JP2020082149A - レーザ照射システム - Google Patents

Abstract

【課題】加工精度の向上と加工速度の高速化の両立が可能なレーザ照射技術を提案する。【解決手段】レーザ照射システムは、一軸又は二軸の座標系でレーザ照射装置１をワークＷに対して相対移動させる。レーザ照射装置１は、レーザ発振器１１が発振したレーザ光を焦点に集める集光レンズ１４と、当該集光レンズ１４の焦点の位置を調整する焦点調整部１５と、を有する。そして、制御装置４において次の処理が実行される。取得処理部４１が、上記座標系におけるレーザ光の照射予定位置を取得する。測定処理部４２が、照射予定位置に照射口１ａが到達する前に、当該照射予定位置にて測距センサ３で距離Ｌを測定する。調整処理部４３が、照射予定位置に照射口１ａが到達するまでに、当該照射予定位置で測定された距離Ｌを用いて、集光レンズ１４の焦点の位置を焦点調整部１５で調整する。【選択図】図１

Description

本発明は、ワークに対して、剥離、穿孔、切断、切削などのレーザ加工を行うためのレーザ照射技術に関する。

剥離、穿孔、切断、切削などのレーザ加工を行うためのレーザ照射技術として、レーザ発振器が発振したレーザ光を、アッテネータやエキスパンダなどの光学モジュールで調整した後、集光レンズを介してワークに照射する技術が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１では、ワークが載せられたステージを移動させることによってレーザ照射装置を照射予定位置まで相対移動させた後、ワークにレーザ光を照射する。このような技術では、集光レンズの焦点を、ワークにおいてレーザ光を合焦させる目標位置（例えば、剥離であれば界面の位置）に一致させることが、加工精度を向上させる上で重要である。目標位置から焦点がずれると、当該目標位置において所望のエネルギやスポット径が得られず、加工精度が低下する虞がある。特に高い加工精度が要求される微細加工では、焦点の位置ずれは加工精度に大きく影響する。

特開２００６−３３９６３０号公報

そこで、加工精度を向上させるべく、レーザ照射装置を照射予定位置まで相対移動させた後、その位置でオートフォーカス技術を用いて焦点を目標位置に一致させることを提案できる。

しかし、提案できる上記技術では、照射予定位置にレーザ照射装置を一旦停止させてから合焦させる必要がある。このため、複数箇所に対してレーザ加工を一連の流れで行う場合であっても、各箇所においてレーザ光の照射の前に、レーザ照射装置を一旦停止させて合焦させる必要があり、レーザ加工に長い時間を要する。また、この技術では、各箇所への停止と、停止後の合焦とが必要であるため、それらの処理を行うための時間（合焦のための待ち時間）が必ず必要であり、それが故に加工速度の高速化には限界があった。

そこで本発明の目的は、加工精度の向上と加工速度の高速化の両立が可能なレーザ照射技術を提案することである。

本発明に係るレーザ照射システムは、照射口からレーザ光をワークに照射するレーザ照射装置と、一軸又は二軸の座標系でレーザ照射装置をワークに対して相対移動させる搬送装置と、ワークまでの距離を測定する測距センサと、制御装置と、を備える。レーザ照射装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、当該レーザ発振器が発振したレーザ光を焦点に集める集光レンズと、当該集光レンズの焦点の位置を調整する焦点調整部と、を有する。そして、制御装置は、取得処理部と、測定処理部と、調整処理部と、を含む。取得処理部は、上記座標系におけるレーザ光の照射予定位置を取得する。測定処理部は、照射予定位置に照射口が到達する前に、当該照射予定位置にて測距センサで距離を測定する。調整処理部は、照射予定位置に照射口が到達するまでに、当該照射予定位置で測定された距離を用いて、集光レンズの焦点の位置を焦点調整部で調整する。

上記レーザ照射システムによれば、照射予定位置に照射口が到達するまでに、集光レンズの焦点の位置が、当該照射予定位置に適した位置（当該照射予定位置にてレーザ光を合焦させる目標位置）に調整される。即ち、照射予定位置に照射口が到達するまでに、当該照射予定位置で測定された距離を用いた焦点の位置合わせ（合焦処理）が完了する。

よって、照射予定位置に照射口が到達したときには、当該照射予定位置において即座に、焦点の位置が調整された状態でレーザ光をワークに照射でき、従って、上記レーザ照射システムでは合焦のための待ち時間が不要になる。即ち、照射予定位置に照射口が到達すると同時にレーザ光を精度良くワークに照射できる。

本発明によれば、加工精度の向上と加工速度の高速化の両立が可能になる。

実施形態に係るレーザ照射システムを概念的に示した上面図である。 レーザ照射システムを概念的に示した側面図であり、（Ａ）照射予定位置に測距センサが到達した状態、及び（Ｂ）照射予定位置に照射口が到達した状態をそれぞれ示したものである。 （Ａ）レーザ光を合焦させる目標位置から集光レンズの焦点がずれた場合、及び（Ｂ）集光レンズの焦点が目標位置に一致した場合をそれぞれ示した図である。 測定処理の流れを示したフローチャートである。 調整処理の流れを示したフローチャートである。

図１は、実施形態に係るレーザ照射システムを概念的に示した上面図である。又、図２（Ａ）及び（Ｂ）は、レーザ照射システムを概念的に示した側面図である。レーザ照射システムは、レーザ照射装置１と、搬送装置２と、測距センサ３と、制御装置４と、を備え、ワークＷにレーザ光を照射することにより、当該ワークＷに対して、剥離、穿孔、切断、切削などのレーザ加工を行う。本実施形態では、レーザ光はパルスレーザ光であり、レーザ照射システムは、パルスレーザ光を走査しながらワークＷに照射する。尚、図２（Ａ）及び（Ｂ）では、搬送装置２及び制御装置４の図示が省略されている。

＜レーザ照射装置＞
レーザ照射装置１は、レーザ発振器１１と、アッテネータ１２と、エキスパンダ１３と、集光レンズ１４と、焦点調整部１５と、ミラー１６Ａ及び１６Ｂと、を有し、集光レンズ１４を透過したレーザ光を照射口１ａから出射してワークＷに照射する。一例として、レーザ光には、波長が２６３ｎｍや３５５ｎｍなどである紫外光が用いられる。尚、使用可能なレーザ光は、これに限定されるものではない。

レーザ発振器１１は、レーザ光を発振する発振器である。本実施形態では、レーザ発振器１１が発振するレーザ光はパルスレーザ光である。一例として、パルスレーザ光の発振周波数ｆは、１Ｈｚ以上３００ｋＨｚ以下である。

アッテネータ１２は、レーザ発振器１１が発振したレーザ光の強度を安定させる光学モジュールである。具体的には、レーザ光の強度（レーザ発振器１１の出力）にバラツキがある場合でも、アッテネータ１２は、レーザ光の強度を所定値まで減衰させて揃えることにより、レーザ光を安定させる。

エキスパンダ１３は、アッテネータ１２で安定したレーザ光のビーム径Ｒを拡大する光学モジュールである。エキスパンダ１３は、ビーム径Ｒの拡大率が固定されたものであってもよいし、当該拡大率の変更が可能なものであってもよい。そして、本実施形態では、エキスパンダ１３でビーム径Ｒが拡大されたレーザ光は、ミラー１６Ａで反射されて集光レンズ１４へ導かれる。

集光レンズ１４は、これに入射したレーザ光を焦点Ｆに集めるレンズである。ここで、焦点Ｆに集まるレーザ光のスポット径ｒは、ｒ＝４ｄλ／πＲ（ｄ：集光レンズ１４の焦点距離、λ：レーザ光の波長、Ｒ：集光レンズ１４に入射する直前のレーザ光のビーム径）で近似される。従って、エキスパンダ１３でのビーム径Ｒの拡大率を変化させて、集光レンズ１４に入射する直前のビーム径Ｒを調整することにより、焦点Ｆでのスポット径ｒを調整できる。

本実施形態では、集光レンズ１４は、凹レンズ１４Ａと凸レンズ１４Ｂとで構成された複合レンズであり、集光レンズ１４に入射したレーザ光を、凹レンズ１４Ａで一旦発散させた後、凸レンズ１４Ｂで焦点Ｆに集める。尚、集光レンズ１４は、このような構成のものに限らず、入射したレーザ光が集まる焦点Ｆを形成できる様々な単レンズや複合レンズに変形できる。

また、集光レンズ１４は、その焦点Ｆの位置を焦点調整部１５で調整できる。本実施形態では、焦点Ｆの位置の調整が可能となるように、凹レンズ１４Ａが、その光軸方向Ｓ１において移動可能に設置されている。そして、焦点調整部１５は、アクチュエータであり、光軸方向Ｓ１において凹レンズ１４Ａを移動させることによって焦点Ｆの位置を移動させ、これにより焦点Ｆの位置を調整する。一例として、アクチュエータは、凹レンズ１４Ａの位置（即ち、焦点Ｆの位置）をμｍオーダで移動させることが可能な駆動装置である。尚、集光レンズ１４が単レンズである場合、焦点調整部１５は、その単レンズを光軸方向Ｓ１において移動させることにより、集光レンズ１４の焦点Ｆの位置を移動させる。

そして、集光レンズ１４を透過したレーザ光は、ミラー１６Ｂで反射されて照射口１ａへ導かれ、当該照射口１ａを介してワークＷに照射される。尚、レーザ発振器１１から照射口１ａまでのレーザ光の経路は、図１、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示されたものに限らず、レーザ照射装置１の構成要素の配置等を変えることで適宜変更できる。

ワークＷに対してレーザ加工を行う場合、集光レンズ１４の焦点Ｆを、ワークＷにおいてレーザ光を合焦させる目標位置Ｐｔ（Ｘ−Ｙ座標平面に垂直なＺ軸方向における位置。例えば、剥離であれば界面の位置）に一致させることが、加工精度を向上させる上で重要である。例えば図３（Ａ）に示されるように、集光レンズ１４の焦点Ｆが目標位置Ｐｔからずれると、当該目標位置Ｐｔにおいて所望のエネルギやスポット径ｒが得られず、加工精度が低下する虞がある。特に高い加工精度が要求される微細加工では、焦点Ｆの位置ずれは加工精度に大きく影響する。本実施形態では、図３（Ｂ）に示されるように集光レンズ１４の焦点Ｆを目標位置Ｐｔに一致させる合焦処理が、後述する制御装置４にて実行される。

＜搬送装置＞
搬送装置２は、二軸（Ｘ軸とＹ軸）の座標系（Ｘ−Ｙ座標系）でレーザ照射装置１をワークＷに対して移動させる（図１参照）。具体的には、搬送装置２は、レーザ照射装置１をＸ軸に沿って移動させるＸ軸搬送部２１と、レーザ照射装置１をＹ軸に沿って移動させるＹ軸搬送部２２と、を有する。

本実施形態では、Ｘ軸搬送部２１は、可動部２１Ａと、当該可動部２１Ａの移動方向をＸ軸方向に規定するガイド部２１Ｂと、当該ガイド部２１Ｂに沿って可動部２１Ａを移動させる駆動部２１Ｃと、で構成されている。また、Ｙ軸搬送部２２は、可動部２２Ａと、当該可動部２２Ａの移動方向をＹ軸方向に規定するガイド部２２Ｂと、当該ガイド部２２Ｂに沿って可動部２２Ａを移動させる駆動部２２Ｃと、で構成されている。そして、Ｘ軸搬送部２１の可動部２１Ａに、Ｙ軸搬送部２２のガイド部２２Ｂが固定されており、Ｙ軸搬送部２２の可動部２２Ａに、レーザ照射装置１が固定されている。搬送装置２は、制御装置４からの指令に従って駆動部２１Ｃ及び２２Ｃを制御することにより、Ｘ−Ｙ座標系におけるレーザ照射装置１の移動（並進移動）を制御する。

＜測距センサ＞
測距センサ３は、Ｘ−Ｙ座標系における照射口１ａとは異なる位置で、レーザ照射装置１に固定されている。尚、測距センサ３は、レーザ照射装置１が固定されるＹ軸搬送部２２の可動部２２Ａに配置されてもよい。本実施形態では、測距センサ３は、Ｘ−Ｙ座標系において、Ｘ軸に平行で且つ照射口１ａの中心（レーザ光が通過する位置）を通る直線上の位置に配置されている。そして、測距センサ３は、ワークＷまでの距離Ｌを測定する。具体的には、測距センサ３は、後述するレーザ光の照射予定位置Ｐｓにおいて、レーザ光を合焦させる目標位置Ｐｔまでの距離Ｌを測定する（図２（Ａ）参照）。一例として、測距センサ３には、ワークＷに影響を及ぼしにくい波長の光（赤外光など）を用いて距離Ｌをμｍオーダで測定できる光学センサが用いられる。尚、測距センサ３が測定する距離Ｌは、照射予定位置Ｐｓにおける照射口１ａから目標位置Ｐｔまでの距離に必ずしも一致している必要はなく、照射口１ａからの当該距離は、必要であれば、Ｚ軸方向における測距センサ３と照射口１ａとの位置関係（具体的には、Ｚ軸方向における互いの間隔）を用いて、測距センサ３で測定された距離Ｌから算出できる。

＜制御装置＞
制御装置４は、レーザ加工を行うためのレーザ照射処理（合焦処理を含む）を実行する。具体的には、制御装置４は、レーザ照射処理を実行するための構成として、取得処理部４１と、搬送処理部４２と、測定処理部４３と、調整処理部４４と、出力処理部４５と、を含む。これらの処理部は、制御装置４内に回路を構築することによってハードウェアで構成されてもよいし、制御装置４が備えるＣＰＵ（Central Processing Unit）やマイクロコンピュータ等の処理装置にプログラムを実行させることによってソフトウェアで構成されてもよい。そして、そのようなプログラムは、読取り可能な状態で記憶媒体（例えば、フラッシュメモリ等）に記憶されてもよいし、レーザ照射システムが備える記憶装置（不図示）に記憶されてもよい。

レーザ照射処理は、レーザ加工の開始に伴って開始する。このとき、制御装置４は、レーザ加工のためにレーザ光を走査する所定経路Ｒｋと、当該所定経路Ｒｋにおいて最初にレーザ光を照射するスタート位置Ｐ０と、所定経路Ｒｋにおけるレーザ光の走査方向Ｓ２と、当該走査方向Ｓ２におけるレーザ照射装置１の移動速度ｖ（走査速度）と、レーザ光の発振周波数ｆとについて、これらの情報を有している。尚、これらの情報は、制御装置４が予め有しているものであってもよいし、レーザ加工の開始前に入力されるものや記憶装置（不図示）から読み出されるものであってもよい。

レーザ照射処理が開始すると、先ず取得処理部４１が、所定経路Ｒｋ上におけるレーザ光の照射予定位置Ｐｓを取得する。具体的には、取得処理部４１は、所定経路Ｒｋと、スタート位置Ｐ０（＝（Ｘｓ０，Ｙｓ０））と、走査方向Ｓ２と、移動速度ｖ（走査速度）と、発振周波数ｆとを用いて、レーザ光のパルスが所定数ずつ照射される所定経路Ｒｋ上の位置（Ｘｓ,Ｙｓ）を算出し、その位置（Ｘｓ,Ｙｓ）を照射予定位置Ｐｓとして取得する。

より具体的には、取得処理部４１は、レーザ光のパルスが１つずつ照射される位置（Ｘｓ,Ｙｓ）を次のように算出し、その位置（Ｘｓ,Ｙｓ）を照射予定位置Ｐｓとして取得する。尚、ここでは、説明を簡単にするために、所定経路Ｒｋが直線である場合について考える。先ず、取得処理部４１は、走査方向Ｓ２と、移動速度ｖと、発振周波数ｆとを用いて、レーザ光のパルスが１つずつ照射される位置を決定するための基礎になる、それらの位置関係を表す変位ベクトルＤ（＝（ΔＸｓ,ΔＸｓ））を算出する。尚、変位ベクトルＤの長さは、レーザ光が照射される位置の間隔に相当する。そして、取得処理部４１は、算出した変位ベクトルＤと、スタート位置Ｐ０とを用いて、位置（Ｘｓ,Ｙｓ）を、（Ｘｓ，Ｙｓ）＝（Ｘｓ０＋ｎ・ΔＸｓ,Ｙｓ０＋ｎ・ΔＹｓ）（ｎ：０以上の整数）で算出する。

以下では、説明を更に簡単にするために、Ｘ軸に沿う直線が所定経路Ｒｋとして設定された場合について、図１、図２（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明する。この場合、取得処理部４１は、位置（Ｘｓ,Ｙｓ）を、（Ｘｓ，Ｙｓ）＝（Ｘｓ０＋ｎ・ΔＸｓ,Ｙｓ０）で算出できる。このように、走査方向Ｓ２がＸ軸方向又はＹ軸方向に決まっている場合には、取得処理部４１は、走査方向Ｓ２を用いずに位置（Ｘｓ,Ｙｓ）を算出できる。また、スタート位置Ｐ０が、例えばＸ−Ｙ座標系の原点に規定されている場合には、取得処理部４１は、スタート位置Ｐ０を用いずに、位置（Ｘｓ,Ｙｓ）を、（Ｘｓ，Ｙｓ）＝（ｎ・ΔＸｓ,０）で算出できる。

取得処理部４１による照射予定位置Ｐｓの取得後、搬送処理部４２が、レーザ照射装置１の移動を開始する。具体的には、所定経路Ｒｋ上を測距センサ３及び照射口１ａが前後に並んで走査方向Ｓ２へ移動できるように、搬送処理部４２が、レーザ照射装置１の移動を搬送装置２で制御する（図２（Ａ）参照）。より具体的には、搬送処理部４２は、所定経路Ｒｋ上で測距センサ３及び照射口１ａを走査方向Ｓ２へ移動させると共に、当該所定経路Ｒｋ上に設定されている各照射予定位置Ｐｓに、測距センサ３が、照射口１ａよりも先に到達するように、レーザ照射装置１の移動を制御する。そして、所定経路Ｒｋ上における測距センサ３及び照射口１ａの移動が開始すると、測定処理部４３及び調整処理部４４がそれぞれの処理を開始する。

測定処理部４３は、処理を開始すると、所定経路Ｒｋ上の照射予定位置Ｐｓに照射口１ａが到達する前に、当該照射予定位置Ｐｓにて測距センサ３で距離Ｌを測定する（図２（Ａ）参照）。具体的には、測定処理部４３は、レーザ照射装置１が走査方向Ｓ２に移動する過程で測距センサ３が各照射予定位置Ｐｓを通過するときに、当該照射予定位置Ｐｓにて距離Ｌを測定する。以下、測定処理部４３が実行する処理（測定処理）の流れを示したフローチャート（図４）を用いて、より具体的に説明する。

測定処理が開始すると、測定処理部４３は先ず、変数ｎを０に設定し（ステップＳ１１）、測距センサ３による測定を行う位置（Ｘｓ，Ｙｓ）（照射予定位置Ｐｓ）を、変数ｎを用いて（Ｘｓ，Ｙｓ）＝（Ｘｓ０＋ｎ・ΔＸｓ,Ｙｓ０）から算出する（ステップＳ１２）。

次に、測定処理部４３は、ステップＳ１２で算出した位置（Ｘｓ，Ｙｓ）に測距センサ３が到達したか否かを判断する（ステップＳ１３）。そして、測定処理部４３は、ステップＳ１３で「到達した（Ｙｅｓ）」と判断できるまでステップＳ１３を繰り返し実行し、ステップＳ１３で「到達した（Ｙｅｓ）」と判断できた場合、その位置（Ｘｓ，Ｙｓ）にて測距センサ３で距離Ｌを測定する（ステップＳ１４）。そして、測定処理部４３は、測定した距離Ｌを、測定を実行した位置（Ｘｓ，Ｙｓ）に対応付けて記録装置（不図示）に記憶する。

その後、測定処理部４３は、所定経路Ｒｋ上に、測距センサ３による測定を行う次の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）が存在するか否かを、取得処理部４１が取得した照射予定位置Ｐｓに基づいて判断する（ステップＳ１５）。そして、測定処理部４３は、ステップＳ１５にて「存在しない（Ｎｏ）」と判断した場合、測定処理を終了する。一方、ステップＳ１５にて「存在する（Ｙｅｓ）」と判断した場合、測定処理部４３は、変数ｎを１つ繰り上げて（ステップＳ１６）、ステップＳ１２からの処理を再び実行する。

このようにして、測定処理部４３は、所定経路Ｒｋ上の照射予定位置Ｐｓを測距センサ３が通過するごとに、その照射予定位置Ｐｓで距離Ｌを測定する。ここで、Ｘ―Ｙ座標系における照射口１ａと測距センサ３との間隔が、照射予定位置Ｐｓの間隔よりも大きい場合には、照射予定位置Ｐｓにて測距センサ３が距離Ｌを測定した後、その照射予定位置Ｐｓに照射口１ａが到達するまでに、その後に続く１又は複数の照射予定位置Ｐｓを測距センサ３は通過することになる。このような場合でも、測定処理部４３が測定した距離Ｌは、それを測定した位置（Ｘｓ，Ｙｓ）（照射予定位置Ｐｓ）に対応づけて記憶装置に記憶されるため（ステップＳ１４）、後述する調整処理において、記憶装置（不図示）から適宜読み出して用いることができる。

調整処理部４４は、測定処理に並行して、各照射予定位置Ｐｓに照射口１ａが到達する（図２（Ｂ）参照）までに、当該照射予定位置Ｐｓで測定された距離Ｌを用いて、集光レンズ１４の焦点Ｆの位置を焦点調整部１５で調整する。即ち、調整処理部４４は、各照射予定位置Ｐｓで測定された距離Ｌを用いて焦点Ｆの位置をフィードバック制御することにより、焦点Ｆの位置を、照射予定位置Ｐｓに応じてＺ軸方向において変化させて調整する。以下、調整処理部４４が実行する処理（調整処理）の流れを示したフローチャート（図５）を用いて、具体的に説明する。

調整処理が開始すると、調整処理部４４は先ず、変数ｎを０に設定し（ステップＳ２１）、レーザ光の照射を行う位置（Ｘｓ，Ｙｓ）（照射予定位置Ｐｓ）を、変数ｎを用いて（Ｘｓ，Ｙｓ）＝（Ｘｓ０＋ｎ・ΔＸｓ,Ｙｓ０）から算出する（ステップＳ２２）。

次に、調整処理部４４は、ステップＳ２２で算出した位置（Ｘｓ，Ｙｓ）に照射口１ａが到達するまでに、当該位置（Ｘｓ，Ｙｓ）で測定された距離Ｌを記憶装置（不図示）から読み出す（ステップＳ２３）。そして、調整処理部４４は、読み出した距離Ｌを用いて、集光レンズ１４の焦点Ｆの位置を目標位置Ｐｔに一致するように調整する（図３（Ｂ）参照）。

その後、調整処理部４４は、所定経路Ｒｋ上に、レーザ光の照射を行う次の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）が存在するか否かを、取得処理部４１が取得した照射予定位置Ｐｓに基づいて判断する（ステップＳ２４）。そして、調整処理部４４は、ステップＳ２４にて「存在しない（Ｎｏ）」と判断した場合、調整処理を終了する。一方、ステップＳ２４にて「存在する（Ｙｅｓ）」と判断した場合、調整処理部４４は、変数ｎを１つ繰り上げて（ステップＳ２５）、ステップＳ２２からの処理を再び実行する。

このようにして、調整処理部４４は、所定経路Ｒｋにおける最初の照射予定位置Ｐｓに照射口１ａが到達するまでに、当該最初の照射予定位置Ｐｓで測定された距離Ｌを用いて、集光レンズ１４の焦点Ｆの位置を目標位置Ｐｔに一致するように調整する。そして、最初の照射予定位置Ｐｓに照射口１ａが到達したときに、出力処理部４５が、レーザ照射装置１を制御することによりワークＷへのレーザ光の照射を開始する（図２（Ｂ）参照）。その後、調整処理部４４は、照射予定位置Ｐｓでのレーザ光の照射が実行されてから次の照射予定位置Ｐｓに照射口１ａが到達するまでの間に、当該次の照射予定位置Ｐｓで測定された距離Ｌを用いて、集光レンズ１４の焦点Ｆの位置を目標位置Ｐｔに一致するように調整する。

これにより、各照射予定位置Ｐｓに照射口１ａが到達するまでに、集光レンズ１４の焦点Ｆの位置が、当該照射予定位置Ｐｓに適した位置（目標位置Ｐｔ）に調整される。即ち、各照射予定位置Ｐｓに照射口１ａが到達するまでに、当該照射予定位置Ｐｓで測定された距離Ｌを用いた焦点Ｆの位置合わせ（合焦処理）が完了する。従って、例えばワークＷの表面に凹凸（図３（Ａ）及び（Ｂ）参照）や傾斜などが存在していて、レーザ光を走査する所定経路Ｒｋにおいてレーザ光を合焦させる目標位置Ｐｔの高さが一定でない場合（即ち、照射口１ａから目標位置Ｐｔまでの距離が一定でない場合）であっても、照射予定位置Ｐｓごとに焦点Ｆの位置が目標位置Ｐｔに調整される。そして、照射予定位置Ｐｓに照射口１ａが到達したときには、当該照射予定位置Ｐｓにおいて即座に、焦点Ｆの位置が調整された状態でレーザ光のパルスがワークＷに照射される。

よって、上記レーザ照射システムでは合焦のための待ち時間が不要になる。即ち、各照射予定位置Ｐｓに照射口１ａが到達すると同時にレーザ光を精度良くワークＷに照射できる。その結果、レーザ光を走査しながらワークＷに照射する場合でも、高速で、照射予定位置Ｐｓのそれぞれに適した位置（目標位置Ｐｔ）にレーザ光を合焦させることができ、加工精度の向上と加工速度の高速化の両立が可能になる。即ち、本実施形態では、所定経路Ｒｋ上の異なる複数の照射予定位置Ｐｓに対して、レーザ光の発振周波数ｆと同じ周波数で、高い精度のレーザ加工を繰り返し行っていくことができる。

また、レーザ光を走査する技術として、ガルバノスキャナのようにガルバノミラー（スキャンミラー）の角度を変えてレーザ光を走査する技術や、ポリゴンミラーを回転させてレーザ光を走査する技術などが従来から存在するが、これらの技術では、レーザ光を走査できる範囲（走査範囲）が狭い。一方、上記レーザ照射システムは、レーザ照射装置１を並進移動させるため、レーザ光の走査範囲を容易に拡張でき、従ってワークＷが面積の大きなものであっても１つのレーザ照射装置１で処理できる。

レーザ照射システムは、上述したものに限らず、種々の変形が可能である。例えば、搬送装置２は、一軸の座標系でレーザ照射装置１をワークＷに対して移動させるものであってもよい。また、搬送装置２は、一軸又は二軸の座標系で、ワークＷが載せられたステージを移動させることによってレーザ照射装置１をワークＷに対して相対移動させるものであってもよい。更に、レーザ光を走査する所定経路Ｒｋは、上述したＸ軸に沿った経路に限らず、Ｘ−Ｙ座標系における様々な経路に適宜変更できる。

測距センサ３は、Ｘ−Ｙ座標系において、Ｘ軸に平行で且つ照射口１ａの中心を通る直線上の位置に配置されたものに限らず、異なる位置に配置されたものであってもよい。例えば、測距センサ３は、Ｘ−Ｙ座標系において、Ｙ軸に平行で且つ照射口１ａの中心を通る直線上の位置に配置されたものであってもよい。また、測距センサ３は、照射口１ａの周囲に複数配置されてもよい。

更に、上記レーザ照射システムは、各部構成を適宜変更することにより、レーザ光をパルス発振する場合に限らず、レーザ光を連続発振する場合にも適用できる。この場合、制御装置４は、レーザ発振器１１による発振のオン／オフを制御することで、予め設定された複数の照射予定位置Ｐｓに対してレーザ加工を繰り返し行っていくことになるが、この場合でも、上述した合焦処理によれば、各照射予定位置Ｐｓに照射口１ａが到達するまでに、集光レンズ１４の焦点Ｆの位置を、当該照射予定位置Ｐｓに適した位置（目標位置Ｐｔ）に調整できる。従って、各照射予定位置Ｐｓに照射口１ａが到達すると同時にレーザ光をワークＷに照射できる。よって、レーザ光を連続発振する場合でも、高速で、照射予定位置Ｐｓのそれぞれに適した位置（目標位置Ｐｔ）にレーザ光を照射でき、加工精度の向上と加工速度の高速化の両立が可能になる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。更に、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ レーザ照射装置
１ａ 照射口
２ 搬送装置
３ 測距センサ
４ 制御装置
１１ レーザ発振器
１２ アッテネータ
１３ エキスパンダ
１４ 集光レンズ
１４Ａ 凹レンズ
１４Ｂ 凸レンズ
１５ 焦点調整部
１６Ａ、１６Ｂ ミラー
２１ Ｘ軸搬送部
２２ Ｙ軸搬送部
２１Ａ、２２Ａ 可動部
２１Ｂ、２２Ｂ ガイド部
２１Ｃ、２２Ｃ 駆動部
４１ 取得処理部
４２ 搬送処理部
４３ 測定処理部
４４ 調整処理部
４５ 出力処理部
ｆ 発振周波数
ｎ 変数
ｒ スポット径
ｖ 移動速度
Ｄ 変位ベクトル
Ｆ 焦点
Ｌ 距離
Ｒ ビーム径
Ｗ ワーク
Ｐ０ スタート位置
Ｐｓ 照射予定位置
Ｐｔ 目標位置
Ｒｋ 所定経路
Ｓ１ 光軸方向
Ｓ２ 走査方向

Claims (2)

1. 照射口からレーザ光をワークに照射するレーザ照射装置と、
   一軸又は二軸の座標系で前記レーザ照射装置を前記ワークに対して相対移動させる搬送装置と、
   前記ワークまでの距離を測定する測距センサと、
   制御装置と、
   を備え、
   前記レーザ照射装置は、
   前記レーザ光を発振するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器が発振した前記レーザ光を焦点に集める集光レンズと、
   前記集光レンズの前記焦点の位置を調整する焦点調整部と、
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記座標系における前記レーザ光の照射予定位置を取得する取得処理部と、
   前記照射予定位置に前記照射口が到達する前に、当該照射予定位置にて前記測距センサで前記距離を測定する測定処理部と、
   前記照射予定位置に前記照射口が到達するまでに、当該照射予定位置で測定された前記距離を用いて、前記集光レンズの前記焦点の位置を前記焦点調整部で調整する調整処理部と、
   を含む、レーザ照射システム。
2. 前記レーザ光はパルスレーザ光であり、当該レーザ光を走査しながら前記ワークに照射する、請求項１に記載のレーザ照射システムであって、
   前記取得処理部は、前記レーザ光の走査方向における前記レーザ照射装置の相対移動速度と、前記レーザ光の発振周波数と、を用いて、前記レーザ光のパルスが所定数ずつ照射される位置を算出し、その位置を前記照射予定位置として取得し、
   前記測定処理部は、前記レーザ照射装置が前記走査方向に相対移動する過程で前記測距センサが前記照射予定位置を通過するときに、当該測距センサで前記距離を測定し、
   前記調整処理部は、前記照射予定位置での前記レーザ光の照射が実行されてから次の照射予定位置に前記照射口が到達するまでの間に、当該次の照射予定位置で測定された前記距離を用いて前記集光レンズの前記焦点の位置を調整する、レーザ照射システム。

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