レーザ加工装置および加工対象物の位置検出方法
【課題】加工用レーザ光の光軸に直交する方向において、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能なレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】レーザ加工装置１は、ワーク２の加工を行うための加工用レーザ光とワーク２へ照射されるとともに加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光とを出射するレーザ光源３と、レーザ光源３に対して、Ｚ方向で計測用レーザ光の焦点Ｆよりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板９と、レーザ光源３と反射板９との間でワーク２を保持する移動機構１０と、反射板９で反射された計測用レーザ光を受光する撮像素子７とを備えている。
【解決手段】レーザ加工装置１は、ワーク２の加工を行うための加工用レーザ光とワーク２へ照射されるとともに加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光とを出射するレーザ光源３と、レーザ光源３に対して、Ｚ方向で計測用レーザ光の焦点Ｆよりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板９と、レーザ光源３と反射板９との間でワーク２を保持する移動機構１０と、反射板９で反射された計測用レーザ光を受光する撮像素子７とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置、および、レーザ加工装置における加工対象物の位置検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、加工対象物（ワーク）に対して加工用レーザ光で除去加工等の微細なレーザ加工を行うレーザ加工装置が利用されている。この種のレーザ加工装置として、加工用レーザ光を出射する加工用レーザ光源に加え、加工用レーザ光の焦点とワークとの位置合せを行うため、加工用レーザ光と波長の異なる計測用レーザ光を出射する計測用レーザ光源を有するレーザ加工装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載のレーザ加工装置では、計測用レーザ光源から出射されワークで反射された計測用レーザ光は、ＣＣＤカメラに入射する。そして、ＣＣＤカメラでの撮影結果に基づいて、計測用レーザ光の焦点とワークとの位置合せが行われる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１６１３８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のレーザ加工装置では、加工用レーザ光と計測用レーザ光とがそれぞれ異なる光源から出射されているため、ワークに照射されるレーザ光の光軸に直交する方向で、加工用レーザ光の焦点位置と計測用レーザ光の焦点位置とを一致させることは困難である。そのため、レーザ光の光軸に直交する方向において、計測用レーザ光の焦点の位置とワークとの位置合せが精度良く行われたとしても、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せの精度が低下する。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、加工用レーザ光の光軸に直交する方向において、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能なレーザ加工装置を提供することにある。また、本発明の課題は、加工用レーザ光の光軸に直交する方向において、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能となる加工対象物の位置検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物の加工を行うための加工用レーザ光と加工対象物へ照射されるとともに加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光とを出射するレーザ光出射手段と、レーザ光出射手段に対して、計測用レーザ光の光軸方向で計測用レーザ光の焦点よりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射手段と、レーザ光出射手段と反射手段との間で加工対象物を保持する保持手段と、反射手段で反射された計測用レーザ光を受光する撮像手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明のレーザ加工装置は、レーザ光出射手段と反射手段との間で加工対象物を保持する保持手段と、計測用レーザ光を反射する反射手段で反射された計測用レーザ光を受光する撮像手段とを備えている。そのため、反射手段で反射された計測用レーザ光を用いて、計測用レーザ光の光軸に直交する方向（光軸直交方向）の加工対象物の端部を検出できる。したがって、光軸直交方向において、計測用レーザ光を用いて検出される計測用レーザ光の焦点の位置と、加工対象物の端部との距離の算出が可能になる。また、本発明のレーザ加工装置では、加工用レーザ光と計測用レーザ光とが共通のレーザ光出射手段から出射されている。そのため、加工用レーザ光の光軸に直交する方向（すなわち、光軸直交方向）において、加工用レーザ光の焦点の位置と計測用レーザ光の焦点の位置とを一致させることができる。したがって、算出された計測用レーザ光の焦点と加工対象物の端部との距離から、加工用レーザ光の焦点と加工対象物の端部との距離を精度良く求めることができる。その結果、光軸直交方向において、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能になる。
【０００９】
ここで、加工対象物で反射された計測用レーザ光を用いて、光軸直交方向の加工対象物の端部を検出することも可能である。しかしながら、この場合には、光軸直交方向における加工対象物の端部と計測用レーザ光との位置合せが難しく、また、検出精度が低下する。本発明では、反射手段で反射された計測用レーザ光を用いて、光軸直交方向の加工対象物の端部を検出するため、容易にかつ精度良く加工対象物の端部を検出できる。
【００１０】
本発明において、反射手段は、計測用レーザ光を乱反射させる乱反射面を備えることが好ましい。このように構成すると、計測用レーザ光の光軸に対する反射手段の傾きを精度良く調整しなくても、撮像手段で加工対象物の端部を検出することが可能になる。そのため、加工対象物の端部の検出が容易になる。
【００１１】
また、上記の課題を解決するため、本発明は、加工用レーザ光を用いて加工対象物に加工を行うレーザ加工装置での加工対象物の位置検出方法において、加工用レーザ光および加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段と、レーザ光出射手段に対して、計測用レーザ光の光軸方向で計測用レーザ光の焦点よりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射手段との間に、かつ、光軸方向に直交する方向で焦点から外れた位置に加工対象物を配置する配置ステップと、計測用レーザ光を出射する出射ステップと、反射手段で反射された計測用レーザ光を受光して、加工対象物の光軸方向に直交する方向の端部を検出する端部検出ステップと、焦点と端部との距離を算出して、加工対象物の位置を検出する距離算出ステップとを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の加工対象物の位置検出方法では、端部検出ステップで、反射手段で反射された計測用レーザ光を受光して、加工対象物の光軸直交方向の端部を検出している。また、距離算出ステップで、計測用レーザ光の焦点と端部との距離を算出して、加工対象物の位置を検出している。また、本発明では、出射ステップで、加工用レーザ光を共通のレーザ光出射手段から計測用レーザ光を出射している。そのため、光軸直交方向において、加工用レーザ光の焦点の位置と計測用レーザ光の焦点の位置とを一致させることができる。したがって、計測用レーザ光の焦点と加工対象物の端部との距離から、加工用レーザ光の焦点と加工対象物の端部との距離を精度良く求めることができ、光軸直交方向において、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能になる。
【００１３】
本発明において、配置ステップの前に、光軸方向における焦点の位置と、加工対象物の位置との位置合せを行う位置合せステップを備えることが好ましい。このように構成すると、受光ステップにおいて、撮像手段によって、加工対象物の端部より鮮明に撮影できる。そのため、端部検出ステップにおいて、加工対象物の端部をより精度良く検出できる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明のレーザ加工装置では、加工用レーザ光の光軸に直交する方向において、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能になる。また、本発明の加工対象物の位置検出方法を用いると、加工用レーザ光の光軸に直交する方向において、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
（レーザ加工装置の概略構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置１の概略構成を模式的に示す図である。図２は、図１に示すワーク２がＸ方向で計測用レーザ光の焦点Ｆから外れた位置にあるときの状態を示す図である。
【００１７】
本形態のレーザ加工装置１は、所定の加工対象物（ワーク）２に対して除去加工や接合加工等の微細なレーザ加工を行うレーザ微細加工装置である。特に、本形態のレーザ加工装置１は、卓上への設置が可能な軽量かつ小型の加工装置である。このレーザ加工装置１は、図１に示すように、ワーク２の加工を行うための加工用レーザ光および加工用レーザ光の焦点とワーク２との位置合せ等を行うための計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段としてのレーザ光源３と、レーザ光源３から出射された計測用レーザ光の出射光量を測定するための出射光量測定手段としての第１受光素子４と、ワーク２で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定するための反射光量測定手段としての第２受光素子５および遮蔽部材６と、計測用レーザ光の反射光を用いてワーク２を撮影可能な撮像手段としての撮像素子７と、レーザ光源３から出射された加工用レーザ光や計測用レーザ光の光路を形成するための光学系８とを備えている。また、レーザ加工装置１は、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザ光源３に対して、ワーク２よりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射手段としての反射板９と、ワーク２を移動可能に保持する保持手段としての移動機構１０と、レーザ加工装置１の各種の制御を行う制御部１１とを備えている。
【００１８】
なお、以下では、加工用レーザ光および計測用レーザ光をまとめて表す場合には「レーザ光」と表記する。また、以下では、図１の左右方向をＸ方向、紙面垂直方向をＹ方向、上下方向（すなわち、ワーク２に照射されるレーザ光の光軸方向）をＺ方向と表記する。
【００１９】
光学系８は、凹レンズ１４および凸レンズ１５を有するビームエキスパンダー１６と、凹レンズ１４と凸レンズ１５との間に配置された第１ビームサンプラー１７と、撮像素子７と第１ビームサンプラー１７との間に配置された第２ビームサンプラー１８と、ワーク２の配置位置とビームエキスパンダー１６との間に配置された対物レンズ１９とを備えている。
【００２０】
ビームエキスパンダー１６では、凹レンズ１４がレーザ光源３側に配置され、凸レンズ１５が対物レンズ１９側に配置されている。このビームエキスパンダー１６は、レーザ光源３から出射されるレーザ光の径を拡大する。第１ビームサンプラー１７は、レーザ光源３から出射され、凹レンズ１４を透過したレーザ光の大半を凸レンズ１５に向かって透過させるとともに、その一部を第１受光素子４に向かって反射する。また、第１ビームサンプラー１７は、ワーク２や反射板９で反射された計測用レーザ光の一部を撮像素子７に向かって反射する。第２ビームサンプラー１８は、第１ビームサンプラー１７で反射され撮像素子７へ向かう計測用レーザ光の一部を第２受光素子５に向かって反射する。対物レンズ１９は、凸レンズ１５を透過したレーザ光をワーク２に集光する。
【００２１】
レーザ光源３は、たとえばファイバーレーザであり、上述のように、加工用レーザ光と計測用レーザ光とを出力する。計測用レーザ光の出力は、加工用レーザ光の出力よりも非常に小さくなっている。また、本形態のレーザ光源３は、ワーク２の適切な加工を行うため、出力の安定した加工用レーザ光を出射する。その一方で、レーザ光源３の特性上、加工用レーザ光よりも出力の非常に小さな計測用レーザ光のレーザ光源３からの出力は安定せず、計測用レーザ光の出力は、経時的に変動する。なお、本形態では、加工用レーザ光の波長と計測用レーザ光の波長とがほぼ等しくなっており、加工用レーザ光の焦点位置と計測用レーザ光の焦点位置とはほぼ一致する。
【００２２】
第１受光素子４および第２受光素子５は、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の素子で構成されている。第１受光素子４は、その受光量を電気量に変換することで、レーザ光源３から出射された計測用レーザ光の出射光量を測定する。また、第２受光素子５は、その受光量を電気量に変換することで、ワーク２で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定する。
【００２３】
遮蔽部材６には、第２ビームサンプラー１８で反射された計測用レーザ光が通過する微小孔６ａが形成されている。本形態では、ワーク２（具体的には、たとえば、図１のおけるワーク２の上面２ａ）が計測用レーザ光の焦点Ｆの位置にあるときに、ワーク２の反射光が結像する位置（合焦位置）が微小孔６ａの形成位置となるように、遮蔽部材６が配置されている。すなわち、本形態の第２受光素子５は、出力が安定しにくい焦点外の余分な反射光を除去する共焦点効果を利用して、ワーク２で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定する。
【００２４】
撮像素子７は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサである。この撮像素子７は、ワーク２が計測用レーザ光の焦点Ｆの位置にあるときに、ワーク２の反射光が結像する位置が撮像素子７の受光面となるように配置されている。
【００２５】
上述のように、反射板９は、レーザ光源３に対して、Ｚ方向でワーク２よりも離れた位置に配置されている。すなわち、反射板９は、レーザ光源３に対して、Ｚ方向で計測用レーザ光の焦点Ｆよりも離れた位置に配置される。また、反射板９は、図２に示すように、ワーク２が、Ｚ方向に直交する方向で計測用レーザ光の焦点Ｆから外れた位置にあるときに、計測用レーザ光を反射する。この反射板９は、後述のように、ワーク２のＸ、Ｙ方向（Ｚ方向に直交する方向）の端部を検出するために用いられる。本形態の反射板９は、セラミック部材や金属部材で形成されている。また、反射板９の反射面（図１の上面）９ａは、入射された計測用レーザ光を乱反射させる乱反射面（粗面）となっている。すなわち、反射面９ａには、粗面加工が施されている。
【００２６】
移動機構１０は、ワーク２を保持する保持部２１と、保持部２１を駆動する駆動部２２とを備え、Ｚ方向における対物レンズ１９と反射板９との間でワーク２を移動可能に保持している。駆動部２２は、保持部２１をＸ、Ｙ、Ｚ方向の３軸方向へ駆動する。
【００２７】
制御部１１には、レーザ光源３と第１受光素子４と第２受光素子５と撮像素子７と移動機構１０とが接続されている。制御部１１は、上述のように、レーザ加工装置１の各種の制御を行う。たとえば、制御部１１は、後述のように、第１受光素子４で測定された出射光量と第２受光素子５で測定された反射光量とに基づいて、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を特定し、移動機構１０を駆動させて焦点Ｆの位置までワーク２を移動する。
【００２８】
（計測用レーザ光の焦点のＺ方向位置の検出原理）
図３は、図１に示すワーク２のＺ方向の位置と、第２受光素子５で測定される反射光量との関係を示すグラフである。
【００２９】
本形態では、第１受光素子４で測定された計測用レーザ光の出射光量と、第２受光素子５で測定された計測用レーザ光の反射光量とに基づいて、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出される。以下、本形態の計測用レーザ光の焦点のＺ方向位置の検出原理を説明する。
【００３０】
レーザ光源３から出射される計測用レーザ光の出力が一定である場合には、第２受光素子５で測定される計測用レーザ光の反射光量と、ワーク２のＺ方向位置との関係は、図３の実線で示すグラフＧのように略正規分布状になる。すなわち、Ｚ方向で、ワーク２が計測用レーザ光の焦点Ｆの位置にあるときには、第２受光素子５で測定される反射光量は極大値Ｌとなり、ワーク２が焦点Ｆから対物レンズ１９側または反射板９側に向かって離れるにしたがって、第２受光素子５で測定される反射光量は小さくなる。
【００３１】
したがって、計測用レーザ光の出力が一定である場合には、移動機構１０でＺ方向にワーク２を移動させながら、第２受光素子５で計測用レーザ光の反射光量を測定して、極大点Ｍを特定し、極大点Ｍに対応するワーク２のＺ方向位置を測定することで、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出される。
【００３２】
しかしながら、上述のように、本形態のレーザ光源３から出射される計測用レーザ光の出力は、経時的に変動する。そのため、第２受光素子５で測定される反射光量とワーク２のＺ方向位置との関係は略正規分布状にはならず、たとえば、図３の二点鎖線で示すグラフＧ１０のように変動する。したがって、第２受光素子５で測定される反射光量をそのまま用いて、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を検出すると、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置の検出精度が低下する。
【００３３】
そこで、本形態では、第１受光素子４で測定された計測用レーザ光の出射光量に基づいて、第２受光素子５で測定された反射光量を補正した補正光量が算出される。すなわち、第１受光素子４によって、計測用レーザ光の現状の出力を把握し、第２受光素子５で測定された反射光量から出力の変動分をキャンセルした補正光量が算出される。そして、この補正光量に基づいて計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出される。
【００３４】
具体的には、第１受光素子４で測定される出射光量と計測用レーザ光の出力との関係（第１受光素子４の特性）、および、第２受光素子５で測定される反射光量と計測用レーザ光の出力との関係（第２受光素子５の特性）を予め求め、これらの関係から計測用レーザ光の出力の変動分をキャンセルした補正光量が算出される。そして、ワーク２のＺ方向位置との関係で、この補正光量が極大となる点を特定し、この極大点に対応するワーク２のＺ方向位置を測定することで、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出される。なお、本形態では、補正光量の算出は制御部１１で行われる。また、計測用レーザ光の焦点Ｆの位置の検出も制御部１１で行われている。
【００３５】
（ワークのＸ、Ｙ方向端部の検出原理）
図４は、図１に示す反射板９で計測用レーザ光が反射されたときに撮像素子７で撮影される映像の一例を示す図である。
【００３６】
本形態では、反射板９で反射された計測用レーザ光を用いて、ワーク２のＸ、Ｙ方向の端部が検出される。以下、直方体状のワーク２のＸ方向端部２ｂ（図２参照）が検出される場合を例に、本形態のワーク２のＸ、Ｙ方向端部の検出原理を説明する。
【００３７】
ワーク２のＸ方向端部２ｂの検出前に、まず、上述の方法で計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出され、ワーク２と焦点Ｆとの位置合せが行われる。すなわち、図１に示すように、Ｚ方向で、ワーク２の上面２ａと焦点Ｆとの位置合せが行われる。この状態で、撮像素子７によって撮影された映像上に、焦点Ｆに対応する焦点対応点Ｆ１が設定される（図４参照）。その後、図２に示すように、移動機構１０によってワーク２がＸ方向へ移動され、Ｘ方向で焦点Ｆから外れた位置に配置される。
【００３８】
ワーク２がＸ方向で焦点Ｆから外れると、撮像素子７によってたとえば、図４に示す映像が撮影される。すなわち、反射板９で乱反射された計測用レーザ光の一部がワーク２によって遮られるため、撮像素子７によって撮影された映像上の、ワーク２に対応するワーク対応エリア２１が暗くなり、その他のエリアは明るくなる。また、Ｚ方向で、ワーク２の上面２ａと焦点Ｆとの位置合せが行われているため、ワーク２のＸ方向端部２ｂに対応する端部対応線２１１は、撮像素子７によって撮影された映像上で明確に特定される。すなわち、ワーク２のＸ方向端部２ｂが検出される。なお、ワーク２のＸ方向端部２ｂをより精度良く検出するためには、撮像素子７の前に拡大光学系を配置することが好ましい。
【００３９】
端部対応線２１１が明確に特定されると、端部対応線２１１と焦点対応点Ｆ１とのＸ方向の距離Ｘ１が算出される。すなわち、Ｘ方向端部２ｂと焦点Ｆとの距離が算出される。また、Ｘ方向端部２ｂとワーク２の加工部位と距離は予め、設計上でわかっているため、焦点Ｆとワーク２の加工部位までのＸ方向の距離が算出される。同様に、ワーク２のＹ方向の端部も検出され、焦点Ｆとワーク２の加工部位までのＹ方向の距離が算出される。また、焦点Ｆとワーク２の加工部位までの距離の算出は、制御部１１で行われている。
【００４０】
（ワークの位置合せ方法）
図５は、図１に示すレーザ加工装置１でのワーク２の位置合せの手順を示すフローチャートである。以上のように構成されたレーザ加工装置１では、以下のように、ワーク２の位置合せを行う。
【００４１】
まず、移動機構１０によって、ワーク２をＸ、Ｙ方向へ移動させて、レーザ光源３から出射されるレーザ光が照射される位置にワーク２を配置する（ステップＳ１）。その後、レーザ光源３から計測用レーザ光を出射し（ステップＳ２）、第１受光素子４で出射光量を測定するとともに、第２受光素子５で反射光量を測定する（ステップＳ３）。
【００４２】
その後、第１受光素子４で測定された出射光量と第２受光素子５で測定された反射光量とから、補正光量を算出して記憶する（ステップＳ４）。その後、ワーク２をＺ方向の所定範囲に配置して、各配置位置で出射光量および反射光量を測定したか否かを判断する（ステップＳ５）。具体的には、ステップＳ５では、Ｚ方向で計測用レーザ光の焦点Ｆの位置を含む所定範囲にワーク２を配置して、各配置位置で出射光量および反射光量を測定したか否かを判断する。所定範囲で測定が行われていない場合には、ステップＳ３へ戻る。
【００４３】
一方、所定範囲で出射光量および反射光量を測定している場合には、ステップＳ４で算出、記憶された補正光量から計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を検出する（ステップＳ７）。具体的には、ワーク２の各位置に対応する補正光量から近似曲線を作成し、ワーク２のＺ方向位置との関係で補正光量が極大となる点を特定して、焦点ＦのＺ方向位置を検出する。
【００４４】
計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を検出すると、移動機構１０でワーク２をＺ方向へ移動させ、Ｚ方向で、検出された焦点Ｆとワーク２との位置合せを行う（ステップＳ８）。その後、移動機構１０でワーク２をＸ、Ｙ方向へ移動させ、Ｘ、Ｙ方向で焦点Ｆから外れた位置にワーク２を配置する（ステップＳ９）。この状態で、反射板９からの反射光を用いて、撮像素子７によって、ワーク２の端部を検出する（ステップＳ１０）。その後、ワーク２の端部と焦点Ｆとの距離を算出するとともに、ワーク２の加工部位と焦点Ｆとの距離を算出して、焦点Ｆに対するワーク２の位置を検出する（ステップＳ１１）。そして、移動機構１０によって、Ｘ、Ｙ方向で加工部位と焦点Ｆとの位置合せを行い（ステップＳ１２）、ワーク２の位置合せが終了する。また、ワーク２の位置合せ後には、レーザ光源３から加工用レーザ光を出射してワーク２のレーザ加工を行う。
【００４５】
なお、本形態では、ステップＳ９は、レーザ光源３と反射板９との間に、かつ、Ｘ、Ｙ方向で、焦点Ｆから外れた位置にワークを配置ステップであり、ステップＳ２は、計測用レーザ光を出射する出射ステップであり、ステップＳ１０は、反射板９で反射された計測用レーザ光を撮像素子７が受光して、Ｘ、Ｙ方向の端部を検出する端部検出ステップであり、ステップＳ１１は、ワーク２の端部と焦点Ｆとの距離を算出して、ワーク２の位置を検出する距離算出ステップである。また、本形態では、ステップＳ３〜Ｓ８は、配置ステップであるステップＳ９の前に、Ｚ方向における焦点Ｆの位置とワーク２の位置との位置合せを行う位置合せステップである。
【００４６】
（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、反射板９で反射された計測用レーザ光を撮像素子７で受光して、ワーク２のＸ、Ｙ方向の端部を検出している。また、計測用レーザ光の焦点Ｆとワーク２の端部との距離を算出して、ワーク２の焦点Ｆに対する位置を検出している。また、本形態では、波長がほぼ等しい加工用レーザ光と計測用レーザ光とが共通のレーザ光源３から出射されている。そのため、加工用レーザ光の焦点と計測用レーザ光の焦点Ｆとがほぼ一致する。すなわち、Ｘ、Ｙ方向で加工用レーザ光の焦点と計測用レーザ光の焦点Ｆとがほぼ一致する。したがって、計測用レーザ光の焦点Ｆとワーク２の端部との距離から、加工用レーザ光の焦点とワーク２の端部との距離を精度良く求めることができ、Ｘ、Ｙ方向において、加工用レーザ光の焦点とワーク２との位置合せを高精度で行うことが可能になる。
【００４７】
特に、本形態では、Ｚ方向における計測用レーザ光の焦点Ｆの位置と、ワーク２の位置との位置合せを行った後に、反射板９で反射された計測用レーザ光を用いて、ワーク２のＸ、Ｙ方向の端部を検出している。そのため、撮像素子７によって、ワーク２の端部より鮮明に撮影でき、その結果、ワーク２の端部をより精度良く検出できる。
【００４８】
本形態では、反射板９の反射面９ａは、計測用レーザ光を乱反射させる乱反射面となっている。そのため、計測用レーザ光の光軸に対する反射板９の傾きを精度良く調整しなくても、撮像素子７で容易にワーク２の端部を検出できる。
【００４９】
（他の実施の形態）
上述した形態では、ワーク２で反射された計測用レーザ光の反射光量は、第２受光素子５で測定されているが、計測用レーザ光の反射光量は、撮像素子７で測定されても良い。また、計測用レーザ光の反射光量は、第２受光素子５と撮像素子７との両者で測定されても良い。ここで、撮像素子７に入射する反射光は、図６の実線で示すように、反射光の中心部が一番明るく、中心部から離れるにしたがって次第に暗くなる。そして、撮像素子７で撮影される反射光の映像において、所定の閾値ｔ以上の明るさを有する領域が反射光のスポットとして特定され、特定されたスポットの明るさの総和が撮像素子７で測定される計測用レーザ光の反射光量となる。また、第２受光素子５で反射光量が測定される場合と同様に、移動機構１０でＺ方向にワーク２を移動させながら、撮像素子７で計測用レーザ光の反射光量を測定して、ワーク２のＺ方向位置との関係で、反射光量の極大点を特定することで、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置の検出が可能である。
【００５０】
この場合にも、計測用レーザ光の出力が経時的に変動すると、ワーク２のＺ方向の位置が一定であっても、撮像素子７で測定される反射光量は変動する。たとえば、図６の二点鎖線で示すように、計測用レーザ光の出力が低下すると、撮像素子７に入射する反射光の明るさも低下して、スポットが小さくなり、その結果、測定される反射光量も低下する。そのため、上述した形態と同様に、第１受光素子４での測定結果から、出射光量の変動を考慮して撮像素子７で測定される反射光量を補正することで、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を高精度で検出できる。
【００５１】
なお、撮像素子７のみで反射光量を測定する場合には、図７に示すように、第２受光素子５、遮蔽部材６および第２ビームサンプラー１８が不要となるため、レーザ加工装置１の構成を簡素化できる。また、図７に示すように、レーザ加工装置１は、必ずしも、第１受光素子４を備えていなくても良い。すなわち、第１受光素子４を備えていないレーザ加工装置１であっても、Ｘ、Ｙ方向において、加工用レーザ光の焦点とワーク２との位置合せを高精度で行うことが可能である。
【００５２】
上述した形態では、反射板９の反射面９ａは、乱反射面となっている。この他にもたとえば、反射面９ａは鏡面であっても良い。この場合には、端部対応線２１１が撮像素子７によって撮影された映像上に現れるように、反射面９ａの傾きを調整すれば良い。
【００５３】
なお、加工用レーザ光の出力が非常に大きく、第１ビームサンプラー１７で反射された加工用レーザ光によって、第１受光素子４が破壊されるおそれがある場合、あるいは、ワーク２等で反射された加工用レーザ光によって、第２受光素子５や撮像素子７が破壊されるおそれがある場合には、第１ビームサンプラー１７と第１受光素子４との間や、第１ビームサンプラー１７と第２ビームサンプラー１８との間に、シャッタ、減光用フィルムあるいは、減光を目的としたビームサンプラーを配置することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態のレーザ加工装置の概略構成を模式的に示す図。
【図２】図１に示すワークがＸ方向で計測用レーザ光の焦点から外れた位置にあるときの状態を示す図。
【図３】図１に示すワークのＺ方向の位置と、第２受光素子で測定される反射光量との関係を示すグラフ。
【図４】図１に示す反射板で計測用レーザ光が反射されたときに撮像素子で撮影される映像の一例を示す図。
【図５】図１に示すレーザ加工装置でのワークの位置合せの手順を示すフローチャート。
【図６】図１に示すワークで反射された反射光の明るさと反射光の中心部からの距離との関係を示す図。
【図７】本発明の他の形態にかかるレーザ加工装置の概略構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００５５】
１ レーザ加工装置
２ ワーク（加工対象物）
３ レーザ光源（レーザ光出射手段）
７ 撮像素子（撮像手段）
９ 反射板（反射手段）
９ａ 反射面（乱反射面）
１０ 移動機構（保持手段）
Ｆ 焦点
Ｓ２ 出射ステップ
Ｓ３〜Ｓ８ 位置合せステップ
Ｓ９ 配置ステップ
Ｓ１０ 端部検出ステップ
Ｓ１１ 距離算出ステップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置、および、レーザ加工装置における加工対象物の位置検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、加工対象物（ワーク）に対して加工用レーザ光で除去加工等の微細なレーザ加工を行うレーザ加工装置が利用されている。この種のレーザ加工装置として、加工用レーザ光を出射する加工用レーザ光源に加え、加工用レーザ光の焦点とワークとの位置合せを行うため、加工用レーザ光と波長の異なる計測用レーザ光を出射する計測用レーザ光源を有するレーザ加工装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載のレーザ加工装置では、計測用レーザ光源から出射されワークで反射された計測用レーザ光は、ＣＣＤカメラに入射する。そして、ＣＣＤカメラでの撮影結果に基づいて、計測用レーザ光の焦点とワークとの位置合せが行われる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１６１３８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のレーザ加工装置では、加工用レーザ光と計測用レーザ光とがそれぞれ異なる光源から出射されているため、ワークに照射されるレーザ光の光軸に直交する方向で、加工用レーザ光の焦点位置と計測用レーザ光の焦点位置とを一致させることは困難である。そのため、レーザ光の光軸に直交する方向において、計測用レーザ光の焦点の位置とワークとの位置合せが精度良く行われたとしても、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せの精度が低下する。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、加工用レーザ光の光軸に直交する方向において、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能なレーザ加工装置を提供することにある。また、本発明の課題は、加工用レーザ光の光軸に直交する方向において、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能となる加工対象物の位置検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物の加工を行うための加工用レーザ光と加工対象物へ照射されるとともに加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光とを出射するレーザ光出射手段と、レーザ光出射手段に対して、計測用レーザ光の光軸方向で計測用レーザ光の焦点よりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射手段と、レーザ光出射手段と反射手段との間で加工対象物を保持する保持手段と、反射手段で反射された計測用レーザ光を受光する撮像手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明のレーザ加工装置は、レーザ光出射手段と反射手段との間で加工対象物を保持する保持手段と、計測用レーザ光を反射する反射手段で反射された計測用レーザ光を受光する撮像手段とを備えている。そのため、反射手段で反射された計測用レーザ光を用いて、計測用レーザ光の光軸に直交する方向（光軸直交方向）の加工対象物の端部を検出できる。したがって、光軸直交方向において、計測用レーザ光を用いて検出される計測用レーザ光の焦点の位置と、加工対象物の端部との距離の算出が可能になる。また、本発明のレーザ加工装置では、加工用レーザ光と計測用レーザ光とが共通のレーザ光出射手段から出射されている。そのため、加工用レーザ光の光軸に直交する方向（すなわち、光軸直交方向）において、加工用レーザ光の焦点の位置と計測用レーザ光の焦点の位置とを一致させることができる。したがって、算出された計測用レーザ光の焦点と加工対象物の端部との距離から、加工用レーザ光の焦点と加工対象物の端部との距離を精度良く求めることができる。その結果、光軸直交方向において、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能になる。
【０００９】
ここで、加工対象物で反射された計測用レーザ光を用いて、光軸直交方向の加工対象物の端部を検出することも可能である。しかしながら、この場合には、光軸直交方向における加工対象物の端部と計測用レーザ光との位置合せが難しく、また、検出精度が低下する。本発明では、反射手段で反射された計測用レーザ光を用いて、光軸直交方向の加工対象物の端部を検出するため、容易にかつ精度良く加工対象物の端部を検出できる。
【００１０】
本発明において、反射手段は、計測用レーザ光を乱反射させる乱反射面を備えることが好ましい。このように構成すると、計測用レーザ光の光軸に対する反射手段の傾きを精度良く調整しなくても、撮像手段で加工対象物の端部を検出することが可能になる。そのため、加工対象物の端部の検出が容易になる。
【００１１】
また、上記の課題を解決するため、本発明は、加工用レーザ光を用いて加工対象物に加工を行うレーザ加工装置での加工対象物の位置検出方法において、加工用レーザ光および加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段と、レーザ光出射手段に対して、計測用レーザ光の光軸方向で計測用レーザ光の焦点よりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射手段との間に、かつ、光軸方向に直交する方向で焦点から外れた位置に加工対象物を配置する配置ステップと、計測用レーザ光を出射する出射ステップと、反射手段で反射された計測用レーザ光を受光して、加工対象物の光軸方向に直交する方向の端部を検出する端部検出ステップと、焦点と端部との距離を算出して、加工対象物の位置を検出する距離算出ステップとを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の加工対象物の位置検出方法では、端部検出ステップで、反射手段で反射された計測用レーザ光を受光して、加工対象物の光軸直交方向の端部を検出している。また、距離算出ステップで、計測用レーザ光の焦点と端部との距離を算出して、加工対象物の位置を検出している。また、本発明では、出射ステップで、加工用レーザ光を共通のレーザ光出射手段から計測用レーザ光を出射している。そのため、光軸直交方向において、加工用レーザ光の焦点の位置と計測用レーザ光の焦点の位置とを一致させることができる。したがって、計測用レーザ光の焦点と加工対象物の端部との距離から、加工用レーザ光の焦点と加工対象物の端部との距離を精度良く求めることができ、光軸直交方向において、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能になる。
【００１３】
本発明において、配置ステップの前に、光軸方向における焦点の位置と、加工対象物の位置との位置合せを行う位置合せステップを備えることが好ましい。このように構成すると、受光ステップにおいて、撮像手段によって、加工対象物の端部より鮮明に撮影できる。そのため、端部検出ステップにおいて、加工対象物の端部をより精度良く検出できる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明のレーザ加工装置では、加工用レーザ光の光軸に直交する方向において、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能になる。また、本発明の加工対象物の位置検出方法を用いると、加工用レーザ光の光軸に直交する方向において、加工用レーザ光の焦点と加工対象物との位置合せを高精度で行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
（レーザ加工装置の概略構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置１の概略構成を模式的に示す図である。図２は、図１に示すワーク２がＸ方向で計測用レーザ光の焦点Ｆから外れた位置にあるときの状態を示す図である。
【００１７】
本形態のレーザ加工装置１は、所定の加工対象物（ワーク）２に対して除去加工や接合加工等の微細なレーザ加工を行うレーザ微細加工装置である。特に、本形態のレーザ加工装置１は、卓上への設置が可能な軽量かつ小型の加工装置である。このレーザ加工装置１は、図１に示すように、ワーク２の加工を行うための加工用レーザ光および加工用レーザ光の焦点とワーク２との位置合せ等を行うための計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段としてのレーザ光源３と、レーザ光源３から出射された計測用レーザ光の出射光量を測定するための出射光量測定手段としての第１受光素子４と、ワーク２で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定するための反射光量測定手段としての第２受光素子５および遮蔽部材６と、計測用レーザ光の反射光を用いてワーク２を撮影可能な撮像手段としての撮像素子７と、レーザ光源３から出射された加工用レーザ光や計測用レーザ光の光路を形成するための光学系８とを備えている。また、レーザ加工装置１は、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザ光源３に対して、ワーク２よりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射手段としての反射板９と、ワーク２を移動可能に保持する保持手段としての移動機構１０と、レーザ加工装置１の各種の制御を行う制御部１１とを備えている。
【００１８】
なお、以下では、加工用レーザ光および計測用レーザ光をまとめて表す場合には「レーザ光」と表記する。また、以下では、図１の左右方向をＸ方向、紙面垂直方向をＹ方向、上下方向（すなわち、ワーク２に照射されるレーザ光の光軸方向）をＺ方向と表記する。
【００１９】
光学系８は、凹レンズ１４および凸レンズ１５を有するビームエキスパンダー１６と、凹レンズ１４と凸レンズ１５との間に配置された第１ビームサンプラー１７と、撮像素子７と第１ビームサンプラー１７との間に配置された第２ビームサンプラー１８と、ワーク２の配置位置とビームエキスパンダー１６との間に配置された対物レンズ１９とを備えている。
【００２０】
ビームエキスパンダー１６では、凹レンズ１４がレーザ光源３側に配置され、凸レンズ１５が対物レンズ１９側に配置されている。このビームエキスパンダー１６は、レーザ光源３から出射されるレーザ光の径を拡大する。第１ビームサンプラー１７は、レーザ光源３から出射され、凹レンズ１４を透過したレーザ光の大半を凸レンズ１５に向かって透過させるとともに、その一部を第１受光素子４に向かって反射する。また、第１ビームサンプラー１７は、ワーク２や反射板９で反射された計測用レーザ光の一部を撮像素子７に向かって反射する。第２ビームサンプラー１８は、第１ビームサンプラー１７で反射され撮像素子７へ向かう計測用レーザ光の一部を第２受光素子５に向かって反射する。対物レンズ１９は、凸レンズ１５を透過したレーザ光をワーク２に集光する。
【００２１】
レーザ光源３は、たとえばファイバーレーザであり、上述のように、加工用レーザ光と計測用レーザ光とを出力する。計測用レーザ光の出力は、加工用レーザ光の出力よりも非常に小さくなっている。また、本形態のレーザ光源３は、ワーク２の適切な加工を行うため、出力の安定した加工用レーザ光を出射する。その一方で、レーザ光源３の特性上、加工用レーザ光よりも出力の非常に小さな計測用レーザ光のレーザ光源３からの出力は安定せず、計測用レーザ光の出力は、経時的に変動する。なお、本形態では、加工用レーザ光の波長と計測用レーザ光の波長とがほぼ等しくなっており、加工用レーザ光の焦点位置と計測用レーザ光の焦点位置とはほぼ一致する。
【００２２】
第１受光素子４および第２受光素子５は、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の素子で構成されている。第１受光素子４は、その受光量を電気量に変換することで、レーザ光源３から出射された計測用レーザ光の出射光量を測定する。また、第２受光素子５は、その受光量を電気量に変換することで、ワーク２で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定する。
【００２３】
遮蔽部材６には、第２ビームサンプラー１８で反射された計測用レーザ光が通過する微小孔６ａが形成されている。本形態では、ワーク２（具体的には、たとえば、図１のおけるワーク２の上面２ａ）が計測用レーザ光の焦点Ｆの位置にあるときに、ワーク２の反射光が結像する位置（合焦位置）が微小孔６ａの形成位置となるように、遮蔽部材６が配置されている。すなわち、本形態の第２受光素子５は、出力が安定しにくい焦点外の余分な反射光を除去する共焦点効果を利用して、ワーク２で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定する。
【００２４】
撮像素子７は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサである。この撮像素子７は、ワーク２が計測用レーザ光の焦点Ｆの位置にあるときに、ワーク２の反射光が結像する位置が撮像素子７の受光面となるように配置されている。
【００２５】
上述のように、反射板９は、レーザ光源３に対して、Ｚ方向でワーク２よりも離れた位置に配置されている。すなわち、反射板９は、レーザ光源３に対して、Ｚ方向で計測用レーザ光の焦点Ｆよりも離れた位置に配置される。また、反射板９は、図２に示すように、ワーク２が、Ｚ方向に直交する方向で計測用レーザ光の焦点Ｆから外れた位置にあるときに、計測用レーザ光を反射する。この反射板９は、後述のように、ワーク２のＸ、Ｙ方向（Ｚ方向に直交する方向）の端部を検出するために用いられる。本形態の反射板９は、セラミック部材や金属部材で形成されている。また、反射板９の反射面（図１の上面）９ａは、入射された計測用レーザ光を乱反射させる乱反射面（粗面）となっている。すなわち、反射面９ａには、粗面加工が施されている。
【００２６】
移動機構１０は、ワーク２を保持する保持部２１と、保持部２１を駆動する駆動部２２とを備え、Ｚ方向における対物レンズ１９と反射板９との間でワーク２を移動可能に保持している。駆動部２２は、保持部２１をＸ、Ｙ、Ｚ方向の３軸方向へ駆動する。
【００２７】
制御部１１には、レーザ光源３と第１受光素子４と第２受光素子５と撮像素子７と移動機構１０とが接続されている。制御部１１は、上述のように、レーザ加工装置１の各種の制御を行う。たとえば、制御部１１は、後述のように、第１受光素子４で測定された出射光量と第２受光素子５で測定された反射光量とに基づいて、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を特定し、移動機構１０を駆動させて焦点Ｆの位置までワーク２を移動する。
【００２８】
（計測用レーザ光の焦点のＺ方向位置の検出原理）
図３は、図１に示すワーク２のＺ方向の位置と、第２受光素子５で測定される反射光量との関係を示すグラフである。
【００２９】
本形態では、第１受光素子４で測定された計測用レーザ光の出射光量と、第２受光素子５で測定された計測用レーザ光の反射光量とに基づいて、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出される。以下、本形態の計測用レーザ光の焦点のＺ方向位置の検出原理を説明する。
【００３０】
レーザ光源３から出射される計測用レーザ光の出力が一定である場合には、第２受光素子５で測定される計測用レーザ光の反射光量と、ワーク２のＺ方向位置との関係は、図３の実線で示すグラフＧのように略正規分布状になる。すなわち、Ｚ方向で、ワーク２が計測用レーザ光の焦点Ｆの位置にあるときには、第２受光素子５で測定される反射光量は極大値Ｌとなり、ワーク２が焦点Ｆから対物レンズ１９側または反射板９側に向かって離れるにしたがって、第２受光素子５で測定される反射光量は小さくなる。
【００３１】
したがって、計測用レーザ光の出力が一定である場合には、移動機構１０でＺ方向にワーク２を移動させながら、第２受光素子５で計測用レーザ光の反射光量を測定して、極大点Ｍを特定し、極大点Ｍに対応するワーク２のＺ方向位置を測定することで、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出される。
【００３２】
しかしながら、上述のように、本形態のレーザ光源３から出射される計測用レーザ光の出力は、経時的に変動する。そのため、第２受光素子５で測定される反射光量とワーク２のＺ方向位置との関係は略正規分布状にはならず、たとえば、図３の二点鎖線で示すグラフＧ１０のように変動する。したがって、第２受光素子５で測定される反射光量をそのまま用いて、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を検出すると、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置の検出精度が低下する。
【００３３】
そこで、本形態では、第１受光素子４で測定された計測用レーザ光の出射光量に基づいて、第２受光素子５で測定された反射光量を補正した補正光量が算出される。すなわち、第１受光素子４によって、計測用レーザ光の現状の出力を把握し、第２受光素子５で測定された反射光量から出力の変動分をキャンセルした補正光量が算出される。そして、この補正光量に基づいて計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出される。
【００３４】
具体的には、第１受光素子４で測定される出射光量と計測用レーザ光の出力との関係（第１受光素子４の特性）、および、第２受光素子５で測定される反射光量と計測用レーザ光の出力との関係（第２受光素子５の特性）を予め求め、これらの関係から計測用レーザ光の出力の変動分をキャンセルした補正光量が算出される。そして、ワーク２のＺ方向位置との関係で、この補正光量が極大となる点を特定し、この極大点に対応するワーク２のＺ方向位置を測定することで、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出される。なお、本形態では、補正光量の算出は制御部１１で行われる。また、計測用レーザ光の焦点Ｆの位置の検出も制御部１１で行われている。
【００３５】
（ワークのＸ、Ｙ方向端部の検出原理）
図４は、図１に示す反射板９で計測用レーザ光が反射されたときに撮像素子７で撮影される映像の一例を示す図である。
【００３６】
本形態では、反射板９で反射された計測用レーザ光を用いて、ワーク２のＸ、Ｙ方向の端部が検出される。以下、直方体状のワーク２のＸ方向端部２ｂ（図２参照）が検出される場合を例に、本形態のワーク２のＸ、Ｙ方向端部の検出原理を説明する。
【００３７】
ワーク２のＸ方向端部２ｂの検出前に、まず、上述の方法で計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出され、ワーク２と焦点Ｆとの位置合せが行われる。すなわち、図１に示すように、Ｚ方向で、ワーク２の上面２ａと焦点Ｆとの位置合せが行われる。この状態で、撮像素子７によって撮影された映像上に、焦点Ｆに対応する焦点対応点Ｆ１が設定される（図４参照）。その後、図２に示すように、移動機構１０によってワーク２がＸ方向へ移動され、Ｘ方向で焦点Ｆから外れた位置に配置される。
【００３８】
ワーク２がＸ方向で焦点Ｆから外れると、撮像素子７によってたとえば、図４に示す映像が撮影される。すなわち、反射板９で乱反射された計測用レーザ光の一部がワーク２によって遮られるため、撮像素子７によって撮影された映像上の、ワーク２に対応するワーク対応エリア２１が暗くなり、その他のエリアは明るくなる。また、Ｚ方向で、ワーク２の上面２ａと焦点Ｆとの位置合せが行われているため、ワーク２のＸ方向端部２ｂに対応する端部対応線２１１は、撮像素子７によって撮影された映像上で明確に特定される。すなわち、ワーク２のＸ方向端部２ｂが検出される。なお、ワーク２のＸ方向端部２ｂをより精度良く検出するためには、撮像素子７の前に拡大光学系を配置することが好ましい。
【００３９】
端部対応線２１１が明確に特定されると、端部対応線２１１と焦点対応点Ｆ１とのＸ方向の距離Ｘ１が算出される。すなわち、Ｘ方向端部２ｂと焦点Ｆとの距離が算出される。また、Ｘ方向端部２ｂとワーク２の加工部位と距離は予め、設計上でわかっているため、焦点Ｆとワーク２の加工部位までのＸ方向の距離が算出される。同様に、ワーク２のＹ方向の端部も検出され、焦点Ｆとワーク２の加工部位までのＹ方向の距離が算出される。また、焦点Ｆとワーク２の加工部位までの距離の算出は、制御部１１で行われている。
【００４０】
（ワークの位置合せ方法）
図５は、図１に示すレーザ加工装置１でのワーク２の位置合せの手順を示すフローチャートである。以上のように構成されたレーザ加工装置１では、以下のように、ワーク２の位置合せを行う。
【００４１】
まず、移動機構１０によって、ワーク２をＸ、Ｙ方向へ移動させて、レーザ光源３から出射されるレーザ光が照射される位置にワーク２を配置する（ステップＳ１）。その後、レーザ光源３から計測用レーザ光を出射し（ステップＳ２）、第１受光素子４で出射光量を測定するとともに、第２受光素子５で反射光量を測定する（ステップＳ３）。
【００４２】
その後、第１受光素子４で測定された出射光量と第２受光素子５で測定された反射光量とから、補正光量を算出して記憶する（ステップＳ４）。その後、ワーク２をＺ方向の所定範囲に配置して、各配置位置で出射光量および反射光量を測定したか否かを判断する（ステップＳ５）。具体的には、ステップＳ５では、Ｚ方向で計測用レーザ光の焦点Ｆの位置を含む所定範囲にワーク２を配置して、各配置位置で出射光量および反射光量を測定したか否かを判断する。所定範囲で測定が行われていない場合には、ステップＳ３へ戻る。
【００４３】
一方、所定範囲で出射光量および反射光量を測定している場合には、ステップＳ４で算出、記憶された補正光量から計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を検出する（ステップＳ７）。具体的には、ワーク２の各位置に対応する補正光量から近似曲線を作成し、ワーク２のＺ方向位置との関係で補正光量が極大となる点を特定して、焦点ＦのＺ方向位置を検出する。
【００４４】
計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を検出すると、移動機構１０でワーク２をＺ方向へ移動させ、Ｚ方向で、検出された焦点Ｆとワーク２との位置合せを行う（ステップＳ８）。その後、移動機構１０でワーク２をＸ、Ｙ方向へ移動させ、Ｘ、Ｙ方向で焦点Ｆから外れた位置にワーク２を配置する（ステップＳ９）。この状態で、反射板９からの反射光を用いて、撮像素子７によって、ワーク２の端部を検出する（ステップＳ１０）。その後、ワーク２の端部と焦点Ｆとの距離を算出するとともに、ワーク２の加工部位と焦点Ｆとの距離を算出して、焦点Ｆに対するワーク２の位置を検出する（ステップＳ１１）。そして、移動機構１０によって、Ｘ、Ｙ方向で加工部位と焦点Ｆとの位置合せを行い（ステップＳ１２）、ワーク２の位置合せが終了する。また、ワーク２の位置合せ後には、レーザ光源３から加工用レーザ光を出射してワーク２のレーザ加工を行う。
【００４５】
なお、本形態では、ステップＳ９は、レーザ光源３と反射板９との間に、かつ、Ｘ、Ｙ方向で、焦点Ｆから外れた位置にワークを配置ステップであり、ステップＳ２は、計測用レーザ光を出射する出射ステップであり、ステップＳ１０は、反射板９で反射された計測用レーザ光を撮像素子７が受光して、Ｘ、Ｙ方向の端部を検出する端部検出ステップであり、ステップＳ１１は、ワーク２の端部と焦点Ｆとの距離を算出して、ワーク２の位置を検出する距離算出ステップである。また、本形態では、ステップＳ３〜Ｓ８は、配置ステップであるステップＳ９の前に、Ｚ方向における焦点Ｆの位置とワーク２の位置との位置合せを行う位置合せステップである。
【００４６】
（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、反射板９で反射された計測用レーザ光を撮像素子７で受光して、ワーク２のＸ、Ｙ方向の端部を検出している。また、計測用レーザ光の焦点Ｆとワーク２の端部との距離を算出して、ワーク２の焦点Ｆに対する位置を検出している。また、本形態では、波長がほぼ等しい加工用レーザ光と計測用レーザ光とが共通のレーザ光源３から出射されている。そのため、加工用レーザ光の焦点と計測用レーザ光の焦点Ｆとがほぼ一致する。すなわち、Ｘ、Ｙ方向で加工用レーザ光の焦点と計測用レーザ光の焦点Ｆとがほぼ一致する。したがって、計測用レーザ光の焦点Ｆとワーク２の端部との距離から、加工用レーザ光の焦点とワーク２の端部との距離を精度良く求めることができ、Ｘ、Ｙ方向において、加工用レーザ光の焦点とワーク２との位置合せを高精度で行うことが可能になる。
【００４７】
特に、本形態では、Ｚ方向における計測用レーザ光の焦点Ｆの位置と、ワーク２の位置との位置合せを行った後に、反射板９で反射された計測用レーザ光を用いて、ワーク２のＸ、Ｙ方向の端部を検出している。そのため、撮像素子７によって、ワーク２の端部より鮮明に撮影でき、その結果、ワーク２の端部をより精度良く検出できる。
【００４８】
本形態では、反射板９の反射面９ａは、計測用レーザ光を乱反射させる乱反射面となっている。そのため、計測用レーザ光の光軸に対する反射板９の傾きを精度良く調整しなくても、撮像素子７で容易にワーク２の端部を検出できる。
【００４９】
（他の実施の形態）
上述した形態では、ワーク２で反射された計測用レーザ光の反射光量は、第２受光素子５で測定されているが、計測用レーザ光の反射光量は、撮像素子７で測定されても良い。また、計測用レーザ光の反射光量は、第２受光素子５と撮像素子７との両者で測定されても良い。ここで、撮像素子７に入射する反射光は、図６の実線で示すように、反射光の中心部が一番明るく、中心部から離れるにしたがって次第に暗くなる。そして、撮像素子７で撮影される反射光の映像において、所定の閾値ｔ以上の明るさを有する領域が反射光のスポットとして特定され、特定されたスポットの明るさの総和が撮像素子７で測定される計測用レーザ光の反射光量となる。また、第２受光素子５で反射光量が測定される場合と同様に、移動機構１０でＺ方向にワーク２を移動させながら、撮像素子７で計測用レーザ光の反射光量を測定して、ワーク２のＺ方向位置との関係で、反射光量の極大点を特定することで、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置の検出が可能である。
【００５０】
この場合にも、計測用レーザ光の出力が経時的に変動すると、ワーク２のＺ方向の位置が一定であっても、撮像素子７で測定される反射光量は変動する。たとえば、図６の二点鎖線で示すように、計測用レーザ光の出力が低下すると、撮像素子７に入射する反射光の明るさも低下して、スポットが小さくなり、その結果、測定される反射光量も低下する。そのため、上述した形態と同様に、第１受光素子４での測定結果から、出射光量の変動を考慮して撮像素子７で測定される反射光量を補正することで、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を高精度で検出できる。
【００５１】
なお、撮像素子７のみで反射光量を測定する場合には、図７に示すように、第２受光素子５、遮蔽部材６および第２ビームサンプラー１８が不要となるため、レーザ加工装置１の構成を簡素化できる。また、図７に示すように、レーザ加工装置１は、必ずしも、第１受光素子４を備えていなくても良い。すなわち、第１受光素子４を備えていないレーザ加工装置１であっても、Ｘ、Ｙ方向において、加工用レーザ光の焦点とワーク２との位置合せを高精度で行うことが可能である。
【００５２】
上述した形態では、反射板９の反射面９ａは、乱反射面となっている。この他にもたとえば、反射面９ａは鏡面であっても良い。この場合には、端部対応線２１１が撮像素子７によって撮影された映像上に現れるように、反射面９ａの傾きを調整すれば良い。
【００５３】
なお、加工用レーザ光の出力が非常に大きく、第１ビームサンプラー１７で反射された加工用レーザ光によって、第１受光素子４が破壊されるおそれがある場合、あるいは、ワーク２等で反射された加工用レーザ光によって、第２受光素子５や撮像素子７が破壊されるおそれがある場合には、第１ビームサンプラー１７と第１受光素子４との間や、第１ビームサンプラー１７と第２ビームサンプラー１８との間に、シャッタ、減光用フィルムあるいは、減光を目的としたビームサンプラーを配置することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態のレーザ加工装置の概略構成を模式的に示す図。
【図２】図１に示すワークがＸ方向で計測用レーザ光の焦点から外れた位置にあるときの状態を示す図。
【図３】図１に示すワークのＺ方向の位置と、第２受光素子で測定される反射光量との関係を示すグラフ。
【図４】図１に示す反射板で計測用レーザ光が反射されたときに撮像素子で撮影される映像の一例を示す図。
【図５】図１に示すレーザ加工装置でのワークの位置合せの手順を示すフローチャート。
【図６】図１に示すワークで反射された反射光の明るさと反射光の中心部からの距離との関係を示す図。
【図７】本発明の他の形態にかかるレーザ加工装置の概略構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００５５】
１ レーザ加工装置
２ ワーク（加工対象物）
３ レーザ光源（レーザ光出射手段）
７ 撮像素子（撮像手段）
９ 反射板（反射手段）
９ａ 反射面（乱反射面）
１０ 移動機構（保持手段）
Ｆ 焦点
Ｓ２ 出射ステップ
Ｓ３〜Ｓ８ 位置合せステップ
Ｓ９ 配置ステップ
Ｓ１０ 端部検出ステップ
Ｓ１１ 距離算出ステップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物の加工を行うための加工用レーザ光と上記加工対象物へ照射されるとともに上記加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光とを出射するレーザ光出射手段と、上記レーザ光出射手段に対して、上記計測用レーザ光の光軸方向で上記計測用レーザ光の焦点よりも離れた位置に配置され、上記計測用レーザ光を反射する反射手段と、上記レーザ光出射手段と上記反射手段との間で上記加工対象物を保持する保持手段と、上記反射手段で反射された上記計測用レーザ光を受光する撮像手段とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記反射手段は、前記計測用レーザ光を乱反射させる乱反射面を備えることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
加工用レーザ光を用いて加工対象物に加工を行うレーザ加工装置での加工対象物の位置検出方法において、
上記加工用レーザ光および上記加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段と、上記レーザ光出射手段に対して、上記計測用レーザ光の光軸方向で上記計測用レーザ光の焦点よりも離れた位置に配置され、上記計測用レーザ光を反射する反射手段との間に、かつ、上記光軸方向に直交する方向で上記焦点から外れた位置に上記加工対象物を配置する配置ステップと、
上記計測用レーザ光を出射する出射ステップと、
上記反射手段で反射された上記計測用レーザ光を受光して、上記加工対象物の上記光軸方向に直交する方向の端部を検出する端部検出ステップと、
上記焦点と上記端部との距離を算出して、上記加工対象物の位置を検出する距離算出ステップとを備えることを特徴とする加工対象物の位置検出方法。
【請求項４】
前記配置ステップの前に、前記光軸方向における前記焦点の位置と、前記加工対象物の位置との位置合せを行う位置合せステップを備えることを特徴とする請求項３記載の加工対象物の位置検出方法。
【請求項１】
加工対象物の加工を行うための加工用レーザ光と上記加工対象物へ照射されるとともに上記加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光とを出射するレーザ光出射手段と、上記レーザ光出射手段に対して、上記計測用レーザ光の光軸方向で上記計測用レーザ光の焦点よりも離れた位置に配置され、上記計測用レーザ光を反射する反射手段と、上記レーザ光出射手段と上記反射手段との間で上記加工対象物を保持する保持手段と、上記反射手段で反射された上記計測用レーザ光を受光する撮像手段とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記反射手段は、前記計測用レーザ光を乱反射させる乱反射面を備えることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
加工用レーザ光を用いて加工対象物に加工を行うレーザ加工装置での加工対象物の位置検出方法において、
上記加工用レーザ光および上記加工用レーザ光よりも出力の小さな計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段と、上記レーザ光出射手段に対して、上記計測用レーザ光の光軸方向で上記計測用レーザ光の焦点よりも離れた位置に配置され、上記計測用レーザ光を反射する反射手段との間に、かつ、上記光軸方向に直交する方向で上記焦点から外れた位置に上記加工対象物を配置する配置ステップと、
上記計測用レーザ光を出射する出射ステップと、
上記反射手段で反射された上記計測用レーザ光を受光して、上記加工対象物の上記光軸方向に直交する方向の端部を検出する端部検出ステップと、
上記焦点と上記端部との距離を算出して、上記加工対象物の位置を検出する距離算出ステップとを備えることを特徴とする加工対象物の位置検出方法。
【請求項４】
前記配置ステップの前に、前記光軸方向における前記焦点の位置と、前記加工対象物の位置との位置合せを行う位置合せステップを備えることを特徴とする請求項３記載の加工対象物の位置検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−３００９２（Ｐ２００８−３００９２Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０６０６７（Ｐ２００６−２０６０６７）
【出願日】平成１８年７月２８日（２００６．７．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、経済産業省委託研究（地域新生コンソーシアム研究開発事業）、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２８日（２００６．７．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、経済産業省委託研究（地域新生コンソーシアム研究開発事業）、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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