KR20070119303A - 레이저 가공장치 - Google Patents

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KR20070119303A
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아키라 와타베
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사이버 레이저 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 레이저 광의 광축의 안정성을 확보하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명의 레이저 가공장치는, 레이저 광을 출력하는 광원과, 상기 레이저 광의 광로를 조정하는 광로조정부와, 레이저 광을 분광시키는 제 1 분광기와, 소정의 가동영역을 가지며 피가공물을 올려놓는 가동대와, 가동대의 위치를 검출하는 가동대 위치 검출기와, 상기 분광된 레이저 광의 광축 위치를 검출하는 제 1 광축 위치 검출기와, 상기 가동대, 가동대 위치 검출기 및 제 1 광축 위치 검출기를 올려놓은 스테이지와, 상기 제 1 광축 위치 검출기로부터의 출력을 받아서 상기 광로조정부를 제어하여, 상기 분광된 레이저 광의 광축을 조정하는 광축제어부를 구비한다.

Description

레이저 가공장치{LASER MACHINING DEVICE}
도 1은 나노단위의 정밀도를 가지는 본 발명에 의한 레이저 가공장치(1)의 전체적인 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2는 제 1 광축 위치 검출기에 있어서 매트릭스형상으로 배열된 수광화소 중 레이저 광의 조사점이 1화소만을 기준화소로서 완전히 조사하고 있는 실시예이다.
도 3은 제 1 광축 위치 검출기에 있어서 매트릭스형상으로 배열된 수광화소 중 레이저 광의 조사점이 4상한(象限)센서를 형성하는 4개 화소의 일부를 균등하게 조사하고 있는 실시예이다.
도 4는 제 1 광축 위치 검출기(10)에 있어서의 수광소자의 배치에 관한 변형된 실시예이다.
도 5는 제 1 광축 위치 검출기와 제 2 광축 위치 검출기를 이용하여 레이저 광의 광축 위치를 검출하는 변형된 실시예이다.
도 6는 도 4의 변형된 실시예이다.
도 7은 도 1에서의 집광렌즈(9)와 제 1 광축 위치 검출기(10)와의 사이에 지지대(71)로 지지된 핀홀(72)을 배치한 상태를 나타낸 확대도이다.
도 8은 본 발명에 의한 레이저 가공장치의 광로 조정기능을 설명하기 위한 개략적인 블록구성도이다.
도 9는 수광강도의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 퍼지추론에 근거한 광로 조정단계를 나타낸 흐름도이다.
도 11은 S'에 대한 멤버쉽 함수를 나타낸 도면이다.
도 12는 ΔS에 대한 멤버쉽 함수를 나타낸 도면이다.
도 13은 룰 11∼14에 근거한 통합화 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 룰 21∼23에 근거한 통합화 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 통합화 1 및 통합화 2의 멤버쉽 함수의 논리합으로서, 통합화 3을 구하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 본 발명에 의한 레이저 가공장치
2 : 레이저 광원 3 : 방진(防振) 테이블
4 : 광로조정부 5 : 광축제어부
6 : 가동대 7 : 스테이지
8 : 반투경(semitransparent mirror) 9 : 집광렌즈
9' : 집광렌즈 10 : 제 1 광축 위치 검출기
11 : 피가공물 12 : 가동대 위치 검출기
13 : 전반사경(全反射鏡) 15 : 제 2 광축 위치 검출기
16 : 제 2 반투경 18 : 제 2 전반사경
20 : 레이저 광의 조사점 21 : CCD화소
22 : 전반사경 24 : 전반사경
26 : 산출수단 28 : 모터 제어부
30 : 레이저 광의 조사점 A : 화소간 거리
S1∼S4 : 화소에 있어서의 레이저 광의 조사 면적
40 : 4개 화소(4상한)의 배열면 41 : 레이저 광의 반사구(反射球)
42 : 핀홀 50 : 미러 지지대
71 : 핀홀 지지대 72 : 핀홀
본 발명은 레이저 가공장치에 관한 것이며, 특히 나노미터급 이상의 정밀도를 가지는 레이저 가공장치에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저 가공장치는, 피가공물에 조사하는 레이저 광원과, 피가공물을 올려놓기 위한 가동대가 배치된 내진성(耐震性)을 가지는 정밀 테이블을 구비하고 있으며, 레이저 광원으로부터 출력되는 레이저 광의 기준점을 고정시키고, 상기 가동대를 정밀 테이블 상의 Ｘ-Y평면상에서 이동시켜 피가공물을 가공하는 공정을 가진다. 상기 가공공정에서는, 정밀 테이블 상의 가동대의 위치를 검출하는 위치 검출기의 오차 및 레이저 광원으로부터 피가공물까지의 도광로에 기인하는 레이저 광의 광축 오차가 고려되지만, 가동대의 위치 검출기의 정밀도는 10㎚ 이하의 정밀도가 실현되고 있으며, 레이저 광원으로부터 출력되는 레이저 광의 광축의 안 정정밀도는 마이크로 라디안 레벨의 정밀도까지 실현되고 있다.
특허문헌 1에서는, 레이저 광의 조사위치의 측정을 가능하게 하는 레이저 가공장치에 있어서의 집광 광학 시스템의 집광위치 검출장치가 개시되어 있다. 상기 집광위치 검출장치는, 복수의 수광소자가 매트릭스형상으로 배치되고, X-Y테이블의 소정위치에 착탈(着脫) 가능하게 배치되는 위치센서와, 상기 위치센서를 향해 레이저 광을 조사하였을 때, 위치센서를 구성하는 각 수광소자의 출력을 검출하여, 레이저 광의 집광위치를 판별하는 판별장치와, 상기 판별 결과에 기초하여, 상기 X-Y테이블의 좌표축에 대한 집광위치의 오차량을 산출하는 연산장치가 설치되어 있다.
상기 장치에서는, X-Y테이블의 Ｘ-Y방향의 좌표축과 위치센서의 Ｘ-Y방향의 좌표축이 일치하도록 위치센서를 X-Y테이블에 부착시키고, X-Y테이블을 소정위치로 이동시켜, 위치센서에 레이저 광을 집광 조사한다. 그리고, 위치센서를 구성하는 각 수광소자의 출력을 검출하여, 어느 수광소자가 레이저 광을 수광하고 있는지를 판별하고, 수광소자의 위치센서의 원점으로부터의 좌표위치를 구함으로써, 레이저 광의 집광위치를 구할 수 있다.
[특허문헌 1] 일본국 특허공개공보 H6-23577호
특허문헌 1의 레이저 광의 위치 검출장치는, 착탈가능한 가동대상에 배치되어 있어, 마이크로미터 단위의 정밀도를 가지는 가공기술이라면, 레이저 광의 광축 안정성이 마이크로 라디안 레벨에서도 허용될 수 있기 때문에, 가동대의 위치를 적절히 제어할 수 있다.
그러나, 가공 정밀도가 나노미터 단위 이하일 경우, 레이저 가공장치의 오차는, 가동대의 위치 검출기에 의한 오차는 허용될 수 있지만, 레이저 광의 광축의 흔들림은 허용되지 않아, 레이저 광의 조사점의 안정성에 기인한 오차가 문제가 된다.
본 발명은, 레이저 광의 광축 위치를 감시하기 위한 광축 위치 검출기를 배치하고, 피가공물에 조사하는 레이저 광의 광축의 오차를 보정함으로써, 나노미터 단위 이하의 가공 정밀도에 대응할 수 있는 레이저 가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 레이저 가공장치는,
레이저 광을 출력하는 광원과,
상기 레이저 광의 광로를 조정하는 광로조정부와,
레이저 광을 분광시키는 제 1 분광기와,
소정의 가동영역을 가지며 피가공물을 올려놓는 가동대와,
가동대의 위치를 검출하는 가동대 위치 검출기와,
상기 분광된 레이저 광의 광축 위치를 검출하는 제 1 광축 위치 검출기와,
상기 가동대, 가동대 위치 검출기, 및 제 1 광축 위치 검출기를 올려놓은 스테이지와,
상기 제 1 광축 위치 검출기로부터의 출력을 받아 상기 광로조정부를 제어하여, 상기 분광된 레이저 광의 광축을 조정하는 광축제어부를 구비한다.
(2) 또한, 본 발명에 따른 레이저 가공장치에 있어서의 광축제어부는, 퍼지 제어를 수행하는 것이 바람직하다.
(3) 또한, 본 발명에 따른 레이저 가공장치는, 상기 분광된 레이저 광을 더욱 분광시키는 제 2 분광기와, 제 2 분광기에 의해 분광된 광축의 위치를 검출하기 위한 제 2 광축 위치 검출기를 더 구비하며, 제 1 광축 위치 검출기와 제 2 광축 위치 검출기에서 레이저 광이 소정 위치에서 검출되도록 상기 광축제어부를 제어하는 것이 바람직하다.
(4) 또한, 본 발명에 따른 레이저 가공장치에 있어서의 제 1 광축 위치 검출기 또는 제 2 광축 위치 검출기 중 적어도 하나는, 제 1 분광기에서 분광된 레이저 광 또는 제 2 분광기에서 분광된 레이저 광이 구(球)형상의 반사면에 반사되어 4상한 센서에서 수광함으로써 각 레이저 광의 광축위치를 검출하는 것이 바람직하다.
(5) 또한, 본 발명에 따른 레이저 가공장치는, 상기 제 1 분광기와 제 1 광축 위치 검출기와의 사이, 혹은 상기 제 2 분광기와 제 2 광축 위치 검출기와의 사이 중 적어도 한 곳에, 레이저 광이 통과하기 위한 소정의 구경을 가지는 핀홀을 배치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 관하여 실시예를 제시하고, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 사용하며, 적당히 그 설명을 생략하는 경우가 있다.
[실시예 1]
도 1은, 나노 단위의 정밀도를 가지는 본 발명에 의한 레이저 가공장치(1)의 전체적인 구성의 개략도를 나타내고 있다. 상기 레이저 가공장치(1)는, 광원(2), 광로조정부(4), 반투경(8; 제 1 분광기), 전반사경(13), 가동대(6), 가동대 위치 검출기(12), 제 1 광축 위치 검출기(10; 광검출기), 스테이지(7), 광축제어부(5), 집광렌즈(9, 9')로 구성된다. 또한, 모든 구성요소(1∼12)는, 방진 테이블(3) 상에 배치되어 있다.
레이저 광원(2)은, 펨토 초 레이저 혹은 UV 레이저 광을 기본파로서 출력한다. 광로조정부(4; 상세한 것은 도 8 참조)는, 레이저 광원(2)으로부터 입력된 레이저 광을 반사시키는 복수의 전반사경(도 8에서는 2개: 22와 24)을 가지며, 상기 전반사경에는 레이저 광의 반사각을 변경하기 위한 복수의 모터(도 8에서는 4개: M1∼M4)가 구비되어 있다. 상기 모터는, 후술하는 바와 같이, 광축제어부(5)로부터의 신호를 수신하고, 전반사경의 반사면 각도를 조정하여 레이저 광을 소정의 광축위치에 위치 결정한다. 반투경(8)은, 광로조정부(4)로부터 출력된 레이저 광의 광축상에 배치되어 상기 레이저 광을 분광한다. 가동대(6)는, 전반사경(13)에서 반사되어 집광렌즈(9')로 집광된 레이저 광이 조사되는 피가공물(11)을 올려놓고 고정시킨 상태로, 소정의 가동영역 내를 이동할 수 있다. 가동대 위치 검출기(12)는, 가동대(6)의 이동오차를 10㎚의 정밀도로 위치검출할 수 있다. 제 1 광축 위치 검출기(10; 광검출기)는, 가공용 레이저 광의 근방에서 정확히 레이저 광의 광축을 조정하기 위해 가동대 위치 검출기(12)의 근방에 배치되며, 예컨대 매트릭스형상으로 배치된 CCD에 있어서의 화소 등의 복수의 수광소자로 구성되어 있다. 스테이지(7)는, 집광렌즈(9)로 집광된 레이저 광의 광축이 제 1 광축 위치 검출기 (10)의 수광면에 조사되고, 집광렌즈(9')로 집광된 레이저 광의 광축이 피가공물(11)에 대하여 조사되도록, 가동대(6), 가동대 위치 검출기(12), 제 1 광축 위치 검출기(10)를 동일평면 상에 배치하고 있다. 광축 제어부(5)는, 조정값 산출수단(26)과 모터제어부(28)를 구비하며(도 8 참조), 후술하는 바와 같이, 제 1 광축 위치 검출기(10)가 수광한 레이저 광의 수광강도의 출력에 근거하여 상기 광로조정부(4)를 퍼지제어하고, 상기 분광된 레이저 광의 광축을 일정한 기준위치에 고정시킨다.
다음으로, 본 발명의 레이저 가공장치(1)에 있어서의 레이저 광원(2)으로부터 출력된 레이저 광의 도광로에 대해 설명한다.
우선, 광원(2)으로부터 광로조정부(4)를 향해 레이저 광이 출력된다. 이어서, 광로조정부(4)에서는, 피가공물(11)에 조사하기 위해 레이저 광의 광로를 소정위치에서 고정하도록 조정된다. 또한, 광로조정부(4)를 통과한 레이저 광은, 반투경(8)에서, 이를 통과하는 레이저 광과, 반투경(8)으로부터 분기된 레이저 광으로 분광된다. 반투경(8)을 통과한 레이저 광은, 전반사경(13)에서 반사되어 집광렌즈(9')를 통해 피가공물(11)을 조사하여 원하는 가공을 실시한다. 또한, 반투경(8)으로부터 분광된 레이저 광은, 집광렌즈(9)를 통해 제 1 광축 위치 검출기(10)를 조사한다.
이상과 같이, 본 발명에 의한 레이저 가공장치에 있어서의 도광로가 형성된다.
다음으로, 도 1에 있어서의 레이저 광원(2)으로부터 제 1 광축 위치 검출기 (10)까지의 광로를 조정하는 기구에 대해, 도 8을 참조하면서 상세히 설명한다.
광로조정부(4)는, 2개의 전반사경(22, 24)을 구비하며, 각 전반사경(22, 24)은, 레이저 광원(2)으로부터 출력되는 레이저 광을 반사시키는 반사면의 각도를 조정하기 위한 모터(M1, M2 및 M3, M4)를 각각 구비하고 있다. 또한, 분광기(44)는, 입사되는 레이저 광을 분광시키는 반투경(8)과, 집광렌즈(9)를 구비하고 있다.
레이저 광원(2)으로부터 출력된 레이저 광은, 전술한 바와 같이, 광로조정부(4)에 입사되며 전반사경(22, 24)에 의해 소정의 광축위치에 위치 결정되어 출력된다. 출력된 레이저 광은, 분광기(44)에서의 반투경(8)에 입사된다. 반투경(8)은, 도시가 생략된 피가공물에 입사되는 레이저 광으로부터 제 1 광축 위치 검출기(10)에 입사되는 레이저 광을 분광시킨다. 분광된 레이저 광은, 집광렌즈(9)에 입사되며 제 1 위치 검출기(10)의 소정의 수광소자(도 2 내지 도 4 참조)에 집광되어 조사된다. 제 1 광축 위치 검출기(10)의 수광소자는, 수광한 레이저 광을 그 강도에 비례한 전기신호로 변환하여 출력한다. 상기 출력된 전기신호는 그 강도가 일반적으로는 약하므로, 증폭기(34)에 의해 증폭된 후 광축제어부(5)내의 조정값 산출수단(26)으로 입력된다. 조정값 산출수단(26)은, 증폭기에 의해 증폭된 전기신호에 근거하여 퍼지추론을 이용하여 상기 모터(M1∼M4)의 회전량을 각각에 대해 산출한다. 퍼지추론을 이용하여 모터(M1∼M4)의 회전량(조정량)을 산출하는 구조에 대해서는 후술한다. 조정값 산출수단(26)에서 산출된 모터(M1∼M4)의 회전량은, 모터(M1∼M4)를 제어하는 모터제어부(28)로 송신된다. 이어서, 모터제어부(28)로부터 각 모터(M1∼M4)에 각 회전량을 나타내는 신호가 송신되어 모터(M1∼M4)가 구동된 다. 이에 따라, 전반사경(22 및 24)의 각각의 반사면 방향이 조정되어, 레이저 광의 광로나 광축이 조정된다.
다음으로, 도 2 내지 도 4를 참조하여 제 1 광축 위치 검출기(10)에 있어서의 수광소자에 대해 설명한다.
도 2 및 도 3에서, 각 화소(21)는, 매트릭스형상으로 배치되며, 화소 간격(A)은 약 2μm이다. 도 2에서는, 레이저 광의 조사점이 1화소만을 기준화소로 하여 완전히 조사하고 있는 실시예(부호 20)를 나타내고 있으며, 해당 기준화소에 의해 레이저 광의 수광강도를 측정하고 있다. 그리고, 레이저 광의 광축에 흔들림이 생겨, 화소에 조사되지 않는 부분이 발생한 경우는, 수광소자가 수광강도의 감소를 감지하여 기준화소를 완전히 조사하고, 수광강도가 최대의 크기가 되도록 광축제어부(5)에 의해 광로조정부(4)의 조정이 이루어진다. 또한, 도 3에서는, 레이저 광의 조사점이 4상한 센서를 형성하는 4개 화소의 일부를 균등하게 조사하고 있는 실시예(부호 30)를 나타내고 있으며, 각 화소(21)에 있어서의 조사 면적(S1 내지 S4)을 균등하게 조사해야 할 레이저 광의 기준조사점을 설정하고 있다. 그리고, 레이저 광의 광축에 흔들림이 생겨, 각 화소(21)의 조사 면적(S1∼S4)에 불균형이 발생하였을 경우는, 광축제어부(5)가 각 화소(21)에 있어서의 수광강도를 균등하게 하도록 광로조정부(4)를 조정한다.
도 4에서는, 제 1 광축 위치 검출기(10)에 있어서의 수광소자의 배치에 관한 변형된 실시예를 개시하고 있다. 본 실시예에서는, 집광렌즈(9)와 제 1 광축 위치 검출기(10)와의 사이에 레이저 광을 반사시키기 위한 반사구(41; 反射球)를 배치하 고, 반투경(8)으로부터 분광된 레이저 광을, 반사구(41)의 반사면에 의해 상기 레이저 광의 광축에 대해, 바람직하게는, 수직방향으로 반사시켜, 예를 들면, 상기 광축과 평행한 면(40)에 배치된 4상한 센서를 형성하는 4개의 화소에 도 3과 같은 조사기준점을 설정하고 있다. 그리고, 레이저 광의 광축에 흔들림이 발생하여, 각 화소의 조사 면적에 불균형이 발생했을 경우에는, 광축제어부(5)가 각 화소에 있어서의 수광강도를 균등하게 하도록 광로조정부(4)를 조정한다.
다음으로, 도 5를 참조하면서, 제 1 광축 위치 검출기와 제 2 광축 위치 검출기를 이용하여 레이저 광의 광축 위치를 검출하는 변형된 실시예에 대해 설명한다. 본 실시예에서는, 반투경(8)에 의해 분광된 레이저 광의 도광로 상이며, 반투경(8)과 제 1 광축 위치 검출기(10)와의 사이에, 제 2 반투경(16; 제 2 분광기)을 배치하고 있다. 제 2 반투경(16)은, 레이저 광을 더 분광시키며, 상기 분광된 레이저 광은, 전반사경(18)에 의해 반사되어 제 2 광축 위치 검출기(15)로 조사된다. 제 2 반투경(16) 및 제 2 전반사경(18)은, 모두 미러 지지대(50)에 의해 지지되어 있다. 제 2 광축 위치 검출기(15)는, 제 1 광축 위치 검출기(10)와 동일한 타입이어도 좋고, 다른 타입이어도 좋다. 상술한 바와 같이, 어떠한 광축 위치 검출기이더라도 수광소자에 있어서 레이저 광을 조사하는 기준점을 설정하고, 2개의 기준점의 거리가 동일해지도록 광축제어부(5)를 연산시킴으로써 광로조정부(4)를 제어한다.
다음은, 도 6을 참조하여 도 4의 변형된 실시예에 대해 설명한다. 도 6에서는, 반사구(41)와, 4상한 센서를 형성하는 4개의 화소를 배치한 면(40)과의 사이에 핀홀(42)을 배치하고 있다는 점에서 도 4의 실시형태와 다르다. 핀홀(42)은, 레이저 광의 광지름을 원하는 지름으로 축소시킬 수 있으며, 상기 4상한 센서를 형성하는 4개의 화소의 상호간격을 축소시킴으로써 지름의 축소에 대응하여 각 화소에 있어서의 조사 면적을 확보할 수 있다.
도 7은, 도 1에 있어서의 집광렌즈(9)와 제 1 광축 위치 검출기(10)와의 사이에 지지대(71)로 지지된 핀홀(72)을 배치한 상태를 나타낸 확대도를 도시하고 있다. 본 실시형태에서도 레이저 광의 광지름을 축소하여, 제 1 광축 위치 검출기에 조사할 수 있다.
도 9는, 광로조정부(4)에 있어서 레이저 광의 광축을 조정함으로써, 제 1 광축 위치 검출기(10)의 수광강도가 최대값으로 안정되도록 제어한 결과, 그 수광강도가 시간적으로 변화되는 모습을 정성적(定性的)으로 나타낸 그래프이다. 가로축은 시간을, 세로축은 수광강도를 각각 임의의 스케일로 눈금을 그어 나타내고 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 도 8에서의 레이저 광원(2)으로부터 제 1 광축 위치 검출기(10)까지의 광로 또는 광축을 조정하는 과정을 실행한 결과, 제 1 광축위치 검출장치(10)로의 입사 시작시간으로부터 t' 이후에 입사광의 강도가 최대값에 도달하고, 그 후 입사광의 강도변화로서 허용되는 것으로 설정한 허용범위(도 9에서는 2개의 화살표 사이에 P로 표시한 범위)내에서 변동하고 있는 것이라면, 레이저 가공장치에서의 제 1 광축위치 검출장치에서의 출력강도의 안정화가 도모된 것이 된다. 따라서, 상기 레이저 가공장치의 작동중에 있어서의 상기 광축 조정공정 을 계속함으로써, 레이저 광의 광축 안정화를 도모할 수 있다.
다음으로, 도 10에 도시한 흐름도를 참조하여 제 1 광축위치 검출기에 있어서의 레이저 광의 수광으로부터 광로조정부(4)의 광축조정까지의 과정을 더욱 상세히 기술한다.
단계 S-10 : 이 단계는, 제어 개시 단계이다. 상기 레이저 가공장치의 조작자 혹은 퍼스널 컴퓨터 등으로부터의 지시에 의해, 제 1 광축위치 검출장치에서의 수광강도를 최대값으로 안정화시키기 위한 제어를 개시한다.
단계 S-12 : 이 단계는, 제 1 광축 위치 검출기(10)로부터의 출력을 조정값 산출수단(26)이 취득하는 단계이다. 단, 증폭기(34)를 설치한 경우에는 증폭기(34)로부터의 출력을 조정값 산출수단(26)이 취득하는 단계이다. 이후 간단히, 「제 1 광축위치 검출장치(10)로부터의 출력」으로 표기하며, 증폭기(24)를 설치한 경우에는 증폭기(24)로부터의 출력을 의미하는 것으로 한다. 이 단계에서, 레이저 광의 광로제어 개시직후에 제 1 광축위치 검출장치(10)에서 취득한 수광강도가 측정된다.
단계 S-14 : 이 단계는, 모터(M1∼M4)를 순차로 구동하는 단계이다. 모터(M1∼M4) 중 임의의 모터를 선정하여 개시한다. 최초로 선택된 모터(여기서는 'M1'으로 함)는, 도 8에서의 전반사경(22)에 대해 반사면의 방향을 변화시켜, 수광강도가 최대가 되는 위치에 모터 트레이의 회전을 고정한다. 다음으로 선택된 모터(여기서는 'M2'로 함)는, 마찬가지로 전반사경(22)에 대해 반사면의 방향을 변화시켜, 수광강도가 최대가 되는 위치에 모터 트레이의 회전을 고정한다. 마찬가지 로, 모터(M3) 및 모터(M4)는, 제 2 전반사경(24)에 대해 반사면 방향을 변화시켜, 수광강도가 최대가 되는 위치에 모터 트레이를 고정하여 제 2 전반사경(24)에 대해 반사면의 방향을 고정한다.
전반사경(22 및 24)의 반사면 방향을 결정하기 위한 모터(M1∼M4)의 회전량은, 후술하는 퍼지추론에 기초하여 결정한다. 여기서 사용하는 퍼지추론의 알고리즘은, 상술한 전반사경(22 및 24)의 반사면 방향을 제어하여 모터(M1∼M4)의 회전량을 파라미터로서 설명한다.
단계 S-16 : 이 단계는, 모터(M1∼M4)의 회전방향의 확정을 위해 회전구동을 행하는 시행 구동 단계이다.
단계 S-18 : 이 단계는, 제 1 광축 위치 검출기(10)에 조사된 레이저 광의 수광강도에 비례하는 신호를 취득하는 단계이다.
상술한 단계 S-16 및 S-18에서, 특정한 방향으로 모터를 회전시킴으로써, 제 1 광축 위치 검출기(10)에서 수광되는 수광강도가 증가하는 것으로 판명되면, 그 모터의 회전은 수광강도가 최대가 되는 방향임을 나타낸다. 반대로, 제 1 광축 위치 검출기(10)에 수광되는 수광강도가 감소하는 것으로 판명되면, 이 모터의 회전은 수광강도가 최대가 되는 방향과 반대방향임을 나타낸다.
단계 S-20 : 이 단계는, 제 1 광축 위치 검출기(10)의 출력신호의 시간미분값, 목표값(최대값)으로부터의 오차량을 계산하는 단계이다. 이 단계에서는, 퍼지추론에 있어서, 입력값으로서 이용하는 출력신호의 시간미분(차분)값을 계산하여, 목표값(최대값)으로부터의 오차량을 계산한다. 제 1 광축 위치 검출기(10)로부터 의 시간(t1)에 있어서의 출력신호의 값을 s1이라 하고, 시간(t2)에 있어서의 출력신호의 크기를 s2라 하면, t1<t2로 가정하고, 출력신호의 시간차분값(S')은, S'＝（S2-S1)/(t2-t1)로 주어진다. 또한, 목표값(최대값)을 s0이라 한 경우에 ΔS=(s1/s0)-1로 주어지는 목표값으로부터의 오차량(ΔS; 목표값으로부터의 오차의 비율)을 계산한다. S' 및 ΔS를 이용하여 퍼지추론이 이루어진다.
단계 S-22 : 이 단계는, 퍼지추론에 의한 모터의 구동량(회전량)을 계산하는 단계이다. 상세한 것은 후술되는데, 이 단계에서는, 상술한 S' 및 ΔS의 값을 이용해서 퍼지추론을 하여, 모터의 구동량(회전량)의 절대값(M)이 계산된다.
단계 S-24 : 이 단계는, 모터의 구동방향(회전방향)을 구하는 단계이다. 상술한 단계 S-20에서 구한 S'의 값이 마이너스이면, 모터의 구동방향(회전방향)을 반전시킬 필요가 있다. 한편, S'의 값이 플러스이면, 모터의 회전방향은 그대로여도 좋다. 이 단계에서는, 상술한 모터의 회전방향을 다음의 순서에 따라 구한다. 즉, 모터의 회전방향을 정하는 파라미터를 α라 한다. α는 값 1 또는 값 -1을 취하는 것으로 한다. 또한, 파라미터 δ를 다음과 같이 정한다. 상술한 단계 S-20에서 구한 S'의 값이 마이너스이면 δ=-1로 하고, S'의 값이 플러스이면 δ=1로 한다. 그리고, 상기 모터의 다음 회전방향은 α×δ로 주어지는 것으로 한다. 즉, 상기 α×δ값을 다음의 새로운 파라미터 α의 값으로 설정함으로써, 모터의 다음 회전방향을 확정한다. 모터의 회전방향도 포함시켜 회전량을 표시하면 α×M으로 표시되게 된다.
단계 S-26 : 이 단계는, 모터를 구동하는 단계이며, 상술한 α×M만큼 모터를 회전시킨다.
단계 S-28 : 이 단계는, 상술한 단계 S-18과 같이, 제 1 광축 위치 검출기(10)에 조사된 수광강도에 비례하는 신호를 취득하는 단계이다.
단계 S-30 : 이 단계에서는, 상술한 단계 S-28에서 취득된 수광강도에 비례하는 신호의 값에 근거하여, 지금까지의 단계에서 제어 및 조정한 모터의 조정작업을 종료하고, 다음 모터를 제어하는 단계로 진행할 것인지의 여부를 판정한다. 상술한 단계 S-28에서 취득된 수광강도에 비례하는 신호의 값이, 목표값(최대값)으로 간주할 수 있는 크기의 범위(도 9에서 2개의 화살표 사이에 P로 표기한 값의 범위)내에 들어가면, 다음 모터의 제어를 위해, 제어의 대상이 되는 모터를 전환한다. 그리고, 다음 단계인 단계 S-32로 진행한다. 한편, 단계 S-28에서 취득된 수광강도에 비례하는 신호의 값이, 목표값에 도달하지 않은 것으로 판정되면, 단계 S-20으로 되돌아간다.
단계 S-32 : 이 단계는, 광로조정부(4)에서의 조정작업을 종료할 것인지의 여부를 판정하는 단계이다. 모터(M1∼M4)에 대한 조정작업이 모두 종료된 것으로 확인되면, 다음 단계 S-34로 진행하고, 조정작업을 종료시킨다. 한편, 종료시키지 않고 그대로 제어를 계속할 것이라면, 상술한 단계 S-14로 되돌아간다. 상술한 모터(M1∼M4)에 대한 조정작업이 모두 종료된 것으로 확인되었다 하더라도, 경시변화에 대응하기 위해, 상기 레이저 가공장치를 구동하고 있는 동안은, 광로조정부(4)에서의 조정작업을 종료시키지 않는다는 판단도 있을 수 있다.
단계 S-34 : 이 단계는, 광로조정부(4)에서의 조정작업을 종료시키는 단계이다.
<퍼지추론>
도 11(A1)∼(A4) 및 (B1)∼(B4)와 도 12(A1)∼(A3) 및 (B1)∼(B3)를 참조하여, 상기 레이저 가공장치에서의 레이저 광의 광축 조정을 위해 실행되는 퍼지추론에서 이용하는 멤버쉽 함수에 대해 설명한다. 이후, 도 11(A1)∼(A4) 및 (B1)∼(B4)의 모든 도면을 지칭할 경우에는 간단히 도 11로 표기한다. 또한, 마찬가지로 도 12(A1)∼(A3) 및 (B1)∼(B3)의 모든 도면을 지칭할 경우에도 간단히 도 12로 표기하기로 한다.
도 11은, 제 1 광축 위치 검출기(10)가 검출하는 출력신호의 시간미분(차분)값(S')에 대한 멤버쉽 함수를 나타낸 도면이다. 도 12는, 제 1 광축 위치 검출기(10)의 출력신호값의 목표출력값이 최대출력값에 가까운 경우의 출력신호의 값(ΔS)에 대한 멤버쉽 함수를 나타낸 도면이다. 도 11에 도시한 (Ａ1)∼(A4)는 퍼지추론 전건부(前件部)를, (B1)∼(B4)는 전건부(A1)∼(A4)의 각각에 대응하는 후건부(後件部)를 나타낸다. 또한, 도 12에서도 마찬가지로, (A1)∼(A3)는 퍼지추론의 전건부를, (B1)∼(B3)는 전건부(A1)∼(A3)의 각각에 대응하는 후건부를 나타내고 있다.
광로조정부(4)에서 광로의 조정이 이루어져도, 레이저 광의 광축은 불안정하여 마이크로 라디안 정도의 흔들림이 생기며, 이 때문에 제 1 광축 위치 검출기에서의 수광강도가 시간적으로 변동한다. 상술한 바와 같이, 상기 수광강도의 시간 변화의 모습은 제 1 광축 위치 검출기(10)에 의해 관측된다. 제 1 광축 위치 검출기(10)에 의해 관측되는 수광강도의 시간변화의 모습은, 상술한 출력신호의 시간차분값(S'), 즉 S'＝（s2-s1)/(t2-t1)으로 표현된다.
따라서, 퍼지추론의 기초로 하는 멤버쉽 함수를 이하의 룰(이후, 「퍼지 룰」이라 하는 경우도 있음)에 따르도록 정의한다.
룰 11 : S'가 플러스의 값을 취하고, 그 값이 크다면, 모터 회전량의 절대값은 크다.
룰 12 : S'가 플러스의 값을 취하고, 그 값이 작다면, 모터 회전량의 절대값은 작다.
룰 13 : S'가 0의 값을 취하면, 모터 회전량의 절대값은 0이다.
룰 14 : S'가 마이너스의 값을 취하면, 모터 회전량의 절대값은 작다.
도 11을 참조하여 상술한 룰을 시각적으로 설명한다. 도 11에 도시한 (A1)∼(A4)는, 상술한 퍼지 룰인 룰 11∼14의 전건부를 각각 나타내고 있다. 도 11(A1)∼(A4)에서, 가로축은 S'를 나타내고, 세로축은 합치하는 정도(0∼1의 값의 범위를 가짐)를 나타내고 있다. 한편, 도 11에 나타낸 (B1)∼(B4)는, 상술한 퍼지 룰인 룰 11∼14의 후건부를 각각 나타내고 있다. 가로축은 모터 구동량(회전량)의 절대값(M)을 나타내고, 세로축은 합치하는 정도를 나타내고 있다.
다음은, 제 1 광축 위치 검출기(10)의 출력신호값의 목표출력값이, 최대출력값에 가까운 경우에 대해, 목표값(최대값)을 s0로 한 경우에 있어서의, Δ S=(s1/s0)-1로 주어지는 ΔS에 대한 멤버쉽 함수에 대해 설명한다. 여기서, s1은, 시간(t1)에 있어서의 출력신호의 값이다. ΔS에 대한 멤버쉽 함수를 이용하는 것은, 다음의 2가지 이유에 있다.
우선, 제 1의 이유에 대해 설명한다. 레이저 광원으로부터 출력되는 레이저 광은 가우시안 빔이다. 가우시안 빔의 성질상, 빔의 중심 근방의 강도의 방사(radial) 방향에 대한 미분값은 작다. 그리고, 빔의 중심에서 충분히 떨어진 장소에서의, 강도의 방사방향의 미분값도 작다. 즉, 반투경(8; 분광기(44))으로의 레이저 광의 입사각도의 정렬이 거의 정확히 이루어져 있는 경우와, 정렬이 크게 벗어나 있는 경우의, 어느 쪽 경우도, 광로조정부(4)에서 이루어지는 레이저 광의 광로조정 효과는, 동일한 정도의 크기가 되어 그 효과는 작아진다. 환언하자면, 광로조정부(4)에서 레이저 광의 광로를 조정하기 위해 변화시키는 전반사경(22 및 24)의 반사면 방향의 각 단위 변화량당의, 제 1 광축 위치 검출기(10)에서 검출되는 수광강도의 변화 비율은 동일한 정도로 작다.
즉, 정렬이 크게 벗어나 있는 경우는, 모터의 회전각도의 절대값이 커지도록 설정해야 하지만, 상술한 룰 11∼14만을 이용하여 퍼지추론을 하면, 모터의 회전각도가 작게 계산되어 버린다. 따라서, ΔS에 대한 멤버쉽 함수에 대해 새로운 룰을 설정함으로써, 모터의 회전각도의 크기를 적정화할 수 있다. 단, 상기의 새로운 룰을 설정하지 않더라도, 목적으로 하는 광학시스템의 조정은 가능하다. 다만, 계산되는 모터의 회전각도의 값이 작기 때문에, 보다 최적상태로 광학시스템이 조정 되기까지의 시간이 오래(제어의 단계가 많음) 걸리게 된다.
다음으로, 제 2의 이유에 대해 설명한다. 광로 조정기능은, 상술한 새로운 룰의 설정에 의해, 잡음에 대한 내구성이 향상되어, 제 1 광축 위치 검출기(10)에서 검출된 수광강도에 어떠한 잡음이 혼입되었다 하더라도 문제가 없다. 그러나, 가령 룰 11∼14만을 설정했을 뿐, 그 이외에 새로운 룰을 마련하지 않은 경우는, 제 1 광축 위치 검출기(10)가 검출한 수광강도의 값에 잡음이 혼입되면, S'의 값이 특이적으로 큰 값이 되어, 모터의 회전각도의 값이 부적절하게 큰 값으로서 산출되어 버리는 경우가 있어, 적절한 제어가 불가능해질 가능성이 있다.
따라서, 이하에 나타낸 새로운 룰을 설정해 두면, 수광강도의 값에 잡음이 혼입되는 사태가 발생하더라도, 상술한 바와 같은 가능성을 배제할 수 있다.
따라서, 퍼지추론의 기초로 하는 ΔS에 관한 멤버쉽 함수에 대하여, 이하의 퍼지 룰(새로운 룰)에 따르도록 정의한다.
룰 21 : 제 1 광축 위치 검출기(10)가 검출한 수광강도의 신호가 목표값(s0; 최대값)보다도 대단히 작다면(ΔS의 값이 마이너스의 값이며 그 절대값이 크다면), 모터의 회전각도는 크다.
룰 22 : 제 1 광축 위치 검출기(10)가 검출한 수광강도의 신호가 목표값(s0; 최대값)에 대해 거의 같은 정도라면(ΔS의 값이 마이너스의 값이며 그 절대값이 작다면), 모터의 회전각도는 작다.
룰 23 : 제 1 광축 위치 검출기(10)가 검출한 수광강도의 신호가, 목표값 (s0; 최대값)에 도달하였거나 혹은 상회하였다면(ΔS의 값이 0보다 크다면), 모터의 회전각도는 0이다.
도 12를 참조하여 상술한 새로운 룰을 시각적으로 설명한다. 도 12에 도시한 (Ａ1)∼(A3)는, 상술한 퍼지 룰인 룰 21∼23의 전건부를 각각 나타내고 있다. (A1)∼(A3)에서, 가로축은 ΔS를 나타내고, 세로축은 합치하는 정도(0∼1의 값의 범위를 가짐)를 나타내고 있다. 한편, 도 12에 도시한 (B1)∼(B3)는, 상술한 퍼지 룰인 룰 21∼23의 후건부를 각각 나타내고 있다. 가로축은 모터 구동량(회전량)의 절대값(M)을 나타내고, 세로축은 합치하는 정도를 나타내고 있다.
퍼지추론에 의해 모터의 구동량(회전량)을 계산하는 방법으로서, 여기서는 min-max 합성 무게중심법을 이용한다. 제 1 광축 위치 검출기에 의해 수광강도가 검출되면, 그 값에 근거하여 S' 및 ΔS가 구해진다. 여기서는, 가령 S' 및 ΔS의 값이, S'1 및 ΔS1으로 구해진 것으로서 설명한다.
도 13은, 룰 11∼14에 근거한 통합화 공정의 설명을 위한 도면이다. 도 13에서, 룰 11∼14에 대응하는 멤버쉽 함수는, 도 12에 나타낸 멤버쉽 함수와 동일한 것을 다시 기록한 것이다.
S'＝S'1이기 때문에, 도 13에 나타낸 룰 11∼14에 대응하는 멤버쉽 함수의 전건부를 나타내는 도면에서, S'를 나타내는 가로축의 Ｓ'1에 해당하는 위치를 세로 점선에 의해 표시하였다. 동 도면으로부터 알 수 있듯이, 상술한 룰 13 및 룰 14에서, 전건부의 적합도가 0이기 때문에, 후건부도 0이다. 상술한 룰 11 및 룰 12 에서는, 전건부의 적합도가 0이 아니므로, 그 적합도에 대응시켜 후건부의 멤버쉽 함수의 머리자르기를 행한다. 그 결과, 룰 11∼14의 퍼지추론이 이루어지며, 그 결과, 도 13에 통합화 1로 나타나 있는 후건부의 논리합이 구해진다(통합화 1). 한편, 통합화 1로서 나타나 있는 후건부의 논리합을 나타내는 함수는, 룰 11 및 룰 12의 후건부의 머리자르기를 행한 멤버쉽 함수를 합성함으로써 구해진다.
도 14는, 룰 21∼23에 근거한 통합화 공정을 설명하기 위한 도면이다. 동 도면에서, 룰 21∼23에 대응하는 멤버쉽 함수는, 도 13에 나타낸 멤버쉽 함수와 동일한 것을 다시 기록한 것이다.
ΔS=ΔS1이므로, 도 14에 나타낸 룰 21∼23에 대응하는 멤버쉽 함수의 전건부를 나타내는 도면에 있어서, ΔS를 나타내는 가로축의 ΔS1에 해당하는 위치를 세로 점선으로 표시하였다. 동 도면으로부터 알 수 있듯이, 상술한 룰 21의 적합도가 0이기 때문에, 후건부도 0이다. 상술한 룰 22 및 룰 23에서는, 전건부의 적합도가 0이 아니므로, 그 적합도에 대응시켜서 후건부의 멤버쉽 함수의 머리자르기를 행한다. 그 결과, 룰 21∼23의 퍼지추론이 이루어지고, 그 결과로서 도 14에 통합화 2로서 나타나 있는 후건부의 논리합이 구해진다(통합화 2). 또한, 통합화 2로서 나타나 있는 후건부의 논리합을 나타내는 함수는, 상술한 통합화 1의 경우와 같이, 룰 21 및 룰 23의 후건부의 머리자르기를 행한 멤버쉽 함수를 합성함으로써 구해진다.
다음으로, 룰 11∼14(이후, 「제 1 룰 계열」이라 하는 경우도 있음)에 대해 룰 21∼23(이후, 「제 2 룰 계열」이라 하는 경우도 있음)을 어느 정도 중시할 것인가, 혹은 제 1 및 제 2 계열을 균등하게 중시할 것인가 등과 같은 가중치를 가미한 처리를 행한다. 상술한 통합화 1 및 통합화 2에서 얻어진 결과(도 13 및 도 14에 각각 통합화 1 및 통합화 2로서 나타낸, 후건부의 논리합으로서 구해진 합성 멤버쉽 함수)를, 각각 r배 및 (1-r)배 함으로써, 각각의 함수에 대하여 가중치를 가하고, 도 15(A)∼(D)에 나타낸 바와 같이, 양자를 통합화한다.
여기서, r은 0∼1의 값의 범위의 실수값을 가진다. 예를 들어, r=1을 선택한다는 것은, 제 1 룰 계열만을 받아들이고, 제 2 룰 계열은 무시하는 것에 대응한다. 또한, r=0.5를 선택한다는 것은, 제 1 룰 계열과 제 2 룰 계열을 동등하게 취급함을 의미한다. 또한, r=0을 선택한다는 것은, 제 2 룰 계열만을 받아들이고, 제 1 룰 계열은 무시하는 것에 대응한다.
도 15(A)∼(D)는, 상술한 도 13 및 도 14에서 각각 통합화 1 및 통합화 2로서 나타낸, 후건부의 논리합으로서 구해진 합성 멤버쉽 함수를, 통합해서 통합화 1 및 통합화 2의 멤버쉽 함수의 논리합으로 하여, 통합화 3을 구하는 공정을 설명하기 위한 도면이다. 도 15(A)는, 통합화 1로서 구해진 합성된 멤버쉽 함수의 개략적인 형상이며, 도 15(B)는, 통합화 2로서 구해진 합성된 멤버쉽 함수의 개략적인 형상이다. 도 15(C)는, 통합화 1로서 구해진 합성된 멤버쉽 함수를 r배하고, 통합화 2로서 구해진 합성된 멤버쉽 함수를 (1-r)배하여 합성한 통합화 3으로서의 멤버쉽 함수의 개략적인 형상이다. 도 15(D)는, 도 15(C)에서 주어진 멤버쉽 함수의 합성 무게중심의 값을 구하여 그 합성 무게중심의 값을 모터의 구동량(회전각도)으 로서 채용하는 순서를 설명하기 위한 도면이다. 도 15(D)에서, 가로축 상에 M이라고 화살표로 표시되어 있는 가로축의 값은, 도 15(C)에 의해 나타나 있는 멤버쉽 함수로부터 구해진 합성 무게중심의 위치이며, 이 위치가 모터의 회전각도를 나타내게 된다.
즉, 상술한 퍼지추론을 함으로써, 레이저 광의 광로를 조정하므로, 광로조정부(4)에서의 전반사경의 반사면 등의 각도를 변화시키기 위해 구동하는 모터의 회전각도를 구할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 설명에서는 제 1 룰 계열인 룰 11∼14의 각각의 룰, 혹은 제 2 룰 계열인 룰 21∼23의 각각의 룰에 대해서는 균등하게 취급하였지만, 이들 룰 간에 있어서도 중시하는 정도에 경중을 두는 것도 가능하다. 이 경우에는, 제 1 룰 계열인 룰 11∼14의 각각의 룰, 혹은 제 2 룰 계열인 룰 21∼23의 각각의 룰에 대응하는 멤버쉽 함수에, 상술한 ｒ에 상당하는 파라미터를 승산(乘算)하여, 통합화를 행하면 된다.
또한, 상술한 퍼지추론에서는, 모터의 회전각도의 값을 min-max 합성 무게중심법을 이용하여 구하였지만, 이 방법에 한정되지 않으며, 대수곱-가산(代數積-加算) 무게중심법 등 퍼지추론의 방법으로서 알려진 다른 방법을 채용하는 것도 가능하다. 어느 방법을 채용할지는, 퍼지추론 제어의 대상이 되는 레이저 가공장치마다, 경험 등에 근거하여 가장 알맞은 방법을 채용하면 된다.
다음으로, 표 1 및 표 2에, 각각 상술한 퍼지추론에 이용한 제 1 룰 계열 및 제 2 룰 계열에 대한 파라미터를 일람으로 정리하였다. 표 1 및 표 2에 나타낸 파 라미터로부터 알 수 있듯이, 특별히 복잡한 퍼지 룰을 규정하고 있지는 않다. 그런데도 불구하고, 상술한 퍼지추론에 근거한 제어를 실행하면, 레이저 가공장치의 광학시스템의 정렬이, 간단히 실현됨을 확인할 수 있었다.
제 1 광축 위치 검출기의 시간에 관한 미분값과 구동량의 절대값 및 회전 반전 파라미터의 관계
룰 번호 센서 미분값 구동량의 절대값 회전 반전δ
11 LP LP +1
12 SP SP +1
13 ZE ZE +1
14 NE SP -1
목표 출력에 대한 비(ΔS)와 구동량의 절대값의 관계
룰 번호 ΔS 구동량의 절대값
21 NL LP
22 NS SP
23 ZE ZE
상기 표 1 및 표 2가 나타내는 내용은, 각각 도 11 및 도 12에 나타낸 멤버쉽 함수가 나타내고 있는 것과 수학적으로 같은 값의 내용이다. 여기서, 상기 표 1 및 표 2에 기재한 파라미터가 나타내는 의미는 다음과 같다. LP: 커다란 플러스의 값, SP: 작은 플러스의 값, ZE: 0, NE: 마이너스의 값, NS: 마이너스의 작은 값, NL: 절대값이 큰 마이너스의 값이다.
이상 설명한 바로부터, 본 발명에 의한 레이저 가공장치의 광학시스템의 조정공정에 있어서, 이른바 원점복귀동작을 필요로 하지 않음을 알 수 있다. 이것은, 상술한 퍼지추론의 근거로서 이용되는 값이, 제 1 광축 위치 검출기의 출력신호의 시간차분값 S'＝（S2-S1)/(t2-t1) 및 목표값(S0; 최대값)에 대하여 ΔS=(s1/s0)-1로 주어지는 ΔS 뿐이기 때문이다. 즉, S' 및 ΔS의 값을 얻기 위해서는, 어느 것에 대해서도 이른바 원점복귀동작을 필요로 하지 않고 구해지는 값이기 때문이다. 그 결과, 반복하여 기술하지만, 어떠한 원인(예컨대, 백래시 등)으로, 광로조정부(4)가 광축제어부(5)로부터의 제어신호대로 바르게 조정되지 않더라도, 다시 광로조정부(4)에 제어신호가 보내짐으로써, 결국은 최적의 조건을 충족시키는 정렬을 완료할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 레이저 가공장치의 광학시스템의 조정공정에 있어서, 상술한 바와 같이, 제 1 광축 위치 검출기(10)에 의해 측정되는 수광강도라고 하는 하나의 정보에 대해, 조정값 산출수단(26)은 광로조정부(4)에서 실행하는 복수의 조정부분에서 각각 대응하는 광로조정값을 산출함으로써, 안정된 광축위치의 고정을 실현할 수 있다.
한편, 퍼지추론을 이용하지 않고 광로 제어를 실현하고자 한다면, 정렬작업 중에 에러 발생 처리(루틴)나 폭주 방지 처리(루틴)를 마련할 필요가 있다. 이러한 에러 발생 처리나 폭주 방지 처리를 실행시키기 위한 프로그램량은, 상술한 퍼지추론 처리를 위한 처리와 동등하거나 혹은 그 이상을 필요로 한다. 그리고, 장치의 기구설계상으로도, 리미터 스위치(limiter switch) 등과 같은 폭주 방지를 위한 수단을 준비할 필요가 있다. 폭주 방지를 위한 수단은, 특히 레이저장치를 구성하는데 있어서는 중요하며, 만일 폭주가 발생하면, 피가공물의 손상 등과 같은 중대한 결과를 초래한다.
상술한 실시예에서 개시한 퍼지추론 프로그램은, 대단히 단순한 알고리즘에 따라 만들어져 있다. 단순한 알고리즘을 기초로 하고 있기 때문에, 프로그램의 성격상, 레이저 가공장치의 폭주가 발생하기 어려운 구조로 되어 있다. 즉, 퍼지추론을 이용함으로써, 프로그램을 단순화할 수 있고, 퍼지추론을 이용하기 때문에, 단순한 알고리즘으로 복잡한 작업을 수행할 수 있게 되었다.
또한, S'와 ΔS에 대한 2종류의 판단을 실행시키는 처리를 하는 것이, 상기 폭주상태의 발생을 억압하는데 공헌하고 있다. S' 혹은 ΔS 중 어느 한쪽만의 판단으로 정렬작업을 제어하고자 하면, 제어신호에 혼입되는 잡음 등을 원인으로 하여, 폭주상태가 발현될 위험이 커진다. S' 및 ΔS의 2종류의 판단을 행하고 있을 경우에는, 폭주상태를 발현시키는 요인이, S'와 ΔS의 양쪽에 발생하지 않으면 장치의 폭주상태가 발현되지 않는다. 따라서, S'와 ΔS에 대한 2종류의 판단을 실행시키는 처리를 행함으로써, 폭주상태가 발현될 확률을 현저히 작게 할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 레이저 가공장치는, 제어시스템 전체로서 보았을 경우에도, 폭주상태가 일어나기 어려운 구조로 되어 있음을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 레이저 가공장치는, 레이저 광원으로부터 출력되는 레이저 광의 광축의 흔들림에 기인하는 광축의 각도오차를 퍼지제어에 의해 조정하여, 안정된 레이저 광의 광축 위치를 고정할 수 있다.
(1) 제 1항에 따른 발명은, 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 광을 피가공물에 조사(照射)하기까지의 도광로에 있어서, 레이저 광의 광축이 마이크로 라디안 정도의 흔들림을 발생시켜, 조사점의 위치에 오차가 생기므로, 예컨대, 매트릭스형상으로 배치한 수광소자로 이루어진 제 1 광축 위치 검출기를 가동대의 근방에 배치하고, 위치 검출용의 레이저 광을 분광하여, 상기 제 1 광축 위치 검출기에 분광된 레이저 광의 광축을 수광시켜, 수광된 레이저 광의 광축의 기준위치를 검출함으로써 기준위치로부터의 오차를 산출하고, 산출한 값을 토대로 광로조정부를 조정하여 도광로를 수정함으로써, 나노미터 단위 이하의 정밀도에 대응하는 레이저 가공장치를 실현할 수 있다.
(2) 제 2항에 따른 발명은, 퍼지 제어를 수행하므로, 레이저 광의 광축에 오차가 생기더라도 광축의 오차를 서서히 보정하여, 최소의 오차로 레이저 가공을 수행할 수 있다.
(3) 제 3항에 따른 발명은, 제 1 광축 위치 검출기와 제 2 광축 위치 검출기에 있어서 레이저 광이 소정의 위치에서 검출되도록 상기 광축제어부를 제어하므로, 레이저 광의 광축의 기준점이 2곳에 마련되어, 예를 들면, 상기 2개의 기준점을 등간격으로 유지하도록 광로조정부를 조정하여 광로를 보정함으로써, 보정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
(4) 제 4항에 따른 발명은, 구형상의 반사면에 반사되어 4상한 센서로 수광함으로써 각 레이저 광의 광축위치를 검출하므로, 소정의 광지름을 가지는 레이저 광을 각 수광소자에 조사하여, 수광강도(수광면적)가 균등하게 유지되도록 광축을 보정할 수 있다. 또한, 레이저 광의 수광면을 임의의 부분에 설정할 수 있어, 레이저 가공장치의 설계에 유연성을 가진다.
(5) 제 5항에 따른 발명은, 레이저 광이 통과하기 위한 소정의 구경을 가지는 핀홀을 배치하므로, 레이저 광을 원하는 광지름으로 좁힐 수 있다.

Claims (5)

  1. 레이저 광을 출력하는 광원과,
    상기 레이저 광의 광로를 조정하는 광로조정부와,
    레이저 광을 분광시키는 제 1 분광기와,
    소정의 가동영역을 가지며 피가공물을 올려놓는 가동대와,
    가동대의 위치를 검출하는 가동대 위치 검출기와,
    상기 분광된 레이저 광의 광축 위치를 검출하는 제 1 광축 위치 검출기와,
    상기 가동대, 가동대 위치 검출기, 및 제 1 광축 위치 검출기를 올려놓은 스테이지와,
    상기 제 1 광축 위치 검출기로부터의 출력을 받아 상기 광로조정부를 제어하여, 상기 분광된 레이저 광의 광축을 조정하는 광축제어부를 구비한 레이저 가공장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광축제어부는, 퍼지제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 분광된 레이저 광을 더 분광시키는 제 2 분광기와, 제 2 분광기에 의해 분광된 광축의 위치를 검출하기 위한 제 2 광축 위치 검출기를 더 구비하며, 제 1 광축 위치 검출기와 제 2 광축 위치 검출기에서 레 이저 광이 소정 위치에서 검출되도록 상기 광축제어부를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 광축 위치 검출기 또는 제 2 광축 위치 검출기 중 적어도 하나는, 제 1 분광기에서 분광된 레이저 광 또는 제 2 분광기에서 분광된 레이저 광이 구형의 반사면에 반사되어 4상한 센서에서 수광함으로써 각 레이저 광의 광축위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 분광기와 제 1 광축 위치 검출기와의 사이, 혹은, 상기 제 2 분광기와 제 2 광축 위치 검출기와의 사이 중 적어도 한 곳에, 레이저 광이 통과하기 위한 소정의 구경을 가지는 핀홀을 배치하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
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