JP2009276491A - ガルバノスキャナシステムの調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガルバノスキャナシステムのオフセット調整、スケール調整を簡単かつ精度良く行うこと。
【解決手段】ガルバノスキャナシステム１では、中心に配置した二次元光位置センサ３２と、これを中心に同一円上に等角度で配置した４個の一次元光位置センサ３３（１）〜３３（４）とを備えた光位置検出ユニット３０を、ワーク面７の走査中心に一致するように取り付ける。ガルバノスキャナ３、４に原点位置指令を与えて、低出力でレーザ光を照射して、二次元光位置センサ３２の検出出力に基づきオフセット調整値を算出する。次に、ガルバノスキャナ３、４を左右、上下に振り、各一次元光位置センサ３３の検出出力に基づき、ワーク面７に対する直角度判定、ワーク面７からの距離の算出を行い、これに基づきスケール調整値を算出する。可視レーザ光を目視しながらワーク面上の目盛に合わせて調整する場合に比べて、簡単、かつ精度良く調整を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガルバノスキャナシステムのオフセットおよびスケールの調整方法に関する。

ガルバノスキャナシステムは、各種のレーザ加工装置においてレーザ光を一定の駆動パターンに従って走査するために用いられている。例えば、レーザマーキング装置として用いられる場合には、Ｘ軸ガルバノスキャナおよびＹ軸ガルバノスキャナを備えたガルバノスキャナシステムが搭載され、レーザ光源から射出されたレーザ光が、これらのスキャナによって一定の駆動パターンに従ってワーク表面に沿って二次元的に走査されて、ワーク表面に所定のマーキングが施される。また、ガルバノスキャナシステムは壁面などにレーザ光を投影するレーザ描画装置としても用いられる。

ガルバノスキャナシステムにおいては、その最終の組み付け工程において、そのワーク面（走査面）に照射するレーザ光のスケール（入力指令に対するワーク面上でのレーザ光の移動量）、および、オフセット（ガルバノスキャナを原点位置に位置決めしたときにワーク面上に形成されるレーザ光の光スポットの、ワーク面上の走査中心位置からの偏位量）の調整が行われる。調整作業は、一般に、可視レーザ光をワーク面に照射し、ワーク面上の光スポットを目視しながら当該ワーク面上の目盛に合わせることにより行われる。また、壁面などにレーザ光を投影するレーザ描画装置に用いられるガルバノスキャナシステムの場合には、壁面までの距離や、壁面に対する直角度に応じて、スケールが影響を受ける。したがって、距離および直角度も調整する必要がある。

特許文献１には、可視レーザ光であるガイド用レーザ光により印字すべきパターンに応じたガイド像をガルバノミラーを介してワーク上に投射する機能を備えたレーザマーキング装置が開示されている。このレーザマーキング装置では、ガルバノミラーを印字動作時と同じ座標データに基づいて回動させることによりワーク上でガイド用レーザ光の照射点を走査して、印字パターンのガイド像をワーク表面に投射している。これにより、ワーク上におけるガイド像の投射位置と所望の位置との誤差を確認して、印字開始前に印字位置調整を行うことができるようになっている。
特開２００３−２２０４８５号公報

従来においては、ガルバノスキャナシステムのオフセット調整、スケール調整を簡単に行う方法が提案されていない。また、スケール調整に影響を及ぼすワーク面までの距離測定、および、ワーク面に対する直角度の合否判定についても簡単に行うことのできる方法が提案されていない。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、オフセット調整を簡単に行うことのできるガルバノスキャナシステムの調整方法を提案することにある。

また、本発明の課題は、ワーク面までの距離測定およびワーク面に対する直角度判定に基づき、スケール調整を簡単かつ精度良く行うことのできるガルバノスキャナシステムの調整方法を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のガルバノスキャナシステムの調整方法は、
ガルバノスキャナによる走査面上における当該ガルバノスキャナの原点位置に対応する走査中心位置に、二次元位置センサを配置し、
前記ガルバノスキャナに対して、当該ガルバノスキャナを原点位置に位置決めするための原点位置指令を入力して、前記ガルバノスキャナに取り付けたスキャナ位置センサからのセンサ出力に基づき、前記ガルバノスキャナを前記原点位置に位置決めし、
前記原点位置に位置決めされた前記ガルバノスキャナによるレーザ光の光スポットを前記二次元位置センサによって検出し、
前記二次元位置センサの出力と、前記光スポットの中心が前記二次元位置センサの検出面の中心に位置する場合に得られる当該二次元位置センサの原点位置出力との差を監視し、
この差が予め定めた規格値以下になるように前記ガルバノスキャナを駆動し、
前記差が規格値以下となったときの前記ガルバノスキャナに入力された位置指令の前記原点位置指令に対する差をオフセット調整値として採用することを特徴としている。

また、本発明のガルバノスキャナシステムの調整方法では、
前記走査面上における前記走査中心位置から所定の距離だけ離れた異なる位置に、前記光スポットの中心位置を検出可能な少なくとも２個の一次元位置センサを配置し、
前記ガルバノスキャナを駆動して各一次元位置センサのそれぞれに光スポットを照射して、これら一次元位置センサの出力値が予め定めた範囲内の値となった時点における前記ガルバノスキャナの前記原点位置からの各振れ角を検出し、
これらの振れ角を予め定めた許容角度範囲と比較して、前記原点位置の前記ガルバノスキャナから前記走査面に照射されるレーザ光の当該走査面に対する直角度の合否を判定し、
前記振れ角Ａ、Ｂが前記許容角度範囲から外れている場合には、前記走査面上における前記二次元位置センサおよび前記一次元位置センサの取り付け位置を調整し、
しかる後に、再度、前記オフセット調整値の算出、および、前記直角度の合否判定を行うことを特徴としている。

さらに、本発明のガルバノスキャナシステムの調整方法では、
前記走査中心位置から少なくとも一方の前記一次元位置センサの中心までの距離Ｖと、当該一次元位置センサにおける前記ガルバノスキャナの原点位置からの前記振れ角とに基づき、前記ガルバノスキャナから前記走査中心位置までの距離Ｚを算出し、
前記距離Ｚと、振れ角Ａ、Ｂと、これらの振れ角Ａ、Ｂが得られたときに前記ガルバノスキャナに入力された位置指令とに基づき、スケール調整値を算出することを特徴としている。

ここで、前記スケール調整値を算出した後に、前記オフセット調整値を用いたオフセット調整と、前記直角度判定と、前記距離Ｚの算出と、前記スケール調整値を用いたスケール調整とを順次に実行して、調整の合否判定（確認）を行うことが望ましい。

また、前記二次元位置センサを中心として、複数個の前記一次元位置センサを同一円上に等角度間隔に配置し、各一次元位置センサによって前記光スポットの前記同一円の半径方向の位置を検出できるようにすることが望ましい。

本発明では、走査面上（ワークの表面、壁面など）の走査中心位置に二次元位置センサを配置し、走査面上に形成される光スポットの中心位置を検出し、二次元位置センサの出力に基づきオフセット調整値を簡単かつ精度良く算出することができる。

また、本発明では、走査面上における二次元位置センサとは異なる複数の位置に一次元位置センサをそれぞれ配置し、これらの出力に基づいてガルバノスキャナの振れ角を観測し、レーザ光の直角度判定を行うようにしている。また、振れ角を用いてガルバノスキャナから走査面までの距離を測定している。したがって、直角度判定および距離測定を簡単かつ精度良く行うことができる。

さらに、本発明では、直角度判定をした後に、測定した距離、振れ角などに基づき、スケール調整値を算出している。したがって、スケール調整値を精度良く、しかも簡単に求めることができる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したガルバノスキャナシステムの調整方法を説明する。

（ガルバノスキャナシステムの構成）
図１は本発明の方法を採用可能なガルバノスキャナシステムの一例を示す機能ブロック図である。ガルバノスキャナシステム１は、レーザ発信器２と、ここから射出されるレーザ光を二軸方向に偏向するためのＸ軸ガルバノスキャナ３およびＹ軸ガルバノスキャナ４と、これらのスキャナ３、４を駆動するためのスキャナドライバ５と、スキャナドライバ５を制御するためのアナログコントローラ、パーソナルコンピュータなどから構成される指令発生機６とを有している。指令発生機６には操作入力部６１およびモニタ用の表示器６２が接続されている。

Ｘ軸およびＹ軸ガルバノスキャナ３、４は、例えば、有限回転型モータ１１、１２と、これらのモータ回転軸に取り付けたＸ軸およびＹ軸走査用ミラー１３、１４とを備えている。また、Ｘ軸およびＹ軸ガルバノスキャナ３、４には、モータ回転軸の回転角度位置を検出するためのスキャナ位置センサ１５、１６が取り付けられている。

指令発生機６では、そのパーソナルコンピュータに専用の指令発生用プログラムがインストールされており、Ｘ軸およびＹ軸ガルバノスキャナ３、４のデジタル位置指令を生成する。デジタル位置指令は、アナログコントローラに供給されてアナログ位置指令である指令電圧にＤ／Ａ変換された後に、外部指令信号としてスキャナドライバ５に供給される。

スキャナドライバ５は、指令信号発生部２１、内部制御回路２２、演算・判定部２３およびオフセット調整用のパラメータａ、スケール調整用のパラメータｂなどの各種のパラメータが記憶保持されている内部メモリ２４を備えている。指令信号発生部２１は、指令発生機６からの外部指令信号を受け、これに基づき指令信号を生成して内部制御回路２２およびレーザ発信器２に供給する。内部制御回路２２は、指令信号に基づきスキャナ駆動信号（モータ電流）を生成してＸ軸およびＹ軸ガルバノスキャナ３、４に供給して、Ｘ軸およびＹ軸ガルバノスキャナ３、４を指定された角度位置に駆動する。

各ガルバノスキャナ３、４の実際の角度位置はスキャナ位置センサ１５、１６によって検出され、検出出力（センサ位置信号）がスキャナドライバ５の演算・判定部２３を介して指令信号発生部２１にフィードバックされる。なお、指令発生機６の操作入力部６１からスキャナドライバ５を介して手動操作により各ガルバノスキャナ３、４を駆動できるようになっている。

ガルバノスキャナシステム１は例えばレーザマーキング装置として用いられる。レーザ発信器２から射出されるマーキング用のレーザ光Ｌは、Ｘ軸ガルバノスキャナ３のＸ軸走査用ミラー１３およびＹ軸ガルバノスキャナ４のＹ軸走査用ミラー１４を介してワーク面７に照射される。このワーク面７上において二軸方向にレーザ光Ｌの光スポットが走査されて、当該ワーク面７に所定パターンのマーキングが施される。

ここで、ガルバノスキャナシステム１は、上記構成に加えて、ワーク面７に配置される光位置検出ユニット３０を備えている。光位置検出ユニット３０は、ガルバノスキャナシステム１のオフセット調整、スケール調整時に、ワーク面７に取り付けて用いられる。光位置検出ユニット３０は、矩形の基板３１と、この基板３１に搭載された１個の二次元光位置センサ３２と、複数個、例えば４個の一次元光位置センサ３３（１）〜３３（４）とを備えている。光位置検出ユニット３０は、ワーク面７と同一平面上に配置され、ガルバノスキャナシステム１によって走査される低出力のレーザ光のワーク面７上での位置を検出する。

光位置検出ユニット３０の二次元光位置センサ３２の検出位置信号、および、４個の一次元光位置センサ３３（１）〜３３（４）の検出位置信号は、それぞれ信号変換回路２５を介して演算・判定部２３に入力される。演算・判定部２３では、光位置検出ユニット３０から入力されるレーザ光の光スポットの検出位置と、各ガルバノスキャナ３、４に搭載されているスキャナ位置センサ１５、１６のセンサ位置信号とを比較して、それらの誤差量が予め定められている規格値以下であるか否かの判定を行う。また、指令発生機６の側からの指令に基づき、算出されたオフセット調整用およびスケール調整用の各パラメータによって、内部メモリ２４に保持されているパラメータの書き換え処理を行う。

図２は光位置検出ユニット３０を示す概略平面図である。二次元光位置センサ３２は、矩形の基板３１の中心に検出面３２ａの中心３２ｂが一致するように配置されている。二次元光位置センサ３２は、検出面３２ａに照射する光スポットのＸ、Ｙ軸方向の中心位置を検出する半導体センサである。４個の一次元光位置センサ３３は、中心３２ｂを中心とする同一円３４上に９０度の角度間隔で配置されている。各一次元光位置センサ３３（１）〜３３（４）の検出面３３ａは、同一円の半径方向に延びる状態に配置され、これらの検出面３３ａに照射する光スポットの半径方向の位置（一次元方向の位置）が検出される。各一次元光位置センサ３３の検出面３３ａの中心位置が同一円上に位置するように、各一次元光位置センサ３３（１）〜３３（４）が配置されている。

（オフセット、スケール調整手順）
図３は、ガルバノスキャナシステム１のオフセット、スケールの調整手順を示す概略フローチャートである。これらの調整作業においては、まず、光位置検出ユニット３０をワーク面（壁面）７に取り付ける。取り付けの際には、ワーク面７の中心（走査中心）に、光位置検出ユニット３０の中心（二次元光位置センサ３２の検出面３２ａの中心３２ｂ）が一致するように大まかな位置合わせを行う（ステップＳＴ１）。

次に、ガルバノスキャナシステム１を調整モードに設定し、手動操作入力によって、スキャナドライバ５を介して、各ガルバノスキャナ３、４に対して、それらを原点位置に位置決めする原点位置指令を入力する。調整モードでは、レーザ発信器２から低出力のレーザ光が射出され、各ガルバノスキャナ３、４を介して光位置検出ユニット３０に照射される。二次元光位置センサ３２の位置検出出力は信号変換回路２５を介して演算・判定部２３に取り込まれる。また、各ガルバノスキャナ３、４のスキャナ位置センサ１５、１６からのセンサ位置信号も同様に取り込まれる。

演算・判定部２３においては、センサ位置信号によって各ガルバノスキャナ３、４が原点位置に位置決めされたことを示す原点位置出力となったときに、当該原点位置出力と、二次元光位置センサ３２によって検出された光スポットの位置検出出力との差が算出される。算出された差は、モニタ信号として出力され、指令発生機６に接続されている表示器６２のモニタ画面上に表示される。また、演算・判定部２３は、算出された差が予め定められた規格値以下であるか否かを判断し、規格値以下の場合には原点合わせ状態が形成された旨の合格判定を行い、そうでない場合には不合格判定を行う。判定結果もモニタ画面上に表示される（ステップＳＴ２）。不合格判定の場合には、光位置検出ユニット３０の取り付け位置を調整し、再度、原点合わせを行う。

原点合わせ状態が形成された後は、ガルバノスキャナ３、４に対して、二次元光位置センサ３２の検出面３２ａの中心３２ｂに、光スポットの中心が位置するように、指令入力を手動操作によって与える。演算・判定部２３では、二次元光位置センサ３２の位置検出出力が予め設定されている規格出力値に対して所定の誤差以内の値になったか否かを監視している。位置検出出力が所定の誤差以内の値になると、そのときに指令入力値に対応する値をオフセット調整値ａとして内部メモリ２４に書き込む。あるいは、内部メモリ２４に記憶されているオフセット調整値ａを変更する（ステップＳＴ３）。

この後は、ワーク面７に対する直角度の合否判定を行う（ステップＳＴ４）。例えば、Ｘ軸ガルバノスキャナ３を左右に振り、左右の一次元光位置センサ３３（２）、３３（４）の検出面３３ａにレーザ光を照射する。演算・判定部２３では、各一次元光位置センサ３３（２）、３３（４）からの位置検出出力が、予め定めた出力範囲内の値となったときのガルバノスキャナ３の原点位置を中心とする左右の振れ角Ａ、Ｂを算出する。また、算出した振れ角Ａ、Ｂが予め設定されている許容角度範囲内の値であるか否かを判別し、許容角度範囲内の値である場合には所定精度で直角度が得られている旨の合格判定を行い、モニタ画面上に出力する。そうでない場合には、不合格判定をモニタ画面上に出力する。Ｙ軸方向についても同様に直角度判定が行われる。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ワーク面７に対して、その中心を照射するレーザ光Ｌが直角でない場合には、振れ角が小さくなるので、振れ角に基づき、所定精度の直角度が得られているか否かを判定できる。Ｘ軸ガルバノスキャナ３を左右に振ることにより、水平面上における直角度判定を行うことができ、Ｙ軸ガルバノスキャナ４を上下に振ることにより垂直面上における直角度判定を行うことができる。

Ｘ、Ｙ軸双方の直角度判定が合格しない場合には、光位置検出ユニット３０の取り付け位置の微調整などを行い、原点合わせ、オフセット調整を経て、再度、直角度判定を行う。

直角度判定が合格した後は、ワーク面７までの距離を算出する（図３のステップＳＴ５）。図４（ａ）に示すように、二次元光位置センサ３２の検出面３２ａの中心３２ｂから各一次元光位置センサ３３の検出面３３ａの中心３３ｂまでの距離Ｖは既知である。また、レーザ光が各一次元光位置センサ３２の中心３２ｂを照射している状態でのガルバノスキャナ３、４の振れ角Ａ、Ｂも算出されている。したがって、ワーク面７までの距離Ｚは次式により求まる。
Ｚ＝Ｖ／ｔａｎＡ（または、Ｖ／ｔａｎＢ）

この後は、一次元光位置センサ３３（１）〜３３（４）の位置検出出力に基づき、距離Ｚ、ガルバノスキャナ３、４への指令入力信号、振れ角Ａ、Ｂから、スケール調整値ｂを算出する。算出されたスケール調整値ｂを内部メモリ２４に書き込む。あるいは、内部メモリ２４に記憶されているスケール調整値ｂを変更する（ステップＳＴ６）。ここで、算出されたスケール調整値ｂが予め定められている許容範囲から外れている場合にはモニタ画面などにアラームを表示する。この場合には、再度、原点合わせから調整をやり直す必要がある。

スケール調整値ｂが算出された後は、最終確認動作が行われる（ステップＳＴ７）。すなわち、再度、オフセット調整値の算出、直角度判定、距離算出、スケール調整値の算出が繰り返され、正常であるか否かが確認され、作業が終了する。

以上説明したように、ガルバノスキャナシステム１では、オフセット調整およびスケール調整を、光位置検出ユニット３０を用いて簡単に行うことができる。また、スケール調整に先立って、ワーク面７に対する直角度判定、および、ワーク面７までの距離Ｚの算出が行われるので、スケール調整値を精度良く算出することができる。

なお、光位置検出ユニット３０は、オフセット調整、スケール調整以外に次のように用いることもできる。すなわち、ガルバノスキャナシステム１への入力駆動信号として、真円を描く入力を与える。これによって真円を描くように走査されるレーザ光を、同一円上に配置されている光位置検出ユニット３０の複数の一次元光位置センサ３３（１）〜３３（４）の検出出力をモニタする。これらの検出出力に基づき、ダイナミックな光学系の歪み量の算出、ガルバノスキャナの各軸の追従性の評価などを行うことが可能である。

本発明を適用したガルバノスキャナシステムを示す機能ブロック図である。 図１のガルバノスキャナシステムの光位置検出ユニットを示す概略平面図である。 図１のガルバノスキャナシステムのオフセット調整、スケール調整の作業手順を示す概略フローチャートである。 直角度判定およびワーク面からの距離算出のための説明図である。

符号の説明

１ ガルバノスキャナシステム
２ レーザ発信器
３、４ ガルバノスキャナ
５ スキャナドライバ
６ 指令発生機
７ ワーク面
１１、１２ 有限回転型モータ
１３、１４ 走査用ミラー
１５、１６ スキャナ位置センサ
２１ 指令信号発生部
２２ 内部制御回路
２３ 演算・判定部
２４ 内部メモリ
２５ 信号変換回路
３０ 光位置検出ユニット
３１ 基板
３２ 二次元光位置センサ
３３（１）〜３３（４） 一次元光位置センサ

Claims (5)

1. ガルバノスキャナによる走査面上における当該ガルバノスキャナの原点位置に対応する走査中心位置に、二次元位置センサを配置し、
   前記ガルバノスキャナに対して、当該ガルバノスキャナを原点位置に位置決めするための原点位置指令を入力して、前記ガルバノスキャナに取り付けたスキャナ位置センサからのセンサ出力に基づき、前記ガルバノスキャナを前記原点位置に位置決めし、
   前記原点位置に位置決めされた前記ガルバノスキャナによるレーザ光の光スポットを前記二次元位置センサによって検出し、
   前記二次元位置センサの出力と、前記光スポットの中心が前記二次元位置センサの検出面の中心に位置する場合に得られる当該二次元位置センサの原点位置出力との差を監視し、
   この差が予め定めた規格値以下になるように前記ガルバノスキャナを駆動し、
   前記差が規格値以下となったときの前記ガルバノスキャナに入力された位置指令の前記原点位置指令に対する差をオフセット調整値として採用することを特徴とするガルバノスキャナシステムの調整方法。
2. 請求項１に記載のガルバノスキャナシステムの調整方法において、
   前記走査面上における前記走査中心位置から所定の距離だけ離れた異なる位置に、前記光スポットの中心位置を検出可能な少なくとも２個の一次元位置センサを配置し、
   前記ガルバノスキャナを駆動して各一次元位置センサのそれぞれに光スポットを照射して、これら一次元位置センサの出力値が予め定めた範囲内の値となった時点における前記ガルバノスキャナの前記原点位置からの各振れ角を検出し、
   これらの振れ角を予め定めた許容角度範囲と比較して、前記原点位置の前記ガルバノスキャナから前記走査面に照射されるレーザ光の当該走査面に対する直角度の合否を判定し、
   前記振れ角が前記許容角度範囲から外れている場合には、前記走査面上における前記二次元位置センサおよび前記一次元位置センサの取り付け位置を調整し、
   しかる後に、再度、前記オフセット調整値の算出、および、前記直角度の合否判定を行うことを特徴とするガルバノスキャナシステムの調整方法。
3. 請求項２に記載のガルバノスキャナシステムの調整方法において、
   前記走査中心位置から少なくとも一方の前記一次元位置センサの中心までの距離Ｖと、当該一次元位置センサにおける前記ガルバノスキャナの前記原点位置からの前記振れ角とに基づき、前記ガルバノスキャナから前記走査中心位置までの距離Ｚを算出し、
   前記距離Ｚと、前記振れ角と、これらの振れ角が得られたときに前記ガルバノスキャナに入力された位置指令とに基づき、スケール調整値を算出することを特徴とするガルバノスキャナシステムの調整方法。
4. 請求項３に記載のガルバノスキャナシステムの調整方法において、
   前記スケール調整値を算出した後に、前記オフセット調整値を用いたオフセット調整と、前記直角度判定と、前記距離Ｚの算出と、前記スケール調整値を用いたスケール調整とを順次に実行して、調整の合否判定を行うことを特徴とするガルバノスキャナシステムの調整方法。
5. 請求項２ないし４のうちのいずれかの項に記載のガルバノスキャナシステムの調整方法において、
   前記二次元位置センサを中心として、複数個の前記一次元位置センサを同一円上に等角度間隔に配置し、
   各一次元位置センサによって、前記光スポットの前記同一円の半径方向の位置を検出することを特徴とするガルバノスキャナシステムの調整方法。

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