。これにより応答速度に劣るＺ軸スキャナを使用しても、正確な位置まで移動される前にレーザ光を照射して加工精度が低下する事態を回避でき、加工品質を維持できる。

さらにまた第８発明に係るレーザ加工装置によれば、前記レーザ駆動制御部が、複数の加工パターンを異なる加工条件で設定している場合における、前段の加工パターンにおける該加工パターン及び焦点位置補正量に応じて、遅れ時間を調整できる。特に複数の加工パターンを異なる加工条件で設定している場合は、前段の加工パターンでの加工終了時点におけるＺ軸スキャナの位置によって次段のＺ軸スキャナの動作時間も変動するので、これを考慮した適切な遅れ時間を設定することで効率よくディレイ動作を行わせることができる。

さらにまた第９発明に係るレーザ加工装置によれば、前記加工条件設定部で設定される加工条件が、経過時間に関するパラメータを有しており、前記補正量特定手段は、前記経過時間に関するパラメータに基づいて焦点位置補正量を特定できる。これにより、レーザパワーやＱスイッチ周波数の変更後、熱レンズ効果が熱平衡状態に至る時間が長いような場合でも、焦点位置補正量をこれに応じて時間変化させることで適切に対応できる。

さらにまた第１０発明に係るレーザ加工装置によれば、加工対象面に対してレーザ光を照射して、所望の加工パターンに加工可能なレーザ加工装置であって、光源と、レーザ光の共振器内に配置され、前記光源からの光源光で励起されてレーザ光を発生するレーザ媒質と、前記共振器内において前記レーザ媒質から出射されるレーザ光の光軸上に配置され、前記レーザ光をパルス発振させるためのＱスイッチと、前記Ｑスイッチから出射されたレーザ光の焦点位置を光軸方向に調整可能な焦点位置調整手段と、前記焦点位置調整手段から出射されたレーザ光を２次元的に走査するレーザ光２次元走査系と、前記Ｑスイッチから出射されるレーザ光のパワー、前記Ｑスイッチの周波数ならびに前記ＱスイッチのＯＮ／ＯＦＦのデューティ比の少なくともいずれかを設定するための加工条件設定部と、前記加工条件設定部の設定に基づいて、発生する熱レンズ効果による光軸方向の焦点位置のずれを焦点位置補正量として特定する補正量特定手段と、前記補正量特定手段によって特定された焦点位置補正量に基づいて焦点位置を調整するように前記焦点位置調整手段を制御するレーザ駆動制御部とを備えることができる。これにより、熱レンズ効果の影響を相殺するように焦点位置を調整して加工できるので、熱レンズ効果に起因する調整作業を不要にでき、設置作業の調整の手間を極減できる。

さらにまた第１１発明に係るレーザ加工方法によれば、加工対象面に対してレーザ光を照射して、所望の加工パターンに加工するレーザ加工方法であって、所望の加工パターンに加工する加工条件として、Ｑスイッチから出射されるレーザ光のパワー、前記Ｑスイッチの周波数ならびに前記ＱスイッチのＯＮ／ＯＦＦのデューティ比の少なくともいずれかを含むレーザ光出力条件と、加工パターンを設定する工程と、前記設定されたレーザ光出力条件に基づいて、発生する熱レンズ効果に起因する光軸方向の焦点位置のずれを焦点位置補正量として特定する工程と、前記特定された焦点位置補正量に基づいて、前記Ｑスイッチから出射されるレーザ光の焦点位置を光軸方向に調整しつつ、前記設定されたレーザ光出力条件及び加工パターンに基づいてレーザ光を照射して加工を行う工程とを含むことができる。これにより、熱レンズ効果の影響を相殺するように焦点位置を調整して加工できるので、熱レンズ効果に起因する調整作業を不要にでき、設置作業の調整の手間を極減できる。

さらにまた第１２発明に係るレーザ加工方法によれば、加工対象面に対してレーザ光を照射して、所望の加工パターンに加工するレーザ加工装置の設定方法であって、所望の加工パターンに加工する加工条件として、Ｑスイッチから出射されるレーザ光のパワー、前記Ｑスイッチの周波数ならびに前記ＱスイッチのＯＮ／ＯＦＦのデューティ比の少なくともいずれかを含むレーザ光出力条件と、加工パターンを設定する工程と、前記設定されたレーザ光出力条件に基づいて、発生する熱レンズ効果に起因する光軸方向の焦点位置のずれを特定し、加工時において加工パターンに応じた焦点位置を、該焦点位置のずれを焦点位置補正量として補正するよう設定する工程と、を含むことができる。これにより、レーザ加工条件の設定時に、実際の加工時に発生するであろう熱レンズ効果に起因する焦点位置のずれに応じた補正を行うことができる。この結果、ワーキングディスタンスを調整するためにレーザ加工装置の設置高さなどを手動で調整する作業を省くことができ、極めて容易に熱レンズ効果に対応することができる利点が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのレーザ加工装置、レーザ加工方法及びレーザ加工装置の設定方法を例示するものであって、本発明はレーザ加工装置、レーザ加工方法及びレーザ加工装置の設定方法を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。

本明細書においてレーザ加工装置とこれに接続される操作、制御、入出力、表示、その他の処理等のためのコンピュータ、プリンタ、外部記憶装置その他の周辺機器との接続は、例えばＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２ｘ、ＲＳ−４２２、ＲＳ−４２３、ＲＳ−４８５、ＵＳＢ、ＰＳ２等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは１０ＢＡＳＥ−Ｔ、１００ＢＡＳＥ−ＴＸ、１０００ＢＡＳＥ−Ｔ等のネットワークを介して電気的に接続して通信を行う。接続は有線を使った物理的な接続に限られず、ＩＥＥＥ８０２．１ｘ、ＯＦＤＭ方式等の無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらに加工パターンのデータ保存や設定の保存等を行うための記録媒体には、メモリカードや磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が利用できる。

以下の実施の形態では、本発明を具現化したレーザ加工装置の一例として、レーザマーカについて説明する。ただ、本明細書においてレーザ加工装置は、その名称に拘わらずレーザ応用機器一般に利用でき、例えばレーザ発振器や各種のレーザ加工装置、穴あけ、マーキング、トリミング、スクライビング、表面処理等のレーザ加工や、レーザ光源として他のレーザ応用分野、例えばＤＶＤやＢｌｕ−ｒａｙ（登録商標）等の光ディスクの高密度記録再生用光源や通信用の光源、印刷機器、照明用光源、ディスプレイ等の表示装置用の光源、医療機器等において、好適に利用できる。

また、本明細書においては加工の代表例として印字について説明するが、上述の通り印字加工に限られず、溶融や剥離、表面酸化、切削、変色等のレーザ光を使ったあらゆる加工処理においても利用できる。また印字とは文字や記号、図形等のマーキングの他、上述した各種の加工も含む概念で使用する。さらに本明細書において加工パターンは、ひらがな、カタカナ、漢字、アルファベットや数字、記号、絵文字、アイコン、ロゴ、バーコードや２次元コード等のグラフィック等、さらに直線、曲線等の図形も含める意味で使用する。特に本明細書において文字又はシンボルで指す文字とは、ＯＣＲ等、光学式の読み取り装置で読み取り可能なキャラクターを意味し、アルファベットや漢字、ひらがな、カタカナの他、数字や記号も含む概念である。またシンボルとは、バーコードや２次元コードを意味する。

図１はレーザ加工装置１００を構成するブロック図を示す。この図に示すレーザ加工装置１００は、レーザ制御部１とレーザ出力部２と入力部３とを備える。
（入力部３）

入力部３はレーザ制御部１に接続され、レーザ加工装置を操作するための必要な設定を入力してレーザ制御部１に送信する。設定内容はレーザ加工装置の動作条件や具体的な印字内容等である。入力部３はキーボードやマウス、コンソール等の入力デバイスである。また、入力部３で入力された入力情報を確認したり、レーザ制御部１の状態等を表示する表示部８２を別途設けることもできる。表示部８２はＬＣＤやブラウン管等のモニタが利用できる。またタッチパネル方式を利用すれば、入力部と表示部を兼用することもできる。これによって、コンピュータ等を外部接続することなく入力部でレーザ加工装置の必要な設定を行うことができる。
（レーザ制御部１）

レーザ制御部１は、レーザ駆動制御部４とメモリ部５とレーザ励起部６と電源７とを備える。メモリ部５は入力部３から入力された各種設定内容を保持する。レーザ駆動制御部４はレーザ発振部５０およびレーザ光走査部９を制御する。具体的には、必要時にメモリ部５から設定内容を読み込み、印字内容に応じた印字信号に基づいてレーザ励起部６を動作させてレーザ出力部２のレーザ媒質８を励起する。メモリ部５はＲＡＭやＲＯＭ等の半導体メモリが利用できる。またメモリ部５はレーザ制御部１に内蔵する他、挿抜可能なＰＣカードやＳＤカード等の半導体メモリカード、カード型ハードディスク等のメモリカードを利用することもできる。メモリカードで構成されるメモリ部５は、コンピュータ等の外部機器で容易に書き換え可能であり、コンピュータで設定した内容をメモリカードに書き込み、レーザ制御部１にセットすることで、入力部をレーザ制御部に接続することなく設定を行うことができる。特に半導体メモリはデータの読み込み・書き込みが高速で、しかも機械的動作部分がないため振動等に強く、ハードディスクのようなクラッシュによるデータ消失事故を防止できる。

図１の例では、メモリ部５は設定情報用メモリ５ａ、基本文字線分情報用メモリ５ｂ、展開情報用メモリ５ｃを含む。設定情報用メモリ５ａは、バッテリバックアップされたＳＲＡＭ又はＥＥＰＲＯＭのような不揮発性メモリで構成され、電源ＯＦＦ時にも記憶内容を保持することができる。設定情報用メモリ５ａに記憶される設定情報は、印字する文字又はマークの種類、大きさ、位置、方向等の印字内容の情報を含む。また基本文字線分情報用メモリ５ｂもバッテリバックアップされたＳＲＡＭ又はＥＥＰＲＯＭのような不揮発性メモリで構成される。基本文字線分情報用メモリ５ｂには、印字に使用される各種文字やマーク等の基本文字や基本線分の情報（基本文字線分情報）が記憶されている。この基本文字線分情報を印字内容の共通データとして管理することにより、各設定情報の情報量を少なくすることができる。したがって、設定情報から展開情報を生成するときに、基本文字線分情報用メモリ５ｂに記憶された基本文字線分情報が参照される。さらに展開情報用メモリ５ｃには、電源ＯＦＦ時に記憶内容が消えるが低コストで多くの情報を記憶できるＤＲＡＭ等の揮発性メモリが使用されている。設定情報及び基本文字線分情報から生成された展開情報が一時的に展開情報用メモリ５ｃに記憶され、印字の際に参照される。展開情報は、印字加工のためにレーザ光がたどるべき軌跡を規定する線分データとレーザのＯＮ／ＯＦＦ制御のためのレーザ制御データを含む複数ビットからなる時系列のデータである。

さらにレーザ駆動制御部４は、設定された印字を行うようレーザ媒質８で発振されたレーザ光Ｌを印字対象物（ワーク）ＷＫ上で走査させるため、レーザ出力部２のレーザ光走査部９を動作させる走査信号をレーザ光走査部９に出力する。電源７は、定電圧電源として、レーザ励起部６へ所定電圧を印加する。印字動作を制御する印字信号は、そのＨＩＧＨ／ＬＯＷに応じてレーザ光ＬのＯＮ／ＯＦＦが切り替えられ、その１パルスが発振されるレーザ光Ｌの１パルスに対応するＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号は、その周波数に応じたデューティ比に基づいてレーザ強度が定められるが、周波数に基づいた走査速度によってもレーザ強度が変化するよう構成することもできる。
（レーザ励起部６）

レーザ励起部６は、光学的に接合されたレーザ励起光源１０とレーザ励起光源集光部１１を備える。レーザ励起部６の内部の一例を図２の斜視図に示す。この図に示すレーザ励起部６は、レーザ励起光源１０とレーザ励起光源集光部１１をレーザ励起部ケーシング１２内に固定している。レーザ励起部ケーシング１２は、熱伝導性の良い銅等の金属で構成され、レーザ励起光源１０を効率よく外部に放熱する。レーザ励起光源１０は半導体レーザ（Laser Diode：ＬＤ）や励起ランプ等で構成される。図２の例では、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を使用しており、各素子からのレーザ発振がライン状に出力される。レーザ発振はレーザ励起光源集光部１１の入射面に入射されて、出射面から集光されたレーザ励起光として出力される。レーザ励起光源集光部１１はフォーカシングレンズ等で構成される。レーザ励起光源集光部１１からのレーザ励起光は光ファイバケーブル１３等によりレーザ出力部２のレーザ媒質８に入射される。レーザ励起光源１０とレーザ励起光源集光部１１、光ファイバケーブル１３は、空間あるいは光ファイバを介して光学的に結合されている。
（レーザ出力部２）

レーザ出力部２は、レーザ発振部５０を備える。レーザ光Ｌを発生させるレーザ発振部５０は、レーザ媒質８と、レーザ媒質８が放出する誘導放出光の光路に沿って所定の距離を隔てて対向配置された出力ミラー及び全反射ミラーと、これらの間に配されたアパーチャ、Ｑスイッチ１９等を備える。Ｑスイッチ１９はレーザ媒質８から出射されるレーザの光軸上に位置するよう一方の端面に面して配設されている。Ｑスイッチ１９を用いることで連続発振を尖頭出力値（ピーク値）の高い高速繰返しパルス発振に変えることが可能となる。またＱスイッチ１９には、これに印加するＲＦ信号を生成するＱスイッチ制御回路が接続されている。このレーザ発振部５０は、レーザ媒質８が放出する誘導放出光を、出力ミラーと全反射ミラーとの間での多重反射により増幅し、Ｑスイッチ１９の動作により短周期にて通断しつつアパーチャによりモード選別して、出力ミラーを経てレーザ光Ｌを出力する。レーザ媒質８は光ファイバケーブル１３を介してレーザ励起部６から入射されるレーザ励起光で励起されて、レーザ発振される。レーザ媒質８はロッド状の一方の端面からレーザ励起光を入力して励起され、他方の端面からレーザ光Ｌを出射する、いわゆるエンドポンピングによる励起方式を採用している。
（レーザ媒質８）

上記の例では、レーザ媒質８としてロッド状のＮｄ：ＹＶＯ₄結晶を用いた。また固体レーザ媒質の励起用半導体レーザの波長は、このＮｄ：ＹＶＯ₄の吸収スペクトルの中心波長である８０８ｎｍに設定した。ただ、この例に限られず他の固体レーザ媒質として、例えば希土類をドープしたＹＡＧ、ＬｉＳｒＦ、ＬｉＣａＦ、ＹＬＦ、ＮＡＢ、ＫＮＰ、ＬＮＰ、ＮＹＡＢ、ＮＰＰ、ＧＧＧ等も用いることもできる。また、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できる。また、固体レーザ媒質としてバルクに代わってファイバーを発振器として利用した、いわゆるファイバーレーザにも適用可能である。さらに、固体レーザ媒質を使用せず、言い換えるとレーザ光を発振させる共振器を構成せず、波長変換のみを行う波長変換素子を使用することもできる。この場合は、半導体レーザの出力光に対して波長変換を行う。

波長変換素子としては、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＰＯ₄）、有機非線形光学材料や他の無機非線形光学材料、例えばＫＮ（ＫＮｂＯ₃）、ＫＡＰ（ＫＡｓＰＯ₄）、ＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）、ＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₅）や、バルク型の分極反転素子（ＬｉＮｂＯ₃（Periodically Polled Lithium Niobate ：ＰＰＬＮ）、ＬｉＴａＯ₃等）が利用できる。また、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｎｄ等の希土類をドープしたフッ化物ファイバを用いたアップコンバージョンによるレーザの励起光源用半導体レーザを用いることもできる。このように、本実施の形態においてはレーザ発生源として様々なタイプを適宜利用できる。

さらにまた、レーザ発振部５０は、固体レーザに限られず、ＣＯ₂やヘリウム−ネオン、アルゴン、窒素等の気体を媒質として用いる気体レーザを利用することもできる。例えば炭酸ガスレーザを用いた場合のレーザ発振部は、レーザ発振部の内部に炭酸ガス（ＣＯ₂）が充填され、電極を内蔵しており、レーザ制御部から与えられる印字信号に基づいて、レーザ発振部内の炭酸ガスを励起し、レーザ発振させる。
（２方向励起方式）

固体レーザ媒質を励起する構成としては、固体レーザ媒質を励起する励起光を一方の端面のみから入射して励起させ、他方の端面からレーザ光を出射する、いわゆるエンドポンピングによる１方向励起方式が利用できる。また、固体レーザ媒質の前後の端面から各々励起光を照射する２方向励起方式も採用できる。２方向励起においては、各端面に励起光源であるＬＤを各々配置する構成の他、単一のＬＤからの励起光を光ファイバ等で分岐して、固体レーザ媒質の両端面からポンピングする構成等が利用できる。

特に固体レーザ媒質を励起するレーザ加工装置では、量子効率の限界から、励起パワーのうち３割〜４割が熱となり失われてしまう。そのため極限的な性能を発揮させるためには、強励起により顕在化する熱複屈折や熱レンズ、熱複レンズ、更には熱による破壊等の様々な熱問題を解決する必要がある。特にＬＤ励起固体レーザ加工装置においては、固体レーザ媒質の励起光吸収に伴う発熱が結晶そのものにレンズ効果を誘起し、熱レンズを生じさせる。熱レンズはレーザ共振器の安定性を著しく阻害し、共振器の設計の大きな障害となる。２方向励起方式を採用することで、このような問題を軽減できる。また２方向励起方式においては、レーザ励起部として一の励起光源を使用し、これを分岐して各端面から投入する構成とすることで、熱レンズ等の発生を抑制することもできる。加えて、励起波長に対する安定性や立ち上がり特性の改善の効果も得られる。
（レーザ光走査部９）

レーザ発振部５０で得られたレーザ発振は、レーザ光走査部９により走査される。レーザ光走査部９を図３〜図５に示す。これらの図において、図３はレーザ加工装置のレーザ光走査部９の構成を示す斜視図を、図４は図３を逆方向から見た斜視図を、図５は側面図を、それぞれ示している。これらの図に示すレーザ加工装置は、レーザ光Ｌを発生させるレーザ発振部５０と光路を一致させたＺ軸スキャナを内蔵するビームエキスパンダ５３と、Ｘ軸スキャナ１４ａと、Ｘ軸スキャナ１４ａと直交するよう配置されたＹ軸スキャナ１４ｂとを備える。このレーザ光走査部９は、レーザ発振部５０より出射されるレーザ光ＬをＸ軸スキャナ１４ａ、Ｙ軸スキャナ１４ｂで作業領域ＷＳ内で２次元的に走査させ、さらにＺ軸スキャナ１４ｃで高さ方向にワーキングディスタンスすなわち焦点距離を調整することができ、３次元状に印字加工が可能となる。なお、Ｘ軸スキャナ、Ｙ軸スキャナ、Ｚ軸スキャナは、互いに入れ替えても同様に機能できることはいうまでもない。例えばＺ軸スキャナを出射したレーザ光をＹ軸スキャナで受けるよう構成したり、あるいはＸ軸スキャナでＹ軸を制御し、Ｙ軸スキャナでＺ軸を制御するよう配置してもよい。また図において集光レンズであるｆθレンズは図示を省略している。

レーザ加工装置においては一般に、第２のミラー（Ｙ軸スキャナ）で反射されたレーザ光を作業領域に照射させるよう集光するために、第２のミラーと作業領域の間には、ｆθレンズと呼ばれる集光レンズを配置している。ｆθレンズは、Ｚ軸方向の補正を行う。具体的には、図６（ａ）に示すように、作業領域ＷＳの端部に近付くほど焦点位置を伸ばし、ワークの加工対象面上に位置させる補正である。レーザ光の焦点位置は円弧状の軌跡となるため、加工対象面が平面の場合、鉛直下の位置、図６（ａ）において加工対象面を示す平面ＷＭの中心で焦点位置が合うように設定すると、中心から離れるほど、すなわち作業領域ＷＳの周辺に近付くほど焦点位置が加工対象面から遠ざかり（レーザ光Ｌ’）、焦点が合わず加工精度が低下する。そこで、図６（ｂ）に示すように作業領域ＷＳの端部に近付くほどレーザ光Ｌの焦点位置が長くなるよう、ｆθレンズで補正する。仮想的に加工対象面の平面ＷＭが、ＷＭ’で示す凸状曲面の補正面となるよう変換することで、レーザ光Ｌの焦点位置を平面ＷＭ上に位置させることができる。

レーザマーカにおいて、例えばスポット径を約５０μｍより小さいビームを形成したい場合は、ｆθレンズを配置することが好ましい。一方、上述の小スポット径よりも大きい、スポット径が約１００μｍ程度（通常良く使用されるスポット径）のビーム径を採用する場合は、Ｚ軸スキャナ側のビームエキスパンダに備えられたＺ軸集光レンズをＺ軸方向に移動させることにより、ｆθレンズが行うべきＺ軸方向の補正を、補正制御として行うことができる。これにより、スポット径が大きい場合はｆθレンズを省略することも可能となる。上述した図６（ａ）の例では、ｆθレンズが行うべきＺ軸方向の補正を、Ｚ軸スキャナの補正制御に行わせている。一方、スポット径が小さい場合は、Ｚ軸スキャナによる補正では焦点位置の調整が不十分となるため、上述の通りｆθレンズを用いる。本実施の形態では、レーザ光のスポット径として小スポット、標準、ワイドスポットの３種類を用意しており、この内の小スポットタイプのみ、ｆθレンズで作業領域ＷＳ端部の歪みを矯正し、標準及びワイドスポットではｆθレンズを使用せず、Ｚ軸スキャナで補正している。

Ｚ軸スキャナのビームエキスパンダに備えられたＺ軸集光レンズでＺ軸方向の補正制御を行う場合も、上述したｆθレンズによる補正と同様の補正を行う。図６（ｂ）で説明した補正面ＷＭ’の高さ、すなわちＺ座標は、Ｘ・Ｙ座標によって一義的に決定される。このため、Ｘ・Ｙ座標毎に、補正後のＺ座標を関連付けておくことで、Ｘ・Ｙ軸スキャナの移動に従いＺ軸スキャナを関連付けられたＺ座標に移動させれば、常に焦点位置での加工が可能となる。関連付けのデータは、後述する図１１等に示す記憶部５Ａで保存する。あるいはレーザ加工装置のレーザ制御部に備えられたメモリ部５に保存、転送することもできる。これによって、作業領域内におけるＸ・Ｙ座標の移動に追従して、補正後のＺ座標が決定されるので、作業領域内でほぼ均一に焦点位置が調整されたレーザ光を照射できる。

各スキャナは、光を反射する反射面として全反射ミラーであるガルバノミラーと、ガルバノミラーを回動軸に固定して回動するためのガルバノモータと、回動軸の回転位置を検出して位置信号として出力する位置検出部を備える。またスキャナは、スキャナを駆動するスキャナ駆動部に接続される。スキャナ駆動部はスキャナ制御部７４に接続され、スキャナを制御する制御信号をスキャナ制御部７４から受けて、これに基づいてスキャナを駆動する。例えばスキャナ駆動部は、制御信号に基づいてスキャナを駆動する駆動電流を調整する。またスキャナ駆動部は、制御信号に対する各スキャナの回転角の時間変化を調整する調整機構を備える。調整機構は、スキャナ駆動部の各パラメータを調整する可変抵抗等の半導体部品で構成される。
（Ｚ軸スキャナ１４ｃ）

Ｚ軸スキャナ１４ｃはレーザ光Ｌのスポット径を調整し、これによって焦点距離を調整するビームエキスパンダ５３を構成している。すなわち、ビームエキスパンダで入射レンズと出射レンズとの相対距離を変化させることでレーザ光のビーム径を拡大／縮小し、焦点位置も変化させることができる。ビームエキスパンダ５３は、小スポットへの集光を効果的に行わせるため、図３に示すようにガルバノミラーの前段に配置され、レーザ発振部５０から出力されるレーザ光Ｌのビーム径を調整すると共に、レーザ光Ｌの焦点位置を調整可能としている。Ｚ軸スキャナ１４ｃがワーキングディスタンスを調整する方法を、図７〜図９に基づいて説明する。図７、図８はレーザ光走査部９の側面図であり、図７はレーザ光Ｌの焦点距離を長くする場合、図８は焦点距離を短くする場合をそれぞれ示している。また図９はＺ軸スキャナ１４ｃの正面図及び断面図を示している。これらの図に示すように、Ｚ軸スキャナ１４ｃはレーザ発振部５０側に面する入射レンズ１６と、レーザ出射側に面する出射レンズ１８を含んでおり、これらのレンズ間の距離を相対的に変化可能としている。図７〜図９の例では、出射レンズ１８を固定し、入射レンズ１６を光軸方向に沿って駆動モータ等で摺動可能としている。図９は出射レンズ１８の図示を省略して、入射レンズ１６の駆動機構を示している。この例では、コイルと磁石によって軸方向に可動子を摺動可能とし、可動子に入射レンズ１６を固定している。ただ、入射レンズ側を固定して出射レンズ側を移動可能としたり、入射レンズ、出射レンズを共に移動可能とすることもできる。

図７に示すように、入射レンズ１６と出射レンズ１８との間の距離を近付けると、焦点位置が遠ざかり、焦点距離（ワーキングディスタンス）が大きくなる。逆に図８に示すように入射レンズ１６と出射レンズ１８との距離を離すと、焦点位置が近付き焦点距離が小さくなる。

なお、３次元加工、すなわちワークの高さ方向への加工が可能なレーザ加工装置は、上記図７、図８のようにＺ軸スキャナを調整する方式の他、例えば物理的に集光レンズを移動させる、あるいはレーザ出力部やマーキングヘッド自体を移動可能とする等、他の方式を利用することも可能である。

この例では、Ｚ軸スキャナは、Ｑスイッチ１９から出射されたレーザ光の焦点位置を光軸方向に調整可能な焦点位置調整手段として機能し、またＸ軸スキャナ、Ｙ軸スキャナは、Ｚ軸スキャナから出射されたレーザ光を２次元的に走査するレーザ光２次元走査系として機能する。
（ディスタンスポインタ）

また、３次元加工可能なレーザマーカの作業領域の中心に焦点位置を調整するために、レーザ光を作業領域ＷＳ内に走査させる際の照射位置を示すガイドパターンを表示することができる。図３〜図４に示すレーザマーカのレーザ光走査部９は、ディスタンスポインタとして、ガイド用光源６０と、ガイド用光源６０からのガイド光Ｇをレーザ光走査部９の光軸と一致させるためのガイド光光学系の一形態としてハーフミラー６２を備えると共に、ポインタ光調整系として、ポインタ光Ｐを照射するためのポインタ用光源６４と、Ｙ軸スキャナ１４ｂの裏面に形成された第３のミラーとしてポインタ用スキャナミラー１４ｄと、ポインタ用スキャナミラー１４ｄで反射されたポインタ用光源６４からのポインタ光Ｐをさらに反射させて焦点位置に向かって照射する固定ミラー６６とを備えている。このディスタンスポインタは、レーザ光の焦点位置を示すポインタ光Ｐをポインタ用光源６４から照射し、ガイド光Ｇで表示されるガイドパターンのほぼ中心に、ポインタ光Ｐを照射するよう調整することで、レーザ光の焦点位置が指示される。

なお、上記の例ではレーザ光走査部９に、レーザ光の焦点距離を調整可能な機構を設けることで３次元加工を可能としている。ただ、ワークを載置するステージの位置を上下方向に調整可能とすることで、レーザ光の焦点がワークの作業面で結ぶようにステージの高さを調整する制御を行うことでも、同様に３次元加工を行うこともできる。また、ステージをＸ軸あるいはＹ軸方向に移動可能とすることで、レーザ光走査部の該当するスキャナを省略できる。これらの構成は、ワークをライン上に搬送する形態でなく、ステージ上に載置して加工する形態において好適に利用できる。
（レーザマーカのシステム構成）

次に図１０に、３次元印字可能なレーザマーカのシステム構成を示す。この図に示すレーザ加工システムは、マーキングヘッド１５０と、マーキングヘッド１５０と接続されてこれを制御するレーザ制御部１であるコントローラ１Ａと、コントローラ１Ａとデータ通信可能に接続され、コントローラ１Ａに対して印字パターンを３次元のレーザ加工データとして設定するレーザ加工データ設定装置１８０とを備える。マーキングヘッド１５０とコントローラ１Ａとで、レーザ加工装置１００を構成する。レーザ加工データ設定装置１８０は、図１０の例においてはコンピュータにレーザ加工データ設定プログラムをインストールして、レーザ加工データ設定機能を実現させている。レーザ加工データ設定装置は、コンピュータの他、タッチパネルを接続したプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）や、その他専用のハードウェア等を利用することもできる。またレーザ加工データ設定装置は、レーザ加工装置の動作を制御する制御装置として機能させることもできる。例えば、一のコンピュータにレーザ加工データ設定装置としての機能と、レーザ出力部を備えるマーキングヘッドのコントローラとしての機能を統合してもよい。さらにレーザ加工データ設定装置は、レーザ加工装置と別部材で構成する他、レーザ加工装置に統合することもでき、例えばレーザ加工装置に組み込まれたレーザ加工データ設定回路等とすることもできる。

さらにコントローラ１Ａには、必要に応じて各種外部機器１９０を接続できる。例えばライン上に搬送されるワークの種別、位置等を確認するイメージセンサ等の画像認識装置、ワークとマーキングヘッド１５０との距離に関する情報を取得する変位計等の距離測定装置、所定のシーケンスに従って機器の制御を行うＰＬＣ、ワークの通過を検出するＰＤセンサその他各種のセンサ等を設置し、これらとデータ通信可能に接続できる。
（レーザ加工データ設定装置）

平面状の印字データを３次元状に印字するための設定情報であるレーザ加工データは、レーザ加工データ設定装置１８０により設定される。図１１は、レーザ加工データ設定装置１８０の一例としてブロック図を示している。この図に示すレーザ加工データ設定装置１８０は、各種設定を入力するための入力部３と、設定内容や演算後のレーザ加工データを表示するための表示部８２と、各種設定データを記憶するための記憶部５Ａとを備える。また記憶部５Ａは、複数の加工パラメータの組み合わせを関連付けて保持した参照テーブル５Ｂを含む。また参照テーブル５Ｂは、熱レンズ効果による光軸方向の焦点位置補正量を、レーザ光出力条件に対応させて予め記録した補正量記憶手段としても機能する。表示部８２は、加工対象面のイメージを３次元的に表示可能な加工イメージ表示部８３と、加工イメージ表示部８３に加工対象面のイメージを３次元的に表示させる際に、マーキングヘッドのイメージを表示可能なヘッドイメージ表示手段８４を備える。入力部３は、所望の加工パターンで加工する加工条件として、レーザ光出力条件と加工パターンを設定するための加工条件設定部３Ｃとして、ワークの印字面の３次元形状を示すプロファイル情報を入力するための加工面プロファイル入力手段３Ａと、印字パターン情報を入力するための加工パターン入力手段３Ｂと、作業領域内に複数の加工ブロックを設定し、加工ブロック毎に加工パターンを設定可能な加工ブロック設定手段３Ｆの他、ブロック設定手段３Ｆで設定された複数の加工ブロックを纏めた加工グループを設定するためのグループ設定手段、加工対象面上に配置される加工パターンの位置を調整可能な加工パターン位置調整手段の機能を実現する。加工面プロファイル入力手段３Ａはさらに、加工対象面を表す基本図形を指定するための基本図形指定手段と、加工対象面を表す３次元形状データを外部から入力するための３次元形状データ入力手段の機能を実現する。記憶部５Ａは、図１のメモリ部５に相当し、入力部３で設定されたプロファイル情報や印字パターン情報等の情報を記憶する。このような記憶部５Ａには、固定記憶装置等の記憶媒体や半導体メモリ等が利用できる。表示部８２は、専用のディスプレイを設ける他、システムに接続されたコンピュータのモニタを利用してもよい。
（演算部８０）

一方、レーザ加工装置１００のコントローラ１Ａは、入力部３から入力された情報に基づいてレーザ加工データを生成する加工データ生成部８０Ｋ等を構成する演算部８０を備える。演算部８０は、加工条件設定部３Ｃで設定された加工条件に基づいて、実際の加工を行うための加工データを生成するための加工データ生成部８０Ｋ、加工条件設定部３Ｃで設定されたレーザ光出力条件に基づいて発生する熱レンズ効果に起因する光軸方向の焦点位置のずれを焦点位置補正量として特定する補正量特定手段８０Ｂ、表示部８２に３次元のレーザ加工データを表示する際に加工対象面上にレーザ加工データを配置する初期位置を決定する初期位置設定手段、作業領域においてレーザ光を照射できず加工できない、あるいは加工が不良となる加工不良領域を検出する加工不良領域検出手段、加工不良領域検出手段で検出された加工不良領域に対して、加工可能な領域と異なる態様にて表示するためのハイライト処理を行うハイライト処理手段、加工条件設定部３Ｃで加工パターンを設定する際、加工不良領域を含む領域に何らかの加工が行われるよう設定されていることを検出して、警告を発するための設定警告手段の機能を実現する。また必要に応じて、加工不良領域における加工条件を加工可能となるように調整する加工条件調整手段、印字面に印字パターンを仮想的に一致させるように、印字パターン情報を平面状から３次元空間座標データに変換する座標変換手段等の機能を実現させることもできる。この演算部８０はＦＰＧＡやＬＳＩ等で構成される。

また図１１の例では、レーザ加工データ設定装置１８０を専用のハードウェアで構成したが、これらの部材はソフトウェアでも実行できる。特に、図１０に示すように汎用のコンピュータにレーザ加工データ設定プログラムをインストールして、レーザ加工データ設定装置１８０として機能させることもできる。また図１１の例では、レーザ加工データ設定装置１８０とレーザ加工装置１００とを個別の機器としたが、図１２に示すようにこれらを一体的に統合することもできる。

加工データ生成部８０Ｋは、レーザ加工装置１００のコントローラ１Ａ側に配置している。ただ、図１３に示すように加工データ生成部８０Ｋをレーザ加工データ設定装置１８０側に設けてもよい。例えば汎用のコンピュータにレーザ加工データ設定プログラムをインストールして、レーザ加工データ設定装置１８０として機能させるコンピュータで加工データ生成部８０Ｋの機能を実現している。あるいは、加工データ生成部をレーザ加工装置１００側とレーザ加工データ設定装置１８０側に各々設けることにより、レーザ加工装置１００、レーザ加工データ設定装置１８０のいずれにおいてもレーザ加工データを生成可能としたり、レーザ加工データの受け渡しや編集、表示を各々で可能とできる。
（レーザ加工データ設定プログラム）

次に、レーザ加工データ設定プログラムを用いて、加工条件設定部３Ｃから入力された文字情報に基づいて加工パターンを生成する手順を、図１４〜図１６のユーザインターフェース画面に基づいて説明する。なおこれらのプログラムのユーザインターフェース画面の例において、各入力欄や各ボタン等の配置、形状、表示の仕方、サイズ、配色、模様等は適宜変更できることはいうまでもない。デザインの変更によってより見やすく、評価や判断が容易な表示としたり操作しやすいレイアウトとすることもできる。例えば詳細設定画面を別ウィンドウで表示させる、複数画面を同一表示画面内で表示する等、適宜変更できる。またこれらのプログラムのユーザインターフェース画面において、仮想的に設けられたボタン類や入力欄に対するＯＮ／ＯＦＦ操作、数値や命令入力等の指定は、プログラムを組み込んだコンピュータに接続された入力部３で行う。本明細書において「押下する」とは、ボタン類に物理的に触れて操作する他、入力部によりクリックあるいは選択して擬似的に押下することを含む。入力部等を構成する入出力デバイスはコンピュータと有線もしくは無線で接続され、あるいはコンピュータ等に固定されている。一般的な入力部としては、例えばマウスやキーボード、スライドパッド、トラックポイント、タブレット、ジョイスティック、コンソール、ジョグダイヤル、デジタイザ、ライトペン、テンキー、タッチパッド、アキュポイント等の各種ポインティングデバイスが挙げられる。またこれらの入出力デバイスは、プログラムの操作のみに限られず、レーザ加工装置等のハードウェアの操作にも利用できる。さらに、インターフェース画面を表示する表示部８２のディスプレイ自体にタッチスクリーンやタッチパネルを利用して、画面上をユーザが手で直接触れることにより入力や操作を可能としたり、または音声入力その他の既存の入力手段を利用、あるいはこれらを併用することもできる。

レーザ加工データ設定プログラムは、３次元レーザ加工データの編集が可能である。ただ、３次元データの編集が不得手なユーザを考慮し、平面上での設定のみ可能で、３次元上での編集ができない「２Ｄ編集モード」を用意し、３次元レーザ加工データの加工が可能な「３Ｄ編集モード」と切り替え可能としてもよい。このような複数の編集モードを備える場合は、現在の編集モードを示す編集モード表示欄２７０と、編集モードを切り替える編集モード切替ボタン２７２を備える。図１４の例では、レーザ加工データ設定プログラムの起動時は「２Ｄ編集モード」とし、画面右上に設けられた編集モード表示欄２７０に、現在の編集モードが「２Ｄ編集中」であることを表示させている。操作が比較的容易な２次元編集モードを起動時のデフォルト編集モードとして設定することにより、３次元レーザ加工データの編集が不得手なユーザであっても戸惑うことなく操作できる。また、起動時の編集モードはユーザが変更可能に構成することもでき、操作を習熟したユーザが編集モードを切り替えることなく３次元レーザ加工データの編集が可能となるよう設定することもできる。

また編集モード表示欄２７０の右側に設けられた編集モード切替ボタン２７２には、３Ｄ編集モードに切り替え可能であることを示す「３Ｄ」の文字が表示されている。この状態から、編集モード切替ボタン２７２を押下すると、「３Ｄ編集モード」に切り替えられると共に、編集モード表示欄２７０の表示が「３Ｄ編集中」に変更される。さらに編集モード切替ボタン２７２は３Ｄ編集モードから２Ｄ編集モードに切り替え可能であることを示す「２Ｄ」の文字が表示される。このように、３Ｄ表示や編集を制限又は排除した「２Ｄ編集モード」を設けることで、ユーザが２次元的加工面に対する加工データの設定・編集を行いたい場合、２次元的加工面に対する加工データの設定・編集のみが行えるユーザインターフェースを提供することで、ユーザインターフェースの簡素化とそれに伴う操作性の向上を図ることができる。また、ユーザが３次元的加工平面に対する加工データの設定・編集を行いたい場合においても、いきなり不慣れな３Ｄ表示を行うのではなく、上述したこれまで慣れ親しんだ「２Ｄ編集モード」にて２次元的加工面に対する加工データの設定・編集を行い、この「２Ｄ編集モード」にて設定・加工された２次元加工データを「３Ｄ編集モード」にて更に、所望の３次元加工データに加工・編集し直す工程をとることにより、「３Ｄ編集モード」も、ユーザにとって判り易いユーザインターフェースとそれに伴う操作性の向上を図ることができる。

加工条件設定部３Ｃの一例を、図１４に基づいて説明する。図１４は、レーザ加工データ設定プログラムのユーザインターフェース画面の一例を示しており、画面の左側にワーク上に印字される加工パターンのイメージを表示する編集表示欄２０２、右側に具体的な加工条件として各種データを指定する印字パターン入力欄２０４を設けている。印字パターン入力欄２０４では、設定項目を選択するタブとして「基本設定」タブ２０４ｈ、「形状設定」タブ２０４ｉ、「詳細設定」タブ２０４ｊを切り替えることができる。図１４の例では「基本設定」タブ２０４ｈが選択されており、ここには加工種類指定欄２０４ａと、文字データ指定欄２０４ｄ、文字入力欄２０４ｂ、詳細設定欄２０４ｃを設けている。加工種類指定欄２０４ａは、加工パターンの種別として、文字列やシンボル、ロゴ、模様、図等のイメージを含めた印字パターン、若しくは加工機としての動作を行うかを指定する。図１４の例では、加工種類指定欄２０４ａからラジオボタンで文字列、ロゴ・図、加工機動作の別を選択する。また文字データ指定欄２０４ｄは、文字データの種別を指定する。ここでは文字、バーコード、２次元コード、ＲＳＳ・コンポジットコード（Composite Code：ＣＣ）のいずれかをプルダウンメニューから選択する。さらに選択された文字データの種別に応じて、さらに詳細な種別を種別指定欄２０４ｑで選択する。例えば文字を選択した場合はフォントの種別、バーコードを選択した場合は、CODE39、ITF、2 of 5、NW7、JAN、Code 28等のバーコード種別、２次元コードを選択した場合は、ＱＲコード、マイクロＱＲコード、DataMatrix等の２次元コード種別、ＲＳＳ・コンポジットコードを選択した場合は、RSS-14、RSS-14 CC-A、RSS Stacked、RSS Stacked CC-A、RSS Limited、RSS Limited CC-A等のＲＳＳコード種別、又はＲＳＳコンポジットコード種別を指定する。文字入力欄２０４ｂでは、印字したい文字情報を入力する。入力された文字は、文字データ指定欄２０４ｄで文字を選択した場合、そのまま文字列として印字される。一方、シンボルが指定された場合は、選択されたシンボルの種別に従って入力された文字列がエンコードされた加工パターンが生成される。加工パターンの生成は、加工条件設定部３Ｃで行う他、加工データ生成部で行ってもよい。この例では演算部８０が行っている。また詳細設定欄２０４ｃは、タブを切り替えて「印字データ」タブ２０４ｅ、「サイズ・位置」タブ２０４ｆ、「印字条件」タブ２０４ｇ等、印字条件の詳細を指定する。「印字条件」タブ２０４ｇでは印字パワーやスキャンスピード等を設定する。

なお加工種類指定欄２０４ａから加工機動作を選択すると、加工種別がプルダウンメニューから選択できるようになり、定点、直線、破線、左回り円・楕円、右回り円・楕円、トリガＯＮ中定点等が選択できる。加工機動作では、加工パターンとして文字入力欄に代わって線分座標指定欄が設けられ、直線や円弧等の軌跡を座標で指定する。またレーザ加工装置は文字列に限らず、ロゴや図等のイメージデータの印字も可能である。
（加工ブロック設定手段３Ｆ）

以上のようにして、一つの印字ブロックに関する印字パターン情報を設定する。また、印字ブロックを複数設定することもできる。すなわち、加工領域において複数の印字ブロックを設定し、異なる印字条件で印字加工を行うことができる。印字ブロックは、一のワーク又は加工（印字）対象面に対して複数設定する他、加工領域内に存在する複数のワークに対して各々設定することもできる。

加工ブロックの設定は、加工ブロック設定手段３Ｆで行う。図１４の例では、加工ブロック設定手段３Ｆの一形態として、印字パターン入力欄２０４の上欄にブロック番号選択欄２１６が設けられる。ブロック番号選択欄２１６にはブロック番号を表示する番号表示欄と、番号指定手段として、「＞」ボタン、「＞＞」ボタン、「＜」ボタン、「＜＜」ボタンが設けられる。「＞」ボタンを押下すると、ブロック番号が１インクリメントされて、新たな印字ブロックの設定が可能となる。また、設定済みの印字ブロックの設定を変更する際も、同様に「＞」ボタンを操作してブロック番号を選択し、該当する印字ブロックの設定を呼び出すことができる。また「＞＞」ボタンを押下すると最終のブロック番号にジャンプする。さらに「＜」ボタンを押下するとブロック番号が１つ戻り、「＜＜」ボタンを押下すると先頭のブロック番号にジャンプする。さらに、ブロック番号選択欄２１６の数値表示欄に直接数値を入力してブロック番号を指定することもできる。このようにして、ブロック番号選択欄２１６で印字ブロックを選択し、各印字ブロックについて印字パターン情報を指定する。この例では、ブロック番号を０〜２５５まで設定可能としている。

また印字ブロックの配置について、配置位置の調整（中心軸に対するセンタリング、右寄せ、左寄せ等）、複数の印字ブロックが重複した場合の重ね順や、位置合わせ等のレイアウトを設定することもできる。さらに各印字ブロックの配置を座標等で指定することもできる。例えば加工パターン位置調整手段を構成する「サイズ・位置」タブ２０４ｆからブロック座標のＸ座標、Ｙ座標を数値で指定する。またこの画面から、文字サイズとして文字高さ、文字幅、文字間隔等を指定できる。さらにブロック形状として、横書き、縦書きの別や、３次元印字の際の円柱内周、外周の別等を指定する。
（印字ブロックの設定一覧表）

このようにして設定された印字ブロックの設定項目を一覧表示させることもできる。図１４の例では、図１５に示すようにメニューの「編集」から「ブロック一覧」を選択することで、図１６のブロック一覧画面２１７が別ウィンドウで表示される。この一覧画面から、設定済みの印字ブロックを削除したり、複写して新たな印字ブロックを追加することができる。また所望の印字ブロックを選択して、設定項目を調整するように構成してもよい。
（ディレイ動作）

一般にレーザ励起部６やＱスイッチ１９、Ｘ軸スキャナ１４ａやＹ軸スキャナ１４ｂなどは応答速度に優れる一方で、Ｚ軸スキャナ１４ｃはこれらに比べ応答速度が遅く、レーザ駆動制御部から動作命令を受けてから、指示された動作をＺ軸スキャナが完了するまでの間、遅れ時間が生じる。特に複数の加工ブロック毎にレーザパワーやＱスイッチ周波数等の加工条件を変化させる場合は、加工ブロック毎にＺ軸スキャナを動作させることになり、前後する加工ブロック間での移動距離が大きい場合は、このような遅れ時間が顕在化する。このため、仮に動作命令を受けてから直ちに各部材の動作を実行させると、Ｚ軸スキャナによる焦点位置の調整が終了していない段階からレーザ光の照射が開始されることとなって、加工開始部分では焦点位置がずれた状態で加工されることとなり、加工品質が低下することがある。そこで、Ｚ軸スキャナの動作に要する時間を予め考慮した上で各部材を動作させるようにディレイ動作を行うことで、このような問題を解消できる。

具体的には、Ｚ軸スキャナの遅れ時間はＺ軸スキャナに固有であって、移動の開始位置と終了位置の座標位置や移動距離、あるいは加工パターンが決まれば、遅れ時間を演算できる。よって、加工パターンに応じてＺ軸スキャナの遅れ時間をレーザ駆動制御部等で演算すると共に、演算された遅れ時間分だけ、レーザ光の出力開始を待機するようにレーザ駆動制御部を制御することで、焦点位置が正確に調整された状態での加工が行われ、高品質な加工結果を維持できる。
（レーザ加工データの設定手順）

以上のレーザ加工データ設定プログラムを用いて、加工条件設定部３Ｃから印字条件を設定して加工データ生成部８０Ｋが加工パターンを生成する手順を説明する。まず加工パターンを設定する。ここでは、加工条件設定部３Ｃから文字列を入力し、さらにエンコードするシンボルの種別を指定する。図１４の例では、加工種類指定欄２０４ａで文字列を選択し、文字入力欄２０４ｂから文字列として「ＡＢＣＤＥ」を入力すると共に、文字データ指定欄２０４ｄの「文字データの種類」欄から、種別として「文字」を選択し、またフォントの種別を指定している。このようにして指定された情報に基づき、演算部８０は加工パターンを生成する。ここでは文字列が選択されているので、文字の印字パターンのイメージが編集表示欄２０２に表示される。

なお、この例では加工条件設定部３Ｃから入力された文字情報に基づいて、演算部８０が自動的に加工パターンを生成しているが、直接シンボルを入力することも可能である。例えば、既に作成されたシンボルの画像データを加工条件設定部で選択して入力したり、他のプログラムで作成したシンボルを加工条件設定部から貼り付ける等の手段が採用できる。

次に加工条件設定部３Ｃからプロファイル情報を入力する。図１４の例では、印字パターン入力欄２０４のタブを「基本設定」タブ２０４ｈから「形状設定」タブ２０４ｉに切り替えて、プロファイル指定欄から基本図形を選択する。これにより、編集表示欄２０２の表示が指定した形状に切り替えられる。また、編集表示欄２０２の表示形式を３Ｄ表示に切り替えると、加工対象面の３次元形状が立体的に確認できる。なお形状の指定は文字列すなわち印字ブロック毎に設定可能であるが、複数文字列に一括して形状を指定してもよい。

このように、印字パターン情報を指定し、この加工パターンの平面図を編集表示欄２０２で表示させた後、プロファイル情報を指定して３次元の加工パターンに変換して編集表示欄２０２で確認することで、加工パターンの変化を視覚的に確認できる。なお、上記手順は、順序を入れ替えてもよい。すなわち、先に加工対象面の形状を指定した後、印字パターン情報を指定することもできる。

以上のようにして、加工データとして３次元空間座標データが得られた後、必要に応じて調整作業が行われる。例えばレイアウトの調整や高さ方向（ｚ方向）への微調整が挙げられる。微調整には、プログラムのユーザインターフェース上に設けられたスライダの調整やマウスのホイール回転等の手段が利用できる。

以上の手順で最終的なレーザ加工データが生成され設定作業が終了した後、得られたレーザ加工データをレーザ加工データ設定プログラムから、図１０に示すレーザ加工装置のコントローラ１Ａに転送する。転送の実行には、レーザ加工データ設定プログラムの画面左下に設けられた「転送・読出し」ボタン２１５を押下する。これにより記憶部５Ａからコントローラ１Ａ内のメモリ部５に設定データが転送され、展開されて設定内容が切り替えられ、新たな印字条件が反映される。メモリ部５で展開されたレーザ加工データやその他の加工条件は、加工動作時に参照される。

レーザ加工装置では、レーザ加工データに基づいて印字加工を行う。また実際の加工開始に先立って、テスト印字を行わせてもよい。これにより、所望の印字パターンの印字が得られるかどうかを事前に確認することができる。またテスト印字結果に基づいて、さらにレーザ加工データを再設定することもできる。

以上の例では、一のワークに一の印字パターンを指定する例を説明したが、同様の手順を繰り返すことにより一のワークに複数の印字パターンを指定することもできる。また、レーザ加工データ設定プログラムの一画面にワークを一のみを表示する構成に限られず、一画面に複数のワークを表示させて、それぞれのワークに印字パターンを指定することもできる。
（デフォーカス量の設定）

以上の加工データ生成部８０Ｋは、加工条件設定部３Ｃで設定された加工条件に基づいて、３次元状の加工対象面と一致する基本設定条件となるように加工データを生成している。ただ、意図的に加工対象面と一致しないようにデフォーカス量を設定することも可能である。

意図的に特定のデフォーカス量を印字面に対して設定するには、印字面に対してフォーカスが合う基本設定条件に対して、デフォーカス量を指定する。図１７に、このような設定を行う加工パラメータ設定画面の一例を示す。図１７において、加工パラメータ設定欄２０４ｎにデフォーカス値を指定するデフォーカス設定欄２０４ｏが設けられており、ユーザが所望の値を入力する。デフォーカス値として、例えばプラスの値を入力すれば、焦点位置が印字面よりも設定された値分、レーザ加工装置に対して離れた位置に設定される。逆にマイナスの値として入力すれば、印字面よりさらに設定された値だけ焦点位置がレーザ加工装置に対して近い位置に設定される。

また、加工条件を設定する際の設定項目として、レーザ光のデフォーカス量としてのスポット径、ワークの材質等の加工パラメータを設定することもできる。この際、指定された一の加工パラメータの変更に追従させて他の加工条件を自動的に変更することにより、ユーザは特定の設定項目のみを変化させた条件出しが容易に行える。図１７に示すレーザ加工データ設定プログラムの画面においては、画面右側の「詳細設定」タブ２０４ｊの下段において、ワーキングディスタンス、デフォーカス量、スポット径、加工対象ワークの設定欄が設けられている。ワーキングディスタンスは、レーザ加工装置によって決まるため、通常は自動で設定される。デフォーカス量は、レーザ光の焦点位置（ワーキングディスタンス）からのオフセット量を指定する。またスポット径は焦点位置のスポット径を基準として比率で指定される。さらに、加工対象ワークは、加工対象のワークの材質や加工目的を、選択肢２０４ｋから選択することで、選択されたワークの加工に適したレーザ光のパワー密度に調整される。この例では、鉄への黒色印字、ステンレスへの黒色印字、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂、フェノール樹脂といったワークの材質、及び樹脂溶着、表面粗しといった加工目的が列挙されており、ユーザは所望の加工目的に応じてラジオボタンを選択する。

これらの設定項目は、相互に関連している。すなわち、デフォーカス量を調整することにより、レーザ光のパワー密度を調整できるが、同時にスポット径も変化する。またワークの材質や加工目的を選択すると、目的に合致したレーザ光のパワー密度が選択されるため、デフォーカス量やスポット径が変化することになる。このため、スポット径を一定に維持しつつレーザ光のパワー密度を調整したい場合には、従来はデフォーカス量を設定するのみならず、スポット径が変化しないような加工パラメータの組み合わせを探すべく、レーザ光の出力値や走査速度といった他の設定項目を調整する必要があった。この作業は、実際にワークにレーザ光を走査して加工した結果を見ながら各項目値を調整するという試行錯誤を繰り返して、最適な加工パラメータの組み合わせを見つけ出すものであるため、極めて煩雑で手間がかかる。

そこで、予め一の加工パラメータに対応して変更すべき他の加工パラメータ値の組み合わせを参照テーブル５Ｂに登録しておき、一の加工パラメータを調整する際には、参照テーブル５Ｂを参照して該当する他の加工パラメータの組み合わせを抽出し、この値を自動設定することによって、必要な設定項目のみを変化させることを可能としている。具体的には、図１７の画面からデフォーカス量やスポット径、加工対象ワークのいずれか一を設定すると、他の設定項目には対応する値が自動的に入力される。また、この状態からデフォーカス量を変更しても、スポット径や加工対象ワークが一定に維持されるよう、他の加工パラメータ（例えばレーザ出力や走査速度）等が自動的に調整される。これにより、ユーザは所望の項目のみを速やかに変更できるので、所望の加工結果に極めて容易に調整することができる。
（デフォーカス量の連続変化）

さらに、加工パラメータをレーザ加工中に連続的に変化させることもできる。これによって、ワーク表面の彫り込み加工において傾斜面を形成したり、ワーク表面に筆書き調のロゴを印字加工することができる。このような加工を行うには、レーザ光のデフォーカス量やスポット径を連続的に変化させるように設定することで実現できる。この際も、上記と同様にデフォーカス量やスポット径の連続変化に追従させるように、加工データ生成部８０Ｋが他の加工パラメータも連続的に調整し、指定された設定項目のみが連続変化するように自動調整される。この結果、加工位置や大きさといった、変更を要しない設定項目は従前の値を維持するような加工が行われ、ユーザが望む設定項目のみを変化させるような加工条件を容易に設定できる。

図１８に、このようなレーザ加工の連続変化を設定する加工パラメータ設定欄２０４ｌの一例を示す。図１８の例では、加工パラメータ設定欄２０４ｌに設けられた「連続変化を行う」欄のチェックボックスをＯＮにすると、連続変化の設定画面に切り替えられる。ここでは、連続変化を行う範囲を座標位置で指定する。また、変化させたい設定項目のチェックボックスをＯＮにすると、範囲の入力欄が表示され、数値を指定可能となる。図１８の例では、デフォーカス量のチェックボックスを選択することでデフォーカス設定欄２０４ｍが表示されており、開始位置のデフォーカス量と終了位置のデフォーカス量を指定する。指定されたデフォーカス量は、指定された範囲内において、均等に連続変化するように自動設定される。また、開始値または終了値のみを指定し、変化の増分・減分や変化率を指定することもできる。また、デフォーカス量を設定すると、スポット径の欄も対応する数値が参照テーブル５Ｂから参照されて、入力欄に自動的に入力される。このように、いずれかの設定項目が指定されると、他の設定項目にも自動的に対応値が入力されるので、ユーザは各設定項目の加工パラメータ同士の相関関係を意識することなく、必要な項目のみを設定するだけで所望の加工条件に変更することが可能となる。

以上のようにして、加工対象のワークの材質、加工パターン、仕上げ状態、加工時間等の設定項目について、レーザ光のビーム径を自由に変化させることにより、簡単に短時間で変更できる。
（設定の保存・読み込み）

さらに、一旦設定された加工条件の加工パラメータを設定データとして保存し、必要時に呼び出すこともできる。例えば、ファイルメニューから「名前をつけて保存」を選択し、任意の名称をつけて設定情報を保存しておくことで、将来同じワークに同じ加工を行う際に、保存された設定データを呼び出すことで、段取り替えに要する時間や手間を大幅に簡略化できる。また、よく使われる設定については、予め登録しておくことにより、これを利用すれば初心者でも容易に加工条件の設定を行える。また登録・保存されたデータの設定条件をベースにして調整を行うことによって、設定の手間を大幅に省力化できる。このように、設定情報の再利用を可能とすることでも、設定作業の省力化に大きく貢献できる。

以上のように、レーザ加工データ設定プログラムを用いたレーザ加工データ設定方法の基本的な流れは、先ず２次元設定用ユーザインターフェースを用いて、２次元状の印字パターン情報として、印字文字列やレイアウトなどを設定し、次いで３次元設定用ユーザインターフェースで、印字パターンを３次元形状に変換するための３次元情報やレイアウトを設定するという手順になる。この手順を具体的に説明すると、先ず２次元設定用ユーザインターフェースでの設定は、印字対象の文字列、バーコード、２次元コード、あるいはユーザ規定の図形等を規定する情報と、それらの大きさ、文字毎の傾き、線幅など平面的なレイアウトに関するデータを入力する。データ入力に関しては、直接数値入力することや、加工イメージ表示部で２次元状に表示させたイメージ上から直接編集することも可能である。例えばサイズ調整やレイアウト等をマウス操作により調整できる。これらの設定は、２次元表示にて行うことができる。
（加工条件）

加工条件には、加工の内容を示す加工パターン情報と、加工パターンを加工対象面の形状に応じて３次元状に変形する３次元形状情報が含まれる。加工パターンは、文字列やバーコード、２次元コード等のシンボル、あるいはロゴ等のイメージデータである。またパレット印字等の一括加工モードにおいては、製造年月日やシリアル番号等の変数を加工パターンに含めてもよい。変数は、加工日時等、加工時に指定する所定値の他、シリアル番号等のように加工位置や加工順序等に応じてインクリメントする値等が利用される。このような情報をワークに付加することで、トレーサビリティに対応した３次元印字が実現できる。

以上のようにしてレーザ加工条件設定プログラムやレーザ加工条件設定装置で設定された加工条件は、記憶部５Ａ（図１１）に保持されており、加工条件設定後にはコントローラ１Ａのメモリ部５（図１）に転送されて展開され、加工動作時に参照される。
（熱レンズ効果補正機能）

またレーザマーカは、熱レンズ効果により生じた焦点位置のずれを、レーザ光の焦点位置を光軸方向に調整可能な焦点位置調整手段で補正する熱レンズ効果補正機能を備えている。具体的には、加工条件設定部３Ｃで設定された加工条件から、発生する熱レンズ効果を修正するための焦点位置補正量を補正量特定手段８０Ｂが特定し、この焦点位置補正量に応じてレーザ駆動制御部が焦点位置を調整するようＺ軸スキャナを制御してレーザ光を走査する。これにより、熱レンズ効果が発生しても加工品質を低下させることなく、高品質な加工を維持できる信頼性の高いレーザ加工が実現される。補正量特定手段８０Ｂによる焦点位置補正量は、レーザマーカの設定時に、加工条件設定部３Ｃで設定された加工条件に従って自動演算される。この焦点位置補正量に従い、レーザ光照射時には補正された焦点位置で加工するよう、レーザ駆動制御部によりレーザ光走査部９が制御される。

このように、焦点位置の調整機能を有するＺ軸スキャナを、３次元加工に利用するのみならず、設定時の熱レンズ効果の補正にも利用することができる。特に熱レンズ効果の補正は、従来は手作業でレーザマーカのワーキングディスタンスを、熱レンズ効果による焦点位置のずれに応じて現場で調整する必要があり、極めて手間がかかっていた。また、レーザパワーやＱスイッチ周波数などのレーザ加工条件を変更すると、焦点位置のずれの程度も変化するため、これに応じて一々再設定を行う必要があった。さらに、レーザマーカは加工ブロック毎にレーザパワーやＱスイッチ周波数などの加工条件を変更することができるようになっているものが多いが、加工条件の変更は熱レンズ効果の程度も変化させるため、複数の加工ブロック に対して連続的にレーザ光を照射する場合は、すべての加工ブロックにおいて正確な焦点位置の調整を行うことができず、その結果加工品質が加工ブロック毎に一定しないという結果を招いていた。本実施の形態によれば、加工位置の調整を加工ブロック毎に変化させることもできるので、このような問題も解消でき、極めて高品質な加工が実現される。

以下、熱レンズ効果補正機能を図１９に基づいて説明する。図１９は熱レンズ効果によって焦点位置が変動する様子を示しており、図１９（ｂ）を基準として、図１９（ａ）はレーザパワーが大きい、又はＱスイッチ周波数が小さい場合に、実線で示すように焦点距離が長く伸びる状態を、図１９（ｃ）はレーザパワーが小さい、又はＱスイッチ周波数が大きい場合、実線で示すように焦点距離が短くなる状態を、それぞれ示している。

例えばＹＶＯ₄やＹＡＧのような固体レーザにおいては、固体レーザ媒質が熱を帯びると熱レンズ効果が発生し、焦点位置が本来の位置からずれる現象が生じる。焦点位置のずれ量は、レーザ発振器内部に滞留する熱量に比例する。これは、（投入パワー）−（レーザ平均出力）と等価であり、投入パワーはレーザパワーの設定値、レーザ平均出力はＱスイッチ周波数の関数であるから、焦点位置のずれ量ΔＶｓｐｏｔはΔＶｓｐｏｔ＝ｆ（Ｐ、Ｑ）で表現できる。ここでＰはパワー設定値、ＱはＱスイッチ関連パラメータ（Ｑスイッチ周波数、ＯＮ／ＯＦＦデューティ等）である。

一方でレーザマーカは、光軸方向に焦点位置を調整できるレーザ光走査部９としてＺ軸スキャナを搭載している。そこで、Ｚ軸スキャナを利用して、このずれ量を相殺するように制御する。例えば、図１９（ａ）に実線で示すようにレーザパワーが大きい、Ｑスイッチ周波数が小さい、又はＯＮ／ＯＦＦデューティ比が大きくなる場合は、焦点位置が遠くなるように変化する。よってこれを補正するために、図１９（ａ）に破線で示すように、Ｚ軸スキャナを制御して焦点位置を手前側、すなわちスポット径を細くするように調整する。逆に図１９（ｃ）に実線で示すようにレーザパワーが小さい、Ｑスイッチ周波数が大きい、又はＯＮ／ＯＦＦデューティ比が小さくなる場合は、焦点距離が短くなるので、図１９（ｃ）に破線で示すように焦点位置を近付けるよう、すなわちスポット径が太くするようにＺ軸スキャナを制御する。

また、レーザ発振部そのものではなく、ＬＢＯ等の波長変換素子においても、固体レーザ媒質と同様に熱レンズ効果が発生するため、このような熱レンズ効果補正機能は有効である。また波長変換素子はその内部を通過したビームの強度により広がり角が変化するので、これを補正するためにも同様に焦点位置調整手段であるＺ軸スキャナを利用できる。

さらにＣＯ₂レーザ等、固体レーザ媒質を使用しないレーザ加工装置においても、外部のレンズ等の光学素子が、これを通過するレーザビームのパワーにより加熱されると、光学素子の熱膨張やひずみ等により焦点位置が変化することが生じる。このような場合の補正においても、焦点位置調整手段であるＺ軸スキャナを利用できる。
（熱平衡状態までの遷移期間）

また、レーザパワーやＱスイッチ周波数を変更した後、熱レンズ効果が熱平衡状態に至る時間が長い設計も考えられる。例えば固体レーザ媒質が大きい場合、固体レーザ媒質が熱容量の大きな部材と接触している場合などが考えられる。この場合は、焦点位置補正量を動的に変更することで、このような過渡的な期間においても適切な補正を行うことができる。例えば、時間変化を考慮した焦点位置補正量としてΔＶｓｐｏｔ＝ｆ”（Ｐ、Ｑ、ｔ）（ｔ：時間）で表現できる。

さらに熱レンズ効果の程度は固体レーザ媒質による個体差がある場合も考えられる。この場合には関数ｆ”（Ｐ、Ｑ、ｔ）の係数や定数を個体毎に調整し補正することもできる。加えて、経時変化も考慮して焦点位置補正量を調整することもできる。
（デフォーカス量の重畳）

また、Ｚ軸スキャナを備える３次元加工が可能なレーザマーカは、上述のとおり焦点位置を意図的にずらして加工するデフォーカス機能を備える。すなわち、ユーザが加工条件設定部３Ｃ、具体的には図１８のデフォーカス設定欄２０４ｍから、加工ブロック毎に光軸方向のスポット位置を変更して、スポット径を大きくして太字で印字したり、スポット径を小さくして細く印字することが可能である。このような場合においても、上述した焦点位置補正量を加味した制御を行う。具体的には、ユーザの所望のスポット位置をΔＹｓｐｏｔとすると、この値を焦点位置補正量に加算したΔＹｓｐｏｔ＋ΔＶｓｐｏｔを焦点位置として制御する。このように、デフォーカスが設定されている場合は、このデフォーカス量をオフセットして焦点位置調整手段を制御することで、適切な加工が実現される。
（焦点位置に応じたディレイ量制御）

また焦点位置の調整量に伴って、上述したディレイ動作も変更するよう制御することもできる。上述のとおり加工ブロック毎に加工条件を変化させる場合は、加工ブロック毎にＺ軸スキャナを動作させることになる。この際のＺ軸スキャナの移動量は、その前段の加工ブロックの加工パターン、及び焦点位置補正量に依存する。したがって、前後する加工ブロック間での差を考慮して、ディレイ量すなわち遅れ時間を変化させるよう制御することで、実際のＺ軸スキャナの移動量に応じた適切なディレイ動作を実行できる。
（補正量特定手段８０Ｂ）

次に、補正量特定手段８０Ｂで熱レンズ効果による光軸方向の焦点位置補正量を決定する手順を説明する。焦点位置補正量の特定は、予めレーザ加工条件に応じて熱レンズ効果によるずれ量、すなわち焦点位置補正量を記録した補正量記憶手段の一形態である参照テーブルを参照することで、容易に決定できる。補正量特定手段８０Ｂは、加工条件設定部３Ｃで設定されたレーザ光出力条件、例えばレーザパワー、Ｑスイッチ周波数、ＯＮ／ＯＦＦデューティ等のパラメータ値に応じた焦点位置情報を、２次元配列のテーブルデータとして補正量記憶手段に記憶しておき、ここからパラメータ値に応じて対応する焦点位置補正量を読み出すことができる。これにより、補正量特定手段８０Ｂの処理を負荷を軽減し、高速化が図られる。

あるいは、テーブルを利用することなく、設定されたレーザ加工条件から演算により求めることもできる。この場合は、レーザ光出力条件に応じて発生する熱レンズ効果による焦点位置のずれ量を演算するための演算式を、予め補正量特定手段８０Ｂに設定しておき、この演算式に基づいて補正量特定手段８０Ｂが各レーザ加工条件毎の焦点位置補正量を演算する。この方法であれば、テーブルなどの記憶素子を用いることなく、焦点位置補正量を適切に決定できる。また、複数の演算式を用意しておき、切り替えて用いることもできる。演算式としては、ΔＶｓｐｏｔ＝ａＰ−ｆ’（Ｑ）＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは定数；Ｐはレーザパワー；ＱはＱスイッチ関連パラメータ（Ｑスイッチ周波数、ＯＮ／ＯＦＦデューティ等））等に設定できる。この演算式を用いることで、Ｐ、Ｑのパラメータ値変更に伴いΔＶｓｐｏｔが計算でき、この値に基づいてワーク上に焦点が合うようにＺ軸スキャナをリアルタイムに制御することができる。

さらにいずれの場合も、補正量記憶手段や補正量特定手段は、コントローラ１Ａ側に配置することができる。例えば図１のメモリ部５に設けられた展開情報用メモリ５ｃに、このような焦点位置補正量を保持させておき、加工時に参照する。
（加工条件設定データの流れ）

図２０に、ユーザによる加工条件設定の入力から加工開始までの処理におけるデータの流れを説明したブロック図を示す。図２０において、印字設定の入力値４０１は、図１１等の加工条件設定部３Ｃで設定され記憶部５Ａに記憶された加工条件の設定情報に相当する。ここでは、レーザパワーやＱスイッチ周波数、デフォーカス量ΔＹｓｐｏｔなどをユーザが図１４の画面から入力する。また、基本文字線分情報４０２は、図１の基本文字線分情報用メモリ５ｂに記憶された情報である。これらの情報から文字座標情報４０３、印字パワー・スピード等情報４０４及び加工後文字線分情報４０５が展開処理によって生成される。これらの情報を含む展開情報は、図１の展開情報用メモリ５ｃに相当する印字時参照メモリ４０６に記憶される。そして、印字時参照メモリ４０６に記憶された展開情報は、印字開始指令に伴ってコントローラ部のレジスタ４０７及びＦＩＦＯメモリ４０８に渡される。
（焦点位置補正量を決定する手順）

次に、Ｚ軸スキャナに与える焦点位置補正量を決定する手順を、図２１のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ１で、加工条件を設定する。具体的には、ユーザが加工条件設定部３Ｃから、レーザ光出力条件として、Ｑスイッチ１９から出射されるレーザパワー、Ｑスイッチ周波数又はＱスイッチのＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を設定する。また必要に応じて、ステップＳ２でデフォーカス量ΔＹｓｐｏｔを設定する。次いでステップＳ３で、加工パターンの位置情報を設定する。これによって、加工位置のＸＹＺ座標が決定される。その他、システム情報、設定共通情報及びブロック情報を含む設定情報が入力される。このようにして設定情報が入力されると、ステップＳ４で加工データが演算される。この段階で焦点位置補正量が補正量特定手段８０Ｂにより加味されて、最終的なＺ座標位置であるＺ＝ｚ（ｘ，ｙ）＋ΔＹｓｐｏｔ＋ｆ（Ｐ，Ｑ）が決定される。そして印字情報の展開処理が行われ、印字順が決定される。このとき、図２０に示した文字座標情報４０３、印字パワー・スピード等情報４０４及び加工後文字線分情報４０５が生成される。より具体的には、ユーザの入力した文字サイズ、助走長、太線幅にしたがって、基本文字線分情報で定義された文字の拡大縮小、助走線分の付加、及び太線化処理（必要な場合）を実行する。このようにして生成された展開情報は、印字時参照メモリ４０６（展開情報用メモリ５ｃ）に一旦格納される。この後、ユーザが印字開始指令を入力するのを待つ。

印字実行指令の入力があれば、ステップＳ５で、印字データが出力され、印字処理の実行に移る。この際、必要に応じて時間、日付、ランク等の更新文字の決定をした後、展開情報がレジスタ４０７及びＦＩＦＯメモリ４０８に転送される。印字内容に更新文字が含まれない場合は、印字時参照メモリ４０６から読み出した展開情報がそのままレジスタ４０７及びＦＩＦＯメモリ４０８に転送される。更新文字は、時間、日付、ランク、シリアル番号等の印字文字であり、例えば複数のワークに印字するシリアル番号が１ずつ増加するような場合に相当する。更新文字がある場合は、加工条件設定入力の際にユーザが明示的に指示し、印字に使用される可能性のある文字（例えば数字の０から９）の全部について、展開処理が行われる。時間及び期限の印字に関しては、印字開始指令が入力された時点で計算される。上記のようにして展開情報がレジスタ４０７及びＦＩＦＯメモリ４０８に渡されると、印字が開始される。具体的には、レジスタ４０７及びＦＩＦＯメモリ４０８に展開情報の蓄積が完了した時点で、あるいはＦＩＦＯメモリ４０８に空き領域が無くなった時点でハードウェア内部の印字開始命令が発行され、印字が開始される。ＦＩＦＯメモリ４０８に空き領域が無くなった時点で展開情報に残りがある場合は、展開情報の転送が一旦中断され、印字の実行に伴ってＦＩＦＯメモリ４０８の空き領域が半分になった時点で展開情報の転送が再開される。

以上のように、本実施の形態によれば熱レンズ効果の較正をはじめとする焦点位置の制御に、既存のＺ軸スキャナを利用するため、安価にかつ簡易な構成で実現できる。特に加工ブロック毎に加工条件を変更したい場合などには極めて有効である。

本発明のレーザ加工装置、レーザ加工方法及びレーザ加工装置の設定方法は、例えばマーキング、穴あけ、トリミング、スクライビング、表面処理等、立体形状を有する立体の表面にレーザ照射を行う処理において、立体形状の設定に広く適用可能である。なお、３次元印字が可能なレーザマーカの例について説明したが、本発明は２次元印字が可能なレーザマーカに対しても好適に適用できる。

本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。 図１のレーザ励起部の内部構造を示す斜視図である。 レーザ加工装置のレーザ光走査部を含むマーキングヘッドの構成を示す斜視図である。 図３を背面方向から見た斜視図である。 図３を側面から見た側面図である。 レーザ加工装置のレーザ光の焦点位置が、作業位置において変化する状態を説明する説明図である。 焦点距離を長くする場合のレーザ光走査部を示す側面図である。 焦点距離を短くする場合のレーザ光走査部を示す側面図である。 Ｚ軸スキャナを示す正面図及び断面図である。 ３次元印字可能なレーザマーカのシステム構成を示すブロック図である。 レーザ加工システムを示すブロック図である。 レーザ加工システムの他の例を示すブロック図である。 レーザ加工システムのさらに他の例を示すブロック図である。 レーザ加工データ設定プログラムのユーザインターフェース画面の一例を示すイメージ図である。 図１４の画面から、加工ブロック一覧を呼び出す画面を示すイメージ図である。 複数の印字ブロックを設定する加工ブロック設定手段の一例を示すイメージ図である。 加工パラメータの設定画面の一例を示すイメージ図である。 デフォーカス設定量の設定画面の一例を示すイメージ図である。 熱レンズ効果を補正する様子を示す模式図であり、図１９（ｂ）を基準として、図１９（ａ）は焦点距離が長く伸びた状態を、図１９（ｃ）は焦点距離が短くなった状態を、それぞれ示す。 加工時に必要な情報を作成する手順を説明する機能ブロック図である。 Ｚ軸スキャナに与える焦点位置補正量を決定する手順を示すフローチャートである。 従来のレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。 Ｘ・Ｙ・Ｚ軸スキャナの配置状態を示す透明斜視図である。

符号の説明

１００…レーザ加工装置
１…レーザ制御部；１Ａ…コントローラ；２…レーザ出力部
３…入力部；３Ａ…加工面プロファイル入力手段；３Ｂ…加工パターン入力手段
３Ｃ…加工条件設定部；３Ｆ…加工ブロック設定手段；
４…レーザ駆動制御部；５…メモリ部；５Ａ…記憶部；５Ｂ…参照テーブル
５ａ…設定情報用メモリ；５ｂ…基本文字線分情報用メモリ；５ｃ…展開情報用メモリ
６…レーザ励起部；７…電源；８…レーザ媒質；９…レーザ光走査部
１０…レーザ励起光源；１１…レーザ励起光源集光部
１２…レーザ励起部ケーシング；１３…光ファイバケーブル
１４ａ…Ｘ軸スキャナ；１４ｂ…Ｙ軸スキャナ
１４ｃ…Ｚ軸スキャナ；１４ｄ…ポインタ用スキャナミラー
１５…集光部；１６…入射レンズ；１８…出射レンズ；１９…Ｑスイッチ
５０…レーザ発振部；５１ａ、５１ｂ…ガルバノモータ
５２…スキャナ駆動回路；５３…ビームエキスパンダ
６０…ガイド用光源；６２…ハーフミラー；６４…ポインタ用光源；６６…固定ミラー
８０…演算部；８０Ｂ…補正量特定手段；８０Ｋ…加工データ生成部
８２…表示部；８３…加工イメージ表示部；８４…ヘッドイメージ表示手段
１５０…マーキングヘッド；１８０…レーザ加工データ設定装置；１９０…外部機器
２０２…編集表示欄
２０４…印字パターン入力欄；２０４ａ…加工種類指定欄；２０４ｂ…文字入力欄
２０４ｃ…詳細設定欄；２０４ｄ…文字データ指定欄；２０４ｅ…「印字データ」タブ
２０４ｆ…「サイズ・位置」タブ；２０４ｇ…「印字条件」タブ
２０４ｈ…「基本設定」タブ；２０４ｉ…「形状設定」タブ
２０４ｊ…「詳細設定」タブ；２０４ｋ…選択肢
２０４ｌ…加工パラメータ設定欄；２０４ｍ…デフォーカス設定欄
２０４ｎ…加工パラメータ設定欄；２０４ｏ…デフォーカス設定欄
２０４ｑ…種別指定欄
２１５…「転送・読出し」ボタン；２１６…ブロック番号選択欄
２１７…ブロック一覧画面
２７０…編集モード表示欄；２７２…編集モード切替ボタン
４０１…印字設定の入力値；４０２…基本文字線分情報；４０３…文字座標情報
４０４…印字パワー・スピード等情報；４０５…加工後文字線分情報
４０６…印字時参照メモリ；４０７…レジスタ；４０８…ＦＩＦＯメモリ
Ｌ、Ｌ’…レーザ光；Ｇ…ガイド光；Ｐ…ポインタ光
ＷＫ…ワーク；ＷＳ…作業領域；ＷＭ…加工対象面を示す平面；ＷＭ’…補正面

Claims (12)

1. 加工対象面に対してレーザ光を照射して、所望の加工パターンに加工可能なレーザ加工装置であって、
   レーザ光を発生させるためのレーザ発振部と、
   前記レーザ発振部より出射されるレーザ光を作業領域内において走査させるためのレーザ光走査部として、
   入射レンズと出射レンズを備え、前記レーザ発振部から照射されるレーザ光の光軸に前記入射レンズ及び出射レンズの光軸を一致させた状態で、入射レンズと出射レンズ間の相対距離をこれらの光軸に沿って変化させてレーザ光の光軸方向の焦点位置を調整可能なＺ軸スキャナと、
   前記Ｚ軸スキャナを透過するレーザ光を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に走査させるためのＸ軸スキャナ及びＹ軸スキャナと、
   を備えるレーザ光走査部と、
   前記レーザ発振部および前記レーザ光走査部を制御するためのレーザ駆動制御部と、
   所望の加工パターンに加工する加工条件として、レーザ光出力条件と加工パターンを設定するための加工条件設定部と、
   前記加工条件設定部で設定されたレーザ光出力条件に基づいて発生する熱レンズ効果に起因する光軸方向の焦点位置のずれを焦点位置補正量として特定する補正量特定手段と、
   を備え、
   レーザ光照射時に、前記加工条件設定部で設定された加工条件に、前記補正量特定手段により特定された焦点位置補正量を加味して、前記レーザ駆動制御部がレーザ光を走査するよう構成してなることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、さらに、
   、前記レーザ光をパルス発振させるためのＱスイッチを備えており、
   前記加工条件設定部が、レーザ光出力条件として、レーザパワー、前記Ｑスイッチの周波数又は前記ＱスイッチのＯＮ／ＯＦＦのデューティ比の少なくともいずれかを設定可能であり、
   前記補正量特定手段が、熱レンズ効果による光軸方向の焦点位置補正量を、
   前記加工条件設定部でレーザパワーが大きくなる、Ｑスイッチ周波数が小さくなる又はＯＮ／ＯＦＦデューティ比が大きくなる方向に設定される場合は、焦点距離が長くなると判断して焦点位置を近付ける方向に焦点位置補正量を設定し、
   前記加工条件設定部でレーザパワーが小さくなる、Ｑスイッチ周波数が大きくなる又はＯＮ／ＯＦＦデューティ比が小さくなる方向に設定される場合は、焦点距離が短くなると判断して焦点位置を遠ざける方向に焦点位置補正量を設定するよう構成してなることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、さらに、
   熱レンズ効果による光軸方向の焦点位置補正量を、レーザ光出力条件に対応させて予め記録した補正量記憶手段を備え、
   前記補正量特定手段は、設定されたレーザ光出力条件に応じた焦点位置補正量を、前記補正量記憶手段から読み出すことで特定することを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、
   前記補正量特定手段は、熱レンズ効果による光軸方向の焦点位置補正量を、予め設定された演算式に基づく演算により特定することを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項１から４のいずれか一に記載のレーザ加工装置において、
   前記加工条件設定部が、レーザ光の焦点位置を意図的にずらしたデフォーカス量を設定可能であり、
   前記補正量特定手段は、さらに設定された該デフォーカス量に基づいて熱レンズ効果による光軸方向の焦点位置補正量を特定することを特徴とするレーザ加工装置。
6. 請求項１から５のいずれか一に記載のレーザ加工装置において、
   前記加工条件設定部がさらに加工条件として、加工対象面の３次元形状の加工パターンを、異なる条件に一以上設定可能に構成してなることを特徴とするレーザ加工装置。
7. 請求項６に記載のレーザ加工装置において、
   前記レーザ駆動制御部がさらに、複数の異なる加工パターンの加工に際して、前記Ｚ軸スキャナに対して動作命令を行った後、前記Ｚ軸スキャナが該動作命令により指示された動作を完了するまでの間、レーザ光の出力開始を待機するための遅れ時間を、レーザ光出力条件及び／又は加工パターンに基づいて設定可能に構成してなることを特徴とするレーザ加工装置。
8. 請求項１から７のいずれか一に記載のレーザ加工装置において、
   前記レーザ駆動制御部が、複数の加工パターンを異なる加工条件で設定している場合における、前段の加工パターンにおける該加工パターン及び焦点位置補正量に応じて、遅れ時間を調整することを特徴とするレーザ加工装置。
9. 請求項５に記載のレーザ加工装置において、
   前記加工条件設定部で設定される加工条件が、経過時間に関するパラメータを有しており、
   前記補正量特定手段は、前記経過時間に関するパラメータに基づいて焦点位置補正量を特定することを特徴とするレーザ加工装置。
10. 加工対象面に対してレーザ光を照射して、所望の加工パターンに加工可能なレーザ加工装置であって、
    光源と、
    レーザ光の共振器内に配置され、前記光源からの光源光で励起されてレーザ光を発生するレーザ媒質と、
    前記共振器内において前記レーザ媒質から出射されるレーザ光の光軸上に配置され、前記レーザ光をパルス発振させるためのＱスイッチと、
    前記Ｑスイッチから出射されたレーザ光の焦点位置を光軸方向に調整可能な焦点位置調整手段と、
    前記焦点位置調整手段から出射されたレーザ光を２次元的に走査するレーザ光２次元走査系と、
    前記Ｑスイッチから出射されるレーザ光のパワー、前記Ｑスイッチの周波数ならびに前記ＱスイッチのＯＮ／ＯＦＦのデューティ比の少なくともいずれかを設定するための加工条件設定部と、
    前記加工条件設定部の設定に基づいて、発生する熱レンズ効果による光軸方向の焦点位置のずれを焦点位置補正量として特定する補正量特定手段と、
    前記補正量特定手段によって特定された焦点位置補正量に基づいて焦点位置を調整するように前記焦点位置調整手段を制御するレーザ駆動制御部と
    を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
11. 加工対象面に対してレーザ光を照射して、所望の加工パターンに加工するレーザ加工方法であって、
    所望の加工パターンに加工する加工条件として、Ｑスイッチから出射されるレーザ光のパワー、前記Ｑスイッチの周波数ならびに前記ＱスイッチのＯＮ／ＯＦＦのデューティ比の少なくともいずれかを含むレーザ光出力条件と、加工パターンを設定する工程と、
    前記設定されたレーザ光出力条件に基づいて、発生する熱レンズ効果に起因する光軸方向の焦点位置のずれを焦点位置補正量として特定する工程と、
    前記特定された焦点位置補正量に基づいて、前記Ｑスイッチから出射されるレーザ光の焦点位置を光軸方向に調整しつつ、前記設定されたレーザ光出力条件及び加工パターンに基づいてレーザ光を照射して加工を行う工程と、
    を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
12. 加工対象面に対してレーザ光を照射して、所望の加工パターンに加工するレーザ加工装置の設定方法であって、
    所望の加工パターンに加工する加工条件として、Ｑスイッチから出射されるレーザ光のパワー、前記Ｑスイッチの周波数ならびに前記ＱスイッチのＯＮ／ＯＦＦのデューティ比の少なくともいずれかを含むレーザ光出力条件と、加工パターンを設定する工程と、
    前記設定されたレーザ光出力条件に基づいて、発生する熱レンズ効果に起因する光軸方向の焦点位置のずれを特定し、加工時において加工パターンに応じた焦点位置を、該焦点位置のずれを焦点位置補正量として補正するよう設定する工程と、
    を含むことを特徴とするレーザ加工方法。