JP4580600B2

JP4580600B2 - ガルバノスキャナの制御方法、装置、及び、ガルバノスキャナ

Info

Publication number: JP4580600B2
Application number: JP2001275330A
Authority: JP
Inventors: 洋森田; 健一牧野; 良幸冨田; 研太田中
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: JP2003084225A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータによりミラーを駆動してレーザ光線の照射位置を走査するためのガルバノスキャナの制御方法、装置、及び、ガルバノスキャナに係り、特に、レーザ光線を照射してプリント基板配線などに複数の穴明け加工を行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方法、装置、及び、これを用いたガルバノスキャナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザにより加工を行う際、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１２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を、加工対象物１０の表面に対して垂直な方向に偏光するための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は、第１及び第２ガルバノスキャナ１４、１６で、レーザ光線１２を加工対象物１０の表面内の任意の位置に移動することができる。ミラー１５、１７により偏向したレーザ光線は、ｆ−θレンズ１８を通過すると、加工対象物１０の表面に集光する。このため、二つのガルバノスキャナ１４、１６を制御することにより、加工対象物１０表面の任意の箇所をレーザ加工することが可能となる。
【０００５】
基板の穴明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、ガルバノスキャナに生じる僅かな角度変化が加工面に大きく投影されるため、精度良く加工を行うためには、ガルバノスキャナに高い位置決め精度が要求される。
【０００７】
このようなガルバノスキャナの角度によってレーザ光線の照射位置を移動させる加工方法では、ガルバノスキャナが所望の角度に達した時点で、レーザ光線を照射して加工を行う。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に、ガルバノスキャナには、トルクリップルと呼ばれる、動作角度によるトルク定数の変動が存在する。このため、場所によってガルバノスキャナの整定特性が異なり、残留振動を引き起こしたり、目標位置の到達時間が遅れたりすることにより、加工精度の低下を引き起こしていた。
【０００９】
従来、このような加工精度の悪化に対する対策として、特開平２０００−１１７４７６で提案したように、（１）整定待ち時間を延ばす、（２）特性の差が出ないように駆動速度を遅くする、あるいは、（３）加工エリアを狭くするというような対策が採られていたが、いずれも、スループットが悪くなってしまうという問題点を有していた。
【００１０】
なお、出願人は特開平１１−３１０１４において、外乱補償器を用いてトルクリップルを補正した位置及び速度の制御方式を提案しているが、本発明のように、ガルバノスキャナに適用したものではなかった。
【００１１】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、スループットを低下させることなく、ガルバノスキャナの位置決め精度を向上させ、精度良く加工を行うことができるようにすることを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、モータによりミラーを駆動して、レーザ光線の照射位置を走査するためのガルバノスキャナの制御方法において、前記モータに印加された駆動電流から指令トルクを演算して求め、前記ミラーの計測角度から実際のトルクを演算して求め、前記指令トルクと実際のトルクの差を求め、該差に基づいて補正値を求め、該補正値により、前記モータに与える電流指令値を補正するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１５】
本発明は、又、モータによりミラーを駆動して、レーザ光線の照射位置を走査するためのガルバノスキャナの制御装置において、前記モータに印加された駆動電流から指令トルクを演算して求める手段と、前記ミラーの計測角度から実際のトルクを演算して求める手段と、前記指令トルクと実際のトルクの差を求める手段と、該差に基づいて補正値を得る手段と、該補正値により、前記モータに与える電流指令値を補正する手段とを備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１６】
又、前記ミラーの計測角度から実際のトルクを演算して求める手段が、前記ミラーの計測角度信号を２階微分する擬似微分演算器を含むようにしたものである。
【００１７】
又、前記モータに印加された駆動電流から指令トルクを演算して求める手段が、前記擬似微分演算器と同じ時定数を持ち、前記駆動電流を通すローパスフィルタを含むようにしたものである。
【００１９】
又、前記各手段を、アナログ回路により構成して、高速動作を可能としたものである。
【００２０】
本発明は、又、前記の制御装置を含むことを特徴とするガルバノスキャナを提供するものである。
【００２１】
【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。
【００２２】
本実施形態は、図２に示す如く、モータ２０によって回転駆動されるミラー２２の角度を検出するミラー角度センサ２４と、モータ２０に流れる駆動電流をモニタする電流モニタ２６と、図示されていない上位のシステムから入力される目標角度（参照角度と称する）、前記ミラー角度センサ２４によって計測される計測角度信号、及び、前記電流モニタ２６で計測される電流モニタ信号に基づいて電流指令を算出する制御装置３０と、該制御装置３０から出力される電流指令に従って駆動電流を作り出してモータ２０に供給するためのパワーアンプ５０とを備えている。
【００２３】
前記ミラー２２の角度は、ミラー角度センサ２４により計測され、その結果は制御装置３０に入力される。一方、ミラー２２の参照角度は、図示されていない上位のシステムから制御装置３０に入力される。又、モータ２０に印加された駆動電流は、電流モニタ２６で計測され、制御装置３０に入力される。制御装置３０では、以上の入力から、電流指令を算出する。パワーアンプ５０により、該電流指令に従った駆動電流が作り出され、モータ２０が駆動され、ミラー２２が回転する。
【００２４】
前記制御装置３０は、図３に詳細に示す如く、上位のシステムから入力される参照角度と、前記ミラー角度センサ２４から入力される計測角度の差に対してＰＩＤ演算を行い、理想電流指令を算出するＰＩＤ制御部３２と、前記計測角度信号の加速度から実際のトルク（実トルクとも称する）を算出するための、例えば２階の擬似微分演算器からなる第１のフィルタ３４と、前記電流モニタ２６から入力される電流モニタ信号から指令トルクを算出するための、例えば前記第１のフィルタ３４と同じ時定数を持つローパスフィルタからなる第２のフィルタ３６と、該第２のフィルタ３６で求められる指令トルクと前記第１のフィルタ３４で求められる実トルクの差を求める減算器３８と、該減算器３８の出力を電流指令へ変換するための変換係数をゲインとして乗ずる乗算器４０と、前記ＰＩＤ制御部３２から出力される理想電流指令に、前記乗算器４０によって計算された補正値を加える加算器４２と、該加算器４２より出力される補正された電流指令を通過させて、最終的な電流指令を算出するための第３のフィルタ４４とから構成されている。
【００２５】
前記第３のフィルタ４４には、ノイズ除去を目的とするローパスフィルタや、共振回避を目的とするノッチフィルタ、あるいは、その双方を用いることができる。
【００２６】
前記ＰＩＤ制御部３２では、参照角度と計測角度の差に対してＰＩＤ演算を行い、理想電流指令を算出する。一方、第１のフィルタ３４では、計測角度から実トルクが算出され、第２のフィルタ３６では、電流モニタ値から指令トルクが算出される。指令トルクと実トルクの差がトルクリップルであり、乗算器４０でゲインを乗じた後、加算器４２で理想電流指令に加算することにより、トルクリップルが補正された電流指令を算出する。前記加算器４２によって得られる補正された電流指令が第３のフィルタ４４を通過することにより、最終的な電流指令が算出される。
【００２７】
例えば、前記第１のフィルタ３４の伝達関数は、次式（１）、第２のフィルタの伝達関数は次式（２）、前記乗算器４０のゲインは次式（３）によって表わされる。
【００２８】
Ｉｓ²／（Ｔｓ＋１）³ …（１）
Ｋ／（Ｔｓ＋１）³ …（２）
１／Ｋ …（３）
ここで、Ｉは駆動部の慣性モーメント、Ｔはフィルタの時定数、Ｋはモータのトルク定数、ｓはラプラス変換子である。
【００２９】
なお、ガルバノスキャナを利用したレーザ加工装置では、Ｘ軸、Ｙ軸で、ガルバノスキャナの動作特性は非干渉であるので、上記の処理は、Ｘ軸、Ｙ軸別々に行うこともできる。
【００３０】
シミュレーションによる検証結果を図４に示す。従来は、加工点１においてオーバーシュートと、これに伴う振動が発生し、加工点２においてアンダーシュートが発生していたのに対し、本発明による方法によれば、加工点１、２のいずれにおいても、目標値からの誤差が許容範囲内の良好な制御結果を得ることができた。
【００３１】
なお、前記実施形態においては、制御装置３０が、ＰＩＤ制御によるフィードバックを行っていたが、フィードバック制御の方法はこれに限定されない。
【００３２】
又、前記実施形態においては、電流モニタ２６により指令トルクを得るようにしていたが、電流指令より電流モニタ信号を得るようにして、電流モニタを省略することも可能である。
【００３３】
前記制御装置３０は、高速動作が可能なアナログ回路、任意の処理が可能なデジタル計算機、又は、それらの混合によって実現可能である。
【００３４】
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、他の機会にも同様に適用できることは明らかである。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、ガルバノスキャナのトルクリップルの影響を抑えることができるため、動作する場所によらない一様な駆動特性とすることができる。従って、スループットを遅くすることなく、レーザの照射位置を安定させ、加工精度を向上することができる。
【００３６】
本発明によるトルクリップルの補正は、動作角度や温度変化によるトルクの変動、ベアリングの摩擦、ミラーの空気抵抗等、ガルバノスキャナで発生する全てのトルクの変動に対して効果がある。
【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制御装置の実施形態の構成を示すブロック図
【図３】前記実施形態の制御装置の詳細を示すブロック線図
【図４】従来例と本発明におけるシミュレーションによる検証結果を比較して示す線図
【符号の説明】
１０…加工対象物
１２…レーザ光線
１４、１６…ガルバノスキャナ
１５、１７、２２…ミラー
２０…モータ
２４…ミラー角度センサ
２６…電流モニタ
３０…制御装置
３２…ＰＩＤ制御部
３４、３６、４４…フィルタ
３８…減算器
４０…乗算器
４２…加算器
５０…パワーアンプ

Claims

モータによりミラーを駆動して、レーザ光線の照射位置を走査するためのガルバノスキャナの制御方法において、
前記モータに印加された駆動電流から指令トルクを演算して求め、
前記ミラーの計測角度から実際のトルクを演算して求め、
前記指令トルクと実際のトルクの差を求め、
該差に基づいて補正値を求め、
該補正値により、前記モータに与える電流指令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。
モータによりミラーを駆動して、レーザ光線の照射位置を走査するためのガルバノスキャナの制御装置において、
前記モータに印加された駆動電流から指令トルクを演算して求める手段と、
前記ミラーの計測角度から実際のトルクを演算して求める手段と、
前記指令トルクと実際のトルクの差を求める手段と、
該差に基づいて補正値を得る手段と、
該補正値により、前記モータに与える電流指令値を補正する手段と、
を備えたことを特徴とするガルバノスキャナの制御装置。
前記ミラーの計測角度から実際のトルクを演算して求める手段が、前記ミラーの計測角度信号を２階微分する擬似微分演算器を含むことを特徴とする請求項２に記載のガルバノスキャナの制御装置。
前記モータに印加された駆動電流から指令トルクを演算して求める手段が、前記擬似微分演算器と同じ時定数を持ち、前記駆動電流を通すローパスフィルタを含むことを特徴とする請求項３に記載のガルバノスキャナの制御装置。
前記各手段が、アナログ回路により構成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のガルバノスキャナの制御装置。
請求項２乃至５のいずれかに記載の制御装置を含むことを特徴とするガルバノスキャナ。