JPH07164169A - スキャニング型レーザマーキング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】直交性と平行性とゲイン及びこれらの位置によ
る非線形性を補正することにより、空間的な要因による
位置決め精度の劣化を無調整で回避して位置決め後、高
精度でマーキングを行う。 【構成】格子上の中心位置（原点）を加工領域の中心点
に一致させてから、格子模様をマーキングし、これを調
整用に取り付けたクロスラインモニタを通したパターン
認識装置を使用して、本来の正規の座標系における各格
子点の座標値を読み取る。Ｘの誤差値に関しては、格子
上の各Ｙに対して、関数近似法によりＸの整式で近似す
る。次に任意の座標（ｘ，ｙ）におけるＸの誤差値を求
めるときは、まず上のＸの整式でＸ＝ｘのときの誤差値
を各Ｙに関して求め、更にこれらのデータから関数近似
法によりＹの整式で近似式を求めてから、Ｙ＝ｙのとき
の補正量を求めることにより、任意の座標（ｘ，ｙ）の
おける補正量を算出する。現在位置と行き先位置の間の
相対移動量にプラスして、各点における誤差量の差を補
正量として、ガルバノメータドライバに与えることによ
り位置補正を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は２つのガルバノメータを
使用してスキャニング方式によってマーキングするレー
ザマーカに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のスキャニング型レーザマーカにお
けるマーキング制御方式では、ｆθレンズの特性及びｆ
θレンズとガイバノメータ・ミラーとの幾何学的配置に
起因するレーザビームの位置の歪の補正と、２つのガル
バノメータの取り付け位置によって決まる直交度及びガ
ルバノメータ系とワーク位置決め機構とのなす角度によ
って決まる平行度を正確に出すために、次のようにして
調整を行っていた。

【０００３】すなわちまずｆθレンズの特性及びｆθレ
ンズとガルバノメータ・ミラーとの幾何学的配置に起因
するレーザビームの位置の歪を補正するために、歪の量
をｘｙ平面上での指定位置の関数として近似し、それを
制御回路上で演算して、さらに符号を反転した量を本来
の指定信号に加算して補正した信号で、２つのガルバノ
メータを各々別々に動かして原点を通る２本の直線をマ
ーキングする。これらが原点で交わる角度を測定して
は、ジンバル機構により２つのガルバノメータの相対的
角度関係を調整することを試行錯誤的に繰り返し、２本
の直線が交わる角度がπ／２になるように調整してい
る。またガルバノメータ系を固定しているベースを取り
付けている部分にあるクリアランスホールまたはθ方向
に回転させる機構を利用して、ベースの取り付け角度を
試行錯誤的に調整することにより、上記の２本の直線の
うち一方とワーク位置決めされる基準線の方向とのなす
角度Ο（ラジアン）になるように平行度を調整してい
る。さらに座標系のスケーリングに関しては、制御回路
の定数を調整してゲインを合わせている。それでもなお
加工可能領域の周辺部では、位置による非直線性があっ
て歪が残るという問題点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の方法で
はｆθレンズの特性及びｆθレンズとガルバノメータ・
ミラーとの幾何学的配置に起因するレーザビームの位置
の歪を着目する軸方向の位置に比例し、それと直交する
軸に関する位置の２乗に比例するとして近似して、これ
らの積にかかる比例定数の量を調整して補正を行ってい
る。その補正係数を調整するために乗算器や可変抵抗器
などからなる制御回路が必要であり、またこれらを調整
するための多大な時間を必要とする。

【０００５】更に２つのガルバノメータを各々別々に動
かして直交すべきパターンをマーキングさせて、その直
角度を測定しその結果をフィードバックして、一方のガ
ルバノメータに対する他方の取り付け角度を調整して直
交度を出す方法は、調整のためのジンバル機構が必要で
あり、ちょっとした調整時間を必要とするという欠点が
ある。

【０００６】またガルバノメータ形を固定しているベー
スを取り付けているクリアランスホールまたはθ方向に
回転させる機構を利用して、ベースの取り付け角度を試
行錯誤的に調整することにより平行度を出す方法も、調
整時間を必要とするし、θ方向に回転させる機構が必要
な場合があるという問題点がある。

【０００７】従って本発明は機械的な調整を行わないで
歪を精度よく補正し、空間的な要因による位置決め精度
を保持して、マーキング可能としたスキャニング型レー
ザマーキング装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のスキャニング型
レーザマーキング装置は、２つのガルバノメータをを機
械的にホールダに固定し、このホールダを搭載している
ベースをワーク位置決め位置に固定した状態で、計測し
た格子点における誤差量をもとに、直交性と平行性とゲ
イン及びこれらの位置による非線形を補正する手段を設
けたことを特徴とする。

【０００９】

【作用】格子上の中心位置（原点）を加工領域の中心点
に一致させてから、格子模様をマーキングし、これを調
整用に取り付けたクロスラインモニタを通したパターン
認識装置を使用して、本来の正規の座標系における各格
子点の座標値を読み取る。Ｘの誤差値に関しては、格子
上の各Ｙに対して関数近似法によりＸの整式で近似す
る。次に任意の座標（ｘ，ｙ）におけるＸの誤差値を求
めるときは、まず上のＸの整式でＸ＝ｘのときの誤差値
を各Ｙに関して求め、更にこれらのデータから関数近似
法によりＹの整式で近似式を求めてから、Ｙ＝ｙのとき
の補正量を求めることにより、任意の座標（ｘ，ｙ）の
おける補正量を算出する。

【００１０】現在位置と行き先位置の間の相対移動量に
プラスして、各点における誤差量の差を補正量として、
ガルバノメータドライバに与えることにより位置補正を
行う。

【００１１】

【実施例】本発明のスキャニング方式によるマーキング
装置における光学部は、固定された２つのガルバノメー
タとビームエキスパンダ、反射ミラー、ｆθレンズを主
要構成とし、さらに２つのガルバノメータとレーザを制
御し、移動指定量を補正するための手段及び格子点にお
ける誤差量を計測するためのパターン認識装置とを備え
ている。

【００１２】ｆθレンズの特性及びｆθレンズとガルバ
ノメータ・ミラーとの幾何学的配置に起因するレーザビ
ームの位置に対する誤差に関しては、従来は制御回路で
この補正を行っていた。

【００１３】次にｆθレンズの特性及びｆθレンズとガ
ルバノメータ・ミラーとの幾何学的配置に起因する位置
の歪が補正されたレーザビームを光学系に通してレーザ
マーキングしたときに、２つのガルバノメータの取り付
け位置によって決まる直交度及びガルバノメータ系とワ
ーク位置決め機構とのなす角度によって決まる平行性を
補正する手段に関して説明する。

【００１４】ワークが位置決めされる基準線の方向をｘ
軸とする直交座標系（ワーク座標）を（ｘ，ｙ）とし、
Ｘ，Ｙ各軸のガルバノメータの取り付け角度によって決
まるマーキング平面上の機械座標系の２つの軸Ｘ及びＹ
軸がｘ軸となす角度α，β（ラジアン）は一般的には以
下の適正値とは異なっている。

【００１５】α＝０ β＝π／２ また２つのガルバノメータは設計図面に示される通りに
組み立てられて、機械的にホールダに固定された後に
は、機械的な調整を全く行っていないものとする。

【００１６】ここで加工領域の中心点を通り、本来のＸ
Ｙ軸方向に引かれた２直線のパターンが描かれているワ
ークの上に、２つのガルバノメータを別々に移動させて
コンピュータから指定する原点を通る一定長ｐｍｍの直
線からなる十字線をマーキングする。これを調整用に取
り付けたクロスラインモニタを通したパターン認識装置
を使用して、原点シフト量（ＳＸ，ＳＹ）を測定する。

【００１７】ここでクロスラインモニタはガルバノメー
タに取り付けられたミラーを通してワーク面を観測で
き、レーザ光が照射される点がクロスラインの交点に一
致するように調整されている。ガルバノメータが動く
と、ガルバノメータに取り付けられたミラーによるレー
ザ光の反射角度が変わってレーザ光が照射される点が移
動する。その点がワーク上の目的とする位置に一致する
まで移動させたときの移動量を測定すれば、原点シフト
量（ＳＸ，ＳＹ）がわかる。

【００１８】次に２つのガルバノメータを別々に移動さ
せて一定ピッチｑｍｍで一定長ｐｍｍの直線からなる格
子状にマーキングする。

【００１９】このとき上記の原点シフト量（ＳＸ，Ｓ
Ｙ）だけ各軸に移動させて、格子上の中心位置（原点）
を加工領域の中心点に一致させる。

【００２０】これを調整用に取り付けたクロスラインモ
ニタを通したパターン認識装置を使用して、本来の正規
の座標系における各格子点に相当する点を追跡して、そ
の座標値を読み取っていき、各点の本来の位置の座標値
に対する誤差（ＥＸ，ＥＹ）を求める。

【００２１】さてＹ＝ｙｊ（１≦ｊ≦ｎ）の値を持った
各格子点（Ｘ，ｙｊ）におけるＸの誤差値ＥＸを、関数
近似法によりＸのｋ次の整式でフィッティングさせて、
次のように近似式を求める。

【００２２】

【００２３】次に任意の点（ｘ，ｙ）におけるＸの誤差
値ＥＸを以下のようにして求める。

【００２４】Ｘ＝ｘのときのＸの誤差 ＥＸｙｊをＹ＝
ｙｊ、１≦ｊ≦ｍの各値について求める。

【００２５】ここでＸ＝ｘの値を持った各点（ｘ，Ｙ）
におけるＸの誤差値を、関数近似法によりＹのｍ次の整
式でフィッティングさせて、次のように近似式を求め
る。

【００２６】

【００２７】この近似式において、Ｙ＝ｙにおけるＸの
誤差値ＥＸは、Ｙ＝ｙを代入して、

【００２８】

【００２９】として求められる。

【００３０】次にＸ＝ｘｊ（１≦ｊ≦ｋ）の値を持った
各格子点（ｘｊ，Ｙ）におけるＹの誤差値ＥＹを、関数
近似法によりＹのｍ次の整式でフィッティングさせて、
次のように近似式を求める。

【００３１】

【００３２】次に任意の点（ｘ，ｙ）におけるＹの誤差
値ＥＹを以下のようにして求める。

【００３３】Ｙ＝ｙのときのＹの誤差ＥＹｙｊをＸ＝ｘ
ｊ、１≦ｊ≦ｋの各値について求める。

【００３４】ここでＹ＝ｙの値を持った各点（Ｘ，ｙ）
におけるＹの誤差値を、関数近似法によりＸのｋ次の整
式でフィッティングさせて、次のように近似式を求め
る。

【００３５】

【００３６】この近似式において、Ｘ＝ｘにおけるＹの
誤差値ＥＹは、Ｘ＝ｘを代入して、

【００３７】

【００３８】として求められる。

【００３９】実際にガルバノメータを動作させて、レー
ザビームを移動させる場合には、誤差値（ＥＸ，ＥＹ）
の量だけ補正していく。

【００４０】まず原点から（ｘ１，ｙ１）に移動させる
場合、行く先（ｘ１，ｙ１）へ移動するための移動量の
他に、（ｘ１，ｙ１）における誤差量（Ｅｘ１，Ｅｙ
１）を補正量として、ガルバノメータドライバに与え
る。

【００４１】次に（ｘ１，ｙ１）から（ｘ２，ｙ２）に
移動させる場合、行く先（ｘ２，ｙ２）と現在地（ｘ
１，ｙ１）の間の相対移動量の他に、（ｘ１，ｙ１）に
おける誤差量（Ｅｘ１，Ｅｙ１）に対する（ｘ２，ｙ
２）における誤差量（Ｅｘ２，Ｅｙ２）の差を補正量と
して、ガルバノメータドライバに与える。

【００４２】以下同様にして、（ｘｉ，ｙｉ）から（ｘ
ｉ＋１，ｙｉ＋１）に移動させる場合、行く先（ｘｉ＋
１，ｙｉ＋１）と現在地（ｘｉ，ｙｉ）の間の相対移動
量の他に、（ｘｉ，ｙｉ）における誤差量（Ｅｘｉ，Ｅ
ｙｉ）に対する（ｘｉ＋１，ｙ＋１）における誤差量
（Ｅｘｉ＋１，Ｅｙｉ＋１）の差を補正量として、ガル
バノメータドライバに与える。

【００４３】ここでＸ＝ｘの値を持った各点（ｘ，Ｙ）
におけるＸの誤差値を、関数近似法によりＹのｍ次の整
式でフィッティングさせて、近似式を求めるための処理
及び、Ｙ＝ｙの値を持った各点（Ｘ，ｙ）におけるＹの
誤差値を、関数近似法によりＸのｋ次の整式でフィッテ
ィングさせて、近似式を求めるための処理に関しては、
マーキング用のデータ中のすべての位置決めデータに対
して、マーキング実行前にあらかじめ一回演算を行って
おき、これらの位置決めに関する補正データを求めてお
く。このことにより、演算の処理時間がタクトタイムに
影響することを防ぐ。

【００４４】図１は本発明の一実施例で、座標系の歪が
ある場合にＹ＝ｙｊの値を持った各格子点（Ｘ，ｙｊ）
におけるＸの誤差曲線である。この図で（ｘ，ｙｊ）に
おける誤差曲線上で、最小二乗法によりＸのｋ次の整式
としてフィッティングされた関数において、Ｘ＝ｘのと
きの誤差量ＥＸｘｙｊを求める。このようにして各ｙｊ
（１≦ｊ≦ｎ）について、次のようなＸ＝ｘのときの誤
差量の値を求める。

【００４５】

【００４６】図１の５は、各ｙｊ（１≦ｊ≦ｎ）につい
て、Ｘ＝ｘのときの誤差量の値を示す。

【００４７】次にこのｎ個の関数値から、Ｘ＝ｘのとき
の誤差曲線の近似式を最小二乗法により、次のようなＹ
の関数として求める。

【００４８】

【００４９】この曲線上でＹ＝ｙのときの誤差量を次の
ように演算により求める。

【００５０】

【００５１】図２は、Ｙの関数として求めたＸ＝ｘのと
きの誤差曲線の近似式である。ここでＹ＝ｙにおける誤
差量が補正すべき値である。

【００５２】図３は本発明の他の実施例で、座標系の歪
がある場合にＹ＝ｙｊの値を持った各格子点（Ｘ，ｙ
ｊ）におけるＸの誤差曲線である。この図で（ｘｊ，
ｙ）における誤差曲線の上で、最小二乗法によりＹのｍ
次の整式としてフィッティングされた関数において、Ｙ
＝ｙのときの誤差量ＥＹｘｊｙを求める。このようにし
て各ｘｊ（１≦ｊ≦ｎ）について、次のようなＹ＝ｙの
ときの誤差量の値を求める。

【００５３】

【００５４】図３の５は、各ｘｊ（１≦ｊ≦ｎ）につい
て、Ｙ＝ｙのときの誤差量の値を示す。

【００５５】次にこのｎ個の関数値から、Ｙ＝ｙのとき
の誤差曲線の近似式を最小二乗法により、次のようなＸ
の関数として求める。

【００５６】

【００５７】この曲線上でＸ＝ｘのときの誤差量を次の
ように演算により求める。

【００５８】

【００５９】図４は、Ｘの関数として求めたＹ＝ｙのと
きの誤差曲線の近似式である。ここでＸ＝ｘにおける誤
差量が補正すべき値である。

【００６０】なお、前記実施例において、最小二乗法に
代わりに、Ｌａｇｒａｎｇｅの補間法を用いることによ
り関数近似することも可能である。

【００６１】この場合は近似関数の次式ｋ及びｍは次の
ようになる。

【００６２】ｋ＝ｍ＝ｎ−１ ここでｎはデータの個数（格子点の数）である。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ｆθレン
ズの特性及びｆθレンズとガルバノメータ・ミラーとの
幾何学的配置に起因するレーザビームの位置の歪を調整
するための制御回路と、ガルバノメータの取り付け角度
を調整するジンバル機構やガルバノメータホールダを固
定しているベースをθ方向に回転させる機構を不要と
し、振動などに対して強い固定ができるようにするとと
もに、ジンバル機構やガルバノメータホールダを固定し
ているベースをθ方向に回転させる機構を含まない図面
の通りにガルバノメータ系を組んだままで、機械的な調
整を全く行わないで、誤差の補正を行うことにより、空
間的な要因による位置決めの精度の悪さを克服すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例において、座標系の歪がある
場合な各格子点におけるＸの誤差曲線、及び各ｙｊ（１
≦ｊ≦ｎ）について、Ｘ＝ｘのときの誤差量の値を示す
図。

【図２】図１の実施例において、Ｙの関数として求めた
Ｘ＝ｘのときの誤差曲線の近似式を表す図。

【図３】本発明の他の実施例において、座標系の歪があ
る場合に各格子点におけるＹの誤差曲線、及び各ｘｊ
（１≦ｊ≦ｎ）について、Ｙ＝ｙのときの誤差量の値を
示す図。

【図４】図３の実施例において、Ｘの関数として求めた
Ｙ＝ｙのときの誤差曲線の近似式を表す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ４１Ｊ 2/44 Ｂ４１Ｍ 5/24 Ｇ０２Ｂ 26/10 Ａ １０４ Ｇ０５Ｂ 19/404

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つのガルバノメータを機械的にホール
   ダに固定し、このホールダを搭載しているベースをワー
   ク位置決め装置に固定した状態で、計測した格子点にお
   ける誤差量をもとに、直交性と平行性とゲイン及びこれ
   らの位置による非線形性を補正する手段を設けたことを
   特徴とするスキャニング型レーザマーキング装置。