JP2007256474A - ビームスキャナ - Google Patents

Abstract

【課題】 高い応答性で動作が可能なビームスキャナを提供する。
【解決手段】 内部を通って仮想軸が画定された支持部材と、支持部材に、仮想軸の長さ方向に沿ってある間隔を隔てた第１の位置及び第２の位置で、仮想軸の周囲に揺動自在に支持されたホルダと、第１の位置と第２の位置との間でホルダに保持され、ホルダとともに仮想軸の周囲に揺動するミラーと、ホルダ及びミラーを、仮想軸の周囲に揺動させる動力源とを有するビームスキャナを提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射したビームを反射して走査することのできる可動ミラーを備えるビームスキャナに関する。

レーザビームを照射して加工を行なう場合、回転ミラー（ガルバノミラー）で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）を用い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。

図４は、ガルバノスキャナを含むレーザ加工装置の概略図である。レーザ加工装置は、レーザ発振器１２、第１ガルバノスキャナ２０、第２ガルバノスキャナ２４、ｆθレンズ６、及びステージ８を含んで構成される。第１及び第２ガルバノスキャナ２０、２４は、それぞれ回転ミラー２０ａ、２４ａを備える。図示するようにＸＹＺ直交座標系を画定するとき、第１ガルバノスキャナ２０の回転ミラー２０ａは、たとえばＺ軸に平行な軸の周囲を回転し、第２ガルバノスキャナ２４の回転ミラー２４ａは、たとえばＹ軸に平行な軸の周囲を回転する。

レーザ発振器１２が、たとえばＸＹ平面に平行な方向に、パルスレーザビーム１４を出射する。出射したパルスレーザビーム１４は、第１ガルバノスキャナ２０の回転ミラー２０ａでＸＹ平面に平行な所定の方向に反射される。パルスレーザビーム１４は、更に、第２ガルバノスキャナ２４の回転ミラー２４ａで所定の方向に反射され、ｆθレンズ６を経て、ステージ８上に載置された加工対象物１０に照射される。パルスレーザビーム１４は、ｆθレンズ６により、加工対象物１０の表面に対して垂直な方向に偏向して、加工対象物１０に入射する。

第１及び第２ガルバノスキャナ２０、２４の回転ミラー２０ａ、２４ａを回転し、レーザビーム１４の進行方向を変えることによって、レーザビーム１４が加工対象物１０上を走査する。

図５は、ガルバノスキャナの概略を示す断面図である。ガルバノスキャナは、入射光を反射する回転ミラー３３、回転ミラー３３を先端に保持し、周囲に回転させる回転軸３０、回転軸３０を回転自在に支持する第１及び第２軸受３１、３２、回転軸３０に固着されたコイル３４、コイル３４に駆動力を与えて、回転ミラー３３を回転させる永久磁石３５及びヨーク３６、並びに、回転ミラー３３の回転角度を検出するための角度センサ３７を含んで構成される。

永久磁石３５とヨーク３６とで作られた磁界の中に配置されたコイル３４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軸受３１、３２により支持された回転軸３０に伝達され、回転ミラー３３を回転させる。回転ミラー３３の回転角度は、回転軸３０の回転ミラー３３とは反対側の端部に取り付けられた角度センサ４２によって計測される。

レーザ加工装置の高速化、高精度化、高スループット化の実現のため、ガルバノスキャナに対する高応答化への要求が高まっている。しかしながら図５に示したガルバノスキャナにおいては、回転ミラー３３、コイル３４、角度センサ３７が回転軸３０に、直列的に配置されているため、回転軸３０の捩れ変形による共振が発生しやすい。特に、回転軸３０の両端に取り付けられている回転ミラー３３と角度センサ３７とは、回転軸３０の捩れ変形による共振現象の主原因となり、回転ミラー３３の高速駆動を妨げる。

また、回転軸３０に捩れ変形が生じると、回転ミラー３３の実際の回転角度と、角度センサ３７による測定値との間にずれが生じ、レーザ照射位置の位置決め精度が低下する場合もある。

捩れ変形を抑制する方法として回転軸３０の径を増大することが考えられるが、回転軸３０の中心軸回りの慣性モーメントが増加する分、回転速度が低下する。

本願発明者らによって、幾つかのガルバノスキャナの提案がなされている。（たとえば、特許文献１参照。）
図６（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ特許文献１において提案されているガルバノスキャナの例を示す概略的な断面図である。

図６（Ａ）を参照する。入射光を反射する反射面５０ａを備える可動ミラー５０が、その両端近傍において、第１及び第２支持部材５２、５４に支持されている。第１及び第２支持部材５２、５４に固着された軸５５が、第１及び第２軸受３１、３２により揺動自在に支持される。可動ミラー５０は、軸５５の揺動に伴い、軸５５の中心に沿って画定される揺動中心軸Ｃの周囲を揺動する。

第１及び第２支持部材５２、５４間には、可動ミラー５０を支持する端部とは反対側の端部において、ベーストラック状のコイル３４が配設されている。コイル３４の周囲を囲むように、永久磁石３５及びヨーク３６が配置される。これら三者で、第１及び第２支持部材５２、５４を介して、可動ミラー５０を揺動させるトルクを発生させることができる。また、軸５５の一端に取り付けられた角度センサ３７が、第１及び第２支持部材５２、５４の回動角度を検出する。

本図に示すガルバノスキャナは、コイル３４に電流を流すことによって推力を発生させることができる。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。可動ミラー５０とコイル３４は第１及び第２支持部材５２、５４により連結されており、それに固着された軸５５が、回転自由度をもつ第１及び第２軸受３１、３２により支持されているので、コイル３４で発生した推力は回転トルクとなり、可動ミラー５０を軸５５の周囲に揺動させる。こうして、可動ミラー５０の反射面５０ａで反射されるレーザビームの反射方向が制御される。

図６（Ｂ）を参照する。本図に示すガルバノスキャナは、可動ミラー５０とコイル３４とを連結する支持部材５６を、可動ミラー５０の中央部に一つ配置した点、及び、支持部材５６を一つの軸受５７で揺動自在に支持した点において、図６（Ａ）に示したガルバノスキャナと相違する。少ない部品数でガルバノスキャナを構成することができるというメリットがある。

特開２００４−２０９５６号公報

本発明の目的は、高速で動作が可能なビームスキャナを提供することである。

また、高精度で動作が可能なビームスキャナを提供することである。

更に、高い応答性で動作が可能なビームスキャナを提供することである。

本発明の一観点によれば、内部を通って仮想軸が画定された支持部材と、前記支持部材に、前記仮想軸の長さ方向に沿ってある間隔を隔てた第１の位置及び第２の位置で、前記仮想軸の周囲に揺動自在に支持されたホルダと、前記第１の位置と前記第２の位置との間で前記ホルダに保持され、前記ホルダとともに前記仮想軸の周囲に揺動するミラーと、前記ホルダ及び前記ミラーを、前記仮想軸の周囲に揺動させる動力源とを有するビームスキャナが提供される。

このビームスキャナは、動作における高い応答性を有するビームスキャナである。

本発明によれば、高速で動作が可能なビームスキャナを提供することができる。

また、高精度で動作が可能なビームスキャナを提供することができる。

更に、高い応答性で動作が可能なビームスキャナを提供することができる。

図１（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例によるガルバノスキャナを示す概略的な断面図である。

図１（Ａ）を参照する。実施例によるガルバノスキャナは、入射光を反射する反射面５０ａを備え、一軸（揺動軸）の周囲に揺動可能な可動ミラー５０、可動ミラー５０を揺動軸に沿う方向の両端で保持するミラーマウント６１ａ、６１ｂ、ミラーマウント６１ａ、６１ｂをそれぞれ保持するホルダ６３ａ、６３ｂ、両ホルダ６３ａ、６３ｂ間に配置されたコイル３４、揺動軸に沿う方向に延在し、ガルバノスキャナの外部、または、可動ミラー５０等を内側に収容するガルバノスキャナの外壁内面に両端が固定されたシャフト６０、コイル３４とともに、駆動トルクを発生させる永久磁石３５及びヨーク３６、ホルダ６３ｂの側面に固着され、原点位置の画定されたスケール３７ａ、ならびに、スケール３７ａの揺動に伴う原点位置の変位を読み取るエンコーダヘッド３７ｂを含んで構成される。スケール３７ａとエンコーダヘッド３７ｂとは、可動ミラー５０の回転位置を検出するセンサを構成する。

また、実施例によるガルバノスキャナは、揺動軸の長さ方向に沿ってある間隔を隔てて、軸受６２ａ、６２ｂを備える。軸受６２ａ、６２ｂは、シャフト６０とホルダ６３ａ、６３ｂの間にそれぞれ配置され、ホルダ６３ａ、６３ｂをシャフト６０の周囲に揺動自在に支持する。なお、たとえば軸受６２ａ、６２ｂは、それぞれ内輪がシャフト６０上に固定され、外輪がホルダ６３ａ、６３ｂに嵌められた構造を有する。

ミラーマウント６１ａ、６１ｂ、ホルダ６３ａ、６３ｂ、コイル３４、及びスケール３７ａは、ガルバノスキャナの動作時に、可動ミラー５０とともに動く可動部を構成する。これに対し、シャフト６０、永久磁石３５、ヨーク３６、及び、エンコーダヘッド３７ｂは、ガルバノスキャナの外部、または、ガルバノスキャナの外壁内面に固定された固定部を構成する。

コイル３４は、永久磁石３５とヨーク３６とで作られた磁界の中に配置される。コイル３４に電流を流すとトルクが発生する。発生したトルクにより、可動ミラー５０を含む可動部が、シャフト６０内を通って画定される揺動中心軸Ｃの周囲を揺動する。可動ミラー５０は、揺動中心軸Ｃが反射面５０ａ上に位置するように配置される。可動ミラー５０の回転（揺動）角度は、スケール３７ａとエンコーダヘッド３７ｂを用いて計測される。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面図である。なお、断面に現れない構成要素についても、位置関係を明瞭にするため、一部加入した。

永久磁石３５は、Ｓ極とＮ極とが相互に逆向きに配置された永久磁石３５ａ、３５ｂからなる。永久磁石３５ａは、コイル３４側にＳ極、ヨーク３６側にＮ極を向けて配置され、永久磁石３５ｂは、コイル３４側にＮ極、ヨーク３６側にＳ極を向けて配置される。

本図には、ガルバノスキャナ内に形成される磁力線を矢印で示した。磁力線を連ねると、永久磁石３５ｂ、コイル３４、シャフト６０、コイル３４、永久磁石３５ａ、ヨーク３６、永久磁石３５ｂの向きに閉曲線を形成する。この磁界の中でコイル３４に電流を流すと、ローレンツ力が作用し、可動部を揺動させる回転トルクが発生する。この結果、可動ミラー５０が、揺動中心軸Ｃの周囲を揺動する。

図２は、ホルダ６３ａの概略的な断面図である。位置関係を明瞭にするため、可動ミラー５０、及びシャフト６０をあわせて記入した。

ホルダ６３ａは、揺動中心軸Ｃに沿って見たとき、揺動中心軸Ｃを通り可動ミラー５０の反射面５０ａに垂直な平面に関して対称に形成されている。また、ホルダ６３ａには、複数の空孔６４が、揺動中心軸Ｃを通り可動ミラー５０の反射面５０ａに垂直な平面に関して対称な位置に形成されている。対称な位置に形成される空孔６４の大きさは相互に等しい。空孔６４を形成することで、ホルダ６３ａを軽量化することができる。

また、ホルダ６３ａの下端近傍には、コイル３４を装着するための溝６５が形成されている。ホルダ６３ａに形成した溝６５にコイル３４を装着する構造を採用することで、ホルダ６３ａへのコイル３４の内嵌作業を容易に行うことができる。

また、溝６５は、可動ミラー５０の配置位置とは離れた位置に形成される。可動ミラー５０とコイル３４とを隔離して配置することで、コイル３４で発生した熱が、可動ミラー５０に伝達することを抑止する。

コイル３４で発生した熱の可動ミラー５０への伝達量が多い場合、たとえばレーザビームを反射させる際に、反射されるビームの位置決め精度や、断面形状が劣化する場合がある。コイル３４における発熱量を減少させるためには、コイル３４に流す電流を小さくする必要があり、小さい電流では、ガルバノスキャナの高速駆動が実現されない場合も生じる。可動ミラー５０とコイル３４とを隔離して配置することで、このようなデメリットを防止することができる。なお、空孔６４も、コイル３４から可動ミラー５０への熱伝達の抑止に寄与し、反射されるビームの位置決め精度や、断面形状の劣化を防止する。

図３は、スケール３７ａを示す概略図である。

前述のように、スケール３７ａは、ホルダ６３ｂに取り付けられ、可動部の一要素を構成する。また、スケール３７ａ上には、原点位置Ｏが画定されている。

ガルバノスキャナの動作時においては、スケール３７ａは、ホルダ６３ｂや可動ミラー５０とともに、揺動中心軸Ｃの周囲を揺動する。その際、スケール３７ａは、原点位置Ｏが、揺動中心軸Ｃを中心とし、ＯＣを半径とする円の円弧上を移動するように揺動する。

原点位置Ｏの変位は、可動部の外部に固定的に設置されたエンコーダヘッド３７ｂによって読み取られる。スケール３７ａとエンコーダヘッド３７ｂとによって、可動ミラー５０の回転（揺動）角度が検出される。

実施例によるガルバノスキャナにおいては、たとえば可動部がシャフト６０を含まない。また、可動ミラー５０の回転（揺動）角度を検出するセンサの構成要素のうち、スケール３７ａのみを可動ミラー５０とともに（可動部として）揺動させる。このような構成を採用することによって、図５を参照して説明したような、軸の捩れ変形による共振現象の発生が防止されるとともに、可動部が小型化、軽量化され、ガルバノスキャナの動作の高速性、高精度性、高応答性が実現される。また、揺動中心軸Ｃが可動ミラー５０の反射面５０ａ上に位置する構成としたことも、ガルバノスキャナの動作の速度、精度、応答性を一層高める。更に、可動部が２つの軸受６２ａ、６２ｂにより支持されているため、可動部の揺れによる共振の発生も抑止される。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

レーザ加工及びレーザ加工装置一般に利用することができる。殊に、高速、高精度、高応答のビーム走査が必要とされる、たとえばレーザ穴開け加工やレーザマーキング加工等のレーザ加工、及び、それらのレーザ加工を行う装置に好適に利用される。

（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例によるガルバノスキャナを示す概略的な断面図である。 ホルダ６３ａの概略的な断面図である。 スケール３７ａを示す概略図である。 ガルバノスキャナを含むレーザ加工装置の概略図である。 ガルバノスキャナの概略を示す断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ特許文献１において提案されているガルバノスキャナの例を示す概略的な断面図である。

符号の説明

６ ｆθレンズ
８ ステージ
１０ 加工対象物
１２ レーザ発振器
１４ レーザビーム
２０ 第１ガルバノスキャナ
２０ａ 回転ミラー
２４ 第２ガルバノスキャナ
２４ａ 回転ミラー
３０ 回転軸
３１ 第１軸受
３２ 第２軸受
３３ 回転ミラー
３４ コイル
３５、３５ａ、ｂ 永久磁石
３６ ヨーク
３７ 角度センサ
３７ａ スケール
３７ｂ エンコーダヘッド
５０ 可動ミラー
５０ａ 反射面
５２ 第１支持部材
５４ 第２支持部材
５５ 軸
５６ 支持部材
５７ 軸受
６０ シャフト
６１ａ、ｂ ミラーマウント
６２ａ、ｂ 軸受
６３ａ、ｂ ホルダ
６４ 空孔
６５ 溝
Ｏ 原点位置
Ｃ 揺動中心軸

Claims (6)

1. 内部を通って仮想軸が画定された支持部材と、
   前記支持部材に、前記仮想軸の長さ方向に沿ってある間隔を隔てた第１の位置及び第２の位置で、前記仮想軸の周囲に揺動自在に支持されたホルダと、
   前記第１の位置と前記第２の位置との間で前記ホルダに保持され、前記ホルダとともに前記仮想軸の周囲に揺動するミラーと、
   前記ホルダ及び前記ミラーを、前記仮想軸の周囲に揺動させる動力源と
   を有するビームスキャナ。
2. 前記ミラーは、入射するビームを反射する反射面を備え、前記仮想軸が前記反射面上に存するように前記ホルダに保持されている請求項１に記載のビームスキャナ。
3. 前記動力源は、
   前記ホルダに固定され、前記ホルダとともに前記仮想軸の周囲に揺動するコイルと、
   前記ホルダの外部に配置され、前記コイルを貫く磁力線を形成する磁力発生源と
   を含む請求項１または２に記載のビームスキャナ。
4. 更に、（ｉ）前記ホルダに固定され、前記ホルダとともに前記仮想軸の周囲に揺動する第１の測定器と、（ｉｉ）前記ホルダの外部に固定された第２の測定器と
   を備え、前記第１の測定器と前記第２の測定器との相対的位置を測定するセンサを含む請求項１〜３のいずれか１項に記載のビームスキャナ。
5. 前記ホルダは、前記仮想軸に沿って見たとき、前記仮想軸を通り前記ミラーの前記反射面に垂直な仮想平面に関して対称に形成されており、かつ、前記仮想平面に関して対称な位置に形成された空孔を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のビームスキャナ。
6. 前記ホルダは凹部を備え、前記コイルが前記凹部に装着される請求項３〜５のいずれか１項に記載のビームスキャナ。

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