갈바노미터 기반 광학 스캐너는 점점 더 광범위한 산업, 과학, 이미징 및 의료 레이저 응용 분야에서 선호되는 포지셔닝 솔루션입니다.여러 스캐닝 방법을 사용할 수 있지만 일반적으로 "galvos"라고 하는 검류계 기반 스캐너는 매력적인 비용으로 유연성, 속도 및 정확성을 제공합니다.많은 이미징 응용 프로그램이 우수한 이미지 품질을 위해 일정한 속도를 제공하는 galvo의 기능을 활용하는 반면, 다른 벡터 기반 스캐닝 응용 프로그램은 최신 galvos의 빠른 단계 응답 시간의 이점을 얻습니다.갈보 및 서보 기술의 지속적인 발전으로 오늘날 장치는 더 큰 빔, 100-&s 범위의 단계 응답 시간, 최대 rms 주파수 >2kHz, 단일 마이크로라디안 수준 포지셔닝 분해능, 낮은 광각에서 다양한 동작을 설명하기 위한 축당 비용 및 유연한 위치 제어.
이를 통해 드릴링, 고해상도 인쇄 및 이미징 응용 프로그램, DNA 분석 및 약물 발견 시스템, 연구실에서 스크리닝 및 감지 기능을 제공하는 저비용 생물 의학 시스템을 통해 레이저 마킹 및 기타 재료 가공 응용 프로그램에서 새로운 수준의 성능을 가능하게 했습니다. 의사 사무실.그러나 각 응용 프로그램의 설계 요구 사항은 속도, 정확도, 크기 및 비용을 다양하게 강조합니다.다행스럽게도 많은 Galvo 구성 및 기능을 통해 시스템 설계자는 대상 애플리케이션의 요구 사항에 맞는 최적의 제품을 선택할 수 있습니다.
부품 및 기술
갈보 시스템은 검류계, 미러(또는 미러) 및 시스템을 제어하는 서보 드라이버의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.갈보 시스템이 더 빠른 속도와 성능을 제공함에 따라 이러한 구성 요소 중에서 올바른 설계와 적절한 선택이 최대 성능을 달성하는 데 점점 더 중요해지고 있습니다.갈보 시스템이 100&s 단계 시간에 도달하고 rms 주파수가 >2kHz에 도달함에 따라 시스템 포지셔닝 성능이 밀리초 단위로 측정될 때 적용된 많은 설계 규칙과 원칙이 더 이상 적합하지 않습니다.
검류계
Galvo 자체는 미러 로드를 조작하는 액추에이터와 미러 위치 정보를 폐쇄 루프 시스템에 제공하는 일체형 위치 감지기의 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다.
두 개의 액추에이터 구성은 일반적으로 오늘날의 고성능 시스템에 사용됩니다.자석이 회전자의 일부이고 코일이 고정자의 일부인 움직이는 자석은 균일한 회전자 설계로 인해 가장 높은 시스템 공진 주파수를 제공합니다.코일이 회전자에 통합되고 자석이 고정자의 일부인 무빙 코일은 최고의 토크 대 관성 비율과 최고의 토크 효율을 제공합니다.두 가지 일반적인 유형의 위치 감지기에서 감지기 요소는 갈보 로터 구조의 일부로 움직입니다.이동 유전체 정전 용량 설계에서 무선 주파수 소스는 두 개의 가변 커패시터를 구동하고 결과적으로 정류된 차동 전류는 갈보 액추에이터와 미러의 위치를 보고합니다.새로운 광학 위치 감지기 설계에서 광원은 4개의 광전지 부분을 비춥니다.광원과 리시버 사이에서 모양과 같은 움직이는 나비가 리시버 셀 쌍에 다소간 그림자를 드리웁니다.결과 전류는 갈보 액추에이터와 미러의 위치를 보고합니다.
포지셔닝 검출기의 설계는 시스템의 포지셔닝 정확도를 크게 정의하며 관성 및 공진 주파수 특성은 시스템 속도에 영향을 미칩니다.당사의 특허받은 광학 위치 감지기의 소형, 저잡음 및 저관성 기능은 정확성이나 안정성을 희생하지 않으면서 용량성 장치에 비해 더 빠른 속도, 더 작은 크기 및 비용 절감을 제공합니다.또한 일부 정전식 감지기는 시스템의 주변 전자 장치를 간섭할 수 있는 RF 전기 노이즈를 방출할 수 있으며 이 노이즈는 광학 위치 감지기로 제거됩니다.거울
미러는 시스템의 중요한 구성 요소이며 특히 속도가 증가할 때 그렇습니다.그것의 디자인은 속도와 정확성에 대한 디자인 목표를 달성하거나 깨뜨릴 수 있습니다.가장 기본적인 수준에서 미러는 일반적인 애플리케이션에 지정된 필수 각도 범위에 대해 필요한 빔 직경을 유지해야 합니다.미러 두께, 프로필, 단면 및 재료(가장 일반적으로 합성 용융 실리카, 실리콘 또는 베릴륨)가 모두 중요합니다.이들은 액추에이터와 미러 어셈블리의 강성과 공진 주파수뿐만 아니라 시스템의 관성에 영향을 미칩니다.
전체 시스템 관성에 크게 추가되지 않는 강성과 공진 주파수의 증가는 더 빠른 응답 시간과 더 높은 대역폭을 가능하게 합니다.따라서 미러 설계는 갈보 시스템의 광경로와 비용뿐만 아니라 전체 시스템의 속도와 정확도에도 영향을 미칩니다.2축 스티어링 빔 시스템에서 회전축 사이의 거리와 디자인의 사용 가능한 각도 범위는 일반적으로 시스템의 두 번째 미러가 첫 번째 미러보다 커야 합니다.이 때문에 두 번째 미러는 전체 2축 시스템의 속도를 제한하는 구성 요소가 될 수 있으므로 설계 및 구성이 중요합니다.최적화된 2축 설계에서 이러한 시스템의 두 번째 미러는 첫 번째 미러와 비교할 때 시스템 속도에 약간의 제한만 제공합니다.
서보 드라이버
갈보 시스템의 마지막 구성 요소는 갈보를 구동하고 거울의 위치를 제어하는 서보 회로입니다.서보는 위치 감지기의 현재 출력 신호를 복조하고 이를 명령된 위치 신호와 비교하고 액추에이터를 구동하여 갈보를 원하는 위치로 가져와 신호 사이의 오류를 거의 0에 가깝게 만듭니다.
일반적인 서보는 감지된 위치, 갈보 드라이브 전류, 각속도, 오류 또는 오류 적분 신호의 조합을 사용하여 원하는 위치 지정 속도와 정확도로 폐쇄 루프 시스템 제어를 가능하게 합니다.액추에이터 및 위치 감지기의 설계에 많은 발전이 있었던 것처럼 서보 전자 장치의 지속적인 개발은 대역폭 및 rms 기능의 갈보 발전을 최대한 활용하는 데 중요했습니다.State-Space와 같은 새로운 디지털 서보 아키텍처는 아날로그 또는 디지털 PID 서보로 달성할 수 있는 것 이상으로 galvo 성능을 향상시켰습니다.아날로그 서보 구성
두 개의 아날로그 서보 구성은 일반적으로 중요성을 놓고 경쟁하는 속도와 정확도 요구 사항을 최적화하거나 균형을 맞춥니다.클래스 1 또는 PID(Proportional-Integral-Derivative)라고 하는 통합 서보는 통합 위치 오류를 사용하여 각도 오류가 가장 적은 최고 수준의 위치 정확도로 정착합니다.속도보다 정밀도를 중시하는 애플리케이션은 종종 통합 클래스 1 서보 컨트롤러에 의존합니다.비 통합 서보 또는 클래스 0은 통합 시간을 피하기 때문에 더 높은 시스템 속도를 제공할 수 있습니다.이 구성은 속도를 높이기 위해 일부 정밀도(약 100&rad까지)가 종종 10% 이상 희생될 때 사용됩니다.대부분의 최고 속도 애플리케이션은 비통합 클래스 0 서보에 의존합니다.PID 서보를 넘어
새로운 디지털 상태 공간 서보 아키텍처는 PID(아날로그 또는 디지털) 서보에서 흔히 발생하는 "추적 오류"를 크게 줄이거나 제거하여 Galvos의 성능을 최적화했습니다.감소된 추적 오류를 통해 사용자는 추적 오류로 인한 시간 변화를 보상하기 위해 삽입된 모션 프로그램에서 소프트웨어 지연을 제거할 수 있으며 전반적인 갈보 성능(주로 벡터 유형 응용 프로그램에서)이 크게 향상됩니다.레이저 마킹 응용 분야에서 이 추적 오류가 제거되면 마킹 속도가 2배에서 4배로 증가하는 것이 일반적입니다.디지털 서보의 다른 장점으로는 자가 조정 또는 컴퓨터 지원 조정이 있습니다.모션 카테고리
레이저 시스템에 사용되는 많은 유형의 빔 포지셔닝 동작 또는 명령 구조가 있지만 대부분은 본질적으로 무작위 또는 반복으로 분류될 수 있습니다.이 중 가장 일반적인 것은 벡터, 래스터 및 스텝 앤 홀드 포지셔닝 동작입니다.오늘날 성공적인 레이저 시스템 설계의 눈에 띄는 요소는 스캐너 시스템에 제공되는 신호의 지능형 명령 및 제어입니다.벡터 포지셔닝
레이저 마킹 및 기타 형태의 산업용 재료 가공과 같은 벡터 포지셔닝 응용 분야에서 빔 모션은 공정 일관성 및 최대 재료 처리량을 위해 일련의 작은 각도 벡터 또는 단계로 구조화될 수 있습니다.작은 단계를 사용하면 전압 또는 전류 제한, 갈보 토크, 열 제한 또는 서보 제어 루프 내의 전기적 포화에 의해 제한될 수 있는 큰 각도 이동과 관련된 지연 및 정착 시간 변동을 최소화하여 효율성을 극대화합니다.성공은 종종 문자, 벡터 또는 초당 실행되는 단계로 측정됩니다.가장 빠른 벡터 포지셔닝 응용 프로그램에서 시스템은 벡터 사이에서 거의 정지하지 않습니다.이러한 요구 사항을 충족할 때 갈보 토크, 갈보 전력 소산 제약, 전원 공급 장치 수준 등에 의해 제한되지 않는 경우가 많습니다. 갈보뿐만 아니라 시스템의 자연적으로 발생하는 공진 주파수를 제어하고 억제하는 서보의 기능도 있습니다.
래스터 포지셔닝
인쇄, 스캐닝 레이저 현미경 및 이미지 캡처와 같은 래스터 스타일 응용 프로그램의 경우 빔 또는 조리개는 활성 이미징 중에 일정한 속도로 이동하여 종종 더 빠른 귀선으로 결합되는 활성 라인을 형성합니다.이 활성 이미징 시간 동안 가속도(따라서 갈보 코일을 통과하는 전류)는 거의 0입니다.플라이백 중에는 가속도가 높기 때문에 갈보 코일을 통과하는 전류가 높습니다.
갈보 시스템의 전체 작동 주파수는 스캔 기간의 플라이백 부분과 스캔의 듀티 사이클 또는 효율성으로도 설명되는 활성 이미징 시간과의 관계에 의해 제한됩니다.명확하지 않을 수도 있지만 보다 완화된 효율은 종종 더 높은 작동 주파수를 가능하게 합니다.플라이백에 더 많은 시간이 허용되면 스캐너의 전류가 낮아지고 작동 주파수가 낮아질 수 있습니다.시스템의 열 제한 없이 초당 더 많은 라인을 인쇄하거나 모을 수 있습니다.
래스터 애플리케이션은 일반적으로 더 적은 레이저 전력을 사용하며 픽셀 또는 스폿 크기와 경로 길이는 빔 직경과 미러/갈보 크기 요구 사항을 정의합니다.높은 갈보 전력 처리 용량과 함께 낮은 크로스 스캔 미러 흔들림 및 타이밍 지터로 큰 각도 단계를 실행하는 기능은 높은 반복 속도에서 스캔 간에 극단적인 수준의 반복성이 필요하기 때문에 중요합니다.62xxH galvos 제품군에서와 같이 코일에서 케이스까지의 낮은 열 저항과 함께 이동 자석 액추에이터의 견고한 구조는 많은 래스터 응용 프로그램에 탁월한 선택입니다.
이 애플리케이션 그룹에서 나머지 고려 사항은 갈보 시스템으로 전송되는 명령 파형의 구조입니다.이미지 품질과 작동 주파수를 동시에 제한할 수 있는 위치, 속도 및 가속 불연속성을 관리하려면 사이클로이드 명령 파형이 권장됩니다.부드러운 "가속 관리" 입력은 갈보 시스템으로 전달되는 주파수 콘텐츠를 제한하여 시스템 성능을 돕습니다.이것은 시스템의 자연 공진의 여기를 피하는 경향이 있어 더 나은 이미지 품질을 가능하게 합니다.또한 플라이 백 단계에서 가속을 낮추어 시스템의 전력을 줄입니다.이 두 가지 요소는 종종 단순한 톱니 모양 입력을 사용하여 가능한 것보다 더 높은 작동 주파수에서 더 나은 반복성을 허용합니다.스텝 앤 홀드 포지셔닝
스텝 앤 홀드 포지셔닝은 시스템이 고정된 각도로 명령을 받고 작업이 수행되는 동안 가능한 한 가만히 유지된다는 점에서 벡터 포지셔닝과 다릅니다.일반적으로 매우 정확하고 반복 가능한 빔 배치가 필요하지만 이러한 포지셔닝 이동 범위는 주파수와 진폭입니다.이러한 유형의 포지셔닝에서 가장 중요한 갈보 시스템 매개변수는 정확하고 안정적인 위치 감지기와 빠른 가속 및 명령된 위치로의 정착을 위한 효율적이고 높은 토크이지만 관성이 낮은 액추에이터입니다.응용 프로그램의 목표에 따라 그리고 래스터 포지셔닝에서와 같이 스캐너 시스템으로 전달되는 주파수 콘텐츠를 제한하기 위해 명령 신호를 관리하면 스텝 앤 홀드 결과를 향상시킬 수 있습니다.
이러한 포지셔닝은 모든 레이저 시스템 응용 분야에서 3~50mm 빔 직경 범위의 광학 투명 개구에서 사용할 수 있습니다.단일 마이크로라디안 반복성, 99.9% 이상의 위치 검출기 선형성 및 온도 변화 정도당 50ppm의 보상되지 않은 스케일 드리프트를 특징으로 하는 이동 코일 등급의 galvo는 이러한 응용 분야에 가장 적합합니다.성능 최적화
폐루프 검류계는 시스템 설계자에게 속도, 정확도 및 저렴한 비용의 강력한 조합과 다른 스캐너 기술로는 불가능한 유연성을 제공합니다.galvos 속성의 범위는 다양한 애플리케이션을 만족시킵니다.레이저 기술의 발전과 함께 이 기술의 발전은 검류계의 응용 범위를 계속 넓혀 새로운 성능 수준, 응용 분야 및 시장을 가능하게 합니다.갈보 애플리케이션에서 가능한 최고의 성능을 얻으려면 갈보, 미러 및 서보 드라이버의 적절한 설계 및 선택과 함께 포지셔닝 속도 및 정확도에 대한 가장 중요한 매개변수를 이해해야 합니다.