JP7398725B2 - レーザ加工装置、制御方法、および補正データ生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、被溶接物の加工に用いられるレーザ加工装置、制御方法、および補正データ生成方法に関するものである。

従来のレーザ加工装置としては、光干渉計を用いて試料内部の構造を可視化するＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）技術を用いて、レーザ光による金属加工中に発生するキーホールの深さを計測する装置が提案されている（特許文献１参照）。図１６は特許文献１に記載された従来のレーザ加工装置の構成を示す図である。

図１６において、溶接ヘッド１０８には加工用レーザ光１０７と測定光１０５が導入される。特に測定光１０５はコリメータモジュール１０６とダイクロイックミラー１１０を経て加工用レーザ光１０７と光軸を共有する同軸構成となるように配置されている。測定器として、分析ユニット１００、光ファイバ１０１、ビームスプリッタ１０３、光ファイバ１０４、参照アーム１０２、測定アーム１０９からなる光干渉計を用いたＯＣＴ光学系が構成されており、ＯＣＴの測定光として、光ファイバ１０４を通じて測定光１０５が照射されている。

加工用レーザ光１０７と測定光１０５は集光レンズ１１１で集光されて、加工物１１２に照射され、加工物１１２は加工用レーザ光１０７により加工される。集光された加工用レーザ光１０７が加工物１１２の加工部１１３に照射されると、加工物１１２を構成する金属は溶融し、溶融金属が蒸発する際の圧力により形成されるキーホールの底面に測定光１０５が照射され、キーホールで反射された測定光１０５と、参照アーム１０２側の光（参照光）との光路差に応じて生じる干渉信号からキーホール深さを求めることができる。キーホールは形成直後に周囲の溶融金属により埋められるため、キーホールの深さは金属加工部の溶融部深さ（溶け込み深さ）とほぼ同じである。これにより、加工部１１３の溶け込み深さが計測される。

特表２０１３－５０１９６４号公報

近年、レーザ加工装置として、レーザ光を反射させる方向を詳細に制御できる可動ミラーであるガルバノミラーと、被加工物表面の加工点にレーザ光を集光するｆθレンズとを組み合わせ、加工用レーザ光を光学走査する構成がよく知られている。特許文献１に開示されたキーホールの深さ測定方法を、ｆθレンズとガルバノミラーの組合せにより構成されたレーザ加工装置に適用しようとすると、加工用レーザ光と測定光との波長の違いにより、ｆθレンズが持つ色収差特性のため、被加工物表面において加工用レーザ光と測定光とにずれが生じてしまうことがある。このため、正確なキーホールの深さ測定を行うことが困難であった。

本発明は、このような事情に鑑み、正確なキーホールの深さ測定を実現できるレーザ加工装置、制御方法、および補正データ生成方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工装置は、被加工物の表面の加工されるべき加工点に対して加工用レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記加工点に対して測定光を出射し、前記加工点で反射された前記測定光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づく光干渉強度信号を生成する光干渉計と、前記加工用レーザ光および前記測定光の進行方向を変化させる第１ミラーと、前記測定光の前記第１ミラーへの入射角を変化させる第２ミラーと、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置され、前記加工用レーザ光の光路と前記測定光の光路とを重ねる合波ミラーと、前記加工用レーザ光および前記測定光を前記加工点に集光させるレンズと、前記レンズの色収差により生じる前記加工用レーザ光および前記測定光の少なくとも一方の到達位置の前記被加工物の表面におけるずれを解消するようにあらかじめ補正された、前記被加工物を加工するための補正済み加工用データを記憶するメモリと、前記補正済み加工用データに基づいて前記レーザ発振器、前記第１ミラー、および前記第２ミラーを制御する制御部と、前記光干渉強度信号に基づいて、前記加工用レーザ光によって前記加工点に生じるキーホールの深さを導出する計測処理部と、を有する。

本発明の制御方法は、加工用レーザ光および測定光の進行方向を変化させる第１ミラーと、前記測定光の前記第１ミラーへの入射角を変化させる第２ミラーと、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置され、前記加工用レーザ光の光路と前記測定光の光路とを重ねる合波ミラーと、前記加工用レーザ光および前記測定光を被加工物の表面の加工されるべき加工点に集光させるレンズと、を有するレーザ加工装置の制御方法であって、前記レンズの色収差により生じる前記加工用レーザ光および前記測定光の少なくとも一方の前記被加工物の表面における到達位置のずれを解消するようにあらかじめ補正された、前記被加工物を加工するための補正済み加工用データに基づいて、前記第１ミラーおよび前記第２ミラーを制御して、前記加工用レーザ光および前記測定光を前記被加工物に対して照射し、前記加工点で反射された前記測定光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づいて、前記加工用レーザによって前記加工点に生じるキーホールの深さを計測する。

本発明の補正データ生成方法は、加工用レーザ光および測定光の進行方向を変化させる第１ミラーと、前記測定光の前記第１ミラーへの入射角を変化させる第２ミラーと、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置され、前記加工用レーザ光の光路と前記測定光の光路とを重ねる合波ミラーと、前記加工用レーザ光および前記測定光を被加工物の表面に集光させるレンズと、を有するレーザ加工装置において、前記被加工物を加工するためにあらかじめ生成された加工用データを、前記レンズの色収差により生じる前記加工用レーザ光および前記測定光の少なくとも一方の前記被加工物への到達位置のずれを解消するように補正した補正済み加工用データを生成する補正データ生成方法であって、前記被加工物に対して所望のレーザ加工を行うために、前記被加工物の表面の加工が行われるべき加工点毎に設定された、当該加工点に対して照射する前記加工用レーザ光の出力強度、および、当該加工点に前記加工用レーザ光が到達するようにするために前記第１ミラーを動作させる第１動作量を含む加工用データを生成し、前記被加工物の表面の所定の位置毎に、当該位置に前記測定光が到達するようにするために前記第２ミラーを動作させる第２動作量を算出し、前記第２動作量に基づいて、前記加工点毎に、前記加工点に対して前記測定光が到達するようにするために前記第２ミラーを動作させる第３動作量を算出して前記加工用データに加え、補正済み加工用データを生成する。

本発明によれば、正確なキーホールの深さ計測を実現することができる。

本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の構成を示す図 第１ミラーを原点位置から動作させた状態のレーザ加工装置を示す図 倍率色収差による加工用レーザ光と測定光の到達位置のずれを補正した状態のレーザ加工装置を示す図 加工面をレンズ側から見た状態で、第２ミラーは動作させず、第１ミラーのみを動作させて、被加工物の表面を格子状に走査した際の、加工面における加工用レーザ光と測定光の軌跡を例示した図 補正数表データを作成する方法の第一の例を説明するフローチャート 補正数表データを作成する方法の第二の例を説明するフローチャート 補正済み加工データのデータ構成を例示した図 補正済み加工データの作成工程について説明するためのフローチャート 補正数表データのデータ構成を模式的に示した補正数表を説明するための図 補正角設定工程について説明するフローチャート ユーザが加工データとして設定した走査角Ｘ（φｘ_ｋ，φｙ_ｋ）が補正数表上においてデータ点のいずれかの点の補正数表用走査角に一致しなかった場合の走査角Ｘ（φｘ_ｋ，φｙ_ｋ）とその周囲の補正データ点の関係を示した図 レーザ加工工程を説明するフローチャート キーホール深さ計測工程を説明するフローチャート 第２ミラーを動作させたことによる、倍率色収差の影響を補正した状態の、加工面における加工用レーザ光と測定光の軌跡を例示した図 第２ミラーの変形例を示した図 従来のレーザ加工装置の例を示した図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

＜レーザ加工装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置１の構成を示す図である。レーザ加工装置１は加工ヘッド２、光干渉計３、計測処理部４、レーザ発振器５、制御部６、で構成されている。光干渉計３はＯＣＴ測定用の測定光１５を出射し、レーザ発振器５はレーザ加工用の加工用レーザ光１１を発振する。測定光１５は測定光導入口９から、レーザ発振器５で発振された加工用レーザ光１１は加工光導入口１０から、それぞれ加工ヘッド２へ入力される。

加工光導入口１０から導入された加工用レーザ光１１は、ダイクロイックミラー１２を透過し、第１ミラー１３で反射され、レンズ１４を透過して被加工物１８の表面の加工面１９に集光される。これにより、被加工物１８の加工点２０がレーザ加工される。この際、加工用レーザ光１１が照射された加工点２０は溶融し、溶融池２１が形成される。また、溶融池２１から溶融金属が蒸発し、蒸発時に生じる蒸気の圧力によってキーホール２２が形成される。

測定光導入口９から導入された測定光１５は、コリメートレンズ１６で平行光に変換され、第２ミラー１７およびダイクロイックミラー１２で反射された後、第１ミラー１３で反射されて、レンズ１４を透過して被加工物１８の表面の加工点２０に集光される。そして、測定光１５は、キーホール２２の底面で反射され、伝播経路を遡って光干渉計３まで到達し、光干渉計３内で図示しない参照光との光干渉による干渉信号を発生させる。計測処理部４は干渉信号からキーホール２２の深さ、すなわち加工点２０の溶け込み深さを導出する。なお、溶け込み深さとは、被加工物１８の溶けた部分の最頂点と、加工面１９との距離を意味する。

加工用レーザ光１１の波長と測定光１５の波長とは、それぞれ異なる波長である。ダイクロイックミラー１２は、加工用レーザ光１１の波長の光を透過し、測定光１５の波長の光を反射するような特性を有する。

第１ミラー１３および第２ミラー１７は、２軸以上で回転動作させることができる可動ミラーである。本実施の形態において、第１ミラー１３および第２ミラー１７は、それぞれガルバノミラーである。第１ミラー１３、第２ミラー１７は、それぞれ第１ドライバ７、第２ドライバ８を介して制御部６に接続されており、制御部６の制御に基づいて動作する。制御部６には被加工物１８に対して所望の加工を行うための加工データと、後述する補正を行うための補正用データを保持するためのメモリ３１が内蔵されている。

図１に示す例では、第１ミラー１３および第２ミラー１７は、破線で示すように、紙面に対して垂直な回転軸に対する回転動作のみが示されている。しかしながら、実際には第１ミラー１３および第２ミラー１７は、上述したように２軸以上で回転動作できるように構成されており、例えば紙面に平行な回転軸に対して回転動作を行うことも可能である。以下の説明では、簡単のため、図１に示すように、第１ミラー１３および第２ミラー１７が紙面に対して垂直な回転軸に対する回転動作のみを行う場合について説明するが、本発明はこれに限定されず、第１ミラー１３および第２ミラー１７は他の回転軸に対する回転動作を行うことも可能である。

第２ミラー１７が原点位置にあるとき、測定光１５の測定光軸２３は、ダイクロイックミラー１２で反射された後に加工用レーザ光１１の加工光軸２４と一致するようになっている。

また、加工用レーザ光１１の加工光軸２４は、第１ミラー１３が原点位置にあるとき、第１ミラー１３にて反射されてレンズ１４を透過する際に、レンズ１４の中心であるレンズ光軸２５を透過するようになっている。なお、以下の説明において、加工用レーザ光１１および測定光１５がレンズ１４の中心を透過した際に、被加工物１８の加工面１９における加工用レーザ光１１および測定光１５の到達位置（照射位置）を加工原点２６と記載する。

すなわち、第１ミラー１３、第２ミラー１７の原点位置とは、加工用レーザ光１１および測定光１５が、レンズ１４の中心を透過するような位置である。

レンズ１４は、加工用レーザ光１１および測定光１５を加工点２０に集光するためのレンズである。本実施の形態において、レンズ１４は、ｆθレンズである。

第１ミラー１３とレンズ１４は、ガルバノミラーとｆθレンズによる一般的な光学走査系を構成している。このため、第１ミラー１３を原点位置から所定の動作量だけ回転動作させることにより、加工用レーザ光１１の加工面１９への到達位置を制御することができる。なお、所望の加工点２０へ加工用レーザ光１１を照射させるための第１ミラー１３の動作量は、加工ヘッド２を構成する各光学部材の位置関係と、レンズ１４から加工面１９までの距離が決まれば、一意に設定することができる。

レンズ１４から加工面１９までの距離は、加工用レーザ光１１による加工が最も効率的に行われるように、加工用レーザ光１１が最も集光される焦点位置と、加工面１９とを一致させる配置とするのが好適である。しかしながら、本発明はこれに限定されず、レンズ１４から加工面１９までの距離は、加工用途に応じて任意の距離に決定されればよい。

第１ミラー１３の動作角度（動作量）を所定の動作スケジュールで変化させることで、加工面１９上で加工点２０の位置を走査することができる。さらに、制御部６の制御によりレーザ発振器５のオンとオフの切り替えが行われることで、加工用レーザ光１１の走査可能な範囲内における、加工面１９上の任意の位置を任意のパターンでレーザ加工することができる。

＜色収差による影響＞
図２は、第１ミラー１３を原点位置から動作させた状態のレーザ加工装置１を示す図である。図２において、第２ミラー１７は原点位置にあるとする。

図２に示す例では、第１ミラー１３で反射された加工用レーザ光１１および測定光１５は、レンズ１４に到達するまでは同じ光軸上を進む。しかしながら、レンズ１４を透過した後は、図２に示すように、加工用レーザ光１１と測定光１５の進行方向にずれが生じ、測定光１５は加工点２０とは異なる位置に到達する。図２における加工用レーザ光１１の光軸を加工光軸２４ａ、測定光１５の光軸を測定光軸２３ａと記載する。

これは、レンズ１４の色収差が原因である。色収差とは、レンズ１４を含む一般的な光学材料が、光の波長により屈折率が異なる性質を有するために発生する収差である。

色収差には、軸上色収差と、倍率色収差の二種類がある。軸上色収差は、光の波長によりレンズの焦点位置が異なる性質を指し、倍率色収差は光の波長により焦点面における像高が異なる性質を指す。図２における、レンズ１４透過後の加工用レーザ光１１と測定光１５の進行方向のずれは、倍率色収差によるものである。

なお、本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置１では、軸上色収差も同時に発生している。しかしながら、軸上色収差による加工用レーザ光１１と測定光１５のずれについては、コリメートレンズ１６と測定光導入口９との距離を調節し、コリメートレンズ１６を透過直後の測定光１５を平行光の状態からわずかに発散状態または収束状態にすることで対応が可能である。

図２では、加工原点２６に対して、加工用レーザ光１１よりも測定光１５の方が加工面１９における遠い位置に到達している。しかしながら、これは一例であり、レンズ１４のレンズ構成や加工用レーザ光１１と測定光１５との波長の大小関係により、測定光１５の方が加工用レーザ光１１よりも加工原点２６に近い位置に到達する場合もある。一般的には、長波長の光の方が、より加工原点２６から遠い位置に到達する。

倍率色収差を補正する方法として、例えば、レンズ１４に色消しレンズの性質を持たせる方法がある。しかし、レンズ１４に、ｆθレンズとしての性質と、色消しレンズとしての性質を両方持たせようとすると、非常に高度な光学設計技術が必要となり、レンズ１４の設計に多大な時間とコストとが掛かってしまう。このため、本発明では、以下説明するように、第２ミラー１７を動作させることにより、低コストで倍率色収差を補正している。

＜倍率色収差の補正方法＞
図３は、倍率色収差による加工用レーザ光１１と測定光１５の到達位置のずれを補正した状態のレーザ加工装置１を示す図である。

図３では、第２ミラー１７を原点位置から所定の動作角度（動作量）だけ動作させている。これにより、ダイクロイックミラー１２からレンズ１４に到るまでの間、加工用レーザ光１１の加工光軸２４と、測定光１５の測定光軸２３とが同軸関係ではなくなっている。しかしながら、レンズ１４を透過した後、加工用レーザ光１１および測定光１５は、加工面１９において、同じ加工点２０に到達している。図３における、加工用レーザ光１１の加工光軸２４ａは図２と同じ位置を通っており、第２ミラー１７の動作による補正後の測定光１５の測定光軸２３ｂは、図２における測定光軸２３ａとは異なる位置を通っている。

第２ミラー１７を原点位置から動作させる所定の動作量は、第１ミラー１３の動作量と一対一で対応付けられている。第１ミラー１３の動作量は、加工用レーザ光１１（および測定光１５）を照射する加工点２０の位置によって一意に決まっているため、第２可動ミラーの動作量も、測定光１５を照射する加工点２０の位置によって一意に決まる。なお、第２ミラー１７の原点位置からの動作量を、以下の説明において、補正角と記載する。以下では、補正角の求め方について説明する。

［補正角と走査角との関係］
ｆθレンズであるレンズ１４では、レンズ１４の焦点距離をｆ、レンズ１４に入射する光のレンズ光軸２５からの角度をθ、レンズ１４を透過した光線の像面における光軸からの距離（像高と呼ぶ）をｈとすると、ｈ＝ｆθという関係が成り立つ。

本実施の形態では、上述したように、第１ミラー１３は、回転動作する軸を２軸有している。この２軸を仮にｘ軸、ｙ軸とすると、第１ミラー１３で反射された光のレンズ光軸２５からのｘ軸成分の角度をθ_ｘ、同じくレンズ光軸２５からのｙ軸成分の角度をθ_ｙとした場合、像面におけるｘ方向、ｙ方向の像高をｘ、ｙとするとそれぞれについて、ｘ＝ｆθ_ｘ、ｙ＝ｆθ_ｙという関係が成り立つ。

従って、加工用レーザ光１１が加工面１９に到達する加工点の位置を（ｘ，ｙ）とすると、（ｘ，ｙ）＝（ｆθ_ｘ，ｆθ_ｙ）となる。また、ミラーへ光を入射させたときのミラーからの反射光の出射角度は、ミラーの角度変化量の２倍の角度量で変化するため、第１ミラー１３の原点位置から動作量（動作角度）を（φ_ｘ，φ_ｙ）とすると、（２φ_ｘ，２φ_ｙ）＝（θ_ｘ，θ_ｙ）の関係が成り立つ。なお、以下の説明において、第１ミラー１３の原点位置からの動作角度（φ_ｘ，φ_ｙ）を走査角と記載する。

このように、本発明の実施の形態に掛かるレーザ加工装置１では、第１ミラー１３の角度量、つまり走査角（φ_ｘ，φ_ｙ）が決定されると、加工用レーザ光１１の加工面１９における到達位置、すなわち加工点２０の位置（ｘ，ｙ）も決定される。

上述したように、走査角は加工点２０の位置によって一意に決定され、同様に補正角も加工点２０の位置によって一意に決定される。すなわち、ある加工点２０の位置毎に走査角と補正角との関係をあらかじめ導出しておき、加工時には加工点２０の位置に対応する補正角だけ第２ミラー１７を動作させることにより、上述した倍率色収差による測定光１５のずれを補正することができるようになる。

以下では、加工点２０毎の走査角と補正角との対応関係を示す補正数表データの作成方法について説明する。

［補正数表データ作成方法］
図４は、加工面１９をレンズ１４側から見た状態で、第２ミラー１７は動作させず、第１ミラー１３のみを動作させて、被加工物１８の表面を格子状に走査した際の、加工面１９における加工用レーザ光１１と測定光１５の軌跡を例示した図である。

図４では、加工用レーザ光１１の軌跡である加工光軌跡２８が実線で、測定光１５の軌跡である測定光軌跡２７が破線で示されている。図４に示す例では、第２ミラー１７が動作していないため倍率色収差の補正が行われていない。従って、加工原点２６付近では加工用レーザ光１１と測定光１５の軌跡は一致しているが、加工原点２６から遠ざかるにつれて両者のずれが大きくなっている。これにより、加工光軌跡２８は歪みのない格子状パターンを描く一方、測定光軌跡２７は歪んだ糸巻き型の軌跡を描いている。なお、図４に示す測定光軌跡２７の形状は一例であり、測定光軌跡２７の歪み形状はレンズ１４の光学特性によって変化しうる。

なお、図４では一例として、等間隔の４×４マスの格子パターンを図示しているが、本発明はこれに限定されない。走査のための格子パターンは、より細かいマス数の格子に設定されたり、ｆθレンズの倍率色収差特性に関連して特に精度の必要な領域の格子間隔を狭くされたりしてもよい。また、放射状の格子パターンが設定されてもよい。ただし、本実施の形態では、補正角はｘ軸およびｙ軸の２軸で設定されるため、図４に示すような直交格子パターンの方がより好適である。

図４に示す加工光軌跡２８と測定光軌跡２７を比較すると、格子状パターンの対応する各格子点においてずれが生じていることが分かる。

補正数表データを作成するためには、加工光軌跡２８上のある１つの格子点である加工光格子点３０と、測定光軌跡２７の対応する測定光格子点２９とが一致するように補正角を決定する必要がある。

以下では、ある格子点位置における補正角を求める方法について説明する。

図５は、補正数表データを作成する方法の第一の例を説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、図４に示す加工光軌跡２８のように、加工面１９上にレーザ加工を行う範囲の格子状パターンを設定する。

ステップＳ２において、格子状パターンの位置に２次元ビームプロファイラ（図示せず）を設置する。このとき、２次元ビームプロファイラの検出面の高さ位置は加工面１９と一致するように設置される。

ステップＳ３において、格子点位置に加工用レーザ光１１が到達するよう第１ミラー１３の走査角を設定する。

ステップＳ４において、加工用レーザ光１１を照射して、２次元ビームプロファイラを用いて、実際に加工用レーザ光１１が加工面１９に到達した到達位置を求める。

ステップＳ５において、測定光１５を照射して、２次元ビームプロファイラを用いて、実際に測定光１５が加工面１９に到達した到達位置を求める。

ステップＳ６において、ステップＳ４において求めた加工用レーザ光１１の到達位置と測定光１５の到達位置が一致するように、２次元ビームプロファイラの測定結果を参照しながら、第２ミラー１７の補正角を設定する。

ステップＳ７において、設定した走査角および補正角を補正数表のデータとしてメモリ３１に保存する。

ステップＳ８において、ステップＳ１で設定した格子状パターンのすべての格子点において補正数表のデータを取得したか否かの判定を行う。全ての格子点においてデータを取得した場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、処理は終了し、そうでない場合（ステップＳ８：Ｎｏ）、処理はステップＳ９に進む。

ステップＳ９において、異なる格子点位置を設定し、ステップＳ２に戻る。

次に、補正数表データを作成する方法の第二の例について説明する。図６は、補正数表データを作成する方法の第二の例を説明するフローチャートである。

ステップＳ１１において、仮の被加工物として金属の平板（以下、金属板と記載する）等を設置し、図４に示す加工光軌跡２８のように、加工面１９上にレーザ加工を行う範囲の格子状パターンを設定する。

ステップＳ１２において、格子点位置に加工用レーザ光１１が到達するよう第１ミラー１３の走査角を設定する。

ステップＳ１３において、加工用レーザ光１１を照射して金属板の表面に微小穴を開ける。このとき、加工用レーザ光１１の出力強度および照射時間は、被加工物１８を貫通しないように調整される。微小穴の直径は、光干渉計３の計測分解能に比べて２～３倍程度であることが好ましい。

ステップＳ１４において、光干渉計３により、作成した微小穴の形状測定を行う。この際、第２ミラー１７を角度位置からある程度動作させて測定光１５を走査することで、微小穴近傍の３次元的な形状測定を行うことができる。

ステップＳ１５において、ステップＳ１４で測定した形状測定データを用いて、微小穴の最深部に測定光１５が到達するための補正角を求める。

ステップＳ１６において、ステップＳ１５で求めた補正角と、そのときの走査角と補正数表データとしてメモリ３１に保存する。

ステップＳ１７において、ステップＳ１０で設定した格子状パターンのすべての格子点において補正数表のデータを取得したか否かの判定を行う。全ての格子点においてデータを取得した場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）、処理は終了し、そうでない場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）、処理はステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８において、異なる格子点位置を設定し、ステップＳ１２に戻る。

以上で説明した方法により、補正数表データが得られる。なお、図４に示す例では、４×４の格子パターン上の１６個の格子点における補正数表データしか作成できないが、実際は格子パターンを細かくして、より多くの格子点における補正数表データを取得しておくことが好適である。しかしながら、どれほど細かい格子パターンを用いて補正数表データを作成したとしても、第１ミラー１３の動作角（走査角）は機構上の動作範囲内であればどのような値でも設定することができるため、走査角が補正数表データと一致しない場合が生じうる。このような場合には、補正数表データを補間して補正角を求める必要がある。補正数表データを補間して補正角を求める方法については、後述する。

［加工データ作成方法］
次に、被加工物１８を加工するための加工データの作成方法の流れについて説明する。

従来、ｆθレンズとガルバノミラーを有するレーザ加工装置では、レーザ発振器への出力指示値と走査角のデータ項目が加工点毎にセットになった加工データを用いて制御部がレーザ発振器およびガルバノミラーを制御していた。加工データは時系列順に並べられており、時系列に沿って被加工物表面の全ての加工点に対して加工を行うことにより、被加工物全体のレーザ加工を行っていた。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置１では、加工データのデータ項目として、レーザ発振器への出力指示値、加工点の位置、および走査角に加えて、補正角が加えられる。以下の説明において、このように補正角がデータ項目として加えられた加工データを、補正済み加工データと記載する。

図７は、補正済み加工データのデータ構成を例示した図である。図７に示すように、補正済み加工データは、一組のデータ項目として、加工データの順番を示すデータ番号ｋ、ｘ方向の加工点位置ｘ_ｋ、ｙ方向の加工点位置ｙ_ｋ、レーザ発振機への出力指示値を示すレーザ出力データＬ_ｋ、ｘ方向の走査を担う第１ミラー１３の走査角φｘ_ｋ、ｙ方向の走査を担う第１ミラー１３の走査角φｙ_ｋ、ｘ方向の測定光の補正を担う第２ミラー１７の補正角ψｘ_ｋ、ｙ方向の測定光の補正を担う第２ミラー１７の補正角ψｙ_ｋ、を含む。なお、データ番号ｋ以外の各データ項目の添え字ｋはデータ番号ｋ番目に対応するデータ項目であることを表している。補正済み加工データにおける走査角は、本発明の第１指示値の一例であり、補正済み加工データにおける補正角は、本発明の第２指示値の一例である。

図８は、補正済み加工データの作成工程について説明するためのフローチャートである。

ステップＳ２１において、メモリ３１内にある加工データが保存されている領域に付けられているデータ番号ｋを０に設定する。

ステップＳ２２において、メモリ３１内のデータ番号ｋの領域に、レーザ出力データＬ_ｋ、加工点位置ｘ_ｋ、ｙ_ｋを保存する。これらの値は、所望のレーザ加工を実現するために、レーザ加工装置１のユーザが、図示しない操作部（キーボード、マウス、タッチパネル等）を用いて設定する設定値である。

ステップＳ２３において、ステップＳ２２で保存した加工点位置ｘ_ｋ、ｙ_ｋから第１ミラー１３の走査角φｘ_ｋ，φｙ_ｋを算出し、メモリ３１内のデータ番号ｋの領域に保存する。レンズ１４の焦点距離がｆのとき、加工点位置と走査角の間には（ｘ_ｋ，ｙ_ｋ）＝（２ｆ・φｘ_ｋ，２ｆ・φｙ_ｋ）の関係があるので、加工点位置から走査角は自動的に決定される。なお、加工点位置と走査角の関係式や対応数表等があらかじめユーザによって設定されていてもよく、そのような場合はそれを用いて走査角を決定してもよい。

ステップＳ２４において、補正済み加工データの設定がすべて完了したか否かの判定を行う。補正済み加工データの設定がすべて完了した場合（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）、処理は終了し、そうでない場合（ステップＳ２４：Ｎｏ）、処理はステップＳ２５へ進む。

ステップＳ２５において、参照するデータ番号ｋを１つ増加させてステップＳ２２に戻る。これにより、全てのデータ番号ｋについて補正済み加工データが設定される。

［補正角設定方法］
次に、補正済み加工データにおける、加工点位置毎の補正角の決定方法について説明する。

図９は、補正数表データのデータ構成を模式的に示した補正数表３４を説明するための図である。図９は、加工面１９内の格子点に、格子点毎に設定されたデータをデータ点３２として模式的に示した図である。図９内のそれぞれのデータ点３２は，上述したように、加工面上の位置（加工点位置）、走査角、および補正角を含んでいる。補正データ点３３は、加工面１９上の加工原点２６に対応する点である。

以下の説明では、補正数表３４の各データ点の位置を、便宜上走査角（φｘ，φｙ）で示すことにする。走査角φｘに対応する方向のデータ番号をｉ、走査角φｙに対応する方向のデータ番号をｊとする。データ番号ｉ，ｊを用いて、データ点３２はそれぞれ補正数表用走査角（Φｘ_i，Φｙ_ｊ）、補正数表用補正角（Ψｘ_iｊ，Ψｙ_iｊ）の組である（Φｘ_i，Φｙ_ｊ，Ψｘ_iｊ，Ψｙ_iｊ）を保持している。

図１０は、補正角設定工程について説明するフローチャートである。

ステップＳ３１において、データ番号ｋを０に設定する。

ステップＳ３２において、メモリ３１内のデータ番号ｋの領域に保存されている走査角φｘ_ｋ，φｙ_ｋと、補正数表３４内のすべての補正数表用走査角Φｘ_i，Φｙ_ｊとを比較し、φｘ_ｋ＝Φｘ_iかつφｙ_ｋ＝Φｙ_ｊとなるデータ番号ｉ，ｊが存在するか否かの判定を行う。φｘ_ｋ＝Φｘ_iかつφｙ_ｋ＝Φｙ_ｊとなるデータ番号ｉ，ｊが存在する場合（ステップＳ３２：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ３３に進め、そうでない場合（ステップＳ３３：Ｎｏ）、ステップＳ３４に進める。本ステップＳ３２では、補正数表３４内に、ユーザが設定した補正角と全く同じ走査角を含むデータ項目が存在するかどうかを判定している。

ステップＳ３３において、φｘ_ｋ＝Φｘ_iかつφｙ_ｋ＝Φｙ_ｊとなるデータ番号ｉ，ｊを用いて補正角を（ψｘ_ｋ，ψｙ_ｋ）＝（Ψｘ_iｊ，Ψｙ_iｊ）と設定する。すなわち、本ステップＳ３３では、ユーザが設定した補正角と全く同じ走査角を含むデータ項目が存在するため、該当する補正数表用補正角をそのまま補正角として設定している。

ステップＳ３４において、ユーザの設定した走査角（φｘ_ｋ，φｙ_ｋ）に対して補正数表データ内で最近接４点のデータを用いて、補間処理を行って補正角（ψｘ_ｋ，ψｙ_ｋ）を設定する。ステップＳ３４の詳細については後述する。

ステップＳ３５において、メモリ３１内の加工データのデータ番号ｋの領域にステップＳ３３またはステップＳ３４において設定された補正角（ψｘ_ｋ，ψｙ_ｋ）を保存する。

ステップＳ３６において、メモリ３１内に保存されている加工データのすべてについて補正角が設定完了したか否かの判定を行う。全てについて設定完了した場合（ステップＳ３６：Ｙｅｓ）、処理を終了し、そうでない場合（ステップＳ３６：Ｎｏ）処理をステップＳ３７へ進める。

ステップＳ３７において、参照するデータ番号ｋを１つ増加させてステップＳ３２に戻る。これにより、全てのデータ番号ｋについて補正済み加工データが設定される。

［補間処理の詳細］
図１０におけるステップＳ３４（補間処理）について、詳細に説明する。ステップＳ３４では、ユーザの設定した走査角（φｘ_ｋ，φｙ_ｋ）が、データ点３２内の補正数表用走査角（Φｘ_i，Φｙ_ｊ）のいずれにも一致していない。

図１１は、ユーザが加工データとして設定した走査角Ｘ（φｘ_ｋ，φｙ_ｋ）が補正数表３４上においてデータ点３２のいずれかの点の補正数表用走査角に一致しなかった場合の走査角Ｘ（φｘ_ｋ，φｙ_ｋ）とその周囲の補正データ点の関係を示した図である。走査角Ｘ（φｘ_ｋ，φｙ_ｋ）に対応する点は、補正データ点Ａ（Φｘ_i，Φｙ_ｊ，Ψｘ_iｊ，Ψｙ_iｊ）、Ｂ（Φｘ_i＋１，Φｙ_ｊ，Ψｘ_i＋１ｊ，Ψｙ_i＋１ｊ）、Ｃ（Φｘ_i，Φｙ_ｊ＋１，Ψｘ_iｊ＋１，Ψｙ_iｊ＋１）、Ｄ（Φｘ_i＋１，Φｙ_ｊ＋１，Ψｘ_{i＋１ｊ＋１}，Ψｙ_{i＋１ｊ＋１}）の４点で作られる格子内に位置している。Φｘ_i≦φｘ_ｋ≦Φｘ_i＋１（等号は同時には成立せず）、Φｙ_ｊ≦φｙ_ｋ≦Φｙ_ｊ＋１（等号は同時には成立せず）の関係が成立している。このときの補正角（ψｘ_ｋ，ψｙ_ｋ）は、走査角Ｘ（φｘ_ｋ，φｙ_ｋ）の値と補正データ点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの値を用いて、以下の式（１）と式（２）から求められる。

ψｘ_ｋ＝（ＥΨｘ_iｊ＋ＦΨｘ_i＋１ｊ＋ＧΨｘ_iｊ＋１＋ＨΨｘ_{i＋１ｊ＋１}）／Ｊ・・・（１）
ψｙ_ｋ＝（ＥΨｙ_iｊ＋ＦΨｙ_i＋１ｊ＋ＧΨｙ_iｊ＋１＋ＨΨｙ_{i＋１ｊ＋１}）／Ｊ・・・（２）

なお、式（１）および（２）におけるＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｊは、下記の式（３）～（７）で求められる。

Ｅ＝（φｘ_ｋ－Φｘ_i）（φｙ_ｋ－Φｙ_ｊ）・・・（３）
Ｆ＝（Φｘ_i＋１－φｘ_ｋ）（φｙ_ｋ－Φｙ_ｊ）・・・（４）
Ｇ＝（φｘ_ｋ－Φｘ_i）（Φｙ_ｊ＋１－φｙ_ｋ）・・・（５）
Ｈ＝（Φｘ_i＋１－φｘ_ｋ）（Φｙ_ｊ＋１－φｙ_ｋ）・・・（６）
Ｊ＝（Φｘ_i＋１－Φｘ_i）（Φｙ_ｊ＋１－Φｙ_ｊ）・・・（７）

このような方法により、ユーザが設定した走査角に基づいて、補間処理により補正角を導出することができる。なお、補間処理後の補正角は、本発明の第３動作量の一例である。

上述した補間処理では、補間法として線形補間法を用いたが、その他の公知の二次元補間手法（スプライン補間、二次曲面近似など）を用いてもよい。また、あらかじめ補正数表３４上の補正数表用補正角（Ψｘ_iｊ，Ψｙ_iｊ）から、走査角に対する補正角についての高次の近似連続曲面を算出しておき、走査角に対応する補正角を導出するようにしてもよい。

＜レーザ加工方法＞
次に、レーザ加工装置１によるレーザ加工方法を説明する。図１２はレーザ加工工程を説明するフローチャートである。

ステップＳ４１において、データ番号ｋを０に設定する。

ステップＳ４２において、データ番号ｋに対応するレーザ出力データＬ_ｋ、走査角φｘ_ｋ，φｙ_ｋを、補正角ψｘ_ｋ，ψｙ_ｋを読み出す。

ステップＳ４３において、制御部６は、走査角φｘ_ｋ，φｙ_ｋを動作量として第１ドライバ７を介して第１ミラー１３を動作させるとともに、補正角ψｘ_ｋ，ψｙ_ｋを動作量として第２ドライバ８を介して第２ミラー１７を動作させる。

ステップＳ４４において、制御部６は、レーザ出力データＬ_ｋをレーザ出力値としてレーザ発振器５へ送信し加工用レーザ光１１を発振させる。

ステップＳ４５において、メモリ３１内に保存されている全てのデータ番号ｋに対応するレーザ加工が終了したか否かを判定する。全てのデータ番号ｋに対応するレーザ下降が終了した場合（ステップＳ４５：Ｙｅｓ）、処理を終了し、そうでない場合（ステップＳ４５：Ｎｏ）、処理をステップＳ４６へ進める。

ステップＳ４６において、参照するデータ番号ｋを１つ増加させてステップＳ４２に戻る。これにより、全てのデータ番号ｋについて加工が行われる。

＜キーホール深さ計測方法＞
次に、上述したレーザ加工時におけるキーホール２２の深さ計測方法について説明する。

図１３はキーホール深さ計測工程を説明するフローチャートである。

ステップＳ５１において、図１２で説明したレーザ加工工程を開始するより前に、未加工の被加工物１８の加工面１９の位置データを取得する。

図１２に説明したようにレーザ加工処理が開始されると、ステップＳ５２において、計測処理部４は、光干渉計３においてキーホール２２から反射して戻って来た測定光１５と参照光の光路差に応じた光干渉信号を生成する。

ステップＳ５３において、計測処理部４は、光干渉信号を用いてキーホール２２の深さ（溶け込み深さ）を導出する。導出されたキーホール２２の深さは、メモリ３１に記憶される。

ステップＳ５４において、キーホール深さ計測処理を終了するか否かの判定を行う。処理を終了する場合（ステップＳ５４：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ５５へ進め、そうでない場合（ステップＳ５５：Ｎｏ）、処理をステップＳ５２へ戻す。

ステップＳ５５において、制御部６は、計測処理部４に対してキーホール深さ計測処理終了の指令を出す。

なお、キーホール深さ計測処理の開始およびキーホール深さ計測処理の終了の指示は、制御部６が行うのではなく、ユーザが図示しない操作部等を用いて行ってもよい。

＜効果＞
以上説明したように、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置１は、被加工物の加工されるべき加工点に対して加工用レーザ光を発振するレーザ発振器５と、前記加工点に対して測定光を出射し、前記加工点で反射された前記測定光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づく光干渉強度信号を生成する光干渉計３と、前記加工用レーザ光および前記測定光の進行方向を変化させる第１ミラー１３と、前記測定光の前記第１ミラー１３への入射角を変化させる第２ミラー１７と、前記加工用レーザ光および前記測定光を前記加工点に集光させるレンズ１４と、前記レンズの色収差により生じる前記加工用レーザ光および前記測定光の照射位置の前記被加工物表面におけるずれを解消するようにあらかじめ補正された、前記被加工物を加工するための補正済み加工用データを記憶するメモリ３１と、前記補正済み加工用データに基づいて前記レーザ発振器５、前記第１ミラー１３、および前記第２ミラー１７を制御する制御部と、前記光干渉強度信号に基づいて、前記加工用レーザ光によって前記加工点に生じるキーホールの深さを導出する計測処理部４と、を有する。

このような構成により、レンズ１４の倍率色収差によって生じる、レンズ１４透過後の加工面１９における加工用レーザ光１１と測定光１５の到達位置のずれを補正することができる。これにより、ＯＣＴによるキーホール２２の深さ計測を好適に実施することができる。図１４は、第２ミラー１７を動作させたことによる、倍率色収差の影響を補正した状態の、加工面１９における加工用レーザ光１１と測定光１５の軌跡を例示した図である。図１４によれば、図４とは異なり、加工用レーザ光１１の軌跡である加工光軌跡２８と、測定光１５の軌跡である測定光軌跡２７ａ、および各格子点がそれぞれ一致していることが分かる。

なお、上述した実施の形態では、測定光１５の光軸方向を変化させるために、ガルバノミラーである第２ミラー１７を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、測定光導入口９とダイクロイックミラー１２の間に設置され、制御部６の制御に基づいて測定光１５の光軸方向を変化させることができる構成であればよい。

このような構成の具体例として、図１５に例示した構成が挙げられる。図１５は、第２ミラー１７の変形例を示した図である。図１５では、測定光導入口９とダイクロイックミラー１２の間に、第２ミラー１７として放物面ミラー３５が固定されており、測定光導入口９には測定光出射端を移動させる移動ステージ３６が設けられた例が示されている。測定光導入口９の測定光出射端は放物面ミラー３５の焦点に位置するように配置されており、放物面ミラー３５で反射された後に平行光となってダイクロイックミラー１２へ向かう。移動ステージ３６はステージドライバ３７を介して制御部６の制御に基づいて動作する。移動ステージ３６の動作方向は測定光軸２３に垂直な２軸方向である。移動ステージ３６の動作により放物面ミラー３５からダイクロイックミラー１２へ向かう測定光軸２３の角度が変化することにより、上述した実施の形態における、ガルバノミラーを採用した第２ミラー１７と同様の効果が得られる。また、第２ミラー１７としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等を採用してもよい。

本発明のレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、自動車や電子部品等のレーザ加工を行うレーザ加工装置に適用することができる。

１ レーザ加工装置
２ 加工ヘッド
３ 光干渉計
４ 計測処理部
５ レーザ発振器
６ 制御部
７ 第１ドライバ
８ 第２ドライバ
９ 測定光導入口
１０ 加工光導入口
１１ 加工用レーザ光
１２ ダイクロイックミラー
１３ 第１ミラー
１４ レンズ
１５ 測定光
１６ コリメートレンズ
１７ 第２ミラー
１８ 被加工物
１９ 加工面
２０ 加工点
２１ 溶融池
２２ キーホール
２３ 測定光軸
２４ 加工光軸
２５ レンズ光軸
２６ 加工原点
２７ 測定光軌跡
２８ 加工光軌跡
２９ 測定光格子点
３０ 加工光格子点
３１ メモリ
３２ データ点
３３ 補正データ点
３４ 補正数表
３５ 放物面ミラー
３６ 移動ステージ
３７ ステージドライバ

Claims (10)

1. 被加工物の表面の加工されるべき加工点に対して加工用レーザ光を発振するレーザ発振器と、
   前記加工点に対して測定光を出射し、前記加工点で反射された前記測定光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づく光干渉強度信号を生成する光干渉計と、
   前記加工用レーザ光および前記測定光の進行方向を変化させる第１ミラーと、
   前記測定光の前記第１ミラーへの入射角を変化させる第２ミラーと、
   前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置され、前記加工用レーザ光の光路と前記測定光の光路とを重ねる合波ミラーと、
   前記加工用レーザ光および前記測定光を前記加工点に集光させるレンズと、
   前記レンズの色収差により生じる前記加工用レーザ光および前記測定光の少なくとも一方の到達位置の前記被加工物の表面におけるずれを解消するようにあらかじめ補正された、前記被加工物を加工するための補正済み加工用データを記憶するメモリと、
   前記補正済み加工用データに基づいて前記レーザ発振器、前記第１ミラー、および前記第２ミラーを制御する制御部と、
   前記光干渉強度信号に基づいて、前記加工用レーザ光によって前記加工点に生じるキーホールの深さを導出する計測処理部と、
   を有する、レーザ加工装置。
2. 前記補正済み加工用データは、前記加工点毎にあらかじめ設定された、前記レーザ発振器に発振させる前記加工用レーザ光の強度を示す出力指示値、前記第１ミラーを動作させる動作量を示す第１指示値、および前記第２ミラーを動作させる動作量を示す第２指示値を含む、
   請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記加工用レーザ光と前記測定光とは、異なる波長を有する、
   請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記第１ミラーおよび前記第２ミラーは、それぞれガルバノミラーである、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記第１ミラーはガルバノミラーであり、
   前記第２ミラーは放物面ミラーであり、
   前記第２ミラーに入射する前記測定光を移動させる移動ステージをさらに有する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記レンズは、ｆθレンズである、
   請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
7. 加工用レーザ光および測定光の進行方向を変化させる第１ミラーと、前記測定光の前記第１ミラーへの入射角を変化させる第２ミラーと、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置され、前記加工用レーザ光の光路と前記測定光の光路とを重ねる合波ミラーと、前記加工用レーザ光および前記測定光を被加工物の表面の加工されるべき加工点に集光させるレンズと、を有するレーザ加工装置の制御方法であって、
   前記レンズの色収差により生じる前記加工用レーザ光および前記測定光の少なくとも一方の前記被加工物の表面における到達位置のずれを解消するようにあらかじめ補正された、前記被加工物を加工するための補正済み加工用データに基づいて、前記第１ミラーおよび前記第２ミラーを制御して、前記加工用レーザ光および前記測定光を前記被加工物に対して照射し、
   前記加工点で反射された前記測定光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づいて、前記加工用レーザ光によって前記加工点に生じるキーホールの深さを計測する、
   制御方法。
8. 加工用レーザ光および測定光の進行方向を変化させる第１ミラーと、前記測定光の前記第１ミラーへの入射角を変化させる第２ミラーと、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置され、前記加工用レーザ光の光路と前記測定光の光路とを重ねる合波ミラーと、前記加工用レーザ光および前記測定光を被加工物の表面に集光させるレンズと、を有するレーザ加工装置において、前記被加工物を加工するためにあらかじめ生成された加工用データを、前記レンズの色収差により生じる前記加工用レーザ光および前記測定光の少なくとも一方の前記被加工物への到達位置のずれを解消するように補正した補正済み加工用データを生成する補正データ生成方法であって、
   前記被加工物に対して所望のレーザ加工を行うために、前記被加工物の表面の加工が行われるべき加工点毎に設定された、当該加工点に対して照射する前記加工用レーザ光の出力強度、および、当該加工点に前記加工用レーザ光が到達するようにするために前記第１ミラーを動作させる第１動作量を含む加工用データを生成し、
   前記被加工物の表面の所定の位置毎に、当該位置に前記測定光が到達するようにするために前記第２ミラーを動作させる第２動作量を算出し、
   前記第２動作量に基づいて、前記加工点毎に、前記加工点に対して前記測定光が到達するようにするために前記第２ミラーを動作させる第３動作量を算出して前記加工用データに加え、補正済み加工用データを生成する、
   補正データ生成方法。
9. 前記第２動作量に基づいて、前記加工点毎に前記第３動作量を算出して前記加工用データに加え、補正済み加工用データを生成する際に、
   前記加工点と前記位置とが一致しない場合には、前記加工点に近い順に所定数の前記位置における前記第２動作量を用いて補間処理を行い、前記第３動作量を算出する、
   請求項８に記載の補正データ生成方法。
10. 前記位置は、前記第１ミラーの可動範囲に対応した前記被加工物表面の範囲に設定され、かつ、前記補間処理が前記範囲内で可能となるように設定される、
    請求項９に記載の補正データ生成方法。

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