JP2001228414A - ガルバノメータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガルバノメータの回転駆動制御に対する高い
追従性の消失を防止するとともに、位置センサの特性変
動に対する補正作業の必要性を簡易な手段で容易に認知
させることができ、実際の加工精度に不具合が発生する
前に、補正作業を行わせることができるガルバノメータ
制御装置を提供する。 【解決手段】 位置センサ９の出力信号に環境変化や経
時変化の影響を受けて特性変動が生じた時にも、任意設
定された位置決め完了幅に基づいて測定される位置決め
時間の合計の変動、あるいはガルバノメータ８に流れる
電流の積分値の変動により、位置センサ９の特性変動を
検出し、その特性変動に対する補正作業の必要性を警告
するための信号を、位置センサ補正警告信号出力手段１
２から出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばレーザー加
工装置におけるレーザー光線を被加工物に走査させるガ
ルバノメータを制御するガルバノメータ制御装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の携帯電話機などに代表される携帯
形小型電子機器に用いられている高密度配線の回路基板
においては、加工穴の微細化および高密度化に伴って、
単位面積当たりの穴加工数が益々増えている。

【０００３】このような回路基板の製造に際しては、穴
加工の高速化および加工位置や加工寸法などに対する高
精度化が必要不可欠になっており、近年では、高密度配
線の回路基板に、例えばスルーホールなどの穴を加工す
るに際して、光走査形光学系であるガルバノメータを利
用したレーザー穴加工技術を用いることが知られている
（例えば、特開平８−１７４２５６号公報参照）。

【０００４】このレーザー穴加工技術は、ガルバノメー
タのミラーで反射されたレーザー光線を集光レンズで集
光して被加工物である例えば回路基板などに照射するこ
とにより、レーザー光線のエネルギーで被加工物を溶解
あるいは蒸発させて穴開けする加工法であり、特に、ミ
クロン単位の微細な穴を所定位置に正確に加工すること
が要求される分野に適している。

【０００５】このような穴加工技術に用いられるガルバ
ノメータは、レーザー光線を反射させるミラーを回転駆
動部によって回転制御することにより、レーザー光線を
被加工物の面上に走査させるものである。

【０００６】このガルバノメータは、μラジアンオーダ
ーの高分解能を有するとともに、光学角が±２０°の駆
動領域と高速位置決めが可能な特性を有し、さらに、微
小角を高速に検知可能な静電容量センサを位置検出手段
として設けて、サーボ系のアナログフィードバック制御
によって高速、且つ正確に位置決めされる。

【０００７】以上のようなガルバノメータを駆動制御す
る従来のガルバノメータ制御装置について、以下に説明
する。図３は従来の一般的なガルバノメータ制御装置の
構成を示すブロック図である。

【０００８】同図において、位置指令発生器１からは、
ガルバノメータ８におけるミラーを目標とする所定の回
転位置に回転移動させるための指令位置データが位置指
令信号として出力される。一方、ガルバノメータ８に内
蔵された位置センサ９からはガルバノメータ８の回転位
置、つまりミラーの回転角度の位置検出信号が出力さ
れ、その位置検出信号が、位置検出器１０から、ミラー
の実際の回転位置を示す実位置データ信号に変換されて
出力される。

【０００９】ＰＩＤ制御器２は、位置指令発生器１から
出力される位置指令信号と位置検出器１０から出力され
る実位置データ信号との偏差が０になるように、ＰＩＤ
（Ｐ：比例・Ｉ：積分・Ｄ：微分）制御処理を行うもの
で、上記偏差に基づき、その偏差が０となる電流指令値
を演算して電流指令信号として出力する。

【００１０】電流制御器３は、ＰＩＤ制御器２から出力
される電流指令信号と電流検出器７がガルバノメータ８
の電流を検出して出力する実電流データ信号との偏差に
応じて、パワーアンプ４を制御し、ガルバノメータ８に
流れる電流が電流指令信号に一致するように動作する。

【００１１】ガルバノメータ８は、上記のようなアナロ
グフィードバック制御系による電流制御ループＬ１によ
り、ミラーの実際の回転位置が位置指令発生器１からの
位置指令信号に一致するように、高精度に制御される。

【００１２】ところで、ガルバノメータ８の回転位置を
検出するための位置センサ９としては、静電容量センサ
が一般的に用いられているが、この静電容量センサは、
回転角によって電極間の静電容量が変化することを利用
したものであって、ガルバノメータ８の回転位置を高速
かつ高精度に検出することが可能なものである。

【００１３】ところが、この静電容量センサは、その構
造上、温度や湿度などの周囲環境の変化や経時的な変化
に起因して、出力信号が変動する特性を有している。つ
ぎに、位置センサ９として用いられる静電容量センサの
温度や湿度などの周囲環境の変化に伴う温度ドリフトや
経時変化に起因する特性の変化について説明する。

【００１４】図４は位置指令発生器１からの位置指令信
号による指令位置と静電容量センサによるガルバノメー
タ８（つまり、ミラー）の実際の回転位置を検出した検
出位置との関係を示した特性図であり、実線は静電容量
センサの初期調整時の特性、２点鎖線は環境変化や経時
変化の影響を受けて静電容量センサの出力信号が変動し
た時の特性をそれぞれ示している。

【００１５】図４に示すように、初期調整時には位置指
令信号の指令位置が０のときに静電容量センサの検出位
置も０であったのが、特性変動時には位置指令信号の指
令位置が０であるにも拘わらず実際の検出位置がＰ₁₀に
ずれてしまっている。

【００１６】また、初期調整時には位置指令信号の指令
位置がＲ₁₁の時に検出位置がＰ₁₁であったのが、変動時
には位置指令信号の指令位置がＲ₁₁であるにも拘わらず
検出位置がＰ₁₃にずれてしまっている。さらに、初期調
整時には位置指令信号の指令位置がＲ₁₂の時に検出位置
がＰ₁₂であったのが、変動時には位置指令信号の指令位
置がＲ₁₂であるにも拘わらず検出位置がＰ₁₄にずれてし
まっている。

【００１７】このように、ガルバノメータ８は、特性が
変化した静電容量センサによる位置検出信号に基づいて
フィードバック制御されると、位置指令発生器１からの
位置指令信号による指令位置に対しずれた位置に回転制
御されてしまい、その結果、所要の位置に正確な穴加工
を施せないといった不具合が生じる。

【００１８】したがって、ミクロン単位の微細な穴を所
定位置に正確に加工できる加工精度を長期的に保持する
ためには、静電容量センサの温度ドリフトと経時変化に
起因する出力信号の変動を補正して、ガルバノメータ８
の回転位置を位置指令信号による指令位置に常に正確に
一致させる必要がある。

【００１９】これに対し、従来では、ガルバノメータ８
の回転位置が位置指令信号による指令位置に一致するよ
う補正するために、少なくとも２点以上の指令位置を指
令するよう位置指令信号を変化させることにより、これ
らの位置指令信号に基づいて実際にガルバノメータ８を
回転駆動させてレーザー光線を走査させながら、被加工
物のターゲット上に穴開けあるいはマークを付ける加工
を行い、位置指令信号に対する穴またはマークの位置を
測定して、位置指令信号の指令位置とガルバノメータ８
の実際の回転位置との関係式を求め、その関係式に基づ
き静電容量センサの特性変化による出力信号の変動を補
正している。

【００２０】すなわち、求めた関係式は、位置指令信号
による指令位置とガルバノメータ８の実際の回転位置と
をそれぞれ変数とする直線の方程式になるので、図示し
ないが位置指令発生器１の指令位置発生を制御するコン
トローラは、以後、ガルバノメータ８を目標とする回転
位置に回転移動させるための指令位置を、上記の関係式
に基づく演算により算出して、その算出結果の指令位置
を位置指令信号として出力するようにしている。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな従来のガルバノメータ制御装置では、作業者が、位
置センサである静電容量センサの特性の変動に対して行
う装置への補正作業の必要性を認知するためには、上述
のように、静電容量センサの特性変動に対する専用治具
として備えられた補正手段を用いて、加工装置を稼動さ
せ、その加工装置内のガルバノメータにより実際にレー
ザー光線を走査させて被加工物の複数箇所に何らかの加
工を行った後に、その加工部分の計測を行い、その計測
結果に基づいて静電容量センサの特性変動を把握して、
上記の補正作業の必要性を認知している。

【００２２】そのため、作業者が上記のように補正作業
の必要性を認知するまでには、加工装置による実際のレ
ーザー加工など比較的多くの作業時間を必要とする上
に、作業者には手間のかかる煩雑な補正調整作業を強い
ることになる。

【００２３】このため、従来では、静電容量センサの特
性変動に伴うガルバノメータ制御装置の補正作業を定期
的に実施してはいるものの、上述のように長い作業時間
と煩雑な補正調整作業および所要の被加工物の用意など
を必要とすることから、その補正作業の実施頻度を高め
ることが難しいため、レーザー加工における加工精度を
常時高いレベルに保持することが困難となっている。

【００２４】このことは、上記の加工装置を、例えば、
高密度配線の回路基板に対して行う穴開け作業に適用す
る場合に、その穴開け作業による穴加工位置として１０
数ミクロンオーダーから数ミクロンオーダーの高い精度
が要求されるため、そのような高精度に対応させる場合
に大きな問題となる。

【００２５】そこで、静電容量センサを用いることによ
る出力信号の変動を防ぐためには、ガルバノメータにお
けるミラーの回転軸に、その回転角度をデジタル的に検
出できる光学式エンコーダを取り付けることが考えられ
る。

【００２６】ところが、光学式エンコーダは静電容量セ
ンサに比較して重量が大きいため、ガルバノメータに対
して、光学式エンコーダの重量が回転軸を通じて加わる
ことにより、回転の際の負荷が大きくなってしまい、高
速回転が可能であるという静電容量センサの特長が消失
してしまうという新たな問題点が発生する。

【００２７】本発明は、上記従来の問題点を解決するも
ので、ガルバノメータの回転駆動制御に対する高い追従
性の消失を防止することができるとともに、作業者が位
置センサの特性変動に対する補正作業の必要性を認知す
るまでに多くの作業時間を必要とせずに、作業者に、手
間のかかる煩雑な調整作業を強いることなく、位置セン
サの特性変動に対する補正作業の必要性を簡易な手段で
容易に認知させることができ、実際の加工精度に不具合
が発生する前に、補正作業を行わせることができるガル
バノメータ制御装置を提供する。

【００２８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明のガルバノメータ制御装置は、位置センサの
出力信号に環境変化や経時変化の影響を受けて特性的な
変動が生じた時にも、任意設定された位置決め完了幅に
基づいて測定される位置決め時間の変動、あるいはガル
バノメータに流れる電流の積分値の変動により、位置セ
ンサの特性変動を検出し、その特性変動に対する補正作
業の必要性を警告するための信号を出力することを特徴
とする。

【００２９】以上により、ガルバノメータの回転駆動制
御に対する高い追従性の消失を防止することができると
ともに、作業者が位置センサの特性変動に対する補正作
業の必要性を認知するまでに多くの作業時間を必要とせ
ずに、作業者に、手間のかかる煩雑な調整作業を強いる
ことなく、位置センサの特性変動に対する補正作業の必
要性を簡易な手段で容易に認知させることができ、実際
の加工精度に不具合が発生する前に、補正作業を行わせ
ることができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載のガルバ
ノメータ制御装置は、反射した加工用光線が被加工物を
走査するように回転駆動されて位置決めされるガルバノ
メータの回転駆動時の回転位置を位置検出手段により検
出し、その回転位置および前記ガルバノメータの回転駆
動時の電流値の検出情報と、前記回転駆動時の位置決め
目標を指令するための指令情報とに基づいて、それらの
情報信号の偏差が０になるように前記ガルバノメータの
回転駆動を制御するガルバノメータ制御装置において、
前記ガルバノメータの位置決め開始から完了までの位置
決め時間と前記電流値の積分値の少なくとも一方の変化
に基づいて、前記位置検出手段の特性変動に対する補正
の必要性を警告する位置検出補正警告信号を出力するよ
う構成する。

【００３１】請求項２に記載のガルバノメータ制御装置
は、反射した加工用光線が被加工物を走査するように回
転駆動されて位置決めされるガルバノメータと、前記ガ
ルバノメータの回転駆動時の位置決め目標となる回転位
置を指令するための位置指令信号を発生する位置指令発
生手段と、前記ガルバノメータの回転駆動時の回転位置
を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の検出位
置と前記位置指令信号による指令位置との偏差が０にな
るよう前記ガルバノメータの回転駆動を制御するフィー
ドバック制御系と、前記位置検出手段による検出位置
が、その検出位置が前記目標回転位置に到達して前記位
置決めが完了したとする範囲として、前記目標回転位置
に対して設定された位置決め完了幅内に入ったことを検
出する位置決め完了検出手段と、前記ガルバノメータの
位置決め処理の開始から前記位置決め完了の検出までの
時間を位置決め時間として検出する位置決め時間検出手
段と、前記位置決め時間検出手段が検出した位置決め時
間の変化に基づいて前記位置検出手段の特性変動に対す
る補正の必要性を警告する位置検出補正警告信号を出力
する位置検出補正警告信号出力手段とを備えた構成とす
る。

【００３２】請求項３に記載のガルバノメータ制御装置
は、請求項２に記載のフィードバック制御時にガルバノ
メータに流れる電流を検出する電流検出手段と、位置決
め処理の１サイクル期間にわたって前記電流検出手段が
検出した電流値を積分する電流値積分手段とを備え、位
置検出補正警告信号出力手段を、前記電流値積分手段が
検出する電流積分値の変化に基づいて前記位置検出手段
の特性変動に対する補正の必要性を警告する位置検出補
正警告信号を出力するよう構成する。

【００３３】これらの構成によると、位置センサの出力
信号に環境変化や経時変化の影響を受けて特性的な変動
が生じた時にも、任意設定された位置決め完了幅に基づ
いて測定される位置決め時間の変動、あるいはガルバノ
メータに流れる電流の積分値の変動により、位置センサ
の特性変動を検出し、その特性変動に対する補正作業の
必要性を警告するための信号を出力する。

【００３４】以下、本発明の実施の形態を示すガルバノ
メータ制御装置について、図面を参照しながら具体例を
挙げて詳細に説明する。図１は本実施の形態のガルバノ
メータ制御装置の構成を示すブロック図であり、同図に
おいて、図３と同一もしくは同等のものには同一の符号
を付して、その説明を省略する。

【００３５】このガルバノメータ制御装置において、図
３の従来装置と相違する点は、ガルバノメータ８の位置
決めが完了したと見做す位置決め完了幅を任意に設定で
きるようにし、ガルバノメータ８に対する位置決め処理
を開始した後に、位置検出器１０からの検出位置が前記
の位置決め完了幅内に入ったことを検出して位置決め完
了を検出する位置決め完了検出手段（ガルバノメータ８
の位置決め処理を開始してから位置決め完了検出までに
要した時間を位置決め時間として検出する位置決め時間
検出手段を含む）５と、位置決め時間検出手段５により
検出した位置決め時間の変動から位置センサ９の特性変
動を検出する位置センサ変動検出器１１と、位置センサ
変動検出器１１により位置センサ９の特性変動を検出し
た時に、位置センサ９の特性変動に対する補正の必要性
を表す警告信号を出力する位置センサ補正警告信号出力
手段１２とを設け、さらに、位置センサ変動検出器１１
により位置センサ９の特性変動を検出するための情報を
得る手段として、１サイクルの位置決め処理の間に電流
検出器７が検出した電流値を積分する電流値積分手段６
を設けたことである。

【００３６】図２は、上図が位置指令発生器１が出力す
る位置指令に対する位置検出器１０が検出した検出位置
の関係の説明図であり、下図が電流検出器７が検出した
電流波形の一例を示す波形図である。ここで、上図の２
点鎖線は位置指令を示し実線は検出位置を示す。また、
図２には、位置決め完了幅を設定した時の位置決め時間
の定義を示している。

【００３７】位置決め時間の変動を細かく検出するため
には、検出位置が位置決め完了幅に入ったかどうかを調
べるサイクルをできる限り短くする必要がある。本実施
の形態では、前記のサイクル時間は１０μｓとしてい
る。

【００３８】以上のようなガルバノメータ制御装置につ
いて、プリント基板の穴開けに使用する場合を例にし
て、位置センサ９の特性変動を検出する動作を、以下に
説明する。

【００３９】位置センサ９の特性変動を検出する１つめ
の動作について説明する。まず初期状態において、レー
ザ光による加工位置を１つの穴から次の穴へ動かすまで
の位置決め時間を常に測定し、プリント基板１枚の穴開
けの間の各穴から穴への位置決め時間の合計を求める。
測定の精度を高めるために数枚から数十枚測定し、平均
をとってもよい。

【００４０】実稼動時にも同様に、プリント基板１枚の
穴開けの間の各穴から穴への位置決め時間の合計を求め
る。その値が初期状態時に求めた値と比べてある一定の
値以上の差であった場合、位置センサ９の特性が変動し
たと判断し、位置センサ９の特性変動に対する出力信号
の補正が必要であることを表す警告信号を、位置センサ
補正警告信号出力手段１２から出力する。なお、実稼動
時においても、測定の精度を高めるためには、数枚から
数十枚の平均をとるようにしてもよい。

【００４１】位置センサ９の特性変動を検出する２つめ
の動作について説明する。まず初期状態において、プリ
ント基板１枚の穴開けの間の電流値の積分を求める。積
分するためのサイクル時間は上述の位置決め時間を求め
るためのサイクル時間と同じとする。なお、測定の精度
を高めるために、数枚から数十枚測定し、平均をとって
もよい。

【００４２】実稼動時にも同様に、プリント基板１枚の
穴開けの間の電流値の積分を求める。その値が初期状態
時に求めた値と比べてある一定の値以上の差であった場
合、位置センサの特性が変動したと判断し、位置センサ
９の特性変動に対する出力信号の補正が必要であること
を表す警告信号を、位置センサ補正警告信号出力手段１
２から出力する。実稼動時においても、測定の精度を高
めるために、数枚から数十枚の平均をとるようにしても
よい。

【００４３】以上のようにして、位置センサ９の出力信
号に環境変化や経時変化の影響を受けて特性変動が生じ
た時にも、任意設定された位置決め完了幅に基づいて測
定される位置決め時間の合計の変動、あるいはガルバノ
メータ８に流れる電流の積分値の変動により、位置セン
サ９の特性変動を検出し、その特性変動に対する補正作
業の必要性を警告するための信号を出力することができ
る。

【００４４】その結果、ガルバノメータの回転駆動制御
に対する高い追従性の消失を防止することができるとと
もに、作業者が位置センサの特性変動に対する補正作業
の必要性を認知するまでに多くの作業時間を必要とせず
に、作業者に、手間のかかる煩雑な調整作業を強いるこ
となく、位置センサの特性変動に対する補正作業の必要
性を簡易な手段で容易に認知させることができ、実際の
加工精度に不具合が発生する前に、補正作業を行わせる
ことができる。

【００４５】なお、以上の実施の形態においては、位置
決め時間の合計あるいは電流の積分値のいずれかを用い
た２つの動作について説明したが、この２つを併用して
動作するように構成してもよい。

【００４６】また、上述の各実施の形態においては、実
稼動時に位置決め時間及び電流値の積分値を測定するよ
うにしているが、多品種生産の場合、多くの条件を持た
なければならないため、一定の移動距離を何回も連続し
て動作させるテストパターンを実稼動の合間に挿入する
ことにより、１つの条件で位置センサの変動を検出する
という方法もある。たとえば、プリント基板の穴開けの
場合、プリント基板を入れ替える搬送期間中に前記テス
トパターンを実行するようにする。

【００４７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、位置セン
サの出力信号に環境変化や経時変化の影響を受けて特性
的な変動が生じた時にも、任意設定された位置決め完了
幅に基づいて測定される位置決め時間の変動、あるいは
ガルバノメータに流れる電流の積分値の変動により、位
置センサの特性変動を検出し、その特性変動に対する補
正作業の必要性を警告するための信号を出力することが
できる。

【００４８】そのため、ガルバノメータの回転駆動制御
に対する高い追従性の消失を防止することができるとと
もに、作業者が位置センサの特性変動に対する補正作業
の必要性を認知するまでに多くの作業時間を必要とせず
に、作業者に、手間のかかる煩雑な調整作業を強いるこ
となく、位置センサの特性変動に対する補正作業の必要
性を簡易な手段で容易に認知させることができ、実際の
加工精度に不具合が発生する前に、補正作業を行わせる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態のガルバノメータ制御装置
の構成を示すブロック図

【図２】同実施の形態における位置指令動作の説明図

【図３】従来のガルバノメータ制御装置の構成を示すブ
ロック図

【図４】同従来例における位置センサの特性変動の説明
図

【符号の説明】

１ 位置指令発生器 ２ ＰＩＤ制御器 ３ 電流制御器 ４ パワーアンプ ５ 位置決め完了検出手段 ６ 電流値積分手段 ７ 電流検出器 ８ ガルバノメータ ９ 位置センサ １０ 位置検出器 １１ 位置センサ変動検出器 １２ 位置センサ補正警告信号出力手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射した加工用光線が被加工物を走査す
   るように回転駆動されて位置決めされるガルバノメータ
   の回転駆動時の回転位置を位置検出手段により検出し、
   その回転位置および前記ガルバノメータの回転駆動時の
   電流値の検出情報と、前記回転駆動時の位置決め目標を
   指令するための指令情報とに基づいて、それらの情報信
   号の偏差が０になるように前記ガルバノメータの回転駆
   動を制御するガルバノメータ制御装置において、前記ガ
   ルバノメータの位置決め開始から完了までの位置決め時
   間と前記電流値の積分値の少なくとも一方の変化に基づ
   いて、前記位置検出手段の特性変動に対する補正の必要
   性を警告する位置検出補正警告信号を出力するよう構成
   したことを特徴とするガルバノメータ制御装置。
2. 【請求項２】 反射した加工用光線が被加工物を走査す
   るように回転駆動されて位置決めされるガルバノメータ
   と、前記ガルバノメータの回転駆動時の位置決め目標と
   なる回転位置を指令するための位置指令信号を発生する
   位置指令発生手段と、前記ガルバノメータの回転駆動時
   の回転位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手
   段の検出位置と前記位置指令信号による指令位置との偏
   差が０になるよう前記ガルバノメータの回転駆動を制御
   するフィードバック制御系と、前記位置検出手段による
   検出位置が、その検出位置が前記目標回転位置に到達し
   て前記位置決めが完了したとする範囲として、前記目標
   回転位置に対して設定された位置決め完了幅内に入った
   ことを検出する位置決め完了検出手段と、前記ガルバノ
   メータの位置決め処理の開始から前記位置決め完了の検
   出までの時間を位置決め時間として検出する位置決め時
   間検出手段と、前記位置決め時間検出手段が検出した位
   置決め時間の変化に基づいて前記位置検出手段の特性変
   動に対する補正の必要性を警告する位置検出補正警告信
   号を出力する位置検出補正警告信号出力手段とを備えた
   ことを特徴とするガルバノメータ制御装置。
3. 【請求項３】 フィードバック制御時にガルバノメータ
   に流れる電流を検出する電流検出手段と、位置決め処理
   の１サイクル期間にわたって前記電流検出手段が検出し
   た電流値を積分する電流値積分手段とを備え、位置検出
   補正警告信号出力手段を、前記電流値積分手段が検出す
   る電流積分値の変化に基づいて前記位置検出手段の特性
   変動に対する補正の必要性を警告する位置検出補正警告
   信号を出力するよう構成したことを特徴とする請求項２
   に記載のガルバノメータ制御装置。