JP2019063810A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ制御を容易にし、かつ、印字処理に費やす時間やコストが低減可能なレーザ加工装置を提供すること。【解決手段】加工対象物の加工面の高さに応じて、レーザ光の焦点深度に基づく所定の間隔を調整単位として、所定の間隔ごとに不連続にレーザ光の結像が得られる結像面の位置を調整して、レーザ光を加工対象物に照射させるようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置に関するものである。

従来より、所定の加工パターンに基づいて、レーザ光を加工対象物に照射させるレーザ加工装置が提案されている。

特許文献１には、レーザ制御処理手段でレーザ印字のためのデータファイルを作成し、データファイルに含まれる各印字面の高さに応じた焦点距離で焦点変動させる制御データに基づいて発生させたレーザ光を対応の印字面に照射させて印字することにより、印字カードが付されたシートのそれぞれに関連した印字情報を同一工程でレーザ照射により印字するレーザ印字システムが開示されている。

特開２００４−２３０４４３号公報

特許文献１で開示されたレーザ印字システムでは、印字面の高さに応じてレーザ制御処理手段でレーザ光の焦点距離を変動させることから、レーザ制御を頻繁に実施することになる。レーザ光の焦点距離を変動させる速度は比較的遅いことから、頻繁にレーザ光の焦点距離を変動させる特許文献１に開示された方法では、印字処理に費やす時間が長くなりやすく、その結果、印字コストが大きくなりやすいという問題がある。

本発明は前記従来の問題点を解消するためになされたものであり、印字の品質を確保しつつ、印字処理に費やす時間を抑制することが可能なレーザ制御手段を備えたレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本明細書は、レーザ光を出射するレーザ光出射部と、レーザ光を走査する走査部と、加工に適したレーザ光の結像が得られる結像面のレーザ光出射部からの距離を可変とする結像面可変手段と、制御部と、を備え、制御部は、レーザ光出射部および走査部を制御して、加工パターンに基づいて、レーザ光を加工対象物に照射させる加工処理と、結像面可変手段を制御して、加工対象物の加工面の高さに応じて、レーザ光の焦点深度に基づく所定の間隔を調整単位として該所定の間隔ごとに不連続に結像面の位置を調整する結像面調整処理とを実行するレーザ加工装置を開示する。

本願によれば、加工対象物の加工面の高さに応じて、レーザ光の焦点深度に基づく所定の間隔を調整単位として所定の間隔ごとに不連続に結像面の位置を調整するため、適切な品質でレーザ光によるレーザ加工を実施しつつ、加工処理に費やす時間を抑制することができるレーザ加工装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の制御系を示すブロック図である。 Ｚレイヤー割付データを作成する手順を示すフローチャートである。 オブジェクトの情報を入力する画面表示の一例を示す図である。 オブジェクト毎にＺレイヤーを割り当てる手順を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態で作成される（ａ）Ｚレイヤー割付データテーブル、（ｂ）オブジェクトの加工データテーブル、（ｃ）Ｚレイヤーテーブルを示す図である。 オブジェクトをレーザ加工する手順を示すフローチャートである。 （ａ）番号１のＺレイヤーで生じる誤差、（ｂ）番号６のＺレイヤーで生じる誤差、（ｃ）番号１１のＺレイヤーで生じる誤差の例をそれぞれ示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る加工面の高さデータをＺレイヤーに割り付けたテーブルの一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るオブジェクトの情報を入力する画面表示の一例を示す図である。

以下、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置を、レーザ加工装置１を含むレーザ加工システム１００に基づいて、図面を参照しつつ詳細に説明する。

先ず、第１の実施形態に係るレーザ加工システム１００の概略構成について、図１を参照して説明する。レーザ加工システム１００は、レーザ加工装置１と、データ作成装置７を有しており、データ作成装置７によって作成された加工データに従って、レーザ加工装置１を制御することで、加工対象物Ｗの表面上に対して、パルスレーザＬを２次元走査してマーキング加工を行うように構成されている。

次に、レーザ加工システム１００を構成するレーザ加工装置１の概略構成について、図１を参照して説明する。図１に示すように、レーザ加工装置１は、加工対象物Ｗに対してパルスレーザＬを照射し、当該パルスレーザＬを２次元走査して、加工対象物Ｗの表面上にマーキング加工を行い得る。そして、レーザコントローラ５は、（図示しない）コンピュータで構成され、データ作成装置７と双方向通信可能に接続されると共に、レーザ加工装置１に接続されている。データ作成装置７は、（図示しない）パーソナルコンピュータ等から構成され、加工データの作成等に用いられる。そして、レーザコントローラ５は、データ作成装置７から送信された加工データ、制御パラメータ、各種指示情報等に基づいてレーザ加工装置１を駆動制御する。尚、図１は、レーザ加工システム１００及びレーザ加工装置１の構成を模式的に示した模式図であり、本明細書で説明しない構成については省略されている。

レーザ加工装置１は、パルスレーザＬを出射するレーザヘッド部２とレーザヘッド部２から出射したパルスレーザＬのビーム径を変更するビームエキスパンダ３とで構成されるレーザ出射部４、パルスレーザＬを加工対象物Ｗの表面上で２次元走査するガルバノスキャナ１９およびパルスレーザＬを加工対象物Ｗの表面上で集光させるｆθレンズ２０とから構成されている。

ビームエキスパンダ３は、凹レンズ１０と凸レンズ１１がパルスレーザＬの光軸に沿って並列に配置されており、これら２つのレンズによりパルスレーザＬのビーム径が変更される。尚、凸レンズ１１はパルスレーザＬの光軸に沿って前後方向に移動可能に制御される。凸レンズ１１の移動制御については後述するため、ここでは省略する。

ガルバノスキャナ１９は、２つガルバノミラー１２、１３から構成されておりガルバノスキャナ１９に入射したパルスレーザＬを加工対象物Ｗ表面の加工領域において、所望の加工パターンを紙面に対して前後方向（Ｘ軸方向）と左右方向（Ｙ軸方向）に２次元走査する。

ガルバノスキャナ１９で２次元走査されたパルスレーザＬは、上述したように、ｆθレンズ２０により、加工対象物Ｗの表面上で集光されて、マーキング加工を行うことができるのである。尚、パルスレーザＬのレーザ媒質としては、例えば、レーザ活性イオンとしてネオジウム（Ｎｄ）が添加されたネオジウム添加ガドリニウムバナデイト（Ｎｄ：ＧｄＶＯ４）結晶や、ネオジウム添加イットリウムバナデイト（Ｎｄ：ＹＶＯ４）結晶や、ネオジウム添加イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）結晶等を用いることができる。

次に、レーザ加工システム１００を構成するレーザ加工装置１の制御系構成について、図２を参照して説明する。図２に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ加工装置１の全体を制御するレーザコントローラ５に接続し、レーザドライバ５１と、ガルバノコントローラ５６と、ガルバノドライバ５７と、可変焦点レンズコントローラ５２等を有して構成されている。レーザコントローラ５には、レーザドライバ５１と、ガルバノコントローラ５６と、可変焦点レンズコントローラ５２等が電気的に接続されている。尚、距離センサ９０については、第２の実施形態において後述する。

レーザコントローラ５は、レーザ加工装置１の全体の制御を行う演算装置及び制御装置としてのＣＰＵ６１、ＲＡＭ６２、ＲＯＭ６３、時間を計測するタイマ６４等を備えている。又、ＣＰＵ６１、ＲＡＭ６２、ＲＯＭ６３、タイマ６４は、（図示しない）バス線により相互に接続されて、相互にデータのやり取りが行われる。

ＲＡＭ６２は、ＣＰＵ６１により演算された各種の演算結果や加工走査パターンのＸＹ座標データ等を一時的に記憶させておくためのものである。ＲＯＭ６３は、各種のプログラムを記憶させておくものであり、データ作成装置７から送信された加工データに基づいて加工走査パターンのＸＹ座標データを算出してＲＡＭ６２に記憶する等の各種プログラムが記憶されている。

そして、ＣＰＵ６１は、ＲＯＭ６３に記憶されている各種の制御プログラムに基づいて各種の演算及び制御を行なうものである。例えば、ＣＰＵ６１は、データ作成装置７から入力された加工データを構成する各加工点に対して、後述するレーザ加工処理プログラムを実行することで各加工点のＸＹ座標データや、ガルバノ走査速度情報等をガルバノコントローラ５６に出力する。また、ＣＰＵ６１は、データ作成装置７から入力された加工データに基づいて設定した励起用半導体レーザ部４０の励起光出力、励起光の出力期間等の励起用半導体レーザ部４０の駆動情報をレーザドライバ５１に出力する。また、ＣＰＵ６１は、加工走査パターンのＸＹ座標データ、や、ガルバノスキャナ１９のＯＮ・ＯＦＦを指示する制御信号等をガルバノコントローラ５６に出力する。さらに、ＣＰＵ６１は、データ作成装置７から入力された加工走査パターンのＺ座標データ（加工対象物Ｗ表面の高さ位置の情報）を可変焦点レンズコントローラ５２に出力する。

レーザドライバ５１は、レーザコントローラ５から入力された励起用半導体レーザ部４０の励起光出力、励起光の出力期間等のレーザ駆動情報等に基づいて、励起用半導体レーザ部４０を駆動制御する。具体的には、レーザドライバ５１は、レーザコントローラ５から入力されたレーザ駆動情報の励起光出力に比例した電流値のパルス状の駆動電流を発生し、レーザ駆動情報の励起光の出力期間に基づく期間、励起用半導体レーザ部４０に出力する。これにより、励起用半導体レーザ部４０は、励起光出力に対応する強度の励起光を出力期間の間、（図示しない）光ファイバ内に出射する。出射された励起光出力は、レーザー発振器２１に入射される。励起用半導体レーザ部４０から出射された励起光出力により、レーザー発振器２１から加工対象物Ｗの表面上に対してパルスレーザＬが出射される。

ガルバノコントローラ５６は、レーザコントローラ５から入力された加工データにおける各加工点のＸＹ座標データ、ガルバノ走査速度情報等に基づいて、ガルバノＸ軸モータ３１とガルバノＹ軸モータ３２の駆動角度、回転速度等を算出して、駆動角度、回転速度を表すモータ駆動情報をガルバノドライバ５７へ出力する。

ガルバノドライバ５７は、ガルバノコントローラ５６から入力された駆動角度、回転速度を表すモータ駆動情報に基づいて、ガルバノＸ軸モータ３１とガルバノＹ軸モータ３２を駆動制御して、パルスレーザＬを２次元走査する。

可変焦点レンズコントローラ５２は、レーザコントローラ５から入力された加工走査パターンのＺ座標データに基づいて算出したモータ駆動情報を可変焦点レンズドライバ５３へ出力する。そして、可変焦点レンズドライバ５３は、可変焦点レンズコントローラ５２から入力されたモータ駆動情報に基づいて、可変焦点レンズ駆動モータ３３を駆動して、上述したように、ビームエキスパンダ３内に配置される凸レンズ１１をパルスレーザＬの光軸に沿って前後方向に移動制御する。

続いて、レーザ加工システム１００を構成するデータ作成装置７の制御系構成について、図２を参照して説明する。図２に示すように、データ作成装置７は、データ作成装置７の全体を制御する制御部７０と、マウスやキーボード、（液晶ディスプレイ７７の液晶画面に配置される）タッチパネル等から構成される入力操作部７６と、液晶ディスプレイ７７と、ＣＤ−ＲＯＭ７９に対する各種データ、プログラム等の書き込み及び読み込みを行うためのＣＤ−Ｒ／Ｗ７８等から構成されている。

制御部７０は、データ作成装置７の全体の制御を行う演算装置及び制御装置としてのＣＰＵ７１と、ＲＡＭ７２と、ＲＯＭ７３と、時間を計測するタイマ７４と、ＨＤＤ７５等を備えている。又、ＣＰＵ７１と、ＲＡＭ７２と、ＲＯＭ７３と、タイマ７４、およびＨＤＤ７５は、（図示しない）バス線により相互に接続されて、相互にデータのやり取りが行われる。又、ＣＰＵ７１とＨＤＤ７５は、（図示しない）入出力インターフェースを介して接続され、相互にデータのやり取りが行われる。

ＲＡＭ７２は、ＣＰＵ７１により演算された各種の演算結果等を一時的に記憶させておくためのものである。ＲＯＭ７３は、各種の制御プログラムやデータテーブルを記憶させておくものである。

そして、ＨＤＤ７５は、各種アプリケーションソフトウェアのプログラム、各種データファイルを記憶する記憶装置である。当該ＨＤＤ７５は、加工対象物Ｗ上におけるレーザ加工の加工内容を示す加工データを作成する為のデータ作成処理プログラム等を記憶している。

そして、ＣＤ−Ｒ／Ｗ７８は、アプリケーションプログラム、各種データテーブルを構成する各データ群を、ＣＤ−ＲＯＭ７９から読み込む。又は、ＣＤ−ＲＯＭ７９に対して書き込む。すなわち、データ作成装置７は、ＣＤ−Ｒ／Ｗ７８を介して、データ作成処理プログラム等をＣＤ−ＲＯＭ７９から読み込み、ＨＤＤ７５に格納する。又は、ＣＤ−ＲＯＭ７９に対して書き込む。

尚、データ作成装置７においては、データ作成処理プログラム等の制御プログラムや、各種データテーブルを、ＲＯＭ７３に記憶しても良いし、ＣＤ−ＲＯＭ７９等の記憶媒体から読み込むように構成しても良い。また、インターネット等の（図示しない）ネットワークを介して、ダウンロードするように構成してもよい。

そして、データ作成装置７には、（図示しない）入出力インターフェースを介して、マウスやキーボード、タッチパネル等から構成される入力操作部７６と、液晶ディスプレイ７７等が電気的に接続されている。従って、データ作成装置７は、入力操作部７６や、液晶ディスプレイ７７を用いて、加工データの作成や制御パラメータの設定等に利用される。

次に、加工対象物Ｗの表面上に対して、オブジェクトに対する加工パターンをレーザ加工するためのデータを作成する手順について、図面を参照して説明する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置１で採用するＺレイヤー割付データを作成する手順を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１で、加工対象物Ｗの加工面の内一番高い加工面の高さＨｐ（ｍｍ）がマウスやキーボード、タッチパネル等から構成される入力操作部７６を用いて入力される。図１に示す一例では、加工対象物Ｗは高さが異なる４つの加工面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４を有する。その中で加工面の高さが一番高い加工面Ｐ２の高さがＨｐとして入力される。

次に、ステップＳ２で、ＣＰＵ７１は、ステップＳ１で入力した高さデータＨｐの１／２の高さを基準高Ｈ０（ｍｍ）とし、ステップＳ３で、基準高Ｈ０をＺ＝０（ｍｍ）として設定する。

そして、ステップＳ４で、ＣＰＵ７１は、Ｚ＝０（ｍｍ）を基準として上下方向にパルスレーザＬの焦点深度の半分（本実施形態では５ｍｍ）の間隔で加工対象物Ｗの上下方向全体を含む範囲でＺレイヤーを設定する。本実施形態では、ＣＰＵ７１は、図１に示すように、Ｚ＝±２７．５ｍｍの範囲で１１のＺレイヤーを５ｍｍの間隔で設定する。

ステップＳ５で、ＣＰＵ７１は、ステップＳ４で設定した１１のＺレイヤーの各高さに応じて、ビームエキスパンダ３内の凹レンズ１０と凸レンズ１１との距離（レンズ間距離）を算出する。凸レンズ１１は、上述のようにパルスレーザＬの光軸に沿って前後方向に移動制御され、これにより、パルスレーザＬが加工対象物Ｗ上で集光する位置、いわゆる焦点位置を可変することができる。そのため、ＣＰＵ７１は、各Ｚレイヤーの高さの位置でパルスレーザＬが集光させる凸レンズ１１の移動距離を決定し、凹レンズ１０と凸レンズ１１との距離（レンズ間距離）を算出して、算出したレンズ間距離毎にレンズ位置番号を割り当てる。

ステップＳ５まで終了したら、Ｚレイヤー割付データの作成は終了する。図６の（ａ）は、本実施形態におけるＺレイヤー割付データを示した一例を示す。図６の（ａ）のように、パルスレーザＬの焦点深度の半分である５ｍｍの間隔で設定されたＺレイヤー毎に、パルスレーザＬが加工対象物Ｗ上で集光する位置である結像面位置（ｍｍ）、レンズ位置番号およびレンズ間距離（ｍｍ）が設定されたデータテーブルが作成される。尚、図６の（ａ）に示すＺレイヤー割付データテーブルは一例であって、これに限定されるものではない。例えば、レンズ間距離の代わりに、凸レンズ１１の移動距離を採用することができる。

次に、加工対象物Ｗ上にレーザ加工するオブジェクト（加工パターン）の情報を入力して、オブジェクト毎にＺレイヤーを割り当てる手順を図４および図５を参照して説明する。

図４は、オブジェクトの情報を入力する場合の液晶ディスプレイ７７に表示される画面表示８０を説明する図であり、図５は、オブジェクト毎にＺレイヤーを割り当てる手順を説明するフローチャートである。本実施形態では、オブジェクトの情報の入力は、液晶ディスプレイ７７に表示される画面表示８０を用いて行われるが、液晶ディスプレイ７７に表示される画面表示８０は一例であって、これに限定されるものではない。入力するオブジェクトの情報により適宜、適切な画面表示が液晶ディスプレイ７７に表示される。

図４に示すように、画面表示８０は、加工対象物Ｗにレーザ加工するオブジェクトをレイアウトするためのレイアウト表示部８１と、オブジェクトの高さ位置情報等を入力する情報入力部８２と、その他操作ボタン等とから構成されている。レイアウト表示部８１は、レーザ加工する加工対象物Ｗの加工面のＸＹ座標（単位ｍｍ）を表しており、レーザ加工するオブジェクトがＸＹ座標のデータに基づいてレイアウト表示部８１に表示される。本実施形態では、図４に示すように、４つのオブジェクト８３（「ＡＢＣＤＥ」）、オブジェクト８４（「１２３４５６」）、オブジェクト８５（データマトリックス）およびオブジェクト８６（「７８９０」）が、ＸＹ座標のデータに基づいて表示されている。

ここで、各オブジェクトのデータ（加工パターンやＸＹ座標）は、当該各オブジェクトのデータが予めＣＤ−ＲＯＭ７９に記憶されているデータである場合は、ＣＤ−ＲＯＭ７９から読み込まれレイアウト表示部８１に表示される。また、マウスやキーボード、タッチパネル等から構成される入力操作部７６により、レイアウト表示部８１で、レーザ加工するオブジェクトが編集されてもよい。この場合、編集後に自動的に加工パターンやＸＹ座標等のデータがＲＡＭ７２やＨＤＤ７５等に記憶される。

次に、オブジェクト毎にＺレイヤーを割り当てる手順について、図５を参照して説明する。

まず、ステップＳ１０で、オブジェクトが選択される。具体的には、画面表示８０に表示されるカーソル８７が、入力操作部７６のマウスやキーボード等を用いてレイアウト表示部８１に表示されているオブジェクトの位置に合わせられることによりオブジェクトが選択される。図４では、オブジェクト８４が選択された場合の例を示す。オブジェクトが選択されると、図４に示すように、オブジェクト８４が破線の四角形で囲まれて、選択されたことを視覚的に表示する。

次に、ステップＳ１１で、選択したオブジェクトの高さデータＺ（ｍｍ）が入力される。具体的には、画面表示８０に表示されるカーソル８７が、入力操作部７６のマウスやキーボード等を用いて情報入力部８２に表示されている「Ｚ」の右にあるテキストボックス８９の位置に合わせられることによりテキストボックス８９が選択される。テキストボックス８９が選択されると、テキストボックス８９はテキスト入力可能状態になり、入力操作部７６のキーボード等を用いて高さデータＺ（ｍｍ）が入力される。図４では、オブジェクト８４の高さデータＺとして「＋１３」が入力された例が示されている。

次に、ステップＳ１２で、ＣＰＵ７１は、ステップＳ１１で入力された高さデータＺに応じたＺレイヤーの番号を自動的に割り付ける。図４で示した例では、オブジェクト８４の高さデータＺは「＋１３ｍｍ」なので、ＣＰＵ７１は、図６の（ａ）に示すＺレイヤー割付データテーブルからＺレイヤーとして「３」を自動的に割り付けて、ＣＰＵ７１は、情報入力部８２に表示されている「Ｚレイヤー」の右にあるテキストボックス８８に「３」を自動的に表示する。

次に、ステップＳ１３で、ＣＰＵ７１は、レイアウト表示部８１に表示されるオブジェクトすべてについて、高さデータＺ（ｍｍ）を入力したかを判断する。「ＹＥＳ」であれば、ＣＰＵ７１は、オブジェクトに対するＺレイヤーの割当を終了する。「ＮＯ」であれば、ＣＰＵ７１は、ステップＳ１０に戻り、他のオブジェクトが選択され高さデータＺ（ｍｍ）が入力される。

各オブジェクトに対してＺレイヤーの割当が終了すると、図６の（ｂ）に示すように、レーザ加工するオブジェクト毎に、印字内容やＺレイヤー等を表した加工データテーブルが作成される。

図６の（ｂ）に示すようなオブジェクト毎の印字内容やＺレイヤー等を表した加工データテーブルを作成したら、ＣＰＵ７１は、図６（ｃ）に示すようなＺレイヤー毎にレーザ加工するオブジェクトが割り当てされるＺレイヤーテーブルを作成する。次に説明するように、このＺレイヤーテーブルは、加工対象物Ｗに対して各オブジェクトをレーザ加工する際に用いられる。

次に、加工対象物Ｗに対して各オブジェクトをレーザ加工する手順について、図７を参照して説明する。尚、図７においては、説明の便宜上、ＣＰＵ７１の動作とＣＰＵ６１の動作とが混在している。

まず、ステップＳ２０で、ＣＰＵ７１は、画像データを取得する。具体的には、上述のように、レーザ加工する各オブジェクトの画像データ（加工パターンやＸＹ座標）が予めＣＤ−ＲＯＭ７９に記憶されている場合は、ＣＰＵ７１は、ＣＤ−ＲＯＭ７９から読み込んでレイアウト表示部８１に表示させる。または、上述のように、マウスやキーボード、タッチパネル等から構成される入力操作部７６により、レイアウト表示部８１で、レーザ加工する各オブジェクトが編集されることにより、ＣＰＵ７１が各オブジェクトの画像データを取得してもよい。

次に、ステップＳ２１で、ＣＰＵ７１は、各オブジェクトのＺレイヤー値を読み込む。具体的には、上述のように、ＣＰＵ７１は、図５のオブジェクト毎にＺレイヤーを割り当てる手順を示すフローチャートに従って、図６（ｃ）に示すようなＺレイヤー毎にレーザ加工するオブジェクトが割り当てされるＺレイヤーテーブルを作成する。

ステップＳ２２で、ＣＰＵ６１は、Ｚレイヤーの番号Ｎを１とする（Ｎ＝１）。すなわち、Ｚレイヤーの番号として「１」が選択される。

ステップＳ２３で、ＣＰＵ６１は、番号ＮのＺレイヤーに、レーザ加工するオブジェクトがあるか否かを判断する。レーザ加工するオブジェクトがない場合（ＮＯ）は、ＣＰＵ６１は、ステップＳ２６に進み次の番号Ｎ＋１のＺレイヤーが選択される（Ｎ＝Ｎ＋１）。具体的には、ＣＰＵ６１は、ステップＳ２１で読み込まれたＺレイヤー値について、Ｚレイヤーテーブルを参照して、レーザ加工するオブジェクトがあるか否かを判断している。本実施例では、図６（ｃ）に示すように、番号１のＺレイヤーのように、レーザ加工するオブジェクトがない場合は、レーザ加工装置１は何も実施せずに、ステップＳ２６に進む。番号３や６、７のＺレイヤーのようにレーザ加工するオブジェクトがある場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ２４に進む。

ステップＳ２４で、ＣＰＵ６１は、上述で作成したＺレイヤー割付データテーブル（本実施例では図６の（ａ））から番号ＮのＺレイヤーのレンズ位置に、可変焦点レンズ駆動モータ３３を駆動させて、ビームエキスパンダ３内の凸レンズ１１をパルスレーザＬの光軸に沿って移動させる。これにより、加工対象物Ｗに対してパルスレーザＬの集光する位置が移動して、パルスレーザＬの焦点深度の範囲内に、レーザ加工するオブジェクトの高さが位置することになる。そのため、オブジェクトが示す加工パターンを加工対象物Ｗに対してレーザ加工することができるのである。

ステップＳ２５で、レーザ加工システム１００は、番号ＮのＺレイヤーにあるオブジェクトを加工対象物Ｗに対してレーザ加工する。具体的には、ＣＰＵ６１が、データ作成装置７から入力された加工データにおける各加工点のＸＹ座標データ、ガルバノ走査速度情報等に基づいて、ガルバノＸ軸モータ３１およびガルバノＹ軸モータ３２を駆動させて、レーザ加工装置１にオブジェクトが示す加工パターンを加工対象物Ｗに対してレーザ加工させる。

本実施例では、Ｎが「３」の場合、番号３のＺレイヤーにあるオブジェクト８４（「１２３４５６」）とオブジェクト８６（「７８９０」）とが、Ｎが「６」の場合、番号６のＺレイヤーにあるオブジェクト８３（「ＡＢＣＤＥ」）が、Ｎが「７」の場合、番号７のＺレイヤーにあるオブジェクト８５（データマトリックス）が、加工対象物Ｗに対してレーザ加工される。

番号ＮのＺレイヤーにあるオブジェクトのレーザ加工が終了したら、ステップＳ２６で、ＣＰＵ６１は、Ｚレイヤーの番号Ｎに「１」を加える（Ｎ＝Ｎ＋１）。

ステップＳ２７で、ＣＰＵ６１は、すべてのＺレイヤーに対してレーザ加工を実施したかを判断する。本実施例では、Ｚレイヤーの数が１１なので、ＣＰＵ６１は、Ｎが１１を超えたかどうかを判断する。Ｎが１１を超えた場合（ＹＥＳ）、ＣＰＵ６１は、すべてのＺレイヤーに対してレーザ加工を実施したと判断して加工対象物Ｗに対する各オブジェクトのレーザ加工を終了する。Ｎが１１を超えていない場合（ＮＯ）、ＣＰＵ６１は、ステップＳ２３に戻り、更新された番号ＮのＺレイヤーを選択する。

このように、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置によれば、ＣＰＵ７１が、加工対象物Ｗの加工面の高さに応じて、パルスレーザＬの焦点深度の半分である５ｍｍの間隔で１１のＺレイヤーを設定し、レーザ加工するオブジェクト毎にＺレイヤーの番号を割り付けることから、オブジェクトが複数あったとしても、同じ番号のＺレイヤーが割り当てられていれば、パルスレーザＬが集光する結像面の位置を可変せずにレーザ加工することができる。そのため、加工面の高さが異なる複数のオブジェクトがあったとしても、頻繁にパルスレーザＬが集光する結像面の位置を可変する必要がない。また、本実施形態のように、ＺレイヤーはパルスレーザＬの焦点深度のより小さい、焦点深度の半分の間隔で設定されるため、適切な品質でパルスレーザＬによるレーザ加工を実施しつつ、加工処理に費やす時間を抑制することができるのである。

尚、本実施形態では、ＺレイヤーはパルスレーザＬの焦点深度の半分の間隔で設定したが、これに限定するものではない。加工対象物Ｗの材質や加工パターンの仕様、求められるレーザ加工の精度に応じて、パルスレーザＬの焦点深度の程度か、または、それより小さい間隔に適宜、設定することができる。

また、本実施形態のように、Ｘ方向を走査するガルバノミラー１２とＹ方向を走査するガルバノミラー１３とが回動動作され、パルスレーザＬが２次元走査される場合、ガルバノミラー１２および１３、ｆθレンズ２０を経て、加工対象物Ｗ上へパルスレーザＬが到達する過程で、ガルバノミラー１２および１３、ｆθレンズ２０の配置や、ｆθレンズ２０の収差等の影響によって、加工対象物Ｗ上における所望の位置とは異なる位置にパルスレーザＬのレーザスポットが形成される。つまり、加工データに単純に従って、ガルバノミラー１２および１３の動作制御が行われた場合、加工対象物Ｗ上におけるレーザスポットの位置と、加工データに基づく加工位置との間に誤差が生じる。このような誤差は加工面の高さによって異なることから、本実施形態にかかるＺレイヤー毎に生じる誤差が異なる。

図８は、加工対象物Ｗ上におけるレーザスポットの位置と、加工データに基づく加工位置との間に生じる誤差の例を示す図である。図８の（ａ）は、番号１のＺレイヤーで生じる誤差、図８の（ｂ）は、番号６のＺレイヤーで生じる誤差、図８の（ｃ）は、番号１１のＺレイヤーで生じる誤差の例をそれぞれ示している。実線で示したＲ０は加工データに基づく加工位置を、破線で示したＲ（１）、Ｒ（６）およびＲ（１１）は、それぞれ番号１のＺレイヤー、番号６のＺレイヤーおよび番号１１のＺレイヤーでの加工対象物Ｗ上におけるレーザスポットの位置を示したものである。本実施形態では、予めＺレイヤー毎に誤差を補正する歪み補正係数が算出され、データ作成装置７のＣＤ−ＲＯＭ７９等に記憶されている。尚、歪み補正係数は、ＨＤＤ７５等に記憶されていてもよい。歪み補正係数が記憶されるＣＤ−ＲＯＭ７９やＨＤＤ７５等は、本発明の記憶手段の一例である。レーザ加工する際は、記憶されているＺレイヤー毎の歪み補正係数のデータをレーザコントローラ５が読み込み、ＣＰＵ６１が歪み補正係数のデータに基づきガルバノミラー１２および１３の回動制御を補正する。これにより、加工対象物Ｗ上にレーザ加工するオブジェクトの加工パターンの歪みを抑止することができる。すなわち、各Ｚレイヤーにおいて、高品質でレーザ加工を実施することができるのである。尚、歪み補正係数の算出方法については、特開２０１７−６９７７号公報等に開示されているので、ここでは、詳細は説明しない。

次に、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工システム１１０について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図９は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工システム１１０の概略構成について説明する図である。図９に示すように、レーザ加工システム１１０は、上述した本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工システム１００に、加工対象物Ｗの加工面の高さを計測する距離センサ９０を付加したものである。ここで、距離センサ９０には、レーザ距離センサや変位センサなど様々なセンサが採用可能である。

レーザ加工システム１１０では、レーザ加工を実施する前に距離センサ９０により、加工対象物Ｗの加工面の高さを計測する。例えば、図９に示すように、距離センサ９０が加工対象物Ｗの高さが異なる４つの加工面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４の高さを計測して、計測した高さの値がデータ作成装置７のＨＤＤ７５等に記憶される。

そして、第１の実施形態と同様、ＣＰＵ７１は、距離センサ９０で計測した４つの加工面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４の高さの中で一番高い加工面Ｐ２の高さＨｐの１／２の高さを基準高Ｈ０（ｍｍ）とし、基準高Ｈ０をＺ＝０（ｍｍ）と設定する。そして、ＣＰＵ７１は、距離センサ９０で計測した４つの加工面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４の高さの値をＺ＝０（ｍｍ）を基準に再計算して、データ作成装置７のＨＤＤ７５等に記憶する。

図１０は、加工面の高さデータをＺレイヤーに割り付けたテーブルの一例を示す図である。テーブルの「高さ（実測値）」は距離センサ９０により計測した４つの加工面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４の高さの値（単位：ｍｍ）であり、加工対象物Ｗの底面からの高さを示している。「Ｚ値」は、上述の基準高Ｈ０をＺ＝０（ｍｍ）として「高さ（実測値）」をＣＰＵ７１が再計算した値（単位：ｍｍ）である。そして、図１０が示すように、第１の実施形態で作成した図６の（ａ）に示すＺレイヤー割付データテーブルを用いて、４つの加工面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４にＺレイヤーの番号が割り付けられている。

図１１は、レーザ加工システム１１０におけるオブジェクトの情報を入力する画面表示９１の一例を示す図である。加工対象物Ｗにレーザ加工するオブジェクトをレイアウトするためのレイアウト表示部９２と、レイヤー割付画面部９３と、その他操作ボタン等とから構成されている。

レイアウト表示部９２には、加工対象物Ｗの４つの加工面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４が、レイヤー割付画面部９３で表示されるＺレイヤーの番号毎に設定された破線の形および色彩（濃淡）で区画されて表示される。そして、第１の実施形態のレイアウト表示部８１と同様に、レーザ加工されるオブジェクトがＸＹ座標のデータに基づいてレイアウト表示部９２に表示される。本実施形態では、第１の実施形態と同様に、４つのオブジェクト８３（「ＡＢＣＤＥ」）、オブジェクト８４（「１２３４５６」）、オブジェクト８５（データマトリックス）およびオブジェクト８６（「７８９０」）が、ＸＹ座標のデータに基づいて表示されている。

ここで、第１の実施形態と同様に、各オブジェクトの画像データ（加工パターンやＸＹ座標）が予めＣＤ−ＲＯＭ７９に記憶されているデータである場合は、ＣＰＵ７１は、ＣＤ−ＲＯＭ７９から読み込んでレイアウト表示部９２に表示させる。また、マウスやキーボード、タッチパネル等から構成される入力操作部７６により、レイアウト表示部９２で、レーザ加工するオブジェクトが編集されてもよい。この場合、編集後に自動的に加工パターンやＸＹ座標等のデータがＲＡＭ７２やＨＤＤ７５等に記憶される。

レイアウト表示部９２上で各オブジェクトが設定あるいは編集されることにより、ＣＰＵ７１は、各オブジェクトにはＺレイヤーの番号を割り当て、第１の実施形態で作成した図６の（ｃ）と同様に、Ｚレイヤーテーブルを作成する。Ｚレイヤーテーブルは、各オブジェクトのデータとともにＲＡＭ７２やＨＤＤ７５等に記憶される。加工対象物Ｗに対して各オブジェクトをレーザ加工する手順については、第１の実施形態と同様であるため、ここでは省略する。

このように、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置によれば、加工対象物Ｗの加工面の高さデータが距離センサ９０に計測されて入力されるため、第１の実施形態に比べて、加工対象物Ｗの加工面の高さデータの誤入力を防止することができる。また、レイアウト表示部９２に加工対象物Ｗの各加工面の高さの情報も表示されることから、レーザ加工するオブジェクトの加工データが視覚的に把握できることから、オブジェクトの加工データの誤りも防止することができる。

ここで、レーザ出射部４はレーザ光出射部の一例であり、ガルバノスキャナ１９は走査部の一例であり、レーザコントローラ５、データ作成装置７は、制御部の一例であり、凸レンズ１１は少なくとも１つのレンズの一例であり、オブジェクト８３、８４、８５、８６はオブジェクトの一例であり、距離センサ９０は検出手段の一例であり、加工対象物Ｗは加工対象物の一例である。また、パルスレーザＬはレーザ光の一例である。ビームエキスパンダ３は結像面可変手段の一例である。ステップＳ２４は結像面調整処理の一例である。ステップＳ４はレイヤー割付処理の一例である。テキストボックス８９への入力操作部７６による入力は入力処理の一例である。

以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
レーザ加工システム１００において、ＣＰＵ６１は、パルスレーザＬが集光する結像面の位置を、パルスレーザＬの焦点深度に基づく所定の間隔（上記実施形態では焦点深度の半分）を調整単位として不連続に移動制御する。そのため、上記実施形態のように、高さが異なる加工面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４を持つ加工対象物Ｗに対してレーザ加工する場合であっても、加工面の高さの差が調整単位の範囲であれば、結像面の位置を移動制御する必要がないことから、結像面の位置を頻繁に可変することなく、パルスレーザＬによるレーザ加工を実施することが可能になり、加工処理に費やす時間を抑制することができる。

また、レーザ加工システム１００において、ＣＰＵ６１は、パルスレーザＬが集光する結像面の位置を、パルスレーザＬの焦点深度の値以下の間隔を調整単位として不連続に移動制御する。そのため、常時、パルスレーザＬの焦点深度の範囲でレーザ加工が可能になり、レーザ加工の品質を維持しつつ、加工処理に費やす時間を抑制することができる。

また、レーザ加工システム１００において、ＣＰＵ６１は、パルスレーザＬが集光する結像面の位置を、上記実施形態のように、パルスレーザＬの焦点深度の値の半分の間隔を調整単位として不連続に移動制御する。そのため、常時、パルスレーザＬの焦点深度の範囲でレーザ加工が可能になることに加えて、高品質で、かつ、安定性の高いレーザ加工が、加工処理に費やす時間が抑制されて実施することができる。

また、レーザ加工システム１００において、ＣＰＵ６１は、パルスレーザＬが集光する結像面の位置を、ビームエキスパンダ３内に配置される凸レンズ１１をパルスレーザＬの光軸に沿って前後方向に移動制御して可変する。このように簡易な構成を採用することにより、部品コストが抑制することができる。

また、レーザ加工システム１００は、液晶ディスプレイ７７に表示される、加工対象物Ｗにレーザ加工するオブジェクトをレイアウトするためのレイアウト表示部８１と、オブジェクトの高さ位置情報等を入力する情報入力部８２とを備えることから、簡易にオブジェクトの高さ位置情報を入力することができる。さらに、ＣＰＵ７１は、加工対象物Ｗの４つの加工面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４の高さに基づいて、高さ毎にＺレイヤーを割り付けるＺレイヤー割付データテーブルを作成し、作成したＺレイヤー割付データテーブルを用いて、入力したオブジェクトの高さ位置情報からオブジェクトに対してＺレイヤーの番号を割り付ける。これにより、割り付けられたＺレイヤー毎に、パルスレーザＬが集光する結像面の位置を可変すればよいため、効率的にレーザ加工を実施することができる。

レーザ加工システム１１０は、加工対象物Ｗの高さが異なる４つの加工面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４の高さを計測する距離センサ９０を備えることから、オブジェクトの高さ位置情報の誤入力を防止することができる。

レーザ加工システム１００は、Ｚレイヤー毎に、加工対象物Ｗ上におけるレーザスポットの位置と、加工データに基づく加工位置との間に生じる誤差を補正する歪み補正係数を算出して、ＣＤ−ＲＯＭ７９等に記憶している。そして、歪み補正係数からガルバノミラー１２および１３の回動制御が補正される。これにより、加工対象物Ｗ上にレーザ加工するオブジェクトの加工パターンの歪みを抑止することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明はかかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものでなく、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることが、理解されるべきである。

例えば、上記実施形態では、ビームエキスパンダ３内の凸レンズ１１をパルスレーザＬの光軸に沿って移動させて、加工対象物Ｗに対してパルスレーザＬの集光する位置を移動させているが、凹レンズ１０を移動させる構成でも同様の効果が得られる。また、凸レンズ１１に焦点距離が可変可能な液体レンズ等を採用することも可能である。凸レンズ１１に液体レンズを採用することにより、凸レンズ１１を移動する必要がないことから、凸レンズ１１の移動によるパルスレーザＬの光軸ずれを抑止することができる。

また、上記第１の実施形態では、画面表示８０に表示されるカーソル８７を、入力操作部７６のマウスやキーボード等を用いてオブジェクトやテキストボックスの位置に合わせて選択したが、選択方法はこれに限定するものではなく、液晶ディスプレイ７７の液晶画面に配置されるタッチパネルを用いて選択することも可能である。

１・・レーザ加工装置
２・・レーザヘッド部
３・・ビームエキスパンダ
４・・レーザ出射部
５・・レーザコントローラ
７・・データ作成装置
１０・・凹レンズ
１１・・凸レンズ
１９・・ガルバノスキャナ
２０・・ｆθレンズ
８３、８４、８５、８６・・オブジェクト
９０・・距離センサ
１００、１１０・・レーザ加工システム

Claims (8)

1. レーザ光を出射するレーザ光出射部と、
   前記レーザ光を走査する走査部と、
   加工に適した前記レーザ光の結像が得られる結像面の前記レーザ光出射部からの距離を可変とする結像面可変手段と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記レーザ光出射部および前記走査部を制御して、加工パターンに基づいて、前記レーザ光を加工対象物に照射させる加工処理と、
   前記結像面可変手段を制御して、前記加工対象物の加工面の高さに応じて、前記レーザ光の焦点深度に基づく所定の間隔を調整単位として該所定の間隔ごとに不連続に前記結像面の位置を調整する結像面調整処理とを実行することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記所定の間隔は、
   前記レーザ光の焦点深度の値以下の間隔であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記所定の間隔は、
   前記レーザ光の焦点深度の値の半分の間隔であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記結像面可変手段は、
   前記レーザ光出射部を構成する少なくとも１つのレンズの位置を前記レーザ光の光軸方向に移動することにより、前記結像面の前記レーザ光出射部からの距離を可変することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のレーザ加工装置。
5. 前記制御部は、
   前記加工対象物の加工面の高さの入力を受け付ける入力処理と、
   前記入力処理で受け付けられた高さに応じて、前記所定の間隔で区画された前記調整単位ごとにレイヤーを割り付けるレイヤー割付処理とを実行し、
   前記結像面調整処理は、
   前記レイヤー割付処理によりにより割り付けられた前記レイヤーごとに、前記結像面の位置を調整することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のレーザ加工装置。
6. 前記加工対象物の加工面の高さを検出する検出手段を備え、
   前記入力処理は、前記検出手段の検出結果に基づいて前記加工対象物の加工面の高さの入力を受け付けることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. 前記結像面に対応する歪み補正係数を前記レイヤーごとに記憶する記憶手段を備え、
   前記制御部は、
   前記記憶手段に記憶されている前記歪み補正係数に基づいて、前記レイヤーごとに前記歪み補正係数を調整することを特徴とする請求項５または６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記加工パターンは、一群の加工形状の素片を1つのオブジェクトとし、
   前記レイヤー割付処理は、
   前記オブジェクトごとに前記レイヤーを割り付けることを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載のレーザ加工装置。