JP4680133B2 - ビームスキャナ - Google Patents

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Description

本発明は、入射したビームを反射して走査することのできるミラーを備えるビームスキャナに関する。
レーザビームを照射して加工を行なう場合、ガルバノミラー(回転ミラー)でビームを反射して走査するガルバノスキャナ(ビームスキャナ)を用いて照射位置を移動させる方法を採ると、高速な加工が可能になる。
図4は、ガルバノスキャナを含むレーザ加工装置の概略図である。レーザ加工装置は、レーザ発振器12、第1ガルバノスキャナ20、第2ガルバノスキャナ24、fθレンズ6、及びステージ8を含んで構成される。第1及び第2ガルバノスキャナ20、24は、それぞれ回転ミラー20a、24aを備える。図示するようにXYZ直交座標系を画定するとき、第1ガルバノスキャナ20の回転ミラー20aは、たとえばZ軸に平行な軸の周囲を回転し、第2ガルバノスキャナ24の回転ミラー24aは、たとえばY軸に平行な軸の周囲を回転する。
レーザ発振器12が、たとえばXY平面に平行な方向に、パルスレーザビーム14を出射する。出射したパルスレーザビーム14は、第1ガルバノスキャナ20の回転ミラー20aでXY平面に平行な所定の方向に反射される。パルスレーザビーム14は、更に、第2ガルバノスキャナ24の回転ミラー24aで所定の方向に反射され、fθレンズ6を経て、ステージ8上に載置された加工対象物10に照射される。パルスレーザビーム14は、fθレンズ6により、加工対象物10の表面に対して垂直な方向に偏向して、加工対象物10に入射する。
第1及び第2ガルバノスキャナ20、24の回転ミラー20a、24aを回転し、レーザビーム14の進行方向を変えることによって、レーザビーム14が加工対象物10上を走査する。
図5は、ムービングコイル式ガルバノスキャナの概略を示す断面図である。ガルバノスキャナは、入射光を反射する回転ミラー33、回転ミラー33を先端に保持し、周囲に回転させる回転軸30、回転軸30を回転自在に支持する第1及び第2軸受31、32、回転軸30に固着されたコイル34、コイル34に駆動力を与えて、回転ミラー33を回転させる永久磁石35及びヨーク36、並びに、回転ミラー33の回転角度を検出するための角度センサ37を含んで構成される。
永久磁石35とヨーク36とで作られた磁界の中に配置されたコイル34に電流を流すと、回転トルクが発生する。発生したトルクは、第1及び第2軸受31、32により支持された回転軸30に伝達され、回転ミラー33を回転させる。回転ミラー33の回転角度は、回転軸30の回転ミラー33とは反対側の端部に取り付けられた角度センサ42によって計測される。
ガルバノスキャナの高速、高精度な駆動への要求が高まっている。しかしながら図5に示したガルバノスキャナにおいては、回転ミラー33、コイル34、角度センサ37が回転軸30に、直列的に配置されているため、回転軸30の捩れ変形による共振が発生しやすい。特に、回転軸30の両端に取り付けられている回転ミラー33と角度センサ37とは、回転軸30の捩れ変形による共振現象の主原因となり、回転ミラー33の高速駆動を妨げる。
また、回転軸30に捩れ変形が生じると、回転ミラー33の実際の回転角度と、角度センサ37による測定値との間にずれが生じ、レーザ照射位置の位置決め精度が低下する場合もある。
このような問題点を解決するため、回転軸の端部に、回転ミラーを直列に配置しない構成が提案されている(たとえば、特許文献1、2、及び3参照)。特許文献1には、ミラーの裏面に直接コイルを取り付ける構成のガルバノミラー装置が開示されている。また、特許文献2及び3には、ミラーの両端にコイルを配置する構成(それぞれミラー式光路偏向装置、及び、スキャナ装置)が開示されている。
これらの構成は、小さなミラーの回転を行う機構をコンパクトに構築する場合に有効である。しかし、ミラーが大きい場合に、駆動に十分なトルクを発生させることは容易ではなく、また、高速、高精度の駆動には適さない。
特に、ミラーにコイルを直接取り付ける構成においては、コイルで発生した熱がミラーに伝達しやすく、その結果、ミラーで反射されたレーザビームの断面形状や位置決め精度が劣化する恐れがある。このため、高速駆動に十分な電流を流せないという問題もある。更に、コイルで発生した熱がコイルの剛性を低下させるため、可動部に共振が発生しやすく、高速性、高精度性の実現が困難となる。
ムービングコイル式ガルバノスキャナは、回転子にコイルが配設され、固定子に永久磁石が配置される構成を有する。一方、回転子に永久磁石が配置され、固定子にコイルが配設された構成を備えるムービングマグネット式のガルバノスキャナも知られている(たとえば、特許文献4参照)。
特許文献4記載のガルバノスキャナ(ガルバノミラーアクチュエータ)は、ミラーを保持するミラー枠の裏面に、永久磁石を配置した構成を有する。この構成によれば、コイルで発生した熱のミラーへの伝導を防止することができる。しかし、ミラーが大きい場合には、駆動に十分なトルクを発生させることは容易ではない。
なお、コイルの巻数を増やすことで大きいトルクを得ることは可能である。しかし、この場合、コイルギャップも厚くなり、パーミアンス係数が小さくなって、永久磁石に減磁が生じる。また、コイルでの発熱量が増加する。このため、コイルの巻数を増やすことは、高速、高精度駆動の要求に応えるものとはいえない。
特開平7−104207号公報 特開平6−331909号公報 特開2003−43405号公報 特開2000−81588号公報
本発明の目的は、高速で動作が可能なビームスキャナを提供することである。
また、高精度で動作が可能なビーム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、固定ベース、及び前記固定ベースに固着された軸受けホルダと、前記軸受けホルダに、回転可能に支持された回転軸と、前記回転軸の側面の、周方向に関して一部の領域に対向するように配置され、前記固定ベースに固定されたヨークであって、該回転軸の側面に対向する面から前記回転軸に向かって突出し、該回転軸の側面との間に間隙を画定し、該回転軸の回転方向に並ぶように配置された複数の磁極を含むヨークと、前記回転軸の、長さ方向に沿って形成された面上に固定された反射鏡と、前記回転軸が回転方向に関して中立位置に静止しているとき、前記回転軸の前記ヨーク側を向く側面に固定され、回転方向に並ぶように配置され、該回転軸の径方向に磁化された一対の永久磁石であって、前記反射鏡が固定された側とは、径方向に反対側の前記回転軸の側面に固定された永久磁石と、前記磁極に巻かれたコイルとを有し、前記磁極は、前記回転軸の回転中心となる仮想直線を含む中立平面に関して対称の関係になるように配置されており、前記一対の永久磁石は、前記回転軸が中立位置に静止しているときに、前記中立平面に関して相互に対称の関係になる幾何学的形状を有し、前記回転軸の径方向の極性の向きが相互に反対向きであり、前記コイルは、前記中立平面に関して対称の位置に配置される磁極の前記回転軸側の端部が同一極性に励磁されるように、かつ、前記中立平面に関して同じ側においては、隣り合う磁極の前記回転軸側の端部が反対極性に励磁されるように、巻かれているビームスキャナが提供される。
このビームスキャナは、動作における高速性、高精度性を有するビームスキャナである。
本発明によれば、高速で動作が可能なビームスキャナを提供することができる。
また、高精度で動作が可能なビームスキャナを提供することができる。
図1(A)〜(C)は、第1の実施例によるガルバノスキャナを示す概略的な断面図である。
図1(A)を参照する。第1の実施例によるガルバノスキャナは、磁性体で形成され、長さ方向に内部を貫く揺動軸Cが画定され、揺動軸Cの周囲に回転(自転)可能なシャフト52、シャフト52の径方向上部(光入射側)に取り付けられ、入射光を反射する平面ミラー51、シャフト52の径方向下部に固定された永久磁石53、永久磁石53とともに動力源(シャフト52を自転させる駆動トルクを発生させるトルク発生源)を構成する、磁性体で形成された突極形ヨーク62及びコイル61を含む。ミラー51は、シャフト52に関して、突極形ヨーク62とは反対側に配置される。
コイル61は、突極形ヨーク62に配設されており、突極形ヨーク62は固定ベース65に固着されている。固定ベース65は、実施例によるガルバノスキャナの固定的基準位置を定める。
シャフト52は、長さ方向に沿って離れた2点で、軸受け54a、54bを介して、固定ベース65に固着された軸受けホルダ64a、64bに、揺動軸Cの周囲を揺動(自転)自在に、支持されている。
シャフト52の長さ方向の一端部には、ストッパ55が取り付けられている。ストッパ55と、軸受けホルダ64aに固定されたストッパホルダ63とで、シャフト52の自転可能範囲を制限することができる。
また、ガルバノスキャナは、角度センサ42を含む。角度センサ42は、シャフト52の、ストッパ55が取り付けられた端部とは反対側の端部に固着されたスケール42a、及び、固定ベース65に間接的に固定された(固定ベース65との位置関係が変化しない)エンコーダヘッド42bを含んで構成される。スケール42aには、原点位置が画定されている。エンコーダヘッド42bは、スケール42aの揺動に伴う原点位置の変位を読み取ることで、ミラー51の回転位置を検出することができる。
図1(B)は、図1(A)の1B−1B線に沿う断面図である。
シャフト52の長さ方向の中心付近は、たとえば円筒の一部を、中心軸(揺動軸C)に沿って、切り口が平面となるように、切り取った形状を有する。したがって、この位置におけるシャフト52の断面は、円から弧の一部を弦状に切り取った形状を有する。シャフト52の切り取られた平面部分上には、ミラー51が直接固定される。
ミラー51が配置された側とは、径方向に反対側のシャフト52の円筒側面には、相互に同形、同特性の永久磁石53a、53bが固着される。永久磁石53a、53bは、シャフト52の回転方向に並ぶように配置され、シャフト52の径方向に磁化された一対の永久磁石である。
永久磁石53a、53bは、S極とN極とが相互に逆向きに配置される。たとえば、永久磁石53aは、シャフト52側にS極、突極形ヨーク62側にN極を向けて配置され、永久磁石53bは、シャフト52側にN極、突極形ヨーク62側にS極を向けて配置される。
また、永久磁石53a、53bは、シャフト52の中心軸(揺動軸C)に平行に形成される。更に、シャフト52の中心軸(揺動軸C)を含み、かつ、平面ミラー51と垂直に交わる仮想平面P(仮想平面Pはシャフト52に固定され、シャフト52とともに揺動軸Cの周囲を揺動する仮想平面である。)に関して、対称に配置される。なお、平面ミラー51及びシャフト52も仮想平面Pに関して、自己対称である。
図示するようにXYZ座標系を画定する。鉛直方向をZ方向とし、XY平面に平行な面内に固定ベース65を配置するとき、シャフト52は、中心軸(揺動軸C)がY方向と平行となるように配置される。
突極形ヨーク62は、シャフト52の側面の、周方向に関して一部の領域に対向するように配置される。突極形ヨーク62には、たとえば揺動軸Cを中心軸にもつ半円筒形のくりぬきが形成されており、くりぬき面(シャフト52の側面に対向する面)には、シャフト52側(永久磁石53a、53b側)に向かって垂直に突き出した凸部であるスロット66a〜dが形成されている。たとえばスロット66a〜dは、それぞれ相互に同形である。スロット66a〜dは、シャフト52の側面との間に間隙を画定し、シャフト52の回転方向に並ぶように配置される。
スロット66a〜dは、たとえばY軸と平行、すなわち揺動軸Cと平行に、一定間隔に形成される。また、揺動軸Cを含み、YZ平面に平行な平面(中立平面、図1(B)においては、仮想平面Pと一致する平面)に関して対称の関係になるように配置される。スロット66aとスロット66dとは対称な位置に形成され、スロット66bとスロット66cとは対称な位置に形成される。
スロット66a〜dには、それぞれコイル61a〜dが巻かれている。
前述したように、実施例によるガルバノスキャナは、ミラー51が直接シャフト52に固着される。ミラー51をシャフト52に取り付ける際に、たとえばミラー51を保持するミラー枠を用いることがないため、剛性を高くすることができる。これにより、ミラー51の曲げ変形による共振と、シャフト52の捩れ変形による共振を抑止し、ミラー51を高速、高精度で位置決めすることが可能となる。
また、コイル61a〜dは、ヨーク62(スロット66a〜d)に配設され、シャフト52側には配置されない。したがって、コイル61a〜dで発生した熱が、ミラー51に伝導することで生じる、レーザビーム(ミラー51で反射されるレーザビーム)の形状や位置決め精度の劣化を防止することができる。
図1(C)を参照して、動力源の構造と動作を説明する。なお、本図に示すのは、コイルに通電せず、永久磁石53a、53bの磁力を考慮しないときの平衡位置(中立位置)に、シャフト52が回転方向に関して静止している状態である。
突極形ヨーク62のスロット66a〜dはシャフト52の中心軸(揺動軸C)に向かって垂直に立ち上がっている。このため、各スロット66a〜dの中心線は、揺動軸Cに向かって伸びている。
永久磁石53a、53bは、シャフト52の、突極形ヨーク62側を向く側面に固定され、中立平面に関して相互に対称の関係になる幾何学的形状を有する。
永久磁石53a、53bは、シャフト52の回転方向に相互に隣り合う2つのスロットの間に配置される。第1の実施例においては、永久磁石53aは、スロット66aの中心線と、スロット66bの中心線との間に配置され、永久磁石53bは、スロット66cの中心線と、スロット66dの中心線との間に配置される。永久磁石53a、53bの断面形状は、ともに、揺動軸Cを中心とする扇形から、シャフト52を除いた形状である。
スロット66a〜dには、連続した一本の導線により、それぞれ同一の巻き数で、コイル61a〜dが形成されている。コイルは、中立平面に関して対称な位置に配置されるスロット(スロット66aと66d、スロット66bと66c)のシャフト52側端部(スロットの先端部)が同一極性に励磁されるように巻かれている。コイル61aとコイル61dの巻き方向は等しく、コイル61bとコイル61cの巻き方向は等しい。このため、一方向に電流を流したとき、スロット66aとスロット66dには、同一方向の磁極が形成される。また、一方向に電流を流したとき、スロット66bとスロット66cには、同一方向の磁極が形成される。そして、スロット66a、66dの磁極の向きと、スロット66b、66cの磁極の向きとは反対向きである。
たとえば図の「電流方向」の矢印に沿って電流を流したとき、スロット66a、66dについては、中心(揺動軸C)方向にN極が形成され、スロット66b、66cについては、中心(揺動軸C)方向にS極が形成される。
本図には、ガルバノスキャナ内に形成される磁力線を、閉曲線に矢印を付して示した。永久磁石53a、スロット66b(コイル61b)、突極形ヨーク62、スロット66d(コイル61d)、永久磁石53b、シャフト52、永久磁石53aの向きに磁気回路が形成される。
図に示すような磁極が形成された状態において、永久磁石53aとスロット66aとの間には反発力、永久磁石53aとスロット66bとの間には吸引力が働く。また、永久磁石53bとスロット66cとの間には反発力、永久磁石53bとスロット66dとの間には吸引力が作用する。
これらの吸引力及び反発力によって、可動部(シャフト52、ミラー51、永久磁石53a、53b、及びスケール42a)を揺動軸Cの周囲に揺動させる回転トルク(本図に示す場合においては、反時計回りの向き)が発生する。
第1の実施例によるガルバノスキャナおいては、永久磁石53a、53bを、S極とN極を相互に逆向きにして配置したが、同一磁極をともに突極形ヨーク62に向かう半径方向に向けてもよい。この場合、スロット66aとスロット66cに同一方向磁極が発生し、スロット66bとスロット66dに、それとは逆向きの同一方向磁極が発生するように、コイル61a〜dを配設する。
図2は、第2の実施例によるガルバノスキャナの動力源近傍を示す概略的な断面図であり、図1(C)に対応する図である。第2の実施例によるガルバノスキャナは、動力源の構成において、第1の実施例によるガルバノスキャナと異なる。なお、本図に示すのは、コイルに通電せず、永久磁石53a、53bの磁力を考慮しないときの平衡位置(中立位置)に、シャフト52が回転方向に関して静止している状態である。
第2の実施例においては、突極形ヨーク62に3つのスロット66a〜cが形成されている。スロット66aとスロット66cとは、中立平面(図2においては、仮想平面Pと一致する平面)に関して、対称な位置に形成される。また、スロット66bは、中心線が、中立平面内にあるように形成される。このように、第2の実施例によるガルバノスキャナは、スロットの1つが中立平面上に配置され、かつ、スロットが中立平面に関して対称な幾何学的形状を有している点において、第1の実施例と異なる。スロット66a〜cには、それぞれコイル61a〜cが配設されている。
永久磁石53a、53bは、S極とN極を相互に逆向きにして配置される。たとえば、永久磁石53aは、シャフト52側にS極、突極形ヨーク62側にN極を向けて配置され、永久磁石53bは、シャフト52側にN極、突極形ヨーク62側にS極を向けて配置される。また、永久磁石53aは、スロット66aの中心線と、スロット66bの中心線との間に配置され、永久磁石53bは、スロット66bの中心線と、スロット66cの中心線との間に配置される。
スロット66a〜cには、連続した一本の導線により、コイル61a〜cが形成されている。コイル61aとコイル61cの巻き方向は等しく、コイル61bの巻き方向は、それとは逆向きである。また、コイル61aとコイル61cの巻き数は等しく、コイル61bの巻き数の1/2である。
このため、一方向に電流を流したとき、スロット66aとスロット66cには、同一方向の磁極が形成され、スロット66bには、それとは逆向きの磁極が形成される。
たとえば図の「電流方向」の矢印に沿って電流を流したとき、スロット66a、66cについては、中心(揺動軸C)方向にN極が形成され、スロット66bについては、中心(揺動軸C)方向にS極が形成される。
ガルバノスキャナ内に形成される磁力線を、閉曲線に矢印を付して示した。永久磁石53a、スロット66b(コイル61b)、突極形ヨーク62、スロット66c(コイル61c)、永久磁石53b、シャフト52、永久磁石53aの向きに磁気回路が形成される。
図に示すような磁極が形成された状態において、永久磁石53aとスロット66aとの間には反発力、永久磁石53aとスロット66bとの間には吸引力が働く。また、永久磁石53bとスロット66bとの間には反発力、永久磁石53bとスロット66cとの間には吸引力が作用する。
これらの吸引力及び反発力によって、可動部を揺動軸Cの周囲に揺動させる回転トルクが、本図に示す場合においては、反時計回りの向きに発生する。
第1及び第2の実施例によるガルバノスキャナは、大ミラーの高速駆動に充分な、大きいトルクを発生させることができる。また、ミラーの曲げ変形や、シャフトの捩れ変形による共振を抑え、ミラーを高速、安定に位置決めすることができる。更に、コイルの発熱量が小さく、永久磁石の減磁が生じにくい。実施例によるガルバノスキャナは、大ミラーを用いた場合であっても、高速、高精度な動作を実現することができる。
図3は、第1及び第2の実施例によるガルバノスキャナのトルク特性を示すグラフである。
グラフの横軸には、0°位置からの回転角を単位「度(°)」で示し、縦軸には、トルク最大値を基準(100%)としたトルクを、単位「%」で示した。ここで0°位置とは、図1(C)及び図2に図示されているように、仮想平面Pが中立平面と一致する位置のことをいう。
可動部が揺動したとき、中立平面と仮想平面Pとのなす角を回転角と定義した。また、図1(C)及び図2において、仮想平面Pが0°位置から反時計回りに回転したとき、回転角を正と定義し、時計回りに回転したとき、回転角を負と定義した。
曲線aは、第1の実施例によるガルバノスキャナについての、回転角と発生トルクとの関係を示し、曲線bは、第2の実施例によるガルバノスキャナについての両者の関係を示す。なお、グラフは、コイルに流す電流を一定として作成した。
第1及び第2の実施例の双方について、回転角の絶対値が大きくなるにしたがって、発生トルクは小さくなる。
また、第1の実施例によるガルバノスキャナは、第2の実施例によるガルバノスキャナに比べて、回転角によるトルク変動が小さいことがわかる。
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
レーザ加工及びレーザ加工装置一般に利用することができる。殊に、高速、高精度のビーム走査が必要とされる、たとえばレーザ穴開け加工やレーザマーキング加工等のレーザ加工、及び、それらのレーザ加工を行う装置に好適に利用される。また、大ミラーが好適に用いられるレーザ加工、及び、レーザ加工装置に利用される。
(A)〜(C)は、第1の実施例によるガルバノスキャナを示す概略的な断面図である。 第2の実施例によるガルバノスキャナの動力源近傍を示す概略的な断面図である。 第1及び第2の実施例によるガルバノスキャナのトルク特性を示すグラフである。 ガルバノスキャナを含むレーザ加工装置の概略図である。 ムービングコイル式ガルバノスキャナの概略を示す断面図である。
符号の説明
6 fθレンズ
8 ステージ
10 加工対象物
12 レーザ発振器
14 レーザビーム
20 第1ガルバノスキャナ
20a 回転ミラー
24 第2ガルバノスキャナ
24a 回転ミラー
30 回転軸
31 第1軸受
32 第2軸受
33 回転ミラー
34 コイル
35 永久磁石
36 ヨーク
37 角度センサ
42 角度センサ
42a スケール
42b エンコーダヘッド
51 ミラー
52 シャフト
53、53a、53b 永久磁石
54a、54b 軸受け
55 ストッパ
61、61a〜d コイル
62 突極形ヨーク
63 ストッパホルダ
64a、64b 軸受けホルダ
65 固定ベース
66a〜d スロット
C 揺動軸
P 仮想平面

Claims (3)

  1. 固定ベース、及び前記固定ベースに固着された軸受けホルダと、
    前記軸受けホルダに、回転可能に支持された回転軸と、
    前記回転軸の側面の、周方向に関して一部の領域に対向するように配置され、前記固定ベースに固定されたヨークであって、該回転軸の側面に対向する面から前記回転軸に向かって突出し、該回転軸の側面との間に間隙を画定し、該回転軸の回転方向に並ぶように配置された複数の磁極を含むヨークと、
    前記回転軸の、長さ方向に沿って形成された面上に固定された反射鏡と、
    前記回転軸が回転方向に関して中立位置に静止しているとき、前記回転軸の前記ヨーク側を向く側面に固定され、回転方向に並ぶように配置され、該回転軸の径方向に磁化された一対の永久磁石であって、前記反射鏡が固定された側とは、径方向に反対側の前記回転軸の側面に固定された永久磁石と、
    前記磁極に巻かれたコイルと
    を有し、
    前記磁極は、前記回転軸の回転中心となる仮想直線を含む中立平面に関して対称の関係になるように配置されており、
    前記一対の永久磁石は、前記回転軸が中立位置に静止しているときに、前記中立平面に関して相互に対称の関係になる幾何学的形状を有し、前記回転軸の径方向の極性の向きが相互に反対向きであり、
    前記コイルは、前記中立平面に関して対称の位置に配置される磁極の前記回転軸側の端部が同一極性に励磁されるように、かつ、前記中立平面に関して同じ側においては、隣り合う磁極の前記回転軸側の端部が反対極性に励磁されるように、巻かれているビームスキャナ。
  2. 前記回転軸が中立位置に静止しているときに、前記永久磁石が、回転方向に関して、相互に隣り合う2つの前記磁極の間に配置される請求項1に記載のビームスキャナ。
  3. 前記磁極のうち1つの磁極が、前記中立平面上に配置されており、該中立平面に関して対称な幾何学的形状を有する請求項1または2に記載のビームスキャナ。
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