JP5063450B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

レーザ加工装置は、レーザ光源と、そこからのレーザ光を反射させるガルバノミラーと、そのガルバノミラーで反射したレーザ光を収束させて加工領域上にレーザスポットを形成する収束レンズとを備える。所定の加工パターンが入力されると、その加工パターンに応じた加工領域上の加工目標位置を、座標系上の座標位置として割り付けて、その座標位置に基づきガルバノミラーの回動位置を制御することにより、上記レーザスポットを加工領域上で移動させて加工を施す。

ところが、ガルバノミラーを上記各座標位置に対応した回動位置に正確に変位させたとしても、収束レンズの収差等の影響により、加工領域上のレーザスポットの位置と上記加工目標位置との間に誤差が生じてしまう。そこで、従来から、この誤差を抑制する機能を備えたレーザ加工装置がある（特許文献１〜３参照）。具体的には、この従来のレーザ加工装置は、座標系において等間隔に並ぶ各座標位置ごとに対応付けられた複数の補正データ（補正値マトリックス）がメモリに記憶されており、加工目標位置として割り付けられた座標位置に対応付けられた補正データをメモリから読み出して、この補正データに基づきガルバノミラーの回動位置を補正することによりレーザスポットの位置と加工目標位置との誤差を抑制するようにしている。
特開昭６２−４５４９３号公報 特開平８−１７４２５６号公報 特開２００２−３１６２８８公報

上記従来のレーザ加工装置は、座標系において等間隔ごとに並んだ各座標位置に対して補正データが１つずつ対応付けられた構成であるが、レーザスポットの位置と加工目標位置との誤差を抑制するための更なる技術が要望されていた。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、その目的は、レーザスポットの位置と加工目標位置との誤差を効果的に抑制することが可能なレーザ加工装置を提供するところにある。

上記の目的を達成するための手段として、第１の発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を反射させるガルバノミラーを回動可能に有するガルバノスキャナと、前記ガルバノミラーで反射したレーザ光を収束させて加工領域上にレーザスポットを形成する収束レンズと、前記加工領域上の加工目標位置を、座標系の座標位置に割り付ける割付部と、前記割付部で前記加工目標位置が割り付けられた座標位置に基づき前記ガルバノミラーを回動させて前記レーザスポットを前記加工領域上で移動させる制御部と、前記座標系から指定された複数の指定座標位置それぞれに対応付けられた複数の補正データが記憶されるメモリと、前記指定座標位置が前記加工目標位置として割り付けられた場合に、当該指定座標位置に対応付けられた補正データに基づき前記ガルバノミラーの回動位置を補正して、前記レーザスポットの位置と前記加工目標位置との誤差を抑制する補正部と、を備え、前記座標系内において前記収束レンズのレンズ中心に対応する基準位置に近い領域よりも遠い領域の方が、前記指定座標位置同士の間隔が狭い構成である。

レーザスポットの位置と加工目標位置との誤差は、収束レンズのレンズ中心に対応する座標位置（基準位置）から離れるほど大きくなる傾向にある。そこで、本発明によれば、座標系内において収束レンズのレンズ中心に対応する基準位置に近い領域よりも遠い領域の方が、指定座標位置（補正データが対応付けられた座標位置）同士の間隔が狭い構成である。このように、上記誤差の度合いに応じて座標系に指定座標位置の間隔を変えることにより、レーザスポットの位置と加工目標位置との誤差を効果的に抑制することができる。

第２の発明は、第１の発明のレーザ加工装置であって、前記座標系において前記基準位置からの距離が遠い領域になるに連れて、前記指定座標位置同士の間隔が徐々に狭くなっている構成である。
本発明によれば、レーザスポットの位置と加工目標位置との誤差の傾向に即して、精度よく補正を行うことができる。

第３の発明は、第２の発明のレーザ加工装置であって、前記指定座標位置同士の間隔は、前記基準位置からの距離が遠い領域になるに連れて指数関数的に狭くなる構成である。
レーザスポットの位置と加工目標位置との誤差は、収束レンズのレンズ中心に対応する基準位置からの距離が遠い領域になるに連れて指数関数的に大きくなる。そこで、本発明のように、指定座標位置同士の間隔を、基準位置からの距離が遠い領域になるに連れて指数関数的に狭くした構成が好ましい。

第４の発明は、第１から第３のいずれか一つの発明のレーザ加工装置であって、前記基準位置で交差する２直線それぞれの上に位置し、且つ、前記基準位置からの距離が同じ２つの領域間で、前記指定座標位置同士の間隔が互いに異なる。
基準位置で交差する２直線それぞれの上に位置し、且つ、基準位置からの距離が同じ２つの領域であっても、レーザスポットの位置と加工目標位置との誤差が異なることがある。この場合には、本発明のように、両領域間で、指定座標位置同士の間隔が互いに異なる構成とするのが好ましい。

第５の発明は、第１から第４のいずれか一つの発明のレーザ加工装置であって、前記補正部は、前記指定座標位置以外の座標位置が前記加工目標位置として割り付けられた場合に、前記指定座標位置及び当該指定座標位置に対応付けられた補正データに基づき前記ガルバノミラーの回動位置を補正する構成である。
指定座標位置以外の座標位置が加工目標位置として割り付けられた場合には、指定座標位置及び当該指定座標位置に対応付けられた補正データに基づきガルバノミラーの回動位置を補正することが好ましい。

本発明によれば、レーザスポットの位置と加工目標位置との誤差を効果的に抑制することができる。

本発明の一実施形態を図１〜図３を参照しつつ説明する。
（レーザ加工装置の全体構成）
図１は、本実施形態のレーザ加工装置の全体構成図である。同図には、レーザ加工装置Ｍが、加工台Ｚ上の所定の加工領域Ｅ内に配置された加工対象物W（本実施形態では、携帯電話に使用される絶縁シート）に加工を施す例が示されている。

レーザ加工装置Ｍは、主として、レーザ光源１０と、ガルバノスキャナ２０と、コントローラ３０とを備える。ガルバノスキャナ２０は、レーザ光源１０から出射されたレーザ光１１の向きを変えて上記加工領域Ｅ上に照射させる。具体的には、ガルバノスキャナ２０は、上記レーザ光源１０からのレーザ光を反射させる一対のガルバノミラー２０Ｖ，２０Ｗと、それら一対のガルバノミラー２０Ｖ，２０Ｗで反射したレーザ光１１を収束させて加工領域Ｅ上にレーザスポットＳを形成する収束レンズ２０Ｚ（例えばｆθレンズ）と、を有する。一方のガルバノミラー２０Ｖを回動させることで上記レーザスポットＳを所定の一方向（後述する直交座標系のＸ軸方向に対応）に移動させることができ、他のガルバノミラー２０Ｗを回動させることで上記レーザスポットＳを上記一方向に直交する他方向（直交座標系のＹ軸方向に対応）に移動させることができる。

（レーザ加工装置の電気的構成）
図２に示すようにコントローラ３０は、文字図形等の加工データが記憶されているメモリ３２と、ＣＰＵ３４（割付部、制御部、補正部の一例）とからなり、ＣＰＵ３４に対して入力装置３１（例えばコンソール）が接続されている。

そして、入力装置３１では、加工領域Ｅの加工対象物Ｗに形成すべき加工パターンの入力できるようになっている。所定の加工パターンが入力装置３１に入力されると、ＣＰＵ３４はメモリ３２から上記加工パターンに対応する加工データ（ベクトルデータ）を読み出す。そして、読み出した加工データの線要素について、始点及び終点を含む複数の加工点を抽出し、この抽出した各加工点を図３に示すＸＹの直交座標系上の各座標位置Ｐ（同図において、直交する２本のグリッドの各交点）に割り付けることにより各点ごとの座標データを生成する。このとき、ＣＰＵ３４は「割付部」として機能する。

ここで、直交座標系は、ＣＰＵ３４が加工領域Ｅ上の各位置を擬似的に把握するために使用されるものであり、上記各加工点の座標位置Ｐが、加工領域Ｅ上でレーザスポットＳを移動させるべき加工目標位置に対応する。直交座標系の基準位置Ｏは、収束レンズ２０Ｚのレンズ中心軸を通る直線と加工領域Ｅとの交点である。なお、図３には、基準位置Ｏを通る直線の加工パターンＢ１を加工目標の一例とし、この直線の加工データから抽出した加工点が各座標位置（Ｐ１、Ｐ２・・・Ｐ２０）に割り付けられた状態が示されている。

次に、ＣＰＵ３４は座標データに対して後述する補正処理を行う。その後、ＣＰＵ３４は、補正された座標データを一時的にメモリ３２に格納し、所定のタイミングで信号線Ｌを通じて出力する。ＣＰＵ３４から出力された座標データはＤ／Ａ変換回路３６によってディジタル信号からアナログ信号に変換され、その後、ガルバノ駆動手段２０Ｘ、２０Ｙを構成する各駆動回路（図示せず）に入力される。これにより、ガルバミラー２０Ｗ、２０Ｖの回動位置が調整・制御されることでレーザスポットＳが加工領域Ｅ上で走査されて、加工対象物Ｗ上に上記の加工パターンを施すことができる。

（補正処理）
後述する補正処理をせずに、上記各座標データに従ってガルバノミラー２０Ｗ、２０Ｖを回動させると、例えば収束レンズ２０Ｚの収差等に起因するピンクッション歪やリニアリティ歪などが生じる。即ち、加工領域Ｅ上におけるレーザスポットＳの位置と加工目標位置との間に誤差（以下、「レーザ加工誤差」という）が生じてしまう。例えば図４に示すように、例えば長方形の加工パターンＢ２（図４で一点鎖線で図示）を加工目標として、補正処理なしで加工対象物Ｗ上に形成してみると、実際に形成された加工パターンＢ３（図４で実線で図示）は、左右辺の始点と終点付近では外側に膨らみ、中央付近では内側に凹む一方で、上下辺の始点と終点付近では内側に凹み、中央付近では外側に膨らむ形状になってしまう。

そこで、上記レーザ加工誤差を抑制するようにガルバノミラー２０Ｗ、２０Ｖの回動位置を補正するための補正データが必要になる。この補正データは、本実施形態では座標データ（座標位置Ｐ）を補正するためのデータである。この補正データは、次のようにして取得できる。即ち、直交座標系の各座標位置Ｐごとに、加工目標位置を割り付けて生成した座標データに補正することなく、当該座標データに基づきガルバノスキャナ２０を駆動させてレーザ加工誤差を実測する。そして、このレーザ加工誤差を相殺するのに必要な座標データ（座標位置）の変更量が補正データである。

ところで、従来のレーザ加工装置と同様、直交座標系上において等間隔で並んだ全ての座標位置Ｐ（図３の２の本のグリッドの交点全て）に対して、補正データを１つずつ対応付けてなる補正テーブル（補正値マトリックス）を利用すれば、直交座標系のどの座標位置Ｐに加工目標位置が割り付けられたとしても、同様の補正精度が期待できる。しかし、その反面、補正データの量が多くなり、メモリ容量負担が増大するというデメリットがある。

ところが、上記レーザ加工誤差の実測値を分析してみると、基準位置Ｏからの距離が遠い座標位置Ｐほど、レーザ加工誤差が大きい傾向にあることが分かる。換言すれば、ガルバノスキャナ２０からのレーザ光１１が収束レンズ２０Ｚに入射する位置が、当該収束レンズ２０Ｚの周縁に近いほどレーザ加工誤差が大きい傾向にある。即ち、直交座標系の各領域によってレーザ加工誤差の度合いにばらつきがあり、直交座標系の全領域において同じ補正精度が必ずしも求められるわけではない。

そこで、本実施形態では、補正テーブルは、直交座標系上の一部の座標位置Ｐだけに対して補正データを１つずつ対応付けている。以下、補正データが対応付けられた座標位置Ｐを特に「指定座標位置Ｑ」（図３で「×」印で図示）という。具体的には、直交座標系において基準位置Ｏからの距離が遠くなるに連れて、指定座標位置Ｑ，Ｑ同士の間隔が徐々に狭くなっている構成である。より具体的には、Ｘ軸（Ｙ軸）上において基準位置Ｏから４つ目、７つ目、９つ目、１０つ目の座標位置Ｐが指定座標位置Ｑとされている。また、Ｘ軸上の指定座標位置Ｑを通過するＹ軸に平行な直線（補正グリッド）と、Ｙ軸上の指定座標位置Ｑを通過するＸ軸に平行な直線（補正グリッド）との交点も、指定座標位置Ｑとされている。その結果、図３の加工パターンＢ１上のうち座標位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ４、Ｐ７、基準位置Ｏ、座標位置Ｐ１４、Ｐ１７、Ｐ１９、Ｐ２０が指定座標位置Ｑであり、これらの座標位置については、それぞれに対応付けられた補正データに基づき座標データが補正される。

なお、ＣＰＵ３４は、指定座標位置Ｑ以外の座標位置Ｐ（図３の加工パターンＢ１上の座標位置Ｐ３、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ８〜Ｐ１０、Ｐ１１〜Ｐ１３、Ｐ１５、Ｐ１６、Ｐ１８）に加工目標位置を割り付けた場合には、当該座標位置Ｐの近傍に位置する指定座標位置Ｑの補正データを利用して重心位置演算処理（例えばバイリニア、トライリニア補間等の補間演算処理）により座標データを補正する。例えば座標位置Ｐ１１〜Ｐ１３の座標データについては、その近傍の指定座標位置Ｑ（基準位置Ｏ、座標位置Ｐ１４）及びこれらの対応付けられた補正データに基づき補正する。

（本実施形態の効果）
上述したように、基準位置Ｏ付近の座標位置Ｐに加工目標位置が割り付けられた場合には、レーザ加工誤差は小さいから、指定座標位置Ｑ、Ｑ同士の間隔を広げて大雑把に補正しても加工品質に対する影響は比較的に小さい。これに対して、基準位置Ｏから離れた座標位置Ｐに加工目標位置が割り付けられた場合には、レーザ加工誤差が大きいから、指定座標位置Ｑ、Ｑ同士の間隔を狭くして詳細な補正を行う必要がある。

そこで、本実施形態では、直交座標系において基準位置Ｏからの距離が遠くなるに連れて、指定座標位置Ｑ，Ｑ同士の間隔が徐々に狭くなっているように補正テーブルが作成されている。従って、基準位置Ｏ付近の座標位置（図３の加工パターンＢ１上のＰ７〜Ｐ１２参照）に加工目標位置が割り付けられた場合には、大雑把な補正を行う一方で、基準位置Ｏから離れた座標位置（図３の加工パターンＢ１上のＰ１〜Ｐ６、Ｐ１３〜Ｐ２０参照）に加工目標位置が割り付けられた場合には、詳細な補正を行うことができる。従って、本実施形態のレーザ加工装置Ｍは、直交座標系の全ての座標位置を指定座標位置として指定する構成に比べて、補正精度の低下を抑制しつつ補正データのデータ量を軽減できる。

また、直交座標系の全領域において一律に、指定座標位置同士の間隔を例えば２交点分（図３の３マス分）開けるとすると、本実施形態に比べて補正データのデータ量を削減できるが、基準位置Ｏから離れた座標位置に対する補正精度が低下してしまう。また、補正データが少ない分だけ、それを補うための補間演算処理の負担が大きく処理速度が低下する。これに対して、本実施形態のレーザ加工装置Ｍは、高い補正精度を維持しつつ、補間演算処理負担を軽減し処理速度の低下を抑制することができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では、補正テーブルは、直交座標系において基準位置Ｏからの距離が遠くなるに連れて指定座標位置Ｑ，Ｑ同士の間隔が徐々に狭くなる構成であり、これにより、実際のレーザ加工誤差の傾向に即して、精度よく補正を行うことができる。しかし、これに限らず、例えば基準位置Ｏから遠い領域のみ、他の領域よりも指定座標位置の間隔を狭くする構成などであってもよい。

（２）上記実施形態では、補正データに基づき、座標データ（座標位置）自体を補正するソフト的処理によりガルバノミラー２０Ｖ，２０Ｗの回動位置を補正する構成であったが、これに限らず、補正データに基づき、上記ガルバノ駆動手段２０Ｘ、２０Ｙを構成する各駆動回路に与えるアナログ信号に信号レベルを加減算するハード的処理によりガルバノミラー２０Ｖ，２０Ｗの回動位置を補正する構成であってもよい。

（３）上記実施形態では、図３に示すように基準位置Ｏで交差する２直線（Ｘ軸、Ｙ軸）それぞれの上に位置し、且つ、基準位置Ｏからの距離が同じである２つの領域（以下、「等距離領域」という）間では、指定座標位置Ｑ、Ｑ同士の間隔が同じであった。しかし、収束レンズ２０Ｚの特性によっては、上記等距離領域間でも、レーザスポットの位置と加工目標位置との誤差が異なることがある。この場合には、本発明のように、例えば図６に示すように２つの等距離領域間で、指定座標位置同士Ｑ、Ｑの間隔が互いに異なる構成とするのが好ましい。図５の例では、Ｙ軸上では、基準位置Ｏから４つ目、７つ目、９つ目、１０つ目の座標位置Ｐが指定座標位置Ｑとして指定されているのに対し、Ｘ軸上では、基準位置Ｏから３つ目、６つ目、８つ目、９つ目、１０つ目の座標位置Ｐが指定座標位置Ｑとして指定されている。

（４）レーザスポットＳの位置と加工目標位置との誤差は、基準位置Ｏからの距離が遠い領域になるに連れて指数関数的に大きくなることがある。そこで、図６に示すように、指定座標位置Ｑ、Ｑ同士の間隔を、基準位置Ｏからの距離が遠い領域になるに連れて指数関数（Ｙ＝−Ｎ^Ｘ Ｎ：自然数）的に狭くした構成が好ましい。図６の例では、Ｘ軸（Ｙ軸）上において基準位置Ｏから８つ目、１２つ目、１４つ目、１５つ目の座標位置Ｐが指定座標位置Ｑとされている。即ち、指定座標位置Ｑ、Ｑ同士の各間隔は、２の自乗数（８マス、４マス、２マス、１マス）になっている。また、このように２の自乗数であれば、ＣＰＵ３４での演算処理の高速化、簡易化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成図 レーザ加工装置のブロック図 直交座標系を示した模式図 目標加工パターンと補正処理なしで形成した加工パターンとを示した模式図 変形例の指定座標位置を示す模式図（その１） 変形例の指定座標位置を示す模式図（その２）

符号の説明

Ｍ…レーザ加工装置
１０…レーザ光源
１１…レーザ光
２０…ガルバノスキャナ
２０Ｖ，２０Ｗ…ガルバノミラー
２０Ｚ…収束レンズ
３２…メモリ
３４…ＣＰＵ（割付部、制御部、補正部の一例）
Ｅ…加工領域
Ｏ…基準位置
Ｐ…座標位置
Ｑ…指定座標位置
Ｓ…レーザスポット

Claims (5)

1. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源からのレーザ光を反射させるガルバノミラーを回動可能に有するガルバノスキャナと、
   前記ガルバノミラーで反射したレーザ光を収束させて加工領域上にレーザスポットを形成する収束レンズと、
   前記加工領域上の加工目標位置を、座標系の座標位置に割り付ける割付部と、
   前記割付部で前記加工目標位置が割り付けられた座標位置に基づき前記ガルバノミラーを回動させて前記レーザスポットを前記加工領域上で移動させる制御部と、
   前記座標系から指定された複数の指定座標位置それぞれに対応付けられた複数の補正データが記憶されるメモリと、
   前記指定座標位置が前記加工目標位置として割り付けられた場合に、当該指定座標位置に対応付けられた補正データに基づき前記ガルバノミラーの回動位置を補正して、前記レーザスポットの位置と前記加工目標位置との誤差を抑制する補正部と、を備え、
   前記座標系内において前記収束レンズのレンズ中心に対応する基準位置に近い領域よりも遠い領域の方が、前記指定座標位置同士の間隔が狭い構成であるレーザ加工装置。
2. 請求項１記載のレーザ加工装置であって、
   前記座標系において前記基準位置からの距離が遠い領域になるに連れて、前記指定座標位置同士の間隔が徐々に狭くなっている構成である。
3. 請求項２記載のレーザ加工装置であって、
   前記指定座標位置同士の間隔は、前記基準位置からの距離が遠い領域になるに連れて指数関数的に狭くなる構成である。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
   前記基準位置で交差する２直線それぞれの上に位置し、且つ、前記基準位置からの距離が同じ２つの領域間で、前記指定座標位置同士の間隔が互いに異なる。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
   前記補正部は、前記指定座標位置以外の座標位置が前記加工目標位置として割り付けられた場合に、前記指定座標位置及び当該指定座標位置に対応付けられた補正データに基づき前記ガルバノミラーの回動位置を補正する構成である。

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