JP2004029109A - スキャナ装置およびスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ミラーの位置決め時間を短縮するとともに、レーザ光の位置決め精度を向上させることができるスキャナ装置およびスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法を提供すること。
【解決手段】レーザスキャナ1の回転軸4の一方にはミラー2が、他方にはレーザエンコーダのガラス円盤9が固定されている。例えば、回転軸4回りのねじり振動1次モードの共振点よりも少し高い周波数の反共振点がある場合、1次モードのねじれの節がガラス円盤9付近に位置し、ねじれの節を挟んで角度センサ側と可動コイル側が互いに逆相にねじり振動する。そこで、このような場合は、ミラー2の近傍に慣性負荷13を固定することによりねじれの節をガラス円盤9から遠ざけ、可動コイル7の内側、特に可動コイル7の中央付近に移動させる。
【選択図】 図1
【解決手段】レーザスキャナ1の回転軸4の一方にはミラー2が、他方にはレーザエンコーダのガラス円盤9が固定されている。例えば、回転軸4回りのねじり振動1次モードの共振点よりも少し高い周波数の反共振点がある場合、1次モードのねじれの節がガラス円盤9付近に位置し、ねじれの節を挟んで角度センサ側と可動コイル側が互いに逆相にねじり振動する。そこで、このような場合は、ミラー2の近傍に慣性負荷13を固定することによりねじれの節をガラス円盤9から遠ざけ、可動コイル7の内側、特に可動コイル7の中央付近に移動させる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸に支持されたミラーを前記回転軸の回りに位置決めし、前記ミラーで反射した光を所望の位置に照射するスキャナ装置およびスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザマーキングや電子回路基板のレーザ穴明け加工などにおいて使用されるスキャナ装置は、回転軸に取り付けたミラーをモータで回転させて所望の角度に位置決めすることにより、レーザ発振器から出力されるレーザ光を被加工物の所望の位置に照射する。
【0003】
スキャナ装置には、ミラーの角度を制御するための角度センサが内蔵されており、角度センサで検出された角度信号を用いてフィードバック制御(サーボ制御)が行われる。このような角度センサとして、米国特許第4864295号(以下、第1の従来技術という。)には、回転軸に取り付けた誘電体の平板を二枚一組の固定極板の間で回転させ、回転軸の角度を極板間の静電容量の変化として検出する可変容量式センサの技術が開示されている。
【0004】
また、特開2000−117475号公報(以下、第2の従来技術という。)には、ミラーの目標角度と角度センサで検出した角度との差に基づいてサーボ制御を行う方法として、ミラーの動作波形が目標角度に対してオーバーシュートするように制御ゲインを調整し、オーバーシュート時にレーザを照射することにより、位置決め時間を短縮する技術が開示されている。
【0005】
さらに、特開2000−117476号公報(以下、第3の従来技術という。)には、上位コントローラがフィードバック制御系に移動指令を与えてからレーザが照射されるまでの設定待ち時間を、ミラーの移動角度が小さいほど短くなるように設定することにより、被加工物一枚あたりの加工タクトを短縮する技術が開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
電子回路基板にレーザ穴明けを行う場合、微細な回路パターン上に穴を加工をするため、レーザ照射の位置決め誤差を約10μm以下にする必要がある。
【0007】
また、加工能率を向上させるため、一つの穴を加工してから次の穴加工位置までの移動時間の短縮が求められており、例えば毎秒1000個の穴を加工するには、穴間移動時間を平均1ms未満にする必要がある。
【0008】
ところで、レーザ光にはエネルギ分布があり、面積的な広がりを持ってミラーに入射する。このため、高品質な穴加工を行うには、口径の大きなミラーを用いてレーザのエネルギ利用効率を高めることが望ましい。しかし、ミラーが大型化すると、スキャナの慣性負荷が増大し、スキャナ可動部(主に回転軸)のねじり振動の固有振動数が低下する。位置決め動作を高速化するには、サーボ帯域を広くすることが望ましいが、固有振動数の低下はサーボ帯域を制限する要因となる。しかし、前記の第1ないし第3の従来技術では、可動部のねじり振動がミラーの位置決め動作の応答性に与える影響や、位置決め精度に与える影響について考慮されていない。
【0009】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、ミラーの位置決め時間を短縮するとともに、レーザ光の位置決め精度を向上させることができるスキャナ装置およびスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
また、本発明の第1の手段は、回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置において、前記ミラーまたは/および前記角度検出手段の前記回転子に対する位置を変更可能に構成し、前記軸のねじり振動の節が、前記軸の前記一対の軸受間に位置するように、前記ミラーまたは/および前記角度検出手段を配置することを特徴とする。
【0011】
また、本発明の第2の手段は、回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置において、前記軸のねじり振動を低減するための慣性負荷を設け、この慣性負荷を前記軸受の外側に配置して、前記軸のねじり振動の節を前記軸の前記一対の軸受間に位置させる。
【0012】
上記の目的を達成するために、本発明の第3の手段は、回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法において、前記軸のねじり振動の節が、前記軸の前記一対の軸受間に位置するように、前記ミラーまたは/および前記角度検出手段を配置する。
【0013】
また、本発明の第4の手段は、回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法において、前記軸の前記軸受の外側に慣性負荷を配置し、前記軸のねじり振動の節を、前記軸の前記一対の軸受間に位置させる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【0015】
図1は本発明に係るスキャナ装置の制御ブロック線図、図2はミラー近傍の斜視図、図3は角度検出手段近傍の斜視図である。
【0016】
スキャナ装置1の可動コイル7は、方形に形成され、一方の相対する2辺が回転軸4の回転の軸線と平行になるようにして、他方の相対する2辺の中央部が回転軸4に保持されている。可動コイル7は、回転軸4の軸線と平行に配置された一対の永久磁石8によって形成される磁力線の方向が回転軸4の軸線に直交する方向の磁界中に配置されている。軸受5と軸受6は、可動コイル7の両側で、回転軸4を回転自在に支持している。
【0017】
ミラーマウンタ3は、図2に示すように、直方体部と円筒部とから構成されている。そして、円筒部の中心部に形成された穴3aが回転軸4に嵌合し、ねじ12により回転軸4に固定されている。ミラー2は、ミラーマウンタ3の直方体部の側面に形成された溝3bに嵌合し、ミラーマウンタ3に接着されている。
【0018】
円筒形のハブ10は、図3に示すように、中心部に形成された穴10aが回転軸4に嵌合し、図示を省略するねじにより回転軸4に固定されている。センサヘッド11と組み合わされることによりロータリ型のレーザエンコーダを構成するガラス円盤9は、ハブ10の側面に接着されている。
【0019】
センサヘッド11は、ガラス円盤9表面の回折格子と対向するようにして、ケース1aに固定されている。
【0020】
センサヘッド11は、位相弁別回路30およびアップダウンカウンタ33を介してバス21に接続されている。バス21には、マイクロプロセッサ20とランダムアクセスメモリ23の入力端および出力端、リードオンリメモリ22の出力端およびDA変換器40の入力端等が接続されている。したがって、マイクロプロセッサ20はバス21を介してリードオンリメモリ22およびランダムアクセスメモリ23にアクセスすることができる。DA変換器40の出力端はサーボアンプ42を介して可動コイル7に接続されている。
【0021】
以上の構成において、可動コイル7に駆動電流44を供給すると、可動コイル7の磁力線と直交する(回転軸4の軸線と平行な)コイル導線がローレンツ力を受ける結果、回転軸4に駆動トルクが作用して、回転軸4は回転する。
【0022】
回転軸4の回転に伴ってガラス円盤9が回転するので、センサヘッド11からは矩形波のA相信号31と、A相信号31と位相差が90度の矩形波のB相信号32が出力される。
【0023】
A相信号31とB相信号32を受信した位相弁別回路30は、A相信号31がB相信号32よりも先行している場合にはガラス円盤9の回転方向が正方向であると判断してアップパルス信号34を出力し、B相信号32がA相信号31よりも先行している場合には回転方向が負方向であると判断してダウンパルス信号35を出力する。
【0024】
アップダウンカウンタ33は、アップパルス信号34とダウンパルス信号35をカウントし、回転角に比例したディジタル角度検出信号36を出力する。
【0025】
マイクロプロセッサ20は、一定サンプリング周期毎にディジタル角度検出信号36を読み出し、リードオンリメモリ22やランダムアクセスメモリ23に記憶されているデータに基づいてディジタルサーボ処理を行い、演算により得られた結果をディジタル制御入力41としてDA変換器40に出力する。そして、DA変換器40の出力は電流指令値43としてサーボアンプ42に入力され、サーボアンプ42により電流指令値43に略比例した駆動電流44が可動コイル7に供給される。以下、ミラー2の角度が予め指定された角度に一致するまで、上記の動作を繰り返す。
【0026】
ここで、マイクロプロセッサ20からみた制御対象は、ディジタル制御入力41を入力としレーザスキャナ1を経由してディジタル角度検出信号36を出力とするサブシステムである。
【0027】
そして、この制御対象の入出力間の周波数応答特性は、レーザスキャナ1に取り付けるミラー2の慣性モーメントによって異なる。
【0028】
次に、ミラーのねじり振動防止方法について説明する。
【0029】
(第1の例)
図4は、マイクロプロセッサ20からみた制御対象の周波数応答特性をサーボアナライザで測定した結果の一例を示すボード線図であり、横軸は周波数、縦軸はゲインである。
【0030】
図示の場合、固有振動の1次モードと2次モードに対応する2つの共振点と1次モードの共振点より少し高い周波数の反共振点がある。このように、1次共振点より高い側に反共振点がある場合、1次モードのねじれの節がガラス円盤9付近に位置し、この節を挟んで角度センサ側と可動コイル側が互いに逆相にねじり振動する。したがって、ミラー2が可動コイル7と同相で振動すると、ミラーの実際の角度と角度センサから出力される角度との間にずれが発生して、位置決め精度が低下する。また、1次モードの共振は、サーボ系の帯域周波数すなわち位置決め応答性を制限する要因となる。
【0031】
このような場合には、ミラー2付近の慣性モーメントを増すことにより、ねじれの節をガラス円盤9から遠ざけ、可動コイル7の内側、特に可動コイル7の中央付近に移動させることが有効である。そして、このようにすると、ねじれの節の位置に駆動トルクが作用するので、1次モードの共振の励起を抑制できる。
【0032】
図5は、ミラー2付近の慣性モーメントを増すための一例を示す図である。
【0033】
慣性負荷13は、中心部にミラーマウンタ3に嵌合する穴13aを備え、一方の端部にはミラーマウンタ3の外周に嵌合する溝13bが形成されている。そして、溝13bをミラーマウンタ3に係合させた状態で、ねじ14によりミラーマウンタ3に固定する。
【0034】
図6は、慣性負荷13の質量を適切に選定した場合の制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【0035】
図示の場合、慣性負荷13により、1次共振点が反共振点に相殺されている。この結果、共振周波数によるサーボ帯域の制約が緩和されると共に、共振による位相遅れも無くなり、ディジタルサーボ系を安定に広帯域化することができる。
【0036】
この実施形態では、溝13bを設けたので、慣性負荷13がミラーマウンタ3に対して回転せず、位置決め精度を向上させることができる。
【0037】
なお、ミラー2を交換する場合には、交換するミラー2の慣性モーメントに合わせて慣性負荷13の質量を調整すれば良い。
【0038】
(第2の例)
図7は、マイクロプロセッサ20からみた制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図であり、横軸は周波数、縦軸はゲインである。
【0039】
図示の場合、固有振動の1次モードと2次モードに対応する2つの共振点と1次モードの共振点より少し低い周波数の反共振点がある。このように、1次共振点より低い側に反共振点がある場合、1次モードのねじれの節がミラー2付近に位置し、角度センサと可動コイルは互いに同相で振動する。したがって、ミラー2が可動コイル7と逆相で振動すると、ミラーの実際の角度と角度センサから出力される角度との間にずれが発生して位置決め精度が低下する。また、1次モードの共振は、サーボ系の帯域周波数すなわち位置決め応答性を制限する要因となる。
【0040】
このような場合には、ガラス円盤9付近の慣性モーメントを増すことにより、ねじれの節をミラー2から遠ざけ、可動コイル7の内側、特に可動コイル7の中央付近に移動させることが有効である。このようにすると、ねじれの節の位置に駆動トルクが作用するので、1次モードの共振の励起を抑制できる。
【0041】
図8は、ガラス円盤9付近の慣性モーメントを増すための一例を示す図である。 慣性負荷15は、中心部にハブ10に嵌合する穴15aを備えており、ねじ16によりハブ10に固定されている。
【0042】
図9は、慣性負荷15の質量を適切に選定した場合の制御対象の周波数応答特性例を示す図である。
【0043】
図示の場合、慣性負荷15により、1次共振点が反共振点に相殺されている。この結果、共振周波数によるサーボ帯域の制約が緩和されると共に、共振による位相遅れも無くなり、ディジタルサーボ系を安定に広帯域化することができる。
【0044】
ところで、慣性負荷15は以下に示すような構造にすることもできる。
【0045】
図10は、慣性負荷15の変形例を示す図であり、(a)の場合は、慣性負荷15の周囲に慣性調整ねじ51,52,53,54を90°間隔で放射状に取り付けるようにしたものである。このように構成すると、この4本のネジの長さを変えることにより、慣性負荷の大きさを連続的に調整できる。また、各ねじに錘を付加し、その錘の回転軸回りの半径(すなわち回転軸4の軸心からの距離)を調整することによって、慣性負荷の大きさを連続的に調整することもできる。
【0046】
また、(b)の場合は、ガラス円盤9を挾み、慣性負荷15をハブ10の反対側に配置して、ねじ61,62,63,64によりハブ10に固定するようにしたものである。このように構成すると、ガラス円盤9を回転軸4から取り外さずに、慣性負荷15を交換できるので、慣性負荷15の質量の調整が容易になる。
【0047】
なお、これらの構成は、ミラーマウンタ3に対しても適用することができる。
【0048】
ところで、上記では、いずれも慣性負荷を用いることによりねじれの節の位置を変えるようにしたが、慣性負荷を用いることなくねじれの節の位置を変えることもできる。
【0049】
図11は、本発明の他の実施形態を示す図であり、図1と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。
【0050】
この実施形態は、ガラス円盤9を軸方向に移動できるように構成したものであり、回転軸4の軸受6から突出する部分の長さが図1に示した場合よりも長くしてある。
【0051】
このようにすると、ガラス円盤9をある位置で固定した時の制御対象の周波数応答特性が図4のようであった場合、ガラス円盤9をミラー2に近づけて固定することにより、ねじれの節を可動コイル7の中心側に移動させることができる。
【0052】
また、制御対象の周波数応答特性が図7のようであった場合、ガラス円盤9をミラー2から遠ざけて固定することにより、ねじれの節を可動コイル7の中心側に移動させることができる。
【0053】
なお、ミラーマウンタ3の円筒部を長くしておき、ミラー2の取り付け位置を回転軸4の軸線方向に変えることができるようにしても、上記の場合と同様に、ねじれの節の位置を調整することができる。
【0054】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、慣性負荷を用いて回転軸のねじり振動を抑制するようにしたので、サーボ帯域が拡大し、高速かつ高精度にミラーを位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るスキャナ装置の制御ブロック線図である。
【図2】本発明に係るスキャナ装置のミラー近傍の斜視図である。
【図3】本発明に係るスキャナ装置の角度検出手段近傍の斜視図である。
【図4】マイクロプロセッサからみた制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【図5】ミラー付近の慣性モーメントを増すための一例を示す図である。
【図6】慣性負荷の質量を適切に選定した場合の制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【図7】マイクロプロセッサからみた制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【図8】ガラス円盤付近の慣性モーメントを増すための一例を示す図である。
【図9】慣性負荷の質量を適切に選定した場合の制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【図10】本発明に係る慣性負荷の変形例を示す図である。
【図11】本発明の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
1 レーザスキャナ
2 ミラー
4 回転軸
7 可動コイル
9 ガラス円盤
13 慣性負荷
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸に支持されたミラーを前記回転軸の回りに位置決めし、前記ミラーで反射した光を所望の位置に照射するスキャナ装置およびスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザマーキングや電子回路基板のレーザ穴明け加工などにおいて使用されるスキャナ装置は、回転軸に取り付けたミラーをモータで回転させて所望の角度に位置決めすることにより、レーザ発振器から出力されるレーザ光を被加工物の所望の位置に照射する。
【0003】
スキャナ装置には、ミラーの角度を制御するための角度センサが内蔵されており、角度センサで検出された角度信号を用いてフィードバック制御(サーボ制御)が行われる。このような角度センサとして、米国特許第4864295号(以下、第1の従来技術という。)には、回転軸に取り付けた誘電体の平板を二枚一組の固定極板の間で回転させ、回転軸の角度を極板間の静電容量の変化として検出する可変容量式センサの技術が開示されている。
【0004】
また、特開2000−117475号公報(以下、第2の従来技術という。)には、ミラーの目標角度と角度センサで検出した角度との差に基づいてサーボ制御を行う方法として、ミラーの動作波形が目標角度に対してオーバーシュートするように制御ゲインを調整し、オーバーシュート時にレーザを照射することにより、位置決め時間を短縮する技術が開示されている。
【0005】
さらに、特開2000−117476号公報(以下、第3の従来技術という。)には、上位コントローラがフィードバック制御系に移動指令を与えてからレーザが照射されるまでの設定待ち時間を、ミラーの移動角度が小さいほど短くなるように設定することにより、被加工物一枚あたりの加工タクトを短縮する技術が開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
電子回路基板にレーザ穴明けを行う場合、微細な回路パターン上に穴を加工をするため、レーザ照射の位置決め誤差を約10μm以下にする必要がある。
【0007】
また、加工能率を向上させるため、一つの穴を加工してから次の穴加工位置までの移動時間の短縮が求められており、例えば毎秒1000個の穴を加工するには、穴間移動時間を平均1ms未満にする必要がある。
【0008】
ところで、レーザ光にはエネルギ分布があり、面積的な広がりを持ってミラーに入射する。このため、高品質な穴加工を行うには、口径の大きなミラーを用いてレーザのエネルギ利用効率を高めることが望ましい。しかし、ミラーが大型化すると、スキャナの慣性負荷が増大し、スキャナ可動部(主に回転軸)のねじり振動の固有振動数が低下する。位置決め動作を高速化するには、サーボ帯域を広くすることが望ましいが、固有振動数の低下はサーボ帯域を制限する要因となる。しかし、前記の第1ないし第3の従来技術では、可動部のねじり振動がミラーの位置決め動作の応答性に与える影響や、位置決め精度に与える影響について考慮されていない。
【0009】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、ミラーの位置決め時間を短縮するとともに、レーザ光の位置決め精度を向上させることができるスキャナ装置およびスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
また、本発明の第1の手段は、回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置において、前記ミラーまたは/および前記角度検出手段の前記回転子に対する位置を変更可能に構成し、前記軸のねじり振動の節が、前記軸の前記一対の軸受間に位置するように、前記ミラーまたは/および前記角度検出手段を配置することを特徴とする。
【0011】
また、本発明の第2の手段は、回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置において、前記軸のねじり振動を低減するための慣性負荷を設け、この慣性負荷を前記軸受の外側に配置して、前記軸のねじり振動の節を前記軸の前記一対の軸受間に位置させる。
【0012】
上記の目的を達成するために、本発明の第3の手段は、回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法において、前記軸のねじり振動の節が、前記軸の前記一対の軸受間に位置するように、前記ミラーまたは/および前記角度検出手段を配置する。
【0013】
また、本発明の第4の手段は、回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法において、前記軸の前記軸受の外側に慣性負荷を配置し、前記軸のねじり振動の節を、前記軸の前記一対の軸受間に位置させる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【0015】
図1は本発明に係るスキャナ装置の制御ブロック線図、図2はミラー近傍の斜視図、図3は角度検出手段近傍の斜視図である。
【0016】
スキャナ装置1の可動コイル7は、方形に形成され、一方の相対する2辺が回転軸4の回転の軸線と平行になるようにして、他方の相対する2辺の中央部が回転軸4に保持されている。可動コイル7は、回転軸4の軸線と平行に配置された一対の永久磁石8によって形成される磁力線の方向が回転軸4の軸線に直交する方向の磁界中に配置されている。軸受5と軸受6は、可動コイル7の両側で、回転軸4を回転自在に支持している。
【0017】
ミラーマウンタ3は、図2に示すように、直方体部と円筒部とから構成されている。そして、円筒部の中心部に形成された穴3aが回転軸4に嵌合し、ねじ12により回転軸4に固定されている。ミラー2は、ミラーマウンタ3の直方体部の側面に形成された溝3bに嵌合し、ミラーマウンタ3に接着されている。
【0018】
円筒形のハブ10は、図3に示すように、中心部に形成された穴10aが回転軸4に嵌合し、図示を省略するねじにより回転軸4に固定されている。センサヘッド11と組み合わされることによりロータリ型のレーザエンコーダを構成するガラス円盤9は、ハブ10の側面に接着されている。
【0019】
センサヘッド11は、ガラス円盤9表面の回折格子と対向するようにして、ケース1aに固定されている。
【0020】
センサヘッド11は、位相弁別回路30およびアップダウンカウンタ33を介してバス21に接続されている。バス21には、マイクロプロセッサ20とランダムアクセスメモリ23の入力端および出力端、リードオンリメモリ22の出力端およびDA変換器40の入力端等が接続されている。したがって、マイクロプロセッサ20はバス21を介してリードオンリメモリ22およびランダムアクセスメモリ23にアクセスすることができる。DA変換器40の出力端はサーボアンプ42を介して可動コイル7に接続されている。
【0021】
以上の構成において、可動コイル7に駆動電流44を供給すると、可動コイル7の磁力線と直交する(回転軸4の軸線と平行な)コイル導線がローレンツ力を受ける結果、回転軸4に駆動トルクが作用して、回転軸4は回転する。
【0022】
回転軸4の回転に伴ってガラス円盤9が回転するので、センサヘッド11からは矩形波のA相信号31と、A相信号31と位相差が90度の矩形波のB相信号32が出力される。
【0023】
A相信号31とB相信号32を受信した位相弁別回路30は、A相信号31がB相信号32よりも先行している場合にはガラス円盤9の回転方向が正方向であると判断してアップパルス信号34を出力し、B相信号32がA相信号31よりも先行している場合には回転方向が負方向であると判断してダウンパルス信号35を出力する。
【0024】
アップダウンカウンタ33は、アップパルス信号34とダウンパルス信号35をカウントし、回転角に比例したディジタル角度検出信号36を出力する。
【0025】
マイクロプロセッサ20は、一定サンプリング周期毎にディジタル角度検出信号36を読み出し、リードオンリメモリ22やランダムアクセスメモリ23に記憶されているデータに基づいてディジタルサーボ処理を行い、演算により得られた結果をディジタル制御入力41としてDA変換器40に出力する。そして、DA変換器40の出力は電流指令値43としてサーボアンプ42に入力され、サーボアンプ42により電流指令値43に略比例した駆動電流44が可動コイル7に供給される。以下、ミラー2の角度が予め指定された角度に一致するまで、上記の動作を繰り返す。
【0026】
ここで、マイクロプロセッサ20からみた制御対象は、ディジタル制御入力41を入力としレーザスキャナ1を経由してディジタル角度検出信号36を出力とするサブシステムである。
【0027】
そして、この制御対象の入出力間の周波数応答特性は、レーザスキャナ1に取り付けるミラー2の慣性モーメントによって異なる。
【0028】
次に、ミラーのねじり振動防止方法について説明する。
【0029】
(第1の例)
図4は、マイクロプロセッサ20からみた制御対象の周波数応答特性をサーボアナライザで測定した結果の一例を示すボード線図であり、横軸は周波数、縦軸はゲインである。
【0030】
図示の場合、固有振動の1次モードと2次モードに対応する2つの共振点と1次モードの共振点より少し高い周波数の反共振点がある。このように、1次共振点より高い側に反共振点がある場合、1次モードのねじれの節がガラス円盤9付近に位置し、この節を挟んで角度センサ側と可動コイル側が互いに逆相にねじり振動する。したがって、ミラー2が可動コイル7と同相で振動すると、ミラーの実際の角度と角度センサから出力される角度との間にずれが発生して、位置決め精度が低下する。また、1次モードの共振は、サーボ系の帯域周波数すなわち位置決め応答性を制限する要因となる。
【0031】
このような場合には、ミラー2付近の慣性モーメントを増すことにより、ねじれの節をガラス円盤9から遠ざけ、可動コイル7の内側、特に可動コイル7の中央付近に移動させることが有効である。そして、このようにすると、ねじれの節の位置に駆動トルクが作用するので、1次モードの共振の励起を抑制できる。
【0032】
図5は、ミラー2付近の慣性モーメントを増すための一例を示す図である。
【0033】
慣性負荷13は、中心部にミラーマウンタ3に嵌合する穴13aを備え、一方の端部にはミラーマウンタ3の外周に嵌合する溝13bが形成されている。そして、溝13bをミラーマウンタ3に係合させた状態で、ねじ14によりミラーマウンタ3に固定する。
【0034】
図6は、慣性負荷13の質量を適切に選定した場合の制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【0035】
図示の場合、慣性負荷13により、1次共振点が反共振点に相殺されている。この結果、共振周波数によるサーボ帯域の制約が緩和されると共に、共振による位相遅れも無くなり、ディジタルサーボ系を安定に広帯域化することができる。
【0036】
この実施形態では、溝13bを設けたので、慣性負荷13がミラーマウンタ3に対して回転せず、位置決め精度を向上させることができる。
【0037】
なお、ミラー2を交換する場合には、交換するミラー2の慣性モーメントに合わせて慣性負荷13の質量を調整すれば良い。
【0038】
(第2の例)
図7は、マイクロプロセッサ20からみた制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図であり、横軸は周波数、縦軸はゲインである。
【0039】
図示の場合、固有振動の1次モードと2次モードに対応する2つの共振点と1次モードの共振点より少し低い周波数の反共振点がある。このように、1次共振点より低い側に反共振点がある場合、1次モードのねじれの節がミラー2付近に位置し、角度センサと可動コイルは互いに同相で振動する。したがって、ミラー2が可動コイル7と逆相で振動すると、ミラーの実際の角度と角度センサから出力される角度との間にずれが発生して位置決め精度が低下する。また、1次モードの共振は、サーボ系の帯域周波数すなわち位置決め応答性を制限する要因となる。
【0040】
このような場合には、ガラス円盤9付近の慣性モーメントを増すことにより、ねじれの節をミラー2から遠ざけ、可動コイル7の内側、特に可動コイル7の中央付近に移動させることが有効である。このようにすると、ねじれの節の位置に駆動トルクが作用するので、1次モードの共振の励起を抑制できる。
【0041】
図8は、ガラス円盤9付近の慣性モーメントを増すための一例を示す図である。 慣性負荷15は、中心部にハブ10に嵌合する穴15aを備えており、ねじ16によりハブ10に固定されている。
【0042】
図9は、慣性負荷15の質量を適切に選定した場合の制御対象の周波数応答特性例を示す図である。
【0043】
図示の場合、慣性負荷15により、1次共振点が反共振点に相殺されている。この結果、共振周波数によるサーボ帯域の制約が緩和されると共に、共振による位相遅れも無くなり、ディジタルサーボ系を安定に広帯域化することができる。
【0044】
ところで、慣性負荷15は以下に示すような構造にすることもできる。
【0045】
図10は、慣性負荷15の変形例を示す図であり、(a)の場合は、慣性負荷15の周囲に慣性調整ねじ51,52,53,54を90°間隔で放射状に取り付けるようにしたものである。このように構成すると、この4本のネジの長さを変えることにより、慣性負荷の大きさを連続的に調整できる。また、各ねじに錘を付加し、その錘の回転軸回りの半径(すなわち回転軸4の軸心からの距離)を調整することによって、慣性負荷の大きさを連続的に調整することもできる。
【0046】
また、(b)の場合は、ガラス円盤9を挾み、慣性負荷15をハブ10の反対側に配置して、ねじ61,62,63,64によりハブ10に固定するようにしたものである。このように構成すると、ガラス円盤9を回転軸4から取り外さずに、慣性負荷15を交換できるので、慣性負荷15の質量の調整が容易になる。
【0047】
なお、これらの構成は、ミラーマウンタ3に対しても適用することができる。
【0048】
ところで、上記では、いずれも慣性負荷を用いることによりねじれの節の位置を変えるようにしたが、慣性負荷を用いることなくねじれの節の位置を変えることもできる。
【0049】
図11は、本発明の他の実施形態を示す図であり、図1と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。
【0050】
この実施形態は、ガラス円盤9を軸方向に移動できるように構成したものであり、回転軸4の軸受6から突出する部分の長さが図1に示した場合よりも長くしてある。
【0051】
このようにすると、ガラス円盤9をある位置で固定した時の制御対象の周波数応答特性が図4のようであった場合、ガラス円盤9をミラー2に近づけて固定することにより、ねじれの節を可動コイル7の中心側に移動させることができる。
【0052】
また、制御対象の周波数応答特性が図7のようであった場合、ガラス円盤9をミラー2から遠ざけて固定することにより、ねじれの節を可動コイル7の中心側に移動させることができる。
【0053】
なお、ミラーマウンタ3の円筒部を長くしておき、ミラー2の取り付け位置を回転軸4の軸線方向に変えることができるようにしても、上記の場合と同様に、ねじれの節の位置を調整することができる。
【0054】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、慣性負荷を用いて回転軸のねじり振動を抑制するようにしたので、サーボ帯域が拡大し、高速かつ高精度にミラーを位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るスキャナ装置の制御ブロック線図である。
【図2】本発明に係るスキャナ装置のミラー近傍の斜視図である。
【図3】本発明に係るスキャナ装置の角度検出手段近傍の斜視図である。
【図4】マイクロプロセッサからみた制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【図5】ミラー付近の慣性モーメントを増すための一例を示す図である。
【図6】慣性負荷の質量を適切に選定した場合の制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【図7】マイクロプロセッサからみた制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【図8】ガラス円盤付近の慣性モーメントを増すための一例を示す図である。
【図9】慣性負荷の質量を適切に選定した場合の制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【図10】本発明に係る慣性負荷の変形例を示す図である。
【図11】本発明の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
1 レーザスキャナ
2 ミラー
4 回転軸
7 可動コイル
9 ガラス円盤
13 慣性負荷
Claims (5)
- 回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置において、
前記ミラーまたは/および前記角度検出手段の前記回転子に対する位置を変更可能に構成し、
前記軸のねじり振動の節が、前記軸の一対の軸受間に位置するように、前記ミラーまたは/および前記角度検出手段を配置することを特徴とするスキャナ装置。 - 回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置において、
前記軸のねじり振動を低減するための慣性負荷を設け、
この慣性負荷を前記軸受の外側に配置して、前記軸のねじり振動の節を前記軸の前記一対の軸受間に位置させることを特徴とするスキャナ装置。 - 前記慣性負荷は、前記軸回りの慣性モーメントを連続的に変化させる手段を備えることを特徴とする請求項2に記載のスキャナ装置。
- 回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法において、
前記軸のねじり振動の節が、前記軸の前記一対の軸受間に位置するように、前記ミラーまたは/および前記角度検出手段を配置することを特徴とするスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法。 - 回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法において、
前記軸の前記軸受の外側に慣性負荷を配置し、
前記軸のねじり振動の節を、前記軸の前記一対の軸受間に位置させることを特徴とするスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法。
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