JP2006235414A - レーザ走査装置及びそれを用いたレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】
レーザ走査装置の位置決め精度を向上させる。
【解決手段】
レーザ走査装置は、揺動軸の軸端部に取り付けたミラーを揺動させてレーザビームの出射方向を変える電磁アクチュエータと、揺動軸の揺動角を検出する検出器１２０と、揺動軸およびレーザビームの出射方向を制御する制御装置とを備える。制御装置は、揺動角をフィードバックしてミラーを位置決めするサーボ機構を構成する。電磁アクチュエータはコイルを有する。コイルに印加した電圧とコイルを流れる電流を検出し、同じ時間でサンプリングした印加電圧および電流を同一特性のフィルタ２４４ａ、２４４ｂでフィルタリングする。この信号をディジタル処理装置が処理し、温度推定手段３１０が処理信号に基づいてコイルの温度を推定する。この推定温度に基づいて揺動軸のねじり固有振動を抑制する。
【選択図】図５

Description

本発明は、レーザを走査するレーザ走査装置及びそれを用いたレーザ加工機に係り、特に、プリント基板に穴明けするのに用いられるレーザ走査装置及びレーザ加工機に関する。

従来のレーザ走査装置の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載のスキャナ装置では、ガルバノスキャナの揺動軸の一方にミラーを、他方にエンコーダのグレーティング円板を固定している。そしてミラーとガラス円盤間に回転子を配置し、揺動軸の回転子とミラー間および回転子とグレーティング円板間を、１対の軸受で回転支持している。さらに、ミラーの近傍に慣性負荷を固定して、揺動軸のねじり振動を抑制している。

従来のレーザ加工機の他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載のレーザ加工機では、Ｘ−Ｙテーブルの上方に、ＣＣＤカメラとその光源を配置している。Ｘ−Ｙテーブル上に、プリント基板とアクリル板を載置する。予め定めた時期に、アクリル板に実際にプリント基板に照射するときと同じ出力のレーザを照射し、加工後の穴をＣＣＤカメラで撮像する。撮像した加工穴を基準値と比較し、基準値を外れていたら加工条件を修正する。その際、レーザビームの走査に１対のガルバノスキャナサーボ機構を、プリント基板の移動にＸＹテーブルサーボ機構を用いている。

さらに、温度が変動する環境下で位置決め制御を向上させる方法が、特許文献３に記載されている。この公報では、サーボ機構の被位置決め部材の固有共振周波数ｆが温度の関数になっているときに、サーボ機構の振幅を固有共振周波数帯で減衰させるノッチフィルタを設けている。

特開２００４−０２９１０９号公報（第１頁、図１） 特開２００２−１３７０７４号公報（第６頁、図６） 特開２００１−００５５０１号公報（第１頁、図１）

ガルバノスキャナに大電流を流して応答性を向上させる結果、ガルバノスキャナの発熱量が増大している。一方、広い周波数帯域でガルバノスキャナの応答性を向上させるためには、ミラーや角度検出器を揺動させる揺動軸アッセンブリのねじり振動特性を向上させる必要がある。揺動軸アッセンブリのねじり振動特性は、ガルバノスキャナサーボ機構の応答周波数帯域を制限するとともに、レーザビームスポットを目標位置に位置決めする際の残留振動の多寡として現れる。そこで上記特許文献１に記載のガルバノスキャナサーボ機構では、ねじり振動を抑制するために、サーボ制御系にねじり振動安定化補償要素を設けている。

穴明け加工では、ジュール熱によるコイル部の温度上昇により、ねじり固有振動数が低下する。ねじり固有振動数が低下すると、ねじり振動安定化補償要素に設けた振動安定化補償要素の設定が不適になり、振動が増大する。そして、場合によっては発振してサーボ機構として機能しなくなるおそれもある。

また、上記特許文献３に記載の方法では、周囲温度に基づいてノッチフィルタを制御している。しかしながらガルバノスキャナでは、揺動軸アッセンブリは自己の発熱により温度上昇するので、周囲温度を測定してねじり振動安定化補償要素を調整しても、適切な補償を期待できない。さらに、ガルバノスキャナの永久磁石に、高磁束密度のネオジウム磁石が多用されている。ガルバノスキャナでは、コイルと永久磁石が近接配置されているので、コイルが温度上昇して永久磁石の温度を上昇させ、磁束密度を低下させる。これにより、ガルバノスキャナのトルク定数が低下し、ガルバノスキャナの応答特性が劣化し、ビームの位置決め精度を低下させる。

上記の温度上昇により生じる不具合は、冷却手段を設けて強制冷却すれば解決できるが、温度上昇に応じて適切に冷却する必要があること、冷却手段を用いると、装置構成が複雑になり、狭い空間に冷却手段を設けるのが困難なこと、等のため、現実的な解決手段とはなっていない。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、レーザ走査装置の位置決め精度を向上させることにある。本発明の他の目的は、レーザ走査装置を簡単な機構で信頼性高く位置決め制御することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、一端側にミラーを取り付けた揺動軸と、この揺動軸の外周側に配置され揺動軸を駆動するコイルと、揺動軸を回転自在に支持しコイルの軸方向両側部に配置された軸受とを有するレーザ走査装置において、コイルの温度を推定する温度推定手段と推定温度に基づいてコイルへの通電を制御する制御装置とを設け、この制御装置は揺動軸のねじり固有振動を抑制するものである。

そしてこの特徴において、温度推定手段は、コイルの入出力側の電圧とコイルを流れる電流値とに基づいて、コイル温度を推定するものであってもよく、制御装置は、コイル温度に対応するねじり固有振動数の変化を記載したテーブルを有し、制御装置は温度推定手段が推定した温度を用いてこのテーブルを参照して揺動軸のねじり固有振動を抑制するものであってもよい。また、コイルに温度検出用の導線を一体的にモールドし、この導線の出力に基づいて温度推定手段がコイルの温度を推定するようにしてもよい。さらに、コイルの外周側に永久磁石を配置し、この永久磁石と前記コイル間を冷却する冷却通路を形成するようにしてもよい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、レーザ加工機が、上記特徴のガルバノスキャナサーボ機構を１対有し、このサーボ機構を用いてＸ−Ｙ方向にレーザを照射するレーザ走査装置と、Ｘ−Ｙ方向に自在に移動可能で被加工物を載置するＸＹテーブルと、レーザ操作装置にレーザビームを出射するレーザ発振器とを備え、レーザ走査装置を用いて被加工物に穴明けすることにある。

上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、揺動軸の軸端部に取り付けたミラーを揺動させてレーザビームの出射方向を変えるガルバノスキャナと、揺動軸の揺動角を検出する検出器と、揺動軸およびレーザビームの出射方向を制御する制御装置とを備え、この制御装置は揺動角をフィードバックしてミラーを位置決めするサーボ機構を構成し、このガルバノスキャナサーボ機構１対を用いてレーザビームをＸ−Ｙ方向に走査するレーザ走査装置において、ガルバノスキャナはコイルを有し、このコイルに印加した電圧とコイルを流れる電流を検出する手段と、実質的に同一の遮断特性を有し印加電圧または電流のいずれかをフィルタリングするフィルタと、これらのフィルタで実質的に同じ時間にサンプルした印加電圧および電流の信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器で得られたディジタル信号を処理するディジタル処理装置と、このディジタル処理装置で得られた信号に基づいてコイルの温度を推定し、この推定温度に基づいて揺動軸のねじり固有振動を抑制する手段と、この抑制手段の設定周波数を変化させる手段とを設けるものである。

上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、揺動軸の軸端部に取り付けたミラーを揺動させてレーザビームの出射方向を変えるガルバノスキャナと、揺動軸の揺動角を検出する検出器と、揺動軸およびレーザビームの出射方向を制御する制御装置とを備え、この制御装置は揺動角をフィードバックしてミラーを位置決めするサーボ機構を構成し、このサーボ機構１対を用いてレーザビームをＸ−Ｙ方向に走査するレーザ走査装置において、ガルバノスキャナはコイルを有し、このコイルと一体に形成された導線と、この導線に流れる電流から導線の抵抗値を検出する抵抗検出手段と、この抵抗検出手段の出力に基づいてコイルの温度を推定する温度推定手段と、推定温度に基づいて揺動軸のねじり固有振動を抑制する手段と、この抑制手段の設定周波数を変化させる手段とを設けたことにある。

そしてこれらの特徴において、制御装置は、推定したコイル温度の状態量が所定の値を越えたらアラーム信号を発生し、予め定めたアラーム信号が発生しないときの位置決め動作の時間間隔よりも長くするのがよく、電磁アクチュエータ内部を強制的に冷却または加熱する手段と、推定したコイル温度の状態量に応じてこの冷却または加熱手段の動作を制御する手段とを設けるのがよい。

さらに本発明の特徴は、レーザ加工機が、上記レーザ走査装置を有し、制御装置はレーザ走査装置を操作して被加工物に穴明けすることにある。

本発明によれば、ガルバノスキャナサーボ機構におけるねじり振動を抑制したので、レーザ走査装置の応答性が向上し、位置決め精度が向上する。また、簡単な構成のレーザ走査装置を用いて、信頼性高く位置決めできる。

以下、本発明のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図１は、レーザ加工機が有するガルバノスキャナサーボ機構６００の一実施例のブロック図である。上位制御装置１０に、ガルバノスキャナ制御装置２０が接続されている。ガルバノスキャナ制御装置２０には、ガルバノアクチュエータ１１０を有するガルバノスキャナ１００が接続されている。ガルバノアクチュエータ１１０の一方端には、ミラーマウント１３１を介してミラー１３０が装着されている。ガルバノアクチュエータ１１０の他端には、角度検出器１２０が取り付けられている。ミラー１３０からの出射ビーム１３２を制御するＦθレンズ１４０が、ミラー１３０の出射側に設けられている。

上位制御装置１０はＮＣプログラムを解釈し、指定された位置にレーザビーム３０を位置決めできるようガルバノスキャナ制御装置２０にガルバノスキャナ１００の目標位置決め角度１１を指令する。ガルバノスキャナ制御装置２０に目標位置決め角度１１が入力されると、ガルバノスキャナ制御装置２０は目標軌道と刻々のレーザビーム３０の目標位置をリアルタイムで計算する。これと並行して、角度検出器１２０の出力２２がガルバノスキャナ制御装置２０に入力され、刻々のレーザビーム３０の偏向角を検出する。ガルバノスキャナ制御装置２０は、レーザビーム３０の偏向角に基づいてレーザビーム３０の現在位置を算出する。ガルバノスキャナ制御装置２０は、レーザビーム３０の目標位置と現在位置の差に基づいて、ガルバノアクチュエータ１１０の駆動信号２１を算出し増幅して出力する。

上記処理を繰り返して、レーザビーム３０を目標位置に接近させ、位置決めが完了する。レーザビーム３０の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が送信される。上記処理において、ガルバノスキャナ１００の軸が揺動するとミラー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。ミラー１３０からの出射ビーム１３２は、Ｆθレンズ１４０を介して対象物の加工位置に照射される。例えば、ミラー１３０の３通りの揺動角に対応して異なる点Ａ〜点Ｃに、出射光１３２が位置決めされる。

図２に、図１に示したガルバノスキャナ１００の揺動部分である揺動軸アッセンブリ１００ａを模式的に示す。揺動軸１１１の中間部に、樹脂モールドされたコイル１１４が固定されている。コイル１１４は図示しない永久磁石が形成する磁場中に配置されている。コイル１１４に通電されると電磁力が発生し、揺動軸１１１を揺動させるトルクが発生する。揺動軸１１１は、コイル１１４よりも軸方向の両外側で、軸受１１２、１１３により回転自在に支持されている。軸受１１４よりもさらに軸端側には、上述したように、ミラーマウント１３１を介してミラー１３０と、揺動角を検出するエンコーダ１２０のグレーティング円板１２１が固定されている。図示しない光検出ユニットが、グレーティング円板１２１上のグレーティングの位置を検出して揺動角を計測する。

図３に、ガルバノスキャナ１００の駆動トルクτから揺動角θまでの伝達関数のゲインの周波数特性の一例を、横軸に周波数を縦軸に伝達関数のゲインをとり示す。ここで、駆動トルクτト揺動角θの間には、Ｊを慣性モーメントとして、数１で示す運動方程式が成立する。

低い周波数領域では、揺動軸アッセンブリ１１０ａは剛体として作用し、図３のグラフの左半分に見られるように、運動方程式に対応した−４０ｄＢ／ｄｅｃ（周波数が１０倍になる毎にゲインが４０ｄＢ低下すること）の直線的な特性を有する。一方、揺動軸アッセンブリ１１０ａのねじり固有振動数付近では、ピークが現れゲイン余裕を減少させる。このピークは、サーボ機構の発振の原因になる。サーボ機構の応答性を向上させるために、障害となる固有振動数付近のピークを、ノッチフィルタ等の補償要素を用いて抑制する。

図４に、ねじり固有振動数とコイル１１４の温度との関係を示す。コイル１１４の温度が上昇すると、コイル１１４部のねじり剛性が低下し、揺動軸アッセンブリ１１０ａのねじり固有振動数は、１次、２次とも直線的に低下する。ノッチフィルタ等の補償要素を有効に作用させるるために、ねじり固有振動数がコイル１１４の温度に応じて変化するよう、ノッチフィルタ等の補償要素の設定周波数をコイル１１４の温度に応じて変化させる。

図５に、ガルバノスキャナサーボ機構をブロック図で示す。図中、破線で区切られた左側の部分は、ガルバノスキャナ制御装置２０が有するプロセッサの内部におけるディジタル処理を示す。ガルバノアクチュエータ１１０の揺動角を角度検出器１２０が検出し、パルス列に変換する。変換された揺動角をガルバノスキャナ制御装置２０のパルスカウンタ２５０が可逆的に計数し、ディジタルな揺動角２５５に変換する。

目標軌道生成処理２１０は、目標値２１５を時々刻々生成する。変換された揺動角２５５を、目標軌道生成処理２１０が生成したサーボ機構の目標値２１５から減算器２１１が減算し、制御偏差２２５を算出して補償要素２２０に入力する。補償要素２２０は、制御偏差２２５と揺動角２５５を演算処理して、操作量信号２２６を算出する。算出された操作量信号２２６は、揺動軸アッセンブリ１１０ａのねじり固有振動数付近の周波数成分を抑制するねじり振動補償要素３００に入力される。

ねじり振動補償要素３００はねじり振動を補償し、Ｄ／Ａ変換器２３０に出力する。Ｄ／Ａ変換器で変換されて発生した電流指令アナログ信号２２８を、電流制御系２４０に入力する。電流制御系２４０の出力側には、ガルバノアクチュエータ１１０のコイルと電流検出抵抗２４１を直列に接続した負荷が接続されている。電流検出抵抗２４１の端子電圧を差動増幅器２４２が検出し、コイル電流値２４６として電流制御系２４０にフィードバックする。電流制御系２４０は、電流指令信号２２８とコイル電流値２４６とを比較して、電流指令信号２２８を制御する。

ところで、本発明では、コイル１１４の温度に基づいてねじり固有振動数付近の周波数成分を抑制している。そのため、ガルバノアクチュエータ１１０が有するコイル１１４の両端の電圧１１８ａ、１１８ｂを、差動増幅器２４３に入力する。差動増幅器２４３は、コイル１１４の電位差を増幅して第２のローパスフィルタ２４４ｂに入力する。ローパスフィルタ２４４ｂでフィルタリングされた信号２４４ｄは、第２のＡ／Ｄ変換器２３１ｂに入力されて、ディジタル信号に変換され、温度推定器３１０に送られる。

差動増幅器２４２で発生したコイル電流値２４６は、第２のローパスフィルタ２４４ｂと同一の遮断特性を有する第１のローパスフィルタ２４４ａに入力される。第１のローパスフィルタ２４４ａでフィルタリングされた信号２４４ｆは、第１のＡ／Ｄ変換器２３１ａに入力される。２個のＡ／Ｄ変換器２３１ａ、２３１ｂは、ディジタルサーボ演算処理に同期して実行されるＡ／Ｄ起動処理手段２３２が生成した信号２３３により同時にサンプルホールドされ、入力信号２４４ｄ、２４４ｆをＡ／Ｄ変換する。これにより、同一時刻のコイル１１４の電圧と電流が、ディジタルデータに変換される。

変換されて発生したディジタル信号２３１ｄ、２３１ｆは、温度推定器３１０に入力され、コイル１１４の温度推定値３１１が得られる。コイル１１４の温度推定値３１１は、図４に示したグラフをテーブル化した固有振動数テーブル３２０を参照するのに用いられる。固有振動数テーブル３２０を参照して、温度推定器３１０が推定した温度条件におけるガルバノスキャナ１００のねじり固有振動数３２１が得られる。得られた振動数値に応じて、ねじり振動補償要素３００の設定を調整する。これにより、ねじり固有振動数付近のピークを的確に抑制することができる。また、コイル１１４が発熱して固有振動数が変動しても、応答性を向上させることができる。

上記説明では、簡単のために温度推定器３１０を別体の装置として説明したが、実際はガルバノスキャナ制御装置２０のプロセッサがその機能を有しており、プロセッサにおけるディジタル演算処理が、温度推定器３１０の処理内容を含んでいる。図６に、温度推定器３１０が推定するガルバノスキャナ１００の動特性モデルを、制御ブロック図で示す。

コイル１１４に印加した端子電圧Ｐと逆起電力との差が、コイル１１４の電気的１次遅れ特性を経て、コイル１１４を流れる電流Ｉとなる。電流Ｉからは、この電流Ｉに比例するトルクＴが生じる。このときの比例定数を、トルク定数Ｋtで表す。揺動軸１１１には、トルクＴを慣性モーメントＪの逆数倍した角加速度が生じる。この角加速度を積分すれば、角速度Ωが得られる。逆起電力は、角速度Ωを誘起電圧定数Ｋb倍した値である。このとき、端子電圧Ｐからコイル電流Ｉまでの伝達関数は、数２で表される。

これを、サンプル周期をＴ_ｓとして離散時間化して、数３で示した差分方程式が得られる。

数３に基づいて、端子電圧ｐとコイル電流ｉの時系列データから最小自乗法を用いて、差分方程式の係数を推定する。すなわち、ｋ番目のサンプル時点では、数４を計算する。

数４を用いて、数５、数６を計算する。

数５の左辺の値が、ｋ番目のサンプル時点での差分方程式の係数の推定値である。ここでλは過去のデータに対する忘却効果を持たせる係数であり、０．９〜１程度に設定する。数２〜数６までの計算を各サンプル時点で繰り返して、数３で示した差分方程式の各係数を推定する。この推定値と予め定めた定数値とを用いて、数７、数８から、コイル１１４の抵抗値Ｒを推定する。

コイル１１４の抵抗値の上昇分は温度変化に比例するので、基準温度での抵抗値をＲ_０、比例定数をＫ_αとして、数９からコイル温度推定値３１１を算出する。

ねじり振動補償要素３００には、例えばディジタルノッチフィルタを用いる。入力をｕ、出力をｖとすれば、このフィルタの差分方程式は、数１０で表される。

ω_ｎは、このノッチフィルタが遮断する中心角周波数である。ζ_ｎおよびζ_ｄは、中心角周波数ω_ｎ近傍での遮断特性を決定するパラメータである。温度推定器３１０が推定した温度条件におけるねじり固有振動数値３２１に対応してω_ｎを設定する。これにより、ねじり振動を抑制する。本実施例によれば、温度推定の基礎となるコイル１１４の電圧と電流を等時刻で簡単に測定でき、新たなセンサを付加することなしにコイルの温度を正確に推定できる。その結果、ねじり振動を抑制できる。

本発明に係るガルバノスキャナの他の実施例を、図７および図８を用いて説明する。本実施例が上記実施例と相違するのは、コイル１１４ｂを円筒面に配置した４個のレーストラック形要素コイルで構成したことと、コイル１１４ｂと一体に導線１１５をモールドしたことにある。図７（ａ）は、揺動軸アッセンブリ１１０ｂの模式図であり、同図（ｂ）はモールドした導線１１５だけを示した図である。

揺動軸アッセンブリ１１０ｂは、４極の構成である。コイル１１４ｂの外周面に対向して、図示しない４個の永久磁石がコイル１１４ｂを取り囲むように配置されており、コイル１１４ｂの外周面と直交する半径方向に磁界を形成している。導線１１５は、揺動軸１１１が揺動しても起電力を生じないように、界磁を形成する図示しない永久磁石の磁界とスキャナの揺動による起電力とを相殺するよう配置されている。対向する導線１１５ａ、１１５ｂ：１１５ｃ、１１５ｄの起電力は、相互に打ち消しあっている。

図７に示した揺動軸アッセンブリ１１０ｂに対応するガルバノミラーサーボ機構を、図８にブロック図で示す。揺動軸アッセンブリ１１０ｂの導線１１５には、定電流電源２４５から直流電圧が印加されている。導線１１５の両端の電圧１１８ｃ、１１８ｄは、差動増幅器２４３に入力されて、電位差が計測される。計測された電位差は、Ａ／Ｄ変換器２３１でディジタル信号に変換される。変換されて得られたディジタル信号２３１ｄは、第１温度推定器３１０ａに入力されて、コイル１１４ｂの温度推定値３１１が得られる。第１温度推定器３１０ａは、ガルバノスキャナ制御装置２０が有するプロセッサであり、第１温度推定器３１０ａの温度推定は、プロセッサのディジタル演算処理である。コイル１１４ｂ部分の温度が上昇すると、導線１１５の抵抗Ｒ_ｔが増大する。抵抗値の上昇分は温度変化に比例するので、基準温度での抵抗値をＲ_ｔ０、比例定数をＫ_ｔαとして、数１１から、導線１１５の温度Ｔ_ｔ、すなわち導線１１５と一体にモールドされたコイル１１４ｂ部の温度推定値３１１を算出する。

本実施例によれば、揺動軸アッセンブリ１１０ｂの可動部の慣性モーメントをほとんど増加させずに、コイル１１４ｂ部分の温度を直接測定できる。したがって、ねじり振動を効果的に抑制できる。また、Ａ／Ｄ変換器の個数が少なくて済み、制御系を簡素化できる。

コイル１１４ｂの温度に応じてレーザビーム３０の出射光１３２の位置決め動作時間を変化させ、コイル１１４ｂの発熱量を抑制する本発明の他の実施例について、以下に説明する。この方法を、レーザスキャナ制御装置２０が有するディジタルプロセッサが実行する。図９に、ディジタルプロセッサ内の位置決め処理を、流れ図で示す。一連の穴加工位置の指示は、上位計算機１０装置から与えられる。

穴加工処理が開始５００されると、ディジタルプロセッサは、上位計算機１０とのインターフェースポートから穴加工位置を読み込む（ステップ５０１）。ディジタルプロセッサは次いで、読み込んだ穴加工位置に基づいて、図５に示したガルバノスキャナサーボ機構の目標軌道生成処理２１０に、ガルバノスキャナを位置決めすべき揺動角を位置指令として設定する（ステップ５０２）。位置指令が設定されると、タイマ割込みがあれば起動するサーボ処理プログラムが起動可能なように、移動指令フラグをＯＮにする（ステップ５０３）。

温度異常フラグの状態を、チェックする（ステップ５０４）。温度異常が発生している場合には、非常停止処理して（ステップ５０７）、レーザスキャナ制御装置の動作を停止させる。そして、位置決め処理を終了する（ステップ５１０）。温度異常が発生していない場合には、移動指令フラグがサーボ処理によりクリアされたか否かを確認する（ステップ５０５）。

移動指令フラグがクリアされていなければ、再び、温度異常をチェックするステップ５０４に戻る。移動指令フラグがクリアされていれば、移動中フラグがＯＮであるか否かをチェックする移動完了を判定する（ステップ５０６）。移動中フラグがＯＮであれば、再び温度異常のチェック処理であるステップ５０４に戻る。移動中フラグがＯＦＦであれば、温度注意フラグをチェックする（ステップ５０８）。温度注意フラグがＯＮのときは、ウェイト処理５０９を実行して、位置決め動作の時間間隔を延ばす。加工すべき次の穴があれば、再度ステップ５０１に戻って以上の動作を繰り返す。加工すべき穴が無ければ、一連の穴加工動作が終了する（ステップ５１１）。

図１０に、タイマ割込みがあったときに起動するサーボ処理を、フローチャートで示す。タイマ割込みが発生してサーボ処理が起動したら（ステップ５２０）、移動指令フラグをチェックする（ステップ５２１）。移動指令フラグがＯＮであれば、目標位置と位置指令に基づいて、予め与えられた目標軌道の定義に従って目標値を算出し、目標位置を更新する。その際、移動中フラグをＯＮに設定してから、移動指令フラグをクリアする（ステップ５２２）。次に、ガルバノスキャナ１００の揺動角を角度検出器１２０を用いて検出する角度信号取り込み処理（ステップ５２３）を実行する。補償要素２２０やねじり振動補償要素３００を備えたサーボ補償器の出力を演算して、操作量を計算する（ステップ５２４）。計算した操作量を、ガルバノスキャナ１００への操作量信号として、Ｄ／Ａ変換器２３０に出力する（ステップ５２５）。

次のタイマ割込み発生に備えて、補償要素２２０やねじり振動補償要素３００の状態量を計算し、更新する（ステップ５２６）。Ａ／Ｄ変換器２３２ａ、２３２ｂから、電圧と電流を取り込む（ステップ５２７）。上記実施例１に記載の温度推定アルゴリズムを適用した温度推定器３１０を用いて、コイル１１４、１１４ｂの温度を推定する。（ステップ５２８）。

得られた温度推定値が、予め定めた第１の規定値を越えていたら、温度異常フラグをＯＮにする（ステップ５３０）。第１の規定値以下であれば、第１の規定値より低く設定された第２の規定値を越えていないかを判定する（ステップ５３１）。温度推定値が、第２の規定値を越えていたら、温度注意フラグをＯＮにする（ステップ５３２）。温度推定値が、第１、第２の規定値のいずれをも越えていないときには、温度異常フラグおよび温度注意フラグのいずれもＯＮにしない。

次に、揺動軸１１１の揺動角が、位置指令に到達したか否かを判定する（ステップ５３４）。揺動角が位置指令に到達していれば、移動中フラグをクリアする（ステップ５３４）。そして、割込み処理を終了する（ステップ５３５）。

本実施例では、温度注意フラグを設定する際に、コイルの温度が予め定めた規定値を越えているか否かを条件としたが、温度の変化速度を判定条件に含めてもよい。温度や温度変化速度のような温度状態量に応じた判定条件を、用いることが出来る。

本発明に係るレーザスキャナ装置の他の例を、図１１および図１２を用いて説明する。本実施例では、強制冷却手段をレーザスキャナ装置が備えている。図１１に、ガルバノスキャナサーボ機構のブロック図を、図１２にガルバノスキャナの縦断面図を示す。図１１では、空気冷却する冷却系をも合わせて示している。冷却系を除けば、図５に示した実施例と同一である。

空気圧源２６０から供給された加圧空気は、フィルタ２６１で塵埃等が除去されて清浄化される。次いで、減圧弁２６２で圧力調整される。この加圧空気は、他の装置にも系統２６３から供給される。本ガルバノスキャナ装置には、系統２６３から分岐して加圧空気が供給される。供給された加圧空気は、２ポート弁２６４を経てガルバノアクチュエータ１１０に導かれる。そして、ガルバノアクチュエータ１１０の内部を流れてガルバノアクチュエータ１１０を冷却した後、大気放出２６５される。

２ポート弁２６４は、加圧空気がガルバノアクチュエータ１１０へ流入するのを制御する。ガルバノスキャナ制御装置２０のディジタルプロセッサは、温度推定器３１０の推定値に基づいて２ポート弁２６４を制御する指令を、冷却起動処理手段２７０に指令する。冷却軌道処理手段２７０は、例えば、上記実施例３に示したウェイト処理５０９に相当する処理を、２ポート弁２６４を開いて実行する。

図１２に、本実施例で用いるガルバノスキャナ１００を縦断面図で示す。コイル１１４の左右両側であって軸受１１２、１１３との間には、加圧空気の流入部２８０および流出部２８１が半径方向に形成されている。コイル１１４と揺動軸１１１とが形成する半径方向の隙間には、インナーヨーク１１７が配置されている。コイル１１４の外周側には、永久磁石１１６が配置されている。永久磁石１１４は、ケーシング１１９に保持されている。流入部２８０から流入した加圧空気は、揺動軸１１１とインナーヨーク１１７間の隙間、永久インナーヨーク１１７とコイル１１４間の隙間およびコイル１１４と永久磁石１１６間の隙間を、軸方向に図中右から左へと流れる。そして、ガルバノスキャナ１００の内部の各部を冷却した後、流出部２８１から大気に放出される。

本発明に係るレーザ加工機の一実施例を、図１３に示す。この図１３は、上記ガルバノスキャナ１００を搭載したプリント基板穴明け用レーザ加工機７００の斜視図である。ベッド４５６上には、加工用のプリント基板４５２をＸ−Ｙ方向に自在に移動可能なＸＹテーブルが載置されている。ＸＹテーブルでは、Ｘ軸駆動機構４５５上にＹ軸駆動機構４５４が配置されている。Ｙ軸駆動機構４５４の上面の所定位置には、プリント基板４５２が載置されている。

プリント基板４５２の上方には、第１、第２のガルバノスキャナ１００ａ、１００ｂが配置されている。第２のガルバノスキャナ１００ｂとプリント基板４５２間には、Ｆθレンズ１４０が配置されている。第１、第２のガルバノスキャナ１００ａ、１００ｂの先端部には、ミラー１３０ａ、１３０ｂが取り付けられている。これらのミラー１３０ａ、１３０ｂにレーザビーム３０を導く光学系が以下のように形成されている。

レーザビーム３０を発生するレーザ発振器４１０の前方には、ミラー４１３ａが配置されており、このミラー４１３ａでレーザビームの方向を変える。方向を変えたレーザビーム３０の方向をさらに変えるミラー４１３ｂのレーザビーム進行方向には、コリメータ４１２およびアパーチャ４１４を有する光学的ビーム処理系が配置されている。光学的ビーム処理系で処理されたレーザビーム３０は、複数のミラー４１３ｃ〜４１３ｆによりその進行方向を変えられ、第１のガルバノスキャナ１００ａに取り付けたミラー１３０ａに入射する。

ミラー１３０ａは、揺動のほぼ中央部である中立位置に位置するときに、図中の右方向からの入射ビームを前方向に反射する。ミラー１３０ａの揺動角度を変化させると、このミラー１３０ａの反射ビームは、Ｘ−Ｙ平面内でＹ方向に進行方向を変える。これにより、プリント基板４５２上のスポット位置が、左右方向（Ｙ軸方向）に変化する。第１のガルバノスキャナ１００ａのミラー１３０ａを通過したビームは、第２のガルバノスキャナ１００ｂのミラー１３０ｂに入射する。

ミラー１３０ｂは、揺動のほぼ中央部である中立位置に位置するときに、図中の奥方向からの入射ビームを下方向に反射する。ミラー１３０ｂの揺動角度を変化させると、このミラー１３０ｂの反射ビームは、Ｘ−Ｙ平面内でＸ方向に進行方向を変える。これにより、プリント基板４５２上のスポット位置が、前後方向（Ｘ軸方向）に変化する。ガルバノスキャナ１００ａ、１００ｂは、ねじり固有振動数の温度による変動に対し、前述の補償機能を持つ。

本実施例によれば、レーザビームによる穴明け加工が進行して、ガルバノスキャナ１００ａ、１００ｂが発熱した結果、スキャナ揺動軸のねじり固有振動数が変動しても、ビーム位置決め特性の劣化を抑制でき、レーザビーム加工における加工品質が向上する。また、以上の各実施例によれば、レーザビームを走査する装置が、発熱して応答特性が劣化するのを効果的に抑制できる。したがって、レーザ加工機の加工精度および加工効率が向上する。

本発明に係るガルバノスキャナサーボ機構の一実施例のブロック図である。 図１に示したガルバノスキャナに用いる揺動軸アッセンブリの正面図である。 ガルバノスキャナの特性を説明するグラフである。 ねじり固有振動数の温度特性を説明するグラフである。 図１に示したガルバノスキャナの制御ブロック図である。 図５に示した制御ブロックに用いる温度推定器のブロック線図である。 本発明に係るガルバノスキャナに用いる揺動軸アッセンブリの他の実施例の正面図およびそれに用いる導線の斜視図である。 図１に示したガルバノスキャナの他の実施例の制御ブロック図である。 図１に示したガルバノスキャナサーボ機構の動作を説明するフローチャートである。 図１に示したガルバノスキャナサーボ機構の動作を説明するフローチャートである。 図１に示したガルバノスキャナのさらに他の実施例の制御ブロック図である。 図１１に示した制御ブロック図を適用するガルバノスキャナの縦断面図である。 図１に示したガルバノスキャナサーボ機構を搭載したプリント基板穴明け用レーザ加工機の一実施例の斜視図である。

符号の説明

１０…上位制御装置、２０…ガルバノスキャナ制御装置、３０…レーザビーム、１００、１００ａ、１００ｂ…ガルバノスキャナ、１１０…ガルバノアクチュエータ、１１１…（揺動）軸、１１２、１１３…軸受、１１４…コイル、１１５、１１５ａ〜１１５ｄ…導線、１２０…角度検出器、１２１…グレーティング円板、１３０…ミラー、１３１…ミラーマウント、１４０…Ｆθレンズ、２１０…目標軌道生成処理、２２０…補償要素、２２５…制御偏差、２２６…操作量信号、２３０…Ｄ／Ａ変換器、２３１、２３１ａ、２３１ｂ…Ａ／Ｄ変換器、２４０…電流制御系、２４１…電流検出抵抗、２４２、２４３…差動増幅器、２４４…電源、２５０…パルスカウンタ、２６０…空気圧源、２６４…２ポート弁、３００…ねじり振動補償要素、３１０…温度推定器、３１０ａ…第１の温度推定器、３１１…コイル温度推定値、３２０…固有振動数テーブル、３２１…ねじり固有振動数値、４１０…レーザ発振器、４１２…コリメータ、４１３ａ〜４１３…ミラー、４１４…アパーチャ、４５２…プリント基板、４５３…ＸＹテーブル、４５４…Ｙ軸駆動機構、４５５…Ｘ軸駆動機構、４５６…ベッド。

Claims (11)

1. 一端側にミラーを取り付けた揺動軸と、この揺動軸の外周側に配置され揺動軸を駆動するコイルと、揺動軸を回転自在に支持しコイルの軸方向両側部に配置された軸受とを有するレーザ走査装置において、前記コイルの温度を推定する温度推定手段と推定温度に基づいて前記コイルへの通電を制御する制御装置とを設け、この制御装置は揺動軸のねじり固有振動を抑制することを特徴とするレーザ走査装置。
2. 前記温度推定手段は、前記コイルの入出力側の電圧とコイルを流れる電流値とに基づいて、コイル温度を推定することを特徴とする請求項１に記載のレーザ走査装置。
3. 前記制御装置は、コイル温度に対応するねじり固有振動数の変化を記載したテーブルを有し、前記制御装置は前記温度推定手段が推定した温度を用いてこのテーブルを参照して揺動軸のねじり固有振動を抑制することを特徴とする請求項１に記載のレーザ走査装置。
4. 前記コイルに温度検出用の導線を一体的にモールドし、この導線の出力に基づいて前記温度推定手段がコイルの温度を推定することを特徴とする請求項１に記載のレーザ走査装置。
5. 前記コイルの外周側に永久磁石を配置し、この永久磁石と前記コイル間を冷却する冷却通路を形成したことを特徴とする請求項３に記載のレーザ走査装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザ走査装置と、Ｘ−Ｙ方向に自在に移動可能で被加工物を載置するＸＹテーブルと、前記レーザ操作装置にレーザビームを出射するレーザ発振器とを備え、前記レーザ走査装置を用いて被加工物に穴明けするレーザ加工機。
7. 揺動軸の軸端部に取り付けたミラーを揺動させてレーザビームの出射方向を変えるガルバノスキャナと、揺動軸の揺動角を検出する検出器と、揺動軸およびレーザビームの出射方向を制御する制御装置とを備え、この制御装置は揺動角をフィードバックして前記ミラーを位置決めするサーボ機構を構成し、レーザビームを走査するレーザ走査装置において、前記ガルバノスキャナはコイルを有し、このコイルに印加した電圧とコイルを流れる電流を検出する手段と、実質的に同一の遮断特性を有し印加電圧または電流のいずれかをフィルタリングするフィルタと、これらのフィルタで実質的に同じ時間にサンプルした印加電圧および電流の信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器で得られたディジタル信号を処理するディジタル処理装置と、このディジタル処理装置で得られた信号に基づいて前記コイルの温度を推定し、この推定温度に基づいて前記揺動軸のねじり固有振動を抑制する手段と、この抑制手段の設定周波数を変化させる手段とを設けたことを特徴とするレーザ走査装置。
8. 揺動軸の軸端部に取り付けたミラーを揺動させてレーザビームの出射方向を変えるガルバノスキャナと、揺動軸の揺動角を検出する検出器と、揺動軸およびレーザビームの出射方向を制御する制御装置とを備え、この制御装置は揺動角をフィードバックして前記ミラーを位置決めするサーボ機構を構成し、レーザビームを走査するレーザ走査装置において、前記ガルバノスキャナはコイルを有し、このコイルと一体に形成された導線と、この導線に流れる電流から導線の抵抗値を検出する抵抗検出手段と、この抵抗検出手段の出力に基づいてコイルの温度を推定する温度推定手段と、推定温度に基づいて前記揺動軸のねじり固有振動を抑制する手段と、この抑制手段の設定周波数を変化させる手段とを設けたことを特徴とするレーザ走査装置。
9. 前記制御装置は、推定したコイル温度の状態量が所定の値を越えたらアラーム信号を発生し、予め定めたアラーム信号が発生しないときの位置決め動作の時間間隔よりも長くすることを特徴とする請求項７または８に記載のレーザ走査装置。
10. 前記電磁アクチュエータ内部を強制的に冷却または加熱する手段と、推定したコイル温度の状態量に応じてこの冷却または加熱手段の動作を制御する手段とを設けたことを特徴とする請求項７または８に記載のレーザ走査装置。
11. 請求項７ないし請求項１０のいずれかに記載のレーザ走査装置を有し、前記制御装置はレーザ走査装置を操作して被加工物に穴明けすることを特徴とするレーザ加工機。

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