JP2692409B2

JP2692409B2 - ビームスキャナ

Info

Publication number: JP2692409B2
Application number: JP3079532A
Authority: JP
Inventors: 健臼井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-04-12
Filing date: 1991-04-12
Publication date: 1997-12-17
Anticipated expiration: 2012-12-17
Also published as: JPH04314019A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ビームの移動を行う
ビームスキャナに係わり、特に、レーザビームを利用し
て種々の加工や計測を行うレーザ加工機、レーザ応用機
器等の光学部分に用いられるガルバノメータを用いたビ
ームスキャナに関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームを使用するレーザ加工機や
計測器では、その利用目的からみてほとんど全ての使途
において、被加工物や被測定物の位置を移動するか、光
ビームの位置を移動するかのいずれかの手段が必要不可
欠である。そして、一般には、処理速度の観点から移動
部分が軽量かつ小型にできて高速移動が可能なビーム移
動方式を採用している。なかでも、より高速な移動が可
能なガルバノメータ型のビームスキャナが広く用いられ
ている。

【０００３】図６は、従来使用されているガルバノメー
タ型のビームスキャナを利用した２次元のスキャン光学
系の概略構成を示す説明図である。

【０００４】このスキャン光学系は、２個のガルバノメ
ータ１１、１３と、この各ガルバノメータ１１、１３の
回転軸上に取り付けられたミラー１２、１４とを備えて
おり、かつ、ミラー１２、１４は、その走査方向が互い
に直交するような関係で配置されている。そして、入射
光ビーム１６はミラー１２、１４で順次反射された後
に、ｆθ型の対物レンズ１５に入射するように構成され
ている。この対物レンズ１５を通った光ビームは、この
対物レンズ１５の作用により、加工面上の入射角によっ
て決まる所定の位置に集光される。

【０００５】このような構成で、集光位置の制御は直交
する２軸に対応した２つの位置制御信号１７、１８に応
じて、それぞれガルバノメータ１１、１３のミラー１
２、１４を微小回転させることにより行われる。それゆ
え、この構成では、可動部分はガルバノメータのロータ
部分（回転軸部分）とミラーのみということになり、慣
性モーメントがごく小さいことから、例えば集光位置を
１０メートル／秒もの高速で移動することも可能である
という特徴があり、レーザ加工機等の高速ビーム移動を
必要とする用途を中心に多用されている。

【０００６】このようなビームスキャナで用いられてい
るガルバノメータの駆動方法としては、通常、入力され
た位置制御信号とガルバノメータから出力される検出角
度信号を比較し、両者が等しくなるように負帰還制御す
る駆動方法が用いられている。この駆動方法について
は、例えば、GENERAL SCANNING INC. 社カタログ「G-30
0PD SCANNER AND CCX-100 SERVO CONTROLLER」や、雑誌
EOSD Magazine （１９７４年、４月発行）の３２ページ
の「E.P.Grenda and P.J.Brosens“Closing theLoop on
Galvanometer Scanners ”」に詳しく述べられてい
る。

【０００７】図７は、このような駆動方法によるビーム
スキャナの１軸分の回路構成を示す回路図である。この
図に示すように、ビームスキャナは、Ｄ／Ａコンバータ
２１および駆動回路３１からなる制御回路部分と、ガル
バノメータ１１およびその回転軸に取り付けられたミラ
ー１２とを備えている。

【０００８】このビームスキャナに対して、コンピュー
タ等を使用したコントローラから、移動先を指定するデ
ジタル信号１０１が送られてくると、このデジタル信号
１０１はＤ／Ａコンバータ２１においてアナログ信号に
変換され、位置制御信号１０２として駆動回路３１に供
給される。駆動回路３１では、この位置制御信号１０２
と、ガルバノメータ１１から出力される検出角度信号２
０１とを比較し、両者を等しくするようにガルバノメー
タ１１への駆動電流を負帰還制御する。

【０００９】駆動回路３１は、オペアンプ３２およびオ
ペアンプ３３を有し、Ｄ／Ａコンバータ２１の出力端は
抵抗Ｒ₃₂を介してオペアンプ３２の入力端に接続されて
いる。また、ガルバノメータ１１の検出角度信号２０１
の出力端は、蓄電器Ｃ₃₁を介してオペアンプ３３の入力
端に接続されていると共に、抵抗Ｒ₃₁を介してオペアン
プ３２の入力端に接続されている。また、オペアンプ３
３の入力端は抵抗Ｒ₃₃を介して接地されている。オペア
ンプ３２、３３の各出力は、和回路３４で加算され駆動
アンプ３５に入力されるようになっている。そして、こ
の駆動アンプ３５から出力される駆動信号２０４によっ
てガルバノメータ１１が駆動されるようになっている。

【００１０】図８は、図７に示すビームスキャナにおけ
る各部の信号波形の具体例を示す波形図であり、原位置
から指定の移動先まで一定速度で移動し、その後、元の
位置に一定速度で戻すよう制御する場合についての応答
波形を示す。図７において、抵抗Ｒ₃₁、Ｒ₃₂およびオペ
アンプ３２からなる差分回路部分では、図８（ａ）に示
す位置制御信号１０２と同図（ｂ）に示す検出角度信号
２０１とから、差信号すなわち図８（ｃ）に示すような
誤差信号２０２が求められる。一方、蓄電器Ｃ ₃₁および
抵抗Ｒ₃₃からなる高域通過フィルタ、およびオペアンプ
３３の回路では、図８（ｂ）に示す検出角度信号２０１
を微分し、極性を反転した信号、すなわち図８（ｄ）に
示す角速度信号２０３が求められる。和回路３４と駆動
アンプ３５は、これら２信号の和から図８（ｅ）に示す
駆動信号２０４を得て、ガルバノメータ１１を駆動する
ものである。

【００１１】なお、この駆動信号２０４でガルバノメー
タ１１を駆動すると、先に述べた図８（ｂ）に示す検出
角度信号２０１が得られ、全体として負帰還制御が行わ
れていることになる。

【００１２】この駆動方法は、従来から最良の方法と考
えられ、負帰還ループのループゲインを高くすることに
より、ガルバノメータ自体が持っている時定数以上の高
速移動や位置精度の向上が可能であるという利点があ
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
駆動方式では、ループゲインを高く設定する必要がある
ことから、例えば、位置制御信号がステップ状等のよう
に急激に変化した場合には、その信号変化にガルバノメ
ータの動作が追従できない。そのために、ガルバノメー
タには異常な加速電流が印加され、さらには、それをき
っかけに共振現象による異常振動が始まることもある。
そのような場合には、ガルバノメータの回転軸を受けて
いるベアリング等に過剰な負荷がかかることから、摩耗
等による寿命の劣化を生じる等の問題がある。

【００１４】それゆえ、この形式の駆動回路を用いる場
合には、位置制御信号の変化速度をガルバノメータが追
従できるような範囲に収まるように、滑らかに変化する
位置制御信号としておくことが必要不可欠である。その
ため従来は、マイクロコンピュータ等を使用して適切に
位置を演算し、位置制御信号の波形を制御する方法か、
または集積回路を使用した論理回路でカウンタ等を構成
して位置制御信号の波形を制御する方法が使用されてい
る。

【００１５】しかし、マイクロコンピュータを使用する
方法には、汎用のマイクロコンピュータでは動作速度が
不足するために特殊な専用のマイクロコンピュータを必
要とするという難点があり、一方、論理回路を組み合わ
せて構成する方法では、かなり複雑な回路構成を必要と
するという難点があった。

【００１６】そこで本発明の目的は、ガルバノメータを
使用したビームスキャナにおいて、簡易な回路で構成で
き、かつ移動先データまたは移動先に相当する電圧を与
えるだけで、原位置から移動先まで所定の最高速度以内
で滑らかにビームを移動することが可能なビームスキャ
ナを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明のビ
ームスキャナは、ガルバノメータと、このガルバノメー
タの回転軸上に取り付けられ入射光ビームを反射する反
射部材と、外部から供給される位置制御信号に応じてガ
ルバノメータを駆動制御する駆動回路と、位置制御信号
を、ガルバノメータを滑らかに駆動可能な、変化率が所
定値以下の波形の信号に変換して駆動回路に供給する波
形制御手段とを備えたものである。

【００１８】このビームスキャナでは、外部から供給さ
れる位置制御信号は、波形制御手段によって、ガルバノ
メータを滑らかに駆動可能な、変化率が所定値以下の波
形の信号に変換されて駆動回路に供給され、この信号に
応じて駆動回路によってガルバノメータが駆動制御され
る。このガルバノメータによって反射部材が回転され、
この反射部材によって反射される光ビームの位置が移動
する。

【００１９】請求項２記載の発明のビームスキャナは、
請求項１記載の発明における波形制御手段が、位置制御
信号を入力する差動増幅器と、この差動増幅器の出力電
圧の振幅を制限する電圧制限回路と、この電圧制限回路
の出力を積分し、波形制御手段の出力信号として出力す
ると共に差動増幅器に負帰還入力させる積分回路とを有
するものである。

【００２０】このビームスキャナでは、位置制御信号は
差動増幅器を経て、電圧制限回路によって振幅が制限さ
れ、積分回路によって積分されて波形制御手段の出力信
号として出力される。また、積分回路の出力は差動増幅
器に負帰還入力される。これにより、例えばステップ状
の位置制御信号の波形は台形状に変換される。

【００２１】請求項３記載の発明のビームスキャナは、
請求項１記載の発明における差動増幅器が、増幅利得を
可変する手段を有し、この手段によって増幅利得を可変
することによって、波形制御手段の負帰還ループの利得
を可変してガルバノメータの静定動作時における波形制
御手段の出力波形を調整できるようにしたものである。

【００２２】請求項４記載の発明のビームスキャナは、
請求項１記載の発明における積分回路が、回路定数を切
り換える手段を有し、この手段によって回路定数を切り
換えることによって、積分時定数を変化させてガルバノ
メータの最高移動速度を可変できるようにしたものであ
る。

【００２３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。

【００２４】図１ないし図３は本発明の第１実施例に係
り、図１はビームスキャナの１軸分の回路構成を示す回
路図である。この図に示すように、本実施例のビームス
キャナは、図７に示す構成に対して、Ｄ／Ａコンバータ
２１と駆動回路３１の間に、波形制御回路４１を付加し
たものである。この波形制御回路４１は、Ｄ／Ａコンバ
ータ２１から出力される位置制御信号を、ガルバノメー
タを滑らかに駆動可能な、変化率が所定値以下の波形の
信号に変換して駆動回路３１に供給するようになってい
る。本実施例のビームスキャナのその他の構成および作
用は図７と同様であるので、図７と同等な部分には同一
の符号を付し、その説明は省略する。また、本実施例の
ビームスキャナは、例えば図６に示すスキャン光学系に
用いられる。

【００２５】図２は、図１における波形制御回路４１の
具体例を示す回路図である。この図に示す波形制御回路
４１は、Ｄ／Ａコンバータ２１からの入力信号１０４を
反転入力端から入力するオペアンプを用いた差動増幅器
４２と、この差動増幅器４２の出力電圧の振幅を制限す
る電圧制限回路４３と、この電圧制限回路４３の出力信
号を積分する積分回路４４とを備えており、この積分回
路４４の出力信号１０７は、波形制御回路４１の出力信
号として駆動回路３１に供給されると共に差動増幅器４
２の非反転入力端に負帰還入力されるようになってい
る。

【００２６】電圧制限回路４３は、差動増幅器４２の出
力端と積分回路４４の入力端との間に設けられた抵抗Ｒ
₄₁と、この抵抗Ｒ₄₁の積分回路４４側の端子に接続され
た２つのダイオードＤ₄₁、Ｄ₄₂とで構成されている。一
方のダイオードＤ₄₁はアノードが接地され、カソードが
抵抗Ｒ₄₁に接続され、他方のダイオードＤ₄₂は、逆にカ
ソードが接地され、アノードが抵抗Ｒ₄₁に接続されてい
る。そして、この電圧制限回路４３の入力信号は、ダイ
オードＤ₄₁、Ｄ₄₂の順電圧を両限として電圧制限され
る。

【００２７】また、積分回路４４は、オペアンプ４５と
入力抵抗Ｒ₄₂と蓄電器Ｃ₄₁とで構成されている。電圧制
限回路４３の出力端は、入力抵抗Ｒ₄₂を介してオペアン
プ４５の反転入力端に接続されている。また、オペアン
プ４５の非反転入力端は接地され、出力端は波形制御回
路４１の出力端であると共に、蓄電器Ｃ₄₁を介して反転
入力端に接続され、さらに差動増幅器４２の非反転入力
端に接続されている。

【００２８】次に、図３を参照して、図２に示す波形制
御回路４１の動作について説明する。図３は図２におけ
る各部の信号波形を示す波形図であり、同図（ａ）に入
力信号１０４の波形を示すように、ステップ状で原位置
から指定の移動先まで移動し、その後、元の位置に一定
速度で戻るよう制御する場合についての応答波形を示
す。

【００２９】図２において、差動増幅器４２は、入力信
号１０４と積分回路４４の出力信号１０７との差信号１
０５を得るようになっており、入力信号が図３（ａ）に
示すようにステップ状の波形の場合には、積分回路４４
の応答が遅くてこれに追従しないので、出力信号１０７
の応答波形が同図（ｂ）に示すようであることから、差
動増幅器４２の出力である差信号１０５の波形は同図
（ｃ）に示すような両極性の三角波になる。

【００３０】次に、差動増幅器４２からの差信号１０５
を受けた電圧制限回路４３では、ダイオードＤ₄₁、Ｄ₄₂
の順電圧を両限として電圧制限されるので、その出力、
すなわち積分回路４４の入力信号１０６の波形は図３
（ｄ）に示すような台形状の波形となる。

【００３１】積分回路４４は、前述のようにオペアンプ
４５、入力抵抗Ｒ₄₂および蓄電器Ｃ ₄₁で構成された、一
般にミラー積分回路と呼ばれている形式のものである。
この回路ではオペアンプ４５の入力端抵抗値は無限大と
みなせるので、入力抵抗Ｒ₄₂に流れた電流分がそのまま
蓄電器Ｃ₄₁に蓄電、すなわち積分されることになる。次
に、入力信号１０４と出力信号１０７の電圧が等しくな
ったときには、差動増幅器４２の出力電圧が零になり、
蓄電器Ｃ₄₁への蓄電もなくなるので、その出力電圧が継
続される。従って、線分回路４４の出力電圧は、図３
（ｂ）に示すような台形状の波形になる。

【００３２】図３（ｄ）において電圧制限回路４３の出
力がダイオードの順電圧で制限された期間が、同図
（ｂ）に示す波形では傾斜部に相当しており、光ビーム
の動作では最高速度で移動している期間に該当してい
る。

【００３３】この期間における単位時間当たりの出力電
圧の変化は、積分回路４４への入力電圧と蓄電器Ｃ₄₁の
容量との積を入力抵抗Ｒ₄₂の抵抗値で割った値によって
決まり、入力電圧が電圧制限回路４３の作用により一定
値であるので、出力電圧の変化率も一定となる。この変
化率は一般にスリュレートと呼ばれるパラメータである
が、ガルバノメータの動作では移動速度に相当してい
る。従って、その変化率が所定の最高移動速度に相当す
るように決めてやれば、それ以上の最高速度となるよう
な信号入力があった場合でも、所定の最高移動速度以内
の動作に抑圧されることになる。

【００３４】この関係は、図３（ａ）の入力信号波形と
同図（ｂ）の出力信号波形とを比較すれば明らかであ
り、入力信号波形にステップ状の変化があっても、出力
信号ではスリュレート値によって決まる所定の傾斜率以
下の変化に制限されていることで分かる。

【００３５】従来の方法では、図８（ａ）に示すよう
に、最高移動速度を越えないように位置制御信号の変化
を制御する必要があったが、本実施例のビームスキャナ
では、図３（ａ）に示すように移動先データを与えるだ
けで、波形制御回路４１の作用により、原位置から移動
先まで所定の最高移動速度で滑らかに光ビームを移動で
きるようになっている。

【００３６】なお、入力信号１０４の変化が最高移動速
度以下の緩やかな場合には、積分回路４４も十分に応答
し、差動増幅器４２の出力電圧が略零電位になることか
ら、入力波形と同じ波形の信号が出力されることにな
り、この波形制御回路４４がないのと等価である。

【００３７】このように、波形制御回路４１を用いた本
実施例のビームスキャナでは、入力された位置制御信号
について、設定した最高移動速度以上の高速移動を抑圧
し、ガルバノメータを滑らかに駆動できる信号に変換す
ることにより、移動先データを与えるだけで、原位置か
ら移動先までの所定の移動速度で滑らかにビームを移動
することが可能となる。

【００３８】図４は、本発明の第２実施例における波形
制御回路を示す回路図である。本実施例における波形制
御回路４１は、図２に示す波形制御回路４１における差
動増幅器４２の代わりに、利得を可変できるようにした
差動増幅器１４２を設けたものであり、その他の構成
は、第１実施例と同様である。

【００３９】差動増幅器１４２はオペアンプ４６を有
し、このオペアンプ４６の反転入力端に、抵抗Ｒ₄₃を介
してＤ／Ａコンバータ２１の出力端が接続されていると
共に、抵抗Ｒ₄₄を介して積分回路４４の出力端が接続さ
れ、さらに可変抵抗Ｒ₄₅を介してオペアンプ４６の出力
端が接続されている。なお、本実施例では、オペアンプ
４６には、図３（ａ）の入力信号１０４と逆極性の入力
信号３０４が入力されるようになっている。

【００４０】本実施例によれば、第１実施例における波
形制御回路と全く同様に目的の機能を得ることができる
と共に、可変抵抗Ｒ₄₅で差動増幅器４２の利得を変える
ことにより、フィードバックループの利得を変えること
ができることから、ガルバノメータの静定時、すなわち
ビーム位置が移動先位置に収斂するときの位置制御信号
の波形（図３（ｂ）の出力信号１０７の傾斜部から一定
部への移行時の波形）を調整することができるので、ガ
ルバノメータの応答特性に適した形に設定することが可
能である。本実施例のその他の作用および効果は第１実
施例と同様である。

【００４１】図５は、本発明の第３実施例における波形
制御回路を示す回路図である。本実施例における波形制
御回路４１は、図４に示す波形制御回路４１における積
分回路４４の代わりに、積分時定数を可変できるように
した積分回路１４４を設けたものであり、その他の構成
は、第２実施例と同様である。

【００４２】積分回路１４４は、図４の積分回路４４に
おける入力抵抗Ｒ₄₂の代わりに、互いに抵抗値の異なる
並列の４個の抵抗Ｒ₄₆，Ｒ₄₇，Ｒ₄₈，Ｒ₄₉と、これらの
抵抗のうちの一つをオペアンプ４５の入力端に接続する
切替器４７とを設けたものである。

【００４３】本実施例によれば、第２実施例と同じ機能
が得られると共に、外部からの切替信号１４５に応じて
切替器４７で積分回路１４４の入力抵抗の値を４個の抵
抗Ｒ ₄₆〜Ｒ₄₉の中から選ぶことで、波形制御回路４１の
積分時定数を変えて、スリューレート値、ひいては最高
移動速度を切替制御できるという利点がある。

【００４４】なお、この切替器４７はリレーの組み合わ
せやＩＣスイッチを使用して構成でき、任意の必要な選
択数の回路を構成することができる。

【００４５】また積分回路の積分時定数を変えて、最高
移動速度を切替制御する機能は、積分回路の入力抵抗側
を固定とし、蓄電器側で容量を切り替える方法によって
も実現可能である。

【００４６】なお、本発明は上記各実施例に限定され
ず、例えば、上記各実施例においてはＤ／Ａコンバータ
２１を含み、位置制御信号の入力もデジタルデータであ
ったが、Ｄ／Ａコンバータ２１なしで直接アナログ信号
１０４，３０４を入力する形式でも、同様なビームスキ
ャナを構成することができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明および請求項２記載の発明によれば、簡易な回路構成
で、ガルバノメータを使用したビームスキャナにおいて
最高移動速度以上の高速移動を抑圧することができ、移
動先データまたは移動先に相当する電圧を与えるだけ
で、原位置から移動先まで所定の最高移動速度以内で滑
らかにビームを移動することができるという効果があ
る。

【００４８】また、請求項３記載の発明によれば、波形
制御手段の負帰還ループの利得を可変することができる
ので、上記効果に加え、ガルバノメータの静定時、すな
わちビーム位置が移動先位置に収斂するときの位置制御
信号の波形を、ガルバノメータの応答特性に適した形に
設定することが可能となるという効果がある。

【００４９】また、請求項４記載の発明によれば、請求
項１記載の発明および請求項２記載の発明の効果に加
え、積分回路の積分時定数を変えて、ガルバノメータの
最高移動速度を多段に切替制御することができるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のビームスキャナの１軸分
の回路構成を示す回路図である。

【図２】図１における波形制御回路の具体例を示す回路
図である。

【図３】図２における各部の信号波形を示す波形図であ
る。

【図４】本発明の第２実施例における波形制御回路を示
す回路図である。

【図５】本発明の第３実施例における波形制御回路を示
す回路図である。

【図６】従来のガルバノメータ型のビームスキャナを利
用した２次元のスキャン光学系の概略構成を示す説明図
である。

【図７】従来のビームスキャナの１軸分の回路構成を示
す回路図である。

【図８】図７の各部の信号波形の具体例を示す波形図で
ある。

【符号の説明】

１１ガルバノメータ１２ミラー２１Ｄ／Ａコンバータ３１駆動回路４１波形制御回路４２差動増幅器４３電圧制限回路４４積分回路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガルバノメータと、このガルバノメータ
の回転軸上に取り付けられ、入射光ビームを反射する反
射部材と、外部から供給される位置制御信号に応じて前
記ガルバノメータを駆動制御する駆動回路と、前記位置
制御信号を、前記ガルバノメータを滑らかに駆動可能
な、変化率が所定値以下の波形の信号に変換して前記駆
動回路に供給する波形制御手段とを具備することを特徴
とするビームスキャナ。
【請求項２】前記波形制御手段は、位置制御信号を入
力する差動増幅器と、この差動増幅器の出力電圧の振幅
を制限する電圧制限回路と、この電圧制限回路の出力を
積分し、波形制御手段の出力信号として出力すると共に
前記差動増幅器に負帰還入力させる積分回路とを有する
ことを特徴とする請求項１記載のビームスキャナ。
【請求項３】前記差動増幅器は、波形制御手段の負帰
還ループの利得を可変してガルバノメータの静定動作時
における波形制御手段の出力波形を調整できるように、
増幅利得を可変する手段を有することを特徴とする請求
項２記載のビームスキャナ。
【請求項４】前記積分回路は、積分時定数を変化させ
てガルバノメータの最高移動速度を可変できるように、
回路定数を切り換える手段を有することを特徴とする請
求項２記載のビームスキャナ。