(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を走査又は偏向するガルバノモータであって、
回転軸と、
前記回転軸を回転駆動する回転駆動部と、
前記回転軸の一端に結合された回転角度検出部とを有し、
前記回転軸は、前記回転角度検出部が結合された前記一端とは反対側の他の一端に、前記回転角度検出部より重い偏向部材が結合されるように構成され、
前記偏向部材が前記回転軸に結合された場合、前記ガルバノモータの開ループ特性における位相交点周波数ｆｐｈａｓｅ、前記回転軸の中央部と前記回転角度検出部と間のねじれ共振周波数ｆｓｃａｌｅ、及び、該回転軸の中央部と前記偏向部材との間のねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒは、
ｆｐｈａｓｅ＜ｆｓｃａｌｅ≦ｆｍｉｒｒｏｒ
の関係を満たし、
前記ねじれ共振周波数ｆｓｃａｌｅにおける位相、及び、前記ねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒにおける位相は、−１８０度以外であることを特徴とするガルバノモータ。
【請求項２】
前記偏向部材の結合側における前記回転軸の直径は、前記回転角度検出部の結合側における該回転軸の直径より大きいことを特徴とする請求項１記載のガルバノモータ。
【請求項３】
請求項１又は２記載のガルバノモータと、
目標角度情報と前記回転角度検出部からの回転角度情報とを比較し、該目標角度情報と該回転角度情報との差が小さくなるように、前記回転軸の回転駆動動作をデジタル制御するモータ制御部とを有することを特徴とするガルバノモータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の光軸を走査又は偏向するガルバノモータ及びガルバノモータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ穴あけ機、レーザマーカ又は光造形装置など、レーザ光線を連続的に走査又は位置決めして照射し、そのレーザエネルギーにより被加工物を加熱して焼き、昇華させ又は光硬化性の樹脂を硬化させて所望の形状に加工する加工装置がある。このような加工装置のレーザ光線の走査又は位置決めを行うため、ガルバノモータが利用されている。
【０００３】
ガルバノモータに求められる特性は、走査又は位置決めの応答性と精度である。ガルバノモータの応答性を向上させるため、モータの低慣性化、高トルク化、及び、低インピーダンス化を考慮した設計が行なわれている。また、ガルバノモータをモータ制御部と組み合わせてガルバノモータシステムを構成した場合、制御ゲインを高くできるようなモータの周波数応答特性が求められている。
【０００４】
ガルバノモータの高精度化のためには、静電容量方式や光学式の角度位置センサの大型化又は多分割化による高感度化や、差動回路による補償などが行なわれている。さらに近年では、角度位置センサとしてエンコーダを用いたものも実用化されている。
【０００５】
図６は、従来のガルバノモータの概略構成を示す断面図である。同図において、１０１はモータシャフト、１０２はモータシャフト１０１の概中央部に固定された磁石である。１０３はモータケース、１０４は、モータケース１０３に固定されて磁石１０２と協働して磁気回路を構成する固定ヨークである。１０５は、固定ヨーク１０４に固定されて磁石１０２とモータシャフト１０１を回転駆動するコイルである。
【０００６】
１０６は、モータシャフト１０１の一端に固定された角度情報（位置情報）を得るための格子をもったエンコーダスケールである。１０７は、エンコーダスケール１０６の格子情報を読み取るセンサ、１０８は、センサを１０７が実装され電気信号に変換する基板である。１０９はミラーであり、モータシャフト１０１の他の一端に直接結合されている。
【０００７】
図６に示される従来例のように、一般的に、モータシャフト１０１としてストレートなシャフトが用いられることが多い。また、駆動するミラー１０９のイナーシャは、エンコーダスケール１０６より大きな場合が多い。さらに、磁石１０２とミラー１０９との間の距離Ｌｍｉｒｒｏｒは、磁石１０２とエンコーダスケール１０６との間の距離Ｌｓｃａｌｅより大きくなる場合が多い。
【０００８】
この従来例における具体的な数値は、Ｇｍｉｒｒｏｒ＝２０６[ＧＰａ]、Ｉｐｍｉｒｒｏｒ＝Ｄｍｉｒｒｏｒ４／３２＝０．００４４／３２[ｍ４]、Ｉｍｉｒｒｏｒ＝０．８−７[Ｋｇｍ２]、Ｌｍｉｒｒｏｒ＝０．０１５[ｍ]である。また、Ｇｓｃａｌｅ＝２０６[ＧＰａ]、Ｉｐｓｃａｌｅ＝Ｄｓｃａｌｅ４／３２＝０．００４４／３２[ｍ４] 、Ｉｓｃａｌｅ＝０．６−７[Ｋｇｍ２]、Ｌｓｃａｌｅ＝０．０１２[ｍ]である。
【０００９】
ここで、Ｇｍｉｒｒｏｒは、磁石１０２とミラー１０９との間のモータシャフト１０１の材料の横弾性係数である。Ｉｐｍｉｒｒｏｒは、磁石１０２とミラー１０９との間のモータシャフト１０１の断面２次極モーメントである。Ｄｍｉｒｒｏｒは、磁石１０２とミラー１０９との間のモータシャフト１０１の直径である。Ｉｍｉｒｒｏｒは、ミラー１０９のイナーシャである。Ｌｍｉｒｒｏｒは、磁石１０２とミラー１０９との間の長さである。
【００１０】
Ｇｓｃａｌｅは、磁石１０２とエンコーダスケール１０６との間のモータシャフト１０１の材料の横弾性係数である。Ｉｐｓｃａｌｅは、磁石１０２とエンコーダスケール１０６との間のモータシャフト１０１の断面２次極モーメントである。Ｄｓｃａｌｅは、磁石１０２とエンコーダスケール１０６との間のモータシャフト１０１の直径である。Ｉｓｃａｌｅは、エンコーダスケール１０６のイナーシャである。Ｌｓｃａｌｅは、磁石１０２とエンコーダスケール１０６との間の長さである。
【００１１】
以上の数値を用いると、磁石１０２とミラー１０９との間の１次のねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒと、磁石１０２とエンコーダスケール１０６との間の１次のねじれ共振周波数ｆｓｃａｌｅが算出される。この従来例では、ねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒ、ｆｓｃａｌｅは、それぞれ、５８９８Ｈｚ、７６１４Ｈｚとなる。
【００１２】
また、角度位置検出手段としてエンコーダを用いたガルバノモータのモータ制御部は、デジタル信号で得られた位置情報を精度を落とさずに利用するため、一般的にはデジタル制御回路が用いられる。
【００１３】
図７は、従来のガルバノモータの周波数特性の模式図であり、図７（ａ）はゲイン特性、図７（ｂ）は位相特性である。図７に示されるボード線図は、図６に示される従来のガルバノモータを約４０ｋＨｚのサンプリング周期で駆動させた場合の開ループの周波数特性を示している。
【００１４】
図７（ａ）に示されるように、ねじれ共振周波数ｆｓｃａｌｅは、ねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒより高くなっている。また、図７（ｂ）に示されるように、モータ制御部のサンプリング周期に起因する位相遅れにより、位相交点周波数すなわち位相が−１８０度である周波数は約３ｋＨｚである。
【００１５】
この従来例の位相特性では、ねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒの手前の反共振で１８０度進み、ねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒで再度１８０度遅れる。そして、ｆｓｃａｌｅで１８０度遅れる。このように、共振がモータ駆動部よりセンサであるエンコーダ側で起きる時は、位相が１８０度遅れ、逆に共振がモータ駆動部よりエンコーダと反対側であるミラー側で起きるときは、位相が１８０度戻ってから１８０度遅れる。
【００１６】
ボードの定理により、ボード線図の位相交点でゲインが０ｄＢを超えなければ、その制御系は安定となる。また、ゲインが０ｄＢを超えても位相が−１８０度を横切らなければ、制御系は安定となる。このため、この従来例のように、位相交点周波数より少し高い周波数においてミラー側で共振が生じると、ねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒにて位相が−１８０度を横切り、かつ、ゲインが０ｄＢを越える。このため、制御系は不安定となって発振状態に陥る。そこで、一般的には、ノッチフィルタをねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒの周波数に適用する。
【００１７】
しかし、ノッチフィルタを適用すると、その周波数より低い領域に位相遅れが発生し、位相交点周波数が低下する。このため、制御ゲインを上げることが困難となり、モータの応答性が悪化する。
【特許文献１】特開２００３−８４２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
以上説明したように、デジタル制御では離散的に処理を行なうため、無駄時間要素が発生する。その結果、いわゆるボード線図における周波数特性でみた場合、位相遅れが生じる。
【００１９】
モータやセンサの大きさと制御に用いる演算素子の能力にも依存するが、実用的な範囲では、機械系の共振周波数と制御系の位相交点周波数（位相が−１８０度であるときの周波数）は接近している。このため、ローパスフィルタやノッチフィルタなどの各種制御フィルタを用いなければ、モータの応答性に直結する制御ゲインを上げることが困難である。
【００２０】
このようなデジタル制御を用いたガルバノモータでは、以下のような問題があり、性能向上が困難になってきている。
【００２１】
第一には、デジタル制御系は、サンプリングによる無駄時間要素を有することによる位相遅れが発生するため、位相交点が低くなってしまう。制御帯域は、位相交点周波数を超えることはできない。このため、制御ゲインも低くせざるを得なくなり、モータの応答性や外乱を抑圧する力が低下する。
【００２２】
第二には、モータの共振に対応するため、一般的に、ノッチフィルタ等の制御フィルタもデジタル演算で構成する。しかし、フィルタの種類や次数が増えると、演算負荷が増大して制御のサンプリング周期をより長くとる必要がある。また、フィルタそのものの影響でさらに位相交点周波数が低くなってしまい、制御ゲインを上げることが困難となる。
【００２３】
上記問題点を解決するため、本発明は、光線光軸を高精度かつ高速に回転偏向を行うことが可能なガルバノモータ及びガルバノモータシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の一側面としてのガルバノモータは、光源からの光を走査又は偏向するガルバノモータであって、回転軸と、前記回転軸を回転駆動する回転駆動部と、前記回転軸の一端に結合された回転角度検出部とを有し、前記回転軸は、前記回転角度検出部が結合された前記一端とは反対側の他の一端に、前記回転角度検出部より重い偏向部材が結合されるように構成され、前記偏向部材が前記回転軸に結合された場合、前記ガルバノモータの開ループ特性における位相交点周波数ｆｐｈａｓｅ、前記回転軸の中央部と前記回転角度検出部と間のねじれ共振周波数ｆｓｃａｌｅ、及び、該回転軸の中央部と前記偏向部材との間のねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒは、ｆｐｈａｓｅ＜ｆｓｃａｌｅ≦ｆｍｉｒｒｏｒの関係を満たし、前記ねじれ共振周波数ｆｓｃａｌｅにおける位相、及び、前記ねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒにおける位相は、−１８０度以外である。
【００２５】
本発明の他の側面としてのガルバノモータシステムは、前記ガルバノモータと、目標角度情報と前記回転角度検出部からの回転角度情報とを比較し、該目標角度情報と該回転角度情報との差が小さくなるように、前記回転軸の回転駆動動作をデジタル制御するモータ制御部とを有する。
【００２６】
本発明のその他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、光線の光軸を高精度かつ高速に回転偏向を行うことが可能なガルバノモータシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２９】
まず、本実施例におけるガルバノモータの基本構成について説明する。図１は、本実施例におけるガルバノモータの概略構成を示す断面図である。
【００３０】
図１において、１０はガルバノモータであり、例えば、光源からの光を走査又は偏向するために用いられる。１はモータシャフト（回転軸）であり、モータシャフト１が回転することにより、モータシャフト１に結合された後述のミラー９が回転する。２は磁石であり、磁石２はモータシャフト１の略中央部に固定されている。３はモータケースであり、ガルバノモータ１０の各構成要素は、モータケース３の内部に組み入れられている。
【００３１】
４は固定ヨークであり、固定ヨーク４はモータケース３に固定され、磁石２と協働して磁気回路を構成する。５はコイル（回転駆動部）であり、コイル５は固定ヨーク４に固定され、モータシャフト１及び磁石２を回転駆動する。
【００３２】
６はエンコーダスケール（回転角度検出部）である。エンコーダスケール６は、モータシャフト１の一端に結合され、モータシャフト１と同様に回転する。また、エンコーダスケール６には、モータシャフト１が回転することにより変化する回転角度情報（位置情報）を得るための格子が設けられている。
【００３３】
７はセンサであり、センサ７はエンコーダスケール６の格子情報を読み取る。８は基板であり、基板８には、センサ７が実装されており、センサ７で読み取ったエンコーダスケール６の格子情報を電気信号に変換する。
【００３４】
このように、エンコーダスケール６、センサ７、及び、基板８は、モータシャフト１の回転角度情報を得るための回転角度検出手段として用いられる。なお、本実施例において、回転角度を検出することができるものであれば、これらの代わりに他の回転角度検出手段を用いてもよい。
【００３５】
９はミラー（偏向部材）である。ミラー９は、エンコーダスケール６が結合されたモータシャフト１の一端とは反対側の他の一端に結合されている。
【００３６】
ミラー９は、照射されたレーザ光線を反射させることによりレーザ光線を偏向させる。このように、ミラー９は、モータシャフト１の回転動作に伴ってミラー角度（ミラー位置）を変化させ、ミラー９のミラー角度を制御することにより、レーザ光線の方向を制御することができる。
【００３７】
なお、本実施例のガルバノモータ１０において、ミラー９はモータシャフト１に着脱可能に構成されている。このため、本実施例のガルバノモータ１０は、その使用態様に応じて、種々のミラーを取り付けることが可能である。通常、ミラー９は、エンコーダスケール６より重く、ガルバノモータの仕様に応じて、使用可能なミラーの重さの範囲が規定されている。
【００３８】
図１に示されるように、本実施例のモータシャフト１は、磁石２が固定された略中央部からエンコーダスケール６が取り付けられている一端まで、所定の直径（シャフト径）を有している。この直径をＤｓｃａｌｅと表す。また、モータシャフト１は、ミラー９が取り付けられている一端の近傍では、直径Ｄｓｃａｌｅより大きい直径Ｄｍｉｒｒｏｒを有する。このように、モータシャフト１は、段付シャフトを構成している。すなわち、ミラー９の結合側におけるモータシャフト１の直径Ｄｍｉｒｒｏｒは、エンコーダスケール６の結合側におけるモータシャフト１の直径Ｄｓｃａｌｅより大きい。
【００３９】
図１中において、磁石２の左端とエンコーダスケール６との間におけるモータシャフト１の長さ（距離）をＬｓｃａｌｅとし、磁石２の右端とミラー９との間におけるモータシャフト１の長さをＬｍｉｒｒｏｒとする。また、磁石２の左端と右端との間におけるモータシャフト１の長さをＬｍｏｔｏｒとする。このとき、長さＬｓｃａｌｅ、Ｌｍｏｔｏｒの部分において、モータシャフト１の直径はＤｓｃａｌｅである。一方、長さＬｍｉｒｒｏｒの部分では、モータシャフト１の直径はＤｍｉｒｒｏｒである。
【００４０】
このように、ミラー９側の直径Ｄｍｉｒｒｏｒをエンコーダスケール６側の直径Ｄｓｃａｌｅより大きくすることにより、断面２次極モーメントＩｐを高くし、ねじれ剛性を高めることができる。
【００４１】
ここで、ねじれ剛性（ねじれバネ定数）について説明する。図２は、ねじれバネ定数に影響するパラメータの説明図である。
【００４２】
図２（ａ）は実モデルの模式図であり、イナーシャＩ１（慣性）の物体αとイナーシャＩ２の物体βとが、長さＬ及び直径Ｄを有するシャフトγで結合されている状態を示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）の実モデルに対応した質点系モデルの模式図であり、イナーシャＩ１の物体αとイナーシャＩ２の物体βとが、ねじれバネ定数Ｋのバネγ’で結合されている状態を示している。
【００４３】
このとき、シャフトγの材料の横弾性係数をＧ、及び、断面２次極モーメントをＩｐとすると、ねじれバネ定数Ｋは式（１）で表される。
【００４４】
【数１】
0005020880.tif 000002
【００４５】
式（１）から明らかなように、ねじれバネ定数Ｋは、シャフトγの材料、シャフトγの長さ、又は、シャフトの断面形状を変えることにより変化する。例えば、シャフトγの断面形状が中実丸棒であるとすると、断面２次極モーメントＩｐは式（２）で表され、シャフトγの直径Ｄの４乗に比例することがわかる。
【００４６】
【数２】
0005020880.tif 000003
【００４７】
このように、シャフトγが中実丸棒である場合、シャフトγの材料と直径Ｄと長さＬでねじれバネ定数Ｋが決まる。ただし、シャフトγの直径Ｄを長さＬの方向に徐々に変化させること、又は、シャフトγの断面形状を角形状などに変更することにより、所望のねじれバネ定数Ｋを得るようにしてもよい。
【００４８】
次に、本実施例のガルバノモータにおけるねじれ共振周波数について説明する。
【００４９】
図３は、本実施例におけるガルバノモータの質量と剛性とを単純な質点系のモデル図で示したものである。実際のモデルは質点系ではなく、また減衰項も有している。しかし、基本的概念は質点系と異なるものではない。このため、以下、質点系のモデルを用いて説明する。
【００５０】
図３において、Ｉｓｃａｌｅ、Ｉｍｏｔｏｒ、及び、Ｉｍｉｒｒｏｒは、それぞれ、ガルバノモータ１０のエンコーダスケール６、磁石２、及び、ミラー９のイナーシャ（慣性）を示す。また、Ｋｓｃａｌｅは、磁石２とエンコーダスケール６との間のねじれバネ定数を示し、Ｋｍｉｒｒｏｒは、磁石２とミラー９との間のねじれバネ定数を示す。
【００５１】
ここで、磁石２とエンコーダスケール６との間の断面２次極モーメントをＩｐｓｃａｌｅ、その間の長さをＬｓｃａｌｅ、及び、モータシャフト１の材料の横弾性係数をＧｓｃａｌｅとする。また、磁石２とミラー９との間の断面２次極モーメントをＩｐｍｉｒｒｏｒ、その間の長さをＬｍｉｒｒｏｒ、及び、モータシャフト１の材料の横弾性係数をＧｍｉｒｒｏｒとする。
【００５２】
このとき、ねじれバネ定数Ｋｓｃａｌｅ、Ｋｍｉｒｒｏｒは、それぞれ、以下の（３）式及び（４）式で表される。
【００５３】
【数３】
0005020880.tif 000004
【００５４】
【数４】
0005020880.tif 000005
【００５５】
ここで、ガルバノモータ１０の磁石２とエンコーダスケール６との間（モータシャフト１の中央部とエンコーダスケール６と間）の１次のねじれ共振周波数をｆｓｃａｌｅとする。また、磁石２とミラー９との間（モータシャフト１の中央部とミラー９との間）の１次のねじれ共振周波数をｆｍｉｒｒｏｒとする。このとき、ねじれ共振周波数ｆｓｃａｌｅ、ｆｍｉｒｒｏｒは、それぞれ、以下の（５）式及び（６）式で表される。
【００５６】
【数５】
0005020880.tif 000006
【００５７】
【数６】
0005020880.tif 000007
【００５８】
前述のとおり、本実施例のモータシャフト１は段付シャフトになっている。すなわち、ミラー９側におけるモータシャフト１の直径Ｄｍｉｒｒｏｒは、エンコーダスケール６側における直径Ｄｓｃａｌｅより大きい。
【００５９】
本実施例のモータシャフト１は中実丸棒であり、モータシャフト１の断面２次極モーメントＩｐは、式（２）のとおり、Ｄ４／３２（Ｄ：モータシャフトの直径）で求められる。このため、エンコーダスケール６側のモータシャフト１の断面２次極モーメントＩｐｓｃａｌｅは、Ｄｓｃａｌｅ４／３２で求められ、ミラー９側のモータシャフト１の断面２次極モーメントＩｐｍｉｒｒｏｒは、Ｄｍｉｒｒｏｒ４／３２で求められる。従って、ＩｐｓｃａｌｅよりＩｐｍｉｒｒｏｒのほうが大きくなる。
【００６０】
また、本実施例のガルバノモータにおいて、駆動するミラー９のイナーシャＩｍｉｒｒｏｒは、エンコーダスケール６のイナーシャＩｓｃａｌｅより大きい。さらに、磁石２とミラー９との間の長さＬｍｉｒｒｏｒは、磁石２とエンコーダスケール６との間の長さＬｓｃａｌｅより大きい。
【００６１】
具体的には、本実施例のガルバノモータは、次の値を有している。すなわち、Ｇｍｉｒｒｏｒ＝２０６[ＧＰａ]、Ｉｐｍｉｒｒｏｒ＝Ｄｍｉｒｒｏｒ４／３２＝０．００５５４／３２[ｍ４]、Ｉｍｉｒｒｏｒ＝０．９−７[Ｋｇｍ２]、Ｌｍｉｒｒｏｒ＝０．０１５[ｍ]である。また、Ｇｓｃａｌｅ＝２０６[ＧＰａ]、Ｉｐｓｃａｌｅ＝Ｄｓｃａｌｅ４／３２＝０．００４４／３２[ｍ４] 、Ｉｓｃａｌｅ＝０．６−７[Ｋｇｍ２]、Ｌｓｃａｌｅ＝０．０１２[ｍ]である。
【００６２】
以上の数値を式（５）及び（６）に代入すると、ねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒ、ｆｓｃａｌｅは、それぞれ、１０５１３Ｈｚ、７６１４Ｈｚと求められる。このように、本実施例のガルバノモータによれば、ミラー９側のねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒ（１０５１３Ｈｚ）のほうがエンコーダスケール６側のねじれ共振周波数ｆｓｃａｌｅ（７６１４Ｈｚ）より高くなっている。
【００６３】
次に、本実施例のガルバノモータ１０を制御するモータ制御部について説明する。
【００６４】
図４は、本実施例におけるガルバノモータシステムのブロック図である。ガルバノモータシステム２０は、ガルバノモータ１０及びガルバノモータの回転動作を制御するモータ制御部３０から構成されている。
【００６５】
モータ制御部３０は、サーボ演算器３１、ＤＡコンバータ３２、電流アンプ３３、及び、カウンタ３４を有する。サーボ演算器３１は、不図示の上位の制御装置から出力された目標位置指令と、カウンタ３４から出力された信号に基づいて、ガルバノモータ１０のモータシャフト１を目標位置（目標角度）に移動させるのに必要な回転量をデジタル演算する。その結果は、デジタル信号として出力される。
【００６６】
ＤＡコンバータ３２は、サーボ演算器３１から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換する。電流アンプ３３は、ＤＡコンバータ３２から出力されたアナログ信号を増幅して、増幅したアナログ信号をガルバノモータ１０のコイル５に通電する。
【００６７】
ガルバノモータ１０のモータシャフト１は、コイル５に通電された電流量に従って回転動作を行う。モータシャフト１が回転することにより、ミラー９は回転する。このように、モータ制御部３０は、ガルバノモータ１０に対する通電量を制御することにより、ミラー９の回転角（ミラー位置）を制御することができる。
【００６８】
モータシャフト１が回転すると、モータシャフト１の一端に固定されているエンコーダスケール６も回転する。カウンタ３４は、エンコーダスケール６からの出力信号をカウントして、ミラー９の角度情報（位置情報）を得る。カウンタ３４の出力信号は、ミラー９の現在の位置を示す。
【００６９】
このため、サーボ演算器３１は、目標位置指令とカウンタ３４の出力信号とを比較することにより、現在位置から目標位置に至るまでに必要な回転量を演算することができる。サーボ演算器３１は、例えば、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚのサンプリング周期で取り込んだ目標位置と現在位置とに基づいて、ガルバノモータ１０に対する電流指令が行われる。
【００７０】
このように、モータ制御部３０は、目標角度情報とミラー９からの回転角度情報とを比較し、目標角度情報と回転角度情報との差が小さくなるように、モータシャフト１の回転駆動動作をデジタル制御する。
【００７１】
次に、モータ制御部３０を用いてガルバノモータ１０を制御したときの周波数特性について説明する。
【００７２】
図５は、本実施例におけるガルバノモータの周波数特性である。図５（ａ）はゲイン特性であり、図５（ｂ）は位相特性である。図５は、開ループの周波数特性を示すボード線図の一例を示している。
【００７３】
図５（ｂ）に示されるように、モータ制御部３０の位相遅れにより、位相交点周波数ｆｐｈａｓｅ、すなわち位相が−１８０度になるときの周波数は、約３ｋＨｚである。モータ制御部３０の位相特性では、ねじれ共振周波数ｆｓｃａｌｅで１８０度遅れる。また、ねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒの手前の反共振で１８０度進み、ねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒで再度１８０度遅れる。
【００７４】
このように、共振がガルバノモータのエンコーダスケール側で生じると、エンコーダスケールで見た場合に位相が１８０度遅れる。逆に、共振がセンサと反対側のミラー側で生じると、位相は１８０度戻ってから１８０度遅れる。
【００７５】
ボード線図の位相交点周波数ｆｐｈａｓｅにおいてゲインが０ｄＢを超えなければ、制御系は安定となる。また、ゲインが０ｄＢを超えても位相が−１８０度を横切らなければ、制御系は安定となる。本実施例では、エンコーダスケール側及びミラー側のいずれのねじれ共振周波数においても、位相は−１８０度を横切らない。このため、本実施例のモータ制御部は、ガルバノモータを安定に駆動することができる。
【００７６】
上述のとおり、本実施例では、ガルバノモータの開ループ特性における位相交点周波数ｆｐｈａｓｅ、ねじれ共振周波数ｆｓｃａｌｅ、ｆｍｉｒｒｏｒは、
ｆｐｈａｓｅ＜ｆｓｃａｌｅ≦ｆｍｉｒｒｏｒ
の関係を満たす。
【００７７】
また、ねじれ共振周波数ｆｓｃａｌｅにおける位相、及び、ねじれ共振周波数ｆｍｉｒｒｏｒにおける位相は、−１８０度以外となっている。さらに、より安定な制御を可能にするため、ねじれ共振周波数ｆｓｃａｌｅ、ｆｍｉｒｒｏｒ近傍の周波数における位相も、−１８０度以外であることが好ましい。
【００７８】
ガルバノモータには、その仕様の範囲内で、種々の重さのミラーを取り付けることができる。このため、ガルバノモータの開ループ特性における周波数特性の上記各条件は、あるガルバノモータに使用可能なミラーのうち、最も重いミラーを用いた場合に満たされるように設定されることが好ましい。
【００７９】
ねじれ共振周波数の値は、式（３）及び（４）で表されるように、ねじれバネ定数とイナーシャを変えることによって、適宜変更することが可能である。
【００８０】
以上説明したように、本実施例ではガルバノモータの内部構造を工夫することにより、ねじれ共振周波数を制御し、共振を制御上安定なものとしている。このため、ノッチフィルタなど演算負荷のかかるフィルタを適用することなく、位相交点周波数が３ｋＨｚという比較的低い周波数にも関わらず、サーボ帯域を位相交点周波数の近辺である１．５ｋＨｚ〜２ｋＨｚ程度まで得ることができる。従って、本実施例によれば、ガルバノモータの応答性を高めることができる。
【００８１】
また、本実施例では、ミラー側のモータシャフトの直径をエンコーダスケール側のモータシャフトの直径より大きくすることにより、ねじれ共振周波数を所望の値に設定している。このため、部品点数も変わらず、コストの増加を最小限に止めることができる。また、回転角度検出手段としてエンコーダを採用すれば、高分解能で高精度に位置決めを行うことが可能となる。
【００８２】
従って、本実施例によれば、光線の光軸を高精度かつ高速に回転偏向させることが可能なガルバノモータシステムを提供することができる。
【００８３】
以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。例えば、上記実施例では、モータシャフトが中実丸棒である場合を説明したが、これに代えて、中空丸棒のモータシャフトを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明におけるガルバノモータの概略構成を示す断面図である。
【図２】ねじれバネ定数に影響するパラメータの説明図である。
【図３】本実施例におけるガルバノモータの質量と剛性とを示す質点系のモデル図である。
【図４】本実施例におけるガルバノモータシステムのブロック図である。
【図５】本実施例におけるガルバノモータシステムの周波数特性の模式図である。
【図６】従来のガルバノモータの概略構成を示す断面図である。
【図７】従来のガルバノモータシステムの周波数特性の模式図である。
【符号の説明】
【００８５】
１：モータシャフト
２：磁石
３：モータケース
４：固定ヨーク
５：コイル
６：エンコーダスケール
７：センサ
８：基板
９：ミラー
１０：ガルバノモータ
２０：ガルバノモータシステム
３０：モータ制御部
３１：サーボ演算器
３２：ＤＡコンバータ
３３：電流アンプ
３４：カウンタ
【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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