JP2008298857A - スキャナ装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ミラーを駆動する揺動アクチュエータ装置から駆動トルクの反作用が周期的に作用する場合であっても、ミラーの振動を抑制することができるようにする。
【解決手段】揺動アクチュエータ装置１０の回転軸１１にミラー１３支持させ、ミラー１３を回転軸１１の軸線１２の回りに位置決めするようにしたスキャナ装置において、揺動アクチュエータ装置１０を固定支持するサポート２０と、揺動アクチュエータ装置１０、ミラー１３及びサポート２０とからなる支持構造系の共振周波数に等しい固有振動数を有する動吸振器４０と、を設け、動吸振器４０をサポート２０に固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミラーを回転軸の回りに位置決めするようにしたスキャナ装置及びスキャナ装置によりレーザを位置決めして被加工物を加工するレーザ加工装置に関する。

プリント配線板の製造工程において穴あけ加工を行うレーザ加工装置では、被加工物の複数の加工位置にレーザ光を次々と照射するための位置決め制御機構が必要であり、高い加工スループットと高精度な加工を実現するためにスキャナ装置が多く用いられている。スキャナ装置は、ミラーを負荷要素としてシャフトに固定した揺動アクチュエータ装置、揺動アクチュエータ装置をレーザ加工装置内部に固定する支持構造物、ミラーの角度を指令値に追従制御するサーボ制御装置から構成される。

レーザ加工装置は通常、階層的な制御構造を有する数値制御（ＣＮＣ）装置であって、スキャナ装置はその最下位の階層に含まれる。上位階層の制御装置(以下、上位制御と呼ぶ)では、プリント配線板のＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）データに基づき、二次元の穴位置座標が加工される順番でＮＣプログラムに記述される。加工が始まると、上位制御はＮＣプログラム中の穴位置座標を次々に座標変換し、スキャナ装置に対して時系列的な角度指令データを送信する。穴を真円に加工するには、ミラーが角度指令データで指定された角度で静止した後に、レーザ光を照射する必要がある。このため角度指令データの送信とレーザ光の照射制御は、上位制御の内部で同期を取って行われる。スキャナ装置は、ミラーの角度が角度指令データに対して誤差無く位置決めするように動作する。特許文献１は、スキャナ装置を用いたレーザ加工装置のスループットを向上するために、穴加工の順序を最適化する技術を開示している。

揺動アクチュエータ装置は、ミラーを固定するシャフトを有し、電磁気的な動作原理のものが多く用いられる。さらにミラーの角度を検出するセンサを内蔵しており、このセンサからの角度検出データはサーボ制御装置に送られる。このサーボ制御装置はオペアンプからなるアナログ制御で実現されることもあるし、マイクロ・プロセッサとプログラムを合わせたディジタル制御ファームウェアによる実現の場合もある。特に近年は、後者の構成によって短期間で柔軟に制御プログラムを高性能化して、製品競争力の向上が図られている。また、ミラーの位置決め時間を短縮するために、フィードバック・ループを広帯域化する技術が使われている。揺動アクチュエータ装置では、シャフトに取り付けられたミラー、センサ、可動コイルまたは可動磁石が慣性負荷として作用するので、高速動作では軸ねじり振動を発生することがある。数ｋＨｚ以上の領域に複数のねじり振動モードが存在するので、従来のスキャナ装置のサーボ制御装置では振動モードの安定化補償器によって、フィードバック・ループを広帯域化するものがある（特許文献２）。

また従来のスキャナ装置では、スキャナ装置に入力する移動指令値に対してフィルタ処理を行い、振動を低減するものがある（特許文献３）。

また、スキャナ装置の動作が共振周波数を励起するような動作パターンになる場合、整定時間を調整することで共振の発生を回避するスキャナ装置がある（特許文献４）。

さらに精密産業機械、半導体製造設備、超高層建築物などでは、構造物に発生した振動を速やかに減衰させる動吸振器が用いられている。動吸振器には質量とバネと減衰材の受動要素のみで構成されるパッシブ方式と、フィードバック制御機構によりロバスト性を高めたアクティブ方式がある（非特許文献１）。そして従来のレーザ加工装置には、可動テーブルの移動による加工装置の構造振動をアクティブ動吸振器によって抑制するものがある（特許文献５）。

ここで、従来から実施されている揺動アクチュエータ装置の固定方法について説明する。
図５は従来の揺動アクチュエータ装置をレーザ加工装置内部に固定する支持構造系を示す図、図６は図５のＡ−Ａ断面図である。揺動アクチュエータ装置１０は円筒形に形成され、回転軸１１の先端にはミラー１３が固定されている。サポート２０には揺動アクチュエータ装置１０の外径よりも僅かに大径の穴２０ｈと回転軸１１の回転の軸線１２と平行なスリット２０ｓとが形成されている。スリット２０ｓに垂直な方向には穴２０ａとねじ穴２０ｊが形成されている。そして、ねじ穴２０ｊに螺合するボルト５０を締め付けることによりサポート２０を弾性変形させ、摩擦力により揺動アクチュエータ装置１０をサポート２０に支持させている。サポート２０は、ミラー１３の軸線１２がレーザ３０の光路と交差するようにして、背面側が図示を省略するボルトにより、ハッチングで示すレーザ加工機の支持部材６０に固定されている。

図示の揺動アクチュエータ装置１０は図６から分かるように４極式であり、回転軸１１には、中心角９０度の扇形断面の可動磁石１６が４個固定されている。Ｎ極から放射状に出た磁束はコイル１７を通過し、ハウジング１４に入る。このハウジング１４は機能的に継鉄を兼ねており、磁束を円周方向に導く。その磁束は再びコイル１７を通過して可動磁石１６のＳ極に入り、隣接するＮ極に戻ることで閉ループとなる。コイル１７に流れる駆動電流は図６の紙面に垂直な方向であり、Ｎ極に対向するコイルとＳ極に対向するコイルでは逆向きである。これによりフレミング左手則の反作用による駆動トルクが可動磁石１６に作用し、回転軸１１を介してミラー１３が駆動される。
特開２００３−２４５８４３号公報 特開２００２−４０３５８号公報 特開２００３−４３４０４号公報 特許第３５１９２７８号公報 特開２００３−１８１７３９号公報 背戸・松本共著、パソコンで解く振動の制御、３章、６章、丸善、１９９９年

一方、駆動トルクの反作用は、コイル１７からハウジング１４を介して、サポート２０に伝わる。サポート２０は背面で固定されているが、駆動トルクの反作用が繰り返し伝わると、サポート２０の弾性変形による構造振動が起きることがある。特に最悪ケースでは、駆動トルクの繰り返し周波数が図５に示した支持構造系（ここでは、サポート２０）の共振周波数に一致することも起こり得る。駆動トルクの繰り返し周波数が支持構造系の共振周波数に一致すると、構造振動が特に励起されてミラー１３も振動する。この結果、レーザ光３０の反射角が所望の角度に対して振動し、加工位置精度が低下する。

しかし、特許文献２ないし４に開示されている技術では、ミラーの移動時間や整定時間が長くなる場合があり、レーザ加工装置のスループットを低下させることがある。また特許文献５に開示されたアクティブ動吸振器は、レーザ加工装置の可動テーブルの動作による装置全体の構造振動や床との連成振動を抑制することはできるが、スキャナ装置の動作で発生する局所的な振動を抑えるには不適である。

本発明の目的は、上記課題を解決し、ミラーを駆動する揺動アクチュエータ装置から駆動トルクの反作用が周期的に作用する場合であっても、ミラーの振動を抑制することができるようにし、加工精度を上げることにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の手段は、揺動アクチュエータ装置の回転軸にミラー支持させ、このミラーを前記回転軸の軸線の回りに位置決めするようにしたスキャナ装置において、前記揺動アクチュエータ装置を支持するサポートと、前記サポートの共振周波数に等しい固有振動数を有する動吸振器と、を設け、前記動吸振器を前記サポートに固定したことを特徴とする。

この場合、前記動吸振器をウェイト部と弾性ヒンジ部とを備える形状とし、前記ウェイト部の振動方向が前記回転軸の軸線に直交するようにして前記サポートに固定させるようにしてもよいし、前記動吸振器に前記ウェイト部の振動を減衰させる振動減衰材を備えるようにしてもよい。

また、本発明の第２の手段は、第１の手段に係るスキャナ装置を備え、前記スキャナ装置によりレーザを位置決めして被加工物を加工するレーザ加工装置を特徴とする。

本発明によれば、ミラーの振動が減少する結果、レーザの位置決め精度が向上し、加工精度が向上する。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は本実施形態における実施例１に係るスキャナの斜視図、図２は図１におけるＢ−Ｂ断面図、図３は揺動アクチュエータ装置の内部構造を示す断面図である。これらの図において、前述の図５及び図６に示した各部と同等な各部には同一の符号を付して説明を省略する。

始めに、揺動アクチュエータ装置の内部構造について説明する。図３に示すように、回転軸１１は軸受１５０と軸受１５１を介してハウジング１４に支持されており、軸線１２回りの揺動動作が可能である。回転軸１１の一端には、エンコーダ１８のスケール１８０が固定されている。このスケール１８０はヘッド１８１で読み取られ、前記スケール１８０とヘッド１８１によって前記エンコーダ１８が構成されている。ヘッド１８１はハウジング１４に固定されたカバー１８２に固定されている。エンコーダ１８は回転軸１１（すなわち、ミラー１３）の角度変位を検出し、検出した結果をサーボ制御機構に出力する。回転軸１１の中央部には可動磁石１６が取付けられている。上記したように、可動磁石１６、ハウジング１４、及びハウジング１４に固定されたコイル１７は磁気回路を構成している。回転軸１１の他端にはミラー１３が固定されている。

図１に示すように、サポート２０には動吸振器４０が固定されている。この動吸振器４０は長手方向（軸線方向）に直角な断面が略Ｈ形であり、ウェイト部４１と弾性ヒンジ部４２と台座部４３とから構成されている。台座部４３は、図示を省略するボルトにより、動吸振器４０をサポート２０に固定する部位である。なお、動吸振器４０は、弾性ヒンジ部４２の長手方向が軸線１２に平行になるようにしてサポート２０に固定されている。

図２を用いて、さらに詳しく説明する。

この動吸振器４０の場合、弾性ヒンジ部４２は撓みバネとして機能する。ウェイト部４１と弾性ヒンジ部４２は１自由度振動系であるので、弾性ヒンジ部４２が撓むことによりウェイト部４１は図２の紙面では左右、つまり軸線１２に直交する方向に振動する。

動吸振器４０の固有振動数は、ウェイト部４１の質量、及び弾性ヒンジ部４２の寸法を設計パラメータとして、所望の値に設計できる。そこで、予め、加速度センサや振動センサを用いたサポート２０及び揺動アクチュエータ装置１０の振動の実測（すなわち、実験モード解析法）、あるいは有限要素法による構造振動解析（すなわち、理論モード解析法）を用いて、揺動アクチュエータ装置（ミラー１３を含む）を支持させたサポート２０の共振周波数を定量的に把握する。そして、得られた共振周波数に一致するように、動吸振器４０を設計しておく。

固有振動数がサポート２０の共振周波数に等しい動吸振器４０の場合、駆動トルクの反作用で励起された支持構造系の振動の力学的エネルギーは、動吸振器４０のウェイト部４１と弾性ヒンジ部４２による振動系に吸収される。このため支持構造系本体の振動が弱まり、ミラー１３はほとんど振動しない。

なお、この実施例では、弾性ヒンジ部４２の長手方向が軸線１２に平行になるようにしてサポート２０に固定して、図２においてウェイト部４１を左右に振動させる例を示したが、ウェイト部４１の振動方向はこれに限定するものではない。すなわち、実験モード解析法や理論モード解析法の解析結果を元にして、より効果的に振動を低減する向きに動吸振器４０を取り付けることが望ましい。

次に、本発明の実施例２について説明する。

図４は、本発明の実施例２に係るスキャナ装置の断面図で、実施例１における図２の構成に対応する。

この実施例では、動吸振器４０のウェイト部４１と台座部４３との隙間に防振ゴム等の振動減衰材４４、４５を配置し、隙間に充填した状態にしてある。

このようにすると、ウェイト部４１の振動の力学的エネルギーは振動減衰材の粘性抵抗により熱に変換され、消散するので、振動を速やかに減衰させることができる。

本発明に係るスキャナ装置の斜視図である。 図１におけるＢ−Ｂ断面図である。 揺動アクチュエータ装置の内部構造を示す断面図である。 本発明に係るスキャナ装置の断面図である。 従来のスキャナ装置の支持構造系を示す斜視図である。 図５におけるＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１０ 揺動アクチュエータ装置
１１ 回転軸
１２ 軸線
１３ ミラー
２０ サポート
４０ 動吸振器

Claims (4)

1. 揺動アクチュエータ装置の回転軸にミラー支持させ、このミラーを前記回転軸の軸線の回りに位置決めするスキャナ装置において、
   前記揺動アクチュエータ装置を支持するサポートと、
   前記サポートの共振周波数に等しい固有振動数を有する動吸振器と、
   を備え、前記動吸振器が前記サポートに固定されていることを特徴とするスキャナ装置。
2. 前記動吸振器はウェイト部と弾性ヒンジ部とを備え、前記ウェイト部の振動方向が前記回転軸の軸線に直交するように前記サポートに固定されることを特徴とする請求項１に記載のスキャナ装置。
3. 前記動吸振器に前記ウェイト部の振動を減衰させる振動減衰材が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のスキャナ装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のスキャナ装置を備え、
   前記スキャナ装置によりレーザを位置決めして被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工装置。

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