ガルバノスキャナ及びレーザ加工装置
【課題】冷媒通過による潤滑不良やグリース漏れを生じることなく永久磁石の温度上昇を抑制することができるようにする。
【解決手段】永久磁石１２を保持する回転軸１１の一方にミラー１００が、他方にエンコーダ板１７がそれぞれ取り付けられた回転子２０と、自身の内部空間に前記回転子を回転可能に収納した固定子３０と、を備え、回転子２０が所定の角度範囲内で微小回転するガルバノスキャナ１において、回転軸１１の軸方向に設けられた中空部２と、中空部２に配置され、エンコーダ板１７側の端部から供給される回収不要の冷媒を中空部２内に噴射するノズル６０と、噴射された冷媒が回転子２０内を通過し、回転子２０の端部側から排出される冷却経路４０，４１，４２と、を備えた。
【解決手段】永久磁石１２を保持する回転軸１１の一方にミラー１００が、他方にエンコーダ板１７がそれぞれ取り付けられた回転子２０と、自身の内部空間に前記回転子を回転可能に収納した固定子３０と、を備え、回転子２０が所定の角度範囲内で微小回転するガルバノスキャナ１において、回転軸１１の軸方向に設けられた中空部２と、中空部２に配置され、エンコーダ板１７側の端部から供給される回収不要の冷媒を中空部２内に噴射するノズル６０と、噴射された冷媒が回転子２０内を通過し、回転子２０の端部側から排出される冷却経路４０，４１，４２と、を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石を冷却する機能を有するガルバノスキャナ、及びガルバノスキャナを備えたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プリント配線板は多層化し、素子等の実装穴や層間接続穴が高密度になり、プリント配線板１枚当たりの穴数は増加傾向にある。そのため、プリント配線板向け穴明け機の１つであるレーザ加工装置には穴数増加に伴う穴明け速度の高速化が求められている。一般的なレーザ加工装置にはガルバノスキャナが搭載され、このガルバノスキャナによって加工位置の位置決めが行われる。そのため、ガルバノスキャナの応答速度を高速化することは穴明け速度の高速化につながる。なお、前記実装穴あるいは前記層間接続穴には、有底の穴と無底の孔があるが、本明細書では、これらを含めて全て「穴」と表記している。
【０００３】
図２１は、前記一般的なレーザ加工装置の概略構成を示す図である。図２１に示すように、レーザ加工装置は主にレーザ光源１１０、偏向方向の異なる２つのガルバノスキャナ１、Ｆθレンズ１１２、プリント配線板１１３から構成されている。このように構成されたレーザ加工装置では、レーザ光源１１０から照射されたレーザ光１１１はガルバノスキャナ１に取り付けられたミラー１００により偏向される。偏向されたレーザ光１１１がＦθレンズ１１２によりプリント配線板１１３に集光されることで、加工穴が形成される。一般的なレーザ加工機では搭載されたガルバノスキャナ１を用いて加工位置の位置決めを行う。そのため、ガルバノスキャナ１の応答速度を高速化することは穴明け速度の高速化につながる。
【０００４】
ガルバノスキャナの一例としてムービングマグネット方式のガルバノスキャナがある。このムービングマグネット方式のガルバノスキャナ１は、図２２に示すように内側から軸１１、永久磁石１２、コイル１４、ヨーク１５、アウターケース１６から構成され、永久磁石１２とコイル１４の間に空隙１３が形成されている。軸１１と永久磁石１２が回転子、コイル１４、ヨーク１５、アウターケース１６が固定子であり、固定子内の空間に回転子が配置され、両者間の径方向に空隙１３が存在するように組み上げられている。
【０００５】
永久磁石１２にはフェライト、サマリウムコバルト、ネオジム系等の金属系永久磁石が用いられる。このうちネオジム磁石は磁束密度が高く、非常に強い磁力を持つが、磁力の温度変化に伴う変化が大きく、加熱すると熱減磁が生じやすい。
【０００６】
回転子は回転軸周りに自由度があり、軸１１の一端にはミラー１００が取り付けられ、他端にはミラー１００の回転角度を検出するエンコーダのスケールであるエンコーダ板１７が取り付けられている。軸１１はベアリング１８によりアウターケース１６の上下の端部で保持され、回転子の回転軸周りの自由度、すなわち、回転の自由度を確保している。
【０００７】
この方式のガルバノスキャナ１では、コイル１４に電流を流すことによって生じる磁場と永久磁石１２の磁極の関係によりトルクが生じ、このトルクにより軸１１が微小回転する。コイル１４は理想インダクタと抵抗の直列で表現することができ、コイル１４に電流が流れることで抵抗成分によるジュール発熱が生じる。ジュール発熱により生じる熱は空隙１３を介して永久磁石１２に伝熱するため永久磁石１２の温度は上昇する。
【０００８】
コイル１４に交流電流が流れると、永久磁石１２近傍の磁束は交流電流の周波数に応じて方向と大きさが変化する。そのため、磁束変化を打ち消すように永久磁石１２の表面近傍に渦電流が流れる。このとき、渦電流は永久磁石１２の外周中央部を流れ、回転軸方向における永久磁石１２の一端で外周中央部から周方向の端面に向かって流れる。その後、端面に沿って渦電流が流れ、回転軸方向における永久磁石１２の他端で周方向の端面から永久磁石１２の外周中央部に向かって流れる。このように渦電流が発生すると、渦電流と永久磁石１２の抵抗によりジュール発熱（渦電流損失）が生じるため、永久磁石１２の温度は上昇する。
【０００９】
単位消費電力当たりの温度上昇に関して、渦電流損失による発熱は直接永久磁石１２に影響するため、コイル１４からの伝熱よりも十分に大きい。また、周波数が高くなるにつれて渦電流損失は増加するため、ガルバノスキャナ１を高速駆動化するときはさらに永久磁石１２の温度上昇は大きくなる。そして、これらの温度上昇により永久磁石１２が減磁し、トルクが減少する。
【００１０】
このように、応答周波数の高速化に伴い、駆動時において永久磁石１２の温度が上昇するが、温度上昇がトルク減少につながることから、応答特性が劣化し、応答特性の劣化は加工精度の劣化につながる。
【００１１】
そこで、永久磁石１２の温度上昇を防止し、加工精度の劣化を防ぐようにした技術として、例えば特許文献１及び２に記載された発明が公知である。このうち特許文献１記載の技術は、外筒の外部と内部を接続するガス流入口と流出口を有する電磁アクチュエータにおいて、固定子側から冷媒のガスを供給して、固定子から外部にガスを排出するように冷却経路が形成され、この冷却経路によってコイル及び磁石を冷却するようにしたことを特徴としている。
【００１２】
また、特許文献２記載の技術は、動力伝達装置用の潤滑油でロータを冷却する電動モータに関するもので、この技術では、動力伝達装置のケーシング内の潤滑油を吸い上げるオイルポンプを設け、オイルポンプからの潤滑油を給油路を介してヨーク内の冷却用油路に供給し、冷却用油路を通過した潤滑油をケーシング内に戻すことによってロータを冷却することを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−２４５４６４号公報
【特許文献２】特開２００１−１９００４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前述のように特許文献１に記載の技術では、冷却経路によってコイル及び磁石を冷却している。しかし、回転子を保持するベアリングを冷媒が通過することによる潤滑不良やグリース漏れについては特に検討されていない。また、ミラー側にガスが排出されることによる、加工時の位置決め精度についても検討されていない。
【００１５】
また、特許文献２記載の技術では、冷却用油路を通過した潤滑油をケーシング内に戻すことによってロータを冷却しているが、気体冷媒の場合について検討されておらず、特許文献１記載の技術と同様に冷却経路に含まれるベアリングを冷媒が通過することによる潤滑不良やグリース漏れについては特に検討されていない。
【００１６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、冷媒通過による潤滑不良やグリース漏れを生じることなく永久磁石の温度上昇を抑制することができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記課題を解決するため、第１の手段は、永久磁石を保持する回転軸の一方にミラーが、他方にエンコーダ板がそれぞれ取り付けられた回転子と、自身の内部空間に前記回転子を回転可能に収納した固定子と、を備え、前記回転子が所定の角度範囲内で微小回転するガルバノスキャナにおいて、前記回転軸の軸方向に設けられた中空部と、前記中空部に配置され、エンコーダ板側の端部から供給される回収不要の冷媒を前記中空部内に噴射するノズルと、前記噴射された冷媒が前記回転子内を通過し、当該回転子の前記端部側から排出される冷却経路と、を備えていることを特徴とする。
【００１８】
第２の手段は、第１の手段において、前記冷却経路が、前記ノズルの外周面と前記中空部の内周面との間に形成されていることを特徴とする。
【００１９】
第３の手段は、第１の手段において、前記冷却経路が、前記永久磁石の前記回転軸の軸線方向に形成された貫通穴と、前記中空部で前記貫通穴と前記中空部とを連通する接続経路と、を備えていることを特徴とする。
【００２０】
第４の手段は、第３の手段において、前記接続経路は、前記回転子を前記固定子に対して回転可能に支持する軸受けと前記永久磁石の軸線方向の端部との間に設けられ、前記軸受けと前記永久磁石間を密封状態にすることを特徴とする。
【００２１】
第５の手段は、第３又は第４の手段において、前記貫通穴は隣り合う永久磁石の境界部分に設けられていることを特徴とする。
【００２２】
第６の手段は、第３ないし第５のいずれかの手段において、前記回転軸の前記エンコーダ板側は部分的に拡径した大径部となっていることを特徴とする。
【００２３】
第７の手段は、第６の手段において、前記大径部に、前記貫通穴に連通し、当該回転軸の端部側に開口する冷却経路が設けられていることを特徴とする。
【００２４】
第８の手段は、第１ないし第７の手段に係るガルバノスキャナをレーザ加工装置が備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、永久磁石の回転中心にある軸を中空にして圧縮空気を供給し、冷媒がベアリングを通過しないようにして冷媒を排出するので、冷媒通過による潤滑不良やグリース漏れを生じることなく永久磁石の温度上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態における実施例１に係るガルバノスキャナの縦断面図である。
【図２】図１における回転子の斜視図である。
【図３】図１における固定子の斜視図である。
【図４】図１におけるノズルの要部拡大縦断面図である。
【図５】実施例１における軸の軸中空部の表面温度と外周中央部分における永久磁石の最高温度上昇の関係を示す図である。
【図６】図４に示したノズルとは異なるノズルの例を示す要部拡大縦断面図である。
【図７】図１におけるガルバノスキャナの横断面図である。
【図８】永久磁石の形状の変形例を示す断面図である。
【図９】永久磁石の形状の他の変形例を示す断面図である。
【図１０】永久磁石の形状のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施形態における実施例２に係るガルバノスキャナの縦断面図で
【図１２】図１１におけるガルバノスキャナの横断面図である。
【図１３】実施例２における軸の軸中空部の表面温度と外周中央部分における永久磁石の最高温度上昇の関係を示す図である。
【図１４】図１２に示したガルバノスキャナの貫通穴の他の例を示す横断面図である。
【図１５】実施例２の変形例を示すガルバノスキャナの縦断面図である。
【図１６】実施例２における永久磁石の変形例を示す横断面図である。
【図１７】実施例２における永久磁石の他の変形例を示す横断面図である。
【図１８】実施例２における永久磁石のさらに他の変形例を示す横断面図である。
【図１９】図１４に示したガルバノスキャナの貫通穴の他の例を示す横断面図である。
【図２０】ガルバノスキャナにおける永久磁石の磁束線を表す説明図である。
【図２１】一般的なレーザ加工装置の概略構成を示す図である。
【図２２】従来から使用されているムービングマグネット方式のガルバノスキャナの内部構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明は、永久磁石の回転中心にある軸を中空にして冷却媒体、例えば圧縮空気を供給し、間接的又は直接的に永久磁石を冷却し、永久磁石の温度上昇を抑制するようにしたものである。
【００２８】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について実施例を挙げて説明する。なお、以下の説明において、前述の背景技術を含め、同一若しくは同一と見なせる構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
【実施例１】
【００２９】
実施例１は、永久磁石を間接的に冷却する例である。この実施例１は、図２２に示したガルバノスキャナ１の軸１１を中空にし、この中空部分に冷却媒体である圧縮空気を供給し、排気するようにしたものである。
【００３０】
図１は、実施例１に係るガルバノスキャナ１の縦断面図である。図１において、ガルバノスキャナ１は図２２に示した従来から実施されているムービングマグネット方式のガルバノスキャナ１と同様に、ガルバノスキャナ１の内側から軸１１、永久磁石１２、空隙１３、コイル１４、ヨーク１５、アウターケース１６の順で配置されており、軸１１と永久磁石１２が回転子２０、コイル１４からアウターケース１６までが固定子３０である。ただし、図１から分かるように、実施例１では、軸１１が有底の筒体となるように、軸１１の中心に断面円形の中空部が設けられ（以下、軸中空部２と称す）、この軸中空部２に同軸に円筒形状のノズル６０が配置されている。ノズル６０は軸１１の下端の開口部から挿入され、軸中空部２内で保持される。この軸中空部２の構成を除く各部は図２２に示した従来からのガルバノスキャナ１と同一である。なお、図２は回転子２０の斜視図であり、図３は固定子３０の斜視図である。
【００３１】
図４は図１におけるノズル６０の要部拡大縦断面図である。ノズル６０は図示しない支持部を介して軸中空部２内に保持され、図４にも示すように上端中央部に圧縮空気を噴出させる噴出口６１が形成され、下端外周部に噴出口６１から噴出された圧縮空気の排出口６０ｂが形成されている。この例では、ノズル６０下端の圧縮空気供給口６０ａから供給され、噴出口６１から軸中空部２内の空間に噴出する。噴出した圧縮空気は、膨張しながら軸中空部２の底部（図では軸中空部２の上部の内面）に当たって第１の冷却経路４０を中央部から外周の半径方向に広がり、永久磁石１２と接する第２の冷却経路４１に沿って下方に向かって流れる。そして、ベアリング１８及びエンコーダ板と接する第３の冷却経路４２を経て、空気供給口６０ａの外周に設定された排出口６０ｂから排出される。なお、排出口６０ｂはノズル６０の外周面とこのノズル６０を収納した軸中空部２の内周面との間に形成される円筒状の隙間の外気と接する側の端部である。
【００３２】
噴射口６１はノズル６０の絞りとなっており、ノズル６０に供給された圧縮空気はノズル６０の内部空間から噴出口６１を出る際に断熱膨張する。すなわち、ノズル６０内における圧縮空気の圧力と噴射口６１の外部における圧力の差によって圧縮空気供給口６０ａから供給される圧縮空気が噴射口６１から軸中空部２への出口側にあたる第１の冷却経路４０内に噴射される際に膨張し、断熱膨張により温度が下がる。これにより圧縮空気が冷媒として機能できる。そして、温度が下がった空気が、第２の搬送経路４１に沿って流れる過程で、永久磁石１２と接する軸１１との間で熱交換し、排出口６０ｂから外気へと放出される。冷媒が圧縮空気であるため、回収機構をガルバノスキャナ１に特に設ける必要はない。
【００３３】
図５は、軸１１の軸中空部２の表面温度と外周中央部分における永久磁石１２の最高温度上昇の関係を示す図である。図において横軸が軸中空部２の表面温度である。また、縦軸が永久磁石１２の温度上昇であり、冷却しない場合の温度上昇で規格化している。図５から、軸１１の軸中空部２内に図１に示す第１ないし第３の冷却経路４０，４１，４２を設け、ノズル６０から圧縮空気を冷媒として噴射させることによって温度上昇を抑制することができることが分かる。なお、ノズル６０から噴射される圧縮空気の圧力を制御することより、断熱膨張する圧縮空気の温度を調整することが可能であり、これにより軸中空部２の表面温度を調整することができる。
【００３４】
図６は、図４とは異なる噴射口６１の例を示すノズル６０の要部拡大縦断面図である。図４では、噴射口６１はノズル６０の上端中央部に１個設けられ、圧縮空気は軸中空部２の底部（第１の冷却経路４０）に向かって噴出してたが、図６の例では、径方向に複数の噴射口６１を設けている。このように径方向に複数の噴射口６１を設けると、噴射口６１から噴出する低温となった圧縮空気（冷媒）が直接第２の冷却経路４１内に噴出され、複数箇所で軸１１の内面に当たる。これにより、軸１１の内面と熱交換し、永久磁石１２を間接的に冷却することができる。
【００３５】
なお、図４に示したようなノズル形状とするか、図６に示したようなノズル形状とするか、さらに、図６に示したようなノズル形状とした場合、噴射口６１の数と位置をどのように設定するかは、設計的事項であり、冷却対象となる永久磁石１２の大きさや発熱量に応じて適宜設定され、選択される。
【００３６】
図７はガルバノスキャナ１の横断面図である。永久磁石１２の外周表面の磁極は図に示すようにＮ極とＳ極の配置となっており、隣り合う永久磁石表面１２の磁極は互いに異なっている。本実施例では４極の場合を扱うため、コイル１４は永久磁石１２の磁極の数に対応し、周方向に９０度間隔で４箇所に配置されており、図３に示したようにコイル１４が巻かれ、電流６が流れる。すなわち、図７においてコイル１４は紙面に向かって垂直な方向に巻かれ、当該コイル１４には電流６が流れており、その方向は周方向に±９０度離れたコイル１４と互いに逆になる。なお、図７における符号４０は断面位置ではないが、軸中空部２奥側の第１の冷却経路を、符号４２は軸中空部２手前側の第３の冷却経路をそれぞれ示す。
【００３７】
図８、図９及び図１０は永久磁石１２の形状の変形例を示す断面図である。断面の位置は図７と同一である。図８に示すガルバノスキャナ１は、図４に示した例に対して隣り合う永久磁石１２にまたがって永久磁石１２の外周側に溝８０を形成した例である。溝８０はガルバノスキャナ１の微小な回転角度の範囲内で常にコイル中空部７０と対面している。その他の構成は図７に示したガルバノスキャナ１と同一である。
【００３８】
このように溝（切れ込み）８０を設けると、渦電流損失を低減させることができるとともに、トルク定数と慣性モーメントの比（トルクイナーシャ比）を向上させることができる。また、溝８０を設け、あるいは永久磁石１２を径方向に分割すると、渦電流損失を低減させることができることから、永久磁石１２に生じる発熱量を少なくすることが可能となり、冷却性能の向上に寄与することができる。
【００３９】
図９に示すガルバノスキャナ１は、図８に示したガルバノスキャナ１の１極当たりの永久磁石１２を回転軸方向に分割した例である。断面図においては分割を表す分割線９０は直線であり、径方向に２分割されている。その他の構成は図７に示したガルバノスキャナ１と同一である。
【００４０】
図１０に示すガルバノスキャナ１は、図９に示したガルバノスキャナ１の分割線を折れ線としたもので、分割線９１は内側に凸の∨字型となっている。その他の構成は図７に示したガルバノスキャナ１と同一である。
【００４１】
なお、図８ないし図１０に示したガルバノスキャナ１は永久磁石１２の変形例を示したものであり、ノズル６０を使用した冷却構造は同一である。
【００４２】
このように永久磁石１２を分割すると、永久磁石１２に生じる渦電流損失を低減させることができる。
【００４３】
以上のように、本実施例によれば、圧縮空気によって軸１１が内部から冷却されるため軸１１を介して間接的に永久磁石１２を冷却することができる。その結果として、永久磁石１２の温度上昇を抑制することが可能となり、永久磁石１２の減磁によるトルク減少を防止することができる。このようにして冷却すると、冷却対象が軸１１と永久磁石１２のみであるため冷却効率が高くなる。
【００４４】
冷媒として圧縮空気を使用しているのは、潤滑油などの液状の冷媒では、冷媒の回収の必要があること、回収するための冷媒の循環機構が必要であることなどにより、冷媒の管理及び保守が複雑であり、機構も複雑になるからである。これに対し、冷媒として空気を使用した場合には、回収が不要であるため、循環機構も不要で管理も簡単になる。
【００４５】
なお、本実施例では、冷媒として圧縮空気を使用しているが、例えばヘリウムや水素なども使用することができる。また、圧縮空気の供給圧力及び流量は、ガルバノスキャナ１の大きさ、冷却対象の質量などに応じて適宜設定、選択される。
【００４６】
また、本実施例１では４極の場合を例にとって説明しているが、２極、６極及び８極の場合でも同様の冷却構成とすることによって同様の効果を得ることができる。
【実施例２】
【００４７】
実施例２は、永久磁石を直接的に冷却する例である。この実施例２は、図２２に示したガルバノスキャナ１の軸１１を中空にするとともに、この中空部分に連通する冷却経路を永久磁石の軸方向に直接形成し、この中空部分に冷却媒体である圧縮空気を供給し、永久磁石内に設けた冷却経路を通して排気するようにしたものである。
【００４８】
図１１は、実施例２に係るガルバノスキャナ１の縦断面図である。本実施例は実施例１に対して永久磁石１２の所定位置に軸１１の軸線方向に貫通穴３を貫通させ、永久磁石１２の回転軸方向の両端に端部冷却機構１９を設けたものである。これにより、第４ないし第８の冷却経路４３、４４，４５，４６，４７が形成されている。すなわち、実施例１では冷却経路は軸１１の中空部分２のみであったが、本実施例では、軸１１部分に設けられた軸中空部２に配置されたノズル６０によって形成され、エンコーダ板１７側に開口する冷却経路に加えて、永久磁石１２に設けられた貫通穴３からなる冷却経路がさらに設けられている。なお、軸線は軸１１の中心を長手方向に通る仮想の線であり、この軸線を中心に軸１１を含む回転子２０が回転する。
【００４９】
また、端部冷却機構１９は、永久磁石１２の軸方向両端に配置され、軸１１側の第４の冷却経路４３と貫通穴３とを接続する機構（接続経路）である。端部冷却機構１９は、その内部に設けられた第５の冷却経路４４と軸１１の軸中空部２にある第４の冷却経路４３とを接続し、第７の冷却経路４６と軸１１の永久磁石１２に形成された第６の冷却経路４５及びエンコーダ板１７側への排気経路として機能する第８の冷却経路４７とを接続している。端部冷却機構１９は、第４ないし第８の冷却経路４３〜４７内を通る圧縮空気が外部あるいはベアリング１８側に漏れないように、冷却経路を密閉（シール）している。これは、冷媒である圧縮空気がベアリング１８の内部を通るとベアリング１８内のグリース漏れ、あるいは潤滑不良といった問題を生じるからである。このように第５の冷却経路４４及び第７の冷却経路４６にこのようなシール機構を設けることにより、ベアリング１８内のグリース漏れ、あるいは潤滑不良を防止することができる。
【００５０】
すなわち、端部冷却機構１９は永久磁石１２とベアリング１８との間に設けられ、第５及び第７の冷却経路４４，４６、あるいは第８の冷却経路４７を通る圧縮空気のベアリング１８側への漏れを防いでいる。そのため、端部冷却機構１９は、例えば円筒形状で円筒形状の内側に冷媒が通過する空隙が径方向に存在するよう構成し、ベアリング１８内に冷媒が通過しないように軸１１内の第１の冷却経路４３と永久磁石１２の貫通穴３を接続している。この端部冷却機構１９は回転子２０の一部を構成するので、例えば、軽くて硬いセラミックなどの材料によって製作することが望ましい。
【００５１】
その他の各部は実施例１と同一であり、各部は実施例１と同様に動作するので、重複する説明は省略する。
【００５２】
本実施例２に係るガルバノスキャナ１では、まず、軸１１の軸中空部２に挿入されたノズル６０から圧縮空気が軸１１内に噴射される。すなわち、ノズル６０内に供給された圧縮空気はノズル６０先端の噴出口６１から第４の冷却経路４３に噴出され、実施例１の場合と同様に断熱膨張して，第５の冷却経路４４を介して永久磁石１２の上端面側に到達する。その後、永久磁石１２内の第６の冷却経路４５（貫通穴３）を通過し、エンコーダ板１７側の第７の冷却経路４６を介して永久磁石１２の下端面側に達し、軸１１内の第８の冷却経路４７を経て、エンコーダ板１７側の排出口から外部に排出される。このようにして第４ないし第８の冷却経路４３〜４７を冷媒である圧縮空気が通過することによって永久磁石１２が直接的に冷却される。
【００５３】
図１２は図１１に示したガルバノスキャナ１の横断面図である。同図から分かるように貫通穴３は隣り合う永久磁石１２の境界部分１２ａに形成されており、その貫通穴３の中心は周方向に永久磁石１２を分割している境界線上にある。また、図１２においてαは貫通穴の中心と軸１１の外周表面との距離、Ｄは貫通穴３の直径を表している。
【００５４】
図１３は永久磁石１２の厚みτに対する距離αの割合（α／τ）が０．６８、永久磁石１２の厚みτに対する直径Ｄの割合（Ｄ／τ）が０．２１と０．４２の場合における軸中空部２の表面温度と外周中央部分における最高温度上昇の関係を表す特性図である。なお、横軸及び縦軸は実施例１における図５と同一である。図１３から実施例１のように軸１１のみを冷却する場合と比較して永久磁石１２の温度上昇を抑制できることが分かる。また、温度上昇の低減に向けて貫通穴３の直径を大きくすることが望ましいことも分かる。
【００５５】
図１２に示した例では永久磁石１２の境界部分１２ａにそれぞれ１個ずつ（計４個）の貫通穴３を形成したが、図１４に示すように２個の貫通穴３を対角状（回転中心を軸にして対称）に配置しても同様の効果を期待することができる。
【００５６】
図１５は実施例２の変形例を示すガルバノスキャナ１の縦断面図である。この変形例は、図１１に示した実施例２のガルバノスキャナ１に対してエンコーダ板１７側の軸１１が径方向に部分的に大きい大径部１１ａとなっており、その大径部１１ａに冷却経路として永久磁石１２部分から続く貫通穴４が形成されている。すなわち、エンコーダ板１７側の軸１１の端面では３箇所で開口しており、排出口６０ｃと供給ロ６０ａが独立に存在する。
【００５７】
冷却経路としては、軸中空部２に挿入されたノズル６０から噴射された圧縮空気が第４の冷却経路４３と端部冷却機構１９内の第５の冷却経路４４を通り、永久磁石１２に到達する。次いで、回転軸方向の貫通穴３内の第６冷却経路４５を通り永久磁石１２を冷却した後、第６の冷却経路４５と直線的に連通し、大径部１１ａ内に設けられた貫通穴４を通る。その後、貫通穴４を通過した圧縮空気は、第９の冷却経路４８を経て第９の冷却経路４８に続く排出口６０ｃから排出される。なお、図１５に示した例では、貫通穴３，４は第６の冷却経路４５及び第９の冷却経路４８を構成する。
【００５８】
この変形例では、排出口６０ｃが軸１１側に設けられている供給口６０ａとは別の位置に設けられているので、暖められた圧縮空気が軸１１内を通ることがない。そのため、排出前に軸１１を通ることによって軸１１内部が温められることを防ぐことができる。
【００５９】
図１６、図１７及び図１８は実施例２における永久磁石１２の変形例を示す横断面図である。図１６、図１７及び図１８に示した例は、実施例１において図８、図９及び図１０に示した例に対して隣り合う永久磁石１２の境界部分１２ａに軸線方向の貫通穴３を形成した例である。
【００６０】
図２０はガルバノスキャナ１における永久磁石１２の磁束線を表す説明図である。ガルバノスキャナ１には、永久磁石１２とコイル１４により磁束７が生じており、コイル１４に鎖交する磁束線は主にコイル１４に対面する永久磁石部分の磁束である。一方、コイル１４が巻かれていない部分（コイル中空部７０）に対面する永久磁石部分の磁束はコイル１４に鎖交しないため、トルクへの寄与が比較的小さい。したがって、コイル中空部７０に対面する永久磁石１２の境界部分１２ａに貫通穴を形成することでトルクイナーシャ比を向上させることができる。
【００６１】
したがって、図１６ないし図１８に示すように永久磁石１２の境界部分１２ａに貫通穴３を形成することが望ましい。そこで、前記実施例及び変形例では、冷却経路である貫通穴３を永久磁石１２の境界部分（境界線上）１２ａに設けているが、境界線上でなくその近傍に設けてもよい。さらに、図１４に示したように対角状に貫通穴３を配置する場合には、図１９に示すように永久磁石１２の中央部分に設けることもできる。このように永久磁石１２の境界部分１２ａ以外に貫通穴３を設けても冷却効果は同等である。
【００６２】
ただし、本実施例では、永久磁石１２を直接的に冷却するために冷却経路を設けて回転子２０を冷却している。その際、コイル１４のジュール発熱は空隙１３を介して永久磁石１２に伝熱し、永久磁石１２の外周中央部分で主に発熱する。また、永久磁石１２に生じる渦電流は表面近傍に流れるため、貫通穴３（及び４）は永久磁石１２の表面近傍に形成することが望ましい。
【００６３】
また、本実施例２でも４極の場合について説明しているが、実施例１と同じく２極、６極及び８極の場合でも同様の冷却構成とすることによって同様の効果を得ることができる。
【００６４】
なお、特許請求の範囲における永久磁石は本実施形態では符号１２に、回転軸は軸１１に、ミラーは符号１００に、エンコーダ板は符号１７に、回転子は符号２０に、固定子は符号３０に、ガルバノスキャナは符号１に、中空部は符号２に、ノズルは符号６０に、冷却経路は符号４０〜４８に、ノズルの外周面と前記中空部の内周面との間の冷却経路は第２の冷却経路４１に、貫通穴は符号３及び４に、接続経路は端部冷却機構１９に、軸受けはベアリング１８に、境界部分は符号１２ａに、大径部は符号１１ａに、大径部で貫通穴に連通する冷却経路は第９の冷却経路４８に、それぞれ対応する。
【００６５】
さらに、本発明は前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。前記実施例は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６６】
１ ガルバノスキャナ
２ 軸中空部
３，４ 貫通穴
１１ 軸
１２ 永久磁石
１７ エンコーダ板
１８ ベアリング
２０ 回転子
３０ 固定子
４０〜４８ 冷却経路
６０ ノズル
６１ 噴射口
１００ ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石を冷却する機能を有するガルバノスキャナ、及びガルバノスキャナを備えたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プリント配線板は多層化し、素子等の実装穴や層間接続穴が高密度になり、プリント配線板１枚当たりの穴数は増加傾向にある。そのため、プリント配線板向け穴明け機の１つであるレーザ加工装置には穴数増加に伴う穴明け速度の高速化が求められている。一般的なレーザ加工装置にはガルバノスキャナが搭載され、このガルバノスキャナによって加工位置の位置決めが行われる。そのため、ガルバノスキャナの応答速度を高速化することは穴明け速度の高速化につながる。なお、前記実装穴あるいは前記層間接続穴には、有底の穴と無底の孔があるが、本明細書では、これらを含めて全て「穴」と表記している。
【０００３】
図２１は、前記一般的なレーザ加工装置の概略構成を示す図である。図２１に示すように、レーザ加工装置は主にレーザ光源１１０、偏向方向の異なる２つのガルバノスキャナ１、Ｆθレンズ１１２、プリント配線板１１３から構成されている。このように構成されたレーザ加工装置では、レーザ光源１１０から照射されたレーザ光１１１はガルバノスキャナ１に取り付けられたミラー１００により偏向される。偏向されたレーザ光１１１がＦθレンズ１１２によりプリント配線板１１３に集光されることで、加工穴が形成される。一般的なレーザ加工機では搭載されたガルバノスキャナ１を用いて加工位置の位置決めを行う。そのため、ガルバノスキャナ１の応答速度を高速化することは穴明け速度の高速化につながる。
【０００４】
ガルバノスキャナの一例としてムービングマグネット方式のガルバノスキャナがある。このムービングマグネット方式のガルバノスキャナ１は、図２２に示すように内側から軸１１、永久磁石１２、コイル１４、ヨーク１５、アウターケース１６から構成され、永久磁石１２とコイル１４の間に空隙１３が形成されている。軸１１と永久磁石１２が回転子、コイル１４、ヨーク１５、アウターケース１６が固定子であり、固定子内の空間に回転子が配置され、両者間の径方向に空隙１３が存在するように組み上げられている。
【０００５】
永久磁石１２にはフェライト、サマリウムコバルト、ネオジム系等の金属系永久磁石が用いられる。このうちネオジム磁石は磁束密度が高く、非常に強い磁力を持つが、磁力の温度変化に伴う変化が大きく、加熱すると熱減磁が生じやすい。
【０００６】
回転子は回転軸周りに自由度があり、軸１１の一端にはミラー１００が取り付けられ、他端にはミラー１００の回転角度を検出するエンコーダのスケールであるエンコーダ板１７が取り付けられている。軸１１はベアリング１８によりアウターケース１６の上下の端部で保持され、回転子の回転軸周りの自由度、すなわち、回転の自由度を確保している。
【０００７】
この方式のガルバノスキャナ１では、コイル１４に電流を流すことによって生じる磁場と永久磁石１２の磁極の関係によりトルクが生じ、このトルクにより軸１１が微小回転する。コイル１４は理想インダクタと抵抗の直列で表現することができ、コイル１４に電流が流れることで抵抗成分によるジュール発熱が生じる。ジュール発熱により生じる熱は空隙１３を介して永久磁石１２に伝熱するため永久磁石１２の温度は上昇する。
【０００８】
コイル１４に交流電流が流れると、永久磁石１２近傍の磁束は交流電流の周波数に応じて方向と大きさが変化する。そのため、磁束変化を打ち消すように永久磁石１２の表面近傍に渦電流が流れる。このとき、渦電流は永久磁石１２の外周中央部を流れ、回転軸方向における永久磁石１２の一端で外周中央部から周方向の端面に向かって流れる。その後、端面に沿って渦電流が流れ、回転軸方向における永久磁石１２の他端で周方向の端面から永久磁石１２の外周中央部に向かって流れる。このように渦電流が発生すると、渦電流と永久磁石１２の抵抗によりジュール発熱（渦電流損失）が生じるため、永久磁石１２の温度は上昇する。
【０００９】
単位消費電力当たりの温度上昇に関して、渦電流損失による発熱は直接永久磁石１２に影響するため、コイル１４からの伝熱よりも十分に大きい。また、周波数が高くなるにつれて渦電流損失は増加するため、ガルバノスキャナ１を高速駆動化するときはさらに永久磁石１２の温度上昇は大きくなる。そして、これらの温度上昇により永久磁石１２が減磁し、トルクが減少する。
【００１０】
このように、応答周波数の高速化に伴い、駆動時において永久磁石１２の温度が上昇するが、温度上昇がトルク減少につながることから、応答特性が劣化し、応答特性の劣化は加工精度の劣化につながる。
【００１１】
そこで、永久磁石１２の温度上昇を防止し、加工精度の劣化を防ぐようにした技術として、例えば特許文献１及び２に記載された発明が公知である。このうち特許文献１記載の技術は、外筒の外部と内部を接続するガス流入口と流出口を有する電磁アクチュエータにおいて、固定子側から冷媒のガスを供給して、固定子から外部にガスを排出するように冷却経路が形成され、この冷却経路によってコイル及び磁石を冷却するようにしたことを特徴としている。
【００１２】
また、特許文献２記載の技術は、動力伝達装置用の潤滑油でロータを冷却する電動モータに関するもので、この技術では、動力伝達装置のケーシング内の潤滑油を吸い上げるオイルポンプを設け、オイルポンプからの潤滑油を給油路を介してヨーク内の冷却用油路に供給し、冷却用油路を通過した潤滑油をケーシング内に戻すことによってロータを冷却することを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−２４５４６４号公報
【特許文献２】特開２００１−１９００４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前述のように特許文献１に記載の技術では、冷却経路によってコイル及び磁石を冷却している。しかし、回転子を保持するベアリングを冷媒が通過することによる潤滑不良やグリース漏れについては特に検討されていない。また、ミラー側にガスが排出されることによる、加工時の位置決め精度についても検討されていない。
【００１５】
また、特許文献２記載の技術では、冷却用油路を通過した潤滑油をケーシング内に戻すことによってロータを冷却しているが、気体冷媒の場合について検討されておらず、特許文献１記載の技術と同様に冷却経路に含まれるベアリングを冷媒が通過することによる潤滑不良やグリース漏れについては特に検討されていない。
【００１６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、冷媒通過による潤滑不良やグリース漏れを生じることなく永久磁石の温度上昇を抑制することができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記課題を解決するため、第１の手段は、永久磁石を保持する回転軸の一方にミラーが、他方にエンコーダ板がそれぞれ取り付けられた回転子と、自身の内部空間に前記回転子を回転可能に収納した固定子と、を備え、前記回転子が所定の角度範囲内で微小回転するガルバノスキャナにおいて、前記回転軸の軸方向に設けられた中空部と、前記中空部に配置され、エンコーダ板側の端部から供給される回収不要の冷媒を前記中空部内に噴射するノズルと、前記噴射された冷媒が前記回転子内を通過し、当該回転子の前記端部側から排出される冷却経路と、を備えていることを特徴とする。
【００１８】
第２の手段は、第１の手段において、前記冷却経路が、前記ノズルの外周面と前記中空部の内周面との間に形成されていることを特徴とする。
【００１９】
第３の手段は、第１の手段において、前記冷却経路が、前記永久磁石の前記回転軸の軸線方向に形成された貫通穴と、前記中空部で前記貫通穴と前記中空部とを連通する接続経路と、を備えていることを特徴とする。
【００２０】
第４の手段は、第３の手段において、前記接続経路は、前記回転子を前記固定子に対して回転可能に支持する軸受けと前記永久磁石の軸線方向の端部との間に設けられ、前記軸受けと前記永久磁石間を密封状態にすることを特徴とする。
【００２１】
第５の手段は、第３又は第４の手段において、前記貫通穴は隣り合う永久磁石の境界部分に設けられていることを特徴とする。
【００２２】
第６の手段は、第３ないし第５のいずれかの手段において、前記回転軸の前記エンコーダ板側は部分的に拡径した大径部となっていることを特徴とする。
【００２３】
第７の手段は、第６の手段において、前記大径部に、前記貫通穴に連通し、当該回転軸の端部側に開口する冷却経路が設けられていることを特徴とする。
【００２４】
第８の手段は、第１ないし第７の手段に係るガルバノスキャナをレーザ加工装置が備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、永久磁石の回転中心にある軸を中空にして圧縮空気を供給し、冷媒がベアリングを通過しないようにして冷媒を排出するので、冷媒通過による潤滑不良やグリース漏れを生じることなく永久磁石の温度上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態における実施例１に係るガルバノスキャナの縦断面図である。
【図２】図１における回転子の斜視図である。
【図３】図１における固定子の斜視図である。
【図４】図１におけるノズルの要部拡大縦断面図である。
【図５】実施例１における軸の軸中空部の表面温度と外周中央部分における永久磁石の最高温度上昇の関係を示す図である。
【図６】図４に示したノズルとは異なるノズルの例を示す要部拡大縦断面図である。
【図７】図１におけるガルバノスキャナの横断面図である。
【図８】永久磁石の形状の変形例を示す断面図である。
【図９】永久磁石の形状の他の変形例を示す断面図である。
【図１０】永久磁石の形状のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施形態における実施例２に係るガルバノスキャナの縦断面図で
【図１２】図１１におけるガルバノスキャナの横断面図である。
【図１３】実施例２における軸の軸中空部の表面温度と外周中央部分における永久磁石の最高温度上昇の関係を示す図である。
【図１４】図１２に示したガルバノスキャナの貫通穴の他の例を示す横断面図である。
【図１５】実施例２の変形例を示すガルバノスキャナの縦断面図である。
【図１６】実施例２における永久磁石の変形例を示す横断面図である。
【図１７】実施例２における永久磁石の他の変形例を示す横断面図である。
【図１８】実施例２における永久磁石のさらに他の変形例を示す横断面図である。
【図１９】図１４に示したガルバノスキャナの貫通穴の他の例を示す横断面図である。
【図２０】ガルバノスキャナにおける永久磁石の磁束線を表す説明図である。
【図２１】一般的なレーザ加工装置の概略構成を示す図である。
【図２２】従来から使用されているムービングマグネット方式のガルバノスキャナの内部構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明は、永久磁石の回転中心にある軸を中空にして冷却媒体、例えば圧縮空気を供給し、間接的又は直接的に永久磁石を冷却し、永久磁石の温度上昇を抑制するようにしたものである。
【００２８】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について実施例を挙げて説明する。なお、以下の説明において、前述の背景技術を含め、同一若しくは同一と見なせる構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
【実施例１】
【００２９】
実施例１は、永久磁石を間接的に冷却する例である。この実施例１は、図２２に示したガルバノスキャナ１の軸１１を中空にし、この中空部分に冷却媒体である圧縮空気を供給し、排気するようにしたものである。
【００３０】
図１は、実施例１に係るガルバノスキャナ１の縦断面図である。図１において、ガルバノスキャナ１は図２２に示した従来から実施されているムービングマグネット方式のガルバノスキャナ１と同様に、ガルバノスキャナ１の内側から軸１１、永久磁石１２、空隙１３、コイル１４、ヨーク１５、アウターケース１６の順で配置されており、軸１１と永久磁石１２が回転子２０、コイル１４からアウターケース１６までが固定子３０である。ただし、図１から分かるように、実施例１では、軸１１が有底の筒体となるように、軸１１の中心に断面円形の中空部が設けられ（以下、軸中空部２と称す）、この軸中空部２に同軸に円筒形状のノズル６０が配置されている。ノズル６０は軸１１の下端の開口部から挿入され、軸中空部２内で保持される。この軸中空部２の構成を除く各部は図２２に示した従来からのガルバノスキャナ１と同一である。なお、図２は回転子２０の斜視図であり、図３は固定子３０の斜視図である。
【００３１】
図４は図１におけるノズル６０の要部拡大縦断面図である。ノズル６０は図示しない支持部を介して軸中空部２内に保持され、図４にも示すように上端中央部に圧縮空気を噴出させる噴出口６１が形成され、下端外周部に噴出口６１から噴出された圧縮空気の排出口６０ｂが形成されている。この例では、ノズル６０下端の圧縮空気供給口６０ａから供給され、噴出口６１から軸中空部２内の空間に噴出する。噴出した圧縮空気は、膨張しながら軸中空部２の底部（図では軸中空部２の上部の内面）に当たって第１の冷却経路４０を中央部から外周の半径方向に広がり、永久磁石１２と接する第２の冷却経路４１に沿って下方に向かって流れる。そして、ベアリング１８及びエンコーダ板と接する第３の冷却経路４２を経て、空気供給口６０ａの外周に設定された排出口６０ｂから排出される。なお、排出口６０ｂはノズル６０の外周面とこのノズル６０を収納した軸中空部２の内周面との間に形成される円筒状の隙間の外気と接する側の端部である。
【００３２】
噴射口６１はノズル６０の絞りとなっており、ノズル６０に供給された圧縮空気はノズル６０の内部空間から噴出口６１を出る際に断熱膨張する。すなわち、ノズル６０内における圧縮空気の圧力と噴射口６１の外部における圧力の差によって圧縮空気供給口６０ａから供給される圧縮空気が噴射口６１から軸中空部２への出口側にあたる第１の冷却経路４０内に噴射される際に膨張し、断熱膨張により温度が下がる。これにより圧縮空気が冷媒として機能できる。そして、温度が下がった空気が、第２の搬送経路４１に沿って流れる過程で、永久磁石１２と接する軸１１との間で熱交換し、排出口６０ｂから外気へと放出される。冷媒が圧縮空気であるため、回収機構をガルバノスキャナ１に特に設ける必要はない。
【００３３】
図５は、軸１１の軸中空部２の表面温度と外周中央部分における永久磁石１２の最高温度上昇の関係を示す図である。図において横軸が軸中空部２の表面温度である。また、縦軸が永久磁石１２の温度上昇であり、冷却しない場合の温度上昇で規格化している。図５から、軸１１の軸中空部２内に図１に示す第１ないし第３の冷却経路４０，４１，４２を設け、ノズル６０から圧縮空気を冷媒として噴射させることによって温度上昇を抑制することができることが分かる。なお、ノズル６０から噴射される圧縮空気の圧力を制御することより、断熱膨張する圧縮空気の温度を調整することが可能であり、これにより軸中空部２の表面温度を調整することができる。
【００３４】
図６は、図４とは異なる噴射口６１の例を示すノズル６０の要部拡大縦断面図である。図４では、噴射口６１はノズル６０の上端中央部に１個設けられ、圧縮空気は軸中空部２の底部（第１の冷却経路４０）に向かって噴出してたが、図６の例では、径方向に複数の噴射口６１を設けている。このように径方向に複数の噴射口６１を設けると、噴射口６１から噴出する低温となった圧縮空気（冷媒）が直接第２の冷却経路４１内に噴出され、複数箇所で軸１１の内面に当たる。これにより、軸１１の内面と熱交換し、永久磁石１２を間接的に冷却することができる。
【００３５】
なお、図４に示したようなノズル形状とするか、図６に示したようなノズル形状とするか、さらに、図６に示したようなノズル形状とした場合、噴射口６１の数と位置をどのように設定するかは、設計的事項であり、冷却対象となる永久磁石１２の大きさや発熱量に応じて適宜設定され、選択される。
【００３６】
図７はガルバノスキャナ１の横断面図である。永久磁石１２の外周表面の磁極は図に示すようにＮ極とＳ極の配置となっており、隣り合う永久磁石表面１２の磁極は互いに異なっている。本実施例では４極の場合を扱うため、コイル１４は永久磁石１２の磁極の数に対応し、周方向に９０度間隔で４箇所に配置されており、図３に示したようにコイル１４が巻かれ、電流６が流れる。すなわち、図７においてコイル１４は紙面に向かって垂直な方向に巻かれ、当該コイル１４には電流６が流れており、その方向は周方向に±９０度離れたコイル１４と互いに逆になる。なお、図７における符号４０は断面位置ではないが、軸中空部２奥側の第１の冷却経路を、符号４２は軸中空部２手前側の第３の冷却経路をそれぞれ示す。
【００３７】
図８、図９及び図１０は永久磁石１２の形状の変形例を示す断面図である。断面の位置は図７と同一である。図８に示すガルバノスキャナ１は、図４に示した例に対して隣り合う永久磁石１２にまたがって永久磁石１２の外周側に溝８０を形成した例である。溝８０はガルバノスキャナ１の微小な回転角度の範囲内で常にコイル中空部７０と対面している。その他の構成は図７に示したガルバノスキャナ１と同一である。
【００３８】
このように溝（切れ込み）８０を設けると、渦電流損失を低減させることができるとともに、トルク定数と慣性モーメントの比（トルクイナーシャ比）を向上させることができる。また、溝８０を設け、あるいは永久磁石１２を径方向に分割すると、渦電流損失を低減させることができることから、永久磁石１２に生じる発熱量を少なくすることが可能となり、冷却性能の向上に寄与することができる。
【００３９】
図９に示すガルバノスキャナ１は、図８に示したガルバノスキャナ１の１極当たりの永久磁石１２を回転軸方向に分割した例である。断面図においては分割を表す分割線９０は直線であり、径方向に２分割されている。その他の構成は図７に示したガルバノスキャナ１と同一である。
【００４０】
図１０に示すガルバノスキャナ１は、図９に示したガルバノスキャナ１の分割線を折れ線としたもので、分割線９１は内側に凸の∨字型となっている。その他の構成は図７に示したガルバノスキャナ１と同一である。
【００４１】
なお、図８ないし図１０に示したガルバノスキャナ１は永久磁石１２の変形例を示したものであり、ノズル６０を使用した冷却構造は同一である。
【００４２】
このように永久磁石１２を分割すると、永久磁石１２に生じる渦電流損失を低減させることができる。
【００４３】
以上のように、本実施例によれば、圧縮空気によって軸１１が内部から冷却されるため軸１１を介して間接的に永久磁石１２を冷却することができる。その結果として、永久磁石１２の温度上昇を抑制することが可能となり、永久磁石１２の減磁によるトルク減少を防止することができる。このようにして冷却すると、冷却対象が軸１１と永久磁石１２のみであるため冷却効率が高くなる。
【００４４】
冷媒として圧縮空気を使用しているのは、潤滑油などの液状の冷媒では、冷媒の回収の必要があること、回収するための冷媒の循環機構が必要であることなどにより、冷媒の管理及び保守が複雑であり、機構も複雑になるからである。これに対し、冷媒として空気を使用した場合には、回収が不要であるため、循環機構も不要で管理も簡単になる。
【００４５】
なお、本実施例では、冷媒として圧縮空気を使用しているが、例えばヘリウムや水素なども使用することができる。また、圧縮空気の供給圧力及び流量は、ガルバノスキャナ１の大きさ、冷却対象の質量などに応じて適宜設定、選択される。
【００４６】
また、本実施例１では４極の場合を例にとって説明しているが、２極、６極及び８極の場合でも同様の冷却構成とすることによって同様の効果を得ることができる。
【実施例２】
【００４７】
実施例２は、永久磁石を直接的に冷却する例である。この実施例２は、図２２に示したガルバノスキャナ１の軸１１を中空にするとともに、この中空部分に連通する冷却経路を永久磁石の軸方向に直接形成し、この中空部分に冷却媒体である圧縮空気を供給し、永久磁石内に設けた冷却経路を通して排気するようにしたものである。
【００４８】
図１１は、実施例２に係るガルバノスキャナ１の縦断面図である。本実施例は実施例１に対して永久磁石１２の所定位置に軸１１の軸線方向に貫通穴３を貫通させ、永久磁石１２の回転軸方向の両端に端部冷却機構１９を設けたものである。これにより、第４ないし第８の冷却経路４３、４４，４５，４６，４７が形成されている。すなわち、実施例１では冷却経路は軸１１の中空部分２のみであったが、本実施例では、軸１１部分に設けられた軸中空部２に配置されたノズル６０によって形成され、エンコーダ板１７側に開口する冷却経路に加えて、永久磁石１２に設けられた貫通穴３からなる冷却経路がさらに設けられている。なお、軸線は軸１１の中心を長手方向に通る仮想の線であり、この軸線を中心に軸１１を含む回転子２０が回転する。
【００４９】
また、端部冷却機構１９は、永久磁石１２の軸方向両端に配置され、軸１１側の第４の冷却経路４３と貫通穴３とを接続する機構（接続経路）である。端部冷却機構１９は、その内部に設けられた第５の冷却経路４４と軸１１の軸中空部２にある第４の冷却経路４３とを接続し、第７の冷却経路４６と軸１１の永久磁石１２に形成された第６の冷却経路４５及びエンコーダ板１７側への排気経路として機能する第８の冷却経路４７とを接続している。端部冷却機構１９は、第４ないし第８の冷却経路４３〜４７内を通る圧縮空気が外部あるいはベアリング１８側に漏れないように、冷却経路を密閉（シール）している。これは、冷媒である圧縮空気がベアリング１８の内部を通るとベアリング１８内のグリース漏れ、あるいは潤滑不良といった問題を生じるからである。このように第５の冷却経路４４及び第７の冷却経路４６にこのようなシール機構を設けることにより、ベアリング１８内のグリース漏れ、あるいは潤滑不良を防止することができる。
【００５０】
すなわち、端部冷却機構１９は永久磁石１２とベアリング１８との間に設けられ、第５及び第７の冷却経路４４，４６、あるいは第８の冷却経路４７を通る圧縮空気のベアリング１８側への漏れを防いでいる。そのため、端部冷却機構１９は、例えば円筒形状で円筒形状の内側に冷媒が通過する空隙が径方向に存在するよう構成し、ベアリング１８内に冷媒が通過しないように軸１１内の第１の冷却経路４３と永久磁石１２の貫通穴３を接続している。この端部冷却機構１９は回転子２０の一部を構成するので、例えば、軽くて硬いセラミックなどの材料によって製作することが望ましい。
【００５１】
その他の各部は実施例１と同一であり、各部は実施例１と同様に動作するので、重複する説明は省略する。
【００５２】
本実施例２に係るガルバノスキャナ１では、まず、軸１１の軸中空部２に挿入されたノズル６０から圧縮空気が軸１１内に噴射される。すなわち、ノズル６０内に供給された圧縮空気はノズル６０先端の噴出口６１から第４の冷却経路４３に噴出され、実施例１の場合と同様に断熱膨張して，第５の冷却経路４４を介して永久磁石１２の上端面側に到達する。その後、永久磁石１２内の第６の冷却経路４５（貫通穴３）を通過し、エンコーダ板１７側の第７の冷却経路４６を介して永久磁石１２の下端面側に達し、軸１１内の第８の冷却経路４７を経て、エンコーダ板１７側の排出口から外部に排出される。このようにして第４ないし第８の冷却経路４３〜４７を冷媒である圧縮空気が通過することによって永久磁石１２が直接的に冷却される。
【００５３】
図１２は図１１に示したガルバノスキャナ１の横断面図である。同図から分かるように貫通穴３は隣り合う永久磁石１２の境界部分１２ａに形成されており、その貫通穴３の中心は周方向に永久磁石１２を分割している境界線上にある。また、図１２においてαは貫通穴の中心と軸１１の外周表面との距離、Ｄは貫通穴３の直径を表している。
【００５４】
図１３は永久磁石１２の厚みτに対する距離αの割合（α／τ）が０．６８、永久磁石１２の厚みτに対する直径Ｄの割合（Ｄ／τ）が０．２１と０．４２の場合における軸中空部２の表面温度と外周中央部分における最高温度上昇の関係を表す特性図である。なお、横軸及び縦軸は実施例１における図５と同一である。図１３から実施例１のように軸１１のみを冷却する場合と比較して永久磁石１２の温度上昇を抑制できることが分かる。また、温度上昇の低減に向けて貫通穴３の直径を大きくすることが望ましいことも分かる。
【００５５】
図１２に示した例では永久磁石１２の境界部分１２ａにそれぞれ１個ずつ（計４個）の貫通穴３を形成したが、図１４に示すように２個の貫通穴３を対角状（回転中心を軸にして対称）に配置しても同様の効果を期待することができる。
【００５６】
図１５は実施例２の変形例を示すガルバノスキャナ１の縦断面図である。この変形例は、図１１に示した実施例２のガルバノスキャナ１に対してエンコーダ板１７側の軸１１が径方向に部分的に大きい大径部１１ａとなっており、その大径部１１ａに冷却経路として永久磁石１２部分から続く貫通穴４が形成されている。すなわち、エンコーダ板１７側の軸１１の端面では３箇所で開口しており、排出口６０ｃと供給ロ６０ａが独立に存在する。
【００５７】
冷却経路としては、軸中空部２に挿入されたノズル６０から噴射された圧縮空気が第４の冷却経路４３と端部冷却機構１９内の第５の冷却経路４４を通り、永久磁石１２に到達する。次いで、回転軸方向の貫通穴３内の第６冷却経路４５を通り永久磁石１２を冷却した後、第６の冷却経路４５と直線的に連通し、大径部１１ａ内に設けられた貫通穴４を通る。その後、貫通穴４を通過した圧縮空気は、第９の冷却経路４８を経て第９の冷却経路４８に続く排出口６０ｃから排出される。なお、図１５に示した例では、貫通穴３，４は第６の冷却経路４５及び第９の冷却経路４８を構成する。
【００５８】
この変形例では、排出口６０ｃが軸１１側に設けられている供給口６０ａとは別の位置に設けられているので、暖められた圧縮空気が軸１１内を通ることがない。そのため、排出前に軸１１を通ることによって軸１１内部が温められることを防ぐことができる。
【００５９】
図１６、図１７及び図１８は実施例２における永久磁石１２の変形例を示す横断面図である。図１６、図１７及び図１８に示した例は、実施例１において図８、図９及び図１０に示した例に対して隣り合う永久磁石１２の境界部分１２ａに軸線方向の貫通穴３を形成した例である。
【００６０】
図２０はガルバノスキャナ１における永久磁石１２の磁束線を表す説明図である。ガルバノスキャナ１には、永久磁石１２とコイル１４により磁束７が生じており、コイル１４に鎖交する磁束線は主にコイル１４に対面する永久磁石部分の磁束である。一方、コイル１４が巻かれていない部分（コイル中空部７０）に対面する永久磁石部分の磁束はコイル１４に鎖交しないため、トルクへの寄与が比較的小さい。したがって、コイル中空部７０に対面する永久磁石１２の境界部分１２ａに貫通穴を形成することでトルクイナーシャ比を向上させることができる。
【００６１】
したがって、図１６ないし図１８に示すように永久磁石１２の境界部分１２ａに貫通穴３を形成することが望ましい。そこで、前記実施例及び変形例では、冷却経路である貫通穴３を永久磁石１２の境界部分（境界線上）１２ａに設けているが、境界線上でなくその近傍に設けてもよい。さらに、図１４に示したように対角状に貫通穴３を配置する場合には、図１９に示すように永久磁石１２の中央部分に設けることもできる。このように永久磁石１２の境界部分１２ａ以外に貫通穴３を設けても冷却効果は同等である。
【００６２】
ただし、本実施例では、永久磁石１２を直接的に冷却するために冷却経路を設けて回転子２０を冷却している。その際、コイル１４のジュール発熱は空隙１３を介して永久磁石１２に伝熱し、永久磁石１２の外周中央部分で主に発熱する。また、永久磁石１２に生じる渦電流は表面近傍に流れるため、貫通穴３（及び４）は永久磁石１２の表面近傍に形成することが望ましい。
【００６３】
また、本実施例２でも４極の場合について説明しているが、実施例１と同じく２極、６極及び８極の場合でも同様の冷却構成とすることによって同様の効果を得ることができる。
【００６４】
なお、特許請求の範囲における永久磁石は本実施形態では符号１２に、回転軸は軸１１に、ミラーは符号１００に、エンコーダ板は符号１７に、回転子は符号２０に、固定子は符号３０に、ガルバノスキャナは符号１に、中空部は符号２に、ノズルは符号６０に、冷却経路は符号４０〜４８に、ノズルの外周面と前記中空部の内周面との間の冷却経路は第２の冷却経路４１に、貫通穴は符号３及び４に、接続経路は端部冷却機構１９に、軸受けはベアリング１８に、境界部分は符号１２ａに、大径部は符号１１ａに、大径部で貫通穴に連通する冷却経路は第９の冷却経路４８に、それぞれ対応する。
【００６５】
さらに、本発明は前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。前記実施例は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６６】
１ ガルバノスキャナ
２ 軸中空部
３，４ 貫通穴
１１ 軸
１２ 永久磁石
１７ エンコーダ板
１８ ベアリング
２０ 回転子
３０ 固定子
４０〜４８ 冷却経路
６０ ノズル
６１ 噴射口
１００ ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を保持する回転軸の一方にミラーが、他方にエンコーダ板がそれぞれ取り付けられた回転子と、自身の内部空間に前記回転子を回転可能に収納した固定子と、を備え、前記回転子が所定の角度範囲内で微小回転するガルバノスキャナにおいて、
前記回転軸の軸方向に設けられた中空部と、
前記中空部に配置され、エンコーダ板側の端部から供給される回収不要の冷媒を前記中空部内に噴射するノズルと、
前記噴射された冷媒が前記回転子内を通過し、当該回転子の前記端部側から排出される冷却経路と、
を備えていることを特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項２】
請求項１記載のガルバノスキャナにおいて、
前記冷却経路が、前記ノズルの外周面と前記中空部の内周面との間に形成されていること
を特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項３】
請求項１記載のガルバノスキャナにおいて、
前記冷却経路が、
前記永久磁石の前記回転軸の軸線方向に形成された貫通穴と、
前記中空部で前記貫通穴と前記中空部とを連通する接続経路と、
を備えていること
を特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項４】
請求項３記載のガルバノスキャナにおいて、
前記接続経路は、前記回転子を前記固定子に対して回転可能に支持する軸受けと前記永久磁石の軸線方向の端部との間に設けられ、前記軸受けと前記永久磁石間を密封状態にすること
を特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項５】
請求項３又は４記載のガルバノスキャナにおいて、
前記貫通穴は隣り合う永久磁石の境界部分に設けられていること
を特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項６】
請求項３ないし５のいずれか１項に記載のガルバノスキャナにおいて、
前記回転軸の前記エンコーダ板側は部分的に拡径した大径部となっていること
を特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項７】
請求項６記載のガルバノスキャナにおいて、
前記大径部に、前記貫通穴に連通し、当該回転軸の端部側に開口する冷却経路が設けられていること
を特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載のガルバノスキャナを備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１】
永久磁石を保持する回転軸の一方にミラーが、他方にエンコーダ板がそれぞれ取り付けられた回転子と、自身の内部空間に前記回転子を回転可能に収納した固定子と、を備え、前記回転子が所定の角度範囲内で微小回転するガルバノスキャナにおいて、
前記回転軸の軸方向に設けられた中空部と、
前記中空部に配置され、エンコーダ板側の端部から供給される回収不要の冷媒を前記中空部内に噴射するノズルと、
前記噴射された冷媒が前記回転子内を通過し、当該回転子の前記端部側から排出される冷却経路と、
を備えていることを特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項２】
請求項１記載のガルバノスキャナにおいて、
前記冷却経路が、前記ノズルの外周面と前記中空部の内周面との間に形成されていること
を特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項３】
請求項１記載のガルバノスキャナにおいて、
前記冷却経路が、
前記永久磁石の前記回転軸の軸線方向に形成された貫通穴と、
前記中空部で前記貫通穴と前記中空部とを連通する接続経路と、
を備えていること
を特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項４】
請求項３記載のガルバノスキャナにおいて、
前記接続経路は、前記回転子を前記固定子に対して回転可能に支持する軸受けと前記永久磁石の軸線方向の端部との間に設けられ、前記軸受けと前記永久磁石間を密封状態にすること
を特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項５】
請求項３又は４記載のガルバノスキャナにおいて、
前記貫通穴は隣り合う永久磁石の境界部分に設けられていること
を特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項６】
請求項３ないし５のいずれか１項に記載のガルバノスキャナにおいて、
前記回転軸の前記エンコーダ板側は部分的に拡径した大径部となっていること
を特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項７】
請求項６記載のガルバノスキャナにおいて、
前記大径部に、前記貫通穴に連通し、当該回転軸の端部側に開口する冷却経路が設けられていること
を特徴とするガルバノスキャナ。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載のガルバノスキャナを備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
【図５】
【図１３】
【図２１】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２２】
【図１３】
【図２１】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２２】
【公開番号】特開２０１３−７２９５２（Ｐ２０１３−７２９５２Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１１０２３（Ｐ２０１１−２１１０２３）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００２３３３３２）日立ビアメカニクス株式会社 (237)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００２３３３３２）日立ビアメカニクス株式会社 (237)
【Ｆターム（参考）】
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