JP6761590B2 - 光加工装置 - Google Patents
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Description
本実施形態のレーザパターニング装置における加工対象物は、基材上にITO薄膜および銀ペーストが形成されたワークであり、このワーク上のITO薄膜および銀ペーストにレーザ光(加工光)を照射して部分的にITO薄膜および銀ペーストを除去することにより、ITO薄膜および銀ペーストをパターニング加工するものである。ただし、本発明に係る光加工装置は、本実施形態に係るレーザパターニング装置に限定されるものではなく、他のパターニング加工を行う装置、切削加工などの他の加工処理を行う装置、非レーザ光を加工光として用いて加工する装置などにも、適用可能である。
本実施形態のレーザパターニング装置は、レーザ出力部1と、レーザ走査部2と、ワーク搬送部3と、制御部4とを備えている。
レーザ出力部1は、光源としてのレーザ発振器11と、レーザ発振器11から出力される加工光としてのレーザ光Lのビーム径を拡大するビームエキスパンダ12とを有する。
レーザ走査部2は、レーザ光Lを反射するX軸方向走査用とY軸方向走査用の2つのガルバノミラー21aをステッピングモータ21bで回動させてX軸方向及びY軸方向にレーザ光Lを走査させる加工箇所変更手段としての光走査手段であるガルバノスキャナ21と、ガルバノスキャナ21で走査されたレーザ光Lをワーク35の表面(被加工面)又は基材とITO膜との界面等のワーク内部(ワーク表面から所定深さだけオフセットした箇所)に集光させる集光手段としてのfθレンズ22とを有する。
ワーク搬送部3は、ワーク35を副走査方向(Y軸方向)に移動させる搬送ローラ対32を備え、搬送ローラ対32で挟持したワーク35を副走査方向(Y軸方向)へ搬送する。
本実施形態のレーザ発振器11は、MOPA(Master Oscillator Power Amplifier)と呼ばれるパルスファイバレーザである。このレーザ発振器11は、シードLD74をパルスジェネレータ73でパルス発振させてシード光を生成し、光ファイバアンプで複数段階に増幅するパルスエンジン部70と、パルスエンジン部70から出力されるレーザ光Lを導光する出力ファイバ71と、平行光束化手段としてのコリメート光学系83により略平行光束としてレーザ光Lを出射する出力ヘッド部72とから構成されている。本実施形態では、出力ヘッド部72のみがレーザ出力部1に設けられる。
本実施形態におけるワーク35は、スプール軸51上にロール状に巻かれており、そこから引き出されたワーク部分が入口ガイド板52に沿って搬送ローラ対32のニップに挟持され、搬送ローラ対32の駆動によって巻き出されて加工テーブル53上にセットされる。加工テーブル53には無数の細孔が形成されており、加工テーブル53の裏面に形成された空洞部57の空気をポンプ58が吸い出すことにより、ワーク35を加工テーブル53の表面に吸着させ、加工領域36におけるワーク35の平面性を確保している。加工後のワークは、カッター54を主走査方向へ移動させることにより所定サイズごとに裁断され、トレイ55に排出される。
また、主走査方向の各停止目標位置に応じてレンズ39の位置を個別に移動調整するアクチュエータを備え、集光距離を停止目標位置ごとに可変することにより、被加工面に対するキャリッジの移動方向の平行度がわずかにずれている場合であってもfθレンズ22の結像位置を精度よく合わせることができる。
L = f × θ ・・・(1)
この式(1)に示すように、加工領域36の広さは、ガルバノスキャナ21の走査範囲(ガルバノミラー21aの最大傾斜角度)によって制限されることになる。ここで、ガルバノスキャナ21の走査範囲が広がるほど、ワーク35上での適切な集光が困難となるため、加工領域36内における加工の均一性を維持することが難しくなる。そのため、ガルバノスキャナ21の走査範囲すなわちガルバノミラー21aの最大傾斜角度θを広げるにも限界がある。したがって、ガルバノスキャナ21の走査範囲(ガルバノミラー21aの最大傾斜角度θ)を広げて加工領域36の広さを拡げることには限界がある。
σ = f × (2π/P) ・・・(2)
この式(2)に示すように、fθレンズ22の焦点距離fを長くするほど、加工分解能σが低くなる。よって、高い加工分解能σによる高精細な加工の実現と、より広い加工領域の実現とは、トレードオフの関係にある。したがって、加工分解能σを考慮すると、焦点距離fを長くして加工領域36の広さを拡げることにも限界がある。
まず、制御PC40からの制御命令に従い、副走査制御部30がステッピングモータ31を制御して、ワーク35を副走査方向に沿ってワーク搬送方向Bへ移動させる(S1)。そして、ワーク35の表面に形成されているアライメントマーク37がモニタカメラ33,34の撮像領域へ移動すると、モニタカメラ33,34の画像データからアライメントマーク37が検出される(S2)。制御PC40は、アライメントマーク37の検出結果から目標送り位置までのワーク移動量を演算し、その演算結果に基づいて副走査制御部30にステッピングモータ31を制御させる。これにより、副走査方向へ移動するワーク35は目標送り位置付近で停止する。
ワークが停止したときのアライメントマーク37の中心位置と目標位置Oとのズレ量は、モニタカメラ33,34で撮像した画像の中心位置Oと当該画像上に映し出されるアライメントマーク37の中心位置とのズレ量から算出される。本実施形態では、このワークズレ量を、X軸方向(主走査方向)におけるズレ量であるX軸方向ワークズレ量Δxwと、Y軸方向(副走査方向)におけるズレ量であるY軸方向ワークズレ量Δywと、ワーク35の主走査方向両端における副走査方向同位置に形成されている2つのアライメントマーク37を結ぶ直線とX軸方向と(主走査方向)とのなす角度である傾斜ワークズレ量Δφwとで表している。
ΔDxi = Δxw+Δxc+(d0+(i−1)×d)×(cosΔφ−1)+δxi
・・・(3−1)
ΔDyi = Δyw+(d0+(i−1)×d)×(sinΔφ−1)+δyi
・・・(3−2)
ΔDφi = Δφw+δφi ・・・(3−3)
図10は、キャリッジ停止時におけるキャリッジ25の姿勢ズレを示す説明図である。
キャリッジ25は、図10に示すように、リニアガイド29に沿って移動を可能にするため、キャリッジ25とリニアガイド29との間には必要なガタが存在する。また、リニアガイド29の真直性などの加工誤差も存在する。これらのガタや加工誤差に起因して、キャリッジ停止時におけるキャリッジ25の姿勢は、目標の姿勢に対してズレたものとなる。このズレは、キャリッジ移動方向である主走査方向(X軸方向)に平行な回動軸回りの回動誤差(ヨーイング誤差α)と、ワーク35の被加工面に対して平行な方向かつキャリッジ移動方向に対して直交する方向である副走査方向(Y軸方向)に平行な回動軸回りの回動誤差(ピッチング誤差β)と、ワーク35の被加工面の法線方向(Z軸方向)に平行な回動軸回りの回動誤差(ローリング誤差γ)とによって表すことができる。
次に、本実施形態におけるパターニング加工処理の変形例について説明する。
上述した実施形態においては、主走査方向の3ピースについて、まずITO膜のパターニング加工をITO膜用の加工条件で実施した後、その加工条件を銀ペースト用の加工条件へ切り替え、再度同じ3ピースについて、今度は銀ペーストのパターニング加工を実施する。本変形例では、1つのピースごとに、まず銀ペーストのパターニング加工を銀ペースト用の加工条件で実施した後、その加工条件をITO膜用の加工条件へ切り替え、再度同じピースについて、今度はITO膜のパターニング加工を実施する。なお、本変形例では、銀ペーストとITO薄膜の加工順序が逆になっているが、上述した実施形態と同じくITO薄膜を加工してから銀ペーストを加工するようにしてもよい。
なお、本変形例におけるパターニング加工処理に用いるレーザパターニング装置の構成は上述した実施形態と同様のものを用いる。
本変形例においても、制御PC40は、ワーク35を副走査方向に沿ってワーク搬送方向Bへ移動させ(S1)、ワーク35を目標送り位置付近で停止させて、ホールドさせる(S2,S3)。そして、ワーク35上の被加工部分を特定するための被加工部分番号Nをゼロにセットした後(S4)、主走査制御部24によりステッピングモータ26を制御して、所定のホームポジションで停止させるキャリッジ位置のイニシャライズ処理を行う(S5)。
また、本実施形態の説明では、光走査手段が二次元走査する手段であったが、一次元走査する手段であってよい。
なお、本実施形態においては、ワーク搬送部3でワークを副走査方向へ移動させる構成を備えているが、この構成は必ずしも必要なく、ワークを移動させない構成であってもよい。
(態様A)
レーザ光L等の加工光を出射するレーザ発振器11等の光源と、前記光源からの加工光を走査するガルバノスキャナ21等の光走査手段とを有するレーザパターニング装置等の光加工装置において、前記光走査手段によって走査された加工光をワーク35等の加工対象物の被加工面へ射出するfθレンズ22等の加工光射出部を移動するキャリッジ25等の移動手段と、前記加工対象物の被加工面上の複数の被加工部分をそれぞれ加工するための各停止位置で前記移動手段の移動を停止させた状態で、前記加工光射出部から照射される加工光により前記加工対象物上の各被加工面を加工する制御PC40、レーザドライバ部10、主走査制御部24等の加工制御手段とを有することを特徴とする。
本態様によれば、光走査手段によって走査された加工光を加工対象物の被加工面へ射出する加工光射出部を、移動手段により移動して、被加工面上の複数の被加工部分をそれぞれ加工するための各停止位置に位置決めすることができる。これにより、各停止位置で加工光射出部から加工光を照射することで、光走査手段によって走査された加工光により加工対象物上の各被加工面を加工することができる。したがって、光走査手段によって走査された加工光が加工対象物上の被加工面を走査する範囲すなわち加工領域36を超えるような比較的大きな加工対象物に対して加工処理を行うことができる。
なお、本態様は、加工対象物を特定の方向(本実施形態では副走査方向)へ動かす移動機構を併用する構成を排除するものではない。この構成であっても、当該特定の方向とは異なる方向については、加工対象物を動かす移動機構を用いずに、前記移動手段による加工光照射部の移動で加工領域を加工対象物に対して相対移動させることができる。よって、当該特定の方向とは異なる方向については、加工領域を加工対象物に対して高速に相対移動させることができ、その方向について加工領域を超えるような比較的大きな加工対象物に対して高い生産性をもって加工処理を行うことができる。
前記態様Aにおいて、前記加工制御手段は、前記移動手段の移動を停止させた時の前記加工光射出部の姿勢と基準姿勢とのズレによる加工位置誤差を補正することを特徴とする。
上述したように加工光射出部を移動手段で移動させる構成においては、通常、移動手段の移動に多少のガタが存在したり、移動手段の加工誤差などが存在したりして、移動手段の移動停止時における加工光射出部の姿勢が目標の姿勢に対してズレたものとなる。このようなズレは、加工光射出部から照射される加工光の加工対象物上の照射位置のズレを生じさせ、加工位置誤差を生じさせる。本態様においては、移動手段の移動停止時における加工光射出部の姿勢ズレを補正できるため、移動手段の移動停止時における加工光射出部の姿勢ズレに起因した加工位置誤差を抑制することができる。
前記態様Bにおいて、前記移動手段の移動を停止させた時の前記加工光射出部の姿勢と基準姿勢とのズレの量(キャリッジ姿勢ズレ量δxi,δyi,δφi)を記憶するメモリ等の記憶手段を有し、前記加工制御手段は、前記記憶手段に記憶されているズレの量に基づいて、加工光を照射する前記被加工面上の加工目標位置を補正することを特徴とする。
これによれば、加工目標位置の補正を迅速に行うことができる。
前記態様Cにおいて、前記被加工面に加工された測定用パターン等の加工跡の位置を検出するモニタカメラ23等の加工跡検出手段と、前記加工跡検出手段の検出結果から算出される前記ズレの量で、前記記憶手段に記憶されている前記ズレの量を更新する制御PC40等の更新手段とを有することを特徴とする。
これによれば、移動手段の移動を停止させた時の加工光射出部の姿勢と基準姿勢とのズレの量が変動する場合でも、移動手段の移動停止時における加工光射出部の姿勢ズレに起因した加工位置誤差を適切に抑制することができる。
前記態様B〜Dのいずれかの態様において、前記ズレは、前記加工対象物の被加工面に対して平行な方向、かつ、前記移動手段の移動方向に対して直交する方向に平行な回動軸回りの回動(ピッチング誤差β)によるズレを含むことを特徴とする。
これによれば、移動手段の移動を停止させた時の加工光射出部にこのような回動が生じて加工光射出部の姿勢ズレが発生しても、加工位置誤差を適切に抑制することができる。
前記態様B〜Eのいずれかの態様において、前記ズレは、前記移動手段の移動方向に平行な回動軸回りの回動(ヨーイング誤差α)によるズレを含むことを特徴とする。
これによれば、移動手段の移動を停止させた時の加工光射出部にこのような回動が生じて加工光射出部の姿勢ズレが発生しても、加工位置誤差を適切に抑制することができる。
前記態様B〜Fのいずれかの態様において、前記ズレは、前記加工対象物の被加工面の法線方向に平行な回動軸回りの回動(ローリング誤差γ)によるズレを含むことを特徴とする。
これによれば、移動手段の移動を停止させた時の加工光射出部にこのような回動が生じて加工光射出部の姿勢ズレが発生しても、加工位置誤差を適切に抑制することができる。
前記態様A〜Gのいずれかの態様において、前記光走査手段は、前記光源からの加工光を二次元方向に走査することを特徴とする。
これによれば、より生産性の高い加工処理を実現することができる。
前記態様A〜Hのいずれかの態様において、前記移動手段は、前記加工対象物の被加工面上における加工光の走査方向に対して平行な方向へ移動するものであり、前記加工制御手段は、前記移動手段の移動を前記各停止位置でそれぞれ停止させた状態で前記加工対象物の被加工面上を加工光が走査するときの各光走査領域が、該移動手段の移動方向に隣り合うように、又は、該移動手段の移動方向に一部重複するように、該移動手段の停止動作を制御することを特徴とする。
これによれば、移動手段の移動方向において加工対象物上の各被加工部分間で連続する加工を施すことが可能である。これにより、移動手段の移動方向において、加工対象物の各被加工部分が独立したものではなく、複数の被加工部分によって1つの加工対象となるような加工対象物の加工処理を行うことが可能となる。
前記態様A〜Iのいずれかの態様において、前記移動手段の移動方向に対して直交する方向へ前記加工対象物を搬送するワーク搬送部3等の搬送手段を有し、前記加工制御手段は、前記移動手段の移動を前記各停止位置でそれぞれ停止させた状態で前記加工対象物の被加工面上を加工光が走査するときの各光走査領域が、前記搬送手段による加工対象物搬送方向に隣り合うように、又は、該搬送手段による加工対象物搬送方向に一部重複するように、該搬送手段の停止動作を制御することを特徴とする。
これによれば、加工対象物搬送方向において加工対象物上の各被加工部分間で連続する加工を施すことが可能である。これにより、加工対象物搬送方向において、加工対象物の各被加工部分が独立したものではなく、複数の被加工部分によって1つの加工対象となるような加工対象物の加工処理を行うことが可能となる。
2 レーザ走査部
3 ワーク搬送部
4 制御部
21 ガルバノスキャナ
22 fθレンズ
23 モニタカメラ
24 主走査制御部
25 キャリッジ
28 リニアエンコーダ
29 リニアガイド
30 副走査制御部
32 搬送ローラ対
33,34 モニタカメラ
35 ワーク
36 加工領域
37 アライメントマーク
Claims (7)
- 加工光を出射する光源と、
前記光源からの加工光を走査する光走査手段と、
前記光走査手段によって走査された加工光を加工対象物の被加工面へ射出する加工光射出部を主走査方向に移動する移動手段と、
前記主走査方向に対して直交する副走査方向へ前記加工対象物を搬送する搬送手段と、
前記副走査方向における各停止位置で、前記加工対象物の被加工面上の主走査方向における複数の被加工部分をそれぞれ加工するための各停止位置で前記移動手段の移動を停止させた状態で、前記加工光射出部から照射される加工光により前記加工対象物の被加工面上の各被加工部分を加工処理する加工制御手段とを有し、
前記主走査方向及び前記副走査方向に隣接する複数の被加工部分間で連続するパターンを加工する光加工装置であって、
前記移動手段の移動を停止させた時の前記加工光射出部の姿勢と基準姿勢とのズレの量を記憶する記憶手段と、
前記被加工面に加工された加工跡の位置を検出する加工跡検出手段と、
前記加工跡検出手段の検出結果から算出される前記ズレの量で、前記記憶手段に記憶されている前記ズレの量を更新する更新手段とを有し、
前記加工制御手段は、前記副走査方向における各停止位置で、前記移動手段の停止位置を前記主走査方向のホームポジションから一方向へ順次移動させるとともに、前記記憶手段に記憶されているズレの量に基づいて加工光を照射する被加工面上の加工目標位置を補正することにより前記ズレによる加工位置誤差を補正し、前記加工処理を行うことを特徴とする光加工装置。 - 請求項1に記載の光加工装置において、
前記ズレは、前記加工対象物の被加工面に対して平行な方向、かつ、前記移動手段の移動方向に対して直交する方向に平行な回動軸回りの回動によるズレを含むことを特徴とする光加工装置。 - 請求項1又は2に記載の光加工装置において、
前記ズレは、前記移動手段の移動方向に平行な回動軸回りの回動によるズレを含むことを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記ズレは、前記加工対象物の被加工面の法線方向に平行な回動軸回りの回動によるズレを含むことを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記光走査手段は、前記光源からの加工光を二次元方向に走査することを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記移動手段は、前記加工対象物の被加工面上における加工光の走査方向に対して平行な方向へ移動するものであり、
前記加工制御手段は、前記移動手段の移動を前記各停止位置でそれぞれ停止させた状態で前記加工対象物の被加工面上を加工光が走査するときの各光走査領域が、該移動手段の移動方向に一部重複するように、該移動手段の停止動作を制御することを特徴とする光加工装置。 - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光加工装置において、
前記加工制御手段は、前記移動手段の移動を前記各停止位置でそれぞれ停止させた状態で前記加工対象物の被加工面上を加工光が走査するときの各光走査領域が、該搬送手段による加工対象物搬送方向に一部重複するように、該搬送手段の停止動作を制御することを特徴とする光加工装置。
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