JP2004038106A - レーザビーム走査装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ビーム走査手段の応答を高速化することにより作業の高速化を図ると共に品質の高精度化を図ることができるようにする。
【解決手段】レーザビームを走査させる第１の走査手段と、レーザビームを第１の走査手段と同一の方向に走査させる第２の走査手段と、第２の走査手段に接続され第２の走査手段の応答遅れを補償する補償手段とを設け、第１の走査手段を、目標値ｒと第１の走査手段のビームスポット変位ｙ１との偏差に基づいて動作させると共に、第２の走査手段を、第１の走査手段の偏差と第２の走査手段のビームスポット変位ｙ２との偏差に基づいて動作させる。この場合、第２の走査手段を、第１の走査手段に対してストロークは短いが応答性が高いものとすると良い。
【選択図】 図１
【解決手段】レーザビームを走査させる第１の走査手段と、レーザビームを第１の走査手段と同一の方向に走査させる第２の走査手段と、第２の走査手段に接続され第２の走査手段の応答遅れを補償する補償手段とを設け、第１の走査手段を、目標値ｒと第１の走査手段のビームスポット変位ｙ１との偏差に基づいて動作させると共に、第２の走査手段を、第１の走査手段の偏差と第２の走査手段のビームスポット変位ｙ２との偏差に基づいて動作させる。この場合、第２の走査手段を、第１の走査手段に対してストロークは短いが応答性が高いものとすると良い。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームの進路を操作してレーザビームを加工対象の所定の位置に照射させるレーザビーム走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビーム走査装置は、レーザビームと加工対象とを相対的に移動させながら加工対象を加工をする装置である。
【０００３】
例えば、レーザビーム走査装置の一つである従来のプリント基板穴明け用レーザ加工機は、プリント基板を搭載して水平なＸＹ方向にプリント基板を移動させるＸＹテーブルサーボ機構と、レーザビーム（以下、「ビーム」という。）をプリント基板上のＸＹ方向に走査させる一対のガルバノミラーサーボ機構とを備えている。ＸＹテーブルサーボ機構は、ＸＹテーブルを移動方向を互いに９０度にして重ねた２つの案内装置に支持させ、この案内装置をリニアモータまたはボールねじを介したモータにより駆動し、テーブルの位置またはモータの回転角度を検出してフィードバックするサーボ機構を構成したものである。また、ガルバノミラーサーボ機構は、揺動型の電磁アクチュエータの回転軸にミラーを取り付け、回転軸の回転角度を検出してフィードバックするサーボ機構を構成したものである。
【０００４】
ＸＹテーブルはプリント基板を移動できる領域が広いが、質量が大きいためにサーボ機構の応答周波数は低い。一方、ガルバノミラーサーボ機構は質量が小さいためサーボ機構の応答周波数は高いが、ビームを走査できる領域がプリント基板のサイズに比べて小さい。
【０００５】
そこで、プリント基板に穴を加工する際には、ＸＹテーブルを駆動して加工しようとする対象領域をガルバノミラーの走査可能領域に一致させてから、加工を開始する。レーザ源からパルス状に照射されるビームは、いくつかのミラーにより光路を導かれて一対のガルバノミラーに達し、ミラー角度に応じて、プリント基板上のＸ方向及びＹ方向に対応する直交２方向に進行方向を変えられた後、Ｆθレンズを経てプリント基板上の穴加工位置に至り、プリント基板にビームの直径（ビームスポット径）に応じた穴を加工する。ガルバノミラーの位置決めとビームの照射を繰り返し、ガルバノミラーの走査可能領域の加工が終了すると、ＸＹテーブルを移動させて次の加工対象領域をガルバノミラーの走査可能領域に一致させる。以下、上記の動作を繰り返してプリント基板全面の加工を行う。
【０００６】
近年、電子機器の小型高機能化の進展に伴い、プリント基板の多層化、パターンの微細化が進む一方で、常に生産効率の向上が求められており、レーザ加工機においても作業の高速化と品質の高精度化が求められている。
【０００７】
そこで、米国特許第５７５１５８５号公報では、目標値を高い周波数の成分と低い周波数の成分に分解し、低い周波数の成分をＸＹテーブルサーボ機構の指令値とすると共に、高い周波数の成分とＸＹテーブルサーボ機構の偏差をガルバノスキャナ機構の指令値として、ＸＹテーブルとガルバノスキャナを同時に駆動しながら加工を行っている。このようにすると、全加工時間のうち、ＸＹテーブルにより加工対象領域間を移動に要する時間を短縮することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来技術の場合、ガルバノスキャナの動作時間を短縮することはできない。また、目標値を高い周波数成分と低い周波数成分に分解する手段が必要になる。さらに、目標値の高い周波数成分がガルバノスキャナサーボ機構の駆動系の可動範囲を越えることによりガルバノスキャナが応答しきれない場合、発生した誤差をＸＹテーブルによってカバーすることはできない。
【０００９】
本発明の目的は、ビーム走査手段の応答を高速化することにより作業の高速化を図ると共に品質の高精度化を図ることができるレーザビーム走査装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、２つの位置決め手段、好ましくは低速大ストロークの位置決め手段（以下、「低速位置決め系」という。）と、高速小ストロークの位置決め手段（以下、「高速位置決め系」という。）とを設け、両者を同時に協調駆動することにより、小ストローク領域での応答の高速性と所要ストロークの確保とを両立させ、レーザ源から照射されるビームを対象物の所定の位置に相対的に走査（移動）させるものである。以下、図面を用いて説明する。
【００１１】
図１は本発明に基づく協調駆動制御系の動作原理を示すブロック線図である。同図（ａ）において、実線で示す部分は２段サーボ機構（協調駆動制御系）を構成しており、Ｇｃ１（ｓ）とＧｐ１（ｓ）はそれぞれ高速位置決め系の制御系伝達関数と駆動系伝達関数、Ｇｃ２（ｓ）とＧｐ２（ｓ）はそれぞれ低速位置決め系の制御系伝達関数と駆動系伝達関数である。そして、低速位置決め系は目標値ｒと低速位置決め系のビームスポットｙ２との偏差に基づいて、また、高速位置決め系は低速位置決め系の偏差（応答誤差）と高速位置決め系のビームスポット変位ｙ１との偏差に基づいて、それぞれビームを走査させるように構成されている。このように構成された２段サーボ機構に指令される目標値ｒとビームスポット変位ｙとの間の信号伝達特性Ｙ（ｓ）は、下記の式１で表される。
【００１２】
【数１】
【００１３】
なお、式１における右辺第１項のＲ（ｓ）の係数は低速位置決め系の閉ループ伝達関数であり、第２項のＲ（ｓ）の係数のうち、第１の因数は低速位置決め系の追従誤差関数、第２の因数は高速位置決め系の閉ループ伝達関数である。そして、２段サーボ機構の目標値ｒに対するビームスポット変位ｙは、低速位置決め系のビームスポット変位ｙ１と高速位置決め系のビームスポット変位ｙ２との和になる。
【００１４】
ところで、低速位置決め系の応答誤差を高速位置決め系の目標値とする場合、高速位置決め系は、低速位置決め系の応答誤差を抑圧するように動作する。しかし、高速位置決め系のフィードバック制御の応答遅れにより、ビームスポット変位ｙを目標値ｒに誤差なく追従させることはできない。
【００１５】
そこで、図中破線で示すように、高速位置決め系の駆動系伝達関数の逆伝達関数である伝達関数１／Ｇｐ１（ｓ）を、高速位置決め系に付加する。伝達関数１／Ｇｐ１（ｓ）を含めた２段サーボ機構の目標値ｒとビームスポット変位ｙとの間の信号伝達特性Ｙ（ｓ）は式２で表される。
【００１６】
Ｙ（ｓ）＝Ｒ（ｓ）・・・・（式２）
式２から明らかなように、目標値ｒとビームスポット変位ｙが等しくなる結果、ビームスポット変位ｙが目標値ｒに対して誤差なく追従する。
【００１７】
なお、同図（ａ）は、信号が等価な同図（ｂ）、（ｃ）の構成にすることもできる。
【００１８】
以上の説明に基づき、上記した課題を解決するため、本発明の第１の手段は、フィードバック制御によりレーザビームを目標値に位置決めするレーザビーム走査装置において、前記レーザビームを走査させる第１の走査手段およびこの第１の走査手段による第１の応答を検出する第１の検出手段と、前記レーザビームを前記第１の走査手段と同一の方向に走査させる第２の走査手段およびこの第２の走査手段による第２の応答を検出する第２の検出手段と、前記第２の走査手段に接続され、前記目標値と前記第１の応答との偏差に基づいて前記第２の走査手段の応答遅れを補償する補償手段と、を設け、前記第１の走査手段を、前記目標値と前記第１の応答との第１の偏差に基づいて動作させると共に、前記第２の走査手段を、前記第１の偏差と前記第２の応答との第２の偏差に基づいて動作させることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の第２の手段は、前記第１の走査手段に対してストロークは長いが応答性が低い第３の走査手段およびこの第３の走査手段による第３の応答を検出する第３の検出手段と、を設け、前記第３の走査手段を、前記目標値と前記第３の応答との第３の偏差に基づいて動作させると共に、前記第１の走査手段を、前記第３の偏差と前記第１の応答との第４の偏差に基づいて動作させ、前記第２の走査手段を、前記第４の偏差と前記第２の応答との偏差に基づいて動作させることを特徴とする。
【００２０】
【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。
【００２１】
図２は、本発明に係るプリント基板穴明け用レーザ加工機の構成図であり、発明の本質に関わらない部分は図示を省略してある。
【００２２】
同図において、レーザ発振器１１から出力されたビーム１０は、ミラー１２、１３を介して、コリメータやアパーチャ等で構成される光学的ビーム処理系１４に入射して外形を整形された後、ミラー１５、１６を介して第１の微動ミラー２１に入射する。微動ミラー２１はミラーマウント２１４の表面側に支持され（図３参照）、図中の奥側から入射するビーム１０を反射して図中の下向へと導く。後述するように、微動ミラー２１が傾きを変更できる範囲（すなわち偏向角を選択できる範囲）は狭いが、傾き角度を高速に偏向することができる。そして、微動ミラー２１の角度を変えることにより、ＸＹテーブル上におけるビーム１０の位置（スポットの位置）を、図中の左右方向（Ｙ軸方向）に走査（移動）させることができる。
【００２３】
ミラーマウント２１４の背面側に配置された反射ミラー２１５を挾むようにして、第１の補助レーザ源２３と、補助レーザ源２３から照射され反射ミラー２１５によって反射されたビーム２１８を受光するセンサ２５とが配置されている。センサ２５は微小な光検出素子を直線的に配列した構成であり、微動ミラー２１が傾きを変更しても補助レーザ源２３が出力する補助ビームを確実に受光することができる。このように、微動ミラー２１の背面側のミラーマウント部に反射ミラー２１５を配置することにより、微動ミラー２１の振動の影響を小さく抑えることができる。
【００２４】
微動走査手段２１で反射されたビーム１０は、第２の微動ミラー２２に入射する。微動ミラー２２は、ミラーマウント２１４の表面側に支持され、図中の上方から入射するビーム１０を反射して図中左方へと導く。微動ミラー２２は、微動ミラー２１と同じ構成であり、傾きを変更できる範囲は狭いが、傾き角度を高速に変更することができる。そして、微動ミラー２２の角度を変えることにより、ＸＹテーブル上におけるビームの位置を、図中の前後方向（Ｘ軸方向）に移動させることができる。
【００２５】
ミラーマウント２１４の背面側に配置された反射ミラー２１５を挾むようにして、第２の補助レーザ源２４と、補助レーザ源２４から照射され反射ミラー２１５によって反射されたビーム２１８を受光するセンサ２６とが配置されている。センサ２６は微小な光検出素子を直線的に配列した構成であり、微動ミラー２２が傾きを変更しても補助レーザ源２４が出力する補助ビームを確実に受光することができる。このように、微動ミラー２２の背面側のミラーマウント部に反射ミラーを配置することにより、微動ミラー２２の振動の影響を小さく抑えることができる。
【００２６】
微動ミラー２２で反射されたビーム１０は、ミラー３１ａに入射する。ミラー３１ａは駆動モータおよび角度検出機を備える第１のガルバノスキャナ３１により駆動される。そして、ミラー３１ａの角度を変えることにより、テーブル上のビームの位置を、微動ミラー２１と同様に、図中の左右方向（Ｙ軸方向）に移動させることができる。
【００２７】
ミラー３１ａで反射されたビーム１０は、ミラー３２ａに入射する。ミラー３２ａは駆動モータおよび角度検出機を備える第２のガルバノスキャナ３２により駆動される。そして、ミラー３２ａの角度を変えることにより、テーブル上のビームの位置を、微動ミラー２２と同様に、図中の前後方向（Ｘ軸方向）に移動させることができる。
【００２８】
ミラー３２ａで反射されたビーム１０は、Ｆθレンズ１７を介して、ＸＹテーブル４２上に載置されたプリント基板５０に照射される。ＸＹテーブル４２は、Ｙ軸駆動機構４４によりＹ軸方向に駆動され、Ｙ軸駆動機構４４はベッド４１上に固定されたＸ軸駆動機構４３によりＸ軸方向に駆動される。
【００２９】
次に、微動ミラー２１の駆動手段について説明する。なお、微動ミラー２２は微動ミラー２１と同一の構造である。
【００３０】
図３は、本発明に係る微動ミラー駆動手段の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図である。
【００３１】
ベース２１０に固定された圧電素子２１１は、数十μｍの伸縮ストロークを持ち、第１リンク２１２を図の左右方向に移動させる。第１リンク２１２には、弾性ヒンジ部２１９ａを介して第２リンク２１３が結合されている。ミラーマウント２１４は、第２リンク２１３の先に配置された弾性ヒンジ部２１９ｂおよびベース２１０に結合された弾性ヒンジ部２１９ｃにより支持されている。
【００３２】
以上の構成であるから、圧電素子２１１が伸びると、第１リンク２１２と第２リンク２１３を介してミラーマウント２１４が図において反時計方向に傾く。この結果、ミラーマウント２１４に固定されたミラー２１とミラー２１５が傾き、それぞれレーザビーム１０と偏向角度計測用の補助レーザビーム２１８の反射方向を偏向する。
【００３３】
なお、ミラーマウント２１４を傾けるアクチュエータとして圧電素子を採用したが、超磁歪素子を用いても良い。また、電磁式ガルバノでミラーを揺動駆動してもよいし、音響光学素子によりビームを偏向するようにしてもよい。
【００３４】
図４は、本発明を適用したレーザ加工機のビーム走査制御系の構成を示すブロック図である。加工機制御装置６１は、数値制御装置６０から与えられる移動指令に応じて、ミラー３１ａ、３２ａ、微動ミラー２１、２２（以下、これらをまとめて「スキャナ系」という。）、ＸＹテーブル４２、レーザ発振器１１等を動作させる。
【００３５】
加工機制御装置６１のスキャナ制御装置６２は、スキャナ系に対する移動指令に応じて、駆動回路３１１、３２１、２５１、２６１を介してスキャナ系を動作させる。また、スキャナ３１、３２に内蔵された位置検出器により検出されたミラー３１ａ、３２ａの回転角度およびセンサ２５、２６により検出された微動ミラー２１、２２の回転角度は、位置検出回路３１２、３２２、２５２、２６２により電圧信号等に変換されてスキャナ制御装置６２にフィードバックされる。
【００３６】
次に、ビーム１０をＹ軸方向に走査させる場合、すなわち低速位置決め系のガルバノスキャナ３１ａと高速位置決め系の微動スキャナ２１を協調動作させてビームを走査させる場合について説明する。
【００３７】
図５は、本発明に基づく２段サーボ系（協調駆動制御系）の信号処理構成を示すブロック線図であり、基本構成は、上記図１のブロック線図に基づいている。
【００３８】
同図において、軌道生成部４１０は目標値ｒと、これに対応する目標速度ｒ’および目標加速度ｒ’’に基づいて目標軌道を生成する。
【００３９】
目標値ｒとミラー３１ａのビームスポット変位ｙ２とから演算された偏差ｅ２は、ガルバノスキャナサーボ系の補償要素４２１により操作量（電圧信号）に変換されて制御対象４２２に入力される。制御対象４２２は増幅器とミラー３１ａの動特性を含んでおり、出力はビームスポット変位ｙ２とミラー３１ａを駆動するモータのコイルを流れる電流ｉ２である。そして、ビームスポット変位ｙ２はミラー３１ａが備えている検出器により検出され、電流ｉ２の値は直列抵抗を用いた検出回路あるいは電流検出器により検出される。
【００４０】
偏差ｅ２と微動ミラー２１のビームスポット変位ｙ１とから演算された偏差ｅ１は、微動ミラーサーボ系の補償要素４３１により操作量に変換されて制御対象４３２に入力される。圧電素子２１１とアンプとを合わせた制御対象４３２の特性はほぼ２次遅れ特性となり、制御対象４３２の出力が微動走査手段によるビームスポット変位ｙ１となる。そして、ビームスポット変位ｙ１とビームスポット変位ｙ２の和が、２段サーボ系全体のビームスポット変位ｙとなる。
【００４１】
次に、オーバーシュートを抑制するための補償系について説明する。
【００４２】
状態推定手段４４１は、入力されたビームスポット変位ｙ２と電流ｉ２とから、速度推定信号ｙ２’と加速度推定信号ｙ２’’を出力する。逆伝達関数補償信号生成部４５１は速度推定信号ｙ２’と加速度推定信号ｙ２’’を目標速度ｒ’及び目標加速度ｒ’’とそれぞれ比較し、速度偏差ｅ２’及び加速度偏差ｅ２’’を算出する。これらは偏差ｅ２と共に、それぞれ図中に示すゲインを乗じられて加算され、フィードフォワード信号ｖとして補償要素４３１の内部で出力に加算される。このフィードフォワード信号ｖをラプラス変換された形で示すと、式３に示すものとなる。
【００４３】
【数２】
【００４４】
ここで、偏差ｅ２の係数は、制御対象４３２と、補償要素４３１のうちの比例要素４３３とを合わせた系の逆伝達関数である。
【００４５】
したがって、目標値ｒが微動ミラー２１の動作範囲内である場合、この信号を入力された微動ミラー２１のビームスポット変位ｙ１は偏差ｅ２に等しくなるので、偏差ｅ１は０になる。一方、ビームスポット変位ｙはビームスポット変位ｙ２と偏差ｅ２の和になるので、ビームは目標値（目標軌道）ｒに偏差なく追従する。
【００４６】
ところで、目標値ｒが微動ミラー２１の動作範囲を超える場合、微動ミラー２１は目標軌道に追従することができない。
【００４７】
そこで、この実施形態では、積分リセット論理４６１を設けている。そして、偏差ｅ２をモニターし、偏差ｅ２が０に復帰した瞬間に補償要素４３１の積分器４３４をリセットする。積分器４３４がリセットされると、微動ミラー２１のビームスポット変位ｙ１は偏差ｅ２に等しく、また偏差ｅ１は０になるので、ビームが目標値ｒに偏差なく追従する状態へと復帰する。
【００４８】
なお、以上説明した制御系は、アナログ回路とロジック回路を用いて、あるいはディジタルプロセッサを用いて構成することができる。
【００４９】
図６は制御系の構成に応じた応答波形の変化の様子を示す時間応答図である。（１）目標値ｒが微動ミラーの動作範囲内である場合
同図（ａ）は、図１〜図３において破線で示した補償系が無い場合（図５における逆伝達関数補償信号生成部４５１と積分リセット論理４６１が無い場合）の２段スキャナ系の時間応答波形であり、（ｂ）は、図１〜図３において破線で示した補償系がある場合（図５における逆伝達関数補償信号生成部４５１がある場合）の各応答を、それぞれ示している。
【００５０】
同図（ａ）の場合、目標軌道に対し、ミラー３１ａの応答の遅れを打ち消すように微動ミラー２１が応答しているが、ミラー３１ａの応答の偏差に対して遅れがある。このため、トータルのビームスポット変位ｙはオーバーシュートしてから目標軌道に収束し、ミラー３１ａ単体の応答よりもむしろ位置決め時間が長くなる。
【００５１】
これに対して同図（ｂ）の場合、ミラー３１ａの応答の遅れに対して微動ミラー２１が遅滞無く応答しており、トータルのビームスポット変位ｙは目標軌道に一致している。
【００５２】
このように、目標値ｒが微動ミラーの動作範囲内である場合、ビームスポット変位ｙを目標軌道に一致させることができる。しかし、ストロークが長くなると、微動ミラー２１の走査範囲が頭打ちになるため、目標軌道に追従できなくなる。
【００５３】
（２）目標値ｒが微動ミラーの動作範囲を超えている場合
同図（ｃ）は、積分リセット論理４６１が無い場合を、（ｄ）は積分リセット論理４６１を設けた場合を、それぞれ示している。
【００５４】
同図（ｃ）の場合、微動ミラー２１が可動範囲端に達して停止した後はミラー３１ａだけが動作する。このため、目標値ｒに対するビームスポット変位ｙが徐々に大きくなり、目標軌道が減速して目標値ｒに達する付近でビームスポット変位ｙが目標値ｒに追いつく。しかし、微動ミラー２１の再起動が遅れるため、オーバーシュートが生じて、位置決め時間が延びる。
【００５５】
これに対し、同図（ｄ）の場合、ビームスポット変位ｙが目標値ｒに追いついた時点でビームスポット変位ｙの積分値に強制的に値を設定するので、微動ミラー２１が遅滞無く再起動される。この結果、オーバーシュートが抑止される、位置決め時間が短縮される。
【００５６】
次に、低速位置決め系がＸＹテーブル４２、高速位置決め系がミラー３１ａの場合について説明する。
【００５７】
図７は、低速位置決め系をＸＹテーブル、高速位置決め系をミラーａとする本発明に係る他のプリント基板穴明け用レーザ加工機の構成図であり、図２と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。
【００５８】
同図において、光学的ビーム処理系１４により外形を整形されたビーム１０はミラー１５、１６、１８および１９を介してミラー３１ａに入射し、ミラー３１ａで反射されてミラー３２ａに入射する。
【００５９】
図８は、本発明を適用したレーザ加工機のビーム走査制御系の構成を示すブロック図である。加工機制御装置６１は、数値制御装置６０から与えられる移動指令に応じて、ミラー３１ａ、３２ａ、ＸＹテーブル４２、レーザ発振器１１等を動作させる。
【００６０】
加工機制御装置６１のスキャナ制御装置６２は、スキャナ系に対する移動指令に応じて駆動回路３１１、３２１を介してミラー３１ａ、３２ａを動作させる。そして、スキャナ３１、３２に内蔵された位置検出器により検出されたミラー３１ａ、３２ａの回転角度は、位置検出回路３１２、３２２により電圧信号等に変換されてスキャナ制御装置６２にフィードバックされる。
【００６１】
また、ＸＹテーブル制御装置６３は、駆動回路４０１、４０２を介してＸ軸駆動機構４３、Ｙ軸駆動機構４４を動作させる。そして、図示を省略するセンサにより検出されたＸ軸、Ｙ軸各々の変位量は、検出回路４０３、４０４により変位信号に変換されてＸＹテーブル制御装置６３にフィードバックされる。
【００６２】
図９は、本発明に基づく２段サーボ系（協調駆動制御系）の他の信号処理構成を示すブロック線図であり、基本構成は、上記図１のブロック線図に基づいている。
【００６３】
同図において、軌道生成部４１０は目標値ｒと、これに対応する目標速度ｒ’および目標加速度ｒ’’に基づいて目標軌道を生成する。
【００６４】
目標値ｒとＸＹテーブル４２のＹ軸サーボ系のビームスポット変位ｙ２とから演算された偏差ｅ２は、テーブルＹ軸サーボ系の補償要素４７１により操作量に変換されて制御対象４７２に入力される。制御対象４７２はモータドライバとＹ軸テーブル駆動系の動特性を含んでおり、出力はビームスポット変位ｙ２とＹ軸を駆動するモータのコイルを流れる電流ｉ２である。そして、ビームスポット変位ｙ２はＹ軸テーブル駆動系が備えている検出器により検出され、電流ｉ２の値は直列抵抗を用いた検出回路あるいは電流検出器により検出される。
【００６５】
偏差ｅ２とミラー３１ａのビームスポット変位ｙ１とから演算された偏差ｅ１は、Ｉ−ＰＤ動作を行う補償要素４２１により処理されて制御対象４２２に入力される。ミラー３１ａとアンプを合わせた制御対象４２２の特性はほぼ２次遅れ特性となり、制御対象４２２の出力がミラー３１ａによるビームスポット変位ｙ１となる。状態推定手段４４１は、制御対象であるミラー３１ａのビームスポット変位ｙ１と電流信号ｉ１とから推定速度信号ｙ１’を出力する。そして、ビームスポット変位ｙ１とビームスポット変位ｙ２との和が、２段サーボ系全体のビームスポット変位ｙとなる。
【００６６】
次に、オーバーシュートを抑制するための補償系について説明する。
【００６７】
状態推定手段４４２は、入力されたビームスポット変位ｙ２とモータ電流ｉ２とから、速度推定信号ｙ２’と加速度推定信号ｙ２’’を出力する。逆伝達関数補償信号生成部４５１は速度推定信号ｙ２’と加速度推定信号ｙ２’’を目標速度ｒ’及び目標加速度ｒ’’とそれぞれ比較し、速度偏差ｅ２’及び加速度偏差ｅ２’’を算出する。これらは偏差ｅ２と共に、それぞれ図中に示すゲインを乗じられて加算され、フィードフォワード信号ｖとして補償要素４２１の内部で出力に加算される。このフィードフォワード信号ｖをラプラス変換された形で示すと、式４に示すものとなる。
【００６８】
【数３】
【００６９】
ここで、偏差ｅ２の係数は、制御対象４２２と、補償要素４２１のうちの比例要素４２３及び微分要素４２５とを合わせた系の逆伝達関数である。したがって、目標値ｒがミラー３１ａの動作範囲内である場合、この信号を入力されたミラー３１ａのビームスポット変位ｙ１は偏差ｅ２に等しくなるので、偏差ｅ１は０になる。一方、ビームスポット変位ｙはビームスポット変位ｙ２と偏差ｅ２の和になるので、ビームは目標値（目標軌道）ｒに偏差なく追従する。
【００７０】
ところで、目標値ｒがミラー３１ａの動作範囲を超える場合、ミラー３１ａは目標軌道に追従することができない。
【００７１】
そこで、この実施形態では、積分リセット論理４６１を設けている。そして、偏差ｅ２をモニターし、偏差ｅ２が０に復帰した瞬間に補償要素４２１の積分器４２４をリセットする。積分器４２４がリセットされると、ミラー３１ａのビームスポット変位ｙ１は偏差ｅ２に等しく、また偏差ｅ１は０になるので、ビームが目標値ｒに偏差なく追従する状態へと復帰する。
【００７２】
なお、以上説明した制御系は、アナログ回路とロジック回路を用いて、あるいはディジタルプロセッサを用いて構成することができる。
【００７３】
次に、ＸＹテーブル、ガルバノスキャナおよび微動ミラーの３つの駆動手段を協調駆動する場合について説明する。
【００７４】
図１０は本発明に基づく３段協調駆動制御系の動作原理を示すブロック線図である。同図（ａ）において、実線で示す部分は３段サーボ機構を構成している。図中、Ｇｃ１（ｓ）、Ｇｐ１（ｓ）は高速位置決め系の制御系伝達関数、駆動系伝達関数、また、Ｇｃ２（ｓ）、Ｇｐ２（ｓ）は中速位置決め系の制御系伝達関数、駆動系伝達関数、さらに、Ｇｃ３（ｓ）、Ｇｐ３（ｓ）は低速位置決め系の制御系伝達関数、駆動系伝達関数である。そして、低速位置決め系は目標値と低速位置決め系の応答との偏差に基づいて、中速位置決め系は低速位置決め系の偏差（応答誤差）と中速位置決め系の応答との偏差に基づいて、また、高速位置決め系は中速位置決め系の偏差（応答誤差）と高速位置決め系の応答との偏差に基づいて、それぞれビームを走査させるように構成されており、高速位置決め系によるビームスポット変位ｙ１と中速位置決め系によるビームスポット変位ｙ２と低速位置決め系によるビームスポット変位ｙ３との和が、制御量であるトータルのビームスポット変位ｙになる。
【００７５】
このように構成すると、高速位置決め系は、中速位置決め系の応答誤差を抑圧するように動作し、中速位置決め系は、低速位置決め系の応答誤差を抑圧するように動作する。しかし、高速位置決め系のフィードバック制御の応答遅れによりビームスポット変位ｙを目標値ｒに誤差なく追従させることはできない。
【００７６】
しかし、図中破線で示すように、高速位置決め系の駆動系伝達関数の逆伝達関数である伝達関数１／Ｇｐ１（ｓ）を高速位置決め系に付加すると、ビームスポット変位ｙを目標値ｒに誤差なく追従させることができる。
【００７７】
なお、同図（ａ）は、信号伝達特性が等価な同図（ｂ）、（ｃ）の構成にすることもできる。
【００７８】
図１１は、本発明を適用したレーザ加工機のビーム走査制御系の構成を示すブロック図である。加工機制御装置６１は、数値制御装置６０から与えられる移動指令に応じて、スキャナ系（ミラー３１ａ、３２ａ、微動ミラー２１、２２）、ＸＹテーブル４２、レーザ発振器１１等を動作させる。加工機制御装置６１のスキャナ制御装置６２は、スキャナ系に対する移動指令に応じて、駆動回路３１１、３２１、２５１、２６１を介してスキャナ系を動作させる。また、スキャナ３１、３２に内蔵された位置検出器により検出されたミラー３１ａ、３２ａの回転角度およびセンサ２５、２６により検出された微動ミラー２１、２２の回転角度は、位置検出回路３１２、３２２、２５２、２６２により電圧信号等に変換されてスキャナ制御装置６２にフィードバックされる。また、ＸＹテーブル制御装置６３は、駆動回路４０１、４０２を介してＸ軸駆動機構４３、Ｙ軸駆動機構４４を動作させる。そして、図示を省略するセンサにより検出されたＸ軸、Ｙ軸各々の変位量は、検出回路４０３、４０４により変位信号に変換されてＸＹテーブル制御装置６３にフィードバックされる。
【００７９】
なお、ワークとビームの相対的な走査手段をＸＹテーブル、ガルバノスキャナおよび微動ミラーによる３段の協調駆動制御系の信号処理は、上記図７および図１１に示した構成から容易に実現することができるので、説明は省略する。
【００８０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、走査距離が短い場合のビーム走査手段の応答周波数を高めることが可能なので、加工個所の間隔が短い場合の加工時間を大幅に短縮することができる。また、走査距離が長い場合であってもビーム移動における整定時間を短くすることが可能なので、加工時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく協調駆動制御系の動作原理を示すブロック線図である。
【図２】本発明に係るプリント基板穴明け用レーザ加工機の構成図である。
【図３】本発明に係る微動ミラー駆動手段の構成を示す図である。
【図４】本発明を適用したレーザ加工機のビーム走査制御系の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明に基づく２段サーボ系の信号処理構成を示すブロック線図である。
【図６】制御系の構成に応じた応答波形の変化の様子を示す時間応答図である。
【図７】本発明に係る他のプリント基板穴明け用レーザ加工機の構成図である。
【図８】本発明を適用したレーザ加工機のビーム走査制御系の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明に基づく２段サーボ系の他の信号処理構成を示すブロック線図である。
【図１０】本発明に基づく３段協調駆動制御系の動作原理を示すブロック線図である。
【図１１】本発明を適用したレーザ加工機のビーム走査制御系の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
ｒ 目標値
１／Ｇｐ１（ｓ） 補償手段
ｙ１ 第１の走査手段によるビームスポット変位
ｙ２ 第２の走査手段によるビームスポット変位
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームの進路を操作してレーザビームを加工対象の所定の位置に照射させるレーザビーム走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビーム走査装置は、レーザビームと加工対象とを相対的に移動させながら加工対象を加工をする装置である。
【０００３】
例えば、レーザビーム走査装置の一つである従来のプリント基板穴明け用レーザ加工機は、プリント基板を搭載して水平なＸＹ方向にプリント基板を移動させるＸＹテーブルサーボ機構と、レーザビーム（以下、「ビーム」という。）をプリント基板上のＸＹ方向に走査させる一対のガルバノミラーサーボ機構とを備えている。ＸＹテーブルサーボ機構は、ＸＹテーブルを移動方向を互いに９０度にして重ねた２つの案内装置に支持させ、この案内装置をリニアモータまたはボールねじを介したモータにより駆動し、テーブルの位置またはモータの回転角度を検出してフィードバックするサーボ機構を構成したものである。また、ガルバノミラーサーボ機構は、揺動型の電磁アクチュエータの回転軸にミラーを取り付け、回転軸の回転角度を検出してフィードバックするサーボ機構を構成したものである。
【０００４】
ＸＹテーブルはプリント基板を移動できる領域が広いが、質量が大きいためにサーボ機構の応答周波数は低い。一方、ガルバノミラーサーボ機構は質量が小さいためサーボ機構の応答周波数は高いが、ビームを走査できる領域がプリント基板のサイズに比べて小さい。
【０００５】
そこで、プリント基板に穴を加工する際には、ＸＹテーブルを駆動して加工しようとする対象領域をガルバノミラーの走査可能領域に一致させてから、加工を開始する。レーザ源からパルス状に照射されるビームは、いくつかのミラーにより光路を導かれて一対のガルバノミラーに達し、ミラー角度に応じて、プリント基板上のＸ方向及びＹ方向に対応する直交２方向に進行方向を変えられた後、Ｆθレンズを経てプリント基板上の穴加工位置に至り、プリント基板にビームの直径（ビームスポット径）に応じた穴を加工する。ガルバノミラーの位置決めとビームの照射を繰り返し、ガルバノミラーの走査可能領域の加工が終了すると、ＸＹテーブルを移動させて次の加工対象領域をガルバノミラーの走査可能領域に一致させる。以下、上記の動作を繰り返してプリント基板全面の加工を行う。
【０００６】
近年、電子機器の小型高機能化の進展に伴い、プリント基板の多層化、パターンの微細化が進む一方で、常に生産効率の向上が求められており、レーザ加工機においても作業の高速化と品質の高精度化が求められている。
【０００７】
そこで、米国特許第５７５１５８５号公報では、目標値を高い周波数の成分と低い周波数の成分に分解し、低い周波数の成分をＸＹテーブルサーボ機構の指令値とすると共に、高い周波数の成分とＸＹテーブルサーボ機構の偏差をガルバノスキャナ機構の指令値として、ＸＹテーブルとガルバノスキャナを同時に駆動しながら加工を行っている。このようにすると、全加工時間のうち、ＸＹテーブルにより加工対象領域間を移動に要する時間を短縮することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来技術の場合、ガルバノスキャナの動作時間を短縮することはできない。また、目標値を高い周波数成分と低い周波数成分に分解する手段が必要になる。さらに、目標値の高い周波数成分がガルバノスキャナサーボ機構の駆動系の可動範囲を越えることによりガルバノスキャナが応答しきれない場合、発生した誤差をＸＹテーブルによってカバーすることはできない。
【０００９】
本発明の目的は、ビーム走査手段の応答を高速化することにより作業の高速化を図ると共に品質の高精度化を図ることができるレーザビーム走査装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、２つの位置決め手段、好ましくは低速大ストロークの位置決め手段（以下、「低速位置決め系」という。）と、高速小ストロークの位置決め手段（以下、「高速位置決め系」という。）とを設け、両者を同時に協調駆動することにより、小ストローク領域での応答の高速性と所要ストロークの確保とを両立させ、レーザ源から照射されるビームを対象物の所定の位置に相対的に走査（移動）させるものである。以下、図面を用いて説明する。
【００１１】
図１は本発明に基づく協調駆動制御系の動作原理を示すブロック線図である。同図（ａ）において、実線で示す部分は２段サーボ機構（協調駆動制御系）を構成しており、Ｇｃ１（ｓ）とＧｐ１（ｓ）はそれぞれ高速位置決め系の制御系伝達関数と駆動系伝達関数、Ｇｃ２（ｓ）とＧｐ２（ｓ）はそれぞれ低速位置決め系の制御系伝達関数と駆動系伝達関数である。そして、低速位置決め系は目標値ｒと低速位置決め系のビームスポットｙ２との偏差に基づいて、また、高速位置決め系は低速位置決め系の偏差（応答誤差）と高速位置決め系のビームスポット変位ｙ１との偏差に基づいて、それぞれビームを走査させるように構成されている。このように構成された２段サーボ機構に指令される目標値ｒとビームスポット変位ｙとの間の信号伝達特性Ｙ（ｓ）は、下記の式１で表される。
【００１２】
【数１】
なお、式１における右辺第１項のＲ（ｓ）の係数は低速位置決め系の閉ループ伝達関数であり、第２項のＲ（ｓ）の係数のうち、第１の因数は低速位置決め系の追従誤差関数、第２の因数は高速位置決め系の閉ループ伝達関数である。そして、２段サーボ機構の目標値ｒに対するビームスポット変位ｙは、低速位置決め系のビームスポット変位ｙ１と高速位置決め系のビームスポット変位ｙ２との和になる。
【００１４】
ところで、低速位置決め系の応答誤差を高速位置決め系の目標値とする場合、高速位置決め系は、低速位置決め系の応答誤差を抑圧するように動作する。しかし、高速位置決め系のフィードバック制御の応答遅れにより、ビームスポット変位ｙを目標値ｒに誤差なく追従させることはできない。
【００１５】
そこで、図中破線で示すように、高速位置決め系の駆動系伝達関数の逆伝達関数である伝達関数１／Ｇｐ１（ｓ）を、高速位置決め系に付加する。伝達関数１／Ｇｐ１（ｓ）を含めた２段サーボ機構の目標値ｒとビームスポット変位ｙとの間の信号伝達特性Ｙ（ｓ）は式２で表される。
【００１６】
Ｙ（ｓ）＝Ｒ（ｓ）・・・・（式２）
式２から明らかなように、目標値ｒとビームスポット変位ｙが等しくなる結果、ビームスポット変位ｙが目標値ｒに対して誤差なく追従する。
【００１７】
なお、同図（ａ）は、信号が等価な同図（ｂ）、（ｃ）の構成にすることもできる。
【００１８】
以上の説明に基づき、上記した課題を解決するため、本発明の第１の手段は、フィードバック制御によりレーザビームを目標値に位置決めするレーザビーム走査装置において、前記レーザビームを走査させる第１の走査手段およびこの第１の走査手段による第１の応答を検出する第１の検出手段と、前記レーザビームを前記第１の走査手段と同一の方向に走査させる第２の走査手段およびこの第２の走査手段による第２の応答を検出する第２の検出手段と、前記第２の走査手段に接続され、前記目標値と前記第１の応答との偏差に基づいて前記第２の走査手段の応答遅れを補償する補償手段と、を設け、前記第１の走査手段を、前記目標値と前記第１の応答との第１の偏差に基づいて動作させると共に、前記第２の走査手段を、前記第１の偏差と前記第２の応答との第２の偏差に基づいて動作させることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の第２の手段は、前記第１の走査手段に対してストロークは長いが応答性が低い第３の走査手段およびこの第３の走査手段による第３の応答を検出する第３の検出手段と、を設け、前記第３の走査手段を、前記目標値と前記第３の応答との第３の偏差に基づいて動作させると共に、前記第１の走査手段を、前記第３の偏差と前記第１の応答との第４の偏差に基づいて動作させ、前記第２の走査手段を、前記第４の偏差と前記第２の応答との偏差に基づいて動作させることを特徴とする。
【００２０】
【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。
【００２１】
図２は、本発明に係るプリント基板穴明け用レーザ加工機の構成図であり、発明の本質に関わらない部分は図示を省略してある。
【００２２】
同図において、レーザ発振器１１から出力されたビーム１０は、ミラー１２、１３を介して、コリメータやアパーチャ等で構成される光学的ビーム処理系１４に入射して外形を整形された後、ミラー１５、１６を介して第１の微動ミラー２１に入射する。微動ミラー２１はミラーマウント２１４の表面側に支持され（図３参照）、図中の奥側から入射するビーム１０を反射して図中の下向へと導く。後述するように、微動ミラー２１が傾きを変更できる範囲（すなわち偏向角を選択できる範囲）は狭いが、傾き角度を高速に偏向することができる。そして、微動ミラー２１の角度を変えることにより、ＸＹテーブル上におけるビーム１０の位置（スポットの位置）を、図中の左右方向（Ｙ軸方向）に走査（移動）させることができる。
【００２３】
ミラーマウント２１４の背面側に配置された反射ミラー２１５を挾むようにして、第１の補助レーザ源２３と、補助レーザ源２３から照射され反射ミラー２１５によって反射されたビーム２１８を受光するセンサ２５とが配置されている。センサ２５は微小な光検出素子を直線的に配列した構成であり、微動ミラー２１が傾きを変更しても補助レーザ源２３が出力する補助ビームを確実に受光することができる。このように、微動ミラー２１の背面側のミラーマウント部に反射ミラー２１５を配置することにより、微動ミラー２１の振動の影響を小さく抑えることができる。
【００２４】
微動走査手段２１で反射されたビーム１０は、第２の微動ミラー２２に入射する。微動ミラー２２は、ミラーマウント２１４の表面側に支持され、図中の上方から入射するビーム１０を反射して図中左方へと導く。微動ミラー２２は、微動ミラー２１と同じ構成であり、傾きを変更できる範囲は狭いが、傾き角度を高速に変更することができる。そして、微動ミラー２２の角度を変えることにより、ＸＹテーブル上におけるビームの位置を、図中の前後方向（Ｘ軸方向）に移動させることができる。
【００２５】
ミラーマウント２１４の背面側に配置された反射ミラー２１５を挾むようにして、第２の補助レーザ源２４と、補助レーザ源２４から照射され反射ミラー２１５によって反射されたビーム２１８を受光するセンサ２６とが配置されている。センサ２６は微小な光検出素子を直線的に配列した構成であり、微動ミラー２２が傾きを変更しても補助レーザ源２４が出力する補助ビームを確実に受光することができる。このように、微動ミラー２２の背面側のミラーマウント部に反射ミラーを配置することにより、微動ミラー２２の振動の影響を小さく抑えることができる。
【００２６】
微動ミラー２２で反射されたビーム１０は、ミラー３１ａに入射する。ミラー３１ａは駆動モータおよび角度検出機を備える第１のガルバノスキャナ３１により駆動される。そして、ミラー３１ａの角度を変えることにより、テーブル上のビームの位置を、微動ミラー２１と同様に、図中の左右方向（Ｙ軸方向）に移動させることができる。
【００２７】
ミラー３１ａで反射されたビーム１０は、ミラー３２ａに入射する。ミラー３２ａは駆動モータおよび角度検出機を備える第２のガルバノスキャナ３２により駆動される。そして、ミラー３２ａの角度を変えることにより、テーブル上のビームの位置を、微動ミラー２２と同様に、図中の前後方向（Ｘ軸方向）に移動させることができる。
【００２８】
ミラー３２ａで反射されたビーム１０は、Ｆθレンズ１７を介して、ＸＹテーブル４２上に載置されたプリント基板５０に照射される。ＸＹテーブル４２は、Ｙ軸駆動機構４４によりＹ軸方向に駆動され、Ｙ軸駆動機構４４はベッド４１上に固定されたＸ軸駆動機構４３によりＸ軸方向に駆動される。
【００２９】
次に、微動ミラー２１の駆動手段について説明する。なお、微動ミラー２２は微動ミラー２１と同一の構造である。
【００３０】
図３は、本発明に係る微動ミラー駆動手段の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図である。
【００３１】
ベース２１０に固定された圧電素子２１１は、数十μｍの伸縮ストロークを持ち、第１リンク２１２を図の左右方向に移動させる。第１リンク２１２には、弾性ヒンジ部２１９ａを介して第２リンク２１３が結合されている。ミラーマウント２１４は、第２リンク２１３の先に配置された弾性ヒンジ部２１９ｂおよびベース２１０に結合された弾性ヒンジ部２１９ｃにより支持されている。
【００３２】
以上の構成であるから、圧電素子２１１が伸びると、第１リンク２１２と第２リンク２１３を介してミラーマウント２１４が図において反時計方向に傾く。この結果、ミラーマウント２１４に固定されたミラー２１とミラー２１５が傾き、それぞれレーザビーム１０と偏向角度計測用の補助レーザビーム２１８の反射方向を偏向する。
【００３３】
なお、ミラーマウント２１４を傾けるアクチュエータとして圧電素子を採用したが、超磁歪素子を用いても良い。また、電磁式ガルバノでミラーを揺動駆動してもよいし、音響光学素子によりビームを偏向するようにしてもよい。
【００３４】
図４は、本発明を適用したレーザ加工機のビーム走査制御系の構成を示すブロック図である。加工機制御装置６１は、数値制御装置６０から与えられる移動指令に応じて、ミラー３１ａ、３２ａ、微動ミラー２１、２２（以下、これらをまとめて「スキャナ系」という。）、ＸＹテーブル４２、レーザ発振器１１等を動作させる。
【００３５】
加工機制御装置６１のスキャナ制御装置６２は、スキャナ系に対する移動指令に応じて、駆動回路３１１、３２１、２５１、２６１を介してスキャナ系を動作させる。また、スキャナ３１、３２に内蔵された位置検出器により検出されたミラー３１ａ、３２ａの回転角度およびセンサ２５、２６により検出された微動ミラー２１、２２の回転角度は、位置検出回路３１２、３２２、２５２、２６２により電圧信号等に変換されてスキャナ制御装置６２にフィードバックされる。
【００３６】
次に、ビーム１０をＹ軸方向に走査させる場合、すなわち低速位置決め系のガルバノスキャナ３１ａと高速位置決め系の微動スキャナ２１を協調動作させてビームを走査させる場合について説明する。
【００３７】
図５は、本発明に基づく２段サーボ系（協調駆動制御系）の信号処理構成を示すブロック線図であり、基本構成は、上記図１のブロック線図に基づいている。
【００３８】
同図において、軌道生成部４１０は目標値ｒと、これに対応する目標速度ｒ’および目標加速度ｒ’’に基づいて目標軌道を生成する。
【００３９】
目標値ｒとミラー３１ａのビームスポット変位ｙ２とから演算された偏差ｅ２は、ガルバノスキャナサーボ系の補償要素４２１により操作量（電圧信号）に変換されて制御対象４２２に入力される。制御対象４２２は増幅器とミラー３１ａの動特性を含んでおり、出力はビームスポット変位ｙ２とミラー３１ａを駆動するモータのコイルを流れる電流ｉ２である。そして、ビームスポット変位ｙ２はミラー３１ａが備えている検出器により検出され、電流ｉ２の値は直列抵抗を用いた検出回路あるいは電流検出器により検出される。
【００４０】
偏差ｅ２と微動ミラー２１のビームスポット変位ｙ１とから演算された偏差ｅ１は、微動ミラーサーボ系の補償要素４３１により操作量に変換されて制御対象４３２に入力される。圧電素子２１１とアンプとを合わせた制御対象４３２の特性はほぼ２次遅れ特性となり、制御対象４３２の出力が微動走査手段によるビームスポット変位ｙ１となる。そして、ビームスポット変位ｙ１とビームスポット変位ｙ２の和が、２段サーボ系全体のビームスポット変位ｙとなる。
【００４１】
次に、オーバーシュートを抑制するための補償系について説明する。
【００４２】
状態推定手段４４１は、入力されたビームスポット変位ｙ２と電流ｉ２とから、速度推定信号ｙ２’と加速度推定信号ｙ２’’を出力する。逆伝達関数補償信号生成部４５１は速度推定信号ｙ２’と加速度推定信号ｙ２’’を目標速度ｒ’及び目標加速度ｒ’’とそれぞれ比較し、速度偏差ｅ２’及び加速度偏差ｅ２’’を算出する。これらは偏差ｅ２と共に、それぞれ図中に示すゲインを乗じられて加算され、フィードフォワード信号ｖとして補償要素４３１の内部で出力に加算される。このフィードフォワード信号ｖをラプラス変換された形で示すと、式３に示すものとなる。
【００４３】
【数２】
ここで、偏差ｅ２の係数は、制御対象４３２と、補償要素４３１のうちの比例要素４３３とを合わせた系の逆伝達関数である。
【００４５】
したがって、目標値ｒが微動ミラー２１の動作範囲内である場合、この信号を入力された微動ミラー２１のビームスポット変位ｙ１は偏差ｅ２に等しくなるので、偏差ｅ１は０になる。一方、ビームスポット変位ｙはビームスポット変位ｙ２と偏差ｅ２の和になるので、ビームは目標値（目標軌道）ｒに偏差なく追従する。
【００４６】
ところで、目標値ｒが微動ミラー２１の動作範囲を超える場合、微動ミラー２１は目標軌道に追従することができない。
【００４７】
そこで、この実施形態では、積分リセット論理４６１を設けている。そして、偏差ｅ２をモニターし、偏差ｅ２が０に復帰した瞬間に補償要素４３１の積分器４３４をリセットする。積分器４３４がリセットされると、微動ミラー２１のビームスポット変位ｙ１は偏差ｅ２に等しく、また偏差ｅ１は０になるので、ビームが目標値ｒに偏差なく追従する状態へと復帰する。
【００４８】
なお、以上説明した制御系は、アナログ回路とロジック回路を用いて、あるいはディジタルプロセッサを用いて構成することができる。
【００４９】
図６は制御系の構成に応じた応答波形の変化の様子を示す時間応答図である。（１）目標値ｒが微動ミラーの動作範囲内である場合
同図（ａ）は、図１〜図３において破線で示した補償系が無い場合（図５における逆伝達関数補償信号生成部４５１と積分リセット論理４６１が無い場合）の２段スキャナ系の時間応答波形であり、（ｂ）は、図１〜図３において破線で示した補償系がある場合（図５における逆伝達関数補償信号生成部４５１がある場合）の各応答を、それぞれ示している。
【００５０】
同図（ａ）の場合、目標軌道に対し、ミラー３１ａの応答の遅れを打ち消すように微動ミラー２１が応答しているが、ミラー３１ａの応答の偏差に対して遅れがある。このため、トータルのビームスポット変位ｙはオーバーシュートしてから目標軌道に収束し、ミラー３１ａ単体の応答よりもむしろ位置決め時間が長くなる。
【００５１】
これに対して同図（ｂ）の場合、ミラー３１ａの応答の遅れに対して微動ミラー２１が遅滞無く応答しており、トータルのビームスポット変位ｙは目標軌道に一致している。
【００５２】
このように、目標値ｒが微動ミラーの動作範囲内である場合、ビームスポット変位ｙを目標軌道に一致させることができる。しかし、ストロークが長くなると、微動ミラー２１の走査範囲が頭打ちになるため、目標軌道に追従できなくなる。
【００５３】
（２）目標値ｒが微動ミラーの動作範囲を超えている場合
同図（ｃ）は、積分リセット論理４６１が無い場合を、（ｄ）は積分リセット論理４６１を設けた場合を、それぞれ示している。
【００５４】
同図（ｃ）の場合、微動ミラー２１が可動範囲端に達して停止した後はミラー３１ａだけが動作する。このため、目標値ｒに対するビームスポット変位ｙが徐々に大きくなり、目標軌道が減速して目標値ｒに達する付近でビームスポット変位ｙが目標値ｒに追いつく。しかし、微動ミラー２１の再起動が遅れるため、オーバーシュートが生じて、位置決め時間が延びる。
【００５５】
これに対し、同図（ｄ）の場合、ビームスポット変位ｙが目標値ｒに追いついた時点でビームスポット変位ｙの積分値に強制的に値を設定するので、微動ミラー２１が遅滞無く再起動される。この結果、オーバーシュートが抑止される、位置決め時間が短縮される。
【００５６】
次に、低速位置決め系がＸＹテーブル４２、高速位置決め系がミラー３１ａの場合について説明する。
【００５７】
図７は、低速位置決め系をＸＹテーブル、高速位置決め系をミラーａとする本発明に係る他のプリント基板穴明け用レーザ加工機の構成図であり、図２と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。
【００５８】
同図において、光学的ビーム処理系１４により外形を整形されたビーム１０はミラー１５、１６、１８および１９を介してミラー３１ａに入射し、ミラー３１ａで反射されてミラー３２ａに入射する。
【００５９】
図８は、本発明を適用したレーザ加工機のビーム走査制御系の構成を示すブロック図である。加工機制御装置６１は、数値制御装置６０から与えられる移動指令に応じて、ミラー３１ａ、３２ａ、ＸＹテーブル４２、レーザ発振器１１等を動作させる。
【００６０】
加工機制御装置６１のスキャナ制御装置６２は、スキャナ系に対する移動指令に応じて駆動回路３１１、３２１を介してミラー３１ａ、３２ａを動作させる。そして、スキャナ３１、３２に内蔵された位置検出器により検出されたミラー３１ａ、３２ａの回転角度は、位置検出回路３１２、３２２により電圧信号等に変換されてスキャナ制御装置６２にフィードバックされる。
【００６１】
また、ＸＹテーブル制御装置６３は、駆動回路４０１、４０２を介してＸ軸駆動機構４３、Ｙ軸駆動機構４４を動作させる。そして、図示を省略するセンサにより検出されたＸ軸、Ｙ軸各々の変位量は、検出回路４０３、４０４により変位信号に変換されてＸＹテーブル制御装置６３にフィードバックされる。
【００６２】
図９は、本発明に基づく２段サーボ系（協調駆動制御系）の他の信号処理構成を示すブロック線図であり、基本構成は、上記図１のブロック線図に基づいている。
【００６３】
同図において、軌道生成部４１０は目標値ｒと、これに対応する目標速度ｒ’および目標加速度ｒ’’に基づいて目標軌道を生成する。
【００６４】
目標値ｒとＸＹテーブル４２のＹ軸サーボ系のビームスポット変位ｙ２とから演算された偏差ｅ２は、テーブルＹ軸サーボ系の補償要素４７１により操作量に変換されて制御対象４７２に入力される。制御対象４７２はモータドライバとＹ軸テーブル駆動系の動特性を含んでおり、出力はビームスポット変位ｙ２とＹ軸を駆動するモータのコイルを流れる電流ｉ２である。そして、ビームスポット変位ｙ２はＹ軸テーブル駆動系が備えている検出器により検出され、電流ｉ２の値は直列抵抗を用いた検出回路あるいは電流検出器により検出される。
【００６５】
偏差ｅ２とミラー３１ａのビームスポット変位ｙ１とから演算された偏差ｅ１は、Ｉ−ＰＤ動作を行う補償要素４２１により処理されて制御対象４２２に入力される。ミラー３１ａとアンプを合わせた制御対象４２２の特性はほぼ２次遅れ特性となり、制御対象４２２の出力がミラー３１ａによるビームスポット変位ｙ１となる。状態推定手段４４１は、制御対象であるミラー３１ａのビームスポット変位ｙ１と電流信号ｉ１とから推定速度信号ｙ１’を出力する。そして、ビームスポット変位ｙ１とビームスポット変位ｙ２との和が、２段サーボ系全体のビームスポット変位ｙとなる。
【００６６】
次に、オーバーシュートを抑制するための補償系について説明する。
【００６７】
状態推定手段４４２は、入力されたビームスポット変位ｙ２とモータ電流ｉ２とから、速度推定信号ｙ２’と加速度推定信号ｙ２’’を出力する。逆伝達関数補償信号生成部４５１は速度推定信号ｙ２’と加速度推定信号ｙ２’’を目標速度ｒ’及び目標加速度ｒ’’とそれぞれ比較し、速度偏差ｅ２’及び加速度偏差ｅ２’’を算出する。これらは偏差ｅ２と共に、それぞれ図中に示すゲインを乗じられて加算され、フィードフォワード信号ｖとして補償要素４２１の内部で出力に加算される。このフィードフォワード信号ｖをラプラス変換された形で示すと、式４に示すものとなる。
【００６８】
【数３】
ここで、偏差ｅ２の係数は、制御対象４２２と、補償要素４２１のうちの比例要素４２３及び微分要素４２５とを合わせた系の逆伝達関数である。したがって、目標値ｒがミラー３１ａの動作範囲内である場合、この信号を入力されたミラー３１ａのビームスポット変位ｙ１は偏差ｅ２に等しくなるので、偏差ｅ１は０になる。一方、ビームスポット変位ｙはビームスポット変位ｙ２と偏差ｅ２の和になるので、ビームは目標値（目標軌道）ｒに偏差なく追従する。
【００７０】
ところで、目標値ｒがミラー３１ａの動作範囲を超える場合、ミラー３１ａは目標軌道に追従することができない。
【００７１】
そこで、この実施形態では、積分リセット論理４６１を設けている。そして、偏差ｅ２をモニターし、偏差ｅ２が０に復帰した瞬間に補償要素４２１の積分器４２４をリセットする。積分器４２４がリセットされると、ミラー３１ａのビームスポット変位ｙ１は偏差ｅ２に等しく、また偏差ｅ１は０になるので、ビームが目標値ｒに偏差なく追従する状態へと復帰する。
【００７２】
なお、以上説明した制御系は、アナログ回路とロジック回路を用いて、あるいはディジタルプロセッサを用いて構成することができる。
【００７３】
次に、ＸＹテーブル、ガルバノスキャナおよび微動ミラーの３つの駆動手段を協調駆動する場合について説明する。
【００７４】
図１０は本発明に基づく３段協調駆動制御系の動作原理を示すブロック線図である。同図（ａ）において、実線で示す部分は３段サーボ機構を構成している。図中、Ｇｃ１（ｓ）、Ｇｐ１（ｓ）は高速位置決め系の制御系伝達関数、駆動系伝達関数、また、Ｇｃ２（ｓ）、Ｇｐ２（ｓ）は中速位置決め系の制御系伝達関数、駆動系伝達関数、さらに、Ｇｃ３（ｓ）、Ｇｐ３（ｓ）は低速位置決め系の制御系伝達関数、駆動系伝達関数である。そして、低速位置決め系は目標値と低速位置決め系の応答との偏差に基づいて、中速位置決め系は低速位置決め系の偏差（応答誤差）と中速位置決め系の応答との偏差に基づいて、また、高速位置決め系は中速位置決め系の偏差（応答誤差）と高速位置決め系の応答との偏差に基づいて、それぞれビームを走査させるように構成されており、高速位置決め系によるビームスポット変位ｙ１と中速位置決め系によるビームスポット変位ｙ２と低速位置決め系によるビームスポット変位ｙ３との和が、制御量であるトータルのビームスポット変位ｙになる。
【００７５】
このように構成すると、高速位置決め系は、中速位置決め系の応答誤差を抑圧するように動作し、中速位置決め系は、低速位置決め系の応答誤差を抑圧するように動作する。しかし、高速位置決め系のフィードバック制御の応答遅れによりビームスポット変位ｙを目標値ｒに誤差なく追従させることはできない。
【００７６】
しかし、図中破線で示すように、高速位置決め系の駆動系伝達関数の逆伝達関数である伝達関数１／Ｇｐ１（ｓ）を高速位置決め系に付加すると、ビームスポット変位ｙを目標値ｒに誤差なく追従させることができる。
【００７７】
なお、同図（ａ）は、信号伝達特性が等価な同図（ｂ）、（ｃ）の構成にすることもできる。
【００７８】
図１１は、本発明を適用したレーザ加工機のビーム走査制御系の構成を示すブロック図である。加工機制御装置６１は、数値制御装置６０から与えられる移動指令に応じて、スキャナ系（ミラー３１ａ、３２ａ、微動ミラー２１、２２）、ＸＹテーブル４２、レーザ発振器１１等を動作させる。加工機制御装置６１のスキャナ制御装置６２は、スキャナ系に対する移動指令に応じて、駆動回路３１１、３２１、２５１、２６１を介してスキャナ系を動作させる。また、スキャナ３１、３２に内蔵された位置検出器により検出されたミラー３１ａ、３２ａの回転角度およびセンサ２５、２６により検出された微動ミラー２１、２２の回転角度は、位置検出回路３１２、３２２、２５２、２６２により電圧信号等に変換されてスキャナ制御装置６２にフィードバックされる。また、ＸＹテーブル制御装置６３は、駆動回路４０１、４０２を介してＸ軸駆動機構４３、Ｙ軸駆動機構４４を動作させる。そして、図示を省略するセンサにより検出されたＸ軸、Ｙ軸各々の変位量は、検出回路４０３、４０４により変位信号に変換されてＸＹテーブル制御装置６３にフィードバックされる。
【００７９】
なお、ワークとビームの相対的な走査手段をＸＹテーブル、ガルバノスキャナおよび微動ミラーによる３段の協調駆動制御系の信号処理は、上記図７および図１１に示した構成から容易に実現することができるので、説明は省略する。
【００８０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、走査距離が短い場合のビーム走査手段の応答周波数を高めることが可能なので、加工個所の間隔が短い場合の加工時間を大幅に短縮することができる。また、走査距離が長い場合であってもビーム移動における整定時間を短くすることが可能なので、加工時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく協調駆動制御系の動作原理を示すブロック線図である。
【図２】本発明に係るプリント基板穴明け用レーザ加工機の構成図である。
【図３】本発明に係る微動ミラー駆動手段の構成を示す図である。
【図４】本発明を適用したレーザ加工機のビーム走査制御系の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明に基づく２段サーボ系の信号処理構成を示すブロック線図である。
【図６】制御系の構成に応じた応答波形の変化の様子を示す時間応答図である。
【図７】本発明に係る他のプリント基板穴明け用レーザ加工機の構成図である。
【図８】本発明を適用したレーザ加工機のビーム走査制御系の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明に基づく２段サーボ系の他の信号処理構成を示すブロック線図である。
【図１０】本発明に基づく３段協調駆動制御系の動作原理を示すブロック線図である。
【図１１】本発明を適用したレーザ加工機のビーム走査制御系の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
ｒ 目標値
１／Ｇｐ１（ｓ） 補償手段
ｙ１ 第１の走査手段によるビームスポット変位
ｙ２ 第２の走査手段によるビームスポット変位
Claims (4)
- フィードバック制御によりレーザビームを目標値に位置決めするレーザビーム走査装置において、
前記レーザビームを走査させる第１の走査手段およびこの第１の走査手段による第１の応答を検出する第１の検出手段と、
前記レーザビームを前記第１の走査手段と同一の方向に走査させる第２の走査手段およびこの第２の走査手段による第２の応答を検出する第２の検出手段と、前記第２の走査手段に接続され、前記目標値と前記第１の応答との偏差に基づいて前記第２の走査手段の応答遅れを補償する補償手段と、を設け、
前記第１の走査手段を、前記目標値と前記第１の応答との第１の偏差に基づいて動作させると共に、前記第２の走査手段を、前記第１の偏差と前記第２の応答との第２の偏差に基づいて動作させることを特徴とするレーザビーム走査装置。 - 前記第２の走査手段は、前記第１の走査手段に対してストロークは短いが応答性が高いものであることを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム走査装置。
- 前記補償手段は、前記第２の走査手段の駆動部の信号伝達特性の逆特性を持つ伝達関数であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザビーム走査装置。
- 前記第１の走査手段に対してストロークは長いが応答性が低い第３の走査手段およびこの第３の走査手段による第３の応答を検出する第３の検出手段と、を設け、
前記第３の走査手段を、前記目標値と前記第３の応答との第３の偏差に基づいて動作させると共に、前記第１の走査手段を、前記第３の偏差と前記第１の応答との第４の偏差に基づいて動作させ、前記第２の走査手段を、前記第４の偏差と前記第２の応答との偏差に基づいて動作させることを特徴とするレーザビーム走査装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002198828A JP2004038106A (ja) | 2002-07-08 | 2002-07-08 | レーザビーム走査装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|
| JP2004038106A true JP2004038106A (ja) | 2004-02-05 |
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ID=31706172
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| Country | Link |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010523336A (ja) * | 2007-04-05 | 2010-07-15 | プレシテク オプトロニク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 加工装置および材料加工方法 |
| JP2011085952A (ja) * | 2004-06-07 | 2011-04-28 | Electro Scientific Industries Inc | レーザシステム性能を改善するためのａｏｍ変調技術 |
| JP2012200745A (ja) * | 2011-03-24 | 2012-10-22 | Hitachi Via Mechanics Ltd | レーザ加工方法及び加工装置 |
-
2002
- 2002-07-08 JP JP2002198828A patent/JP2004038106A/ja not_active Withdrawn
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