JP2020177301A - ガルバノ装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ミラーの回転角度を精密に計測するガルバノ装置を提供する。【解決手段】 モータを回転させることによってモータ軸に備え付けたミラーを回転させ、光をミラーに反射させることで光の方向を変化させるガルバノ装置において、モータ回転軸の回転角度を読み取る読取部と、読取部から出力された値からミラーの回転角度を推定するフィルタを有するフィルタ部と、を備え、ミラーの回転角度をフィルタ部から出力する。【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（特許文献１参照）。ガルバノ装置には、モータの回転軸に設けられたロータリーエンコーダ等が備えられている。

特開２０１１−２５３１２５号公報

従来のガルバノ装置では、モータの回転軸とミラーが一体となった撓みのない完全な剛体であるという仮説のもとに、モータの回転軸に設けられたロータリーエンコーダの計測値が表すモータの回転角度とミラーの回転角度とが同じであるとしていた。しかし、厳密にはモータとミラーの複合体には振動特性があり、モータの回転角度とミラーの回転角度はわずかにずれることがある。つまり、ロータリーエンコーダによる計測値と実際のミラーの回転角とは乖離する場合がある。

レーザ加工装置などの用途にガルバノ装置を使う場合、モータの回転角度とミラー回転角の僅かな乖離は加工結果に大きな影響を及ぼしてしまう。

そこで、本発明は、ミラーの回転角度を精密に計測するガルバノ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一側面としてのガルバノ装置は、モータを回転させることによってモータ軸に備え付けたミラーを回転させ、光を前記ミラーに反射させることで光の方向を変化させるガルバノ装置において、モータ回転軸の回転角度を読み取る読取部と、前記読取部から出力された値から前記ミラーの回転角度を推定するフィルタを有するフィルタ部と、を備え、前記ミラーの回転角度を前記フィルタ部から出力することを特徴とする。

本発明によれば、ミラーの回転角度を精密に計測するガルバノ装置を提供することができる。

ガルバノ装置の構成を示す図である。 第１実施形態の演算部の詳細を示すブロック図である。 モータとミラーの複合体を示す図である。 モータとミラーの複合体構造解析結果を表す図である。 フィルタパラメータ推定手段の動作を説明するフローチャートである。 推定結果と実際の回転角度との乖離を表す図である。 第２実施形態の演算部の詳細を示すブロック図である。 第３実施形態のレーザ加工装置を示した図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態のガルバノ装置の構成を示す図である。ガルバノ装置は、モータを回転させることによってモータ軸に備え付けたミラーを回転させ、光をミラーに反射させることで光の方向を変化させる。本実施形態のガルバノ装置は、ミラー１０１、モータ回転軸１０２、モータ１０３、スケール１０４、演算部１０６、読取部１０８、処理部１２０を有する。

スケール１０４と読取部１０８は回転角度を検出する検出器を構成し、例えば、光学式又は磁気式エンコーダであり、この構成の他に、例えば、静電容量センサを用いることができる。

演算部１０６は制御装置を有し、入力された目標角度１０５目標角度になるようにモータ１０３を回転させるための目標電流１０７を求め、モータ１０３に電流を流して、モータ１０３の回転角度を制御する。

演算部１０６の詳細について図２を用いて説明する。図２は、いわゆる２自由度制御系をブロック図で示した例である。演算部１０６に相当する部分は枠４０１に囲まれた部分であり、フィードフォワード制御器４０３、規範モデル４０４、フィードバック制御器４０６から構成される。フィードフォワード制御器４０３は、モータにおける入力値を電流、出力値を回転角度とする入出力関数の逆関数に規範モデル４０４をかけた演算機である。規範モデル４０４は、目標角度４０２と、ユーザが動作させたい参照角度４０５の関係を計算する計算機であり、例えばローパスフィルタなどが使われる。目標角度１０５は、フィードフォワード制御器４０３と、規範モデル４０４にそれぞれ入力される。フィードフォワード制御器４０３は、目標角度１０５に応じた電流値を出力する。規範モデル４０４は目標角度１０５に応じた参照角度４０５を出力し、参照角度４０５と読取部１０８からの出力との差分がフィードバック制御器４０６に入力される。フィードフォワード制御器４０３からの出力と、フィードバック制御器４０６からの出力を足し合わせた電流４０７をモータ１０３に入力する。モータ１０３の回転角度に応じて、読取部１０８から計測値が出力される。フィードバック制御器４０６は、フィードバック制御器４０６、モータ１０３、読取部１０８からなるループにおいて、参照角度４０５と読取部１０８の出力値との差を最小化するようにパラメータ等が設計されている。

なお、図２に示す制御を実現する実装形態としては、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）などを用いたデジタル制御系でもよいし、アナログ電気回路でもよい。また、目標角度１０５からモータ１０３を駆動する電流１０７を計算する演算部１０６は、ここで説明した２自由度制御系に限られたものではなく、どんな制御系を用いても良い。

モータ回転軸１０２の回転角度は、スケール１０４を読取部１０８で読み取ることによって計測される。従来は、モータ回転軸１０２の回転角度とミラー１０１の回転角度を同一視しているため、モータ回転軸１０２の回転角度を制御することによって、ミラー１０１の回転角度を間接的に制御していた。この場合、目標角度１０５は目標とするモータ回転軸１０２の回転角度とし、読取部１０８の出力結果１０９は実際のモータ回転軸１０２の回転角度としている。

しかし、モータ回転軸１０２の先端に取り付けられたミラー１０１はスケール１０４から離れており、完全な剛体ではないため、スケール１０４の回転角度とミラー１０１の回転角度がわずかに乖離してしまう。特に、ミラー１０１とスケール１０４が回転軸のそれぞれの両端に位置する場合は、回転角度の乖離が無視できない。ミラー１０１とモータ回転軸１０２についても同様である。そのため、読取部１０８の出力結果１０９がミラー１０１の回転角度を正確に表していないことがある。

そこで、本実施形態では、読取部１０８の出力値にフィルタを通すことによって、この乖離を低減した、よりミラー１０１の回転角度の真値に近い値、を出力する。具体的には、処理部１２０のフィルタ部１１０の出力値１１１がミラー１０１の回転角度の真値に近い値を表わすように、フィルタ部１１０のパラメータ等を設定、構成する。

フィルタ部１１０の詳細について、式１を用いて説明する。式１はフィルタ部１１０で用いる伝達関数の例を示す式である。

ここで、Ｓはラプラス演算子である。Ｎはモードの数、αｎはモード減衰比の２倍、βｎは共振周波数、ｋｎはモードのゲイン、ｋ０は剛体モデルのゲインである。ここでモードとは、周波数応答特性の極大値を表す。式１において、分子はミラー１０１のモデルであり、分母はモータ１０３のモデルである。

ミラーのモデルは複数（Ｎ個）の共振周波数を持つモデルで、モータのモデルは単純な剛体モデルとしている。フィルタ部１１０は、具体的には、式１の伝達関数で示した式、モデルを差分方程式の形にして、クロック周期毎に読取部１０８の出力値を変換し、ミラー１０１の真の回転角度に近くなるように計算を行う。

なお、フィルタ部１１０は、デジタル信号処理を行ってもよく、アナログ回路を用いて、式１で示した連続系の計算式を実装してもよい。また、フィルタを論理的に構成できる計算モデルであれば、式１の伝達関数以外の伝達関数を用いてもよい。但し、どんな形式の伝達関数を用いたとしても、実際の物体（ミラーモータ回転軸複合体）の振動特性がパラメータとして必要となる。

次に、フィルタ部１１０で用いるパラメータを推定するフローについて図１を用いて説明する。処理部１２０は、各種演算処理装置により構成され、以下の各手段を有する。まず、モデル作成手段１１２が、ミラー１０１とモータ回転軸１０２の複合体をモデル化する。作成された構造解析用モデル１１３の具体的な例を図３に示す。図３は図１のガルバノ装置（１０１〜１０４）からモータのコイル部分を除いた内部構造を示すモデル図である。このモデルは、ミラー２０１、ミラー取り付け部２０２、モータ回転軸２０３、磁石２０４、スケール２０５より構成される。更に精密にモデル化する際は、ネジやナットも含めてモデル化し、部品数１０点程度の剛体を組み合わせた複合体としてもよい。全ての部品の形状と密度が求まるので、図３に示すミラーモータ回転軸複合体モデル（構造解析用モデル）の回転軸２０６回りの慣性モーメントは比較的簡単に求めることができる。

一旦、構造解析用モデル１１３が出来れば、有限要素法などの手法を用いた構造解析手段１１４により周波数応答解析が可能となる。この結果、ミラーとモータ回転軸複合体の共振周波数１１５が得られる。具体的には、図３の回転軸２０６を基準に力を加え構造解析用モデルを回転させ、周波数応答特性をシミュレーションする。その結果の例を図４に示す。図４ではグラフ上、角速度のピーク（極大値）が６個あるので、構造解析用モデルの共振周波数は６個あることになる。式１のＮが６となる。

ミラーモータ回転軸複合体の共振周波数をレーザドップラ振動計などの高価な装置を使って実測する方法もあるが、本実施形態では、モデル作成手段１１２、構造解析手段１１４を用いる。この方法は３つの利点がある。

１つ目は、かかるコストが低い事である。図３で示したように構造体を構成する部品点数は高々１０点程度の数であり、その素材密度はカタログ等より簡単に入手できる。よって、短期間に非常に複雑なミラーモータ回転軸複合体であってもモデル化することが可能である。一旦モデル化すれば、物理シミュレーションはソフトウェア、情報処理装置で実行するだけであり、簡単かつ安価に共振周波数が求められる。

２つ目の利点は、小さなピークを持つ共振周波数でも求められることである。例えば、図４に示すグラフの一番左の周波数ピーク（２０００Ｈｚ近辺）はピークの値が非常に低い為、共振周波数を実測する方法では求められないものであった。本実施形態では、小さなピークを持つ共振周波数でも求められるため、より精密なミラーの回転角度を出力するフィルタ部１１０を構成することが可能となる。

３つ目の利点は、共振周波数とその周波数に対応するモデル変形が可視化できることである。構造解析手段１１４を有限要素法などの手法を使って実施すると、構造解析用モデルがどのような変形をするかをその共振周波数とペアで求めることが可能となる。この結果を利用して、ガルバノ装置として無視できるような変形に対応する周波数は無視する、というようなことができ、より簡単にフィルタ部１１０を構成することが可能となる。

次に、図５と図６を用いてフィルタパラメータ推定手段１１６を詳しく説明する。式１で示したように、フィルタ部１１０で用いるパラメータは、具体的には式１の中にあるｋ０、ｋ１、α１、β１、ｋ２、α２、β２、…、ｋＮ、αＮ、βＮの合計（１＋３Ｎ）個のパラメータとなる。つまり、これらのパラメータを決定できればフィルタ部１１０を構成することが出来る。その処理のフローチャートを図５に示す。なお、図５では局所的な最適値を求める逐次探索方法を例として示しているが、もちろん大域的な最適値を求める方法でもよい。

まず、パラメータの初期値を設定するステップ８０１がある。このステップにおいて、βｎの共振周波数は、予め実測や、構造解析手段１１４で求めておいて、それを用いる。なお、推定した最適パラメータがローカルミニマムに陥ることを防ぐために、ステップ８０１をランダムに複数回実行してもよい。

次にパラメータ更新ステップ８０２を実行する。この時、周波数以外のパラメータ（ｋｎとαｎ）を変更してもよく、共振周波数βｎを変更してもよい。パラメータ更新のやり方は、いわゆる最急降下法を用いてもよいし、ランダムに動かして強化学習的なフィードバックをしてもよい。

一旦、パラメータを更新した後で、更新したパラメータで記述される計算式（式１）を使って、実測した読取部１０８の結果をミラーの回転角度の推定値に変換する。そして、実測したミラーの回転角度との乖離を評価するのがステップ８０３である。

図６を用いてステップ８０３の動作を説明する。実際のミラーの回転角度を測定するためには、例えばミラー１０１に光を当て、反射した光の位置をカメラで撮影してトラッキングする。こうすることで、ミラー１０１の微小な回転を増幅することができる。その様子が図６（ａ）に示したグラフとなる。横軸は時間で、縦軸はミラー１０１で反射された光の位置を意味する。実線９０１が実際にミラー１０１で反射された光の位置であり、Ａ地点からＢ地点へ時間と共に移動していることがわかる。これに対して点線９０２で示す曲線は、ステップ８０２で更新されたパラメータを有するフィルタ部１０９からの出力値を用いて光の反射位置を計算した軌跡である。曲線９０１と曲線９０２の差分（距離）がステップ８０２で求める乖離値となる。

反射された光の時間変化をトラッキングする方法が簡単に出来ない場合は、例えば、後で説明するレーザ加工装置にガルバノ装置を搭載し、実際に基板等の物体を加工することで乖離値を求める方法がある。例えば、一定速度で動くステージ上に基板等を置きレーザ加工をすることで、図６（ｂ）の実線９０３に示すような加工軌跡が物体上に形成される。つまり、時間軸を一定速度で移動するステージを用いることで方向軸に変換することができる。図６（ｂ）の横軸は、ステージの位置を示す。点線９０４は、更新されたパラメータを有するフィルタ部１０９から出力された値を用いて計算した加工軌跡（シミュレーション値）である。このケースでは、実線９０３と点線９０４の乖離値がステップ８０３の乖離値となる。

最後に、ステップ８０４において、ステップ８０３で得られた乖離値が閾値以下かどうかを判断し、閾値以下なら終了し、閾値より大きい場合はステップ８０２のパラメータ更新に戻る。そして、乖離値が閾値以下になるまで、ステップ８０２、ステップ８０３、ステップ８０４を繰り返す。

そして、フィルタパラメータ推定手段１１６で求められたフィルタパラメータ１１７を、フィルタ部１１０に設定する。フィルタ部１１０は、設定されたパラメータ１１７を用いて、読取部１０８から出力されたデータを変換（補正）して、処理部１２０の外部へ出力する。このように出力された値は、ミラー１０１の真の回転角度により近い値となる。出力先は、他の制御装置でもよく、モニター等の表示部でもよい。

以上のように、本実施形態によれば、フィルタ部１１０は、読取部１０８の出力を変換し、ミラーの真の回転角度に近いミラーの回転角度を出力することができる。これにより、ミラーの回転角度を精密に計測することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態のガルバノ装置を説明する。本実施形態のガルバノ装置は、第１実施形態のガルバノ装置とは、演算部１０６の構成が異なる。図７に基づいて第２実施形態の演算部１０６について説明する。図７は演算部１０６の制御方法を示すブロック図である。本実施形態の演算部１０６は、フィードフォワード制御器５０３、規範モデル５０４、フィードバック制御器５０６から構成される枠５０１で囲った部分である。

目標角度１０５は、フィードフォワード制御器５０３と、規範モデル５０４にそれぞれ入力される。フィードフォワード制御器５０３は、目標角度１０５に応じた電流値を出力する。規範モデル５０４は目標角度１０５に応じた参照角度５０５を出力し、参照角度５０５と読取部１０８からの出力との差分がフィードバック制御器５０６に入力される。フィードフォワード制御器５０３からの出力と、フィードバック制御器５０６からの出力を足し合わせた電流５０７をモータ１０３に入力する。モータ１０３の回転角度に応じて、読取部１０８から計測値が出力される。フィードバック制御器５０６はフィードバック制御器５０６、モータ１０３、読取部１０８、フィルタ部１１０からなるループにおいて、参照角度５０５とフィルタ部１１０の出力値との差を最小化するように設計されている。

規範モデル５０４は図２で説明した規範モデル４０４と同じ物である。一方、フィードフォワード制御器５０３とフィードフォワード制御器４０３が異なり、フィードバック制御器５０６とフィードフォワード制御器４０６が異なる。具体的には、図２のフィードフォワード制御器４０３は、電流４０７からモータ回転軸１０２の角度が決定される物理モデルの逆計算を実行する。一方、図７のフィードフォワード制御器５０３は、電流５０７からミラー１０１の回転角度が決定される物理モデルの逆計算をする実施する。

また、フィードバック制御器５０６とそれに入力する値も、フィードバック制御器４０６とそれに入力する値と異なる。参照角度４０５と参照角度５０５は同じであるが、差分をとる値について、第１実施形態では読取部１０８から直接出力された値であるが、本実施形態では読取部１０８からの出力をフィルタ部１１０で変換して出力される値となる。

以上、本実施形態によれば、読取部から直接出力された値を演算部１０６に入力するのではなく、フィルタ部１１０の出力を演算部１０６に入力する。フィルタ部１１０からの出力値は、ミラー１０１の真の回転角度に近い値を示すため、ミラー１０１の回転角度をより高い精度で制御することができる。

＜第３実施形態＞
次に、第１実施形態又は２実施形態のガルバノ装置を用いたレーザ加工装置を説明する。レーザ加工装置としては、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がある。図８に、本実施形態のレーザ加工装置を示す。本実施形態のレーザ加工装置では、レーザ光源３０１から照射されたレーザ光が２つのガルバノ装置のミラーで反射されて、加工対象の物体３０４に到達する。

レーザ光源３０１としてよく使われるものには、ＣＯ２レーザとＵＶ−ＹＡＧレーザがある。ＣＯ２レーザはＵＶ−ＹＡＧレーザと比較してレーザ出力が大きい為、レーザ照射時間を短縮することがで、高スループットでの加工に適している。一方、ＵＶ−ＹＡＧレーザの波長は３５５ｍｍであり、ＣＯ２レーザの１０．６μｍと比較して短波長のため、レーザビームのスポット径を絞りやすい。なお、光源としては、これらのレーザ光源に限定されない。また、近年レーザ穴あけ速度向上のため、１つのレーザ光源を複数のレーザビームに分岐させて複数ユニットのガルバノスキャナにて光走査を行うマルチビーム方式もある。

図８に示すレーザ加工装置はいわゆる２軸のレーザ加工装置と呼ばれ、物体３０４の表面２次元上の所望の位置にレーザを照射させることができる。図８に示したように物体３０４の面内に互いに直交するＸ軸、Ｙ軸があるとすると、Ｙ軸用のガルバノ装置３０２と、Ｘ軸用のガルバノ装置３０３がある。Ｘ軸用ガルバノ装置３０３の回転軸３０６とＹ軸用ガルバノ装置３０２の回転軸３０５は互いに直交し、それぞれの回転軸まわりにミラーを回転させることによって、Ｘ軸、Ｙ軸をそれぞれ独立に動かすことができる。図８では最初にＹ軸用ガルバノ装置３０２のミラーにレーザ光が入射して反射され、次にＸ軸用ガルバノ装置３０３のミラーに入射して反射されているが、反射する順序は入れ替えてもよい。

図８において、最初にレーザ光を反射する場所はＹ軸用ガルバノ装置３０２のミラーのほぼ中心位置３１１としている。一方、Ｘ軸用ガルバノ装置３０３のレーザ光反射位置は、回転軸３０６方向に伸びた領域３１２となる。これはＹ軸用ガルバノ装置が回転することでレーザ光の経路が変わり、かつ、それぞれの回転軸３０５と３０６が直交するためである。

Ｙ軸、Ｘ軸それぞれＹ読取部３０７、Ｙフィルタ部３０８、Ｘ読取部３０９、Ｘフィルタ部３１０がある。Ｙフィルタ部３０８とＸフィルタ部３１０をそれぞれ独立にパラメータを最適化（チューニング）を実施してもよいし、それぞれのパラメータを統合した全パラメータ集合を最適化するチューニングを実施してもよい。例えば、Ｙフィルタ部３０８のパラメータ数がＭ個あり、Ｘフィルタ部３１０のパラメータ数がＮ個あるとすると、統合したパラメータチューニングでは（Ｍ＋Ｎ）個のパラメータを最適化することになる。この場合、最適化に要する時間は長くなるが、より精度の高いフィルタ部が実現できる。独立に最適化しても、統合して最適化しても、レーザ光の反射位置が中心位置３１１と領域３１２とで異なるため、チューニング結果はそれぞれ異なるケースがある。つまり、Ｙフィルタ部３０８とＸフィルタ部３１０は異なる演算をするフィルタとなるケースがあり、それが最適な場合がある。

なお、本実施形態において、図６に対応するグラフの軌跡としては、本実施形態のレーザ加工装置を用いて加工した円や多角形などの物体の加工軌跡と、読取部からフィルタ部を介して計算された加工軌跡を用いることができる。つまり、最終的には物体３０４上の加工軌跡（曲線）が精密に推定できれば良いので、時間軸を無視して、フィルタ部のパラメータ最適問題を解くことができるようになる。

（物品製造方法）
次に、前述のレーザ加工装置を利用した物品（各種部品、材料、基板、半導体素子等）の製造方法を説明する。物品は、前述のレーザ加工装置を使用して、ガルバノ装置のミラーによって光路が制御されたレーザを加工対象物体に照射し、加工対象物体に、穴あけ、トリマ、リペア、マーキング等が行われることにより、製造される。本製造方法によれば、従来よりも高品位の物品を製造することができる。

Claims (6)

1. モータを回転させることによってモータ軸に備え付けたミラーを回転させ、光を前記ミラーに反射させることで光の方向を変化させるガルバノ装置において、
   モータ回転軸の回転角度を読み取る読取部と、
   前記読取部から出力された値から前記ミラーの回転角度を推定するフィルタを有するフィルタ部と、を備え、
   前記ミラーの回転角度を前記フィルタ部から出力することを特徴とするガルバノ装置。
2. 前記フィルタ部で用いるパラメータを、前記モータと前記ミラーの複合体に関する構造解析によって得られる共振周波数に基づいて計算をすることで求めることを特徴とする請求項１に記載のガルバノ装置。
3. 物体をレーザで加工するレーザ加工装置において、
   レーザ光源と、
   前記レーザ光源からの光の方向を制御する、請求項１又は２に記載のガルバノ装置と、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
4. 前記ガルバノ装置は、回転軸が互いに直交する２つのガルバノ装置を有することを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記２つのガルバノ装置の前記フィルタ部のパラメータをそれぞれ独立に最適化することを特徴とする請求項３又は４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記２つのガルバノ装置の前記フィルタ部のパラメータを合わせたパラメータ集合を最適化することを特徴とする請求項３又は４に記載のレーザ加工装置。