JP2004271993A

JP2004271993A - スキャナ装置

Info

Publication number: JP2004271993A
Application number: JP2003063823A
Authority: JP
Inventors: Haruaki Otsuki; 治明大槻; Soichi Toyama; 聡一遠山; Atsushi Sakamoto; 淳坂本; Yaichi Okubo; 弥市大久保
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】短ストロークの走査を速やかに行うことができ、ビーム位置決め時間を短縮することができるスキャナ装置を提供すること。
【解決手段】電機子２５と永久磁石２６の間に発生する電磁駆動力により電機子２５に固定されたミラー２１を揺動させ、ミラー２１に入射する光を偏向させるようにしたガルバノスキャナ２０において、電機子２５の極数を４極以上とて大きなトルクを発生せ、あるいは、電機子２５に抵抗値が電機子２５の抵抗値の１／２以上の大きさの抵抗を直列に接続し、電機子２５と接続した抵抗の両端に電機子２５の定格電圧の１．５倍以上の電圧を供給して電気的時定数を短くし、あるいは、磁気回路にショーテッドターン２８を設ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁駆動力によりミラーを揺動させ、前記ミラーに入射する光を偏向させるようにしたスキャナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザを走査する機能を持つレーザ装置の一例であるプリント基板穴明け用のレーザ加工機は、レーザをパルス状にプリント基板に照射して、プリント基板の導体層間を接続するための穴を明ける装置である。このようなプリント基板穴明け用レーザ加工機を図面により説明する。
【０００３】
図７は、従来のプリント基板穴明け用のレーザ加工機の光学系の構成図、図８は、従来のガルバノスキャナ（スキャナ装置）の構造図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。また、図９はガルバノスキャナの駆動回路図である。
【０００４】
図８に示すように、ミラー３１は、ガルバノスキャナ３０のスキャナ軸３２に固定されている。スキャナ軸３２は、軸受３３によってアウターヨーク兼ハウジング３４に揺動（回転）可能に支持されている。スキャナ軸３２には、四角の枠状に巻かれた電機子コイル３５が串刺し状に固定されており、コイル３５の２つの長辺が永久磁石３６と磁性材であるインナーヨーク３７により形成される円周状の磁気ギャップ部を回転できる構造になっている。そして、電機子コイル３５に電流を供給すると、電機子コイル３５の２つの長辺にローレンツ力が偶力として作用し、電機子コイル３５が固定されているスキャナ軸３２を揺動させる。スキャナ軸３２には回転角検出器３８が取り付けられており、ミラー３１の傾き角を電気信号として得ることができる。なお、固定子をコイル、回転子を永久磁石とするガルバノスキャナもある。
【０００５】
図９に示すように、ガルバノスキャナ３０は、正電源Ｖｐ２とアースＧＮＤに接続されたＦＥＴブリッジ回路７２により駆動される。ガルバノスキャナ３０の揺動角は、回転角検出器３８により電圧信号として検出され、サーボ制御回路８０にフィードバックされる。また、ガルバノスキャナ３０の電機子コイル３５に流れる電流は、直列に挿入された抵抗７６と、抵抗７６の端子電圧を検出する差動増幅器７８により電圧信号として検出され、サーボ制御回路８０にフィードバックされる。サーボ制御回路８０は、ゲートドライブ回路７４を介してＦＥＴブリッジ７２を動作させることによりガルバノスキャナ３０を駆動する。
【０００６】
電源Ｖｐ２の大きさは、ガルバノスキャナ３０の定格値に基づいて定められ、電流検出用抵抗７６の値Ｒ２はガルバノスキャナ３０の電機子コイル３５の抵抗に比べて十分小さい値に設定されている。
【０００７】
図７に示すように、レーザ発振器１０からパルス状に出力されるレーザビーム１１は、コリメータ光学系１２を経由してミラー１３ａにより反射され、アパーチャ１４により外形を整形される。そして、ミラー１３ｂにより反射されてガルバノミラー３０ａのミラー３１ａに入射し、ミラー３１ａの角度に応じて進行方向を変えられた後、ガルバノミラー３０ｂのミラー３１ｂに入射し、ミラー３１ｂの角度に応じて進行方向を変えられてＦθレンズ４１に入射し、ＸＹテーブル５３に支持されたプリント基板５１に垂直に入射して、穴を加工する。ＸＹテーブル５３は、モータによりボールねじを介して直線運動するテーブルを駆動する機構を、運動方向を９０゜変えて重ねた構造になっている。
【０００８】
ガルバノミラーを制御するガルバノミラーサーボ機構は、質量が小さいミラーを駆動するものであるため、応答周波数は高い。しかし、ガルバノミラーがレーザビームを走査できる領域はプリント基板のサイズに比べて小さい。一方、ＸＹテーブルを制御するＸＹテーブルサーボ機構は、質量が大きいＸＹテーブルを駆動するものであるため、応答周波数は低い。しかし、レーザビームを走査できる領域は大きい。
【０００９】
そこで、プリント基板の穴加工を行う際には、ＸＹテーブルを駆動して加工すべき対象領域をガルバノミラーの走査可能範囲に位置決めした後、ガルバノミラーの位置決めとレーザビームの照射を繰り返して加工を行う。対象領域の加工が終了すると、次の加工対象領域がガルバノミラーの走査可能範囲に来るように、ＸＹテーブルを駆動してプリント基板を位置決めし直す。以上を繰り返してプリント基板全面の加工を行う。
【００１０】
このようなプリント基板穴明け用のレーザ加工機は、例えば特開２０００−２１０７８６号に示されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００―２１０７８６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
近年、電子機器の小型高機能化の進展に伴い、プリント基板の多層化、パターンの微細化が進んでいる一方で、常に生産効率の向上が求められており、レーザ加工機のビーム位置決めを行うガルバノミラーサーボ機構も、高速高精度化を求められている。実基板の穴加工では、加工対象領域間の移動に要する時間に比べ、領域内でのビームの位置決めに要する時間の比率がはるかに大きい。特に、比較的短いストロークでのビーム位置決めの頻度が高く、この領域での応答性の向上が強く求められていた。
【００１３】
本発明の目的は、短ストロークの走査を速やかに行うことができ、ビーム位置決め時間を短縮することができるスキャナ装置を提供するにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、電機子と永久磁石の内の一方を回転子、他方を固定子として両者の間に発生する電磁駆動力により前記回転子に固定されたミラーを揺動させ、前記ミラーに入射する光を偏向させるようにしたスキャナ装置において、前記電機子の極数を４極以上とし、揺動範囲は小さいが大きなトルクを発生できるようにしたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項２の発明は、電機子と永久磁石の内の一方を回転子、他方を固定子として両者の間に発生する電磁駆動力により前記回転子に固定されたミラーを揺動させ、前記ミラーに入射する光を偏向させるようにしたスキャナ装置において、前記電機子に抵抗値が前記電機子の抵抗値の１／２以上の大きさの抵抗を直列に接続し、前記電機子と前記抵抗を接続したものの両端に前記電機子の定格電圧の１．５倍以上の電圧を供給することにより、前記電機子電流の立ち上がりを速くすることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項３の発明は、電機子と永久磁石の内の一方を回転子、他方を固定子として両者の間に発生する電磁駆動力により前記回転子に固定されたミラーを揺動させ、前記ミラーに入射する光を偏向させるようにしたスキャナ装置において、磁気回路に筒状の薄い導体（ショートリング）を設けることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１８】
図１は本発明に係るガルバノスキャナ（以下、「微動スキャナ」という。）の構造図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。また、図２はミラーの揺動角度を検出する検出手段の説明図である。
【００１９】
図１（ａ）に示すように、ミラー２１は、微動スキャナ２０のスキャナ軸２２に固定されており、スキャナ軸２２の揺動に応じて向きを変える。スキャナ軸２２は、軸受２３によってアウターヨーク兼ハウジング２４に揺動可能に支持されている。このスキャナ軸２２には、円筒面に沿って４つの四角の枠状に巻かれた電機子コイル２５が串刺し状に固定されており、このコイルの４つの長辺が、永久磁石２６と磁性材であるインナーヨーク２７により形成される円筒状の磁気ギャップ部を回転できる構造になっている。また、この磁気ギャップ部の永久磁石２６の表面には、起動速度を速くするため、薄い銅板を素材とする筒状のショートリング２８が貼り付けられている。このショートリングには、電機子コイル２５の電流の変化に伴ってうず電流が発生する。このうず電流は、電機子コイル２５の電流により発生する磁束の変化を妨げる効果を持つので、見かけ上のインダクタンスを相殺し、速やかな電流の立上がりを可能とする。
【００２０】
図１（ｂ）に示すように、微動スキャナ２０は４極構造を持ち、４つの永久磁石２６は、隣接する永久磁石同士が反対の極性になるように配置されている。微動スキャナ２０はガルバノスキャナ３０に比べて揺動角は小さくなるが、極数が倍になっているため、得られる駆動トルクは大きいので応答速度が速い。
【００２１】
電機子コイル２５に電流を供給すると、電機子コイル２５の４つの長辺部分にローレンツ力が作用し、向かい合う２辺同士の力が偶力として作用することにより、スキャナ軸２２が揺動する。
【００２２】
図２に示すように、ミラー２１は、ミラーマウント２１１によって、微動スキャナ２０のシャフト２２に固定されている。ミラーマウント２１１の裏側には、角度検出用の小型ミラー６２が取り付けられており、検出用レーザ６１から出た検出用レーザビーム６０は、この小型ミラー６２で反射されてビーム位置検出器６３に入射する。検出用レーザビーム６０の反射方向はシャフト２２の揺動角（回転角）に応じて変化し、これに伴ってビーム位置検出器６３上でのレーザスポット位置も変化するため、ミラー２１の揺動角を電気信号として得ることができる。
【００２３】
このようにミラーマウント部に反射ミラーを配置すると、ミラー倒れ振動の影響を小さく抑えることができるので、位置決め精度を向上させることができる。
【００２４】
なお、ここでは４極構造の微動スキャナとしたが、極数をさらに増やしたものでもよいし、固定子を電機子コイル、回転子を永久磁石にしてもよい。
【００２５】
また、ショートリングを永久磁石２６に設けたが、インナーヨーク２７に設けてもよい。この場合は、インナーヨーク２７の外周円筒面に薄い筒状の銅板を貼りつけることになる。
【００２６】
次に、本発明に基づく微動スキャナ（スキャナ装置）をプリント基板穴明け用のレーザ加工機に適用した場合について説明する。
【００２７】
図３は、図１に示す微動スキャナを適用するのに好適なレーザ加工機の光学系の構成図、図４は、ガルバノスキャナの駆動回路図、図５はサーボ制御回路の演算内容を示すブロック線図、図６はビーム走査制御系のブロック線図である。
【００２８】
図３において、レーザ発振器１０から出力されたレーザビーム１１は、ミラー１３ａ、ミラー１３ｂを介して、コリメータ１２やアパーチャ１４等で構成される光学的ビーム処理系を経て整形され、さらにミラー１３ｃ、ミラー１３ｄを介して２つの微動走査手段に入射する。この微動手段は上記図２により説明した微動スキャナ２０が採用されている。
【００２９】
第一の微動スキャナ２０（図３における符号２０ａ。以下、添字ａ、ｂを付して区別する。）は、基板上の走査方向がガルバノスキャナ３０ａの基板上の走査方向と同一になるように配置されており、図中奥方向から入射するビームをミラーで反射して図中下方向へと導くが、入射ビームと反射ビームの光路を含む平面内で、反射後のビームの方向を微小量ながら高速に偏向させる。すなわち、反射後のビームは図中前後方向、ＸＹテーブル上におけるスポット位置では図中左右方向（Ｙ軸方向）、に進路を変えられる。ビームの方向変化量を計測するため、第一の検出用レーザ６１ａと、これから照射されて微動スキャナ２０ａのミラーマウント部の背面側に設けられたミラーで反射されたビームの位置を計測するセンサ６３ａが設けられている。
【００３０】
第一の微動スキャナ２０ａを通過したビームは、次に、第二の微動スキャナ２０ｂに入射する。第二の微動スキャナ２０ｂは、基板上の走査方向がガルバノスキャナ３０ｂの基板上の走査方向と同一になるように配置されており、図中上方向から入射するビームをミラーで反射して図中左方向へと導くが、入射ビームと反射ビームの光路を含む平面内で、反射後のビームの方向を微小量ながら高速に偏向させる。すなわち、反射後のビームは図中上下方向、ＸＹテーブル上でのスポット位置では図中前後方向（Ｘ軸方向）、に進路を変えることができる。ビームの方向変化量を計測するため、第二の検出用レーザ６１ｂと、これから照射されて微動走査手段２１ｂのミラーマウント部の背面側で反射されたビームの位置を計測するセンサ６３ｂが設けられている。
【００３１】
第二の微動走査手段を通過したビームは、次に第一のガルバノスキャナ３０ａのミラー３１ａに入射する。ミラー３１ａは中立位置のときに図中右方向からの入射ビームを図中前方向に反射するが、角度を変えることにより、反射ビームの進路を図中水平面内、すなわちＸＹテーブル上のスポット位置では図中左右方向（Ｙ軸方向）に変化させる。
【００３２】
ミラー３１ａで反射されたビームは、次に第二のガルバノスキャナ３０ｂのミラーに入射する。このミラーは中立位置のときに図中奥方向からの入射ビームを図中下方向に反射するが、角度を変えることにより、反射ビームの進路を図中前後方向の垂直面内、すなわちＸＹテーブル上のスポット位置では図中前後方向（Ｘ軸方向）に変化させる。ミラー３１ｂで反射されたビームは、Ｆθレンズ４１を介して、ＸＹテーブル５３上に載置されたプリント基板５１に垂直に入射する。なお、ＸＹテーブル５３はベッド５４の上に搭載されている。
【００３３】
ここで、微動スキャナ２０ａ、２０ｂがミラー２１ａ、２１ｂを揺動させる角度範囲は、ガルバノスキャナ３０ａ、３０ｂがミラー３１ａ、３１ｂを揺動させる角度範囲に比べて狭い範囲である。
【００３４】
以上の構成では、プリント基板５１に入射するレーザビームは、微動スキャナ２０ａとガルバノスキャナ３０ａ（または微動スキャナ２０ｂとガルバノスキャナ３０ｂ）のミラー揺動角の和に応じてある線に沿って変位するので、２つのミラーの揺動角をコントロールすることによってレーザビームを目的の位置に照射することができる。
【００３５】
次に、制御回路について説明する。
【００３６】
図４に示すように、微動スキャナ２０は、正電源Ｖｐ１とアースＧＮＤに接続されたＦＥＴブリッジ回路７１により駆動される。スキャナ２０の揺動角は、図３で説明した構造の、検出用レーザ６１、小型ミラー６２、ビーム位置検出器６３からなる検出系により、電圧信号として検出され、サーボ制御回路８０にフィードバックされる。また、微動スキャナ２０の電機子に流れる電流は、直列に挿入された抵抗７５と、この抵抗の端子電圧を検出する差動増幅器７７により電圧信号として検出され、サーボ制御回路８０にフィードバックされる。
【００３７】
サーボ制御回路８０は、後述する制御演算処理を行って１軸毎（１方向毎）に設けられた微動スキャナ２０とガルバノスキャナ３０を協調駆動する操作量信号を算出し、ゲートドライブ回路７３を介してＦＥＴブリッジ７１を動作させて微動スキャナ２０を、また、ゲートドライブ回路７４を介してＦＥＴブリッジ７２を動作させてガルバノスキャナ３０を駆動する。
【００３８】
ここで、ガルバノスキャナ３０は上記従来の場合と同様に、電源Ｖｐ２の大きさはガルバノスキャナ３０の定格値に基づいて定められ、電流検出用抵抗７６の値Ｒ２は、ガルバノスキャナ３０の電機子の抵抗に比べて十分小さい値に設定されている。
【００３９】
一方、微動スキャナ２０側の電流検出用抵抗７５の値は、電機子の抵抗Ｒｓ１と同等な値に設定され、電源電圧Ｖｐ１は、微動スキャナ３０の定格値に対し、（Ｒｓ１＋Ｒ１）／Ｒｓ１倍にされている。このようにすると、微動スキャナ２０の電機子のインダクタンスをＬとすると、微動スキャナ２０の電機子の持つ電気的時定数をＬ／Ｒｓ１からＬ／（Ｒｓ１＋Ｒ１）に引き下げることができ、電流の立ち上がりを速めて、迅速な加減速特性を得ることができる。
【００４０】
図５は、本発明に基づく、微動スキャナ及びガルバノスキャナの動作を協調させる制御系を示すブロック線図であり、サーボ制御回路８０における演算処理内容に対応する。
【００４１】
目標軌道は目標変位ｒ、これに対応する目標速度ｒ’及び目標加速度ｒ’’として軌道生成部４１０で生成される。このうち、目標変位ｒは、低速位置決め系となるガルバノスキャナサーボ系の目標値となり、ガルバノスキャナ３０によるビームスポット変位量ｙ２と演算されて偏差ｅ２が算出される。偏差ｅ２はガルバノスキャナサーボ系の補償要素４７１に入力され、操作量に変換されて制御対象４７２の入力電圧信号として与えられる。制御対象４７２はガルバノスキャナ３０の動特性を含んでおり、出力はガルバノスキャナ３０によるビームスポット変位量ｙ２と電機子コイル３５を流れる電流ｉ２である。ガルバノスキャナ３０によるビームスポット変位量ｙ２はガルバノスキャナ３０の備えている検出器３８により検出され、電流ｉ２は直列抵抗７６あるいは電流検出器７８により検出される。
【００４２】
偏差ｅ２は微動スキャナ２０のサーボ系の目標値となり、微動スキャナ２０によるビームスポット変位量ｙ１と比較されて偏差ｅ１が算出される。
【００４３】
偏差ｅ１はＩ−ＰＤ動作を行う補償要素４２１で処理されて、制御対象４２２の電圧信号入力となる。微動スキャナ２０とアンプとを合わせた制御対象の伝達特性は、ほぼ１次遅れ特性と積分特性の積となり、制御対象の出力が微動走査手段によるビームスポット変位量ｙ１となる。状態推定手段４４１は、制御対象である微動スキャナ２０の変位量信号と電流信号を入力して推定速度信号ｙ１’を出力する。この微動スキャナサーボ系の伝達特性は式１で表される。この微動スキャナによるビームスポット変位量ｙ１と、前述のガルバノスキャナ３０によるビームスポット変位量ｙ２との和が、結果として生じるビームスポット変位量ｙになる。
【００４４】
【数１】

次に、オーバーシュートを抑制するための補償系について述べる。ガルバノスキャナサーボ系の出力であるビームスポット変位量ｙ２と電機子電流ｉ２は、状態推定手段４４２に入力されて、速度推定信号ｙ２’、加速度推定信号ｙ２’’が算出される。これらの信号は逆伝達関数補償信号生成部４５１において、前述の目標速度ｒ’及び目標加速度ｒ’’とそれぞれ比較演算されて速度偏差ｅ２’及び加速度偏差ｅ２’’が算出される。これらは偏差ｅ２と合わせて、それぞれ図中に示したゲインを乗じられて加算され、フィードフォワード信号ｖとして補償要素４２１の中で出力に加算される。このフィードフォワード信号をラプラス変換すると式２で表すことができ、偏差ｅ２の係数は、制御対象４２２と、補償要素４２１のうちの比例要素４２３及び微分要素４２５とを合わせた系の逆伝達関数である。式２を式１に代入すると、式３になる。したがって、この信号を入力された微動走査手段の出力ｙ１はｅ２に等しくなり、偏差ｅ１は０になる。一方、ビームスポット変位量ｙはｙ２とｅ２の和となるので、ビームスポットは目標軌道ｒに偏差なく追従し、位置決めの高速化が達成される。
【００４５】
【数２】

【数３】

ただし、以上は目標変位量が微動走査手段の動作範囲内である場合であって、目標変位量が、微動走査手段に揺動範囲を越える動作を要求する領域になると、動作が頭打ちになる部分が生じて目標軌道への追従はできなくなる。そこで、そのような場合には、２段位置決め系としての動作は行わず、ガルバノスキャナ３０のサーボ系のみで位置決めを行う。
【００４６】
なお、以上述べた制御系の構成は、アナログ回路とロジック回路を用いてもよいし、ディジタルプロセッサを用いても構成してもよい。
【００４７】
図６に示すように、数値制御装置９０から与えられる移動指令に応じて、加工機制御装置９１が、スキャナ装置、ＸＹテーブル、レーザ発振器等の要素を動作させる。中でも、スキャナ装置の制御を行うスキャナ制御装置９２は、スキャナ系に対する移動指令に応じて、２つのガルバノスキャナ及び２つの微動スキャナを制御してビームを走査する。ガルバノスキャナ３０ａ、３０ｂは、スキャナ制御装置９２からの信号に応じて、それぞれ駆動回路３１１、３２１により駆動される。ガルバノスキャナ３０ａ、３０ｂは位置検出器を備えており、各々のミラー角度は、それぞれ検出回路３１２、３２２により信号に変換されてスキャナ制御装置９２にフィードバックされる。一方、微動走査手段である微動ミラー２０ａ、２０ｂは、スキャナ制御装置９２からの信号に応じて、それぞれ駆動回路２５１、２６１により駆動される。各々のミラー角度は、それぞれセンサ６３ａ、６３ｂにより検出され、検出回路２５２、２６２により信号に変換されてスキャナ制御装置９２にフィードバックされる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スキャナ装置の応答速度を速くすることができるので、走査能率を向上させることができ、例えば、従来用いられているＸ軸あるいはＹ軸方向にビームを走査するガルバノスキャナに、本発明に係る短ストロークではあるが応答速度が速いガルバノスキャナをもう一段加え、両者の走査方向を同じ方向にして協調動作させることにより、作業能率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係るガルバノスキャナの構造図である。
【図２】ミラーの揺動角度を検出する検出手段の説明図である。
【図３】図１に示す微動スキャナを適用したレーザ加工機の光学系の構成図である。
【図４】本発明に係るガルバノスキャナの駆動回路図である。
【図５】本発明に係るサーボ制御回路の演算内容を示すブロック線図である。
【図６】本発明に係るビーム走査制御系のブロック線図である。
【図７】従来のプリント基板穴明け用のレーザ加工機の光学系の構成図である。
【図８】従来のガルバノスキャナの構造図である。
【図９】従来のガルバノスキャナの駆動回路図である。
【符号の説明】
２０ガルバノスキャナ
２１ミラー
２５電機子
２６永久磁石
２８ショートリング

Claims

電機子と永久磁石の内の一方を回転子、他方を固定子として両者の間に発生する電磁駆動力により前記回転子に固定されたミラーを揺動させ、前記ミラーに入射する光を偏向させるようにしたスキャナ装置において、
前記電機子の極数を４極以上としたことを特徴とする。
電機子と永久磁石の内の一方を回転子、他方を固定子として両者の間に発生する電磁駆動力により前記回転子に固定されたミラーを揺動させ、前記ミラーに入射する光を偏向させるようにしたスキャナ装置において、
前記電機子に抵抗値が前記電機子の抵抗値の１／２以上の大きさの抵抗を直列に接続し、前記電機子と前記抵抗を接続したものの両端に前記電機子の定格電圧の１．５倍以上の電圧を供給することを特徴とするスキャナ装置。
電機子と永久磁石の内の一方を回転子、他方を固定子として両者の間に発生する電磁駆動力により前記回転子に固定されたミラーを揺動させ、前記ミラーに入射する光を偏向させるようにしたスキャナ装置において、
磁気回路に筒状の薄い導体を設けることを特徴とするスキャナ装置。