JP2008228524A - Rocking actuator and laser machining device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コイルを固定子とし、永久磁石を回転子として回転軸に固定し、回転子を予め定める角度範囲内で揺動させる揺動アクチュエータ装置及びこのような揺動アクチュエータ装置を使用したレーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a swing actuator device that uses a coil as a stator, a permanent magnet as a rotor, and is fixed to a rotating shaft, and swings the rotor within a predetermined angle range, and a laser using such a swing actuator device. It relates to a processing apparatus.
図2は、一般的なムービングマグネット式ガルバノスキャナの断面図である。ガルバノスキャナはガルバノミラーを揺動させる揺動アクチュエータ装置であり、ガルバノミラーを駆動するための回転軸12とその外側に取り付けられたマグネット13で回転子が形成されている。また、回転子の外側に巻かれたコイル14と磁気回路を構成する珪素鋼板(ヨーク)18とで固定子が形成されている。回転子および固定子は外筒19に収納されている。回転軸12はベアリング17によって固定子側に回転自在に支持されている。回転軸12の一方の端部にはガルバノミラー4が取り付けられている。回転軸12の他方の端部には、回転軸12の回転角度を検出するためのエンコーダが取り付けられている。エンコーダは回転軸12に取り付けられたグレーチング15とグレーチング15上のスリットを読み取るための光学ピックアップ16とで構成されている。そして、コイル14に電流を流すことで、マグネット13に電磁力が発生し、そのトルクで軸12が回転する。
FIG. 2 is a sectional view of a general moving magnet type galvano scanner. The galvano scanner is a swing actuator device that oscillates a galvanometer mirror, and a rotor is formed by a
近年、電気製品の高集積化が進み、プリント基板に加工する穴の径は小さくなる傾向にある。小径の穴を加工するためには、レーザの直径を大きくする必要があり、これに伴ってガルバノミラー等を大型化する必要がある。大型のガルバノミラーを揺動させるには大きなトルクが必要となり、駆動電流も大きくなるため、コイルで発生するジュール発熱によりコイル及びその近傍の構造物が加熱されて温度が上昇する。また、加工スループットの向上のために、穴を明ける速度は、年々高速化しているが、大型のガルバノミラーを高速に動かせば動かすほど、さらにその発熱は大きくなる。発熱に伴い、マグネットの温度が上昇すると、マグネットの磁力が低下してトルク定数が減少してしまい、制御性が低下して位置決め精度が悪化する。このような問題を回避するために、加工順序等を調整してコイルの発熱を平均化したガルバノスキャナがある(特許文献1)。 In recent years, with the progress of high integration of electrical products, the diameter of holes processed in a printed circuit board tends to be reduced. In order to process a small-diameter hole, it is necessary to increase the diameter of the laser, and accordingly, it is necessary to increase the size of the galvanometer mirror or the like. A large torque is required to swing the large galvanometer mirror, and the drive current also increases, so the Joule heat generated in the coil heats the coil and the structure in the vicinity thereof, and the temperature rises. Moreover, the speed of drilling holes has been increasing year by year in order to improve the processing throughput, but the larger the galvanometer mirror is moved, the greater the heat generated. When the temperature of the magnet rises with heat generation, the magnetic force of the magnet is lowered and the torque constant is reduced, the controllability is lowered and the positioning accuracy is deteriorated. In order to avoid such a problem, there is a galvano scanner in which the heat generation of the coil is averaged by adjusting the processing order (Patent Document 1).
また、高速回転型のスピンドルモータ等では、低温環境下におけるベアリングの摩擦の増大を回避するために、加熱用のヒーターを設けたスピンドルモータがある(特許文献2)。同様な技術により、ヒータによってガルバノスキャナの全体の温度を調節することができるガルバノスキャナもある。
しかし、特許文献1の技術を採用すると、加工スループットが低下する場合がある。また、特許文献2の技術を採用すると、ヒータとヒータ用電源およびコントローラが別途必要となり高価なシステムとなる。
However, when the technique of
本発明の目的は、簡単な構成でマグネット温度を制御し、トルク定数の変動を抑制することができる揺動アクチュエータ装置及びこのような揺動アクチュエータ装置を使用したレーザ加工装置を提供するにある。 An object of the present invention is to provide a swing actuator device capable of controlling a magnet temperature with a simple configuration and suppressing fluctuations in torque constant, and a laser processing apparatus using such a swing actuator device.
上記課題を解決するため、本発明の第1の手段は、回転軸とこの回転軸の回りに配置されたマグネットとからなる回転子と、該回転子の周りに配置されコイルとヨークとからなる固定子と、前記回転子と前記固定子を収納するハウジングと、前記コイルに電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記コイルに供給する電流を制御することにより前記回転子を予め定める角度範囲内で揺動させる揺動アクチュエータ装置において、前記マグネットの温度を測定または推定するための温度検出手段と、高周波電流供給手段と、を設け、前記温度検出手段の測定結果に基づいて前記電流供給手段が前記コイルに供給する電流に前記高周波電流を重畳することにより前記マグネットの温度を制御することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a first means of the present invention includes a rotor including a rotating shaft and a magnet disposed around the rotating shaft, and a coil and a yoke disposed around the rotor. A stator, a housing for housing the rotor and the stator, and current supply means for supplying a current to the coil; and controlling the current supplied to the coil to determine the rotor at a predetermined angle In a swing actuator device that swings within a range, a temperature detection unit for measuring or estimating the temperature of the magnet and a high-frequency current supply unit are provided, and the current supply is performed based on a measurement result of the temperature detection unit The temperature of the magnet is controlled by superimposing the high-frequency current on the current supplied to the coil by the means.
この場合、前記高周波電流の周波数としては、前記回転子を駆動する電流の周波数の2倍以上で1MHz以下とすることができる。 In this case, the frequency of the high-frequency current can be 2 MHz or more and 1 MHz or less of the frequency of the current that drives the rotor.
また、前記高周波電流の周波数は、前記回転子の共振周波数と異なる周波数帯とすることができる。 The frequency of the high frequency current may be in a frequency band different from the resonance frequency of the rotor.
そして、前記温度検出手段として、前記回転子の運転情報により前記コイルの発熱量を計算し、得られた発熱量から前記マグネット温度を推定するものとすることができる。 And as said temperature detection means, the emitted-heat amount of the said coil can be calculated from the driving | operation information of the said rotor, and the said magnet temperature can be estimated from the obtained emitted-heat amount.
また、本発明の第2の手段は、揺動アクチュエータ装置を備えるレーザ加工装置において、前記揺動アクチュエータ装置が請求項1ないし4のいずれか1項に記載の揺動アクチュエータ装置であることを特徴とする。
According to a second means of the present invention, in the laser processing apparatus provided with the swing actuator device, the swing actuator device is the swing actuator device according to any one of
本発明によれば、ガルバノスキャナのトルク定数が一定となるので、位置制御性と位置決め精度が向上する。 According to the present invention, since the torque constant of the galvano scanner is constant, position controllability and positioning accuracy are improved.
本発明はガルバノスキャナのコイルに高周波電流を流し、その誘導によりマグネットに渦電流を発生させてマグネットを発熱させることで温度を調節するものである。以下、本発明の原理を説明する。 In the present invention, a high-frequency current is passed through a coil of a galvano scanner, and an eddy current is generated in the magnet by the induction, thereby heating the magnet to adjust the temperature. Hereinafter, the principle of the present invention will be described.
図3は図2で説明したガルバノスキャナのマグネットとコイルの近傍を立体的に示した図であり、マグネット13と回転軸12は全体が、コイル14、珪素鋼板18および外筒19は半分にカットされたものが、それぞれ示されている。また、図4は回転軸12を立体的に示した図である。
FIG. 3 is a three-dimensional view of the vicinity of the magnet and the coil of the galvano scanner described in FIG. 2, and the
上記のようなガルバノスキャナでは、ガルバノミラーを最高2.5kHz程度で駆動するが、コイル14に供給する電流はその数倍程度である10kHz以下の交流成分を持っている。この電流の交流成分に対して、近接した構造物に渦電流が発生すると、コイル14が発生する磁場が打ち消されることにより発生するトルクが減少する。また、渦電流により発生するジュール発熱も問題となる。これを防止するために、コイル14外側の磁性材料として薄い珪素鋼板18を重ねた構造とし、マグネット13も比抵抗が小さいネオジウム系のマグネットを貼りあわせた構造として渦電流が流れるのを防止している。
In the galvano scanner as described above, the galvano mirror is driven at a maximum of about 2.5 kHz, but the current supplied to the
しかし、コイル電流の交流成分の周波数をさらに高くすると、渦電流は小さい渦で流れ易くなることから、特にマグネット13表面で渦電流が発生し、マグネット13で発熱が起きるようになる。コイル14に流れる電流によりマグネット13表面に発生する電界は矢印100にようになる。この電界によりマグネット13表面に発生する渦電流は、マグネット13の分割部分では電流が流れないために分断され、図4に矢印101のように流れる渦電流となる。
However, if the frequency of the alternating current component of the coil current is further increased, the eddy current is likely to flow with a small eddy, so that the eddy current is generated particularly on the surface of the
そして、コイル14に10kHzを超える交流電流を供給すると、図4ように分断されたマグネット13においても渦電流が強く流れ、マグネット13に渦電流によるジュール発熱(以後、誘導発熱と呼ぶ)が発生するようになる。マグネット13に発生する誘導発熱の大きさは交流電流の周波数の約2乗に概略比例するが、コイル14に発生するジュール発熱は周波数によらないため、高周波帯では大部分が誘導発熱となりマグネット13を加熱することになる。
When an alternating current exceeding 10 kHz is supplied to the
このように意図的にコイル14に供給する電流に高周波帯の交流電流を加えてやることで、マグネット13を直接加熱することが可能となる。そして、マグネット13を加熱する誘導発熱の大きさは、高周波電流の周波数と大きさで調整することができる。
Thus, the
図5は、本発明に係る上記加熱方法に好適なガルバノスキャナ制御系のブロック線図である。 FIG. 5 is a block diagram of a galvano scanner control system suitable for the heating method according to the present invention.
このガルバノスキャナ制御系では、下位のガルバノスキャナコントローラ32は、上位コントローラ30から指令されたガルバノミラーの位置指令31とガルバノスキャナ10からのガルバノミラー4の回転位置情報33とからガルバノスキャナ10(コイル14)に供給する位置制御用電流指令34を電流発生装置35に入力する。なお、電流発生装置35は回転子を駆動するための電流と後述する高周波電流とを供給することができる。
In this galvano scanner control system, the lower
電流発生装置35は位置制御用電流指令34に従いガルバノスキャナ10に電流を供給する。ここまでは従来の技術と同様である。本発明では温度測定手段により測定したマグネット温度情報37をマグネット温度コントローラ36に入力し、マグネット温度コントローラ36はマグネット温度の目標温度となるように、高周波電流指令38を電流発生装置35に入力する。電流発生装置35は、前述の位置制御用電流指令34と高周波電流指令38とを加算した電流39をガルバノスキャナ10に供給する。位置制御用の電流に加えて大きさを調整したマグネット13過熱用の高周波電流を供給することにより、誘導発熱の大きさを制御してマグネット13の温度を調整する。
The
次に、高周波電流として使用する電流の周波数について説明する。 Next, the frequency of the current used as the high frequency current will be described.
図6は、図2に示したガルバノスキャナの機械特性曲線であり、横軸は周波数、縦軸はゲイン(回転角度振幅を電流振幅で割ったもの)である。同図から、ゲインが大きいほど、小さい電流振幅で大きい回転角度振幅が得られることが分かる。機械特性曲線には幾つかのピークが存在するが、これは回転子で共振が起きていることを示しており、共振周波数近傍ではゲインが大きくなる。同図から、マグネット加熱用に印加する高周波の周波数としては、例えば100kHz程度に選べば、共振も無くゲインが小さくでき、回転が殆ど起きない状態とみなせることになる。 FIG. 6 is a mechanical characteristic curve of the galvano scanner shown in FIG. 2, where the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents gain (rotation angle amplitude divided by current amplitude). It can be seen from the figure that a larger rotation angle amplitude is obtained with a smaller current amplitude as the gain is increased. There are several peaks in the mechanical characteristic curve, which indicates that resonance occurs in the rotor, and the gain increases near the resonance frequency. From this figure, if the frequency of the high frequency applied for heating the magnet is selected to be, for example, about 100 kHz, the gain can be reduced without resonance and it can be considered that the rotation hardly occurs.
以上説明したように、本発明では回転軸が追従しない(回転しない)高周波電流をコイル14に供給することでマグネット13に誘導発熱を発生させ、その大きさを制御することでマグネット温度を調整することを特徴としている。またこの構成では、特別な電源等不要であり、単純な構成でマグネットの温度を制御できる。
As described above, in the present invention, the induction temperature is generated in the
図1は、本発明を実施したレーザ加工装置の構成図である。 FIG. 1 is a block diagram of a laser processing apparatus embodying the present invention.
レーザ1より発振されたレーザ光2は、ビーム形成装置3によりビーム断面形状を形成された後に、2軸のガルバノミラー4により方向を変えられてfθレンズ5にて垂直方向に変換及び集光され、プリント基板6上に入射されて、プリント基板6に穴を明ける。プリント基板6は、XY方向に移動自在のXYステージ7上に載置されている。ガルバノミラー4は、それぞれを回転させるガルバノスキャナ10により回転角度を調整される。
The
下位のガルバノスキャナコントローラ32は、上位コントローラ30から指令されたガルバノミラーの位置指令31とガルバノスキャナ10からのガルバノミラー4の回転位置情報33とからガルバノスキャナ10(コイル14)に供給する位置制御用電流指令34を電流発生装置35に入力する。
The lower
一方、マグネット温度コントローラ37は温度測定手段により測定されたマグネット13のマグネット温度情報137に基づき、マグネット13の温度が目標温度となるように高周波電流指令38を電流発生装置35に入力する。
On the other hand, the
電流発生装置35は、位置制御用電流指令34と高周波電流指令38とを加算した電流39をガルバノスキャナ10に供給する。
The
この結果、マグネット13の温度は、ガルバノミラー4の駆動状況に関わらず常に一定(例えば、40℃)に保たれるので、トルク変動が発生しない。
As a result, the temperature of the
なお、高周波電流によって回転軸12が回転運動することを予防するため、高周波電流の周波数としてはガルバノスキャナの駆動周波数の2倍以上とする。また、ガルバノスキャナ固有の共振周波数近辺の周波数では共振を起こしてしまうので使用しないことが望ましい。また、高周波電流の周波数を高くし過ぎるとコイル14の素線の表皮効果でコイル14の抵抗値が増大してコイル14に電流が流れにくくなることと、珪素鋼板18でも渦電流やヒステレシスによる損失が発生するようになるため、1MHz以下程度にすることが望ましい。
In order to prevent the
図7は、運転中におけるマグネット温度の制御方法を説明するフローチャートである。 加工が開始されると、マグネットの温度を温度測定手段により測定し(手順S10)、測定された温度を評価する(手順S20)。そして、マグネット温度が低温許容温度以下であればマグネット加熱用の高周波電流を印加してマグネットの温度を上昇させ(手順S30)、マグネット温度が規定値以上であれば高周波電流を停止する(手順S40)。運転中はこのフローチャートのルーチンを一定時間間隔で繰り返すことでマグネット温度を低温許容温度近傍に調整する。 FIG. 7 is a flowchart for explaining a magnet temperature control method during operation. When machining is started, the temperature of the magnet is measured by the temperature measuring means (procedure S10), and the measured temperature is evaluated (procedure S20). If the magnet temperature is equal to or lower than the low temperature allowable temperature, a magnet heating high frequency current is applied to increase the magnet temperature (step S30), and if the magnet temperature is equal to or higher than a specified value, the high frequency current is stopped (step S40). ). During operation, the routine of this flowchart is repeated at regular time intervals to adjust the magnet temperature to near the low temperature allowable temperature.
図8は、上記運転を行った時の従来の位置制御用電流指令の時間波形の例を示す図であり、図9はその場合のマグネット温度の時間波形の例である。従来の技術では、ガルバノスキャナが停止している時は位置制御電流もゼロとなるので、マグネットの温度が低下して、大きな温度変化が生じてしまう。 FIG. 8 is a diagram showing an example of a time waveform of a conventional position control current command when the above operation is performed, and FIG. 9 is an example of a time waveform of the magnet temperature in that case. In the conventional technique, when the galvano scanner is stopped, the position control current is also zero, so the temperature of the magnet is lowered and a large temperature change occurs.
図10は、図8と同じ運転を行った時の本発明における位置制御用電流指令の時間波形の例を示す図であり、図11はその場合のマグネット温度の時間波形の例である。 FIG. 10 is a diagram showing an example of a time waveform of the position control current command in the present invention when the same operation as that of FIG. 8 is performed, and FIG. 11 is an example of a time waveform of the magnet temperature in that case.
本発明の場合、図11に示すように、マグネット温度が低温許容温度以下になると、図10に示すように、マグネット温度加熱用の高周波電流が印加され、それに伴いマグネットの温度は上昇する。そして低温許容温度以上となると、高周波電流が停止され、再び温度が低下する。ガルバノスキャナが停止している間に、このような高周波電流の印加と停止が繰り返されることで、マグネットの温度は概略低温許容温度近傍に制御される。 In the case of the present invention, as shown in FIG. 11, when the magnet temperature becomes equal to or lower than the low temperature allowable temperature, a high-frequency current for heating the magnet temperature is applied, and the temperature of the magnet rises accordingly. And if it becomes more than low temperature allowable temperature, a high frequency current will be stopped and temperature will fall again. By repeatedly applying and stopping such a high-frequency current while the galvano scanner is stopped, the temperature of the magnet is controlled in the vicinity of the approximate low temperature allowable temperature.
次に、マグネット温度の測定手段について説明する。 Next, the magnet temperature measuring means will be described.
図12は、本発明に係るガルバノスキャナの正面断面図であり、図2と同じものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。 FIG. 12 is a front sectional view of the galvano scanner according to the present invention, and the same components as those in FIG.
外筒19、珪素鋼板18およびコイル14には細い光ファイバー102を通すための穴200が形成されている。光ファイバー102は、一方の端部がマグネット13に対向するようにして穴200に固定され、他方の端部は赤外領域の放射温度計103に接続されている。なお、放射温度計103は、測定対象の放射率が1に近い程測定精度が良いため、マグネット13の表面を例えば黒色の塗料等で塗装して放射光の放射率が1に近づけておくことが望ましい。
A hole 200 for passing a thin
この実施例に依れば、非接触でマグネット表面を測定することができるので、測定対象であるマグネットが高速で回転することを妨げることがない。 According to this embodiment, the surface of the magnet can be measured in a non-contact manner, so that it is not hindered from rotating at high speed.
次に、本発明の第2の実施例を説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described.
図13は、本発明に係るレーザ加工装置の構成図である。 FIG. 13 is a block diagram of a laser processing apparatus according to the present invention.
ガルバノスキャナコントローラ32には、図1におけるマグネット温度情報137に代えて上位コントローラ30からのガルバノスキャナ稼動情報138が入力される。ガルバノスキャナコントローラ32はガルバノスキャナ稼動情報138からガルバノスキャナ10の発熱量を計算する。そこで得られた発熱量からマグネット13の温度を推測して、マグネット温度を制御する。
The
図14は、この実施例におけるマグネット温度の制御方法を説明するフローチャートである。 FIG. 14 is a flowchart for explaining a magnet temperature control method in this embodiment.
加工が開始されると、運転情報から平均発熱量を計算し(手順S100)、得られた平均発熱量からマグネットの温度を計算して(手順S110)、測定された温度を評価する(手順S120)。そして、マグネット温度が低温許容温度以下であればマグネット加熱用の高周波電流を印加してマグネットの温度を上昇させ(手順S130)、マグネット温度が規定値以上であれば高周波電流を停止する(手順S140)。運転中はこのフローチャートのルーチンを一定時間間隔で繰り返すことでマグネット温度を低温許容温度近傍に調整する。 When the machining is started, the average heat value is calculated from the operation information (step S100), the magnet temperature is calculated from the obtained average heat value (step S110), and the measured temperature is evaluated (step S120). ). If the magnet temperature is equal to or lower than the low temperature allowable temperature, a magnet heating high frequency current is applied to increase the magnet temperature (step S130), and if the magnet temperature is equal to or higher than a specified value, the high frequency current is stopped (step S140). ). During operation, the routine of this flowchart is repeated at regular time intervals to adjust the magnet temperature to near the low temperature allowable temperature.
この実施形態では、マグネットの温度を測定する測定器を必要ないので、構造が簡単になり、装置コストを低くすることができる。 In this embodiment, since a measuring instrument for measuring the temperature of the magnet is not required, the structure becomes simple and the apparatus cost can be reduced.
次に、本発明の第3の実施例を説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described.
図15は本発明に係るガルバノスキャナのマグネットの他の温度測定手段の構成図であり、図2と同じものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。 FIG. 15 is a configuration diagram of another temperature measuring means of the magnet of the galvano scanner according to the present invention, and the same components as those in FIG.
回転軸12の軸方向の中心には穴201が形成されている。穴201にはサーミスタ104が配置されている。サーミスタ104はマグネット13に取り囲まれた場所に位置するので、マグネット全体の平均温度を測定していることに相当する。サーミスタ104の信号はグレーチング15の中心を通りガルバノスキャナ10の外に取り出され、温度測定器105に入力されて温度情報となる。このとき、信号線としては極力細い線を用いることで、回転軸102の回転を妨げないようにする必要がある。マグネット13は、コイル14やマグネット表面の渦電流により加熱されることから、実施例1のようなマグネット表面の温度を測定することが望ましいが、珪素鋼板18に穴200を明ける等、構造が複雑になるが、本実施例は設置が容易である点では優れており、サーミスタ等の比較的安価な接触式の温度計測器が使えることでコスト的にも優れる。
A
なお、本実施例では、サーミスタを用いて温度測定することを述べたが、熱電対等の同様な接触式の温度測定方法を採用してもよい。 In the present embodiment, the temperature measurement is described using a thermistor, but a similar contact-type temperature measurement method such as a thermocouple may be employed.
回転軸 12
マグネット 13
コイル 14
35 電流発生装置
Rotating
35 Current generator
Claims (5)
該回転子の周りに配置されコイルとヨークとからなる固定子と、
前記回転子と前記固定子を収納するハウジングと、
前記コイルに電流を供給する電流供給手段と、
を備え、前記コイルに供給する電流を制御することにより前記回転子を予め定める角度範囲内で揺動させる揺動アクチュエータ装置において、
前記マグネットの温度を測定または推定するための温度検出手段と、
高周波電流供給手段と、
を設け、
前記温度検出手段の測定結果に基づいて前記電流供給手段が前記コイルに供給する電流に前記高周波電流を重畳することにより前記マグネットの温度を制御することを特徴とする揺動アクチュエータ装置。 A rotor composed of a rotating shaft and a magnet arranged around the rotating shaft;
A stator composed of a coil and a yoke disposed around the rotor;
A housing for housing the rotor and the stator;
Current supply means for supplying current to the coil;
A swing actuator device that swings the rotor within a predetermined angle range by controlling a current supplied to the coil,
Temperature detecting means for measuring or estimating the temperature of the magnet;
High-frequency current supply means;
Provided,
An oscillating actuator device, wherein the temperature of the magnet is controlled by superimposing the high-frequency current on a current supplied to the coil by the current supply unit based on a measurement result of the temperature detection unit.
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