JP2011253125A - ガルバノ装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ミラーの倒れに起因する物品の加工精度の低下を抑制することができるガルバノ装置を提供する。
【解決手段】第１のミラー１１と、第１のミラーを回転させる第１のモータ１２と、第１のミラーの回転角度を検出する第１の検出部１３と、第１の検出部で検出される第１のミラーの回転角度が目標角度となるように、第１のモータに電流を供給する第１の駆動部と、当該電流の電流値とこれに対応する第１のミラーの倒れ角度との関係を表すモデルを参照して、第１の駆動部によって第１のモータに供給された電流値に対応する第１のミラーの倒れ角度を推定する第１の推定部と、第１の推定部で推定された第１のミラーの倒れ角度が許容値を超えるかどうかを判定し、許容値を超えている場合に、第１のミラーの倒れ角度が許容値に収まるように、第１の駆動部による駆動電流の供給を調整する処理を行う処理部と、を有することを特徴とするガルバノ装置１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガルバノ装置及びレーザ加工装置に関する。

レーザ穴あけ装置、レーザトリマ装置、レーザリペア装置などのレーザ加工装置（工作機械）においては、ガルバノ装置が使用されている。ガルバノ装置は、モータの回転軸に取り付けられたミラーの回転角度を制御しながら、かかるミラーでレーザ光を反射して目標位置に照射する。レーザ光の照射位置を目標位置に高精度に位置決めするためには、ミラーの回転角度を高精度に制御することが必要となる。そこで、ガルバノ装置には、ミラーの回転角度を検出する検出器（例えば、静電容量センサ、光学式又は磁気式エンコーダ）が備えられている。なお、レーザ加工装置には高速性も求められているため、ガルバノ装置のミラーを高速に回転駆動する必要がある。

また、ガルバノ装置では、モータの回転軸及びミラーの動バランスが取れていない場合やモータの磁石及びコイルによって生じる力に回転方向以外の成分が含まれている場合に、ミラーがモータの回転軸に対して倒れ方向に振動する振動モードが励起される。そこで、ミラーの倒れ方向の振動を抑制するために、モータの回転軸に対する動バランスを調整する技術が従来から提案されている（特許文献１参照）。

特開昭６１−１１６６３２号公報

しかしながら、従来技術では、レーザの照射位置（即ち、ミラーの回転角度）を高速、且つ、高精度に位置決めする際に、ミラーの倒れ方向の振動を十分に取り除くことができない。また、ミラーの倒れ方向の振動は、従来のガルバノ装置が有するようなミラーの回転角度を検出する検出器では検出することができないため、かかる振動が存在したまま物品が加工され、物品の加工不良が生じる可能性がある。特に、レーザを複数の照射位置のそれぞれに連続的に位置決めする場合には、ミラーの倒れ方向の振動が十分に減衰する前に次の位置決め動作が行われることがあり、振動の波が重ね合わされてより大きな振動が生じてしまうことがある。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、ミラーの倒れに起因する物品の加工精度の低下を抑制することができる技術を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としてのガルバノ装置は、第１のミラーと、前記第１のミラーを回転させる第１のモータと、前記第１のミラーの回転角度を検出する第１の検出部と、前記第１の検出部で検出される前記第１のミラーの回転角度が目標角度となるように、前記第１のモータを駆動するための電流を前記第１のモータに供給する第１の駆動部と、前記第１のモータに供給される電流の電流値と当該電流値に対応する前記第１のミラーの倒れ角度との関係を表すモデルを参照して、前記第１の駆動部によって前記第１のモータに電流を供給したときの当該電流の電流値に対応する前記第１のミラーの倒れ角度を推定する第１の推定部と、前記第１の推定部で推定された前記第１のミラーの倒れ角度が許容値を超えるかどうかを判定し、前記第１の推定部で推定された前記第１のミラーの倒れ角度が許容値を超えていると判定した場合に、前記第１のミラーを目標角度に回転させたときの前記第１のミラーの倒れ角度が許容値に収まるように、前記第１の駆動部による前記第１のモータへの電流の供給を調整する処理を行う処理部と、を有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、ミラーの倒れに起因する物品の加工精度の低下を抑制する技術を提供することができる。

第１の実施形態におけるガルバノ装置の構成を示す概略図である。 図１に示すガルバノ装置におけるミラーの軸倒れ方向への振動を説明するための図である。 式１に示すモデルを用いてミラーの倒れ角度を推定した結果を示す図である。 図１に示すガルバノ装置を適用したレーザ加工装置の構成を示す概略図である。 図１に示すガルバノ装置に適用される第２の実施形態におけるミラーの位置決め制御系の構成の一例を示す概略ブロック図である。 第２の実施形態におけるガルバノ装置のミラーの位置決めを説明するための図である。 第２の実施形態におけるガルバノ装置のミラーの位置決めを説明するための図である。 第３の実施形態におけるガルバノ装置のミラーの位置決めを説明するための図である。 第３の実施形態におけるガルバノ装置のミラーの位置決めを説明するための図である。 第４の実施形態におけるレーザ加工装置の構成を示す概略図である。 図１０に示すレーザ加工装置におけるミラーの位置決め制御系の構成の一例を示す概略ブロック図である。 第４の実施形態におけるガルバノ装置のミラーの位置決めを説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態におけるガルバノ装置１の構成を示す概略図である。ガルバノ装置１は、例えば、レーザ穴あけ装置、レーザトリマ装置、レーザリペアなどのレーザ加工装置に適用され、レーザ光を反射して被照射体（加工対象の物品）の目標位置に照射するための装置である。ガルバノ装置１は、ミラー１１と、モータ１２と、検出部１３と、制御部１４とを有する。

ミラー１１は、モータ１２の回転軸１２ａに取り付けられ、レーザ光を被照射体や他のミラーに向けて反射する。モータ１２は、ミラー１１を回転させる回転モータである。検出部１３は、本実施形態では、モータ１２の回転軸１２ａに取り付けられたロータリエンコーダで構成され、ミラー１１の回転角度（即ち、回転軸１２ａの回転角度）を検出する。制御部１４は、ミラー１１の回転角度を制御する機能を有し、例えば、検出部１３で検出されたミラー１１の回転角度が目標角度となるように、モータ１２を制御する。

ここで、制御部１４について詳細に説明する。制御部１４は、本実施形態では、演算部１４１と、駆動部１４２と、推定部１４３とを含む。

演算部１４１には、検出部１３で検出されたミラー１１の回転角度とミラー１１の目標とする角度、即ち、ミラー１１の目標角度が入力される。演算部１４１は、ミラー１１の回転角度と目標角度との差分を求め、かかる差分がゼロとなるように（即ち、ミラー１１の回転角度が目標角度となるように）、モータ１２に供給する電流の電流値を決定する。演算部１４１で決定された電流値は、駆動部１４２及び推定部１４３に入力される。駆動部１４２は、演算部１４１で決定された電流値に従って、モータ１２を駆動するための電流をモータ１２に供給する。モータ１２は、駆動部１４２から供給される電流に応じて、ミラー１１を回転方向Ｄ１に回転させて目標角度に位置決めする。

この際、ミラー１１は、軸倒れ方向Ｄ２に倒れて振動する。なお、ミラー１１の軸倒れとは、基準軸（回転軸１２の設計上の中心軸）に対してミラー１１が傾くことを意味し、以下、基準軸に対するミラー１１の角度を倒れ角度と称する。図２（ａ）は、ミラー１１を目標角度に回転させたときのミラー１１の回転角度（検出部１３で検出されたミラー１１の回転角度）と目標角度との差分及びミラー１１の倒れ角度（実測値）との関係を示す図である。なお、ミラー１１の倒れ角度の測定は、測定系の制限によって、ミラー１１の位置決めを開始してから４００μｓｅｃ後に開始されている。また、図２（ａ）に示すようにミラー１１を目標角度に回転させたときの駆動部１４２からモータ１２に供給された電流の波形を図２（ｂ）に示す。

図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照するに、モータ１２に供給される電流の電流値［Ａ］に対応するミラー１１の倒れ角度θ［ｒａｄ］は、以下の式１に示すように、１自由度減衰系の伝達関数モデルで近似表現することができる。なお、式１において、ｓは、ラプラス演算子である。
θ＝（１．０６１×１０^２）／（ｓ^２＋４２７．３ｓ＋２．５４７×１０^８） ・・・（式１）
式１に示すモデルを用いてミラー１１の倒れ角度を推定した結果を図３に示す。図３では、縦軸にミラー１１の倒れ角度を採用し、横軸にミラー１１の位置決めを開始してからの時間を採用している。図２（ａ）と図３とを比較するに、ミラー１１の倒れ角度の実測値と式１に示すモデルを用いたミラー１１の倒れ角度の推定値とが、精度よく一致していることが分かる。

推定部１４３は、上述したようなモータ１２に供給される電流の電流値とミラー１１の倒れ角度との関係を表すモデルを参照して、駆動部１４２によってモータ１２に供給された電流の電流値に対応するミラー１１の倒れ角度を推定する。推定部１４３で推定されたミラー１１の倒れ角度は、推定倒れ角度として出力され、例えば、処理部に提供される。なお、処理部は、ミラー１１の推定倒れ角度が許容値を超えているかどうかを判定する。そして、処理部は、ミラー１１の推定倒れ角度が許容値を超えていると判定した場合、ミラー１１を目標角度に回転させるときのミラー１１の倒れ角度を許容値に収めるための処理（駆動部１４２によるモータ１２への電流の供給を調整する処理）を行う。

図４は、図１に示すガルバノ装置１を適用したレーザ加工装置２の構成を示す概略図である。レーザ加工装置２は、加工対象の物体ＯＢに照射するレーザ光ＬＬを発する照射部２２０と、レーザ光ＬＬのＸ軸方向の照射位置を制御する第１のユニットと、レーザ光ＬＬのＹ軸方向の照射位置を制御する第２のユニットと、主制御部２３０とを有する。なお、Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交する軸である。

第１のユニットは、Ｘ軸ミラー（第１のミラー）２０１と、Ｘ軸ミラー２０１を回転させるＸ軸モータ（第１のモータ）２０２と、Ｘ軸ミラー２０１の回転角度を検出するＸ軸検出部（第１の検出部）２０３とを含む。更に、第１のユニットは、Ｘ軸モータ２０２を制御するＸ軸制御部２０４と、Ｘ軸ミラー２０１の目標角度を指令（入力）してレーザ光ＬＬのＸ軸方向の照射位置を制御するＸ軸モータ位置指令部２０５とを含む。

第２のユニットは、Ｙ軸ミラー（第２のミラー）２０６と、Ｙ軸ミラー２０６を回転させるＹ軸モータ（第２のモータ）２０７と、Ｙ軸ミラー２０６の回転角度を検出するＹ軸検出部（第２の検出部）２０８とを含む。更に、第２のユニットは、Ｙ軸モータ２０７を制御するＹ軸制御部２０９と、Ｙ軸ミラー２０６の目標角度を指令（入力）してレーザ光ＬＬのＹ軸方向の照射位置を制御するＹ軸モータ位置指令部２１０とを含む。

Ｘ軸制御部２０４は、図１を参照して説明した制御部１４に相当する構成を有し、Ｘ軸ミラー２０１の倒れ角度を推定する（第１の推定部）と共に、Ｘ軸モータ２０２を駆動するための電流をＸ軸モータ２０２に供給する（第１の駆動部）。同様に、Ｙ軸制御部２０９は、図１を参照して説明した制御部１４に相当する構成を有し、Ｙ軸ミラー２０６の倒れ角度を推定する（第２の推定部）と共に、Ｙ軸モータ２０７を駆動するための電流をＹ軸モータ２０７に供給する（第２の駆動部）。なお、Ｘ軸制御部２０４は、主制御部２３０に対して、推定したＸ軸ミラー２０１の倒れ角度を示すＸ軸ミラー推定倒れ角度を提供し、Ｙ軸制御部２０９は、推定したＹ軸ミラー２０６の倒れ角度を示すＹ軸ミラー推定倒れ角度を提供する。また、Ｘ軸モータ２０２の回転軸とＹ軸モータ２０７の回転軸とは、互いに直交している。

物体ＯＢを加工する（即ち、物体ＯＢにレーザ光ＬＬを照射する）際には、主制御部２３０は、Ｘ軸モータ位置指令部２０５及びＹ軸モータ位置指令部２１０のそれぞれに対して、物体ＯＢにおけるレーザ光ＬＬの照射位置の座標を指令する。Ｘ軸モータ位置指令部２０５及びＹ軸モータ位置指令部２１０のそれぞれは、主制御部２３０から指令された座標をＸ軸ミラー２０１の目標角度及びＹ軸ミラー２０６の目標角度に変換し、かかる目標角度をＸ軸制御部２０４及びＹ軸制御部２０９に指令する。

なお、主制御部２３０は、Ｘ軸制御部２０４から提供されるＸ軸ミラー推定倒れ角度及びＹ軸制御部２０９から提供されるＹ軸ミラー推定倒れ角度が許容値を超えている場合には、それらが許容値に収まるまで照射部２２０によるレーザ光ＬＬの照射を停止する。そして、主制御部２３０は、Ｘ軸ミラー推定倒れ角度及びＹ軸ミラー推定倒れ角度が許容値に収まった後に、物体ＯＢへのレーザ光ＬＬの照射が開始又は再開されるように、照射部２２０、Ｘ軸モータ位置指令部２０５及びＹ軸モータ位置指令部２１０を制御する。

このように、本実施形態では、Ｘ軸ミラー２０１及びＹ軸ミラー２０６を目的角度に回転させることによって倒れ（振動）が生じた場合には、それぞれのミラーの倒れ角度が許容値に収まるまで物体ＯＢへのレーザ光ＬＬの照射（物体ＯＢの加工）を停止する。従って、レーザ加工装置２は、物体ＯＢの加工不良を低減して、物体ＯＢを高精度に加工することができる。
＜第２の実施形態＞
レーザ加工装置では、ガルバノ装置に対してミラーの位置決めを指令し、加工対象の物体上の加工位置（照射位置）にレーザ光を照射する。その際、加工対象の物体上の加工位置は予め決まっており、かかる加工位置にレーザ光を照射するためのミラーの目標角度も決まっている。従って、ガルバノ装置のミラーを次の目標角度へ位置決めするタイミング（位置決めを開始する時刻）が決まれば、第１の実施形態で説明したようなモデルを用いることによって、そのときのミラーの倒れ角度を推定することが可能である。そこで、本実施形態では、加工対象の物体を加工する（加工対象の物体にレーザ光を照射する）ときのミラーの倒れ角度が許容値に収まるように、ミラーの位置決めを開始する前に調整時間（待機時間）を挿入する。

図５は、図１に示すガルバノ装置１に適用される本実施形態におけるミラー１１の位置決め制御系の構成の一例を示す概略ブロック図である。本実施形態では、モータ１２は、駆動部１４２から供給される電流の電流値に対して、検出部１３で検出されるミラー１１の回転角度が１．７３６×１０^４／ｓ^２の伝達関数モデルで近似表現されるモータモデルを有するものとする。また、ミラー１１及び検出部１３は、回転方向Ｄ１の運動に対して、ねじれ運動しない剛体であるものとする。

本実施形態におけるミラー１１の位置決め制御系は、図５に示すように、２自由度制御系のデジタル制御系で構成されている。なお、推定部１４３は、式１に示すモデルを用いてミラー１１の倒れ角度を推定する。２自由度制御系でのフィードフォワード制御電流加算項５１は、終端状態制御によるジャーク最小化軌道で設計されている。また、参照角度５２は、フィードフォワード制御電流加算項５１をモータ１２のモータモデルに入力して、その角度応答を求めた値を設定している。従って、フィードバック制御系５３は、モータ１２のモータモデルから得られる回転角度とモータ１２の実際の回転角度（即ち、検出部１３で検出されるミラー１１の回転角度）とが一致している場合には機能しない。なお、本実施形態では、モータ１２のモータモデルから得られる回転角度とモータ１２の実際の回転角度とが一致しているものとする。

終端状態制御は、例えば、「ナノスケールサーボ制御」（東京電気大学出版局、Ｐ１７４〜Ｐ１７８）で詳しく説明されており、制御対象に入力を与えて、システムの初期状態を有限時間で指定した終端状態にする制御である。本実施形態では、制御対象であるモータ１２のモータモデルを伝達関数モデルから離散時間システムモデルに変換して、モータ１２に供給する電流をモータ１２の加速度の１階微分の総和を最小化する、所謂、ジャーク最小化軌道で設計した。

本実施形態では、以下に示すように、７×１０^−３［ｒａｄ］の同じ回転量（角度移動量）でミラー１１の位置決めを２回連続して行った場合について具体的に説明する。
１回目の位置決め
初期状態での角度位置：ｘ［０］＝０［ｒａｄ］
終端状態での角度位置：ｘ［Ｎ］＝７×１０^−３［ｒａｄ］
２回目の位置決め
初期状態での角度位置：ｘ［０］＝７×１０^−３［ｒａｄ］
終端状態での角度位置：ｘ［Ｎ］＝１４×１０^−３［ｒａｄ］
サンプリング周波数は１５０ｋＨｚとし、終端ステップ数は７９とした。なお、終端ステップ数は、ミラー１１を初期状態から終端状態にするまでのサンプリング回数である。

１回目の位置決めと２回目の位置決めとでは、回転量、回転方向及び終端ステップ数が同じであるため、駆動部１４２から供給される電流の電流値に対するモータ１２の角度応答は同じである。

１回目の位置決めを行うための指令（駆動部１４２への電流の供給）に対して、ミラー１１が終端状態になった後に調整時間を設定し、２回目の位置決めを行うための指令を行った。１回目の位置決めと２回目の位置決めとの間に設定される調整時間を６６．４［μｓｅｃ］ずつ変更してミラー１１の倒れ角度を推定した結果を図６（ａ）、図６（ｂ）、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す。図６（ａ）、図６（ｂ）、図７（ａ）及び図７（ｂ）の上段には、ミラー１１の倒れ角度（推定値）が実線で、検出部１３で検出されるミラー１１の回転角度が破線で示されている。また、図６（ａ）、図６（ｂ）、図７（ａ）及び図７（ｂ）の下段には、駆動部１４２からモータ１２に供給された電流の波形が示されている。

ここで、ガルバノ装置のミラーの位置決めが完了した後において、レーザ加工装置が加工対象の物体にレーザ光を照射する処理に要する時間を２００［μｓｅｃ］とする。また、物体の加工精度を満たすためには、ミラーの回転角度と目標角度との差分、及び、ミラーの倒れ角度を１０［μｒａｄ］以下にする必要があるものとする。

図６（ａ）、図６（ｂ）及び図７（ａ）のそれぞれに示すように、調整時間が１９９．２×１０^−６［ｓｅｃ］、２６５．６×１０^−６［ｓｅｃ］及び３３２．０×１０^−６［ｓｅｃ］である場合には、ミラーの倒れ角度が１０［μｒａｄ］以上生じている。また、図７（ａ）を参照するに、調整時間が３３２．０×１０^−６［ｓｅｃ］である場合、ミラーの倒れ角度を１０［μｒａｄ］以下にするためには、２．７［ｍｓｅｃ］を要することがわかる。

一方、図７（ｂ）に示すように、調整時間が３９８．４×１０^−６［ｓｅｃ］である場合には、２回目の位置決め完了時にミラーの倒れ角度が１０［μｒａｄ］以下になっており、１．５［ｍｓｅｃ］後にレーザ光の照射を行う条件が整っていることがわかる。

このように、本実施形態では、ガルバノ装置のミラーの倒れ角度が許容値に収まった後にミラーを次の目標角度に回転させる際に、駆動部によるモータへの電流の供給タイミングを制御する。具体的には、ガルバノ装置のミラーを次の目標角度に回転させるための電流をモータに供給する時刻の前に、ミラーの倒れ角度を許容値に収めるための調整時間を設定する。これにより、ミラーの倒れ（又は振動）を抑制することが可能となり、加工対象の物体を高速、且つ、高精度に加工することができる。

本実施形態では、同じ回転量（角度移動量）でミラーの位置決めを２回連続して行った場合について説明した。但し、異なる回転量で、或いは、２回以上連続してミラーの位置決めを行う場合であっても、同様に、ミラーの倒れ角度を許容値に収めるための調整時間を設定することで、加工対象の物体の高速、且つ、高精度な加工を実現することができる。

また、本実施形態では、終端状態を用いた２自由度制御系でミラーの位置決め制御系を構成したが、１自由度制御系やその他の２自由度制御系などでミラーの位置決め制御系を構成することもできる。

また、レーザ光の照射を厳密に制御できる場合には、ミラーの倒れ角度が許容値に収まっているときだけにレーザ光を照射することを組み合わせることによって、加工対象の物体を更に高精度に加工することが可能となる。
＜第３の実施形態＞
上述したように、ガルバノ装置のミラーを次の目標角度へ位置決めするタイミング（位置決めを開始する時刻）が決まれば、第１の実施形態で説明したようなモデルを用いることによって、そのときのミラーの倒れ角度を推定することが可能である。そこで、本実施形態では、加工対象の物体を加工する（加工対象の物体にレーザ光を照射する）ときのミラーの倒れ角度が許容値に収まるように、ミラーの位置決めに要する時間を調整（長く）する。

本実施形態では、以下に示すように、７×１０^−３［ｒａｄ］の同じ回転量（角度移動量）でミラー１１の位置決めを２回連続して行った場合について具体的に説明する。なお、ミラー１１の位置決め制御系の構成については、第２の実施形態と同様である。
１回目の位置決め
初期状態での角度位置：ｘ［０］＝０［ｒａｄ］
終端状態での角度位置：ｘ［Ｎ］＝７×１０^−３［ｒａｄ］
サンプリング周波数：１５０ｋＨｚ
終端ステップ数：７９
２回目の位置決め
初期状態での角度位置：ｘ［０］＝７×１０^−３［ｒａｄ］
終端状態での角度位置：ｘ［Ｎ］＝１４×１０^−３［ｒａｄ］
サンプリング周波数：１５０ｋＨｚ
終端ステップ数：７９、９０、１０５
１回目の位置決めと２回目の位置決めとでは、回転量及び回転方向は同じであるが、終端ステップ数が異なるため、駆動部１４２から供給される電流の電流値に対するモータ１２の角度応答も異なる。

１回目の位置決めを行うための指令（駆動部１４２への電流の供給）に対して、ミラー１１が終端状態になった後に、レーザ光の照射に要する時間として２００［μｓｅｃ］を経過させ、２回目の位置決めを行うための指令を行った。２回目の位置決めにおける終端ステップ数を７９、９０、１００としてミラー１１の倒れ角度を推定した結果を図８（ａ）、図８（ｂ）及び図９に示す。図８（ａ）、図８（ｂ）及び図９の上段には、ミラー１１の倒れ角度（推定値）が実線で、検出部１３で検出されるミラー１１の回転角度が破線で示されている。また、図８（ａ）、図８（ｂ）及び図９の下段には、駆動部１４２からモータ１２に供給された電流の波形が示されている。

ここで、第２の実施形態と同様に、物体の加工精度を満たすためには、ミラーの回転角度と目標角度との差分、及び、ミラーの倒れ角度を１０［μｒａｄ］以下にする必要があるものとする。

図８（ａ）に示すように、２回目の位置決めにおける終端ステップ数が７９である場合には、２回目の位置決め完了時において、ミラーの倒れ角度が１０［μｒａｄ］以上生じている。そして、ミラーの倒れ角度が１０［μｒａｄ］以下に収まるまでには、３．２［ｍｓｅｃ］を要することがわかる。また、図８（ｂ）に示すように、２回目の位置決めにおける終端ステップ数が９０である場合には、ミラーの倒れ角度が１０［μｒａｄ］以下に収まるまでには、２回目の位置決め完了時から２．２［ｍｓｅｃ］を要することがわかる。

一方、図９に示すように、２回目の位置決めにおける終端ステップ数が１０５である場合には、２回目の位置決め完了時にミラーの倒れ角度が１０［μｒａｄ］以下になっており、１．４［ｍｓｅｃ］後にレーザ光の照射を行う条件が整っていることがわかる。

このように、本実施形態では、ガルバノ装置のミラーの倒れ角度が許容値を超えない範囲でミラーを次の目標角度へ位置決めする時間を調整してモータを制御する。これにより、ミラーの倒れ（又は振動）を制御することが可能となり、加工対象の物体を高速、且つ、高精度に加工することができる。

本実施形態では、同じ回転量（角度移動量）でミラーの位置決めを２回連続して行った場合について説明した。但し、異なる回転量で、或いは、２回以上連続してミラーの位置決めを行う場合であっても、同様に、次の目標角度にミラーを回転させる位置決め時間を調整することで、加工対象の物体の高速、且つ、高精度な加工を実現することができる。
＜第４の実施形態＞
図１０は、本発明の第４の実施形態におけるレーザ加工装置２Ａの構成を示す概略図である。レーザ加工装置２Ａは、加工対象の物体ＯＢに照射するレーザ光ＬＬを発する照射部２２０と、レーザ光ＬＬのＸ軸方向の照射位置を制御する第１のユニットと、レーザ光ＬＬのＹ軸方向の照射位置を制御する第２のユニットと、主制御部２３０とを有する。なお、Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交する軸である。

第１のユニットは、Ｘ軸ミラー（第１のミラー）２０１と、Ｘ軸ミラー２０１を回転させるＸ軸モータ（第１のモータ）２０２と、Ｘ軸ミラー２０１の回転角度を検出するＸ軸検出部（第１の検出部）２０３とを含む。更に、第１のユニットは、Ｘ軸モータ２０２を制御するＸ軸制御部２０４と、Ｘ軸ミラー２０１の目標角度を指令（入力）してレーザ光ＬＬのＸ軸方向の照射位置を制御するＸ軸モータ位置指令部２０５とを含む。

第２のユニットは、Ｙ軸ミラー（第２のミラー）２０６と、Ｙ軸ミラー２０６を回転させるＹ軸モータ（第２のモータ）２０７と、Ｙ軸ミラー２０６の回転角度を検出するＹ軸検出部（第２の検出部）２０８とを含む。更に、第２のユニットは、Ｙ軸モータ２０７を制御するＹ軸制御部２０９と、Ｙ軸ミラー２０６の目標角度を指令（入力）してレーザ光ＬＬのＹ軸方向の照射位置を制御するＹ軸モータ位置指令部２１０とを含む。

Ｘ軸制御部２０４及びＹ軸制御部２０９のそれぞれは、図１を参照して説明した制御部１４に相当する構成を有し、Ｘ軸ミラー２０１の倒れ角度及びＹ軸ミラー２０６の倒れ角度を推定する。Ｘ軸制御部２０４は、主制御部２３０に対して、推定したＸ軸ミラー２０１の倒れ角度を示すＸ軸ミラー推定倒れ角度を提供し、Ｙ軸制御部２０９は、推定したＹ軸ミラー２０６の倒れ角度を示すＹ軸ミラー推定倒れ角度を提供する。また、Ｘ軸モータ２０２の回転軸とＹ軸モータ２０７の回転軸とは、互いに直交している。

物体ＯＢを加工する（即ち、物体ＯＢにレーザ光ＬＬを照射する）際には、主制御部２３０は、Ｘ軸モータ位置指令部２０５及びＹ軸モータ位置指令部２１０のそれぞれに対して、物体ＯＢにおけるレーザ光ＬＬの照射位置の座標を指令する。Ｘ軸モータ位置指令部２０５及びＹ軸モータ位置指令部２１０のそれぞれは、主制御部２３０から指令された座標をＸ軸ミラー２０１の目標角度及びＹ軸ミラー２０６の目標角度に変換し、かかる目標角度をＸ軸制御部２０４及びＹ軸制御部２０９に指令する。この際、Ｘ軸モータ位置指令部２０５の補償部２０５ａは、Ｙ軸制御部２０９で推定されたＹ軸ミラー２０６の倒れ角度に起因するレーザ光ＬＬのＸ軸方向の位置ずれが補償されるように、Ｘ軸制御部２０４に指令するＸ軸ミラー２０１の目標角度を補正する。同様に、Ｙ軸モータ位置指令部２１０の補償部２１０ａは、Ｘ軸制御部２０４で推定されたＸ軸ミラー２０１の倒れ角度に起因するレーザ光ＬＬのＹ軸方向の位置ずれが補償されるように、Ｙ軸制御部２０９に指令するＹ軸ミラー２０６の目標角度を補正する。

このように、本実施形態では、Ｘ軸ミラー２０１の倒れ角度を、Ｙ軸モータ２０７でＹ軸ミラー２０６を回転させることによって補償し、Ｙ軸ミラー２０６の倒れ角度を、Ｘ軸モータ２０２でＸ軸ミラー２０１を回転させることによって補償する。従って、レーザ加工装置２Ａは、物体ＯＢの加工不良を低減して、物体ＯＢを高精度に加工することができる。

図１１は、レーザ加工装置２ＡにおけるＸ軸ミラー２０１及びＹ軸ミラー２０６の位置決め制御系の構成の一例を示す概略ブロック図である。本実施形態では、Ｘ軸モータ２０２は、駆動部から供給される電流の電流値に対して、Ｘ軸検出部２０３で検出されるＸ軸ミラー２０１の回転角度が１．７３６×１０^４／ｓ^２の伝達関数モデルで近似表現されるモータモデルを有するものとする。同様に、Ｙ軸モータ２０７は、駆動部から供給される電流の電流値に対して、Ｙ軸検出部２０８で検出されるＹ軸ミラー２０６の回転角度が１．７３６×１０^４／ｓ^２の伝達関数モデルで近似表現されるモータモデルを有するものとする。また、Ｘ軸ミラー２０１、Ｙ軸ミラー２０６、Ｘ軸検出部２０３及びＹ軸検出部２０８は、回転方向の運動に対して、ねじれ運動しない剛体であるものとする。

本実施形態におけるＸ軸ミラー２０１及びＹ軸ミラー２０６の位置決め制御系は、図１１に示すように、２自由度制御系のデジタル制御系で構成されている。なお、Ｘ軸推定部１１０１及びＹ軸推定部１１０２のそれぞれは、式１に示すモデルを用いてＸ軸ミラー２０１の倒れ角度及びＹ軸ミラー２０６の倒れ角度を推定する。

Ｘ軸ミラー２０１の位置決め制御について説明する。２自由度制御系でのＸ軸フィードフォワード制御電流加算項１１０３は、終端状態制御によるジャーク最小化軌道で設計されている。Ｘ軸参照角度１１０４は、Ｘ軸フィードフォワード制御電流加算項１１０３をＸ軸モータ２０２のモータモデルに入力して、その角度応答を求めた値を設定している。Ｘ軸フィードバック制御系１１０５には、Ｙ軸推定部１１０２で推定されたＹ軸ミラー２０６の倒れ角度をＸ軸参照角度１１０４に加算した値からＸ軸ミラー２０１の回転角度を減算した値が入力される。Ｘ軸フィードフォワード制御電流加算項１１０３からの出力とＸ軸フィードバック制御系１１０５からの出力との加算から得られる電流値がＸ軸推定部１１０１に入力され、Ｘ軸ミラー２０１の傾き角度が推定される。また、Ｙ軸推定部１１０２で推定されたＹ軸ミラー２０６の倒れ角度がＸ軸モータモデルの逆モデル１１０６に入力され、Ｙ軸ミラー２０６の倒れ角度を補償するためにＸ軸モータ２０２に供給する電流の電流値が算出される。Ｘ軸フィードフォワード制御電流加算項１１０３からの出力とＸ軸フィードバック制御系１１０５からの出力との加算から得られる電流値と、Ｘ軸モータモデルの逆モデル１１０６から出力される電流値とを加算した電流値をＸ軸モータ２０２に供給する。従って、Ｘ軸フィードバック制御系１１０５は、Ｘ軸モータ２０２のモータモデルから得られる回転角度とＸ軸モータ２０２の実際の回転角度（即ち、Ｘ軸検出部２０３で検出されるＸ軸ミラー２０１の回転角度）とが一致している場合には機能しない。なお、本実施形態では、Ｘ軸モータ２０２のモータモデルから得られる回転角度とＸ軸モータ２０２の実際の回転角度とが一致しているものとする。

Ｙ軸ミラー２０６の位置決め制御について説明する。２自由度制御系でのＹ軸フィードフォワード制御電流加算項１１０７は、終端状態制御によるジャーク最小化軌道で設計されている。Ｙ軸参照角度１１０８は、Ｙ軸フィードフォワード制御電流加算項１１０７をＹ軸モータ２０７のモータモデルに入力して、その角度応答を求めた値を設定している。Ｙ軸フィードバック制御系１１０９には、Ｘ軸推定部１１０１で推定されたＸ軸ミラー２０１の倒れ角度をＹ軸参照角度１１０８に加算した値からＹ軸ミラー２０６の回転角度を減算した値が入力される。Ｙ軸フィードフォワード制御電流加算項１１０７からの出力とＹ軸フィードバック制御系１１０９からの出力との加算から得られる電流値がＹ軸推定部１１０２に入力され、Ｙ軸ミラー２０６の傾き角度が推定される。また、Ｘ軸推定部１１０１で推定されたＸ軸ミラー２０１の倒れ角度がＹ軸モータモデルの逆モデル１１１０に入力され、Ｘ軸ミラー２０１の倒れ角度を補償するためにＹ軸モータ２０７に供給する電流の電流値が算出される。Ｙ軸フィードフォワード制御電流加算項１１０７からの出力とＹ軸フィードバック制御系１１０９からの出力との加算から得られる電流値と、Ｙ軸モータモデルの逆モデル１１１０から出力される電流値とを加算した電流値をＹ軸モータ２０７に供給する。従って、Ｙ軸フィードバック制御系１１０９は、Ｙ軸モータ２０７のモータモデルから得られる回転角度とＹ軸モータ２０７の実際の回転角度（即ち、Ｙ軸検出部２０８で検出されるＹ軸ミラー２０６の回転角度）とが一致している場合には機能しない。なお、本実施形態では、Ｙ軸モータ２０７のモータモデルから得られる回転角度とＹ軸モータ２０７の実際の回転角度とが一致しているものとする。

上述したように、Ｘ軸ミラー２０１の倒れ角度及びＹ軸ミラー２０６の倒れ角度は、（１．０６１×１０^２）／（ｓ^２＋４２７．３ｓ＋２．５４７×１０^８）の１自由度減衰系の伝達関数モデルで近似表現することができる。また、駆動部から供給される電流の電流値に対して、Ｘ軸検出部２０３及びＹ軸検出部２０８のそれぞれで検出されるＸ軸ミラー２０１の回転角度及びＹ軸ミラー２０６の回転角度の応答は、伝達関数１．７３６×１０^４／ｓ^２で求められる。従って、Ｘ軸ミラー２０１の倒れ角度を補正するために必要なＹ軸モータ２０７の応答は、｛（１．０６１×１０^２）／（ｓ^２＋４２７．３ｓ＋２．５４７×１０^８）｝／（１．７３６×１０^４／ｓ^２）となる。

本実施形態では、レーザ光の照射位置をＸ軸方向のみに位置決めする際に、７×１０^−３［ｒａｄ］の回転量（回転移動量）でＸ軸ミラー２０１の位置決めを１回行った場合について具体的に説明する。なお、Ｘ軸ミラー２０１の倒れ角度はＹ軸モータ２０７でＹ軸ミラー２０６を回転させることによって補償し、Ｙ軸ミラー２０６の倒れ角度は補償しないものとする。

Ｘ軸ミラー２０１の初期状態での角度位置をｘ［０］＝０［ｒａｄ］、終端状態での角度位置をｘ［Ｎ］＝７×１０^−３［ｒａｄ］とし、サンプリング周波数を１５０ｋＨｚ、終端ステップ数を７９とする。

Ｘ軸ミラー２０１の倒れ角度を図１２（ａ）の上段に、Ｘ軸モータ２０２に供給された電流の波形を図１２（ａ）の下段に示す。また、図１２（ａ）の上段に示すＸ軸ミラー２０１の倒れ角度を補償するために必要なＹ軸ミラー２０６の回転角度を図１２（ｂ）の上段に、Ｙ軸モータ２０７に供給された電流の波形を図１２（ｂ）の下段に示す。

図１２（ａ）と図１２（ｂ）とを比較するに、Ｘ軸ミラー２０１の倒れ角度とＹ軸ミラー２０６の回転角度とは、位相が１８０度異なっており、Ｘ軸ミラー２０１の倒れ角度をＹ軸ミラー２０６の回転によって補正できていることがわかる。同様に、Ｙ軸ミラー２０６の倒れ角度もＸ軸ミラー２０１の回転によって補正できることが理解されるであろう。なお、Ｘ軸ミラー２０１の倒れ角度をＹ軸ミラー２０６の回転によって補正する際には、Ｙ軸ミラー２０６にも倒れ角度が生じるが、その倒れ角度の大きさは非常に小さいため無視することができる。勿論、Ｙ軸ミラー２０６の倒れ角度を、Ｘ軸ミラー２０１の回転によって再度補正してもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims (6)

1. 第１のミラーと、
   前記第１のミラーを回転させる第１のモータと、
   前記第１のミラーの回転角度を検出する第１の検出部と、
   前記第１の検出部で検出される前記第１のミラーの回転角度が目標角度となるように、前記第１のモータを駆動するための電流を前記第１のモータに供給する第１の駆動部と、
   前記第１のモータに供給される電流の電流値と当該電流値に対応する前記第１のミラーの倒れ角度との関係を表すモデルを参照して、前記第１の駆動部によって前記第１のモータに電流を供給したときの当該電流の電流値に対応する前記第１のミラーの倒れ角度を推定する第１の推定部と、
   前記第１の推定部で推定された前記第１のミラーの倒れ角度が許容値を超えるかどうかを判定し、前記第１の推定部で推定された前記第１のミラーの倒れ角度が許容値を超えていると判定した場合に、前記第１のミラーを目標角度に回転させたときの前記第１のミラーの倒れ角度が許容値に収まるように、前記第１の駆動部による前記第１のモータへの電流の供給を調整する処理を行う処理部と、
   を有することを特徴とするガルバノ装置。
2. 前記処理部は、前記処理として、前記第１のミラーを次の目標角度に回転させるための電流を前記第１のモータに供給する時刻の前に、前記第１のミラーの倒れ角度を許容値に収めるための調整時間を設定することを特徴とする請求項１に記載のガルバノ装置。
3. 前記処理部は、前記処理として、前記第１のミラーの倒れ角度が許容値に収まるように、前記第１のミラーを回転させて次の目標角度へ位置決めする時間を調整することを特徴とする請求項１に記載のガルバノ装置。
4. 前記第１のミラー、前記第１のモータ、前記第１の検出部、前記第１の駆動部及び前記第１の推定部は、第１のユニットを構成し、
   前記ガルバノ装置は、第２のミラーと、前記第２のミラーを回転させる第２のモータと、前記第２のミラーの回転角度を検出する第２の検出部と、前記第２の検出部で検出される前記第２のミラーの回転角度が目標角度となるように、前記第２のモータを駆動するための電流を前記第２のモータに供給する第２の駆動部と、前記第２のモータに供給される電流の電流値と当該電流値に対応する前記第２のミラーの倒れ角度との関係を表すモデルを参照して、前記第２の駆動部によって前記第２のモータに電流を供給したときの当該電流の電流値に対応する前記第２のミラーの倒れ角度を推定する第２の推定部とを含む第２のユニットを更に有し、
   前記第１のモータの回転軸と前記第２のモータの回転軸とは互いに直交しており、
   前記処理部は、前記処理として、前記第１のユニットの前記第１の推定部で推定された前記第１のミラーの倒れ角度を前記第２のユニットの前記第２の推定部で推定された前記第２のミラーの倒れ角度で補償することを特徴とする請求項１に記載のガルバノ装置。
5. 被照射体にレーザ光を照射するレーザ加工装置であって、
   請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載のガルバノ装置と、
   前記ガルバノ装置の第１のミラーに前記レーザ光を照射する照射部と、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
6. 被照射体にレーザ光を照射するレーザ加工装置であって、
   ガルバノ装置と、
   前記ガルバノ装置に前記レーザ光を照射する照射部と、
   制御部と、
   を有し、
   前記ガルバノ装置は、
   ミラーと、
   前記ミラーを回転させるモータと、
   前記ミラーの回転角度を検出する検出部と、
   前記検出部で検出される前記ミラーの回転角度が目標角度となるように、前記モータを駆動するための電流を前記モータに供給する駆動部と、
   前記モータに供給される電流の電流値と当該電流値に対応する前記ミラーの倒れ角度との関係を表すモデルを参照して、前記駆動部によって前記モータに電流を供給したときの当該電流の電流値に対応する前記ミラーの倒れ角度を推定する推定部と、
   を含み、
   前記制御部は、前記ミラーの回転角度を制御することで前記被照射体における前記レーザ光の照射位置を制御すると共に、前記推定部で推定された前記ミラーの倒れ角度が許容値を超えている場合に前記ミラーの倒れ角度が許容値に収まるまで前記照射部による前記レーザ光の照射を停止することを特徴とするレーザ加工装置。

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