JP5404540B2 - ガルバノメータスキャナ - Google Patents

Description

本発明は、包括的には、反射機によって光ビームを反射することに関し、より詳細には、ガルバノメータスキャナにおいて安定した回転光学素子を使用することに関する。

図１に示すように、従来のガルバノメータスキャナは、通常、出力シャフト１１１が反射光学素子１２０に取り付けられたモータ１１０を備える。センサ１３０は出力シャフトの回転角を検出する。センサの出力信号はシャフトの回転角に比例する。

図１に示すような従来のガルバノメータスキャナでは、動的バランシングのために光学素子の重心を回転軸に位置合わせすることが極めて困難であることに起因して、特に高速光走査の用途の場合に、シャフトのｘ軸を中心とする回転による走査動作によって、ｙ軸及びｚ軸に沿って望ましくない振動が生じ得る。

したがって、光学素子が回転する間、該光学素子を安定させることが所望されている。

この発明のガルバノメータは、光学素子の遠位端と係合された機械支持ユニットを備える。光学素子の近位端は回転式電動モータの出力シャフトに接続される。機械支持ユニットは、光学素子の回転軸と、回転式電動モータの回転軸との位置合わせを維持する。

従来技術によるガルバノメータスキャナの概略図である。 本発明の実施形態による機械支持ユニット（ＭＳＵ）を備えるガルバノメータスキャナの概略図である。 機械支持ユニットとスキャナの回転軸との間の位置合わせエラーの概略図である。 剛性の関数としての曲げモードのグラフである。 ねじれモードのための単純化されたモデルの概略図である。 曲げモードのためのモデルの概略図である。 本発明の一実施形態による軸受支持構造の斜視図である。 光学素子のための機械取付具の斜視図である。

図２は、実施形態によるガルバノメータスキャナを示している。このスキャナは、光学素子２２０の近位端に取り付けられた出力シャフト２１１を有する回転式電動モータ２１０を備える。光学素子は、光を反射するミラー、光を偏向する波長板、又は光を通すか若しくは屈折反射させるレンズとすることができる。

光学素子の遠位端は、機械支持ユニット（ＭＳＵ：mechanical support unit）２５０と係合される。ＭＳＵはモータのＸ回転軸に対して固定される。ＭＳＵは、光学素子の回転を可能にしながら、Ｙ軸及びＺ軸に沿った該光学素子の変位を制限する。したがって、光学素子の機械的振動は大幅に低減され、それによって従来の制限されないガルバノメータスキャナよりも高い位置決め精度が可能になる。

センサ２３０は角速度２３１を検出し、該角速度は制御装置２４０に出力される。

基準生成モジュール２６０は、制御装置のための基準信号２６１を生成する。制御装置は、駆動装置２７０のための制御信号２４１を生成する。駆動装置はモータのための入力信号２７１を生成する。駆動装置は、制御装置のためのフィードバック信号２７２も提供する。

図６は、曲げモード、たとえばＹ軸に沿った動作のための単純化されたモデルを示している。本発明によって使用される光学素子の振動は、

であり、ただし、Ｍは曲げモードのモード慣性６１０であり、ｙはｙ方向における光学素子の変位であり、Ｋ_ｂは曲げモードのモード剛性であり、Ｋ_ＭＳＵｙはｙ方向におけるＭＳＵの剛性であり、“^・・”は二次導関数を示す。曲げモードの共振周波数は、

である。

図４に示すように、曲げモードの共振周波数は、Ｋ_ＭＳＵｙが増加すると共に増加する。

曲げモードは、走査動作、すなわちＸ軸を中心とする回転によってあまり影響を受けないため、光ビーム２２２の走査又は位置決めの精度を改善する。Ｚ方向における振動に関して同様な解析を行い、同様な結論を出すことができる。

図５は、ねじれモードの単純化されたモデル、

を示している。ただし、Ｊ_ｍｔはモータの慣性であり、Ｊ_０は光学素子の慣性であり、θは回転角であり、Ｋはねじれモードの剛性である。ねじれモードの共振周波数は、

である。

一次解析のために、ＭＳＵの追加の回転慣性、すなわちＸ軸を中心とする慣性が、上記の式のＪ_０に加えられ得る。したがって、ＭＳＵの回転慣性を可能な限り小さいままに維持することが好都合である。これによって、ねじれモード、すなわちＸ軸を中心とする振動モードの共振周波数が可能な限り高いままに維持される。

位置合わせ
実際的制限に起因して、モータの回転軸と、光学素子の回転軸との間の位置合わせ不良はおそらく、Ｘ−Ｙ平面に関して図３に示すようなものとなる。ここで、δ_ｚはｚ方向における変位位置合わせ不良であり、φ_ｙはＹ軸を中心とする角位置合わせ不良である。ｙ方向における同様の位置合わせ不良δ_ｙ、及びＺ軸を中心とする角位置合わせ不良φ_ｚが存在する可能性がある。

剛性対位置合わせ不良のトレードオフ
ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向におけるＭＳＵの機械剛性と、これらの方向における機械振動の低減と、位置合わせ不良に起因する、Ｘ軸を中心とする回転の抵抗との間にトレードオフが存在する。剛性が高くなると、曲げモードにおける、ｙ方向及びｚ方向における機械共振周波数が増大するが、ＭＳＵにおける、位置合わせ不良に起因する反力及びトルクが大きくなる。したがって、ＭＳＵはこのトレードオフに関して設計されなくてはならない。

図４は、Ｙ軸における曲げ共振周波数の増加対ｙ方向におけるＭＳＵ剛性を示している。

好ましい実施形態
図７及び図８に示すように、機械支持ユニット（ＭＳＵ）２５０は、支持構造７００と、光学素子２２０の遠位端に係合される機械取付具８００とを備える。軸受７１０は機械取付具のシャフト８１０を機械支持構造７００と係合させる。

ＭＳＵは、光学素子２２０のＸ軸を中心とする回転を可能にしながら、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向における該光学素子２２０の変位、及びＹ軸及びＺ軸を中心とする回転を抑える。支持構造は、軸受系を収容し、回転軸に対する好ましい位置での軸受の配置を可能にする。

図８に示すように、機械取付具８００を使用して、光学素子２２０を機械支持ユニットと係合させる。シャフト８１０の遠位端に螺入されたねじ８２０によって、シャフト、及びしたがって光学素子に対し、好ましい負荷がもたらされる。光学素子は、接着剤又は粘着剤によって、機械取付具に取り付けられる。図４に示すように、機械取付具は、好ましい機械剛性をもたらすのに役立つように設計される。

本発明を、好ましい実施形態の例として説明してきたが、本発明の精神及び範囲内で他のさまざまな適合及び変更を行えることが理解されるべきである。したがって、本発明の真の精神及び範囲内に入るすべての変形及び変更を包含することが、添付の特許請求の範囲の目的である。

Claims (1)

1. ガルバノメータスキャナであって、
   光学素子の遠位端と係合される機械支持ユニットを備え、該光学素子の近位端は回転式電動モータの出力シャフトに接続され、
   該機械支持ユニットは、
   前記光学素子の回転軸と、前記回転式電動モータの回転軸との位置合わせを維持し、
   前記モータのＸ回転軸に対して固定され、前記光学素子の回転中のＹ軸及びＺ軸に沿った変位を制限し、
   さらに、
   前記光学素子の前記遠位端を前記機械支持ユニットの軸受と係合させるように構成されるシャフトと、
   前記シャフトの遠位端に前記モータのＸ回転軸方向に螺入されたねじと、
   を備え、
   前記光学素子は、ミラー、波長板、又はレンズであり、
   前記ねじは、ねじ頭部に頭部先端に向かって広がるテーパ面からなる側面を有し、螺入の度合に従って前記側面で前記軸受を押圧する、
   ガルバノメータスキャナ。

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