WO2013057998A1 - レーザ加工機 - Google Patents

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target irradiation
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鈴木　正美
則男 西
松本　潤一
延孝 米山
哲 徳岡
悦史 加藤
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株式会社片岡製作所
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    • B23K26/0853—Devices involving movement of the workpiece in at least in two axial directions, e.g. in a plane

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing machine that performs processing by irradiating an arbitrary portion of a workpiece with a laser beam.
  • a test pattern is laser-processed on a test piece, and then this is observed with a microscope to measure the error between the test pattern and the actually formed pattern, and a correction amount that reduces that error. was added to the command value for the galvano scanner.
  • An object of the present invention is to provide a laser processing machine that can easily calibrate an error in a laser beam irradiation position.
  • a laser beam machine is for performing processing by irradiating a workpiece with a laser beam, and directing a laser beam oscillated from a laser oscillator toward a predetermined surface on which the workpiece is disposed.
  • a camera sensor that captures an image of the surrounding area, an image captured by the camera sensor, and a target irradiation position commanded to the optical axis operation mechanism on the predetermined surface and an optical axis position of the actual laser beam.
  • An error calibration mechanism for detecting an error, and based on the error, the optical axis operation for irradiating the target irradiation position with a laser beam during processing It is possible to determine a correction amount of the command to be given to the structure.
  • the laser processing machine is a laser processing machine for irradiating a workpiece with a laser beam, and processing the laser beam oscillated from a laser oscillator.
  • a mirror that reflects toward the surface, an optical axis operation mechanism that positions the optical axis of the laser beam to a desired target irradiation position on the predetermined surface by changing the direction of the mirror, a target irradiation position on the predetermined surface, and The target irradiation position instructed to the optical axis operation mechanism on the predetermined surface with reference to the peripheral region and a camera sensor that captures the light spot of the laser beam irradiated on the predetermined surface and an image captured by the camera sensor And an error calibration mechanism that detects an error between the position of the optical axis of the actual laser beam and the laser beam during processing based on the error. It can be of determining the correction amount of the command to be given to the optical axis operation mechanism in order to irradiate the target irradiation position.
  • a beam splitter is arranged on the optical path between the laser oscillator and the mirror, and the target irradiation position on the predetermined surface and the surrounding area are imaged by the camera sensor via the mirror and the beam splitter.
  • the optical axis of the camera sensor can be brought as close as possible to the optical axis of the laser beam, and both can be superimposed.
  • the degree of freedom in designing the camera sensor is increased.
  • a grid pattern provided on the predetermined plane and indicating a position coordinate of each location on the predetermined plane is imaged by the camera sensor, and the error calibration mechanism detects the error based on the grid pattern appearing in the captured image. If so, it is possible to accurately detect an error between the target irradiation position on the predetermined surface and the position of the optical axis of the actually irradiated laser beam.
  • the error calibration mechanism is imaged by the camera sensor and an irradiation position command unit that commands the optical axis operation mechanism to position the optical axis of the laser beam at the target irradiation position on the predetermined surface.
  • An error detection unit that calculates an error between the target irradiation position on the predetermined surface with reference to the image and the position of the optical axis of the actual laser beam, and the target irradiation position at the time of processing based on the error calculated by the error detection unit
  • a correction amount storage unit that determines and stores a correction amount of a command to be given to the optical axis operation mechanism in order to irradiate the optical axis.
  • the perspective view which shows the laser beam machine which concerns on one Embodiment of this invention The perspective view which shows the laser irradiation apparatus of the laser processing machine.
  • the flowchart which shows the procedure of the process which the laser beam machine performs at the time of a process operation The perspective view which shows the laser beam machine which concerns on one Embodiment of this invention.
  • the laser processing machine 0 of the present embodiment includes an installation table 4 that supports a workpiece to be processed, and a laser irradiation device that irradiates a laser beam L toward the workpiece. 1 and can perform laser processing on an arbitrary portion of the workpiece.
  • the installation table 4 supports the workpiece during laser processing.
  • a grid pattern that suggests the position coordinates of each location on the surface is provided on the upper surface of the installation table 4 that is a predetermined surface on which the workpiece is placed.
  • the form of the grid pattern is not uniquely limited, in the example shown in FIG. 6, an infinite number of points (for example, 1 mm intervals) along the x-axis direction and the y-axis direction orthogonal to the x-axis (for example, 1 mm) (Circle with a diameter of 0.5 mm) 41 is attached.
  • a grid or the like may be attached to the upper surface of the installation table 4 as a grid pattern.
  • the installation base 4 may be immovable with respect to the laser irradiation apparatus 1 or may be relatively displaceable along the x-axis direction and / or the y-axis direction with respect to the laser irradiation apparatus 1. In the latter case, the installation table 4 may be supported on the XY stage. However, the installation table 4 is fixed at a predetermined reference position during calibration. The installation table 4 is not displaced during the calibration.
  • the laser irradiation apparatus 1 includes a laser oscillator (not shown), galvano scanners 11 and 12 that scan a laser beam L oscillated from the laser oscillator, and a condensing light that condenses the laser beam L. And a lens 13.
  • the galvano scanners 11 and 12 rotate the mirrors 112 and 122 that reflect the laser beam L by means of servo motors or stepping motors 111 and 121 that are optical axis operation mechanisms. By changing the direction of the mirrors 112 and 122, the optical axis of the beam L can be displaced.
  • both an X-axis galvano scanner 11 that changes the optical axis of the beam L in the X-axis direction and a Y-axis galvano scanner 12 that changes the optical axis of the beam L in the Y-axis direction are provided.
  • the irradiation position of the beam L on the upper surface of 4 can be controlled in two dimensions in the x-axis direction and the y-axis direction.
  • the condenser lens 13 is, for example, an F ⁇ lens.
  • the irradiation position of the laser beam L irradiated on the upper surface of the installation table 4 is affected by rotational positioning errors of the galvano scanners 11 and 12.
  • optical distortion due to the condenser lens 13 also occurs.
  • the error in the irradiation position of the laser beam L tends to increase as the distance from the center of the scanning range of the galvano scanners 11 and 12 increases.
  • the state is schematically shown by reference symbol A in FIG.
  • the control device 5 serving as an error calibration mechanism for controlling the galvano scanners 11 and 12 includes a processor 5a, a main memory 5b, an auxiliary storage device 5c, an I / O interface 5d, etc., and these are the controller 5e. It is controlled by (system controller, I / O controller, etc.) and operates in cooperation.
  • the auxiliary storage device 5c is a flash memory, a hard disk drive, or the like.
  • the I / O interface 5d may include a servo driver (servo controller).
  • the program to be executed by the control device 5 is stored in the auxiliary storage device 5c, and is read into the main memory 5b and decoded by the processor 5a when the program is executed. And the control apparatus 5 follows the program, and the irradiation position command part 51, the image acquisition part 52, the calibration position data storage part 53, the error detection part 54, the correction amount storage part 55, and the processing position data storage part shown in FIG. 56 and a function as the processing time control unit 57.
  • the irradiation position command unit 51 instructs the laser irradiation apparatus 1 to irradiate the target irradiation position with the laser beam L.
  • the irradiation position command unit 51 inputs a control signal corresponding to the coordinates to the galvano scanners 11 and 12 in order to irradiate the laser beam L to the (x, y) coordinates of the target irradiation position on the upper surface of the installation table 4.
  • the angle of 112,122 is operated.
  • the image acquisition unit 52 receives and acquires an image captured by the camera sensor 2, and temporarily stores it in a required storage area of the main memory 5b or the auxiliary storage device 5c.
  • the camera sensor 2 images the target irradiation position on the upper surface of the installation table 4 and its surrounding area and / or the light spot of the laser beam L actually irradiated on the upper surface of the installation table 4. The arrangement of the camera sensor 2 will be described later.
  • the calibration position data storage unit 53 stores calibration position data.
  • the laser beam L is irradiated toward a plurality of points in the XY plane coordinate system on the upper surface of the installation table 4, an error of the irradiation position at each point is detected, and correction for each point is performed. Determine the amount.
  • error detection and correction amount determination are performed for 6000 to 7000 points scattered on the upper surface of the installation table 4, and the (x, y) coordinates of each of the 6000 to 7000 points are determined. It is stored as calibration position data.
  • the error detection unit 54 acquires an error between the target irradiation position of the laser beam L and the actual irradiation position.
  • the error detection unit 54 reads out the calibration position data to obtain the (x, y) coordinates of the target irradiation position of the laser beam L, and sends a control signal corresponding to the target coordinates via the irradiation position command unit 51. Input to the scanners 11 and 12. Then, referring to the image acquired by the image acquisition unit 52, as shown in FIG. 6, the coordinates of the calibration position data, that is, the target irradiation position coordinates T (x T , y commanded to the galvano scanners 11 and 12).
  • the correction amount storage unit 55 determines a correction amount of a command to be given to the laser irradiation apparatus 1 to irradiate the target irradiation position during processing.
  • the target irradiation position coordinates (x T , y T ), the x-axis direction error ⁇ x, and the y-axis direction error ⁇ y are substituted into predetermined function expressions, and the control signal x given to the galvano scanners 11, 12 is set.
  • the axial direction correction amount and the y-axis direction correction amount are calculated, and the correction amounts are stored in the main memory 5b or the auxiliary storage device 5c in association with the previous target coordinates (x T , y T ).
  • the machining position data storage unit 56 stores machining position data.
  • the processing position data storage unit 56 includes CAD data or the like that defines which part of the workpiece is irradiated with the laser beam L, or (x, y) coordinates of a plurality of points that are irradiated with the laser beam L during processing. Stored as machining position data.
  • the processing control unit 57 controls the laser irradiation apparatus 1 so as to irradiate the laser beam L to the irradiation position specified by the processing position data.
  • the processing control unit 57 reads the processing position data, knows the (x, y) coordinates of the target irradiation position of the laser beam L, and reads the correction amount associated with the target coordinates.
  • the correction amount directly connected to the target coordinates is not stored in the correction amount storage unit 55, a plurality of correction amounts associated with a plurality of coordinates close to the target coordinates are read out, and an appropriate correction amount is obtained by their interpolation. Calculate.
  • a control signal corresponding to a coordinate obtained by adding a correction amount to the target coordinate is input to the galvano scanners 11 and 12 via the irradiation position command unit 51.
  • the original target irradiation position is correctly irradiated with the laser beam L.
  • the camera sensor 2 is, for example, a CCD sensor or a CMOS sensor.
  • the camera sensor 2 images the target irradiation position on the upper surface of the installation table 4 and the surrounding area, which are reflected on the mirrors 112 and 122 of the galvano scanners 11 and 12.
  • an optical module including a beam splitter 3 typified by a half mirror is disposed on the optical path between the laser oscillator and the mirror 122, and the light is collected from the installation table 4 side.
  • a beam splitter 3 separates a part of the light beam guided through the lens 13 and the mirrors 112 and 122 (including the grid pattern in the peripheral region of the target irradiation position on the upper surface of the installation table 4 and the light spot of the laser beam L). Then, the light is incident on the camera sensor 2 through the imaging lens 7 to pick up an image of the light flux.
  • the transmission plate 6 that is interposed between the beam splitter 3 and the mirror 122 and transmits the beam L is an optical path cancellation window that cancels out the displacement of the optical axis due to the refraction of the laser beam L that transmits the beam splitter 3.
  • the beam splitter 3 and the window 6 paired therewith must be removed from the optical path during laser processing.
  • the beam splitter 3 and the window 6 are unitized, and an automatic or manual drive device for moving the unit is provided, and the unit is inserted into the optical path between the laser oscillator and the mirror 122 during calibration. It is preferable to perform an advance / retreat operation for retracting the unit from the optical path during laser processing.
  • the calibration of the irradiation position of the laser beam L is performed before the laser processing operation.
  • a procedure of processing executed by the control device 5 during calibration is shown in the flowchart of FIG.
  • the control device 5 reads the coordinates of the target irradiation position included in the stored calibration position data (step S1), and positions the optical axis of the laser beam L at the read coordinates to mirrors 112 of the galvano scanners 11 and 12. , 122 are operated (step S2).
  • the laser is oscillated from the laser oscillator to irradiate the upper surface of the installation table 4 with the laser beam L (step S3), and the target irradiation position on the upper surface of the installation table 4 and the surrounding area and the surface are irradiated.
  • the light spot (that is, the reflected light) of the laser beam L is imaged by the camera sensor 2 (step S4).
  • the grid pattern in the peripheral area of the target irradiation position and the light spot of the laser beam L may be photographed at one time and stored in one image.
  • the grid pattern in the peripheral area of the image is photographed, and then the laser is irradiated (without moving the mirrors 112 and 122), and the light spot appearing on the upper surface of the installation table 4 is photographed twice with a time difference. To obtain two images.
  • an error between the XY coordinates where the laser beam L is actually sensed and the target XY coordinates is acquired from the captured one or two images via the beam detection sensor 2 (step S5).
  • the grid pattern 41 attached to the upper surface of the installation table 4 is imaged together with a light spot indicating the actual irradiation point of the laser beam L on the upper surface of the installation table 4. . Since the grid pattern 41 is a reference representing the XY coordinates on the upper surface of the installation table 4, the light spot L shown in the image and the grid pattern around the light spot L (or close to the light spot L).
  • the position coordinates (x L , y L ) of the light spot L can be calculated by calculating the distance on the image with respect to 41.
  • the difference between the calculated coordinates (x L , y L ) of the light spot L and the coordinates (x T , y T ) of the target irradiation position T is the error ( ⁇ x, ⁇ y) to be acquired in step S5. .
  • step S6 the correction amount is determined based on the acquired error
  • step S7 the set of the determined correction amount and the target XY coordinates is stored.
  • the control device 5 repeats the above steps S1 to S7 until the correction amount is determined for all the XY coordinates included in the calibration position data (step S8).
  • the workpiece is set on the setting table 4 and the setting table 4 is returned to the origin position by controlling the XY stage.
  • a procedure of processing executed by the control device 5 at the time of machining is shown in the flowchart of FIG.
  • the control device 5 reads the XY coordinates defined by the stored processing position data (step S9), and calculates the correction amount of the command for the galvano scanners 11 and 12 when the target XY coordinates are irradiated with the laser beam L. Read or acquire by interpolation (step S10).
  • a control signal corresponding to a coordinate obtained by adding a correction amount to the target XY coordinate is input to the galvano scanners 11 and 12, and the galvano scanners 11 and 12 are operated (step S11). Then, the laser beam L is irradiated (step S12). The control device 5 repeats the above steps S9 to S12 until laser processing is performed on the necessary XY coordinates defined in the processing position data (step S13).
  • a laser processing machine for performing processing by irradiating a workpiece with a laser beam L, the laser beam L oscillated from a laser oscillator being placed on a predetermined surface (installation table) 4 and the optical axis operation mechanism for positioning the optical axis of the laser beam L to a desired target irradiation position on the predetermined plane by changing the direction of the mirrors 112 and 122.
  • An error calibration mechanism 5 for detecting an error between the target irradiation position commanded to the optical axis operation mechanisms 111 and 121 and the actual optical axis position of the laser beam L;
  • a laser processing machine that can determine a correction amount of a command to be given to the optical axis operation mechanisms 111 and 121 to irradiate the target irradiation position with the laser beam L at the time of processing is configured. .
  • a laser processing machine for performing processing by irradiating the workpiece with the laser beam L, the laser beam L oscillated from the laser oscillator being applied to a predetermined surface on which the workpiece is disposed.
  • the irradiation position of the beam L and its error can be directly measured by the camera sensor 2, and the irradiation position can be easily calibrated without taking the trouble of observing the pattern formed on the test piece with a microscope. Can be done. Moreover, it is not necessary to prepare a high-precision microscope on site.
  • a beam splitter 3 is arranged on the optical path between the laser oscillator and the mirror 122, and the laser beam L oscillated from the laser oscillator is transmitted through the beam splitter 3 and then passed through the mirrors 122 and 112.
  • the target sensor is directed toward the predetermined plane, and the target irradiation position on the predetermined plane and its surrounding area are imaged by the camera sensor 2 through the mirror 122 and the beam splitter 3 together with the light spot of the laser beam L irradiated on the predetermined plane. Therefore, the camera sensor 2 is kept stationary regardless of how the target irradiation position of the laser beam L, that is, the angles of the mirrors 112 and 122 are changed. Therefore, calibration can be performed stably over a wide range on a predetermined surface.
  • a grid pattern provided on the predetermined plane and indicating a position coordinate of each location on the predetermined plane is imaged by the camera sensor 2, and the error calibration mechanism 5 detects the error on the basis of the grid pattern appearing in the captured image. Therefore, the coordinate detection accuracy of the irradiation position of the actual beam L on the predetermined surface is high, and accurate calibration is possible.
  • the error calibration mechanism 5 includes an irradiation position command unit 51 that instructs the optical axis operation mechanisms 111 and 121 to position the optical axis of the laser beam L at a target irradiation position on the predetermined surface, and the camera sensor 2. Based on the error calculated by the error detection unit 54, an error detection unit 54 that calculates an error between the target irradiation position on the predetermined surface and the position of the optical axis of the actual laser beam L with reference to the image captured by And a correction amount storage unit 55 for determining and storing a correction amount of a command to be given to the optical axis operation mechanisms 111 and 121 in order to irradiate the target irradiation position at the time of processing, and automatically performs calibration without human power. Therefore, it can be performed in a short time.
  • the present invention is not limited to the embodiment described in detail above.
  • the laser beam L is irradiated during calibration, and the light spot and the grid pattern 41 in the peripheral area are photographed by the camera sensor 2.
  • the position (pixel coordinates in the image) irradiated with the laser beam L in the captured image is constantly constant. In other words, if the pixel at a specific position in the captured image can always be regarded as the position irradiated with the laser beam L, the grid pattern can be obtained without irradiating the laser beam L.
  • the beam splitter 3 and the window 6 are used to image the target irradiation position reflected on the mirror 122 and the surrounding area, but the camera sensor 2 itself is driven without using the beam splitter 3 or the like. It is also possible to move forward and backward through the optical path to interrupt the optical path. In this case, the camera sensor 2 is inserted into the optical path between the laser oscillator and the mirror 122 during calibration, and the camera sensor 2 is retracted from the optical path during laser processing.
  • the target irradiation position on the upper surface of the installation table 4 and the surrounding area may be directly imaged without using the mirror 122.
  • the present invention can be used as a processing machine that performs processing by irradiating an arbitrary portion of a workpiece with a laser beam.

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Abstract

レーザ発振器から発振されるビーム(Ｌ)を被加工物が配置される所定面(４)に向けて反射させるミラー(１１２)、(１２２)と、ミラー(１１２)、(１２２)の方向を変化させることでビーム(Ｌ)の光軸を所望の目標照射位置へと位置づける光軸操作機構(１１１)、(１２１)と、ミラー(１２２)に映る目標照射位置及びその周辺の領域を撮像するカメラセンサと、カメラセンサにより撮像した画像を参照して光軸操作機構(１１１)、(１２１)に指令した目標照射位置と所定面(４)における実際のビーム(Ｌ)の光軸の位置との誤差を検出する誤差較正機構とを具備する加工機を構成し、前記誤差に基づき、加工時にビーム(Ｌ)をその目標照射位置に照射するために光軸操作機構(１１１)、(１２１)に与えるべき指令の補正量を決定するようにした。

Description

レーザ加工機
　本発明は、レーザビームを被加工物の任意の箇所に照射して加工を行うレーザ加工機に関する。
　被加工物の任意の箇所にレーザビームを照射する加工機の一種として、レーザビームの光軸を変位させるものがある。光軸の向きを変化させるための具体的手段としては、ガルバノスキャナと集光レンズとの組み合わせが採用されることが少なくない（例えば、下記特許文献を参照）。
　レーザビームの光軸を変位させる走査においては、ガルバノスキャナ等のミラーの回転位置決め誤差や集光レンズの光学的な歪み等の要因によって、平面座標系に対する誤差が発生する。レーザ加工を実行するに際しては、その誤差を予め取り除いておく必要がある。
　従前では、テストピースに試験用のパターンをレーザ加工し、しかる後にこれを顕微鏡で観察して試験用のパターンと実際に形成されたパターンとの誤差を計測、その誤差を低減するような補正量をガルバノスキャナ等に対する指令値に加味していた。
　しかしながら、テストピースに形成されたパターンを顕微鏡で調査するのに非常に時間がかかる上、加工機の組立調整や納品調整において必ずこのような補正作業を行うので、作業現場に高精度な顕微鏡が必須であった。さらに、レーザ発振器の光学調整や集光レンズの交換時、焦点変更時にも補正作業を行うことが要求され、煩瑣であった。
特開２００８－０６８２７０号公報 特開２００９－２９７７２６号公報
　本発明は、レーザビームの照射位置の誤差を簡便に較正できるレーザ加工機を提供することを所期の目的とする。
　本発明に係るレーザ加工機は、レーザビームを被加工物に照射して加工を施すためのものであって、レーザ発振器から発振されるレーザビームを被加工物が配置される所定面に向けて反射させるミラーと、前記ミラーの方向を変化させることによりレーザビームの光軸を前記所定面における所望の目標照射位置へと位置づける光軸操作機構と、前記ミラーに映る、前記所定面における目標照射位置及びその周辺の領域を撮像するカメラセンサと、前記カメラセンサにより撮像した画像を参照し、前記所定面における前記光軸操作機構に指令した目標照射位置と実際のレーザビームの光軸の位置との誤差を検出する誤差較正機構とを具備してなり、前記誤差に基づき、加工時にレーザビームをその目標照射位置に照射するために前記光軸操作機構に与えるべき指令の補正量を決定することができる。
　並びに、本発明に係るレーザ加工機は、レーザビームを被加工物に照射して加工を施すためのレーザ加工機であって、レーザ発振器から発振されるレーザビームを被加工物が配置される所定面に向けて反射させるミラーと、前記ミラーの方向を変化させることによりレーザビームの光軸を前記所定面における所望の目標照射位置へと位置づける光軸操作機構と、前記所定面における目標照射位置及びその周辺の領域、並びに当該所定面に照射したレーザビームの光点を撮像するカメラセンサと、前記カメラセンサにより撮像した画像を参照し、前記所定面における前記光軸操作機構に指令した目標照射位置と実際のレーザビームの光軸の位置との誤差を検出する誤差較正機構とを具備してなり、前記誤差に基づき、加工時にレーザビームをその目標照射位置に照射するために前記光軸操作機構に与えるべき指令の補正量を決定することができる。
　前記レーザ発振器と前記ミラーとの間の光路上にビームスプリッタを配置し、前記所定面における目標照射位置及びその周辺の領域を前記ミラー及び前記ビームスプリッタを介して前記カメラセンサで撮像するものとすれば、カメラセンサの光軸をレーザビームの光軸に可能な限り接近させ、両者を重畳することができるようになる。また、カメラセンサを何処に設置するかについて、設計の自由度が増す。
　前記所定面に設けられ当該所定面上の各箇所の位置座標を示唆するグリッドパターンを前記カメラセンサで撮像し、撮像した画像に現れるグリッドパターンを基準として前記誤差較正機構が前記誤差の検出を行うものとすれば、所定面における目標照射位置と実際に照射されるレーザビームの光軸の位置との誤差を精度よく検出することができる。
　前記誤差較正機構は、詳細には、前記光軸操作機構に対してレーザビームの光軸を前記所定面における目標照射位置に位置づけるための指令を行う照射位置指令部と、前記カメラセンサで撮像した画像を参照して前記所定面における目標照射位置と実際のレーザビームの光軸の位置との誤差を算出する誤差検出部と、前記誤差検出部で算出した誤差に基づき、加工時にその目標照射位置に照射するために前記光軸操作機構に与えるべき指令の補正量を決定して記憶する補正量記憶部とを備える。
　本発明によれば、レーザビームの照射位置の誤差を簡便に較正できるレーザ加工機を実現できる。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工機を示す斜視図。 同レーザ加工機のレーザ照射装置を示す斜視図。 同レーザ加工機のハードウェア資源構成を示す図。 同レーザ加工機の機能ブロック図。 同レーザ加工機における誤差較正時の構成を模式的に示す図。 同レーザ加工機による誤差較正の方法を示す平面図。 同レーザ加工機が誤差較正時に実行する処理の手順を示すフローチャート。 同レーザ加工機が加工作業時に実行する処理の手順を示すフローチャート。
　本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１及び図２に示すように、本実施形態のレーザ加工機０は、加工対象となる被加工物を支持する設置台４と、被加工物に向けてレーザビームＬを照射するレーザ照射装置１とを備え、被加工物の任意の箇所にレーザ加工を施すことができるものである。
　設置台４は、レーザ加工時に被加工物を支持する。被加工物が配置される所定面たる設置台４の上面には、当該面上の各箇所の位置座標を示唆するグリッドパターンを設けてある。グリッドパターンの形態は一意に限定されないが、図６に示す例では、ｘ軸方向及びｘ軸に対して直交するｙ軸方向に沿って所定間隔（例えば、１ｍｍ間隔）で無数の点（例えば、直径０．５ｍｍの円形）４１を付している。これ以外の態様として、グリッドパターンとして格子目等を設置台４の上面に付すようにしても構わない。
　設置台４は、レーザ照射装置１に対して不動であってもよいし、レーザ照射装置１に対してｘ軸方向及び／またはｙ軸方向に沿って相対的に変位可能であってもよい。後者の場合、設置台４をＸＹステージに支持させた態様をとることがある。但し、較正時には設置台４を所定の基準位置に固定する。較正の最中に設置台４を変位させることはない。
　図２に示すように、レーザ照射装置１は、レーザ発振器（図示しない）と、レーザ発振器から発振されるレーザビームＬを走査するガルバノスキャナ１１、１２と、そのレーザビームＬを集光する集光レンズ１３とを有する。
　ガルバノスキャナ１１、１２は、レーザビームＬを反射するミラー１１２、１２２を、光軸操作機構たるサーボモータまたはステッピングモータ等１１１、１２１により回動させるものである。ミラー１１２、１２２の方向を変えることで、ビームＬの光軸を変位させることができる。本実施形態では、ビームＬの光軸をＸ軸方向に変化させるＸ軸ガルバノスキャナ１１と、ビームＬの光軸をＹ軸方向に変化させるＹ軸ガルバノスキャナ１２とを両備しており、設置台４の上面におけるビームＬの照射位置をｘ軸方向及びｙ軸方向の二次元に制御し得る。
　集光レンズ１３は、例えばＦθレンズとする。
　設置台４の上面に照射されるレーザビームＬの照射位置は、ガルバノスキャナ１１、１２の回転位置決め誤差の影響を受ける。加えて、集光レンズ１３による光学的な歪みも発生する。レーザビームＬの照射位置の誤差は、ガルバノスキャナ１１、１２の走査範囲の中央から距離が離れるに従って大きくなる傾向にある。図２中符号Ａに、その様子を模式的に示している。
　ガルバノスキャナ１１、１２を制御する誤差較正機構たる制御装置５は、図３に示すように、プロセッサ５ａ、メインメモリ５ｂ、補助記憶デバイス５ｃ、Ｉ／Ｏインタフェース５ｄ等を有し、これらがコントローラ５ｅ（システムコントローラやＩ／Ｏコントローラ等）によって制御されて連携動作するものである。補助記憶デバイス５ｃは、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ、その他である。Ｉ／Ｏインタフェース５ｄは、サーボドライバ（サーボコントローラ）を含むことがある。
　制御装置５が実行するべきプログラムは、補助記憶デバイス５ｃに記憶されており、プログラム実行の際に、メインメモリ５ｂに読み込まれ、プロセッサ５ａによって解読される。そして、制御装置５はプログラムに従い、図４に示す、照射位置指令部５１、画像取得部５２、較正用位置データ記憶部５３、誤差検出部５４、補正量記憶部５５、加工用位置データ記憶部５６、及び加工時制御部５７としての機能を発揮する。
　照射位置指令部５１は、レーザ照射装置１に対し、レーザビームＬを目標照射位置に照射させるための指令を行う。照射位置指令部５１は、設置台４の上面における目標照射位置の（ｘ，ｙ）座標にレーザビームＬを照射するべく、その座標に対応した制御信号をガルバノスキャナ１１、１２に入力してミラー１１２、１２２の角度を操作する。
　画像取得部５２は、カメラセンサ２により撮像した画像を受信して取得し、メインメモリ５ｂまたは補助記憶デバイス５ｃの所要の記憶領域に一時記憶する。カメラセンサ２は、設置台４の上面における目標照射位置及びその周辺の領域、及び／または、設置台４の上面に実際に照射されたレーザビームＬの光点を撮像する。カメラセンサ２の配置に関しては、後述する。
　較正用位置データ記憶部５３は、較正用の位置データを記憶する。レーザビームＬの照射位置の較正では、設置台４の上面上のＸＹ平面座標系の複数点に向けてレーザビームＬを照射し、各点での照射位置の誤差を検出、各点毎の補正量を決定する。本実施形態では、設置台４の上面上に散在する６０００点ないし７０００点について誤差の検出及び補正量の決定を行うこととしており、その６０００点ないし７０００点の各々の（ｘ，ｙ）座標を較正用位置データとして記憶している。
　誤差検出部５４は、レーザビームＬの目標照射位置と実際の照射位置との誤差を取得する。誤差検出部５４は、較正用位置データを読み出してレーザビームＬの目標照射位置の（ｘ，ｙ）座標を知得し、照射位置指令部５１を介して、目標座標に対応した制御信号をガルバノスキャナ１１、１２に入力する。その上で、画像取得部５２で取得した画像を参照して、図６に示すように、較正用位置データの座標、即ちガルバノスキャナ１１、１２に指令した目標照射位置座標Ｔ（ｘT，ｙT）と、その座標を目標にレーザビームＬを照射したときの実際の照射位置Ｌ（ｘL，ｙL）座標との、ｘ軸、ｙ軸方向それぞれの差（Δｘ，Δｙ）を算出する。
　補正量記憶部５５は、レーザビームＬの目標照射位置と実際の照射位置との誤差に基づき、加工時にその目標照射位置に照射するためにレーザ照射装置１に与えるべき指令の補正量を決定して記憶する。具体的には、目標照射位置座標（ｘT，ｙT）、及びｘ軸方向誤差Δｘ、ｙ軸方向誤差Δｙを所定の関数式に代入して、ガルバノスキャナ１１、１２に与える制御信号のｘ軸方向補正量、ｙ軸方向補正量を演算し、その補正量を先の目標座標（ｘT，ｙT）に関連づけてメインメモリ５ｂまたは補助記憶デバイス５ｃに記憶する。
　加工用位置データ記憶部５６は、加工用の位置データを記憶する。加工用位置データ記憶部５６は、被加工物のどの箇所にレーザビームＬを照射するかを規定するＣＡＤデータ等、または加工時にレーザビームＬを照射する複数点の（ｘ，ｙ）座標を、加工用位置データとして記憶する。
　加工時制御部５７は、上記の加工用位置データで規定される照射位置にレーザビームＬを照射するべく、レーザ照射装置１を制御する。加工時制御部５７は、加工用位置データを読み出してレーザビームＬの目標照射位置の（ｘ，ｙ）座標を知得し、かつその目標座標に関連づけられた補正量を読み出す。目標座標に直結した補正量が補正量記憶部５５に記憶されていない場合には、目標座標に近い複数の座標に関連づけられた複数の補正量を読み出して、それらの補間により適当な補正量を算定する。そして、照射位置指令部５１を介して、目標座標に補正量を加味した座標に対応する制御信号を、ガルバノスキャナ１１、１２に入力する。結果、本来の目標照射位置に正しくレーザビームＬが照射される。
　カメラセンサ２は、例えばＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサである。カメラセンサ２は、ガルバノスキャナ１１、１２のミラー１１２、１２２に映る、設置台４の上面における目標照射位置及びその周辺の領域を撮像する。図５に示すように、本実施形態では、レーザ発振器とミラー１２２との間の光路上に、ハーフミラーに代表されるビームスプリッタ３を含む光学モジュールを配置した上、設置台４側から集光レンズ１３及びミラー１１２、１２２を介して導いた光束（設置台４の上面における目標照射位置の周辺領域のグリッドパターン及びレーザビームＬの光点が含まれる）の一部をビームスプリッタ３にて分離し、結像レンズ７を通じてカメラセンサ２へと入射させて、光束を撮像するようにしている。ビームスプリッタ３とミラー１２２との間に介在しビームＬを透過させる透過板６は、ビームスプリッタ３を透過するレーザビームＬの屈折による光軸の変位分を相殺する光路キャンセル用ウィンドウである。
　ビームスプリッタ３及びこれと対をなすウィンドウ６は、レーザ加工時には光路上から取り除かれる必要がある。そのために、ビームスプリッタ３及びウィンドウ６をユニット化するとともに、このユニットを移動させる自動または手動の駆動装置を設けておき、較正時にユニットをレーザ発振器とミラー１２２との間の光路上に挿入し、レーザ加工時にユニットを当該光路上から退避させる進退動作を実施することが好ましい。
　レーザビームＬの照射位置の較正は、レーザ加工作業前に実施する。較正時に制御装置５が実行する処理の手順を、図７のフローチャートに示す。制御装置５は、記憶している較正用位置データに含まれる目標照射位置の座標を読み出し（ステップＳ１）、読み出した座標にレーザビームＬの光軸を位置づけるべく、ガルバノスキャナ１１、１２のミラー１１２、１２２を操作する（ステップＳ２）。
　しかる後、レーザ発振器からレーザを発振させてレーザビームＬを設置台４の上面に照射するとともに（ステップＳ３）、設置台４の上面における目標照射位置及びその周辺の領域、並びに当該面に照射したレーザビームＬの光点（即ち、反射光）をカメラセンサ２により撮像する（ステップＳ４）。ステップＳ３及びＳ４では、目標照射位置の周辺領域のグリッドパターンとレーザビームＬの光点とを一度に撮影して一枚の画像に収めることもあれば、レーザを照射する前にまず目標照射位置の周辺領域のグリッドパターンを撮影し、その後に（ミラー１１２、１２２を動かすことなく）レーザを照射して設置台４の上面に現れる光点を撮影するというように時間差を置いて二度の撮影を行い二枚の画像を得ることもある。
　続いて、撮影した一枚または二枚の画像から、ビーム検出センサ２を介して実際にレーザビームＬを感知したＸＹ座標と目標ＸＹ座標との誤差を取得する（ステップＳ５）。図６に示しているように、本実施形態では、設置台４上面におけるレーザビームＬの実際の照射点を示す光点とともに、設置台４上面に付してあるグリッドパターン４１を撮像している。グリッドパターン４１は、設置台４上面におけるＸＹ座標を表す基準となるものであるから、画像に写った光点Ｌと、光点Ｌの周囲にある（または、光点Ｌに近接した）グリッドパターン４１との間の画像上の距離を演算することを通じて、光点Ｌの位置座標（ｘL，ｙL）を算出できる。算出した光点Ｌの座標（ｘL，ｙL）と、目標照射位置Ｔの座標（ｘT，ｙT）との乖離が、ステップＳ５で取得するべき誤差（Δｘ，Δｙ）ということになる。
　そして、取得した誤差に基づいて補正量の決定を行い（ステップＳ６）、決定した補正量と目標ＸＹ座標との組を記憶する（ステップＳ７）。制御装置５は、上述のステップＳ１ないしＳ７を、較正用位置データに含まれる全てのＸＹ座標について補正量を決定するまで反復する（ステップＳ８）。
　レーザ加工作業時には、設置台４に被加工物を設置するとともに、ＸＹステージを制御して設置台４を原点位置に復帰させる。加工時に制御装置５が実行する処理の手順を、図８のフローチャートに示す。制御装置５は、記憶している加工用位置データで規定されるＸＹ座標を読み出し（ステップＳ９）、その目標ＸＹ座標にレーザビームＬを照射する際のガルバノスキャナ１１、１２に対する指令の補正量を読み出すか、補間により取得する（ステップＳ１０）。続いて、目標ＸＹ座標に補正量を加味した座標に対応する制御信号をガルバノスキャナ１１、１２に入力し、ガルバノスキャナ１１、１２を操作する（ステップＳ１１）。そして、レーザビームＬを照射する（ステップＳ１２）。制御装置５は、上述のステップＳ９ないしＳ１２を、加工用位置データに規定される必要なＸＹ座標についてレーザ加工を施すまで反復する（ステップＳ１３）。
　本実施形態では、レーザビームＬを被加工物に照射して加工を施すためのレーザ加工機であって、レーザ発振器から発振されるレーザビームＬを被加工物が配置される所定面（設置台４の上面）に向けて反射させるミラー１１２、１２２と、前記ミラー１１２、１２２の方向を変化させることによりレーザビームＬの光軸を前記所定面における所望の目標照射位置へと位置づける光軸操作機構１１１、１２１と、前記ミラー１１２、１２２に映る、前記所定面における目標照射位置及びその周辺の領域を撮像するカメラセンサ２と、前記カメラセンサ２により撮像した画像を参照し、前記所定面における前記光軸操作機構１１１、１２１に指令した目標照射位置と実際のレーザビームＬの光軸の位置との誤差を検出する誤差較正機構５とを具備し、前記誤差に基づき、加工時にレーザビームＬをその目標照射位置に照射するために前記光軸操作機構１１１、１２１に与えるべき指令の補正量を決定することができるレーザ加工機を構成した。
　並びに、本実施形態では、レーザビームＬを被加工物に照射して加工を施すためのレーザ加工機であって、レーザ発振器から発振されるレーザビームＬを被加工物が配置される所定面に向けて反射させるミラー１１２、１２２と、前記ミラー１１２、１２２の方向を変化させることによりレーザビームＬの光軸を前記所定面における所望の目標照射位置へと位置づける光軸操作機構１１１、１２１と、前記所定面における目標照射位置及びその周辺の領域、並びに当該所定面に照射したレーザビームＬの光点を撮像するカメラセンサ２と、前記カメラセンサ２により撮像した画像を参照し、前記所定面における前記光軸操作機構１１１、１２１に指令した目標照射位置と実際のレーザビームＬの光軸の位置との誤差を検出する誤差較正機構５とを具備し、前記誤差に基づき、加工時にレーザビームをその目標照射位置に照射するために前記光軸操作機構１１１、１２１に与えるべき指令の補正量を決定することができるレーザ加工機を構成した。
　本実施形態によれば、カメラセンサ２によって直接にビームＬの照射位置及びその誤差を計測でき、テストピースに形成したパターンを顕微鏡で観測するという煩瑣な手間をかけなくとも簡便に照射位置の較正を行い得る。また、高精度の顕微鏡を現場に用意する必要もない。
　前記レーザ発振器と前記ミラー１２２との間の光路上にビームスプリッタ３を配置し、レーザ発振器から発振されるレーザビームＬを前記ビームスプリッタ３を透過させた上で前記ミラー１２２、１１２を介して前記所定面に向けるとともに、前記所定面における目標照射位置及びその周辺の領域を当該所定面に照射したレーザビームＬの光点とともに前記ミラー１２２及び前記ビームスプリッタ３を介して前記カメラセンサ２で撮像するようにしていることから、レーザビームＬの目標照射位置、即ちミラー１１２、１２２の角度をどのように変化させたとしても、カメラセンサ２は不動に保たれる。従って、所定面上の広範囲に亘り安定して較正を行うことができる。
　前記所定面に設けられ当該所定面上の各箇所の位置座標を示唆するグリッドパターンを前記カメラセンサ２で撮像し、撮像した画像に現れるグリッドパターンを基準として前記誤差較正機構５が前記誤差の検出を行うため、所定面における実際のビームＬの照射位置の座標検出精度が高く、精確な較正が可能となる。
　前記誤差較正機構５は、前記光軸操作機構１１１、１２１に対してレーザビームＬの光軸を前記所定面における目標照射位置に位置づけるための指令を行う照射位置指令部５１と、前記カメラセンサ２で撮像した画像を参照して前記所定面における目標照射位置と実際のレーザビームＬの光軸の位置との誤差を算出する誤差検出部５４と、前記誤差検出部５４で算出した誤差に基づき、加工時にその目標照射位置に照射するために前記光軸操作機構１１１、１２１に与えるべき指令の補正量を決定して記憶する補正量記憶部５５とを備えており、較正を人力を介さず自動で、短時間で行うことが可能である。
　なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、較正時にレーザビームＬを照射して、その光点及び周辺領域のグリッドパターン４１をカメラセンサ２で撮影していた。一方で、ミラー１１２、１２２の角度によらず、撮影画像（即ち、カメラセンサ２の視野）内においてレーザビームＬが照射される位置（画像内での画素の座標）が恒常的に一定であることが保証されている、換言すれば、撮影画像内の特定の位置の画素をレーザビームＬが照射される位置と常に見なすことができるのであれば、レーザビームＬを照射せずとも、グリッドパターン４１に基づいて知得される目標照射位置の画素とレーザビームＬの照射位置に該当する画素との距離から、目標照射位置と実際の照射位置との誤差を検出することが可能である。つまるところ、較正時にレーザビームＬを照射して光点を撮影することは必須要件ではない。
　上記実施形態では、ビームスプリッタ３及びウィンドウ６を用いて、ミラー１２２に映じる目標照射位置及びその周辺の領域を撮像していたが、ビームスプリッタ３等を用いず、カメラセンサ２自体を駆動装置を介して進退動作させ、光路に割り込ませるようにしても構わない。この場合、較正時にカメラセンサ２をレーザ発振器とミラー１２２との間の光路上に挿入し、レーザ加工時にカメラセンサ２を当該光路上から退避させることとなる。
　あるいは、ミラー１２２を介さず、設置台４上面の目標照射位置及びその周辺の領域を直接に撮像してもよい。
　その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
　本発明は、レーザビームを被加工物の任意の箇所に照射して加工を行う加工機として利用することができる。
　０…レーザ加工機
　１…レーザ照射装置
　１１１、１２１…光軸操作機構
　１１２、１２２…ミラー
　２…カメラセンサ
　３…ビームスプリッタ
　４…所定面
　５…誤差較正機構
　Ｌ…レーザビーム

Claims (5)

  1. レーザビームを被加工物に照射して加工を施すためのレーザ加工機であって、
    レーザ発振器から発振されるレーザビームを被加工物が配置される所定面に向けて反射させるミラーと、
    前記ミラーの方向を変化させることによりレーザビームの光軸を前記所定面における所望の目標照射位置へと位置づける光軸操作機構と、
    前記ミラーに映る、前記所定面における目標照射位置及びその周辺の領域を撮像するカメラセンサと、
    前記カメラセンサにより撮像した画像を参照し、前記所定面における前記光軸操作機構に指令した目標照射位置と実際のレーザビームの光軸の位置との誤差を検出する誤差較正機構とを具備し、
    前記誤差に基づき、加工時にレーザビームをその目標照射位置に照射するために前記光軸操作機構に与えるべき指令の補正量を決定することができるレーザ加工機。
  2. レーザビームを被加工物に照射して加工を施すためのレーザ加工機であって、
    レーザ発振器から発振されるレーザビームを被加工物が配置される所定面に向けて反射させるミラーと、
    前記ミラーの方向を変化させることによりレーザビームの光軸を前記所定面における所望の目標照射位置へと位置づける光軸操作機構と、
    前記所定面における目標照射位置及びその周辺の領域、並びに当該所定面に照射したレーザビームの光点を撮像するカメラセンサと、
    前記カメラセンサにより撮像した画像を参照し、前記所定面における前記光軸操作機構に指令した目標照射位置と実際のレーザビームの光軸の位置との誤差を検出する誤差較正機構とを具備し、
    前記誤差に基づき、加工時にレーザビームをその目標照射位置に照射するために前記光軸操作機構に与えるべき指令の補正量を決定することができるレーザ加工機。
  3. 前記レーザ発振器と前記ミラーとの間の光路上にビームスプリッタを配置し、
    前記所定面における目標照射位置及びその周辺の領域を前記ミラー及び前記ビームスプリッタを介して前記カメラセンサで撮像する請求項１または２記載のレーザ加工機。
  4. 前記所定面に設けられ当該所定面上の各箇所の位置座標を示唆するグリッドパターンを前記カメラセンサで撮像し、
    撮像した画像に現れるグリッドパターンを基準として前記誤差較正機構が前記誤差の検出を行う請求項１、２または３記載のレーザ加工機。
  5. 前記誤差較正機構が、
    前記光軸操作機構に対してレーザビームの光軸を前記所定面における目標照射位置に位置づけるための指令を行う照射位置指令部と、
    前記カメラセンサで撮像した画像を参照して前記所定面における目標照射位置と実際のレーザビームの光軸の位置との誤差を算出する誤差検出部と、
    前記誤差検出部で算出した誤差に基づき、加工時にその目標照射位置に照射するために前記光軸操作機構に与えるべき指令の補正量を決定して記憶する補正量記憶部と
    を備えている請求項１、２、３または４記載のレーザ加工機。
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