JP7388917B2 - レーザ加工装置 - Google Patents
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Description
励起光を生成する励起光生成部と、
該励起光生成部により生成された励起光に基づいてレーザ光を生成して出力するレーザ光出力部と、
該レーザ光出力部から出力されたレーザ光を被加工物の表面上で2次元走査するレーザ光走査部と、
前記レーザ光を透過する透過ウインドウが設けられ、少なくとも前記レーザ光出力部及び前記レーザ光走査部を収容した筐体と、
該筐体の内部に設けられ、前記レーザ光走査部により2次元走査される加工領域に載置された被加工物に対して照明光を照射する照明光源と、
前記筐体の内部において前記照明光源の前方に隣接して設けられ、該照明光源から出射された照明光を偏光する照明側偏光部材と、
前記筐体の内部に設けられ、前記照明側偏光部材により偏光された光が前記被加工物の表面で反射した反射光を受けてこれを偏光させる撮像側偏光部材と、
前記筐体の内部において、撮像光軸が、前記レーザ光走査部により走査されるレーザ光の光軸と非同軸であるとともに前記透過ウインドウと交わるように設けられ、前記撮像側偏光部材で偏光された反射光を受光することにより前記被加工物を撮像して画像を生成する撮像部と、
前記撮像部により生成された画像に基づいて前記被加工物の位置ズレを補正して、前記レーザ光出力部及び前記レーザ光走査部を制御する制御部と、を備えるレーザ加工装置を提供することにより達成される。
図1はレーザ加工システムSの全体構成を例示する図であり、図2はレーザ加工システムSにおけるレーザ加工装置Lの概略構成を例示する図である。図1に例示するレーザ加工システムSは、レーザ加工装置Lと、これに接続される操作用端末800及び外部機器900とを備えている。そして、図1及び図2に例示するレーザ加工装置Lは、マーカヘッド1から出射されたレーザ光を被加工物(ワークW)へ照射するとともに、ワークWの表面上で3次元走査することによって表面加工を行う。なお、ここでいう「3次元走査」とは、レーザ光の照射先をワークWの表面上で走査する2次元的な動作(いわゆる「2次元走査」)と、レーザ光の焦点位置を調整する1次元的な動作と、の組み合わせを総称した概念を指す。
<マーカコントローラ100>
図2を参照して、マーカコントローラ100は、加工条件を記憶する条件設定記憶部102と、条件設定記憶部102に記憶されている加工条件に基づいてマーカヘッド1を制御する制御部101と、レーザ励起光を生成する励起光生成部110とを備えている。
条件設定記憶部102は、操作用端末800で設定された加工条件を記憶するとともに、記憶された加工条件を制御部101へと出力するように構成されている。条件設定記憶部102は、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、ハードディスクドライブ(HDD)、ソリッドステートドライブ(SSD)等で構成されている。なお、操作用端末800をマーカコントローラ100に組み込んだ場合には、記憶装置803が条件設定記憶部102を兼用するように構成してもよい。
制御部101は、条件設定記憶部102に記憶された加工条件に基づいてマーカコントローラ100に含まれる励起光生成部110、マーカヘッド1のレーザ光出力部2、レーザ光案内部3、レーザ光走査部4、測距ユニット5、広域カメラ6を統合的に制御して、ワークWの印字加工等を実行する。制御部101は、CPU、メモリ、入出力パスを有しており、ユーザが操作用端末800を介して入力した情報を示す信号や条件設定記憶部102から読み込んだ加工条件を示す信号に基づいて制御信号を生成する。制御部101は、ワークWに対する印字加工、ワークWまでの距離の測定を制御する。
励起光生成部110は、駆動電流に応じたレーザ光を生成する励起光源111と、励起光源111に駆動電流を供給する励起光源駆動部112と、励起光源111に対して光学的に結合された励起光集光部113と、を備えている。励起光源駆動部112は、制御部101から出力された制御信号に基づいて、励起光源111へ駆動電流を供給する。励起光源111は、励起光源駆動部112から駆動電流が供給されるとともに、その駆動電流に応じたレーザ光を発振する。例えば、励起光源111は、レーザダイオード(LD)等で構成されており、複数のLD素子を直線状に並べたLDアレイやLDバーを用いることができる。励起光源111としてLDアレイやLDバーを用いた場合、各素子から発振されるレーザ光は、ライン状に出力されて励起光集光部113に入射する。励起光集光部113は、励起光源111から出力されたレーザ光を集光してレーザ励起光として出力する。例えば、励起光集光部113は、フォーカシングレンズ等で構成されている。励起光集光部113は、マーカヘッド1に対して光ファイバーケーブルを介して光学的に結合される。励起光生成部110から出射される励起光(具体的には、励起光集光部113から出力されるレーザ励起光)は無偏光とすることができる。これにより偏光状態の変化を考慮する必要がなく、設計上有利となる。特に、励起光源111周辺の構成については、複数のLD素子を数十個配列したLDアレイから各々得られる光を光ファイバでバンドルして出力する。
マーカコントローラ100はワークWまでの距離を測定する距離測定部103を有している。距離測定部103は測距ユニット5と電気的に接続されており、測距ユニット5による測定結果に関連した信号(少なくとも、測距光受光部5Bにおける測距光の受光位置を示す信号)を受け取ることができる。レーザ加工装置LはワークWの表面を撮像するための狭域カメラ37と広域カメラ6とを備えている。マーカコントローラ100の制御部101は、狭域カメラ37、広域カメラ6の撮像画像に基いて処理を行うことができる。マーカコントローラ100は、マーキングパターンに係る情報を設定する設定部107を備えている。設定部107による設定内容は 走査制御部としての制御部101が読み込んで使用する。なお、距離測定部103及び設定部107は、制御部101によって構成してもよい。例えば、制御部101が距離測定部103を兼用してもよい。
マーカヘッド1は、レーザ励起光を増幅・生成して出力するレーザ光出力部2と、レーザ光出力部2から出力されたレーザ光をワークWの表面へ照射して2次元走査を行うレーザ光走査部4と、レーザ光出力部2からレーザ光走査部4へ至る光路を構成するレーザ光案内部3と、レーザ光走査部4を介して投光及び受光した測距光に基づいてワークWの表面までの距離を測定するための測距ユニット5と、を備えている。レーザ光案内部3は、単に光路を構成するだけでなく、レーザ光の焦点位置を調整するZスキャナ(焦点調整部)33、ガイド光を出射するガイド光源及びワークWの表面を撮像する狭域カメラ37など、複数の部材が組み合わされて構成されている。
レーザ光出力部2は、印字加工用の近赤外レーザ光を生成して、この近赤外レーザ光つまりレーザ加工用レーザ光をレーザ光案内部3に向けて出力するように構成されている。レーザ光出力部2は、レーザ励起光に基づき所定の波長を有するレーザ光を生成するとともに、これを増幅して近赤外レーザ光を出射するレーザ発振器21aと、レーザ発振器21aから発振された近赤外レーザ光の一部を分離させるためのビームサンプラー21bと、ビームサンプラー21bによって分離した近赤外レーザ光が入射するパワーモニタ21cと、を備えている。レーザ発振器21aは、レーザ励起光に対応した誘導放出を行ってレーザ光を出射するレーザ媒質と、レーザ媒質から出射されるレーザ光をパルス発振するためのQスイッチと、Qスイッチによりパルス発振されたレーザ光を共振させるミラーと、を有している。なお、レーザ媒質としてロッド状のNd:YVO4(イットリウム・パナデイト)が用いられている。これにより、レーザ発振器21aは1064nm付近の波長を有するレーザ光を出射することができる。
レーザ光案内部3は、レーザ光出力部2から出射された近赤外レーザ光をレーザ光走査部4へと案内する光路Pを生成する。レーザ光案内部3は、光路Pを形成するためのベンドミラー34に加えて、Zスキャナ(焦点調整部)33、ガイド光源(ガイド光出射部)36及び狭域カメラ37等を備えている。レーザ光出力部2から入射した近赤外レーザ光はベンドミラー34によって反射され、レーザ光案内部3を通過する。ベンドミラー34へ至る途中には、近赤外レーザ光の焦点位置を調整するためのZスキャナ33が配置されている。Zスキャナ33を通過してベンドミラー34を反射した光はレーザ光走査部4に入射する。
―ガイド光源36―
ガイド光源36は、所定の加工パターンをワークWの表面上に投影するためのガイド光を出射する。このガイド光の波長は可視光域に収まるように設定されている。ガイド光は例えば655nm付近の波長を有する赤色レーザ光である。ユーザは、マーカヘッド1から出射される加工用レーザ光の動きをガイド光によって目視で直接的に把握することができる。
上流側合流機構31は、ガイド光源36から出射された可視光のガイド光を上流側光路Puに合流させる。上流側合流機構31によってガイド光と、上流側光路Puにおける加工用の近赤外レーザ光とが同軸上を進む。
焦点調整部を構成するZスキャナ33は、レーザ光案内部3が生成する光路の途中に配置されており、レーザ光出力部2から出射された近赤外レーザ光の焦点位置を調整する。Zスキャナ33は、図3A、図3Bに示すように、レーザ光出力部2から出射された近赤外レーザ光を透過させる入射レンズ33aと、入射レンズ33aを通過した近赤外レーザ光を通過させるコリメートレンズ33bと、入射レンズ33a及びコリメートレンズ33bを通過した近赤外レーザ光を通過させる出射レンズ33cと、ケーシング33eとを有する。ケーシング33eには、入射レンズ33aを移動させるレンズ駆動部33dと、入射レンズ33a、コリメートレンズ33b、出射レンズ33cが収容されている。入射レンズ33aは平凹レンズで構成される。コリメートレンズ33b及び出射レンズ33cは平凸レンズで構成される。入射レンズ33a、コリメートレンズ33b及び出射レンズ33cは光軸が互いに同軸になるように配置されている。
狭域カメラ37は、ベンドミラー34と略同じ高さに配置されており、レーザ光走査部4からレーザ光案内部3へと入射した反射光を受光する。狭域カメラ37は、ワークWの印字点において反射された反射光が、ベンドミラー34を介して入射するように構成されている。狭域カメラ37は、入射した反射光を結像することでワークWの表面の画像を撮像する。なお、狭域カメラ37の配置位置は、適宜、変更可能である。例えば、狭域カメラ37及びベンドミラー34の高さを互いに異ならせてもよい。
ベンドミラー34は、下流側光路Pdの途中に設けられており、下流側光路Pdを折り曲げて後方に指向させる。図6に示すように、ベンドミラー34は、下流側合流機構35のダイクロイックミラー35aと略同じ高さに配置されており、Zスキャナ33を通過した近赤外レーザ光及びガイド光を反射する。ベンドミラー34によって反射された近赤外レーザ光及びガイド光は、後方に向かって進み、下流側合流機構35を通過してレーザ光走査部4(具体的には第1スキャナ41)へ至る。
下流側合流機構35は、測距ユニット5の測距光出射部5Aから出射された測距光を下流側光路Pdに合流させることによりレーザ光走査部4を介してワークWへ導く。加えて、下流側合流機構35は、ワークWにより反射されてレーザ光走査部4及び下流側光路Pdの順に戻る測距光を、測距ユニット5の測距光受光部5Bへ導く。下流側合流機構35を設けることで、測距光出射部5Aから出射された測距光と、下流側光路Pdの近赤外レーザ光及びガイド光とが同軸上に合流される。加えて、下流側合流機構35を設けることで、マーカヘッド1から出射されてワークWにより反射された測距光のうち、マーカヘッド1に入射した測距光を測距光受光部5Bまで導く。
図3Aに示すように、レーザ光走査部4は、レーザ光出力部2から出射されてレーザ光案内部3により案内された加工用の近赤外レーザ光をワークWへ照射するとともに、そのワークWの表面上で2次元走査する。図5に示す例では、レーザ光走査部4は、いわゆる2軸式のガルバノスキャナで構成されている。すなわち、このレーザ光走査部4は、レーザ光案内部3から入射した近赤外レーザ光を第1方向に走査するための第1スキャナ41と、第1スキャナ41により走査された近赤外レーザ光を第2方向に走査するための第2スキャナ42と、を有している。
図3Bに示すように、測距ユニット5は、レーザ光走査部4を介して測距光を投光し、これをワークWの表面に照射する。測距ユニット5は、レーザ光走査部4を介して、ワークWの表面により反射された測距光を受光する。測距ユニット5は、主に、測距光を投光するためのモジュールと、測距光を受光するためのモジュールとに大別される。具体的に、測距ユニット5は測距光出射部5Aを備えている。測距光出射部5Aは、レーザ加工装置Lにおけるマーカヘッド1からワークWの表面までの距離を測定するための測距光をレーザ光走査部4に向けて出射する。測距ユニット5は測距光受光部5Bを有している。測距光受光部5Bは、レーザ光走査部4を介して、測距光出射部5Aから出射されてワークWにより反射された測距光を受光する。さらに、測距ユニット5は、測距光出射部5A及び測距光受光部5Bを下方から支持する支持台50を備えており、この支持台50を介して筐体10の内部に固定されている。図7に示すように、測距ユニット5は、筐体10の長手方向に沿って前方に測距光を出射するとともに、同長手方向に沿って略後方に伝搬する測距光を受光する。また、測距ユニット5は、前述のダイクロイックミラー35aを介してレーザ光案内部3と光学的に結合される。前述のように、測距ユニット5は、筐体10の長手方向に沿って測距光を投光する。それに対し、ダイクロイックミラー35aは、筐体10の長手方向ではなく、その短手方向に沿って伝搬した測距光を反射するように構成されている。
―測距光出射部5A―
測距光出射部5Aは、筐体10の内部に設けられており、レーザ加工装置Lのマーカヘッド1からワークWの表面までの距離を測定するための測距光を出射する。測距光出射部5Aは測距光源51及び投光レンズ52と、これらを収容するケーシング53と、投光レンズ52によって集光された測距光を案内する一対のガイドプレート54L、54Rと、を有している。測距光源51、投光レンズ52及びガイドプレート54L、54Rは筐体10の後側から順に並んで位置決めされており、それらの並び方向は筐体10の長手方向である。ケーシング53は、筐体10及び支持台50の長手方向に沿って延びる筒状の形状を有している。筐体10の後側に測距光源51が取り付けられている。筐体10の前側に投光レンズ52が取り付けられている。測距光源51と投光レンズ52との間の空間は、略気密状に密閉されている。測距光源51は、制御部101からの信号に従って前方に測距光を出射する。測距光源51は、測距光として、可視光域にあるレーザ光を出射することができる。測距光は例えば690nm付近の波長を有する赤色レーザ光である。
測距光受光部5Bは、筐体10の内部に設けられており、測距光出射部5Aから出射されてワークWにより反射された測距光(前述の「反射光」に等しい)を受光するよう構成されている。測距光受光部5Bは、一対の受光素子56L、56Rと、受光レンズ57と、を有している。一対の受光素子56L、56Rは、それぞれ支持台50の後端部に配置されている。受光レンズ57は、支持台50の前端部に配置されている。したがって、一対の受光素子56L、56Rと、受光レンズ57と、は実質的に筐体10及び支持台50の長手方向に沿って並んで配置されている。
図9は、三角測距方式について説明する図である。図9においては、測距ユニット5のみが図示されているが、以下の説明は、前述のように、レーザ光走査部4を介して測距光が出射される場合にも適用可能である。
図10は、加工基準面Rbについて説明する図である。図3A、図3B及び図10に例示するように、各印字点までの距離を測定するための測距光、及び各印字点に照射される近赤外の加工用レーザ光は、いずれも透過ウインドウ19を透過してワークWに至る。ここで、各印字点は、ワークWの表面上に設定される加工領域R1に設けられる。加工領域R1の設定は、制御部101が実行する加工領域R1を設定することで、各ワークWにおいて加工が施されるべき部位を指定することができる。
(透過ウインドウ19)
図11は、透過ウインドウ19及び広域カメラ6の構成を示す下面図であり、図12は透過ウインドウ19及び広域カメラ6の横断面図であり、図13は透過ウインドウ19及び広域カメラ6の縦断面図である。図12に示す横断面は、図11のA-A断面に相当する。図13に示す縦断面は、図11のB-B断面に相当する。図11を参照して、透過ウインドウ19は、筐体10の外面に形成されており、レーザ光走査部4によって2次元走査された近赤外レーザ光、及び測距ユニット5から出射された測距光を、それぞれ、筐体10の外部に出射する。透過ウインドウ19は、筐体10の外面に設けられた貫通孔19aと、この貫通孔19aに取り付けられた透明部材19bと、を有している。貫通孔19aは、略円形状に形成されており、筐体10の底板10aを上下方向に貫いている。一方、透明部材19bは、貫通孔19aに嵌め込まれており、透過ウインドウ19から出射される近赤外レーザ光及び測距光が、それぞれ透過するように構成されている。透明部材19bは略円形のガラス板で構成されている。この透明部材19bを真円とみなしたときの中心は図11及び図12に示すように、第2ミラー42aの直下に位置決めされている。透明部材19bを貫通孔19aに嵌め込むことで、筐体10内の空間を気密状に密閉することができる。
広域画像に関する撮像部としての広域カメラ6は、透過ウインドウ19を通じてワークWを撮像することにより、加工領域R1の少なくとも一部を含んだワーク画像Pwを生成するように位置決めされている(図18も参照)。なお、図10に示す例では、レーザ光走査部4によって走査可能な領域の全域を加工領域R1としているが、この例には限定されない。走査可能な領域のうちの一部を加工領域R1としてもよい。また図10に示すように、広域カメラ6は、その撮像光軸Acと、加工基準面Rbとが直交するように筐体10内に配置されている。広域カメラ6は、撮像用の光学レンズ61と、光学レンズ61を通じて取り込んだ光は撮像素子62で結像される。広域カメラ6は光学レンズ61を下方に向けて設置されている。広域カメラ6の撮像光軸Acは、透明部材19b及び加工基準面Rbの双方に対して直交している。近赤外の加工用レーザ光の光軸Az(以下、これを「レーザ光軸」ともいう)は、図10に示すように、第2スキャナ42の第2ミラー42aから下方に向かって延びている。撮像光軸Acはレーザ光軸Azと同軸ではなく、互いに独立している。撮像光軸Acはレーザ光軸Azと好ましくは平行であるのがよい。
<レーザ加工システムSの使用方法について>
図14は、レーザ加工システムSの使用方法を示すフローチャートである。図15は、印字設定の作成手順を例示するフローチャートである。図16はレーザ加工装置Lの運用手順を例示するフローチャートである。図17は、ワークWの加工領域R1と表示部801の設定画面R4との関係を説明するための図である。図18は、広域ワーク画像Pwによる部分画像Ppの生成を説明する図である。
図15は、図14のステップS1の具体的な処理を例示している。まず、ステップS11における、ステップS11aにおいて、広域カメラ6が撮像領域R2の全域に対応した広域ワーク画像Pwを生成する(図18(a)を参照)。広域ワーク画像Pwには、透過ウインドウ19の縁の一部19cが映り込む。そして、ステップS11における、ステップS11bにおいて、制御部101は、広域ワーク画像Pwから縁の一部19cを除いた部分画像Ppを生成する(図18(b)を参照)。この部分画像Ppは、加工領域R1の少なくとも一部を撮像した画像として生成される。制御部101によって生成された部分画像Ppは、操作用端末800へと出力される。そして、操作用端末800の表示部801が、加工領域R1に対応した設定画面R4を表示するとともに、設定画面R4上に部分画像Ppを表示する(図18(c)を参照)。これにより、加工領域R1上の座標、すなわち、ワークWの表面上の座標と設定画面R4上の座標とを対応付けることができる。
図16は、図14のステップS3の具体的な処理を例示している。すなわち、図16に示す処理は、製造ラインを稼働させたときに流れてくる各ワークWに対して順番に実行される。まず、ステップS31において、マーカコントローラ100が印字ブロックの詳細等を示す印字設定を読み込む。そして、ステップS32において、ステップS32aでは、広域カメラ6が、加工領域R1の少なくとも一部を示す撮像領域R2を撮像することにより、該撮像領域R2に対応した広域ワーク画像Pwを生成する(図18(a)を参照)。広域ワーク画像Pwには、透過ウインドウ19の縁の一部19cが映り込む。そして、ステップS32におけるステップS32bにおいて、制御部101は、ワーク画像Pwから縁の一部19cを除いた部分画像Ppを生成する(図18(b)を参照)。部分画像Ppは、加工領域R1の少なくとも一部を撮像した画像として生成される。
図10に例示するように、広域撮像部としての広域カメラ6は、撮像光軸Acと、加工基準面Rbとを直交させた姿勢で筐体10内に配置されている。このように配置することで、ワークWを斜め上方からではなく、真上から撮像することができる。そのことで、広域撮像画像としてのワーク画像Pwの歪みが解消される。また、撮像光軸Acと、加工用の近赤外レーザ光との同軸化が必須ではなくなるため、広域カメラ6の撮像視野Fvを拡大することが可能である。
図19は、マーカヘッド1の変形例を示す図であり、図10に対応する図である。以下、マーカヘッド1の変形例に符号「1’」を付し、これを単に「マーカヘッド1’」と呼称する。図19を参照して、マーカヘッド1’の透明部材19bは、レンズ効果がない、又は、レンズ効果が低い扁平な部材からなる。図19に示す広域カメラ6は、その撮像光軸Acと、加工基準面Rbと、を直交させた姿勢で筐体10内に配置されているところ、広域カメラ6は、撮像視野Fvに、レーザ光走査部4(特に第2スキャナ42)が含まれる位置に設けられている。よって、広域カメラ6により生成されるワーク画像Pwには、レーザ光走査部4(特に第2スキャナ42)が映り込むことになる。
4 レーザ光走査部
6 広域カメラ
10 筐体
19 透過ウインドウ
70 照明窓
71 照明部材
Ax 照明光源の軸線
72 照明光源(LED)
73 リフレクタ
75 偏光板(照明側)
TL 治具
62 撮像素子
81 レンズホルダ
82 レンズ鏡筒
84 IRカットフィルタ
85 偏向部材(カメラ側)
Pw 広域ワーク画像
Ac 撮像光軸
R1 加工領域
W 被加工物(ワーク)
Claims (5)
- 励起光を生成する励起光生成部と、
該励起光生成部により生成された励起光に基づいてレーザ光を生成して出力するレーザ光出力部と、
該レーザ光出力部から出力されたレーザ光を被加工物の表面上で2次元走査するレーザ光走査部と、
前記レーザ光を透過する透過ウインドウが設けられ、少なくとも前記レーザ光出力部及び前記レーザ光走査部を収容した筐体と、
該筐体の内部に設けられ、前記レーザ光走査部により2次元走査される加工領域に載置された被加工物に対して照明光を照射する照明光源と、
前記筐体の内部において前記照明光源の前方に隣接して設けられ、該照明光源から出射された照明光を偏光する照明側偏光部材と、
前記筐体の内部に設けられ、前記照明側偏光部材により偏光された光が前記被加工物の表面で反射した反射光を受けてこれを偏光させる撮像側偏光部材と、
前記筐体の内部において、撮像光軸が、前記レーザ光走査部により走査されるレーザ光の光軸と非同軸であるとともに前記透過ウインドウと交わるように設けられ、前記撮像側偏光部材で偏光された反射光を受光することにより前記被加工物を撮像して画像を生成する撮像部と、
前記撮像部により生成された画像に基づいて前記被加工物の位置ズレを補正して、前記レーザ光出力部及び前記レーザ光走査部を制御する制御部と、を備えるレーザ加工装置。 - 前記筐体は、前記透過ウインドウの周囲に複数の照明窓を有し、
各照明窓毎に前記照明光源が配置されている、請求項1に記載のレーザ加工装置。 - 前記撮像部が、レンズを収容したレンズ鏡筒を有し、
前記撮像部の撮像素子と前記レンズ鏡筒との間に前記撮像側偏光部材が配置されている、請求項2に記載のレーザ加工装置。 - 前記撮像側偏光部材が偏光板で構成され、
該偏光板が赤外線カットフィルムと一体化されている、請求項3に記載のレーザ加工装置。 - 前記赤外線カットフィルムにおける前記撮像素子側の面に前記偏光板が配置されている、請求項4に記載のレーザ加工装置。
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