JP5854894B2 - ガルバノスキャナ - Google Patents

Description

本発明は、回転ミラーで光ビームを反射し、進行方向を変化させるガルバノスキャナに関する。

プリント基板への穴開け加工等に適用されるレーザドリルに、ガルバノスキャナが用いられる。ガルバノスキャナは、回転ミラーを回転させることによってレーザビームの進行方向を変化させ、プリント基板の所望の位置（加工点）にレーザビームを入射させる。複数の加工点に順番にレーザビームを入射させて穴開け加工を行う場合、レーザビームの入射位置の移動時間を短くすることが好ましい。この移動時間を短くするために、回転ミラーの角度方向に関する位置決め時間を短くする工夫がなされている。

一般的なガルバノスキャナでは、回転軸の一端に回転ミラーが取り付けられ、他端にエンコーダの回転盤が取り付けられている。特許文献１に開示されたガルバノスキャナにおいては、回転ミラーの近傍に慣性負荷が固定される。この慣性負荷により、ねじれの節をエンコーダの円盤から遠ざけ、可動コイルの内側に移動させる。この構成を採用することにより、１次モードの共振周波数を高くすることができる。

特許文献２に開示されたガルバノスキャナにおいては、回転軸の軸径を調節することにより、回転ミラーの高速位置決めを可能にしている。特許文献３に開示されたスキャナでは、アクチュエータ、回転ミラー等の支持系の共振周波数に等しい固有振動数を有する動吸収器を設けることにより、回転ミラーの振動を抑制している。

特開２００４−２９１０９号公報 特開２００４−２３３８２５号公報 特開２００８−２９８８５７号公報

本発明の目的は、共振を抑制し、周波数応答特性をより高めることができるガルバノスキャナを提供することである。

本発明の一観点によると、
回転軸と、
前記回転軸の一方の端部に取り付けられ、前記回転軸とともに回転する回転部を含むエンコーダと、
前記回転軸の他方の端部に取り付けられ、前記回転軸と共に回転する回転ミラーと
前記回転軸の両端の間のトルク発生部分にトルクを発生させるモータと
を有し、
前記モータによって前記トルク発生部分にトルクを発生させる場合の、前記トルクから前記エンコーダの前記回転部の回転方向の変位量までの伝達関数から求まる周波数応答特性の反共振点における利得と１次共振点における利得との差が３０ｄＢ以下になるように、前記トルク発生部分と前記回転軸の前記エンコーダ側の端部との間のエンコーダ側部分のねじり剛性と、前記トルク発生部分と前記回転軸の前記回転ミラー側の端部との間のミラー側部分のねじり剛性との関係が調整されているガルバノスキャナが提供される。

ねじり剛性を調整することにより、周波数応答特性を改善することができる。これにより、回転ミラーの整定時間を短縮することが可能になる。

図１は、実施例によるガルバノスキャナの側面図である。 図２は、実施例によるガルバノスキャナの周波数応答特性を求めるためのモデルを示す模式図である。 図３は、制振構造を採用しないモデル、及び制振構造を採用したモデルの速度閉ループ周波数応答特性のシミュレーション結果を示すグラフである。 図４は、実施例の変形例によるガルバノスキャナの側面図である。 図５は、制振構造を採用しないモデル、及び制振構造を採用したモデルの速度指令値の時間変動及び回転ミラーの目標位置からの位置偏差を示すグラフである。

図１に、実施例によるガルバノスキャナの側面図を示す。回転軸２１の一方の端部に回転ミラー２０が取り付けられ、他方の端部にエンコーダの回転盤（回転部）２２が取り付けられている。回転ミラー２０及び回転盤２２は、回転軸２１と共に回転する。モータ２３が、回転軸２１の両端の間に画定されたトルク発生部分２１Ｔにトルクを発生する。すなわち、トルク発生部分２１Ｔが、モータ２３のロータとして働く。

回転軸２１のミラー側の端部と、トルク発生部分２１Ｔとの間の部分（以下、「ミラー側部分」という。）２１Ｍが、軸受２６により回転可能に支持されている。同様に、回転軸２１のエンコーダ側の端部と、トルク発生部分２１Ｔとの間の部分（以下、「エンコーダ側部分」という。）２１Ｅが、軸受２７により回転可能に支持されている。トルク発生部分２１Ｔの長さをＬＴ、ミラー側部分２１Ｍの長さをＬＭ、エンコーダ側部分２１Ｅの長さをＬＥとする。

図２を参照して、ガルバノスキャナの制振条件について説明する。図２に示すように、ガルバノスキャナを３慣性系でモデル化する。ガルバノスキャナの可動部は、軸周りの回転の１自由度のみを有するトルク発生部分（ロータ部）２１Ｔ、エンコーダの回転盤（エンコーダ部）２２、及び回転ミラー（ミラー部）２０で構成された３慣性集中定数系と仮定する。ロータ部２１Ｔ、エンコーダ部２２、及びミラー部２０の慣性モーメントを、それぞれＪｒ、Ｊｅ、Ｊｍとする。ロータ部２１Ｔ、エンコーダ部２２、及びミラー部２０の回転方向の変位量を、それぞれθｒ、θｅ、θｍとする。

エンコーダ側部分２１Ｅのねじり剛性をＫｅとし、ミラー側部分２１Ｍのねじり剛性をＫｍとし、それぞれの材料の減衰のみを考慮した時の粘性係数をＤｅ、Ｄｍとする。モータ２３（図１）の発生するトルクをτとする。軸受２６、２７による摩擦及び摺動抵抗は無視する。この系の運動方程式は、下記の通りである。

トルクτから変位量θｒ、θｅ、θｍまでの伝達関数は、下記のように表される。

ここで、ζ_１及びζ_２は、それぞれ１次共振及び２次共振の減衰率を表し、ζ_ｅはエンコーダ側の反共振点の減衰率を表し、ζ_ｍはミラー側の反共振点の減衰率を表す。

ここで、１次共振周波数ω_１、２次共振周波数ω_２、反共振周波数ωｍ、ωｅ、及びＴｍ、Ｔｅは、下記のとおりである。

減衰係数の影響が極めて小さいと仮定すると、トルクτからエンコーダ部２２の変位量θｅまでの伝達関数は、下記のように近似される。

１次共振周波数ω_１と反共振周波数ω_ｍとが一致するという条件を導入すると、以下の式が得られる。

上記等式を整理して、１次共振周波数と反共振周波数とが一致する場合の慣性モーメントと剛性との関係をまとめると、以下の等式が得られる。

上述の等式が満たされるとき、１次共振周波数と反共振周波数とが一致し、共振現象が抑制される。

回転軸２１（図１）の縦弾性係数をＧ、半径をｒとすると、回転軸２１のミラー側部分２１Ｍのねじり剛性Ｋｍは、以下の式で表される。

一例として、Ｊｅ＝２．２６ｇ・ｃｍ^３、Ｊｍ＝４．４２ｇ・ｃｍ^３、ＬＭ＝７．５ｍｍ、Ｇ＝１５４．５ＧＰａ、ｒ＝３．５ｍｍである場合に、エンコーダ側部分２１Ｅの長さを約１５ｍｍにすると、上述の１次共振周波数と反共振周波数とが一致する条件が満たされる。

図３に、エンコーダ側部分２１Ｅの長さＬＭを異ならせた３種類のモデルの速度閉ループ周波数応答特性をシミュレーションにより求めた結果を示す。横軸は周波数を対数目盛で表し、左縦軸は利得を単位「ｄＢ」で表し、右縦軸は位相を単位「度」で表す。図中の細い実線はＬＥ＝５ｍｍのとき、細い破線はＬＥ＝１５ｍｍのとき、太い実線はＬＥ＝１６ｍｍのときの周波数応答特性を示す。

エンコーダ側部分２１Ｅの長さＬＥを１５ｍｍにすると、ＬＥ＝５ｍｍのときに比べて、反共振周波数と１次共振周波数とが近づき、反共振点における利得と１次共振点における利得との差が小さくなっていることがわかる。すなわち、共振による振動がある程度制振されていることがわかる。上述の理論計算結果によると、ＬＥを１５ｍｍにすると、反共振周波数と１次共振周波数とが一致するが、応答特性のシミュレーションでは、両者が完全には一致していない。これは、理論計算時に、エンコーダの回転盤及びエンコーダハブを１つの慣性体と仮定し、回転ミラー及びミラーマウントを１つの慣性体と仮定し、こ
れらの剛性を考慮しなかったためであると考えられる。

そこで、エンコーダ側部分２１Ｅの長さＬＥを１５ｍｍの近傍で変化させて、シミュレーションを行った。その結果、ＬＥを１６ｍｍにしたときに、図３に示したように、反共振周波数と１次共振周波数とが一致した。このように、エンコーダ側部分２１Ｅの長さＬＥを調節することにより、１次共振を制振することができる。十分な制振効果を得るために、モータ２３（図１）によってトルク発生部分２１Ｔにトルクを発生させる場合の速度閉ループ周波数応答特性の反共振点における利得と１次共振点における利得との差を３０ｄＢ以下にすることが好ましい。

回転軸２１（図１）のエンコーダ側部分２１Ｅのねじり剛性と、回転軸２１のミラー側部分２１Ｍのねじり剛性との関係を調整することにより、上述の要請を満たすことが可能である。図３に示した例では、エンコーダ側部分２１Ｅの長さＬＥを変化させることにより、反共振周波数と１次共振周波数とが一致する条件を見出した。長さＬＥを変化させる代わりに、エンコーダ側部分２１Ｅまたはミラー側部分２１Ｍの太さを変化させてもよい。

一般的には、エンコーダの回転盤２２の慣性モーメントが回転ミラー２０の慣性モーメントより小さい。従って、エンコーダ側部分２１Ｅのねじり剛性を、ミラー側部分２１Ｍのねじり剛性より低くすればよい。エンコーダ側部分２１Ｅのねじり剛性を相対的に低くするためには、エンコーダ側部分２１Ｅをミラー側部分２１Ｍより長くするか、または細くすればよい。ねじり剛性は、軸の長さに反比例し、半径の４乗に比例する。すなわち、長さの変化よりも、半径の変化の方が、ねじり剛性への寄与が大きい。

図３に示したＬＥ＝１６ｍｍの周波数応答特性に、反共振点よりも低い周波数域に小さなピークが見られる。このピークは、回転軸の倒れモードの共振に起因するものである。エンコーダ側部分２１Ｅの長さＬＥを長くすると、倒れモードの共振が発生しやすくなる。エンコーダ側部分２１Ｅのねじり剛性を調整する際に、エンコーダ側部分２１Ｅを長くする代わりに、細くすることにより、倒れモードの共振を抑制することができる。さらに、エンコーダ側部分２１Ｅを細くすることは、回転軸２１の慣性モーメント低減効果も有する。倒れモードの振動を制振するために、図４に示すように、エンコーダ側部分２１Ｅをミラー側部分２１Ｍよりも短くし、かつ細くすることが好ましい。

図５Ａ〜図５Ｄを参照して、ガルバノスキャナの整定時間の評価結果について説明する。図５Ａ及び図５Ｃは、モータ２３（図１）に与えられる速度指令値の時間変動を示し、図５Ｂ及び図５Ｄは、回転ミラー２０の、目標位置からの位置偏差の時間変動を示す。図５Ａ及び図５Ｃの縦軸は、速度指令値を単位「ｒａｄ／ｓ」で表し、図５Ｂ及び図５Ｄの縦軸は、目標位置からの位置偏差を、エンコーダのパルス数で表す。

図５Ａ及び図５Ｂは、エンコーダ側部分２１Ｅの長さＬＥが５ｍｍの周波数応答モデルを制御対象とした場合の速度指令値及び位置偏差の時間変動を示す。図５Ｃ及び図５Ｄは、エンコーダ側部分２１Ｅの長さＬＥが１６ｍｍの（制振構造を採用した）周波数応答モデルを制御対象とした場合の速度指令値及び位置偏差の時間変動を示す。

図５Ａ及び図５Ｃに示した速度指令出力時間は、それぞれ４４０μｓ及び４１０μｓであった。制振構造を採用することにより、速度指令出力時間を３０μｓ短縮することができる。これは、１次共振と反共振とが相殺されることにより、制御アルゴリズムにおけるフィルタによる遅れが回避されるためである。制振構造を採用した場合、図５Ｄに示したように速度指令出力時間が経過した時点で残留振動が観測される。ただし、残留振動の振幅は、±２０パルス以下である。このため、速度指令出力時間が経過した時点で、回転ミ
ラー２０が整定されていると考えられる。

図５Ｄに見られる残留振動は、約３ｋＨｚの倒れモードに起因する振動である。倒れモードによる振動が発生するのは、エンコーダ側部分２１Ｅのねじれ剛性を低下させるために、エンコーダ側部分２１Ｅを長くしたためである。エンコーダ側部分２１Ｅのねじれ剛性を低下させるために、エンコーダ側部分２１Ｅを長くする代わりに、細くすることにより、倒れモードによる振動の発生を抑制することができる。このため、３ｋＨｚ近傍の残留振動も抑制されると考えられる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

２０ 回転ミラー
２１ 回転軸
２１Ｔ トルク発生部分
２１Ｅ エンコーダ側部分
２１Ｍ ミラー側部分
２２ エンコーダの回転盤
２３ モータ
２６、２７ 軸受

Claims (4)

1. 回転軸と、
   前記回転軸の一方の端部に取り付けられ、前記回転軸とともに回転する回転部を含むエンコーダと、
   前記回転軸の他方の端部に取り付けられ、前記回転軸と共に回転する回転ミラーと
   前記回転軸の両端の間のトルク発生部分にトルクを発生させるモータと
   を有し、
   前記モータによって前記トルク発生部分にトルクを発生させる場合の、前記トルクから前記エンコーダの前記回転部の回転方向の変位量までの伝達関数から求まる周波数応答特性の反共振点における利得と１次共振点における利得との差が３０ｄＢ以下になるように、前記トルク発生部分と前記回転軸の前記エンコーダ側の端部との間のエンコーダ側部分のねじり剛性と、前記トルク発生部分と前記回転軸の前記回転ミラー側の端部との間のミラー側部分のねじり剛性との関係が調整されているガルバノスキャナ。
2. 前記エンコーダ側部分が、前記ミラー側部分よりも細く、前記エンコーダ側部分のねじり剛性が、前記ミラー側部分のねじり剛性よりも低い請求項１に記載のガルバノスキャナ。
3. 前記エンコーダ側部分が前記ミラー側部分よりも短い請求項２に記載のガルバノスキャナ。
4. 前記エンコーダ側部分が、前記ミラー側部分よりも長く、前記前記エンコーダ側部分のねじり剛性が、前記ミラー側部分のねじり剛性よりも低い請求項１に記載のガルバノスキャナ。
   

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