(57)【要約】【課題】２個の反射鏡を用いてスキャニングすることに起因する課題を解決し、高速で高精度な光ビームのスキャニングを行うことができる光ビームスキャニング装置を提供する。【解決手段】軸受部１０にて、反射鏡１０４をＸ軸及びＹ軸の回転軸それぞれにて回動自在に支持し、駆動部２０にて、反射鏡１０４をＸ軸及びＹ軸の回転軸それぞれの周りに電磁的に回動させるようにして、単一の反射鏡１０４にて２次元的なスキャニングを行えるようにする。また、軸受部１０は、機械的な摩擦が生じない静圧空気軸受け構造とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを反射鏡にて反射させて２次元平面上に投影させる光ビームスキャニング装置であって、
光ビームを反射させる単一の反射鏡と、前記反射鏡を角度の異なる２つの回転軸それぞれにて回動自在に支持する支持手段と、前記反射鏡を前記２つの回転軸それぞれの周りに電磁的に回動させる駆動手段と、を具備することを特徴とする光ビームスキャニング装置。
【請求項２】
前記支持手段は、内側の壁面が凹状に湾曲したリング形状を成す外輪部材と、外側の壁面が前記外輪部材の内側の壁面に対向する向きに凸状に湾曲した形状を成す内輪部材と、前記内輪部材と前記反射鏡とを結合する結合部材とを具備し、球面軸受け構造として前記反射鏡を保持することを特徴とする請求項１に記載の光ビームスキャニング装置。
【請求項３】
前記支持手段の前記外輪部材と前記内輪部材との間に空気層を形成して静圧空気軸受け構造としたことを特徴とする請求項２に記載の光ビームスキャニング装置。
【請求項４】
前記駆動手段は、それぞれの一端が前記反射鏡に接続され前記２つの回転軸周りに前記反射鏡を回動させる複数個の結合部材と、前記複数個の結合部材それぞれの他端に設けられる永久磁石と、前記複数個の永久磁石それぞれと対向する駆動用コイルと、を具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光ビームスキャニング装置。
【請求項５】
前記反射鏡のレーザ光入射面と反対の面に設けられる再帰反射手段と、前記再帰反射手段に対して測定用のレーザ光を複数ポイントに入射し各ポイントからの反射光の光路差に基づいて前記反射鏡の回動角を測定する回動角測定手段と、前記複数の駆動用コイルに通電を行う複数の通電手段と、前記複数の駆動用コイルそれぞれに流れる電流と前記回動角測定手段の測定結果と外部より入力される位置指令とに基づいて前記複数の通電手段それぞれを制御する制御手段と、を具備することを特徴とする請求項４に記載の光ビームスキャニング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工用のレーザ光線等の光ビームを２次元平面に投射する光ビームスキャニング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ光線等の光ビームを２次元的にスキャニングして２次元（Ｘ−Ｙ）平面上に投射するには、一般的にガルバノメータと呼ばれる１軸の電磁式アクチュエータを２個用いた光ビームスキャニング装置が案出されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
すなわち、図５に示すレーザ加工装置の例のように、レーザ発振器１で発振させた光ビームを第１のガルバノメータ２の反射鏡３でＸ軸方向にスキャニングし、更に第１のガルバノメータ２からの反射光ビームを第２のガルバノメータ４の反射鏡５に入光させてＹ軸方向に光ビームをスキャニングさせる。この光ビームスキャニング機構にてスキャニングされたビームは、ｆθレンズ６を通してＸ−Ｙテーブル７上に固定された被加工物８の面上に投射され、その投射点をレーザの熱にて加工する。光ビームスキャニング装置のスキャニング範囲を超える位置の加工はＸ−Ｙテーブル７にて被加工物を移動させることにより実施する。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３４３２６２号公報（第４頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光ビームスキャニング装置においては、以下のような問題がある。
【０００６】
（１）反射鏡３でＸ方向にスキャニングさせる光ビームを反射鏡５で受ける必要があるため、反射鏡５はＸ方向のスキャニング範囲より大きな外形が必要となり質量も大きくなり、高速に駆動できない。
【０００７】
（２）２個の反射鏡の位置決め精度が積み上げられて最終的な光ビームのスキャニング精度が決まるため、スキャニングの精度に限界がある。
【０００８】
（３）光学的な収差により最終的なスキャニング位置に歪みが発生するのは避けられないが、反射鏡の歪曲の特性がＸ方向とＹ方向とで異なるので、補正が困難である。
【０００９】
本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、２個の反射鏡を用いてスキャニングすることに起因する課題を解決し、高速で高精度な光ビームのスキャニングを行うことができる光ビームスキャニング装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の光ビームスキャニング装置は、光ビームを反射鏡にて反射させて２次元平面上に投影させる光ビームスキャニング装置であって、光ビームを反射させる単一の反射鏡と、前記反射鏡を角度の異なる２つの回転軸それぞれにて回動自在に支持する支持手段と、前記反射鏡を前記２つの回転軸それぞれの周りに電磁的に回動させる駆動手段と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、単一の反射鏡にて２次元的なスキャニングを行えるので、軽量化が可能となり、また従来のような２個の反射鏡に対する補正が不要であることから光ビームの高精度な位置決めが可能となる。すなわち、高速で高精度な光ビームのスキャニングが可能となる。また、単一の反射鏡で済むので、装置の小型化及びコストダウンが図れる。
【００１２】
請求項２に係る発明の光ビームスキャニング装置は、請求項１に係る発明の光ビームスキャニング装置において、前記支持手段は、内側の壁面が凹状に湾曲したリング形状を成す外輪部材と、外側の壁面が前記外輪部材の内側の壁面に対向する向きに凸状に湾曲した形状を成す複数個の内輪部材と、前記内輪部材と前記反射鏡とを結合する結合部材とを具備し、球面軸受け構造として前記反射鏡を保持することを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、球面軸受け構造として反射鏡を保持することが可能となる。
【００１４】
請求項３に係る発明の光ビームスキャニング装置は、請求項２に係る発明の光ビームスキャニング装置において、前記支持手段の前記外輪部材と前記内輪部材との間に空気層を形成して静圧空気軸受け構造としたことを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、静圧空気軸受け構造として反射鏡を保持することが可能となる。また、空気軸受けとすることで機械的な摩擦が生じないので、反射鏡をさらに高速に回動させることができる。さらに、小さな駆動力で済むことから、省電力化が図れる。
【００１６】
請求項４に係る発明の光ビームスキャニング装置は、請求項１から請求項３のいずれかに係る発明の光ビームスキャニング装置において、前記駆動手段は、それぞれの一端が前記反射鏡に接続され前記２つの回転軸周りに前記反射鏡を回動させる複数個の結合部材と、前記複数個の結合部材それぞれの他端に設けられる永久磁石と、前記複数個の永久磁石それぞれと対向する駆動用コイルと、を具備することを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、磁気を利用して反射鏡を回動させるので、高速で高精度な光ビームのスキャニングを行うことが可能となる。
【００１８】
請求項５に係る発明の光ビームスキャニング装置は、請求項４に記載の光ビームスキャニング装置において、前記反射鏡のレーザ光入射面と反対の面に設けられる再帰反射手段と、前記再帰反射手段に対して測定用のレーザ光を複数ポイントに入射し各ポイントからの反射光の光路差に基づいて前記反射鏡の回動角を測定する回動角測定手段と、前記複数の駆動用コイルに通電を行う複数の通電手段と、前記複数の駆動用コイルそれぞれに流れる電流と前記回動角測定手段の測定結果と外部より入力される位置指令とに基づいて前記複数の通電手段それぞれを制御する制御手段と、を具備することを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、高速で高精度な光ビームのスキャニングを行うことができる光ビームスキャニング装置を提供することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施の形態に係る光ビームスキャニング装置の軸受部１０の構造を示す斜視図である。また、図２は本実施の形態に係る光ビームスキャニング装置の駆動部２０の構造を示す斜視図である。
【００２２】
（軸受部１０の構造）
図１において、後述する反射鏡１０４を回動自在に支持する支持手段である軸受部１０は、外輪部材１０１と、４個の内輪部材１０２と、８個の結合部材１０３と、反射鏡１０４とを備えて構成される。外輪部材１０１は、その内側の壁面が凹状に湾曲したリング状に形成されており、レーザ加工装置等の適用する機器本体側に固定される。４個の内輪部材１０２は、それぞれ外輪部材１０１の内側の壁面と対向する向きに凸状に湾曲した方形状に形成されている。
【００２３】
８個の結合部材１０３は、それぞれ棒状に形成されており、そのうち４個が反射鏡１０４に各内輪部材１０２を接続するために使用される。残り４個の結合部材１０３は、反射鏡１０４に永久磁石２０１および２０２（図２参照）を接続するために使用される。すなわち、各一端が反射鏡１０４に接続され、各他端が図２に示す永久磁石２０１および２０２に接続される。この場合、反射鏡１０４に永久磁石２０１および２０２を接続するための結合部材１０３の他端は、他の連結部材１０３と重ならない位置で反射鏡１０４に接続される。
【００２４】
外輪部材１０１と各内輪部材１０２との間には外輪部材１０１に開けられた穴（図示略）より加圧された空気が供給されるようになっており、この空気の供給により形成される空気層で静圧空気軸受けを構成している。なお、静圧空気軸受けの他に、球面状にボールを配置した球状転がり軸受け、あるいは樹脂等で球面を構成した球状すべり軸受け等でも構わない。
【００２５】
このように、軸受部１０は、外輪部材１０１と、４個の内輪部材１０２と、外輪部材１０１と各内輪部材１０２との間の空気層とによって反射鏡１０４を回動自在に支持する構造を成している。すなわち、反射鏡１０４は、４個の内輪部材１０２と各内輪部材１０２に接続された結合部材１０３とによって各内輪部材１０１内の中央の位置で回動自在に保持される。
【００２６】
（駆動部２０の構造）
図２において、反射鏡１０４を回動させる駆動手段である駆動部２０は、２個のＹ軸駆動用永久磁石２０１（この図では２個のうち１個は陰になって見えていない）と、２個のＸ軸駆動用永久磁石２０２と、２個のＹ軸駆動用コイル２０３（この図では２個のうち１個は図示していない）と、２個のＸ軸駆動用コイル２０４（この図では２個のうち１個は図示していない）と、２個のガイド２０５とを備えて構成される。
【００２７】
２個のＹ軸駆動用永久磁石２０１と２個のＸ軸駆動用永久磁石２０２は、内輪部材１０２を保持する４個の結合部材１０３を除く残り４個の結合部材１０３の一端に接続され保持される。２個のＹ軸駆動用永久磁石２０１は、互いに外側端面での極性が逆になるように配設されている。すなわち、Ｚ軸方向にＳ，Ｎの磁極面が逆になるように配設されている。互いに磁極面を逆極性とすることで、倍の力で反射鏡１０４をＹ軸周りに回動させることが可能となる。同様に２個のＸ軸駆動用永久磁石２０２も、互いに外側端面での極性が逆になるように配設されている。この場合は、倍の力で反射鏡１０４をＸ軸周りに回動させることが可能となる。なお、Ｚ軸はＸ軸及びＹ軸と垂直に交わる軸である。
【００２８】
一方、２個のＹ軸駆動用コイル２０３は、２個のＹ軸駆動用永久磁石２０１の外側端面に対向する位置に外輪部材１０１の内壁面に固定されている。同様に２個のＸ軸駆動用コイル２０４は、２個のＸ軸駆動用永久磁石２０２の磁極面と対向する位置の外輪部材１０１の内壁面に固定されている。Ｙ軸駆動用コイル２０３とＸ軸駆動用コイル２０４はそれぞれ３層巻きになっており、反射鏡１０４の位置決めを高精度で行うことが可能となっている。ここで、図３に、一対のＹ軸駆動用永久磁石２０１とＹ軸駆動用コイル２０３との関係を示す。なお、Ｘ軸駆動用永久磁石２０２とＸ軸駆動用コイル２０４もこの図と同様の関係となっている。２個のガイド２０５は、反射鏡１０４のＺ軸周りの回動を規制する。
【００２９】
このように、駆動部２０は、２個のＹ軸駆動用永久磁石２０１と、２個のＸ軸駆動用永久磁石２０２と、２個のＹ軸駆動用コイル２０３と、２個のＸ軸駆動用コイル２０４と、２個のガイド２０５とによって、反射鏡１０４をＸ軸及びＹ軸周りに回動させる。なお、Ｘ軸及びＹ軸単独の駆動原理は公知の３相同期サーボモータの駆動原理と同一である。本発明は動作原理に及ぶものではないのでその説明を省略するが、例えば特開平９−４７０７４号公報で詳細に説明されている。
【００３０】
次に、駆動部２０を制御する制御装置について説明する。
図４は、駆動部２０を制御する制御装置３０の構成を示すブロック図である。なお、この図では、Ｙ軸駆動用コイル２０３に対する構成のみ示しており、制御部３０３を除く部分（コンバータ３０１、インバータ３０２）については、Ｘ軸駆動用コイル２０４の分も別途設けられている。
【００３１】
制御装置３０は、３相交流電源を全波整流して直流の電源電圧を発生するコンバータ３０１と、コンバータ３０１から電源供給を受けて動作し、制御部３０３から入力される制御信号（ＰＷＭ信号）に応じて一対のＹ軸駆動用コイル２０３の各相Ｕ，Ｖ，Ｗのコイルを通電する通電手段であるインバータ３０２と、反射鏡１０４の回動角を測定する回動角測定部３０４とを備えて構成される。
【００３２】
回動角測定部３０４は、反射鏡１０４のレーザ光の入射面と反対の面（即ち裏面）に設けた再帰反射手段である再帰反射ユニット３０５に測定用のレーザ光を複数ポイント入射し、各ポイントからの反射光の光路差を判定することで反射鏡１０４の回動角を測定する。そして、測定して得られた回動角検出信号を制御部３０３に与える。なお、再帰反射とは、光がどのような方向から入射しても光源に向かってそのまま反射するようにした反射方法である。制御部３０３は、一対のＹ軸駆動用コイル２０３の各相Ｕ，Ｖの電流ｉｕ，ｉｖと回動角測定手段である回動角測定部３０４からの回動角検出信号と外部より入力される位置指令に基づいてインバータ３０２に与える制御信号を生成する。
【００３３】
これにより、外部より入力される位置指令で指定されるＹ軸周りの位置に反射鏡１０４が回動する。Ｘ軸駆動用コイル２０４においても同様であり、外部より入力される位置指令で指定されるＸ軸周りの位置に反射鏡１０４が回動する。このようにして、単一の反射鏡１０４をＸ軸及びＹ軸周りに自由に回動させることができる。
【００３４】
このように、本実施の形態に係る光ビームスキャニング装置によれば、軸受部１０にて、反射鏡１０４をＸ軸及びＹ軸の回転軸それぞれにて回動自在に支持し、駆動部２０にて、反射鏡１０４をＸ軸及びＹ軸の回転軸それぞれの周りに電磁的に回動させるようにして、単一の反射鏡１０４にて２次元的なスキャニングを行えるようにしたので、軽量化が可能となり、また従来のような２個の反射鏡に対する補正が不要であることから光ビームの高精度な位置決めが可能となる。
【００３５】
また、軸受部１０を機械的な摩擦が生じない静圧空気軸受け構造としたので、省電力化が図れる。
【００３６】
なお、本実施の形態では、３相同期サーボモータの駆動方式を用いたが、ステッピングモータ方式、超音波モータ方式等の駆動方式でも同様に実施可能である。
【００３７】
また、本実施の形態では、制御装置３０を光ビームスキャニング装置の一部としたが、独立して存在しても構わないし、光ビームスキャニング装置を適用する装置（例えばレーザ加工装置）の一部としてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の光ビームスキャニング装置によれば、単一の反射鏡にて２次元的なスキャニングを行えるので、軽量化が可能となり、また従来のような２個の反射鏡に対する補正が不要であることから光ビームの高精度な位置決めが可能となる。すなわち、高速で高精度な光ビームのスキャニングが可能となる。また、単一の反射鏡で済むので、装置の小型化及びコストダウンが図れる。
【００３９】
請求項２に係る発明の光ビームスキャニング装置によれば、球面軸受け構造としたので、反射鏡を高速で回動させることができる。
【００４０】
請求項３に係る発明の光ビームスキャニング装置によれば、静圧空気軸受け構造とたので、反射鏡を更に高速に回動させることができ、しかも機械的な摩擦が生じないことから、小さな駆動力で済み省電力化が図れる。
【００４１】
請求項４に係る発明の光ビームスキャニング装置によれば、磁気を利用して反射鏡を回動させるので、高速で高精度な光ビームのスキャニングを行うことが可能となる。
【００４２】
請求項５に係る発明の光ビームスキャニング装置によれば、高速で高精度な光ビームのスキャニングを行うことができ、高速・高精度なレーザ加工装置等の設備を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る光ビームスキャニング装置の軸受部の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る光ビームスキャニング装置の駆動部の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る光ビームスキャニング装置の駆動部のＹ軸駆動用コイルとＹ軸駆動用永久磁石の関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る光ビームスキャニング装置の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】従来の光ビームスキャニング装置を搭載したレーザ加工装置の外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０  軸受部
２０  駆動部
３０  制御装置
１０１  外輪部材
１０２  内輪部材
１０４  反射鏡
２０１  Ｙ軸駆動用永久磁石
２０２  Ｘ軸駆動用永久磁石
２０３  Ｙ軸駆動用コイル
２０４  Ｘ軸駆動用コイル
２０５  ガイド
３０１  コンバータ
３０２  インバータ
３０３  制御部
３０４  回動角測定部
３０５  再帰反射ユニット
【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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