JP2020052231A - ガルバノスキャナ用ミラー - Google Patents

Abstract

【課題】高速かつ高精度に制御可能なガルバノスキャナ用ミラーを提供する。【解決手段】加工対象物に入射させて穴明け加工を行うレーザビームを走査するガルバノスキャナに、ガルバノスキャナ用のミラー２２が用いられる。このミラーは、繊維強化プラスチックからなる本体２５の表面に反射膜２４を設けた構造を有する。また、モータの回転軸に取り付けられる一体成形された取付部２６を有している【選択図】図２

Description

本発明は、ガルバノスキャナ用ミラーに関する。

プリント基板等にレーザビームを入射させて穴明け加工を行うレーザ穴明け加工装置において、レーザビームを走査する光学装置として、ガルバノスキャナが用いられている。ガルバノスキャナ用ミラーとして、例えばシリコンからなる基材に反射膜をコーティングしたもの、ベリリウム金属単体で構成したもの等が知られている。また、下記の特許文献１に、運搬、設置、取り外し等を容易にするために、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）板の表面に反射膜を形成することにより軽量化したＦＲＰ製反射鏡が開示されている。さらに、下記の特許文献２に、軽量化したＦＲＰ製ミラー構造体を搭載した望遠鏡が開示されている。

特開昭６１−２３８００１号公報 特開２０１７−２１９８１０号公報

加工すべき穴の位置精度を高めるために、ガルバノスキャナ用ミラーの位置決め精度を高めることが望まれている。ミラーの動作を開始してから、次のレーザパルスを照射するまでの時間を長くすることにより、高精度の位置決めを行うことが可能になる。ところが、ミラーの動作開始からレーザパルス照射までの時間を長くすると、穴明け加工に必要な時間が長くなってしまう。穴明け加工に必要な時間の長大化を招くことなく、位置決め精度を向上させる技術が望まれている。

本発明の目的は、高速かつ高精度に制御可能なガルバノスキャナ用ミラーを提供することである。

本発明の一観点によると、
加工対象物に入射させて穴明け加工を行うレーザビームを走査するガルバノスキャナに用いられるミラーであって、繊維強化プラスチックからなる本体の表面に反射膜を設けたガルバノスキャナ用ミラーが提供される。

ミラーの本体の慣性モーメントが小さくなることにより、高速かつ高精度にガルバノスキャナ用ミラーを制御することができる。

図１は、実施例によるガルバノスキャナ用ミラーが用いられたレーザ加工装置の概略図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ２段目のガルバノスキャナのミラーの平面図及び底面図であり、図２Ｃは、図２Ａ及び図２Ｂの一点鎖線２Ｃ−２Ｃにおける断面図であり、図２Ｄは、図２Ａ及び図２Ｂの一点鎖線２Ｄ−２Ｄにおける断面図である。 図３は、２段目のガルバノスキャナのミラーの反射面に正対した方向から見たガルバノスキャナの概略図である。 図４Ａは、変形例によるミラーを用いた２段目のガルバノスキャナの平面図であり、図４Ｂは、図４Ａの一点鎖線４Ｂ−４Ｂにおける断面図である。

図１〜図３を参照して、実施例によるガルバノスキャナ用ミラーについて説明する。
図１は、実施例によるガルバノスキャナ用ミラーが用いられたレーザ加工装置の概略図である。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２０Ａ、２段目のガルバノスキャナ２０Ｂ、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、アパーチャ、レンズ等が配置される。１段目のガルバノスキャナ２０Ａ及び２段目のガルバノスキャナ２０Ｂの各々は、モータ２１及びミラー２２で構成される。モータ２１は、制御装置４０からの指令によりミラー２２を揺動させる。加工対象物１５は、例えばプリント基板であり、レーザビームを入射させることによって穴明け加工が行われる。

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２０Ａのミラー２２を揺動させてレーザビームの進行方向を振ると、加工対象物１５の表面においてレーザビームの入射点がｘ方向に移動する。２段目のガルバノスキャナ２０Ｂのミラー２２を揺動させてレーザビームの進行方向を振ると、加工対象物１５の表面においてレーザビームの入射点がｙ方向に移動する。レーザビームの進行方向を振ることを、レーザビームを走査するという。２段目のガルバノスキャナ２０Ｂのミラー２２は、１段目のガルバノスキャナ２０Ａのミラー２２よりも大きい。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する。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ２段目のガルバノスキャナ２０Ｂのミラー２２の平面図及び底面図である。図２Ｃは、図２Ａ及び図２Ｂの一点鎖線２Ｃ−２Ｃにおける断面図である。図２Ｄは、図２Ａ及び図２Ｂの一点鎖線２Ｄ−２Ｄにおける断面図である。１段目のガルバノスキャナ２０Ａのミラー２２と、２段目のガルバノスキャナ２０Ｂのミラー２２とは、形状及び大きさが異なるが、基本的な構成は共通であるため、１段目のガルバノスキャナ２０Ａのミラー２２については、説明を省略する。

ミラー２２は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）からなる本体２５と、その表側の平坦化された表面にコーティングされた反射膜２４とを含む。本体２５は、底面に設けられた補強リブ２７、及び端面に設けられた取付部２６を含む。補強リブ２７は、本体２５の剛性を高める機能を持つ。取付部２６は、モータ２１（図１）の回転軸に取り付けられる。取付部２６及び補強リブ２７を含む本体２５は、例えば射出成型により一体成形された一体成形品である。ここで、「一体成形」とは、二次接着や機械的接合を用いないで、部材の接合と同時に製品を一体で成形することを意味する。なお、本実施例においては、取付部２６及び補強リブ２７を含む本体２５の全体が繊維強化プラスチックで形成されている。反射膜２４は、例えば金をコーティングすることにより形成される。

本体２５に用いられる繊維強化プラスチックの例として、炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック、アラミド繊維強化プラスチック、ダイニーマ繊維強化プラスチック、ボロン繊維強化プラスチック、ザイロン維強化プラスチック等が挙げられる。

補強リブ２７は、ミラー２２をモータ２１（図１）に取り付けたときのモータ２１の回転軸の延長線に沿って配置された部分２７Ａ（幹に相当する部分）と、幹に相当する部分２７Ａから分岐した複数の部分２７Ｂ（枝に相当する部分）とで構成される。枝に相当する部分２７Ｂは、幹に相当する部分２７Ａから遠ざかる方向に向かって高さが徐々に低くなっている。これは、慣性モーメントの増大を抑制するためである。

図３は、２段目のガルバノスキャナ２０Ｂのミラー２２の反射面に正対した方向から見たガルバノスキャナ２０Ｂの概略図である。１段目のガルバノスキャナ２０Ａは、ミラー２２の形状及び大きさが異なるのみで、その他の構成は２段目のガルバノスキャナ２０Ｂの構成と同一である。

モータ２１の回転軸２８の先端に、ミラー２２が取り付けられる。例えば、回転軸２８の先端とミラー２２の本体２５の取付部２６とが嵌合し、接着剤を用いてミラー２２が回転軸２８に固定される。例えば、回転軸２８の先端面に凹部が設けられており、この凹部に取付部２６が挿入される。

取付部２６、及び回転軸２８に設けられた凹部は、回転軸２８の中心線に関して回転対称である。ここで、回転対称とは、ｎを２以上の整数としたときのｎ相対称、及び円対称を意味する。

ミラー２２を回転軸２８に取り付けた状態で、回転軸２８の中心線の延長線２９がミラー２２の重心３０を通過する。回転軸２８と取付部２６とは、両者を嵌合させると、回転軸２８の中心線の延長線２９がミラー２２の重心３０を通過する位置関係になるような形状に加工されている。

次に、上記実施例によるガルバノスキャナ用のミラー２２の優れた効果について説明する。

一般に、ＦＲＰは金属に比べて軽いという特徴を有する。このため、ミラー２２を金属やシリコンで形成する場合に比べて、形状及び寸法が同一であれば慣性モーメントを小さくすることができる。また、ＦＲＰのヤング率は、金属やシリコンのヤング率に比べて遜色の無い大きさである。例えば、一般的なＦＲＰの密度はシリコンの密度より小さく、かつ一般的なＦＲＰのヤング率はシリコンのヤング率より大きい。従って、ミラー２２の本体２５をＦＲＰで形成しても、シリコンを用いた従来のガルバノスキャナ用のミラーと同等以上の十分な剛性を確保することができる。

このように、ミラー２２の本体２５にＦＲＰを用いることにより、金属や半導体を用いた場合と比べて、ミラー２２を軽量化しつつ、十分な剛性を確保することができる。その結果、ガルバノスキャナの動作の高速化を図ることが可能になる。さらに、ミラー２２が軽量かつ高剛性であるため、ミラー２２を揺動させた場合の位置決め精度を高めることができる。このよに、ガルバノスキャナ用のミラー２２の本体２５にＦＲＰを用いることにより、固定ミラーを単に軽量化したことにより得られる効果とは異質の優れた効果が得られる。

プリント基板の穴明け加工を行う場合、加工時間を短くするためにレーザビームの走査可能エリアを広くすることが望まれる。走査可能エリアを広くするためには、ガルバノスキャナのミラー２２の振れ角を大きくすればよい。例えば、穴明け加工に用いられるガルバノスキャナのミラー２２の振れ角は１０°以上、一例として１５°程度である。この角度は、例えば光磁気ディスク用のレーザビームの光軸を微調整するためのガルバンスキャナのミラーの振れ角と比べて著しく大きい。このように、振れ角の大きなミラー２２にＦＲＰを用いる場合に、ガルバノミラーの動作速度を高速化する顕著な効果が得られる。

次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して実施例の変形例について説明する。
図４Ａは、本変形例によるミラー２２を用いた２段目のガルバノスキャナ２０Ｂの平面図であり、図４Ｂは、図４Ａの一点鎖線４Ｂ−４Ｂにおける断面図である。

図３に示した実施例では、ミラー２２の本体２５が取付部２６を含んでおり、取付部２６がモータ２１の回転軸２８に直接固定されている。本変形例では、ミラー２２が取付部材３５を介してモータ２１の回転軸２８に固定されている。取付部材３５は、ミラー２２の基部を挟み、ボルトとナット等の締結具３６で締め付けることにより、ミラー２２が取付部材３５に固定されている。取付部材３５は、例えばステンレス鋼等の金属で形成されており、モータ２１の回転軸２８に固定されている。

本変形例においても、ミラー２２の本体２５がＦＲＰで形成されているため、上記実施例と同様に、ミラー２２を軽量化しつつ、十分な剛性を確保することができる。その結果、動作の高速化を図り、位置決め精度を向上させることができる。また、本変形例による金属製の取付部材３５と本体２５との接触面積は、実施例における本体２５と回転軸２８との接触面積よりも大きい。その結果、ミラー２２の支持強度が高まるという効果が得られる。なお、実施例では金属製の取付部材３５を使用しないため、軽量化の観点では、本変形例より実施例の方が有利である。実施例による構造を採用するか、変形例による構造を採用するかは、求められる動作速度や位置精度に応じて決定するとよい。

上記実施例及び変形例は例示であり、本発明は上述の実施例及び変形例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
１４ ｆθレンズ
１５ 加工対象物
２０Ａ １段目のガルバノスキャナ
２０Ｂ ２段目のガルバノスキャナ
２１ モータ
２２ ガルバノスキャナ用のミラー
２４ 反射膜
２５ ミラーの本体
２６ 取付部
２７ 補強リブ
２７Ａ 補強リブの幹の部分
２７Ｂ 補強リブの枝の部分
２８ 回転軸
２９ 回転軸の中心線の延長線
３０ ミラーの重心
３５ 取付部材
３６ 締結具
４０ 制御装置

Claims (3)

1. 加工対象物に入射させて穴明け加工を行うレーザビームを走査するガルバノスキャナに用いられるミラーであって、繊維強化プラスチックからなる本体の表面に反射膜を設けたガルバノスキャナ用ミラー。
2. 前記本体は、モータの回転軸に取り付けられる一体成形された取付部を有している請求項１に記載のガルバノスキャナ用ミラー。
3. 前記取付部を前記モータの前記回転軸に取り付けた状態で、前記回転軸の中心線の延長線が前記本体及び前記反射膜の重心を通過する請求項２に記載のガルバノスキャナ用ミラー。

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