レーザ加工装置
【課題】 直径が小さな円筒状の加工対象物の表面をレーザ加工する場合であっても、簡単な構成で、レーザ光の焦点が加工対象物の適正位置になるように制御する。
【解決手段】 Ｘ軸方向に延びた円筒状の加工対象物ＯＢに対して、加工用ヘッド１０からＺ軸方向に加工用レーザ光を照射するとともに、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からサーボ用レーザ光をＺ軸方向に照射し、フォトディテクタ１１８に映し出される加工対象物ＯＢの射影の位置により加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれを検出する。Ｙ軸方向サーボ回路１６２等は、このＹ軸方向のずれに応じて、サーボ制御により対物レンズ１１２をＹ軸方向に駆動する。遅延回路１６４は、前記Ｙ軸方向サーボ制御の信号を遅延して、対物レンズ１１２をＺ軸方向に駆動する。
【解決手段】 Ｘ軸方向に延びた円筒状の加工対象物ＯＢに対して、加工用ヘッド１０からＺ軸方向に加工用レーザ光を照射するとともに、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からサーボ用レーザ光をＺ軸方向に照射し、フォトディテクタ１１８に映し出される加工対象物ＯＢの射影の位置により加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれを検出する。Ｙ軸方向サーボ回路１６２等は、このＹ軸方向のずれに応じて、サーボ制御により対物レンズ１１２をＹ軸方向に駆動する。遅延回路１６４は、前記Ｙ軸方向サーボ制御の信号を遅延して、対物レンズ１１２をＺ軸方向に駆動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直径が小さな円筒状の加工対象物の表面をレーザ加工するレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ドラム状の固定治具の外周面にシート状の加工対象物を固定し、固定治具をその中心軸周りに回転させながら軸方向に沿って移動させるとともに、加工ヘッドにより加工用レーザ光を対物レンズで集光して加工対象物の表面に照射することで、加工対象物表面に螺旋状にレーザ加工（ピット、溝、反応跡等の形成）を施すレーザ加工装置が知られている。このようなレーザ加工装置は、例えば、下記特許文献１に提案されている。
【０００３】
ドラム式レーザ加工装置において、加工対象物に微細なレーザ加工を行う場合は、例えば、下記特許文献２に提案されているように、光ディスク装置におけるフォーカスサーボ制御と同様、加工対象物からの反射光を４分割された受光領域を有するフォトディテクタで受光し、非点収差法等により、各受光領域の受光信号からレーザ光の焦点位置と加工対象物の表面との光軸方向のずれに相当するフォーカスエラー信号を生成する。そして、このフォーカスエラー信号の値がゼロになるように、レーザ光を集光する対物レンズをレーザ光の光軸方向に移動させることで、レーザ光の焦点位置が加工対象物の表面と一致するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１３２２６８号公報
【特許文献２】特開２００１−２４３６６３号公報
【発明の概要】
【０００５】
しかしながら、上記フォーカスサーボ制御は、レーザ光を加工対象物の表面に垂直に照射できることを前提としているが、加工対象物が非常に細い円筒状部材（例えば、直径が５０μｍの円筒状のパイプ）である場合には、レーザ光の光軸が円筒状部材の中心軸からずれている（交差しない）と、レーザ光を加工対象物の表面に対して斜めに照射してしまうため、適切なフォーカスエラー信号を生成することができない。こうした場合においては、加工対象物のレーザ光の光軸方向の変動に加えて光軸に垂直な方向の変動も考慮しなければならない。したがって、従来のフォーカスサーボ制御では、レーザ光の焦点が加工対象物の適正位置になるように制御することは不可能であった。
【０００６】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、直径が小さな円筒状の加工対象物の表面をレーザ加工する場合であっても、簡単な構成で、レーザ光の焦点が加工対象物の適正位置になるように制御することを目的とする。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、直径が小さな円筒状の加工対象物（ＯＢ）を、その中心軸線方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段（５１）と、加工用レーザ光源（１０２）及び対物レンズ（１１２）を有し、加工用レーザ光源から出射されて対物レンズによって集光された加工用レーザ光を、加工対象物の表面にＸ軸方向と直交するＺ軸方向から照射する加工用レーザ光照射手段と、対物レンズをＸ軸方向とＺ軸方向とに直交するＹ軸方向に変位させて、加工用レーザ光の光軸をＹ軸方向に移動するＹ軸アクチュエータ（１１４ｙ）と、対物レンズをＺ軸方向に変位させて、加工用レーザ光の焦点位置をＺ軸方向に移動するＺ軸アクチュエータ（１１４ｚ）と、加工対象物又は加工用レーザ光照射手段をＸ軸方向回りに回転させて、加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、加工対象物に対して相対的にＸ軸方向回りに回転させる回転手段（５２）と、加工対象物又は加工用レーザ光照射手段をＸ軸方向に変位させて、加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、加工対象物に対して相対的にＸ軸方向に移動させる移動手段（５３〜５５）とを備えたレーザ加工装置において、照射方向がＺ軸方向に設定されたサーボ用レーザ光を加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射手段（２０，１３０）と、サーボ用レーザ光に基づいて生成されて加工対象物のＹ軸方向の位置を表す情報を含むレーザ光を受光して、加工用レーザ光の光軸に対する加工対象物のＸ軸方向の中心軸のＹ軸方向のずれ量を表す受光信号を出力するずれ検出用フォトディテクタ（１１８，１４０）と、ずれ検出用フォトディテクタから出力された受光信号を用いて、加工用レーザ光の光軸を加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるための制御信号を生成し、前記制御信号に応じてＹ軸アクチュエータを駆動制御して、加工用レーザ光の光軸を加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるＹ軸方向サーボ制御手段（１６１〜１６３）と、ずれ検出用フォトディテクタから出力された受光信号又はＹ軸方向サーボ制御手段によって生成された制御信号を入力し、前記Ｙ軸方向のずれが、回転手段による加工用レーザ光の照射位置のＸ軸方向周りの相対回転に伴い、Ｚ軸方向のずれとして現れるのに要する時間だけ、前記入力した受光信号又は制御信号を遅延し、前記遅延した受光信号又は制御信号を用いてＺ軸アクチュエータを駆動制御して、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物の外周面に一致させるＺ軸方向サーボ制御手段（１６４，１６５）とを設けたことにある。
【０００８】
この場合、ずれ検出用フォトディテクタが、サーボ用レーザ光に基づいて生成されて加工対象物のＹ軸方向の位置を表す情報を含むレーザ光を受光するために、サーボ用レーザ光照射手段が、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用レーザ光として、加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で加工対象物に照射するようにし、ずれ検出用フォトディテクタが、前記加工対象物のＹ軸方向の位置を表す情報を含むレーザ光として、加工対象物の射影を含むレーザ光を受光するようにするとよい。また、サーボ用レーザ光照射手段が、加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光をサーボ用レーザ光として、加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で加工対象物に照射し、加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、ずれ検出用フォトディテクタが、前記加工対象物のＹ軸方向の位置を表す情報を含むレーザ光として、加工対象物によるサーボ用レーザ光の反射光を受光するようにしてもよい。
【０００９】
上記のように構成した本発明においては、照射方向がＺ軸方向に設定されたサーボ用レーザ光が加工対象物に照射され、ずれ検出用フォトディテクタが、サーボ用レーザ光に基づいて生成されて加工対象物のＹ軸方向の位置を表す情報を含むレーザ光を受光して、加工用レーザ光の光軸に対する加工対象物のＸ軸方向の中心軸のＹ軸方向のずれ量を表す受光信号を出力する。そして、Ｙ軸方向サーボ制御手段が、ずれ検出用フォトディテクタから出力された受光信号を用いて、加工用レーザ光の光軸を加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるための制御信号を生成してＹ軸アクチュエータを駆動制御して、加工用レーザ光の光軸を加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させる。また、Ｚ軸方向サーボ制御手段が、前記Ｙ軸方向のずれが、回転手段による加工用レーザ光の照射位置のＸ軸方向周りの相対回転に伴い、Ｚ軸方向のずれとして現れるのに要する時間だけ、ずれ検出用フォトディテクタ又はＹ軸方向サーボ制御手段から入力した受光信号又は制御信号を遅延し、前記遅延した受光信号又は制御信号を用いてＺ軸アクチュエータを駆動制御して、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物の外周面に一致させる。
【００１０】
したがって、本発明によれば、直径の小さな円筒状の加工対象物の外周面をレーザ加工する場合でも、適正に集光した加工用レーザ光を加工対象物の外周面に垂直に照射することができる。その結果、加工対象物の外周面を的確にレーザ加工することができ、適正幅の螺旋状の加工跡を加工対象物の外周面に形成できる。また、本発明によれば、Ｚ軸方向サーボ制御手段が、ずれ検出用フォトディテクタ又はＹ軸方向サーボ制御手段から入力した受光信号又は制御信号を遅延して、前記遅延した受光信号又は制御信号を用いてＺ軸アクチュエータを駆動制御するようにしたので、加工用レーザ光の焦点位置の加工対象物の外周面からのずれを検出するためのＹ軸方向にレーザ光を照射するサーボ用レーザ照射手段及び前記Ｙ軸方向に照射されたレーザ光を受光するずれ検出用フォトディテクタが不要となり、レーザ加工装置全体を簡単に構成できる。
【００１１】
また、本発明の他の特徴は、サーボ用レーザ光照射手段（２０）は、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用レーザ光として、加工用レーザ光照射手段から照射される加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、かつ加工用レーザ光の照射方向とは反対方向から加工対象物に対して照射し、ずれ検出用フォトディテクタ（１１８）は、加工対象物の射影を含むレーザ光を受光し、加工用レーザ光照射手段は、加工用レーザ光を加工対象物に照射するための光路の途中に、光路に入射したサーボ用レーザ光を光路から分離してずれ検出用フォトディテクタに導く分離用光学素子（１１０）を備えたことにある。
【００１２】
上記本発明の他の特徴においては、加工用レーザ光とサーボ用レーザ光とを同一の光軸上で照射し、ずれ検出用フォトディテクタは、この加工用レーザ光と同一の光軸を有するサーボ用レーザ光に基づいて、加工用レーザ光の光軸に対する加工対象物のＸ軸方向の中心軸のＹ軸方向のずれ量を表わす受光信号を出力する。そして、Ｙ軸方向サーボ制御手段が、この受光信号を用いて加工用レーザ光の光軸を加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるようにＹ軸方向アクチュエータを駆動制御するので、Ｙ軸アクチュエータはクローズドループ制御により駆動制御され、特にＹ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【００１３】
また、本発明の他の特徴は、サーボ用レーザ光照射手段（１３０）は、対物レンズにより加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光をサーボ用レーザ光として、加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で加工対象物に照射し、かつずれ検出用フォトディテクタ（１４４）は、加工対象物によるサーボ用レーザ光の反射光を受光し、加工用レーザ光照射手段は、加工用レーザ光を加工対象物に照射するための光路の途中に、加工対象物によるサーボ用レーザ光の反射光を前記光路から分離してずれ検出用フォトディテクタに導く分離用光学素子（１１０）を備えたことにある。
【００１４】
上記本発明の他の特徴においては、対物レンズにより加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光が、サーボ用レーザ光として、加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で加工対象物に照射され、ずれ検出用フォトディテクタは、加工対象物によるサーボ用レーザ光の反射光に基づいて、加工用レーザ光の光軸に対する加工対象物のＸ軸方向の中心軸のＹ軸方向のずれ量を表わす受光信号を出力する。そして、Ｙ軸方向サーボ制御手段が、この受光信号を用いて加工用レーザ光の光軸を加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるようにＹ軸方向アクチュエータを駆動制御する。したがって、この場合も、Ｙ軸アクチュエータはクローズドループ制御により駆動制御され、特にＹ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。さらに、この場合には、サーボ用レーザ光の反射光の検出位置は、加工対象物のＹ軸方向の変位に対して大きく変動するため、Ｙ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【００１５】
さらに、本発明の他の特徴は、加工用レーザ光照射手段により加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光を受光して、前記反射光の強度を表わす受光信号を出力する強度検出用フォトディテクタ（１２２）と、強度検出用フォトディテクタから出力された受光信号を入力して、前記入力した受光信号により表わされた反射光の強度が基準値以下であるとき、加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判定する判定手段（９０、ステップＳ１１６）を備えたことにある。
【００１６】
上記本発明においては、強度検出用フォトディテクタが加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を表わす受光信号を出力し、判定手段が、受光信号により表わされた反射光の強度が基準値以下であるとき、加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判定する。したがって、レーザ加工を開始する前に、Ｙ軸方向サーボ制御手段とＺ軸方向サーボ制御手段とを作動させた状態で、判定手段によりフォーカスサーボ制御が適正に行われているか否かを確認することができる。このため、レーザ加工の失敗を防止することが可能となる。
【００１７】
さらに、本発明の実施にあたっては、レーザ加工装置の発明に限定されることなく、方法発明としても実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図である。
【図２】第１実施形態に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドとサーボ用Ｚ軸方向光ヘッドの概略構成図である。
【図３】Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向を表す説明図である。
【図４】図１及び図２のフォトディテクタに照射された射影の状態を表す説明図である。
【図５】加工対象物の変位とエラー信号波形値との関係を表す特性図である。
【図６】レーザ加工制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図７】加工対象物が回転するときの様子を回転軸方向に見た図である。
【図８】(Ａ)は加工対象物の回転角に対するＹ軸方向のずれの変化を示す波形図であり、(Ｂ)は加工対象物の回転角に対するＺ軸方向のずれの変化を示す波形図である。
【図９】第２実施形態に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドの概略構成図である。
【図１０】図９における、加工対象物の変位とフォトディテクタに照射された反射光の位置変化との関係を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
ａ．第１実施形態
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図である。このレーザ加工装置は、直径の小さな円筒状の加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を螺旋状に照射してレーザ加工を行うものである。レーザ加工装置は、加工対象物ＯＢを保持して加工対象物ＯＢの中心軸回りに回転させるとともに加工対象物ＯＢをその中心軸方向に移動させるワーク駆動装置５０と、加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を照射する加工用ヘッド１０(図２参照）と、加工対象物ＯＢの表面にサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を照射するサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０(図２参照）と、各種の電気回路（後述する）と、レーザ加工装置全体の作動を制御するコントローラ９０とを備えている。
【００２０】
ここで、レーザ加工装置における方向を定義する。図３に示すように、ワーク駆動装置５０に固定された加工対象物ＯＢの中心軸線方向をＸ軸方向と呼ぶ。また、Ｘ軸方向に直交し、加工用ヘッド１０から加工対象物ＯＢに照射される加工用レーザ光の光軸の方向をＺ軸方向と呼ぶ。また、Ｘ軸方向とＺ軸方向との両方に直交する方向をＹ軸方向と呼ぶ。
【００２１】
本実施形態における加工対象物ＯＢは、表面にフォトレジストが被覆された直径５０μｍのニッケルパイプである。この加工対象物ＯＢは、最終的に直径５０μｍのマイクロスプリングの製作に使用されるパイプに加工されるもので、本実施形態のレーザ加工装置は、フォトレジストの表面に加工用レーザ光を螺旋状に照射することにより、フォトレジストに螺旋状の反応跡を形成する装置として使用される。加工対象物ＯＢは、その後、現像液に浸漬されて反応跡が除去され、残ったフォトレジストをマスクとして使ってエッチングされる。これにより、ニッケルパイプに螺旋状の開口が形成されてマイクロスプリング製作用のパイプが作られる。
【００２２】
このように非常に細い径のパイプ状の加工対象物ＯＢに対してレーザ加工を行う場合には、従来から知られているように加工用レーザ光の反射光から非点収差法などによりフォーカスエラー信号を生成しても、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸から外れてしまうと、適正なフォーカスエラー信号が得られず、加工用レーザ光の焦点を加工対象物ＯＢの外周面に合わせることができない。そこで、本実施形態においては、加工対象物ＯＢにサーボ用レーザ光をＺ軸方向に照射し、加工対象物ＯＢが映し出される射影の位置に基づいて加工用レーザ光の焦点位置をＹ軸方向に制御して加工用レーザ光の光軸を加工対象物ＯＢの中心軸と交差させるとともに、Ｙ軸方向に制御するための信号を遅延させて、加工用レーザ光の焦点位置をＸ軸方向に制御して加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物ＯＢの外周面に一致させるようにする。
【００２３】
まず、ワーク駆動装置５０から説明する。ワーク駆動装置５０は、加工対象物ＯＢの両端をチャッキングして回転可能に保持する移動ステージ５１と、移動ステージ５１に保持された加工対象物ＯＢをその中心軸回りに回転させるスピンドルモータ５２と、移動ステージ５１をＸ軸方向に移動させるねじ送り機構５３とを備えている。
【００２４】
ねじ送り機構５３は、移動ステージ５１に固定されたナット(図示略）に螺合するスクリューロッド５４と、スクリューロッド５４を回転させるフィードモータ５５とを備えている。スクリューロッド５４は、移動ステージ５１に保持された加工対象物ＯＢの中心軸（即ち、スピンドルモータ５２の回転軸）と平行となるＸ軸方向に延びて設けられ、その一端側が、レーザ加工装置本体フレーム（図示略）に固定されたフィードモータ５５の出力軸に連結され、他端側が、レーザ加工装置本体フレームに固定された軸受部（図示略）に回転可能に軸支される。また、移動ステージ５１は、図示しない案内ガイドにより、回転規制されており、Ｘ軸方向にのみ移動可能となっている。したがって、フィードモータ５５を正転あるいは逆転駆動すると、フィードモータ５５の回転運動が移動ステージ５１の直線運動に変換され、加工対象物ＯＢがＸ軸方向に前進あるいは後退できるようになっている。
【００２５】
スピンドルモータ５２内には、エンコーダ５２ａが組み込まれている。エンコーダ５２ａは、スピンドルモータ５２が所定の微小回転角度だけ回転する度に、その出力がハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号を出力する。エンコーダ５２ａから出力されるパルス列信号は、スピンドルモータ制御回路５６に入力される。スピンドルモータ制御回路５６は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、エンコーダ５２ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数からスピンドルモータ５２の回転速度を計算し、計算した回転速度がコントローラ９０によって設定された回転速度に等しくなるようにスピンドルモータ５２の回転を制御する。
【００２６】
フィードモータ５５内にも、エンコーダ５５ａが組み込まれている。このエンコーダ５５ａは、フィードモータ５５が所定の微小回転角度だけ回転する度に、その出力がハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号を出力する。エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号は、フィードモータ制御回路５７と移動位置検出回路５８に入力される。移動位置検出回路５８は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、作動開始後、エンコーダ５５ａから出力されるパルス信号が入力されなくなると移動限界位置を意味する信号をフィードモータ制御回路５７に出力し、カウント値を「０」として、以後、エンコーダ５５ａが出力するパルス信号のパルス数をカウントする。そして積算したカウント数から移動ステージ５１の移動位置を計算してコントローラ９０及びフィードモータ制御回路５７に出力する。このカウント値が「０」となる移動限界位置が、移動ステージ５１の移動位置を制御する原点位置となる。
【００２７】
フィードモータ制御回路５７は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、コントローラ９０から移動位置の設定値を入力すると、移動位置検出回路５８から所定時間間隔で出力される移動位置を入力し、入力した移動位置がコントローラ９０から入力した設定値になるまでフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動させる。なお、作動開始直後において移動位置の設定値が入力されると、フィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動限界位置方向に移動させ、移動位置検出回路５８から移動限界位置を表す信号を入力するとフィードモータ５５への駆動信号の出力を停止する。その後、移動位置検出回路５８から出力される移動位置がコントローラ９０から入力した移動位置の設定値になるまでフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動させる。
【００２８】
また、フィードモータ制御回路５７には、移動ステージ５１の移動速度の設定値（設定速度）がコントローラ９０により入力される。そして、コントローラ９０から移動開始の指示を入力すると、エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数から移動ステージ５１の移動速度を計算し、計算した移動速度が設定速度になるようにフィードモータ５５を駆動制御する。
【００２９】
次に、加工用ヘッド１０について図２を用いて説明する。加工用ヘッド１０は、加工対象物ＯＢの円筒表面に加工用レーザ光を照射する機能と、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から照射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を受光して加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれに応じた信号を出力する機能とを有する。加工用ヘッド１０は、加工用レーザ光を出射するレーザ光源１０２と、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６、１／４波長板１０８、ダイクロイックミラー１１０及び対物レンズ１１２とを備えている。
【００３０】
レーザ光源１０２は、加工用レーザ駆動回路１５０から供給される電流及び電圧により駆動されて加工用レーザ光を出射する。レーザ光源１０２から出射された加工用レーザ光は、コリメートレンズ１０４により平行光となって偏光ビームスプリッタ１０６に入射する。加工用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ１０６をそのまま透過し、１／４波長板１０８を通過して直線偏光から円偏光に変換される。１／４波長板１０８を通過した加工用レーザ光は、ダイクロイックミラー１１０を透過して対物レンズ１１２に入射する。こうして、加工用レーザ光は、対物レンズ１１２により加工対象物ＯＢの表面で集光する。
【００３１】
対物レンズ１１２には、フォーカスアクチュエータ１１４が設けられている。フォーカスアクチュエータ１１４は、対物レンズ１１２を加工用レーザ光の光軸方向、すなわちＺ軸方向に移動させるＺ軸アクチュエータ１１４ｚと、対物レンズ１１２をＹ軸方向に移動させるＹ軸アクチュエータ１１４ｙとを備えている。したがって、Ｚ軸アクチュエータ１１４ｚを作動させることにより加工用レーザ光の焦点位置をＺ軸方向（光軸方向）に移動でき、Ｙ軸アクチュエータ１１４ｙを作動させることにより加工用レーザ光の焦点位置（すなわち光軸）をＹ軸方向に移動できるようになっている。尚、対物レンズ１１２は、アクチュエータ１１４ｚ、１１４ｙが通電されていないときに、Ｚ軸方向及びＹ軸方向の可動範囲の中心に位置する。以下、この位置を対物レンズ１１２の原点位置と呼ぶ。また、対物レンズを２軸方向に駆動するアクチュエータは、例えば、特開２００４−３９０６５等において知られている。
【００３２】
対物レンズ１１２で集光された加工用レーザ光は、加工対象物ＯＢの表面に照射されて反射する。加工対象物ＯＢで反射した反射光は、対物レンズ１１２、ダイクロイックミラー１１０及び１／４波長板１０８を通過する。この場合、反射光は、１／４波長板１０８を２回通過したことになるため、レーザ光源から出射されたレーザ光とは偏光方向が９０度異なったものとなる。したがって、１／４波長板１０８を通過した反射光は、偏光ビームスプリッタ１０６で反射する。偏光ビームスプリッタ１０６の反射方向には、集光レンズ１２０及びフォトディテクタ１２２が設けられている。このため、偏光ビームスプリッタ１０６で反射した反射光は、集光レンズ１２０によりフォトディテクタ１２２に集光する。
【００３３】
フォトディテクタ１２２は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ１２２は、加工用レーザ光が加工対象物ＯＢで反射した反射光の強度に対応した受光信号を出力する。フォトディテクタ１２２の出力する受光信号は、増幅回路１５２により増幅され、Ａ／Ｄ変換器１５３に供給される。Ａ／Ｄ変換器１５３は、コントローラ９０からの指令により作動し、増幅回路１５２から供給された受光信号の強度（瞬時値）をデジタル信号に変換してコントローラ９０に出力する。コントローラ９０は、この受光信号が表す反射光強度から、後述するＺ軸方向とＹ軸方向のサーボ制御が適切に行われているかを判定する。
【００３４】
また、加工用ヘッド１０は、レーザ光源１０２から出射された加工用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ１０６で反射させ、その反射光を集光レンズ１２４によりフォトディテクタ１２６の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ１２６は、フォトディテクタ１２２と同様に、その受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ１２６は、レーザ光源１０２が出射した加工用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、加工用レーザ駆動回路１５０に供給される。
【００３５】
加工用レーザ駆動回路１５０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、レーザ光源に対して加工用強度、すなわち加工対象物ＯＢの表面を適切に加工できる強度（この例では、フォトレジストに反応跡を形成できる強度）のレーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。本実施形態においては、加工用レーザ駆動回路１５０は、フォトディテクタ１２６が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるようにレーザ光源１０２に出力する電流あるいは電圧を調整する。これにより、加工対象物ＯＢに照射される加工用レーザ光の強度が設定加工用強度に維持される。
【００３６】
また、加工用レーザ駆動回路１５０は、発光信号供給回路１５１によりレーザ光源１０２への駆動信号の出力形態が制御される。発光信号供給回路１５１は、コントローラ９０から加工模様を表すデータを入力して、レーザ加工中に、そのデータに対応したパルス列信号、あるいは、連続信号を加工用レーザ駆動回路１５０に供給する。本実施形態では、加工対象物ＯＢの表面のフォトレジストに連続した螺旋状の反応跡を形成するものであるため、発光信号供給回路１５１からは連続信号が出力されるが、例えば、複数の微細ピットを列状に形成する場合には、ピットの長さ、ピットの形成間隔に応じた時間幅のハイレベル信号とローレベル信号からなるパルス列信号が出力される。
【００３７】
加工用ヘッド１０には、さらに、ダイクロイックミラー１１０の反射方向にリレーレンズ（結像レンズ）１１６及びフォトディテクタ１１８が設けられている。このリレーレンズ１１６及びフォトディテクタ１１８は、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から照射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を検出するために設けられたものである。したがって、先に、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０について説明する。
【００３８】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、図２に示すように、加工対象物ＯＢを挟んで加工用ヘッド１０と向き合うように、加工用ヘッド１０と対になってレーザ加工装置の本体フレーム（図示略）に固定される。サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、サーボ用レーザ光を出射するレーザ光源２０２と、レーザ光源２０２から出射されるサーボ用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ２０４及び偏光ビームスプリッタ２０６と、偏光ビームスプリッタ２０６の反射方向に設けられる集光レンズ２０８及びフォトディテクタ２１０とを備えている。
【００３９】
レーザ光源２０２は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。レーザ光源２０２から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ２０４により平行光となって偏光ビームスプリッタ２０６に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ２０６をそのまま透過してサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射する。このサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射したレーザ光が、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光である。サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光となる。
【００４０】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の出射方向がＺ軸方向となり、しかも、その光軸が、加工用ヘッド１０の対物レンズ１１２が原点位置にある時に加工用ヘッド１０から出射する加工用レーザ光の光軸と一致するように位置決めされている。この場合、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０と加工用ヘッド１０は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及び加工用レーザ光の光軸がワーク駆動装置５０の回転軸（スピンドルモータ５２の回転軸）と直交するように、ワーク駆動装置５０に対する相対位置関係が定められている。
【００４１】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、加工対象物ＯＢに遮られなかったレーザ光が加工用ヘッド１０の対物レンズ１１２に入射する。この場合、対物レンズ１１２に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、受光すると中央に加工対象物ＯＢの棒状の影が形成されたものとなる。この加工対象物ＯＢによってできた影を射影と呼び、射影とその周囲の光とを合わせて射影光と呼ぶ。
【００４２】
対物レンズ１１２に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、集光されてダイクロイックミラー１１０に入射する。ダイクロイックミラー１１０は、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する光学素子であり、レーザ光源２０２から出射されるサーボ用レーザ光に対しては反射し、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光に対しては透過するように、各レーザ光の波長が設定されている。したがって、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、ダイクロイックミラー１１０で反射する。ダイクロイックミラー１１０の反射方向には、リレーレンズ１１６（結像レンズ）及びフォトディテクタ１１８が設けられており、ダイクロイックミラー１１０で反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光がリレーレンズ１１６により平行光になりフォトディテクタ１１８の受光面に入射する。フォトディテクタ１１８の受光面には、加工対象物ＯＢの影である棒状の射影が映し出される。
【００４３】
フォトディテクタ１１８は、図４に示すように、受光領域が左右に（Ｙ軸方向）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ａ，Ｂに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ａ，ｂ）として出力する。このフォトディテクタ１１８は、受光したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光（射影光Ｌ）における棒状の射影Ｓが受光領域Ａ，Ｂの分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ、Ｚ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影Ｓが受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。したがって、この受光信号（ａ，ｂ）は、それらの差により、加工用レーザ光の光軸すなわちワーク駆動装置５０の回転軸に対する加工対象物ＯＢのＸ軸方向の中心軸のＹ軸方向のずれ量を表している。
【００４４】
フォトディテクタ１１８から出力される受光信号（ａ，ｂ）は、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１に入力される。Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１は、受光信号（ａ，ｂ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ａ−ｂ）を演算し、その演算結果をＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）としてＹ軸方向サーボ回路１６２に出力する。Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸（加工用レーザ光の光軸）とのＹ軸方向におけるずれ量を表すものである。
【００４５】
図５は、加工対象物ＯＢの位置をＹ軸方向に変化させたときのＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の波高値を表したものである。図示するように、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は、Ｓ字状波形となる。したがって、Ｓ字状波形の山（ｃ位置）から谷（ａ位置）までの範囲ｒ（Ｓ字検出範囲ｒと呼ぶ）においては、加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれ量とＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさとが一対一に対応する。このため、Ｓ字検出範囲ｒ内において、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれ量を検出することができる。
【００４６】
例えば、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向にずれていない場合、（ｂ）に示すように、フォトディテクタ１１８に映し出される射影Ｓは、受光面の中央に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）はゼロとなる。一方、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向における一方側（左側と呼ぶ）にずれている場合には、（ａ）に示すように、フォトディテクタ１１８に映し出される射影Ｓが受光面の左側に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は負の値をとる。また、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向における他方側（右側と呼ぶ）にずれている場合には、（ｃ）に示すように、フォトディテクタ１１８に映し出される射影Ｓが受光面の右側に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は正の値をとる。
【００４７】
Ｙ軸方向サーボ回路１６２は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１から入力したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようなＹ軸方向サーボ信号を生成してＹ軸方向ドライブ回路１６３に出力する。Ｙ軸方向ドライブ回路１６３は、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてＹ軸アクチュエータ１１４ｙを駆動する信号を出力して、対物レンズ１１２をＹ軸方向に移動させる。したがって、フォトディテクタ１１８に映し出される射影が受光面の中央に維持されるように対物レンズ１１２のＹ軸方向の位置が制御されることとなる。対物レンズ１１２のＹ軸方向の移動は、加工対象物ＯＢに照射する加工用レーザ光の光軸をＹ軸方向に移動させることになる。このため、対物レンズ１１２のＹ軸方向の位置制御により、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように維持される。
【００４８】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、レーザ光源２０２から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ２０６で反射させ、その反射光を集光レンズ２０８によりフォトディテクタ２１０の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ２１０は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ２１０は、レーザ光源２０２が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に供給される。
【００４９】
サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、レーザ光源２０２に対して、加工対象物ＯＢの表面を変化させず、かつ、加工用ヘッド１０のフォトディテクタ１１８で射影光を検出できる強度のサーボ用レーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。本実施形態においては、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、フォトディテクタ２１０が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるようにレーザ光源２０２に出力する電流あるいは電圧を制御する。これにより、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射するサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の強度が一定の適正値に維持される。
【００５０】
Ｙ軸方向サーボ回路１６２から出力されるＹ軸方向サーボ信号は、遅延回路１６４にも供給されている。遅延回路１６４は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、このＹ軸方向サーボ信号をコントローラ９０によって指示される時間だけ遅延して、Ｚ軸方向サーボ信号としてＺ軸方向ドライブ回路１６５に出力する。この遅延時間は、コントローラ９０によって計算されるものであり、加工対象物ＯＢの軸線方向周りの回転速度Ｎ（回／秒）の逆数（すなわち、加工対象物ＯＢの１回転当たりの時間１／Ｎ）を「４」で除した下記式１によって規定される時間（すなわち加工対象物ＯＢの１／４回転に要する時間）である。
遅延時間＝(１／４)・(１／回転速度Ｎ) …式１
【００５１】
Ｚ軸方向ドライブ回路１６５は、遅延回路１６４からのＺ軸方向サーボ信号に基づいてＺ軸アクチュエータ１１４ｚを駆動する信号を出力して、対物レンズ１１２をＺ軸方向に移動させる。この場合、前記遅延回路１６４から出力されるＺ軸方向サーボ信号は、後述するように、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量、すなわちワーク駆動装置の回転軸に対する加工対象物ＯＢのＸ軸方向の中心軸のＺ軸方向のずれ量を表している。したがって、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量だけ、対物レンズ１１２が原点位置からＺ軸方向に移動される。
【００５２】
加工用ヘッド１０は、対物レンズ１１２が原点位置にあり、かつ、加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致している場合に、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するように位置決めされている。このため、加工対象物ＯＢの位置がＺ軸方向に変動しても、その変動量だけ対物レンズ１１２を原点位置からＺ軸方向に移動させることにより、常に、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物ＯＢの表面と一致させることができる。つまり、加工用レーザ光の焦点位置を、ワーク駆動装置５０の回転軸よりも加工対象物ＯＢの半径分だけ対物レンズ１１２側に維持させることができる。
【００５３】
遅延回路１６４によって遅延されたＹ軸方向サーボ信号が加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を表す点について詳しく説明しておく。図７は、加工対象物ＯＢをその軸線方向から見た図である。破線で示す加工対象物ＯＢが、回転中心Ｏを中心に矢印方向に図示実線位置まで回転したとする。このときの回転角をθとし、加工対象物ＯＢの中心軸線位置をＯ１とし、回転中心Ｏから加工対象物ＯＢの中心軸線位置Ｏ１までの距離をｒとする。なお、図示1点差線は、加工対象物ＯＢが１回転する際、加工対象物ＯＢの中心軸線位置Ｏ１がたどる軌跡を示している。この場合、図示横方向がＹ軸方向であり、縦方向がＺ軸方向である。破線位置にある加工対象物ＯＢの中心軸線位置Ｏ１を基準にすると、加工対象物ＯＢの回転角θの回転により、加工対象物ＯＢの中心軸線位置Ｏ１の回転中心Ｏに対するＹ軸方向及びＺ軸方向のずれ量Ｄevy，Ｄevzは下記式２，３のように表される。
Ｄevy＝ｒ・cosθ …式２
Ｄevz＝ｒ・sinθ＝ｒ・cos(θ−π／２） …式３
【００５４】
これらのＹ軸方向及びＺ軸方向のずれ量Ｄevy，Ｄevzは、図８(Ａ)(Ｂ)の波形図のようになる。これらからも明らかなように、Ｚ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量Ｄevzは、Ｙ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量Ｄevyに対してπ／２だけ遅れている。したがって、Ｙ軸方向サーボ回路１６２からのＹ軸方向サーボ信号を、遅延回路１６４によって加工対象物ＯＢの１／４回転に要する時間だけ遅延した信号は、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を表している。
【００５５】
この点についてさらに説明しておくと、加工対象物ＯＢの回転中心Ｏが加工対象物ＯＢの中心軸線位置Ｏ１からずれているために、Ｙ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量Ｄevyは、加工対象物ＯＢが図７の矢印方向に１／４回転した時点で、Ｚ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量Ｄevz と等しくなる。したがって、遅延回路１６４は、Ｙ軸方向のずれ量Ｄevyを補正するためのサーボ信号を、Ｙ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量ＤevyがＺ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量Ｄevzとして現れるのに要する時間だけ遅延することになる。なお、加工対象物ＯＢが図７の矢印方向と反対方向に回転する場合には、Ｚ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量ＤevzはＹ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量Ｄevyに対して加工対象物ＯＢの３／４回転に相当する時間だけ遅れる。したがって、この場合の遅延時間は、下記式４のように表わされる。
遅延時間＝(３／４)・(１／回転速度Ｎ) …式４
【００５６】
コントローラ９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータと、ハードディスクや不揮発性メモリなどの記憶装置と、入出力インタフェース等から構成される電子制御装置である。コントローラ９０には、作業者が各種パラメータや処理等を指示するための入力装置９１と、作業者に対して作動状況等を視覚的に知らせるための表示装置９２とが接続されている。
【００５７】
次に、レーザ加工を行う際の制御について説明する。図６は、コントローラ９０が実行するレーザ加工制御ルーチンを表すフローチャートである。レーザ加工制御ルーチンは、コントローラ９０のＲＯＭ内に制御プログラムとして記憶されている。作業者は、加工対象物ＯＢをワーク駆動装置５０にセットした後、入力装置９１を使ってレーザ加工の開始指示操作を行う。これにより、本制御ルーチンが起動する。
【００５８】
本制御ルーチンがステップＳ１００にて起動すると、コントローラ９０は、ステップＳ１０２において、各種回路の作動を開始させる。つづいて、ステップＳ１０４において、フィードモータ制御回路５７に対して加工開始位置への移動指令を出力する。この指令により、フィードモータ制御回路５７は、移動位置検出回路５８により検出される移動位置を取り込みながらフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を加工開始位置にまで移動させる。つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１０６において、スピンドルモータ制御回路５６に対して回転開始指令を出力する。これにより、スピンドルモータ５２が起動して加工対象物ＯＢの回転が始まる。このとき、スピンドルモータ制御回路５６は、エンコーダ５２ａにより検出されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数からスピンドルモータ５２の回転速度を計算し、計算した回転速度がコントローラ９０によって設定された回転速度に等しくなるようにスピンドルモータ５２の回転を制御する。
【００５９】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１０８において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に対して、サーボ用レーザ光の照射開始指令を出力する。したがって、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からサーボ用Ｚ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＺ軸方向に照射される。また、このサーボ用レーザ光の照射により、フォトディテクタ１１８が受光信号（ａ，ｂ）を出力し、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１はＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）を出力し始める。
【００６０】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１１０において、Ｙ軸方向サーボ回路１６２と遅延回路１６４とに対して、サーボ制御の開始指令を出力する。これにより、Ｙ軸方向サーボ回路１６２は、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１からＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）を入力し、このＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようなＹ軸方向サーボ信号を生成してＹ軸方向ドライブ回路１６３に出力する。Ｙ軸方向ドライブ回路１６３は、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてＹ軸アクチュエータ１１４ｙを駆動する信号を出力して、対物レンズ１１２をＹ軸方向に移動させる。したがって、フォトディテクタ１１８に映し出される射影が受光面の中央に維持されるように対物レンズ１１２のＹ軸方向位置が制御され、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように維持される。
【００６１】
一方、遅延回路１６４は、前記サーボ制御の開始指示と同時に、Ｙ軸方向サーボ信号を遅延する時間を表す遅延時間データをコントローラ９０から入力する。コントローラ９０は、加工対象物ＯＢの１／４回転に相当する時間を計算して、遅延時間データとして遅延回路１６４に出力する。遅延回路１６４は、前記Ｙ軸方向サーボ回路１６２から入力したＹ軸方向サーボ信号を前記遅延時間だけ遅延して、Ｚ軸方向サーボ信号としてＺ軸方向ドライブ回路１６５に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路１６５は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてＺ軸アクチュエータ１１４ｚを駆動する信号を出力して、対物レンズ１１２をＺ軸方向に移動させる。このＹ軸方向サーボ信号を遅延して形成したＺ軸方向サーボ信号は、前述のように、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を表している。したがって、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量だけ、対物レンズ１１２が原点位置からＺ軸方向に離れた位置に制御され、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面と常に一致するようになる。
【００６２】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１１２において、加工用レーザ駆動回路１５０に対して、加工用レーザ光の照射開始指令を出力する。この場合、コントローラ９０は、加工用レーザ光の強度を、加工対象物ＯＢが変化しない低レベルに設定した照射開始指令を出力する。これにより、加工用レーザ駆動回路１５０は、レーザ光源１０２に供給する電圧及び電流の強度を低いレベルに設定してレーザ光源１０２を駆動させる。したがって、加工用ヘッド１０からは、非加工強度のレーザ光が加工対象物ＯＢに向けて出射されることになる。加工対象物ＯＢは、この非加工強度のレーザ光に対してはレーザ加工されない。
【００６３】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１１４において、加工用ヘッド１０に設けられたフォトディテクタ１２２の出力する受光信号を増幅回路１５２及びＡ／Ｄ変換器１５３を介して取り込んで加工用レーザ光の反射光強度Ｒを検出する。次に、ステップＳ１１６において、反射光強度Ｒが下限値Ｒrefより大きいか否かを判定する。反射光強度Ｒが下限値Ｒrefよりも大きければ、上述したＺ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御とが正常に行われていると判定して、その処理をステップＳ１１８に進める。一方、反射光強度Ｒが下限値Ｒref以下であれば、Ｚ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御とが正常に行われていないと判定して、ステップＳ１３８において、表示装置９２にその旨を表示し、その処理をステップＳ１３０に進める。
【００６４】
コントローラ９０は、ステップＳ１１６において「Ｙｅｓ」、つまり、Ｚ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御とが正常に行われていると判定した場合には、ステップＳ１１８において、加工用レーザ駆動回路１５０に対して、レーザ光源１０２から出射されているレーザ光の強度を非加工強度から加工強度に変更する指令を出力する。これにより、加工用レーザ駆動回路１５０は、レーザ光源１０２に供給する電圧及び電流の強度を加工用レベルに切り換えてレーザ光源１０２を作動させる。したがって、加工用ヘッド１０からは、加工強度のレーザ光が加工対象物ＯＢに向けて出射されることになる。
【００６５】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１２０において、フィードモータ制御回路５７に対して移動ステージ５１のＸ軸方向への移動開始指令を出力する。フィードモータ制御回路５７は、エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数から移動ステージ５１の移動速度を計算し、計算した移動速度が設定速度になるようにフィードモータ５５を駆動制御する。
【００６６】
これにより、加工対象物ＯＢは、その中心軸回りに回転するとともにＸ軸方向に移動し、その表面に加工用レーザ光が照射される。したがって、加工対象物ＯＢは、螺旋状に加工用レーザ光が照射され、その照射軌跡に沿ってフォトレジストに反応跡が形成される。また、同時に、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差し、かつ、焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するように、対物レンズ１１２のＺ軸方向とＹ軸方向の位置が制御される。したがって、加工対象物ＯＢの表面には、適正に集光された加工用レーザ光が垂直に照射され、適正幅の螺旋状の反応跡がフォトレジストに形成される。
【００６７】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１２２において、移動位置検出回路５８により検出される移動ステージ５１の移動位置を取り込み、ステップＳ１２４において、現時点の移動位置が加工終了位置に到達したか否かを判定する。ステップＳ１２２，Ｓ１２４の処理は、移動ステージ５１の移動位置が加工終了位置に到達するまで繰り返される。したがって、この間は、上述したように、加工対象物ＯＢのレーザ加工及びサーボ制御が継続される。
【００６８】
移動ステージ５１の移動位置が加工終了位置に達すると、コントローラ９０は、ステップＳ１２４にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップＳ１２６にて加工用レーザ駆動回路１５０に対して加工用レーザ光の照射停止指令を出力する。これにより、加工用レーザ光の照射が停止される。次に、ステップＳ１２８において、フィードモータ制御回路５７に対して移動ステージ５１の移動停止指令を出力する。これによりフィードモータ５５への通電が停止され移動ステージ５１が停止する。つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１３０において、Ｙ軸方向サーボ回路１６２と遅延回路１６４とに対して、サーボ制御の停止指令を出力する。これにより、Ｙ軸方向サーボ回路１６２と遅延回路１６４は作動を停止し、Ｙ軸アクチュエータ１１４ｙ及びＺ軸アクチュエータ１１４ｚの作動が停止する。次に、ステップＳ１３２において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に対して、サーボ用レーザ光の照射停止指令を出力する。これにより、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からのサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の照射が停止される。
【００６９】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１３４において、スピンドルモータ制御回路５６に対して回転停止指令を出力する。これにより、スピンドルモータ５２への通電が停止され、加工対象物ＯＢの回転が停止する。次に、ステップＳ１３６において、フィードモータ制御回路５７に対して加工対象物ＯＢの取り外し位置への移動指令を出力する。これによりフィードモータ制御回路５７は、移動位置検出回路５８により検出される移動位置を取り込みながらフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を加工対象物ＯＢの取り外し位置にまで移動させる。作業者は、この位置で加工対象物ＯＢをワーク駆動装置５０から取り外す。こうして、移動ステージ５１が所定の取り外し位置にまで移動すると、ステップＳ１４０により本レーザ加工制御ルーチンが終了する。
【００７０】
以上説明した第１実施形態のレーザ加工装置によれば、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を加工対象物ＯＢに照射し、その射影の位置に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１、Ｙ軸方向サーボ回路１６２及びＹ軸方向ドライブ回路１６３により、対物レンズ１１２のＹ軸方向の位置が制御され、加工用レーザ光の光軸の位置が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するようになる。また、Ｙ軸方向サーボ信号を用いた遅延回路１６４及びＺ軸方向ドライブ回路１６５の作用により、対物レンズ１１２のＺ軸方向の位置が制御され、焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するようになる。したがって、本実施形態のように５０μｍという非常に細い円筒状の加工対象物ＯＢの表面をレーザ加工する場合でも、適正に集光した加工用レーザ光を加工対象物ＯＢの表面に垂直に照射することができ、これにより、適正幅の螺旋状の反応跡をフォトレジストに形成することができる。この結果、高精度にマイクロスプリング製作用のパイプを製造することが可能となる。
【００７１】
また、上記第１実施形態においては、遅延回路１６４がＹ軸方向サーボ信号を遅延することにより、Ｚ軸方向サーボ信号を形成するようにしたので、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を照射するサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド及びサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を受光するＹ軸方向受光装置が不要となり、レーザ加工装置全体を簡単に構成できる。
【００７２】
また、上記第１実施形態においては、加工用レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とを同一の光軸上で照射し、フォトディテクタ１１８の受光信号から得られたＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）をフィードバックして、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようにクローズドループ制御によりＹ軸アクチュエータ１１４ｙを駆動するため、特にＹ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【００７３】
また、加工用レーザ光の反射光強度Ｒと下限値Ｒrefとの比較に基づいて、Ｚ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御の異常発生の有無を判定し、異常が検出されたときには、加工用レーザ光の焦点位置が適正となっていないためレーザ加工を中止する。これにより、レーザ加工の失敗を防止することができる。
【００７４】
また、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を出射するにあたり、フォトディテクタ２１０で検出した光の強度が設定強度となるようにレーザ光源２０２の出力を制御するため、Ｚ軸方向及びＹ軸方向のサーボ制御を精度良く行うことができる。
【００７５】
ｂ．第２実施形態
次に、第２実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。図９は、第２実施形態のレーザ加工装置における加工用ヘッド１２の概略構成を表す。第２実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態のレーザ加工装置の加工用ヘッド１０とサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０に代えて、加工用ヘッド１２を設けたもので、他の構成については第１実施形態と同一である。この加工用ヘッド１２は、加工用レーザ光を照射／受光する構成に加えて、サーボ用Ｚ軸レーザ光を照射／受光する構成を備えている。以下、第１実施形態と同様な構成については、図面に第１実施形態と同一の符号を付して簡単な説明に留める。
【００７６】
加工用ヘッド１２は、第１実施形態の加工用ヘッド１０と同様に、加工用レーザ光を加工対象物ＯＢに照射する構成としてレーザ光源１０２、コリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６、１／４波長板１０８、ダイクロイックミラー１１０及び対物レンズ１１２を備え、加工用レーザ光の反射光強度を検出する構成として集光レンズ１２０及びフォトディテクタ１２２を備え、レーザ光源１０２から出射する加工用レーザ光の強度を検出する構成として集光レンズ１２４及びフォトディテクタ１２６を備え、対物レンズ１１２をＺ軸方向とＹ軸方向とに駆動する構成としてＺ軸アクチュエータ１１４ｚとＹ軸アクチュエータ１１４ｙからなるフォーカスアクチュエータ１１４を備える。
【００７７】
さらに、加工用ヘッド１２は、サーボ用レーザ光を照射するレーザ光源１３０と、レーザ光源１３０から出射されるサーボ用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ１３２、偏光ビームスプリッタ１３４及び１／４波長板１３６を備えている。レーザ光源１３０は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。レーザ光源１３０から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ１３２により平行光となって偏光ビームスプリッタ１３４に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ１３４をそのまま透過して１／４波長板１３６を通過して直線偏光から円偏光に変換される。１／４波長板１３６を通過したサーボ用レーザ光は、加工用レーザ光の光路途中に設けられるダイクロイックミラー１１０に入射し、そこで反射する。したがって、サーボ用レーザ光と加工用レーザ光とが合成されて対物レンズ１１２に入射する。この場合、ダイクロイックミラー１１０で反射したサーボ用レーザ光の光軸と、ダイクロイックミラー１１０を透過した加工用レーザ光の光軸とが一致するように、サーボ用レーザ光と加工用レーザ光の光路が設定されている。
【００７８】
サーボ用レーザ光は、対物レンズ１１２により加工対象物ＯＢの直径よりも小さな径であって、加工用レーザ光と同程度に集光されて加工対象物ＯＢの表面にスポット状に照射される。この加工対象物ＯＢの照射されるサーボ用レーザ光がサーボ用Ｚ軸方向レーザ光である。加工用レーザ光及びサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの表面で反射して対物レンズ１１２に入射し平行光に戻される。この場合、加工用レーザ光は、そのままダイクロイックミラー１１０を透過するが、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、ダイクロイックミラー１１０で反射する。したがって、ダイクロイックミラー１１０で加工用レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とが分離されることになる。
【００７９】
ダイクロイックミラー１１０で反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、１／４波長板１３６を通過する。この場合、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光（反射光）は、１／４波長板を２回通過したことになるため、レーザ光源１３０から出射されたレーザ光とは偏光方向が９０度異なったものとなる。したがって、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１３４で反射する。
【００８０】
偏光ビームスプリッタ１３４の反射方向には、フォトディテクタ１４０が設けられている。したがって、加工対象物ＯＢの表面を反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、フォトディテクタ１４０に入射する。このフォトディテクタ１４０は、第１実施形態のフォトディテクタ１１８と同様に、受光領域が左右に（Ｙ軸方向）２分割された２つの受光素子を備え、その受光領域Ａ，Ｂに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ａ，ｂ）として出力する。また、フォトディテクタ１４０は、対物レンズ１１２が原点位置にあり、かつ、Ｚ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに、図１０（ｂ）に示すように、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。したがって、この受光信号（ａ，ｂ）も、それらの差により、加工用レーザ光の光軸すなわちワーク駆動装置５０の回転軸に対する加工対象物ＯＢのＸ軸方向の中心軸のＹ軸方向のずれ量を表している。
【００８１】
フォトディテクタ１４０から出力される受光信号（ａ，ｂ）は、第１実施形態と同様にＹ軸方向エラー信号生成回路１６１に入力される。Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１は、受光信号（ａ，ｂ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ａ−ｂ）を演算し、その演算結果をＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）としてＹ軸方向サーボ回路１６２に出力する。加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向に変動すると、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、その変動位置に応じて加工対象物ＯＢに照射されるサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の位置が変化し、これに伴って、フォトディテクタ１４０に受光される反射光ＲＬの位置が変化する。このため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸（加工用レーザ光の光軸）とのＹ軸方向におけるずれ量を表すものとなる。
【００８２】
Ｙ軸方向サーボ回路１６２及びＹ軸方向ドライブ回路１６３の動作についても第１実施形態と同様である。つまり、Ｙ軸方向サーボ回路１６２が、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１から入力したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようなＹ軸方向サーボ信号を生成し、Ｙ軸方向ドライブ回路１６３が、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてＹ軸アクチュエータ１１４ｙに駆動信号を出力して、対物レンズ１１２をＹ軸方向に移動させる。したがって、フォトディテクタ１４０に受光されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の反射光が、受光面の中央に維持されるように対物レンズ１１２のＹ軸方向位置が制御されることとなる。このため、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように維持される。
【００８３】
加工用ヘッド１２は、さらに、レーザ光源１３０から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ１３４で反射させ、その反射光を集光レンズ１４２によりフォトディテクタ１４４の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ１４４は、第１実施形態のフォトディテクタ２１０と同様に、レーザ光源１３０が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に供給される。サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、フォトディテクタ１４４が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した強度となるようにレーザ光源１３０の出力を調整する。これにより、加工用ヘッド１２から加工対象物ＯＢに向けて出射するサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の強度が一定の適正値に維持される。
【００８４】
また、第２実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態と同様のレーザ加工制御ルーチンを実行する。
【００８５】
以上説明した第２実施形態のレーザ加工装置においては、加工用ヘッド１２によりサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を集光して加工対象物ＯＢに照射し、その反射光の位置に基づいて加工用レーザ光の光軸の位置が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように対物レンズ１１２のＹ軸方向の位置を制御する。また、遅延回路１６４及びＺ軸方向ドライブ回路１６５は、Ｙ軸方向サーボ回路１６２からＹ軸方向サーボ信号を用いて、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面位置と一致するように対物レンズ１１２のＺ軸方向の位置を制御する。したがって、第１実施形態と同様な効果を奏する。また、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の反射光の検出位置は、加工対象物ＯＢのＹ軸方向の変位に対して大きく変動するため、Ｙ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【００８６】
以上、本発明の第１及び第２実施形態について説明したが、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形も可能である。
【００８７】
上記第１実施形態においては、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、加工用レーザ光を集光させる対物レンズ１１２を介してフォトディテクタ１１８で受光する構成を採用しているが、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の光軸を加工用レーザ光の光軸から僅かにずらし、対物レンズ１１２の近傍に設けたフォトディテクタでサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を受光する構成であってもよい。この構成では、加工対象物ＯＢの変動を加工用レーザ光の焦点位置の近傍で検出することになるが、加工対象物ＯＢの変動が大きくなければサーボ制御は可能である。
【００８８】
上記各実施形態においては、Ｙ軸方向サーボ回路１６２からのＹ軸方向サーボ信号を遅延回路１６４に導いて、遅延回路１６４がＺ軸方向サーボ信号を生成するようにした。しかし、これに代えて、図１に破線で示すように、Ｙ軸方向ドライブ回路１６３から出力される駆動信号を遅延回路１６４に入力するようにして、遅延回路１６４が前記駆動信号を上記各実施形態と同様に遅延してＺ軸方向サーボ信号を生成するようにしてもよい。また、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の光軸を加工用レーザ光の光軸から僅かにずらし、対物レンズ１１２の近傍に設けたフォトディテクタでサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を受光する構成の場合は、サーボ制御はオープンループ制御であるためエラー信号を遅延させるようにしてもよい。すなわち、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１から出力されるＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）を遅延回路１６４に入力するようにして、遅延回路１６４が前記Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）を上記各実施形態と同様に遅延する。そして、Ｙ軸方向サーボ回路１６２と同様なＺ軸方向サーボ回路を新たに設けて、Ｚ軸方向サーボ回路が前記遅延したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）を用いてＺ軸方向サーボ信号を生成して、Ｚ軸方向ドライブ１６５に供給するようにしてもよい。
【００８９】
また、サーボ制御がオープンループ制御である場合はエラー信号を作成する際に用いる受光信号を遅延させるようにしてもよい。すなわち、図１に破線で示すように、フォトディテクタ１１８から出力される受光信号（ａ，ｂ）を遅延回路１６４に入力するようにして、遅延回路１６４が前記受光信号（ａ，ｂ）を上記各実施形態と同様に遅延する。そして、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１及びＹ軸方向サーボ回路１６２と同様なＺ軸方向エラー信号生成回路及びＺ軸方向サーボ回路を新たに設けて、Ｚ軸方向エラー信号生成回路が前記遅延した受光信号（ａ，ｂ）を用いてＺ軸方向エラー信号を生成し、Ｙ軸方向サーボ回路が前記生成したＺ軸方向エラー信号を用いてＺ軸方向サーボ信号を生成して、Ｚ軸方向ドライブ１６５に供給するようにしてもよい。
【００９０】
また、上記各実施形態においては、アクチュエータ１１４による対物レンズ１１２の駆動のみにより加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの適正位置になるように制御したが、Ｙ軸アクチュエータ１１４ｙに変位センサを設け、この変位センサが出力する信号の直流成分（オフセット部分）を検出し、この直流成分がゼロになるように加工用ヘッド及びサーボ用Ｚ軸方向光ヘッドをＹ軸方向に一体的に移動させるアクチュエータを別に設けるようにしてもよい。この場合には、対物レンズ１１２が原点位置を中心に駆動されるため、さらに精度の高いサーボ制御を行うことができる。尚、Ｙ軸アクチュエータ１１４ｙに変位センサを設けずに、Ｙ軸方向サーボ回路１６２又は遅延回路１６８が出力する信号の直流成分を検出するようにしてもよい。
【００９１】
また、上記各実施形態においては、加工用レーザ光の照射位置を加工対象物ＯＢに対して相対的にＸ軸方向に移動させるために、ワーク駆動装置５０により加工対象物ＯＢをＸ軸方向に移動させた。しかし、これに代えて、加工対象物ＯＢを固定し、加工用ヘッド１０及びサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０（又は加工用ヘッド１２）を一体化したユニットをＸ軸方向に移動させるようにしてもよい。また、加工対象物ＯＢと、加工用ヘッド１０及びサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０（又は加工用ヘッド１２）を一体化したユニットとの両方を、Ｘ軸方向に同時に移動させるようにしてもよい。
【００９２】
また、上記各実施形態においては、加工用レーザ光の照射位置を加工対象物ＯＢに対して相対的にＸ軸方向回りに回転させるために、加工対象物ＯＢをその中心軸回りに回転させた。しかし、これに代えて、加工対象物ＯＢを固定し、加工用ヘッド１０及びサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０（又は加工用ヘッド１２）を一体化したユニットを加工対象物ＯＢの中心軸回りに回転させてもよい。また、加工対象物ＯＢと、加工用ヘッド１０及びサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０（又は加工用ヘッド１２）を一体化したユニットとの両方を、Ｘ軸方向回りに同時に回転させてもよい。
【００９３】
また、上記各実施形態においては、加工対象物ＯＢを横方向に向けて固定しているが、加工対象物ＯＢを固定する向きは任意の方向に設定できるものである。また、これに伴って、加工用レーザ光及びサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の向きに関しても、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の関係を満たす条件で任意に設定できるものである。
【符号の説明】
【００９４】
１０，１２…加工用ヘッド、２０…Ｚ軸方向光ヘッド、５０…ワーク駆動装置、５１…移動ステージ、５２…スピンドルモータ、９０…コントローラ、１０２，１３０，２０２…レーザ光源、１１２…対物レンズ、１１４…フォーカスアクチュエータ、１１８，１２２，１２６，１４０，１４４，２１０…フォトディテクタ、１５０…加工用レーザ駆動回路、１６１…Ｙ軸方向エラー信号生成回路、１６２…Ｙ軸方向サーボ回路、１６４…遅延回路、２４０…サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直径が小さな円筒状の加工対象物の表面をレーザ加工するレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ドラム状の固定治具の外周面にシート状の加工対象物を固定し、固定治具をその中心軸周りに回転させながら軸方向に沿って移動させるとともに、加工ヘッドにより加工用レーザ光を対物レンズで集光して加工対象物の表面に照射することで、加工対象物表面に螺旋状にレーザ加工（ピット、溝、反応跡等の形成）を施すレーザ加工装置が知られている。このようなレーザ加工装置は、例えば、下記特許文献１に提案されている。
【０００３】
ドラム式レーザ加工装置において、加工対象物に微細なレーザ加工を行う場合は、例えば、下記特許文献２に提案されているように、光ディスク装置におけるフォーカスサーボ制御と同様、加工対象物からの反射光を４分割された受光領域を有するフォトディテクタで受光し、非点収差法等により、各受光領域の受光信号からレーザ光の焦点位置と加工対象物の表面との光軸方向のずれに相当するフォーカスエラー信号を生成する。そして、このフォーカスエラー信号の値がゼロになるように、レーザ光を集光する対物レンズをレーザ光の光軸方向に移動させることで、レーザ光の焦点位置が加工対象物の表面と一致するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１３２２６８号公報
【特許文献２】特開２００１−２４３６６３号公報
【発明の概要】
【０００５】
しかしながら、上記フォーカスサーボ制御は、レーザ光を加工対象物の表面に垂直に照射できることを前提としているが、加工対象物が非常に細い円筒状部材（例えば、直径が５０μｍの円筒状のパイプ）である場合には、レーザ光の光軸が円筒状部材の中心軸からずれている（交差しない）と、レーザ光を加工対象物の表面に対して斜めに照射してしまうため、適切なフォーカスエラー信号を生成することができない。こうした場合においては、加工対象物のレーザ光の光軸方向の変動に加えて光軸に垂直な方向の変動も考慮しなければならない。したがって、従来のフォーカスサーボ制御では、レーザ光の焦点が加工対象物の適正位置になるように制御することは不可能であった。
【０００６】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、直径が小さな円筒状の加工対象物の表面をレーザ加工する場合であっても、簡単な構成で、レーザ光の焦点が加工対象物の適正位置になるように制御することを目的とする。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、直径が小さな円筒状の加工対象物（ＯＢ）を、その中心軸線方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段（５１）と、加工用レーザ光源（１０２）及び対物レンズ（１１２）を有し、加工用レーザ光源から出射されて対物レンズによって集光された加工用レーザ光を、加工対象物の表面にＸ軸方向と直交するＺ軸方向から照射する加工用レーザ光照射手段と、対物レンズをＸ軸方向とＺ軸方向とに直交するＹ軸方向に変位させて、加工用レーザ光の光軸をＹ軸方向に移動するＹ軸アクチュエータ（１１４ｙ）と、対物レンズをＺ軸方向に変位させて、加工用レーザ光の焦点位置をＺ軸方向に移動するＺ軸アクチュエータ（１１４ｚ）と、加工対象物又は加工用レーザ光照射手段をＸ軸方向回りに回転させて、加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、加工対象物に対して相対的にＸ軸方向回りに回転させる回転手段（５２）と、加工対象物又は加工用レーザ光照射手段をＸ軸方向に変位させて、加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、加工対象物に対して相対的にＸ軸方向に移動させる移動手段（５３〜５５）とを備えたレーザ加工装置において、照射方向がＺ軸方向に設定されたサーボ用レーザ光を加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射手段（２０，１３０）と、サーボ用レーザ光に基づいて生成されて加工対象物のＹ軸方向の位置を表す情報を含むレーザ光を受光して、加工用レーザ光の光軸に対する加工対象物のＸ軸方向の中心軸のＹ軸方向のずれ量を表す受光信号を出力するずれ検出用フォトディテクタ（１１８，１４０）と、ずれ検出用フォトディテクタから出力された受光信号を用いて、加工用レーザ光の光軸を加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるための制御信号を生成し、前記制御信号に応じてＹ軸アクチュエータを駆動制御して、加工用レーザ光の光軸を加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるＹ軸方向サーボ制御手段（１６１〜１６３）と、ずれ検出用フォトディテクタから出力された受光信号又はＹ軸方向サーボ制御手段によって生成された制御信号を入力し、前記Ｙ軸方向のずれが、回転手段による加工用レーザ光の照射位置のＸ軸方向周りの相対回転に伴い、Ｚ軸方向のずれとして現れるのに要する時間だけ、前記入力した受光信号又は制御信号を遅延し、前記遅延した受光信号又は制御信号を用いてＺ軸アクチュエータを駆動制御して、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物の外周面に一致させるＺ軸方向サーボ制御手段（１６４，１６５）とを設けたことにある。
【０００８】
この場合、ずれ検出用フォトディテクタが、サーボ用レーザ光に基づいて生成されて加工対象物のＹ軸方向の位置を表す情報を含むレーザ光を受光するために、サーボ用レーザ光照射手段が、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用レーザ光として、加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で加工対象物に照射するようにし、ずれ検出用フォトディテクタが、前記加工対象物のＹ軸方向の位置を表す情報を含むレーザ光として、加工対象物の射影を含むレーザ光を受光するようにするとよい。また、サーボ用レーザ光照射手段が、加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光をサーボ用レーザ光として、加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で加工対象物に照射し、加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、ずれ検出用フォトディテクタが、前記加工対象物のＹ軸方向の位置を表す情報を含むレーザ光として、加工対象物によるサーボ用レーザ光の反射光を受光するようにしてもよい。
【０００９】
上記のように構成した本発明においては、照射方向がＺ軸方向に設定されたサーボ用レーザ光が加工対象物に照射され、ずれ検出用フォトディテクタが、サーボ用レーザ光に基づいて生成されて加工対象物のＹ軸方向の位置を表す情報を含むレーザ光を受光して、加工用レーザ光の光軸に対する加工対象物のＸ軸方向の中心軸のＹ軸方向のずれ量を表す受光信号を出力する。そして、Ｙ軸方向サーボ制御手段が、ずれ検出用フォトディテクタから出力された受光信号を用いて、加工用レーザ光の光軸を加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるための制御信号を生成してＹ軸アクチュエータを駆動制御して、加工用レーザ光の光軸を加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させる。また、Ｚ軸方向サーボ制御手段が、前記Ｙ軸方向のずれが、回転手段による加工用レーザ光の照射位置のＸ軸方向周りの相対回転に伴い、Ｚ軸方向のずれとして現れるのに要する時間だけ、ずれ検出用フォトディテクタ又はＹ軸方向サーボ制御手段から入力した受光信号又は制御信号を遅延し、前記遅延した受光信号又は制御信号を用いてＺ軸アクチュエータを駆動制御して、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物の外周面に一致させる。
【００１０】
したがって、本発明によれば、直径の小さな円筒状の加工対象物の外周面をレーザ加工する場合でも、適正に集光した加工用レーザ光を加工対象物の外周面に垂直に照射することができる。その結果、加工対象物の外周面を的確にレーザ加工することができ、適正幅の螺旋状の加工跡を加工対象物の外周面に形成できる。また、本発明によれば、Ｚ軸方向サーボ制御手段が、ずれ検出用フォトディテクタ又はＹ軸方向サーボ制御手段から入力した受光信号又は制御信号を遅延して、前記遅延した受光信号又は制御信号を用いてＺ軸アクチュエータを駆動制御するようにしたので、加工用レーザ光の焦点位置の加工対象物の外周面からのずれを検出するためのＹ軸方向にレーザ光を照射するサーボ用レーザ照射手段及び前記Ｙ軸方向に照射されたレーザ光を受光するずれ検出用フォトディテクタが不要となり、レーザ加工装置全体を簡単に構成できる。
【００１１】
また、本発明の他の特徴は、サーボ用レーザ光照射手段（２０）は、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用レーザ光として、加工用レーザ光照射手段から照射される加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、かつ加工用レーザ光の照射方向とは反対方向から加工対象物に対して照射し、ずれ検出用フォトディテクタ（１１８）は、加工対象物の射影を含むレーザ光を受光し、加工用レーザ光照射手段は、加工用レーザ光を加工対象物に照射するための光路の途中に、光路に入射したサーボ用レーザ光を光路から分離してずれ検出用フォトディテクタに導く分離用光学素子（１１０）を備えたことにある。
【００１２】
上記本発明の他の特徴においては、加工用レーザ光とサーボ用レーザ光とを同一の光軸上で照射し、ずれ検出用フォトディテクタは、この加工用レーザ光と同一の光軸を有するサーボ用レーザ光に基づいて、加工用レーザ光の光軸に対する加工対象物のＸ軸方向の中心軸のＹ軸方向のずれ量を表わす受光信号を出力する。そして、Ｙ軸方向サーボ制御手段が、この受光信号を用いて加工用レーザ光の光軸を加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるようにＹ軸方向アクチュエータを駆動制御するので、Ｙ軸アクチュエータはクローズドループ制御により駆動制御され、特にＹ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【００１３】
また、本発明の他の特徴は、サーボ用レーザ光照射手段（１３０）は、対物レンズにより加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光をサーボ用レーザ光として、加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で加工対象物に照射し、かつずれ検出用フォトディテクタ（１４４）は、加工対象物によるサーボ用レーザ光の反射光を受光し、加工用レーザ光照射手段は、加工用レーザ光を加工対象物に照射するための光路の途中に、加工対象物によるサーボ用レーザ光の反射光を前記光路から分離してずれ検出用フォトディテクタに導く分離用光学素子（１１０）を備えたことにある。
【００１４】
上記本発明の他の特徴においては、対物レンズにより加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光が、サーボ用レーザ光として、加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で加工対象物に照射され、ずれ検出用フォトディテクタは、加工対象物によるサーボ用レーザ光の反射光に基づいて、加工用レーザ光の光軸に対する加工対象物のＸ軸方向の中心軸のＹ軸方向のずれ量を表わす受光信号を出力する。そして、Ｙ軸方向サーボ制御手段が、この受光信号を用いて加工用レーザ光の光軸を加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるようにＹ軸方向アクチュエータを駆動制御する。したがって、この場合も、Ｙ軸アクチュエータはクローズドループ制御により駆動制御され、特にＹ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。さらに、この場合には、サーボ用レーザ光の反射光の検出位置は、加工対象物のＹ軸方向の変位に対して大きく変動するため、Ｙ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【００１５】
さらに、本発明の他の特徴は、加工用レーザ光照射手段により加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光を受光して、前記反射光の強度を表わす受光信号を出力する強度検出用フォトディテクタ（１２２）と、強度検出用フォトディテクタから出力された受光信号を入力して、前記入力した受光信号により表わされた反射光の強度が基準値以下であるとき、加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判定する判定手段（９０、ステップＳ１１６）を備えたことにある。
【００１６】
上記本発明においては、強度検出用フォトディテクタが加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を表わす受光信号を出力し、判定手段が、受光信号により表わされた反射光の強度が基準値以下であるとき、加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判定する。したがって、レーザ加工を開始する前に、Ｙ軸方向サーボ制御手段とＺ軸方向サーボ制御手段とを作動させた状態で、判定手段によりフォーカスサーボ制御が適正に行われているか否かを確認することができる。このため、レーザ加工の失敗を防止することが可能となる。
【００１７】
さらに、本発明の実施にあたっては、レーザ加工装置の発明に限定されることなく、方法発明としても実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図である。
【図２】第１実施形態に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドとサーボ用Ｚ軸方向光ヘッドの概略構成図である。
【図３】Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向を表す説明図である。
【図４】図１及び図２のフォトディテクタに照射された射影の状態を表す説明図である。
【図５】加工対象物の変位とエラー信号波形値との関係を表す特性図である。
【図６】レーザ加工制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図７】加工対象物が回転するときの様子を回転軸方向に見た図である。
【図８】(Ａ)は加工対象物の回転角に対するＹ軸方向のずれの変化を示す波形図であり、(Ｂ)は加工対象物の回転角に対するＺ軸方向のずれの変化を示す波形図である。
【図９】第２実施形態に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドの概略構成図である。
【図１０】図９における、加工対象物の変位とフォトディテクタに照射された反射光の位置変化との関係を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
ａ．第１実施形態
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図である。このレーザ加工装置は、直径の小さな円筒状の加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を螺旋状に照射してレーザ加工を行うものである。レーザ加工装置は、加工対象物ＯＢを保持して加工対象物ＯＢの中心軸回りに回転させるとともに加工対象物ＯＢをその中心軸方向に移動させるワーク駆動装置５０と、加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を照射する加工用ヘッド１０(図２参照）と、加工対象物ＯＢの表面にサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を照射するサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０(図２参照）と、各種の電気回路（後述する）と、レーザ加工装置全体の作動を制御するコントローラ９０とを備えている。
【００２０】
ここで、レーザ加工装置における方向を定義する。図３に示すように、ワーク駆動装置５０に固定された加工対象物ＯＢの中心軸線方向をＸ軸方向と呼ぶ。また、Ｘ軸方向に直交し、加工用ヘッド１０から加工対象物ＯＢに照射される加工用レーザ光の光軸の方向をＺ軸方向と呼ぶ。また、Ｘ軸方向とＺ軸方向との両方に直交する方向をＹ軸方向と呼ぶ。
【００２１】
本実施形態における加工対象物ＯＢは、表面にフォトレジストが被覆された直径５０μｍのニッケルパイプである。この加工対象物ＯＢは、最終的に直径５０μｍのマイクロスプリングの製作に使用されるパイプに加工されるもので、本実施形態のレーザ加工装置は、フォトレジストの表面に加工用レーザ光を螺旋状に照射することにより、フォトレジストに螺旋状の反応跡を形成する装置として使用される。加工対象物ＯＢは、その後、現像液に浸漬されて反応跡が除去され、残ったフォトレジストをマスクとして使ってエッチングされる。これにより、ニッケルパイプに螺旋状の開口が形成されてマイクロスプリング製作用のパイプが作られる。
【００２２】
このように非常に細い径のパイプ状の加工対象物ＯＢに対してレーザ加工を行う場合には、従来から知られているように加工用レーザ光の反射光から非点収差法などによりフォーカスエラー信号を生成しても、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸から外れてしまうと、適正なフォーカスエラー信号が得られず、加工用レーザ光の焦点を加工対象物ＯＢの外周面に合わせることができない。そこで、本実施形態においては、加工対象物ＯＢにサーボ用レーザ光をＺ軸方向に照射し、加工対象物ＯＢが映し出される射影の位置に基づいて加工用レーザ光の焦点位置をＹ軸方向に制御して加工用レーザ光の光軸を加工対象物ＯＢの中心軸と交差させるとともに、Ｙ軸方向に制御するための信号を遅延させて、加工用レーザ光の焦点位置をＸ軸方向に制御して加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物ＯＢの外周面に一致させるようにする。
【００２３】
まず、ワーク駆動装置５０から説明する。ワーク駆動装置５０は、加工対象物ＯＢの両端をチャッキングして回転可能に保持する移動ステージ５１と、移動ステージ５１に保持された加工対象物ＯＢをその中心軸回りに回転させるスピンドルモータ５２と、移動ステージ５１をＸ軸方向に移動させるねじ送り機構５３とを備えている。
【００２４】
ねじ送り機構５３は、移動ステージ５１に固定されたナット(図示略）に螺合するスクリューロッド５４と、スクリューロッド５４を回転させるフィードモータ５５とを備えている。スクリューロッド５４は、移動ステージ５１に保持された加工対象物ＯＢの中心軸（即ち、スピンドルモータ５２の回転軸）と平行となるＸ軸方向に延びて設けられ、その一端側が、レーザ加工装置本体フレーム（図示略）に固定されたフィードモータ５５の出力軸に連結され、他端側が、レーザ加工装置本体フレームに固定された軸受部（図示略）に回転可能に軸支される。また、移動ステージ５１は、図示しない案内ガイドにより、回転規制されており、Ｘ軸方向にのみ移動可能となっている。したがって、フィードモータ５５を正転あるいは逆転駆動すると、フィードモータ５５の回転運動が移動ステージ５１の直線運動に変換され、加工対象物ＯＢがＸ軸方向に前進あるいは後退できるようになっている。
【００２５】
スピンドルモータ５２内には、エンコーダ５２ａが組み込まれている。エンコーダ５２ａは、スピンドルモータ５２が所定の微小回転角度だけ回転する度に、その出力がハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号を出力する。エンコーダ５２ａから出力されるパルス列信号は、スピンドルモータ制御回路５６に入力される。スピンドルモータ制御回路５６は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、エンコーダ５２ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数からスピンドルモータ５２の回転速度を計算し、計算した回転速度がコントローラ９０によって設定された回転速度に等しくなるようにスピンドルモータ５２の回転を制御する。
【００２６】
フィードモータ５５内にも、エンコーダ５５ａが組み込まれている。このエンコーダ５５ａは、フィードモータ５５が所定の微小回転角度だけ回転する度に、その出力がハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号を出力する。エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号は、フィードモータ制御回路５７と移動位置検出回路５８に入力される。移動位置検出回路５８は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、作動開始後、エンコーダ５５ａから出力されるパルス信号が入力されなくなると移動限界位置を意味する信号をフィードモータ制御回路５７に出力し、カウント値を「０」として、以後、エンコーダ５５ａが出力するパルス信号のパルス数をカウントする。そして積算したカウント数から移動ステージ５１の移動位置を計算してコントローラ９０及びフィードモータ制御回路５７に出力する。このカウント値が「０」となる移動限界位置が、移動ステージ５１の移動位置を制御する原点位置となる。
【００２７】
フィードモータ制御回路５７は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、コントローラ９０から移動位置の設定値を入力すると、移動位置検出回路５８から所定時間間隔で出力される移動位置を入力し、入力した移動位置がコントローラ９０から入力した設定値になるまでフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動させる。なお、作動開始直後において移動位置の設定値が入力されると、フィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動限界位置方向に移動させ、移動位置検出回路５８から移動限界位置を表す信号を入力するとフィードモータ５５への駆動信号の出力を停止する。その後、移動位置検出回路５８から出力される移動位置がコントローラ９０から入力した移動位置の設定値になるまでフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動させる。
【００２８】
また、フィードモータ制御回路５７には、移動ステージ５１の移動速度の設定値（設定速度）がコントローラ９０により入力される。そして、コントローラ９０から移動開始の指示を入力すると、エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数から移動ステージ５１の移動速度を計算し、計算した移動速度が設定速度になるようにフィードモータ５５を駆動制御する。
【００２９】
次に、加工用ヘッド１０について図２を用いて説明する。加工用ヘッド１０は、加工対象物ＯＢの円筒表面に加工用レーザ光を照射する機能と、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から照射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を受光して加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれに応じた信号を出力する機能とを有する。加工用ヘッド１０は、加工用レーザ光を出射するレーザ光源１０２と、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６、１／４波長板１０８、ダイクロイックミラー１１０及び対物レンズ１１２とを備えている。
【００３０】
レーザ光源１０２は、加工用レーザ駆動回路１５０から供給される電流及び電圧により駆動されて加工用レーザ光を出射する。レーザ光源１０２から出射された加工用レーザ光は、コリメートレンズ１０４により平行光となって偏光ビームスプリッタ１０６に入射する。加工用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ１０６をそのまま透過し、１／４波長板１０８を通過して直線偏光から円偏光に変換される。１／４波長板１０８を通過した加工用レーザ光は、ダイクロイックミラー１１０を透過して対物レンズ１１２に入射する。こうして、加工用レーザ光は、対物レンズ１１２により加工対象物ＯＢの表面で集光する。
【００３１】
対物レンズ１１２には、フォーカスアクチュエータ１１４が設けられている。フォーカスアクチュエータ１１４は、対物レンズ１１２を加工用レーザ光の光軸方向、すなわちＺ軸方向に移動させるＺ軸アクチュエータ１１４ｚと、対物レンズ１１２をＹ軸方向に移動させるＹ軸アクチュエータ１１４ｙとを備えている。したがって、Ｚ軸アクチュエータ１１４ｚを作動させることにより加工用レーザ光の焦点位置をＺ軸方向（光軸方向）に移動でき、Ｙ軸アクチュエータ１１４ｙを作動させることにより加工用レーザ光の焦点位置（すなわち光軸）をＹ軸方向に移動できるようになっている。尚、対物レンズ１１２は、アクチュエータ１１４ｚ、１１４ｙが通電されていないときに、Ｚ軸方向及びＹ軸方向の可動範囲の中心に位置する。以下、この位置を対物レンズ１１２の原点位置と呼ぶ。また、対物レンズを２軸方向に駆動するアクチュエータは、例えば、特開２００４−３９０６５等において知られている。
【００３２】
対物レンズ１１２で集光された加工用レーザ光は、加工対象物ＯＢの表面に照射されて反射する。加工対象物ＯＢで反射した反射光は、対物レンズ１１２、ダイクロイックミラー１１０及び１／４波長板１０８を通過する。この場合、反射光は、１／４波長板１０８を２回通過したことになるため、レーザ光源から出射されたレーザ光とは偏光方向が９０度異なったものとなる。したがって、１／４波長板１０８を通過した反射光は、偏光ビームスプリッタ１０６で反射する。偏光ビームスプリッタ１０６の反射方向には、集光レンズ１２０及びフォトディテクタ１２２が設けられている。このため、偏光ビームスプリッタ１０６で反射した反射光は、集光レンズ１２０によりフォトディテクタ１２２に集光する。
【００３３】
フォトディテクタ１２２は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ１２２は、加工用レーザ光が加工対象物ＯＢで反射した反射光の強度に対応した受光信号を出力する。フォトディテクタ１２２の出力する受光信号は、増幅回路１５２により増幅され、Ａ／Ｄ変換器１５３に供給される。Ａ／Ｄ変換器１５３は、コントローラ９０からの指令により作動し、増幅回路１５２から供給された受光信号の強度（瞬時値）をデジタル信号に変換してコントローラ９０に出力する。コントローラ９０は、この受光信号が表す反射光強度から、後述するＺ軸方向とＹ軸方向のサーボ制御が適切に行われているかを判定する。
【００３４】
また、加工用ヘッド１０は、レーザ光源１０２から出射された加工用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ１０６で反射させ、その反射光を集光レンズ１２４によりフォトディテクタ１２６の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ１２６は、フォトディテクタ１２２と同様に、その受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ１２６は、レーザ光源１０２が出射した加工用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、加工用レーザ駆動回路１５０に供給される。
【００３５】
加工用レーザ駆動回路１５０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、レーザ光源に対して加工用強度、すなわち加工対象物ＯＢの表面を適切に加工できる強度（この例では、フォトレジストに反応跡を形成できる強度）のレーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。本実施形態においては、加工用レーザ駆動回路１５０は、フォトディテクタ１２６が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるようにレーザ光源１０２に出力する電流あるいは電圧を調整する。これにより、加工対象物ＯＢに照射される加工用レーザ光の強度が設定加工用強度に維持される。
【００３６】
また、加工用レーザ駆動回路１５０は、発光信号供給回路１５１によりレーザ光源１０２への駆動信号の出力形態が制御される。発光信号供給回路１５１は、コントローラ９０から加工模様を表すデータを入力して、レーザ加工中に、そのデータに対応したパルス列信号、あるいは、連続信号を加工用レーザ駆動回路１５０に供給する。本実施形態では、加工対象物ＯＢの表面のフォトレジストに連続した螺旋状の反応跡を形成するものであるため、発光信号供給回路１５１からは連続信号が出力されるが、例えば、複数の微細ピットを列状に形成する場合には、ピットの長さ、ピットの形成間隔に応じた時間幅のハイレベル信号とローレベル信号からなるパルス列信号が出力される。
【００３７】
加工用ヘッド１０には、さらに、ダイクロイックミラー１１０の反射方向にリレーレンズ（結像レンズ）１１６及びフォトディテクタ１１８が設けられている。このリレーレンズ１１６及びフォトディテクタ１１８は、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から照射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を検出するために設けられたものである。したがって、先に、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０について説明する。
【００３８】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、図２に示すように、加工対象物ＯＢを挟んで加工用ヘッド１０と向き合うように、加工用ヘッド１０と対になってレーザ加工装置の本体フレーム（図示略）に固定される。サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、サーボ用レーザ光を出射するレーザ光源２０２と、レーザ光源２０２から出射されるサーボ用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ２０４及び偏光ビームスプリッタ２０６と、偏光ビームスプリッタ２０６の反射方向に設けられる集光レンズ２０８及びフォトディテクタ２１０とを備えている。
【００３９】
レーザ光源２０２は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。レーザ光源２０２から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ２０４により平行光となって偏光ビームスプリッタ２０６に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ２０６をそのまま透過してサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射する。このサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射したレーザ光が、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光である。サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光となる。
【００４０】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の出射方向がＺ軸方向となり、しかも、その光軸が、加工用ヘッド１０の対物レンズ１１２が原点位置にある時に加工用ヘッド１０から出射する加工用レーザ光の光軸と一致するように位置決めされている。この場合、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０と加工用ヘッド１０は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及び加工用レーザ光の光軸がワーク駆動装置５０の回転軸（スピンドルモータ５２の回転軸）と直交するように、ワーク駆動装置５０に対する相対位置関係が定められている。
【００４１】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、加工対象物ＯＢに遮られなかったレーザ光が加工用ヘッド１０の対物レンズ１１２に入射する。この場合、対物レンズ１１２に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、受光すると中央に加工対象物ＯＢの棒状の影が形成されたものとなる。この加工対象物ＯＢによってできた影を射影と呼び、射影とその周囲の光とを合わせて射影光と呼ぶ。
【００４２】
対物レンズ１１２に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、集光されてダイクロイックミラー１１０に入射する。ダイクロイックミラー１１０は、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する光学素子であり、レーザ光源２０２から出射されるサーボ用レーザ光に対しては反射し、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光に対しては透過するように、各レーザ光の波長が設定されている。したがって、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、ダイクロイックミラー１１０で反射する。ダイクロイックミラー１１０の反射方向には、リレーレンズ１１６（結像レンズ）及びフォトディテクタ１１８が設けられており、ダイクロイックミラー１１０で反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光がリレーレンズ１１６により平行光になりフォトディテクタ１１８の受光面に入射する。フォトディテクタ１１８の受光面には、加工対象物ＯＢの影である棒状の射影が映し出される。
【００４３】
フォトディテクタ１１８は、図４に示すように、受光領域が左右に（Ｙ軸方向）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ａ，Ｂに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ａ，ｂ）として出力する。このフォトディテクタ１１８は、受光したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光（射影光Ｌ）における棒状の射影Ｓが受光領域Ａ，Ｂの分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ、Ｚ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影Ｓが受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。したがって、この受光信号（ａ，ｂ）は、それらの差により、加工用レーザ光の光軸すなわちワーク駆動装置５０の回転軸に対する加工対象物ＯＢのＸ軸方向の中心軸のＹ軸方向のずれ量を表している。
【００４４】
フォトディテクタ１１８から出力される受光信号（ａ，ｂ）は、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１に入力される。Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１は、受光信号（ａ，ｂ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ａ−ｂ）を演算し、その演算結果をＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）としてＹ軸方向サーボ回路１６２に出力する。Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸（加工用レーザ光の光軸）とのＹ軸方向におけるずれ量を表すものである。
【００４５】
図５は、加工対象物ＯＢの位置をＹ軸方向に変化させたときのＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の波高値を表したものである。図示するように、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は、Ｓ字状波形となる。したがって、Ｓ字状波形の山（ｃ位置）から谷（ａ位置）までの範囲ｒ（Ｓ字検出範囲ｒと呼ぶ）においては、加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれ量とＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさとが一対一に対応する。このため、Ｓ字検出範囲ｒ内において、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれ量を検出することができる。
【００４６】
例えば、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向にずれていない場合、（ｂ）に示すように、フォトディテクタ１１８に映し出される射影Ｓは、受光面の中央に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）はゼロとなる。一方、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向における一方側（左側と呼ぶ）にずれている場合には、（ａ）に示すように、フォトディテクタ１１８に映し出される射影Ｓが受光面の左側に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は負の値をとる。また、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向における他方側（右側と呼ぶ）にずれている場合には、（ｃ）に示すように、フォトディテクタ１１８に映し出される射影Ｓが受光面の右側に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は正の値をとる。
【００４７】
Ｙ軸方向サーボ回路１６２は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１から入力したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようなＹ軸方向サーボ信号を生成してＹ軸方向ドライブ回路１６３に出力する。Ｙ軸方向ドライブ回路１６３は、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてＹ軸アクチュエータ１１４ｙを駆動する信号を出力して、対物レンズ１１２をＹ軸方向に移動させる。したがって、フォトディテクタ１１８に映し出される射影が受光面の中央に維持されるように対物レンズ１１２のＹ軸方向の位置が制御されることとなる。対物レンズ１１２のＹ軸方向の移動は、加工対象物ＯＢに照射する加工用レーザ光の光軸をＹ軸方向に移動させることになる。このため、対物レンズ１１２のＹ軸方向の位置制御により、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように維持される。
【００４８】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、レーザ光源２０２から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ２０６で反射させ、その反射光を集光レンズ２０８によりフォトディテクタ２１０の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ２１０は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ２１０は、レーザ光源２０２が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に供給される。
【００４９】
サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、レーザ光源２０２に対して、加工対象物ＯＢの表面を変化させず、かつ、加工用ヘッド１０のフォトディテクタ１１８で射影光を検出できる強度のサーボ用レーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。本実施形態においては、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、フォトディテクタ２１０が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるようにレーザ光源２０２に出力する電流あるいは電圧を制御する。これにより、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射するサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の強度が一定の適正値に維持される。
【００５０】
Ｙ軸方向サーボ回路１６２から出力されるＹ軸方向サーボ信号は、遅延回路１６４にも供給されている。遅延回路１６４は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、このＹ軸方向サーボ信号をコントローラ９０によって指示される時間だけ遅延して、Ｚ軸方向サーボ信号としてＺ軸方向ドライブ回路１６５に出力する。この遅延時間は、コントローラ９０によって計算されるものであり、加工対象物ＯＢの軸線方向周りの回転速度Ｎ（回／秒）の逆数（すなわち、加工対象物ＯＢの１回転当たりの時間１／Ｎ）を「４」で除した下記式１によって規定される時間（すなわち加工対象物ＯＢの１／４回転に要する時間）である。
遅延時間＝(１／４)・(１／回転速度Ｎ) …式１
【００５１】
Ｚ軸方向ドライブ回路１６５は、遅延回路１６４からのＺ軸方向サーボ信号に基づいてＺ軸アクチュエータ１１４ｚを駆動する信号を出力して、対物レンズ１１２をＺ軸方向に移動させる。この場合、前記遅延回路１６４から出力されるＺ軸方向サーボ信号は、後述するように、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量、すなわちワーク駆動装置の回転軸に対する加工対象物ＯＢのＸ軸方向の中心軸のＺ軸方向のずれ量を表している。したがって、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量だけ、対物レンズ１１２が原点位置からＺ軸方向に移動される。
【００５２】
加工用ヘッド１０は、対物レンズ１１２が原点位置にあり、かつ、加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致している場合に、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するように位置決めされている。このため、加工対象物ＯＢの位置がＺ軸方向に変動しても、その変動量だけ対物レンズ１１２を原点位置からＺ軸方向に移動させることにより、常に、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物ＯＢの表面と一致させることができる。つまり、加工用レーザ光の焦点位置を、ワーク駆動装置５０の回転軸よりも加工対象物ＯＢの半径分だけ対物レンズ１１２側に維持させることができる。
【００５３】
遅延回路１６４によって遅延されたＹ軸方向サーボ信号が加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を表す点について詳しく説明しておく。図７は、加工対象物ＯＢをその軸線方向から見た図である。破線で示す加工対象物ＯＢが、回転中心Ｏを中心に矢印方向に図示実線位置まで回転したとする。このときの回転角をθとし、加工対象物ＯＢの中心軸線位置をＯ１とし、回転中心Ｏから加工対象物ＯＢの中心軸線位置Ｏ１までの距離をｒとする。なお、図示1点差線は、加工対象物ＯＢが１回転する際、加工対象物ＯＢの中心軸線位置Ｏ１がたどる軌跡を示している。この場合、図示横方向がＹ軸方向であり、縦方向がＺ軸方向である。破線位置にある加工対象物ＯＢの中心軸線位置Ｏ１を基準にすると、加工対象物ＯＢの回転角θの回転により、加工対象物ＯＢの中心軸線位置Ｏ１の回転中心Ｏに対するＹ軸方向及びＺ軸方向のずれ量Ｄevy，Ｄevzは下記式２，３のように表される。
Ｄevy＝ｒ・cosθ …式２
Ｄevz＝ｒ・sinθ＝ｒ・cos(θ−π／２） …式３
【００５４】
これらのＹ軸方向及びＺ軸方向のずれ量Ｄevy，Ｄevzは、図８(Ａ)(Ｂ)の波形図のようになる。これらからも明らかなように、Ｚ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量Ｄevzは、Ｙ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量Ｄevyに対してπ／２だけ遅れている。したがって、Ｙ軸方向サーボ回路１６２からのＹ軸方向サーボ信号を、遅延回路１６４によって加工対象物ＯＢの１／４回転に要する時間だけ遅延した信号は、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を表している。
【００５５】
この点についてさらに説明しておくと、加工対象物ＯＢの回転中心Ｏが加工対象物ＯＢの中心軸線位置Ｏ１からずれているために、Ｙ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量Ｄevyは、加工対象物ＯＢが図７の矢印方向に１／４回転した時点で、Ｚ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量Ｄevz と等しくなる。したがって、遅延回路１６４は、Ｙ軸方向のずれ量Ｄevyを補正するためのサーボ信号を、Ｙ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量ＤevyがＺ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量Ｄevzとして現れるのに要する時間だけ遅延することになる。なお、加工対象物ＯＢが図７の矢印方向と反対方向に回転する場合には、Ｚ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量ＤevzはＹ軸方向の加工対象物ＯＢのずれ量Ｄevyに対して加工対象物ＯＢの３／４回転に相当する時間だけ遅れる。したがって、この場合の遅延時間は、下記式４のように表わされる。
遅延時間＝(３／４)・(１／回転速度Ｎ) …式４
【００５６】
コントローラ９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータと、ハードディスクや不揮発性メモリなどの記憶装置と、入出力インタフェース等から構成される電子制御装置である。コントローラ９０には、作業者が各種パラメータや処理等を指示するための入力装置９１と、作業者に対して作動状況等を視覚的に知らせるための表示装置９２とが接続されている。
【００５７】
次に、レーザ加工を行う際の制御について説明する。図６は、コントローラ９０が実行するレーザ加工制御ルーチンを表すフローチャートである。レーザ加工制御ルーチンは、コントローラ９０のＲＯＭ内に制御プログラムとして記憶されている。作業者は、加工対象物ＯＢをワーク駆動装置５０にセットした後、入力装置９１を使ってレーザ加工の開始指示操作を行う。これにより、本制御ルーチンが起動する。
【００５８】
本制御ルーチンがステップＳ１００にて起動すると、コントローラ９０は、ステップＳ１０２において、各種回路の作動を開始させる。つづいて、ステップＳ１０４において、フィードモータ制御回路５７に対して加工開始位置への移動指令を出力する。この指令により、フィードモータ制御回路５７は、移動位置検出回路５８により検出される移動位置を取り込みながらフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を加工開始位置にまで移動させる。つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１０６において、スピンドルモータ制御回路５６に対して回転開始指令を出力する。これにより、スピンドルモータ５２が起動して加工対象物ＯＢの回転が始まる。このとき、スピンドルモータ制御回路５６は、エンコーダ５２ａにより検出されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数からスピンドルモータ５２の回転速度を計算し、計算した回転速度がコントローラ９０によって設定された回転速度に等しくなるようにスピンドルモータ５２の回転を制御する。
【００５９】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１０８において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に対して、サーボ用レーザ光の照射開始指令を出力する。したがって、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からサーボ用Ｚ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＺ軸方向に照射される。また、このサーボ用レーザ光の照射により、フォトディテクタ１１８が受光信号（ａ，ｂ）を出力し、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１はＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）を出力し始める。
【００６０】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１１０において、Ｙ軸方向サーボ回路１６２と遅延回路１６４とに対して、サーボ制御の開始指令を出力する。これにより、Ｙ軸方向サーボ回路１６２は、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１からＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）を入力し、このＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようなＹ軸方向サーボ信号を生成してＹ軸方向ドライブ回路１６３に出力する。Ｙ軸方向ドライブ回路１６３は、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてＹ軸アクチュエータ１１４ｙを駆動する信号を出力して、対物レンズ１１２をＹ軸方向に移動させる。したがって、フォトディテクタ１１８に映し出される射影が受光面の中央に維持されるように対物レンズ１１２のＹ軸方向位置が制御され、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように維持される。
【００６１】
一方、遅延回路１６４は、前記サーボ制御の開始指示と同時に、Ｙ軸方向サーボ信号を遅延する時間を表す遅延時間データをコントローラ９０から入力する。コントローラ９０は、加工対象物ＯＢの１／４回転に相当する時間を計算して、遅延時間データとして遅延回路１６４に出力する。遅延回路１６４は、前記Ｙ軸方向サーボ回路１６２から入力したＹ軸方向サーボ信号を前記遅延時間だけ遅延して、Ｚ軸方向サーボ信号としてＺ軸方向ドライブ回路１６５に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路１６５は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてＺ軸アクチュエータ１１４ｚを駆動する信号を出力して、対物レンズ１１２をＺ軸方向に移動させる。このＹ軸方向サーボ信号を遅延して形成したＺ軸方向サーボ信号は、前述のように、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を表している。したがって、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量だけ、対物レンズ１１２が原点位置からＺ軸方向に離れた位置に制御され、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面と常に一致するようになる。
【００６２】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１１２において、加工用レーザ駆動回路１５０に対して、加工用レーザ光の照射開始指令を出力する。この場合、コントローラ９０は、加工用レーザ光の強度を、加工対象物ＯＢが変化しない低レベルに設定した照射開始指令を出力する。これにより、加工用レーザ駆動回路１５０は、レーザ光源１０２に供給する電圧及び電流の強度を低いレベルに設定してレーザ光源１０２を駆動させる。したがって、加工用ヘッド１０からは、非加工強度のレーザ光が加工対象物ＯＢに向けて出射されることになる。加工対象物ＯＢは、この非加工強度のレーザ光に対してはレーザ加工されない。
【００６３】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１１４において、加工用ヘッド１０に設けられたフォトディテクタ１２２の出力する受光信号を増幅回路１５２及びＡ／Ｄ変換器１５３を介して取り込んで加工用レーザ光の反射光強度Ｒを検出する。次に、ステップＳ１１６において、反射光強度Ｒが下限値Ｒrefより大きいか否かを判定する。反射光強度Ｒが下限値Ｒrefよりも大きければ、上述したＺ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御とが正常に行われていると判定して、その処理をステップＳ１１８に進める。一方、反射光強度Ｒが下限値Ｒref以下であれば、Ｚ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御とが正常に行われていないと判定して、ステップＳ１３８において、表示装置９２にその旨を表示し、その処理をステップＳ１３０に進める。
【００６４】
コントローラ９０は、ステップＳ１１６において「Ｙｅｓ」、つまり、Ｚ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御とが正常に行われていると判定した場合には、ステップＳ１１８において、加工用レーザ駆動回路１５０に対して、レーザ光源１０２から出射されているレーザ光の強度を非加工強度から加工強度に変更する指令を出力する。これにより、加工用レーザ駆動回路１５０は、レーザ光源１０２に供給する電圧及び電流の強度を加工用レベルに切り換えてレーザ光源１０２を作動させる。したがって、加工用ヘッド１０からは、加工強度のレーザ光が加工対象物ＯＢに向けて出射されることになる。
【００６５】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１２０において、フィードモータ制御回路５７に対して移動ステージ５１のＸ軸方向への移動開始指令を出力する。フィードモータ制御回路５７は、エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数から移動ステージ５１の移動速度を計算し、計算した移動速度が設定速度になるようにフィードモータ５５を駆動制御する。
【００６６】
これにより、加工対象物ＯＢは、その中心軸回りに回転するとともにＸ軸方向に移動し、その表面に加工用レーザ光が照射される。したがって、加工対象物ＯＢは、螺旋状に加工用レーザ光が照射され、その照射軌跡に沿ってフォトレジストに反応跡が形成される。また、同時に、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差し、かつ、焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するように、対物レンズ１１２のＺ軸方向とＹ軸方向の位置が制御される。したがって、加工対象物ＯＢの表面には、適正に集光された加工用レーザ光が垂直に照射され、適正幅の螺旋状の反応跡がフォトレジストに形成される。
【００６７】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１２２において、移動位置検出回路５８により検出される移動ステージ５１の移動位置を取り込み、ステップＳ１２４において、現時点の移動位置が加工終了位置に到達したか否かを判定する。ステップＳ１２２，Ｓ１２４の処理は、移動ステージ５１の移動位置が加工終了位置に到達するまで繰り返される。したがって、この間は、上述したように、加工対象物ＯＢのレーザ加工及びサーボ制御が継続される。
【００６８】
移動ステージ５１の移動位置が加工終了位置に達すると、コントローラ９０は、ステップＳ１２４にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップＳ１２６にて加工用レーザ駆動回路１５０に対して加工用レーザ光の照射停止指令を出力する。これにより、加工用レーザ光の照射が停止される。次に、ステップＳ１２８において、フィードモータ制御回路５７に対して移動ステージ５１の移動停止指令を出力する。これによりフィードモータ５５への通電が停止され移動ステージ５１が停止する。つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１３０において、Ｙ軸方向サーボ回路１６２と遅延回路１６４とに対して、サーボ制御の停止指令を出力する。これにより、Ｙ軸方向サーボ回路１６２と遅延回路１６４は作動を停止し、Ｙ軸アクチュエータ１１４ｙ及びＺ軸アクチュエータ１１４ｚの作動が停止する。次に、ステップＳ１３２において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に対して、サーボ用レーザ光の照射停止指令を出力する。これにより、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からのサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の照射が停止される。
【００６９】
つづいて、コントローラ９０は、ステップＳ１３４において、スピンドルモータ制御回路５６に対して回転停止指令を出力する。これにより、スピンドルモータ５２への通電が停止され、加工対象物ＯＢの回転が停止する。次に、ステップＳ１３６において、フィードモータ制御回路５７に対して加工対象物ＯＢの取り外し位置への移動指令を出力する。これによりフィードモータ制御回路５７は、移動位置検出回路５８により検出される移動位置を取り込みながらフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を加工対象物ＯＢの取り外し位置にまで移動させる。作業者は、この位置で加工対象物ＯＢをワーク駆動装置５０から取り外す。こうして、移動ステージ５１が所定の取り外し位置にまで移動すると、ステップＳ１４０により本レーザ加工制御ルーチンが終了する。
【００７０】
以上説明した第１実施形態のレーザ加工装置によれば、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を加工対象物ＯＢに照射し、その射影の位置に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１、Ｙ軸方向サーボ回路１６２及びＹ軸方向ドライブ回路１６３により、対物レンズ１１２のＹ軸方向の位置が制御され、加工用レーザ光の光軸の位置が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するようになる。また、Ｙ軸方向サーボ信号を用いた遅延回路１６４及びＺ軸方向ドライブ回路１６５の作用により、対物レンズ１１２のＺ軸方向の位置が制御され、焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するようになる。したがって、本実施形態のように５０μｍという非常に細い円筒状の加工対象物ＯＢの表面をレーザ加工する場合でも、適正に集光した加工用レーザ光を加工対象物ＯＢの表面に垂直に照射することができ、これにより、適正幅の螺旋状の反応跡をフォトレジストに形成することができる。この結果、高精度にマイクロスプリング製作用のパイプを製造することが可能となる。
【００７１】
また、上記第１実施形態においては、遅延回路１６４がＹ軸方向サーボ信号を遅延することにより、Ｚ軸方向サーボ信号を形成するようにしたので、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を照射するサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド及びサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を受光するＹ軸方向受光装置が不要となり、レーザ加工装置全体を簡単に構成できる。
【００７２】
また、上記第１実施形態においては、加工用レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とを同一の光軸上で照射し、フォトディテクタ１１８の受光信号から得られたＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）をフィードバックして、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようにクローズドループ制御によりＹ軸アクチュエータ１１４ｙを駆動するため、特にＹ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【００７３】
また、加工用レーザ光の反射光強度Ｒと下限値Ｒrefとの比較に基づいて、Ｚ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御の異常発生の有無を判定し、異常が検出されたときには、加工用レーザ光の焦点位置が適正となっていないためレーザ加工を中止する。これにより、レーザ加工の失敗を防止することができる。
【００７４】
また、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を出射するにあたり、フォトディテクタ２１０で検出した光の強度が設定強度となるようにレーザ光源２０２の出力を制御するため、Ｚ軸方向及びＹ軸方向のサーボ制御を精度良く行うことができる。
【００７５】
ｂ．第２実施形態
次に、第２実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。図９は、第２実施形態のレーザ加工装置における加工用ヘッド１２の概略構成を表す。第２実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態のレーザ加工装置の加工用ヘッド１０とサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０に代えて、加工用ヘッド１２を設けたもので、他の構成については第１実施形態と同一である。この加工用ヘッド１２は、加工用レーザ光を照射／受光する構成に加えて、サーボ用Ｚ軸レーザ光を照射／受光する構成を備えている。以下、第１実施形態と同様な構成については、図面に第１実施形態と同一の符号を付して簡単な説明に留める。
【００７６】
加工用ヘッド１２は、第１実施形態の加工用ヘッド１０と同様に、加工用レーザ光を加工対象物ＯＢに照射する構成としてレーザ光源１０２、コリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６、１／４波長板１０８、ダイクロイックミラー１１０及び対物レンズ１１２を備え、加工用レーザ光の反射光強度を検出する構成として集光レンズ１２０及びフォトディテクタ１２２を備え、レーザ光源１０２から出射する加工用レーザ光の強度を検出する構成として集光レンズ１２４及びフォトディテクタ１２６を備え、対物レンズ１１２をＺ軸方向とＹ軸方向とに駆動する構成としてＺ軸アクチュエータ１１４ｚとＹ軸アクチュエータ１１４ｙからなるフォーカスアクチュエータ１１４を備える。
【００７７】
さらに、加工用ヘッド１２は、サーボ用レーザ光を照射するレーザ光源１３０と、レーザ光源１３０から出射されるサーボ用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ１３２、偏光ビームスプリッタ１３４及び１／４波長板１３６を備えている。レーザ光源１３０は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。レーザ光源１３０から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ１３２により平行光となって偏光ビームスプリッタ１３４に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ１３４をそのまま透過して１／４波長板１３６を通過して直線偏光から円偏光に変換される。１／４波長板１３６を通過したサーボ用レーザ光は、加工用レーザ光の光路途中に設けられるダイクロイックミラー１１０に入射し、そこで反射する。したがって、サーボ用レーザ光と加工用レーザ光とが合成されて対物レンズ１１２に入射する。この場合、ダイクロイックミラー１１０で反射したサーボ用レーザ光の光軸と、ダイクロイックミラー１１０を透過した加工用レーザ光の光軸とが一致するように、サーボ用レーザ光と加工用レーザ光の光路が設定されている。
【００７８】
サーボ用レーザ光は、対物レンズ１１２により加工対象物ＯＢの直径よりも小さな径であって、加工用レーザ光と同程度に集光されて加工対象物ＯＢの表面にスポット状に照射される。この加工対象物ＯＢの照射されるサーボ用レーザ光がサーボ用Ｚ軸方向レーザ光である。加工用レーザ光及びサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの表面で反射して対物レンズ１１２に入射し平行光に戻される。この場合、加工用レーザ光は、そのままダイクロイックミラー１１０を透過するが、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、ダイクロイックミラー１１０で反射する。したがって、ダイクロイックミラー１１０で加工用レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とが分離されることになる。
【００７９】
ダイクロイックミラー１１０で反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、１／４波長板１３６を通過する。この場合、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光（反射光）は、１／４波長板を２回通過したことになるため、レーザ光源１３０から出射されたレーザ光とは偏光方向が９０度異なったものとなる。したがって、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１３４で反射する。
【００８０】
偏光ビームスプリッタ１３４の反射方向には、フォトディテクタ１４０が設けられている。したがって、加工対象物ＯＢの表面を反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、フォトディテクタ１４０に入射する。このフォトディテクタ１４０は、第１実施形態のフォトディテクタ１１８と同様に、受光領域が左右に（Ｙ軸方向）２分割された２つの受光素子を備え、その受光領域Ａ，Ｂに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ａ，ｂ）として出力する。また、フォトディテクタ１４０は、対物レンズ１１２が原点位置にあり、かつ、Ｚ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに、図１０（ｂ）に示すように、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。したがって、この受光信号（ａ，ｂ）も、それらの差により、加工用レーザ光の光軸すなわちワーク駆動装置５０の回転軸に対する加工対象物ＯＢのＸ軸方向の中心軸のＹ軸方向のずれ量を表している。
【００８１】
フォトディテクタ１４０から出力される受光信号（ａ，ｂ）は、第１実施形態と同様にＹ軸方向エラー信号生成回路１６１に入力される。Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１は、受光信号（ａ，ｂ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ａ−ｂ）を演算し、その演算結果をＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）としてＹ軸方向サーボ回路１６２に出力する。加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向に変動すると、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、その変動位置に応じて加工対象物ＯＢに照射されるサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の位置が変化し、これに伴って、フォトディテクタ１４０に受光される反射光ＲＬの位置が変化する。このため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸（加工用レーザ光の光軸）とのＹ軸方向におけるずれ量を表すものとなる。
【００８２】
Ｙ軸方向サーボ回路１６２及びＹ軸方向ドライブ回路１６３の動作についても第１実施形態と同様である。つまり、Ｙ軸方向サーボ回路１６２が、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１から入力したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようなＹ軸方向サーボ信号を生成し、Ｙ軸方向ドライブ回路１６３が、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてＹ軸アクチュエータ１１４ｙに駆動信号を出力して、対物レンズ１１２をＹ軸方向に移動させる。したがって、フォトディテクタ１４０に受光されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の反射光が、受光面の中央に維持されるように対物レンズ１１２のＹ軸方向位置が制御されることとなる。このため、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように維持される。
【００８３】
加工用ヘッド１２は、さらに、レーザ光源１３０から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ１３４で反射させ、その反射光を集光レンズ１４２によりフォトディテクタ１４４の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ１４４は、第１実施形態のフォトディテクタ２１０と同様に、レーザ光源１３０が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に供給される。サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、フォトディテクタ１４４が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した強度となるようにレーザ光源１３０の出力を調整する。これにより、加工用ヘッド１２から加工対象物ＯＢに向けて出射するサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の強度が一定の適正値に維持される。
【００８４】
また、第２実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態と同様のレーザ加工制御ルーチンを実行する。
【００８５】
以上説明した第２実施形態のレーザ加工装置においては、加工用ヘッド１２によりサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を集光して加工対象物ＯＢに照射し、その反射光の位置に基づいて加工用レーザ光の光軸の位置が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように対物レンズ１１２のＹ軸方向の位置を制御する。また、遅延回路１６４及びＺ軸方向ドライブ回路１６５は、Ｙ軸方向サーボ回路１６２からＹ軸方向サーボ信号を用いて、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面位置と一致するように対物レンズ１１２のＺ軸方向の位置を制御する。したがって、第１実施形態と同様な効果を奏する。また、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の反射光の検出位置は、加工対象物ＯＢのＹ軸方向の変位に対して大きく変動するため、Ｙ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【００８６】
以上、本発明の第１及び第２実施形態について説明したが、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形も可能である。
【００８７】
上記第１実施形態においては、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、加工用レーザ光を集光させる対物レンズ１１２を介してフォトディテクタ１１８で受光する構成を採用しているが、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の光軸を加工用レーザ光の光軸から僅かにずらし、対物レンズ１１２の近傍に設けたフォトディテクタでサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を受光する構成であってもよい。この構成では、加工対象物ＯＢの変動を加工用レーザ光の焦点位置の近傍で検出することになるが、加工対象物ＯＢの変動が大きくなければサーボ制御は可能である。
【００８８】
上記各実施形態においては、Ｙ軸方向サーボ回路１６２からのＹ軸方向サーボ信号を遅延回路１６４に導いて、遅延回路１６４がＺ軸方向サーボ信号を生成するようにした。しかし、これに代えて、図１に破線で示すように、Ｙ軸方向ドライブ回路１６３から出力される駆動信号を遅延回路１６４に入力するようにして、遅延回路１６４が前記駆動信号を上記各実施形態と同様に遅延してＺ軸方向サーボ信号を生成するようにしてもよい。また、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の光軸を加工用レーザ光の光軸から僅かにずらし、対物レンズ１１２の近傍に設けたフォトディテクタでサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を受光する構成の場合は、サーボ制御はオープンループ制御であるためエラー信号を遅延させるようにしてもよい。すなわち、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１から出力されるＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）を遅延回路１６４に入力するようにして、遅延回路１６４が前記Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）を上記各実施形態と同様に遅延する。そして、Ｙ軸方向サーボ回路１６２と同様なＺ軸方向サーボ回路を新たに設けて、Ｚ軸方向サーボ回路が前記遅延したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）を用いてＺ軸方向サーボ信号を生成して、Ｚ軸方向ドライブ１６５に供給するようにしてもよい。
【００８９】
また、サーボ制御がオープンループ制御である場合はエラー信号を作成する際に用いる受光信号を遅延させるようにしてもよい。すなわち、図１に破線で示すように、フォトディテクタ１１８から出力される受光信号（ａ，ｂ）を遅延回路１６４に入力するようにして、遅延回路１６４が前記受光信号（ａ，ｂ）を上記各実施形態と同様に遅延する。そして、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１及びＹ軸方向サーボ回路１６２と同様なＺ軸方向エラー信号生成回路及びＺ軸方向サーボ回路を新たに設けて、Ｚ軸方向エラー信号生成回路が前記遅延した受光信号（ａ，ｂ）を用いてＺ軸方向エラー信号を生成し、Ｙ軸方向サーボ回路が前記生成したＺ軸方向エラー信号を用いてＺ軸方向サーボ信号を生成して、Ｚ軸方向ドライブ１６５に供給するようにしてもよい。
【００９０】
また、上記各実施形態においては、アクチュエータ１１４による対物レンズ１１２の駆動のみにより加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの適正位置になるように制御したが、Ｙ軸アクチュエータ１１４ｙに変位センサを設け、この変位センサが出力する信号の直流成分（オフセット部分）を検出し、この直流成分がゼロになるように加工用ヘッド及びサーボ用Ｚ軸方向光ヘッドをＹ軸方向に一体的に移動させるアクチュエータを別に設けるようにしてもよい。この場合には、対物レンズ１１２が原点位置を中心に駆動されるため、さらに精度の高いサーボ制御を行うことができる。尚、Ｙ軸アクチュエータ１１４ｙに変位センサを設けずに、Ｙ軸方向サーボ回路１６２又は遅延回路１６８が出力する信号の直流成分を検出するようにしてもよい。
【００９１】
また、上記各実施形態においては、加工用レーザ光の照射位置を加工対象物ＯＢに対して相対的にＸ軸方向に移動させるために、ワーク駆動装置５０により加工対象物ＯＢをＸ軸方向に移動させた。しかし、これに代えて、加工対象物ＯＢを固定し、加工用ヘッド１０及びサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０（又は加工用ヘッド１２）を一体化したユニットをＸ軸方向に移動させるようにしてもよい。また、加工対象物ＯＢと、加工用ヘッド１０及びサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０（又は加工用ヘッド１２）を一体化したユニットとの両方を、Ｘ軸方向に同時に移動させるようにしてもよい。
【００９２】
また、上記各実施形態においては、加工用レーザ光の照射位置を加工対象物ＯＢに対して相対的にＸ軸方向回りに回転させるために、加工対象物ＯＢをその中心軸回りに回転させた。しかし、これに代えて、加工対象物ＯＢを固定し、加工用ヘッド１０及びサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０（又は加工用ヘッド１２）を一体化したユニットを加工対象物ＯＢの中心軸回りに回転させてもよい。また、加工対象物ＯＢと、加工用ヘッド１０及びサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０（又は加工用ヘッド１２）を一体化したユニットとの両方を、Ｘ軸方向回りに同時に回転させてもよい。
【００９３】
また、上記各実施形態においては、加工対象物ＯＢを横方向に向けて固定しているが、加工対象物ＯＢを固定する向きは任意の方向に設定できるものである。また、これに伴って、加工用レーザ光及びサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の向きに関しても、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の関係を満たす条件で任意に設定できるものである。
【符号の説明】
【００９４】
１０，１２…加工用ヘッド、２０…Ｚ軸方向光ヘッド、５０…ワーク駆動装置、５１…移動ステージ、５２…スピンドルモータ、９０…コントローラ、１０２，１３０，２０２…レーザ光源、１１２…対物レンズ、１１４…フォーカスアクチュエータ、１１８，１２２，１２６，１４０，１４４，２１０…フォトディテクタ、１５０…加工用レーザ駆動回路、１６１…Ｙ軸方向エラー信号生成回路、１６２…Ｙ軸方向サーボ回路、１６４…遅延回路、２４０…サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径が小さな円筒状の加工対象物を、その中心軸線方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段と、
加工用レーザ光源及び対物レンズを有し、前記加工用レーザ光源から出射されて前記対物レンズによって集光された加工用レーザ光を、前記加工対象物の表面に前記Ｘ軸方向と直交するＺ軸方向から照射する加工用レーザ光照射手段と、
前記対物レンズを前記Ｘ軸方向と前記Ｚ軸方向とに直交するＹ軸方向に変位させて、前記加工用レーザ光の光軸を前記Ｙ軸方向に移動するＹ軸アクチュエータと、
前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に変位させて、前記加工用レーザ光の焦点位置を前記Ｚ軸方向に移動するＺ軸アクチュエータと、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向回りに回転させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向回りに回転させる回転手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向に変位させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向に移動させる移動手段とを備えたレーザ加工装置において、
照射方向がＺ軸方向に設定されたサーボ用レーザ光を加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射手段と、
前記サーボ用レーザ光に基づいて生成されて前記加工対象物の前記Ｙ軸方向の位置を表す情報を含むレーザ光を受光して、前記加工用レーザ光の光軸に対する前記加工対象物の前記Ｘ軸方向の中心軸の前記Ｙ軸方向のずれ量を表す受光信号を出力するずれ検出用フォトディテクタと、
前記ずれ検出用フォトディテクタから出力された受光信号を用いて、前記加工用レーザ光の光軸を前記加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるための制御信号を生成し、前記制御信号に応じて前記Ｙ軸アクチュエータを駆動制御して、前記加工用レーザ光の光軸を前記加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるＹ軸方向サーボ制御手段と、
前記ずれ検出用フォトディテクタから出力された受光信号又は前記Ｙ軸方向サーボ制御手段によって生成された制御信号を入力し、前記Ｙ軸方向のずれが、前記回転手段による加工用レーザ光の照射位置のＸ軸方向周りの相対回転に伴い、前記Ｚ軸方向のずれとして現れるのに要する時間だけ、前記入力した受光信号又は制御信号を遅延し、前記遅延した受光信号又は制御信号を用いて前記Ｚ軸アクチュエータを駆動制御して、前記加工用レーザ光の焦点位置を前記加工対象物の外周面に一致させるＺ軸方向サーボ制御手段と
を設けたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載したレーザ加工装置において、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を前記サーボ用レーザ光として、前記加工用レーザ光照射手段から照射される加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、かつ前記加工用レーザ光の照射方向とは反対方向から前記加工対象物に対して照射し、
前記ずれ検出用フォトディテクタは、前記加工対象物の射影を含むレーザ光を受光し、
前記加工用レーザ光照射手段は、前記加工用レーザ光を前記加工対象物に照射するための光路の途中に、前記光路に入射したサーボ用レーザ光を前記光路から分離して前記ずれ検出用フォトディテクタに導く分離用光学素子を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１に記載したレーザ加工装置において、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、前記対物レンズにより前記加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光を前記サーボ用レーザ光として、前記加工用レーザ光と同軸となる位置で前記加工対象物に照射し、かつ
前記ずれ検出用フォトディテクタは、前記加工対象物による前記サーボ用レーザ光の反射光を受光し、
前記加工用レーザ光照射手段は、前記加工用レーザ光を前記加工対象物に照射するための光路の途中に、前記加工対象物による前記サーボ用レーザ光の反射光を前記光路から分離して前記ずれ検出用フォトディテクタに導く分離用光学素子を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちのいずれか一つに記載したレーザ加工装置において、さらに、
前記加工用レーザ光照射手段により前記加工対象物の表面に照射された前記加工用レーザ光の反射光を受光して、前記反射光の強度を表わす受光信号を出力する強度検出用フォトディテクタと、
前記強度検出用フォトディテクタから出力された受光信号を入力して、前記入力した受光信号により表わされた反射光の強度が基準値以下であるとき、加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判定する判定手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１】
直径が小さな円筒状の加工対象物を、その中心軸線方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段と、
加工用レーザ光源及び対物レンズを有し、前記加工用レーザ光源から出射されて前記対物レンズによって集光された加工用レーザ光を、前記加工対象物の表面に前記Ｘ軸方向と直交するＺ軸方向から照射する加工用レーザ光照射手段と、
前記対物レンズを前記Ｘ軸方向と前記Ｚ軸方向とに直交するＹ軸方向に変位させて、前記加工用レーザ光の光軸を前記Ｙ軸方向に移動するＹ軸アクチュエータと、
前記対物レンズを前記Ｚ軸方向に変位させて、前記加工用レーザ光の焦点位置を前記Ｚ軸方向に移動するＺ軸アクチュエータと、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向回りに回転させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向回りに回転させる回転手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向に変位させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向に移動させる移動手段とを備えたレーザ加工装置において、
照射方向がＺ軸方向に設定されたサーボ用レーザ光を加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射手段と、
前記サーボ用レーザ光に基づいて生成されて前記加工対象物の前記Ｙ軸方向の位置を表す情報を含むレーザ光を受光して、前記加工用レーザ光の光軸に対する前記加工対象物の前記Ｘ軸方向の中心軸の前記Ｙ軸方向のずれ量を表す受光信号を出力するずれ検出用フォトディテクタと、
前記ずれ検出用フォトディテクタから出力された受光信号を用いて、前記加工用レーザ光の光軸を前記加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるための制御信号を生成し、前記制御信号に応じて前記Ｙ軸アクチュエータを駆動制御して、前記加工用レーザ光の光軸を前記加工対象物のＸ軸方向の中心軸に交差させるＹ軸方向サーボ制御手段と、
前記ずれ検出用フォトディテクタから出力された受光信号又は前記Ｙ軸方向サーボ制御手段によって生成された制御信号を入力し、前記Ｙ軸方向のずれが、前記回転手段による加工用レーザ光の照射位置のＸ軸方向周りの相対回転に伴い、前記Ｚ軸方向のずれとして現れるのに要する時間だけ、前記入力した受光信号又は制御信号を遅延し、前記遅延した受光信号又は制御信号を用いて前記Ｚ軸アクチュエータを駆動制御して、前記加工用レーザ光の焦点位置を前記加工対象物の外周面に一致させるＺ軸方向サーボ制御手段と
を設けたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載したレーザ加工装置において、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を前記サーボ用レーザ光として、前記加工用レーザ光照射手段から照射される加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、かつ前記加工用レーザ光の照射方向とは反対方向から前記加工対象物に対して照射し、
前記ずれ検出用フォトディテクタは、前記加工対象物の射影を含むレーザ光を受光し、
前記加工用レーザ光照射手段は、前記加工用レーザ光を前記加工対象物に照射するための光路の途中に、前記光路に入射したサーボ用レーザ光を前記光路から分離して前記ずれ検出用フォトディテクタに導く分離用光学素子を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１に記載したレーザ加工装置において、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、前記対物レンズにより前記加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光を前記サーボ用レーザ光として、前記加工用レーザ光と同軸となる位置で前記加工対象物に照射し、かつ
前記ずれ検出用フォトディテクタは、前記加工対象物による前記サーボ用レーザ光の反射光を受光し、
前記加工用レーザ光照射手段は、前記加工用レーザ光を前記加工対象物に照射するための光路の途中に、前記加工対象物による前記サーボ用レーザ光の反射光を前記光路から分離して前記ずれ検出用フォトディテクタに導く分離用光学素子を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちのいずれか一つに記載したレーザ加工装置において、さらに、
前記加工用レーザ光照射手段により前記加工対象物の表面に照射された前記加工用レーザ光の反射光を受光して、前記反射光の強度を表わす受光信号を出力する強度検出用フォトディテクタと、
前記強度検出用フォトディテクタから出力された受光信号を入力して、前記入力した受光信号により表わされた反射光の強度が基準値以下であるとき、加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判定する判定手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１０４６３０（Ｐ２０１１−１０４６３０Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６３１２４（Ｐ２００９−２６３１２４）
【出願日】平成２１年１１月１８日（２００９．１１．１８）
【出願人】（０００１１２００４）パルステック工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１８日（２００９．１１．１８）
【出願人】（０００１１２００４）パルステック工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
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