JP2005221845A - 移動体のサーボ制御装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 位置決め時間が短く、かつ、位置決め精度に優れる移動体のサーボ制御装置及びレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】 上位の制御装置から出力されたステップ信号状の位置指令データと移動体の位置検出データとの差を積分補償器２により積分して移動体の位置決めをする。このとき、移動体が例えば、ガルバノミラーであるとすると、角変位の初期状態量を補償するディジタル・フィルタ１０ａと、角速度の初期状態量を補償するディジタル・フィルタ１０ｂを設け、付加入力要素であるディジタル・フィルタ１０ａ、１０ｂの各インパルス応答を積分補償器２の出力側に加算する。この場合、ディジタル・フィルタ１０ａとディジタル・フィルタ１０ｂ各々の内部の状態変数を、角度（位置）指令データ８を受ける毎にゼロにクリアするとさらに有効である。
【選択図】 図１

Description

この発明は、移動体の位置を検出し、移動体が指定された目標値に追従するように制御する移動体のサーボ制御装置及びこのような移動体のサーボ制御装置により移動部を制御するレーザ加工装置に関するものである。

例えば、プリント配線板の製造工程において穴あけ加工を行うレーザ加工装置では、被加工物の複数の加工位置にレーザ光を次々と照射するための位置決め制御機構が必要であり、高い加工スループットと高精度な加工を実現するためにガルバノミラー制御装置が多く用いられている。

レーザ加工装置は通常、階層的な制御構造を有する数値制御（ＮＣ）装置であり、ガルバノミラー制御装置はその最下位の階層に含まれる。上位階層の制御装置(以下、上位制御と呼ぶ)では、プリント配線板のＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）データに基づき、高い加工スループットを実現するように加工順番が最適化され、穴位置座標が加工される順番でＮＣプログラムに記述される。

このようなＮＣプログラムは事前に作られており、加工が始まると、上位制御はプログラム中の穴位置座標を次々に座標変換し、ガルバノミラー制御装置に対して時系列的な角度指令データを送信する。穴を真円に加工するには、ガルバノミラーが角度指令データで指定された角度で静止した後にレーザ光を照射する必要があるため、角度指令データの送信とレーザ光の照射制御は、上位制御の内部で同期を取って行われる。

ガルバノミラー制御装置の主な構成要素は、移動体であるガルバノミラー、ガルバノミラーの位置すなわち角度を最大約±１５°の範囲で変えるロータリ・アクチュエータ及びガルバノミラーの角度をフィードバック制御する制御回路である。

ロータリ・アクチュエータとしては電磁気的な原理で駆動トルクを発生する電磁アクチュエータが多く用いられており、ガルバノミラーは支持体であるロータリ・アクチュエータの回転軸に固定される。この回転軸には、ガルバノミラーの他にセンサや可動コイルまたは可動磁石が取り付けられている。

ガルバノミラーの回転角度はセンサにより検出され、角度検出データはフィードバック制御回路に送られる。フィードバック制御回路はオペアンプからなるアナログ制御あるいはマイクロ・プロセッサとプログラムを合わせたディジタル制御ファームウェアにより実現されている。ガルバノミラーの１回の位置決めは角度ストロークで、０．０１°のオーダーから約３０°までバリエーションがあり、位置決め時間は１ｍｓ未満から数ｍｓである。

ガルバノミラー制御装置は、１つの角度指令データをステップ入力信号として受信し、１回の位置決めを行う。すなわち、受信した１つの角度指令データに基づいて、ガルバノミラーを回転させる。ガルバノミラーが回転動作を開始すると、ミラー角度を角度指令データに誤差無く一致させるための積分補償が働く。この補償では、角度指令データから角度検出データを引き算した値、すなわち追従誤差信号を時間積分する。さらに、ガルバノミラー制御装置のフィードバック・ループが安定に動作するには、一巡伝達関数の位相余有やゲイン余有を十分大きくする必要がある。このため、角度検出データを微分したり、いわゆる状態オブザーバを用いることで、角速度信号による安定化補償や位相進み補償が作用する。これらの制御方式はフィードバック制御理論の基本として、良く知られている（非特許文献１）。

また、ガルバノミラーの位置決め時間を短縮するために、フィードバック・ループを広帯域化する技術が使われている。すなわち、前述の電磁アクチュエータでは、回転軸に取り付けられたガルバノミラーやセンサ等が慣性負荷として作用するので、高速動作では軸ねじり振動を発生することがある。通常、数ｋＨｚ以上の領域に複数のねじり振動モードが存在するので、振動モードの安定化補償器によってフィードバック・ループを広帯域化している。この安定化補償器はねじり振動モードの状態量を推定してフィードバックする（特許文献１、２）。

また、回転軸のねじり振動を検出する歪みセンサを備えて、そのセンサ信号でねじり振動を安定化する技術もある（特許文献３）。

そしてこれらの方式を上述の積分補償や位相進み補償と組み合わせて、フィードバック・ループが構成される。フィードバック・ループの特性は、１回の位置決めに要する時間（位置決め時間）が目標仕様を満たし、かつ目標角度近傍での過渡応答（セトリング応答）に含まれるオーバーシュートや残留ねじり振動が許容範囲に収まるように調整される。

上位制御から時系列順に送信される一連の角度指令データ（以下、「角度指令パターン」と呼ぶ。）をフーリエ解析すると、角度指令パターン毎に異なる周波数スペクトルを持つことが分かる。この場合、あるスペクトル成分が前述のねじり振動の共振周波数に一致すれば、その振動モードが残留振動となって穴加工位置精度が悪くなることが考えられる。

この課題を解決するために、順次三つの連続した角度指令データについて、位置決め時間に基づいてガルバノミラーの動作周波数を算出し、動作周波数が振動モードを励起しやすい条件であると判定した場合には、三番目の位置決め時間を延長して、共振周波数帯域を避けるような動作をさせ、連続する位置決めに対して高速高精度化を図るものもある（特許文献４）。

さらに、高速高精度な位置決め制御技術が採用されている装置として、ハードディスク装置がある。この装置ではディジタル情報を磁気ディスク表面で記録及び読み出しするために、磁気ヘッドを高速移動、高精度位置決めするフィードバック制御手段を備えている。その制御手段は、高速移動に特化した制御器と、高精度位置決めに特化した制御器を有しており、高速移動モードと高精度位置決めモードを順次切り換えるモード切り換え制御が用いられている。磁気ヘッドの移動中に制御モードの切り換えを行うので、切り換え後のモードの制御器では、切り換えの瞬間の状態変数値、すなわち初期状態量に起因する応答が位置決め動作の過渡応答に大きく影響する。このため、モード切り換え時刻以降で初期状態量に応じた補償信号を入力して、過渡応答の改善を図っている(特許文献５、非特許文献２)。
特開２００２−４０３５７号公報 特開２００２−４０３５８号公報 特開２００３−５７５７０号公報 特開２０００−２８９５５号公報 特開平８−１３７５５１号公報 片山 徹著「フィードバック制御の基礎」、朝倉書店、１９８７年５月２０日、６章〜７章 山口 高司、平井 洋武「モード切り換え型制御系における付加入力を用いた初期値補償設計と磁気ディスク装置への適用」、計測自動制御学会論文集、３２巻８号、ｐｐ．１２１９〜１２２５、１９９６年

レーザ加工装置のスループットを向上するために、角度指令パターンのステップ信号の時間間隔（以下、「指令インターバル」と呼ぶ。）は短縮される傾向にある。指令インターバルが短くなると、角度指令パターンの周波数スペクトルは高周波成分が増大するため、回転軸の高次振動モードによる残留振動が発生しやすく、位置決め精度の劣化が懸念される。しかし前記の従来技術においては、様々な角度指令パターンについて、位置決め時間を延長せずに高速高精度化を実現する手段は示されていない。

また、指令インターバルを極めて短くするためには、ガルバノミラーがセトリング応答振幅の許容範囲に入った後、完全に静止する前にレーザ光の照射を行い、次の位置決め動作に移ることが必要になる。この時、前回位置決めのセトリング応答が残留すると、次の動作開始時点で、フィードバック・ループに含まれる動特性モードの状態量（以下、「初期状態量」と呼ぶ）は０にならない。

角度指令パターンは一般に不規則なので、様々な初期状態量を取り得る。特に角度ストロークの小さな位置決めでは位置決め時間が短く、初期状態量の影響が十分に減衰する前に目標角度近傍に到達するので、その後のセトリング応答波形が毎回異なることになる。今後さらに高精度加工が求められ、セトリング応答振幅の許容範囲が狭くなると、どのような角度指令パターンに対してもセトリング応答振幅を抑える技術が必要になる。

しかし、従来の技術では、様々に異なる初期状態量から始まる位置決めのセトリング応答を安定的に小さく抑える解決手段は示されていない。

さらに、ハードディスク装置のフィードバック制御では、目標データトラックの中心に対する磁気ヘッドの位置ずれ量が制御量であるため、制御モードを高精度位置決めモードに切り換えた後の目標値は常に一定値ゼロである。これに対してガルバノミラー制御装置では、目標値となる角度指令パターンがステップ信号的に次々と変化するという違いがある。また、制御モードの切り換えの有無も両者の相違点である。しかしハードディスク装置における前記従来技術では、単一の制御モードによって、次々とステップ信号的に変化する目標値に追従させる制御に対して、セトリング応答を安定的に小さく抑える解決手段が示されていない。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、位置決め時間が短く、かつ、位置決め精度に優れる移動体のサーボ制御装置及びレーザ加工装置を提供するにある。

上記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・ループを備え、移動体を位置指令データに基づいて位置決めする移動体のサーボ制御装置において、前記位置指令データ以外の付加入力信号を前記フィードバック・ループに入力する付加入力手段を有することを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、レーザ加工装置として前記移動体がガルバノミラーでサーボ制御装置を備え、前記ガルバノミラーで反射されるレーザ光の角度を制御して、被加工物の所定の位置に穴加工を行うことを特徴とする。

本発明によれば、移動体を高速かつ高精度に位置決めできるので、例えば、加工スループットや加工精度を向上させることができる。

本願発明者は、従来のガルバノミラー制御装置で起る振動的なセトリング応答が、ねじり振動１次モードの初期状態量の影響であることを見いだした。

そこで、本発明をガルバノミラー制御装置に適用する場合について、以下説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るガルバノミラー制御装置のブロック線図である。

このガルバノミラー制御装置は、図示を省略するマイクロ・プロセッサを用いたディジタル制御ファームウェアで実現されており、積分補償器２、比例補償器３、速度オブザーバ４、ねじり振動安定化補償器５、ディジタル・フィルタ１０ａおよびディジタル・フィルタ１０ｂに関する処理演算は、前記マイクロ・プロセッサが実行するプログラムの一部に記述されている。そして、上記処理演算は、一定サンプル周期ごとの離散的な時刻(以下、「離散的時刻」と呼ぶ。)において実行される。

ロータリ・アクチュエータ１には、図示を省略するガルバノミラーが１つ取り付けられている。このガルバノミラーの角度がこの制御装置の制御量信号１１である。また、ロータリ・アクチュエータ１に内蔵された図示を省略するロータリ・エンコーダは、離散的時刻ごとに角度検出データ９を送信する。ガルバノミラー制御装置は、上位制御から受信した角度指令データ８から角度検出データ９を引き算した追従誤差信号を積分補償器２に入力して、追従誤差の時間積分を演算する。そして、積分補償器２の出力にディジタル・フィルタ１０ａとディジタル・フィルタ１０ｂからの出力を加算する。ディジタル・フィルタ１０ａとディジタル・フィルタ１０ｂは本発明の重要な要素であり、後で詳細に説明する。

比例補償器３は、角度検出データ９に比例ゲインを係数倍する。

ねじり振動安定化補償器５は、ロータリ・アクチュエータ１の回転軸が有する１つ以上のねじり振動モードに対して、このガルバノミラー制御装置のフィードバック・ループを安定化する。

速度オブザーバ４は、ねじり振動安定化補償器５の出力信号と角度検出データ９を入力して、ミラーの角速度の推定値信号を出力する。

ＤＡ変換器６は、ねじり振動安定化補償器５の出力信号をアナログ値信号に変換する。このアナログ値信号は電流指令信号であり、電流制御回路７は、この電流指令信号に追従するように駆動電流を制御して、ロータリ・アクチュエータ１に供給する。

次に、初期値補償を行う付加入力について説明する。この付加入力は、ディジタル・フィルタ１０ａとディジタル・フィルタ１０ｂが離散的時刻ごとに発生するインパルス列信号である。定式化の都合により、以下、図１において、点線で囲んだ領域Ｓを拡大制御対象と呼ぶ。

拡大制御対象Ｓは１入力１出力系であって、積分補償器２の出力とディジタル・フィルタ１０ａの出力およびディジタル・フィルタ１０ｂの出力の和が拡大制御対象Ｓへの入力信号であり、角度検出データ９が拡大制御対象Ｓの出力信号である。

拡大制御対象Ｓの離散時間状態方程式は式１、式２で表される。

ただし、
ｉ ：離散的時刻の経過を表すインデクス、
ｘｐ：ｍ次の拡大制御対象の状態ベクトル、
ｕ‘：拡大制御対象Ｓの入力信号、
ｙ ：拡大制御対象Ｓの出力信号、
Ａｐ：ｍ×ｍの実数行列、
Ｂｐ：ｍ×１の実数行列、
Ｃｐ：１×ｍの実数行列、
である。

また、また積分補償器２の離散時間状態方程式は式３、式４で表される。

ただし、
ｘｃ：ｎ次の積分補償器の状態ベクトル、
ｒ ：角度指令データ、
Ａｃ：ｎ×ｎの実数行列、
Ｂｃ：ｎ×１の実数行列、
Ｃｃ：１×ｎ実数行列、
Ｄｃ：１×１の実数行列、
である。

式１〜式４からフィードバック・ループの伝達関数を導くことができ、式５で表すことができる。

ただし、
ｚ：ｚ変換の複素変数、
Ｒ：角度指令データｒのｚ変換、
Ｙ：拡大制御対象Ｓの出力信号ｙのｚ変換、
Ｄ（ｚ） ：ｚに関する高次多項式
Ｎｒ（ｚ）：ｚに関する高次多項式、
Ｎｐ（ｚ）はｚに関する１×ｍ次の高次多項式行列、
Ｎｃ（ｚ）はｚに関する１×ｎ次の高次多項式行列、
ｘｐ０：式１の状態変数ベクトルｘｐ（ｉ）の初期状態量ｘｐ（０）、
ｘｃ０：式３の状態変数ベクトルｘｃ（ｉ）の初期状態量ｘｃ（０）、
である。

また、初期状態量を考える初期時刻ｉ＝０を、ある１回の位置決め動作を開始する時刻、すなわち１つの角度指令データをガルバノミラー制御装置が受信した時刻とする。

式５が意味することは、フィードバック・ループの応答Ｙ（ｚ）は角度指令データＲ（ｚ）に対する応答と、初期状態量ｘｐ０に対する応答と、初期状態量ｘｃ０に対する応答の線形な重ねあわせで決まるということである。

ここで、式５右辺の第２項と第３項はともに初期状態量に対する応答であるから、これらをまとめてＹ０（ｚ）と表すことにすると、Ｙ０（ｚ）は、式６のように展開できる。

ただし、
Ｎｐ１（ｚ）〜Ｎｐｍ（ｚ）：それぞれ式５における高次多項式行列Ｎｐ（ｚ）の要素であり、ｚに関する高次多項式である。

Ｎｃ１（ｚ）〜Ｎｃｎ（ｚ）：それぞれ式５における高次多項式行列Ｎｃ（ｚ）の要素であり、ｚに関する高次多項式である。

ｘｐ０１〜ｘｐ０ｍ：式５における初期状態ベクトルｘｐ０の各要素、
ｘｃ０１〜ｘｃ０ｎ：式５における初期状態ベクトルｘｃ０の各要素
である。

ここで、式６右辺第１項のｑ番目の初期状態量ｘｐ０ｑによる初期値応答がフィードバック・ループの応答Ｙ（ｚ）に悪影響を及ぼしているものと仮定し、図１のディジタル・フィルタ１０ａとディジタル・フィルタ１０ｂが出力する付加入力によって、その悪影響を抑圧することを考える。

以下、１つのディジタル・フィルタの伝達関数をｎｑ（ｚ）／ｄｑ（ｚ）で表す。ここで、ｑは添え字であり、式６の右辺第１項に現れるｑ番目の初期状態量ｘｐ０ｑの添え字ｑと同じ意味で用いるので、ｑ＝１、２、…、ｍである。また、ｎｑ（ｚ）とｄｑ（ｚ）は、それぞれｚに関する高次多項式である。

さらに、ディジタル・フィルタが出力する付加入力のｚ変換をＵａｑ（ｚ）で表す。

そして、伝達関数ｎｑ（ｚ）／ｄｑ（ｚ）に対して、初期状態量ｘｐ０ｑに等しい大きさのインパルス信号を入力し、その応答を式７で表される付加入力Ｕａｑ（ｚ）にすることを考える。

図１に示したように、付加入力Ｕａｑ（ｚ）は拡大制御対象Ｓへの入力信号に加算されるので、式６の右辺には、付加入力Ｕａｑ（ｚ）に対する応答の項が線形に重ね合わされて、式８のように展開される。

ここで、Ｎｕ（ｚ）はｚに関する高次多項式であり、伝達関数Ｎｕ（ｚ）／Ｄ（ｚ）は、付加入力Ｕａｑ（ｚ）が拡大制御対象Ｓへの入力信号に加算される形でフィードバック・ループに作用することを表している。

式８の右辺第３項について、次のことが言える。すなわち、式６では、初期状態量ｘｐ０ｑに対する伝達関数はＮｐｑ（ｚ）／Ｄ（ｚ）であるが、式７のような付加入力Ｕａｑ（ｚ）を用いると、初期状態量ｘｐ０ｑに対する伝達関数を式８の右辺第３項のように変えることができる。

したがって、式７で表されるディジタル・フィルタの伝達関数ｎｑ（ｚ）／ｄｑ（ｚ）を適切に設計すれば、元々は応答Ｙ（ｚ）に悪影響を及ぼしていた初期状態量ｘｐ０ｑによる初期値応答を、所望の望ましい応答に変えることができて、応答Ｙ（ｚ）を改善することができる。

以下、式７のディジタル・フィルタｎｑ（ｚ）／ｄｑ（ｚ）の具体的な設計例について説明する。

まず、式１、２で表される拡大制御対象Ｓの次数ｍがｍ＝１２であり、式３、４で表される積分補償器２の次数ｎがｎ＝２であるとする。

なお、拡大制御対象Ｓの次数ｍは、ロータリ・アクチュエータ１の回転軸に固有のねじり振動モード、速度オブザーバ４、ねじり振動安定化補償器５、及びフィードバック・ループの位相遅れの大きさによって定まる。

いま、ねじり振動の第１次モードに起因する初期値応答を改善したいとする。 各振動モードは角変位と角速度の二つの状態量を持つので、式６の右辺第１項で、ねじり振動１次モードの角変位と角速度の初期状態量を形式的にｑ＝１、２とする。

そして、以下では、角変位の初期状態量（ｑ＝１）を補償するディジタル・フィルタを図１におけるディジタル・フィルタ１０ａとし、角速度の初期状態量（ｑ＝２）を補償するディジタル・フィルタを図１におけるディジタル・フィルタ１０ｂとする。

まず、ｑ＝１について、ディジタル・フィルタｎ１（ｚ）／ｄ１（ｚ）を次のように設計する。

ここで、基本となる考え方は、伝達関数における極と零点の配置である。極と零点はそれぞれ一般的には複素数であるから、複素平面上の二次元座標で表される。

図９は、式６の右辺第１項で、ねじり振動１次モードの角変位の初期状態量ｘｐ０１にかかる伝達関数Ｎｐ１（ｚ）／Ｄ（ｚ）に関する極と零点の配置を示す図である。

同図において横軸は複素数の実数部を表す実軸、縦軸は虚数部を表す虚軸であり、図中の記号×は極を、記号○は零点を表している。また、点線は座標原点を中心とする半径１の単位円である。

フィードバック・ループに固有の極はｍ＋ｎ＝１２＋２＝１４個存在し、これらは特性方程式Ｄ（ｚ）＝０を数値計算で解くことにより、図９の記号×に配置されていることが分かる。フィードバック・ループが安定であるために、すべての極は単位円の中に存在している。

一方、零点は方程式Ｎｐ１（ｚ）＝０の根であって、この方程式を数値計算で解くことにより、図９の記号○に配置されていることが分かる。

次に、付加入力Ｕａｑ（ｚ）を加えた後の初期状態量ｘｐ０１にかかる伝達関数、すなわち式８の右辺第３項の伝達関数の極と零点について考える。

この伝達関数の極は分母多項式＝０とした方程式の根であるから、前述の特性方程式Ｄ（ｚ）＝０の根と、方程式ｄ１（ｚ）＝０の根を合わせたものに一致する。この多項式ｄ１（ｚ）は、ここで設計しようとしているディジタル・フィルタの伝達関数ｎ１（ｚ）／ｄ１（ｚ）の分母多項式である。

一方、式８の右辺第３項の伝達関数の零点は分子多項式=０とした方程式の根であり、零点の配置は任意に決めることができる。なぜならば、この分子多項式には、設計パラメータであるディジタル・フィルタの伝達関数の分母多項式ｄ１（ｚ）と分子多項式ｎ１（ｚ）が含まれているからである。

そこで、零点の配置を、図９に示された１４個の極の配置に一致させることにする。

さらに、初期状態量ｘｐ０１に対する初期値応答が速やかに減衰するように二つの極を追加する。つまり、そのような極と零点の配置になるように、ディジタル・フィルタの伝達関数の分子多項式ｎ１（ｚ）と分母多項式ｄ１（ｚ）を決めることにする。

図１０は、上記の処理に基づく結果を表す複素平面図である。

同図に示すように、図９に含まれていた１４個の極には、新たに配置した１４個の零点が重なっており、極と零点が相殺されるので、これら１４個の極が初期値応答に与える影響を抑圧することができる。

なお、図１０における実軸上のａを付した極は、初期状態量ｘｐ０１に対する初期値応答を速やかに減衰するように追加された極（なお、２個の極が重ねて配置されている。）であり、符号ｂ、ｃを付した零点は、２個の極を追加したことにより必然的に追加される零点である。

以上のようにして、ねじり振動１次モードの角変位の初期状態量ｘｐ０１を補償するディジタル・フィルタ１０ａの伝達関数ｎ１（ｚ）／ｄ１（ｚ）が設計されたことになる。

全く同様にして、ｑ＝２、すなわち、ねじり振動１次モードの角速度の初期状態量ｘｐ０２についても、ディジタル・フィルタ１０ｂの伝達関数ｎ２（ｚ）／ｄ２（ｚ）を設計する。

次に、上記のディジタル・フィルタを用いた初期値応答の補償方法について説明する。

まず、初期時刻において、ねじり振動１次モードの角変位と角速度の初期状態量ｘｐ０１とｘｐ０２を検出する。通常、これらの状態量をセンサ等で直接検出することは困難であるが、複数のねじり振動モードを含む制御対象の状態方程式モデルを構築し、これを元に状態オブザーバを設計し、ディジタル制御ファームウェアに実装すれば、初期状態量を推定計算することができる。

それらの初期状態量を、式７に関する説明で述べたように、ｑ＝１、２の各ディジタル・フィルタ１０ａとディジタル・フィルタ１０ｂに対してインパルス入力する。

ねじり振動１次モードの初期値応答を補償する付加入力は、ディジタル・フィルタ１０ａとディジタル・フィルタ１０ｂの各インパルス応答の加算である。これを図１に示したように積分補償器２の出力に加算する。

さらに、角度指令パターンに対する位置決めを次々と連続して行うために、ディジタル・フィルタ１０ａとディジタル・フィルタ１０ｂ各々の内部の状態変数を、毎回の初期時刻においてゼロにクリアする。このようにすると、指令インターバルが非常に短い場合、すなわち、ディジタル・フィルタ１０ａとディジタル・フィルタ１０ｂのインパルス応答が定常的に０に減衰する前に次の角度指令データを受信して、新たな初期時刻になる場合でも、正常な付加入力を発生させることができる。

次に、以上のような初期値応答の補償を行うガルバノミラー制御装置を備えたプリント配線板加工用のレーザ加工装置の動作について説明する。

図２は、プリント配線板の穴加工位置を○で示した模式図、図３、図４は角度指令パターンを示す図である。

本発明のレーザ加工装置には、縦軸方向を受け持つガルバノミラーと横軸方向を受け持つガルバノミラーが２個搭載されており、各々のガルバノミラーに対して図１に示したガルバノミラー制御装置が用いられる。

縦軸と横軸それぞれのガルバノミラー制御装置には、異なる角度指令パターンが上位制御から送信される。すなわち、縦軸方向のミラーは穴間隔Ｌに相当する角度ストロークの往復動作を行うので、図３のような角度指令パターンが指令される。角度ストロークが一定なので指令インターバルも一定であり、この値を以下でτと表す。

一方、横軸方向のミラーは穴間隔Ｌに相当する角度ストロークで、一定方向の送り動作を行うので、図４のような角度指令パターンが指令される。指令インターバルはτである。この説明では簡単のため、加工する穴の個数を８個にしており、図３と図４の角度指令パターンは８個の角度指令データによるステップ状のパターンになっているが、実際のレーザ加工装置では加工する穴の個数は膨大であり、各軸の角度指令パターンもさらに長い時間で連続したステップ状のパターンである。

図５〜図８は、図３に示す角度指令パターンに対する追従誤差信号の応答波形、すなわち図１において角度指令データ８から角度検出データ９を引き算した信号の時間波形である。

図５は、指令インターバルをτ＝４．６に設定した場合の、本発明による追従誤差信号の波形であり、追従誤差ゼロ近傍のセトリング応答を拡大して示している。なお、上段のグラフはガルバノミラーが往復動作を開始してから時刻７５までに行った８回の往復動作のすべてのセトリング応答波形を順番に示しており、下段のグラフは８回の往復動作の往きと戻りそれぞれのセトリング応答波形を重ね描きしたものである。つまり、往きの動作の初期時刻における追従誤差信号の不連続な立ち上がりエッジをトリガにした場合の、オシロスコープによる重ね描き波形である。

なお、図中の２本の点線は整定の許容範囲（以下、整定範囲と呼ぶ）を表している。

同図から明らかなように、本発明により、ガルバノミラーは速やかに整定の許容範囲に位置決めされ、ほとんど変動の無い良好なセトリング応答を実現することができている。

図６は、図５の場合と同様に、指令インターバルをτ＝４．６に設定した場合の、従来のガルバノミラー制御装置で同じ往復動作を行った時のセトリング応答波形を示図であり、グラフの見方は図５と同様である。

同図から明らかなように、従来技術の場合、ガルバノミラーは一旦整定範囲に入るが、その後のセトリング応答が振動的であり、整定範囲を外れてしまう。また追従誤差ゼロ近傍の応答は、時間の経過とともに変動している。

図７は、指令インターバルをτ＝３．６に設定した場合の、本発明による追従誤差信号の波形である。

同図から明らかなように、本発明を適用すると、指令インターバルをτ＝３．６に設定した場合であっても、ガルバノミラーは速やかに整定の許容範囲に位置決めされ、ほとんど変動の無い良好なセトリング応答を実現することができている。

図８は、図７の場合と同様に、指令インターバルをτ＝３．６に設定した場合の、従来のガルバノミラー制御装置で同じ往復動作を行った時のセトリング応答波形を示図である。

同図から明らかなように、従来技術の場合、図６の場合と同様に、ガルバノミラーは一旦整定範囲に入るが、その後のセトリング応答が振動的であり、整定範囲を外れてしまう。

以上説明したように、本発明の付加入力による初期値応答補償を行うことにより、ガルバノミラーを所望の位置に高速かつ高精度に位置決めすることができる。

なお、本発明は、ガルバノミラーに限らず、プリント基板加工装置などにおいて、被加工物を保持して移動するテーブルのサーボ制御についても適用することができる。

本発明の実施形態に係るガルバノミラー制御装置のブロック線図である。 プリント配線板の穴加工位置を示す模式図である。 ガルバノミラーに対する角度指令パターンの一例を示す図である。 ガルバノミラーに対する角度指令パターンの一例を示す図である。 本発明の実施形態における追従誤差信号の応答波形を示す図である。 従来の追従誤差信号の応答波形を示す図である。 本発明の実施形態における追従誤差信号の応答波形を示す図である。 従来の追従誤差信号の応答波形を示す図である。 付加入力を加える前の伝達関数の極と零点の配置を示す図である。 本発明により付加入力を加えた後の伝達関数の極と零点の配置を示す図である。

符号の説明

２ 積分補償器
８ 角度指令データ
９ 角度検出データ
１０ａ ディジタル・フィルタ
１０ｂ ディジタル・フィルタ

Claims (6)

1. フィードバック・ループを備え、移動体を位置指令データに基づいて位置決めする移動体のサーボ制御装置において、
   前記位置指令データ以外の付加入力信号を前記フィードバック・ループに入力する付加入力手段を有することを特徴とする移動体のサーボ制御装置。
2. 前記付加入力手段は、前記フィードバック・ループの前記位置指令データを受けた時刻における状態量に対する伝達関数において、前記フィードバック・ループに固有の極を相殺するような零点を付加することを特徴とする請求項１に記載の移動体のサーボ制御装置。
3. 前記付加入力要素は、前記位置指令データを受けた時刻における前記状態量の値に等しいインパルス信号を入力信号とするディジタル・フィルタであり、前記位置指令データを受けた時刻において、前記ディジタル・フィルタ内部の状態変数をゼロにクリアすることを特徴とする請求項１または２に記載の移動体のサーボ制御装置。
4. 前記移動体がガルバノミラーであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の移動体のサーボ制御装置。
5. 前記位置指令データがステップ信号状のデータであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のサーボ制御装置。
6. 請求項４に記載のサーボ制御装置と、
   前記ガルバノミラーの角度を制御する制御手段と、
   を備え、前記ガルバノミラーで反射されるレーザ光の角度を前記制御手段によって制御して、被加工物の所定の位置に穴加工を行うことを特徴とするレーザ加工装置。
   

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