JP2009236983A

JP2009236983A - レーザーダイオード出力調整方法

Info

Publication number: JP2009236983A
Application number: JP2008079510A
Authority: JP
Inventors: Tomotsugu Kato; 友嗣加藤; Mitsuhiro Suzuki; 光弘鈴木
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】高精度且つ短時間で行うことができるレーザー加工機の穴位置補正方法を提供することである。
【解決手段】本発明によるレーザーダイオード出力調整方法においては、前記レーザーダイオード毎に、供給電流を横軸に出力を縦軸にして両者の関係を測定し、閾値電流より大きい電流域における両者の関係を第１の一次式として近似して、その傾きおよびＸ切片を記憶し、前記第１の一次式により、前記レーザーダイオードが設定出力を出力するために必要な電流値を推定して推定電流値として記憶し、前記推定電流値を入力したときのレーザーダイオード出力を測定し、測定されたレーザーダイオード出力が前記設定出力から外れている場合は供給電流を調整して当該レーザーダイオード出力を前記設定出力に合わせることを全ての前記レーザーダイオードに対して行うことにより全てのレーザーダイオード出力を等しくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、被描画体を副走査方向へ移動させながら複数のレーザーダイオードから出力されたレーザービームを主走査方向へ偏向させて前記被描画体へ照射することにより前記被描画体上に所望のパターンを描画するレーザー直描装置（ＬＤＩ：Laser Direct
Imaging ）におけるレーザーダイオード出力調整方法に関する。

例えば特許文献1には、複数のレーザーダイオードを光源として用いたレーザー直描装置が開示されており、図６は当該レーザー直描装置の要部構成図である。光源部１の内部には、アレイ状（格子状）に配列された複数個のレーザーダイオードと、コリメートレンズと、プリズムとが配置されている。コリメートレンズとプリズムは各レーザーダイオード毎に設けられている。そして、各レーザーダイオードから出射されたレーザービーム２は、図示を省略するコリメートレンズにより平行光に変換され、図示を省略するプリズムにより上下方向に光軸の間隔を狭められて、光源部１から出力される。
光源部１から出力されたレーザービーム２は、ミラー３ａ、３ｂに反射されて結像レンズ４に入射する。結像レンズ４は各レーザービーム２の光軸を偏向してポリゴンミラー５の反射面に縮小投影させる。結像レンズ４により光軸を偏向されたレーザービーム２はミラー３ｃおよびポリゴンミラー５で反射されてｆθレンズ６に入射する。ｆθレンズ６を透過したレーザービーム２は折り返しミラー７により光軸を図の下方に偏向され、シリンドリカルレンズ８を透過して、ドライフィルムレジスト（ＤＦＲ）またはフォトレジスト等の感光性フィルムである被描画体９に入射し、被描画体９を感光させる。ポリゴンミラー５が回転することにより、レーザービーム２は被描画体９上を主走査方向（図中のＸ方向）に走査される。

一方、被描画体９を搭載したテーブル１０はリニアモータ１１により、リニアガイド１２を案内として副走査方向（図中のＹ方向）へ等速移動される。そして、各レーザーダイオードをオンオフすることにより、所望のパターンを被描画体９上に描画することができる。

ミラー２０は、支持プレート２１に保持されたシリンダ２２により図の上下方向に移動自在であり、移動の下端（以下、「動作位置」という。）においてミラー３ｃとポリゴンミラー５間の各レーザービーム２の光軸と交差し、移動の上端（以下、「待機位置」という。）においては、いずれのレーザービーム２の光軸とも交差しない。支持プレート２１は図示を省略する支持部材によりテーブル１０と対向する位置に位置決めされている。レーザーダイオードの出力を測定する際に、ミラー２０は動作位置に位置決めされる。

図７に示すように、ミラー２０が動作位置に位置決めされた場合のレーザービーム２の光軸上には、凹レンズ２６、フィルタ２７および凸レンズ２８とから構成される光学系２５とフォトセンサ３０とが配置されている。凹レンズ２６は収束する各レーザービーム２の光軸を互いに平行な光軸に変換し、凸レンズ２８は、互いに平行な各レーザービーム２の光軸をフォトセンサ３０上に収束させる。フィルタ２７は、各レーザービーム２の強度を予め定める割合で減衰させる。

図７において、シリンダ２２は制御装置４０によりその移動を制御される。また、図７におけるフォトセンサ３０は制御装置４０に接続されている。

複数のレーザーダイオードを光源として用いるレーザー直描装置において、当該複数のレーザーダイオードのエネルギー強度、すなわちレーザーダイオード出力（以下、ＬＤ出力と称する。）が所望の設定値（以下、設定出力と称する。）にそれぞれ等しくなるように調整を行う必要があり、この調整は迅速に行われることが要求される。また、レーザーダイオードの劣化によりＬＤ出力が低下するので、複数のレーザーダイオード各々の劣化等による寿命を管理する必要がある。そこで、各レーザーダイオードＬＤｉのＬＤ出力を確認し、ＬＤ出力が所望の値よりも小さいレーザーダイオードには、当該レーザーダイオードに供給した電流値と入力電流の許容値（以下、許容電流値と称する。）とを比較し、供給した電流値が許容電流値を超える場合にはレーザーダイオードが寿命に達したと判定し、許容電流値以下の場合には、そのレーザーダイオードに対応した可変抵抗Ｒの抵抗値を小さくして再度ＬＤ出力を確認する。そして、許容電流値を入力しても設定出力に達しなくなったレーザーダイオードは寿命に達したと判断している。

特開２００６−３３７５５１号公報

特許文献１においては、ＬＤ出力を調整する際に、レーザーダイオードに入力する電流値を一定の増加量で変化させながらＬＤ出力を測定して設定出力に近付けていくため、調整に時間がかかってしまう。また、設定出力での電流値が許容電流値以上の場合には寿命に達したと判断するため、最初から設定出力での電流値と許容電流値との差が小さいレーザーダイオードについては、本来の寿命以前に寿命に達したと判定してしまう、という問題点があった。

本発明が解決しようとする課題には上記の問題点が挙げられ、光源として用いる複数のレーザーダイオード各々のＬＤ出力調整時間を短くして作業能率を高めると共に、各レーザーダイオードの寿命を適切に判断することが本発明の目的である。

本発明は、被描画体を副走査方向へ移動させながら格子状に配列された複数のレーザーダイオードを個別にオンオフし、前記レーザーダイオードから出射されたレーザービームを主走査方向へ偏向させて前記被描画体へ照射することにより前記被描画体上に所望のパターンを描画するレーザー直接描画装置におけるレーザーダイオード出力調整方法において、前記レーザーダイオード毎に、供給電流を横軸に出力を縦軸にして両者の関係を測定し、閾値電流より大きい電流域における両者の関係を第１の一次式として近似して、その傾きおよびＸ切片を記憶し、前記第１の一次式により、前記レーザーダイオードが設定出力を出力するために必要な電流値を推定して推定電流値として記憶し、前記推定電流値を入力したときのレーザーダイオード出力を測定し、測定されたレーザーダイオード出力が前記設定出力から外れている場合は供給電流を調整して当該レーザーダイオード出力を前記設定出力に合わせることを全ての前記レーザーダイオードに対して行うことにより全てのレーザーダイオード出力を等しくすることを特徴とする。

本発明によるＬＤ出力調整方法は、ＬＤ出力調整を容易にして作業能率を高めると共に、各レーザーダイオードの初期特性に基づいて各レーザーダイオードの寿命を判断するため、レーザーダイオードの本来の寿命に基づいた寿命判定を可能にすることができる。

以下、本発明の実施例を図１〜図３を参照して説明する。尚、本発明に係るレーザー直描装置の要部構成は図６に示した従来のレーザー直描装置とほぼ同一であるため、説明を省略する。図１は本発明に係るレーザー直描装置における複数のレーザーダイオードの接続図であり、図２は、レーザーダイオードにおける入力電流（供給電流）ＩとＬＤ出力Ｐとの関係（以下、ＬＤ特性と称する。）を示す図である。また、図３は、レーザーダイオードの劣化前後のＬＤ特性を示す図である。

まず、図２を参照してレーザーダイオードの特性について説明する。図２に示すように、レーザーダイオードＬＤｉ（図２においてはＬＤ１、ＬＤ２およびＬＤ３）はそれぞれ異なるＬＤ特性を示す。レーザーダイオードに注入する電流がある値を超えると反転分布キャリア密度がレーザー発振を起こすために必要な値を超えて誘導放出が起きるとともに、放出された光子の互いの位相が揃え合って急速に出力が増加する。このときの電流値を閾値電流（図２では約３５〜４５ｍＡ）という。

図１に示すように、制御装置４０の図示しない電源部は、レーザーダイオードＬＤｉ（ｉ＝１〜ｎ）に電流を供給する。また、制御装置４０はスイッチＳＷｉをオンオフ制御し、可変抵抗Ｒｉの抵抗値を制御する。制御装置４０は、記憶部４０ａ、演算部４０ｂおよび判断部４０ｃから構成される。記憶部４０ａは、図２のＬＤ特性において閾値電流より大きい電流域における直線状部分を近似した一次式（以下、ＬＤ近似式と称する。）から求められるその傾きＡｉｊとＸ切片Ｂｉｊ、および求められたＬＤ近似式に基づいて演算される、レーザーダイオードＬＤｉを設定出力（例えば５０ｍＷ）にする為に必要な推定電流値（ｍＡ）を記憶する。尚、ｊは後述する一次式の番号を示す。この実施例では、ＬＤ近似式のＸ軸との交点であるＸ切片を閾値電流とみなしており、ＬＤ３についての閾値電流をＢ３１で示している。また、ＬＤ３についての傾きはＡ３１で示している。演算部４０ｂは、それぞれのＬＤ近似式からその傾きＡｉｊおよびＸ切片Ｂｉｊを演算する。判断部４０ｃは、使用開始時点でのＬＤ近似式（初期値として測定されたＬＤ近似式。以下、ＬＤ近似式１（第１の一次式）と称する。）のＸ切片Ｂｉ１と、後述する第２の近似式のＸ切片Ｂｉ2とを比較し、当該比較した結果に基づいてレーザーダイオードが寿命に達したか否かを判定する。

次に、本発明のＬＤ出力調整方法を図４、図５のフローチャートに基づいて説明する。まず、図４を参照して新しいＬＤ（今まで使用されたことがないＬＤ）のＬＤ出力調整方法について説明する。

図２に示すように、複数のレーザーダイオードのＬＤ特性は個々に異なるため、各々のレーザーダイオードの出力を等しくするためには、各レーザーダイオードに入力する入力電流を個々に調整する必要がある。
レーザーダイオードは、ＬＤ近似式におけるＸ切片Ａｉ０、傾きＢｉ０が、Ａ０≦Ａｉ０≦Ａ１、Ｂ０≦Ｂｉ０≦Ｂ１の範囲にあるとして納入されたものが使用される。そこで、傾きＡｉ０、Ｘ切片Ｂｉ０の下限値Ａ０、Ｂ０および上限値Ａ１、Ｂ１は予め記憶部４０ａに記憶させておく。

まず、図７に示すように、ミラー２０を動作位置に位置決めし、レーザーダイオードの使用開始時点で、全てのレーザーダイオードＬＤｉのＬＤ特性を測定する（Ｓ１００）。すなわち、入力電流をゼロから徐々に増加させてＬＤ出力を測定する。その後、得られた初期ＬＤ特性から最小二乗法により直線近似を行うことによってＬＤ近似式１（Ｐ＝Ａｉ1（Ｘ−Ｂｉ１））を求め（Ｓ１０５）、傾きＡｉ１が所定の範囲内（Ａ０≦Ａｉ１≦Ａ１）であるか確認する（Ｓ１１５）。傾きＡｉ１が所定の範囲内にあるときは、さらにＸ切片Ｂｉ１が所定の範囲内（Ｂ０≦Ｂｉ１≦Ｂ１）であるかを確認し（Ｓ１２０）、Ｘ切片Ｂｉ１が所定の範囲内にあるときは、傾きＡｉ１、Ｘ切片Ｂｉ１を記憶部４０ａに記憶する（Ｓ１２５）。

次に、各レーザーダイオードＬＤｉについて求められたＬＤ近似式１から、レーザーダイオードＬＤｉが所定の出力（設定出力）になるような電流値をそれぞれ求めて推定電流値として記憶させ（Ｓ１３０）、可変抵抗Ｒｉを操作することによって当該推定電流値を設定する。その後、設定された電流値をレーザーダイオードＬＤｉに入力してＬＤ出力を測定し、設定出力になるように電流値の調整を行う（Ｓ１３５）。

傾きＡｉ１、Ｘ切片Ｂｉ１が所定の範囲外の場合は、そのレーザーダイオードは不良であると判定し（Ｓ１４０）、図示しない表示手段にアラームを表示し（Ｓ１４５）、そのレーザーダイオードの交換を行う（Ｓ１５０）。

以上の動作を、全てのレーザーダイオードについて行う。
また、本発明では、以下に説明するＬＤ出力調整を所定の経過時間毎に行う。

次に、図５を参照して経時におけるＬＤ出力調整方法について説明する。
露光品質を向上するためには、ひとたびＬＤ出力調整を行った後にも、所定の時間が経過する毎にＬＤ出力調整を行う必要がある。本実施例においては、例えば１時間経過毎に全てのレーザーダイオードのＬＤ出力を測定して、必要に応じてＬＤ交換または入力電流調整を行う。

まず、所定の時間経過後に、レーザーダイオードのＬＤ出力を測定する（Ｓ２００）。その後、設定出力と測定したＬＤ出力とを比較し、その差が所定値（例えば±５ｍＷ）より大きいか否かを判断する（Ｓ２０５）。差が所定値より小さい場合は、そのレーザーダイオードのＬＤ出力調整は行わずに終了する。差が所定値より大きい場合には、ＬＤ特性を再度測定して（Ｓ２１０）ＬＤ近似式２（第２の一次式）を求め（Ｓ２１５）、その後ＬＤ近似式２の傾きＡｉ２、Ｘ切片Ｂｉ２を記憶させる（Ｓ２２０）。当該記憶されたＸ切片Ｂｉ２と初期値であるＸ切片Ｂｉ１とを比較し（Ｓ２２５）、Ｂｉ２がＢｉ１に対して一定の割合（例えば２０％）を超えて増加している場合には、そのレーザーダイオードは寿命に達したと判定し（Ｓ２５０）、図示しない表示手段にアラームを表示し（Ｓ２５５）、そのレーザーダイオードの交換を行う（Ｓ２６０）。Ｘ切片Ｂｉ２のＸ切片Ｂｉ１と比較した増加分が一定の割合（例えば２０％）以下の場合には、ＬＤ近似式２から設定出力時の推定電流値を求めて記憶させ（Ｓ２３０）、可変抵抗Ｒｉを操作することによって当該推定電流値を設定する。その後、設定された電流値をレーザーダイオードＬＤｉに入力してＬＤ出力を測定し、設定出力になるように電流値の調整を行い（Ｓ２３５）、ＬＤ出力調整を終了する。

以上の動作を、全てのレーザーダイオードについて行う。

本願のＬＤ出力調整方法においては、レーザーダイオードの出力設定にあたって予め測定されたＬＤ近似式から推定される推定電流値に基づいて調整を行うので、出力設定を迅速に行うことができ作業能率を高めることができる。

また、本願のレーザー直描装置においては、各レーザーダイオードの初期特性に基づいて各レーザーダイオードの寿命を判断するため、レーザーダイオードの本来の寿命に基づいた寿命判定をすることができる。

本発明に係るレーザー直描装置におけるレーザーダイオードの接続図である。レーザーダイオードの入力電流とＬＤ出力との関係を示す図である。レーザーダイオードの劣化前後のＬＤ特性を示す図である。本発明に係るレーザー直描装置における最初のＬＤ出力調整方法のフローチャートである。本発明に係るレーザー直描装置において所定の経過時間毎に行われるＬＤ出力調整方法のフローチャートである。従来のレーザー直描装置の要部構成図である。従来のレーザー直描装置の一部を模式的に示す平面図である。

符号の説明

３０フォトセンサ
４０制御装置

Claims

被描画体を副走査方向へ移動させながら格子状に配列された複数のレーザーダイオードを個別にオンオフし、前記レーザーダイオードから出射されたレーザービームを主走査方向へ偏向させて前記被描画体へ照射することにより前記被描画体上に所望のパターンを描画するレーザー直接描画装置におけるレーザーダイオード出力調整方法において、前記レーザーダイオード毎に、
供給電流を横軸に出力を縦軸にして両者の関係を測定し、閾値電流より大きい電流域における両者の関係を第１の一次式として近似して、その傾きおよびＸ切片の値を記憶し、
前記第１の一次式により、前記レーザーダイオードが設定出力を出力するために必要な電流値を推定して推定電流値として記憶し、
前記推定電流値を入力したときのレーザーダイオード出力を測定し、
測定されたレーザーダイオード出力が前記設定出力から外れている場合は供給電流を調整して当該レーザーダイオード出力を前記設定出力に合わせることを全ての前記レーザーダイオードに対して行うことにより全てのレーザーダイオード出力を等しくすることを特徴とするレーザーダイオード出力調整方法。
前記第１の一次式の傾きまたはＸ切片の値が所定の範囲外である場合には、当該レーザーダイオードが不良であると判定することを特徴とする請求項１記載のレーザーダイオード出力調整方法。
所定の経過時間毎に、前記レーザーダイオードのレーザーダイオード出力を測定し、
当該測定したレーザーダイオード出力と前記設定出力との差が所定値を超える場合には、前記供給電流とレーザーダイオード出力との関係を測定し、閾値電流より大きい電流域における両者の関係を第２の一次式として近似してその傾きおよびＸ切片を記憶し、
前記第２の一次式のＸ切片の前記第１の一次式のＸ切片に対する増加分が所定値を超える場合には当該レーザーダイオードが寿命であると判定し、
前記増加分が所定値以下の場合には、前記第２の一次式により、前記レーザーダイオードが設定出力を出力するために必要な電流値を推定して推定電流値として記憶し、
当該推定電流値を前記レーザーダイオードに入力したときのレーザーダイオード出力を測定し、
測定されたレーザーダイオード出力が前記設定出力から外れている場合は供給電流を調整して当該レーザーダイオード出力を前記設定出力に合わせ、
その他の場合にはレーザーダイオード出力調整を行わない、ことを特徴とする請求項１記載のレーザーダイオード出力調整方法。