JP3920664B2

JP3920664B2 - ガルバノスキャナの制御装置、及び、その調整方法

Info

Publication number: JP3920664B2
Application number: JP2002057709A
Authority: JP
Inventors: 洋森田; 城輝大西; 研太田中
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-03-04
Also published as: JP2003255258A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミラーを駆動してレーザ照射位置を走査するガルバノスキャナの制御装置、及び、その調整方法に係り、特に、レーザ光線を照射してプリント配線基板等に複数の穴開け加工を行なうレーザドリルマシンに用いるのに好適な、ガルバノスキャナの制御装置、これを用いたガルバノスキャナ、及び、その調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザにより加工を行なう際、ガルバノスキャナによって照射位置を移動させる方法を採ると、高速な加工が可能となる。
【０００３】
図１は、一般的なレーザドリルマシンの構成例である。本構成例は、図示しないレーザ発振器から照射される、例えばパルス状のレーザ光線１１を、所定の方向（図１では紙面に垂直な方向）に走査するための第１ミラー１５を含む第１ガルバノスキャナ１４と、該第１ガルバノスキャナ１４によって紙面に垂直な方向に走査されたレーザ光線１２を、前記第１ガルバノスキャナ１４による走査方向と垂直な方向（図１では紙面と平行な方向）に走査するための第２ミラー１７を含む第２ガルバノスキャナ１６と、前記第１及び第２ガルバノスキャナ１４、１６により２方向に走査されたレーザ光線１３を、加工対象物１０の表面に対して垂直な方向に偏向するためのｆ−θレンズ１８とを備えている。
【０００４】
このガルバノスキャナにおいて、図示しないレーザ発振器から出力されたレーザ光線１１は、第１ミラー１５、第２ミラー１７で反射された後、ｆ−θレンズ１８を通過して加工対象物１０に集光される。第１ミラー１５、第２ミラー１７は、異なる方向に回転させることが可能で、これらのミラーの回転角度（単に角度又はミラー角度と称する）を変えることにより、レーザ光線を加工対象物１０の任意の位置に照射して加工を行なうことができる。
【０００５】
基板の穴開け等では高いスループットが要求されるため、加工対象物１０を移動させる方法に比べて、レーザ光線を移動させることにより、高速に処理を行なうことが可能な、ガルバノスキャナを用いることが多い。
【０００６】
一方で、ガルバノスキャナのミラー角度の僅かな変化が加工面に大きく投影されるため、精度良く加工を行なうためには、ミラー角度に高い位置決め精度が要求される。
【０００７】
ガルバノスキャナの制御装置は、レーザ照射の際に、レーザ照射位置が目標精度に収まる範囲となるよう、ミラー角度が整定するように調整される。しかし、ガルバノスキャナは、動作角度、周囲温度、経年変化等によって、駆動特性が変化し、ミラーの整定特性に影響を与えるため、高い加工精度を維持することは難しい。
【０００８】
近年、高速化、高精度化の要求に伴い、ガルバノスキャナを高速に駆動させる上、許容される整定範囲が小さくなってきている。このため、スループットを低下させずにガルバノスキャナの駆動特性の変化に対応する必要が生じてきた。
【０００９】
従来、加工精度の悪化に対する対策として、ガルバノスキャナの整定の遅れを待ってから加工を行なう方法や、ガルバノスキャナの駆動速度を遅くして整定特性の変化が起きないようにする対策が採られていたが、いずれも加工精度を改善するとスループットが低くなってしまっていた。
【００１０】
これに対して、出願人は既に特願２００１−２７５３２８で、デジタル計算器とアナログ回路を組合わせ、ガルバノスキャナの制御装置の指令値生成をデジタル計算器で行ない、指令パターンを細かく変更させて整定特性の微調整に利用すると共に、アナログのフィードバック制御回路を用いて高速でフィードバック制御を行なう方法を提案している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにデジタル計算器で指令値生成を行い、アナログ回路でフィードバック制御を行う場合には、次のような動作上の問題点があった。
【００１２】
（１）ミラー角度の現在位置がデジタル計算器に入力されていないため、電源投入時やアナログ回路がエラーで停止した場合、ミラー角度の現在位置が不定になり、適切な指令パターンを生成できない。
【００１３】
（２）デジタル計算器がエラーで停止した場合、（１）と同じ理由で、指令パターンが不連続になる。
【００１４】
（３）（１）、（２）の結果、例えばミラーが危険速度で回転したり、駆動電流が許容値を上回ってしまって、ガルバノスキャナを破損する恐れがある。
【００１５】
（４）（３）を防止するため、例えば駆動電流が過大となったときにミラーの駆動をエラー停止するような安全機能を設けると、（１）又は（２）の状態に戻り、連続的にエラーを発生して、正常復帰できなくなる。
【００１６】
又、次のような調整上の問題点もあった。
【００１７】
（５）制御装置の調整を、アナログ回路とデジタル計算器の両方で同時に行なう必要があり、調整に双方の知識や技術が要求される。
【００１８】
一方、特許第２６９２４０９号では、デジタル計算器を用いることなく、指令値生成をアナログ回路のスルーレートリミッタ回路を利用して行なう方法が記載されており、この方法によれば、上記のデジタル計算器とアナログ回路を組合わせた場合に発生する問題点は生じないが、デジタル計算器を用いていないため、条件によって制御パラメータを細かく変更して精度向上を図るような処理はできなかった。
【００１９】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、アナログのガルバノドライバとデジタル計算器による指令パターン生成を利用することにより、スループットの低下を抑えながら精度良く加工できるようにすることを課題とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ミラーを駆動してレーザ照射位置を走査するガルバノスキャナの制御装置において、前記ミラーの目標角度に応じて指令値を演算し、指令パターンを生成するデジタル計算器と、該デジタル計算器から出力される指令値をアナログの指令電圧に変換するＤ／Ａ変換器と、該Ｄ／Ａ変換器から入力されるアナログの指令に制限を加えるアナログのスルーレートリミッタ回路と、該スルーレートリミッタ回路から入力されるアナログの指令電圧、及び、前記ミラーの計測角度信号から、電流指令を出力するアナログのフィードバック制御回路と、該フィードバック制御回路から入力される電流指令に応じて駆動電流を作り出し、前記ミラーを駆動するモータを駆動するパワーアンプとを含み、条件によって前記デジタル計算器の処理を変更することにより指令パターンを変更するようにして、前記課題を解決したものである。
【００２１】
又、前記指令パターンの変更によってミラー動作の整定特性を改善するようにしたものである。
【００２２】
又、前記デジタル計算器の処理の一部をアナログのスルーレートリミッタ回路の擬似逆関数としたものである。
【００２４】
又、前記デジタル計算器の処理の一部をスルーレートリミッタとしたものである。
【００２５】
又、前記アナログのスルーレートリミッタ回路の制限速度を、デジタル計算器によるスルーレートリミッタの制限速度より速くして、アナログ回路でぎりぎりまで速めたものを、デジタル計算器で鈍らせるようにしたものである。
【００２６】
本発明は、又、前記の制御装置を用いたガルバノスキャナを提供するものである。
【００２７】
本発明は、又、前記の制御装置を調整するに際して、予め条件を変えてガルバノスキャナを動作させ、ミラーの整定特性を観察することによって、それぞれの条件でのデジタル計算器の処理を決定するようにしたものである。
【００２８】
あるいは、前記の制御装置を調整するに際して、レーザ照射を行なった結果の精度を測定して、デジタル計算器の処理を決定するようにしたものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３０】
本実施形態は、図２に示す如く、図示されていない上位のシステムから入力されるミラー２０の目標角度に応じて指令値を演算し、指令値の波形（指令パターン）を生成するデジタル計算器３０と、該デジタル計算器３０から出力される指令値をアナログの指令電圧に変換するＤ／Ａ変換器４０と、該Ｄ／Ａ変換器４０から入力されるアナログの指令に制限を加えるアナログのスルーレートリミッタ回路４２と、該スルーレートリミッタ回路４２から入力されるアナログの指令電圧、及び、モータ２２によって駆動されるミラー２０の回転角を検出するための角度センサ２４から入力されるミラーの計測角度信号から、電流指令を出力するアナログのフィードバック制御回路５０と、該フィードバック制御回路５０から入力される電流指令に応じて駆動電流を作り出し、モータ２２を駆動するパワーアンプ５２とを含んで構成されている。
【００３１】
前記スルーレートリミッタ回路４２は、図３に例示する如く、３つの抵抗Ｒ０とオペアンプＯＰ１で構成される加算器４３と、２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２とオペアンプＯＰ２で構成される増幅器４４と、可変抵抗ＶＲ１とコンデンサＣ１とオペアンプＯＰ３で構成される積分器４５で構成されている。
【００３２】
前記デジタル計算器３０におけるデジタル処理の好ましい例の１つは、図４にブロック線図で示す如く、減算器３１と、固定ゲイン（Ｋ１）３２と、リミッタ３３と、可変ゲイン（Ｋ３）３４と、第１及び第２の離散フィルタ３５、３６とを含んでいる。
【００３３】
なお、各ブロックは、スルーレートリミッタ回路４２のパラメータを利用して、次の手順１のように構成することが望ましい。ここで、デジタル計算機３０の処理周期をＴとする。
【００３４】
［手順１］
（１）固定ゲインをＫ２＝（Ｒ２／Ｒ１）とする。
【００３５】
（２）リミッタ３３の上下限を、増幅器４４の出力可能電圧の上下限とする。
【００３６】
（３）第１の離散フィルタ３５をＴ／（１−ｚ^-1）とする。
【００３７】
（４）Ｋ２＝ＶＲ１×Ｃ１として、第２の離散フィルタ３６をＫ２／（Ｔ×Ｋ１）×｛（１−ｚ^-1）＋１｝とする。
【００３８】
（５）可変ゲインＫ３は、指令パターンの調整に利用する。
【００３９】
この手順１によれば、デジタル計算器３０の内部に、図５に示す如く、デジタルスルーレートリミッタ３０Ａと、実装されているアナログのスルーレートリミッタ回路４２の擬似逆関数３０Ｂが構築される。デジタル計算器３０の内部に構築された擬似逆関数３０Ｂは、実装されているアナログのスルーレートリミッタ回路４２の処理を相殺するため、デジタル計算器３０の内部に構築されたデジタルスルーレートリミッタ３０Ａの出力が、最終的に指令電圧パターンとなる。このデジタルスルーレートリミッタ３０Ａの設定は、デジタル計算器３０の連続動作中も任意に変更できる。
【００４０】
又、デジタル計算器３０での望ましい処理の他の例を図６にブロック線図で示す。この構成例では、第２の離散フィルタ３６の代わりに、第２の固定ゲイン（Ｋ２／Ｋ１）３７と加算器３８が設けられている。
【００４１】
本構成例は、図４に示した構成例と全く同じ働きを示すが、より簡略化した表現であり、実装上望ましい。なお、各パラメータの導出方法は、図４と同じである。
【００４２】
以下、図２を参照して、本実施形態の作用を説明する。
【００４３】
前記ミラー２０の目標角度は、図示されていない上位のシステムから、デジタル計算器３０に入力される。該デジタル計算器３０では、目標角度に応じて指令値のパターンを生成する。演算結果は、Ｄ／Ａ変換器４０によりアナログの指令電圧となり、アナログのスルーレートリミッタ回路４２を通過して最終的な指令電圧パターンとなる。
【００４４】
一方、ミラー２０の角度は、角度センサ２４により計測され、アナログのフィードバック制御回路５０に入力される。
【００４５】
フィードバック制御回路５０では、指令電圧パターンと計測角度信号から電流指令を出力する演算がなされる。例えば、指令電圧パターンから計測角度信号を減算してＰＩＤ演算を行なうように構成する方法が一般的である。
【００４６】
該フィードバック制御回路５０から出力される電流指令に従った駆動電流がパワーアンプ５２で作り出され、これにより、モータ２２が駆動され、ミラー２０が回転する。
【００４７】
次に、前記スルーレートリミッタ回路４２の作用について、図３を参照して、詳しく説明する。
【００４８】
該スルーレートリミッタ回路４２は、増幅器４４の出力電圧が、オペアンプＯＰ２の出力可能電圧の範囲内であれば、後出図８に示す如く、一次遅れフィルタとして動作する。この場合、可変抵抗ＶＲ１を変更すると、積分器４５での積分速度が変わり、一次遅れフィルタの時定数が変わる。
【００４９】
一方、増幅器４４の出力電圧がオペアンプＯＰ２の出力可能電圧の範囲を超えた場合は、増幅器４４の出力電圧が一定となる。この結果、積分器４５への入力電圧が一定となるため、スルーレートリミッタの出力の変化率が一定となる。この場合は、可変抵抗ＶＲ１を変更すると出力の変化率が変わる。
【００５０】
続いて、デジタル計算器３０の作用について、詳しく説明する。
【００５１】
このデジタル計算器３０では、ガルバノスキャナの動作条件を判断して、予め条件に応じて設定された指令波形を出力する。指令波形の例を図７に示す。従来の方式では、スルーレートリミッタ回路４２への入力は、実線Ｂのような単純なステップ入力がなされていた。これに対して、動作条件によってミラー２０の整定が乱れた場合には、デジタル計算器３０より出力する指令波形を変更することにより、整定状態を改善することができる。即ち、ガルバノスキャナのミラー２０の動作が整定時にオーバーシュートを起こすような条件では、一点鎖線Ａのように変化率の遅い指令波形を、逆に、ミラー２０の動作が整定時にアンダーシュートを起こすような条件では、二点鎖線Ｃのように急激に大きな値を出力するような指令波形を用いる。
【００５２】
Ａ〜Ｃの波形を生成する望ましい方法は、前記手順１によりデジタル計算器３０の処理を構成し、可変ゲインＫ３により波形を調整することである。Ｋ３の値と波形の傾向は、次のような関係がある。
【００５３】
波形Ａ：Ｋ３＜１／（ＶＲ１×Ｃ１）
波形Ｂ：Ｋ３＝１／（ＶＲ１×Ｃ１）
波形Ｃ：Ｋ３＞１／（ＶＲ１×Ｃ１）
【００５４】
図８は、可変抵抗ＶＲ１を変更した時のスルーレートリミッタ回路４２のステップ応答をシミュレーションした結果である。これに対して、図９乃至図１１は、スルーレートリミッタ回路４２の設定は変えずに、デジタルスルーレートリミッタ３０Ａの設定を変更した場合に生成される、デジタル計算器３０が出力する指令パターンと、最終的にスルーレートリミッタ回路４２を通過して生成される指令電圧パターンをシミュレーションした結果である。デジタル計算器３０の処理により、スルーレートリミッタ回路４２の可変抵抗値を変更した場合と同様の指令電圧パターンが生成される。
【００５５】
図１１は、スルーレートリミッタ回路４２より速い変化率にデジタルスルーレートリミッタ３０Ａを設定した場合で、十分に応答していない。このため、スルーレートリミッタ回路４２は変化率を速く（可変抵抗ＶＲ１を小さく）しておき、デジタル処理で鈍らせた方がよい。
【００５６】
上記の作用を実現するような、可変抵抗ＶＲ１及び可変ゲインＫ３の望ましい設定方法の例を次の手順２に示す。
【００５７】
［手順２］
（１）オシロスコープ等で、図１２に示す如く、目標角度と角度センサ２４のエラー信号をモニタしながら、ガルバノスキャナの制御装置の調整を行なう。望ましい調整状態は、図１２に実線ａで示すように、オーバーシュートもアンダーシュートもなく、レーザ照射時刻までに整定範囲内に収まる調整である。デジタル計算器３０からの出力はステップ出力として、フィードバック制御回路５０とスルーレートリミッタ回路４２を同時に適切に調節する。
【００５８】
（２）このときの動作条件を条件ａとして、望ましい整定状態を実現するＶ
Ｒ１をＶＲａとして記録しておく。
【００５９】
（３）前に動作角度や動作温度等の条件を変更して整定が乱れた場合には、
ＶＲ１のみの調整により望ましい整定状態にする。一方、図１２に実線ｂで示すように、オーバーシュートを起こした場合には、ＶＲ１を大きくして動作速度を緩やかにするとよい。逆に、図１２に実線ｃで示すようにアンダーシュートを起こした場合には、ＶＲ１を小さくして動作速度を速くするとよい。
【００６０】
（４）条件ｂで望ましい整定状態を実現するＶＲ１をＶＲｂ、条件ｃで望ま
しい整定状態を実現するＶＲ１をＶＲｃ…等として記録しておく。
【００６１】
（５）全ての条件で事前調整を行なった後、最終的にＶＲ１は、全てのＶＲ
＊より小さく、且つ、ミラーが危険速度で回転したり駆動電流が許容値を上回ったりすることのないように設定して、スルーレートリミッタ回路４２の調整を終了する。
【００６２】
（６）デジタル計算器３０の処理を前記手順１に従って構成する。連続動作
中はデジタル計算器３０で、条件によって可変ゲインＫ３を以下のように算出しながら処理を行なう。
【００６３】
条件ａ：Ｋ３＝１／（ＶＲａ×Ｃ１）
条件ｂ：Ｋ３＝１／（ＶＲｂ×Ｃ１）
条件ｃ：Ｋ３＝１／（ＶＲｃ×Ｃ１）
・・・
【００６４】
又、可変抵抗ＶＲ１及び可変ゲインＫ３の別の設定方法の例を次の手順３に示す。本例は、手順２で示した方法に比べて簡易的であり、ガルバノスキャナを実装した後に経時変化等で精度が悪化した場合などに用いるのに有効である。
【００６５】
［手順３］
（１）デジタル計算器３０からの出力はステップ出力として、フィードバック制御回路５０とスルーレートリミッタ回路４２を同時に適切に調節する。
【００６６】
（２）望ましい整定状態を実現するＶＲ１をＶＲａとして記録しておく。
【００６７】
（３）ＶＲ１は、全てのＶＲ＊より小さく、且つ、ミラー２０が危険速度で回転したり駆動電流が許容値を上回ったりすることのないように設定する。
【００６８】
（４）可変ゲインをＫ３＝１／（ＶＲａ×Ｃ１）とする。
【００６９】
（５）実装して加工を行なった結果、加工精度が悪くなる条件があればＫ３を変更して精度良く加工できるようにする。目標加工位置に対して行き過ぎた箇所を加工している場合にはＫ３を大きくする。逆に、目標加工位置に対して到達しない箇所を加工している場合には、Ｋ３を小さくする。
【００７０】
勿論、手順２と手順３を複合して利用することも可能である。
【００７１】
なお、前記実施形態においては、スルーレートリミッタ回路４２が、加算器４３と増幅器４４と積分器４５を用いて構成されていたが、アナログのスルーレートリミッタ回路の構成はこれに限定されない。又、スルーレートリミッタ回路の代わりに一次フィルタのみであってもよい。更に、前記デジタル計算器３０の構成も、図４又は図６に示した構成に限定されない。
【００７２】
なお、前記実施形態においては、本発明が、レーザドリルマシンに適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、ガルバノスキャナを用いるものであれば、例えばマーキングマシン等、他の機械にも同様に適用できることは明らかである。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、ガルバノスキャナのミラーの整定特性の変化による影響を抑えることができ、レーザ加工における加工精度を向上させることができる。
【００７４】
この際、アナログ回路のスルーレートリミッタ回路により、指令波形の最大変化率を制限できるので、ミラーが危険速度で回転したり、駆動電流が許容値を上回ったりすることがない。
【００７５】
更に、手順２に示した設定方法によれば、アナログ回路とデジタル計算器のプログラムを交互に変更しながら調整するような作業が発生せず、作業の分担が可能になる。
【００７６】
又、手順３に示した設定方法によれば、一旦実装した後、精度の悪い条件が見つかった場合や、経時変化により精度が悪化した場合に、容易に精度の改善ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用対象の一例であるレーザドリルマシンの要部構成を示す正面図
【図２】本発明に係るガルバノスキャナの制御装置の実施形態の構成を示すブロック線図
【図３】前記実施形態で用いられているスルーレートリミッタ回路の構成例を示す回路図
【図４】同じくデジタル計算器での処理の例を示すブロック線図
【図５】同じくデジタル計算器での指令パターン生成処理の概念を示すブロック図
【図６】前記デジタル計算器での処理の他の例を示すブロック線図
【図７】前記デジタル計算器で生成される指令パターンの例を示す線図
【図８】前記スルーレートリミッタ回路の出力のシミュレーション結果を示す線図
【図９】本発明による指令パターン生成結果の一例を示す線図
【図１０】同じく他の例を示す線図
【図１１】同じく更に他の例を示す線図
【図１２】前記デジタル計算器の可変抵抗及び可変ゲインの望ましい設定方法を説明するためのエラー信号のモニタ例を示す線図
【符号の説明】
１０…加工対象物
１１、１２、１３…レーザ光線
１４、１６…ガルバノスキャナ
１５、１７、２０…ミラー
２２…モータ
２４…角度センサ
３０…デジタル計算器
３０Ａ…デジタルスルーレートリミッタ
３０Ｂ…スルーレートリミッタ回路擬似逆関数
３１…減算器
３２…固定ゲイン（Ｋ１）
３３…リミッタ
３４…可変ゲイン（Ｋ３）
３５、３６…離散フィルタ
３８…加算器
４０…Ｄ／Ａ変換器
４２…スルーレートリミッタ回路（アナログ）
４３…加算器
４４…増幅器
４５…積分器
５０…フィードバック制御回路（アナログ）
５２…パワーアンプ

Claims

ミラーを駆動してレーザ照射位置を走査するガルバノスキャナの制御装置において、
前記ミラーの目標角度に応じて指令値を演算し、指令パターンを生成するデジタル計算器と、
該デジタル計算器から出力される指令値をアナログの指令電圧に変換するＤ／Ａ変換器と、
該Ｄ／Ａ変換器から入力されるアナログの指令に制限を加えるアナログのスルーレートリミッタ回路と、
該スルーレートリミッタ回路から入力されるアナログの指令電圧、及び、前記ミラーの計測角度信号から、電流指令を出力するアナログのフィードバック制御回路と、
該フィードバック制御回路から入力される電流指令に応じて駆動電流を作り出し、前記ミラーを駆動するモータを駆動するパワーアンプとを含み、
条件によって前記デジタル計算器の処理を変更することにより指令パターンを変更することを特徴とするガルバノスキャナの制御装置。
前記指令パターンの変更によってミラー動作の整定特性を改善することを特徴とする請求項１に記載のガルバノスキャナの制御装置。
前記デジタル計算器の処理の一部がアナログのスルーレートリミッタ回路の擬似逆関数であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガルバノスキャナの制御装置。
前記デジタル計算器の処理の一部がスルーレートリミッタであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のガルバノスキャナの制御装置。
前記アナログのスルーレートリミッタ回路の制限速度が、デジタル計算器によるスルーレートリミッタの制限速度より、速いことを特徴とする請求項４に記載のガルバノスキャナの制御装置。
請求項１乃至５のいずれかに記載の制御装置を用いたガルバノスキャナ。
請求項１乃至５のいずれかに記載のガルバノスキャナの制御装置を調整するに際して、
予め条件を変えてガルバノスキャナを動作させ、ミラーの整定特性を観察することによって、それぞれの条件でのデジタル計算器の処理を決定することを特徴とするガルバノスキャナの制御装置の調整方法。
請求項１乃至５のいずれかに記載のガルバノスキャナの制御装置を調整するに際して、
レーザ照射を行なった結果の精度を測定して、デジタル計算器の処理を決定することを特徴とするガルバノスキャナの制御装置の調整方法。