(57)【要約】【課題】ガルバノスキャナ制御装置において、整定完了の判定を省略して位置決め判定のみを行うこととし、かつ位置決め完了の前に、次の動作の準備ができるガルバノスキャナ制御方法及び装置を提供する。【解決手段】上位制御装置（２０１）から受け取った角度指令データ（１０１）に基づきガルバノスキャナ（３０）の角度を位置決めするガルバノスキャナ制御装置（２１）において、ｎサンプリング周期後の偏差、又は偏差及び速度を予測し、偏差、又は偏差及び速度の予測値が対応する許容範囲に入る場合に位置決め完了信号（１１７）を上位制御装置に送信するとよい。これにより、上位制御装置がｎサンプリング周期前に位置決め完了信号を受け取って先発してレーザ発振器にレーザ照射の開始を指令でき、ガルバノスキャナが偏差許容範囲に入るとほぼ同時にミラー（５０）がレーザ光で照射されるようにできるので、整定完了の判定を省略できる。【選択図】図１
2016053652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上位制御装置から受け取った角度指令データに基づきガルバノスキャナの角度を位置決めするガルバノスキャナ制御装置において、
ｎサンプリング周期後の偏差、又は偏差及び速度を予測し、
偏差、又は偏差及び速度の予測値が対応する許容範囲に入る場合に位置決め完了信号を上位制御装置に送信することを特徴とするガルバノスキャナ制御方法。
【請求項２】
請求項１記載のガルバノスキャナ制御方法において、前記予測値を加加速度が一定と仮定して計算することを特徴とするガルバノスキャナ制御方法。
【請求項３】
上位制御装置から受け取った角度指令データに基づき複数のガルバノスキャナの角度を位置決めするガルバノスキャナ制御装置において、
各ガルバノスキャナのｎサンプリング周期後の偏差、又は偏差及び速度を予測し、
各ガルバノスキャナの偏差、又は偏差及び速度の予測値が対応する許容範囲に入る場合に位置決め完了信号を上位制御装置に送信することを特徴とするガルバノスキャナ制御方法。
【請求項４】
請求項３記載のガルバノスキャナ制御方法において、各ガルバノスキャナの位置決め完了が同時となるように同期させることを特徴とするガルバノスキャナ制御方法。
【請求項５】
上位制御装置から受け取った角度指令データに基づきガルバノスキャナの角度を位置決めするガルバノスキャナ制御装置において、
ｎサンプリング周期後の偏差、又は偏差及び速度を予測し、偏差、又は偏差及び速度の予測値が対応する許容範囲に入る場合に位置決め完了信号を上位制御装置に送信するための目標到達判定部を有することを特徴とするガルバノスキャナ制御装置。
【請求項６】
上位制御装置から受け取った角度指令データに基づき複数のガルバノスキャナの角度を位置決めするガルバノスキャナ制御装置において、
各ガルバノスキャナのｎサンプリング周期後の偏差、又は偏差及び速度を予測し、各ガルバノスキャナの偏差、又は偏差及び速度の予測値が対応する許容範囲に入る場合に位置決め完了信号を上位制御装置に送信するための目標到達判定部を有することを特徴とするガルバノスキャナ制御装置。
【請求項７】
請求項６記載のガルバノスキャナ制御装置において、各ガルバノスキャナの位置決め完了が同時となるように同期させるためのトルク指令生成部及びデジタルフィルタ、及びそれらを同期させるための同期部を有することを特徴とするガルバノスキャナ制御装置。
【請求項８】
請求項６又は７記載のガルバノスキャナ制御装置と、
該ガルバノスキャナ制御装置に角度指令データを出力し、該ガルバノスキャナ制御装置から位置決め完了信号を受け取ってレーザ加工を行う上位制御装置を有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、レーザ加工装置におけるレーザビームを偏向して集光スポットを位置決めするガルバノスキャナの制御に好適な位置決め制御方法及び制御装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
ガルバノスキャナ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。プリント配線板穴明け用レーザ加工装置は、通常、レーザ発振器と、レーザ光の断面形状を形成するための整形器やＯＮ−ＯＦＦのための音響光学変調器などのスイッチング素子などの光学部品系と、レーザ光を偏向する一対のミラーと、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テーブルとそのサーボ機構を備えている。ここで、ＸＹテーブルはガルバノスキャナとＦθレンズによって決まるレーザ光の照射可能範囲毎に移動・停止を繰り返すのが通常であり、ガルバノスキャナはＸＹテーブルの停止中に駆動されてレーザビームを偏向し、Ｆθレンズに入射する角度を制御して集光スポットの位置決めを行う（ステップ・アンド・リピート方式）。
【０００３】
プリント配線板穴明け用レーザ加工機は、階層的に構成される数値制御（ＮＣ）装置であり、ガルバノスキャナを制御する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」という。）では、プリント配線板のＣＡＭ (Computer Aided Manufacturing) データ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データに変換し、ガルバノスキャナ制御装置に送る。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。図１０は、一般的な従来のレーザ加工機におけるガルバノスキャナ制御装置２０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３０の角度指令データ１０１を、ガルバノスキャナ制御装置２０に送る。
【０００５】
ガルバノスキャナ制御装置２０ではサンプリング周期Ｔｓで演算を行っており、受け取った角度指令データ１０１から、角度検出器４０によって検出され、パルスカウンタ２０６でデジタル信号に変換されたガルバノスキャナ３０の揺動角度信号１１５を減算した偏差１０５を算出する。偏差１０５は、補償要素２０４で制御演算処理をされて操作量１１２として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１１３)となる。電流指令信号はアンプ６０で増幅され、駆動電流１１４としてガルバノスキャナ３０の駆動用コイルに印加され、揺動軸が回転する。このとき、揺動角度は角度検出器４０によって検出されてフィードバックされる。
【０００６】
これらの処理を繰り返すことにより、ミラー５０は徐々に目標角度に接近する。あらかじめ設定した位置決め待ち時間（整定時間）が経過すると、プリント基板の材質等によってあらかじめ決められているレーザ光照射条件（例えば、レーザ光ショット数やレーザ光照射時間）をレーザ光制御装置（図示せず）に送付することでレーザ光が照射され、穴明け加工が行われる。
【０００７】
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。永久磁石は回転軸に接着されており、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）が回転軸に加わり、回転軸が回転する。
【０００８】
レーザ加工装置の加エスループットを向上するためには、上位制御装置が角度指令データを送ってからレーザ光を照射するまでの時間を短縮すればよく、その一例として、あらかじめ設定する位置決め待ち時間を移動距離に応じて細かく設定する手法が提案されている（特許文献１）。また、位置決め待ち時間を設けるのではなく、位置決め範囲を設け、位置決め範囲に入った時点を位置決め完了とし、それからさらに一定時間経過した後を整定完了と判定する手法が提案されている（特許文献２）。
【０００９】
しかしながら、このような従来技術においては、ガルバノスキャナ制御装置で位置決め完了の判定をした後に、更に一定時間待って整定完了信号を出すのみならず、整定完了信号を上位制御系がレーザ光制御装置にレーザ照射指令を出して実際の照射を始めるまでの時間（以下、「遅れ時間」という。）を必要とし、加エスループットを上げられないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許４０４９４５９号公報
【特許文献２】特開２００２−４０３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明はガルバノスキャナ制御装置において、整定完了の判定を省略して位置決め判定のみを行うこととし、かつ位置決め完了の前に、次の動作の準備ができるガルバノスキャナ制御方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、上位制御装置（２０１）から受け取った角度指令データ（１０１）に基づきガルバノスキャナ（３０）の角度を位置決めするガルバノスキャナ制御装置（２１，２２）において、ｎサンプリング周期後の偏差、又は偏差及び速度を予測し、偏差、又は偏差及び速度の予測値が対応する許容範囲に入る場合に位置決め完了信号（１１７）を上位制御装置（２０１）に送信するとよい。
【００１３】
上位制御装置（２０１）がｎサンプリング周期前に位置決め完了信号（１１７）を受け取って先発してレーザ及び光学部品系に起動の指令を送信でき、ガルバノスキャナ（３０）が偏差許容範囲に入るとほぼ同時にミラー（５０）にレーザ光が入射するようにできるので、整定完了の判定を省略できる。
【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】
本発明によれば整定完了の判定を省略できるので、レーザ加工装置の加エスループットを向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係わるガルバノスキャナ制御装置の実施例とその周辺のブロック図である（実施例１）。
【図２】本発明に係わるガルバノスキャナ制御装置の実施例での位置決め判定に係る動作の流れを示すフローチャートである。
【図３】本発明に係わるガルバノスキャナ制御装置の別の実施例とその周辺のブロック図である（実施例２）。
【図４】図３のガルバノスキャナ制御装置における２つのガルバノスキャナの位置決め波形の例とその位置決め完了判定の様子を示す。
【図５】本発明に係わるミラーの背面斜視図である。
【図６】本発明に係わるガルバノスキャナ制御装置のさらに別の実施例とその周辺のブロック図である（実施例３）。
【図７】図６のガルバノスキャナ制御装置における２つのガルバノスキャナの駆動電流の例である。
【図８】図３のガルバノスキャナ制御装置における２つのガルバノスキャナの駆動電流の例である。
【図９】図６のガルバノスキャナ制御装置における２つのガルバノスキャナの位置決め波形の例とその位置決め完了判定の様子を示す。
【図１０】従来のガルバノスキャナ制御装置とその周辺のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１７】
以下、実施例について図面を用いて説明する。図１は、本発明に係るガルバノスキャナ制御装置とその周辺のブロック図である。なお、図１０と同等の機能のものは同一の符号とし、重複する説明を省略する。本発明に係わるガルバノスキャナ制御装置２１は、図１０と比較して目標到達判定部２０７がある点が異なる。
【００１８】
本実施例では、遅れ時間は３サンプリング周期（3Ts）程度であるので、３サンプリング周期（3Ts）先の偏差及び速度を予測して位置決め完了判定をする例について説明する。なお、位置決め完了の判定に用いる偏差許容値etr、及び速度許容値vtrは、事前の実験により決定し動作開始前に与えておく。
【００１９】
本実施例における、目標到達判定部２０７で動作の流れを図２に示す。目標到達判定部２０７では、ガルバノスキャナ制御装置のサンプリング周期毎に偏差e[k]（図１の１０５）を取得し（Ｓ１）、以下の式を用いて現在時刻での速度v[k]、加速度a[k]、加加速度j[k]を算出する（Ｓ２）。
【００２０】
【数１】
2016053652.tif 000003
ここで添え字のkは現在のサンプリング周期での各状態量であることを示し、例えばk-1は現時刻より１サンプリング周期前のサンプリング周期での状態量であることを示す。すなわち、速度v[k]を得るためには１サンプリング周期前の偏差e[k-1]を必要とし、加速度a[k]を得るためには１サンプリング周期前のv[k-1]を必要とするため、偏差信号としては２サンプリング周期前のe[k-2]を必要とする。同様にして加加速度j[k]を得るためには３サンプリング周期前の偏差e[k-3]を必要とする。従って、下記予測はk≧3において行うものとする。
【００２１】
次に以下の式を用いて３サンプリング周期先の加速度a[k+3]、速度v[k+3]、偏差e[k+3]を予測する(Ｓ３)。
【００２２】
【数２】
2016053652.tif 000004
ここでの仮定として、加加速度が現時刻から３サンプリング周期先まで同一であるとしている。そして、偏差e[k+3]の絶対値及び速度v[k+3]の絶対値が、それぞれの許容値etr及びvtrより小さい場合、位置決め完了と判定し、位置決め完了信号１１７を上位制御装置２０１へ送信する（Ｓ４）。偏差e[k+3]の絶対値又は速度v[k+3]の絶対値が各々の許容値etr又はvtrより大きい場合は、次のサンプリング周期で再びＳ１からフローに従い処理する。上記は３サンプリング周期先を予測する例であるが、加加速度を一定と仮定できる範囲ならばｎサンプリング先までの予測に拡張することは容易である。
【００２３】
以上より、ガルバノスキャナ位置決め装置２１は未来の位置決め状態を予測することができ、実際の位置決め前に上位制御系２０１に対して位置決め完了信号１１７を送ることができるようになる。これにより、上位制御装置２０１が３サンプリング周期前に位置決め完了信号１１７を受け取って先発してレーザ及び光学部品系に起動の指令を送信でき、ガルバノスキャナ３０が偏差許容範囲に入るとほぼ同時にミラー５０にレーザ光が入射するようにできる。
【００２４】
本実施例では３サンプリング周期先の偏差予測値と速度予測値を位置決め完了の判定に用いたが、この場合は偏差許容範囲を通過してオーバーシュートするような波形での位置決め完了の判定を行うことができる。なお、オーバーシュートの心配がない場合には、速度予測値を用いずに偏差予測値のみを用いて位置決め完了の判定を行うことができる。
【００２５】
また、本実施例では加加速度を一定値として求めたが、例えば有限時間制定制御のようにあらかじめ位置決め時間がある程度予想できる場合は、経過時間により加加速度を変更することで、より正確な位置決め完了の判定ができるようになる。
【実施例２】
【００２６】
図３は、本発明に係るガルバノスキャナ制御装置の別の実施例とその周辺のブロック図である。本例は、図１と比較してガルバノスキャナ制御装置２２が目標到達判定部２０８を有し、２つのガルバノスキャナ３１ａ，３１ｂを制御している点が異なる。目標到達判定部２０８は実施例１の目標到達判定部２０７と同様に各ガルバノスキャナ３１ａ，３１ｂのｎサンプリング周期先の偏差e[k+n]及び速度v[k+n]を予測するものであるが、ガルバノスキャナ３１ａ，３１ｂのそれぞれの偏差e[k+n]及び速度v[k+n]の予測値が全て偏差許容値etr及び速度許容値vtrより小さい場合に位置決め完了の判定信号１１７を送信するものである。
【００２７】
図４は、本実施例において第１ミラーを装着したガルバノスキャナ３１ａ（Ｘ方向スキャン）の移動角度をθとした際の位置決め波形（実線）、第２ミラーを装着したガルバノスキャナ３１ｂ（Ｙ方向スキャン）の移動角度を1.1θとした際の位置決め波形（点線）を示す。図中の破線は偏差許容値（±etr）を示す。但し、本図は最悪のケースとしてガルバノスキャナ３１ａ，３１ｂのねじり一次共振周波数が５％低下した場合のものを示す。レーザ加工装置に用いられるガルバノスキャナ制御装置では、特に連続運転中においてジュール熱による共振周波数変動が発生することが知られていることによる。また、それらの目標角度への移動角度量の大きさが異なることによっても、発生する振動周波数や位相がそれぞれのガルバノスキャナで異なるのが通常である。
【００２８】
従って、図４に示したように、偏差及び速度がそれぞれ偏差許容値及び速度許容値に入る時刻t2まで待たなければならないが、本発明ではこの時刻t2を３サンプリング周期前に予測できるので、この時刻t2からレーザ照射を開始して加工することができる。尚、本例の場合、第２ミラーの位置決め波形が時刻t2’に偏差許容値から外れるため、レーザ照射（加工）は時刻t2から時刻t2’の間で行わなければならないが、時刻t2から時刻t2’の間は通常３０μｓ以上あり、加工を行うのに十分である。このように、本発明では時刻t2を予測して、時刻t2からレーザ照射（加工）を開始できるので、従来のように整定完了まで待つ必要がなく、加工スループットを向上させることができる。
【００２９】
ここで、図５は本実施例における（ａ）第１ミラーおよび（ｂ）第２ミラーの裏側を示す。このように、第１ミラーの後に受光する第２ミラーの方が少し大きいのが通常である。そのため、第２ミラーの反射面の裏側に背骨のような梁を持たせ、この梁の高さおよび幅を変更することで、異なっていたねじり一次振動モード周波数を同一にしてある。このため、ミラーの大きさの違いによる２つのガルバノスキャナの位置決め波形の違いに関して考慮する必要がない。
【００３０】
なお、上記を逆に言えば、時刻t2での速度許容値vtrは、位置決め波形が偏差許容値から外れる時刻t2’までに加工に十分な時間を確保できる値に設定すれば良いことがわかる。これが速度許容値vtrの決定方法である。
【００３１】
また、実施例１と同様に、オーバーシュートの心配がない場合には、速度予測値を用いずに偏差予測値のみを用いて位置決め完了の判定を行うことができる。
【実施例３】
【００３２】
図６は、本発明に係るガルバノスキャナ制御装置のさらに別の実施例とその周辺のブロック図である。本例のガルバノスキャナ制御装置２３は、終端状態制御による二自由度制御系を取っており、実施例２に対してトルク指令生成部２０２ａ、２０２ｂ、デジタルフィルタ２０３ａ、２０３ｂ、同期部２０９がある点が異なる。終端状態制御は有限時間制定制御法の一つであり、初期状態から終端状態まで設定時間で遷移するよう指令を生成する手法であり、例えば「ナノスケールサーボ制御」（東京電機大学出版局  Ｐ１７４〜１７８）に詳しい説明がある。
【００３３】
本実施例は、同一の時刻で電流値の正負が反転することがあげられる。図７はガルバノスキャナ３１ａが目標角度θ、ガルバノスキャナ３１ｂが目標角度θ／２に位置決めする際の駆動電流波形を示す。同期部２０９が、ガルバノスキャナ３１ａについてのトルク指令生成部２０２ａ及びデジタルフィルタ２０３ａとガルバノスキャナ３１ｂについてのトルク指令生成部２０２ｂ及びデジタルフィルタ２０３ｂを同期させるため、ともに時刻tで駆動電流の正負が反転している。図８に実施例２の場合を示すが、実施例２においては、従来と同様に、各ガルバノスキャナの移動角度に応じて終端状態制御で設定する目標位置決め時間を決めていた。従って、このように正負の反転時刻がta、tbのように異なるため発生する振動の位相がそろわない。しかしながら、本実施例では２つのガルバノスキャナにおいて同じ目標位置決め時間としているため、図７のようになる。駆動電流は発生トルクと比例関係にあり、そのため図７は駆動反力の発生するタイミングを表しているともいえる。
【００３４】
本実施例における目標到達判定部２０８の動作は、実施例２と同じである。
【００３５】
図９は、図４と同様に本実施例におけるねじり一次共振周波数が５％低下した際の、第１ミラーを装着したガルバノスキャナの移動角度をθ、第２ミラーを装着したガルバノスキャナの移動角度を1.1θとした際の位置決め波形を示している。図中の破線etrは偏差許容値を示す。ここで、第１ミラーを装着したガルバノスキャナ３１ａ（Ｘ方向スキャン）の位置決め波形（実線）は図４と同一であり、第２ミラーを装着したガルバノスキャナ３１ｂ（Ｙ方向スキャン）の位置決め波形（点線）が変化している。
【００３６】
本実施例を適用した図９の例では、２つのガルバノスキャナにおいて、ともに時刻tで駆動電流の正負が反転するため、発生する振動周波数や位相が合致しており、時刻t1で偏差許容値内に入る。そのため、そこから３サンプリング前の時刻t1-3Tsで位置決め判定をできる。一方、実施例２（図４）では発生する振動周波数や位相がそれぞれのガルバノスキャナで異なるため、時刻t2になるまで両者が偏差許容値に入るのを待たなければならず、本実施例ではさらに高速な判定ができることがわかる。重畳する振動は特性変動に伴う終端状態制御による励振効果の低下が原因であり、そのため振動周波数がねじり一次共振周波数近傍となるため、元のねじり一次共振周波数が違う従来例では発生する振動周波数が異なる。また、発生する振動は駆動反力による励起が原因であり、駆動電流で正負が反転する位置を位相の中心とした振動成分が重畳するといえる。目標角度の違う位置決め時間を同一にすることで、常に二つのガルバノスキャナの位置決め判定が同時になり、さらに実施例２同様の目標到達判定部２０８を持つことで実際の位置決め前に位置決め完了判定を行うことが可能となる。
【００３７】
なお、図９のようにオーバーシュートの虞がない場合には、速度予測値を用いずに偏差予測値のみを用いて位置決め完了の判定を行うことができる。
【００３８】
なお、レーザ加工装置に用いられるガルバノスキャナのように同一の光路系に２つの偏向手段が配置された場合などでは、片側が素早く位置決め完了しても、もう一つの位置決め制御系の位置決め完了まで待たなければレーザ照射ができない。そのため、本実施例のように本来片方のガルバノスキャナは速く位置決めできる場合に、もう片方のガルバノスキャナに合わせて目標位置決め時間を遅らせても、加エスループットには影響を与えない。
【００３９】
上位制御系２０１よりガルバノスキャナ制御装置２３が角度指令データ１０１ａ,１０１ｂを受け取ると、角度検出器で得られる回転角度は徐々に目標角度に近づく。実施例２で説明した手段を用いて目標到達判定部２０７は３サンプリングだけ未来に位置決めが完了すると判定し、位置決め完了信号１１７を出す。上位制御系２０１は位置決め完了信号１１７を受け取ると、レーザ光制御装置（図示せず）にレーザ光照射指令（図示せず）を出す。目標判定部２０８が位置決め完了信号１１７を出してからレーザ照射するまでの時間と、目標判定部２０８が先読みする制御サンプリング数が同一であるため、本発明によるレーザ加工装置は位置決め完了と同時に加工を開始できる。
【００４０】
上記実施例１〜３においては、ガルバノスキャナの制御系を例にとり本発明を説明したが、本発明は他のモータを用いた位置決め制御にも応用できることが容易に類推できるものである。
【符号の説明】
【００４１】
２０，２１，２２，２３  ガルバノスキャナ制御装置
３０，３１ａ，３１ｂ  ガルバノスキャナ
４０  角度検出器
５０  ミラー
６０，６０ａ，６０ｂ  アンプ
１０１，１０１ａ，１０１ｂ  角度指令データ
１０５，１０５ａ，１０５ｂ  偏差
１１２  操作量
１１３  電流指令値
１１４  駆動電流
１１５  遥動角度信号
１１７  位置決め完了信号
２０１  上位制御装置
２０２ａ，２０２ｂ  トルク指令生成部
２０３ａ，２０３ｂ  デジタルフィルタ
２０４，２０４ａ，２０４ｂ  補償要素
２０５，２０５ａ，２０５ｂ  Ｄ／Ａ変換器
２０６，２０６ａ，２０６ｂ  パルスカウンタ
２０７，２０８  目標到達判定部
２０９  同期部
【図１】
2016053652.tif 000005
【図２】
2016053652.tif 000006
【図３】
2016053652.tif 000007
【図４】
2016053652.tif 000008
【図５】
2016053652.tif 000009
【図６】
2016053652.tif 000010
【図７】
2016053652.tif 000011
【図８】
2016053652.tif 000012
【図９】
2016053652.tif 000013
【図１０】
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