JP2014186043A - 面倒れ量検出装置、加工位置制御装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で容易にガルバノミラーの面倒れを検出する面倒れ量検出装置を得ること。
【解決手段】レーザ光を加工エリアに設定された加工位置に偏向させるガルバノミラー３Ｙの回転軸上に配置されてガルバノミラー３Ｙと同じ動作を行う第１の電極としての被検出部１１Ｙと、被検出部１１Ｙから所定の距離だけ離されて固定配置された第２の電極としての固定電極１４Ｙと、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の静電容量に応じた電極間電圧を検出する電圧検出部と、電極間電圧に基づいてガルバノミラー３Ｙの面倒れ量を検出する面倒れ量検出部と、を備え、面倒れ量検出部は、ガルバノミラー３Ｙの面倒れ量として、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の距離である電極間距離を算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガルバノスキャナの面倒れを検出する面倒れ量検出装置、加工位置制御装置およびレーザ加工装置に関する。

被加工物へのレーザ加工を行うレーザ加工装置は、ガルバノスキャナによって被加工物へのレーザ光照射位置（加工位置）を制御している。ガルバノスキャナは、同じピッチの加工位置移動を繰り返すと、加工位置移動の移動周期によってはロータおよびミラーの面倒れ共振を誘発する。そして、共振が発生すると、ガルバノスキャナによる加工位置の移動方向と直交する方向に加工位置の位置ずれが生じる。

ところが、エンコーダによるガルバノスキャナの角度位置検出だけでは、面倒れ共振現象を検出することができない。また、ロータの重量バランス調整を厳密に実施することにより、面倒れ共振現象を軽減する方法があるが、要求される位置決め速度が上昇するに伴って加振力も増大し、バランス調整のみでは必要な位置決め精度を得ることが困難になってきている。このような、面倒れ共振を検出する方法として、レーザ光のビーム位置に基づいて面倒れ共振を検出する方法がある（例えば、特許文献１，２参照）。

特開昭６３−２８５５１２号公報 特開昭６１−１２８２２２号公報

しかしながら、上記前者および後者の従来技術では、レーザ光のビーム位置を検出する装置の構成が複雑で高価になるので、実際にガルバノミラーの面倒れを検出することは困難であるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で容易にガルバノミラーの面倒れを検出する面倒れ量検出装置、加工位置制御装置およびレーザ加工装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ光を加工エリアに設定された加工位置に偏向させるガルバノミラーの回転軸上に配置されて前記ガルバノミラーと同じ動作を行う第１の電極と、前記第１の電極から所定の距離だけ離されて固定配置された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量に応じた前記第１の電極と前記第２の電極との間の電極間電圧を検出する電圧検出部と、前記電極間電圧に基づいて前記ガルバノミラーの面倒れ量を検出する面倒れ量検出部と、を備え、前記面倒れ量検出部は、前記ガルバノミラーの面倒れ量として、前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離である電極間距離を算出することを特徴とする。

本発明によれば、第１の電極と第２の電極との間の静電容量に応じた電極間電圧に基づいて、ガルバノミラーの面倒れ量として、第１の電極と第２の電極との間の距離である電極間距離を算出するので、簡易な構成で容易にガルバノミラーの面倒れを検出することが可能になるという効果を奏する。

図１は、実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 図２は、制御装置の構成を示すブロック図である。 図３は、ガルバノミラーの構成を示す図である。 図４は、面倒れ量検出部の構成を示す図である。 図５は、面倒れ量検出部の他の構成を示す図である。 図６は、ガルバノスキャナの構成を示す図である。 図７は、面倒れ共振現象を説明するための図である。 図８は、反射角度のずれ量を説明するための図である。 図９は、電極間距離の変位量とミラー面の倒れ角との関係を説明するための図である。 図１０は、反射角度のずれ量とレーザ光照射位置のずれ量の関係を説明するための図である。 図１１は、ガルバノミラーの撓み角と反射角のずれ量の関係を説明するための図である。 図１２は、反射角度にずれが無い場合のレーザ光照射位置を示す図である。 図１３は、反射角度にずれが有る場合のレーザ光照射位置を示す図である。 図１４は、Ｘ方向の位置ずれ量を説明するための図である。 図１５は、Ｘ方向の位置ずれ補正を説明するための図である。 図１６は、被検出部と固定電極の接続構成を示す図である。 図１７は、静電容量検出センサの構成例を示す図である。 図１８は、被検出部と固定電極との間の距離の算出方法を説明するための図である。 図１９は、静電容量と電極間距離の関係を示す図である。 図２０は、電極間電圧と電極間距離の関係を示す図である。 図２１は、変位量算出部の構成を示す図である。 図２２は、電流源回路の構成例を示す図である。 図２３は、静電容量検出センサの他の構成例を示す図である。 図２４は、電極間距離に応じた電圧検出を行う回路の回路構成例を示す図である。 図２５は、検出電圧から電極間距離への換算方法を説明するための図である。 図２６は、制御装置のハードウェア構成を示す図である。 図２７は、ガルバノミラーへ送る指示情報の作成処理例を説明するための図である。 図２８は、面倒れ量の変化周期を説明するための図である。 図２９は、ガルバノミラーへ送る指示情報の他の作成処理例を説明するための図である。 図３０は、固定電極の他の構成例を示す図である。 図３１は、シールド配線の構成例を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る面倒れ量検出装置、加工位置制御装置およびレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は、実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。レーザ加工装置１００は、レーザ光（パルスレーザ光）Ｌ１の照射（サイクルパルスモード）によって被加工物Ｗに微細穴を穴開け加工する装置である。

本実施の形態では、静電容量式の距離センサをＸ軸、Ｙ軸の各ガルバノミラーに取り付けておき、ガルバノミラーの面倒れ共振によるミラー面の変位量（ずれ量）を検出する。そして、ガルバノミラーの変位に対するレーザ工照射位置（加工位置）の位置ずれを、ガルバノミラーのミラー面が変位していない方のガルバノミラーでキャンセルし、これにより加工位置の位置決め精度を向上させる。

レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌ０を発振するレーザ発振器１、レーザ光Ｌ０を整形するとともに所望のビーム形状、ビームエネルギーに調整する像転写光学機構２、被加工物（ワーク）Ｗのレーザ加工を行うレーザ加工部４、制御装置２０を備えている。なお、ここでのサイクルパルスモードは、被加工物Ｗに設定された複数の穴あけ加工位置を順次走査し、各穴に対するレーザ照射を複数サイクルで行なう加工処理（レーザ光を１ショットずつ照射するサイクルを複数回繰り返す加工処理）である。

レーザ発振器１は、レーザ光Ｌ０を発振し、像転写光学機構２に送出する。像転写光学機構２は、コリメーションレンズ２Ｃ、マスク２Ｍを備えている。コリメーションレンズ２Ｃは、レーザ発振器１からのレーザ光Ｌ０を集光して光軸を調整（平行化）し、マスク２Ｍはレーザ光Ｌ０のビーム形状を整形する。

レーザ加工部４は、ガルバノミラー３Ｘ，３Ｙ、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙ、ｆθレンズ６、ＸＹテーブル８、面倒れ量検出部１０Ａを備えている。ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙは、レーザ光Ｌ０の軌道を変化させて被加工物Ｗへの照射位置を移動させる機能（位置決め機能）を有しており、レーザ光Ｌ０をＸ−Ｙ方向に走査するため、ガルバノミラー３Ｘ，３Ｙを所定の角度に回動させる。これにより、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙは、ガルバノミラー３Ｘ，３Ｙに、レーザ光Ｌ１を加工エリアに設定された加工位置に偏向させる。

ガルバノミラー３Ｘ，３Ｙは、像転写光学機構２のマスク２Ｍから出射されたレーザ光（光ビーム）Ｌ０を反射させるとともに任意の角度に偏向させる。ガルバノミラー３Ｘは、レーザ光Ｌ０をＸ方向に偏向させ、ガルバノミラー３Ｙは、レーザ光Ｌ０をＹ方向に偏向させる。ｆθレンズ６は、レーザ光Ｌ０を被加工物Ｗの表面に対して垂直な方向に偏向させるとともに、レーザ光Ｌ０を被加工物Ｗの加工位置（表面）に集光（照射）させる。

ガルバノミラー３Ｘ，３Ｙは、それぞれ面倒れ共振（ウォブリング）の検出に用いられる被検出部（後述の被検出部１１Ｘ，１１Ｙ）を備えている。ガルバノミラー３Ｘが備える被検出部１１Ｘは、ガルバノミラー３Ｘの面倒れ共振検出に用いられ、ガルバノミラー３Ｙが備える被検出部１１Ｙは、ガルバノミラー３Ｙの面倒れ共振検出に用いられる。本実施の形態では、レーザ加工中に発生する面倒れ共振を検出するため、被検出部１１Ｘ，１１Ｙの各近傍に固定電極（後述の固定電極１４Ｘ，１４Ｙ）を配置しておく。

被検出部１１Ｘおよび固定電極１４Ｘに接続されるとともに、被検出部１１Ｙおよび固定電極１４Ｙに接続されている。面倒れ量検出部１０Ａは、ガルバノミラー３Ｘ，３Ｙの面倒れ共振によるミラー面の位置ずれ量（面倒れ量）を検出し、検出結果を制御装置２０に送る。

面倒れ量検出部１０Ａは、被検出部１１Ｘと固定電極１４Ｘとの間の距離に応じて変化する被検出部１１Ｘと固定電極１４Ｘとの間の静電容量に基づいて、被検出部１１Ｘと固定電極１４Ｘとの間の距離を検出する。同様に、面倒れ量検出部１０Ａは、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の距離に応じて変化する被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の静電容量に基づいて、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の距離を検出する。被検出部１１Ｘと固定電極１４Ｘとの間の距離、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の距離は、それぞれガルバノミラー３Ｘ，３Ｙの面倒れ量に応じて変化する。

制御装置２０は、面倒れ量検出部１０Ａから送られてくる検出結果（被検出部１１Ｘと固定電極１４Ｘとの間の距離、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の距離）に基づいて、ガルバノミラー３Ｘ，３Ｙの位置を補正する。制御装置２０は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータによって構成されており、レーザ発振器１、像転写光学機構２、レーザ加工部４をＮＣ（Numerical Control）制御等によって制御する。

被加工物Ｗは、プリント基板等であり、複数の穴あけ加工が行なわれる。ＸＹテーブル８は、被加工物Ｗを載置するものであり、図示しないＸ軸モータおよびＹ軸モータの駆動によってＸ軸−Ｙ軸２次元平面を自在に移動する。ＸＹテーブル８は、レーザ光Ｌ１が照射される加工エリアをＸＹ方向に移動させる。

図２は、制御装置の構成を示すブロック図である。制御装置２０は、面倒れ量検出部１０Ａに接続されており、面倒れ量検出部１０Ａは、被検出部１１Ｘ，１１Ｙと固定電極１４Ｘ，１４Ｙに接続されている。また、制御装置２０は、ＸＹテーブル８、レーザ発振器１、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙに接続されている。

制御装置２０は、入力部２１、加工プログラム記憶部２２、補正量算出部２３、指示作成部２４、出力部２５を備えている。入力部２１は、面倒れ量検出部１０Ａから検出結果（ガルバノミラー３Ｘ，３Ｙの面倒れ量に対応する電極間距離）を入力し、補正量算出部２３に送る。

加工プログラム記憶部２２は、被加工物Ｗのレーザ加工に用いる加工プログラムを記憶するメモリなどである。加工プログラム内には、被加工物Ｗ上の加工位置（座標）などが設定されている。

補正量算出部２３は、ガルバノミラー３Ｘ，３Ｙの面倒れ量に基づいて、レーザ工照射位置の補正量（以下、加工位置補正量という）を算出する。制御装置２０では、予め面倒れ量に対する加工位置補正量の関係を加工プログラム記憶部２２内などで記憶しておき、補正量算出部２３は、面倒れ量に対する加工位置補正量の関係と、検出された面倒れ量と、に基づいて、加工位置補正量を算出する。補正量算出部２３は、算出した加工位置補正量を指示作成部２４に送る。

指示作成部２４は、加工プログラム記憶部２２内の加工プログラムに基づいて、ＸＹテーブル８、レーザ発振器１への指示情報を作成する。また、指示作成部２４は、加工プログラムに基づいて、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙへの指示情報を作成する。また、本実施の形態の指示作成部２４は、補正量算出部２３が算出した加工位置補正量を用いて、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙへの位置指令を補正する補正位置指令を作成する。指示作成部２４は、面倒れ共振によって生じるレーザ光照射位置の位置ずれが打ち消されるよう（所望のレーザ光照射位置にレーザ光が照射されるよう）補正位置指令を作成する。指示作成部２４は、加工プログラムに基づいた位置指令と、補正位置指令と、を用いて、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙへの指示情報（位置指令）を作成する。

指示作成部２４は、作成した指示情報を出力部２５に送る。出力部２５は、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙへの指示情報をガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙに送り、ＸＹテーブル８、レーザ発振器１への指示情報をそれぞれＸＹテーブル８、レーザ発振器１に送る。

ここで、ガルバノミラー３Ｘ，３Ｙの構成について説明する。なお、ガルバノミラー３Ｘとガルバノミラー３Ｙは、同様の構成を有するので、以下では、ガルバノミラー３Ｙの構成について説明する。また、ガルバノスキャナ５Ｘとガルバノスキャナ５Ｙは、同様の構成を有するので、ガルバノスキャナを説明する際には、ガルバノスキャナ５Ｙについて説明する。

図３は、ガルバノミラーの構成を示す図である。被検出部１１Ｙは、ガルバノミラー３Ｙの回転軸上（ロータ５２と略同軸軸上）に配置されてガルバノミラー３Ｙと同じ動作を行なう。被検出部１１Ｙ、ガルバノミラー３Ｙは、加工位置をＹ方向に位置決めする際には、ロータ５２の軸方向を回転軸として回転し（動作ａ）、面倒れ共振の際には、ガルバノミラー３Ｙのミラー面に略垂直な方向に移動（動作ｂ）する。

ガルバノミラー３Ｙは、概略平板状をなしており、例えば、主面の長手方向の一方の端部（先端）に被検出部１１Ｙが配置され、他方の端部（後端）に棒状部材で構成されたロータ５２が接合されている。

被検出部１１Ｙは、例えば円柱状をなしており、その柱軸がロータ５２の柱軸と同じ方向になるよう、ガルバノミラー３Ｙに接合されている。被検出部１１Ｙは、導体を用いて形成されている。

ロータ５２は、その柱軸を回転軸として回転できるよう構成されており、ロータ５２が軸回転することにより、ガルバノミラー３Ｙが回転し、これにより被検出部１１Ｙは、ガルバノミラー３Ｙと同様に軸回転する。

被検出部１１Ｙの近傍には、面倒れ共振があった場合でも被検出部１１Ｙに接触しないよう所定の距離だけ離れた位置に固定電極１４Ｙが配置されている。面倒れ共振が発生すると、ガルバノミラー３Ｙのミラー面が傾く。固定電極１４Ｙは、ミラー面の傾斜量に応じて変化する固定電極１４Ｙと被検出部１１Ｙとの間の距離を検出できるよう、被検出部１１Ｙに対向する位置に固定配置される。

固定電極１４Ｙは、被検出部１１Ｙの側面（曲面）の一部と略平行な平行曲面を有しており、被検出部１１Ｙの曲面と固定電極１４Ｙの曲面とが略等距離間隔で互いに対向するよう、固定電極１４Ｙが配置されている。固定電極１４Ｙは、例えば、直方体の一部（底面）が切り取られた形状を有している。直方体から切り取られる形状は、略半月状の上面および底面を有した柱状形状であり、柱状形状の曲面は、被検出部１１Ｙの曲面の一部を囲う平行曲面をなしている。

換言すると、被検出部１１Ｙのうち固定電極１４Ｙに対向する対抗面は、円柱の側面の一部を有し、固定電極１４Ｙのうち被検出部１１Ｙに対向する対抗面は、円筒の内壁面の一部を有している。そして、円筒の内壁面の一部が円柱の側面の一部を囲うよう、被検出部１１Ｙおよび固定電極１４Ｙが配置されている。

なお、被検出部１１Ｙおよび固定電極１４Ｙは、図３に示した固定電極１４Ｙの形状と被検出部１１Ｙの形状とを入れ替えた構成としてもよい。また、ここではガルバノミラー３Ｙの先端に被検出部１１Ｙを設ける場合について説明したが、被検出部１１Ｙは、何れの位置に配置してもよい。

図４は、面倒れ量検出部の構成を示す図である。面倒れ量検出部１０Ａは、静電容量検出センサ１５と、変位量算出部１６Ａと、を有している。静電容量検出センサ１５は、被検出部１１Ｙおよび固定電極１４Ｙに接続されており、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の静電容量を検出する。静電容量検出センサ１５は、検出した静電容量を変位量算出部１６Ａに送る。

変位量算出部１６Ａは、静電容量を被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の距離に換算し、換算結果（距離情報）を制御装置２０に送る。距離情報は、ガルバノミラー３Ｙの面倒れ量（傾斜量）に応じた、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の距離（電極間距離）であり、ガルバノミラー３Ｙの角度ずれ量に応じて変化する。なお、変位量算出部１６Ａは、距離情報を面倒れ量に換算し、面倒れ量を距離情報としてもよい。面倒れ量は、電極間距離の変位量であり、ミラー面の基準位置からの角度ずれ量に対応している。

制御装置２０は、変位量算出部１６Ａからの距離情報を用いてガルバノスキャナ５Ｘへの指示情報（ガルバノ指令）を作成し、ガルバノスキャナ５Ｘに送る。このように、面倒れ共振が発生した場合には、面倒れ量をキャンセルするために、面倒れ共振が発生した軸（ガルバノミラー３Ｙ）に直交する軸（ガルバノミラー３Ｘ）に補正値を含んだガルバノ指令を送る。

なお、静電容量を被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の距離が同じであっても、ガルバノミラー３Ｙの回転角度（ガルバノ角度位置）によって被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の静電容量が変化する場合がある。このため、変位量算出部１６Ａは、ガルバノ角度位置を用いて、静電容量を、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の距離に応じた静電容量に換算してもよい。これにより、正確な静電容量を算出することが可能となる。

図５は、面倒れ量検出部の他の構成を示す図である。なお、図４の面倒れ量検出部１０Ａと同様の構成を有する構成要素に関しては、その説明を省略する。ここでの面倒れ量検出部１０Ｂは、変位量算出部１６Ａの代わりに変位量算出部１６Ｂを備えている。そして、変位量算出部１６Ｂが補正部１７を備えている。

面倒れ共振現象を位置決めサーボ制御にリアルタイムに反映させるために、検出した面倒れ量を直交する軸の検出角度に加算（または減算）して補正することで、面倒れによる位置ずれをキャンセルすることができる。これにより、目標位置に移動を開始した後の面倒れ共振をリアルタイムにキャンセルすることができる。回転軸の正負の向きの設定や配置、Ｘ軸方向の設定、Ｙ軸方向の設定によっては、面倒れ量のキャンセルが、指令位置または検出位置に対する補正量の加算になったり減算になったりする場合がある。このため、補正演算については、適宜キャンセル機構が働くように符号を設定しておく。

変位量算出部１６Ｂへは、後述の角度検出器（エンコーダ）５８が検出するガルバノ角度位置が入力される。補正部１７は、ガルバノ角度位置を用いて、静電容量を、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の距離に換算する。換言すると、補正部１７は、静電容量に対応する被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の距離を、ガルバノ角度位置に応じた距離に補正する。以下の説明では、面倒れ量検出部１０Ｂが変位量算出部１６Ｂを備える場合について説明する。

図６は、ガルバノスキャナの構成を示す図である。ガルバノスキャナ５Ｙは、ガルバノミラー３Ｙ側から延びるロータ５２の一部を含んで構成されている。ガルバノスキャナ５Ｙでは、ロータ５２にベアリング５５，５７と、ミラー駆動部５６と、角度検出器５８と、が配置されている。ロータ５２は、ベアリング５５，５７によって回転自在に支持されている。

ベアリング５５は、ミラー駆動部５６とガルバノミラー３Ｙとの間に配置され、ベアリング５７は、ミラー駆動部５６と角度検出器５８との間に配置されている。ロータ５２は、その温度変化によって軸方向に伸縮が発生する。このため、ベアリング５５は、ロータ５２に対して軸方向に完全には固定されておらず、ロータ５２が伸縮する際にはロータ５２がベアリング５５をすり抜けるよう構成されている。一方、ベアリング５７は、ロータ５２を軸方向に固定している。

ミラー駆動部５６は、ロータ５２の柱軸を回転軸としてガルバノミラー３Ｙを回転させる。ミラー駆動部５６は、例えば磁石とコイルとを用いて構成されており、コイルに電流を流すことにより、磁石との間でトルクを発生させる。これにより、ロータ５２ひいてはガルバノミラー３Ｙが回転されるように働く。

角度検出器５８は、例えばエンコーダであり、ガルバノミラー３Ｙの回転角度（ガルバノ角度位置）を検出する。角度検出器５８は、検出したガルバノ回転角度を、変位量算出部１６Ｂや制御装置２０に送る。

ここで、面倒れ共振現象について説明する。図７は、面倒れ共振現象を説明するための図である。なお、図７では、ミラー駆動部５６や角度検出器５８の図示を省略している。
面倒れ共振現象は、ガルバノミラー３Ｙが、ミラー面と略垂直な方向に揺れる現象である。例えば、ガルバノミラー３Ｙの場合、ベアリング５７がロータ５２を軸方向に固定しているので、ベアリング５７よりも端部側（ガルバノミラー３Ｙ側）で面倒れ共振現象が発生する。面倒れ共振現象は、ベアリング５７を固定部分として、ロータ５２およびガルバノミラー３Ｙが撓むことで、ガルバノミラー３Ｙのミラー面の角度が変わり、偏向されるレーザ光Ｌ０の進む向きがずれる現象である。

ガルバノスキャナ５Ｙが、同じ方向に等ピッチの加工位置移動を繰り返すと、ある移動周期でロータ５２およびガルバノミラー３Ｙの面倒れ共振が発生する。換言すると、面倒れ共振は、同じ方向に等ピッチで加工位置を移動させる際に、移動周期がガルバノミラー３Ｙを含むロータ５２の面倒れ共振周波数の逆数に近いと発生する。

面倒れ共振は、ガルバノミラー３Ｙを含むロータ５２の機械的な曲げの固有振動である。等ピッチのガルバノ移動をする場合には、ガルバノミラー３Ｙの回転の加減速が周期的に発生する。この回転運動の中心からガルバノミラー３Ｙおよびロータ５２に重量のアンバランスがあると、軸の振れ回り現象が発生し、回転の加速度が軸の曲げの力に変換される。この曲げの力が加振力となり、その周期が面倒れ共振周波数の周期と近い場合には、面倒れ振動が徐々に大きくなって、加工点では大きな位置ずれ（レーザ光照射位置の位置ずれ）が発生する。面倒れ共振による位置ずれは、たとえば、加工位置の進行方向に直交する方向に現れる。

したがって、Ｘ方向の位置決めを行うガルバノミラー３Ｘで面倒れ共振が発生すると、Ｙ方向に加工位置がずれる。同様に、Ｙ方向の位置決めを行うガルバノミラー３Ｙで面倒れ共振が発生すると、Ｘ方向に加工位置がずれる。

面倒れ共振の際には、ロータ５２およびガルバノミラー３Ｙが、ベアリング５５およびベアリング５７を固定位置として、ガルバノミラー３Ｙのミラー面に略垂直な方向に揺れる。これにより、レーザ光Ｌ０のガルバノミラー３Ｙにおける反射角度が、所望の反射角度から所定量だけずれることとなる。

例えば、ロータ５２およびガルバノミラー３Ｙが、ガルバノミラー３Ｙの裏面側に最大に撓んだ状態では、レーザ光Ｌ０がＸ方向に反射角度（＋θ１）だけずれて、レーザ光Ｌ２として反射される。一方、ロータ５２およびガルバノミラー３Ｙが、ガルバノミラー３Ｙの表側に最大に撓んだ状態では、レーザ光Ｌ０がＸ方向に反射角度（−θ１）だけずれて、レーザ光Ｌ３として反射される。

換言すると、ロータ５２およびガルバノミラー３Ｙが面倒れ共振によって撓むと、レーザ光Ｌ０のＸ方向に対する反射角度に、撓み量に応じたずれ量が生じる。そして、ロータ５２およびガルバノミラー３Ｙが、最大に撓んだ状態の場合に、レーザ光Ｌ０のＸ方向の反射角度のずれ量も最大となる。

レーザ光Ｌ０の反射角度がＸ方向にずれる場合、被検出部１１Ｘの位置がずれている。このため、被検出部１１Ｘと固定電極１４Ｘとの間の距離が変化し、被検出部１１Ｘと固定電極１４Ｘとの間の静電容量が変化する。同様に、レーザ光Ｌ０の反射角度がＹ方向にずれる場合、被検出部１１Ｙの位置がずれている。このため、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の距離が変化し、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の静電容量が変化する。本実施の形態では、被検出部１１Ｘと固定電極１４Ｘとの間の静電容量、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の静電容量に基づいて、レーザ光照射位置の位置ずれ（加工位置の位置ずれ）を補正する。

図８は、反射角度のずれ量を説明するための図である。ロータ５２およびガルバノミラー３Ｙに面倒れ共振が発生していない場合、ロータ５２およびガルバノミラー３Ｙは、ガルバノミラー３Ｙの表面側にも裏面側にも撓まない。この場合、レーザ光Ｌ０のＸ方向に対する反射角度には、ずれが生じない。したがって、レーザ光Ｌ０は、ガルバノミラー３Ｙによって所望の反射角度でレーザ光Ｌ１として反射される。

一方、ロータ５２およびガルバノミラー３Ｙが、ガルバノミラー３Ｙの表面側や裏面側に撓んだ状態では、Ｘ方向の反射角度がずれて、レーザ光Ｌ２やレーザ光Ｌ３として反射される。

図９は、電極間距離の変位量とミラー面の倒れ角との関係を説明するための図である。電極間距離の変位量Ｄｘは、電極間距離の初期値からのずれ量であり、面倒れ共振によるロータ５２およびガルバノミラー３Ｙの撓み量に応じて変化するものである。面倒れ量の検出は、被検出部１１Ｙ（ミラー先端部）の面倒れ方向への変位量Ｄｘを検出することによって行なわれる。面倒れはベアリング５５とベアリング５７を支点にして、ロータ５２およびガルバノミラー３Ｙが撓むことで発生する。このため、ロータ５２を軸方向に固定しているベアリング５５から被検出部１１Ｙまでの距離をＬ（ｍｍ）とすると、電極間距離の変位量Ｄｘ（μｍ）と、ロータ５２およびガルバノミラー３Ｙの倒れ角である撓み角Φ（ｒａｄ）との関係は、Φ＝Ｄｘ／（Ｌ×１０００）となる。

図１０は、反射角度のずれ量とレーザ光照射位置のずれ量の関係を説明するための図である。図１０では、ガルバノミラー３Ｙにおいて、レーザ光Ｌ０がＸ方向に反射角度θ₂だけずれて、レーザ光Ｌ４として反射された場合のレーザ光照射位置Ｐ１を示している。

Ｘ方向への反射角度がずれることなくレーザ光Ｌ０がガルバノミラー３Ｙで反射されると、被加工物Ｗ上において、Ｘ方向にはレーザ光照射位置がずれることなく所望のレーザ光照射位置Ｐ０にレーザ光Ｌ０が照射される。したがって、レーザ光Ｌ０がＸ方向に反射角度θ₂だけずれて、レーザ光Ｌ４として反射された場合、レーザ光照射位置Ｐ０とレーザ光照射位置Ｐ１との間の距離が照射位置ずれ量（レーザ光照射位置のずれ量）Δｘとなる。この場合において、ｆθレンズ６の焦点距離をｆとすると、Δｘ＝ｆθ₂となる。

このように、ガルバノミラー３Ｙの面倒れ方向への傾きは、レーザ光Ｌ０の反射角度の角度ずれとなって現れる。そして、ｆθレンズ６の特性から、レーザ光Ｌ４の角度ずれ量（変化量）θ₂が、加工位置としてΔｘ＝ｆθ₂なる位置変位（照射位置ずれ量）に変換される。

図１１は、一般的にガルバノミラーが角度Φ変わった時に、加工される位置がどれだけずれるかを説明するための図である。ガルバノミラー３Ｙが撓み角Φで撓んだ場合、レーザ光Ｌ０がＸ方向に反射角度（２Φ）だけずれて、レーザ光Ｌ４として反射される。

ガルバノミラー３Ｙの撓み角が０の場合のレーザ光照射位置をレーザ光照射位置Ｐ２とし、ガルバノミラー３Ｙが撓み角Φで撓んだ場合のレーザ光照射位置をレーザ光照射位置Ｐ３とする。ガルバノミラー３Ｙが撓み角Φで撓んだ場合、レーザ光照射位置Ｐ２とレーザ光照射位置Ｐ３との間の距離が照射位置ずれ量Δｘとなる。この場合において、ｆθレンズ６の焦点距離をｆとすると、Δｘ＝２ｆΦとなる。

このように、ガルバノミラー３Ｙの撓み角（傾き）Φは、レーザ光Ｌ４の出射角度を２×Φだけ変化させる。したがって、Δｘ＝２ｆ×Ｄｘ／（Ｌ×１０００）となる。実際の面倒れには、ベアリング５７からの直線的な撓みばかりではなく、シャフト（ロータ５２）やガルバノミラー３Ｙの湾曲も含まれる。このため、照射位置ずれ量Δｘと電極間距離の変位量Ｄｘを直線比例的な関係として扱うばかりではなく、実際の現象にあわせた高次式を用いてもよい。

なお、レーザ加工装置１００は、ガルバノミラー３Ｙの撓み角Φと、照射位置ずれ量Δｘとの関係に基づいて、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙへの位置指令の補正を行ってもよい。この場合、ガルバノミラー３Ｙの撓み角Φと、照射位置ずれ量Δｘとの関係を予め面倒れ量検出部１０Ｂ内に記憶しておく。そして、面倒れ量検出部１０Ｂが、電極間距離の変位量Ｄｘに基づいて、撓み角Φを算出する。さらに、記憶しておいた関係と、ガルバノミラー３Ｙの撓み角Φと、に基づいて、面倒れ量検出部１０Ｂが、照射位置ずれ量Δｘを算出する。

なお、制御装置２０が、照射位置ずれ量Δｘを算出してもよい。この場合、ガルバノミラー３Ｙの撓み角Φと、照射位置ずれ量Δｘとの関係を予め加工プログラム記憶部２２などのメモリ内に記憶しておく。そして、記憶しておいた関係と、ガルバノミラー３Ｙの撓み角Φと、に基づいて、制御装置２０が、照射位置ずれ量Δｘに対応する加工位置補正量を算出する。

図１２は、反射角度にずれが無い場合のレーザ光照射位置を示す図であり、図１３は、反射角度にずれが有る場合のレーザ光照射位置を示す図である。図１２および図１３では、被加工物Ｗ上のＹ方向に負から正の方向に間隔ｄ（ピッチｄ）でレーザ光Ｌ１を照射した場合のレーザ光照射位置を示している。具体的には、１点目のレーザ光照射位置Ｈ１、２点目のレーザ光照射位置Ｈ２、ｎ点目のレーザ光照射位置Ｈｎ（ｎは３以上の自然数）の順番でレーザ光Ｌ１が照射される。

図１２に示すように、Ｘ方向の反射角度にずれが無い場合、Ｘ方向のレーザ光照射位置にもずれは生じない。そして、被加工物Ｗ上のＹ方向には間隔ｄでレーザ光Ｌ１が照射される。

一方、図１３に示すように、Ｘ方向の反射角度にずれが有る場合、Ｘ方向のレーザ光照射位置にずれが生じる。このため、被加工物Ｗ上のＹ方向には間隔ｄで、Ｘ方向には反射角度のずれ量に応じた位置ずれ量で、レーザ光Ｌ５が照射される。レーザ加工装置１００では、レーザ光Ｌ５が所定の周期（周波数）で被加工物Ｗに照射されるともに、ガルバノミラー３Ｙが所定の周期で面倒れ共振する場合がある。この場合、各レーザ光照射位置では、レーザ光Ｌ５の出射周波数およびガルバノミラー３Ｙの面倒れ共振周波数に応じたＸ方向の位置ずれ量を生じることとなる。

この場合において、図１３に示す例では、Ｘ方向の移動指令がないので、本来＋Ｙ方向にまっすぐ加工が進むことが望ましい。しかしながら、実際は面倒れ共振の誘起により、加工点で±１０μｍ程度の位置ずれ振動が発生する場合がある。例えば、レーザ加工装置１００が、プリント基板穴あけレーザ加工装置である場合、１ｍｓ程度の周期の面倒れ共振が発生することが多い。

図１４は、Ｘ方向の位置ずれ量を説明するための図である。ガルバノミラー３Ｙへは、Ｙ方向に対して所定の間隔ｄ（ここでは２ｍｍ）ずつレーザ光照射位置を移動させる指示情報（Ｙミラー位置指令）が送られる。

また、レーザ発振器１へは、各レーザ光照射位置でレーザ光Ｌ０をパルス出射させる指示情報が送られる。レーザ光Ｌ０をパルス出射させる際には、レーザ出力Ｐが所定のピーク値となるよう、レーザ発振器１が制御される。ここでは、８箇所のレーザ光照射位置にレーザ光Ｌ０が照射されるよう、ガルバノミラー３Ｙ、レーザ発振器１に指示情報が送られる場合を示している。

ガルバノミラー３Ｙの面倒れ共振は、レーザ光照射位置がＸ方向にずれる面倒れ共振である。ガルバノミラー３Ｙが所定の周期で面倒れ共振している場合、ガルバノミラー３Ｙの面倒れ量も所定の周期で変化する。ガルバノミラー３Ｙが所定の周期で面倒れ共振すると、レーザ光Ｌ０が出射されるタイミングでのガルバノミラー３Ｙのミラー面の共振位置に応じた被加工物Ｗ上の位置にレーザ光Ｌ５が照射される。これにより、例えば、レーザ光照射位置のＸ方向の位置ずれ量は、所定の周期で変化することとなる。

図１５は、Ｘ方向の位置ずれ補正を説明するための図である。ここでは、図１４で説明したＸ方向の位置ずれ量に対する位置ずれ補正について説明する。ガルバノミラー３Ｙが面倒れ共振すると、レーザ光照射位置は、面倒れ量に応じた距離（Ｘ方向）だけ位置ずれする。したがって、本実施形態では、制御装置２０の補正量算出部２３がガルバノミラー３Ｙの面倒れ量に対応する照射位置ずれ量Δｘを補正するための加工位置補正量を算出する。ガルバノミラー３Ｙで生じる面倒れ共振によって、レーザ光照射位置はＸ方向にずれる。このため、補正量算出部２３は、ガルバノミラー３Ｘへの加工位置補正量を算出する。ガルバノミラー３Ｘへの加工位置補正量は、ガルバノミラー３Ｘへの位置指令に対する補正量である。

ガルバノミラー３Ｘへの位置指令が０である場合、ガルバノミラー３Ｘの面倒れ量も０である。この場合、ガルバノミラー３Ｘは、補正量算出部２３で算出された加工位置補正量に基づいて制御される。したがって、ガルバノミラー３Ｘへは、Ｘ方向に対して加工位置補正量に応じた位置補正量ずつレーザ光照射位置を移動させる指示情報（Ｘミラー位置指令）が送られる。

つぎに、照射位置ずれ量の測定方法について説明する。図１６は、被検出部と固定電極の接続構成を示す図である。同図に示すように、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとは、所定の距離だけ離されて配置されている。そして、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙが、それぞれ交流定電流源である電流源６１に接続されている。電流源６１は、例えば、前述の静電容量検出センサ１５内に配置されている。

図１７は、静電容量検出センサの構成例を示す図である。ここでは、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとによって形成されるコンデンサ６２の静電容量を静電容量Ｃｘで示している。被検出部１１Ｙと電流源６１との間の配線および固定電極１４Ｙと電流源６１との間の配線のうち、ＯＰアンプ６４に接続されている側の配線（例えば、固定電極１４Ｙと電流源６１との間の配線）は、シールド線６０などによってシールドされている。

ωを印加する電流の角周波数として、電流源６１からＩ₀sinωｔの電流がＶｓの電圧で流されると、コンデンサ６２には、ｉの電流がＶｘの電圧（電極間電圧）で流される。被検出部１１Ｙと電流源６１との間の配線または固定電極１４Ｙと電流源６１との間の配線には、ＯＰアンプ６４の非反転入力側が接続されている。また、ＯＰアンプ６４の反転入力側と出力側には、シールド線６０が接続されている。

この場合において、ｉ＝Ｖｓ×ｊωＣｘが成立する。したがって、Ｖｓ＝ｉ／ｊωＣｘである。シールド線６０による配線のシールドが良好な場合、Ｖｓと電極間電圧Ｖｘは、ほぼ等しいので、Ｖｓを測定することによって、電極間電圧Ｖｘの値を得ることが可能となる。このように、静電容量検出センサ１５では、シールド線６０が配置されているので、コンデンサ６２の周辺にある金属（配線）の浮遊容量の影響を受けることなく、電極間電圧Ｖｘを測定することが可能となる。なお、コンデンサ６２と電流源６１とを接続する配線のうち、ＯＰアンプ６４が接続されていない側の配線をグランドに接続してもよい。

静電容量検出センサ１５の算出部６３は、静電容量Ｃｘに応じて変化する電極間電圧Ｖｘを検出するとともに電極間電圧Ｖｘの値を用いて静電容量Ｃｘを算出し、変位量算出部１６Ｂは、静電容量Ｃｘを用いて被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の電極間距離Ｄを算出する。図１８は、被検出部と固定電極との間の距離の算出方法を説明するための図である。

図１８では、説明の便宜上、被検出部１１Ｙを円板状の電極６３Ａで示し、固定電極１４Ｙを円板状の電極６３Ｂで示している。電極６３Ａと電極６３Ｂとの間の電極間距離ＤがＤであり、電極６３Ａ，６３Ｂの面積がそれぞれＳである場合、Ｓ≫Ｄ²の関係が成立すれば（ＳがＤの２乗に比べてはるかに大きい場合）、Ｃｘ＝ε×Ｓ／Ｄとなる。したがって、変位量算出部１６Ｂは、Ｃｘ＝ε×Ｓ／Ｄの関係と、静電容量Ｃｘの値とを用いて、電極間距離Ｄを算出する。ここで、εは電極間の誘電率である。したがって、静電容量Ｃｘは、電極間距離Ｄに反比例するので、静電容量Ｃｘの変化を求めれば、電極間距離Ｄの変化を測定することができる。

なお、変位量算出部１６Ｂは、電極間距離Ｄと静電容量Ｃｘの関係を予め記憶しておき、電極間距離Ｄと静電容量Ｃｘの関係に基づいて、電極間距離Ｄを算出してもよい。図１９は、静電容量と電極間距離の関係を示す図である。変位量算出部１６Ｂは、例えば、図１９に示した静電容量Ｃｘと電極間距離Ｄの関係を用いて電極間距離Ｄを算出する。

また、変位量算出部１６Ｂは、電極間距離の変位量Ｄｘと静電容量Ｃｘの関係を予め記憶しておき、電極間距離の変位量Ｄｘと静電容量Ｃｘの関係に基づいて、電極間距離の変位量Ｄｘを算出してもよい。

また、変位量算出部１６Ｂは、電極間にかかる電極間電圧Ｖｘと電極間距離Ｄの関係を予め記憶しておき、電極間電圧Ｖｘと電極間距離Ｄの関係に基づいて、電極間距離Ｄを算出してもよい。図２０は、電極間電圧と電極間距離の関係を示す図である。変位量算出部１６Ｂは、例えば、図２０に示した電極間電圧Ｖｘと電極間距離Ｄの関係を用いて電極間距離Ｄを算出する。図１９に示した電極間距離Ｄと静電容量Ｃｘの関係や、図２０に示した電極間電圧Ｖｘと電極間距離Ｄの関係は、例えば変位量算出部１６Ｂ内で記憶しておく。

また、変位量算出部１６Ｂは、電極間にかかる電極間電圧Ｖｘと電極間距離の変位量Ｄｘの関係を予め記憶しておき、電極間電圧Ｖｘと電極間距離の変位量Ｄｘの関係に基づいて、電極間距離の変位量Ｄｘを算出してもよい。

面倒れ量検出部が、電極間電圧Ｖｘと電極間距離Ｄの関係を用いて電極間距離Ｄを算出する場合の面倒れ量検出部の構成について説明する。図２１は、電極間電圧を用いて電極間距離を算出する場合の面倒れ量検出部の構成を示す図である。なお、ここでは、コンデンサ６２の一方の電極を電流源６１に接続し、他方の電極をグランドに接続している場合を示している。面倒れ量検出部１０Ｃは、高インピーダンス電圧検出部６８、整流回路６９、Ａ／Ｄ変換部７０、電極間距離算出部７１、補正部１７を備えている。

高インピーダンス電圧検出部６８によって、コンデンサ６２の電極間における電圧（電極間電圧）が検出され、検出された電極間電圧が整流回路６９で直流化される。整流回路６９で直流化された直流電圧は、Ａ／Ｄ変換部７０でＡ／Ｄ変換（アナログ信号からデジタル信号への変換）が行われる。そして、電極間距離算出部７１は、Ａ／Ｄ変換された信号を用いて、電極間距離Ｄを算出する。このとき、電極間距離算出部７１は、例えば、図２０に示した電極間電圧Ｖｘと電極間距離Ｄの関係を用いて電極間距離Ｄを算出する。そして、補正部１７で、電極間距離Ｄがガルバノ角度位置に応じた電極間距離Ｄに補正される。補正部１７は、補正した電極間距離Ｄを制御装置１０に送る。

制御装置２０の補正量算出部２３は、変位量算出部１６Ｂが算出した電極間距離Ｄを用いて、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙへの位置指令を補正するための加工位置補正量を算出する。制御装置２０では、予め加工プログラム記憶部２２内などに、電極間距離Ｄと加工位置補正量の関係を格納しておく。補正量算出部２３は、この電極間距離Ｄと加工位置補正量の関係を用いて、加工位置補正量を算出する。

なお、電極間電圧Ｖｘと加工位置補正量の関係を予め記憶しておき、電極間電圧Ｖｘと加工位置補正量の関係に基づいて、加工位置補正量を算出してもよい。この場合、変位量算出部１６Ｂが加工位置補正量を算出してもよいし、補正量算出部２３が加工位置補正量を算出してもよい。変位量算出部１６Ｂが加工位置補正量を算出する場合、電極間電圧と加工位置補正量の関係は、例えば変位量算出部１６Ｂ内に格納しておく。また、補正量算出部２３が加工位置補正量を算出する場合、電極間電圧と加工位置補正量の関係は、例えば加工プログラム記憶部２２内に格納しておく。

図２２は、電流源回路の構成例を示す図である。ここでは、電流源６１の電流源回路が、コンデンサ６２と、グランドと、に接続されている場合を示している。電流源６１の電流源回路は、Ｅ₀sinωｔの電圧を発生させる交流電圧源６５と、ＯＰアンプ７２と、抵抗値Ｒの抵抗７３と、を備えている。これにより、電流源６１からは、ｉ＝Ｅ₀／Ｒsinωｔの電流が発生する。例えば、交流の周波数として２５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度、抵抗器としてＲ＝１００ｋΩ〜１ＭΩ程度のものを使用すると良好な特性が得られる。

図２３は、静電容量検出センサの他の構成例を示す図である。なお、図１７に示した静電容量検出センサと同様の構成要素については、その説明を省略する。コンデンサ６２の一方の電極は、グランドに接続され、他方の電極は、ＯＰアンプ６４の非反転入力側と電流源６１が接続されている。そして、ＯＰアンプ６４の反転入力側と出力側には、シールド線６０が接続されている。この構成により、算出部６３は、電極間電圧Ｖｘを検出するとともに電極間電圧Ｖｘの値を用いて静電容量Ｃｘを算出し、変位量算出部１６Ｂは、静電容量Ｃｘを用いて被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の電極間距離Ｄを算出する。

電圧を検出する回路側に印加電流源ｉからの電流が流入しないよう高インピーダンスの検出回路が必要であるので、ボルテージフォロア構成としている。また、電極（固定電極１４Ｙまたは被検出部１１Ｙ）に接続する電線は、実際には浮遊容量をもち、余計な電流が流れて検出誤差になる。このため、浮遊容量の影響が現れないよう、検出電圧と同じ電圧を、低出力インピーダンスの緩衝増幅を介してシールド線６０に印加する。

ここで、電極間距離Ｄに応じた電圧の検出方法の他の例について説明する。図２４は、電極間距離に応じた電圧検出を行う回路の回路構成例を示す図である。図２４に示す電圧検出回路は、交流電圧源７７、定電流増幅回路７９、移相回路８３、電圧検出回路８０、同期整流回路８１、低域フィルタ８２を備えている。

コンデンサ６２のうちの一方の電極と、定電流増幅回路７９と、電圧検出回路８０と、が接続されている。ここでは、コンデンサ６２のうちの一方の電極である固定電極１４Ｙが定電流増幅回路７９と電圧検出回路８０に接続され、他方の電極である被検出部１１Ｙがグランドに接続されている場合について説明する。

交流電圧源７７は、基準の波形発生源として使用されるものであり、定電流増幅回路７９は入力電圧に比例した交流電流を出力するものである。また、電圧検出回路８０は、固定電極１４Ｙに発生する電圧（電圧降下）を検出するものである。移相回路８３は、入力した交流電圧源７７の位相をシフトさせ所定の位相に進相処理または遅相処理して出力するものである。

交流電圧源７７および定電流増幅回路７９は、入力信号を発生させ、移相回路８３及び同期整流回路８１は、電圧検出回路８０で検出された交流信号と、交流電圧源７７で発生した交流信号と、の周波数および位相を一致させる。

図２４に示す電圧検出回路８０では、交流電圧源７７で発生した交流定電圧ｓｉｎ２πｆｔが定電流増幅回路７９に入力され、定電流増幅回路７９は、入力電圧に比例した交流電流を出力し、固定電極１４Ｙに供給する。このとき、固定電極１４Ｙの電圧Ｖｃは、Ｖｃ＝ｉ／２πｆＣとして電圧検出回路８０に印加されるが、電圧検出回路８０の入力インピーダンスは非常に大きく、電圧検出回路８０に流入する電流の値は無視できる。電圧検出回路８０で検出された電圧は、同期整流回路８１に入力される。

同期整流回路８１では、移相回路８３の信号の位相情報をもとに電圧検出回路８０の検出信号を同期整流し、移相回路８３を通過した特定の周波数のみの信号を整流し、他の周波数成分を除去する。また、同期整流回路８１の出力は、低域フィルタ８２に入力される。低域フィルタ８２は、不要な高周波成分を除去し、距離情報出力として正確な検出出力（電極間電圧Ｖｘ）を得る。なお、印加する電流ｉに対して静電容量Ｃｘ両端に発生する電圧は位相が９０°遅れているが、移相回路８３によって位相が一致するようにして、同期検波出力が得られるようにしている。このため、同期整流回路８１では、移相回路８３の信号の位相情報をもとに電圧検出回路８０の検出信号を同期整流して抽出できる。これにより、低域フィルタ８２は、同期整流回路８１の出力として入力された信号の中から不要な高周波成分を除去し、距離情報として正確な検出出力を出力することが可能となる。

このように、電圧検出回路では、信号に混入するノイズ成分が重畳していても、周波数が一致しないのでノイズ成分を除去できる。この結果、ノイズ成分の影響を無視した電圧を検出することが可能となる。

つぎに、検出電圧（電極間電圧Ｖｘ）から電極間距離Ｄへの換算方法について説明する。電極の面積が理想無限の場合には、静電容量Ｃｘと電極間距離Ｄとの間に反比例の関係があるが、実際には面積が有限であるので反比例の関係からはずれる。図１９に示したように、電極間距離Ｄが大きくなると静電容量Ｃｘが減少するという関係がある。そして、静電容量Ｃｘが減少すると電極間電圧Ｖｘは増加する。したがって、電極間距離Ｄが増加すると、電極間電圧Ｖｘは増加する。ところが、有限の電極面積であるがために理想の反比例からずれ、実際には電極間距離Ｄと電極間電圧Ｖｘの間には、図２０に示すような単調曲線の関係がある。

電極間電圧Ｖｘから電極間距離Ｄへの換算は、図２１に示した変位量算出部１６Ｂの電極間距離算出部７１で行われる。図２５は、検出電圧から電極間距離への換算方法を説明するための図である。電極間距離Ｄの変位と電極間電圧Ｖｘとの関係は、図２０に示したように直線的ではないので、電極間距離算出部７１を設けておき、後の処理に都合が良いように電極間距離Ｄの変位と出力信号が比例するように信号を変換する。

電極間距離算出部７１へは、Ａ／Ｄ変換された信号（電極間電圧のＡ／Ｄ変換値Ｘ）が入力される。電極間距離算出部７１は、例えばＡＸ⁴＋ＢＸ³＋ＣＸ²＋ＤＸ＋Ｅなどの補正式を用いて、電極間電圧のＡ／Ｄ変換値Ｘを電極間距離Ｄに変換する。このように、電極間距離算出部７１は、４次多項式近似式などを用いることにより、電極間電圧Ｖｘを電極間距離Ｄに変換している。なお、電極間電圧のＡ／Ｄ変換値Ｘを電極間距離Ｄに変換する際に用いる補正式は、４次式に限らず３次以下の補正式であってもよいし、５次以上の補正式であってもよい。

図２６は、制御装置のハードウェア構成を示す図である。図２６では、レーザ加工装置１００の制御系の全体構成を示している。制御装置２０は、加工機制御部８８と、ガルバノ制御部９０Ｘ，９０Ｙと、テーブル駆動制御部９２と、を備えている。加工機制御部８８は、加工プログラムや面倒れ量検出部１０Ｂから送られてくるガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙの面倒れ量に基づいて、ガルバノ制御部９０Ｘ，９０Ｙ、テーブル駆動制御部９２、レーザ発振器１に指示情報を送る。

加工機制御部８８は、ガルバノ制御部９０ＸにＸ方向の位置指令を送り、ガルバノ制御部９０ＹにＹ方向の位置指令を送る。具体的には、加工機制御部８８は、ガルバノ制御部９０Ｘ，９０Ｙに、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙへの位置決め目標座標の指令を送る。

本実施の形態では、ガルバノミラー３Ｘが面倒れ共振する場合に、Ｙ方向にレーザ光Ｌ５の照射位置がずれるので、ガルバノ制御部９０Ｙに加工位置補正量を含む位置指令が送られる。また、ガルバノミラー３Ｙが面倒れ共振する場合に、Ｘ方向にレーザ光Ｌ５の照射位置がずれるので、ガルバノ制御部９０Ｘに加工位置補正量を含む位置指令が送られる。

ガルバノ制御部９０Ｘは、加工機制御部８８からの指示情報に従って、ガルバノスキャナ５Ｘを制御する。また、ガルバノ制御部９０Ｙは、加工機制御部８８からの指示情報に従って、ガルバノスキャナ５Ｙを制御する。具体的には、ガルバノ制御部９０Ｘ，９０Ｙは、それぞれガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙに対して位置決めサーボ動作を行う。そして、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙが、それぞれガルバノミラー３Ｘ，３Ｙを、ロータ５２を回転軸として所定の角度だけ回転させる。

ガルバノミラー３Ｘ，３Ｙは、例えば軽量で剛性の高いベリリウムなどで構成し、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙも高剛性となるように設計しておく。このため、ＸＹテーブル８のテーブル駆動のみで加工位置の位置決め制御を行うよりも、はるかに高速で位置決め動作を完了できる。レーザ加工装置１００は、例えば１秒間に３０００回程度の位置決めを行う。

また、加工機制御部８８は、レーザ発振器１に所望のレーザ出力およびパルス幅のレーザパルスを照射する条件およびタイミングを指示する。これにより、レーザ発振器１は、加工に必要なタイミングでレーザパルスを出すことができる。

また、図１に示したように、レーザ加工装置１００は、被加工物Ｗを載置するＸＹテーブル８を備えており、制御装置２０は、ＸＹテーブル８を位置決め駆動制御をするテーブル駆動制御部９２を有している。テーブル駆動制御部９２は、ＸＹテーブル８をＸ−Ｙ方向に位置決め駆動制御する。また、テーブル駆動制御部９２は、ｆθレンズ６の上下高さ方向（Ｚ方向）、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙを搭載するＺ軸ヘッド部分の上下高さ方向を、それぞれ位置決め駆動制御する。

図２７は、ガルバノミラーへ送る指示情報の作成処理例を説明するための図である。なお、ガルバノスキャナ５Ｘ，５Ｙは、同様の構成を有しているので、ここではガルバノスキャナ５Ｘの構成について説明する。

制御装置２０の指示作成部２４では、加工プログラムに基づいた位置指令（Ｘ方向の位置指令）と、加工位置補正量に応じた補正位置指令と、を用いて、ガルバノスキャナ５Ｘへの位置指令（指示情報）が作成される。制御装置２０からガルバノスキャナ５Ｘに送る指示情報は、位置指令に限らず角度指令でもよい。ここでは、制御装置２０からガルバノスキャナ５Ｘに送る指示情報が角度指令である場合について説明する。

指示作成部２４は、作成した位置指令をガルバノミラー３Ｘへの角度指令に変換し、出力部２５は、変換された角度指令をガルバノスキャナ５Ｘに送る。ガルバノスキャナ５Ｘは、角度指令をフィードフォワードゲイン（Ｋｆｆ）１０１に送る。また、フィードバックゲイン（Ｋ）１０２へは、制御装置２０から送られてきた角度指令からガルバノミラー３Ｘへ送る角度指令を減算したものが入力される。

フィードフォワードゲイン１０１から出力される角度指令の加速度（電流信号）は、フィードバックゲイン１０２から出力される角度指令（電流信号）に加算されて、ノッチフィルタ１０３に入力される。

ノッチフィルタ１０３では、ロータ５２やガルバノミラー３Ｘのねじれ共振周波数成分が除去される。ねじれ共振周波数が除去された角度指令は、電流アンプゲイン（Ｋｉ）１０４を介してトルク変換回路１０５に送られる。トルク変換回路１０５では、電流にトルク定数Ｋ_Tが掛けられてトルクに変換され、さらにイナーシャＪ_Sで割られることにより、加速度が出力される。ここでのイナーシャは、ロータ５２のイナーシャと、ガルバノミラー３Ｘのイナーシャと、を足したものである。

トルク変換回路１０５から出力される加速度は、積分回路１０６Ａ，１０６Ｂに送られて、積分回路１０６Ａ，１０６Ｂで積分される。これにより、積分回路１０６Ｂからガルバノミラー３Ｘへの角度指令が出力される。この角度指令は、フィードバック制御に用いられる。具体的には、制御装置２０から送られてきた角度指令からガルバノミラー３Ｘへ送る角度指令が減算されて、フィードバックゲイン１０２に送られる。

なお、電極間の静電容量Ｃｘの検出には、所定の時間を要するので、ガルバノミラー３Ｙの面倒れ量の変化周期に基づいて、補正位置指令を作成してもよい。この場合、予めガルバノミラー３Ｙの面倒れ量の変化周期を検出しておき、制御装置２０内の加工プログラム記憶部２２などに変化周期を設定しておく。そして、補正量算出部２３は、ガルバノミラー３Ｙの面倒れ量の変化周期と、面倒れ静電容量検出センサ１５で検出されたガルバノミラー３Ｙの面倒れ量と、に基づいて、補正位置指令を作成する。具体的には、補正量算出部２３は、例えば１つ前の周期で検出された面倒れ量を補正する補正位置指令を作成する。

ところで、従来のガルバノ制御系は、Ｘ軸方向のガルバノスキャナであれば、その軸の回転角度を検出するセンサ（ロータリエンコーダなど）の信号をフィードバックする制御系に加え、位置決めを高速で行うために予め制御対象のモデルを想定し、フィードフォワード制御を用いて位置決め動作を実施していた。

しかしながら、回転を検出するセンサ以外からの情報を用いることがなく、その軸の発生する面倒れ現象を抑える構成とはなっていなかった。本実施の形態では、面倒れの補正を行うために、検出した面倒れ量から加工位置のずれ量を求める。そして、直交する軸のガルバノスキャナ５Ｘへの位置指令に、加工位置のずれ量を加えることで補正を実施する。このため、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれに同様に相互の面倒れがキャンセルされるように、お互いの位置指令を補正するよう構成しておく。これにより、Ｘ軸方向の位置を制御するガルバノミラー３Ｙで発生した面倒れ量Δｙは、Ｙ軸方向のガルバノミラー３Ｙでキャンセルされ、Ｙ軸方向のガルバノミラー３Ｙで発生した面倒れ量に対応する照射位置ずれ量Δｘは、Ｘ軸方向のガルバノミラー３Ｘでキャンセルすることができる。したがって、面倒れ現象が発生していても、所望の目標位置にレーザ光Ｌ０を偏向させることができ、精度の良いレーザ加工が行える。

図２８は、面倒れ量の変化周期を説明するための図である。図２８において、横軸は時間であり、縦軸はガルバノミラー３Ｙの面倒れ量である。同図に示すように、ガルバノミラー３Ｙの面倒れ量は、所定の周期で変化する。

図２９は、ガルバノミラーへ送る指示情報の他の作成処理例を説明するための図である。ここでは、面倒れ量の変化周期を用いてガルバノミラー３Ｘへ送る指示情報（角度指令）を作成する場合について説明する。

静電容量Ｃｘの検出においては、前述のように交流信号の振幅を求め、電圧を距離に変換する演算処理があるので、実際の現象から僅かに遅れる傾向がある。この遅れがある場合には、遅れ時間を補正するためのディレイ処理を行う時間差補償を行うと補正精度が良好になる場合がある。面倒れ周波数は機械的な構成で決まり、略一定であるので、距離検出の遅れ時間を特定の時間差となるように補正すれば、キャンセル効果が良好に働く。このため、補正量算出部２３には、時間差補償部１０７を設けておく。そして、時間差補償部１０７では、レーザ加工装置１００に対してディレイを考慮した補正処理の時間差を調整しておく。

時間差補償部１０７は、静電容量検知による遅れ時間を補償するための補正位置指令を作成する機能を有している。時間差補償部１０７は、所定周期（例えば１つ周期）前の周期で検出された面倒れ量を補正する補正位置指令を作成する。なお、時間差補償部１０７は、所定周期前の電極間電圧Ｖｘ、所定周期前の静電容量Ｃｘ、所定周期前の歪み角Φに基づいて補正位置指令を作成してもよい。このように、１周期前の面倒れ状況でキャンセル動作をさせることで面倒れ量の補正精度を高めることができる。

指示作成部２４では、加工プログラムに基づいた位置指令（Ｘ方向の位置指令）と、１つ前の周期で検出された面倒れ量を補正する補正位置指令と、を用いて、ガルバノスキャナ５Ｘへの位置指令が作成される。この後、ガルバノスキャナ５Ｘでは、図２７で説明した処理と同様の処理によって、ガルバノミラー３Ｘへ送る角度指令が作成される。

なお、本実施の形態では、固定電極１４Ｙが被検出部１１Ｙの側面（曲面）の一部と略平行な平行曲面を有している場合について説明したが、固定電極１４Ｙのうち被検出部１１Ｙに対向する対向面は、曲面に限らない。例えば、固定電極１４Ｙのうち被検出部１１Ｙに対向する対向面を平面としてもよい。

図３０は、固定電極の他の構成例を示す図である。同図に示すように、固定電極１０８は、被検出部１１Ｙに対向する対向面が平面である。ここでは、固定電極１０８が円板状であり、円板状の底面が被検出部１１Ｙに対向する対向面である場合を示している。

つぎに、固定電極１４Ｙと電流源６１との間の配線をシールドするシールド線６０の構成について説明する。図３１は、シールド配線の構成例を示す図である。シールド線６０は、例えば同軸ケーブルの外部導体である。同軸ケーブルは、その中心が中心導体（固定電極１０８と電流源６１との間の配線）であり、中心導体の周囲が絶縁内皮（図示せず）によって覆われている。さらに絶縁内皮の周囲が外部導体（シールド線６０）で覆われており、外部導体の周囲が絶縁外皮（図示せず）で覆われている。

さらに、固定電極１０８の周囲が絶縁体で覆われるとともに、絶縁体の周囲が導体１１０で覆われている。なお、固定電極１４Ｙの周囲を絶縁体で覆うとともに、絶縁体の周囲を導体１１０で覆う構成としてもよい。

なお、本実施の形態では、電極間電圧Ｖｘに基づいて加工位置補正量を算出し、加工位置補正量から補正位置指令を作成する場合について説明したが、電極間電圧Ｖｘから補正位置指令を作成してもよい。また、静電容量Ｃｘ、電極間距離Ｄ、電極間距離の変位量Ｄｘ、撓み角Φの何れかから補正位置指令を作成してもよい。

ガルバノスキャナやガルバノミラーの動作速度が上がるに従って、角加速度も大きくなってきており、面倒れ方向に対する加振力も増える傾向にある。さらに、同じ機械的構成であっても面倒れ量が大きくなっており、ユーザが望む加工速度と加工精度を両立させることが難しくなってきている状況にある。本実施の形態では、加工速度を大きくすることによって面倒れ共振が発生した場合であっても、面倒れ量に基づいて、ガルバノミラー３Ｘ，３Ｙへの位置指令を補正するので、加工速度と加工精度を両立させることが可能となる。

このように実施の形態によれば、被検出部１１Ｙと固定電極１４Ｙとの間の電極間電圧（電位差）や被検出部１１Ｘと固定電極１４Ｘとの間の電極間電圧（電位差）に基づいて、面倒れ量を検出するので、簡易な構成で容易に面倒れ量を検出することが可能となる。また、静電容量Ｃｘに対応する電極間電圧Ｖｘに基づいて、面倒れ量を検出するので、正確に面倒れ量を検出することが可能となる。したがって、面倒れ共振が発生した場合であっても、面倒れ量に基づいて、ガルバノミラー３Ｘ，３Ｙへの位置指令を正確に補正することが可能となり、所望の位置にレーザ光Ｌ１を照射することが可能となる。

また、固定電極１４Ｙと被検出部１１Ｙとの各対向面が互いに平行曲面となっているので、ガルバノミラー３Ｙの回転角度に依らず、正確な面倒れ量を検出することが可能となる。また、被検出部１１Ｙのうち固定電極１４Ｙに対向する対抗面は、円柱の側面の一部を有し、固定電極１４Ｙのうち被検出部１１Ｙに対向する対抗面は、円筒の内壁面の一部を有しているので、正確な面倒れ量を検出することが可能となる。

また、図１９に示した電極間距離と静電容量の関係を用いて電極間距離（面倒れ量）を検出するので容易に面倒れ量を検出することが可能となる。また、図２０に示した電極間電圧と電極間距離の関係を用いて電極間距離（面倒れ量）を検出するので容易に面倒れ量を検出することが可能となる。

また、ガルバノミラー３Ｙの面倒れ量の変化周期に基づいて、補正位置指令を作成するので、静電容量Ｃｘの検出に時間を要する場合であっても、正確に面倒れに対する位置補正量を行うことが可能となる。

以上のように、本発明に係る面倒れ量検出装置、加工位置制御装置およびレーザ加工装置は、加工位置への位置決めを行いながらのレーザ加工に適している。

１ レーザ発振器
３Ｘ，３Ｙ ガルバノミラー
４ レーザ加工部
５Ｘ，５Ｙ ガルバノスキャナ
１０ 制御装置
１０Ａ〜１０Ｃ 面倒れ量検出部
１１Ｘ，１１Ｙ 被検出部
１４Ｘ，１４Ｙ、１０８ 固定電極
１５ 静電容量検出センサ
１６Ａ，１６Ｂ 変位量算出部
１７ 補正部
２０ 制御装置
２２ 加工プログラム記憶部
２３ 補正量算出部
２４ 指示作成部
５２ ロータ
５８ 角度検出器
６０ シールド線
６２ コンデンサ
６３ 算出部
６３Ａ，６３Ｂ 電極
６８ 高インピーダンス電圧検出部
７１ 電極間距離算出部
９０Ｘ，９０Ｙ ガルバノ制御部
１００ レーザ加工装置
１０７ 時間差補償部
Ｄ 電極間距離
Ｄｘ 電極間距離の変位量
Ｌ０〜Ｌ５ レーザ光
Ｗ 被加工物

Claims (14)

1. レーザ光を加工エリアに設定された加工位置に偏向させるガルバノミラーの回転軸上に配置されて前記ガルバノミラーと同じ動作を行う第１の電極と、
   前記第１の電極から所定の距離だけ離されて固定配置された第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量に応じた前記第１の電極と前記第２の電極との間の電極間電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電極間電圧に基づいて前記ガルバノミラーの面倒れ量を検出する面倒れ量検出部と、
   を備え、
   前記面倒れ量検出部は、前記ガルバノミラーの面倒れ量として、前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離である電極間距離を算出することを特徴とする面倒れ量検出装置。
2. 前記面倒れ量検出部は、前記電極間距離を、前記ガルバノミラーの回転角度に応じた電極間距離に補正する補正部を有することを特徴とする請求項１に記載の面倒れ量検出装置。
3. 前記第１の電極が前記第２の電極に対向する第１の対向面と、前記第２の電極が前記第１の電極に対向する第２の対向面と、は、それぞれ互いに平行な平行曲面であることを特徴とする請求項１に記載の面倒れ量検出装置。
4. 前記電極間電圧と前記電極間距離との対応関係である第１の対応関係を記憶する第１の記憶部をさらに備え、
   前記面倒れ量検出部は、前記第１の対応関係を用いて、前記電極間距離を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の面倒れ量検出装置。
5. 前記電極間電圧に基づいて前記静電容量を算出する静電容量算出部をさらに備え、
   前記面倒れ量検出部は、静電容量算出部が算出した静電容量を用いて前記電極間距離を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の面倒れ量検出装置。
6. 前記静電容量と前記電極間距離との対応関係である第２の対応関係を記憶する第２の記憶部をさらに備え、
   前記面倒れ量検出部は、前記第２の対応関係を用いて、前記電極間距離を算出することを特徴とする請求項５に記載の面倒れ量検出装置。
7. 前記第１の対向面および前記第２の対向面は、一方の対抗面が円柱の側面の一部を有するとともに他方の対抗面が円筒の内壁面の一部を有し、前記円筒の内壁面の一部が前記円柱の側面の一部を囲うよう、前記第１の電極および前記第２の電極が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の面倒れ量検出装置。
8. レーザ光を加工エリアに設定された加工位置に偏向させるガルバノミラーの回転軸上に配置されて前記ガルバノミラーと同じ動作を行う第１の電極と、
   前記第１の電極から所定の距離だけ離されて固定配置された第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量に応じた前記第１の電極と前記第２の電極との間の電極間電圧を検出する電圧検出部と、
   面倒れの発生したガルバノミラーが制御する偏向方向と垂直な偏向方向にレーザ光を偏向させるガルバノミラーに対し、前記面倒れによる加工位置の位置ずれを補正させる制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記電極間電圧に基づいて前記位置ずれを補正する補正指令を生成するとともに生成した補正量を前記ガルバノミラーに出力することを特徴とする加工位置制御装置。
9. 前記制御装置は、前記面倒れが検出されたガルバノミラーに対して加工位置の位置決め方向が直交するガルバノミラーに、前記補正量を出力することを特徴とする請求項８に記載の加工位置制御装置。
10. 前記制御装置は、前記補正指令と、加工プログラムに応じた前記ガルバノミラーへの位置指令と、を用いて、前記ガルバノミラーへの指示情報を生成し、生成した指示情報を前記ガルバノミラーへ出力することを特徴とする請求項９に記載の加工位置制御装置。
11. 前記電極間電圧に基づいて前記ガルバノミラーの面倒れ量を検出する面倒れ量検出部をさらに備え、
    前記面倒れ量検出部は、前記ガルバノミラーの面倒れ量として、前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離である電極間距離を算出し、
    前記制御装置は、前記面倒れ量に基づいて前記補正指令を生成することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１つに記載の加工位置制御装置。
12. 前記制御装置は、予め取得しておいた前記電極間電圧の変化周期から所定周期前の電極間電圧を抽出するとともに抽出した電極間電圧に基づいて前記補正指令を生成することを特徴とする請求項８に記載の加工位置制御装置。
13. レーザ光を加工エリアに設定された加工位置に偏向させるガルバノミラーと、
    前記ガルバノミラーの回転軸上に配置されて前記ガルバノミラーと同じ動作を行う第１の電極と、
    前記第１の電極から所定の距離だけ離されて固定配置された第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量に応じた前記第１の電極と前記第２の電極との間の電極間電圧を検出する電圧検出部と、
    面倒れの発生したガルバノミラーが制御する偏向方向と垂直な偏向方向にレーザ光を偏向させるガルバノミラーに対し、前記面倒れによる加工位置の位置ずれを補正させる制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、前記電極間電圧に基づいて前記位置ずれを補正する補正指令を生成するとともに生成した補正量を前記ガルバノミラーに出力し、
    前記ガルバノミラーは、前記補正指令を用いて前記レーザ光を加工エリアに設定された加工位置に偏向させることを特徴とするレーザ加工装置。
14. 前記ガルバノミラーは、第１の方向に加工位置の位置きめを行う第１のガルバノミラーと、前記第１の方向に直交する第２の方向に加工位置の位置きめを行う第２のガルバノミラーと、を有し、
    前記制御装置は、前記第１のガルバノミラーから面倒れを検出した場合に、前記第２のガルバノミラーに前記補正量を出力し、前記第２のガルバノミラーから面倒れを検出した場合に、前記第１のガルバノミラーに前記補正量を出力することを特徴とする請求項１３に記載のレーザ加工装置。

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