JP4674183B2

JP4674183B2 - スキャナ装置

Info

Publication number: JP4674183B2
Application number: JP2006150429A
Authority: JP
Inventors: 幸之助北村; 博志青山; 元江村
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: JP2007322542A

Description

この発明は、アクチュエータの出力軸に固定したミラーを揺動動作させ、ミラーに入射する光を所望の方向に反射させるスキャナ装置に関するものである。

電子機器の小型化、高密度実装化に伴い、プリント基板は複数の基板を積層した多層配線基板が主流となっている。多層配線基板では、上下に積層された基板間の導電層を電気的に接続する必要がある。そこで、多層配線基板の絶縁層に下層の導電層に達するビアホール（穴）を形成し、ビアホールの内部に導電性メッキを施すことにより、上下に積層された基板間の導電層を電気的に接続している。

ビアホールの形成には、ビアホールの微細化に伴い、高出力のＣＯ_２レーザやＹＡＧの高調波を利用したＵＶレーザが使用される。また、ミラー（ガルバノミラー）とｆθレンズを組み合せたビームスキャン光学系を用いてレーザ光を走査させることにより高速加工を実現している。

図３は従来のスキャナ装置の構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は要部側面図である。

スキャナ装置１００は、ガルバノスキャナ６とミラー４とから構成されている。ガルバノスキャナ６のケース６ａの内部には図示を省略するアクチュエータとアクチュエータの出力軸５（回転軸）の回転角度を検出するセンサ（２個の検出部を備えるデジタル式光学ロータリエンコーダ）等が配置されている。出力軸５は、ガルバノスキャナ６内に配置された一対の軸受により回転自在である。アクチュエータはコイルと永久磁石とから構成されており、磁界中の磁力線の方向は出力軸５の回転軸線に直交する方向である。そして、コイルに駆動電流を通電すると、ローレンツ力により磁力線と直交する部分のコイル導線に回転方向の駆動トルクが作用し、出力軸５が回転する。

ミラー４は、マウント部材８を介してガルバノスキャナ６に連結されている。

ミラー４はマウント部材８の一方の端部に形成されたコの字形の溝８ｇに嵌め込まれ、接着剤（例えば、エポキシ系接着剤）によりマウント部材８に固定されている。マウント部材８の他方の端部に設けられた穴８ｃの内径は出力軸５の外径よりも数μｍ大きい。マウント部材８の中央部には円周方向のスリット８ｓ（図では上半分）とスリット８ｓと他方の端部とを接続する軸線方向のスリット８ｊとが設けられている。なお、スリット８ｊは、マウント部材８の軸線の一方の側（図示の場合は手前側）にだけ設けられている。以下、スリット８ｓとスリット８ｊおよび穴８ｃに面する部分を「レバー部８ｋ」といい、レバー部８ｋ以外の部分を「本体部８ｍ」という。レバー部８ｋには固定ねじ３が貫通する穴が、本体部８ｍには固定ねじ３が螺合するねじ部が形成されている。

以上の構成であるから、穴８ｃに出力軸５を挿入した状態で固定ねじ３を締上げると、レバー部８ｋと本体部８ｍとが互いに接近する方向に弾性変形して（主としてレバー部８ｋが変形する）、摩擦力によりマウント部材８は出力軸５に固定される。

図４は固定ねじ３を締上げた場合のミラー４の反射面４ａに発生する歪みを光学干渉計を用いて測定した結果を示す図であり、同図（ａ）は、反射面４ａの干渉縞を平面的に表した図、同図（ｂ）はミラー４の歪みを三次元的に示した図である。固定ねじ３を締上げた場合、同図（ａ）に示されているように、反射面４ａにはマウント部材８近傍から全面に広がる多数の干渉縞が発生している。また、同図（ｂ）に示されているように、マウント部材８近傍が凸形状に盛り上がっている。この盛り上がり（最大値と最小値との差）は、０．８μｍ程度である。

すなわち、固定ねじ３を締め上げると、レーザ反射面４ａに歪みが発生する。レーザ光の断面形状を保つためためには、ミラー等の反射用の光学素子の平坦度をレーザ波長の１／２０以下にする必要があるといわれており、レーザ光が波長９．４μｍの炭酸ガスレーザの場合、反射面４ａの平坦度を０．４μｍ以下にする必要がある。そこで、ミラーの裏面に背骨と肋骨の梁を設けることにより、反射面４ａの平坦度を保つようにした技術がある（例えば、特許文献１参照）。

ところで、極小径の穴を加工するためには光学的条件から大型のミラーが必要となる。大型のミラーはイナーシャが大きいため、アクチュエータのコイルに供給する駆動電流を大きなものにする必要があり、コイルの発熱量が大きくなる。

コイルの熱が周囲に伝わることによる位置決め特性の低下を予防するため、ケース６ａの外周に冷却用の空気を流す場合がある。しかし、コイルは内部構造部材であるため、空気によりケース６ａを冷却する場合でも、コイルで発生した熱は出力軸５を介してマウント部材８に伝わり、マウント部材８は出力軸５と同程度の温度になる。

図５はコイルの熱影響を示す図であり、同図（ａ）はマウント部材８に及ぼす影響を、同図（ｂ）は加工位置を観察した結果をそれぞれ示す図である。同図（ａ）に示すように、スリット８ｓにより、レバー部８ｋの軸方向の伸びはミラー４側にはほとんど伝達されない。一方、本体部８ｍは軸線方向に連続であるため、温度上昇した分だけ伸びる。このため、図中矢印で示すように、ミラー４の姿勢が水平状態に対して傾く。

コイルの発熱量は動作条件および負荷条件によって異なるが、通常、室温に対して２０〜３０°Ｃ上昇する。このため、加工開始前にミラー４の水平が保たれていても、加工に伴ってミラー４の姿勢が変化する（傾いた）ことになる。

そして、ミラー４に傾きが発生すると、反射方向がずれる。このため、同図（ｂ）に示すように、白丸で示す目標位置に対して実加工位置が特定の方向にシフトし（エリアドリフトと呼ばれる。）、図中に黒丸で示す位置になる。具体的なシフト量は、動作条件および負荷条件によって異なるが３０〜４０μｍ程度のずれが発生する。

そこで、レーザ加工装置の特定位置における温度上昇に応じて加工位置ズレの大きさを推定し、加工位置指令を補正する技術があ（例えば、特許文献２参照）。また、ミラーの支持を、軸線方向の反歩の両側を支持するように構成したものもある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００１−１１６９１１号公報特開２００５−４０８４３号公報特開２００２−２９６５３３号公報

近年、レーザ穴明け加工装置のようなスキャナ装置を備える製品の加工効率向上への要求は益々高くなっており、スキャナ装置にも高速応答が求められている。また、加工した穴の品質に対する要求も高くなっており高速かつ高精度のレーザビーム位置決め手段が必要となっている。

例えば炭酸ガスレーザ用のミラーの場合、反射率・軽量・高剛性の特性が必須であるため、一般的にベリリウム材が用いられている。しかし、ベリリウム材は加工が困難であるため、特許文献１の技術を実現することは困難であった。

また、特許文献２の技術を実現するためには、補正テーブルを作成するため、レーザ加工装置毎に膨大なテストが必要となり、現実的ではなかった。

さらに、特許文献３に開示された技術は、装置が大きくなるため配置が困難であることおよび高い機械精度・組立精度が必要とされるため、生産コストが高価になり、実用性に乏しかった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、ミラーをアクチュエータの出力軸に必要十分な力で連結させてもミラー反射面に歪みが発生せず、かつ、コイルが温度上昇してもミラー反射面に歪みが発生しないスキャナ装置を提供するにある。

上記課題を解決するため、本発明は、アクチュエータの出力軸に固定したミラーを揺動動作させ、前記ミラーに入射する光を所望の方向に反射させるスキャナ装置において、前記ミラーを支持する支持部材の一方の端部の中心に前記出力軸に係合する穴を、他方の端部に深さ方向が前記穴の中心軸方向で幅方向が前記中心軸に関して対称である溝をそれぞれ備え、前記溝に前記ミラーを嵌合させるとともに、前記支持部材を、前記中心軸に垂直な面を境にして前記ミラーを支持するホルダ部と前記出力軸に係合するマウント部とに分割し、両者を軸線方向が前記中心軸と平行で、前記中心軸に関して点対称の位置に配置したボルトで締結したことを特徴とする。

固定により生じるミラー反射面の歪みがほとんどなく、また、コイルの温度上昇の影響をほとんど受けないので、加工品質が向上する。

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は本発明の実施例１に係るスキャナ装置の構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図である。なお、従来と同等な各部には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

マウント部材８の一方の端部には、ミラー４を嵌合させるための溝８ｇが形成されている。溝８ｇの深さ方向は中心軸Ｏ方向であり、幅方向は中心軸Ｏに関して対称である。

マウント部材８の他方の端部には、出力軸５に嵌合する穴８ｃが形成されている。穴８ｃの軸線は中心軸Ｏと同軸であり、直径は出力軸５の直径よりも数μｍ程度大きい。円周方向のスリット８ｓ１と８ｓ２の底部は互いに平行かつ中心軸Ｏに関して対称となるように形成されている。スリット８ｊ１と８ｊ２は、マウント部材８の端部８ｅから中心軸Ｏ方向にスリット８ｓ１と８ｓ２を含む面の手前（ガルバノスキャナ６側）まで形成されている。この結果、２個のレバー部８ｋ１，８ｋ２が中心軸Ｏに関して対称に配置される。

また、同図（ｃ）に示すように、レバー部８ｋ１の一方の側には固定ねじ３を挿入するための穴１０ａおよび座１１ａが、他方の側にはねじ部１２ａが形成されている。レバー部８ｋ２の一方の側には固定ねじ３を挿入するための穴１０ｂおよび座１１ｂが、他方の側にはねじ部１２ｂが形成されている。穴１０ａ、座１１ａ、ねじ部１２ｂおよび穴１０ｂ、座１１ｂ、ねじ部１０ａはそれぞれ同軸であり、中心軸Ｏに関して対称の位置に配置されている。なお、上記に説明した以外のマウント部材８の各部も、中心軸Ｏに垂直な断面は中心軸Ｏ関して対称である。

以上の構成であるから、出力軸５を穴８ｃに挿入した後、２本の固定ねじ３を締上げると、レバー部８ｋ１とレバー部８ｋ２とが互いに弾性変形（近接）し、出力軸５を強固に保持する。この結果、ミラー４を大きな加速度で動作させてもマウント部材８が出力軸５に対して回転することはない。そして、レバー部８ｋ１とレバー部８ｋ２が変形することにより発生する応力は、スリット８ｓ１、８ｓ２によりミラー４の接着固定部には伝達されない。したがって、反射面４ａの平坦度はミラー４単体の場合と略同じに保たれる。また、コイルの熱がマウント部材８に伝導されることにより、マウント部材８も中心軸Ｏ方向に伸び、ミラー４の中心軸Ｏ方向の位置はずれる。しかし、マウント部材８が中心軸Ｏ方向に伸び縮みしてもミラー４の姿勢は保たれるので、レーザ光の反射方向が変化することはない。したがって、エリアドリフトは発生しない。

この結果、加工穴品質と加工位置精度に優れた加工をすることができる。すなわち、例えば、円形の穴を加工するために断面が円形であるレーザビームを用いて丸穴を加工する場合、加工された穴の真円度が向上する。

図２は本発明の実施例２に係るスキャナ装置の構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。なお、従来と同じものまたは同一機能のものは、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

ミラーホルダ２０の一方の端部に設けられた凸部２０ａにはミラー４を嵌合させるための溝８ｇが形成されている。凸部２０ａと溝８ｇの深さ方向は中心軸Ｏ方向であり、幅方向は中心軸Ｏに関して対称である。ミラーホルダ２０の他方の端部２０ｅは、中心軸Ｏに関して垂直な平坦面に形成されている。中心軸Ｏに関して点対称の位置には中心軸Ｏと平行な穴２１が形成されている。ミラーホルダ２０の各部の中心軸Ｏに垂直な断面は中心軸Ｏ関して点対称である。

マウントアダプタ３０の一方の端部には中心軸Ｏと同軸の穴３１が形成されている。穴３１の直径は出力軸５の直径よりも僅かに小さい。マウントアダプタ部材３０の他方の端部３０ｅは、中心軸Ｏに関して垂直な平坦面に形成され、軸線が中心軸Ｏと平行でピッチが穴２１と同じねじ穴３２が形成されている。マウントアダプタ３０の各部の中心軸Ｏに垂直な断面は中心軸Ｏ関して点対称である。

以上の構成において、マウントアダプタ３０を出力軸５の端部に圧入して、両者を摩擦締結する。そして、平坦面２０ｅと平坦面３０ｅを対向させた状態で２本の固定ねじ３により両者を締結する。平坦面２０ｅと平坦面３０ｅを平坦度に優れる仕上げ面とすることにより、固定ねじ３を強固に締結した状態でもミラー４に与える応力は、限りなく零に抑制されるので、反射面４ａの平坦度はミラー４単体の状態とほとんど同じである。また、コイルの熱によりマウントアダプタ３０およびミラーホルダ２０の温度も上昇するが、中心軸Ｏに関して対称であるため、熱膨張量はほぼ等しく、ミラー４の姿勢はほとんど変化しない。

したがって、加工穴品質と加工位置精度に優れた加工が実現できる。

なお、図１で説明したマウント部材８の場合も、穴８ｃの内径を出力軸５の外径よりも小径として、マウント部材８を出力軸５に圧入することができる。このようにすると、スリット８ｓ１、８ｓ２、８ｊ１、８ｊ２を設ける必要がない。

本発明の実施例１に係るスキャナ装置の構成図である。本発明の実施例２に係るスキャナ装置の構成図である。従来のスキャナ装置の構成図である。従来技術の説明図である。従来技術の説明図である。

符号の説明

１マウント部材（ミラー側）
２マウント部材（ガルバノスキャナ側）
３固定ボルト
４ミラー

Claims

アクチュエータの出力軸に固定したミラーを揺動動作させ、前記ミラーに入射する光を所望の方向に反射させるスキャナ装置において、
前記ミラーを支持する支持部材の一方の端部の中心に前記出力軸に係合する穴を、他方の端部に深さ方向が前記穴の中心軸方向で幅方向が前記中心軸に関して対称である溝をそれぞれ備え、
前記溝に前記ミラーを嵌合させるとともに、前記支持部材を、前記中心軸に垂直な面を境にして前記ミラーを支持するホルダ部と前記出力軸に係合するマウント部とに分割し、両者を軸線方向が前記中心軸と平行で、前記中心軸に関して点対称の位置に配置したボルトで締結したこと
を特徴とするスキャナ装置。
前記支持部材は、前記出力軸に対して摩擦締結されていることを特徴とする請求項１に記載のスキャナ装置。