CN101576657A - 电扫描器装置以及具有电扫描器装置的激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供能够高速而且高精度地定位使激光等光束反射的反射镜的电扫描器装置以及具有电扫描器装置的激光加工装置。一种电扫描器装置，具有：在转动轴(5)上支持的反射镜(2)；由在转动轴(5)上支持的编码器板(7)和在框架(12b)上固定的传感器头(8)组成的角度检测单元；和使用通过角度检测单元检测的角度检测值(14)使反射镜(2)跟踪角度目标值的伺服控制装置，其中，在反射镜(2)上设置检测反射镜(2)的变形量的应变传感器(10)，根据应变传感器(10)的输出信号(20)和角度检测单元的输出信号(14)定位反射镜(2)。

Description

电扫描器装置以及具有电扫描器装置的激光加工装置

技术领域

本发明涉及把反射激光等的光束的反射镜定位在希望的角度上的电扫描器(galvano-scanne)装置以及具有电扫描器装置的激光加工装置。

背景技术

电扫描器装置是通过由被内置的电磁致动器使在转动轴上安装的反射镜转动、改变反射镜的角度来使激光光束的光路偏转的装置。在作为使用电扫描器装置的代表装置的激光加工装置中，把从激光振荡器输出的激光光束，引导到在与作为工件的印刷基板的X以及Y方向对应的一对电扫描器装置上安装的反射镜，使在正交两方向上偏转，照射印刷基板的希望的位置进行穿孔加工。电扫描器装置因为需要把反射镜向目标角度正确地定位，所以设置编码器等角度检测器，进行基于使用了角度检测器的输出信号的反馈的伺服控制。

为提高印刷基板的孔加工的生产率或者实现高质量加工，需要电扫描器装置上安装的反射镜的定位动作高速化、高精度化。为此，需要扩大电扫描器装置的定位控制系统的伺服频带。但是，因为电扫描器装置的可动部是分布常数系统，所以存在无限个固有振动方式，这些振动方式是阻碍扩大伺服频带的原因。特别，在改变反射镜角度时被激励的转动轴系的扭曲振动方式是限制伺服频带的主要原因。当以频率低的顺序排列扭曲振动方式、把第i号的方式称为i次方式时，基本上最低次的一次方式成为伺服频带扩大的限制，但是当二次以上的方式接近一次方式时，这些方式有时也影响伺服特性。进而这些方式由于随时间变化，有定位精度显著恶化，控制系统变得不稳定的可能。

因此，有以下的技术：亦即，为抑制电扫描器装置的扭曲振动方式同时实现伺服频带的扩大，分别准备与各个扭曲振动方式等价的传递函数，把电流检测信号作为输入对各传递函数的输出进行负反馈，由此来实现各振动方式的稳定化(专利文献1)。

另外，还有以下的技术：亦即，用模拟电路的补偿器和数字计算机的补偿器构成伺服控制装置，把模拟电路的补偿器作为电扫描器装置的扭曲振动方式下的陷波滤波器，由此来扩大伺服频带(专利文献2)。

另外，还有以下的技术：亦即，用传感器直接检测转动轴的扭曲角，对其输出信号进行负反馈，使用该输出信号推定状态量，由此来稳定各振动方式(专利文献3)。

【专利文献1】特开2002-40358号公报

【专利文献2】特开2002-196274号公报

【专利文献3】特开2003-57570号公报

但是，在上述专利文献1的场合，为分别准备各振动方式的传递函数，需要预先正确地掌握各扭曲振动方式的参数。另外，在各振动方式时时刻刻变化的场合，如果没有另外准备每次在重新测量各参数的基础上进行调整或者自动确定参数的算法，则控制性能显著降低。进而，因为为控制多个振动方式需要与各振动方式对应的传递函数，所以应该调整的参数增加，同时运算成本增大。

另外，在上述专利文献2的场合，因为使用固定衰减频率的陷波滤波器会减低扭曲振动方式的增益，所以在各振动方式时时刻刻变化的场合，必须通过重新设定陷波滤波器的参数来预防控制性能降低。进而，因为陷波滤波器在比其衰减频率低的频率下相位延迟，所以伺服系统的相位裕度减小，结果会限制伺服频带的扩大。

另外，在专利文献3的场合，除转动角度传感器之外，还设置有用于检测转动轴中扭曲角的应变传感器，但是因为存在多个扭曲振动方式，所以为检测它们需要多个应变传感器。另外，在不能检测为施行控制所必需的数目的扭曲角的场合，需要附加状态量推定器，结果增大补偿器的运算成本。另外，为正确地检测各扭曲振动方式，必须事先适当地决定检测点。另外，由于在转动轴上安装传感器会增加加工成本，降低装置组装的作业效率。因此，增大制造成本。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供能够高速而且高精度地定位使激光等光束反射的反射镜的电扫描器装置以及具有电扫描器装置的激光加工装置。

为实现上述目的，本发明的第一设备是电扫描器装置，其具有：在转动轴上支持的反射镜；检测所述转动轴的转动角度的角度检测单元；和使用通过所述角度检测单元检测到的角度检测值使所述反射镜跟踪角度目标值的伺服控制单元，其特征在于，在所述反射镜上配置检测所述反射镜的变形量的变形量检测单元，根据所述变形量检测单元的输出信号和所述角度检测单元的输出信号来定位所述反射镜。

另外，本发明的第二设备是激光加工装置，其具有电扫描器装置，通过所述电扫描器装置使从激光振荡器输出的激光光束偏转，加工工件，其特征在于，所述电扫描器装置是所述第一设备中记载的电扫描器装置。

使用简单的反馈补偿器能够抑制多种扭曲振动方式。而且，因为对于扭曲振动方式的变动能够强壮地进行伺服控制，所以能够高速、高精度地定位反射镜。进而，因为在使用了该电扫描器装置的激光加工装置中能够抑制反射镜的扭曲变形振动，所以能够在工件上的正确的位置加工高圆度的孔。

附图说明

图1是涉及本发明的实施例的电扫描器装置的控制框图。

图2是表示电扫描器装置的频率响应特性的一例的图。

图3是概念表示电扫描器装置的反射镜的扭曲变形振动的图。

图4是表示涉及本发明的实施例的应变传感器的配置的图。

图5是表示涉及本发明的实施例的应变传感器的截面图的图。

图6是表示涉及本发明的实施例的频率响应特性的一例的图。

图7是表示本发明的实施例中的频率响应特性的一例的图。

图8是表示涉及本发明的实施例的取出应变检测信号的另一例的图。

符号说明

2反射镜

5转动轴

7编码器板

8传感器头

10应变传感器

12b传感器框架

14角度检测信号

具体实施方式

下面使用附图说明本发明的一个实施例。

图1是涉及本发明的电扫描器装置的控制框图。

首先，说明电扫描器装置的概略结构。

电扫描器装置1的转动轴5由轴承6a、6b支持。在转动轴5的一方的端部上通过反射镜支架9固定反射镜2，在反射镜2的激光光束反射面的背面，设置用于检测反射镜2的变形量的两个应变传感器10a、10b。另外，应变传感器10a、10b，因为结构相同，所以在不需要特别区别两者的场合，简单地称应变传感器10。应变传感器10输出应变检测信号20。应变传感器10是PZT等的压电元件或者电阻丝式应变片等，以转动轴5的轴线A(点划线)作为中心对称配置。在使用压电元件的应变传感器10的场合，对于反射镜2用非导电性粘接剂固定。或者在把反射镜2做成非导电性的材质、或者在反射镜2的表面上设置绝缘膜的场合，也可以使用导电性的粘合剂。这样，通过绝缘处理压电元件10和反射镜2的界面，压电元件的应变传感器10能够正确地测定反射镜2的变形振动，输出应变检测信号20。另外，在反射镜2的内部内置压电元件的应变传感器10的场合也实施界面的绝缘处理。

在转动轴5的另一方的端部上固定轮毂11。在轮毂11上固定编码器板7。在编码器板7的表面上，设置省略了图示的缝。传感器头8被固定在传感器框架12b上，使其面对在编码器板7的表面上设置的缝。用编码器板7和传感器头8构成所谓的旋转编码器，能够检测转动轴5的角度位移亦即反射镜2的角度位移。另外，作为检测角度位移的设备，不限于旋转编码器。

在转动轴5的中央附近，固定圆筒形的永久磁铁4。在永久磁铁4的外周上隔着气隙配置线圈3。线圈3在包含有省略了图示的轭的扫描器框架12a上固定。由线圈3、永久磁铁4、气隙以及省略了图示的轭构成磁回路。而后，当给线圈3供给驱动电流19时，永久磁铁4受到由以弗莱明的左手定则为原理的反作用力而产生的驱动转矩。通过该驱动转矩，与永久磁铁4一体的转动轴5以轴线A(点划线)为中心转动，使反射镜2进行摇动运动。

下面说明电扫描器装置1的控制系统的概略结构。

通过编码器板7和传感器头8检出角度检测信号14。加法器(减法器)30输出输入的目标角度位移13和角度检测信号14的偏差信号15a。偏差信号15a被输入反馈补偿器16。这里，反馈补偿器16，以使伺服系统全体稳定为目的，例如采用相位滞后超前补偿器或者PID补偿器等。加法器(减法器)31输出输入的反馈补偿器16的输出信号17和后述的应变补偿信号22的偏差信号15b。偏差信号15b作为电流指令被输入电流控制器18。用加法器30、反馈补偿器16、加法器31以及后述的应变补偿器21构成伺服控制装置。电流控制器18的细节省略，构成使用线圈驱动电流的检测信号的反馈控制系统，通过功率放大器生成驱动电流19供给线圈3。

另外，图1仅表示反馈控制系统，但是在仅用反馈控制系统不能得到必要的目标值跟踪特性的场合，采用另外附加反馈补偿器的结构。另外，控制系统的各要素的实现形式，可以用模拟电路，也可以用通过数字计算机的数字处理。

下面说明转动轴5转动的扭曲振动方式的检测方法、其反馈补偿要素的细节。

首先使用图2～图6说明扭曲振动方式的检测方法。

图2是表示从电扫描器装置1的驱动电流19到角度检测信号14的频率响应特性(增益特性)的一例的图。

从角度检测信号14，可以观察主要包含反射镜2、反射镜支架9、转动轴5、永久磁铁4、轮毂11、编码器板7的可动部转动的扭曲振动方式。把扭曲振动方式从低的顺序起依次称为一次方式(频率fa)、二次方式(频率fb)。

图3是示意性地表示通过一次方式的频率fa反射镜2扭曲而变形振动的样子，图4是表示应变传感器10a和10b的配置位置的图。

通常，反射镜2是平板状。因此，按反时针旋转反射镜2转动时，如图3所示，纸面右侧的反射镜端部向下受到惯性力，纸面左侧的反射镜端部向上受到惯性力。在该场合，因为在左右方向上离开轴线A(点划线)、而且越接近作为反射镜支架9的相反侧(自由端侧)的反射镜尖端部惯性力越大，所以越接近反射镜2的左右尖端部反射镜2的变形量(挠曲)越大。亦即，成为反射镜板的变形振动的腹部。因此，在扭曲振动的一次方式中，如图4的虚线所示，如果从反射镜支架9的中心成V形、对于轴线A(点划线)对称地配置应变传感器10，则能够有效地检测反射镜2的应变量。

另外，即使在二次方式或者其上的高次方式(n次方式)中，因为通过扭曲振动时的惯性力反射镜2变形，所以用应变传感器10能够检测多个扭曲振动方式。另外，对于轴线A(点划线)对称地配置，这能够细微地抑制转动轴5转动的不平衡，所以是希望的。

但是，即使对于轴线A(点划线)对称地配置两个应变传感器10a和10b，也有可能由于别的部件的转动不平衡引起在反射镜2上发生弯曲振动方式。这里所谓弯曲振动方式，是把轴承6a、6b作为支持点转动轴5弯曲的振动。当该弯曲振动发生时，在把应变检测信号20作为输出的频率响应特性中以弯曲振动频率出现共振特性。当把此时的应变检测信号20作为反馈信号使用时，由于弯曲振动方式的检测信号的影响，有伺服系统的稳定性或者目标值跟踪特性恶化的可能。因此，为避免弯曲振动方式的影响，仅正确地检测扭曲振动方式自身，按如下方式连接两个应变传感器10。

图5是由压电元件形成的应变传感器10的截面图。如该图所示，通常的应变传感器10，在板状的压电元件23的正反面上电镀电极24a、24b，在电极24a、24b上锡焊导线25a、25b。该应变传感器10的电极24a、24b，在与反射镜2的界面上，如上述用非导电性粘接剂等进行电气绝缘。然后，通过压电元件应变发生的电位差向导线25a、25b之间输出。在弯曲振动方式的场合，关于轴线A(点划线)对称配置的两个应变传感器10a和10b在同方向变形。对此，在扭曲振动方式中，如图3所示，两个应变传感器10a和10b在互相相反方向上进行变形。

因此，在图5中，当应变传感器10a、10b的反射镜2的界面侧的电极是电极24b时，连接应变传感器10a的导线25a和应变传感器10b的导线25b，连接应变传感器10a的导线25b和应变传感器10b的导线25a，来把两者间的电位差作为应变检测信号20检测。这样一来，因为弯曲振动方式互相抵消，所以能够正确地仅检测扭曲振动方式。

图6是表示频率响应特性的一例的图。

该图中的实线是连接应变传感器10a的导线25a和应变传感器10b的导线25b，连接应变传感器10a的导线25b和应变传感器10b的导线25a，把两者间的电位差作为应变检测信号20的场合的从驱动电流19到应变检测信号20的频率响应特性，不受弯曲振动方式的影响。另外，该图的虚线是图2所示的频率响应特性。如该图所示，从驱动电流19到应变检测信号20的频率响应特性，在与电扫描器装置1的频率响应特性中的增益峰值的相同频率下有增益峰值。由此可知，通过组合反射镜2的变形振动和应变传感器10a和10b的输出信号作为应变检测信号20，能够正确地检测电扫描器装置1的扭曲振动方式。

下面说明使用应变检测信号20的反馈控制系统的结构。

基本结构如图1所示，通过使用应变补偿器21反馈应变检测信号20，能够给各扭曲振动方式赋予阻尼，能够减低增益峰值。

如上所述，在应变检测信号20中包含多个扭曲振动方式。因此，使用应变补偿器21整形应变补偿信号22的频率成分。下面作为一例说明假定得到图6表示的应变检测信号的频率特性，阻尼补偿扭曲振动的一次方式(频率fa)和二次方式(频率fb)的场合。在该场合，关于一次方式和二次方式负反馈其微分信号是合适的，关于三次方式以上的高次方式，为避免由溢出(振动系统中可能发生的不稳定振动)引起的不稳定，所以有必要减低增益。因此，作为应变补偿器21，把应变补偿器21的输入输出信号间的传递函数G(s)取作式1。

G(s)＝K·s/(s+ω₁)·ω₂ ²/(s²+2ζω₂s+ω₂ ²)…(式1)

式中，(式1)右边的s/(s+ω₁)是一次高通滤波器，ω₂ ²/(s²+2ζω₂s+ω₂ ²)是二次低通滤波器。另外，s是拉普拉斯变换的复数变量，ω₁是高通滤波器的截止频率，ω₂是低通滤波器的截止频率，ζ是高通滤波器的衰减比，K是系数。

而后，通过把ω₁和ω₂的角频率作为二次方式和三次方式之间的角频率，在由该角频率低频区域侧变成由高通滤波器引起的微分特性。因此，对于一次方式(频率fa)和二次方式(频率fb)，由应变速度引起的阻尼发挥作用。另一方面，在高频区域侧变成低通滤波器的特性，增益减低。而且，从附加了该应变补偿器21的场合的反馈补偿器16的输出信号17到角度检测信号14的频率响应特性成为图7的实线。另外，用虚线表示的曲线是图2中表示的频率响应特性曲线。与虚线比较，像实线那样共振的增益峰值下降。另外，在反馈补偿器16中，因为不使用为使一次方式和二次方式稳定化的陷波滤波器等，所以可以减小相位延迟。由此增大伺服频带的扩大或者伺服系统的稳定裕度。进而，应变传感器10a、10b，因为即使扭曲振动方式变动也能正确地检测扭曲振动，所以对于这些振动方式的变动能够构成强壮的控制系统。

图8是表示为取出应变检测信号20的别的例子的图。

在连接点26a上串联应变传感器10和电阻R1。将其称为第一串联支路。进而，在连接点26b上串联静电容量和应变传感器10的静电容量相同的电容器C1与电阻值等于电阻R1的电阻R2，将其称为第二串联支路。然后并联第一串联支路和第二串联支路，构成C-R桥电路。然后，把连接点26a和连接点26b之间的电位差作为应变检测信号20取出。在该场合，应变检测信号20被作为应变速度检测。这样一来，因为即使不使用上述应变补偿器21的高通滤波器应变速度的阻尼也发挥作用，所以应变补偿器21的结构变得简便。或者在负反馈应变加速度的场合，附加在式1的传递函数G(s)中表示的一次高通滤波器。

到此，根据本发明，应变传感器10是压电元件或者电阻丝式应变片等的测量物体的变形的小而轻的传感器，不会由于传感器的附加而大幅度增大可动部的质量。

然后，能够用少数传感器检测多个扭曲振动方式，通过把检测到的应变检测信号20作为反馈信号利用，能够给电扫描器装置1的扭曲振动方式赋予阻尼。其结果，因为成为了宽频带而且稳定裕度大的伺服控制，所以能够执行高速、高精度地定位反射镜2的动作。

另外，因为即使电扫描器装置1的扭曲振动方式变动应变传感器10也能够正确地检测反射镜2的变形，所以能够对于扭曲振动方式的变动构成强壮的控制系统。

如果把本发明的电扫描器装置1例如应用于进行印刷基板的穿孔加工的激光加工装置中，则能够提高穿孔加工的生产效率，能够进行高质量加工。特别，因为能够抑制反射镜的扭曲变形振动，所以能够在工件上的正确的位置穿孔加工高圆度的孔。

另外，不言而喻，本发明的电扫描器装置，不限于激光加工装置，也可以应用于利用电扫描器装置的其他的产品。

Claims (6)

1.一种电扫描器装置，具有：由转动轴支持的反射镜；检测所述转动轴的转动角度的角度检测单元；和使用通过所述角度检测单元检测到的角度检测值使所述反射镜跟踪角度目标值的伺服控制单元，其特征在于，

具有检测所述反射镜的变形量的变形量检测单元，

所述伺服控制单元根据通过所述角度检测单元检测到的角度检测值、和通过所述变形量检测单元检测到的变形量对所述反射镜进行定位。

2.根据权利要求1所述的电扫描器装置，其特征在于，

所述变形量检测单元在所述反射镜上对于所述反射镜的转动的轴线对称地配置。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的电扫描器装置，其特征在于，

所述变形量检测单元被配置在连接在所述反射镜的转动轴上固定的一侧的轴线上的端部和与没有固定的自由端侧的所述轴线成直角方向的端部的直线上。

4.根据权利要求1到权利要求3任何一项所述的电扫描器装置，其特征在于，

具有由输入来自所述变形量检测单元的输出信号的高通滤波器和低通滤波器组成的滤波器，

所述伺服控制单元，根据表示变形量的所述滤波器的输出以及表示所述角度检测值的所述角度检测单元的输出对所述反射镜进行定位。

5.根据权利要求1所述的电扫描器装置，其特征在于，

作为所述变形量检测单元使用压电元件，

具有并联在第一连接点串联所述压电元件和第一电阻的第一串联支路、和在第二连接点串联静电容量与所述压电元件的静电容量相同的电容器和电阻值与所述第一电阻相等的第二电阻R的第二串联支路的C-R桥电路，

所述伺服控制电源，根据把在所述第一连接点以及所述第二连接点之间的电位差作为输入的低通滤波器的输出信号、和所述角度检测单元的输出信号对所述反射镜进行定位。

6.一种激光加工装置，其具有电扫描器装置，通过所述电扫描器装置使从激光振荡器输出的激光光束偏转，来加工被加工工件，其特征在于，

所述电扫描器装置是权利要求1到权利要求5任何一项所述的电扫描器装置。

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