JP6167307B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザを用いて基板に穴あけ加工などを施すレーザ加工装置に関し、特に、レーザ加工装置に用いられるガルバノスキャナの動的な位置決め精度の向上に関するものである。

近年、部品の小型化、高集積化、複合モジュール化に伴い、基材の穴あけ加工もますます精密加工化し、それに対応するために、レーザを用いた穴あけ加工が増えてきている。係るレーザ加工装置に用いられるガルバノスキャナは、レーザ光を反射させるミラーを回転駆動部によって回転制御することにより、レーザ光を被加工物の面上に走査させるものである。レーザパルスを出射するタイミングで、位置指令に対して高い位置決め精度が必要とされる。

しかし、位置決め時に使用する位置決めセンサが、その構造上、温度や湿度などの周辺環境の変化や経時的な変化に起因して、出力信号が変動する特性を有している。したがって、ミクロン単位の微細な穴を所定位置に正確に加工できる加工精度を長期的に保持するためには、位置決めセンサの出力信号の変動を補正し、ガルバノスキャナの回転位置を、位置指令信号による指令位置に常に一致させる必要がある。

この課題に対する従来技術の一例を、図を用いて説明する。

図１９は従来技術に係るレーザ加工装置の概略構成を示すブロック図である。同図において、位置指令発生器９０１からは、ガルバノスキャナ９０８におけるミラーを目標とする所定の回転位置に回転移動させるための指令位置データが位置指令信号として出力される。一方、ガルバノメータ９０８に内蔵された位置センサ９０９からはガルバノメータ９０８の回転位置、つまりミラーの回転角度の位置検出信号が出力され、その位置検出信号が、位置検出器９１０から、ミラーの実際の回転位置を示す実位置データ信号に変換されて出力される。

ＰＩＤ制御器９０２は、位置指令発生器９０１から出力される位置指令信号と位置検出器９１０から出力される実位置データ信号との偏差が０になるように、ＰＩＤ（Ｐ：比例・Ｉ：積分・Ｄ：微分）制御処理を行うもので、上記偏差に基づき、その偏差が０となる電流指令値を演算して電流指令信号として出力する。

電流制御器９０３は、ＰＩＤ制御器９０２から出力される電流指令信号と電流検出器９０７がガルバノスキャナ９０８の電流を検出して出力する実電流データ信号との偏差に応じて、パワーアンプ４を制御し、電流検出器９０７からガルバノスキャナ９０８に流れる電流が電流指令信号に一致するように動作する。

位置決め時間検出手段９０５は、ガルバノスキャナ９０８の位置決めが完了したと見做す位置決め完了幅を任意に設定し、ガルバノメータ９０８に対する位置決め処理を開始した後に、位置検出器９１０からの検出位置が前記の位置決め完了幅内に入ったことを検出して位置決め完了を検出する。（ガルバノメータ９０８の位置決め処理を開始してから位置決め完了検出までに要した時間を位置決め時間として検出する位置決め時間検出手段を含む）
位置センサ変動検出器９１１は、位置決め時間検出手段５により検出した位置決め時間の変動から位置センサ９０９の特性変動を検出する。

位置センサ補正警告信号出力手段９１２は、位置センサ変動検出器９１１により位置センサ９の特性変動を検出した時に、位置センサ９０９の特性変動に対する補正の必要性を表す警告信号を出力する
さらに、位置センサ変動検出器９１１により位置センサ９０９の特性変動を検出するための情報を得る手段として、１サイクルの位置決め処理の間に電流検出器９０７が検出した電流値を積分する電流値積分手段９０６を設ける（特許文献１を参照）。

特開２００１−２２８４１４号公報

しかしながら、従来技術に係るレーザ加工装置では、位置センサの出力信号に環境変化や経時変化の影響を受けて特性的な変動が生じた時に、任意設定された位置決め完了幅に基づいて測定される位置決め時間の変動、あるいはガルバノメータに流れる電流の積分値の変動により、位置センサの特性変動を検出し、その特性変動に対する補正作業の必要性を警告するための信号を出力することはできても、変化量や変化の方向（指令位置に対してオーバーシュートしているのか、アンダーシュートしているのか）を検知できないため、別途、補正作業をしなければいけないという問題があった。

そこで本発明は、ガルバノスキャナの動的な位置決め精度を向上することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザパルス出力指令信号を受けてレーザ光を出射するレーザ発振器と、位置指令情報を受信し動作指令信号を受けて動作を開始し被加工物の加工位置に前記レーザ光の位置決めをするガルバノスキャナと、少なくとも前記レーザ発振器及び前記ガルバノスキャナを制御する制御装置を備えたレーザ加工装置であって、前記ガルバノスキャナは、前記レーザ光を反射するガルバノミラーと、前記ガルバノミラーの角度を変更するガルバノモータと、前記ガルバノミラーの角度を検出する角度センサと、前記位置指令情報及び前記角度センサから得られる角度情報及び予め設定された複数のパラメータとに基づいて前記ガルバノモータの駆動電流を制御するガルバノコントローラを備え、前記複数のパラメータを格納するパラメータ格納部を設置し、所定の測定用パターンの動作指令に対する前記ガルバノスキャナの追従データを測定し、前記追従データから導出した特性値に対応して前記パラメータを変更するものであって、前記測定用パターンが、複数の異なる移動ピッチの往復を所定の時間繰り返すものである。

上記の構成により、本発明に係るレーザ加工装置では、予め測定した特定のパターンの動作指令に対するガルバノスキャナの追従データから導出した特性値に対応して前記パラメータを変更することで、ガルバノスキャナの異なる移動ピッチやモータ温度の変化に対して、動的な精度を所定の範囲内に抑えることができるので、ガルバノスキャナの動的な位置決め精度を向上することができる。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示すブロック図 本発明の実施の形態に係るガルバノスキャナの詳細構成を示すブロック図 本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の加工時の動作を示すタイミングチャート 本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置のガルバノ駆動パラメータの最適化工程を示すフローチャート 本発明の実施の形態に係るガルバノ追従データ測定用パターンの一例を示すグラフ 本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置のガルバノ追従データ測定用パターンと追従データの一例を示すグラフ 本発明の実施の形態に係るガルバノ追従データ測定用パターンのうち５ｍｍピッチ移動を拡大した場合の一例を示すグラフ 本発明の実施の形態に係る偏差とインポジ信号の関係の一例を示すグラフ 本発明の実施の形態に係る整定時間の算出の一例を示すグラフ 本発明の実施の形態に係る差分総合値の算出過程の一例を示すグラフ 本発明の実施の形態に係る差分総合値の算出過程の一例を示すグラフ 本発明の実施の形態に係る５分間ガルバノ動作時の整定時間の一例を示すグラフ 本発明の実施の形態に係る５分間ガルバノ動作時の１ｍｍピッチの整定時間の一例を示すグラフ 本発明の実施の形態に係る５分間ガルバノ動作時の差分総合値の一例を示すグラフ 本発明の実施の形態に係る特性値の合否の場合分けする一例を示すフローチャート 本発明の実施の形態に係る変更パラメータの一例を示す図 本発明の実施の形態に係るパラメータ最適化後の５分間ガルバノ動作時の１ｍｍピッチの整定時間の一例を示すグラフ 本発明の実施の形態に係るパラメータ最適化後の５分間ガルバノ動作時の差分総合値の一例を示すグラフ 従来技術に係るレーザ加工装置の概略構成を示すブロック図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。

（実施の形態１）
＜レーザ加工装置の主要構成＞
図１は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０１と、レーザ光１０２と、音響光学素子１０３と、光学調整部１０４と、ミラー１０５と、ガルバノスキャナ２００と、ｆθレンズ１０６と、加工テーブル１０８と、制御部３００とを備える。

レーザ発振器１０１は、制御部３００から出力されるレーザパルス出力指令信号４０１を受けてレーザ光１０２を出射する。レーザ発振器１０１から出射されたレーザ光１０２は、音響光学素子１０３に入射し、ピーク部分のみを切り取る。その後、マスクチェンジャ等を備えた光学調整部１０４によって加工目的に応じたビーム径に整形される。整形されたレーザ光１０２はガルバノスキャナ２００に導かれる。

ガルバノスキャナ２００は、ガルバノ位置指令情報４０２を受けて動作を開始し、レーザ光１０２の位置決めをする。ガルバノスキャナ２００で位置決めされたレーザ光１０２は、ｆθレンズ１０６で被加工物１０７に集光される。

＜ガルバノスキャナの詳細な構成＞
図２は本発明の実施の形態に係るガルバノスキャナの詳細構成を示すブロック図である。

ガルバノスキャナ２００は、少なくともモータ制御手段２０２とパラメータ記憶手段２０１とＸ軸方向モータ２１１とＸ軸方向ミラー２２１とＸ軸方向エンコーダ２４１とＸ軸方向アンプ２３１とＹ軸方向モータ２１２とＹ軸方向ミラー２２２とＹ軸方向エンコーダ２４２とＹ軸方向アンプ２３２を備えている。

モータ制御手段２０２は制御部３００からのガルバノ位置指令情報４０２を受信し、当該目標値に基づいてガルバノモータ２１０の回転角度をパラメータ記憶手段２０１に格納されたパラメータを用いて演算する。ガルバノモータ２１０の回転角度は、駆動信号４０４として駆動アンプ２３０に送信され、駆動アンプ２３０で電流値として増幅しガルバノモータ２１０を駆動・回転させる。

Ｘ軸方向の位置決め制御では、Ｘ軸方向アンプ２３１で電流増幅させて、Ｘ軸方向モータ２１１に送る。Ｘ軸方向モータ２１１はモータ制御手段２０２からの駆動信号４０４に基づいて回転する。Ｘ軸方向モータ２１１の回転角度を、Ｘ軸方向エンコーダ２４１で検知し、ＦＢ信号４０５としてモータ制御手段２０２に送る。ＦＢ信号４０５はガルバノモータ２１０の現在回転位置をフィードバックする信号である。よって、ガルバノミラー２２０の角度、ひいてはレーザ光１０２の照射位置に一義的に換算できる信号であるので、以降の説明では、ＦＢ信号４０５をガルバノ位置指令情報４０２と加減算できる情報として扱う。

モータ制御手段２０２では、Ｘ軸方向エンコーダ２４１からのＦＢ信号４０５を受けて、出力する駆動信号４０４を調整し、回転位置がガルバノ位置指令情報４０２と一致するように制御される。

Ｙ軸方向に関してもＸ軸方向と同様の制御を行う。Ｙ軸方向モータ２１２はモータ制御手段２０２からの駆動信号４０４に基づいて回転する。Ｙ軸方向モータ２１２の回転角度を、Ｙ軸方向エンコーダ２４２で検知し、ＦＢ信号４０５としてモータ制御手段２０２に送る。モータ制御手段２０２では、Ｙ軸方向エンコーダ２４２からのＦＢ信号４０５を受けて、出力する駆動信号４０４を調整し、回転位置がガルバノ位置指令情報４０２と一致するように制御される。なお、Ｘ軸・Ｙ軸の位置決め制御は並行して実行される。

本発明において、ガルバノモータの位置制御では、高速高精度を要求されるため、従来のＰＩＤフィードバック制御ではなく、フィードフォワード型空間予測サーボ制御（モデル予測制御）を行っている。そのため、モータ制御手段２０２では、内部に仮想のガルバノモータのモデルを形成し、エンコーダ２４０から得られる各時刻の現実値と比較しながら、次の時刻の制御量を逐次計算しながら決定している。

仮想のガルバノモータは、実際の物理量に対応するパラメータを数値化してパラメータ記憶手段２０１に格納し、一定のアルゴリズムで仮想的に動作するようにプログラミングされている。格納するパラメータを例示すると、モータのイナーシャ、レジスタンス、インダクタンス、入力電流に対するトルク、そのゲインなどである。また、パラメータ記憶手段２０１には、モデル構築以外にモデル制御用のパラメータも格納している。例えば、トルク制御に関するものとして、加速量を決めるためのゲインや、逆にブレーキングポイントの位置、ブレーキのゲイン等である。以上、これら全てのパラメータを総称してガルバノ駆動パラメータとする。

モータ制御手段２０２は、新たなガルバノ位置指令情報４０２を受信すると、現在の位置や速度から最適な制御軌道を設定する。目標位置近傍に到達後は動的に安定な挙動を行える範囲で最速の軌道を決定する。仮想のガルバノモータのパラメータを用いて最適な制御軌道をトレースするように駆動条件が決定され駆動信号４０４として実際のガルバノモータを駆動する。

与えられた指令に対して、モータが動作した時のフィードバック電流によるポジションと、モデルの中で計算されたポジションから誤差を算出する。この誤差は駆動量の計算に組み込まれることで、仮想のモータのモデルの動作と実際のモータの動作を一致させている。

なお、ガルバノ駆動パラメータは、ガルバノスキャナ２００単体の出荷検査までにユニットとして最適化されており、所定の規格の範囲に入るように設定されている。しかし、ガルバノスキャナ２００をレーザ加工装置１００に装着し稼働させるにあたり、微妙な条件の変化から一部のパラメータの最適化が必要になる。

＜レーザ加工装置の被加工物への加工時の動作＞
以上のように構成された本発明のレーザ加工装置の動作について図面を用いて説明する。

レーザ発振器１０１は必要に応じて十分にウォーミングアップされる。被加工物１０７は加工テーブル１０８に載置・固定され所定の加工エリアに移動される。加工プログラムに従い、ガルバノスキャナ２００は所定の加工点にレーザ光１０２が照射されるように位置決めされる。レーザ光１０２がパルスとして照射され、例えば穴あけなど、被加工物１０７が加工される。ガルバノスキャナ２００は次の加工点にレーザ光１０２が照射されるように位置決めされる。レーザ光１０２がパルスとして照射され被加工物１０７が加工される。以上のサイクルを繰り返し、被加工物１０７全体の加工を行う。

以下説明する動作は、被加工物１０７の加工の内、１つのレーザパルスで加工を行う１サイクル部分である。

図３は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の加工時の動作を示すタイミングチャートである。

ガルバノ応答４１０は、ガルバノ位置指令情報４０２に対する現在回転位置との偏差をあらわしている。したがって、次の加工点にレーザ光１０２を位置決めするように新たなガルバノ位置指令情報４０２が制御部３００より発せられると、現在位置との偏差は極大になり、ガルバノモータ２１０の位置決め制御が開始されると徐々にゼロに近づいていく。ガルバノ応答４１０は、制御部３００から指示されるガルバノ位置指令情報４０２とモータ制御手段からのガルバノ位置情報４０３の差として算出される。

なお、ガルバノモータ２１０はＸ軸方向モータ２１１とＹ軸方向モータ２１２の２つで構成されるが、図３以降のグラフでは説明を簡単にするため一方の動きで説明することとする。

ガルバノモータ２１０の現在回転位置がガルバノ位置指令情報４０２に近づき、ガルバノ応答４１０の絶対値が一定値以下になったら、位置決め完了信号４１１をＯＮする。位置決め完了信号４１１をＯＮにする閾値は予め定めておく。要求される加工精度に基づき被加工物１０７上での距離に換算して十分にガルバノ位置指令情報４０２に近づいたと判断できる偏差を当該閾値として設定する。例えば、被加工物１０７上の距離に換算して数μｍ程度、具体的には５μｍ、あるいは、より精度を要求される場合は２μｍに相当するガルバノ応答４１０の偏差を当該閾値として設定すると良い。

位置決め完了信号４１１がＯＮになったら、所定の待ち時間（図中のＴｅ１）後に制御部３００は、レーザ指令（レーザパルス出力指令信号４０１）をレーザパルス幅（図中のＴｅ２）に相当する期間だけＯＮにし、レーザ指令を受けたレーザ発振器１０１はレーザ光１０２を出力する。レーザ発振器１０１は立上りや立下りの特性を有しているので、レーザ出力は図中のようなプロファイルになる。レーザ指令をＯＦＦにした後、所定の期間（図中のＴｅ３）経過後に次の加工点のガルバノ位置指令情報４０２を制御部３００がガルバノスキャナ２００に送信する。

レーザ照射後に次の新たなガルバノ位置指令情報４０２が発せられるとガルバノ応答４１０は再度極大になり、同時に位置決め完了信号４１１もＯＮからＯＦＦに変わる。図中の位置決め完了信号４１１がＯＦＦの区間が、ガルバノ移動時間に相当し、位置決め完了信号がＯＮの区間がガルバノ停止時間に相当する。

なお、ガルバノ移動時間は移動距離によって都度変動する。加工条件によってはレーザパルスの幅の設定は調整可能であり、Ｔｅ１〜Ｔｅ３の時間は加工条件で設定されている。図中のＴｅ１〜Ｔｅ３を加工期間の間一定にするようにすれば、ガルバノ停止期間は各々の加工サイクルで一定になる。

＜レーザ加工装置のガルバノ駆動パラメータの最適化工程＞
図４は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置のガルバノ駆動パラメータの最適化工程を示すフローチャートである。

ガルバノ駆動パラメータの最適化工程は、大きくは４つの工程に区分される。

第１の工程では、予め定めた所定のガルバノ追従データ測定用パターンでガルバノスキャナ２００を動作させ、ガルバノ位置指令情報４０２に対する追従データを一定の周期でログとして測定する。具体的には、ガルバノ追従データ測定用パターンに相当するガルバノモータ２１０の動作指令を送ってモータを動作させ、ガルバノ位置指令情報４０２に対する回転角度の移動軌跡と位置決め完了信号を約１０μｓ周期でログ取得する（Ｓ０１）。

第２の工程では、追従データのログと位置決め完了信号のＯＮ／ＯＦＦのタイミングから差分総合値と整定時間を算出する（Ｓ０２）。

第３の工程では、算出した差分総合値と整定時間の結果から、ガルバノスキャナの動的な位置決め精度が一定の範囲に入っているか検査を行う。ガルバノスキャナの動的な位置決め精度が一定の範囲に入っている場合は、現在のパラメータが最適であり変更は不要であると判断して処理を終了する（Ｓ０３）。

第４の工程は、ガルバノスキャナの動的な位置決め精度が一定の範囲に入らない場合に実行される。所定の変更アルゴリズムに基づきガルバノ駆動パラメータの一部を規則に従って変更し、再びガルバノ動作を行う（Ｓ０４）。以上のフローを繰り返し、最適な駆動パラメータを導出する。

＜ガルバノ駆動パラメータ最適化の第１の工程＞
この工程では、予め定めた所定のガルバノ追従データ測定用パターンでガルバノスキャナ２００を動作させ、ガルバノ位置指令情報４０２に対する追従データを一定の周期でログとして測定する。ガルバノ追従データ測定用パターンにおける動作は、実際のレーザ加工とは別に行われる。例えば、装置着工時の精度確認時、あるいは、定期検査での精度確認時、実加工に先立つ精度確認時等である。本動作中は、ガルバノスキャナは実加工と同じように駆動されるが、レーザパルスは射出させない。

図５は本発明の実施の形態に係るガルバノ追従データ測定用パターンの一例を示すグラフである。ガルバノスキャナ２００はＸ軸方向のスキャンとＹ軸方向スキャンの一対で構成されているので、ガルバノ駆動パラメータ導出工程は、それぞれ独立に行なう。図５はＸ軸方向のガルバノ追従データ測定用パターンの一部であり、加工点でのＸＹ平面上での実際の移動を示したものである。図中のＹ座標で０の線上の丸印がガルバノ位置指令情報４０２に含まれている指令位置である。スタートポイント（Ｘ＝−１５、Ｙ＝０）で静止している状態から当ピッチでステップ移動するような動作指令を行う。この例ではＸ方向のみ５ｍｍピッチで動作させている。

ガルバノ位置指令情報４０２を受信したガルバノスキャナ２００はパラメータ記憶手段２０１に格納されている現有のガルバノ駆動パラメータのより指令位置に向かって追従動作を行う。所定の範囲まで指令位置に近接すると位置決め完了信号がＯＮになる。予め定めておいたガルバノ停止時間が経過すると、次のガルバノ位置指令情報４０２を与えるようにしてガルバノスキャナ２００にステップ動作をさせる。この動作を一往復させる。

ガルバノ追従データ測定用パターンでは、上述のステップ動作一往復を、複数通りの移動ピッチで行いそれを繰り返す。例示すれば、０．５ｍｍピッチのステップ動作一往復、１ｍｍピッチのステップ動作一往復、２ｍｍピッチのステップ動作一往復、５ｍｍピッチのステップ動作一往復、これを再度０．５ｍｍ〜５ｍｍを繰り返す。各異なるピッチの最初のスタートポイントでは、十分に静止しているとみなせる程度に待ち時間を設けておく。

以上がＸ軸方向のガルバノ追従データ測定用パターンであるが、Ｙ軸方向モータの調整をする際は、Ｙ軸方向のみの動作を行うガルバノ追従データ測定用パターンを設定する。なお、以降の説明ではＸ軸方向のみを例示することとする。Ｙ軸方向は、例えばＹ＝０で一定であるので、位置や移動量はＸ軸方向のみの値でありスカラー量として表示する。

ガルバノ追従データ測定用パターンに対して、追従データがどのようになっているのか、実験で得られたデータをグラフに示し説明を行う。

図６は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置のガルバノ追従データ測定用パターンと追従データの一例を示すグラフである。

グラフの横軸は時間を示しており、ガルバノ追従データ測定用パターンの一部の期間を抽出している。縦軸はガルバノスキャナ２００の加工点での位置であり、測定パターンに合わせて加工面上の位置に換算している。単位は［ｍｍ］ミリメートルである。例では、３０ｍｍの往復移動を繰り替えし行い、一往復ごとに、移動ピッチを０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍと変化させたときの、指令位置と移動軌跡を示している。

ステップ状の指令位置は破線で、追従データの移動軌跡は実線で示している。しかし、図６では、ガルバノスキャナの追従精度（動的な位置精度）に比べて、横軸の時間のスケールが荒いためにその差が表現できていない。そこで、同一データの一部を切り出し、横軸の時間軸を拡大したグラフを示す。図７は図６の横軸を拡大し５ｍｍピッチ移動時の、指令位置と移動軌跡を示したものである。切り取った時間は０．１６秒〜０．１７秒の１０ｍ秒の期間である。破線で示す位置指令が５ｍｍピッチでステップ状に発せられるのに対して、ガルバノモータの移動軌跡が位置指令に追従するように動いていることが分かる。

以上のように、ステップ状に往復動作を繰り返すガルバノ追従データ測定用パターンに対して、所定の時間刻み（例えば１０μ秒周期）で追従データ実測値をログとして記憶しておき、同時に位置決め完了信号のＯＮ／ＯＦＦ状態も記憶しておく。このログは、動作を開始して特性が安定する程度の期間まで取得するようにする。経験上、装置の温度特性等から５分間（３００秒間）程度で特性が安定することがわかっているので３００秒とした。

＜ガルバノ駆動パラメータ最適化の第２の工程＞
この工程では、指令位置に対する追従データのログと位置決め完了信号のＯＮ／ＯＦＦのタイミングから差分総合値と整定時間を算出する。それぞれの特性値の算出手順とその物理的な意味を、以下グラフを用いて説明する。

図８は本発明の実施の形態に係る偏差とインポジ信号の関係の一例を示すグラフである。図８は、５ｍｍピッチの往復動作のうち方向を反転する部分を切り抜いている。また、図７と異なり、指令位置と移動軌跡の差分から算出した値を偏差として示したものである。グラフ上部の縦軸が偏差を示し単位はμｍであるが目盛は２０００μｍとしている。指令位置が切り替わった直後は、偏差の絶対値が５０００μｍ（５ｍｍ）付近になっており、そこからガルバノが動作し偏差が０付近に近づくのが分かる。プラス・マイナスの符号は動作指令から移動軌跡を差し引いて算出したもので、ガルバノスキャナ２００の移動の方向に対応する。

同図の下部に、ＯＮ／ＯＦＦの変化をする位置決め完了信号を偏差のグラフと同タイミングで示している。指令位置が切り替わった直後の偏差が大きいタイミングではＯＦＦであり、偏差が０付近に近づくと、インポジ信号はＯＮになる。本実施の形態では、その閾値を２μｍとして設定している。

まず、整定時間の算出について説明する。図９の上部は、図８の縦軸を拡大したものである。単位は同じμｍであるが、目盛は２μｍとしている。下部に示すインポジ信号は、偏差の絶対値が２μｍになったところで立ち上がってＯＮとなり、指令位置が切り替わって偏差が大きくなったところでたち下がってＯＦＦになっている。この図９中の位置決め完了信号の立下りから立ち上がりまでの時間が整定時間である。つまり、整定時間は指令位置が切り替わったタイミングから偏差が０付近（当該例では２μｍ以下）になるまでの時間であり、指令位置に対するガルバノスキャナの追従時間を示している。

整定時間を特性値として用いるには、外乱等によるバラつきをなくすため平均値を用いる。図示しながら具体的な算出方法を示すと、整定時間Ｔ１、Ｔ２、……Ｔｎと、移動回数がｎ回の場合、ｎ回分の整定時間をもとめ、その平均値をとる。

また、整定時間は指令位置に到達するまでのガルバノスキャナの追従時間であるので、移動距離の大きさ、即ち、移動ピッチによって異なる数値となる。整定時間の算出は移動ピッチごとに行い、各ピッチの整定時間の平均値を個別に算出する。

更に整定時間は、装置の動作開始から経時的にも変化する。そこで３０秒毎に、その前後１５秒に含まれるログの整定時間を各ピッチごとに平均をとって、当該時刻における特性値としての整定時間とする。０秒では０〜１５秒の平均になるが、３０秒では１５〜４５秒の平均、６０秒では４５〜７５秒であり、その時間内に含まれる該当する整定時間を全て算出に用いて平均をとる。なお、３０秒は一例として示したもので、十分に平均をとれる時間で、経時的な変化を観測できる期間であればこれに限定はされない。

次に、差分総合値の算出について説明する。差分総合値は、制御的にはガルバノスキャナ２００の位置決めが完了していて静止しているとみなす期間の動的精度を表す特性値として本願において新たに定義したものである。図３では、位置決め完了信号がＯＮの期間をガルバノ停止時間とした。ガルバノ停止時間では、加工上の位置精度が確保される必要がある。しかし、図９を見て分かる通り、偏差は変動し０にはなっていない。この動的な精度を総合的な特性値として表すには、少なくとも、偏差が０に近づく方向、位置決め完了信号がＯＮの期間内の正負の符号も考慮した代表的偏差量、そして、特定期間内のデータに対する統計的処理が必要である。

以下、グラフを使いながら差分総合値の算出手順を説明する。差分総合値を算出するにあたって、ガルバノモータの移動方向を判定する必要がある。すなわち、偏差が負方向から０付近まで到達したのか、正方向から０付近まで到達したのかを判断する必要がある。ここでは、前者をＣＷ方向、後者をＣＣＷ方向と呼ぶ。

図１０は図９の縦軸および横軸をさらに拡大し、位置決め時の偏差とインポジ信号の詳細な動きを１サイクルぶんだけ示したものである。ログは約１０μ秒ごとに記録しているため、データをドットで示すと本グラフの尺度では離散グラフになるが、時系列が分かるように各ドットは線で結んでいる。

移動方向を判定するために、インポジ信号立ち上がり前後の時刻Ｔ１とＴ２における偏差である偏差Ｔ１と偏差Ｔ２を比較する。

偏差Ｔ１−偏差Ｔ２ ＞ ０ のときＣＷ方向移動とし、
偏差Ｔ１−偏差Ｔ２ ＜ ０ のときＣＣＷ方向移動とする
次に、位置決め完了信号の立上りタイミングＴ１から所定時間経過後のＴｎでの偏差Ｎを求める。この偏差Ｎはガルバノ停止時間内の偏差の代表値である。Ｔ１〜Ｔｎの設定時間は加工動作時のレーザパルス幅等の条件によって異なる。実加工での精度と相関を高めるため、Ｔ１〜Ｔｎの設定時間は、実加工時に位置決め完了信号がＯＮとなってから実際にレーザを照射するまでの待ち時間と同じタイミングに設定している。

以上の処理によって、取得したログ内の全ての位置決めサイクルごとに、偏差Ｎの値とＣＷ方向かＣＣＷ方向かの別が算出される。さらに、偏差Ｎはステップ動作の各ピッチごとに分けて平均化する。但し、ＣＷ方向のサイクルの偏差Ｎの平均値とＣＣＷ方向のサイクルの偏差Ｎの平均値とは別に集計して平均化する。ＣＷ方向の偏差Ｎの平均値をＣＷＮ、ＣＣＷ方向の平均値をＣＣＷＮとする。

以上のようにして算出したＣＷＮとＣＣＷＮの差分をとって、これを差分総合値Ｄとする。

差分総合値Ｄを図示して説明する。図１１は本発明の実施の形態に係る差分総合値の算出過程の一例を示すグラフである。図１１に示すように、各位置決めタイミングで、移動方向判定と、レーザ照射時に該当するタイミングでの偏差Ｎから、ＣＷ方向の偏差Ｎの平均値を表すＣＷＮと、ＣＣＷ方向の平均値を表すＣＣＷＮを求める。そして、ＣＷＮと、ＣＣＷＮの差分をとることで、差分総合値を表すＤを求めている。差分総合値が正の場合、ガルバノの動作は指令位置に対してオーバーシュートしていることになり、差分総合値Ｄが負の場合は、指令位置に対してアンダーシュートしていることになる。よって、この差分総合値を判断基準とすることで、位置センサの変動が発生したか否かだけでなく、変動方向や変動量まで定量的に検出することができる。

また、差分総合値も、装置の動作開始から経時的に変化する。そこで整定時間の計算の時と同じく３０秒毎に、その前後１５秒に含まれるログを用い各ピッチごと上述の計算を行う。当該値をもって、当該時刻における特性値としての差分総合値とする。なお、３０秒は一例として示したもので、十分に平均をとれる時間で、経時的な変化を観測できる期間であればこれに限定はされない。

なお、本実施の形態では、ステップ状に往復動作を繰り返すガルバノ追従データ測定用パターンに対して、測定値のログを、動作を開始して当初設定した時間まで記憶し、そのログから整定時間と差分総合値を時間を区分して求める手順を説明した。しかし、かかる手順に限られず、ガルバノ追従データ測定用パターンをガルバノモータ温度が飽和するまで動作させ、一定期間ごとに取得したログデータに対して、差分総合値、整定時間をその都度算出する方法を用いても良い。

＜ガルバノ駆動パラメータ最適化の第３の工程＞
この工程では、算出した整定時間と差分総合値から、ガルバノスキャナの動的な位置決め精度が一定の範囲に入っているか検査を行う。ガルバノスキャナの動的な位置決め精度が一定の範囲に入っている場合は、現在のパラメータが最適であり変更は不要であると判断する。

図１２、図１３、図１４は、上記ガルバノ追従データ測定用パターンを５分間動作させ、開始直後から３０秒毎に計１１回のログデータを取得し、取得した全てのログデータに対して、差分総合値および整定時間を算出し、グラフ化したものである。

まず、整定時間の判定（判定１）から説明する。図１２は、５分間のガルバノ動作で３０秒ごとに１１に区分して算出された整定時間をプロットしたグラフである。縦軸が整定時間を示し、横軸は集計処理したログの動作開始からの経過時間を示す。４種類のピッチでのステップ動作ごとに算出しているので４本のグラフとして表され、各ピッチごとに１１の整定時間がプロットされている。ここで４本のグラフを比較すると、移動ピッチが大きいほど整定時間も大きくなるという違いはあるが、時間経過に対する傾向はほぼ同じとみなせる。本発明の方法では、１ｍｍピッチ場合の整定時間を用いて、所定の範囲に入っているかを判定する。

図１３は、縦軸を拡大し、１ｍｍピッチの場合の整定時間のグラフのみを切り取ったものである。縦軸が整定時間を示し、横軸は集計処理したログの動作開始からの経過時間を示す。ここで、算出した１ｍｍピッチ移動時の整定時間の最大値をＴｍａｘとする。グラフ中央部の点線は、１ｍｍピッチ移動時の整定時間の許容最大値Ｔｔｈを示す。許容最大値Ｔｔｈは、装置としての規格値に該当する。よってＴｍａｘがＴｔｈ以下であれば規格内とし、それを超える値となれば規格の範囲外であると判断する。本例では規格値として許容最大値Ｔｔｈを５００μｍと定めている。

次に、差分総合値の最大値の判定（判定２）と最小値の判定（判定３）を説明する。

図１４は、５分間のガルバノ動作で３０秒ごとに１１に区分して算出された差分総合値をプロットしたグラフである。縦軸は差分総合値を示し、横軸はガルバノ動作時間を示す。横軸は集計処理したログの動作開始からの経過時間を示す。４種類のピッチでのステップ動作ごとに算出しているので４本のグラフとして表され、各ピッチごとに１１の整定時間がプロットされている。

ここで、全てのピッチ、全ての時間における算出された差分総合値の最大値と最小値を求める。本例では４×１１の点の算出値から決定することになる。図１４では、０．５ｍｍピッチで９０秒の点での差分総合値が最も大きいので、これを選んで差分総合値の最大値Ｄｍａｘとする。同図で、５ｍｍピッチで３００秒の点での差分総合値が最も小さいので、これを選んで差分総合値の最小値Ｄｍｉｎとする。

図１４のグラフ上部の点線は差分総合値の許容最大値Ｄｔｈｍａｘを示し、グラフ下部の点線は差分総合値の許容最小値Ｄｔｈｍｉｎを示す。差分総合値はガルバノ停止時間での動的な位置精度を表す本発明の特徴的な指標であり、正負の両方向に対して限界値を規格として設定している。本例では±２μｍの範囲を設定している。よって、ＤｍａｘがＤｔｈｍａｘ以下であれば規格内とし、それを超える値となれば規格の範囲外であると判断する。かつ、ＤｍｉｎがＤｔｈｍｉｎ以上であれば規格内とし、それを下回る値となれば規格の範囲外であると判断する。

＜ガルバノ駆動パラメータ最適化の第４の工程＞
この工程は、ガルバノスキャナの動的な位置決め精度が一定の範囲に入らない場合に実行される。即ち、上述の第３工程の判定１、判定２、判定３のいずれか１つでも規格として定めた範囲に入っていない場合は、以下に述べる変更アルゴリズムに基づきガルバノ駆動パラメータの一部を規則に従って変更する。

図１５は本発明の実施の形態に係る特性値の合否の場合分けする一例を示すフローチャートである。本フローチャートでは、図４のフローチャートと同一の工程に対応する部分は同一の符号（Ｓ０１〜Ｓ０４）を付している。特に、第３の工程（Ｓ０３）を判定１〜判定３に区分し、判定結果の場合分けを行っている。

判定１では、整定時間の許容最大値ＴｔｈとＴｍａｘを比較し、
Ｔｔｈ ≧ Ｔｍａｘ
であればＯＫに進み、それ以外の場合はＮＧに進む。

判定２では、差分総合値の許容最大値ＤｔｈｍａｘとＤｍａｘを比較し、
Ｄｔｈｍａｘ ≧ Ｄｍａｘ
であればＯＫに進み、それ以外の場合はＮＧに進む。

判定３では、差分総合値の許容最小値ＤｔｈｍｉｎとＤｍｉｎを比較し、
Ｄｔｈｍｉｎ ≦ Ｄｍｉｎ
であればＯＫに進み、それ以外の場合はＮＧに進む。

判定１、判定２、判定３により、現状のガルバノ特性が８つのパターンに場合分けすることになる。ここで、判定１〜３全てでＯＫであればパラメータ変更を行わずに作業を終了する。

以上の３段階の判定のＯＫ／ＮＧによる場合分けのうち、パラメータを変更する場合の数は７通りとなる。図１６に、その７通りのパターンを表として示した。判定１〜３のそれぞれで、ＯＫの場合を「○」、ＮＧの場合を「×」としている。パターンの欄にＮＧ（１）〜ＮＧ（７）として、ＮＧとなったパターンのそれぞれをフローチャートに対応させている。変更パラメータの欄のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄはガルバノ駆動パラメータのうち変更すべきパラメータの区分を表している。変更量の欄の数式は変更すべきパラメータを増減させる数式を表している。

以下、変更パラメータについて詳細に説明する。

表中の、変更パラメータＡはモータの角度情報を引数として駆動電流のブレーキポイントを変化させるパラメータであり、モデル予測制御ではトルク制御関係のパラメータに関連付けられる。変更方向が負の場合は、駆動電流のブレーキタイミングが、相対的に遅くなり、波形はオーバーシュート傾向になる。表中のＮＧパターン（１）のときに活用する。

逆に変更パラメータＡの変更方向が正の場合は、駆動電流のブレーキタイミングが相対的に早くなり、波形はアンダーシュート傾向になる。表中のＮＧパターン（２）およびＮＧパターン（６）のときに活用する。

変更パラメータＢはモータの角度情報の時間の２階微分を引数として駆動電流の加速度を変化させるパラメータで、モデル予測制御ではイナーシャ関係のパラメータに関連付けられる。変更方向が負の場合は駆動電流が最大値まで到達する時間が短くなり、整定時間が短くなる。ただし、電流の変化が急峻になるため、各ピッチにおける整定時の編差のバラつきは大きくなる。表中のＮＧパターン（４）およびＮＧパターン（５）のときに活用する。

逆に、変更パラメータＢの変更方向が正の場合は駆動電流が最大値まで到達する時間が長くなり、整定時間が長くなる。ただし、電流の変化が緩やかになるため、各ピッチにおける整定時の編差のバラつきは小さくなる。表中のＮＧパターン（３）のときに活用する。

変更パラメータＣおよび変更パラメータＤは駆動電流の角度情報および、角度情報の時間微分および、角度情報の時間の２階級微分を引数とするパラメータで整定時の波形の偏差および、整定時間を変化させる役割がある。ＮＧパターン（８）のときに活用する。モデル予測制御ではそれぞれインダクタンスとレジスタンス関係のパラメータに関連付けられる。

また、パラメータの変更量は許容値とＭＡＸ値もしくはＭＩＮ値の差分と各パラメータ独自の係数を乗算したものとする。上記のようにパラメータ変更を行い、図１５のフローチャートを繰り返し行うことで、ガルバノ駆動パラメータを最適化する。

＜ガルバノ駆動パラメータ最適化後の特性＞
以上の４つの工程を経て変更されたガルバノ駆動パラメータで、再度ガルバノ追従データ測定用パターンを実行し、判定１〜３全てでＯＫとなったパラメータ最適化後のガルバノ特性の一例を図１７、図１８に示す。図１７は本発明の実施の形態に係るパラメータ最適化後の５分間ガルバノ動作時の１ｍｍピッチの整定時間の一例を示すグラフである。図１８は本発明の実施の形態に係るパラメータ最適化後の５分間ガルバノ動作時の差分総合値の一例を示すグラフである。

図１７ではガルバノスキャナの異なる移動ピッチやモータ温度の変化に対して、整定時間を所定の範囲内に抑えることができていることが分かる。

図１８ではガルバノスキャナの異なる移動ピッチやモータ温度の変化に対して、動的な精度を所定の範囲内に抑えることができていることが分かる。

以上に述べたように、本実施の形態のレーザ加工装置によれば、予め測定した特定のパターンの動作指令に対するガルバノスキャナの追従データから導出した特性値に対応して前記パラメータを変更することで、ガルバノスキャナの異なる移動ピッチやモータ温度の変化に対して、動的な精度を所定の範囲内に抑えることができるので、ガルバノスキャナの動的な位置決め精度を向上することができる。

なお、本実施の形態では、１ｍｍピッチのみに整定時間の許容最大値を設定しているが、許容最大値を複数のピッチで設定してもよい。また、１ｍｍピッチと違うピッチで設定してもよい。

また、本実施の形態では、パラメータ変更後、再び５分間のガルバノ動作をおこない、ログを取得する場合を説明したが、パラメータ変更後、その効果を簡易的に確認し、パラメータ変更の効果が想定どおりに出ていることを確認してから、５分間のガルバノ動作をおこなってもよい。その場合、無駄なログデータを取得することが無くなり、パラメータチューニング時間を短縮させることができる

本発明にかかるレーザ加工装置は、ガルバノスキャナの動的な位置決め精度を向上することができるものであり、レーザを用いて基板に穴あけ加工などを施すレーザ加工装置等において有用である。

１００ レーザ加工装置
１０１ レーザ発振器
１０２ レーザ光
１０３ 音響光学素子
１０４ 光学調整部
１０５ ミラー
１０６ ｆθレンズ
１０７ 被加工物
１０８ 加工テーブル
２００ ガルバノスキャナ
２０１ パラメータ記憶手段
２０２ モータ制御手段
２１０ ガルバノモータ
２１１ Ｘ軸方向モータ
２１２ Ｙ軸方向モータ
２２０ ガルバノミラー
２２１ Ｘ軸方向ミラー
２２２ Ｙ軸方向ミラー
２３０ 駆動アンプ
２３１ Ｘ軸方向アンプ
２３２ Ｙ軸方向アンプ
２４０ エンコーダ
２４１ Ｘ軸方向エンコーダ
２４２ Ｙ軸方向エンコーダ
３００ 制御部
３０１ レーザ指令手段
３０２ 判断手段
３０３ パラメータ変更手段
３０４ 演算手段
３０５ 記憶手段
３０６ ガルバノ指令手段
４０１ レーザパルス出力指令信号
４０２ ガルバノ位置指令情報
４０３ ガルバノ位置情報
４０４ 駆動信号
４０５ ＦＢ信号
４１０ ガルバノ応答
４１１ 位置決め完了信号
Ｔｍａｘ 整定時間の最大値
Ｔｔｈ 整定時間の許容最大値
Ｄ 差分総合値
Ｄｍａｘ 差分総合値の最大値
Ｄｔｈｍａｘ 差分総合値の許容最大値
Ｄｍｉｎ 差分総合値の最小値
Ｄｔｈｍｉｎ 差分総合値の許容最小値

Claims (4)

1. レーザパルス出力指令信号を受けてレーザ光を出射するレーザ発振器と、位置指令情報を受信し動作指令信号を受けて動作を開始し被加工物の加工位置に前記レーザ光の位置決めをするガルバノスキャナと、少なくとも前記レーザ発振器及び前記ガルバノスキャナを制御する制御装置を備えたレーザ加工装置であって、
   前記ガルバノスキャナは、前記レーザ光を反射するガルバノミラーと、前記ガルバノミラーの角度を変更するガルバノモータと、前記ガルバノミラーの角度を検出する角度センサと、前記位置指令情報及び前記角度センサから得られる角度情報及び予め設定された複数のパラメータとに基づいて前記ガルバノモータの駆動電流を制御するガルバノコントローラを備え、
   前記複数のパラメータを格納するパラメータ格納部を設置し、
   所定の測定用パターンの動作指令に対する前記ガルバノスキャナの追従データを測定し、前記追従データから導出した特性値に対応して前記パラメータを変更するレーザ加工装置であって、
   前記測定用パターンが、複数の異なる移動ピッチの往復を所定の時間繰り返すことであるレーザ加工装置。
2. 前記追従データから導出した前記特性値が、整定時間とレーザパルス出力指令タイミングでの差分総合値である請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記整定時間の許容最大値と、前記差分総合値の許容最大値及び許容最小値を定め、前記特性値が許容値の範囲内となる前記パラメータを格納して加工を行う請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記整定時間の許容最大値と、前記差分総合値の許容最大値と、前記差分総合値の許容最小値に対し、前記特性値が範囲内あるいは範囲外となる場合分けを行い、
   それぞれの前記場合分けに対して変更する前記パラメータを定め、
   変更後のパラメータに基づいて前記特性値の測定を行い、
   前記特性値が全ての前記許容値の範囲内となるまで前記パラメータの変更を行う請求項３に記載のレーザ加工装置。

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