JP2010142846A

JP2010142846A - ３次元走査型レーザ加工機

Info

Publication number: JP2010142846A
Application number: JP2008323874A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Fujiwara; 祥雅藤原
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】ワークの加工面の凹凸を精度よく認識し、予め設定されたスポットのレーザ光を加工面に照射して加工面を加工する。
【解決手段】カメラ７のエリアイメージセンサ７０は、ワークＷの加工面Ｗ１の所定位置に合わせ、カメラ７の受光レンズ７１を初期位置に移動させた状態、その後の受光レンズ７１が移動する度に、ガルバノミラー２ａ，２ｂを通して加工面Ｗ１を撮像する。カメラ７とともに距離センサ５を構成する演算部８は、エリアイメージセンサ７０の最大出力を抽出する。演算部８は、最大出力となるときの受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０との間の光路長を検出し、上記光路長と受光レンズ７１の焦点距離とを用いて、ｆθレンズ３から加工面Ｗ１までの距離を算出する。制御部６は、演算部８の測定結果を用いて、レーザ光源１から出射され予め設定されたスポットのレーザ光が加工面Ｗ１に照射されるように焦点調整手段４を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばワークの加工面をマーキングするなど、レーザ光を用いてワークを加工する３次元走査型レーザ加工機に関するものである。

従来から、レーザ光を用いてワークを加工するレーザ加工機として、ワークにマーキングを行うものや、ワークに溝を形成するもの、ワークを切断するもの、ワークにトリミング加工を行うもの、ワークを溶接するものなどがある。従来のレーザ加工機は、ワークを撮像し、ワークの加工位置を補正してから加工を行う。これにより、ワークが２次元上で所定位置からずれていたとしても、正確に加工を行うことができる。

従来のレーザ加工機の一例として、特許文献１には、ワークのマーキング面にレーザ光を用いてマーキングするレーザマーカが知られている。従来のレーザマーカは、ワークを撮像し、ワークのマーキング位置を補正してからマーキングを行う。これにより、ワークが２次元上で所定位置からずれていたとしても、正確にマーキングを行うことができる。
特開２００４−１４８３７９号公報

しかしながら、従来のレーザ加工機には、ワークの加工面に凹凸がある場合、加工面の凹凸を認識することができないため、最適スポットでレーザ光を加工面に照射させることができないという問題があった。

加工面の凹凸を認識するための従来の手法として、ワークの加工面の上方から加工面を撮像する撮像装置と、斜め方向から加工面にレーザ光を照射するレーザ光源とを備えるものがある。この手法は、撮像装置とレーザ光源とは異なる光学系を用いている。

ところが、従来の手法では、ワークの加工面にレーザ光を斜め方向から照射するため、加工面の高さによってレーザ光の照射位置がずれ、その結果、加工面の凹凸を精度よく認識することができないという新たな問題が発生する。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、その目的は、ワークの加工面の凹凸を精度よく認識し、予め設定されたスポットのレーザ光を加工面に照射して加工面を加工することができる３次元走査型レーザ加工機を提供することにある。

請求項１の発明は、予め設定された強度および大きさのスポットのレーザ光をワークの加工面に照射して当該加工面を加工する３次元走査型レーザ加工機であって、前記レーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から放射されたレーザ光を前記加工面に２次元的に走査させるミラーと、前記ワークの深さ方向において前記レーザ光のスポット位置を調整する調整手段と、前記エリアイメージセンサおよび当該エリアイメージセンサの前方に設けられた受光光学系を有し、当該受光光学系と当該エリアイメージセンサとの間の光路長を変えながら当該エリアイメージセンサが前記加工面を撮像し、最大出力となるときの前記受光光学系と前記エリアイメージセンサとの間の光路長を用いて前記加工面までの距離を測定する距離センサと、前記距離センサの測定結果を用いて前記スポットのレーザ光を前記加工面に照射するように前記調整手段を制御する制御手段とを備え、前記距離センサは、少なくとも前記ミラーを通して前記加工面までの距離を測定することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記距離センサは、前記受光光学系からの光路長に一定の光路差を有する複数の前記エリアイメージセンサを有することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記距離センサは、前記受光光学系を光軸方向に移動させることによって、前記受光光学系と前記エリアイメージセンサとの間の光路長を変えることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１または２の発明において、前記距離センサは、前記エリアイメージセンサを光軸方向に移動させることによって、前記受光光学系と前記エリアイメージセンサとの間の光路長を変えることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記受光光学系は、ピンホールであることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ワークの加工面へのレーザ光の照射時と同じミラーを通して加工面を撮像し、エリアイメージセンサの出力が最大となるときの受光光学系とエリアイメージセンサとの間の光路長を用いて加工面までの距離を算出することによって、加工面に凹凸があるワークであっても、加工面の凹凸を精度よく認識することができ、予め設定されたスポットのレーザ光を加工面に照射して加工面を加工することができる。

請求項２の発明によれば、受光光学系からの光路長が異なる複数のエリアイメージセンサを用いることによって、最大出力となる光路長を短時間で検出することができるので、ワークの加工面までの距離を測定する時間を短くすることができる。

請求項３の発明によれば、受光光学系を光軸方向に移動させることによって、受光光学系とエリアイメージセンサとの間の光路長を容易に変えることができる。

請求項４の発明によれば、エリアイメージセンサを光軸方向に移動させることによって、受光光学系とエリアイメージセンサとの間の光路長を容易に変えることができる。

請求項５の発明によれば、ピンホールを通過してエリアイメージセンサが受光し、エリアイメージセンサの出力が最大となるときのピンホールとエリアイメージセンサとの間の光路長を用いて加工面までの距離を算出することによって、加工面に凹凸があるワークであっても、予め設定されたスポットのレーザ光を加工面に照射して加工面を加工することができる。

（実施形態１）
まず、実施形態１に係る３次元走査型レーザ加工機の構成について説明する。図１は、本実施形態の３次元走査型レーザ加工機の構成を示す。本実施形態の３次元走査型レーザ加工機は、図１に示すように、予め設定された強度および大きさのスポットのレーザ光をワークＷの加工面Ｗ１に照射して上記加工面Ｗ１をマーキングするものである。この３次元走査型レーザ加工機は、レーザ光を出力するレーザ光源１と、レーザ光源１から放射されたレーザ光を加工面Ｗ１に２次元的に走査させるガルバノミラー２ａ，２ｂと、ガルバノミラー２ａ，２ｂで偏向されたレーザ光の形状を整えるｆθレンズ３と、ワークＷの深さ方向（図１のＺ軸方向）においてレーザ光の焦点位置を調整する焦点調整手段４と、加工面Ｗ１を撮像しワークＷの加工面Ｗ１までの距離を測定する距離センサ５と、距離センサ５の測定結果を用いてレーザ光を加工面Ｗ１に照射するように焦点調整手段４を制御する制御部（制御手段）６とを備える。

レーザ光源１は、例えばＣＯ_２レーザやＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザなどであり、所定波長のレーザ光を放射する。

ガルバノミラー２ａは、ワークＷの加工面Ｗ１においてレーザ光をＸ方向に偏向させるものである。ガルバノミラー２ｂは、ワークＷの加工面Ｗ１においてレーザ光をＹ方向に偏向させるものである。

焦点調整手段４は、ワークＷの深さ方向（図１のＺ軸方向）において、レーザ光の焦点位置を調整することによって、レーザ光のスポット位置を調整する。焦点調整手段４は、本発明の調整手段に相当する。

本実施形態の距離センサ５は、カメラ７と演算部（演算手段）８とを備える。カメラ７は、エリアイメージセンサ７０と、エリアイメージセンサ７０の前方に設けられた受光レンズ７１と、受光レンズ７１を光軸方向に移動させるレンズ駆動部７２とを備える。

距離センサ５は、ガルバノミラー２ａ，２ｂを通して加工面Ｗ１の小領域（例えば図２の（Ｘ１，Ｙ１））を撮像する。つまり、距離センサ５は、加工面Ｗ１への照射と同じ光学系を用いて加工面Ｗ１を撮像し、加工面Ｗ１までの距離を測定する。

エリアイメージセンサ７０は、格子状に電荷結合素子（ＣＣＤ：Charge Coupled Device）を配列したものであり、ガルバノミラー２ａ，２ｂ、ハーフミラー５０および受光レンズ７１を通して、ワークＷの加工面Ｗ１の小領域を撮像する。

レンズ駆動部７２は、受光レンズ７１を光軸方向に移動させることによって、受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０との間の光路長を変える。

このようなカメラ７において、ワークＷの加工面Ｗ１へのマーキングを行う前に、レンズ駆動部７２によって受光レンズ７１が光軸方向に移動して、受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０との間の光路長を変えながら、エリアイメージセンサ７０が受光レンズ７１を通してワークＷの加工面Ｗ１を撮像する。

演算部８は、最大出力検出部８０と距離算出部８１とを備える。最大出力検出部８０は、レンズ駆動部７２によって受光レンズ７１を移動させたときに、エリアイメージセンサ７０に撮像されたスポットの最小スポットを検出する。つまり、エリアイメージセンサ７０の最大出力を検出する。

距離算出部８１は、最大出力検出部８０の抽出結果を用いて、エリアイメージセンサ７０の出力が最大となるときの受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０との間の光路長を求める。この距離算出部８１は、上記光路長ｂ、受光レンズ７１の焦点距離ｆを用いて、レンズの公式１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ）から受光レンズ７１とワークＷの加工面Ｗ１との間の光路長ａを算出する。上記光路長ａを算出した距離算出部８１は、受光レンズ７１とｆθレンズ３との間の光路長が既知であるため、ワークＷの加工面Ｗ１までの距離を測定することができる。

制御部６は、演算部８で算出されたｆθレンズ３からワークＷの加工面Ｗ１までの距離を用いて、予め設定されたスポットのレーザ光を加工面Ｗ１に照射するように焦点調整手段４を制御する。

次に、本実施形態に係る３次元走査型レーザ加工機の動作について説明する。まず、ガルバノミラー２ａ，２ｂを用いてワークＷの加工面Ｗ１の初期位置（Ｘ１，Ｙ１）（図２参照）に合わせる。また、レンズ駆動部７２によって受光レンズ７１も初期位置に合わせる。エリアイメージセンサ７０はワークＷの加工面Ｗ１を撮像する。

続いて、レンズ駆動部７２によって受光レンズ７１を移動させて、エリアイメージセンサ７０がワークＷの加工面Ｗ１を撮像する。上記の動作を、受光レンズ７１を移動させる度に行う。

受光レンズ７１の全ての位置についてエリアイメージセンサ７０が加工面Ｗ１を撮像した後、演算部８の最大出力検出部８０は、エリアイメージセンサ７０の出力結果から、エリアイメージセンサ７０の最大出力を検出する。その後、距離算出部８１は、最大出力となるときの受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０との間の光路長を検出し、上記光路長と受光レンズ７１の焦点距離とを用いて、受光レンズ７１とワークＷの加工面Ｗ１との間の光路長を算出する。算出した光路長から、受光レンズ７１とｆθレンズ３との間の光路長を引いた値を、ｆθレンズ３からワークＷの加工面Ｗ１までの距離（図１のＺ方向の距離）を算出する。

上記の動作を、ワークＷの加工面Ｗ１全体に対して行う。つまり、加工面Ｗ１の各位置（Ｘｉ，Ｙｉ）（図２のＸ方向、Ｙ方向）ごとに、ｆθレンズ３からワークＷの加工面Ｗ１までの距離を算出する。これにより、ワークＷの加工面Ｗ１の凹凸形状を認識することができる。

ワークＷの加工面Ｗ１をマーキングするときは、ワークＷの加工面Ｗ１の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）ごとに、制御部６が、演算部８の測定結果を用いて、レーザ光源１からのレーザ光がワークＷの加工面Ｗ１に予め設定されたスポットで照射されるように焦点調整手段４を制御する。

以上、本実施形態によれば、ワークＷの加工面Ｗ１へのレーザ光の照射時と同じガルバノミラー２ａ，２ｂを通して加工面Ｗ１を撮像し、エリアイメージセンサ７０の出力が最大となるときの受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０との間の光路長および受光レンズ７１の焦点距離を用いて加工面Ｗ１までの距離を算出することによって、加工面Ｗ１に凹凸があるワークＷであっても、加工面Ｗ１の凹凸を精度よく認識することができ、予め設定されたスポットのレーザ光を照射して加工面Ｗ１をマーキングすることができる。

また、本実施形態によれば、受光レンズ７１を光軸方向に移動させることによって、受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０との間の光路長を容易に変えることができる。

（実施形態２）
実施形態２に係る３次元走査型レーザ加工機は、図３に示すように、カメラ７に、受光レンズ７１からの光路長に一定の光路差を有する複数（図３では３つ）のエリアイメージセンサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃが設けられている点で、実施形態１に係る３次元走査型レーザ加工機（図１参照）と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、エリアイメージセンサ７０ａと受光レンズ７１との間の光路長が最も長く、エリアイメージセンサ７０ｃと受光レンズ７１との間の光路長が最も短い。

本実施形態では、ある位置に受光レンズ７１が移動したときに、受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０ａとの間の光路長、受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０ｂとの間の光路長、受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０ｃとの間の光路長が全て異なっているため、３つの光路長に対応する撮像画像を同時に得ることができる。これにより、実施形態１に比べて、受光レンズ７１の移動回数を３分の１にすることができる。なお、本実施形態では、全てのエリアイメージセンサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃとして同じ特性のものを用いる必要がある。

次に、本実施形態に係る３次元走査型レーザ加工機の動作について説明する。まず、実施形態１と同様に、ガルバノミラー２ａ，２ｂを用いてワークＷの加工面Ｗ１の初期位置（Ｘ１，Ｙ１）（図２参照）に合わせる。また、レンズ駆動部７２によって受光レンズ７１も初期位置に合わせる。エリアイメージセンサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃはそれぞれワークＷの加工面Ｗ１を撮像する。

続いて、レンズ駆動部７２によって受光レンズ７１を移動させて、エリアイメージセンサ７０がワークＷの加工面Ｗ１を撮像する。上記の動作を、受光レンズ７１を移動させる度に行う。このとき、受光レンズ７１の移動回数を少なくすることができる。

受光レンズ７１の全ての位置についてエリアイメージセンサ７０が加工面Ｗ１を撮像した後の動作は、実施形態１と同様である。

以上、本実施形態によれば、受光レンズ７１からの光路長が異なる複数のエリアイメージセンサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃを用いることによって、最大出力となる光路長を短時間で検出することができるので、ワークＷの加工面Ｗ１までの距離を測定する時間を短くすることができる。

（実施形態３）
実施形態３に係る３次元走査型レーザ加工機は、受光レンズ７１を移動させるのではなく、図４に示すように、エリアイメージセンサ７０を光軸方向に移動させる点で、実施形態１に係る３次元走査型レーザ加工機（図１参照）と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のカメラ７は、エリアイメージセンサ７０および受光レンズ７１を備えるとともに、エリアイメージセンサ７０を移動させるセンサ駆動部７３を備える。カメラ７は、センサ駆動部７３でエリアイメージセンサ７０を光軸方向に移動させることによって、受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０との間の光路長を変える。

次に、本実施形態に係る３次元走査型レーザ加工機の動作について説明する。まず、実施形態１と同様に、ガルバノミラー２ａ，２ｂを用いてワークＷの加工面Ｗ１の初期位置（Ｘ１，Ｙ１）（図２参照）に合わせる。また、センサ駆動部７３によってエリアイメージセンサ７０も初期位置に合わせる。エリアイメージセンサ７０はワークＷの加工面Ｗ１を撮像する。

続いて、センサ駆動部７３によってエリアイメージセンサ７０を移動させて、エリアイメージセンサ７０がワークＷの加工面Ｗ１を撮像する。上記の動作を、エリアイメージセンサ７０を移動させる度に行う。

エリアイメージセンサ７０の全ての位置についてエリアイメージセンサ７０が加工面Ｗ１を撮像した後の動作は、実施形態１と同様である。

以上、本実施形態によれば、エリアイメージセンサ７０を光軸方向に移動させることによって、受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０との間の光路長を容易に変えることができる。

（実施形態４）
実施形態４に係る３次元走査型レーザ加工機は、カメラ７がオートフォーカスカメラである点で、実施形態１に係る３次元走査型レーザ加工機と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のカメラ７は、オートフォーカス機能によって、受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０との間の光路長を変える。

以上、本実施形態によれば、カメラ７のオートフォーカス機能を用いることによって、受光レンズ７１とエリアイメージセンサ７０との間の光路長を自動で変えることができる。

（実施形態５）
実施形態５に係る３次元走査型レーザ加工機は、受光レンズ７１を移動させるのではなく、焦点調整手段４を移動させる点で、実施形態１に係る３次元走査型レーザ加工機と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

以上、本実施形態においても、エリアイメージセンサ７０の出力が最大となるときの焦点調整手段４とエリアイメージセンサ７０との間の光路長を用いてワークＷの加工面Ｗ１までの距離を算出することによって、加工面Ｗ１に凹凸があるワークＷであっても、加工面Ｗ１の凹凸を精度よく認識することができ、予め設定されたスポットのレーザ光を加工面Ｗ１に照射して加工面Ｗ１をマーキングすることができる。

（実施形態６）
実施形態６に係る３次元走査型レーザ加工機は、カメラ７に代えて、図５に示すような受光装置９を備える点で、実施形態１に係る３次元走査型レーザ加工機（図１参照）と相違する。
なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

受光装置９は、ピンホール９００が形成された遮光板９０と、遮光板９０のピンホール９００を通過した光を受光するエリアイメージセンサ９１と、遮光板９０を移動させる駆動部９２とを備える。

遮光板９０は、光を透過させない板状のものに、ピンホール９００が形成されたものである。つまり、光は、遮光板９０のピンホール９００からのみエリアイメージセンサ９１側に進む。ピンホール９００は、本発明の受光光学系に相当する。

駆動部９２は、ピンホール９００を光軸上に位置させながら、遮光板９０を光軸方向に移動させる。

次に、本実施形態に係る３次元走査型レーザ加工機の動作について説明する。まず、ガルバノミラー２ａ，２ｂを用いてワークＷの加工面Ｗ１の初期位置（Ｘ１，Ｙ１）（図２参照）に合わせる。また、駆動部９２によって遮光板９０も初期位置に合わせる。エリアイメージセンサ９１はワークＷの加工面Ｗ１を撮像する。

続いて、駆動部９２によって遮光板９０を移動させて、エリアイメージセンサ９１がワークＷの加工面Ｗ１を撮像する。上記の動作を、遮光板９０を移動させる度に行う。

遮光板９０の全ての位置についてエリアイメージセンサ９１が加工面Ｗ１を撮像した後、演算部８の最大出力検出部８０は、エリアイメージセンサ９１の最大出力を抽出する。その後、距離算出部８１は、最大出力となるときの遮光板９０とエリアイメージセンサ９１との間の光路長を検出し、さらに、遮光板９０とワークＷの加工面Ｗ１との間の光路長を算出する。算出した光路長から、ｆθレンズ３からワークＷの加工面Ｗ１までの距離を算出する。

上記の動作を、ワークＷの加工面Ｗ１全体に対して行う。つまり、加工面Ｗ１の各位置（Ｘｉ，Ｙｉ）ごとに、ｆθレンズ３からワークＷの加工面Ｗ１までの距離を算出する。これにより、ワークＷの加工面Ｗ１の凹凸形状を認識することができる。

以上、本実施形態によれば、ピンホール９００を通過してエリアイメージセンサ９１が受光し、エリアイメージセンサ９１の出力が最大となるときのピンホール９００とエリアイメージセンサ９１との間の光路長を用いて加工面Ｗ１までの距離を算出することによって、加工面Ｗ１に凹凸があるワークＷであっても、予め設定されたスポットのレーザ光を加工面Ｗ１に照射して加工面Ｗ１をマーキングすることができる。

なお、実施形態１〜６では、レーザ光を用いたワークＷの加工として、ワークＷの加工面Ｗ１へのマーキングについて説明したが、レーザ光を用いたワークＷの加工は、加工面Ｗ１へのマーキングに限定されるものではなく、ワークＷへの溝を形成する加工や、ワークＷの切断加工、ワークＷへのトリミング加工、ワークＷの溶接加工などであってもよい。

実施形態１に係る３次元走査型レーザ加工機の構成を示す概略図である。同上に係る３次元走査型レーザ加工機の動作を説明する図である。実施形態２に係るカメラの構成を示す概略図である。実施形態３に係るカメラの構成を示す概略図である。実施形態６に係る３次元走査型レーザ加工機の要部の構成を示す概略図である。

符号の説明

１レーザ光源
２ａ，２ｂガルバノミラー
３ｆθレンズ
４焦点調整手段
５距離センサ
６制御部（制御手段）
７カメラ
７０，７０ａ，７０ｂ，７０ｃエリアイメージセンサ
７１受光レンズ
８演算部（演算手段）
９００ピンホール
９１エリアイメージセンサ
Ｗワーク
Ｗ１加工面

Claims

予め設定された強度および大きさのスポットのレーザ光をワークの加工面に照射して当該加工面を加工する３次元走査型レーザ加工機であって、
前記レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から放射されたレーザ光を前記加工面に２次元的に走査させるミラーと、
前記ワークの深さ方向において前記レーザ光のスポット位置を調整する調整手段と、
前記エリアイメージセンサおよび当該エリアイメージセンサの前方に設けられた受光光学系を有し、当該受光光学系と当該エリアイメージセンサとの間の光路長を変えながら当該エリアイメージセンサが前記加工面を撮像し、最大出力となるときの前記受光光学系と前記エリアイメージセンサとの間の光路長を用いて前記加工面までの距離を測定する距離センサと、
前記距離センサの測定結果を用いて前記スポットのレーザ光を前記加工面に照射するように前記調整手段を制御する制御手段とを備え、
前記距離センサは、少なくとも前記ミラーを通して前記加工面までの距離を測定する
ことを特徴とする３次元走査型レーザ加工機。
前記距離センサは、前記受光光学系からの光路長に一定の光路差を有する複数の前記エリアイメージセンサを有することを特徴とする請求項１記載の３次元走査型レーザ加工機。
前記距離センサは、前記受光光学系を光軸方向に移動させることによって、前記受光光学系と前記エリアイメージセンサとの間の光路長を変えることを特徴とする請求項１または２記載の３次元走査型レーザ加工機。
前記距離センサは、前記エリアイメージセンサを光軸方向に移動させることによって、前記受光光学系と前記エリアイメージセンサとの間の光路長を変えることを特徴とする請求項１または２記載の３次元走査型レーザ加工機。
前記受光光学系は、ピンホールであることを特徴とする請求項１記載の３次元走査型レーザ加工機。