JP2013186442A - ガルバノスキャナ - Google Patents

Abstract

【課題】 回転ミラーが大きくなっても、応答特性の低下を抑制することが可能なガルバノスキャナを提供する。
【解決手段】 回転軸に回転ミラーが取り付けられている。回転ミラーは、回転軸の回転中心線に平行な反射面を有する。反射面の平面形状は、回転中心線に関して非対称である。反射面の面内方向に関して、回転ミラーの重心が回転中心線と重なる位置にある。
【選択図】 図２

Description

本発明は、所定の角度範囲内で回転する回転ミラーにより、光ビームを反射するガルバノスキャナに関する。

レーザドリル等において、レーザビームを走査す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、回転ミラーと、回転ミラーを回転させるモータとを含む。回転ミラーが高速で往復回転すると、回転軸や回転ミラーに変形が生じ、共振現象が発生する。回転ミラーの背面を板状部材で支持して剛性を高めることにより、共振周波数を高くしたガルバノスキャナが特許文献１に開示されている。このガルバノスキャナにおいては、回転軸の軸心が、回転ミラーと板状部材との重心を通るように構成されている。これにより、回転ミラーと板状部材との非対称性に起因する共振が抑制される。

特開平７−２７０７０１号公報

レーザビームをｘ方向とｙ方向との２方向に走査するために、ｘ用とｙ用の２つのガルバノスキャナが用いられる。２段目のガルバノスキャナに入射するレーザビームは、１段目のガルバノスキャナによって一方向に振られている。このため、２段目のガルバノスキャナの回転ミラーを、１段目のガルバノスキャナの回転ミラーより大きくしなければならない。回転ミラーが大きくなると、慣性モーメントが大きくなるため、応答特性が悪くなる。
本発明の目的は、回転ミラーが大きくなっても、応答特性の低下を抑制することが可能なガルバノ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、
回転軸と、
前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸の回転中心線に平行な反射面を有し、前記反射面の平面形状は、前記回転中心線に関して非対称であり、前記反射面の面内方向に関して、重心が前記回転中心線と重なる位置にある回転ミラーと
を有するガルバノスキャナが提供される。
本発明の他の観点によると、
回転軸と、
前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸の回転中心線に平行な反射面を有する回転ミラーと、
前記回転ミラーの背面に形成され、前記回転軸への取り付け箇所から前記回転中心線に沿って先端に向かって伸び、先端に向かって細くなる第１の補強リブと、
前記回転ミラーの背面に形成され、前記第１の補強リブから枝分かれし、前記回転中心線に対して垂直な方向から、前記回転ミラーの先端の側に傾いた方向に伸びる複数の第２の補強リブと
を有し、
前記回転ミラーの先端は、自由端とされているガルバノスキャナが提供される。

反射面の平面形状を、回転中心線に関して非対称とすることにより、所望の領域にのみ反射面を確保し、小型化を図ることが可能になる。反射面の形状を非対称にしても、重心を回転中心線上に位置させることにより、倒れモードの励振を抑制することができる。

図１は、実施例１によるガルバノスキャナを用いたレーザドリルの概略図である。 図２Ａは、実施例１によるガルバノスキャナの側面図であり、図２Ｂは、回転ミラーの正面図であり、図２Ｃは、回転ミラーの背面図である。 図３Ａは、実施例１によるガルバノスキャナの側面図であり、図３Ｂは、回転ミラーの断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、シミュレーション対象のガルバノスキャナの概略図であり、図４Ｃは、シミュレーション結果を示すグラフである。 図５Ａ及び図５Ｂは、シミュレーション対象のガルバノスキャナの概略図であり、図５Ｃは、シミュレーション結果を示すグラフである。 図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ実施例１の変形例によるガルバノスキャナの回転ミラーの正面図及び背面図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ実施例２によるガルバノスキャナの回転ミラーの正面図及び背面図である。

［実施例１］
図１に、実施例１によるガルバノスキャナを用いたレーザドリルの概略図を示す。レーザ光源１０から出射したレーザビームが、ベンディングミラー１１、１段目のガルバノスキャナ１２、２段目のガルバノスキャナ１３、及びｆθレンズ１４を経由して、加工対象物１５に入射する。なお、必要に応じて、ビームエキスパンダ、マスク、レンズ等が配置される。加工対象物１５の表面をｘｙ面とするｘｙ直交座標系を定義する。

１段目のガルバノスキャナ１２は、加工対象物１５の表面において、レーザビームの入射点をｘ方向に移動させる。１段目のガルバノスキャナ１２によってレーザビームの進行方向が振られると、２段目のガルバノスキャナ１３の回転ミラー２０への入射点がｘ方向に移動する。２段目のガルバノスキャナ１３は、加工対象物１５の表面において、レーザビームの入射点をｙ方向に移動させる。ｆθレンズ１４は、加工対象物１５の表面に、レーザビームを集光して垂直入射させる。

図２Ａに、２段目のガルバノスキャナ１３の概略側面図を示す。回転軸２１の一端に、固定具２４を介して回転ミラー２０が固定されている。回転軸２１の他端には、エンコーダ２２が取り付けられている。モータ２３が、回転軸２１の中央部分にトルクを発生させる。回転軸２１は、モータ２３の両側において、軸受２６により回転可能に支持されている。回転軸２１、回転ミラー２０、及びエンコーダ２２が、回転中心線３１を中心として、所定の範囲内で往復回転する。

図２Ｂに、回転ミラー２０の反射面２０Ａに正対したときの回転ミラー２０の正面図を示す。反射面２０Ａは、回転中心線３１に対して平行である。１段目のガルバノスキャナ１２（図１）でレーザビームを走査すると、反射面２０Ａ上で、レーザビームのビーム断面３０が、回転中心線３１に沿って移動する。反射面２０Ａが、入射レーザビームの進行方向に対して傾いているため、レーザビームを反射面２０Ａで切り取ったビーム断面３０は楕円になる。１段目のガルバノスキャナ１２（図１）でレーザビームを一方の端まで振った時のビーム断面３０Ａの長軸と、他方の端まで振った時のビーム断面３０Ｂの長軸と
は、回転中心線３１に対して反対方向に傾く。

反射面２０Ａは、１段目のガルバノスキャナ１２（図１）でレーザビームを振ったときに、ビーム断面３０が移動する領域の外形よりもやや大きな外形を有する。例えば、反射面２０Ａの外形は、回転中心線３１に平行な一対の直線部分と、一対の直線部分の端部同士を接続する曲線部分とを含む。一対の直線部分の長さは、相互に異なる。曲線部分は、直線部分になめらかに接続され、外側に向かって凸の形状を有する。言い換えると、反射面２０Ａは、台形の一対の斜辺を外側にふくらませた形状を有する。

反射面２０Ａの外形を、ビーム断面３０の移動範囲の外形よりやや大きくしたのは、光学系の取付け誤差、回転ミラー２０の製造上のばらつき等を吸収するためのマージンを確保するためである。回転ミラー２０の縁に、把持部４３が設けられている。把持部４３が固定具２４（図２Ａ）で把持されることにより、回転ミラー２０が回転軸２１に固定される。

ビーム断面３０Ａと３０Ｂとが、回転中心線３１に対して相互に反対向きに傾いているため、反射面２０Ａの外形は、回転中心線３１に対して非対称になる。より具体的には、回転中心線３１を中心として、反射面２０Ａの一方の領域は、他方の領域より広い。このため、回転ミラー２０を均一な厚さにすると、回転ミラー２０の重心Ｇが、回転中心線３１からずれてしまう。実施例１においては、後述するように、反射面２０Ａの面内方向に関して、回転ミラー２０の重心Ｇが回転中心線３１上に位置する構成とされている。

図２Ｃに、回転ミラー２０の背面図を示す。回転ミラー２０の背面２０Ｂに、剛性を高めるための第１の補強リブ４１及び第２の補強リブ４２が設けられている。第１の補強リブ４１は、把持部４３から、回転中心線３１に沿って、回転ミラー２０の先端に向かって伸びる。第１の補強リブ４１の幅は、先端に向かって細くなっている。

第２の補強リブ４２が第１の補強リブ４１から枝分かれしている。第２の補強リブ４２は、回転中心線３１に対して垂直な方向から、回転ミラー２０の先端の方向に傾いた斜め方向に伸びる。回転中心線３１を中心として、反射面２０Ａの面積が相対的に大きな側に配置される第２の補強リブ４２の本数（図２Ｃにおいて２本）が、反射面２０Ａの面積が相対的に小さな側に配置される第２の補強リブ４２の本数（図２Ｃにおいて３本）より少ない。第２の補強リブ４２の本数を調節することにより、反射面２０Ａの面内方向に関して、回転ミラー２０の重心を回転中心線３１上に位置させることができる。

第２の補強リブ４２の本数を調整する代わりに、第１の補強リブ４１及び第２の補強リブ４２の高さを不均一にすることにより、反射面２０Ａの面内方向に関して、回転中心線３１が重心Ｇを通過するようにしてもよい。一例として、反射面２０Ａの面積が相対的に大きな側に配置される第２の補強リブ４２を、反射面２０Ａの面積が相対的に小さな側に配置される第２の補強リブ４２より低くしてもよい。その他に、反射面２０Ａの面積が相対的に大きな側に配置される第２の補強リブ４２を、反射面２０Ａの面積が相対的に小さな側に配置される第２の補強リブ４２より短くしてもよい。

回転ミラー２０の材料として、例えばベリリウムが用いられる。回転ミラー２０を作製する際には、まず、ベリリウムの粉体を焼結することにより、最終形状に近い形状の構造物を得る。その後、この構造物の表面を削って形状を調整することにより、回転ミラー２０が作製される。

図３Ａに、２段目のガルバノスキャナ１３の回転ミラー２０を、図２Ａの状態から９０°回転させた状態の概略側面図を示す。回転ミラー２０の把持部４３が、固定具２４に挟
まれて回転軸２１に固定されている。回転ミラー２０と固定具２４とは、例えば接着剤により相互に固定される。背面２０Ｂに、第１の補強リブ４１が形成されている。

図３Ｂに、回転ミラー２０及び固定具２４の断面図を示す。背面２０Ｂから反射面２０Ａまでの高さよりも、背面２０Ｂから第１の補強リブ４１の上面（図３Ｂにおいては、下側を向く面）までの高さの方が高い。回転ミラー２０の重心Ｇは、背面２０Ｂに関して反射面２０Ａとは反対側に位置する。第１の補強リブ４１及び第２の補強リブ４２（図２Ｃ）の高さを調整することにより、回転ミラー２０の厚さ方向に関して重心Ｇの位置を調整することができる。実施例１においては、回転中心線３１が重心Ｇを通過するように、第１の補強リブ４１及び第２の補強リブ４２の高さが設定されている。

従来は、反射面２０Ａの形状が、回転中心線３１に関して対称であった。このため、回転中心線３１を中心として、両側の反射面２０Ａの各々を、図２Ｂに示した相対的に大きな方の反射面２０Ａと同一か、それよりも大きくしなければならない。従って、回転ミラー２０の重量が重くなってしまう。実施例１のように、反射面２０Ａの形状を回転中心線３１に関して非対称にすることにより、回転ミラー２０の小型化、及び軽量化を図ることができる。

図４Ａ〜図４Ｃを参照して、実施例１によるガルバノスキャナの効果について説明する。図４Ａ及び図４Ｂに示すガルバノスキャナの応答特性を、シミュレーションにより求めた。図４Ａに示したガルバノスキャナは、上述の実施例１によるガルバノスキャナと同一の構成を有する。図４Ｂに示したガルバノスキャナは、回転ミラー２０の先端において、軸受２７により支持されている。すなわち、回転軸２１を支持する２つの軸受２６と、回転ミラー２０を、その先端で支持する軸受２７との３点で、回転軸２１が支持される。これに対して、図４Ａに示したガルバノスキャナの回転軸２１は、２点で支持される。

回転軸を３点で支持する構成を採用すると、３個の軸受の軸受中心がずれた場合に、曲げモードの振動が励振される。２点で回転軸２１を支持することにより、曲げモードの励振が抑制される。ただし、回転ミラー２０の先端を開放端とすると、回転ミラー２０の重心が回転中心線からずれたときに、倒れモードの振動が励振され易くなる。

図４Ｃに、利得と位相の速度開ループ周波数応答特性の、有限要素法による解析結果を示す。横軸は周波数を対数目盛で表し、左縦軸は利得を単位「ｄＢ」で表し、右縦軸は位相を単位「度」で表す。開ループ周波数応答特性の入力は、モータ２３に与える正弦波電流であり、出力はモータ２３の回転速度である。実線４Ａは、図４Ａに示した２点支持のガルバノスキャナの応答特性を示し、破線４Ｂは、図４Ｂに示した３点支持のガルバノスキャナの応答特性を示す。２点支持のガルバノスキャナにおいても、反共振点より低い周波数領域において、共振は生じていない。すなわち、倒れモードの共振は発生していない。これは、図２Ｂ、図２Ｃ、図３Ｂに示したように、回転ミラー２０の重心Ｇを、回転中心線３１上に位置させたことによる。

次に、図５Ａ〜図５Ｃを参照して、回転ミラー２０を小型化することの効果について説明する。図５Ａ及び図５Ｂに示すガルバノスキャナの応答特性をシミュレーションにより求めた。

図５Ａに示したガルバノスキャナは、上記実施例１のガルバノスキャナと同一の構成を有し、回転ミラー２０の反射面２０Ａが回転中心線３１に関して非対称である。図５Ｂに示したガルバノスキャナの回転ミラー２０の反射面は、回転中心線３１に関して対称である。このため、図５Ｂに示した回転ミラー２０は、図５Ａに示した回転ミラー２０よりも重い。

図５Ｃに、利得と位相の速度開ループ周波数応答特性の、有限要素法による解析結果を示す。横軸及び縦軸は、図４Ｃに示したグラフの横軸及び縦軸と同一である。図５Ａに示したガルバノスキャナの反共振点の周波数が、図５Ｂに示したガルバノスキャナの反共振点の周波数より高いことがわかる。これは、回転ミラー２０を小型化したことによって、慣性モーメントが低減したためである。

上記実施例１では、図２Ｂに示したように、１段目のガルバノスキャナ１２でレーザビームを走査したとき、レーザビームのビーム断面３０が、２段目のガルバノスキャナ１３の回転中心線３１と平行な方向に移動した。１段目及び２段目のガルバノスキャナ１２、１３の姿勢によっては、ビーム断面３０の移動方向が、回転中心線３１と平行にならない場合もある。

図６Ａに、ビーム断面３０の移動方向と、回転中心線３１とが平行ではない場合の回転ミラー２０の正面図を示す。反射面２０Ａの外形の直線部分が、回転中心線３１に対してやや傾いている。この場合でも、後述するように、回転ミラー２０の重心Ｇが回転中心線３１上に位置する構成とされている。

図６Ｂに、回転ミラー２０の背面図を示す。第１の補強リブ４１は、ビーム断面３０（図６Ａ）の移動方向ではなく、回転中心線３１に沿って伸びる。第１の補強リブ４１及び第２の補強リブ４２の平面形状及び高さは、重心Ｇが回転中心線３１上に位置するように設定されている。

［実施例２］
図７Ａ及び図７Ｂに、それぞれ実施例２によるガルバノスキャナの回転ミラーの正面図及び背面図を示す。以下、上記実施例１によるガルバノスキャナとの相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

図７Ａに示すように、実施例２によるガルバノスキャナの回転ミラー２０の反射面２０Ａは、回転中心線３１に関して対称である。図７Ｂに示すように、第１の補強リブ４１は、実施例１の場合と同様に、把持部４３から回転中心線３１に沿って伸び、先端に向かって細くなる。第２の補強リブ４２は、実施例１の場合と同様に、第１の補強リブ４１から枝分かれしている。また、第２の補強リブ４２は、回転中心線３１に対して垂直な方向から、回転ミラー２０の先端の方に向かって傾斜した方向に伸びる。第１の補強リブ４１及び第２の補強リブ４２は、回転中心線３１に関して対称な平面形状を有する。反射面２０Ａが回転中心線３１に関して対称であり、かつ第１の補強リブ４１及び第２の補強リブ４２も、回転中心線３１に関して対称であるため、反射面２０Ａの面内方向に関して、回転ミラー２０の重心Ｇは、回転中心線３１上に位置する。

第１の補強リブ４１が、把持部４３から先端に向かって細くなっているため、等幅である場合に比べて、慣性モーメントが小さくなる。このため、応答特性を改善することができる。特に、先端が相対的に軽いため、先端を軸受で支持することなく、自由端とすることができる。これにより、曲げモードの振動の励振を抑制することができる。

上記実施例１及び実施例２では、回転ミラー２０の重心Ｇが、回転中心線３１上に位置する例を示した。ただし、機械加工精度のばらつきにより、重心Ｇが回転中心線３１からわずかにずれる場合もある。回転中心線３１から重心Ｇまでのずれが１００μｍ以下であれば、実質的に重心Ｇが回転中心線３１上に位置しているといえる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。
例えば、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。

１０ レーザ光源
１１ ベンディングミラー
１２ １段目のガルバノスキャナ
１３ ２段目のガルバノスキャナ
１４ ｆθレンズ
１５ 加工対象物
２０ 回転ミラー
２０Ａ 反射面
２０Ｂ 背面
２１ 回転軸
２２ エンコーダ
２３ モータ
２４ 固定具
２６、２７ 軸受
３０、３０Ａ、３０Ｂ ビーム断面
３１ 回転中心線
４１ 第１の補強リブ
４２ 第２の補強リブ
４３ 把持部

Claims (6)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸の回転中心線に平行な反射面を有し、前記反射面の平面形状は、前記回転中心線に関して非対称であり、前記反射面の面内方向に関して、重心が前記回転中心線と重なる位置にある回転ミラーと
   を有するガルバノスキャナ。
2. 前記反射面に垂直な厚さ方向に関して、前記回転ミラーの重心が前記回転中心線と重なる位置にある請求項１に記載のガルバノスキャナ。
3. さらに、前記回転ミラーの背面に形成され、前記回転軸への取り付け箇所から前記回転中心線に沿って先端に向かって伸び、先端に向かって細くなる第１の補強リブを有する請求項１または２に記載のガルバノスキャナ。
4. さらに、前記回転ミラーの背面に形成され、前記第１の補強リブから枝分かれし、前記回転中心線に対して垂直な方向から、前記回転ミラーの先端の方に傾いた方向に伸びる複数の第２の補強リブを有する請求項３に記載のガルバノスキャナ。
5. 前記回転ミラーの先端は自由端とされている請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガルバノスキャナ。
6. 回転軸と、
   前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸の回転中心線に平行な反射面を有する回転ミラーと、
   前記回転ミラーの背面に形成され、前記回転軸への取り付け箇所から前記回転中心線に沿って先端に向かって伸び、先端に向かって細くなる第１の補強リブと、
   前記回転ミラーの背面に形成され、前記第１の補強リブから枝分かれし、前記回転中心線に対して垂直な方向から、前記回転ミラーの先端の側に傾いた方向に伸びる複数の第２の補強リブと
   を有し、
   前記回転ミラーの先端は、自由端とされているガルバノスキャナ。

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