JP2003181660A

JP2003181660A - レーザ加工機

Info

Publication number: JP2003181660A
Application number: JP2001386508A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sakamoto; 淳坂本; Soichi Toyama; 聡一遠山; Haruaki Otsuki; 治明大槻; Yaichi Okubo; 弥市大久保; Hiroshi Aoyama; 博志青山; Masahiro Oishi; 昌弘大石
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2003-07-02

Abstract

(57)【要約】【課題】加工精度および加工速度に優れ、しかも保守
管理が容易なレーザ加工機を提供すること。【解決手段】加工機コントローラ４とサーボ機構（Ｉ
ＰＤ制御系）の加算器３１との間に、Ｄ／Ａコンバータ
２１と、切り換え装置２２を接続する。切り換え装置２
２の共通端子ｃはＤ／Ａコンバータ２１の出力側に、一
方の端子ａは直接加算器３１に、他方の端子ｂは鏡２を
支持するロータの軸方向の曲げに関する固有振動数近傍
の周波数を制限する帯域制限フィルタ２３を介して加算
器３１に接続する。また、鏡２の振動測定手段を設け
る。通常は、切り換え装置２２の共通端子ｃと端子ａを
接続しておき、鏡２の異常振動が観測されると、切り換
え装置２２を切り換えて共通端子ｃと端子ｂを接続す
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、鏡を所望の角度に
位置決めして、鏡に入射するレーザ光を所望の位置に反
射させるようにしたレーザ加工機に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工機は、レーザ光を用いてプリ
ント基板等に穴を加工したり、描画を行う装置である。

【０００３】例えば、特開平８−１７４２５６号公報に
は、レーザ発振器を固定すると共に、回転自在の鏡を所
望の角度に位置決めすることにより、レーザ光をプリン
ト基板上の所望の位置に導くようにしたレーザ加工機の
技術が開示されている。

【０００４】鏡を回転させる装置として、特開平７−５
５５００号公報には、鏡を保持し回転自在のロータと、
前記ロータの回動角度を検出する角度センサと、この角
度センサから出力される角度信号と指令された指令角度
とから前記ロータを前記指令角度に位置決めする制御手
段とから構成されるスキャナ装置の技術が開示されてい
る。

【０００５】また、特開平９−２２２５７９号公報に
は、回転させた鏡を滑らかに停止させることにより鏡の
応答性を向上させる技術が開示されている。

【０００６】また、特開平５−２２８６７１号公報に
は、エキシマレーザ加工機において、光学系光路の途中
に配置した分岐用鏡によりレーザ光を二方向に分岐し、
レーザ光の一方を被加工物に導いて加工を行うと共に、
レーザ光の他方を２次元アレイＣＣＤに導き、レーザ光
の概略位置や強度分布をモニタする方法が開示されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、鏡を回転さ
せると、鏡を保持するロータには回転方向のねじり振動
と曲げに伴う曲げ振動とが発生し、これに伴って鏡も振
動する。そして、これらの振動はいずれも位置決め精度
に影響を与える。しかし、曲げ振動が位置決め精度に及
ぼす影響はねじり振動が位置決め精度に及ぼす影響に比
べて小さいため、これまでは、特に問題視されていなか
った。

【０００８】しかし、近年、高精度化の要求によりスキ
ャナに取り付けられる鏡が大型化していること、また、
高速化の要求によりスキャナの応答速度を高速化してい
る等により、ロータの曲げ振動に起因する鏡の振動を無
視できなくなった。

【０００９】ロータに曲げ振動が発生すると、ロータす
なわち鏡の回転方向の位置決めが完了しても、照射位置
におけるレーザ光は１０μｍ以上の振幅、かつ、数百〜
１ｋＨｚの周波数で特徴的な振動する。具体的には、角
度センサから出力される角度信号と目標角度が一致して
いるにも拘らず、レーザ光が振動する。この結果、加工
穴位置が上記の振幅程度ずれたり、また、同一位置で複
数回のレーザショットを繰り返したときには加工穴が長
円化する等、加工品質が低下する。

【００１０】この振動はスキャナ自体の構造に起因する
ものであり、温度変化等の影響を低減する上記特開平７
−５５５００号公報の技術、あるいは、鏡を回転方向に
滑らかに停止させる上記特開平９−２２２５７９号公報
の技術では解決することができない。

【００１１】また、特開平５−２２８６７１号公報の目
的は、加工時のレーザ光の概略位置や強度分布を把握す
ることであり、２次元アレイＣＣＤの分解能が１０μｍ
程度であるため、鏡の振動を精度良く把握するには適し
ていない。しかも、２次元アレイＣＣＤで測定されたデ
ータを分析するためには、専用の装置あるいはソフトウ
エアを組み込むか、あるいは、十分な知識を備えた作業
員が必要になる。

【００１２】そこで、従来は、レーザ加工機を出荷する
際に、レーザ光の位置決め精度が許容範囲に収まるよう
に、スキャナおよびスキャナコントローラの調整が行わ
れている。しかし、使用地までの移送時、あるいは、経
年変化により、ロータに曲げ振動が発生する可能性があ
る。

【００１３】ロータに曲げ振動が発生した場合、ユーザ
は加工穴の位置精度の低下や穴形状の品質低下に基づ
き、この振動の発生を間接的に推測せざるを得ない。し
かも、加工結果から加工精度の低下に気づいたとして
も、その原因がロータの曲げ振動に起因したものである
か否かを特定するためには、十分な知識が必要になる。
さらに、曲げに起因する振動を抑える対策を実施するに
は、十分な知識が必要である。このため、ロータに曲げ
振動が発生していることが明らかになった場合は、直ち
に加工機を停止してユーザまたはメーカの保守員が対策
するまで加工を中断しなければならない。このため、加
工能率を向上させることができなかった。

【００１４】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決し、加工精度および加工速度に優れ、しかも保
守管理が容易なレーザ加工機を提供するにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、鏡を保持し回転自在のロータ、前記鏡ま
たは前記ロータの回動角度を検出する角度センサ、およ
び前記角度センサから出力される角度信号に基づいて前
記ロータを目標角度に位置決めするレーザスキャナ装置
により前記鏡を目標角度に位置決めするレーザ加工機に
おいて、前記ロータの軸方向の曲げに関する固有振動数
に相当する周波数成分を低減する帯域制限フィルタと、
前記目標角度をそのまま前記レーザスキャナ装置に入力
するか前記帯域制限フィルタを介して入力するかを選択
する切り換え手段とを備えていることを特徴とする。

【００１６】この場合、前記鏡の振動を計測する計測手
段と、前記計測手段によって計測された鏡の振動と予め
定められた鏡の振動とを比較する比較手段とをさらに備
え、前記比較手段によって、前記鏡の振動が予め定めた
範囲から外れたことが検出された場合は、前記切り換え
手段は前記帯域制限フィルタを介して前記目標角度を入
力する側に切り換えるようにする。

【００１７】また、前記計測手段によって計測された計
測結果を記憶する記憶手段をさらに設けるとよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
に基づいて説明する。

【００１９】図１は、本発明に係るレーザ加工機の構成
図であり、図２は、本発明に係るレーザ加工機の制御ブ
ロック図である。

【００２０】図１において、加工用レーザ発振器５は、
鏡２の中心に向けて加工用レーザ光６を出力する。スキ
ャナ１は図示を省略する台座に固定されている。スキャ
ナ１は、ロータ１ａを回転自在に支持し、スキャナコン
トローラ３により位置決め制御される。スキャナコント
ローラ３は、上位の加工機コントローラ４から出力され
る位置指令を受けてスキャナ１を制御する。なお、スキ
ャナ１には、図示を省略する角度センサが設けられてお
り、ロータ１ａの現在の角度を常時検出することができ
る。

【００２１】鏡２は、ロータ１ａに固定されている。鏡
２の裏面２ａは、一部または全部が鏡面に形成されてい
る。ロータ１ａの回転の軸線を挾み、裏面２ａの一方の
側には、計測用レーザ発振器７と、位置検出センサ９と
が配置されている。計測用レーザ発振器７は、計測用レ
ーザ光８を出力する。ここでは、計測用レーザ発振器７
として、取扱が容易な可視のＨｅ−Ｎｅレーザ発振器を
使用している。位置検出センサ９は、裏面２ａで反射さ
れた計測用レーザ光８を受光する。ここでは、位置検出
センサとして、光ダイオードの原理を応用したアナログ
出力のＰＳＤ素子（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｎｇ
Ｄｅｖｉｃｅ）を使用している。ＰＳＤ素子を用いる
と、受光したレーザ光の位置を１μｍ程度の精度で検出
することができる。

【００２２】位置検出センサ９は、記憶装置１０および
加工機コントローラ４を介して、通信装置１１に接続さ
れている。通信装置１１は、専用線あるいはインターネ
ットを介して、外部、ここではレーザ加工機のメーカに
備えられたコンピュータ２８に接続されている。加工機
コントローラ４には、比較器４１が設けられている。

【００２３】次に、図２により、本発明に係るレーザ加
工機の制御系について説明する。

【００２４】スキャナコントローラ３は、衆知のサーボ
機構（ＩＰＤ制御系）の入力側に、Ｄ／Ａコンバータ２
１と、切り換え装置２２を接続した構成になっている。
Ｄ／Ａコンバータ２１の入力側は加工機コントローラ４
に、出力側は切り換え装置２２の共通端子ｃに接続され
ている。切り換え装置２２の一方の端子ａは直接、ま
た、他方の端子ｂは帯域制限フィルタ２３を介してＩＰ
Ｄ制御系の加算器３１に接続されている。

【００２５】図３は、帯域制限フィルタ２３のゲイン特
性を示す図である。同図に示すように、帯域制限フィル
タ２３は、ロータ１ａの振動に起因する鏡２の振動数に
相当する５５０Ｈｚを中心値として、数百Ｈｚ〜１ｋＨ
ｚの範囲の周波数成分を制限するようにパラメータが設
定されている。

【００２６】次に、本発明の動作を説明する。なお、切
り換え装置２２は、共通端子ｃと端子ａが接続されてい
る。また、位置検出センサ９およびは記憶装置１０は加
工開始と同時にオンされる。

【００２７】加工機コントローラ４から出力されたデジ
タルデータの指令値１５は、Ｄ／Ａコンバータ２１によ
り、アナログデータの角度目標値信号１６に変換され
る。そして、角度目標値信号１６にスキャナ１の角度セ
ンサから出力される角度検出信号２０が負帰還されて偏
差信号１７が形成される。そして、定常状態における偏
差信号１７の値を０にするため、偏差信号１７を積分補
償回路２４で積分する。また、ＩＰＤ制御系の安定性を
保つため、角度検出信号２０を比例補償回路２５と微分
補償回路２６に入力し、これらの出力信号の和を積分補
償回路２４の出力信号から減算して制御入力信号１８と
する。モータ駆動回路２７は制御入力信号１８に応じた
モータ駆動電流１９を、スキャナ１に対して供給する。
この結果、ロータ１ａが回転して鏡２を位置決めする。
鏡２が回転方向に位置決めされると、スキャナコントロ
ーラ３は、加工機コントローラ４に位置決め完了信号を
出力する。

【００２８】位置決め完了信号を受信した加工機コント
ローラ４は、位置検出センサ９の出力を参照し、計測用
レーザ光８の信号波形の最大値と最小値との差が予め定
める範囲内である場合は、加工用レーザ発振器５に加工
用レーザ光６を出力させる。また、計測用レーザ光８の
信号波形の最大値と最小値との差が予め定める範囲を越
えている場合は、計測用レーザ光８の信号波形の最大値
と最小値との差が予め定める範囲に入るのを待ってから
加工用レーザ発振器５に加工用レーザ光６を出力させる
と共に、切り換え装置２２の共通端子ｃを端子ｂに接続
する。また、切り換え装置２２を切り換えたことを通信
装置１１を介して外部コンピュータ２８に通知する。

【００２９】加工用レーザ発振器５から出力された加工
用レーザ光６は、鏡２に反射され、テーブル１３に載置
された被加工物１４上の所定の位置に導かれる。

【００３０】また、切り換え装置２２が切り換えられた
ことを知った外部コンピュータ２８の作業者は、鏡２の
振動の原因をさらに詳しく調査するため、加工機コント
ローラ４に、記憶装置１０に記憶されている位置測定デ
ータの送信を要求する。

【００３１】加工機コントローラ４は、送信要求を受信
すると、記憶装置１０から位置検出センサ９の出力デー
タを読み出し、通信装置１１を介して外部コンピュータ
２８に送信する。外部コンピュータ２８の作業者は、受
信した波形データに基づいてレーザ加工機の状態を診断
し、スキャナ１のロータに曲げ振動が発生しているか否
かを判断する。そして、ロータに曲げ振動が発生してい
る場合には、必要な処置、例えば作業員をユーザに派遣
する等、を講じる。

【００３２】次に、鏡の振動を低減することができる理
由について説明する。

【００３３】一般に、固有振動数に等しい周波数で加振
された構造物には、大きな振動が発生する。本発明の場
合、角度目標値信号１６が帯域制限フィルタ２３を通過
すると、スキャナ１の目標値の時間波形からロータの曲
げ振動の固有振動数に相当する周波数成分が除去される
ため、ロータの曲げ振動に起因する鏡２の振動が減少す
る。

【００３４】なお、帯域制限フィルタ２３の遮断周波数
を厳密に鏡２の振動数に一致させなくても、近傍の周波
数成分が低減されるので、鏡２の振動低減効果を得るこ
とができる。

【００３５】次に、通常は、帯域制限フィルタ２３を用
いない理由を説明する。

【００３６】スキャナ１の応答周波数の上限値は１ｋＨ
ｚ前後に設計されている。そして、加工時、スキャナ１
は、１秒間に数百から１０００回の位置決めを行うの
で、角度目標値信号１６には、通常、数百Ｈｚ〜１ｋＨ
ｚの周波数成分が多く含まれている。しかし、この周波
数はロータ１ａの曲げ振動の固有振動数とほぼ一致し、
帯域制限フィルタ２３の遮断周波数帯域ともほぼ一致す
る。

【００３７】このため、帯域制限フィルタ２３を使用す
ると、角度目標値信号１６から主成分である周波数成分
が除去されてしまうため、スキャナ１の応答速度は低下
する。したがって、加工効率の点から、帯域制限フィル
タ２３を常時使用することは望ましくない。

【００３８】そこで、本発明では、スキャナ１のロータ
の曲げ振動が発生していない状態では帯域制限フィルタ
２３を使用せずに加工を行い、ロータ１ａに曲げ振動が
発生したときに限り、帯域制限フィルタ２３を使用する
ことにより、加工速度の低下を防止することができる。

【００３９】この実施形態では、比較器４１を設け、計
測用レーザ光８の信号波形の最大値と最小値との差が予
め定める範囲を越えている場合は、切り換え装置２２を
直ちに切り換えるようにしたので、加工精度を向上させ
ることができる。

【００４０】なお、比較器４１を設けず、計測用レーザ
光８の信号波形の最大値と最小値との差が予め定める範
囲を越えていることを通信装置１１を介して外部コンピ
ュータ２８に送信し、メーカの指示を受けてから、レー
ザ加工機の作業者が切り換え装置２２を切り換えるよう
にしてもよいし、レーザ加工機のメーカの作業者が通信
回線を介して切り換え装置２２を切り換えるようにして
もよい。

【００４１】また、通信装置１１を介して加工機コント
ローラ４と外部コンピュータ２８とを接続したので、外
部コンピュータ２８の作業者は、通信装置１１を介し
て、加工機コントローラ４に位置測定データの送信を要
求することにより、加工現象を確実に把握することがで
きるので、スキャナ１のロータに曲げ振動が発生してい
るか否かの判断を容易に行うことができる。また、対策
に必要な時間を短縮できると共に、適切な対策を行うこ
とができる。

【００４２】このように、本発明によれば、従来、ロー
タ１ａに発生した曲げ振動による加工精度の低下が認め
られた場合はレーザ加工機を直ちに停止させなければな
らなかったのに対して、帯域制限フィルタ２３を使用す
ることにより加工精度の低下を防止できるので、例えば
保守員が現地に赴くまでの期間も加工を継続することが
可能である。この結果、装置の稼動停止時間を最短にす
ることができるので、メインテナンスに必要なコスト、
および、加工精度低下による損害を低減することができ
る。

【００４３】なお、この実施例ではスキャナが１台の場
合について説明したが、２次元走査を行うために２台の
スキャナを組み合わせる場合は、各スキャナに対して上
記の構成を適用すればよい。

【００４４】また、帯域制限フィルタ２３が制限する周
波数成分は、実状に合わせて最適なものを選定すればよ
い。

【００４５】さらに、鏡の振動を計測するのにレーザを
用いたが、非接触変位センサを用いてもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ光を位置決めする鏡の振動を監視し、ロータの曲
げ振動に起因する鏡の振動が検出された場合には、加工
精度の低下を防止する機能を設けたので、加工精度およ
び加工速度に優れ、しかも保守管理が容易なレーザ加工
機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ加工機の構成図である。

【図２】本発明に係るレーザ加工機の制御ブロック図で
ある。

【図３】帯域制限フィルタ２３のゲイン特性を示す図で
ある。

【符号の説明】

２鏡４加工機コントローラ２１Ｄ／Ａコンバータ２２切り換え装置３１加算器

フロントページの続き (72)発明者大槻治明茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者大久保弥市神奈川県海老名市上今泉2100番地日立ビアメカニクス株式会社内 (72)発明者青山博志神奈川県海老名市上今泉2100番地日立ビアメカニクス株式会社内 (72)発明者大石昌弘神奈川県海老名市上今泉2100番地日立ビアメカニクス株式会社内Ｆターム(参考） 2H045 AB10 DA31 DA44 4E068 AB00 AF00 CB01 CC00 CD11 CE03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鏡を保持し回転自在のロータ、前記鏡ま
たは前記ロータの回動角度を検出する角度センサ、およ
び前記角度センサから出力される角度信号に基づいて前
記ロータを目標角度に位置決めするレーザスキャナ装置
により前記鏡を目標角度に位置決めするレーザ加工機に
おいて、前記ロータの軸方向の曲げに関する固有振動数に相当す
る周波数成分を低減する帯域制限フィルタと、前記目標角度をそのまま前記レーザスキャナ装置に入力
するか前記帯域制限フィルタを介して入力するかを選択
する切り換え手段と、を備えていることを特徴とするレ
ーザ加工機。
【請求項２】前記鏡の振動を計測する計測手段と、前
記計測手段によって計測された鏡の振動と予め定められ
た鏡の振動とを比較する比較手段とをさらに備え、前記
比較手段によって前記鏡の振動が予め定めた範囲から外
れたことが検出された場合は、前記切り換え手段は前記
帯域制限フィルタを介して前記目標角度を入力する側に
切り換えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加
工機。
【請求項３】前記計測手段によって計測された計測結
果を記憶する記憶手段をさらに備えていることを特徴と
する請求項２に記載のレーザ加工機。