多自由度磁気浮上アクチュエータ及びそれによる高速・高精度レーザ加工の研究
日本工業大学 機械工学科教授 張 暁友
（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017206）
キーワード：レーザ加工，磁気浮上，アクチュエータ，多自由度

１．研究の目的と背景レーザ切断加工は，集光したレーザ光を局部的に材料にすくなる．そのため，本研究では，空心コイルを用いた案
内方法を採用する．

直接照射して溶融させ，さらに高圧のアシストガスを加工

図１に提案する５自由度制御型磁気浮上アクチュエー

面に吹き付けることで，溶融材料の除去を行う加工法であタの原理図を示す．軸に取り付ける永久磁石の上下に，２る．レーザ切断加工は非接触の加工方法のため，複雑な形個で１セットとする８個ずつのコイルが配置される．永久状を有する板材の切断や，セラミック等の難削材の加工に磁石は電磁軟鉄を挟んだ三段構造となっている．上下は極よく適用されている1，2)．
従来は，レーザビームの光軸をレーザヘッドのノズル開口の中心に設定することで，加工方向による加工品質の差性の異なるリング状の磁石であり，中央はリング状の電磁軟鉄である．この構造により磁束を集中することが可能となる．

が出ないように設定していた．厚板切断において，切断面へ十分にアシストガスが供給されないため，溶融材料の除変位センサ

軸去効果が低下し，加工速度と精度が低下している3)．

コイル

これらの問題点を解決するため，アシストガス用ノズル中心軸に対し，レーザビームの光軸を加工方向に偏心させる方法が提案されていた 4)．これは，レーザ照射により発コイル生した溶融物の流れをアシストガスにより制御できるた

NSN
S

S
NS
N

コイルめである．一方で，アシストガス用ノズル中心軸に対し，レーザ光軸を加工方向に偏心させる方法が提案されていアクチュエータ

自由度方向のみに制御できるが，５自由度方向の制御が実図1

一方で，磁気浮上は非接触であるため摩擦や磨耗が無く，位置決め機能を着目し，レーザ加工用集光レンズの長ストロークかつ高精度位置決めが可能な，５自由度制御型磁気浮上アクチュエータを開発し，それをレーザ加工への応用

S

電磁軟鉄

SSNN

永久磁石
リング

三段構造永久磁石現されていない．となる．このため，本研究では，磁気浮上の５自由度精密NS
変位センサ
レンズ

る 5)．提案アクチュエータはレーザ加工用集光レンズを２

また高速・高精度かつ多自由度位置決めや姿勢制御が可能

N

磁気浮上アクチュエータの原理図

図２にアクチュエータの駆動原理を示す．図２（a）のように，右側のコイルと磁石間に吸引力を発生させ，左側には反発力を発生させることによって軸を X 軸の正の方向に運動させることができる．一方で，右側のコイルと磁を試みる．

石間に反発力を発生させ，左側には吸引力を発生させ，軸２．提案磁気浮上アクチュエータの運動制御も同様である．

2・1

アクチュエータの構成と駆動原理

磁気浮上において，コイルの発生する磁束を集中できる
鉄心ありの電磁石は良く使われているが，その電磁力は，エアギャップの２乗に反比例し，かつコイル電流の２乗に比例する，強い非線形性を有するため，制御が困難である．
また，長ストロークを実現するため，大きな変動範囲の駆動電流が必要となり，コイルの銅損による電磁石の発熱が問題となる．

を X 軸の負の方向に運動させることができる．Y 軸方向
図２（b）のように上下のコイルと電磁石の間に発生した電磁力の方向が逆になる場合，Y 軸周りの回転運動を制御できる．X 軸周りの回転運動も同様である．また，図２（c）のように上側のコイルと磁石間の吸引力を，下側には反発力を発生させることによってスピンドルの Z 方向の運動を制御できる．
2・2アクチュエータの設計と試作

アクチュエータの性能目標値は，５自由度方向に 50Hz

一方で，空心コイルには磁気漏れが多いが，発生する電以上の応答周波数，並進方向に 1m の位置決め分解能と磁力がコイルに流れている電流と比例するため制御しや4mm のストローク，回転方向に 25rad の位置決め分解

134

永久磁石SNSNS

N

運動方向コイルSSN

変位センサ

電磁力148NN190S電磁軟鉄

永久磁石
リング(a) X 軸方向の並進運動
永久磁石

NS

N

N
SS

図４

運動方向

試作したアクチュエータ

コイル

コイル
コイル
CoilS
S

N

NSN

電磁力(b) Y 軸周りの回転運動
永久磁石

N

S

SN
S

コイル
Coil
コイル
ホルダ
holder
ボルダ

N

図５

運動方向

アクチュエータのコイル

コイル

S
S

試作したアクチュエータを図４に示す．アクチュエータNN

Nの高さは 190mm，幅は 134mm，質量は 8.0Kg である軸のS

長さは 148mm，径は 45mm，質量は 0.7Kg である．軸の変電磁力(c)Z 軸方向の並進運動

図2

各運動方向の駆動原理

位計測には，ラジアル方向が，分解能 0.5m，測定レンジ4mm の渦電流式変位センサ（PU-09，AEC Corp.）を４本，スラスト方向が１本を使用する．

能 と 0.1rad 以 上 の ス ト ロ ー ク に す る ． ま た ， 外 形

アクチュエータのコイルの配置は図５に示され，上述の

150×H200mm，質量 10kg 以下を目標値として，コイルとように２個１セットで直列に繋がっており，八角形のコイ永久磁石リングの寸法を探索し，５自由度制御型磁気浮上ルホルダに取り付けられる．１セットのコイルの巻き数はアクチュエータを設計する．

670 巻となる．永久磁石の材質は Nb2Fe14B となる．

永久磁石とコイルの材質を，それぞれネオジウムと銅に，電磁力の目標値を 15N にして，有限要素法を用いた磁場解析より磁石とコイルの寸法を探索した．永久磁石の外径が 45mm，上下の段の厚さが 20mm，中央の段が 10mm，
穴 径 が 30mm に な っ た ． ま た ， コ イ ル の 外 形 がW20×D20×H30mm，銅線列の厚さが 7.5mm になった．図３にコイルの電流と発生する電磁力の関係を示す．解析結果から X 方向ではコイル電流を 1500AT，Z 方向では1300AT にして，目標値 15N の電磁力を発生できる．

2・3

アクチュエータの制御系

図６にアクチュエータの X 軸方向の制御系のブロック
線図を示す．この制御系は，定常誤差の除去を目的とした積分器，安定化を目的とした分母２次分子２次のレギュレータ，コイルの応答速度を改善するための電流フィードバ
ックループから構成される．他の方向のコントローラは X方向と同様である．
図中の m は軸の質量，c は減衰係数，k はばね定数，Lはコイルのインダクタンス，R はコイルの抵抗，ki は電磁力・電流係数，kv は逆起電力係数である．これらのパラメ

15N

15N

Force N

Force Nータが同定され，表１に示される．
Xr +-1500AT
Current AT(a) X 軸方向
図３γ+s-

1300ATb2s2  b1s  b0s2  a1s  a0+α

1β +Ls  Rs+ki
ms 2  cs  kk vsCurrent AT(b) Z 軸方向

コイルの電流と発生する電磁力の関係

図６X 方向の制御系のブロック線図

X表１

また，図 10 と図 11 から，X 軸方向と方向には位置決アクチュエータのパラメータ

m0.7kgL

1.87mH

k7.56N/m

R

2.31Ω

c1.0Ns/m

ki

3.84N/Akv

7.47Vs/m

また，制御パラメータ γ，a0，a1，b0，b1，b2 は電流フィードバックを１次遅れ要素に近似する目標値 Xr から変位X までの閉ループ伝達関数の極を，複素平面内上の実軸上に安定な１点に配置することで，自動的に決定される．
アクチュエータの制御は DSP システム（DSP1103，dSPACE Corp.）を用いて行い，そのサンプリング周波数

め分解能はそれぞれ 1.0µm と 20µrad，バンド幅は 101Hzと 45Hz を有することが明らかになった．
まとめた磁気浮上アクチュエータの位置決め性能を表２に示す．試作したアクチュエータは，並進方向には1.0µm の位置決め分解能，4mm のストローク，傾き方向には 20µrad の位置決め分解能，70mrad のストロークを実現した．また，アクチュエータのバンド幅はラジアル方向に 100Hz，スラスト方向に 70Hz，傾き方向に 40Hz 程度を有した．ただし，一部の位置決め性能が目標値に達していないため，今後はアクチュエータの制御系の再検討が必要である．

は 10kHz である．磁気浮上システムの構成図を図７に示X m

はセンサアンプで増幅された後に DSP ボードの A/D コン mrad

す．軸の変位を測定するための渦電流型変位センサの出力バータを介して制御用 PC に送られる．コントローラで演算され，DSO ボードの D/A コンバータを介して，出力してコイル用アンプに与え，増幅されてコイルを駆動する．

Time sまた，コイルに流れる電流を電流センサ（LA25-NP，LEM

Time s(b) 方向(a) X 軸方向

ステップ応答X mm4mm

 mrad

図８70mradCorp.）で測定して電流フィードバックを行う．

Time sTime s(b) 方向(a) X 軸方向

磁気浮上システムの構成図

1µm

X m

図７

ストロック20µrad rad

図９３．アクチュエータの位置決め性能評価
設計したコントローラをアクチュエータに適用してその性能の評価を行った．X 軸方向に 10µm，方向（X 軸Time sTime s(a) X 軸方向

答を図８に示す．実験結果から明らかなように，X 方向に

図 10軸を浮上させ，安定した状態で X 軸方向に振幅 2mm，周波数 1Hz の正弦波，方向に振幅 70mrad，周波数 1Hzの正弦波を入力するときの実験結果を図９に示す．X 軸方-3dB

101Hz

向には 4mm，方向に 70mrad のフルストロークを実現できた．この機能を生かして，アシストガスを噴射するノズ
ル開口の中心軸に対し，レーザ光軸を加工方向に偏心させることができる．また，板金の傾斜切断，彫刻やマーキング加工も可能になる．

位置決め分解能-3dB

Phase deg.

チューニングすることが必要である．

Phase deg.

バーシュートを低減するため，今後は制御パラメータを再Gain dB20％，方向に 10％のオーバーシュートがみられた．オー(b) 方向

Gain dB周りの方向）に 1mrad のステップ信号を入力するときの応Frequency Hz

Frequency Hz(b) 方向(a) X 軸方向
図 1145Hz

周波数応答表２

アクチュエータの位置決め性能への影響を検討するため，YAG レーザ加工機を用いて切断加工の基礎実験を行う．ガスの圧力を 0.5Mpa，加工物のストローク

分解能

バンド幅

X軸方向4mm1µm101Hz

Y軸方向4mm1µm101Hzにして加工結果を表３に示す．切断速度を 1500mm/min にZ軸方向4mm

1µm51Hz

設定するとき，偏心なしの場合は，加工物を切断できなか（X軸周りの回転）方向

70mrad20µrad45Hzった．一方で，0.1mm の偏心の場合は加工物の切断が可能

（Y軸周りの回転）方向

70mrad25µrad42Hzになった．

板厚を 2mm，加工物までの距離を 1mm にし，偏心量を0mm と 0.1mm，切断速度を 1300mm/min と 1500mm/min

表３

４．偏心加工のシミュレーションと基礎実験
4.1

偏心加工のシミュレーション

アシストガス用ノズル中心軸に対し，レーザビームの光軸を偏心させることにより，アシストガスへの影響を検討

偏心量異なる偏心量と切断速度の加工結果
切断速度

加工物表面

加工物裏面

1300mm/min
0mm
1500mm/min

するため，レーザ切断加工をモデル化し，有限要素法を用いた流体解析よりシミュレーションを行う．
アシストガスの供給圧力を 0.6Mpa，加工物の板厚を1300mm/min
0.1mm
1500mm/min

2mm，アシストガス用ノズルから加工物までの距離を1mm にし，偏心量をそれぞれ 0，0.1，0.3，0.5mm にしてまた，切断速度を 1300mm/min にし，偏心量を 0，0.05，計算したアシストガスの速度の分布図を図 12 に示す．シ

0.10，0.15，0.20，0.25mm にするときの加工結果を表４にミュレーション結果から明らかなように，偏心量をそれぞ示し，切断面の粗さを図 13 に示す．偏心量の増大ととも

れ 0，0.1，0.3，0.5mm にするとき，ガス噴出速度は 731.46m/s，に，切断面の表面粗さは小さくなり，加工面の品質が良く755.19m/s，824.07m/s，901.82m/s となり，ガスが加工物になっている．

到達するときの速度は 11.58m/s，27.53m/s，39.89m/s，表４49.03m/s となった．偏心量の増加とともに，ガス噴出速度も加工物に到達するときの速度も大きくなった．レーザビームの光軸の偏心のため，アシストガスによりレーザ照射で発生した溶融物の流れをコントロールでき，ガスの消費偏心量異なる偏心量の加工結果

加工物の表面加工物の裏面切断面0mm量も低減できると考えられる．
0.05mm0.10mm
0.15mm
0.20mm0.25mm(b) 偏心量：0.3mm

表面粗さ m(a) 偏心量：0mm

偏心量 mm(c) 偏心量：0.3mm
図 124.2(d) 偏心量：0.5mm

アシストガスの速度の分布

偏心加工の基礎実験

レーザビームの光軸の偏心により，加工速度と加工精度

図 13

切断面の粗さ５．結び
レーザ加工の加工速度と加工精度を向上するため，本研究では，磁気浮上の５自由度精密位置決め機能を生かし，レーザ加工用集光レンズの長ストロークかつ高精度位置参考文献

決めが可能な，５自由度制御型磁気浮上アクチュエータを

1) F. Quintero, et al.: Optimization of an off-axis nozzle forassist gas injection in laser fusion cutting, Optics and Lasers

提案して試作した．
また，磁気浮上アクチュエータの制御系を検討してそのin Engineering, 44, (2006) 1158-1171.

位置決め性能評価を行った．試作したアクチュエータは，

2) H.G. Salem, et al.: CW Nd: YAG laser cutting of ultra-low

並進方向には 1.0µm の位置決め分解能，4mm のストロー

carbon steel thin sheets using O2 assist gas, Journal of

ク，50Hz 以上のバンド幅，傾き方向には 20µrad の位置決Materials Processing Technology, 196, (2008), 64-72.

め分解能，70mrad のストローク，40Hz 以上のバンド幅を3）O.B. Kovalev, et al.: Modeling of flow separation of assistgas as applied to laser cutting of thick sheet metal, Applied実現した．
さらに，レーザビームの光軸の偏心により，アシストガ

Mathematical Modeling, 33, 9 (2009),3730-3745.

ス，加工への影響を検討するため，流体解析によるシミュ

4) H.O. Ketting and F.O. Olsen: High pressure off-axis laser

レーションと基礎加工実験を行った．レーザビームの偏心

cutting of stainless steel and aluminum, Proceedings ofにより，加工時に発生した溶融物の流れをコントロールでInternational Conference on Laser Advanced Materials

き，加工速度と加工精度を向上できることが明らかになっ

Processing (Science and Applications), 7-12 (1992),

た．今後は試作したアクチュエータをレーザ加工機に取り607-612.

付け，加工実験を行う予定である．

5) 森本貴景，進士忠彦，中井孝洋，福岡輝章：レーザ偏心加工に用いる磁気・静圧ハイブリッドレンズ駆動アク謝 辞
本研究は，公益財団法人天田財団の平成 29 年度一般研究開発助成 AF-2017206 の支援を受けて実施した研究であり，ここに記して，心より深く感謝の意を表します．

チュエータ，日本機械学会論文集（C），78巻794号（2012-10），239-252.