DE102007037183A1

DE102007037183A1 - Schwenkaktor und Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102007037183A1
Application number: DE102007037183A
Authority: DE
Inventors: Souichi Ebina Toyama; Kounosuke Ebina Kitamura; Akira Hitachinaka Doi; Hiromu Nagoya Hirai; Kenta Nagoya Seki; Kano Nogoya Yoshiaki
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC; Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC; Hitachi Via Mechanics Ltd
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2008-02-14
Also published as: KR20080013784A; CN101123372A; US20080036309A1; JP2008043133A; US7629714B2

Abstract

Ein Schwenkaktor und eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die einen Temperaturanstieg eines Permanentmagneten in einem Bewegungsmagnetaktor unterdrücken können. Selbst wenn ein lenkbarer Spiegel durch schnelle und kontinuierliche Bewegungen positioniert wird, kann eine sehr zuverlässige Bearbeitung durchgeführt werden, ohne den Bearbeitungsdurchsatz oder die Lochpositionsgenauigkeit zu verschlechtern. Ein Kühlmantel zum Kühlen eines Gehäuses und Wärmeübertragungseinheiten, die mit einer Spule und dem Gehäuse in Kontakt gebracht sind, sind vorgesehen. In der Spule erzeugte Wärme wird in das Gehäuse durch die Wärmeübertragungs-Umleiteinheiten eingeführt. Folglich wird der Temperaturanstieg der Spule unterdrückt. Radiale Nuten sind im Permanentmagneten gegenüber der Spule vorgesehen, um zu verhindern, dass ein Wirbelstrom darin erscheint. Die Nuttiefe ist nicht kleiner als die Hauttiefe gemacht, die durch eine Funktion des spezifischen elektrischen Volumenwiderstandes und die Permeabilität des Permanentmagneten und eine Grundfrequenz eines an die Spule angelegten Stroms ausgedrückt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schwenkaktor, der eine Spule als Stator verwendet und einen Permanentmagneten als bewegliches Element verwendet, das an einer Drehwelle befestigt ist, um das bewegliche Element innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Winkeln zu schwenken bzw. hin- und her zu bewegen, und auf eine Laserbearbeitungsvorrichtung unter Verwendung eines solchen Schwenkaktors.
Eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Laserbohren einer gedruckten Leiterplatte in einem Prozess zu ihrer Herstellung benötigt einen Positionierungssteuermechanismus, um mehrere Bearbeitungspositionen in einem Werkstück nacheinander mit einem Laserstrahl zu bestrahlen. Häufig wird ein optischer Abtaster verwendet, um einen hohen Bearbeitungsdurchsatz und eine hohe Genauigkeit zu erreichen. Der optische Abtaster ist aus einem Schwenkaktor und einer Servosteuereinheit gebildet. Der Schwenkaktor umfasst einen lenkbaren Spiegel, der als Lastelement dient und an einer Drehwelle davon befestigt ist. Die Servosteuereinheit steuert den Spiegel so, dass der Winkel des Spiegels einem Befehlswert folgen kann.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung dient gewöhnlich als System mit numerischer Steuerung (NC) mit einer hierarchischen Steuerstruktur. Der optische Abtaster gehört zur niedrigsten Klasse in der Hierarchie. In einer Steuereinheit einer höheren Klasse (nachstehend als "Überwachungssteuereinheit" bezeichnet) werden auf der Basis von CAM-Daten (Daten für computergestützte Fertigung) einer gedruckten Leiterplatte zweidimensionale Positionskoordinaten von Löchern in einem NC-Programm in der Reihenfolge der Zeit beschrieben, zu der die Löcher bearbeitet werden sollten. Wenn die Bearbeitung gestartet wird, transformiert die Überwachungssteuereinheit die Lochpositionskoordinaten im NC-Programm nacheinander und überträgt Zeitreihen-Winkelbefehlsdaten zum optischen Abtaster. Um ein rundes Loch in der gedruckten Leiterplatte auszubilden, ist es erforderlich, die gedruckte Leiterplatte mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, nachdem der lenkbare Spiegel in einem durch die Winkelbefehlsdaten befohlenen Winkel stehen geblieben ist. Daher werden die Übertragung der Winkelbefehlsdaten und die Steuerung der Bestrahlung mit dem Laserstrahl in der Überwachungssteuereinheit synchron durchgeführt. Der optische Abtaster arbeitet zum genauen Positionieren des Winkels des lenkbaren Spiegels entsprechend den Winkelbefehlsdaten. Das Patentdokument 1 offenbart ein Verfahren zum Optimieren der Laserbohrreihenfolge, um den Durchsatz einer Laserbearbeitungsvorrichtung unter Verwendung des optischen Abtasters zu verbessern.
Elektromagnetische Aktoren werden häufig als Schwenkaktoren verwendet. Die elektromagnetischen Aktoren sind als Bewegungsspulenaktoren oder Bewegungsmagnetaktoren kategorisiert. In einem Bewegungsspulenaktor wird ein Magnetfeld in einem Luftspalt zwischen einem Permanentmagneten eines Stators und einem Joch erzeugt und ein Antriebsdrehmoment, das im Magnetfeld durch eine sich bewegende Spule gemäß der Linken-Hand-Regel von Fleming erzeugt wird, wird auf eine Drehwelle übertragen. In einem Bewegungsmagnetaktor, der eine Spule als Stator verwendet und einen Permanentmagneten als bewegliches Element verwendet, wird ein Antriebsdrehmoment, das durch die Reaktion der Linken-Hand-Regel von Fleming erzeugt wird, vom Permanentmagneten empfangen und auf eine Drehwelle übertragen. Die Patentschriften 2 und 3 offenbaren Verfahren über Bewegungsmagnetaktoren. Die Patentschrift 4 offenbart ein Verfahren über einen Bewegungsspulenaktor. In diesen Aktoren werden Magnete auf Seltenerdbasis wie z. B. Neodym-Eisen-Bor-Magnete mit einer hohen Resfflussdichte und einer hohen Koerzitivkraft als Materialien von Permanentmagneten verwendet, um das Positionierungsreaktionsvermögen zu verbessern. Die Nicht-Patentschrift 1 offenbart eine Entmagnetisierungskurve, einen Temperaturcharakteristikkoeffizienten usw. eines Neodym-Eisen-Bor-Magneten.
Die Patentschrift 5 offenbart ein Verfahren über einen Motor mit einem Rotor, der mit einem Permanentmagneten versehen ist. Um im Motor einen Wirbelstromverlust zu verringern, der im Permanentmagneten erzeugt werden kann, ist der Permanentmagnet axial oder auf dem Umfang in eine Mehrzahl aufgeteilt und Isolatoren sind zwischen den aufgeteilten Permanentmagneten vorgesehen.

Patentschrift 1: JP-A-2003-245843
Patentschrift 2: JP 3199813
Patentschrift 3: JP-T-2003-522968
Patentschrift 4: JP-A-2005-348462
Patentschrift 5: JP-A-2005-354899
Nicht-Patentschrift 1: Hi-Dong Chai, Electromechanical Motion Devices, Kap. 8, Prentice-Hall, 1998

Das Positionierungsreaktionsvermögen des optischen Abtasters, d. h. die Frequenz von möglichen Positionierungsbewegungen pro Einheitszeit, ist ein wesentlicher Faktor beim Beeinflussen des Durchsatzes der Laserbearbeitungsvorrichtung. Unter Verwendung des Verfahrens zum Optimieren der Reihenfolge der Bearbeitung, wie im Patentdokument 1 offenbart, kann die Frequenz von Positionierungsbewegungen mit kurzem Hub erhöht werden. Folglich kann der Durchsatz verbessert werden. In diesem Fall führt der optische Abtaster die Positionierungsbewegungen mit kurzem Bewegungsabstand mit hoher Geschwindigkeit durch. Folglich wiederholt der optische Abtaster den Zyklus mit maximaler Beschleunigung, maximaler Verlangsamung und Anhalten. Die Laserbestrahlung nach dem Anhalten des lenkbaren Spiegels endet in einer kurzen Zeit. Die Zeit, zu der der Wert des Spulenstroms 0 [A] ist, ist folglich kurz, was einen großen Kupferverlust verursacht. Das heißt, Joule-Wärme wird durch den an die Spule angelegten Strom erzeugt. Wenn die Wärme auf den Permanentmagneten übertragen wird, wird der Permanentmagnet entmagnetisiert, wie im Nicht-Patentschrift 1 beschrieben. Insbesondere Neodym-Eisen-Bor-Magnete weisen einen großen Temperaturkoeffizienten der reversiblen Entmagnetisierung im Vergleich zu jenen von anderen Magnetmaterialien auf. Die Neodym-Eisen-Bor-Magnete fallen alle 10°C Temperaturanstieg um 1,2 [%] in der Restflussdichte und um 6 [%] in der Koerzitivkraft. Folglich fällt die Verstärkung der Rückkopplungsschleife, die sich an der Servosteuerung beteiligt, ab, so dass die vorübergehende Reaktion wie z. B. ein Überschwingen in der Einschwingbewegung des lenkbaren Spiegels erscheint. Folglich wird die zur Positionierung erforderliche Zeit verlängert.
Ein Wirbelstromverlust verursacht auch einen Temperaturanstieg des Permanentmagneten. Wenn der Zyklus mit maximaler Beschleunigung, maximaler Verlangsamung und Anhalten wiederholt wird, wie vorstehend beschrieben, wird ein Strom, der eine Hochfrequenzkomponente enthält, an die Spule angelegt. Wenn der Strom in einer Impulsbreitenmodulations-Betriebsart geliefert wird, sind Frequenzmodulationskomponenten im Strom enthalten. Der durch die Spule gebildete Magnetfluss ändert sich gemäß diesen Wechselstromkomponenten. Folglich erscheint der Wirbelstrom im Permanentmagneten gegenüber der Spule, so dass die Temperatur des Permanentmagneten auf Grund der durch den Wirbelstrom er zeugten Joule-Wärme ansteigt. Daher ist eine Kühlung wesentlich, um ein hohes Positionierungsreaktionsvermögen im Schwenkaktor zu erhalten.
Das Patentdokument 2 offenbart ein Verfahren zum Übertragen von Wärme von einer Spule auf eine Struktur außerhalb eines Aktors durch ein Gehäuse. Das Patentdokument 3 offenbart ein Verfahren zum Vorsehen eines Wärmeableiters und eines Kühlgebläses außerhalb eines Aktors. Ein Bewegungsmagnetaktor besitzt ein Joch als Teil, der einen Stator bildet. Das Joch ist außerhalb einer Spule vorgesehen, so dass das Joch einen Magnetfluss übertragen kann. Da das Joch aus einem Material auf Eisenbasis ausgebildet ist, besitzt das Joch eine schlechte Wärmeleitung. Die Patentschriften 2 und 3 offenbaren jedoch kein Verfahren zum Beheben der schlechten Wärmeleitung des Jochs. Das Patentdokument 4 offenbart kein Verfahren, um die Wärme der Spule des Bewegungsmagnetaktors auszulassen.
Ferner ist in dem Verfahren, das im Patentdokument 5 offenbart ist, der am Rotor zu befestigende Permanentmagnet axial unterteilt. Daher besteht eine Befürchtung, dass sich die Torsionssteifigkeit des Rotors verschlechtern kann. Wie in der Einleitung beschrieben, wird der Winkel des beweglichen Elements im Schwenkaktor servogesteuert. Folglich wird die Servosteuerungsbandbreite durch eine Eigenfrequenz der Torsionsschwingung des beweglichen Elements beeinflusst. Das heißt, wenn die Torsionssteifigkeit niedrig ist, wird die Eigenfrequenz auch niedrig. Um die Rückkopplungsschleife der Servosteuerung stabil zu halten, ist es daher erforderlich, die Servosteuerungsbandbreite zu verschmälern. Wenn die Servosteuerungsbandbreite verschmälert wird, entsteht ein Problem, dass das Positionierungsreaktionsvermögen begrenzt werden kann oder sich die Positionierungsgenauigkeit auf Grund einer Störung wie z. B. Reibung, die auf das bewegliche Element wirkt, leicht verschlechtern kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorangehenden Probleme der Verfahren des Standes der Technik zu lösen und einen Schwenkaktor und eine Laserbearbeitungsvorrichtung zu schaffen, bei denen ein Temperaturanstieg eines Permanentmagneten in einem Bewegungsmagnetaktor unterdrückt werden kann und beispielsweise, selbst wenn ein lenkbarer Spiegel durch schnelle und kontinuierliche Bewegungen positioniert wird, eine sehr zuverlässige Bearbeitung durchgeführt werden kann, ohne den Bearbeitungsdurchsatz oder die Lochpositionsgenauigkeit zu verschlechtern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Schwenkaktor nach einem der Ansprüche 1 und 3 bzw. durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Untersansprüchen angegeben.
Eine erste Konfiguration der vorliegenden Erfindung schafft einen Schwenkaktor mit einem beweglichen Element, das eine Drehwelle und einen Permanentmagneten, der um die Drehwelle angeordnet ist, umfasst, einem Stator, der um das bewegliche Element angeordnet ist und eine Spule und ein Joch umfasst, und einem Gehäuse, das das bewegliche Element und den Stator schützt, wobei das bewegliche Element innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Winkeln geschwenkt wird. Der Schwenkaktor ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeübertragungs-Umleiteinheit vorgesehen ist und die Spule und das Gehäuse durch die Wärmeübertragungs-Umleiteinheit thermisch verbunden sind.
Eine zweite Konfiguration der vorliegenden Erfindung schafft einen Schwenkaktor mit einem beweglichen Element, das eine Drehwelle und einen Permanentmagneten, der um die Drehwelle angeordnet ist, umfasst, einem Stator, der um das bewegliche Element angeordnet ist und eine Spule und ein Joch umfasst, und einem Gehäuse, das das bewegliche Element und den Stator schützt, wobei das bewegliche Element innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Winkeln geschwenkt wird. Der Schwenkaktor ist dadurch gekennzeichnet, dass, eine radiale Nut oder radiale Nuten im Permanentmagneten so ausgebildet ist/sind, dass sie in Richtung des Stators mündet/münden und eine Tiefe aufweist/aufweisen, die nicht kleiner ist als eine Hauttiefe, die durch eine Funktion des spezifischen elektrischen Widerstandes, der Permeabilität des Permanentmagneten und der Grundfrequenz eines an die Spule angelegten Stroms ausgedrückt wird.
Eine dritte Konfiguration der vorliegenden Erfindung schafft eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Schwenkaktor gemäß der ersten oder der zweiten Konfiguration umfasst.
Gemäß der ersten Konfiguration kann der Temperaturanstieg der Spule unterdrückt werden. Folglich kann der Temperaturanstieg des Permanentmagneten unterdrückt werden. Gemäß der zweiten Konfiguration kann der Wirbelstromverlust, der im Permanentmagneten auftreten kann, verringert werden. Außerdem kann eine Abnahme der Eigenfrequenz der Torsionsschwingung unterdrückt werden. Folglich kann ein stabiles Positionierungsreaktionsvermögen im Schwenkaktor erhalten werden.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der folgenden genauen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die auf die Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:
1 ist eine vordere Schnittansicht eines Bewegungsmagnet-Schwenkaktors gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Schnittansicht eines Magnetkreisabschnitts in 1;
3A, 3B sind Ansichten, die eine Form eines Spulenelements zeigen;
4 ist ein schematisches Diagramm, das einen vereinfachten Wärmeübertragungsweg des Schwenkaktors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist ein schematisches Diagramm einer Wellenform eines an die Spule anzulegenden Stroms; und
6A, 6B sind Ansichten, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
1 ist eine vordere Schnittansicht eines Bewegungsmagnet-Schwenkaktors gemäß der vorliegenden Erfindung und 2 ist eine Schnittansicht eines Magnetkreisabschnitts in 1.
Ein lenkbarer Spiegel 10 ist an einem Endabschnitt einer Drehwelle 20 mit einer Spiegelhalterung 11 befestigt. Die Drehwelle 20 ist durch ein Kugellager 21 und ein Kugellager 25 abgestützt, so dass sanfte Schwingbewegungen durchgeführt werden können.
Das Kugellager 21 und das Kugellager 25 sind in einem Lagergehäuse 22 bzw. einem Lagergehäuse 26 festgehalten. Eine wellenförmige Unterlegscheibe 23 drückt einen äußeren Ring des Kugellagers 21 nach rechts in 1, um das Kugellager 21 vorzubelasten. Die Lagergehäuse 22 und 26 sind aus einem stark wärmeleitenden Material (auf Aluminiumbasis oder Kupferbasis) ausgebildet.
Ein zylindrischer Permanentmagnet 30 besitzt einen Innendurchmesser, der ein wenig (mehrere μm) größer ist als der Außendurchmesser der Drehwelle 20. Der Permanentmagnet 30 ist mit einem Klebstoff oder dergleichen in einer Position befestigt, die zur Drehwelle 20 koaxial ist und die in einer axialen Richtung der Drehwelle 20 vorbestimmt ist. Der Permanentmagnet 30 besitzt drei Umfangsnuten 300, 301 und 302. Die Nuten werden später im Einzelnen beschrieben.
Eine Codiererplatte 60 mit einem Schlitz (nicht dargestellt) in ihrer Oberfläche ist am anderen Endabschnitt der Drehwelle 20 durch eine Nabe 61 befestigt. Ein Sensorkopf 62 ist gegenüber dem Schlitz der Codiererplatte 60 angeordnet. Der Sensorkopf 62 wird an einer Sensorbasis 63 festgehalten. Die Sensorbasis 63 ist am Lagergehäuse 26 befestigt. Die Codiererplatte 60 und der Sensorkopf 62 bilden einen Drehcodierer zur Rückkopplungssteuerung der Winkelverlagerung des lenkbaren Spiegels 10.
Ein Kragen 24 und ein Kragen 31, die Absätze der inneren Laufbahn des Kugellagers 21 sind, sind zwischen dem Kugellager 21 und dem Permanentmagneten 30 angeordnet. Ein Kragen 27 und ein Kragen 32, die Absätze der inneren Laufbahn des Kugellagers 25 sind, sind zwischen dem Kugellager 25 und dem Permanentmagneten 30 angeordnet.
Eine Spule 33 und ein Joch 34 sind gegenüber dem Permanentmagneten 30 durch einen Luftspalt 39 und koaxial zu einer Achse O der Drehwelle 20 angeordnet. Um einen Wirbelstrom zu unterdrücken, besteht das Joch 34 aus laminierten Scheiben auf Eisenbasis mit einer hohen magnetischen Permeabilität und weichem Magnetismus, die in der Richtung der Achse O verlegt sind. Der Außendurchmesser des Jochs 34 ist ein wenig (mehrere μm) kleiner als der Innendurchmesser eines Kastens 41 (Gehäuses). Das Joch 34 wird im Gehäuse 41 so festgehalten, dass ein Endabschnitt (rechter Endabschnitt in 1) des Jochs 34 in der Richtung der Achse O mit einem Flansch 41a, der in einem Innendurchmesserabschnitt des Gehäuses 41 vorgesehen ist, in Kontakt gebracht ist, während der andere Endabschnitt mit einem Jochanschlagring 35 in Kontakt gebracht ist. Das Gehäuse 41 ist aus einem stark wärmeleitenden Material (auf Aluminiumbasis oder Kupferbasis) ausgebildet. Der Innendurchmesser des Flanschs 41a ist größer als der Außendurchmesser der Spule 33, die in einem Teil einer zylindrischen Form ausgebildet ist, der später beschrieben wird.
Der Außendurchmesser des Jochanschlagrings 35 ist ein wenig (mehrere μm) kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses 41. Der Jochanschlagring 35 ist aus einem stark wärmeleitenden Material (auf Aluminiumbasis oder Kupferbasis) ausgebildet. Eine Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 51, die aus einem stark wärmeleitenden Material (in dieser Ausführungsform Kupfer) ausgebildet ist, ist zwischen dem Gehäuse 41 und dem Lagergehäuse 26 angeordnet, während eine Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 50, die aus einem stark wärmeleitenden Material ausgebildet ist, zwischen dem Lagergehäuse 22 und dem Jochanschlagring 35 angeordnet ist. Jede Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 50, 51 weist eine im Querschnitt T-förmige zylindrische Form auf. Der Außendurchmesser ihres Abschnitts mit großem Durchmesser ist ein wenig (mehrere μm) kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses 41 und der Außendurchmesser ihres Abschnitts mit kleinem Durchmesser ist ein wenig (mehrere μm) kleiner als der Innendurchmesser der Spule 33.
Die Dicke des Abschnitts mit großem Durchmesser der Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 50 ist ein wenig größer als der Abstand, der durch Subtrahieren der Dicke des Jochs 34 und der Dicke des Jochanschlagrings 35 vom Abstand vom linken Ende des Gehäuses 41 zum linken Ende des Flanschs 41a erhalten wird. Die Dicke des Abschnitts mit großem Durchmesser der Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 51 ist ein wenig größer als der Abstand vom rechten Ende des Gehäuses 41 zum rechten Ende des Flanschs 41a. Das heißt, die Summe der Dicken der Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 50, des Jochanschlagrings 35, des Jochs 34, des Flanschs 41a und der Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 51 in der Richtung der Achse O ist größer als die Länge des Gehäuses 41 in der Richtung der Achse O. Wenn das Lagergehäuse 22 und das Lagergehäuse 26 am Gehäuse 41 durch nicht gezeigte Schrauben befestigt werden, kommen folglich das Lagergehäuse 22, die Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 50, der Jochanschlagring 35, das Joch 34, der Flansch 41a, die Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 51 und das Lagergehäuse 26 in der Richtung der Achse O in engen Kontakt. Außerdem ist die Drehwelle 20 in der Richtung der Achse O durch den Kragen 24 und den Kragen 31, die zwischen dem Lagergehäuse 22 und dem Permanentmagneten 30 angeordnet sind, und den Kragen 32 und den Kragen 27, die zwischen dem Lagergehäuse 26 und dem Permanentmagneten 30 angeordnet sind, positioniert.
Stark wärmeleitende Materialien (beispielsweise Fett) sind dünn zwischen dem äußeren Umfang des Jochs 34 und dem inneren Umfang des Gehäuses 41, zwischen der Spule 33 und jeder Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 50, 51, zwischen dem Abschnitt mit großem Durchmesser von jeder Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 50, 51 und dem Gehäuse 41, zwischen der Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 50 und dem Jochanschlagring 35, zwischen dem äußeren Umfang des Jochanschlagrings 35 und dem inneren Umfang des Gehäuses 41, zwischen dem Joch 34 und dem Jochanschlagring 35 und zwischen dem Joch 34 und dem Flansch 41a aufgebracht, um einen Wärmewiderstand in Kontaktflächen zwischen den jeweiligen Bestandteilen zu unterdrücken. Außerdem sind eine Hülse 64 und eine Abdeckung 65 in einem Endabschnitt des Lagergehäuses 26 angeordnet, um den Drehcodierer vor Staub zu schützen.
Ein Kühlmantel 43, der aus einem stark wärmeleitenden Material (in dieser Ausführungsform Kupfer) ausgebildet ist, ist abnehmbar am äußeren Umfang des Gehäuses 41 mit einem wärmeleitenden Plattenmaterial 42 angeordnet. Der Kühlmantel 43 ist aus einem Kühlmantel 43R, einem Kühlmantel 43L und einem Gelenk 44 gebildet. Die Kühlmäntel 43R und 43L sind in Bezug auf den Durchmesser des Kühlmantels 43 symmetrisch. Wenn die Kühlmäntel 43R und 43L am Gelenk 44 geschlossen werden, kommt der Kühlmantel 43 mit dem äußeren Umfang des Gehäuses 41 mit dem wärmeleitenden Plattenmaterial 42 in engen Kontakt. Ein Strömungskanal, der durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, ist im Kühlmantel 43 ausgebildet. Kühlwasser, das von einer nicht gezeigten Kühlwasser-Zufuhreinheit geliefert wird, wird von einem Kanal 45, der mit beiden Kühlmänteln 43R und 43L verbunden ist, in den Kühlmantel 43 eingeleitet. Nachdem das Kühlwasser den Kühlmantel 43 gekühlt hat, wird das Kühlwasser durch einen Kanal 46, der mit beiden Kühlmänteln 43R und 43L verbunden ist, ausgelassen.
Wie in 2 gezeigt, ist der Permanentmagnet 30 aus einer Kombination von vier Magnetstücken mit jeweils einem zentralen Winkel von 90° gebildet. Jedes Mag netstück wurde radial magnetisiert. Magnetflüsse 303, 304, 305 und 306, die von den N-Polen des Permanentmagneten 30 in einen Luftspalt 39 eintreten, kreuzen die Spule 33 und kehren durch das Joch 34 zu den S-Polen zurück, um geschlossene Schleifen zu ziehen.
Als nächstes wird die Spule 33 beschrieben.
3A und 3B stellen eine Form eines Spulenelements dar. 3A ist eine Vorderansicht und 3B ist eine Seitenschnittansicht.
Wie in 3A gezeigt, ist das Spulenelement ein Draht aus Kupfer oder dergleichen, der zu einer flachen und rechteckigen rahmenartigen Form gewickelt ist. Vier Spulenelemente wie dieses sind zu Bögen gekrümmt, so dass sie in den Innendurchmesser des Jochs 34 eingesetzt werden können. Die vier Spulenelemente sind elektrisch verbunden und so angeordnet, dass die effektive Länge der Spule 33 zur Drehwelle 20 parallel ist. Die Spulen sind an die innere Umfangsoberfläche des Jochs 34 mit einem stark wärmeleitenden Klebstoff geklebt. Jeder Magnetfluss 303, 304, 305, 306 und ein in die effektive Länge der Spule 33 fließender Strom kreuzen einander in rechten Winkeln. Wenn ein Strom zur Spule 33 geliefert wird, wirkt folglich eine tangentiale elektromagnetische Kraft auf den Permanentmagneten 30. Die Drehwelle 20 dreht sich auf Grund der elektromagnetischen Kraft. Folglich führt der lenkbare Spiegel 10 eine Winkelverlagerung durch. Abschnitte, die in 3A als Endabschnitte gezeigt sind, sind Abschnitte, die mit den Wärmeübertragungs-Umleiteinheiten 50 bzw. 51 in Kontakt kommen.
Als nächstes wird der Wärmeübertragungsweg beschrieben.
4 ist ein schematisches Diagramm, das den vereinfachten Wärmeübertragungsweg des Schwenkaktors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in der Einleitung beschrieben, sind Wärmequellen eine Joule-Wärme (das Bezugszeichen Q_C in 4), die in der Spule 33 erzeugt wird, und ein Wirbelstromverlust (das Bezugszeichen Q_E in 4), der als Wärme im Permanentmagneten 30 entwickelt wird.
Das Joch 34 besteht aus einem Material auf Eisenbasis, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeitlaufweist. In der vorliegenden Erfindung ist jedoch die Spule 33 mit der Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 50, dem Jochanschlagring 35 und der Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 51 verbunden, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 50, der Jochanschlagring 35 und die Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 51 stehen mit dem Gehäuse 41 in Kontakt. Folglich wird die Joule-Wärme Q_C schnell auf das Gehäuse 41 übertragen und zur Außenseite des Aktors durch das Kühlwasser entfernt. Das heißt, der Weg, der die Joule-Wärme der Spule 33 auf das Kühlmittel übertragen kann, besteht aus parallelen Zweigen, d. h. einem Zweig über das Joch 34 und einem Zweig über die Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 51, die Wärmeübertragungs-Umleiteinheit 50 und den Jochanschlagring 35. Folglich wird der Wärmewiderstand des Weges gering. Folglich ist der Temperaturanstieg der Spule 33 niedrig. Wenn das Gehäuse 41 mit dem Lagergehäuse 22 und dem Lagergehäuse 26 in der Richtung der Achse O in Kontakt gebracht wird, fließt in diesem Fall die in der Spule 33 erzeugte Wärme durch das Lagergehäuse 22 und das Lagergehäuse 26 zum Gehäuse 41. Folglich kann der Temperaturanstieg der Spule 33 niedriger gemacht werden.
Wenn der Innendurchmesser des Flanschs 41a ein wenig (mehrere μm) größer gemacht ist als der Außendurchmesser der Spule 33 und stark wärmeleitendes Fett zwischen den beiden aufgebracht ist, kann der Kühlwirkungsgrad weiter verbessert werden.
Als nächstes werden die Nuten 300, 301 und 302, die im Permanentmagneten 30 vorgesehen sind, beschrieben.
Die Magnetflüsse ändern sich innerhalb des Permanentmagneten 30 auf Grund einer Wechselstromkomponente eines an die Spule 33 angelegten Stroms. Folglich wird ein Wirbelstrom im Permanentmagneten 30 erzeugt, so dass ein Wirbelstromverlust Q_E als Wärme erscheint. Es wird angenommen, dass der Wirbelstromverlust Q_E, der im Permanentmagneten 30 erscheint, in die Luft um den Schwenkaktor durch die Drehwelle 20 entweicht. Der Wärmewiderstand 310 des Luftspalts 39 ist so hoch, dass nicht erwartet werden kann, dass die Wärme des Wirbelstromverlusts Q_E durch den Kühlmantel 43 sehr gut gekühlt wird. Für den Wirbelstromverlust Q_E ist es daher erforderlich, den Wirbelstrom selbst zu verringern.
Der Wirbelstrom erscheint in einer so genannten Haut. Wenn die Nuten tiefer gemacht werden als die Haut, kann der Wirbelstrom unterbrochen werden, so dass der Verlust verringert werden kann.
Die Tiefe d der Haut kann durch einen Rechenausdruck der Hauttiefe berechnet werden, der im Elektromagnetismus bekannt ist, wie im Ausdruck 1 gezeigt. Wenn 5 die Tiefe (Abstand) von der Oberfläche bezeichnet, wird die Stromdichte in der Tiefe δ auf e^(–d/δ) in Bezug auf jene in der Oberfläche gedämpft.
Hier sind ρ und μ Materialkonstanten des Permanentmagneten, d. h. ρ bezeichnet den spezifischen elektrischen Widerstand und μ bezeichnet die magnetische Permeabilität. Andererseits bezeichnet e die Basis des natürlichen Logarithmus und ω bezeichnet die Winkelfrequenz der Flussumkehr.
Als nächstes wird eine speziellere Beschreibung durchgeführt.
5 ist ein schematisches Diagramm einer Wellenform eines an die Spule 33 anzulegenden Stroms.
Wenn Positionierungsbewegungen mit kurzem Hub in ein und derselben Richtung kontinuierlich durchgeführt werden, besteht ein Zyklus der Stromwellenform aus einer maximalen Beschleunigung, maximalen Verlangsamung und einem Anhalten in dieser Reihenfolge. Wenn die Stromwellenform Fourier-erweitert wird, kann die Winkelfrequenz der Flussumkehr als ω = 2π/Ts [rad/s] ausgedrückt werden, da die Grundfrequenzkomponente als Kehrwert 1/Ts [Hz] der Periode Ts ausgedrückt wird. Gemäß dem vorstehend erwähnten Rechenausdruck gilt, je niedriger die Winkelfrequenz ω ist, desto größer ist die Hauttiefe d. Es ist vernünftig, die Tiefe jeder Nut in Übereinstimmung mit der Grundfrequenzkomponente des Stroms zu konstruieren.
Wenn beispielsweise ein Neodym-Eisen-Bor-Magnet als Permanentmagnet 30 verwendet wird, gilt: ρ = 1,5 × 10–6[Ωm]; und μ = 1,4 × 10–6 [H/m]
Wenn der Permanentmagnet 30 ein Neodym-Eisen-Bor-Magnet ist und das Positionierungsreaktionsvermögen 1/Ts=2 kHz ist, wird daher die Hauttiefe d 13 mm. In diesem Fall werden die Nuten 300–302 so tief wie oder tiefer als 13 mm konstruiert. Hinsichtlich der Breite jeder Nut funktioniert es gut, wenn die Breite 0,5 mm oder kleiner ist.
Wenn Nuten intensiv an einer Stelle vorgesehen werden, an der reichlich Wirbelstrom leicht fließt, kann der Wirbelstrom in diesem Fall effizient verringert werden. Das heißt, wenn die Nuten 300, 301 und 302 in 1 nicht vorgesehen wären, wäre die Stromdichte des Wirbelstroms in der Nähe des axialen Zentrums des Permanentmagneten 30 hoch. Daher ist es möglich, den Wirbelstrom effizient zu verringern, wenn die Nuten intensiv in dem Abschnitt vorgesehen werden, in dem die Stromdichte des Wirbelstroms hoch ist.
Der Wirbelstromverlust kann verringert werden, wenn die Anzahl von Nuten erhöht wird. Die Drehmomentkonstante wird jedoch gemäß der Breite jeder Nut verringert. Um die Verringerung der Drehmomentkonstante zu unterdrücken, kann ein Magnet mit einem hohen elektrischen Widerstand, wie z. B. ein geklebter Magnet, in jede Nut eingesetzt werden.
Wenn die Dicke des Permanentmagneten 30 kleiner ist als die Hauttiefe d, funktioniert es gut, wenn die Verringerung der Torsionssteifigkeit des Permanentmagneten 30 unterdrückt wird, um die Positionierung des lenkbaren Spiegels nicht zu beeinflussen (beispielsweise wird der Abstand zwischen dem Boden jeder Nut und der Drehwelle 20 auf 10–30 % der Dicke des Permanentmagneten 30 gesetzt).
6A und 6B sind Ansichten, die ein weiteres Beispiel von Nuten zeigen, die im Permanentmagneten 30 vorgesehen sind. 6A ist eine Vorderansicht und 6B ist eine Seitenansicht.
Anstelle der Umfangsnuten 300, 301 und 302 können Nuten 331 und 332 in der Richtung der Achse O vorgesehen sein, so dass die Schleife eines Wirbelstroms 30A unterbrochen werden kann. In diesem Fall kann, wie in 6A gezeigt, die Nut 331 und so weiter zusammen mit der Nut 301 und so weiter vorgesehen sein.
In dieser Ausführungsform sind die axialen Spalte zwischen den jeweiligen Bestandteilen als sehr kleine Abstände festgelegt. Daher ist es möglich, den Wärmewiderstand zu verringern.
Wenn die Wärmeleitfähigkeit eines in die Spalte eingebrachten Elements hoch ist, können die axialen Spalte zwischen den jeweiligen Bestandteilen auf große Werte vergrößert werden.
Der Außendurchmesser des Jochs 34 kann ein wenig größer sein als der Innendurchmesser des Gehäuses 41. In diesem Fall wird das Joch 34 in das Gehäuse 41 gepresst.
Ein Strömungskanal kann im Gehäuse 41 vorgesehen sein, um das Gehäuse 41 direkt ohne externe Verbindung des Kühlmantels 43 mit dem Gehäuse 41 zu kühlen.
Ein zum Kühlmantel 43 zu lieferndes Medium ist nicht auf Wasser begrenzt, sondern Gas kann als Medium verwendet werden.
Wie in der Einleitung beschrieben, wird in einer Laserbearbeitungsvorrichtung zum Laserbohren einer gedruckten Leiterplatte in einem Herstellungsprozess derselben ein Laserstrahl in einer Bearbeitungsposition durch einen optischen Abtaster angeordnet, der aus einem Schwenkaktor mit einem lenkbaren Spiegel, der als Lastelement dient und an einer Drehwelle davon befestigt ist, und einer Servosteuereinheit zum Steuern des Spiegels so, dass der Winkel des Spiegels einem Befehlswert folgen kann, besteht. Wenn ein Schwenkaktor gemäß der vorliegenden Erfindung in einer solchen Laserbearbeitungsvorrichtung verwendet wird, kann folglich eine sehr zuverlässige Bearbeitung durchgeführt werden, ohne den Bearbeitungsdurchsatz oder die Lochpositionsgenauigkeit zu verschlechtern, selbst wenn der lenkbare Spiegel durch schnelle und kontinuierliche Bewegungen positioniert wird.

Claims

Schwenkaktor, mit: einem beweglichen Element, das eine Drehwelle (20) und einen Permanentmagneten (30), der um die Drehwelle angeordnet ist, umfasst; einem Stator, der um das bewegliche Element angeordnet ist und eine Spule (33) und ein Joch (34) umfasst; einem Gehäuse (41), das das bewegliche Element und den Stator schützt; und einer Wärmeübertragungs-Umleiteinheit (50, 51), wobei das bewegliche Element innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Winkeln geschwenkt bzw. hin- und herbewegt wird; und die Spule (33) und das Gehäuse (41) durch die Wärmeübertragungs-Umleiteinheit (50, 51) thermisch verbunden sind.
Schwenkaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kühleinheit (43) zum Kühlen des Gehäuses.
Schwenkaktor, mit: einem beweglichen Element, das eine Drehwelle (20) und einen Permanentmagneten (30), der um die Drehwelle angeordnet ist, umfasst; einem Stator, der um das bewegliche Element angeordnet ist und eine Spule (33) und ein Joch (34) umfasst; und einem Gehäuse (41), das das bewegliche Element und den Stator schützt; wobei das bewegliche Element innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs geschwenkt bzw. hin- und herbewegt wird; und eine radiale Nut oder radiale Nuten (300, 301, 302) im Permanentmagneten (30) so ausgebildet ist/sind, dass sie in Richtung des Stators mündet/münden und eine Tiefe aufweist/aufweisen, die nicht kleiner als eine Hauttiefe ist, die durch eine Funktion des spezifischen elektrischen Widerstandes, der Permeabilität des Permanentmagneten und einer Grundfrequenz eines an die Spule angelegten Stroms ausgedrückt wird.
Schwenkaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr der Nuten (300, 301, 302) um das axiale Zentrum der Drehwelle (20) vorgesehen sind.
Schwenkaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut oder jede der Nuten (300, 301, 302) mit einem nicht leitenden Magneten gefüllt ist.
Schwenkaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Nut oder jeder der Nuten (300, 301, 302) so groß wie ein Abstand gemacht ist, der durch Subtrahieren eines vorbestimmten Werts von einer radialen Dicke des Permanentmagneten (30) erhalten wird, wenn die berechnete Nuttiefe nicht kleiner ist als die radiale Dicke des Permanentmagneten.
Laserbearbeitungsvorrichtung, die einen Schwenkaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.