JP4467333B2

JP4467333B2 - レーザ加工装置及び加工方法

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Publication number: JP4467333B2
Application number: JP2004056347A
Authority: JP
Inventors: 城輝大西
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2024-03-01
Also published as: JP2005246392A

Description

本発明は、ステージに載置した加工対象物を停止させることなく移動させながら、ビーム走査器でレーザビームを走査し、所望の位置にレーザビームを入射させることによりレーザ加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

下記特許文献１〜３に、加工対象物を停止させることなく移動させながら、レーザビームを走査して加工を行う方法（このような加工を「非停止加工」という。）が開示されている。ガルバノスキャナ等のビーム走査器は、ミラーの幾何学的な配置が原因となって生じる歪（「ピンクッション歪」と呼ばれる。）を有している。また、一般的に、加工対象物を保持するステージとビーム走査器との間に、レーザビームを集光するｆθレンズが配置される。ｆθレンズは、その光学設計上のリニアリティ誤差が原因となる歪（「リニアリティ歪」と呼ばれる。）を有する。これらの歪が原因となり、レーザビームが実際に入射する位置（実入射位置）が、ビーム走査器に指令されたレーザビームを入射させるべき位置（指令位置）からずれてしまう。

特許文献４〜７に、ピンクッション歪やリニアリティ歪を補償して、レーザビームを所望の位置に入射させる技術が開示されている。

以下に、特許文献４及び５に開示された補償方法について説明する。ビーム走査器による走査可能範囲内に複数の基準点を定義する。各基準点の位置を指令位置として実際にレーザビームを入射させる。基準点から実際にレーザビームの入射した実入射位置までのずれを検出する。基準点ごとに、このずれ情報を記憶しておき、実際の加工時には、このずれ情報に基づいて指令位置を補正する。基準点は、走査可能領域内に離散的に分布するため、実際の補正処理に適用されるずれ情報は、補間演算を行うことにより決定される。

次に、特許文献６及び７に開示された補償方法について説明する。ビーム走査器に与えられる指令位置をレーザビームの実入射位置に変換するための関数を決定する。予め、この関数の逆関数の近似式を求めておく。レーザビームを入射すべき目標位置が決定されると、この目標位置に逆関数を作用させて、その結果を指令位置とする。

特許文献４〜７に開示された加工方法は、加工対象物の移動と停止とを繰り返し、加工対象物が停止している期間にレーザビームを入射させる方法（このような加工を、「ステップアンドリピート加工」という。）である。

特許第３００９７４０号公報特開２０００−１００６０８号公報特開２００２−１５６７号公報特公平５−１３７５７号公報特許第３０７７５３９号公報特許第２６１６９９０号公報特公平６−２１９０２号公報

非停止加工においても、ピンクッション歪やリニアリティ歪を補正することが望まれる。ところが、従来のピンクッション歪やリニアリティ歪を補正する方法を非停止加工に適用することは困難である。

本発明の目的は、非停止加工において、ピンクッション歪やリニアリティ歪を効果的に補正し、レーザビームの入射位置精度を高めることが可能なレーザ加工装置及び加工方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
加工対象物を保持し、加工面に平行な少なくとも１次元方向に、該加工対象物を移動させるステージと、
前記ステージに保持された加工対象物の表面にレーザビームを入射させるとともに、外部から与えられる指令位置に基づいて、走査可能領域内でレーザビームの入射位置を移動させるビーム走査手段であって、前記走査可能領域内のうち実際にレーザビームが入射する実入射位置が該指令位置からずれる歪を持ったビーム走査手段と、
前記ステージの現在位置を検出する位置検出手段と、
制御手段と
を有し、該制御手段は、
前記ステージを停止させることなく移動させながら、前記走査可能領域内にレーザビームが入射するように前記ステージ及びビーム走査手段を制御するとともに、
前記ステージを移動させながら前記加工対象物を加工している時間内に、離散的に分布する時刻の各々における前記ステージの位置を、ステージ目標位置としたとき、
前記ステージがステージ目標位置に静止していると仮定して決定されたレーザビームの入射目標位置に対して、前記ビーム走査手段の歪による位置ずれの補正を行って暫定指令位置を決定する第１の処理と、前記ステージ目標位置から前記位置検出手段で検出されたステージの現在位置までのずれ量だけ、レーザビームの入射位置が前記入射目標位置から変位するように、前記ビーム走査手段の歪による入射位置のずれを考慮して、前記ステージ目標位置から前記位置検出手段で検出されたステージの現在位置までのずれ量に基づいて暫定指令位置の修正量を決定する第２の処理とを行い、該第２の処理で得られた修正量に基づいて、該第１の処理で得られた暫定指令位置を修正して、前記ビーム走査手段に与える指令位置を決定するレーザ加工装置が提供される。

本発明の他の観点によると、加工対象物を移動させながら、レーザビームの入射位置を走査可能領域内で移動させることができるビーム走査手段でレーザビームを走査し、該加工対象物の表面のうち走査可能領域内に配置されている領域にレーザビームを入射させるレーザ加工方法であって、前記ビーム走査手段は、入力される指令位置に基づいてレーザビームを走査し、実際にレーザビームが入射する実入射位置が指令位置からずれる歪を含んでおり、（ａ）加工対象物が対象物目標位置に静止していると仮定したときに、レーザビームが入射目標位置に入射するように、前記ビーム走査手段の歪を補正して暫定指令位置を決定する工程と、（ｂ）前記対象物目標位置から、前記加工対象物の現在位置までの変位量を検出し、該変位量に基づいて、前記ビーム走査手段の歪を考慮して暫定指令位置の修正量を決定する工程と、（ｃ）前記工程ｂで決定された修正量に基づいて、前記工程ａで決定された暫定指令位置を修正して指令位置を決定し、決定された指令位置に基づいて前記ビーム走査手段を制御し、前記加工対象物にレーザビームを入射させる工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

レーザビームを入射すべき入射目標位置は、走査可能範囲内の任意の場所に配置される。このため、暫定指令位置を決定する第１の処理における歪補正は、走査可能範囲内の全領域を対象にしなければならない。従って、歪は一般に線形ではないため、非線形処理を行わなければならない。これに対し、暫定指令位置の修正量を決定する第２の処理における歪補正は、例えば１つの加工点を加工する時間内にステージが移動する範囲内を、補正の対象にすればよい。このため、線形近似を行うことが可能である。

暫定指令位置を決定する第１の処理における歪補正は、１つの加工点に対して１回実施すればよい。１つの加工点を加工している期間にもステージの現在位置が変化しているため、暫定指令位置の修正量を決定する第２の処理は、より短い周期で実施しなければならない。ただし、１つの加工点を加工している期間にステージが移動する距離が、線形近似の成り立つ範囲内である場合には、１つの加工点に対して、線形近似を行うための係数（ゲイン）を１回決定すればよい。一旦ゲインが決定されると、ステージの移動量（入射目標位置の変位量）にゲインを乗ずることにより、暫定指令位置の修正量を決定することができる。１つの加工点を加工している期間内に、短い周期で実施しなければならない第２の処理は、この乗算処理のみである。

短い周期で実施しなければならない第２の処理を線形処理とし、非線形処理となる第１の処理を長い周期で実施してもよいため、非線形処理を短い周期で実施する場合に比べて、処理装置に高い処理能力が要求されない。

図１に、本発明の実施例による非停止加工を行うためのレーザ加工装置のブロック図を示す。ＸＹステージ５に加工対象物１０が保持されている。ＸＹステージ５は、加工対象物１０を、その被加工面に平行な２次元方向に移動させることができる。被加工面に平行な面をｘｙ面とし、加工対象物１０の移動方向をｘ軸方向およびｙ軸方向とし、被加工面の法線方向をｚ軸方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。

レーザ発振器１が、加工用のレーザビームを出射する。レーザ発振器１として、Ｎｄ：ＹＡＧ等の固体レーザ、エキシマレーザ、炭酸ガスレーザ、半導体レーザ等を用いることができる。レーザ発振器１は、ホストコントローラ２０から照射開始の指示を受けて、レーザビームの出射を開始する。レーザ発振器１から出射されるレーザビームは、パルスレーザビームでもよいし、連続波（ＣＷ）レーザビームでもよい。レーザ発振器に、入射するレーザビームの高調波を発生させる波長変換素子を組み合わせてもよい。

レーザ発振器１から出射されたレーザビームが、折返しミラー２により反射され、ガルバノスキャナ（ビーム走査器）３、ｆθレンズ４を通過して、ＸＹステージ５に保持された加工対象物１０に入射する。ガルバノスキャナ３は、ｘ用及びｙ用の２枚の揺動ミラーを含んで構成され、レーザビームをｘ軸方向及びｙ軸方向の２次元方向に走査する（レーザビームの進行方向を振る）。ｆθレンズ４は、ガルバノスキャナ３で走査されたレーザビームを、加工対象物１０の表面上に集光する。レーザビームは、加工対象物１０の表面に垂直に入射する。ガルバノスキャナ３によりレーザビームを走査することにより、走査可能領域内でレーザビームの入射位置を移動させることができる。加工対象物１０の表面のうちレーザビームが入射した位置が加工される（例えば、入射位置に凹部が形成される。）。ｘｙｚ直交座標系及び走査可能領域は、ガルバノスキャナ３及びｆθレンズ４に対して固定されている。

ガルバノスキャナ３は、ガルバノドライバ６からの駆動信号により駆動される。ＸＹステージ５は、ステージドライバ７からの駆動信号により駆動される。

ホストコントローラ２０が、ステージ制御部２２にステージ速度パターンを送信する。ステージ制御部２２は、入力されたステージ速度パターンで指示された速度でＸＹステージが移動するように、ステージドライバ７にステージ制御信号を送信する。加工時には、ＸＹステージ５をＸ軸方向に移動させながら、加工対象物１０にレーザビームを入射させるものとする。ステージ速度パターンを変えることにより、加工対象物１０を一定速度で移動させたり、速度が時間的に変化するように移動させたりすることができる。

ステージ速度パターン及び時刻が決まれば、その時刻におけるＸＹステージ５の位置が決定される。この位置を、当該時刻における「ステージ目標位置」と呼ぶこととする。ホストコントローラ２０は、ガルバノ制御部２１にステージ目標位置を送信する。さらに、ホストコントローラ２０は、加工対象物１０の表面上の加工すべき位置を記憶している。ＸＹステージ５がステージ目標位置に静止していると仮定すると、加工すべき位置のｘｙ座標が決定される。このｘｙ座標を「入射目標位置」と呼ぶこととする。ホストコントローラ２０が入射目標位置を算出し、ガルバノ制御部２１に送信する。

位置検出器２３が、ＸＹステージ５の現在位置を検出し、検出されたステージ現在位置をガルバノ制御部２１に送信する。このステージ現在位置は、ステージドライバ７にもフィードバックされる。

ガルバノ制御部２１は、ステージ目標位置、入射目標位置、及びステージ現在位置に基づいてガルバノスキャナを制御すべき指令位置を決定する。決定された指令位置がガルバノドライバ６に送信される。ガルバノドライバ６は、受信した指令位置に基づいてガルバノスキャナ３を駆動する。

図２に、ガルバノ制御部２１のブロック図を示す。ホストコントローラ２０から受信した入射目標位置Ｐｏが歪補正処理部３１に入力される。歪補正処理部３１は、ガルバノスキャナ３のピンクッション歪及びｆθレンズのリニアリティ歪によるレーザビームの入射位置ずれが補正されるように、入射目標位置Ｐｏから暫定指令位置Ｐｍを生成する。

以下、入射目標位置Ｐｏから暫定指令位置Ｐｍを生成する方法の一例について説明する。暫定指令位置Ｐｍは、ＸＹステージ５がステージ目標位置に静止していると仮定したときに送出すべき指令位置に相当する。走査可能領域内の複数の基準点を指令位置としてレーザビームを入射させ、その時の指令位置と、実際にレーザビームが入射した実入射位置との対応関係を得る。指令位置をＰｉ＝（ｘｉ，ｙｉ）、実入射位置をＰｒ＝（ｘｒ，ｙｒ）とすると、この対応関係から、

（数１）
Ｐｒ＝Ｃ（Ｐｉ）Ｐｉ・・・（１）
なる歪行列Ｃ（Ｐｉ）が、指令位置Ｐｉごとに求まる。例えば、歪行列Ｃ（Ｐｉ）は、

と表すことができる。ここで、歪行列の要素ｃ_１１及びｃ_２２は、指令位置Ｐｉごとに決定される。この歪行列Ｃ（Ｐｉ）の逆行列Ｃ^−１（Ｐｉ）を入射目標位置Ｐｏに作用させることにより、暫定指令位置Ｐｍが得られる。すなわち、

（数３）
Ｐｍ＝Ｃ^−１（Ｐｉ）Ｐｏ・・・（２）
が成立する。この逆行列Ｃ^−１（Ｐｉ）を歪補正行列を呼ぶこととする。指令位置Ｐｉごとに歪補正行列Ｃ^−１（Ｐｉ）が求められ、歪補正テーブル３２に記憶されている。

歪補正テーブル３２には、離散的に分布する複数の指令位置Ｐｉごとに歪補正行列Ｃ^−１（Ｐｉ）が記憶されているため、入射目標位置Ｐｏに一致する点の歪補正行列Ｃ^−１（Ｐｏ）は直接的には求められない。入射目標位置Ｐｏの近傍の複数の指令位置Ｐｉの歪補正行列に基づいた補間演算を行うことにより、入射目標位置Ｐｏの位置の歪補正行列Ｃ^−１（Ｐｏ）を算出することができる。補間演算により算出された歪補正行列Ｃ^−１（Ｐｏ）を入射目標位置Ｐｏに作用させることにより、暫定指令位置Ｐｍが生成される。

なお、特許２６１６９９０号公報や、特公平６−２１９０２号公報等に開示されているように、入射目標位置に、歪関数の逆関数を作用させて暫定指令位置を求めてもよい。

加工対象物１０がステージ目標位置に静止している場合には、この暫定指令位置Ｐｍをガルバノドライバ６に送信することにより、入射目標位置にレーザビームを入射させることができる。ところが、本実施例では非停止加工を行うため、加工対象物１０は停止することなく移動している。ある１つの位置にレーザビームを入射させる期間にも、加工対象物１０が移動しているため、ガルバノドライバ６に与える指令位置も、加工対象物１０の移動に追随して変化させなければならない。ステージ位置比較処理部３３、ゲイン補正部３５、ゲイン決定部３７、及び指令位置生成部３６が、この追随処理を行う。以下、追随処理について説明する。

ホストコントローラ２０から受信したステージ目標位置Ｓｏ、及び位置検出器２３で検出されたステージ現在位置Ｓａが、ステージ位置比較処理部３３に入力される。ステージ位置比較処理部３３は、ステージ目標位置Ｓｏからステージ現在位置Ｓａまでの変位量を計算し、計算結果（ステージ変位量ΔＳ）をゲイン補正部３５に送信する。

ホストコントローラ２０から受信した入射目標位置Ｐｏが、ゲイン決定部３７に入力される。ゲイン決定部３７は、ゲイン補正テーブル３４を参照し、入射目標位置ＰｏにおけるゲインＫを決定する。決定されたゲインＫが、ゲイン補正部３５に与えられる。

ゲイン補正部３５は、与えられたゲインＫを用いて、ステージ変位量ΔＳに対してゲイン補正を行い、指令位置修正量ΔＰｍを指令位置生成部３６に送信する。

指令位置生成部３６は、指令位置修正量に基づいて暫定指令位置Ｐｍの補正を行い、指令位置Ｐｉを生成する。指令位置Ｐｉは、ガルバノドライバ６に送出される。

図３及び図４を参照して、ゲイン補正処理及び指令位置生成処理について説明する。

図３に、ガルバノスキャナ３の走査可能領域内の一つの基準点Ｒの近傍の領域を示す。基準点Ｒを原点とするｕｖ座標系を定義する。ｕ軸及びｖ軸は、走査可能領域に定義されたｘｙ座標のｘ軸及びｙ軸に平行である。基準点Ｒの近傍の領域内では、ガルバノスキャン系３のピンクッション歪及びｆθレンズ４のリニアリティ歪が線型で近似されると仮定する。実際に、基準点を中心とした一辺が２ｍｍ程度の正方形の範囲内では、線型近似を行うことができる。（ｕ，ｖ）座標が（１ｍｍ，０ｍｍ）の点Ａ_１にレーザビームを入射させたい場合について検討する。点Ａ_１のｘｙ座標を指令位置としてレーザビームを入射させた時の実入射位置Ｂ_１の位置を決定する。実入射位置Ｂ_１の位置は、実際に加工して測定することにより求めることができる。

例えば、点Ｂ_１の（ｕ，ｖ）座標が（０．９ｍｍ，−０．２ｍｍ）であったとする。点Ａ_１に関して点Ｂ_１の対称の点Ｃ_１を指令位置とすれば、点Ａ_１にレーザビームを入射させることができる。点Ｃ_１の（ｕ，ｖ）座標は（１．１ｍｍ，０．２ｍｍ）である。同様にして、（ｕ，ｖ）座標が（−１ｍｍ，０ｍｍ）の点Ａ_２を入射目標位置とした場合の実入射位置Ｂ_２、及び対称点Ｃ_２を求める。例えば、実入射位置Ｂ_２及び対称点Ｃ_２の（ｕ，ｖ）座標が、それぞれ（−０．８ｍｍ，０．１ｍｍ）及び（−１．２ｍｍ，−０．１ｍｍ）であるとする。

すなわち、入射目標位置を基準点Ｒからｕ軸方向の正の向きに１ｍｍだけ変位させたい場合には、指令位置をｕ軸方向に１．１ｍｍ、ｖ軸方向に０．２ｍｍだけ変化させればよい。また、入射目標位置を基準点Ｒからｕ軸方向の負の向きに１ｍｍだけ変位させたい場合には、指令位置をｕ軸方向に−０．８ｍｍ、ｖ軸方向に０．１ｍｍだけ変化させればよい。ｕ軸の正方向と負方向について平均すると、入射目標位置のｘ軸方向への変位量に対する指令位置のｕ軸方向及びｖ軸方向変位量の比は、それぞれ１．１５及び０．１５になる。この比を、それぞれ「ｘ軸方向ゲイン」及び「ｙ軸方向ゲイン」と呼ぶこととする。

ｘ方向ゲイン及びｙ方向ゲインは、基準点Ｒから入射目標位置Ａ_１までの変位量と、基準点Ｒから実入射位置Ｂ_１までの変位量との対応関係に基づいて決定された。基準点Ｒの近傍において、基準点Ｒから入射目標位置までの変位量と、入射目標位置から実入射位置までの変位量とは線形の関係にあると近似できる。この線形近似できる範囲内では、ｘ軸方向ゲイン及びｙ軸方向ゲインは一定と仮定することができる。また、ｘ軸方向ゲイン及びｙ軸方向ゲインは、レーザビームを入射させるべき位置を基準点からある変位量だけ移動させるために、ガルバノスキャナ３に与える指令位置を変化させるべき修正量と、入射位置の変位量との対応関係を定義したものと考えることができる。

各基準点ごとに、上記処理を行い、基準点ごとにｘ軸方向ゲイン及びｙ軸方向ゲインを求めておく。点Ｐの位置において、入射目標位置がｘ軸方向に変位したときのｘ軸方向ゲイン及びｙ軸方向ゲインを、それぞれＫｘｘ（Ｐ）及びＫｘｙ（Ｐ）と標記することとする。ｘ軸方向ゲイン及びｙ軸方向ゲインは、基準点ごとに図２に示したゲイン補正テーブル３４に記憶されている。

図４に、ゲイン補正の方法を説明するためのブロック図を示す。入射目標位置（Ｐｏｘ，Ｐｏｙ）が歪補正処理部３１に入力される。ここで、Ｐｏｘ及びＰｏｙは、それぞれ入射目標位置Ｐｏのｘ座標及びｙ座標である。歪補正処理部３１は、図２で説明した処理を行い、暫定指令位置（Ｐｍｘ，Ｐｍｙ）を生成する。

ゲイン決定部３７が、入射目標位置Ｐｏでゲイン補正テーブル３４を索引し、入射目標位置ＰｏにおけるゲインＫ（Ｐｏ）を決定する。決定されたゲインＫが、ゲイン補正部３５に記憶される。入射目標位置Ｐｏが、ゲイン補正テーブル３４に記憶されているいずれの基準点とも一致しない場合には、入射目標位置Ｐｏの近傍の複数の基準点に対応付けられているｘ軸方向ゲイン及びｙ軸方向ゲインを基に補間演算を行うことにより、入射目標位置Ｐｏの位置におけるｘ軸方向ゲイン及びｙ軸方向ゲインを算出することができる。

レーザ加工中にＸＹステージ５がｘ軸方向に移動している場合を考える。このとき、ｙ軸方向に関するステージ変位量ΔＳｙは、理想的には０である。ＸＹステージ５がｘ軸方向に移動しているため、加工対象物上の加工点（レーザビームを入射させるべき点）もｘ軸方向に移動する。ＸＹステージ５がステージ目標位置に静止していると仮定したときの加工点の位置が、入射目標位置Ｐｏに相当する。レーザビーム入射時点において、加工点は、ステージ目標位置からステージ現在位置までの変位量分移動している。

ゲイン補正部３５は、ｘ軸方向に関するステージ変位量ΔＳｘに、記憶されているｘ軸方向ゲインＫｘｘ（Ｐｏ）を乗じることにより、ｘ軸方向の指令位置修正量ΔＰｍｘを生成する。同様に、ｘ軸方向に関するステージ変位量ΔＳｘに、ｙ軸方向ゲインＫｘｙ（Ｐｏ）を乗じることにより、ｙ軸方向の指令位置修正量ΔＰｍｙを生成する。

指令位置生成部３６は、ｘ軸方向の暫定指令位置Ｐｍｘにｘ軸方向の指令位置修正量ΔＰｍｘを加えることにより、ｘ軸方向の指令位置Ｐｉｘを生成する。同様に、ｙ軸方向の暫定指令位置Ｐｍｙにｙ軸方向の指令位置修正量ΔＰｍｙを加えることにより、ｙ軸方向の指令位置Ｐｉｙを生成する。

ＸＹステージ５をｙ軸方向に移動させる場合は、上述のｘ方向に移動させる場合と同様に、ｘ軸方向ゲインＫｙｘ（Ｐｏ）及びｙ軸方向ゲインＫｙｙ（Ｐｏ）を求めておく。ＸＹステージ５をｘ軸方向に移動させる場合には、ゲインＫｙｘ（Ｐｏ）及びＫｙｙ（Ｐｏ）は０にし、ｙ軸方向に移動させる場合には、ゲインＫｘｘ（Ｐｏ）及びＫｘｙ（Ｐｏ）は０にする。

図５を参照して、ゲイン補正の効果について説明する。図５（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ基準点の座標が（０ｍｍ，０ｍｍ）、（２０ｍｍ，０ｍｍ）、（０ｍｍ，２０ｍｍ）、及び（２０ｍｍ，２０ｍｍ）のときの、加工すべき点の位置、ゲイン補正を行わない場合の実入射位置、及びゲイン補正を行った場合の実入射位置を示す。ただし、図５においては、加工すべき点の位置と、実入射位置との差を２０倍にしてプロットしている。なお、ゲイン補正を行わない場合というのは、ステージがｘ軸方向に移動する場合にはＫｘｘ＝１、Ｋｘｙ＝Ｋｙｘ＝Ｋｙｙ＝０とし、ステージがｙ軸方向に移動する場合には、Ｋｙｙ＝１、Ｋｘｘ＝Ｋｘｙ＝Ｋｙｘ＝０とした場合を意味する。いずれの場合も、ゲイン補正を行うことにより、レーザビームの入射位置のずれが小さくなっていることがわかる。特に、基準点の座標が（２０ｍｍ，２０ｍｍ）のときに、ゲイン補正を行う効果が高い。

図６に、ステージ目標位置Ｓｏ、ステージ現在位置Ｓａ、入射目標位置Ｐｏ、暫定指令位置Ｐｍ、及び指令位置Ｐｉの時間変動の一例を示す。横軸は経過時間を表し、縦軸はｘ軸方向の位置を表す。１つの加工点を加工する期間、ステージ目標位置Ｓｏは一定になっている。ところが、ＸＹステージ５は停止することなくｘ軸方向に駆動されているため、ステージ現在位置Ｓａのｘ座標は、時間の経過と共に増加する。ＸＹステージ５を定速で駆動している場合には、ステージ現在位置Ｓａは、速さに対応する傾きを持った直線で表される。

図１において、入射目標位置Ｐｏは、ＸＹステージ５がステージ目標位置Ｓｏに静止していると仮定して設定される。１つの加工点を加工する度にステージ目標位置Ｓｏを変化させるとする。この場合、ステージ目標位置Ｓｏが一定である期間は、入射目標位置Ｐｏも一定である。この期間、暫定指令位置Ｐｍも一定になる。１つの加工点の加工期間にも、ステージ現在位置は時々刻々変化している。このため、変位量ΔＳも変化し、変位量ΔＳに基づいて生成される指令位置修正量ΔＰｍも変化する。指令位置Ｐｉは、暫定指令値Ｐｍに指令位置修正量ΔＰｍを加えることにより得られる。

入射目標位置Ｐｏが一定であれば、暫定指令値Ｐｍ及びゲインＫも一定であるため、歪補正処理部３１による歪補正及びゲイン決定部３７によるゲイン決定処理は、入射目標位置Ｐｏが変化する度に実行すればよく、入射目標位置Ｐｏが一定である期間は再実行する必要はない。

これに対し、ゲイン補正部３５によるゲイン補正は、ステージの変位量ΔＳが変動する度に実施しなければならない。このため、ゲイン補正処理を実施する周期は、歪補正処理及びゲイン決定処理を実施する周期に比べて短くしなければならない。

歪補正処理部３１による歪補正は、走査可能範囲内の全域が補正対象とされる。ピンクッション歪及びリニアリティ歪は線形の歪ではない。このため、歪補正処理は、非線形処理になる。ゲイン補正部３５で行われる処理は、入力された変位量ΔＳに、ゲイン決定処理で決定されたゲインＫを乗じるといった単純な線形処理である。

実施例による方法では、線形処理であるゲイン補正を短い周期で実施し、非線形処理である歪補正処理を長い周期で実施する。歪補正処理を実施する周期を長くすることができるため、歪補正処理部３１に高い処理能力が要求されない。また、短い周期で実施する必要のあるゲイン補正処理は単純な線形処理であるため、ゲイン補正部３５にも高い処理能力が要求されない。また、ゲイン処理部３５をアナログ回路で構成する場合には、回路構成を単純化することができる。

以下、参考例について簡単に説明する。図７に、参考例によるレーザ加工装置の歪補正処理部のブロック図を示す。ステージ位置比較処理部１００が、ステージ目標位置Ｓｏとステージ現在位置Ｓａとを比較し、ステージ変位量ΔＳを求める。入射目標現在位置生成部１０１が、入射目標位置Ｐｏにステージ変位量ΔＳを加えて、ステージの移動を考慮した現時点での入射目標位置Ｐａを生成する。歪補正処理部１０２が、現時点の入射目標位置Ｐａに歪補正を行い、指令位置Ｐｉを生成する。

この方法では、歪補正処理１０２に入力される現時点の入射目標位置Ｐａは、ステージ現在位置Ｓａに追随して変化する。このため、歪補正処理を、図６に示したステージ目標位置Ｓｏが変化した時のみならず、ステージ現在位置Ｓａが変化する度に実施しなければならない。短い周期で非線形処理である歪補正処理を実施しなければならないため、歪補正処理を行うプロセッサに高い処理能力が求められる。

上記実施例では、１つの加工点を加工する度にステージ目標位置Ｓｏを変化させたが、必ずしも１つの加工点ごとにステージ目標位置Ｓｏを変化させる必要はない。例えば、複数の加工点を加工するのに必要な時間内にステージが移動する距離が、線形のゲイン補正処理を適用することができる範囲内である場合には、ステージ目標位置Ｓｏを一定にした状態で複数の加工点を加工することも可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

実施例によるレーザ加工装置のブロック図である。実施例によるレーザ加工装置のガルバノ制御部のブロック図である。ゲイン補正処理を説明するための入射目標位置、実入射位置、補正すべき指令位置、ゲイン補正後の指令位置の位置関係を示すグラフである。ゲイン補正処理部の内部を詳細に示すブロック図である。ゲイン補正処理の効果を示すグラフである。実施例によるレーザ加工方法におけるステージ目標位置、ステージ現在位置、暫定指令位置、及び指令位置の時間変動の一例を示すグラフである。参考例によるガルバノ制御部のブロック図である。

符号の説明

１レーザ発振器
２折返しミラー
３ガルバノスキャナ
４ｆθレンズ
５ＸＹステージ
１０加工対象物
２０ホストコントローラ
２１ガルバノ制御部
２２ステージ制御部
２３位置検出器
３１歪補正処理部
３２歪補正テーブル
３３ステージ位置比較処理部
３４ゲイン補正テーブル
３５ゲイン補正部
３６指令位置生成部
３７ゲイン決定部

Claims

加工対象物を保持し、加工面に平行な少なくとも１次元方向に、該加工対象物を移動させるステージと、
前記ステージに保持された加工対象物の表面にレーザビームを入射させるとともに、外部から与えられる指令位置に基づいて、走査可能領域内でレーザビームの入射位置を移動させるビーム走査手段であって、前記走査可能領域内のうち実際にレーザビームが入射する実入射位置が該指令位置からずれる歪を持ったビーム走査手段と、
前記ステージの現在位置を検出する位置検出手段と、
制御手段と
を有し、該制御手段は、
前記ステージを停止させることなく移動させながら、前記走査可能領域内にレーザビームが入射するように前記ステージ及びビーム走査手段を制御するとともに、
前記ステージを移動させながら前記加工対象物を加工している時間内に離散的に分布する時刻の各々における前記ステージの位置を、ステージ目標位置としたとき、
前記ステージがステージ目標位置に静止していると仮定して決定されたレーザビームの入射目標位置に対して、前記ビーム走査手段の歪による位置ずれの補正を行って暫定指令位置を決定する第１の処理と、前記ステージ目標位置から前記位置検出手段で検出されたステージの現在位置までのずれ量だけ、レーザビームの入射位置が前記入射目標位置から変位するように、前記ビーム走査手段の歪による入射位置のずれを考慮して、前記ステージ目標位置から前記位置検出手段で検出されたステージの現在位置までのずれ量に基づいて暫定指令位置の修正量を決定する第２の処理とを行い、該第２の処理で得られた修正量に基づいて、該第１の処理で得られた暫定指令位置を修正して、前記ビーム走査手段に与える指令位置を決定するレーザ加工装置。
前記制御手段は、
前記走査可能領域内の複数の基準点ごとに、レーザビームを入射させるべき位置を該基準点から、ある第１の変位量だけ移動させるために、前記ビーム走査手段に与える指令位置を変化させるべき指令位置修正量と、該第１の変位量との対応関係を記憶しており、
前記第２の処理において、前記ステージの目標位置から、前記位置検出手段で検出されたステージの現在位置までの変位量だけレーザビームの入射位置を変位させるために、前記暫定指令位置を変化させるべき修正量を、前記対応関係に基づいて決定する請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記対応関係が、線形の関係である請求項２に記載のレーザ加工装置。
加工対象物を移動させながら、レーザビームの入射位置を走査可能領域内で移動させることができるビーム走査手段でレーザビームを走査し、該加工対象物の表面のうち走査可能領域内に配置されている領域にレーザビームを入射させるレーザ加工方法であって、
前記ビーム走査手段は、入力される指令位置に基づいてレーザビームを走査し、実際にレーザビームが入射する実入射位置が指令位置からずれる歪を含んでおり、
（ａ）加工対象物が、該加工対象物の移動経路上の、ある目標位置に静止していると仮定したときに、レーザビームが入射目標位置に入射するように、前記ビーム走査手段の歪を補正して暫定指令位置を決定する工程と、
（ｂ）前記目標位置から、前記加工対象物の現在位置までのずれ量を検出し、該ずれ量に基づいて、前記ビーム走査手段の歪を考慮して暫定指令位置の修正量を決定する工程と、
（ｃ）前記工程ｂで決定された修正量に基づいて、前記工程ａで決定された暫定指令位置を修正して指令位置を決定し、決定された指令位置に基づいて前記ビーム走査手段を制御し、前記加工対象物にレーザビームを入射させる工程と
を有するレーザ加工方法。
前記工程ｂにおいて、前記ずれ量に、予め決められている係数を乗じて修正量を決定する請求項４に記載のレーザ加工方法。