JP2013190721A - Method and device for precise alignment of optical components - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザ素子の光軸を部品に設けられた光導波路に高精度に位置づけることができる光学部品の高精度調芯方法及び高精度調芯装置に関し、特に磁気ヘッドのスライダに半導体レーザ素子を装着する磁気ヘッド製造装置における半導体レーザ素子の光軸をスライダに設けられた光導波路に高精度に位置づけることができる光学部品の高精度調芯方法及び高精度調芯装置に関する。 The present invention relates to a high-precision alignment method and a high-precision alignment apparatus for an optical component capable of positioning the optical axis of a semiconductor laser element in an optical waveguide provided in the component, and more particularly to a semiconductor laser in a slider of a magnetic head. The present invention relates to a high-precision alignment method for an optical component and a high-precision alignment apparatus that can position an optical axis of a semiconductor laser element in an optical waveguide provided on a slider with high accuracy in a magnetic head manufacturing apparatus on which the element is mounted.
一般に磁気ディスク装置は、記憶容量の増大に伴う高記録密度化が望まれており、近年、この記録密度を飛躍的に向上させる技術の一つとして、磁気ディスク上の数10nm×数10nm程度の微小領域に半導体レーザ光を照射して200℃以上の熱と磁場を加える熱アシスト磁気記録技術が提案されている。この熱アシスト磁気記録技術を採用した磁気ディスク装置は、磁気ヘッド素子を搭載するスライダの所望位置にレーザ光を透過させる光導波路を開口し、この光導波路に半導体レーザ素子を高精度に位置づけしてUV(紫外線)硬化樹脂等によって接着固定するように構成されている。 In general, a magnetic disk device is desired to have a higher recording density with an increase in storage capacity. In recent years, as one of techniques for dramatically improving the recording density, the magnetic disk device has a size of about several tens of nm × several tens of nm. There has been proposed a heat-assisted magnetic recording technique in which a semiconductor laser beam is irradiated onto a minute region and heat and a magnetic field of 200 ° C. or higher are applied. A magnetic disk drive employing this heat-assisted magnetic recording technology has an optical waveguide that transmits laser light at a desired position of a slider on which a magnetic head element is mounted, and a semiconductor laser element is positioned in this optical waveguide with high accuracy. It is configured to be bonded and fixed with UV (ultraviolet) curable resin or the like.
この熱アシスト磁気記録技術を採用した磁気ディスク装置は、スライダの所望位置に開口された光導波路に半導体レーザ素子を高精度に位置づけする必要があるが、例えば、スライダのサイズが幅0.7mm×奥行き0.85mm×高さ0.23mmの微小部品であり、半導体レーザ素子サイズが幅0.2mm×奥行き0.1mm×高さ0.5mm且つ発光点が1μm径であり、スライダに開口された光導波路が1μm径のため、高精度の位置決めが困難であった。 In a magnetic disk device adopting this heat-assisted magnetic recording technology, it is necessary to position the semiconductor laser element with high accuracy in an optical waveguide opened at a desired position of the slider. For example, the size of the slider is 0.7 mm × width. It is a micro component with a depth of 0.85 mm and a height of 0.23 mm, a semiconductor laser element size of width 0.2 mm × depth 0.1 mm × height 0.5 mm, and a light emitting point 1 μm in diameter, which is opened in the slider Since the optical waveguide has a diameter of 1 μm, highly accurate positioning is difficult.
このスライダの所望位置に開口された光導波路に半導体レーザ素子を高精度に位置付けする従来技術は、サブマウントに取り付けられた半導体レーザ素子に対してスライダをXY方向に移動しながら前記スライダの光導波路を通過した光をNFP(near field pattern:近視野像の観察)カメラで撮影し、この撮影したカメラ画像の光量が最大となるスライダ位置のXY座標を画像処理によって検出し、この最大光量のスライダ位置において半導体レーザ素子を接着固定するものであった。 The conventional technique for positioning a semiconductor laser element with high accuracy in an optical waveguide opened at a desired position of the slider is to move the slider in the X and Y directions with respect to the semiconductor laser element attached to the submount. Is taken with an NFP (near field pattern) camera, and the XY coordinates of the slider position at which the light quantity of the photographed camera image is maximized are detected by image processing. The semiconductor laser element was bonded and fixed at the position.
この従来技術によるカメラ画像の光量による調芯技術は、撮影を行うNFPカメラのフレームレート(1秒間に撮影可能なフレーム数)に限界があり、高精度の位置決めを行うためには前述した半導体レーザ素子に対してスライダをXY方向に移動する際の移動速度を高速に行うことができず、このため調芯時間が長時間になり、磁気ヘッド製造時間が冗長となる課題があった。 The alignment technique based on the light amount of the camera image according to this conventional technique has a limit in the frame rate (number of frames that can be photographed per second) of the NFP camera that performs photographing, and the above-described semiconductor laser is necessary for performing high-precision positioning. The moving speed when moving the slider in the XY direction with respect to the element cannot be performed at a high speed. Therefore, the alignment time becomes long and the magnetic head manufacturing time becomes redundant.
なお、一般の光軸の調芯を行う技術が記載された文献としては、下記の特許文献が挙げられ、下記の特許文献1には、複数の光学部品の一方を順次光量測定点に位置決めして一方の光学部品から他方の光学部品へ入射する光の量を測定し、最大光量となる最適位置を求める光部品の調芯方法において、最初の光量測定点における光量が所定の光量値未満の場合は、以降の光量測定点と最初の光量測定点との距離を大きな所定距離に設定し、最初の光量測定点における光量が前記所定の光量値以上の場合は、以降の光量測定点と最初の光量測定点との距離を小さな所定距離に設定して調芯処理を行う調芯技術が記載され、下記の特許文献2には、第1の光学部品から出射されて第2の光学部品に導入された光を光検出器で検出し、前記光検出器の出力を増幅手段で増幅し、前記増幅手段の出力に基づいて前記第1の光学部品と前記第2の光学部品との相対的な位置を調整する光学部品の調芯方法において、前記第1の光学部品と前記第2の光学部品とを相対的に、1つの軸に関して1次元的に繰り返して往復走査させつつ、前記往復走査に従って得られる前記増幅手段の出力に基づいて前記1つの軸に関する1次元的な光強度分布を得る光強度分布取得段階と、前記光強度分布取得段階で得られた1次元的な光強度分布に基づいて前記第1の光学部品と前記第2の光学部品との相対的な位置が調芯位置となるように、当前記相対的な位置を調整する位置調整段階とを行う調芯技術が記載されている。 In addition, the following patent document is cited as a document describing a technique for aligning a general optical axis. In the following patent document 1, one of a plurality of optical components is sequentially positioned at a light quantity measurement point. In the optical component alignment method for measuring the amount of light incident from one optical component to the other optical component and obtaining the optimum position for the maximum light amount, the light amount at the first light amount measurement point is less than a predetermined light amount value. In this case, the distance between the subsequent light intensity measurement point and the first light intensity measurement point is set to a large predetermined distance, and if the light intensity at the first light intensity measurement point is equal to or greater than the predetermined light intensity value, An alignment technique for performing alignment processing by setting the distance to the light quantity measurement point to a small predetermined distance is described. Patent Document 2 below emits light from the first optical component to the second optical component. The introduced light is detected by a photodetector, and the photodetector In the optical component alignment method of amplifying an output by an amplifying unit and adjusting a relative position between the first optical component and the second optical component based on an output of the amplifying unit, While the optical component and the second optical component are reciprocally scanned one-dimensionally and reciprocally relative to one axis, the one relating to the one axis based on the output of the amplification means obtained according to the reciprocating scan. A light intensity distribution obtaining step for obtaining a dimensional light intensity distribution, and the first optical component and the second optical component based on the one-dimensional light intensity distribution obtained in the light intensity distribution obtaining step. An alignment technique is described that performs a position adjustment step for adjusting the relative position so that the relative position becomes the alignment position.
前記の特許文献に記載された技術は、光ファアイバーに対する半導体レーザ素子の位置決めを行うものであって、本発明の対象とする光導波路が開口された磁気ヘッドスライダに半導体レーザ素子を取り付ける際に、サブマウントに取り付けられた半導体レーザ素子に対してスライダをXY方向に移動しながら前記スライダの光導波路を通過した光をNFPカメラで撮影し、この撮影したカメラ画像の光量が最大に基づいた調芯技術に適用することが困難であり、調芯時間が長時間になり、磁気ヘッド製造時間が冗長となるという課題があった。また、従来技術による調芯方法は、光学系装置固有ノイズやカメラ素子固有の出力のバラツキや迷光成分による各種ノイズが含まれ、正確なXY座標の抽出が困難であるという課題もあった。 The technique described in the above-mentioned patent document performs positioning of the semiconductor laser element with respect to the optical fiber, and when attaching the semiconductor laser element to the magnetic head slider in which the optical waveguide targeted by the present invention is opened, The light passing through the optical waveguide of the slider is photographed with an NFP camera while moving the slider in the X and Y directions with respect to the semiconductor laser element mounted on the submount, and the alignment is based on the maximum light quantity of the photographed camera image. There is a problem that it is difficult to apply to the technology, the alignment time becomes long, and the magnetic head manufacturing time becomes redundant. In addition, the alignment method according to the prior art includes the noise inherent to the optical system device, the output variation inherent to the camera element, and various noises due to stray light components, and it is difficult to accurately extract XY coordinates.
本発明の目的は、前述の従来技術による課題しようとするものであり、磁気ヘッドスライダの光導波路と半導体レーザ素子とを高精度且つ高速に調芯することができる光学部品の高精度調芯方法及び高精度調芯装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described conventional technique, and a high-precision alignment method for an optical component capable of aligning an optical waveguide of a magnetic head slider and a semiconductor laser element with high accuracy and high speed. And providing a high-precision alignment device.
前記の目的を達成するために請求項1記載の発明は、光導波路が底面方向に開口されたスライダを支持してX軸方向のみに移動するX軸ステージと、前記スライダを支持してY軸方向のみに移動するY軸ステージと、前記Xステージ及びY軸ステージに支持されたスライダの底面方向に半導体レーザ素子を離間して把持するレーザ把持治具と、前記スライダの上面方向に位置して所定フレームレートによる複数フレーム画像の撮影を行う観察カメラと、前記X軸ステージ及びY軸ステージによるスライダのXY軸方向移動制御及び前記観察カメラによる撮影を制御する制御手段とを備え、半導体レーザ素子とスライダとをXY軸方向に移動させながらスライダ底面側から所定フレームレートによる複数フレーム画像の撮影を行い、前記撮影したフレーム画像に基づいて半導体レーザ素子と光導波路との位置決めを行う光学部品の高精度調芯方法であって、前記制御手段が、前記XY軸ステージの移動によってスライダをXY軸方向に移動しながらスライダの底面を観察カメラによって撮影し、所定フレーム毎に撮影した複数のフレーム画像を取得する第1工程と、前記第1工程によって取得した複数のフレーム画像内から最も照度が大きい基準フレーム画像を抽出する第2工程と、前記第2工程によって抽出した基準フレーム画像の基準座標を基準とした周辺フレーム画像を抽出する第3工程と、前記第2工程及び第3工程によって抽出した基準フレーム画像及びXY周辺フレーム画像の各照度値をXY軸毎に二次近似演算することによってレーザ光の光軸と推定される目標座標を算出する第4工程と、前記第4工程によって算出した目標座標にスライダを位置づける第5工程とを行うことを特徴とし、請求項2記載の発明は、前記第3工程において、前記基準座標を基準としてX軸及びY軸方向に所定数離れた周辺フレーム画像、又は前記基準座標を基準として所定距離だけ離れた周辺フレーム画像、又は前記基準座標を基準とした所定領域の周辺フレーム画像を抽出することを特徴とし、請求項3記載の発明は、前記何れかの特徴の調芯方法において、前記半導体レーザ素子が発光するレーザ光径が1μm、前記スライダの光導波路径が1μm、観察カメラのフレームレートが100fpsの条件のとき、前記スライダのXY走査平面領域を10μm×10μmに設定し、前記スライダをX軸ステージ及びY軸ステージをピエゾ効果を利用してスライダをX軸及びY軸方向に移動するピエゾステージによって構成し、X軸ピエゾステージがX軸方向に2Hzで振動しながらY軸ピエゾステージがY軸方向に2μm/sの送り速度で前記第1工程のスライダ底面を観察カメラによって撮影することを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided an X-axis stage in which an optical waveguide supports a slider having an opening in a bottom direction and moves only in an X-axis direction; A Y-axis stage that moves only in the direction, a laser-gripping jig that grips the semiconductor laser element separately in the direction of the bottom surface of the slider supported by the X-stage and the Y-axis stage, and the upper surface of the slider An observation camera that captures a plurality of frame images at a predetermined frame rate; and a control unit that controls movement of the slider in the XY-axis direction by the X-axis stage and the Y-axis stage and imaging by the observation camera; and a semiconductor laser element; While moving the slider in the XY axis direction, a plurality of frame images are taken from the bottom surface side of the slider at a predetermined frame rate. An optical component high-precision alignment method for positioning a semiconductor laser element and an optical waveguide based on a frame image, wherein the control means moves the slider in the XY-axis direction by moving the XY-axis stage. A first step of capturing a plurality of frame images captured every predetermined frame, and extracting a reference frame image having the highest illuminance from the plurality of frame images acquired in the first step. A second step, a third step of extracting a peripheral frame image based on the reference coordinates of the reference frame image extracted in the second step, a reference frame image extracted in the second step and the third step, and an XY periphery The target coordinates estimated as the optical axis of the laser beam are obtained by performing a second-order approximation for each illuminance value of the frame image for each XY axis. And a fifth step of positioning the slider at the target coordinates calculated in the fourth step. The invention according to claim 2, wherein the reference coordinate is used as a reference in the third step. A peripheral frame image separated by a predetermined number in the X-axis and Y-axis directions, a peripheral frame image separated by a predetermined distance with reference to the reference coordinates, or a peripheral frame image of a predetermined area based on the reference coordinates. According to a third aspect of the present invention, in the alignment method according to any one of the above features, the laser beam diameter emitted from the semiconductor laser element is 1 μm, the optical waveguide diameter of the slider is 1 μm, and the frame rate of the observation camera. Is set to 100 fps, the XY scanning plane area of the slider is set to 10 μm × 10 μm, and the slider is connected to the X-axis stage and the Y-axis stage. The slider is composed of a piezo stage that moves in the X-axis and Y-axis directions using the piezo effect. The Y-axis piezo stage vibrates at 2 Hz in the Y-axis direction while the X-axis piezo stage vibrates at 2 Hz in the X-axis direction. The bottom surface of the slider in the first step is photographed with an observation camera at a feeding speed.
請求項3記載の発明は、半導体レーザ素子から発するレーザ光を光導波路が底面方向に開口されたスライダ一上面に照射し、前記半導体レーザ素子とスライダとをXY軸方向に移動させながらスライダ底面側から所定フレームレートによる複数フレーム画像の撮影を行い、前記撮影したフレーム画像に基づいて半導体レーザ素子と光導波路との位置決めを行う光学部品の高精度調芯装置であって、前記スライダを支持してX軸方向のみに移動するX軸ステージと、前記スライダを支持してY軸方向のみに移動するY軸ステージと、前記X軸ステージ及びY軸ステージに支持されたスライダの底面方向に半導体レーザ素子を離間して把持するレーザ把持治具と、前記スライダの上面方向に位置して所定フレームレートによる複数フレーム画像の撮影を行う観察カメラと、前記X軸ステージ及びY軸ステージによるスライダのXY軸方向移動制御及び前記観察カメラによる撮影を制御する制御手段とを備え、前記制御手段が、前記XY軸ステージの移動によってスライダをXY軸方向に移動しながらスライダの底面を観察カメラによって撮影し、所定フレーム毎に撮影した複数のフレーム画像を取得する第1工程と、前記第1工程によって取得した複数のフレーム画像内から最も照度が大きい基準フレーム画像を抽出する第2工程と、前記第2工程によって抽出した基準フレーム画像の基準座標を基準とした周辺フレーム画像を抽出する第3工程と、前記第2工程及び第3工程によって抽出した基準フレーム画像及びXY周辺フレーム画像の各照度値をXY軸毎に二次近似演算することによってレーザ光の光軸と推定される目標座標を算出する第4工程と、前記第4工程によって算出した目標座標にスライダを位置づける第5工程とを行うことを特徴とし、請求項4記載の発明は、前記第3工程において、前記基準座標を基準としてX軸及びY軸方向に所定数離れた周辺フレーム画像、又は前記基準座標を基準として所定距離だけ離れた周辺フレーム画像、又は前記基準座標を基準とした所定領域の周辺フレーム画像を抽出することを特徴とし、請求項6記載の発明は、前記何れかの特徴の調芯装置において、前記半導体レーザ素子が発光するレーザ光径が1μm、前記スライダの光導波路径が1μm、観察カメラのフレームレートが100fpsの条件のとき、前記スライダのXY走査平面領域を10μm×10μmに設定し、前記スライダをX軸ステージ及びY軸ステージをピエゾ効果を利用してスライダをX軸及びY軸方向に移動するピエゾステージによって構成し、X軸ピエゾステージがX軸方向に2Hzで振動しながらY軸ピエゾステージがY軸方向に2μm/sの送り速度で前記第1工程のスライダ底面を観察カメラによって撮影することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the laser beam emitted from the semiconductor laser element is irradiated to the upper surface of the slider whose optical waveguide is opened in the bottom direction, and the bottom surface side of the slider is moved while moving the semiconductor laser element and the slider in the XY axis direction. A high-precision alignment device for an optical component that captures a plurality of frame images at a predetermined frame rate and positions a semiconductor laser element and an optical waveguide based on the captured frame images, and supports the slider An X-axis stage that moves only in the X-axis direction, a Y-axis stage that supports the slider and moves only in the Y-axis direction, and a semiconductor laser element toward the bottom surface of the slider supported by the X-axis stage and the Y-axis stage A laser gripping tool that grips the frame at a distance, and a plurality of frame images at a predetermined frame rate positioned in the upper surface direction of the slider. An observation camera for performing shadowing, and control means for controlling movement of the slider in the XY-axis direction by the X-axis stage and Y-axis stage and photographing by the observation camera, and the control means is configured by moving the XY-axis stage. A first step of photographing the bottom surface of the slider with an observation camera while moving the slider in the XY-axis direction, and acquiring a plurality of frame images taken for each predetermined frame, and a plurality of frame images acquired by the first step A second step of extracting a reference frame image having the highest illuminance; a third step of extracting a peripheral frame image based on the reference coordinates of the reference frame image extracted in the second step; and the second and third steps. Second-order approximation calculation is performed for each XY axis for each illuminance value of the reference frame image and the XY peripheral frame image extracted by the process. Therefore, the fourth step of calculating the target coordinates estimated as the optical axis of the laser beam and the fifth step of positioning the slider at the target coordinates calculated in the fourth step are performed, and the invention according to claim 4 In the third step, a peripheral frame image separated by a predetermined number in the X-axis and Y-axis directions with respect to the reference coordinates, or a peripheral frame image separated by a predetermined distance with reference to the reference coordinates, or the reference coordinates A peripheral frame image of a predetermined region as a reference is extracted, and the invention according to claim 6 is characterized in that, in the alignment apparatus of any one of the above characteristics, a laser beam diameter emitted from the semiconductor laser element is 1 μm, When the optical waveguide diameter of the slider is 1 μm and the frame rate of the observation camera is 100 fps, the XY scanning plane area of the slider is set to 10 μm × 10 μm, The slider is composed of a piezo stage that moves the slider in the X-axis and Y-axis directions using the piezo effect, and the X-axis piezo stage vibrates at 2 Hz in the X-axis direction. The piezoelectric stage is characterized in that the bottom surface of the slider in the first step is photographed by an observation camera at a feed rate of 2 μm / s in the Y-axis direction.
本発明による光学部品の高精度調芯方法及び高精度調芯装置は、複数のフレーム画像内から最も照度が大きい基準フレーム画像及び前記基準フレーム画像を基準としたXY周辺フレーム画像の各照度値をXY軸毎に二次近似演算してレーザ光の光軸と推定される目標座標を算出ことによって、スライダの光導波路と半導体レーザ素子とを高精度且つ高速に調芯することができる。 The high-precision alignment method and high-precision alignment apparatus for optical components according to the present invention provide a reference frame image having the highest illuminance among a plurality of frame images, and each illuminance value of an XY peripheral frame image based on the reference frame image. By calculating quadratic approximation for each XY axis and calculating the target coordinates estimated as the optical axis of the laser beam, the optical waveguide of the slider and the semiconductor laser element can be aligned with high accuracy and at high speed.
以下、本発明による光学部品の高精度調芯方法及び高精度調芯装置の一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
[前提説明]
まず、本発明の調芯方法及び装置が対象とする磁気ヘッドスライダにおける調芯技術を図1を参照して説明する。本発明の対象とする調芯技術は、図4に示す如く、磁気ディスク装置用のスライダ26に開口された光導波路30とサブマウント40により支持されレーザ光90を発する半導体レーザ素子01の光軸を高精度に位置づけるためのものであって、前記レーザ光90を発する半導体レーザ素子01を固定した状態でスライダ26をXY軸方向に移動させながら図示しないNFPカメラがスライダ26の底面側から撮影を行い、撮影光量が最大となるスライダ26のXY軸座標に基づいてスライダ26の位置決めを行い、この後にスライダ26の光導波路30に半導体レーザ素子01を降下させ、スライダ26とサブマウント40間のUV硬化樹脂に紫外線を照射して硬化させることによって調芯及び固着を行うものである。
Hereinafter, an embodiment of a high-precision alignment method and a high-precision alignment apparatus for optical components according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Assumptions]
First, an alignment technique in a magnetic head slider targeted by the alignment method and apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, the alignment technique of the present invention is an optical axis of a semiconductor laser device 01 that emits laser light 90 supported by an optical waveguide 30 and a submount 40 that are opened in a slider 26 for a magnetic disk device. The NFP camera (not shown) takes a picture from the bottom side of the slider 26 while moving the slider 26 in the XY axis direction with the semiconductor laser element 01 emitting the laser light 90 fixed. Then, the slider 26 is positioned based on the XY axis coordinates of the slider 26 that maximizes the amount of light to be photographed. Thereafter, the semiconductor laser device 01 is lowered to the optical waveguide 30 of the slider 26, and the UV between the slider 26 and the submount 40. Alignment and fixation are performed by irradiating the cured resin with ultraviolet rays and curing it.
[構成説明]
さて、本実施形態による高精度調芯装置は、図1に示す如く、図中の右側に描いた半導体レーザ素子01及びスライダ26を搭載し相対的にXYZ軸方向移動し、半導体レーザ素子01から照射されてスライダ26の光導波路30を通過したレーザ光をNFP(near field pattern:近視野像観察)カメラ23によって撮影する機構系ユニットと、図中の左側に描いた前記機構系ユニットの各XYZ軸方向の移動及び撮影を制御する制御コンピュータ18と、前記制御コンピュータ18からの制御信号によって前記機構系ユニットの各部位を駆動するための駆動回路系ユニットとから構成される。
[Description of configuration]
As shown in FIG. 1, the high-precision alignment device according to the present embodiment is mounted with the semiconductor laser element 01 and the slider 26 depicted on the right side in the drawing, and moves relative to the XYZ axes. A mechanism unit that shoots the irradiated laser beam through the optical waveguide 30 of the slider 26 with an NFP (near field pattern observation) camera 23, and each XYZ of the mechanism unit depicted on the left side in the drawing. The control computer 18 controls axial movement and imaging, and a drive circuit system unit for driving each part of the mechanical system unit according to a control signal from the control computer 18.
前記機構系ユニットは、除振台07上に搭載されてスライダ26をY軸方向のみに移動するY軸ステージ05と、前記Y軸ステージ05によって支持されてスライダ26をX軸方向のみに移動するX軸ステージ04と、前記X軸ステージ04及びY軸ステージ05によって支持され、半導体レーザ素子01を搭載したレーザ把持治具03と、除振台07上に搭載されてZ軸方向のみ移動するZ軸ステージ02と、スライダ26を搭載し、前記Z軸ステージ02上に搭載されたX軸ピエゾステージ27及びY軸ピエゾステージ28と、除振台07上に搭載されてZ軸方向のみに移動するZ軸ステージ25と、前記Z軸ステージ25によって支持されたNFP(near field pattern:近視野像観察)カメラ23及びNFP光学系24と、前記スライダ26の側面方向の画像を撮影するためのCCD(Charge Coupled Device)カメラ22とから構成される。 The mechanical system unit is mounted on the vibration isolation table 07 and moves the slider 26 only in the Y-axis direction. The mechanism unit is supported by the Y-axis stage 05 and moves the slider 26 only in the X-axis direction. A Z-axis stage 04, a laser gripping jig 03 supported by the X-axis stage 04 and the Y-axis stage 05 and mounted with the semiconductor laser element 01, and a Z mounted on the vibration isolation table 07 and moving only in the Z-axis direction. Mounted on the axis stage 02 and the slider 26, mounted on the X-axis piezo stage 27 and the Y-axis piezo stage 28 mounted on the Z-axis stage 02, and the vibration isolation table 07, and move only in the Z-axis direction. Z-axis stage 25, NFP (near field pattern) camera 23 supported by Z-axis stage 25, and NFP optical system 24 and a CCD (Charge Coupled Device) camera 22 for taking an image in the lateral direction of the slider 26.
前記駆動回路系ユニットは、前記NFPカメラ23及びNFP光学系24を制御するためのカメラコントローラ20と、前記XYZ軸ステージを駆動するためのモータドライバ21と、前記X軸ピエゾステージ27及びY軸ピエゾステージ28を駆動するための微細XY軸コントローラ08と、半導体レーザ素子01の発光を制御するファンクションジェネレータ12及びLDドライバ09とから構成される。なお、前記X軸ピエゾステージ27及びY軸ピエゾステージ28は、圧電性物質の結晶に電圧を加えることによって電圧に比例した歪みによる動作力が発生するピエゾ効果を利用したステージである。 The drive circuit system unit includes a camera controller 20 for controlling the NFP camera 23 and the NFP optical system 24, a motor driver 21 for driving the XYZ axis stage, the X axis piezo stage 27 and the Y axis piezo. A fine XY axis controller 08 for driving the stage 28, a function generator 12 for controlling light emission of the semiconductor laser element 01, and an LD driver 09 are configured. The X-axis piezo stage 27 and the Y-axis piezo stage 28 are stages using a piezo effect in which an operating force is generated by distortion proportional to the voltage by applying a voltage to the crystal of the piezoelectric material.
前記制御コンピュータ18は、ディスプレイ19を含み、一般のCPU(Central Processing Unit)、メモリ、磁気ディスク装置等の記憶手段、キーボード等の入出力機器、各種インターフェース機器、基本OS(オペレーティングシステム)及び各種ソフトウェアを含むものであって、本実施形態においてはソフトウェアによって、NFPカメラ23及びCCDカメラ22とリンクするためのカメラリンク17と、前記ピエゾXY軸ピエゾステージ27及び28を駆動するためのモータドライバ21を制御するモータコントローラ16と、アナログデータとディジタルデータ間の変換を行うAD変換器15及びDA変換器14とを備える。 The control computer 18 includes a display 19, a general CPU (Central Processing Unit), memory, storage means such as a magnetic disk device, input / output devices such as a keyboard, various interface devices, basic OS (operating system), and various software In this embodiment, a camera link 17 for linking with the NFP camera 23 and the CCD camera 22 and a motor driver 21 for driving the piezo XY axis piezo stages 27 and 28 are provided by software in this embodiment. A motor controller 16 to be controlled, and an AD converter 15 and a DA converter 14 for converting between analog data and digital data are provided.
[動作説明]
このように構成された高精度調芯装置の全体動作は、図1及び図2に示す如く、半導体レーザ素子01をレーザ把持治具03にセットする工程S21と、スライダ26を前記X軸ピエゾステージ27及びY軸ピエゾステージ28にセットする工程S23と、半導体レーザ素子01の発光によるフォーカス制御によって合焦点の位置調整を行う工程S24と、前記半導体レーザ素子01とスライダ26の上面間にギャップを設けた状態でX軸ステージ04及びY軸ステージ05を第1の所定速度で移動させながら半導体レーザ素子01からの光導波路30を通過したレーザ光をNFPカメラ23によって受光し、前記受光したレーザ光の光量(照度)が最も大きいフレームのXY座標にスライダ26をX軸ステージ04及びY軸ステージ05によって粗調芯位置づけを行う工程S25と、スライダ26を半導体レーザ素子01に接近させてギャツプが最小になるように降下させる工程S26と、前記X軸ピエゾステージ27及びY軸ピエゾステージ28を第2の所定速度で移動させながら半導体レーザ素子01からの光導波路30を通過したレーザ光をNFPカメラ23によって受光し、前記受光したレーザ光の光量(照度)が最も大きいフレームのXY座標に基づいて後述する調芯計算を用いてスライダ26をX軸ピエゾステージ27及びY軸ピエゾステージ28によって微調芯位置づけを行う工程S27と、紫外線の照射によってレーザ素子01とスライダ26とを接着するUV接着を行う工程S28と、半導体レーザ素子01を固着したスライダ26回収する工程S29とを行うことによって、半導体レーザ素子01をスライダ26の光導波路30に高精度に調芯した状態で両者を固着する。
[Description of operation]
As shown in FIGS. 1 and 2, the overall operation of the high-precision alignment apparatus configured as described above includes the step S21 of setting the semiconductor laser element 01 on the laser gripping jig 03 and the slider 26 as the X-axis piezo stage. 27 and a step S23 for setting the Y-axis piezo stage 28; a step S24 for adjusting the position of the focal point by focus control by light emission of the semiconductor laser element 01; and a gap between the semiconductor laser element 01 and the upper surface of the slider 26. While the X-axis stage 04 and the Y-axis stage 05 are moved at a first predetermined speed in a state where the laser beam passes through the optical waveguide 30 from the semiconductor laser element 01, the NFP camera 23 receives the laser beam, and the received laser beam Slide the slider 26 to the X-axis stage 04 and the Y-axis stage 05 at the XY coordinates of the frame with the largest light intensity (illuminance) Step S25 for positioning the coarse core, step S26 for lowering the slider 26 close to the semiconductor laser element 01 to minimize the gap, and the X-axis piezo stage 27 and the Y-axis piezo stage 28. The laser beam that has passed through the optical waveguide 30 from the semiconductor laser element 01 while being moved at a predetermined speed of 2 is received by the NFP camera 23, and based on the XY coordinates of the frame that has the largest light quantity (illuminance) of the received laser beam. A step S27 for finely positioning the slider 26 with the X-axis piezo stage 27 and the Y-axis piezo stage 28 using alignment calculation, which will be described later, and UV bonding for bonding the laser element 01 and the slider 26 by ultraviolet irradiation. Step S28 and step S29 of collecting the slider 26 to which the semiconductor laser element 01 is fixed are performed. It allows to fix the both while aligning the semiconductor laser device 01 with high precision to the optical waveguide 30 of the slider 26.
特に本実施形態による高精度調芯装置は、前記工程S27による微調芯位置決め動作の際、X軸ピエゾステージ27及びY軸ピエゾステージ28を比較的高速な第2の所定速度でスキャンすることによっても高精度な位置決めを行うことができ、この高精度調芯の詳細を図1及び図3を参照して説明する。 In particular, the high-precision alignment apparatus according to the present embodiment also scans the X-axis piezo stage 27 and the Y-axis piezo stage 28 at a relatively high second predetermined speed during the fine alignment positioning operation in step S27. High-precision positioning can be performed, and details of the high-precision alignment will be described with reference to FIGS. 1 and 3.
図3は本実施形態の特徴である調芯位置決め動作の各工程を左側に描き、スライダ上に照射されるレーザ光の導波位置を右側に描いたものであって、前記XY軸ステージの移動によってスライダ26をXY軸方向に移動しながらスライダ26の底面をスキャンし、NFPカメラ23による所定フレーム(例えば、100枚/病)毎に撮影した複数のフレーム画像(スライダを粗位置決めした粗位置決め領域全体の写真画像)を取得する工程S401と、前記工程S401によって抽出した多数のフレーム画像内から最も照度が大きい座標A(基準座標)のフレーム画像f0を抽出する工程S402と、前記工程S402により抽出したフレーム画像f0のXY座標軸を基準としてXY方向に±3フレーム離れたXY周辺フレーム画像を抽出する工程S403と、前記工程S403により抽出した7フレーム画像の各照度値をXY軸毎に二次近似演算による多項式曲線フィッティングを行うことによってレーザ光軸位置と推定される座標Bを算出する微細調芯の工程S404と、前記工程S404によって算出した座標Bへスライダを移動させる工程S405とを実行することによって、高精度調芯を行うことができる。 FIG. 3 shows the steps of the alignment positioning operation, which is a feature of the present embodiment, on the left side, and the waveguide position of the laser beam irradiated on the slider on the right side, and the movement of the XY axis stage. A plurality of frame images (coarse positioning areas in which the slider is roughly positioned) are scanned every predetermined frame (for example, 100 frames / disease) by the NFP camera 23 while the slider 26 is moved in the XY axis direction by the Step S401 for acquiring the entire photographic image), Step S402 for extracting the frame image f0 having the highest illuminance coordinate A (reference coordinate) from among the many frame images extracted in Step S401, and Step S402 for extracting. XY peripheral frame images that are separated by ± 3 frames in the XY direction with reference to the XY coordinate axes of the frame image f0 Fine alignment that calculates the coordinate B estimated as the laser optical axis position by performing polynomial curve fitting by quadratic approximation operation for each XY axis for each illuminance value of the seven frame images extracted in step S403 and step S403 By executing the step S404 and the step S405 of moving the slider to the coordinate B calculated in the step S404, high-precision alignment can be performed.
ここで、前記工程S404による微細調芯の原理を説明する。従来技術における調芯技術においては、例えば、座標Aにおけるスライダを移動させるXY走査平面領域を10μm×10μm、X軸方向の振動速度を2Hz振動、Y軸方向の送り速度を2μm/秒、NFPカメラのフレームレートを100fps、レーザ光及び光導波路径を1μmの走査条件としたときの従来技術の調芯時間が5秒を要し、この位置精度を2倍向上しようとした場合、調芯精度がX軸で0.4μm、Y軸で1μmと低下するため、各走査軸の走査速度が低下し、10秒を要するものであった。 Here, the principle of fine alignment by the step S404 will be described. In the alignment technique in the prior art, for example, the XY scanning plane area for moving the slider at the coordinate A is 10 μm × 10 μm, the vibration speed in the X-axis direction is 2 Hz vibration, the feed speed in the Y-axis direction is 2 μm / second, and the NFP camera If the frame rate is 100 fps and the scanning condition of the laser beam and the optical waveguide diameter is 1 μm, the alignment time of the prior art requires 5 seconds. Since the X axis decreases to 0.4 μm and the Y axis decreases to 1 μm, the scanning speed of each scanning axis decreases, which takes 10 seconds.
これに対して本実施形態による調芯方法は、前記走査条件且つ調芯時間5秒としたとき、前記工程S402により抽出した最大照度のフレーム画像f0においてはフレームレート制限(1秒間に撮影可能なフレーム数の制限)のために本来の最大照度位置からずれたフレーム画像が選択される可能性があるものであったが、最大照度のフレーム画像f0を中心としたXY方向の所定数範囲のXY周辺フレーム画像を抽出し、前記最大照度のフレーム画像及び所定数範囲のフレーム画像を含む複数フレーム画像の二次近似演算による多項式曲線フィッティングを行い、XY座標における最高照度値のピーク座標を算出し、このピーク座標を調芯目標(レーザ光の光軸)の座標Bとして適用することによって、従来技術に比べて高速且つ高精度の調芯を行うことができる。なお、前述の実施形態においては、最も照度が大きい座標A(基準座標)を基準としてXY方向に±3フレーム離れたXY周辺フレーム画像を抽出する例を説明したが、本発明は基準座標を中心としたXY方向の任意数のフレーム画像を抽出してXY軸毎に二次近似演算による多項式曲線フィッティングを行うものに限られるものではなく、最大照度座標を基準とした所定距離や所定領域のフレーム画像を抽出対象のXY周辺フレーム画像として選択しても良く、例えば、最大輝度座標を基準とする±2umの領域内の全ての撮像フレームを対象として多項式曲線フィッティングを行うように構成しても良い。 On the other hand, in the alignment method according to the present embodiment, when the scanning condition and alignment time are set to 5 seconds, the frame rate f0 (maximum illuminance frame image f0 extracted in step S402 can be captured in 1 second). There is a possibility that a frame image deviated from the original maximum illuminance position may be selected due to the limitation on the number of frames), but a predetermined number range of XY in the XY direction centering on the frame image f0 having the maximum illuminance. A peripheral frame image is extracted, a polynomial curve fitting is performed by quadratic approximation of a plurality of frame images including the frame image of the maximum illuminance and a predetermined number of frame images, and the peak coordinate of the maximum illuminance value in the XY coordinates is calculated. By applying this peak coordinate as the coordinate B of the alignment target (laser beam optical axis), it is faster and more accurate than the prior art. It is possible to perform the core. In the above-described embodiment, the example in which the XY peripheral frame image separated by ± 3 frames in the XY direction with reference to the coordinate A (reference coordinate) having the highest illuminance has been described, but the present invention focuses on the reference coordinate. It is not limited to extracting an arbitrary number of frame images in the XY direction and performing polynomial curve fitting by quadratic approximation for each XY axis, but a frame of a predetermined distance or a predetermined region based on the maximum illuminance coordinate An image may be selected as an XY peripheral frame image to be extracted. For example, a polynomial curve fitting may be performed on all imaging frames within a range of ± 2 um with reference to the maximum luminance coordinate. .
また、本実施形態による調芯方法は、従来技術においては装置固有ノイズやカメラ素子固有の出力のバラツキや迷光成分による各種ノイズが含まれるXY座標の抽出であったが、前述の最大照度のフレーム画像及び所定数範囲のフレーム画像を含む複数フレーム画像の二次近似演算を行うことによって最小二乗法による多項式曲線フィッティングを適用し、前述のノイズ成分を除去することができ、より正確な高精度な調芯を行うことができる。 In the prior art, the alignment method according to the present embodiment is extraction of XY coordinates including various noises due to device-specific noise, camera element-specific output variations, and stray light components. By applying quadratic approximation of images and multiple frame images including a predetermined range of frame images, polynomial curve fitting by the least squares method can be applied to remove the noise components described above, and more accurate and accurate Alignment can be performed.
このように本実施形態による光学部品の高精度調芯方法及び高精度調芯装置は、光導波路が開口されたスライダに半導体レーザ素子からのレーザ光を調芯する際、スライダの所定領域とレーザ光を発する半導体レーザ素子とを相対的にXY軸移動させながら前記スライダの光導波路を通過するレーザ光を含む複数のフレーム画像を撮影し、前記撮影した複数のフレーム画像の内の最大照度のフレーム画像と前記最大照度フレーム画像を基点とした所定数範囲のXY座標のフレーム画像を抽出し、これら抽出した最大照度フレーム画像及び所定数範囲のフレーム画像を最小二乗法による二次近似演算を行うことによって、磁気ヘッドスライダの光導波路と半導体レーザ素子光軸とを高精度且つ高速に調芯することができる。 As described above, the high-precision alignment method and the high-precision alignment apparatus for optical components according to the present embodiment align the laser light from the semiconductor laser element with the slider in which the optical waveguide is opened, and the predetermined region of the slider and the laser. Taking a plurality of frame images including laser light passing through the optical waveguide of the slider while moving the semiconductor laser element emitting light relative to the X and Y axes, a frame having the maximum illuminance among the taken plurality of frame images Extracting a predetermined number range of XY coordinate frame images based on the image and the maximum illuminance frame image, and performing a second-order approximation operation using the least square method on the extracted maximum illuminance frame image and the predetermined number range of frame images Thus, the optical waveguide of the magnetic head slider and the optical axis of the semiconductor laser element can be aligned with high accuracy and at high speed.
01 半導体レーザ素子、02 Z軸ステージ、03 レーザ把持治具、
04 X軸ステージ、05 Y軸ステージ、07 除振台、
08 微細XY軸コントローラ、12 ファンクションジェネレータ、
14 DA変換器、15 AD変換器、16 モータコントローラ、
17 カメラリンク、18 制御コンピュータ、19 ディスプレイ、
20 カメラコントローラ、21 モータドライバ、22 CCDカメラ、
23 NFPカメラ、24 NFP光学系、25 Z軸ステージ、
26 スライダ、27 Y軸ピエゾステージ、28 X軸ピエゾステージ
30 光導波路
01 Semiconductor laser element, 02 Z-axis stage, 03 Laser gripping jig,
04 X-axis stage, 05 Y-axis stage, 07 vibration isolation table,
08 Fine XY axis controller, 12 function generator,
14 DA converter, 15 AD converter, 16 motor controller,
17 camera link, 18 control computer, 19 display,
20 camera controller, 21 motor driver, 22 CCD camera,
23 NFP camera, 24 NFP optical system, 25 Z-axis stage,
26 Slider, 27 Y-axis piezo stage, 28 X-axis piezo stage 30 Optical waveguide
Claims (6)
When the laser beam diameter emitted by the semiconductor laser element is 1 μm, the optical waveguide diameter of the slider is 1 μm, and the frame rate of the observation camera is 100 fps, the XY scanning plane area of the slider is set to 10 μm × 10 μm, The slider is composed of a piezo stage that moves the X-axis stage and the Y-axis stage in the X-axis and Y-axis directions using the piezo effect, and the X-axis piezo stage vibrates at 2 Hz in the X-axis direction. 6. The optical component aligning device according to claim 4, wherein the stage images the bottom surface of the slider in the first step with an observation camera at a feed rate of 2 [mu] m / s in the Y-axis direction.
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