JP4497985B2 - Galvano scanner control method, galvano scanner control device, and laser processing machine - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ等の光を走査するためのガルバノスキャナの制御方法及びガルバノスキャナの制御装置並びにこのようなガルバノスキャナによりレーザ等の光を照射してプリント基板に穴明けを行うレーザ加工機に関する。 The present invention relates to a control method for a galvano scanner for scanning light such as a laser, a control device for the galvano scanner, and a laser processing machine that irradiates light such as laser with such a galvano scanner to make a hole in a printed circuit board. .
レーザビームを走査する機能を持つレーザ装置の一例であるプリント基板穴明け用レーザ加工機は、レーザビームをパルス状にプリント基板に照射して、基板の導体層間を接続するための穴を開ける装置である。従来のプリント基板穴明け用レーザ加工機は、例えば、プリント基板を搭載して水平面内のXY方向にプリント基板を移動させるXYテーブルサーボ機構と、上記プリント基板上のXY方向にレーザビームを走査するための一対のガルバノスキャナサーボ機構と、を備えている(例えば、特許文献1参照)。 A laser processing machine for drilling a printed circuit board, which is an example of a laser apparatus having a function of scanning a laser beam, irradiates a printed circuit board with a laser beam in a pulsed manner to form a hole for connecting between conductor layers of the circuit board It is. A conventional printed circuit board drilling laser machine, for example, mounts a printed circuit board and moves the printed circuit board in the XY direction in the horizontal plane, and scans the laser beam in the XY direction on the printed circuit board. And a pair of galvano scanner servo mechanisms (see, for example, Patent Document 1).
ガルバノスキャナの構造は、例えば、一体貫通揺動軸の中央区間にコイルが固定されており、このコイルの両端に隣接して一対の軸受が配置され、その外側の一方には角度検出器が、他方にはミラー取り付け部が、それぞれ配置されている(例えば、特許文献2参照)。 In the structure of the galvano scanner, for example, a coil is fixed to the central section of the integral through-oscillation shaft, a pair of bearings are disposed adjacent to both ends of the coil, and an angle detector is provided on one of the outer sides thereof. On the other side, mirror mounting portions are respectively disposed (for example, see Patent Document 2).
以下、図面を用いてさらに詳細に説明する。 Hereinafter, it demonstrates still in detail using drawing.
図10は、従来のレーザ加工機におけるガルバノミラーサーボ機構(ガルバノスキャナサーボ機構)の構成例を示すブロック図である。 FIG. 10 is a block diagram showing a configuration example of a galvano mirror servo mechanism (galvano scanner servo mechanism) in a conventional laser beam machine.
ガルバノスキャナ100の電磁揺動アクチュエータ110(以下、「アクチュエータ」という。)は、揺動軸111を揺動させる。揺動軸111の一方の端部にはミラーマウント131を介してミラー130が装着されており、他方の端部には角度検出器(エンコーダ)120が取り付けられている。
An electromagnetic swing actuator 110 (hereinafter referred to as “actuator”) of the
以上の構成であるから、揺動軸111の揺動に応じてミラー130の向きが変わり、ミラー130に入射したレーザビーム30の出射方向が変化するようになっている。揺動軸111すなわちミラー130の揺動角度は、角度検出器120により検出される。
With the above configuration, the direction of the
上位制御装置10は、NCプログラムを解釈して、レーザビーム30を位置決めすべき対象物上の位置に応じて、ミラー130の目標位置決め角度11をガルバノスキャナ制御装置20に指令する。ガルバノスキャナ制御装置20は目標位置決め角度11に応じた電流値の電流21をアクチュエータ110のコイルに供給する。
The
揺動軸111に結合された角度検出器120は、揺動量に応じてパルス(位置信号)22を発生し、このパルスがパルスカウンタで計数されて揺動角度としてフィードバックされる。
The
これらの処理を繰り返すことにより、ミラー130は徐々に目標位置に接近する。位置決めが完了すると、ガルバノスキャナ制御装置20から上位制御装置10に位置決め完了信号12が送られる。
By repeating these processes, the
図示を省略するレーザ発振器から出力されたレーザビーム30はミラー130により反射され、Fθレンズ140を介して対象物の加工位置に照射される。図中では、ミラー130の3通りの揺動角度に対応した、点A、点B、点Cの3つの加工位置を示している。
近年の電子機器小型化・高機能化によりプリント基板の高密度化が急速に進んでいる。これに伴い、レーザ加工機には加工速度の高速化及び加工精度の高精度化が求められている。 Due to the recent downsizing and higher functionality of electronic equipment, the density of printed circuit boards is rapidly increasing. Along with this, laser processing machines are required to increase the processing speed and the processing accuracy.
ところで、揺動軸の揺動速度(以下、「回転速度」という。)を高速化すれば、加工速度を向上させることができる。しかし、回転速度を高速化するためにコイルに供給する電流値を大きくすると、発熱により揺動軸が熱変形して加工位置ずれが発生する。 By the way, if the rocking speed of the rocking shaft (hereinafter referred to as “rotational speed”) is increased, the machining speed can be improved. However, if the current value supplied to the coil is increased in order to increase the rotation speed, the oscillation shaft is thermally deformed due to heat generation, and a machining position shift occurs.
図11は、揺動軸が熱変形することによる加工位置のずれを説明する図である。 FIG. 11 is a diagram for explaining a shift in the machining position due to thermal deformation of the swing shaft.
同図において、点線は揺動軸111に熱変形が発生していない場合を、実線は揺動軸111に熱変形が発生した場合をそれぞれ示している。
In the figure, the dotted line indicates the case where the
揺動軸111に熱変形が発生していない場合、ミラー130で反射されたレーザビーム30は光路204aを通り、加工位置205aに照射される。これに対しコイルに電流が流れることにより揺動軸111に熱変形が発生すると、ミラー130で反射されたレーザビーム30は光路204bを通り、加工位置205bに照射される。すなわち、加工位置のずれは、揺動軸111の回転方向(図中のX軸方向)と揺動軸の軸線に沿う方向(図中のY軸方向)に発生する。
When thermal deformation does not occur in the
本発明の目的は、上記した課題を解決し、揺動軸が熱変形しても、精度に優れる加工を行うことができるガルバノスキャナの制御方法及びガルバノスキャナの制御装置並びにレーザ加工機を提供するにある。 An object of the present invention is to provide a galvano scanner control method, a galvano scanner control device, and a laser beam machine capable of solving the above-described problems and capable of performing machining with excellent accuracy even when the swing shaft is thermally deformed. It is in.
上記課題を解決するため、本発明の第1の手段は、ミラーのアクチュエータを目標値と現在値との偏差に基づいて動作させ、前記ミラーに入射する光の出射角を制御するようにしたガルバノスキャナの制御方法において、前記アクチュエータに供給する電流値と、目標値に対するずれ量との関係を予め求めておき、加工時、前記電流値に基づいて前記ずれ量を推定し、推定されたずれ量を打ち消すように前記目標値を補正することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, a first means of the present invention is a galvanometer in which a mirror actuator is operated based on a deviation between a target value and a current value to control an emission angle of light incident on the mirror. In a scanner control method, a relationship between a current value supplied to the actuator and a deviation amount with respect to a target value is obtained in advance, and the deviation amount is estimated based on the current value during processing, and the estimated deviation amount The target value is corrected so as to cancel.
また、本発明の第2の手段は、ミラーのアクチュエータを目標値と現在値との偏差に基づいて動作させ、前記ミラーに入射する光の出射角を制御するようにしたガルバノスキャナの制御装置において、前記アクチュエータに供給する電流値と前記ずれ量との関係を記憶する手段と、前記アクチュエータに供給する電流値から前記ずれ量を推定する手段と、を設け、加工時、前記電流値に基づいて前記ずれ量を推定し、推定されたずれ量を打ち消すように前記目標値を補正することを特徴とする。 According to a second means of the present invention, there is provided a control device for a galvano scanner in which a mirror actuator is operated based on a deviation between a target value and a current value to control an emission angle of light incident on the mirror. Means for storing the relationship between the current value supplied to the actuator and the deviation amount, and means for estimating the deviation amount from the current value supplied to the actuator, based on the current value during processing The deviation amount is estimated, and the target value is corrected so as to cancel the estimated deviation amount.
また、本発明の第3の手段は、レーザ加工機に上記第2の手段であるガルバノスキャナの制御装置を備え、このガルバノスキャナの制御装置によりレーザビームをスキャンさせて加工をすることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the laser processing machine includes a control device for the galvano scanner as the second means, and the galvano scanner control device scans the laser beam for processing. To do.
コイルの発熱に起因する加工位置の変位をリアルタイムに補正するので、高精度な加工ができる。 Since the displacement of the machining position caused by the heat generation of the coil is corrected in real time, highly accurate machining can be performed.
はじめに、本発明の原理を説明する。 First, the principle of the present invention will be described.
図1は、本発明における位置決め信号と加工位置との関係を調べるための接続図であり、図10と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。 FIG. 1 is a connection diagram for investigating the relationship between a positioning signal and a machining position in the present invention, and those having the same or the same functions as those in FIG.
上位制御装置10は、予め定める時間間隔毎に、予め定める2つの位置を交互に出力する。ガルバノスキャナ制御装置20は、サーボ偏差信号210とコイルに供給する電流21の電流値をオシロスコープ211に出力する。レーザ発振器220は、計測用のHe−Neレーザ221を連続して出力する。センサ(例えばPSD装置)222は照射されたHe−Neレーザ221の位置(以下、「照射位置」という。)を2次元的にセンシングし、X軸方向の位置をアナログの電圧値223x、Y軸方向の位置をアナログの電圧値223yとして、オシロスコープ211に出力する。
The
図2は、熱変形に伴うX軸方向の位置と時間との関係を示す図であり、実線は照射位置を、点線は目標位置を示している。なお、Y軸方向の位置も図2と同様の傾向になるが、通常、軸線に直角な方向のずれは軸線方向のずれよりも遙かに大きい。 FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the position in the X-axis direction and time associated with thermal deformation, where the solid line indicates the irradiation position and the dotted line indicates the target position. Note that the position in the Y-axis direction has the same tendency as in FIG. 2, but the deviation in the direction perpendicular to the axis is usually much larger than the deviation in the axis direction.
同図に示されているように、揺動軸の熱変形により、照射位置は時間と共に変化する。 As shown in the figure, the irradiation position changes with time due to thermal deformation of the swing shaft.
ここで、図2における最終的な照射位置に着目して曲線補完すると、図3に実線で示す曲線となる。この曲線は、一次遅れ曲線で近似できる。なお、軸線方向のずれも、大きさは異なるが、図3に実線で示す曲線と同様の曲線になる。 Here, if the curve is supplemented by paying attention to the final irradiation position in FIG. 2, the curve shown by the solid line in FIG. 3 is obtained. This curve can be approximated by a first order lag curve. In addition, although the magnitude | size of the shift | offset | difference of an axial direction differs also in a magnitude | size, it becomes a curve similar to the curve shown as a continuous line in FIG.
そこで、本発明では、コイル(または揺動軸)の温度を実際に測定することに代えて、発熱検出回路として抵抗とコンデンサを並列に接続したCR回路(図示を省略)を設け、コイルに供給する電流21をこの発熱検出回路に流し、抵抗の両端に発生する電圧がコイルの発熱量に略比例(または一致)するように、CR回路の定数を定めておく。 Therefore, in the present invention, instead of actually measuring the temperature of the coil (or the oscillating shaft), a CR circuit (not shown) in which a resistor and a capacitor are connected in parallel is provided as a heat generation detection circuit and supplied to the coil. The constant of the CR circuit is determined so that the current 21 to be generated flows through the heat generation detection circuit and the voltage generated at both ends of the resistor is substantially proportional (or coincident) with the heat generation amount of the coil.
このようにすると、稼働状態入力(目標位置決め角度とその周期)とコイル発熱量および加工位置変位量は、伝達関数を用いて、図4に示すブロック線図で表すことができる。なお、同図において、230は稼働状態入力、231は稼働状態からコイル発熱量までの伝達関数、232はコイルの発熱出力、233は稼働状態から加工位置変位までの伝達関数、234は加工位置変位量である。 In this way, the operating state input (target positioning angle and its cycle), the coil heat generation amount, and the machining position displacement amount can be represented by the block diagram shown in FIG. 4 using the transfer function. In this figure, 230 is an operating state input, 231 is a transfer function from the operating state to the amount of heat generated by the coil, 232 is a heat output of the coil, 233 is a transfer function from the operating state to the machining position displacement, and 234 is a machining position displacement. Amount.
このブロック線図から、y1を加工位置変位量、T1を一次遅れ要素の時定数、y2をコイル発熱量、T2を一次遅れ要素の時定数、Kを可変ゲインとすると、加工位置変位量y1は式1で表わされる。 From this block diagram, if y1 is the machining position displacement amount, T1 is the time constant of the primary delay element, y2 is the coil heat generation amount, T2 is the time constant of the primary delay element, and K is the variable gain, the machining position displacement amount y1 is It is represented by Formula 1.
そして、式1を双一次Z変換により離散化すると、式2で表すことができる。なお、サンプリング時間Tは一次遅れ要素の時定数T1、T2に対して十分小さい。
すなわち、コイルに供給する電流21を観測することにより加工位置変位量をリアルタイムに推定する変位推定器(補償器)を作成することができる。 That is, it is possible to create a displacement estimator (compensator) that estimates the machining position displacement amount in real time by observing the current 21 supplied to the coil.
次に、時定数T1、T2を測定する手段について説明する。 Next, means for measuring the time constants T1 and T2 will be described.
図5は、時定数T1、T2を測定するための接続図である。 FIG. 5 is a connection diagram for measuring the time constants T1 and T2.
目標位置決め角度(往復位置指令)11は加算器241によりパルスカウンタ242の出力22を減算され、偏差信号がサーボ補償器243に入力される。サーボ補償器243から出力されたデジタル信号はD/A変換器244によりアナログ信号に変換され、増幅器245を介して電流21がアクチュエータ110に供給され、ミラー130を揺動させる。
The target positioning angle (reciprocating position command) 11 is subtracted from the
PSD装置222から出力されたアナログの位置信号はA/Dコンバータ246によりデジタルの位置信号に変換される。
The analog position signal output from the
図示を省略するCPUは、加算器241から出力される偏差信号を監視し、ミラー130が位置決めされたと判断すると、スイッチ247を閉じてデジタル位置信号を記憶する。時定数測定器248は、記憶された時系列の位置データから時定数T1、T2を演算し、その結果をメモり249に記憶する。上記の動作を目標位置決め角度(すなわち2点間の距離)を変えて実施する。そして、実際の装置では、得られた時定数T1、T2を後述する変位推定器に設定する。
The CPU (not shown) monitors the deviation signal output from the
なお、加算器241、サーボ補償器243、D/A変換器244、増幅器245およびパルスカウンタ242は、ガルバノスキャナ制御装置20の構成要素である。
The
次に、本発明に係るガルバノスキャナ制御装置について説明する。 Next, a galvano scanner control device according to the present invention will be described.
図6は本発明に係るガルバノスキャナ制御装置の接続図であり、図1、5と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。 FIG. 6 is a connection diagram of the galvano scanner control device according to the present invention, and the same or the same functions as those in FIGS.
NC装置270は、あらかじめ、位置決め制御時にはスイッチ263を閉、スイッチ265を開に、また、追従制御時にはスイッチ263を開、スイッチ265を閉にしておく。
The NC device 270 previously closes the
コイルに供給する電流21は、発熱検出回路260に入力され、その結果はA/Dコンバータ246を介して変位推定器261に入力される。
The current 21 supplied to the coil is input to the heat
変位推定器261は、目標位置決め角度11および発熱量とから予め記憶されている時定数T1、T2を選択して、上記式2により加工位置変位量262を演算する。
The
そして、得られた加工位置変位量262は、位置決め制御時にはスイッチ263および加算器264を介してNC装置から出力される指令値に加算され、追従制御時にはスイッチ265を介して加算器241により目標位置決め角度(目標軌道)11に加算される。
The obtained machining
このように、逐次、加工位置変位量262を推定し、指令値または目標軌道へ加算をすることにより、常に過渡的に発生する発熱による加工位置変位を補正することができる。
In this way, by sequentially estimating the machining
ところで、レーザ加工機では、レーザを直角な2軸方向に位置決めする必要があるので、1軸毎にガルバノスキャナを用いる。 By the way, in the laser processing machine, it is necessary to position the laser in two perpendicular axes, so a galvano scanner is used for each axis.
図7は、ねじれ方向に配置された一対の揺動軸がそれぞれ熱変形した場合の加工位置のずれを説明する図である。 FIG. 7 is a diagram for explaining the displacement of the machining position when the pair of swinging shafts arranged in the twisting direction is thermally deformed.
図11で説明したように、熱変形による加工位置変位は揺動軸の軸線方向と軸線に直角な方向に発生する。 As described with reference to FIG. 11, the machining position displacement due to thermal deformation occurs in the axial direction of the swing shaft and in a direction perpendicular to the axial line.
同図から明らかなように、レーザビーム30をY軸方向に位置決めするガルバノスキャナ100aの揺動軸が熱変形すると、回転の軸線方向のずれは図のX軸方向に、回転の軸線と直角方向のずれは図のY軸方向に発生する。一方、レーザビーム30をX軸方向に位置決めするガルバノスキャナ100bの揺動軸が熱変形すると、回転の軸線方向のずれは図のY軸方向に、回転の軸線と直角方向のずれは図のX軸方向に発生する。
As can be seen from the figure, when the oscillating shaft of the
すなわち、照射位置におけるX軸方向のずれはガルバノスキャナ100aの揺動軸の回転の軸線方向のずれと、ガルバノスキャナ100bの揺動軸の回転の軸線と直角方向のずれとが加算されたものであり、照射位置におけるY軸方向のずれはガルバノスキャナ100aの揺動軸の回転の軸線と直角方向のずれと、ガルバノスキャナ100bの揺動軸の回転の軸線方向のずれとが加算されたものである。
That is, the deviation in the X-axis direction at the irradiation position is the sum of the deviation in the axial direction of the rotation of the oscillating shaft of the
図8は、一対のガルバノスキャナによりレーザを2軸方向に位置決めする場合の補正手順を示すブロック線図であり、図6と同じものは同一の符号(添字x、yにより軸方向を区別)を付してある。 FIG. 8 is a block diagram showing a correction procedure when the laser is positioned in two axial directions by a pair of galvano scanners, and the same components as those in FIG. 6 have the same reference numerals (the axial directions are distinguished by subscripts x and y). It is attached.
同図に示されているように、ガルバノスキャナ毎にX、Y方向の変位を推定し、X軸方向の位置決めをするためのガルバノスキャナに対してはY軸方向の位置決めをするためのガルバノスキャナのY軸方向の変位を加算し、Y軸方向の位置決めをするためのガルバノスキャナに対してはX軸方向の位置決めをするためのガルバノスキャナのX軸方向の変位を加算する。この結果、レーザビームをXY方向に精度良く位置決めすることができる。 As shown in the figure, the galvano scanner for estimating the displacement in the X and Y directions for each galvano scanner and positioning in the Y axis is used for the galvano scanner for positioning in the X axis. The displacement in the Y-axis direction is added, and for the galvano scanner for positioning in the Y-axis direction, the displacement in the X-axis direction of the galvano scanner for positioning in the X-axis direction is added. As a result, the laser beam can be accurately positioned in the XY directions.
なお、時定数T1、T2の値を記憶する記憶手段は変位推定器261の内部に設けても良いし、外部の記憶装置を用いてもよい。
Note that the storage means for storing the values of the time constants T1 and T2 may be provided inside the
図9は、本発明を適用したプリント基板穴明け用レーザ加工機の構成図であり、発明の本質に関わらない部分は図示が省略されている。 FIG. 9 is a block diagram of a laser drilling machine for drilling a printed circuit board to which the present invention is applied, and illustrations of portions not related to the essence of the invention are omitted.
同図において、レーザ発振器310から出力されたレーザビーム30は、ミラー313a、ミラー313bを介して、コリメータ312やアパーチャ314等で構成される光学的ビーム処理系を経て整形され、さらにミラー313c、ミラー313d、ミラー313e、ミラー313fを介して第1のガルバノスキャナ100aのミラーに入射する。このミラーは中立位置のときに図中右方向からの入射ビームを図中前方向に反射するが、ミラーの角度を変えることで、反射ビームの進路を図中水平面内、すなわちXYテーブル上のスポット位置では図中左右方向(Y軸方向)に変化させることができる。
In the figure, a
第1のガルバノスキャナ100aを通過したビームは、次に第2のガルバノスキャナ100bのミラーに入射する。このミラーは中立位置のときに図中奥方向からの入射ビームを図中下方向に反射するが、ミラーの角度を変えることで、反射ビームの進路を図中前後方向の垂直面内、すなわちXYテーブル上のスポット位置では図中前後方向(X軸方向)に変化させることができる。第2のガルバノスキャナ100bのミラーを通過したビームは、Fθレンズ140を介して、XYテーブル353上に載置されたプリント基板352に照射される。なお、XYテーブル353はY軸駆動機構354によりY軸方向に駆動され、Y軸駆動機構354はX軸駆動機構355によりX軸方向に駆動されるので、XYテーブル353のXY方向への移動位置決めが実現される。X軸駆動機構355はベッド356の上に固定されている。
The beam that has passed through the
ガルバノスキャナ100a、100bを制御するガルバノスキャナ制御装置20a、20b(図示を省略)するは、上記した発熱に起因する加工位置変位補正の機能を備えている。
The galvano scanner control devices 20a and 20b (not shown) for controlling the
21 電流
110 アクチュエータ
261 変位推定器
21 Current 110
Claims (3)
前記アクチュエータに供給する電流値と目標値に対するずれ量との関係を予め求めておき、
加工時、前記電流値に基づいて前記ずれ量を推定し、
推定されたずれ量を打ち消すように前記目標値を補正する
ことを特徴とするガルバノスキャナの制御方法。 In the control method of the galvano scanner that operates the actuator of the mirror based on the deviation between the target value and the current value, and controls the emission angle of the light incident on the mirror,
A relationship between a current value supplied to the actuator and a deviation amount with respect to a target value is obtained in advance,
At the time of processing, the amount of deviation is estimated based on the current value,
A control method for a galvano scanner, wherein the target value is corrected so as to cancel the estimated shift amount.
前記アクチュエータに供給する電流値と前記ずれ量との関係を記憶する手段と、
前記アクチュエータに供給する電流値から前記ずれ量を推定する手段と、
を備え、
前記制御手段は、加工時、前記電流値に基づいて前記ずれ量を推定し、推定されたずれ量を打ち消すように前記目標値を補正することを特徴とするガルバノスキャナの制御装置。 In the control device of the galvano scanner, the actuator of the mirror is operated based on the deviation between the target value and the current value, and has a control means for controlling the emission angle of the light incident on the mirror.
Means for storing a relationship between a current value supplied to the actuator and the deviation amount;
Means for estimating the amount of deviation from a current value supplied to the actuator;
With
The galvano scanner control device, wherein the control means estimates the deviation amount based on the current value during processing and corrects the target value so as to cancel the estimated deviation amount.
この制御装置によりレーザビームをスキャンさせて加工をする加工手段と、
を備えていることを特徴とするレーザ加工機。 A control device for a galvano scanner according to claim 2,
Processing means for processing by scanning a laser beam with this control device,
A laser processing machine comprising:
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