JP5715113B2 - レーザ加工機 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを被加工物の任意の箇所に照射して加工を行うレーザ加工機に関する。

被加工物の任意の箇所にレーザビームを照射する加工機には、ビームの光軸を変化させるものがある。ビームの光軸を変化させるための具体的手段としては、ガルバノスキャナと集光レンズとの組み合わせが採用されることが少なくない（例えば、下記特許文献を参照）。

レーザビームの光軸を変化させる走査は、ガルバノスキャナ等の回転位置決め誤差及び集光レンズによる光学的な歪みによって平面座標系に対する誤差が発生する。レーザ加工に際しては、その誤差を予め取り除いておく必要がある。

従来は、テストピースに試験用のパターンをレーザ加工し、しかる後にこれを顕微鏡で観察して試験用のパターンと実際に形成されたパターンとの誤差を計測、その誤差を低減するような補正量をガルバノスキャナ等に対する指令値に加味していた。

しかしながら、テストピースに形成されたパターンを顕微鏡で調査するのに非常に時間がかかる上、加工機の組立調整や納品調整において必ずこのような補正作業を行うので、作業現場に高精度な顕微鏡が必須であった。さらに、レーザ発振器の光学調整や集光レンズの交換時にも補正作業を行うので、その都度顕微鏡を加工機の設置場所に持ち込まなければならなかった。

特開２００８−０６８２７０号公報

本発明は、レーザビームの照射位置の誤差を簡便に較正できるレーザ加工機を提供することを所期の目的とする。

本発明では、レーザビームを設置台に設置した被加工物に照射して加工を行うレーザ加工機であって、レーザビームの光軸を変化させて所望の目標照射位置にビームを照射することのできる移動可能なレーザ照射装置と、被加工物によって覆われない設置台の傍らの部位に設けられ、レーザビームの照射を受けてその照射位置を検出するビーム検出センサと、前記レーザ照射装置を前記ビーム検出センサに対して移動させる駆動装置とを具備し、前記レーザ照射装置に目標照射位置を指令してレーザビームの光軸の方向を操作するとともに、同レーザ照射装置から出射するレーザビームが前記ビーム検出センサ上に設定された照準位置に照射されるよう前記駆動装置によりレーザ照射装置を移動させ、前記ビーム検出センサにより検出される実際の照射位置と前記照準位置との誤差を知得して、加工時に目標照射位置にレーザビームを照射するためにレーザ照射装置または駆動装置に与えるべき指令の補正量を決定するレーザ加工機を構成した。

即ち、目標照射位置近傍に所在するビーム検出センサを介して、直接にレーザビームの照射位置及びその誤差を計測するようにしたのである。このようなものであれば、簡便に照射位置の較正を行い得る。加えて、較正の際に、レーザ照射装置から出射するレーザビームの光軸を変位させるだけでなく、レーザ照射装置自体を移動させるようにしたことから、レーザビームの照射を受けるビーム検出センサの寸法を小さくすることができる。

前記レーザ照射装置に対し、レーザビームを目標照射位置に照射させるための指令を行う照射位置指令部と、前記駆動装置に対し、前記レーザ照射装置から出射するレーザビームが前記照準位置に照射されるようにレーザ照射装置を移動させるための指令を行う装置位置指令部と、前記ビーム検出センサを介して実際の照射位置と前記照準位置との誤差を取得する誤差取得部と、前記誤差取得部で取得した誤差に基づき、加工時に目標照射位置にレーザビームを照射するためにレーザ照射装置または駆動装置に与えるべき指令の補正量を決定して記憶する補正量記憶部とを有する制御装置をさらに具備するものとすれば、較正作業の一部または全部を人力を介さず自動で行うことが可能となる。

前記レーザ照射装置が、レーザ発振器から発振されるレーザビームを走査するガルバノスキャナと、そのレーザビームを集光する集光レンズとを有するものであるならば、既存のレーザ加工機におけるそれらを流用できる。

本発明によれば、レーザビームの照射位置の誤差を簡便に較正できるレーザ加工機が実現される。

本発明の一実施形態のレーザ加工機の概要を示す斜視図。 同レーザ加工機におけるレーザ照射装置を示す斜視図。 同レーザ加工機のハードウェア資源構成を示す図。 同レーザ加工機の機能ブロック構成図。 同レーザ加工機が較正時に実行する処理の手順を示すフロー図。 同レーザ加工機が加工作業時に実行する処理の手順を示すフロー図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態のレーザ加工機０は、被加工物（図示せず）を設置する設置台４と、設置台４に設置した被加工物に向けてレーザビームＬを照射するレーザ照射装置１とを備え、被加工物の任意の箇所にレーザ加工を施すことのできるものである。

本実施形態では、被加工物として、ロールに巻かれたフィルムのような非常に長尺な物、または大形の物を想定している。そして、例えば、一方のロールから被加工物を繰り出し、他方のロールに巻き取りながら、被加工物の広範囲に亘ってレーザ加工を施す。そのために、本実施形態のレーザ加工機０では、レーザ照射装置１を前後左右に移動可能とし、かつレーザ照射装置１から出射するレーザビームＬの光軸を前後左右に変位可能としている。

レーザ照射装置１は、駆動装置（または、ＸＹステージ）３により、設置台４に対して略平行に移動する。駆動装置３は、前後方向に延伸するＹ軸レール３１と、Ｙ軸レール３１に案内されて前後方向に走行するとともに左右方向に拡張してその上部にＸ軸レール３２１を設けているＸ軸ユニット３２と、Ｘ軸レール３２１に案内されて左右方向に走行する台車３２２とを備えてなる。Ｘ軸ユニット３２、台車３２２はともに、リニアサーボ可動子を駆動源とするリニアモータ台車である。レーザ照射装置１は、上記の台車３２２に支持させてある。

駆動装置３には、リニアスケール（図示せず）が付帯する。Ｘ軸リニアスケールは、レーザ照射装置１の左右方向即ちＸ軸方向の位置を検出するための位置検出機構、Ｙ軸リニアスケールは、レーザ照射装置１の前後方向即ちＹ軸方向の位置を検出するための位置検出機構である。Ｘ軸リニアスケールは、例えば、台車３２２に設けた磁気センサヘッドと、Ｘ軸ユニット３２に設けた磁気格子縞を目盛りとした磁気式リボンスケールとを要素とする。そして、磁気センサヘッドでリボンスケールの目盛りを読み取ることにより、台車３２２ひいてはレーザ照射装置１のＸ軸方向位置を検知してその位置座標を示す信号を出力する。同様に、Ｙ軸リニアスケールも、Ｘ軸ユニット３２に設けた磁気センサヘッドと、Ｙ軸レール３１に沿って設けた磁気式リボンスケールとを要素とし、Ｘ軸ユニット３２ひいてはレーザ照射装置１のＹ軸方向位置を検知してその位置座標を示す信号を出力する。

要するに、駆動装置３は、レーザ照射装置１を任意のＸＹ座標に誤差なく位置づけることができる。

図２に示すように、レーザ照射装置１は、レーザ発振器（図示しない）と、レーザ発振器から発振されるレーザビームＬを走査するガルバノスキャナ１１、１２、１２と、そのレーザビームＬを集光する集光レンズ１３とを有する。

ガルバノスキャナ１１、１２は、レーザビームＬを反射するミラー１１２、１２２をサーボモータ、ステッピングモータ等１１１、１２１で回動させるものであり、ビームＬの光軸を変化させることができる。本実施形態では、ビームＬの光軸をＸ軸方向に変化させるＸ軸ガルバノスキャナ１１と、ビームＬの光軸をＹ軸方向に変化させるＹ軸ガルバノスキャナ１２とを両備し、ビームＬの照射位置をＸＹ二次元方向に制御できる。集光レンズ１３は、例えばＦθレンズ１３とする。

設置台４に設置した被加工物に照射されるレーザビームＬの照射位置は、ガルバノスキャナ１１、１２の回転位置決め誤差の影響を受ける。また、集光レンズ１３による光学的な歪みも発生する。レーザビームＬの照射位置の誤差は、ガルバノスキャナ１１、１２の走査範囲の中央から距離が離れるに従って大きくなる傾向にある。図２の符号Ａに、その様子を模式的に示している。

ＸＹステージ３及びガルバノスキャナ１１、１２を制御する制御装置５は、図３に示すように、プロセッサ５ａ、メインメモリ５ｂ、補助記憶デバイス５ｃ、Ｉ／Ｏインタフェース５ｄ等を有し、これらがコントローラ５ｅ（システムコントローラやＩ／Ｏコントローラ等）によって制御されて連携動作するものである。補助記憶デバイス５ｃは、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ、その他である。Ｉ／Ｏインタフェース５ｄは、サーボドライバ（サーボコントローラ）を含むことがある。

制御装置５が実行するべきプログラムは、補助記憶デバイス５ｃに記憶されており、プログラム実行の際に、メインメモリ５ｂに読み込まれ、プロセッサ５ａによって解読される。そして、制御装置５はプログラムに従い、図４に示す、照射位置指令部５１、装置位置指令部５２、較正用位置データ記憶部５３、誤差取得部５４、補正量記憶部５５、加工用位置データ記憶部５６、及び加工時制御部５７としての機能を発揮する。

照射位置指令部５１は、レーザ照射装置１に対し、レーザビームＬを目標照射位置に照射させるための指令を行う。具体的には、目標照射位置を示すＸＹ座標にレーザビームＬを照射するべく、ガルバノスキャナ１１、１２に当該ＸＹ座標に対応した制御信号を入力してミラー１１２、１２２の角度を操作する。

装置位置指令部５２は、駆動装置３に対し、レーザ照射装置１を目標照射位置の付近に移動させるための指令を行う。具体的には、レーザ照射装置１の移動先を示すＸＹ座標にレーザ照射装置１を位置づけるべく、駆動装置３に当該ＸＹ座標に対応した制御信号を入力してＸ軸ユニット３２及び台車３２２の位置を操作する。

較正用位置データ記憶部５３は、較正用の位置データを記憶する。本実施形態では、ＸＹ平面座標系の複数点にレーザビームＬを照射して、各点での照射位置の誤差を検出、各点毎の補正量を決定する。通常、１００点ないし２００点の誤差の検出及び補正量の決定を行うので、その１００点ないし２００点のＸＹ座標を較正用位置データとして記憶する。

誤差取得部５４は、レーザビームＬの目標照射位置と実際の照射位置との誤差を取得する。即ち、上記の較正用位置データのＸＹ座標と、そのＸＹ座標を目標にレーザビームＬを照射したときの実際の照射位置のＸＹ座標との誤差を取得する。目標照射位置と実際の照射位置との誤差を取得する具体的手法については、後述する。

補正量記憶部５５は、レーザビームＬの目標照射位置と実際の照射位置との誤差に基づき、加工時にその目標照射位置に照射するためにレーザ照射装置１に与えるべき指令の補正量を決定して記憶する。具体的には、目標ＸＹ座標及びＸ軸方向誤差、Ｙ軸方向誤差を所定の関数式に代入してガルバノスキャナ１１、１２に与える制御信号のＸ軸方向補正量、Ｙ軸方向補正量を演算し、その補正量を先の目標ＸＹ座標に関連づけてメインメモリ５ｂまたは補助記憶デバイス５ｃに記憶させる。

加工用位置データ記憶部５６は、加工用の位置データを記憶する。加工用位置データ記憶部５６は、被加工物のどの箇所にレーザビームＬを照射するかを規定するＣＡＤデータ等、または加工時にレーザビームＬを照射する複数点のＸＹ座標を、加工用位置データとして記憶する。

加工時制御部５７は、上記の加工用位置データで規定される照射位置にレーザビームＬを照射するべく、レーザ照射装置１を制御する。具体的には、加工用位置データを読み出してレーザビームＬの目標照射位置のＸＹ座標を知得し、かつその目標ＸＹ座標に関連づけられた補正量を読み出す。目標ＸＹ座標に直結した補正量が補正量記憶部５５に記憶されていない場合には、目標ＸＹ座標に近い複数の座標に関連づけられた複数の補正量を読み出して、それらの補間により適当な補正量を算定する。そして、照射位置指令部５１を介して、目標ＸＹ座標に補正量を加味した座標に対応する制御信号を、ガルバノスキャナ１１、１２に入力する。結果、本来の目標ＸＹ座標に正しくレーザビームＬが照射される。

レーザ加工機０を使用したレーザ加工を実施するにあたっては、レーザビームＬの照射位置を較正する必要がある。照射位置の較正は、ビーム検出センサ２にレーザビームＬを照射することを通じて行う。

既に述べた通り、本実施形態では、被加工物として長尺または大形の物を想定しており、そのような被加工物は設置台４の略全域を覆うこととなる。故に、本実施形態では、被加工物によって覆われない、設置台４の傍らの部位に、ビーム検出センサ２を配置している。ビーム検出センサ２は、例えばＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサである。

設置台４及びビーム検出センサ２は、レーザ加工中または較正中に移動しない。較正時には、駆動装置３を介してレーザ照射装置１をビーム検出センサ２の上方の位置に移動させる。

図５に、レーザビームＬの照射位置の較正時に制御装置５が実行する処理の手順例を示す。制御装置５は、記憶している較正用位置データに含まれるＸＹ座標を読み出し（ステップＳ１）、読み出したＸＹ座標を目標照射位置としてレーザビームＬを照射するべく、ガルバノスキャナ１１、１２を操作してレーザビームＬの光軸を調節する（ステップＳ２）。

さらに、ステップＳ２と相前後して、目標照射座標を向いたレーザビームＬの光軸が、ビーム検出センサ２上に設定される照準位置に当たるように、駆動装置３を操作してレーザ照射装置１の位置を調節する（ステップＳ３）。より具体的に述べると、レーザ照射装置１の鉛直下方を目標照射位置としてレーザビームＬを出射するときの当該目標照射位置の座標が（０，０）であり、較正用位置データにより指示された（そして、ガルバノスキャナ１１、１２に指令する）目標照射位置の座標が（ｘ，ｙ）であるとき、レーザ照射装置１を、ビーム検出センサ２における照準位置の直上からＸ軸方向に沿って−ｘだけ偏倚し、かつＹ軸方向に沿って−ｙだけ偏倚した位置に移動させる。これにより、照射位置の誤差が存在しなければ、レーザ照射装置１から出射するレーザビームＬがビーム検出センサ２上の照準位置に照射されることとなる。

その上で、実際にレーザ照射装置１からレーザビームＬを照射して（ステップＳ４）、ビーム検出センサ２上の照準位置と、ビーム検出センサ２が実際にレーザビームＬを感知した位置のＸＹ座標とのＸ軸方向誤差及びＹ軸方向誤差を取得する（ステップＳ５）。この誤差が、レーザビームＬの目標照射位置と実際の照射位置との誤差ということになる。

しかして、制御装置５は、取得した誤差に基づいて補正量の決定を行い（ステップＳ６）、決定した補正量と目標照射位置のＸＹ座標との組を記憶する（ステップＳ７）。制御装置５は、上述のステップＳ１ないしＳ７を、較正用位置データに含まれる全ての目標照射位置について補正量を決定するまで反復する（ステップＳ８）。

レーザ加工作業時には、設置台４に被加工物を設置するとともに、駆動装置３を介してレーザ照射装置１を設置台４の上方の位置に復帰させる。

図６に、加工時に制御装置５が実行する処理の手順例を示す。制御装置５は、記憶している加工用位置データで規定される目標照射位置のＸＹ座標を読み出し（ステップＳ９）、そのＸＹ座標にレーザビームＬを照射する際のガルバノスキャナ１１、１２に対する指令の補正量を読み出すか、補間により取得する（ステップＳ１０）。

続いて、目標照射位置の座標に補正量を加味したＸＹ座標に対応する制御信号をガルバノスキャナ１１、１２に入力し、ガルバノスキャナ１１、１２を操作する（ステップＳ１１）。そして、レーザビームＬを照射する（ステップＳ１２）。制御装置５は、上述のステップＳ９ないしＳ１２を、加工用位置データに規定される必要な目標照射位置についてレーザ加工を施すまで反復する（ステップＳ１３）。

本実施形態では、レーザビームＬを被加工物に照射して加工を行うレーザ加工機０であって、レーザビームＬの光軸を変化させて所望の目標照射位置にビームＬを照射することのできるレーザ照射装置１と、レーザビームＬの照射を受けてその照射位置を検出するビーム検出センサ２と、前記レーザ照射装置１を前記ビーム検出センサ２に対して移動させる駆動装置３とを具備し、前記レーザ照射装置１に目標照射位置を指令してレーザビームＬの光軸の方向を操作するとともに、同レーザ照射装置１から出射するレーザビームＬが前記ビーム検出センサ２上に設定された照準位置に照射されるよう前記駆動装置３によりレーザ照射装置１を移動させ、前記ビーム検出センサ２により検出される実際の照射位置と前記照準位置との誤差を知得して、加工時に目標照射位置にレーザビームＬを照射するためにレーザ照射装置１に与えるべき指令の補正量を決定するレーザ加工機０を構成した。

本実施形態によれば、センサ２によって直接にビームＬの照射位置及びその誤差を計測でき、テストピースに形成したパターンを顕微鏡で観測するという煩瑣な手間をかけなくとも簡便に照射位置の較正を行い得る。高精度の顕微鏡を現場に用意する必要もない。

駆動装置３は、その精度を十分に確保することが容易である。駆動装置３の精度が十分であれば、ビーム検出センサ２に対するレーザ照射装置１の位置決め精度は保証される。集光レンズ１３の交換等に伴う、ビーム検出センサ２とレーザ照射装置１との相対位置の再較正も要求されない。

しかも、寸法または面積の小さなビーム検出センサ２を採用しても、照射位置の較正を好適に行うことが可能となる。ビーム検出センサ２を小さくできるということは、現実的なコストで当該ビーム検出センサ２の解像度を高められるということであり、照射位置の較正の精度が増す。

前記レーザ照射装置１に対し、レーザビームＬを目標照射位置に照射させるための指令を行う照射位置指令部５１と、前記駆動装置３に対し、前記レーザ照射装置１から出射するレーザビームＬが前記照準位置に照射されるようにレーザ照射装置１を移動させるための指令を行う装置位置指令部５２と、前記ビーム検出センサ２を介して実際の照射位置と前記照準位置との誤差を取得する誤差取得部５４と、前記誤差取得部５４で取得した誤差に基づき、加工時に目標照射位置にレーザビームＬを照射するためにレーザ照射装置１に与えるべき指令の補正量を決定して記憶する補正量記憶部５５とを有する制御装置５をさらに具備するものとしたため、較正を人力を介さず自動で、短時間で行うことができる。

前記レーザ照射装置１が、レーザ発振器から発振されるレーザビームＬを走査するガルバノスキャナ１１、１２と、そのレーザビームＬを集光する集光レンズ１３とを有するものであるため、既存のレーザ加工機０におけるそれらを流用できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、レーザ加工時に、ガルバノスキャナ１１、１２に対し、目標照射位置に補正量を加味したＸＹ座標に対応する制御信号を入力することにより、レーザ照射装置１から出射するレーザビームＬの光軸の向きを補正していた。

これに代えて、駆動装置３に対し、目標照射位置に正確にレーザビームＬを照射するために必要となる補正量に対応した制御信号を入力することにより、照射位置の誤差を相殺する方向にレーザ照射装置１を移動させた上で、当該レーザ照射装置１から被加工物にレーザビームＬを照射するようにしてもよい。この場合、制御装置５の補正量記憶部５５は、前記誤差取得部５４で取得した誤差に基づき、加工時に目標照射位置にレーザビームＬを照射するために駆動装置３に与えるべき指令の補正量を決定して記憶するものとなる。

レーザ照射装置１において、レーザビームＬの光軸を変化させる具体的手段は、ガルバノスキャナ１１、１２には限定されない。例えば、レーザ発振器から発振されたレーザビームＬを導く光ファイバの終端に取り付けたレーザビーム出射ノズルの角度を、サーボモータ等で制御する機構を採用してもよい。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、レーザビームを被加工物の任意の箇所に照射して加工を行うレーザ加工機に適用できる。

０…レーザ加工機
１…レーザ照射装置
１１、１２…ガルバノスキャナ
２…ビーム検出センサ
３…駆動装置
５…制御装置
５１…照射位置指令部
５２…装置位置指令部
５４…誤差取得部
５５…補正量記憶部
Ｌ…レーザビーム

Claims (3)

1. レーザビームを設置台に設置した被加工物に照射して加工を行うレーザ加工機であって、
   レーザビームの光軸を変化させて所望の目標照射位置にビームを照射することのできる移動可能なレーザ照射装置と、
   被加工物によって覆われない設置台の傍らの部位に設けられ、レーザビームの照射を受けてその照射位置を検出するビーム検出センサと、
   前記レーザ照射装置を前記ビーム検出センサに対して移動させる駆動装置とを具備し、
   前記レーザ照射装置に目標照射位置を指令してレーザビームの光軸の方向を操作するとともに、同レーザ照射装置から出射するレーザビームが前記ビーム検出センサ上に設定された照準位置に照射されるよう前記駆動装置によりレーザ照射装置を移動させ、前記ビーム検出センサにより検出される実際の照射位置と前記照準位置との誤差を知得して、加工時に目標照射位置にレーザビームを照射するためにレーザ照射装置または駆動装置に与えるべき指令の補正量を決定するレーザ加工機。
2. 前記レーザ照射装置に対し、レーザビームを目標照射位置に照射させるための指令を行う照射位置指令部と、
   前記駆動装置に対し、前記レーザ照射装置から出射するレーザビームが前記照準位置に照射されるようにレーザ照射装置を移動させるための指令を行う装置位置指令部と、
   前記ビーム検出センサを介して実際の照射位置と前記照準位置との誤差を取得する誤差取得部と、
   前記誤差取得部で取得した誤差に基づき、加工時に目標照射位置にレーザビームを照射するためにレーザ照射装置または駆動装置に与えるべき指令の補正量を決定して記憶する補正量記憶部とを有する制御装置をさらに具備した請求項１記載のレーザ加工機。
3. 前記レーザ照射装置は、レーザ発振器から発振されるレーザビームを走査するガルバノスキャナと、そのレーザビームを集光する集光レンズとを有する請求項１または２記載のレーザ加工機。

Images