(57)【要約】【課題】回転子の温度上昇を抑制し、高速駆動が可能な電動機およびガルバノスキャナを得ること。【解決手段】本発明の電動機１００は、固定子２０と、固定子２０との相互作用で回転する回転子１０と、回転子１０と固定子２０との間の隙間Ｃに充填された磁性流体３０とを備える。回転子１０は、シャフト１１と本体部１２と本体部１２に収納される永久磁石１３とを備える。本発明のガルバノスキャナは、電動機１００の回転軸を構成するシャフト１１の一端に装着されたミラー６０によって光を走査する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、
前記固定子との相互作用で回転する回転子と、
前記回転子と前記固定子との間に配された磁性流体とを備えたことを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記回転子は、
回転軸と、
内部に空洞部を有する円柱状の回転子本体と、
前記回転子本体の前記空洞部に収納された永久磁石とを備え、
前記固定子は、前記回転子本体を囲む円筒状体であり、
前記回転子本体は、前記回転軸を中心に回転せしめられることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
前記磁性流体は、前記回転子本体と前記固定子との間の隙間に配されることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機。
【請求項４】
前記回転子は、
前記回転軸に対して対称となる位置に、前記磁性流体を保持するガイドを備えたことを特徴とする請求項２または３に記載の電動機。
【請求項５】
前記ガイドは、
前記回転子本体から前記固定子に向けて突出するガイド壁であることを特徴とする請求項３に記載の電動機。
【請求項６】
前記回転子は、
前記回転子の外周面に凹溝を有することを特徴とする請求項３に記載の電動機。
【請求項７】
前記回転子は、
前記固定子に対して揺動されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電動機。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の電動機と、
前記回転軸の一端に取り付けられ、入射した光を偏向させるミラーと、を備え、
前記回転軸の回転により前記ミラーを回転させ、前記光を走査することを特徴とするガルバノスキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガルバノスキャナに用いられる電動機およびガルバノスキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を走査させるための装置であるガルバノスキャナは、プリント基板、精密電子部品をはじめとする種々の部品の穴開け加工に用いられる。製品となる電子回路、電子部品の微細化、高集積化に伴い、位置決め精度の要求に加え、位置決め速度の向上への要求も高くなってきている。位置決め精度に加え、位置決め速度についても性能の向上が求められていることで、従来の技術では市場の要求に応えられない状況となっている。
【０００３】
ガルバノスキャナに用いられる電動機は、回転子と、回転子と相互作用して回転モーメントを発生させる固定子と、回転子の回転を外部に伝える回転軸と、回転軸を支える軸受とを備え、回転子または固定子のいずれかが回転変化する磁界を発生し、磁界の変化によって、駆動力を得るものである。
【０００４】
例えば特許文献１および２では、加工精度の向上をはかるために、面倒れ共振の発生を抑制するためのガルバノスキャナの軸構造に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５７０５３９０号公報
【特許文献２】特許第５７１４１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、電子機器においては、さらなる低価格化への要求もあり、基板加工の生産性向上が要求され、特許文献１および特許文献２のガルバノスキャナにおいても、さらなる高速動作が求められている。従ってガルバノスキャナを駆動する電動機に対しても精度向上と合わせて、一層の高速動作が求められている。回転子を高速動作させた場合には、磁場内を導電部材がより高速で横切るため、ジュール熱による損失電力が大きくなる。このため、回転子がさらに温度上昇し、許容温度上限により回転子の動作速度が限定されている状況であった。このため、回転子を効果的に冷却する技術の開発が望まれている。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転子の温度上昇を抑制し、高速駆動が可能な電動機およびガルバノスキャナを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、固定子と、固定子との相互作用で回転する回転子とを有する。本発明は、回転子と前記固定子との間に配された磁性流体とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、回転子の温度上昇を抑制し、高速駆動が可能な電動機およびガルバノスキャナを得ることできるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１のガルバノスキャナを示す断面図
【図２】実施の形態１のガルバノスキャナを示す図であり、図１のII−II断面図
【図３】ガルバノスキャナの回転シャフトの面倒れを説明する図
【図４】ガルバノスキャナの回転シャフトの面倒れを説明する図
【図５】ガルバノスキャナの回転シャフトの面倒れを説明する図
【図６】実施の形態２のガルバノスキャナを示す断面図
【図７】実施の形態２のガルバノスキャナを示す図であり、図６のVII−VII断面図
【図８】実施の形態３のガルバノスキャナを示す断面図
【図９】実施の形態３のガルバノスキャナを示す図であり、図８のIX−IX断面図
【図１０】実施の形態４のガルバノスキャナを示す斜視図
【図１１】実施の形態４のガルバノスキャナを示す図であり、図１０のXI−XI断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態にかかる電動機およびガルバノスキャナを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため各部材の縮尺が現実と異なる場合があり、各図面間においても同様である。また、断面図であっても、図面を見易くするためにハッチングを付さない場合がある。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるガルバノスキャナを示す断面図、図２は、図１のII−II断面図である。実施の形態１にかかるガルバノスキャナＧ１は、基板穴あけレーザ加工機で用いられる。実施の形態１にかかるガルバノスキャナＧ１は、電動機１００と電動機１００の回転子１０に装着されたガルバノミラー６０と、エンコーダ板７０とを備える。回転子１０の揺動をガルバノミラー６０と、エンコーダ板７０に伝達することで、ガルバノミラー６０を揺動させ、レーザ光を走査するとともに、エンコーダ板７０で回転子１０の角度変位を検出する。実施の形態１にかかるガルバノスキャナＧ１は、電動機１００を構成する回転子１０と、固定子２０との間に配された磁性流体３０を備える。図１に示すように、実施の形態１にかかるガルバノスキャナＧ１は、回転子１０と、ベアリング４０を介して回転子１０を回転可能に支持するハウジング５０と、回転子１０の外周に対向して設けられ、ハウジング５０の内周面に固着された固定子２０を構成するコイルと、回転子１０の一端に固定された光学部材である楕円形平面状のガルバノミラー６０と、回転子１０の他端部に固定されたエンコーダ板７０とを備えている。エンコーダ板７０は表面にスリットを有し、図示しないセンサヘッドと協働して、ガルバノミラー６０の角度変位フィードバックを制御するためのロータリエンコーダを構成している。
【００１３】
磁性流体３０には、マグネタイト微粒子の表面を界面活性剤で被覆し、水あるいは油をはじめとする液体からなるベース液に分散させたコロイド用液が用いられる。磁性流体３０中の強磁性微粒子は、直径１０ｎｍ程度であり界面活性剤とベース液との親和力および界面活性剤同士の反発力によりベース液中で凝集したり沈降したりすることなく安定した分散状態を保つ。磁性流体３０は、マグネタイト微粒子に限定されることなく、マンガン亜鉛フェライトをはじめとする他の強磁性粒子に置き換え可能である。
【００１４】
回転子１０は、シャフト１１と、回転子本体である本体部１２と、本体部１２に内蔵されている永久磁石１３とを備える。
【００１５】
また、固定子２０は、鉄心２１に挿入された固定子コイル２２が、モールド樹脂２３によって固定され、鉄心２１とともにハウジング５０の内周面に固着されている。
【００１６】
ガルバノミラー６０は、ミラーマウント６１を介して、回転子１０のシャフト１１に固定されている。
【００１７】
エンコーダ板７０は、シャフト１１の他端に固定され、表面にスリットを有し、図示しないセンサヘッドと協働して、ガルバノミラー６０の角度変位フィードバックを制御するためのロータリエンコーダを構成している。エンコーダ板７０は、回転子１０のガルバノミラー６０とは反対側の端部に装着され、回転子１０の回転角を検出するものである。
【００１８】
実施の形態１のガルバノスキャナＧ１は、従来空気が存在していた隙間Ｃを、磁性流体３０に置き換えている。磁性流体は、粘度および熱伝導度が空気より高い。そのため、シャフト１０の振動抑制および放熱効率の向上を図ることができる。通常の流体は隙間Ｃから漏れ出てしまうが、磁性流体３０を採用することで、もともと隙間Ｃに存在する磁場により漏れ出ることが抑制され、回転子１０が回転しても隙間Ｃに留まり続けるため、以下の２つの効果を奏する。
【００１９】
１）回転子で発生する渦電流損によるジュール熱を、固定子側に伝熱することで、温度上昇を抑制し、許容可能な駆動電流を増すことで、動作速度を上げることができる。
２）回転子の振動を磁性流体で吸収および抑制し、回転子の面倒れ振動による精度悪化を軽減させ、位置決め精度の向上を図ることができるという効果を奏する。
１）の効果は生産性の向上につながり、２）の効果は精度向上につながり、いずれも、電動機、特にガルバノスキャナに用いられる電動機に、極めて有用な効果を奏する。
【００２０】
回転子の面倒れについて図３から図５で説明する。図３から図５は、回転子１０のシャフト１１の捻じれによる面倒れを説明する図であり、ミラーマウント６１を介して、回転子１０のシャフト１１に固定されたガルバノミラー６０は、シャフト１１の捻じれにより、レーザ光Ｌの走査角度θがずれる。つまり図５に示すように、回転子１０の捻じれにより、ガルバノミラー６０によるレーザ光Ｌの走査角度の範囲がずれることがわかる。
【００２１】
特許文献１では、制振材による面倒れ振動防止、特許文献２では、ボールプランジャによる面倒れ振動防止が開示されている。しかしながら、軸の振れ回り現象に起因する回転子の面倒れ共振現象が発生し、振動を抑えるのが難しい点についての対策を実施するも、特許文献１および特許文献２の技術によっても、効果は完全ではない。一方市場においては、電子機器の高機能化、小型化が望まれる中で、電子基板の実装密度が高まり、更なる加工生産性の向上、位置決め精度の向上への要求がある。ガルバノスキャナをはじめとする高精度化の必要な加工機の電動機に対しては一層振動を抑制することが望まれている。
【００２２】
また、前述したように、電子機器においては、回転子を高速動作させた場合には、磁場内を導電部材がより高速で横切るため、渦電流の発生によるジュール熱のために損失電力が大きくなるので、回転子が更に温度上昇する。従って、許容温度上限により回転子の動作速度が限定されている状況にあった。このため、回転子を効果的に冷却する方法が必要となっている。
【００２３】
できるだけ磁気抵抗を減らし、トルク定数を大きくする必要があるため、固定子２０と回転子１０に内蔵されている永久磁石１３との間の距離は小さくする必要がある。このため、固定子コイル２２のコイル内径と回転子１０の本体部１２の外径の差は極力小さくしており、隙間Ｃが０．１ｍｍから０．４ｍｍとなるように抑えている。
【００２４】
磁性流体にもさまざまな特性のものがあるが、例として実施の形態１の電動機で用いたマグネタイト微粒子のコロイド液をはじめとし、以下のような物性値を持つ磁性流体を選べば、回転子１０の振動抑制および、冷却効率の向上を図ることができる。
粘性係数    μ＝１．０[Ｐａ・ｓ]  空気１．８×１０-5[Ｐａ・ｓ]の粘性係数の約１８００００倍
熱伝導率    λ＝０．１５[Ｗ／Ｋ]  空気０．０２４１[Ｗ／ｍ・Ｋ]の熱伝導率約６倍
【００２５】
粘性については、粘性係数が大きい方が回転子の振れを抑える効果が大きいが、一方で、粘性抵抗が回転抵抗となるために、磁性流体自身が発熱源となり、悪影響も考えられる。
【００２６】
回転子磁石長        Ｌ＝４０［ｍｍ］
回転子直径          Ｄ＝１０[ｍｍ]
隙間                Ｃ＝０．３[ｍｍ]
ロータ角速度（平均）ω＝３０[ｒａｄ／ｓ]
とすれば、磁性流体と回転子の間のせん断応力τ[Ｎ／ｍ2]が求められる。さらに、角速度との積により磁性流体の発熱Ｐ[Ｗ]が求められる。ここで、周速度をＶ[ｍ／ｓ]とする。
τ＝μ・ｖ／ｇ＝μ・（Ｄ/２・ω）／ｇ＝１．０×（０．０１／２×３０）／０．０００３＝５００[Ｎ/ｍ2]
せん断力  Ｆ[Ｎ]は、表面積Ａ[ｍ2]から
Ｆ＝τ・Ａ＝５００×（π０．０１×０．０４）＝０．６２８３[Ｎ]
発熱Ｐ[Ｗ]は、
Ｐ＝Ｆ・ｖ＝０．６２８３×（０．０１／２×３０）＝０．０９４２[Ｗ]  
となる。
【００２７】
レーザ加工機に用いられるガルバノスキャナの回転子の実際の現状の発熱は、最大条件で５Ｗから１０Ｗ程度以上であるので、前述のＰ＝０．０９４２Ｗはそれに比較して無視できるほど小さい。従って、粘性係数  μ＝１[ｐａ・ｓ]程度の磁性流体を選定すれば、磁性流体自身の発熱による悪影響は無視できることが分かる。
【００２８】
以上説明してきたように、隙間Ｃに磁性流体３０が存在するために、渦電流により発生するジュール熱も磁性流体３０を通して固定子２０側に伝熱され、モールド樹脂２３、固定子コイル２２、鉄心２１を伝わって冷却される。従来は隙間Ｃには空気しか存在しなかったので、回転子１０の発熱のうち隙間Ｃを通して伝熱される熱量はわずかであった。鉄心２１を冷却するように、さらに積極的にガルバノスキャナＧ１全体を水冷などすることで、回転子１０の温度上昇を効果的に抑えることができ、高速駆動が可能となる。
【００２９】
また、回転子１０が遥動を繰り返し、面倒れ振動を誘起された場合でも、磁性流体３０が隙間Ｃに挟まれているので、回転子１０が自由に振動できない。従って磁性流体３０の粘性抵抗による制振が実現される。また、磁性流体のセンタリング効果により、回転子１０を軸の中心に保持する力が作用するため振動が抑えられ、磁性応力による制振が実現される。
【００３０】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２にかかるガルバノスキャナを示す断面図、図７は、図６のVII-VII断面図である。実施の形態２にかかるガルバノスキャナＧ２は、回転子である回転子１０は、回転軸であるシャフト１１に対して対称となる位置に、磁性流体３０を保持するガイドを備えたことを特徴とする。ガイドは、固定子２０に向けて突出するガイド壁１４を構成する。ガイド壁１４の存在により、磁性流体３０は効率よく回転子１０と固定子２０との隙間Ｃに保持される。隙間Ｃへの磁性流体３０の供給は回転子１０を固定子２０に固定した後になされるが、磁性流体３０の供給時にガイド壁１４の存在により、磁性流体３０が隙間Ｃ以外の場所に漏れることなく、永久磁石１３の磁力線に沿う方向に保持される。また使用時においてもガイド壁１４と永久磁石１３の磁力線とにより、磁力線に沿う方向に保持される。
【００３１】
他の構成については実施の形態１のガルバノスキャナと同様であるためここでは説明を省略する。同一部位には同一符号を付した。
【００３２】
実施の形態２のガルバノスキャナによれば、磁性流体３０の供給時にガイド壁１４の存在により、磁性流体３０はこぼれることなく、永久磁石１３の磁力線に沿う方向に保持される。かつ使用時においてもガイド壁１４の存在と永久磁石１３の磁力線とにより、磁力線に沿う方向に保持されるため、放熱性が高められ、より効率よく、回転子の温度上昇を抑制することができる。また、磁性流体３０の粘性抵抗による制振が実現されるとともに、磁性流体３０のセンタリング効果により、回転子１０を軸の中心に保持する力が作用するため振動が抑えられ、磁性応力による制振が実現される。
【００３３】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３にかかるガルバノスキャナを示す断面図、図９は、図８のIX-IX断面図である。実施の形態３にかかるガルバノスキャナＧ３は、回転子である回転子１０は、本体部１２において、回転軸であるシャフト１１に対して対称となる位置に、凹溝１５を形成しており、凹溝１５で磁性流体３０を保持するガイドを構成している。ガイドは、固定子２０に向けて窪みを構成する凹溝１５を構成する。凹溝１５の存在により、磁性流体３０は効率よく回転子１０と固定子２０との隙間Ｃに保持される。隙間Ｃへの磁性流体３０の供給は回転子１０を固定子２０に固定した後になされるが、磁性流体３０の供給時に凹溝１５の存在により、磁性流体３０が隙間Ｃ以外の場所に漏れることなく、永久磁石１３の磁力線に沿う方向に保持される。また使用時においても凹溝１５と永久磁石１３の磁力線とにより、磁力線に沿う方向に保持される。
【００３４】
他の構成については前記実施の形態１のガルバノスキャナと同様であるためここでは説明を省略する。同一部位には同一符号を付した。
【００３５】
実施の形態３のガルバノスキャナによれば、磁性流体３０の供給時に凹溝１５の存在により、こぼれることなく、永久磁石１３の磁力線に沿う方向に保持される。かつ使用時においても凹溝１５の存在と永久磁石１３の磁力線とにより、磁力線に沿う方向に保持されるため、より効率よく、放熱性が高められ、回転子１０の温度上昇を抑制することができる。また、磁性流体３０の粘性抵抗による制振が実現されるとともに、磁性流体３０のセンタリング効果が作用し、回転子１０を軸の中心に保持する力が作用するため振動が抑えられ、磁性応力による制振が実現される。
【００３６】
実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４にかかるガルバノスキャナを示す斜視図、図１１は、図１０のXI-XI断面図である。実施の形態１から３では、回転子に永久磁石が内蔵されている例について説明したが、実施の形態４にかかるガルバノスキャナＧ４は、回転子である回転子１１０が、コイルを内蔵してなるいわゆるムービングコイル式の電動機を用いている。回転子１１０を囲む固定子１２０が永久磁石で構成されている。実施の形態４にかかるガルバノスキャナＧ４は、電動機１００を構成する、回転子である回転子１１０と、固定子１２０との間に磁性流体３０を配したことを特徴とする。実施の形態４にかかるガルバノスキャナＧ４は、基板穴あけレーザ加工機で用いられる。図１０に示すように、実施の形態４にかかるガルバノスキャナＧ４は、回転子１１０と、図示しないベアリングを介して回転子１１０を回転可能に支持するハウジングと、回転子１１０の外周に対向して設けられ、ハウジングの内周面に固着された固定子１２０を構成する永久磁石と、回転子１１０の一端に固定された光学部材である楕円形平面状のガルバノミラー６０と、回転子１１０の他端部に固定されたエンコーダ板７０とを備えている。エンコーダ板７０は表面にスリットを有し、図示しないセンサヘッドと協働して、ガルバノミラー６０の角度変位フィードバックを制御するためのロータリエンコーダを構成している。
【００３７】
回転子１１０は、シャフト１１１と、シャフト１１１に固定された鉄心１１０Ａと鉄心１１０Ａに挿入されたコイル１１０Ｂとモールド樹脂１１３とを備え、コイル１１０Ｂはモールド樹脂１１３で固定される。コイル１１０Ｂへの給電には、給電線１１２が用いられる。
【００３８】
ガルバノミラー６０は、ミラーマウント６１を介して、回転子１１０のシャフト１１１に固定されている。
【００３９】
他の構成については前記実施の形態１のガルバノスキャナと同様であるためここでは説明を省略する。同一部位には同一符号を付した。
【００４０】
以上説明してきたように、実施の形態４のガルバノスキャナＧ４においても、回転子１１０と固定子１２０との隙間Ｃに磁性流体３０が存在するために、ジュール熱による発熱も、磁性流体３０を通して、固定子１２０側に伝熱され、モールド部、コイル、鉄心を伝わって冷却される。従来は隙間Ｃには空気しか存在しなかったので、回転子１１０の発熱は隙間Ｃを通して伝熱されることはなかった。鉄心を冷却するように、さらに積極的にガルバノスキャナＧ４全体を水冷などすることで、回転子１１０の温度上昇を効果的に抑えることができる。
【００４１】
また、回転子１１０が遥動を繰り返し、面倒れ振動を誘起された場合でも、実施の形態４のガルバノスキャナＧ４によれば、磁性流体３０が隙間Ｃに挟まれているので、自由に回転子１１０に内蔵されたコイル１１０Ｂが振動できない。従って磁性流体３０の粘性抵抗による制振が実現される。また、磁性流体３０のセンタリング効果が作用し、回転子１１０を軸の中心に保持する力が作用するため振動が抑えられ、磁性応力による制振が実現される。
【００４２】
なお、磁性流体は、実施の形態１から４のいずれにおいても、マグネタイト微粒子に限定されることなく、マンガン亜鉛フェライトをはじめとする他の強磁性粒子に置き換え可能である。
【００４３】
また、回転子および固定子についても、実施の形態１から４に限定されることなく適宜変更可能である。
【００４４】
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態およびその変形は、発明の範囲に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１０，１１０  回転子、１１  シャフト、１２  本体部、１３  永久磁石、２０，１２０  固定子、２１  鉄心、２２  固定子コイル、２３  モールド樹脂、３０  磁性流体、４０  ベアリング、５０  ハウジング、６０  ガルバノミラー、６１  ミラーマウント、７０  エンコーダ板、１００  電動機、１１０Ａ  鉄心、１１０Ｂ  コイル、１１２  給電線、１１３  モールド樹脂。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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