レーザ加工装置
【課題】 レーザ光の光軸の安定性を確保する。
【解決手段】 本発明によるレーザ加工装置１は、レーザ光を出力する光源２と、該レーザ光の光路を調整する光路調整部４と、レーザ光を分光する第１分光器８と、所定の可動域を有し被加工物１１を載置する可動台６と、可動台の位置を検出する可動台位置検出器１２と、前記分光されたレーザ光の光軸の位置を検出する第１光軸位置検出器１０と、前記可動台、可動台位置検出器及び第１光軸位置検出器を載置したステージ７と、前記第１光軸位置検出器からの出力を受けて前記光路調整部を制御し、前記分光したレーザ光の光軸を調整する光軸制御部５と、を具備する。
【解決手段】 本発明によるレーザ加工装置１は、レーザ光を出力する光源２と、該レーザ光の光路を調整する光路調整部４と、レーザ光を分光する第１分光器８と、所定の可動域を有し被加工物１１を載置する可動台６と、可動台の位置を検出する可動台位置検出器１２と、前記分光されたレーザ光の光軸の位置を検出する第１光軸位置検出器１０と、前記可動台、可動台位置検出器及び第１光軸位置検出器を載置したステージ７と、前記第１光軸位置検出器からの出力を受けて前記光路調整部を制御し、前記分光したレーザ光の光軸を調整する光軸制御部５と、を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ加工装置に関し、特にナノメートルオーダー以上の精度を有するレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、レーザ加工装置は、被加工物に照射するレーザ光源と、被加工物を載置する可動台を配備した耐震性を有する精密テーブルとを備えており、レーザ光源から出力されるレーザ光の基準点を固定し、前記可動台を精密テーブル上のＸ−Ｙ平面上で移動させて被加工物を加工する工程を有する。当該加工工程では、精密テーブル上の可動台の位置を検出する位置検出器の誤差及びレーザ光源から被加工物までの導光路に起因するレーザ光の光軸の誤差が考えられるが、可動台の位置検出器の精度は１０ｎｍ以下の精度が実現されており、レーザ光源から出力されるレーザ光の光軸の安定精度はマイクロラジアンレベルの精度まで実現されている。
【０００３】
特許文献１では、レーザ光の照射位置の測定を可能にするレーザ加工装置における集光光学系の集光位置検出装置が開示されている。当該集光位置検出装置は、複数の受光素子がマトリクス状に配置され、Ｘ−Ｙテーブルの所定の位置に着脱可能に配置される位置センサと、この位置センサに向けてレーザ光を照射したとき、位置センサを構成する各受光素子の出力を検出し、レーザ光の集光位置を判別する判別装置と、この判別結果に基づいて、前記Ｘ−Ｙテーブルの座標軸に対する集光位置のずれ量を算出する演算装置とが設けられている。
【０００４】
当該装置では、Ｘ−ＹテーブルのＸ−Ｙ方向の座標軸と位置センサのＸ−Ｙ方向の座標軸が一致するように位置センサをＸ−Ｙテーブルに取り付け、Ｘ−Ｙテーブルを所定の位置に移動させ、位置センサにレーザ光を集光照射する。そして、位置センサを構成する各受光素子の出力を検出し、どの受光素子がレーザ光を受光しているか判別し、受光素子の位置センサの原点からの座標位置を求めることにより、レーザ光の集光位置を求めることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２３５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のレーザ光の位置検出装置は、着脱可能な可動台上に配置されており、マイクロメートル単位の精度を有する加工技術であれば、レーザ光の光軸の安定性がマイクロラジアンレベルでも許容できるため、可動台の位置を適切に制御することができる。
しかし、加工精度がナノメートル単位以下である場合、レーザ加工装置の誤差は、可動台の位置検出器による誤差は許容できるが、レーザ光の光軸の揺らぎは許容されず、レーザ光の照射点の安定性に起因する誤差が問題となってくる。
本発明は、レーザ光の光軸の位置を監視するための光軸位置検出器を配備し、被加工物に照射するレーザ光の光軸のずれを補正することによって、ナノメートル単位以下の加工精度に対応できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１） 上述の目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工装置は、
レーザ光を出力する光源と、
該レーザ光の光路を調整する光路調整部と、
レーザ光を分光する第１分光器と、
所定の可動域を有し被加工物を載置する可動台と、
可動台の位置を検出する可動台位置検出器と、
前記分光されたレーザ光の光軸の位置を検出する第１光軸位置検出器と、
前記可動台と、可動台位置検出器と、第１光軸位置検出器とを載置したステージと、
前記第１光軸位置検出器からの出力を受けて前記光路調整部を制御し、前記分光したレーザ光の光軸を調整する光軸制御部と、
を具備する。
（２）また、本発明に係るレーザ加工装置における光軸制御部は、ファジイ制御を行うことが好ましい。
（３）さらに、本発明に係るレーザ加工装置は、前記分光したレーザ光をさらに分光する第２分光器と、第２分光器により分光された光軸の位置を検出するための第２光軸位置検出器とをさらに備え、第１光軸位置検出器と第２光軸位置検出器においてレーザ光が所定の位置で検出されるように前記光軸制御部を制御することが好ましい。
（４）さらに、本発明に係るレーザ加工装置における第１光軸位置検出器または第２光軸位置検出器の少なくとも一方は、第１分光器で分光されたレーザ光または第２分光器で分光されたレーザ光が球状の反射面に反射されて４象限センサで受光することにより各レーザ光の光軸の位置検出を行うことが好ましい。
（５）さらに、本発明に係るレーザ加工装置は、前記第１分光器と第１光軸位置検出器との間、あるいは、前記第２分光器と第２光軸位置検出器との間の少なくとも一方に、レーザ光が通過するための所定の口径を有するピンホールを配置することが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
（１）請求項１に係る発明は、レーザ光源から出力されたレーザ光を被加工物に照射するまでの導光路において、レーザ光の光軸がマイクロラジアン程度の振れを生じ、照射点の位置に誤差が生じるので、例えば、マトリクス状に配置した受光素子からなる第１光軸位置検出器を可動台の近傍に配置し、位置検出用のレーザ光を分光し、該第１光軸位置検出器に分光したレーザ光の光軸を受光させて、受光したレーザ光の光軸の基準位置を検出することによって基準位置からのずれを算出し、算出した値に基づいて光路調整部を調整して導光路を修正することによって、ナノメートル単位以下の精度に対応するレーザ加工装置を実現することができる。
（２）請求項２に係る発明は、ファジイ制御を行うので、レーザ光の光軸にずれが生じても光軸のずれを徐々に補正し、最小の誤差でレーザ加工を行うことができる。
（３）請求項３に係る発明は、第１光軸位置検出器と第２光軸位置検出器においてレーザ光が所定の位置で検出されるように前記光軸制御部を制御するので、レーザ光の光軸の基準点が２箇所設けられ、例えば、当該２つの基準点を等間隔に維持するように光路調整部を調整して光路を補正し、補正精度を向上させることができる。
（４）請求項４に係る発明は、球状の反射面に反射されて４象限センサで受光することにより各レーザ光の光軸の位置検出を行うので、所定の光径を有するレーザ光を各受光素子に照射させ、受光強度（受光面積）が均等で維持されるように光軸を補正することができる。また、レーザ光の受光面を任意の箇所に設定でき、レーザ加工装置の設計に柔軟性を有する。
（５）請求項５に係る発明は、レーザ光が通過するための所定の口径を有するピンホールを配置するので、レーザ光を所望の光径に絞ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の好ましい実施形態について実施例を挙げ、図面を参照して説明する。なお、各図において同じ要素には同じ符号を用い、適宜その説明を省略する場合がある。
【実施例１】
【００１０】
図１は、ナノ単位の精度を有する本発明によるレーザ加工装置１の全体的な構成概略図を示している。当該レーザ加工装置１は、光源２、光路調整部４、半透鏡（第１分光器）８、全反射鏡１３、可動台６、可動台位置検出器１２、第１光軸位置検出器（光検出器）１０、ステージ７、光軸制御部５、集光レンズ９，９’から構成される。また、全ての構成要素１〜１２は、防振テーブル３上に配置されている。
【００１１】
レーザ光源２は、フェトム秒レーザ、あるいは、ＵＶレーザ光を基本波として出力する。光路調整部４（詳細は図８参照）は、レーザ光源２から入力されたレーザ光を反射する複数の全反射鏡（図８では２つ：２２と２４）を有し、該全反射鏡にはレーザ光の反射角を変更するための複数のモータ（図８では４つ：Ｍ１〜Ｍ４）が具備されている。当該モータは、後述するように、光軸制御部５からの信号を受信し、全反射鏡の反射面の角度を調整しレーザ光を所定の光軸位置に位置決めする。半透鏡８は、光路調整部４から出力されたレーザ光の光軸上に配置されて該レーザ光を分光する。可動台６は、全反射鏡１３で反射され集光レンズ９’で集光されたレーザ光が照射される被加工物１１を載置して固定した状態で、所定の可動域内を移動することができる。可動台位置検出器１２は、可動台６の移動誤差を１０ｎｍの精度で位置検出することができる。第１光軸位置検出器（光検出器）１０は、加工用レーザ光の近傍で精確にレーザ光の光軸を調整するために可動台位置検出器１２の近傍に配置され、例えば、マトリクス状に配置されたＣＣＤにおける画素等の複数の受光素子から構成されている。ステージ７は、集光レンズ９で集光されたレーザ光の光軸が第１光軸位置検出器１０の受光面に照射され、集光レンズ９’で集光されたレーザ光の光軸が被加工物１１に対して照射されるように、可動台６、可動台位置検出器１２、第１光軸位置検出器１０を同一平面上に配置している。光軸制御部５は、調整値算出手段２６とモータ制御部２８とを具備し（図８参照）、後述するように、第１光軸位置検出器１０が受光したレーザ光の受光強度の出力に基づいて前記光路調整部４をファジイ制御し、前記分光したレーザ光の光軸を一定の基準位置に固定させる。
【００１２】
次に、本発明のレーザ加工装置１におけるレーザ光源２から出力されたレーザ光の導光路について説明する。
まず、光源２から光路調整部４に向けてレーザ光が出力される。次いで、光路調整部４では、被加工物１１に照射するためにレーザ光の光路を所定位置で固定するように調整される。さらに、光路調整部４を通過したレーザ光は、半透鏡８において、そこを通過するレーザ光と、半透鏡８から分岐したレーザ光とに分光される。半透鏡８を通過したレーザ光は、全反射鏡１３において反射されて集光レンズ９’を介して被加工物１１を照射し所望の加工を施す。また、半透鏡８から分光されたレーザ光は、集光レンズ９を介して第１光軸位置検出器１０を照射する。
以上のように、本発明によるレーザ加工装置における導光路が形成される。
【００１３】
次いで、図１におけるレーザ光源２から第１光軸位置検出器１０までの光路を調整する機構について、図８を参照して詳述する。
光路調整部４は、２つの全反射鏡２２、２４を具備し、各全反射鏡２２、２４は、レーザ光源２から出力されるレーザ光を反射させる反射面の角度を調整するためのモータＭ１、Ｍ２及びＭ３、Ｍ４をそれぞれ備えている。また、分光器４４は、入射されるレーザ光を分光する半透鏡８と、集光レンズ９とを具備している。
【００１４】
レーザ光源２から出力されたレーザ光は、前述したように、光路調整部４に入射されて全反射鏡２２、２４によって所定の光軸位置に位置決めされて出力される。出力されたレーザ光は、分光器４４における半透鏡８に入射される。半透鏡８は、図示されていない被加工物に入射されるレーザ光から第１光軸位置検出器１０に入射されるレーザ光を分光する。分光されたレーザ光は、集光レンズ９に入射され第１位置検出器１０の所定の受光素子（図２ないし図４参照）に集光されて照射される。第１光軸位置検出器１０の受光素子は、受光したレーザ光をその強度に比例した電気信号に変換し出力する。該出力された電気信号はその強度が一般には弱いので、増幅器３４によって増幅されてから光軸制御部５内の調整値算出手段２６に入力される。調整値算出手段２６は、増幅器によって増幅された電気信号に基づいてファジイ推論を利用して前記モータＭ１〜Ｍ４の回転量をそれぞれについて算出する。ファジイ推論を利用してモータＭ１〜Ｍ４の回転量（調整量）を算出する仕組みについては後述する。調整値算出手段２６で算出されたモータＭ１〜Ｍ４の回転量は、モータＭ１〜Ｍ４を制御するモータ制御部２８に送信される。次いで、モータ制御部２８から各モータＭ１〜Ｍ４に各回転量を示す信号が送信されモータＭ１〜Ｍ４が駆動される。それにより、全反射鏡２２及び２４それぞれの反射面の向きが調整されて、レーザ光の光路や光軸が調整される。
【００１５】
次に、図２ないし図４を参照し第１光軸位置検出器１０における受光素子について説明する。
図２及び図３では、各画素２１は、マトリクス状に配置されて、画素間隔Ａは約２μｍである。図２では、レーザ光の照射点が１画素のみを基準画素として完全に照射している実施例（符号２０）を示しており、当該基準画素によってレーザ光の受光強度を測定している。そして、レーザ光の光軸に揺れが生じ、画素に照射されない部分が発生した場合は、受光素子が受光強度の減少を感知し基準画素を完全に照射し、受光強度が極大の大きさとなるように光軸制御部５によって光路調整部４の調整が行われる。また、図３では、レーザ光の照射点が４象限センサを形成する４つの画素の一部を均等に照射している実施例（符号３０）を示しており、各画素２１における照射面積Ｓ１ないしＳ４を均等に照射すべきレーザ光の基準照射点を設定している。そして、レーザ光の光軸に揺れが生じ、各画素２１の照射面積Ｓ１〜Ｓ４に不均衡が発生した場合は、光軸制御部５が各画素２１における受光強度を均等にするように光路調整部４を調整する。
【００１６】
図４では、第１光軸位置検出器１０における受光素子の配置に関する変形実施例を開示している。当該実施例では、集光レンズ９と第１光軸位置検出器１０との間にレーザ光を反射させるための反射球４１を配置し、半透鏡８から分光されたレーザ光を、反射球４１の反射面によって当該レーザ光の光軸に対して、好ましくは、垂直方向に反射させ、例えば、当該光軸と平行な面４０に配置された４象限センサを形成する４つの画素に図３と同様の照射基準点を設定している。そして、レーザ光の光軸に揺れが生じ、各画素の照射面積に不均衡が発生した場合は、光軸制御部５が各画素における受光強度を均等にするように光路調整部４を調整する。
【００１７】
次に、図５を参照し、第１光軸位置検出器と第２光軸位置検出器とを用いてレーザ光の光軸の位置を検出する変形実施例について説明する。当該実施例では、半透鏡８で分光されたレーザ光の導光路上であって、半透鏡８と第１光軸位置検出器１０との間に、第２半透鏡（第２分光器）１６を配置している。第２半透鏡１６は、レーザ光をさらに分光しており、該分光されたレーザ光は、全反射鏡１８で反射されて第２光軸位置検出器１５に照射される。第２半透鏡１６及び第２全反射鏡１８は、共にミラー支持台５０で支持されている。第２光軸位置検出器１５は、第１光軸位置検出器１０と同じタイプでも異なるタイプでもどちらでもよい。上述したように、いずれの光軸位置検出器でも受光素子においてレーザ光を照射する基準点を設定し、２つの基準点の距離が等しくなるように光軸制御部５を演算させることにより光路調整部４を制御する。
【００１８】
次に、図６を参照し、図４の変形実施例について説明する。図６では、反射球４１と、４象限センサを形成する４つの画素を配置した面４０との間にピンホール４２を配置している点で図４の実施形態と異なる。ピンホール４２は、レーザ光の光径を所望の径に縮小することができ、前記４象限センサを形成する４つの画素の相互間隔を縮小することによって径の縮小に対応して各画素における照射面積を確保することができる。
【００１９】
図７は、図１における集光レンズ９と第１光軸位置検出器１０との間に支持台７１で支持されたピンホール７２を配置した状態を示す拡大図を示している。本実施形態においてもレーザ光の光径を縮小し、第１光軸位置検出器に照射することができる。
【００２０】
図９は、光路調整部４においてレーザ光の光軸を調整することで、第１光軸位置検出器１０の受光強度が極大値に安定するように制御を行なった結果、その受光強度が時間的に変化する様子を定性的に描いたグラフである。横軸は時間、縦軸は受光強度をそれぞれ任意スケールで目盛ってある。
【００２１】
上述で説明したように、図８におけるレーザ光源２から第１光軸位置検出器１０までの光路又は光軸を調整する過程を実行した結果、第１光軸位置検出装置１０への入射開始時刻からｔ’後に入射光の強度が極大値に達し、その後入射光の強度変化として許容されるものとして設定した許容範囲（図９中では矢印で挟んでＰと表示した範囲）内で変動しているのであれば、レーザ加工装置における第１光軸位置検出装置における出力強度の安定化が図られたことになる。よって、当該レーザ加工装置の作動中における当該光軸調整工程を継続することによって、レーザ光の光軸の安定化を図ることができる。
【００２２】
次に、図１０に示すフローチャートを参照して第１光軸位置検出器におけるレーザ光の受光から光路調整部４の光軸調整までの過程をさらに詳述する。
【００２３】
ステップＳ−１０：このステップは、制御開始ステップである。当該レーザ加工装置の操作者あるいはパーソナルコンピュータ等からの指示によって、第１光軸位置検出装置における受光強度を極大値に安定化するための制御を開始する。
【００２４】
ステップＳ−１２:このステップは、第１光軸位置検出器１０からの出力を調整値算出手段２６が取得するステップである。ただし、増幅器３４を設けた場合には増幅器３４からの出力を調整値算出手段２６が取得するステップである。以後簡単のために、「第１光軸位置検出装置１０からの出力」と表記して、増幅器２４を設けた場合には増幅器２４からの出力を意味するものとする。このステップにおいて、レーザ光の光路の制御開始直後に第１光軸位置検出装置１０で取得した受光強度が測定される。
【００２５】
ステップＳ−１４：このステップは、モータＭ１〜Ｍ４を順次駆動するステップである。モータＭ１〜Ｍ４のうち任意のモータを選定して開始する。最初に選択されたモータ（ここではＭ１とする。）は、図８における全反射鏡２２について反射面の向きを変化させ、受光強度が極大になる位置にモータ皿の回転を固定する。次に選択されたモータ（ここではＭ２とする。）は、同様に全反射鏡２２について反射面の向きを変化させ、受光強度が極大になる位置にモータ皿の回転を固定する。同様に、モータＭ３及びＭ４は、第２全反射鏡２４について反射面の向きを変化させ、受光強度が極大となる位置にモータ皿を固定して第２全反射鏡２４について反射面の向きを固定する。
【００２６】
全反射鏡２２及び２４の反射面の向きを決定するためのモータＭ１〜Ｍ４の回転量は、後述するファジイ推論に基づいて決定する。ここで用いるファジイ推論のアルゴリズムは、上述の全反射鏡２２及び２４の反射面の向きを制御してモータＭ１〜Ｍ４の回転量をパラメータとして説明する。
【００２７】
ステップＳ−１６：このステップは、モータＭ１〜Ｍ４の回転方向の確定のために回転駆動を行う試行駆動ステップである。
ステップＳ−１８:このステップは、第１光軸位置検出器１０に照射されたレーザ光の受光強度に比例する信号を取得するステップである。
【００２８】
上述のステップＳ−１６及びＳ−１８において、特定の方向にモータを回転させることにより、第１光軸位置検出器１０で受光される受光強度が増加することが判明すれば、そのモータの回転は受光強度が極大になる方向であることを示している。逆に第１光軸位置検出器１０に受光される受光強度が減少することが判明すれば、このモータの回転は受光強度が極大になる方向と逆方向であることを示している。
【００２９】
ステップＳ−２０:このステップは、第１光軸位置検出器１０の出力信号の時間微分値、目標値(極大値)からのずれ量を計算するステップである。このステップでは、ファジイ推論において、入力値として利用する出力信号の時間微分(差分)値を計算し、目標値(極大値)からのずれ量を計算する。第１光軸位置検出器１０からの時刻ｔ１における出力信号の値をｓ１とし、時刻ｔ２における出力信号の大きさをｓ２とすれば、ｔ１＜ｔ２であると仮定し、出力信号の時間差分値Ｓ’は、Ｓ’＝（Ｓ２−Ｓ１）／（ｔ２−ｔ２）で与えられる。また目標値(極大値)をｓ０とした場合にΔＳ＝（ｓ１／ｓ０）−１で与えられる目標値からのずれ量(目標値からのずれの割合) ΔＳを計算する。Ｓ’及びΔＳを用いてファジイ推論が行なわれる。
【００３０】
ステップＳ−２２:このステップは、ファジイ推論によるモータの駆動量(回転量)を計算するステップである。詳細は後述するが、このステップでは、上述のＳ’及びΔＳの値を用いて、ファジイ推論を行い、モータの駆動量(回転量)の絶対値Ｍが計算される。
【００３１】
ステップＳ−２４:このステップは、モータの駆動方向(回転方向)を求めるステップである。上述のステップＳ−２０で求めたＳ’の値が負であれば、モータの駆動方向(回転方向)を反転させる必要がある。一方、Ｓ’の値が正であれば、モータの回転方向はそのままでよいことになる。このステップでは、上述したモータの回転方向を次の手順で求める。すなわち、モータの回転方向を決めるパラメータをαとする。αは値１または値−１を取るものとする。また、パラメータδを次のように定める。上述のステップＳ−２０で求めたＳ’の値が負であれば、δ＝−１とし、Ｓ’の値が正であれば、δ＝１とする。そして、このモータの次の回転方向はα×δで与えられるものとする。すなわち、このα×δ値を次の新たなパラメータαの値と設定することで、モータの次の回転方向を確定する。モータの回転方向も含めて回転量を表示するとα×Ｍと表されることとなる。
【００３２】
ステップＳ−２６:このステップは、モータを駆動するステップであり、上述のα×Ｍだけモータを回転させる。
【００３３】
ステップＳ−２８:このステップは、上述のステップＳ−１８と同様に、第１光軸位置検出器１０に照射された受光強度に比例する信号を取得するステップである。
【００３４】
ステップＳ−３０:このステップでは、上述のステップＳ−２８で取得された受光強度に比例する信号の値に基づいて、これまでのステップで制御及び調整したモータの調整作業を終了し、次のモータを制御するステップに進むか否かの判定を行なう。上述のステップＳ−２８で取得された受光強度に比例する信号の値が、目標値(極大値)とみなせる大きさの範囲（図９において矢印で挟んでＰと表記した値の範囲）内に収まれば、次のモータの制御を行なうために、制御の対象となるモータを切り替える。そして、次のステップであるステップＳ−３２に進む。一方、ステップＳ−２８で取得された受光強度に比例する信号の値が、目標値に達していないと判定されれば、ステップＳ−２０に戻る。
【００３５】
ステップＳ−３２：このステップは、光路調整部４における調整作業を終了するか否かの判定を行なうステップである。モータＭ１〜Ｍ４に対する調整作業が全て終了していることが確かめられれば、次のステップＳ−３４に進み、調整作業を終了させる。一方、終了させずにこのまま制御を続けるのであれば、上述のステップＳ−１４に戻る。上述のモータＭ１〜Ｍ４に対する調整作業が全て終了していることが確かめられたとしても、経時変化に対応するために、このレーザ加工装置を駆動している間は、光路調整部４における調整作業を終了させないという判断もあり得る。
【００３６】
ステップＳ−３４：このステップは、光路調整部４における調整作業を終了させるステップである。
【００３７】
＜ファジイ推論＞
図１１（Ａ１）〜（Ａ４）及び（Ｂ１）〜（Ｂ４）と図１２（Ａ１）〜（Ａ３）及び（Ｂ１）〜（Ｂ３）とを参照して、このレーザ加工装置におけるレーザ光の光軸調整のために実行されるファジイ推論で用いるメンバーシップ関数について説明する。以後、図１１（Ａ１）〜（Ａ４）及び（Ｂ１）〜（Ｂ４）の全ての図を指す場合には単に図１１と表記する。また、同じく図１２（Ａ１）〜（Ａ３）及び（Ｂ１）〜（Ｂ３）の全ての図を指す場合にも単に図１２と表記するものとする。
【００３８】
図１１は、第１光軸位置検出器１０が検出する出力信号の時間微分(差分)値Ｓ’に対するメンバーシップ関数を示した図である。図１２は、第１光軸位置検出器１０の出力信号値の目標出力値が極大出力値に近い場合の出力信号の値ΔＳに対するメンバーシップ関数を示した図である。図１１に示した（Ａ１）〜（Ａ４）はファジイ推論の前件部を、（Ｂ１）〜（Ｂ４）は、前件部（Ａ１）〜（Ａ４）のそれぞれに対応する後件部を示す。また、図１２においても同様に、（Ａ１）〜（Ａ３）はファジイ推論の前件部を、（Ｂ１）〜（Ｂ３）は、前件部（Ａ１）〜（Ａ３）のそれぞれに対応する後件部を示している。
【００３９】
光路調整部４において光路調整が行なわれても、レーザ光の光軸は不安定でマイクロラジアン程度の振れが生じ、そのために第１光軸位置検出器における受光強度が時間的に変動する。上述したように、この受光強度の時間変化の様子は第１光軸位置検出器１０によって観測される。第１光軸位置検出器１０によって観測される受光強度の時間変化の様子は、上述した出力信号の時間差分値Ｓ’、すなわち、Ｓ’＝（ｓ２−ｓ１）／（ｔ２−ｔ１）で表現される。
【００４０】
そこでファジイ推論の基礎とするメンバーシップ関数を以下のルール（以後「ファジイルール」ということもある。）に従うように定義する。
【００４１】
ルール１１:Ｓ’が正の値をとり、その値が大きいならば、モータの回転量の絶対値は大きい。
【００４２】
ルール１２:Ｓ’が正の値をとり、その値が小さいならば、モータの回転量の絶対値は小さい。
【００４３】
ルール１３：Ｓ’が０の値をとるならば、モータの回転量の絶対値は０である。
【００４４】
ルール１４:Ｓ’が負の値をとるならば、モータの回転量の絶対値は小さい。
【００４５】
図１１を参照して上述のルールを視覚的に説明する。図１１に示した（Ａ１）〜（Ａ４）は、上述のファジイルールの、それぞれルール１１〜１４の前件部を表している。図１１（Ａ１）〜（Ａ４）において、横軸はＳ’を示し、縦軸は合致する度合い（０から１の値の範囲をとる。）を示している。一方、図１１に示した（Ｂ１）〜（Ｂ４）は、上述のファジイルールの、それぞれルール１１〜１４の後件部を表している。横軸はモータの駆動量（回転量）の絶対値Ｍを表し、縦軸は合致する度合いを表している。
【００４６】
次に、第１光軸位置検出器１０の出力信号値の目標出力値が、最大出力値に近い場合について、目標値(極大値)をｓ０とした場合の、ΔＳ＝（ｓ１／ｓ０）−１で与えられるΔＳに対するメンバーシップ関数について説明する。ここで、ｓ１は、時刻ｔ１における出力信号の値である。ΔＳに対するメンバーシップ関数を利用する理由は、次の２点にある。
【００４７】
まず第１の点について説明する。レーザ光源から出力されるレーザ光はガウシアンビームである。ガウシアンビームの性質上、ビームの中心近傍の強度の動径方向に対する微分値は小さい。そして、ビームの中心から十分に離れた場所での、強度の動径方向の微分値も小さい。すなわち、半透鏡８（分光器４４）へのレーザ光の入射角度のアライメントがほぼ正確になされている場合と、アライメントが大きくずれている場合とでは、どちらの場合も、光路調整部４において行なわれるレーザ光の光路調整の効果は、同程度の大きさとなりその効果は小さいものとなる。言い換えると、光路調整部４においてレーザ光の光路を調整するために変化させる全反射鏡２２及び２４の反射面の向きの各単位変化量当たりの、第１光軸位置検出器１０で検出される受光強度の変化の割合は同程度に小さい。
【００４８】
つまり、アライメントが大きくずれている場合は、モータの回転角度の絶対値が大きくなるように設定すべきであるが、上述のルール１１〜１４のみを用いてファジイ推論を行なうと、モータの回転角度が小さく計算されてしまう。そこで、ΔＳに対するメンバーシップ関数に対して新たなルールを設定することによって、モータの回転角度の大きさを適正化することができる。ただし、この新たなルールを設定しなくとも、目的とする光学系の調整は行なえる。ただ、計算されるモータの回転角度の値が小さいために、より最適状態に光学系が調整されるまでの時間が長く（制御のステップが多く）かかることになる。
【００４９】
次に第２の点について説明する。光路調整機能は、上述の新たなルールの設定によって、雑音に対する耐久性が向上し、第１光軸位置検出器１０において検出された受光強度に何らかの雑音が混入したとしても問題ない。しかし、仮にルール１１〜１４だけで、これ以外に新たなルールを設けなかった場合は、第１光軸位置検出器１０が検出した受光強度の値に雑音が混入すると、Ｓ’の値が特異的に大きな値となり、モータの回転角度の値が不適切に大きな値として算出されてしまう場合があり、適切な制御ができなくなるという可能性がある。
【００５０】
そこで、以下に示す新たなルールを設定しておけば、受光強度の値に雑音が混入するという事態が発生しても、上述の可能性を排除することができる。
【００５１】
そこで、ファジイ推論の基礎とするΔＳに関するメンバーシップ関数に対して、以下のファジイルール(新たなルール)に従うように定義する。
【００５２】
ルール２１：第１光軸位置検出器１０が検出した受光強度の信号が目標値（極大値）ｓ０よりも非常に小さい（ΔＳの値が負の値でありその絶対値が大きい。）ならば、モータの回転角度は大きい。
【００５３】
ルール２２：第１光軸位置光検出器１０が検出した受光強度の信号が目標値(極大値)ｓ０に対してほぼ同程度（ΔＳの値が負の値でありその絶対値が小さい。）ならば、モータの回転角度は小さい。
【００５４】
ルール２３：第１光軸位置検出器１０が検出した受光強度の信号が、目標値（極大値）ｓ０に達したかあるいは上回った（ΔＳの値が０より大きい。）ならば、モータの回転角度は０である。
【００５５】
図１２を参照して上述の新たなルールを視覚的に説明する。図１２に示した（Ａ１）〜（Ａ３）は、上述のファジイルールの、それぞれルール２１〜２３の前件部を表している。（Ａ１）〜（Ａ３）において、横軸はΔＳを示し、縦軸は合致する度合い（０から１の値の範囲をとる。）を示している。一方、図１２に示した（Ｂ１）〜（Ｂ３）は、上述のファジイルールの、それぞれルール２１〜２３の後件部を表している。横軸はモータの駆動量（回転量）の絶対値Ｍを表し、縦軸は合致する度合いを表している。
【００５６】
ファジイ推論によってモータの駆動量(回転量)を計算する手法として、ここではｍｉｎ−ｍａｘ合成重心法を利用する。第１光軸位置検出器によって受光強度が検出されれば、その値に基づいてＳ’及びΔＳが求められる。今、仮にＳ’及びΔＳの値として、Ｓ’１及びΔＳ１と求められたものとして説明する。
【００５７】
図１３は、ルール１１〜１４に基づく統合化の工程の説明に供する図である。この図１３において、ルール１１〜１４に対応するメンバーシップ関数は、図１２に示すメンバーシップ関数と同一のものを再録してある。
【００５８】
Ｓ’＝Ｓ’１であるから、図１３に示すルール１１〜１４に対応するメンバーシップ関数の前件部を示す図において、Ｓ’を表す横軸のＳ’１に当る位置を縦の点線によって表示してある。この図からわかるように、上述のルール１３及びルール１４において、前件部の適合度が０であるから、後件部も０である。上述のルール１１及びルール１２においては、前件部の適合度が０ではないので、その適合度に対応させて後件部のメンバーシップ関数の頭切りを行なう。その結果、ルール１１〜１４のファジイ推論が行なわれて、これらの結果として図１３に統合化１として表されている後件部の論理和が求められる（統合化１）。なお、統合化１として表されている後件部の論理和を示す関数は、ルール１１及びルール１２の後件部の頭切りを行なったメンバーシップ関数を合成することによって求められる。
【００５９】
図１４は、ルール２１〜２３に基づく統合化の工程の説明に供する図である。この図において、ルール２１〜２３に対応するメンバーシップ関数は、図１３に示すメンバーシップ関数と同一のものを再録してある。
【００６０】
ΔＳ＝ΔＳ１であるから、図１４に示すルール２１〜２３に対応するメンバーシップ関数の前件部を示す図において、ΔＳを表す横軸のΔＳ１に当る位置を縦の点線によって表示してある。この図からわかるように、上述のルール２１の適合度が０であるから、後件部も０である。上述のルール２２及びルール２３においては、前件部の適合度が０ではないので、その適合度に対応させて後件部のメンバーシップ関数の頭切りを行なう。その結果、ルール２１〜２３のファジイ推論が行なわれて、これらの結果として図１４に統合化２として表されている後件部の論理和が求められる（統合化２）。なお、統合化２として表されている後件部の論理和を示す関数は、上述の統合化１の場合と同様に、ルール２１及びルール２３の後件部の頭切りを行なったメンバーシップ関数を合成することによって求められる。
【００６１】
次に、ルール１１〜１４（以後「第１ルール系列」ということもある。）に対してルール２１〜２３（以後「第２ルール系列」ということもある。）をどれだけ重視するのか、あるいは第１及び第２系列を均等に重視するのか等の重み付けを加味した処理を行なう。上述の統合化１及び統合化２として得られた結果（図１３及び図１４にそれぞれ統合化１及び統合化２として表した、後件部の論理和として求められた合成メンバーシップ関数）を、それぞれｒ倍及び（１−ｒ）倍することによって、それぞれの関数に対して重み付けを行い、図１５（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、両者を統合化する。
【００６２】
ここで、ｒは０から１の値の範囲の実数値をとる。例えば、ｒ＝１を選択するということは、第１ルール系列のみを取り入れ、第２ルール系列は無視することに対応する。また、ｒ＝０．５を選択するということは、第１ルール系列と第２ルール系列とを同等に扱うことを意味する。また、ｒ＝０を選択するということは、第２ルール系列のみを取り入れ、第１ルール系列は無視することに対応する。
【００６３】
図１５（Ａ）〜（Ｄ）は、上述の図１３及び図１４にそれぞれ統合化１及び統合化２として表した、後件部の論理和として求められた合成メンバーシップ関数を、統合して統合化１及び統合化２のメンバーシップ関数の論理和として、統合化３を求める工程の説明に供する図である。図１５（Ａ）は、統合化１として求められた合成されたメンバーシップ関数の概略の形状であり、図１５（Ｂ）は、統合化２として求められた合成されたメンバーシップ関数の概略の形状である。図１５（Ｃ）は、統合化１として求められた合成されたメンバーシップ関数をｒ倍し、統合化２として求められた合成されたメンバーシップ関数を（１−ｒ）倍して合成した統合化３としてのメンバーシップ関数の概略の形状である。図１５（Ｄ）は、図１５（Ｃ）で与えられたメンバーシップ関数の合成重心の値を求めその合成重心の値をモータの駆動量（回転角度）として採用する手順を説明する図である。図１５（Ｄ）において、横軸上にＭと矢印で表示してある横軸の値は、図１５（Ｃ）によって示されているメンバーシップ関数から求められた合成重心の位置であり、この位置がモータの回転角度を示していることになる。
【００６４】
すなわち、上述したファジイ推論を行なうことによって、レーザ光の光路を調整するため、光路調整部４における全反射鏡の反射面等の角度を変化させるために駆動するモータの回転角度を求めることができることがわかる。
【００６５】
上述の説明では第１ルール系列であるルール１１〜１４のそれぞれのルールあるいは、第２ルール系列であるルール２１〜２３のそれぞれのルールについては均等に扱ったが、これらのルール間においても重視する度合いに軽重をつけることも可能である。この場合には、第１ルール系列であるルール１１〜１４のそれぞれのルールあるいは、第２ルール系列であるルール２１〜２３のそれぞれのルールに対応するメンバーシップ関数に、上述のｒに相当するパラメータを掛算して、統合化を行なえばよい。
【００６６】
また、上述のファジイ推論においては、モータの回転角度の値をｍｉｎ−ｍａｘ合成重心法を用いて求めたが、この方法に限定されず、代数積−加算重心法等ファジイ推論の方法として知られた他の方法を採用することも可能である。いずれの方法を採用するかは、ファジイ推論制御の対象となるレーザ加工装置ごとに、経験等に基づき最も適した方法を採用すればよい。
【００６７】
次に、表１及び表２に、それぞれ上述のファジイ推論に用いた第１ルール系列及び第２ルール系列に対するパラメータを一覧にまとめる。表１及び表２に示されたパラメータから明らかなように、特段に複雑なファジイルールを定めてはいない。それにもかかわらず、上述のファジイ推論に基づく制御を実行すれば、レーザ加工装置の光学系のアライメントが、簡単に実現できることが確かめられた。
【００６８】
【表１】
【００６９】
【表２】
【００７０】
この表１及び表２の示す内容は、それぞれ図１１及び図１２に示したメンバーシップ関数が表しているものと数学的に同値の内容である。ここで、この表１及び表２に示したパラメータの示す意味は次のとおりである。ＬＰ:大きな正の値、ＳＰ：小さな正の値、ＺＥ:０、ＮＥ：負の値、ＮＳ:負の小さな値、ＮＬ:絶対値が大きな負の値である。
【００７１】
以上説明したことから、本発明によるレーザ加工装置の光学系の調整工程において、いわゆる原点復帰動作を必要としないことが分かる。これは、上述のファジイ推論の根拠として用いられる値が、第１光軸位置検出器の出力信号の時間差分値Ｓ’＝（Ｓ２−Ｓ１）／（ｔ２−ｔ１）及び目標値（極大値）Ｓ０に対してΔＳ＝（ｓ１／ｓ０）−１で与えられるΔＳのみであるからである。すなわち、Ｓ’及びΔＳの値を得るためには、何れに対してもいわゆる原点復帰動作を必要とせずに求められる値であるからである。この結果、繰り返し述べるが、何らかの原因（例えばバックラッシュ等）で、光路調整部４が光軸制御部５からの制御信号どおりに正しく調整されなくとも、再度光路調整部４に制御信号が送られることで、いずれは最適条件を満たすアライメントを完了できる。
【００７２】
また、本発明によるレーザ加工装置の光学系の調整工程において、上述のように、第１光軸位置検出器１０によって測定される受光強度という一つの情報に対して、調整値算出手段２６は光路調整部４において実行する複数の調整箇所でそれぞれ対応する光路調整値を算出することで、安定した光軸位置の固定を実現することができる。
【００７３】
なお、ファジイ推論を利用しないで光路制御を実現するとすれば、アライメント作業の中にエラー発生処理（ルーチン）や暴走防止処理（ルーチン）を設けることが必要となる。これらエラー発生処理や暴走防止処理を実行させるためのプログラム量は、上述のファジイ推論処理のための処理と同等かそれ以上を必要とする。そして、装置の機構設計上も、リミッタースイッチなどの暴走防止のための手段を用意する必要がある。暴走防止のための手段は、特にレーザ装置を構成する上では重要で、仮に暴走が発生すると、被加工物の損傷等の重大な結果を招く。
【００７４】
上述の実施例において開示したファジイ推論プログラムは、非常に単純なアルゴリズムに従って作られている。単純なアルゴリズムを基にしているために、プログラムの性格上から、レーザ加工装置の暴走が発生しにくい構造となっている。すなわち、ファジイ推論を利用することで、プログラムを単純化することができ、ファジイ推論を使うからこそ、単純なアルゴリズムで複雑な作業を行なえることとなった。
【００７５】
さらに、Ｓ’とΔＳとに対する二種類の判断を実行させる処理を行なうことが、上記暴走状態の発生を抑圧することに貢献している。Ｓ’あるいはΔＳのいずれか一方だけの判断でアライメント作業を制御しようとすれば、制御信号に混入する雑音等を原因として、暴走状態が発現する危険が大きくなる。Ｓ’及びΔＳの二種類の判断を行なっている場合には、暴走状態を発現させる要因が、Ｓ’とΔＳとの両方に発生しなければ装置の暴走状態が発現しない。よって、Ｓ’とΔＳとに対する二種類の判断を実行させる処理を行なうことで、暴走状態が発現する確率を格段に小さくできることになる。
【００７６】
以上説明したように、この発明のレーザ加工装置は、制御システム全体としてみた場合においても、暴走状態が起こりにくい構造となっていることが分かる。
【００７７】
以上のように、本発明のレーザ加工装置は、レーザ光源から出力されるレーザ光の光軸の揺れに起因する光軸の角度誤差をファジイ制御によって調整し、安定したレーザ光の光軸の位置を固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】ナノ単位の精度を有する本発明によるレーザ加工装置１の全体的な構成概略図
【図２】第１光軸位置検出器においてマトリクス状に配列された受光画素のうちレーザ光の照射点が１画素のみを基準画素として完全に照射している実施例
【図３】第１光軸位置検出器においてマトリクス状に配列された受光画素のうちレーザ光の照射点が４象限センサを形成する４つの画素の一部を均等に照射している実施例
【図４】第１光軸位置検出器１０における受光素子の配置に関する変形実施例
【図５】第１光軸位置検出器と第２光軸位置検出器とを用いてレーザ光の光軸の位置を検出する変形実施例
【図６】図４の変形実施例
【図７】図１における集光レンズ９と第１光軸位置検出器１０との間に支持台７１で支持されたピンホール７２を配置した状態を示す拡大図
【図８】本発明によるレーザ加工装置の光路調整機能の説明に供する概略的ブロック構成
【図９】受光強度変化の説明に供する図
【図１０】ファジイ推論に基づく光路調整ステップを示すフローチャート
【図１１】Ｓ’に対するメンバーシップ関数を表す図
【図１２】ΔＳに対するメンバーシップ関数を表す図
【図１３】ルール１１〜１４に基づく統合化の工程の説明に供する図
【図１４】ルール２１〜２３に基づく統合化の工程の説明に供する図
【図１５】統合化１及び統合化２のメンバーシップ関数の論理和として、統合化３を求める工程の説明に供する図
【符号の説明】
【００７９】
１ 本発明によるレーザ加工装置
２ レーザ光源
３ 防振テーブル
４ 光路調整部
５ 光軸制御部
６ 可動台
７ ステージ
８ 半透鏡
９ 集光レンズ
９’ 集光レンズ
１０ 第１光軸位置検出器
１１ 被加工物
１２ 可動台位置検出器
１３ 全反射鏡
１５ 第２光軸位置検出器
１６ 第２半透鏡
１８ 第２全反射鏡
２０ レーザ光の照射点
２１ ＣＣＤ画素
２２ 全反射鏡
２４ 全反射鏡
２６ 算出手段
２８ モータ制御部
３０ レーザ光の照射点
Ａ 画素間距離
Ｓ１〜Ｓ４ 画素におけるレーザ光の照射面積
４０ ４つの画素（４象限）の配列面
４１ レーザ光の反射球
４２ ピンホール
５０ ミラー支持台
７１ ピンホール支持台
７２ ピンホール
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ加工装置に関し、特にナノメートルオーダー以上の精度を有するレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、レーザ加工装置は、被加工物に照射するレーザ光源と、被加工物を載置する可動台を配備した耐震性を有する精密テーブルとを備えており、レーザ光源から出力されるレーザ光の基準点を固定し、前記可動台を精密テーブル上のＸ−Ｙ平面上で移動させて被加工物を加工する工程を有する。当該加工工程では、精密テーブル上の可動台の位置を検出する位置検出器の誤差及びレーザ光源から被加工物までの導光路に起因するレーザ光の光軸の誤差が考えられるが、可動台の位置検出器の精度は１０ｎｍ以下の精度が実現されており、レーザ光源から出力されるレーザ光の光軸の安定精度はマイクロラジアンレベルの精度まで実現されている。
【０００３】
特許文献１では、レーザ光の照射位置の測定を可能にするレーザ加工装置における集光光学系の集光位置検出装置が開示されている。当該集光位置検出装置は、複数の受光素子がマトリクス状に配置され、Ｘ−Ｙテーブルの所定の位置に着脱可能に配置される位置センサと、この位置センサに向けてレーザ光を照射したとき、位置センサを構成する各受光素子の出力を検出し、レーザ光の集光位置を判別する判別装置と、この判別結果に基づいて、前記Ｘ−Ｙテーブルの座標軸に対する集光位置のずれ量を算出する演算装置とが設けられている。
【０００４】
当該装置では、Ｘ−ＹテーブルのＸ−Ｙ方向の座標軸と位置センサのＸ−Ｙ方向の座標軸が一致するように位置センサをＸ−Ｙテーブルに取り付け、Ｘ−Ｙテーブルを所定の位置に移動させ、位置センサにレーザ光を集光照射する。そして、位置センサを構成する各受光素子の出力を検出し、どの受光素子がレーザ光を受光しているか判別し、受光素子の位置センサの原点からの座標位置を求めることにより、レーザ光の集光位置を求めることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２３５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のレーザ光の位置検出装置は、着脱可能な可動台上に配置されており、マイクロメートル単位の精度を有する加工技術であれば、レーザ光の光軸の安定性がマイクロラジアンレベルでも許容できるため、可動台の位置を適切に制御することができる。
しかし、加工精度がナノメートル単位以下である場合、レーザ加工装置の誤差は、可動台の位置検出器による誤差は許容できるが、レーザ光の光軸の揺らぎは許容されず、レーザ光の照射点の安定性に起因する誤差が問題となってくる。
本発明は、レーザ光の光軸の位置を監視するための光軸位置検出器を配備し、被加工物に照射するレーザ光の光軸のずれを補正することによって、ナノメートル単位以下の加工精度に対応できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１） 上述の目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工装置は、
レーザ光を出力する光源と、
該レーザ光の光路を調整する光路調整部と、
レーザ光を分光する第１分光器と、
所定の可動域を有し被加工物を載置する可動台と、
可動台の位置を検出する可動台位置検出器と、
前記分光されたレーザ光の光軸の位置を検出する第１光軸位置検出器と、
前記可動台と、可動台位置検出器と、第１光軸位置検出器とを載置したステージと、
前記第１光軸位置検出器からの出力を受けて前記光路調整部を制御し、前記分光したレーザ光の光軸を調整する光軸制御部と、
を具備する。
（２）また、本発明に係るレーザ加工装置における光軸制御部は、ファジイ制御を行うことが好ましい。
（３）さらに、本発明に係るレーザ加工装置は、前記分光したレーザ光をさらに分光する第２分光器と、第２分光器により分光された光軸の位置を検出するための第２光軸位置検出器とをさらに備え、第１光軸位置検出器と第２光軸位置検出器においてレーザ光が所定の位置で検出されるように前記光軸制御部を制御することが好ましい。
（４）さらに、本発明に係るレーザ加工装置における第１光軸位置検出器または第２光軸位置検出器の少なくとも一方は、第１分光器で分光されたレーザ光または第２分光器で分光されたレーザ光が球状の反射面に反射されて４象限センサで受光することにより各レーザ光の光軸の位置検出を行うことが好ましい。
（５）さらに、本発明に係るレーザ加工装置は、前記第１分光器と第１光軸位置検出器との間、あるいは、前記第２分光器と第２光軸位置検出器との間の少なくとも一方に、レーザ光が通過するための所定の口径を有するピンホールを配置することが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
（１）請求項１に係る発明は、レーザ光源から出力されたレーザ光を被加工物に照射するまでの導光路において、レーザ光の光軸がマイクロラジアン程度の振れを生じ、照射点の位置に誤差が生じるので、例えば、マトリクス状に配置した受光素子からなる第１光軸位置検出器を可動台の近傍に配置し、位置検出用のレーザ光を分光し、該第１光軸位置検出器に分光したレーザ光の光軸を受光させて、受光したレーザ光の光軸の基準位置を検出することによって基準位置からのずれを算出し、算出した値に基づいて光路調整部を調整して導光路を修正することによって、ナノメートル単位以下の精度に対応するレーザ加工装置を実現することができる。
（２）請求項２に係る発明は、ファジイ制御を行うので、レーザ光の光軸にずれが生じても光軸のずれを徐々に補正し、最小の誤差でレーザ加工を行うことができる。
（３）請求項３に係る発明は、第１光軸位置検出器と第２光軸位置検出器においてレーザ光が所定の位置で検出されるように前記光軸制御部を制御するので、レーザ光の光軸の基準点が２箇所設けられ、例えば、当該２つの基準点を等間隔に維持するように光路調整部を調整して光路を補正し、補正精度を向上させることができる。
（４）請求項４に係る発明は、球状の反射面に反射されて４象限センサで受光することにより各レーザ光の光軸の位置検出を行うので、所定の光径を有するレーザ光を各受光素子に照射させ、受光強度（受光面積）が均等で維持されるように光軸を補正することができる。また、レーザ光の受光面を任意の箇所に設定でき、レーザ加工装置の設計に柔軟性を有する。
（５）請求項５に係る発明は、レーザ光が通過するための所定の口径を有するピンホールを配置するので、レーザ光を所望の光径に絞ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の好ましい実施形態について実施例を挙げ、図面を参照して説明する。なお、各図において同じ要素には同じ符号を用い、適宜その説明を省略する場合がある。
【実施例１】
【００１０】
図１は、ナノ単位の精度を有する本発明によるレーザ加工装置１の全体的な構成概略図を示している。当該レーザ加工装置１は、光源２、光路調整部４、半透鏡（第１分光器）８、全反射鏡１３、可動台６、可動台位置検出器１２、第１光軸位置検出器（光検出器）１０、ステージ７、光軸制御部５、集光レンズ９，９’から構成される。また、全ての構成要素１〜１２は、防振テーブル３上に配置されている。
【００１１】
レーザ光源２は、フェトム秒レーザ、あるいは、ＵＶレーザ光を基本波として出力する。光路調整部４（詳細は図８参照）は、レーザ光源２から入力されたレーザ光を反射する複数の全反射鏡（図８では２つ：２２と２４）を有し、該全反射鏡にはレーザ光の反射角を変更するための複数のモータ（図８では４つ：Ｍ１〜Ｍ４）が具備されている。当該モータは、後述するように、光軸制御部５からの信号を受信し、全反射鏡の反射面の角度を調整しレーザ光を所定の光軸位置に位置決めする。半透鏡８は、光路調整部４から出力されたレーザ光の光軸上に配置されて該レーザ光を分光する。可動台６は、全反射鏡１３で反射され集光レンズ９’で集光されたレーザ光が照射される被加工物１１を載置して固定した状態で、所定の可動域内を移動することができる。可動台位置検出器１２は、可動台６の移動誤差を１０ｎｍの精度で位置検出することができる。第１光軸位置検出器（光検出器）１０は、加工用レーザ光の近傍で精確にレーザ光の光軸を調整するために可動台位置検出器１２の近傍に配置され、例えば、マトリクス状に配置されたＣＣＤにおける画素等の複数の受光素子から構成されている。ステージ７は、集光レンズ９で集光されたレーザ光の光軸が第１光軸位置検出器１０の受光面に照射され、集光レンズ９’で集光されたレーザ光の光軸が被加工物１１に対して照射されるように、可動台６、可動台位置検出器１２、第１光軸位置検出器１０を同一平面上に配置している。光軸制御部５は、調整値算出手段２６とモータ制御部２８とを具備し（図８参照）、後述するように、第１光軸位置検出器１０が受光したレーザ光の受光強度の出力に基づいて前記光路調整部４をファジイ制御し、前記分光したレーザ光の光軸を一定の基準位置に固定させる。
【００１２】
次に、本発明のレーザ加工装置１におけるレーザ光源２から出力されたレーザ光の導光路について説明する。
まず、光源２から光路調整部４に向けてレーザ光が出力される。次いで、光路調整部４では、被加工物１１に照射するためにレーザ光の光路を所定位置で固定するように調整される。さらに、光路調整部４を通過したレーザ光は、半透鏡８において、そこを通過するレーザ光と、半透鏡８から分岐したレーザ光とに分光される。半透鏡８を通過したレーザ光は、全反射鏡１３において反射されて集光レンズ９’を介して被加工物１１を照射し所望の加工を施す。また、半透鏡８から分光されたレーザ光は、集光レンズ９を介して第１光軸位置検出器１０を照射する。
以上のように、本発明によるレーザ加工装置における導光路が形成される。
【００１３】
次いで、図１におけるレーザ光源２から第１光軸位置検出器１０までの光路を調整する機構について、図８を参照して詳述する。
光路調整部４は、２つの全反射鏡２２、２４を具備し、各全反射鏡２２、２４は、レーザ光源２から出力されるレーザ光を反射させる反射面の角度を調整するためのモータＭ１、Ｍ２及びＭ３、Ｍ４をそれぞれ備えている。また、分光器４４は、入射されるレーザ光を分光する半透鏡８と、集光レンズ９とを具備している。
【００１４】
レーザ光源２から出力されたレーザ光は、前述したように、光路調整部４に入射されて全反射鏡２２、２４によって所定の光軸位置に位置決めされて出力される。出力されたレーザ光は、分光器４４における半透鏡８に入射される。半透鏡８は、図示されていない被加工物に入射されるレーザ光から第１光軸位置検出器１０に入射されるレーザ光を分光する。分光されたレーザ光は、集光レンズ９に入射され第１位置検出器１０の所定の受光素子（図２ないし図４参照）に集光されて照射される。第１光軸位置検出器１０の受光素子は、受光したレーザ光をその強度に比例した電気信号に変換し出力する。該出力された電気信号はその強度が一般には弱いので、増幅器３４によって増幅されてから光軸制御部５内の調整値算出手段２６に入力される。調整値算出手段２６は、増幅器によって増幅された電気信号に基づいてファジイ推論を利用して前記モータＭ１〜Ｍ４の回転量をそれぞれについて算出する。ファジイ推論を利用してモータＭ１〜Ｍ４の回転量（調整量）を算出する仕組みについては後述する。調整値算出手段２６で算出されたモータＭ１〜Ｍ４の回転量は、モータＭ１〜Ｍ４を制御するモータ制御部２８に送信される。次いで、モータ制御部２８から各モータＭ１〜Ｍ４に各回転量を示す信号が送信されモータＭ１〜Ｍ４が駆動される。それにより、全反射鏡２２及び２４それぞれの反射面の向きが調整されて、レーザ光の光路や光軸が調整される。
【００１５】
次に、図２ないし図４を参照し第１光軸位置検出器１０における受光素子について説明する。
図２及び図３では、各画素２１は、マトリクス状に配置されて、画素間隔Ａは約２μｍである。図２では、レーザ光の照射点が１画素のみを基準画素として完全に照射している実施例（符号２０）を示しており、当該基準画素によってレーザ光の受光強度を測定している。そして、レーザ光の光軸に揺れが生じ、画素に照射されない部分が発生した場合は、受光素子が受光強度の減少を感知し基準画素を完全に照射し、受光強度が極大の大きさとなるように光軸制御部５によって光路調整部４の調整が行われる。また、図３では、レーザ光の照射点が４象限センサを形成する４つの画素の一部を均等に照射している実施例（符号３０）を示しており、各画素２１における照射面積Ｓ１ないしＳ４を均等に照射すべきレーザ光の基準照射点を設定している。そして、レーザ光の光軸に揺れが生じ、各画素２１の照射面積Ｓ１〜Ｓ４に不均衡が発生した場合は、光軸制御部５が各画素２１における受光強度を均等にするように光路調整部４を調整する。
【００１６】
図４では、第１光軸位置検出器１０における受光素子の配置に関する変形実施例を開示している。当該実施例では、集光レンズ９と第１光軸位置検出器１０との間にレーザ光を反射させるための反射球４１を配置し、半透鏡８から分光されたレーザ光を、反射球４１の反射面によって当該レーザ光の光軸に対して、好ましくは、垂直方向に反射させ、例えば、当該光軸と平行な面４０に配置された４象限センサを形成する４つの画素に図３と同様の照射基準点を設定している。そして、レーザ光の光軸に揺れが生じ、各画素の照射面積に不均衡が発生した場合は、光軸制御部５が各画素における受光強度を均等にするように光路調整部４を調整する。
【００１７】
次に、図５を参照し、第１光軸位置検出器と第２光軸位置検出器とを用いてレーザ光の光軸の位置を検出する変形実施例について説明する。当該実施例では、半透鏡８で分光されたレーザ光の導光路上であって、半透鏡８と第１光軸位置検出器１０との間に、第２半透鏡（第２分光器）１６を配置している。第２半透鏡１６は、レーザ光をさらに分光しており、該分光されたレーザ光は、全反射鏡１８で反射されて第２光軸位置検出器１５に照射される。第２半透鏡１６及び第２全反射鏡１８は、共にミラー支持台５０で支持されている。第２光軸位置検出器１５は、第１光軸位置検出器１０と同じタイプでも異なるタイプでもどちらでもよい。上述したように、いずれの光軸位置検出器でも受光素子においてレーザ光を照射する基準点を設定し、２つの基準点の距離が等しくなるように光軸制御部５を演算させることにより光路調整部４を制御する。
【００１８】
次に、図６を参照し、図４の変形実施例について説明する。図６では、反射球４１と、４象限センサを形成する４つの画素を配置した面４０との間にピンホール４２を配置している点で図４の実施形態と異なる。ピンホール４２は、レーザ光の光径を所望の径に縮小することができ、前記４象限センサを形成する４つの画素の相互間隔を縮小することによって径の縮小に対応して各画素における照射面積を確保することができる。
【００１９】
図７は、図１における集光レンズ９と第１光軸位置検出器１０との間に支持台７１で支持されたピンホール７２を配置した状態を示す拡大図を示している。本実施形態においてもレーザ光の光径を縮小し、第１光軸位置検出器に照射することができる。
【００２０】
図９は、光路調整部４においてレーザ光の光軸を調整することで、第１光軸位置検出器１０の受光強度が極大値に安定するように制御を行なった結果、その受光強度が時間的に変化する様子を定性的に描いたグラフである。横軸は時間、縦軸は受光強度をそれぞれ任意スケールで目盛ってある。
【００２１】
上述で説明したように、図８におけるレーザ光源２から第１光軸位置検出器１０までの光路又は光軸を調整する過程を実行した結果、第１光軸位置検出装置１０への入射開始時刻からｔ’後に入射光の強度が極大値に達し、その後入射光の強度変化として許容されるものとして設定した許容範囲（図９中では矢印で挟んでＰと表示した範囲）内で変動しているのであれば、レーザ加工装置における第１光軸位置検出装置における出力強度の安定化が図られたことになる。よって、当該レーザ加工装置の作動中における当該光軸調整工程を継続することによって、レーザ光の光軸の安定化を図ることができる。
【００２２】
次に、図１０に示すフローチャートを参照して第１光軸位置検出器におけるレーザ光の受光から光路調整部４の光軸調整までの過程をさらに詳述する。
【００２３】
ステップＳ−１０：このステップは、制御開始ステップである。当該レーザ加工装置の操作者あるいはパーソナルコンピュータ等からの指示によって、第１光軸位置検出装置における受光強度を極大値に安定化するための制御を開始する。
【００２４】
ステップＳ−１２:このステップは、第１光軸位置検出器１０からの出力を調整値算出手段２６が取得するステップである。ただし、増幅器３４を設けた場合には増幅器３４からの出力を調整値算出手段２６が取得するステップである。以後簡単のために、「第１光軸位置検出装置１０からの出力」と表記して、増幅器２４を設けた場合には増幅器２４からの出力を意味するものとする。このステップにおいて、レーザ光の光路の制御開始直後に第１光軸位置検出装置１０で取得した受光強度が測定される。
【００２５】
ステップＳ−１４：このステップは、モータＭ１〜Ｍ４を順次駆動するステップである。モータＭ１〜Ｍ４のうち任意のモータを選定して開始する。最初に選択されたモータ（ここではＭ１とする。）は、図８における全反射鏡２２について反射面の向きを変化させ、受光強度が極大になる位置にモータ皿の回転を固定する。次に選択されたモータ（ここではＭ２とする。）は、同様に全反射鏡２２について反射面の向きを変化させ、受光強度が極大になる位置にモータ皿の回転を固定する。同様に、モータＭ３及びＭ４は、第２全反射鏡２４について反射面の向きを変化させ、受光強度が極大となる位置にモータ皿を固定して第２全反射鏡２４について反射面の向きを固定する。
【００２６】
全反射鏡２２及び２４の反射面の向きを決定するためのモータＭ１〜Ｍ４の回転量は、後述するファジイ推論に基づいて決定する。ここで用いるファジイ推論のアルゴリズムは、上述の全反射鏡２２及び２４の反射面の向きを制御してモータＭ１〜Ｍ４の回転量をパラメータとして説明する。
【００２７】
ステップＳ−１６：このステップは、モータＭ１〜Ｍ４の回転方向の確定のために回転駆動を行う試行駆動ステップである。
ステップＳ−１８:このステップは、第１光軸位置検出器１０に照射されたレーザ光の受光強度に比例する信号を取得するステップである。
【００２８】
上述のステップＳ−１６及びＳ−１８において、特定の方向にモータを回転させることにより、第１光軸位置検出器１０で受光される受光強度が増加することが判明すれば、そのモータの回転は受光強度が極大になる方向であることを示している。逆に第１光軸位置検出器１０に受光される受光強度が減少することが判明すれば、このモータの回転は受光強度が極大になる方向と逆方向であることを示している。
【００２９】
ステップＳ−２０:このステップは、第１光軸位置検出器１０の出力信号の時間微分値、目標値(極大値)からのずれ量を計算するステップである。このステップでは、ファジイ推論において、入力値として利用する出力信号の時間微分(差分)値を計算し、目標値(極大値)からのずれ量を計算する。第１光軸位置検出器１０からの時刻ｔ１における出力信号の値をｓ１とし、時刻ｔ２における出力信号の大きさをｓ２とすれば、ｔ１＜ｔ２であると仮定し、出力信号の時間差分値Ｓ’は、Ｓ’＝（Ｓ２−Ｓ１）／（ｔ２−ｔ２）で与えられる。また目標値(極大値)をｓ０とした場合にΔＳ＝（ｓ１／ｓ０）−１で与えられる目標値からのずれ量(目標値からのずれの割合) ΔＳを計算する。Ｓ’及びΔＳを用いてファジイ推論が行なわれる。
【００３０】
ステップＳ−２２:このステップは、ファジイ推論によるモータの駆動量(回転量)を計算するステップである。詳細は後述するが、このステップでは、上述のＳ’及びΔＳの値を用いて、ファジイ推論を行い、モータの駆動量(回転量)の絶対値Ｍが計算される。
【００３１】
ステップＳ−２４:このステップは、モータの駆動方向(回転方向)を求めるステップである。上述のステップＳ−２０で求めたＳ’の値が負であれば、モータの駆動方向(回転方向)を反転させる必要がある。一方、Ｓ’の値が正であれば、モータの回転方向はそのままでよいことになる。このステップでは、上述したモータの回転方向を次の手順で求める。すなわち、モータの回転方向を決めるパラメータをαとする。αは値１または値−１を取るものとする。また、パラメータδを次のように定める。上述のステップＳ−２０で求めたＳ’の値が負であれば、δ＝−１とし、Ｓ’の値が正であれば、δ＝１とする。そして、このモータの次の回転方向はα×δで与えられるものとする。すなわち、このα×δ値を次の新たなパラメータαの値と設定することで、モータの次の回転方向を確定する。モータの回転方向も含めて回転量を表示するとα×Ｍと表されることとなる。
【００３２】
ステップＳ−２６:このステップは、モータを駆動するステップであり、上述のα×Ｍだけモータを回転させる。
【００３３】
ステップＳ−２８:このステップは、上述のステップＳ−１８と同様に、第１光軸位置検出器１０に照射された受光強度に比例する信号を取得するステップである。
【００３４】
ステップＳ−３０:このステップでは、上述のステップＳ−２８で取得された受光強度に比例する信号の値に基づいて、これまでのステップで制御及び調整したモータの調整作業を終了し、次のモータを制御するステップに進むか否かの判定を行なう。上述のステップＳ−２８で取得された受光強度に比例する信号の値が、目標値(極大値)とみなせる大きさの範囲（図９において矢印で挟んでＰと表記した値の範囲）内に収まれば、次のモータの制御を行なうために、制御の対象となるモータを切り替える。そして、次のステップであるステップＳ−３２に進む。一方、ステップＳ−２８で取得された受光強度に比例する信号の値が、目標値に達していないと判定されれば、ステップＳ−２０に戻る。
【００３５】
ステップＳ−３２：このステップは、光路調整部４における調整作業を終了するか否かの判定を行なうステップである。モータＭ１〜Ｍ４に対する調整作業が全て終了していることが確かめられれば、次のステップＳ−３４に進み、調整作業を終了させる。一方、終了させずにこのまま制御を続けるのであれば、上述のステップＳ−１４に戻る。上述のモータＭ１〜Ｍ４に対する調整作業が全て終了していることが確かめられたとしても、経時変化に対応するために、このレーザ加工装置を駆動している間は、光路調整部４における調整作業を終了させないという判断もあり得る。
【００３６】
ステップＳ−３４：このステップは、光路調整部４における調整作業を終了させるステップである。
【００３７】
＜ファジイ推論＞
図１１（Ａ１）〜（Ａ４）及び（Ｂ１）〜（Ｂ４）と図１２（Ａ１）〜（Ａ３）及び（Ｂ１）〜（Ｂ３）とを参照して、このレーザ加工装置におけるレーザ光の光軸調整のために実行されるファジイ推論で用いるメンバーシップ関数について説明する。以後、図１１（Ａ１）〜（Ａ４）及び（Ｂ１）〜（Ｂ４）の全ての図を指す場合には単に図１１と表記する。また、同じく図１２（Ａ１）〜（Ａ３）及び（Ｂ１）〜（Ｂ３）の全ての図を指す場合にも単に図１２と表記するものとする。
【００３８】
図１１は、第１光軸位置検出器１０が検出する出力信号の時間微分(差分)値Ｓ’に対するメンバーシップ関数を示した図である。図１２は、第１光軸位置検出器１０の出力信号値の目標出力値が極大出力値に近い場合の出力信号の値ΔＳに対するメンバーシップ関数を示した図である。図１１に示した（Ａ１）〜（Ａ４）はファジイ推論の前件部を、（Ｂ１）〜（Ｂ４）は、前件部（Ａ１）〜（Ａ４）のそれぞれに対応する後件部を示す。また、図１２においても同様に、（Ａ１）〜（Ａ３）はファジイ推論の前件部を、（Ｂ１）〜（Ｂ３）は、前件部（Ａ１）〜（Ａ３）のそれぞれに対応する後件部を示している。
【００３９】
光路調整部４において光路調整が行なわれても、レーザ光の光軸は不安定でマイクロラジアン程度の振れが生じ、そのために第１光軸位置検出器における受光強度が時間的に変動する。上述したように、この受光強度の時間変化の様子は第１光軸位置検出器１０によって観測される。第１光軸位置検出器１０によって観測される受光強度の時間変化の様子は、上述した出力信号の時間差分値Ｓ’、すなわち、Ｓ’＝（ｓ２−ｓ１）／（ｔ２−ｔ１）で表現される。
【００４０】
そこでファジイ推論の基礎とするメンバーシップ関数を以下のルール（以後「ファジイルール」ということもある。）に従うように定義する。
【００４１】
ルール１１:Ｓ’が正の値をとり、その値が大きいならば、モータの回転量の絶対値は大きい。
【００４２】
ルール１２:Ｓ’が正の値をとり、その値が小さいならば、モータの回転量の絶対値は小さい。
【００４３】
ルール１３：Ｓ’が０の値をとるならば、モータの回転量の絶対値は０である。
【００４４】
ルール１４:Ｓ’が負の値をとるならば、モータの回転量の絶対値は小さい。
【００４５】
図１１を参照して上述のルールを視覚的に説明する。図１１に示した（Ａ１）〜（Ａ４）は、上述のファジイルールの、それぞれルール１１〜１４の前件部を表している。図１１（Ａ１）〜（Ａ４）において、横軸はＳ’を示し、縦軸は合致する度合い（０から１の値の範囲をとる。）を示している。一方、図１１に示した（Ｂ１）〜（Ｂ４）は、上述のファジイルールの、それぞれルール１１〜１４の後件部を表している。横軸はモータの駆動量（回転量）の絶対値Ｍを表し、縦軸は合致する度合いを表している。
【００４６】
次に、第１光軸位置検出器１０の出力信号値の目標出力値が、最大出力値に近い場合について、目標値(極大値)をｓ０とした場合の、ΔＳ＝（ｓ１／ｓ０）−１で与えられるΔＳに対するメンバーシップ関数について説明する。ここで、ｓ１は、時刻ｔ１における出力信号の値である。ΔＳに対するメンバーシップ関数を利用する理由は、次の２点にある。
【００４７】
まず第１の点について説明する。レーザ光源から出力されるレーザ光はガウシアンビームである。ガウシアンビームの性質上、ビームの中心近傍の強度の動径方向に対する微分値は小さい。そして、ビームの中心から十分に離れた場所での、強度の動径方向の微分値も小さい。すなわち、半透鏡８（分光器４４）へのレーザ光の入射角度のアライメントがほぼ正確になされている場合と、アライメントが大きくずれている場合とでは、どちらの場合も、光路調整部４において行なわれるレーザ光の光路調整の効果は、同程度の大きさとなりその効果は小さいものとなる。言い換えると、光路調整部４においてレーザ光の光路を調整するために変化させる全反射鏡２２及び２４の反射面の向きの各単位変化量当たりの、第１光軸位置検出器１０で検出される受光強度の変化の割合は同程度に小さい。
【００４８】
つまり、アライメントが大きくずれている場合は、モータの回転角度の絶対値が大きくなるように設定すべきであるが、上述のルール１１〜１４のみを用いてファジイ推論を行なうと、モータの回転角度が小さく計算されてしまう。そこで、ΔＳに対するメンバーシップ関数に対して新たなルールを設定することによって、モータの回転角度の大きさを適正化することができる。ただし、この新たなルールを設定しなくとも、目的とする光学系の調整は行なえる。ただ、計算されるモータの回転角度の値が小さいために、より最適状態に光学系が調整されるまでの時間が長く（制御のステップが多く）かかることになる。
【００４９】
次に第２の点について説明する。光路調整機能は、上述の新たなルールの設定によって、雑音に対する耐久性が向上し、第１光軸位置検出器１０において検出された受光強度に何らかの雑音が混入したとしても問題ない。しかし、仮にルール１１〜１４だけで、これ以外に新たなルールを設けなかった場合は、第１光軸位置検出器１０が検出した受光強度の値に雑音が混入すると、Ｓ’の値が特異的に大きな値となり、モータの回転角度の値が不適切に大きな値として算出されてしまう場合があり、適切な制御ができなくなるという可能性がある。
【００５０】
そこで、以下に示す新たなルールを設定しておけば、受光強度の値に雑音が混入するという事態が発生しても、上述の可能性を排除することができる。
【００５１】
そこで、ファジイ推論の基礎とするΔＳに関するメンバーシップ関数に対して、以下のファジイルール(新たなルール)に従うように定義する。
【００５２】
ルール２１：第１光軸位置検出器１０が検出した受光強度の信号が目標値（極大値）ｓ０よりも非常に小さい（ΔＳの値が負の値でありその絶対値が大きい。）ならば、モータの回転角度は大きい。
【００５３】
ルール２２：第１光軸位置光検出器１０が検出した受光強度の信号が目標値(極大値)ｓ０に対してほぼ同程度（ΔＳの値が負の値でありその絶対値が小さい。）ならば、モータの回転角度は小さい。
【００５４】
ルール２３：第１光軸位置検出器１０が検出した受光強度の信号が、目標値（極大値）ｓ０に達したかあるいは上回った（ΔＳの値が０より大きい。）ならば、モータの回転角度は０である。
【００５５】
図１２を参照して上述の新たなルールを視覚的に説明する。図１２に示した（Ａ１）〜（Ａ３）は、上述のファジイルールの、それぞれルール２１〜２３の前件部を表している。（Ａ１）〜（Ａ３）において、横軸はΔＳを示し、縦軸は合致する度合い（０から１の値の範囲をとる。）を示している。一方、図１２に示した（Ｂ１）〜（Ｂ３）は、上述のファジイルールの、それぞれルール２１〜２３の後件部を表している。横軸はモータの駆動量（回転量）の絶対値Ｍを表し、縦軸は合致する度合いを表している。
【００５６】
ファジイ推論によってモータの駆動量(回転量)を計算する手法として、ここではｍｉｎ−ｍａｘ合成重心法を利用する。第１光軸位置検出器によって受光強度が検出されれば、その値に基づいてＳ’及びΔＳが求められる。今、仮にＳ’及びΔＳの値として、Ｓ’１及びΔＳ１と求められたものとして説明する。
【００５７】
図１３は、ルール１１〜１４に基づく統合化の工程の説明に供する図である。この図１３において、ルール１１〜１４に対応するメンバーシップ関数は、図１２に示すメンバーシップ関数と同一のものを再録してある。
【００５８】
Ｓ’＝Ｓ’１であるから、図１３に示すルール１１〜１４に対応するメンバーシップ関数の前件部を示す図において、Ｓ’を表す横軸のＳ’１に当る位置を縦の点線によって表示してある。この図からわかるように、上述のルール１３及びルール１４において、前件部の適合度が０であるから、後件部も０である。上述のルール１１及びルール１２においては、前件部の適合度が０ではないので、その適合度に対応させて後件部のメンバーシップ関数の頭切りを行なう。その結果、ルール１１〜１４のファジイ推論が行なわれて、これらの結果として図１３に統合化１として表されている後件部の論理和が求められる（統合化１）。なお、統合化１として表されている後件部の論理和を示す関数は、ルール１１及びルール１２の後件部の頭切りを行なったメンバーシップ関数を合成することによって求められる。
【００５９】
図１４は、ルール２１〜２３に基づく統合化の工程の説明に供する図である。この図において、ルール２１〜２３に対応するメンバーシップ関数は、図１３に示すメンバーシップ関数と同一のものを再録してある。
【００６０】
ΔＳ＝ΔＳ１であるから、図１４に示すルール２１〜２３に対応するメンバーシップ関数の前件部を示す図において、ΔＳを表す横軸のΔＳ１に当る位置を縦の点線によって表示してある。この図からわかるように、上述のルール２１の適合度が０であるから、後件部も０である。上述のルール２２及びルール２３においては、前件部の適合度が０ではないので、その適合度に対応させて後件部のメンバーシップ関数の頭切りを行なう。その結果、ルール２１〜２３のファジイ推論が行なわれて、これらの結果として図１４に統合化２として表されている後件部の論理和が求められる（統合化２）。なお、統合化２として表されている後件部の論理和を示す関数は、上述の統合化１の場合と同様に、ルール２１及びルール２３の後件部の頭切りを行なったメンバーシップ関数を合成することによって求められる。
【００６１】
次に、ルール１１〜１４（以後「第１ルール系列」ということもある。）に対してルール２１〜２３（以後「第２ルール系列」ということもある。）をどれだけ重視するのか、あるいは第１及び第２系列を均等に重視するのか等の重み付けを加味した処理を行なう。上述の統合化１及び統合化２として得られた結果（図１３及び図１４にそれぞれ統合化１及び統合化２として表した、後件部の論理和として求められた合成メンバーシップ関数）を、それぞれｒ倍及び（１−ｒ）倍することによって、それぞれの関数に対して重み付けを行い、図１５（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、両者を統合化する。
【００６２】
ここで、ｒは０から１の値の範囲の実数値をとる。例えば、ｒ＝１を選択するということは、第１ルール系列のみを取り入れ、第２ルール系列は無視することに対応する。また、ｒ＝０．５を選択するということは、第１ルール系列と第２ルール系列とを同等に扱うことを意味する。また、ｒ＝０を選択するということは、第２ルール系列のみを取り入れ、第１ルール系列は無視することに対応する。
【００６３】
図１５（Ａ）〜（Ｄ）は、上述の図１３及び図１４にそれぞれ統合化１及び統合化２として表した、後件部の論理和として求められた合成メンバーシップ関数を、統合して統合化１及び統合化２のメンバーシップ関数の論理和として、統合化３を求める工程の説明に供する図である。図１５（Ａ）は、統合化１として求められた合成されたメンバーシップ関数の概略の形状であり、図１５（Ｂ）は、統合化２として求められた合成されたメンバーシップ関数の概略の形状である。図１５（Ｃ）は、統合化１として求められた合成されたメンバーシップ関数をｒ倍し、統合化２として求められた合成されたメンバーシップ関数を（１−ｒ）倍して合成した統合化３としてのメンバーシップ関数の概略の形状である。図１５（Ｄ）は、図１５（Ｃ）で与えられたメンバーシップ関数の合成重心の値を求めその合成重心の値をモータの駆動量（回転角度）として採用する手順を説明する図である。図１５（Ｄ）において、横軸上にＭと矢印で表示してある横軸の値は、図１５（Ｃ）によって示されているメンバーシップ関数から求められた合成重心の位置であり、この位置がモータの回転角度を示していることになる。
【００６４】
すなわち、上述したファジイ推論を行なうことによって、レーザ光の光路を調整するため、光路調整部４における全反射鏡の反射面等の角度を変化させるために駆動するモータの回転角度を求めることができることがわかる。
【００６５】
上述の説明では第１ルール系列であるルール１１〜１４のそれぞれのルールあるいは、第２ルール系列であるルール２１〜２３のそれぞれのルールについては均等に扱ったが、これらのルール間においても重視する度合いに軽重をつけることも可能である。この場合には、第１ルール系列であるルール１１〜１４のそれぞれのルールあるいは、第２ルール系列であるルール２１〜２３のそれぞれのルールに対応するメンバーシップ関数に、上述のｒに相当するパラメータを掛算して、統合化を行なえばよい。
【００６６】
また、上述のファジイ推論においては、モータの回転角度の値をｍｉｎ−ｍａｘ合成重心法を用いて求めたが、この方法に限定されず、代数積−加算重心法等ファジイ推論の方法として知られた他の方法を採用することも可能である。いずれの方法を採用するかは、ファジイ推論制御の対象となるレーザ加工装置ごとに、経験等に基づき最も適した方法を採用すればよい。
【００６７】
次に、表１及び表２に、それぞれ上述のファジイ推論に用いた第１ルール系列及び第２ルール系列に対するパラメータを一覧にまとめる。表１及び表２に示されたパラメータから明らかなように、特段に複雑なファジイルールを定めてはいない。それにもかかわらず、上述のファジイ推論に基づく制御を実行すれば、レーザ加工装置の光学系のアライメントが、簡単に実現できることが確かめられた。
【００６８】
【表１】
【００６９】
【表２】
【００７０】
この表１及び表２の示す内容は、それぞれ図１１及び図１２に示したメンバーシップ関数が表しているものと数学的に同値の内容である。ここで、この表１及び表２に示したパラメータの示す意味は次のとおりである。ＬＰ:大きな正の値、ＳＰ：小さな正の値、ＺＥ:０、ＮＥ：負の値、ＮＳ:負の小さな値、ＮＬ:絶対値が大きな負の値である。
【００７１】
以上説明したことから、本発明によるレーザ加工装置の光学系の調整工程において、いわゆる原点復帰動作を必要としないことが分かる。これは、上述のファジイ推論の根拠として用いられる値が、第１光軸位置検出器の出力信号の時間差分値Ｓ’＝（Ｓ２−Ｓ１）／（ｔ２−ｔ１）及び目標値（極大値）Ｓ０に対してΔＳ＝（ｓ１／ｓ０）−１で与えられるΔＳのみであるからである。すなわち、Ｓ’及びΔＳの値を得るためには、何れに対してもいわゆる原点復帰動作を必要とせずに求められる値であるからである。この結果、繰り返し述べるが、何らかの原因（例えばバックラッシュ等）で、光路調整部４が光軸制御部５からの制御信号どおりに正しく調整されなくとも、再度光路調整部４に制御信号が送られることで、いずれは最適条件を満たすアライメントを完了できる。
【００７２】
また、本発明によるレーザ加工装置の光学系の調整工程において、上述のように、第１光軸位置検出器１０によって測定される受光強度という一つの情報に対して、調整値算出手段２６は光路調整部４において実行する複数の調整箇所でそれぞれ対応する光路調整値を算出することで、安定した光軸位置の固定を実現することができる。
【００７３】
なお、ファジイ推論を利用しないで光路制御を実現するとすれば、アライメント作業の中にエラー発生処理（ルーチン）や暴走防止処理（ルーチン）を設けることが必要となる。これらエラー発生処理や暴走防止処理を実行させるためのプログラム量は、上述のファジイ推論処理のための処理と同等かそれ以上を必要とする。そして、装置の機構設計上も、リミッタースイッチなどの暴走防止のための手段を用意する必要がある。暴走防止のための手段は、特にレーザ装置を構成する上では重要で、仮に暴走が発生すると、被加工物の損傷等の重大な結果を招く。
【００７４】
上述の実施例において開示したファジイ推論プログラムは、非常に単純なアルゴリズムに従って作られている。単純なアルゴリズムを基にしているために、プログラムの性格上から、レーザ加工装置の暴走が発生しにくい構造となっている。すなわち、ファジイ推論を利用することで、プログラムを単純化することができ、ファジイ推論を使うからこそ、単純なアルゴリズムで複雑な作業を行なえることとなった。
【００７５】
さらに、Ｓ’とΔＳとに対する二種類の判断を実行させる処理を行なうことが、上記暴走状態の発生を抑圧することに貢献している。Ｓ’あるいはΔＳのいずれか一方だけの判断でアライメント作業を制御しようとすれば、制御信号に混入する雑音等を原因として、暴走状態が発現する危険が大きくなる。Ｓ’及びΔＳの二種類の判断を行なっている場合には、暴走状態を発現させる要因が、Ｓ’とΔＳとの両方に発生しなければ装置の暴走状態が発現しない。よって、Ｓ’とΔＳとに対する二種類の判断を実行させる処理を行なうことで、暴走状態が発現する確率を格段に小さくできることになる。
【００７６】
以上説明したように、この発明のレーザ加工装置は、制御システム全体としてみた場合においても、暴走状態が起こりにくい構造となっていることが分かる。
【００７７】
以上のように、本発明のレーザ加工装置は、レーザ光源から出力されるレーザ光の光軸の揺れに起因する光軸の角度誤差をファジイ制御によって調整し、安定したレーザ光の光軸の位置を固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】ナノ単位の精度を有する本発明によるレーザ加工装置１の全体的な構成概略図
【図２】第１光軸位置検出器においてマトリクス状に配列された受光画素のうちレーザ光の照射点が１画素のみを基準画素として完全に照射している実施例
【図３】第１光軸位置検出器においてマトリクス状に配列された受光画素のうちレーザ光の照射点が４象限センサを形成する４つの画素の一部を均等に照射している実施例
【図４】第１光軸位置検出器１０における受光素子の配置に関する変形実施例
【図５】第１光軸位置検出器と第２光軸位置検出器とを用いてレーザ光の光軸の位置を検出する変形実施例
【図６】図４の変形実施例
【図７】図１における集光レンズ９と第１光軸位置検出器１０との間に支持台７１で支持されたピンホール７２を配置した状態を示す拡大図
【図８】本発明によるレーザ加工装置の光路調整機能の説明に供する概略的ブロック構成
【図９】受光強度変化の説明に供する図
【図１０】ファジイ推論に基づく光路調整ステップを示すフローチャート
【図１１】Ｓ’に対するメンバーシップ関数を表す図
【図１２】ΔＳに対するメンバーシップ関数を表す図
【図１３】ルール１１〜１４に基づく統合化の工程の説明に供する図
【図１４】ルール２１〜２３に基づく統合化の工程の説明に供する図
【図１５】統合化１及び統合化２のメンバーシップ関数の論理和として、統合化３を求める工程の説明に供する図
【符号の説明】
【００７９】
１ 本発明によるレーザ加工装置
２ レーザ光源
３ 防振テーブル
４ 光路調整部
５ 光軸制御部
６ 可動台
７ ステージ
８ 半透鏡
９ 集光レンズ
９’ 集光レンズ
１０ 第１光軸位置検出器
１１ 被加工物
１２ 可動台位置検出器
１３ 全反射鏡
１５ 第２光軸位置検出器
１６ 第２半透鏡
１８ 第２全反射鏡
２０ レーザ光の照射点
２１ ＣＣＤ画素
２２ 全反射鏡
２４ 全反射鏡
２６ 算出手段
２８ モータ制御部
３０ レーザ光の照射点
Ａ 画素間距離
Ｓ１〜Ｓ４ 画素におけるレーザ光の照射面積
４０ ４つの画素（４象限）の配列面
４１ レーザ光の反射球
４２ ピンホール
５０ ミラー支持台
７１ ピンホール支持台
７２ ピンホール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力する光源と、
該レーザ光の光路を調整する光路調整部と、
レーザ光を分光する第１分光器と、
所定の可動域を有し被加工物を載置する可動台と、
可動台の位置を検出する可動台位置検出器と、
前記分光されたレーザ光の光軸の位置を検出する第１光軸位置検出器と、
前記可動台と、可動台位置検出器と、第１光軸位置検出器とを載置したステージと、
前記第１光軸位置検出器からの出力を受けて前記光路調整部を制御し、前記分光したレーザ光の光軸を調整する光軸制御部と、
を具備したレーザ加工装置。
【請求項２】
前記光軸制御部は、ファジイ制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記分光したレーザ光をさらに分光する第２分光器と、第２分光器により分光された光軸の位置を検出するための第２光軸位置検出器とをさらに備え、第１光軸位置検出器と第２光軸位置検出器においてレーザ光が所定の位置で検出されるように前記光軸制御部を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
第１光軸位置検出器または第２光軸位置検出器の少なくとも一方は、第１分光器で分光されたレーザ光または第２分光器で分光されたレーザ光が球状の反射面に反射されて４象限センサで受光することにより各レーザ光の光軸の位置検出を行うことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記第１分光器と第１光軸位置検出器との間、あるいは、前記第２分光器と第２光軸位置検出器との間の少なくとも一方に、レーザ光が通過するための所定の口径を有するピンホールを配置することを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１】
レーザ光を出力する光源と、
該レーザ光の光路を調整する光路調整部と、
レーザ光を分光する第１分光器と、
所定の可動域を有し被加工物を載置する可動台と、
可動台の位置を検出する可動台位置検出器と、
前記分光されたレーザ光の光軸の位置を検出する第１光軸位置検出器と、
前記可動台と、可動台位置検出器と、第１光軸位置検出器とを載置したステージと、
前記第１光軸位置検出器からの出力を受けて前記光路調整部を制御し、前記分光したレーザ光の光軸を調整する光軸制御部と、
を具備したレーザ加工装置。
【請求項２】
前記光軸制御部は、ファジイ制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記分光したレーザ光をさらに分光する第２分光器と、第２分光器により分光された光軸の位置を検出するための第２光軸位置検出器とをさらに備え、第１光軸位置検出器と第２光軸位置検出器においてレーザ光が所定の位置で検出されるように前記光軸制御部を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
第１光軸位置検出器または第２光軸位置検出器の少なくとも一方は、第１分光器で分光されたレーザ光または第２分光器で分光されたレーザ光が球状の反射面に反射されて４象限センサで受光することにより各レーザ光の光軸の位置検出を行うことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記第１分光器と第１光軸位置検出器との間、あるいは、前記第２分光器と第２光軸位置検出器との間の少なくとも一方に、レーザ光が通過するための所定の口径を有するピンホールを配置することを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載のレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００６−２８９４４３（Ｐ２００６−２８９４４３Ａ）
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１１４０２４（Ｐ２００５−１１４０２４）
【出願日】平成１７年４月１１日（２００５．４．１１）
【出願人】（５０４０４９７３０）株式会社光フィジクス研究所 (20)
【出願人】（５００２６９９３４）サイバーレーザー株式会社 (25)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月１１日（２００５．４．１１）
【出願人】（５０４０４９７３０）株式会社光フィジクス研究所 (20)
【出願人】（５００２６９９３４）サイバーレーザー株式会社 (25)
【Ｆターム（参考）】
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