(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
角度目標値と角度検出値に基づいて回転軸に支持させたミラーを前記回転軸の回りに位置決めする光学スキャナ装置の制御装置において、
前記角度目標値と前記角度検出値の偏差の積分値から、前記回転軸に付加される駆動トルクに対する前記回転軸のねじり振動の１次からｒ次（ただし、ｒは正の整数。）のそれぞれの角速度の伝達関数の出力値を加算した値を減算して、前記ミラーを回転させるモータの電流を制御することを特徴とする光学スキャナ装置の制御装置。
【請求項２】
前記駆動トルクは、前記駆動トルクを発生するモータに供給された電流値で定まる値であることを特徴とする請求項１記載の光学スキャナ装置の制御装置。
【請求項３】
角度目標値と角度検出値に基づいて回転軸に支持させたミラーを前記回転軸の回りに位置決めする光学スキャナ装置の制御装置において、
位置の時間関数を前記ミラーの回転角の目標軌道とすると共に、この目標軌道の信号に、この目標軌道に基づく目標速度の信号および目標加速度の信号を加えた信号から前記回転軸の曲げ振動の固有振動数成分を除去して前記角度目標値とすることを特徴とする光学スキャナ装置の制御装置。
【請求項４】
角度目標値と角度検出値に基づいて回転軸に支持させたミラーを前記回転軸の回りに位置決めする光学スキャナ装置の制御装置において、
位置の時間関数を前記ミラーの回転角の目標軌道とすると共に、この目標軌道の信号に、この目標軌道に基づく目標速度の信号および目標加速度の信号を加えた信号から前記回転軸のねじり振動の固有振動数成分を除去して前記角度目標値とすることを特徴とする光学スキャナ装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角度検出装置を備え、回転軸に支持させたミラーを回転軸の回りに位置決めする光学スキャナ装置の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザマーキングやプリント基板のレーザ孔開け加工等において使用される光学スキャナ装置は、回転軸に取り付けられたミラーを内蔵された電気モータで回転させ、ミラーの角度を変えることにより、レーザ発振器から出力されるレーザ光を被加工物の所定の位置に照射する。
【０００３】
図６は、光学スキャナ装置における可動部の構成図である。ミラー１１は回転軸１２の一端に取り付けられている。回転軸１２は軸受１４と軸受１５によって支持されており、回転軸１２と一体のムービングコイル１３で駆動トルクを受けて回転し、所定の角度に位置決めされる。以下、一体に回転するミラー１１、回転軸１２およびムービングコイル１３をまとめて光学スキャナ１という。
【０００４】
光学スキャナ１には、回転軸１２の回転角度を検出するための図示を省略する角度検出センサ、例えば可変容量型センサ、が設けられている。可変容量型センサは、回転軸に取りつけられた誘電体の平板が二枚一組の固定極板の間で回転軸と共に回転するように構成されており、回転軸の角度は極板間の静電容量の変化として電気信号で検出される。このような可変容量型センサに関する技術が、例えば、米国特許第３５１７２８２号公報、米国特許第４８６４２９５号公報および特開平７ー５５５００号に開示されている。
【０００５】
図７は、従来の光学スキャナ装置の制御ブロック図である。上位の制御装置から指令される角度目標値信号２１に角度検出信号２２を負帰還し、定常状態における偏差信号２３の値を０にするため、偏差信号２３を積分補償回路２４で積分する。また、このサーボ機構の安定性を保つため、角度検出信号２２を比例補償回路２５と微分補償回路２６に入力し、これらの回路の出力信号の和を積分補償回路２４の出力信号から減算して制御入力信号２７とする。モータ駆動回路２８は光学スキャナ１に対し、制御入力信号２７に比例したモータ駆動電流２９を供給する。モータ駆動電流２９はムービングコイル１３を流れ、ムービングコイル１３には電流値に比例した駆動トルクが発生する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ光によりプリント基板に孔開けをする場合、微細な回路パターン上に精密に加工するため、加工するレーザ光の位置決め誤差を約１０μm以下にする必要がある。また、加工時間を短縮するため、一つの孔を開けてから次の孔加工位置までの移動の高速化が求められており、例えば、毎秒１０００個の孔を開ける場合、孔間移動時間を平均１ｍｓ未満にする必要がある。
【０００７】
ところで、レーザ光はエネルギ分布があり、面積的な広がりを持ってミラー１１に入射する。このため、高品質の孔を加工するには、ミラー１１は大きい（面積が広い）ことが望ましい。
【０００８】
しかし、ミラー１１を大きくすると、回転軸１２のねじり振動と曲げ振動が大きくなり、ミラー位置決めの高応答化が阻害される。
【０００９】
先ず、ねじり振動の影響について説明する。ミラー１１が大きくなると、回転軸１２回りの慣性モーメントも増大するため、回転軸１２がねじりバネとなるねじり振動の固有振動数が低下する。ねじり振動一次モードは、固有振動数が最小のねじり振動であり、回転軸１２の長手方向にねじれの節が一つ存在し、この節を挟む両側が互いに逆位相に角変位する。また、ねじり振動二次モードは固有振動数がその次に低く、回転軸１２の長手方向に二つの節が存在し、節に挟まれた中央の部位に対して、両側の部位が逆位相に振動する。
【００１０】
例えば、ミラーの近傍に角度検出センサを配置した場合、ねじり振動の節が角度検出センサとムービングコイル１３との間に位置することにより、両者が逆位相になることがある。このような場合、上記従来のサーボ機構では、角度検出信号２２のねじり振動数成分が正帰還となり、制御が不安定になる。ミラー位置決めの高応答化と低周波外乱の抑制特性の点で、制御帯域は広い方が望ましいが、固有振動数の低下により制御帯域が制限される。
【００１１】
また、ねじり振動の節がセンサの位置に重なったり、接近している場合は、その振動モードを角度検出センサで観測することができないため、制御的に安定化させることができず、レーザ光の位置決め精度が低下した。
【００１２】
次に、曲げ振動の影響について説明する。図６に示した光学スキャナの可動部は、回転軸１２回りにバランスが取れていることが望ましい。しかし、例えばムービングコイル１３の駆動トルクを受ける長手方向の二辺あるいは回転軸１２の軸線に関するミラーの質量が左右で異なっていると、その質量差がアンバランスウェイトになる。そして、光学スキャナ１の動作に伴うアンバランスウェイトの慣性力により、回転軸１２に軸受１４と軸受１５を支持点とする曲げ振動が発生する。この結果、ミラー１１が鏡面に平行あるいは直角方向に振動する。一般に光学スキャナ１には、回転軸１２の曲げ振動を検出するセンサや、回転軸１２に曲げ振動方向の力を加えるアクチュエータが備えられていない。また、上記従来のサーボ機構によるフィードバック制御では、一旦発生した曲げ振動を減衰させることはできない。このため、レーザ光の位置決め精度を向上させることができなかった。
【００１３】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、ミラーが取り付けられている回転軸に発生するねじり振動や曲げ振動を低減し、ミラーの位置決め時間を短縮すると共に、レーザ光の位置決め精度をさらに向上させることができる光学スキャナ装置の制御装置を提供するにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、角度目標値と角度検出値に基づいて回転軸に支持させたミラーを前記回転軸の回りに位置決めする光学スキャナ装置の制御装置において、前記角度目標値と前記角度検出値の偏差の積分値から、前記回転軸に付加される駆動トルクに対する前記回転軸のねじり振動の１次からｒ次（ただし、ｒは正の整数。）のそれぞれの角速度の伝達関数の出力値を加算した値を減算して、前記ミラーを回転させるモータの電流を制御することを特徴とする。
【００１５】
この場合、前記駆動トルクは、前記駆動トルクを発生するモータに供給された電流値で定まる値である。
【００１６】
また、角度目標値と角度検出値に基づいて回転軸に支持させたミラーを前記回転軸の回りに位置決めする光学スキャナ装置の制御装置において、位置の時間関数を前記ミラーの回転角の目標軌道とすると共に、この目標軌道の信号に、この目標軌道に基づく目標速度の信号および目標加速度の信号を加えた信号から前記回転軸の曲げ振動の固有振動数成分を除去して前記角度目標値とすることを特徴とする。
【００１７】
さらに、角度目標値と角度検出値に基づいて回転軸に支持させたミラーを前記回転軸の回りに位置決めする光学スキャナ装置の制御装置において、位置の時間関数を前記ミラーの回転角の目標軌道とすると共に、この目標軌道の信号に、この目標軌道に基づく目標速度の信号および目標加速度の信号を加えた信号から前記回転軸のねじり振動の固有振動数成分を除去して前記角度目標値とすることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
始めに、本発明の原理をねじり振動について説明する。
ムービングコイル１３が受ける駆動トルクからムービングコイル１３の角変位までの周波数応答（自己コンプライアンス）は、式１の伝達関数Ｇ（ｓ）で表される。
【００１９】
【数１】
0004233202.tif 000002
ここで、ｓはラプラス変換の複素変数、ｎはねじり振動第ｎ次モード（ただし、ｎは正の整数）を表す添字の変数、ωnはねじり振動第ｎ次モードの固有角振動数、ζnはねじり振動第ｎ次モードの減衰係数、ｋ0は剛体モードに関する定数、ｋnはねじり振動第ｎ次モードのモード定数である。
【００２０】
ここで、特定のねじり振動モード（第ｒ次モード）に着目すると、式１の第２項に含まれる第ｒ次モードの伝達関数Ｇr（ｓ）は、駆動トルクからムービングコイル１３の位置における第ｒ次モードの角変位までの伝達関数であり、式３に示すＨr（ｓ）は、駆動トルクからムービングコイル１３の位置における第ｒ次モードの角速度までの伝達関数である。
【００２１】
【数２】
0004233202.tif 000003
伝達関数Ｈr（ｓ）は駆動トルクが作用する位置での応答（自己周波数応答）を表すので、モード定数ｋrは正である。従って、伝達関数Ｈr（ｓ）の値を制御入力信号２７に負帰還すれば、第ｒ次モードに対して制御的に減衰をかけて安定化することができる。
【００２２】
ところで、モータ駆動回路２８が電流制御方式の場合、通常、ムービングコイル１３の駆動トルクはモータ駆動電流２９に比例するから、モータ駆動電流２９を測定することにより、ムービングコイル１３の駆動トルクが分かる。そして、モータ駆動電流２９の値に対応する電流検出信号は、例えば、モータ駆動電流２９を抵抗値の小さな（０．１〜数Ω以下）電流検出抵抗に流し、この抵抗の端子間電圧を差動入力型減算回路に入力することにより、差動入力型減算回路の出力として得ることができる。
【００２３】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る光学スキャナ装置の制御ブロック図であり、図６と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。角度目標値信号２１に角度検出信号２２を負帰還した偏差信号２３を積分補償回路２４で積分する。また、このサーボ系の安定性を保つため、角度検出信号２２を比例補償回路２５と後述する速度オブザーバ３２に入力する。
【００２４】
また、ムービングコイル１３に供給された電流値に対応する大きさの電流検出信号３１を、速度オブザーバ３２と後述するねじり一次補償回路３３およびねじり二次補償回路３４に入力する。そして、比例補償回路２５、速度オブザーバ３２、ねじり一次補償回路３３およびねじり二次補償回路３４の出力信号の和を積分補償回路２４の出力信号から減算して、制御入力信号２７とする。
【００２５】
次に、ねじりｒ次補償回路について説明する。
【００２６】
ミラー１１の周波数応答を実測することにより、ｒ次の固有振動数と減衰係数を知ることができる。また、式３に同符号で比例した周波数応答特性を持つ二次フィルタ（以下、ねじりｒ次補償回路という。）を電子回路により構成することができる。
【００２７】
図２は、このようなねじりｒ次補償回路の接続図であり、３個の演算増幅器３３３〜３３５と、６個の抵抗Ｒ01〜Ｒ06と、２個のコンデンサＣ01、Ｃ02とから構成されている。演算増幅器３３３〜３３５のプラス側入力端子は接地されている。そして、演算増幅器３３３のマイナス側入力端子は、抵抗Ｒ01の一方の端子と、コンデンサＣ01の一方の端子に接続されている。演算増幅器３３３の出力端子は、コンデンサＣ01の他方の端子と、抵抗Ｒ03の一方の端子に接続されている。抵抗Ｒ03の他方の端子は、抵抗Ｒ02、抵抗Ｒ04、コンデンサＣ02の一方の端子および演算増幅器３３４のマイナス側入力端子に接続されている。演算増幅器３３４の出力端子は、コンデンサＣ02の他方の端子と、抵抗Ｒ04の他方の端子および抵抗Ｒ05の一方の端子に接続されている。演算増幅器３３５のマイナス側入力端子は、抵抗Ｒ05の他方の端子と、抵抗Ｒ06の一方の端子に接続されている。演算増幅器３３５の出力端子は、抵抗Ｒ06の他方の端子と、抵抗Ｒ01の他方の端子および端子３３２に接続されている。そして、抵抗Ｒ02の他方の端子が端子３３１に接続されている。また、抵抗Ｒ02は可変抵抗である。
【００２８】
この回路において、抵抗値Ｒ05と抵抗値Ｒ06を等しくすると、入力信号３３１から出力信号３３２までの伝達関数Ｇｃ（ｓ）は式４に示すものとなる。
【００２９】
【数３】
0004233202.tif 000004
そして、抵抗値Ｒ01、Ｒ03、Ｒ04およびコンデンサの静電容量Ｃ01、Ｃ02を、式４の分母多項式の定数項が式３の分母多項式の定数項に等しく、かつ、式４の分母多項式の一次項の係数が式３の分母多項式の一次項の係数に等しくなるように設定すると、この回路の固有振動数ωrと減衰係数ζrが第ｒ次振動モードに等しくなる。
【００３０】
そこで、電流検出信号３１を端子３３１に入力すると、端子３３２から出力される出力信号（以下、出力信号３３２という。）はムービングコイル１３の位置におけるｒ次モードの角速度に同符号で比例する。従って、出力信号３３２を積分補償回路２４の出力信号に負帰還することにより、ｒ次の振動モードを安定化、すなわちｒ次の振動を小さく、することができる。
【００３１】
この実施の形態では、抵抗値Ｒ02を、固有振動数と減衰係数とは独立に設定できるので、抵抗値Ｒ02を可変抵抗にすることにより、ねじりｒ次振動補償回路の出力信号の振幅を調整することができる。
【００３２】
また、図１に示す制御ブロック図では、ねじり一次補償回路３３とねじり二次補償回路３４を設け、ねじり振動の一次モードと二次モードを安定化する場合を示したが、さらに複数の振動モードを補償する場合には、個々のモード毎に図２に示すねじり振動補償回路を設け、それらをねじり一次補償回路３３、ねじり二次補償回路３４等と並列に接続することにより、所望の次数のねじり振動を安定化することができる。
【００３３】
次に、速度オブザーバ３２について説明する。本発明では、従来の微分補償回路２６に代えて、速度オブザーバ３２を設け、式１の第一項に対応する剛体モードの角速度を推定する。そして、得られた推定信号を積分補償回路２４の出力信号に負帰還することにより、図１のサーボ系を安定化する。
【００３４】
図３は、速度オブザーバ３２の接続図であり、２個の演算増幅器３２４、３２５と、６個の抵抗Ｒ11〜Ｒ16と、コンデンサＣ11とから構成されている。演算増幅器３２４、３２５のプラス側入力端子は接地されている。演算増幅器３２４のマイナス側入力端子は、抵抗Ｒ11〜抵抗Ｒ13の一方の端子およびコンデンサＣ11の一方の端子に接続されている。抵抗Ｒ11の他方は端子３２１と抵抗Ｒ14の一方の端子に、抵抗Ｒ12の他方は端子３２２に接続されている。演算増幅器３２４の出力端子は、コンデンサＣ11の他方の端子と、抵抗Ｒ13の他方の端子および抵抗Ｒ15の一方の端子に接続されている。演算増幅器３２５のマイナス側入力端子は、抵抗Ｒ14と抵抗Ｒ15の他方の端子および抵抗Ｒ16の一方の端子に接続されている。演算増幅器３２５の出力端子は、抵抗Ｒ16の他方の端子と端子３２３に接続されている。
【００３５】
この回路において、抵抗値Ｒ11、Ｒ13、Ｒ14、Ｒ15の値を、式５の関係を満たすように設定すると、端子３２１、３２２に入力される信号（以下、入力信号３３１、３３２という。）と端子３２３から出力される信号（以下、出力信号３３３という。）との関係は、式６に示すものとなる。
【００３６】
【数４】
0004233202.tif 000005
ここで、Ｅi１（ｓ）は入力信号３２１のラプラス変換であり、角度検出信号２２を符号反転した信号である。また、Ｅi２（ｓ）は入力信号３２２のラプラス変換であり、電流検出信号３１である。Ｅo（ｓ）は出力信号３２３のラプラス変換であり、角速度推定信号である。
【００３７】
式６の第一項と第二項の一次伝達関数は、共通の分母多項式を持ち、定数項１／Ｒ13Ｃ11は各伝達関数の折点角周波数である。そして、式６の第一項に対応して、この折点角周波数より低い領域では主に角度検出信号の微分が角速度推定信号に、また、式６の第二項に対応して、この折点角周波数より高い領域では主に電流検出信号の積分が角速度推定信号になり、ムービングコイル１３の位置における剛体モードの角速度を精度良く推定できる。
【００３８】
なお、角度検出センサがムービングコイル１３から離れた位置に配置される場合、ねじり振動数に近い周波数領域における角度検出信号は、ムービングコイル１３の位置における角変位に対してずれてしまう。そこで、角度検出センサがムービングコイル１３から離れた位置に配置される場合は、折点角周波数がねじり振動一次モードより低くなるように、抵抗値Ｒ13とコンデンサの静電容量Ｃ11の値を決めることが望ましい。このようにすると、角度検出信号のねじり振動数成分が正帰還される程度を低減できるため、サーボ帯域を従来のサーボ系より広くしても、サーボ系の安定性を確保することができる。
【００３９】
次に、回転軸の曲げ振動によるミラー振動を抑制するための実施の形態について説明する。
【００４０】
図４は、本発明に係る振動抑制要素のブロック図である。目標軌道４１１は、ミラー１１の回転角の目標プロファイルである。
【００４１】
ここで、目標軌道４１１を、式７に示すαMAXを最大加速度とし、同じ時間だけ最大加速と最大減速を行う一慣性体の最短時間軌道とする。なお、Ｌは、時刻０で回転を開始し、時刻ＴMで停止するまでのストロークである。この場合、加速度の時間関数α（ｔ）、速度の時間関数ｖ（ｔ）および位置の時間関数ｘ（ｔ）は、それぞれ式８〜式１０で示される。
【００４２】
【数５】
0004233202.tif 000006
そして、位置の時間関数ｘ（ｔ）を目標軌道４１１とすると共に、目標軌道４１１に微分要素４１２の出力と二階微分要素４１３の出力を加算してノッチフィルタ４１４に入力する。そして、ノッチフィルタの出力信号を角度目標値信号２１とする。なお、ノッチフィルタの定数として、角振動数ωbは回転軸１２の曲げ振動の固有角振動数に等しくする。また、分母多項式の定数ζbと分子多項式の定数ζbnは、ζb＞ζbnとなるように設定する。
【００４３】
ここで、目標軌道４１１の時間関数のラプラス変換をＸ（ｓ）、また角度目標値信号２１のラプラス変換をＲ（ｓ）とすると、Ｘ（ｓ）とＲ（ｓ）との間には式１１に示す関係があり、ノッチフィルタの分子多項式の零点により回転軸１２の曲げ振動数成分が除去される。
【００４４】
【数６】
0004233202.tif 000007
したがって、角度目標値信号２１を図１に示すフィードバック制御系に入力すると、位置決め動作に伴うミラーの振動を抑制することができる。
【００４５】
また、ノッチフィルタは分母多項式の係数で決まる位相遅れを持つが、目標軌道４１１と微分要素４１２の出力と二階微分要素４１３の出力を加算することによりノッチフィルタの分母多項式が相殺される。この結果、目標軌道４１１から角度目標値信号２１までの位相遅れが無くなり、目標軌道４１１に対するミラー１１の位置決め動作の遅れを小さくできる。
【００４６】
上記したように、一旦発生した曲げ振動をフィードバック制御で減衰させることは困難であるが、本発明では、フィードバック制御系への入力、すなわち角度目標値信号２１をミラー振動抑制要素４１で発生することにより、回転軸１２の曲げ振動を予防するから、ミラー振動によるレーザ光の位置決め誤差を低減することができる。
【００４７】
ところで、目標軌道の時間関数の一階微分である目標速度のラプラス変換をＶ（ｓ）、また、目標軌道の時間関数の二階微分である目標加速度のラプラス変換をΑ（ｓ）とすると、式１１は式１２に変形することができる。
【００４８】
【数７】
0004233202.tif 000008
図５は、本発明に係る振動抑制要素のブロック図であり、式１２を実現するためのものである。同図において、ゲイン要素４１７と４１８はノッチフィルタ４１４の定数で決まる重み係数である。このように構成すると、目標軌道（式１０）と目標速度（式９）と目標加速度（式８）とを重み付け加算することにより、図４に示したノッチフィルタ４１４を陽に実現しなくとも、図４に示したミラーの振動抑制要素と等価な角度目標値信号２１を生成できる。
【００４９】
ここで、図４および図５に示した振動抑制要素は、マイクロプロセッサにより容易に実現することができる。この場合、図１のフィードバック制御系がアナログ制御の場合には、ディジタルの角度目標値信号をＤＡ変換器でアナログ信号に変換して用いることにより、本発明を適用することができる。
【００５０】
なお、目標軌道、目標速度、目標加速度をその都度計算することに代えて、これらの時系列値を予め計算してメモリに記憶させておき、位置決め動作時に記憶したデータを順次読み出すようにしてもよい。この場合、各目標値をストロークＬで正規化してメモリに記憶するようにすると、メモリ容量を小さくすることができる。
【００５１】
また、ストロークＬの大小によって動作時間ＴMを数通り設定するようにしてもよい。
【００５２】
さらに、目標軌道は式１０で表されるものに限られず、ノッチフィルタ４１４の分母多項式の次数に等しいかそれ以上の階数で微分可能な時間波形を目標軌道にすることができる。
【００５３】
また、ノッチフィルタ４１４の角振動数ωbをスキャナ可動部のねじり振動の固有角振動数に等しくすると、上記ねじり振動補償回路で述べたものとは異なる構成で、ねじり振動を低減することができる。この場合、サーボ機構は、図１に示したサーボ機構に限らず、図７に示した従来のサーボ機構を採用してもよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光学スキャナの可動部のねじり振動および曲げ振動を制御的に減衰させるようにしたから、サーボ帯域を広くしてもサーボ機構の安定性を確保でき、レーザ光を高速かつ高精度に位置決めすることができる。
【００５５】
また、ミラー振動抑制要素は目標軌道から角度目標値入力の位相遅れが無いように構成されているので、レーザ光を高速に位置決めできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学スキャナ装置の制御ブロック図である。
【図２】本発明に係るねじりｒ次補償回路の接続図である。
【図３】本発明に係る速度オブザーバの接続図である。
【図４】本発明に係る振動抑制要素のブロック図である。
【図５】本発明に係る振動抑制要素の他のブロック図である。
【図６】光学スキャナ装置における可動部の構成図である。
【図７】従来の光学スキャナ装置の制御ブロック図である。
【符号の説明】
２１  角度目標値
２２  角度検出値
２９  モータ駆動電流
３１  電流検出信号
３３  ねじり振動補償回路（一次）
３４  ねじり振動補償回路（二次）
４１  ミラー振動抑制要素
【図１】
0004233202.tif 000009
【図２】
0004233202.tif 000010
【図３】
0004233202.tif 000011
【図４】
0004233202.tif 000012
【図５】
0004233202.tif 000013
【図６】
0004233202.tif 000014
【図７】
0004233202.tif 000015