JP4533640B2 - ガルバノスキャナの制御方法およびガルバノスキャナ - Google Patents

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に関する。

レーザ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）。

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）。

以下、図面を用いてさらに詳細に説明する。

図５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。

ガルバノスキャナ１００の電磁揺動アクチュエータ１１０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１２０が取り付けられている。

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。

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。

図６は、従来のガルバノスキャナ制御装置２０を構成するスキャナサーボ機構のブロック線図であり、破線より左側はサーボ処理プロセッサのソフトウェアにより実行される部分であり、右側はハードウェアの接続関係と信号の流れを示している。

目標軌道生成処理部２１０は、目標位置決め角度１１に基づき、刻々のガルバノスキャナの揺動角度目標値２１５を計算し、スキャナサーボ機構の目標軌道を生成する。この目標値２１５は、減算手段２２２により検出されたスキャナの揺動角度２５５を減算されて偏差２２５となる。この偏差２２５は、補償要素２２０で制御演算処理を施されて操作量信号２２６が算出される。操作量信号２２６はＤ／Ａ変換器２３０でアナログ信号に変換され、電流制御系２４０の指令値（駆動信号）２１になる。電流制御系２４０の出力側には、ガルバノアクチュエータ１１０の電機子が接続され、これと直列に電流検出抵抗２４１が接続されている。電流検出抵抗２４１の端子電圧は、差動増幅器２４２で検出され、電流信号として電流制御系２４０にフィードバックされる。揺動軸１１１に結合されたエンコーダ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２５０で計数されて揺動角度２５５としてフィードバックされる。

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。

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。

図７は、ガルバノアクチュエータの断面図である。

揺動軸１１１を囲む形に円筒状のインナーヨーク１１２が配置され、その外側には、円筒状の空隙Ｇを隔てて、周方向に４分割された永久磁石１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄが配置されている。永久磁石１１３ａ〜１１３ｄは半径方向に分極するように磁化されており、永久磁石１１３ａと永久磁石１１３ｃ、また永久磁石１１３ｂと永久磁石１１３ｄがそれぞれ同一方向に磁化されている。

永久磁石１１３ａ〜１１３ｄの外側には、アウターヨーク１１４が配置され、これらが磁気回路を形成している。そして、永久磁石１１３ａ〜１１３ｄおよびインナーヨーク１１２によって形成される磁界により、空隙Ｇには略半径方向の磁束Ｍが生じている。また、空隙Ｇには電機子のコイルを構成する素線群１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ、１１５ｄが図示のように配置されている。

以上の構成であるから、、コイルに通電すると、素線群１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ、１１５ｄには図示の方向に電流が流れ、磁束と電流の相互作用により、素線群１１５ａ〜１１５ｄには円周方向に力（ローレンツ力）が作用する。コイルすなわち素線群１１５ａ〜１１５ｄは揺動軸１１１に固定されているので、この力は揺動軸１１１を駆動するトルクとなる。このトルクはコイルを流れる電流に比例し、その比例定数がトルク定数である。
特開２００２−１３７０７４号公報（第２頁、図６） 特開２００２−６２５５号公報（第２頁、図６）

近年、レーザ加工機のようなガルバノスキャナ応用製品の加工効率向上への要求は益々高くなっており、ガルバノスキャナサーボ機構にも高速応答が求められている。ガルバノスキャナは、限られた角度範囲でミラーを揺動させる動作を行うが、この角度範囲内でのガルバノスキャナの特性は、必ずしも一様ではない。

すなわち、上記図７に示したガルバノアクチュエータ１１０の場合、永久磁石１１３ａ〜１１３ｄの中央付近の磁束Ｍは半径方向を向いているが、端部に近づくにつれて半径方向に対して傾き、密度も低くなる。このため、素線群１１５ａ〜１１５ｄが永久磁石１１３ａ〜１１３ｄの端部に近づくと、トルク定数の低下が生じる。

図８は、揺動角度とトルク定数の関係の一例を示すグラフであり、揺動角度θＢは揺動の中心、揺動角度θＡはプラス側、揺動角度θＣはマイナス側の角度で、図５における加工位置Ａ、Ｂ、Ｃに対応する揺動角度である。

図９は、揺動角度がθＡ、θＢ、θＣである加工位置において同じストロークの位置決めを行ったときのサーボ機構の偏差信号のグラフを重ねた図である。

同図から明らかなように、揺動角度θＢでは適切な応答を示しているが、揺動角度θＡや揺動角度θＣではオーバーシュートが生じている。すなわち、揺動角度によりトルク定数が変化するため、ある角度で良好な位置決め応答性を持つサーボ機構が、別の角度ではオーバーシュートを生じたり、オーバーダンピングになったりするという問題を生じる。

しかし、コイルに作用する磁場の強度を揺動角度によらず一様にすることは困難であり、同じ電流を流しても揺動角度に応じて回転子に作用するトルクの大きさが変動する。他の構造によってトルクを発生するガルバノスキャナであっても同様に、揺動角度によってトルク定数が全く変動しないようにすることは困難である。

本発明の目的は、揺動角度によらず、ミラーを高速で位置決めする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並びにこのようなガルバノスキャナによりレーザを照射してプリント基板に穴明けを行うレーザ加工機を提供するにある。

本発明の第１の手段は、指令信号と現在位置との偏差に基づいてミラーを揺動させるアクチュエータを動作させ、前記ミラーに入射する光の出射角を制御するガルバノスキャナの制御方法において、揺動角度に応じた前記アクチュエータのゲイン変化を実動作に先立って計測する工程と、計測されたゲイン変化を実動作に先立って記憶する工程と、実動作時に前記記憶工程により記憶された前記ゲイン変化をなくすように、前記アクチュエータの操作量を補正する工程と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、指令信号と現在位置との偏差に基づいてミラーを揺動させるアクチュエータを動作させ、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において、揺動角度に応じた前記アクチュエータのゲイン変化を計測する手段を設け、実動作に先立ってこの手段により前記アクチュエータのゲイン変化を計測すると共にその結果を記憶し、実動作時には前記ゲイン変化をなくすように、前記アクチュエータの操作量を補正することを特徴とする。

揺動角度によらずミラーを高速で位置決めすることができるので、加工速度を向上させることができる。

図１は、本発明に基づくトルク定数計測機能を備えたガルバノスキャナ制御装置５０を構成するスキャナサーボ機構のブロック図であり、破線より左側はサーボ処理プロセッサのソフトウェアにより実行される部分を、右側はハードウェアの接続関係と信号の流れを、それぞれ示している。なお、図６と同等の機能のものは同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示を省略するが、ガルバノスキャナ制御装置５０はＬＡＮインターフェースを備えており、ＬＡＮを介して遠隔地のホストコンピュータと通信が可能である。

加振信号生成処理部２６０は小振幅の正弦波信号を発生する。なお、この正弦波の周波数は、制御対象であるスキャナアクチュエータの共振周波数や、アンプの各種ノイズの周波数、摩擦の影響が顕著な低い周波数領域等を避け、伝達関数が慣性体としての二重積分特性を示す周波数に設定されている。

信号接続遮断処理部２６１は加振信号生成処理部２６０から出力される信号を加算処理部２６２に接続または遮断する。加算処理部２６２は加振信号生成処理部２６０および目標値生成処理部２１０から出力される目標値２１５を加算し、減算手段２２２に出力する。

補償要素２２０の出力は、信号接続切替処理部２２７の端子ａとトルク定数変動補償部３００に入力され、トルク定数変動補償部３００の出力は、信号接続切替処理部２２７の端子ｂに入力される。信号接続切替処理部２２７の出力は、端子ｃからＤ／Ａ変換器２３０に入力される。

ゲイン計測信号処理部２７０には、揺動角度２５５が信号接続遮断処理部２７１を介して入力されると共に、操作量信号２２６が信号接続遮断処理部２７２を介して入力され、処理結果２８４はメモリ２９０内の指定されたアドレスに記憶される。

次に、ゲイン計測信号処理部２７０について説明する。
図２は、本発明に係るゲイン計測信号処理部の構成を示すブロック図である。
第１のディジタルフィルタ２７３の入力側は信号接続遮断処理部２７１に接続され、出力信号は第１のピークホールド２７７を介して除算処理部２７９に入力される。第２のディジタルフィルタ２７４の入力側は信号接続遮断処理２７２に接続され、出力信号は第２のピークホールド２７８を介して除算処理部２７９に入力される。第１および第２のディジタルフィルタ２７３，２７４は、加振信号生成処理部２６０によって生成される正弦波の周波数と同一の周波数成分を通過させ、他の成分は遮断するバンドパス特性を持っている。なお、図２における２８３はタイミング信号である。

次に、本発明の動作を説明する。
上記したように、揺動角度に応じてトルク定数が変化する。したがって、応答波形の変動を抑制するためには、個々のスキャナ及びそのセッティングに応じて図８に示したトルク定数の変動を計測する必要がある。

そこで、位置決めに先立ち、以下の手順で揺動角度に応じたトルク定数を測定する。

先ず、信号接続遮断処理部２６１、２７１、２７２を接続側にすると共に、信号接続切替処理部２２７の端子ｃを端子ａに接続し、補償要素２２０の出力信号が直接Ｄ／Ａ変換器２３０に入力されるようにする。この状態で、目標値生成処理部２１０は計測すべき揺動角度に対応する目標値２１５を設定すると共に、加振信号生成処理部２６０は小振幅の正弦波信号を発生する。加振信号生成処理部２６０から出力される正弦波信号は加算処理部２６２により目標値２１５に加算されるので、揺動軸１１１は計測すべき揺動角度を中心として正弦波状に駆動される。

揺動角度２５５と操作量信号２２６は、サンプル周期ごとに取り込まれ、それぞれ第１および第２のディジタルフィルタ２７３によって処理される。第１および第２のディジタルフィルタ２７３，２７４は、加振信号生成処理部２６０によって生成される正弦波の周波数と同一の周波数成分を通過させ、他の成分は遮断するバンドパス特性を持っているので、加振開始後しばらく時間が経過するとこれらフィルタの出力には加振信号に対応した制御対象の入力信号成分２７５、加振信号に対応した制御対象の出力信号成分２７６が現れる。なお、第１および第２のディジタルフィルタ２７３，２７４は同一の処理を行うので、入力信号成分２７５と出力信号成分２７６の間の伝達特性を調べる際にはフィルタの影響は相殺される。

入力信号成分２７５と出力信号成分２７６は、それぞれ第１および第２のピークホールド処理部２７７，２７８に入力され、正弦波状の信号のピーク値がホールドされ、出力として入力信号振幅２８１、出力信号振幅２８２が得られる。

十分な時間が経過した後、タイミング信号２８３により除算処理部２７９で除算処理が行われ、入力信号振幅２８１を出力信号振幅２８２で割り算し、制御対象ゲインの逆数２８４が算出され、メモリ２９０の中の計測時の揺動角度に対応するアドレス２９１で指定される番地に記憶される。

以上図１と図２を用いて説明した一連の処理を、可動範囲内で揺動角度の目標値を少しずつ変えながら繰り返すことで、可動範囲全体に対するトルク定数変化の計測が行われ、メモリ２９０に記憶される。

加工時には、信号接続遮断処理部２６１、２７１、２７２を遮断側にすると共に、信号接続切替処理２２７の端子ｃを端子ｂに接続し、補償要素部２２０の出力信号がトルク定数変動補償部３００を介してＤ／Ａ変換器２３０に入力されるようにする。すると、トルク定数変動補償部３００は揺動角２５５、すなわち揺動角θに応じてメモリ２９０を参照し、トルク定数の変化を打ち消すように（例えば、測定により得られたトルク定数の最大値に等しくなるように）操作量信号２２６を増幅し、Ｄ／Ａ変換器２３０に出力する。この結果、揺動角度θによらずトルク定数が一定になるので、ミラーを高速で位置決めすることができ、加工速度を向上させることができる。

なお、メモリ２９０の参照に、揺動角２５５に代えて目標値２１５を用いても、相当な補償効果が得られる。

ところで、上記の方法の場合、位置決め精度を向上させようとすると、揺動角θの計測数が増加するので、トルク定数の変化を測定するために要する時間が長くなる。そこで、以下のようにすると、位置決め精度を向上できると共に測定時間を短くすることができる。

すなわち、トルク定数の変化は図８に示す示す特性を示す場合が殆どであり、可動範囲の中央の原点でのトルク定数で正規化すると図３の実線で示す曲線になり、原点での値が１となる。この正規化トルク定数の逆数を考えると同図に破線で示す曲線になり、揺動角度の４次関数で近似できる。この４次関数を
Ｋ_Ｃ＝ａ_１θ^４＋ａ_２θ^３＋ａ_３θ^２＋ａ_４θ＋ａ_５・・・式１
とおく。ただし、Ｋ_Ｃは制御対象のゲインの逆数、θは揺動角度、ａ_１、ａ_２、ａ_３、ａ_４、ａ_５は係数である。一連の計測により、揺動角度
θ＝〔θ_１，θ_２，・・・θ_ｎ〕・・・式２
においてゲイン
Ｋ_Ｃ＝〔Ｋ_Ｃ１，Ｋ_Ｃ２，・・・Ｋ_Ｃｎ〕・・・式３
が得られたとすると、ｎ＝５ならａ_１、ａ_２、ａ_３、ａ_４、ａ_５は一義的に定まるし、ｎがもっと多ければ最小自乗法によりを定めることができる。これらによって得られた係数の推定値をＡとすると、次の式によって補正係数が計算できる。

Ｋ_Ｃ＝Ａ_１θ^４＋Ａ_２θ^３＋Ａ_３θ^２＋Ａ_４θ＋Ａ５・・・式４
このように構成する場合、トルク定数変動補償３００は揺動角度と係数とから補正係数を計算し、操作量信号２２６に乗算して、Ｄ／Ａ変換器２３０に引き渡す。これによって、原点でのトルク定数に対する各揺動角度でのトルク定数の変化を補償し、サーボ機構の動特性を一定に保つことができる。

通常、トルク定数の変化の様子は、ガルバノスキャナの個体ごとにばらつきがあり、経年変化もある。また、ガルバノスキャナのレーザ加工機への取り付け状態や、ミラーのガルバノスキャナへの取り付け状態によってもするため、保守等でスキャナやミラーを外して付け直すと、同じ加工位置で見ても元の応答が再現しない場合があるが、本発明によれば、常に加工速度を向上することができる。

また、式１では、４次曲線が中央（すなわち揺動角度θ＝０）に関して対称であるとしたが、永久磁石１１３ａ〜１１３ｄの特性、素線群１１５ａ〜１１５ｄのばらつき、組立のばらつき等により、可動範囲の中央がトルク定数最大の位置とはならな場合がある。このような場合であっても、サンプル数ｎを５以上にすると、４次曲線の中央に対するずれ量を求めることができるので、精度の良い補償を行うことができる。

なお、上記では、トルク定数変動補償３００を補償要素２２０とＤ／Ａ変換器２３０との間に配置したが、サーボ制御ループ内の前向き部分すなわち補償要素２２０内の図示を省略するゲインを補正するようにしてもよい。

図４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。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。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。ガルバノスキャナ３３０ａ、３３０ｂは、上記のトルク定数変動補償機能を備えている。

以上説明したトルク定数変動補償の機能は、ガルバノスキャナ制御装置５０の機能の１つとして付与されており、ガルバノスキャナをこの制御装置に接続する際の初期設定、ガルバノスキャナを交換する際の調整等の際に使用できるように設定される。また、ＬＡＮ経由、あるいはこれに加えてインターネット経由で遠隔地からこの機能を作動させたり、計測結果をモニタしたりする機能を持たせることもできる。

本発明に基づくトルク定数計測機能を備えたガルバノスキャナ制御装置を構成するスキャナサーボ機構のブロック線図である。 本発明に係るゲイン計測信号処理のブロック線図である。 揺動角度とトルク定数の関係を示す図である、 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る。 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の構成例を示すブロック図である。 従来のガルバノスキャナ制御装置を構成するスキャナサーボ機構のブロック線図である。 ガルバノアクチュエータの断面図である。 揺動角度とトルク定数の関係の一例を示すグラフである。 揺動角度がθ_Ａ、θ_Ｂ、θ_Ｃである加工位置において同じストロークの位置決めを行ったときのサーボ機構の偏差信号のグラフを重ねた図である。

符号の説明

１１０ アクチュエータ
２１５ 指令信号
２４２ 現在位置

Claims (2)

1. 指令信号と現在位置との偏差に基づいてミラーを揺動させるアクチュエータを動作させ、前記ミラーに入射する光の出射角を制御するガルバノスキャナの制御方法において、
   揺動角度に応じた前記アクチュエータのゲイン変化を実動作に先立って計測する工程と、
   計測されたゲイン変化を実動作に先立って記憶する工程と、
   実動作時に前記記憶工程により記憶された前記ゲイン変化をなくすように、前記アクチュエータの操作量を補正する工程と、
   を備えていることを特徴とするガルバノスキャナの制御方法。
2. 指令信号と現在位置との偏差に基づいてミラーを揺動させるアクチュエータを動作させ、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において、
   揺動角度に応じた前記アクチュエータのゲイン変化を計測する計測手段と、
   前記計測手段によって実動作に先立って計測されたゲイン変化を記憶する記憶手段と、
   実動作時に前記記憶手段に記憶されたゲイン変化をなくすように前記アクチュエータの操作量を補正する補正手段と、
   を備えていることを特徴とするガルバノスキャナ。

Images