JPWO2008001808A1 - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

被加工品の立体的形状を検出すること、加工用レーザの焦点形成位置の精度をより高くすることおよびレーザ加工装置のコンパクト化を実現する。レーザ出射部駆動装置46により、被加工物12に対してレーザ出射部22を近接位置から離間方向に移動させ、移動中に被加工物12をカメラ34で順次撮像し、撮像した画像内に予め設定された複数の合焦点検出位置Ｐ1-nに対応する位置の画素にて合焦点検出データを取り出し、前記合焦点検出データの変化に基づく合焦点検出波形Ｗを合焦点検出位置Ｐ1-n毎にそれぞれ形成し、前記各合焦点検出波形Wから割り出された各合焦点検出位置Ｐ1-nにおける各合焦点検出波形Wのピーク値PKを比較して当該被加工物12の良否を判定し、良品の場合には、合焦点位置までレーザ出射部22を移動させてレーザ加工を行わせ、不良品と判定した場合はレーザ出射を行わないようにするレーザ加工装置10。

Description

本発明は、従来の装置では検出することが出来なかった被加工物の立体的不良形状品およびこの立体的形状検査をレーザ加工位置で検出することが出来ると共に、レーザ加工時におけるレーザの焦点を高精度で加工位置に合わせることの出来るレーザ加工装置に関する。

レーザを被加工物に対して出射することで被加工物を蒸発除去または溶接するレーザ加工が従来から行われている。このレーザ加工によれば、エネルギー密度が最も大きいレーザの焦点を被加工物の加工位置に合わせることにより、加工位置の被加工物を蒸発除去または溶融して、被加工物の切断や孔開けまたは溶接などを行うことが出来、現在では半導体デバイスその他電子部品製造にこのようなレーザ技術が多用されている。

さて、近年の技術進展により、半導体デバイスその他電子部品は小型・高精度化の一途をたどっており、レーザ技術に対してもより高い加工精度が要求されている。この要求に応えるため、例えば、レーザ加工に用いられるレーザとして代表的なＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザに代えて、ＹＡＧレーザよりもさらに精密加工に適した「高調波レーザ」を使用するようになっている。しかしながら、このような「高調波レーザ」は焦点深度が従来のＹＡＧレーザに比べて非常に浅く、「高調波レーザ」を使用する場合には従来に増してより正確な焦点合わせをすることが要求され、正確な焦点合わせの精度いかんによっては製品歩留まりに大きく影響する。

同時に、電子部品の小型・高精度化に伴い、組み込まれる構成部材の形状良否も厳しく問われ、最近ではその立体的形状の良否も問題とされるようになってきた。換言すれば、従来、良品とされていたような形状の部品でもレーザ加工前に厳しく除去されるように求められている。それ故、高い加工精度が要求されると同時にレーザ加工が施される被加工物の立体的不良形状を検出する能力についても更に高い精度が要求されているのが現状である。

従来から被加工物の形状検査のために一般的に導入されていたものが、ＣＣＤカメラを利用する方法であった。即ち、被加工物の基準形状の画像(＝基準画像)を記憶させておき、順次送られる被加工物をＣＣＤカメラで撮像してこの画像(＝撮像画像)を比較し、撮像画像と基準画像とが一致している場合には良品と判断し、基準画像に対して撮像画像が異なっている場合には不良品として除去するようにしている(特許文献１)。しかしながら、ＣＣＤカメラを利用する方法は、平面形状に対する良否判定には有効であるが、電子部品に組み込まれるような立体的部材の立体的形状判定、並びにレーザ加工装置の微細な焦点合わせには不向きである。そこで、被加工物に対してＣＣＤカメラを傾斜させて撮像し、立体物の形状検査を行うような発明が提案されたが、本発明のような微小立体物には適用出来なかった。加えて、レーザの焦点合わせに適用出来るようなものでもなかった。
特開平４−２０８８４４号公報 特開平１０−１８５８２７号公報 特開平１１−２３０７２８号公報 特開平１１−３２６２３５号公報 特開２０００−１７１４０９号公報

その他、一般的に加工部署の手前で被加工物の形状良否を判定し、不良品を除去し、良品のみを加工部署に供給する方法が取られていたが、このような方法の場合、１つのレーザ加工装置に良否判定部署と加工部署とが並設されることになり、装置形状が大きくなるという欠点があるし、良否判定部署から加工部署に搬送中に被加工物の位置が狂うというような問題点もあり、前記良否判定と加工の高性能化に加えて装置のコンパクト化も要求されていた。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、従来は検出出来なかった不良形状の被加工品を検出すること、加工用レーザの焦点合わせの精度をより高くすることおよび装置のコンパクト化を実現するレーザ加工装置を提供することにある。

請求の範囲第１項に記載した発明は、
（ａ）加工用レーザＸを被加工物１２の加工位置へ出射して被加工物１２を加工するレーザ加工装置１０であって、
（ｂ）加工用レーザＸを発生させる加工用レーザ発生装置１４、
（ｃ）被加工物１２を照らす照明光Ｙを発光する照明装置１６、
（ｄ）加工用レーザ発生装置１４および照明装置１６が光学的に接続され、加工用レーザＸおよび照明光Ｙを被加工物１２に向けて出射するレーザ出射部２２、
（ｅ）レーザ出射部２２を被加工物１２に対して近接離間させるレーザ出射部駆動装置４６、
（ｆ）レーザ出射部駆動装置４６により被加工物１２に対してレーザ出射部２２を近接離間方向に移動させ、被加工物１２からのレーザ出射部２２の離間距離が異なる撮像位置にて照明光Ｙで照らされた被加工物１２を順次撮像するカメラ３４、
（ｇ）異なる撮像位置で順次撮像された複数の画像において、被加工物１２の形状検知に用いるために予め設定された画面内の複数の合焦点検出位置Ｐ_1-nに対応する位置の画素にて検出した合焦点検出データを順次取り出し、前記合焦点検出データの変化に基づく合焦点検出波形Ｗを合焦点検出位置Ｐ_1-n毎にそれぞれ形成して前記各合焦点検出波形Ｗから割り出された各合焦点検出位置Ｐ_1-nにおける各合焦点検出波形Ｗのピーク値ＰＫを比較し、
(g-1)該ピーク値ＰＫのすべてが予め決定された範囲(＝閾値)内にある場合は、当該被加工物１２を良品として判定して被加工物１２に対するレーザ出射部２２の合焦点位置Ｘｐまでレーザ出射部２２を移動させ、然る後、レーザ出射部２２を作動させて被加工物１２に向けてレーザ出射によるレーザ加工を行わせる指令を、
(g-2)前記ピーク値の１が予め決定された範囲から外れた場合は、当該被加工物１２を不良品と判定してレーザ出射を行わないようにする指令をレーザ出射部２２に出力する画像処理装置４４とを備える、
（ｈ）レーザ加工装置１０である。

この発明によれば、被加工物１２の立体的形状の良否がレーザ加工部署においてレーザ加工直前に判定されるので、従来例のような形状判定部署と加工部署とが異なっていたために発生していた被加工物１２の位置ズレを防止出来るだけでなく、両部署を１つに纏められるので、装置のコンパクト化を実現することが出来る。

また、各合焦点検出位置Ｐ_1-nにおける各合焦点検出波形Ｗのピーク値ＰＫを利用することにより、レーザ出射部２２を正確な合焦点位置Ｘｐに設定することが出来、加工用レーザの焦点合わせの精度をより高くすることが出来る。換言すれば、２または３次或いはそれ以上の高次高調波レーザの微細な焦点合わせに対応することが出来る。

加えて、各合焦点検出位置Ｐ_1-nにおける各合焦点検出波形Ｗのピーク値ＰＫを比較することにより、レーザ加工位置でレーザ加工に先立って被加工物１２の立体的形状の判定も簡単に行うことが出来るし、後述するように閾値をピーク値ＰＫ近傍の微小範囲に限定することで、前記高次高調波の焦点合わせに対応出来るようになる。

なお、ここでいう「合焦点検出データ」とは、カメラ３４で撮像された画像の各微小部分を検出する画素(或いは隣接または近接した複数の画素群)からの輝度や彩度などのデータを抽出・加工することによって得られた生データ、或いはこれらの平均値(＝カメラ３４の昇降往復移動により得た同一地点における複数生データの算術平均値)、標準偏差、最小値と最大値との差、および最大値などをいうが、本実施例では１つの生データを採用しており、以下この場合に基づいて説明する。勿論、平均値、標準偏差、最小値と最大値との差、および最大値など、加工されたデータに基づく場合でも同じである。

また、被加工物１２に対するレーザ出射部２２の「合焦点位置Ｘｐ」とは、前記全合焦点検出位置Ｐ_1-nのピーク値ＰＫ群の算術平均値或いはいずれかのピーク値ＰＫ(通常は前記平均値に最も近いいずれかのピーク値ＰＫ)またはその他の算出法にて算出された値に一致する。

請求の範囲第２項に記載した発明は、画像処理の合焦点検出位置Ｐ_1-nが、
(a) 被加工物１２の中央と各角部の５点（Ｐ−１）（Ｐ−３）（Ｐ−５）（Ｐ−７）（Ｐ−９）、
(b) 被加工物１２の各角部と各辺の８点（Ｐ−１）〜（Ｐ−８）、
(c) 被加工物１２の各角部と各辺および中央の９点（Ｐ−１）〜（Ｐ−９）、或いは
(d) 前記９点（Ｐ−１）〜（Ｐ−９）に加えた被加工物１２の平面上の任意の点であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ加工装置１０であり、これらの点を測定することにより従来不可能であった立体形状、特に椀形或いはカップ形の被加工物１２まで形状測定が可能となる。

請求の範囲第３項は本発明に使用する加工用レーザに関し、「加工用レーザが、２次以上の高次高調波である」ことを特徴とするもので、これにより高い加工精度が得られる。なお、請求の範囲第１項または第２項の測定方法を採用することで、２次以上の高次高調波レーザの使用が可能となる。

本発明によれば、画像処理の合焦点検出位置をＰ_1-nという多数点にすることで被加工物の有無、立体形状の被加工物の良否判定が可能になり、特に、５点以上とすることにより従来は判定出来なかった反りや曲がりを有する立体的不良形状の良否判別が出来る。しかもこの判別をレーザ加工直前にレーザ加工部署で判定することが出来るので、レーザ加工装置のコンパクト化を図ることが出来るだけでなく、レーザ加工装置において、不良形状の検出場所からレーザ加工場所まで搬送する間にずれた被加工物の位置を修正する必要がなくなるなどの利点を有する。加えて、各合焦点検出位置Ｐ_1-nにおける各合焦点検出波形Ｗのピーク値ＰＫを利用することにより、加工用レーザの焦点形成位置の精度を第２高調波や第３高調波のような高次加工用レーザの使用に耐えることが出来るまで高くすることが出来る。

本発明に係るレーザ加工装置を示す概念図である。 加工用レーザ発生装置を示す概念図である。 本発明に係るレーザ出射部を示す概念図である。 良品の被加工物における８箇所の合焦点検出位置を示す図である。 合焦点検出位置における特徴量に基づく代表的な波形を示す図である。 良品の被加工物における各合焦点検出位置での波形を示す図である。 被加工物が存在しない場合における各合焦点検出位置での波形を示す図である。 不良形状の被加工物における各合焦点検出位置での波形を示す図である。 不良形状の被加工物における各合焦点検出位置での波形を示す図である。 不良形状の被加工物における各合焦点検出位置での波形を示す図である。 本発明に係るレーザ加工方法の各ステップを示すブロック図である。

符号の説明

１０…レーザ加工装置
１１…マウント
１２…被加工物
１４…加工用レーザ発生装置
１６…照明装置
１８…レーザ出射装置
２０…光ファイバ
２１…光ファイバ
２２…レーザ出射部
２３…レーザ出射部位置調整手段
２５…管状体
２６…集光レンズ
２８…加工用レーザ半反射ミラー
３０…照明光半反射ミラー
３２…カメラ用集光レンズ
３４…カメラ
３６…出射口
３８…カメラ接続口
４０…加工用レーザ出射口
４２…照明光出射口
４４…画像処理装置
４６…レーザ出射部駆動装置
１００…レーザチャンバ
１０２…共振器ミラー
１０４…共振器シャッター
１０６…パワー測定ユニット
１０８…分岐ミラー
１１０…分岐シャッター
１１２…パワー調整ユニット
１１４…光ファイバ入射ユニット
１１６…ヘリウムネオンレーザ発振器
１１８…折り返しミラー

本発明に係るレーザ加工装置１０は、図１に示すように、マウント１１に載置したタンタルコンデンサなどの電子部品構成部材である立体的被加工物１２(この場合は直方体または立方体である)に加工用レーザＸを出射して立体的被加工物１２をマウント１１に溶接するなどの加工を行う装置であり、加工用レーザ発生装置１４と、照明装置１６と、レーザ出射装置１８とを備えている。また、レーザ出射装置１８は、加工用レーザＸおよび照明光Ｙを被加工物１２に向けて出射或いは照射するための装置であり、図１に示すように、レーザ出射部２２と、レーザ出射部位置調整手段２３とを備えている。

加工用レーザ発生装置１４は、加工用レーザＸを発生する装置であり、本実施例では第２高調波ＹＡＧレーザ(それ以上の高次高調波も可能)を発生するものが用いられている。また、加工用レーザ発生装置１４は、光ファイバ２０を備えており、加工用レーザＸは、光ファイバ２０によりレーザ出射部２２へ導かれる。なお、加工用レーザ発生装置１４で発生する加工用レーザＸは、第２高調波ＹＡＧレーザに限られず、被加工物１２の物性および加工の内容に応じた波長のレーザを選択することが出来る。

加工用レーザ発生装置１４についてさらに詳述すると、加工用レーザ発生装置１４は、図２に示すように、レーザチャンバ１００と、レーザチャンバ１００の両側において所定の間隔を隔てて互いに対向するように設置された一対の共振器ミラー１０２と、共振器ミラー１０２およびレーザチャンバ１００を結ぶ光路上にそれぞれ設けられた一対の共振器シャッター１０４と、パワー測定ユニット１０６と、分岐ミラー１０８と、分岐シャッター１１０と、パワー調整ユニット１１２と、光ファイバ入射ユニット１１４と、可視光レーザＺを発振するヘリウムネオンレーザ発振器１１６とを有している。

レーザチャンバ１００は、その内部にフラッシュランプ（図示せず）およびＹＡＧロッド（図示せず）を備えており、このフラッシュランプを発光させることによりＹＡＧロッドが励起されて光エネルギーが放出される。

一対の共振器ミラー１０２は、加工用レーザＸを発振させるため、レーザチャンバ１００から放出された光エネルギーを反射させて共振器ミラー１０２同士の間を往復させる装置である。なお、一対の共振器ミラー１０２が設置される間隔は、発振する加工用レーザＸの波長に応じて適宜設定される。

一対の共振器シャッター１０４は、共振器ミラー１０２およびレーザチャンバ１００を結ぶ光路を開閉する装置である。レーザチャンバ１００内のエネルギーが十分に蓄えられるまでは共振器シャッター１０４を閉じておき、所定の時間が経過した後に共振器シャッター１０４を開いて加工用レーザＸを発振させることにより、高い強度の加工用レーザＸを得ることができる。

パワー測定ユニット１０６は、加工用レーザＸの強度測定を行う装置であり、本実施例では、共振器ミラー１０２とレーザチャンバ１００とを結ぶ光路をレーザチャンバ１００から図２中上方に離間する方向に延長した位置に配設されている。

レーザチャンバ１００から発振された加工用レーザＸは、光路上に設けられた分岐ミラー１０８で反射され、分岐シャッター１１０およびパワー調整ユニット１１２を通過して光ファイバ入射ユニット１１４に導入される。そして、光ファイバ入射ユニット１１４に導入された加工用レーザＸは、集光されて光ファイバ２０に導入される。

なお、１つのレーザチャンバ１００で発生させた加工用レーザＸを複数のレーザ照射装置１８に供給する場合には、図２において破線で示すように、分岐ミラー１０８、分岐シャッター１１０、パワー調整ユニット１１２、および光ファイバ入射ユニット１１４が複数設けられる。このとき、加工用レーザＸを対応するそれぞれの光ファイバ２０に向けて分岐させるため、分岐ミラー１０８には半反射ミラー(或いはハーフミラーとも言う)が使用される。また、パワー調整ユニット１１２において、分岐された各加工用レーザＸの強度を調整することにより、各加工用レーザＸの強度がそれぞれ均一になる。さらに、必要に応じて分岐シャッター１１０を開閉することにより、加工用レーザＸを導入する光ファイバ２０を適宜選択することができる。

また、ヘリウムネオンレーザ発振器１１６から発振される可視光レーザＺが折り返しミラー１１８で反射された後、加工用レーザＸと同一の光路を通るように、ヘリウムネオンレーザ発振器１１６および折り返しミラー１１８の位置が調整されている。これにより、可視光レーザＺを加工用レーザＸの発振調整や入射調整などにおけるガイド光として利用することができる。

照明装置１６は、図１に示すように、レーザ出射部２２の被加工物１２に対する焦点合わせのために用いられる可視光線である照明光Ｙを出射する装置であり、本実施例ではＬＥＤが使用されている。なお、照明装置１６は、ハロゲンランプなど他の発光装置を用いることも出来る。また、照明装置１６は、光ファイバ２１を備えており、照明光Ｙは、光ファイバ２１によりレーザ出射部２２へ導かれる。なお、本実施例では、加工用レーザＸおよび照明光Ｙを光ファイバ２０、２１を用いてレーザ出射装置１８へ導いているが、当然ながら、固定光学系でこれらを実現してもよい。

レーザ出射部２２は、図３に示すように、管状体２５と、対物レンズ系２６と、加工用レーザ半反射ミラー２８と、照明光半反射ミラー３０と、カメラ用集光レンズ系３２と、カメラ３４とを備えている。

管状体２５は、一端に加工用レーザＸおよび照明光Ｙを出射するための開口である出射口３６を有するとともに、他端に照明光Ｙの被加工物１２による反射光をカメラ３４に導くための開口であるカメラ接続口３８を有する断面が円形のパイプである。また、管状体２５の側面には光ファイバ２０が接続された加工用レーザ入射口４０、および光ファイバ２１が接続された照明光入射口４２が設けられている。

対物レンズ系２６は、レーザ出射装置１８から所定の位置に加工用レーザＸの焦点を形成する凸レンズや凹レンズその他を組み合わせたレンズ系であり、出射口３６に取り付けられている。

加工用レーザ半反射ミラー２８は、表面で加工用レーザＸを反射するとともに、被加工物１２に出射された照明光Ｙの反射光を通過する性質を有する板状の半反射ミラーである。また、加工用レーザ半反射ミラー２８は、加工用レーザ出射口４０から入射した加工用レーザＸを出射口３６に向けて反射させることが出来るように、加工用レーザ出射口４０の位置と出射口３６の位置との関係において所定の角度(例えば４５°)に固定或いは調節可能として管状体２５の内部に配設されている。

照明光半反射ミラー３０は、その表面で照明光Ｙを反射するとともに、照明光Ｙの反射光を通過する板状の半反射ミラーである。そして、照明光半反射ミラー３０は、照明光出射口４２から入射した照明光Ｙの導光路の光軸Ｒを、加工用レーザＸの光軸Ｒと一致するようにして出射口３６に向けて反射させることが出来るように、照明光出射口４２の位置と出射口３６の位置との関係において所定の角度(例えば４５°)に固定或いは調節可能として管状体２５の内部に配置されている。

カメラ用集光レンズ系３２は、被加工物１２によって反射された照明光Ｙの反射光をカメラ３４に集光するレンズ系であり、カメラ接続口３８に取り付けられている。

レーザ出射部位置調整手段２３は、図１に示すように、画像処理装置４４と、レーザ出射部駆動装置４６と、カメラ３４と、画像処理装置４４およびレーザ出射部駆動装置４６をそれぞれ電気的に接続する回路４８とを備えており、前記レーザ出射部駆動装置４６は、予め設定されたレーザ出射部２２の移動範囲内において、照明光Ｙで照らされた被加工物１２の画像をレーザ出射部２２と被加工物１２との距離が異なる状態(即ち被加工物１２に対してレーザ出射部２２を近接離間方向の移動(＝近接または離間方向のみ或いは１或いは数往復移動)の中で、小刻みに決定された各撮像位置Ｔ)で、カメラ３４で複数撮像するため、前記範囲内でレーザ出射部２２を被加工物１２に対して垂直方向に近接離間させる手段であり、且つ、加工用レーザＸを出射するために加工用レーザ出射適正位置(合焦点位置Ｘｐ)にレーザ出射部２２を移動させる手段である。

カメラ３４は、レーザ出射部駆動装置４６により予め設定された前記範囲内で、レーザ出射部２２とともに被加工物１２に対して近接離間等し、かつ、照明光Ｙで照らされた被加工物１２の画像をレーザ出射部２２と被加工物１２との距離が互いに異なる前記の状態で複数撮像する装置である。カメラ３４で撮像され、レーザ出射部位置調整手段２３の画像処理装置４４に出力される画像は、数十万から数百万の画素で構成されている。そして、これら画素は、当該画素が有する輝度（＝濃淡）の値（以下、「階調」と記載する。例えば、画素が８ビットの情報で構成されている場合、２５６階調となる。）を有している。なお、本実施例では、カメラ３４にＣＣＤカメラが使用されている。

画像処理装置４４は、次のような動作を実行する。まず、レーザ出射部２２の移動中の各撮像位置において、カメラ３４で撮像された画像が順次送られて来るが、この画像において、被加工物１２の立体形状検知に用いるために予め設定された画面内の複数の合焦点検出位置Ｐ_1-nに対応する位置の画素にて検出した合焦点検出データを順次取り出し記憶する。そして、前記合焦点検出データの変化に基づく合焦点検出波形Ｗを合焦点検出位置Ｐ_1-n毎にそれぞれ形成し、前記各合焦点検出波形Ｗから割り出された各合焦点検出位置Ｐ_1-nにおける各合焦点検出波形Ｗのピーク値ＰＫを比較する。該ピーク値ＰＫのすべてが予め決定された範囲(＝閾値)内にある場合は、当該被加工物１２を良品として判定してレーザ出射部駆動装置４６により、被加工物に対するレーザ出射部２２の合焦点位置Ｘｐまでレーザ出射部２２を移動させる指令をレーザ出射部駆動装置４６に出す。然る後、被加工物に向けてレーザ出射によるレーザ加工を行わせる指令をレーザ出射部２２に出す。

逆に、前記ピーク値の１が予め決定された範囲(＝閾値)から外れた場合は、当該被加工物を不良品と判定してレーザ出射を行わないようにする指令をレーザ出射部２２に出力する。本実施例では前記作業を実行するために画像処理装置４４に汎用のパーソナルコンピュータが使用されている。

上記の当該被加工物１２を良品と判定し、レーザ出射部駆動装置４６により被加工物に対するレーザ出射部２２の合焦点位置Ｘｐまでレーザ出射部２２を移動させる場合、該ピーク値ＰＫが合焦点検出位置Ｐ_1-nの数だけ存在する。従って、レーザ出射部２２が移動すべき被加工物１２に対する合焦点位置Ｘｐは、該ピーク値ＰＫ群の算術平均或いは、その中の平均値に最も近いピーク値ＰＫ、またはその他の最適手段によって得られた数値を採用することになる。

次に画像処理装置４４で行われる画像処理について詳述する。被加工物１２（良品）をカメラで撮像したときに被加工物１２の良・不良立体的形状を検出することの出来る可能性の高い合焦点検出位置Ｐ_1-nを予め８箇所（Ｐ−１〜８）設定している場合について、図４を用いて説明する。勿論これに限られず、合焦点検出位置Ｐ_1-nは複数であり、実用上は５箇所以上である。

カメラ３４で撮像された画像(移動範囲内の移動中の小刻みにされた撮像位置Ｔにおける画像；小刻み状態を図５(a)〜(c)に示す。)ごとに、前述の８箇所の合焦点検出位置（Ｐ−１〜８）における画素(またはその近傍の画素を含めた画素群；本明細書では単に必要のない限り単に「画素」という。)の合焦点検出データを順次蓄積し、その他の部分の画素の合焦点検出データを破棄する。全ての画像について合焦点検出位置（Ｐ−１〜８）における画素の合焦点検出データの蓄積が終了すると、次に、各合焦点検出位置（Ｐ−１〜８）ごとに合焦点検出データの変化量をプロットして合焦点検出波形Ｗを描く事になる。

即ち、各合焦点検出位置（Ｐ−１〜８）における画素の合焦点検出データ(本発明の場合は輝度または濃淡である。)をカメラ３４で撮像した順（つまり、マウント１１に近い位置から遠い位置への順）にグラフ上にプロットして合焦点検出波形Ｗを得る。具体例に合焦点検出位置（Ｐ−１）における合焦点検出波形Ｗを得る場合について図５を用いて説明する。

図５における二点鎖線は、カメラ３４の移動(＝連続移動或いは撮影中は停止する間歇移動)中にカメラ３４で被加工物１２を撮像したときにおけるレーザ出射部２２の位置から刻々変化している撮像位置Ｔを示している。

本実施例では、撮像位置Ｔ（図５中の二点鎖線）と合焦点検出位置（Ｐ−１）との交点の画素の輝度を合焦点検出データとして録取しており、レーザ出射部２２の焦点が被加工物１２の角部Ｃに近い位置にあるほどピントがあっているため画素が検出する輝度(または濃淡)が高くなる。

従って、移動範囲におけるこれらの合焦点検出データ(輝度等)をプロットすると、当然、図５（ａ）に示すように、レーザ出射部２２の焦点が被加工物１２の角部Ｃに近い位置(高さ)にあるほど合焦点検出データ(輝度等)がピークとなる合焦点検出波形Ｗが生成される。換言すれば、この合焦点検出波形Ｗのピーク値ＰＫがレーザ出射部２２の焦点距離に一致する合焦点位置(高さ)Ｘｐであると判定することが出来る。

また、仮に角部Ｃが、図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）よりも低い位置にある場合、合焦点検出データ(輝度)のピーク値ＰＫは低い位置で生じることになる。さらに、被加工物１２が存在しない場合、つまり合焦点位置が存在しない場合は、図５（ｃ）に示すように、ピーク値ＰＫを生じない。なお、レーザ出射部２２の焦点深度(ピントが合う範囲)或いはそれ以下の数値(例えば焦点深度の１／２)を閾値として設定し、ピーク値ＰＫを形成するべき被加工物１２からの高さ位置を決めておくと図５(ａ)の場合はピーク値ＰＫが閾値範囲内となり良品と判定される。

一方、図５(b)の場合はピーク値ＰＫが閾値範囲外となり、被加工物１２の厚みが規格外であることが分かる。更に、図５(ｃ)の場合はピーク値ＰＫが閾値に到達出来ないのであるから被加工物１２なしと判定されることになる。以上のように図５(ａ)の場合を良品とすると、ピーク値ＰＫの被加工物１２からの高さを検出することにより、被加工物１２の高さ関係の良否も判定出来る。

このような関係を考慮して図６を参照する。図６に示すように、被加工物１２の合焦点検出位置（Ｐ−１〜８）における合焦点検出波形Ｗが全て同じ位置(高さ関係も良品範囲に入っているとする)においてピーク値ＰＫを有する形状を呈する場合、被加工物１２の形状は４隅および４辺において曲がりや跳ね上がりなど歪のない良品であると判定することが出来る。

仮に、被加工物１２が加工領域に存在しない場合は、図７に示すように、合焦点検出位置（Ｐ−１〜８）における波形のピークが閾値を越えず、しかも被加工物１２から遠ざかるにつれて合焦点検出データ(輝度)が次第に小さくなり、合焦点検出データ(輝度)を検知することで被加工物１２の有無もたちどころに検出することが出来る。

また、被加工物１２が、図８に示すように、反った形状で一方の端部が高い位置にある場合は、合焦点検出位置（Ｐ−１〜３）におけるピーク値ＰＫに比べて、合焦点検出位置（Ｐ−５〜７）におけるピーク値ＰＫが図中上側に位置する（＝高い位置に合焦点位置がある）といった結果が得られる。

また、被加工物１２が、図９に示すように、下向きに凸に反った形状である場合は、合焦点検出位置（Ｐ−１〜３、５〜７）におけるピーク値ＰＫに比べて、合焦点検出位置（Ｐ−４および８）におけるピーク値ＰＫが図中下側に位置するといった結果が得られ、８点測定における被加工物１２の反りの状態を知ることが出来る。ただし、被加工物１２の中央を測定しないので、被加工物１２が椀状または下向き椀状に歪んでいることまでは検出出来ない。

さらに、被加工物１２が、図１０に示すように、上向き凸に反っている場合は、合焦点検出位置（Ｐ−１〜３、５〜７）におけるピーク値ＰＫに比べて、合焦点検出位置（Ｐ−４および８）におけるピーク位置が図中上側に位置するといった結果が得られる。

なお、本実施例では合焦点検出位置Ｐ_1-nを被加工物１２の各角部と各辺の８箇所設定したが、少なくとも被加工物１２の中央と各角部の５点を測定すれば、反りや椀状或いは下向き椀状に歪んでいることが分かる。また、被加工物１２の各角部と各辺および中央の９点を測定することで更に正確な測定が可能となる。さらに、前記９点に加え、被加工物１２の平面上の任意の点を更に測定すれば、被加工物１２の平面上の欠陥を検出することが出来る。即ち、合焦点検出位置Ｐ_1-nの数が多いほど、より立体的不良形状の被加工物１２を判定する精度を高めることが出来る。

例えば、合焦点検出位置Ｐ_1-nを９箇所設定した場合について、図９を用いて説明すると、被加工物１２の中央部に９番目の合焦点検出位置（Ｐ−９）を設定することにより、合焦点検出位置（Ｐ−９）からは、合焦点検出位置（Ｐ−４および８）と同様の波形を得ることが出来る。したがって、合焦点検出位置を８箇所設定した場合には、図９に示す不良形状の被加工物１２の中央部が凹んでいるのか、突出した形状になっているのかが不明であるが、繰り返しになるが、合焦点検出位置を９箇所設定することにより、被加工物１２の上面は凹凸のない曲面である可能性が高いと判定することが出来る。

次に、本実施例に係るレーザ加工装置１０を用いて被加工物１２を加工する方法について、図１１に示すブロック図に基づき説明する。なお、当該方法が開始される際、被加工物１２のＸ−Ｙ方向（加工用レーザＸおよび照明光Ｙの出射方向に直交する方向）の位置決めはすでに完了している。

まず、照明装置１６から照明光Ｙを出射する（照明光出射ステップ［Ｓ−１］）。このステップでは、照明装置１６から出射した照明光Ｙを、光ファイバ２１を通して照明光入射口４２から管状体２５内部に入射する。管状体２５内部に入射された照明光Ｙは、照明光半反射ミラー３０で反射して出射口３６の方向に向きを変え、対物レンズ系２６を通過する際に屈折された後、被加工物１２に向けて照射され、被加工物１２の全面を均等の明るさで照らす。

次に、レーザ出射部駆動装置４６によりレーザ出射部２２を予め設定した最も被加工物１２に近い位置に移動した後、レーザ出射部２２を被加工物１２から離間する方向に移動範囲だけ連続或いは間歇移動する。当該移動に伴い、被加工物１２からの異なる離間距離において、予め設定した枚数の被加工物１２の画像をカメラ３４で撮像し、画像処理装置４４に出力する（被加工物画像の撮像ステップ［Ｓ−２］）。なお、本実施例では、画像処理装置４４に対して、異なる離間距離において撮影したときのそれぞれの画像をレーザ出射部２２の位置情報と共にレーザ出射部駆動装置４６から出力し、画像処理装置４４で記録する。

そして、前述したように画像処理装置４４で被加工物１２の形状の良否を判定するとともに合焦点位置を判定し（合焦点位置判定ステップ［Ｓ−３］）、被加工物１２が不良形状であると判定する場合は、以降のレーザ加工を中止し、次の被対象物について最初からレーザ加工工程を開始する。

一方、被加工物１２を良品と判断する場合は、ピーク値ＰＫに対応する画像を撮影したときのレーザ出射部２２の位置、つまり合焦点位置までレーザ出射部２２をレーザ出射部駆動装置４６で移動する（レーザ出射部移動ステップ［Ｓ−４］）。本実施例では、前述のように被加工物１２を撮影した画像毎のレーザ出射部２２の位置情報が画像処理装置４４に記録されているので、合焦点検出データのピーク値ＰＫに対応する画像を撮影したときの当該位置情報に基づいてレーザ出射部２２を合焦点位置まで移動することになるが、ピーク値ＰＫは複数個(最小５個)あるので、例えばこれらの算術平均或いはピーク値ＰＫの内の中心に近い値またはそれ以外の最適方法で求めた値をレーザ出射部２２の合焦点位置Ｘｐとし、この位置までレーザ出射部２２を移動させる事になる。前記ピーク値ＰＫはいずれもレーザ出射部２２の焦点深度内に存在するため、どの値を使用してもピントがぼけることはないが、算術平均値を使用する事が好ましい。

レーザ出射部２２の移動が完了すると、最後に加工用レーザ発生装置１４で加工用レーザＸを発生させ、光ファイバ２０を経由して加工用レーザ出射口４０から加工用レーザＸを管状体２５内部に出射し、被加工物１２をレーザ加工する（レーザ加工ステップ［Ｓ−５］）。本実施例では、加工用レーザ発生装置１４から発生した加工用レーザＸを光ファイバ２０に導き、加工用レーザ入射口４０から管状体２５内部に入射する。そして、入射した加工用レーザＸを加工用レーザ半反射ミラー２８で反射することによって出射口３６の方向に向きを変え、対物レンズ系２６を通過する際に集光させて被加工物１２に出射する。このとき、レーザ出射部２２は、事前にレーザ出射部２２の合焦点位置に正確に移動されているので、被加工物１２に出射された加工用レーザＸの焦点は、被加工物１２対して高い精度で合っており、加工用レーザＸのエネルギー密度が最大となる焦点位置で被加工物１２を加工することが出来る。

なお、本実施例では、対物レンズ系２６を含めたレーザ出射部２２全体をレーザ出射部駆動装置４６で動かすことにより焦点位置を調整しているが、対物レンズ系２６のみを移動させることにより焦点位置を調整してもよい。また、本実施例では、レーザ出射部２２の管状体２５に対してパイプを用いているが、これに限定されるわけではなく、角パイプなどを用いてもよい。また、本実施例では、照明光Ｙに可視光が用いられているが、エネルギー密度が低く被加工物１２を傷つけるおそれがない光線であれば、他の光線を用いてもよい。

Claims (3)

1. （ａ）加工用レーザを被加工物の加工位置へ出射して前記被加工物を加工するレーザ加工装置であって、
   （ｂ）前記加工用レーザを発生させる加工用レーザ発生装置、
   （ｃ）前記被加工物を照らす照明光を発光する照明装置、
   （ｄ）前記加工用レーザ発生装置および前記照明装置が光学的に接続され、前記加工用レーザおよび前記照明光を前記被加工物に向けて出射するレーザ出射部、
   （ｅ）前記レーザ出射部を前記被加工物に対して近接離間させるレーザ出射部駆動装置、（ｆ）前記レーザ出射部駆動装置により前記被加工物に対して前記レーザ出射部を近接離間方向に移動させ、前記被加工物からの前記レーザ出射部の離間距離が異なる撮像位置にて前記照明光で照らされた前記被加工物を順次撮像するカメラ、
   （ｇ）異なる撮像位置で順次撮像された複数の画像において、前記被加工物の形状検知に用いるために予め設定された画面内の複数の合焦点検出位置に対応する位置の画素にて検出した合焦点検出データを順次取り出し、前記合焦点検出データの変化に基づく合焦点検出波形を前記合焦点検出位置毎にそれぞれ形成して前記各合焦点検出波形から割り出された前記各合焦点検出位置における前記各合焦点検出波形のピーク値を比較し、
   （g-1）前記ピーク値のすべてが予め決定された範囲内にある場合は、前記被加工物を良品と判定して前記被加工物に対する前記レーザ出射部の合焦点位置まで前記レーザ出射部を移動させ、然る後、前記レーザ出射部を作動させて前記被加工物に向けてレーザ出射によるレーザ加工を行わせる指令を前記レーザ射出部に出力し、
   （g-2）前記ピーク値の１が予め決定された範囲から外れた場合は、前記被加工物を不良品と判定してレーザ出射を行わないようにする指令を前記レーザ出射部に出力する画像処理装置とを備える、
   （ｈ）レーザ加工装置。
2. 画像処理の前記合焦点検出位置が、
   （ａ） 前記被加工物の中央と各角部の５点、
   （ｂ） 前記被加工物の各角部と各辺の８点、
   （ｃ） 前記被加工物の各角部と各辺および中央の９点、或いは
   （ｄ） 前記９点に加えた前記被加工物の平面上の任意の点である
   ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ加工装置。
3. 前記加工用レーザが、２次以上の高次高調波であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のレーザ加工装置。

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