JP4705437B2

JP4705437B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工装置の焦点位置指示方法

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Publication number: JP4705437B2
Application number: JP2005250768A
Authority: JP
Inventors: 洋泰長谷部
Original assignee: Keyence Corp
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Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2011-06-22
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Description

本発明は、レーザマーキング装置等、レーザ光を加工対象物に照射して印字等の加工を行うレーザ加工装置であって、特に文字や記号、図形等のマークを形成する走査型のレーザ加工装置およびその焦点位置を指示する方法に関する。

レーザ加工装置は、レーザ光を所定の領域内において走査して、部品や製品等の加工対象物（ワーク）の表面に対しレーザ光を照射して印字やマーキング等の加工を行う。レーザ加工装置の構成の一例を図１に示す。この図に示すレーザ加工装置は、レーザ制御部１とレーザ出力部２と入力部３とを備える。レーザ制御部１のレーザ励起部６で発生される励起光を、レーザ出力部２のレーザ発振部５０で発振器を構成するレーザ媒質８に照射し、レーザ発振を生じさせる。レーザ発振光はレーザ媒質８の出射端面から出射され、ビームエキスパンダ５３でビーム径を拡大されて、光学部材５４により反射されて走査部９に導かれる。走査部９は、レーザ光Ｌを反射させて所望の方向に偏光し、集光部１５から出力されるレーザ光Ｌは、ワークＷの表面で走査されて印字や加工を行う。

レーザ加工装置は、レーザ出力光をワーク上で走査させるために、図２に示すような走査部９を備える。走査部９は、一対のガルバノミラーを構成するＸ・Ｙ軸スキャナ１４ａ、１４ｂと、各ガルバノミラーをそれぞれ回動軸に固定し回動するためのガルバノモータ５１ａ、５１ｂとを備えている。Ｘ・Ｙ軸スキャナ１４ａ、１４ｂは、図２に示すように互いに直交する姿勢で配置されており、レーザ光をＸ方向、Ｙ方向に反射させて走査させることができる。また、走査部９の下方には、集光部１５が備えられる。集光部１５は集光レンズで構成され、ｆθレンズが使用される。

このようなレーザ加工装置においては、静止しているワーク、あるいは搬送経路に沿って搬送されるワークに対して正しく加工を行うため、加工に先立って位置調整作業を行う必要がある。具体的には、レーザ光走査系で走査可能な作業領域の中心にワークを配置すると共に、レーザ光の焦点位置にワークが位置するように、搬送経路やレーザ加工装置の配置位置を調整する必要がある。

従来、この位置調整作業においてレーザ光の焦点位置を示すために、レーザ光の光軸が焦点位置を通過するようにレーザ加工装置に指向性を有するポインタとしてＬＥＤやＬＤ等の光源を設けたり、レーザ加工装置のヘッド部分とワークとの距離を測定する測距手段が利用されていた。これらを用いて、ポインタの照射位置が作業領域の中央となるように搬送経路又はレーザ加工装置の配置位置を調整し、照射位置と作業領域の中央を一致させたまま、ｆθレンズと照射位置との距離を測距手段で測定し、この距離がｆθレンズの焦点距離と一致するまで搬送経路又はレーザマーキング装置の配置位置を調整することにより、焦点位置の特定を行なっていた。

一方で、測距手段による焦点距離の測定を行うことなく、焦点位置を特定可能な位置指示装置（ディスタンスポインタ）を備えるレーザ加工装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。このディスタンスポインタは、指向性発光体として、ＬＥＤと、ＬＥＤからの照射光を集光するレンズとを組合せた所謂ＬＥＤポインタ９０を、図３に示すように２個、ｆθレンズを中心として対称に配置し、各ＬＥＤポインタ９０からのポインタ光Ｐの光軸がｆθレンズの焦点位置を通過するように傾斜して固定している。各ＬＥＤポインタ９０の光軸が交差する交点がｆθレンズの焦点位置を指示することができる。あるいは他の構成として、図４に示すように、ＬＥＤポインタ９０を１つ、ｆθレンズの脇に傾斜して固定すると共に、レーザ光と同じ光軸で走査されるガイド光Ｇを設け、ガイド光Ｇとポインタ光Ｐとの交点で焦点位置を指示可能としている。
特開２０００−１５４６４号公報

このような構成によれば、レーザ光を平面状に走査する構成においては、言い換えると焦点位置が一定であるレーザ加工装置においては、焦点位置を正しく指示することができる。しかしながら、レーザ光を３次元状に走査可能なレーザ加工装置においては、焦点位置が可変であるため、正しく焦点位置を指示できないという問題があった。特に近年は、より高精度で柔軟なレーザ加工が求められており、２次元平面内で走査可能なレーザ加工装置のみならず、高さ方向すなわちＺ軸方向に焦点距離を調整可能な、すなわちワーキングディスタンスを変化させて３次元状に加工が可能なレーザ加工装置も開発が進められている。したがって、このようなレーザ加工装置においても、測距手段を必要としない簡易な焦点位置の指示機能が求められていた。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、３次元状に加工可能なレーザ加工装置の作業領域の中心に焦点位置を容易に調整することが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工装置の焦点位置指示方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係るレーザ加工装置は、レーザ光を発生させるためのレーザ発振部と、レーザ発振部から照射されるレーザ光のスポット径を調整して、作業領域に向けて照射されるレーザ光の焦点位置を変更するための焦点可変光学系と、レーザ発振部より出射され焦点可変光学系を透過したレーザ光を作業領域内において２次元的に走査させるためのレーザ光走査系と、レーザ光を作業領域内に走査させる際の照射位置を示すガイドパターンを表示するためのガイド光を発するガイド用光源と、ガイド用光源からのガイド光をレーザ光走査系により走査されるレーザ光の光軸と一致させるためのガイド光光学系と、ガイド用光源からのガイド光によりガイドパターンが表示される作業領域にレーザ光の焦点位置を示すポインタ光を照射するためのポインタ用光源と、ガイド用光源からのガイド光とポインタ用光源からのポインタ光とがレーザ光の焦点位置にて交差するように調整するためのポインタ光調整系と、レーザ光の焦点位置に関する設定情報の変更入力を受け付けるための入力部と、入力部により変更された設定情報を記憶するための焦点位置設定記憶部と、入力部を用いた設定情報の変更入力に応じて、焦点位置設定記憶部に記憶された設定情報に基づいて、レーザ光の焦点位置が変更前の焦点位置から変更後の焦点位置に移動するように焦点可変光学系を制御すると共に、変更前の焦点位置で交差していたガイド光とポインタ光とが変更後の焦点位置で交差するようにレーザ光走査系及びポインタ光調整系を制御するための制御部とを備える。これによってガイド光とポインタ光が一致する位置をレーザ光の焦点位置として指示できるので、ユーザは容易に焦点位置を把握でき、加工対象物の位置合わせ等が可能となる。

また、本発明の第２の側面に係るレーザ加工装置は、焦点可変光学系として、入射レンズと出射レンズを備えるビームエキスパンダであって、レーザ発振部から照射されるレーザ光の光軸に一致させて、入射レンズと出射レンズ間の相対距離を変化させてレーザ光の焦点距離を調整可能なビームエキスパンダを備え、レーザ光走査系として、ビームエキスパンダを透過したレーザ光を第１の方向に走査させるための第１のミラーと、第１のミラーで反射されたレーザ光を第１の方向と直交する第２の方向に走査させるための第２のミラーと、第２のミラーで反射されたレーザ光を作業領域に照射させるよう集光するための集光レンズとを備える。これによって、ビームエキスパンダ内の入射レンズと出射レンズ間の距離を調整してレーザ光の焦点位置を調整することができ、レーザ加工を３次元状に行うことが可能となる。

さらに、本発明の第３の側面に係るレーザ加工装置は、ポインタ光調整系が、第２のミラーの裏面に形成された第３のミラーと、ポインタ用光源から第３のミラーに照射されたポインタ光が、レーザ光の焦点位置でガイド光と交差する位置に反射されるよう調整された反射ミラーとで構成される。これによって、第２のミラーをレーザ光あるいはガイド光の走査系と、ポインタ光の走査系に共用して必要なスキャナの数を減らし、装置を簡素化、安価にすることができる。

さらにまた、本発明の第４の側面に係るレーザ加工装置はさらに、ガイド用光源とポインタ用光源の点灯を交互に切り替えてガイド光及びポインタ光を異なるタイミングで点灯するための切替回路を備え、切替回路で切り替えられて点灯するポインタ光が、切替回路で切り替えられて点灯するガイド光と交差するようにポインタ光調整系で調整されている。これにより、時分割で点灯されるガイド光及びポインタ光を交差させて、焦点位置を把握できる。特に、第２のミラーをガイド光、ポインタ光の調整に共用しつつ、切替回路で交互に点灯を切り替えることで残像効果によりガイド光、ポインタ光を視認でき、焦点位置を視覚的に把握できる。

さらにまた、本発明の第５の側面に係るレーザ加工装置は、切替回路でポインタ用光源を点灯させる際、ポインタ光は点状に表示され、切替回路でガイド用光源を点灯させる際、ガイド光はレーザ光走査系で走査されて、所定のガイドパターンに表示される。これにより、ガイドパターンの中心等にポインタ光を一致させることで、焦点位置を容易に把握できる。

さらにまた、本発明の第６の側面に係るレーザ加工装置は、ガイドパターンが平行線状である。これによって、平行線の間にポインタ光が位置するように位置合わせができるので、光点が重なることなく見易いため、焦点位置の調整を再現性高く高精度に行うことができる。

さらにまた、本発明の第７の側面に係るレーザ加工装置は、ガイドパターンが十字状である。これによって十字状のガイドパターンの中心にポインタ光を位置合わせでき、焦点位置の把握がさらに容易となる。

さらにまた、本発明の第８の側面に係るレーザ加工装置は、切替回路でポインタ用光源を点灯させる際、ポインタ光は点状に表示され、切替回路でガイド用光源を点灯させる際、ガイド光も点状に表示されている。これにより、点状のガイド光とポインタ光とを一致させることで、この交差位置を焦点位置として表示できる。

さらにまた、本発明の第９の側面に係るレーザ加工装置は、ポインタ光と、ガイド光の色が異なる。これによってポインタ光とガイド光の区別がさらに視覚的に容易となり、位置合わせ作業を容易にできる。

さらにまた、本発明の第１０の側面に係るレーザ加工装置の焦点位置指示方法は、
レーザ加工装置から照射されるレーザ光の焦点位置を、レーザ光を走査する作業領域において、ガイド用光源から照射されるガイド光とポインタ用光源から照射されるポインタ光とを交差させた交差位置で指示する方法であって、ポインタ用光源を消灯させた状態で、ガイド光を走査する第１のミラー及び第１のミラーと直交する回転軸を有する第２のミラーの角度を調整して、ガイド用光源を点灯し、ガイド用光源からのガイド光で、レーザ光の作業領域における照射位置を示すガイドパターンを表示する工程と、ガイド用光源を消灯させた状態で、ポインタ光がガイドパターンが表示される作業領域に位置するように、第２のミラーの裏面に形成された第３のミラーの角度を調整し、第３のミラーを停止させた状態でポインタ用光源を点灯させポインタ光を照射する工程と、ガイドパターンを表示する工程とポインタ光を照射する工程を繰り返すことで、ポインタ光とガイド光とを交互に点灯させ、設定されたレーザ光の焦点位置でポインタ光とガイド光が交差されて焦点位置が指示されると共に、レーザ光の焦点位置に関する設定情報の変更入力を入力部で受け付け、入力部により変更された設定情報を焦点位置設定記憶部に記憶し、入力部を用いた設定情報の変更入力に応じて、焦点位置設定記憶部に記憶された設定情報に基づいて、レーザ光の焦点位置が変更前の焦点位置から変更後の焦点位置に移動するように焦点可変光学系を走査させると共に、変更前の焦点位置で交差していたガイド光とポインタ光とが変更後の焦点位置で交差するようにレーザ光走査系及びポインタ光調整系を走査させる工程とを含む。これによってガイド光とポインタ光が一致する位置をレーザ光の焦点位置として指示できるので、ユーザは容易に焦点位置を把握でき、加工対象物の位置合わせ等が可能となる。

さらにまた、本発明の第１１の側面に係るレーザ加工装置の焦点位置指示方法は、ポインタ光と、ガイド光の色が異なる。これによってポインタ光とガイド光の区別が視覚的に容易となり、位置合わせ作業を容易にできる。

本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工装置の焦点位置指示方法によれば、レーザの焦点位置を視覚的に把握できるので、加工対象物の位置合わせ等が可能となる。特に焦点距離を調整可能なレーザ加工装置において、焦点位置が変化しても正確に焦点位置を指示する機能を備えることで、ユーザは焦点位置を正確に把握でき位置合わせや調整作業に資することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのレーザ加工装置及びレーザ加工装置の焦点位置指示方法を例示するものであって、本発明はレーザ加工装置及びレーザ加工装置の焦点位置指示方法を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本明細書においてレーザ加工装置とこれに接続される操作、制御、入出力、表示、その他の処理等のためのコンピュータ、プリンタ、外部記憶装置その他の周辺機器との接続は、例えばＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２ｘ、ＲＳ−４２２、ＲＳ−４２３、ＲＳ−４８５、ＵＳＢ等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは１０ＢＡＳＥ−Ｔ、１００ＢＡＳＥ−ＴＸ、１０００ＢＡＳＥ−Ｔ等のネットワークを介して電気的に接続して通信を行う。接続は有線を使った物理的な接続に限られず、ＩＥＥＥ８０２．１ｘ、ＯＦＤＭ方式等の無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらに観察像のデータ保存や設定の保存等を行うための記録媒体には、メモリカードや磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が利用できる。

以下、本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置について説明する。図１はレーザ加工装置を構成するブロック図を示し、この図に示すレーザ加工装置は、レーザ制御部１とレーザ出力部２と入力部３とを備える。

レーザ加工装置は、その名称に拘わらずレーザ応用機器一般に利用でき、例えばレーザ発振器や各種のレーザ加工装置、穴あけ、マーキング、トリミング、スクライビング、表面処理等のレーザ加工や、レーザ光源として他のレーザ応用分野、例えばＤＶＤやＢｌｕ−ｒａｙ等の光ディスクの高密度記録再生用光源や通信用の光源、印刷機器、照明用光源、ディスプレイ等の表示装置用の光源、医療機器等において、好適に利用できる。以下の例では、レーザ加工装置の一例としてレーザマーカに適用する例について説明する。また、本明細書において印字とは文字や記号、図形等のマーキングの他、上述した各種の加工も含む概念で使用する。
（入力部３）

入力部３はレーザ制御部１に接続され、レーザ加工装置を操作するための必要な設定を入力してレーザ制御部１に送信する。設定内容はレーザ加工装置の動作条件や具体的な印字内容等である。入力部３はキーボードやマウス、コンソール等の入力デバイスである。また、入力部３は入力情報を確認したり、レーザ制御部１の状態等を表示する表示部を別途設けることもできる。表示部はＬＣＤやブラウン管等のモニタであり、タッチパネル方式として入力部と表示部を兼用することもできる。これによって、コンピュータ等を外部接続することなく入力部でレーザ加工装置の必要な設定を行うことができる。
（レーザ制御部１）

レーザ制御部１は、制御部４とメモリ部５とレーザ励起部６と電源７とを備える。入力部３から入力された設定内容をメモリ部５に記録する。制御部４は必要時にメモリから設定内容を読み込み、印字内容に応じた印字信号に基づいてレーザ励起部６を動作させてレーザ出力部２のレーザ媒質８を励起する。メモリ部５はＲＡＭやＲＯＭ等の半導体メモリが利用できる。またメモリ部５はレーザ制御部１に内蔵する他、挿抜可能なＰＣカードやＳＤカード等の半導体メモリカード、カード型ハードディスク等のメモリカードを利用することもできる。メモリカードで構成されるメモリ部５は、コンピュータ等の外部機器で容易に書き換え可能であり、コンピュータで設定した内容をメモリカードに書き込み、レーザ制御部１にセットすることで、入力部をレーザ制御部に接続することなく設定を行うことができる。特に半導体メモリはデータの読み込み・書き込みが高速で、しかも機械的動作部分がないため振動等に強く、ハードディスクのようなクラッシュによるデータ消失事故を防止できる。

さらに制御部４は、設定された印字を行うようレーザ媒質８で発振されたレーザ光ＬをワークＷ上で走査させるため、レーザ出力部２の走査部９を動作させる走査信号を走査部９に出力する。電源７は、定電圧電源として、レーザ励起部６へ所定電圧を印加する。印字動作を制御する印字信号は、そのＨＩＧＨ／ＬＯＷに応じてレーザ光ＬのＯＮ／ＯＦＦが切り替えられ、その１パルスが発振されるレーザ光Ｌの１パルスに対応するＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号は、その周波数に応じたデューティ比に基づいてレーザ強度が定められるが、周波数に基づいた走査速度によってもレーザ強度が変化するよう構成することもできる。
（レーザ励起部６）

レーザ励起部６は、光学的に接合されたレーザ励起光源１０とレーザ励起光源集光部１１を備える。レーザ励起部６の内部の一例を図５の斜視図に示す。この図に示すレーザ励起部６は、レーザ励起光源１０とレーザ励起光源集光部１１をレーザ励起部ケーシング１２内に固定している。レーザ励起部ケーシングは、熱伝導性の良い真鍮等の金属で構成され、レーザ励起光源１０を効率よく外部に放熱する。レーザ励起光源１０は半導体レーザやランプ等で構成される。図５の例では、複数の半導体レーザダイオード素子を直線状に並べたレーザダイオードアレイを使用しており、各素子からのレーザ発振がライン状に出力される。レーザ発振はレーザ励起光源集光部１１の入射面に入射されて、出射面から集光されたレーザ励起光として出力される。レーザ励起光源集光部１１はフォーカシングレンズ等で構成される。レーザ励起光源集光部１１からのレーザ励起光は光ファイバケーブル１３等によりレーザ出力部２のレーザ媒質８に入射される。レーザ励起光源１０とレーザ励起光源集光部１１、光ファイバケーブル１３は、空間あるいは光ファイバを介して光学的に結合されている。
（レーザ出力部２）

レーザ出力部２は、レーザ発振部５０を備える。レーザ光Ｌを発生させるレーザ発振部５０は、レーザ媒質８と、レーザ媒質８が放出する誘導放出光の光路に沿って所定の距離を隔てて対向配置された出力ミラー及び全反射ミラーと、これらの間に配されたアパーチャ、Ｑスイッチ等を備える。レーザ媒質８が放出する誘導放出光を、出力ミラーと全反射ミラーとの間での多重反射により増幅し、Ｑスイッチの動作により短周期にて通断しつつアパーチャによりモード選別して、出力ミラーを経てレーザ光Ｌを出力する。図１に示すレーザ出力部２は、レーザ媒質８と走査部９を備える。レーザ媒質８は光ファイバケーブル１３を介してレーザ励起部６から入射されるレーザ励起光で励起されて、レーザ発振される。レーザ媒質８はロッド状の一方の端面からレーザ励起光を入力して励起され、他方の端面からレーザ光Ｌを出射する、いわゆるエンドポンピングによる励起方式を採用している。
（レーザ媒質８）

上記の例では、レーザ媒質８としてロッド状のＮｄ：ＹＶＯ₄の固体レーザ媒質を用いた。また固体レーザ媒質の励起用半導体レーザの波長は、このＮｄ：ＹＶＯ₄の吸収スペクトルの中心波長である８０９ｎｍに設定した。ただ、この例に限られず他の固体レーザ媒質として、例えば希土類をドープしたＹＡＧ、ＬｉＳｒＦ、ＬｉＣａＦ、ＹＬＦ、ＮＡＢ、ＫＮＰ、ＬＮＰ、ＮＹＡＢ、ＮＰＰ、ＧＧＧ等も用いることもできる。また、固体レーザ媒質に波長変換素子を組み合わせて、出力されるレーザ光Ｌの波長を任意の波長に変換できる。

さらに、固体レーザ媒質を使用せず、言い換えるとレーザ光を発振させる共振器を構成せず、波長変換のみを行う波長変換素子を使用することもできる。この場合は、半導体レーザの出力光に対して波長変換を行う。波長変換素子としては、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＰＯ₄）、有機非線形光学材料や他の無機非線形光学材料、例えばＫＮ（ＫＮｂＯ₃）、ＫＡＰ（ＫＡｓＰＯ₄）、ＢＢＯ、ＬＢＯや、バルク型の分極反転素子（ＬｉＮｂＯ₃（Periodically Polled Lithium Niobate ：ＰＰＬＮ）、ＬｉＴａＯ₃等）が利用できる。また、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｎｄ等の希土類をドープしたフッ化物ファイバを用いたアップコンバージョンによるレーザの励起光源用半導体レーザを用いることもできる。このように、本実施の形態においてはレーザ発生源として様々なタイプを適宜利用できる。

さらにまた、レーザ発振部は、固体レーザに限られず、ＣＯ₂やヘリウム−ネオン、アルゴン、窒素等の気体を媒質として用いる気体レーザを利用することもできる。例えば炭酸ガスレーザを用いた場合のレーザ発振部は、レーザ発振部の内部に炭酸ガス（ＣＯ₂）が充填され、電極を内蔵しており、レーザ制御部から与えられる印字信号に基づいて、レーザ発振部内の炭酸ガスを励起し、レーザ発振させる。
（走査系）

次に、レーザ加工装置のレーザ光走査系を図６、図７、図８に示す。これらの図において、図６はレーザ加工装置のレーザ光走査系の構成を示す斜視図を、図７は図６を逆方向から見た斜視図を、図８は側面図を、それぞれ示している。これらの図に示すレーザ加工装置は、レーザ光Ｌを発生させるレーザ発振部と光路を一致させたＺ軸スキャナを内蔵するビームエキスパンダ５３と、Ｘ軸スキャナ１４ａと、Ｘ軸スキャナ１４ａと直交するよう配置されたＹ軸スキャナ１４ｂとを備える。このレーザ光走査系は、レーザ発振部より出射されるレーザ光ＬをＸ軸スキャナ１４ａ、Ｙ軸スキャナ１４ｂで作業領域ＷＳ内で２次元的に走査させ、さらにＺ軸スキャナ１４ｃで高さ方向にワーキングディスタンスすなわち焦点距離を調整することができ、３次元状に印字加工が可能となる。なお図において集光レンズであるｆθレンズは図示を省略している。

各スキャナは、光を反射する反射面として全反射ミラーであるガルバノミラーと、ガルバノミラーを回動軸に固定して回動するためのガルバノモータと、回動軸の回転位置を検出して位置信号として出力する位置検出部を備える。またスキャナは、スキャナを駆動するスキャナ駆動部に接続される。スキャナ駆動部はスキャナ制御部７４に接続され、スキャナを制御する制御信号をスキャナ制御部７４から受けて、これに基づいてスキャナを駆動する。例えばスキャナ駆動部は、制御信号に基づいてスキャナを駆動する駆動電流を調整する。またスキャナ駆動部は、制御信号に対する各スキャナの回転角の時間変化を調整する調整機構を備える。調整機構は、スキャナ駆動部の各パラメータを調整する可変抵抗等の半導体部品で構成される。
（ディスタンスポインタ）

さらにレーザ光走査系は、ディスタンスポインタとして、ガイド用光源６０と、ガイド光光学系の一形態としてハーフミラー６２を備えると共に、ポインタ光調整系として、ポインタ光Ｐを照射するためのポインタ用光源６４と、Ｙ軸スキャナ１４ｂの裏面に形成された第３のミラーとしてポインタ用スキャナミラー１４ｄと、ポインタ用スキャナミラー１４ｄで反射されたポインタ用光源６４からのポインタ光Ｐをさらに反射させて焦点位置に向かって照射する固定ミラー６６とを備えている。このディスタンスポインタは、後述するようにガイド光Ｇで描画されるガイドパターンＧＰの中心にポインタ光Ｐを照射するよう調整することで、レーザ光Ｌの焦点位置が指示される。
（制御ブロック図）

さらに図９に、レーザ加工装置の制御系のブロック図を示す。この図に示すように、レーザ加工装置の制御部４は演算部８０と、演算部８０に接続された焦点位置設定記憶部５Ａと、焦点位置設定記憶部５Ａに接続された入力部３及び表示部８２と、演算部８０にそれぞれ接続されたポインタ光制御回路８４と、ガイド光制御回路８６と、スキャナ制御部７４とを備える。

入力部３は各種の設定を入力するための入力部材であり、マウスやキーボード、コンソール等の入力デバイスが利用できる。表示部８２は設定内容等を表示するためのディスプレイであり、液晶ディスプレイやＣＲＴ等が利用できる。焦点位置設定記憶部５Ａは図１のメモリ部５に相当し、入力部３で設定された焦点位置の設定等の情報を記憶する部材であり、固定記憶装置等の記憶媒体や半導体メモリ等が利用できる。演算部８０はＬＳＩやＩＣ等で構成され、入力部３で設定された焦点位置情報等に基づいて、レーザ光Ｌを走査する座標及びタイミングを演算し、これに基づいてポインタ光制御回路８４、ガイド光制御回路８６、スキャナ制御部７４をそれぞれ制御する。

ポインタ光制御回路８４は図示しないがポインタ用光源６４と接続され、ポインタ光Ｐの点灯を制御する。またガイド光制御回路８６は同様にガイド用光源６０と接続され、ガイド光Ｇの点灯を制御する。一方スキャナ制御部７４は、レーザ発振回路のＯＮ／ＯＦＦ駆動を制御すると共に、レーザ光走査系を制御してレーザ光Ｌの走査を行う。さらに一方で、スキャナ制御部７４はレーザ光Ｌを消灯した状態で、これに代わってガイド光Ｇを点灯、走査することで、ガイドパターンＧＰを描画する。さらにまた、ポインタ光Ｐを点灯し、なおかつ焦点位置に応じて照射角度を調整し、ガイド光Ｇとポインタ光Ｐとが交差する位置で焦点位置を指示することができる。
（Ｚ軸スキャナ１４ｃの動作）

近年、２次元平面内で走査可能なレーザ加工装置のみならず、高さ方向に焦点距離を調整可能な、すなわち３次元状に加工が可能なレーザ加工装置も開発されている。しかしながら従来の３次元に印字可能なレーザマーカは、あくまでも２次元の平面印字の高さレベルを段階的に変更できるにすぎなかった。すなわち、曲面や傾斜面に印字できるレーザマーカは存在しなかった。一方で、缶のような曲面にも高品質に印字加工できるレーザマーカが要求されていた。そこで、本発明者らはＸ軸スキャナ、Ｙ軸スキャナに加えて、焦点可変光学系としてＺ軸スキャナを設けることで焦点位置を調整可能とし、これによってワークの表面形状に沿って３次元状に加工可能なレーザ加工装置を実現した。

Ｚ軸スキャナ１４ｃはレーザ光Ｌのスポット径を調整し、これによって焦点距離を調整するビームエキスパンダ５３を構成している。ビームエキスパンダ５３は、小スポットへの集光を効果的に行わせるため、図６に示すようにガルバノミラーの前段に配置され、レーザ発振部から出力されるレーザ光Ｌのビーム径を調整すると共に、レーザ光Ｌの焦点位置を調整可能としている。Ｚ軸スキャナ１４ｃがワーキングディスタンスを調整する方法を、図１０〜図１２に基づいて説明する。図１０、図１１はレーザ光走査系の側面図であり、図１０はレーザ光Ｌの焦点距離を長くする場合、図１１は焦点距離を短くする場合をそれぞれ示している。また図１２はＺ軸スキャナ１４ｃの正面図及び断面図を示している。これらの図に示すように、Ｚ軸スキャナ１４ｃはレーザ発振部側に面する入射レンズ１６と、レーザ出射側に面する出射レンズ１８を含んでおり、これらのレンズ間の距離を相対的に変化可能としている。図１０〜図１２の例では、出射レンズ１８を固定し、入射レンズ１６を光軸方向に沿って駆動モータ等で摺動可能としている。図１２は出射レンズ１８の図示を省略して、入射レンズ１６の駆動機構を示している。コイルと磁石によって軸方向に可動子を摺動可能とし、可動子に入射レンズ１６を固定している。ただ、入射レンズ側を固定して出射レンズ側を移動可能としたり、入射レンズ、出射レンズを共に移動可能とすることもできる。

図１０に示すように、入射レンズ１６と出射レンズ１８との間の距離を近付けると、焦点位置が遠ざかり焦点距離（ワーキングディスタンス）が大きくなる。逆に図１１に示すように入射レンズ１６と出射レンズ１８との距離を離すと、焦点位置が近付き焦点距離が小さくなる。
（焦点補正機能）

このようにして、ワーキングディスタンスを調整してレーザ光Ｌを走査することが可能で、３次元状に走査可能なレーザ加工装置が実現され、曲面状や段差状のワークＷ表面にも焦点距離を合わせた状態で高精度に印字加工できる。この様子を図１３に基づいて説明すると、従来のレーザ加工装置では、図１３において実線で示すようにレーザ光Ｌの焦点位置が固定されているため、印字加工可能な作業領域ＷＳの中心位置で焦点を合わせるようにワークＷを設置しても、レーザ光Ｌを走査させると中心から離れるほど焦点とワークＷとのずれが大きくなり（図１３右に示すレーザ光Ｌ’）、印字品質が安定しないという問題があった。具体的には図１４（ａ）に示すように、作業領域ＷＳ（印字可能エリア）中の印字位置に応じて印字の幅が異なってしまう。すなわち、作業領域ＷＳの中心近傍では、焦点位置がほぼワーキングディスタンスとほぼ等しいため印字幅の狭い高品質な印字加工が可能である反面、作業領域ＷＳの周辺近傍になるほど印字幅が太くなって印字品質が低下してしまう。

これに対して、本実施の形態に係るレーザ加工装置では、上述の通りＺ軸スキャナ１４ｃで焦点位置を調整可能な焦点補正機能を備えているため、図１３の左側において波線で示すように印字可能エリアのどの位置においてもレーザ光Ｌの焦点位置を調整でき、最小スポットでの印字加工が可能となる結果、図１４（ｂ）に示すように印字位置によらず印字の線幅変化を抑制した高品質な印字加工を可能としている。

このように、印字可能エリアのどの位置でも最小スポットで印字でき、パレット印字や大型銘板の捺印等の作業において、印字品質を高品質に安定して得ることができる。また加工用途で使用する場合も、加工状態を均一に維持することができる。この結果、ワークＷの形状によらず、均一な加工を行うことができ、例えば図１５（ａ）に示すように段差のあるワークＷや、図１５（ｂ）に示すようにワークＷ表面が曲面状であっても、また図１５（ｃ）に示すように傾斜していても、均一で高品質な加工を行うことができる。このように焦点補正機能によってワークＷの多様な形状に対して最適な印字が可能となり、さらに奥行きのあるゲートカットのような加工においても精度よく、綺麗な仕上げを行える。

さらに本実施の形態によれば、レーザ加工装置のマーキングヘッド１５０から照射されるレーザ光Ｌの作業領域ＷＳを広く取りつつ、領域内での精密な加工が可能となる。図１６（ａ）に示すように、従来のレーザ加工装置では作業領域ＷＳ内の加工位置に応じて焦点位置の変化が大きいため、作業領域ＷＳを大きくする程この変化も大きくなり、レーザ光Ｌ’の焦点位置が加工位置から離れてしまうため、作業領域ＷＳの広域化にも不適であった。これに対して本実施の形態に係るレーザ加工装置では、図１６（ｂ）に示すように作業領域ＷＳを広くしても、各位置に応じて焦点位置を調整可能であるため、作業領域ＷＳを従来よりも広く取りつつ、スポット径を安定させて加工品質も確保できるという優れた特長を備える。
（設置支援機能）

さらに本実施の形態に係るレーザ加工装置によれば、設置時や段取り替えの際の位置決め作業をも簡略化できる。図１７（ａ）に、従来のレーザ加工装置のマーキングヘッド１５０を設置する例、図１７（ｂ）に本実施の形態に係るレーザ加工装置のマーキングヘッド１５０を設置する例を、それぞれ示す。従来のレーザ加工装置のマーキングヘッド１５０は、レーザ光Ｌ’の焦点位置が固定されているため、ワークとマーキングヘッド１５０との間のワーキングディスタンスと焦点位置とが合致するよう、図１７（ａ）に示すようにマーキングヘッド１５０自体の設置高さを調整する調整機構１６０が必要となり、また調整作業に非常に手間がかかっていた。例えばマーキングヘッドが微妙に傾いている場合、加工精度を高めるためにネジ調整等で水平に補正し、必ず焦点位置と一致するように調整しなければならない。このために、各マーキングヘッド１５０毎に設置高さを微調整するための上下機構が必要となり、しかも調整作業を要し、設置機構が複雑になる上、極めて煩雑な作業を強いられていた。

これに対して、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置によれば、図１７（ｂ）に示すようにレーザ光Ｌの焦点位置を調整可能であるため、レーザ加工装置を設置する設置台１７０は、基準となるワーキングディスタンスに設定するだけで足りる。したがってマーキングヘッド１５０の上下機構を用意する必要も、そのような調整作業も不要とできる。このため、３次元印字可能なレーザ加工装置は、２次元の印字に利用する場合であっても、位置あわせが容易で、多少焦点距離がずれていたり、マーキングヘッドが傾いていても調整することができる。

実際の設置状態は、テスト印字モードを実行することによって、最適な印字状態のパターンを選択するのみで、焦点位置の設定も最適に調整できる。テスト印字モードとは、レーザの走査速度やレーザ出力を変化させた複数の異なる条件を設定して、ワークに対して試験的に印字加工を行って印字見本を作成する。一の印字見本には、条件の異なる印字パターンが複数印字されているので、ユーザは様々な条件で印字された文字等から鮮明さや濃度、太さ等に基づいて、所望の条件を選択することができる。これによって、ユーザが望む最適の印字結果を得るための条件を容易に見出すことができる。

さらに、図１８（ａ）に示すように、従来はワークの角度に合わせてマーキングヘッド１５０自体も調整機構１６０Ｂ等で傾斜させて設置する必要があったが、本実施の形態に係るレーザ加工装置においては、表面が傾斜している等、角度を有するワークであっても図１８（ｂ）に示すように、マーキングヘッド１５０を水平に維持したまま正確に加工できるという特徴も有する。このように、非常に柔軟に各種アプリケーションに対応でき、しかも設置作業も容易であり印字加工精度も高いという極めて優れた特長を発揮できる。

なお、上記の例ではレーザ光走査系に、レーザ光の焦点距離を調整可能な機構を設けることで３次元加工を可能としている。ただ、ワークを載置するステージの位置を上下方向に調整可能とすることで、レーザ光の焦点がワークの作業面で結ぶようにステージの高さを調整する制御を行うことでも、同様に３次元加工を行うこともできる。また、ステージをＸ軸あるいはＹ軸方向に移動可能とすることで、レーザ光走査系の該当するスキャナを省略できる。これらの構成は、ワークをライン上に搬送する形態でなく、ステージ上に載置して加工する形態において好適に利用できる。
（設定の入力）

次に、ディスタンスポインタを使用した位置合わせ作業を行うための設定について、図９に基づいて説明する。ユーザは印字加工を行う各種パラメータを入力部３から入力する。入力項目としては、レーザ光Ｌのスポット径やワーキングディスタンスに基づいた大まかな焦点位置等がある。入力部３で設定された内容は、表示部８２で確認できる。表示部８２はＬＣＤやＣＲＴ等が利用できる。設定された値は焦点位置設定記憶部５Ａに保持される。演算部８０は、焦点位置設定記憶部５Ａで保持された情報を読み込んで、ポインタ光Ｐやガイド光Ｇの指示位置、点灯タイミングを演算し、ポインタ光制御回路８４、ガイド光制御回路８６を個別に制御する。ポインタ光制御回路８４はポインタ用光源６４のＯＮ／ＯＦＦを制御し、ガイド光制御回路８６はガイド用光源６０のＯＮ／ＯＦＦを制御する。またスキャナ制御部７４は、Ｘ軸スキャナ１４ａとＹ軸スキャナ１４ｂとを制御する。すなわち、ガイド用光源６０のＯＮタイミングに応じてガイド光ＧをＸ軸スキャナ１４ａ及びＹ軸スキャナ１４ｂで走査させてガイドパターンＧＰを描画し、一方ポインタ用光源６４のＯＮタイミングに応じてポインタ光Ｐを設定された焦点位置を指示するように調整する。
（ガイド光Ｇ）

ガイド用光源６０は、ハーフミラー６２によってガイド光Ｇをレーザ光走査系の光軸と一致させる。すなわち、レーザ発振部からのレーザ光Ｌの出射を停止した状態で、ガイド用光源６０を点灯させてガイド光Ｇを走査させ、所定のガイドパターンＧＰを描画する。ガイド用光源６０は、ハーフミラー６２を介してレーザ光Ｌの光軸に向けて照射できる位置に固定される。図６の例では、レーザ光Ｌの光軸とハーフミラー６２で直交する位置に固定される。ガイド用光源６０には、高速でガイド光Ｇを走査して残像によりガイドパターンＧＰを描画できるよう、指向性の強いＬＤが好適に利用できる。
（ポインタ光Ｐ）

一方ポインタ光Ｐはレーザ光Ｌの焦点位置を示すものである。ポインタ光Ｐは、ポインタ光調整系により斜め方向より照射され、焦点位置でガイド光Ｇと交差するように設定される。ポインタ光Ｐは、ポインタ用光源６４から発され、第３のミラーであるポインタ用スキャナミラー１４ｄと固定ミラー６６で反射されて、ｆθレンズを通過せずに作業領域ＷＳに照射される。本実施の形態に係るレーザ加工装置においては、上述の通りビームエキスパンダ５３内の入射レンズ１６及び出射レンズ１８によってレーザ光Ｌの照射位置を調整可能であるため、設定された焦点位置に応じて、ポインタ用スキャナミラー１４ｄの回動角度が調整される。この調整は、ポインタ光制御回路８４によって制御される。ポインタ用光源６４には、ＬＤや指向性を有するＬＥＤ等が利用できる。

また、ポインタ光Ｐとガイド光Ｇの交差角度が小さいと、焦点合わせの精度が低下する。このため、交差角度を稼ぐために、いいかえるとガイド光Ｇに対してポインタ光Ｐを斜め方向から照射する必要がある。図８の例では、ポインタ光Ｐを反射させる固定ミラー６６を第２ミラーから離間させて配置する。これによって、ポインタ光Ｐが反射されてワークに向かって照射される角度を付することができるので、交差角度を一定以上として位置合わせ精度を確保できる。
（ガイドパターンＧＰ）

ガイド光Ｇを走査させて描画されるガイドパターンＧＰは、図１９（ａ）に示すように十字状とする他、様々なパターンが利用できる。例えば図１９（ｂ）に示すグリッド状、（ｃ）に示す的状、（ｄ）に示す円形状、あるいは（ｅ）に示す矩形状等とできる。さらにガイドパターンＧＰは、ポインタ光Ｐと一致させる中心から線対称の図形とすることもでき、例えば（ｆ）に示すように中心を挟む平行線状や（ｇ）のような点状としてもよい。このように、ポインタ光を一対の線や点で構成し、この間にガイド光を位置させる構成では、ポインタ光とガイド光の光点が重ならないため両者の位置関係が確認し易く、非常に見易くでき、ユーザが焦点位置を調整する精度を高め、また作業の再現性を高めることができる。特にガイドパターンを、ポインタ光を挟む平行線状に表示することで、平行線の間にポインタ光の点が位置するよう調整することができ、線と点との対比で位置関係の把握が容易となり、視認性が高く好ましい。平行線の長さや平行線同士の間隔は、ポインタ光の直径よりも若干大きくなるよう設定することが、視認性の面から好ましい。また、平行線の長さや間隔等をユーザが調整可能とすることもできる。あるいはガイドパターンとして、このような平行線に限られず６角形や８角形等の多角形や星形、十字を２重、３重に重ねたもの等、中心位置にポインタ光Ｐを位置合わせし易い形状が適宜利用できる。

その他、ガイドパターンを点状とすることもできる。すなわち、ガイド光を走査させずに停止させたまま点状に表示し、この点状のガイド光とポインタ光とを一致させることもできる。なお本明細書において、ガイド光とポインタ光を交差させるとは、このように点状のガイド光及び点状のポインタ光を交差させる場合のみならず、上記図１９で示したように点状のポインタ光に対してガイド光を所定のガイドパターンに走査し、ガイドパターンの所定の位置とポインタ光とを一致させる場合も包含する。例えば、ガイドパターンを（ａ）十字状や（ｃ）的状として、その中心にポインタ光を一致させる場合の他、（ｅ）円形や（ｆ）平行線のように、ガイド光で示される所定の範囲内にポインタ光を位置させるような態様も、本明細書においては交差と呼ぶ。

また、ガイド光Ｇとポインタ光Ｐの発光色を変更することもできる。例えばガイド光Ｇには赤色ＬＤを使用し、ポインタ光Ｐには緑色ＬＥＤを使用することによって、両者の発光色の違いによってこれらを容易に区別できると共に、中心を位置合わせした際に赤色と緑色の混色である黄色に発光させて、交差点の重なりを視覚的に把握できる。なお、上述したガイド光Ｇは、ガイドパターンの略中心を示す目的で使用する他、レーザ光を走査する作業領域の略中心を示す目的で使用することも可能である。

なお、この例では、Ｘ軸スキャナ１４ａが第１のミラーを、Ｙ軸スキャナ１４ｂが第２のミラーをそれぞれ構成しているが、例えばＹ軸スキャナを第１のミラー、Ｘ軸スキャナを第２のミラーとして、Ｘ軸スキャナにポインタ光調整系を形成することもできる。
（時分割点灯）

本実施の形態ではポインタ用光源６４を点灯点灯するポインタ光制御回路８４と、ガイド用光源６０を点灯制御するガイド光制御回路８６とは、点灯タイミングを時分割とすることで、一のスキャナを共用してガイドパターンＧＰの描画とポインタ光Ｐの焦点位置に応じた調整を実現している。この様子を、図２０及び図２１に基づいて説明する。図２０は、ガイド用光源６０を消灯してポインタ光Ｐのみを点灯した状態を示している。この状態では、ポインタ用光源６４を点灯すると共に、Ｙ軸スキャナ１４ｂのガルバノミラーでポインタ光Ｐが反射され、さらに固定ミラー６６で反射されて作業領域ＷＳに向かって照射される。このとき、ポインタ光Ｐが作業領域ＷＳの中心となるようにＹ軸スキャナ１４ｂの角度を調整して停止させる。Ｙ軸スキャナ１４ｂのガルバノミラーの角度は、焦点位置に応じて演算部８０で演算され、スキャナ制御部７４でガルバノモータの回転角度を制御される。このようにポインタ光Ｐは、Ｙ軸スキャナ１４ｂのガルバノミラーを所定の角度で停止させている間にポインタ用光源６４を点灯して指示される。

一方、ガイド光Ｇは図２１に示すように、ポインタ光Ｐを消灯した状態でガイド用光源６０を点灯し、ハーフミラー６２を介してレーザ光Ｌと同じ光路でビームエキスパンダ５３を通過してＸ軸スキャナ１４ａ、Ｙ軸スキャナ１４ｂでそれぞれ反射されて作業領域ＷＳに照射される。このとき、Ｘ軸スキャナ１４ａ、Ｙ軸スキャナ１４ｂをそれぞれスキャナ制御部７４で駆動してガイド光Ｇを走査させる。ガイド光Ｇの走査を高速に行うことで、残像効果により所定のガイドパターンＧＰが作業領域ＷＳ上に描画される。

このように、本実施の形態ではガイド光Ｇとポインタ光Ｐの点灯タイミングを時分割して交互に点灯させる動作を高速に繰り返すことで、ガイド光Ｇとポインタ光Ｐとがあたかも同時に点灯しているように表示できる。ユーザは、ガイドパターンＧＰの中心にポインタ光Ｐが位置するように、実際に作業領域ＷＳ上にワークを配置して位置決めする。このとき、ガイドパターンＧＰの中心を作業領域ＷＳの中心とすることで、ワークを正しく作業領域ＷＳの中央に配置できる。すなわち、ワークの搬送方向等を考慮してＸ−Ｙ平面状に正しく配置できる。さらに一方で、レーザ光Ｌの焦点位置をガイド光Ｇとポインタ光Ｐの交点で擬似的に示すことにより、ワークの作業位置が焦点位置となるように高さ方向（Ｚ方向）にも正しくワークの位置を調整できる。特に、光を使って位置決めのための基準位置を指示することで、ユーザは実際の位置を視覚的に把握でき、調整作業において極めて有効である。

なお、この例ではガイド光Ｇとポインタ光Ｐの点灯タイミングを時分割とすることで、一のスキャナを共用してガイドパターンＧＰの描画とポインタ光Ｐの焦点位置に応じた調整を実現している。ただ、ポインタ光の焦点位置に応じた調整のための機構を、ガイド光用とは個別に設けることもできる。この場合は、時分割によることなく独立してポインタ光とガイド光を点灯できる反面、ガイド光を調整するための機構が別途必要となるため、構成が複雑になる。
（ガイド光光学系の他の形態）

なおガイド光光学系は、ハーフミラーを利用する例に限られない。他の構成のガイド光光学系の一例として、全反射ミラーを利用したレーザ加工装置を図２２及び図２３に示す。図２２はレーザ光走査系の斜視図を、図２３はガイド光光学系の側面図を、それぞれ示している。なお図２２に示すレーザ光走査系は、図６と同じ部材については同じ符号を付して詳細説明を省略する。これらの図に示すガイド光光学系は、ハーフミラーに替わって全反射ミラー６２Ｂを、レーザ光Ｌの光軸上に配置しており、かつ光軸上から外れる位置に切り替え可能としている。全反射ミラー６２Ｂがレーザ光Ｌの光軸上に配置された状態では、図２３（ａ）に示すようにガイド用光源６０から出射されるガイド光Ｇが全反射ミラー６２Ｂで反射されて、ガイド光Ｇのみがレーザ光走査系を通じて出射される。このとき、レーザ発振部５０はレーザ光Ｌの出射を停止するか、全反射ミラー６２Ｂの裏面で遮光される。一方、レーザ光Ｌを出射する場合は、図２３（ｂ）に示すように全反射ミラー６２Ｂを光軸上からずらし、レーザ発振部５０からのレーザ光Ｌの出射を遮光しない位置まで移動させる。このため全反射ミラー６２Ｂは、光軸上と非光軸上とに位置を切り替えるための切替手段を備えている。また切替手段は、レーザ光Ｌの透過とガイド光Ｇの反射とを切り替え可能であれば足り、例えば全反射ミラー６２Ｂを回転自在とし、レーザ光の出射方向に沿うように回動させてレーザ光Ｌを透過させ、またガイド光を光軸上に反射できるように回転角度を調整する構成も採用できる。さらに、レーザ光Ｌの透過とガイド光Ｇの反射とを切り替える構成の他、レーザ光とガイド光の配置を入れ替え、レーザ光Ｌを反射させて光軸上に案内し、あるいはガイド光を透過させて光軸上に案内する構成も採用できる。以上のような構成によっても、ガイド光光学系でレーザ光Ｌとガイド光Ｇとを切り替えることができる。

本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工装置の焦点位置指示方法は、例えばマーキング、穴あけ、トリミング、スクライビング、表面処理等のレーザ加工において好適に利用できる。

本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。走査部におけるＸ・Ｙ軸スキャナの配置状態を示す透明斜視図である。従来の位置指示装置を備えるレーザ加工装置の走査系を示す概略図である。他の位置指示装置を備えるレーザ加工装置の走査系を示す概略図である。図１のレーザ励起部の内部構造の一例を示す斜視図である。レーザ加工装置のレーザ光走査系を含むマーキングヘッドの構成を示す斜視図である。図６を背面方向から見た斜視図である。図６を側面から見た側面図である。レーザ加工装置の制御系を示すブロック図である。焦点距離を長くする場合のレーザ光走査系を示す側面図である。焦点距離を短くする場合のレーザ光走査系を示す側面図である。Ｚ軸スキャナを示す正面図及び断面図である。レーザ加工装置のレーザ光の焦点位置が、作業位置において変化する状態を説明する説明図である。作業領域中の位置に応じて加工状態が異なることを説明する説明図である。ワークの表面形状に応じてレーザ光の焦点位置を調整する様子を説明する説明図である。作業領域内の加工位置に応じて焦点位置が変化する様子を説明する説明図である。従来のレーザ加工装置のマーキングヘッドを設置する状態を示す説明図である。ワークの角度に合わせてマーキングヘッドを傾斜させて設置する例を説明刷る説明図である。ガイド光を走査させて描画されるガイドパターンの例を示す説明図である。ガイド光を消灯してポインタ光を点灯した状態の走査系を示す斜視図である。ポインタ光を消灯してガイド光を点灯した状態の走査系を示す斜視図である。他の構成に係るガイド光光学系を含むマーキングヘッドの構成を示す斜視図である。図２２のガイド光光学系を説明する側面図である。

１…レーザ制御部
２…レーザ出力部
３…入力部
４…制御部
５…メモリ部；５Ａ…焦点位置設定記憶部
６…レーザ励起部
７…電源
８…レーザ媒質
９…走査部
１０…レーザ励起光源
１１…レーザ励起光源集光部
１２…レーザ励起部ケーシング
１３…光ファイバケーブル
１４…スキャナ；１４ａ…Ｘ軸スキャナ；１４ｂ…Ｙ軸スキャナ
１４ｃ…Ｚ軸スキャナ；１４ｄ…ポインタ用スキャナミラー
１５…集光部
１６…入射レンズ
１８…出射レンズ
５０…レーザ発振部
５１、５１ａ、５１ｂ…ガルバノモータ
５２…スキャナ駆動回路
５３…ビームエキスパンダ
５４…光学部材
６０…ガイド用光源
６２…ハーフミラー；６２Ｂ…全反射ミラー
６４…ポインタ用光源
６６…固定ミラー
７４…スキャナ制御部
８０…演算部
８２…表示部
８４…ポインタ光制御回路
８６…ガイド光制御回路
９０…ＬＥＤポインタ
１５０…マーキングヘッド
１６０、１６０Ｂ…調整機構
１７０…設置台
Ｌ、Ｌ’…レーザ光
Ｇ…ガイド光
ＧＰ…ガイドパターン
Ｐ…ポインタ光
Ｗ…ワーク
ＷＳ…作業領域

Claims

レーザ光を発生させるためのレーザ発振部と、
前記レーザ発振部から照射されるレーザ光のスポット径を調整して、作業領域に向けて照射されるレーザ光の焦点位置を変更するための焦点可変光学系と、
前記レーザ発振部より出射され前記焦点可変光学系を透過したレーザ光を作業領域内において２次元的に走査させるためのレーザ光走査系と、
前記レーザ光を作業領域内に走査させる際の照射位置を示すガイドパターンを表示するためのガイド光を発するガイド用光源と、
前記ガイド用光源からのガイド光をレーザ光走査系により走査されるレーザ光の光軸と一致させるためのガイド光光学系と、
前記ガイド用光源からのガイド光によりガイドパターンが表示される作業領域にレーザ光の焦点位置を示すポインタ光を照射するためのポインタ用光源と、
前記ガイド用光源からのガイド光とポインタ用光源からのポインタ光とがレーザ光の焦点位置にて交差するように調整するためのポインタ光調整系と、
レーザ光の焦点位置に関する設定情報の変更入力を受け付けるための入力部と、
前記入力部により変更された設定情報を記憶するための焦点位置設定記憶部と、
前記入力部を用いた設定情報の変更入力に応じて、前記焦点位置設定記憶部に記憶された設定情報に基づいて、レーザ光の焦点位置が変更前の焦点位置から変更後の焦点位置に移動するように前記焦点可変光学系を制御すると共に、変更前の焦点位置で交差していたガイド光とポインタ光とが変更後の焦点位置で交差するように前記レーザ光走査系及びポインタ光調整系を制御するための制御部と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
前記焦点可変光学系として、
入射レンズと出射レンズを備えるビームエキスパンダであって、前記レーザ発振部から照射されるレーザ光の光軸に一致させて、入射レンズと出射レンズ間の相対距離を変化させてレーザ光の焦点距離を調整可能なビームエキスパンダを備え、
前記レーザ光走査系として、
前記ビームエキスパンダを透過したレーザ光を第１の方向に走査させるための第１のミラーと、
前記第１のミラーで反射されたレーザ光を前記第１の方向と直交する第２の方向に走査させるための第２のミラーと、
前記第２のミラーで反射されたレーザ光を作業領域に照射させるよう集光するための集光レンズと、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項２に記載のレーザ加工装置であって、
前記ポインタ光調整系が、前記第２のミラーの裏面に形成された第３のミラーと、
前記ポインタ用光源から前記第３のミラーに照射されたポインタ光が、レーザ光の焦点位置でガイド光と交差する位置に反射されるよう調整された反射ミラーと、
で構成されることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項３に記載のレーザ加工装置であって、さらに、
前記ガイド用光源とポインタ用光源の点灯を交互に切り替えてガイド光及びポインタ光を異なるタイミングで点灯するための切替回路
を備え、
前記切替回路で切り替えられて点灯するポインタ光が、前記切替回路で切り替えられて点灯するガイド光と交差するように前記ポインタ光調整系で調整されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項４に記載のレーザ加工装置であって、
前記切替回路でポインタ用光源を点灯させる際、ポインタ光は点状に表示され、
前記切替回路でガイド用光源を点灯させる際、ガイド光は前記レーザ光走査系で走査されて、所定のガイドパターンに表示されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項５に記載のレーザ加工装置であって、
前記ガイドパターンが平行線状であることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項５に記載のレーザ加工装置であって、
前記ガイドパターンが十字状であることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項４に記載のレーザ加工装置であって、
前記切替回路でポインタ用光源を点灯させる際、ポインタ光は点状に表示され、
前記切替回路でガイド用光源を点灯させる際、ガイド光も点状に表示されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から８のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、
前記ポインタ光と、ガイド光の色が異なることを特徴とするレーザ加工装置。
レーザ加工装置から照射されるレーザ光の焦点位置を、レーザ光を走査する作業領域において、ガイド用光源から照射されるガイド光とポインタ用光源から照射されるポインタ光とを交差させた交差位置で指示する方法であって、
ポインタ用光源を消灯させた状態で、ガイド光を走査する第１のミラー及び第１のミラーと直交する回転軸を有する第２のミラーの角度を調整して、前記ガイド用光源を点灯し、前記ガイド用光源からのガイド光で、レーザ光の作業領域における照射位置を示すガイドパターンを表示する工程と、
ガイド用光源を消灯させた状態で、ポインタ光がガイドパターンが表示される作業領域に位置するように、前記第２のミラーの裏面に形成された第３のミラーの角度を調整し、第３のミラーを停止させた状態でポインタ用光源を点灯させポインタ光を照射する工程と、
前記ガイドパターンを表示する工程と前記ポインタ光を照射する工程を繰り返すことで、ポインタ光とガイド光とを交互に点灯させ、設定されたレーザ光の焦点位置でポインタ光とガイド光が交差されて焦点位置が指示されると共に、レーザ光の焦点位置に関する設定情報の変更入力を入力部で受け付け、前記入力部により変更された設定情報を焦点位置設定記憶部に記憶し、前記入力部を用いた設定情報の変更入力に応じて、前記焦点位置設定記憶部に記憶された設定情報に基づいて、レーザ光の焦点位置が変更前の焦点位置から変更後の焦点位置に移動するように前記焦点可変光学系を走査させると共に、変更前の焦点位置で交差していたガイド光とポインタ光とが変更後の焦点位置で交差するように前記レーザ光走査系及びポインタ光調整系を走査させる工程と、
を含むことを特徴とするレーザ加工装置の焦点位置指示方法。
請求項１０に記載のレーザ加工装置の焦点位置指示方法であって、
前記ポインタ光と、ガイド光の色が異なることを特徴とするレーザ加工装置の焦点位置指示方法。