(57)【要約】【課題】  高速動作を可能とする。【解決手段】  回転中心の周囲に回転可能で、回転方向に沿って第１の位置検出マークが形成されたシャフトと、シャフトに固定され、入射する光ビームを反射させるガルバノミラーと、シャフトを回転中心の周囲に回転させる回転機構と、シャフトの第１の位置検出マークに、光を入射させる発光器と、シャフトの第１の位置検出マークで反射した、発光器からの光が入射する受光器と、受光器に入射した光をもとに、シャフトの回転方向の位置を導出する回転位置導出部とを有するガルバノスキャナを提供する。【選択図】          図１
2011043674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心の周囲に回転可能で、回転方向に沿って第１の位置検出マークが形成されたシャフトと、
前記シャフトに固定され、入射する光ビームを反射させるガルバノミラーと、
前記シャフトを、前記回転中心の周囲に回転させる回転機構と、
前記シャフトの前記第１の位置検出マークに、光を入射させる発光器と、
前記シャフトの前記第１の位置検出マークで反射した、前記発光器からの光が入射する受光器と、
前記受光器に入射した光をもとに、前記シャフトの回転方向の位置を導出する回転位置導出部と
を有するガルバノスキャナ。
【請求項２】
前記第１の位置検出マークは、前記シャフトの回転方向に沿って、第１の周期で周期的に交互に配列された第１の領域と第２の領域とを含み、前記第１の領域は、前記第２の領域よりも強度の強い反射光を発生させる請求項１に記載のガルバノスキャナ。
【請求項３】
更に、前記シャフトの長さ方向に沿って前記第１の位置検出マークとは異なる位置に形成された第２の位置検出マークを含み、前記第２の位置検出マークは、前記シャフトの回転方向に沿って、前記第１の周期で周期的に交互に配列された第３の領域と第４の領域とを含み、前記第３の領域は、前記第４の領域よりも強度の強い反射光を発生させ、前記第１の位置検出マークの位相と前記第２の位置検出マークの位相とはずれている請求項２に記載のガルバノスキャナ。
【請求項４】
前記第２の領域及び前記第４の領域は、前記シャフトに形成された凹部である請求項３に記載のガルバノスキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビーム等の光ビームを偏向して出射するガルバノスキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来のガルバノスキャナを示す斜視図である。ガルバノスキャナは、たとえばプリント基板にビアホールを形成するレーザドリル装置に使用される。
【０００３】
ガルバノスキャナはガルバノミラー１０、ミラーマウント１１、シャフト１２、軸受け１３ａ、１３ｂ、コイル１４、磁石１５ａ、１５ｂ、及びエンコーダ部１６を含んで構成される。エンコーダ部１６は、ハブ１７、ディスク１８、スリット１９、発光素子２０、及び受光素子２１を含む。
【０００４】
入射する光ビームを反射して偏向させるガルバノミラー１０は、ミラーマウント１１を介してシャフト１２に固定されている。シャフト１２は、２つの軸受け１３ａ、１３ｂにより、ガルバノスキャナの筐体に、その中心軸（回転中心）の周囲に回動自在に支持されている。軸受け１３ａ、１３ｂ間のシャフト１２には、コイル１４が固定される。また、コイル１４を挟むように、相互に極性の異なる一対の磁石１５ａ、１５ｂが配設されている。磁石１５ａ、１５ｂ、及びその磁界中に配置されるコイル１４により、シャフト１２を回動させることができる。すなわちシャフト１２を回動させる回動機構は、コイル１４、及び磁石１５ａ、１５ｂを含んで構成される。
【０００５】
エンコーダ部１６は、シャフト１２の回転位置（回動角度）を導出するための情報を検出する検出部であり、軸受け１３ａ、１３ｂを挟んでガルバノミラー１０と反対側に設置される。エンコーダ部１６を構成するディスク１８はハブ１７を介してシャフト１２に固定されており、シャフト１２の回動とともに回転する。ディスク１８には、スリット１９が形成されている。ディスク１８のスリット１９形成位置を挟んで、発光素子２０及び受光素子２１が配置されている。発光素子２０は、たとえば発光ダイオード(Light Emitting Diode; LED)であり、受光素子２１は、たとえばフォトダイオード(Photo Diode; PD)である。発光素子２０を出射し、スリット１９を透過した光は、受光素子２１に入射する。
【０００６】
受光素子２１で受光された光をもとに、シャフト１２の回動角度が把握される。ガルバノミラー１０を回転させる場合には、把握されたシャフト１２の回動角度を参照して、所望の角度にガルバノミラー１０を回転させる制御が行われる。
【０００７】
図５は、従来のガルバノスキャナの一部を示す断面図である。上述のように、シャフト１２の回転位置（回動角度）を検出するために、スリットの形成されたディスク１８が、ハブ１７によってシャフト１２に取り付けられている。検出精度向上のため、分解能を高める目的で、スリットの数を増やすことが行われている。スリットの数を増加させると、ディスク１８の径が増大する。ディスク１８の径が増大すると、ディスク１８の質量や回動部分のイナーシャ（慣性モーメント）が大きくなり、ガルバノスキャナの高速動作が妨げられる。
【０００８】
湿度変化の影響を受けることなく、ガルバノミラーの高速動作時においても、高精度の回動角度測定を可能とするガルバノスキャナの発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−３０７７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、高速動作が可能なガルバノスキャナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一観点によれば、回転中心の周囲に回転可能で、回転方向に沿って第１の位置検出マークが形成されたシャフトと、前記シャフトに固定され、入射する光ビームを反射させるガルバノミラーと、前記シャフトを、前記回転中心の周囲に回転させる回転機構と、前記シャフトの前記第１の位置検出マークに、光を入射させる発光器と、前記シャフトの前記第１の位置検出マークで反射した、前記発光器からの光が入射する受光器と、前記受光器に入射した光をもとに、前記シャフトの回転方向の位置を導出する回転位置導出部と有するガルバノスキャナが提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高速動作が可能なガルバノスキャナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（Ａ）は、実施例によるガルバノスキャナのエンコーダ部１６を示す概略図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、エンコーダ部１６におけるシャフト１２を示す断面図である。
【図２】スリット１９ａ、１９ｂ形成位置で反射され、受光素子２１ａ、２１ｂで検出される光の強度を示すアナログ信号と、スリット１９ａ、１９ｂ形成位置における反射位置との対応を示す。
【図３】実施例によるガルバノスキャナの動作制御を示すブロック図である。
【図４】従来のガルバノスキャナを示す斜視図である。
【図５】従来のガルバノスキャナの一部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１（Ａ）は、実施例によるガルバノスキャナのエンコーダ部１６を示す概略図であり、図１（Ｂ）及び（Ｃ）は、エンコーダ部１６におけるシャフト１２を示す断面図である。実施例によるガルバノスキャナにおけるエンコーダ部１６以外の構成は、図４に示した従来のガルバノスキャナの構成と等しい。
【００１５】
図１（Ａ）を参照する。実施例によるガルバノスキャナのエンコーダ部１６は、たとえばステンレス鋼(Steel Use Stainless; SUS)でつくられた直径７ｍｍの円筒形シャフト１２の表面（円筒面）に形成された２列のスリット１９ａ、１９ｂ、発光素子２０、受光素子２１ａ、２１ｂ、及び結像レンズ２２ａ、２２ｂを含んで構成される。発光素子２０は、たとえばＬＥＤであり、受光素子２１ａ、２１ｂは、たとえばフォトディテクタである。
【００１６】
スリット１９ａ、１９ｂは、それぞれたとえばシャフト１２の延在方向（軸方向、長さ方向）にのびる凹部であり、スリット１９ａの形成列、及びスリット１９ｂの形成列はともに、シャフト１２の回転方向に沿って配置されている。
【００１７】
発光素子２０を出射した光は、シャフト１２のスリット１９ａ、１９ｂ形成領域で反射され、結像レンズ２２ａ、２２ｂを透過して受光素子２１ａ、２１ｂに入射する。この際、発光素子２０を出射した光のうち、シャフト１２の回転に伴い、シャフト１２の表面が通過する円筒側面（回転体としてのシャフト１２の回転面）上の１つの固定点（固定位置）で反射された光が受光素子２１ａで受光され、他の固定点（固定位置）で反射された光が受光素子２１ｂで受光される。１つの固定点（固定位置）と他の固定点（固定位置）とは、シャフト１２の回転方向に沿う位置座標が等しい。すなわち、受光素子２１ａに入射する光のシャフト１２表面における反射位置と、受光素子２１ｂに入射する光のシャフト１２表面における反射位置とは、シャフト１２の延在方向にのびる一直線上にある。結像レンズ２２ａ、２２ｂは、シャフト１２の表面を受光素子２１ａ、２１ｂ上に結像させる。
【００１８】
図１（Ｂ）を参照する。本図には、スリット１９ａ列の形成部における、シャフト１２の延在方向に垂直な断面の一部を示した。スリット幅約４０μｍのスリット１９ａが、約４０μｍ間隔で、シャフト１２の回転方向に沿って周期的に形成されている。
【００１９】
図１（Ｃ）を参照する。本図には、スリット１９ｂ列の形成部における、シャフト１２の延在方向に垂直な断面の一部を、スリット１９ａ列の形成部におけるそれとあわせて示した。スリット１９ｂ列形成部においても、スリット幅約４０μｍのスリット１９ｂが、約４０μｍ間隔で、シャフト１２の回転方向に沿って周期的に形成されている。スリット１９ｂの形成周期は、スリット１９ａのそれと等しい。ただし、スリット１９ｂの形成位置は、スリット１９ａの形成位置とは、シャフト１２の回転方向に沿って半ピッチ位相がずれている。
【００２０】
発光素子２０を出射し、シャフト１２のスリット１９ａ、１９ｂ形成領域で反射され、受光素子２１ａ、２１ｂで検出された光をもとに、シャフト１２の回転位置（回動角度）が把握される。
【００２１】
図２に、スリット１９ａ、１９ｂ形成位置で反射され、受光素子２１ａ、２１ｂで検出される光の強度を示す信号（エンコーダ部１６から得られるアナログ信号）と、スリット１９ａ、１９ｂ形成位置における反射位置との対応を示す。本図を参照し、シャフト１２の回転位置（回動角度）を把握する方法について説明する。
【００２２】
実施例によるガルバノスキャナのエンコーダ部１６における、直径７ｍｍのシャフト１２の表面には、スリット幅約４０μｍのスリット１９ａ、１９ｂが、約４０μｍ間隔で形成されている。したがってスリット１９ａ、１９ｂ形成位置には、それぞれ５１２個の凸部と凹部（スリット１９ａ、１９ｂ）とが交互に配置されている。本図には、スリット１９ａ、１９ｂ形成位置の凸部に、１〜５１２の番号を付して示した。また、スリット１９ａ、１９ｂ形成位置の凸部は相対的に強度の強い反射光を発生させ、凹部は相対的に強度の弱い反射光を発生させる。このため受光素子２１ａ、２１ｂで検出される光の強度を示すアナログ信号は、それぞれたとえば図示するような正弦波となる。
【００２３】
アナログ信号（正弦波）はインターポレータに入力される。インターポレータは、受光素子２１ａ、２１ｂに係るアナログ信号（正弦波）をＡ／Ｄ変換してデジタル化し、リサージュ波形から両者の位相差を求める。
【００２４】
リサージュ１周期を多分割化することにより、高分解能で位相差を検出することができる。たとえば実施例のようにスリット列が２列ではなく、１列のみ形成されている場合の分解能は、シャフト１２の１回転当たり５１２パルス（５１２パルス／周、３６０°／１０２４）であるが、ｍ分割することで５１２×ｍパルス／周の分解能が実現される。１０００分割した場合には、５１２０００パルス／周の分解能となる。
【００２５】
回動角度は、たとえば多分割後のパルスの数をカウンタでカウントし、導出することができる。回動角度を累計することでシャフト１２の現在回転位置（現在回動角度）が導出される。
【００２６】
スリット１９ａ、１９ｂは、シャフト１２の表面に、レーザビームを照射することで形成することができる。また、シャフト１２の表面にフォトレジスト膜を形成し、もしくはフォトレジストフィルムを貼付し、露光、現像、エッチングを行って形成することも可能である。たとえば非エッチング部（凸部）を黒、エッチング部（凹部）を白、またはその逆に形成することによって、受光素子２１ａ、２１ｂで、スリット１９ａ、１９ｂ形成領域における反射光を効果的に検出することができる。
【００２７】
図３は、実施例によるガルバノスキャナの動作制御を示すブロック図である。「エンコーダ部」１６で取得されたアナログ信号（受光素子２１ａ、２１ｂで検出された光強度信号）は、「インターポレータ」に入力される。インターポレータは、受光素子２１ａ、２１ｂに係るアナログ信号（正弦波）をＡ／Ｄ変換してデジタル化し、リサージュ波形から両者の位相差を求めて出力する。インターポレータから出力された情報は「回転位置導出部」に入力される。回転位置導出部は、カウンタ及び導出部を含む。
【００２８】
カウンタは、たとえばリサージュ１周期を多分割した後のパルスの数をカウントする。導出部は、たとえばカウンタでのカウント数を基に、シャフト１２の回動角度やシャフト１２の現在回転位置（現在回動角度）を導出する。
【００２９】
回転位置導出部で導出、把握されたシャフト１２の回転位置に関する情報は、位置制御ループへフィードバックされ、ガルバノミラー１０を所望の位置に回転させる制御に用いられる。
【００３０】
シャフト１２の回動により、ガルバノミラー１０を所望の位置に回転させるに当たっては、まず「位置指令」が、回転位置導出部から出力されるシャフト１２の現在回転位置情報とともに、「位置制御アンプ」に入力される。位置制御アンプは、入力された情報から、シャフト１２の回動速度を指令する速度指令を生成し出力する。位置制御アンプから出力された速度指令は、回転位置導出部から出力される現在回転位置を微分して得られるシャフト１２の現在回転速度情報、及びフィードフォワード(Feed Forward; FF)として、位置制御アンプに入力される位置指令の微分とともに「速度アンプ」に入力される。速度アンプは、入力された情報から、シャフト１２の回転速度を所望の値とするためにコイル１４に流すべき電流を指令する電流指令を生成し出力する。電流指令は、共振帯域の周波数成分を減衰させる「ノッチフィルタ」を経て、コイル１４の現在電流値とともに、「電流アンプ」に入力される。電流アンプは、入力された情報から算出される値の電流をコイル１４に流し、シャフト１２を回動させて、ガルバノスキャナのミラー１０を所望の位置まで回転させる
実施例によるガルバノスキャナは、スリット１９ａ、１９ｂをシャフト１２に形成し、それらの形成領域で発光素子２０からの光を反射させて受光素子２１ａ、２１ｂで読み取り、シャフト１２の回転位置（回動角度）を把握する。たとえば図４に示す従来のガルバノスキャナのようにハブやディスクがシャフトに取り付けられていないため、実施例によるガルバノスキャナによれば、回動部分のイナーシャを低減し、高速動作を実現することができる。また、高速動作を行った場合であっても、共振周波数を高くすることができる。
【００３１】
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。
【００３２】
たとえば、実施例においては、エンコーダ部１６を軸受け１３ａ、１３ｂを挟んでガルバノミラー１０と反対側に設置したが、ガルバノミラー１０と同じ側に設置してもよい。また、軸受け１３ａ、１３ｂ間への設置も可能である。
【００３３】
また、実施例においては、シャフト１２をＳＵＳで形成したが、セラミック等で形成することも可能である。
【００３４】
更に、実施例においては、１つの発光素子２０から出射された光を、２つの受光素子２１ａ、２１ｂで受光したが、受光素子ごとに別異の発光素子を用いることもできる。
【００３５】
また、スリットはシャフトの全周に渡って形成する必要はなく、ガルバノミラーの可動範囲、たとえばシャフトの周方向（回転方向）に２０°の範囲に形成してもよい。
【００３６】
更に、実施例においては、シャフト１２に複数の凹部（スリット１９ａ、１９ｂ）を形成し、凹部間に画定される凸部とあわせた凹部形成領域で、発光素子２０からの光を反射させた。凹部形成領域は、凹部と凸部とが、シャフト１２の回転方向に沿って、周期的に交互に配列された領域である。凸部は、相対的に強度の強い反射光を発生させ、凹部は、相対的に強度の弱い反射光を発生させる。たとえば等幅の白色ラインと黒色ラインとが、等間隔で交互に現れるリニアスケールテープを、ライン方向とシャフト１２の延在方向とが平行になるように、シャフト１２に貼付し、白色ラインと黒色ラインの形成領域で光を反射させてもよい。白色ラインで反射された光は相対的に強度が強く、黒色ラインで反射された光は相対的に強度が弱い。光が反射される領域には、反射光が受光素子２１ａ、２１ｂで受光されて検出された光強度信号で、シャフト１２の回転方向の位置を検出する基準となるマークが形成されていればよい。
【００３７】
また、実施例においてはスリット列を２列形成したが、分解能が重視されない用途に使用する場合には、スリット列は１列でもよい。
【００３８】
その他、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。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
レーザビームを照射して行うレーザ加工等に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０  ミラー
１１  ミラーマウント
１２  シャフト
１３ａ、１３ｂ  軸受け
１４  コイル
１５ａ、１５ｂ  磁石
１６  エンコーダ部
１７  ハブ
１８  ディスク
１９、１９ａ、１９ｂ  スリット
２０  発光素子
２１、２１ａ、２１ｂ  受光素子
２２ａ、２２ｂ  結像レンズ
【図１】
2011043674.tif 000003
【図２】
2011043674.tif 000004
【図３】
2011043674.tif 000005
【図４】
2011043674.tif 000006
【図５】
2011043674.tif 000007