JP2009509201A - 高出力レーザ使用事例に用いられるシングルミラースキャナ装置 - Google Patents

Abstract

シングルミラースキャナ装置（１）であって、スキャナミラー（２）が設けられており、該スキャナミラー（２）が、第１の軸線（４）を中心としてフレーム（９）に回動可能に支承されており、該フレーム（９）が、第１の回動軸線（４）に対して直交する第２の軸線（５）を中心として回動可能に支承されており、さらに、スキャナミラー（２）を第１の回動軸線（４）および第２の回動軸線（５）を中心としてその都度旋回させるための互いに独立した２つの駆動装置が設けられている形式のものにおいて、本発明によれば、両駆動装置が、リニア駆動装置（６，７）であり、一方のリニア駆動装置（６）が、第１の回動軸線（４）に対して偏心的にスキャナミラー（２）にまたはフレーム（９）に作用するようになっており、他方のリニア駆動装置（７）が、第２の回動軸線（５）に対して偏心的にスキャナミラー（２）に作用するようになっている。

Description

本発明は、シングルミラースキャナ装置であって、スキャナミラーが設けられており、該スキャナミラーが、第１の軸線を中心としてフレームに回動可能に支承されており、該フレームが、第１の回動軸線に対して直交する第２の軸線を中心として回動可能に支承されており、さらに、スキャナミラーを第１の回動軸線および第２の回動軸線を中心としてその都度旋回させるための互いに独立した２つの駆動装置が設けられている形式のものに関する。

このような形式のシングルミラースキャナ装置は、たとえば米国特許第２００４／０００４７７５号明細書またはドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９６３３８２号明細書によって公知になっている。

高出力レーザ放射線のビームガイドに用いられるたいていのスキャナシステムは、互いに独立して運転される２つのミラーに基づいている。両ミラーはビームをそれぞれ１つの軸で変位させる。このことは、両軸が互いに異なる動特性を有しているという欠点を生ぜしめる。なぜならば、第２のミラーが第１のミラーよりも大きくなければならないからである。さらに、互いに異なる２つの回動軸が空間内に生ぜしめられる。このことは、後置された焦点調節光学系（エフシータレンズ）の設計を困難にする。更なる欠点は、このレンズからの両回動軸の間隔が互いに異なっていなければならず、この理由から、スキャンフィールドが楕円形になることにある。これらの欠点は、シングルミラースキャナシステムによって取り除かれる。このシングルミラースキャナシステムでは、ただ１つの運動させられるミラーがビーム変向を、互いに直交する２つの軸で許容する。このようなシングルミラースキャナシステムは、一般的に、転がり軸受けまたは滑り軸受けにカルダン式に懸吊されたミラーが、独立した２つの駆動装置によって運動させられるように実現されている。この場合、一方の駆動ユニットは、前置された第２の駆動ユニットによって連動される。これもやはり、両軸の動特性が極めて著しく互いに異なっていることを生ぜしめる。この軸受けコンセプトは、それぞれ単に一点で運動させられ、全周にわたって運動させられない、すなわち、したがって、多かれ少なかれ激しい摩耗を受ける滑り軸受けまたは転がり軸受けが使用されるという欠点を有している。さらに、この軸受けを潤滑する必要性がある。このことは、潤滑物質のガス発生に基づき問題となり得る。

冒頭に記載した米国特許第２００４／０００４７７５号明細書およびドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９６３３８２号明細書に基づき、ねじり固体支承部に支承されたスキャナミラーを備えたシングルミラースキャナシステムが公知である。しかし、この公知のシステムは、特にレーザプリンタにおける使用事例に用いられるマイクロミラーである。このマイクロミラーは静電的なまたは磁気的な相互作用によって小さな角度だけ静止位置から変位させられる。しかし、このように支承されたスキャナミラーを、高い出力のレーザ放射線によるレーザ材料加工、たとえばレーザマーキング、マイクロ材料加工またはレーザ溶接における使用事例に対して使用するためには、スキャナミラーをより大きな角度だけ変位させることができなければならない。

したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式のシングルミラースキャナ装置を改良して、スキャナミラーのより大きな変位角が可能となるようにすることである。

この課題を解決するために本発明の構成では、両駆動装置が、リニア駆動装置であり、一方のリニア駆動装置が、第１の回動軸線に対して偏心的にスキャナミラーにまたはフレームに作用するようになっており、他方のリニア駆動装置が、第２の回動軸線に対して偏心的にスキャナミラーに作用するようになっているようにした。

本発明の有利な構成によれば、変位させられていないスキャナミラーの場合に、両リニア駆動装置の駆動軸が、両回動軸線によって展開された平面に対して直角に延びている。

本発明の有利な構成によれば、スキャナミラーもしくはスキャナミラーを支持するミラーホルダが、フレームに第１の回動軸線を中心としたねじり回動支承部を介して支承されている。

本発明の有利な構成によれば、フレームが、外側のフレームに第２の回動軸線を中心としたねじり回動支承部を介して支承されている。

本発明の有利な構成によれば、内側のフレームと、外側のフレームと、ミラーホルダと、ねじり回動支承部とが、モノリシックに形成されている。

本発明の有利な構成によれば、両リニア駆動装置の駆動軸が、同軸的にまたは相並んで平行に延びている。

本発明の有利な構成によれば、両リニア駆動装置が、スキャナミラーに対して連続して配置されている。

本発明の有利な構成によれば、後方のリニア駆動装置の駆動軸が、前方のリニア駆動装置の孔を通って延びている。

本発明の有利な構成によれば、リニア駆動装置および／または駆動軸が、ダイヤフラムばねを介して支承されている。

本発明の有利な構成によれば、少なくとも一方、有利には両方のリニア駆動装置が、ムービングコイル駆動装置である。

スキャナミラーを運動させるための２つのショートストロークリニアユニットを備えた本発明によるシングルミラースキャナ装置は、駆動力がリニア駆動装置の最小の運動でスキャナミラーの比較的大きな回動を生ぜしめるという主要な利点を有している。

有利には、変位させられていないスキャナミラーの場合に、両リニア駆動装置の駆動軸が、両回動軸線によって展開された平面に対して直角に延びている。

本発明の有利な構成では、スキャナミラーもしくはスキャナミラーを支持するミラーホルダが、フレームに第１の回動軸線を中心としたねじり回動支承部を介して支承されており、フレームが、外側のフレームに第２の回動軸線を中心としたねじり回動支承部を介して支承されていることが提案されている。この場合、有利には、内側のフレームと、外側のフレームと、ミラーホルダと、ねじり回動支承部とが、モノリシックに形成されている。ミラーホルダの傾倒時に決して摩擦は生ぜしめられない。ねじり回動支承部の適正な設計によって、このねじり回動支承部に生ぜしめられる応力が、支承部材料の引張り強度に比べて十分に小さく、これによって、ねじり回動支承部が実際に摩耗なしに作業することを達成することができる。さらに、ねじり回動支承部の運転のために、潤滑物質は不要となる。

本発明の別の有利な構成では、両リニア駆動装置の駆動軸が、同軸的にまたは相並んで平行に延びているかまたは両リニア駆動装置が同一に形成されている。有利には、両リニア駆動装置が、スキャナミラーに対して連続して配置されている。この場合、有利には、後方のリニア駆動装置の駆動軸が、前方のリニア駆動装置の孔を通って延びている。この孔によって、後方のリニア駆動装置のストローク運動を駆動軸を介して直接スキャナミラーもしくはスキャナミラーのミラー支承手段に伝達することが可能となる。したがって、両駆動軸が完全に互いに独立してかつほぼ同じ動特性でスキャナミラーの両回動軸線に作用することができる。リニア駆動装置および／または駆動軸が、有利には、固体支承部としてのダイヤフラムばねを介して支承されている。この支承部は駆動軸の高動的な運動を可能にし、摩耗を受けない。

有利には、両リニア駆動装置が、それぞれ数ミリメートルのストロークを備えた独立した２つのムービングコイル駆動装置である。

本発明の対象の更なる利点および有利な構成は、明細書、図面の簡単な説明および特許請求の範囲から知ることができる。また、前述した特徴と、さらに引き続き記載する特徴とは、それぞれ単独で使用することもできるし、複数を任意に組み合わせて使用することもできる。図説する構成は、確定的な列挙と解されるものではなく、むしろ、本発明を説明するための例示的な特徴を有している。

図１に示したシングルミラースキャナ装置１は、二軸フレキシブルジョイント３を介して、互いに直交した２つの軸線４，５を中心として回動可能に支承されたスキャナミラー２と、このスキャナミラー２を第１の回動軸線４および第２の回動軸線５を中心としてその都度旋回させるための、ムービングコイル駆動装置として形成された互いに独立したショートストロークリニア駆動装置６，７とを有している。

図２に示したように、二軸フレキシブルジョイント３は、スキャナミラー２を支持する円形のミラーホルダ８を有している。このミラーホルダ８は、長方形の内側のフレーム９内に第１の回動軸線４を中心としたそれぞれ２つのねじり回動支承部１０を介して支承されている。内側のフレーム９は、円形の外側のフレーム１１内に第２の回動軸線５を中心としたそれぞれ２つのねじり回動支承部１２を介して支承されている。図示の実施例では、ねじり回動支承部１０，１２が、それぞれ二重ウェブによって形成されている。この二重ウェブは細くかつ高く形成されており、これによって、二重ウェブが、ねじりに対しては比較的軟性的となるものの、撓みに対しては剛性的となる。二軸フレキシブルジョイント３はモノリシックに製造されていてもよいし、相応のエレメントから組み合わされていてもよい。ミラーホルダ８の傾倒時に決して摩擦は生ぜしめられない。二軸フレキシブルジョイント３の適正な設計によって、このフレキシブルジョイント３に生ぜしめられる応力が、支承部材料の引張り強度に比べて十分に小さく、これによって、ねじり回動支承部１０，１２が実際に摩耗なしに作業することを達成することができる。さらに、ねじり回動支承部１０，１２の運転のために、潤滑物質は不要となる。

両ムービングコイル駆動装置６，７は同一に形成されていて、スキャナミラー２に対して連続して配置されている。この場合、後方のムービングコイル駆動装置６は、第１の回動軸線４を中心としたスキャナミラー２の旋回のために働き、前方のムービングコイル駆動装置７は、第２の回動軸線５を中心としてスキャナミラー２の旋回のために働く。

前方のムービングコイル駆動装置７は、定置の永久磁石１３と、この永久磁石１３を取り囲む、摺動可能にガイドされたムービングコイル１４と、このムービングコイル１４の後方の端部に取り付けられた、駆動軸としてプランジャ１５とを有している。ムービングコイル１４と、プランジャ１５の後方の端部とは、２つのダイヤフラムばね１６，１７によって支承されている。両ダイヤフラムばね１６，１７は互いに管１８を介して剛性的に連結されている。この管１８と、永久磁石１３に設けられた中心の孔１９とを通って、プランジャ１５が前方に二軸フレキシブルジョイント３の方向に延びている。後方のムービングコイル駆動装置６は類似に形成されている。この場合、この後方のムービングコイル駆動装置６のプランジャ（駆動軸）２０はプランジャ１５に並んで平行に管１８と前方のムービングコイル駆動装置７の中心の孔１９とを通って延びている。すなわち、両プランジャ１５，２０は、互いに平行に同じ移動方向（二重矢印２１参照）を備えて延びている。この場合、プランジャ２０は第１の回動軸線４に対して偏心的にかつプランジャ１５は第２の回動軸線５に対して偏心的にそれぞれミラーホルダ８に作用する。図１に示した変位させられていないスキャナミラー２の場合には、両ムービングコイル駆動装置６，７の移動方向２１が、両回動軸線４，５によって展開された平面に対して直角に延びている。数ミリメートルのストロークを備えた両ムービングコイル駆動装置６，７はその駆動軸１５，２０で完全に互いに独立してかつほぼ同じ動特性で二軸フレキシブルジョイント３の両回動軸線４，５に作用する。両ムービングコイル駆動装置６，７のムービングコイルの通電によって、プランジャ１５，２０が互いに独立して二重矢印２１の方向に移動させられ、これによって、ミラーホルダ８とスキャナミラー２とが各回動軸線４，５を中心として傾倒する。

本発明によるシングルミラースキャナ装置の縦断面図である。 スキャナミラーに用いられる、図１に示した二軸フレキシブルジョイントの詳細図である。

符号の説明

１ シングルミラースキャナ装置、 ２ スキャナミラー、 ３ 二軸フレキシブルジョイント、 ４ 回動軸線、 ５ 回動軸線、 ６ ムービングコイル駆動装置、 ７ ムービングコイル駆動装置、 ８ ミラーホルダ、 ９ フレーム、 １０ ねじり回動支承部、 １１ フレーム、 １２ ねじり回動支承部、 １３ 永久磁石、 １４ ムービングコイル、 １５ プランジャ、 １６ ダイヤフラムばね、 １７ ダイヤフラムばね、 １８ 管、 １９ 孔、 ２０ プランジャ、 ２１ 移動方向

Claims (10)

1. シングルミラースキャナ装置（１）であって、スキャナミラー（２）が設けられており、該スキャナミラー（２）が、第１の軸線（４）を中心としてフレーム（９）に回動可能に支承されており、該フレーム（９）が、第１の回動軸線（４）に対して直交する第２の軸線（５）を中心として回動可能に支承されており、さらに、スキャナミラー（２）を第１の回動軸線（４）および第２の回動軸線（５）を中心としてその都度旋回させるための互いに独立した２つの駆動装置が設けられている形式のものにおいて、
   両駆動装置が、リニア駆動装置（６，７）であり、一方のリニア駆動装置（６）が、第１の回動軸線（４）に対して偏心的にスキャナミラー（２）にまたはフレーム（９）に作用するようになっており、他方のリニア駆動装置（７）が、第２の回動軸線（５）に対して偏心的にスキャナミラー（２）に作用するようになっていることを特徴とする、シングルミラースキャナ装置。
2. 変位させられていないスキャナミラー（２）の場合に、両リニア駆動装置（６，７）の駆動軸（１５，２０）が、両回動軸線（４，５）によって展開された平面に対して直角に延びている、請求項１記載のシングルミラースキャナ装置。
3. スキャナミラー（２）もしくはスキャナミラー（２）を支持するミラーホルダ（８）が、フレーム（９）に第１の回動軸線（４）を中心としたねじり回動支承部（１０）を介して支承されている、請求項１または２記載のシングルミラースキャナ装置。
4. フレーム（９）が、外側のフレーム（１１）に第２の回動軸線（５）を中心としたねじり回動支承部（１２）を介して支承されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のシングルミラースキャナ装置。
5. 内側のフレーム（９）と、外側のフレーム（１１）と、ミラーホルダ（８）と、ねじり回動支承部（１０，１２）とが、モノリシックに形成されている、請求項３または４記載のシングルミラースキャナ装置。
6. 両リニア駆動装置（６，７）の駆動軸（１５，２０）が、同軸的にまたは相並んで平行に延びている、請求項１から５までのいずれか１項記載のシングルミラースキャナ装置。
7. 両リニア駆動装置（６，７）が、スキャナミラー（２）に対して連続して配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のシングルミラースキャナ装置。
8. 後方のリニア駆動装置（６）の駆動軸（２０）が、前方のリニア駆動装置（７）の孔（１９）を通って延びている、請求項７記載のシングルミラースキャナ装置。
9. リニア駆動装置（６，７）および／または駆動軸（１５，２０）が、ダイヤフラムばね（１６，１７）を介して支承されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のシングルミラースキャナ装置。
10. 少なくとも一方、有利には両方のリニア駆動装置（６，７）が、ムービングコイル駆動装置である、請求項１から９までのいずれか１項記載のシングルミラースキャナ装置。

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