(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスクの開口を介してパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより加工を行うレーザ加工の加工条件を設定する方法であって、
前記加工対象物の最終加工形状を示す設計図面データを入力する工程と、
前記加工対象物の素材を入力する工程と、
前記加工対象物の素材別の加工条件に基づいて、前記加工対象物の素材と前記最終加工形状とに応じた最適加工条件を決定する工程と、
前記マスクの開口を特定するためのマスクデータに基づいて、前記最終加工形状に応じたマスクパラメータを決定する工程と、
前記パルスレーザ光による前記加工対象物の加工速度を制御するための加工速度データに基づいて、前記最終加工形状、前記最適加工条件及び前記マスクパラメータに応じた加工速度プロファイルを決定する工程と、
前記最適加工条件、前記マスクパラメータ及び前記加工速度プロファイルに基づいて、前記加工対象物に加工を施した場合の予想加工形状をシミュレーションにより算出する工程と、
前記最終加工形状と前記予想加工形状とを比較して、誤差を算出する工程と、
前記誤差が許容誤差値以内のときは、レーザ加工を開始させ、前記誤差が前記許容誤差値を越えるときは、前記誤差に基づいて前記最適加工条件、前記マスクパラメータ又は前記加工速度プロファイルのうち少なくとも一つを再び決定する工程と、
を備えることを特徴とするレーザ加工条件自動設定方法。
【請求項２】
前記マスクパラメータは、前記マスクの開口の形状、寸法又は寸法公差の少なくとも一つから成ることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工条件自動設定方法。
【請求項３】
マスクの開口を介してパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより加工を行うレーザ加工の加工条件を設定する装置であって、
前記加工対象物の最終加工形状を示す設計図面データを入力する設計図面データ入力手段と、
前記加工対象物の素材を入力する素材入力手段と、
前記加工対象物の素材別の加工条件が予め蓄積された素材別加工条件記憶手段と、
前記素材別加工条件記憶手段に蓄積された前記素材別の加工条件に基づいて、前記加工対象物の前記素材と前記最終加工形状とに応じた最適加工条件を決定する最適加工条件決定手段と、
前記マスクの開口を特定するためのマスクデータが予め蓄積されたマスクデータ記憶手段と、
前記マスクデータ記憶手段に蓄積された前記マスクデータに基づいて、前記最終加工形状に応じたマスクパラメータを決定するマスクパラメータ決定手段と、
前記パルスレーザによる前記加工対象物の加工速度を制御するための加工速度データが予め蓄積された加工速度データ記憶手段と、
前記加工速度データ記憶手段に蓄積された前記加工速度データに基づいて、前記最終加工形状、前記最適加工条件及び前記マスクパラメータに応じた加工速度プロファイルを決定する加工速度プロファイル決定手段と、
前記最適加工条件、前記マスクパラメータ及び前記加工速度プロファイルに基づいて、前記加工対象物に前記加工を施した場合の予想加工形状をシミュレーションにより算出する予想加工形状算出手段と、
前記最終加工形状と前記予想加工形状とを比較して、誤差を算出する誤差算出手段と、
前記誤差の許容値である許容誤差値が予め蓄積された許容誤差値記憶手段と、
前記誤差が前記許容誤差値以内のときは、レーザ加工を開始させ、前記誤差が前記許容誤差値を越えるときは、前記誤差に基づいて前記最適加工条件、前記マスクパラメータ又は前記加工速度プロファイルのうち少なくとも一つを再び決定する誤差判別手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工条件自動設定装置。
【請求項４】
前記マスクパラメータは、前記マスクの開口の形状、寸法又は寸法公差の少なくとも一つから成ることを特徴とする請求項３記載のレーザ加工条件自動設定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスレーザ光を加工対象物に照射して微細な形状を現出させるレーザ加工を行う前に、レーザ加工に最適な加工条件を自動的に設定するレーザ加工条件自動設定方法およびレーザ加工条件自動設定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、レーザ光を加工対象物に照射することにより所定の形状を現出させるレーザ加工技術が知られている。このレーザ加工技術は、微細形状の加工に適しており、各種工業製品の小型化、高密度化の要請が高まってきた今日、あらゆる分野に導入されてきた。例えば、高い寸法精度が要求されるインクジェットヘッドを製造する工程にもレーザ加工技術は導入されつつあり、特開平１−２９４０４７号公報、特開平２−１２１８４５号公報には、紫外線レーザビーム（エキシマレーザ光）を用いてインクジェットヘッドのインク流路を形成する技術が掲載されている。同様に、米国特許第５，２９１，２２６号公報にも、樹脂テープにエキシマレーザ光を照射することで、インク流路等を形成する技術が記載されている。
【０００３】
また、特開平８−１１８６６０号公報には、レーザー加工時に生じる副生成物が樹脂部材へ付着することを防止するためにメカマスクを設け、このメカマスクを介してレーザ光を樹脂部材に照射し、インク流路の加工形成を行う技術が掲載されている。さらに、特開平７−３０４１７９号公報には、流路溝の幅方向の断面をテーパ状に形成するために、エキシマレーザ光の照射位置を移動させて断面を階段状に加工する技術が掲載されている。
【０００４】
このように、レーザー加工技術を用いれば、インクジェットヘッドを初めとする微細形状の各種製品を作製することができる。
【０００５】
一方、技術の進歩に伴い、微細形状をなす各種製品の小型化、高密度化の要請のみならず、レーザ加工過程の高効率化、迅速化の要請も高まってきた。このレーザ加工過程の高効率化、迅速化を図るには、実際にレーザ照射を行う前段階において、マスクの形状、レーザ出力等の加工条件を効率よく設定することが極めて重要となる。即ち、設定された加工条件に従ってレーザ加工が行われるが、所望の微細形状を得るのに最適な加工条件を的確かつ迅速に設定することができれば、レーザ加工過程の高効率化、迅速化を図ることができる。
【０００６】
しかし、上記の何れの公報も、加工対象物にレーザ光を照射する加工方法自体に特徴がある技術を開示しているに過ぎず、レーザ照射を行う前段階における加工条件の設定方法については全く開示していない。そのため、上記各公報の技術では、レーザ照射の前段階における加工条件の設定作業効率を高めることにより、レーザ加工過程の高効率化、迅速化を図ることは困難である。
【０００７】
また、一般的に加工条件は、製品の設計図面をもとに、オペレータの蓄積してきた経験や勘に基づいて設定されるものである。しかし、極めて高度な寸法精度が要求される微細加工においては、必ずしも最適な加工条件を設定できるとは限られず、オペレータが設定した加工条件に従って実際に加工しても、所望の形状が現出しない事態が多々発生する。所望の形状を得ることができなかった場合は、所望の形状が現出するまで何度も加工条件を設定して加工し直す必要があり、加工時間の増加や、マスクの制作費等の向上によるコスト高を引き起こすことになる。
【０００８】
尚、微細加工過程の効率向上を図った技術として、特開平７−３０２１０８号公報に記載されたコンピュータシミュレーション付きＮＣ制御微細加工方法がある。この技術は、加工中に得られる加工音等の情報に基づいてシミュレーションを行い、このシミュレーションにより微細加工過程の効率向上を図るものである。しかし、この技術は、あくまで加工途中で加工指令を修正するためのものであり、この技術を用いても、加工開始前に加工中のレーザ出力等の条件を最適に設定することはできない。また、この技術は、マスクの使用が必要となるインクジェットヘッドの流路形成等は考慮していないため、マスクの形状等の設定方法については何ら開示されていない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、加工対象物にレーザ照射を行う前段階において、所望の微細形状を得るのに最適な加工中の加工条件を的確かつ迅速に設定して、レーザ加工過程の高効率化、迅速化を図ることができるレーザ加工条件自動設定方法およびレーザ加工条件自動設定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、マスクの開口を介してパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより加工を行うレーザ加工の加工条件を設定する方法であって、加工対象物の最終加工形状を示す設計図面データを入力する工程と、加工対象物の素材を入力する工程と、加工対象物の素材別の加工条件に基づいて、加工対象物の素材と最終加工形状とに応じた最適加工条件を決定する工程と、マスクの開口を特定するためのマスクデータに基づいて、最終加工形状に応じたマスクパラメータを決定する工程と、パルスレーザ光による加工対象物の加工速度を制御するための加工速度データに基づいて、最終加工形状、最適加工条件及びマスクパラメータに応じた加工速度プロファイルを決定する工程と、最適加工条件、マスクパラメータ及び加工速度プロファイルに基づいて、加工対象物に加工を施した場合の予想加工形状をシミュレーションにより算出する工程と、最終加工形状と予想加工形状とを比較して、誤差を算出する工程と、誤差が許容誤差値以内のときは、レーザ加工を開始させ、誤差が許容誤差値を越えるときは、誤差に基づいて最適加工条件、マスクパラメータ又は加工速度プロファイルのうち少なくとも一つを再び決定する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項１記載の発明によれば、設計図面データとして入力された加工対象物の最終加工形状を基に、レーザ加工を開始する前に加工中のレーザ出力等の最適加工条件を設定することができ、さらに、マスクのパラメータや、レーザ加工中におけるレーザ光の照射位置と加工対象物との相対的な移動速度のプロファイルである加工速度プロファイルをも自動的に設定することができるため、レーザ加工過程の高効率化を図ることが可能となる。
【００１４】
更に、実際にレーザ加工を行う前にシミュレーションで算出された予想加工形状と最終加工形状とを比較することにより算出された誤差が、許容誤差以内のときにのみレーザ加工を開始するので、寸法精度の高いレーザ加工を行うことができる。また、算出された誤差が許容誤差値を越えている場合はレーザ加工を開始せず、誤差が許容誤差値以内になるまで最適加工条件、マスクパラメータ、加工速度プロファイル等を決定し直すため、レーザ加工を何度も行う事態を防止することができる。
【００１５】
また、請求項１記載の発明において、マスクパラメータは、マスクの開口の形状、寸法又は寸法公差の少なくとも一つから成ることが望ましい。
【００１６】
また、請求項３記載の発明は、マスクの開口を介してパルスレーザ光を加工対象物に照射することにより加工を行うレーザ加工の加工条件を設定する装置であって、加工対象物の最終加工形状を示す設計図面データを入力する設計図面データ入力手段と、加工対象物の素材を入力する素材入力手段と、加工対象物の素材別の加工条件が予め蓄積された素材別加工条件記憶手段と、素材別加工条件記憶手段に蓄積された素材別の加工条件に基づいて、加工対象物の素材と最終加工形状とに応じた最適加工条件を決定する最適加工条件決定手段と、マスクの開口を特定するためのマスクデータが予め蓄積されたマスクデータ記憶手段と、マスクデータ記憶手段に蓄積されたマスクデータに基づいて、最終加工形状に応じたマスクパラメータを決定するマスクパラメータ決定手段と、パルスレーザによる加工対象物の加工速度を制御するための加工速度データが予め蓄積された加工速度データ記憶手段と、加工速度データ記憶手段に蓄積された加工速度データに基づいて、最終加工形状、最適加工条件及びマスクパラメータに応じた加工速度プロファイルを決定する加工速度プロファイル決定手段と、最適加工条件、マスクパラメータ及び加工速度プロファイルに基づいて、加工対象物に加工を施した場合の予想加工形状をシミュレーションにより算出する予想加工形状算出手段と、最終加工形状と予想加工形状とを比較して、誤差を算出する誤差算出手段と、誤差の許容値である許容誤差値が予め蓄積された許容誤差値記憶手段と、誤差が許容誤差値以内のときは、レーザ加工を開始させ、誤差が許容誤差値を越えるときは、誤差に基づいて最適加工条件、マスクパラメータ又は加工速度プロファイルのうち少なくとも一つを再び決定する誤差判別手段と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項３記載の発明によれば、設計図面データとして入力された加工対象物の最終加工形状を基に、レーザ加工を開始する前に加工中のレーザ出力等の最適加工条件を設定することができ、さらに、マスクのパラメータや、レーザ加工中におけるレーザ光の照射位置と加工対象物との相対的な移動速度のプロファイルである加工速度プロファイルをも自動的に設定することができるため、レーザ加工過程の高効率化を図ることが可能となる。
【００２０】
更に、実際にレーザ加工を行う前にシミュレーションで算出された予想加工形状と最終加工形状とを比較することにより算出された誤差が、許容誤差以内のときにのみレーザ加工を開始するので、寸法精度の高いレーザ加工を行うことができる。また、算出された誤差が許容誤差値を越えている場合はレーザ加工を開始せず、誤差が許容誤差値以内になるまで最適加工条件、マスクパラメータ、加工速度プロファイル等を決定し直すため、レーザ加工を何度も行う事態を防止することができる。
【００２１】
また、請求項３記載の発明において、マスクパラメータは、マスクの開口の形状、寸法又は寸法公差の少なくとも一つから成ることが望ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のレーザ加工条件自動設定方法およびレーザ加工条件自動設定装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２３】
まず、図１を用いて、本実施形態の加工条件自動設定方法およびレーザ加工条件自動設定装置が適用されるレーザ加工装置について説明する。レーザ加工装置の加工対象となる加工対象物１０は、加工テーブル１１上に載置されている。加工対象物１０を照射するレーザ光の発生源として、レーザ発生制御部２５による制御に従ってパルスレーザ光を発生するレーザ発生装置１が設けられている。尚、本実施形態では、レーザ発生装置１としてエキシマレーザを用いたが、レーザの種類はこれに限定されない。そして、このレーザ発生装置１と加工対象物１０との間には、レーザ発生装置１で発生したパルスレーザ光を加工対象物１０へ導くミラー２〜４が配置されている。
【００２４】
ミラー２〜４の他、パルスレーザ光の光路上には、絞り５、シャッター６、マスク７が、ミラー３とミラー４との間に順に配置されており、更に、ミラー４と加工対象物１０との間にレンズ８が配置されている。マスク７の開口の形状や寸法は、後述のように、形成される形状に応じて制御部１５により適宜設定される。レンズ８は、マスク７の開口を通過したパルスレーザ光を、マスク７の開口の形状で加工対象物１０の加工面に結像させるように焦点が合わされている。また、レンズ８の焦点を合わせるために、レンズ８の焦点位置を調節する焦点用駆動装置９が備えられている。尚、シャッター６の開閉、焦点用駆動装置９の駆動は制御部１５により制御される。
【００２５】
加工対象物１０を搭載する加工テーブル１１は、加工テーブル駆動装置１２によって、図中の左右方向（Ｙ方向）、上下方向（Ｚ方向）、Ｙ方向とＺ方向に直交するＸ方向、さらに、Ｚ方向を中心軸とする回転方向（θ方向）に移動される。尚、Ｘ方向やＹ方向を中心軸として加工テーブル１１を回転させても良い。加工対象物１０にパルスレーザ光を照射しながら加工テーブル１１をＹ方向又はＸ方向に移動させることにより、加工対象物１０の表面に一定幅の溝を形成することができる。また、加工テーブル１１のＺ方向の移動により、加工対象物１０上に形成される溝の幅を変化させることができる。例えば、幅の広い溝を形成したい場合は、加工テーブル１１を上方へ移動させ、反対に、幅の狭い溝を形成したい場合は、加工テーブル１１を下方へ移動させれば良い。
【００２６】
また、加工テーブル１１の近傍には、加工対象物１０を撮像する計測カメラ１３が設置されている。さらに、計測カメラ１３には、ピントを調整する焦点用駆動装置１４が備えられている。計測カメラ１３で撮像された加工対象物１０の画像情報は、制御部１５で加工対象物１０のＸ、Ｙ方向の位置情報に変換される。一方、焦点用駆動装置１４で得られた焦点の情報は、制御部１５で加工対象物１０表面のＺ方向の位置情報に変換される。即ち、計測カメラ１３、焦点用駆動装置１４、そして、制御部１５によって、加工対象物１０の原点の位置決めがなされる。
【００２７】
また、本実施形態の制御部１５は、上述した種々の機能の他、レーザ加工を開始する前に、加工中のレーザ発生装置１のレーザ出力等の加工条件を最適なものに自動設定する機能も備えている。以下、制御部１５の加工条件自動設定機能について説明する。
【００２８】
図２は、制御部１５内のレーザ加工条件自動設定装置を示す構成図である。所定の演算処理を行うＣＰＵ１６に、設計図面データ入力部１７、素材入力部１８が接続されている。設計図面データ入力部１７により、加工対象物１０の最終形状を示した設計図面のデータが入力される。また、素材入力部１８により、加工対象物１０の素材が入力される。設計図面データ及び素材の入力は、ＣＡＤから直接情報を送ることにより行われる。尚、ＣＡＤによらず、オペレータによるキーボード操作でも入力することができる。レーザ加工条件自動設定装置は、加工対象物１０を、設計図面データ入力部１７で入力された最終形状（以下、「最終加工形状」という。）に限りなく近い形状に加工できるように、後述の種々の加工条件を決定していく。
【００２９】
ＣＰＵ１６には、更に、素材別加工条件記憶手段１９、マスクデータ記憶手段２０、加工速度データ記憶手段２１、そして、許容誤差値記憶手段２２が接続されている。
【００３０】
素材別加工条件記憶手段１９には、加工対象物１０の素材別の加工条件データが予め蓄積されている。この加工条件データとしては、レーザ出力と加工深さの関係、フルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）と加工深さの関係、パルスレーザ周波数と加工深さの関係等がある。これらの加工条件データは、例えば、加工対象物１０がレーザ光を吸収しにくい素材の場合は、レーザ出力に対する加工深さが浅いデータとなっており、反対に、加工対象物１０が紫外線を吸収し易い素材の場合は、レーザ出力に対する加工深さが深いデータとなっている。そして、素材別加工条件記憶手段１９に蓄積された加工条件データの中から、上述の素材入力部１８で入力された加工対象物１０の素材に対応した加工条件が選択される。
【００３１】
更に、この素材に対応した加工条件に基づいて、最終加工形状を現出させるために最も適したレーザ出力、フルエンス、パルスレーザ周波数等が、最適加工条件としてＣＰＵ１６により決定される。この最適加工条件を決定する場合、まず、加工対象物１０の最終加工形状は、表面の傾斜角が変わる節々で区切られ、複数の区分に分割される。そして、この分割された各区分ごとに最適加工条件が決定される。
【００３２】
ここで、図３を参照して、最適加工条件の決定方法の一例を示す。図３（ａ）は、設計図面データ入力部１７により入力された、ある加工対象物１０の最終形状を示す断面図である。この図において、加工対象物１０は、図面の左から右方向に移動し、パルスレーザは、図面上方から照射される。ます、最終加工形状を示す断面図は、図３（ｂ）のように、表面の傾斜角が変わる節々で区切られ、複数の区分Ａ〜Ｈに分割される。そして、分割された各区分ごとに、最適なレーザ出力、フルエンス、パルスレーザ周波数が決定される。例えば、区分Ａ，Ｈではレーザ照射を行う必要がないため、レーザ出力は０（Ｊ／ｃｍ2）になる。また、レーザ加工を迅速に行うために、区分Ｂよりも深く加工する必要のある区分Ｄにおいては、例えばレーザ出力やパルスレーザ周波数を高く設定する。尚、加工深さの調整を後述の加工速度だけで行う場合、区分Ｂ〜Ｇのレーザ出力等は全て等しくされる。
【００３３】
次に、ＣＰＵ１６に接続されたマスクデータ記憶手段２０について説明する。マスクデータ記憶手段２０には、マスク７の開口を特定するためのマスクデータが予め蓄積されている。このマスクデータとしては、マスク７の開口の形状、寸法、寸法公差などがある。そして、上述のように傾斜角の違いで分割された最終加工形状の各区分の形状に応じて、マスク７の開口形状等のマスクパラメータがＣＰＵ１６により決定される。
【００３４】
ここで、図４〜図６を参照して、マスクパラメータの決定方法の一例を示す。例えば、図４（ａ）のように、矩形溝を加工対象物１０に形成する場合は、図５（ａ）に示すように、マスク７の開口形状を正方形もしくは長方形とする。また、図４（ｂ）のように、底部分の断面がＵ字状の溝を形成する場合は、図５（ｂ）に示すように、マスク７の開口形状を楕円形とする。さらに、図４（ｃ）のように、底部分の断面がＶ字状の溝を形成する場合は、図５（ｃ）に示すように、マスク７の開口形状を三角形にしたり、図５（ｄ）に示すように、五角形にすればよい。
【００３５】
これらのマスク７は、図６（ａ）のように、回動可能な円盤状のマスク台２３の外周に並設されている。円盤状のマスク台２３が回動することにより、最終加工形状を形成するのに最も適したマスクを選択することが可能となる。尚、マスク７の選択方法は、図６（ａ）のような回動式に限られない。例えば、図６（ｂ）のように、複数のマスク７を摺動させる方式でもよい。
【００３６】
マスク７の開口の寸法は、加工対象物１０に一定の加工幅を形成する場合は、その加工幅に応じて決定される。一方、加工対象物１０の加工幅が変化する加工を行う場合は、マスク７の開口の寸法は、最終加工形状の最小の加工幅に応じて決定される。マスク７の開口の幅がこれよりも大きいと、加工対象物１０に最小の加工幅を形成することができないためである。また、マスク７の開口の幅が最終加工形状の最小の加工幅に応じた寸法よりも小さい場合、最小の加工幅を形成することは可能であるが、デフォーカス状態で加工することになり、一部で加工精度が低下する可能性がある。尚、マスク７の開口の寸法は、例えば、パルスレーザ光を透過させない仕切り板をマスクに設け、この仕切り板を摺動させることで変化させることができる。
【００３７】
また、マスク７の開口の寸法公差も、マスクデータ記憶手段２０に予め蓄積されたマスクデータを基に、最終加工形状と対応するように決定される。例えば、最終加工形状が、高度な寸法精度が要求される複雑な形状の場合、マスク７の開口の寸法公差は、小さな値に設定される。一方、最終加工形状が、寸法精度がさほど要求されない簡略な形状の場合は、マスク７の開口の寸法公差は、大きな値に設定される。
【００３８】
次に、ＣＰＵ１６に接続された加工速度データ記憶手段２１について説明する。加工速度データ記憶手段２１には、加工対象物１０の最終加工形状、レーザ出力等の最適加工条件及びマスクパラメータに対応した加工速度データが予め蓄積されている。そして、最終加工形状等に応じて、加工速度のプロファイルがＣＰＵ１６により決定される。ここでいう加工速度とは、レーザ加工中におけるレーザ光の照射位置と加工対象物１０との相対的な移動速度を意味し、加工速度データには移動加速度のデータも含まれる。本実施形態では、パルスレーザ光の照射位置を固定した状態で加工テーブル１１を移動させるため、加工テーブル１１の速度が加工速度となる。尚、本実施形態とは反対に、加工テーブル１１を固定し、パルスレーザ光の照射位置のみを移動させることも可能である。パルスレーザ光の照射位置を移動させるには、ミラー２〜４，シャッター６，マスク７，レンズ８等を移動させれば良い。この場合は、パルスレーザ光の照射位置の移動速度が加工速度となる。
【００３９】
ここで、図７を参照して、加工速度の高低による加工結果の相違を説明する。図７は、４種類の異なる加工速度で加工対象物１０に溝を形成した場合の結果を示している。この図において、左から順に加工対象物１０の移動速度を速くしている。尚、加工対象物１０の移動加速度は一定にしてある。この図から分かるように、加工速度が遅い場合は、パルスレーザ光の照射時間が長くなるため、深い溝が形成される。反対に、加工速度が速い場合は、パルスレーザ光の照射時間が短くなるため、形成される溝は浅くなる。即ち、加工すべき深さに応じて加工速度を決定すればよいことが分かる。
【００４０】
更に、図８を参照して、加工中に加工深さを変化させた場合の効果を説明する。図８は、加工中に、加工対象物１０の移動速度を変化させた場合の加工例を示す斜視図及び断面図である。ここでは、加工対象物１０の移動加速度を一定とし、移動速度が次第に速くなるように制御している。加工対象物１０の移動方向は、図８（Ａ）の奥から手前、図８（Ｂ）の右から左である。移動速度が速くなるにつれて加工深さは次第に浅くなり、図８に示すような底面が傾斜した溝が形成される。このとき、連続的に移動速度を変化させることによって、滑らかな傾斜面を得ることができる。
【００４１】
続いて、図９を参照して、加工対象物１０の初速度及び加速度と斜面の傾斜角度との関係を説明する。図９から分かるように、初速度が遅い場合は、同じ加速度で移動速度を増加しても傾斜角度は大きくなり、初速度が速い場合は、傾斜角度は小さくなる。また、同じ初速度でも、加速度が大きいと加工深さの変化が大きくなり、傾斜は急になる。また、この図から、加工中に加速度を変化させると、傾斜角度が変化し、曲面が形成されることが分かる。
【００４２】
以上のように、加工対象物１０の移動速度及び移動加速度を制御することによって加工深さを制御することができ、更に、斜面や曲面などを形成することも可能となる。尚、最終加工形状の加工深さに基づいて、レーザ出力、パルスレーザ周波数等は決定されているが、加工速度を調整することによって一層加工対象物１０を最終加工形状に近づけることが可能となる。また、マスクパラメータも既に決定されているため、マスク７の開口の形状、寸法等も考慮して加工速度のプロファイルが決定される。
【００４３】
尚、上記特開平７−３０４１７９号公報に掲載された技術によれば階段状の流路溝を形成することができるが、この公報の技術はあくまで流路溝の幅方向の断面を階段状に形成するためのものであり、溝の延伸方向に深さを変えることはできない。また、この技術では形成面は階段状となり滑らかな表面を形成することは困難である。従って、溝の延伸方向に深さを変えることができる点、そして、形成面を階段状でなく滑らかにできる点で本実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工条件自動設定装置は、上記の特開平７−３０４１７９号公報等に掲載された技術と異なる。
【００４４】
次に、ＣＰＵ１６に接続された許容誤差値記憶手段２２について説明する。まず、上述のように決定された最適加工条件、マスクパラメータ及び加工速度プロファイルに基づいて加工対象物１０を加工した場合に現出する予想形状（以下、「予想加工形状」という。）が、ＣＰＵ１６でのシミュレーションにより算出される。このシミュレーションで算出された予想加工形状は、必ずしも設計図面データ入力部１７により入力された最終加工形状と一致するとは限られず、微小の誤差が生じる。この誤差の算出はＣＰＵ１６で行われ、誤差が一定値以下のときはレーザ加工を開始し、誤差が一定値を越えるときは再び最適加工条件、マスクパラメータ、加工速度プロファイル等を決定し直すことになる。そして、誤差の比較対照となる一定値は、許容誤差値として許容誤差値記憶手段２２に蓄積されている。
【００４５】
ここで、図１０を参照して、予想加工形状と最終加工形状との間の誤差と、許容誤差値との比較方法の一例について説明する。図１０（ａ）は、図３（ｂ）と同様に、ある加工対象物１０の最終加工形状を複数の区分Ａ〜Ｈに分割した図である。予想加工形状と最終加工形状の間の誤差と許容誤差値との比較は、最適加工条件の決定の際に分割された各区分ごとに行われる。図１０（ｂ）は、シミュレーションにより算出された予想加工形状を示している。また、図１０（ｃ）は、最終加工形状と予想加工形状とを重ね合わせた状態を示しており、実線で表した図が最終加工形状で、破線で表した図が予想加工形状である。この最終加工形状と予想加工形状は、ディスプレイ等の表示手段２４にも表示される（図２参照）。
【００４６】
図１０（ｃ）の実線と破線で囲まれた部分の面積が、予想加工形状と最終加工形状の誤差に相当する。この図において、区分Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｆ，Ｇに誤差があることが分かる。この場合、区分Ｄの誤差は極めて小さく、許容誤差値以下となっている。しかし、区分Ｂ，Ｃ，Ｆ，Ｇの誤差が許容誤差値を越えているため、再び最適加工条件、マスクパラメータ、加工速度プロファイルを決定し直すことになる。最適加工条件等の再決定は、最終加工形状と予想加工形状の誤差をなくすように行われる。
【００４７】
例えば、区分Ｂ，Ｃでは最終加工形状に対して予想加工形状が深くなり過ぎているため、この区分における加工速度を速めたり、レーザ出力を低減させることが必要となる。一方、区分Ｆ，Ｇでは最終加工形状に対して予想加工形状が浅くなっているため、この区分における加工速度を遅くしたり、レーザ出力を大きくすることが必要となる。尚、区分Ｄにおける誤差は許容誤差値以内であるが、この区分の最適加工条件等も再び決定するように設定することもできる。また、最終加工形状をなす製品の性能上重要でないと判断される部分については、許容誤差値を大きく設定することができる。
【００４８】
最適加工条件等の再決定により全ての区分の誤差が許容誤差値以下になった場合に、ＣＰＵ１６は最適加工条件、マスクパラメータ及び加工速度プロファイルをレーザ加工装置のレーザ発生制御部２５、マスク７、加工テーブル駆動装置１２に伝え、レーザ加工が開始される。尚、本実施形態では、シミュレーションにより予想加工形状を算出したが、この工程を省くこともできる。この場合は、予想加工形状と最終加工形状とを比較して誤差を算出することはできないが、予め蓄積された種々のデータに基づいて最適加工条件、マスクパラメータ及び加工速度プロファイルを決定しているため最終加工形状に極めて近い形状を現出させることができる。
【００４９】
また、本実施形態では、各区分における最終加工形状と予想加工形状との面積の違いを誤差として許容誤差値との比較を行ったが、比較方法はこの方法に限定されない。例えば、区分ごとに判断せず、最終加工形状の全体形状と予想加工形状の全体形状を比較することも可能である。更に、本実施形態では、レーザ加工装置に装着された複数のマスクの中から最適なマスクを選択する手法を用いたが、誤差が許容誤差値以下になった後に、決定されたマスクパラメータに基づいてマスクを別途製作してレーザ加工装置に取り付ける手法を用いてもよい。
【００５０】
（動作例）
次に、図１１のフローチャートを参照しながら、具体的なレーザ加工条件自動設定装置の動作について説明する。ここでは、図１２に示すポリサルフォン製のインクジェットヘッドの流路を図１のレーザ加工装置で加工することを目的とする。尚、このインクジェットヘッドの流路は、レーザ光の照射位置を固定し、加工対象物を図中右から左方向に移動させることで形成される。
【００５１】
まず、図１１のＳ１において、制御部１５の設計図面データ入力部１７に設計図面データを入力する。ここでは、図面データと共に、加工対象物１０の素材も入力する。そして、ＣＰＵ１６は、この設計図面データに基づいて、加工対象物１０に実際にレーザ加工を施した場合に現出し得る目標加工形状を作成する（Ｓ２）。例えば、溝のエッジ部分が完全に尖った加工品の設計図面データが入力されたとしても、溝の形状によっては、レーザ加工でエッジ部分を完全に尖らせることができない場合がある。このような場合、ＣＰＵ１６は、溝のエッジ部分にアールを有する目標加工形状を作成する。そして、以下に述べる種々の加工条件は、加工対象物１０をこの目標加工形状に形成するために設定される。即ち、この場合、目標加工形状が最終加工形状に相当することになる。
【００５２】
図１３は、設計図面データに基づいて作成された目標加工形状の断面図を示している。この図に示されているように、傾斜角が変わる節目部分は、全て曲線状に修正される。尚、この目標加工形状を作成する工程は必ずしも必要ではなく、設計図面データ入力部１７に入力された設計図面データをそのまま最終加工形状とすることも当然可能である。また、目標加工形状を作成する工程の前に、入力された素材を基に、加工対象物１０がパルスレーザ光を照射して加工できる物質であるか否かを判断し、その結果パルスレーザ光で加工できない物質と判断された場合は最適加工条件の決定等を行わないという工程を含めることができる。尚、パルスレーザ光で加工できない物質として、例えば、当該パルスレーザ光を吸収しない物質等がある。
【００５３】
続いて、ＣＰＵ１６は、素材別加工条件記憶手段１９からインクジェットヘッドの素材であるポリサルフォンに対応した加工条件を読み出す（Ｓ３）。加工条件を読み出した後、ＣＰＵ１６は、この加工条件に基づいて、目標加工形状を現出させるために最も適したレーザ出力、フルエンス、パルスレーザ周波数を最適加工条件として決定する（Ｓ４）。最適加工条件の決定に際して、ＣＰＵ１６は、まず図１４のように目標加工形状を表面の傾斜角が変わる節々で区切り、複数の区分Ａ〜Ｉに分割する。そして、ＣＰＵ１６は、区分Ａ〜Ｉの各々について、レーザ出力、フルエンス、パルスレーザ周波数を決定する。本実施形態では、加工深さは加工速度で調節するため、加工中のレーザ出力、フルエンス、パルスレーザ周波数は全て一定とした。尚、これらの具体的値は、レーザ出力３００ｍＪ、フルエンス２．４Ｊ／ｃｍ2、パルスレーザ周波数６００Ｈｚとした。
【００５４】
次に、ＣＰＵ１６は、マスクデータ記憶手段２０からマスクデータを読み出す（Ｓ５）。そして、ＣＰＵ１６は、目標加工形状と最適加工条件に応じて、マスク７の開口の形状、寸法、寸法公差等のマスクパラメータを決定する（Ｓ６）。図１２のように、本実施形態における目標加工形状の溝の底部分は平面であるため、マスク７の開口の形状は長方形となる。また、流路の横幅、即ち、加工対象物の移動方向に垂直な方向の長さが一定であるため、マスク開口の横幅は流路の横幅に対応させ、加工中も変化させない。マスク開口の縦幅は加工中に変化させてもよいが、本実施形態では、加工対象物の移動方向の長さが最も短い区分Ｃの長さを越えない値に固定させる。
【００５５】
マスクパラメータを決定した後、ＣＰＵ１６は、加工速度データ記憶手段２１から加工速度データを読み出す（Ｓ７）。そして、ＣＰＵ１６は、目標加工形状、最適加工条件及びマスクパラメータに応じて、加工対象物の移動速度を決定する（Ｓ８）。ここで、図１５を用いて、加工速度のプロファイルの決定方法を説明する。本実施形態では、上述のように加工中にレーザ出力、フルエンス、パルスレーザ周波数を変化させず一定とし、加工速度のみを変化させる。図１５は、加工対象物１０の加工中の移動速度を示している。このような移動速度で加工対象物を移動させることにより、図１４に示した目標加工形状を得ることができる。尚、図１５中のＡ〜Ｉは、図１４中の区分Ａ〜Ｉに対応している。
【００５６】
例えば、区分Ｃでは、図１４のように加工深さを深くする必要がある。そのため、図１５のように、区分Ｃでは加工対象物１０を一定の低い速度で移動させ、レーザ光の照射時間を長くする。これに対し、区分Ｅでは、図１４のように加工深さを浅くする必要がある。そのため、図１５のように、区分Ｅでは加工対象物を一定の高い速度で移動させ、レーザ光の照射時間を短くする。また、区分Ｈでは、図１４のように、図の左から右に下る斜面を形成する必要がある。そのため、図１５のように、区分Ｈでは加工対象物の移動速度を次第に減速させ、レーザの照射時間を徐々に長くする。
【００５７】
加工速度プロファイルを決定した後、ＣＰＵ１６は、最適加工条件、マスクパラメータ及び加工速度プロファイルに基づいてシミュレーションを行い、予想加工形状を算出する（Ｓ９）。そして、ＣＰＵ１６は、予想加工形状と目標加工形状とを比較し、Ｓ４の最適加工条件の決定の際に分割された区分ごとに面積誤差を算出する（Ｓ１０）。図１６は、目標加工形状と予想加工形状とを重ね合わせた状態を示しており、実線で表した図が目標加工形状で、破線で表した図が予想加工形状である。この図に示されているように、区分Ｂ〜Ｄでは、目標加工形状の加工深さよりも予想加工形状の加工深さの方が浅くなっており、誤差があることがわかる。
【００５８】
ここで、ＣＰＵ１６は、許容誤差値記憶手段２２から許容誤差値を読み出す（Ｓ１１）。そして、ＣＰＵ１６は、区分Ｂ〜Ｄにおける目標加工形状と予想加工形状の誤差と、許容誤差値とを比較し、誤差が許容誤差値以下であるか否かを判別する（Ｓ１２）。その結果、区分Ｂ〜Ｄ全ての誤差が許容誤差値以下であれば、ＣＰＵ１６は、最適加工条件、マスクパラメータ及び加工速度プロファイルをレーザ加工装置のレーザ発生制御部２５、マスク７、加工テーブル駆動装置１２に伝え、レーザ加工を開始する（Ｓ１３）。反対に、区分Ｂ〜Ｄのいずれかに許容誤差値を越える誤差がある場合、レーザ加工は開始されず、ＣＰＵ１６は、全ての誤差が許容誤差値以内になるまで最適加工条件、マスクパラメータ、加工速度プロファイルを決定し直す。本実施形態では、区分Ｂ〜Ｄにおける加工速度を遅くすることで予想加工形状を目標加工形状に近づけることができる。最適加工条件等の再決定により全ての区分の誤差が許容誤差値以下になった場合に、ＣＰＵ１６は、レーザ発生制御部２５にレーザ出力開始指令を送る。
【００５９】
ＣＰＵ１６からレーザ発生制御部２５にレーザ出力開始指令が送られると、レーザ発生装置１から、ＣＰＵ１６で決定されたレーザ出力、パルスレーザ周波数から成るパルスレーザ光が出力される。レーザ発生装置１から出力されたパルスレーザ光は、ミラー２，３で反射され、絞り５、シャッター６を通過し、マスク７に到達する。マスク７で、パルスレーザ光は、ＣＰＵ１６で決定されたマスク開口の形状、寸法に形成される。マスク７の開口を通過したパルスレーザ光は、ミラー４で反射され、レンズ８で加工対象物１０上に集光される。レンズ８で、パルスレーザ光は、加工対象物１０上のフルエンスがＣＰＵ１６で決定されたフルエンスになるように調整される。このとき加工テーブル駆動装置１２は、ＣＰＵ１６で決定された加工速度プロファイルに従って加工テーブル１１上に載置された加工対象物１０を移動させる。そして、図１２のようなインクジェットヘッドの流路を精度良く形成することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、本発明のレーザ加工条件自動設定方法およびその装置によれば、設計図面データとして入力された加工対象物の最終加工形状を基に、レーザ加工を開始する前に加工中のレーザ出力等の最適加工条件を設定することができ、さらに、マスクのパラメータや、レーザ加工中におけるレーザと加工対象物との相対的な移動速度のプロファイルである加工速度プロファイルをも自動的に設定することができるため、レーザ加工過程の高効率化を図ることが可能となる。
【００６１】
更に、実際にレーザ加工を行う前にシミュレーションで算出された予想加工形状と最終加工形状とを比較することにより算出された誤差が、許容誤差以内のときにのみ、レーザ加工を開始するので、寸法精度の高いレーザ加工を行うことができる。また、算出された誤差が許容誤差値を越えている場合はレーザ加工を開始せず、誤差が許容誤差値以内になるまで最適加工条件、マスクパラメータ、加工速度プロファイル等を決定し直すため、レーザ加工を何度も行う事態を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のパルスレーザ照射型微細加工の加工条件設定方法及びレーザ加工条件自動設定装置が適用されるレーザ加工装置の構成図である。
【図２】  レーザ加工条件自動設定装置を示す構成図である。
【図３】  最適加工条件の決定の際に分割された最終加工形状を示す図である。
【図４】  加工対象物に形成される溝の例を示す図である。
【図５】  図４の溝の形成に使用するマスクを示す図である。
【図６】  マスクの選択例を示す図である。
【図７】  加工対象物の移動速度と加工深さの関係を説明する図である。
【図８】  加工対象物の移動速度を加工中に変化させた場合の加工例を示す斜視図及び断面図である。
【図９】  加工対象物の初速度及び加速度と形成される面の傾斜角度との関係の一例を示すグラフである。
【図１０】  予想加工形状と最終加工形状の誤差と許容誤差値との比較方法の一例を示す図である。
【図１１】  加工条件を自動的に設定する際の処理手順を示すフローチャートである。
【図１２】  本発明のレーザ加工条件自動設定装置が適用されるレーザ加工装置の加工対象となるインクジェットヘッドの部分断面斜視図である。
【図１３】  目標加工形状の一例を示す図である。
【図１４】  目標加工形状を複数の区分に分割した状態を示す図である。
【図１５】  図１３に示す目標加工形状に対応した加工速度プロファイル図である。
【図１６】  予想加工形状と最終加工形状との誤差を算出する工程を示した図である。
【符号の説明】
１…レーザ発生装置、２〜３…ミラー、５…絞り、６…シャッター、７…マスク、８…レンズ、１０…加工対象物、１１…加工テーブル、１２…加工テーブル駆動装置、１３…計測カメラ、１５…制御部、１６…ＣＰＵ、１７…設計図面データ入力部（設計図面データ入力手段）、１８…素材入力部（素材入力手段）、１９…素材別加工条件記憶手段、２０…マスクデータ記憶手段、２１…加工速度データ記憶手段、２２…許容誤差値記憶手段、２３…マスク台、２４…表示手段、２５…レーザ発生制御部。
【図１】
0003800795.tif 000002
【図２】
0003800795.tif 000003
【図３】
0003800795.tif 000004
【図４】
0003800795.tif 000005
【図５】
0003800795.tif 000006
【図６】
0003800795.tif 000007
【図７】
0003800795.tif 000008
【図８】
0003800795.tif 000009
【図９】
0003800795.tif 000010
【図１０】
0003800795.tif 000011
【図１１】
0003800795.tif 000012
【図１２】
0003800795.tif 000013
【図１３】
0003800795.tif 000014
【図１４】
0003800795.tif 000015
【図１５】
0003800795.tif 000016
【図１６】
0003800795.tif 000017