JP2005292322A - ガルバノスキャナの制御方法及びガルバノスキャナの制御装置並びにレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】 揺動軸が熱変形しても、精度に優れる加工を行うことができるガルバノスキャナの制御方法及びガルバノスキャナの制御装置並びにレーザ加工機を提供すること。
【解決手段】 ミラーを回転させるアクチュエータ１１０に供給する電流２１の電流値と照射点の目標値に対するずれ量との関係を記憶する手段を備え、アクチュエータ１１０に供給する電流値からずれ量を推定する変位推定器２６１を設け、加工時、電流２１の電流値に基づいて照射点のずれ量を推定し、推定されたずれ量を打ち消すように目標値を補正する。
【選択図】図６

Description

本発明は、レーザ等の光を走査するためのガルバノスキャナの制御方法及びガルバノスキャナの制御装置並びにこのようなガルバノスキャナによりレーザ等の光を照射してプリント基板に穴明けを行うレーザ加工機に関する。

レーザビームを走査する機能を持つレーザ装置の一例であるプリント基板穴明け用レーザ加工機は、レーザビームをパルス状にプリント基板に照射して、基板の導体層間を接続するための穴を開ける装置である。従来のプリント基板穴明け用レーザ加工機は、例えば、プリント基板を搭載して水平面内の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、上記プリント基板上のＸＹ方向にレーザビームを走査するための一対のガルバノスキャナサーボ機構と、を備えている（例えば、特許文献１参照）。

ガルバノスキャナの構造は、例えば、一体貫通揺動軸の中央区間にコイルが固定されており、このコイルの両端に隣接して一対の軸受が配置され、その外側の一方には角度検出器が、他方にはミラー取り付け部が、それぞれ配置されている（例えば、特許文献２参照）。

以下、図面を用いてさらに詳細に説明する。

図１０は、従来のレーザ加工機におけるガルバノミラーサーボ機構（ガルバノスキャナサーボ機構）の構成例を示すブロック図である。

ガルバノスキャナ１００の電磁揺動アクチュエータ１１０（以下、「アクチュエータ」という。）は、揺動軸１１１を揺動させる。揺動軸１１１の一方の端部にはミラーマウント１３１を介してミラー１３０が装着されており、他方の端部には角度検出器（エンコーダ）１２０が取り付けられている。

以上の構成であるから、揺動軸１１１の揺動に応じてミラー１３０の向きが変わり、ミラー１３０に入射したレーザビーム３０の出射方向が変化するようになっている。揺動軸１１１すなわちミラー１３０の揺動角度は、角度検出器１２０により検出される。

上位制御装置１０は、ＮＣプログラムを解釈して、レーザビーム３０を位置決めすべき対象物上の位置に応じて、ミラー１３０の目標位置決め角度１１をガルバノスキャナ制御装置２０に指令する。ガルバノスキャナ制御装置２０は目標位置決め角度１１に応じた電流値の電流２１をアクチュエータ１１０のコイルに供給する。

揺動軸１１１に結合された角度検出器１２０は、揺動量に応じてパルス（位置信号）２２を発生し、このパルスがパルスカウンタで計数されて揺動角度としてフィードバックされる。

これらの処理を繰り返すことにより、ミラー１３０は徐々に目標位置に接近する。位置決めが完了すると、ガルバノスキャナ制御装置２０から上位制御装置１０に位置決め完了信号１２が送られる。

図示を省略するレーザ発振器から出力されたレーザビーム３０はミラー１３０により反射され、Ｆθレンズ１４０を介して対象物の加工位置に照射される。図中では、ミラー１３０の３通りの揺動角度に対応した、点Ａ、点Ｂ、点Ｃの３つの加工位置を示している。
特開２００２−１３７０７４号公報（第２頁、図６） 特開２００２−６２５５号公報（第２頁、図６）

近年の電子機器小型化・高機能化によりプリント基板の高密度化が急速に進んでいる。これに伴い、レーザ加工機には加工速度の高速化及び加工精度の高精度化が求められている。

ところで、揺動軸の揺動速度（以下、「回転速度」という。）を高速化すれば、加工速度を向上させることができる。しかし、回転速度を高速化するためにコイルに供給する電流値を大きくすると、発熱により揺動軸が熱変形して加工位置ずれが発生する。

図１１は、揺動軸が熱変形することによる加工位置のずれを説明する図である。

同図において、点線は揺動軸１１１に熱変形が発生していない場合を、実線は揺動軸１１１に熱変形が発生した場合をそれぞれ示している。

揺動軸１１１に熱変形が発生していない場合、ミラー１３０で反射されたレーザビーム３０は光路２０４ａを通り、加工位置２０５ａに照射される。これに対しコイルに電流が流れることにより揺動軸１１１に熱変形が発生すると、ミラー１３０で反射されたレーザビーム３０は光路２０４ｂを通り、加工位置２０５ｂに照射される。すなわち、加工位置のずれは、揺動軸１１１の回転方向（図中のＸ軸方向）と揺動軸の軸線に沿う方向（図中のＹ軸方向）に発生する。

本発明の目的は、上記した課題を解決し、揺動軸が熱変形しても、精度に優れる加工を行うことができるガルバノスキャナの制御方法及びガルバノスキャナの制御装置並びにレーザ加工機を提供するにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の手段は、ミラーのアクチュエータを目標値と現在値との偏差に基づいて動作させ、前記ミラーに入射する光の出射角を制御するようにしたガルバノスキャナの制御方法において、前記アクチュエータに供給する電流値と、目標値に対するずれ量との関係を予め求めておき、加工時、前記電流値に基づいて前記ずれ量を推定し、推定されたずれ量を打ち消すように前記目標値を補正することを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、ミラーのアクチュエータを目標値と現在値との偏差に基づいて動作させ、前記ミラーに入射する光の出射角を制御するようにしたガルバノスキャナの制御装置において、前記アクチュエータに供給する電流値と前記ずれ量との関係を記憶する手段と、前記アクチュエータに供給する電流値から前記ずれ量を推定する手段と、を設け、加工時、前記電流値に基づいて前記ずれ量を推定し、推定されたずれ量を打ち消すように前記目標値を補正することを特徴とする。

また、本発明の第３の手段は、レーザ加工機に上記第２の手段であるガルバノスキャナの制御装置を備え、このガルバノスキャナの制御装置によりレーザビームをスキャンさせて加工をすることを特徴とする。

コイルの発熱に起因する加工位置の変位をリアルタイムに補正するので、高精度な加工ができる。

はじめに、本発明の原理を説明する。

図１は、本発明における位置決め信号と加工位置との関係を調べるための接続図であり、図１０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。

上位制御装置１０は、予め定める時間間隔毎に、予め定める２つの位置を交互に出力する。ガルバノスキャナ制御装置２０は、サーボ偏差信号２１０とコイルに供給する電流２１の電流値をオシロスコープ２１１に出力する。レーザ発振器２２０は、計測用のＨｅ−Ｎｅレーザ２２１を連続して出力する。センサ（例えばＰＳＤ装置）２２２は照射されたＨｅ−Ｎｅレーザ２２１の位置（以下、「照射位置」という。）を２次元的にセンシングし、Ｘ軸方向の位置をアナログの電圧値２２３ｘ、Ｙ軸方向の位置をアナログの電圧値２２３ｙとして、オシロスコープ２１１に出力する。

図２は、熱変形に伴うＸ軸方向の位置と時間との関係を示す図であり、実線は照射位置を、点線は目標位置を示している。なお、Ｙ軸方向の位置も図２と同様の傾向になるが、通常、軸線に直角な方向のずれは軸線方向のずれよりも遙かに大きい。

同図に示されているように、揺動軸の熱変形により、照射位置は時間と共に変化する。

ここで、図２における最終的な照射位置に着目して曲線補完すると、図３に実線で示す曲線となる。この曲線は、一次遅れ曲線で近似できる。なお、軸線方向のずれも、大きさは異なるが、図３に実線で示す曲線と同様の曲線になる。

そこで、本発明では、コイル（または揺動軸）の温度を実際に測定することに代えて、発熱検出回路として抵抗とコンデンサを並列に接続したＣＲ回路（図示を省略）を設け、コイルに供給する電流２１をこの発熱検出回路に流し、抵抗の両端に発生する電圧がコイルの発熱量に略比例（または一致）するように、ＣＲ回路の定数を定めておく。

このようにすると、稼働状態入力（目標位置決め角度とその周期）とコイル発熱量および加工位置変位量は、伝達関数を用いて、図４に示すブロック線図で表すことができる。なお、同図において、２３０は稼働状態入力、２３１は稼働状態からコイル発熱量までの伝達関数、２３２はコイルの発熱出力、２３３は稼働状態から加工位置変位までの伝達関数、２３４は加工位置変位量である。

このブロック線図から、ｙ１を加工位置変位量、Ｔ１を一次遅れ要素の時定数、ｙ２をコイル発熱量、Ｔ２を一次遅れ要素の時定数、Ｋを可変ゲインとすると、加工位置変位量ｙ１は式１で表わされる。

そして、式１を双一次Ｚ変換により離散化すると、式２で表すことができる。なお、サンプリング時間Ｔは一次遅れ要素の時定数Ｔ１、Ｔ２に対して十分小さい。

すなわち、コイルに供給する電流２１を観測することにより加工位置変位量をリアルタイムに推定する変位推定器（補償器）を作成することができる。

次に、時定数Ｔ１、Ｔ２を測定する手段について説明する。

図５は、時定数Ｔ１、Ｔ２を測定するための接続図である。

目標位置決め角度（往復位置指令）１１は加算器２４１によりパルスカウンタ２４２の出力２２を減算され、偏差信号がサーボ補償器２４３に入力される。サーボ補償器２４３から出力されたデジタル信号はＤ／Ａ変換器２４４によりアナログ信号に変換され、増幅器２４５を介して電流２１がアクチュエータ１１０に供給され、ミラー１３０を揺動させる。

ＰＳＤ装置２２２から出力されたアナログの位置信号はＡ／Ｄコンバータ２４６によりデジタルの位置信号に変換される。

図示を省略するＣＰＵは、加算器２４１から出力される偏差信号を監視し、ミラー１３０が位置決めされたと判断すると、スイッチ２４７を閉じてデジタル位置信号を記憶する。時定数測定器２４８は、記憶された時系列の位置データから時定数Ｔ１、Ｔ２を演算し、その結果をメモり２４９に記憶する。上記の動作を目標位置決め角度（すなわち２点間の距離）を変えて実施する。そして、実際の装置では、得られた時定数Ｔ１、Ｔ２を後述する変位推定器に設定する。

なお、加算器２４１、サーボ補償器２４３、Ｄ／Ａ変換器２４４、増幅器２４５およびパルスカウンタ２４２は、ガルバノスキャナ制御装置２０の構成要素である。

次に、本発明に係るガルバノスキャナ制御装置について説明する。

図６は本発明に係るガルバノスキャナ制御装置の接続図であり、図１、５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重複する説明を省略する。

ＮＣ装置２７０は、あらかじめ、位置決め制御時にはスイッチ２６３を閉、スイッチ２６５を開に、また、追従制御時にはスイッチ２６３を開、スイッチ２６５を閉にしておく。

コイルに供給する電流２１は、発熱検出回路２６０に入力され、その結果はＡ／Ｄコンバータ２４６を介して変位推定器２６１に入力される。

変位推定器２６１は、目標位置決め角度１１および発熱量とから予め記憶されている時定数Ｔ１、Ｔ２を選択して、上記式２により加工位置変位量２６２を演算する。

そして、得られた加工位置変位量２６２は、位置決め制御時にはスイッチ２６３および加算器２６４を介してＮＣ装置から出力される指令値に加算され、追従制御時にはスイッチ２６５を介して加算器２４１により目標位置決め角度（目標軌道）１１に加算される。

このように、逐次、加工位置変位量２６２を推定し、指令値または目標軌道へ加算をすることにより、常に過渡的に発生する発熱による加工位置変位を補正することができる。

ところで、レーザ加工機では、レーザを直角な２軸方向に位置決めする必要があるので、１軸毎にガルバノスキャナを用いる。

図７は、ねじれ方向に配置された一対の揺動軸がそれぞれ熱変形した場合の加工位置のずれを説明する図である。

図１１で説明したように、熱変形による加工位置変位は揺動軸の軸線方向と軸線に直角な方向に発生する。

同図から明らかなように、レーザビーム３０をＹ軸方向に位置決めするガルバノスキャナ１００ａの揺動軸が熱変形すると、回転の軸線方向のずれは図のＸ軸方向に、回転の軸線と直角方向のずれは図のＹ軸方向に発生する。一方、レーザビーム３０をＸ軸方向に位置決めするガルバノスキャナ１００ｂの揺動軸が熱変形すると、回転の軸線方向のずれは図のＹ軸方向に、回転の軸線と直角方向のずれは図のＸ軸方向に発生する。

すなわち、照射位置におけるＸ軸方向のずれはガルバノスキャナ１００ａの揺動軸の回転の軸線方向のずれと、ガルバノスキャナ１００ｂの揺動軸の回転の軸線と直角方向のずれとが加算されたものであり、照射位置におけるＹ軸方向のずれはガルバノスキャナ１００ａの揺動軸の回転の軸線と直角方向のずれと、ガルバノスキャナ１００ｂの揺動軸の回転の軸線方向のずれとが加算されたものである。

図８は、一対のガルバノスキャナによりレーザを２軸方向に位置決めする場合の補正手順を示すブロック線図であり、図６と同じものは同一の符号（添字ｘ、ｙにより軸方向を区別）を付してある。

同図に示されているように、ガルバノスキャナ毎にＸ、Ｙ方向の変位を推定し、Ｘ軸方向の位置決めをするためのガルバノスキャナに対してはＹ軸方向の位置決めをするためのガルバノスキャナのＹ軸方向の変位を加算し、Ｙ軸方向の位置決めをするためのガルバノスキャナに対してはＸ軸方向の位置決めをするためのガルバノスキャナのＸ軸方向の変位を加算する。この結果、レーザビームをＸＹ方向に精度良く位置決めすることができる。

なお、時定数Ｔ１、Ｔ２の値を記憶する記憶手段は変位推定器２６１の内部に設けても良いし、外部の記憶装置を用いてもよい。

図９は、本発明を適用した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が省略されている。

同図において、レーザ発振器３１０から出力されたレーザビーム３０は、ミラー３１３ａ、ミラー３１３ｂを介して、コリメータ３１２やアパーチャ３１４等で構成される光学的ビーム処理系を経て整形され、さらにミラー３１３ｃ、ミラー３１３ｄ、ミラー３１３ｅ、ミラー３１３ｆを介して第１のガルバノスキャナ１００ａのミラーに入射する。このミラーは中立位置のときに図中右方向からの入射ビームを図中前方向に反射するが、ミラーの角度を変えることで、反射ビームの進路を図中水平面内、すなわちＸＹテーブル上のスポット位置では図中左右方向（Ｙ軸方向）に変化させることができる。

第１のガルバノスキャナ１００ａを通過したビームは、次に第２のガルバノスキャナ１００ｂのミラーに入射する。このミラーは中立位置のときに図中奥方向からの入射ビームを図中下方向に反射するが、ミラーの角度を変えることで、反射ビームの進路を図中前後方向の垂直面内、すなわちＸＹテーブル上のスポット位置では図中前後方向（Ｘ軸方向）に変化させることができる。第２のガルバノスキャナ１００ｂのミラーを通過したビームは、Ｆθレンズ１４０を介して、ＸＹテーブル３５３上に載置されたプリント基板３５２に照射される。なお、ＸＹテーブル３５３はＹ軸駆動機構３５４によりＹ軸方向に駆動され、Ｙ軸駆動機構３５４はＸ軸駆動機構３５５によりＸ軸方向に駆動されるので、ＸＹテーブル３５３のＸＹ方向への移動位置決めが実現される。Ｘ軸駆動機構３５５はベッド３５６の上に固定されている。

ガルバノスキャナ１００ａ、１００ｂを制御するガルバノスキャナ制御装置２０ａ、２０ｂ（図示を省略）するは、上記した発熱に起因する加工位置変位補正の機能を備えている。

本発明における位置決め信号と加工位置との関係を調べるための接続図である。 熱変形に伴うＸ軸方向の位置と時間との関係を示す図である。 熱変形に伴うＸ軸方向の位置と時間との関係を示す図である。 稼働状態入力とコイル発熱量および加工位置変位量の関係を説明する図である。 時定数Ｔ１、Ｔ２を測定するための接続図である。 本発明に係るガルバノスキャナ制御装置の接続図である。 ねじれ方向に配置された一対の揺動軸がそれぞれ熱変形した場合の加工位置のずれを説明する図である。 一対のガルバノスキャナによりレーザを２軸方向に位置決めする場合の補正手順を示すブロック線図である。 本発明を適用したプリント基板穴明け用レーザ加工機の構成図である。 従来のレーザ加工機におけるガルバノミラーサーボ機構（ガルバノスキャナサーボ機構）の構成例を示すブロック図である。 揺動軸が熱変形することによる加工位置のずれを説明する図である。

符号の説明

２１ 電流
１１０ アクチュエータ
２６１ 変位推定器

Claims (3)

1. ミラーのアクチュエータを目標値と現在値との偏差に基づいて動作させ、前記ミラーに入射する光の出射角を制御するガルバノスキャナの制御方法において、
   前記アクチュエータに供給する電流値と目標値に対するずれ量との関係を予め求めておき、
   加工時、前記電流値に基づいて前記ずれ量を推定し、
   推定されたずれ量を打ち消すように前記目標値を補正する
   ことを特徴とするガルバノスキャナの制御方法。
2. ミラーのアクチュエータを目標値と現在値との偏差に基づいて動作させ、前記ミラーに入射する光の出射角を制御する制御手段を有するガルバノスキャナの制御装置において、
   前記アクチュエータに供給する電流値と前記ずれ量との関係を記憶する手段と、
   前記アクチュエータに供給する電流値から前記ずれ量を推定する手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、加工時、前記電流値に基づいて前記ずれ量を推定し、推定されたずれ量を打ち消すように前記目標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装置。
3. 請求項２に記載のガルバノスキャナの制御装置と、
   この制御装置によりレーザビームをスキャンさせて加工をする加工手段と、
   を備えていることを特徴とするレーザ加工機。

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