(57)【要約】【課題】簡単な構成でマグネット温度を制御し、トルク定数の変動を抑制することができる揺動アクチュエータ装置及びこのような揺動アクチュエータ装置を使用したレーザ加工装置を提供すること。【解決手段】回転軸１２と回転軸１２の回りに配置されたマグネット１３とからなる回転子と、この回転子の周りに配置されコイル１４と、コイル１４に電流を供給する電流供給手段とを備える揺動アクチュエータ装置において、電流供給手段を回転子を回転させる電流に加えて高周波電流を供給できる電流供給手段３５にすると共に、マグネット１３の温度を測定ための温度検出手段を設け、温度検出手段の測定結果に基づいて電流供給手段３５がコイル１４に供給する電流に高周波電流を重畳することによりマグネット１３の温度を制御する。【選択図】図１
2008228524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸とこの回転軸の回りに配置されたマグネットとからなる回転子と、
該回転子の周りに配置されコイルとヨークとからなる固定子と、
前記回転子と前記固定子を収納するハウジングと、
前記コイルに電流を供給する電流供給手段と、
を備え、前記コイルに供給する電流を制御することにより前記回転子を予め定める角度範囲内で揺動させる揺動アクチュエータ装置において、
前記マグネットの温度を測定または推定するための温度検出手段と、
高周波電流供給手段と、
を設け、
前記温度検出手段の測定結果に基づいて前記電流供給手段が前記コイルに供給する電流に前記高周波電流を重畳することにより前記マグネットの温度を制御することを特徴とする揺動アクチュエータ装置。
【請求項２】
前記高周波電流の周波数は、前記回転子を駆動する電流の周波数の２倍以上で１ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項１記載の揺動アクチュエータ装置。
【請求項３】
前記高周波電流の周波数は、前記回転子の共振周波数と異なる周波数帯とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の揺動アクチュエータ装置。
【請求項４】
前記温度検出手段は、前記回転子の運転情報により前記コイルの発熱量を計算し、得られた前記発熱量から前記マグネット温度を推定することを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項に記載の揺動アクチュエータ装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の揺動アクチュエータ装置を備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイルを固定子とし、永久磁石を回転子として回転軸に固定し、回転子を予め定める角度範囲内で揺動させる揺動アクチュエータ装置及びこのような揺動アクチュエータ装置を使用したレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２は、一般的なムービングマグネット式ガルバノスキャナの断面図である。ガルバノスキャナはガルバノミラーを揺動させる揺動アクチュエータ装置であり、ガルバノミラーを駆動するための回転軸１２とその外側に取り付けられたマグネット１３で回転子が形成されている。また、回転子の外側に巻かれたコイル１４と磁気回路を構成する珪素鋼板（ヨーク）１８とで固定子が形成されている。回転子および固定子は外筒１９に収納されている。回転軸１２はベアリング１７によって固定子側に回転自在に支持されている。回転軸１２の一方の端部にはガルバノミラー４が取り付けられている。回転軸１２の他方の端部には、回転軸１２の回転角度を検出するためのエンコーダが取り付けられている。エンコーダは回転軸１２に取り付けられたグレーチング１５とグレーチング１５上のスリットを読み取るための光学ピックアップ１６とで構成されている。そして、コイル１４に電流を流すことで、マグネット１３に電磁力が発生し、そのトルクで軸１２が回転する。
【０００３】
近年、電気製品の高集積化が進み、プリント基板に加工する穴の径は小さくなる傾向にある。小径の穴を加工するためには、レーザの直径を大きくする必要があり、これに伴ってガルバノミラー等を大型化する必要がある。大型のガルバノミラーを揺動させるには大きなトルクが必要となり、駆動電流も大きくなるため、コイルで発生するジュール発熱によりコイル及びその近傍の構造物が加熱されて温度が上昇する。また、加工スループットの向上のために、穴を明ける速度は、年々高速化しているが、大型のガルバノミラーを高速に動かせば動かすほど、さらにその発熱は大きくなる。発熱に伴い、マグネットの温度が上昇すると、マグネットの磁力が低下してトルク定数が減少してしまい、制御性が低下して位置決め精度が悪化する。このような問題を回避するために、加工順序等を調整してコイルの発熱を平均化したガルバノスキャナがある（特許文献１）。
【０００４】
また、高速回転型のスピンドルモータ等では、低温環境下におけるベアリングの摩擦の増大を回避するために、加熱用のヒーターを設けたスピンドルモータがある（特許文献２）。同様な技術により、ヒータによってガルバノスキャナの全体の温度を調節することができるガルバノスキャナもある。
【特許文献１】特開２００３−３２９９６０号公報
【特許文献２】特開２００６−１１５６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の技術を採用すると、加工スループットが低下する場合がある。また、特許文献２の技術を採用すると、ヒータとヒータ用電源およびコントローラが別途必要となり高価なシステムとなる。
【０００６】
本発明の目的は、簡単な構成でマグネット温度を制御し、トルク定数の変動を抑制することができる揺動アクチュエータ装置及びこのような揺動アクチュエータ装置を使用したレーザ加工装置を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１の手段は、回転軸とこの回転軸の回りに配置されたマグネットとからなる回転子と、該回転子の周りに配置されコイルとヨークとからなる固定子と、前記回転子と前記固定子を収納するハウジングと、前記コイルに電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記コイルに供給する電流を制御することにより前記回転子を予め定める角度範囲内で揺動させる揺動アクチュエータ装置において、前記マグネットの温度を測定または推定するための温度検出手段と、高周波電流供給手段と、を設け、前記温度検出手段の測定結果に基づいて前記電流供給手段が前記コイルに供給する電流に前記高周波電流を重畳することにより前記マグネットの温度を制御することを特徴とする。
【０００８】
この場合、前記高周波電流の周波数としては、前記回転子を駆動する電流の周波数の２倍以上で１ＭＨｚ以下とすることができる。
【０００９】
また、前記高周波電流の周波数は、前記回転子の共振周波数と異なる周波数帯とすることができる。
【００１０】
そして、前記温度検出手段として、前記回転子の運転情報により前記コイルの発熱量を計算し、得られた発熱量から前記マグネット温度を推定するものとすることができる。
【００１１】
また、本発明の第２の手段は、揺動アクチュエータ装置を備えるレーザ加工装置において、前記揺動アクチュエータ装置が請求項１ないし４のいずれか１項に記載の揺動アクチュエータ装置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ガルバノスキャナのトルク定数が一定となるので、位置制御性と位置決め精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明はガルバノスキャナのコイルに高周波電流を流し、その誘導によりマグネットに渦電流を発生させてマグネットを発熱させることで温度を調節するものである。以下、本発明の原理を説明する。
【００１４】
図３は図２で説明したガルバノスキャナのマグネットとコイルの近傍を立体的に示した図であり、マグネット１３と回転軸１２は全体が、コイル１４、珪素鋼板１８および外筒１９は半分にカットされたものが、それぞれ示されている。また、図４は回転軸１２を立体的に示した図である。
【００１５】
上記のようなガルバノスキャナでは、ガルバノミラーを最高２．５ｋＨｚ程度で駆動するが、コイル１４に供給する電流はその数倍程度である１０ｋＨｚ以下の交流成分を持っている。この電流の交流成分に対して、近接した構造物に渦電流が発生すると、コイル１４が発生する磁場が打ち消されることにより発生するトルクが減少する。また、渦電流により発生するジュール発熱も問題となる。これを防止するために、コイル１４外側の磁性材料として薄い珪素鋼板１８を重ねた構造とし、マグネット１３も比抵抗が小さいネオジウム系のマグネットを貼りあわせた構造として渦電流が流れるのを防止している。
【００１６】
しかし、コイル電流の交流成分の周波数をさらに高くすると、渦電流は小さい渦で流れ易くなることから、特にマグネット１３表面で渦電流が発生し、マグネット１３で発熱が起きるようになる。コイル１４に流れる電流によりマグネット１３表面に発生する電界は矢印１００にようになる。この電界によりマグネット１３表面に発生する渦電流は、マグネット１３の分割部分では電流が流れないために分断され、図４に矢印１０１のように流れる渦電流となる。
【００１７】
そして、コイル１４に１０ｋＨｚを超える交流電流を供給すると、図４ように分断されたマグネット１３においても渦電流が強く流れ、マグネット１３に渦電流によるジュール発熱（以後、誘導発熱と呼ぶ）が発生するようになる。マグネット１３に発生する誘導発熱の大きさは交流電流の周波数の約２乗に概略比例するが、コイル１４に発生するジュール発熱は周波数によらないため、高周波帯では大部分が誘導発熱となりマグネット１３を加熱することになる。
【００１８】
このように意図的にコイル１４に供給する電流に高周波帯の交流電流を加えてやることで、マグネット１３を直接加熱することが可能となる。そして、マグネット１３を加熱する誘導発熱の大きさは、高周波電流の周波数と大きさで調整することができる。
【００１９】
図５は、本発明に係る上記加熱方法に好適なガルバノスキャナ制御系のブロック線図である。
【００２０】
このガルバノスキャナ制御系では、下位のガルバノスキャナコントローラ３２は、上位コントローラ３０から指令されたガルバノミラーの位置指令３１とガルバノスキャナ１０からのガルバノミラー４の回転位置情報３３とからガルバノスキャナ１０（コイル１４）に供給する位置制御用電流指令３４を電流発生装置３５に入力する。なお、電流発生装置３５は回転子を駆動するための電流と後述する高周波電流とを供給することができる。
【００２１】
電流発生装置３５は位置制御用電流指令３４に従いガルバノスキャナ１０に電流を供給する。ここまでは従来の技術と同様である。本発明では温度測定手段により測定したマグネット温度情報３７をマグネット温度コントローラ３６に入力し、マグネット温度コントローラ３６はマグネット温度の目標温度となるように、高周波電流指令３８を電流発生装置３５に入力する。電流発生装置３５は、前述の位置制御用電流指令３４と高周波電流指令３８とを加算した電流３９をガルバノスキャナ１０に供給する。位置制御用の電流に加えて大きさを調整したマグネット１３過熱用の高周波電流を供給することにより、誘導発熱の大きさを制御してマグネット１３の温度を調整する。
【００２２】
次に、高周波電流として使用する電流の周波数について説明する。
【００２３】
図６は、図２に示したガルバノスキャナの機械特性曲線であり、横軸は周波数、縦軸はゲイン（回転角度振幅を電流振幅で割ったもの）である。同図から、ゲインが大きいほど、小さい電流振幅で大きい回転角度振幅が得られることが分かる。機械特性曲線には幾つかのピークが存在するが、これは回転子で共振が起きていることを示しており、共振周波数近傍ではゲインが大きくなる。同図から、マグネット加熱用に印加する高周波の周波数としては、例えば１００ｋＨｚ程度に選べば、共振も無くゲインが小さくでき、回転が殆ど起きない状態とみなせることになる。
【００２４】
以上説明したように、本発明では回転軸が追従しない（回転しない）高周波電流をコイル１４に供給することでマグネット１３に誘導発熱を発生させ、その大きさを制御することでマグネット温度を調整することを特徴としている。またこの構成では、特別な電源等不要であり、単純な構成でマグネットの温度を制御できる。
【実施例１】
【００２５】
図１は、本発明を実施したレーザ加工装置の構成図である。
【００２６】
レーザ１より発振されたレーザ光２は、ビーム形成装置３によりビーム断面形状を形成された後に、２軸のガルバノミラー４により方向を変えられてｆθレンズ５にて垂直方向に変換及び集光され、プリント基板６上に入射されて、プリント基板６に穴を明ける。プリント基板６は、ＸＹ方向に移動自在のＸＹステージ７上に載置されている。ガルバノミラー４は、それぞれを回転させるガルバノスキャナ１０により回転角度を調整される。
【００２７】
下位のガルバノスキャナコントローラ３２は、上位コントローラ３０から指令されたガルバノミラーの位置指令３１とガルバノスキャナ１０からのガルバノミラー４の回転位置情報３３とからガルバノスキャナ１０（コイル１４）に供給する位置制御用電流指令３４を電流発生装置３５に入力する。
【００２８】
一方、マグネット温度コントローラ３７は温度測定手段により測定されたマグネット１３のマグネット温度情報１３７に基づき、マグネット１３の温度が目標温度となるように高周波電流指令３８を電流発生装置３５に入力する。
【００２９】
電流発生装置３５は、位置制御用電流指令３４と高周波電流指令３８とを加算した電流３９をガルバノスキャナ１０に供給する。
【００３０】
この結果、マグネット１３の温度は、ガルバノミラー４の駆動状況に関わらず常に一定（例えば、４０℃）に保たれるので、トルク変動が発生しない。
【００３１】
なお、高周波電流によって回転軸１２が回転運動することを予防するため、高周波電流の周波数としてはガルバノスキャナの駆動周波数の２倍以上とする。また、ガルバノスキャナ固有の共振周波数近辺の周波数では共振を起こしてしまうので使用しないことが望ましい。また、高周波電流の周波数を高くし過ぎるとコイル１４の素線の表皮効果でコイル１４の抵抗値が増大してコイル１４に電流が流れにくくなることと、珪素鋼板１８でも渦電流やヒステレシスによる損失が発生するようになるため、１ＭＨｚ以下程度にすることが望ましい。
【００３２】
図７は、運転中におけるマグネット温度の制御方法を説明するフローチャートである。  加工が開始されると、マグネットの温度を温度測定手段により測定し（手順Ｓ１０）、測定された温度を評価する（手順Ｓ２０）。そして、マグネット温度が低温許容温度以下であればマグネット加熱用の高周波電流を印加してマグネットの温度を上昇させ（手順Ｓ３０）、マグネット温度が規定値以上であれば高周波電流を停止する（手順Ｓ４０）。運転中はこのフローチャートのルーチンを一定時間間隔で繰り返すことでマグネット温度を低温許容温度近傍に調整する。
【００３３】
図８は、上記運転を行った時の従来の位置制御用電流指令の時間波形の例を示す図であり、図９はその場合のマグネット温度の時間波形の例である。従来の技術では、ガルバノスキャナが停止している時は位置制御電流もゼロとなるので、マグネットの温度が低下して、大きな温度変化が生じてしまう。
【００３４】
図１０は、図８と同じ運転を行った時の本発明における位置制御用電流指令の時間波形の例を示す図であり、図１１はその場合のマグネット温度の時間波形の例である。
【００３５】
本発明の場合、図１１に示すように、マグネット温度が低温許容温度以下になると、図１０に示すように、マグネット温度加熱用の高周波電流が印加され、それに伴いマグネットの温度は上昇する。そして低温許容温度以上となると、高周波電流が停止され、再び温度が低下する。ガルバノスキャナが停止している間に、このような高周波電流の印加と停止が繰り返されることで、マグネットの温度は概略低温許容温度近傍に制御される。
【００３６】
次に、マグネット温度の測定手段について説明する。
【００３７】
図１２は、本発明に係るガルバノスキャナの正面断面図であり、図２と同じものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３８】
外筒１９、珪素鋼板１８およびコイル１４には細い光ファイバー１０２を通すための穴２００が形成されている。光ファイバー１０２は、一方の端部がマグネット１３に対向するようにして穴２００に固定され、他方の端部は赤外領域の放射温度計１０３に接続されている。なお、放射温度計１０３は、測定対象の放射率が１に近い程測定精度が良いため、マグネット１３の表面を例えば黒色の塗料等で塗装して放射光の放射率が１に近づけておくことが望ましい。
【００３９】
この実施例に依れば、非接触でマグネット表面を測定することができるので、測定対象であるマグネットが高速で回転することを妨げることがない。
【実施例２】
【００４０】
次に、本発明の第２の実施例を説明する。
【００４１】
図１３は、本発明に係るレーザ加工装置の構成図である。
【００４２】
ガルバノスキャナコントローラ３２には、図１におけるマグネット温度情報１３７に代えて上位コントローラ３０からのガルバノスキャナ稼動情報１３８が入力される。ガルバノスキャナコントローラ３２はガルバノスキャナ稼動情報１３８からガルバノスキャナ１０の発熱量を計算する。そこで得られた発熱量からマグネット１３の温度を推測して、マグネット温度を制御する。
【００４３】
図１４は、この実施例におけるマグネット温度の制御方法を説明するフローチャートである。
【００４４】
加工が開始されると、運転情報から平均発熱量を計算し（手順Ｓ１００）、得られた平均発熱量からマグネットの温度を計算して（手順Ｓ１１０）、測定された温度を評価する（手順Ｓ１２０）。そして、マグネット温度が低温許容温度以下であればマグネット加熱用の高周波電流を印加してマグネットの温度を上昇させ（手順Ｓ１３０）、マグネット温度が規定値以上であれば高周波電流を停止する（手順Ｓ１４０）。運転中はこのフローチャートのルーチンを一定時間間隔で繰り返すことでマグネット温度を低温許容温度近傍に調整する。
【００４５】
この実施形態では、マグネットの温度を測定する測定器を必要ないので、構造が簡単になり、装置コストを低くすることができる。
【実施例３】
【００４６】
次に、本発明の第３の実施例を説明する。
【００４７】
図１５は本発明に係るガルバノスキャナのマグネットの他の温度測定手段の構成図であり、図２と同じものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００４８】
回転軸１２の軸方向の中心には穴２０１が形成されている。穴２０１にはサーミスタ１０４が配置されている。サーミスタ１０４はマグネット１３に取り囲まれた場所に位置するので、マグネット全体の平均温度を測定していることに相当する。サーミスタ１０４の信号はグレーチング１５の中心を通りガルバノスキャナ１０の外に取り出され、温度測定器１０５に入力されて温度情報となる。このとき、信号線としては極力細い線を用いることで、回転軸１０２の回転を妨げないようにする必要がある。マグネット１３は、コイル１４やマグネット表面の渦電流により加熱されることから、実施例１のようなマグネット表面の温度を測定することが望ましいが、珪素鋼板１８に穴２００を明ける等、構造が複雑になるが、本実施例は設置が容易である点では優れており、サーミスタ等の比較的安価な接触式の温度計測器が使えることでコスト的にも優れる。
【００４９】
なお、本実施例では、サーミスタを用いて温度測定することを述べたが、熱電対等の同様な接触式の温度測定方法を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明を実施したレーザ加工装置の構成図である。（実施例１）
【図２】従来の一般的なムービングマグネット式ガルバノスキャナの断面図である。
【図３】従来ガルバノスキャナの斜視図である。
【図４】従来ガルバノスキャナの斜視図である。
【図５】本発明に係るガルバノスキャナ制御系のブロック線図である。
【図６】ガルバノスキャナの回転子の機械特性曲線である。
【図７】本発明に係るマグネット温度の制御方法を説明するフローチャートである。
【図８】従来技術の説明図である。
【図９】従来技術の説明図である。
【図１０】本発明に係るマグネット温度の時間波形の例である。
【図１１】本発明に係る高周波電流指令の時間波形の例である。
【図１２】本発明に係るガルバノスキャナの断面図である。
【図１３】本発明に係るレーザ加工機の構成図である。
【図１４】本発明に係るマグネット温度の制御方法を説明するフローチャートである。
【図１５】本発明に係るガルバノスキャナの断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
回転軸  １２
マグネット  １３
コイル  １４
３５  電流発生装置
【図１】
2008228524.tif 000003
【図２】
2008228524.tif 000004
【図３】
2008228524.tif 000005
【図４】
2008228524.tif 000006
【図５】
2008228524.tif 000007
【図６】
2008228524.tif 000008
【図７】
2008228524.tif 000009
【図８】
2008228524.tif 000010
【図９】
2008228524.tif 000011
【図１０】
2008228524.tif 000012
【図１１】
2008228524.tif 000013
【図１２】
2008228524.tif 000014
【図１３】
2008228524.tif 000015
【図１４】
2008228524.tif 000016
【図１５】
2008228524.tif 000017