JP2011154196A - ガルバノスキャナ装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】面倒れ振動及び／又はねじれ振動を確実に抑制し、ミラー位置決め時にミラー面が平坦となるようにする。
【解決手段】回転軸４に支持されたミラー２と、回転軸４を揺動駆動するアクチュエータ５と、を有し、光ビームをミラー２で反射させ、所望の位置に照射するガルバノスキャナ装置１であって、ミラー２の同一面に圧電素子６ａ，６ｂを重ねて設置し、一方をミラー２の変形量を検出する変形量検出手段として機能させ、他方をミラー２に変形力を加える変形力付与手段として機能させるとともに、検出されたミラー２の変形量に基づいて当該ミラー２に変形力を付与し、当該ミラーを制振させ、面倒れ振動及び／又はねじれ振動を確実に抑制するようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ光等の光ビームを反射させるミラーを任意の角度に位置決めさせるガルバノスキャナ、特に前記ミラーの変形振動を低減させることができるガルバノスキャナ装置及び当該ガルバノスキャナを備えたレーザ加工装置に関する。

レーザマーキングやプリント基板の穴明け加工等には、レーザビームを任意の軌道、位置に照射させるためにガルバノスキャナが用いられる。ガルバノスキャナは、回転軸に取り付けたガルバノミラー（以下、単にミラーと称す。）を、ガルバノスキャナに内蔵した電磁アクチュエータにより回転させ、ミラーの角度を変更することにより、レーザビームのミラーからの反射光を所望の位置に照射させる装置である。ガルバノスキャナはミラーを目標角度へと正確に位置決めする必要があることから、一般的にエンコーダ等の角度検出器が設けられ、角度検出器の出力信号を用いたフィードバック制御が行われる。

一方、前記ガルバノスキャナを用いた代表的な装置としてレーザ加工装置がある。レーザ加工装置は、レーザ発振器から出力されるレーザビームを複数のミラー、Ｆθレンズ、結像レンズなどを含む光学系を介してプリント基板の所望の位置に照射し、プリント基板に穴明けを行う装置である。

プリント基板の穴加工の生産性向上、高品質加工を実現するためには、ガルバノスキャナに取り付けられたミラーの位置決め動作の高速化、高精度化が必要となる。また、ミラー角度の正確な位置決め動作に加えて、レーザ照射時のミラー反射面が平坦でなければならない。

しかし、ミラーは平板であり、回転軸の片端に取り付けられた片持ち構造である。電磁アクチュエータによりミラーを急加減速回転させた場合、回転モーメントによりミラーは弾性変形する。特に、ミラーが受ける外力の周波数成分に固有振動数が含まれる場合、振動が励起され、レーザ光照射時のミラーの平坦度を保つことができない。この振動の中でも、レーザ光の位置決めと垂直方向の振動（ミラー面に垂直な面倒れ振動）は、一般的に固有振動数がミラーの位置決め応答周波数より低いため励振され易い。さらに、ミラー面の垂直方向に力が作用するアクチュエータが存在しないため、一度発生した振動は強制的に減衰させることができない。その結果、面倒れ振動が発生した状態で加工を行うと、レーザ光の照射位置がずれるため加工精度が劣化する。

そこで、これらの問題点に対処する技術として、例えば特許文献１ないし４に記載された発明が公知である。このうち特許文献１には、ミラー位置決め時におけるミラーの振動の振幅を小さくし、加工精度を向上させるため、回転自在に支持した軸を回転方向に位置決めするスキャナにおいて、回転の軸心と直角方向のアンバランスを補正するための装置を設けた発明が記載されている。

特許文献２には、レーザ加工装置に用いられ、反射ミラーの面に垂直な方向の振動を確実に防止できる高品位な光学偏向装置を提供するため、入射されるレーザビームを反射する反射ミラーと、上記反射ミラーの一端を回転自在に支持するとともに、入力される位置制御信号に応じて上記反射ミラーを回転駆動するガルバノメータと、上記反射ミラーの他端を回転自在に支持する回転支持機構とを備えた発明が記載されている。

特許文献３には、ミラーの倒れ振動を速やかに減衰させることができ、光の位置決め精度を向上させるため、揺動軸の端部にミラーを配置し、このミラーを前記揺動軸の軸線を中心に揺動させることにより、前記ミラーに入射する光を所望の位置に位置決めするスキャナ装置において、前記ミラーの背面に当接し、ミラーに生じる振動を減衰させる振動減衰部材を備えた発明が記載されている。

特許文献４には、レーザ光等の光ビームを反射させるミラーを高速かつ高精度に位置決めすることができるガルバノスキャナ装置及びガルバノスキャナ装置を備えるレーザ加工装置を提供するため、回転軸に支持されたミラーと、前記回転軸の回転角度を検出する角度検出手段と、前記角度検出手段により検出される角度検出値を用いて前記ミラーを角度目標値に追従させるサーボ制御手段と、を備えたガルバノスキャナ装置において、前記ミラーの変形量を検出する変形量検出手段を備え、前記サーボ制御手段は、前記角度検出手段により検出される角度検出値と、前記変形量検出手段によって検出された変形量とに基づいて前記ミラーを位置決めするようにした発明が記載されている。

特開２００２−６２５５号公報 特開２００２−２９６５３３号公報 特開２００５−５５６１０号公報 特開２００９−２７１４１７号公報

特許文献１記載の発明では、回転アンバランスをウェイトねじなどの錘によって補正し、振動の振幅を小さくするようにしている。しかし、回転アンバランスを事前に正確に見積もることは困難であるため、実際にミラーを回転駆動させて振動を計測する必要がある。そして、計測した波形に基づき、試行錯誤でウェイトを調整し、再度振動を計測することを繰り返すため、製造コストが増大することは否めない。さらに、装置の経時変化により回転バランスが変化すれば、再度ウェイトの調整を施す必要がある。

特許文献２記載の発明では、ミラー先端にホルダーを設置して片持ち構造を回避している。しかし、支持位置がミラー先端部に限定され、ミラー先端の回転中心を高い剛性で支持しなければならない。そのため、ミラー先端に剛性の高い補助装置が必要となる。加えて、回転の芯合わせなど精密な作業工程が必須となる。また、カップリングやばねを用いることで芯ずれを吸収する構成が示されているが、芯ずれの吸収効果を大きくすると、ミラー先端の支持剛性が低下して振動抑制効果が低下する。

特許文献３記載の発明では、振動減衰部材とそれを保持する保持部材を設けているが、振動減衰部材がミラーと接触しない間は振動エネルギーが吸収されないため、速やかに振動を減衰させることが困難となる。そこで、ミラーに対して振動減衰部材を付勢し、常に接触させると振動減衰効果を大きくできるが、ミラーの摩耗や回転抵抗が増大する。また、前記摩耗や回転抵抗の増大に対応して保持部材の剛性を高くする必要がある。

以上のアプローチはいずれもパッシブ制振手法に分類され、エネルギー入力が不要である利点はあるが、減衰効果、ロバスト性、調整の工程や付属装置の製造、取り付けコストなどの点を考慮すると十分な解決手法でない。

特許文献４では、ミラーの変形量を歪みセンサで検出してフィードバック制御を施すが、検出した信号は回転運動する電磁アクチュエータへの入力として用いられるのみであり、ミラーの面倒れ振動をこのようなアクティブ制御では抑制することはできない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、面倒れ振動及び／又はねじれ振動を確実に抑制し、ミラー位置決め時にミラー面が平坦となるようにすることにある。

前記課題を解決するため、第１の手段は、回転軸に支持されたミラーと、前記回転軸を揺動駆動するアクチュエータと、を有し、光ビームを前記ミラーで反射させ、所望の位置に照射するガルバノスキャナ装置であって、前記ミラーに設置された前記ミラーの変形量を検出する変形量検出手段及び前記ミラーに変形力を加える変形力付与手段と、前記変形量検出手段によって検出された前記ミラーの変形量に基づいて前記変形力付与手段によって当該ミラーに変形力を付与し、当該ミラーを制振させる制振手段と、を備えていることを特徴とする。

第２の手段は、第１の手段において、前記変形量検出手段及び前記変形力付与手段は、前記ミラーの前記光ビームを反射する面の裏面側若しくは前記ミラーの内部の前記回転軸上に配置されていることを特徴とする。

第３の手段は、第１の手段において、前記変形量検出手段及び前記変形力付与手段は、前記ミラーの前記光ビームを反射する面の裏面側若しくは前記ミラーの内部であって前記回転軸に対して対称に配置されていることを特徴とする。

第４の手段は、第１ないし第３のいずれかの手段において、前記変形量検出手段及び前記変形力付与手段は、歪み−電圧変換を行う圧電素子からなり、前記圧電素子は前記ミラーに対して非導電性の物質を介して設置されていることを特徴とする。

第５の手段は、第４の手段において、前記圧電素子と同一の静電容量の第１のコンデンサと、同一の静電容量を有する第２及び第３のコンデンサと、がブリッジ接続されたブリッジ回路と、前記圧電素子と前記第２のコンデンサとの接続点である第１の端子と、前記第１のコンデンサと前記第３のコンデンサとの接続点である第２の端子との間の端子間電位差を出力信号とし、前記出力信号に基づいてフィルタによって特定の周波数にフィルタリングした信号を前記ブリッジ回路への印加電圧とすることを特徴とする。

第６の手段は、第１ないし第５のいずれかの手段に係るガルバノスキャナ装置をレーザ加工装置が備えていることを特徴とする。

なお、後述の実施形態では、回転軸は符号４に、ミラーは符号２に、アクチュエータは符号５に、光ビームはレーザビーム３０に、ガルバノスキャナ装置は符号１に、変形量検出手段及び変形力付与手段は圧電素子６，６ａ，６ｂに、制振手段はブリッジ回路１１及びディジタルフィルタ９に、回転軸上は軸線Ｏに、第１のコンデンサはＣ１に、第２のコンデンサはＣ２に、第３のコンデンサはＣ３に、ブリッジ回路は符号１１に、フィルタは符号９に、出力信号はＶｓに、印加電圧はＶｃに第１の端子は符号１０ｃに、第２の端子は符号１０ｂに、レーザ加工装置はレーザ加工機１００に、それぞれ対応する。

本発明によれば、ミラーの面倒れ振動及び／又はねじれ振動を検出する検出手段と制振力を発生させる変形力付与手段を備え、前記ミラーを検出された振動を制振するように変形力を付与するので、制振性能の向上及び経時変化に対するロバスト性を確保できる。その結果、面倒れ振動及び／又はねじれ振動を抑制してミラーの平坦度を保ちながらレーザ光を反射することが可能となる。

従来から実施されているガルバノスキャナ装置の外部構成を示す斜視図である。 ガルバノスキャナの周波数応答特性の一例を示す特性図である。 ガルバノスキャナのミラーの変形を様式的に示す図である。 本発明の実施例１に係るガルバノスキャナ装置の外部構成を示す斜視図である。 図１における第１及び第２の圧電素子の発生電圧に対する信号の流れを示すブロック図である。 図４のようにガルバノスキャナを構成し、図５に示す信号系でガルバノスキャナを駆動したときの制振効果を示す図である。 本発明の実施例２に係るガルバノスキャナ装置の外部構成を示す斜視図である。 圧電素子に混在する曲げ変位に比例して発生する電圧と、曲げ変位を発生させるために印加する電圧を分離するためのブリッジ回路の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例３に係るガルバノスキャナ装置の外部構成を示す斜視図である。 本発明の実施例４に係るガルバノスキャナ装置の外部構成を示す斜視図である。 本発明のレーザ加工機の概略構成を示す図である。

本発明は、ミラーの変形量を検出する変形量検出手段及びミラーに変形力を加える変形力付与手段をミラーに設置し、前記変形量検出手段によって検出された前記ミラーの変形量に基づいて前記変形力付与手段によって当該ミラーに変形力を付与し、１つのミラー上で変形量の検出と変形の解消を並行して実行するように構成したものである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の前提となる従来から実施されているガルバノスキャナ装置の外部構成を示す斜視図である。同図において、ガルバノスキャナ装置１はミラー２、ミラー２の端部を支持するミラーマウント３、ミラーマウント３を先端部に備えた回転軸４、及び回転軸４の軸心を中心にミラー２を揺動駆動するアクチュエータ５からなる。ミラー２は通常一面が反射面となり、この反射面に光ビームを入射させ、所望の反射角で反射させる。アクチュエータ５はコイル、永久磁石からなる電磁アクチュエータと回転角度検出器とを備え、ミラー２を回転角度検出器によって検出された回転角度信号に基づき、任意の制御アルゴリズムに従って、目標とする回転角度に高速に揺動駆動される。なお、ミラーマウント３は回転軸４の自由端側でミラー２を支持し、この三者はアクチュエータ５によって一体的に駆動される。

ガルバノスキャナ装置１の回転軸４は、前記アクチュエータ５の外装内の両端部側に設けられた２つの軸受によって支持されている。回転軸４の前記自由端側には前記ミラーマウント３が取り付けられ、他方の端部にはハブが固定されている。ハブにはエンコーダ板が固定されている。エンコーダ板の表面には、スリットが設けられている。センサヘッドはエンコーダ板の表面に設けられたスリットと対向するようにしてセンサフレームに固定されている。エンコーダ板とセンサヘッドとで、所謂ロータリエンコーダを構成しており、これにより回転軸４の角度変位すなわちミラー２の角度変位を検出することができる。なお、角度変位を検出する手段として本実施形態では、ロータリエンコーダを例示しているが、これに限定されるものではない。

回転軸４の長手方向の中央付近には、円筒形の永久磁石が固定されている。永久磁石の外周には、エアギャップを挟んでコイルが配置される。コイルはヨークを含むスキャナフレームに固定されている。コイル、永久磁石、エアギャップ及び図示を省略するヨークで磁気回路を構成している。そして、コイルに駆動電流を供給すると、永久磁石はフレミングの左手の法則を原理とする反作用力による駆動トルクを受ける。この駆動トルクにより永久磁石と一体の回転軸４が軸線Ｏ（一点鎖線）を中心に回転し、ミラー２を揺動運動させる。なお、コイル、永久磁石、エアギャップ及びヨークによって前記アクチュエータ５が構成される。

図２は面倒れ振動モードを説明するための周波数応答特性を示す特性図である。同図（ａ）はガルバノスキャナ１の電磁アクチュエータに対して駆動電流を入力とし、ミラー２の回転方向（レーザ光の位置決め方向）の変位をレーザ変位計等で測定して出力信号とした際の周波数応答特性の一例を示している。同図（ｂ）は同様に駆動電流を入力とし、ミラー２の垂直方向（レーザ光の位置決め方向に対する垂直方向）の変位を出力とした際の周波数応答特性の一例を示している。図２から分かるように（ａ）及び（ｂ）の特性では、共に周波数ｆ２でゲインピークが観測される。この周波数ｆ２のピークはミラー２の集中慣性と、電磁アクチュエータ及び回転角度検出器を含むアクチュエータ５の集中慣性との間の軸ねじれに起因した振動モード（ねじれ振動モード）である。一方、図２（ｂ）において、周波数ｆ１でゲインピークが観測される。これは、回転方向に対して垂直方向の振動モード（面倒れ振動モード）である。

図３は有限要素法解析によって得られたミラー２の固有振動数でのモード変形を示す図であり、同図（ａ）は周波数ｆ１、同図（ｂ）は周波数ｆ２におけるモード変形を示している。同図から周波数ｆ１はミラーマウント３を支持点としたミラー２の面倒れ振動Ｌであり、周波数ｆ２は回転軸４の回転中心である軸線０を中心としたねじれ振動Ｍであることが理解できる。

ねじれ振動については、ミラー２が平板状であるため、時計回りにミラー２が回転運動するときには、図３（ｂ）に示すように、紙面右側のミラー端部は上向きに、紙面左側のミラー端部は下向きに慣性力を受ける。この場合、軸線Ｏ（一点鎖線）から左右方向に離れ、かつミラーマウント３の反対側（自由端側）であるミラー先端部に近づく程慣性力が大きくなるので、ミラー２の左右先端部に近づく程ミラー２の変形量（撓み）が大きくなることに起因する。

ミラー２の回転角度を検出する回転角度検出器は通常回転紬４に設置されるため、軸ねじれに起因したねじれ振動モードは検出可能であるが面倒れ振動モードは検出できない。そのため、回転角度検出器で検出される角度検出信号を用いたフィードバック制御では、通常、ねじれ振動モード周波数ｆ２のみを考慮して振動が励起されないように補償器が設計される。そして、ミラー２の高速位置決めを考慮すれば、制御帯域がねじれ振動モード周波数ｆ２になるべく近づき、かつ振動が励起されないように補償器が設計される。

面倒れ振動モードの周波数ｆ１はねじれ振動モードの周波数ｆ２よりも低く、センサなどで直接検出することができないため、ミラー２の位置決め速度が速くなると振動モードが励起され易くなる。さらに、ガルバノスキャナ１には回転方向に対して垂直方向に力を発生させるアクチュエータが存在しないため、一度励起された振動は自然減衰に委ねられる。結果として、ミラー２が振動して平坦でない状態でレーザ光を反射することになる。これによりレーザ光の位置決め精度が劣化する。

そこで、本実施形態では、以下のような各実施例により制振性能の向上を図るようにした。

図４は、本実施形態の実施例１に係るミラーの制振を考慮したガルバノスキャナ装置の外部構成を示す斜視図である。

本実施形態では、図１に示した従来からのガルバノスキャナ１のミラー２の裏面（反射面とは逆側の面）に第１及び第２の圧電素子６ａ，６ｂを長手方向に重ねて貼付け固定する。その際、図３（ａ）に示したように面倒れ振動モードはミラーマウント３を支持点とした曲げ振動（面倒れ振動Ｌ）であるので、図４から分かるように回転軸４の軸心Ｏに沿って第１及び第２の圧電素子６ａ，６ｂを配置する。各圧電素子６ａ，６ｂは電気的に絶縁されている。本実施形態では、第１の圧電素子６ａはセンサとして利用し、ミラーの変形に応じて電圧を出力する。第２の圧電素子６ｂはアクチュエータとして利用し、電圧を印加することによって曲げ振動を制振する力を発生させる。なお、第１及び第２の圧電素子６ａ，６ｂは本実施形態では、細長形状の直方体であり、厚み方向に重ねて配置することが可能な形状となっている。

図５は第１及び第２の圧電素子の発生電圧に対する信号の流れを示すブロック図である。センサとして利用する第１の圧電素子６ａから発生した電圧Ｖｓ１は、ＡＤコンバータ７を介してディジタル信号Ｖｓ２に変換される。ディジタル信号Ｖｓ２はディジタルフィルタ９を介して所望の若しくは適切な周波数成分の信号Ｖａ１に修正され、ＤＡコンバータ８を介してアナログ信号Ｖａ２に変換し、アクチュエータとして利用する第２の圧電素子６ｂに印加する。

ディジタルフィルタ９は、効率良く面倒れ振動モードを制振できる信号に変換できるように構成する。特に、第１の圧電素子６ａの検出信号は、ミラー２の先端曲げ変位と等価な信号が検出される。面倒れ振動モードに減衰を付加することを考えると、曲げ速度と等価な信号Ｖａ１としてアクチュエータとして利用する第２の圧電素子６ｂに印加することが好ましい。そのため、微分器等を用いて面倒れ振動モードの周波数ｆ１付近で位相が９０°進むような構成とする。また、第１の圧電素子６ａで検出される面倒れ振動モード以外の振動モードを除去するため、ノッチフィルタやローパスフィルタなどを同時に構成することが好ましい。

図６は、図４のようにガルバノスキャナを構成し、図５に示す信号系でガルバノスキャナを駆動したときの実験結果の一例を示す図で、ミラー２を揺動（回転）運動させたときのミラー２の曲げ変位（面倒れ振動モード）をレーザ変位計で測定した結果である。図６から本実施形態においてミラー２の振動が速やかに減衰していることが分かる。

図４の例では、第１の圧電素子６ａをセンサ、第２の圧電素子６ｂをアクチュエータとして利用したが、逆に第１の圧電素子６ａをアクチュエータ、第２の圧電素子６ｂをセンサとして使用しても同様の効果を奏する。

また、図４に示した例では、ミラー２上に第１及び第２の圧電素子６ａ，６ｂを重ねて配置しているが、この構成に限定されることはなく、ミラー２内に内蔵させても良い。いずれにしても、ミラー２の面倒れ振動モードを効率良く制振する力を加えられるように配置すれば良く、ミラー２の面倒れ振動モードを効率良く制振できれば、取り付け位置及び取り付け状態を限定するものではない。従って、前記軸心Ｏはミラー２上に第１及び第２の圧電素子６ａ，６ｂを取り付けた状態で、これら三者の軸心Ｏに対して垂直に切った断面の重心を通るように設定することが最も制振効果が高いと考えられるが、第１及び第２の圧電素子６ａ，６ｂの質量を無視してミラー２の前記断面の重心を通るように設定することもできる。いずれにしても、所定以上の制振効果が得られれば、前記位置から少々ずれても特に問題はない。

一方、ディジタルフィルタ９が簡単な構造であればアナログフィルタとしても良く、この場合、ＡＤコンバータ７とＤＡコンバータ８は不要となる。さらに、図５では省略したが、アクチュエータへの印加電圧Ｖａ２がＤＡコンバータ８の最大出力電圧より大きければ、電圧増幅器を介して圧電素子６ｂに電圧を与えれば良いことはいうまでもない。

実施例１は、図４に示したように圧電素子６を第１及び第２の圧電素子６ａ，６ｂから構成し、機能を分けた例であるが、実施例２は、１つの圧電素子６に２つの機能を持たせた例である。

図７は実施例２に係るガルバノスキャナ装置１の外部構成を示す斜視図である。本実施例では、実施例１における第１及び第２の圧電素子６ａ，６ｂに代えて１片の圧電素子６を実施例１の場合と同様にミラー２の一面に軸線Ｏと平行に貼付けたもので、ミラー２の一面に配置することに代えて、ミラー２内に内蔵しても良い。また、圧電素子６はミラー２と電気的に絶縁して配置する。その他の各部は図４と同一なので、重複する説明は省略する。

図８は、圧電素子６に混在する曲げ変位に比例して発生する電圧Ｖｐと、曲げ変位を発生させるために印加する電圧Ｖａを分離するためのブリッジ回路の構成を示すブロック図であり、圧電素子６は、電圧源ＶｐとコンデンサＣｐの等価回路として表現できる。同図において、電圧源ＶｐとコンデンサＣｐの等価回路としての圧電素子６及び第１のコンデンサＣ１と、第２及び第３のコンデンサＣ２，Ｃ３からブリッジ回路を構成し、圧電素子６と第２のコンデンサＣ２間の接続点である第１の端子１０ｃと、第１のコンデンサＣ１と第３のコンデンサＣ３との間の接続点である第２の端子１０ｂとの間の電位差をＶｓとし、圧電素子６と第１のコンデンサＣ１の接続点である第３の端子１０ａと、第２のコンデンサＣ２と第３のコンデンサＣ３の接続点である第４の端子１０ｄとの間の電位差をＶｃとし、第１の端子１０ｃと第３の端子１０ａとの間の電位差をＶａとする。このブリッジ回路１１の構成下において、コンデンサＣ１の静電容量とコンデンサＣｐの静電容量が等しく、また、コンデンサＣ２の静電容量とコンデンサＣ３の静電容量が等しいとすれば、次式の関係が成り立つ。

Ｖｓ＝ＣｐＶｐ／（Ｃｐ＋Ｃ２） ・・・（１）
Ｖａ＝Ｃ２Ｖｃ／（Ｃ１＋Ｃ２） ・・・（２）
式（１）の関係から、Ｖｓは圧電素子６に発生する電圧Ｖｐに比例した電圧として検出することができる。式（２）の関係から、圧電素子６に印加する電圧Ｖａはブリッジ回路に印加する電圧Ｖｃに比例した電圧として与えることができる。このことは、センサ信号Ｖｓ、アクチュエータ信号Ｖｃとして各信号を分離することができることを示している。なお、コンデンサＣ１の静電容量とコンデンサＣｐの静電容量が等しく、また、コンデンサＣ２の静電容量とコンデンサＣ３の静電容量が等しいという条件は前記式（１）及び（２）が成立するための必須条件である。

検出したセンサ信号Ｖｓは、前述のディジタルフィルタ９若しくはアナログフィルタによって適切な周波数成分の信号に整形され、当該整形された信号をアクチュエータ信号Ｖｃとしてブリッジ回路に印加することによって図４に示した実施例１の構成と同等の制振効果が得られる。

図８に示したブリッジ回路は、実際には、電圧の直流ドリフトを防止する目的で第２のコンデンサＣ２及び第３のコンデンサＣ３のそれぞれに直列に適切な値の抵抗を付加する構成とすることが好ましい。また、第２及び第３のコンデンサＣ２，Ｃ３に代えて抵抗を用いることもできる。この場合、センサ信号Ｖｓは曲げ速度に等価な信号を直接検出できるため、ディジタルフィルタ９若しくはアナログフィルタに位相を９０°進めるための微分器等は不要となる。

実施例３は、実施例１及び２からさらに発展させ、面倒れ振動モードとねじれ振動モードを同等に抑制することができるようにした例である。

図９は実施例３に係るガルバノスキャナ装置１の外部構成を示す斜視図である。本実施例では、実施例２と同様の圧電素子を第３及び第４の圧電素子６ｃ，６ｄとして使用する。第３及び第４の圧電素子６ｃ，６ｄは、軸線Ｏを線対称軸として対象にミラーマウント３の中心からミラー２の両端部に向かって配置され、貼付けられる。図３に示したように、面倒れ振動モードはミラーマウント３を支持点として先端がたわむモードであり、ねじれ振動モードはミラーマウント３を中心にミラー２の両端部が軸線Ｏを回転対称軸としてねじれるモードである。図９のように第３及び第４の圧電素子６ｃ，６ｄを配置すれば、面倒れ振動及びねじれ振動モードの両者が検出可能であり、２つの振動モードを制振するための力を発生させることも可能である。

従って、第３及び第４の圧電素子６ｃ，６ｄに対して実施例２において図８に示したブリッジ回路を併用し、前述のような適切な周波数成分の信号に整形可能なディジタルフィルタ９を設計することにより、面倒れ振動モードとねじれ振動モードに起因したミラーの変形振動を抑制することが可能となる。

なお、実施例２において図８に示したブリッジ回路を用いなくても、実施例１におけるセンサ用の圧電素子とアクチュエータ用の圧電素子を別途重ねて用いても同様の効果を得ることができる。

その他、特に説明しない各部は、実施例１又は実施例２と同等に構成され、同等に機能する。

実施例４は、実施例３からさらに発展させ、面倒れ振動モードとねじれ振動モードを効果的に抑制することができるようにした例である。

図１０は実施例４に係るガルバノスキャナ装置１の外部構成を示す斜視図である。本実施例では、実施例３の第３及び第４の圧電素子６ｃ，６ｄに加え、更に、実施例２と同様に軸線Ｏと平行に第５の圧電素子６ｅを貼り付けたものである。図１０のように第３、第４及び第５の圧電素子６ｃ，６ｄ，６ｅを配置すれば、面倒れ振動及びねじれ振動モードの両者が検出可能であり、２つの振動モードを制振するための力を発生させることも可能である。従って、第３、第４及び第５の圧電素子６ｃ、６ｄ、６ｅに対して実施例２において図８に示したブリッジ回路を併用し、前述のような適切な周波数成分の信号に整形可能なディジタルフィルタ９を設計することにより、面倒れ振動モードとねじれ振動モードに起因したミラーの変形振動を抑制することが可能となる。更に、実施例３に対しても、面倒れ振動に対しては第５の圧電素子６ｅがより効果的に作用し、ねじり振動モードに対しては第３及び第４の圧電素子６ｃ、６ｄが効果的に作用するので、より効果的にミラーの変形振動を抑制することが可能である。

なお、実施例２において図８に示したブリッジ回路を用いなくても、実施例１におけるセンサ用の圧電素子とアクチュエータ用の圧電素子を別途重ねて用いても同様の効果を得ることができる。

その他、特に説明しない各部は、実施例１又は実施例２と同等に構成され、同等に機能する。

実施例５は、実施例１ないし４におけるガルバノスキャナ装置をレーザ加工機に適用した例である。

図１１はプリント基板に穴を加工するレーザ加工機の一例を示す構成図である。図１１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１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。

ミラー２３ａで反射されたレーザビーム３０は、次に第２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。

このようなレーザ加工機の第１及び第２のガルバノスキャナ２３ａ，２３ｂとして実施例１ないし３に係るガルバノスキャナ装置１を使用すると、圧電素子６，６ａ，６ｂによりミラー２３ａ、２３ｂの有する固有振動モードに起因した変形を直接検出し、アクチュエータにより制振力を発生させるため、面倒れ振動及び／又はねじれ振動を抑制してミラーの平坦度を保ちながらレーザ光を反射するので、レーザ加工機の機器固有の個体差や経年劣化に拘らず、光の位置決め精度を向上させ、当該精度を長期にわたって保持した状態でプリント基板の加工を行うことができる。

以上のように、本実施形態によれば、
１）ミラー２の有する固有振動モードに起因した変形を直接検出し、圧電素子をアクチュエータとして機能させて制振力を発生させるため、機器固有の個体差や経年変化に拘わらず速やかにミラーの面倒れ振動及び／又はねじり信号を抑制することができる。
２）圧電素子６，６ａ，６ｂが発生する力は、ミラー２の回転方向の位置決めをするための力とは別方向に作用するので、ミラー２の位置決め性能に影響を及ぼすことはない。
３）圧電素子６，６ａ，６ｂは小型軽量であるため、圧電素子６，６ａ，６ｂの付加により可動部質量が大幅に増大することはない。
４）圧電素子６，６ａ，６ｂは、ミラー２のレーザ反射面の裏面に容易に設置可能であるため、装置組み立ての効率が低下することがない。
５）これらを総合した結果として、レーザ光反射時のミラー２の平坦度が保たれ、所望の位置に正確にレーザ光を照射することができる。
等の効果を奏する。

なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。

１ ガルバノスキャナ装置
２ ミラー
３ ミラーマウント
４ 回転軸
５ アクチュエータ
６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ 圧電素子
７ ＡＤコンバータ
８ ＤＡコンバータ
９ ディジタルフィルタ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 端子
１１ ブリッジ回路
３０ レーザビーム
１００ レーザ加工機
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ コンデンサ
Ｖｓ 出力信号
Ｖｃ 印加電圧

Claims (6)

1. 回転軸に支持されたミラーと、
   前記回転軸を揺動駆動するアクチュエータと、
   を有し、光ビームを前記ミラーで反射させ、所望の位置に照射するガルバノスキャナ装置であって、
   前記ミラーに設置され、前記ミラーの変形量を検出する変形量検出手段及び前記ミラーに変形力を加える変形力付与手段と、
   前記変形量検出手段によって検出された前記ミラーの変形量に基づいて前記変形力付与手段によって当該ミラーに変形力を付与し、当該ミラーを制振させる制振手段と、
   を備えていることを特徴とするガルバノスキャナ装置。
2. 請求項１記載のガルバノスキャナ装置であって、
   前記変形量検出手段及び前記変形力付与手段は、前記ミラーの前記光ビームを反射する面の裏面側若しくは前記ミラーの内部の前記回転軸上に配置されていること
   を特徴とするガルバノスキャナ装置。
3. 請求項１記載のガルバノスキャナ装置であって、
   前記変形量検出手段及び前記変形力付与手段は、前記ミラーの前記光ビームを反射する面の裏面側若しくは前記ミラーの内部であって前記回転軸に対して対称に配置されていること
   を特徴とするガルバノスキャナ装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガルバノスキャナ装置であって、
   前記変形量検出手段及び前記変形力付与手段は、歪み−電圧変換を行う圧電素子からなり、
   前記圧電素子は前記ミラーに対して非導電性の物質を介して設置されていること
   を特徴とするガルバノスキャナ装置。
5. 請求項４記載のガルバノスキャナ装置であって、
   前記圧電素子と同一の静電容量の第１のコンデンサと、同一の静電容量を有する第２及び第３のコンデンサと、がブリッジ接続されたブリッジ回路と、
   前記圧電素子と前記第２のコンデンサとの接続点である第１の端子と、前記第１のコンデンサと前記第３のコンデンサとの接続点である第２の端子との間の端子間電位差を出力信号とし、
   前記出力信号に基づいて特定の周波数にフィルタリングした信号を前記ブリッジ回路への印加電圧とすることを特徴とするガルバノスキャナ装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のガルバノスキャナ装置を備えていること
   を特徴とするレーザ加工装置。

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