JPH0437816A - ビームスキャナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザビームを使用して種々の加工や計測を行
うレーザ加工機やレーザ応用計測器などの光学部に関連
し、特にガルバノメータを用いて光ビームの移動を行う
ビームスキャナに関する。

〔従来の技術〕

レーザビームを利用したレーザ加工機や計測器では、は
とんど全ての場合において、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、どちらか
の手段が必要不可欠である。そして通常、処理速度の観
点から、移動部分が軽量・小型にできて高速移動が可能
なビーム移動方式、さらにその中でもより高速移動が可
能なガルバノメータ型のビームスキャナが多く用いられ
ている。

第７図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精成
を示す図であって、各々ミラーを付加した２組のガルバ
ノメータ１１と１３がその走査方向が直交するように配
置されていて、入射光ビーム１６はガルバノメータ１１
と１３に各々取り付けられたミラー１２と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
になっている。ｆθ型の対物レンズ１５を通った光ビー
ムは加工面上で入射角に比例した所定の位置に集光され
る。この集光位置の制御は２軸の位置制御信号１７と１
８に応じてそれぞれガルバノメータ１１と１３のミラー
１２と１４を微小回転させることにより行われるが、可
動部はガルバノメータのロータ部分とミラーのみであり
慣性モーメントが小さいことから、例えば集光位置を１
０メ一トル／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、レーザトリマ装置など高速ビーム移動
を必要とする用途を中心に多用されている。

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、文献１（”　Ｇ−３０
０ＰＤ　５ＣＡＮＮＥＲＡＮＤ　Ｃ０Ｘ−１００５ＥＲ
ＶＯＣ０ＮＴＲ０ＬＬＥＲ”　、ＧＥＮＥＲＡＬ　５Ｃ
ＡＮＮＩＮＧ　ＩＮＣ，社カタログ）および文献２　（
Ｅ、Ｐ、Ｇｒｅｎｄａ　ａｎｄ　Ｐ、Ｊ、Ｂｒｏｓｅｎ
ｓ、　”Ｃｌｏｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｌｏｏｐｏｎ　Ｇａ
ｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ　５ｃａｎｎｅｒｓ、　、ＥＯ３
Ｄ　Ｍａｇａｚｉｎｅ、Ａｐｒ、１９７４．ｐ、３２）
に詳しく述べられている様に、入力された角度制御信号
とガルバノメータの検出角度信号の差から角度誤差信号
を求め、また同時に検出角度信号を高域通過フィルタを
通すことにより微分処理して得られる角速度信号を求め
て、それら誤差信号と角速度信号とをそれぞれ適切なレ
ベルまで増幅した後、両信号の差信号を用いてガルバノ
メータの印加電流を負！ＩＭ還制御する駆動方法が用い
られている。

この駆動方式は従来最良の方法と考えられてきたが、最
大移動量から掻くわずかな移動まで、また最高速から掻
く低速の移動までを、線形な特性を持つ同じ駆動回路で
対応する必要がある。そのため、低速で短距離の移動時
を考えれば明白な様に、角度検出信号の変化は微弱にな
るが、その信号をさらに微分して得られる角速度信号を
使用しているので、その部分では掻く微弱な信号になっ
ており、そのため使用条件によってはわずかな雑音の干
渉や温度変化によるドリフトであっても大きな影響を受
は易く、制御角度の安定性に欠ける場合の多い駆動方式
である。

一方、このようなビームスキャナの使用対象であるレー
ザ加工機の加工対象は電子回路などであるが、近年より
微細化する傾向にあり、それに伴ってビームスキャナに
要求される角度精度も厳しくなっており、従来のビーム
スキャナでは十分に対応できなくなってきている。また
、他の方式の走査機構でガルバノメータ並の高速移動性
を持つビームスキャナも知られていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

それゆえ、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、従来のビームスキャナでは実現
困難であったような、高速移動を可能にでき、かつ安定
性に優れた、ビームスキャナを実現することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、その回転軸にミラーを付加したガルバ
ノメータと、該ガルバノメータの駆動回路とを含むビー
ムスキャナにおいて、前記ガルバノメータの駆動回路の
移動制御方式が、移動開始時に加速パルスを印加し、停
止時に逆極性の減速パルスを印加する方式であって、か
つ所定移動量になるまでの加速パルスの時間幅を計測し
、この時間に対応して減速パルス幅を制御することを特
徴とするビームスキャナが得られる。

このビームスキャナては、従来よりも急速な加減速か可
能で高速移動を実現でき、かつ加減速の制御を時間軸上
での処理により行っているので、従来の方法のように微
弱な信号を使用する必要はなくなり、安定性に優れたビ
ームスキャナを構成できる。

〔実施例〕

次に図面を参照して、本発明の実施例について詳細に説
明する。

第１図は本発明の第１の実施例のビームスキャナの構成
図で、このビームスキャナはＤＡコンバータ２１．駆動
アンプ２２．検量回路２３およびＡＤコンバータ２４か
らなる制御回路部分と、ガルバノメータ１１およにその
回転軸に取り付けられたミラー１２とで構成されている
。

また第２図はその動作状態を明瞭にするためにもちいる
説明図で、ＤＡコンバータ２１でアナログ信号に変換さ
れた後の角度制御信号１０２の波形と、ガルバノメータ
から出力される検出角度信号２０１の波形の関係を示し
た図である。

第１図において、コンピュータなどを使用したコントロ
ーラから本ビームスキャナに対して、移動先を指定する
デジタルデータ１０１が送られ、このデータはＤＡコン
バータ２１においてアナログ信号に変換された後に、角
度制御信号１０２として駆動アンプ２２を経てガルバノ
メータ１１に印加されるが、その際にガルバノメータ１
１から出力される検出角度信号２０１がこの角度制御信
号１０２と等しくなるように負帰還制御されている。ま
なこの検出角度信号２０１はＡＤコンバータ２４でデジ
タルデータに変換された後にコントローラ側に送出され
モニタ信号として使用される。

この構成で、最初に第２図に“ａ″で示した時点から、
角度制御信号１０２として移動先の角度に相当する電位
の加速パルスがガルバノメータ１１に印加されると、ガ
ルバノメータの回転が始まり順次加速されてゆく。一方
コントローラでは検出角度信号２０１の電位がモニタさ
れ、移動元の角度と移動先の角度の中間値に相当する電
位を越えるまでこの状態が継続されるが、その際コント
ローラでは並行して中間値を越えるまでの時間の計数も
行われる。次に検出角度信号２０１の電位がこの中間値
を越えた時点すでは、ガルバノメータ１１に印加される
信号は、移動元の角度に相当する電位の減速パルス信号
に変更され、その時点から減速が始まって、先に加速に
要した時間と同じ期間だけ印加される。そのため、この
減速パルスの印加終了時間Ｃでは加速された分と同じ量
だけ減速されることになり、ガルバノメータ１１の回転
角速度は丁度率になっていて、また全体としては加速期
間内に移動した角度の２倍だけ移動している。従ってこ
の時点で角度制御信号を移動先の角度に相当する制御電
位に切り換えればそのまま停止状態が継続されるので、
所望の角度だけ移動して停止した事になる。

すなわち、この実施例のように、中間位置に達するまで
の期間だけ加速パルスを印加し、減速時には加速パルス
と同じ振幅とパルス幅の減速パルスを印加することによ
り、ガルバノメータの移動制御を行うことが可能である
。この駆動方法では、従来よりも急峻な加減速が可能で
あって、より高速な移動を実現することがてきかつ加減
速の制御を時間軸上での処理により行えるので、従来の
方法のように微弱な信号を使用する必要はなくなって、
安定性の面でも優れたビームスキャナを構成できる。

なお本実施例および以下に述べる各実施例において、理
想的なガルバノメータの場合には加速時間と減速時間は
全く同じにすれば良いが、実際の場合には摩擦などの影
響を考慮する必要があり、その場合には一定の比率で減
速時間の割合を若干短くするか、あるいは加速から減速
への転換点となる中間値を若干移動先側の値にすること
により補償することが可能である。また、もし何らかの
原因で動作終了時点で角度が所望値にならなかった場合
には、この時点での角度を新たな移動元と考えて追加移
動を行うこともできる。

第３図は本発明の第２の実施例のビームスキャナの構成
図で、第１図の実施例のビームスキ・代すが主にコトロ
ーラでのプログラム的な制御によって動作したのに対し
て、同じ制御機能の大部分を電気回路を主体として構成
したものである。

また第４図はその動作状態を明瞭にするために用いる説
明図で、各部の信号波形の関係を示した図である。

第３図の構成で移動開始前の状態では、第］のフリップ
フロップ４２と第２のフリップフロップ４３は共にクリ
アされており、スイッチ３４は■側に接続されている。

従って、サンプルホールド回路３２でホールドされた電
位がガルバノメータ１１に印加されていて、それに相当
する角度でガルバノメータ１１は静止状態になっている
。

コントローラからは最初に移動先の角度に相当するデジ
タルデータ１０１が出力され、ラッチ信号１１１の立ち
下がりにてレジスタ３１に記憶される。この値はＤＡコ
ンバータ２１でアナログの角度制御信号１０２に変換さ
れるが、スイッチ３４が■側を選択しているので、ガル
バノメータ１１に関してはしばらくそのまま停止状態が
継続される。一方、ラッチ信号１１１を遅延回路４１で
若干遅延させた信号がスタート信号１１２として使用さ
れ、カウンタ４５のクリアと、第１のフリップフロップ
４２および第２のフリップフロップ４３のセットが行わ
れる。第２のフリップフロップ４３がセットされると、
この時点ａでスイッチ３４は■側に切り換わり、ガルバ
ノメータ１１には移動先の角度に相当する電位の加速パ
ルスが印加されることになり、回転・加速が開始される
。

この際、同時に第１のフリップフロップ４２もセットさ
れるので、それにともなって基準発振器４４が発振を開
始して、カウンタ４５での計数が開始される。

この状態で、比較器３６では、ガルバノメータ１１から
出力される検出角度信号２０１と、分圧抵抗３３で作ら
れた移動元の角度と移動先の角度の中間値に相当する電
位とが比較され、さらに比較器３５で得られる移動方向
の信号と論理演算されて状態信号２０２が得られる。そ
して検出角度信号２０１の電位がこの中間値を越えれば
、その時点すで状態信号２０２が反転して、カウンタ４
５は減算カウントになる。また同時に第２のフリップフ
ロップ４３がクリアされ、スイッチ３４は■側に切り替
わるので、ガルバノメータ１１には移動元の角度に相当
する電位の減速パルスが印加されることになり、減速状
態となる。

この減速状態が続きカウンタ４５が零になると、カウン
タ４５から終了信号が出力されるが、この時点Ｃは減速
期間が加速時間と同じ時間だけ経過した時点であり、第
１の実施例と同様にガルバノメータの回転角速度は丁度
零になり、かつ加速時間内に移動した距離の２倍だけ移
動して静止している状態である。この終了信号により、
サンプルホールド３２ではサンプルホールド動作が行わ
れ、新たにＤＡコンバータの出力である移動先に相当す
る電位が保持されて、ガルバノメータ１１に印加される
ため静止状態がそのまま継続される。また、同時に、第
１のフリップフロップ４２がリセットされて基準発振器
４４が停止して動作終了となる。この実施例によっても
第１の実施例と同じ効果が得られる。

本発明の第３の実施例のビームスキャナの構成は、第１
図に示した第１の実施例と同じ構成で、印加する信号波
形を変えたものである。第５図はその動作状態を明瞭に
するためにもちいる説明図で、コントローラから入力さ
れアナログ信号に変換された角度制御信号１０２と、ガ
ルバノメータから出力される角度検出信号２０１の波形
の関係を示した図である。

この構成でコントローラからは、加速期間には移動先の
角度に相当する電位に所定電位を加えた加速パルス信号
がガルバノメータ１１に印加され、また減速期間では、
移動元の角度に相当する電位から同じ所定電位を引いた
減速パルス信号を印加する様にしたものであり、その他
は第１の実施例と同じである。この方法によっても第１
の実施例と同様な効果のある制御動作を行うことができ
る。なお、この実施例によれば、加速・減速パルスの強
度を任意に設定でき、移動速度を早く設定することも可
能な利点がある。

本発明の第４の実施例のビームスキャナの構成も、第１
図に示した第１の実施例と同じ構成で、印加信号の波形
をより簡単にしたものである。第６図はその動作状態を
明瞭にするためにもちいる説明図で、コントローラから
入力されアナログ信号に変換された角度制御信号１０２
とガルバノメータから出力される角度検出信号２０１の
波形の関係を示した図である。

この実施例では、加速期間と減速期間を通して移動元の
角度と移動先の角度の中間に相当する電位の角度制御信
号を印加し、減速期間の終了時点Ｃで移動先の電位に切
り換えるものである。この構成によっても第１の実施例
と同様な効果のある動作を行うことができ、とくに制御
がより部用にできる利点がある。

なお、第３および第４の実施例に関しても、その制御を
第２の実施例と同様に電気回路を主体にして構成するこ
とも可能である。

以上述べた各実施例において、コントローラはマイクロ
コンピュータを使用すれば、容易に必要な制御機能を実
現でき、まなこの制御機能を電子回路で論理回路を組ん
で構成することも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のビームスキャナによれば
、移動開始時に中間位置に達するまでの加速パルスを印
加しすると共にその時間を計測し、減速時には加速パル
スと同じ振幅とパルス幅の減速パルスを印加することに
より、ガルバノメータの移動制御を行うことができる。

このビームスキャナでは、従来よりも急速な加減速が可
能であって高速移動を実現できる上に、加減速の制御を
時間軸上での処理により行っているので、従来の方法の
ように微弱な信号を使用する必要はなくなり、安定性に
優れたビームスキャナを構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第３図はそれぞれ本発明の第１および第２
の実施例のビームスキャナの機能構成を示すブロック図
、第２図および第４図〜第６図はそれぞれ本発明の各実
施例の動作説明に用いた状態図である。 また第７図はガルバノメータを利用した従来使用されて
いる２次元のスキャ光学系の概略構成を示したブロック
図でらる。 １１・・・ガルバノメータ、１２・・・ミラー　２１・
ＤＡコンバータ、２２・・・駆動アンプ、２３・・・検
出回路、２４・・・ＤＡコンバータ、３２・・・サンプ
ルホールド、３３・・・分圧抵抗、３４・・・スイッチ
、４５・・・カウンタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転軸にミラーを付加したガルバノメータと、該ガルバ
   ノメータの駆動回路とを含むビームスキャナにおいて、
   前記ガルバノメータの駆動回路の移動制御方式が、移動
   開始時に加速パルスを印加し、停止時に逆極性の減速パ
   ルスを印加する方式であつて、かつ所定移動量になるま
   での加速パルスの時間幅を計測し、この時間に対応して
   減速パルス幅を制御することを特徴とするビームスキャ
   ナ。