JP3986241B2

JP3986241B2 - 光学スキャナ装置の制御装置

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Publication number: JP3986241B2
Application number: JP2000231760A
Authority: JP
Inventors: 聡一遠山; 淳坂本; 弥市大久保; 昌弘大石
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2020-07-31
Also published as: JP2002040357A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸に支持させたミラーを回転軸の回りに位置決めする光学スキャナ装置の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザマーキングやプリント基板のレーザ孔開け加工等において使用される光学スキャナ装置は、回転軸に取り付けられたミラーを内蔵された電気モータで回転させ、ミラーの角度を変えることにより、レーザ発振器から出力されるレーザ光を被加工物の所定の位置に照射する。
【０００３】
光学スキャナ装置には、ミラーの角度を制御するためのセンサがスキャナに内蔵されており、そのセンサ信号によるフィードバック制御（サーボ制御）が行われている。このようなセンサとして、米国特許第４８６４２９５号公報（以下、第１の従来技術という。）には、回転軸に取りつけられた誘電体の平板を二枚一組の固定極板の間で回転軸と共に回転させ、回転軸の角度を極板間の静電容量の変化として電気信号で検出するようにした可変容量型センサの技術が開示されている。また、特開平４ー１２７９８１号公報（以下、第２の従来技術という。）には、ミラーに角度測定用のレーザを照射し、その反射光をリニアセンサで検出することにより、ミラー角度をフィードバック制御する技術が開示されている。さらに、特開昭６３−１４７１３８号公報（以下、第３の従来技術という。）には、ミラーを回転軸に固定する部品（ミラーマウントシャフト）に反射面を形成し、この反射面で反射された発光素子からの光を受光素子で検出することにより、ミラーを位置決めする技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ光によりプリント基板に孔開けをする場合、微細な回路パターン上に精密に加工するため、加工するレーザ光の位置決め誤差を約１０μm以下にする必要がある。また、加工時間を短縮するため、一つの孔を開けてから次の孔加工位置までの移動の高速化が求められており、例えば、毎秒１０００個の孔を開ける場合、孔間移動時間を平均１ｍｓ未満にする必要がある。
【０００５】
ところで、レーザ光にはエネルギ分布があり、面積的な広がりを持ってミラーに入射する。このため、高品質の孔を加工するには、ミラーは大きい（面積が広い）ことが望ましい。
【０００６】
しかし、ミラーを大きくすると、これに伴って慣性モーメントが増大し、可動部（主として回転軸）のねじり振動の固有振動数が低下する。位置決め動作を高速化するためにはサーボ帯域を広くすることが望ましいが、固有振動数の低下はサーボ帯域を制限する要因となる。以下、この理由について説明する。
【０００７】
可動部は分布定数系であるから、ねじり振動について、無限個の固有振動モードを持つ。これらを固有振動数の低い順に並べ、ｋ番目のモードをｋ次モードという。一般に、低次のモードがサーボ帯域に影響する。１次モードでは回転軸の長手方向にねじれの節が一つ存在し、この節をはさむ両側（ミラー側とモータ側）が互いに逆相で振動する。
【０００８】
角度センサはミラーに近いほどフルクローズド・ループ制御に近づくので、精密位置決めには望ましいと考えられる。そこで、角度センサをミラー側に取り付けたとする。１次モードにおけるモータとセンサは逆相の相対運動になるから、角度検出信号に正帰還の周波数成分が含まれる。フィードバック制御では、角度検出信号を目標値入力に対して負帰還するから、１次共振近傍における正帰還の周波数成分により、制御が不安定になる。このため、サーボ帯域が制限され、応答性で目標仕様を満足できないことがあり得る。一方、角度センサをモータ側に配置した場合、１次モードにおけるモータとセンサは同相となる。この場合は、センサ・アクチュエータ・コロケーションに近くなるので、制御の安定性の点では有利である。しかし、センサ・ミラー間のねじり剛性が足りず、位置決め精度で目標仕様を満足できないことがあり得る。
【０００９】
上記第１の従来技術では、角度センサの取付け位置として（１）モータとミラーの間に配置する場合と、（２）ミラーから遠い側の軸端付近に配置する場合が考えられる。前者（１）の場合、ねじれの節とセンサ位置が接近するので、ミラーの慣性モーメントに依って節の位置が異なり、モータ・センサ間が同相になる場合と逆相になる場合とがある。一方、後者（２）の場合は、モータ・センサ間は同相になると考えられる。また、上記第２と第３の従来技術の場合、ミラー角度をミラーまたはミラーに接近した位置で検出しているので、モータ・角度検出点間は逆相になると考えられる。しかし、上記従来技術のいずれにおいても、可動部のねじり振動がミラーの位置決め動作の応答性や精度に与える影響については考慮されていない。
【００１０】
また、１次モードに限らず、２次以上のモードも、サーボ帯域を制限する要因となることがある。さらに、高速動作によるモータの発熱などから、ねじり振動数が変動することもある。
【００１１】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、ミラーの位置決め時間を短縮すると共に、レーザ光の位置決め精度をさらに向上させることができる光学スキャナ装置の制御装置を提供するにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、角度目標値と角度検出値に基づいて回転軸に支持させたミラーの角度を位置決めする光学スキャナ装置の制御装置において、ミラーの角度を検出するミラー角度検出手段と、前記回転軸の角度を検出する回転軸角度検出手段と、前記回転軸を回転させるモータに供給される電流を検出する電流検出手段と、前記電流の値に基づいてねじり振動を安定化するねじり振動安定化補償手段とを設け、前記角度目標値とミラー角度検出値との偏差を積分補償した値に、回転軸角度検出値を用いて比例補償および微分補償をした値および前記ねじり振動安定化補償手段の値を負帰還して前記モータに供給する電流値を決定することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る光学スキャナ装置の制御装置のブロック図である。
光学スキャナ１の回転軸１２は、軸受１４と軸受１５に回転自在に支持されている。回転軸１２の中央部にはムービングコイル１３が、また、端部にはミラー１１が、それぞれ回転軸１２と一体に固定されている。以下、ミラー１１、回転軸１２、ムービングコイル１３をまとめて可動部という。また、光学スキャナ１には、回転軸１２の角度を検出するための角度センサ１６が配置されている。
【００１４】
ミラー１１には、加工用のレーザ光を反射する鏡面と、この鏡面の背面に配置された鏡面１７ａとを備えている。鏡面１７ａを挾み、発光素子１７ｂと受光素子１７ｃが配置されている。発光素子１７ｂとして例えば半導体レーザ素子が、また、受光素子１７ｃとして例えばＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｖｉｃｅ）素子を用いることができる。
【００１５】
次に、信号の流れとサーボ機構についてを説明する。
受光素子１７ｃから出力されたミラー角度検出信号１７ｅ（ミラー１１の角度に比例した電圧信号である。）は、増幅器１７ｄにより増幅されてミラー角度指令回路２０から出力される角度目標値信号２１に負帰還され、偏差信号２３が作られる。ミラー１１の角度を定常偏差無く角度目標値に追従させるため、偏差信号２３を積分補償回路２４で積分して１型サーボ系とする。また、このサーボ機構の安定性を確保するため、角度検出信号２２を比例補償回路２５と、微分補償回路である角速度オブザーバ回路３２に入力し、これらの回路の出力信号の和と、ねじり振動安定化補償回路３３からの出力信号３３ａを積分補償回路２４の出力信号から減算して制御入力信号２７とする。モータ駆動回路２８は光学スキャナ１に対し、制御入力信号２７に比例したモータ駆動電流２９を供給する。モータ駆動電流２９はムービングコイル１３を流れ、ムービングコイル１３には電流値に比例した駆動トルクが発生する。
【００１６】
ここで、モータ駆動回路２８が電流制御方式の場合、通常、ムービングコイル１３の駆動トルクはモータ電流２９に比例するから、モータ電流２９を測定することにより、ムービングコイル１３の駆動トルクが分かる。なお、モータ電流２９の値に比例する電流検出信号３１は、例えば、モータ電流２９を抵抗値の小さな（０．１〜数Ω以下）電流検出抵抗に流し、この抵抗の端子間電圧を差動入力型減算回路に入力することにより、差動入力型減算回路の出力として得ることができる。そして、モータ電流２９の値に比例した電流検出信号３１を、角速度オブザーバ回路３２とねじり振動安定化補償回路３３に入力する。
【００１７】
角度センサ１６により検出された回転軸１２の位置は、センサ角度検出回路３５から角度検出信号２２として出力される。そして、角度検出信号２２を比例補償回路２５と角速度オブザーバ回路３２に入力する。
【００１８】
次に、ねじり振動安定化補償回路３３の構成を説明する。
ムービングコイル１３が受ける駆動トルクからムービングコイル１３の角変位までの周波数応答（自己コンプライアンス）は、式１の伝達関数Ｇ（ｓ）で表される。
【００１９】
【数１】

ここで、ｓはラプラス変換の複素変数、ｎはねじり振動第ｎ次モード（ただし、ｎは正の整数）を表す添字、ω_nはねじり振動第ｎ次モードの固有角振動数、ζ_nはねじり振動第ｎ次モードの減衰係数、ｋ₀は剛体モードに関する定数、ｋ_nはねじり振動第ｎ次モードのモード定数である。
【００２０】
いま、安定化補償あるいは減衰を必要とするモードが第ｒ次モードであるとする。式１の第２項に含まれる第ｒ次モードの伝達関数Ｇ_r（ｓ）は、このモードの角変位までの伝達関数であり、式３に示すＨ_r（ｓ）は、このモードの角速度までの伝達関数である。
【００２１】
【数２】

伝達関数Ｈ_r（ｓ）は駆動トルクが作用する位置における応答（自己周波数応答）を表すので、モード定数ｋ_rは正である（センサ・アクチュエータ・コロケーションの構造系の伝達関数では、総てのモード定数が正になる。）。従って、伝達関数Ｈ_r（ｓ）の値（角速度）を制御入力信号に負帰還すれば、第ｒ次モードに対して制御的に減衰をかけて安定化することができる。
【００２２】
このモードの固有振動数と、減衰係数はボード線図から実測できるので、式３に同符号で比例した周波数応答特性を持つ二次フィルタが電子回路で構成できる。この二次フィルタを、第ｒ次モードのねじり振動安定化補償回路３３とする。
【００２３】
図２は、本発明に係るねじりｒ次安定化補償回路の接続図であり、３個の演算増幅器３３３〜３３５と、６個の抵抗Ｒ₀₁〜Ｒ₀₆と、２個のコンデンサＣ₀₁、Ｃ₀₂とから構成されている。演算増幅器３３３〜３３５のプラス側入力端子は接地されている。そして、演算増幅器３３３のマイナス側入力端子は、抵抗Ｒ₀₁の一方の端子と、コンデンサＣ₀₁の一方の端子に接続されている。演算増幅器３３３の出力端子は、コンデンサＣ₀₁の他方の端子と、抵抗Ｒ₀₃の一方の端子に接続されている。抵抗Ｒ₀₃の他方の端子は、抵抗Ｒ₀₂、抵抗Ｒ₀₄、コンデンサＣ₀₂の一方の端子および演算増幅器３３４のマイナス側入力端子に接続されている。演算増幅器３３４の出力端子は、コンデンサＣ₀₂の他方の端子と、抵抗Ｒ₀₄の他方の端子および抵抗Ｒ₀₅の一方の端子に接続されている。演算増幅器３３５のマイナス側入力端子は、抵抗Ｒ₀₅の他方の端子と、抵抗Ｒ₀₆の一方の端子に接続されている。演算増幅器３３５の出力端子は、抵抗Ｒ₀₆の他方の端子と、抵抗Ｒ₀₁の他方の端子および端子３３２に接続されている。そして、抵抗Ｒ₀₂の他方の端子が端子３３１に接続されている。また、抵抗Ｒ₀₂は可変抵抗である。
【００２４】
この回路において、抵抗値Ｒ₀₅と抵抗値Ｒ₀₆を等しくすると、入力信号３３１から出力信号３３２までの伝達関数Ｇｃ（ｓ）は式４に示すものとなる。
【００２５】
【数３】

そして、抵抗値Ｒ₀₁、Ｒ₀₃、Ｒ₀₄およびコンデンサの静電容量Ｃ₀₁、Ｃ₀₂を、式４の分母多項式の定数項が式３の分母多項式の定数項に等しく、かつ、式４の分母多項式の一次項の係数が式３の分母多項式の一次項の係数に等しくなるように設定すると、この回路の固有振動数ω_rと減衰係数ζ_rが第ｒ次振動モードに等しくなる。
【００２６】
そこで、電流検出信号３１を端子３３１に入力すると、端子３３ａから出力される出力信号（以下、出力信号３３ａという。）はムービングコイル１３の位置におけるｒ次モードの角速度に同符号で比例する。従って、出力信号３３ａを積分補償回路２４の出力信号に負帰還することにより、ｒ次の振動モードを安定化、すなわちｒ次の振動を小さく、することができる。
【００２７】
この実施の形態では、抵抗値Ｒ₀₂を、固有振動数と減衰係数とは独立に設定できるので、抵抗値Ｒ₀₂を可変抵抗にすることにより、ねじりｒ次振動補償回路の出力信号の振幅を調整することができる。
【００２８】
また、図１に示す制御ブロック図では、一次のねじり振動安定化補償回路３３を設け、ねじり振動の一次モードを安定化する場合を示したが、さらに複数の振動モードを補償する場合には、個々のモード毎に図２に示すねじり振動安定化補償回路を設け、それらを一次のねじり振動安定化補償回路３３と並列に接続することにより、所望の次数のねじり振動を安定化することができる。
【００２９】
次に、光学スキャナ装置の具体例に基づいて、可動部のねじり振動特性とサーボ機構の安定性について説明する。
図３は、モータ電流２９から角度検出信号２２までの周波数応答に対するゲインと位相の関係を示すボード線図であり、上段はゲイン、下段は位相である。また、図４は、モータ電流２９からミラー角度検出信号１７ｅまでの周波数応答に対するゲインと位相の関係を示すボード線図であり、上段はゲイン、下段は位相である。
【００３０】
図３と図４とを比較すると、３．８ｋＨｚのねじり１次共振、１０ｋＨｚのねじり２次共振、１１ｋＨｚのねじり３次共振の周波数は一致している。また、図３では３ｋＨｚに反共振があるのに対し、図４ではこの周波数近傍に反共振がない。
【００３１】
構造系の振動学の知見として、ボード線図における共振と反共振の並び方から各モードの同相性を知ることができる。図３の場合、剛体モード、１次共振、２次共振の間に一つずつの反共振が存在し、２次共振と３次共振の間には反共振がない。したがって、このスキャナ装置の場合は、ムービングコイル１３と内蔵角度センサ１６との間では、１次モードと２次モードが同相であり、３次モードは逆相である。
【００３２】
これに対し、図４の場合、剛体モードと１次共振の間に反共振がなく、１次共振と２次共振の間に一つの反共振が存在し、２次共振と３次共振の間には反共振がない。したがって、このスキャナ装置の場合、ムービングコイル１３とミラー１１の間は、１次モードと２次モードはいずれも逆相であり、３次モードは同相である。
【００３３】
そして、このような特性を持つスキャナ装置に図１に示したサーボ機構を適用すること、すなわち、比例補償回路２５と角速度オブザーバ回路２６にミラー角度検出信号１７ｅを用いず、低次モード（１次モードと２次モード）で同相となる角度検出信号２２を用いて比例補償と微分補償を行うことにより、サーボ系の安定性を確保することができる。
【００３４】
この場合でも３次モードは逆相であるから、サーボ帯域を広くするにはこのモードに対して安定化補償を施す必要がある。また、同相のモードはサーボ系を不安定にするまでには至らなくとも、残留振動を起こして位置決め精度を低下する要因になり得るから、振動を速やかに減衰させる補償が必要であるが、この補償を電流検出信号３１を入力とするねじり振動安定化補償回路３３で行なうことができる。
【００３５】
図５は、ミラーの動作開始から停止までの経過時間と位置偏差との関係を、ずれ量＝０の近傍を拡大して示す図であり、（ａ）は本発明に係るねじり振動安定化補償回路３３を１次〜３次モードに設けた場合を、（ｂ）は従来技術による積分補償、比例補償、微分補償（Ｉ−ＰＤ補償）だけを行った場合を示している。
【００３６】
ねじり振動安定化補償回路３３を設けることにより、本発明の場合には、安定な過渡応答となり、レーザ照射位置換算で目標位置の１０μｍ手前に約０．８ｍｓで到達している。一方、従来技術の場合は、３次モード（１１ｋＨｚ）が逆相のため不安定となり、この共振周波数で発振している。
【００３７】
また本発明では、ミラー角度を角度目標値信号２１に対してフィードバックし、偏差信号２３の積分補償をしているので、ミラー整定後のレーザ照射位置を目標位置に対して偏差＝０にできる。
【００３８】
ここで、図１のサーボ機構における一巡伝達関数について、ナイキストの安定判別法で安定性の大きさを評価する。
【００３９】
図６は、固有振動数の誤差が全くないとしてねじり振動安定化補償回路を設計した場合の、１次モードの固有振動数（３．８ｋＨｚ）を含む周波数範囲（１ｋＨｚ〜７ｋＨｚ）のナイキスト軌跡であり、実線は１次モードに対する安定化補償を適用した場合、破線は、従来の１次モードに対する安定化補償がない場合である。
【００４０】
安定化補償のない場合の軌跡は▲１▼から▲２▼へと進み、その後、このグラフの枠から外れて時計回りの円状の軌跡を描き、枠内に戻って▲３▼に至る。この円状の軌跡は１次共振近傍でゲインが高くなっていることを意味する。また、この軌跡は座標（−１，０）の安定判別点に接近しており、位相余裕が非常に小さい。一方、安定化補償を適用した場合は原点から軌跡までの距離が小さくなり、安定判別点に対する位相余裕、ゲイン余裕とも大きくなる。したがって、固有振動数の誤差がない補償回路は、共振ピークを小さく抑えることでサーボ系の安定性を増す効果があることが分かる。
【００４１】
ところで、ねじり振動安定化補償回路３３を設計するには、補償しようとする振動モードの固有振動数を計測する必要がある。補償しようとする振動モードの固有振動数は、図３に示すような周波数応答を測定することにより知ることができる。しかし、その計測精度は用いる測定器（例えばサーボアナライザ）の性能や分解能に依存するので、必ず誤差が含まれる。また、スキャナの固有振動数自体も常に一定ではなく、モータの発熱などの影響で変動することが考えられる。これらの誤差や変動があっても、制御の安定性を保つことが実用的である。
【００４２】
以下、ねじり振動の周波数の誤差に対してロバスト安定なサーボ機構の構成を説明する。
【００４３】
図７は、ねじり振動安定化補償回路の固有振動数を実際の１次モードの固有振動数３．８ｋＨｚより５％（１９０Ｈｚ）低い３．６１ｋＨｚとしてねじり振動安定化補償回路を設計した場合の、１次モードの固有振動数（３．８ｋＨｚ）を含む周波数範囲（１ｋＨｚ〜７ｋＨｚ）のナイキスト軌跡であり、実線は１次モードに対する安定化補償を適用した場合、破線は、従来の１次モードに対する安定化補償がない場合（図６と同じ軌跡）である。
【００４４】
安定化補償を適用した場合の軌跡は、▲１▼から▲４▼へと進み、その後、このグラフの枠から外れて時計回りの円状の軌跡を描き、枠内に戻って▲５▼に至る。原点から軌跡までの距離は図６の場合ほど小さくはないが、安定化補償の無い場合と比べて１次共振近傍の位相を進ませて、安定判別点に対する位相余裕を大きくしている。この結果、サーボ系の安定性が増大していることが分かる。
【００４５】
このようにサーボ系の安定性が増大する理由は以下の通りである。この補償回路は固有振動数近傍において、固有振動数より低周波側では最大で約９０度まで位相を遅らせ、高周波側では最大で約９０度まで位相を進ませる。このため、実際のモードの固有振動数が補償回路の固有振動数より相対的に高い場合、このモードの共振点近傍でナイキスト軌跡の位相が進むことになる。
【００４６】
このようにねじり振動安定化補償回路３３は、共振に対する位相補償器として利用することができる。そして、補償回路の固有振動数を実測した値に対してずらして設計することにより、振動数の誤差や変動に対してロバスト安定なサーボ機構を実現することができる。
【００４７】
なお、この例では、１次モードが同相であるため、補償回路の固有振動数を低周波側にずらして位相進みとなるように設定したが、逆相のモード（例えば３次モード）を安定化する場合は回路の固有振動数を高周波側にずらし、位相遅れとなるように設定すればよい。
【００４８】
また、振動数のずれの正負は、位相余裕が増大するようにモードの同相、逆相に応じて決める。さらにずれの大きさは、想定される最大の誤差や変動の場合に実際の固有振動数と補償回路の固有振動数の大小が逆転しないように決める必要がある。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加工用のレーザ光を反射するミラーの角度を測定し、角度目標値信号に偏差なく追従させるサーボ制御を行うと共に、可動部に生じるねじり振動を安定化する補償回路を備えているので、サーボ機構の帯域周波数を広くし、高速、かつ安定なミラーの位置決めできる。また、ねじり振動の特性を考慮してねじり振動安定化補償回路を設計することにより、ねじり振動数に変動や誤差が発生しても、サーボ機構の安定性を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学スキャナ装置の制御装置のブロック図である。
【図２】本発明に係るねじりｒ次安定化補償回路の接続図である。
【図３】モータ電流２９から角度検出信号２２までの周波数応答に対するゲインと位相の関係を示すボード線図の例である。
【図４】モータ電流２９からミラー角度検出信号１７ｅまでの周波数応答に対するゲインと位相の関係を示すボード線図である。
【図５】ミラーの動作開始から停止までの経過時間と位置偏差との関係を示す図である。
【図６】固有振動数の誤差が全くないとした場合のナイキスト軌跡である。
【図７】固有振動数を実際の１次モードの固有振動数に対してずらせた場合のナイキスト軌跡である。
【符号の説明】
１２回転軸
１３ムービングコイル
１６角度センサ
１７ａ鏡面
１７ｂ発光素子
１７ｃ受光素子
１７ｅミラー角度検出信号
２０ミラー角度指令回路
２１角度目標値信号
２２角度検出信号
２３偏差信号
２４積分補償回路
２５比例補償回路
２７制御入力信号
２８モータ駆動回路
２９モータ駆動電流
３２角速度オブザーバ回路
３３ねじり振動安定化補償回路

Claims

角度目標値と角度検出値に基づいて回転軸に支持させたミラーの角度を位置決めする光学スキャナ装置の制御装置において、
ミラーの角度を検出するミラー角度検出手段と、
前記回転軸の角度を検出する回転軸角度検出手段と、
前記回転軸を回転させるモータに供給される電流を検出する電流検出手段と、
前記電流の値に基づいてねじり振動を安定化するねじり振動安定化補償手段とを設け、前記角度目標値とミラー角度検出値との偏差を積分補償した値に、回転軸角度検出値を用いて比例補償および微分補償をした値および前記ねじり振動安定化補償手段の値を負帰還して前記モータに供給する電流値を決定することを特徴とする光学スキャナ装置の制御装置。
前記ミラー角度検出手段は、ミラー角度測定用の発光素子と、
発光素子の光を反射する測定用鏡面と、前記鏡面に反射された前記発光素子からの反射光を受ける受光素子とからなることを特徴とする請求項１に記載の光学スキャナ装置の制御装置。
前記ねじり振動安定化補償手段は、ねじり振動数の近傍において、一巡伝達関数の位相余裕を増大させる特性を有することを特徴とする請求項１に記載の光学スキャナ装置の制御装置。