JP2006272355A - レーザー加工装置およびレーザー光の位置合わせ方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の種類を問わずレーザー光の照射位置を高精度に調整することができ、従来よりも高精度の穴開け加工を実現できるレーザー加工装置を提供する。
【解決手段】カメラ５が載設されたθステージ４θを回転させ、カメラ５に対し相対移動するレーザー光ＬＢの軌跡を撮像する。該撮像データで表現される円に存在する任意の３点を通る円の方程式を解くことにより、回転中心Ｒのカメラ座標系における座標値を算出する。次に、θステージ４θを停止させて撮像を行い、ビームスポットＬの撮像画像を得る。該ビームスポットＬのカメラ座標系における座標位置を特定して回転中心Ｒとの座標差ベクトルを算出し、該ベクトルの分だけＸステージ４ＸとＹステージ４Ｙとを移動させる。これにより、レーザー光ＬＢのビームスポットＬが回転中心Ｒと一致する。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、レーザー光を用いて所定の加工を行うレーザー加工装置におけるレーザー光の位置合わせ方法およびこれを実現するレーザー加工装置に関する。

ＹＡＧレーザーなどのレーザー光を利用した溶接や切断、穴あけなどの加工は、従来より広く用いられている（例えば、特許文献１。）。

特許文献１に開示された加工装置は、波長域が紫外から可視域で、出力が数百ｍＷ〜数十Ｗ、パルス幅が数ｎｓ〜数百ｎｓ、発振周波数が数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚのパルスレーザーを用い、レーザー光を集光光学系で基板表面付近に集光し、これを基板表面で（相対的に）走査させることで、サファイアなどの硬脆な材質よりなる基板や該基板を用いて作製されたデバイスに対するスクライブラインの形成や切断、貫通穴形成などに好適に用いられる。

また、ガルバノミラーを用いた光走査機構を有するレーザー加工装置であって、レーザー光スポット位置を補正する位置補正機構を備えたレーザー加工装置も公知である（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００４−１１４０７５号公報 特開２００１−３３４３７６号公報

特許文献１に開示されたようなレーザー加工装置を用いて被加工物に対して穴開け加工を施す場合、穴の真円度を高めるには、被加工物に対し相対的に回転させつつレーザー光を照射するのが好ましい態様である。しかしながら、レーザービームの集光点と回転中心とにずれがあると、回転させた際にそのずれの分だけ穴径が大きくなってしまったり、穴ではなくリング状にレーザー光が照射されてしまったりすることから、所望の穴径にて精度よく穴開け加工を実現するには、その両者が一致するように所定の位置調整を行うことが必要となる。

例えば、被加工物の表面に何らかの模様がある場合、該被加工物を回転させるとその模様が移動するが、その際に不動点となっている位置があれば、その位置が回転中心となるので、当該位置にレーザー光の集光点を一致させるという手法（これを第１の手法と称する）が考えられる。

しかしながら、この第１の手法では、対象が模様を有する被加工物に限定されることはもちろんであるが、そのような被加工物の場合であっても、模様の移動の観察範囲外に回転中心があると位置調整が困難になる、という問題がある。また、レーザー光の集光点をあらかじめ特定しておく必要があるが、レーザー光の出射角度のゆらぎや装置の熱的な不安定性の影響を受けてその位置が変動する、という問題や、集光点を求める際のレーザー光の照射によって、被加工物を破壊してしまうおそれもある。

また、上述のようにリング状にレーザー光が照射される状態で、被加工物に加工を実際に行うと、リング状の加工痕が形成され、その中心が回転中心ということになるので、その位置を特定してそこにレーザー光の集光点を一致させることによっても、回転中心と集光点との一致を実現するという手法（これを、第２の手法と称する）も考えられる。

しかしながら、この第２の手法では、実際に破壊可能な被加工物を用意する必要がある、という問題がある。

さらに、回転するステージにピンホールを設け、下方から所定の光源によって該ピンホールから光を照射しつつ該ステージを回転させるとともにこれを観察し、このピンホールから照射される光の軌跡から回転中心を特定し、その位置にピンホールを一致させた上で、さらに当該位置にレーザー光の集光点を一致させる、という手法（これを、第３の手法と称する）も考えられる。

しかしながら、この第３の手法では、ピンホールと回転中心との精密な位置合わせが必要となり、さらに長期間その位置が一定に保たれることが必要となる、という問題がある。また、装置構成も複雑なものとなってしまう。

さらに、上述の第１ないし第３の手法のいずれを用いるかを問わず、レーザー光としてハイパワーの紫外光レーザーを用いる場合、試料への集光を担う集光用レンズに、可視光用の結像性能の良いものを使えないことが多く、紫外光用に設計した場合には色収差もあって可視光での分解能がたかだか数百μｍ程度となり、精度の良い位置調整は行えない、という問題もある。

なお、特許文献２に開示された技術は、レーザー光の照射位置を補正する技術ではあるが、特許文献１に開示された装置は特許文献２に開示されたようなガルバノミラーを有さないことから、係る装置における照射位置調整の問題を解決する技術ではない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、被加工物の種類を問わずレーザー光の照射位置を高精度に調整することができ、従来よりも高精度の穴開け加工を実現できるレーザー加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、レーザー光を照射することによって被加工物に対し所定の加工を行うレーザー加工装置であって、所定の駆動機構によって駆動されることにより、水平面内の互いに直交する二軸方向への移動と、前記水平面内における回転とがそれぞれ独立して行えるように設けられてなるステージと、所定の光源から発せられたレーザー光を前記ステージに向けて照射する照射手段と、前記ステージが前記回転をする際の回転中心を撮像領域内に含むように前記ステージに載置された状態で、前記照射手段から照射されたレーザー光による像を所定の結像位置で撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された撮像画像に基づいて、前記回転中心の位置を特定する特定手段と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載のレーザー加工装置であって、前記撮像手段は前記ステージが回転している際の前記ステージに対するレーザー光のビームスポットの相対軌跡を示す軌跡像を撮像可能であり、前記特定手段が、前記軌跡像に基づいて前記回転中心の位置を特定する、ことを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項２に記載のレーザー加工装置であって、前記特定手段は、前記軌跡像として得られる円もしくは円弧の中心位置を前記回転中心の位置として特定する、ことを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項２または請求項３に記載のレーザー加工装置であって、前記特定手段は、前記軌跡像の面積が極小となる前記レーザー光の照射位置を前記回転中心の位置として特定する、ことを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項２ないし請求項４のいずれかに記載のレーザー加工装置であって、前記特定手段は、前記軌跡像の包絡線として得られる円の半径が極小となる前記レーザー光の照射位置を前記回転中心の位置として特定する、ことを特徴とする。

あた、請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のレーザー加工装置であって、前記照射手段と前記撮像手段との間に設けられ、前記レーザー光による像を変倍させる変倍手段、をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項７の発明は、第１の駆動機構によって駆動されることにより水平面内で回転可能に設けられたステージの回転中心と、所定の光源から発せられたレーザー光を所定の照射手段によって前記ステージに向けて照射させた際の照射位置とを一致させる、レーザー光の位置合わせ方法であって、前記回転中心が撮像領域内に含まれるように前記ステージに載置した所定の撮像手段により、前記照射手段から照射されたレーザー光による像を所定の結像位置において撮像する撮像工程と、前記撮像工程において撮像された撮像画像に基づいて、前記回転中心の位置を特定する特定工程と、第２の駆動機構によって前記ステージを前記レーザー光に対して相対的に移動させることにより、前記特定工程において特定された前記回転中心に前記レーザ光の照射位置を相対移動させる移動工程と、を備えることを特徴とする。

また、請求項８の発明は、請求項７に記載のレーザー光の位置合わせ方法であって、前記撮像工程においては前記ステージが回転している際の前記ステージに対するレーザー光のビームスポットの相対軌跡を示す軌跡像を撮像可能であり、前記特定工程においては、前記軌跡像に基づいて前記回転中心の位置を特定する、ことを特徴とする。

また、請求項９の発明は、請求項８に記載のレーザー光の位置合わせ方法であって、前記特定工程においては、前記軌跡像として得られる円もしくは円弧の中心位置を前記回転中心の位置として特定する、ことを特徴とする。

また、請求項１０の発明は、請求項８または請求項９に記載のレーザー光の位置合わせ方法であって、前記特定工程においては、前記軌跡像の面積が極小となる前記レーザー光の照射位置を前記回転中心の位置として特定する、ことを特徴とする。

また、請求項１１の発明は、請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載のレーザー光の位置合わせ方法であって、前記特定工程においては、前記軌跡像の包絡線として得られる円の半径が極小となる前記レーザー光の照射位置を前記回転中心の位置として特定する、ことを特徴とする。

また、請求項１２の発明は、請求項７ないし請求項１１のいずれかに記載のレーザー光の位置合わせ方法であって、前記レーザー光による像を、所定の変倍手段によって変倍させたうえで前記撮像手段に撮像させる、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項１２の発明によれば、撮像手段に対するレーザー光のビームスポットの相対移動の様子に基づいて、レーザー光の照射位置をステージの回転中心と一致させることができる。位置合わせの内容が被加工物に依存しないので、被加工物の種類を問わず、レーザー光の照射位置を精度良く回転中心と一致させることが出来る。これにより、ステージを回転させつつレーザー光を照射しても、その照射位置が回転中心からずれることがないので、真円度の高い穴開け加工が可能となる。

特に、請求項２ないし請求項４、および請求項８ないし請求項１０の発明によれば、幾何学的な関係に基づいて回転中心を厳密に特定できるので、レーザー光の照射位置を精度良く回転中心と一致させることが出来る。

特に、請求項３および請求項９の発明によれば、簡単な演算処理によって回転中心を厳密に特定できる。

特に、請求項４、請求項５、請求項１０および請求項１１の発明によれば、回転中心に対して微小な位置ずれがあるレーザー光の照射位置を、正確に回転中心と一致させることが出来る。

請求項６および請求項１２の発明によれば、変倍倍率に応じて撮像手段によるビームスポットの位置分解能を調整できる。例えばＭ倍に拡大する変倍手段を用いると、Ｍ倍の分解能でレーザー光の照射位置を特定することが出来る。

＜第１の実施の形態＞
＜装置構成＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザー加工装置１００の構成を概略的に示す図である。レーザー加工装置１００は、レーザー光源１から発したレーザー光ＬＢを、ミラー２や集光レンズ３等の照射光学系によって所定のビーム径に調整したうえでステージ４に載設された被加工物Ｓの被加工部位に照射することによって、該被加工部位の加工を実現する装置である。なお、以降の説明において、レーザー加工装置１００のうちレーザー光源１や照明光学系や、ステージ４などから構成される部分を特に、「本体部」と称することがある。

レーザー光源１としては、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザーを用いることができるが、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザーやその他の固体レーザーを用いる態様であってもよい。レーザー光ＬＢの波長は、例えば、１５０ｎｍ〜５６３ｎｍの波長範囲から選択することができ、なかでもＮｄ：ＹＡＧレーザーをレーザー光源１とする場合は、その３倍高調波（波長約３５５ｎｍ）を用いるのが好適な態様である。また、パルスの繰り返し周波数は、例えば、１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲内で設定でき、パルス幅は、３０ｎｓｅｃ以上の範囲で設定できる。すなわち、本実施の形態に係るレーザー加工装置１００は、紫外線繰り返しパルスレーザーを用いて加工を行うものである。

ステージ４は、水平面内において所定の一軸方向（これをＸ軸方向と称する）の所定範囲内で往復自在なＸステージ４Ｘと、該水平面内で該Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向の所定範囲内で往復自在なＹステージ４Ｙと、該水平面に直交する高さ方向（Ｚ軸方向）の所定範囲内で往復自在なＺステージ４Ｚとを備える。Ｘステージ４ＸとＹステージ４Ｙとは、被加工物の水平面内の平行移動を担う。Ｚステージ４Ｚは、デフォーカスな状態の実現も含め、被加工物Ｓに対するレーザー光の合焦つまりはピント合わせを担う。ステージ４はさらにその上部に、該水平面内で所定の回転中心の周り（θ軸方向）に矢印ＡＲ１およびＡＲ２のように略３６０°回転自在なθステージ４θを備える。従って、ステージ４においては、θステージ４θの上面が、被加工物Ｓの載設面となる。それぞれのステージは、図示しない所定の駆動機構によって駆動されてなる。このような構成を有するステージ４は、その上に載設された被加工物Ｓを所定の範囲内で水平面内の任意の位置へと移動させることが可能であるとともに、当該位置において被加工物Ｓの高さ位置を所定範囲内の任意の位置に設定可能であり、かつ、被加工物Ｓに水平面内において任意の姿勢を与えることが可能である。これにより、直線状の加工（スクライブ加工など）、曲線状の加工（円状の加工など）、穴開け加工、あるいはこれらの組合せなど、自由度の高い自在な加工処理が実現される。

また、ステージ４の上には、より具体的にはθステージ４θの上には、カメラ５が着脱可能とされている。カメラ５は、後述するように、レーザー光の照射位置の位置合わせに使用するものであり、例えばＣＣＤカメラを用いるのが好適な一態様である。カメラ５は、そのレンズ側（撮像側）がレーザー光ＬＢの入射してくる側を向くようにステージ４に載設される。すなわち、θステージ４θの回転に伴ってカメラ５も移動することになる。なお、カメラ５の載設は、θステージ４θの回転中心がカメラ５の撮像範囲内にあるようにされる。また、好ましくは、カメラ５は、図示しない搬送機構によって、矢印ＡＲ３のようにステージ４上と所定の退避位置との間を移動自在とされるとともにステージ４上の載設位置において着脱可能とされてなる。さらに好ましくは、被加工物Ｓが、該搬送機構あるいは独立した異なる搬送機構によって、矢印ＡＲ４のようにステージ４上と所定の退避位置との間を移動自在とされるとともに、ステージ４上の載設位置において着脱可能とされてなる。むろん、作業者が手でカメラ５および被加工物Ｓをステージ４上に載設する態様であってもよい。なお、カメラ５が載設された状態においてもθステージ４θの略３６０°の回転動作は確保される必要があることから、カメラ５は、電源ケーブルや信号ケーブルなどといったケーブル線の接続が不要なものであること、例えば内蔵電源で動作すると共に所定の規格による無線通信にてカメラ５外との間で制御信号や撮像データを授受するものであることが好ましい。もちろん、θステージ４θの回転を妨げない構造であれば、有線で構成されていてもよいことは言うまでもない。

レーザー加工装置１００は、さらに、コントローラ１０を備える。コントローラ１０は、本体部と別体に設けられることが可能であり、例えば汎用のパーソナルコンピュータなどによって実現されるものである。コントローラ１０は、本体部の種々の動作を実現するために必要な各種の処理を実行すると共に、必要な信号等を本体部を構成する各部との間で授受することによって、本体部における各種の動作、例えば所定の調整動作や加工動作を実現させる。コントローラ１０は、通信手段１１と、入力手段１２と、表示手段１３と、制御手段１４と、記憶手段１５と、位置合わせ処理手段１６とを主として備える。図１においては図示を省略しているが、本体部とコントローラとの間は、必要な信号線等によって電気的に接続されてなる。

通信手段１１は、カメラ５との間で、その動作命令や撮像データの授受などを行うにために備わるインターフェースである。上述のように、所定の規格による無線通信によってそれらを実現する態様が好ましい。

入力手段１２は、作業者が所定の操作指示等を入力するために備わる。例えば、キーボードやマウス、あるいはタッチパネルなどといった所定の入力インターフェースである。

表示手段１３は、レーザー加工装置１００の種々の動作状態や加工状況、処理メニューなどを表示させるために備わるディスプレイ等である。

制御手段１４は、本体部の各部の動作、具体的にはレーザー光源１、照射光学系、ステージ４、さらには図示しないカメラ５や被加工物Ｓの搬送機構をも含む各部の動作を制御するために備わる。例えば、レーザー光源１から発せられるレーザー光ＬＢの波長や出力、パルスの繰り返し周波数、パルス幅、あるいはミラー２や集光レンズ３の配置位置、さらにはステージ４の移動動作などは、制御手段１４によって制御される。制御手段１４は、例えばコントローラ１０を構成するコンピュータのＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭや、本体部の各構成要素に対応したドライバーやエンコーダなどを含んで実現される。

記憶手段１５は、コントローラ１０における種々の処理を実現するためのプログラム１５Ｐや、種々の動作条件データ、あるいはカメラ５によって取得された撮像データなどを記録するために備わる、例えばストレージデバイスなどである。プログラム１５Ｐがコントローラ１０を構成するコンピュータのＣＰＵによって実行されることにより、コントローラ１０における種々の処理、ひいてはレーザー加工装置１００全体の動作が実現される。

位置合わせ処理手段１６は、レーザー光ＬＢの位置合わせ処理のために必要な種々の処理、例えば、所定の画像処理や種々の座標位置等の算出処理などを担う。位置合わせ処理手段１６は、例えばコントローラ１０構成するコンピュータのＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどによって実現される。

＜レーザー光の位置合わせ＞
次に、レーザー加工装置１００において被加工物に対して穴開け加工を施す場合に特に好適なレーザー光の位置合わせ方法について説明する。

穴開け加工を施す場合、レーザー光ＬＢを、被加工物の水平面に直交する方向を回転軸として相対的に回転させながら照射した方が、照射位置に対するレーザー光ＬＢの均一性が高まり、形成される加工穴の真円度も高くなるといえる。しかし、その一方で、係る回転の際の回転中心がレーザー光ＬＢの照射位置とずれていると、レーザー光のＬＢの照射位置にずれが生じ、照射領域が拡がってしまう、あるいはずれが大きい場合にはレーザー光ＬＢのビームスポットの軌跡が円弧を描くようになってしまう、という問題が生じる。従って、回転中心と照射位置とが一致するようにレーザー光ＬＢの位置合わせを行う必要が生じる。

本実施の形態においては、θステージ４θが回転することによって、こうしたレーザー光ＬＢの相対的な回転を実現する。また、カメラ５がθステージ４θ上に載設されθステージ４θの回転に伴って回転することから、レーザー光ＬＢの相対的な回転は、カメラ５の観察像におけるレーザー光ＬＢのビームスポットの軌跡（以下、軌跡像とも称する）として捉えることが出来る。

図２は、θステージ４θの回転角度が０°であるときのカメラ５の観察像（カメラ５が捉えた像を表示手段１３で表示したものに相当）Ｉ０を、空間に固定した座標系（絶対座標系）と対応させて示す図である。図３は、θステージ４θが図２の状態から反時計回りに角度θだけ回転した状態の観察像Ｉ１を同じく絶対座標系と対応させて示す図である。ただし、図２および図３において、ＳＸ−ＳＹ座標系は絶対座標系を示しており、Ｘステージ４Ｘの移動方向をＳＸ軸方向とし、Ｙステージ４Ｙの移動方向をＳＹ軸とするものとする。ｃｘ−ｃｙ座標系は、カメラ５に固定した座標系（カメラ座標系）を示しており、そのｃｘ軸方向が絶対座標系のＳＸ軸方向と一致し、かつｃｙ軸方向が絶対座標系のＳＹ軸方向と一致する場合に、θステージ４θの回転角度、つまりはカメラ５の回転角度が０°であるとする。なお、図２および図３においてこれらの座標系などを示す線分は、説明のために示しているものであり、必ずしも実際の観察像に表示されるものではない。

なお、このように座標系を定める場合、カメラ５の回転中心をθステージ４θの回転中心と一致させる必要はなく、θステージ４θの回転の際にその回転中心がカメラ５の撮像領域内に存在し、回転中心に対するレーザー光のビームスポットの軌跡（相対軌跡）が特定されるようになっていさえすれば、本実施の形態に係る位置あわせ方法を実行することが可能である。例えば、カメラ５の表示解像度がＶＧＡ程度のサイズであれば（あるいは有効画素数が３０万画素程度であれば）、カメラ５をこのような条件のもとに載設することは十分可能である。換言すれば、θステージ４θに対するカメラ５の載設に際し、精密な位置精度は要求されず、θステージ４θの回転中心の近傍にカメラ５の回転中心が位置するようにカメラ５を載設しさえすれば、実用的にはほとんど問題はない。上述のようなカメラ５を用いた場合、その一画素のサイズは通常、数μｍ〜１０μｍ程度であるから、本実施の形態においては、係るサイズと同等の精度で位置合わせを行うことが出来る。

いま、図２の観察像Ｉ０にて確認される状態において、カメラ座標系の原点ｃ０が、絶対座標系の座標原点Ｓ０に対しＳＸ軸方向にΔｘだけ、ＳＹ軸方向にΔｙだけずれた位置に存在するものとする。すなわち、この状態では、絶対座標系に対しカメラ座標系は（Δｘ，Δｙ）だけ平行移動した位置にあるともいえる。また、絶対座標系においてＰ（Ｘ０，Ｙ０）と表される位置にレーザー光ＬＢが照射されビームスポットＬが観察されるものとする。そして、カメラ座標系においてこの位置は、Ｐｃ０（ｃｘ０，ｃｙ０）と表されるものとする。さらに、θステージ４θの回転中心Ｒのカメラ座標系における座標位置を（ａ，ｂ）とする。ただし、位置合わせを行う前の時点においては、この座標値は未知である。

一方、図３には、この観察像Ｉ０の状態からθステージ４θを反時計回りに角度θだけ回転した状態の観察像Ｉ１が、絶対座標系と対応させて示されている。すなわち、この状態においてはカメラ５も角度θだけ回転しているので、絶対座標系でみると、観察像Ｉ１も観察像Ｉ０に対し角度θだけ反時計回りに回転していることになる。このとき、レーザー光ＬＢ自体は全く動いていないので、絶対座標系で表した照射位置の座標はＰ（Ｘ０，Ｙ０）のままである。一方、カメラ座標系でみた場合には異なる座標値を取ることになる。いま、これをＰｃ１（ｃｘ１，ｃｙ１）とする。

図４は、この回転の前後について、カメラ座標系からみた場合のレーザー光ＬＢのビームスポットの位置変化を示す図である。すなわち、カメラ５による観察像を見ている場合のビームスポットの見た目の位置変化を示す図に相当する。図４に示すように、θステージ４θが反時計回りに角度θだけ回転した場合、観察像上においては、未知の回転中心Ｒを中心としたある半径の円弧上を時計回りに位置Ｐｃ０から位置Ｐｃ１へとレーザー光ＬＢのビームスポットが移動するように見えることになる。また、図５（ａ）は、位置合わせ前を行う前のビームスポットの軌跡像Ｔ１を示す図である。すなわち、回転角度θを連続的に変化させれば、つまりはθステージ４θを連続的に回転させれば、レーザー光ＬＢの軌跡像は通常（すでに位置合わせが完了していない限り）、回転中心Ｒを中心とするある半径の円運動をするように観察されることになる。

よって、レーザー光ＬＢの描く円（もしくは円弧、以下同様）の方程式を算出することにより、カメラ座標系で表したθステージ４θの回転中心Ｒ（ａ，ｂ）の座標が特定されることになる。ひとたび回転中心Ｒ（ａ，ｂ）が定まれば、ある状態におけるレーザー光ＬＢのビームスポットＬがＲ（ａ，ｂ）の位置に来るようにステージ４を平行移動させることで、照射位置と回転中心との位置合わせが実現できることになる。図５（ｂ）はこの状態におけるレーザー光ＬＢのビームスポットの軌跡像Ｔ２を示す図である。すなわち、回転中心とレーザー光ＬＢの照射位置（ビームスポットＬの形成位置）とが一致すると、レーザー光ＬＢの軌跡像は不動点となる。

図６は、このような原理に基づいて、本実施の形態に係るレーザー加工装置１００においてレーザー光ＬＢの位置合わせを実行する際の処理の流れを示す図である。まず、θステージ４θを回転させながら（ステップＳ１）、カメラ５により観察像上でレーザー光ＬＢを撮像することにより、レーザー光ＬＢのビームスポットがたどる円状の軌跡を示す第１撮像データを取得する（ステップＳ２）。これは、カメラ５による撮像に際しての露光時間（カメラ５に備わる図示しないシャッタの開放時間）を、レーザー光ＬＢのビームスポットＬが一周期分の円運動を行うのに要する時間よりも長く設定することにより可能である。該撮像データは通信手段１１によってカメラ５から取得されいったん記憶手段１５に記憶される。そして、位置合わせ処理手段１６が、その撮像データで表現される円に存在する任意の３点についてのカメラ座標系における座標値を特定する（ステップＳ３）。その際には、当該画像に所定の２値化処理やシャープネス処理などを行い、円の形状をよりシャープなものとした上で、これを行う態様であってもよい。そして、位置合わせ処理手段１６の作用によって係る３点の座標値を用いて円の方程式を解くことにより、回転中心Ｒのカメラ座標系における座標値（ａ，ｂ）を算出する（ステップＳ４）。なお、円上の３点以上の点の座標値を取得し、最小二乗法によって円の方程式を算出する態様であってもよい。

次に、θステージ４θを停止させ（ステップＳ５）、この状態でカメラ５による撮像を行い、第２撮像データを取得する（ステップＳ６）。第２撮像データとして得られるのは、１点のビームスポットＬが表現される撮像画像である。位置合わせ処理手段１６がそのビームスポットＬの座標位置を特定し（ステップＳ７）、回転中心Ｒ（ａ，ｂ）との座標差（つまりは該ビームスポットＬの位置から回転中心Ｒへ向かうベクトルの成分）を算出する（ステップＳ８）。例えば、回転角度０°の状態でθステージ４θを停止させた場合であれば、係る座標差は（ａ−ｃｘ０，ｂ−ｃｙ０）である。なお、ステップＳ５からステップＳ７までの処理を、ステップＳ１からステップＳ４までの処理に先立って行っておいてもよい。その際は、ステップＳ５において、回転角度０°の状態でθステージ４θを停止させておく必要がある。

そして、算出された座標差の距離だけ、Ｘステージ４ＸとＹステージ４Ｙとを移動させる（ステップＳ９）。これにより、レーザー光ＬＢのビームスポットＬが回転中心Ｒ（ａ，ｂ）と一致することになる。すなわち、所望する位置合わせが実現できたことになる。

位置合わせが完了すると、所定の退避位置にカメラ５を退避させ、代わって被加工物をステージ４上に載置して、所望する被加工部位に対する穴開け加工を行うことになる。上述の手法によりレーザー光ＬＢのビームスポットＬの位置がθステージ４θの回転中心と一致しているので、所定の方法により被加工部位をビームスポットＬの位置に一致させさえすれば、該被加工部位に対して、真円度がよく、高精度な穴開け加工を行うことができる。

以上、説明したように、本実施の形態に係るレーザー加工装置は、被加工物が載置されるステージ上に加工用のレーザー光を観察可能なカメラを載設可能とされてなるとともに、載設状態においてはステージの回転に併せて該カメラを回転させるよう構成されてなるので、カメラに対してレーザー光のビームスポットが相対移動する様子を観察しながら、レーザー光の照射位置がステージの回転中心と一致するようにステージの位置を調整することができる。調整内容が被加工物に依存しないので、被加工物の種類を問わず、レーザー光の照射位置を精度良く回転中心と一致させることが出来る。

＜第２の実施の形態＞
上述のように、第１の実施の形態による位置合わせ方法を用いることで、θステージ４θを回転させた場合であっても、レーザー光ＬＢのビームスポットが図５（ａ）のような円状の軌跡像Ｔ１を与えるように移動することなく、図５（ｂ）のように軌跡像Ｔ２が不動点となる状態、すなわちビームスポットの位置とθステージ４θの回転中心とが一致した状態を実現できる。

しかし、上述のような調整を行おうとしてθステージ４θを回転させたときに、ビームスポットＬの軌跡が円状にはならないものの完全な不動点にはならない状況も生じうる。また、例えば、カメラ５の撮像視野のサイズに比してビームスポットの軌跡像Ｔ１の円の径が小さい場合など、第１の実施の形態による位置合わせ方法では必ずしも精密な位置合わせを実現できない場合もある。

図７は、そうした場合のレーザー光ＬＢの照射状態を例示する図である。具体的には、θステージ４θを時計回りに回転させたときに、その回転の半径とビームスポットＬの径との差が小さい場合の、カメラ座標系からみた場合のレーザー光ＬＢのビームスポットＬの変化を拡大して示す図である。係る場合、レーザー光ＬＢのビームスポットＬが矢印ＡＲ５として示すように反時計回りに回転移動するのは第１の実施の形態と同様であるが、カメラ５による撮像画像においては、図５（ａ）のように軌跡が円を描くように観察される代わりに、あたかも図７に点線で示す包絡線Ｃの内側でビームスポットＬがわずかに偏心しつつ回転するように観察されてしまうことになる。ここで、包絡線Ｃは、ビームスポットＬの外周の、回転中心から最も遠い位置の軌跡に相当する。こうした場合は、ビームスポットＬの軌跡から回転中心を精度よく導くことができないので、第１の実施の形態に示した方法によっては正確な位置合わせが困難である。本実施の形態においては、こうした場合にも対処が可能な、第１の実施の形態よりもさらに厳密な位置合わせを実現できる態様について説明する。

図８は、本実施の形態に係る位置合わせ方法の原理を説明するための図である。いま、θステージ４θの回転角度は０°とし、図８（ａ）に示すように位置Ｐｃ０（ｃｘ０，ｃｙ０）に中心を持つレーザー光ＬＢのビームスポットＬが、回転中心Ｒ（ａ，ｂ）を中心として回転する際の包絡線Ｃの半径をｒｃ、回転中心Ｒ（ａ，ｂ）と位置Ｐｃ０（ｃｘ０，ｃｙ０）との距離をｄとする。そして、Ｘステージ４Ｘを移動させることによって、図８（ｂ）に矢印ＡＲ６にて示すようにレーザー光のビームスポットＬをｃｘ軸方向（この場合はＳＸ軸方向でもある）に沿って位置Ｐｃ０（ｃｘ０，ｃｙ０）から位置Ｐｃ０’（ｃｘ０’，ｃｙ０’）にまで移動させたとし、そのときに形成される包絡線Ｃ’の半径をｒｃ’、回転中心Ｒと位置Ｌｃ０’との距離をｄ’とすると、ｄ＞ｄ’ならばｒｃ＞ｒｃ’となる。すなわち、包絡線の半径の大小は、回転中心とビームスポットＬとの距離の大小と正の相関があることになる。係る場合、ビームスポットＬが直線ｃｘ＝ａ上に存在するときに包絡線の半径ｄが最小値をとることになるので、包絡線Ｃの大きさが最小になる状態が、ｃｘ方向について、回転中心の座標とビームの照射位置とが一致した状態ということになる。

同様のことは、ｃｙ軸方向についても成り立つ。そこで、本実施の形態においては、この原理を利用し、まずｃｘ軸方向について包絡線の大きさが最小となるＸステージ４Ｘの位置を特定することによりビームスポットＬを直線ｃｘ＝ａ上に一致させ、引き続いてｃｙ軸方向について包絡線が最小となるＹステージ４Ｙの位置を特定することによりビームスポットＬを直線ｃｙ＝ｂ上に一致させることで、レーザー光ＬＢの照射位置と回転中心との位置合わせを実現する。このときには、包絡線Ｃの半径がその最小値であるビームスポットＬの半径と一致していることになる。すなわち、本実施の形態に係る位置合わせ方法は、レーザー光ＬＢの照射位置と回転中心とが一致する場合には、ビームスポットＬは不動点となり、包絡線Ｃの円周はビームスポットＬの円周そのものに他ならない、ということを利用して、位置合わせを行う方法である。

図９は、こうした原理に基づく、本実施の形態に係るレーザー光ＬＢの位置合わせに係る処理の流れを示す図である。なお、位置合わせの前の状態においては、図８（ａ）に示したようにレーザー光ＬＢのビームスポットＬは、位置Ｐｃ０（ｃｘ０，ｃｙ０）に中心を持ち、θステージ４θの回転中心Ｒは未知の座標位置（ａ，ｂ）にあり、ビームスポットＬが回転中心の周りを回転する際の包絡線Ｃの半径がｒｃであるとする。

まず、ｃｘ軸方向についての位置合わせを行う。具体的には、ビームスポットＬが存在する位置ｃｘ＝ｃｘ０を基準位置とし、該基準位置を含め、Ｘステージ４Ｘを±Δｘずつ移動させた位置でそれぞれθステージ４θを回転させて、そのときの包絡線の半径を測定する（ステップＳ１１）。これは例えば、露光時間をレーザー光ＬＢのビームスポットＬが一周期分の回転運動を行うのに要する時間よりも長く設定してカメラ５により撮像を行い、その撮像画像を解析することにより可能である。

次に、このようにして得られた半径の値を、そのときのｃｘ軸方向の座標位置に対してプロットする（ステップＳ１２）。図１０（ａ）は、このようにして得られるｃｘ軸方向の座標位置に対する包絡線の半径との関係を示す図である。上述したように、Ｘステージ４Ｘの移動によって包絡線の半径は変化し、その最小値（極小値）が得られるのはビームスポットＬが直線ｃｘ＝ａ上にある時であるので、図１０（ａ）に示すような関係が得られると、極小値を与えるｃｘ軸方向の座標位置、つまりは、ａの値が具体的に定まることになる。そこで、Ｘステージ４Ｘを移動させて、ｃｘ軸について係る座標位置とレーザー光の照射位置とを一致させる（ステップＳ１３）。

ｃｘ軸方向についての位置合わせが終了すると、引き続いて、ｃｙ軸方向についての位置合わせを同様に行う。すなわち、ビームスポットＬが存在する位置ｃｙ＝ｃｙ０を基準位置とし、該基準位置を含め、Ｙステージ４Ｙを±Δｙずつ移動させた位置でそれぞれθステージ４θを回転させて、そのときの包絡線の半径を測定する（ステップＳ１４）。半径の値を、そのときのｃｙ軸方向の座標位置に対してプロットする（ステップＳ１５）。図１０（ｂ）は、このようにして得られるｃｙ軸方向の座標位置に対する包絡線の半径との関係を示す図である。図１０（ｂ）に示すような関係が得られると、極小値を与えるｃｙ軸方向の座標位置、つまりは、ｂの値が具体的に定まることになる。そこで、Ｙステージ４Ｙを移動させて、ｃｙ軸について係る座標位置とレーザー光の照射位置とを一致させる（ステップＳ１６）。これにより、レーザー光の照射位置がθステージ４θの回転中心と一致することになる。すなわち、所望する位置合わせが実現できたことになる。

なお、包絡線の半径を対象とする代わりに、レーザー光が照射される領域の面積を算出し、これを極小とする位置を、回転中心位置として特定する態様であってもよい。露光時間を長くとると、ビームスポットの揺らぎによって、見かけ上のビームスポット（露光される領域全体）の面積が実際のビームスポットの面積よりも大きくなることから、ビームスポットの位置ずれがごくわずかな場合などに係る処理の適用は好適である。

よって、本実施の形態に係る位置合わせ方法によれば、第１の実施の形態による位置合わせ方法では必ずしも精密な位置合わせを実現できない、回転中心に対して微小な位置ずれがあるレーザー光の照射位置を、正確に回転中心と一致させることが出来る。よって、係る位置合わせ方法を用いることによっても、真円度がよく、高精度な穴開け加工を行うことができる。

＜第３の実施の形態＞
上述のようなレーザー光の位置合わせを実現するレーザー加工装置は、図１に示すような構造を有するものに限られない。本実施の形態においては、レーザー光の位置合わせの精度をより向上させる構造を有するレーザー加工装置２００について説明する。

図１１は、本実施の形態に係るレーザー加工装置２００の構成を概略的に示す図である。レーザー加工装置２００は、基本的にはレーザー加工装置１００と共通する構成要素を有しており、これらについては同一の符号を付してその説明を省略する。

レーザー加工装置２００において特徴的なのは、内部に変倍光学系を備えた変倍ユニット６を、カメラ５の上に設けてなる点である。変倍ユニット６は、被加工物を着脱自在に載置可能な保持部７と、変倍光学系を構成する変倍レンズ８とスリット９とを主として備える。保持部７は、被加工物が載置されない場合には集光レンズ３からのレーザー光を変倍レンズ８へと導く開口を有すると共に、被加工物が載置された場合には集光レンズ３から照射されたレーザー光の焦点Ｆ１の高さ位置と該被加工物の表面の高さ位置とが一致するように設けられる。変倍レンズ８は、集光レンズ３の焦点Ｆ１と共役な焦点Ｆ２がカメラ５上に形成されるように配置され、集光レンズ３からのレーザー光をＭ倍（Ｍは実数）に変倍（拡大又は縮小）してカメラ５へと照射する。スリット９は、変倍レンズ８から入射するレーザー光の分解能を高めるべく、その入射方向を制限するために備わる。

本実施の形態に係るレーザー加工装置２００においては、このような構造を有することから、第１および第２の実施の形態に示したようなレーザー光の位置合わせに際しては、集光レンズ３からの光をいったん変倍した上で、カメラ５に入射させる。よって、変倍レンズ８が像を拡大させてカメラ５へと投影する拡大レンズである場合、例えばθステージ４θを回転させることによってビームスポットが描く軌跡の回転半径もＭ倍となる。これはすなわち、カメラ５におけるレーザー光の照射位置の分解能を、レーザー加工装置１００のＭ倍としたことに相当する。よって、第１および第２の実施の形態にて示した位置合わせ方法を適用する場合に、その精度をさらにＭ倍とすることが出来る。ただし、レーザー加工装置２００において第１および第２の実施の形態に示した位置合わせを行う場合、実際にステージ４を移動させる距離は、カメラ５の撮像画像から求められる座標差の１／Ｍ倍となる。

なお、位置合わせがなされた後には、図示しない所定の搬送機構によって、被加工物Ｓを矢印ＡＲ７に示すように載置するとともに加工を所望する被加工部位をレーザー光の照射位置（つまりは回転中心）と一致させることで、真円度がよく、高精度な穴開け加工を行うことができる。

＜変形例＞
第１の実施の形態においては回転中心の座標を求めた上で、その位置へとレーザー光のビームスポットＬの位置を移動させる態様を示したが、これに代わり、θステージ４θを回転させてその状態を表示手段１４にて観察しつつ、その軌跡が不動点になる状態をＸステージ４ＸおよびＹステージ４Ｙを適宜に移動させることで、位置合わせを実現する態様であってもよい。

上述の実施の形態においては、カメラ５による撮像画像は、回転中心の位置合わせの際に用いられているが、ｚ軸方向の位置合わせ、つまりはＺステージ４Ｚを駆動させることによるピント合わせに利用することも出来る。

第１の実施の形態に係るレーザー加工装置１００の構成を概略的に示す図である。 θステージ４θが回転動作を行う場合の、回転角度が０°の状態のカメラ５の観察像Ｉ０を絶対座標系と対応させて示す図である。 θステージ４θが図２の状態から反時計回りに角度θだけ回転した状態を示す図である。 回転の前後について、カメラ座標系からみた場合のレーザー光ＬＢの照射位置の変化を示す図である。 レーザー光ＬＢの位置合わせ前後のビームスポットの軌跡の変化を示す図である。 レーザー加工装置１００においてレーザー光ＬＢの位置合わせを実行する際の処理の流れを示す図である。 θステージ４θを回転させたときに、ビームスポットＬの軌跡が円状にはならないものの完全には一致していないレーザー光ＬＢの照射状態を例示する図である。 第２の実施の形態に係る位置合わせ方法の原理を説明するための図である。 第２の実施の形態に係るレーザー光の位置合わせに係る処理の流れを示す図である。 レーザー光の照射位置座標と包絡線の半径の関係を示す図である。 第３の実施の形態に係るレーザー加工装置２００の構成を概略的に示す図である。

符号の説明

１ レーザー光源
３ 集光レンズ
４ ステージ
５ カメラ
６ 変倍ユニット
７ 保持部
８ 変倍レンズ
９ スリット
１０ コントローラ
１００、２００ レーザー加工装置
Ｃ 包絡線
Ｉ０、Ｉ１ カメラ５による観察像
Ｌ ビームスポット
ＬＢ レーザー光
Ｒ 回転中心
Ｓ 被加工物

Claims (12)

1. レーザー光を照射することによって被加工物に対し所定の加工を行うレーザー加工装置であって、
   所定の駆動機構によって駆動されることにより、水平面内の互いに直交する二軸方向への移動と、前記水平面内における回転とがそれぞれ独立して行えるように設けられてなるステージと、
   所定の光源から発せられたレーザー光を前記ステージに向けて照射する照射手段と、
   前記ステージが前記回転をする際の回転中心を撮像領域内に含むように前記ステージに載置された状態で、前記照射手段から照射されたレーザー光による像を所定の結像位置で撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段によって撮像された撮像画像に基づいて、前記回転中心の位置を特定する特定手段と、
   を備えることを特徴とするレーザー加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザー加工装置であって、
   前記撮像手段は前記ステージが回転している際の前記ステージに対するレーザー光のビームスポットの相対軌跡を示す軌跡像を撮像可能であり、
   前記特定手段が、前記軌跡像に基づいて前記回転中心の位置を特定する、
   ことを特徴とするレーザー加工装置。
3. 請求項２に記載のレーザー加工装置であって、
   前記特定手段は、前記軌跡像として得られる円もしくは円弧の中心位置を前記回転中心の位置として特定する、
   ことを特徴とするレーザー加工装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のレーザー加工装置であって、
   前記特定手段は、前記軌跡像の面積が極小となる前記レーザー光の照射位置を前記回転中心の位置として特定する、
   ことを特徴とするレーザー加工装置。
5. 請求項２ないし請求項４のいずれかに記載のレーザー加工装置であって、
   前記特定手段は、前記軌跡像の包絡線として得られる円の半径が極小となる前記レーザー光の照射位置を前記回転中心の位置として特定する、
   ことを特徴とするレーザー加工装置。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のレーザー加工装置であって、
   前記照射手段と前記撮像手段との間に設けられ、前記レーザー光による像を変倍させる変倍手段、
   をさらに備えることを特徴とするレーザー加工装置。
7. 所定の光源から発せられたレーザー光を所定の照射手段によって照射することによって被加工物に対し所定の加工を行うレーザー加工装置において、第１の駆動機構によって駆動されることにより水平面内で回転可能に設けられたステージの回転中心と、前記レーザー光を前記ステージに向けて照射させた際の照射位置とを一致させるレーザー光の位置合わせ方法であって、
   前記回転中心が撮像領域内に含まれるように前記ステージに載置した所定の撮像手段により、前記照射手段から照射されたレーザー光による像を所定の結像位置において撮像する撮像工程と、
   前記撮像工程において撮像された撮像画像に基づいて、前記回転中心の位置を特定する特定工程と、
   第２の駆動機構によって前記ステージを前記レーザー光に対して相対的に移動させることにより、前記特定工程において特定された前記回転中心に前記レーザ光の照射位置を相対移動させる移動工程と、
   を備えることを特徴とするレーザー光の位置合わせ方法。
8. 請求項７に記載のレーザー光の位置合わせ方法であって、
   前記撮像工程においては前記ステージが回転している際の前記ステージに対するレーザー光のビームスポットの相対軌跡を示す軌跡像を撮像可能であり、
   前記特定工程においては、前記軌跡像に基づいて前記回転中心の位置を特定する、
   ことを特徴とするレーザー光の位置合わせ方法。
9. 請求項８に記載のレーザー光の位置合わせ方法であって、
   前記特定工程においては、前記軌跡像として得られる円もしくは円弧の中心位置を前記回転中心の位置として特定する、
   ことを特徴とするレーザー光の位置合わせ方法。
10. 請求項８または請求項９に記載のレーザー光の位置合わせ方法であって、
    前記特定工程においては、前記軌跡像の面積が極小となる前記レーザー光の照射位置を前記回転中心の位置として特定する、
    ことを特徴とするレーザー光の位置合わせ方法。
11. 請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載のレーザー光の位置合わせ方法であって、
    前記特定工程においては、前記軌跡像の包絡線として得られる円の半径が極小となる前記レーザー光の照射位置を前記回転中心の位置として特定する、
    ことを特徴とするレーザー光の位置合わせ方法。
12. 請求項７ないし請求項１１のいずれかに記載のレーザー光の位置合わせ方法であって、
    前記レーザー光による像を、所定の変倍手段によって変倍させたうえで前記撮像手段に撮像させる、
    ことを特徴とするレーザー光の位置合わせ方法。
    

Images