JP2017510462A - 穿孔のシーケンスを決定する方法 - Google Patents

Abstract

一方法により、パターン状の孔をパケットへとまずパーティション化することによって、パターンに応じてワークの穿孔のシーケンスを決定する。パケットのグローバルシーケンスは、グローバル巡回セールスマン問題（ＴＳＰ）を解くことによって決定され、各パケット内の孔のローカルシーケンスは、各パケットについてローカルＴＳＰを解くことによって決定される。その後、孔のローカルシーケンスは、パケットのグローバルシーケンスに従って結合され、穿孔の完全なシーケンスが決定される。

Description

本発明は、機械を制御することに関し、より詳細には、レーザー穿孔機による穿孔の最適なシーケンスを決定することに関する。

増長し続ける電子機器の小型化を支えるために、多層回路基板には、層（strata）間に電気的接続をもたらすように小孔を高密度で穿孔することが必要である。穿孔を行うのにはレーザー穿孔機がしばしば用いられる。或る特定のレーザー穿孔機には、いくつかの通常とは異なる側面があることに留意することが重要である。第１に、レーザー穿孔の合間に経なければならない、不応期間（refractory period）と呼ばれる最低限の時間量が存在する可能性がある。不応期間は、その時間が経過する前に機械が特定の孔に到達すると、その孔において留まることを引き起こす場合がある。第２に、孔は複数回穿孔することが必要であるときがある。しかし、通常は、孔を再び穿孔することができるまでにいくらかの時間を経なければならない。

レーザー穿孔機又は同様の孔加工機によって穿孔を行う穿孔のシーケンスを決定するには多くの方法がある。最も単純な方法は、１つの孔を穿孔し、即座に次の最も近くの孔に移動し、このシーケンスを全ての孔が加工されるまで続けることである。しかし、穿孔シーケンスの不十分な最適化による極小値に起因して、機械が大きいジャンプを必要とし得る場合、上記方法では全く不十分になる場合がある。

別の選択肢は、巡回セールスマン問題（ＴＳＰ）として問題を定式化することである。しかし、通常サイズのパターンを穿孔する場合、非常に単純な手順（その結果、不十分なシーケンスとなる）又は非常に長い計算時間が必要とされる。

特許文献１は、ＴＳＰの定式化を用いてルートの決定に必要な計算時間を短縮することが可能なレーザー穿孔のルート決定方法を記載している。巡回セールスマン問題を応用することによって、複数の既定の穿孔位置に関する情報に基づいて一連のレーザービーム位置を規定するルートが決定される。ＴＳＰに基づくルート決定は、穿孔位置を複数のバケットに分割するステップと、移動ルートを決定して複数の分割されたバケットの移動順を規定するステップと、各分割されたバケットにおいてレーザービームの始点及びレーザービームの終点を決定するステップと、各分割されたバケットの始点と終点との間のレーザービーム位置の最短ルートを決定し、或る特定のバケットの終点を次に移動するバケットの始点に接続するステップとを含む。

図２Ｂに示されているように、上記方法は、準最適となり得る、バケットのための所定の蛇行順序を用いる。上記方法はまた、同様に準最適となり得る、次のバケット内の最小距離に基づく始点及び終点を用いる。最後に、上記方法は、レーザーの不応期間等のレーザー穿孔機に存在し得る特定事項のうちのいくつかを考慮しない。

特許化されている別の方法（特許文献２）は、孔のマップ上のユークリッド距離としてではなく、所与の孔を穿孔するために全ての軸が移動する必要のある組合せ距離として、ＴＳＰにおいて各孔間の距離を評価することにより、最適化されたシーケンスを生成することを記載している。

特開２００１−１９５１１２号公報 米国特許第８，３６２，３９２号明細書

本発明の実施形態で用いる巡回セールスマン問題（ＴＳＰ）において用いられるコストは、シーケンスにおける孔間の遷移を緻密に推定することを試みている。このコストは、ユークリッド距離又は穿孔する時間に基づくことができる。さらに、このコストは、後続の穿孔間に必要なレーザーの不応期間を考慮することを試みている。これは、このコストが機械の遷移時間を合理的に推定すると仮定して、最小オペレーターを用いて達成することができる。代替的に、期間を時間推定関数（又は同様の関数）の逆関数に通して同等のコストを得ることができる。

具体的には、一方法により、穿孔機によるパターンに応じて穿孔のシーケンスを決定する。パターン状の孔はパケットへとパーティション化される。パケットのグローバルシーケンスは、グローバル巡回セールスマン問題（ＴＳＰ）を解くことによって決定され、各パケット内の孔のローカルシーケンスは、ローカルＴＳＰを解くことによって決定される。その後、ローカルシーケンスはグローバルシーケンスに従って結合され、穿孔のシーケンスが決定される。

本発明では、異なる２つのＴＳＰ問題、すなわち、１つはパケットのグローバルシーケンスについてのＴＳＰ問題、そしてもう１つは各パケット内の孔の各ローカルシーケンスについてのＴＳＰ問題を解くことが留意される。従来技術において、パケットのグローバルシーケンスは予め決定されており、ＴＳＰを用いて最適化されない。特許文献１を参照されたい。

穿孔機によるパターンに応じた穿孔のシーケンスを決定する方法のフロー図である。 本発明の実施形態による、穿孔される非結合パケットへの孔の反復及びパーティション化を含む例示的な穿孔パターンの図である。 本発明の実施形態による、パケットの最適化されたグローバルシーケンスに従って互いに結合される孔の最適化されたローカルシーケンスを生成するグローバルＴＳＰ及びローカルＴＳＰソルバー（solver）によって解かれる例示的な穿孔パターンの概略図である。 グローバル最小化を伴わない従来技術の穿孔順の概略図である。 本発明の実施形態による、３×３グリッドのノードを重ね、各ノードに対して最も近い孔を選択することを用いる単一パケットの例示的な始点及び終点の概略図である。 １つのパケット内の１つのノードから隣接するパケット内の全てのノードへの接続（実線）、及び１つのパケット内の１つのノードから同じパケット内の全てのノードへの接続（破線）を伴う部分的なグローバルＴＳＰの概略図である。 始点（ＳＰ）及び終点（ＥＰ）の最適なローカルシーケンスを決定するのを助けるためローカルＴＳＰに付加した２つの仮想ノードの概略図である。

図１Ａに示されているように、本発明の実施形態は、穿孔機１４０によりパターン１００に応じてワーク（workpiece）１４２に穿孔するシーケンスを決定する方法を提供する。図１Ａにおいて、細い線はデータフローを示し、太い線はプロセスフローを示している。本方法は、グローバル巡回セールスマン問題（global TSP）とローカル巡回セールスマン問題（local TSP）との組合せとして定式化される。具体的には、パターン状の孔はパケット１０２へとパーティション化される。グローバルＴＳＰを解き（１１０）、パケットのシーケンス１１１を決定する。各パケットについてローカルＴＳＰを解き（１２０）、各パケット内の孔のローカルシーケンス１２１を決定する。その後、パケットのグローバルシーケンスに従って孔のローカルシーケンスを結合し（１３０）、穿孔機１４０によってワーク１４２に穿孔するシーケンス１３１を決定する。本方法は、当該技術分野において既知のバスによってメモリ及び入出力インターフェースに接続されたプロセッサ１５０において実行することができる。

１つの実施形態において、グローバルグラフ１１５を用いてグローバルＴＳＰを解く。ここでは、頂点は、各パケットの１組の始点候補及び１組の終点候補を表す。また、ローカルグラフ１２５を用いて各ローカルＴＳＰを解く。ここでは、頂点は孔を表す。

別の実施形態において、グローバルグラフの頂点は、各パケットのロケーションを表し、ローカルグラフの頂点は、グローバルシーケンスにおける現在のパケットに対する前のパケットのロケーション、次のパケットのロケーション、及び孔を表す。

頂点間のエッジはコストを表し、シーケンスを最適化するように解いている間に最小化される。

図１Ｂは、例えば、９つ｛１，２，．．．．，９｝のパケット１０２へとパーティション化される孔１０１のパターン１００を示している。パターンが孔の反復サブパターンを含むならば、このパーティション化はサブパターンに適合され得る。また、このパーティション化により、パケット内の孔の密度を均等化することができる。このパーティション化はまた恣意的（arbitrary）であり得ることが理解される。

図２Ａは、図１Ｂのパターンの最適なシーケンスを示している。図２Ａに示されているように、グローバルＴＳＰは、パケット、例えば、｛１，２，．．．．，９｝を訪れる最適なグローバルシーケンス１１１を決定する。ローカルＴＳＰは、各パケット１０２内の孔が穿孔される最適なローカルシーケンス１２１を決定する。次に、ローカルシーケンスをグローバルシーケンスに従って結合する。最適なシーケンスは、初期ＳＰ２０１と、次いで、パケットを結合するＥＰ及びＳＰの対２０２及び２０３と、最終ＥＰ２０４とを含む。パケットのグローバルシーケンス並びに各パケット内のＳＰ及びＥＰが既知の場合、現在のパケットのＥＰと次のパケットのＳＰとの間の経路が暗に規定される。

グローバルグラフは、パケットが穿孔される順序並びにパケットの各ローカルシーケンスのＳＰ及びＥＰを決定する。これは、各パケットに対するノードのサブセットが、ＳＰ及びＥＰの候補を表すグローバルグラフに含まれるように、グローバルＴＳＰグラフを構築することによって実行される。次いで、これらのＳＰ及びＥＰの候補は、全てのパケット内のノードを順次訪れることになるコストを用いてグローバルグラフにおける単一パケット内に接続され、したがって、最初及び最後のＳＰ及びＥＰの候補が、それぞれそのパケットのＳＰ及びＥＰとして選択される。

図３に示されているように、パケットのＳＰ及びＥＰの候補は、ノード３００のグリッドを各パケット１０２に重ねることで決定される。ＳＰ及びＥＰの数及びロケーションは、ＳＰ及びＥＰの候補点の良好な表現を構築する任意の方法で選択することができる。各ノードに対して最も近くの孔３０１が特定される。次いで、最適なＳＰ及びＥＰが、ノード及び孔ノードを用いて決定される。

図４に示されているように、各パケット内の各ノードから全ての隣接するパケット内の全てのノードに対する接続（実線）４０１が決定され、また、各ノードから同じパケット内の全てのノードに対する接続（破線）４０２が決定される。パケット内接続のコストは、グローバルＴＳＰを解くことによって生成されるグローバルシーケンスにおいて、全てのパケット内ノードを順次訪れるようになっているが、一方、全てのパケット間接続は、ＥＰとＳＰとの間のコストを最小化する。したがって、最終シーケンスは、パケットのグローバルシーケンス並びに各個別のパケットに対する最適なＳＰ及びＥＰを示す。次いで、これらのＳＰ及びＥＰを用いて、各パケットに対して最適なローカルＴＳＰを構築することができる。

グローバルグラフが完成した後、ＴＳＰソルバー（solver）は、接続に基づくパケットの最適なグローバルシーケンス１１１を生成し、その後、ＳＰ及びＥＰに基づく各パケット内の孔の最適なローカルシーケンスについてローカルＴＳＰを解く。最後に、最適なグローバルシーケンスに応じて最適なローカルシーケンスが結合され、ワークに穿孔するシーケンスが決定される。

コストとは、特筆されない限り、距離、例えば２つの孔間のユークリッド距離、又は２つの孔の遷移に必要な時間を表す。コストは、このコストが穿孔機の遷移時間の良好な推定であると仮定する場合、最小オペレーターを用いて決定することができるレーザーの不応期間（refractory period）も考慮に入れることができる。代替的に、期間を、時間推定関数の逆関数又は同様の関数に通すことで、同等のコストを得ることができる。

代替的な一実施形態において、図５に示されているように、ローカルシーケンスの決定を助けるために２つの仮想孔５０１及び５０２が各パケットに付加されている。現在のパケットに対して、第１の仮想孔５０１は前のパケットに関連付けられ、第２の仮想孔５０２は次のパケットに関連付けられる。前のパケットに最も近い孔又は交差ロケーションを選択する代わりに、２つの仮想孔５０１及び５０２、すなわち穿孔されない孔がローカルＴＳＰに付加され、各パケットに対するＳＰ及びＥＰを決定する。

この代替的なローカルＴＳＰにおいて、全ての孔が上記のように接続されるが、前のパケット及び次のパケットの加工されるロケーション、すなわち、パケットの幾何学的中心又はパケットの（孔に対する）質量中心の或る推定に従って、２つの追加の仮想孔には座標が付加される。次に、これらの２つの仮想孔は、図３に示されている実際の孔間の（inter-real-hole）計算と同様のコスト計算を用いて、現在のパケット内の全ての孔に接続される。２つの仮想孔は、双方の孔が、例えばゼロ又は負のコストを有するグローバルシーケンスに順次穿孔されることを確実にするコストに接続される。次に、前のパケット内の仮想孔がこのシーケンスにおいて最初であり、次のパケット内の仮想孔が最後であることを確保するための可能な再シーケンシングに従って、このシーケンスからの双方の仮想孔を除去することにより、このシーケンスは、パケットに用いるための最適なＳＰ、ＥＰ、及びローカルシーケンスを規定する。

この代替的な実施形態において、各パケットは単一のノードによって表され、グローバルシーケンスは、このようにして構築されたＴＳＰを解くことによって生成される。グローバルＴＳＰのこの定式におけるノードは、他の可能な表現の中でも、上述のようなパケットの幾何学的中心又は質量中心を表すことができる。

さらに、各孔に対して複数回の穿孔が必要である場合、ローカルＴＳＰは、特定の回数穿孔される実際の各孔を含む最適なシーケンスを生成するように拡張することができる。例えば、各孔が２回の穿孔を必要とする場合、実際の各孔の２回目の例を、レーザーによる２回目の穿孔を表すＴＳＰに付加することができる。各２回目の孔は、上述のコストを用いてＴＳＰにおいて１つおきの孔に接続されるが、１つの例外もある。全ての実際の孔がそのコピー、すなわち関連付けられる孔に接続され、その期間は、孔を再び穿孔する間の必要な時間を表すか、又は、時間推定が孔間のコストに用いられない場合、均等なコストは遅延を表す。これにより、ローカルＴＳＰは、パケットの複数回の穿孔を実行する最適なシーケンスを決定することが可能である。

他の場合、パケットの穿孔シーケンスを反復することにより複数回の穿孔の処理を行うことが好ましい場合がある。しかし、パケット内の所与の孔の２回の穿孔の間の時間が、再穿孔間に必要とされる最小値よりも小さい場合、これはパケットが小さい場合に起こり得るが、その場合には、穿孔機はアイドリング状態のままであり、パターンのための全体の加工時間は増大する。

この場合に対処するため、上述したグローバルＴＳＰに対する拡張を用いることができる。この拡張とは、パケットの反復ごとに１つずつ、所与のパケットの可能なＳＰ及びＥＰの複数のコピーをグローバルＴＳＰに追加することである。これらのコピーは、所与のパケットのＳＰ及びＥＰのコピーが、再穿孔間の最小時間と同等のコストを用いて互いに接続されることを除いて、オリジナルコピーと同じ方法で接続される。コピー間のコストは、パケット内の全ての孔の１回の加工に必要な時間を推定することによって、例えば、Ｈｅｌｄ−Ｋａｒｐ手順から得られる、より低い境界を用いることによって、更に向上することができる。

例えば回路基板上に孔を生成するのに用いるパターンは、反復性が高いことが多く、すなわち、同じサブパターンの複数の例が存在する。パターンをサブパターンに応じてパケットへとパーティション化することにより、ローカルＴＳＰシーケンスを構築する処理時間を大幅に低減することができる。

特に、仮想孔を有する１つのローカルＴＳＰにとって最適化されたシーケンスを与えると、最適化されたシーケンスは、仮想孔をオリジナルＴＳＰから新たなＴＳＰの仮想孔に交換することによって速やかに生成することができ、オリジナルＴＳＰシーケンスの正確なシーケンスの後に初期シーケンスが確立され、例えばＫ−Ｏｐｔローカルサーチ手順を用いて、交差するルートを再度順序付ける、ＴＳＰ最適化手順を新たなＴＳＰに対して実行する。

Claims (16)

1. パターンに応じてワークにおける穿孔のシーケンスを決定する方法であって、前記パターンは複数のパケットにパーティション化され、孔は穿孔機によって穿孔され、該方法は、
   グローバル巡回セールスマン問題（ＴＳＰ）を解くことによって、前記パケットのグローバルシーケンスを決定するステップと、
   各前記パケットのローカルＴＳＰを解くことによって、各前記パケット内の前記孔のローカルシーケンスを決定するステップと、
   前記パケットの前記グローバルシーケンスに応じて前記孔の前記ローカルシーケンスを結合して、前記穿孔機によって前記孔を穿孔する完全なシーケンスを決定するステップと、
   を含み、前記ステップはプロセッサが実行する、方法。
2. 前記パーティション化を、前記孔の反復サブパターンを用いるように適合させることを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記パーティション化を、各前記パケット内の前記孔の密度を均等化するように適合させることを更に含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記グローバルＴＳＰを、グローバルグラフを用いて解き、ここで、頂点は１組の始点（ＳＰ）候補及び１組の終点（ＥＰ）候補を表し、各ローカルＴＳＰを、前記グローバルＴＳＰから決定される前記ＳＰ及び前記ＥＰを考慮に入れてローカルグラフを用いて解き、ここで、前記頂点は前記孔を表す、請求項１に記載の方法。
5. 前記グローバルＴＳＰを、グローバルグラフを用いて解き、ここで、前記グローバルグラフの頂点は各前記パケットのロケーションを表し、ローカルグラフの頂点は、前記グローバルシーケンスにおける現在のパケットに対する前のパケットのロケーション及び次のパケットのロケーション並びに前記孔を表す、請求項１に記載の方法。
6. 前記グローバルＴＳＰ及び前記ローカルＴＳＰは、穿孔される任意の２つの連続する孔間のユークリッド距離を最小化する、請求項１に記載の方法。
7. 前記グローバルＴＳＰ及び前記ローカルＴＳＰは、前記穿孔機が任意の２つの連続する孔間を移動する時間を最小化する、請求項１に記載の方法。
8. 特定の孔が穿孔される各時間ごとに該特定の孔の例を前記ローカルＴＳＰに付加するとともに、前記特定の孔を再び穿孔する間の最小時間を考慮するようにコストを適合させることを更に含む、請求項１に記載の方法。
9. 特定の孔が穿孔される各時間ごとに該特定のパケットの例を前記グローバルＴＳＰに付加するとともに、前記特定のパケットを再び穿孔する間の最小時間を考慮するように前記グローバルＴＳＰのコストを適合させることを更に含む、請求項１に記載の方法。
10. グラフを用いて前記ローカルＴＳＰを解き、ここで、頂点は前記孔を表し、エッジは、前記穿孔機においてレーザーの不応期間を考慮するコストを表す、請求項１に記載の方法。
11. グラフを用いて前記グローバルＴＳＰ及び前記ローカルＴＳＰを解き、頂点は前記孔を示し、エッジは、同等のコストを得るために時間推定関数の逆関数を通して得た期間を表すコストを示す、請求項１に記載の方法。
12. グリッドのノードを各前記パケットに重ねて、前記グローバルシーケンスの各前記パケット内の前記ＳＰの候補セット及び前記ＥＰの候補セットを決定することを更に含む、請求項４に記載の方法。
13. 反復パターンに前記パーティション化を適用することと、
    各反復パターンについて前記ローカルＴＳＰの単一の例を解くことと、
    前記反復パターンの各前記パケット内の始点及び終点に従って前記穿孔する完全なシーケンスを最適化することと、
    を更に含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記パケットの前記ロケーションは幾何学的中心である、請求項５に記載の方法。
15. 前記パケットの前記ロケーションは前記孔に対する前記パケットの質量中心である、請求項５に記載の方法。
16. 前記最適化はＫ−Ｏｐｔローカルサーチ手順を用いる、請求項１３に記載の方法。

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