JP2004233825A - ガルバノスキャナ及びレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】ミラーを高速に位置決めすることができるガルバノスキャナおよび生産性に優れるレーザ加工機を提供すること。
【解決手段】電磁揺動アクチュエータ部１１０を挟み一方の側にミラー部を、他方の側に角度検出器部を配置する場合、ミラー取付部１０４に保持させるミラー部（ミラーマウントとミラーとからなる）の慣性モーメントと、グレーティング円板１２１（角度検出器部）の慣性モーメントを比較し、ミラー部と角度検出部のうち慣性モーメントの大きい側から電磁揺動アクチュエータ部１１０に到る区間の軸径を他の区間の軸径よりも大径に形成する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転自在の軸にミラーを保持させたガルバノスキャナ及びガルバノスキャナによりレーザ光を位置決めするようにしたレーザ加工機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリント基板に穴を加工するレーザ加工機やレーザマーカ等のレーザ加工機ではレーザ発振器を固定しておき、レーザビームを位置決め自在のミラーに反射させて目標位置に照射する。このようなレーザ加工機を図面に基づいて説明する。
【０００３】
図６は、プリント基板に穴を加工する従来のレーザ加工機の構成図、図７は、従来のガルバノスキャナの正面断面図、図８は、従来のガルバノミラーサーボ機構の構成を示すブロック図である。
【０００４】
図６において、レーザ発振器２１０から出力されたレーザビーム３０は、ミラー２１３ａ、ミラー２１３ｂを介して、コリメータ２１２やアパーチャ２１４等で構成される光学的ビーム処理系を経て整形され、さらにミラー２１３ｃ、ミラー２１３ｄ、ミラー２１３ｅ、ミラー２１３ｆを介して第一のガルバノスキャナ２３のミラー２３ａに入射する。ミラー２３ａは中立位置のときに図中右方向から入射するレーザビーム３０を図中前方向に反射する。そして、ミラー２３ａの角度を変えることにより、レーザビーム３０の進路を図中水平面内、すなわちＸＹテーブル上のスポット位置では図中左右方向（Ｙ軸方向）に変化させることができる。
【０００５】
ミラー２３ａで反射されたレーザビーム３０は、次に第二のガルバノスキャナ２３のミラー２３ｂに入射する。ミラー２３ｂは中立位置のときに図中奥方向から入射するレーザビーム３０を図中下方向に反射する。そして、ミラー２３ｂの角度を変えることにより、レーザビーム３０の進路を図中前後方向の垂直面内、すなわちＸＹテーブル上のスポット位置では図中前後方向（Ｘ軸方向）に変化させることができる。ミラー２３ｂで反射されたレーザビーム３０は、Ｆθレンズ２４１を介して、ＸＹテーブル２５３上に載置されたプリント基板２５２に照射される。ＸＹテーブル２５３はＹ軸駆動機構２５４によりＹ軸方向に、Ｙ軸駆動機構２５４はＸ軸駆動機構２５５によりＸ軸方向にそれぞれ駆動され、ベッド２５６上をＸＹ方向に位置決め自在である。
【０００６】
図７に示すように、揺動軸１０１は、一対の軸受１０３ａ、１０３ｂにより揺動可能に支持されている。揺動軸１０１は、（軸受１０３ａ、１０３ｂを）位置決めするための止め輪用溝部を除き、直径がｄである。揺動軸１０１の左端は、ミラー取付部１０４としてハウジングの端部から突出している。揺動軸１０１の軸方向の中央部には、コイル１１１が配置されている。コイル１１１の両端は一対のエンドリング１１３ａ、１１３ｂに結合されており、エンドリング１１３ａ、１１３ｂは揺動軸１０１に結合されている。コイル１１１の外側には、永久磁石１１２がハウジングを兼ねたアウターヨーク１１５に固定されている。永久磁石１１２は、コイル１１１に直交する磁界を形成する。コイル１１１の内側に配置されたインナーヨーク１１４は、エンドリング１１３ａ、１１３ｂのハブ部と外輪部を結合するスポークの隙間を貫通するピン１１６により、ハウジングに固定されている。コイル１１１、エンドリング１１３ａ、１１３ｂ、永久磁石１１２、アウターヨーク１１５およびインナーヨーク１１４により電磁揺動アクチュエータ（駆動トルク発生部）１１０が構成されている。そして、コイル１１１に電流を流すと、電流によって生じるローレンツ力によりコイル１１１に駆動トルクが加わり、コイル１１１、エンドリング１１３ａおよびエンドリング１１３ｂが揺動軸１０１と共に揺動する。
【０００７】
角度検出器１２０は、グレーティング円板１２１と検出ユニット１２２とから構成されている。グレーティング円板１２１は、ハブ１２３を介して揺動軸１０１の右端に固定されている。検出ユニット１２２はグレーティング円板１２１に対向するようにしてハウジング側に固定されている。そして、検出ユニット１２２は、揺動軸１０１の揺動に伴って検出部を通過するグレーティングにより、揺動軸１０１の揺動角を検出する。以下、角度検出器１２０のグレーティング円板１２１を「角度検出器部」ともいう。
【０００８】
図８に示すように、揺動軸１０１のミラー取付部１０４には、ミラーマウント１３１を介してミラー２３ａ（またはミラー２３ｂ）が装着される。以下、ミラー２３ａ（またはミラー２３ｂ）とミラーマウント１３１を合わせて「ミラー部」という。
【０００９】
このように、揺動軸１０１には、ミラー部、電磁揺動アクチュエータ部（以下、「駆動トルク発生部」という。）および角度検出器部という３つの慣性モーメントが大きい構成要素が直列に配置された構造になっている。以下、ミラー部、駆動トルク発生部および角度検出器部を載置した揺動軸を「揺動体」という。
【００１０】
次に、従来のガルバノスキャナの動作を説明する。
【００１１】
図８に示すように、上位制御装置１０は、ＮＣプログラムを解釈して、レーザビーム３０を位置決めすべき対象物上の位置（目標位置）に応じて、ガルバノスキャナ２３に目標位置決め角度１１を指令する。ガルバノスキャナ制御装置２０は、指令された目標位置決め角度１１に基づいて目標軌道をリアルタイムで計算すると共に、角度検出器１２０の出力２２から揺動軸１０１（すなわちミラー２３ａ）の偏向角を検出し、これからレーザビームの現在位置を算出する。
【００１２】
また、レーザビームの目標位置と現在位置の差に基づいてガルバノスキャナ２３に対する駆動信号２１を出力する。これらの処理を繰り返すことにより、レーザビーム３０を目標位置に位置決めする。位置決めが完了すると、ガルバノスキャナ制御装置２０は上位制御装置１０に位置決め完了信号１２を出力する。
【００１３】
なお、電磁アクチュエータとしては、図示のように揺動軸にコイルを取り付け固定部側に磁石を配置したムービングコイル型のものと、揺動軸に磁石を取り付け、固体部側にコイルを配置したムービングマグネット型のものがある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、レーザ加工機のようなガルバノスキャナ応用製品の加工効率向上への要求は益々高くなっており、ガルバノスキャナにも高速応答が求められている。
そこで、ミラーを高速に位置決めするために駆動トルク発生部で発生させるトルクを大きくすると、コイルとミラーの間、あるいはコイルと検出器の間の揺動軸のねじり変形量が増大して位置決めの際の残留振動が大きくなる。このため、位置決め時間の短縮が限界付けられてしまう。
【００１５】
揺動軸のねじり剛性は揺動軸の径を大きくすれば解決できるが、揺動軸と直交する方向に多くの構成要素（インナーヨーク、コイルとその揺動ギャップ、永久磁石、アウターヨーク）を配置する必要があるため、スキャナが大径になり、実装の面で問題を生じる。また、揺動体の慣性モーメントが増加するため、かえって応答が遅くなるという問題があった。
【００１６】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、ミラーを高速に位置決めすることができるガルバノスキャナおよび生産性に優れるレーザ加工機を提供するにある。
【００１７】
【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、ミラー部と角度検出部と駆動トルク発生部とが直列に配置された軸を前記駆動トルク発生部の両側で回転自在に支持し、前記駆動トルク発生部で発生される駆動トルクにより前記ミラー部を回転方向に位置決めするようにしたガルバノスキャナにおいて、前記駆動トルク発生部の一方に前記ミラー部を、他方に前記角度検出部を配置し、前記ミラー部と前記角度検出部のうち慣性モーメントの大きい側から前記駆動トルク発生部に到る区間の軸径を他の区間の軸径よりも大径に形成することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の第二の手段は、レーザ加工機に第一の手段によるガルバノスキャナによりレーザ光を位置決めすることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第一の実施形態）
図１は、本発明に係るガルバノスキャナの正面断面図であり、図７と同じものは同一の符号を付して説明を省略する。なお、第一の実施形態は、ミラー部の慣性モーメントが角度検出器部の慣性モーメント以上である場合に適用される。
【００２０】
第一の実施形態における揺動軸２０１は、従来技術で説明した揺動軸１０１に対し、駆動トルク発生部の左端（エンドリング１１３ａのハブの左端）からミラー取り付け部１０４までの区間が他の区間（直径ｄ）よりも大径の直径Ｄの大径部２０２に形成されており、また軸受け１０３Ａを位置決めするための直径が直径Ｄよりもさらに大径のフランジ２０２ａが形成されている。
【００２１】
図２は、揺動軸２０１のねじり振動特性の改善効果を説明する模式図であり、上側は揺動体の構造図、下側は揺動体のねじり振動１次モードの代表点のねじり変形量を示すグラフである。
【００２２】
このグラフにおいて、横軸は揺動軸２０１の位置に対応し、縦軸は角度検出器部の変形量を−１として正規化した相対的ねじり変形量を示している。
【００２３】
また、図中の実線は本実施形態の場合を、２点鎖線は従来の場合（断面が一様な場合）を示している。
【００２４】
同図に示されているように、従来の場合、変形量が０となる節の位置は、ミラー側のエンドリング１１３ａの近傍にある。これに対し、本実施形態の場合、大径部２０２の効果により、ねじり振動の節の位置がコイル１１１の中央付近に移動している。角度検出器部側の構造は同じであるから、節とグレーティング円板１２１の間の距離が短くなった分、揺動体の固有振動数が高くなっていることがわかる。
【００２５】
したがって、このガルバノスキャナを用いて、角度検出器部（グレーティング円板１２１）よりも大きな慣性モーメントを有するミラー部を駆動するサーボ機構を構成すると、位相余裕の拡大や残留振動の低減が可能となり、より高速な応答を得ることができる。
【００２６】
（第二の実施形態）
図３は、本発明に係るガルバノスキャナの他の正面断面図であり、図７と同じものは同一の符号を付して説明を省略する。この、第二の実施形態は、角度検出部の慣性モーメントがミラー部の慣性モーメント以上である場合に適用される。
【００２７】
第二の実施形態における揺動軸３０１は、従来技術で説明した揺動軸１０１に対し、駆動トルク発生部の右端（エンドリング１１３ｂのハブの右端）から角度検出器部（グレーティング円板１２１）取り付け部までの区間が他の区間（直径ｄ）よりも大径の直径Ｄの大径部３０２に形成されており、また軸受け１０３Ｂを位置決めするための直径が直径Ｄよりもさらに大径のフランジ３０２ａが形成されている。
【００２８】
図４は、揺動軸３０１のねじり振動特性の改善効果を説明する模式図であり、上側は揺動体の構造を示し、下側は揺動体のねじり振動１次モードの代表点のねじり変形量を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は揺動軸３０１上の位置に対応し、縦軸はミラー部の変形量を１として正規化した相対的ねじり変形量を示している。
【００２９】
また、図中の実線はこの実施形態の場合を、２点鎖線は従来の場合（断面が一様な場合）を示している。
【００３０】
同図に示されているように、従来の場合、変形量が０となる節の位置は、エンドリング１１３ｂの近傍にある。これに対し、この実施形態の場合、大径部３０２の効果により、ねじり振動の節の位置がコイル１１１の中央付近に移動している。ミラー部側の構造は同じであるから、節とグレーティング円板１２１の間の距離が短くなった分、揺動体の固有振動数が高くなっていることがわかる。
【００３１】
したがって、このガルバノスキャナを用いて、角度検出器部（グレーティング円板１２１）よりも小さな慣性モーメントを有するミラー部を駆動するサーボ機構を構成すると、位相余裕の拡大や残留振動の低減が可能となり、より高速な応答を得ることができる。
【００３２】
（第三の実施形態）
図５は、本発明に係るガルバノスキャナのさらに他の正面断面図であり、図７と同じものは同一の符号を付して説明を省略する。なお、第三の実施形態は、ミラー部と角度検出器部とが駆動トルク発生部に関して同じ側に配置される場合に適用される。
【００３３】
この実施例では、駆動トルク発生部の左端（エンドリング１１３ａのハブの左端）からミラー取り付け部１０４までの区間が他の区間（直径ｄ）よりも大径の直径Ｄの大径部４０２に形成され、軸受け１０３Ａを位置決めするための直径が直径Ｄよりもさらに大径のフランジ４０２ａが形成されている。なお、グレーティング円板１２１を固定するハブの内径は直径Ｄに嵌合する径になっている。これによって、このガルバノスキャナを用いてミラーを駆動するサーボ機構を構成した場合に、位相余裕の拡大や残留振動の低減が可能となり、より高速な応答が得られる効果がある。
【００３４】
次に、ミラーの大きさについて説明する。
【００３５】
例えば、図６に示したレーザ加工機における第一のガルバノスキャナ２３の場合、入射するレーザビーム３０の位置は変化しないから、ミラー２３ａは小さいものでよい。一方、第二のガルバノスキャナ２３は、入射するレーザビーム３０の位置が回転軸の方向に変化するため、ミラー２３ｂの大きさはミラー２３ａよりも大きくする必要があり、質量も大きくなる。したがって、搭載するミラー部と角度検出器部の慣性モーメントの大きさを比較し、第一と第二の実施形態で説明したガルバノスキャナを選択して採用すると、ミラーの位置決めを高速化することができ、生産性を向上することができる。
【００３６】
なお、以上の実施形態では、揺動軸２０１、３０１、４０１よりも大径のフランジ部２０１ａ、３０１ａ、４０１ａを設けたが、内径が直径ｄ以上の溝にしてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガルバノスキャナの外形寸法を従来の場合と同じにして高速応答化を図ることができる。したがって、このようなガルバノスキャナをレーザ加工機に適用することにより、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガルバノスキャナの正面断面図である。
【図２】図１に示す揺動軸のねじり振動特性を説明する模式図である。
【図３】本発明に係る他のガルバノスキャナの正面断面図である。
【図４】図３に示す揺動軸のねじり振動特性を説明する模式図である。
【図５】本発明に係るさらに他のガルバノスキャナの正面断面図である。
【図６】従来のレーザ加工機の構成図である。
【図７】従来のガルバノスキャナの正面断面図である。
【図８】従来のガルバノミラーサーボ機構の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０４ ミラー取付部
１１０ 電磁揺動アクチュエータ部
１２１ グレーティング円板（角度検出器部）

Claims (2)

1. ミラー部と角度検出部と駆動トルク発生部とが直列に配置された軸を前記駆動トルク発生部の両側で回転自在に支持し、前記駆動トルク発生部で発生される駆動トルクにより前記ミラー部を回転方向に位置決めするようにしたガルバノスキャナにおいて、
   前記駆動トルク発生部の一方に前記ミラー部を、他方に前記角度検出部を配置し、
   前記ミラー部と前記角度検出部のうち慣性モーメントの大きい側から前記駆動トルク発生部に到る区間の軸径を他の区間の軸径よりも大径に形成することを特徴とするガルバノスキャナ。
2. 請求項１に記載のガルバノスキャナによりレーザ光を位置決めすることを特徴とするレーザ加工機。

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