JP2004074166A - 光学スキャナおよびレーザ加工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ミラーを高速かつ高精度に位置決めすることができる光学スキャナおよびレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】棒状の駆動力伝達部材8と、駆動力伝達部材8の軸線方向の一端が固定され駆動力伝達部材8を軸線方向に移動させる圧電素子5を設け、ミラー1を回転軸線の回りに回転自在に支持すると共に、駆動力伝達部材8の他端をミラー1の当該回転軸線から外れた位置に固定する。圧電素子5を伸縮させると、駆動力伝達部材8が撓みながらミラー1を当該回転軸線の回りに回転させるので、例えばばね等により圧電素子5が縮小する方向にミラー1を付勢する場合に比べてミラー1を回転させるための駆動力を大幅に低減できる。
【選択図】 図1
【解決手段】棒状の駆動力伝達部材8と、駆動力伝達部材8の軸線方向の一端が固定され駆動力伝達部材8を軸線方向に移動させる圧電素子5を設け、ミラー1を回転軸線の回りに回転自在に支持すると共に、駆動力伝達部材8の他端をミラー1の当該回転軸線から外れた位置に固定する。圧電素子5を伸縮させると、駆動力伝達部材8が撓みながらミラー1を当該回転軸線の回りに回転させるので、例えばばね等により圧電素子5が縮小する方向にミラー1を付勢する場合に比べてミラー1を回転させるための駆動力を大幅に低減できる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光等の光ビームを走査するために使用される光学スキャナおよび光学スキャナを用いて光ビームを位置決めするレーザ加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザ加工装置は、レーザ光と加工対象とを相対的に移動させながら加工対象を加工する装置である。
【0003】
例えば、レーザ加工装置の一つである従来のプリント基板穴明け用レーザ加工機は、プリント基板を搭載して水平なXY方向にプリント基板を移動させるXYテーブルサーボ機構と、レーザ光をプリント基板上のXY方向に走査させる一対のガルバノミラーサーボ機構とを備えている。XYテーブルサーボ機構は、XYテーブルを移動方向を互いに90度にして重ねた2つの案内装置に支持させ、この案内装置をモータによりボールねじを介して駆動し、テーブルの位置またはモータの回転角度を検出してフィードバックするサーボ機構を構成したものである。また、ガルバノミラーサーボ機構は、揺動型の電磁アクチュエータの回転軸にミラーを取り付け、回転軸の回転角度を検出してフィードバックするサーボ機構を構成したものである。
【0004】
XYテーブルはプリント基板を移動できる領域が広いが、質量が大きいためにサーボ機構の応答周波数は低い。一方、ガルバノミラーサーボ機構は質量が小さいためサーボ機構の応答周波数は高いが、レーザ光を走査できる領域はプリント基板のサイズに比べて小さい。
【0005】
そこで、プリント基板に穴を加工する際には、XYテーブルを駆動して加工しようとする対象領域をガルバノミラーの走査可能領域に一致させてから、加工を開始する。レーザ源からパルス状に照射されるレーザ光は、いくつかのミラーにより光路を導かれて一対のガルバノミラーに達し、ミラー角度に応じて、プリント基板上のX方向及びY方向に対応する直交2方向に進行方向を変えられた後、Fθレンズを経てプリント基板上の穴加工位置に至り、プリント基板にレーザ光の直径(ビームスポット径)に応じた穴を加工する。ガルバノミラーの位置決めとレーザ光の照射を繰り返し、ガルバノミラーの走査可能領域の加工が終了すると、XYテーブルを移動させて次の加工対象領域をガルバノミラーの走査可能領域に一致させる。以下、加工が終了するまで、上記の動作を繰り返す。
【0006】
近年、電子機器の小型高機能化の進展に伴い、プリント基板の多層化、パターンの微細化が進む一方で、常に生産効率の向上が求められており、レーザ加工機においても作業の高速化が求められている。
【0007】
プリント基板に穴を加工する場合、加工が終了した走査可能領域から次の走査可能領域に移動するための移動時間に比べて、走査可能領域内においてレーザ光を位置決めするための時間(すなわちミラーの移動時間)の比率がはるかに大きい。このため、走査可能領域内におけるレーザ光の位置決め(すなわちストロークが比較的短い場合におけるレーザ光の位置決め)応答性の向上が強く求められていた。
【0008】
そこで、特開平8−152575号公報(以下、「第一の従来技術」という。)では、弾性ヒンジによりミラーを回転自在に支持すると共にミラーの回転中心から半径方向に離れた一点を圧電素子に接続し、圧電素子を直線変位させることによりミラーの角度を変えるようにしている。
【0009】
図11は第一の従来技術を説明する模式図であり、(a)は側面図、(b)は正面図である。
【0010】
ミラー1を保持するための保持器等を取り付けた軸2は一対の軸支持部材28により回転自在に支持されている。回転中心104から径方向にeだけ離れた位置(以下、「荷重点」という)Aと対向する位置には圧電素子5が、また、回転中心104に関して圧電素子5と対称の位置(以下、「拘束点」という)102にはばね29が配置されている。ばね29はミラー1を反時計回りに付勢している。そして、圧電素子5を動作させることによりばね29に抗してミラー1を時計回りに回転させてミラー1を回転中心104の回りに位置決めする。
【0011】
ここで、ばね29を設ける理由は以下の通りである。
【0012】
一般に、圧電素子は、圧縮方向の強度は非常に大きいが引張方向の強度は小さい。すなわち、自然長から伸びる方向には非常に大きな力を発生することができるが、縮ませる場合のように引張方向の力が負荷されると容易に破壊する。このため、圧電素子5を荷重点Aを押す方向にしか動作させることができないからである。
【0013】
なお、ばね29はミラー1を圧電素子5に対して付勢する手段を象徴的に表したものであり、第一の従来技術のように、軸支持部材28を弾性ヒンジとした場合には弾性ヒンジの回転ばね剛性を表す。また、回転ばねや板ばねを用いて軸2を回転方向に付勢する場合には設けた回転ばねや板ばねに対応する。
【0014】
光学スキャナをこのように構成すると、電磁アクチュエータ方式の光学スキャナよりもさらに高速にミラーを位置決めすることができる。
【0015】
また、図示を省略するが、特開平11−212013号公報(以下、「第二の従来技術」という。)においても、圧電素子をアクチュエータとする光学スキャナの技術が開示されている。なお、この第二の従来技術の場合、復元力を発生するばね29は明示されていない。
【0016】
そして、上記第一と第二の従来技術によれば、走査可能領域内おけるレーザ光の位置決めを高速化することができた。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第一の従来技術の場合、次のような問題点がある。
【0018】
すなわち、ミラー1の揺動振動の固有振動数をf、ミラー1の慣性モーメントをJ、ばね29の回転ばね定数をkθとすると、fとJおよびkθとの間には式1の関係がある。
【0019】
f=1/2π√(kθ/J)・・・式1
ミラー1の反時計回りの変位はばね29の復元力によってなされるので、固有振動数fよりも高い応答周波数でミラー1を位置決めすることはできない。したがって、応答周波数を上げるためには、固有振動数fを大きくしなければならない。
【0020】
式1から明らかなように、固有振動数fを大きくするためには慣性モーメントJを小さくするか、あるいは回転ばね定数kθを大きくすればよい。
【0021】
しかし、ミラー1の大きさはレーザ光の径など光学系の要請により最低限度の大きさが決まるので、Jをある大きさ以下にすることはできない。
【0022】
また、回転ばね定数kθを大きくすると、ミラー1を回転させるために大きな力が必要になる。荷重点Aに加わる力が大きくなると、例えばミラー1の変形が無視できなくなり、圧電素子5の変位が吸収されて所望の回転変位が得られない場合が起こり得る。また、大きな駆動力が必要になるため、ミラー1を含めた構造全体に発生する振動も大きくなる。
【0023】
このように、慣性モーメントJと回転ばね定数kθの値を選択できる範囲が狭いため、ミラー1を高速かつ高精度に位置決めすることは困難である。
【0024】
また、第二の従来技術のようにばね29に相当する要素を設けずに圧電素子だけでミラーを回転させる場合、荷重点Aを圧電素子が縮む方向に移動させる際に慣性力によって圧電素子5に加わる引張力が圧電素子の引張強度を越えない範囲に加速度を制限しなければならない。このため、ミラー1を高速に位置決めすることは困難である。
【0025】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、ミラーを高速かつ高精度に位置決めすることができる光学スキャナおよびレーザ加工装置を提供するにある。
【0026】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の第一の手段は、ミラーにより光ビームを反射して前記光ビームを位置決めする光学スキャナにおいて、棒状の駆動力伝達部材と、前記駆動力伝達部材の軸線方向の一端が固定され前記駆動力伝達部材を前記軸線方向に移動させる直線移動手段と、を設け、前記ミラーを回転軸線の回りに回転自在に支持すると共に、前記駆動力伝達部材の他端を前記ミラーの前記回転軸線から外れた位置に固定し、前記直線移動手段を移動させることにより前記ミラーを回転させることを特徴とする。
【0027】
また、本発明の第二の手段は、ミラーにより光ビームを反射して前記光ビームを位置決めする光学スキャナにおいて、棒状の駆動力伝達部材と、前記駆動力伝達部材の軸線方向の一端が固定され前記駆動力伝達部材を前記軸線方向に移動させる直線移動手段と、を2組設け、前記ミラーを回転軸線の回りに回転自在に支持すると共に、前記駆動力伝達部材の一方の他端と前記駆動力伝達部材の他方の他端とを、前記ミラーの前記回転軸線から外れた前記回転軸線に関して点対称の位置に固定し、2つの前記直線移動手段を移動させることにより前記ミラーを回転させることを特徴とする。
【0028】
また、本発明の第三の手段は、ミラーにより光ビームを反射して前記光ビームを位置決めする光学スキャナにおいて、棒状の駆動力伝達部材と、前記駆動力伝達部材の軸線方向の一端が固定され前記駆動力伝達部材をその軸線方向に移動させる直線移動手段と、を4組設け、前記駆動力伝達部材の他端を前記ミラーの反射面の背面側かつ互いに直交する軸線上の交点を挾む位置にそれぞれ固定し、前記直線移動手段のいずれかを移動させることにより前記ミラーを三次元方向に回転させることを特徴とする。
【0029】
【発明の実施の形態】
(第一の実施形態)
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【0030】
図1は本発明の第一の実施形態に係る光学スキャナの斜視図、図2は構成図、図3は制御ブロック線図であり、図11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。なお、図2における(a)は正面一部断面図、(b)は側面図、(c)は平面図である。
【0031】
軸2の正面側には加工用のレーザ光を反射するミラー1が、また背面側にはミラー1の角度計測用のレーザ光を反射する小ミラー11が、それぞれ取り付けられている。軸2の両端を回転自在に支持する転がり軸受4の外輪4aは、ハウジング3に保持されている。転がり軸受4の内輪4bは、軸受スペーサ35を介して、ナット26により、軸2に固定されている。
【0032】
軸2には締結端子34が設けられており、ねじ締結により駆動力伝達部材8の一端を保持している。駆動力伝達部材8の他端は、変位台6に固定されている。駆動力伝達部材8は、例えばピアノ線で形成されている。後述するように、締結端子34には駆動力伝達部材8を介して押し付け力、引張り力が伝達される。すなわち、締結端子34が駆動力伝達部材8を保持する位置が荷重点Aである。
【0033】
なお、ミラー1は駆動力伝達部材8のばね作用によってばね−質点系を構成するので、駆動力伝達部材8の軸方向の剛性値は、系の固有振動数が所望の最高応答周波数よりも高くなる値に選択されている。
【0034】
変位台6は弾性部材7により台座12に支持され、弾性部材7(例えば、板ばね)が縮む方向(図2の右方)に付勢されている。台座12はボルト12aによりハウジング3に固定されている。弾性部材7の剛性値は、変位台6の変位方向の固有振動数が、ミラー1の所望の最高応答周波数よりも高くなるように、選定されている。
【0035】
圧電素子5は、変位台6と台座12との間に配置されている。ねじ16はスペーサ14を介して、最も縮んだ時の圧電素子5の左端と右端がそれぞれ変位台6とスペーサ14とから離れないように、圧電素子5を位置決めしている。この結果、圧電素子5の変位は確実に変位台6に伝わる。ゆるみ止めナット15はねじ16が弛むことを防止している。また、変位台6と台座12の間には、圧電素子5および弾性部材7と並列に、ダンパー部材13が配置されている。
【0036】
小ミラー11に対向するようにして、計測用レーザ光を連続的に出射する光源9と、小ミラー11で反射されたレーザ光を受光するセンサ10とが配置されている。
【0037】
図3に示すように、圧電素子5を駆動する圧電素子駆動アンプ18とセンサ10は、コントローラ17に接続されている。
【0038】
次に、この実施形態の動作を図3を参照しながら説明する。なお、圧電素子5のストロークをsとすると、圧電素子5をs/2だけ伸長させる電圧を印加したとき、ミラー1は回転(揺動)の中心位置(中立点)にある。
【0039】
コントローラ17は、図示を省略する上位のコントローラから目標値を入力されると、センサ10の出力信号から得られる現在値と目標値との偏差を演算し、偏差が0になるまで、偏差に応じた駆動信号を圧電素子駆動アンプ18に出力する。
【0040】
そして、図示の状態から圧電素子5に印加する電圧を増加させた場合、圧電素子5は弾性部材7を弾性変形させながら伸長して変位台6を右方に変位させる。変位台6の直線変位に伴って駆動力伝達部材8も変位し、荷重点Aに軸力(加圧力)を伝達する。荷重点Aは回転中心から半径方向にeずれているので、発生したモーメントにより、ミラー1および小ミラー11は反時計回りに回転する。そして、ミラー1の回転に伴い駆動力伝達部材8は下に凸状に撓む。なお、この変形の様子は後述する図9に示されている。
【0041】
また、図示の状態から圧電素子5に印加する電圧を減少させた場合、圧電素子5は縮小し、弾性部材7の付勢力(復元力)により変位台6は左方に直線変位する。変位台6の直線変位に伴って駆動力伝達部材8も変位し、荷重点Aに軸力(引張力)を伝達してミラー1を時計回りに回転させる。ミラー1の回転に伴って、駆動力伝達部材8は上に凸状に撓む。
【0042】
なお、ミラー1を回転変位させるのに必要な軸力の大きさは、非常にゆっくりと変位させた場合には回転に伴う摩擦力よりも大きい値、角加速度をもって急峻に変位させた場合には慣性力と摩擦力との合計よりも大きい値である。
【0043】
このように、ミラー1の中立点を圧電素子5の伸縮量の中間とし、その状態で印加電圧を上下するので、ミラー1を正方向および逆方向に揺動駆動することができる。
【0044】
以上説明したように、本発明によれば、駆動力伝達部材8を変位させることにより、小さな駆動力でミラー1を位置決めすることができる。この結果、構造系の変形や振動の発生を抑えることができるので、高速かつ高精度な位置決め動作が可能になる。
【0045】
なお、弾性部材7は板ばねに限られるものではなく、コイルばねや平行ばね構造等、変位台6と台座12の間に復元力を与えるものであればよい。
【0046】
次に、ダンパー部材13の動作を説明する。
【0047】
図4は、上記第一の実施形態におけるダンパー部材の動作を説明する模式図であり、(a)は側面図、(b)は正面図である。
【0048】
圧電素子5は振動減衰性が非常に小さい。このため、高速で駆動させる(高い周波数で伸縮させる)と、圧電素子の軸方向(伸縮方向)の残留振動により駆動力伝達部材8が振動する結果、ミラー1が静止するまでの時間が長くなる。
【0049】
また、ミラー1は駆動力伝達部材8のばね作用による揺動振動の固有モードを有し、ステップ応答的な位置決め動作を高応答でさせると、この揺動振動が励振されて整定時に振動が残留する。
【0050】
しかし、変位台6と台座12との間に、圧電素子5および弾性部材7と並列にオイルダンパ等のダンパー部材13を配置すると、圧電素子5に発生する残留振動の振動エネルギはダンパー部材13により吸収される。この結果、短時間で駆動力伝達部材8すなわちミラー1を静止させることができる。したがって、作業能率を向上させることができると共に加工精度を向上させることができる。
【0051】
次に、上記第一の実施形態の第一の変形例について説明する。
【0052】
図5は、上記第一の実施形態の第一の変形例を示す光学スキャナの構成図であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。
【0053】
同図に示すように、図示を省略するキーによりダンパー押え24を軸2に対して径方向に一体に支持させると共に、ハウジング3とダンパー押え24との間にダンパー材25を挟む。そして、ナット26によりダンパー押え24を介してダンパー材25をハウジング3に押し付ける。このように構成すると、ダンパー材25とダンパー押え24との間に働く摩擦力により軸2すなわちミラー1に加わる回転力を減衰させることができるので、短時間でミラー1を静止させることができる。したがって、作業能率を向上させることができると共に加工精度を向上させることができる。
【0054】
なお、ミラー1に発生する揺動振動を減衰させるやり方はこれらに限られるものでなく、例えば、ミラー1を直接ダンパー材で押えてもよいし、軸2にオイルダンパーを取り付けてもよい。また、第一の変形例と第二の変形例の両者を採用するようにしてもよい。
【0055】
図6は、上記第一の実施形態の第二の変形例を示す光学スキャナの構成図であり、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は平面図である。
【0056】
この第二の変形例では、変位台6を変位させるアクチュエータを、圧電素子5に代えて電磁アクチュエータを用いるように構成したものである。すなわち、コイル30の一方に連結ロッド33を、他方にコイル支持ロッド36を固定し、ハウジング3に設けた軸受部により水平方向移動自在に支持する。また、コイル30を挾みハウジング3に永久磁石31を配置する。そして、連結ロッド33に変位台6を接続する。
【0057】
以上の構成であるから、コイル30に電流を流すと、永久磁石31が形成する磁界により電磁力がコイル30に作用し、コイル30すなわち変位台6を移動させるので、ミラー1を回転させることができる。
【0058】
そして、この第二の変形例においても、ダンパー部材13あるいは弾性部材7を採用することにより、ミラー1を速やかに位置決めすることができる。
【0059】
なお、本発明におけるアクチュエータとしては上記した圧電素子や電磁アクチュエータに限られるものではなく、磁歪素子や油圧アクチュエータ等の直線変位が可能な他の装置を採用することができる。
【0060】
(第二の実施形態)
図7は、本発明の第二の実施形態に係る光学スキャナの斜視図であり、図1と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。
【0061】
この第二の実施形態では、軸2を挟み軸2の両側に一対の締結端子34を配置し、締結端子34のそれぞれに駆動力伝達部材8を固定する。駆動力伝達部材8が固定されている位置は回転中心から等距離eであり、駆動力伝達部材8を駆動するアクチュエータ(すなわち、変位台6、圧電素子5および弾性部材7)は、ミラー1の回転中心に関して点対称の位置に配置されている。
【0062】
このように構成すると、2つの駆動力伝達部材8を介して軸2に伝達される駆動力は対向し、かつ大きさが等しいので、軸2に対して偶力として作用する。
【0063】
この結果、並進力成分が相殺されるので、ミラー1を高速で駆動しても軸2には曲げ振動が発生しない。したがって、ミラー1を高精度に位置決めすることができる。
【0064】
なお、ここでは、アクチュエータを一対にする場合について説明したが、複数対のアクチュエータをそれぞれ回転中心に関して点対称に配置し、軸2に偶力が作用するように構成してもよい。
【0065】
(第三の実施形態)
図8は、本発明の第三の実施形態に係る光学スキャナの構造図であり、図1と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。なお、同図における(a)は正面図、(b)は(a)におけるB−B断面図である。
【0066】
ミラー1はミラーホルダ27に支持されている。ミラーホルダ27には4個の駆動力伝達部材8の一端が固定されている。駆動力伝達部材8が固定されている位置(すなわち荷重点A)はミラー1の反射面と平行な平面内にあり、かつ4点が正方形を成す関係にある。なお、この実施形態の場合、アクチュエータ部の空間的な干渉を避けるため駆動力伝達部材変位台6の形状は図2の場合と相違する。また、センサ10は2次元センサである。
【0067】
次に、この実施形態の動作を説明する。
【0068】
対向する1組の圧電素子5を伸縮させると、その変位が駆動力伝達部材8を介してミラー1に伝達され、他の1組の圧電素子5の荷重点Aを通る直線を回転軸として、ミラー1を回転させることができる。
【0069】
したがって、このスキャナ1台だけで、レーザ光を、加工面上において2次元的に位置決めすることができる。そして、光源9から出射されるレーザ光をミラー1の反射面またはミラーホルダ27に取り付けた図示を省略する小ミラーで反射させ、反射光をセンサ10で受光することにより、ミラー1の角度を検出する。
【0070】
なお、ここでは、4個のアクチュエータを使用する構成を示したが、4個に限られることはない。
【0071】
また、ミラー1を4個の駆動力伝達部材8だけで支持するようにしたが、ミラー1の中心部をボールジョイントで支持し、駆動力伝達部材8によってミラー1を所望の方向に傾ける(揺動させる)ようにしてもよい。
【0072】
次に、駆動力締結部材8が破壊しない条件について説明する。
【0073】
図9は、駆動力締結部材8の説明図であり、(a)は変形挙動を模式的に示した図、(b)はたわみ線図、(c)はせん断力線図、(d)は曲げモーメント線図である。
【0074】
変位台6が直線変位するとミラー1はC点を中心として回転変位し、ミラー1と駆動力伝達部材8の荷重点Aは図中の点A’に移動する。そして、荷重点Aの移動に伴い、駆動力伝達部材8にはせん断力Pと曲げモーメントMが同図に示す向きに作用する。
【0075】
いま、回転中心である点Cから点Aまでの偏心量をe、駆動力伝達部材8の長さをL、ミラー1の回転角をθ、変位台6のストロークをs、駆動力伝達部材8のたわみ量をw、駆動力伝達部材8の縦弾性係数をE、断面2次モーメントをI、駆動力伝達部材8の断面係数をZ、ミラー1の最大回転角をθmとし、駆動力伝達部材8とミラー1および変位台6との締結は固定支持条件であるとする。
【0076】
締結による拘束条件からミラー1の回転角と駆動力伝達部材8のたわみ角は等しいので、s、eおよびθの間には、式2、3の関係がある。そして、θは微小角であるので、式2、3は、式4、5に近似できる。
【0077】
s=e×sinθ ・・・(式2)
w=e(1−cosθ) ・・・(式3)
s≒e×θ ・・・(式4)
w≒e×θ2 ・・・(式5)
荷重点Aに荷重Pと曲げモーメントMが同時に作用するときの駆動力伝達部材8のたわみwとたわみ角θは、各々の力が独立に作用するときの結果に重ね合わせの原理を適用して、それぞれ式6、7で表される。
【0078】
また、式5〜7によりP、Mをθで表すと、P、Mはそれぞれ式8、9で表される。
【0079】
さらに、θは微小角であるので、式8、9における(e/L)・θ2の項を無視すると、式8、9は式10、11に置き換えることができる。
【0080】
【数1】
【0081】
また、駆動力伝達部材8のせん断力線図および曲げモーメント線図は図9(c)、(d)に示す通りである。そして、合成した負荷としての曲げモーメントの最大値Mmaxは荷重点Aで発生し、最大曲げモーメントMmaxの絶対値と応力の最大値σmaxはそれぞれ式12、13で表される。
【0082】
ここで、駆動力伝達部材8の降伏応力をσbとすると、駆動力伝達部材8の塑性変形を防止するため、最大曲げ応力σbmaxはσbよりも小さくなければならない。そこで、駆動力伝達部材8の断面形状を円あるいは長方形と仮定し、直径あるいはたわみ方向の厚さをdとすると、I/Z=d/2および式13より、dは式14を満足しなければならない。
【0083】
【数2】
【0084】
最大曲げ応力σbmaxを小さくするためにはdが小さいことが望ましい。しかし、dを小さくし過ぎると、軸方向の剛性が下がって固有振動数が低下する。したがって、dの値は式14を満足し、かつ固有振動数がミラー1の応答周波数の最大値よりも高くなるように定める必要がある。
【0085】
したがって、駆動力伝達部材8の材質として、ピアノ線や板ばねのような弾性部材を採用すると、軸方向の剛性が大きいので、ミラー1の揺動振動を抑えることができる。しかも、曲げ剛性を小さくできるので、ミラー1を回転させるときに生じる強制的な変形を吸収することができる。
【0086】
図10は、本発明の光学スキャナを採用したレーザ加工機の構成図であり、図3と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。
【0087】
このレーザ加工機は、本発明に係る光学スキャナと、公知のガルバノスキャナを光路中に直列に配置し、光学スキャナとガルバノスキャナによりレーザ光を同じ方向に偏向するように構成したものであり、図示を省略する上位コントローラによってシステム制御される。
【0088】
加工時には、上位コントローラから、レーザ光の走査を一括制御するコントローラ17に目標値が送られる。コントローラ17は、本発明に係る光学スキャナおよびガルバノミラー21を取り付けたガルバノスキャナ20の現在位置と目標位置との偏差を演算し、その偏差に応じた駆動信号を圧電素子駆動アンプ18とガルバノスキャナ駆動アンプ19に出力する。
【0089】
これに応じて、圧電素子駆動アンプ18とガルバノスキャナ駆動アンプ19はそれぞれのスキャナへ駆動電圧または駆動電流を出力する。コントローラ17はセンサから出力される角度信号により各スキャナの時々刻々の位置を把握し、両者を協調動作させて目標値に最短時間で到達するように駆動信号を制御する。
【0090】
そして、目標位置に達すると、レーザ発射指令により加工用レーザ光源22からレーザが発射され、被加工物23に照射される。本発明のスキャナシステムは、ガルバノスキャナシステムと比較して、偏向角は小さいが応答は速いという特徴を持つので、このようにスキャナを組み合わせることにより、特に小ストロークの加工の繰り返しにおいて、レーザ照射点の位置決めを従来の加工機よりも高速に行うことができる。
【0091】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ミラーにより光ビームを反射して前記光ビームを位置決めする光学スキャナにおいて、棒状の駆動力伝達部材と、前記駆動力伝達部材の軸線方向の一端が固定され前記駆動力伝達部材を前記軸線方向に移動させる直線移動手段と、を設け、前記ミラーを回転軸線の回りに回転自在に支持すると共に、前記駆動力伝達部材の他端を前記ミラーの前記回転軸線から外れた位置に固定し、前記直線移動手段を移動させることによりミラーを回転させるので、ミラーに作用する駆動力を大幅に低減できると共に、ミラーを高速かつ高精度に位置決めすることができる。そして、本発明に係る光学スキャナをレーザ加工装置に採用すると、特に短い距離での走査速度を向上させることができるので、作業時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施形態に係る光学スキャナの斜視図である。
【図2】本発明の第一の実施形態に係る光学スキャナの構成図である。
【図3】本発明の第一の実施形態に係る光学スキャナの制御ブロック線図である。
【図4】本発明におけるダンパー部材の動作を説明する模式図である。
【図5】本発明の第一の実施形態の第一の変形例を示す光学スキャナの構成図である。
【図6】本発明の第一の実施形態に係る光学スキャナの第二の変形例である。
【図7】本発明の第二の実施形態に係る光学スキャナの斜視図である。
【図8】本発明の第三の実施形態に係る光学スキャナの構造図である。
【図9】本発明における駆動力締結部材8の説明図である。
【図10】本発明の光学スキャナを採用したレーザ加工機の構成図である。
【図11】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
1 ミラー
5 圧電素子
8 駆動力伝達部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光等の光ビームを走査するために使用される光学スキャナおよび光学スキャナを用いて光ビームを位置決めするレーザ加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザ加工装置は、レーザ光と加工対象とを相対的に移動させながら加工対象を加工する装置である。
【0003】
例えば、レーザ加工装置の一つである従来のプリント基板穴明け用レーザ加工機は、プリント基板を搭載して水平なXY方向にプリント基板を移動させるXYテーブルサーボ機構と、レーザ光をプリント基板上のXY方向に走査させる一対のガルバノミラーサーボ機構とを備えている。XYテーブルサーボ機構は、XYテーブルを移動方向を互いに90度にして重ねた2つの案内装置に支持させ、この案内装置をモータによりボールねじを介して駆動し、テーブルの位置またはモータの回転角度を検出してフィードバックするサーボ機構を構成したものである。また、ガルバノミラーサーボ機構は、揺動型の電磁アクチュエータの回転軸にミラーを取り付け、回転軸の回転角度を検出してフィードバックするサーボ機構を構成したものである。
【0004】
XYテーブルはプリント基板を移動できる領域が広いが、質量が大きいためにサーボ機構の応答周波数は低い。一方、ガルバノミラーサーボ機構は質量が小さいためサーボ機構の応答周波数は高いが、レーザ光を走査できる領域はプリント基板のサイズに比べて小さい。
【0005】
そこで、プリント基板に穴を加工する際には、XYテーブルを駆動して加工しようとする対象領域をガルバノミラーの走査可能領域に一致させてから、加工を開始する。レーザ源からパルス状に照射されるレーザ光は、いくつかのミラーにより光路を導かれて一対のガルバノミラーに達し、ミラー角度に応じて、プリント基板上のX方向及びY方向に対応する直交2方向に進行方向を変えられた後、Fθレンズを経てプリント基板上の穴加工位置に至り、プリント基板にレーザ光の直径(ビームスポット径)に応じた穴を加工する。ガルバノミラーの位置決めとレーザ光の照射を繰り返し、ガルバノミラーの走査可能領域の加工が終了すると、XYテーブルを移動させて次の加工対象領域をガルバノミラーの走査可能領域に一致させる。以下、加工が終了するまで、上記の動作を繰り返す。
【0006】
近年、電子機器の小型高機能化の進展に伴い、プリント基板の多層化、パターンの微細化が進む一方で、常に生産効率の向上が求められており、レーザ加工機においても作業の高速化が求められている。
【0007】
プリント基板に穴を加工する場合、加工が終了した走査可能領域から次の走査可能領域に移動するための移動時間に比べて、走査可能領域内においてレーザ光を位置決めするための時間(すなわちミラーの移動時間)の比率がはるかに大きい。このため、走査可能領域内におけるレーザ光の位置決め(すなわちストロークが比較的短い場合におけるレーザ光の位置決め)応答性の向上が強く求められていた。
【0008】
そこで、特開平8−152575号公報(以下、「第一の従来技術」という。)では、弾性ヒンジによりミラーを回転自在に支持すると共にミラーの回転中心から半径方向に離れた一点を圧電素子に接続し、圧電素子を直線変位させることによりミラーの角度を変えるようにしている。
【0009】
図11は第一の従来技術を説明する模式図であり、(a)は側面図、(b)は正面図である。
【0010】
ミラー1を保持するための保持器等を取り付けた軸2は一対の軸支持部材28により回転自在に支持されている。回転中心104から径方向にeだけ離れた位置(以下、「荷重点」という)Aと対向する位置には圧電素子5が、また、回転中心104に関して圧電素子5と対称の位置(以下、「拘束点」という)102にはばね29が配置されている。ばね29はミラー1を反時計回りに付勢している。そして、圧電素子5を動作させることによりばね29に抗してミラー1を時計回りに回転させてミラー1を回転中心104の回りに位置決めする。
【0011】
ここで、ばね29を設ける理由は以下の通りである。
【0012】
一般に、圧電素子は、圧縮方向の強度は非常に大きいが引張方向の強度は小さい。すなわち、自然長から伸びる方向には非常に大きな力を発生することができるが、縮ませる場合のように引張方向の力が負荷されると容易に破壊する。このため、圧電素子5を荷重点Aを押す方向にしか動作させることができないからである。
【0013】
なお、ばね29はミラー1を圧電素子5に対して付勢する手段を象徴的に表したものであり、第一の従来技術のように、軸支持部材28を弾性ヒンジとした場合には弾性ヒンジの回転ばね剛性を表す。また、回転ばねや板ばねを用いて軸2を回転方向に付勢する場合には設けた回転ばねや板ばねに対応する。
【0014】
光学スキャナをこのように構成すると、電磁アクチュエータ方式の光学スキャナよりもさらに高速にミラーを位置決めすることができる。
【0015】
また、図示を省略するが、特開平11−212013号公報(以下、「第二の従来技術」という。)においても、圧電素子をアクチュエータとする光学スキャナの技術が開示されている。なお、この第二の従来技術の場合、復元力を発生するばね29は明示されていない。
【0016】
そして、上記第一と第二の従来技術によれば、走査可能領域内おけるレーザ光の位置決めを高速化することができた。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第一の従来技術の場合、次のような問題点がある。
【0018】
すなわち、ミラー1の揺動振動の固有振動数をf、ミラー1の慣性モーメントをJ、ばね29の回転ばね定数をkθとすると、fとJおよびkθとの間には式1の関係がある。
【0019】
f=1/2π√(kθ/J)・・・式1
ミラー1の反時計回りの変位はばね29の復元力によってなされるので、固有振動数fよりも高い応答周波数でミラー1を位置決めすることはできない。したがって、応答周波数を上げるためには、固有振動数fを大きくしなければならない。
【0020】
式1から明らかなように、固有振動数fを大きくするためには慣性モーメントJを小さくするか、あるいは回転ばね定数kθを大きくすればよい。
【0021】
しかし、ミラー1の大きさはレーザ光の径など光学系の要請により最低限度の大きさが決まるので、Jをある大きさ以下にすることはできない。
【0022】
また、回転ばね定数kθを大きくすると、ミラー1を回転させるために大きな力が必要になる。荷重点Aに加わる力が大きくなると、例えばミラー1の変形が無視できなくなり、圧電素子5の変位が吸収されて所望の回転変位が得られない場合が起こり得る。また、大きな駆動力が必要になるため、ミラー1を含めた構造全体に発生する振動も大きくなる。
【0023】
このように、慣性モーメントJと回転ばね定数kθの値を選択できる範囲が狭いため、ミラー1を高速かつ高精度に位置決めすることは困難である。
【0024】
また、第二の従来技術のようにばね29に相当する要素を設けずに圧電素子だけでミラーを回転させる場合、荷重点Aを圧電素子が縮む方向に移動させる際に慣性力によって圧電素子5に加わる引張力が圧電素子の引張強度を越えない範囲に加速度を制限しなければならない。このため、ミラー1を高速に位置決めすることは困難である。
【0025】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、ミラーを高速かつ高精度に位置決めすることができる光学スキャナおよびレーザ加工装置を提供するにある。
【0026】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の第一の手段は、ミラーにより光ビームを反射して前記光ビームを位置決めする光学スキャナにおいて、棒状の駆動力伝達部材と、前記駆動力伝達部材の軸線方向の一端が固定され前記駆動力伝達部材を前記軸線方向に移動させる直線移動手段と、を設け、前記ミラーを回転軸線の回りに回転自在に支持すると共に、前記駆動力伝達部材の他端を前記ミラーの前記回転軸線から外れた位置に固定し、前記直線移動手段を移動させることにより前記ミラーを回転させることを特徴とする。
【0027】
また、本発明の第二の手段は、ミラーにより光ビームを反射して前記光ビームを位置決めする光学スキャナにおいて、棒状の駆動力伝達部材と、前記駆動力伝達部材の軸線方向の一端が固定され前記駆動力伝達部材を前記軸線方向に移動させる直線移動手段と、を2組設け、前記ミラーを回転軸線の回りに回転自在に支持すると共に、前記駆動力伝達部材の一方の他端と前記駆動力伝達部材の他方の他端とを、前記ミラーの前記回転軸線から外れた前記回転軸線に関して点対称の位置に固定し、2つの前記直線移動手段を移動させることにより前記ミラーを回転させることを特徴とする。
【0028】
また、本発明の第三の手段は、ミラーにより光ビームを反射して前記光ビームを位置決めする光学スキャナにおいて、棒状の駆動力伝達部材と、前記駆動力伝達部材の軸線方向の一端が固定され前記駆動力伝達部材をその軸線方向に移動させる直線移動手段と、を4組設け、前記駆動力伝達部材の他端を前記ミラーの反射面の背面側かつ互いに直交する軸線上の交点を挾む位置にそれぞれ固定し、前記直線移動手段のいずれかを移動させることにより前記ミラーを三次元方向に回転させることを特徴とする。
【0029】
【発明の実施の形態】
(第一の実施形態)
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【0030】
図1は本発明の第一の実施形態に係る光学スキャナの斜視図、図2は構成図、図3は制御ブロック線図であり、図11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。なお、図2における(a)は正面一部断面図、(b)は側面図、(c)は平面図である。
【0031】
軸2の正面側には加工用のレーザ光を反射するミラー1が、また背面側にはミラー1の角度計測用のレーザ光を反射する小ミラー11が、それぞれ取り付けられている。軸2の両端を回転自在に支持する転がり軸受4の外輪4aは、ハウジング3に保持されている。転がり軸受4の内輪4bは、軸受スペーサ35を介して、ナット26により、軸2に固定されている。
【0032】
軸2には締結端子34が設けられており、ねじ締結により駆動力伝達部材8の一端を保持している。駆動力伝達部材8の他端は、変位台6に固定されている。駆動力伝達部材8は、例えばピアノ線で形成されている。後述するように、締結端子34には駆動力伝達部材8を介して押し付け力、引張り力が伝達される。すなわち、締結端子34が駆動力伝達部材8を保持する位置が荷重点Aである。
【0033】
なお、ミラー1は駆動力伝達部材8のばね作用によってばね−質点系を構成するので、駆動力伝達部材8の軸方向の剛性値は、系の固有振動数が所望の最高応答周波数よりも高くなる値に選択されている。
【0034】
変位台6は弾性部材7により台座12に支持され、弾性部材7(例えば、板ばね)が縮む方向(図2の右方)に付勢されている。台座12はボルト12aによりハウジング3に固定されている。弾性部材7の剛性値は、変位台6の変位方向の固有振動数が、ミラー1の所望の最高応答周波数よりも高くなるように、選定されている。
【0035】
圧電素子5は、変位台6と台座12との間に配置されている。ねじ16はスペーサ14を介して、最も縮んだ時の圧電素子5の左端と右端がそれぞれ変位台6とスペーサ14とから離れないように、圧電素子5を位置決めしている。この結果、圧電素子5の変位は確実に変位台6に伝わる。ゆるみ止めナット15はねじ16が弛むことを防止している。また、変位台6と台座12の間には、圧電素子5および弾性部材7と並列に、ダンパー部材13が配置されている。
【0036】
小ミラー11に対向するようにして、計測用レーザ光を連続的に出射する光源9と、小ミラー11で反射されたレーザ光を受光するセンサ10とが配置されている。
【0037】
図3に示すように、圧電素子5を駆動する圧電素子駆動アンプ18とセンサ10は、コントローラ17に接続されている。
【0038】
次に、この実施形態の動作を図3を参照しながら説明する。なお、圧電素子5のストロークをsとすると、圧電素子5をs/2だけ伸長させる電圧を印加したとき、ミラー1は回転(揺動)の中心位置(中立点)にある。
【0039】
コントローラ17は、図示を省略する上位のコントローラから目標値を入力されると、センサ10の出力信号から得られる現在値と目標値との偏差を演算し、偏差が0になるまで、偏差に応じた駆動信号を圧電素子駆動アンプ18に出力する。
【0040】
そして、図示の状態から圧電素子5に印加する電圧を増加させた場合、圧電素子5は弾性部材7を弾性変形させながら伸長して変位台6を右方に変位させる。変位台6の直線変位に伴って駆動力伝達部材8も変位し、荷重点Aに軸力(加圧力)を伝達する。荷重点Aは回転中心から半径方向にeずれているので、発生したモーメントにより、ミラー1および小ミラー11は反時計回りに回転する。そして、ミラー1の回転に伴い駆動力伝達部材8は下に凸状に撓む。なお、この変形の様子は後述する図9に示されている。
【0041】
また、図示の状態から圧電素子5に印加する電圧を減少させた場合、圧電素子5は縮小し、弾性部材7の付勢力(復元力)により変位台6は左方に直線変位する。変位台6の直線変位に伴って駆動力伝達部材8も変位し、荷重点Aに軸力(引張力)を伝達してミラー1を時計回りに回転させる。ミラー1の回転に伴って、駆動力伝達部材8は上に凸状に撓む。
【0042】
なお、ミラー1を回転変位させるのに必要な軸力の大きさは、非常にゆっくりと変位させた場合には回転に伴う摩擦力よりも大きい値、角加速度をもって急峻に変位させた場合には慣性力と摩擦力との合計よりも大きい値である。
【0043】
このように、ミラー1の中立点を圧電素子5の伸縮量の中間とし、その状態で印加電圧を上下するので、ミラー1を正方向および逆方向に揺動駆動することができる。
【0044】
以上説明したように、本発明によれば、駆動力伝達部材8を変位させることにより、小さな駆動力でミラー1を位置決めすることができる。この結果、構造系の変形や振動の発生を抑えることができるので、高速かつ高精度な位置決め動作が可能になる。
【0045】
なお、弾性部材7は板ばねに限られるものではなく、コイルばねや平行ばね構造等、変位台6と台座12の間に復元力を与えるものであればよい。
【0046】
次に、ダンパー部材13の動作を説明する。
【0047】
図4は、上記第一の実施形態におけるダンパー部材の動作を説明する模式図であり、(a)は側面図、(b)は正面図である。
【0048】
圧電素子5は振動減衰性が非常に小さい。このため、高速で駆動させる(高い周波数で伸縮させる)と、圧電素子の軸方向(伸縮方向)の残留振動により駆動力伝達部材8が振動する結果、ミラー1が静止するまでの時間が長くなる。
【0049】
また、ミラー1は駆動力伝達部材8のばね作用による揺動振動の固有モードを有し、ステップ応答的な位置決め動作を高応答でさせると、この揺動振動が励振されて整定時に振動が残留する。
【0050】
しかし、変位台6と台座12との間に、圧電素子5および弾性部材7と並列にオイルダンパ等のダンパー部材13を配置すると、圧電素子5に発生する残留振動の振動エネルギはダンパー部材13により吸収される。この結果、短時間で駆動力伝達部材8すなわちミラー1を静止させることができる。したがって、作業能率を向上させることができると共に加工精度を向上させることができる。
【0051】
次に、上記第一の実施形態の第一の変形例について説明する。
【0052】
図5は、上記第一の実施形態の第一の変形例を示す光学スキャナの構成図であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。
【0053】
同図に示すように、図示を省略するキーによりダンパー押え24を軸2に対して径方向に一体に支持させると共に、ハウジング3とダンパー押え24との間にダンパー材25を挟む。そして、ナット26によりダンパー押え24を介してダンパー材25をハウジング3に押し付ける。このように構成すると、ダンパー材25とダンパー押え24との間に働く摩擦力により軸2すなわちミラー1に加わる回転力を減衰させることができるので、短時間でミラー1を静止させることができる。したがって、作業能率を向上させることができると共に加工精度を向上させることができる。
【0054】
なお、ミラー1に発生する揺動振動を減衰させるやり方はこれらに限られるものでなく、例えば、ミラー1を直接ダンパー材で押えてもよいし、軸2にオイルダンパーを取り付けてもよい。また、第一の変形例と第二の変形例の両者を採用するようにしてもよい。
【0055】
図6は、上記第一の実施形態の第二の変形例を示す光学スキャナの構成図であり、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は平面図である。
【0056】
この第二の変形例では、変位台6を変位させるアクチュエータを、圧電素子5に代えて電磁アクチュエータを用いるように構成したものである。すなわち、コイル30の一方に連結ロッド33を、他方にコイル支持ロッド36を固定し、ハウジング3に設けた軸受部により水平方向移動自在に支持する。また、コイル30を挾みハウジング3に永久磁石31を配置する。そして、連結ロッド33に変位台6を接続する。
【0057】
以上の構成であるから、コイル30に電流を流すと、永久磁石31が形成する磁界により電磁力がコイル30に作用し、コイル30すなわち変位台6を移動させるので、ミラー1を回転させることができる。
【0058】
そして、この第二の変形例においても、ダンパー部材13あるいは弾性部材7を採用することにより、ミラー1を速やかに位置決めすることができる。
【0059】
なお、本発明におけるアクチュエータとしては上記した圧電素子や電磁アクチュエータに限られるものではなく、磁歪素子や油圧アクチュエータ等の直線変位が可能な他の装置を採用することができる。
【0060】
(第二の実施形態)
図7は、本発明の第二の実施形態に係る光学スキャナの斜視図であり、図1と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。
【0061】
この第二の実施形態では、軸2を挟み軸2の両側に一対の締結端子34を配置し、締結端子34のそれぞれに駆動力伝達部材8を固定する。駆動力伝達部材8が固定されている位置は回転中心から等距離eであり、駆動力伝達部材8を駆動するアクチュエータ(すなわち、変位台6、圧電素子5および弾性部材7)は、ミラー1の回転中心に関して点対称の位置に配置されている。
【0062】
このように構成すると、2つの駆動力伝達部材8を介して軸2に伝達される駆動力は対向し、かつ大きさが等しいので、軸2に対して偶力として作用する。
【0063】
この結果、並進力成分が相殺されるので、ミラー1を高速で駆動しても軸2には曲げ振動が発生しない。したがって、ミラー1を高精度に位置決めすることができる。
【0064】
なお、ここでは、アクチュエータを一対にする場合について説明したが、複数対のアクチュエータをそれぞれ回転中心に関して点対称に配置し、軸2に偶力が作用するように構成してもよい。
【0065】
(第三の実施形態)
図8は、本発明の第三の実施形態に係る光学スキャナの構造図であり、図1と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。なお、同図における(a)は正面図、(b)は(a)におけるB−B断面図である。
【0066】
ミラー1はミラーホルダ27に支持されている。ミラーホルダ27には4個の駆動力伝達部材8の一端が固定されている。駆動力伝達部材8が固定されている位置(すなわち荷重点A)はミラー1の反射面と平行な平面内にあり、かつ4点が正方形を成す関係にある。なお、この実施形態の場合、アクチュエータ部の空間的な干渉を避けるため駆動力伝達部材変位台6の形状は図2の場合と相違する。また、センサ10は2次元センサである。
【0067】
次に、この実施形態の動作を説明する。
【0068】
対向する1組の圧電素子5を伸縮させると、その変位が駆動力伝達部材8を介してミラー1に伝達され、他の1組の圧電素子5の荷重点Aを通る直線を回転軸として、ミラー1を回転させることができる。
【0069】
したがって、このスキャナ1台だけで、レーザ光を、加工面上において2次元的に位置決めすることができる。そして、光源9から出射されるレーザ光をミラー1の反射面またはミラーホルダ27に取り付けた図示を省略する小ミラーで反射させ、反射光をセンサ10で受光することにより、ミラー1の角度を検出する。
【0070】
なお、ここでは、4個のアクチュエータを使用する構成を示したが、4個に限られることはない。
【0071】
また、ミラー1を4個の駆動力伝達部材8だけで支持するようにしたが、ミラー1の中心部をボールジョイントで支持し、駆動力伝達部材8によってミラー1を所望の方向に傾ける(揺動させる)ようにしてもよい。
【0072】
次に、駆動力締結部材8が破壊しない条件について説明する。
【0073】
図9は、駆動力締結部材8の説明図であり、(a)は変形挙動を模式的に示した図、(b)はたわみ線図、(c)はせん断力線図、(d)は曲げモーメント線図である。
【0074】
変位台6が直線変位するとミラー1はC点を中心として回転変位し、ミラー1と駆動力伝達部材8の荷重点Aは図中の点A’に移動する。そして、荷重点Aの移動に伴い、駆動力伝達部材8にはせん断力Pと曲げモーメントMが同図に示す向きに作用する。
【0075】
いま、回転中心である点Cから点Aまでの偏心量をe、駆動力伝達部材8の長さをL、ミラー1の回転角をθ、変位台6のストロークをs、駆動力伝達部材8のたわみ量をw、駆動力伝達部材8の縦弾性係数をE、断面2次モーメントをI、駆動力伝達部材8の断面係数をZ、ミラー1の最大回転角をθmとし、駆動力伝達部材8とミラー1および変位台6との締結は固定支持条件であるとする。
【0076】
締結による拘束条件からミラー1の回転角と駆動力伝達部材8のたわみ角は等しいので、s、eおよびθの間には、式2、3の関係がある。そして、θは微小角であるので、式2、3は、式4、5に近似できる。
【0077】
s=e×sinθ ・・・(式2)
w=e(1−cosθ) ・・・(式3)
s≒e×θ ・・・(式4)
w≒e×θ2 ・・・(式5)
荷重点Aに荷重Pと曲げモーメントMが同時に作用するときの駆動力伝達部材8のたわみwとたわみ角θは、各々の力が独立に作用するときの結果に重ね合わせの原理を適用して、それぞれ式6、7で表される。
【0078】
また、式5〜7によりP、Mをθで表すと、P、Mはそれぞれ式8、9で表される。
【0079】
さらに、θは微小角であるので、式8、9における(e/L)・θ2の項を無視すると、式8、9は式10、11に置き換えることができる。
【0080】
【数1】
【0081】
また、駆動力伝達部材8のせん断力線図および曲げモーメント線図は図9(c)、(d)に示す通りである。そして、合成した負荷としての曲げモーメントの最大値Mmaxは荷重点Aで発生し、最大曲げモーメントMmaxの絶対値と応力の最大値σmaxはそれぞれ式12、13で表される。
【0082】
ここで、駆動力伝達部材8の降伏応力をσbとすると、駆動力伝達部材8の塑性変形を防止するため、最大曲げ応力σbmaxはσbよりも小さくなければならない。そこで、駆動力伝達部材8の断面形状を円あるいは長方形と仮定し、直径あるいはたわみ方向の厚さをdとすると、I/Z=d/2および式13より、dは式14を満足しなければならない。
【0083】
【数2】
【0084】
最大曲げ応力σbmaxを小さくするためにはdが小さいことが望ましい。しかし、dを小さくし過ぎると、軸方向の剛性が下がって固有振動数が低下する。したがって、dの値は式14を満足し、かつ固有振動数がミラー1の応答周波数の最大値よりも高くなるように定める必要がある。
【0085】
したがって、駆動力伝達部材8の材質として、ピアノ線や板ばねのような弾性部材を採用すると、軸方向の剛性が大きいので、ミラー1の揺動振動を抑えることができる。しかも、曲げ剛性を小さくできるので、ミラー1を回転させるときに生じる強制的な変形を吸収することができる。
【0086】
図10は、本発明の光学スキャナを採用したレーザ加工機の構成図であり、図3と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。
【0087】
このレーザ加工機は、本発明に係る光学スキャナと、公知のガルバノスキャナを光路中に直列に配置し、光学スキャナとガルバノスキャナによりレーザ光を同じ方向に偏向するように構成したものであり、図示を省略する上位コントローラによってシステム制御される。
【0088】
加工時には、上位コントローラから、レーザ光の走査を一括制御するコントローラ17に目標値が送られる。コントローラ17は、本発明に係る光学スキャナおよびガルバノミラー21を取り付けたガルバノスキャナ20の現在位置と目標位置との偏差を演算し、その偏差に応じた駆動信号を圧電素子駆動アンプ18とガルバノスキャナ駆動アンプ19に出力する。
【0089】
これに応じて、圧電素子駆動アンプ18とガルバノスキャナ駆動アンプ19はそれぞれのスキャナへ駆動電圧または駆動電流を出力する。コントローラ17はセンサから出力される角度信号により各スキャナの時々刻々の位置を把握し、両者を協調動作させて目標値に最短時間で到達するように駆動信号を制御する。
【0090】
そして、目標位置に達すると、レーザ発射指令により加工用レーザ光源22からレーザが発射され、被加工物23に照射される。本発明のスキャナシステムは、ガルバノスキャナシステムと比較して、偏向角は小さいが応答は速いという特徴を持つので、このようにスキャナを組み合わせることにより、特に小ストロークの加工の繰り返しにおいて、レーザ照射点の位置決めを従来の加工機よりも高速に行うことができる。
【0091】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ミラーにより光ビームを反射して前記光ビームを位置決めする光学スキャナにおいて、棒状の駆動力伝達部材と、前記駆動力伝達部材の軸線方向の一端が固定され前記駆動力伝達部材を前記軸線方向に移動させる直線移動手段と、を設け、前記ミラーを回転軸線の回りに回転自在に支持すると共に、前記駆動力伝達部材の他端を前記ミラーの前記回転軸線から外れた位置に固定し、前記直線移動手段を移動させることによりミラーを回転させるので、ミラーに作用する駆動力を大幅に低減できると共に、ミラーを高速かつ高精度に位置決めすることができる。そして、本発明に係る光学スキャナをレーザ加工装置に採用すると、特に短い距離での走査速度を向上させることができるので、作業時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施形態に係る光学スキャナの斜視図である。
【図2】本発明の第一の実施形態に係る光学スキャナの構成図である。
【図3】本発明の第一の実施形態に係る光学スキャナの制御ブロック線図である。
【図4】本発明におけるダンパー部材の動作を説明する模式図である。
【図5】本発明の第一の実施形態の第一の変形例を示す光学スキャナの構成図である。
【図6】本発明の第一の実施形態に係る光学スキャナの第二の変形例である。
【図7】本発明の第二の実施形態に係る光学スキャナの斜視図である。
【図8】本発明の第三の実施形態に係る光学スキャナの構造図である。
【図9】本発明における駆動力締結部材8の説明図である。
【図10】本発明の光学スキャナを採用したレーザ加工機の構成図である。
【図11】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
1 ミラー
5 圧電素子
8 駆動力伝達部材
Claims (8)
- ミラーにより光ビームを反射して前記光ビームを位置決めする光学スキャナにおいて、
棒状の駆動力伝達部材と、前記駆動力伝達部材の軸線方向の一端が固定され前記駆動力伝達部材を前記軸線方向に移動させる直線移動手段と、を設け、
前記ミラーを回転軸線の回りに回転自在に支持すると共に、
前記駆動力伝達部材の他端を前記ミラーの前記回転軸線から外れた位置に固定し、前記直線移動手段を移動させることにより前記ミラーを回転させることを特徴とする光学スキャナ。 - ミラーにより光ビームを反射して前記光ビームを位置決めする光学スキャナにおいて、
棒状の駆動力伝達部材と、前記駆動力伝達部材の軸線方向の一端が固定され前記駆動力伝達部材を前記軸線方向に移動させる直線移動手段と、を2組設け、
前記ミラーを回転軸線の回りに回転自在に支持すると共に、
前記駆動力伝達部材の一方の他端と前記駆動力伝達部材の他方の他端とを、前記ミラーの前記回転軸線から外れた前記回転軸線に関して点対称の位置に固定し、2つの前記直線移動手段を移動させることにより前記ミラーを回転させることを特徴とする光学スキャナ。 - ミラーにより光ビームを反射して前記光ビームを位置決めする光学スキャナにおいて、
棒状の駆動力伝達部材と、前記駆動力伝達部材の軸線方向の一端が固定され前記駆動力伝達部材をその軸線方向に移動させる直線移動手段と、を4組設け、
前記駆動力伝達部材の他端を前記ミラーの反射面の背面側かつ互いに直交する軸線上の交点を挾む位置にそれぞれ固定し、前記直線移動手段のいずれかを移動させることにより前記ミラーを三次元方向に回転させることを特徴とする光学スキャナ。 - 前記直線移動手段の変位方向の剛性値は、前記直線移動手段の固有振動数が前記ミラーの最高応答周波数よりも高くなるように設定されることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の光学スキャナ。
- 前記駆動力伝達部材の前記軸線方向の剛性値は、これと直角方向のせん断剛性値および曲げ剛性値よりも大きく設定されることを特徴とする請求項1ないし請求項4に記載の光学スキャナ。
- 前記駆動力伝達部材は、前記軸線方向に直交する断面が概略円あるいは略長方形の梁であり、その直径あるいは曲げ方向の厚さをd、軸方向の締結点間の距離をL、縦弾性係数をE、降伏応力をσb、ミラーの最大変位角度をθmとするとき、dがσb・L/(2・E・θm)よりも小さく設定されることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の光学スキャナ。
- 前記ミラーをダンパー部材で拘束することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の光学スキャナ。
- 請求項1ないし請求項7に記載の光学スキャナを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
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