CN103309032A - 电扫描仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电扫描仪，即使旋转镜变大，其也能够抑制响应特性下降。本发明的电扫描仪中，旋转镜安装于旋转轴。旋转镜具有平行于旋转轴的旋转中心线的反射面。反射面的平面形状关于旋转中心线不对称。在反射面的面内方向上，该旋转镜的重心位于与旋转中心线重叠的位置。

Description

电扫描仪
技术领域
本发明涉及一种通过在预定的角度范围内旋转的旋转镜来反射光束的电扫描仪。
背景技术
在激光钻孔等中，为了扫描激光束而使用电扫描仪。电扫描仪包括旋转镜及使旋转镜旋转的马达。若旋转镜以高速往复旋转，则旋转轴或旋转镜产生变形，并发生共振现象。专利文献1中公开有通过以板状部件支承旋转镜的背面来提高刚性从而提高共振频率的电扫描仪。该电扫描仪构成为旋转轴的轴心穿过旋转镜与板状部件的重心。由此，抑制旋转镜与板状部件的不对称性导致的共振。
专利文献1：日本特开平7-270701号公报
为了沿x方向与y方向这2个方向扫描激光束，使用x用与y用这2个电扫描仪。入射于第2级电扫描仪的激光束因第1级电扫描仪而单向摆动。因此，不得不使第2级电扫描仪的旋转镜大于第1级电扫描仪的旋转镜。若旋转镜变大，则惯性力矩变大，因此响应特性变恶劣。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种即使旋转镜变大也能够抑制响应特性下降的电扫描仪。
根据本发明的一观点，提供一种电扫描仪，其具有：
旋转轴；及
旋转镜，安装于所述旋转轴，且具有与所述旋转轴的旋转中心线平行的反射面，所述反射面的平面形状关于所述旋转中心线不对称，在所述反射面的面内方向上，该旋转镜的重心位于与所述旋转中心线重叠的位置。
根据本发明的另一观点，提供一种电扫描仪，其具有：
旋转轴；
旋转镜，安装于所述旋转轴，且具有与所述旋转轴的旋转中心线平行的反射面；
第1加强肋，形成于所述旋转镜的背面，且从安装于所述旋转轴的部位起沿所述旋转中心线朝向前端延伸，并朝向前端变细；及
多个第2加强肋，形成于所述旋转镜的背面，从所述第1加强肋分支，并从相对于所述旋转中心线垂直的方向沿向所述旋转镜的前端侧倾斜的方向延伸，
所述旋转镜的前端设为自由端。
发明效果
通过将反射面的平面形状设为关于旋转中心线不对称，能够确保反射面仅在所希望的区域，并实现小型化。即使将反射面的形状设为不对称，也能够通过使重心位于旋转中心线上来抑制歪斜模式的励磁。
附图说明
图1是使用了基于实施例1的电扫描仪的激光钻孔的概要图。
图2A是基于实施例1的电扫描仪的侧视图，图2B是旋转镜的主视图，图2C是旋转镜的后视图。
图3A是基于实施例1的电扫描仪的侧视图，图3B是旋转镜的截面图。
图4A及图4B是作为模拟对象的电扫描仪的概要图，图4C是表示模拟结果的曲线图。
图5A及图5B是作为模拟对象的电扫描仪的概要图，图5C是表示模拟结果的曲线图。
图6A及图6B分别是基于实施例1的变形例的电扫描仪的旋转镜的主视图及后视图。
图7A及图7B分别是基于实施例2的电扫描仪的旋转镜的主视图及后视图。
图中：10-激光光源，11-偏转镜，12-第1级电扫描仪，13-第2级电扫描仪，14-fθ透镜，15-加工对象物，20-旋转镜，20A-反射面，20B-背面，21-旋转轴，22-编码器，23-马达，24-固定件，26、27-轴承，30、30A、30B-光束截面，31-旋转中心线，41-第1加强肋，42-第2加强肋，43-把持部。
具体实施方式
[实施例1]
图1中示出使用了基于实施例1的电扫描仪的激光钻孔的概要图。从激光光源10射出的激光束经由偏转镜11、第1级电扫描仪12、第2级电扫描仪13、及fθ透镜14入射于加工对象物15。另外，根据需要，配置光束扩展器、掩模、透镜等。定义将加工对象物15的表面设为xy面的xy直角坐标系。
第1级电扫描仪12使激光束的入射点在加工对象物15的表面上沿x方向移动。若激光束的前进方向因第1级电扫描仪12而摆动，则朝向第2级电扫描仪13的旋转镜20的入射点沿x方向移动。第2级电扫描仪13使激光束的入射点在加工对象物15的表面上沿y方向移动。fθ透镜14对激光束进行集光并使其垂直入射于加工对象物15的表面。
图2A中示出第2级电扫描仪13的概要侧视图。旋转镜20经固定件24固定于旋转轴21的一端。编码器22安装于旋转轴21的另一端。马达23在旋转轴21的中央部分发生转矩。旋转轴21在马达23的两侧通过轴承26被支承为能够旋转。旋转轴21、旋转镜20及编码器22以旋转中心线31为中心在预定范围内往复旋转。
图2B中示出与旋转镜20的反射面20A正对时的旋转镜20的主视图。反射面20A相对于旋转中心线31平行。若以第1级电扫描仪12（图1）扫描激光束，则激光束的光束截面30在反射面20A上沿旋转中心线31移动。由于反射面20A相对于入射激光束的前进方向倾斜，因此以反射面20A截取激光束而得的光束截面30成为椭圆。以第1级电扫描仪12（图1）将激光束摆动至一侧端时的光束截面30A的长轴与摆动至另一侧端时的光束截面30B的长轴相对旋转中心线31向相反方向倾斜。
反射面20A具有比以第1级电扫描仪12（图1）使激光束摆动时光束截面30移动的区域的外形稍微大的外形。例如，反射面20A的外形包括与旋转中心线31平行的一对直线部分和连接一对直线部分的端部彼此的曲线部分。一对直线部分的长度彼此相异。曲线部分平滑地连接于直线部分，且具有朝向外侧突出的形状。换言之，反射面20A具有使梯形的一对斜边向外侧鼓起的形状。
使反射面20A的外形稍微大于光束截面30的移动范围的外形是为了确保用于吸收光学系统的安装误差、旋转镜20的制造上的偏差等的余量。旋转镜20的边上设置有把持部43。通过由固定件24（图2A）对把持部43进行把持，旋转镜20固定于旋转轴21。
由于光束截面30A与30B相对旋转中心线31相互朝向相反方向倾斜，因此反射面20A的外形相对旋转中心线31成为不对称。更具体地，以旋转中心线31为中心，反射面20A的一侧的区域宽于另一侧的区域。因此，若将旋转镜20设为均等的厚度，则导致旋转镜20的重心G从旋转中心线31偏离。如后述，实施例1中构成为在反射面20A的面内方向上，旋转镜20的重心G位于旋转中心线31上。
图2C中示出旋转镜20的后视图。在旋转镜20的背面20B设置有用于提高刚性的第1加强肋41及第2加强肋42。第1加强肋41沿旋转中心线31从把持部43朝向旋转镜20的前端延伸。第1加强肋41的宽度朝向前端变细。
第2加强肋42从第1加强肋41分支。第2加强肋42从相对旋转中心线31垂直的方向沿向旋转镜20的前端方向倾斜的倾斜方向延伸。以旋转中心线31为中心，配置于反射面20A的面积相对较大侧的第2加强肋42的根数（图2C中为2根）少于配置于反射面20A的面积相对较小侧的第2加强肋42的根数（图2C中为3根）。通过调节第2加强肋42的根数，能够在反射面20A的面内方向上，使旋转镜20的重心G位于旋转中心线31上。
可以通过将第1加强肋41及第2加强肋42的高度设为不均等来代替调整第2加强肋42的根数，从而在反射面20A的面内方向上，使旋转中心线31穿过重心G。作为一例，也可以将配置于反射面20A的面积相对较大侧的第2加强肋42设为低于配置于反射面20A的面积相对较小侧的第2加强肋42。此外，也可以将配置于反射面20A的面积相对较大侧的第2加强肋42设为短于配置于反射面20A的面积相对较小侧的第2加强肋42。
例如将铍用作旋转镜20的材料。制作旋转镜20时，首先通过烧结铍的粉体来得到近似于最终形状的结构物。之后，通过切削该结构物的表面来调整形状，从而制作出旋转镜20。
图3A中示出使第2级电扫描仪13的旋转镜20从图2A的状态旋转90°后状态的概要侧视图。旋转镜20的把持部43夹持于固定件24而固定于旋转轴21。旋转镜20与固定件24例如由粘结剂相互固定。背面20B形成有第1加强肋41。
图3B中示出旋转镜20及固定件24的截面图。从背面20B至第1加强肋41的上表面（图3B中为朝向下侧的面）的高度高于从背面20B至反射面20A的高度。旋转镜20的重心G相对于背面20B位于反射面20A的相反侧。通过调整第1加强肋41及第2加强肋42（图2C）的高度，能够调整重心G相对于旋转镜20的厚度方向的位置。实施例1中，以使旋转中心线31穿过重心G的方式设定第1加强肋41及第2加强肋42的高度。
以往，反射面20A的形状关于旋转中心线31对称。因此，不得不以旋转中心线31为中心，使两侧的各反射面20A与图2B所示的相对较大侧的反射面20A相同或比其更大。因此，导致旋转镜20的重量变重。如实施例1，通过将反射面20A的形状设为关于旋转中心线31不对称，从而能够实现旋转镜20的小型化及轻质化。
参考图4A～图4C，关于基于实施例1的电扫描仪的效果进行说明。通过模拟来求出图4A及图4B所示的电扫描仪的响应特性。图4A所示的电扫描仪具有与基于上述实施例1的电扫描仪相同的结构。图4B所示的电扫描仪在旋转镜20的前端通过轴承27被支承。即，旋转轴21被3点支承，该3点为支承旋转轴21的2个轴承26及在旋转镜20的前端将其支承的轴承27。与此相对，图4A所示的电扫描仪的旋转轴21被2点支承。
若采用由3点支承旋转轴的结构，则当3个轴承的轴承中心偏离时，弯曲模式的振动被起振。通过由2点支承旋转轴21，弯曲模式的起振被抑制。然而，若将旋转镜20的前端设为开放端，则当旋转镜20的重心G从旋转中心线偏离时，倾倒模式的振动易被起振。
图4C中示出增益与相位的速度开环频率响应特性的基于有限元素法的分析结果。横轴以对数刻度表示频率，左纵轴以单位“dB”表示增益，右纵轴以单位“度”表示相位。开环频率响应特性的输入为赋予马达23的正弦波电流，输出为马达23的旋转速度。实线4A表示图4A所示的2点支承的电扫描仪的响应特性，虚线4B表示图4B所示的3点支承的电扫描仪的响应特性。即使在2点支承的电扫描仪中，在低于反共振点的频率区域内也不产生共振。即，不发生倾倒模式的共振。如图2B、图2C、图3B所示，其使旋转镜20的重心G位于旋转中心线31上。
接着，参考图5A～图5C，关于使旋转镜20成为小型化的效果进行说明。通过模拟求出图5A及图5B所示的电扫描仪的响应特性。
图5A所示的电扫描仪具有与上述实施例1的电扫描仪相同的结构，旋转镜20的反射面20A关于旋转中心线31不对称。图5B所示的电扫描仪的旋转镜20的反射面关于旋转中心线31对称。因此，图5B所示的旋转镜20重于图5A所示的旋转镜20。
图5C中示出增益与相位的速度开环频率响应特性的基于有限元素法的分析结果。横轴及纵轴与图4C所示的曲线图的横轴及纵轴相同。可知图5A所示的电扫描仪的反共振点的频率高于图5B所示的电扫描仪的反共振点的频率。这是因为，通过使旋转镜20成为小型化而降低了惯性力矩。
上述实施例1中，如图2B所示以第1级电扫描仪12扫描激光束时，激光束的光束截面30沿平行于第2级电扫描仪13的旋转中心线31的方向移动。根据第1级电扫描仪12及第2级电扫描仪13的姿势，有时也有光束截面30的移动方向与旋转中心线31不平行的情况。
图6A中示出光束截面30的移动方向与旋转中心线31不平行时的旋转镜20的主视图。反射面20A的外形的直线部分相对旋转中心线31稍微倾斜。此时也如后述，构成为旋转镜20的重心G位于旋转中心线31上。
图6B中示出旋转镜20的后视图。第1加强肋41沿旋转中心线31延伸而非光束截面30（图6A）的移动方向。第1加强肋41及第2加强肋42的平面形状及高度设定为重心G位于旋转中心线31上。
[实施例2]
图7A及图7B中分别示出基于实施例2的电扫描仪的旋转镜的主视图及后视图。以下，关于与基于上述实施例1的电扫描仪的不同点进行说明，对相同结构省略说明。
如图7A所示，基于实施例2的电扫描仪的旋转镜20的反射面20A关于旋转中心线31对称。如图7B所示，第1加强肋41与实施例1的情况相同，从把持部43沿旋转中心线31延伸并朝向前端变细。第2加强肋42与实施例1的情况相同，从第1加强肋41分支。并且，第2加强肋42从相对旋转中心线31垂直的方向沿朝向旋转镜20的前端侧倾斜的方向延伸。第1加强肋41及第2加强肋42具有相对于旋转中心线31对称的平面形状。由于反射面20A关于旋转中心线31对称，且第1加强肋41及第2加强肋42也关于旋转中心线31对称，因此在反射面20A的面内方向上，旋转镜20的重心G位于旋转中心线31上。
第1加强肋41从把持部43朝向前端变细，因此与等宽的情况相比，惯性力矩变小。因此，能够改善响应特性。尤其，由于前端相对较轻，因此无需以轴承支承前端而能够将其设为自由端。由此，能够抑制弯曲模式的振动的起振。
上述实施例1及实施例2中示出旋转镜20的重心G位于旋转中心线31上的例子。然而，也有重心G因机械加工精确度的偏移而从旋转中心线31稍微偏离的情况。若从旋转中心线31至重心G的偏离在100μm以下，则实际上可以说重心G位于旋转中心线31上。
沿以上实施例对本发明进行了说明，但本发明不限于这些。本领域技术人员应该明白例如能够进行各种变更、改良、组合等。
本申请主张基于2012年3月12日申请的日本专利申请第2012-053998号的优先权。该申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

Claims (6)

1.一种电扫描仪，其具有：
旋转轴；及
旋转镜，安装于所述旋转轴，且具有与所述旋转轴的旋转中心线平行的反射面，所述反射面的平面形状相对于所述旋转中心线不对称，在所述反射面的面内方向上，该旋转镜的重心位于与所述旋转中心线重叠的位置。
2.如权利要求1所述的电扫描仪，其中，
在与所述反射面垂直的厚度方向上，所述旋转镜的重心位于与所述旋转中心线重叠的位置。
3.如权利要求1或2所述的电扫描仪，其中，
所述电扫描仪还具有第1加强肋，该第1加强肋形成于所述旋转镜的背面，且从安装于所述旋转轴的部位起沿所述旋转中心线朝向前端延伸，并朝向前端变细。
4.如权利要求3所述的电扫描仪，其中，
所述电扫描仪还具有多个第2加强肋，所述第2加强肋形成于所述旋转镜的背面，从所述第1加强肋分支，并从相对于所述旋转中心线垂直的方向沿向所述旋转镜的前端侧倾斜的方向延伸。
5.如权利要求1～4中任一项所述的电扫描仪，其中，
所述旋转镜的前端设为自由端。
6.一种电扫描仪，其具有：
旋转轴；
旋转镜，安装于所述旋转轴，且具有与所述旋转轴的旋转中心线平行的反射面；
第1加强肋，形成于所述旋转镜的背面，且从安装于所述旋转轴的部位起沿所述旋转中心线朝向前端延伸，并朝向前端变细；及
多个第2加强肋，形成于所述旋转镜的背面，从所述第1加强肋分支，并从相对于所述旋转中心线垂直的方向沿向所述旋转镜的前端侧倾斜的方向延伸；
所述旋转镜的前端设为自由端。
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