JPH0421812A - 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】 技術分野 本発明はビームスキャナに関し、特にレーザビームを使
用して種々の加工や計測を行うレーザ加工機、レーザ応
用機器等の光学部分に用いられるビームスキャナに関す
るものである。

従来技術 レーザビームを使用したレーザ加工機や計測機では、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
を移動制御するか、光ビームの位置を移動制御するかの
いずれかの手段が必要不可欠である。一般には、処理速
度の観点から、移動部分が軽量かつ小型にでき高速移動
が可能なビーム移動方式を採用している。なかでもより
高速な移動及び制御が可能なガルバノメータ型ビームス
キャナが広く用いられている。

第６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構成
を示す図である。各々ミラーを１２．１４を回動自在に
軸支した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る。入射光ビーム］６
はガルバノメータ１１と１３に夫々取付けられたミラー
１２と１４とにより順次反射された後に、ｆθ型の対物
レンズ１５に入射するようにいなっている。ｆθ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。

この構成で、集光位置の制御は直交２軸（Ｘ。

Ｙ輔）の位置制御信号１７と１８とに応じて夫々ガルバ
ノメータ１１及び１３のミラー１２及び１４を微小回転
させることにより行われる。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１０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
ザ加工機などの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−３００Ｐ
Ｄ　５ＣＡＮＮＥＲＡＮＤ　ＣＣＸ−１００５ＥＲＶＯ
Ｃ０ＮＴＲ０ＬＬＥＲ”、ＧＥＮＥＲＡＬ　５ＣＡＮＮ
ＩＮＧ　ＩＮｃ、社カタログ）および文献２　（Ｂ、Ｐ
、Ｇｒｅｎｄａ　ａｎｄ　Ｐ、Ｊ、Ｂｒｏｓｅｎｓ、”
Ｃｌｏｓｉｎｇｔｈｅ　Ｌｏｏｐ　ｏｎ　Ｇａｌｖａｎ
ｏｍｅｔｅｒ　５ｃａｎｎｅｒｓ”、ＥＯ３Ｄ　Ｍａｇ
ａｚｌｎｅ、Ａｐｒ、１９７４．ｐ、３２）に詳しく述
べられている。

すなわち、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に、
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
帰還制御する駆動方法が用いられている。

第７図はこのような駆動方法によるビームスキャナの回
路構成を示したもので、ＤＡコンバータ２１、角度検出
回路２２、駆動回路２３からなる制御回路部分と、ガル
バノメータ１１およびその回転軸に取付けられたミラー
１２とにより構成されている。

コンピュータなどを使用したコントローラがら本ビーム
スキャナに対して、移動先を指定するデジタルデータ１
０１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角度制御信号１０２として駆
動回路２３を経てガルバノメータ１１に印加されるが、
その際に角度検出回路２２から出力される検出角度信号
２０１がこの角度制御信号！０２と等しくなるように負
帰還制御されている。

具体的には第７図の構成で、各部の理想的な信号波形を
示すと、第８図の（ａ）と（ｂ）に示す角度制御信号１
０２と検出角度信号２０１とから、分圧抵抗Ｒ１とＲ２
およびオペアンプ３１を用いて和信号、すなわち第８図
（ｃ）の誤差信号２０２が求められる。

一方、第８図（ｂ）の検出角度信号２０１を、容量Ｃ１
と抵抗Ｒ３からなる高域通過フィルタとオペアンプ３２
を通すことにより、第８図（ｄ）の角速度信号２０３が
求められ、これら２信号の和がら第８図（ｅ）に示す駆
動信号２０４を得るようにしたものである。

なお、この駆動信号でガルバノメータを駆動すると、先
の第８図（ｂ）に示した検出角度信号となり、全体とし
て負帰還制御が行われることになる。

この駆動方式は従来から最良の方法と考えられ、負帰還
制御ループのループゲインを高くすることにより、ガル
バノメータ自体が持っている時定数以上の高速移動や位
置精度の向上が可能である。

しかしループゲインが高いため、ミラー等の回転部の慣
性や摩擦、駆動コイルのインダクタンスや逆起電力等の
僅かな変動により、駆動信号との関係で不整合が生じる
と、角度制御信号１０２に無関係にミラー１１が振動す
る、いわゆる異常発生現象を生じ易い難点がある。

この様な発振現象を長時間放置するとガルバノメータの
ロータ部の軸受けに使用されているベアリングの急速な
摩擦劣化を生じ、ビーム位置精度の劣化等をきたすので
、早期に発振を停止するような処置が必要である。発振
の検出は人手による場合にはミラ一部の目視、触指ない
しは動作音によって簡単に判断できるが、自動的に行う
ためには正常な動作状態と発振状態を識別しなければな
らないので、簡単ではない。

そのような目的の電気的、自動的な発振の検出方法とし
ては、移動を停止した状態でミラー角度の変動がないか
どうかチエツクすることが確実と考えられるが、しかし
この方法によれば実動作の間に適宜周期的に停止して発
振検出を行うことが必要になり、動作効率の低下を生じ
るなどの欠点があり実用的ではない。またこの検出方法
では実際に発振が生じてからしか検出できないという欠
点がある。

発明の目的 本発明の目的は、ガルバノメータを使用したビムスキャ
ナにおいて、通常の動作状態においても効率低下などな
しにいつでも発振検出ができ、かつ実際に発振する以前
の発振し易くなっている段階でも検出できるようにして
、実際に発振する以前に再調整等の対策を行うことがで
きるビームスキャナを提供することである。

発明の構成 本発明によれば、ミラーと、前記ミラーを回動自在に軸
支して外部からの回動駆動信号に応じて前記ミラー駆動
をなすガルバノメータと、前記ミラーの角度検出信号と
外部からの回動角度制御信号との差に応じて前記回動駆
動信号を生成する駆動回路とを含むビームスキャナであ
って、前記回動駆動信号の高周波成分を抽出して検波す
る手段と、この検波出力レベルにより前記ガルバノメー
タの異常共振現象を検出する検出手段とを含むことを特
徴とするビームスキャナが得られる。

実施例 以下に図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施例の構成を示す回路図であり、第
７図と同等部分は同一符号により示されている。本例で
は、第７図の従来構成に対して、駆動信号２０４により
ガルバノメータの異常共振現象を検出する発振検出回路
２４を付加したものである。他の構成は第７図のそれと
同一であり、その説明は省略する。

第２図は第１図の発振検出回路２４の具体例を示す回路
図である。第３図はその動作を示す各部信号波形図であ
り、同図（ａ）の角度制御信号１０２に対して、同図（
ｂ）と（ｃ）に示した駆動信号２０４と検波信号２０５
との関係を示す。

この構成で、各部の信号波形は理想的には前出の第８図
に示したごとくであるが、実際の回路における駆動信号
波形２０４には一般に第３図の（ｂ）に示すように加速
、減速期間のパルスの後にリンギングが生じており、発
振し易くなるほどリンギングの振幅が増加し、またその
減衰も遅くなり長く続く傾向がある。

そこで、第２図に示す発振検出回路のように、容量Ｃ２
で高周波成分を抽出し、２個のダイオドＤ１とＤ２およ
び容量Ｃ２からなるダイオード検波回路を用いて検波す
ると、第３図の（ｃ）に示すような検波信号２０５が得
られる。

この検波信号２０５では発振し易くなる程ピーク値が増
加し、発振時には最大となる。従って、比較器３５を用
いて、検波信号２０５のピークがある設定レベルＶ「以
上になった時に警報を出すようにすれば発振の可能性を
事前に検知できることになる。

第４図は発振検出回路２４の他の例を示す回路図であり
、第５図はこの例における信号波形を示した図である。

この例の発振検出回路２４では、第２図の例と異なリガ
ルバノメータが静止状態ないしは低速で移動している時
の駆動信号に含まれるリップルに注目したもので、この
リップルの振幅が正常時には無いか極く微弱で、発振し
易くなるほど増加し、発振時に最大振幅となることに基
ずいて検出するものである。

具体的には第４図の回路構成で、第５図の（ｂ）に示し
た駆動信号２０４を増幅したのち、容量ｃ４で高周波成
分を抽出し、２個のダイオードＤ１とＤ２からなるダイ
オード検波回路を用いて包絡線検波すると、第５図の（
Ｃ）に示すような検波信号２０Ｂが得られる。

この検波信号２０６は移動時にピークがあり静止状態で
最小となるような信号であるが、比較器３５を用いて、
この最小振幅時のレベルがある設定した一定値以上にな
った時に警報を出すようにしたものである。

この方法によっても第１の実施例と同様に発振時および
発振し易い状態を検知できて、警報を出すことができる
。

以上述べた各実施例においては、角度制御の入力信号は
デジタル入力であったが、ＤＡコンバータなしで直接ア
ナログ信号を入力する形式であってもよい。一方、使用
者への通知方法はコントローラにマイクロコンピュータ
を使用している系では警報信号をコントローラに送出し
てメツセージ等を表示すればよく、あるいは直接に検出
回路の出力で警報ブザーを鳴らすか、警報ランプを点灯
して通知することも可能である。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、駆動信号に含まれ
るリンギングやリップルの状態を常に監視しているので
、特定の発振検出期間を設けることは不要で、通常の動
作状態中において発振検出ができる。

また、このビームスキャナでは、実際に発振している場
合のみではなく、発振し易い状態になった場合について
も検出できるので、事前に発振の可能性を検知して、再
調整等の対策をとることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のブロック図、第２図は第１図
における発振検出回路２４の例を示す回路図、第３図は
第２図の回路の動作を示す波形図、第４図は第１図にお
ける発振検出回路２４の他の例を示す回路図、第５図は
第４図の回路の動作を示す波形図、第６図はガルバノメ
ータを用いた２次元スキャン光学系の構成図、第７図は
ガルバノメータの従来の駆動制御系の回路図、第８図は
第７図の回路の動作波形図である。 主要部分の符号の説明 １１・・・・・・ガルバノメータ　　１２・・・・・・
ミラー２２・・・・・・角度検出回路　　　２３・・・
・・・駆動回路２４・・・・・・発振検出回路　　　３
５・・・・・・比較器Ｃ１，Ｃ４・・・・・・高周波抽
出用容量ＤＩ、Ｄ２・・・・・・検波用ダイオードＣ２
・・・・・・検波用容量

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ミラーと、前記ミラーを回動自在に軸支して外部
   からの回動駆動信号に応じて前記ミラー駆動をなすガル
   バノメータと、前記ミラーの角度検出信号と外部からの
   回動角度制御信号との差に応じて前記回動駆動信号を生
   成する駆動回路とを含むビームスキャナであって、前記
   回動駆動信号の高周波成分を抽出して検波する手段と、
   この検波出力レベルにより前記ガルバノメータの異常共
   振現象を検出する検出手段とを含むことを特徴とするビ
   ームスキャナ。