JP2004020956A - ビームスキャナ - Google Patents

Abstract

【課題】ガルバノスキャナの構成を変更することにより、大幅に、高速、高精度化を実現する。
【解決手段】ビームを反射して走査するための可動ミラー５０を有するビームスキャナにおいて、前記可動ミラー５０に一端が固定された支持部材５２、５４、５６、５８と、該支持部材の他端近傍に配設されたトルク発生部６０と、前記支持部材又は可動ミラーを揺動自在に支持する軸受７０、７２、７４、７６とを備える。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビームを反射して走査するための可動ミラーを有するビームスキャナに係り、特に、レーザビームを照射してプリント配線基板等に穴を開けるレーザ穴開け機やレーザマーキング装置に用いるのに好適な、高速且つ高精度の走査が可能なビームスキャナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザにより加工を行なう場合、回動するガルバノミラーによってビームを反射して走査するガルバノスキャナ（ビームスキャナとも称する）によって照射位置を移動させる方法を採ると、高速な加工が可能になる。
【０００３】
図１は、一般的なレーザ加工装置の要部構成例である。本構成例は、図示しないレーザ発振器から照射される、例えばパルス状のレーザビーム１２を、所定の方向（図１では紙面に垂直な方向）に走査するための回転ミラー２２を含む第１ガルバノスキャナ２０と、該第１ガルバノスキャナ２０によって紙面に垂直な方向に走査されたレーザビーム１４を、該第１ガルバノスキャナ２０による走査方向と垂直な方向（図１では紙面と平行な方向）に走査するための回転ミラー２６を含む第２ガルバノスキャナ２４と、前記第１及び第２ガルバノスキャナ２０、２４により２方向に走査されたレーザビーム１６を、ＸＹステージ８上に固定された、基板等の加工対象物１０の表面に対して垂直な方向に偏向して照射するためのｆθレンズ４８とを備えている。
【０００４】
このように、第１、第２ガルバノスキャナ２０、２４を用いることにより、レーザビーム１２を、スキャナ先端の回転ミラー２２、２６に反射させ、進行方向を任意の方向に変えることができる。前記ガルバノスキャナ２０、２４によって偏光したレーザビーム１６は、ｆθレンズ４８を通過して、加工対象物１０に集光する。従って、２つのガルバノスキャナ２０、２４を制御することにより、加工対象物１０上の目標箇所をレーザ加工することが可能である。
【０００５】
基板の穴開け等では高いスループットが要求されるため、ＸＹステージ８等で加工対象物１０を移動させて位置決めする方法に比べて、高速な加工を行なうことが可能なガルバノスキャナを利用することが多い。
【０００６】
近年、高速化、高精度化への要求はますます高まっているが、ガルバノスキャナの性能は限界に近づきつつある。これは、回転軸の剛性と慣性モーメント、発生トルクと発熱等にトレードオフが存在するためで、寸法を最適化するだけで達成できる性能に限界があるからである。
【０００７】
図２に、従来の一般的なガルバノスキャナ２０の構成例を示す。本構成例は、回転ミラー（以下、単にミラーと称する）２２と、該ミラー２２が先端に固定された回転軸３０と、該回転軸３０を回転自在に支持する第１及び第２の軸受３２、３４と、前記回転軸３０に固定されたコイル３６と、該コイル３６に駆動力を与えて、ミラー２２を回転させるための永久磁石３８及びヨーク４０と、ミラー２２の回転角度を検出するための角度センサ４２を含んで構成されている。
【０００８】
本構成例において、前記ヨーク４０と永久磁石３８によって作られた磁界の中に配置されたコイル３６に電流を流すと、回転トルクが発生する。発生したトルクは、第１及び第２の軸受３２、３４により支持された回転軸３０に伝達され、ミラー２２を回転する。又、回転角度は、回転軸３０に取り付けられた角度センサ４２により計測される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来は、トルクを発生するコイル３６、角度計測する角度センサ４２、及び、ミラー２２が、直列に回転軸３０に取り付けられていたため、回転軸３０の捩れ変形により共振が発生し、高速化の妨げとなっていた。又、回転軸３０の捩れ変形により、ミラー２２と角度センサ４２の回転角度に相違が生じ、位置決め精度の低下の要因となっていた。
【００１０】
なお、回転軸３０を太くすることにより、捩れ変形を抑えることが可能であるが、この場合、慣性モーメントが大きくなり、結局駆動速度が低下してしまうというトレードオフがある。又、駆動トルクを増して高速化することも考えられるが、コイル３６の巻数や取付半径を大きくすると、慣性モーメントが大きくなるというトレードオフがある。又、コイル３６に流す電流を大きくして駆動トルクを増やすことも考えられるが、発熱が大きくなるため、熱変形やセンサドリフトによる精度劣化を生じ、場合によってはガルバノスキャナが破損するという問題を引き起こすため、限界がある。
【００１１】
他の解決方法として、回転軸を廃止し、直接ミラーを駆動する方法が考えられる。そのような構成として、特開２０００−８１５８８や特開平７−１０４２０７のように、ミラーの裏面に直接、永久磁石やコイルを取り付ける構成や、特開平６−３３１９０９のように、ミラーの両端に、永久磁石又はコイルを取り付ける構成が提案されている。
【００１２】
これらの構成は、小さなミラーの回転を行なう機構をコンパクトに構成する場合に有効であるが、充分なトルクを発生させようとすると慣性モーメントが大きくなってしまうため、高速、高精度に駆動を行なうという要求には適さない。特に、ミラーにコイルを直接取り付ける構成では、発熱がミラーに伝達するため、反射されたレーザビームの形状や位置決め精度が劣化する恐れがあり、高速駆動に充分な電流を流せないという問題点を有していた。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、ガルバノスキャナの構成を変更することにより、大幅に、高速、高精度化を実現することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ビームを反射して走査するための可動ミラーを有するビームスキャナにおいて、前記可動ミラーに一端が固定された支持部材と、該支持部材の他端近傍に配設されたトルク発生部と、前記支持部材又は可動ミラーを揺動自在に支持する軸受とを備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１５】
又、前記支持部材を、揺動中心と直交する方向に長くしたものである。
【００１６】
又、前記支持部材を、前記可動ミラーとトルク発生部の両端に、それぞれ設け、それぞれ軸受によって支持するようにしたものである。
【００１７】
あるいは、前記支持部材を、前記可動ミラーとトルク発生部の中央部に１つ設け、軸受によって支持するようにしたものである。
【００１８】
あるいは、前記可動ミラーの両端を軸受によって支持し、該可動ミラーの中央に前記支持部材の一端を固定したものである。
【００１９】
又、前記支持部材の揺動中心を、前記可動ミラーとトルク発生部を含む可動部の重心に設定したものである。
【００２０】
あるいは、前記支持部材の揺動中心を、前記可動ミラーの反射面に設定したものである。
【００２１】
又、前記支持部材の幅が、その揺動中心から可動ミラーやトルク発生部に向けて扇状に広がるようにしたものである。
【００２２】
又、前記トルク発生部が、前記支持部材に配設されたコイルと、固定側に配設された磁石を含むようにしたものである。
【００２３】
更に、前記コイルと可動ミラーを連結する支持部材の熱伝導性を低くしたものである。
【００２４】
あるいは、前記トルク発生部が、前記支持部材に配設された磁石と、固定側に配設されたコイルを含むようにしたものである。
【００２５】
又、前記コイルを、揺動中心を中心とする同心円状に配設すると共に、前記磁石により発生する磁界が、前記揺動中心より放射状に形成されるようにしたものである。
【００２６】
又、前記磁石により発生する磁界が、コイルの駆動範囲内で一様に形成されるようにしたものである。
【００２７】
又、前記トルク発生部を冷却するための冷却機構を設けたものである。
【００２８】
又、前記トルク発生部のコイルに流体を吹き付けて冷却するようにしたものである。
【００２９】
又、前記磁界を形成する磁石のヨークをコイルを取囲むように構成し、前記流体の通り道となって、コイルが効率良く冷却されるようにしたものである。
【００３０】
又、前記可動ミラーの回動位置を検出するセンサを設けたものである。
【００３１】
又、前記センサを、前記支持部材の回動位置を検出するロータリエンコーダ又は角度センサとしたものである。
【００３２】
あるいは、前記センサを、前記可動ミラーの端面に配設したスケールの移動を検出するリニヤエンコーダとしたものである。
【００３３】
又、前記センサを、前記可動ミラーの裏面にレーザ光を照射する測定用レーザと、該レーザ光の反射光位置を検出する受光素子とを含むものとしたものである。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３５】
本発明の第１実施形態は、図３（正面から見た縦断面図）及び図４（図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う横断面図）に示す如く、ビームを反射して走査するための反射面５１を有する可動ミラー（以下、単にミラーと称する）５０と、該ミラー５０の両端（図３の左右端）に一端（図では上端）が固定された、後出軸受７０、７１により規定される揺動中心Ｃと直交する方向に長い第１及び第２の支持部材５２、５４と、該支持部材５２、５４の他端（図では下端）近傍に配設されたトルク発生部６０と、前記支持部材５２、５４を揺動自在に支持する第１及び第２の軸受７０、７２と、前記支持部材５２の回動を検出する角度センサ４２とを備えている。
【００３６】
前記トルク発生部６０は、前記第１及び第２の支持部材５２、５４の下端に固定されたベーストラック状のコイル６２と、固定側に配設された永久磁石６４及びヨーク６６を備えている。
【００３７】
本実施形態では、回転軸が廃止されており、ミラー５０とコイル６２は、２つの支持部材５２、５４によって連結されている。２つの支持部材５２、５４は、それぞれ軸受７０、７２によって支持され、軸受周りに回転自由度を持つ。支持部材５２、５４を支持する箇所（揺動中心Ｃ）は、ミラー５０、コイル６２、２つの支持部材５２、５４からなる可動部の重心付近とする。
【００３８】
前記支持部材５２、５４は、剛性が高く、密度が低い材料、例えばアルミニウムを用いることが望ましいが、一方、コイル６２の発熱がミラー５０に伝わって変形するのを防止するため、熱伝導率が低いステンレスやセラミックのような材料で構成することも望ましい。
【００３９】
前記コイル６２の周囲には、永久磁石６４とヨーク６６により磁界が構成されており、例えば、支持部材内を通したリード線（図示省略）を介してコイル６２に電流を流すことにより、推力が発生する。本実施形態では、図５に示すように、ベーストラック状に構成したコイル６２に対して、向かって右側に上向きの磁場、向かって左側に下向きの磁場が発生するように、ヨーク６６と永久磁石６４を配置しており、コイル６２に電流を印加すると、同じ方向に推力（電流が図に示した方向の場合は、右向きの力）を発生する。ここで、例えば永久磁石６４の強さを場所で変えることにより、磁界の強さをコイル６２の駆動範囲内で一様とすることができる。
【００４０】
前記コイル６２の内側を中空にすることにより慣性モーメントを小さくできるが、剛性を高めるためにモールド材を充填したり、アルミニウム等の、軽量で非磁性且つ剛性の比較的高い金属板を挿入することも可能である。
【００４１】
前記ミラー５０の角度の計測は、従来のガルバノスキャナで行なわれていたように、回転式のロータリエンコーダや静電容量式の角度センサ４２を支持部材５２等に取り付けて行なうことができる。
【００４２】
本実施形態によれば、コイル６２に電流を流すことにより推力が発生する。推力の向きと大きさは、電流の向きと大きさによって制御できる。これに対して、ミラー５０とコイル６２は支持部材５２、５４により連結されており、回転自由度を持つ軸受７０、７２により支持されているので、コイル６２で発生した推力は回転トルクとなり、可動部が回転してミラー５０の角度が変わる。このため、レーザ等のビームをミラー５０の反射面５１で反射させることにより、その方向を制御することが可能である。
【００４３】
又、可動部の回転角度の計測を、回転式のエンコーダや静電容量式の角度センサ４２によって行なうことにより、ミラーの角度、即ちビームの反射方向を任意に位置決めすることができる。
【００４４】
本発明は、第１実施形態のように、コイル６２を可動部に取り付けるムービングコイル方式が、慣性モーメントが小さく望ましいが、図４に対応する横断面を図６に示す第２実施形態のように、永久磁石６４及びヨーク６６を支持部材５２、５４に取り付けて駆動する、ムービングマグネット方式でも実現可能である。
【００４５】
この第２実施形態においても、コイル６２に電流を流すと、永久磁石６４とヨーク６６によって構成された磁気回路に推力が発生して、回転トルクとなる。
【００４６】
このムービングマグネット方式の第２実施形態の場合には、コイル６２への配線が容易である。
【００４７】
本発明では、力を伝達するための回転軸は必要ないが、図７に示す第３実施形態のように、駆動部分の慣性モーメントに大きな影響を与えない程度で支持部材５２、５４を連結する回転軸８０を設けることで、製造を容易とし、組付精度を向上させることも可能である。
【００４８】
本発明によるガルバノスキャナの第４実施形態の正面から見た縦断面を図８に示す。本実施形態では、冷却用流体、例えば気体をコイル６２に吹き付けるノズル８２が取り付けられている。図に示したように、ヨーク６６の内部を気体が通過するように構成することが望ましい。
【００４９】
本発明によるガルバノスキャナの第５実施形態を図９（正面から見た縦断面図）、図１０（図９のＸ−Ｘ線に沿う横断面図）に示す。本実施形態では、ミラー５０とコイル６２を連結する支持部材５６を中央に一つ配置し、ミラー５０の両端（図９の左右端）を２つの軸受７０、７２で支持している。
【００５０】
本発明によるガルバノスキャナの第６実施形態を図１１（正面から見た縦断面図）及び図１２（図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う横断面図）に示す。本実施形態では、ミラー５０とコイル６２を連結する支持部材５６を中央に一つ配置し、該支持部材５６を一つの軸受７６で回転自在に支持している。本実施形態は、構成部品数が少なくて済む。
【００５１】
本発明によるガルバノスキャナの第７実施形態の横断面を図１３に示す。本実施形態では、軸受７０、７２を固定する場所（揺動中心Ｃ）をミラー５０の反射面５１としている。
【００５２】
本実施形態によれば、ビームの中心をミラー５０の回動中心に合わせることによって、ビームの反射方向を、回動中心から放射状に位置決めすることが可能になる。これにより、その他の光学系の設計が容易になる。
【００５３】
本発明によるガルバノスキャナの第８実施形態の横断面を図１４に示す。本実施形態では、コイル６３及び永久磁石６５を揺動中心Ｃに対して同心円状に形成すると共に、磁界が揺動中心Ｃより放射状に形成されるように永久磁石６５を配置している。
【００５４】
本実施形態によれば、磁場が揺動中心Ｃから放射状に一様に形成されるため、トルクは常に回動方向に向かって発生し、且つ回動角度によらず一定となる。
【００５５】
本発明によるガルバノスキャナの第９実施形態の横断面を図１５に示す。本実施形態では、支持部材５８のミラー５０とコイル６２を固定する近傍の幅を扇状に広げている。
【００５６】
本実施形態によれば、慣性モーメントに対して剛性が高くなるため、更に高速な駆動を実現し易くなる。
【００５７】
なお、前記実施形態においては、いずれも、角度センサ４２を用いてミラー５０の角度を検出していたが、ミラー５０の角度を検出する方法は、これに限定されない。
【００５８】
例えば、図１６（全体の横断面図）及び図１７（ミラー端面の正面図）に示す第１０実施形態の如く、ミラー５０の端面にスケール８４を設け、外部に固定されたエンコーダヘッド８６で、ミラー５０の回動によるスケール８４の移動量を計測することができる。
【００５９】
前記スケール８４とエンコーダヘッド８６間の距離一定にして、高精度の角度測定を可能にするため、スケール８４の表面は、揺動中心Ｃに対して同心円状であることが望ましい。これは、例えば、ミラー端面５０Ｅを揺動中心Ｃに対して同心円状に加工した後、シール式のスケール８４を貼り付けることで実現できる。
【００６０】
本実施形態によれば、ミラー５０の回転角度を直接計測することができる。従って、ミラー５０の位置決め精度が向上し、結果としてビームの位置決め精度が向上する。
【００６１】
あるいは、図１８（全体の横断面図）及び図１９（受光部の正面図）に示す第１１実施形態のように、ミラー５０の裏面の一部を鏡面とし、外部に固定された測定用レーザ８８からのビーム８９の反射光を、外部に固定された受光部９０で読み取るようにして、角度を計測することもできる。
【００６２】
前記受光部９０には、図１９に示す如く、第１及び第２の２つの受光素子９１、９２が設けられている。
【００６３】
前記受光素子９１、９２は、受光した強度に応じて出力電圧が変化し、照射されている光の強さを電圧として出力する。即ち、測定用レーザ８８のミラー裏面による反射光は、図１９に示す如く、２つの受光素子９１、９２に跨って照射されており、ミラー５０の角度によって変化する反射光照射点Ｂの位置に応じて、それぞれの出力電圧が決まる。従って、予め２つの受光素子９１、９２の出力と、ミラー角度の関係を表又は関数で保有しておくことにより、ミラー５０の角度を任意に位置決めすることができる。又、２つの受光素子９１、９２の出力と、主ビームの方向や最終的に照射する加工位置等との関係を表又は関数で保有しておくことにより、主ビームの方向や最終的に照射する加工位置を直接位置決めすることもできる。
【００６４】
本実施形態によれば、ミラーの位置決め精度が向上して、結果としてビームの位置決め精度が向上する。又、主ビームの方向や最終的に照射する加工位置の精度を直接向上することもできる。
【００６５】
なお、前記実施形態においては、本発明がレーザ穴開け機に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、レーザマーキング装置等に用いるビームスキャナ一般に同様に適用できることは明らかである。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、発生したトルクを回転軸を介してミラーに伝達する必要がないので、回転軸の捩れ変形による共振が発生しない。又、慣性モーメントの小さい構成が可能である。このため、高速化を実現し易い。更に、回転軸の捩れ変形によってミラーと角度センサの回転角度に相違が生じることもなく、位置決め精度が向上する。
【００６７】
又、本発明によれば、コイルが発熱した場合も、コイルが開放されているため放熱し易く、気体冷却も容易である。このため、コイルの発熱による破損を防ぐことができる。更に、コイルの発熱は、支持部材を通してのみ他の部品に伝達するので、他の部品が温度上昇し難い。これらの発熱に対する効果により、コイルが発熱した場合にも、ミラーを初めとする部品の変形やセンサドリフトが起き難く、精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用対象であるレーザ加工装置の要部構成を示す正面図
【図２】レーザ加工装置で一般的に用いられている従来のガルバノスキャナの構成例を示す断面図
【図３】本発明に係るビームスキャナの第１実施形態の構成を示す、正面から見た縦断面図
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う横断面図
【図５】第１実施形態の推力発生方法を説明するための斜視図
【図６】本発明の第２実施形態の構成を示す横断面図
【図７】本発明の第３実施形態の構成を示す、正面から見た縦断面図
【図８】本発明の第４実施形態の構成を示す、正面から見た縦断面図
【図９】本発明の第５実施形態の構成を示す、正面から見た縦断面図
【図１０】図９のＸ−Ｘ線に沿う横断面図
【図１１】本発明の第６実施形態の構成を示す、正面から見た縦断面図
【図１２】図１１のＸＩ−ＸＩ線に沿う横断面図
【図１３】本発明の第７実施形態の構成を示す横断面図
【図１４】本発明の第８実施形態の構成を示す横断面図
【図１５】本発明の第９実施形態の構成を示す横断面図
【図１６】本発明の第１０実施形態の構成を示す横断面図
【図１７】図１６の矢視ＸＶＩＩ方向から見た、ミラー端面の正面図
【図１８】本発明の第１１実施形態の構成を示す横断面図
【図１９】図１８の矢視ＸＩＸ方向から見た、受光部の正面図
【符号の説明】
５０…回動ミラー
５１…反射面
５２、５４、５６、５８…支持部材
６０…トルク発生部
６２、６３…コイル
６４、６５…永久磁石
６６…ヨーク
７０、７２、７４、７６…軸受
８２…ノズル
８４…スケール
８６…エンコーダヘッド
８８…測定用レーザ
８９…ビーム
９０…受光部
９１、９２…受光素子

Claims (20)

1. ビームを反射して走査するための可動ミラーを有するビームスキャナにおいて、
   前記可動ミラーに一端が固定された支持部材と、
   該支持部材の他端近傍に配設されたトルク発生部と、
   前記支持部材又は可動ミラーを揺動自在に支持する軸受と、
   を備えたことを特徴とするビームスキャナ。
2. 前記支持部材が、揺動中心と直交する方向に長いことを特徴とする請求項１に記載のビームスキャナ。
3. 前記支持部材が、前記可動ミラーとトルク発生部の両端に、それぞれ設けられ、それぞれ軸受によって支持されていることを特徴とする請求項２に記載のビームスキャナ。
4. 前記支持部材が、前記可動ミラーとトルク発生部の中央部に１つ設けられ、軸受によって支持されていることを特徴とする請求項２に記載のビームスキャナ。
5. 前記可動ミラーの両端が軸受によって支持され、該可動ミラーの中央に前記支持部材の一端が固定されていることを特徴とする請求項２に記載のビームスキャナ。
6. 前記支持部材の揺動中心が、前記可動ミラーとトルク発生部を含む可動部の重心にあることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のビームスキャナ。
7. 前記支持部材の揺動中心が、前記可動ミラーの反射面にあることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のビームスキャナ。
8. 前記支持部材の幅が、その揺動中心から可動ミラーやトルク発生部に向けて扇状に広がるようにされていることを特徴とする請求項６又は７に記載のビームスキャナ。
9. 前記トルク発生部が、前記支持部材に配設されたコイルと、固定側に配設された磁石を含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のビームスキャナ。
10. 前記コイルと可動ミラーを連結する支持部材の熱伝導性が低いことを特徴とする請求項９に記載のビームスキャナ。
11. 前記トルク発生部が、前記支持部材に配設された磁石と、固定側に配設されたコイルを含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のビームスキャナ。
12. 前記コイルが、揺動中心を中心とする同心円状に配設され、前記磁石により発生する磁界が、前記揺動中心より放射状に形成されていることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載のビームスキャナ。
13. 前記磁石により発生する磁界が、コイルの駆動範囲内で一様に形成されていることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載のビームスキャナ。
14. 前記トルク発生部を冷却するための冷却機構が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載のビームスキャナ。
15. 前記トルク発生部のコイルに流体を吹き付けて冷却することを特徴とする請求項１４に記載のビームスキャナ。
16. 前記磁界を形成する磁石のヨークがコイルを取囲むように構成され、前記流体の通り道となって、コイルが効率良く冷却されることを特徴とする請求項１５に記載のビームスキャナ。
17. 前記可動ミラーの回動位置を検出するセンサが設けられていることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載のビームスキャナ。
18. 前記センサが、前記支持部材の回動位置を検出するロータリエンコーダ又は角度センサであることを特徴とする請求項１７に記載のビームスキャナ。
19. 前記センサが、前記可動ミラーの端面に配設したスケールの移動を検出するリニヤエンコーダであることを特徴とする請求項１７に記載のビームスキャナ。
20. 前記センサが、前記可動ミラーの裏面にレーザ光を照射する測定用レーザと、該レーザ光の反射光位置を検出する受光素子とを含むことを特徴とする請求項１７に記載のビームスキャナ。

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