JP2006227415A - スキャナ装置およびレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】 ミラーをより高速かつ高精度に位置決めすることができるスキャナ装置およびレーザ加工機を提供する。
【解決手段】 センターヨーク９の両端に配置した軸受け１０ａ、１０ｂの外輪側に中空円筒形状の中空フレーム５を支持させてロータとする。この場合、中空フレーム５の材質をセラミックスにしてコイル４を配置し、磁石１４を固定子にしてもよいし、中空フレーム５の材質を着磁した磁石材料にしてコイルを固定子にしてもよい。このように構成されたロータは、軸としてのねじり剛性を大きくできるので、ねじれ振動の固有振動数が大きくなる。また、回転軸としての曲げ剛性を大きくできるので、コイルの発熱に起因するロータの熱変形や、ミラー１に存在するの左右の質量アンバランスに起因するミラーの倒れ振動を低減することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光を所望の位置に位置決めをするために使用されるスキャナ装置およびスキャナ装置によりレーザを加工部に位置決めするようにしたレーザ加工機に関する。

プリント基板に穴を加工するレーザ穴明機やレーザマーカなどのレーザ加工機では、電磁力駆動形式のスキャナ装置（以下、「スキャナ」という。）を用いてミラーの回転（回動）角度を制御し、ミラーに入射するレーザを所望の位置に反射させて加工を行う。

スキャナは、回転軸（ロータ）、回転軸と一体のコイル、回転軸を支える軸受、回転軸の回転角度を検出する角度センサおよび永久磁石などから構成され、専用のコントローラ（制御装置）により制御される。

ミラーは回転軸に固定され、ミラーと回転軸は一体として回動する。固定子である永久磁石はコイルを囲むように配置され、コイル周囲に磁界を作る。

そして、コントローラは、上位の制御装置から指令された目標値と角度センサの出力値とを比較し、その差を小さくする駆動電流をコイルに供給する。コイルに駆動電流が流れると、駆動電流と永久磁石によって形成された磁界の電磁相互作用により、駆動電流値に比例したトルクがコイルに加わり、ロータは回転する。ロータの回転角度は角度センサによって検出され、コントローラへフィードバックされる。コントローラは、角度目標値信号と検出信号に基づいて駆動電流を制御し、ロータすなわちミラーの位置決めを行う（例えば、特許文献１参照）。なお、このようなスキャナは、回転角度が約±１０〜３０度の範囲で揺動動作を繰り返し、通常、３６０°の回転動作は必要とされない。また、動き出しから整定までの時間としては、平均１ｍｓ以下が要求される。
特開２００３−３０７７０号公報

例えばプリント基板に穴を加工するレーザ穴明機の場合、電子機器の小型化に伴い、より高精度で高速な位置決め性能が要求されている。高精度な加工をするためにはレーザのビーム径を大径にする必要があり、これに伴ってミラーを大きくする必要がある。このような場合、スキャナは、より大きな質量および慣性モーメントを有するミラーを、より高速で高精度に位置決めしなければならない。

しかし、従来のスキャナは以下に示す構造上の課題があり、ミラーの大型化と高速化の両立が困難であった。

第１の課題は、ミラーを含めたロータ系のねじれ振動の固有振動数の低下防止である。
すなわち、ミラーが大型化することにより慣性モーメントが増大すると、回転軸の剛性が不足になり、ミラーを含めたロータ系のねじれ振動の固有振動数が低下する。固有振動数が低いと、サーボ系の制御帯域（サーボ帯域）を上げることができず、高速の位置決めができない。回転軸の剛性は回転軸の軸径を太くすることにより大きくできるが、コイルおよび磁気回路の取り合い等スペース上の制約がある。また、軸径を太くすると回転軸の慣性モーメントも増大し、駆動電流の増大などの弊害が発生する。このため、従来の構造では、回転軸の軸径を太くすることが困難である。

第２の課題は、コイルの熱膨張による回転軸の曲げ変形の防止である。

すなわち、回転軸の曲げ変形は、振動や位置決め誤差の原因になる。これを防止する一つの方法は、回転軸の曲げ剛性を大きくすることであるが、上述の理由により、回転軸の軸径を太くすることは困難である。

第３の課題は、ミラーの倒れ振動の低減である。

すなわち、回転中心に関してミラーの左右に質量アンバランスが存在すると、位置決めの際、このアンバランスに作用する慣性力の不釣合いによって回転軸が加振され、ミラーが倒れるようなモードの回転軸の曲げ振動が発生する。この振動は、レーザ光の照射位置精度に悪影響を及ぼす。これを防止する一つの方法は、回転軸の曲げ剛性を大きくして変形を小さくすることであるが、上述の理由により、回転軸の軸径を太くすることは困難である。

本発明の目的は、上記課題を解決し、ミラーをより高速かつ高精度に位置決めすることができるスキャナ装置およびレーザ加工機を提供するにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の手段は、ロータと固定子とからなり、前記ロータを回動させるアクチュエータと、前記ロータの回動角度を検出する角度センサと、目標値と前記角度センサの出力値とを比較して前記ロータの回動位置を制御する制御手段と、を備え、前記ロータにミラーを保持させたスキャナ装置において、前記ロータを中空部材、例えば略中空円筒形状の部材から形成することを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、スキャナ装置を備え、このスキャナ装置によりレーザを加工部に位置決めするようにしたレーザ加工機において、前記スキャナ装置を、本発明の第１の手段に基づくスキャナ装置とすることを特徴とする。

ロータの軽量化および高剛性化が図れるので、ミラーすなわち例えばレーザを高精度かつ高速に位置決めすることができる。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

図１は本発明に係るスキャナの正面断面図、図２は本発明に係るスキャナの側面図、図３は図１の補足説明図、図４は本発明に係るスキャナの分解図、図５は図４におけるロータの分解図である。なお、図３（ａ）は図１のＣ部拡大図、図３（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図である。また、図５ではコイルの図示が省略されている。

図１に示すように、センターヨーク９とアウターヨーク１５は、支柱１１とセンターヨーク固定ねじ２０により一体に結合されている。センターヨーク９とアウターヨーク１５との間に形成された空間には、中空フレーム５が配置されている。図４に示すように、中空フレーム５の支柱１１と干渉する部分には長穴５ａが設けられている。長穴５ａの円周方向の長さは、支柱１１を中心として中空フレーム５が予め定める角度回転できる長さである。

センターヨーク９の軸方向の両端には中央部よりも小径の小径段部が設けられており、この小径段部には軸受１０ａ、１０ｂが取付けられている。グレーティングハブ６側に配置された軸受１０ｂの内輪は、圧入あるいは接着などの方法によりセンターヨーク９の小径段部に固定されている。一方、ミラー１側の軸受１０ａの内輪はすきま嵌めで小径段部に嵌合しており、センターヨーク９の長手方向（軸線方向）に摺動可能である。

図３（ａ）に示すように、軸受１０ａとセンターヨーク９との間には波ワッシャスペーサ１３と圧縮挿入された波ワッシャ１２とが配置されている。波ワッシャスペーサ１３は軸受１０ａの内輪に接触しており、波ワッシャ１２の弾性力により、軸受１０ａ、１０ｂには予圧が作用している。軸受１０ａの外輪にはフレームジョイント３ａが、軸受１０ｂの外輪にはフレームジョイント３ｂが、それぞれ圧入あるいは接着等により固定されている。なお、後述するように、この部分に作用する力が小さくなるように構成されているので、この部分の固定は必要以上に強固にしなくてもよい。

材質がセラミックスである中空フレーム５は、内周面およびテーパ面がフレームジョイント３ａ、３ｂの外周面とそれぞれ接触した状態で、接着あるいは嵌合などにより一体に結合されている。このように両者にテーパ面を設けることにより、中空フレーム５の軸線をフレームジョイント３ａ、３ｂの軸線に精度良く一致させることができる。また、フレームジョイント３ａ、３ｂと中空フレーム５を直接結合する構造にしたので、中空フレーム５に加わる駆動時のトルクはフレームジョイント３ａ、３ｂに直接伝達される。この結果、フレームジョイント３ａ、３ｂから軸受１０ａ、１０ｂの外輪に伝達される力は軸受１０ａ、１０ｂを回転させるのに必要なトルクだけであり、非常に小さい。したがって、フレームジョイント３とこれを支持する軸受１０の外輪の接触部は強固に結合する必要はなく、芯合わせ精度を確保すればよい。

以上の構成であるから、中空フレーム５はフレームジョイント３ａ、３ｂを介してセンターヨーク９に回転自由に支持されている。

図４に示すように、コイル４は、中空フレーム５に銅あるいはアルミ等の導線を巻きつけて形成され、接着により中空フレーム５と一体である。導線は、電流が円筒形状の中空フレーム５の手前側の円筒面を円筒の軸線方向に流れ、端面を横断して奥側の円筒面に向かい、奥側の円筒面を手前側とは逆方向に流れ、端面を横断して手前側の円筒面へ戻る経路となるように、中空フレーム５の周りに巻かれている。上記したように、このスキャナは回動動作を繰り返し、いわゆる回転動作はしない。そこで、コイル４端部の導線は回動動作によって切れることがないように余裕を持たせて引き出されている。なお、コイル４の巻数（巻き付け回数）は必要なトルクの大きさ応じて決められる。

磁石１４、センターヨーク９およびアウターヨーク１５により、コイル４に対する磁気回路が構成されている。できる限り強力な磁界がコイル４を貫くようにするため、磁石１４はコイル４を取り囲むように配置されている。そして、コイル４に電流が流れると、偶力の電磁力が作用し、コイル４、中空フレーム５およびフレームジョイント３ａ、３ｂが軸受１０ａ、１０ｂに支えられて一体に回動する。すなわち、この実施例におけるロータは、コイル４、中空フレーム５およびフレームジョイント３ａ、３ｂとから構成されている。

ミラー１はミラーマウンタ２に固定されており、ミラーマウンタ固定ねじ１９により、フレームジョイント３ａに固定されている。ミラーマウンタ２とフレームジョイント３ａの嵌め合い部は断面円形であり、嵌め合いの公差を管理することにより偏心量を抑えることができる。

グレーティングハブ６は、ハブ固定ねじ２１によりフレームジョイント３ｂに固定されている。フランジ８は、グレーティング固定ねじ２２により、グレーティングハブ６に締結されている。

角度センサとして、レーザ反射式のロータリーエンコーダが使用され、角度センサを構成するグレーティング７は、フランジ８に固定されている。グレーティング７の表面には放射状にスリットパターンが設けられている。センサヘッド７ａは、アウターヨーク１５に固定された図示を省略するサポートにより、グレーティング７と対向するようにしてアウターヨーク１５に固定されている。センサヘッド７ａは、グレーティング７の表面に設けられたスリットパターンの通過を検出して、グレーティング７の回転角度を検出する。

フレームジョイント３ｂ、グレーティングハブ６およびフランジ７の加工精度および嵌め合い精度を管理することにより、ロータの回転軸線に対するグレーティング７の軸線の偏心量を管理することができる。

なお、この角度センサの測定原理は市販のレーザ反射式ロータリーエンコーダと同じであるので、詳細な説明は省略する。

そして、コントローラ１００は、上位の制御装置から指令された移動指令（目標値）と角度センサから出力された角度信号（出力値）とを比較し、コイル４に供給する駆動電流を制御してロータの回動位置を制御する。なお、コントローラの制御動作は従来と同じであるため、詳細な説明を省略する。

この実施例では、センターヨーク９、軸受１０、フレームジョイント３ａ、３ｂおよびこれらに結合する部品の嵌め合い精度を管理することにより、ミラー１およびグレーティング７を精度良く回動させることができる。

また、ロータとして概略中空円筒形状の中空フレーム５を採用したので、質量および慣性モーメントを小さくすることができる。

また、中空円筒形状にしたので、ねじれ剛性を大きくでき、ねじれ振動の固有振動数を高くすることができる。この結果、サーボ帯域を上げることが可能になり、応答を高速化することができる。

また、ロータの曲げ剛性を負担する中空フレーム５を大径にできるので、従来の構造に比べてロータの曲げ剛性を大きくできる。この結果、アンバランスによるロータの曲げ振動、すなわち、ミラー倒れ振動を小さくすることができる。また、コイル４の発熱に伴うロータの曲げ変形を小さくでき、発熱による位置決め精度のドリフトを低減することができる。

また、中空フレーム５の材質を耐熱性に優れ熱変形が小さいセラミックスとしたので、位置決め精度の安定性が確保できる。また、コイル４に供給する電流値を大きくできることに加えて磁場中で回動しても誘導電流が発生せず、位置決めの高速化および位置決め精度の安定化を図ることができる。さらに、温度による剛性変化が無視できるので、ねじれ振動の固有振動数を安定させることができ、サーボ特性の変化による精度の悪化を抑制することができる。

また、ミラーマウンタの中空フレーム５との嵌合部を大径にできる結果、回転軸との接合部のねじれ剛性を大きくすることができ、ミラーの倒れを小さくすることができる。
次に、実施例１の変型例について説明する。

初めに、中空フレームの変型例について説明する。

図６は、中空フレームの変型例を示す斜視図である。

中空フレーム５の材質としては金属などの導電材料あるいはプラスチックや複合材料を採用してもよい。例えば中空フレーム５の材質をアルミニウムにすると、材料の入手および加工が容易になるだけでなく、強度信頼性を向上させることができるが、中空フレーム５の材質として導電材料を使用する場合、以下の点に留意する必要がある。

すなわち、例えば、コイル４に流れる電流の向きが同図（ａ）に矢印で示す方向であるとすると、中空フレーム５には磁束の変化を妨げるように、逆向きに流れる電流が誘導される（同図（ｂ））。発生した誘導電流はコイル電流と相殺されるため、トルク損失となる。そこで、同図（ｃ）に示すように、中空フレーム５にスリット２４を形成し、誘導電流が流れる経路を長くして（理想的には経路を断つ）回路抵抗を大きすることにより誘導電流を小さくするようにするとトルク損失を小さくすることができる。

また、磁石の端部では磁場が一様ではないため、導電体の中空ロータ５が運動すると局所的に渦電流が誘導され、誘導された渦電流による電磁力により位置決め特性に悪影響が生じる可能性がある。このような渦電流に対しても、その渦電流が流れる経路に対応した位置にスリット２４を設け、回路抵抗を大きすることにより、誘導電流によるトルクの損失を抑えることができる。

次に、コイルの変型例について説明する。

図７はコイルの配置例を示す構成図、図８はマグネットの配置を示す図である。

導線を中空フレーム５に導線を巻き付けることに代えて、予め導線をレーストラック状に巻いたコイル２５ａ、２５ｂを中空フレーム５の両側に貼り付けて固定するようにしてもよい。

この場合、図８に示すように、コイル２５ａ、２５ｂを周回する行き戻りの電流をそれぞれ反対向きの磁界で挟むように磁気回路、磁石の配置を構成すると、発生するトルクを大きくすることができる。

コイルの構造をレーストラック状にすると、コイルのインダクタンスを下げることができるので、コイル電流の立ち上がりを速く、すなわち、ミラー１の応答速度を速くすることができる。

なお、以上の実施例では軸受を転がり軸受としたが、他のすべり軸受、流体軸受、板ばね機構など、どのようなものを使用してもよい。

また、軸受をセンターヨーク９に取り付ける場合を示したが、他の部材を基準として軸受を設けてもよい。例えば、アウターヨーク１５に転がり軸受を設けて、アウターヨーク１５の側に外輪を固定し、内輪にミラー、角度センサ、中空フレームから成るロータを一体的に結合してもよい。

ところで、以上では、ロータにコイルを配置し、永久磁石を固定子としたが、ロータに永久磁石を配置し、コイルを固定子とすることもできる。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。

図９は本発明に係るロータの要部構成図、図１０は側面断面図であり、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重複する説明を省略する。なお、図１０において、（ａ）は全体を、（ｂ）は（ａ）のＤ部を拡大して示す図である。

磁石材料で形成された中空フレーム５は、中間部が部分的に着磁されている。中空フレーム５の両端には、実施例１の場合と同様に、フレームジョイント３ａ、３ｂが結合されており、フレームジョイント３ａ、３ｂは図示を省略した軸受１０ａ、１０ｂを介してセンターヨーク９に支持されている。

図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、中空フレーム５は、半径方向および円周方向にＮ極とＳ極が配列されている。また、センターヨーク９にはコイル４ａ、４ｂが、アウターヨーク１５の突起部１５ａにはコイル４ｃ、４ｄが配置されている。コイル４ａ〜４ｄはそれぞれ図中矢印で示す方向に磁界を発生するように導線が巻かれている。そして、通電されたコイル４ａ〜４ｄと中空フレーム５との間に働く電磁的な相互作用により中空フレーム５が回動する。コイル４ａ〜４ｄに流れる電流の向きを逆にして発生する磁界の向きを反転させることにより、中空フレーム５の回動方向を反転させることができる。

この実施例では、実施例１の効果に加えて、中空フレーム５を中空円筒状の磁石としたので、鉄系の金属材料を使用することができる。また、ヤング率を大きくできるので、ねじれ振動の固有振動数を向上することができ、高速の応答を可能にすることができる。また、金属材料を使用できるので、強度信頼性を向上することができる。

なお、短冊状の磁石をフレームジョイント３ａ、３ｂに直接接着して中空フレーム５としてもよい。

次に、本発明に係るスキャナを適用したレーザ加工機について説明する。

図１１は本発明のスキャナ装置を使用したレーザ加工機の構成図である。光路ミラー２７を任意の枚数用いてレーザ光の光路系を構成し、レーザ光源２６から出射されたレーザ光を、本発明に係るスキャナ装置２８ａに取付けられたミラー１へ誘導する。スキャナ装置２８ａは、図示しないコントローラからの指令に従ってミラー１ａを所定の角度へ位置決めすることにより、図中のＹ方向へレーザ光を位置決めする。同様に、スキャナ装置２８ｂは、図示しないコントローラからの指令に従ってミラー１ｂを所定の角度へ位置決めすることにより、図中のＸ方向へレーザ光を位置決めする。スキャナ装置２８ａ、２８ｂで偏向されたレーザ光は、ｆθレンズ２９を通ることにより、図示しない被加工物上の所定の位置へ垂直に照射される。ここでは、ＸＹテーブル３０を設けたので、レーザ光のスキャンエリアの外を加工する場合には、ＸＹテーブルに載置された図示しない被加工物をＸ、Ｙ方向の任意の位置へ移動させ、加工することができる。このような構成により、レーザ光を２次元的に任意の位置に位置決めすることができる。

なお、本発明は、レーザ加工機に限らず、任意の位置に光を位置決めする加工機あるいは計測装置等にも適用することができる。

本発明に係るスキャナの正面断面図である。 図２は本発明に係るスキャナの側面図である。 図１の補足説明図である。 本発明に係るスキャナの分解図である。 図４におけるロータの分解図である。 本発明の変型例を示す斜視図である。 本発明の変型例を示す構成図である。 本発明の変型例を示す構成図である。 本発明に係るロータの要部構成図である。 本発明に係るロータの側面断面図である。 本発明のスキャナ装置を使用したレーザ加工機の構成図である。

符号の説明

１ ミラー
４ コイル
５ 中空フフレーム
９ センターヨーク
１０ａ、１０ｂ 軸受け
１４ 磁石

Claims (5)

1. ロータと固定子とからなり、前記ロータを回動させるアクチュエータと、前記ロータの回動角度を検出する角度センサと、目標値と前記角度センサの出力値とを比較して前記ロータの回動位置を制御する制御手段と、を備え、前記ロータにミラーを保持させたスキャナ装置において、
   前記ロータが中空部材からなることを特徴とするスキャナ装置。
2. 前記中空部材が略中空円筒形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のスキャナ装置。
3. 前記ロータをセラミックスで形成すると共にコイルを配置し、前記固定子を磁石とすることを特徴とする請求項１または２に記載のスキャナ装置。
4. 前記ロータを磁性材料で形成し、前記固定子をコイルとすることを特徴とする請求項１または２に記載のスキャナ装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のスキャナ装置を備え、このスキャナ装置によりレーザを加工部に位置決めするようにしたことを特徴とするレーザ加工機。

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