JPH0871780A - レーザ位置決め加工方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＸＹテーブルあるいはＸＹθテーブルを用い
ることなく被加工物上を走査するレーザ光と被加工物と
の位置合わせを高精度で実行可能とする。 【構成】 固定又は停止状態とした被加工物である連続
シート状物２０の特定パターンを撮像カメラ２２で撮像
して前記連続シート状物２０の基準配置からのずれ量を
検出し、ＸＹガルバノミラー系及びスキャンレンズから
なるレーザ光学系を内蔵したレーザヘッド２でレーザ発
振器１からのレーザ光を走査する場合に、前記ずれ量を
補正して前記レーザ光を走査する構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、連続シート状物等の被
加工物とこの上を走査するレーザ光との位置合わせをＸ
Ｙθテーブルを用いること無く精密に実行可能なレーザ
位置決め加工方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザによるトリミングや穴明け
加工を高精度位置決めで行う場合、多くは画像認識装置
を付加し（例えばレーザ照射軸と同軸に設置し）、被加
工物を画像処理結果に基づいてＸＹテーブル（あるいは
ＸＹθテーブル）により位置決め補正していた。例え
ば、特開昭５７−２０６００５号のレーザトリミング方
法及びその装置は、レーザ光と同軸に撮像カメラを配置
し、得られた画像の処理演算結果に基づいて、ＸＹテー
ブルで被加工物を動かすことによりトリミングすべき被
加工物の位置決め補正を行う構成を開示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の方式では、位置決め補正を行うためにＸＹテーブル
（あるいはＸＹθテーブル）が必要で、コスト高とな
り、レーザ照射軸と同軸設置のカメラの場合は、視野が
限られるため、被加工物を視野に入れるように動かす必
要が生じ、連続シート状物等の被加工物のレーザ加工に
は不適であった。

【０００４】本発明は、上記の点に鑑み、ＸＹテーブル
あるいはＸＹθテーブルを用いることなく被加工物上を
走査するレーザ光と被加工物との位置合わせを高精度で
実行可能なレーザ位置決め加工方法及び装置を提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のレーザ位置決め加工方法は、固定又は停止
状態とした被加工物の特定パターンを撮像装置で撮像し
て前記被加工物の基準位置からのずれ量を検出し、ＸＹ
ガルバノミラー系及びスキャンレンズからなるレーザ光
学系でレーザ発振器からのレーザ光を走査する場合に前
記ずれ量を補正して前記レーザ光を走査することを特徴
とするものである。

【０００６】上記方法において、前記被加工物の特定パ
ターンを少なくもと２個以上の画像認識マークとし、そ
れらの画像認識マークを前記撮像装置で撮像すること
で、前記被加工物のＸ方向、Ｙ方向及びθ方向の位置ず
れ量を検出する構成としてもよい。

【０００７】本発明のレーザ位置決め加工装置は、レー
ザ光を発生するレーザ発振器と、Ｘ軸スキャナミラー、
該Ｘ軸スキャナミラーを光学的に走査するＸ軸オプティ
カルスキャナ、Ｙ軸スキャナミラー及び該Ｙ軸スキャナ
ミラーを光学的に走査するＹ軸オプティカルスキャナを
有していて前記レーザ光を走査するＸＹガルバノミラー
系と、該ＸＹガルバノミラー系から出射したレーザ光を
収束するスキャンレンズとを具備するレーザ光学系と、
固定又は停止状態とした被加工物の特定パターンを撮像
する撮像装置と、該撮像装置の画像信号から前記被加工
物の基準配置からのずれ量を検出する画像処理装置と、
前記ＸＹガルバノミラー系に前記ずれ量を補正した走査
を行わせる制御手段とを備えた構成としている。

【０００８】

【作用】本発明のレーザ位置決め加工方法及び装置にお
いては、高精度なＸＹガルバノミラー系及び高精度スキ
ャンレンズ（ｆθレンズ）からなるレーザ光学系を用
い、表面に特定パターンを有する固定又は停止状態とし
た被加工物に対し、撮像装置により前記特定パターンの
位置を検出することで、前記被加工物の基準配置からの
ずれ量を検出し、レーザ光学系（ＸＹガルバノミラー
系）の動作によりレーザ光を前記ずれ量を相殺するよう
に位置補正して加工を施す。つまり、レーザ光の被加工
物上の照射位置を前記ずれ量を補正した位置として加工
を施す。

【０００９】従って、本発明では、被加工物をＸＹθテ
ーブルで動かして位置決めするのではなく、被加工物は
固定又は停止状態のまま、レーザ光を振って被加工物と
レーザ光との位置合わせを行う。このため、ＸＹθテー
ブルは不要となり、ＸＹθテーブルに比較して高速な位
置決め動作が可能であり、大幅なコストダウンが可能と
なる。ＸＹθテーブルを用いる従来方式では不可能であ
った、シート等の連続物の高精度位置決めレーザ加工も
可能である。

【００１０】

【実施例】以下、本発明に係るレーザ位置決め加工方法
及び装置の実施例を図面に従って説明する。

【００１１】図１は本発明に係るレーザ位置決め加工方
法及び装置の実施例の全体構成、図２はレーザ発振器及
びレーザヘッド（レーザ光学系）、図３はレーザヘッド
内部の基本構成、図４はＸＹガルバノミラー系を走査
（スキャン）する構成部分をそれぞれ示している。

【００１２】これらの図において、１はレーザ光を発生
するレーザ発振器、２はレーザヘッド（レーザ光学系）
であってレーザ発振器１からのレーザ光を受けてこれを
走査するものである。レーザ発振器１には、図２の如く
レーザ電源３から電力が供給されるようになっており、
このレーザ発振器１は制御器（コントローラ）４でその
オン、オフ等の制御が行われる。

【００１３】レーザ光を走査するためのレーザヘッド２
は、その内部構成を示す図３のように、レーザ発振器１
からのレーザ光を受けて反射し、その光軸を調整するた
めの光軸調整ミラーＭ１，Ｍ２と、ミラーＭ２から出た
レーザ光のビームを広げた平行光とするビームエキスパ
ンダ１０と、ビームエキスパンダ１０からのレーザ光は
全反射するが他の波長の可視光は透過させる４５°反射
固定ミラーＭ３と、ミラーＭ３で反射されたレーザ光を
反射するＸ軸スキャナミラーＭ４と、該Ｘ軸スキャナミ
ラーＭ４を回転させてレーザ光をＸ方向に走査するＸ軸
オプティカルスキャナ１１と、Ｘ軸スキャナミラーＭ４
で反射されたレーザ光をさらに反射するＹ軸スキャナミ
ラーＭ５と、該Ｙ軸スキャナミラーＭ５を回転させてレ
ーザ光をＹ方向（Ｘ方向に直交）に走査するＹ軸オプテ
ィカルスキャナ１２と、Ｙ軸スキャナミラーＭ５を出射
したレーザ光を収束させるための高精度スキャンレンズ
としてのｆθレンズ１３と、ｆθレンズ１３を通って収
束されたレーザ光を被加工物上の加工面に向けて全反射
するとともにそれ以外の可視光は透過させるダイクロイ
ックミラーＭ６と、前記加工面の画像をモニタ光学系に
送るためのモニタミラーＭ７とをレーザヘッド筐体内部
に有している。

【００１４】被加工物の加工面にレーザ光を照射するた
めのレーザヘッド筐体の開口は、シールドガラス１４で
閉塞されており、このシールドガラス１４でレーザヘッ
ド筐体内部を保護している。

【００１５】前記高精度ＸＹガルバノミラー系は、Ｘ軸
スキャナミラーＭ４と、Ｘ軸オプティカルスキャナ１１
と、Ｙ軸スキャナミラーＭ５と、Ｙ軸オプティカルスキ
ャナ１２とからなっている。Ｘ軸及びＹ軸オプティカル
スキャナ１１，１２は例えばパルスモータを内蔵してお
り、Ｘ軸オプティカルスキャナ１１はＸ軸スキャナミラ
ーＭ４を取り付けたＹ方向に平行な回転軸を高精度で回
転駆動するものであり、Ｙ軸オプティカルスキャナ１２
は、Ｙ軸スキャナミラーＭ５を取り付けたＸ方向に平行
な回転軸を高精度で回転駆動するものである。

【００１６】図３のレーザヘッド２では、レーザ発振器
１から入射したレーザ光は光軸調整ミラーＭ１，Ｍ２で
光軸調整された後、ビームエキスパンダ１０でビームが
広がった平行光とされ、さらに４５°反射固定ミラーＭ
３で反射されてＸＹガルバノミラー系のＸ軸スキャナミ
ラーＭ４に入射する。この入射光はＸＹガルバノミラー
系のＸ軸スキャナミラーＭ４で反射され、さらにＹ軸ス
キャナミラーＭ５で反射される。Ｙ軸スキャナミラーＭ
５から出たレーザ光は、ｆθレンズ１３で収束され、さ
らにダイクロイックミラーＭ６で反射され、シールドガ
ラス１４を透過して被加工物の加工面に照射される。そ
して、Ｘ軸オプティカルスキャナ１１でＸ軸スキャナミ
ラーＭ４を回転させることでレーザ光のＸ方向の走査を
行うことができ、Ｙ軸オプティカルスキャナ１２でＹ軸
スキャナミラーＭ５を回転させることでＹ方向の走査を
行うことができる。

【００１７】図１に示すように、被加工物としての連続
シート状物（例えば、未焼成のセラミックシートである
連続グリーンシート）２０はその上面にレーザ加工すべ
き加工領域２０ａを等間隔で有し、１つの加工領域２０
ａを囲むように例えば４箇所に画像認識マーク２１を有
している。そして、連続シート状物２０は図示しない間
欠搬送機構で加工領域２０ａの配列間隔だけ１ピッチ搬
送されたら停止する動作を繰り返し行うようになってい
る。この１ピッチの搬送は、シリンダや送りモータ等で
位置ずれが生じないように高精度で行うようにする。な
お、ここでは連続シート状物２０がＸＹ平面上に配置さ
れており、連続シート状物２０の搬送方向がレーザヘッ
ド２から照射されるレーザ光のＸ軸走査方向、すなわち
Ｘ方向に一致し、Ｙ軸走査方向は搬送方向に直交してい
るものとする。また、前記４箇所の画像認識マーク２１
は、Ｘ方向に平行な２辺とＹ方向に平行な２辺を持つ長
方形の各頂点にあるものとする。

【００１８】図１中、レーザヘッド２の下方に位置して
いるレーザ加工を行う加工ステージＰよりも１ピッチ前
の画像取り込みステージＱにおける４個の画像認識マー
ク２１をそれぞれ撮像するために、撮像装置としての４
個の撮像カメラ（ＣＣＤカメラ等）２２が固定配置され
ている。これらの撮像カメラ２２の撮像信号（ビデオ信
号）は、画像処理装置２３に入力される。この画像処理
装置２３は各カメラからの画像信号より各画像認識マー
ク２１の位置を検出し、４個の画像認識マーク２１の重
心位置から連続シート状物２０の基準配置からのずれ量
（Ｘ方向についてのずれ量：ΔＸ、Ｙ方向についてのず
れ量：ΔＹ、回転方向であるθ方向のずれ量：Δθ）を
検出するものである。

【００１９】前記ＸＹガルバノミラー系を制御するため
の制御手段として、制御器４に加えてスキャナコントロ
ーラ（ビームポジショナ・コントロールユニット）２４
及びスキャナドライバ２５が設けられており、前記制御
器４は前記画像処理装置２３の出力信号（ΔＸ，ΔＹ，
Δθ）を受けてＸ方向、Ｙ方向及びθ方向の補正後の走
査用出力信号を前記スキャナコントローラ２４に加える
ようにしている。図４に示すように、スキャナドライバ
２５は、Ｘ軸スキャナドライバ２５ａとＹ軸スキャナド
ライバ２５ｂとからなっており、それぞれＸ軸オプティ
カルスキャナ１１，Ｙ軸オプティカルスキャナ１２に回
転動作を行わせるための出力パルス信号を、前記スキャ
ナコントローラ２４のＸ軸走査信号及びＹ軸走査信号に
従って作成して印加するものである。なお、スキャナコ
ントローラ２４ではθ方向の補正量を、レーザ光の走査
位置を考慮してＸ方向及びＹ方向の補正量に変換して前
記Ｘ軸及びＹ軸走査信号を作成し、Ｘ軸スキャナドライ
バ２５ａ及びＹ軸スキャナドライバ２５ｂに加えるよう
にする。

【００２０】なお、図４に示すように、撮像カメラ２２
による連続シート状物２０表面の画像取り込みのため
に、照明手段としての照明ランプ２６が複数個設けら
れ、撮像カメラ２２による画像取り込み時に連続シート
状物２０の表面を照明するようになっている。

【００２１】次に、この実施例の全体的な動作説明を行
う。

【００２２】今、被加工物としての連続シート状物２０
が停止状態となっているものとすると、図１のレーザ加
工を行う加工ステージＰよりも１ピッチ前の画像取り込
みステージＱの４個の画像認識マーク２１を４個の撮像
カメラ２２で撮像し、撮像結果である画像信号を画像処
理装置２３に入力し、画像処理装置２３では４個の画像
認識マーク２１の位置から画像取り込みステージＱでの
連続シート状物２０の基準配置からのずれ量（すなわち
ステージＱにある加工領域２０ａの基準配置からのずれ
量）を制御器４に出力する。

【００２３】ステージＱでの画像取り込みが終了した
ら、図示しない間欠搬送機構で連続シート状物２０を位
置ずれを生じ無いように正確に１ピッチだけ搬送して画
像取り込みステージＱから加工ステージＰに送る。ステ
ージＰの連続シート状物２０上の加工領域２０ａに対し
レーザ光を走査してレーザ加工を開始する場合、制御器
４は前記画像処理装置２３の出力信号（ΔＸ，ΔＹ，Δ
θ）を受けてＸ方向、Ｙ方向及びθ方向の補正後の走査
用出力信号を前記スキャナコントローラ２４に加える。
スキャナコントローラ２４では、θ方向のずれ量Δθに
対応した補正量を、レーザ光の走査位置を考慮してＸ方
向及びＹ方向の補正量に変換してＸ軸走査信号（レーザ
光の走査位置のＸ座標を示す信号）及びＹ軸走査信号
（レーザ光の走査位置のＹ座標を示す信号）を作成して
Ｘ軸スキャナドライバ２５ａ及びＹ軸スキャナドライバ
２５ｂに加えてＸ軸オプティカルスキャナ１１及びＹ軸
オプティカルスキャナ１２を介してＸ軸スキャナミラー
Ｍ４及びＹ軸スキャナミラーＭ５を回転させ、連続シー
ト状物２０の基準配置からのずれ量を相殺するように本
来のレーザ光の走査位置を補正した位置にレーザ光を位
置決めして走査する。そして、加工領域２０ａに対して
所定の加工パターンを作成する。

【００２４】この実施例によれば、以下の効果を得るこ
とができる。

【００２５】(1) 被加工物を固定のまま、レーザ光を
レーザヘッド２内のＸＹガルバノミラー系を振って（走
査して）位置決め補正とレーザ加工とが可能である。従
って、従来は困難であった連続シート状物２０の高精度
加工（トリミング、穴明け等）が可能である。

【００２６】(2) レーザ光を走査するＸＹガルバノミ
ラー系で連続シート状物２０の基準配置からのずれ量を
補正してレーザ光と連続シート状物２０との位置合わせ
のための位置決め補正と、レーザ光による加工とを行う
ため、被加工物を動かすＸＹθテーブルが不要であり、
低コスト化が可能である。

【００２７】(3) ＸＹガルバノミラー系やｆθレンズ
１３の口径を適切に選択することで、１２０mm×１２０
mmの範囲を一括で高速、高精度に穴明け、トリミング、
マーキング等のレーザ加工が可能である。

【００２８】図５は本発明の他の実施例であって、画像
取り込みステージＱに撮像カメラを配置する代わりに、
撮像カメラ（ＣＣＤカメラ）３０をレーザ照射軸と一致
するように配置している。すなわち、レーザ光学系は図
３の構成と同じであるが、その４５°反射固定ミラーＭ
３を透過した可視光（ダイクロイックミラーＭ６、ｆθ
レンズ１３、Ｙ軸スキャナミラーＭ５、Ｘ軸スキャナミ
ラーＭ４を通過した加工面の画像）を望遠レンズ３１、
反射ミラーＭ８、凸レンズ３２、反射ミラーＭ９、凸レ
ンズ３３を介して前記撮像カメラ３０に入射させてい
る。撮像カメラ３０の画像信号は図４の画像処理装置２
３及びモニタテレビに出力される。この画像処理装置２
３の後段の構成は前述の実施例と同様である。また、画
像取り込みステージＱを加工ステージＰの前段に設ける
必要はなく、加工ステージＰにある加工領域２０ａに対
応した画像認識マーク２１を撮像することができる。す
なわち、ＸＹガルバノミラー系のＸ軸スキャナミラーＭ
４及びＹ軸スキャナミラーＭ５の位置に同期してカメラ
視点を変えることが可能になり、Ｘ軸スキャナミラーＭ
４及びＹ軸スキャナミラーＭ５を振って画像認識マーク
２１を取り込み、連続シート状物２０の位置ずれを画像
処理演算し、前述の実施例と同様にＸ軸スキャナミラー
Ｍ４及びＹ軸スキャナミラーＭ５で位置ずれを補正しな
がらレーザ光を照射して所定の加工を行うことができ
る。

【００２９】レーザ照射軸と一致した撮像カメラ３０を
用いた図５の構成の場合、加工ステージＰにおいて連続
シート状物２０の画像認識マーク２１を認識することが
可能であり、加工ステージＰの前段に画像取り込みステ
ージＱを設ける必要がない利点がある。

【００３０】図６はレーザ光をＸ方向及びＹ方向に走査
した場合の理想とする方形加工軌跡である。しかしなが
ら、図３のレーザ光学系のｆθレンズ１３は光学歪を有
しており、実際の加工軌跡は図７のように理想とする方
形軌跡の外側に膨れたものとなる。この対策として、図
８のように、指定されたレーザ光の走査位置のＸ座標及
びＹ座標のディジタル値をアナログ値に変換するＤ／Ａ
コンバータ４０と、アナログ値を所定の大きさにまで増
幅するアンプ部４１とを有するスキャナコントローラ２
４内に、レーザ光の走査位置のＸ座標及びＹ座標の値を
受ける補正演算回路４２を追加し、座標位置による２次
曲線の補正演算を実行することで得られたオフセット入
力を、スキャナドライバ２５の入力段に加えてアンプ部
４１のスキャナドライバ２５への出力を補正することに
よって、加工軌跡を図６の理想とする加工軌跡に近づけ
ている。なお、スキャナドライバ２５の後段の構成は図
４と同様である。

【００３１】図８のように、レーザ光走査の座標位置に
よる２次曲線の補正演算を補正演算回路４２で演算して
ＸＹガルバノミラー系を駆動するスキャナドライバ２５
の入力段にオフセット入力することで、高精度ＸＹガル
バノミラー系及び高精度ｆθレンズを用いたレーザ光学
系のレーザ光位置決め精度を±２０μｍ以下となるよう
に設定できる。

【００３２】なお、上記実施例では画像認識マーク２１
を連続シート状物２０の加工領域２０ａに対し４個設け
たが、少なくとも２個の画像認識マーク２１があれば、
対応する加工領域２０ａの基準配置からの位置ずれ量を
算出することができる。例えば、２点の中間点の位置か
らＸ方向及びＹ方向の位置ずれ量を検出でき、２点を結
ぶ直線の傾きからθ方向の位置ずれ量を検出できる。

【００３３】以上本発明の実施例について説明してきた
が、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の
範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者
には自明であろう。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ位
置決め加工方法及び装置によれば、被加工物を停止或い
は固定のまま、ＸＹガルバノミラー系でレーザ光を振っ
て被加工物とレーザ光との位置合わせのための位置決め
補正とレーザ加工とが可能であるため、従来困難であっ
た、シート等の連続物の高精度加工（トリミング、穴明
け等）が可能である。また、レーザ光の走査で位置決め
補正及びレーザ加工を行うため、被加工物を動かすＸＹ
θテーブルは不要であり、機械的構成の簡素化、原価低
減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ位置決め加工方法及び装置
の実施例の全体構成を示す構成図である。

【図２】実施例におけるレーザ発振器及びレーザヘッド
部分を示す構成図である。

【図３】レーザヘッド内部のレーザ光学系を示す斜視図
である。

【図４】ＸＹガルバノミラー系及びその制御のための構
成を示すブロック図である。

【図５】本発明の他の実施例のレーザ照射軸と一致した
撮像カメラを用いる構成を示す構成図である。

【図６】レーザ光をＸ方向及びＹ方向に走査したときの
理想とする加工軌跡を示す説明図である。

【図７】レーザ光をＸ方向及びＹ方向に走査したときの
実際の（ｆθレンズの光学歪を補正しないときの）加工
軌跡を示す説明図である。

【図８】ｆθレンズの光学歪を除去するための回路構成
を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ レーザヘッド ３ レーザ電源 ４ 制御器 １０ ビームエキスパンダ １１ Ｘ軸オプティカルスキャナ １２ Ｙ軸オプティカルスキャナ １３ ｆθレンズ １４ シールドガラス ２０ 連続シート状物 ２０ａ 加工領域 ２１ 画像認識マーク ２２ 撮像カメラ ２３ 画像処理装置 ２４ スキャナコントローラ ２５ スキャナドライバ ２５ａ Ｘ軸スキャナドライバ ２５ｂ Ｙ軸スキャナドライバ ２６ 照明ランプ ３０ 撮像カメラ ４０ Ｄ／Ａコンバータ ４１ アンプ部 ４２ 補正演算回路 Ｐ 加工ステージ Ｑ 画像取り込みステージ Ｍ１，Ｍ２ 光軸調整ミラー Ｍ３ 反射固定ミラー Ｍ４ Ｘ軸スキャナミラー Ｍ５ Ｙ軸スキャナミラー Ｍ６ ダイクロイックミラー Ｍ７ モニタミラー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定又は停止状態とした被加工物の特定
   パターンを撮像装置で撮像して前記被加工物の基準配置
   からのずれ量を検出し、ＸＹガルバノミラー系及びスキ
   ャンレンズからなるレーザ光学系でレーザ発振器からの
   レーザ光を走査する場合に前記ずれ量を補正して前記レ
   ーザ光を走査することを特徴とするレーザ位置決め加工
   方法。
2. 【請求項２】 前記被加工物の特定パターンが少なくも
   と２個以上の画像認識マークであり、それらの画像認識
   マークを前記撮像装置で撮像することで、前記被加工物
   の前記基準配置に対するＸ方向、Ｙ方向及びθ方向の位
   置ずれ量を検出する請求項１記載のレーザ位置決め加工
   方法。
3. 【請求項３】 レーザ光を発生するレーザ発振器と、 Ｘ軸スキャナミラー、該Ｘ軸スキャナミラーを光学的に
   走査するＸ軸オプティカルスキャナ、Ｙ軸スキャナミラ
   ー及び該Ｙ軸スキャナミラーを光学的に走査するＹ軸オ
   プティカルスキャナを有していて前記レーザ光を走査す
   るＸＹガルバノミラー系と、該ＸＹガルバノミラー系か
   ら出射したレーザ光を収束するスキャンレンズとを具備
   するレーザ光学系と、 固定又は停止状態とした被加工物の特定パターンを撮像
   する撮像装置と、 該撮像装置の画像信号から前記被加工物の基準配置から
   のずれ量を検出する画像処理装置と、 前記ＸＹガルバノミラー系に前記ずれ量を補正した走査
   を行わせる制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ
   位置決め加工装置。