JP2732230B2

JP2732230B2 - レーザ光加工における同軸観測装置

Info

Publication number: JP2732230B2
Application number: JP6282839A
Authority: JP
Inventors: 京司国府田
Original assignee: SHINOZAKI SEISAKUSHO KK
Current assignee: SHINOZAKI SEISAKUSHO KK
Priority date: 1994-10-21
Filing date: 1994-10-21
Publication date: 1998-03-25
Anticipated expiration: 2013-03-25
Also published as: JPH08118055A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光により加工を
行うレーザ加工装置に設けられて、レーザ光の加工対象
物への照射位置を観測する観測装置に関する。

【０００２】

【従釆の技術】近年、レーザ技術はいろいろな産業分野
に利用されている。レーザの種類にもレーザ発振の仕組
みから、ガスレーザ、固体レーザ、半導体レーザなど種
々のものがある。利用される産業分野にも、金属などの
材料に切断や穴開けなどを行う加工一熱プロセスを利用
する分野、光化学反応プロセスを利用する分野など種々
のものがある。特に、ガスレーザの一つであるＣＯ_２レ
ーザなどは、大出力で効率も高く、レーザ加工分野で重
用されている。

【０００３】このＣＯ_２レーザ加工装置の一例を図４に
示す。レーザ発振器１から出力されたレーザ光３は、し
かるべく光路を経て、マスク５に至り、マスク５でパタ
ーンを得て、全反射ミラー７で光路を屈曲させ、加工用
レンズ９を経て、加工対象物１１の表面に結像する。加
工対象物１１はＸＹテーブル１３上に置かれ、加工が行
われる。

【０００４】そして、従来は、このＣＯ_２レーザは、微
細加工には不適とされていた。例えば、数百ミクロンメ
ータ以下のフィルム状のプラスチックに対する加工は、
焼け、焦げ、だれ、歪みなどが障害となってうまく行か
なかった。しかし、近年は開発が進んだ結果、レーザ光
自体はこのような微細加工も行われうるものになってき
た。

【０００５】しかし、このようなレーザ光は一般には非
可視光であるため、また加工が微細であるため、加工対
象物への照射位置を肉眼で直接に観測する事はできな
い。観測できないと、照射位置のズレの補正ができな
い。そこで、従来の非可視レーザ光の加工対象物への照
射位置を観測する装置としては、試しに照射した非可視
レーザ光の照射痕を、図４に示すように、ライト１０を
備えたＣＣＤカメラ１２へ取り込み、取り込んだ画像を
モニタ１４に拡大して写し観測する装置がある。このＣ
ＣＤカメラ１２は、加工対象物１１近くに位置する加工
用レンズ９が設けられるステーションヘッドと干渉しな
いように、相互に移動できるオフセット方式がとられ
る。あるいは、ＣＣＤカメラ１２とステーションヘッド
は移動せず、加工対象物１１を載置するＸＹテーフル１
３をＣＣＤカメラ１２の下まで移動するオフセット方式
がとられる。そして、照射痕を観測した後、逆方向の移
動により位置を戻し、照射位置のズレの補正を行う。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
オフセット方式の観測装置は、ＣＣＤカメラ１２とステ
ーションヘッドの移動、または加工対象物１１を載置す
るＸＹテーブル１３の移動に時間がかかり、また、これ
らの移動に伴う検出や数値データ処理に時間がかかるも
のであった。これにより生じるロスタイムは、例えばコ
ンマ数秒であるが、多数の加工対象物を連続して加工す
る場合などには、大きなロスになる。

【０００７】さらに、移動に必要となる移動機構の例え
ば歯車のバックラッシュによる誤差など、機械動作に伴
つ誤差も生じてしまうものであった。このような問題
は、ＣＯ_２レーザによる加工の場合のみならす、他の非
可視レーザ光による加工の場合にも生じる。本発明は、
以上の問題点を解決するためになされたもので、ロスタ
イムや機械動作に伴う誤差のない観測装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、レーザ
発振器から発せられた非可視レーザ光を、加工用レンズ
を経て加工対象物へ導き加工を行うレーザ加工装置に設
けられ、前記非可視レーザ光の加工対象物への照射位置
を観測するレーザ加工における同軸観測装置であって、
前記非可視レーザ光にパターンを付与するマスクと、可
視レーザ光を出力する可視レーザ発振器と、出力した可
視レーザ光を前記非可視レーザ光の光路軸と同軸上にし
て加工対象物へ送るために、非可視レーザ光の光路軸に
斜めに設けられた、非可視レーザ光を透過させ可視レー
ザ光を反射する性質のピームコンパィラーと、前記加工
用レンズ付近に設けられ加工対象物を照らすライトと、
可視レーザ光による加工対象物の照射位置からの反射光
及びライトに照らされた加工対象物からの反射光を、前
記ビームコンパイラーを介して取り込むＣＣＤカメラ
と、ＣＣＤカメラへ向かう像の光路と前記可視レーザ発
振器からの可視レーザ光の光路を分岐させるためのハー
フミラーと、ＣＣＤカメラで取り込んだ画像を拡大して
写すモニタと、前記ＣＣＤカメラで取り込まれた画像
を、画像処理技術により処理して目標照射位置とのズレ
を演算し、ズレ補正信号を出力するパソコンと、ズレ補
正信号を基に加工対象物を載置するＸＹテーブルを制御
し、ズレを補正する制御手段とを備えてなり、前記レー
ザ加工装置が微細加工用の高輝度パルスＣＯ_２レーザ装
置であり、かつ前記画像処理におけるズレ量の限界値の
設定は、前記マスクごとに設定されることを特徴とする
レーザ加工における同軸観測装置である。そして、加工
対象物は、加工位置精度が要求されるＦＰＣ（フレキシ
フレブリント基板）、成形品などが好適に使用される。

【０００９】

【作用】本発明は、加工用の非可視レーザ光と同軸上に
可視レーザ光を導くと共に、加工対象物周りの画像をＣ
ＣＤカメラで捉えてモニタ上に拡大表示できるため、非
可視の高輝度パルスレーザ光の照射位置を間接的に観測
することが可能となり、加工原点を正確に設定すること
も可能となる。しかも、取り込まれた画像をパソコン上
で画像処理して目標位置とのズレを演算すると共に、そ
の結果生成されたズレ補正信号をもとに加工対象物を載
置するＸＹテーブルを制御し、自動的にズレを補正でき
るので、正確な位置精度を伴った微細加工が実現できる
のである。また、上記のように可現レーザ光をモニタ上
の拡大映像で観察しながらパソコン上で画像処理をして
ズレ補正信号を生成するよう構成したため、このズレ補
正信号生成の基準となるズレ量の限界値をマスクごと
に、即ち加工条件毎に柔軟に設定することが可能となる
のである。

【００１０】即ち、加工を行なう非可視レーザ光の光路
軸と同軸上に、可視レーザ光を加工対象物へ送り、加工
対象物からの前記可視レーザ光の反射光をＣＣＤカメラ
へ取り込み、取り込んだ画像をモニタに写す。可視レー
ザ発振器から出力された可視レーザ光を、ビームコンバ
イラーを介して、加工を行う非可視レーザ光の光路軸と
同軸上にして加工対象物へ送る。この可視レーザ光が加
工対象物の照射位置からの反射する。また、加工用レン
ズ付近に設けられたライトが加工対象物を照らす。そし
て、可視レーザ光の照射位置からの反射光およびライト
に照らされた加工対象物からの反射光を、前記ビームコ
ンバイラーを介して、ＣＣＤカメラに取り込む。取り込
んだ画像はモニタに写す。

【００１１】更に、取り込まれた画像を画像処理技術に
より処理して目標照射位置とのズレを演算する。このズ
レ補正信号をもとに加工対象物を載眉するＸＹテーブル
を制御し、ズレを補正する。レーザ加工装置が微細加工
用高輝度パルスＣＯ_２レーザ装置であり、照射位置の観
測により正確な微細加工ができる。

【００１２】加工対象物は、加工位置精度が要求される
ＦＰＣ、成形品などであり、正確な位置で加工が行え、
要求が満たされる。

【００１３】

【実施例】この発明の一実施例を、図１乃至図３に示
す。この実施例のレーザ加工装置は、紫外線領域であり
非可視レーザ光で、いわゆるマスクイメージ法による微
細加工を行う代表的なインパクト型ＴＥＡＣＯ_２レーザ
装置である。即ち、高輝度パルスレーザ装置である。

【００１４】レーザ発振器１から出力されたレーザ光３
は、しかるべく光路を経て、マスク５に至る。マスク５
でパターンを得たレーザ光３は、銅がベースとなって作
られた全反射ミラー７で９０度に光路を屈曲させ、加工
用レンズ９を経て、加工対象物１１の表面に結像する。
加工対象物１１はＸＹテーブル１３上に置かれ、Ｘ方向
またはＹ方向に移動され、所定の発振時間、周波数、シ
ョット数でレーザ光照射が行われ、所望の穴開けや様作
成などの加工が行われる。

【００１５】このレーザ加工装置に、レーザ光の照射位
置を観測する同軸観測装置１５が設けられる。前記レー
ザ発振器１とは別に、可視レーザ光（例えばＨｅＮｅレ
ーザ光など）を出力する可視レーザ発振器１７が設けら
れる。出力した可視レーザ光を前記非可視レーザ光の光
路１９軸と同軸上にして加工対象物１１へ送るために、
全反射ミラー２１、ハーフミラー２３が設けられ、更に
ビームコンバイラー２５が非可視レーザ光の光路１９軸
に斜め４５度に設けられる。このビームコンバイラー２
５は、非可視レーザ光を透過させ可視レーザ光を反射す
る性質を有する。

【００１６】また、前記加工用レンズ９の下端周囲に加
工対象物１１を照らすリングライト２７が設けられる。
さらに、可視レーザ光による加工対象物１１の照射位置
からの反射光、およびリングライト２７に照らされた加
工対象物１１からの反射光を、前記ビームコンバイラー
２５に反射させハーフミラー２３を透過させて取り込む
ＣＣＤカメラ２９が設けられる。このハーフミラー２３
は、ＣＣＤカメラ２９へ向かう反射光の光路３１と前記
可視レーザ発振器からの可視レーザ光の光路３３を分岐
させるためのものである。ＣＣＤカメラ２９には、取り
込んだ画像を写すモニタ３５が接続されている。

【００１７】モニタ３５には、パソコン３７が接続され
る。パソコン３７は、取り込まれた照射位置の画像を画
像処理技術により処理して、目標照射位置とのズレを演
算しズレ補正信号を出力する演算処理手段となる。パソ
コン３７には、ズレ補正信号をもとに加工対象物１１を
載層するＸＹテーブル１３を制御してズレを補正する制
御手段としてのＮＣ制御装置３９が接続される。ＮＣ制
御装置３９にはＸＹテーブル１３が接続され、加工対象
物１１が載置された状態のＸＹテーブル１３を、Ｘ方向
またはＹ方向に移動する。

【００１８】以下、この実施例の作用を図１〜図３によ
り説明する。可視レーザ発振器１７から出力された可視
レーザ光は、全反射ミラー２１で９０度に光路を屈曲さ
せ、さらにハーフミラー２３で反対側に光路を９０度屈
曲させ、その後にビームコンバイラー２５を介して光路
を９０度屈曲させ、加工を行う非可視レーザ光の光路１
９軸と光路３３を同軸上にする。そして、加工用レンズ
９を介して加工対象物１１へ送られ、照射がされる。こ
の可視レーザ光が加工対象物１１の照射位置から反射す
る。また、加工用レンズ９付近に設けられたりングライ
ト２７が加工対象物１１全体を照らす。

【００１９】そして、可視レーザ光の照射位置からの反
射光、およびリングライト２７に照らされた加工対象物
１１からの反射光は、前記ビームコンバイラー２５を介
して光路を９０度屈曲させ、ＣＣＤカメラに取り込まれ
る。取り込まれた画像は、モニタ３５に写される。

【００２０】更に、取り込まれた画像を、パソコン３７
が画像処理技術により処理して、可視レーザ光の照射位
置と目標照射位置とのズレを演算する。このズレ補正信
号をもとに、ＮＣ制御装置３５が、加工対象物１１を我
遣するＸＹテーブル１３を制御してＸ方向およひＹ方向
に移動し、ズレを補正する。

【００２１】このとき使用されうる画像処理技術には種
々のものがあり、可能であればいずれのものでもよい。
この実施例では、一例として窓枠内画素係数法とよばれ
るものを採用して説明する。即ち、図２に示すように、
加工対象物１１およびレーザ光の断面画像４１が表され
る画面には、目標照射位置４３を示す十字を有する枠４
５が設けられる。レーザ光の断面画像４１が目標照射位
置４３の近傍にいるときには、断面画像４１と十字を有
する枠４５とで、ＡからＨの８つの領域が形成される。
これらの領域の内、Ｂ、Ｃ、Ｆ、Ｇはレーザ光を受け白
くなり、Ａ、Ｄ、Ｅ、Ｈ、は黒く見える。その結果、８
つの領域Ａ（黒）、Ｂ（白）、Ｃ（白）、Ｄ（黒）、Ｅ
（黒）、Ｆ（白）、Ｇ（白）、Ｈ（累）が形成される。

【００２２】そして、図３に示すように８つの領域内の
画素数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを計算する（Ｓ
１）。断面画像４１が目標照射位置４３に例えば水平方
向で一致すればａとｄ、ｂとｃは同数である。または、
ｅとｈ、ｆとｇは同数である。同様に、垂直方向で一致
すればａとｅ、ｂとｆは同数である。または、ｄとｈ、
ｃとｇは同数である。従つて、これらが同数となるよう
に制御し補正を行えばよい。そこで、次の式によりＦ１
またはＦ２、Ｆ３またはＦ４を計算する（Ｓ２）。

【００２３】

【数１】

【００２４】

【数２】

【００２５】

【数３】

【００２６】

【数４】

【００２７】これらＦ１またはＦ２、Ｆ３またはＦ４に
基づく信号を、ズレ補正信号として出力する。このズレ
補正信号をもとに、ＮＣ制御装置３９が働く。まず、Ｆ
１またはＦ２が０に近づく方向へ、ＸＹテーブル１３を
用いて、図２の画面の水平方向（例えばＸ軸方向）への
補正を行う（Ｓ６）。Ｆ１またはＦ２が十分に０に近く
なれば（Ｓ７）、水平方向の補正を終了する（Ｓ８）。
次に、Ｆ３またはＦ４が０に近づく方向へ、ＸＹテーブ
ル１３を用いて、図２の画面の垂直方向（例えばＹ軸方
向）への補正を行う（Ｓ９）。Ｆ１またはＦ２が十分に
０に近くなれば（Ｓ１０）、垂直方向の補正を終了する
（Ｓ１１）。このようにしてズレを補正する。

【００２８】また、レーザ光の断面画像４１が目標照射
位置４３の近傍にいないときには、断面画像４１と十字
を有する枠４５とで、８つの領域が形成されないので、
補助的に別の方法を用意する。即ち、８つの領域が形成
されない時は、領域Ｂ、Ｃ、Ｆ、Ｇの少なくともいづれ
かの画素数が０になる（Ｓ３）。そのときは、次の式の
ベクトルＶを考え、ベクトルＶの大きさを計算する（Ｓ
４）。

【００２９】

【数５】

【００３０】

【数６】

【００３１】そして、Ｖの大きさが０となる方向、即ち
小さくなる方向へ補正を行う（Ｓ５）。この補助的な方
法により、断面画像４５が目標照射位置４７の近傍に位
置するようになつた後に、前記方法（Ｓ６）〜（Ｓ１
１）により補正を行い、ズレを補正する。

【００３２】このようにしてズレが補正され、可視レー
ザ光の断面画像４１の中心が目標照射位置４３に一致す
ると、可視レーザ発振器１７からの可視レーザ光の出力
が停止され、次に直ちに、レーザ発振器１から出力され
た非可視レーザ光３が、所定の光路を通り、加工用レン
ズ９を経て、加工対象物１１の表面に結像する。加工対
象物１１は、ＸＹテーブル１３によりＸ方向またはＹ方
向に移動され、所望の穴開けや溝作成などの加工が行わ
れる。

【００３３】以上のように、この実施例によれば、可視
レーザ光と非可視レーザ光との切り替えは直ちに行える
ので、従来のようなＣＣＤカメラ２９の移動、加工用レ
ンズ９やりングライト２７を備えたステーションヘッド
の移動、または加工対象物を載置するＸＹテーブルの移
動は、全く必要ない。従つて、これらの移動に伴う検出
や数値データ処理に時間がかかるということもない。ま
た、移動に必要となる移動機構も設ける必要がなく、機
械動作に伴う誤差も生じない。

【００３４】また、モニタ３５でレーザ光の断面画像を
観測しつつ補正作業が行われるので、ズレ量の限界値の
設定、即ちＦ１またはＦ２、Ｆ３またはＦ４がどれだけ
０に近付けば十分に「０」に近いと判断させるのかなど
の設定は、マスク５ごとに、つまり加工条件ごとに設定
できる。

【００３５】また、この実施例の同軸観測装置１５は、
レーザ加工装置の運転が行われている間も、連続して機
能させることができ、ズレ補正を連続して続けられる。

【００３６】また、この実施例のレーザ加工装置は微細
加工用ＣＯ_２レーザ装置であり、照射位置の観測によ
り、さらに用途を広げて正確な微細加工ができるように
なる。即ち、従来はＣＯ_２レーザによる微細加工、例え
ば数百ミクロンメータ以下のフィルム状のプラスチック
に対する微細加工は、焼け、焦げ、だれ、歪みなどが障
害となってうまく行かなかった。しかし、近年は開発が
進んだ結果、このような微細加工も行われうるものにな
ってきていた。ところが非可視レーザ光であることなど
から照射位置の観測がうまくいかず、特に加工開始の照
射位置である加工原点を自動的に百分台、千分台の位置
の精度で設定することができなかった。従って、加工対
象物が、加工位置精度の要求されるＦＰＣ、カメラや時
計などの精密工業製品を構成する成形品、プリンタや複
写機などに用いられ表面がグレービング加工されるゴム
ローラなどである場合には、微細加工ができず、結局、
微細加工の用途が限定されていた。しかし、この実施例
によれば、モニタ３５で可視レーザ光の断面画像を自在
に拡大して観測して、前記加工原点設定が容易に行わ
れ、加工位置精度の要求を十分に満たすことができる。

【００３７】なお、以上の実施例では、図２に示すよう
に、画面にはレーザ光の断面画像４１のみならす加工対
象物１１の輪郭も写つている。そこで、この輪郭をもと
に目標照射位置４３を示す十字を有する枠４５が容易に
設けられうる。しかし、画面に加工対象物１１の輪郭な
どが写らない場合には、加工対象物１１や治工具などに
認識マークなどの基準となるものを複数箇所に付けてお
くとよい。

【００３８】また、より高度な加工位置精度が要求され
る加工対象物１１を加工する場合には、ＸＹテーブル１
３に角度補正機能を備えたものを使用すると、加工が容
易である。

【００３９】また、以上の実施例では、マスク５を用い
てＸＹテーブル１３上の加工対象物を加工するマスクイ
メージ法による２次元加工であったが、他の実施例で
は、レーザマーキングにも、３次元ロボットにも応用で
きる。

【００４０】また、以上の実施例では、反射した可視レ
ーザ光は前記ビームコンバイラー２５を介して光路を９
０度屈曲させＣＣＤカメラ２９に取り込まれるが、他の
実施例では９０度ではなく他の角度で屈曲させてもよ
い。これにより、ＣＣＤカメラ２９を加工対象物１１に
対し斜めに取り付けることができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、加
工を行なう非可視レーザ光の光路軸と同軸上に、可視レ
ーザ光を加工対象物へ送り、加工対象物からの前記可視
レーザ光の反射光をＣＣＤカメラへ取り込み、取り込ん
だ画像をモニタに写すことで、可視レーザ光の照射位
置、ひいては間接的に非可視レーザ光の照射位置が観測
できる。そして、可視レーザ光と非可視レーザ光との切
り替えは直ちに行えるので、あるいは切り替えを行わな
いまま加工を行いながら観測を続けられるので、従来の
ようなＣＣＤカメラの移動などは、全く必要ない。従つ
て、これらの移動に伴う検出や数値データ処理に時間が
かかりロスタイムが発生するということもない。また、
移動に必要となる移動機構も設ける必要がなく、機械動
作に伴う誤差も生じない。

【００４２】また、加工用レンズ付近に設けられたライ
トが加工対象物を照らすことで、加工対象物の像を鮮明
に取り込む事ができ、観測が容易となる。そして、従来
のようなＣＣＤカメラの移動、加工用レンズやライトを
備えたステーションヘッドの移動、または加工対象物を
銭道するＸＹテーブルの移動は、全く必要なく、取り込
まれた照射位置の画像を画像処理技術により処理して目
標照射位置とのズレを演算し、このズレ補正信号をもと
に加工対象物を載遣するＸＹテーブルを制御し、自動的
にズレを補正できるので、正確な位置精度を伴つた微細
加工ができる。

【００４３】ズレを生じているか否かの判断基準となる
限界値を、マスク毎に、即ち加工条件毎に設定すること
が本発明の特徴である。この効果により、従来不可能と
されていた微細加工用ＣＯ_２レーザ装置に於いて、加工
開始の照射位置である加工原点を高い位置精度で設定す
る事が可能となり、微細加工用ＣＯ_２レーザ装置の微細
加工の用途を広げることができる。

【００４４】更に、加工対象物は、加工位置精度が要求
されるＦＰＣ、成形品などであり、この発明による効果
を十分に発揮でき、正確な位置で加工が行え、要求が満
たされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に係る装置の全体ブロック図
である。

【図２】図１の制御方法を説明するための図である。

【図３】図１の制御フロー図である。

【図４】従来例に係る装置の全体ブロック図である。

【符号の説明】

１レーザ発振器３レーザ光５マスク５７全反射ミラー９加工用レンズ１１加工対象物１３ＸＹテーブル１５同軸観測装置１７可視レーザ発振器１９非可視レーザ光の光路２１全反射ミラー２３ハーフミラー２５ビームコンパイラー２７リングライト（ライト）２９ＣＣＤカメラ３１反射光の光路３３可視レーザ光の光賂３５モニタ３７パソコン（演算処理手段）３９ＮＣ制御装置（制御手段）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器から発せられた非可視レーザ
光を、加工用レンズを経て加工対象物へ導き加工を行う
レーザ加工装置に設けられ、前記非可視レーザ光の加工
対象物への照射位置を観測するレーザ加工における同軸
観測装置であって、前記非可視レーザ光にパターンを付
与するマスクと、可視レーザ光を出力する可視レーザ発
振器と、出力した可視レーザ光を前記非可視レーザ光の
光路軸と同軸上にして加工対象物へ送るために、非可視
レーザ光の光路軸に斜めに設けられた、非可視レーザ光
を透過させ可視レーザ光を反射する性質のピームコンパ
ィラーと、前記加工用レンズ付近に設けられ加工対象物
を照らすライトと、可視レーザ光による加工対象物の照
射位置からの反射光及びライトに照らされた加工対象物
からの反射光を、前記ビームコンパイラーを介して取り
込むＣＣＤカメラと、ＣＣＤカメラへ向かう像の光路と
前記可視レーザ発振器からの可視レーザ光の光路を分岐
させるためのハーフミラーと、ＣＣＤカメラで取り込ん
だ画像を拡大して写すモニタと、前記ＣＣＤカメラで取
り込まれた画像を、画像処理技術により処理して目標照
射位置とのズレを演算し、ズレ補正信号を出力するパソ
コンと、ズレ補正信号を基に加工対象物を載置するＸＹ
テーブルを制御し、ズレを補正する制御手段とを備えて
なり、前記レーザ加工装置が微細加工用の高輝度パルス
ＣＯ_２レーザ装置であり、かつ前記画像処理におけるズ
レ量の限界値の設定は、前記マスクごとに設定されるこ
とを特徴とするレーザ加工における同軸観測装置。
【請求項２】加工対象物が、加工位置精度が要求される
ＦＰＣ（フレキシフレブリント基板）、成形品などであ
ることを特徴とする、請求項１記載のレーザ加工におけ
る同軸観測装置。