JPH11188491A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小形化が可能で高精度の精密加工に適したレ
ーザ加工装置を提供すること。 【解決手段】 加工物を搭載する加工テーブル１１を剛
体とし、レーザ光の光軸方向に移動可能な精密Ｚステー
ジ１３及び光軸方向に垂直な方向に移動可能な粗動Ｘ−
Ｙステージ１４とで駆動する。距離計測及び座標計測の
ための計測系を加工テーブルに設置すると共に、位置決
めの基準面をレーザ光学系を搭載している剛体による基
準台１２に設定することにより、加工点とレーザ光学系
の相対的な位置関係のみを計測して加工テーブルの位置
決め制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ光による加工
装置に関し、特に加工物に対してレーザ光の集光点を高
精度で位置決め照射できるようにしたレーザ加工装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工装置は、レーザ発振器で発生
されたレーザ光を、反射鏡や光学レンズを含むレーザ光
学系を通して加工物に照射することにより加工を行う。
通常、加工物は移動ステージに搭載されている。移動ス
テージは、加工物における加工点がレーザ光の照射位置
にあるように加工物を移動させる。

【０００３】このような移動ステージを利用してレーザ
光による精密加工を行うためには、加工点にレーザ光の
集光点を高い精度で合わせて照射しなくてはならない。
このような加工に使用する高精度な位置決め装置は、特
殊かつ大掛かりとなる。

【０００４】すなわち、高精度の精密加工においては、
装置が歪むことによってレーザ光学系及び加工点の位置
がずれることを防ぐため、装置には高い剛性が必要で大
掛かりなものになる。また、高精度な位置決め装置を得
るためには、移動ステージに特別な案内機構が必要であ
る。

【０００５】図９を参照して、従来のレーザ加工装置に
ついて説明する。レーザ加工装置は、Ｘ−Ｙ方向（水平
面）及びＺ方向（垂直方向）に移動可能な移動ステージ
３１と、レーザ発振器３２を含むレーザ光学系と、レー
ザ光学系を設置するための架台３３とを含む。移動ステ
ージ３１上には加工物を搭載するための加工テーブル３
４が設けられる。移動ステージ３１は振動や歪みが生じ
ないようにセラミックス製としている。また、移動ステ
ージ３１の移動に伴ったうねりを抑えるため、ステージ
の案内機構にはエアスライダを採用している。更に、移
動ステージ３１の運動の影響がレーザ光学系に伝わらな
いように、移動ステージ３１及び架台３３は防振台３７
上に設置される。

【０００６】レーザ光学系は、レーザ発振器３２で発生
されたレーザ光の角度を変えて架台３３に設けられた貫
通穴に導くための反射鏡３５と、レーザ光を加工テーブ
ル３４上に置かれた加工物の加工点に焦点を合わせて照
射するための加工レンズ３６とを含む。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、移動ス
テージ３１にエアスライダを採用すると、移動ステージ
３１全体が大きくなり、レーザ光学系を組み込むための
架台３３は高いものが必要となる。また、高い架台３３
に剛性を持たせるために、架台３３には十分に太い足が
必要となる。

【０００８】以上のような理由で、従来のレーザ加工装
置、特に高精度の精密加工を行うためのレーザ加工装置
は大型になる問題点がある。

【０００９】そこで、本発明の課題は、小形化が可能で
高精度の精密加工に適したレーザ加工装置を提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ発振器
で発生されたレーザ光を、反射鏡や光学レンズを含むレ
ーザ光学系を通して加工物に照射することにより加工を
行うレーザ加工装置において、加工テーブルを搭載し、
前記加工物に照射されるレーザ光の光軸方向に高分解能
で移動可能な精密Ｚステージと、該精密Ｚステージを搭
載し、前記光軸方向に垂直な水平面上を高分解能で移動
可能な粗動Ｘ−Ｙステージと、前記加工テーブルの上方
に前記レーザ光学系を設けるための架台とを備え、前記
架台のうち前記レーザ光学系を搭載している部分は、基
準台で構成されていると共に、該基準台に設けられた貫
通穴を通して前記レーザ光が前記加工物に照射されるよ
うに構成されており、該装置は更に、前記加工テーブル
と前記基準台の所定部位との間の距離を測定するための
複数の距離計と、前記加工テーブルの座標を測定するた
めの座標測定手段と、前記複数の距離計からの測定結果
に基づいて前記加工テーブルの傾き及び回転角度を算出
し、該算出結果及び前記座標測定手段の測定結果を用い
て前記粗動Ｘ−Ｙステージ及び前記精密Ｚステージを制
御する制御手段とを備え、前記加工テーブル、前記基準
台のみを剛性の高い材料で構成したことを特徴とする。

【００１１】なお、前記複数の距離計及び前記座標測定
手段はそれぞれ、前記加工テーブルに設けられるのが好
ましい。

【００１２】前記座標測定手段は、複数のＸ−Ｙエンコ
ーダで実現することができる。

【００１３】また、前記複数の距離計として、光線を前
記基準台の所定部位に照射しその反射光を受けて距離を
測定する３個の距離計を、前記加工テーブルの加工物の
搭載エリア外に備えていることが好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１〜図３を参照して、本発明の
好ましい実施の形態について説明する。以下の説明で
は、加工物に照射されるレーザ光の光軸方向をＺ軸（図
１中、縦方向）、光軸に垂直な平面をＸ−Ｙ平面（図１
中、水平方向）と呼ぶものとする。

【００１５】図１において、本装置は、加工テーブル１
１、基準台１２、精密Ｚステージ１３、粗動Ｘ−Ｙステ
ージ１４、レーザ発振器１５、レーザ反射鏡１６、加工
レンズ１７を備えている。加工テーブル１１は精密Ｚス
テージ１３上に設けられ、精密Ｚステージ１３は粗動Ｘ
−Ｙステージ１４上に設けられる。精密Ｚステージ１３
及び粗動Ｘ−Ｙステージ１４には、特別な案内機構は不
要である。基準台１２は、レーザ発振器１５、レーザ反
射鏡１６、及び加工レンズ１７を含むレーザ光学系を搭
載するためのものであり、架台１８の一部であるが、架
台１８の材料とは異なり、剛性の高い素材を採用してい
る。粗動Ｘ−Ｙステージ１４及び架台１８は支持台１０
上に設けられる。

【００１６】図２において、基準台１２に設けられたレ
ーザ光通過用の穴１２−１に隣接した位置であって、基
準台１２の下面には、第１スケール２１−１、第２スケ
ール２１−２が設けられる。

【００１７】図３において、加工テーブル１１には、そ
こに搭載される加工物１９の搭載エリアから外れた位置
に、第１距離計２２−１、第２距離計２２−２、第３距
離計２２−３、第１Ｘ−Ｙエンコーダ２３−１、及び第
２Ｘ−Ｙエンコーダ２３−２が設置される。第１距離計
２２−１、第２距離計２２−２、及び第３距離計２２−
３はそれぞれ、基準台１２の下面との間の距離を測定す
るためのものである。すなわち、第１距離計２２−１、
第２距離計２２−２、及び第３距離計２２−３はそれぞ
れ、基準台１２の下面にビーム光を照射しその反射光を
受光して距離を測定するものである。このような光によ
る距離測定器は周知であるので、詳細な説明は省略す
る。勿論、第１距離計２２−１、第２距離計２２−２、
及び第３距離計２２−３は、光による距離測定器に限ら
ず、周知の他の測定器を用いても良い。

【００１８】第１Ｘ−Ｙエンコーダ２３−１、第２Ｘ−
Ｙエンコーダ２３−２はそれぞれ、第１スケール２１−
１、第２スケール２１−２と組み合わされてＸ−Ｙ平面
上における加工テーブル１１の座標を測定するためのも
のであり、これも周知である。簡単に言えば、第１スケ
ール２１−１、第２スケール２１−２にはそれぞれ、格
子状の縞模様がスケールとして付されており、グリッド
プレートと呼ばれている。第１Ｘ−Ｙエンコーダ２３−
１、第２Ｘ−Ｙエンコーダ２３−２はそれぞれ、第１ス
ケール２１−１、第２スケール２１−２にビーム光を照
射し、その反射光を受光してスケールの位置関係から座
標を測定するものであり、スキャニングヘッドと呼ばれ
ている。このため、第１Ｘ−Ｙエンコーダ２３−１、第
２Ｘ−Ｙエンコーダ２３−２はそれぞれ、第１スケール
２１−１、第２スケール２１−２と互いに対向し合うよ
うに設けられる。

【００１９】いずれにしても、第１距離計２２−１、第
２距離計２２−２、第３距離計２２−３、第１Ｘ−Ｙエ
ンコーダ２３−１、第２Ｘ−Ｙエンコーダ２３−２は、
加工テーブル１１の位置合わせ制御のための測定系とし
て用いられる。

【００２０】上記各部の取付け構造について説明する。

【００２１】第１距離計２２−１、第２距離計２２−
２、第３距離計２２−３、第１Ｘ−Ｙエンコーダ２３−
１、第２Ｘ−Ｙエンコーダ２３−２は、加工テーブル１
１にネジ等で固定されている。加工物１９は加工テーブ
ル１１に真空吸着などによって固定されている。

【００２２】加工テーブル１１は精密Ｚステージ１３に
ネジ等で固定されており、精密Ｚステージ１３は短いス
トロークではあるが、Ｚ軸方向に高い分解能で移動する
ことができる。精密Ｚステージ１３はまた、長いストロ
ークでかつ高い分解能でＸ−Ｙ平面を移動できる粗動Ｘ
−Ｙステージ１４にネジ等で固定されている。

【００２３】基準台１２には、レーザ発振器１５、レー
ザ反射鏡１６、加工レンズ１７がネジ等で固定されてお
り、レーザ光の焦点を所望の位置に調整することができ
る。

【００２４】加工テーブル１１は充分に剛性の高い素材
を採用し、たわみなどによって取り付けられた部品同士
の位置関係が変わらないようにする。基準台１２につい
ても同様に、取り付けられた部品同士の位置関係が変わ
らないようにする。加工テーブル１１及び基準台１２の
ための剛性の高い材料としては、例えばセラミックよう
な材料があげられるが、アルミあるいはステンレスのよ
うな材料でも良い。

【００２５】上記の測定系を用いて、後述する３次元空
間の座標計算を行うことにより、レーザ光の焦点と、加
工物１９における加工点の相対的な位置を求めることが
できる。

【００２６】加工テーブル１１は、粗動Ｘ−Ｙステージ
１４と微動Ｚステージ１３により、３次元空間の任意の
位置に移動可能である。したがって、加工点の位置をレ
ーザ光の焦点と合わせるように移動させて加工を行うこ
とにより、粗動Ｘ−Ｙステージ１４の取り付け誤差など
によるＺ軸方向のゆらぎが微動Ｚステージ１３で補正さ
れ、高精度の精密加工が可能となる。

【００２７】この装置には加工テーブル１１及び基準台
１２以外はそれほど高い剛性は必要ない。また、精密Ｚ
ステージ１３及び粗動Ｘ−Ｙステージ１４には、それほ
ど高い直進性や、繰り返し精度は必要ない。

【００２８】次に、図４〜図８を参照して、測定系の機
能について説明する。図４は、基準台１２に設定される
基準座標系を説明するための図であり、基準座標系が基
準台１２に固定して設定される。基準座標系は、基準台
１２の下面とここを通過するレーザ光の交点を原点とし
てＸ，Ｙ，Ｚで表される。この場合、レーザ光の焦点の
座標はＦ（０，０，ｆ_Z ）で表され、これに対する加工
テーブル１１の固定座標原点がＯ_T （Ｔ_X ，Ｔ_Y ，
Ｔ_Z ）で表される。

【００２９】一方、図５に示すように、加工テーブル１
１に固定された座標系を考えると、この座標系は加工面
の中心を原点としてｘ，ｙ，ｚで表される。各距離計２
２−１〜２２−３のセンサヘッドの座標はＳ_n （ｓ_nx，
ｓ_ny，ｓ_nz）で表され、各Ｘ−Ｙエンコーダ２３−１、
２３−２のセンサヘッドの座標はＥ_n （ｅ_nx，０，
ｅ_nz）で表される。また、加工点の座標は、Ｗ（ｗ_x ，
ｗ_y ，０）で表される。

【００３０】各距離計の読み取り値は、Ｄ_n で表され、
各Ｘ−ＹエンコーダのＸ方向の読み取り値はＸ_n で、Ｙ
方向の読み取り値はＹ_n でそれぞれ表される。なお、ｎ
は距離計あるいはＸ−Ｙエンコーダの番号を表し、距離
計の場合はｎは１、２、３をとり、Ｘ−Ｙエンコーダの
場合はｎは１、２をとる。

【００３１】加工テーブル固定座標系の基準座標系に対
する回転角度は、ｘ軸回りの場合φで、ｙ軸回りの場合
ψで、ｚ軸回りの場合θでそれぞれ表される。そして、
φ、ψ、θはそれぞれ、微小値であるので、これらの値
をαとした場合、ｓｉｎα＝α、ｃｏｓα＝１、ｓｉｎ
² α＝０と近似される。

【００３２】以上の表現を用いて、図６において、第１
〜第３距離計２２−１〜２２−３の読み取り値Ｄ₁ ，Ｄ
₂ ，Ｄ₃ はそれぞれ、以下のように表される。

【００３３】 Ｄ₁ ＝Ｔ_Z −ｓ_1z−ψｓ_1x−φｓ_1y （１） Ｄ₂ ＝Ｔ_Z −ｓ_2z−ψｓ_2x−φｓ_2y （２） Ｄ₃ ＝Ｔ_Z −ｓ_3z−ψｓ_3x−φｓ_3y （３） 式（１）について言えば、（Ｔ_Z −ｓ_1z）は、図６
（ａ）に示されるようにセンサヘッドからのＺ軸方向に
関する距離であり、ψｓ_1xは図６（ｂ）に示されるよう
にｙ軸回りの回転角度ψに起因したＺ軸方向の距離成分
であり、φｓ_1yは図６（ｃ）に示されるようにｘ軸回り
の回転角度φに起因したＺ軸方向の距離成分である。こ
こで、ｓ_nx，ｓ_ny，ｓ_nzはそれぞれ、各距離計２２−１
〜２２−３のセンサヘッドの座標であり、設計時に決め
られる。また、Ｄ_n は各距離計の読み取り値であるの
で、上記の式（１）、（２）、（３）を連立させて解く
ことにより、Ｔ_Z 、ψ、φを求めることができる。

【００３４】次に、各Ｘ−Ｙエンコーダの読み取り値は
以下のように表される。

【００３５】 Ｘ₁ ＝Ｔ_X ＋ｅ_1x−ψ（Ｔ_Z −ｅ_1z） （４） Ｙ₁ ＝Ｔ_Y ＋θ・ｅ_1x−φ（Ｔ_Z −ｅ_1z） （５） Ｙ₂ ＝Ｔ_Y ＋θ・ｅ_2x−φ（Ｔ_Z −ｅ_2z） （６） ここで、θ・ｅ_1xは、図７（ａ）に示されるように回転
角度θに起因した座標成分であり、ψ（Ｔ_Z −ｅ_1z）
は、図７（ｂ）に示されるように回転角度ψに起因した
座標成分であり、φ（Ｔ_Z −ｅ_1z）は、図７（ｃ）に示
されるように回転角度φに起因した座標成分である。な
お、ｅ_nx、ｅ_nzは、各Ｘ−Ｙエンコーダのセンサヘッド
の座標であり、設計時に決められる。また、Ｘ_n 、Ｙ_n
は各Ｘ−Ｙエンコーダの読み取り値である。更に、ψ、
φは上述した方法で既に求められているので、上記の式
（４）〜（６）を解けば、Ｔ_X 、Ｔ_Y 、θが求められ
る。

【００３６】以上のようにして求められた値を用いて、
基準座標系での加工点Ｗの座標が下記のように決められ
る。

【００３７】Ｗ（Ｔ_X ＋ｗ_x −θ・ｗ_y ，Ｔ_Y ＋ｗ_y ＋
θ・ｗ_x ，Ｔ_Z ＋ψ・ｗ_x ＋φ・ｗ_y） レーザ光の焦点はＦ（０，０，ｆ_Z ）であるので、これ
らの座標点間の差を０にする方向に粗動Ｘ−Ｙステージ
１４と微動Ｚステージ１３を移動させることにより、高
い精度で加工点をレーザ光の焦点に合わせることができ
る。

【００３８】なお、上記の演算は、図示しない制御装置
が第１〜第３距離計２２−１〜２２−３の測定結果、及
び第１、第２Ｘ−Ｙエンコーダ２３−１、２３−２から
得られる座標に基づいて行い、演算結果に基づいて粗動
Ｘ−Ｙステージ１４と微動Ｚステージ１３の駆動を制御
する。

【００３９】上記の演算の経過を順をおって説明する。

【００４０】１．第１〜第３距離計２２−１〜２２−３
はそれぞれ、基準台１２との間の距離を測定する。その
結果、加工テーブル１１の基準台１２に対するＺ軸方向
の位置及びＸ−Ｙ平面に対する傾きを算出できる。

【００４１】２．更に、第１、第２Ｘ−Ｙエンコーダ２
３−１、２３−２はそれぞれ、第１、第２スケール２１
−１、２１−２に対するＸ−Ｙ方向の位置、すなわち座
標を測定する。その結果、加工テーブル１１の基準台１
２に対するＸ−Ｙ方向の位置及びＺ軸周りの回転角度θ
を算出できる。

【００４２】３．レーザ発振器１５、レーザ反射鏡１
６、及び加工レンズ１７は、基準台１２に固定されてい
るので、レーザ光の焦点の基準台１２に対する位置は常
に同じである。このため、加工物１９上の加工点を、加
工テーブル１１に対する位置で与えれば、レーザ光の焦
点と加工点の相対的な位置を算出できる。

【００４３】４．算出されたレーザ光の焦点の位置と加
工点の位置の差を０にするように、精密Ｚステージ１３
をＺ軸方向に移動させると共に、粗動Ｘ−Ｙステージ１
４をＸ−Ｙ平面上を移動させて加工を行う。

【００４４】図８は、上記の１〜４の過程を経て加工テ
ーブル１１が位置決めされてゆく経過を示している。

【００４５】本発明によるレーザ加工装置は、マイクロ
マシンの加工や、ワイヤボンダ、あるいは半導体製造装
置におけるステッパへの適用が考えられる。

【００４６】以上、本発明を好ましい実施の形態につい
て説明したが、様々な変形が可能である。例えば、複数
のＸ−Ｙエンコーダによる座標測定手段は、加工テーブ
ル１１と基準台１２との相対位置を計測できるものであ
れば良く、例えば基準台１２側に画像処理による測定装
置を配置して、加工テーブル１１上の特定の点の基準位
置からのずれを検出したり、レーザ測長器を基準台１２
に設け、レーザ光の反射ミラーを加工テーブル１１に設
けて実現することができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、高い剛性の必要な部分を少なくできることと、各ス
テージの案内機構に一般的なものが使用可能なことか
ら、ステージの小型化、低価格化が可能になり、加えて
高精度の精密加工に適したレーザ加工装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい実施の形態によるレーザ加工
装置の概略構成を示した図である。

【図２】本発明において、加工テーブルの座標測定のた
めに用いられるスケールを説明するための図である。

【図３】本発明において、距離測定及び座標測定のため
に加工テーブルに設けられる距離計及びＸ−Ｙエンコー
ダを説明するための図である。

【図４】本発明において、基準台に設定される基準座標
を説明するための図である。

【図５】本発明において、加工テーブルに設定される固
定座標系を説明するための図である。

【図６】本発明において、距離計による読み取り値につ
いて説明するための図である。

【図７】本発明において、Ｘ−Ｙエンコーダによる読み
取り値について説明するための図である。

【図８】本発明における精密Ｚステージによる補正動作
を説明するための図である。

【図９】従来のレーザ加工装置の概略構成を示した図で
ある。

【符号の説明】

１０ 支持台 １１、３４ 加工テーブル １２ 基準台 １３ 精密Ｚステージ １４ 粗動Ｘ−Ｙステージ １５、３２ レーザ発振器 １６、３５ レーザ反射鏡 １７、３６ 加工レンズ １８、３３ 架台 １９ 加工物 ２１−１、２１−２ 第１、第２スケール ２２−１、２２−２、２２−３ 第１、第２、第３距
離計 ２３−１、２３−２ 第１、第２Ｘ−Ｙエンコーダ ３７ 防振台

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器で発生されたレーザ光を、
   反射鏡や光学レンズを含むレーザ光学系を通して加工物
   に照射することにより加工を行うレーザ加工装置におい
   て、 加工テーブルを搭載し、前記加工物に照射されるレーザ
   光の光軸方向に高分解能で移動可能な精密Ｚステージ
   と、 該精密Ｚステージを搭載し、前記光軸方向に垂直な水平
   面上を高分解能で移動可能な粗動Ｘ−Ｙステージと、 前記加工テーブルの上方に前記レーザ光学系を設けるた
   めの架台とを備え、 前記架台のうち前記レーザ光学系を搭載している部分
   は、基準台で構成されていると共に、該基準台に設けら
   れた貫通穴を通して前記レーザ光が前記加工物に照射さ
   れるように構成されており、 該装置は更に、前記加工テーブルと前記基準台の所定部
   位との間の距離を測定するための複数の距離計と、前記
   加工テーブルの座標を測定するための座標測定手段と、
   前記複数の距離計からの測定結果に基づいて前記加工テ
   ーブルの傾き及び回転角度を算出し、該算出結果及び前
   記座標測定手段の測定結果を用いて前記粗動Ｘ−Ｙステ
   ージ及び前記精密Ｚステージを制御する制御手段とを備
   え、前記加工テーブル、前記基準台のみを剛性の高い材
   料で構成したことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のレーザ加工装置におい
   て、前記複数の距離計及び前記座標測定手段はそれぞ
   れ、前記加工テーブルに設けられていることを特徴とす
   るレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載のレーザ加工装置におい
   て、前記座標測定手段は、複数のＸ−Ｙエンコーダから
   成ることを特徴とするレーザ加工装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載のレーザ加工装置におい
   て、前記複数の距離計として、光線を前記基準台の所定
   部位に照射しその反射光を受けて距離を測定する３個の
   距離計を、前記加工テーブルの加工物の搭載エリア外に
   備えていることを特徴とするレーザ加工装置。