CN102570660B - 电扫描器及激光加工机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电扫描器及激光加工机。提高转矩常数与惯性力矩之比，减小驱动所需的电流以降低驱动时的消耗电力。一种电扫描器（1），具有：转子，其由作为旋转中心的轴（10）、和绕该轴配置并在该轴的圆周方向上分为多个极的永久磁铁（11）构成；以及定子，其由隔着空隙配置于上述转子的外侧的线圈（13）、磁轭（14）以及外壳（15）构成，转子在预定的角度范围内摆动，其特征在于，在永久磁铁（11）中，跨越在周向上相邻的永久磁铁（11）的磁极形成有旋转轴方向的槽（50），上述永久磁铁（11）通过分割线（60）每一极分割为2个以上。

Description

电扫描器及激光加工机

技术领域

本发明涉及对被写入介质进行光写入的电扫描器及激光加工机，特别涉及将绕轴配置并在该轴的圆周方向上分为多极的永久磁铁作为转子使用的电扫描器、以及具备该电扫描器的激光加工机。

背景技术

进行印刷电路板的孔加工的装置大致分为利用钻头进行开孔的钻头加工机和利用激光束进行开孔的激光加工机。另一方面，近年来，印刷电路板多层化，元件等的安装孔或层件连接孔变得高密度，平均一张电路板的孔数有增加的倾向。因此，开孔机从钻头加工机向激光加工机不断发展。并且，在激光加工机中谋求伴随孔数增加产生的开孔速度的高速化。

通常，在激光加工机中，如图26所示，通过电扫描器1对从激光光源110射出的激光111进行偏转扫描，利用fθ透镜112使其聚光于印刷电路板113上进行开孔。此时，为了应对上述开孔速度的高速化，需要使电扫描器1的响应速度高速化，为了使电扫描器1的响应速度高速化，需要使流过线圈的电流增加。但是，当使流过线圈的电流增加时，在线圈中产生的焦耳热也增大。另外，电扫描器1在轴的一端安装有电流镜100，激光111通过该电流镜100的摆动而偏转，并在印刷电路板113上进行扫描。

线圈产生的焦耳热经由空隙传递至作为转子使用的永久磁铁，永久磁铁的温度上升。并且，在高速响应的情况下，流过永久磁铁的涡电流也增大，因此，永久磁铁的温度进一步上升。因这些温度上升，使得永久磁铁退磁，旋转转矩减小。其结果为，驱动时的消耗电力增大。即，无法避免电扫描器驱动时的消耗电力伴随响应频率的高速化而上升的问题。

因此，例如在专利文献1至3提出了抑制这种消耗电力的上升的技术。其中，在专利文献1中，为了降低构成旋转磁场的永久磁铁的表面所产生的涡电流，公开了一种永久磁铁式旋转电机的转子的发明，该转子在固定于旋转轴的转子铁芯上方具有由含有铁成分的永久磁铁构成的旋转磁场，其特征在于，上述旋转磁场由在上述旋转轴的轴线方向上排列的多个分割永久磁铁单元构成，在相邻的两个上述分割永久磁铁单元的相邻的端面间跨越该相邻的两个分割永久磁铁单元配置有阻止涡电流流过的电绝缘层。

并且，在专利文献2中，为了抑制可动磁铁式致动器中的永久磁铁的温度上升，防止孔位置精度的恶化，公开了一种摆动致动器装置的发明，该摆动致动器装置具备：由旋转轴和绕该旋转轴配置的永久磁铁构成的可动件；绕该可动件配置并由线圈和磁轭构成的固定件；以及收纳上述可动件和上述固定件的壳体，使上述可动件在预先确定的角度范围内摆动，其特征在于，在上述永久磁铁中形成有径向的槽，该槽开口于上述固定件侧，深度为由上述永久磁铁的体积电阻率、导磁率和通到上述线圈的电流的基本频率的函数表示的表皮深度以上。

另外，在专利文献3中，为了使扫描器的转矩常数均匀化并实现定位精度的提高，公开了一种扫描器的发明，该扫描器具备：转子，其具有轴和安装于该轴的外周侧的永久磁铁；以及定子，其配置于转子的外侧，该定子具有外壳、保持于外壳的内周侧的磁轭、以及配置于磁轭的内周侧的线圈，其特征在于，上述转子的永久磁铁在外周部形成有沿半径方向凹进的槽，通过该槽使扫描器的转矩常数在周向上均匀化。

【专利文献1】日本特开平11-252835号公报

【专利文献2】日本特开2008-43133号公报

【专利文献3】日本特开2007-6626号公报。

这样，在专利文献1中，在相邻的两个分割永久磁铁单元的相邻的端面间跨越这两个分割永久磁铁单元配置有阻止涡电流流过的电绝缘层，并且，在专利文献2中，记载了在永久磁铁中形成径向的槽来一起抑制涡电流的产生的技术，在专利文献3中仅记载了与周向的转矩常数的均匀化相关的技术。无论哪一个都是试图实现消耗电力的降低，但为了实现消耗电力的降低，电扫描器的转矩常数与惯性力矩之比成为问题。

但是，在专利文献1至3记载的发明中，对于转矩常数与惯性力矩之比没有特别加以考虑。

发明内容

因此，本发明要解决的课题在于，提高转矩常数与惯性力矩之比，减小驱动所需的电流从而降低驱动时的消耗电力。

为了解决上述课题，第一方面的电扫描器具有：转子，其由作为旋转中心的轴、和绕该轴配置并在该轴的圆周方向上分为多个极的永久磁铁构成；以及定子，其由隔着空隙配置于上述转子的外侧的线圈、磁轭以及外壳构成，转子在预定的角度范围内摆动，其特征在于，上述永久磁铁通过分割线每一极分割为2个以上。

第二方面所述的电扫描器在第一方面中，其特征在于，在上述永久磁铁中，跨越在周向上相邻的永久磁铁的磁极形成有旋转轴方向的槽。

第三方面所述的电扫描器在第二方面中，其特征在于，当从与上述轴的轴线方向正交的方向剖开上述永久磁铁时，上述分割线为直线。

第四方面所述的电扫描器在第二方面中，其特征在于，当从与上述轴的轴线方向正交的方向剖开上述永久磁铁时，上述分割线为向上述轴侧凸出的凸状。

第五方面所述的电扫描器在第三或第四方面中，其特征在于，在上述电扫描器的摆动范围内，上述槽始终位于与未卷绕上述线圈的中空部对置的部位。

第六方面所述的电扫描器在第一至第五方面的任一方面中，其特征在于，上述分割线具有直线形状的剖面。

第七方面所述的电扫描器在第一至第五方面的任一方面中，其特征在于，上述分割线具有向上述轴侧凸出的折线形状的剖面。

第八方面所述的电扫描器在第一至第五方面的任一方面中，其特征在于，上述分割线具有沿周向分割上述永久磁铁的一根以上的直线形状的剖面。

第九方面所述的电扫描器在第一至第五方面的任一方面中，其特征在于，上述分割线包括沿周向分割上述永久磁铁的两根分割线和沿径向分割上述永久磁铁的分割线。

第十方面所述的电扫描器在第一至第五方面的任一方面中，其特征在于，上述分割线包括沿周向分割上述永久磁铁的分割线和沿径向分割上述永久磁铁的折线形状的分割线。

第十一方面所述的激光加工机的特征在于，该激光加工机具备第一至第十方面中的任一方面所述的电扫描器。

根据本发明，永久磁铁通过分割线每一极分割为2个以上，因此，能够提高转矩常数与惯性力矩之比，减小驱动所需的电流从而降低驱动时的消耗电力。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1的电扫描器的结构的横剖视图。

图2是图1所示的电扫描器的纵剖视图。

图3是转子的立体图。

图4是剖开定子内部进行表示的立体图。

图5是表示有分割线但没有槽的情况下的转子的主要部分结构的剖视图。

图6是表示分割线和槽都设置的情况下的转子的主要部分结构的剖视图。

图7是表示实施例1中的涡电流损失降低率的特征图。

图8是表示用于说明永久磁铁角度的转子的主要部分结构的剖视图。

图9是表示用于说明槽角度的转子的主要部分结构的剖视图。

图10是表示槽角度为90度时的永久磁铁角度与转矩惯量比的关系的特征图。

图11是表示永久磁铁角度为60度时的槽角度与转矩惯量比的关系的特征图。

图12是表示用于说明分割线的厚度的转子的主要部分结构的剖视图。

图13是表示分割线的厚度与涡电流损失降低率的关系的图。

图14是使分割线为折线形状的实施例1的变形例的电扫描器的横剖视图。

图15是表示图14中的转子的主要部分结构的剖视图。

图16是表示实施例1的变形例的电扫描器的涡电流损失降低率的图。

图17是实施例2的电扫描器的横剖视图。

图18是表示图17中的转子的主要部分结构的剖视图。

图19是表示实施例2的电扫描器的涡电流损失降低率的图。

图20是实施例3的电扫描器的横剖视图。

图21是表示图20中的转子的主要部分结构的剖视图。

图22是表示实施例3的电扫描器的涡电流损失降低率的图。

图23是实施例4的电扫描器的横剖视图。

图24是表示图23中的转子的主要部分结构的剖视图。

图25是表示实施例4的电扫描器的涡电流损失降低率的图。

图26是表示使用以往实施的电扫描器的激光加工机的概要结构的图。

附图标记说明

1电扫描器；10轴；11永久磁铁；12空隙；13线圈；14磁轭；15外壳；20转子；30定子；60、61、62分割线；100电流镜；110激光光源；111激光；112 fθ透镜。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施方式的各实施例。

[实施例1]

图1是表示本实施方式的实施例1的电扫描器的结构的横剖视图，图2是纵剖视图，图3是转子的立体图，图4是剖开定子内部进行表示的立体图。

电扫描器1具备图3所示的转子20和图4所示的定子30，如图1和图2所示，在定子30的内侧配置有转子20，转子20在转子20的轴10的两端部侧经由轴承101以能够旋转的方式支承于定子30。并且，转子20由轴10和永久磁铁11构成，定子30由线圈13、磁轭14和外壳15构成。由此，如图1和图2所示，对于电扫描器1，从电扫描器1的内侧，以轴10、永久磁铁11、空隙12、线圈13、磁轭14、外壳15的顺序进行配置。

如图2所示，转子20绕作为旋转轴的轴10具有自由度，在轴10的一端安装有反射镜100，在轴10的另一端安装有检测反射镜100的旋转角度的编码器102。另外，轴承101安装于外壳15，在外壳15的两端部将轴10支承为能够转动。

在图1中，永久磁铁11由铁素体、钐钴、钕类等金属类永久磁铁构成，外周表面的磁极分别如图1所示配置有N极和S极，相邻的各个永久磁铁11表面的磁极的极性互不相同。在该永久磁铁11中，沿着永久磁铁11的旋转轴方向跨越在周向上相邻的永久磁铁11的磁极形成有槽50。该槽50在轴10的圆周方向上形成有多个。在图1中，在周向上形成有4个。各槽50如后述的图9所示以切入角θ沿着轴向延伸。附带说一下，在图1的示例中，切入角θ是90度。

在本实施例中，使用了4极的情况，因此，线圈13与永久磁铁11的磁极的数量对应，在周向上以90度间隔配置在四处，如图4所示卷绕线圈13，流过电流6。即，在图1中，线圈13朝向纸面向垂直方向卷绕来使电流流过，该方向与在周向上离开±90度的线圈13彼此相反。

在作为本发明的特征的永久磁铁11中，以跨越在周向上相邻的永久磁铁11的磁极的方式如上所述在旋转轴方向上形成有4个槽50，该槽50使转矩常数与惯性力矩之比（转矩惯量比）提高。并且，在电扫描器1的摆动范围内未卷绕线圈13的部分即线圈中空部17和槽50始终面对。

并且，如图1所示，在永久磁铁11中，关于各磁极设置有分割线60。分割线60在分别与夹着磁极的槽50正交的方向上形成。分割线60像没有槽50且永久磁铁11形成为圆柱形状时的弦那样与轴10平行地设置，以弦的两端到达两侧的槽50的方式，在径向上分割永久磁铁11。即，形成为分割后的永久磁铁11彼此经由构成分割线60的粘接层双方结合的结构。

这里，比较设置有该槽50的情况与未设置该槽50的情况的涡电流损失降低率以及转矩常数与惯性力矩之比（转矩惯量比）。图7是表示涡电流损失降低率的特征图，横轴表示分割线60相对于永久磁铁11的厚度90的位置，纵轴表示涡电流损失降低率。另外，厚度90如未形成图5的槽50的情况下的主要部分剖视图所示，是从轴10的外周到永久磁铁11的外周为止的距离，分割线60的位置是从轴10的外周到分割线60的中心线80为止的距离。在图7中，表示了轴10的直径为8mm，分割线60的厚度为0.1mm，永久磁铁11的厚度为轴10的半径的0.7倍、1.45倍时的相对于没有分割线60和槽50的情况的涡电流损失的降低率。另外，横轴的分割线60的位置是从轴10到分割线60的距离91相对于永久磁铁的厚度90的比例，距离91是到分割线的中心线80为止的距离。该分割线60的位置在7.5%～95%的范围中能够进行分割线60的制作。

其结果为，即便永久磁铁11的厚度90不同，无论分割线60的位置在什么位置，涡电流损失的降低率都超过20%，无论在什么情况下，与没有槽50和分割线60的情况相比，都能够降低涡电流损失。并且，无论永久磁铁11的厚度90是多少，在分割线60 的位置为50%左右时涡电流损失降低率都最高。

接着，使用图5和图6比较有槽50的情况和没有槽50的情况。图5是在转子20中有分割线60但没有槽50的情况，图6是分割线60和槽50都设置的情况的例子。在永久磁铁11的直径为19.6mm、轴径为8mm的情况下，在分割线位置为厚度的77.4%时，如图6所示，分割线60的中心线80通过槽50的端点51。这里，若设槽50的角度（切入角）θ（参照图9）为90度，永久磁铁11的角度φ（参照图8）为60度，则如图7所示，相对于无槽50的情况的涡电流损失降低率47%，有槽50的情况的涡电流损失降低率有56%和大约10%的效果。

这里，对转矩常数与惯性力矩之比即转矩惯量比进行研究。在图8中，φ表示磁铁角度，δ表示线圈卷绕角度，在图9中，θ表示槽10的角度。图10是表示设槽角度θ为90度时的永久磁铁11的角度φ与转矩惯量比的关系的特征图。从该图可知，在槽角度θ为90度且分割线60的厚度为0.1mm以下的情况下，转矩惯量比最大，降低1.5%左右，因此，当估计该量时，只要转矩惯量比为1.015以上，就能够防止因分割产生的转矩惯量比的降低。由此，在分割的厚度为0.1mm以下的情况下，永久磁铁角度φ在58度到72度的范围，转矩惯量比实质上为1以上。因此，只要永久磁铁角度φ在58度到72度的范围，从转矩惯量比方面来看就能够削减消耗电力。优选在65度附近能够得到最大的转矩惯量比。这意味着，只要永久磁铁角度φ为58度到72度，就能够削减消耗电力，若永久磁铁角度φ选择65度附近，则消耗电力的削减效果最大。另外，在图8的例子中，线圈卷绕角度δ也是60度。

图11是表示永久磁铁角度φ固定为60度时的槽50的角度θ与转矩惯量比的关系的特征图。从该图可知，在分割线60的厚度为0.1mm以下的情况下，由于与上述相同的理由，使得只要转矩惯量比为1.015以上，就能够防止因分割产生的转矩惯量比的降低。由此，在分割的厚度为0.1mm以下的情况下，槽角度θ在85度到155度的范围，转矩惯量比实质上为1以上。因此，只要槽角度θ在85度到155度的范围，从转矩惯量比方面来看就能够削减消耗电力。优选在120度附近能够得到最大的转矩惯量比。这意味着，只要槽角度θ为85度至155度，就能够削减消耗电力，若槽角度θ选择120度附近，则消耗电力的削减效果最大。

并且，图12表示与上述条件相同即永久磁铁11的直径为19.6mm、轴径为8mm、分割线位置为厚度的77.4%的情况下的分割线60的厚度t，图13表示使如图12所示的分割线60的厚度t变化的情况下的涡电流损失降低率。该例子表示分割线60的厚度t为假设的厚度即0.05mm、0.10mm、0.15mm和0.20mm时的涡电流损失降低率，从图13可知，涡电流损失降低率处于55～57%的范围内，在上述分割线60的厚度t的范围中，涡电流损失降低率相等。另外，通过该厚度t，分割线60成为剖面具有宽度的直线形状。在后述的实施例2至4中也同样。

因此，只要以上述范围组合永久磁铁角度φ和槽角度θ就能够高效地削减消耗电力，此时，分割线60的厚度t在假设的厚度范围内相等，因此不需要特别考虑。

因此，进一步研究分割线的形状。

图14是折线形状的分割线61的情况下的电扫描器的横剖视图，图15是图14的主要部分放大图，图16是表示图14和图15所示的形状的涡电流损失降低率的图，是上述例子的变形例。另外，能够形成分割线61的折线的中心角即分割开角α为102度到180度的范围。这是因为，在小于102度时，V字的末端与轴10发生干涉而无法形成V字，当为180度时，由于与直线的分割线60相同，因此失去了折线的意义。因此，若计算当分割开角α的范围在102度到180度的范围振荡，距轴的分割线切入位置93为77.4%，永久磁铁直径为19.6mm，轴径为8mm，分割线的厚度为0.1mm时的涡电流损失降低率，则成为图16所示。

从图16所示的结果可知，无论分割开角α的角度为任何情况，都能得到50%以上的涡电流损失降低率。并且，优选分割开角α为120度时涡电流损失降低率为73%，在折线形状的分割线61的情况下，若将分割开角α设定为120度附近，则最高效。

这样能够实现转矩常数与惯性力矩之比即转矩惯量比的提高和消耗电力的降低的理由如下。

即，在动磁铁方式的电扫描器1中，旋转转矩取决于流过线圈13的电流和与线圈13交链的磁通。通过电扫描器1的永久磁铁11和线圈13产生磁通，与线圈13交链的磁通线主要是与线圈13面对的永久磁铁部分的磁通。另一方面，与未卷绕线圈13的部分（线圈中空部17）面对的永久磁铁部分的磁通不与线圈13交链，因此对转矩的帮助比较小。因此，通过除去与线圈中空部17面对的永久磁铁11，能够提高转矩常数与惯性力矩之比即转矩惯量比。为此，在本发明中，在永久磁铁11的外周的轴向，在该永久磁铁的磁极相邻的部位跨越该磁极地形成有槽。由此，能够减小驱动时所需的线圈电流，因此能够降低驱动时的消耗电力。

【实施例2】

本实施例2是通过沿半径方向延伸的分割线62在周向上分割永久磁铁11的实施例。图17是实施例2的电扫描器的横剖视图，图18是图17的主要部分放大图，图19是表示图17和图18所示的实施例2的涡电流损失降低率的图。

这里，在分割线的厚度为0.1mm、永久磁铁直径为19.6mm、轴径为8mm的情况下，分割线62彼此所成的角β在44度和94度的情况下在相邻的永久磁铁的边界部分独立，是永久磁铁存在的界限。因此，上述角β可以在44度＜β＜94度的范围设定。这意味着在上述范围能够进行永久磁铁11的分割。因此，若在上述条件下计算β=44、60、94时的涡电流损失降低率，则如图19所示。根据该计算结果可知，在该实施例的情况下，涡电流损失降低率是37%以上，当分割线62彼此所成的角β为94度时最大，为65%。因此，在像实施例2这样分割永久磁铁11的情况下，当分割线62彼此所成的角β为94度时，最高效。

除此之外，没特别说明的各部分是与实施例1相同的结构，具有相同的功能，因此省略重复的说明。

【实施例3】

本实施例3通过沿半径方向延伸的分割线62在周向上分割永久磁铁11，另外在径向上利用直线的分割线60进行分割，可以说是组合了实施例1和实施例2的例子。图20是实施例3的电扫描器的横剖视图，图21是表示图20的主要部分放大图，图22是表示图20和图21所示的实施例3的涡电流损失降低率的图。

在本实施例3中，也是与实施例1和2同样在永久磁铁直径为19.6mm、轴径为8mm、分割线的厚度为0.1mm的条件下，分割线62彼此所成的角β与实施例2同样在44度到94度之间能够进行周向的永久磁铁11的分割。图22是在该角度范围中将沿径向分割永久磁铁11的分割线60固定来计算涡电流损失降低率的结果。根据该计算结果可知，在实施例3的情况下，涡电流损失降低率为70%以上，最大为82%。因此，在像实施例3这样分割永久磁铁11的情况下，在固定了分割线60的基础上，分割线62彼此所成的角β为94度时最高效。

除此之外，没特别说明的各部分是与实施例1和2相同的结构，具有相同的功能，因此省略重复的说明。

【实施例4】

本实施例4是相对于实施例3将沿径向分割永久磁铁11的直线的分割线形成为折线的分割线61的例子。该实施例4可以说是组合了实施例1的变形例和实施例3的例子。图23是实施例4的电扫描器的横剖视图，图24是图23的主要部分放大图，图25是表示图23和图24所示的实施例4的涡电流损失降低率的图。

在本实施例4中，也是与实施例1和2同样在永久磁铁直径为19.6mm、轴径为8mm、分割线的厚度为0.1mm的条件下，分割线62彼此所成的角β与实施例2同样在44度到94度之间能够进行周向的永久磁铁11的分割。图25是在该角度范围中，将距轴10的分割切入位置93和分割线61的分割开角α固定在120度来计算涡电流损失降低率的结果。根据该计算结果可知，在实施例4的情况下，涡电流损失降低率为78%以上，最大为80%。因此，在像实施例4这样分割永久磁铁11的情况下，在固定了分割线61的分割切入位置93和分割开角α的基础上，分割线62彼此所成的角β为60度时最高效。

除此之外，没特别说明的各部分是与实施例1和2相同的结构，具有相同的功能，所以省略重复的说明。

如上所述，根据本实施方式，能够提高电扫描器的转矩常数与惯性力矩之比，由此，驱动所需的电流变小，能够降低驱动时的消耗电力。同时能够降低永久磁铁产生的涡电流。由此，能够抑制伴随驱动时产生的消耗电力的永久磁铁的温度上升。

另外，本发明不限于上述的实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变形，权利要求书记载的技术思想所包含的所有技术事项都是本发明的对象。上述各实施例分别表示优选实施方式，但对于本领域技术人员来说，从本说明书公开的内容来看，能够实现各种替代例、修改例、变形例或改进例，这些包含在所附权利要求规定的范围中。

Claims (9)

1.一种电扫描器，该电扫描器具有：转子，其由作为旋转中心的轴、和绕该轴配置并在该轴的圆周方向上分为多个极的永久磁铁构成；以及定子，其由隔着空隙配置于上述转子的外侧的线圈、磁轭以及外壳构成，转子在预定的角度范围内摆动，其特征在于，

上述永久磁铁通过分割线每一极分割为2个以上，

在上述永久磁铁中，跨越在周向上相邻的永久磁铁的磁极形成有旋转轴方向的槽，

在上述电扫描器的摆动范围内，上述槽始终位于与未卷绕上述线圈的中空部对置的部位。

2.根据权利要求1所述的电扫描器，其特征在于，

当从与上述轴的轴线方向正交的方向剖开上述永久磁铁时，上述分割线为直线。

3.根据权利要求1所述的电扫描器，其特征在于，

当从与上述轴的轴线方向正交的方向剖开上述永久磁铁时，上述分割线为向上述轴侧凸出的凸状。

4.根据权利要求1至3的任一项所述的电扫描器，其特征在于，

上述分割线具有直线形状的剖面。

5.根据权利要求1至3的任一项所述的电扫描器，其特征在于，

上述分割线具有向上述轴侧凸出的折线形状的剖面。

6.根据权利要求1至3的任一项所述的电扫描器，其特征在于，

上述分割线具有沿周向分割上述永久磁铁的一根以上的直线形状的剖面。

7.根据权利要求1至3的任一项所述的电扫描器，其特征在于，

上述分割线包括沿周向分割上述永久磁铁的两根分割线和沿径向分割上述永久磁铁的分割线。

8.根据权利要求1至3的任一项所述的电扫描器，其特征在于，

上述分割线包括沿周向分割上述永久磁铁的分割线和沿径向分割上述永久磁铁的折线形状的分割线。

9.一种激光加工机，其特征在于，该激光加工机具备权利要求1至8中的任一项所述的电扫描器。