DE60110817T2

DE60110817T2 - Methode und Vorrichtung zum Regeln eines optischen Abtastgeräts

Info

Publication number: DE60110817T2
Application number: DE2001610817
Authority: DE
Inventors: Souichi Tsuchiura-shi Tohyama; Hiromu Tsuchiura-shi Hirai; Kichio Tsuchiura-shi Nakajima; Atsushi Tsuchiura-shi Sakamoto; Yaichi Ebina-shi Okubo; Masahiro Oishi
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: ATE295550T1; DE60110817D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuergerät für einen optischen Scanner mit einer Winkelerfassungseinheit und ist dazu eingerichtet, einen Spiegel, der von einer Drehachse getragen wird, zu positionieren.
In einem optischen Scanner, der bei der Laserbeschriftung und beim Laserbohren durch eine gedruckte Leiterplatte mit Laserstrahlung verwendet wird, wird ein Spiegel, der auf die Welle montiert ist, durch einen Elektromotor, der mit dem Spiegel verbunden ist, gedreht, wodurch der Winkel des Spiegels verändert wird, wodurch der Laserstrahl, der von einem Laseroszillator ausgesendet wird, eine vorher festgelegte Position eines zu bearbeitenden Objekts bestrahlt.
Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
12 ist eine schematische Ansicht, die die Konstruktion eines beweglichen Teils in dem optischen Scanner zeigt. Ein Spiegel 11 ist an einem Ende einer Welle 12 befestigt. Die Welle 12 wird von einem Lager 14 und einem Lager 15 getragen und gedreht, indem auf sie das Antriebsdrehmoment von einer Drehspule 13 einwirkt, die in die Welle 12 integriert ist, um sie auf einen vorher festgelegten Winkel positionieren zu können. Im Weiteren wird sich als Kurzbezeichnung auf den Spiegel 11, die Welle 12 und die Drehspule 13, die zusammen verdreht werden, als „ein optischer Scanner 1" bezogen, wenn dies anwendbar ist.
Der optische Scanner 1 hat einen Winkelerfassungssensor (nicht gezeigt), der den Drehwinkel der Welle 12 erfasst, zum Beispiel einen Sensor vom Typ mit variabler Kapazität. Der Sensor vom Typ mit variabler Kapazität ist so aufgebaut, dass eine dielektrische Platte, die auf einer Welle montiert ist, zusammen mit der Welle zwischen einem Satz von zwei festen Elektrodenplatten gedreht wird. Dann wird der Drehwinkel der Welle in Form eines elektrischen Signals als Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen den Elektrodenplatten erfasst. Die Technologie eines Sensortyps mit variabler Kapazität ist z. B. in dem US-Patent Nr. 3,517,282, US-Patent Nr. 4,864,295 und in JP-A-7-55500 veröffentlicht.
Außerdem veröffentlicht JP-A-4-127981 eine Methode, bei der ein Laserstrahl für die Messung seines Winkels auf einen Spiegel fällt, und der reflektierte Lichtstrahl von einem linearen Sensor erfasst wird, um den Winkel des Spiegels mit der rückgekoppelten Steuerung zu regeln. Weiter veröffentlicht JP-A-63-147138 eine Methode, bei der eine reflektierende Oberfläche auf einer Komponente (Spiegelträger) erzeugt wird, die als Spiegel auf einer Welle befestigt wird, und der Lichtstrahl, der aus einer Lichtaussendeeinrichtung ausgestrahlt und von einer reflektierenden Oberfläche zurückgeworfen wird, wird von einer Lichtempfangseinrichtung empfangen, wodurch der Spiegel positioniert wird.
13 ist ein Blockdiagramm der Regelung, das eine Anordnung des optischen Scanners zeigt. Damit ein Winkelistsignal 22 negativ zu einem Winkelsollwertsignal 21, das von einem Host-Controller geliefert wird, zurückgekoppelt wird, um das Nachführungsfehlersignal 23 auf den Wert Null zu bringen, wird das Nachführungsfehlersignal 23 durch einen integrierenden Kompensationsschaltkreis 24 integriert. Außerdem wird, um die Stabilität dieses Regelmechanismus auf rechtzuerhalten, das Winkelistsignal 22 sowohl in einen proportionalen Kompensationsschaltkreis 25 als auch in einen differenzierenden Kompensationsschaltkreis 26 eingegeben, und die Summe der Ausgabesignale aus diesen Schaltkreisen wird von dem Ausgabesignal des integrierenden Kompensationsschaltkreises 24 subtrahiert, um das resultierende Signal zu einem Eingangssignal für die Steuerung 27 zu machen. Ein Motortreiberschaltkreis 28 liefert einen Motortreiberstrom 29, der proportional zu dem Steuerungseingangssignal 27 des optischen Scanners 1 ist. Der Motortreiberstrom 29 fließt durch eine Drehspule 13, und das Antriebsdrehmoment, das zu dem Stromwert proportional ist, wirkt auf die Drehspule.
In dem Fall, in dem von dem Laserstrahl Löcher durch eine gedruckte Leiterplatte erzeugt werden, ist es erforderlich, um die Löcher durch das feine Muster der Schaltkreise mit hoher Genauigkeit zu erzeugen, den Positionierungsfehler gleich oder kleiner als 10 μm zu machen, wenn die Löcher erzeugt werden. Um die Zeit des Laserbohrens zu verkürzen, ist die Erhöhung der Bohrgeschwindigkeit für die Bewegung bis zur nächsten Bohrposition eines nächsten Lochs nach der Fertigstellung des einen Lochs erforderlich. Zum Beispiel muss in dem Fall, in dem 1000 Löcher pro Sekunde erzeugt werden, die Zeit, die für die Bewegung zwischen den Löchern erforderlich ist, kürzer als 1 ms im Durchschnitt gemacht werden.
Der Laserstrahl hat die Energieverteilung und wird auf den Spiegel 11 fallen gelassen, wobei die Fläche ausgedehnt gehalten wird. Um die Löcher mit hoher Qualität zu erzeugen, ist es aus diesem Grund wünschenswert, dass die Größe des Spiegels 11 groß ist (das heißt, seine Fläche groß ist).
Wenn jedoch die Größe des Spiegels 11 steigt, steigen sowohl die Torsionsschwingungen als auch die Biegeschwingungen der Welle 12 an, was in einer Behinderung durch die Sprungantwort auf die Spiegelpositionierung resultiert.
Als erstes wird die Beschreibung hinsichtlich des Einflusses der Torsionsschwingungen gemacht. Wenn die Größe des Spiegels 11 steigt, steigt auch das Massenträgheitsmoment der Welle 12, und deshalb sinkt die Eigenfrequenz der Torsionsschwingungen, die durch die Welle 12 auftreten. Die Eigenfrequenz des ersten Schwingungstyps ist am kleinsten. Dann liegt ein Torsionsknoten in Längsrichtung der Welle 12 vor, und beide Seiten, die den Knoten umschließen, unterliegen einer Winkelbewegung mit entgegengesetzter Phase. Außerdem ist die Eigenfrequenz des zweiten Schwingungstyps, der in der Nähe des ersten Schwingungstyps liegt, gering. In Längsrichtung der Welle 12 sind deshalb zwei Knoten vorhanden, und beide Seiten des zentralen Teils, das zwischen den zwei Knoten eingeschlossen ist, schwingen mit entgegengesetzter Phase in Bezug auf das zentrale Teil.
Wenn der Winkelerfassungssensor zum Beispiel in der Nähe des Spiegels ist, liegt der Knoten der Torsionsschwingung zwischen dem Winkelerfassungssensor und der Drehspule 13, wodurch der Winkelerfassungssensor und die Drehspule 13 in manchen Fällen einer gegenphasigen Winkelbewegung unterliegen. In solchen Fällen bekommt der oben erwähnte Regelmechanismus eine positive Rückkopplung von dem Winkelerfassungssignal 22, sodass die Regelung instabil wird. Obwohl eine größere Bandbreite der Regelung bezüglich der Eigenschaften der Sprungantwort auf die Spiegelpositionierung und die Unterdrückung von niederfrequenten Störungen wün schenswert ist, ist die Bandbreite der Regelung wegen der Torsionsschwingungen begrenzt.
Wenn der Knoten der Torsionsschwingungen zusätzlich auf der Position des Sensors liegt, oder sich nahe am Sensor befindet, kann die Stabilisierung in Bezug auf die Regelung nicht erreicht werden, da der Schwingungstyp von dem Winkelerfassungssensor nicht überwacht werden kann, und folglich wird die Positionierung des Laserstrahls verschlechtert.
Als nächstes wird unten eine Beschreibung in Bezug auf den Einfluss der Biegeschwingungen gemacht. Vorzugsweise wird der bewegliche Teil des optischen Scanners, der in 12 gezeigt ist, um die Welle 12 ausgewuchtet. Wenn jedoch die Spiegelmasse in Bezug auf die zwei Seiten in Längsrichtung der Drehspule 13, die dem Antriebsdrehmoment ausgesetzt ist, oder die linke und rechte Seite der Spiegelmasse in Bezug auf die Drehachsenlinie der Spiegelmasse voneinander verschieden sind, wird die Massendifferenz zum Unwuchtgewicht. Die Biegeschwingung wird dann auf der Welle 12 wegen der Trägheitskräfte erzeugt, die von dem Unwuchtgewicht verursacht werden, die sich aus dem Betrieb des optischen Scanners 1 ergeben, wobei die Welle 12 von dem Lager 14 und dem Lager 15 gestützt wird. Als Ergebnis schwingt der Spiegel 11 in parallele Richtung oder in senkrechte Richtung in Bezug auf die Spiegeloberfläche. Im allgemeinen hat der optische Scanner 1 keinen Sensor, um die Biegeschwingungen der Welle 12 zu erfassen, und keinen Aktuator, um Kräfte in Richtung der Biegeschwingungen in die Welle 12 einzubringen. Außerdem ist es für die Regelung, die von dem oben erwähnten Regelmechanismus ausgeführt wird, unmöglich, die Biegeschwingungen zu dämpfen, die einmal erzeugt wurden. Aus diesem Grund ist es unmöglich, die Genauigkeiten der Positionierung des Laserstrahls zu verbessern.
JP-08-022529 veröffentlicht eine Methode und eine Einrichtung zur Bilderfassung, die eine einfache und schnelle Erfassung sogar von Bildern mit großem Sichtfeld ermöglicht, während die mechanische Oszillation eines Spiegels unterdrückt wird. Ein Objekt der Bilderfassung durchläuft eine Linse, wird von einem Spiegel reflektiert und als ein eindimensionales Bild mit einem Zeilensensor erfasst. Wenn Daten des Schrittbetriebs der Winkelsteuerung, die zwischen Steuerdaten und direkt vorangehenden Steuerdaten eingefügt sind, sukzessive ausgelesen werden, bevor Steuerdaten für die Winkelbetätigung des Spiegels sukzessive aus einem Speicher ausgelesen werden, wird das eindimensionale Bild des Objekts der Bilderfassung sukzessive erfasst, während mechanische Schwingungen des Spiegels unterdrückt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor dem Hintergrund des vorangegangenen ist es deshalb Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Steuergerät für einen optischen Scanner zu schaffen, das die Torsionsschwingungen und die Biegeschwingungen verringern kann, die auf einer Welle, auf der ein Spiegel montiert ist, erzeugt werden, um die Zeit zu verkürzen, die für die Positionierung des Spiegels erforderlich ist, und die Genauigkeit der Positionierung eines Laserstrahls weiter zu verbessern, sowie ein Verfahren zur Regelung eines optischen Scanners zur Positionierung eines Spiegels.
Diese Ziele werden durch ein Verfahren zur Regelung eines optischen Scanners nach Anspruch 1 und ein Steuergerät für einen optischen Scanner nach Anspruch 5 erreicht. Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Steuergerät für einen optischen Scanner geschaffen, der einen Spiegel, der von einer Welle getragen wird, um die Achse auf Basis eines Winkelsollwerts und eines Winkelistwerts positioniert, in dem ein Korrekturwert in Bezug auf die Torsionsschwingung der Welle zu einem integrierten Wert des Nachführungsfehlers zwischen dem Winkelsollwert und dem Winkelistwert hinzuaddiert wird, was die Torsionsschwingungen der Welle verringert.
In diesem Fall kann wegen des Antriebsdrehmoments, das auf die oben erwähnte Welle zusätzlich einwirkt, der oben erwähnte Korrekturwert zu einem Ausgabewert der Übertragungsfunktion bis zur Winkelgeschwindigkeit der Torsionsschwingung der r-ten Ordnung (wobei r eine positive ganze Zahl ist) der oben erwähnten Welle gemacht werden, und darüber hinaus kann der Ausgabewert der oben erwähnten Übertragungsfunktion aus dem Stromwert berechnet werden, der an den Motor geliefert wird, durch den das Antriebsdrehmoment erzeugt wird.
Zusätzlich wird ein Steuergerät für einen optischen Scanner geschaffen, der einen Spiegel, der von einer Welle getragen wird, auf Basis eines Winkelsollwerts und eines Winkelistwerts positioniert, bei der die Zieltrajektorie zu einer zeitlichen Funktion einer Position gemacht wird, und außerdem eine spezielle Frequenzkomponente aus der Zieltrajektorie entfernt wird, und der aus der Summe der Zielgeschwindigkeit und der Zielbeschleunigung auf Basis der Zieltrajektorie resultierende Wert zum oben erwähnten Winkelsollwert gemacht wird, wodurch die Biegeschwingungen der Welle verringert werden.
In diesem Fall kann für die oben erwähnte spezielle Frequenzkomponente die Eigenfrequenzkomponente der Biegeschwingung der Welle oder die Eigenfrequenzkomponente der Torsionsschwingung der Welle ausgewählt werden.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Steuergerät für einen optischen Scanner geschaffen, das einen Winkel eines Spiegels, der von einer Welle getragen wird, auf Basis eines Winkelsollwerts und eines Winkelistwerts bestimmt, wobei das Steuergerät folgendes enthält: eine Erfassungseinheit für den Spiegelwinkel, die einen Winkel des Spiegels erfasst; eine Erfassungseinheit für den Wellenwinkel, die einen Winkel der Welle erfasst; eine Stromerfassungseinheit, die einen Strom erfasst, der an einen Motor zum Drehen der Welle geliefert wird; und eine Kompensationseinheit für die Stabilisierung von Torsionsschwingungen, die die Torsionsschwingungen auf Basis des Stromwerts stabilisiert, wobei der Wert von der proportionalen Kompensation und der differenzierenden Kompensation, die beide den Istwert des Wellenwinkels verwenden, und der Wert von der Kompensationeinheit für die Stabilisierung von Torsionsschwingungen negativ zu dem Wert zurückgekoppelt werden, der den Nachführungsfehler zwischen dem Winkelsollwert und dem Istwert des Spiegelwinkels durch Integration kompensiert, und bestimmt der Stromwert, der an den Motor geliefert wird, was die Torsionsschwingungen der Welle verringert.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Ziele oben und andere Ziele wie auch Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung der Ausführungen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen im Anhang klar, in denen
1 ein Blockdiagramm der Regelung ist, das eine Anordnung eines optischen Scanners nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Schaltplan ist, der die Anordnung eines Kompensationsschaltkreises für Torsion r-ter Ordnung nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ein Schaltplan ist, der eine Konfiguration eines Winkelgeschwindigkeitsbeobachters nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ein Blockdiagramm ist, das bei der Erklärung eines Schwingungsunterdrückungselements nach der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
5 ein anderes Blockdiagramm ist, das bei der Erklärung eines Schwingungsunterdrückungselements nach der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
6 ein Blockdiagramm ist, das eine andere Anordnung eines Steuergeräts für einen optischen Scanner nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
die 7A und 7B Bode-Diagramme eines Beispiels sind, die für die Erklärung der Beziehung der Verstärkung und der Phase eines Winkelistsignals gegenüber der Frequenzantwort auf einen Motorstrom nützlich sind;
die 8A und 8B Bode-Diagramme eines Beispiels sind, die für die Erklärung der Beziehung der Verstärkung und der Phase eines Spiegelwinkelistsignals gegenüber der Frequenzantwort auf einen Motorstrom nützlich sind;
die 9A und 9B charakteristische Diagramme sind, die die Beziehung zwischen dem Zeitablauf von dem Beginn der Spiegelbetätigung bis zu deren Ende und dem Positionierungsfehler erklären;
10 ein erläuterndes Diagramm ist, das die Nyquist-Ortskurve zeigt, wenn angenommen wird, dass der Fehler durch die Eigenfrequenz vollständig fehlt;
11 ein erläuterndes Diagramm ist, das die Nyquist-Ortskurve zeigt, wenn die Eigenfrequenz aus der Eigenfrequenz der tatsächlichen ersten Eigenform abgeleitet wird;
12 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die die Konstruktion eines beweglichen Teils eines optischen Scanners zeigt; und
13 ein Blockdiagramm des Regelkreises ist, der eine Ausführung eines optischen Scanners zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUGNEN
Zuerst werden die Prinzipien der vorliegenden Erfindung nachfolgend beschrieben, die Torsionsschwingung wieder mit Bezugnahme auf 12 und 13.
Die Frequenzantwort (die Selbst-Nachgiebigkeit) auf das Antriebsdrehmoment, das in die Drehspule 13 für die Winkelverstellung der Drehspule 13 eingeleitet wird, wird durch eine Übertragungsfunktion G(s) im Ausdruck 1 dargestellt.
wobei s eine komplexe Variable der Laplace-Transformation, n eine Variable, die den Schwingungstyp der Torsionsschwingung der n-ten Ordnung darstellt (wobei n eine ganze Zahl ist), ω_n eine Eigenfrequenz der Torsionsschwingung der n-ten Ordnung, ζ_n ein Dämpfungskoeffizient der Torsionsschwingung der n-ten Ordnung, k₀ eine Konstante, die sich auf den Schwingungstyp mit starrem Körper bezieht, und k_n eine Konstante des Schwingungstyps der Torsionsschwingung n-ter Ordnung ist.
Konzentriert man sich nun auf den speziellen Torsionsschwingungstyp (Schwingungstyp der r-ten Ordnung), ist die Übertragungsfunktion G_r(s), die von dem Ausdruck (2) angegeben wird, eine Übertragungsfunktion von dem Antriebsdrehmoment auf die Winkelbewegung des Schwingungstyps r-ter Ordnung an der Position der Drehspule 13, und H_r(s), die im Ausdruck (3) gezeigt ist, ist eine Übertragungsfunktion von dem Antriebsdrehmoment auf die Winkelgeschwindigkeit des Schwingungstyps r-ter Ordnung an der Position der Drehspule 13.
Da die Übertragungsfunktion H_r(s) die Antwort (Eigenfrequenzantwort) an der Position darstellt, an der das Antriebsdrehmoment wirkt, ist die Konstante des Schwingungstyps k_r folglich positiv. Wenn deshalb der Wert der Übertragungsfunktion H_r(s) negativ zu dem Steuerungseingangssignal 27 zurückgekoppelt wird, kann der Schwin gungstyp r-ter Ordnung bezüglich der zu stabilisierenden Regelung gedämpft werden.
In dem Fall, in dem der Motortreiberschaltkreis 28 ein Stromregelungssystem ist, wird, da das Antriebsdrehmoment der Drehspule 13 zu dem Motortreiberstrom 29 proportional ist, das Antriebsdrehmoment der Drehspule 13 gewöhnlich bekannt, indem der Motortreiberstrom 29 gemessen wird. Zum Beispiel fließt der Motortreiberstrom 29, der dem Wert des Motortreiberstroms 29 entspricht, durch den Stromerfassungswiderstand mit einem kleinen Widerstandswert (gleich 0,1 oder kleiner als einige Ω) und die Spannung, die sich über diesen Widerstand aufbaut, wird in den Subtrahiererschaltkreis vom Typ mit Differenzeingang eingegeben, wobei das Stromerfassungssignal, das dem Wert des Motortreiberstroms 29 entspricht, als ein Ausgabesignal des Subtrahiererschaltkreises vom Typ mit Differenzeingang erhalten werden kann.
Die Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend im Detail mit Bezugnahme auf die Zeichnungen im Anhang beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm der Regelung, das eine Ausführung eines optischen Scanners nach der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieselben Bauelemente wie die, die in 12 schon beschrieben wurden, werden mit denselben Bezugsnummern bezeichnet und deren Beschreibung wird zum Zwecke der Vereinfachung ausgelassen. Das Nachführungsfehlersignal 23, das erhalten wird, indem das Winkelistsignal 22 negativ zu dem Winkelsollwertsignal 21 zurückgekoppelt wird, wird in dem integrierenden Kompensationsschaltkreis 24 integriert. Um zusätzlich die Stabilität dieses Regelsystems aufrechtzuerhalten, wird das Winkelistsignal 22 in einen proportionalen Kompen sationsschaltkreis 25 und einen Winkelgeschwindigkeitsbeobachterschaltkreis 32 eingegeben, die später beschrieben werden.
Zusätzlich wird ein Stromistsignal 31 mit einer Größe, die dem Stromwert entspricht, der zu der Drehspule 13 geliefert wird, in den Winkelgeschwindigkeitsbeobachterschaltkreis 32, einen Kompensationsschaltkreis für Torsion erster Ordnung 33 und einen Kompensationsschaltkreis für Torsion zweiter Ordnung 34 eingegeben, die beide später beschrieben werden. Ein Wert 42 der Summe der Ausgabesignale aus dem proportionalen Kompensationsschaltkreis 25, dem Winkelgeschwindigkeitsbeobachterschaltkreis 32, dem Kompensationsschaltkreis für Torsion erster Ordnung 33 und dem Kompensationsschaltkreis für Torsion zweiter Ordnung 34 wird von dem Ausgabesignal aus dem integrierenden Kompensationsschaltkreis 24 subtrahiert, und das resultierende Signal wird zu einem Steuerungseingangssignal 27 gemacht. Ein Spiegelwinkelsollwertschaltkreis 20 und ein Spiegelschwingungsunterdrückungselement 41 werden später beschrieben.
Als Nächstes wird der Kompensationsschaltkreis für Torsion r-ter Ordnung unten beschrieben.
Es ist möglich, die Eigenfrequenz r-ter Ordnung und den Dämpfungskoeffizienten herauszufinden, indem die Frequenzantwort des Spiegels 11 beobachtet wird. Zusätzlich kann ein Filter zweiter Ordnung (im folgenden als Kompensationsschaltkreis für Torsion r-ter Ordnung bezeichnet), der Frequenzantworteigenschaften proportional zu der Funktion hat, die durch den Ausdruck (3) dargestellt wird, bei dem das selbe Vorzeichen angegeben ist, als ein elektronischer Schaltkreis ausgeführt werden.
2 zeigt einen solchen Kompensationsschaltkreis für Torsion r-ter Ordnung, der aus drei Operationsverstärkern 333 bis 335, sechs Widerständen R₀₁ bis R₀₆ und zwei Kondensatoren C₀₁ und C₀₂ aufgebaut ist. Die nichtinvertierenden Eingangsanschlüsse der Operationsverstärker 333 bis 335 sind alle auf Masse gelegt. Ein invertierender Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 333 ist dann mit dem einen Anschluss des Widerstands R₀₁ und mit dem einen Anschluss des Kondensators C₀₁ verbunden. Ein Ausgabeanschluss des Operationsverstärkers 333 ist mit dem anderen Anschluss des Kondensators C₀₁ und einem Anschluss des Widerstands R₀₃ verbunden. Der andere Anschluss des Widerstands R₀₃ ist mit einem Anschluss des Widerstands R₀₂, des Widerstands R₀₄ und dem Kondensator C₀₂ und dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 334 verbunden. Ein Ausgabeanschluss des Operationsverstärkers 334 ist mit dem anderen Anschluss des Kondensators C₀₂, dem anderen Anschluss des Widerstands R₀₄ und dem einen Anschluss des Widerstands R₀₅ verbunden. Ein invertierender Anschluss des Operationsverstärkers 335 ist mit dem anderen Anschluss des Widerstands R₀₅ und einem Anschluss des Widerstands R₀₆ verbunden. Ein Ausgabeanschluss des Operationsverstärkers 335 ist mit dem anderen Anschluss des Widerstands R₀₆, dem anderen Anschluss des Widerstands R₀₁ und dem Anschlusspunkt 332 verbunden. Dann ist der andere Anschluss des Widerstands R₀₂ mit einem Anschlusspunkt 331 verbunden. Der Widerstand R₀₂ ist außerdem ein variabler Widerstand.
Wenn in diesem Schaltkreis die Widerstandswerte des Widerstands R₀₅ und des Widerstands R₀₆ einander gleichgemacht werden, dann wird die Übertragungsfunktion G_c(s) von dem Eingangssignal, das an den Anschlusspunkt 331 angelegt wird, bis zu dem Ausgabesignal, das durch den Anschluss 332 ausgegeben wird, durch den Ausdruck (4) dargestellt.
Wenn die Widerstandswerte von R₀₁, R₀₃ und R₀₄ und die elektrostatische Kapazität der Kondensatoren C₀₁ und C₀₂ derart eingestellt werden, dass der konstante Term des Nennerpolynoms in Ausdruck (4) gleich dem konstanten Term des Nennerpolynoms in Ausdruck (3) wird, und auch der Koeffizient des Terms der ersten Ordnung des Nennerpolynoms in Ausdruck (4) gleich dem Term erster Ordnung des Nennerpolynoms in Ausdruck (3) wird, dann werden die Eigenfrequenz ω_r und der Dämpfungskoeffizient ζ_r in diesem Schaltkreis gleich denen des Schwingungstyps der r-ten Ordnung.
Wenn nun das Stromistsignal 31 in den Anschlusspunkt 331 eingespeist wird, wird ein Ausgabesignal aus dem Anschluss 332 ausgegeben, das der Winkelgeschwindigkeit des Schwingungstyps r-ter Ordnung mit dem gleichen Vorzeichen proportional ist, die für die Position der Drehspule 13 angegeben wird.
Deshalb wird das Ausgabesignal von dem Anschlusspunkt 332 negativ zu dem Ausgabesignal der in des integrierenden Kompensationsschaltkreises 24 zurückgekoppelt, wodurch es möglich ist, den Schwingungstyp der r-ten Ordnung zu stabilisieren, d. h., die Schwingungen r-ter Ordnung zu verringern.
Da der Wert des Widerstands R₀₂ dieser Ausführung unabhängig von sowohl der Eigenfrequenz als auch dem Dämpfungskoeffizienten ein gestellt werden kann, wird der Wert des Widerstands R₀₂ als variabler Widerstand ausgeführt, wodurch es möglich ist, die Amplitude des Ausgabesignals des Schaltkreises für Torsionsschwingungen r-ter Ordnung einzustellen.
Außerdem ist in dem Blockdiagramm der Regelung, das in 1 gezeigt ist, der Fall gezeigt, in dem der Kompensationsschaltkreis für Torsion erster Ordnung 33 und der Kompensationsschaltkreis für Torsion zweiter Ordnung 34 beide für die Stabilisierung des Schwingungstyps erster Ordnung und des Schwingungstyps zweiter Ordnung der Torsionsschwingungen verwendet werden. In dem Fall der Kompensation mehrerer Schwingungstypen wird der Kompensationsschaltkreis für Torsionsschwingungen, der in 2 gezeigt ist, für jeden Schwingungstyp verwendet, und diese Schaltkreise werden mit dem Kompensationsschaltkreis für Torsion erster Ordnung 33, dem Kompensationsschaltkreis für Torsion zweiter Ordnung 34 usw. parallel geschaltet, wodurch es möglich ist, die Torsionsschwingungen der gewünschten Ordnung zu stabilisieren.
Als nächstes wird im Folgenden der Winkelgeschwindigkeitsbeobachterschaltkreis 32 beschrieben. In der vorliegenden Erfindung wird der Winkelgeschwindigkeitsbeobachterschaltkreis 32 statt dem differenzierenden Schaltkreis 26 (mit Bezug auf 13) verwendet, um die Winkelgeschwindigkeit des Massenträgheitsmoments des Starrkörpers zu schätzen, die dem ersten Term von Ausdruck (1) entspricht. Das resultierende Schätzsignal wird dann negativ zu dem Ausgabesignal des integrierenden Kompensationsschaltkreis es 24 zurückgekoppelt, wodurch es möglich ist, das Regelungssystem, das in 1 gezeigt ist, zu stabilisieren.
3 ist ein Schaltplan, der eine Ausführung eines Winkelgeschwindigkeitsbeobachterschaltkreises 32 zeigt, der aus zwei Opera tionsverstärkern 324 und 325, sechs Widerständen R₁₁ bis R₁₆ und einem Kondensator C₁₁ besteht. Die nichtinvertierenden Eingangsanschlüsse der Operationsverstärkern 324 und 325 sind beide auf Masse gelegt. Ein invertierender Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 324 ist mit den einen Anschlüssen der Widerstände R₁₁ bis R₁₃ und einem Anschluss des Kondensators C₁₁ verbunden. Der andere Anschluss des Widerstands R₁₁ ist mit einem Anschlusspunkt 321 und einem Anschluss des Widerstands R₁₄ verbunden, und der andere Anschluss des Widerstands R₁₂ ist mit einem Anschlusspunkt 322 verbunden. Ein Ausgabeanschluss des Operationsverstärkers 324 ist mit dem anderen Anschluss des Kondensators C₁₁, dem anderen Anschluss des Widerstands R₁₃ und einem Anschluss des Widerstands R₁₅ verbunden. Ein invertierender Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 325 ist mit den anderen Anschlüssen des Widerstands R₁₄ und des Widerstands R₁₅ und mit einem Anschluss des Widerstands R₁₆ verbunden. Ein Ausgabeanschluss des Operationsverstärkers 325 ist mit dem anderen Anschluss des Widerstands R₁₆ und einem Anschlusspunkt 323 verbunden.
Wenn in diesem Schaltkreis die Werte der Widerstände der R₁₁, R₁₃, R₁₄ und R₁₅ derart eingestellt werden, dass sie der Beziehung von Ausdruck (5) genügen, dann ist die Beziehung zwischen den Signalen, die durch die Anschlusspunkte 321 und 322 eingegeben werden, und des Signals, das durch den Anschlusspunkt 323 ausgegeben wird, wie in Ausdruck (6) gezeigt. R11R15 = R13R14 (5)
wobei E_i1(s) die Laplace-Transformation des Eingangssignals 321 ist, und das Signal ist, das erhalten wird, indem das Vorzeichen des Winkelistwerts invertiert wird, E_i2(s) die Laplace-Transformation des Eingangssignals 322 ist, und das Stromistsignal 31 ist, und E₀(s) ist die Laplace-Transformation des Ausgabesignals 323 und ist das Schätzsignal für die Winkelgeschwindigkeit.
Die Übertragungsfunktionen der ersten Ordnung des ersten Terms und des zweiten Terms in Ausdruck (6) haben das gleiche Nennerpolynom, und der konstante Term, d. h., 1/R₁₃C₁₁ ist die Winkelgrenzfrequenz von jeder der Übertragungsfunktionen. In dem Bereich, in dem die Winkelfrequenz geringer als diese Winkelgrenzfrequenz ist, wird hauptsächlich die Ableitung des Winkelistsignals entsprechend dem ersten Term von Ausdruck (6) ein Geschwindigkeitsschätzsignal, während in dem Bereich, in dem die Winkelfrequenz höher als die Winkelgrenzfrequenz ist, hauptsächlich das Integral des Stromistsignals ein Schätzsignal für die Winkelgeschwindigkeit entsprechend dem zweiten Term in Ausdruck (6) wird. Folglich kann die Winkelgeschwindigkeit des Schwingungstyps des Festkörpers an der Position der Drehspule 13 mit hoher Genauigkeit geschätzt werden.
In dem Fall, in dem der Winkelerfassungssensor außerhalb der Drehspule 13 angeordnet ist, wird das Winkelistsignal im Frequenzbereich nahe der Torsionsschwingungsfrequenz für die Winkelbewegung an der Position der Drehspule 13 abgeleitet. In dem Fall, in dem der Winkelerfassungssensor dann außerhalb der Drehspule 13 angeordnet ist, wird bevorzugt, den Wert des Widerstands R₁₃ und der elektrostatischen Kapazität des Kondensators C₁₁ derart zu wählen, dass die Winkelgrenzfrequenz geringer als die Torsionsschwingung des Schwingungstyps der ersten Ordnung wird. Da es möglich ist, das Niveau zu verringern, bei dem die Torsionsfrequenzkomponente des Winkelistsignals positiv zurückgekoppelt wird, sogar wenn die Bandbreite breiter als die des herkömmlichen Regelsystems gemacht wird, ist es als Ergebnis möglich, die Stabilität des Regelsystems sicherzustellen.
Als nächstes wird eine Beschreibung hinsichtlich einer Ausführung gemacht, in der die Spielgelschwingungen wegen Biegeschwingungen der Welle angepasst werden, um sie zu unterdrücken.
4 ist ein Blockdiagramm eines Spiegelschwingungsunterdrückungselements 41 nach der vorliegenden Erfindung, das in 1 gezeigt ist. Eine Zieltrajektorie 411 ist ein Zielprofil des Drehwinkels des Spiegels 11. In diesem Fall wird ein Winkelsollwert an das Spiegelschwingungsunterdrückungselement 41 von dem Spiegelwinkelsollwertschaltkreis 20 geliefert.
Nun wird die Zieltrajektorie 411 als die zeitlich kürzeste Trajektorie eines massebehafteten Körpers zur Ausführung der maximalen Beschleunigung und der maximalen Abbremsung für die selbe Zeitdauer definiert, im Falle der Beschleunigung ist α_MAX, das in Ausdruck (7) gezeigt ist, das Beschleunigungsmaximum. In diesem Fall ist L ein Stoß, ab dem die Drehung zum Zeitpunkt 0 beginnt, bis die Drehung zu einem Zeitpunkt T_M endet. In diesem Fall werden eine Zeitfunktion α(t) der Beschleunigung, eine Zeitufunktion v(t) der Geschwindigkeit und ein Zeitpunkt x(t) einer Position durch die Ausdrücke (8) beziehungsweise (10) dargestellt.
Die Zeitfunktion x(t) einer Position wird dann zur Zieltrajektorie 411 gemacht, und außerdem werden ein Ausgabesignal eines differenzierenden Elements 412 und ein Ausgabesignal eines differenzierenden Elements 413 zweiter Ordnung zur Zieltrajektorie hinzuaddiert, und das resultierende Signal wird in einen Kerbfilter 414 eingegeben. Ein Ausgabesignal des Kerbfilters 414 wird als Winkelsollwertsignal 21 definiert. In diesem Fall wird die Drehschwingungsfrequenz ω_b als die Konstante des Kerbfilters gleich der Eigendrehfrequenz der Biegeschwingung der Welle 12 definiert. Zusätzlich werden die Konstante ζ_b des Nennerpolynoms und die Konstante ζ_bn der Zählerpolynoms so eingestellt, dass sie der Beziehung ζ_b > ζ_bn genügen.
Wird nun angenommen, dass die Laplace-Transformation der Zeitfunktion der Zieltrajektorie 411 X(s) ist, und die Laplace-Transformation des Winkelsollwertsignals 21 R(s) ist, dann besteht die Beziehung, die in Ausdruck (11) gezeigt ist, zwischen X(s) und R(s), und außerdem verschwindet die Frequenzkomponente der Biegeschwingung der Welle 12 im Nullpunkt des Zählerpolynoms des Kerbfilters.
Wenn das Winkelsollwertsignal 21 in das Regelsystem eingegeben wird, das in 1 gezeigt ist, ist es deshalb möglich, die Schwingungen des Spiegels, die sich aus dem Positionierungsvorgang ergeben, zu unterdrücken.
Außerdem hat der Kerbfilter eine Phasenverzögerung, die von dem Koeffizienten des Nennerpolynoms abhängt, jedoch wird das Nennerpolynom des Kerbfilters unwirksam gemacht, indem das Ausgabesignal der Zieltrajektorie 411, das Ausgabesignal des differenzierenden Elements 412 und das Ausgabesignal des differenzierenden Elements zweiter Ordnung 413 addiert werden. Als ein Ergebnis wird die Phasenverzögerung von der Zieltrajektorie 411 bis zu dem Winkelsollwertsignal 21 entfernt, und folglich ist es möglich, die Verzögerung beim Vorgang der Positionierung des Spiegels 11 in Bezug auf die Zieltrajektorie 411 zu verringern.
Obwohl es wie oben beschrieben schwierig ist, die Biegeschwingung, wenn sie einmal erzeugt wurde, durch die Regelung in der vorliegenden Erfindung zu dämpfen, da das Eingangssignal in das Regelsystem, d. h., der Winkelsollwert 21, von dem Spiegelschwingungsunterdrückungselement 41 erzeugt wird, wodurch die Biegeschwingung der Welle 12 verhindert wird, ist es möglich, in Positionierungsfehler des Laserstrahls zu verringern, der durch die Spiegelschwingung verursacht wird.
Wenn nun angenommen wird, dass die Laplace-Transformation der Zielgeschwindigkeit als Ableitung erster Ordnung der Zeitfunktion der Zieltrajektorie V(s), und die Laplace-Transformation der Zielbeschleunigung als Ableitung zweiter Ordnung der Zeitfunktion der Zieltrajektorie A(s) ist, dann kann Ausdruck (11) in den Ausdruck (12) transformiert werden.
5 ist ein Blockdiagramm des Spiegelschwingungsunterdrückungselements nach der vorliegenden Erfindung, das dazu eingerichtet ist, Ausdruck (12) zu realisieren. In der Figur stellen die Verstärkungselemente 417 und 418 Gewichtungskoeffizienten dar, von denen jeder von der Konstante des Kerbfilters 414 abhängt. Wenn das Spiegelschwingungsunterdrückungselement derart ausgeführt ist, dass die Zieltrajektorie (siehe Ausdruck (10)), die Zielgeschwindigkeit (siehe Ausdruck (9)) und die Zielbeschleunigung (siehe Ausdruck (8)) der gewichteten Addition unterworfen sind, ist es dadurch möglich, das Winkelsollwertsignal 21 zu erzeugen, das dem Spiegelschwingungsunterdrückungselement entspricht, das in 4 gezeigt ist, sogar wenn der Kerbfilter 414, der in 4 gezeigt ist, nicht eindeutig verwirklicht ist.
Nun kann jedes der Spiegelschwingungsunterdrückungselemente, die in 4 und in 5 gezeigt sind, leicht verwirklicht werden, indem ein Mikroprozessor genutzt wird. Wenn das Regelsystem, das in 1 gezeigt, der analogen Regelung entspricht, wird in diesem Fall das digitale Winkelsollwertsignal mit einem erforderlichen D/A-Wandler in das Analogsignal umgewandelt, wodurch die vorliegende Erfindung hierauf angewendet werden kann.
Statt die Zieltrajektorie, Zielgeschwindigkeit und die Zielbeschleunigung bei allen derartigen Anlässen zu berechnen, kann die Prozedur auch derart eingesetzt werden, dass die Werte in zeitlicher Reihenfolge vorab berechnet werden, damit sie zum Zeitpunkt des Positionierungsvorgangs im Speicher gespeichert sind, und so die gespeicherten Daten sukzessive ausgelesen werden. Wenn jeder der Zielwerte mit dem Stoß L, der in den Speicher gespeichert ist, normiert wird, ist es in diesem Fall möglich, die Speicherkapazität dafür zu verringern.
Zusätzlich können auch verschiedene Arten von Zeiten für Vorgänge T_M in Abhängigkeit der Größe des Stoßes L eingestellt werden.
Darüber hinaus ist die Zieltrajektorie nicht auf die Zieltrajektorie begrenzt, die von dem Ausdruck (10) dargestellt wird. Das heißt, der zeitliche Kurvenverlauf, der mit der Ordnung gleich oder höher als der Grad des Nennerpolynoms des Kerbfilters 414 differenziert wird, kann als Zieltrajektorie definiert werden.
Wenn die Drehschwingungsfrequenz ω_b des Kerbfilters 414 gleich der Dreheigenfrequenz der Torsionsschwingung des beweglichen Teils des Scanners gemacht wird, ist es außerdem möglich, die Torsionsschwingung mit der Ausführung zu verringern, die von der Ausführung verschieden ist, die in Bezug auf den oben erwähnten Torsionsschwingungskompensationsschaltkreis angegeben wurde. In diesem Fall ist nicht beabsichtigt, dass der Servomechanismus auf den Servomechanismus, der in 1 gezeigt ist, begrenzt ist, und folglich kann der herkömmliche Servomechanismus, der in 13 gezeigt ist, auch eingesetzt werden.
6 zeigt eine andere Ausführung eines Steuergeräts für einen optischen Scanner. Eine Anordnung von 6 ist von der in 1 darin verschieden, dass ein Spiegel 11, Elemente, die zu dem Spiegel 11 gehören, und ein Winkelerfassungsschaltkreis für einen Sensor 35 zu den Elementen, die in 6 gezeigt sind, hinzugefügt werden, und auch das Winkelistsignal 22 nur zu dem Winkelgeschwindigkeitsbeobachterschaltkreis 32 und dem proportionalen Kompensationsschaltkreis 25 geleitet wird. Die gleichen Bauelemente wie die, die in 1 gezeigt sind, sind mit denselben Bezugsnummern bezeichnet und die detaillierte Beschreibung davon wird zum Zwecke der Vereinfachung ausgelassen. Nun ist mit Bezug auf 6 ein Winkelsensor 16 für die Erfassung des Winkels in der Welle 12 angeordnet.
Der Spiegel 11 hat eine Spiegeloberfläche, die den Laserstrahl für die Bearbeitung reflektiert, und eine Spiegeloberfläche 17a, die auf der Rückseite dieser Spiegeloberfläche angeordnet ist. Ein lichtemittierendes Bauteil 17b und eine Lichtempfangseinrichtung 17c sind derart angeordnet, dass die Spiegeloberfläche 17a zwischen ihnen liegt. Eine Halbleiterlaserbauteil kann z. B. als lichtemittierendes Bauteil 17b, und ein PSD (Position Sensitive Device, positionsempfindliches Bauteil) kann z. B. als Lichtempfangseinrichtung 17c eingesetzt werden.
Als Nächstes wird eine Beschreibung in Bezug auf den Fluss der Signale und den Regelmechanismus gemacht.
Ein Spiegelwinkelistsignal 17e (es ist ein Spannungssignal, das zu dem Winkel des Spiegels 11 proportional ist), das von der Lichtempfangseinrichtung 17c ausgegeben wird, wird in einem Verstärker 17d verstärkt, und negativ zu dem Winkelsollwertsignal 21 zurückgekop pelt, das von dem Spiegelwinkelsollwertschaltkreis 20 ausgegeben wird, um das Nachführungsfehlersignal 23 zu erzeugen. Damit der Winkel des Spiegels 11 dem Winkelsollwert ohne eine statische Abweichung folgen kann, wird das Nachführungsfehlersignal 23 in dem integrierenden Kompensationsschaltkreis 24 integriert, und wird als Regelsystem vom Typ 1 definiert. Um die Stabilität dieses Regelmechanismus sicherzustellen, wird das Winkelistsignal 22 zusätzlich in den proportionalen Kompensationsschaltkreis 25 und den Winkelgeschwindigkeitsbeobachterschaltkreis 32 eingegeben, und die Summe der Ausgabesignale dieser Schaltkreise 25 und 32 und ein Ausgabesignal 33a aus dem Schaltkreis für die Torsionsschwingungsstabilisierung 33 werden von dem Ausgabesignal des integrierenden Kompensationsschaltkreis es 24 subtrahiert, und das resultierende Signal zum Steuerungseingangssignal 27 gemacht. Der Spiegeltreiberschaltkreis 28 liefert einen Motortreiberstrom 19 proportional zu dem Steuerungseingangssignal 27 an den optischen Scanner 1. Der Motortreiberstrom 29 fließt durch die Drehspule 13, sodass das Antriebsdrehmoment, das zu dem Motorstrom proportional ist, in der Drehspule 13 erzeugt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Torsionsschwingung der Welle 12 zu verringern.
In dem Fall, in dem der Motortreiberschaltkreis 28 zu dem Stromsteuersystem gehört, ist normalerweise das Antriebsdrehmoment der Drehspule 13 durch die Messung des Motorstroms 29 bekannt, da das Drehmoment, das in der Drehspule 13 erzeugt wird, proportional zu dem Motorstrom 29 ist. Zum Beispiel fließt in diesem Fall der Motorstrom 29 durch einen Stromerfassungswiderstand mit einem kleinen Widerstandswert (im Bereich von 0,1 bis gleich oder kleiner als einige Ω), und die Spannung, die sich über dem Widerstand aufbaut, wird in den Subtrahiererschaltkreis vom Typ mit Differenzeingang eingegeben, wodurch das Stromistsignal 31, das zu dem Wert des Motorstroms 29 proportional ist, in Form eines Ausgabesignals eines Subtrahiererschaltkreises vom Typ mit Differenzeingang erhalten wird. Dann wird das Stromistsignal 31, das zu dem Wert des Motorstroms 29 proportional ist, in den Winkelgeschwindigkeitsbeobachterschaltkreis 32 und den Kompensationsschaltkreis für die Torsionsschwingungsstabilisierung 33 eingegeben.
Die Position der Welle 12, die von dem Winkelsensor 16 erfasst wird, wird in Form des Winkelistsignals 22 von dem Winkelerfassungsschaltkreis des Sensors 35 ausgegeben. Das Winkelistsignal 22 wird dann in den proportionalen Kompensationsschaltkreis 25 und den Winkelgeschwindigkeitsbeobachterschaltkreis 33 eingegeben.
Die Beschreibung des Kompensationsschaltkreis es für die Torsionsschwingungsstabilisierung 33 ist der gleiche, wie der Kompensationsschaltkreis für die Torsion erster Ordnung 33, der schon mit Bezug auf 1 beschrieben wurde.
Als Nächstes werden die Torsionsschwingungseigenschaften des beweglichen Teils und die Stabilität des Regelmechanismus auf Basis eines konkreten Beispiels des optischen Scanners beschrieben.
Die 7A und 7B sind Bode-Diagramme, die das Verstärkungsverhältnis im Frequenzgang von dem Motorstrom 29 bis zu dem Winkelistwert 22 zeigen. Zusätzlich sind die 8A und 8B Bode-Diagramme das Verstärkungsverhältnis im Frequenzgang von dem Motorstrom 29 bis zu dem Spiegelwinkelistsignal 17e zeigen.
Vergleicht man 7A und 8A miteinander, so stimmen die Torsionsresonanz erster Ordnung bei 3,8 kHz, die Torsionsresonanz zweiter Ordnung bei 10 kHz und die Torsionsresonanz dritter Ord nung bei 11 kHz in 7A mit denen in 8A überein. Zusätzlich gibt es in 7A eine gegenläufige Resonanz bei 3 kHz, während es in 8A keine gegenläufige Resonanz in der Nähe dieser Frequenz gibt.
Aus der Schwingungsuntersuchung in dem Struktursystem ist es möglich, sich über die Phaseneigenschaften für jeden der Schwingungstypen bei Resonanz und bei gegenläufiger Resonanz in dem Bode-Diagramm klar zu werden. Im Fall von 7A sind die gegenläufigen Resonanzen jeweils zwischen dem Starrkörper-Schwingungstyp der Resonanz erster Ordnung und zwischen der Resonanz erster Ordnung und der Resonanz zweiter Ordnung vorhanden, während die gegenläufige Resonanz zwischen der Resonanz zweiter Ordnung und der Resonanz dritter Ordnung fehlt. Deshalb ist im Falle dieses optischen Scanners der Schwingungstyp erster Ordnung in Phase mit dem Schwingungstyp zweiter Ordnung zwischen der Drehspule und dem in sich geschlossenen Winkelsensor 16, während der Schwingungstyp dritter Ordnung eine entgegengesetzte Phase zwischen der Drehspule 13 und dem in sich geschlossenen Winkelsensor 16 zeigt.
Dagegen fehlt im Fall von 8A die gegenläufige Resonanz zwischen dem Starrkörper-Schwingungstyp und der Resonanz erster Ordnung, eine gegenläufige Resonanz liegt zwischen der Resonanz erster Ordnung und der Resonanz zweiter Ordnung vor, und zwischen der Resonanz zweiter Ordnung und der Resonanz dritter Ordnung fehlt die gegenläufige Resonanz. Deshalb zeigen im Falle dieses optischen Scanners der Schwingungstyp erster Ordnung und der Schwingungstyp zweiter Ordnung entgegengesetzte Phasen, und beim Schwingungstyp dritter Ordnung sind die Drehspule 13 und der Spiegel 11 in Phase.
Der Regelmechanismus, der in 6 gezeigt ist, wird für den optischen Scanner 1, der solche Eigenschaften hat, eingesetzt, d. h., das Spiegelwinkelistsignal 17e wird nicht in dem proportionalen Kompensationsschaltkreis 25 und dem Winkelgeschwindigkeitsbeobachterschaltkreis 26 verwendet, sondern das Winkelistsignal 22, das bei den Schwingungstypen niedrigerer Ordnung (dem Schwingungstyp erster Ordnung und dem Schwingungstyp zweiter Ordnung) in Phase kommt, wird darin verwendet, um sowohl die proportionale Kompensation als auch die differenzierende Kompensation auszuführen, wodurch es möglich ist, die Stabilität des Regelsystems sicherzustellen.
Da der Schwingungstyp dritter Ordnung in diesem Fall also entgegengesetzte Phase hat, ist es, um die Regelbandbreite breiter zu machen, erforderlich, diesen Schwingungstyp der Kompensation für die Stabilisierung zu unterwerfen. Wenn außerdem sogar der phasengleiche Schwingungstyp nicht von dem Regelsystem stabilisiert werden kann, kann dies der Faktor werden, der die restlichen Schwingungen veranlasst, die Positionsgenauigkeit zu verringern, sodass die Kompensation durch schnelle Dämpfung der Schwingung erforderlich ist. Diese Kompensation kann dann in dem Kompensationsschaltkreis für die Torsionsschwingungsstabilisierung 33 ausgeführt werden, in dem das Stromistsignal 31 als dessen Eingangssignal verwendet wird.
Die 9A und 9B sind Diagramme, die die Beziehung zwischen dem Ablauf der Zeit und der Positionsabweichung zeigt, die in der Nähe des Positionsfehlers = 0 vergrößert sind. 9A zeigt den Fall, in dem der Kompensationsschaltkreis für die Torsionsschwingungsstabilisierung 33 nach der vorliegenden Erfindung die Schwingungstypen der ersten bis dritter Ordnung verwendet wird, und 9B zeigt den Fall, in dem nur die herkömmliche integrierende Kompensation, proportionale Kompensation und differenzierende Kompensation (I-PD-Kompensation) ausgeführt werden.
Bei Verwendung des Kompensationsschaltkreises für Torsionsschwingungsstabilisierung 33 erhält man im Falle der vorliegenden Erfindung eine stabile transiente Antwort, und der Spiegel braucht ungefähr 0,8 ms, um eine Position zu erreichen, die 10 μm genau vor der Zielposition bezüglich der Position der Anwendung des Laserstrahls liegt. Dagegen wird im herkömmlichem Fall die Positionsabweichung instabil, da der Schwingungstyp der dritten Ordnung (bei 11 kHz) entgegengesetzte Phase zeigt, und bei dieser Resonanzfrequenz Schwingungen auftreten.
Da bei dieser vorliegenden Erfindung zusätzlich das Signal des Spiegelwinkels zu dem Winkelsollwertsignal 21 zurückgeführt wird, um die integrierende Kompensation des Nachführungsfehlersignals 23 auszuführen, kann der Positionsfehler der Bestrahlung mit dem Laserstrahl zum Zeitpunkt des Anhaltens des Spiegels innerhalb der Zielposition zu liegen kommen.
Nun wird in Bezug auf die Schleifenübertragungsfunktion in dem Regelmechanismus, der in 6 gezeigt ist, die Größe der Stabilität auf Basis der Methode des Nyquist-Stabilitätskriteriums ausgewertet.
10 zeigt die Nyquist-Ortskurve im Frequenzbereich (im Bereich von 1 bis 7 kHz), worin die Eigenfrequenz des Schwingungstyps der ersten Ordnung (bei 3,8 kHz) enthalten ist, in dem Fall, in dem der Kompensationsschaltkreis für die Torsionsschwingungsstabilisierung 33 mit der Annahme entworfen ist, dass der Fehler der Eigenfrequenz vollständig fehlt. In der Figur stellt eine durchgezogene Linie den Fall dar, in dem die Kompensation zur Stabilisierung für den Schwingungstyp erster Ordnung angewendet ist, während eine unterbrochene Linie den Fall darstellt, in dem die Kompensation zur Stabilisierung der ersten Ordnung nicht auf herkömmliche Weise angewendet ist.
Die Ortskurve geht in dem Fall, in dem die Kompensation zur Stabilisierung nicht angewendet wird, vorwärts von den Pfeilen (1) zu (2) und läuft danach außerhalb des Rahmens des Diagramms, und beschreibt eine kreisförmige Ortskurve im Uhrzeigersinn, und kehrt in den Rahmen dieses Diagramms zurück, und erreicht den Pfeil (3). Diese kreisförmige Ortskurve bedeutet, dass die Verstärkung in der Nähe der Resonanz der ersten Ordnung ansteigt. Außerdem kommt diese Ortskurve nahe an den Punkt des Stabilitätskriteriums mit den Koordinaten (–1, 0), und folglich ist die Phasenreserve sehr klein. Dagegen wird in dem Fall, in dem die Kompensation zur Stabilisierung angewendet wird, der Abstand vom Ursprung zur Ortskurve kurz, und folglich werden sowohl die Phasenreserve als auch die Verstärkungsreserve für den Punkt des Stabilitätskriteriums groß. Es ist deshalb klar, dass in dem Kompensationsschaltkreis, der von dem Fehler der Eigenfrequenz frei ist, der Effekt auftritt, dass die Stabilität des Regelsystems ansteigt, indem die Resonanzspitze auf ein geringes Niveau heruntergedrückt wird.
Um nun den Kompensationsschaltkreis für die Torsionsschwingungsstabilisierung 33 zu entwerfen, ist es erforderlich, die Eigenfrequenz des Schwingungstyps zu messen, deren Kompensation beabsichtigt ist. Es ist möglich, die Eigenfrequenz des Schwingungstyps zu bekommen, für die die Kompensation beabsichtigt ist, indem die Frequenzantwort wie in 7A gemessen wird. Da jedoch die Messgenauigkeit davon von der Leistungsfähigkeit und der Auflösung des verwendeten Messgeräts abhängt (z. B. dem Regelkreisanalysator), ist darin notwendigerweise ein Fehler enthalten. Zusätzlich wird betrachtet, dass die Eigenfrequenz des Scanners selbst nicht immer fest ist, und folglich wegen des Einflusses des Aufbaus von Hitze und dergleichen von dem Motor variiert. Selbst wenn dieser Fehler und die Variation auftritt, ist es praktisch, wenn die Stabilität der Regelung aufrechterhalten bleibt.
Die Beschreibung wird in Bezug auf die Konstruktion des Regelmechanismus gemacht, die robust stabil gegenüber dem Fehler der Frequenz der Torsionsschwingung ist.
11 zeigt die Nyquist-Ortskurve in dem Frequenzbereich (im Bereich von 1 bis 7 kHz), in dem die Eigenfrequenz des Schwingungstyps erster Ordnung (bei 3,8 kHz) enthalten ist, in dem Fall, indem der Kompensationsschaltkreis für die Torsionsschwingungsstabilisierung 33 derart entworfen ist, dass die Eigenfrequenz des Kompensationsschaltkreis es für die Torsionsschwingungsstabilisierung 33 auf 3,61 kHz eingestellt ist, was um 5% (190 Hz) geringer als die Eigenfrequenz von 3,8 kHz des realen Schwingungstyps erster Ordnung ist. In der Figur stellt eine durchgezogene Linie den Fall dar, in dem die Kompensation zur Stabilisierung für den Schwingungstyp erster Ordnung angewendet ist, während eine unterbrochene Linie den Fall darstellt, in dem die Kompensation zur Stabilisierung für den Schwingungstyp erster Ordnung nicht auf herkömmliche Weise angewendet ist (die Ortskurve ist die gleiche wie die gebrochene Linie in 10).
Die Ortskurve läuft in dem Fall, in dem die Kompensation zur Stabilisierung angewendet wird, von den Pfeilen (1) bis (4) und verläuft danach außerhalb des Rahmens dieses Diagramm, und beschreibt eine kreisförmige Ortskurve im Uhrzeigersinn, und kehrt in den Rahmen dieses Diagramm zurück, und erreicht Pfeil (5). Obwohl der Abstand von dem Ursprung zu der Ortskurve nicht so kurz wie im Fall von 10 ist, eilt die Phase in der Nähe der Resonanz ersten Ordnung der Phase in dem Fall vor, in dem die Kompensation zur Stabilisierung nicht angewendet ist, sodass die Phasenreserve für den Punkt des Stabilitätskriteriums gesteigert wird. Als Ergebnis wird klar, dass die Stabilität des Regelsystems verbessert ist.
Der Grund, dass die Stabilität des Regelsystems auf diese Weise verbessert wird, ist wie folgt. In diesem Kompensationsschaltkreis eilt die Phase in der Nähe der Eigenfrequenz auf der Seite der Frequenz, die kleiner als die Eigenfrequenz ist, um bis maximal ungefähr 90 Grad nach während auf der Seite der höheren Frequenz die Phase um bis maximal etwa 90 Grad voreilt. Wenn die Eigenfrequenz des tatsächlichen Schwingungstyps relativ zu der des Kompensationsschaltkreises höher ist, dann eilt aus diesem Grund die Phase in der Nyquist-Ortskurve in der Nähe des Resonanzpunktes dieses Schwingungstyps vor.
Auf diese Weise kann der Kompensationsschaltkreis für die Torsionsschwingungsstabilisierung 33 als Phasenkompensator für die Resonanz verwendet werden. Dann wird die Eigenfrequenz des Kompensationsschaltkreises so ausgelegt, wie es aus dem gemessenen Wert abgeleitet wird, wodurch es möglich ist, den Regelmechanismus zu realisieren, der robust stabil gegen Fehler und die Variation der Schwingungsfrequenz ist.
Da in diesem Beispiel der Schwingungstyp der ersten Ordnung in Phase ist, wird die Einstellung derart ausgeführt, dass die Eigenfrequenz des Kompensationsschaltkreises zu geringeren Frequenzen hin verschoben wird, damit die Phase vorauseilt. Wenn der gegenphasige Schwingungstyp (zum Beispiel der Schwingungstyp dritter Ordnung) stabilisiert wird, kann die Einstellung derart ausgeführt werden, dass die Eigenfrequenz des Schaltkreises zu hören Frequenzen hin verschoben wird, um die Phase nacheilen zu lassen.
Zusätzlich werden positive und negative Abweichung der Schwingungsfrequenzen entsprechend der Gleichphasigkeit oder Gegenphasigkeit des Schwingungstyps derart festgelegt, dass die Phasenreserve gesteigert wird. Darüber hinaus muss die Größe der Abweichung derart bestimmt werden, dass sogar, obwohl angenommen wird, dass der maximale Fehler und die Variation auftreten, die größeren und kleineren Werte der tatsächlichen Eigenfrequenz und der Eigenfrequenz des Kompensationsschaltkreises nicht vertauscht werden.
Während die vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug auf die Ausführungen gezeigt und beschrieben wurde, ist es klar, dass Fachleuten verschiedene Änderungen und Modifikationen in den Sinn kommen werden, die von dem Gebiet der Erfindung abweichen. Der Umfang der Erfindung soll deshalb ausschließlich durch die angehängten Ansprüche festgelegt werden.

Claims

Steuerverfahren eines optischen Abtastgeräts (1) zum Positionieren eines Spiegels (11), der durch eine Welle getragen wird (12), in Übereinstimmung mit einem Winkelsollwert (21) und einem Winkelistwert (22), gekennzeichnet durch – Berechnen eines Ausgabewertes einer Übertragungsfunktion (H_r(s)) bis zu einer Winkelgeschwindigkeit einer Torsionsschwingung der Welle (12), die durch ein an die Welle abgegebenes Antriebsmoment verursacht wird, der r-ten Ordnung, wobei r eine ganze Zahl ist, aus einem an einen Motor (13) zugeführten Stromwert und – Addieren des Ausgabewertes als Korrekturwert (42) zu einem Integralwert eines Nachführungsfehlerwertes (23) zwischen dem Winkelsollwert (21) und dem Winkelistwert (22) zum Erzeugen eines Antriebsmoments.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zieltrajektorie (411) als eine Funktion der Zeit X(t) einer Position des Spiegels (11) definiert wird, wobei eine bestimmte Frequenzkomponente aus einer Summe der Zieltrajektorie entfernt wird; und eine Zielgeschwindigkeit und eine Zielbeschleunigung auf der Zieltrajektorie basieren, um den Winkelsollwert zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Frequenzkomponente als eine Eigenfrequenzkomponente einer Biegeschwingung der Welle definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Frequenzkomponente als eine Eigenfrequenzkomponente der Torsionsschwingung der Welle definiert ist.
Steuergerät eines optischen Abtastgeräts (1) zum Positionieren eines Spiegels (11), der durch eine Welle (12) getragen wird, gemäß einem Winkelsollwert (21) und einem Winkelistwert (22), wobei das Steuergerät enthält: – Spiegelwinkelerfassungseinrichtungen (17a, 17b, 17c, 17d) zum Erfassen eines Winkels eines Spiegels, – Wellenwinkelerfassungseinrichtungen (16, 35) zum Erfassen eines Winkels der Welle, – Stromerfassungseinrichtungen (27, 31) zum Erfassen eines Stroms, der an einen Motor (13) zum Antrieb der Welle abgegeben wird, – eine Ausgleichseinrichtung (33) zum Stabilisieren einer Torsionsschwingung, um die Torsionsschwingung der Welle durch Anpassen des Motorantriebsstromwertes zu verringern, – proportionale und differenzierende Kompensationsschaltkreise die angeordnet sind, um den erfassten Wellenwinkelwert zu verarbeiten und – einen integrierenden Kompensationsschaltkreis der angeordnet ist, um den Nachführungsfehler basierend auf dem Winkelsollwert und dem Winkelistwert zu bestimmen, wobei die obigen Einrichtungen und Schaltkreise derart angeordnet sind, dass die Ausgabe der proportionalen und differenzierenden Kompensationsschaltkreise und die Ausgabe der Ausgleichseinrichtung (33) zum Stabilisieren einer Torsionsschwingung negativ an die Ausgabe des integrierenden Kompensationsschaltkreises zurückgeführt werden, um so einen dem Motor zuzuführenden Stromwert (29) zu bestimmen.
Steuergerät für ein optisches Abtastgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelwinkelerfassungseinrichtung (17a, 17b, 17c, 17d) enthält: ein lichtemittierendes Gerät (17b) zum Messen eines Spiegelwinkels; eine Messspiegeloberfläche (17a) zum Reflektieren eines von dem lichtemittierenden Gerät emittierten Lichtstrahls; und ein lichtempfangendes Gerät zum Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls, der von der Spiegeloberfläche in Übereinstimmung mit dem von dem lichtemittierenden Gerät (17b) emittierten Lichtstrahl, reflektiert wurde.
Steuergerät für ein optisches Abtastgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichseinrichtung (33) zum Stabilisieren einer Torsionsschwingung eine Eigenart derart aufweist, dass eine Phasenreserve einer Schleifen-Übertragungsfunktion in der Umgebung der Torsionsschwingungsfrequenz erhöht wird.
Steuergerät für ein optisches Abtastgerät nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Ausgleichseinrichtung (33) zum Stabilisieren einer Torsionsschwingung eine Eigenfrequenz aufweist, wobei ein Unterschied zwischen der Eigenfrequenz und der Torsionsschwingungsfrequenz eines beweglichen Teils (11, 12, 13) des Abtastgeräts auf einen Wert gleich oder größer als ein Maximalwert eines variablen Wertes der Torsionsschwingungsfrequenz gesetzt wird.