JP4531022B2 - ビームスキャナ - Google Patents

Description

本発明は、入射したビームを反射して走査することのできるミラーを備えるビームスキャナに関する。

半導体や電子部品に関連する分野では、電子機器、たとえば携帯電話などの情報通信端末の小型化、高機能化を実現するための部品の高密度実装が必要であり、高いスループットで、高密度の基板穴開け加工を行うシステムが求められている。

レーザビームを照射して加工を行なう場合、ガルバノミラー（回転ミラー）でビームを反射して走査するガルバノスキャナ（ビームスキャナ）を用いて照射位置を移動させる方法を採ると、高速な加工が可能になる。

したがって、レーザ加工の高速化、高精度化、高スループット化を実現するため、レーザ加工装置のキーコンポーネントとなるガルバノスキャナに対する要求が高まっている。

図８は、ガルバノスキャナを含むレーザ加工装置の概略図である。レーザ加工装置は、レーザ発振器１２、第１ガルバノスキャナ２０、第２ガルバノスキャナ２４、ｆθレンズ６、及びステージ８を含んで構成される。第１及び第２ガルバノスキャナ２０、２４は、それぞれ回転ミラー２０ａ、２４ａを備える。図示するようにＸＹＺ直交座標系を画定するとき、第１ガルバノスキャナ２０の回転ミラー２０ａは、たとえばＺ軸に平行な軸の周囲を回転し、第２ガルバノスキャナ２４の回転ミラー２４ａは、たとえばＹ軸に平行な軸の周囲を回転する。

レーザ発振器１２が、たとえばＸＹ平面に平行な方向に、パルスレーザビーム１４を出射する。出射したパルスレーザビーム１４は、第１ガルバノスキャナ２０の回転ミラー２０ａでＸＹ平面に平行な所定の方向に反射される。パルスレーザビーム１４は、更に、第２ガルバノスキャナ２４の回転ミラー２４ａで所定の方向に反射され、ｆθレンズ６を経て、ステージ８上に載置された加工対象物１０に照射される。パルスレーザビーム１４は、ｆθレンズ６により、加工対象物１０の表面に対して垂直な方向に偏向して、加工対象物１０に入射する。

第１及び第２ガルバノスキャナ２０、２４の回転ミラー２０ａ、２４ａを回転し、レーザビーム１４の進行方向を変えることによって、レーザビーム１４が加工対象物１０上を走査する。

図９は、ムービングコイル式ガルバノスキャナの概略を示す断面図である。ガルバノスキャナは、入射光を反射する回転ミラー３３、回転ミラー３３を先端に保持し、周囲に回転させる回転軸３０、回転軸３０を回転自在に支持する第１及び第２軸受３１、３２、回転軸３０に固着されたコイル３４、コイル３４に電流を流したとき、回転ミラー３３を回転させるトルクを発生させる永久磁石３５及びヨーク３６、並びに、回転ミラー３３の回転角度を検出するための角度センサ３７を含んで構成される。

永久磁石３５とヨーク３６とで作られた磁界の中に配置されたコイル３４に電流を流したとき発生するトルクは、第１及び第２軸受３１、３２により支持された回転軸３０に伝達され、回転ミラー３３を回転させる。回転ミラー３３の回転角度は、回転軸３０の回転ミラー３３とは反対側の端部に取り付けられた角度センサ３７によって計測される。

前述したように、ガルバノスキャナの高速、高精度な駆動への要求が高まっている。しかしながら図９に示したガルバノスキャナにおいては、回転ミラー３３、コイル３４、角度センサ３７が回転軸３０に、直列的に配置されているため、回転軸３０の捩れ変形による共振が発生しやすい。特に、回転軸３０の両端に取り付けられている回転ミラー３３と角度センサ３７とは、回転軸３０の捩れ変形による共振現象の主原因となり、回転ミラー３３の高速駆動を妨げる。

また、回転軸３０に捩れ変形が生じると、回転ミラー３３の実際の回転角度と、角度センサ３７による測定値との間にずれが生じ、レーザ照射位置の位置決め精度が低下する場合もある。

このような問題点を解決するため、回転軸の端部に、回転ミラーを直列に配置しない構成が提案されている（たとえば、特許文献１、２、及び３参照）。特許文献１には、ミラーの裏面に直接コイルを取り付ける構成のガルバノミラー装置が開示されている。また、特許文献２及び３には、ミラーの両端にコイルを配置する構成（それぞれミラー式光路偏向装置、及び、スキャナ装置）が開示されている。

これらの構成は、ミラーが大きい場合に、駆動に十分なトルクを発生させることは容易ではなく、また、高速、高精度の駆動には適さない。

特に、ミラーにコイルを直接取り付ける構成においては、コイルで発生した熱がミラーに伝達しやすく、その結果、ミラーで反射されたレーザビームの断面形状が劣化したり、位置決め精度が低下する恐れがある。このため、高速駆動に十分な電流を流せないという問題もある。

ムービングコイル式ガルバノスキャナは、回転子にコイルが配設され、固定子に永久磁石が配置される構成を有する。一方、回転子に永久磁石が配置され、固定子にコイルが配設された構成を備えるムービングマグネット式のガルバノスキャナも知られている（たとえば、特許文献４参照）。

特許文献４記載のガルバノスキャナ（ガルバノミラーアクチュエータ）は、ミラーを保持するミラー枠の裏面に、永久磁石を配置した構成を有する。この構成によれば、コイルで発生した熱のミラーへの伝導を防止することができる。しかし、ミラーが大きい場合には、駆動に十分なトルクを発生させることは容易ではない。

なお、コイルの巻数を増やすことで大トルク化を図ろうとする場合、コイルギャップも厚くなり、パーミアンス係数が小さくなって、永久磁石に減磁が生じるという問題がある。このため、コイルの巻数を増やすことは、高速、高精度駆動の要求に応えるものとはいえない。

特開平７−１０４２０７号公報 特開平６−３３１９０９号公報 特開２００３−４３４０５号公報 特開２０００−８１５８８号公報

本発明の目的は、高速で動作が可能なビームスキャナを提供することである。

また、高精度で動作が可能なビームスキャナを提供することである。

更に、安定な動作が可能なビームスキャナを提供することである。

本発明の一観点によれば、固定ベースと、前記固定ベースに、回転中心となる仮想直線の周囲に回転可能に支持されたシャフトであって、円筒を前記仮想直線に沿って、切り口が平面となるように切り取った形状部分を備えるシャフトと、前記シャフトの側面の、周方向に関して一部の領域に対向するように配置され、前記固定ベースに固定されたヨークであって、該シャフトの側面に対向する面から前記シャフトに向かって突出し、該シャフトの側面との間に間隙を画定し、該シャフトの回転方向に並ぶように配置された複数の磁極、及び、複数の凸部を含むヨークと、前記シャフトの切り取られた平面部分上に固定された反射鏡と、前記シャフトが回転方向に関して中立位置に静止しているとき、前記ヨーク側を向く前記シャフトの円筒側面に固定され、回転方向に並ぶように配置され、該シャフトの径方向に磁化された一対の永久磁石と、前記複数の磁極の各々に巻かれたコイルとを有し、前記複数の磁極は、それぞれ前記シャフトの回転中心となる仮想直線を含む中立平面に関して対称の関係になるように配置されており、前記複数の凸部は、それぞれ前記シャフトの回転中心となる仮想直線を含む中立平面に関して対称の関係になるように、かつ、前記シャフトが回転方向に関して中立位置に静止しているとき、前記永久磁石に対向するように配置され、更に、複数の前記凸部の各々は、回転方向に関して、相互に隣り合う２つの前記磁極の間に配置され、前記一対の永久磁石は、前記シャフトが中立位置に静止しているときに、前記中立平面に関して相互に対称の関係になるように配置されており、極性が相互に反対向きであり、前記コイルは、前記中立平面に関して対称の位置に配置される複数の前記磁極の前記シャフト側の端部が同一極性に励磁され、かつ、前記中立平面の一方の側に配置された、相互に隣り合う前記磁極の前記シャフト側の端部が反対極性に励磁されるように巻かれているビームスキャナが提供される。

このビームスキャナは、動作における高速性、高精度性、安定性を有するビームスキャナである。

本発明によれば、高速で動作が可能なビームスキャナを提供することができる。

また、高精度で動作が可能なビームスキャナを提供することができる。

更に、安定な動作が可能なビームスキャナを提供することができる。

本願発明者らは、先の出願（特願２００６−１６３５５９）において、永久磁石の吸引力を利用した、新規な構造のビームスキャナを提案した。このビームスキャナは、大ミラーの駆動に充分なトルクを発生することができる。また、動作の高速性、高精度性を実現することができる。

図１（Ａ）〜（Ｃ）、及び、図２を用いて、先の出願に係るビームスキャナを説明する。

図１（Ａ）〜（Ｃ）は、先の出願の第１実施例によるガルバノスキャナを示す概略的な断面図である。

図１（Ａ）を参照する。第１実施例によるガルバノスキャナは、磁性体で形成され、長さ方向に内部を貫く揺動軸Ｃが画定され、揺動軸Ｃの周囲に回転（自転）可能なシャフト５２、シャフト５２の径方向上部（光入射側）に取り付けられ、入射光を反射する平面ミラー５１、シャフト５２の径方向下部に固定された永久磁石５３、永久磁石５３とともに動力源（シャフト５２を自転させる駆動トルクを発生させるトルク発生源）を構成する、磁性体で形成された突極形ヨーク６２及びコイル６１を含む。ミラー５１は、シャフト５２に関して、突極形ヨーク６２とは反対側に配置される。

コイル６１は、突極形ヨーク６２に配設されており、突極形ヨーク６２は固定ベース６５に固着されている。固定ベース６５は、実施例によるガルバノスキャナの固定的基準位置を定める。

シャフト５２は、長さ方向に沿って離れた２点で、軸受け５４ａ、５４ｂを介して、固定ベース６５に固着された軸受けホルダ６４ａ、６４ｂに、揺動軸Ｃの周囲を揺動（自転）自在に、支持されている。

シャフト５２の長さ方向の一端部には、ストッパ５５が取り付けられている。ストッパ５５と、軸受けホルダ６４ａに固定されたストッパホルダ６３とで、シャフト５２の自転可能範囲を制限することができる。

また、ガルバノスキャナは、角度センサ４２を含む。角度センサ４２は、シャフト５２の、ストッパ５５が取り付けられた端部とは反対側の端部に固着されたスケール４２ａ、及び、固定ベース６５に間接的に固定された（固定ベース６５との位置関係が変化しない）エンコーダヘッド４２ｂを含んで構成される。スケール４２ａには、原点位置が画定されている。エンコーダヘッド４２ｂは、スケール４２ａの揺動に伴う原点位置の変位を読み取ることで、ミラー５１の回転位置を検出することができる。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面図である。

シャフト５２の長さ方向の中心付近は、たとえば円筒の一部を、中心軸（揺動軸Ｃ）に沿って、切り口が平面となるように、切り取った形状を有する。したがって、この位置におけるシャフト５２の断面は、円から弧の一部を弦状に切り取った形状を有する。シャフト５２の切り取られた平面部分上には、ミラー５１が直接固定される。

ミラー５１が配置された側とは、径方向に反対側のシャフト５２の円筒側面には、相互に同形、同特性の永久磁石５３ａ、５３ｂが固着される。永久磁石５３ａ、５３ｂは、シャフト５２の回転方向に並ぶように配置され、シャフト５２の径方向に磁化された一対の永久磁石である。

永久磁石５３ａ、５３ｂは、Ｓ極とＮ極とが相互に逆向きに配置される。たとえば、永久磁石５３ａは、シャフト５２側にＳ極、突極形ヨーク６２側にＮ極を向けて配置され、永久磁石５３ｂは、シャフト５２側にＮ極、突極形ヨーク６２側にＳ極を向けて配置される。

また、永久磁石５３ａ、５３ｂは、シャフト５２の中心軸（揺動軸Ｃ）に平行に形成される。更に、シャフト５２の中心軸（揺動軸Ｃ）を含み、かつ、平面ミラー５１と垂直に交わる仮想平面Ｐ（仮想平面Ｐはシャフト５２に固定され、シャフト５２とともに揺動軸Ｃの周囲を揺動する仮想平面である。）に関して、対称に配置される。なお、平面ミラー５１及びシャフト５２も仮想平面Ｐに関して、自己対称である。

図示するようにＸＹＺ座標系を画定する。鉛直方向をＺ方向とし、ＸＹ平面に平行な面内に固定ベース６５を配置するとき、シャフト５２は、中心軸（揺動軸Ｃ）がＹ方向と平行となるように配置される。

突極形ヨーク６２は、シャフト５２の側面の、周方向に関して一部の領域に対向するように配置される。突極形ヨーク６２には、たとえば揺動軸Ｃを中心軸にもつ半円筒形のくりぬきが形成されており、くりぬき面（シャフト５２の側面に対向する面）には、シャフト５２側（永久磁石５３ａ、５３ｂ側）に向かって垂直に突き出した凸部であるスロット６６ａ〜ｄが形成されている。たとえばスロット６６ａ〜ｄは、それぞれ相互に同形である。スロット６６ａ〜ｄは、シャフト５２の側面との間に間隙を画定し、シャフト５２の回転方向に並ぶように配置される。

スロット６６ａ〜ｄは、たとえばＹ軸と平行、すなわち揺動軸Ｃと平行に、一定間隔に形成される。また、揺動軸Ｃを含み、ＹＺ平面に平行な平面（中立平面、図１（Ｂ）においては、仮想平面Ｐと一致する平面）に関して対称な関係となるように配置される。スロット６６ａとスロット６６ｄとは対称な位置に形成され、スロット６６ｂとスロット６６ｃとは対称な位置に形成される。

スロット６６ａ〜ｄには、それぞれコイル６１ａ〜ｄが巻かれている。

前述したように、実施例によるガルバノスキャナは、ミラー５１が直接シャフト５２に固着される。ミラー５１をシャフト５２に取り付ける際に、たとえばミラー５１を保持するミラー枠を用いることがないため、剛性を高くすることができる。これにより、ミラー５１の曲げ変形による共振と、シャフト５２の捩れ変形による共振を抑止し、ミラー５１を高速、高精度で位置決めすることが可能となる。

また、コイル６１ａ〜ｄは、ヨーク６２（スロット６６ａ〜ｄ）に配設され、シャフト５２側には配置されない。したがって、コイル６１ａ〜ｄで発生した熱が、ミラー５１に伝導することで生じる、レーザビーム（ミラー５１で反射されるレーザビーム）の形状の劣化や、位置決め精度の低下を防止することができる。

図１（Ｃ）を参照して、動力源の構造と動作を説明する。なお、本図に示すのは、コイルに通電せず、永久磁石５３ａ、５３ｂの磁力を考慮しないときの平衡位置（中立位置）に、シャフト５２が回転方向に関して静止している状態である。

突極形ヨーク６２のスロット６６ａ〜ｄはシャフト５２の中心軸（揺動軸Ｃ）に向かって垂直に立ち上がっている。このため、各スロット６６ａ〜ｄの中心線は、揺動軸Ｃに向かって伸びている。

永久磁石５３ａ、５３ｂは、シャフト５２の、突極形ヨーク６２側を向く側面に固定され、中立平面に関して相互に対称の関係になる幾何学的形状を有する。

永久磁石５３ａ、５３ｂは、シャフト５２の回転方向に相互に隣り合う２つのスロットの間に配置される。実施例１においては、永久磁石５３ａは、スロット６６ａの中心線と、スロット６６ｂの中心線との間に配置され、永久磁石５３ｂは、スロット６６ｃの中心線と、スロット６６ｄの中心線との間に配置される。永久磁石５３ａ、５３ｂの断面形状は、ともに、揺動軸Ｃを中心とする扇形から、シャフト５２を除いた形状である。

スロット６６ａ〜ｄには、それぞれ同一の巻き数で、コイル６１ａ〜ｄが形成されている。コイルは、中立平面に関して対称な位置に配置されるスロット（スロット６６ａと６６ｄ、スロット６６ｂと６６ｃ）のシャフト５２側端部（スロットの先端部）が同一極性に励磁されるように巻かれている。コイル６１ａとコイル６１ｄの巻き方向は等しく、コイル６１ｂとコイル６１ｃの巻き方向は等しい。

一方向に電流を流したとき、スロット６６ａとスロット６６ｄには、同一方向の磁極が形成される。また、一方向に電流を流したとき、スロット６６ｂとスロット６６ｃには、同一方向の磁極が形成される。そして、スロット６６ａ、６６ｄの磁極の向きと、スロット６６ｂ、６６ｃの磁極の向きとは反対向きである。

たとえば図の「電流方向」の矢印に沿って電流を流したとき、スロット６６ａ、６６ｄについては、中心（揺動軸Ｃ）方向端部にＮ極が形成され、スロット６６ｂ、６６ｃについては、中心（揺動軸Ｃ）方向端部にＳ極が形成される。

本図には、ガルバノスキャナ内に形成される磁力線を、閉曲線に矢印を付して示した。永久磁石５３ａ、スロット６６ｂ（コイル６１ｂ）、突極形ヨーク６２、スロット６６ｄ（コイル６１ｄ）、永久磁石５３ｂ、シャフト５２、永久磁石５３ａの向きに磁気回路が形成される。

図に示すような磁極が形成された状態において、永久磁石５３ａとスロット６６ａとの間には反発力、永久磁石５３ａとスロット６６ｂとの間には吸引力が働く。また、永久磁石５３ｂとスロット６６ｃとの間には反発力、永久磁石５３ｂとスロット６６ｄとの間には吸引力が作用する。

これらの吸引力及び反発力によって、可動部（シャフト５２、ミラー５１、永久磁石５３ａ、５３ｂ、及びスケール４２ａ）を揺動軸Ｃの周囲に揺動させる回転トルク（本図に示す場合においては、反時計回りの向き）が発生する。

第１実施例によるガルバノスキャナおいては、永久磁石５３ａ、５３ｂを、Ｓ極とＮ極を相互に逆向きにして配置したが、同一磁極をともに突極形ヨーク６２に向かう半径方向に向けてもよい。この場合、スロット６６ａとスロット６６ｃに同一方向磁極が発生し、スロット６６ｂとスロット６６ｄに、それとは逆の同一方向磁極が発生するように、コイル６１ａ〜ｄを配設する。

図２は、第２実施例によるガルバノスキャナの動力源近傍を示す概略的な断面図であり、図１（Ｃ）に対応する図である。第２の実施例によるガルバノスキャナは、動力源の構成において、第１の実施例によるガルバノスキャナと異なる。なお、本図に示すのは、コイルに通電せず、永久磁石５３ａ、５３ｂの磁力を考慮しないときの平衡位置（中立位置）に、シャフト５２が回転方向に関して静止している状態である。

第２実施例においては、突極形ヨーク６２に３つのスロット６６ａ〜ｃが形成されている。スロット６６ａとスロット６６ｃとは、中立平面（図２においては、仮想平面Ｐと一致する平面）に関して、対称な位置に形成される。また、スロット６６ｂは、中心線が、中立平面内にあるように形成される。このように、第２実施例によるガルバノスキャナは、スロットの１つが中立平面上に配置され、かつ、スロットが中立平面に関して対称な幾何学的形状を有している点において、第１の実施例と異なる。スロット６６ａ〜ｃには、それぞれコイル６１ａ〜ｃが配設されている。

永久磁石５３ａ、５３ｂは、Ｓ極とＮ極を相互に逆向きにして配置される。たとえば、永久磁石５３ａは、シャフト５２側にＳ極、突極形ヨーク６２側にＮ極を向けて配置され、永久磁石５３ｂは、シャフト５２側にＮ極、突極形ヨーク６２側にＳ極を向けて配置される。また、永久磁石５３ａは、スロット６６ａの中心線と、スロット６６ｂの中心線との間に配置され、永久磁石５３ｂは、スロット６６ｂの中心線と、スロット６６ｃの中心線との間に配置される。

スロット６６ａ〜ｃには、コイル６１ａ〜ｃが形成されている。コイル６１ａとコイル６１ｃの巻き方向は等しく、コイル６１ｂの巻き方向は、それとは逆向きである。また、コイル６１ａとコイル６１ｃの巻き数は等しく、コイル６１ｂの巻き数の１／２である。

このため、一方向に電流を流したとき、スロット６６ａとスロット６６ｃには、同一方向の磁極が形成され、スロット６６ｂには、それとは逆向きの磁極が形成される。

たとえば図の「電流方向」の矢印に沿って電流を流したとき、スロット６６ａ、６６ｃについては、中心（揺動軸Ｃ）方向端部にＮ極が形成され、スロット６６ｂについては、中心（揺動軸Ｃ）方向端部にＳ極が形成される。

ガルバノスキャナ内に形成される磁力線を、閉曲線に矢印を付して示した。永久磁石５３ａ、スロット６６ｂ（コイル６１ｂ）、突極形ヨーク６２、スロット６６ｃ（コイル６１ｃ）、永久磁石５３ｂ、シャフト５２、永久磁石５３ａの向きに磁気回路が形成される。

図に示すような磁極が形成された状態において、永久磁石５３ａとスロット６６ａとの間には反発力、永久磁石５３ａとスロット６６ｂとの間には吸引力が働く。また、永久磁石５３ｂとスロット６６ｂとの間には反発力、永久磁石５３ｂとスロット６６ｃとの間には吸引力が作用する。

これらの吸引力及び反発力によって、可動部を揺動軸Ｃの周囲に揺動させる回転トルクが、本図に示す場合においては、反時計回りの向きに発生する。

第１及び第２実施例によるガルバノスキャナは、大ミラーの高速駆動に充分な、大きいトルクを発生させることができる。また、ミラーの曲げ変形や、シャフトの捩れ変形による共振を抑え、ミラーを高速、安定に位置決めすることができる。更に、コイルの発熱量が小さく、永久磁石の減磁が生じにくい。実施例によるガルバノスキャナは、大ミラーを用いた場合であっても、高速、高精度な動作を実現することができる。

図３（Ａ）は、先の出願に係るビームスキャナの第１及び第２実施例（ガルバノスキャナ）のコギングトルク特性を示すグラフである。

グラフの横軸は、０°位置（Ｏ点位置）からの回転角を単位「度（°）」で示し、縦軸は、相対的なコギングトルクを、単位「％」で示した。ここで０°位置（Ｏ点位置）とは、コイルに電流を流さず、永久磁石の磁力を考慮しない場合の可動部の平衡位置（中立位置）であり、図１（Ｃ）及び図２に図示されているように、仮想平面Ｐが中立平面と一致する位置のことをいう。

可動部が揺動したとき、中立平面と仮想平面Ｐとのなす角を回転角と定義した。また、図１（Ｃ）及び図２において、仮想平面Ｐが０°位置（Ｏ点位置）から反時計回りに回転したとき、回転角を正と定義し、時計回りに回転したとき、回転角を負と定義した。

更に、図１（Ｃ）及び図２において、シャフト（仮想平面）を反時計回りに回転させようとするコギングトルクを正、時計回りに回転させようとするコギングトルクを負と定義した。

曲線ａは、第１実施例によるガルバノスキャナについての、回転角とコギングトルクとの関係を示し、曲線ｂは、第２実施例によるガルバノスキャナについての両者の関係を示す。

グラフの０°位置（Ｏ点位置）近傍を参照する。

曲線ａ、ｂの双方において、回転角が０°のとき、コギングトルクは０である。したがって、コイルへの非通電時において、０°位置（Ｏ点位置）にあるシャフトは、理想的には、その位置を保ち続ける。

しかし、曲線ａにおいても、曲線ｂにおいても、回転角が正のとき、０°位置（Ｏ点位置）から約１５°位置（Ａ点位置）までの範囲においては、コギングトルクは正の値を示す。したがって、シャフト（仮想平面）が、０°位置（Ｏ点位置）から反時計回りに回転したとき、それが約１５°位置（Ａ点位置）までの範囲であれば、シャフトには、シャフト（仮想平面）を反時計回りに回転させようとするトルクが加わる。このため、０°位置（Ｏ点位置）から反時計回りに回転したシャフトは、一層反時計回りに回転し、０°位置（Ｏ点位置）から離れることになる。

一方、曲線ａ、ｂ双方において、回転角が負のとき、０°位置（Ｏ点位置）から約−１５°位置（Ｂ点位置）までの範囲においては、コギングトルクは負の値を示す。したがって、シャフト（仮想平面）が、０°位置（Ｏ点位置）から時計回りに回転したとき、それが約−１５°位置（Ｂ点位置）までの範囲であれば、シャフトには、シャフト（仮想平面）を時計回りに回転させようとするトルクが加わる。このため、０°位置（Ｏ点位置）から時計回りに回転したシャフトは、一層時計回りに回転し、０°位置（Ｏ点位置）から離れることになる。

したがって、０°位置（Ｏ点位置）は、不安定な平衡位置であることがわかる。

次に、グラフの約１５°位置（Ａ点位置）近傍を参照する。

曲線ａ、ｂの双方において、シャフト（仮想平面）が約１５°位置（Ａ点位置）にあるとき、コギングトルクは０である。したがって、コイルへの非通電時において、約１５°位置（Ａ点位置）にあるシャフトは、その位置を保ち続ける。

曲線ａにおいても、曲線ｂにおいても、約１５°位置（Ａ点位置）よりも回転角が大きな値をとるとき、すなわち約１５°位置（Ａ点位置）を基準として、反時計回りに回転角が増加したときは、コギングトルクは負の値を示す。したがって、シャフト（仮想平面）が、約１５°位置（Ａ点位置）から反時計回りに回転したとき、シャフトには、シャフト（仮想平面）を時計回りに回転させようとするトルクが加わる。このため、約１５°位置（Ａ点位置）から反時計回りに回転したシャフトは、時計回りに回転し、約１５°位置（Ａ点位置）に引き戻されることになる。

一方、曲線ａ、ｂの双方において、約１５°位置（Ａ点位置）よりも回転角が小さな値をとるとき、すなわち約１５°位置（Ａ点位置）を基準として、シャフトが時計回りに回転したときは、それが０°位置（Ｏ点位置）までの範囲であれば、コギングトルクは正の値を示す。したがって、シャフト（仮想平面）が、約１５°位置（Ａ点位置）から時計回りに回転したとき、シャフトには、シャフト（仮想平面）を反時計回りに回転させようとするトルクが加わる。このため、約１５°位置（Ａ点位置）から時計回りに回転したシャフトは、反時計回りに回転し、約１５°位置（Ａ点位置）に引き戻されることになる。

したがって、約１５°位置（Ａ点位置）は、安定な平衡位置であることがわかる。

また、約−１５°位置（Ｂ点位置）も、安定な平衡位置である。約１５°位置（Ａ点位置）と同様に、曲線が右下がりになっているためである。

図３（Ｂ）は、先の出願に係るビームスキャナの第１実施例（ガルバノスキャナ）の可動部が、０°位置（Ｏ点位置、中立位置）にあるときの断面を示す概略図である。

先に述べたように、可動部は、０°位置（Ｏ点位置、中立位置）にあれば、理想的には、その位置にとどまろうとする。しかし、たとえば０°位置（Ｏ点位置、中立位置）から反時計回りに１０°回転した場合、可動部は、０°位置（Ｏ点位置、中立位置）に引き戻されず、約１５°位置（Ａ点位置）に向かって移動する。

図３（Ｃ）は、先の出願に係るビームスキャナの第１実施例（ガルバノスキャナ）の可動部が、約１５°位置（Ａ点位置）にあるときの断面を示す概略図である。

可動部は、約１５°位置（Ａ点位置）において安定する。これは、図中に矢印で示したように、永久磁石５３ａ、スロット６６ｂ、突極形ヨーク６２、スロット６６ｄ、永久磁石５３ｂ、シャフト５２、永久磁石５３ａの向きに磁気回路が形成され、永久磁石５３ａとスロット６６ｂとの間、及び、永久磁石５３ｂとスロット６６ｄとの間に吸引力が働くためである。

なお、たとえば可動部が０°位置（Ｏ点位置、中立位置）から時計回りに１０°回転した場合、可動部は、０°位置（Ｏ点位置、中立位置）に引き戻されず、約−１５°位置（Ｂ点位置）に向かって移動し、約−１５°位置（Ｂ点位置）において安定する。

図３（Ｄ）は、先の出願に係るビームスキャナの第２実施例（ガルバノスキャナ）の可動部が、０°位置（Ｏ点位置、中立位置）にあるときの断面を示す概略図である。

第１実施例と同様に、可動部は、０°位置（Ｏ点位置、中立位置）にあれば、理想的には、その位置にとどまろうとする。しかし、たとえば０°位置（Ｏ点位置、中立位置）から反時計回りに５°回転した場合、可動部は、０°位置（Ｏ点位置、中立位置）に引き戻されず、約１５°位置（Ａ点位置）に向かって移動する。

図３（Ｅ）は、第２実施例の可動部が、約１５°位置（Ａ点位置）にあるときの断面を示す概略図である。

可動部は、約１５°位置（Ａ点位置）において安定する。これは、図中に矢印で示したように、永久磁石５３ａ、スロット６６ｂ、突極形ヨーク６２、スロット６６ｃ、永久磁石５３ｂ、シャフト５２、永久磁石５３ａの向きに磁気回路が形成され、永久磁石５３ａとスロット６６ｂとの間、及び、永久磁石５３ｂとスロット６６ｃとの間に吸引力が働くためである。

なお、たとえば可動部が０°位置（Ｏ点位置、中立位置）から時計回りに５°回転した場合、可動部は、０°位置（Ｏ点位置、中立位置）に引き戻されず、約−１５°位置（Ｂ点位置）に向かって移動し、約−１５°位置（Ｂ点位置）において安定する。

以上説明したように、先の出願に係るビームスキャナ（ガルバノスキャナ）は、０°位置（Ｏ点位置、中立位置）において引き戻しトルクが作用しないため、０°位置（Ｏ点位置、中立位置）で安定せず、約１５°位置（Ａ点位置）または約−１５°位置（Ｂ点位置）で安定する場合がある。

以下、本願発明者らが、先の出願に係るビームスキャナ（ガルバノスキャナ）に改良を加えて作製したビームスキャナ（ガルバノスキャナ）について説明する。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１の実施例によるガルバノスキャナの特徴部分（動力源）を示す概略的な断面図である。本発明の第１の実施例は、先の出願に係るビームスキャナ（ガルバノスキャナ）の第１実施例に対応し、図４（Ａ）及び（Ｂ）は、図１（Ｃ）に対応する。

図４（Ａ）を参照する。本発明の第１の実施例は、図１（Ｃ）に示した先の出願の第１実施例に、ポール６７ａ、６７ｂが付加されている点において異なる。

ポール６７ａ、６７ｂは、突極形ヨーク６２のくりぬき面に形成され、シャフト５２側に向かって垂直に突き出す凸部である。ポール６７ａ、６７ｂは、シャフト５２が回転方向に関して中立位置に静止しているとき、それぞれ永久磁石５３ａ、５３ｂに対向するように配置される。たとえばポール６７ａ、６７ｂは、相互に同形であり、シャフト５２の側面との間に間隙を画定する。また、シャフト５２の回転方向に並ぶように配置される。

ポール６７ａ、及び、ポール６７ｂは、中立平面に関して対称な関係となるように配置される。たとえば図示するように、ポール６７ａは、スロット６６ａとスロット６６ｂのちょうど中間に配置され、ポール６７ｂは、スロット６６ｃとスロット６６ｄのちょうど中間に配置される。

スロット６６ａ〜ｄに巻かれたコイル６１ａ〜ｄに電流を流したときの動作は、先の出願の第１実施例の場合と同様である。

図の「電流方向」の矢印に沿って電流を流したとき、スロット６６ａ、６６ｄについては、中心（揺動軸Ｃ）方向端部にＮ極が形成され、スロット６６ｂ、６６ｃについては、中心（揺動軸Ｃ）方向端部にＳ極が形成される。それに伴って、永久磁石５３ａ、スロット６６ｂ（コイル６１ｂ）、突極形ヨーク６２、スロット６６ｄ（コイル６１ｄ）、永久磁石５３ｂ、シャフト５２、永久磁石５３ａの向きに磁気回路が形成される。

永久磁石５３ａとスロット６６ａとの間には反発力、永久磁石５３ａとスロット６６ｂとの間には吸引力が働く。また、永久磁石５３ｂとスロット６６ｃとの間には反発力、永久磁石５３ｂとスロット６６ｄとの間には吸引力が作用する。これらの吸引力及び反発力によって、可動部は揺動軸Ｃの周囲に、反時計回りに回転する。

図４（Ｂ）を参照して、非通電時の状態について説明する。

コイルに電流を流さないとき、スロット６６ａ〜ｄは励磁されないため、磁気回路は、図示するように、永久磁石５３ａ、ポール６７ａ、突極形ヨーク６２、ポール６７ｂ、永久磁石５３ｂ、シャフト５２、永久磁石５３ａの向きに形成され、永久磁石５３ａとポール６７ａとの間、及び、永久磁石５３ｂとポール６７ｂとの間に吸引力が働く。これらの吸引力により、可動部は、非通電時、中立位置で安定する。

図５（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第２の実施例によるガルバノスキャナの特徴部分（動力源）を示す概略的な断面図である。本発明の第２の実施例は、先の出願に係るビームスキャナ（ガルバノスキャナ）の第２実施例に対応し、図５（Ａ）及び（Ｂ）は、図２に対応する。

図５（Ａ）を参照する。本発明の第２の実施例は、図２に示した先の出願の第２実施例に、ポール６７ａ、６７ｂが付加されている点において異なる。

ポール６７ａ、及び、ポール６７ｂは、第１の実施例と同様に、中立平面に関して対称な関係となるように配置される。たとえば図示するように、ポール６７ａは、スロット６６ａとスロット６６ｂのちょうど中間に配置され、ポール６７ｂは、スロット６６ｂとスロット６６ｃのちょうど中間に配置される。

スロット６６ａ〜ｃに巻かれたコイル６１ａ〜ｃに電流を流したときの動作は、先の出願の第２実施例の場合と同様である。

図の「電流方向」の矢印に沿って電流を流したとき、永久磁石５３ａ、スロット６６ｂ（コイル６１ｂ）、突極形ヨーク６２、スロット６６ｃ（コイル６１ｃ）、永久磁石５３ｂ、シャフト５２、永久磁石５３ａの向きに磁気回路が形成される。

永久磁石５３ａとスロット６６ａとの間には反発力、永久磁石５３ａとスロット６６ｂとの間には吸引力が働き、永久磁石５３ｂとスロット６６ｂとの間には反発力、永久磁石５３ｂとスロット６６ｃとの間には吸引力が作用する。これらの吸引力及び反発力によって、可動部は揺動軸Ｃの周囲に、反時計回りに回転する。

図５（Ｂ）を参照して、非通電時の状態について説明する。

コイルに電流を流さないとき、スロット６６ａ〜ｃは励磁されないため、磁気回路は、図示するように、永久磁石５３ａ、ポール６７ａ、突極形ヨーク６２、ポール６７ｂ、永久磁石５３ｂ、シャフト５２、永久磁石５３ａの向きに形成され、永久磁石５３ａとポール６７ａとの間、及び、永久磁石５３ｂとポール６７ｂとの間に吸引力が働く。これらの吸引力により、可動部は、非通電時、中立位置で安定する。

このように第１及び第２の実施例によるガルバノスキャナは、非通電時において、０°位置に引き戻しトルクを有する、安定性の高いガルバノスキャナである。このため、実施例によるガルバノスキャナを用いると、高精度で位置決め制御を行うことができる。

図６（Ａ）は、本発明の第１の実施例と、先の出願の第１実施例のコギングトルク特性を比較して示すグラフである。

グラフの縦軸及び横軸の意味するところは、図３（Ａ）におけるそれらと同じである。

曲線ｃは、第１の実施例によるガルバノスキャナについての、回転角とコギングトルクとの関係を示し、曲線ｄは、先の出願の第１実施例によるガルバノスキャナについての両者の関係を示す。

グラフの０°位置近傍を参照する。

曲線ｄが、０°位置でコギングトルクが０となる右上がりの曲線であるのに対し、曲線ｃは、０°位置でコギングトルクが０となる右下がりの曲線である。すなわち第１の実施例によるガルバノスキャナ（曲線ｃ）は、非通電時、コギングトルクを、０°位置への引き戻しトルク（保持トルク）として作用させる、安定性の高いガルバノスキャナである。

また、本発明の第１の実施例（曲線ｃ）は、先の出願の第１実施例（曲線ｄ）と比較した場合、たとえば回転角が−１０°〜＋１０°の範囲で、明らかにコギングトルクの大きさが小さい。

図６（Ｂ）は、本発明の第２の実施例と、先の出願の第２実施例のコギングトルク特性を比較して示すグラフである。

グラフの縦軸及び横軸の意味するところは、図３（Ａ）におけるそれらと同じである。

曲線ｅは、第２の実施例によるガルバノスキャナについての、回転角とコギングトルクとの関係を示し、曲線ｆは、先の出願の第２実施例によるガルバノスキャナについての両者の関係を示す。

グラフの０°位置近傍を参照する。

図６（Ａ）を参照して行った説明と同様の説明が可能である。第２の実施例によるガルバノスキャナも、非通電時、コギングトルクを、０°位置への引き戻しトルク（保持トルク）として作用させる、安定性の高いガルバノスキャナであり、また、先の出願の第２実施例と比較した場合、たとえば回転角が−８°〜＋８°の範囲で、明らかにコギングトルクの大きさが小さい。

図７（Ａ）は、本発明の第１の実施例と、先の出願の第１実施例の出力トルク特性を比較して示すグラフである。

グラフの横軸の意味するところは、図３（Ａ）におけるそれと同じである。縦軸は、相対的な出力トルクを単位「％」で示す。本図においては、０°位置を基準（１００％）とした相対的な出力トルクを示した。

曲線ｇは、第１の実施例によるガルバノスキャナについての、回転角と出力トルクとの関係を示し、曲線ｈは、先の出願の第１実施例によるガルバノスキャナについての両者の関係を示す。

第１の実施例によるガルバノスキャナ（曲線ｇ）は、先の出願の第１実施例によるガルバノスキャナ（曲線ｈ）と比較した場合、−１５°以下の回転角（時計回りに１５°以上の回転角）において、トルク変動が小さい。

図７（Ｂ）は、本発明の第２の実施例と、先の出願の第２実施例の出力トルク特性を比較して示すグラフである。

グラフの縦軸及び横軸の意味するところは、図７（Ａ）におけるそれらと同じである。

曲線ｉは、第２の実施例によるガルバノスキャナについての、回転角と出力トルクとの関係を示し、曲線ｊは、先の出願の第２実施例によるガルバノスキャナについての両者の関係を示す。

第２の実施例によるガルバノスキャナ（曲線ｉ）は、先の出願の第２実施例によるガルバノスキャナ（曲線ｊ）と比較した場合、ほぼすべての回転角においてトルク変動が小さい。

本願発明の実施例によるガルバノスキャナは、コギングトルクを小さくするとともに、コギングトルクを可動部を０°位置で安定させる保持トルクとして作用させることができる。また、トルク変動が小さく、大ミラーの高速駆動に充分な大トルクを得ることができる。このため、大ミラーを使用した場合であっても、高速、高精度、高安定の駆動を実現することができる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
たとえば、実施例を示す図においては、シャフトが中立位置に静止しているとき、永久磁石が、シャフトの回転方向に関して、相互に隣り合う２つのスロットにまたがるように配置されているが、永久磁石は、相互に隣り合う２つのスロットの間に配置されていてもよい。

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は自明であろう。

レーザ加工及びレーザ加工装置一般に利用することができる。殊に、高速、高精度、高安定のビーム走査が必要とされる、たとえばレーザ穴開け加工やレーザマーキング加工等のレーザ加工、及び、それらのレーザ加工を行う装置に好適に利用される。また、大ミラーが好適に用いられるレーザ加工、及び、レーザ加工装置に利用される。

（Ａ）〜（Ｃ）は、先の出願の第１実施例によるガルバノスキャナを示す概略的な断面図である。 第２実施例によるガルバノスキャナの動力源近傍を示す概略的な断面図であり、図１（Ｃ）に対応する図である。 （Ａ）は、先の出願に係るビームスキャナの第１及び第２実施例（ガルバノスキャナ）のコギングトルク特性を示すグラフであり、（Ｂ）は、先の出願に係るビームスキャナの第１実施例（ガルバノスキャナ）の可動部が、０°位置（Ｏ点位置、中立位置）にあるときの断面を示す概略図であり、（Ｃ）は、先の出願に係るビームスキャナの第１実施例（ガルバノスキャナ）の可動部が、約１５°位置（Ａ点位置）にあるときの断面を示す概略図であり、（Ｄ）は、先の出願に係るビームスキャナの第２実施例（ガルバノスキャナ）の可動部が、０°位置（Ｏ点位置、中立位置）にあるときの断面を示す概略図であり、（Ｅ）は、第２実施例の可動部が、約１５°位置（Ａ点位置）にあるときの断面を示す概略図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１の実施例によるガルバノスキャナの特徴部分（動力源）を示す概略的な断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第２の実施例によるガルバノスキャナの特徴部分（動力源）を示す概略的な断面図である。 （Ａ）は、本発明の第１の実施例と、先の出願の第１実施例のコギングトルク特性を比較して示すグラフであり、（Ｂ）は、本発明の第２の実施例と、先の出願の第２実施例のコギングトルク特性を比較して示すグラフである。 （Ａ）は、本発明の第１の実施例と、先の出願の第１実施例の出力トルク特性を比較して示すグラフであり、（Ｂ）は、本発明の第２の実施例と、先の出願の第２実施例の出力トルク特性を比較して示すグラフである。 ガルバノスキャナを含むレーザ加工装置の概略図である。 ムービングコイル式ガルバノスキャナの概略を示す断面図である。

符号の説明

６ ｆθレンズ
８ ステージ
１０ 加工対象物
１２ レーザ発振器
１４ レーザビーム
２０ 第１ガルバノスキャナ
２０ａ 回転ミラー
２４ 第２ガルバノスキャナ
２４ａ 回転ミラー
３０ 回転軸
３１ 第１軸受
３２ 第２軸受
３３ 回転ミラー
３４ コイル
３５ 永久磁石
３６ ヨーク
３７ 角度センサ
４２ 角度センサ
４２ａ スケール
４２ｂ エンコーダヘッド
５１ ミラー
５２ シャフト
５３、５３ａ、５３ｂ 永久磁石
５４ａ、５４ｂ 軸受け
５５ ストッパ
６１、６１ａ〜ｄ コイル
６２ 突極形ヨーク
６３ ストッパホルダ
６４ａ、６４ｂ 軸受けホルダ
６５ 固定ベース
６６ａ〜ｄ スロット
６７ａ、６７ｂ ポール
Ｃ 揺動軸
Ｐ 仮想平面

Claims (3)

1. 固定ベースと、
   前記固定ベースに、回転中心となる仮想直線の周囲に回転可能に支持されたシャフトであって、円筒を前記仮想直線に沿って、切り口が平面となるように切り取った形状部分を備えるシャフトと、
   前記シャフトの側面の、周方向に関して一部の領域に対向するように配置され、前記固定ベースに固定されたヨークであって、該シャフトの側面に対向する面から前記シャフトに向かって突出し、該シャフトの側面との間に間隙を画定し、該シャフトの回転方向に並ぶように配置された複数の磁極、及び、複数の凸部を含むヨークと、
   前記シャフトの切り取られた平面部分上に固定された反射鏡と、
   前記シャフトが回転方向に関して中立位置に静止しているとき、前記ヨーク側を向く前記シャフトの円筒側面に固定され、回転方向に並ぶように配置され、該シャフトの径方向に磁化された一対の永久磁石と、
   前記複数の磁極の各々に巻かれたコイルと
   を有し、
   前記複数の磁極は、それぞれ前記シャフトの回転中心となる仮想直線を含む中立平面に関して対称の関係になるように配置されており、
   前記複数の凸部は、それぞれ前記シャフトの回転中心となる仮想直線を含む中立平面に関して対称の関係になるように、かつ、前記シャフトが回転方向に関して中立位置に静止しているとき、前記永久磁石に対向するように配置され、更に、複数の前記凸部の各々は、回転方向に関して、相互に隣り合う２つの前記磁極の間に配置され、
   前記一対の永久磁石は、前記シャフトが中立位置に静止しているときに、前記中立平面に関して相互に対称の関係になるように配置されており、極性が相互に反対向きであり、
   前記コイルは、前記中立平面に関して対称の位置に配置される複数の前記磁極の前記シャフト側の端部が同一極性に励磁され、かつ、前記中立平面の一方の側に配置された、相互に隣り合う前記磁極の前記シャフト側の端部が反対極性に励磁されるように巻かれているビームスキャナ。
2. 前記シャフトが中立位置に静止しているときに、前記永久磁石が、回転方向に関して、相互に隣り合う２つの前記磁極の間に、または、またがるように配置される請求項１に記載のビームスキャナ。
3. 前記複数の磁極のうち１つの磁極が、前記中立平面上に配置されており、該中立平面に関して対称な幾何学的形状を有する請求項１または２に記載のビームスキャナ。

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