JP6034208B2

JP6034208B2 - ガルバノスキャナ制御装置およびレーザ加工装置

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Publication number: JP6034208B2
Application number: JP2013017891A
Authority: JP
Inventors: 大介松家; 徳山　幹夫; 幹夫徳山; 崇則森; 山本　晃弘; 晃弘山本
Original assignee: Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: JP2014149406A

Description

本発明は、ガルバノミラーを指定された目標値に追従するよう制御するガルバノスキャナ制御装置及びこのようなガルバノスキャナ制御装置を使用したレーザ加工装置に関わる。

例えば、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。

図２は、従来のレーザ加工装置におけるガルバノミラー制御機構の構成を表すブロック図である。ここでは、例えば非特許文献１に書かれている、終端状態制御を用いたガルバノスキャナ制御装置を取り上げる。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データ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、トルク指令座標列１０２からトルク指令信号を生成するようになっている。複数のトルク指令座標列１０２が事前に算出されて記憶部２０３に記憶されており、移動角度に応じてトルク指令座標列１０２の一つが選択されて読み出され、トルク指令生成部２０２においては、読み出されトルク指令座標列１０２に基づいてトルク指令信号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２０４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揺動角を減算した追従誤差１０５は、補償要素２０５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２０６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、揺動軸が回転する。このとき、揺動角度は角度検出器（図示せず）によって検出され、遥動角度信号１０９として出力される。またパルスカウンタ２０７によって、再びディジタル信号である出力パルス信号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。レーザ加工装置では、上記の位置決め動作とレーザ光の照射を繰り返し行う。

図３は、一般的なムービングマグネット式ガルバノスキャナの断面図である。ガルバノスキャナは、永久磁石３０６ａ、３０６ｂとコイル３０５ａ，３０５ｂ、ヨーク（珪素鋼板）３０４ａ，３０４ｂで構成される磁気回路を持つ。固定子側は、ケーシング３０３、ヨーク３０４ａ，３０４ｂ、コイル３０５ａ、３０５ｂからなり、可動子は、揺動軸３００、永久磁石３０６ａ、３０６ｂ、ガルバノミラー５０、ガルバノミラー保持部３０１、角度検出器のスケール３０７からなる。ケーシング３０３は水冷ジャケット（図示せず）により一定の温度に保たれる。永久磁石３０６ａ、３０６ｂは揺動軸３００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（ローレンツ力）が揺動軸３００に加わり、揺動軸３００が回転する。揺動軸３００は、一組の軸受３０２ａ，３０２ｂを介して固定子側に回転自在に固定さており、揺動軸３００の一方の端部にはガルバノミラー保持部３０１を介してガルバノミラー５０が取り付けられており、もう一方の端部には回転角度を検出する角度検出器のスケール３０７が取り付けられている。角度検出器はスケール３０７とセンサ部３０８ａ、３０８ｂからなる。

近年、電気製品の高集積化が進み、プリント基板に加工する穴の径は小さくなる傾向にある。レーザのスポット径ｄを小さくするためには、元のレーザ直径Ｄとレーザ波長λ、集光レンズの焦点距離をＦとすると、次式で表わされることが知られている。

つまり、小径の穴を加工するためには、レーザの直径を大きくする必要があり、これに伴ってガルバノミラー等を大型化する必要がある。大型のガルバノミラーを揺動させるには大きなトルクが必要となり、駆動電流も大きくなるため、コイルで発生するジュール発熱によりコイル及び永久磁石が加熱されて温度が上昇する。また、加工スループット向上のために、穴を明ける速度は、年々高速化しているが、大型のガルバノミラーを高速に動かせば動かすほど、さらにその発熱は大きくなる。発熱に伴い、永久磁石の温度は上昇してしまい、永久磁石の磁力が低下して発生するトルクが低下する。発生トルクの低下は制御性の低下を招き、位置決め精度が悪化する。このような問題を回避するために、加工順序等を調整してコイルの発熱を平均化したガルバノスキャナがある（特許文献１）。

また、ハイブリッド自動車の電動機では、電動機の回転数等の駆動状態から永久磁石温度を推定し、駆動制限を設ける電動機の制御装置がある（特許文献２）。

特開２００３−３２９９６０号公報特開２００８−１９９７３８号公報

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

一般的に、異なった距離で繰り返し位置決めを行うガルバノスキャナは、一定の回転速度で回転する一般的な電動機とは異なり、位置決め時にガルバノミラーで発生する振動を励起しないような駆動電流となるようにトルク指令座標列を作成しており、トルク指令は複数の周波数成分で構成される。また、位置決め時間は非常に短いため、駆動電流は１ｋＨｚ以上の周波数成分を含むことが多い。そのため、消費電力（≒発熱量）に占める渦電流損失の割合が大きくなるため、駆動電流の大きさや電動機の回転速度から永久磁石温度を予測する従来手法では永久磁石の渦電流損失の影響は単一の周波数で考慮することになるため、ガルバノスキャナで高速位置決めを繰り返した場合は予測結果と実際の温度が異なる場合があった。そのため永久磁石の温度が上昇してしまい、発生トルクが低下して位置決め精度が劣化する問題があった。

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ガルバノスキャナ制御装置及びレーザ加工装置を提供することにある。

上記課題を解決する手段としては、固定子と永久磁石が取り付けられた回転子とを有するものであってガルバノミラーを位置決めするためのガルバノスキャナを制御するためのガルバノスキャナ制御装置において、

前記固定子と回転子それぞれの発熱量を用いて、位置決めを開始する前（現時刻）と位置決め終了時の前記永久磁石の温度を推定する温度推定手段と、当該温度推定手段により推定した現時刻と位置決め終了時の永久磁石温度の差に基づいてガルバノスキャナの操作量を補償する操作量補償手段を備えることを特徴とするガルバノスキャナ制御装置を用いると良い。

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。

本発明によれば、ガルバノミラー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。

本発明に係るガルバノスキャナ制御装置を構成するガルバノスキャナサーボ機構のブロック線図である。従来のレーザ加工装置における、ガルバノスキャナ制御装置を構成するガルバノスキャナサーボ機構のブロック線図である。従来の一般的なムービングマグネット式ガルバノスキャナの断面図である。ガルバノスキャナとガルバノスキャナから可動子を取り除いた際の，周波数と実抵抗の関係を示す模式図である。トルク指令座標列の，周波数とトルク指令周波数成分の関係を表す模式図である。本発明に係るガルバノスキャナの熱モデルを説明するための図である。本発明に係るガルバノスキャナ制御装置での制御方法を説明するフローチャートである。本発明に係る実施例１の加工動作例におけるガルバノスキャナの発熱量と、推定したコイルおよび永久磁石温度の時間波形の例である。本発明に係る実施例１における追従誤差の時間波形の例である。従来技術における追従誤差の時間波形の例である。本発明に係る実施例２のガルバノスキャナ制御装置を構成するガルバノスキャナサーボ機構のブロック線図である。永久磁石における減磁曲線（Ｂ−Ｈ曲線）の例を表す模式図である。

以下、実施例を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を構成するガルバノスキャナサーボ機構のブロック線図である。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、トルク座標列を生成する際に算出する、コイルと永久磁石の発熱量などを記憶するための第二記憶部２０８と、前記発熱量などから永久磁石の温度上昇を推定する永久磁石温度推定部２０９、および算出された永久磁石温度を元に操作量を補償する操作量補償部２１０を持つことを特徴とする。

まず、コイルと永久磁石の発熱量を算出する方法を、図４および図５を用いて説明する。図４は、ガルバノスキャナに単一周波数の正弦波を入力した際の周波数と実抵抗の関係を示しており、ガルバノスキャナから可動子を取り除いた際の測定結果と併記した。図４で測定結果の差は回転子に起因する損失と考えられるが、ガルバノスキャナで回転子に起因する損失の大部分が永久磁石の渦電流損失であることが数値解析結果などから分かっている。また、固定子側の損失は主にコイルの銅損および表皮効果によるもので、コイルでの損失となることが分かっている。つまり、図中の周波数ｆ１では、ガルバノスキャナの損失である発熱量は、図中のＲａ_ｆ１：Ｒｂ_ｆ１の比でコイルと永久磁石に分配できる。

図５は、トルク指令座標列を周波数解析した際の周波数と周波数成分大きさの関係を示している。本実施例は終端状態制御によりトルク指令生成した場合を示しているが、トルク指令座標列は構造振動の励起を避けるよう構造の共振周波数ｆ２、ｆ３の近傍では周波数成分をほとんど持たないことが分かる。一方、ｆ２〜ｆ３の間の周波数では周波数成分が大きくなる点を持っている。

さて、ガルバノスキャナの周波数ｆ１におけるコイルの発熱量Ｑｃ_ｆ１は、図４における周波数ｆ１での実抵抗Ｒａ_ｆ１と、図５における周波数ｆ１でのトルク指令ゲインＧ_ｆ１より、

と表せ、注目する周波数領域ｆｓ〜ｆｅにおけるコイルの発熱量Ｑｃは、

となる。
同様に、ガルバノスキャナの周波数ｆ_１における永久磁石の発熱量Ｑｍ_ｆ１は、図４における周波数ｆ１での実抵抗Ｒｂ_ｆ１と、図５における周波数ｆ１でのトルク指令ゲインＧ_ｆ１より、

と表せ、注目する周波数領域ｆｓ〜ｆｅにおける永久磁石の発熱量Ｑｍは、

となる。よって、式３と式５の結果よりコイルおよび永久磁石の発熱量が求められる。算出された発熱量は、位置決め動作開始前に記憶部２０３に記憶されたトルク指令座標列に対応付けて，第二記憶部２０８に記憶される。

次に、永久磁石温度の推定方法について説明する。本実施例では図６に示す集中定数モデルを用い、永久磁石温度の推定を行う。図６中のθｍ、θｃ、Ｔｋはそれぞれ永久磁石、コイル、ケーシングの温度であり、Ｃｍ、Ｃｃは永久磁石およびコイルの熱容量、そしてＫｍｃ、Ｋｃｋは永久磁石〜コイル間およびコイル〜ケーシング間の熱伝導率である。なお、熱容量および熱伝導率を計測した結果を表１に示す。なお、熱伝導率は集中定数モデルのため、長さの次元はない。

今、発熱量と熱容量、熱伝導率の関係を整理すると、以下の式が成り立つ。

なお、θｍ、θｃはそれぞれ時間に対する温度変化量を表す。また、ケーシングが十分に冷却され続け、ケーシング温度Ｔｋが一定である場合を仮定する。

今、現時刻ｔから微小時間Δ進んだ時刻におけるコイルと永久磁石の温度は、微小時間Δを十分に小さくした場合は以下の式で近似予測できる。

ここで、ＱｃおよびＱｍは微小時間Δのコイルおよび永久磁石の発熱量である。なお、実現可能な最短の永久磁石温度の予測周期（＝微小時間Δ）はガルバノ制御装置の制御周期（一般的に、数十μ秒程度）であるが、コイルと永久磁石の温度変化の時定数は、一回の位置決め時間（数百μ秒〜数ｍ秒）に比べて十分に長いので、微小時間Δとして位置決め時間を用いることができる。そのため、本実施例では微小時間Δとして位置決め時間を用い、角度位置指令データを受け取った際に、現時刻と位置決め終了時の温度予測を行う形をとる。ゆえに、位置決め時間は移動角度指令に応じて変化するため、本実施例における微小時間Δは一定ではない。また、第一の位置決め動作開始時点のコイルおよび永久磁石の温度はケーシング温度と同じとし、それ以降は式７を用いて順次予測結果を更新する。なお現時刻の温度推定は、最終の位置決め完了時刻から発熱量０の状態が続いていると見なして算出する。

次に、本実施例における位置決め動作のフローチャートを図７に示す。従来手法とは、現在および位置決め終了後の永久磁石温度を予測するフロー（ＳＴＥＰ４，５）、また操作量補償値を設定するフロー（ＳＴＥＰ６）がある点が異なる。図１に示す、本実施例のガルバノスキャナ制御装置で上位制御系２０１から角度指令データ１０１を受け取ると（ＳＴＥＰ１）、トルク指令生成部２０２では、記憶部２０３に記憶された複数のトルク指令座標列１０２から、移動角度に応じて位置決めするための座標列を選択し、移動角度に応じた倍率をかけてトルク指令信号１０３を作成する。この選んだ座標列により位置決め時間が決まる（ＳＴＥＰ２，３）。次に永久磁石温度推定部２０９は、第二記憶部に記憶されたコイルおよび永久磁石の熱容量や熱伝導率、当該トルク座標列での発熱量から、現時刻と位置決め終了時の永久磁石温度を予測する（ＳＴＥＰ３，４）。そして、予測した現時刻と位置決め終了時の永久磁石温度の差に基づいて永久磁石温度上昇に伴う発生トルクの低下率を予測し、低下率の逆数を操作量補償部での拡大率１１１として設定する（ＳＴＥＰ６）。なお，本実施例では一般的なネオジム磁石における温度上昇に伴う発生トルク低下率の係数として，０．１２％／Ｗを用いた。

トルク指令信号１０３はデジタルフィルタ２０４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揺動角を減算した追従誤差１０５は、補償要素２０５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は操作量補償部２１０で永久磁石温度上昇による発生トルクの低下を考慮した補正操作量１１２となり、この補正操作量１１２がＤ／Ａ変換器２０６へ送られ、電流指令信号１０７となる（ＳＴＥＰ７）。以下の動作は背景技術で説明したとおりである。

図８は本実施例を用いた際の、加工動作例におけるガルバノスキャナの発熱量と、推定したコイルおよび永久磁石温度の時間波形と，トルク補償量（拡大率）の時間波形の例である。図より、永久磁石温度はコイル温度よりも時定数が非常に長い。これは、ムービングマグネット式ガルバノスキャナの場合、永久磁石は可動子に設けられており、永久磁石とコイルや冷却ジャケットの間に熱伝導率の悪い空隙があるためである。そのため、例えばコイル温度と永久磁石温度を同一とみなす従来手法では推定精度が悪くなるが，本発明は永久磁石温度を精度よく推定することが可能となり，発熱に伴うトルク低下の補償効果が十分得られる。

次に、本発明の効果を図９、図１０を用いて説明する。図９は図８の時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２の時点において本実施例による目標角度から揺動角度を減じた偏差の時間波形を示したものであり、図１０は従来手法における偏差の時間波形である。図より、従来は時間の経過とともに永久磁石の発熱に伴う発生トルクの低下により追従波形に大きなオーバシュートが生じていたが、本発明を適用することになりオーバシュートを抑制できることが分かる。

本実施例では計算コスト低減を図るために、移動角度指令毎に決まる位置決め時間を微小時間Δとしたが、微小時間Δを制御周期とすれば永久磁石温度を制御周期毎に推定する形になるので、推定精度を上げることができる。

図１１は、実施例２におけるガルバノスキャナ制御装置のブロック線図を示し、トルク指令生成部２０２に永久磁石温度推定部２０９から永久磁石の予測温度が、また第二記憶部２０８から永久磁石温度に対するトルク指令制限値１１３が入力される点が異なる。なお、図１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。図１１に示す、本実施例のガルバノスキャナ制御装置で上位制御系２０１から角度指令データ１０１を受け取ると、トルク指令生成部２０２では永久磁石温度推定部２０９から永久磁石の予測温度と第二記憶部２０８から永久磁石温度に対するトルク指令制限値１１３を得た上で位置決め時間を決定し、あらかじめ設計されて記憶部２０３に記憶されたトルク指令座標列の中から該当する位置決め時間で位置決めするトルク指令座標列１０２を選択し、この座標列に移動角度に応じた倍率をかけて、トルク指令信号１０３を作成する。以降の動作は、実施例１と同様である。

次に、トルク指令制限値の設定方法について説明する。トルク指令の大きさに制限値を設ける理由は、永久磁石の不可逆熱減磁を回避するためである。図１２に、永久磁石温度が２０℃と１６０℃における減磁曲線（Ｂ−Ｈ曲線）の例を示す。永久磁石温度が２０℃の場合、コイルによって発生する外部磁場Ｈを永久磁石の磁化方向と逆にかけると、コイルと永久磁石が作る磁束密度は単調に下がっていく。一方、１６０℃の場合、急激に磁束密度が下がる点ａがあり、ａ点を過ぎた永久磁石は外部磁場や冷却しても初期の磁化まで回復しない。回転子に用いられた永久磁石に不可逆熱減磁が生じると、ガルバノスキャナの初期の性能が発揮できなくなるため、ガルバノスキャナは不可逆熱減磁が起こらない条件で駆動することが望まれる。

そのため、本実施例では駆動時の永久磁石温度範囲で、温度とクニック点に至らない最大の外部磁場を形成する駆動電流となるトルク指令値をトルク指令制限値として設け、これを第二記憶部２０８に記憶しておく。そして、トルク指令生成部２０２で位置決め時間を決定する際に比較することで、不可逆熱減磁の発生を回避することできる。また、永久磁石が高温である場合では、従来手法は移動角度にかかわらず位置決め動作を停止していたが、本実施例によれば駆動電流を抑えて継続して動くため、スループット低下が最小限に抑えられる。

２０ガルバノスキャナ制御装置
１０１角度指令データ
１０２トルク指令座標列
１０３トルク指令信号
１０４目標角度
１０５追従誤差
１０６操作量
１０７電流指令信号
１０８駆動電流
１０９遥動角度信号
１１０出力パルス信号
１１１拡大率
１１２補正操作量
３０ガルバノスキャナ
３０１ガルバノミラー保持部
３０２ａ，３０２ｂ軸受
３０３ケーシング
３０４ａ，３０４ｂヨーク
３０５ａ，３０５ｃコイル
３０６ａ，３０６ｂ永久磁石
３０７スケール
３０８ａ，３０８ｂ角度検出器（センサ部）
５０ガルバノミラー
６０アンプ

Claims

固定子と永久磁石が取り付けられた回転子とを有するものであってガルバノミラーを位置決めするためのガルバノスキャナを制御するためのガルバノスキャナ制御装置において、
前記固定子と回転子それぞれの発熱量を用いて、位置決めを開始する前（現時刻）と位置決め終了時の前記永久磁石の温度を推定する温度推定手段と、
当該温度推定手段により推定した現時刻と位置決め終了時の永久磁石温度の差に基づいてガルバノスキャナの操作量を補償する操作量補償手段
を備えることを特徴とするガルバノスキャナ制御装置。