JP2005169397A - レーザ照射装置、液滴吐出装置、レーザ照射方法、液滴吐出方法及び位置制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は対象体表面に対し高速ギャップ合わせが可能な位置制御装置、及び広いダイナミックレンジを実現可能なレーザ照射装置等の位置制御装置を提供することを目的としている。
【解決手段】 光ビーム１０２を発生するレーザ発生装置１００と、光ビーム１０２を被照射体１０４上に集光する一の集光手段１１０と、光ビーム１０２を被照射体１０４の表面と略平行に移動予定経路に沿って相対的に移動させるための移動手段１１２と、移動予定経路に沿って被照射体１０４表面の凹凸又はうねりを検出する検出手段１１４と、光ビーム１０２の焦点位置を調整するために、検出された凹凸又はうねりに応じて一の集光手段を光ビームの光軸方向に移動可能にする複数の位置決め装置を積層状に備えた、集光手段１１０を支持する支持機構１１６と、を備えたレーザ照射装置１により上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一の対象体を他の対象体表面の凹凸に所定ギャップを介して追従させて移動させる位置制御技術に関する。

近年、大画面表示デバイスを実現するために、レーザ加工を応用する事例が増えている。基板表面には一般に微小な凹凸（うねり）があり、レーザ加工時にはこのうねりに合わせたレーザの焦点位置合わせが必要となる。特に大型基板を高速加工する場合には、このような基板のうねりに合わせた高速焦点合わせが必要となる。

レーザの光ビームの焦点位置を調整する方法としては、集光レンズを光軸方向に移動させる方法が一般的である。

このような集光レンズの位置を調整する方法として、ステッピングモータ等のモータ単体を利用した方法がある。

一方、光ビームが被照射対象体に至るまでの光路途中にあるミラーやレンズを変形して焦点位置を調整する方法もある。このような方法としては、例えば、特開平６−１６７６４６号公報（特許文献１）、特開平８−１２４１９６号公報（特許文献２）、特開平９−２３０２５２号公報（特許文献３）、特開平１０−２６９５９９号公報（特許文献４）、特開２０００−１７１２４２号公報（特許文献５）に開示がある。

また、インクジェット式液滴吐出方法では、インクジェットヘッドと被吐出対象とのギャップ（距離）が適切でないと、液滴の着弾位置がずれたり、液滴が飛行途上で飛散し、他の液滴と混じり合う虞がある。したがって、インクジェットヘッドにおいても高速での位置決め制御の必要があった。

特開平６−１６７６４６号公報 特開平８−１２４１９６号公報 特開平９−２３０２５２号公報 特開平１０−２６９５９９号公報 特開２０００−１７１２４２号公報

しかし、モータ単体を利用した方法では、広範囲のストロークは実現できるが、高速で位置決めするには加速度が充分ではなかった。また、この場合、位置信号はパルスであり、変位量はパルスの積算であるため、コントローラからドライバを経由して駆動指令が伝達されてから実際に動作されるまでに時間を要する。したがって、この点でも高速位置決めには不向きであった。

また、ミラーやレンズを変形して焦点位置を調整する方法では、収差などによりビーム形状が崩れ、集光スポットが大きくなる虞があった。

また、一方、モータ単体で集光レンズを移動させる場合、対象体表面の細かな凹凸と大きなうねりの両方に合わせた動きを一台のモータで行うため、動きが複雑となり、高速で位置決めをすることが困難であった。

よって、本発明は対象体表面に対し高速でギャップを合わせることが可能な位置制御装置を提供することを目的としている。また、本発明は、広いダイナミックレンジを実現可能な位置制御装置を提供することを目的としている。

また、本発明は精度良く被照射対象物に対し高速で焦点を合わせることが可能なレーザ照射装置を提供することを目的としている。また、本発明は広いダイナミックレンジが実現可能なレーザ照射装置を提供することを目的としている。

また、本発明は精度良く被吐出対象物に対し高速でギャップを合わせることが可能な液滴吐出装置を提供することを目的としている。また、本発明は広いダイナミックレンジが実現可能な液滴吐出装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の第一の態様は、光ビームを発生するレーザ発生装置と、上記光ビームを被照射体上に集光する集光手段と、上記光ビームを上記被照射体の表面と略平行に移動予定経路に沿って相対的に移動させるための移動手段と、上記移動予定経路に沿って上記被照射体表面の凹凸を検出する検出手段と、上記光ビームの焦点位置を調整するために、上記検出された凹凸に応じて上記集光手段を上記光ビームの光軸方向に移動する上記集光手段の位置決め装置を積層状に複数備えた、上記集光手段を支持する支持機構と、を備えたレーザ照射装置を提供するものである。

かかる構成によれば、集光手段の位置を積層状に重なった複数の位置決め装置を用いて調節するので、例えば微細な動作と大きな動作などの種々の動作を複数の位置決め装置に各々分担させることができる。したがって、全ての動作を一の位置決め装置で負担する場合に比べて高速での追従が可能となるので、より精度良く光ビームの高速での焦点位置合わせが可能となる。よって、高速加工が可能となり、作業効率を向上させることができる。また、複数の位置決め装置を用いることで、最大で各位置決め装置で移動可能な距離の総和分移動することが可能となり、広いダイナミックレンジ（広範囲のストローク、大きい焦点位置変位量）を実現することが可能である。

上記支持機構が、少なくとも第一の位置決め装置と第二の位置決め装置とを含んでおり、上記第一の位置決め装置が、上記集光手段を搭載し、当該集光手段を移動可能にするものであり、上記第二の位置決め装置が、上記第一の位置決め装置を搭載し、当該第一の位置決め装置を移動可能にするものである。

上記第一の位置決め装置が、上記集光手段を上記光ビームの光軸方向に微調整する微調整手段であり、上記第二の位置決め装置が、上記集光手段を上記光ビームの光軸方向に粗調整する粗調整手段であることが好ましい。

これによれば、第二の位置決め装置（例：荷重による負荷の大きい下層の位置決め装置）が緩やかな動きに対処し、第一の位置決め装置（例：負荷の小さい上層の位置決め装置）が速い動きに対処することになるので、追従性が向上する。

本発明の第二の態様は、光ビームを発生するレーザ発生装置と、上記光ビームを被照射体上に集光する複数の集光手段と、上記光ビームを上記被照射体の表面と略平行に移動予定経路に沿って相対的に移動するための移動手段と、上記移動予定経路に沿って上記被照射体表面の凹凸を検出する検出手段と、上記光ビームの焦点位置を調整するために、上記検出された凹凸に応じて上記複数の集光手段をそれぞれ独立に上記光ビームの光軸方向に移動可能にする並設された複数の位置決め装置を備えた、上記集光手段を支持する支持機構と、を備えたレーザ照射装置を提供するものである。

かかる構成によれば、独立に駆動される並設された複数の位置決め装置上に各々搭載される複数の集光手段により、例えば大きな動きと微細な動きに分けて光ビームの焦点位置を調整することができるので、精度良く高速での焦点位置合わせが可能となる。したがって、高速加工が可能となり、作業効率を向上させることができる。また、複数の位置決め装置を用いることで、広いダイナミックレンジ（広範囲のストローク）を実現することが可能となる。

上記測定手段により得られた凹凸を表わす電気信号から複数の周波数成分を抽出する手段とをさらに備え、上記各位置決め装置が、上記周波数成分抽出手段により抽出された個別電気信号により各々駆動されることが好ましい。

このように、周波数特性の異なる信号により各位置決め装置を駆動することで、各周波数特性にあった調整（粗調整及び微調整）を各位置決め装置に各々分担させることが可能となるので、被照射体表面への追従性をより向上させることが可能となる。

上記複数の個別電気信号が、高周波数成分がカットされたものであることが好ましい。

これによれば、位置決め装置が追従し難い高い周波数（例えば装置の共振周波数）になる微細な凹凸、ノイズ、微細な異物の存在に起因する成分がカットされる。したがって、共振等に起因する追従性の低下、軌道の逸脱等を防止することが可能となる。

上記複数の個別電気信号の周波数成分が異なるものであってもよい。

周波数成分が異なると、高い周波数成分に対応する微細な調整と低い周波数成分に対応する大まかな調整を各位置決め装置に分担させることが可能となり、光ビームの被照射体表面への追従性を向上させることができる。

上記複数の個別電気信号の周波数成分が同じであってもよい。

例えば、周波数成分が同じ信号を二つの位置決め装置に供給することにより、焦点位置合わせに必要な移動距離を二つの位置決め装置に分担させることが可能となるので、光ビームの被照射体表面への高速での追従が可能となる。

上記周波数成分抽出手段は、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、及び／又はバンドバスフィルタであることが好ましい。

上記レーザ照射装置には、必要に応じて、上記位置決め装置に入力する信号のレベルを調整するための減衰回路及び／又は増幅回路が含まれていることが好ましい。

上記レーザ照射装置としては、レーザ穴あけ加工のようなレーザ加工装置又は露光装置等が挙げられる。レーザの照射は、連続的なものであっても断続的なものであってもよい。

本発明の第三の態様は、液滴を被吐出対象体に吐出する液滴吐出ヘッドと、上記液滴吐出ヘッドを上記被吐出対象体の表面と略平行に移動予定経路に沿って相対的に移動するための移動手段と、上記移動予定経路に沿って上記対象体表面の凹凸を検出する検出手段と、上記検出された凹凸に応じて上記液滴吐出ヘッドと上記被吐出対象体との距離を目標距離に調整する位置決め装置を積層状に複数備えた、上記液滴吐出ヘッドを支持する支持機構と、を備えた液滴吐出装置を提供するものである。

かかる構成によれば、液滴吐出ヘッドの位置を積層状に重なった複数の位置決め装置を用いて調節することが可能となるので、液滴吐出ヘッドと被吐出対象体表面との距離（ギャップ）を高速で調整することが可能となる。したがって、高速で連続作業が可能となり、作業効率を向上させることができる。

本発明の第四の態様は、被照射体表面の凹凸に追従するように光ビームの焦点位置を調整するレーザ照射方法であって、光ビームを移動する移動予定経路に沿って対象体表面の凹凸を電気信号として取得する過程と、上記電気信号が複数の周波数成分を抽出して各周波数成分毎の複数の個別電気信号を得る過程と、上記複数の個別電気信号各々を対応する複数の積層状に重なった位置決め装置に送信し、当該位置決め装置に搭載される集光手段の位置を上記光ビームの光軸方向に調整することにより、上記光ビームの焦点位置を調整する過程と、を含むレーザ照射方法を提供するものである。

これによれば、積層状に重なった複数の位置決め装置により集光手段の位置を調整するので、高速で精度よく被照射体表面への光ビームを追従させることが可能となる。

上記複数の個別電気信号を得る過程が、第一の個別電気信号と第二の個別電気信号を得る過程であり、上記焦点位置を調整する過程が、上記複数の積層状の位置決め装置を構成し、上記集光手段を搭載する第一の位置決め装置を上記第一の個別電気信号により駆動し、上記複数の積層状の位置決め装置を構成し、上記第一の位置決め装置を搭載する第二の位置決め装置を上記第二の個別信号により駆動することにより光ビームの焦点位置を調整する過程であることが好ましい。

本発明の第五の態様は、被照射体表面の凹凸に追従するように光ビームの焦点位置を調整するレーザ照射方法であって、光ビームを移動する移動予定経路に沿って対象体表面の凹凸又はうねりを電気信号として取得する過程と、上記電気信号が複数の周波数成分を抽出して各周波数成分毎の複数の個別電気信号を得る過程と、上記複数の個別電気信号をそれぞれ、上記光ビームの光軸上に位置する複数の集光手段を各々搭載する並設された対応する複数の位置決め装置に送信し、当該複数の集光手段の位置を各々上記光ビームの光軸方向に調整することにより、上記光ビームの焦点位置を調整する過程と、を含むレーザ照射方法である。

これによれば、独立に駆動される並設された複数の位置決め装置上に各々搭載される複数の集光手段により光ビームの焦点位置が調整されるので、精度よく高速での焦点位置合わせが可能となる。

本発明の第六の態様は、液滴吐出ヘッドを移動する移動予定経路に沿って被吐出対象体表面の凹凸を電気信号として取得する過程と、上記電気信号を複数の周波数成分を抽出して各周波数成分毎の複数の個別電気信号を得る過程と、上記複数の個別電気信号各々を対応する複数の積層状に重なった位置決め装置に送信し、当該位置決め装置に搭載される液滴吐出ヘッドの位置を当該液滴吐出ヘッドと上記被吐出対象体とのギャップ方向に調整することにより、上記液滴吐出ヘッドのノズルと被吐出対象体表面とのギャップを所定距離に調整する過程と、を含む液滴吐出方法である。

これによれば、積層状に重なった複数の位置決め装置により液滴吐出ヘッドの位置を調整するので、精度よく被吐出対象体と液滴吐出ヘッドとの間のギャップ（距離）を調整し、被吐出対象体表面へ高速で追従させることが可能となる。

本発明の第七の態様は、表面に凹凸を含む第１の対象体と、上記第１の対象体の表面にギャップを介して対向する第２の対象体と、上記第２の対象体の上記ギャップ方向における位置を調節する第１及び第２の位置調節手段（位置決め装置）と、上記第２の対象体を上記第１の対象体の表面上に想定される経路に沿って相対的に移動する走査手段と、上記経路に沿って上記第１の対象体の凹凸を検出して上記第１の対象体の表面状態による変調成分を含む距離信号を出力する凹凸検出手段と、上記距離信号から第１の周波数成分を抽出した第１の周波数成分信号及び第２の周波数成分を抽出した第２の周波数成分信号によって上記第１及び第２の位置調節手段を駆動する駆動手段と、を備える位置制御装置である。

かかる構成によれば、複数の位置決め手段を用いるので、第１の対象体表面と第２の対象体とのギャップを高速で精度よく調整することが可能となる。

本発明は、表面に凹凸を含む第１の対象体（例：金属板等）とこの第１の対象体の表面上を移動する例えばレンズ等の第２の対象体との間のギャップを、複数の積層状又は並行に設置された第２の対象体の位置調節手段としての位置決め装置を利用することで高速で調整可能にしたものである。なお、うねり、反り、撓みなどの微小な表面形状の変化も凹凸に含まれるものとする。

具体的には、例えば、第２の対象体を搭載しギャップ方向に移動可能にした第１の位置決め装置と、第１の位置決め装置を搭載しギャップ方向に移動可能にした第２の位置決め装置を利用することで、ギャップ方向の駆動力を向上させ、第１の対象体表面への高速での追従性を向上させたものである。

また、他の例としては第２の対象体として例えば集光手段等を用いた場合に、一の集光手段を搭載しギャップ方向に移動可能にした第１の位置決め装置と他の集光手段を搭載しギャップ方向に移動可能にした第２の位置決め装置とをギャップ方向に並設することで、ギャップ方向の焦点位置合わせの駆動力を向上させ、第１の対象体表面への焦点位置の高速での追従性を向上させたものである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第一の実施形態）
図１は、レーザ照射装置１を概略的に示す図である。

同図に示すように、本実施形態に係るレーザ照射装置１は、レーザ発生装置（レーザ光源）１００、レーザの光ビーム１０２を集光する集光手段（集光レンズ）１１０、光ビーム１０２を被照射体（被加工体）１０４の表面と略平行に相対的に移動させる移動手段１１２、光ビーム１０２の移動予定経路に沿って被照射体表面の凹凸又はうねり（以下、簡単のため単に凹凸という）を検出する検出手段１１４及び後述する位置決め装置（図２参照）を積層状に複数備えた支持機構１１６を備えている。

レーザ発生装置１００は、制御部１２２より発振回路１２４を介して送られる信号に応じて光ビーム１０２を発生する。制御部１２２は、光ビームのＯＮ／ＯＦＦの制御を含む照射タイミング、照射強度等の調整を行う。レーザ発生装置１００は、特に限定されず、被照射体１０４の種類、材質、加工目的等に応じて適宜選択される。代表的なレーザとしては、例えばＣＯ₂レーザ、ＹＡＧレーザなどが挙げられる。レーザ発生装置１００より発生した光ビーム１０２は、反射ミラー１０１、集光レンズ１１０等を介して被照射体１０４上に集光される。

なお、被照射体１０４は、金属等の基板であってもよく、また基板上に被覆されたフォトレジスト等の露光膜であってもよい。

集光レンズ１１０は、レーザ発生装置１００から出射された光ビーム１０２を集光するものであり、例えば凸レンズが用いられる。但し、これに限られず、球レンズ等を用いてもよい。また、凸レンズ、凹レンズ等の複数のレンズの組合せにより集光性を持たせたものを用いてもよい。

移動手段１１２は、光ビームを被照射体１０４の表面と略平行に光ビームの移動予定経路に沿って相対的に移動させるものである。なお、移動手段１１２は、光ビームの焦点付近に被照射体１０４の表面を概そ位置させるべく、略垂直方向に粗移動させる手段を含んでもよい。

移動手段１１２は、被照射体１０４側を移動させる手段であってもよく、また、被照射体１０４表面上に照射する光ビーム側を動かす手段であってもよい。また、双方を動かす手段であってもよい。被照射体１０４を移動させる手段としては、例えば、被照射体１０４をＸＹ軸方向に移動可能なＸＹステージが挙げられる。また、光ビームを動かす手段としては、例えば光ビームを被照射体１０４上に集光させる光学系或いはレーザ光源を含む集光レンズより前の光学系を移動させる移動台が挙げられる。このようなＸＹステージ又は移動台等の移動手段１１２は、制御コンピュータシステムにより構成される制御部１２２から供給される図示しない信号に同期して作動する。なお、本実施形態では、図１に示すように移動手段１１２として、ＸＹステージを利用した例を示した。

検出手段１１４は、被照射体１０４の表面の凹凸を検出する装置であり、光ビーム１０２の移動予定経路に沿って凹凸の検出がなされる。検出手段１１４としては、例えば図１に示すような光学的距離検出装置が用いられる。このような装置では、レーザ装置１１５ａから出力された光ビームが被照射体１０４で反射し、この反射した光ビームをＣＣＤセンサで検出し、被照射体１０４表面の凹凸の変位量を測定する。具体的には、例えば凹凸の大小によって光ビームのＣＣＤセンサ１１５ｂへの戻り位置が異なるのでＣＣＤセンサ１１５ｂの戻り光の検出位置によって光学的距離検出装置と被照射体１０４表面とのギャップ（距離）を測定することができる。また、このギャップから凹凸の変位量（表面状態の変調成分）を算出することが可能となる。

なお、検出手段１１４は光学的距離検出装置に限られず、被照射体１０４表面の凹凸によって上下動する金属棒をコイル内に入れ、コイル部のインピーダンス変化を検出する機械−電気変換器のような装置によってもよい。

支持機構１１６は、集光レンズ１１０を移動可能に支持するものである。

図２は、集光レンズ１１０の支持機構１１６を説明するための図である。

支持機構１１６は、第１の位置決め装置１２１ａ及び第２の位置決め装置１２１ｂを含み構成されている。

第一の位置決め装置１２１ａは、集光レンズ１１０を搭載し、集光レンズ１１０を光軸方向に移動可能に構成されている。このような第一の位置決め装置１２１ａとしては、例えばピエゾ素子を用いることが可能である。このようにアクチュエータとしてピエゾ素子を用いた場合には、位置決め精度が良く、高速駆動に好適である。但し、アクチュエータはこれに限らず、例えばステッピングモータ等のモータ式或いは電磁コイル式であってもよい。

第二の位置決め装置１２１ｂは、第一の位置決め装置１２１ａを搭載し、第一の位置決め装置１２１ａを光軸方向に移動可能に構成されている。このような第二の位置決め装置１２１ｂとしても同様にピエゾ素子、モータ、電磁コイル等のアクチュエータを用いることができる。第二の位置決め装置１２１ｂは、例えば装置取り付け部材１２５に固定された支持体１２３上に設置される。なお、第二の位置決め装置１２１ｂは、支持体１２３の装置取り付け部材１２５に接合する側と反対側の先端部に設置することが好ましい。このように、先端部に第二の位置決め装置１２１ｂを取り付けことにより、支持体１２３が被照射体１０４の表面に接触するのを防止することが可能となる。

また、装置取り付け部材１２５には検出手段１１４が一体的に取り付けられていてもよい。この場合には、リアルタイムで検出された凹凸情報を位置決め装置に送ることができるので、より精度よく被照射体１０４表面の凹凸に追従させることが可能となる。

なお、第一の位置決め装置１２１ａ及び第二の位置決め装置１２１ｂは、同じ方式のアクチュエータを用いてもよく、また各々異なる方式のアクチュエータを用いてもよい。

また、第一の位置決め装置１２１ａ及び第二の位置決め装置１２１ｂは、後述する制御部１２２から駆動回路１２０を介して個別に供給される電気信号に応じて各々独立に駆動される。

上述したレーザ照射装置１では、下記の焦点位置制御機構により光ビームの焦点位置が調整される。

図３は、本発明の実施形態のレーザ照射装置を説明するための概略ブロック図である。

被照射体１０４表面の凹凸の変化は、検出器１１４内のＣＣＤセンサ１１５ｂにより電気信号のうねり周波数成分として得られる。

本実施形態では、このようなうねり周波数成分信号から複数の異なる周波数成分信号を抽出し、各周波数成分信号ごとに各位置決め装置を駆動する場合について説明する。

図４に、ＣＣＤセンサ１１５ｂにより検出されるうねり周波数成分について説明するための模式的グラフを示す。同図中、（ａ）はうねり周波数成分信号であり、（ａ１）〜（ａ３）は、うねり周波数成分信号から各々抽出される、高周波数成分信号（ａ１）、中周波数成分信号（ａ２）、低周波数成分信号（ａ３）である。

この電気信号（うねり周波数成分信号（ａ））は、増幅器（ＡＭＰ）１３０により増幅された後、ハイカットフィルタ（高域減衰器）１３２により高周波数成分（ａ１）がカットされる（図４参照）。これにより、図４に示すような位置決め装置が追従し難い高い周波数（共振周波数）成分になる微細な凹凸、ノイズ、微細な異物の存在に起因する成分がカットされる。したがって、共振等に起因する追従性の低下、軌道の逸脱等を防止することが可能となる。

図２に示すレーザ照射装置の構成では、凹凸はレーザ照射位置よりも距離（位置ずれ）Ｌだけ先行して計測される。したがって、この位置ずれＬに対応する時間差Ｔだけ位置決め装置に伝達する駆動信号のタイミングを遅らせる必要がある。

図３に示すように、高周波数成分が減衰された電気信号は、遅延回路１３４で検出器１１４の凹凸検出位置とレーザ照射位置との位置ずれＬに対応する時間差Ｔだけ駆動信号の伝達を遅らせる。これにより、集光レンズ１１０の焦点位置調整のタイミングを位置ずれＬに合わせて修正することが可能となる。なお、位置ずれＬによる時間差Ｔが無視し得る程度に微小である場合には、遅延回路はなくてもよい。

次に、遅延回路１３４を通過した電気信号は、分配器１３６で第１の周波数成分を抽出した第１の周波数成分信号及び第２の周波数成分を抽出した第２の周波数成分信号に分配される。なお、この第１の周波数成分信号及び第２の周波数成分信号が、個別電気信号に該当する。この第１の周波数成分信号及び第２の周波数成分信号は、増幅器１４０，１４４により増幅された後、各々第一の位置決め装置１２１ａ及び第二の位置決め装置１２１ｂに駆動信号として伝達され、各位置決め装置において、各周波数成分信号に応じた位置決めがされる。

本実施形態では、図３に示すように高周波数成分をカットし、分配器１３６により分配した電気信号を各々ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１３８及びバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４２を通すことで、低周波数成分信号（ａ３）（第２の周波数成分）と中周波数成分信号（ａ２）（第１の周波数成分）を抽出する。このように、低周波数成分（ａ３）と中周波数成分（ａ２）を抽出し、低周波数成分（ａ３）に応じた大きな（緩やかな）動きと中周波数成分（ａ２）に応じた微細な（速い）動きに分けて集光レンズ１１０の位置の調整を行うことにより、高速での位置決めの追従性をより向上させることが可能となる。

また、集光レンズ１１０の搭載された第一の位置決め装置１２１ａは低周波成分信号（ａ３）により、第二の位置決め装置１２１ｂは中周波成分信号（ａ２）により駆動されることが好ましい。下層の位置決め装置（第二の位置決め装置１２１ｂ）は、上層の位置決め装置（第一の位置決め装置１２１ａ）の荷重による影響を受けるので移動時の負荷が大きくなり、共振周波数が低くなる。したがって、上層の位置決め装置に比べ許容される応答速度が遅くなるので、下層側の位置決め装置はより緩やかな動作を指示する低周波成分信号により駆動することが好ましい。また、上層の位置決め装置は、下層の位置決め装置に比べ負荷が少なく、高速動作にも追従しやすいのでより高い周波成分信号により駆動することが好ましい。

次に、本実施形態の光ビーム装置の動作について簡単に説明する。

図５は、光ビームの移動予定経路の一例を示す図である。

図５（ａ）は、レーザ穴あけ加工の際の光ビームの移動予定経路を説明するための被照射体の上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。同図中、符号１５０は移動予定経路であり、１５２は光ビームの照射痕を示す。

本実施形態では、同図に示すような光ビームを移動する移動予定経路１５０に沿って被照射体１０４表面の凹凸を電気信号として検出器１１４により検出する。その後、得られた電気信号は、上述のように周波数又は振幅等の波長特性により分割して、個別電気信号を得る。この個別電気信号をそれぞれ各位置決め装置（第一の位置決め装置１２１ａ及び第二の位置決め装置１２１ｂ）に伝達し、各位置決め装置をそれぞれ独立に駆動することにより、光ビームの焦点位置の調整がなされる。

本実施形態のレーザ照射装置１によれば、レンズを移動可能に搭載する第一の位置決め装置１２１ａと第一の位置決め装置１２１ａを移動可能に搭載する第二の位置決め装置１２１ｂを備え、この２つの位置決め装置を独立に移動可能としているので、被照射体１０４表面の凹凸に高速で追従することが可能となる。

また、第一の位置決め装置１２１ａと第二の位置決め装置１２１ｂに、各々異なる周波数成分信号を伝達し、遅い動作と速い動作を個別に行うので、さらに被照射体１０４表面に対する追従の精度及び追従の速度を高めることが可能となる。

また、第一の位置決め装置１２１ａと第二の位置決め装置１２１ｂに、同じ周波数成分で異なる振幅の信号を伝達することで、集光レンズ１１０の焦点位置合わせに必要な移動距離を第一の位置決め装置１２１ａと第二の位置決め装置１２１ｂで二分することが可能となる。したがって、短時間で目的とする移動距離を移動することが可能となるので、高速での焦点位置合わせが可能となる。また、２つの位置決め装置を利用することで、移動距離の限界値を大きくすることが可能となる。

また、一の集光レンズにより光ビームの焦点位置を調整するので、複雑な調整を必要とせず、また、位置決め装置が積層状に構成されており、設置に広いスペースを必要としないので装置の小型化を図ることが可能となる。

なお、本実施形態では、２つの位置決め装置を用いたが、これに限定されず、３つ以上の位置決め装置を用いてもよい。この場合にも、レンズが搭載される最上部の位置決め装置から最下部の位置決め装置の順に周波数成分を低くするように構成することが好ましい。すなわち、最上部の位置決め装置が一番高い周波数成分に応じて高速駆動され、最下部の位置決め装置が一番低い周波数成分に応じて低速駆動されるよう構成されていることが好ましい。

このようなレーザ照射装置１は、穴あけ加工のようなレーザ加工に用いてもよく、また、フォトレジストの露光に用いてもよい。また、ＣＤプレーヤ等の光ピックアップ装置として用いられてもよい。

穴あけ加工としては、具体的には、リアプロジェクション用のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）の形成工程で必要とされるピンホール加工等に好適に用いられる。

また、本実施形態では、光ビームは一本のものを例示したが、これに限定されず、回折格子や光ファイバ等により複数に分岐された分岐ビームを照射するものであってもよい。

また、本実施形態においては、被照射体表面の凹凸情報をリアルタイムに駆動信号として各位置決め装置に伝達する例について説明したが、これに限定するものではない。したがって、一度取得した被照射体表面の凹凸情報を例えば制御コンピュータシステムにより構成される制御部１２２内にメモリとして蓄積し、光ビーム１０２と被照射体１０４の相対位置に応じて集光レンズ１１０の位置決めのための駆動信号を送信することにより位置制御するよう構成されていてもよい。

また、被照射体の照射位置に応じて光ビームの到達深度を変更する場合や多種類のレーザ光源を用いる場合のように、被照射対象表面の凹凸以外の情報に基づき、集光レンズの位置を変更したい場合もある。このような場合には、被照射対表面の凹凸情報に、深度の変更情報又はレーザ光源の種類に応じた集光レンズの焦点距離の変動値等の情報を加味した駆動信号を各位置決め装置に供給するように構成してもよい。

（第二の実施形態）
第一の実施形態では、第一の位置決め装置１２１ａ及び第二の位置決め装置１２１ｂに伝達する駆動信号として、周波数の異なる２つの成分信号（低周波数成分信号と中周波数成分信号）を用いたが、これに限定されず、同じ周波数成分のものを用いてもよい。

図６に、ＣＣＤセンサにより検出されるうねり周波数成分について説明するための模式的グラフである。同図では、うねり周波数成分を周波数が同じで振幅の異なる２つの成分に分割した例を示す。同図中、（ｂ）はうねり周波数成分信号であり、（ｂ１）〜（ｂ３）は、うねり周波数成分信号から各々抽出される、高周波数成分信号（ｂ１）、低中周波数成分信号１)（ｂ２）、低中周波数成分信号２)（ｂ３）である。

このように、電気信号を２つの同じ周波数成分信号に分割し、第一の位置決め装置１２１ａと第二の位置決め装置１２１ｂを同時に駆動することで、一の位置決め装置を用いた場合に比べ、同じ時間あたりの移動距離（ダイナミックレンジ）を大きくすることが可能となる。また、焦点合わせに必要な距離を第一の位置決め装置１２１ａと第二の位置決め装置１２１ｂとで分担することが可能となるので、短時間での位置調整が可能となる。

図７に、位置決め装置を一つ用いた場合と二つ用いた場合における移動距離の違いを説明するための図を示す。

図７（ａ）に示すように、位置決め装置を一つしか用いなかった場合は、集光レンズ１１０は、所定時間にｌ₁しか移動することができない。

しかし、図７（ｂ）に示すように、位置決め装置を２つ用いた場合には、集光レンズ１１０は、所定時間に第一の位置決め装置１２１ａと第二の位置決め装置１２１ｂの移動距離の和ｌ₂分移動することができる。したがって、同じ時間内においても移動量を多くすることができるので、高速での追従性を増すことが可能となる。また、２つの位置決め装置の限界移動量分移動することが可能であるため、集光レンズ１１０の移動距離の限界値を大きくすることが可能となる。なお、図７（ｂ）において、図７（ａ）と同一の構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。また、同図中、１３９、１３９’は、ローパスフィルタであり、１４１、１４１’は、ローパスフィルタからの信号を増幅するための増幅器である。

第二の実施形態では、電気信号を２つの同じ周波数成分信号に分割し、第一の位置決め装置と第二の位置決め装置を同時に駆動することで、一の位置決め装置を用いた場合に比べ、同じ時間あたりの移動距離（ダイナミックレンジ）を大きくすることが可能となる。また、焦点合わせに必要な距離を第一の位置決め装置と第二の位置決め装置とで分担することが可能となるので、短時間での位置調整が可能となる。したがって、高速での追従性を増すことが可能となる。

なお、第一の位置決め装置と第二の位置決め装置に、位置決めに必要な移動距離を分担させると同時に、各々に高い周波数成分と低い周波数成分とに分割した動作を分担させてもよい。すなわち、第一の実施形態と第二の実施形態を組合わせて行ってもよい。

（第三の実施形態）
第三の実施形態は、第一の集光レンズ１１０ａを搭載した第一の位置決め装置１２１ｃと第二の集光レンズ１１０ｂを搭載した第二の位置決め装置１２１ｄを各々独立に駆動することにより、光ビームの焦点位置を合わせるものである。なお、第一の集光レンズ１１０ａ及び第二の集光レンズ１１０ｂが集光手段に該当する。

図８は、第一の集光レンズ１１０ａを搭載した第一の位置決め装置１２１ｃと第二の集光レンズ１１０ｂを搭載した第二の位置決め装置１２１ｄとを用いて光ビームの焦点位置を合わせる方法を説明するための図である。第一の位置決め装置１２１ｃと第二の位置決め装置１２１ｄとして、第一の実施形態で用いた位置決め装置（１２１ａ又は１２１ｂ）と同様のものが用いられる。なお、図８中、図２と対応する部分については同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。

集光レンズ１１０ａ及び集光レンズ１１０ｂは、光ビームの光軸上に配置される。

集光レンズ１１０ａ及び集光レンズ１１０ｂは、焦点距離等の基本特性が同じものを用いてもよく、また、異なるものを用いてもよい。

以下、集光レンズ１１０ａとして焦点距離が長いものを用い、集光レンズ１１０ｂとして焦点距離が短いものを用いた場合について説明する。

図９は、本発明の実施形態のレーザ照射装置を説明するための概略ブロック図である。

ＣＣＤ１１５ｂにより検出されたうねり周波数成分信号は、上述の図３の際と同様、増幅器１３０、ハイカットフィルタ１３２、遅延回路１３４を介して分配器１３６に送られる。伝達された信号は、分配器１３６にて中周波数成分信号と低周波数成分信号に分割される（図４参照）。すなわち、一の信号はバンドパスフィルタ１４６により中周波数成分信号のみが抽出され増幅器１４０で増幅された後、第一の位置決め装置１２１ｃに送られる。また、他の信号はローパスフィルタ１４８により低周波数成分信号のみが抽出され増幅器１４４で増幅された後、第二の位置決め装置１２１ｄに送られる。したがって、焦点距離の長い第一の集光レンズ１１０ａで微調整を行い、焦点距離の短い第二の集光レンズ１１０ｂにより粗調整を行うことで精度よく被照射体１０４表面に追従させた光ビームの焦点位置合わせが可能となる。

なお、バンドパスフィルタ１４６（及び／又はローパスフィルタ１４８）と第一の位置決め装置１２１ｃ（及び／又は第二の位置決め装置１２１ｄ）との間に、検出した信号と位置決め装置を実際に移動させる距離との調節を図る回路を配置してもよい。すなわち、レンズの基本特性（例：各レンズの焦点距離、二つのレンズのレンズ間距離）等に応じて予め定められた検出信号対位置決め装置の移動量のテーブルを参照し、検出信号に対応する移動量情報を有する信号を位置決め装置に伝達するよう設定されていてもよい。

本実施形態によれば、うねり周波数成分信号を周波数特性の異なる信号（高周波成分信号及び定収は成分信号）に分割し、各信号に応じて二つの位置決め装置を独立に駆動することで光ビームの焦点位置を調整しているので、精度よく被照射体表面に追従させた光ビームの焦点位置合わせを行うことが可能となる。

（第四の実施形態）
図１０は、第四の実施形態に係る液滴吐出装置を説明するための図である。

本実施形態では、液滴吐出装置としてマイクロアレイの製造装置を例に採り説明する。

本実施形態のマイクロアレイの製造装置５００は、液滴吐出ヘッドを担持するキャリヤ４００、被吐出対象体５５０を載置するテーブル５１０を備えている。

また、図１０において、５３０はキャリヤ４００を駆動するＸ方向駆動軸であり、５３０はテーブル５１０を駆動するＹ方向駆動軸である。Ｘ方向駆動軸５３０及びＹ方向駆動軸５２０は、例えばタイミングベルト機構やボールネジ機構等を用いるものであり、駆動部５４０に含まれる図示しない駆動モータより駆動力を得てキャリヤ４００及びテーブル５１０を移動させることができる。また、Ｘ方向駆動軸５３０、Ｙ方向駆動軸５２０は、駆動部５４０内に含まれる制御コンピュータシステムより構成される制御部６００からの予め定められた移動経路（移動予定経路）情報に基づき駆動される。なお、Ｘ方向駆動軸５３０、Ｙ方向駆動軸５２０、キャリヤ４００、テーブル５１０が移動手段に該当する。

図１１は、本実施形態の液滴吐出ヘッドの位置決め機構を説明するための図である。図１１中、図２と対応する部分については同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。

本実施形態では、キャリヤ４００に液滴吐出ヘッド４１０をＺ軸方向に移動可能に支持する支持機構１１６と検出手段としての検出器１１４とが搭載されている。

ここで液滴吐出ヘッド４１０は、ＤＮＡ、ＲＮＡ又はタンパク質等の生体試料溶液を、被吐出対象体５５０としてのマイクロアレイ用基板上に吐出するものである。液滴吐出ヘッド４１０は、外部に液滴を吐出するヘッド部とヘッド部に生体試料溶液を供給する貯留部（タンク）が一体的に形成されているものであっても、別体として形成されているものであってもよい。

支持機構１１６は、このような液滴吐出ヘッド４１０（あるいは液滴吐出ヘッド４１０のノズル部）と被吐出対象体との間のギャップ（液滴吐出ヘッドの高さ）が目標距離となるよう調整するものである。

液滴吐出ヘッド４１０と被吐出対象体との間のギャップが大きいと液滴の飛行距離が長くなり、着弾位置がずれたり、また、飛行中に液滴が飛散して隣接するスポットに飛散した液が混入する虞がある。また、ギャップが狭いと被吐出対象体５５０表面の突起部に衝突したり擦れたりする虞がある。したがって、ギャップを適切な間隔に調整する必要がある。

ギャップの目標距離を決定する要因となるパラメータの一つとしては、例えば使用する溶液の物性や環境条件が挙げられる。これにより吐出される液滴の大きさや形が変化するからである。溶液の物性としては、例えば表面張力、粘度等が挙げられる。また、環境条件としては、例えば吐出時の温度、湿度等が挙げられる。

このようにして定められたギャップの目標距離を設定することにより、ギャップの調整がなされることになる。

なお、支持機構１１６は、第一の位置決め装置１２１ａ上に液滴吐出ヘッド４１０が搭載されている以外は、第一の実施形態と同様の構成であり、上述したのと同様の動作で液滴吐出ヘッド４１０を動作させることができる。

また、本実施形態の液滴吐出装置は、一の液滴吐出ヘッドを用いて多種類の溶液を吐出してもよく、このような場合には溶液の種類に応じた目標距離が定められ、被吐出対象体５５０の表面の凹凸（うねり）情報と併せて、このような溶液の種類に応じたギャップ間の調整を行ってもよい。

本実施形態の液滴吐出装置によれば、液滴吐出装置を移動可能に搭載する第一の位置決め装置１２１ａと第一の位置決め装置１２１ａを移動可能に搭載する第二の位置決め装置１２１ｂを備え、この２つの位置決め装置を独立に移動可能としているので、被吐出対象体５５０の表面の凹凸（またはうねり）に高速で追従することが可能となる。

また、第一の位置決め装置１２１ａと第二の位置決め装置１２１ｂに、各々異なる周波数成分信号を伝達する場合には、緩やかな調整（粗調整）と速い調整（微調整）を別々な装置で行うので、さらに被照射体１０４表面に対する追従の精度及び追従の速度を高めることが可能となる。

また、第一の位置決め装置１２１ａと第二の位置決め装置１２１ｂに、同じ周波数成分で異なる振幅の信号を伝達する場合には、液滴吐出ヘッド４１０のギャップ調整に必要な移動距離を第一の位置決め装置１２１ａと第二の位置決め装置１２１ｂで二分することが可能となる。したがって、短時間で目的とする移動距離を移動することが可能となるので、高速での焦点位置合わせが可能となる。また、２つの位置決め装置を利用することで、移動距離の限界値を大きくすることが可能となる。

また、位置決め装置が積層状に構成されており、設置に広いスペースを必要としないので装置の小型化を図ることが可能となる。

なお、上記例では、マイクロアレイの製造装置を例に採り説明したが、これに限定されない。本発明の液滴吐出装置は、例えば吐出液にインクを用いる印刷装置であってもよい。また、配線膜液、半導体材料溶液、有機ＥＬ膜用溶液等を吐出する吐出装置であってもよい。

図１は、レーザ照射装置を概略的に示す図である。 図２は、集光レンズの支持機構を説明するための図である。 図３は、本発明の実施形態のレーザ照射装置を説明するための概略ブロック図である。 図４は、ＣＣＤセンサにより検出されるうねり周波数成分について説明するための模式的グラフである。 図５は、光ビームの移動予定経路の一例を示す図である。 図６は、ＣＣＤセンサにより検出されるうねり周波数成分について説明するための模式的グラフである。 図７は、位置決め装置を一つ用いた場合と二つ用いた場合における移動距離の違いを説明するための図である。 図８は、並設した第一の位置決め装置と第二の位置決め装置とを用いて光ビームの焦点位置を合わせる方法を説明するための図である。 図９は、本発明の実施形態のレーザ照射装置を説明するための概略ブロック図である。 図１０は、本発明の実施形態の液滴吐出装置を説明するための図である。 図１１は、本発明の実施形態の液滴吐出ヘッドの位置決め機構を説明するための図である。

符号の説明

１ レーザ照射装置、１００ レーザ発生装置、１０１ 反射ミラー、１０２ 光ビーム、１０４ 被照射体、１１０ 集光レンズ、１１２ 移動手段、１１４ 検出手段、１１５ａ レーザ装置、１１５ｂ センサ、１１６ 支持機構、１２０ 駆動回路、１２１ａ〜ｄ 位置決め装置、１２２ 制御部、１２３ 支持体、１２４ 発振回路、１２５ 装置取り付け部材、１３０ 増幅器、１３２ ハイカットフィルタ、１３４ 遅延回路、１３６ 分配器、１４０、１４４ 増幅器、１４６ バンドパスフィルタ、１４８ ローパスフィルタ、１５０ 移動予定経路、４００ キャリヤ、４１０ 液滴吐出ヘッド、５００ マイクロアレイの製造装置、５１０ テーブル、５２０ Ｙ軸方向駆動軸、５３０ Ｘ軸方向駆動軸、５４０ 駆動部、５５０ 被吐出対象体、６００ 制御部

Claims (13)

1. 光ビームを発生するレーザ発生装置と、
   前記光ビームを被照射体上に集光する一の集光手段と、
   前記光ビームを前記被照射体の表面と略平行に移動予定経路に沿って相対的に移動させるための移動手段と、
   前記移動予定経路に沿って前記被照射体表面の凹凸を検出する検出手段と、
   前記光ビームの焦点位置を調整するために、前記検出された凹凸に応じて前記一の集光手段を前記光ビームの光軸方向に移動可能にする複数の位置決め装置を積層状に備えた、前記集光手段を支持する支持機構と、
   を備えたレーザ照射装置。
2. 前記支持機構が、少なくとも第一の位置決め装置と第二の位置決め装置とを備えており、
   前記第一の位置決め装置が、前記集光手段を搭載し、当該集光手段を移動可能にするものであり、
   前記第二の位置決め装置が、前記第一の位置決め装置を搭載し、当該第一の位置決め装置を移動可能にするものである、
   請求項１に記載のレーザ照射装置。
3. 前記第一の位置決め装置が、前記集光手段を前記光ビームの光軸方向に微調整するものであり、
   前記第二の位置決め装置が、前記集光手段を前記光ビームの光軸方向に粗調整するものである、
   請求項２に記載のレーザ照射装置。
4. 光ビームを発生するレーザ発生装置と、
   前記光ビームを被照射体上に集光する複数の集光手段と、
   前記光ビームを前記被照射体の表面と略平行に移動予定経路に沿って相対的に移動させるための移動手段と、
   前記移動予定経路に沿って前記被照射体表面の凹凸を検出する検出手段と、
   前記光ビームの焦点位置を調整するために、前記検出された凹凸に応じて前記複数の集光手段をそれぞれ個別に前記光ビームの光軸方向に移動可能にする複数の並設された位置決め装置を備えた、前記集光手段を支持する支持機構と、
   を備えたレーザ照射装置。
5. 前記検出手段により得られた凹凸を表わす電気信号から複数の周波数成分を抽出する手段をさらに備え、
   前記各位置決め装置が、前記周波数成分抽出手段により抽出された個別電気信号により各々駆動される、請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザ照射装置。
6. 前記複数の個別電気信号が、高周波数成分がカットされたものである、請求項５に記載のレーザ照射装置。
7. 前記複数の個別電気信号の周波数成分が各々異なる、請求項５又は請求項６に記載のレーザ照射装置。
8. 前記複数の個別電気信号の周波数成分が同じである、請求項５又は請求項６に記載のレーザ照射装置。
9. 被照射体表面の凹凸に追従するように光ビームの焦点位置を調整するレーザ照射方法であって、
   光ビームを移動する移動予定経路に沿って対象体表面の凹凸を電気信号として取得する過程と、
   前記電気信号が複数の周波数成分を抽出して各周波数成分毎の複数の個別電気信号を得る過程と、
   前記複数の個別電気信号各々を対応する複数の積層状に重なった位置決め装置に送信し、当該位置決め装置に搭載される集光手段の位置を前記光ビームの光軸方向に調整することにより、前記光ビームの焦点位置を調整する過程と、
   を含むレーザ照射方法。
10. 被照射体表面の凹凸に追従するように光ビームの焦点位置を調整するレーザ照射方法であって、
    光ビームを移動する移動予定経路に沿って対象体表面の凹凸を電気信号として取得する過程と、
    前記電気信号が複数の周波数成分を抽出して各周波数成分毎の複数の個別電気信号を得る過程と、
    前記複数の個別電気信号各々を、前記光ビームの光軸上に並設された複数の集光手段を各々搭載する対応する複数の位置決め装置に送信し、当該複数の集光手段の位置を各々個別に前記光ビームの光軸方向に調整することにより、前記光ビームの焦点位置を調整する過程と、
    を含むレーザ照射方法。
11. 液滴を被吐出対象体に吐出する液滴吐出ヘッドと、
    前記液滴吐出ヘッドを前記被吐出対象体の表面と略平行に移動予定経路に沿って相対的に移動させるための移動手段と、
    前記移動予定経路に沿って前記対象体表面の凹凸を検出する検出手段と、
    前記検出された凹凸に応じて前記液滴吐出ヘッドと前記被吐出対象体との距離を目標距離に調整する位置決め装置を積層状に複数備えた、前記液滴吐出ヘッドを支持する支持機構と、
    を備えた液滴吐出装置。
12. 液滴吐出ヘッドを移動する移動予定経路に沿って被吐出対象体表面の凹凸を電気信号として取得する過程と、
    前記電気信号から複数の周波数成分を抽出して各周波数成分毎の複数の個別電気信号を得る過程と、
    前記複数の個別電気信号各々を対応する複数の積層状に重なった位置決め装置に送信し、当該位置決め装置に搭載される液滴吐出ヘッドの位置を当該液滴吐出ヘッドと前記被吐出対象体とのギャップ方向に調整することにより、前記液滴吐出ヘッドのノズルと被吐出対象体表面とのギャップを目標距離に調整する過程と、
    を含む液滴吐出方法。
13. 表面に凹凸を含む第１の対象体と、
    前記第１の対象体の表面にギャップを介して対向する第２の対象体と、
    前記第２の対象体の前記ギャップ方向における位置を調節する第１及び第２の位置調節手段と、
    前記第２の対象体を前記第１の対象体の表面上に想定される経路に沿って相対的に移動する走査手段と、
    前記経路に沿って前記第１の対象体の凹凸を検出して前記第１の対象体の表面状態による変調成分を含む距離信号を出力する凹凸の検出手段と、
    前記距離信号から第１の周波数成分を抽出した第１の周波数成分信号及び第２の周波数成分を抽出した第２の周波数成分信号によって前記第１及び第２の位置調節手段を駆動する駆動手段と、
    を備える位置制御装置。
    
    

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