JP2003084225A - ガルバノスキャナの制御方法、装置、及び、ガルバノスキャナ - Google Patents

ガルバノスキャナの制御方法、装置、及び、ガルバノスキャナ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 トルクリップルによらない一定の駆動特性を
実現して、スループットを低下させることなく、ガルバ
ノスキャナの位置決め精度を向上させ、精度良く加工を
行う。 【解決手段】 モータ20によりミラー22を駆動し
て、レーザ光線の照射位置を走査するためのガルバノス
キャナの制御に際して、指令トルクと実際のトルクをそ
れぞれ演算し、その差からトルクの変動を求めて、モー
タ20に与える電流指令値を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、モータによりミラ
ーを駆動してレーザ光線の照射位置を走査するためのガ
ルバノスキャナの制御方法、装置、及び、ガルバノスキ
ャナに係り、特に、レーザ光線を照射してプリント基板
配線などに複数の穴明け加工を行うレーザドリルマシン
に用いるのに好適な、ガルバノスキャナの制御方法、装
置、及び、これを用いたガルバノスキャナに関する。
【0002】
【従来の技術】レーザにより加工を行う際、ガルバノス
キャナによって照射位置を移動させる方法を採ると、高
速な加工が可能となる。
【0003】図1は、一般的なレーザドリルマシンの構
成例である。本構成例は、図示しないレーザ発振器から
照射される、例えばパルス状のレーザ光線12を、所定
の方向(図1では紙面に垂直な方向)に走査するための
ミラー15を含む第1ガルバノスキャナ14と、該第1
ガルバノスキャナ14によって紙面に垂直な方向に走査
されたレーザ光線12を、前記第1ガルバノスキャナ1
4による走査方向と垂直な方向(図1では紙面と平行な
方向)に走査するためのミラー17を含む第2ガルバノ
スキャナ16と、前記第1及び第2ガルバノスキャナ1
4、16により2方向に走査されたレーザ光線を、加工
対象物10の表面に対して垂直な方向に偏光するための
f−θレンズ18とを備えている。
【0004】このガルバノスキャナにおいては、第1及
び第2ガルバノスキャナ14、16で、レーザ光線12
を加工対象物10の表面内の任意の位置に移動すること
ができる。ミラー15、17により偏向したレーザ光線
は、f−θレンズ18を通過すると、加工対象物10の
表面に集光する。このため、二つのガルバノスキャナ1
4、16を制御することにより、加工対象物10表面の
任意の箇所をレーザ加工することが可能となる。
【0005】基板の穴明け等では高いスループットが要
求されるため、加工対象物10を移動させる方法に比べ
て、レーザ光線を移動させることにより、高速に処理を
行うことが可能な、ガルバノスキャナを用いることが多
い。
【0006】一方で、ガルバノスキャナに生じる僅かな
角度変化が加工面に大きく投影されるため、精度良く加
工を行うためには、ガルバノスキャナに高い位置決め精
度が要求される。
【0007】このようなガルバノスキャナの角度によっ
てレーザ光線の照射位置を移動させる加工方法では、ガ
ルバノスキャナが所望の角度に達した時点で、レーザ光
線を照射して加工を行う。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般
に、ガルバノスキャナには、トルクリップルと呼ばれ
る、動作角度によるトルク定数の変動が存在する。この
ため、場所によってガルバノスキャナの整定特性が異な
り、残留振動を引き起こしたり、目標位置の到達時間が
遅れたりすることにより、加工精度の低下を引き起こし
ていた。
【0009】従来、このような加工精度の悪化に対する
対策として、特開平2000−117476で提案した
ように、(1)整定待ち時間を延ばす、(2)特性の差
が出ないように駆動速度を遅くする、あるいは、(3)
加工エリアを狭くするというような対策が採られていた
が、いずれも、スループットが悪くなってしまうという
問題点を有していた。
【0010】なお、出願人は特開平11−31014に
おいて、外乱補償器を用いてトルクリップルを補正した
位置及び速度の制御方式を提案しているが、本発明のよ
うに、ガルバノスキャナに適用したものではなかった。
【0011】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、スループットを低下させることな
く、ガルバノスキャナの位置決め精度を向上させ、精度
良く加工を行うことができるようにすることを課題とす
る。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、モータにより
ミラーを駆動して、レーザ光線の照射位置を走査するた
めのガルバノスキャナの制御方法において、指令トルク
と実際のトルクをそれぞれ演算し、その差からトルクの
変動を求めて、モータに与える電流指令値を補正するよ
うにして、前記課題を解決したものである。
【0013】又、前記指令トルクを、モータに流れる電
流値を測定して、これから演算するようにしたものであ
る。
【0014】又、前記実際のトルクを、ミラーの角度を
測定して、これから演算するようにしたものである。
【0015】本発明は、又、モータによりミラーを駆動
して、レーザ光線の照射位置を走査するためのガルバノ
スキャナの制御装置において、指令トルクを求める手段
と、実際のトルクを求める手段と、指令トルクと実際の
トルクの差からトルクの変動を求める手段と、求められ
たトルク変動に応じてモータに与える電流指令値を補正
する手段とを備えることにより、前記課題を解決したも
のである。
【0016】又、前記指令トルクを求める手段が、2階
の擬似微分演算器を含むようにしたものである。
【0017】又、前記実際のトルクを求める手段が、前
記擬似微分演算器と同じ時定数を持つローパスフィルタ
を含むようにしたものである。
【0018】又、前記電流指令値を補正する手段が、前
記擬似微分演算器とローパスフィルタの出力の差に、所
定のゲインを乗じて電流指令値を補正するようにしたも
のである。
【0019】又、前記各手段を、アナログ回路により構
成して、高速動作を可能としたものである。
【0020】本発明は、又、前記の制御装置を含むこと
を特徴とするガルバノスキャナを提供するものである。
【0021】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。
【0022】本実施形態は、図2に示す如く、モータ2
0によって回転駆動されるミラー22の角度を検出する
ミラー角度センサ24と、モータ20に流れる駆動電流
をモニタする電流モニタ26と、図示されていない上位
のシステムから入力される目標角度(参照角度と称す
る)、前記ミラー角度センサ24によって計測される計
測角度信号、及び、前記電流モニタ26で計測される電
流モニタ信号に基づいて電流指令を算出する制御装置3
0と、該制御装置30から出力される電流指令に従って
駆動電流を作り出してモータ20に供給するためのパワ
ーアンプ50とを備えている。
【0023】前記ミラー22の角度は、ミラー角度セン
サ24により計測され、その結果は制御装置30に入力
される。一方、ミラー22の参照角度は、図示されてい
ない上位のシステムから制御装置30に入力される。
又、モータ20に印加された駆動電流は、電流モニタ2
6で計測され、制御装置30に入力される。制御装置3
0では、以上の入力から、電流指令を算出する。パワー
アンプ50により、該電流指令に従った駆動電流が作り
出され、モータ20が駆動され、ミラー22が回転す
る。
【0024】前記制御装置30は、図3に詳細に示す如
く、上位のシステムから入力される参照角度と、前記ミ
ラー角度センサ24から入力される計測角度の差に対し
てPID演算を行い、理想電流指令を算出するPID制
御部32と、前記計測角度信号の加速度から実際のトル
ク(実トルクとも称する)を算出するための、例えば2
階の擬似微分演算器からなる第1のフィルタ34と、前
記電流モニタ26から入力される電流モニタ信号から指
令トルクを算出するための、例えば前記第1のフィルタ
34と同じ時定数を持つローパスフィルタからなる第2
のフィルタ36と、該第2のフィルタ36で求められる
指令トルクと前記第1のフィルタ34で求められる実ト
ルクの差を求める減算器38と、該減算器38の出力を
電流指令へ変換するための変換係数をゲインとして乗ず
る乗算器40と、前記PID制御部32から出力される
理想電流指令に、前記乗算器40によって計算された補
正値を加える加算器42と、該加算器42より出力され
る補正された電流指令を通過させて、最終的な電流指令
を算出するための第3のフィルタ44とから構成されて
いる。
【0025】前記第3のフィルタ44には、ノイズ除去
を目的とするローパスフィルタや、共振回避を目的とす
るノッチフィルタ、あるいは、その双方を用いることが
できる。
【0026】前記PID制御部32では、参照角度と計
測角度の差に対してPID演算を行い、理想電流指令を
算出する。一方、第1のフィルタ34では、計測角度か
ら実トルクが算出され、第2のフィルタ36では、電流
モニタ値から指令トルクが算出される。指令トルクと実
トルクの差がトルクリップルであり、乗算器40でゲイ
ンを乗じた後、加算器42で理想電流指令に加算するこ
とにより、トルクリップルが補正された電流指令を算出
する。前記加算器42によって得られる補正された電流
指令が第3のフィルタ44を通過することにより、最終
的な電流指令が算出される。
【0027】例えば、前記第1のフィルタ34の伝達関
数は、次式(1)、第2のフィルタの伝達関数は次式
(2)、前記乗算器40のゲインは次式(3)によって
表わされる。
【0028】Is2/(Ts+1)3 …(1) K/(Ts+1)3 …(2) 1/K …(3) ここで、Iは駆動部の慣性モーメント、Tはフィルタの
時定数、Kはモータのトルク定数、sはラプラス変換子
である。
【0029】なお、ガルバノスキャナを利用したレーザ
加工装置では、X軸、Y軸で、ガルバノスキャナの動作
特性は非干渉であるので、上記の処理は、X軸、Y軸別
々に行うこともできる。
【0030】シミュレーションによる検証結果を図4に
示す。従来は、加工点1においてオーバーシュートと、
これに伴う振動が発生し、加工点2においてアンダーシ
ュートが発生していたのに対し、本発明による方法によ
れば、加工点1、2のいずれにおいても、目標値からの
誤差が許容範囲内の良好な制御結果を得ることができ
た。
【0031】なお、前記実施形態においては、制御装置
30が、PID制御によるフィードバックを行っていた
が、フィードバック制御の方法はこれに限定されない。
【0032】又、前記実施形態においては、電流モニタ
26により指令トルクを得るようにしていたが、電流指
令より電流モニタ信号を得るようにして、電流モニタを
省略することも可能である。
【0033】前記制御装置30は、高速動作が可能なア
ナログ回路、任意の処理が可能なデジタル計算機、又
は、それらの混合によって実現可能である。
【0034】前記実施形態においては、本発明が、レー
ザドリルマシンに適用されていたが、本発明の適用対象
はこれに限定されず、ガルバノスキャナを用いるもので
あれば、例えばマーキングマシン等、他の機会にも同様
に適用できることは明らかである。
【0035】
【発明の効果】本発明によれば、ガルバノスキャナのト
ルクリップルの影響を抑えることができるため、動作す
る場所によらない一様な駆動特性とすることができる。
従って、スループットを遅くすることなく、レーザの照
射位置を安定させ、加工精度を向上することができる。
【0036】本発明によるトルクリップルの補正は、動
作角度や温度変化によるトルクの変動、ベアリングの摩
擦、ミラーの空気抵抗等、ガルバノスキャナで発生する
全てのトルクの変動に対して効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の適用対象の一例であるレーザドリルマ
シンの要部構成を示す正面図
【図2】本発明に係るガルバノスキャナ制御装置の実施
形態の構成を示すブロック図
【図3】前記実施形態の制御装置の詳細を示すブロック
線図
【図4】従来例と本発明におけるシミュレーションによ
る検証結果を比較して示す線図
【符号の説明】
10…加工対象物 12…レーザ光線 14、16…ガルバノスキャナ 15、17、22…ミラー 20…モータ 24…ミラー角度センサ 26…電流モニタ 30…制御装置 32…PID制御部 34、36、44…フィルタ 38…減算器 40…乗算器 42…加算器 50…パワーアンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 冨田 良幸 神奈川県横須賀市夏島町19番地 住友重機 械工業株式会社横須賀製造所内 (72)発明者 田中 研太 神奈川県平塚市久領堤1番15号 住友重機 械工業株式会社平塚事業所内 Fターム(参考) 2H045 AB03 AB53 BA12 4E068 AF00 CB01 CD11 CE03

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】モータによりミラーを駆動して、レーザ光
    線の照射位置を走査するためのガルバノスキャナの制御
    方法において、 指令トルクと実際のトルクをそれぞれ演算し、 その差からトルクの変動を求めて、モータに与える電流
    指令値を補正することを特徴とするガルバノスキャナの
    制御方法。
  2. 【請求項2】前記指令トルクを、モータに流れる電流値
    を測定して、これから演算することを特徴とする請求項
    1に記載のガルバノスキャナの制御方法。
  3. 【請求項3】前記実際のトルクを、ミラーの角度を測定
    して、これから演算することを特徴とする請求項1に記
    載のガルバノスキャナの制御方法。
  4. 【請求項4】モータによりミラーを駆動して、レーザ光
    線の照射位置を走査するためのガルバノスキャナの制御
    装置において、 指令トルクを求める手段と、 実際のトルクを求める手段と、 指令トルクと実際のトルクの差からトルクの変動を求め
    る手段と、 求められたトルク変動に応じて、モータに与える電流指
    令値を補正する手段と、 を備えたことを特徴とするガルバノスキャナの制御装
    置。
  5. 【請求項5】前記指令トルクを求める手段が、2階の擬
    似微分演算器を含むことを特徴とする請求項4に記載の
    ガルバノスキャナの制御装置。
  6. 【請求項6】前記実際のトルクを求める手段が、前記擬
    似微分演算器と同じ時定数を持つローパスフィルタを含
    むことを特徴とする請求項5に記載のガルバノスキャナ
    の制御装置。
  7. 【請求項7】前記電流指令値を補正する手段が、前記擬
    似微分演算器とローパスフィルタの出力の差に、所定の
    ゲインを乗じて電流指令値を補正することを特徴とする
    請求項6に記載のガルバノスキャナの制御装置。
  8. 【請求項8】前記各手段が、アナログ回路により構成さ
    れていることを特徴とする請求項4乃至7のいずれかに
    記載のガルバノスキャナの制御装置。
  9. 【請求項9】請求項4乃至8のいずれかに記載の制御装
    置を含むことを特徴とするガルバノスキャナ。
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