JP4104306B2

JP4104306B2 - スキャナ装置

Info

Publication number: JP4104306B2
Application number: JP2001245505A
Authority: JP
Inventors: 聡一遠山; 淳坂本; 治明大槻; 弥市大久保; 秀雄上野; 昌弘大石
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2001-08-13
Filing date: 2001-08-13
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2021-08-13
Also published as: JP2003057570A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸に支持され回転自在のミラーと、前記回転軸の回転角に対応する物理量を検出する回転軸角度検出手段または前記ミラーの回転角に対応する物理量を検出するミラー角度検出手段と、を備え、前記回転軸角度検出手段または前記ミラー角度検出手段の出力信号を用いて前記ミラーを位置決めするスキャナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザマーキングや電子回路基板のレーザ穴明け加工等において使用されるスキャナ装置は、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】
スキャナ装置には、ミラーの角度を制御するための角度センサが設けられており、角度センサの出力信号をフィードバックしてミラーを位置決めする制御（サーボ制御）が行なわれている。
【０００４】
角度センサとして、米国特許第４８６４２９５号公報（以下、「第１の従来技術」という。）には、回転軸に取り付けた誘電体の平板を２枚１組の固定極板の間で回転させ、極板間の静電容量の変化から回転軸の角度を検出するようにした可変容量式センサの技術が開示されている。
【０００５】
また、特開平４−１２７９８１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。
【０００６】
また、特開平３−５８１０６号公報（以下、「第３の従来技術」という。）には、ばね要素を有する回転軸の位置決め制御方法として、ばね要素におけるねじりトルク値及びねじりトルク微分値を駆動軸モータに対するトルク指令信号にフィードバックすることにより回転軸を目標位置に迅速に到達させ、ミラー位置決め時のねじり振動を抑制する技術が開示されている。
【０００７】
また、特開２０００−１１７４７５号公報（以下、「第４の従来技術」という。）には、ミラーの目標角度とセンサで検出した角度との差に基づいてフィードバック制御を行なう方法として、ミラーの動作波形が目標角度に対してオーバーシュートするように制御ゲインを調整し、オーバーシュート時にレーザを照射することにより、位置決め時間を短縮する技術が開示されている。
【０００８】
また、特開２０００−１１７４７６号公報（以下、「第５の従来技術」という。）には、上位コントローラがフィードバック制御系に移動指令を与えてから、レーザが照射されるまでの設定待ち時間を、ミラー移動角度が小さいほど短くなるように設定することにより、加工タクトを短縮する技術が開示されている。
【０００９】
【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の微細な回路パターン上に穴明けをする場合、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、毎秒１０００個程度の穴を加工することが要求されており、加工終了後レーザ光を次の加工位置に位置決めする時間を平均１ｍｓ未満にする必要がある。
【００１０】
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、高品質の穴を加工するには、口径の大きなミラーを用いてレーザ光のエネルギ利用効率を高めることが望ましい。しかし、ミラーを大型化すると、スキャナの慣性負荷が増大し、スキャナ可動部（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。
【００１１】
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次モードと呼ぶことにすると、低次のモードがサーボ帯域を制限する。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、この節を挟む両側（負荷側と駆動側）が互いに逆相で振動する。
【００１２】
角度センサは負荷となる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。
【００１３】
そこで角度センサを負荷側に取り付けたとする。この場合、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ので、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とがある。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る。
【００１４】
一方、角度センサを駆動側に配置した場合、１次モードにおけるモータとセンサは同相になる。この場合は、いわゆるセンサ・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、位置決め精度が目標仕様を満足できない場合がある。さらに、１次モードだけでなく、２次以上のモードがサーボ特性に影響することもある。
【００１５】
上記第１の従来技術では、角度センサの取り付け位置として（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とが考えられる。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よ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。
【００１６】
また、上記第２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・センサ間は逆相になると考えられる。このように角度センサの配置によってモータ・センサ間のねじり振動の位相特性が異なるが、第１および第２の従来技術では、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考慮されていない。
【００１７】
また、上記第３の従来技術では、複数個のねじり固有振動が存在する場合について考慮されていない。
【００１８】
また、上記第４および第５の従来技術では、スキャナの可動部がねじり振動特性を有する場合について考慮されていない。
【００１９】
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ともに、レーザ光の位置決め精度を向上できるスキャナ装置を提供することにある。
【００２０】
【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、回転軸に支持され回転自在のミラーと、前記回転軸の回転角に対応する物理量を検出する回転軸角度検出手段または前記ミラーの回転角に対応する物理量を検出するミラー角度検出手段と、前記回転軸角度検出手段または前記ミラー角度検出手段の出力信号を用いて前記ミラーを位置決めする位置決め手段とを備えたスキャナ装置において、前記回転軸のねじれ角を検出するねじれ角検出手段と、該ねじれ角検出手段の出力信号と前記回転軸角度検出手段または前記ミラー角度検出手段の出力信号とに基づき状態量として前記回転軸の剛体モードの変位および速度と、前記回転軸のねじり振動モードの速度と、を推定する状態量検出手段と、を設け、前記位置決め手段は、角度目標値信号と前記回転軸角度検出手段または前記ミラー角度検出手段の出力信号との差から求められる偏差信号に前記状態量検出手段の出力信号を反転加算して前記ミラーを位置決めすることを特徴とする。
【００２１】
この場合、第２の前記回転軸角度検出手段を設け、前記ねじれ角検出手段は、前記第２の回転軸角度検出手段の出力信号と前記回転軸角度検出手段または前記ミラー角度検出手段の出力信号とからねじれ角を検出するようにするとよい。
【００２２】
また、前記状態量検出手段は、オブザーバであり、また、前記物理量として、角度、角速度および角加速度のうちのいずれかを検出する。
【００２３】
なお、前記ねじれ角検出手段は、せん断歪みを検出する歪みセンサから構成される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るスキャナ装置のブロック線図である。
【００２５】
回転軸３は、軸受５と軸受６により回転自在に支持されている。回転軸３の端部には、ミラー２が固定されている。回転軸３のミラー２と軸受５の間には、角度センサ９が固定されている。なお、可変容量式センサを採用する場合は誘導体平板が、また、ロータリ・エンコーダを採用する場合はスリットあるいはグレーティングを備えた円盤が、それぞれ角度センサ９として回転軸３に取り付けられる。角度センサ９は角度検出回路３１に接続されている。軸受５と軸受６の間にはムービングコイル４が固定されている。ムービングコイル４は電流制御回路２７に接続されている。ムービングコイル４の両側には、永久磁石７、８が配置されている。そして、ムービングコイル４に駆動電流を通電すると、永久磁石７、８により形成される磁界によりムービングコイル４の長辺に電磁力が作用し、ムービングコイル４と一体の回転軸３、ミラー２および角度センサ９が回転する。以下、ミラー２、回転軸３、ムービングコイル４および角度センサ９をまとめて「可動部Ｒ」と呼ぶ。
【００２６】
回転軸３のミラー２と角度センサ９との間には歪みセンサ１０が、軸受５とムービングコイル４との間には歪みセンサ１１が、ムービングコイル４の中央部には歪みセンサ１２が、ムービングコイル４と軸受６との間には歪みセンサ１３が、それぞれ取り付けられている。歪みセンサ１０〜１３は、回転軸３のねじれ角を計測するのが目的であるので、せん断歪みを検出できる歪みセンサが採用されている。歪みセンサ１０〜１３は、それぞれ歪み検出回路４１〜４４に接続されている。
【００２７】
次に、ミラー２の位置決め制御のメカニズムを説明する。
【００２８】
角度センサ９の出力は角度検出回路３１に入力され、角度検出回路３１から出力される角度検出信号３２は、加算器２１と安定化補償器４０に入力される。そして、安定化補償器４０には、角度検出信号３２に加え、電流制御回路２７から出力される電流検出信号３０と歪み検出回路４１〜４４から出力される信号とが入力される。
【００２９】
角度目標値信号２０は、加算器２１により、角度検出信号３２との差が計算される。計算された偏差信号２２は積分補償回路２３により時間積分された後、積分ゲイン２４により係数倍されるので、このサーボ制御系は所謂１型サーボ系になる。スキャナ装置は目的の角度にミラー２を位置決めするための装置であり、角度目標値信号２０は定常状態で一定の角度指令値になる信号である。したがって、ミラーの角度を角度目標値に対して定常偏差無く追従させることができる。
【００３０】
積分ゲイン２４の出力信号は、加算器２５により、後述する安定化補償器４０からの出力信号が減算され、電流指令信号２６として電流制御回路２７に入力される。電流制御回路２７は、電流指令信号２６に応じた駆動電流２８をムービングコイル４に供給する。この結果、ムービングコイル４には駆動電流２８の値に比例した駆動トルクが作用し、可動部Ｒは回転する。
【００３１】
可動部Ｒが回転すると、回転軸３および回転軸３に配置されたミラー等の慣性モーメントと回転軸３のねじり剛性により、可動部Ｒにはねじり振動が発生するが、後述する安定化補償器４０の作用によりねじり振動が安定化（抑制）され、サーボ帯域が広くなるので、高速かつ高精度なミラーの位置決めができる。
【００３２】
次に、サーボ制御系の安定性を保つための安定化補償器４０の構成について説明する。図２は、図１における可動部Ｒを集中定数モデル化した図であり、図中、Ｊ₁〜Ｊ₅、Ｋ₁〜Ｋ₄およびＬ₁〜Ｌ₄は以下を表している。
Ｊ₁：ミラー２とミラー２取り付け部近傍の回転軸３の慣性モーメント
Ｊ₂：角度センサ９と角度センサ９取り付け部近傍の回転軸３の慣性モーメント
Ｊ₃，Ｊ₄：ムービングコイル４とムービングコイル取り付け部近傍の回転軸３の慣性モーメントの１／２
Ｊ₅：回転軸３の軸端近傍の慣性モーメント
Ｋ₁：Ｊ₁とＪ₂を結合するばね定数がＫ₁のねじりばね
Ｋ₂：Ｊ₂とＪ₃を結合するばね定数がＫ₂のねじりばね
Ｋ₃：Ｊ₃とＪ₄を結合するばね定数がＫ₃のねじりばね
Ｋ₄：Ｊ₄とＪ₅を結合するばね定数がＫ₄のねじりばね
Ｌ₁：ねじりばねＫ₁の長さ
Ｌ₂：ねじりばねＫ₂の長さ
Ｌ₃：ねじりばねＫ₃の長さ
Ｌ₄：ねじりばねＫ₄の長さ
ここで、ねじりばねＫ₁〜Ｋ₄の比ねじれ角は歪みセンサ１０〜１３により、また、慣性モーメントＪ₂の角変位θ₂は角度センサ９によりそれぞれ検出できる。
そこで、ねじりばねＫ₁〜Ｋ₄の比ねじれ角をそれぞれδ₁〜δ₄、また、慣性モーメントＪ₁〜Ｊ₅の角変位をそれぞれθ₁〜θ₅とすると、角変位θ₁、θ₃、θ₄、θ₅は、下記の式１〜４で求めることができる。
【００３３】
【数１】

いま、下記の式５〜７に示すように、
【数２】

角変位θ₁〜θ₅を角変位ベクトルθに、また、慣性モーメントＪ₁〜Ｊ₅を慣性モーメントＪに、また、ねじりばねＫ₁〜Ｋ₄を剛性行列Ｋにまとめる。さらに、式８に示すように、トルク定数をＫｔとするときの駆動トルクの作用を表す入力係数ベクトルをｂで表し、モータ駆動電流をｕとする。すると、図３の集中定数モデルの運動方程式は、式９で表される。
【００３４】
式９を状態方程式に変形すると、下記の式１０、１１、１２で表すことができる。
【００３５】
【数３】

なお、式１０、１１におけるベクトルωは角速度ベクトル、行列Ｉは単位行列であり、ｘは、角変位ベクトルθと角速度ベクトルωを式１２のようにまとめた状態量ベクトルである。
【００３６】
式１０の係数行列Ａ_Pと式１１の係数行列Ｃ_Pとから、図２に示した集中定数モデルは可観測であることが判別できる。したがって、下記の式１３、１４で表されるオブザーバを電気回路により構成し、角変位θ₁〜θ₅の検出値とモータ駆動電流ｕの検出信号を入力することにより、未知の状態量、すなわち可動部Ｒの剛体モードの変位ｙ₀および速度ｖ₀、ねじり１次モードの速度ｖ₁、ねじり２次モードの速度ｖ₂、ねじり３次モードの速度ｖ₃を推定することができる。
【００３７】
【数４】

なお、式１３、１４においてｘはオブザーバの状態量ベクトル、Ｋ_OBは角変位検出値に対する入力係数ベクトル、Ｆ_OBは出力係数ベクトルである。なお、式１３、１４では、オブザーバの状態量ベクトルはｘの上に波線を付けて表し、これを本明細書では表記上の制限によりｘで示す。そして、推定された各状態量を、それぞれ比例ゲイン４５〜５０により係数倍し、これらを加算した信号を積分ゲイン２４の出力値に反転加算することによりねじり振動の影響を抑制することができるので、サーボ帯域を広くすることができる。
【００３８】
この結果、指令された角度目標値信号２０に定常偏差無くミラー２の角度を追従させることができることに加えて、可動部Ｒに回転軸回りのねじり振動がある場合も、ミラー２を目標角度に短時間かつ高精度に位置決めすることができる。
【００３９】
また、サーボ帯域を広くできるので、面積の大きいミラーを採用することが可能になる。上記したように、面積の大きいミラーを採用すると、レーザ光のエネルギ利用効率を向上させることができるので、加工速度をさらに速くすることができる。
【００４０】
また、この実施形態では、歪みセンサ１２をムービングコイル４の中央部、すなわちムービングコイル４に作用する電磁力の作用点に合わせて配置したので、ねじり角の測定精度を向上させることができる。
【００４１】
ところで、図２に示すモデルの状態方程式が可観測であれば、角変位θ₁〜θ₅のすべてが計測できなくてもオブザーバを構成することができる。
【００４２】
すなわち、例えば、取付けスペースに余裕がなく、歪みセンサ１０を取り付けることができない場合、すなわち角変位θ₁が計測できない場合には、式２〜式４を用いて角変位θ₃〜θ₅を求め、角変位θ₂の検出値と、電流検出信号３０を用いて、オブザーバにより上記可動部Ｒの状態量ｙ₀、ｖ₀、ｖ₁、ｖ₂、ｖ₃を推定することができる。
【００４３】
＜第２の実施形態＞
図３は、本発明の第２の実施形態に係るスキャナ装置のブロック線図であり、図１と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。
【００４４】
ミラー２の裏面（加工のためのレーザ光を反射する面の背面側）には、鏡面６０が設けられている。レーザ光源６１は、鏡面６０に向けてレーザ光６２を照射する。鏡面６０で反射されたレーザ光６２を受光する受光素子６３は、入射したレーザ光６２の位置を検出するものであり、例えばＰＳＤ（Position Sensitive Device）や、分割ＰＤ（Photo Detector）が採用される。受光素子６３の出力信号はミラー角度検出回路６４に入力され、ミラー角度検出回路６４から出力される角度検出信号６５は、加算器２１と安定化補償器４０に入力される。
【００４５】
この実施形態は、ミラー２と角度センサ９との間に歪みセンサを設けていない点およびミラー２の角変位を直接検出する点で上記第１の実施形態と相違する。しかし、上記第１の実施形態において説明したように、回転軸３に配置した歪みセンサ１１〜１３を用いてそれぞれの位置の角変位を検出することにより、上記の集中定数モデルの状態方程式は可観測になり、また、ミラー角度検出信号６５は角度検出信号３２と実質的に同じである。したがって、この実施の形態は実質的に上記第１の実施形態と同じ動作をするので、動作に関する説明は省略する。
【００４６】
そして、この実施形態におけるサーボ制御系においても、指令された角度目標値信号２０に定常偏差無く、ミラー角度を追従させることができ、しかも可動部Ｒに回転軸回りのねじり振動モードがある場合でも、高応答なミラーの位置決め制御が可能になる。
【００４７】
なお、上記第１の実施形態では、角度センサ９をミラー２に近い側に配置する場合について説明したが、図４に示すように、角度センサ９が回転軸３のミラー２から遠い側の端部に配置する場合も、図２と同様の集中定数モデルを構築することができる。
【００４８】
また、上記の２つの実施形態では、ねじれ角の検出手段として歪みセンサを用いる場合について説明したが、ねじれ角検出手段として以下の構成を用いてもよい。
【００４９】
すなわち、回転軸３にロータリ・エンコーダ等の回転軸角度センサを取り付けると共に、図３に示したミラー角度検出手段を設け、回転軸角度センサの検出角度とミラー角度検出手段の検出角度との差、あるいは、図４における歪みセンサ１１の位置に第２の回転軸角度センサを設け、２個の回転軸角度センサの検出角度の差を、両者間のねじれ角とする。そして、得られたねじれ角の値を安定化補償器４０に入力してねじり振動モードの状態量を推定するように構成しても、安定なサーボ制御系を構成することができる。
【００５０】
また、ねじれ角の検出手段として角速度センサまたは角加速度センサを用いることもできる。すなわち、例えば、ねじれ角の検出手段として角加速度センサを用いる場合、角加速度センサを回転軸３の２か所以上に配置する。そして、角加速度センサを配置した位置における回転軸３の軸線回りの角加速度をそれぞれ検出し、両者の差からセンサ間の相対角加速度を求めて二階積分することにより相対角変位すなわちねじれ角を求めることができる。また、角速度センサを用いる場合も同様にしてねじれ角を求めることができる。
【００５１】
上記の説明では、ねじり３次モードまでを補償するようにしたが、必要があればより高次のモードまで補償することができる。また、測定区間は１区間であっても状態量ｙ₀、ｖ₀、ｖ₁、ｖ₂、ｖ₃ を求めることができるが、測定区間を多くすることにより状態量の推定精度を高くすることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、例えばレーザ光を反射するミラーの角度を直接あるいは間接的に測定し、角度目標値信号に偏差無く追従させるサーボ制御を行なうことに加えて、回転軸に生じるねじり振動を安定化する安定化補償器を設けることによりサーボ帯域を広くしたので、ミラーを高速かつ高精度に目標位置に位置決めすることができる。しかも、角度検出信号とねじれ角検出信号により、モータと角度センサの間の位相特性に関わらず、高応答かつ、高精度なミラー位置決め制御系を構成できる。この結果、本発明に係るスキャナ装置を例えばレーザ加工機に採用することにより、加工時間を短縮できるので生産性が向上し、かつレーザ光を高精度に位置決めできるので加工物の品質や歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るスキャナ装置のブロック線図である。
【図２】図１における可動部を集中定数モデル化した図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るスキャナ装置のブロック線図である。
【図４】本発明の適用例を示す図である。
【符号の説明】
２ミラー
３回転軸
９角度センサ
１０〜１３歪みセンサ
４０状態量検出手段

Claims

回転軸に支持され回転自在のミラーと、前記回転軸の回転角に対応する物理量を検出する回転軸角度検出手段または前記ミラーの回転角に対応する物理量を検出するミラー角度検出手段と、前記回転軸角度検出手段または前記ミラー角度検出手段の出力信号を用いて前記ミラーを位置決めする位置決め手段とを備えたスキャナ装置において、
前記回転軸のねじれ角を検出するねじれ角検出手段と、
該ねじれ角検出手段の出力信号と前記回転軸角度検出手段または前記ミラー角度検出手段の出力信号とに基づき状態量として前記回転軸の剛体モードの変位および速度と、前記回転軸のねじり振動モードの速度と、を推定する状態量検出手段と、
を設け、
前記位置決め手段は、角度目標値信号と前記回転軸角度検出手段または前記ミラー角度検出手段の出力信号との差から求められる偏差信号に前記状態量検出手段の出力信号を反転加算して前記ミラーを位置決めすることを特徴とするスキャナ装置。
第２の前記回転軸角度検出手段を設け、前記ねじれ角検出手段は、前記第２の回転軸角度検出手段の出力信号と前記回転軸角度検出手段または前記ミラー角度検出手段の出力信号とからねじれ角を検出することを特徴とする請求項１に記載のスキャナ装置。
前記状態量検出手段は、オブザーバであることを特徴とする請求項１または２に記載のスキャナ装置。
前記物理量は、角度、角速度および角加速度のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のスキャナ装置。
前記ねじれ角検出手段は、せん断歪みを検出する歪みセンサからなることを特徴とする請求項１に記載のスキャナ装置。