JP4698092B2 - Galvano scanner device and control method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ光線の照射位置を移動させるためのガルバノスキャナ装置及びその制御方法に関し、特に、レーザ光線を照射してプリント配線基板等の適所に穴開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装置及びその制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザドリルマシンでは、レーザ光源からのレーザ光線を例えばガルバノスキャナで偏向して被加工体であるワーク上の所望位置に入射させる。かかるレーザドリルマシンを用いて例えばプリント配線基板等に穴開け加工を行う場合、高いスループットが要求されるようになってきており、ガルバノスキャナの動作の高速化が求められている。
【0003】
一般に、ガルバノスキャナは動作角度により駆動特性が異なる。この特性の差は僅かであるが、高速化、高精度化の要求に従い、無視できなくなっている。
【0004】
図9は、ある加工条件で一方向に孔開け加工を行った場合の、目標加工位置と実際の加工点の誤差を表わしたグラフである。横軸が目標加工位置の始点からの距離を表わし、縦軸が加工点の目標加工位置からの誤差を表わす。加工位置が進むにつれて、正の誤差が生じて精度が悪化する現象が出ている。これは、加工位置の駆動特性の変化により整定が遅れてしまったにも拘らず、レーザを照射してしまうために起こる現象である。
【0005】
従来、このような加工精度の悪化に対する対策として、特性の差が出ないように駆動速度を遅くしたり、あるいは加工エリアを狭くしたりする対策が採られていたが、いずれもスループットが低くなってしまっていた。
【0006】
又、ガルバノスキャナの高速動作を目的として、特開2000−117476号公報では、スキャナミラーの移動角に応じて「設定待ち時間」を設定することを提案している。具体的には、スキャナミラー駆動用の指令値の出力タイミングから「設定待ち時間」の経過後に、スキャナミラーの位置決め完了とみなす。そして、スキャナミラーの移動角度(移動距離)が小さいほどこの「設定待ち時間」を少なくすることにより、被加工体の加工タクトを短くしている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報の技術では、指令値出力時からの所要時間として「設定待ち時間」を決定しているので、特にスキャナミラーの移動角度が大きな場合には、「設定待ち時間」と実際の位置決め時間との誤差が拡大する。このような誤差は、穴開け加工の誤差要因となり、これを避けるため「設定待ち時間」を長めにして許容誤差を大きく取るならば、その累積によって穴開け加工のスループットが低下してしまう。
【0008】
そこで、本発明は、スキャナミラーの角度等の要因に関わりなく、少ない加工誤差で、かつ、高いスループットで穴開け加工等の処理を可能にするガルバノスキャナ装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、レーザ光線の照射位置をミラー及びミラー駆動装置によって移動させるガルバノスキャナ装置であって、前記ミラー駆動装置によって前記ミラーの駆動位置が目標角度を含む所定の整定範囲内に到達したことを検出する整定範囲検出手段と、前記ミラーの駆動位置が前記整定範囲内に到達後に前記目標角度に到達して保持されるまでに要すると予想される待機時間を、前記ミラーの角度に応じて変化させる制御手段とを備える。
【0010】
上記装置では、制御手段が、前記ミラーの駆動位置が前記整定範囲に到達後に前記目標角度に到達して保持されるまでに要すると予想される待機時間を前記ミラーの角度に応じて変化させるので、誤差の少ない待機時間を利用して、少ない誤差で高いスループットのレーザビア等の加工処理が可能になる。即ち、上記待機時間は、ミラーの駆動位置が目標角度に近づいて整定範囲内に達した段階からの位置決め用の残り時間に対応するので、指令値出力時からの所要時間として設定待ち時間を決定する場合に比較して短期間の予測で足り、比較的精密に位置決めのタイミングを予測することができる。よって、前記ミラーの駆動位置が目標角度になる時間を正確に予想してレーザ光線を照射位置に正確に位置決めできるだけでなく、位置決めのタイミングを正確に確定することができ、上記待機時間に基づいて次の動作やその準備を行うことができるので、レーザ光線を用いた処理のスループットを高くすることができる。ここで、整定範囲は、前記ミラーの動作に関連して動作する他の所定の部品の動作の準備開始のための予備期間に相当するものとすることができるが、上記所定の部品の動作の予備期間とは別に精度確保のために特別に設けた範囲とすることもできる。
【0011】
上記装置の具体的な態様では、前記待機時間を、前記ミラーの目標角度までの駆動角度や目標角度や、その両者に応じて変化させる。
【0012】
又、上記装置の別な具体的な態様では、前記待機時間を、レーザ光線の照射位置に対応させて記憶した待機時間テーブルを備える。
【0013】
又、上記装置の別な具体的な態様では、前記待機時間を、ミラーの走査方向毎に設定する。
【0014】
又、上記装置の別な具体的な態様では、前記ミラーを駆動するための指令波形をデジタルデータとして形成する波形形成手段を更に備える。この場合、ミラー駆動装置に高い自由度で所望の指令波形を与えることができるので、前記ミラーを短時間で効率よく目標角度に保持することができ、待機時間の予測も精密なものとなる。
【0015】
また、上記装置の別の具体的な態様では、前記待機時間が、前記ミラーの動作に関連して動作する所定の部品及び少なくとも当該所定の部品の動作を制御する制御装置の動作の遅延を含んで設定される。この場合、所定の他の部品との連動を効率的に制御することができ、更にスループットを高めることができる。なお、ここで、他の部品とは、例えばレーザ発振装置、被加工体を支持するステージの駆動装置等を意味する。
【0016】
また、上記装置の別の具体的な態様では、前記ミラー駆動装置による前記ミラーの駆動位置の偏差若しくは現在値を基準特性と比較して特性差を得る特性差検出手段と、当該特性差検出手段によって得た前記特性差に基づいて、例えば前記待機時間テーブルから抽出した待機時間を修正する修正手段とを更に備える。この場合、ミラーが整定範囲に到達するまでの状況(応答劣化)に対応する特性差を考慮して待機時間を修正できるので、レーザ光線を用いた処理のスループットを更に高くすることができる。
【0017】
また、上記装置の別の具体的な態様では、前記ミラー駆動装置による前記ミラーの駆動位置の偏差若しくは現在値を基準特性と比較して特性差を得る特性差検出手段を更に備え、前記待機時間を前記特性差の複数のパターンに応じてそれぞれ複数の待機時間テーブルとして記憶する。この場合、ミラーが整定範囲に到達するまでの状況に対応する特性差を考慮して待機時間を決定することができるので、レーザ光線を用いた処理のスループットを更に高くすることができる。
【0018】
また、上記装置の別の具体的な態様では、前記ミラー駆動装置による前記ミラーの駆動位置の偏差若しくは現在値を基準特性と比較して特性差を得る特性差検出手段を更に備え、前記波形形成手段が、前記特性差検出手段によって得た前記特性差に応じて前記ミラーを駆動するための指令波形を修正する。この場合、ミラーが整定範囲に到達するまでの状況に対応する特性差を考慮して指令波形を修正することができるので、レーザ光線を用いた処理のスループットを更に高くすることができる。
【0019】
また、上記装置の別の具体的な態様では、前記ミラー及び前記ミラー駆動装置の近傍の温度を検出する温度センサを更に備え、前記待機時間を、例えば待機時間テーブルとして温度ごとに記憶する。この場合、温度変化を考慮して待機時間を決定することができるので、レーザ光線を用いた処理の精度を高め、そのスループットを更に高くすることができる。
【0020】
また、上記装置の別の具体的な態様では、前記ミラーが前記整定範囲よりも狭く前記目標角度の極近傍を含む所定の収束範囲に所定時間だけ入った場合には、前記ミラーの位置決めが完了したものと判断する位置決め判断手段を更に備える。この場合、加工精度を収束範囲の設定によって確保しつつ、レーザ光線を用いた処理のスループットを高くすることができる。
【0021】
また、本発明は、レーザ光線の照射位置をミラー及びミラー駆動装置によって移動させるガルバノスキャナ装置の制御方法であって、前記ミラーの駆動位置が目標角度を含む所定の整定範囲内に到達後に前記目標角度に到達して保持されるまでに要すると予想される待機時間を、前記ミラーの角度に応じて、例えば待機時間テーブルを用いて決定する工程と、前記ミラー駆動装置によって前記ミラーの駆動位置が前記整定範囲内に到達したことを検出する工程と、例えば前記整定範囲内に到達した際に、例えば前記待機時間テーブルに基づいて前記ミラーの動作完了まで待機後、位置決め完了信号を出力する工程とを備える。
【0022】
上記方法では、前記ミラーの駆動位置が前記整定範囲に到達後に前記目標角度に到達して保持されるまでに要すると予想される待機時間を、ミラーの角度に応じて、例えば待機時間テーブルとして記憶するので、誤差の少ない待機時間を利用して、少ない誤差で高いスループットのレーザビア等の加工処理が可能になる。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施形態に係るガルバノスキャナ装置を組み込んだレーザドリルマシンの構造を説明する図である。
【0024】
図示のレーザドリルマシンは、光源として例えばパルス状のレーザ光線LBを出射するレーザ発振器10と、レーザ発振器10からのレーザ光線LBを所望の方向に偏向させるガルバノスキャナ20と、ガルバノスキャナ20を経たレーザ光線LBを被加工体Wの表面に集光するfθレンズ30と、プリント配線基板である被加工体Wを支持するステージ50と、ガルバノスキャナ20の動作を制御するスキャナ制御部60と、ステージ50の動作を制御するステージ制御部70と、レーザドリルマシン全体の動作を統括的に制御する上位コントローラ80とを備える。ここで、ガルバノスキャナ20及びスキャナ制御部60は、ガルバノスキャナ装置を構成する。
【0025】
レーザ発振器10は、例えば紫外のレーザ光線LBをパルス状に出射するエキシマレーザや、赤外のレーザ光線LBをパルス状に出射するCO2レーザ等とすることができる。なお、レーザ発振器10からのレーザ光線LBの出射タイミングは、上位コントローラ80によって制御されている。
【0026】
ガルバノスキャナ20は、レーザ光線LBを偏向するための一対のスキャナミラーM1、M2と、両スキャナミラーM1、M2を直交する2軸の方向にそれぞれ回転駆動するミラー駆動装置21、22と、両ミラー駆動装置21、22の近傍に配置されてそれらの温度を検出するための温度センサ24、25とを備える。
【0027】
fθレンズ30は、スキャナミラーM1、M2が等角速度で回転した場合、レーザ光線LBを被加工体W上で等速度で移動させる。これにより、fθレンズ30によって被加工体W表面に形成されるパルス光の入射スポットISをXY面内で任意の点に移動させることができる。このようなfθレンズ30によって集光されたパルス光の入射スポットISでは、被加工体W表面の樹脂層や銅薄膜がアブレーション現象によって分解除去される。
【0028】
ステージ50は、被加工体Wを支持してXY面内で任意の位置に移動することができる。即ち、被加工体Wが比較的大きい場合、その走査領域(加工領域)がガルバノスキャナ20の走査によってビアホールを形成することができる走査領域よりも大きくなる可能性がある。この場合は、被加工体Wを適宜ステップ移動させつつ走査領域単位でビアホールを形成し、これを繰り返すことによって被加工体W全体にビアホールを形成する。
【0029】
スキャナ制御部60は、上位コントローラ80からの指示に基づいて、ガルバノスキャナ20のミラー駆動装置21、22に適当な信号を出力してスキャナミラーM1、M2を任意の駆動位置すなわち目標角度に保持することができ、ミラー駆動装置21、22に設けた駆動角検出装置の出力等に基づいて必要な信号処理を行う。
【0030】
ステージ制御部70は、上位コントローラ80からの指示に基づいて、ステージ50に適当な信号を出力してステージ50上の被加工体Wを任意の位置に移動させることができ、ステージ50に設けた位置検出装置の出力等に基づいて必要な信号処理を行う。
【0031】
上位コントローラ80は、コンピュータシステム等からなり、スキャナ制御部60を介してガルバノスキャナ20を動作させて被加工体W上へのレーザ光線LBの入射位置を制御する。また、上位コントローラ80は、ステージ50を動作させてガルバノスキャナ20等に対する被加工体Wの位置を制御する。また、上位コントローラ80は、レーザ発振器10からのパルス光の出射タイミング等を制御する。
【0032】
図2は、図1のスキャナ制御部60の回路構成を主に説明するブロック図である。スキャナ制御部60は、上位コントローラ80からの指示信号SAAに従ってモータMO1、MO2を動作させるための一対の指令信号SIDをデジタルデータとして形成するデジタル計算器60aと、デジタル計算器60aからの一対の指令信号SIDをそれぞれアナログ化した一対の指令電圧信号SVWを形成するD/A変換器60bと、D/A変換器60bからの一対の指令電圧信号SVWに基づいて一対の指令電流信号SCWを形成する等の機能を有するアナログ回路60dと、アナログ回路60dからの一対の指令電流波形SDWを増幅した一対の出力信号SO1、SO2を一対のモータMO1、MO2にそれぞれ出力するパワーアンプ60e、60fとを備える。なお図2において、モータMO1及び角度センサS1は、図1のミラー駆動装置21に対応し、モータMO2及び角度センサS2は、同図のミラー駆動装置23に対応する。
【0033】
デジタル計算器60aは、波形形成手段として機能し、上位コントローラ80からの指示信号SAAに従ってミラー駆動装置21、22を動作させるための一対の指令信号SIDをデジタルデータとして形成しD/A変換器60bに出力する。また、デジタル計算器60aは、A/D変換器60hからの角度信号SA、SB等に基づいて、スキャナミラーM1、M2の角度状態(向き)を監視する。また、デジタル計算器60aは、A/D変換器60hからの温度信号SCに基づいて、図1のスキャナミラーM1、M2及びミラー駆動装置21、22の温度状態を監視する。更に、デジタル計算器60aは、アナログ回路60dからの整定範囲内信号SDに基づいて、スキャナミラーM1、M2が整定範囲内に入ったか否かを監視する。これにより、デジタル計算器60aは、スキャナミラーM1、M2が位置決め間近であることを意味する整定範囲内に入るタイミングを検出することができ、スキャナミラーM1、M2が整定範囲に達した後に目標角度に収束するまでの精密な待機時間を予測することができる。そして、デジタル計算器60aは、出力手段として、位置決め完了を意味する位置決め完了信号SRDを上位コントローラ80に出力する。
【0034】
アナログ回路60dは、フィードバック制御回路を備えており、D/A変換器60bからの指令電圧信号SVWと、角度センサS1、S2からの角度計測信号SMAとに基づいて指令電流信号SCWを形成して、この指令電流信号SCWをパワーアンプ60e、60fに出力する。ここで、指令電圧信号SVWは、スキャナミラーM1、M2を目標角度に収束させるための電圧波形であり、指令電流信号SCWは、スキャナミラーM1、M2を、指令電圧信号SVWに対応するミラー角度と角度計測信号SMAに対応するミラー角度との差に応じて回転させるための電流波形である。また、アナログ回路60dは、整定範囲検出手段として機能し、角度計測信号SMAに基づいて、スキャナミラーM1、M2が整定範囲に入ったか否かに対応する整定範囲内信号SDを生成して、デジタル計算器60aに出力する。更に、アナログ回路60dは、角度計測信号SMAに基づいて、スキャナミラーM1、M2の偏差SAD若しくは現在角度SAPを生成して、デジタル計算器60aに出力する。なおここで、偏差SADとは、角度計測信号SMAに対応する角度と指令電圧信号SVWに対応する角度との差に対応している。
【0035】
図3は、図2のデジタル計算器60aの回路構成を説明するブロック図である。このデジタル計算器60aは、指示信号SAAに基づいてミラー駆動装置21、22を動作させるための一対の指令信号SIDをデジタルデータとして形成する指令値生成部60cgと、角度信号SAD、SAP、整定範囲内信号SD、温度信号STE等に基づいて位置決め完了の判断や待機時間の決定等の処理を行う判断部60adと、待機時間の決定等の処理に必要な情報を記憶するメモリ60meとを備える。
【0036】
指令値生成部60cgは、ミラー駆動装置21、22を動作させるパターン、即ちスキャナミラーM1、M2の駆動量を含む指示信号SAAに基づいてミラー駆動装置21、22を動作させるための一対の指令信号SIDを形成する。両指令信号SIDは、ミラー駆動装置21、22を構成するモータの駆動量や駆動速度に対応しており、時間と共に変化し目標値に収束するものとなっている。
【0037】
判断部60adは、整定範囲内信号SDを受信して、待機時間テーブルに基づいて位置決め完了までの待機時間を決定し、この時間後、位置決め完了信号SRDを出力する。なお、判断部60adは、監視している信号SAD、SAP、SD、STE等に基づいて、ミラー駆動装置21、22を動作させるための指令信号SIDを修正することができる。具体的には、例えば角度信号SAD、SAPの変化が予定よりも遅い場合には、一対の指令信号SIDの特性を変化させて予定よりも急な勾配で角度変化を生じさせるものとすることができる。
【0038】
メモリ60meは、スキャナミラーM1、M2が整定範囲内に到達した後に目標角度に保持されるまでの待機時間を駆動角度に対応付けて保管する待機時間テーブルTwを記憶する。なお、メモリ60meは、待機時間テーブルTwの他に、基準特性Crを記憶することもできる。この基準特性Crは、スキャナミラーM1、M2の標準的な駆動角若しくはミラー駆動装置21、22の標準的な駆動量を時間の関数とした動作波形である。
【0039】
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、上記の時間の設定は、X軸、Y軸別々に行うこともできる。
【0040】
以下、図1〜図3に示すレーザドリルマシンの動作について説明する。
【0041】
まず、ステージ50上にプリント配線基板である被加工体Wを載置して固定する。
【0042】
次に、上位コントローラ80からの指示に基づいて、レーザ発振器10を動作させながら、ステージ50上の被加工体Wの適所にガルバノスキャナ20からのレーザ光線LBを入射させてここに加工穴を形成する。より詳細に説明すると、ステージ制御部70からの出力に従ってステージ50を移動させて、被加工体W上の特定の区画がガルバノスキャナ20及びfθレンズ30からなる走査光学系の照射領域になるように移動させる。
【0043】
次に、スキャナ制御部60からの出力に従ってガルバノスキャナ20を動作させて、レーザ発振器10からのレーザ光線LBを被加工体Wの適所に入射させることにより、被加工体W上の特定の区画に所望の配列で加工穴を形成する。
【0044】
次に、ステージ50を移動させて上記特定の区画に隣接する区画が、走査光学系の照射領域になるように移動させる。
【0045】
次に、走査光学系によって被加工体W上の上記隣接する区画に所望の配列で加工穴を形成する。
【0046】
以上のような動作を繰返すことにより、被加工体Wの表面全体の適所に加工穴を形成する。
【0047】
以上のような動作において、スキャナ制御部60は、以下に説明する5つのモードでガルバノスキャナ20を動作させる。
【0048】
▲1▼第1のモードでは、スキャナ制御部60に設けたデジタル計算器60aのメモリ60meに保存した待機時間テーブルTwに基づいて、両スキャナミラーM1、M2の駆動完了までの待機時間を切り替える。ここで用いる待機時間テーブルTwは、整定範囲内に到達した後に目標角度に保持される駆動完了までの待機時間を、加工点間の距離(穴距離)に対応するスキャナミラーM1、M2の目標角度までの駆動量(角度)に応じて定めたものである。スキャナ制御部60は、スキャナミラーM1、M2の駆動を指示する上位コントローラ80からの指示信号SAAに応じて、待機時間テーブルTwから駆動角度の大きさに応じて読み出した待機時間後、位置決め完了信号SRDを上位コントローラ80に出力する。上位コントローラ80では、位置決め完了信号を検出し次第、レーザ発振装置10にトリガ信号を送る。
【0049】
ここで、待機時間テーブルTwは、予め実験を繰返してデータを集積することによって作成する。具体的には、両スキャナミラーM1、M2のそれぞれについて、駆動角度の大きさを変化させたときの角度偏差(又は現在角度)の特性を実験により測定する。これより、各角度条件で両スキャナミラーM1、M2の動作特性がどのように変化するかを明らかにし、各角度条件に関して、整定範囲内到達から位置決め完了までの待機時間を決定する。このようにして得た待機時間テーブルTwは、デジタル計算器60aのメモリ60meに組み込まれる。
【0050】
なお、デジタル計算器60aが待機時間の経過を待って動作する場合、位置決め完了から実際にレーザ光線LBが照射されるまでの間に、上位コントローラ80の内部処理やその他電気品(例えばレーザ発振器10、ステージ50、ステージ制御部70等)の動作遅れ等に起因して無駄な遅延時間が入ることが多い。このような遅延時間を予め実験的に明らかにしておき、待機時間の決定に際してこの遅延時間を差し引いたものを待機時間とすると、さらなる加工時間短縮に有効的である。実際には、待機時間テーブルTwとして記憶した待機時間を上位コントローラ80等の動作に起因する遅延時間だけ増加させる修正を行うことになる。
【0051】
▲2▼第2のモードでは、待機時間テーブルTwに基づいてスキャナミラーM1、M2の駆動完了までの待機時間を切り替えるだけでなく、切り替えた待機時間を更に状況に応じて変化させる。具体的には、特性差検出手段及び修正手段として機能するデジタル計算器60aが、メモリ60meに保存した基準特性CrをスキャナミラーM1、M2の所定時間毎における駆動位置の偏差若しくは現在値と比較して特性差を検出し、この特性差に基づいて待機時間テーブルTwから抽出した待機時間を修正する。修正方法としては、各動作条件に応じて待機時間テーブルTwから抽出した待機時間に特性差に応じた係数をかけたり、特性差に応じたオフセットを加えたりすることが考えられる。また、予め待機時間テーブルTwをいくつか用意しておき、動作特性の変化に応じてこの待機時間テーブルを切り替えるなどの方法が考えられる。特性差の比較に際しては、例えばスキャナミラーM1、M2の駆動量のオーバーシュートを基準特性Crのオーバーシュートと比較したオーバシュート差や、スキャナミラーM1、M2の追従速度を基準特性Crの追従速度と比較した速度差を用いることができる。
【0052】
ここで、基準特性Crは、ガルバノスキャナ20の初期段階における標準的な動作特性としており、両スキャナミラーM1、M2のそれぞれについて、駆動角度の大きさを変化させたときの現在値(駆動角度)や偏差(角度のずれ)の変化特性を実験により測定して、所定の駆動角度範囲ごとに動作特性を求めている。基準特性Crは、スキャナミラーM1、M2の駆動位置を偏差として把握するか現在値として把握するかによって変わったものとなる。即ち、偏差の基準特性Crは、現在値と指令値との差に相当するものとなっている。
【0053】
また、基準特性Crの収束値は、偏差を用いて制御している場合0となるが、現在値を用いて制御している場合、上位コントローラ80からの指令値に一致するようにシフトさせる必要があり、指令値に正確に収束させる特性とする。
【0054】
▲3▼第3のモードでは、待機時間テーブルTwに基づいてスキャナミラーM1、M2の駆動完了までの待機時間を切り替えるだけでなく、スキャナミラーM1、M2の駆動パターン自体を変更する。具体的には、デジタル計算器60aがメモリ60meに保存した基準特性CrをスキャナミラーM1、M2のある時間毎における駆動位置の偏差若しくは現在値と比較して特性差を検出し、この特性差に基づいてスキャナミラーM1、M2の駆動パターンを適宜修正する。修正方法としては、例えば現在値等のオーバーシュートが基準特性よりも大きい場合は、得られた特性差に基づいて指令値のオーバーシュートや傾きを小さくする。また、現在値等の追従速度が遅い場合は、得られた特性差に基づいて指令値の傾きを大きくするなどの方法も考えられる。
【0055】
なお、スキャナミラーM1、M2の駆動完了時にそれぞれの角度が目標角度からずれている場合は、指令値の最終値をシフトする方法も考えられる。この場合、基準特性Crの収束値を指令値からずれた値に設定する。
【0056】
▲4▼第4のモードでは、待機時間テーブルTwに基づいてスキャナミラーM1、M2の駆動完了までの待機時間を切り替えるが、この際用いる待機時間テーブルTwは、ガルバノスキャナ20の温度を考慮したものとなっている。即ち、スキャナ制御部60は、両スキャナミラーM1、M2の駆動を指示する上位コントローラ80からの指示信号SAAに応じ、その駆動量及び温度センサ24、25からの温度検出信号STEに対応させて待機時間テーブルTwから適切な待機時間を読み出す。スキャナ制御部60は、読み出した待機時間をデータ信号SRDとして上位コントローラ80に出力する。
【0057】
ここで、待機時間テーブルTwは、予めガルバノスキャナ20の温度を変更しつつ実験を繰返してデータを集積することによって作成する。具体的には、両スキャナミラーM1、M2について、駆動角度の大きさを変化させたときの角度偏差の特性を様々な温度範囲で測定して、整定範囲内到達から位置決め完了までの待機時間を温度範囲ごとに決定する。このようにして得た待機時間テーブルTwは、デジタル計算器60aのメモリ60meに組み込まれる。
【0058】
▲5▼第5のモードでは、待機時間テーブルTwに基づいてスキャナミラーM1、M2の駆動完了までの待機時間を切り替えるが、この場合、所定の収束範囲に入って一定期間が経過した段階で位置決め完了信号をデジタル計算器60aから上位コントローラ80に送信する。即ち、両スキャナミラーM1、M2の駆動量の偏差をもとに位置決め完了判断を行う場合、位置決め判断手段であるデジタル計算器60aは、整定範囲到達後にアナログ回路60dから出力される偏差SADの値を駆動毎に読み込み、偏差SADの値が所望の収束範囲に予め設定した時間以上入ったら位置決め完了とする。この場合、収束範囲に入ってから位置決め完了までに更に時間を要してしまうが、動作特性の経時的な変化にも自動的に対応できる。
【0059】
図4は、実施形態のレーザドリルマシンの具体的動作を説明するグラフである。図4(a)は駆動角度が大きい場合を示し、図4(b)は駆動角度が小さい場合を示す。図において、縦軸はスキャナミラーM1、M2の角度、横軸は時間をとなっている。両図には、目標角度Caa、Cab、指令値Cca、Ccb、第1スキャナミラーM1の現在値の変化を示す動作特性Cda1、Cdb1、及び第2スキャナミラーM2の現在値の変化を示す動作特性Cda2、Cdb2が表されている。なお、ゾーン状の整定範囲や動作特性Cda1、Cdb1、Cda2、Cdb2のオーバーシュートは、説明を分かりやすくするために実際よりも大きく描いてある。
【0060】
図からも明らかなように、目標角度Caa、Cabに向けての各スキャナミラーM1、M2の収束特性は、通常スキャナミラーの大小等によって変化するため、整定範囲内到達後から収束までの時間も各スキャナミラーM1、M2ごとに異なる。例えば図4(a)に示すように駆動角度が大きいとき、第1スキャナミラーM1の場合はその収束に時間Aを要し、第2スキャナミラーM2の場合はその収束に時間Bを要する。また、各スキャナミラーM1、M2の収束特性は、駆動角度の大小によっても変化する。例えば第1スキャナミラーM1の場合、駆動角度が大きいときの動作特性Cda1はその収束に時間Aを要し、駆動角度が小さいときの動作特性Cdb1はその収束に時間Cを要する。
【0061】
以上のようなガルバノスキャナ20において、位置決めに最も時間を要する条件に合わせて、整定範囲内到達後に一律の待機時間を設定し、この待機時間後に位置決め完了と判断する処理も可能である。図示の例では、整定範囲内到達から収束までが最も長い時間Bを全体の待機時間とすることが考えられるが、整定範囲到達から位置決め完了までに、駆動角度大の場合であって第2スキャナミラーM1の場合で時間A'、駆動角度小の場合であって第1スキャナミラーM1の場合で時間C'、第2スキャナミラーM2の場合で時間D'が無駄に待機する時間となってしまう。一方、上記図3に示すメモリ60meに記憶した待機時間テーブルTwを用いるならば、無駄な待ち時間A'、C'、D'は発生しない。
【0062】
図5は、第3のモードでの動作を具体的に説明するグラフである。図において、縦軸はスキャナミラーの角度、横軸は時間をとなっている。同図には、目標角度Ca、指令値Cc、スキャナミラーの動作特性Cdの時間変化が表されている。ガルバノスキャナ20の特性が使用の継続により経時的に変化すると、その動作特性Cdは、オーバシュートが大きい特性Cdd1となったり、追従速度が小さな特性Cdd2となったりする。更に、指令値Ccからずれた角度に保持される特性Cdd3となる場合もある。
【0063】
例えば、ガルバノスキャナ20がオーバシュートの大きな動作特性Cdd1となっていることを検出した場合、スキャナ制御部60では、指令値Ccを比較的滑らかに上昇する指令値Ccc1に修正してガルバノスキャナ20を動作させる。これにより、ガルバノスキャナ20の動作を動作特性Cdに近づけることができる。また、ガルバノスキャナ20が傾きの小さな動作特性Cdd2となっていることを検出した場合、スキャナ制御部60では、指令値Ccを傾斜の大きな指令値Ccc2に修正してガルバノスキャナ20を動作させる。また、ガルバノスキャナ20が目標値ずれを有する動作特性Cdd3となっていることを検出した場合、スキャナ制御部60では、指令値Ccを目標値すれ相殺する指令値に修正してガルバノスキャナ20を動作させる。
【0064】
図6は、第4のモードで用いる待機時間テーブルTwを具体的に説明する図である。この場合ガルバノスキャナ20の温度を0〜A℃、A〜B℃、B〜C℃、C〜℃以上の4つの領域に分け、各領域ごとに駆動角度に対応する待機時間を設定している。
【0065】
本実施形態によれば、加工実験の結果からデジタル計算器の設定を変更するだけであるので、難しいサーボ調整などを必要としない。
【0066】
次に、本発明の第2実施形態を詳細に説明する。
【0067】
本実施形態においては、第1実施形態との第1のモードにおいて、デジタル計算機60aが整定範囲内信号SDを受け取ってから、上位コントローラ80へ位置決め完了信号SRDを出力するまでの待機時間を、図7に示す如く、加工位置に対応するミラーの目標角度によって可変としたものである。図9に示すような例の場合には、加工精度の悪い加工位置では、この待機時間を長く取り、加工を行うまでの整定待ち時間を長くする。
【0068】
なお、第1実施形態ではミラーの駆動角度(穴距離)に応じて、第2実施形態ではミラーの目標角度(加工位置)に応じて待機時間を変化させていたが、図8に示す第3実施形態の如く、待機時間テーブルを、ミラーの目標角度(加工位置)と駆動角度(穴距離)の両者に対応させた3次元テーブルとして、ミラーの目標角度と駆動角度の両者に応じて待機時間a〜e(例えばa<b<c<d<e)を変化させることも可能である。
【0069】
本実施形態によれば、更に良好な加工を行うことができる。
【0070】
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態のガルバノスキャナ装置は、レーザドリルマシンだけでなく、マーキングマシン等を含む様々なレーザ処理装置に組み込むことができる。
【0071】
また、上記実施形態において、スキャナ制御部60を第1〜第5のモードで動作させているが、第1〜第5のモードを適宜組み合わせてスキャナ制御部60を動作させることができる。例えば、第2及び第3モードの動作時にガルバノスキャナ20の温度を考慮して各スキャナミラーM1、M2の特性差の修正を行うことができる。具体的には、標準の待機時間に掛ける係数や加算するオフセットを時間の関数としたり、特性差に応じて多数準備する待機時間テーブルを温度パラメータを含むものとすることができる。
【0072】
【発明の効果】
本発明によれば、前記ミラーの駆動位置が前記整定範囲に到達後に前記目標角度に到達して保持されるまでに要すると予想される待機時間を、前記ミラーの駆動角度や目標角度に応じて変化させるので、待機時間を利用して、少ない誤差で高いスループットのレーザビア等の加工処理が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態の装置を組み込んだレーザドリルマシンの構造を説明するブロック図
【図2】図1のスキャナ制御部の回路構成を主に説明するブロック図
【図3】図2のデジタル計算器の回路構成を説明するブロック図
【図4】レーザドリルマシンの具体的動作を説明するグラフ
【図5】レーザドリルマシンの具体的動作を説明するグラフ
【図6】レーザドリルマシンの駆動に用いる待機時間テーブルの変形例を説明する図
【図7】本発明の第2実施形態における、ミラーの目標角度と待機時間の関係の例を示す線図
【図8】同じく第3実施形態における、ミラーの目標角度及び駆動角度と待機時間の関係の例を示す線図
【図9】従来の問題点を説明するための線図
【符号の説明】
10…レーザ発振装置
20…ガルバノスキャナ
21、22…ミラー駆動装置
24、25…温度センサ
30…fθレンズ
50…ステージ
60…スキャナ制御部
60a…デジタル計算器
60d…アナログ回路
60ad…判断部
60cg…指令値生成部
60me…メモリ
70…ステージ制御部
80…上位コントローラ
Cr …基準特性
LB…レーザ光線
M1…第1スキャナミラー
M2…第2スキャナミラー
S1、S2…角度センサ
Tw…待機時間テーブル
W…被加工体
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a galvano scanner device for moving an irradiation position of a laser beam and a control method thereof, and more particularly to use in a laser drill machine that irradiates a laser beam and punches a hole in a suitable place such as a printed wiring board. The present invention relates to a suitable galvano scanner device and a control method thereof.
[0002]
[Prior art]
In a laser drill machine, a laser beam from a laser light source is deflected by, for example, a galvano scanner and is incident on a desired position on a workpiece as a workpiece. For example, when drilling a printed wiring board or the like using such a laser drill machine, a high throughput is required, and a high speed operation of the galvano scanner is required.
[0003]
In general, galvano scanners have different driving characteristics depending on the operating angle. This difference in characteristics is slight, but cannot be ignored in accordance with the demand for higher speed and higher accuracy.
[0004]
FIG. 9 is a graph showing an error between a target machining position and an actual machining point when drilling is performed in one direction under a certain machining condition. The horizontal axis represents the distance from the start point of the target machining position, and the vertical axis represents the error of the machining point from the target machining position. As the machining position advances, a positive error occurs and the accuracy deteriorates. This is a phenomenon that occurs because the laser is irradiated even though the settling is delayed due to a change in the drive characteristics of the machining position.
[0005]
Conventionally, as countermeasures against such deterioration of machining accuracy, measures have been taken to slow down the drive speed or narrow the machining area so as not to cause a difference in characteristics, but in each case the throughput is lowered. It was.
[0006]
For the purpose of high-speed operation of the galvano scanner, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-117476 proposes setting a “set waiting time” according to the moving angle of the scanner mirror. Specifically, it is regarded that the positioning of the scanner mirror is completed after the “set waiting time” has elapsed from the output timing of the command value for driving the scanner mirror. Then, as the movement angle (movement distance) of the scanner mirror is smaller, the “set waiting time” is reduced, thereby shortening the machining tact of the workpiece.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique of the above publication, the “set waiting time” is determined as the required time from the output of the command value. Therefore, particularly when the moving angle of the scanner mirror is large, the “setting waiting time” and the actual positioning are determined. The error with time increases. Such an error becomes an error factor of the drilling process. To avoid this error, if the “set waiting time” is lengthened and a large allowable error is taken, the throughput of the drilling process decreases due to the accumulation.
[0008]
Therefore, the present invention has an object to provide a galvano scanner device that enables processing such as drilling with a small processing error and high throughput regardless of factors such as the angle of the scanner mirror, and a control method thereof. And
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a galvano scanner device that moves an irradiation position of a laser beam by a mirror and a mirror driving device, wherein the mirror driving device sets a predetermined set point including a target angle. A settling range detecting means for detecting that the range has been reached, and a standby time expected to be required to reach and hold the target angle after the mirror drive position has reached the settling range, Control means for changing the angle according to the angle of the mirror.
[0010]
In the above apparatus, since the control means changes the waiting time that is expected to be taken until the mirror driving position reaches the target angle and is held after reaching the settling range, according to the angle of the mirror. By using a standby time with a small error, it is possible to perform processing such as a high-throughput laser via with a small error. That is, the waiting time corresponds to the remaining time for positioning from the stage when the mirror drive position approaches the target angle and reaches the settling range, so the set waiting time is determined as the required time from the command value output. Compared to the case, a short-term prediction is sufficient, and the positioning timing can be predicted relatively accurately. Therefore, it is possible not only to accurately predict the time when the driving position of the mirror becomes the target angle and accurately position the laser beam at the irradiation position, but also to accurately determine the positioning timing, based on the waiting time. Since the next operation and its preparation can be performed, the throughput of processing using a laser beam can be increased. Here, the settling range may correspond to a preliminary period for starting preparation for the operation of another predetermined component that operates in relation to the operation of the mirror. Apart from the preliminary period, it may be a specially provided range for ensuring accuracy.
[0011]
In a specific aspect of the above apparatus, the waiting time is set to the value of the mirror. Up to the target angle It changes according to a drive angle, a target angle, or both.
[0012]
In another specific aspect of the apparatus, the waiting time is Laser beam irradiation A standby time table stored corresponding to the position is provided.
[0013]
In another specific aspect of the apparatus, the waiting time is set for each mirror scanning direction.
[0014]
In another specific aspect of the above apparatus, the apparatus further includes waveform forming means for forming a command waveform for driving the mirror as digital data. In this case, since a desired command waveform can be given to the mirror driving device with a high degree of freedom, the mirror can be efficiently held at the target angle in a short time, and the standby time can be predicted accurately.
[0015]
In another specific aspect of the apparatus, the waiting time includes a predetermined component that operates in relation to the operation of the mirror and a delay in operation of a control device that controls at least the operation of the predetermined component. Set by. In this case, the linkage with other predetermined parts can be controlled efficiently, and the throughput can be further increased. Here, the other components mean, for example, a laser oscillation device, a stage driving device that supports a workpiece, and the like.
[0016]
In another specific aspect of the apparatus, a characteristic difference detection unit that obtains a characteristic difference by comparing a deviation or a current value of the driving position of the mirror by the mirror driving device with a reference characteristic, and the characteristic difference detection unit Based on the characteristic difference obtained by the above, for example, a correction means for correcting the standby time extracted from the standby time table is further provided. In this case, since the standby time can be corrected in consideration of the characteristic difference corresponding to the situation (response deterioration) until the mirror reaches the settling range, the throughput of processing using the laser beam can be further increased.
[0017]
In another specific aspect of the above apparatus, the apparatus further comprises characteristic difference detection means for obtaining a characteristic difference by comparing a deviation or a current value of the driving position of the mirror by the mirror driving apparatus with a reference characteristic, and the standby time. Are stored as a plurality of standby time tables according to the plurality of patterns of the characteristic difference. In this case, the standby time can be determined in consideration of the characteristic difference corresponding to the situation until the mirror reaches the settling range, so that the throughput of processing using the laser beam can be further increased.
[0018]
Further, in another specific aspect of the above apparatus, the apparatus further comprises characteristic difference detection means for obtaining a characteristic difference by comparing a deviation or a current value of the driving position of the mirror by the mirror driving apparatus with a reference characteristic. The means corrects a command waveform for driving the mirror according to the characteristic difference obtained by the characteristic difference detecting means. In this case, the command waveform can be corrected in consideration of the characteristic difference corresponding to the situation until the mirror reaches the settling range, so that the throughput of processing using the laser beam can be further increased.
[0019]
In another specific aspect of the above apparatus, the apparatus further includes a temperature sensor that detects temperatures in the vicinity of the mirror and the mirror driving device, and stores the standby time for each temperature, for example, as a standby time table. In this case, since the standby time can be determined in consideration of the temperature change, the accuracy of processing using the laser beam can be increased and the throughput can be further increased.
[0020]
According to another specific aspect of the above apparatus, when the mirror enters a predetermined convergence range that is narrower than the settling range and includes the vicinity of the target angle for a predetermined time, the positioning of the mirror is completed. Further, positioning determining means for determining that it has been performed is further provided. In this case, it is possible to increase the throughput of processing using a laser beam while ensuring the processing accuracy by setting the convergence range.
[0021]
The present invention is also a method of controlling a galvano scanner device in which a laser beam irradiation position is moved by a mirror and a mirror driving device, wherein the target position is reached after the driving position of the mirror reaches a predetermined settling range including a target angle. A step of determining a standby time expected to be required to reach and hold the angle according to the angle of the mirror, for example, using a standby time table; and the mirror driving device determines the driving position of the mirror. Detecting the arrival within the settling range, and, for example, outputting the positioning completion signal after waiting until the operation of the mirror is completed based on the waiting time table, for example, when reaching the settling range; Is provided.
[0022]
In the above method, the standby time expected to be required to reach and hold the target angle after the driving position of the mirror reaches the settling range is stored as, for example, a standby time table in accordance with the mirror angle. Therefore, it is possible to process a high-throughput laser via or the like with a small error by using a standby time with a small error.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram illustrating the structure of a laser drill machine incorporating a galvano scanner device according to an embodiment of the present invention.
[0024]
The illustrated laser drill machine includes a laser oscillator 10 that emits, for example, a pulsed laser beam LB as a light source, a galvano scanner 20 that deflects the laser beam LB from the laser oscillator 10 in a desired direction, and a laser that passes through the galvano scanner 20. An fθ lens 30 that focuses the light beam LB on the surface of the workpiece W, a stage 50 that supports the workpiece W that is a printed wiring board, a scanner control unit 60 that controls the operation of the galvano scanner 20, and a stage 50 Are provided with a stage control unit 70 for controlling the operation of the laser drilling machine and a host controller 80 for controlling the overall operation of the laser drill machine. Here, the galvano scanner 20 and the scanner control unit 60 constitute a galvano scanner device.
[0025]
The laser oscillator 10 is, for example, an excimer laser that emits an ultraviolet laser beam LB in a pulse shape, or a CO 2 that emits an infrared laser beam LB in a pulse shape. 2 It can be a laser or the like. Note that the emission timing of the laser beam LB from the laser oscillator 10 is controlled by the host controller 80.
[0026]
The galvano scanner 20 includes a pair of scanner mirrors M1 and M2 for deflecting the laser beam LB, mirror drive devices 21 and 22 for rotating the scanner mirrors M1 and M2 in two orthogonal directions, and both mirrors. Temperature sensors 24 and 25 are provided in the vicinity of the drive devices 21 and 22 to detect their temperatures.
[0027]
The fθ lens 30 moves the laser beam LB on the workpiece W at a constant speed when the scanner mirrors M1 and M2 rotate at a constant angular speed. Thereby, the incident spot IS of the pulsed light formed on the surface of the workpiece W by the fθ lens 30 can be moved to an arbitrary point in the XY plane. In the incident spot IS of the pulsed light collected by the fθ lens 30 as described above, the resin layer and the copper thin film on the surface of the workpiece W are decomposed and removed by the ablation phenomenon.
[0028]
The stage 50 can move to an arbitrary position in the XY plane while supporting the workpiece W. That is, when the workpiece W is relatively large, the scanning area (processing area) may be larger than the scanning area in which the via hole can be formed by scanning with the galvano scanner 20. In this case, via holes are formed in units of scanning regions while the workpiece W is moved stepwise as appropriate, and this is repeated to form via holes in the entire workpiece W.
[0029]
Based on an instruction from the host controller 80, the scanner control unit 60 outputs an appropriate signal to the mirror driving devices 21 and 22 of the galvano scanner 20 to hold the scanner mirrors M1 and M2 at arbitrary driving positions, that is, target angles. The necessary signal processing is performed based on the output of the drive angle detection device provided in the mirror drive devices 21 and 22.
[0030]
The stage controller 70 can output an appropriate signal to the stage 50 based on an instruction from the host controller 80 to move the workpiece W on the stage 50 to an arbitrary position. Necessary signal processing is performed based on the output of the position detection device.
[0031]
The host controller 80 includes a computer system or the like, and controls the incident position of the laser beam LB on the workpiece W by operating the galvano scanner 20 via the scanner controller 60. Further, the host controller 80 operates the stage 50 to control the position of the workpiece W with respect to the galvano scanner 20 or the like. The host controller 80 controls the emission timing of the pulsed light from the laser oscillator 10 and the like.
[0032]
FIG. 2 is a block diagram mainly illustrating the circuit configuration of the scanner control unit 60 of FIG. The scanner control unit 60 includes a digital calculator 60a that forms a pair of command signals SID for operating the motors MO1 and MO2 as digital data in accordance with an instruction signal SAA from the host controller 80, and a pair of commands from the digital calculator 60a. A D / A converter 60b that forms a pair of command voltage signals SVW obtained by analogizing the signals SID, and a pair of command current signals SCW based on the pair of command voltage signals SVW from the D / A converter 60b. And a power amplifier 60e and 60f for outputting a pair of output signals SO1 and SO2 obtained by amplifying a pair of command current waveforms SDW from the analog circuit 60d to the pair of motors MO1 and MO2, respectively. . In FIG. 2, the motor MO1 and the angle sensor S1 correspond to the mirror driving device 21 of FIG. 1, and the motor MO2 and the angle sensor S2 correspond to the mirror driving device 23 of FIG.
[0033]
The digital calculator 60a functions as waveform forming means, and forms a pair of command signals SID for operating the mirror driving devices 21 and 22 as digital data in accordance with the instruction signal SAA from the host controller 80, and forms a D / A converter 60b. Output to. The digital calculator 60a monitors the angle states (orientations) of the scanner mirrors M1 and M2 based on the angle signals SA and SB from the A / D converter 60h. The digital calculator 60a monitors the temperature states of the scanner mirrors M1 and M2 and the mirror driving devices 21 and 22 in FIG. 1 based on the temperature signal SC from the A / D converter 60h. Further, the digital calculator 60a monitors whether or not the scanner mirrors M1 and M2 are within the settling range based on the settling range signal SD from the analog circuit 60d. Thus, the digital calculator 60a can detect the timing when the scanner mirrors M1 and M2 enter the settling range, which means that the positioning is near, and the target angle after the scanner mirrors M1 and M2 reach the settling range. It is possible to predict a precise waiting time until convergence. Then, the digital calculator 60a outputs a positioning completion signal SRD indicating positioning completion to the host controller 80 as output means.
[0034]
The analog circuit 60d includes a feedback control circuit, and forms a command current signal SCW based on the command voltage signal SVW from the D / A converter 60b and the angle measurement signal SMA from the angle sensors S1 and S2. The command current signal SCW is output to the power amplifiers 60e and 60f. Here, the command voltage signal SVW is a voltage waveform for converging the scanner mirrors M1 and M2 to the target angle, and the command current signal SCW is a mirror angle corresponding to the command voltage signal SVW. It is the electric current waveform for rotating according to the difference with the mirror angle corresponding to the angle measurement signal SMA. Further, the analog circuit 60d functions as a settling range detection means, generates a setpoint range in- terition SD corresponding to whether or not the scanner mirrors M1 and M2 are in the settling range based on the angle measurement signal SMA, and outputs the digital signal. It outputs to the calculator 60a. Further, the analog circuit 60d generates a deviation SAD or a current angle SAP of the scanner mirrors M1 and M2 based on the angle measurement signal SMA, and outputs it to the digital calculator 60a. Here, the deviation SAD corresponds to the difference between the angle corresponding to the angle measurement signal SMA and the angle corresponding to the command voltage signal SVW.
[0035]
FIG. 3 is a block diagram illustrating a circuit configuration of the digital calculator 60a of FIG. The digital calculator 60a includes a command value generation unit 60cg that forms a pair of command signals SID for operating the mirror driving devices 21 and 22 as digital data based on the instruction signal SAA, an angle signal SAD, SAP, and a settling range. A determination unit 60ad that performs processing such as determination of positioning completion and determination of standby time based on the internal signal SD, temperature signal STE, and the like, and a memory 60me that stores information necessary for processing such as determination of standby time.
[0036]
The command value generating unit 60cg is a pair of command signals for operating the mirror driving devices 21 and 22 based on the pattern for operating the mirror driving devices 21 and 22, that is, the instruction signal SAA including the driving amounts of the scanner mirrors M1 and M2. Form a SID. Both command signals SID correspond to the drive amounts and drive speeds of the motors constituting the mirror drive devices 21 and 22, and change with time to converge to the target value.
[0037]
The determination unit 60ad receives the settling range signal SD, determines the standby time until the positioning is completed based on the standby time table, and outputs the positioning completion signal SRD after this time. The determination unit 60ad can correct the command signal SID for operating the mirror driving devices 21 and 22 based on the monitored signals SAD, SAP, SD, STE and the like. Specifically, for example, when changes in the angle signals SAD and SAP are slower than planned, the characteristics of the pair of command signals SID are changed to cause an angle change with a steeper slope than planned. it can.
[0038]
The memory 60me stores a standby time table Tw that stores the standby time until the scanner mirrors M1 and M2 reach the target angle after the scanner mirrors M1 and M2 reach the set range in association with the drive angle. The memory 60me can also store a reference characteristic Cr in addition to the standby time table Tw. The reference characteristic Cr is an operation waveform in which the standard driving angle of the scanner mirrors M1 and M2 or the standard driving amount of the mirror driving devices 21 and 22 is a function of time.
[0039]
In a laser processing apparatus using a galvano scanner, the operation characteristics of the galvano scanner are non-interfering on the X axis and the Y axis, and therefore the above time setting can be performed separately for the X axis and the Y axis.
[0040]
Hereinafter, the operation of the laser drill machine shown in FIGS. 1 to 3 will be described.
[0041]
First, the workpiece W, which is a printed wiring board, is placed on the stage 50 and fixed.
[0042]
Next, based on an instruction from the host controller 80, while operating the laser oscillator 10, the laser beam LB from the galvano scanner 20 is incident on an appropriate position of the workpiece W on the stage 50 to form a machining hole here. To do. More specifically, the stage 50 is moved in accordance with the output from the stage control unit 70 so that a specific section on the workpiece W becomes an irradiation region of the scanning optical system including the galvano scanner 20 and the fθ lens 30. Move.
[0043]
Next, the galvano scanner 20 is operated in accordance with the output from the scanner control unit 60, and the laser beam LB from the laser oscillator 10 is incident on a proper position of the workpiece W, thereby entering a specific section on the workpiece W. Process holes are formed in a desired arrangement.
[0044]
Next, the stage 50 is moved and moved so that a section adjacent to the specific section becomes an irradiation area of the scanning optical system.
[0045]
Next, processing holes are formed in a desired arrangement in the adjacent section on the workpiece W by a scanning optical system.
[0046]
By repeating the operation as described above, a processing hole is formed at an appropriate position on the entire surface of the workpiece W.
[0047]
In the operation as described above, the scanner control unit 60 operates the galvano scanner 20 in five modes described below.
[0048]
(1) In the first mode, the standby time until the driving of both scanner mirrors M1, M2 is completed is switched based on the standby time table Tw stored in the memory 60me of the digital calculator 60a provided in the scanner control unit 60. The waiting time table Tw used here is the target angle of the scanner mirrors M1 and M2 corresponding to the distance (hole distance) between the machining points, indicating the waiting time until the driving is completed that is held at the target angle after reaching the settling range. It is determined according to the driving amount (angle) until. In response to the instruction signal SAA from the host controller 80 instructing driving of the scanner mirrors M1 and M2, the scanner control unit 60 reads the positioning completion signal after the standby time read from the standby time table Tw according to the drive angle. SRD is output to the host controller 80. The host controller 80 sends a trigger signal to the laser oscillation device 10 as soon as the positioning completion signal is detected.
[0049]
Here, the waiting time table Tw is created by accumulating data by repeating experiments in advance. Specifically, for each of the scanner mirrors M1 and M2, the characteristics of the angle deviation (or current angle) when the magnitude of the drive angle is changed are measured by experiment. From this, it is clarified how the operating characteristics of both scanner mirrors M1 and M2 change under each angle condition, and for each angle condition, a waiting time from reaching the settling range to completion of positioning is determined. The standby time table Tw obtained in this way is incorporated in the memory 60me of the digital calculator 60a.
[0050]
When the digital calculator 60a operates after waiting time elapses, internal processing of the host controller 80 and other electrical components (for example, the laser oscillator 10) between the completion of positioning and the actual irradiation of the laser beam LB. , Stage 50, stage control unit 70, etc.) often results in useless delay time. If such a delay time is experimentally clarified in advance and the standby time is determined by subtracting this delay time when determining the standby time, it is effective for further shortening the processing time. Actually, the standby time stored as the standby time table Tw is corrected by increasing the delay time caused by the operation of the host controller 80 or the like.
[0051]
(2) In the second mode, not only the waiting time until the driving of the scanner mirrors M1 and M2 is completed is switched based on the waiting time table Tw, but the switched waiting time is further changed according to the situation. Specifically, the digital calculator 60a functioning as the characteristic difference detecting means and the correcting means compares the reference characteristic Cr stored in the memory 60me with the deviation or current value of the driving position of the scanner mirrors M1 and M2 every predetermined time. Thus, the characteristic difference is detected, and the standby time extracted from the standby time table Tw is corrected based on the characteristic difference. As a correction method, it is conceivable to apply a coefficient corresponding to the characteristic difference to the standby time extracted from the standby time table Tw according to each operation condition, or to add an offset corresponding to the characteristic difference. Further, a method is conceivable in which several standby time tables Tw are prepared in advance and the standby time tables are switched in accordance with changes in operating characteristics. When comparing the characteristic difference, for example, the overshoot difference in which the overshoot of the driving amounts of the scanner mirrors M1 and M2 is compared with the overshoot of the reference characteristic Cr, and the tracking speed of the scanner mirrors M1 and M2 are set as the tracking speed of the reference characteristic Cr. The compared speed difference can be used.
[0052]
Here, the reference characteristic Cr is a standard operation characteristic in the initial stage of the galvano scanner 20, and the current value (drive angle) when the magnitude of the drive angle is changed for each of the scanner mirrors M1 and M2. Further, the change characteristic of the deviation (angle deviation) is measured by experiment, and the operation characteristic is obtained for each predetermined drive angle range. The reference characteristic Cr changes depending on whether the driving positions of the scanner mirrors M1 and M2 are grasped as deviations or as current values. That is, the deviation reference characteristic Cr corresponds to the difference between the current value and the command value.
[0053]
In addition, the convergence value of the reference characteristic Cr is 0 when controlled using the deviation, but when controlled using the current value, it is necessary to shift so as to match the command value from the host controller 80. There is a characteristic that accurately converges to the command value.
[0054]
(3) In the third mode, not only the waiting time until the driving of the scanner mirrors M1 and M2 is completed is switched based on the waiting time table Tw, but also the driving patterns of the scanner mirrors M1 and M2 are changed. More specifically, the reference characteristic Cr stored in the memory 60me by the digital calculator 60a is compared with the deviation or current value of the driving position of the scanner mirrors M1 and M2 at certain time intervals to detect a characteristic difference. Based on this, the drive patterns of the scanner mirrors M1 and M2 are appropriately corrected. As a correction method, for example, when the overshoot such as the current value is larger than the reference characteristic, the overshoot or inclination of the command value is reduced based on the obtained characteristic difference. Further, when the follow-up speed of the current value or the like is slow, a method of increasing the inclination of the command value based on the obtained characteristic difference can be considered.
[0055]
It should be noted that if the angles of the scanner mirrors M1 and M2 are deviated from the target angles when the driving of the scanner mirrors M1 and M2 is completed, a method of shifting the final value of the command value can be considered. In this case, the convergence value of the reference characteristic Cr is set to a value that deviates from the command value.
[0056]
(4) In the fourth mode, the standby time until the driving of the scanner mirrors M1 and M2 is completed is switched based on the standby time table Tw. The standby time table Tw used at this time takes the temperature of the galvano scanner 20 into consideration. It has become. That is, the scanner control unit 60 waits corresponding to the drive amount and the temperature detection signal STE from the temperature sensors 24 and 25 according to the instruction signal SAA from the host controller 80 that instructs to drive both scanner mirrors M1 and M2. An appropriate waiting time is read from the time table Tw. The scanner control unit 60 outputs the read standby time as a data signal SRD to the host controller 80.
[0057]
Here, the waiting time table Tw is created by accumulating data by repeating experiments while changing the temperature of the galvano scanner 20 in advance. Specifically, for both scanner mirrors M1 and M2, the characteristics of the angle deviation when the drive angle is changed are measured in various temperature ranges, and the waiting time from reaching the settling range to completing the positioning is determined. Determine for each temperature range. The standby time table Tw obtained in this way is incorporated in the memory 60me of the digital calculator 60a.
[0058]
(5) In the fifth mode, the waiting time until the driving of the scanner mirrors M1 and M2 is completed is switched based on the waiting time table Tw. In this case, the positioning is performed when a predetermined period has elapsed after entering a predetermined convergence range. A completion signal is transmitted from the digital calculator 60a to the host controller 80. That is, when the positioning completion determination is made based on the deviation of the drive amounts of both scanner mirrors M1 and M2, the digital calculator 60a, which is the positioning determination means, determines the value of the deviation SAD output from the analog circuit 60d after reaching the settling range. Is read for each drive, and positioning is completed when the value of the deviation SAD enters the desired convergence range for a predetermined time or more. In this case, more time is required until the positioning is completed after entering the convergence range, but it is possible to automatically cope with a change in operating characteristics over time.
[0059]
FIG. 4 is a graph for explaining a specific operation of the laser drill machine of the embodiment. FIG. 4A shows a case where the drive angle is large, and FIG. Drive The case where the angle is small is shown. In the figure, the vertical axis represents the angles of the scanner mirrors M1, M2, and the horizontal axis represents time. Both figures show the target angles Caa, Cab, command values Cca, Ccb, operation characteristics Cda1, Cdb1 indicating changes in the current value of the first scanner mirror M1, and operation characteristics indicating changes in the current value of the second scanner mirror M2. Cda2 and Cdb2 are represented. It should be noted that the zone-shaped settling ranges and overshoots of the operation characteristics Cda1, Cdb1, Cda2, and Cdb2 are drawn larger than the actual ones for easy understanding.
[0060]
As is apparent from the figure, the convergence characteristics of the scanner mirrors M1 and M2 toward the target angles Caa and Cab usually vary depending on the size of the scanner mirror, and so on. Different for each scanner mirror M1, M2. For example, as shown in FIG. 4A, when the drive angle is large, the first scanner mirror M1 takes time A to converge, and the second scanner mirror M2 takes time B to converge. Further, the convergence characteristics of the scanner mirrors M1 and M2 change depending on the magnitude of the drive angle. For example, in the case of the first scanner mirror M1, the operating characteristic Cda1 when the driving angle is large requires time A to converge, and the operating characteristic Cdb1 when the driving angle is small requires time C to converge.
[0061]
In the galvano scanner 20 as described above, it is possible to set a uniform waiting time after reaching the settling range in accordance with the condition that requires the most time for positioning, and to determine that the positioning is completed after this waiting time. In the example shown in the figure, it is conceivable that the entire waiting time is the time B from the arrival in the settling range to the convergence, but the second scanner is in the case of a large drive angle from the settling range to the completion of positioning. In the case of the mirror M1, the time A ′, the case where the drive angle is small, the time C ′ in the case of the first scanner mirror M1, and the time D ′ in the case of the second scanner mirror M2 become the time to wait wastefully. . On the other hand, if the waiting time table Tw stored in the memory 60me shown in FIG. 3 is used, useless waiting times A ′, C ′, and D ′ do not occur.
[0062]
FIG. 5 is a graph for specifically explaining the operation in the third mode. In the figure, the vertical axis represents the angle of the scanner mirror, and the horizontal axis represents time. In the figure, the time change of the target angle Ca, the command value Cc, and the operating characteristic Cd of the scanner mirror is shown. When the characteristics of the galvano scanner 20 change over time due to continued use, the operation characteristic Cd becomes a characteristic Cdd1 having a large overshoot or a characteristic Cdd2 having a small follow-up speed. Further, there may be a characteristic Cdd3 held at an angle deviated from the command value Cc.
[0063]
For example, when the galvano scanner 20 detects that the operation characteristic Cdd1 has a large overshoot, the scanner control unit 60 corrects the command value Cc to a command value Ccc1 that rises relatively smoothly, and the galvano scanner 20 is changed. Make it work. Thereby, the operation of the galvano scanner 20 can be brought close to the operation characteristic Cd. When it is detected that the galvano scanner 20 has the operation characteristic Cdd2 having a small inclination, the scanner control unit 60 corrects the command value Cc to the command value Ccc2 having a large inclination and operates the galvano scanner 20. Further, when it is detected that the galvano scanner 20 has the operation characteristic Cdd3 having a target value deviation, the scanner control unit 60 corrects the command value Cc to a command value that cancels the target value and operates the galvano scanner 20. Let
[0064]
FIG. 6 is a diagram for specifically explaining the standby time table Tw used in the fourth mode. In this case, the temperature of the galvano scanner 20 is divided into four regions of 0 to A ° C., A to B ° C., B to C ° C., and C to C ° C. or more, and a standby time corresponding to the driving angle is set for each region. .
[0065]
According to this embodiment, since only the setting of the digital calculator is changed from the result of the machining experiment, difficult servo adjustment or the like is not required.
[0066]
Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail.
[0067]
In the present embodiment, in the first mode with the first embodiment, the waiting time from when the digital computer 60a receives the settling range signal SD to when the positioning completion signal SRD is output to the host controller 80 is shown in FIG. As shown in FIG. 7, it is variable according to the target angle of the mirror corresponding to the processing position. In the case of the example shown in FIG. 9, at the machining position with poor machining accuracy, this waiting time is lengthened and the settling waiting time until machining is lengthened.
[0068]
In the first embodiment, the waiting time is changed according to the mirror driving angle (hole distance), and in the second embodiment, the waiting time is changed according to the mirror target angle (processing position). As in the embodiment, the standby time table is a three-dimensional table corresponding to both the mirror target angle (processing position) and the drive angle (hole distance), and the standby time is determined according to both the mirror target angle and the drive angle. It is also possible to change ae (for example, a <b <c <d <e).
[0069]
According to this embodiment, it is possible to perform better processing.
[0070]
Although the present invention has been described based on the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, the galvano scanner apparatus according to the embodiment can be incorporated in various laser processing apparatuses including not only a laser drill machine but also a marking machine.
[0071]
In the above embodiment, the scanner control unit 60 is operated in the first to fifth modes. However, the scanner control unit 60 can be operated by appropriately combining the first to fifth modes. For example, the characteristic difference between the scanner mirrors M1 and M2 can be corrected in consideration of the temperature of the galvano scanner 20 during the operations in the second and third modes. Specifically, a coefficient multiplied by a standard waiting time or an offset to be added can be used as a function of time, or a waiting time table prepared in a large number according to a characteristic difference can include a temperature parameter.
[0072]
【The invention's effect】
According to the present invention, the standby time expected to be required to reach and hold the target angle after the driving position of the mirror reaches the settling range is determined according to the driving angle and target angle of the mirror. Since it is changed, processing such as a laser via with a high throughput can be performed with a small error by using the standby time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating the structure of a laser drill machine incorporating an apparatus according to an embodiment.
2 is a block diagram mainly illustrating the circuit configuration of the scanner control unit in FIG. 1;
3 is a block diagram illustrating a circuit configuration of the digital calculator of FIG. 2;
FIG. 4 is a graph illustrating a specific operation of a laser drill machine
FIG. 5 is a graph for explaining a specific operation of the laser drill machine.
FIG. 6 is a diagram for explaining a modified example of a standby time table used for driving a laser drill machine.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a relationship between a target angle of a mirror and a standby time in the second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing an example of the relationship between the target angle and drive angle of the mirror and the standby time in the third embodiment.
FIG. 9 is a diagram for explaining a conventional problem.
[Explanation of symbols]
10 ... Laser oscillation device
20 ... Galvano scanner
21, 22 ... Mirror drive device
24, 25 ... Temperature sensor
30 ... fθ lens
50 ... Stage
60. Scanner control unit
60a ... Digital calculator
60d ... Analog circuit
60ad ... Judgment part
60cg ... Command value generator
60me ... memory
70: Stage control unit
80: Host controller
Cr: Standard characteristics
LB ... Laser beam
M1 ... 1st scanner mirror
M2 ... second scanner mirror
S1, S2 ... Angle sensor
Tw ... Standby time table
W ... Workpiece

Claims (15)

レーザ光線の照射位置をミラー及びミラー駆動装置によって移動させるガルバノスキャナ装置であって、
前記ミラー駆動装置によって前記ミラーの駆動位置が目標角度を含む所定の整定範囲内に到達したことを検出する整定範囲検出手段と、
前記ミラーの駆動位置が前記整定範囲内に到達後に前記目標角度に到達して保持されるまでに要すると予想される待機時間を、前記ミラーの角度に応じて変化させる制御手段と、
を備えたことを特徴とするガルバノスキャナ装置。
A galvano scanner device that moves an irradiation position of a laser beam by a mirror and a mirror driving device,
A settling range detecting means for detecting that the mirror drive position has reached a predetermined settling range including a target angle by the mirror driving device;
Control means for changing a waiting time, which is expected to be required to reach and hold the target angle after the driving position of the mirror reaches the settling range, according to the angle of the mirror;
A galvano scanner device comprising:
前記待機時間を、前記ミラーの目標角度までの駆動角度に応じて変化させることを特徴とする請求項1に記載のガルバノスキャナ装置。The galvano scanner device according to claim 1, wherein the waiting time is changed according to a driving angle up to a target angle of the mirror. 前記待機時間を、前記ミラーの目標角度に応じて変化させることを特徴とする請求項1に記載のガルバノスキャナ装置。The galvano scanner device according to claim 1, wherein the waiting time is changed according to a target angle of the mirror. 前記待機時間を、前記ミラーの目標角度と、該目標角度までの駆動角度の両者に応じて変化させることを特徴とする請求項1に記載のガルバノスキャナ装置。The galvano scanner device according to claim 1, wherein the waiting time is changed according to both a target angle of the mirror and a driving angle up to the target angle . 前記待機時間を、レーザ光線の照射位置に対応させて記憶した待機時間テーブルを備えたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のガルバノスキャナ装置。The galvano scanner device according to any one of claims 1 to 4, further comprising a standby time table that stores the standby time in correspondence with an irradiation position of a laser beam . 前記待機時間を、ミラーの走査方向毎に設定することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のガルバノスキャナ装置。6. The galvano scanner device according to claim 1, wherein the waiting time is set for each mirror scanning direction. 前記ミラーを駆動するための指令波形をデジタルデータとして形成する波形形成手段を更に備えたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のガルバノスキャナ装置。7. The galvano scanner device according to claim 1, further comprising waveform forming means for forming a command waveform for driving the mirror as digital data. 前記整定範囲内に到達する際に、前記待機時間に基づいて前記ミラーの動作完了まで待機後、位置決め完了信号を出力する出力手段を更に備えることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のガルバノスキャナ装置。8. The apparatus according to claim 1, further comprising: an output unit that outputs a positioning completion signal after waiting until the operation of the mirror is completed based on the waiting time when reaching the settling range. The galvano scanner device described. 前記待機時間は、前記ミラーの動作に関連して動作する所定の部品及び少なくとも当該所定の部品の動作を制御する制御装置の動作の遅延を含んで設定されることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載のガルバノスキャナ装置。2. The standby time is set including a delay of an operation of a predetermined component that operates in relation to the operation of the mirror and at least a control device that controls the operation of the predetermined component. The galvano scanner device according to claim 8. 前記ミラー駆動装置による前記ミラーの駆動位置の偏差若しくは現在値を基準特性と比較して特性差を得る特性差検出手段と、当該特性差検出手段によって得た前記特性差に基づいて前記待機時間を修正する修正手段とを更に備えることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載のガルバノスキャナ装置。A characteristic difference detecting means for obtaining a characteristic difference by comparing a deviation or a current value of the driving position of the mirror by the mirror driving device with a reference characteristic, and the standby time based on the characteristic difference obtained by the characteristic difference detecting means. The galvano scanner device according to claim 1, further comprising correction means for correcting. 前記ミラー駆動装置による前記ミラーの駆動位置の偏差若しくは現在値を基準特性と比較して特性差を得る特性差検出手段を更に備え、前記待機時間を前記特性差の複数のパターンに応じてそれぞれ複数の待機時間テーブルとして記憶することを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載のガルバノスキャナ装置。The apparatus further comprises characteristic difference detection means for obtaining a characteristic difference by comparing a deviation or a current value of the driving position of the mirror by the mirror driving device with a reference characteristic, and a plurality of the standby times are set according to the plurality of patterns of the characteristic difference. The galvano scanner device according to claim 1, wherein the galvano scanner device is stored as a waiting time table. 前記ミラー駆動装置による前記ミラーの駆動位置の偏差若しくは現在値を基準特性と比較して特性差を得る特性差検出手段を更に備え、前記波形形成手段は、前記特性差検出手段によって得た前記特性差に応じて前記ミラーを駆動するための指令波形を修正することを特徴とする請求項7に記載のガルバノスキャナ装置。The apparatus further comprises a characteristic difference detecting means for obtaining a characteristic difference by comparing a deviation or a current value of the driving position of the mirror by the mirror driving device with a reference characteristic, and the waveform forming means includes the characteristic obtained by the characteristic difference detecting means. The galvano scanner device according to claim 7, wherein a command waveform for driving the mirror is corrected in accordance with the difference. 前記ミラー及び前記ミラー駆動装置の近傍の温度を検出する温度センサを更に備え、前記待機時間を温度毎に記憶することを特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載のガルバノスキャナ装置。The galvano scanner device according to any one of claims 1 to 12, further comprising a temperature sensor for detecting a temperature in the vicinity of the mirror and the mirror driving device, and storing the standby time for each temperature. 前記ミラーが前記整定範囲よりも狭く前記目標角度の極近傍を含む所定の収束範囲に所定時間だけ入った場合には、前記ミラーの位置決めが完了したものと判断する位置決め判断手段を更に備えたことを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載のガルバノスキャナ装置。Positioning determination means for determining that positioning of the mirror is completed when the mirror enters a predetermined convergence range that is narrower than the settling range and includes the vicinity of the target angle for a predetermined time. A galvano scanner device according to any one of claims 1 to 13. レーザ光線の照射位置をミラー及びミラー駆動装置によって移動させるガルバノスキャナ装置の制御方法であって、
前記ミラーの駆動位置が目標角度を含む所定の整定範囲内に到達後に前記目標角度に到達して保持されるまでに要すると予想される待機時間を、前記ミラーの角度に応じて決定する工程と、
前記ミラー駆動装置によって前記ミラーの駆動位置が前記整定範囲内に到達したことを検出する工程と、
前記待機時間に基づいて前記ミラーの動作完了まで待機後、位置決め完了信号を出力する工程と
を備えることを特徴とするガルバノスキャナ装置の制御方法。
A method of controlling a galvano scanner device that moves an irradiation position of a laser beam by a mirror and a mirror driving device,
Determining a standby time that is expected to be required to reach and hold the target angle after the driving position of the mirror reaches a predetermined settling range including a target angle, according to the angle of the mirror; ,
Detecting that the driving position of the mirror has reached the settling range by the mirror driving device;
And a step of outputting a positioning completion signal after waiting until the operation of the mirror is completed based on the waiting time.
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