JP2008212941A - レーザ加工装置及びレーザ加工装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はワークとレーザ加工ヘッド部との距離調整を高精度且つリアルタイムで行なうことを課題とする。
【解決手段】レーザ加工装置１０は、ワーク２０が載置されるＸＹテーブル３０と、ＸＹテーブル３０上に複数の垂直方向駆動用の圧電素子４０が並設され、複数の圧電素子４０の上端がワーク２０の下面に当接してワーク２０の高さ位置を微調整する高さ微調整部５０と、ワーク２０の加工面に対して上方からレーザ光を照射するレーザ加工ヘッド部６０と、ＸＹテーブル３０を水平方向（ＸＹ方向）に移動させるＸＹテーブル駆動部７０と、レーザ加工ヘッド部６０とワーク２０の加工面との距離を測定するハイトセンサ８０と、ハイトセンサ８０により測定された距離データに基づいて圧電素子４０を選択的に駆動してレーザ加工ヘッド部６０とワーク２０の加工面との距離がレーザ加工ヘッド部６０の焦点距離または結像距離と一致するように制御する制御装置９０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工ヘッド部と被加工物との距離を予め設定された設定距離と一致させるように高さ位置制御を行うレーザ加工装置及びレーザ加工装置の制御方法に関する。

レーザ加工において、ワーク（被加工物）に精密な微細加工を高精度に行う際（例えば、微細パターンのパターニングやレーザアブレーション(質量分析装置)など）は、ＸＹテーブルにワークを載置し、ＸＹテーブルをＸＹ方向に移動させてワークに対する目標位置を位置決めし、加工ヘッドの対物レンズを介してレーザ光をワークの加工面に照射する。

ＸＹ平面上の座標系での位置は、ＸＹテーブル及びその制御系において正確な位置決めを行い、光軸方向においては、ＸＹテーブルのＺ軸方向に昇降させるか、あるいは加工ヘッドの光学素子（レンズやマスク等）をＺ軸方向に昇降させてレーザ光の焦点位置をワークの加工面に一致させる。

このように、被加工物にレーザ光を照射して加工（孔開け加工や溶接やアニール処理など）を行う場合、加工ヘッドから照射されるレーザ光の焦点位置を被加工物の加工面に一致させることが重要である。

ところが、精度の高い加工が要求される場合には、レーザ光の焦点が合う焦点深度が狭くなり、ＸＹテーブルの動作から生じるワーク加工面の平面度の狂いによってレーザ光の焦点深度が加工面から外れてしまいパターニング等の精密加工ができなく場合がある。

高精度に加工されたＸＹテーブルでは、ワークが載置される上面の平面度が５０μｍ（１０００ｍｍ×１０００ｍｍ）程度であり、ワークがガラス基板の場合には、ワーク自体の加工面に１０〜２０μｍ程度のうねりが数ヘルツで存在することが多い。

また、ワーク加工面のうねりは、ワーク自体によるものと、ＸＹテーブルの上面の平面度及びＸＹテーブルの動作による上面の変動を合成して生じるものと考えられる。

そして、ＸＹテーブル自体の平面度は、予測することができるので、各ＸＹ方向の各ポイント（予め設定された位置）での高さを予め測定したデータを用いて補正し、加工ヘッドの対物レンズとＸＹテーブル上面との距離が焦点距離と一致するように調整することができる。尚、各ポイントでの高さデータは、例えば、予めＸＹ平面の数点の高さ位置を測定し、ＸＹ平面のプロファイルを予測し、このプロファイルに基づいて任意のＸＹポイントのＺ軸方向の高さを演算することで得られる。

また、加工ヘッドの近傍に非接触で加工ヘッドとＸＹテーブルに載置されたワーク加工面との距離を測定するハイトセンサ（距離センサ）を設け、このセンサにより加工ヘッドの対物レンズとＸＹテーブルに載置されたワーク加工面との距離を測定し、その測定値に基づいてレーザ光の焦点距離とワーク加工面の位置が一致するように調整することができる。

また、従来のレーザ加工装置として、例えば、加工ヘッドのスキャン方向にＺ軸方向の高さを検出する距離センサを取り付け、この距離センサにより測定された距離データに基づいて加工ヘッドをＺ軸方向に昇降させて加工ヘッド先端と被加工物との距離が一定（焦点距離）となるように制御する装置がある（例えば、特許文献１参照）。

この方法では、ＸＹテーブルをスキャン方向に移動させながら距離センサと加工ヘッドの軸線とのスキャン方向の距離と移動速度による時間遅れを演算し、上記時間遅れ分のタイミングで距離センサが検出した測定値に基づいてレーザ光の焦点距離とワーク加工面の位置が一致するように調整することができるので、前述した方式のように予めＸＹ平面の数点の高さ位置を測定しておく必要がないので、その分の時間短縮が図れる。
特開昭５９−２２３１８９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたレーザ加工装置では、加工ヘッドの高さ位置を制御する方式であるので、レーザ光の出力を増加させるのに伴って加工ヘッドの重量が増大し、これにより加工ヘッドをＺ軸方向に駆動するモータが大型化したり、スキャン方向への移動速度が高速化するのに伴って加工ヘッドの制御遅れが生じるという問題がある。

また、結像精度が上がるにつれ、加工レンズが高精度化する必要があり、複数のレンズを組み合わせた組みレンズが使用される。このような高精度の組みレンズを動作させることは、レンズのズレ要因となり、加工精度悪化の原因となる。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記課題を解決したレーザ加工装置及びレーザ加工装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。

本発明は、平板状の被加工物が載置されるテーブルと、該テーブル上に複数の垂直方向駆動用のアクチュエータが並設され、前記複数のアクチュエータが前記被加工物の下面に当接して前記被加工物の高さ位置を微調整する高さ微調整部と、前記被加工物の加工面に対して上方からレーザ光を照射するレーザ加工ヘッド部と、前記テーブルまたは前記レーザ加工ヘッド部を水平方向に移動させる移動手段と、前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離を測定する距離センサと、前記距離センサにより測定された距離データに基づいて少なくとも前記レーザ加工ヘッド部とレーザ光が照射される前記被加工物の加工面との距離が予め設定された設定距離と一致するように前記高さ微調整部の前記アクチュエータを個別に制御するアクチュエータ制御手段と、を備えたことにより、上記課題を解決するものである。

また、本発明は、前記設定距離が、前記レーザ加工ヘッド部に設けられた光学系の焦点距離であることにより、上記課題を解決するものである。

また、本発明は、前記設定距離が、前記レーザ加工ヘッド部に設けられた光学系の結像距離であることにより、上記課題を解決するものである。

また、本発明は、前記高さ微調整部が、前記複数のアクチュエータが前記テーブル及び前記レーザ加工ヘッド部の移動方向に沿う水平なＸ，Ｙ方向に整列されていることにより、上記課題を解決するものである。

また、本発明は、前記アクチュエータ制御手段が、前記テーブルと前記レーザ加工ヘッド部との相対速度に応じて前記複数のアクチュエータのうち前記レーザ加工ヘッド部に対向する領域に到達した任意のアクチュエータを選択的に作動させて前記加工面のうち前記レーザ加工ヘッド部からのレーザ光が照射される領域における前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離を一定に制御することにより、上記課題を解決するものである。

また、本発明は、前記アクチュエータ制御手段が、前記距離センサにより測定された前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離データを記憶する記憶手段と、前記移動手段による前記レーザ加工ヘッド部と前記テーブルとの相対速度に応じて前記レーザ加工ヘッド部に対向する位置を演算する演算手段と、該演算手段により演算された位置に到達した前記アクチュエータを選択的に駆動させて前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離を制御する制御手段とを有することにより、上記課題を解決するものである。

また、本発明は、前記アクチュエータが、上端が印加電圧の大きさに応じて垂直方向に変位する圧電素子であることにより、上記課題を解決するものである。

また、本発明は、平板状の被加工物が載置されるテーブルと、該テーブル上に複数の垂直方向駆動用のアクチュエータが並設され、前記複数のアクチュエータが前記被加工物下面に当接して前記被加工物の高さ位置を微調整する高さ微調整部と、前記被加工物の加工面に対して上方からレーザ光を照射するレーザ加工ヘッド部と、前記テーブルまたは前記レーザ加工ヘッド部を水平方向に移動させる移動手段と、前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離を測定する距離センサと、前記距離センサにより測定された距離データに基づいて前記アクチュエータを駆動して前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物の加工面との距離が予め設定された設定距離と一致するように制御するアクチュエータ制御手段と、を備えたレーザ加工装置の制御方法であって、前記距離センサにより測定された前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離データを記憶する第１の過程と、前記移動手段による前記レーザ加工ヘッド部と前記テーブルとの相対速度に応じて前記レーザ加工ヘッド部に対向する位置を演算する第２の過程と、該第２の過程により演算された位置に到達した前記アクチュエータを選択的に駆動させて前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離を前記設定距離と一致するように前記アクチュエータを制御する第３の過程とを有することにより、上記課題を解決するものである。

本発明によれば、距離センサにより測定された距離データに基づいて少なくともレーザ加工ヘッド部とレーザ光が照射される被加工物の加工面との距離が予め設定された設定距離（焦点距離または結像距離）と一致するように高さ微調整部のアクチュエータを個別に制御するため、複数のアクチュエータのうちレーザ加工ヘッド部に対向する領域のみを選択的に駆動して被加工物の高さ位置を微調整することが可能になり、相対速度の高速化に対応してレーザ加工ヘッド部に対向する領域における被加工物の加工面の平面度をリアルタイムで確保することができ、且つレーザ加工ヘッド部の重量に関係なくレーザ光が照射される領域の被加工物の加工面の平面度をより高精度に確保することが可能になる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は本発明によるレーザ加工装置の一実施例を示すシステム系統図である。図１に示されるように、レーザ加工装置１０は、平板状のガラス基板などからなるワーク２０（被加工物）が載置されるＸＹテーブル３０と、ＸＹテーブル３０上に複数の垂直方向駆動用の圧電素子（アクチュエータ）４０が並設され、複数の圧電素子４０の上端がワーク２０の下面に当接してワーク２０の高さ位置を微調整する高さ微調整部５０と、ワーク２０の加工面に対して上方からレーザ光を照射するレーザ加工ヘッド部６０と、ＸＹテーブル３０を水平方向（ＸＹ方向）に移動させるＸＹテーブル駆動部（移動手段）７０と、レーザ加工ヘッド部６０とワーク２０の加工面との距離を測定するハイトセンサ（距離センサ）８０と、ハイトセンサ８０により測定された距離データに基づいて圧電素子４０を駆動してレーザ加工ヘッド部６０とワーク２０の加工面との距離がレーザ加工ヘッド部６０の予め設定された設定距離（焦点距離または結像距離）と一致するように圧電素子４０を制御する制御装置（アクチュエータ制御手段）９０とを有する。

レーザ加工ヘッド部６０とワーク２０との距離の調整方法としては、レーザ加工ヘッド部６０に設けられた光学系の焦点距離を制御目標として制御する方法と、レーザ加工ヘッド部６０に設けられた光学系の結像距離を制御目標として制御する方法とがある。本実施例では、予め設定された焦点距離または結像距離を設定距離とするため、どちらの方法でも制御可能である。また、加工面に照射されるレーザ光のパターンや光強度分布などに応じて焦点距離または結像距離を選択的に設定することができるので、ワーク２０への加工方法（アニール処理や孔あけ加工等）に応じてレーザ加工ヘッド部６０とワーク２０との距離が焦点距離または結像距離となるように制御することができる。さらに、レーザ加工ヘッド部６０に複数のレンズを組み合わせた組みレンズが使用されている場合には、ワーク２０を下面側から支持する圧電素子４０を制御するため、高精度の組みレンズを動作させることなく制御可能である。

制御装置９０は、ＸＹテーブル３０とレーザ加工ヘッド部６０との相対速度に応じて複数の圧電素子４０のうちレーザ加工ヘッド部６０に対向する領域に到達した任意の圧電素子４０を選択的に作動させてワーク２０の加工面のうちレーザ加工ヘッド部６０からのレーザ光が照射される領域を平面にすることで加工面の平面精度を確保するワーク高さ調整処理装置１００を有する。

また、ＸＹテーブル駆動部７０は、ＸＹテーブル３０をＸ方向、Ｙ方向に駆動するリニアモータ（図示せず）と、ＸＹテーブル３０のＸ方向、Ｙ方向の移動位置を検出するリニアスケール（図示せず）とを有する。ＸＹテーブル駆動部７０のリニアスケールで検出されたＸ方向、Ｙ方向の位置データは、サーボ装置１１０に入力される。サーボ装置１１０は、制御装置９０から入力された位置指令とＸＹテーブル駆動部７０から入力された位置データとの差を求め、この差がゼロとなるようにＸＹテーブル駆動部７０のリニアモータに動力信号を出力する。

また、レーザ加工ヘッド部６０にトリガ信号を出力するトリガ発生装置１２０は、制御装置９０から入力された位置指令とＸＹテーブル駆動部７０から入力された位置データとを比較し、ＸＹテーブル３０の位置データが位置指令の値に達したとき、トリガ信号を出力する。このトリガ信号が入力されたレーザ発振器１３０は、レーザ光を生成してレーザ加工ヘッド部６０に対してレーザ光を出力する。これにより、加工ヘッド部６０は、レーザ光の光路を修正、変更する光学系（図示せず）を介してワーク２０の加工面にレーザ光を照射する。

レーザ加工ヘッド部６０は、ＸＹテーブル３０の上方に装架されたフレーム（図示せず）に保持されており、このフレームに対してＺ軸方向に昇降可能に設けられ、且つチルト角を調整可能に設けられている。さらに、レーザ加工ヘッド部６０の進行方向の側面には、ハイトセンサ８０がブラケット８２を介して保持されている。ハイトセンサ８０は、例えば、ワーク２０の加工面に対して距離測定用のレーザ光を発信し、加工面で反射した反射光を受光して距離を測定する距離センサである。従って、ハイトセンサ８０は、ワーク２０の加工面に対向する下端部にレーザ光の発振器と受光器とが配されている。

また、制御装置９０は、ハイトセンサ８０により測定された測定値（距離データＨ２）を検出位置（ＸＹ座標）に対応させて記憶するメモリ（記憶手段）９２を有する。そして、ハイトセンサ８０により測定された測定値（距離データＨ２）は、ハイトセンサ８０とレーザ加工ヘッド部６０とのＺ軸方向の軸心間距離Ｌが進行方向の存在するため、検出位置（ＸＹ座標）に対応させてメモリに記憶され、レーザ加工ヘッド部６０がレーザ光を照射する領域の座標位置に対応する測定値を逐次メモリから読み出される。

また、ハイトセンサ８０の検出端は、レーザ加工ヘッド部６０の下端に設けられたレーザ光出射部（対物レンズ）よりも下方に延在しており、ワーク２０の加工面との距離Ｈ２を測定する。一方、レーザ加工ヘッド部６０の下端とハイトセンサ８０の検出端とのＺ軸方向の差は、距離Ｈ１である。従って、ハイトセンサ８０の測定値（距離Ｈ２）に上記Ｈ１を加算した値がレーザ加工ヘッド部６０とワーク２０との距離Ｈとなる。

さらに、制御装置９０は、ＸＹテーブル駆動部７０によるレーザ加工ヘッド部６０とＸＹテーブル３０との相対速度を演算し、演算結果から得られた相対速度に連動するようにレーザ加工ヘッド部６０に対向する位置の圧電素子４０を駆動させてレーザ加工ヘッド部６０とワーク２０との距離Ｈを一定に制御するものであり、レーザ加工ヘッド部６０とＸＹテーブル３０との相対速度に応じてレーザ加工ヘッド部６０に対向する位置を演算する演算手段９４と、加工前に入力された設定距離（焦点距離または結像距離）を制御目標としてメモリ９２に記憶させる設定手段９５と、演算手段９４により演算された位置に到達した圧電素子４０を選択的に駆動させてレーザ加工ヘッド部６０とワーク２０との距離Ｈを設定手段９５により予め設定された設定距離（焦点距離または結像距離）と一致するように制御する制御手段９６とを有する。

図２はＸＹテーブル３０上の高さ微調整部５０を拡大して示す平面図である。図３はＸＹテーブル３０上の高さ微調整部５０を拡大して示す側面図である。

図２及び図３に示されるように、四角形状に形成されたＸＹテーブル３０の上面には、複数の圧電素子４０がＸＹテーブル３０及びレーザ加工ヘッド部６０の移動方向に沿う水平なＸ，Ｙ方向に整列されており、Ｘ方向の圧電素子４０ｘ１〜４０ｘｎとＹ方向の圧電素子４０ｙ１〜４０ｙｎとが行と列を形成している。圧電素子４０は、例えば、印加電圧によって生じる圧電効果により上端が上方または下方に伸縮して垂直方向に変位するピエゾ素子などからなり、ワーク２０の高さ位置を調整するためのアクチュエータとして機能するものである。

圧電素子４０は、圧電効果が得られる金属材（例えば、強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムなど）により円柱形状に形成されており、下端がＸＹテーブル３０の上面に結合された状態で起立している。また、圧電素子４０の上端には、ワーク２０の下面を吸着するための吸着部４２が取り付けられている。この吸着部４２としては、例えば、ワーク２０との間に電圧を印加することで吸着力を発生する静電チャックが用いられる。

図３に示されるように、複数の圧電素子４０は、それぞれがＸＹテーブル３０の上面にＺ軸方向に起立しており、ワーク２０の保持高さ、すなわち、吸着部４２の上面高さＨ３が一定値となるように設定されている。このように複数の圧電素子４０は、電圧が印加されていない状態では、ＸＹテーブル３０の上面から距離Ｈ３の高さ位置でワーク２０を水平状態に保持することが可能である。

図４はＸＹテーブル３０に上下方向のうねりがある場合を模式的に示す側面図である。図４に示されるように、ＸＹテーブル３０は、表面が平面となるように高精度に切削加工及び研削、研磨加工が施されているが、微小なうねり（図４では、分かりやすくするため誇張して示す）を有する場合がある。このような場合は、複数の圧電素子４０の高さを調整することにより、ワーク２０を水平状態に保持することが可能である。例えば、基準線Ｋに対してＸＹテーブル３０に上下方向のうねりがある場合、高さ微調整部５０では、規準面Ｋに対するうねりの高さに応じた大きさの電圧を印加することにより各圧電素子４０の高さを微調整して実質的に吸着部４２の上面高さＨ３を一定にすることでワーク２０を水平状態に保持する。

図５はワークに上下方向のうねりがある場合を模式的に示す側面図である。図５に示されるように、ＸＹテーブル３０は、表面の平面精度が確保されているにも拘わらず、ワーク２０自体が上下方向の微小なうねりを有する場合、制御装置９０は、ハイトセンサ８０により測定された距離データに基づいて少なくともレーザ加工ヘッド部６０とレーザ光が照射されるワーク２０の加工面との距離Ｈ３がレーザ加工ヘッド部の焦点距離または結像距離と一致するように高さ微調整部５０の圧電素子４０を個別に制御する。従って、高さ微調整部５０は、レーザ加工ヘッド部６０とＸＹテーブル３０との相対速度に応じてレーザ加工ヘッド部６０からレーザ光が照射される領域に対応する圧電素子４０を選択的に駆動させてことが可能である。

また、本実施例では、ＸＹテーブル３０全体をＺ軸方向に移動させるのではなく、平板状のワーク２０を複数の圧電素子４０で支えることにより、複数の点として分解して各点毎に高さ調整を行う構成であるので、圧電素子４０による応答性が極めて高くなり、移動速度に対応してリアルタイムによる高さ調整が可能になり、ＸＹテーブル３０及びワーク２０の上下方向のうねりを部分的に矯正してより高精度なレーザ光の焦点制御を実現することが可能になる。しかも、レーザ光が照射される領域に対応する圧電素子４０を選択的に駆動させることが可能になるので、高さ調整のための駆動力が最小となり、その分消費電力も削減できる。

ここで、図６を参照して高さ微調整部５０によるワーク２０の高さ調整について説明する。尚、本実施例では、レーザ加工ヘッド部６０が固定で、ＸＹテーブル３０に載置されたワーク２０がＸＹテーブル駆動部７０によりＸ，Ｙ方向に移動する構成とする。

図６に示されるように、レーザ加工ヘッド部６０よりワーク２０の加工面にレーザ光１４０を照射する場合、レーザ加工ヘッド部６０とワーク２０の加工面との距離Ｈがレーザ加工ヘッド部６０の下端に設けられた対物レンズの焦点距離または結像距離と一致するようにワーク２０の高さ位置を調整する。その際、制御装置９０は、ＸＹテーブル３０の移動速度に応じて複数の圧電素子４０のうちレーザ加工ヘッド部６０からのレーザ光１４０が照射される領域の圧電素子４０に電圧を印加してレーザ加工ヘッド部６０に対する距離が焦点距離または結像距離Ｈとなるように制御する。図６において、レーザ加工ヘッド部６０に対してＸＹテーブル３０がＸ１方向に移動する場合、レーザ光が照射される直前位置に対応する圧電素子４０ａより移動方向（Ｙ１方向）の圧電素子４０ａ+１〜４０ａ+ｎが駆動されてワーク２０の加工面が一定高さに保持されており、圧電素子４０ａより反移動方向（Ｘ２方向）の圧電素子４０ａ−１〜４０ａ-ｎは非作動である。

また、図６において、圧電素子４０ａより移動方向（Ｘ１方向）の圧電素子４０がレーザ加工ヘッド部６０に対するワーク２０の加工面の高さ位置を一定にしているが、少なくともレーザ光１４０が照射される領域に対応する圧電素子４０ａと隣接する圧電素子４０ａ+１とが駆動されて平面精度が保持されていれば良い。

例えば、１０００ｍｍ×１０００ｍｍの大きさを有するワーク２０のうねりが最大２０μｍで４Ｈｚ程度で、１００ｍｍ間隔の圧電素子４０をＸＹ方向に整列させている場合、隣り合う各圧電素子４０間のＺ軸方向の調整高さは、最大で２０μｍにできれば良い。また、ワーク２０がガラス基板やシリコンウェハーである場合、この程度のＺ軸方向の調整を行っても歪みには十分に耐えるので、ワーク２０が損傷するおそれもない。

また、圧電素子４０に用いられるピエゾ素子の応答性は、２０μｍ程度で１００Ｈｚ以上とれるので、１０００ｍｍ／ｓｅｃ程度の移動速度の走査でレーザ光が照射される加工点の距離が１０ｍｍ以上であれば支障なく応答することが可能である。

図７はレーザ加工ヘッド部６０が相対移動する過程を説明するためのワーク２０の平面図である。図８はレーザ加工ヘッド部６０が相対移動する過程を説明するためのワーク加工面と圧電素子４０の状態を模式的に示す図である。

図７及び図８に示されるように、ワーク２０の加工面の高さを測定するハイトセンサ８０は、レーザ加工ヘッド部６０のレーザ照射位置に対して移動方向に距離Ｌだけ離れた位置に保持されている。そのため、まずｙ１位置をＸ方向にスキャンする場合には、先にハイトセンサ８０がｘ１位置を通過し、ｘ２位置に対向する上方位置に至る。そして、ハイトセンサ８０は、レーザ加工ヘッド部６０よりも先行してｘ３〜ｘ１３位置へ移動する。このハイトセンサ８０のワーク２０の加工面に対する移動に距離Ｌ分遅れてレーザ加工ヘッド部６０からのレーザ光の照射位置がｘ１〜ｘ１３位置へ移動（スキャン）する。

そして、ｘ１〜ｘ１３位置に対するレーザ加工が終了すると、レーザ加工ヘッド部６０がｙ２位置に対向する位置となるようにＸＹテーブル３０をＹ方向にシフトさせる。このＹ方向シフト工程では、次のＸ方向工程の送り方向が前回の往路に対して復路になるので、ハイトセンサ８０がレーザ加工ヘッド部６０の進行方向に位置するようにレーザ加工ヘッド部６０をＺ軸回りに１８０度旋回させる。この後は、ＸＹテーブル３０をＸ２方向に移動させながら上記スキャン工程と同様に、ｙ２位置のｘ１３〜ｘ１位置に対するハイトセンサ８０による高さ測定及びレーザ光の照射を行なう。

そして、ｙ２位置のｘ１３〜ｘ１位置に対するレーザ加工が終了すると、レーザ加工ヘッド部６０がｙ３位置に対向する位置となるようにＸＹテーブル３０をＹ方向にシフトさせる。また、このＹ方向シフト工程では、次のＸ方向工程の送り方向が往路になるので、ハイトセンサ８０がレーザ加工ヘッド部６０の進行方向に位置するように１８０度旋回させる。尚、ハイトセンサ８０を旋回させるのではなく、レーザ加工ヘッド部６０の反対側にもう一つのハイトセンサを取付け、進行方向に位置するハイトセンサに切り替える方式でも良い。そして、ｙ３位置のｘ１３〜ｘ１位置に対するレーザ加工を行なう。このように、ワーク２０の全ての加工ポイント（ｘ１〜ｘ１３位置×ｙ１〜ｙ１３位置）に対するレーザ加工を行なう。

尚、本実施例においては、レーザ光の照射位置とハイトセンサ８０の測定位置との距離Ｌは、圧電素子４０の配置間隔Ｌ１の２倍より少し長め（α）に設定されている（Ｌ＝２・Ｌ１＋α）。従って、レーザ光の照射位置は、常にハイトセンサ８０の測定位置から圧電素子４０の２個分より長い距離だけ遅れた位置となるように設定されている。これにより、ハイトセンサ８０の測定位置の高さ方向位置が圧電素子４０の作動により測定中に動かないようにするための余裕長さを確保している。

ＸＹテーブル３０による移動位置とハイトセンサ８０の高さ測定とレーザ光の照射位置と関連する処理を示すタイミングチャートである。尚、図９においては、時間ｔ１〜ｔ９の経過と共に、ハイトセンサ８０の測定位置、高さ調整、レーザ光照射の推移を示す。

図９に示されるように、（１）時間ｔ１では、ハイトセンサ８０がｘ１位置に対向しており、このｘ１位置での高さ測定を行う。制御装置９０では、このｘ１位置における高さ測定値からレーザ加工ヘッド部６０とワーク２０との距離Ｈ２と焦点距離または結像距離Ｈとの差から高さ調整値Ｐ１を演算し、メモリ９２に記憶させる。

（２）時間ｔ２では、ハイトセンサ８０がｘ２位置に対向しており、このｘ２位置での高さ測定を行う。制御装置９０では、このｘ２位置における高さ測定値からレーザ加工ヘッド部６０とワーク２０との距離Ｈ２と焦点距離または結像距離Ｈとの差から高さ調整値Ｐ２を演算し、メモリ９２に記憶させる。さらに、制御装置９０では、ｔ２〜ｔ３の間にｘ１位置に配置された圧電素子４０の作動によりワーク２０の高さ調整値Ｐ１による高さ調整を行う。

（３）時間ｔ３では、ハイトセンサ８０がｘ３位置に対向しており、このｘ３位置での高さ測定を行う。制御装置９０では、このｘ３位置における高さ測定値からレーザ加工ヘッド部６０とワーク２０との距離Ｈ２と焦点距離または結像距離Ｈとの差から高さ調整値Ｐ３を演算し、メモリ９２に記憶させる。さらに、制御装置９０では、メモリ９２にから高さ調整値Ｐ２を読み出してｘ２位置に配置された圧電素子４０の作動によりワーク２０の高さ調整を行う。一方、レーザ加工ヘッド部６０がｘ１位置に対向しており、ｘ１位置に配置された圧電素子４０の高さ調整が完了した時点でｘ１位置にレーザ光を照射する。

（４）時間ｔ４では、ハイトセンサ８０がｘ４位置に対向しており、このｘ４位置での高さ測定を行う。制御装置９０では、このｘ４位置における高さ測定値からレーザ加工ヘッド部６０とワーク２０との距離Ｈ２と焦点距離または結像距離Ｈとの差から高さ調整値Ｐ４を演算し、メモリ９２に記憶させる。さらに、制御装置９０では、メモリ９２にから高さ調整値Ｐ３を読み出してｘ３位置に配置された圧電素子４０の作動によりワーク２０の高さ調整を行う。一方、レーザ加工ヘッド部６０がｘ２位置に対向しており、ｘ２位置に配置された圧電素子４０の高さ調整が完了した時点でｘ２位置にレーザ光を照射する。

（５）時間ｔｎでは、ハイトセンサ８０がｘｎ位置に対向しており、このｘｎ位置での高さ測定を行う。制御装置９０では、このｘｎ位置における高さ測定値からレーザ加工ヘッド部６０とワーク２０との距離Ｈ２と焦点距離または結像距離Ｈとの差から高さ調整値Ｐｎを演算し、メモリ９２に記憶させる。さらに、制御装置９０では、メモリ９２にから高さ調整値Ｐｎ−２を読み出してｘｎ−２位置に配置された圧電素子４０の作動によりワーク２０の高さ調整を行う。一方、レーザ加工ヘッド部６０がｘｎ−２位置に対向しており、ｘ３位置に配置された圧電素子４０の高さ調整が完了した時点でｘｎ−２位置にレーザ光を照射する。尚、この時間ｔｎの高さ測定、高さ調整、レーザ光照射は、各位置毎に繰り返される。

（６）時間ｔ１２では、ハイトセンサ８０がｘ１２位置に対向しており、このｘ１２位置での高さ測定を行う。制御装置９０では、このｘ１２位置における高さ測定値からレーザ加工ヘッド部６０とワーク２０との距離Ｈ２と焦点距離または結像距離Ｈとの差から高さ調整値Ｐ１２を演算し、メモリ９２に記憶させる。さらに、制御装置９０では、メモリ９２にから高さ調整値Ｐ１０を読み出してｘ１０位置に配置された圧電素子４０の作動によりワーク２０の高さ調整を行う。一方、レーザ加工ヘッド部６０がｘ１０位置に対向しており、ｘ１０位置に配置された圧電素子４０の高さ調整が完了した時点でｘ１０位置にレーザ光を照射する。

（７）時間ｔ１３では、ハイトセンサ８０がｘ１３位置に対向しており、このｘ１３位置での高さ測定を行う。制御装置９０では、このｘ１３位置における高さ測定値からレーザ加工ヘッド部６０とワーク２０との距離Ｈ２と焦点距離または結像距離Ｈとの差から高さ調整値Ｐ１３を演算し、メモリ９２に記憶させる。さらに、制御装置９０では、メモリ９２にから高さ調整値Ｐ１２を読み出してｘ１２位置に配置された圧電素子４０の作動によりワーク２０の高さ調整を行う。一方、レーザ加工ヘッド部６０がｘ１１位置に対向しており、ｘ１１位置に配置された圧電素子４０の高さ調整が完了した時点でｘ１１位置にレーザ光を照射する。

（８）時間ｔ１４では、ハイトセンサ８０がｘ１３位置を通過し終わっているので、高測定を終了している。さらに、制御装置９０では、メモリ９２にから高さ調整値Ｐ１３を読み出してｘ１３位置に配置された圧電素子４０の作動によりワーク２０の高さ調整を行う。一方、レーザ加工ヘッド部６０がｘ１２位置に対向しており、ｘ１２位置に配置された圧電素子４０の高さ調整が完了した時点でｘ１２位置にレーザ光を照射する。

（９）時間ｔ１５では、ハイトセンサ８０がｘ１３位置を通過し終わっているので、高測定を終了している。制御装置９０では、レーザ加工ヘッド部６０がｘ１３位置に対向しており、ｘ１３位置に配置された圧電素子４０の高さ調整が完了した時点でｘ１３位置にレーザ光を照射する。ｘ１３位置へのレーザ加工が終了すると、前述したように、レーザ加工ヘッド部６０がｙ２位置に対向する位置となるようにＸＹテーブル３０をＹ方向にシフトさせると共に、ハイトセンサ８０がレーザ加工ヘッド部６０の進行方向に位置するようにレーザ加工ヘッド部６０をＺ軸回りに１８０度旋回させる。この後は、ＸＹテーブル３０をＸ２方向に移動させながら上記（１）〜（９）の工程と同様に、ｙ２位置のｘ１３〜ｘ１位置に対するハイトセンサ８０による高さ測定及びレーザ光の照射を行なう。これを繰り返すことで、ワーク２０の全ての加工ポイント（ｘ１〜ｘ１３位置×ｙ１〜ｙ１３位置、図７参照）に対するレーザ加工を行なう。

このように、複数の圧電素子４０が整列された高さ微調整部５０を用いることにより、ハイトセンサ８０による高さ位置測定と並行して圧電素子４０の高さ調整を行なうことが可能になり、且つ各位置毎に高さ位置測定からレーザ光の照射まで連続的に行なわれるため、ワーク２０とレーザ加工ヘッド部６０との高さ調整処理とレーザ光照射処理とが並行に行なわれて効率良くレーザ加工を行なうことができる。

次に制御装置９０の処理手順について説明する。図１０は制御装置９０が実行する処理手順を示すフローチャートである。

制御装置９０は、Ｓ１１でＸＹテーブル駆動部７０に移動指令を出力してＸＹテーブル３０を移動方向（Ｙ１方向）に移動させる。次のＳ１２では、レーザ加工ヘッド部６０に対するＸＹテーブル３０による移動位置データ（ｘ１〜ｘ１３位置を示す座標データ）を読み込む。

続いて、Ｓ１３に進み、ハイトセンサ８０により測定された任意の移動位置（前述したｘ１〜ｘ１３位置）での高さ位置測定値（Ｚ軸方向の距離Ｈ２）を読み込む。そして、Ｓ１４で測定値及びこの測定値に基づく高さ調整値を当該位置データに対応させてメモリ９２に記憶させる。

次のＳ１５では、ＸＹテーブル３０の移動速度（レーザ加工ヘッド部６０に対する相対速度）を演算する。そして、Ｓ１６で移動速度に応じたタイミングでレーザ加工ヘッド部６０が対向する加工ポイント（前述したワーク２０の加工ポイント）に対するレーザ加工を行なう。
ｘ１〜ｘ１３位置に相当）を演算する。

次のＳ１７では、当該加工ポイントに対応する測定値及びこの測定値に基づく高さ調整値をメモリ９２から読み出す。続いて、Ｓ１７ａに進み、メモリ９２に記憶された設定距離（焦点距離または結像距離）を読み出す。そして、Ｓ１８に進み、高さ調整値に基づいて加工ポイント及びその前後の加工ポイントを含む領域の圧電素子４０に電圧を印加してワーク２０の高さ位置を調整する。

次のＳ１９においては、レーザ加工ヘッド部６０の焦点距離または結像距離とワーク２０との高さ位置とが一致したか否かをチェックしており、不一致の場合はＳ１８の処理に戻り、一致した時点でＳ２０に進み、レーザ加工ヘッド部６０からのレーザ光を当該加工ポイントに照射させる。実際の処理では、Ｓ１９の判断時にはＳ１８までの処理が完了していることになる。

さらに、Ｓ２１では、予め設定された全ての加工ポイント（ワーク２０の全ての加工ポイントｘ１〜ｘ１３位置×ｙ１〜ｙ１３位置、図７参照）に対するレーザ加工が終了したか否かを確認しており、まだ未加工ポイントが残っている場合には、Ｓ２２に移行し、次の加工ポイントの位置データを読み込み、前述したＳ１１の処理に戻り、Ｓ１１以降の処理を繰り返す。尚、上記Ｓ１１〜Ｓ２２の処理は、各加工ポイント毎に並行処理されており、実際には、図９に示すような並列処理で行なわれているが、図１０では、説明の便宜上その説明を省略してある。

上記実施例においては、レーザ加工ヘッド部６０を固定し、ＸＹテーブル３０を移動させる場合について説明したが、これに限らず、ＸＹテーブル３０を固定し、レーザ加工ヘッド部６０を移動させる構成のものにも本発明を適用することができるのは、勿論である。

また、上記実施例では、ワーク２０としてガラス基板などを例示したが、これ以外の薄板状のものであれば、高さ調整を行える。

本発明によるレーザ加工装置の一実施例を示すシステム系統図である。 ＸＹテーブル３０上の高さ微調整部５０を拡大して示す平面図である。 ＸＹテーブル３０上の高さ微調整部５０を拡大して示す側面図である。 ＸＹテーブル３０に上下方向のうねりがある場合を模式的に示す側面図である。 ワークに上下方向のうねりがある場合を模式的に示す側面図である。 高さ微調整部５０によるワーク２０の高さ調整方法を説明するための図である。 レーザ加工ヘッド部６０が相対移動する過程を説明するためのワーク２０の平面図である。 レーザ加工ヘッド部６０が相対移動する過程を説明するためのワーク加工面と圧電素子４０の状態を模式的に示す図である。 ＸＹテーブル３０による移動位置とハイトセンサ８０の高さ測定とレーザ光の照射位置と関連する処理を示すタイミングチャートである。 制御装置９０が実行する処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ レーザ加工装置
２０ ワーク
３０ ＸＹテーブル
４０ 圧電素子
５０ 高さ微調整部
６０ レーザ加工ヘッド部
７０ ＸＹテーブル駆動部
８０ ハイトセンサ
９０ 制御装置
９２ メモリ
９４ 演算手段
９６ 制御手段
１００ ワーク高さ調整処理装置
１１０ サーボ装置
１２０ トリガ発生装置
１３０ レーザ発振器

Claims (8)

1. 平板状の被加工物が載置されるテーブルと、
   該テーブル上に複数の垂直方向駆動用のアクチュエータが並設され、前記複数のアクチュエータが前記被加工物の下面に当接して前記被加工物の高さ位置を微調整する高さ微調整部と、
   前記被加工物の加工面に対して上方からレーザ光を照射するレーザ加工ヘッド部と、
   前記テーブルまたは前記レーザ加工ヘッド部を水平方向に移動させる移動手段と、
   前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離を測定する距離センサと、
   前記距離センサにより測定された距離データに基づいて少なくとも前記レーザ加工ヘッド部とレーザ光が照射される前記被加工物の加工面との距離が予め設定された設定距離と一致するように前記高さ微調整部の前記アクチュエータを個別に制御するアクチュエータ制御手段と、
   を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記設定距離は、前記レーザ加工ヘッド部に設けられた光学系の焦点距離であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記設定距離は、前記レーザ加工ヘッド部に設けられた光学系の結像距離であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記高さ微調整部は、前記複数のアクチュエータが前記テーブル及び前記レーザ加工ヘッド部の移動方向に沿う水平なＸ，Ｙ方向に整列されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のレーザ加工装置。
5. 前記アクチュエータ制御手段は、
   前記テーブルと前記レーザ加工ヘッド部との相対速度に応じて前記複数のアクチュエータのうち前記レーザ加工ヘッド部に対向する領域に到達した任意のアクチュエータを選択的に作動させて前記加工面のうち前記レーザ加工ヘッド部からのレーザ光が照射される領域における前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離を一定に制御することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のレーザ加工装置。
6. 前記アクチュエータ制御手段は、
   前記距離センサにより測定された前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離データを記憶する記憶手段と、
   前記移動手段による前記レーザ加工ヘッド部と前記テーブルとの相対速度に応じて前記レーザ加工ヘッド部に対向する位置を演算する演算手段と、
   該演算手段により演算された位置に到達した前記アクチュエータを選択的に駆動させて前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離を制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のレーザ加工装置。
7. 前記アクチュエータは、上端が印加電圧の大きさに応じて垂直方向に変位する圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のレーザ加工装置。
8. 平板状の被加工物が載置されるテーブルと、
   該テーブル上に複数の垂直方向駆動用のアクチュエータが並設され、前記複数のアクチュエータが前記被加工物下面に当接して前記被加工物の高さ位置を微調整する高さ微調整部と、
   前記被加工物の加工面に対して上方からレーザ光を照射するレーザ加工ヘッド部と、
   前記テーブルまたは前記レーザ加工ヘッド部を水平方向に移動させる移動手段と、
   前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離を測定する距離センサと、
   前記距離センサにより測定された距離データに基づいて前記アクチュエータを駆動して前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物の加工面との距離が予め設定された設定距離と一致するように制御するアクチュエータ制御手段と、
   を備えたレーザ加工装置の制御方法であって、
   前記距離センサにより測定された前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離データを記憶する第１の過程と、
   前記移動手段による前記レーザ加工ヘッド部と前記テーブルとの相対速度に応じて前記レーザ加工ヘッド部に対向する位置を演算する第２の過程と、
   該第２の過程により演算された位置に到達した前記アクチュエータを選択的に駆動させて前記レーザ加工ヘッド部と前記被加工物との距離を前記設定距離と一致するように前記アクチュエータを制御する第３の過程とを有することを特徴とするレーザ加工装置の制御方法。

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