JP5247198B2 - スキャニング式レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、一台のレーザ発振器に複数台のガルバノメータ・スキャナを光学的に並列接続して、同一のパターンを異なる被加工物または被加工領域に同時に形成するスキャニング方式のレーザ加工装置に関する。

スキャニング式のレーザ加工は、レーザ光をスキャニング（走査）して被加工物表面上でレーザ光のビームスポットを二次元的に移動させ、ビームスポットが当たった被加工物表面の微小部分をレーザエネルギーで瞬間的に蒸発または変色させることによって、被加工物上に文字、図形、記号等の所望のパターンを形成し、マーキングまたは他の表面加工を施す技術である。

一般に、スキャニング式レーザ加工装置は、レーザ光を発振出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器より出力されたレーザ光をスキャニングしながら被加工物に向けて集光照射するガルバノメータ・スキャナと、レーザ発振器およびガルバノメータ・スキャナの各動作（レーザ発振動作、スキャニング動作）を制御する制御部とを備えている。

ガルバノメータ・スキャナは、スキャニングヘッド等とも称され、レーザ光を２次元的にスキャニングするためのＸ軸回転ミラーおよびＹ軸回転ミラーを有し、制御部より所望のスキャニング位置に応じた座標位置指令信号またはミラー振れ角指令信号を受けて各回転ミラーを、たとえばサーボモータを用いて回転（首振り）駆動するように構成されている。

従来より、多点同時加工を行えるスキャニング式レーザ加工装置が知られている（たとえば特許文献１の図６参照）。多点同時加工型のスキャニング式レーザ加工装置は、一台のレーザ発振器にレーザ分岐部および伝送用の光ファイバ等を介して複数台のガルバノメータ・スキャナを接続し、該レーザ発振器より発振出力された１本のレーザ光を複数本の分岐レーザ光に分割して、それら複数本の分岐レーザ光をそれぞれ対応するガルバノメータ・スキャナによりスキャニングしながら異なる加工位置に照射して、文字、記号または図形等からなる所望のパターンを異なる被加工物または被加工領域に同時に形成するようにしている。

従来のスキャニング式レーザ加工装置は、レーザ発振動作およびスキャニング動作を制御するための制御系をＣＰＵ（中央処理装置）と周辺回路（主に駆動回路）とで構成し、制御に必要な演算はすべてＣＰＵで実行しており、上記のような多点同時加工型のものにおいてもその点に変わりはなかった。
特開２００７−１９０５６０

しかしながら、多点同時加工型の場合、複数台のガルバノメータ・スキャナを同時に並列動作させるため、スキャニング動作に必要な演算が膨大であり、従来のこの種のスキャニング式レーザ加工装置ではＣＰＵ（ソフトウェア）がそれに対応しきれていなかった。

すなわち、ガルバノメータ・スキャナには、Ｘ軸回転ミラーおよびＹ軸回転ミラーだけでなくスキャナ取付部、ｆθレンズ等に様々な光学的歪または誤差があり、これらの歪や誤差を補正しないままユーザの設定入力したパターンの座標位置に基づいてスキャニングを行うと、被加工物上にマーキングパターンが歪んで形成され、たとえば本来ならば矩形であるはずのパターンが樽形のパターンとなってマーキングされてしまう。そこで、そのようなガルバノメータ・スキャナ内の光学的歪を補償するための種種の補正パラメータをあらかじめ用意しておいて、ユーザの設定したパターン情報を記憶しておくメモリからスキャニング動作中に逐次読み出される各スキャニング位置または座標位置を補正パラメータで補正する演算が必要となる。この補正演算は、主に乗算と加減算であるが、演算式や演算回数が非常に多く、ＣＰＵが多数のマシンサイクルを繰り返しながら演算命令を多数回実行するとなると、一台のガルバノメータ・スキャナ分だけでも相当の演算時間を要する。

多点同時加工型の場合、この問題がより深刻になる。すなわち、複数台のガルバノメータ・スキャナを使用する場合、光学的歪にスキャナ間のばらつきや機差もあり、加工精度を上げるには、各々のガルバノメータ・スキャナ毎に独立した補正演算が必要となる。

従来のこの種のレーザ加工装置は、上記のようにＣＰＵ（ソフトウェア）の演算処理速度に限界があることから、この点の機能が十分ではなく、一点加工型の装置に比して加工速度に著しい低下を来たしたり、多量の演算を必要とする高精度な補正演算を行えなくて（結果的に、ガルバノメータ・スキャナの光学的歪を十全に補償しきれなくて）加工品質の再現性が良くないなどの課題があった。

本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するものであり、多点同時加工の高速性および再現性を向上させるスキャニング式レーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のスキャニング式レーザ加工装置は、一台のレーザ発振器にＮ台（Ｎは２以上の整数）のガルバノメータ・スキャナを光学的に接続し、前記レーザ発振器より発振出力されたレーザ光をＮ個の分岐レーザ光に分割して、それらの分岐レーザ光をそれぞれ対応する前記ガルバノメータ・スキャナにより走査しながら所望の走査位置に照射して、所望のパターンを複数の被加工物または被加工領域に同時に形成するスキャニング式レーザ加工装置であって、前記レーザ発振器のレーザ発振動作および前記Ｎ台のガルバノメータ・スキャナのそれぞれの走査の動作を統括的に制御する単一の主制御部と、前記主制御部の統括制御の下で前記Ｎ台のガルバノメータ・スキャナの走査の動作をそれぞれ局所的に制御するＮ個のスキャナ制御部とを備える。そして、各々の前記スキャナ制御部が、当該ガルバノメータ・スキャナに対して前記走査位置を指示するために前記主制御部より与えられた位置データを記憶する先入れ先出しメモリと、当該ガルバノメータ・スキャナの光学的歪を補正するために前記主制御部より与えられた補正パラメータのデータを記憶するレジスタと、前記先入れ先出しメモリおよび前記レジスタよりそれぞれ読み出される前記位置データおよび前記補正パラメータデータに基づいて、前記走査位置に対応する当該ガルバノメータ・スキャナに固有の補正走査位置を演算によって求める演算部と、前記演算部で求められた前記補正走査位置のデータに基づいて、前記ガルバノメータ・スキャナの回転ミラーを前記補正走査位置に対応する振れ角に回転駆動するガルバノ駆動部とを有し、所与のレーザ加工の実行前または初期化の際に、前記主制御部より各々の前記スキャナ制御部の前記レジスタに前記補正パラメータのデータが書き込まれ、前記レーザ加工の実行中に、各々の前記スキャナ制御部からの割り込み信号に応答して前記主制御部より当該スキャナ制御部の前記先入れ先出しメモリにブロック単位で前記位置データが書き込まれ、当該スキャナ制御部において、前記先入れ先出しメモリより逐次読み出される前記位置データと前記レジスタに格納されている前記補正パラメータのデータとに基づいて前記演算部が各スキャニング位置に対応する当該ガルバノ・スキャナに固有の補正走査位置を演算し、前記ガルバノ駆動部が前記ガルバノメータ・スキャナの回転ミラーを前記補正走査位置に対応する振れ角に回転駆動する。

上記の装置構成においては、複数台のガルバノメータ・スキャナにそれぞれスキャナ制御部が充てられ、主制御部の統括制御の下で各スキャナ制御部が当該ガルバノメータ・スキャナを局所的または直接制御する。各スキャナ制御部は、当該ガルバノメータ・スキャナに対して主制御部より与えられた走査位置のデータを記憶または格納するために特化した先入れ先出しメモリと、当該ガルバノメータ・スキャナの光学的歪を補正するために主制御部より与えられた補正パラメータのデータを記憶するために特化したレジスタと、走査位置に対応する当該ガルバノメータ・スキャナに固有の補正走査位置を演算するのに特化した演算部とを備える。
所与のレーザ加工が実行される場合は、そのレーザ加工の実行前または初期化の際に、主制御部より各々のスキャナ制御部のレジスタに補正パラメータのデータが書き込まれる。そして、レーザ加工の実行中に、各々のスキャナ制御部からの割り込み信号に応答して主制御部より当該スキャナ制御部の先入れ先出しメモリにブロック単位で位置データが書き込まれる。当該スキャナ制御部においては、先入れ先出しメモリより逐次読み出される位置データとレジスタに格納されている補正パラメータのデータとに基づいて演算部が各スキャニング位置に対応する当該ガルバノ・スキャナに固有の補正走査位置を演算し、ガルバノ駆動部がガルバノメータ・スキャナの回転ミラーを補正走査位置に対応する振れ角に回転駆動する。
このように、レーザ加工の実行中に、各ガルバノ・スキャナに固有の補正走査位置のデータを取得するために、多くの時間を要するＣＰＵ処理（ＣＰＵの演算処理あるいはアドレス指定を伴うＣＰＵのメモリ読み出し処理）を必要としない。本発明によれば、複数のガルバノメータ・スキャナの光学的歪を適格に補償しながら短時間で各ガルバノメータ・スキャナの回転ミラーを補正走査位置に対応する振れ角に回転駆動することができる。装置全体としては、複数のスキャナ制御部が同時的または並列的に演算処理を実行し、複数台のガルバノメータ・スキャナの走査の動作をそれぞれ制御するので、同一パターンを複数の被加工物または被加工領域で同時に形成する多点同時加工の効率性、高速性および生産性が向上する。

本発明の好適な一態様においては、演算部にディジタル信号処理回路を好適に使用することができる。

好適な一態様においては、第１のデータ記憶部、第２のデータ記憶部および演算回路が１チップのフィールドプログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ：Field Programable Gate Arrey）内に構築される。さらに好適には、各々のスキャナ制御部が、演算部で求められた補正位置のデータを所定のタイミングでガルバノ駆動部に与えるための出力制御部を更に有し、第１のデータ記憶部、第２のデータ記憶部、演算部および出力制御部が１チップのフィールドプログラマブル・ゲートアレイ内に構築される。このようにフィールドプログラマブル・ゲートアレイを利用することで、回路設計の合理化と低コスト化もはかれる。

また、好適な一態様においては、ガルバノ駆動部が、演算部より補正位置データとして出力されるディジタルの補正位置信号をアナログの補正位置信号に変換するディジタル−アナログ変換器と、アナログの補正位置信号に基づいてガルバノメータ・スキャナの回転ミラーを回転駆動するためのミラー駆動電流を生成するガルバノ駆動回路とを有する。

好適な一態様において、ガルバノメータ・スキャナがｆθレンズを有する場合は、当該ガルバノメータ・スキャナの原点（つまり、スキャナ設置時（ミラー振れ角０度）のときの座標点）に対するｆθレンズの原点（つまり当該レンズの中心）のオフセット（つまり位置的誤差）を補正するための補正パラメータが設定され、あるいはｆθレンズやスキャナの回転ミラー等といった光学部品の影響による樽型歪を補正するための補正パラメータが設定される。また、該ガルバノメータ・スキャナの取り付け誤差を補正するための補正パラメータや、当該ガルバノメータ・スキャナの駆動上のゲインを補正するための補正パラメータが設定される。

また、好適な一態様においては、各々のガルバノメータ・スキャナにおける回転ミラーが、レーザ光を相直交する方向でそれぞれ走査するためのＸ軸回転ミラーおよびＹ軸回転ミラーを含む。この場合、主制御部よりガルバノメータ・スキャナに対しては、所望の走査位置としてＸ軸座標位置およびＹ軸座標位置のデータが与えられる。

また、レーザ発振器はＱスイッチ型が好ましく、光学的に対向して配置される一対のミラーからなる光共振器と、この光共振器内の光路上に配置される活性媒質と、この活性媒質を連続的に励起する活性媒質励起部と、光共振器内で活性媒質と同一の光路上に配置されたＱスイッチと、主制御部の制御の下でＱスイッチを駆動するＱスイッチ駆動部とを有する。この場合、好ましくは、レーザ発振器が光ファイバを有し、この光ファイバのコアを活性媒質としてよい。活性媒質励起部は、好ましくは、励起光を連続発振で出力するレーザダイオードと、このレーザダイオードを光ファイバに光学的に結合する光学レンズとを有する。

本発明のスキャニング式レーザ加工装置によれば、上記のような構成および作用により、多点同時加工の高速性および再現性を向上させることができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態におけるスキャニング式レーザ加工装置の構成を示す。このレーザ加工装置は、同時多分岐たとえば同時３分岐のファイバ伝送方式を用いて、３箇所の加工テーブル１０(1)，１０(2)，１０(3)上で同時に３個の被加工物Ｗ(1)，Ｗ(2)，Ｗ(3)に同一または同種のスキャニング式レーザ加工たとえばレーザマーキングを施す多点同時加工型のシステム形態を採っている。

このレーザ加工装置は、レーザ光学系として、Ｑスイッチパルスのレーザ光ＬＢを発振出力する１台のＱスイッチ型ファイバレーザ発振器１２と、各加工テーブル１０(1)，１０(2)，１０(3)の上方に配置される３台のスキャニングヘッドまたはガルバノメータ・スキャナ１４(1)，１４(2)，１４(3)と、ファイバレーザ発振器１２より発振出力された１本の原レーザ光ＬＢを３本の分岐レーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)，ＬＢ(3)に分割するレーザ分岐部１６と、このレーザ分岐部１６からそれらの分岐レーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)，ＬＢ(3)をガルバノメータ・スキャナ１４(1)，１４(2)，１４(3)までそれぞれ伝送する３本の光ファイバ１８(1)，１８(2)，１８(3)とを備えている。

また、このレーザ加工装置は、制御系として、システム内の各部の動作を統括制御する単一の主制御部２０と、この主制御部２０の統括制御の下でガルバノメータ・スキャナ１４(1)，１４(2)，１４(3)のスキャニング動作をそれぞれ局所的または直接的に制御する３個のスキャナ制御部２２(1)，２２(2)，２２(3)とを有する。さらに、主制御部２０の制御の下でファイバレーザ発振器１２に励起用の電力を供給するレーザ電源２４を有している。

ファイバレーザ発振器１２は、発振用の光ファイバ（以下「発振ファイバ」と称する。）２６と、この発振ファイバ２６の一端面にポンピング用の励起光ＥＢを照射する電気光学励起部２８と、発振ファイバ２６を介して光学的に相対向する一対の光共振器ミラー３０，３２とを有している。

電気光学励起部２８は、レーザダイオード（ＬＤ）３４および集光用の光学レンズ３６を有している。ＬＤ３４は、レーザ電源２４からの励起電流によって発光駆動され、励起用のレーザ光またはＬＤ光ＥＢを連続発振で出力する。光学レンズ３６は、ＬＤ３４からの励起用ＬＤ光ＥＢを発振ファイバ２６の一端面に集光入射させる。ＬＤ３４と光学レンズ３６との間に配置される光共振器ミラー３０は、ＬＤ３４側から入射した励起用ＬＤ光ＥＢを透過させ、発振ファイバ２６側から入射した発振光線を光共振器の光軸上で全反射するように構成されている。

発振ファイバ２６は、図示省略するが、発光元素としてたとえば希土類元素のイオンをドープしたコアと、このコアを同軸に取り囲むクラッドとを有しており、コアを活性媒体とし、クラッドを励起光の伝播光路としている。上記のようにして発振ファイバ２６の一端面に入射した励起用ＬＤ光ＥＢは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ２６の中を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることでコア中の希土類元素イオンを光励起する。こうして、コアの両端面から軸方向に所定波長の発振光線が放出され、この発振光線が光共振器ミラー３０，３２の間を何度も行き来して共振増幅される。

光共振器ミラー３０，３２の間の光路上には、たとえば音響光学スイッチからなるＱスイッチ４０が配置されている。Ｑスイッチドライバ４２は、主制御部２０の制御の下で所定の周期で一時中断する高周波電気信号によりＱスイッチ４０を駆動する。このＱスイッチングにより、高周波電気信号が中断する度毎にピークパワーの極めて高いＱスイッチパルスまたはジャイアントパルスのレーザ光ＬＢがファイバレーザ発振器１２より発振出力される。

ファイバレーザ発振器１２内において、光学レンズ３６，３８は、発振ファイバ２６の端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートして光共振器ミラー３０，３２へ通し、光共振器ミラー３０，３２で反射して戻ってきた発振光線を発振ファイバ２６の端面に集光させる。

図示の構成例におけるレーザ分岐部１６は、同時３分岐型であり、ファイバレーザ発振器１２の光軸の延長上に所定の間隔を置いて３つの分岐用ミラー４４(1)，４４(2)，４４(3)をそれぞれ所定角度（たとえば４５度）斜めに傾けて一列に配置している。このうち、初段と次段の２つの分岐用ミラー４４(1)，４４(2)は部分反射透過ミラーまたはビームスプリッタからなり、最後段のミラー４４(3)は全反射ミラーからなる。同時３分岐のパワー分割比をたとえば１：１：１に選ぶ場合は、初段ビームスプリッタ４４(1)の分岐比が約３３／６７に選ばれ、次段ビームスプリッタ４４(2)の分岐比が約５０／５０に選ばれる。

このレーザ分岐部１６において、ファイバレーザ発振器１２から空中をまっすぐ伝搬してきたファイバレーザ光ＬＢは、最初に初段ビームスプリッタ４４(1)に入射し、そこで一部が所定方向へ反射し、残りがまっすぐ透過する。ビームスプリッタ４４(1)で得られる反射光つまり第１の分岐レーザ光ＬＡ(1)は、第１の入射ユニット４６(1)を介して第１の伝送用光ファイバ（以下「伝送ファイバ」と称する。）１８(1)の一端面に入射する。

初段ビームスプリッタ４４(1)を透過したレーザ光ＬＢ'は次段ビームスプリッタ４４(2)に入射し、そこで一部が所定方向へ反射し、残りがまっすぐ透過する。ビームスプリッタ４４(2)で得られる反射光つまり第２の分岐レーザ光ＬＢ(2)は、第２の入射ユニット４６(2)を介して第２の伝送ファイバ１８(2)の一端面に入射する。

次段ビームスプリッタ４４(2)を透過したレーザ光ＬＢ"は、終端の全反射ミラーで所定方向へ全反射し、第３の分岐レーザ光ＬＢ(3)として第３の入射ユニット４６(3)を介して第３の伝送ファイバ１８(3)の一端面に入射する。

各入射ユニット４６(1)，４６(2)，４６(3)内には、各分岐レーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)，ＬＢ(3)を各伝送ファイバ１８(1)，１８(2)，１８(3)の一端面に集光させる集光レンズ４８(1)，４８(2)，４８(3)が設けられている。なお、各伝送ファイバ１８(1)，１８(2)，１８(3)には、たとえばＳＩ（ステップインデックス）形ファイバが用いられる。

第１、第２および第３の伝送ファイバ１８(1)，１８(2)，１８(3)の他端または終端は、第１、第２および第３のガルバノメータ・スキャナ１４(1)，１４(2)，１４(3)にそれぞれ接続されている。

各々のガルバノメータ・スキャナ１４(n)（ただしn＝１，２，３、以下他の構成要素でも同様の表記を用いる。）は、図示省略するが、ユニット筐体内にコリメートレンズ、Ｘ軸回転ミラー、Ｙ軸回転ミラーおよびｆθレンズを光学的にこの順序で所定位置に配置している。コリメートレンズは、各対応する伝送ファイバ１８(n)の終端面より放射状に射出されたレーザ光ＬＢ(n)を平行光にコリメートする。Ｘ軸回転ミラーは、スキャニング位置に応じた振れ角に回転駆動され、コリメートレンズからの平行光のレーザ光ＬＢ(n)をＸ軸方向で被加工物Ｗ(n)上の目標位置に向けて反射する。Ｙ軸回転ミラーも、スキャニング位置に応じた振れ角に回転駆動され、Ｘ軸回転ミラーからのレーザ光ＬＢ(n)をＹ軸方向で被加工物Ｗ(n)上の目標位置に向けて反射する。Ｘ軸回転ミラーおよびＹ軸回転ミラーの回転（首振り）動作は、後に詳述するように、主制御部２０の統括制御の下で直接的には当該ガルバノ制御部２２(n)によって制御される。ｆθレンズは、任意のスキャニング位置に対してスキャニング速度を一定にする作用（ｆθ特性）を有し、Ｙ軸回転ミラーからのレーザ光ＬＢ(n)を被加工物Ｗ(n)上の目標位置に集光する。

図示の例では、加工テーブル１０(1)，１０(2)，１０(3)上の被加工物Ｗ(1)，Ｗ(2)，Ｗ(3)に第１、第２および第３のガルバノメータ・スキャナ１４(1)，１４(2)，１４(3)より第１、第２および第３の分岐レーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)，ＬＢ(3)が同時に集光照射され、被加工物Ｗ(1)，Ｗ(2)，Ｗ(3)上に同一のマーキングパターンが同時に形成される。

図２に、この実施形態における制御系の構成、特に各ガルバノ制御部２２(n)の回路構成を示す。ガルバノ制御部２２(1)，２２(2)，２２(3)は、ハードウェア的には同一の構成を有している。したがって、図２では、図解の簡略化のために、第１および第２のガルバノ制御部２２(1)，２２(2)のみを示しており、第３のガルバノ制御部２２(3)を省略している。

図２に示すように、主制御部２０にガルバノ制御部２２(1)，２２(2)，・・が並列に接続される。各ガルバノ制御部２２(n)は、１個（１チップ）のフィールドプログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）５０(n)と、Ｘ軸およびＹ軸用の一対のディジタル−アナログ変換回路（ＤＡＣ）６０(n)，６２(n)と、Ｘ軸およびＹ軸用の一対のガルバノ駆動回路６４(n)，６６(n)とを有している。ＦＰＧＡ５０(n)の中には、ハードウェア上にプログラミング（配線設計）された機能ブロックとして、ＦＩＦＯ５２(n)、補正レジスタ５４(n)、演算回路５６(n)および出力制御回路５８(n)を搭載または構築している。

主制御部２０はＣＰＵ（中央処理装置）を含み、ＣＰＵの転送命令や入出力命令等を実行してＦＰＧＡ５０(n)内の各機能ブロックにデータまたは制御信号を直接与えるようになっている。図３に、この実施形態におけるメモリマップおよびＩ／Ｏマップ（メモリマップドＩ／Ｏ方式）の一例を示す。

より詳細には、ＦＩＦＯ５２(n)には、レーザマーキングの実行中に、主制御部２０のＣＰＵより全てのガルバノメータ・スキャナ１４(1)，１４(1)，１４(3)に共通な所望のスキャニング位置座標としてＸ軸座標およびＹ座標のデータ（Ｘ_in，Ｙ_in）が先入れ先出し方式で書き込まれる。

補正レジスタ５４(n)には、レーザマーキングの実行前あるいは初期化の際に、主制御部２０のＣＰＵより当該ガルバノメータ・スキャナ１４(n)に固有の光学的歪を補償するための各種補正パラメータのデータが書き込まれる。この実施形態では、下記のような補正パラメータ（Ａ）〜（Ｄ）が設定される。

（Ａ）ＸＹ軸オフセット補正パラメータ（Ｘ_ofs，Ｙ_ofs）
当該ガルバノメータ・スキャナ１４(n)におけるｆθレンズの原点とガルバノメータ・スキャナの原点とのオフセット（ずれ）を補正するためのもので、Ｘ_ofsはＸ軸座標用の定数パラメータ、Ｙ_ofsはＹ軸座標用の定数パラメータである。

（Ｂ）ＸＹ軸交差角度補正パラメータ（Ang）
当該ガルバノメータ・スキャナ１４(n)の取り付け誤差を補正するための係数パラメータである。

（Ｃ）ＸＹ軸ゲイン調整パラメータ（Ｘ_gain，Ｙ_gain）
当該ガルバノメータ・スキャナ１４(n)の各軸ゲインを調整するためのもので、Ｘ_gainはＸ軸用の係数パラメータ、Ｙ_gainはＹ軸用の係数パラメータである。

（Ｄ）ｆθレンズ歪補正パラメータ（Ｘ_dis，Ｙ_dis）
当該ガルバノメータ・スキャナ１４(n)におけるｆθレンズの樽型歪を補正するためのもので、Ｘ_disはＸ軸歪補正係数パラメータ、Ｙ_disはＹ軸歪補正係数パラメータである。

なお、一部または全部のガルバノメータ・スキャナ１４(1)，１４(2)，１４(3)の間で上記補正パラメータ（Ａ）〜（Ｄ）のいずれかの値を同一にする（共通化する）ことも可能である。

演算回路５６(n)は、レーザマーキングの実行中に主制御部２０のＣＰＵからの指示を受けて所要の演算処理を実行する。すなわち、ＦＩＦＯ５２(n)より逐次読み出される座標位置データ（Ｘ_in，Ｙ_in）と補正レジスタ５４(i)に格納されている上記補正パラメータデータとに基づいて、各スキャニング位置に対応する当該ガルバノメータ・スキャナに固有の補正座標位置（Ｘ_out，Ｙ_out）を演算によって求める。この実施形態においては、一例として下記の演算式を演算する。

Ｘ₁＝Ｘ_in＋Ｘ_ofs ・・（１） Ｙ₁＝Ｙ_in＋Ｙ_ofs ・・（２）
Ｘ₂＝Ｘ₁＋Ang×Ｙ₁ ・・（３） Ｙ₂＝Ｙ₁ ・・（４）
Ｘ₃＝Ｘ₂×Ｘ_gain ・・（５） Ｙ₃＝Ｙ₂×Ｙ_gain ・・（６）
Ｘ_out＝Ｘ₃＋Ｘ_dis×Ｙ₃×Ｙ₃×Ｘ₃×２^-48 ・・（７）
Ｙ_out＝Ｙ₃＋Ｙ_dis×Ｘ₃×Ｘ₃×Ｙ₃×２^-48 ・・（８）

図４に、上記の演算式を演算するための演算回路５６(n)の回路構成を示す。図４において、加算器１００は、上記の式（１）を演算する。加算器１０２は、上記の式（２）を演算する。乗算器１０４および加算器１０６は、上記の式（３）を演算する。乗算器１０８は、上記の式（５）を演算する。乗算器１１０は、上記の式（６）を演算する。乗算器１１２〜１１８および加算器１２０は、上記の式（７）を演算する。乗算器１２２〜１２８および加算器１３０は、上記の式（８）を演算する

演算回路５６(n)における上記加算器および乗算器（１００〜１３０）は、全部ハードウェアの加算回路および乗算回路で構成することも可能であるが、ディジタル信号処理回路（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）によって実現することも可能である。上記のように、演算回路５６(n)によって実行される演算の種類は加算と乗算だけである反面、演算回数は膨大である。したがって、この種の演算には専用のハードウェア回路あるいはＤＳＰによる演算処理が高速化に向いており、ＣＰＵに比して格段に高速のスキャニング位置補正演算処理を実現することができる。

しかも、この実施形態では、複数台のガルバノメータ・スキャナ１４(1)，１４(2)，１４(3)にそれぞれ充てられたガルバノ制御部２２(1)，２２(2)，２２(3)内の演算回路５６(1)，５６(2)，５６(3)が同時的または並列的に演算処理を実行するので、ガルバノメータ・スキャナ１４(1)，１４(2)，１４(3)の台数に関係なく（いくら多くても）、各スキャナ毎の光学的歪を適格に補償するのに必要な補正演算を十分余裕をもって高速（短時間）に行うことが可能である。

なお、ＦＩＦＯ５２(n)に格納される座標位置データ（Ｘ_in，Ｙ_in）が一定の基準量よりも少なくなった時は、その時点でＦＩＦＯ５２(n)から主制御部２０のＣＰＵへ “空き状態”を知らせる割り込み信号が送られ、これを受けてＣＰＵからＦＩＦＯ５２(n)に後続の座標位置データ（Ｘ_in，Ｙ_in）がブロック単位で新たに書き込まれる。

上記のようにして演算回路５６(n)より演算結果として得られた補正座標位置（Ｘ_out，Ｙ_out）のデータは出力制御回路５８(n)に送られる。出力制御回路５８(n)は、補正座標位置（Ｘ_out，Ｙ_out）のデータを一時的に格納するバッファを有しており、主制御部２０のＣＰＵより与えられる制御信号にしたがってＸ軸補正座標位置Ｘ_outおよびＹ軸補正座標位置Ｙ_outのデータを一定周期のタイミングで両ＤＡＣ６０(n)，６２(n)にそれぞれ振り分けて出力する。

ＤＡＣ６０(n)は、ディジタル信号として入力したＸ軸補正座標位置Ｘ_outのデータをアナログのＸ軸補正座標位置信号に変換する。一方、ＤＡＣ６２(n)は、ディジタル信号として入力したＹ軸補正座標位置Ｙ_outのデータをアナログのＹ軸補正座標位置信号に変換する。

Ｘ軸ガルバノ駆動回路６４(n)は、ＤＡＣ６０(n)からのＸ軸補正座標位置信号を入力し、その入力した信号に対応するＸ軸ミラー駆動電流を出力する。一方、Ｙ軸ガルバノ駆動回路６６(n)は、ＤＡＣ６２(n)からのＹ軸補正座標位置信号を入力し、その入力信号に対応するＹ軸ミラー駆動電流を出力する。

ガルバノメータ・スキャナ１４(n)は、図示しない電気機械的なミラー回転駆動機構（たとえば駆動コイル、回転子等）を備えており、Ｘ軸回転ミラー６８(n)およびＹ軸回転ミラー７０(n)をそれぞれＸ軸ミラー駆動電流およびＹ軸ミラー駆動電流に応じたＸ軸方向およびＹ軸方向の振れ角に回転駆動（首振り）する。

主制御部２０は、レーザマーキングの実行中、ガルバノ制御部２２(1)，２２(2)，２２(3)に対しては、それぞれのＦＩＦＯ５２(1)，５２(2)，５２(3)からの割り込みに応じてＸ軸座標およびＹ軸座標のデータ（Ｘ_in，Ｙ_in）をブロック単位で与え、かつそれぞれの演算回路５６(1)，５６(2)，５６(3)および出力制御回路５８(1)，５８(2)，５８(3)に所要の制御信号を与えるだけで済みので、スキャニング動作以外の制御、つまりレーザ電源２４やレーザ発振器１２等に対する制御や外部装置（図示せず）との情報のやりとりに十分多くの時間を費やすことが可能であり、装置全体の性能を向上させることができる。

そして、上記のように複数のガルバノメータ・スキャナ１４(1)，１４(2)，１４(3)毎の光学的歪を適格に補償しながら高速の並列スキャニング動作を行えるので、多点同時加工の高速性および再現性を大幅に向上させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

たとえば、Ｑスイッチ型レーザ発振器内の活性媒体として、発振ファイバ２６のコアの代わりにＹＡＧロッドを用いることも可能である。また、上記した実施形態において用いた補正パラメータや補正用の上記演算式（１）〜（８）は一例であり、他の補正パラメータあるいは演算式も使用可能であり、使用する演算式に応じて演算回路５６(n)の回路構成も変形してよい。また、上記実施形態におけるＦＰＧＡ５０(n)内の回路構成も種種の変形が可能である。

本発明の一実施形態におけるスキャニング式レーザ加工装置の構成を示す図である。 実施形態におけるスキャナ制御部の回路構成を示す図である。 実施形態におけるメモリマップおよびＩ／Ｏマップを示す図である。 実施形態においてスキャナ制御部に含まれる演算回路の回路構成例を示す回路図である。

符号の説明

１２ ファイバレーザ発振器
１４(1)，１４(2)，１４(3) ガルバノメータ・スキャナ
１６ レーザ分岐部
１８(1)，１８(2)，１８(3) 伝送用の光ファイバ（伝送ファイバ）
２０ 主制御部
２２(1)，２２(2)，２２(3) スキャナ制御部
２４ レーザ電源
３０，３２ 光共振器ミラー
３４ 励起用レーザダイオード（ＬＤ）
４０ Ｑスイッチ
４２ Ｑスイッチドライバ
５０(1)，５０(2) ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブル・ゲートアレイ）
５２(1)，５２(2) ＦＩＦＯ（先入れ先出しメモリ）
５４(1)，５４(2) 補正レジスタ
５６(1)，５６(2) 演算回路
５８(1)，５８(2) 出力制御回路
６０(1)，６２(1)， ディジタル−アナログ変換回路（ＤＡＣ）
６０(2)，６２(2) ディジタル−アナログ変換回路（ＤＡＣ）
６４(1)，６６(1)， Ｘ軸ガルバノ駆動回路
６０(2)，６２(2) Ｙ軸ガルバノ駆動回路
６８(1)，７０(1) Ｘ軸回転ミラー
６８(2)，７０(2) Ｙ軸回転ミラー

Claims (12)

1. 一台のレーザ発振器にＮ台（Ｎは２以上の整数）のガルバノメータ・スキャナを光学的に接続し、前記レーザ発振器より発振出力されたレーザ光をＮ個の分岐レーザ光に分割して、それらの分岐レーザ光をそれぞれ対応する前記ガルバノメータ・スキャナにより走査しながら所望の走査位置に照射して、所望のパターンを複数の被加工物または被加工領域に同時に形成するスキャニング式レーザ加工装置であって、
   前記レーザ発振器のレーザ発振動作および前記Ｎ台のガルバノメータ・スキャナのそれぞれの走査の動作を統括的に制御する単一の主制御部と、
   前記主制御部の統括制御の下で前記Ｎ台のガルバノメータ・スキャナの走査の動作をそれぞれ局所的に制御するＮ個のスキャナ制御部と
   を備え、
   各々の前記スキャナ制御部が、
   当該ガルバノメータ・スキャナに対して前記走査位置を指示するために前記主制御部より与えられた位置データを記憶する先入れ先出しメモリと、
   当該ガルバノメータ・スキャナの光学的歪を補正するために前記主制御部より与えられた補正パラメータのデータを記憶するレジスタと、
   前記先入れ先出しメモリおよび前記レジスタよりそれぞれ読み出される前記位置データおよび前記補正パラメータデータに基づいて、前記走査位置に対応する当該ガルバノメータ・スキャナに固有の補正走査位置を演算によって求める演算部と、
   前記演算部で求められた前記補正走査位置のデータに基づいて、前記ガルバノメータ・スキャナの回転ミラーを前記補正走査位置に対応する振れ角に回転駆動するガルバノ駆動部と
   を有し、
   所与のレーザ加工の実行前または初期化の際に、前記主制御部より各々の前記スキャナ制御部の前記レジスタに前記補正パラメータのデータが書き込まれ、
   前記レーザ加工の実行中に、各々の前記スキャナ制御部からの割り込み信号に応答して前記主制御部より当該スキャナ制御部の前記先入れ先出しメモリにブロック単位で前記位置データが書き込まれ、当該スキャナ制御部において、前記先入れ先出しメモリより逐次読み出される前記位置データと前記レジスタに格納されている前記補正パラメータのデータとに基づいて前記演算部が各スキャニング位置に対応する当該ガルバノ・スキャナに固有の補正走査位置を演算し、前記ガルバノ駆動部が前記ガルバノメータ・スキャナの回転ミラーを前記補正走査位置に対応する振れ角に回転駆動する、
   スキャニング式レーザ加工装置。
2. 前記演算部がディジタル信号処理回路からなる、請求項１に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
3. 前記第１のデータ記憶部、前記第２のデータ記憶部および前記演算部が１チップのフィールドプログラマブル・ゲートアレイ内に構築される、請求項１または請求項２に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
4. 各々の前記スキャナ制御部が、前記演算部で求められた前記補正位置のデータを所定のタイミングで前記ガルバノ駆動部に与えるための出力制御部を更に有し、
   前記第１のデータ記憶部、前記第２のデータ記憶部、前記演算部および前記出力制御部が１チップのフィールドプログラマブル・ゲートアレイ内に構築される、
   請求項１または請求項２に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
5. 前記ガルバノ駆動部が、
   前記演算部より前記補正位置データとして出力されるディジタルの補正位置信号をアナログの補正位置信号に変換するディジタル−アナログ変換器と、
   前記アナログの補正位置信号に基づいて前記ガルバノメータ・スキャナの回転ミラーを回転駆動するためのミラー駆動電流を生成するガルバノ駆動回路と
   を有する、請求項２〜４のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
6. 前記ガルバノメータ・スキャナがｆθレンズを有し、
   前記補正パラメータは、当該ガルバノメータ・スキャナの原点に対する前記ｆθレンズの原点のオフセットを補正するためのパラメータを含む、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
7. 前記ガルバノメータ・スキャナがｆθレンズを有し、
   前記補正パラメータは前記ｆθレンズの樽型歪を補正するためのパラメータを含む、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
8. 前記補正パラメータは当該ガルバノメータ・スキャナの取り付け誤差を補正するためのパラメータを含む、請求項１〜７のいずれか一項記載のスキャニング式レーザ加工装置。
9. 前記補正パラメータは当該ガルバノメータ・スキャナの駆動上のゲインを補正するためのパラメータを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
10. 各々の前記ガルバノメータ・スキャナにおける前記回転ミラーが、前記レーザ光を相直交する方向でそれぞれ走査するためのＸ軸回転ミラーおよびＹ軸回転ミラーを含み、
    前記主制御部より前記ガルバノメータ・スキャナに対して、前記所望の走査位置に対応するＸ軸座標位置およびＹ軸座標位置のデータが与えられる、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
11. 前記レーザ発振器は、
    光学的に対向して配置される一対のミラーからなる光共振器と、
    前記光共振器内の光路上に配置される活性媒質と、
    前記活性媒質を連続的に励起する活性媒質励起部と、
    前記光共振器内で前記活性媒質と同一の光路上に配置されたＱスイッチと、
    前記主制御部の制御の下で前記Ｑスイッチを駆動するＱスイッチ駆動部と
    を有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
12. 前記レーザ発振器が光ファイバを有し、
    前記活性媒質は前記光ファイバのコアであり、
    前記活性媒質励起部は、励起光を連続発振で出力するレーザダイオードと、このレーザダイオードを前記光ファイバに光学的に結合する光学レンズとを有する、
    請求項１１に記載のスキャニング式レーザ加工装置。

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