JP2007272011A - ガルバノスキャナ装置及びレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】コイル温度の上昇に伴って回転軸のねじり振動の固有振動数が変化した場合であっても、加工精度を維持することができるようにする。
【解決手段】モータを構成するコイルの温度に対する回転軸１１０のねじり振動の固有振動数と、回転軸１１０のねじり振動の固有振動数のそれぞれの影響を補償することができるねじり振動安定化補償器５（デジタルフィルタ）のパラメータと、を予め求めてパラメータ設定器９０に記憶しておき、コイルの温度ｔを温度測定器８０により測定し、その結果に応じてデジタルフィルタであるねじり振動安定化補償器５のパラメータを決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザを反射させるミラーを所望の位置に位置決めするガルバノスキャナ装置及び前記ガルバノスキャナ装置を備えたレーザ加工機に関する。

図４は、レーザを走査する機能をも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におけるガルバノスキャナ装置の構成例を示すブロック図である。

ガルバノスキャナ装置はガルバノスキャナ１００とガルバノスキャナ制御装置２００とから構成されている。ガルバノスキャナ１００の内部にはコイルと磁石とからなる電磁アクチュエータ（以下、「モータ」という。）が配置されており、このモータの回転軸（揺動軸）１１０の一方の側にはミラーマウント１３１を介してミラー１３０が固定され、他方の側には回転軸１１０の揺動角を検出するための角度検出器１２０が配置されている。そして、回転軸１１０を揺動させてミラー１３０の向きを変えることにより、ミラー１３０に入射するレーザビーム３０の出射方向を変えることができる（例えば、特許文献１参照）。

上位制御装置５０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、ガルバノスキャナ制御装置２００に目標位置決め角度８を指令する。

ガルバノスキャナ制御装置２００は、指令された目標位置決め角度８に基づいて目標軌道を計算し、刻々のレーザビームの目標位置をリアルタイムで計算する。そして、レーザビームの目標位置とガルバノスキャナ１００に取り付けられた角度検出器１２０とから出力されるミラー１３０の現在位置（偏向角）９との差に基づいてモータに駆動電流Ｉを供給する。前述の処理を一定のサンプル周期毎に繰り返すことにより、ミラー１３０を目標位置に接近させ、位置決めが完了すると、ガルバノスキャナ制御装置２００は位置決め完了信号６０を上位制御装置５０に送る。

上位制御装置５０は位置決め完了信号６０を受信すると、図示を省略するレーザ発振器に指令を送り、パルス状のレ−ザビーム３０を出力させる。出力されたレ−ザビーム３０はＦθレンズ１４０を介して対象物の加工位置に照射され、プリント基板の導体層間を接続するための穴をあける（例えば、特許文献２参照）。

ところで、回転軸１１０に取り付けられたミラー１３０や角度検出器１２０の構成部品は慣性負荷として作用するので、高速動作では回転軸１１０にねじり振動が発生する。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、従来のガルバノスキャナ（ミラー）制御装置では、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（特許文献３、４）。
特開２００２−６２５５号公報 特開２００２−１３７０７４号公報 特開２００２−４０３５７号公報 特開２００２−４０３５８号公報

近年、電子機器の小型化・高機能化により、プリント基板の高密度化が進んでいる。これに伴いレーザ加工機には加工精度・加工速度に対する要求が急速に高まっている。

高速・高精度化を実現するためにモータのコイルに供給する電流値を大きくすると、抵抗発熱によりコイル温度が上昇する。コイル温度の上昇に伴って回転軸の剛性が変化する結果、回転軸のねじり振動の固有振動数が変化してミラーの位置決め精度すなわち加工精度が低下する。しかし、従来のガルバノスキャナ装置の場合、回転軸のねじり振動の固有振動数が温度によって変化することについては考慮されていない。

したがって、本発明が解決すべき課題は、コイル温度の上昇に伴って回転軸のねじり振動の固有振動数が変化した場合であっても、加工精度を維持することができるようにすることにある。

前記課題を解決するため、第１の手段は、レーザを反射させるミラーをモータの回転軸に支持させ、前記回転軸のねじり振動の固有振動数が前記ミラーの位置決めに与える影響をデジタルフィルタにより補償しながら前記回転軸を回転させて前記ミラーを所望の位置に位置決めするガルバノスキャナ装置において、前記モータを構成するコイルの温度を検出する温度検出手段と、前記コイルの温度に対する前記回転軸のねじり振動の固有振動数及び前記回転軸のねじり振動の固有振動数のそれぞれの影響を補償するための予め求められた前記デジタルフィルタのパラメータを記憶する記憶手段とを備え、前記温度検出手段によって測定された前記コイルの温度に基づいて前記デジタルフィルタのパラメータを決定することを特徴とする。

第２の手段は、第１の手段に係るガルバノスキャナ装置と、レーザの出力手段と、ワークの位置決め装置とを備え、前記レーザを前記ガルバノスキャナ装置によって前記ワークの所望の位置に照射するレーザ加工機を特徴とする。

なお、後述の実施形態では、前記温度検出手段は温度測定器８０に、記憶手段はパラメータ設定器９０にそれぞれ対応し、前記デジタルフィルタのパラメータは前記パラメータ設定器９０によって決定される。

本発明によれば、コイルに大電流を供給しても位置決め精度が低下しないので、加工能率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

以下の説明において、ガルバノスキャナ装置は前述の従来例で示したガルバノスキャナ１００とガルバノスキャナ制御装置２００とからなるもので、ガルバノスキャナ装置自体は従来例と同等に構成されている。

図１は、本実施例に係るガルバノスキャナ制御装置２００のブロック線図であり、図４の構成と同等な各部には同一の参照符号を付し、詳細な説明は省略する。なお、このガルバノスキャナ制御装置２００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、温度測定器８０、パラメータ設定器９０および加算器２０〜２３に関する処理は、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、一定サンプル周期毎の離散的な時刻(以下、「離散的時刻」と呼ぶ。)において処理演算が実行される。なお、角度検出器１２０は離散的時刻ごとに角度検出データ９を出力する。また、パラメータ設定器９０にはコイル温度ｔ毎にねじり振動安定化補償器５が演算に使用するパラメータの値が記憶されている。

次に、ガルバノスキャナ制御装置２００がミラー１３０を位置決めする手順について説明する。

離散的時刻が開始されると、加算器（減算器）２０は、上位制御から指令された位置指令データである角度指令データ８から角度検出データ９を減算し、その結果を追従誤差１５として積分補償器２に出力する。積分補償器２は追従誤差１５の時間積分を演算し、演算結果を加算器２１に出力する。

比例補償器３は角度検出データ９を比例ゲインで係数倍し、その結果を加算器２２に出力する。速度オブザーバ４は加算器２３の出力と角度検出データ９とからガルバノミラーの角速度の推定値を演算し、その結果を加算器２２に出力する。加算器２２は比例補償器３と速度オブザーバ４の出力との和を加算器２１に出力する。加算器２１は、積分補償器２の出力から加算器２２の出力を減算して、加算器２３に出力する。

加算器２３は、加算器２１の出力からねじり振動安定化補償器５の出力を減算してＤＡ変換器６に出力する。ねじり振動安定化補償器５は、デジタルフィルタであり、後述するパラメータ設定器９０により設定されたパラメータを用いて回転軸１１０が有する一つ以上のねじり振動モードに対して、このガルバノスキャナ制御装置２００のフィードバック・ループを安定化する。

ＤＡ変換器６は加算器２３の出力をアナログ値に変換する。このアナログ値は電流指令値であり、電流制御回路７は、この電流指令値に追従するように駆動電流Ｉをモータのコイルに供給する。

温度測定器８０は、後述する手順によりモータのコイル温度ｔを推定し、その結果をパラメータ設定器９０に出力する。パラメータ設定器９０は、入力されたコイル温度ｔに基づくパラメータをねじり振動安定化補償器５に設定する。

次に、温度測定器８０がコイルの温度ｔを推定する手順について説明する。なお、温度測定器８０には、予め定める基準温度ｔ０（例えば、２０度Ｃ）におけるコイルの抵抗値Ｒ０と、抵抗の温度係数ｋとが予め記憶されている。

電流制御回路７から駆動電流Ｉが出力されると、温度測定器８０はコイル両端の電圧Ｖと駆動電流値Ｉとから
Ｖ＝Ｒ１・Ｉ ・・・（１）
Ｒ１＝Ｒ０＋ｋ・（ｔ−ｔ０） ・・・（２）
によってコイルの抵抗値Ｒ１を求め、
ｔ＝ｔ０＋（Ｒ１−Ｒ０）／ｋ ・・・（３）
で示される式２を変形した式３により温度ｔを演算により求める。
前述のように、パラメータ設定器９０にはコイル温度ｔ毎にねじり振動の固有振動数の影響を抑制することができるパラメータが記憶されており、コイル温度ｔに応じた最適なパラメータを使用することにより、モータのコイル温度が変化した場合でも、ねじり振動の固有振動数の影響を抑制することができ、精度に優れる加工を行うことができる。

なお、パラメータは、一次のねじり振動の固有振動数に対するものに限らず、二次以上のねじり振動の固有振動数に対するものも用意しておくことが望ましい。

ここで、ねじり振動の固有振動数と温度との関係について説明しておく。

図２は、コイル温度に対するねじり振動の固有振動数の変化の一例を示す図である。

同図に示すように、ねじり振動の固有振動数は温度変化に対してほぼ線形に変化し、温度が上昇するにつれてねじり振動の固有振動数は小さくなる。

図３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を省略してある。また、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は、実施例１で説明したコイル発熱によるねじれ振動固有振動数の変化に起因するサーボ特性を補正する機能を備えている。

同図において、レーザ発振器４０１から出力されたレーザビーム３０は、ミラー４０４ａ、ミラー４０４ｂを介して、コリメータ４０３やアパーチャ４０５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４０４ｃ、ミラー４０４ｄ、ミラー４０４ｅ、ミラー４０４ｆ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４５３上に載置されたプリント基板４５２に照射される。なお、ＸＹテーブル４５３はＹ軸駆動機構４５４によりＹ軸方向に駆動され、Ｙ軸駆動機構４５４はＸ軸駆動機構４５５によりＸ軸方向に駆動されるので、ＸＹテーブル４５３のＸＹ方向への移動位置決めが実現される。Ｘ軸駆動機構４５５はベッド４５６の上に固定されている。

本発明に係るガルバノスキャナ装置のブロック線図である。 コイル温度に対するねじり振動の固有振動数の変化の一例を示す図である。 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。 従来のプリント基板穴明け用レーザ加工機の構成図である。

符号の説明

５ ねじり振動安定化補償器（デジタルフィルタ）
８０ 温度測定器
９０ パラメータ設定器
１００，１００ａ，１００ｂ ガルバノスキャナ
１１０ 回転軸
１３０ ミラー
２００ ガルバノスキャナ制御装置
ｔ コイルの温度

Claims (2)

1. レーザを反射させるミラーをモータの回転軸に支持させ、前記回転軸のねじり振動の固有振動数が前記ミラーの位置決めに与える影響をデジタルフィルタにより補償しながら前記回転軸を回転させて前記ミラーを所望の位置に位置決めするガルバノスキャナ装置において、
   前記モータを構成するコイルの温度を検出する温度検出手段と、
   前記コイルの温度に対する前記回転軸のねじり振動の固有振動数及び前記回転軸のねじり振動の固有振動数のそれぞれの影響を補償するための予め求められた前記デジタルフィルタのパラメータを記憶する記憶手段と、
   を備え、
   前記温度検出手段によって測定された前記コイルの温度に基づいて前記デジタルフィルタのパラメータを決定することを特徴とするガルバノスキャナ装置。
2. 請求項１記載のガルバノスキャナ装置と、
   レーザの出力手段と、
   ワークの位置決め装置と、
   を備え、前記レーザを前記ガルバノスキャナ装置によって前記ワークの所望の位置に照射することを特徴とするレーザ加工機。
   

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