(57)【要約】【課題】ミラーの位置決め時間を短縮するとともに、レーザ光の位置決め精度を向上させることができるスキャナ装置およびスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法を提供すること。【解決手段】レーザスキャナ１の回転軸４の一方にはミラー２が、他方にはレーザエンコーダのガラス円盤９が固定されている。例えば、回転軸４回りのねじり振動１次モードの共振点よりも少し高い周波数の反共振点がある場合、１次モードのねじれの節がガラス円盤９付近に位置し、ねじれの節を挟んで角度センサ側と可動コイル側が互いに逆相にねじり振動する。そこで、このような場合は、ミラー２の近傍に慣性負荷１３を固定することによりねじれの節をガラス円盤９から遠ざけ、可動コイル７の内側、特に可動コイル７の中央付近に移動させる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置において、
前記ミラーまたは／および前記角度検出手段の前記回転子に対する位置を変更可能に構成し、
前記軸のねじり振動の節が、前記軸の一対の軸受間に位置するように、前記ミラーまたは／および前記角度検出手段を配置することを特徴とするスキャナ装置。
【請求項２】
回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置において、
前記軸のねじり振動を低減するための慣性負荷を設け、
この慣性負荷を前記軸受の外側に配置して、前記軸のねじり振動の節を前記軸の前記一対の軸受間に位置させることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項３】
前記慣性負荷は、前記軸回りの慣性モーメントを連続的に変化させる手段を備えることを特徴とする請求項２に記載のスキャナ装置。
【請求項４】
回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法において、
前記軸のねじり振動の節が、前記軸の前記一対の軸受間に位置するように、前記ミラーまたは／および前記角度検出手段を配置することを特徴とするスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法。
【請求項５】
回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法において、
前記軸の前記軸受の外側に慣性負荷を配置し、
前記軸のねじり振動の節を、前記軸の前記一対の軸受間に位置させることを特徴とするスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸に支持されたミラーを前記回転軸の回りに位置決めし、前記ミラーで反射した光を所望の位置に照射するスキャナ装置およびスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザマーキングや電子回路基板のレーザ穴明け加工などにおいて使用されるスキャナ装置は、回転軸に取り付けたミラーをモータで回転させて所望の角度に位置決めすることにより、レーザ発振器から出力されるレーザ光を被加工物の所望の位置に照射する。
【０００３】
スキャナ装置には、ミラーの角度を制御するための角度センサが内蔵されており、角度センサで検出された角度信号を用いてフィードバック制御（サーボ制御）が行われる。このような角度センサとして、米国特許第４８６４２９５号（以下、第１の従来技術という。）には、回転軸に取り付けた誘電体の平板を二枚一組の固定極板の間で回転させ、回転軸の角度を極板間の静電容量の変化として検出する可変容量式センサの技術が開示されている。
【０００４】
また、特開２０００−１１７４７５号公報（以下、第２の従来技術という。）には、ミラーの目標角度と角度センサで検出した角度との差に基づいてサーボ制御を行う方法として、ミラーの動作波形が目標角度に対してオーバーシュートするように制御ゲインを調整し、オーバーシュート時にレーザを照射することにより、位置決め時間を短縮する技術が開示されている。
【０００５】
さらに、特開２０００−１１７４７６号公報（以下、第３の従来技術という。）には、上位コントローラがフィードバック制御系に移動指令を与えてからレーザが照射されるまでの設定待ち時間を、ミラーの移動角度が小さいほど短くなるように設定することにより、被加工物一枚あたりの加工タクトを短縮する技術が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電子回路基板にレーザ穴明けを行う場合、微細な回路パターン上に穴を加工をするため、レーザ照射の位置決め誤差を約１０μｍ以下にする必要がある。
【０００７】
また、加工能率を向上させるため、一つの穴を加工してから次の穴加工位置までの移動時間の短縮が求められており、例えば毎秒１０００個の穴を加工するには、穴間移動時間を平均１ｍｓ未満にする必要がある。
【０００８】
ところで、レーザ光にはエネルギ分布があり、面積的な広がりを持ってミラーに入射する。このため、高品質な穴加工を行うには、口径の大きなミラーを用いてレーザのエネルギ利用効率を高めることが望ましい。しかし、ミラーが大型化すると、スキャナの慣性負荷が増大し、スキャナ可動部（主に回転軸）のねじり振動の固有振動数が低下する。位置決め動作を高速化するには、サーボ帯域を広くすることが望ましいが、固有振動数の低下はサーボ帯域を制限する要因となる。しかし、前記の第１ないし第３の従来技術では、可動部のねじり振動がミラーの位置決め動作の応答性に与える影響や、位置決め精度に与える影響について考慮されていない。
【０００９】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、ミラーの位置決め時間を短縮するとともに、レーザ光の位置決め精度を向上させることができるスキャナ装置およびスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
また、本発明の第１の手段は、回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置において、前記ミラーまたは／および前記角度検出手段の前記回転子に対する位置を変更可能に構成し、前記軸のねじり振動の節が、前記軸の前記一対の軸受間に位置するように、前記ミラーまたは／および前記角度検出手段を配置することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２の手段は、回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置において、前記軸のねじり振動を低減するための慣性負荷を設け、この慣性負荷を前記軸受の外側に配置して、前記軸のねじり振動の節を前記軸の前記一対の軸受間に位置させる。
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の第３の手段は、回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法において、前記軸のねじり振動の節が、前記軸の前記一対の軸受間に位置するように、前記ミラーまたは／および前記角度検出手段を配置する。
【００１３】
また、本発明の第４の手段は、回転子を挾み、一方の側にミラーが、他方の側に角度検出手段が配置された軸を、一対の軸受により、前記回転子と前記ミラーとの間および前記回転子と前記角度検出手段との間で支持し、前記角度検出手段からの信号に基づいて、前記ミラーの角度を位置決め制御するスキャナ装置におけるミラーのねじり振動防止方法において、前記軸の前記軸受の外側に慣性負荷を配置し、前記軸のねじり振動の節を、前記軸の前記一対の軸受間に位置させる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００１５】
図１は本発明に係るスキャナ装置の制御ブロック線図、図２はミラー近傍の斜視図、図３は角度検出手段近傍の斜視図である。
【００１６】
スキャナ装置１の可動コイル７は、方形に形成され、一方の相対する２辺が回転軸４の回転の軸線と平行になるようにして、他方の相対する２辺の中央部が回転軸４に保持されている。可動コイル７は、回転軸４の軸線と平行に配置された一対の永久磁石８によって形成される磁力線の方向が回転軸４の軸線に直交する方向の磁界中に配置されている。軸受５と軸受６は、可動コイル７の両側で、回転軸４を回転自在に支持している。
【００１７】
ミラーマウンタ３は、図２に示すように、直方体部と円筒部とから構成されている。そして、円筒部の中心部に形成された穴３ａが回転軸４に嵌合し、ねじ１２により回転軸４に固定されている。ミラー２は、ミラーマウンタ３の直方体部の側面に形成された溝３ｂに嵌合し、ミラーマウンタ３に接着されている。
【００１８】
円筒形のハブ１０は、図３に示すように、中心部に形成された穴１０ａが回転軸４に嵌合し、図示を省略するねじにより回転軸４に固定されている。センサヘッド１１と組み合わされることによりロータリ型のレーザエンコーダを構成するガラス円盤９は、ハブ１０の側面に接着されている。
【００１９】
センサヘッド１１は、ガラス円盤９表面の回折格子と対向するようにして、ケース１ａに固定されている。
【００２０】
センサヘッド１１は、位相弁別回路３０およびアップダウンカウンタ３３を介してバス２１に接続されている。バス２１には、マイクロプロセッサ２０とランダムアクセスメモリ２３の入力端および出力端、リードオンリメモリ２２の出力端およびＤＡ変換器４０の入力端等が接続されている。したがって、マイクロプロセッサ２０はバス２１を介してリードオンリメモリ２２およびランダムアクセスメモリ２３にアクセスすることができる。ＤＡ変換器４０の出力端はサーボアンプ４２を介して可動コイル７に接続されている。
【００２１】
以上の構成において、可動コイル７に駆動電流４４を供給すると、可動コイル７の磁力線と直交する（回転軸４の軸線と平行な）コイル導線がローレンツ力を受ける結果、回転軸４に駆動トルクが作用して、回転軸４は回転する。
【００２２】
回転軸４の回転に伴ってガラス円盤９が回転するので、センサヘッド１１からは矩形波のＡ相信号３１と、Ａ相信号３１と位相差が９０度の矩形波のＢ相信号３２が出力される。
【００２３】
Ａ相信号３１とＢ相信号３２を受信した位相弁別回路３０は、Ａ相信号３１がＢ相信号３２よりも先行している場合にはガラス円盤９の回転方向が正方向であると判断してアップパルス信号３４を出力し、Ｂ相信号３２がＡ相信号３１よりも先行している場合には回転方向が負方向であると判断してダウンパルス信号３５を出力する。
【００２４】
アップダウンカウンタ３３は、アップパルス信号３４とダウンパルス信号３５をカウントし、回転角に比例したディジタル角度検出信号３６を出力する。
【００２５】
マイクロプロセッサ２０は、一定サンプリング周期毎にディジタル角度検出信号３６を読み出し、リードオンリメモリ２２やランダムアクセスメモリ２３に記憶されているデータに基づいてディジタルサーボ処理を行い、演算により得られた結果をディジタル制御入力４１としてＤＡ変換器４０に出力する。そして、ＤＡ変換器４０の出力は電流指令値４３としてサーボアンプ４２に入力され、サーボアンプ４２により電流指令値４３に略比例した駆動電流４４が可動コイル７に供給される。以下、ミラー２の角度が予め指定された角度に一致するまで、上記の動作を繰り返す。
【００２６】
ここで、マイクロプロセッサ２０からみた制御対象は、ディジタル制御入力４１を入力としレーザスキャナ１を経由してディジタル角度検出信号３６を出力とするサブシステムである。
【００２７】
そして、この制御対象の入出力間の周波数応答特性は、レーザスキャナ１に取り付けるミラー２の慣性モーメントによって異なる。
【００２８】
次に、ミラーのねじり振動防止方法について説明する。
【００２９】
（第１の例）
図４は、マイクロプロセッサ２０からみた制御対象の周波数応答特性をサーボアナライザで測定した結果の一例を示すボード線図であり、横軸は周波数、縦軸はゲインである。
【００３０】
図示の場合、固有振動の１次モードと２次モードに対応する２つの共振点と１次モードの共振点より少し高い周波数の反共振点がある。このように、１次共振点より高い側に反共振点がある場合、１次モードのねじれの節がガラス円盤９付近に位置し、この節を挟んで角度センサ側と可動コイル側が互いに逆相にねじり振動する。したがって、ミラー２が可動コイル７と同相で振動すると、ミラーの実際の角度と角度センサから出力される角度との間にずれが発生して、位置決め精度が低下する。また、１次モードの共振は、サーボ系の帯域周波数すなわち位置決め応答性を制限する要因となる。
【００３１】
このような場合には、ミラー２付近の慣性モーメントを増すことにより、ねじれの節をガラス円盤９から遠ざけ、可動コイル７の内側、特に可動コイル７の中央付近に移動させることが有効である。そして、このようにすると、ねじれの節の位置に駆動トルクが作用するので、１次モードの共振の励起を抑制できる。
【００３２】
図５は、ミラー２付近の慣性モーメントを増すための一例を示す図である。
【００３３】
慣性負荷１３は、中心部にミラーマウンタ３に嵌合する穴１３ａを備え、一方の端部にはミラーマウンタ３の外周に嵌合する溝１３ｂが形成されている。そして、溝１３ｂをミラーマウンタ３に係合させた状態で、ねじ１４によりミラーマウンタ３に固定する。
【００３４】
図６は、慣性負荷１３の質量を適切に選定した場合の制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【００３５】
図示の場合、慣性負荷１３により、１次共振点が反共振点に相殺されている。この結果、共振周波数によるサーボ帯域の制約が緩和されると共に、共振による位相遅れも無くなり、ディジタルサーボ系を安定に広帯域化することができる。
【００３６】
この実施形態では、溝１３ｂを設けたので、慣性負荷１３がミラーマウンタ３に対して回転せず、位置決め精度を向上させることができる。
【００３７】
なお、ミラー２を交換する場合には、交換するミラー２の慣性モーメントに合わせて慣性負荷１３の質量を調整すれば良い。
【００３８】
（第２の例）
図７は、マイクロプロセッサ２０からみた制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図であり、横軸は周波数、縦軸はゲインである。
【００３９】
図示の場合、固有振動の１次モードと２次モードに対応する２つの共振点と１次モードの共振点より少し低い周波数の反共振点がある。このように、１次共振点より低い側に反共振点がある場合、１次モードのねじれの節がミラー２付近に位置し、角度センサと可動コイルは互いに同相で振動する。したがって、ミラー２が可動コイル７と逆相で振動すると、ミラーの実際の角度と角度センサから出力される角度との間にずれが発生して位置決め精度が低下する。また、１次モードの共振は、サーボ系の帯域周波数すなわち位置決め応答性を制限する要因となる。
【００４０】
このような場合には、ガラス円盤９付近の慣性モーメントを増すことにより、ねじれの節をミラー２から遠ざけ、可動コイル７の内側、特に可動コイル７の中央付近に移動させることが有効である。このようにすると、ねじれの節の位置に駆動トルクが作用するので、１次モードの共振の励起を抑制できる。
【００４１】
図８は、ガラス円盤９付近の慣性モーメントを増すための一例を示す図である。　慣性負荷１５は、中心部にハブ１０に嵌合する穴１５ａを備えており、ねじ１６によりハブ１０に固定されている。
【００４２】
図９は、慣性負荷１５の質量を適切に選定した場合の制御対象の周波数応答特性例を示す図である。
【００４３】
図示の場合、慣性負荷１５により、１次共振点が反共振点に相殺されている。この結果、共振周波数によるサーボ帯域の制約が緩和されると共に、共振による位相遅れも無くなり、ディジタルサーボ系を安定に広帯域化することができる。
【００４４】
ところで、慣性負荷１５は以下に示すような構造にすることもできる。
【００４５】
図１０は、慣性負荷１５の変形例を示す図であり、（ａ）の場合は、慣性負荷１５の周囲に慣性調整ねじ５１，５２，５３，５４を９０°間隔で放射状に取り付けるようにしたものである。このように構成すると、この４本のネジの長さを変えることにより、慣性負荷の大きさを連続的に調整できる。また、各ねじに錘を付加し、その錘の回転軸回りの半径（すなわち回転軸４の軸心からの距離）を調整することによって、慣性負荷の大きさを連続的に調整することもできる。
【００４６】
また、（ｂ）の場合は、ガラス円盤９を挾み、慣性負荷１５をハブ１０の反対側に配置して、ねじ６１，６２，６３，６４によりハブ１０に固定するようにしたものである。このように構成すると、ガラス円盤９を回転軸４から取り外さずに、慣性負荷１５を交換できるので、慣性負荷１５の質量の調整が容易になる。
【００４７】
なお、これらの構成は、ミラーマウンタ３に対しても適用することができる。
【００４８】
ところで、上記では、いずれも慣性負荷を用いることによりねじれの節の位置を変えるようにしたが、慣性負荷を用いることなくねじれの節の位置を変えることもできる。
【００４９】
図１１は、本発明の他の実施形態を示す図であり、図１と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。
【００５０】
この実施形態は、ガラス円盤９を軸方向に移動できるように構成したものであり、回転軸４の軸受６から突出する部分の長さが図１に示した場合よりも長くしてある。
【００５１】
このようにすると、ガラス円盤９をある位置で固定した時の制御対象の周波数応答特性が図４のようであった場合、ガラス円盤９をミラー２に近づけて固定することにより、ねじれの節を可動コイル７の中心側に移動させることができる。
【００５２】
また、制御対象の周波数応答特性が図７のようであった場合、ガラス円盤９をミラー２から遠ざけて固定することにより、ねじれの節を可動コイル７の中心側に移動させることができる。
【００５３】
なお、ミラーマウンタ３の円筒部を長くしておき、ミラー２の取り付け位置を回転軸４の軸線方向に変えることができるようにしても、上記の場合と同様に、ねじれの節の位置を調整することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、慣性負荷を用いて回転軸のねじり振動を抑制するようにしたので、サーボ帯域が拡大し、高速かつ高精度にミラーを位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスキャナ装置の制御ブロック線図である。
【図２】本発明に係るスキャナ装置のミラー近傍の斜視図である。
【図３】本発明に係るスキャナ装置の角度検出手段近傍の斜視図である。
【図４】マイクロプロセッサからみた制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【図５】ミラー付近の慣性モーメントを増すための一例を示す図である。
【図６】慣性負荷の質量を適切に選定した場合の制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【図７】マイクロプロセッサからみた制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【図８】ガラス円盤付近の慣性モーメントを増すための一例を示す図である。
【図９】慣性負荷の質量を適切に選定した場合の制御対象の周波数応答特性例を示すボード線図である。
【図１０】本発明に係る慣性負荷の変形例を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１　レーザスキャナ
２　ミラー
４　回転軸
７　可動コイル
９　ガラス円盤
１３　慣性負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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