KR20200002916A - 레이저 가공 장치 - Google Patents

Abstract

피가공물 상에서의 레이저 빔(3)의 조사 위치를 변경하는 레이저 주사 장치(5) 및 레이저 주사 장치(5)와 피가공물의 상대 위치를 변경하는 병진 스테이지를 레이저 주사 장치(5)의 목표 위치 및 병진 스테이지의 목표 위치에 근거하여 제어하는 레이저 가공 장치(1a)에 있어서, 병진 스테이지의 적어도 1개의 구동축에 대하여 그 구동축 방향의 위치를 검출하기 위해 상이한 위치에 마련된 2개 이상의 제어용 위치 센서와, 제어용 위치 센서가 검출한 병진 스테이지의 검출 위치에 근거하여 요잉 각도를 구하는 요잉 각도 연산 처리부를 구비한다.

Description

레이저 가공 장치

본 발명은, 레이저 빔의 조사 위치를 변경하는 레이저 주사 장치 및 레이저 주사 장치와 워크피스(workpiece)의 상대 위치를 변경하는 병진 스테이지를 구비한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

종래의 레이저 가공 장치에 있어서는, 병진 스테이지의 축선과 평행한 기준면을 마련하고, 병진 스테이지의 축선과 직교하는 방향의 거리를 계측하는 1쌍의 센서를 병진 스테이지의 서로 떨어진 위치에 장착하고, 기준면과 병진 스테이지의 거리를 계측하여, 병진 스테이지가 본래의 자세로부터 일탈함으로써 생기는 위치 결정 오차인 아베(Abbe) 오차를 추정하는 것이 행하여지고 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1 : 국제 공개 제 2001/052004호

특허문헌 1에 기재된 바와 같은 레이저 가공 장치에 있어서는, 기준면의 진직(眞直) 및 기준면과 축선의 평행에 기하적인 어긋남이 있었을 경우에, 센서에 의한 계측 결과에 기준면의 기하적인 어긋남이 부가되어 버려 병진 스테이지의 상하축 주위의 회전 각도인 요잉(yawing) 각도를 정확하게 검출할 수 없다. 검출된 요잉 각도가 어긋남으로써 가공점의 아베 오차의 추정도 부정확하게 되어, 보정을 행하더라도 충분한 보정 효과를 얻을 수 없다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 병진 스테이지가 요잉을 일으키더라도 양호한 가공 정밀도를 얻는 것이 가능한 레이저 가공 장치를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.

상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 피가공물 상에서의 레이저 빔의 조사 위치를 변경하는 레이저 주사 장치 및 레이저 주사 장치와 피가공물의 상대 위치를 변경하는 병진 스테이지를 레이저 주사 장치의 목표 위치 및 병진 스테이지의 목표 위치에 근거하여 제어하는 레이저 가공 장치에 있어서, 병진 스테이지의 적어도 1개의 구동축에 대하여 그 구동축 방향의 위치를 검출하기 위해 상이한 위치에 마련된 2개 이상의 제어용 위치 센서를 구비한다. 또한 본 발명은, 제어용 위치 센서가 검출한 병진 스테이지의 검출 위치에 근거하여 요잉 각도를 구하는 요잉 각도 연산 처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 병진 스테이지가 요잉을 일으키더라도 양호한 가공 정밀도를 얻는 것이 가능한 레이저 가공 장치를 실현할 수 있다고 하는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관계되는 레이저 가공 장치의 사시도이다.
도 2는 실시의 형태 1에 관계되는 XY 테이블의 정면도이다.
도 3은 실시의 형태 1에 관계되는 XY 테이블의 측면도이다.
도 4는 실시의 형태 1에 관계되는 X축 요잉을 표현한 XY 테이블의 평면도이다.
도 5는 실시의 형태 1에 관계되는 Y축 요잉을 표현한 XY 테이블의 평면도이다.
도 6은 실시의 형태 1에 관계되는 탑 테이블이 중앙에 있는 경우의 XY 테이블의 평면도이다.
도 7은 실시의 형태 1에 관계되는 가공점을 가공할 수 있도록 탑 테이블을 이동했을 때의 XY 테이블의 평면도이다.
도 8은 실시의 형태 1에 관계되는 X축 요잉이 발생했을 때의 XY 테이블의 평면도이다.
도 9는 실시의 형태 1에 관계되는 X축 요잉과 Y축 요잉이 발생했을 때의 XY 테이블의 평면도이다.
도 10은 실시의 형태 1에 관계되는 레이저 가공 장치에 있어서 제어부를 블록도로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시의 형태 2에 관계되는 X축 메인 인코더 상에서의 레이저 측장을 표현한 XY 테이블의 평면도이다.
도 12는 실시의 형태 2에 관계되는 X축 서브 인코더 상에서의 레이저 측장을 표현한 XY 테이블의 평면도이다.
도 13은 실시의 형태 2에 관계되는 레이저 가공 장치에 있어서 제어부를 블록도로 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시의 형태 3에 관계되는 레이저 가공 장치의 사시도이다.
도 15는 실시의 형태 3에 관계되는 워크피스 특성 파악 시험에 있어서의 레이저 가공 장치의 블록도이다.
도 16은 실시의 형태 3에 관계되는 레이저 가공 장치에 있어서 제어부를 블록도로 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시의 형태 4에 관계되는 광학계 변형 특성 파악 시험에 있어서의 레이저 가공 장치의 블록도이다.
도 18은 실시의 형태 4에 관계되는 레이저 가공 장치에 있어서 제어부를 블록도로 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시의 형태 5에 관계되는 레이저 가공 장치의 사시도이다.
도 20은 실시의 형태 5에 관계되는 스테이지 특성 파악 시험에 있어서의 레이저 가공 장치의 블록도이다.
도 21은 실시의 형태 5에 관계되는 레이저 가공 장치에 있어서 제어부를 블록도로 나타낸 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시의 형태 6에 관계되는 레이저 가공 장치의 사시도이다.
도 23은 실시의 형태 6에 관계되는 복수 개의 워크피스 유지대를 탑재한 XY 테이블의 평면도이다.

이하에, 본 발명의 실시의 형태에 관계되는 레이저 가공 장치를 도면에 근거하여 상세하게 설명한다. 또, 이 실시의 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것이 아니다.

실시의 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관계되는 레이저 가공 장치(1a)의 사시도이다. 레이저 가공 장치(1a)는, 레이저 발진기(2)와, 가공 헤드(4)와, 병진 스테이지인 XY 테이블(9)과, 도 1에서는 생략하고 있는 제어부를 구비한다. 도 1에 있어서 나타낸 X축 방향이 레이저 가공 장치(1a)의 전후 방향이고, Y축 방향이 레이저 가공 장치(1a)의 좌우 방향이고, Z축 방향이 레이저 가공 장치(1a)의 상하 방향인 것으로 한다. 레이저 발진기(2)로부터 레이저 빔(3)이 사출되어, 도시를 생략한 각종 광학계를 경유하여 가공 헤드(4)에 입사한다.

가공 헤드(4) 내에는 레이저 빔(3)의 피가공물 상에서의 조사 위치를 변경하는 레이저 주사 장치(5)가 장착되어 있다. 도 1에서는, 레이저 주사 장치(5)의 구체적인 예로서 모터의 선단에 미러가 붙은 갈바노(Galvano) 스캐너(5a, 5b)가 도시되어 있다. 가공 헤드(4)에는 갈바노 스캐너(5a, 5b) 외에 fθ 렌즈(6)가 장착되어 있다. 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 회전 각도를 제어함으로써 레이저 빔(3)의 피가공물 상에서의 조사 위치를 제어할 수 있다. 갈바노 스캐너(5a, 5b)가 각각 레이저 빔(3)의 X축 방향, Y축 방향의 위치 결정을 담당하고 있고, 레이저 빔(3)의 2차원의 위치 결정이 가능하다. fθ 렌즈(6)는, 갈바노 스캐너(5a, 5b)에서 반사한 레이저 빔(3)의 방향을 피가공물인 워크피스(7)에 대하여 수직으로 하면서 워크피스(7) 상에 집광하는 것이다.

워크피스(7) 상에 레이저 빔(3)을 집광시킴으로써 가공 구멍(8)을 형성한다. 갈바노 스캐너(5a, 5b)로 레이저 빔(3)을 주사할 수 있는 범위를 스캔 에리어(29)라고 부른다. 스캔 에리어(29)는 워크피스(7)의 사이즈에 비하여 작은 것으로부터, 워크피스(7)의 전면을 가공하기 위해서는 병진 스테이지에 의해 가공 헤드(4)와 워크피스(7)의 상대 위치를 변경할 필요가 있다. 도 1에서는, 병진 스테이지의 구체적인 예로서 X축 방향 및 Y축 방향의 2차원 방향으로 워크피스(7)를 구동하는 XY 테이블(9)이 나타나 있다. XY 테이블(9)이 워크피스(7)를 이동시키는 것에 의해, 레이저 주사 장치(5)와 워크피스(7)의 상대 위치를 변경하여, 워크피스(7) 상의 레이저 빔(3)에 의한 가공 범위를 변경함으로써 워크피스(7)의 전면을 가공한다.

도 2는 실시의 형태 1에 관계되는 XY 테이블(9)의 정면도이다. 도 3은 실시의 형태 1에 관계되는 XY 테이블(9)의 측면도이다. 도 2 및 도 3을 이용하여, XY 테이블(9)에 대하여 설명한다.

XY 테이블(9)은, 베드(10)와, X축 서보 모터(11)와, X축 볼나사(12)와, X축 너트(14)를 포함한 X축 가동부(15)를 구비한다. X축 가동부(15)는, X축 너트(14)와, Y축 새들(13)과, Y축 서보 모터(18)와, Y축 볼나사(19)와, Y축 너트(21)를 포함한 Y축 가동부(22)를 구비한다. Y축 가동부(22)는, 탑 테이블(20)과, 탑 테이블(20)에 장착된 Y축 너트(21)를 구비한다. 또, 탑 테이블(20)을 병진 스테이지로 인식하더라도 상관없다.

베드(10)의 위에 X축 서보 모터(11)가 장착되어 있고, X축 서보 모터(11)의 회전 운동을 X축 볼나사(12)에 의해 X축 너트(14)의 직선 운동으로 변환한다. Y축 새들(13)의 하부에 장착되어 있는 X축 너트(14)가 X축 볼나사(12)로부터 힘을 받는 것에 의해, X축 너트(14)보다 위의 X축 가동부(15)가 X축 방향으로 구동된다. 또한, 베드(10) 상에 장착되어 있는 X축 리니어 가이드(16)가 X축 가동부(15)의 이동 때의 마찰을 저감함과 아울러 X축 가동부(15)의 운동 방향을 구속한다. X축 가동부(15)의 운동을 구속하기 위해 Y축 새들(13)의 하부에 붙여진 X축 가이드 블록(17)이 X축 리니어 가이드(16)를 따라 움직이도록 되어 있다.

Y축 새들(13)의 위에는 Y축 서보 모터(18)가 탑재되어 있고, Y축 서보 모터(18)의 회전 운동을 Y축 볼나사(19)에 의해 Y축 너트(21)의 직선 운동으로 변환한다. 탑 테이블(20)의 하부에 붙여진 Y축 너트(21)가 Y축 볼나사(19)로부터 힘을 받는 것에 의해, Y축 너트(21)보다 위의 Y축 가동부(22)인 탑 테이블(20)이 Y축 방향으로 구동된다. 또한, Y축 새들(13) 상에 장착되어 있는 Y축 리니어 가이드(23)가 Y축 가동부(22)의 이동 때의 마찰을 저감함과 아울러 Y축 가동부(22)의 운동 방향을 구속한다. Y축 가동부(22)의 운동을 구속하기 위해 탑 테이블(20)의 하부에 붙여진 Y축 가이드 블록(24)이 Y축 리니어 가이드(23)를 따라 움직이도록 되어 있다.

실시의 형태 1에 관계되는 XY 테이블(9)의 위치 결정을 위해, 제어용 위치 센서로서 리니어 인코더를 이용한다. XY 테이블(9)에서는 1개의 구동축마다 그 구동축 방향의 위치를 계측하는 제어용 위치 센서로서 2개의 리니어 인코더를 이용한다.

X축 방향에 관해서는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이 XY 테이블(9)에 있어서는, 베드(10) 상의 X축 가동부(15)를 사이에 두고 서로 떨어진 상이한 위치에, 제어용 위치 센서로서 X축 리니어 인코더(25)를 2개 배치한다. XY 테이블(9)의 좌측에 X축 리니어 인코더(25a)가, XY 테이블(9)의 우측에 X축 리니어 인코더(25b)가 각각 장착되어 있다. X축 리니어 인코더(25a, 25b)를 구별하지 않을 때는 X축 리니어 인코더(25)라고 부른다. 그리고, X축 방향의 위치 검출을 행하는 X축 인코더 헤드(26)가 Y축 새들(13)의 좌우에 각각 X축 인코더 헤드(26a) 및 X축 인코더 헤드(26b)로서 마련되어 있다. X축 가동부(15)의 이동에 따라 X축 리니어 인코더(25)와 X축 인코더 헤드(26)의 상대 위치가 변화함으로써, XY 테이블(9)의 X축 방향의 검출 위치가 변화한다. X축 방향의 위치 결정은 X축 리니어 인코더(25a, 25b) 중 어느 한쪽을 이용한다. X축 방향의 위치 결정에 이용하는 쪽의 인코더를 X축 메인 인코더, 다른 쪽의 인코더를 X축 서브 인코더라고 부른다.

Y축 방향에 관해서는, 도 3에 나타내는 바와 같이 XY 테이블(9)에 있어서는, Y축 새들(13)의 전후 방향의 앞쪽 및 안쪽의 상이한 위치에, 제어용 위치 센서로서 Y축 리니어 인코더(27)를 2개 배치한다. Y축 새들(13)의 앞쪽에 Y축 리니어 인코더(27a)가, Y축 새들(13)의 안쪽에 Y축 리니어 인코더(27b)가 각각 장착되어 있다. Y축 리니어 인코더(27a, 27b)를 구별하지 않을 때는 Y축 리니어 인코더(27)라고 부른다. 그리고, Y축 방향의 위치 검출을 행하는 Y축 인코더 헤드(28)가 탑 테이블(20)의 전후에 각각 Y축 인코더 헤드(28a) 및 Y축 인코더 헤드(28b)로서 마련되어 있다. Y축 가동부(22)의 이동에 따라 Y축 리니어 인코더(27)와 Y축 인코더 헤드(28)의 상대 위치가 변화함으로써, XY 테이블(9)의 Y축 방향의 검출 위치가 변화한다. Y축 방향의 위치 결정은 Y축 리니어 인코더(27a, 27b) 중 어느 한쪽을 이용한다. Y축 방향의 위치 결정에 이용하는 쪽의 인코더를 Y축 메인 인코더, 다른 쪽의 인코더를 Y축 서브 인코더라고 부른다.

X축 메인 인코더 및 Y축 메인 인코더로부터 보내어지는 신호는 적절한 회로 등을 거쳐서 위치 데이터로서 검출할 수 있는 신호로 변환되어, 후술하는 제어부에서 사용된다.

XY 테이블(9)의 X축 가동부(15)는, X축 가이드 블록(17)을 사이에 두고 X축 리니어 가이드(16)를 따라 직선 운동을 한다. 그렇지만, X축 리니어 가이드(16)를 완전히 변형 없이, 진직(眞直)으로 또한 축선에 평행하게 조립하는 것은 곤란하다. X축 리니어 가이드(16)가 약간 변형하여 장착되어 있으면, XY 테이블(9)은 X축 리니어 가이드(16)를 따라 이동하기 때문에, 이동과 함께 예기치 못한 Z축 주위의 회전인 요잉이 생기게 된다.

도 4는 실시의 형태 1에 관계되는 X축 요잉을 표현한 XY 테이블(9)의 평면도이다. XY 테이블(9)의 임의의 위치를 초기 위치로서 정하여, 그때의 X축 리니어 인코더(25a, 25b)의 검출 위치를 X₀으로 한다. 그 초기 위치로부터 X축 방향으로 이동량 X₁만큼 X축 가동부(15)를 이동시킨다. 도 4는 초기 위치로부터 X축 방향으로 이동량 X₁만큼 이동했을 때에 X축 리니어 가이드(16)의 변형에 의해 X축에 기인하는 요잉인 X축 요잉이 발생한 상태를 나타낸 XY 테이블(9)의 평면도이다. 여기서는 좌측의 X축 리니어 인코더(25a)를 X축 메인 인코더로 하고, XY 테이블(9)의 X축 방향의 검출 위치를 피드백하여 XY 테이블(9)의 X축의 위치 결정을 하고 있는 것으로 한다. X축 리니어 인코더(25a)를 기준으로 위치 결정하고 있으므로, X축 방향의 검출 위치는 목표 위치 X₀+X₁로 되어 있다. 그러나, X축 요잉이 발생하고 있는 경우, X축 서브 인코더인 X축 리니어 인코더(25b)에서는 목표 위치로부터 Δ_X만큼 어긋나 버려, 검출 위치는 X₀+X₁+Δ_X가 된다. 여기서, X축 리니어 인코더(25a)와 X축 리니어 인코더(25b)의 사이의 Y축 방향의 거리를 L_SX로 하면, 초기 위치인 X₀에서의 요잉 각도를 0으로 한 경우의 X축 요잉 각도 θ는, 이하의 수식 (1)과 같이 나타내어진다.

[수학식 1]

수식 (1)에 나타내는 바와 같이, 2개의 X축 리니어 인코더(25a, 25b)에 의한 XY 테이블(9)의 검출 위치의 차이 Δ_X를 구하여, X축 리니어 인코더(25a, 25b) 사이의 Y축 방향의 거리 L_SX로 나눔으로써 X축 요잉 각도 θ를 구하는 것이 가능하게 된다.

이상에서는 X축 방향에 대하여 설명하여 왔지만, 마찬가지의 방법으로 Y축 방향에 있어서도 2개의 Y축 리니어 인코더(27a, 27b)를 이용함으로써 Y축에 기인하는 요잉 각도인 Y축 요잉 각도를 구하는 것이 가능하다.

도 5는 실시의 형태 1에 관계되는 Y축 요잉을 표현한 XY 테이블(9)의 평면도이다. XY 테이블(9)의 임의의 위치를 초기 위치로서 정하여, 그때의 Y축 리니어 인코더(27a, 27b)에 의한 XY 테이블(9)의 검출 위치를 Y₀으로 한다. 그 초기 위치로부터 Y축 방향으로 이동량 Y₁만큼 Y축 가동부(22)를 이동시킨다. 도 5는 초기 위치로부터 Y축 방향으로 이동량 Y₁만큼 이동했을 때에 Y축 리니어 가이드(23)의 변형에 의해 Y축 요잉이 발생한 상태를 나타낸 XY 테이블(9)의 평면도이다. Y축 리니어 인코더(27a)를 Y축 메인 인코더로 하여, 초기 위치 Y₀으로부터 이동량 Y₁만큼 Y축 가동부(22)를 Y축 방향으로 이동시켰을 때, Y축 리니어 인코더(27a)의 검출 위치는 Y₀+Y₁이 된다. 그러나, Y축 요잉이 발생하고 있는 경우, Y축 서브 인코더인 Y축 리니어 인코더(27b)에서는 목표 위치로부터 Δ_Y만큼 어긋나 버려, 검출 위치는 Y₀+Y₁+Δ_Y가 된다. 여기서, Y축 리니어 인코더(27a)와 Y축 리니어 인코더(27b)의 사이의 X축 방향의 거리를 L_SY로 하면, 초기 위치 Y₀에서의 요잉 각도를 0으로 한 경우의 Y축 요잉 각도 φ는, 이하의 수식 (2)와 같이 나타내어진다.

[수학식 2]

수식 (2)에 나타내는 바와 같이, 2개의 Y축 리니어 인코더(27a, 27b)에 의한 XY 테이블(9)의 검출 위치의 차이 Δ_Y를 구하여, Y축 리니어 인코더(27a, 27b) 사이의 X축 방향의 거리 L_SY로 나눔으로써 Y축 요잉 각도 φ를 구하는 것이 가능하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 워크피스(7)를 싣고 이동하는 XY 테이블(9)에 있어서 요잉이 생기는 경우, XY 테이블(9)의 1개의 구동축마다 그 구동축 방향의 위치를 계측하는 제어용 위치 센서인 리니어 인코더를 서로 떨어진 위치에 2개 이상 마련함으로써, XY 테이블(9)의 요잉 각도의 검출이 가능하게 된다.

상기 방법에 의해 XY 테이블(9)의 요잉 각도를 구할 수 있으므로, 다음으로, XY 테이블(9)의 요잉에 의한 가공점에서의 오차를 추측한다. 도 6은 실시의 형태 1에 관계되는 탑 테이블(20)이 중앙에 있는 경우의 XY 테이블(9)의 평면도이다. 오차를 추측하는데 있어서 간단하게 하기 위해 도 6과 같이 레이저 가공 장치(1a)를 정면으로 하여 우측 방향을 U축 방향, 전후 방향의 안쪽 방향을 V축 방향으로 한 UV 좌표계를 생각한다. U축 방향은 Y축 방향의 역방향의 방향으로 되어 있고, V축 방향은 X축 방향과 동일한 방향으로 되어 있다. 도 6에 있어서, 일점쇄선은 레이저 가공 장치(1a)의 중심축을 나타내고 있고, 2개의 중심축끼리가 수직으로 교차하는 점을 원점으로 하여, 원점으로부터 본 UV 좌표계에 있어서의 절대 좌표로 각 점의 위치를 나타낸다. 도 6에 있어서는, 간단하게 하기 위해 서보 모터 등의 기재는 생략하고 있다. 레이저 조사 위치(53)를 ×로 나타내고, 가공점(51)을 ○로 나타내고, 탑 테이블 중앙(52)을 △로 나타낸다. 그리고, 탑 테이블 중앙(52)(△)의 좌표를 (U_△, V_△)로 나타내고, 가공점(51)(○)의 좌표를 (U_○, V_○)로 나타내고, 레이저 조사 위치(53)(×)의 좌표를 (U_×, V_×)로 나타낸다. 도 6에 있어서, 탑 테이블 중앙(52)의 좌표는 (0, 0)이다. 도 6에 있어서의 레이저 조사 위치(53)의 좌표를 (p, q)로 하고, 도 6에 있어서의 가공점(51)의 좌표를 (a, b)로 한다. 따라서, 도 6의 상태에 있어서는, 이하의 수식 (3)~수식 (5)와 같이 되어 있다.

[수학식 3]

[수학식 4]

[수학식 5]

도 6의 상태로부터 탑 테이블(20)을 이동시켜, 레이저 조사 위치(53)의 바로 아래에 가공점(51)이 오는 상황을 생각한다. 도 7은 실시의 형태 1에 관계되는 가공점(51)을 가공할 수 있도록 탑 테이블(20)을 이동시켰을 때의 XY 테이블(9)의 평면도이다. 도 7은 가공점(51)과 레이저 조사 위치(53)를 일치시켰을 때의 각 위치 관계를 도시한다. 도 6의 상태로부터 탑 테이블(20)을 U축 방향으로 p-a, V축 방향으로 q-b만큼 이동시키면, 도 7에 나타내는 바와 같이 가공점(51)과 레이저 조사 위치(53)가 일치한다. 도 7의 상태에 있어서의 가공점(51), 탑 테이블 중앙(52) 및 레이저 조사 위치(53)의 좌표는 이하의 수식 (6)~수식 (8)과 같이 된다.

[수학식 6]

[수학식 7]

[수학식 8]

여기서, 도 8과 같이 X축 요잉이 생긴 상황을 생각한다. 도 8은 실시의 형태 1에 관계되는 X축 요잉이 발생했을 때의 XY 테이블(9)의 평면도이다. XY 테이블(9)의 X축 요잉 각도를 θ로 하고, X축 구동축으로부터 X축 메인 인코더인 X축 리니어 인코더(25a)까지의 거리를 L_U로 한다. 도 8의 □는, X축 인코더 헤드(26a)의 위치이고, 이 점에서의 검출 위치를 기준으로 XY 테이블(9)의 X축 방향의 위치 결정을 하고 있다. X축 요잉이 발생하기 전의 X축 인코더 헤드(26a)의 좌표 (U_□, V_□)는, 이하의 수식 (9)와 같이 나타내어진다.

[수학식 9]

X축 요잉이 발생하면, XY 테이블(9)의 X축 요잉에 의해 X축 인코더 헤드(26a)의 위치(□)를 중심으로 탑 테이블 중앙(52)(△) 및 가공점(51)(○)이 X축 요잉 각도 θ만큼 회전하므로 각 좌표는 이하와 같이 구하여진다. 단, X축 요잉 각도 θ는 미소한 각이기 때문에, cosθ≒1, sinθ≒θ로 선형 근사하여 탑 테이블 중앙(52) 및 가공점(51)의 좌표를, 이하의 수식 (10) 및 수식 (11)과 같이 구한다.

[수학식 10]

[수학식 11]

또한, 도 9와 같이 X축 요잉에 더하여 Y축 요잉이 생긴 경우를 생각한다. 도 9는 실시의 형태 1에 관계되는 X축 요잉과 Y축 요잉이 발생했을 때의 XY 테이블(9)의 평면도이다. Y축 요잉 각도를 φ로 하고, Y축 구동축과 Y축 메인 인코더인 Y축 리니어 인코더(27a)의 거리를 L_V로 한다. 도 9의 ▽는, Y축 인코더 헤드(28a)의 위치이고, 이 점에서의 검출 위치를 기준으로 XY 테이블(9)의 Y축의 위치 결정을 하고 있다. Y축 요잉이 발생하기 전의 Y축 인코더 헤드(28a)의 좌표 (U_▽, V_▽)는, 이하의 수식 (12)와 같이 나타내어진다.

[수학식 12]

Y축 요잉이 발생하면, Y축 인코더 헤드(28a)의 위치(▽)를 중심으로 가공점(51)(○)은 Y축 요잉 각도 φ만큼 회전하므로, 가공점(51)의 좌표는 이하의 수식 (13)과 같이 된다.

[수학식 13]

수식 (13)으로 나타내어지는 가공점(51)(○)의 좌표와, 수식 (8)로 나타내어지는 레이저 조사 위치(53)(×)의 좌표의 차는, XY 테이블(9)이 본래의 자세로부터 일탈함으로써 생기는 위치 결정 오차, 즉 아베 오차가 되고, U축 아베 오차 E_U 및 V축 아베 오차 E_V는, 이하의 수식 (14)와 같이 나타내어진다.

[수학식 14]

UV 좌표계를 XY 좌표계로 변환하여 얻어지는 X축 아베 오차 E_X 및 Y축 아베 오차 E_Y는, 이하의 수식 (15)와 같이 나타내어진다.

[수학식 15]

수식 (15)로부터 XY 테이블(9)의 요잉에 의한 아베 오차는, 탑 테이블(20)의 위치, 가공점(51)의 위치, XY 테이블(9)의 요잉 각도, X축 메인 인코더인 X축 리니어 인코더(25a)의 배치 및 Y축 메인 인코더인 Y축 리니어 인코더(27a)의 배치에 근거하여 결정된다. 여기서, X축 리니어 인코더(25a)의 배치 및 Y축 리니어 인코더(27a)의 배치로부터 얻어지는 L_U, L_V는 기지의 상수이므로, 온라인으로 아베 오차를 구할 때는, 탑 테이블(20)의 위치, 가공점(51)의 위치 및 XY 테이블(9)의 요잉 각도를 온라인으로 알 수 있으면 된다. 따라서, 1개의 구동축마다 2개 이상의 리니어 인코더를 이용하여 요잉 각도를 검출할 수 있으면, 탑 테이블(20)을 이동시켜 가공하는 단계에서 각 구동축의 아베 오차를 추정 가능하다.

이상과 같이 하여 추정한 아베 오차를 보정량으로서 이용하여, 레이저 가공 장치(1a)가 가공 위치를 보정하는 방법에 대하여 설명한다. 도 10은 실시의 형태 1에 관계되는 레이저 가공 장치(1a)에 있어서 제어부(201)를 블록도로 나타낸 도면이다. 제어부(201)에 의해 아베 오차를 이용한 가공 위치의 보정이 실행된다.

제어부(201)는, 가공 계획 처리부(61)와, X축 테이블 위치 지령 생성부(65)와, X축 테이블 제어부(66)와, Y축 테이블 위치 지령 생성부(67)와, Y축 테이블 제어부(68)와, 요잉 가공 오차 보정 수단(79)과, 요잉 각도 연산 처리부(80)와, X축 갈바노 스캐너 위치 지령 생성부(69)와, X축 회전각 지령 생성부(70)와, X축 회전각 제어부(71)와, Y축 갈바노 스캐너 위치 지령 생성부(72)와, Y축 회전각 지령 생성부(73)와, Y축 회전각 제어부(74)를 구비한다. 요잉 각도 연산 처리부(80)는, X축 요잉 각도 연산 처리부(75)와, Y축 요잉 각도 연산 처리부(76)를 구비한다. 요잉 가공 오차 보정 수단(79)은, 아베 오차 추정부(77)와, 가산기(78)를 구비한다.

가공 계획 처리부(61)는, 구멍 데이터로부터 가공 계획을 세워, XY 테이블(9)의 목표 위치와 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치를 생성한다.

가공 계획 처리부(61)에서 생성된 탑 테이블(20)의 X축 목표 위치는 X축 테이블 위치 지령 생성부(65)에 입력되고, X축 목표 위치에 근거하여 X축 테이블 위치 지령 생성부(65)는 탑 테이블(20)에 대한 X축 위치 지령을 생성한다. X축 테이블 위치 지령 생성부(65)가 생성한 X축 위치 지령과, 피드백된 X축 리니어 인코더(25a)의 검출 위치에 근거하여, X축 테이블 제어부(66)는, X축 서보 모터(11)를 제어하는 신호를 생성하여, X축 서보 모터(11)를 제어한다.

마찬가지로, 가공 계획 처리부(61)에서 생성된 탑 테이블(20)의 Y축 목표 위치는 Y축 테이블 위치 지령 생성부(67)에 입력되고, Y축 목표 위치에 근거하여 Y축 테이블 위치 지령 생성부(67)는 탑 테이블(20)에 대한 Y축 위치 지령을 생성한다. Y축 테이블 위치 지령 생성부(67)가 생성한 Y축 위치 지령과, 피드백된 Y축 리니어 인코더(27a)의 검출 위치에 근거하여, Y축 테이블 제어부(68)는, Y축 서보 모터(18)를 제어하는 신호를 생성하여, Y축 서보 모터(18)를 제어한다.

X축 리니어 인코더(25a) 및 X축 리니어 인코더(25b) 각각이 검출한 검출 위치는 요잉 각도 연산 처리부(80)의 X축 요잉 각도 연산 처리부(75)에 보내어지고, 온라인으로 X축 요잉 각도 θ의 계산이 수식 (1)에 근거하여 행하여진다. 마찬가지로, Y축 리니어 인코더(27a) 및 Y축 리니어 인코더(27b) 각각이 검출한 검출 위치는 요잉 각도 연산 처리부(80)의 Y축 요잉 각도 연산 처리부(76)에 보내어지고, 온라인으로 Y축 요잉 각도 φ의 계산이 수식 (2)에 근거하여 행하여진다.

X축 요잉 각도 연산 처리부(75)에서 계산된 X축 요잉 각도 θ 및 Y축 요잉 각도 연산 처리부(76)에서 계산된 Y축 요잉 각도 φ는 아베 오차 추정부(77)에 보내어진다. 아베 오차 추정부(77)는, 가공 계획 처리부(61)에서 생성된 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치 (X_g, Y_g), X축 리니어 인코더(25a) 및 Y축 리니어 인코더(27a)에서 검출되는 탑 테이블(20)의 위치, X축 요잉 각도 θ 및 Y축 요잉 각도 φ로부터, 수식 (15)에 근거하여 아베 오차 (E_X, E_Y)를 추정한다. 또, 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치는, 가공점(51)의 위치에 대응하고 있고, 가공점(51)의 위치로부터 탑 테이블(20)의 위치를 뺀 잔여 거리가 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치가 된다.

가산기(78)는, 가공 계획 처리부(61)에서 생성된 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치 (X_g, Y_g)를, 아베 오차 추정부(77)에서 추정한 각 구동축의 아베 오차 (E_X, E_Y)를 가산하는 것에 의해 보정하고, 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 보정 후의 목표 위치 (X_g+E_X, Y_g+E_Y)를 출력한다.

가산기(78)로부터 출력된 X축용의 갈바노 스캐너(5a)의 보정 후의 목표 위치 (X_g+E_X)는, X축 갈바노 스캐너 위치 지령 생성부(69)에 입력되고, X축 갈바노 스캐너 위치 지령 생성부(69)는, X축용의 갈바노 스캐너(5a)로의 위치 지령을 생성한다. X축 회전각 지령 생성부(70)는, X축용의 갈바노 스캐너(5a)로의 위치 지령을 회전 각도 지령으로 변환한다. X축 회전각 지령 생성부(70)가 생성한 회전 각도 지령과, 갈바노 스캐너(5a)로부터 피드백된 인코더 신호에 근거하여, X축 회전각 제어부(71)는 제어 신호를 생성하여 갈바노 스캐너(5a)에 보내는 것에 의해, 갈바노 스캐너(5a)를 제어한다.

마찬가지로, 가산기(78)로부터 출력된 Y축용의 갈바노 스캐너(5b)의 보정 후의 목표 위치 (Y_g+E_Y)는, Y축 갈바노 스캐너 위치 지령 생성부(72)에 입력되고, Y축 갈바노 스캐너 위치 지령 생성부(72)는, Y축용의 갈바노 스캐너(5b)로의 위치 지령을 생성한다. Y축 회전각 지령 생성부(73)는, Y축용의 갈바노 스캐너(5b)로의 위치 지령을 회전 각도 지령으로 변환한다. Y축 회전각 지령 생성부(73)가 생성한 회전 각도 지령과, 갈바노 스캐너(5b)로부터 피드백된 인코더 신호에 근거하여, Y축 회전각 제어부(74)는 제어 신호를 생성하여 갈바노 스캐너(5b)에 보내는 것에 의해, 갈바노 스캐너(5b)를 제어한다.

이상 설명한 바와 같이, 실시의 형태 1에 관계되는 레이저 가공 장치(1a)는, 레이저의 조사 위치를 변경하는 레이저 주사 장치(5)인 갈바노 스캐너(5a, 5b)와, 갈바노 스캐너(5a, 5b)와 워크피스(7)의 상대 위치를 바꾸는 병진 스테이지인 XY 테이블(9)을 구비한데다가, XY 테이블(9)의 1개의 구동축마다 그 구동축 방향의 위치를 계측하는 제어용 위치 센서인 리니어 인코더를 서로 떨어진 위치에 2개 이상 구비한다. 또한, 레이저 가공 장치(1a)는, 요잉 각도 연산 처리부(80)를 갖는다. 요잉 각도 연산 처리부(80)는, 리니어 인코더의 검출 위치에 근거하여, XY 테이블(9)의 요잉 각도를 구한다. 그리고, 요잉 가공 오차 보정 수단(79)은, 탑 테이블(20)의 위치, 가공점(51)의 위치 및 XY 테이블(9)의 요잉 각도로부터 XY 테이블(9)의 요잉에 따르는 가공점(51)에 있어서의 레이저 빔(3)의 조사 위치의 오차인 아베 오차를 추정하고, 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치에 추정한 아베 오차를 더하여 보정한다. 이것에 의해, 레이저 가공 장치(1a)는, XY 테이블(9)의 요잉에 의한 오차를 갈바노 스캐너(5a, 5b)로 온라인으로 보정하면서 레이저 가공을 행하는 것이 가능하게 된다.

즉, 실시의 형태 1에 관계되는 레이저 가공 장치(1a)는, 1개의 구동축마다 2개 이상의 제어용 위치 센서를 마련하여, 요잉 각도 연산 처리부(80)에 있어서 병진 스테이지의 요잉 각도를 검출하고, 요잉 가공 오차 보정 수단(79)에 있어서 요잉에 의한 가공점(51)에서의 오차를 추정한다. 즉, 병진 스테이지의 축선과 평행한 기준면을 필요로 하지 않고서 병진 스테이지의 요잉 각도를 검출하여, 가공점(51)에서의 아베 오차를 정확하게 추정할 수 있다. 따라서, 병진 스테이지가 요잉을 일으킨 경우에도, 요잉에 따르는 오차를 높은 정밀도로 추정할 수 있으므로, 양호한 가공 정밀도를 얻는 것이 가능하게 된다.

실시의 형태 1에 있어서는, 병진 스테이지로서 XY 테이블(9)을 이용하여 워크피스(7)를 이동시켜, 갈바노 스캐너(5a, 5b)와 워크피스(7)의 상대 위치를 변경한다고 하여 설명했지만, 병진 스테이지의 구성으로서는 다른 구성도 생각할 수 있다. 예컨대, 워크피스(7)를 고정하고, 갈바노 스캐너(5a, 5b)가 구비된 가공 헤드(4)를 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시키는 구성의 병진 스테이지도 생각할 수 있다. 또한, 워크피스(7)를 X축 방향으로 이동시키는 병진 스테이지와, 갈바노 스캐너(5a, 5b)를 Y축 방향으로 이동시키는 병진 스테이지의 조합도 생각할 수 있다. 이 경우, 워크피스(7)의 이동 방향과 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 이동 방향을 교체하는 것도 가능하다.

또한, 실시의 형태 1에 있어서는, XY 테이블(9)의 액추에이터로서 서보 모터와 볼나사의 조합을 일례로서 나타냈지만, XY 테이블(9)에 있어서 탑 테이블(20)에 직선 운동을 시킬 수 있다면 다른 수단을 이용하더라도 좋다. 따라서, 액추에이터로서, 서보 모터와 랙 앤드 피니언, 리니어 모터라고 하는 것을 이용하더라도 좋다.

또한, 실시의 형태 1의 XY 테이블(9)에 있어서는 1개의 구동축에 대하여 1개의 액추에이터로 구동하고 있었지만, 탠덤 구동 등의 2개 이상의 액추에이터로 구동하도록 하더라도 상관없다.

또한, 실시의 형태 1에 있어서는, 레이저 주사 장치(5)로서는 갈바노 스캐너(5a, 5b)를 예로서 설명했지만, 레이저 빔(3)의 조사 위치를 변경할 수 있는 것이면, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 미러 액추에이터, 음향학 소자, 폴리곤 미러 스캐너 등이더라도 상관없다. 또한, 실시의 형태 1에 있어서는, 리얼타임으로 보정하기 때문에 XY 테이블(9)은 정지하고 있는 상태 또는 이동하고 있는 상태 중 어느 것이더라도 상관없다.

또한, 실시의 형태 1에 있어서는, X축 방향 및 Y축 방향의 양축 방향 각각에 2개씩의 리니어 인코더를 이용하고 있지만, 요잉의 영향이 큰 X축 방향 또는 Y축 방향 중 어느 한 방향만 2개 이상의 리니어 인코더를 이용하는 방법도 생각할 수 있다. 즉, XY 테이블(9)의 적어도 1개의 구동축에 대하여, 2개 이상의 리니어 인코더를 상이한 위치에 마련하더라도 상관없다. 또한, 메인 인코더와 서브 인코더는 레이저 가공 장치(1a)의 구동축에 대하여, 좌우 대칭으로 배치되어 있지 않더라도 상관없다.

실시의 형태 2.

도 11은 본 발명의 실시의 형태 2에 관계되는 X축 메인 인코더 상에서의 레이저 측장을 표현한 XY 테이블(9)의 평면도이다. 도 12는 실시의 형태 2에 관계되는 X축 서브 인코더 상에서의 레이저 측장을 표현한 XY 테이블(9)의 평면도이다. 도 13은 실시의 형태 2에 관계되는 레이저 가공 장치(1b)에 있어서 제어부(202)를 블록도로 나타낸 도면이다.

리니어 인코더의 조립에 기하적인 어긋남이 있는 경우, 탑 테이블(20)의 위치가 목표로부터 어긋나는 것, 또는 아베 오차의 추정이 어긋나는 것 등을 생각할 수 있다. 리니어 인코더의 조립의 기하적인 어긋남이란, 리니어 인코더의 진직성(眞直性)의 어긋남, 리니어 인코더와 병진 스테이지의 구동축의 평행성의 어긋남이라고 하는 어긋남이다.

실시의 형태 2에서는, 상기와 같은 리니어 인코더의 조립에 기하적인 어긋남이 생기는 경우를 고려하여, 교정용 위치 센서인 레이저 간섭계(31)에 의한 측정 결과에 근거한 리니어 인코더의 교정을 행하여, 리니어 인코더의 조립에 기하적인 어긋남이 있는 경우에도 양호한 가공 정밀도에 의한 가공을 실현하는 방법에 대하여 설명한다. 즉, X축 리니어 인코더(25a, 25b)의 레이저 간섭계(31)에 의한 교정 방법을 설명한다.

도 11은 X축 메인 인코더인 X축 리니어 인코더(25a)의 레이저 간섭계(31)를 이용한 교정 방법을 설명하기 위한 XY 테이블(9)의 평면도로 되어 있다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 레이저 간섭계(31)를 XY 테이블(9)의 앞에 설치하여, 위치 결정 제어용 센서인 X축 리니어 인코더(25a)의 바로 위를 계측한다. 탑 테이블(20) 상에 빔 스플리터(33) 및 가동측 미러(34)를 배치하고, 전후 방향의 뒤쪽에 고정측 미러(35)를 배치한다. 레이저 간섭계(31)로부터 사출된 레이저 광(32)은 빔 스플리터(33)에서 2방향으로 분할되고, 분할된 2방향의 레이저 광(32)은 가동측 미러(34) 및 고정측 미러(35)에서 각각 반사되어, 빔 스플리터(33)를 다시 지나서 레이저 간섭계(31)의 수광부로 돌아가도록 조정되어 있다. 레이저 간섭계(31), 빔 스플리터(33) 및 고정측 미러(35)의 관계가 진직(眞直)이면 레이저 간섭계(31)의 수광부에 충분한 광량의 레이저 광(32)이 돌아오므로, 수광부가 받은 광량에 근거하여 진직(眞直)인지 여부를 판단하는 것이 가능하다.

그리고, 탑 테이블(20)이 X축 방향으로 이동했을 때에, 분할된 레이저 광(32)의 광로 차이에 의해 간섭 무늬의 패턴이 바뀌는 것을 이용하여, 레이저 간섭계(31)는 X축 가동부(15)의 이동 거리를 계측할 수 있다. 레이저 광(32)의 파장을 기준으로 하여 계측하고 있기 때문에, 레이저 간섭계(31)는 높은 정밀도의 계측이 가능하다. 따라서, 레이저 간섭계(31)를 교정용 위치 센서로서 이용할 수 있다.

초기 위치로부터 설정한 임의의 값의 X축 이동량만큼 탑 테이블(20)을 X축 방향으로 이동시키고, 이동 후에 탑 테이블(20)의 이동 거리를 레이저 간섭계(31)로 계측한다. 위치 결정은 X축 리니어 인코더(25a)에 의한 검출 위치를 기준으로 하여 행하므로, X축 리니어 인코더(25a)의 조립에 기하적인 어긋남이 있으면, 레이저 간섭계(31)로 계측한 이동 거리가 나타내는 X축 이동량과 X축 리니어 인코더(25a)의 X축 이동량은 일치하지 않는다.

그래서, 레이저 간섭계(31)로 계측한 이동 거리와, 그것에 대응하는 X축 리니어 인코더(25a)의 X축 이동량의 차이를 탑 테이블(20)의 X축 방향의 위치에 대응지은 X축 메인 센서 교정 테이블(820)을 작성한다. 구체적으로는, X축 이동량을 5㎜로 설정하고 X축 방향의 풀 스트로크가 1000㎜이면, X축 방향으로 5㎜마다 이동과 정지를 반복하여, 정지했을 때의 레이저 간섭계(31)로 계측한 이동 거리와 X축 리니어 인코더(25a)의 X축 이동량의 차이를 취득하여 X축 메인 센서 교정 테이블(820)을 작성한다.

X축 리니어 인코더(25a)의 계측에서, 초기 위치 X₀으로부터 X축 방향으로 이동량 X₁만큼 탑 테이블(20)을 이동시킨 경우에, 레이저 간섭계(31)로 계측한 X축 방향의 위치가 X₀+X₁+δ_Xa인 것으로 하면, X축 메인 센서 교정 테이블(820)에 있어서, X축 리니어 인코더(25a)에 의한 X축 방향의 검출 위치 X₀+X₁에 대하여 보정량 δ_Xa가 대응지어진다.

그리고, 레이저 가공 장치(1b)가 레이저 가공을 실시하는 경우는, 보정량 δ_Xa를 고려하여 탑 테이블(20)을 X₀+X₁에 위치 결정한다. 구체적으로는, 가공 계획 처리부(61)로부터 주어진 X축 목표 위치 X₀+X₁과, 목표 위치 X₀+X₁에 대응하여 X축 메인 센서 교정 테이블(820)에 보존되어 있는 보정량 δ_Xa를 이용하여, X축 메인 센서 보정 처리부(83)가, X축 목표 위치를 X₀+X₁-δ_Xa로 보정한다. 이때, X축 리니어 인코더(25a)의 검출 위치 X_Sa, X축 리니어 인코더(25a)의 바로 위의 위치에서의 레이저 간섭계(31)에 의한 계측 위치 X_La, X축 메인 센서 교정 테이블(820)에 의해 주어지는 보정량 X_Pa는, 각각, 이하의 수식 (16)~수식 (18)과 같이 나타내어진다.

[수학식 16]

[수학식 17]

[수학식 18]

이때, 이하의 수식 (19)에 나타내는 관계가 성립된다.

[수학식 19]

도 12는 X축 서브 인코더인 X축 리니어 인코더(25b)의 레이저 간섭계(31)를 이용한 교정 방법을 설명하기 위한 XY 테이블(9)의 평면도로 되어 있다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 레이저 간섭계(31)를 제어용 위치 센서인 X축 리니어 인코더(25b)의 바로 위를 계측할 수 있도록 설치한다. 탑 테이블(20) 상에 빔 스플리터(33) 및 가동측 미러(34)를 배치하고, 전후 방향의 뒤쪽에 고정측 미러(35)를 배치한다. 레이저 간섭계(31)로부터 사출된 레이저 광(32)은 빔 스플리터(33)에서 2방향으로 분할되고, 분할된 2방향의 레이저 광(32)은 가동측 미러(34) 및 고정측 미러(35)에서 각각 반사되어, 빔 스플리터(33)를 다시 거쳐 레이저 간섭계(31)의 수광부로 돌아가도록 조정되어 있다.

그리고, 탑 테이블(20)을 설정한 이동량만큼 X축 방향으로 이동시켜, X축 리니어 인코더(25b)의 바로 위에 있어서 레이저 간섭계(31)로 계측한 이동량과 X축 리니어 인코더(25b)로 계측한 이동량의 차이를 취득하고, 그 차이를 탑 테이블(20)의 X축 리니어 인코더(25a)에 의한 X축 방향의 검출 위치에 대응시킨 보정량을 나타내는 X축 서브 센서 교정 테이블(850)을 작성한다.

X축 메인 센서 보정 처리부(83)에 의한 X축 목표 위치의 보정 처리를 실행하고 있는 상태에서, 탑 테이블(20)을 초기 위치 X₀으로부터 X축 이동량 X₁만큼 이동시킨 경우, 레이저 간섭계(31)에 의한 계측 위치는 요잉의 영향에 의해 X₀+X₁+Δ_X가 된다. 이때 X축 리니어 인코더(25b)의 검출 위치는, 기하적인 어긋남에 의해 X₀+X₁+δ_Xb가 된다. 따라서, X축 서브 센서 교정 테이블(850)에 있어서, 탑 테이블(20)의 X축 방향의 검출 위치 X₀+X₁에 대하여, 보정량 Δ_X-δ_Xb가 대응지어진다.

X축 메인 센서 보정 처리부(83)에 의한 X축 목표 위치의 보정 처리 후의 X축 리니어 인코더(25b)의 검출 위치 X_Sb, X축 리니어 인코더(25b)의 바로 위의 위치에서의 레이저 측장에 의한 계측 위치 X_Lb, X축 서브 센서 교정 테이블(850)에 의해 주어지는 피치 보정량 X_Pb는, 이하의 수식 (20)~수식 (22)와 같이 나타내어진다.

[수학식 20]

[수학식 21]

[수학식 22]

이때, 이하의 수식 (23)에 나타내는 관계가 성립된다.

[수학식 23]

여기서, 수식 (1), 수식 (17), 수식 (19), 수식 (21) 및 수식 (23)을 이용하면, X축 요잉 각도 θ는 이하의 수식 (24)와 같이 나타내어진다.

[수학식 24]

X_Sb는 X축 리니어 인코더(25a)의 검출 위치이고, X_Sb는 X축 리니어 인코더(25b)의 검출 위치이고, X_Pa는 X축 메인 센서 교정 테이블(820)로부터 구하여지는 값이고, X_Pb는 X축 서브 센서 교정 테이블(850)로부터 구하여지는 값이다.

따라서, X축 리니어 인코더(25a, 25b)의 장착에 기하적인 어긋남이 있었을 경우에도, 미리 레이저 간섭계(31)라고 하는 교정용 위치 센서를 이용한 시험에 의해 X축 메인 센서 교정 테이블(820) 및 X축 서브 센서 교정 테이블(850)을 미리 취득하여 둔다. 미리 취득된 X축 메인 센서 교정 테이블(820) 및 X축 서브 센서 교정 테이블(850)을 이용하여, X축 리니어 인코더(25a, 25b)의 교정을 행하면, X축 요잉 각도 θ를 정확하게 구할 수 있다.

Y축 리니어 인코더(27a, 27b)의 레이저 간섭계(31)에 의한 교정 방법도 상기한 X축 리니어 인코더(25a, 25b)의 교정 방법과 마찬가지이다. 레이저 간섭계(31)를 Y축 방향의 계측을 할 수 있도록 배치를 바꾸고, Y축 리니어 인코더(27a)의 바로 위에서 계측을 행하여, 레이저 간섭계(31)로 계측한 Y축 방향의 위치와 Y축 리니어 인코더(27a)의 검출 위치의 차이로부터 Y축 메인 센서 교정 테이블(900)을 구한다. Y축 메인 센서 교정 테이블(900)을 이용하여, 레이저 간섭계(31)의 위치가 목표 위치에 일치하도록 Y축 메인 센서 보정 처리부(88)가 Y축 목표 위치에 대한 보정을 실시한다. 또한, Y축 리니어 인코더(27b)의 바로 위에서 레이저 간섭계(31)에 의한 계측을 행하여, 레이저 간섭계(31)로 계측한 Y축 방향의 위치와 Y축 리니어 인코더(27b)의 검출 위치의 차이로부터 Y축 서브 센서 교정 테이블(870)을 구한다. Y축 리니어 인코더(27a, 27b)의 장착에 기하적인 어긋남이 있었을 경우에도, 레이저 간섭계(31)라고 하는 교정용 위치 센서를 이용한 시험에 의해, Y축 메인 센서 교정 테이블(900) 및 Y축 서브 센서 교정 테이블(870)을 미리 취득하여 둔다. X축 요잉 각도 θ에 대하여 위에서 설명한 것과 마찬가지로, 미리 취득된 Y축 메인 센서 교정 테이블(900) 및 Y축 서브 센서 교정 테이블(870)을 이용하여, Y축 리니어 인코더(27a, 27b)의 교정을 행하면, Y축 요잉 각도 φ를 정확하게 구할 수 있다.

도 13에서는, 레이저 가공 장치(1b)의 제어부(202)를 블록도로 나타내고 있다. 레이저 가공 장치(1b)와 실시의 형태 1에 관계되는 레이저 가공 장치(1a)는 제어부의 구성에 차이가 있다. 이하, 제어부(202)와 제어부(201)의 차이를 설명한다.

제어부(202)의 요잉 각도 연산 처리부(81)에는, 제어부(201)의 요잉 각도 연산 처리부(80)의 구성에 더하여, 센서 교정 테이블인 X축 메인 센서 교정 테이블(820)을 갖는 X축 메인 센서 교정부(82)와, 센서 교정 테이블인 X축 서브 센서 교정 테이블(850)을 갖는 X축 서브 센서 교정부(85)와, 센서 교정 테이블인 Y축 메인 센서 교정 테이블(900)을 갖는 Y축 메인 센서 교정부(90)와, 센서 교정 테이블인 Y축 서브 센서 교정 테이블(870)을 갖는 Y축 서브 센서 교정부(87)와, 가산기(91~94)가 추가되어 있다. 제어부(202)에는, 제어부(201)에 더하여, X축 메인 센서 보정 처리부(83)와, Y축 메인 센서 보정 처리부(88)가 더 추가되어 있다. 또, 센서 교정 테이블은, 제어부(202) 내의 X축 메인 센서 교정부(82), X축 서브 센서 교정부(85), Y축 메인 센서 교정부(90) 및 Y축 서브 센서 교정부(87) 이외의 개소에 구비되어 있더라도 상관없다.

가공 계획 처리부(61)에서 생성된 탑 테이블(20)의 X축 목표 위치는, 상술한 바와 같이 X축 메인 센서 보정 처리부(83)에 의해 X축 메인 센서 교정 테이블(820)을 이용하여 보정되고 나서 X축 테이블 위치 지령 생성부(65)에 입력된다. 마찬가지로, 가공 계획 처리부(61)에서 생성된 탑 테이블(20)의 Y축 목표 위치는 Y축 메인 센서 보정 처리부(88)에 의해 Y축 메인 센서 교정 테이블(900)을 이용하여 보정되고 나서 Y축 테이블 위치 지령 생성부(67)에 입력된다. 이것에 의해, 탑 테이블(20)을 레이저 간섭계(31)로 계측한 위치에 위치 결정하는 것이 가능하게 된다.

X축 리니어 인코더(25a)의 검출 위치 X_Sa는, X축 메인 센서 교정부(82)가 출력하는 X축 메인 센서 교정 테이블(820)이 나타내는 보정량 X_Pa가 가산기(91)에서 가산되어 교정되고, 가산기(91)의 출력이 X축 요잉 각도 연산 처리부(75)에 입력된다. 즉, 수식 (19)로 얻어진 X_La가 X축 요잉 각도 연산 처리부(75)에 입력된다. X축 리니어 인코더(25b)의 검출 위치 X_Sb는, X축 서브 센서 교정부(85)가 출력하는 X축 서브 센서 교정 테이블(850)이 나타내는 보정량 X_Pb가 가산기(92)에서 가산되어 교정되고, 가산기(92)의 출력이 X축 요잉 각도 연산 처리부(75)에 입력된다. 즉, 수식 (23)으로 얻어진 X_Lb가 X축 요잉 각도 연산 처리부(75)에 입력된다. 이것에 의해, X축 리니어 인코더(25a, 25b)의 검출 위치를 교정하여, X축 요잉 각도 θ를 정확하게 구하는 것이 가능하게 된다.

마찬가지로, Y축 리니어 인코더(27a)의 검출 위치는, Y축 메인 센서 교정부(90)가 출력하는 Y축 메인 센서 교정 테이블(900)이 나타내는 보정량이 가산기(94)에서 가산되어 교정되고, 가산기(94)의 출력이 Y축 요잉 각도 연산 처리부(76)에 입력된다. Y축 리니어 인코더(27b)의 검출 위치는, Y축 서브 센서 교정부(87)가 출력하는 Y축 서브 센서 교정 테이블(870)이 나타내는 보정량이 가산기(93)에서 가산되어 교정되고, 가산기(93)의 출력이 Y축 요잉 각도 연산 처리부(76)에 입력된다. 이것에 의해, Y축 리니어 인코더(27a, 27b)의 검출 위치를 교정하여, Y축 요잉 각도 φ를 정확하게 구하는 것이 가능하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 실시의 형태 2에 관계되는 레이저 가공 장치(1b)에 있어서는, 제어용 위치 센서인 리니어 인코더의 바로 위의 위치에 레이저 간섭계(31)라고 하는 교정용 위치 센서를 설치하고, 교정용 위치 센서를 이용하여 계측한 XY 테이블(9)이라고 하는 병진 스테이지의 위치와, 리니어 인코더가 검출한 병진 스테이지의 검출 위치의 차이를 계산하여 센서 교정 테이블을 미리 리니어 인코더마다 구하여 둔다. 리니어 인코더마다 구비된 센서 교정 테이블을 이용하여, 리니어 인코더를 교정함으로써 리니어 인코더의 진직성(眞直性)의 기하적인 어긋남 또는 리니어 인코더의 병진 스테이지의 축선과의 평행성의 기하적인 어긋남이라고 하는 기하적인 어긋남이 있는 경우에 있어서도, 병진 스테이지의 요잉 각도를 정확하게 검출할 수 있어, 양호한 가공 정밀도를 얻는 것이 가능하게 된다.

본 실시의 형태 2에서 나타낸 레이저 간섭계(31), 빔 스플리터(33), 가동측 미러(34) 및 고정측 미러(35)의 세팅은 일례이고, 레이저 간섭계(31)와 탑 테이블(20)이라고 하는 가동부의 사이에 빔 스플리터(33) 및 고정측 미러(35)를 배치하고, 가동측 미러(34)를 가동부에 설치하는 세팅이더라도 좋다. 또한, 계측용의 지그를 가동부에 마련하고, 레이저 간섭계(31)를 복수 대 준비하여, 각 구동축에 대하여 2개의 리니어 인코더를 동시에 레이저 간섭계로 계측할 수 있도록 하더라도 좋다. 또한, 본 실시의 형태 2에 있어서는, X축 메인 센서 교정 테이블(820) 및 X축 서브 센서 교정 테이블(850)을 작성하기 위해, 탑 테이블(20)을 X축 방향으로 이동시키는 이동량을 5㎜ 간격으로 설정했지만, 설정 간격은 임의이다. 또한, X축 리니어 인코더(25a, 25b)의 검출 위치가 설정 간격의 사이의 위치가 된 경우는, X축 메인 센서 교정 테이블(820) 및 X축 서브 센서 교정 테이블(850)의 데이터로부터 보간하여 보정량 X_Pa, X_Pb가 구하여진다. Y축 방향에 대해서도 마찬가지이다.

또한, 교정용 위치 센서로서 레이저 간섭계(31)를 이용하는 것으로 하여 설명했지만, 리니어 인코더의 교정을 행할 수 있는 기준이 되는 것이면 되므로, 미츠토요사의 제품인 고 정밀도 체크 마스터 515 시리즈라고 하는 검사 마스터 등을 이용하더라도 대용 가능하다.

실시의 형태 3.

도 14는 본 발명의 실시의 형태 3에 관계되는 레이저 가공 장치(1c)의 사시도이다. 도 15는 실시의 형태 3에 관계되는 워크피스 특성 파악 시험에 있어서의 레이저 가공 장치(1c)의 블록도이다. 도 16은 실시의 형태 3에 관계되는 레이저 가공 장치(1c)에 있어서 제어부(203)를 블록도로 나타낸 도면이다. 도 15는 워크피스 특성 파악 시험을 위해 필요한 블록이 나타나 있고, 도 10에 워크피스 보정 계획부(101), 비전 계측 처리부(102), 워크피스 보정 파라미터 산출부(103) 및 감산기(104)가 추가되어 있지만, 워크피스 특성 파악 시험에서 불필요한 블록의 기재는 생략하고 있다. 도 15에 있어서는, X축 요잉 각도 연산 처리부(75) 및 Y축 요잉 각도 연산 처리부(76)가 요잉 각도 연산 처리부(80)를 구성하고, 아베 오차 추정부(77), 워크피스 보정 파라미터 산출부(103) 및 감산기(104)가 요잉 계측 오차 보정 수단(105)을 구성한다. 도 16은 실시의 형태 1에서 설명한 도 10에 워크피스 보정 처리부(62)가 추가되어 있지만, 워크피스 특성 파악 시험을 위해 추가된 블록은 생략하고 있다. 도 15 및 도 16에 있어서, 도 10과 동일 부호의 블록은 동일한 기능을 갖고 있다.

실시의 형태 3에 관계되는 레이저 가공 장치(1c)에는 가공 구멍(8)의 가공 오차 또는 진원도를 계측하기 위해 비전 센서로서 카메라(41)가 장착되어 있다. 가공 때의 XY 테이블(9)의 위치인 채로 카메라(41)로 가공 구멍(8)을 촬영하는 것이 바람직하지만, 레이저 빔(3)이 fθ 렌즈(6)를 지나서 워크피스(7) 상에 조사되는 상황에 있어서는, XY 테이블(9)의 위치를 바꾸지 않고서 카메라(41)로 가공 구멍(8)을 보려면 fθ 렌즈(6)와 워크피스(7)의 사이의 광로 상에 카메라(41)를 배치할 필요가 있어 현실적으로는 곤란하다. 따라서, fθ 렌즈(6)와 워크피스(7)의 사이의 광로로부터 떨어진 위치에 카메라(41)를 설치하지 않을 수 없다. 도 14에 있어서, 카메라(41)는 가공 헤드(4)의 전방에 장착되어 있다.

가공 구멍(8)을 카메라(41)로 촬영하기 위해서는, 가공 때의 XY 테이블(9)의 위치로부터 가공 구멍(8)이 카메라(41)의 바로 아래가 되는 위치까지의 거리만큼 XY 테이블(9)을 이동시킬 필요가 있다. 따라서, 가공을 행할 때의 XY 테이블(9)의 위치와 카메라(41)로 가공 구멍(8)을 촬영할 때의 XY 테이블(9)의 위치가 상이하고, 각각의 위치에서의 XY 테이블(9)의 요잉 각도도 상이하다. 따라서, 가공 때의 XY 테이블(9)의 위치에 있어서의 X축 요잉 각도를 θ_p로 하고, Y축 요잉 각도를 φ_p로 한다. 또한, 카메라(41)로 계측할 때의 XY 테이블(9)의 위치에 있어서의 X축 요잉 각도를 θ_c로 하고, Y축 요잉 각도를 φ_c로 한다. 가공 때는, 실시의 형태 1에서 나타낸 수식 (15)에 근거하여, XY 테이블(9)의 위치, 가공점의 위치, XY 테이블(9)의 X축 요잉 각도 θ_p 및 Y축 요잉 각도 φ_p로부터 가공점의 아베 오차를 추정하여, 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치를 보정한다.

그리고, 카메라(41)로 가공 구멍(8)을 계측할 때도 X축 요잉 각도 θ_c 및 Y축 요잉 각도 φ_c의 영향을 배제할 필요가 있다. 요잉에 의한 계측 때의 오차 (E_cx, E_cy)는, 수식 (15)에 있어서의 실시의 형태 1의 레이저 조사 위치 (p, q)를 카메라 계측 위치 (p', q')와 치환하여, 이하의 수식 (25)와 같이 된다.

[수학식 25]

도시하고 있지 않지만, 카메라(41)는 비전 계측 처리부(102)에 접속되어 있다. 카메라(41)로 촬영한 가공 구멍(8)의 화상을 비전 계측 처리부(102)에서 해석하여 얻어진 위치 오차 (E_mx, E_my)로 했을 때에, 아베 오차 추정부(77)는, 수식 (25)로 구하여지는 바와 같이 요잉에 의한 오차 (E_cx, E_cy)를 구하여 출력한다. 감산기(104)에 있어서, 비전 계측 처리부(102)가 출력한 위치 오차 (E_mx, E_my)로부터 요잉에 의한 오차 (E_cx, E_cy)가 제거되어, 실제의 가공 오차인 (E_mx-E_cx, E_my-E_cy)가 출력된다. 이와 같이, 요잉 계측 오차 보정 수단(105)에 의해, 계측 때의 요잉에 의한 오차를 없애는 것이 가능하게 된다.

즉, 요잉 계측 오차 보정 수단(105)은, XY 테이블(9)의 검출 위치, 계측점의 위치 및 XY 테이블(9)의 요잉 각도로부터 XY 테이블(9)의 요잉에 따르는 계측점의 위치의 계측 오차 (E_cx, E_cy)를 추정할 수 있다. 따라서, 계측점을 촬영하는 비전 센서로서의 카메라(41) 및 계측점의 위치를 구하는 비전 계측 처리부(102)를 구비한 레이저 가공 장치(1c)가, 비전 계측 처리부(102)에서 구한 계측점의 위치를 추정한 계측 오차 (E_cx, E_cy)로 보정하는 요잉 계측 오차 보정 수단(105)을 가짐으로써, XY 테이블(9)의 요잉의 영향을 배제하여 위치 계측을 하는 것이 가능하게 된다. 이 기능을 이하에 설명하는 워크피스 보정 처리에서 이용할 수 있다.

카메라(41)에 의한 촬영이 필요하게 되는 처리의 하나로서, 워크피스 보정 처리가 있다. 워크피스(7)를 탑 테이블(20) 상에 두었을 때의, 워크피스(7)가 놓인 각도 또는 워크피스(7) 자체의 신축은 워크피스(7)마다 상이하다. 그 때문에, 워크피스 보정 처리에 의한 워크피스(7)의 회전 및 신축의 보정이 필요하게 된다. 워크피스(7)의 자세 및 형상을 인식하기 위해, 도 14에 일례로서 나타내는 바와 같이 워크피스(7)에는, 카메라(41)의 계측점으로서 얼라인먼트 마크(42)가 미리 마련되어 있다. 도 14와 같이, 워크피스(7)의 네 모서리에 얼라인먼트 마크(42)가 마련되어 있는 경우, XY 테이블(9)을 이동시켜 카메라(41)로 워크피스(7)의 네 모서리의 얼라인먼트 마크(42) 및 그 주변을 촬영하고, 각 얼라인먼트 마크(42)의 상대 위치 관계를 비전 계측 처리부(102)가 파악한다. 그러나, 카메라(41)로 계측한 계측점의 위치에는 XY 테이블(9)의 요잉에 의한 오차도 포함되어 있기 때문에, 네 모서리의 각 계측점에서 요잉 계측 오차 보정 수단(105)을 이용하여 계측 위치를 보정할 필요가 있다. 요잉 계측 오차 보정 수단(105)에서 요잉에 따르는 계측 오차를 이용하여 보정한 후의 각 얼라인먼트 마크(42)의 계측 위치로부터 워크피스(7)의 회전 각도 및 신축 배율을 구하고, 워크피스 형상에 따라 가공 구멍(8)의 위치를 재배치한다. 이때 XY 테이블(9)의 이동 방향 및 이동량에 대해서도 워크피스(7)의 회전 및 신축에 따라 변경한다. 보정 후의 각 얼라인먼트 마크(42)의 계측 위치로부터 구한 워크피스(7)의 X축 방향의 신축 배율 R_X 및 Y축 방향의 신축 배율 R_Y, 워크피스(7)의 회전 각도 Ψ를 이용하면, 가공점의 위치 또는 XY 테이블(9)의 목표 위치 (X, Y)는 좌표 변환에 의해 이하의 수식 (26)과 같이 새로운 목표 위치 (X', Y')로서 나타내어진다.

[수학식 26]

따라서, 워크피스(7) 상의 정해진 위치에 마련되어 있는 얼라인먼트 마크(42)를 카메라(41)가 촬영하여 비전 계측 처리부(102)가 취득한 각 얼라인먼트 마크(42)의 계측 위치를, 요잉 계측 오차 보정 수단(105)이 요잉에 따르는 계측 오차를 이용하여 보정한다. 보정 후의 각 얼라인먼트 마크(42)의 계측 위치로부터 얻어진 워크피스(7)의 회전 및 신축을 고려하여 가공점의 위치 및 XY 테이블(9)의 목표 위치를 좌표 변환에 의해 구하는 워크피스 보정 처리에 의해, XY 테이블(9)의 요잉에 의한 계측 오차를 제거할 수 있다. 요잉에 의한 계측 오차를 제거함으로써, 워크피스(7)의 상태를 올바르게 파악할 수 있으므로, 가공 오차를 저감하는 것이 가능하게 된다. 그리고, 이와 같은 워크피스 보정 처리를 실행하는 것에 의해, 이하에 설명하는 바와 같이, 실시의 형태 1 및 2의 설명에서는 생략한 초기 요잉 각도 θ₀의 영향을 배제하는 것이 가능하다.

실시의 형태 1 및 2에서 설명한 요잉 각도는, 초기 위치에서의 요잉 각도를 0인 것으로 했을 때의 상대 각도로 되어 있다. 실제로는, 초기 위치에서 요잉 각도 θ₀이 0 이외의 값을 갖고 있고, 가동부의 이동 후의 요잉 각도는 θ₀+θ가 된다. 따라서 실시의 형태 1, 2에서는 요잉 각도 θ에 의한 오차는 보정되지만 초기 요잉 각도 θ₀에 관해서는 고려하고 있지 않다. 실시의 형태 3에 관계되는 레이저 가공 장치(1c)에 있어서는, 상기한 워크피스 보정 처리에 의해 초기 요잉 각도 θ₀의 영향을 제거하는 것이 가능하다. 워크피스(7)의 얼라인먼트 마크(42)를 계측했을 때에 각 얼라인먼트 마크(42)의 계측 위치에 초기 요잉 각도 θ₀의 영향이 남아 있다. 따라서, 얼라인먼트 마크(42)의 계측 위치의 오차로부터 구하여지는 워크피스(7)의 회전 각도 Ψ는, 워크피스(7)의 본래의 회전 각도와 초기 요잉 각도 θ₀을 모두 더한 각도로 되어 있다. 따라서, 초기 요잉 각도 θ₀이 0 이외의 값을 갖고 있었다고 하더라도, 상기한 워크피스 보정 처리를 행함으로써 초기 요잉 각도 θ₀의 영향을 포함시켜 가공점의 위치 및 XY 테이블(9)의 목표 위치를 보정할 수 있다.

도 15를 이용하여, 워크피스 보정 처리의 파라미터를 산출하는 워크피스 특성 파악 시험의 상세를 설명한다. 워크피스 보정 계획부(101)는, 얼라인먼트 마크(42)를 카메라(41)로 촬영하기 위한 XY 테이블(9)의 목표 위치를 생성하고, XY 테이블(9)을 구동 제어한다. 워크피스 보정 계획부(101)는, X축 리니어 인코더(25) 및 Y축 리니어 인코더(27)의 검출 위치에 근거하여, 목표 위치에 XY 테이블(9)이 도달한 것을 검지하면, 비전 계측 처리부(102)에 촬영을 실시하도록 지시한다. 지시를 받은 비전 계측 처리부(102)는, 촬영을 실시하도록 카메라(41)에 신호를 보내고, 카메라(41)에 의한 촬영과 얼라인먼트 마크(42)의 위치의 계측을 실시한다. 그리고, 요잉 각도 연산 처리부(80)에 있어서, X축 요잉 각도 연산 처리부(75)는 XY 테이블(9)의 X축 요잉 각도를 계산하고, Y축 요잉 각도 연산 처리부(76)는 XY 테이블(9)의 Y축 요잉 각도를 계산한다. 그리고, 아베 오차 추정부(77)는, XY 테이블(9)의 X축 리니어 인코더(25) 및 Y축 리니어 인코더(27)에 의한 검출 위치, 얼라인먼트 마크(42)의 위치 및 XY 테이블(9)의 요잉 각도로부터, 얼라인먼트 마크(42)의 계측 오차를 구하여, 아베 오차를 계산한다. 감산기(104)는, 비전 계측 처리부(102)로부터 얻어진 얼라인먼트 마크(42)의 계측 위치와 아베 오차 추정부(77)에서 얻어진 아베 오차의 차이를 구하는 것에 의해, 요잉의 영향을 배제한 얼라인먼트 마크(42)의 위치를 구하여 보정 후의 각 얼라인먼트 마크(42)의 계측 위치로서, 워크피스 보정 파라미터 산출부(103)에 출력한다. 워크피스 보정 파라미터 산출부(103)는, 보정 후의 각 얼라인먼트 마크(42)의 계측 위치에 근거하여, 워크피스(7)의 회전 및 신축을 표현하는 파라미터인 워크피스(7)의 X축 방향의 신축 배율 R_X 및 Y축 방향의 신축 배율 R_Y, 워크피스(7)의 회전 각도 Ψ의 산출을 행한다.

도 16은 가공 때의 레이저 가공 장치(1c)의 제어 블록도를 나타내고 있다. 가공 계획 처리부(61)는 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치 및 XY 테이블(9)의 목표 위치를 생성한다. 그리고, 워크피스 보정 파라미터 산출부(103)가 상기와 같이 구한 워크피스 보정 처리의 파라미터를 이용하고, 워크피스 보정 처리부(62)는 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치 및 XY 테이블(9)의 목표 위치를 보정한다. 워크피스 보정 처리 후의 XY 테이블(9)의 목표 위치에 XY 테이블(9)을 위치 결정하고, 그때의 XY 테이블(9)의 요잉 각도를 요잉 각도 연산 처리부(80)의 X축 요잉 각도 연산 처리부(75) 및 Y축 요잉 각도 연산 처리부(76)에서 구한다. XY 테이블(9)의 위치, 워크피스 보정 처리 후의 가공점의 위치 및 XY 테이블(9)의 요잉 각도로부터 아베 오차 추정부(77)는 요잉에 의한 아베 오차를 추정하고, 가산기(78)가 워크피스 보정 처리 후의 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치와 아베 오차를 가산함으로써, 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치를 더 보정한다. 가산기(78)가 구한 목표 위치에서 갈바노 스캐너(5a, 5b)를 위치 결정함으로써 높은 정밀도의 가공을 실현할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 실시의 형태 3에 관계되는 레이저 가공 장치(1c)는, 비전 계측 처리부(102)에서 구한 워크피스(7) 상의 얼라인먼트 마크(42)의 계측 위치를 요잉 계측 오차 보정 수단(105)에 의해 보정하고, 워크피스 보정 처리의 파라미터를 결정하는 워크피스 보정 파라미터 산출부(103)를 마련하는 것에 의해, 얼라인먼트 마크(42)의 계측 때의 병진 스테이지의 요잉에 의한 계측 오차를 제거하는 것이 가능하게 된다. 또한, 실시의 형태 3에 관계되는 레이저 가공 장치(1c)는, 워크피스(7)의 회전 및 신축에 의한 오차를 보정하는 워크피스 보정 처리부(62)를 구비하는 것에 의해, 워크피스 보정 처리의 효과를 향상시킬 수 있다.

또, 도 15 및 도 16은 실시의 형태 1의 도 10에 실시의 형태 3에서 필요하게 되는 기능을 추가하고 있지만, 실시의 형태 2의 도 13에도 동일하게 워크피스 보정 처리부(62)를 추가하는 것에 의해 실시의 형태 3의 기능을 실현하는 것이 가능하다. 또한, 요잉 각도 연산 처리부(80) 대신에, 실시의 형태 2의 요잉 각도 연산 처리부(81)를 이용하더라도 실시의 형태 3의 기능을 실현하는 것이 가능하다.

실시의 형태 3에 있어서, 워크피스(7)의 회전 각도 Ψ의 개념을 표현하기 위해 수식 (26)과 같은 표기에 의한 보정을 실행했지만, 일반적인 워크피스 보정 처리는 이하의 수식 (27)과 같이 나타내어진다.

[수학식 27]

수식 (27)에 있어서, a₁₁, a₁₂, a₁₃, a₂₁, a₂₂, a₂₃은 상수이고, 수식 (27)은 기판의 변형 및 오프셋도 고려하고 있다. 수식 (27)을 이용하여 워크피스 보정 처리를 하더라도 상기와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

실시의 형태 3에 있어서 비전 센서로서 사용한 카메라(41)는, 에리어 센서가 붙은 CCD(Charge Coupled Device) 카메라 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 카메라이더라도 좋고, 라인 센서 카메라와 같은 카메라이더라도 상관없다. 또한, 비전 센서를 마련하는 위치는, 가공 헤드(4)가 아니더라도 상관없다. 또한, 워크피스(7) 상의 얼라인먼트 마크(42)를 4점 마련한 예로 설명했지만, 수식 (27)의 계수를 구하기 위해 얼라인먼트 마크는 3점 이상 있으면 되고, 보정 정밀도의 향상으로 이어지므로 4점 이상이더라도 상관없다.

실시의 형태 4.

도 17은 본 발명의 실시의 형태 4에 관계되는 광학계 변형 특성 파악 시험에 있어서의 레이저 가공 장치(1d)의 블록도이다. 도 18은 실시의 형태 4에 관계되는 레이저 가공 장치(1d)에 있어서 제어부(204)를 블록도로 나타낸 도면이다. 도 17은 광학계 변형 특성 파악 시험을 위해 필요한 블록이 나타나 있고, 실시의 형태 3에서 설명한 도 15에 광학계 변형 보정 계획부(111), 광학계 변형 보정 파라미터 산출부(112) 및 감산기(106)가 추가되어 있지만, 광학계 변형 특성 파악 시험에서 불필요한 블록의 기재는 생략하고 있다. 도 17에 있어서는, 도 15의 요잉 계측 오차 보정 수단(105)에 감산기(106)가 추가되어 있다. 도 18은 실시의 형태 3에서 설명한 도 16에 광학계 변형 보정 처리부(64)가 더 추가되어 있지만, 광학계 변형 특성 파악 시험을 위해 추가된 블록은 생략하고 있다. 도 17 및 도 18에 있어서, 도 10과 동일 부호의 블록은 동일한 기능을 갖고 있다.

fθ 렌즈(6) 등 광학계의 변형의 영향으로 레이저 조사 위치가 목표 위치로부터 어긋나, 가공 오차가 생기는 경우가 있다. 광학계의 변형으로부터 생기는 가공 오차를 추정하고, 추정한 가공 오차를 보정량으로 하여 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치를 보정함으로써 가공 오차를 저감한다. 이 보정을 광학계 변형 보정이라고 부른다.

광학계의 변형으로부터 가공 오차를 추정하기 위해, 미리 정한 방법으로 광학계 변형 특성 파악 시험을 행한다. 도 17은 광학계 변형 특성 파악 시험의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 광학계 변형 보정 계획부(111)는, XY 테이블(9)의 목표 위치와 스캔 에리어(29) 내의 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치를 결정한다. XY 테이블(9)을 목표 위치에 위치 결정시킨 상태에서, XY 테이블(9)의 요잉 각도를 요잉 각도 연산 처리부(80)의 X축 요잉 각도 연산 처리부(75) 및 Y축 요잉 각도 연산 처리부(76)가 계산하고, 아베 오차 추정부(77)에서 XY 테이블(9)의 요잉에 따르는 가공점에서의 가공 오차를 산출하고, 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치에 더함으로써 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치를 보정한다. 보정 후의 목표 위치에 갈바노 스캐너(5a, 5b)를 위치 결정하여 가공을 실행한다. 여기서는, XY 테이블(9)을 정지시킨 상태에서 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치를 바꾸어 복수의 가공 구멍(8)을 형성한다. 이때 가공 오차로부터 갈바노 스캐너(5a, 5b)는 위치 결정 후의 진동 등에 기인하는 오차를 제거하기 위해, 위치 결정하고 나서 충분히 시간이 경과한 후에 레이저 빔(3)을 워크피스(7)에 조사하여 가공한다. 가공 완료 후, 각 가공 구멍(8)의 바로 위에 카메라(41)가 위치하도록 XY 테이블(9)을 이동시키고, 광학계 변형 보정 계획부(111)로부터 비전 계측 처리부(102)에 촬영의 트리거를 출력하고, 카메라(41)에 의한 촬영 및 각 가공 구멍(8)의 위치의 비전 계측 처리부(102)에 의한 계측을 행하여, 가공 오차를 추출한다. 즉, 카메라(41)가 촬영하는 계측점은 각 가공 구멍(8)이 된다. 감산기(106)는, 비전 계측 처리부(102)에서 계측한 오차로부터 아베 오차 추정부(77)에서 계산된 요잉에 의한 오차를 빼는 것에 의해, 비전 계측 처리부(102)에서 계측한 오차를 보정한다. 감산기(106)가 출력한 각 가공 구멍(8)의 요잉 계측 오차에 의한 보정 후의 오차에 근거하여, 광학계 변형 보정 파라미터 산출부(112)는, 광학계 변형 보정 파라미터를 이하의 방법으로 산출한다. 광학계의 변형의 특성을 표현하는 하나의 방법으로서, 레이저 조사 목표 위치와 실제의 가공 위치의 다항식 근사로 표현하는 방법이 있다.

여기서, 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 본래의 목표 위치를 (x_ci, y_ci), 계측한 가공 구멍(8)의 위치를 (x_mi, y_mi)로 하여, 가공 구멍(8)의 위치에 근거하여 목표 위치를 근사하는 보정식을 생각한다. 보정식에 의해 구하여지는 추정 목표 위치 (x_ci', y_ci')는, 이하의 수식 (28) 및 수식 (29)와 같이 준다. 여기서, i는 가공점, 즉 가공 구멍(8)의 번호이다. 수식 (28) 및 수식 (29)는, 보정식의 일례이고, 다항식의 차수 및 형식은, 이하로 한정되지 않는다.

[수학식 28]

[수학식 29]

최소 제곱법을 사용하여, 수식 (28) 및 수식 (29)의 계수 a_x0~a_x9, a_y0~a_y9를 결정한다. 목표 위치 (x_ci, y_ci)와 추정 목표 위치 (x_ci', y_ci')의 차이의 제곱합은 이하의 수식 (30) 및 수식 (31)로 나타내어진다. 여기서, N은, 광학계 변형 특성 파악 시험에 있어서의 가공점의 수이다.

[수학식 30]

[수학식 31]

그리고, 수식 (30) 및 수식 (31)이 최소가 되도록 광학계 변형 보정 파라미터인 계수 a_x0~a_x9, a_y0~a_y9를 광학계 변형 보정 파라미터 산출부(112)가 결정한다. 따라서 이하의 수식 (32) 및 수식 (33)이 성립된다. 여기서 n은 계수의 번호이고 n=0~9이다.

[수학식 32]

[수학식 33]

여기서 행렬 X, X_c, Y_c, A_x, A_y를 이하의 수식 (34)~수식 (38)과 같이 정의한다.

[수학식 34]

[수학식 35]

[수학식 36]

[수학식 37]

[수학식 38]

그리고, 수식 (32) 및 수식 (33)을 수식 (34)~수식 (38)을 이용하여 정리하면 이하의 수식 (39) 및 수식 (40)을 얻을 수 있다.

[수학식 39]

[수학식 40]

따라서, 수식 (37) 및 수식 (38)에 나타낸 보정식의 계수 벡터 A_x, A_y는, 이하의 수식 (41) 및 수식 (42)와 같이 주어진다.

[수학식 41]

[수학식 42]

가공 시험의 결과를 기초로 상기의 방법으로 다항식 근사의 계수 벡터 A_x, A_y를 결정한다. 계수 벡터 A_x, A_y가 구하여졌으므로 가공 구멍(8)의 위치 (x_mi, y_mi)로부터 추정 목표 위치 (x_ci', y_ci')를 구하는 것이 가능하게 된다. 상기한 바와 같이 최소 제곱법을 이용하여 근사하고 있으므로, 추정 목표 위치 (x_ci', y_ci')는 목표 위치 (x_ci, y_ci)와 거의 동일한 위치로 되어 있다. 따라서, 추정 목표 위치 (x_ci', y_ci')를 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치로 하여 레이저 빔(3)을 조사하면 가공 위치는 (x_mi, y_mi)에 가까운 위치가 될 것이다. 그래서, 수식 (28) 및 수식 (29)의 가공 구멍(8)의 위치 (x_mi, y_mi)에, 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 본래의 목표 위치 (x_ci, y_ci)를 대입하여, 이하의 수식 (43) 및 수식 (44)와 같이 새로운 목표 위치 (x_ci", y_ci")를 구한다.

[수학식 43]

[수학식 44]

수식 (43) 및 수식 (44)에 의해 얻어진 새로운 목표 위치 (x_ci", y_ci")를 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치로 하여 가공을 행함으로써, 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 본래의 목표 위치 (x_ci, y_ci) 부근을 가공할 수 있다.

광학계 변형 특성 파악 시험에 있어서의 계측 때에 요잉 계측 오차 보정 수단(105)을 이용하여 XY 테이블(9)의 요잉의 영향을 배제함으로써, 광학계의 변형을 보정하는 다항식의 계수가 정확하게 구하여지고, 구한 계수를 이용하여 가공 때에 광학계 변형 보정 처리부(64)가 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치를 보정하는 것에 의해 가공 정밀도의 개선을 할 수 있다.

도 18의 실시의 형태 4에 관계되는 레이저 가공 장치(1d)와 실시의 형태 3에 관계되는 레이저 가공 장치(1c)의 차이는, 가산기(78)의 출력을 광학계 변형 보정 처리부(64)에 입력하고, 광학계 변형 보정 파라미터 산출부(112)가 구한 광학계 변형 보정 파라미터인 계수 a_x0~a_x9, a_y0~a_y9와 수식 (43) 및 수식 (44)를 사용하여 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 본래의 목표 위치 (x_ci, y_ci)를 보정하여, 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 새로운 목표 위치를 생성하는 점이다. 이와 같은 구조로 함으로써, 워크피스(7)의 회전 및 신축, XY 테이블(9)의 요잉, fθ 렌즈(6) 등의 광학계에 변형이 있는 경우에 있어서, 이들을 온라인으로 보정하면서 가공을 행하는 것이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이 실시의 형태 4에 관계되는 레이저 가공 장치(1d)에 의하면, fθ 렌즈(6)라고 하는 광학계의 변형에 의한 오차를 보정하는 광학계 변형 보정 처리부(64)를 구비하는 것에 의해, 광학계 변형 특성 파악 시험의 가공 때에 요잉 가공 오차 보정 수단(79)에 의한 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치의 보정을 행하고, 가공 구멍(8)의 계측 때에 요잉 계측 오차 보정 수단(105)에 의한 카메라(41)의 계측 오차의 보정을 행하고, 광학계 변형 보정 파라미터 산출부(112)에서 광학계 변형 보정 파라미터를 결정함으로써, 가공 구멍(8)의 계측 오차로부터 요잉에 의한 오차를 제거하여, 레이저 가공 장치(1d)의 광학계의 변형 특성을 정확하게 파악하여 보정할 수 있어, 가공 오차의 저감이 가능하게 된다.

또한, 요잉 각도 연산 처리부(80) 대신에, 실시의 형태 2의 요잉 각도 연산 처리부(81)를 이용하더라도 실시의 형태 4에 관계되는 레이저 가공 장치(1d)와 마찬가지의 기능을 실현하는 것이 가능하다.

실시의 형태 5.

도 19는 본 발명의 실시의 형태 5에 관계되는 레이저 가공 장치(1n)의 사시도이다. 도 20은 실시의 형태 5에 관계되는 스테이지 특성 파악 시험에 있어서의 레이저 가공 장치(1n)의 블록도이다. 도 21은 실시의 형태 5에 관계되는 레이저 가공 장치(1n)에 있어서 제어부(205)를 블록도로 나타낸 도면이다.

실시의 형태 5에 관계되는 레이저 가공 장치(1n)는, 도 15 및 도 16에 나타낸 실시의 형태 3의 레이저 가공 장치(1c)에 스테이지 보정 계획부(301), 스테이지 보정 테이블 산출부(302) 및 스테이지 보정 처리부(303)가 추가되어 있다. 도 20에 나타내는 레이저 가공 장치(1n)에서는, 스테이지 특성 파악 시험을 위해 필요한 블록이 나타나 있다. 도 20에서는, 도 15의 레이저 가공 장치(1c)에 스테이지 보정 계획부(301) 및 스테이지 보정 테이블 산출부(302)가 추가되어 있지만, 스테이지 보정 처리부(303), 아베 오차 추정부(305)라고 하는 스테이지 특성 파악 시험에서 불필요한 블록의 기재는 생략되어 있다. 도 21에 나타내는 레이저 가공 장치(1n)에서는, 제어부(205)에 실시의 형태 4에서 설명한 광학계 변형 보정 처리부(64)도 추가하여 나타내고 있지만, 스테이지 특성 파악 시험을 위해 추가된 스테이지 보정 계획부(301), 스테이지 보정 테이블 산출부(302)라고 하는 블록은 생략하고 있다. 따라서, 도 21에 나타내는 제어부(205)는, 실시의 형태 4에서 설명한 도 18의 제어부(204)에 스테이지 보정 처리부(303)가 더 추가되어 있다. 여기서, 도 21의 스테이지 보정 처리부(303), 아베 오차 추정부(305) 및 가산기(78)는, 잔존 아베 오차 추정부(308)를 구성한다. 도 20에 있어서, 도 15와 동일 부호의 블록은 동일한 기능을 갖고 있다. 도 21에 있어서, 도 18과 동일 부호의 블록은 동일한 기능을 갖고 있다. 또한, 아베 오차 추정부(305)는 도 18의 아베 오차 추정부(77)와 동일한 기능을 갖고 있다.

실시의 형태 5에 있어서는, XY 테이블(9)의 위치와 X축 방향 및 Y축 방향에 있어서의 오차의 관계를 미리 파악하는 스테이지 특성 파악 시험을 실시한다. 미리 정하여진 위치에 계측점인 얼라인먼트 마크(306)가 마련된 기준 평판(307)을 탑 테이블(20) 상에 배치한다. 기준 평판(307)의 사이즈는 보정하고 싶은 에리어의 사이즈로 한다. 기준 평판(307)에는, 온도 변화에 대한 팽창 신축이 거의 없는 것으로 하기 위해, 재료로서 저팽창 유리 등을 사용한다. 그리고, 기준 평판(307)의 얼라인먼트 마크(306)는, 각각이 1㎛ 이하라고 하는 위치 결정 정밀도이고, 높은 정밀도로 위치 결정되어 마련되어 있는 것으로 한다.

스테이지 특성 파악 시험에서는, 스테이지 보정 계획부(301)에서 생성된 탑 테이블(20)의 X축 목표 위치 및 Y축 목표 위치에 따라, 기준 평판(307) 상의 각 얼라인먼트 마크(306)를 비전 센서인 카메라(41)로 촬영할 수 있도록 XY 테이블(9)을 이동시킨다. 촬영 가능한 위치에 탑 테이블(20)이 이동하면, 비전 계측 처리부(102)가 카메라(41)에 각 얼라인먼트 마크(306)를 촬영시켜 각 얼라인먼트 마크(306)의 위치 오차의 계측을 실시한다. 도시하고 있지 않지만, 카메라(41)는 비전 계측 처리부(102)에 접속되어 있다.

각 얼라인먼트 마크(306)를 촬영했을 때의, 비전 계측 처리부(102)에 의해 구하여진 위치 오차인 X축 오차 및 Y축 오차, X축 요잉 각도 연산 처리부(75)에 의해 계산되는 X축 요잉 각도, Y축 요잉 각도 연산 처리부(76)에 의해 계산되는 Y축 요잉 각도, X축 리니어 인코더(25a)의 검출 위치 및 Y축 리니어 인코더(27a)의 검출 위치라고 하는 데이터가 스테이지 보정 테이블 산출부(302)에 보내어진다. 여기서는, X축 리니어 인코더(25a)를 X축 메인 인코더로 하고, X축 리니어 인코더(25b)를 X축 서브 인코더로 하고, Y축 리니어 인코더(27a)를 Y축 메인 인코더로 하고, Y축 리니어 인코더(27b)를 Y축 서브 인코더로 한다. 스테이지 보정 테이블 산출부(302)는, 받은 상기 데이터에 근거하여, 스테이지 보정 테이블(304)을 작성한다. 스테이지 보정 테이블(304)에 있어서는, X축 오차 및 Y축 오차가 각각 위치에 대한 X축 보정량 E_gX 및 Y축 보정량 E_gY로서 설정되어 있다. 그리고, 스테이지 보정 테이블(304)에 있어서는, X축 리니어 인코더(25a)의 검출 위치 및 Y축 리니어 인코더(27a)의 검출 위치에, 스테이지 특성 파악 시험에서 얻은 X축 보정량 E_gX, Y축 보정량 E_gY, X축 요잉 각도 θ_g 및 Y축 요잉 각도 Φ_g가 대응지어져 있다. 스테이지 보정 테이블 산출부(302)에 의해 작성된 스테이지 보정 테이블(304)은, 도 21의 스테이지 보정 처리부(303) 내에 유지된다. 스테이지 특성 파악 시험이 완료되면 기준 평판(307)은 탑 테이블(20) 상으로부터 제거된다.

레이저 가공 장치(1n)가 워크피스(7)를 가공할 때는, 탑 테이블(20)을 목표 위치까지 이동시키고, 그때의 X축 리니어 인코더(25a)의 검출 위치 및 Y축 리니어 인코더(27a)의 검출 위치에 따라, 스테이지 보정 처리부(303)는 스스로가 유지하고 있는 스테이지 보정 테이블(304)로부터 X축 보정량 E_gX, Y축 보정량 E_gY, X축 요잉 각도 θ_g 및 Y축 요잉 각도 Φ_g를 추출한다. 여기서, X축 리니어 인코더(25a)의 검출 위치 및 Y축 리니어 인코더(27a)의 검출 위치가 스테이지 보정 테이블(304)에 기재되어 있는 위치와 완전하게 일치하지 않는 경우는, 스테이지 보정 처리부(303)는 보간 처리를 행하더라도 좋다.

또한, X축 리니어 인코더(25a, 25b) 및 Y축 리니어 인코더(27a, 27b)의 현재의 검출 위치에 근거하여, 요잉 각도 연산 처리부(80)의 X축 요잉 각도 연산 처리부(75) 및 Y축 요잉 각도 연산 처리부(76)가 X축 요잉 각도 θ 및 Y축 요잉 각도 φ를 산출한다. 그리고, 스테이지 보정 처리부(303)는, 상기 X축 요잉 각도 θ 및 Y축 요잉 각도 φ와, 스테이지 특성 파악 시험에서 얻은 X축 요잉 각도 θ_g 및 Y축 요잉 각도 Φ_g를 비교하여 요잉 각도의 어긋남 Δθ 및 ΔΦ를 이하의 수식 (45) 및 수식 (46)과 같이 계산한다.

[수학식 45]

[수학식 46]

요잉 각도의 어긋남 Δθ 및 ΔΦ를 구할 필요가 있는 것은, 가공마다 X축, Y축 서브 인코더의 검출 위치가 상이할 가능성이 있기 때문이다. 탑 테이블(20)이 목표 위치에 멈추어 있는 경우를 상정하면, X축, Y축 메인 인코더의 검출 위치는 반드시 목표 위치에 일치하고 있지만, X축, Y축 서브 인코더의 검출 위치는 힘이 평형을 이루는 위치에서 멈추어 있을 뿐이고, 검출 위치가 가공마다 상이할 가능성이 있다. 이것이 원인이 되어, 스테이지 특성 파악 시험을 했을 때와 워크피스(7)를 가공할 때에 요잉 각도에 차이가 생기는 경우가 있다. 가공마다 요잉 각도가 어긋남으로써 가공마다 아베 오차가 상이하게 된다. 그래서, 스테이지 보정 처리부(303)는, X축 보정량 E_gX, Y축 보정량 E_gY, 요잉 각도의 어긋남 Δθ 및 ΔΦ를 아베 오차 추정부(305)에 보낸다. 아베 오차 추정부(305)에는, X축, Y축 메인 인코더의 검출 위치가 더 주어지고, 워크피스 보정 처리부(62)로부터 워크피스 보정 처리 후의 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치의 정보가 보내어지고 있다. 아베 오차 추정부(305)는, 주어진 이상의 정보에 근거하여 더 보정을 가한 X축 보정량 E_X 및 Y축 보정량 E_Y를 이하의 수식 (47) 및 수식 (48)과 같이 계산한다.

[수학식 47]

[수학식 48]

그리고, 아베 오차 추정부(305)가 구한 X축 보정량 E_X 및 Y축 보정량 E_Y와 워크피스 보정 처리 후의 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치가 가산기(78)에서 가산되는 것에 의해, 워크피스 보정 처리 후의 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치에 대하여 요잉 각도의 어긋남에 의한 보정이 행하여진다.

이상 설명한 바와 같이, 실시의 형태 5에 관계되는 레이저 가공 장치(1n)는, 기준 평판(307) 상의 얼라인먼트 마크(306)를 카메라(41)로 계측했을 때의 X축 오차, Y축 오차 및 요잉 각도를 X축, Y축 메인 인코더의 검출 위치에 대응지은 스테이지 보정 테이블(304)을 구하는 스테이지 보정 테이블 산출부(302)를 구비한다. 그리고, 레이저 가공 장치(1n)는, 스테이지 보정 테이블(304), X축, Y축 메인 인코더의 검출 위치, 가공점의 위치에 근거하여, 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치를 보정하는 잔존 아베 오차 추정부(308)를 더 구비한다. 이것에 의해, 레이저 가공 장치(1n)는, 가공마다 어긋남이 발생한 경우에 있어서도, 스테이지 특성 파악 시험으로부터 얻은 보정량을 더 수정함으로써 높은 정밀도의 가공을 실현하는 것이 가능하게 된다.

상기 설명에 있어서, 스테이지 보정 테이블(304)은, X축 리니어 인코더(25a)의 검출 위치 및 Y축 리니어 인코더(27a)의 검출 위치에, 얼라인먼트 마크(306)를 카메라(41)로 계측했을 때의 오차, X축 요잉 각도 θ_g 및 Y축 요잉 각도 Φ_g를 대응시킨 구성인 것으로 했다. 그러나, X축 요잉 각도 θ_g 및 Y축 요잉 각도 Φ_g 대신에 X축 리니어 인코더(25b)의 검출 위치 및 Y축 리니어 인코더(27b)의 검출 위치를 이용하더라도 좋다. 이 경우, 스테이지 보정 처리부(303)는, 가공마다의 요잉 각도의 어긋남을, 수식 (1) 또는 수식 (2)와 같이 구한다. 즉, 스테이지 보정 처리부(303)는, 가공마다의 요잉 각도의 어긋남을, X축 리니어 인코더(25a, 25b)에 의한 검출 위치의 차이 및 Y축 리니어 인코더(27a, 27b)에 의한 검출 위치의 차이를 각각 인코더 사이의 거리로 나눔으로써 구한다. 또한, 도 20 및 도 21의 요잉 각도 연산 처리부(80) 대신에, 실시의 형태 2에서 설명한 도 13의 요잉 각도 연산 처리부(81)를 이용하더라도 상기에서 설명한 기능을 실현하는 것이 가능하다.

실시의 형태 6.

도 22는 실시의 형태 6에 관계되는 레이저 가공 장치(1e)의 사시도이다. 실시의 형태 1로부터 실시의 형태 5까지는, 워크피스(7)가 1개, 가공 헤드(4)가 1개인 경우를 생각하고 있었지만, 워크피스(7)가 복수 개, 가공 헤드(4)가 복수 개 있는 경우에 있어서도 XY 테이블(9)의 요잉의 영향을 보정하는 것이 가능하다. 도 22의 레이저 가공 장치(1e)는, 2개의 워크피스인 워크피스(7a, 7b)와, 2개의 가공 헤드인 가공 헤드(4a, 4b)를 구비한다. 가공 헤드(4a)는, 갈바노 스캐너(5a, 5b)를 구비하고, 가공 헤드(4b)는, 갈바노 스캐너(5c, 5d)를 구비한다.

또한, 워크피스(7a)의 유지대인 워크피스 유지대 L(121) 및 워크피스(7b)의 유지대인 워크피스 유지대 R(122)이 탑 테이블(20) 상에 마련되어 있다. 워크피스 유지대 L(121) 상에 워크피스(7a)가 탑재되고, 워크피스 유지대 R(122) 상에 워크피스(7b)가 탑재되어 있다. 2개의 가공 헤드(4a, 4b)는, 각각 각 워크피스(7a, 7b)의 가공을 행한다. 워크피스 유지대 L(121) 및 워크피스 유지대 R(122)을 마련하는 것은 워크피스마다 고정 처리 등을 행할 수 있도록 하기 위해서이다.

레이저 가공 장치(1e)에 있어서는, 워크피스(7a, 7b)를 각각 가공하기 위해, 탑 테이블(20)의 중앙을 원점으로 했을 때에 가공점인 가공 구멍(8a, 8b)의 좌표가 상이하다. 요잉의 보정량은, X축 요잉 각도, Y축 요잉 각도, XY 테이블(9)의 위치, 가공점의 위치로 정해지기 때문에 가공점의 좌표가 상이하면 보정량이 상이하다. 따라서, 복수의 가공 헤드(4a, 4b)를 갖고, 동시에 복수의 가공 구멍(8a, 8b)을 형성하는 레이저 가공 장치(1e)에 있어서는, 가공점에 따라 요잉에 기인하는 가공 오차를 보정하기 위한 보정량을 변화시킬 필요가 있다.

마찬가지로 카메라(41a, 41b)로 가공 구멍(8a, 8b), 얼라인먼트 마크라고 하는 계측 대상을 계측할 때에는, 계측 대상에 따라, 요잉에 기인하는 계측 오차를 보정하기 위한 보정량을 변화시킬 필요가 있다.

또한, 워크피스 유지대 L(121) 및 워크피스 유지대 R(122)에 있어서의 워크피스(7a) 및 워크피스(7b)의 지지 상태의 차이 등에 의해 워크피스 유지대 L(121) 및 워크피스 유지대 R(122) 각각의 이동량 및 자세가 ㎛ 단위로 상이하다. 즉, 실시의 형태 2에서 설명한 바와 같이 교정용 위치 센서로서 레이저 간섭계(31)를 이용하여 Y축 방향의 이동 거리를 계측할 때, 워크피스 유지대 L(121)에 빔 스플리터(33) 및 가동측 미러(34)를 실어 계측한 경우와, 워크피스 유지대 R(122)에 빔 스플리터(33) 및 가동측 미러(34)를 실어 계측한 경우에는 정성적으로 동일한 결과가 되지만 정량적으로는 계측 결과가 수 ㎛만큼 상이하다. 그 때문에, 실시의 형태 2의 Y축 메인 센서 교정 테이블(900) 및 Y축 서브 센서 교정 테이블(870)을 워크피스 유지대 L(121) 및 워크피스 유지대 R(122)의 각각에 대하여 구비할 필요가 있다. 워크피스 유지대 L(121) 및 워크피스 유지대 R(122)에서 센서 교정 테이블이 상이하므로, Y축 리니어 인코더(27a, 27b)에서 검출하는 검출 위치는 동일하더라도 산출되는 Y축 요잉 각도가 좌우에 배치된 워크피스 유지대 L(121) 및 워크피스 유지대 R(122)에서 상이하게 된다.

도 23은 실시의 형태 6에 관계되는 복수 개의 워크피스 유지대를 탑재한 XY 테이블(9)의 평면도이다. 도 23은 2개의 워크피스(7a, 7b)에 대하여, 각각 가공 헤드(4a, 4b)로 가공 및 계측하는 상황을 나타낸다. 워크피스(7a)의 가공점(51a)의 좌표를 (a₁, b₁), 워크피스(7b)의 가공점(51b)의 좌표를 (a₂, b₂), 워크피스(7a)의 레이저 조사 위치(53a)의 좌표를 (p₁, q₁), 워크피스(7b)의 레이저 조사 위치(53b)의 좌표를 (p₂, q₂)로 한다. 도 23은 레이저 조사 위치(53a, 53b)의 바로 아래에 가공점(51a, 51b)이 오도록 XY 테이블(9)을 이동시킨 경우를 나타내고 있고, X축의 요잉 각도 θ, 워크피스 유지대 L(121)의 Y축 요잉 각도 φ₁ 및 워크피스 유지대 R(122)의 Y축 요잉 각도 φ₂가 생긴 경우, 워크피스(7a)의 요잉에 의한 가공 오차 (E_X1, E_Y1), 워크피스(7b)의 요잉에 의한 가공 오차 (E_X2, E_Y2)는 이하의 수식 (49) 및 수식 (50)과 같이 된다.

[수학식 49]

[수학식 50]

이와 같이, 가공점(51a, 51b), 레이저 조사 위치(53a, 53b), 워크피스(7a)를 탑재하는 워크피스 유지대 L(121) 및 워크피스(7b)를 탑재하는 워크피스 유지대 R(122) 각각의 요잉 각도에 따라 아베 오차의 값이 변화한다. 따라서, 요잉 각도 연산 처리부(81)는, 워크피스 유지대마다 요잉 각도를 구하고, 요잉 가공 오차 보정 수단(79)은, 워크피스 유지대마다 가공점에 있어서의 레이저 조사 위치의 오차를 가공 오차 (E_X1, E_Y1) 및 가공 오차 (E_X2, E_Y2)와 같이 추정한다. 그리고, 갈바노 스캐너(5a, 5b)의 목표 위치는 가공 오차 (E_X1, E_Y1)로 보정하고, 갈바노 스캐너(5c, 5d)의 목표 위치는 가공 오차 (E_X2, E_Y2)로 보정한다.

가공 구멍(8a, 8b)을 계측할 때에는, 카메라(41a, 41b)로 가공 구멍을 계측할 수 있도록 XY 테이블(9)을 이동시켜, 계측을 행한다. 그때에, 가공 때와 마찬가지로 요잉 각도 연산 처리부(81)는, 워크피스 유지대마다 요잉 각도를 구하고, 요잉 계측 오차 보정 수단(105)은, 워크피스 유지대마다 가공 구멍(8a, 8b)의 계측 오차를 추정한다. 이 방법은, 요잉 각도 연산 처리부(80, 81)를 포함하는 실시의 형태 1~5의 어느 경우에 있어서도 응용이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, XY 테이블(9) 상에 워크피스 유지대 L(121) 및 워크피스 유지대 R(122)을 구비한 실시의 형태 6에 관계되는 레이저 가공 장치(1e)에 있어서는, 워크피스 유지대 L(121) 및 워크피스 유지대 R(122)의 각각에 있어서 리니어 인코더의 메인 센서 교정 테이블 및 서브 센서 교정 테이블을 구한다. 그리고, 가공 및 계측의 각 상황에 있어서, 요잉 각도 연산 처리부(81)는 워크피스 유지대마다 요잉 각도를 구한다. 가공 때는 XY 테이블(9)의 위치, 가공점(51a, 51b)의 위치 및 각 워크피스 유지대의 요잉 각도에 따라 요잉 가공 오차 보정 수단(79)에 의한 가공점(51a, 51b)에서의 오차의 보정을 행한다. 계측 때는 XY 테이블(9)의 위치, 계측점의 위치 및 각 워크피스 유지대의 요잉 각도에 따라 요잉 계측 오차 보정 수단(105)에 의한 계측점에서의 계측 오차의 보정이 실행됨으로써, 레이저 가공 장치(1e)는 양호한 가공 정밀도로 가공과 계측을 행하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 워크피스 유지대마다 요잉의 특성이 상이한 경우에 있어서도 요잉에 의한 오차를 제거할 수 있다.

이상의 실시의 형태에 나타낸 구성은, 본 발명의 내용의 일례를 나타내는 것이고, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 일부를 생략, 변경하는 것도 가능하다.

1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1n : 레이저 가공 장치
2 : 레이저 발진기
3 : 레이저 빔
4, 4a, 4b : 가공 헤드
5 : 레이저 주사 장치
5a, 5b, 5c, 5d : 갈바노 스캐너
6, 6a, 6b : fθ 렌즈
7, 7a, 7b : 워크피스
8, 8a, 8b : 가공 구멍
9 : XY 테이블
10 : 베드
11 : X축 서보 모터
12 : X축 볼나사
13 : Y축 새들
14 : X축 너트
15 : X축 가동부
16 : X축 리니어 가이드
17 : X축 가이드 블록
18 : Y축 서보 모터
19 : Y축 볼나사
20 : 탑 테이블
21 : Y축 너트
22 : Y축 가동부
23 : Y축 리니어 가이드
24 : Y축 가이드 블록
25, 25a, 25b : X축 리니어 인코더
26, 26a, 26b : X축 인코더 헤드
27, 27a, 27b : Y축 리니어 인코더
28, 28a, 28b : Y축 인코더 헤드
29 : 스캔 에리어
31 : 레이저 간섭계
32 : 레이저 광
33 : 빔 스플리터
34 : 가동측 미러
35 : 고정측 미러
41, 41a, 41b : 카메라
42, 306 : 얼라인먼트 마크
51, 51a, 51b : 가공점
52 : 탑 테이블 중앙
53, 53a, 53b : 레이저 조사 위치
61 : 가공 계획 처리부
62 : 워크피스 보정 처리부
64 : 광학계 변형 보정 처리부
65 : X축 테이블 위치 지령 생성부
66 : X축 테이블 제어부
67 : Y축 테이블 위치 지령 생성부
68 : Y축 테이블 제어부
69 : X축 갈바노 스캐너 위치 지령 생성부
70 : X축 회전각 지령 생성부
71 : X축 회전각 제어부
72 : Y축 갈바노 스캐너 위치 지령 생성부
73 : Y축 회전각 지령 생성부
74 : Y축 회전각 제어부
75 : X축 요잉 각도 연산 처리부
76 : Y축 요잉 각도 연산 처리부
77, 305 : 아베 오차 추정부
78, 91~94 : 가산기
79 : 요잉 가공 오차 보정 수단
80, 81 : 요잉 각도 연산 처리부
82 : X축 메인 센서 교정부
83 : X축 메인 센서 보정 처리부
85 : X축 서브 센서 교정부
87 : Y축 서브 센서 교정부
88 : Y축 메인 센서 보정 처리부
90 : Y축 메인 센서 교정부
101 : 워크피스 보정 계획부
102 : 비전 계측 처리부
103 : 워크피스 보정 파라미터 산출부
104, 106 : 감산기
105 : 요잉 계측 오차 보정 수단
111 : 광학계 변형 보정 계획부
112 : 광학계 변형 보정 파라미터 산출부
121 : 워크피스 유지대 L
122 : 워크피스 유지대 R
201~205 : 제어부
301 : 스테이지 보정 계획부
302 : 스테이지 보정 테이블 산출부
303 : 스테이지 보정 처리부
304 : 스테이지 보정 테이블
307 : 기준 평판
308 : 잔존 아베 오차 추정부
820 : X축 메인 센서 교정 테이블
850 : X축 서브 센서 교정 테이블
870 : Y축 서브 센서 교정 테이블
900 : Y축 메인 센서 교정 테이블

Claims (8)

1. 피가공물 상에서의 레이저 빔의 조사 위치를 변경하는 레이저 주사 장치 및 상기 레이저 주사 장치와 상기 피가공물의 상대 위치를 변경하는 병진 스테이지를 상기 레이저 주사 장치의 목표 위치 및 상기 병진 스테이지의 목표 위치에 근거하여 제어하는 레이저 가공 장치에 있어서,
   상기 병진 스테이지의 적어도 1개의 구동축에 대하여 그 구동축 방향의 위치를 검출하기 위해 상이한 위치에 마련된 2개 이상의 제어용 위치 센서와,
   상기 제어용 위치 센서가 검출한 상기 병진 스테이지의 검출 위치에 근거하여 요잉(yawing) 각도를 구하는 요잉 각도 연산 처리부
   를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 요잉 각도 연산 처리부는, 상기 검출 위치에 대응하는 보정량을 나타내는 센서 교정 테이블을 상기 제어용 위치 센서마다 구비하고, 상기 센서 교정 테이블을 이용하여 상기 검출 위치를 교정하고 나서 상기 요잉 각도를 구하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 검출 위치, 가공점의 위치 및 상기 요잉 각도에 근거하여, 상기 가공점에 있어서의 상기 조사 위치의 오차를 추정하고, 상기 레이저 주사 장치의 목표 위치를 상기 오차로 보정하는 요잉 가공 오차 보정 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   계측점을 촬영하는 비전 센서와,
   상기 계측점의 위치를 구하는 비전 계측 처리부와,
   상기 검출 위치 및 상기 요잉 각도로부터 상기 계측점의 계측 오차를 추정하고, 상기 계측점의 위치를 상기 계측 오차로 보정하는 요잉 계측 오차 보정 수단
   을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 계측점은 상기 피가공물에 마련된 얼라인먼트 마크이고,
   상기 요잉 계측 오차 보정 수단이 보정한 상기 계측점의 위치에 근거하여 구한 파라미터를 이용하여 상기 레이저 주사 장치의 목표 위치 및 상기 병진 스테이지의 목표 위치를 보정하는 워크피스(workpiece) 보정 처리부를 더 구비하는
   것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
   
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 계측점을 복수의 가공점으로 했을 때의 상기 요잉 계측 오차 보정 수단이 보정한 상기 계측점의 위치에 근거하여 광학계 변형 보정 파라미터를 결정하는 광학계 변형 보정 파라미터 산출부와,
   상기 광학계 변형 보정 파라미터에 근거하여, 상기 레이저 주사 장치의 목표 위치를 보정하는 광학계 변형 보정 처리부
   를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
   
7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어용 위치 센서가 검출한 상기 검출 위치에, 기준 평판의 상기 계측점을 상기 비전 센서로 촬영하여 얻어진 위치 오차 및 상기 요잉 각도가 대응지어진 스테이지 보정 테이블을 작성하는 스테이지 보정 테이블 산출부와,
   상기 스테이지 보정 테이블, 상기 제어용 위치 센서의 검출 위치, 가공점의 위치에 근거하여, 상기 레이저 주사 장치의 목표 위치를 보정하는 잔존 아베(Abbe) 오차 추정부
   를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
   
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 병진 스테이지는, 상기 피가공물의 유지대를 복수 구비하고,
   상기 요잉 각도 연산 처리부는, 상기 유지대마다 상기 요잉 각도를 구하는
   것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.

Images