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技術 ガルバノメータ制御装置及びレーザ加工装置

出願人 オムロンレーザーフロント株式会社
発明者 岩瀬和明
出願日 2002年1月24日 (17年7ヶ月経過) 出願番号 2002-015517
公開日 2003年7月30日 (16年1ヶ月経過) 公開番号 2003-215492
状態 拒絶査定
技術分野 機械的光走査系 レーザ加工
主要キーワード 加工用レンズ 外部環境温度 位置センサ出力 パラメータ管理テーブル ガルバノメータスキャナ 湿度検出器 位置センサ信号 湿度信号
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2003年7月30日)のものです。
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図面 (4)

課題

外部環境温度湿度により位置センサの出力が変動することのないガルバノメータ制御装置及び該制御装置を備えたレーザ加工装置の提供。

解決手段

ガルバノメータ6近傍に環境温度を検出する温度検出器1と湿度を検出する湿度検出器2とを設け、これらの検出器からの信号とガルバノメータ6の位置センサ7からの位置信号とをA/D変換器3、4、8によりA/D変換してデジタル制御IC5に取込み、デジタル制御IC内に備えた変換テーブル12を参照してゲイン信号Vgの補正値を算出し、D/A変換器9によりD/A変換して位置センサ7に出力するものであり、ゲイン信号の補正処理を行うことにより、ガルバノメータ6の環境温度、湿度の変化による位置センサ7の出力の変動を抑制し、高精度の位置決めを実現する。

概要

背景

従来より、被加工物穴あけ、切断、溶接マーキングトリミング等の用途にレーザ加工装置が用いられている。また、レーザ加工において、レーザ光被加工物上で2次元走査する方法として、ガルバノメータポリゴンミラーを用いてレーザ光を走査する方法や、被加工物を載置するXYテーブルを移動させる方法等が知られている。

被加工物をXYテーブルに載置して駆動するXYテーブル型走査方法は、高速駆動が困難で応答性が低く、装置全体が大型化するという問題がある。これに対し、XY方向に回転駆動するガルバノメータスキャナを用いるガルバノメータ型走査方法は、高速走査が可能で精度が高く、また、構成が簡単で装置が小型化できるという利点がある。

このようなガルバノメータを用いたレーザ加工装置は、XY2軸のガルバノメータを回転駆動部によって回転制御し、ミラー反射されたレーザ光線集光レンズ等の光学系で集光して被加工物に照射し、レーザ光線のエネルギーで被加工物を溶融蒸発させて加工を行うものであり、マイクロラジアンオーダー高分解能と広い走査角度及び高速動作が可能であり、特にミクロンオーダー微細な穴を正確に加工する分野に適している。

また、ガルバノメータには、ミラーの位置検出を行う静電容量センサ等の位置センサ備え付けられており、この静電容量センサからの信号をフィードバック制御することによりガルバノメータを高速かつ正確に駆動している。

概要

外部環境温度湿度により位置センサの出力が変動することのないガルバノメータ制御装置及び該制御装置を備えたレーザ加工装置の提供。

ガルバノメータ6近傍に環境温度を検出する温度検出器1と湿度を検出する湿度検出器2とを設け、これらの検出器からの信号とガルバノメータ6の位置センサ7からの位置信号とをA/D変換器3、4、8によりA/D変換してデジタル制御IC5に取込み、デジタル制御IC内に備えた変換テーブル12を参照してゲイン信号Vgの補正値を算出し、D/A変換器9によりD/A変換して位置センサ7に出力するものであり、ゲイン信号の補正処理を行うことにより、ガルバノメータ6の環境温度、湿度の変化による位置センサ7の出力の変動を抑制し、高精度の位置決めを実現する。

目的

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、外部環境温度、湿度によりガルバノメータの位置センサの出力が変動することのないガルバノメータ制御装置及び該制御装置を備えたレーザ加工装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
1件

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請求項1

ガルバノメータレーザ走査方向を2軸で制御するガルバノメータ制御装置において、前記ガルバノメータの周囲温度を検出する温度検出器と、周囲湿度を検出する湿度検出器と、前記温度検出器の信号と前記湿度検出器の信号と前記ガルバノメータに設けた位置センサ位置信号とを参照して前記位置信号を制御するゲイン信号補正値を算出する変換テーブルを備えるデジタル制御IC部と、D/A変換手段と、A/D変換手段とを少なくとも有することを特徴とするガルバノメータ制御装置。

請求項2

前記変換テーブルに、前記温度検出器の信号を前記ゲイン信号に変換する温度変換式と、前記湿度検出器の信号を前記ゲイン信号に変換する湿度変換式と、前記ガルバノメータの個体差補正する固有ゲインとを備え、前記温度変換式又は前記湿度変換式により変換された前記ゲイン信号が、前記固有ゲインによって補正されて前記補正値が算出されることを特徴とする請求項1記載のガルバノメータ制御装置。

請求項3

前記デジタル制御IC部に、更に、前記ガルバノメータのレーザ走査方向を補正する第1の補正手段と、前記ガルバノメータで反射されたレーザ光被加工物集光する光学系の光学特性を補正する第2の補正手段と、前記位置センサの位置信号をフィードバック信号としてPID制御するPID制御手段とを備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のガルバノメータ制御装置。

請求項4

前記第1の補正手段に、前記光学系を構成するレンズ加工歪みを補正する手段を含み、前記第2の補正手段に、前記ガルバノメータの2軸間の直交度を補正する直交度補正手段と、該2軸の直線性を補正するリニアリティ補正手段とを含み、前記デジタル制御IC部に、前記第1の補正手段、前記第2の補正手段及び前記PID制御手段のパラメータアラーム信号とを管理するパラメータ管理テーブルを備え、該パラメータ管理テーブルが、前記ガルバノメータ制御装置の上位に設けたコントローラによって管理されることを特徴とする請求項3記載のガルバノメータ制御装置。

請求項5

レーザ光源と、該レーザ光源から照射されたレーザ光を反射するガルバノメータと、該ガルバノメータのレーザ走査方向を制御するガルバノメータ制御装置と、前記ガルバノメータで反射されたレーザ光を集光する光学系とを少なくとも備えたレーザ加工装置において、前記ガルバノメータ制御装置が、請求項1乃至4のいずれか一に記載の機能を有することを特徴とするレーザ加工装置。

技術分野

0001

本発明は、レーザ光を高精度かつ高速走査するガルバノメータを制御するガルバノメータ制御装置及び該制御装置を備えたレーザ加工装置に関する。

背景技術

0002

従来より、被加工物穴あけ、切断、溶接マーキングトリミング等の用途にレーザ加工装置が用いられている。また、レーザ加工において、レーザ光を被加工物上で2次元に走査する方法として、ガルバノメータやポリゴンミラーを用いてレーザ光を走査する方法や、被加工物を載置するXYテーブルを移動させる方法等が知られている。

0003

被加工物をXYテーブルに載置して駆動するXYテーブル型走査方法は、高速駆動が困難で応答性が低く、装置全体が大型化するという問題がある。これに対し、XY方向に回転駆動するガルバノメータスキャナを用いるガルバノメータ型走査方法は、高速走査が可能で精度が高く、また、構成が簡単で装置が小型化できるという利点がある。

0004

このようなガルバノメータを用いたレーザ加工装置は、XY2軸のガルバノメータを回転駆動部によって回転制御し、ミラー反射されたレーザ光線集光レンズ等の光学系で集光して被加工物に照射し、レーザ光線のエネルギーで被加工物を溶融蒸発させて加工を行うものであり、マイクロラジアンオーダー高分解能と広い走査角度及び高速動作が可能であり、特にミクロンオーダー微細な穴を正確に加工する分野に適している。

0005

また、ガルバノメータには、ミラーの位置検出を行う静電容量センサ等の位置センサ備え付けられており、この静電容量センサからの信号をフィードバック制御することによりガルバノメータを高速かつ正確に駆動している。

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、上記ガルバノメータ制御装置やガルバノメータは、外部環境の変化によって調整状態が変動してしまうという問題がある。

0007

例えば、従来のガルバノメータ制御装置では、回路を構成するアナログ素子温度ドリフトにより、外部環境温度の変化によってガルバノメータの調整状態が変動してしまい、このような場合は環境温度の変化に応じて何度もガルバノメータの位置合わせを行わなければならない。

0008

従来のガルバノメータ制御装置の問題に対して、本願発明者は先願(特願2001−063332号)において、制御部をデジタル回路で構成したデジタルガルバノメータ制御装置を用いることにより、外部環境温度に対する変動を抑える技術について開示している。しかしながら、上記先願記載の技術によってガルバノメータ制御装置の外部環境温度に対する変動を抑えることはできるが、ガルバノメータ自身は外部環境温度、湿度により位置センサの出力が変動するという問題がある。

0009

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、外部環境温度、湿度によりガルバノメータの位置センサの出力が変動することのないガルバノメータ制御装置及び該制御装置を備えたレーザ加工装置を提供することにある。

0010

上記目的を達成するため、本発明のガルバノメータ制御装置は、ガルバノメータのレーザ走査方向を2軸で制御するガルバノメータ制御装置において、前記ガルバノメータの周囲温度を検出する温度検出器と、周囲湿度を検出する湿度検出器と、前記温度検出器の信号と前記湿度検出器の信号と前記ガルバノメータに設けた位置センサの位置信号とを参照して前記位置信号を制御するゲイン信号補正値を算出する変換テーブルを備えるデジタル制御IC部と、D/A変換手段と、A/D変換手段とを少なくとも有するものである。

0011

本発明においては、前記変換テーブルに、前記温度検出器の信号を前記ゲイン信号に変換する温度変換式と、前記湿度検出器の信号を前記ゲイン信号に変換する湿度変換式と、前記ガルバノメータの個体差補正する固有ゲインとを備え、前記温度変換式又は前記湿度変換式により変換された前記ゲイン信号が、前記固有ゲインによって補正されて前記補正値が算出されることが好ましい。

0012

また、本発明においては、前記デジタル制御IC部に、更に、前記ガルバノメータのレーザ走査方向を補正する第1の補正手段と、前記ガルバノメータで反射されたレーザ光を被加工物に集光する光学系の光学特性を補正する第2の補正手段と、前記位置センサの位置信号をフィードバック信号としてPID制御するPID制御手段とを備える構成とすることができる。

0013

また、本発明においては、前記第1の補正手段に、前記光学系を構成するレンズ加工歪みを補正する手段を含み、前記第2の補正手段に、前記ガルバノメータの2軸間の直交度を補正する直交度補正手段と、該2軸の直線性を補正するリニアリティ補正手段とを含み、前記デジタル制御IC部に、前記第1の補正手段、前記第2の補正手段及び前記PID制御手段のパラメータアラーム信号とを管理するパラメータ管理テーブルを備え、該パラメータ管理テーブルが、前記ガルバノメータ制御装置の上位に設けたコントローラによって管理される構成とすることもできる。

0014

また、本発明のレーザ加工装置は、レーザ光源と、該レーザ光源から照射されたレーザ光を反射するガルバノメータと、該ガルバノメータのレーザ走査方向を制御するガルバノメータ制御装置と、前記ガルバノメータで反射されたレーザ光を集光する光学系とを少なくとも備えたレーザ加工装置において、前記ガルバノメータ制御装置が、上記記載の機能を有するものである。

0015

すなわち、本ガルバノメータ制御装置は、温度検出器、湿度検出器から信号を入力し、その値からガルバノメータの位置センサに与えるゲイン信号の補正値を算出して位置信号を制御することにより、ガルバノメータの外部環境による変動を抑制して、高精度の位置決め制御処理をデジタル的に行うものである。

0016

具体的には、図1に示されるように、温度検出器1から温度信号、湿度検出器2から湿度信号を入力して、A/D変換器3、4によりデジタル信号に変換してデジタル制御IC5に取り込む。同様に、ガルバノメータ6の位置センサ7からは位置信号Vpを入力し、A/D変換器8で変換してデジタル制御IC5に取り込む。デジタル制御IC5内部では、変換テーブル12に備えた温度変換式や湿度変換式、固有ゲインを参照して、温度、湿度のデータから位置センサ7の変動量を算出し、位置センサ7のゲイン信号Vgの補正処理を行う。そして、ガルバノメータ6の位置センサ7のゲイン信号Vgは、デジタル制御IC5からデジタル信号で出力してD/A変換器9よりアナログ信号に変換し、位置センサ7に対して出力する。

0017

このような補正処理を行うことにより、外部環境温度や湿度が変動した場合であっても、再調整を行うことなくガルバノメータの位置を正確に制御することができ、ガルバノメータ制御装置を備えたレーザ加工装置の加工精度を維持することができる。

発明を実施するための最良の形態

0018

本発明に係るガルバノメータ制御装置は、その好ましい一実施の形態において、ガルバノメータ周囲に環境温度を検出する温度検出器と湿度を検出する湿度検出器とを設け、これらの検出器からの信号とガルバノメータの位置センサからの位置信号とをA/D変換してデジタル制御ICに取込み、デジタル制御IC内に備えた変換テーブルを参照してゲイン信号の補正値を算出し、D/A変換して位置センサに出力するものであり、このようなゲイン信号の補正処理を行うことにより、ガルバノメータの環境温度、湿度の変化による位置センサ出力の変動を抑制し、高精度の位置決めを実現することができる。

0019

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例について、図1乃至図3を参照して説明する。図1は、本発明の一実施例に係るガルバノメータ制御装置の構成を示すブロック図であり、図2は、ガルバノメータに設けた位置センサの機能を模式的に示すブロック図である。また、図3は、デジタル制御IC内に設けた変換テーブルの機能を模式的に示すブロック図である。

0020

図1に示されるように、本実施例のガルバノメータ制御装置16は、ガルバノメータ6の周囲温度を検出する温度検出器1、周囲湿度を検出する湿度検出器2、各アナログ信号(温度信号、湿度信号、位置信号)をデジタル信号に変換するA/D変換器3、4、8、デジタル信号の処理を行うデジタル制御IC5、ガルバノメータ6の位置センサ7にゲイン信号Vgを出力するためにデジタル制御IC5のデジタル出力をアナログ信号に変換するD/A変換器9から構成される。また、デジタル制御IC5内には、ゲイン信号Vgの補正値を算出するための変換テーブル12が設けられている。

0021

なお、図1では示していないが、ガルバノメータ制御装置16のデジタル制御IC5には、本願発明者の先願(特願2001−063332号)において開示した機能を実行する手段、例えば、上位コントローラ(図示せず)から入出力ポートを介して位置指令信号を入力し、加工用レンズを使用した場合に発生する加工歪みを補正する歪み補正部や、ガルバノメータ6の2軸間の直交度を補正する直交度補正部、各軸の直線性を補正するリニアリティ補正部、ガルバノメータ6の位置センサ7の位置信号Vpをフィードバック信号としてPID(比例・積分・微分)制御処理を行うPID制御ブロック等を備えていてもよい。

0022

また、拡張機能として、ガルバノメータ6の共振振動を抑制するノッチ回路や、フィードフォワード機能やオブザーバ機能、各補正処理及び制御処理におけるパラメータを記憶、管理するパラメータテーブルからパラメータを取得し、このパラメータと予め入力された値とを比較、演算し、該パラメータが最適値収束するように自動的に制御するオートチューニング回路等を設ける構成とすることもできる。そして、これらの機能をデジタル回路で構成することにより、温度ドリフトによる変動を抑制している。

0023

このようなガルバノメータ制御装置16を備えたレーザ加工装置では、レーザ光源(図示せず)から照射されるレーザ光を、ガルバノメータ制御装置16によって制御されたXYの2軸方向に反射するガルバノメータ6で反射して、光学系(図示せず)で被加工物上に集光し、レーザ加工が行われる。

0024

上記構成のガルバノメータ制御装置16の動作について以下に説明する。まず、温度検出器1から温度信号、湿度検出器2から湿度信号を入力して、A/D変換器3、4によりデジタル信号に変換してデジタル制御IC5に取り込む。同様にガルバノメータ6の位置センサ7からは位置信号Vpを入力し、A/D変換器8でデジタル信号に変換してデジタル制御IC5に取り込む。また、ガルバノメータ6の位置センサ7のゲイン信号Vgは、デジタル制御IC5からデジタル信号で出力してD/A変換器9よりアナログ信号に変換し、位置センサ7に対してゲイン信号Vgを出力する。

0025

また、図2に示されるように、位置センサ7内部では、角度位置検出部10から出力された信号をゲイン信号Vgで変化する可変ゲイン11に通して位置信号Vpを出力しており、ゲイン信号Vgにより位置信号Vpの出力範囲を制御している。

0026

図1で示されるデジタル制御IC5内部では、温度検出器1、湿度検出器2から入力したデータを変換テーブル12を通してゲイン信号Vgに変換する。例えば図3で示されるように、変換テーブル12では、温度データDtを温度変換式13に、湿度データDwを湿度変換式14にかけてゲイン変動量の変換を行い、ガルバノメータ6の個体差を補正する固有ゲイン15を通して、補正ゲインデータDgを出力する。

0027

なお、温度変換式13、湿度変換式14、固有ゲイン15は、あらかじめ位置信号Vpのスケール値動作温度湿度範囲において正確となるような変換値を測定して設定すればよい。

0028

このように、本実施例のガルバノメータ制御装置16によれば、温度検出器1と湿度検出器2からの信号とガルバノメータ6の位置センサ7からの位置信号とを用い、変換テーブル12に備えた温度変換式13や湿度変換式14、固有ゲイン15を参照してゲイン信号Vgの補正値を算出し、補正したゲイン信号Vgを用いて位置センサ7を制御することにより、ガルバノメータ6の環境温度、湿度の変化による位置センサ7の出力の変動を抑制することができる。

0029

なお、本実施例では、外部環境の要素として温度と湿度とを取り上げたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、温度、湿度以外の外部環境変化により加工対象スケールが変化する場合においても変換テーブル12の変換式を変更することにより対応することが可能である。

発明の効果

0030

以上説明したように、本発明のガルバノメータ制御装置によれば、ガルバノメータの外部環境変化による位置信号の変動を抑えることができるため、現場での再調整、周囲環境変更に伴う再調整をする必要がなく、また、常に温度及び湿度を検出して位置センサ信号の補正を行うことができるため、ガルバノメータの位置精度を良好に保つことができるという効果を奏する。

0031

その理由は、温度検出器と湿度検出器からの信号とガルバノメータの位置センサからの位置信号とを用い、変換テーブルを参照してゲイン信号の補正値を算出し、補正したゲイン信号を用いて位置センサを制御しているからである。

0032

そして、このようなガルバノメータ制御装置を備えたレーザ加工装置では、ガルバノメータやガルバノメータ制御装置の外部環境による変動が抑制されるため、高精度なレーザ加工を実現することができる。

図面の簡単な説明

0033

図1本発明の一実施例に係るガルバノメータ制御装置の構成を示すブロック図である。
図2本発明の一実施例に係るガルバノメータに設ける位置センサの機能を模式的に示すブロック図である。
図3本発明の一実施例に係るデジタル制御ICに設ける変換テーブルの機能を模式的に示すブロック図である。

--

0034

1温度検出器
2湿度検出器
3、4、8 A/D変換器
5デジタル制御IC
6ガルバノメータ
7位置センサ
9 D/A変換器
10 角度位置検出部
11可変ゲイン
12 変換テーブル
13温度変換式
14湿度変換式
15固有ゲイン
16 ガルバノメータ制御装置

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