JP5620790B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工装置の制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、レーザ光を加工対象物に照射して加工を行うレーザ加工装置に関するものである。

レーザ加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器を収容したレーザ出射ユニットから出射されるレーザ光がレーザヘッドで所要のレーザビームに変換された後、あらかじめ設定されているマーキング情報に基づいて、走査ユニットを介して加工対象物に照射される。そして、レーザ光の照射に基づいて、マーキング情報として設定されている文字、記号、図形等が加工対象物に加工される。

上記のようなレーザ加工装置では、マーキング情報に基づいて制御部から出力されるオン指令信号に基づいてレーザ出射ユニットからのレーザ光の出射が開始される。しかし、オン指令信号の出力から所要の出力レベルのレーザ光が加工対象物に照射されるまでに一定の遅れ時間が生じる。この遅れ時間は、レーザ光の出力レベルが低くなるほど長くなる。

従って、このようなレーザ照射応答特性により、加工対象物の加工開始位置で印字欠け等が発生し、加工品質を低下させている。
そこで、特許文献１に開示されるレーザ加工装置では、レーザ光の出力レベルに応じたずらし時間を設定し、そのずらし時間分先行してオン指令信号を出力することにより、レーザ照射応答特性を相殺して加工品質を維持するようにしている。

特開２００９‐６８３７

上記のようなレーザ加工装置では、マーキング情報に基づいて加工対象物に印字する場合、レーザ光を照射して印字を行う印字区間と、レーザ光の照射を停止しながら照射位置を走査する非印字区間とが混在する。

そして、非印字区間に続いて印字区間を印字するとき、上記レーザ照射応答特性により印字開始位置で所要の出力レベルのレーザ光が加工対象物に照射されるまでに一定の遅れ時間が生じる。この遅れ時間は、非印字区間の距離が長くなるほど長くなる。

従って、このようなレーザ照射応答特性により、加工対象物の加工開始位置で印字欠け等が発生し、加工品質を低下させるという問題点がある。
特許文献１に開示されたレーザ加工装置では、レーザ光の出力レベルに応じたずらし時間を設定しているが、非印字区間の距離に応じたずらし時間を設定する思想は開示されていない。

この発明の目的は、非印字区間に続いて印字区間を加工する際に、印字区間の加工品質を向上させ得るレーザ加工装置を提供することにある。

請求項１の発明は、オン指令信号に基づいて、加工対象物を加工可能とした光強度のレーザ光を出射するレーザ出射手段と、前記加工対象物上で前記レーザ光の照射点を走査して、前記加工対象物を印字するヘッドユニットと、マーキング情報に基づいて前記オン指令信号の出力タイミングデータを生成する制御部とを備えたレーザ加工装置において、前記制御部には、前記マーキング情報に基づいて、非印字区間の距離を算出する距離算出手段と、前記非印字区間の距離に基づいて、前記オン指令信号の出力タイミングを調整する出力タイミング調整手段とを備えたことを要旨とする。

上記構成では、非印字区間に続いて印字区間を印字するとき、オン指令信号が印字開始位置の走査タイミングに先立って出力されるとともに、オン指令信号の出力タイミングが非印字区間の距離に基づいて調整される。

また、請求項１の発明は、前記出力タイミング調整手段は、前記非印字区間の距離に基づいて前記レーザ光の出射停止時間を演算する第一の演算部と、前記出射停止時間に基づく前記レーザ出射手段の出射遅れ時間を算出する第二の演算部と、前記出射遅れ時間を相殺するように前記オン指令信号の出力タイミングを演算する第三の演算部とを備えたことを要旨とする。

上記構成では、非印字区間の距離に応じて出射停止時間が算出され、出射停止時間に基づいて出射遅れ時間が算出され、その出射遅れ時間を相殺するようにオン指令信号の出力タイミングが求められる。

請求項２の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記出力タイミング調整手段は、非印字区間の距離が一定値以下の場合に、オン指令信号の出力タイミングの調整を行わないことを要旨とする。

上記構成では、非印字区間の距離が一定値以下の場合に、非印字区間に続く印字区間の印字開始位置でオン指令信号が出力される。
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、前記第三の演算部は、前記非印字区間に続く印字開始点を基準として前記オン指令信号の出力タイミングを演算することを要旨とする。

上記構成では、非印字区間に続く印字開始点から始点補正値分逆算してオン指令信号の出力タイミングを算出する。
請求項４の発明は、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、前記第三の演算部は、前記印字区間の終点を基準として、該印字区間に続く非印字区間上で出力される前記オン指令信号の出力タイミングを演算することを要旨とする。

上記構成では、印字区間の終点を基準として演算された時間の経過後にオン指令信号が出力される。
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、前記出力タイミング調整手段は、前記非印字区間の距離と印字区間のレーザ光強度とに基づいて、前記オン指令信号の出力タイミングを調整することを要旨とする。

上記構成では、非印字区間の距離と印字区間のレーザ光強度に基づいて、オン指令信号の出力タイミングを調整する始点補正値が算出される。

請求項６の発明は、オン指令信号に基づいて、加工対象物を加工可能とした光強度のレーザ光を出射するレーザ出射手段と、前記加工対象物上で前記レーザ光の照射点を走査して、前記加工対象物を印字するヘッドユニットと、マーキング情報に基づいて前記オン指令信号の出力タイミングデータを生成する制御部とを備えたレーザ加工装置の制御方法において、前記制御部が、前記マーキング情報に基づいて、非印字区間の距離を算出する工程と、前記制御部が、前記非印字区間の距離に基づいて、前記オン指令信号の出力タイミングを調整する工程とを有し、前記オン指令信号の出力タイミングを調整する工程において前記制御部は、前記非印字区間の距離に基づいて前記レーザ光の出射停止時間を演算し、前記出射停止時間に基づく前記レーザ出射手段の出射遅れ時間を算出し、前記出射遅れ時間を相殺するように、前記オン指令信号の出力タイミングを演算することを要旨とする。

この発明では、非印字区間に続く印字区間の印字動作時に、印字開始位置の走査タイミングに先立ってオン指令信号が出力され、オン指令信号の出力タイミングが非印字区間の距離に基づいて調整される。

本発明によれば、非印字区間に続いて印字区間を加工する際に、印字区間の加工品質を向上させ得るレーザ加工装置を提供することができる。

レーザ加工装置を示す概要図である。 非印字区間の距離と立上時間の関係を示す特性図である。 非印字区間の距離と始点補正値の関係を示す特性図である。 非印字区間の距離と立上時間、始点補正値の関係を示す数値データである。 制御部の初期設定動作を示すフローチャートである。 制御部の始点補正動作を示すフローチャートである。 印字動作の一例を示す説明図である。

以下、この発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。図１に示すレーザ加工装置は、ガルバノスキャニング方式のレーザ加工装置である。
レーザ出射ユニット１の制御部２には、コンソールＣＳの操作に基づいて、マーキング情報が設定される。マーキング情報は、印字区間及び非印字区間の走査データ、印字区間のレーザ光出力レベルを設定するデータ、レーザ光の出力開始位置の座標データ、印字区間及び非印字区間の走査速度を設定するデータ等であり、設定された各データがメモリ３に格納されている。走査速度は、例えば加工対象物の材質に応じて変更する。

前記制御部２は、ドライバ４ａに動作制御信号Ｓ１を出力し、ドライバ４ｂ，４ｃにオン指令信号Ｓ２，Ｓ３を出力する。ドライバ４ａは、動作制御信号Ｓ１の入力に基づいて第一の励起用半導体レーザ６ａを起動し、その第一の励起用半導体レーザ６ａから出射されたレーザ光がレーザ予備増幅器７に出力される。

レーザ予備増幅器７は、導入部８と、第一の希土類ドープ光ファイバ９と、光アイソレータ１０とで構成される。導入部８は、第一の励起用半導体レーザ６ａが発生するレーザ光を第一の希土類ドープ光ファイバ９に誘導する。前記第一の希土類ドープ光ファイバ９は、例えば希土類元素としてイットリビウム（Ｙｂ）を含むガラスファイバである。

そして、レーザ予備増幅器７は、第一の励起用半導体レーザ６ａから出射されるレーザ光の光強度を、加工対象物Ｗに文字、図形等を加工し得る光強度に達しないレベルまで増幅して出力する。

光アイソレータ１０は、第一の希土類ドープ光ファイバ９から出射されるレーザ光を光ファイバケーブルで形成される伝送ケーブル１１に出射する。
前記ドライバ４ｂ，４ｃは、前記オン指令信号Ｓ２，Ｓ３に基づいて第二及び第三の励起用半導体レーザ６ａ，６ｂを駆動する。第二及び第三の励起用半導体レーザ６ｂ，６ｃは、発振波長が後記第二の希土類ドープ光ファイバ１２の希土類元素を励起するために適した値に設定されている。

前記光アイソレータ１０と、第二及び第三の励起用半導体レーザ６ｂ，６ｃから出射されるレーザ光は、レーザ出射ユニット１から伝送ケーブル１１を介してヘッドユニット１３内のレーザ増幅器１４に出射される。

前記ヘッドユニット１３は、前記レーザ増幅器１４と、コリメータレンズ１５と、走査制御部２２と、集光レンズ１７と、入出力回路１８とを備えている。
前記レーザ増幅器１４は、第二の希土類ドープ光ファイバ１２を備えている。この第二の希土類ドープ光ファイバ１２は、希土類元素（例えばイットリビウムＹｂ）を含むガラスファイバである。

そして、第二の希土類ドープ光ファイバ１２の一端の光結合部１９には、前記光アイソレータ１０及び第二の励起用半導体レーザ６ｂから出射されたレーザ光が入射される。また、第二の希土類ドープ光ファイバ１２の他端の光結合部２０には、前記第三の励起用半導体レーザ６ｃから出射されたレーザ光が入射される。

このようなレーザ増幅器１４では、前記第一の励起用半導体レーザ６ａが発生するレーザ光の光強度を、加工対象物Ｗに文字、図形等を加工し得る強度に増幅して第二の希土類ドープ光ファイバ１２の出射端２１から出射する。

レーザ増幅器１４から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ１５により平行光とされて走査制御部２２に誘導される。走査制御部２２は、ガルバノミラー２５ａ，２５ｂと、集光レンズ（ｆθレンズ）１７を備え、走査制御部２２により制御される。

前記走査制御部２２の入出力回路１８には、前記レーザ出射ユニット１の制御部２から出力される制御信号Ｓ４が信号入出力回路２４を介して入力される。そして、走査制御部２２はガルバノミラー２５ａ，２５ｂの動作を制御して、加工対象物Ｗに照射されるレーザ光ＬをＸ−Ｙ方向に走査する。

次に、このように構成されたレーザ加工装置の動作を説明する。加工対象物Ｗの加工動作が開始されると、制御部２はドライバ４ａに動作制御信号Ｓ１を出力する。すると、第一の励起用半導体レーザ６ａが起動され、レーザ予備増幅器７からレーザ増幅器１４にレーザ光が出射されて、レーザ増幅器１４が予備的励起状態となる。

次いで、制御部２からオン指令信号Ｓ２，Ｓ３がドライバ４ｂ，４ｃに入力されると、第二及び第三の励起用半導体レーザ６ｂ，６ｃから出射されるレーザ光に基づいて、レーザ増幅器１４の第二の希土類ドープ光ファイバ１２が高励起状態となり、光強度の強いレーザ光を走査制御部２２に出射する。

そして、メモリ３に格納されたマーキング情報に基づいて、制御部２で走査制御部２２の動作が制御され、加工対象物Ｗにレーザ光が照射されて、文字、図形等が印字される。
前記制御部２は、レーザ加工動作に先立って、コンソールＣＳから入力される文字、図形等のデータに基づき、当該文字、図形等を線要素に分解し、各線要素毎に始点、中点及び終点を含む所定間隔毎の複数の点についてそれぞれ座標データを生成し、メモリ３に格納する。

この座標データは、加工対象物Ｗ上における各位置に対応付けされたＸ−Ｙ座標である。そして、コンソールＣＳから制御部２に加工指令が入力されると、制御部２はメモリ３から各座標データを順次読み出し、その座標データに応じた制御信号Ｓ４を走査制御部２２に出力する。

この結果、ガルバノミラー２５ａ，２５ｂの動作が制御されて、レーサ光Ｌの照射点が加工対象物Ｗ上で走査される。
また、前記座標データには前記オン指令信号Ｓ２，Ｓ３を出力させるためのオン指令データが設定されている。そして、前記制御部２は、メモリ３から読み出した座標データにオン指令データが付加されている場合には、その座標データに応じた制御信号Ｓ４を走査制御部２２に出力するとともに、オン指令信号Ｓ２，Ｓ３をドライバ４ｂ，４ｃに出力する。

すると、第二及び第三の励起用半導体レーザ６ｂ，６ｃが起動され、ヘッドユニット１３のレーザ増幅器１４が高励起状態となり、加工対象物Ｗにレーザ光が照射される。
前記制御部２は、非印字区間に続いて印字を開始する際、前記オン指令信号Ｓ２，Ｓ３の出力タイミングを調整する機能を備えている。図７に示す文字を印字する場合、Ｐ１を印字開始点とすると、印字するための走査順は各文字を一筆書きするように、Ｐ１→Ｐ３→Ｐ４→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ４→Ｐ５→Ｐ５となる。すると、Ｐ２→Ｐ３と、Ｐ４→Ｐ５は印字区間の間に位置する非印字区間である。

図４は、このレーザ加工装置における、ジャンプ距離（非印字区間の距離）と非印字区間においてレーザ増幅器１４からのレーザ光の出射が停止される出射停止時間Ｔｏｆｆとの関係を示す。また、出射停止時間Ｔｏｆｆ後に制御部２からオン指令信号Ｓ２，Ｓ３が出力されたとき、文字、図形等を印字し得る強度のレーザ光が加工対象物Ｗに照射されるまでに要する立上時間（遅れ時間）と、その立上時間を相殺するためにオン指令信号Ｓ２，Ｓ３の出力タイミングを早くするための始点補正値との関係を示す。

前記非印字区間の距離は、加工対象物Ｗを走査する場合のピクセル数で表示されている。始点補正値は、制御部２から出力される座標データが５μｓｅｃ毎に１つ出力されるので、立上時間を５μｓｅｃで除算し、小数点以下を切り捨てた値である。そして、始点補正値はジャンプ距離が長くなるほど大きな値となる。

前記制御部２は、レーザ出射ユニット１及びヘッドユニット１３の特性として、図４に示す数値データをあらかじめ保持している。
図２は、図４に示す数値データに基づいて、前記出射停止時間Ｔｏｆｆと立上時間との関係をグラフ化したものである。制御部２は、前記出射停止時間Ｔｏｆｆと立上時間との数値データに基づいて関係近似曲線Ｋ１を得るための近似補正式を演算し、任意の出射停止時間Ｔｏｆｆに対する立上時間を演算可能となっている。

図３は、図４に示す数値データに基づいて、前記ジャンプ距離と始点補正値との関係をグラフ化したものである。制御部２は、前記ジャンプ距離と始点補正値との数値データに基づいて関係近似曲線Ｋ２を得るための近似補正式を演算し、任意のジャンプ距離に対する始点補正値を演算可能となっている。

図５は、レーザ加工装置の初期設定時の制御部２の動作を示す。図４に示す数値データをあらかじめ設定されたプログラムに基づいて測定し、あるいは外部から受信してメモリ３に格納する（ステップ１）。

次いで、前記関係近似曲線Ｋ１，Ｋ２を得るような近似補正式を算出し（ステップ２）、その近似補正式の係数をメモリ３に格納して（ステップ３）、初期設定を終了する。
図６は、このレーザ加工装置での印字処理動作時における制御部２の動作を示す。コンソールＣＳの操作に基づいてマーキング情報が設定され、そのマーキング情報に基づいて印字動作が開始されると、制御部２はマーキング情報に基づいて印字区間及び非印字区間の座標データ（ベクトルデータ）を作成する（ステップ１１）。

次いで、座標データに基づいてガルバノミラー２５ａ，２５ｂで印字区間及び非印字区間を走査するための走査データ（ガルバノデータ）を演算する（ステップ１２）。このステップ１２の処理動作時に、前記ジャンプ距離を算出し、そのジャンプ距離に対応する出射停止時間Ｔｏｆｆを算出し、出射停止時間Ｔｏｆｆに対応する始点補正値を算出して走査データにオン指令信号の出力タイミングデータとして付加する。

次いで、このようにして生成された走査データに基づいて、加工対象物Ｗへの印字動作が行われる（ステップ１３）。すると、例えば図７に示すＰ２→Ｐ３の非印字区間では、Ｐ２→Ｐ３のジャンプ距離に応じた始点補正値が演算され、その始点補正値に基づいて走査位置がＰ３に至る前にオン指令信号Ｓ２，Ｓ３が制御部２から出力される。この結果、Ｐ３から充分な光強度のレーザ光で印字が開始される。

上記のように構成されたレーザ加工装置では、次に示す作用効果を得ることができる。
（１）非印字区間に続いて印字区間を印字するとき、印字開始位置の印字欠けの発生を防止することができる。
（２）非印字区間の距離に応じて、オン指令信号Ｓ２，Ｓ３の出力タイミングを最適に調整することができる。
（３）非印字区間の距離に応じて、オン指令信号Ｓ２，Ｓ３の出力タイミングを制御部２で自動的に演算して走査データに付加することができる。

上記実施形態は、以下の態様で実施してもよい。
・非印字区間の距離に応じた始点補正値を、あらかじめ設定されたテーブルから読み出すようにしてもよい。
・非印字区間の距離に応じた始点補正値に対し、さらに加工対象物Ｗを印字するレーザ光の光強度に応じた補正を加えてもよい。すなわち、非印字区間に続いて印字区間を印字するとき、印字開始位置のレーザ光の強度が低いほど遅れ時間が大きくなるので、図４に示す立上時間にレーザ光の強度に基づく遅れ時間を加え、その立上時間に基づいて視点補正値を演算するようにしてもよい。
・非印字区間の距離が一定値以下であれば、オン指令信号の出力タイミングを補正する処理を省略してもよい。例えば図４において、ジャンプ距離が約２０００ピクセル以下では、始点補正値が０となるので、ジャンプ距離が２０００ピクセル未満の場合には始点補正値を演算する処理を行わず、２０００ピクセル以上の場合に始点補正値を演算する処理を行うようにしてもよい。この結果、ジャンプ距離が短い場合には、制御部２の負荷を軽減して、印字動作を高速化することができる。
・非印字区間の線分については、座標データを所定間隔毎に生成する処理を省略してもよい。この場合には、始点補正値を印字開始位置から逆算して設定することができないため、印字区間の印字終了時刻から所定時間後にオン指令信号を出力するように設定して、非印字区間の印字開始位置の走査に先立ってオン指令信号を出力するようにしてもよい。
・印字位置の走査を開始する走査始点から印字開始点までの間のオン指令信号のオフ時間に基づいて、印字開始点の走査タイミングに先立ってオン指令信号を出力する始点補正値を演算するようにしてもよい。

上記実施形態から把握できる請求項以外の技術思想を以下に記載する。
前記第一〜第三の演算部は、数値データに基づいて補正式を算出し、該補正式に基づいて前記オン指令信号の出力タイミングを演算する。

１…レーザ出射ユニット、２…制御部（距離算出手段、出力タイミング調整手段、第一の演算部、第二の演算部、第三の演算部、オフ時間算出手段）、１４…レーザ増幅器（レーザ出射手段）、Ｓ２，Ｓ３…オン指令信号。

Claims (6)

1. オン指令信号に基づいて、加工対象物を加工可能とした光強度のレーザ光を出射するレーザ出射手段と、
   前記加工対象物上で前記レーザ光の照射点を走査して、前記加工対象物を印字するヘッドユニットと、
   マーキング情報に基づいて前記オン指令信号の出力タイミングデータを生成する制御部と
   を備えたレーザ加工装置において、
   前記制御部には、
   前記マーキング情報に基づいて、非印字区間の距離を算出する距離算出手段と、
   前記非印字区間の距離に基づいて、前記オン指令信号の出力タイミングを調整する出力タイミング調整手段とを備え、
   前記出力タイミング調整手段は、
   前記非印字区間の距離に基づいて前記レーザ光の出射停止時間を演算する第一の演算部と、
   前記出射停止時間に基づく前記レーザ出射手段の出射遅れ時間を算出する第二の演算部と、
   前記出射遅れ時間を相殺するように、前記オン指令信号の出力タイミングを演算する第三の演算部と
   を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記出力タイミング調整手段は、非印字区間の距離が一定値以下の場合に、オン指令信号の出力タイミングの調整を行わないことを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、
   前記第三の演算部は、前記非印字区間の終点を基準として前記オン指令信号の出力タイミングを演算することを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、
   前記第三の演算部は、前記印字区間の終点を基準として、該印字区間に続く非印字区間上で出力される前記オン指令信号の出力タイミングを演算することを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
   前記出力タイミング調整手段は、前記非印字区間の距離と印字区間のレーザ光強度とに基づいて、前記オン指令信号の出力タイミングを調整することを特徴とするレーザ加工装置。
6. オン指令信号に基づいて、加工対象物を加工可能とした光強度のレーザ光を出射するレーザ出射手段と、
   前記加工対象物上で前記レーザ光の照射点を走査して、前記加工対象物を印字するヘッドユニットと、
   マーキング情報に基づいて前記オン指令信号の出力タイミングデータを生成する制御部と
   を備えたレーザ加工装置の制御方法において、
   前記制御部が、前記マーキング情報に基づいて、非印字区間の距離を算出する工程と、
   前記制御部が、前記非印字区間の距離に基づいて、前記オン指令信号の出力タイミングを調整する工程とを有し、
   前記オン指令信号の出力タイミングを調整する工程において前記制御部は、
   前記非印字区間の距離に基づいて前記レーザ光の出射停止時間を演算し、
   前記出射停止時間に基づく前記レーザ出射手段の出射遅れ時間を算出し、
   前記出射遅れ時間を相殺するように、前記オン指令信号の出力タイミングを演算することを特徴とするレーザ加工装置の制御方法。

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