JP6171122B2 - 有限回転モータシステムにおけるミラーのバランスをとるためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

（優先権の主張）
本出願は、２０１１年１０月５日に出願された米国Ｕｔｉｌｉｔｙ特許出願第１３／２５３，１９４号、及び、２０１１年７月２９日に出願された米国仮特許出願第６１／５１３，２４８号の優先権を主張し、これらの内容の全体を参照により本明細書に引用する。

本発明は、概して、走査ミラーシステムにおける振動低減システムに関し、特には、レーザビームを有限角度範囲にわたり走査させるために用いられる有限回転モータを含む走査ミラーシステムにおける振動及びアンバランス（不均衡）の低減に関する。

走査ミラーシステムは、連続的に回転するモータシステム、及び、有限回転モータシステムを含む。連続回転モータシステムは、例えば、連続的に回転する回転多角形ミラーを含むことができ、有限回転モータシステムはロータを有限回転角度範囲にわたり往復回転させる。

幾つかの先行技術の走査ミラーシステムにおけるバランシング（均衡化）システムは、それらの一部に、走査システム自体の部品により生じる不可避のアンバランスを補正するステップを含む。例えば、特許文献１は、ミラーのバランスを取るためのタングステン製カウンタウェイトの使用を開示しており、カウンタウェイトは、スピナを２つの軸を中心に回転させることにより生じる歳差トルクにより生じるアンバランスに対処するものとして開示されている。このカウンタウェイトは調節可能ではない。特許文献２は、多角形ミラーの回転面を、この回転面が駆動シャフトに対して垂直であり得るように調節するためのセットねじの使用を開示しており、また、セットねじにより生じるアンバランスを補正するために設けられたバランスねじの使用を開示している。これらのいずれの参照文献も、製造における不完全性に対処するようにシャフトに取り付けられたミラーのバランスを微細に調整する方法を開示していない。

典型的な有限回転スキャナシステムにおいて、ミラーが有限回転モータ（例えばガルバノメータ）の出力シャフトに取り付けられ、有限回転モータは制御ループにより制御され、制御ループは、モータのロータを、そしてそれによりミラーを、位置及び速度コマンド波形に、任意の高忠実度で従わせようとする。しかし、システムがコマンドに従い得る忠実度に限界がある。

例えば、システム内のミラーの加速がモータ巻線の電流上昇率により制限される。位置精度がフィードバック方法の信号対ノイズ比により制限される。システムの帯域幅（すなわち、位置Ａから位置Ｂまで所望の高速度で移動し、次いで、可能な限り短時間で位置Ｂに正確に安定するシステムの性能）が、主に、移動部品における振動により制限される。システムの帯域幅は、名目上、移動構造物における第１のねじれ共振であろう。従って、ミラーは、モータシャフト上で２つの角度位置の間で前後に、非常に急速に回転し、しかも非常に高い剛性を維持しなければならない。これは、ミラーが剛性材料からつくられることを必要とするだけでなく、ミラーの重量が、ミラーを停止位置から移動させるために必要な慣性が高すぎないように十分に少ないままでなければならない。

従って、一般的には、許容可能なシステム慣性の制約内で、移動部品を、可能な限り剛性で且つ良好にバランスが取れるようにする。モータの、特定の加速に達するために必要なトルクが慣性に直接比例しており、また、電流（その上昇率は上述のように制限される）にも比例しているため、システムパラメータが特定の慣性に対して最適化されるときに、幾つかの部品、典型的にはミラーが（対慣性剛性が非常に高い材料からつくられた場合であっても）、システムの帯域幅目標達成に要求されるようには剛性でなく且つ／又はバランスが取れていない場合が多い。

従って、有限回転モータのためのこのようなミラーは、運動時にぶれ（ｗｏｂｂｌｅ）を可能な限り生じないように、バランスが（前後及び左右の両方において）保たれなければならない。幾つかの用途において、ミラーの背面に追加材料が、ミラーの剛性及び／又は均衡性を増大するために加えられる。しかし、追加慣性の代償として、より大型の、より高価なモータが、追加慣性を駆動することができる制御ループと共に必要になる。例えば、幾つかの用途において、このようなバランシングは、当業界で、少量のエポキシをミラーの裏側に付着させてこのようなバランシングに作用することにより行われている。しかし、このような手順は、全ての用途（例えば、大型の製造用途）において完全に満足のいくものではない。

ミラーの（左右の）バランスを取るためのその他の技術は、特許文献３に開示されているように、ミラーの対向ボア内に受け入れられた対向するセットねじの形態のトリムウェイトの使用を含み、これにより、ミラーの、セットねじのコアを含む面におけるいずれのアンバランスも、セットねじの一方又は両方を調整することにより補正され得る。セットねじは、ミラーの外後側及び側方のボアに受け入れられるものとして開示されているが、ミラー自体が非常に厳密にバランスが取れている場合、完全なバランスを達成するために用いることは困難であろう。さらに、特許文献３に開示されているようなセットねじの使用は、前後のバランシングを達成せず、また、セットねじは、重量を加え（慣性を増大させ）、また、ミラーの運動中に移動する場合がある。

米国特許第７，３１６，３５６号明細書 米国特許第４，７５６，５８６号明細書 米国特許第６，９７２，８８５号明細書

従って、改良された帯域幅を、より大きくより高価なモータ及び付随する制御システムを必要とせずに提供する有限回転モータシステムが必要であり、そして、特には、改良されたミラーバランシングを、ミラーの慣性に不利な影響を与えずに提供する必要がある。

一実施形態によれば、本発明は、有限回転モータシステムにおけるミラーのバランスを取るための方法を提供する。この方法は、前記有限回転モータシステムのロータシャフト上にミラーを設けるステップであって、最初に、前記ミラーが前記ミラーの前側反射面を含む前記ミラーの前側へ傾くように僅かに重くされていることによりアンバランスであるように設けるステップと、前記ミラーの後側にある少なくとも１つのねじ付きカウンタウェイトねじを、少なくとも、前記ミラーが前記前側と後側との間でバランスが取れた状態になる位置まで調整するステップとを含む。

別の実施形態によれば、この方法は、前記有限回転モータシステムのロータシャフト上にミラーを設けるステップと、高密度要素をそれらの間に捕捉している相互に対向しているねじ付きカウンタウェイトねじを調整し、それにより、前記高密度要素を、前記ミラー内の中心位置から前記ミラーの片側に向かって、前記ミラーの前後方向をほぼ横断する方向に遠ざけるように付勢するステップとを含む。

さらなる実施形態によれば、本発明は、有限回転モータシステムにて用いるためのミラーを提供し、前記ミラーは、前記ミラーの後側にある少なくとも１つのねじ付きカウンタウェイトねじを含み、前記ミラーが前記ミラーの前側反射面を含む前記ミラーの前側へ傾くように僅かに重くされていることにより前記ミラーがアンバランスとなる前方位置から、前記ミラーが前記前側と後側との間でバランスが取れた状態の位置まで、前記ねじ付きカウンタウェイトねじは、調整可能である。

さらなる実施形態によれば、前記ミラーは、反射する前側、後側、及び回転軸を含み、前記後側は、少なくとも２つのねじ付きカウンタウェイトねじを含み、前記カウンタウェイトねじの各々が、前記回転軸に向かって方向付けられている。

さらなる実施形態によれば、本発明のミラーは、高密度要素をそれらの間に捕捉している相互に対向しているねじ付きカウンタウェイトねじを含み、前記相互に対向しているねじ付きカウンタウェイトねじは、前記高密度要素を前記ミラー内の中心位置から前記ミラーの片側に向かって、前記ミラーの前後方向をほぼ横断する方向に遠ざけるように付勢するように調整可能である。

本発明の一実施形態によるミラーの概略上面図である。 図１のミラーの概略正面図である。 図１のミラーの概略背面図である。 図３のミラーの線４−４に沿った断面の側面概略図である。 図１のミラーの概略側面図である。 図５のミラーの線６−６に沿った断面の概略図である。 本発明の様々な実施形態による使用のためのバランス評価システムの概略図である。 本発明の様々な実施形態による使用のためのバランス評価システムの概略図である。 本発明の別の実施形態によるミラーの概略上面図である。 図９のミラーの概略正面図である。 図９のミラーの概略背面図である。 図１１のミラーの線１１−１１に沿った断面の側面概略図である。 図９のミラーの概略側面図である。 図１３のミラーの線１４−１４に沿った断面の概略図である。

以下の説明が、添付図面を参照してさらに理解されよう。

図面は例示のためにのみ示されている。

一実施形態によれば、本発明は、有限回転モータのためのミラーがミラーの前面の方向に傾くように僅かに付勢されるという条件を第１に含む。前後のバランスをとるために、１以上のねじ付きカウンタウェイトねじがミラーの背面に配置されている。カウンタウェイトねじがミラー内で（前面に向かって）行き着くところまで回転されると、ミラーは前方に付勢された状態を維持するが、１以上のカウンタウェイトねじがミラーから外れるように回転される（ｔｕｒｎｅｄ ｏｕｔ）と、前後のバランスポイントが得られる。

左右（ｓｉｄｅ−ｔｏ−ｓｉｄｅ）のバランスを取ることが、１対の対向する、それらの間にタングステンボールを捕捉するねじ付きカウンタウェイトねじを用いて行われる。タングステンボールは、最初に、慣性の増大を最小限にするために、ミラーの回転の中心線に沿って配置される。カウンタウェイトねじがそれぞれのバランスポイントに調節された後、エポキシを各ねじに、各ねじを適切な位置に固定するために付与する。これにより、各カウンタウェイトねじが、有限回転走査システムにて使用中のミラーの運動中、不動状態に維持される。

図１〜図６は、例えば、ミラー１０を含む本発明の実施形態を示す。ミラー１０は、高反射面をもたらす前側１２、後側１４、及び、ミラーを有限回転モータシステムのロータシャフトに（直接に、又は連結部材を介して）連結するための取付け構造物１６を有する。図３及び図４に示されているように、ミラーの後側１４は、ミラーの後側のねじ付き開口部内に受け入れられる１又は２つのねじ付きカウンタウェイトねじ１８を含む。図４に示されているように、後側は、剛性を維持しつつミラーの重量を低減するために材料を排除するように形成し得る（例えば、図示されているようにハニカムパターンを設ける）。

図４の番号２０に概略的に示されているように、ミラーは、ミラーの回転軸２２に対する前側で、回転軸２２に対する後側の質量Ｍ₋よりも僅かにより大きい質量Ｍ_＋を有するように設計されている。この結果、ミラーが最初にロータシャフト上に取り付けられるとき、ミラーは、ミラーの前側に向かって傾こうとするようにアンバランス（不均衡）に配置される。ねじ付きカウンタウェイトねじ１８は、最初に、それぞれの開口部に、ミラーの前側に最も近い位置に配置されるようにねじ込まれる。前側と後側とのバランスを取る間、ねじ付きカウンタウェイトねじ１８は、ミラーの前側から遠ざかる方向に移動するように回転される（ねじが緩められる）（ｕｎｓｃｒｅｗｅｄ）。このようなカウンタウェイトねじ１８が２つ使用される場合、一方が、粗い調整をもたらすことができ（例えば、取付け構造物１６からより遠くにある）他方が、より微細な調整をもたらし得る。さらなる実施形態において、一方のカウンタウェイトねじが他方のカウンタウェイトねじよりも微細なねじピッチを有してもよい。移動の範囲は、前側と後側との間のバランスポイントがこの調整中に達成されるように設計される。幾つかの別の実施形態において、ねじは、最も遠いねじ緩め位置から前方へ、バランスポイントが達成されるまで調整され得る。

また、ミラー１０は、相互に対向するカウンタウェイトねじ２４も含み、相互対向カウンタウェイトねじ２４はそれらの間に高密度要素２６を捕捉している。高密度要素は、例えば、タングステンから形成された球体であり得る。カウンタウェイトねじ２４は、高密度要素２６をミラー内の中心位置（例えば、ミラーの回転軸に沿った中心）からミラーの片側に向かって、ミラーの前後方向をほぼ横断する方向に遠ざけるように付勢するように調整可能である。この調整が、ミラーの片側と片側との（図２に示されているように左右の）バランシングをもたらす。

上記のカウンタウェイトねじの調整の後に、少量の接着剤２８（例えばエポキシ）をカウンタウェイトねじの各々の露出部に付与し得る。これは、有限回転モータシステムにおけるミラーの使用中にカウンタウェイトねじを適切な位置に固定するためである。好ましくは、エポキシによる重量は無視できる。そうでない場合には、各カウンタウェイトねじを、エポキシの重量に適応するようにエポキシ付与前に非常にわずかに内側に調整すればよい。

取り付けられたミラーのバランスが取れているかどうかの評価を、様々な方法で達成し得る。非常に低い摩擦ベアリングを有する幾つかのシステムにおいて、モータ３０内の駆動コイルを取り外してロータをモータのベアリング内に取り付けることが可能である。ミラー１０はミラー取付けユニット１６に連結され、ミラー取付けユニット１６はモータ３０のロータシャフト３２に連結される。参照番号３４で示されているように、ロータシャフト３２の回転軸が平坦な地面に対してほぼ平行であるようにモータが配置されると、ミラーの、より重い側（前側又は後側）が下側を向くであろう。同様に、ミラーの側方の一方が、他方の側方（Ｍ₋）よりも大きい質量（Ｍ_＋）を含む場合、より大きい質量を有する側方が下側を向くであろう。カウンタウェイトねじの両方の組が調節を必要とする場合、ミラーは、平坦な地面に対して所定の角度を有するであろう。カウンタウェイトねじは、先に述べたように、ミラーが自然に自由に（又は自由でなく）回転することが可能な場合にミラーがロータシャフト上で優先的な回転位置を示さなくなるまで、調整され得る。

図８を参照すると、取り付けられたミラーのバランスの評価が、感圧ｖ−ブロック上に取り付けられたベアリングを含むモータ４０を用いても実行され得る。モータは、例えば、番号４６で示されている駆動信号を付与することにより（或いは、ドライブコイルが除去されたロータの露出部に駆動ベルトを取り付けることにより）駆動される。モータ内のｖ−ブロックに接続されたセンサは信号５０を出力し、信号５０は、振動量を、そしてそれによりシステムにおけるアンバランスを示す。次いで、カウンタウェイトが調整されることができ、そして、出力信号５０が最小になるまで再テストされ得る。幾つかの実施形態において、プロセッサ４４は、どのカウンタウェイトねじを調整するべきかに関する情報も提供し得る。

図９〜図１４に示されているように、本発明の別の実施形態によるミラー６０は、高反射面をもたらす前側６２、後側６４、及び、ミラーを有限回転モータシステムのロータシャフトに連結するための取付け構造物６６を有する。図９及び図１０に示されているように、ミラーの後側６４は、ミラーの後側のねじ付き開口部内に受け入れられる２つのねじ付きカウンタウェイトねじ６８，６９を含む。

図１０の番号７０に概略的に示されているように、ミラーは、ミラーの回転軸７２に対する前側で、回転軸７２に対する後側の質量Ｍ₋よりも僅かにより大きい質量Ｍ_＋を有するように設計されている。この結果、ミラーが最初にロータシャフト上に取り付けられるとき、ミラーは、ミラーの前側に向かって傾こうとするようにアンバランスな状態にされる。ねじ付きカウンタウェイトねじ６８，６９は、最初に、それぞれの開口部に、ミラーの前側に最も近い位置に配置されるようにねじ込まれる。前側と後側との間でバランスを取る間、ねじ付きカウンタウェイトねじ６８，６９は、ミラーの前側から遠ざかる方向に移動するように回転される（ねじが緩められる）。この実施形態においても、カウンタウェイトねじ６８，６９は、取付け構造物６６からより遠くにある一方のカウンタウェイトねじを用いて粗い調整をもたらすことができ、ねじの他方が、より微細な調整をもたらし得る。また、図示されているように、粗い調整用のカウンタウェイトねじ６８は、微細調整用のカウンタウェイトねじ６９よりも大きくてよい。そしてまた、さらなる実施形態において、一方のカウンタウェイトねじが他方のカウンタウェイトねじよりも微細なねじピッチを有してもよい。移動の範囲は、前側と後側との間のバランスポイントがこの調整中に達成されるように設計される。幾つかの別の実施形態において、ねじは、最も遠いねじ緩め位置から前方へ、バランスポイントが得られるまで調整され得る。

また、ミラー７０は、相互に対向するカウンタウェイトねじ７４も含み、相互対向カウンタウェイトねじ７４はそれらの間に高密度要素７６を捕捉している。高密度要素は、例えば、タングステンから形成された球体であり得る。カウンタウェイトねじ７４は、高密度要素７６をミラー内の中心位置（例えば、ミラーの回転軸に沿った中心）からミラーの片側に向かって、ミラーの前後方向をほぼ横断する方向に遠ざけるように付勢するように調整可能である。この調整が、ミラーの片側と片側との（左右の）バランシングをもたらす。

この実施形態においても、上記のカウンタウェイトねじの調整の後に、少量の接着剤７８（例えばエポキシ）をカウンタウェイトねじの各々における露出部に付与し得る。これは、有限回転モータシステムにおけるミラーの使用中にカウンタウェイトねじを適切な位置に固定するためである。この実施形態においても、好ましくは、エポキシによる重量は無視できる。そうでない場合には、各カウンタウェイトねじを、エポキシの重量に適応するようにエポキシ付与前に非常にわずかに内側に調整すればよい。

当業者は、以上に開示した実施形態に、多数の修正及び変更を、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに行い得ることを理解するであろう。

Claims (19)

1. 有限回転モータシステムにおけるミラーのバランスを取るための方法であって、
   前記有限回転モータシステムのロータシャフト上にミラーを設けるステップであって、最初に、前記ミラーが前記ミラーの前側反射面を含む前記ミラーの前側へ傾くように僅かに重くされていることによりアンバランスであるように設けるステップと、
   前記ミラーの後側にある少なくとも１つのねじ付きカウンタウェイトねじを、少なくとも、前記ミラーが前記前側と後側との間でバランスが取れた状態になる位置まで調整するステップと、
   を含む方法。
2. さらに、高密度要素をそれらの間に捕捉している相互に対向しているねじ付きカウンタウェイトねじを調整し、それにより、前記高密度要素を、前記ミラー内の中心位置から前記ミラーの片側に向かって、前記ミラーの前後方向をほぼ横断する方向に遠ざけるように付勢するステップを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記高密度要素の形状が球体である請求項２に記載の方法。
4. さらに、前記ねじ付きカウンタウェイトねじの各々における露出部に接着剤を付与するステップを含む請求項１に記載の方法。
5. 有限回転モータシステムにおけるミラーのバランスを取るための方法であって、
   前記有限回転モータシステムのロータシャフト上にミラーを設けるステップと、
   高密度要素をそれらの間に捕捉している相互に対向しているねじ付きカウンタウェイトねじを調整し、それにより、前記高密度要素を、前記ミラー内の中心位置から前記ミラーの片側に向かって、前記ミラーの前後方向を横断する方向に遠ざけるように付勢するステップと、
   を含む方法。
6. 前記ミラーが、前記ミラーの前側反射面を含む前記ミラーの前側へ傾くように僅かに重くされていることにより最初にアンバランスであるように、前記ロータシャフト上に設けられており、前記方法はさらに、前記ミラーの後側にある少なくとも１つのねじ付きカウンタウェイトねじを、少なくとも、前記ミラーが前記前側と後側との間でバランスが取れた状態になる位置まで調整するステップを含む請求項５に記載の方法。
7. 前記高密度要素がタングステンを含む請求項５に記載の方法。
8. 前記高密度要素の形状が球体である請求項５に記載の方法。
9. さらに、前記ねじ付きカウンタウェイトねじの各々における露出部に接着剤を付与するステップを含む請求項５に記載の方法。
10. 有限回転モータシステムにて用いるためのミラーであって、前記ミラーが、前記ミラーの後側にある少なくとも１つのねじ付きカウンタウェイトねじを備え、前記ミラーが前記ミラーの前側反射面を含む前記ミラーの前側へ傾くように僅かに重くされていることにより前記ミラーがアンバランスとなる前方位置から、前記ミラーが前記前側と後側との間でバランスが取れた状態になる位置まで、前記ねじ付きカウンタウェイトねじが調整可能である、ミラー。
11. さらに、高密度要素をそれらの間に捕捉している相互に対向しているねじ付きカウンタウェイトねじを含み、前記相互に対向しているねじ付きカウンタウェイトねじが、前記高密度要素を前記ミラー内の中心位置から前記ミラーの片側に向かって、前記ミラーの前後方向をほぼ横断する方向に遠ざけるように付勢するように調整可能である、請求項１０に記載のミラー。
12. 前記高密度要素がタングステンを含む請求項１１に記載のミラー。
13. 前記高密度要素の形状が球体である請求項１１に記載のミラー。
14. 前記ねじ付きカウンタウェイトねじの各々における露出部に接着剤を含む請求項１０に記載のミラー。
15. 有限回転モータシステムにて用いるための、高密度要素をそれらの間に捕捉している相互に対向しているねじ付きカウンタウェイトねじを備えたミラーであって、前記相互に対向しているねじ付きカウンタウェイトねじが、前記高密度要素を前記ミラー内の中心位置から前記ミラーの片側に向かって、前記ミラーの前後方向をほぼ横断する方向に遠ざけるように付勢するように調整可能である、ミラー。
16. さらに少なくとも１つのねじ付きカウンタウェイトねじを前記ミラーの後側に含み、前記ミラーが前記ミラーの前側反射面を含む前記ミラーの前側へ傾くように僅かに重くされていることにより前記ミラーがアンバランスとなる前方位置から、前記ミラーが前記前側と後側との間でバランスが取れた状態になる位置まで、前記ねじ付きカウンタウェイトねじが調整可能である請求項１５に記載のミラー。
17. 前記高密度要素がタングステンを含む請求項１５に記載のミラー。
18. 前記高密度要素の形状が球体である請求項１５に記載のミラー。
19. 前記ねじ付きカウンタウェイトねじの各々における露出部に接着剤を含む請求項１５に記載のミラー。

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