JP6305270B2 - レーザ加工装置及びワーキングディスタンス測定方法 - Google Patents

Description

本発明はレーザ加工装置及びワーキングディスタンス測定方法に関する。

レーザビームは様々な加工に適用されている。その一つの典型例としてレーザ印字装置がある（特許文献１）。この業界では、「印字」というタームを、ワークの表面にキャラクタを付す意味で使用している。ここにキャラクタは文字、ロゴ、バーコード、二次元コードを含む。この明細書では、業界の慣習に従って「印字」というタームを使う。レーザ印字装置は、非接触の熱加工により対象物（以下、「ワーク」という。）の表面に印字する装置である。具体的には、レーザビームをワークの表面に当てて印字する。レーザ印字装置は、この業界では、「レーザマーカ」と呼ばれている。レーザマーカは次の利点を有している。

（１）ワークに印字したキャラクタが半永久的に消えない。
（２）小さなキャラクタを印字することができる。

レーザマーカが印字できるキャラクタは、文字、数字、図形、記号の他にバーコード、二次元コードを含み、識別可能な表示情報であると呼ぶことができる。レーザマーカは、樹脂、ガラス、木材、金属など様々な材料からなるワークに適用されている。

レーザマーカの一種として、レーザビームを走査させるためにレーザビームを偏向させる機能を備えたレーザマーカが知られている。具体的には、特許文献１に開示のレーザマーカは、レーザビームを偏向させるためのガルバノミラーを備えている。

レーザマーカは、レーザ出射部の基準面、例えばレーザマーカの筐体下面と、ワークの印字すべき面との間の距離が重要である。この距離は「ワーキングディスタンス（ＷＤ）」と呼ばれている。ワーキングディスタンスを適正にすることで印字品質を一定に維持することができる。

特許文献２は、ワーキングディスタンスを測定する機構を備えたレーザマーカを開示している。このレーザマーカは、レーザビームを出射するレーザヘッドと、このレーザヘッドを昇降する機構とを有している。

特許文献２に開示の距離測定手段は、ワークの表面に向けて光を出射する投光器と、ワークの表面で反射した光を受け取る受光器とで構成されている。この投受光器は、ワークの印字する箇所から離れた位置に配置されている。そして、投光器と受光器は次の関係を維持するように配置されている。すなわち、投光器と受光器の配置は、投光器が出射した光が、レーザマーカのレーザビームの焦点距離の近傍にあるときに、その反射光が受光器で受光されるように設定される。投光器と受光器による距離測定は三角測量の原理に従って行われる。

図１６は特許文献２に開示のレーザマーカの概要を説明するための図である。図１６の参照符号１は、レーザマーカを示し、参照符号２は距離測定手段を示す。印字ステージ３にワークＷが到達すると、距離測定手段２によって高さ計測が行われる。そして、高さ計測によって取得した測定値に基づいて予め設定されている印字データのＺ座標の調整が行われる。そして、その後に印字が行われる。

特開２０１４−４６３３０号公報 特開２０００−３１７６５７号公報

レーザマーカ１は座標系を有し、この座標系に基づいてレーザビームＬbを走査する制御が実行される。その一方で、ワーキングディスタンス(ＷＤ)を一定に維持する制御に用いられる距離測定手段２は、レーザビームＬbの制御系から独立している。このことから、距離測定手段２で求めた高さ測定値は、これをそのままレーザビーム制御に用いることができない。すなわち、距離測定手段２を使って取得した計測値をレーザビーム制御の座標系に変換する必要がある。

また、距離測定手段２は、そのワーキングディスタンス（ＷＤ）を測定する箇所が、ワークＷに印字する箇所から離れているため、実際のワーキングディスタンス（ＷＤ）から誤差が発生する可能性がある。

本発明の目的は、ワーキングディスタンスの測定をレーザビーム制御の座標系に一致させることのできるレーザ加工装置及びワーキングディスタンス測定方法を提供することにある。

本発明の更なる目的は、レーザビームを走査する手段としてガルバノミラーを備えたレーザ加工装置に関し、ワーキングディスタンスの測定をレーザビーム制御の座標系に一致させることのできるレーザ加工装置及びワーキングディスタンス測定方法を提供することにある。

上記の技術的課題は、本発明の一つの観点によれば、
レーザビームを走査させることによりワークを加工するレーザ加工装置であって、
前記ワークの表面に向けてポインタ光を出射する距離測定用ポインタ光出射器と、
前記レーザビームの出射軸から分岐した受光軸を有し、前記ポインタ光が当たって前記ワーク表面に生成された輝点を撮像する撮像部と、
ワーキングディスタンスを導き出すための距離導出情報を記録したメモリと、
該メモリの前記距離導出情報と前記撮像部が撮像した撮像画像の輝点の位置とに基づいてワーキングディスタンスを求めるワーキングディスタンス測定手段とを有することを特徴とするレーザ加工装置を提供することにより達成される。

上記の技術的課題は、本発明の他の観点によれば、
レーザビームを走査させることによりワークを加工するレーザ加工方法であって、
ワーク加工ステージに位置決めされた前記ワークの表面に向けてポインタ光を出射して、前記ワークの表面に、前記ポインタ光の輝点を生成する輝点生成工程と、
前記レーザビームの出射軸から分岐した受光軸を有する撮像部によって前記ワーク加工ステージに位置決めされたワークの撮像画像を取得する画像取得工程と、
該画像取得工程で取得した前記撮像画像の前記輝点の位置からワーキングディスタンスを求めるワーキングディスタンス測定工程と、
該ワーキングディスタンス測定工程によって測定したワーキングディスタンスに基づいて、予め設定された加工データのＺ座標を補正するワーキングディスタンス補正工程とを有することを特徴とするレーザ加工方法を提供することにより達成される。

本発明は典型的にはレーザ印字装置に適用される。本発明の好ましい実施形態では、前記レーザ加工装置は、前記ワークをレーザ加工するときに使用する座標系を有し、前記ワークの表面が基準高さに位置するときに、前記輝点が前記座標系の原点に位置する。また、前記距離測定用ポインタ光出射器は、好ましくは、前記座標系のＸ座標軸又はＹ座標軸に配置されている。これによれば、ワーキングディスタンスを求める演算を簡素化することができる。

本発明の好ましい実施形態では、距離導出情報は、複数の前記輝点の位置と、各輝点の位置に対応するワーキングディスタンスとを相関させたテーブルである。変形例として、距離導出情報は、撮像画像の輝点の位置を代入することによりワーキングディスタンスを求めることのできる数式であってもよい。

本発明の他の目的、本発明の作用効果の詳細は、以下の本発明の実施例の詳しい説明から明らかになろう。

実施例のレーザマーカの全体構成図である。 他の実施例の印字システムを構成する各要素を説明するための図である。 図２に図示の印字システムの全体構成図である。 レーザマーカの印字可能な範囲の座標原点と撮像領域を説明するための図である。 図１〜図３に図示のレーザマーカの基本動作を説明するためのフローチャートである。 高さ補正によってワーキングディスタンスを一定に維持するために行われる印字データ補正を説明するためのフローチャートである。 輝点位置とワーキングディスタンスとの関係を説明するための図であり、(a)はワークが相対的に高位に位置してワーキングディスタンスが相対的に小さいときの輝点位置を示す図であり、(b)はワークが基準高さ位置にあり、基準となるワーキングディスタンスの輝点位置を示す図であり、(c)はワークが相対的に低位に位置してワーキングディスタンスが相対的に大きいときの輝点位置を示す図である。 複数の輝点位置とこれに対応するワーキングディスタンスの一覧で構成されたテーブルを説明するための図である。 距離測定用ポインタ光出射器を点灯した状態で撮影した撮像画像である。 ポインタ光を点灯した点灯画像と、ポインタ光を消灯した消灯画像との差分画像から輝点を抽出した後にワーキングディスタンスを測定する手順の一例を説明するためのフローチャートである。 点灯画像及び消灯画像を取得するためにガルバノミラー制御を行って撮像領域を座標の原点に整合させることを説明するための図である。 点灯画像と消灯画像とから差分画像を生成することを説明するための図である。 ポインタ光を点灯した点灯画像と、ポインタ光を消灯した消灯画像との差分画像から輝点を抽出した後にワーキングディスタンスを測定する手順の変形例を説明するためのフローチャートである。 公差を設定するためのＧＵＩである。 ワーキングディスタンスが公差の範囲から逸脱したときに警告又はエラーの信号を出力すると共に、警告を出力しながら高さ補正を実行することを説明するためのフローチャートである。 従来例の構成図である。

以下に、レーザ加工装置の典型例であるレーザマーカに本発明を適用した、本発明の好ましい実施例を説明する。

実施例のレーザマーカ（図１）：

図１を参照して、実施例のレーザマーカ１００は、レーザ励起部２００とレーザ出力部３００とを含む。レーザ出力部３００はレーザ発振部３０２を有している。レーザ発振部３０２はレーザ媒質３０４を含む。レーザマーカ１００は、レーザ媒質３０４で発振されたレーザビームＬbを対象物（ワーク）Ｗの表面上で走査させることで対象物Ｗの表面にキャラクタを印字する。

印字動作を制御する印字信号は、そのＨＩＧＨ／ＬＯＷに応じてレーザビームＬbのＯＮ／ＯＦＦが切り替えられ、その１パルスが発振されるレーザビームＬbの１パルスに対応するＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号は、その周波数に応じたデューティ比に基づいてレーザ強度を規定することができる。変形例として、周波数に基づいた走査速度によってレーザ強度を規定してもよい。

レーザ励起部２００はレーザ励起光源２０２と集光部２０４を有している。レーザ励起光源２０２には電源部２０６から定圧電源が供給される。レーザ励起光源２０２は半導体レーザやランプ等で構成される。具体的には、レーザ励起光源２０２は、複数の半導体レーザダイオード素子を直線状に並べたレーザダイオードアレイで構成されている。各素子からのレーザ発振がライン状に出力され、この出力は集光部２０４の入射面に入射される。集光部２０４は典型的にはフォーカシングレンズ等で構成され、そして、集光部２０４の出射面からレーザ励起光がレーザ出力部３００に向けて出力される。

レーザ励起部２００とレーザ出力部３００とは光ファイバーケーブル２０８によって連結されている。レーザ励起部２００が生成したレーザ励起光は上述したレーザ媒質３０４に入る。ここに、レーザ媒質３０４はロッド状の固体レーザ媒質（例えばＮｄ：ＹＶＯ₄）で構成され、その一方の端面からレーザ励起光を入力して励起され、他方の端面からレーザビームＬbを出射する、いわゆるエンドポンピングによる励起方式が採用されている。レーザ媒質３０４は、固体レーザ媒質に波長変換素子を組み合わせて、出力されるレーザビームＬbの波長を任意の波長に変換できるようにしてもよい。

レーザ媒質３０４の変形例として、レーザビームを発振させる共振器でレーザ媒質３０４を構成しないで、固体レーザ媒質の代わりに、波長変換のみを行う波長変換素子でレーザ媒質３０４を構成してもよい。この場合は、半導体レーザの出力光に対して波長変換を行えばよい。波長変換素子としては、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＰＯ₄）、有機非線形光学材料や他の無機非線形光学材料、例えばＫＮ（ＫＮｂＯ₃）、ＫＡＰ（ＫＡｓＰＯ₄）、ＢＢＯ、ＬBＯや、バルク型の分極反転素子（ＬｉＮｂＯ₃（Periodically Polled Lithium Niobate ：ＰＰＬＮ）、ＬｉＴａＯ₃等）が利用できる。また、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｎｄ等の希土類をドープしたフッ化物ファイバーを用いたアップコンバージョンによるレーザの励起光源用半導体レーザを用いることもできる。

レーザ出力部３００は、レーザビームＬbを発生させる上述したレーザ発振部３０２を備える。レーザ発振部３０２は、上述したレーザ媒質３０４が放出する誘導放出光の光路に沿って所定の距離を隔てて対向配置された出力ミラー及び全反射ミラーと、これらの間に配されたアパーチャ、Ｑスイッチ等を備える。レーザ媒質３０４が放出する誘導放出光を、出力ミラーと全反射ミラーとの間での多重反射により増幅し、Ｑスイッチの動作により短周期にて通断しつつアパーチャによりモード選別して、出力ミラーを経てレーザビームＬbを出力する。

レーザ発振部３０２の変形例として、ＣＯ₂やヘリウム−ネオン、アルゴン、窒素等の気体を媒質として用いる気体レーザ方式を採用してもよい。例えば炭酸ガスレーザを用いた場合、レーザ発振部３０２は、内蔵電極を含むレーザ発振部３０２の内部に炭酸ガス（ＣＯ₂）が充填され、制御部３２０から与えられる印字信号に基づいて内蔵電極により炭酸ガスを励起してレーザ発振させる。

レーザマーカ１００はレーザビーム走査系３１０を有する。レーザビーム走査系３１０は、レーザ発振部３０２と光路を一致させたＺ軸スキャナを内蔵するビームエキスパンダ３１２と、Ｘ軸スキャナ３１４と、このＸ軸スキャナ３１４と直交するよう配置されたＹ軸スキャナ３１６とを備える。このレーザビーム走査系３１０は、レーザ発振部３０２より出射されるレーザビームＬbをＸ軸スキャナ３１４、Ｙ軸スキャナ３１６で対象物Ｗの表面上の作業領域で二次元的に走査させる。好ましくは、Ｚ軸スキャナ（図示せず）を設けて、このＺ軸スキャナで高さ方向に焦点距離を調整できるようにするのが良い。これにより三次元状に印字加工が可能となる。なお、集光レンズであるｆθレンズは図示を省略している。

Ｘ軸、Ｙ軸スキャナ３１４、３１６は、光を反射するガルバノミラー３１４a、３１６aと、このガルバノミラー３１４a、３１６a、を回動軸に固定して回動するためのガルバノモータ３１４b、３１６bと、回動軸の回転位置を検出して位置信号として出力する位置検出部を備える。また各Ｘ軸、Ｙ軸スキャナ３１４、３１６はスキャナ駆動回路３１８に接続されている。スキャナ駆動回路３１８は制御部３２０に接続されている。そして制御部３２０から供給される制御信号によってＸ軸、Ｙ軸スキャナ３１４、３１６の動作が制御される。

ビームエキスパンダ３１２は、これに含まれるＺ軸スキャナによって、レーザ媒質３０４から出射するレーザビームＬbのスポット径を調整する機能が付加されている。スポット径を調整することで、焦点距離を調整することができる。すなわち、ビームエキスパンダ３１２で入射レンズと出射レンズとの相対距離を変化させることでレーザビームＬbのビーム径を拡大／縮小し、焦点位置も変化させることができる。このビームエキスパンダ３１２の具体的な構成は特開２００７−１１１７６３号公報に詳細に記載されていることから、この特開２００７−１１１７６３号の記載を援用することにより、ビームエキスパンダ３１２のこれ以上の説明を省略する。

ビームエキスパンダ３１２に含まれるＺ軸スキャナ及びＸ軸、Ｙ軸スキャナ３１４、３１６を制御することにより、ワーキングディスタンスが変化するようなワークに対しても、例えば照準距離を調整しながらレーザビームＬbを走査することができる。したがって、曲面状や段差状の対象物（ワーク）Ｗの三次元印字位置の全エリアに対して焦点距離を合わせた状態で高精度に且つ最小スポットで印字加工できる。また、印字対象物となるワークの高さが途中で変わる、すなわち段取り替えにも、柔軟に対応することが可能となる。なお、実施例において、「ワーキングディスタンス」とは、レーザマーカ１００のヘッド筐体の下面を基準面とし、この基準面とワーク表面までの距離を意味しているが、本発明はこれに限られず、ヘッド筐体の所定位置（例えばヘッド筐体の上面や、冶具の一面など）を基準面とすることもできる。

レーザマーカ１００は、レーザビーム走査系３１０のレーザビームの行路から分岐した受光軸３３０を有する撮像素子３３２を有し、この撮像素子３３２は実質的にカメラつまり撮像部を構成している。具体的に説明すると、レーザマーカ１００は、ビームエキスパンダ３１２と、Ｘ、Ｙ軸ガルバノミラー３１４a、３１６aとの間に配置されたハーフミラー３３４を有している。撮像素子３３２の受光軸３３０は、レーザビーム出射軸３３６が偏向されるハーフミラー３３４を介してレーザビーム出射軸３３６から分岐されている。

図１を引き続き参照して、参照符号３４０は距離測定用ポインタ光出射器を示す。距離測定用ポインタ光出射器３４０は、レーザマーカ１００に内蔵されていてもよいし、レーザマーカ１００にアタッチメント形式で外付けされていてもよい。距離測定用ポインタ光出射器３４０はワークＷに向けてポインタ光Ｌpを間欠的に投光する。このポインタ光Ｌpは、ワークＷの表面で反射し、反射光は、レーザビームＬbと同じ光軸を通り、Ｘ軸・Ｙ軸ガルバノミラー３１４a、３１６aを経由して撮像素子３３２で受光される。実施例では、ポインタ光Ｌpとしてレーザ光が採用されている。

他の実施例のレーザマーカを含む印字システムの一例（図２、図３）：
図２は、例示としての印字システムの全体構成を示す。図３は、そのブロック図である。印字システム４００は、マーキングヘッド４０２と、マーキングヘッド４０２を制御するコントローラ４０４と、コントローラ４０４とデータ通信可能に接続された三次元加工データ設定装置つまりパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６とを有する。

ＰＣ４０６つまり三次元加工データ設定装置を使って、ユーザはワークＷの加工条件などを入力することができる。また、三次元加工データ設定装置４０６のディスプレイ上にパラメータの設定画面などを表示させて、コントローラ４０４に対して印字パターンを三次元加工データとして設定することができる。三次元加工データ設定装置４０６は、三次元加工データ設定プログラムをインストールしたパーソナルコンピュータやプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）で構成される。

コントローラ４０４には、必要に応じて各種外部機器４０８が接続される。外部機器４０８としては、例えばワーク搬送ラインで搬送されるワークＷの種別、位置等を確認するイメージセンサ等の画像認識装置、ワークＷとマーキングヘッド４０２との距離に関する情報を取得する変位計等の距離測定装置、所定のシーケンスに従って機器の制御を行うＰＬＣ、ワークＷの通過を検出するＰＤセンサその他各種のセンサ等を例示的に挙げることができる。

印字システム４００は、入力された対象物の印字面に加工パターンを仮想的に一致させるように加工パターン情報を平面状から三次元空間座標データに変換して、対象物の印字面が三次元の凹凸面であっても比較的容易に印字パターンを設定してこれを対象物の表面に印字できる。三次元加工データの設定は例えば特開２００７−１１１７６３号公報に三次元加工データの具体的な手法が記載されていることから、この特開２００７−１１１７６３号公報の全文を本明細書に援用することにより、その説明を省略する。

コントローラ４０４は、メイン制御回路４１０、ワーク加工情報記憶部４１２、電源回路４１４、励起光源４１６を有し、また、レーザビーム増幅器４１８を含むレーザ発振器ユニットを有する。コントローラ４０４によってレーザ発振の制御やレーザビームの走査制御が実行される。励起光源４１６は、レーザ媒質を励起するための励起光を生成するＬＤ（レーザダイオード）などの発光素子と集光レンズとを含む。

レーザビーム増幅器４１８は、コアにレーザ媒質が添加された光ファイバーを含み、このファイバー式のレーザビーム増幅器４１８を用いてレーザビームを増幅することによりエネルギー密度の高い高出力のレーザビームを生成することができる。このレーザビーム増幅器４１８は、低出力の種光を発生させるマスターオシレータ部、種光を増幅するパワーアンプ部、ポンピング用光源装置、アイソレータなどで構成され、マスターオシレータ部及びパワーアンプ部は、レーザ媒質としてイッテルビウム（Ｙｂ）などの希土類元素が添加された希土類ドープ光ファイバーによって構成される。

レーザビーム増幅器４１８は、例えば、レーザ発振を制御するためのＱスイッチを設けるのが好ましく、Ｑスイッチの切り替えにより、連続発振をパルス発振に変換することができ、ピークパワーの大きなパルス波を生成することができる。なお、レーザビーム増幅器４１８としては、種光を生成するＬＤを直接にオン又はオフすることによって、パルス発振可能な発振器のように、Ｑスイッチ無しで構成してもよい。

コントローラ４０４とマーキングヘッド４０２とは光ファイバーケーブル４２０によって連結されている。光ファイバーケーブル４２０には、レーザビーム増幅器４１８でレーザビームが直接的に入力される。すなわち、光ファイバーケーブル４２０は、レーザビーム増幅器４１８によって増幅されたレーザビームをマーキングヘッド４０２に伝送するデリバリファイバーである。

マーキングヘッド４０２は、光アイソレータ４２２、ビームエキスパンダ４２４、ビームサンプラー４２６、シャッタ４２８、フォトインタラプタ４３０、ダイクロイックミラー４３２、Ｚ軸スキャナ４３４、Ｘ軸・Ｙ軸スキャナ４３６、パワーモニタ４３８及びガイド光源４４０を含む。

光アイソレータ４２２は、光ファイバーケーブル４２０の端面から出射されたレーザビームを通過させ、戻り光を抑制する戻り光抑制手段を構成し、光ファイバーケーブル４２０を介して伝送されたレーザビームをビームエキスパンダ４２４へ入力する順方向の伝送を許容し、逆方向への伝送を禁止する。光アイソレータ４２２は、例えば、アパーチャ、偏光子、ファラデー回転子によって構成される。アパーチャは、通過光を制限するための遮断板である。偏光子は、複屈折結晶からなるロッド状の光学素子である。ファラデー回転子は、磁界の印加によって偏光面を回転させる磁気光学素子である。

ビームエキスパンダ４２４は、レーザビームのビーム径を可変に制御するビーム径可変手段を構成し、光アイソレータ４２２と光軸を一致させて配置される。このビームエキスパンダ４２４は、光路上に配置された複数のレンズによって構成され、レンズ間の距離を調整することにより、ビーム径を所望の値に変換している。ビームサンプラー４２６は、ビームエキスパンダ４２４を通過したレーザビームの一部をダイクロイックミラー４３２に向けて反射させ、他の一部をパワーモニタ４３８側へ透過させる光学素子である。

パワーモニタ４３８は、ビームサンプラー４２６を透過したレーザビームを受光し、レーザパワーを検出するレーザパワー検出用センサであり、レーザパワーの検出結果をパワーレベル検出信号としてコントローラ４０４内のメイン制御回路４１０へ出力する。この様なパワーモニタ４３８としては、例えば、サーモパイル（熱電堆）、或いは、フォトダイオードが用いられる。

シャッタ４２８は、レーザビームを必要に応じて遮断するための遮断装置であり、遮断板や遮断板を移動させる駆動機構によって構成される。このシャッタ４２８は、ビームサンプラー４２６及びダイクロイックミラー４３２間に配置されている。

フォトインタラプタ４３０は、シャッタ４２８が閉じているか否かを光学的に検出する光学センサである。ダイクロイックミラー４３２は、特定波長の光のみを反射し、他の波長の光を透過させる光学素子であり、シャッタ４２８を通過したレーザビームをＺ軸スキャナ４３４に向けて反射し、ガイド光源４４０からのガイド光をそのまま透過させる。

Ｚ軸スキャナ４３４は、光路上に配置された１又は２以上のレンズと、レンズを移動させるレンズ駆動用モーターによって構成されるレーザビームの走査機構であり、レンズを変位させることによって、マーキングヘッド４０２から出射されるレーザビームの焦点位置を光軸方向に調整することができる。また、Ｚ軸スキャナ４３４は、レーザビームの集光機能を有している。なお、このＺ軸スキャナ４３４は、ワークＷの高さに追随してレーザビームの焦点位置を光軸方向に移動させることが可能な走査機構である。

Ｘ軸・Ｙ軸スキャナ４３６は、交差する回転軸にそれぞれ配置された２つのガルバノミラーと、これらのガルバノミラーを回転させるガルバノミラー駆動用モーターによって構成される。Ｘ軸・Ｙ軸スキャナ４３６はレーザビームの走査機構である。Ｘ軸・Ｙ軸スキャナ４３６は、ガルバノミラーを軸回転させることによって、レーザビームを光軸と交差する方向に走査させる。ここでは、加工対象面に照射されるレーザビームの光軸方向をＺ軸方向と呼び、光軸と交差する互いに平行でない２つの方向をそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向と呼ぶ。

Ｚ軸スキャナ４３４を通過したレーザビームは、Ｘ軸・Ｙ軸スキャナ４３６のガルバノミラーによって反射され、ワークＷに照射される。ガイド光源４４０は、レーザビームＬbの照射位置をワークＷ上で可視化するためのガイド光を生成する光源装置である。ガイド光源４４０から出射されたガイド光は、ダイクロイックミラー４３２を透過し、レーザビームの光路に入る。レーザビームの光路に入ったガイド光は、Ｚ軸スキャナ４３４及びＸ軸・Ｙ軸スキャナ４３６を経てワークＷに照射される。

ワーク加工情報記憶部４１２は、ワークＷのレーザ加工に関する情報をワーク加工情報として保持するメモリである。ワーク加工情報として、文字などのキャラクタをワークＷ上に加工する際の加工線の描画情報、レーザ発振を制御するためのレーザ出力制御情報などを含む。加工線の描画情報は、レーザビームの照射目標を示す三次元位置情報、例えば、座標データからなる。また、レーザ出力制御情報としては、例えば、レーザビームのピークパワー、パルス幅、繰返し周波数などが保持される。

ピークパワーは、パルスエネルギーをパルス幅で除算することによって得られる物理量である。パルス幅は、ピークパワーの半分程度のパワーレベルにおけるパルス波の時間長であり、繰返し周波数は、パルス発振の周波数である。また、中心波長は、レーザビーム増幅器４１８により生成されるレーザビームの波長である。

メイン制御回路４１０は、ワーク加工情報記憶部４１２内に保持されているワーク加工情報に基づいて、励起光源４１６、レーザビーム増幅器４１８、Ｚ軸スキャナ４３４、Ｘ軸・Ｙ軸スキャナ４３６及びシャッタ４２８を制御する制御手段を構成する。具体的には、メイン制御回路４１０は、レーザ出力制御情報に基づいて、マーキングヘッド４０２から出射されるレーザビームのピークパワーやパルス幅を調整するための発振器制御信号を生成し、そして、励起光源４１６及びレーザビーム増幅器４１８へ制御信号を出力する。

メイン制御回路４１０は、また、レーザ出力制御情報や描画情報に基づいて、Ｚ軸スキャナ４３４のレンズ駆動用モーター、Ｘ軸・Ｙ軸スキャナ４３６のミラー駆動用モーター、及び、シャッタ４２８を制御するための駆動信号を生成し、この各種の制御信号をＺ軸スキャナ４３４、Ｘ軸・Ｙ軸スキャナ４３６及びシャッタ４２８へ出力する。

この印字システム４００においても、Ｚ軸スキャナ４３４及びＸ軸・Ｙ軸スキャナ４３６を制御することにより、ワーキングディスタンスを調整しながらレーザビームＬbを走査することができる。したがって、曲面状や段差状の対象物（ワーク）Ｗの三次元印字位置の全エリアに対して焦点距離を合わせた状態で高精度に且つ最小スポットで印字加工できる。

図３を参照して、印字システム４００は、Ｚ軸スキャナ４３４と、Ｘ軸・Ｙ軸スキャナ４３６つまりガルバノミラーとの間にハーフミラー４５０を有している。このハーフミラー４５０は、レーザビームの出射軸４５２から分岐した受光軸４５４を生成する。この受光軸４５４は撮像素子４５６の受光軸である。撮像素子４５６は実質的にカメラつまり撮像部を構成する。

図３を引き続き参照して、参照符号４６０は距離測定用ポインタ光出射器を示す。距離測定用ポインタ光出射器４６０は、マーキングヘッド４０２に内蔵されていてもよいし、マーキングヘッド４０２にアタッチメント形式で外付けされていてもよい。距離測定用ポインタ光出射器４６０はワークＷに向けてポインタ光Ｌpを間欠的に投光する。このポインタ光Ｌpは、ワークＷの表面で反射し、反射光はＸ軸・Ｙ軸スキャナ４３６を経由して撮像素子４５６で受光される。実施例では、ポインタ光Ｌpとしてレーザ光が採用されている。

図１を参照して説明したレーザマーカ１００、図２、図３を参照して説明した印字システム４００の印字可能範囲５００を図４に示す。図４に示す参照符号５０２は座標原点である。また、図４に示す参照符号５０４は撮像領域を示す。Ｘ軸・Ｙ軸スキャナ３１４、３１６、４３６を動作させることにより、撮像領域５０４を移動させることができる。なお、図４に示されるように、撮像領域５０４は、印字可能範囲５００よりも狭い領域であり、Ｘ軸、Ｙ軸スキャナ３１４、３１６（図１）、Ｘ軸・Ｙ軸スキャナ４３６（図３）を制御することによって、撮像領域５０４を所望の位置に動かすことが可能となる。

レーザマーカ１００、図２、図３を参照して説明した印字システム４００の基本動作の概要を図５のフローチャートに基づいて説明する。図５を参照して、先ず、レーザマーカ１００、レーザ印字システム４００のメモリに記憶されている印字データから所望のキャラクタ及びこれに関連したデータの読み出しが行われる（Ｓ１０）。次に、ワークＷがワーク搬送ラインの加工ステージつまり印字及び読取ステージ１１に到着したことを例えば光電センサで検知すると（Ｓ１１）、撮像部（撮像素子３３２、４５６）によるワークの撮像が行われ、この撮像画像に基づいて実際のワークＷの印字予定位置の位置ズレ、つまり基準となる印字位置からの変位量が算出される（Ｓ１２）。この変位量は、Ｘ座標、Ｙ座標及び回転角度θによって規定される。そして、この変位量に基づいて印字位置補正データが作成される。次のステップＳ１３で上記印字位置補正データに基づいて印字位置が補正され、補正後の印字位置に基づいてワークＷへの印字が実行される（Ｓ１４）。

印字の際に使用した撮像部（撮像素子３３２、４５６）を再び使って、印字したキャラクタの読み取りが行われる（Ｓ１５）。この読取処理では、上記印字位置補正データのうちＸ座標、Ｙ座標を使って撮像領域の位置補正が行われる。この光軸調整を行った後にキャラクタの撮像が実行される。そして、この画像に基づいてキャラクタの品質の評価が行われる。この読取処理（Ｓ１５）が完了すると、ワークは次のステージに搬送される。

上述した実施例では、撮像素子３３２、４５６つまりカメラの光軸が、レーザビームＬbの出射光軸から分岐した光軸であるため、印字処理及び読取処理を共通の座標系つまり座標原点５０２が同じ座標系を使って制御することができる。したがって、印字処理で作成した印字位置補正データを使ってカメラの受光軸を調整つまり撮像領域の位置を補正することで、印字処理でワークに付記したキャラクタを、次の読取処理で読み取るときに当該キャラクタを撮像領域５０４に確実に納めることができる。

レーザマーカ１００、レーザ印字システム４００は、また、印字処理において、レーザビームＬbの焦点をワークＷの印字ポイントに整合させて実際のワーキングディスタンスに整合するＺ座標の補正が行われる。なお、Ｚ座標の補正を行ったときに、レーザビームＬｂの焦点距離を自動的に追従補正させてもよい。

図６は、Ｚ座標（高さ）補正に関する制御の一例を説明するためのフローチャートである。図６を参照して、ステップＳ２０において距離測定用ポインタ光出射器３４０、４６０のポインタ光Ｌpを使って高さ測定つまりワーキングディスタンスの測定が行われる。この測定の詳しい説明は後述する。

次に、ステップＳ２０で求めたワーキングディスタンスに基づいて印字データのＺ座標を補正する（Ｓ２１）。そして、先に図５を参照して説明した印字処理を実行する（Ｓ１４）。上述したように、ステップＳ２１でのＺ座標の補正に伴って、レーザビームの焦点距離を追従補正してもよい。

図７〜図８を参照して高さ補正について説明する。説明の都合上、図７の(b)を説明すると、この図７の(b)は、印字処理でのＺ座標が「０」の基準面を示す。実施例では、Ｚ座標値（Ｚ＝０）のワーキングディスタンス（ＷＤ）は189mmである。図７の(a)はＺ座標が「Ｚ＝１０」の平面を示す。実施例では、Ｚ座標値（Ｚ＝１０）のワーキングディスタンス（ＷＤ）は179mmである。図７の(c)はＺ座標が「Ｚ＝−１０」の平面を示す。実施例では、Ｚ座標値（Ｚ＝−１０）のワーキングディスタンス（ＷＤ）は199mmである。

図７の右側は、 (a)、(b)、(c)の各々のポインタ光Ｌpの反射光の撮像画像である。この撮像画像は、Ｘ軸、Ｙ軸スキャナ３１４、３１６、４３６に映った画像である。参照符号５１０(a)、５１０(b)、５１０(c)は撮像画像５０８でのポインタ光Ｌpの輝点を示す。

距離測定用ポインタ光出射器３４０、４６０は、その出射方向が必ずしも必須ではないが、図７の(b)に図示の基準面におけるレーザビームＬbの基準位置つまり座標原点（Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標が共に「０」）に指向されるのが好ましい。距離測定用ポインタ光出射器３４０、４６０は、また、好ましくは座標原点から延びるＸ座標軸又はＹ座標軸に配置されるのがよい。

図７の(a)の右側には、ワーキングディスタンス（179mm）で撮像画像５０８(a)を示し、参照符号５１０(a)はポインタ光Ｌpの輝点位置を示す。この輝点５１０(a)の中心のＸ、Ｙ座標が「１１０、０」であったとする。図７の(b)の右側には、ワーキングディスタンス（189mm）で撮像画像５０８(b)を示し、参照符号５１０(b)はポインタ光Ｌpの輝点を示す。輝点５１０(b)の中心のＸ、Ｙ座標は「１０、０」である。図７の(c)の右側には、ワーキングディスタンス（199mm）で撮像画像５０８(c)を示し、参照符号５１０(c)はポインタ光Ｌpの輝点を示す。この輝点５１０(c)の中心のＸ、Ｙ座標が「−９０、０」であったとする。

図８は、高さ、つまりワーキングディスタンス（ＷＤ）とポインタ光Ｌpの輝点５１０の中心座標との対照表（対照テーブル）である。すなわち、図８は、複数の前記輝点５１０の位置と、各輝点５１０の位置に対応するワーキングディスタンス（ＷＤ）とを相関させたテーブルを示す。この図８に図示のテーブルは予めレーザ印字装置のメモリに記憶される。

図９は、距離測定用ポインタ光出射器４６０を点滅してポインタ光ＬpをワークＷに向けて出射して得た撮像画像５０８である。図中、参照符号５１０は、ポインタ光Ｌpの輝点を示す。いま、この輝点５１０の中心座標が「６０、０」だったとする。

この輝点５１０の中心座標「６０、０」と上述した対照テーブル（図８）とに基づいて、そして、この対照テーブルを距離導出情報として、図９に図示の輝点５１０に対応するワーキングディスタンスＷＤを線形近似（線形補正）により求めることができる。すなわち、座標原点「０、０」（ＷＤ＝１８９mm）（図７の(b)）と、図７の(a)の輝点位置５１０(a)の座標「１０、０」（ＷＤ＝１７９mm）とに基づいて、輝点５１０の座標「６０、０」から、そのワーキングディスタンスＷＤ（＝１８９＋（（１７９−１８９）／（１１０−１０））×（６０−１０）＝１８９−５）=１８４mmであると言うことができる。なお、本実施例では、２点の線形近似を用いることとしたが、３点以上を使用した曲線近似を使用可能であることは言うまでもない。

ワーキングディスタンスＷＤの求め方として、予め記憶してある数式を距離導出情報とし、この数式に対して、実際に取り込んだ輝点の位置を代入して実際のワーキングディスタンスＷＤを求めるようにしてもよい。これによれば上述した対照テーブル（図８）を用意する必要はない。

高さ（ワーキングディスタンス）測定の処理手順を図１０を参照して説明する。一般的にレーザマーカは、印字処理時間を短縮することが常に求められている。この要請に応じるために、レーザ印字が終了したとき、Ｘ軸・Ｙ軸スキャナ３１４、３１６、４３６つまりガルバノミラーは、このレーザ印字が完了したときの状態が維持される。換言すれば、ガルバノミラーはレーザビームＬbが座標原点５０２（図４）と整合する原位置に戻されない。図１０のステップＳ３０の「ガルバノミラーが向いている」という意味は、前回、印字処理が完了した時点のガルバノミラーの位置にあることを意味している。勿論、撮像領域５０４は、ガルバノミラーが動作すると、その位置が変化する。

次のステップＳ３１では、撮像領域５０４の中心が座標原点５０２（図４）と一致するようにガルバノミラーの制御が行われる。この制御によって、図１１に示すように、撮像領域５０４は、その中心が印字可能領域５００の座標原点５０２と整合する位置まで移動する。

次いでステップＳ３２で、距離測定用ポインタ光出射器３４０、４６０を点灯し、この点灯画像を取り込む（Ｓ３３）。

次のステップＳ３４で、距離測定用ポインタ光出射器３４０、４６０を消灯し、この消灯画像を取り込む（Ｓ３５）。なお、上記消灯画像を先ず取得し、その次に上記点灯画像を取得するようにしてもよい。

次のステップＳ３６で、点灯画像（Ｓ３３）及び消灯画像（Ｓ３５）から、その差分画像を生成する。図１２の参照符号５０８Ａは点灯画像（Ｓ３３）を示す。また、参照符号５０８Ｂは消灯画像（Ｓ３５）を示す。また、参照符号５０８Ｃは差分画像を示す。

ポインタ光Ｌpの輝点５１０を抽出するために差分画像５０８Ｃを用いることで、輝点５１０の抽出精度を高めることができる。

図１０のフローチャートに戻って、Ｓ３７で、差分画像５０８Ｃの輝点５１０の中心座標から、前述したテーブル（図８）を使ってワーキングディスタンスＷＤが算出される。このワーキングディスタンスＷＤにより、図６を参照して説明したステップＳ２１で印字データの補正が行われる。

次のステップＳ３８で、ガルバノミラーの制御が行われ、前述したステップＳ３０の位置、つまり前回、印字処理が完了した時点のガルバノミラーの位置に戻される。

図１０を参照して前述した高さ（ワーキングディスタンス）測定の処理手順の変形例を図１３を参照して説明する。図１３に図示の処理手順では、ポインタ光Ｌpを点灯した後に、ガルバノミラー制御が実行される。図１３に図示のフローチャートを参照して、先ずＳ４０で「ガルバノミラーが向いている」状態で、次のＳ４１で距離測定用ポインタ光出射器３４０、４６０が点灯される。そして、次のＳ４２で、撮像領域５０４の中心が座標原点５０２（図４）と一致するようにガルバノミラーの制御が行われる。そして、このガルバノミラー制御が終わると、点灯画像５０８Ａ（図１２）が取り込まれる（Ｓ４３）。

次のステップＳ４４で距離測定用ポインタ光出射器３４０、４６０が消灯された後に、消灯画像５０８Ｂ（図１２）が取り込まれる（Ｓ４５）。

ステップＳ４６以降の差分画像５０８Ｃ（図１２）の生成（Ｓ４６）、ワーキングディスタンスＷＤの算出（Ｓ４７）、ガルバノミラー制御による前回、印字処理が完了した時点のガルバノミラーの位置に戻す制御（Ｓ４８）は、図１０を参照して前述したステップＳ３６〜Ｓ３８と同じである。

レーザマーカ（図１）、印字システム４００（図２、図３）は追加の機能として公差設定機能を有している。この公差機能は、上述したワーキングディスタンスＷＤの測定の結果、計測したワーキングディスタンスＷＤが、基準となるワーキングディスタンスＷＤ(0)よりも所定の範囲（公差）を超えている場合には、警告などを出力する機能である。

図１４は、ＰＣ４０６に表示可能なＧＵＩ（グラフィカルユーザインターフェース）を示す。図示のＧＵＩは、公差設定機能に関連した設定画面である。図示のＧＵＩの下段に「公差設定」という項目の上限及び下限のアップ、ダウンボタンを操作することで公差の範囲を設定することができる。「上限」の項目に見られる「2.000」mmは、上述した基準面（図７の(b)）よりも上方に2.000mm高いという意味である。「下限」の項目に見られる「−2.000」mmは、上述した基準面（図７の(b)）よりも下方に2.000mm低いという意味である。

図１５は、公差設定機能に関連した制御の一例を説明するためのフローチャートである。図１５を参照して、ステップＳ５０で、上記ＧＵＩ（図１４）を使って公差の上限値及び下限値を設定する。そして、ステップＳ５１で印字開始トリガを受け取ると、上述した高さ測定（ワーキングディスタンスＷＤの測定）処理が実行される。そして、ワーキングディスタンスＷＤの測定が終わると、ステップＳ５３に進んで、実測したワーキングディスタンスＷＤが所定の公差の範囲であるか否かの判定が行われ、ＹＥＳつまり公差の範囲内であるときにはステップＳ５４に進んで、印字データの高さ補正つまりワーキングディスタンスＷＤの調整を行い、次いで印字処理が実行される（Ｓ５５）。

上記ステップＳ５３で実測したワーキングディスタンスＷＤが所定の公差の範囲から逸脱しているときには、ステップＳ５６に進んで、印字を実行するか否かをユーザに確認する。ユーザが「印字を実行しない」を選択したときには、ステップＳ５７に進んで「エラー」信号を外部機器４０８（例えばＰＬＣ）に出力する。他方、ユーザが「印字を実行する」を選択したときには、ステップＳ５８に進んで「警告」信号を外部機器４０８（例えばＰＬＣ）に出力した後に上述したステップＳ５４（印字データの高さ補正）、Ｓ５５（印字処理）を実行する。

３１０ レーザビーム走査系
３１４ Ｘ軸スキャナ
３１４a ガルバノミラー
３１６ Ｙ軸スキャナ
３１６a ガルバノミラー
３３０ 受光軸
３３２ 撮像素子
３３４ ハーフミラー
３３６ レーザビーム出射軸
３４０ 距離測定用ポインタ光出射器
５００ 印字可能範囲
５０２ 座標原点
５０４ 撮像領域
５０８ 撮像画像
５１０ 輝点
Ｌｐ ポインタ光
Ｌｂ レーザビーム

Claims (12)

1. レーザビームを走査させることによりワークを加工するレーザ加工装置であって、
   前記ワークの表面に向けてポインタ光を出射する距離測定用ポインタ光出射器と、
   前記レーザビームの出射軸から分岐した受光軸を有し、前記ポインタ光が当たって前記ワーク表面に生成された輝点を撮像する撮像部と、
   ワーキングディスタンスを導き出すための距離導出情報を記録したメモリと、
   該メモリの前記距離導出情報と前記撮像部が撮像した撮像画像の輝点の位置とに基づいてワーキングディスタンスを求めるワーキングディスタンス測定手段とを有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記レーザ加工装置は、前記ワークをレーザ加工するときに使用する座標系を有し、
   前記ワークの表面が基準高さに位置するときに、前記輝点が前記座標系の原点に位置する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザ加工装置が、前記レーザビームを走査するためのガルバノミラーを有する、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記ガルバノミラーに映った前記輝点が前記撮像部によって撮像される、請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記距離導出情報が、複数の前記輝点の位置と、各輝点の位置に対応するワーキングディスタンスとを相関させたテーブルである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記ワーキングディスタンスは、前記レーザ加工装置の筐体の所定位置に位置する基準面とワーク表面までの距離である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
7. 前記レーザ加工装置がレーザ印字装置であり、
   前記ワーキングディスタンス測定手段によって測定されたワーキングディスタンスによって、予め設定された印字データのＺ座標の補正を行う高さ補正手段を更に有する、請求項２〜６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
8. 前記ワーキングディスタンスに所定の公差を設定する公差設定手段と、
   前記測定した前記ワーキングディスタンスが前記公差の範囲から逸脱しているときに外部機器に警告信号を出力する警告出力手段とを更に有し、
   該警告信号が前記外部機器に出力されたときに、前記ワーキングディスタンスの補正を実行することが選択可能である、請求項７に記載のレーザ加工装置。
9. レーザビームを走査させることによりワークを加工するレーザ加工方法であって、
   ワーク加工ステージに位置決めされた前記ワークの表面に向けてポインタ光を出射して、前記ワークの表面に、前記ポインタ光の輝点を生成する輝点生成工程と、
   前記レーザビームの出射軸から分岐した受光軸を有する撮像部によって前記ワーク加工ステージに位置決めされたワークの撮像画像を取得する画像取得工程と、
   該画像取得工程で取得した前記撮像画像の前記輝点の位置からワーキングディスタンスを求めるワーキングディスタンス測定工程と、
   該ワーキングディスタンス測定工程によって測定したワーキングディスタンスに基づいて、予め設定された加工データのＺ座標を補正するワーキングディスタンス補正工程とを有することを特徴とするレーザ加工方法。
10. 前記ワーキングディスタンスを導き出すための距離導出情報を予め用意し、
    前記ワーキングディスタンス測定工程では、前記距離導出情報と、前記画像取得工程で取得した撮像画像の前記輝点の位置に基づいて前記ワーキングディスタンスを測定する、請求項９に記載のレーザ加工方法。
11. 前記距離導出情報が、複数の前記輝点の位置と、各輝点の位置に対応するワーキングディスタンスとを相関させたテーブルである、請求項１０に記載のレーザ加工方法。
12. 前記距離導出情報が、前記撮像画像の輝点の位置を代入することによりワーキングディスタンスを求めることのできる数式である、請求項１０に記載のレーザ加工方法。

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