ガルバノスキャナ、及びレーザ加工装置
【課題】ガルバノミラーを高速かつ高精度に位置決めする。
【解決手段】ガルバノスキャナは、ガルバノミラーと揺動機構とシャフトと軸受けと半円状板とを備え、前記揺動機構は、前記半円状板の表裏面に取り付けられた１対の可動子ユニットと、前記１対の可動子ユニットを挟むように配された１対の固定子ユニットとを有し、前記揺動機構は、前記半円状板を介して前記ガルバノミラーを揺動させる際に、前記１対の可動子ユニットと前記１対の固定子ユニットとの間における反射面の面外方向の磁気的力が排除されるように磁気的力の主方向が前記反射面の面内方向及び回転軸に沿った方向と平行になるとともに、磁気的力を相殺するように、前記１対の固定子ユニットが前記１対の可動子ユニットを挟むように配された状態が維持される。
【解決手段】ガルバノスキャナは、ガルバノミラーと揺動機構とシャフトと軸受けと半円状板とを備え、前記揺動機構は、前記半円状板の表裏面に取り付けられた１対の可動子ユニットと、前記１対の可動子ユニットを挟むように配された１対の固定子ユニットとを有し、前記揺動機構は、前記半円状板を介して前記ガルバノミラーを揺動させる際に、前記１対の可動子ユニットと前記１対の固定子ユニットとの間における反射面の面外方向の磁気的力が排除されるように磁気的力の主方向が前記反射面の面内方向及び回転軸に沿った方向と平行になるとともに、磁気的力を相殺するように、前記１対の固定子ユニットが前記１対の可動子ユニットを挟むように配された状態が維持される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガルバノスキャナ、及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ガルバノスキャナにおいて、ミラーが直接シャフトに固着されることが記載されている。これにより、ミラーを保持するミラー枠を用いてミラーをシャフトに取り付けた場合に比べて剛性を高くすることができ、ミラーの曲げ変形による共振とシャフトの捩れ変形による共振とを抑制できるので、ミラーを高速、高精度で位置決めすることができるとされている。
【０００３】
特許文献２には、ガルバノスキャナにおいて、ミラーとコイルとを２つの支持部材によって連結し、２つの支持部材をそれぞれ軸受けで揺動自在に支持することが記載されている。また、コイルの一方の直線部分に上向きの磁場が発生し、コイルの他方の直線部分に下向きの磁場が発生するように、コイルの上下に２対の永久磁石が配置されることが記載されている。これにより、特許文献２によれば、コイルに電流を流すことにより発生させた推力が回転トルクとなってミラーの角度が変わり、発生したトルクを回転軸を介してミラーに伝達する必要がないので、回転時の捩れ変形による共振が発生せず、ミラーの位置決めの高速、高精度化を実現できるとされている。
【０００４】
特許文献３には、ガルバノスキャナにおいて、ガルバノミラーとシャフトを介して一体に回動する回動板の面倒れ周波数をガルバノスキャナの位置決め周波数の１．０５〜１．６倍にすることが記載されている。これにより、特許文献３によれば、光学式ロータリエンコーダがシャフトの回転角を計測でき、ガルバノミラーの高速動作時においても高精度の角度測定が可能となるので、ガルバノスキャナの位置決めを高速に行うことができるとされている。
【０００５】
特許文献４には、光学スキャナにおいて、軸受けにより回転自在に支持された軸にミラーが取り付けられ、その軸の回転中心から半径方向にずれた位置で駆動力伝達部材の一端が締結端子を介して軸に保持されることが記載されている。これにより、特許文献４によれば、駆動力伝達部材を変位させることにより小さな駆動力でミラーを位置決めすることができるので、構造系の変形や振動の発生を抑えることができ、高速かつ高精度な位置決め動作が可能になるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−４６４６０号公報
【特許文献２】特開２００４−２０９５６号公報
【特許文献３】特許第３８００１２４号公報
【特許文献４】特開２００４−７４１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の技術では、ミラーが固着されたシャフトの径方向斜め下部に径方向に磁化された１対の永久磁石が固定され、１対の永久磁石に対してシャフトの径方向斜め下部にコイルが配置されている。すなわち、永久磁石とコイルとの間の磁気吸引力がミラーの面外方向に負荷されるように永久磁石が配置されているため、磁気吸引力による荷重がミラーの反射面を歪ませる可能性がある。ミラーの反射面が歪むと、ミラーで反射されたレーザビームの断面形状が劣化するので、ミラーの位置決め精度が低下する傾向にある。また、これを防止するために、ミラーまたは回転軸の曲げ剛性を増加させると、ミラーおよび回転軸の慣性モーメントが増大するため、ミラーの高速な位置決めが困難になる。
【０００８】
特許文献２に記載の技術では、揺動中心と直交する方向に長い棒状の支持部材を介してミラーとコイルとを連結する構成のため、回転角度を拡大する場合及び／又はミラーが大型で高トルクが必要な場合、コイルを大型化するとともに支持部材を長くする必要がある。この場合、支持部材の慣性モーメントの増大と支持部材の曲げ剛性の低下とにより、支持部材の固有振動数が低下する傾向にあるので、ミラーの高速かつ高精度な位置決めが困難になる。
【０００９】
特許文献３に記載の技術では、２つの軸受けの間において可動コイルがシャフトに固定され、可動コイルを挟んで極性の異なる１対の永久磁石が配置されている。これにより、ガルバノミラーの面外方向の面倒れ振動および軸系のねじれ振動が発生しやすく、ガルバノミラーの高速かつ高精度な位置決めが困難になる。
【００１０】
特許文献４に記載の技術では、圧電素子が弾性部材を弾性変形させながら変位台を介して駆動力伝達部材を変位させている。これにより、弾性部材の固有振動数に制約を受け、ミラーの高速な位置決めが困難になる傾向にある。また、弾性変形を生じる機構のため、疲労破壊する可能性があり、高精度な位置決めが困難になる傾向にある。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ガルバノミラーを高速かつ高精度に位置決めすることができるガルバノスキャナ、及びレーザ加工装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかるガルバノスキャナは、光ビームを反射させるとともに所定の角度に偏向させる反射面と前記反射面の反対側の背面とを有するガルバノミラーと、回転軸の回りに前記ガルバノミラーを揺動させ位置決めする揺動機構と、前記回転軸に沿った方向における前記ガルバノミラーの一端に接続され、前記回転軸に沿って延びたシャフトと、前記シャフトを前記ガルバノミラーの前記一端側で回転可能に支持する軸受けと、前記ガルバノミラーの前記背面から前記揺動機構まで突出するように前記回転軸に対して略垂直に延びた半円状板とを備え、前記揺動機構は、前記半円状板の表裏面に取り付けられた１対の可動子ユニットと、前記１対の可動子ユニットを挟むように配された１対の固定子ユニットとを有し、前記揺動機構は、前記半円状板を介して前記ガルバノミラーを揺動させる際に、前記１対の可動子ユニットと前記１対の固定子ユニットとの間における前記反射面の面外方向の磁気的力が排除されるように磁気的力の主方向が前記反射面の面内方向及び前記回転軸に沿った方向と平行になるとともに、磁気的力を相殺するように、前記１対の固定子ユニットが前記１対の可動子ユニットを挟むように配された状態が維持されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガルバノミラーの反射面の面外方向の磁気的力が排除されるとともに、磁気的力を相殺するので、ガルバノミラーの歪を低減でき、ガルバノミラーで反射された光ビームの断面形状の劣化を低減できるので、ガルバノミラーの位置決め精度を向上することができる。また、位置決め精度の低下を防止するためにガルバノミラー又はシャフトの剛性を増加させる必要がないので、ガルバノミラー又はシャフトの慣性モーメントの増大も抑制できる。したがって、ガルバノミラーを高速かつ高精度に位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施の形態１にかかるガルバノスキャナの構成を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態２にかかるガルバノスキャナの構成を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態３にかかるガルバノスキャナの構成を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態３にかかるガルバノスキャナの構成を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態３の効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明にかかるガルバノスキャナの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
実施の形態１．
実施の形態１にかかるガルバノスキャナ１について図１を用いて説明する。図１（ａ）は、ガルバノスキャナ１の内部構成を示す側面図である。図１（ｂ）は、ガルバノスキャナ１の正面断面図であり、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００１７】
ガルバノスキャナ１は、ガルバノミラー２、ミラーマウント３、軸受け６、エンコーダ板７、発光部９、受光部１０、アンプ５６、カウンタ５７、可動子取り付け板（半円状材）２１、揺動機構ＳＷＭ、及びサーボアンプ５４を備える。
【００１８】
ガルバノミラー２は、反射面２ａ、背面２ｂ、一端２ｃ、他端２ｄ、及び複数のリブ２３１〜２３８を有する。反射面２ａは、光ビームＬを反射させるとともに所定の角度に偏向させるための面である。背面２ｂは、反射面２ａの反対側の面である。回転軸ＲＡに沿った方向におけるガルバノミラー２の一端２ｃは、ミラーマウント３に固定されている。一端２ｃは、回転軸ＲＡに沿った方向における端部である。他端２ｄは、回転軸ＲＡに沿った方向における一端２ｃと反対側の端部である。
【００１９】
また、複数のリブ２３１〜２３８は、回転軸ＲＡに沿った方向における可動子取り付け板２１の両側で、背面２ｂから揺動機構ＳＷＭ側へ突出している。複数のリブ２３１〜２３８は、それぞれ回転軸ＲＡに略垂直に延びている。これにより、ガルバノミラー２の曲げ剛性及び軸系の捩れ剛性を向上させることができる。
【００２０】
ミラーマウント３は、回転軸ＲＡに沿った方向におけるガルバノミラー２の一端２ｃ側に隣接して順に配されたマウント部３２及びシャフト部３１を含む。シャフト部３１は、マウント部３２を介して、回転軸ＲＡに沿った方向におけるガルバノミラー２の一端２ｃに接続されている。シャフト部３１は、回転軸ＲＡに沿って延びている。
【００２１】
軸受け６は、シャフト部３１をガルバノミラー２の一端２ｃ側で回転可能に（例えば、回転自由に）支持する。すなわち、ミラーマウント３のシャフト部３１は、軸受け６によってガルバノスキャナ１の筐体（図示せず）に回転可能に支持されている。
【００２２】
エンコーダ板７は、マウント８を介して、シャフト部３１に固定されている。発光部９と受光部１０とは、エンコーダ板７を挟んで対向するように配置されている。受光部１０は、受光した光に応じた信号をアンプ５６へ供給する。アンプ５６は、受光部１０から受けた信号を増幅してカウンタ５７へ供給する。カウンタ５７は、アンプ５６から受けた信号（パルス）の数をカウントしてサーボアンプ５４へ供給する。
【００２３】
可動子取り付け板２１は、ガルバノミラー１の背面２ｂから揺動機構ＳＷＭまで突出している。可動子取り付け板２１は、図１（ａ）に示すように、回転軸ＲＡに略垂直に延びているとともに、反射面２ａに対して略垂直に延びている。また、可動子取り付け板２１は、回転軸ＲＡに垂直な方向から見た場合（図１（ｂ）参照）に例えば回転軸ＲＡを中心とする半円状の形状を有している。可動子取り付け板２１は、表裏面として、第１の面２１１及び第２の面２１２を有する。第１の面２１１は、回転軸ＲＡに略垂直に延びており、ガルバノミラー２の他端２ｄ側を向く面である。第２の面２１２は、回転軸ＲＡに略垂直に延びており、ガルバノミラー２の一端２ｃ側を向く面である。
【００２４】
揺動機構ＳＷＭは、シャフト部３１が軸受け６により支持された状態で、回転軸ＲＡの回りにガルバノミラー２を揺動させることにより、ガルバノミラー２を位置決めする。揺動機構ＳＷＭは、１対の可動磁石（１対の可動子ユニット）４１、４２と１対の固定コイル（１対の固定子ユニット）５１、５２とを有する。
【００２５】
１対の可動磁石４１、４２は、可動子取り付け板２１の表裏面（第１の面２１１及び第２の面２１２）に取り付けられている。すなわち、可動磁石４１は、第１の面２１１に固定され、可動磁石４２は、第２の面２１２に固定されている。
【００２６】
１対の固定コイル５１、５２は、１対の可動磁石４１、４２を挟むように配置されている。すなわち、固定コイル５１が可動磁石４１に対面し、固定コイル５２が可動磁石４２に対面している。具体的には、固定コイル５１は、可動磁石４１の回転軸ＲＡを中心とした円弧方向の移動範囲内で可動磁石４１に対面した状態が維持されるように、例えば、回転軸ＲＡを中心とした円弧方向に可動磁石４１よりも長く延びている。同様に、固定コイル５２は、可動磁石４２の回転軸ＲＡを中心とした円弧方向の移動範囲内で可動磁石４１に対面した状態が維持されるように、例えば、回転軸ＲＡを中心とした円弧方向に可動磁石４２よりも長く延びている。
【００２７】
サーボアンプ５４は、互いに対面した固定コイル５１と可動磁石４１との間、及び固定コイル５２と可動磁石４２との間に、それぞれ磁気吸引力あるいは磁気反発力が発生するように、リード線５５を介して固定コイル５１、５２にそれぞれ電流を流す。これにより、サーボアンプ５４は、揺動機構ＳＷＭが可動子取り付け板２１を介して回転軸ＲＡの回りにガルバノミラー１を揺動させるように、揺動機構ＳＷＭを駆動する。
【００２８】
揺動機構ＳＷＭでは、可動子取り付け板２１を介してガルバノミラー２を揺動させる際に、可動磁石４１、４２が回転軸ＲＡの回りを円弧状に移動した場合でも、１対の可動磁石４１、４２が１対の固定コイル５１、５２の間に配置されている。すなわち、揺動機構ＳＷＭは、可動子取り付け板２１を介してガルバノミラー２を揺動させる際に、１対の可動磁石４１、４２と１対の固定コイル５１、５２との間における反射面２ａの面外方向の磁気的力（磁気吸引力又は磁気反発力）が排除されるように磁気的力の主方向が反射面２ａの面内方向及び回転軸ＲＡに沿った方向と平行になる。それとともに、揺動機構ＳＷＭは、磁気的力を相殺するように、１対の固定コイル５１、５２が１対の可動磁石４１、４２を挟むように配された状態が維持される。
【００２９】
次に、実施の形態１にかかるガルバノスキャナ１の動作を説明する。
【００３０】
エンコーダ板７の片側に設置された発光部９から照射された光がエンコーダ板７を透過して受光部１０にて受光される。受光部１０は、受光した光に応じた信号（パルス）を発生させてアンプ５６へ供給する。アンプ５６は、供給された信号を増幅しカウンタ５７へ供給する。カウンタ５７は、供給された信号（パルス）の数をカウントしてカウント値を角度に変換し測定された角度としてサーボアンプ５４へ供給する。
【００３１】
一方、角度指令発生部５３は、入力部（図示せず）を介して受けたユーザから指令、及び／又は、ガルバノスキャナ１を適用した装置（例えば、レーザ加工装置）の動作状態に応じて、所定の角度指令を生成してサーボアンプ５４へ供給する。
【００３２】
サーボアンプ５４は、カウンタ５７から供給された測定された角度の値と、角度指令発生部５３から供給された角度指令の示す角度の値とを比較し、目標の角度にガルバノミラー２を揺動させるように揺動機構ＳＷＭの駆動を制御（フィードバック制御）する。すなわち、目標の角度にガルバノミラー２を揺動させるのに必要な電力がサーボアンプ５４からリード線５５を介して固定コイル５１、５２に入力される。この電力によって固定コイル５１、５２から電磁力が発生し、この電磁力によってそれぞれ相対している可動磁石４１、４２との間で磁気吸引力または磁気反発力が生じ、可動磁石４１、４２と可動子取り付け板２１を介して一体になっているガルバノミラー２が目標の角度に揺動させる。このようにしてガルバノスキャナ１におけるガルバノミラー２が目標の角度に揺動される。
【００３３】
ここで、仮に、可動磁石と固定コイルとの間の磁気的力（磁気吸引力又は磁気反発力）がガルバノミラーの面外方向に負荷されるように可動磁石が配置されている場合を考える。この場合、磁気的力による荷重がガルバノミラーの反射面を歪ませる可能性がある。ガルバノミラーの反射面が歪むと、ガルバノミラーで反射されたレーザビームの断面形状が劣化するので、ガルバノミラーの位置決め精度が低下する傾向にある。また、これを防止するために、ガルバノミラーまたはシャフト部の曲げ剛性を増加させると、ガルバノミラーおよびシャフト部の慣性モーメントが増大するため、ガルバノミラーの高速な位置決めが困難になる。したがって、ガルバノミラーの高速かつ高精度な位置決めが困難になる。
【００３４】
それに対して、実施の形態１では、ガルバノミラー２を揺動させる際に反射面２ａの面外方向の磁気的力（磁気吸引力又は磁気反発力）が排除されるとともに磁気的力を相殺するように構成された揺動機構ＳＷＭをガルバノミラー２の背面から直接突出した半円状の可動子取り付け板２１上に設置する。これにより、ガルバノミラー２の歪を低減でき、ガルバノミラー２で反射された光ビームの断面形状の劣化を低減できるので、ガルバノミラー２の位置決め精度を向上することができる。また、位置決め精度の低下を防止するためにガルバノミラー２又はシャフト部３１の剛性を増加させる必要がないので、ガルバノミラー２又はシャフト部３１の慣性モーメントの増大も抑制できる。また、このようにガルバノミラー２の背面２ｂに磁気的力を相殺するように構成された揺動機構ＳＷＭを設置し、ガルバノミラー２を軸受け６にて回転可能に支持することにより、ガルバノミラー２の軸系のねじれ振動の固有振動数が向上することを示す有限要素法解析結果を実際に得た。したがって、ガルバノミラー２を揺動させる際における構造系の振動周波数を高くできるため、サーボアンプのサーボ制御ゲインを上げることができるようになり、高速な位置決め動作が可能となる。すなわち、実施の形態１によれば、ガルバノミラー２の反射面２ａの面外方向の面倒れ振動及び軸系の捩れ振動の固有振動の影響を抑制でき、ガルバノミラー２を高速かつ高精度に位置決めすることができる。
【００３５】
なお、振動周波数を向上するためには、ミラーマウントにおけるシャフト部の軸径を大きくするなど高剛性化すればするほど回転軸回りのイナーシャが増大する。従って、構造系の振動周波数は、ガルバノスキャナの位置決め周波数の１．０５倍から１．６０倍程度にすることができる。
【００３６】
また、反射面２ａの面外方向の磁気的力が排除されるとともに磁気的力を相殺するように構成された揺動機構ＳＷＭを、ガルバノミラー２の背面から揺動機構ＳＷＭまで突出した半円状の可動子取り付け板２１上に直接取り付けた可動子（可動磁石４１、４２）と、筐体（図示せず）に固体された固定子（固定コイル５１、５２）とで実現している。これにより、ガルバノミラー２を揺動させる際における軸受け６に及ぼす応力も低減できるので、軸受け６の寿命が短くなることを抑制できる。
【００３７】
あるいは、仮に、回転軸ＲＡと略直交する方向に長い棒状の支持部材を介してガルバノミラーと可動子（コイル）とを連結する場合について考える。この場合、回転角度を拡大する場合及び／又はガルバノミラーが大型で高トルクが必要な場合、可動子（コイル）を大型化するとともに支持部材を長くする必要がある。これにより、支持部材の慣性モーメントが増大しやすく、支持部材の曲げ剛性が低下しやすい。この結果、支持部材の固有振動数が低下して、ガルバノミラーの高速かつ高精度な位置決めが困難になる可能性がある。
【００３８】
それに対して、実施の形態１では、ガルバノミラー２の背面２ｂから揺動機構ＳＷＭまで突出した半円状の可動子取り付け板２１を介してガルバノミラー２と可動子（可動磁石４１、４２）とを連結するように、可動子（可動磁石４１、４２）が可動子取り付け板２１の表裏面に配されている。これにより、回転角度を拡大する場合及び／又はガルバノミラーが大型で高トルクが必要な場合でも、可動子（可動磁石４１、４２）を大型することなく回転中心（回転軸ＲＡ）から可動子（可動磁石４１、４２）までの距離を短くしたままガルバノミラー２を揺動することが容易になる。これにより、ガルバノスキャナ１の固有振動数を容易に向上することができるので、ガルバノミラー２を高速かつ高精度に位置決めすることができる。
【００３９】
実施の形態２．
次に、実施の形態２にかかるガルバノスキャナ１ｉについて、図２を参照して説明する。図２は、実施の形態２にかかるガルバノスキャナ１ｉの内部構成を示す側面図である。以下では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
【００４０】
実施の形態２のガルバノスキャナ１ｉは、ガルバノミラー２の両側のミラーマウント３、１３ｉにより回転可能に（例えば、回転自由に）支持している点で実施の形態１と異なる。すなわち、ガルバノスキャナ１ｉは、ミラーマウント１３ｉ及び軸受け（第２の軸受け）１６ｉをさらに備える。
【００４１】
ミラーマウント１３ｉは、回転軸ＲＡに沿った方向におけるガルバノミラー２の他端２ｄ側に隣接して順に配されたマウント部１３２ｉ及びシャフト部（第２のシャフト）１３１ｉを含む。シャフト部１３１ｉは、マウント部１３２ｉを介して、回転軸ＲＡに沿った方向におけるガルバノミラー２の他端２ｄに接続されている。シャフト部１３１ｉは、回転軸ＲＡに沿った方向に延びている。
【００４２】
軸受け１６ｉは、シャフト部１３１ｉをガルバノミラー２の一端２ｄ側で回転可能に（例えば、回転自由に）支持する。すなわち、ミラーマウント１３ｉのシャフト部１３１ｉは、軸受け１６ｉによってガルバノスキャナ１ｉの筐体（図示せず）に回転可能に支持されている。シャフト部１３１ｉは、シャフト部３１と同軸であり、回転軸ＲＡに沿った方向へ延びている。
【００４３】
実施の形態１のように、ガルバノミラー２の片端（一端２ｃ側）を回転可能に支持している場合、ガルバノミラー２の反射面２ａの面外方向の面倒れ振動の向上に限界がある。
【００４４】
それに対して、実施の形態２では、回転軸ＲＡに沿った方向におけるガルバノミラー２の両側（一端２ｃ側及び他端２ｄ側）に軸受け６、１６ｉを配置しガルバノミラー２を回転可能に支持する構成としている。これにより、揺動機構ＳＷＭは、シャフト部３１が軸受け６により支持されるとともにシャフト部１３１ｉが軸受け１６ｉにより支持された状態で、ガルバノミラー２を揺動させる。この結果、ガルバノミラー２の面外方向の面倒れ振動をさらに抑制できるので、大型のガルバノミラーを用いる場合、あるいは揺動角度の大きい場合において揺動機構が大型な、すなわち慣性モーメントが大きいガルバノミラーを用いる場合においても、ガルバノミラー２を高精度に位置決めすることがさらに容易になる。
【００４５】
実施の形態３．
次に、実施の形態３にかかるガルバノスキャナ１ｊについて、図３及び図４を参照して説明する。図３は、実施の形態３にかかるガルバノスキャナ１ｊの内部構成を示す側面図である。図４は、実施の形態３にかかるガルバノスキャナ１ｊにおけるガルバノミラー２ｊの背面構造と可動子取り付け板２１とを示す図である。図４（ａ）は、ガルバノミラー２ｊ及び可動子取り付け板２１の側面図であり、図４（ｂ）は、ガルバノミラー２ｊ及び可動子取り付け板２１の背面図であり、図４（ｃ）は、ガルバノミラー２ｊ及び可動子取り付け板２１の正面図である。以下では、実施の形態１及び実施の形態２と異なる点を中心に説明する。
【００４６】
図３に示すガルバノスキャナ１ｊにおけるガルバノミラー２ｊは、図４に示すように、主構造部材２２ｊ、及び複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８を有する。主構造部材２２ｊは、可動子取り付け板２１と交差するように、反射面２ａに沿いながら回転軸ＲＡに沿った方向へ延びている。複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８は、回転軸ＲＡに沿った方向における可動子取り付け板２１の両側に配され、主構造部材２２ｊと交差するように、回転軸ＲＡに略垂直にそれぞれ延びている。複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８は、ガルバノミラー２ｊを揺動させる際に１対の固定コイル５１、５２と干渉しないように、可動子取り付け板２１の背面２ｂから突出している（図３参照）。具体的には、図４（ｂ）に示すように、複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８は、反射面２ａに垂直な方向から透視した場合に、１対の固定コイル５１、５２のいずれにも重ならないように、回転軸ＲＡに略垂直にそれぞれ延びている。
【００４７】
実施の形態１および実施の形態２においては、複数のリブ２３１〜２３８のうちの一部のリブ２３２、２３６が１対の固定コイル５１、５２と干渉する位置において背面２ｂから突出している（図１、図２参照）。これにより、図５（ａ）に示すようにガルバノミラーの背面のリブと固定コイルとの干渉を避けようとした場合に、揺動角度を拡大する（例えばα°より大きくする）ことが困難な傾向にある。
【００４８】
それに対して、実施の形態３では、複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８が１対の固定コイル５１、５２と干渉しないような位置において背面２ｂから突出している（図３参照）。これにより、リブ高さを越えてガルバノミラー２ｊを揺動できるので、ガルバノミラーの背面のリブと固定コイルとの干渉を避けようとした場合でも、揺動角度を例えばβ°（＞α°）へ拡大できる（図５（ｂ）参照）。
【００４９】
また、実施の形態１および実施の形態２においては、複数のリブ２３１〜２３８のうちの一部のリブ２３２、２３６が１対の固定コイル５１、５２と干渉する位置において背面２ｂから突出しているので、ガルバノミラーの背面のリブと固定コイルとの干渉しない範囲で所定の揺動角度（例えばα°）を確保しようとした場合、１対の固定コイル５１、５２と回転軸ＲＡとの距離を近づける（例えばＤ１より小さくする）ことが困難な傾向にある。これにより、固定コイル５１、５２と対面すべき可動磁石４１、４２と回転軸ＲＡとの距離も近づける（例えばＤ１より小さくする）ことが困難な傾向にある。
【００５０】
それに対して、実施の形態３では、複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８が１対の固定コイル５１、５２と干渉しないような位置において背面２ｂから突出しているので、ガルバノミラーの背面のリブと固定コイルとの干渉しない範囲で所定の揺動角度（例えばα°）を確保しようとした場合に、１対の固定コイル５１、５２と回転軸ＲＡとの距離を例えばＤ２（＜Ｄ１）まで近づけることができる（図５（ｃ）参照）。これにより、固定コイル５１、５２と対面すべき可動磁石４１、４２と回転軸ＲＡとの距離も例えばＤ２（＜Ｄ１）まで近づけることができる（図５（ｃ）参照）。
【００５１】
この結果、可動子取り付け板及び可動子（可動磁石）の慣性モーメント（イナーシャ）を低減できるので、ガルバノスキャナの固有振動数をさらに向上させることができる。したがって、位置決め周波数がさらに高くできるので、ガルバノミラーをさらに高速に位置決めすることができる。それとともに、可動子取り付け板及び可動子（可動磁石）と固定子（固定コイル）とを小型化できるので、ガルバノスキャナの小型化が容易になる。
【００５２】
また、実施の形態１および実施の形態２においては、複数のリブ２３１〜２３８のうちの一部のリブ２３２、２３６が１対の固定コイル５１、５２と干渉する位置において背面２ｂから突出しているので、ガルバノミラーの背面のリブと固定コイルとの干渉しない範囲で所定の揺動角度（例えばα°）を確保しようとした場合、回転軸ＲＡからのリブ２３１〜２３８の最大高さを高くする（例えばＨ１より高くする）ことが困難な傾向にある。
【００５３】
それに対して、実施の形態３では、複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８が１対の固定コイル５１、５２と干渉しないような位置において背面２ｂから突出しているので、ガルバノミラーの背面のリブと固定コイルとの干渉しない範囲で所定の揺動角度（例えばα°）を確保しようとした場合に、回転軸ＲＡからのリブ２３ｊ１〜２３ｊ８の最大高さを例えばＨ２（＞Ｈ１）まで高くすることができる（図５（ｄ）参照）。
【００５４】
この結果、ガルバノミラーの面外曲げ剛性及びねじり剛性をさらに向上させることができるとともに、固有振動数を向上できる。したがって、位置決め周波数がさらに高くできるので、ガルバノミラーをさらに高速に位置決めすることができる。
【００５５】
なお、上記の各実施の形態においては、可動子取り付け板２１の表裏面に１対の可動磁石４１、４２が１対の可動子として取り付けられた可動磁石型のガルバノスキャナの場合を説明したが、可動子取り付け板２１の表裏面に１対の可動コイルを１対の可動子として取り付け、１対の可動コイルの両側に１対の可動コイルを挟むように１対の固定磁石を１対の固定子として配置してもよい。すなわち、１対の可動子としての１対の可動コイルは１対の固定磁石の磁界中に配置されており、１対の可動コイルと１対の可動コイルを挟むように配された１対の固定磁石とによって揺動機構が構成されている可動コイル型のガルバノスキャナであっても構わない。
【００５６】
また、エンコーダ板は、光が透過する透過型光エンコーダとして説明したが、光を反射する反射型エンコーダであっても構わない。また、エンコーダ板は、インクリメンタル型であっても絶対値型であっても構わない。
【００５７】
また、上記の各実施の形態におけるガルバノスキャナは例えばレーザ加工装置（図示せず）に適用できる。すなわち、レーザ加工装置は、ガルバノスキャナに加えて、レーザ光源（図示せず）、及びステージ（図示せず）を備える。ステージには、その上に被加工物が載置されている。レーザ光源は、レーザ光を出射する。ガルバノスキャナは、上記のようにガルバノミラーを位置決めした状態で、レーザ光源から受けた光をガルバノミラーの反射面で反射させるとともに所定の角度に偏光させてステージ上に載置された被加工物へ照射する。そして、ガルバノスキャナは、さらに次の位置にガルバノミラーを位置決めした状態で、レーザ光源から受けた光をガルバノミラーの反射面で反射させるとともに所定の角度に偏光させてステージ上に載置された被加工物へ照射する。このような動作を繰り返していき、ガルバノスキャナは、被加工物を加工するように、レーザ光源から出射されたレーザ光を被加工物上で走査させる。これにより、被加工物を高速且つ高精度に加工することができる。
【００５８】
あるいは、上記の各実施の形態におけるガルバノスキャナは、レーザ加工装置以外のレーザ光またはレーザ光以外の光ビームを偏向するあらゆる装置に用いることができる。ガルバノスキャナにおけるその他の部分の構成、形状、材料、大きさ、数量、接続関係等についても、上記各実施の形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上のように、本発明にかかるガルバノスキャナ及びレーザ加工装置は、レーザ光を用いた被加工物の加工に有用である。
【符号の説明】
【００６０】
１、１ｉ、１ｊ ガルバノスキャナ
２、２ｊ ガルバノミラー
３、１３ｉ ミラーマウント
６、１６ｉ 軸受け
７ エンコーダ板
８ マウント
９ 発光部
１０ 受光部
２１ 可動子取り付け板
３１、１３１ｉ シャフト部
３２、１３２ｉ マウント部
４１、４２ 可動磁石
５１、５２ 固定コイル
５３ 角度指令発生部
５４ サーボアンプ
５５ リード線
５６ アンプ
５７ カウンタ
２３１〜２３８、２３ｊ１〜２３ｊ８ リブ
ＲＡ 回転軸
ＳＷＭ 揺動機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガルバノスキャナ、及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ガルバノスキャナにおいて、ミラーが直接シャフトに固着されることが記載されている。これにより、ミラーを保持するミラー枠を用いてミラーをシャフトに取り付けた場合に比べて剛性を高くすることができ、ミラーの曲げ変形による共振とシャフトの捩れ変形による共振とを抑制できるので、ミラーを高速、高精度で位置決めすることができるとされている。
【０００３】
特許文献２には、ガルバノスキャナにおいて、ミラーとコイルとを２つの支持部材によって連結し、２つの支持部材をそれぞれ軸受けで揺動自在に支持することが記載されている。また、コイルの一方の直線部分に上向きの磁場が発生し、コイルの他方の直線部分に下向きの磁場が発生するように、コイルの上下に２対の永久磁石が配置されることが記載されている。これにより、特許文献２によれば、コイルに電流を流すことにより発生させた推力が回転トルクとなってミラーの角度が変わり、発生したトルクを回転軸を介してミラーに伝達する必要がないので、回転時の捩れ変形による共振が発生せず、ミラーの位置決めの高速、高精度化を実現できるとされている。
【０００４】
特許文献３には、ガルバノスキャナにおいて、ガルバノミラーとシャフトを介して一体に回動する回動板の面倒れ周波数をガルバノスキャナの位置決め周波数の１．０５〜１．６倍にすることが記載されている。これにより、特許文献３によれば、光学式ロータリエンコーダがシャフトの回転角を計測でき、ガルバノミラーの高速動作時においても高精度の角度測定が可能となるので、ガルバノスキャナの位置決めを高速に行うことができるとされている。
【０００５】
特許文献４には、光学スキャナにおいて、軸受けにより回転自在に支持された軸にミラーが取り付けられ、その軸の回転中心から半径方向にずれた位置で駆動力伝達部材の一端が締結端子を介して軸に保持されることが記載されている。これにより、特許文献４によれば、駆動力伝達部材を変位させることにより小さな駆動力でミラーを位置決めすることができるので、構造系の変形や振動の発生を抑えることができ、高速かつ高精度な位置決め動作が可能になるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−４６４６０号公報
【特許文献２】特開２００４−２０９５６号公報
【特許文献３】特許第３８００１２４号公報
【特許文献４】特開２００４−７４１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の技術では、ミラーが固着されたシャフトの径方向斜め下部に径方向に磁化された１対の永久磁石が固定され、１対の永久磁石に対してシャフトの径方向斜め下部にコイルが配置されている。すなわち、永久磁石とコイルとの間の磁気吸引力がミラーの面外方向に負荷されるように永久磁石が配置されているため、磁気吸引力による荷重がミラーの反射面を歪ませる可能性がある。ミラーの反射面が歪むと、ミラーで反射されたレーザビームの断面形状が劣化するので、ミラーの位置決め精度が低下する傾向にある。また、これを防止するために、ミラーまたは回転軸の曲げ剛性を増加させると、ミラーおよび回転軸の慣性モーメントが増大するため、ミラーの高速な位置決めが困難になる。
【０００８】
特許文献２に記載の技術では、揺動中心と直交する方向に長い棒状の支持部材を介してミラーとコイルとを連結する構成のため、回転角度を拡大する場合及び／又はミラーが大型で高トルクが必要な場合、コイルを大型化するとともに支持部材を長くする必要がある。この場合、支持部材の慣性モーメントの増大と支持部材の曲げ剛性の低下とにより、支持部材の固有振動数が低下する傾向にあるので、ミラーの高速かつ高精度な位置決めが困難になる。
【０００９】
特許文献３に記載の技術では、２つの軸受けの間において可動コイルがシャフトに固定され、可動コイルを挟んで極性の異なる１対の永久磁石が配置されている。これにより、ガルバノミラーの面外方向の面倒れ振動および軸系のねじれ振動が発生しやすく、ガルバノミラーの高速かつ高精度な位置決めが困難になる。
【００１０】
特許文献４に記載の技術では、圧電素子が弾性部材を弾性変形させながら変位台を介して駆動力伝達部材を変位させている。これにより、弾性部材の固有振動数に制約を受け、ミラーの高速な位置決めが困難になる傾向にある。また、弾性変形を生じる機構のため、疲労破壊する可能性があり、高精度な位置決めが困難になる傾向にある。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ガルバノミラーを高速かつ高精度に位置決めすることができるガルバノスキャナ、及びレーザ加工装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかるガルバノスキャナは、光ビームを反射させるとともに所定の角度に偏向させる反射面と前記反射面の反対側の背面とを有するガルバノミラーと、回転軸の回りに前記ガルバノミラーを揺動させ位置決めする揺動機構と、前記回転軸に沿った方向における前記ガルバノミラーの一端に接続され、前記回転軸に沿って延びたシャフトと、前記シャフトを前記ガルバノミラーの前記一端側で回転可能に支持する軸受けと、前記ガルバノミラーの前記背面から前記揺動機構まで突出するように前記回転軸に対して略垂直に延びた半円状板とを備え、前記揺動機構は、前記半円状板の表裏面に取り付けられた１対の可動子ユニットと、前記１対の可動子ユニットを挟むように配された１対の固定子ユニットとを有し、前記揺動機構は、前記半円状板を介して前記ガルバノミラーを揺動させる際に、前記１対の可動子ユニットと前記１対の固定子ユニットとの間における前記反射面の面外方向の磁気的力が排除されるように磁気的力の主方向が前記反射面の面内方向及び前記回転軸に沿った方向と平行になるとともに、磁気的力を相殺するように、前記１対の固定子ユニットが前記１対の可動子ユニットを挟むように配された状態が維持されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガルバノミラーの反射面の面外方向の磁気的力が排除されるとともに、磁気的力を相殺するので、ガルバノミラーの歪を低減でき、ガルバノミラーで反射された光ビームの断面形状の劣化を低減できるので、ガルバノミラーの位置決め精度を向上することができる。また、位置決め精度の低下を防止するためにガルバノミラー又はシャフトの剛性を増加させる必要がないので、ガルバノミラー又はシャフトの慣性モーメントの増大も抑制できる。したがって、ガルバノミラーを高速かつ高精度に位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施の形態１にかかるガルバノスキャナの構成を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態２にかかるガルバノスキャナの構成を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態３にかかるガルバノスキャナの構成を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態３にかかるガルバノスキャナの構成を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態３の効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明にかかるガルバノスキャナの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
実施の形態１．
実施の形態１にかかるガルバノスキャナ１について図１を用いて説明する。図１（ａ）は、ガルバノスキャナ１の内部構成を示す側面図である。図１（ｂ）は、ガルバノスキャナ１の正面断面図であり、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００１７】
ガルバノスキャナ１は、ガルバノミラー２、ミラーマウント３、軸受け６、エンコーダ板７、発光部９、受光部１０、アンプ５６、カウンタ５７、可動子取り付け板（半円状材）２１、揺動機構ＳＷＭ、及びサーボアンプ５４を備える。
【００１８】
ガルバノミラー２は、反射面２ａ、背面２ｂ、一端２ｃ、他端２ｄ、及び複数のリブ２３１〜２３８を有する。反射面２ａは、光ビームＬを反射させるとともに所定の角度に偏向させるための面である。背面２ｂは、反射面２ａの反対側の面である。回転軸ＲＡに沿った方向におけるガルバノミラー２の一端２ｃは、ミラーマウント３に固定されている。一端２ｃは、回転軸ＲＡに沿った方向における端部である。他端２ｄは、回転軸ＲＡに沿った方向における一端２ｃと反対側の端部である。
【００１９】
また、複数のリブ２３１〜２３８は、回転軸ＲＡに沿った方向における可動子取り付け板２１の両側で、背面２ｂから揺動機構ＳＷＭ側へ突出している。複数のリブ２３１〜２３８は、それぞれ回転軸ＲＡに略垂直に延びている。これにより、ガルバノミラー２の曲げ剛性及び軸系の捩れ剛性を向上させることができる。
【００２０】
ミラーマウント３は、回転軸ＲＡに沿った方向におけるガルバノミラー２の一端２ｃ側に隣接して順に配されたマウント部３２及びシャフト部３１を含む。シャフト部３１は、マウント部３２を介して、回転軸ＲＡに沿った方向におけるガルバノミラー２の一端２ｃに接続されている。シャフト部３１は、回転軸ＲＡに沿って延びている。
【００２１】
軸受け６は、シャフト部３１をガルバノミラー２の一端２ｃ側で回転可能に（例えば、回転自由に）支持する。すなわち、ミラーマウント３のシャフト部３１は、軸受け６によってガルバノスキャナ１の筐体（図示せず）に回転可能に支持されている。
【００２２】
エンコーダ板７は、マウント８を介して、シャフト部３１に固定されている。発光部９と受光部１０とは、エンコーダ板７を挟んで対向するように配置されている。受光部１０は、受光した光に応じた信号をアンプ５６へ供給する。アンプ５６は、受光部１０から受けた信号を増幅してカウンタ５７へ供給する。カウンタ５７は、アンプ５６から受けた信号（パルス）の数をカウントしてサーボアンプ５４へ供給する。
【００２３】
可動子取り付け板２１は、ガルバノミラー１の背面２ｂから揺動機構ＳＷＭまで突出している。可動子取り付け板２１は、図１（ａ）に示すように、回転軸ＲＡに略垂直に延びているとともに、反射面２ａに対して略垂直に延びている。また、可動子取り付け板２１は、回転軸ＲＡに垂直な方向から見た場合（図１（ｂ）参照）に例えば回転軸ＲＡを中心とする半円状の形状を有している。可動子取り付け板２１は、表裏面として、第１の面２１１及び第２の面２１２を有する。第１の面２１１は、回転軸ＲＡに略垂直に延びており、ガルバノミラー２の他端２ｄ側を向く面である。第２の面２１２は、回転軸ＲＡに略垂直に延びており、ガルバノミラー２の一端２ｃ側を向く面である。
【００２４】
揺動機構ＳＷＭは、シャフト部３１が軸受け６により支持された状態で、回転軸ＲＡの回りにガルバノミラー２を揺動させることにより、ガルバノミラー２を位置決めする。揺動機構ＳＷＭは、１対の可動磁石（１対の可動子ユニット）４１、４２と１対の固定コイル（１対の固定子ユニット）５１、５２とを有する。
【００２５】
１対の可動磁石４１、４２は、可動子取り付け板２１の表裏面（第１の面２１１及び第２の面２１２）に取り付けられている。すなわち、可動磁石４１は、第１の面２１１に固定され、可動磁石４２は、第２の面２１２に固定されている。
【００２６】
１対の固定コイル５１、５２は、１対の可動磁石４１、４２を挟むように配置されている。すなわち、固定コイル５１が可動磁石４１に対面し、固定コイル５２が可動磁石４２に対面している。具体的には、固定コイル５１は、可動磁石４１の回転軸ＲＡを中心とした円弧方向の移動範囲内で可動磁石４１に対面した状態が維持されるように、例えば、回転軸ＲＡを中心とした円弧方向に可動磁石４１よりも長く延びている。同様に、固定コイル５２は、可動磁石４２の回転軸ＲＡを中心とした円弧方向の移動範囲内で可動磁石４１に対面した状態が維持されるように、例えば、回転軸ＲＡを中心とした円弧方向に可動磁石４２よりも長く延びている。
【００２７】
サーボアンプ５４は、互いに対面した固定コイル５１と可動磁石４１との間、及び固定コイル５２と可動磁石４２との間に、それぞれ磁気吸引力あるいは磁気反発力が発生するように、リード線５５を介して固定コイル５１、５２にそれぞれ電流を流す。これにより、サーボアンプ５４は、揺動機構ＳＷＭが可動子取り付け板２１を介して回転軸ＲＡの回りにガルバノミラー１を揺動させるように、揺動機構ＳＷＭを駆動する。
【００２８】
揺動機構ＳＷＭでは、可動子取り付け板２１を介してガルバノミラー２を揺動させる際に、可動磁石４１、４２が回転軸ＲＡの回りを円弧状に移動した場合でも、１対の可動磁石４１、４２が１対の固定コイル５１、５２の間に配置されている。すなわち、揺動機構ＳＷＭは、可動子取り付け板２１を介してガルバノミラー２を揺動させる際に、１対の可動磁石４１、４２と１対の固定コイル５１、５２との間における反射面２ａの面外方向の磁気的力（磁気吸引力又は磁気反発力）が排除されるように磁気的力の主方向が反射面２ａの面内方向及び回転軸ＲＡに沿った方向と平行になる。それとともに、揺動機構ＳＷＭは、磁気的力を相殺するように、１対の固定コイル５１、５２が１対の可動磁石４１、４２を挟むように配された状態が維持される。
【００２９】
次に、実施の形態１にかかるガルバノスキャナ１の動作を説明する。
【００３０】
エンコーダ板７の片側に設置された発光部９から照射された光がエンコーダ板７を透過して受光部１０にて受光される。受光部１０は、受光した光に応じた信号（パルス）を発生させてアンプ５６へ供給する。アンプ５６は、供給された信号を増幅しカウンタ５７へ供給する。カウンタ５７は、供給された信号（パルス）の数をカウントしてカウント値を角度に変換し測定された角度としてサーボアンプ５４へ供給する。
【００３１】
一方、角度指令発生部５３は、入力部（図示せず）を介して受けたユーザから指令、及び／又は、ガルバノスキャナ１を適用した装置（例えば、レーザ加工装置）の動作状態に応じて、所定の角度指令を生成してサーボアンプ５４へ供給する。
【００３２】
サーボアンプ５４は、カウンタ５７から供給された測定された角度の値と、角度指令発生部５３から供給された角度指令の示す角度の値とを比較し、目標の角度にガルバノミラー２を揺動させるように揺動機構ＳＷＭの駆動を制御（フィードバック制御）する。すなわち、目標の角度にガルバノミラー２を揺動させるのに必要な電力がサーボアンプ５４からリード線５５を介して固定コイル５１、５２に入力される。この電力によって固定コイル５１、５２から電磁力が発生し、この電磁力によってそれぞれ相対している可動磁石４１、４２との間で磁気吸引力または磁気反発力が生じ、可動磁石４１、４２と可動子取り付け板２１を介して一体になっているガルバノミラー２が目標の角度に揺動させる。このようにしてガルバノスキャナ１におけるガルバノミラー２が目標の角度に揺動される。
【００３３】
ここで、仮に、可動磁石と固定コイルとの間の磁気的力（磁気吸引力又は磁気反発力）がガルバノミラーの面外方向に負荷されるように可動磁石が配置されている場合を考える。この場合、磁気的力による荷重がガルバノミラーの反射面を歪ませる可能性がある。ガルバノミラーの反射面が歪むと、ガルバノミラーで反射されたレーザビームの断面形状が劣化するので、ガルバノミラーの位置決め精度が低下する傾向にある。また、これを防止するために、ガルバノミラーまたはシャフト部の曲げ剛性を増加させると、ガルバノミラーおよびシャフト部の慣性モーメントが増大するため、ガルバノミラーの高速な位置決めが困難になる。したがって、ガルバノミラーの高速かつ高精度な位置決めが困難になる。
【００３４】
それに対して、実施の形態１では、ガルバノミラー２を揺動させる際に反射面２ａの面外方向の磁気的力（磁気吸引力又は磁気反発力）が排除されるとともに磁気的力を相殺するように構成された揺動機構ＳＷＭをガルバノミラー２の背面から直接突出した半円状の可動子取り付け板２１上に設置する。これにより、ガルバノミラー２の歪を低減でき、ガルバノミラー２で反射された光ビームの断面形状の劣化を低減できるので、ガルバノミラー２の位置決め精度を向上することができる。また、位置決め精度の低下を防止するためにガルバノミラー２又はシャフト部３１の剛性を増加させる必要がないので、ガルバノミラー２又はシャフト部３１の慣性モーメントの増大も抑制できる。また、このようにガルバノミラー２の背面２ｂに磁気的力を相殺するように構成された揺動機構ＳＷＭを設置し、ガルバノミラー２を軸受け６にて回転可能に支持することにより、ガルバノミラー２の軸系のねじれ振動の固有振動数が向上することを示す有限要素法解析結果を実際に得た。したがって、ガルバノミラー２を揺動させる際における構造系の振動周波数を高くできるため、サーボアンプのサーボ制御ゲインを上げることができるようになり、高速な位置決め動作が可能となる。すなわち、実施の形態１によれば、ガルバノミラー２の反射面２ａの面外方向の面倒れ振動及び軸系の捩れ振動の固有振動の影響を抑制でき、ガルバノミラー２を高速かつ高精度に位置決めすることができる。
【００３５】
なお、振動周波数を向上するためには、ミラーマウントにおけるシャフト部の軸径を大きくするなど高剛性化すればするほど回転軸回りのイナーシャが増大する。従って、構造系の振動周波数は、ガルバノスキャナの位置決め周波数の１．０５倍から１．６０倍程度にすることができる。
【００３６】
また、反射面２ａの面外方向の磁気的力が排除されるとともに磁気的力を相殺するように構成された揺動機構ＳＷＭを、ガルバノミラー２の背面から揺動機構ＳＷＭまで突出した半円状の可動子取り付け板２１上に直接取り付けた可動子（可動磁石４１、４２）と、筐体（図示せず）に固体された固定子（固定コイル５１、５２）とで実現している。これにより、ガルバノミラー２を揺動させる際における軸受け６に及ぼす応力も低減できるので、軸受け６の寿命が短くなることを抑制できる。
【００３７】
あるいは、仮に、回転軸ＲＡと略直交する方向に長い棒状の支持部材を介してガルバノミラーと可動子（コイル）とを連結する場合について考える。この場合、回転角度を拡大する場合及び／又はガルバノミラーが大型で高トルクが必要な場合、可動子（コイル）を大型化するとともに支持部材を長くする必要がある。これにより、支持部材の慣性モーメントが増大しやすく、支持部材の曲げ剛性が低下しやすい。この結果、支持部材の固有振動数が低下して、ガルバノミラーの高速かつ高精度な位置決めが困難になる可能性がある。
【００３８】
それに対して、実施の形態１では、ガルバノミラー２の背面２ｂから揺動機構ＳＷＭまで突出した半円状の可動子取り付け板２１を介してガルバノミラー２と可動子（可動磁石４１、４２）とを連結するように、可動子（可動磁石４１、４２）が可動子取り付け板２１の表裏面に配されている。これにより、回転角度を拡大する場合及び／又はガルバノミラーが大型で高トルクが必要な場合でも、可動子（可動磁石４１、４２）を大型することなく回転中心（回転軸ＲＡ）から可動子（可動磁石４１、４２）までの距離を短くしたままガルバノミラー２を揺動することが容易になる。これにより、ガルバノスキャナ１の固有振動数を容易に向上することができるので、ガルバノミラー２を高速かつ高精度に位置決めすることができる。
【００３９】
実施の形態２．
次に、実施の形態２にかかるガルバノスキャナ１ｉについて、図２を参照して説明する。図２は、実施の形態２にかかるガルバノスキャナ１ｉの内部構成を示す側面図である。以下では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
【００４０】
実施の形態２のガルバノスキャナ１ｉは、ガルバノミラー２の両側のミラーマウント３、１３ｉにより回転可能に（例えば、回転自由に）支持している点で実施の形態１と異なる。すなわち、ガルバノスキャナ１ｉは、ミラーマウント１３ｉ及び軸受け（第２の軸受け）１６ｉをさらに備える。
【００４１】
ミラーマウント１３ｉは、回転軸ＲＡに沿った方向におけるガルバノミラー２の他端２ｄ側に隣接して順に配されたマウント部１３２ｉ及びシャフト部（第２のシャフト）１３１ｉを含む。シャフト部１３１ｉは、マウント部１３２ｉを介して、回転軸ＲＡに沿った方向におけるガルバノミラー２の他端２ｄに接続されている。シャフト部１３１ｉは、回転軸ＲＡに沿った方向に延びている。
【００４２】
軸受け１６ｉは、シャフト部１３１ｉをガルバノミラー２の一端２ｄ側で回転可能に（例えば、回転自由に）支持する。すなわち、ミラーマウント１３ｉのシャフト部１３１ｉは、軸受け１６ｉによってガルバノスキャナ１ｉの筐体（図示せず）に回転可能に支持されている。シャフト部１３１ｉは、シャフト部３１と同軸であり、回転軸ＲＡに沿った方向へ延びている。
【００４３】
実施の形態１のように、ガルバノミラー２の片端（一端２ｃ側）を回転可能に支持している場合、ガルバノミラー２の反射面２ａの面外方向の面倒れ振動の向上に限界がある。
【００４４】
それに対して、実施の形態２では、回転軸ＲＡに沿った方向におけるガルバノミラー２の両側（一端２ｃ側及び他端２ｄ側）に軸受け６、１６ｉを配置しガルバノミラー２を回転可能に支持する構成としている。これにより、揺動機構ＳＷＭは、シャフト部３１が軸受け６により支持されるとともにシャフト部１３１ｉが軸受け１６ｉにより支持された状態で、ガルバノミラー２を揺動させる。この結果、ガルバノミラー２の面外方向の面倒れ振動をさらに抑制できるので、大型のガルバノミラーを用いる場合、あるいは揺動角度の大きい場合において揺動機構が大型な、すなわち慣性モーメントが大きいガルバノミラーを用いる場合においても、ガルバノミラー２を高精度に位置決めすることがさらに容易になる。
【００４５】
実施の形態３．
次に、実施の形態３にかかるガルバノスキャナ１ｊについて、図３及び図４を参照して説明する。図３は、実施の形態３にかかるガルバノスキャナ１ｊの内部構成を示す側面図である。図４は、実施の形態３にかかるガルバノスキャナ１ｊにおけるガルバノミラー２ｊの背面構造と可動子取り付け板２１とを示す図である。図４（ａ）は、ガルバノミラー２ｊ及び可動子取り付け板２１の側面図であり、図４（ｂ）は、ガルバノミラー２ｊ及び可動子取り付け板２１の背面図であり、図４（ｃ）は、ガルバノミラー２ｊ及び可動子取り付け板２１の正面図である。以下では、実施の形態１及び実施の形態２と異なる点を中心に説明する。
【００４６】
図３に示すガルバノスキャナ１ｊにおけるガルバノミラー２ｊは、図４に示すように、主構造部材２２ｊ、及び複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８を有する。主構造部材２２ｊは、可動子取り付け板２１と交差するように、反射面２ａに沿いながら回転軸ＲＡに沿った方向へ延びている。複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８は、回転軸ＲＡに沿った方向における可動子取り付け板２１の両側に配され、主構造部材２２ｊと交差するように、回転軸ＲＡに略垂直にそれぞれ延びている。複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８は、ガルバノミラー２ｊを揺動させる際に１対の固定コイル５１、５２と干渉しないように、可動子取り付け板２１の背面２ｂから突出している（図３参照）。具体的には、図４（ｂ）に示すように、複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８は、反射面２ａに垂直な方向から透視した場合に、１対の固定コイル５１、５２のいずれにも重ならないように、回転軸ＲＡに略垂直にそれぞれ延びている。
【００４７】
実施の形態１および実施の形態２においては、複数のリブ２３１〜２３８のうちの一部のリブ２３２、２３６が１対の固定コイル５１、５２と干渉する位置において背面２ｂから突出している（図１、図２参照）。これにより、図５（ａ）に示すようにガルバノミラーの背面のリブと固定コイルとの干渉を避けようとした場合に、揺動角度を拡大する（例えばα°より大きくする）ことが困難な傾向にある。
【００４８】
それに対して、実施の形態３では、複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８が１対の固定コイル５１、５２と干渉しないような位置において背面２ｂから突出している（図３参照）。これにより、リブ高さを越えてガルバノミラー２ｊを揺動できるので、ガルバノミラーの背面のリブと固定コイルとの干渉を避けようとした場合でも、揺動角度を例えばβ°（＞α°）へ拡大できる（図５（ｂ）参照）。
【００４９】
また、実施の形態１および実施の形態２においては、複数のリブ２３１〜２３８のうちの一部のリブ２３２、２３６が１対の固定コイル５１、５２と干渉する位置において背面２ｂから突出しているので、ガルバノミラーの背面のリブと固定コイルとの干渉しない範囲で所定の揺動角度（例えばα°）を確保しようとした場合、１対の固定コイル５１、５２と回転軸ＲＡとの距離を近づける（例えばＤ１より小さくする）ことが困難な傾向にある。これにより、固定コイル５１、５２と対面すべき可動磁石４１、４２と回転軸ＲＡとの距離も近づける（例えばＤ１より小さくする）ことが困難な傾向にある。
【００５０】
それに対して、実施の形態３では、複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８が１対の固定コイル５１、５２と干渉しないような位置において背面２ｂから突出しているので、ガルバノミラーの背面のリブと固定コイルとの干渉しない範囲で所定の揺動角度（例えばα°）を確保しようとした場合に、１対の固定コイル５１、５２と回転軸ＲＡとの距離を例えばＤ２（＜Ｄ１）まで近づけることができる（図５（ｃ）参照）。これにより、固定コイル５１、５２と対面すべき可動磁石４１、４２と回転軸ＲＡとの距離も例えばＤ２（＜Ｄ１）まで近づけることができる（図５（ｃ）参照）。
【００５１】
この結果、可動子取り付け板及び可動子（可動磁石）の慣性モーメント（イナーシャ）を低減できるので、ガルバノスキャナの固有振動数をさらに向上させることができる。したがって、位置決め周波数がさらに高くできるので、ガルバノミラーをさらに高速に位置決めすることができる。それとともに、可動子取り付け板及び可動子（可動磁石）と固定子（固定コイル）とを小型化できるので、ガルバノスキャナの小型化が容易になる。
【００５２】
また、実施の形態１および実施の形態２においては、複数のリブ２３１〜２３８のうちの一部のリブ２３２、２３６が１対の固定コイル５１、５２と干渉する位置において背面２ｂから突出しているので、ガルバノミラーの背面のリブと固定コイルとの干渉しない範囲で所定の揺動角度（例えばα°）を確保しようとした場合、回転軸ＲＡからのリブ２３１〜２３８の最大高さを高くする（例えばＨ１より高くする）ことが困難な傾向にある。
【００５３】
それに対して、実施の形態３では、複数のリブ２３ｊ１〜２３ｊ８が１対の固定コイル５１、５２と干渉しないような位置において背面２ｂから突出しているので、ガルバノミラーの背面のリブと固定コイルとの干渉しない範囲で所定の揺動角度（例えばα°）を確保しようとした場合に、回転軸ＲＡからのリブ２３ｊ１〜２３ｊ８の最大高さを例えばＨ２（＞Ｈ１）まで高くすることができる（図５（ｄ）参照）。
【００５４】
この結果、ガルバノミラーの面外曲げ剛性及びねじり剛性をさらに向上させることができるとともに、固有振動数を向上できる。したがって、位置決め周波数がさらに高くできるので、ガルバノミラーをさらに高速に位置決めすることができる。
【００５５】
なお、上記の各実施の形態においては、可動子取り付け板２１の表裏面に１対の可動磁石４１、４２が１対の可動子として取り付けられた可動磁石型のガルバノスキャナの場合を説明したが、可動子取り付け板２１の表裏面に１対の可動コイルを１対の可動子として取り付け、１対の可動コイルの両側に１対の可動コイルを挟むように１対の固定磁石を１対の固定子として配置してもよい。すなわち、１対の可動子としての１対の可動コイルは１対の固定磁石の磁界中に配置されており、１対の可動コイルと１対の可動コイルを挟むように配された１対の固定磁石とによって揺動機構が構成されている可動コイル型のガルバノスキャナであっても構わない。
【００５６】
また、エンコーダ板は、光が透過する透過型光エンコーダとして説明したが、光を反射する反射型エンコーダであっても構わない。また、エンコーダ板は、インクリメンタル型であっても絶対値型であっても構わない。
【００５７】
また、上記の各実施の形態におけるガルバノスキャナは例えばレーザ加工装置（図示せず）に適用できる。すなわち、レーザ加工装置は、ガルバノスキャナに加えて、レーザ光源（図示せず）、及びステージ（図示せず）を備える。ステージには、その上に被加工物が載置されている。レーザ光源は、レーザ光を出射する。ガルバノスキャナは、上記のようにガルバノミラーを位置決めした状態で、レーザ光源から受けた光をガルバノミラーの反射面で反射させるとともに所定の角度に偏光させてステージ上に載置された被加工物へ照射する。そして、ガルバノスキャナは、さらに次の位置にガルバノミラーを位置決めした状態で、レーザ光源から受けた光をガルバノミラーの反射面で反射させるとともに所定の角度に偏光させてステージ上に載置された被加工物へ照射する。このような動作を繰り返していき、ガルバノスキャナは、被加工物を加工するように、レーザ光源から出射されたレーザ光を被加工物上で走査させる。これにより、被加工物を高速且つ高精度に加工することができる。
【００５８】
あるいは、上記の各実施の形態におけるガルバノスキャナは、レーザ加工装置以外のレーザ光またはレーザ光以外の光ビームを偏向するあらゆる装置に用いることができる。ガルバノスキャナにおけるその他の部分の構成、形状、材料、大きさ、数量、接続関係等についても、上記各実施の形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上のように、本発明にかかるガルバノスキャナ及びレーザ加工装置は、レーザ光を用いた被加工物の加工に有用である。
【符号の説明】
【００６０】
１、１ｉ、１ｊ ガルバノスキャナ
２、２ｊ ガルバノミラー
３、１３ｉ ミラーマウント
６、１６ｉ 軸受け
７ エンコーダ板
８ マウント
９ 発光部
１０ 受光部
２１ 可動子取り付け板
３１、１３１ｉ シャフト部
３２、１３２ｉ マウント部
４１、４２ 可動磁石
５１、５２ 固定コイル
５３ 角度指令発生部
５４ サーボアンプ
５５ リード線
５６ アンプ
５７ カウンタ
２３１〜２３８、２３ｊ１〜２３ｊ８ リブ
ＲＡ 回転軸
ＳＷＭ 揺動機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを反射させるとともに所定の角度に偏向させる反射面と前記反射面の反対側の背面とを有するガルバノミラーと、
回転軸の回りに前記ガルバノミラーを揺動させ位置決めする揺動機構と、
前記回転軸に沿った方向における前記ガルバノミラーの一端に接続され、前記回転軸に沿って延びたシャフトと、
前記シャフトを前記ガルバノミラーの前記一端側で回転可能に支持する軸受けと、
前記ガルバノミラーの前記背面から前記揺動機構まで突出するように前記回転軸に対して略垂直に延びた半円状板と、
を備え、
前記揺動機構は、
前記半円状板の表裏面に取り付けられた１対の可動子ユニットと、
前記１対の可動子ユニットを挟むように配された１対の固定子ユニットと、
を有し、
前記揺動機構は、前記半円状板を介して前記ガルバノミラーを揺動させる際に、前記１対の可動子ユニットと前記１対の固定子ユニットとの間における前記反射面の面外方向の磁気的力が排除されるように磁気的力の主方向が前記反射面の面内方向及び前記回転軸に沿った方向と平行になるとともに、磁気的力を相殺するように、前記１対の固定子ユニットが前記１対の可動子ユニットを挟むように配された状態が維持される
ことを特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項２】
前記回転軸に沿った方向における前記ガルバノミラーの他端に接続され、前記回転軸に沿って延びた第２のシャフトと、
前記第２のシャフトを前記ガルバノミラーの前記他端側で回転可能に支持する第２の軸受けと、
をさらに備え、
前記揺動機構は、前記シャフトが前記軸受けにより支持されるとともに前記第２のシャフトが前記第２の軸受けにより支持された状態で、前記ガルバノミラーを揺動させる
ことを特徴とした請求項１に記載のガルバノスキャナ。
【請求項３】
前記ガルバノミラーは、前記ガルバノミラーを揺動させる際に前記１対の固定子ユニットと干渉しないように前記背面から前記揺動機構側へ突出するように前記回転軸に対して略垂直に延びた複数のリブを前記回転軸に沿った方向における前記半円状板の両側に有する
ことを特徴とした請求項１又は２に記載のガルバノスキャナ。
【請求項４】
レーザ光源と、
被加工物が載置されたステージと、
前記被加工物を加工するように、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記被加工物上で走査させる請求項１から３のいずれか１項に記載のガルバノスキャナと、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１】
光ビームを反射させるとともに所定の角度に偏向させる反射面と前記反射面の反対側の背面とを有するガルバノミラーと、
回転軸の回りに前記ガルバノミラーを揺動させ位置決めする揺動機構と、
前記回転軸に沿った方向における前記ガルバノミラーの一端に接続され、前記回転軸に沿って延びたシャフトと、
前記シャフトを前記ガルバノミラーの前記一端側で回転可能に支持する軸受けと、
前記ガルバノミラーの前記背面から前記揺動機構まで突出するように前記回転軸に対して略垂直に延びた半円状板と、
を備え、
前記揺動機構は、
前記半円状板の表裏面に取り付けられた１対の可動子ユニットと、
前記１対の可動子ユニットを挟むように配された１対の固定子ユニットと、
を有し、
前記揺動機構は、前記半円状板を介して前記ガルバノミラーを揺動させる際に、前記１対の可動子ユニットと前記１対の固定子ユニットとの間における前記反射面の面外方向の磁気的力が排除されるように磁気的力の主方向が前記反射面の面内方向及び前記回転軸に沿った方向と平行になるとともに、磁気的力を相殺するように、前記１対の固定子ユニットが前記１対の可動子ユニットを挟むように配された状態が維持される
ことを特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項２】
前記回転軸に沿った方向における前記ガルバノミラーの他端に接続され、前記回転軸に沿って延びた第２のシャフトと、
前記第２のシャフトを前記ガルバノミラーの前記他端側で回転可能に支持する第２の軸受けと、
をさらに備え、
前記揺動機構は、前記シャフトが前記軸受けにより支持されるとともに前記第２のシャフトが前記第２の軸受けにより支持された状態で、前記ガルバノミラーを揺動させる
ことを特徴とした請求項１に記載のガルバノスキャナ。
【請求項３】
前記ガルバノミラーは、前記ガルバノミラーを揺動させる際に前記１対の固定子ユニットと干渉しないように前記背面から前記揺動機構側へ突出するように前記回転軸に対して略垂直に延びた複数のリブを前記回転軸に沿った方向における前記半円状板の両側に有する
ことを特徴とした請求項１又は２に記載のガルバノスキャナ。
【請求項４】
レーザ光源と、
被加工物が載置されたステージと、
前記被加工物を加工するように、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記被加工物上で走査させる請求項１から３のいずれか１項に記載のガルバノスキャナと、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２４２６４４（Ｐ２０１１−２４２６４４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１５４０２（Ｐ２０１０−１１５４０２）
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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