JP2011043674A - Galvano scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザビーム等の光ビームを偏向して出射するガルバノスキャナに関する。 The present invention relates to a galvano scanner that deflects and emits a light beam such as a laser beam.
図4は、従来のガルバノスキャナを示す斜視図である。ガルバノスキャナは、たとえばプリント基板にビアホールを形成するレーザドリル装置に使用される。 FIG. 4 is a perspective view showing a conventional galvano scanner. The galvano scanner is used, for example, in a laser drill apparatus that forms a via hole in a printed board.
ガルバノスキャナはガルバノミラー10、ミラーマウント11、シャフト12、軸受け13a、13b、コイル14、磁石15a、15b、及びエンコーダ部16を含んで構成される。エンコーダ部16は、ハブ17、ディスク18、スリット19、発光素子20、及び受光素子21を含む。
The galvano scanner includes a
入射する光ビームを反射して偏向させるガルバノミラー10は、ミラーマウント11を介してシャフト12に固定されている。シャフト12は、2つの軸受け13a、13bにより、ガルバノスキャナの筐体に、その中心軸(回転中心)の周囲に回動自在に支持されている。軸受け13a、13b間のシャフト12には、コイル14が固定される。また、コイル14を挟むように、相互に極性の異なる一対の磁石15a、15bが配設されている。磁石15a、15b、及びその磁界中に配置されるコイル14により、シャフト12を回動させることができる。すなわちシャフト12を回動させる回動機構は、コイル14、及び磁石15a、15bを含んで構成される。
A
エンコーダ部16は、シャフト12の回転位置(回動角度)を導出するための情報を検出する検出部であり、軸受け13a、13bを挟んでガルバノミラー10と反対側に設置される。エンコーダ部16を構成するディスク18はハブ17を介してシャフト12に固定されており、シャフト12の回動とともに回転する。ディスク18には、スリット19が形成されている。ディスク18のスリット19形成位置を挟んで、発光素子20及び受光素子21が配置されている。発光素子20は、たとえば発光ダイオード(Light Emitting Diode; LED)であり、受光素子21は、たとえばフォトダイオード(Photo Diode; PD)である。発光素子20を出射し、スリット19を透過した光は、受光素子21に入射する。
The
受光素子21で受光された光をもとに、シャフト12の回動角度が把握される。ガルバノミラー10を回転させる場合には、把握されたシャフト12の回動角度を参照して、所望の角度にガルバノミラー10を回転させる制御が行われる。
Based on the light received by the
図5は、従来のガルバノスキャナの一部を示す断面図である。上述のように、シャフト12の回転位置(回動角度)を検出するために、スリットの形成されたディスク18が、ハブ17によってシャフト12に取り付けられている。検出精度向上のため、分解能を高める目的で、スリットの数を増やすことが行われている。スリットの数を増加させると、ディスク18の径が増大する。ディスク18の径が増大すると、ディスク18の質量や回動部分のイナーシャ(慣性モーメント)が大きくなり、ガルバノスキャナの高速動作が妨げられる。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a part of a conventional galvano scanner. As described above, the
湿度変化の影響を受けることなく、ガルバノミラーの高速動作時においても、高精度の回動角度測定を可能とするガルバノスキャナの発明が開示されている(たとえば、特許文献1参照)。 An invention of a galvano scanner that enables highly accurate rotation angle measurement even during high-speed operation of a galvano mirror without being affected by changes in humidity has been disclosed (for example, see Patent Document 1).
本発明の目的は、高速動作が可能なガルバノスキャナを提供することである。 An object of the present invention is to provide a galvano scanner capable of high-speed operation.
本発明の一観点によれば、回転中心の周囲に回転可能で、回転方向に沿って第1の位置検出マークが形成されたシャフトと、前記シャフトに固定され、入射する光ビームを反射させるガルバノミラーと、前記シャフトを、前記回転中心の周囲に回転させる回転機構と、前記シャフトの前記第1の位置検出マークに、光を入射させる発光器と、前記シャフトの前記第1の位置検出マークで反射した、前記発光器からの光が入射する受光器と、前記受光器に入射した光をもとに、前記シャフトの回転方向の位置を導出する回転位置導出部と有するガルバノスキャナが提供される。 According to one aspect of the present invention, a shaft that is rotatable around a rotation center and has a first position detection mark formed in the rotation direction, and a galvano that is fixed to the shaft and reflects an incident light beam. A mirror, a rotation mechanism that rotates the shaft around the rotation center, a light emitter that causes light to enter the first position detection mark of the shaft, and the first position detection mark of the shaft. There is provided a galvano scanner having a reflected light receiver that receives light from the light emitter, and a rotational position deriving unit that derives a position of the shaft in the rotational direction based on the light incident on the light receiver. .
本発明によれば、高速動作が可能なガルバノスキャナを提供することができる。 According to the present invention, a galvano scanner capable of high-speed operation can be provided.
図1(A)は、実施例によるガルバノスキャナのエンコーダ部16を示す概略図であり、図1(B)及び(C)は、エンコーダ部16におけるシャフト12を示す断面図である。実施例によるガルバノスキャナにおけるエンコーダ部16以外の構成は、図4に示した従来のガルバノスキャナの構成と等しい。
FIG. 1A is a schematic diagram illustrating an
図1(A)を参照する。実施例によるガルバノスキャナのエンコーダ部16は、たとえばステンレス鋼(Steel Use Stainless; SUS)でつくられた直径7mmの円筒形シャフト12の表面(円筒面)に形成された2列のスリット19a、19b、発光素子20、受光素子21a、21b、及び結像レンズ22a、22bを含んで構成される。発光素子20は、たとえばLEDであり、受光素子21a、21bは、たとえばフォトディテクタである。
Reference is made to FIG. The
スリット19a、19bは、それぞれたとえばシャフト12の延在方向(軸方向、長さ方向)にのびる凹部であり、スリット19aの形成列、及びスリット19bの形成列はともに、シャフト12の回転方向に沿って配置されている。
The
発光素子20を出射した光は、シャフト12のスリット19a、19b形成領域で反射され、結像レンズ22a、22bを透過して受光素子21a、21bに入射する。この際、発光素子20を出射した光のうち、シャフト12の回転に伴い、シャフト12の表面が通過する円筒側面(回転体としてのシャフト12の回転面)上の1つの固定点(固定位置)で反射された光が受光素子21aで受光され、他の固定点(固定位置)で反射された光が受光素子21bで受光される。1つの固定点(固定位置)と他の固定点(固定位置)とは、シャフト12の回転方向に沿う位置座標が等しい。すなわち、受光素子21aに入射する光のシャフト12表面における反射位置と、受光素子21bに入射する光のシャフト12表面における反射位置とは、シャフト12の延在方向にのびる一直線上にある。結像レンズ22a、22bは、シャフト12の表面を受光素子21a、21b上に結像させる。
The light emitted from the
図1(B)を参照する。本図には、スリット19a列の形成部における、シャフト12の延在方向に垂直な断面の一部を示した。スリット幅約40μmのスリット19aが、約40μm間隔で、シャフト12の回転方向に沿って周期的に形成されている。
Reference is made to FIG. This figure shows a part of a cross section perpendicular to the extending direction of the
図1(C)を参照する。本図には、スリット19b列の形成部における、シャフト12の延在方向に垂直な断面の一部を、スリット19a列の形成部におけるそれとあわせて示した。スリット19b列形成部においても、スリット幅約40μmのスリット19bが、約40μm間隔で、シャフト12の回転方向に沿って周期的に形成されている。スリット19bの形成周期は、スリット19aのそれと等しい。ただし、スリット19bの形成位置は、スリット19aの形成位置とは、シャフト12の回転方向に沿って半ピッチ位相がずれている。
Reference is made to FIG. In this figure, a part of the cross section perpendicular to the extending direction of the
発光素子20を出射し、シャフト12のスリット19a、19b形成領域で反射され、受光素子21a、21bで検出された光をもとに、シャフト12の回転位置(回動角度)が把握される。
The rotational position (rotation angle) of the
図2に、スリット19a、19b形成位置で反射され、受光素子21a、21bで検出される光の強度を示す信号(エンコーダ部16から得られるアナログ信号)と、スリット19a、19b形成位置における反射位置との対応を示す。本図を参照し、シャフト12の回転位置(回動角度)を把握する方法について説明する。
FIG. 2 shows signals (analog signals obtained from the encoder unit 16) indicating the intensity of light reflected at the
実施例によるガルバノスキャナのエンコーダ部16における、直径7mmのシャフト12の表面には、スリット幅約40μmのスリット19a、19bが、約40μm間隔で形成されている。したがってスリット19a、19b形成位置には、それぞれ512個の凸部と凹部(スリット19a、19b)とが交互に配置されている。本図には、スリット19a、19b形成位置の凸部に、1〜512の番号を付して示した。また、スリット19a、19b形成位置の凸部は相対的に強度の強い反射光を発生させ、凹部は相対的に強度の弱い反射光を発生させる。このため受光素子21a、21bで検出される光の強度を示すアナログ信号は、それぞれたとえば図示するような正弦波となる。
In the
アナログ信号(正弦波)はインターポレータに入力される。インターポレータは、受光素子21a、21bに係るアナログ信号(正弦波)をA/D変換してデジタル化し、リサージュ波形から両者の位相差を求める。
An analog signal (sine wave) is input to the interpolator. The interpolator A / D converts and digitizes the analog signals (sine waves) related to the
リサージュ1周期を多分割化することにより、高分解能で位相差を検出することができる。たとえば実施例のようにスリット列が2列ではなく、1列のみ形成されている場合の分解能は、シャフト12の1回転当たり512パルス(512パルス/周、360°/1024)であるが、m分割することで512×mパルス/周の分解能が実現される。1000分割した場合には、512000パルス/周の分解能となる。 A phase difference can be detected with high resolution by dividing one cycle of the Lissajous into multiple sections. For example, as in the embodiment, when the slit row is not two rows but only one row is formed, the resolution is 512 pulses per rotation of the shaft 12 (512 pulses / round, 360 ° / 1024), m By dividing, a resolution of 512 × m pulses / circulation is realized. In the case of 1000 division, the resolution is 512000 pulses / circumference.
回動角度は、たとえば多分割後のパルスの数をカウンタでカウントし、導出することができる。回動角度を累計することでシャフト12の現在回転位置(現在回動角度)が導出される。
The rotation angle can be derived, for example, by counting the number of pulses after multiple division with a counter. By accumulating the rotation angles, the current rotation position (current rotation angle) of the
スリット19a、19bは、シャフト12の表面に、レーザビームを照射することで形成することができる。また、シャフト12の表面にフォトレジスト膜を形成し、もしくはフォトレジストフィルムを貼付し、露光、現像、エッチングを行って形成することも可能である。たとえば非エッチング部(凸部)を黒、エッチング部(凹部)を白、またはその逆に形成することによって、受光素子21a、21bで、スリット19a、19b形成領域における反射光を効果的に検出することができる。
The
図3は、実施例によるガルバノスキャナの動作制御を示すブロック図である。「エンコーダ部」16で取得されたアナログ信号(受光素子21a、21bで検出された光強度信号)は、「インターポレータ」に入力される。インターポレータは、受光素子21a、21bに係るアナログ信号(正弦波)をA/D変換してデジタル化し、リサージュ波形から両者の位相差を求めて出力する。インターポレータから出力された情報は「回転位置導出部」に入力される。回転位置導出部は、カウンタ及び導出部を含む。
FIG. 3 is a block diagram illustrating operation control of the galvano scanner according to the embodiment. The analog signal acquired by the “encoder unit” 16 (the light intensity signal detected by the
カウンタは、たとえばリサージュ1周期を多分割した後のパルスの数をカウントする。導出部は、たとえばカウンタでのカウント数を基に、シャフト12の回動角度やシャフト12の現在回転位置(現在回動角度)を導出する。
For example, the counter counts the number of pulses after dividing one Lissajous cycle. For example, the deriving unit derives the rotation angle of the
回転位置導出部で導出、把握されたシャフト12の回転位置に関する情報は、位置制御ループへフィードバックされ、ガルバノミラー10を所望の位置に回転させる制御に用いられる。
Information on the rotational position of the
シャフト12の回動により、ガルバノミラー10を所望の位置に回転させるに当たっては、まず「位置指令」が、回転位置導出部から出力されるシャフト12の現在回転位置情報とともに、「位置制御アンプ」に入力される。位置制御アンプは、入力された情報から、シャフト12の回動速度を指令する速度指令を生成し出力する。位置制御アンプから出力された速度指令は、回転位置導出部から出力される現在回転位置を微分して得られるシャフト12の現在回転速度情報、及びフィードフォワード(Feed Forward; FF)として、位置制御アンプに入力される位置指令の微分とともに「速度アンプ」に入力される。速度アンプは、入力された情報から、シャフト12の回転速度を所望の値とするためにコイル14に流すべき電流を指令する電流指令を生成し出力する。電流指令は、共振帯域の周波数成分を減衰させる「ノッチフィルタ」を経て、コイル14の現在電流値とともに、「電流アンプ」に入力される。電流アンプは、入力された情報から算出される値の電流をコイル14に流し、シャフト12を回動させて、ガルバノスキャナのミラー10を所望の位置まで回転させる
実施例によるガルバノスキャナは、スリット19a、19bをシャフト12に形成し、それらの形成領域で発光素子20からの光を反射させて受光素子21a、21bで読み取り、シャフト12の回転位置(回動角度)を把握する。たとえば図4に示す従来のガルバノスキャナのようにハブやディスクがシャフトに取り付けられていないため、実施例によるガルバノスキャナによれば、回動部分のイナーシャを低減し、高速動作を実現することができる。また、高速動作を行った場合であっても、共振周波数を高くすることができる。
In rotating the
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto.
たとえば、実施例においては、エンコーダ部16を軸受け13a、13bを挟んでガルバノミラー10と反対側に設置したが、ガルバノミラー10と同じ側に設置してもよい。また、軸受け13a、13b間への設置も可能である。
For example, in the embodiment, the
また、実施例においては、シャフト12をSUSで形成したが、セラミック等で形成することも可能である。
In the embodiment, the
更に、実施例においては、1つの発光素子20から出射された光を、2つの受光素子21a、21bで受光したが、受光素子ごとに別異の発光素子を用いることもできる。
Furthermore, in the embodiment, the light emitted from one
また、スリットはシャフトの全周に渡って形成する必要はなく、ガルバノミラーの可動範囲、たとえばシャフトの周方向(回転方向)に20°の範囲に形成してもよい。 Further, the slit need not be formed over the entire circumference of the shaft, and may be formed in a movable range of the galvanometer mirror, for example, in a range of 20 ° in the circumferential direction (rotation direction) of the shaft.
更に、実施例においては、シャフト12に複数の凹部(スリット19a、19b)を形成し、凹部間に画定される凸部とあわせた凹部形成領域で、発光素子20からの光を反射させた。凹部形成領域は、凹部と凸部とが、シャフト12の回転方向に沿って、周期的に交互に配列された領域である。凸部は、相対的に強度の強い反射光を発生させ、凹部は、相対的に強度の弱い反射光を発生させる。たとえば等幅の白色ラインと黒色ラインとが、等間隔で交互に現れるリニアスケールテープを、ライン方向とシャフト12の延在方向とが平行になるように、シャフト12に貼付し、白色ラインと黒色ラインの形成領域で光を反射させてもよい。白色ラインで反射された光は相対的に強度が強く、黒色ラインで反射された光は相対的に強度が弱い。光が反射される領域には、反射光が受光素子21a、21bで受光されて検出された光強度信号で、シャフト12の回転方向の位置を検出する基準となるマークが形成されていればよい。
Furthermore, in the example, a plurality of recesses (
また、実施例においてはスリット列を2列形成したが、分解能が重視されない用途に使用する場合には、スリット列は1列でもよい。 In the embodiment, two slit rows are formed. However, when used for applications where the resolution is not important, the slit row may be one.
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自明であろう。 It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
レーザビームを照射して行うレーザ加工等に好適に利用することができる。 It can be suitably used for laser processing performed by irradiating a laser beam.
10 ミラー
11 ミラーマウント
12 シャフト
13a、13b 軸受け
14 コイル
15a、15b 磁石
16 エンコーダ部
17 ハブ
18 ディスク
19、19a、19b スリット
20 発光素子
21、21a、21b 受光素子
22a、22b 結像レンズ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記シャフトに固定され、入射する光ビームを反射させるガルバノミラーと、
前記シャフトを、前記回転中心の周囲に回転させる回転機構と、
前記シャフトの前記第1の位置検出マークに、光を入射させる発光器と、
前記シャフトの前記第1の位置検出マークで反射した、前記発光器からの光が入射する受光器と、
前記受光器に入射した光をもとに、前記シャフトの回転方向の位置を導出する回転位置導出部と
を有するガルバノスキャナ。 A shaft that is rotatable around the center of rotation and has a first position detection mark formed along the direction of rotation;
A galvanometer mirror fixed to the shaft and reflecting an incident light beam;
A rotation mechanism for rotating the shaft around the rotation center;
A light emitter that makes light incident on the first position detection mark of the shaft;
A light receiver that is reflected by the first position detection mark of the shaft and that receives light from the light emitter;
A galvano scanner having a rotation position deriving unit for deriving a position of the shaft in the rotation direction based on light incident on the light receiver.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009191878A JP2011043674A (en) | 2009-08-21 | 2009-08-21 | Galvano scanner |
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Cited By (1)
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2009
- 2009-08-21 JP JP2009191878A patent/JP2011043674A/en active Pending
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