(57)【要約】【課題】ガルバノスキャナ等の回転体の角度指令のインターバルは短縮される傾向にあるが、短いインターバルで回転体を駆動した場合可動部分が発熱して剛性や機械特性変動が変化する。そのような場合にも高速高精度を実現する手段は示されていない。【解決手段】偏差に重畳した振動の周波数を算出する振動成分分析部（２０７）と、前記重畳した振動の周波数と拡大率に関しての対応表を記憶している記憶部（２０９）と、前記重畳した振動の周波数に対応する拡大率を記憶部から読取り、前記重畳した振動を抑制する付加入力信号を作成し、操作量に加算する付加入力信号作成部（２０８）と、前記付加入力信号による角度変化量を計算する付加入力変化量計算部（２１２）と、前記付加入力信号が加えられた場合の前記角度変化量の過不足を補う角度指令の倍率を変更するための角度指令倍率変更部（２１１）と、を有することを特徴とする回転体のサーボ制御装置にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
角度指令がトルク指令生成部で角度変化量に応じた倍率をかけられてトルク指令信号に変換され、デジタルフィルタを経由して制御周期毎の目標角度信号とされ、回転体の現在の角度がフィードバックされて減算された偏差とされ、もう一方のトルク指令信号が加算されて操作量とされる回転体の制御装置において、
偏差に重畳した振動の周波数を算出する振動成分分析部と、
前記重畳した振動の周波数と拡大率に関して予め決定された対応表を記憶している記憶部と、
前記重畳した振動の周波数に対応する拡大率を記憶部から読取り、前記重畳した振動を抑制する付加入力信号を作成し、操作量に加算する付加入力信号作成部と、
前記付加入力信号による角度変化量を計算する付加入力変化量計算部と、
当初の角度指令に前記付加入力信号が加えられた場合の前記角度変化量の過不足が算出され、これを補う角度指令の倍率を変更するための角度指令倍率変更部と、
を有することを特徴とする回転体のサーボ制御装置。
【請求項２】
前記付加入力信号は、周波数が制御周期の逆数の整数倍である正弦波であることを特徴とする請求項１に記載の回転体のサーボ制御装置。
【請求項３】
機械振動特性の剛体モードを模擬した付加入力用デジタルフィルタを有することを特徴とする請求項１に記載の回転体のサーボ制御装置。
【請求項４】
前記回転体をガルバノミラーを駆動するためのガルバノスキャナとし、請求項１記載の回転体のサーボ機構を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の位置を検出し回転体が指定された目標値に追従するように制御する制御装置であって、レーザ加工装置のガルバノミラーの制御に好適な回転体のサーボ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を偏向するガルバノミラーを持つ装置の一例であるプリント配線板穴明け用レーザ加工装置は、レーザ光を用いてプリント配線板に半導体素子等の実装や層間の電気的結合に使用する穴を明ける装置である。従来のプリント配線板穴明け用レーザ加工装置は、レーザ発振器と、レーザ光の断面形状を形成するための断面形状形成装置と、レーザ光を偏向する一対のガルバノミラーと、ガルバノミラーを駆動するガルバノスキャナと、レーザ光を集光するＦθレンズと、プリント配線板を搭載して水平面内を二次元的に位置決めするためのＸＹテーブルサーボ機構を備えている。
【０００３】
レーザ加工装置は通常、階層的に構成される数値制御（ＮＣ）装置であり、ガルバノスキャナ制御装置はその最下層に位置する。上位階層の制御装置（以下、「上位制御装置」と呼ぶ。）では、プリント配線板のＣＡＭデータ（Computer Aided Manufacturing）に基づき記述されたＮＣプログラムに従って、穴位置座標を順次ガルバノスキャナの角度指令に変換し、ガルバノミラー制御装置に送る。ガルバノスキャナが目標角度に到達すると、レーザ光を照射して穴明け加工を実施する。そのため、角度指令データの送信とレーザ光の照射制御は上位制御装置内部で同期を取って行われる。
【０００４】
以下、図面を用いてさらに詳細に説明する。ここでは、非特許文献１に記載されている、終端状態制御を用いたガルバノミラー制御装置を取り上げる。
図２は、従来のレーザ加工装置におけるガルバノスキャナ制御機構の構成を表すブロック図である。加工対象物の任意の位置にレーザ光を照射する場合、まず上位制御装置２０１は、ＮＣプログラムに記述された穴位置座標から算出したガルバノスキャナの角度指令１０１を、ガルバノスキャナ制御装置２０に送る。ガルバノスキャナ制御装置２０では、トルク指令生成部２０２で、事前に算出されて記憶部（図示せず）に記憶された終端状態制御によるトルク指令座標列に、角度変化量に応じた倍率をかけてトルク指令信号１０３を作成する。トルク指令信号１０３は、ガルバノスキャナの機械振動特性を模擬したデジタルフィルタ２０３に入り、制御周期毎の目標角度１０４としてフィードバック・ループに与えられる。目標角度１０４からガルバノスキャナの現在の角度を減算した偏差１０５は、補償要素２０４で制御演算処理をされた後に、もう一方のトルク指令信号１０３が加算され、操作量１０６となる。操作量１０６はＤ／Ａ変換器２０５へ送られ、アナログ信号（ガルバノスキャナの電流指令値１０７）となる。電流指令信号はアンプ６０で増幅され、駆動電流１０８としてガルバノスキャナ３０の電気揺動アクチュエータ部に印加され、回転シャフトが回転する。このとき、現在の角度は角度検出器（図示せず）によって検出され、角度パルス１０９とされる。パルスカウンタ２０６によって、再びディジタル信号である角度信号１１０へと変換され、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、ガルバノミラーは徐々に目標角度に接近する。目標角度に到達した後にレーザ光を照射し、穴明け加工を行う。
【０００５】
制御対象であるガルバノスキャナは、永久磁石とコイル、ヨークで構成される磁気回路を持つ。永久磁石は回転シャフトに接着されており、磁石と電流が印加されたコイルにより発生する力（ローレンツカ）が回転シャフトに加わり、回転シャフトが回転する。このようなガルバノスキャナは回転シャフトのねじれ方向に振動モードを持つため、これを制御する制御装置は通常、ノッチフィルタなどの振動抑制を目的とした補償要素を持っている。図３に、ガルバノスキャナの機械振動特性の一例を示す。ここで、機構振動特性はガルバノスキャナ３０にトルク指令信号１０３として単一の正弦波を与えた際の、正弦波入力と角度変化量の振幅比を、入力する周波数を変えて取得した結果である。トルク指令信号から角度変化量とする。図中のｆ１は、ねじり一次振動モード周波数を表す。
【０００６】
ガルバノスキャナを長期間使用すると、永久磁石やスケールと回転シャフト、またミラーとミラーマウントに固定するために用いる接着剤が経時変化し、接着強度が低下することが知られている。その結果、ガルバノスキャナの振動特性が変動するため、前述のノッチフィルタや終端状態制御で制振対象としたねじり一次振動モード周波数と不一致となるため、位置決め時にガルバノミラーが振動することで加工精度が低下する問題があった。さらにこの問題は、一定の周期で繰り返して角度決めを行う場合に、顕著になることが知られている。
【０００７】
このため、従来のガルバノスキャナ制御装置では、所定のタイミングで機械振動特性を周波数領域で取得し、補償要素に用いている周波数設定値を補正する補正手段を持っていた（特許文献１）。また、連続して加工する場合に、前回の角度決めの影響が次の角度決めに影響しないように二回目以降の動作に付加入力信号を加える手法もある（特許文献２）。一方、ガルバノスキャナに発生する振動を考慮して、レーザ光を照射するタイミングを調整して、加工精度を向上させる手法も提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１９２８３７号公報
【特許文献２】特開２００５−２２１８４５号公報
【特許文献３】特開２００９−１５４１９８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】平田、他：「終端状態制御によるガルバノスキャナのナノスケールサーボ制御」、電学論Ｄ、１１９巻９号、ｐｐ．９３８−９４４，２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
レーザ加工装置の加工スループットを向上するために、角度指令の時間間隔（以下、指令インターバルと呼ぶ）は短縮される傾向にある。短いインターバルでガルバノスキャナを駆動した場合、「トルク指令に起因する振動」が発生する。
【００１１】
「トルク指令に起因する振動」は、主に機械振動特性がトルク指令信号を設計した場合と不一致になることにより生じる。従来技術では、経年劣化のように時定数が長い場合には、機械振動特性を取得して再度角度指令を作成することで解決できる。しかしながら、短いインターバルで駆動した時に、可動部分が発熱して剛性や機械特性変動が変化するような、時定数の非常に短い変化に対する解決手法は示されていない。
【００１２】
そこで、本発明の目的は上記従来技術の課題を解決し、位置決め時間が短く、かつ、位置決め精度に優れる回転体のサーボ制御装置及びレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本願は、角度指令（１０１）がトルク指令生成部（２０２）で角度変化量に応じた倍率をかけられてトルク指令信号（１０３）に変換され、デジタルフィルタ（２０３）を経由して制御周期毎の目標角度信号（１０４）とされ、回転体の現在の角度がフィードバックされて減算された偏差（１０５）とされ、もう一方のトルク指令信号（１０３）が加算されて操作量（１０６）とされる回転体の制御装置において、偏差に重畳した振動の周波数（１１２）を算出する振動成分分析部（２０７）と、前記重畳した振動の周波数（１１２）と拡大率（ゲイン）に関して予め決定された対応表を記憶している記憶部（２０９）と、前記重畳した振動の周波数（１１２）に対応する拡大率を記憶部（２０９）から読取り、前記重畳した振動を抑制する付加入力信号（１１１）を作成し、操作量（１０６）に加算する付加入力信号作成部（２０８）と、前記付加入力信号（１１１）による角度変化量を計算する付加入力変化量計算部（２１２）と、当初の角度指令に前記付加入力信号（１１１）が加えられた場合の前記角度変化量の過不足が算出され、これを補う角度指令（１０２）の倍率を変更するための角度指令倍率変更部（２１１）と、を有することを特徴とする回転体のサーボ制御装置にするとよい。
【００１４】
なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、これにより特許請求の範囲の記載に何等影響を及ぼすものではない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、回転体を高速かつ高精度に位置決めすることが可能となるため、例えば加工スループットや加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るガルバノスキャナ制御装置のブロック線図である。
【図２】従来手法におけるガルバノスキャナ制御装置のブロック線図である。
【図３】ガルバノスキャナの機械振動特性の一例である。
【図４】本発明の実施形態に係るガルバノスキャナ制御装置の流れを示すフローチャートである。
【図５】トルク指令の周波数成分分析結果を示す模式図である。
【図６】トルク指令信号と付加入力信号を表す模式図である。
【図７】トルク指令信号による角度変化量と付加入力信号による角度変化量を示す模式図である。
【図８】本発明の実施形態に係る機械振動特性が変動した際の偏差の模式図である。
【図９】従来手法に係る機械振動特性が変動した際の偏差の複式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明に係るガルバノスキャナサーボ機構の構成を表すブロック図である。なお、図２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。本発明は、偏差に重畳した振動の周波数を算出する振動成分分析部２０７と、重畳した振動の周波数と拡大率（ゲイン）に関して予め決定された対応表を記憶している記憶部２０９と、偏差信号に重畳した振動を抑制する信号を作成する付加入力信号作成部２０８と、機械振動特性の剛体モードを表現する付加入力用デジタルフィルタ２１０と、付加入力信号１１１による角度変化量を計算する付加入力変化量計算部２１２と、角度指令の倍率を変更するための角度指令倍率変更部２１１を持つことを特徴とする。さらにスイッチ２１３，２１４，２１５，２１６を有するが、この動作については後述する。
【００１９】
本発明における動作の流れを、図４に示す。まず、動作開始前に例えば非特許文献１に示す手順により、事前に取得した機械振動特性を元にして偏差に振動が重畳しないトルク指令信号１０３を作成し、ねじり振動一次モード周波数（ｆ１）近傍のトルク指令信号の周波数（振動周波数）と拡大率の対応表を前述の記憶部２０９に記憶する（Ｓ１０）。上位制御装置２０１より角度指令１０１が受け取られる（Ｓ２０）。位置決め回数が判定される（Ｓ３０）。１回目の場合Ｓ４０に進み、スイッチ２１３，２１４は接点ａに接続され、またスイッチ２１５、２１６はＯＦＦに設定されて付加入力信号作成部２０８が切り離される。次に、トルク生成部２０２でトルク指令が生成される（Ｓ５０）。位置決め動作が実施される（Ｓ６０）。振動成分分析部２０７で偏差に重畳する振動の周波数１１２が算出される（Ｓ７０）。算出された振動周波数１１２を振動成分記憶部２１７に記憶する（Ｓ８０）。次の動作があるかどうかが判断される（Ｓ９０）。ありの場合はＳ３０に戻り、なしの場合は終了（ＥＮＤ）となる。
【００２０】
Ｓ３０に戻り２回目以降の動作になった場合、前述のように短いインターバルでは駆動に要する電力が大きくなり、可動子が熱を持つため機械振動特性が変化し、偏差に振動が重畳し始める。そこで、まずスイッチ２１３、２１４が接点ｂに接続され、スイッチ２１５、２１６がＯＮに設定されて付加入力信号作成部が接続される（Ｓ１１０）。振動成分記憶部２１７に記憶された振動周波数より、記憶部２０９に記憶された対応表から拡大率を選択され、付加入力信号作成部２０８で角度指令１０１と選択された拡大率から付加入力信号１１１が作成される（Ｓ１２０）。作成された付加入力信号１１１は付加入力変化量計算部２１２にも送られ、付加入力による角度変化量が算出される（Ｓ１３０）。当初の角度指令に付加入力が加えられた場合の角度変化量の過不足が算出され、これを補う角度指令倍率変更部２１１の倍率が決定され、角度指令倍率変更部２１１で角度指令の大きさが変更される（Ｓ１４０）。その後Ｓ５０に戻り、その後Ｓ６０、Ｓ７０、Ｓ８０、Ｓ９０が行われる。以上の工程により、付加入力信号が加算され、位置決め時における振動が低減する。
【００２１】
次に、個々の機能の動きについて詳細に説明する。振動成分分析部２０７では、振動が重畳した偏差に対して最小二乗法を用いて振動の周波数を求める。算出方法は、例えば特許文献２を参考にされたい。
【００２２】
付加入力信号作成部２０８では、角度変化量に応じて変わる角度指令の時間長さ、記憶部に記憶されている角度指令の周波数成分の大きさ、算出された偏差に重畳する振動の周波数により、付加入力信号１１１を生成する。付加入力信号１１１は一周期の正弦波で、その周波数ｆは振動成分分析部２０７で求めた振動周波数ｆ１’に最も近い、下記の数式１を満たす周波数とする。なお、式中のＴｓは、サーボ制御装置の制御周期を表す。
【００２３】
【数１】
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【００２４】
数式１を適用する理由として、ガルバノスキャナ制御装置のようなディジタル信号を用いた制御装置では制御周期が決まっており、その周期以外では指令を出すことができない。そのため、数式１を満たさない周波数を選択した場合、付加入力信号は単一周波数とならず、本来抑制したい振動以外の周波数を励起することになり、位置決め精度が劣化するためである。
【００２５】
次に記憶部２０９について説明する。記憶部２０９には数式１を満たすねじり一次振動モード周波数ｆ１近辺の複数の周波数と拡大率（ゲイン）が対応付けて記憶されており、その一例を表１に示す。通常トルク指令信号は図５に示すようにねじり一次振動モード周波数ｆ１で極値を持つよう設計されており、機械振動特性に変動がない場合はトルク指令信号による振動励起は少ない。しかし、設計時ｆ１だったねじり一次振動モード周波数が特性変動によりｆ１’へ変動した場合、偏差に周波数ｆ１’の振動が重畳する。発生する振動の振幅は、機構振動特性におけるｆ１の周波数成分とトルク指令信号におけるｆ１’の周波数成分の乗算値とおおよそ同一となる。トルク指令信号の大きさは角度指令に応じて変更されるため、記憶部２０９では基準とする角度指令（例えば１度の回転）が入力された場合の発生する振動の振幅を、角度指令に対する拡大率として複数の振動周波数に対応付けて記憶しておく。そして、付加入力信号作成部２０８では、記憶部２０９に記憶されている各周波数に対する拡大率から、振動成分分析部２０７で算出された周波数に最も近い値を選択し、角度指令１０１と乗算することで付加入力信号の振幅が決定される。
【００２６】
また、本例では５つの周波数での振幅を表記したが、表を拡張することでより振動抑制精度を高められる。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
以上のように作成された付加入力信号１１１と、トルク指令信号を図８に示す。
【００２９】
上記のように作成された付加入力信号１１１を入力すると、振動は抑制される一方で、一定の角度変化が生じる。図７に、図６のトルク指令信号によるガルバノミラーの角度変化量と付加入力信号１１１による角度変化量を示す。付加入力変化量計算部２１２は付加入力信号１１１による角度変化量を算出し、これに基づき上位制御系より受け取った角度指令に角度指令倍率をかけてトルク指令信号１０３と付加入力信号１１１をそれぞれ拡大・縮小することで、目標角度に位置決めできるようになる。そのときの角度指令倍率αは、付加入力信号１１１による角度変化量ａと目標角度ｂを用いて、下記数式２の通り求められる。
【００３０】
【数２】
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【００３１】
また、従来手法ではトルク指令信号１０３を機械振動特性を模擬したデジタルフィルタ２０３に入力し、得られた数値を各制御周期における目標角度として使用しているが、本実施例では機械振動特性の剛体モードを模擬した付加入力用デジタルフィルタ２１０に付加入力信号１１１を入力して使用することで、位置決め精度を向上している。
【００３２】
図８はねじり一次振動モード周波数がｆ１より１．５％下がった場合の本実施例の偏差波形であり、従来手法の例を図９に示す。図のように、本実施例を用いることで機械振動特性の変動に伴って偏差に重畳していた振動は大幅に低減でき、良好な位置決め精度を得ることができる。
【００３３】
本実施例では、振動成分分析部で得られた周波数を機械振動特性とみなして説明したが、フィードバック補償器の設計方法によっては両者にずれが生じることも考えられる。変動量が小さい場合は末考慮でも効果にさほど影響はないが、更なる精度向上を図る場合は機械振動特性ではなくフィードバック系の振動特性に対する補償とすることでより効果を発揮できる。また、振動成分分析部２０７は、リアルタイム性を考慮して実働時の波形より取得したが、測定にある程度時間をかけてもよい場合は、特許文献１にあるようなＦＦＴによる測定でもかまわない。また、本実施例ではねじり一次振動モードの補償について述べたが、他の振動モードに適用しても同様の効果が見込まれる。
【符号の説明】
【００３４】
２０  回転体（ガルバノスキャナ）制御装置
３０  回転体（ガルバノスキャナ）
６０  アンプ
１０１  角度指令
１０２  倍率変倍後の角度指令
１０３  トルク指令信号
１０４  目標角度信号
１０５  目標角度と現在の角度の偏差
１０６  操作量
１０７  電流指令値
１０８  駆動電流
１０９  角度パルス
１１０  角度信号
１１１  付加入力信号
１１２  算出された振動周波数
【図１】
2014098792.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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