JP2008298224A - Bearing structure and laser beam machine using the bearing structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転軸の軸振れを小さくするための軸受構造、およびこの軸受構造を用いたレーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a bearing structure for reducing shaft runout of a rotary shaft, and a laser processing apparatus using the bearing structure.
従来、電磁石や永久磁石を用いた非接触式の磁気軸受を用いた軸受構造が種々の機器で利用されている。例えば、この磁気軸受をターボ分子ポンプに用いたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。このターボ分子ポンプは、駆動軸を回転させるための高周波モータを備えてなり、駆動軸を数万〜10万rpmの超高速回転で運転する。この高周波モータには、駆動軸の延在方向に沿って2つのラジアル磁気軸受と1つのスラスト磁気軸受とが設けられている。 Conventionally, a bearing structure using a non-contact type magnetic bearing using an electromagnet or a permanent magnet has been used in various devices. For example, one using this magnetic bearing for a turbo molecular pump is known (for example, see Patent Document 1). This turbo molecular pump includes a high-frequency motor for rotating the drive shaft, and operates the drive shaft at an ultrahigh speed of several tens of thousands to 100,000 rpm. This high-frequency motor is provided with two radial magnetic bearings and one thrust magnetic bearing along the extending direction of the drive shaft.
また、扁平型モータの軸受に磁気軸受を用いたものも知られている(例えば、特許文献2参照)。この扁平型モータは、非接触でラジアル方向を支持するラジアル磁気軸受と、スラスト方向を1点押付接触で支持するスラスト軸受が設けられている。 In addition, one using a magnetic bearing as a bearing of a flat motor is known (for example, see Patent Document 2). This flat motor is provided with a radial magnetic bearing that supports the radial direction without contact and a thrust bearing that supports the thrust direction with one-point pressing contact.
さらに、これらの磁気軸受の技術をポリゴンミラーによる光偏向器に用いる技術も知られている(例えば、特許文献3参照)。この光偏向器では、円筒状の固定軸に覆いかぶさるようなシース状の回転体にモータの回転子を一体化させた機構と、円筒状の固定軸に設けられたヘリングボーン溝とを有しており、動圧空気によって非接触の安定した高速回転が得られるようにラジアル方向の軸受と同等に機能している。また、固定軸の頂上部回転体の筒状の頂部にそれぞれ反発するように永久磁石を配置し、スラスト方向の浮上性能を得ている。
しかしながら、上述の特許文献1のように、モータが比較的小型でありながら、駆動軸の軸方向に2つのラジアル軸受と1つのスラスト軸受とを有する場合には、軸方向の外形が大きくなってしまう。さらに、ラジアル磁気軸受の上下部分には、軸振れを抑制するための変位センサを設ける必要があるため、軸方向の長さ寸法を短くして外形寸法を小さくすることが困難であった。また、軸振れの制御も5軸コントローラが必要となり、制御システムも複雑になりコストも高くなっていた。
However, as in
また、特許文献2の技術では、軸振れがあまり重要視されない送風ファンのような機器に使用する場合には問題ないが、例えば、軸振れが重要視される光学機器(例えば、特許文献3など)に使用するために要求される軸受精度を期待することはできない。 Further, in the technique of Patent Document 2, there is no problem when used for a device such as a blower fan in which shaft shake is not regarded as important. For example, an optical device in which shaft shake is regarded as important (for example, Patent Document 3) The bearing accuracy required for use in (1) cannot be expected.
さらに、特許文献3のように、光学偏向器やポリゴンミラーなど、レーザビームの偏向やスキャンを応用する機器において、特に、レーザプリンタなどの発光源とミラー、又はミラーと資料とのそれぞれのワーキングディスタンスが比較的短いような場合には、動圧軸受によるラジアル剛性と永久磁石によるスラスト剛性を確保することで、軸振れによる影響は比較的少ない。しかしながら、例えば、リモートレーザ溶接、ワーキングディスタンスが比較的長い光造形システム、高い描画精度が要求される描画システム(単なる製造年月日などの文字を認識するために描画されるものを除く)などの機器では、僅かの軸変位も加工精度に影響を与えてしまう。このような機器では、引用文献3のような軸受構造で、回転軸の振れを積極的に制御できないため、より高い加工精度を求めることが困難であった。
Further, as in
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、回転軸の軸振れを小さくすることのできる軸受構造及びそれを用いたレーザ加工装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a bearing structure capable of reducing the axial runout of a rotating shaft and a laser processing apparatus using the same.
本発明では、回転自在な軸のラジアル方向への変位を規制する非接触式のラジアル磁気軸受を備えた軸受構造であって、前記軸の長手方向に前記ラジアル磁気軸受と間隔をあけ、ラジアル方向とスラスト方向の両方の変位を規制可能な軸受を設けたことを特徴とする。
この構造によれば、回転自在な軸をラジアル磁気軸受と軸受とで支持することができるので、複雑な制御をすることなく、回転軸の軸振れを小さくすることができる。
In the present invention, the bearing structure includes a non-contact type radial magnetic bearing that regulates the displacement of the rotatable shaft in the radial direction, and is spaced apart from the radial magnetic bearing in the longitudinal direction of the shaft. And a bearing capable of regulating displacement in both the thrust direction.
According to this structure, since the rotatable shaft can be supported by the radial magnetic bearing and the bearing, the shaft runout of the rotating shaft can be reduced without complicated control.
また、前記軸受を前記軸の長手方向の一端部に配置することもできる。
この構成によれば、ラジアル方向及びスラスト方向の両方の変位を規制する構造が容易に得られる。
The bearing may be disposed at one end of the shaft in the longitudinal direction.
According to this structure, the structure which controls the displacement of both a radial direction and a thrust direction can be obtained easily.
さらに、前記軸受は、前記軸の側縁部及び端面を覆う窪み形状に形成されていてもよい。
この構成によれば、窪み形状の内部で軸端部を支持することができるので、従来と比較して回転軸の一端部をより強固に支持することができる。
Furthermore, the said bearing may be formed in the hollow shape which covers the side edge part and end surface of the said axis | shaft.
According to this configuration, since the shaft end portion can be supported inside the hollow shape, it is possible to more firmly support the one end portion of the rotating shaft than in the conventional case.
また、前記軸の一端部に半球面形状の半球面部を形成する一方、前記軸受に前記半球面部と接触する接触面を形成してもよい。
この構成によれば、スラスト方向及びラジアル方向の両方の変位を簡単な構造で規制することができる。
Further, a hemispherical hemispherical portion may be formed at one end of the shaft, and a contact surface in contact with the hemispherical portion may be formed on the bearing.
According to this configuration, displacement in both the thrust direction and the radial direction can be restricted with a simple structure.
さらに、前記軸の一端部に半球面形状の半球面部を形成し、この半球面部を着磁する一方、前記軸受を前記半球面部と反発する極性に着磁してもよい。
この構造によれば、非接触式で軸受を構成することができるので、摩擦抵抗が減り、消費電力を減らすことができる。
Further, a hemispherical hemispherical portion may be formed at one end of the shaft, and the hemispherical portion may be magnetized while the bearing is magnetized to a polarity repelling the hemispherical portion.
According to this structure, since the bearing can be configured in a non-contact manner, the frictional resistance is reduced and the power consumption can be reduced.
また、前記軸の一端部を前記軸受に向けて押圧するようにしてもよい。
この構成によれば、軸端部が溝部から抜けにくくなるので、軸受で支持をより確実に行うことができる。
Moreover, you may make it press the one end part of the said shaft toward the said bearing.
According to this configuration, the shaft end portion is unlikely to come out of the groove portion, so that the bearing can be more reliably supported.
さらにまた、前記軸にモータの回転子を一体化して構成し、前記ラジアル磁気軸受と前記軸受との間にモータ部を配設してもよい。
この構成によれば、モータをより小型化することができる。また、磁気軸受と軸受との間隔を長く取るので、小さな磁気力で強固に支持できる。したがって、少ない電流でも磁気軸受を容易に制御できる。
Furthermore, a motor rotor may be integrated with the shaft, and a motor unit may be disposed between the radial magnetic bearing and the bearing.
According to this configuration, the motor can be further reduced in size. Moreover, since the space | interval of a magnetic bearing and a bearing is taken long, it can support firmly with a small magnetic force. Therefore, the magnetic bearing can be easily controlled with a small current.
他方、回転自在な軸と、この軸のラジアル方向への変位を規制する非接触式のラジアル磁気軸受とを有するモータを備え、このモータの軸端にレーザ光を偏向させるスキャナミラーを取り付け、前記モータを回動させて前記レーザ光を被加工物に照射するレーザ加工装置であって、前記軸の長手方向に前記ラジアル磁気軸受と間隔をあけ、ラジアル方向とスラスト方向の両方の変位を規制可能な軸受を設けたことを特徴とする。
この構成によれば、被加工物にレーザ光を精度良く照射することができる。
On the other hand, a motor having a rotatable shaft and a non-contact radial magnetic bearing for restricting displacement of the shaft in the radial direction is provided, and a scanner mirror for deflecting laser light is attached to the shaft end of the motor, A laser processing device that rotates a motor to irradiate the workpiece with the laser beam, and is capable of regulating displacement in both the radial direction and the thrust direction with a gap from the radial magnetic bearing in the longitudinal direction of the shaft. A special bearing is provided.
According to this configuration, the workpiece can be irradiated with laser light with high accuracy.
本発明によれば、回転自在な軸のラジアル方向への変位を規制する非接触式のラジアル磁気軸受を備えた軸受構造であって、前記軸の長手方向に前記ラジアル磁気軸受と間隔をあけ、ラジアル方向とスラスト方向の両方の変位を規制可能な軸受を設けているので、2つのラジアル磁気軸受と1つのスラスト磁気軸受とを組み合わせて構成する場合と比較して、軸受構造を構成するのに大きなスペースを必要としない。また、軸受で軸の変位を抑えることによって、ラジアル磁気軸受の部分でのラジアル方向への軸振れを小さくすることができる。これにより、例えば、変位センサを用いてラジアル磁気軸受の変位を測定し、変位を調整するための制御(フィードバック制御)を行う場合であっても、調整幅(量)が少なくなり容易に調整することができる。そのため、軸受精度を高めることができる。 According to the present invention, there is provided a bearing structure including a non-contact type radial magnetic bearing that regulates a displacement of a rotatable shaft in a radial direction, and is spaced apart from the radial magnetic bearing in a longitudinal direction of the shaft. Since a bearing capable of restricting displacement in both the radial direction and the thrust direction is provided, compared to the case where two radial magnetic bearings and one thrust magnetic bearing are combined, the bearing structure is configured. Does not require a large space. Further, by suppressing the displacement of the shaft with the bearing, the shaft runout in the radial direction at the radial magnetic bearing portion can be reduced. Thereby, for example, even when a displacement sensor is used to measure the displacement of the radial magnetic bearing and control (feedback control) for adjusting the displacement is performed, the adjustment width (amount) is reduced and the adjustment is easily performed. be able to. Therefore, bearing accuracy can be increased.
また、本発明によれば、回転自在な軸と、この軸のラジアル方向への変位を規制する非接触式のラジアル磁気軸受とを有するモータを備え、このモータの軸端にレーザ光を偏向させるスキャナミラーを取り付け、前記モータを回動させて前記レーザ光を被加工物に照射するレーザ加工装置であって、前記軸の長手方向に前記ラジアル磁気軸受と間隔をあけ、ラジアル方向とスラスト方向の両方の変位を規制可能な軸受を設けているので、モータの軸の軸振れを小さく抑えることで、スキャナミラーを精度良く回動させることができる。これにより、被加工物にレーザ光を精度良く照射することができ、レーザ加工装置で加工することができる被加工物の加工を精度良く行うことができる。また、軸受が小さなスペースで構成できるので、モータの外形を小さくすることができる。 In addition, according to the present invention, a motor having a rotatable shaft and a non-contact radial magnetic bearing that restricts displacement of the shaft in the radial direction is provided, and the laser beam is deflected at the shaft end of the motor. A laser processing apparatus that attaches a scanner mirror and rotates the motor to irradiate the workpiece with the laser beam. The laser processing apparatus is spaced apart from the radial magnetic bearing in the longitudinal direction of the shaft, and has a radial direction and a thrust direction. Since the bearing capable of regulating both displacements is provided, the scanner mirror can be rotated with high accuracy by suppressing the shaft runout of the motor shaft to be small. Accordingly, the workpiece can be irradiated with laser light with high accuracy, and the workpiece that can be processed with the laser processing apparatus can be processed with high accuracy. Further, since the bearing can be configured in a small space, the outer shape of the motor can be reduced.
図1は、本実施形態に係るレーザ加工装置1の構成を示す図である。また、図2は、図1に示すモータ41Aにスキャナミラー40Aを取り付けた状態を拡大して示す図である。
レーザ加工装置1は、レーザ発振器2と、スキャナ光学装置3と、レーザ発振器2から放射されたレーザ光45をスキャナ光学装置3に導く光学素子たる1対のミラー4A、4Bとを備えており、これらが板状の石定盤5に載置・固定されている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a
The
レーザ発振器2は、レーザ媒質に応じた波長のレーザ光45を発振する。このレーザ発振器2は、図示せぬレーザ共振器を内蔵する直方体形状の発振器本体20と、この発振器本体20の先端部20Aに開口するレーザ出射口21とを備えている。
このレーザ発振器2としては、固体レーザ発振器、液体レーザ発振器、気体レーザ発振器、半導体レーザ発振器、或いは、自由電子レーザ発振器などがある。
The laser oscillator 2 oscillates a
Examples of the laser oscillator 2 include a solid laser oscillator, a liquid laser oscillator, a gas laser oscillator, a semiconductor laser oscillator, and a free electron laser oscillator.
発振器本体20の下側には、その先端部20A側及び後端部20B側にXYZ軸ステージ22が設けられている。このXYZ軸ステージ22は、石定盤5にねじ止め固定されている。この石定盤5は、一般に、平面精度が非常に高いため、XYZ軸ステージ22を調整することで、レーザ発振器2の光軸が微調整可能となっている。また、石定盤5は、熱伝導率が非常に小さいため、レーザ発振器2が発熱しても他の光学要素に与える熱影響を最小に抑えることが可能である。
An
スキャナ光学装置3は、レーザ発振器2から出力されたレーザ光45の強度を変調するAOM(音響光学変調素子)30と、レーザ光45のフォーカスを調整するダイナミックフォーカスレンズ31と、レーザ光45を偏向して対象物に照射するスキャナヘッド32とを備え、これらの光学要素が、ミラー4Bとの光軸を合わせるための直線状に延びた高さ調整用ステージ33に載置されている。この高さ調整用ステージ33には、ダイナミックフォーカスレンズ31及びスキャナヘッド32の間に設けられ、ダイナミックフォーカスレンズ31から出力された光を整形してスキャナヘッド32に入力する光学素子としてのレンズ34と、AOM30に入射するレーザ光45を整形する光学素子としての2組のレンズ35A、35Bとが取り付けられている。
The scanner
スキャナヘッド32は、底面が開口した箱型の筐体42を備えており、この筐体42の
上部及び側部には、モータ41A、41Bが設けられている。
モータ41Aの回転軸52(駆動軸)は、図1における左右方向に延在しており、その先端には、レーザ光45を偏向するスキャナミラー40Aが取り付けられている。このスキャナミラー40Aは、モータ41Aの回転軸52をR方向(図2参照)へ適宜回動させることにより、ミラーの角度を変えられるようになっている。
一方、モータ41Bの駆動軸は、図1における上下方向に延在しており、その先端には、スキャナミラー40Aの偏向方向に対して所定の角度となる方向にレーザ光45を偏向するスキャナミラー40Bが取り付けられている。このスキャナミラー40Bは、モータ41Bの駆動軸を回動させることにより、ミラーの角度を変えられるようになっている。
これらのスキャナミラー40A、40Bは、筐体42の内部に配置されており、筐体42の側面には、その内部にレーザ光45を導くための図示せぬ導入口が形成されている。
The
A rotation shaft 52 (drive shaft) of the
On the other hand, the drive shaft of the
These scanner mirrors 40A and 40B are disposed inside the
また、筐体42が配置された部分の高さ調整用ステージ33には、上記スキャナミラー40A、40Bにて偏向された光を出射する出射口43が設けられている。これにより、スキャナヘッド32、レンズ34及びこの出射口43によって、レーザ発振器2から出力されたレーザ光45を偏向する偏向モジュールが構成されている。この偏向モジュールによって偏向されたレーザ光45は、出射口43を通過してワーキングエリア46(被加工物。図2参照)へと向けられる。
The
ダイナミックフォーカスレンズ31は、レーザ光45をスキャナヘッド32で偏向し対象物をレーザ光45で走査する際に、対象物の走査面におけるレーザ光45の照射スポット径を照射位置によらず略一定に維持するようにレーザ光45の焦点距離を可変するものである。ダイナミックフォーカスレンズ31は、図示せぬモータによってレンズ系が光軸方向に駆動され、レーザ光45の焦点距離が可変される。さらに、対象物が立体的な走査面の場合には、該走査面で焦点が合うように、ダイナミックフォーカスレンズ31がコントロールユニット6によって制御される。この図示せぬモータ、及び、上記スキャナヘッド32のモータ41A、41Bは、コントロールユニット6により制御されている。このコントロールユニット6は、走査面におけるレーザ光45の照射位置に基づいて焦点距離を調整すべく、ダイナミックフォーカスレンズ31のモータと、スキャナヘッド32のモータ41A、41Bとを互いに同期させながら制御する。なお、ダイナミックフォーカスレンズ31に代えてfθレンズを焦点距離調整手段として用いても良い。
When the
AOM30は、上記の通り、レーザ発振器2から出力された連続発振レーザ光、或いは、パルスレーザ光の強度変調を行うものであり、上記コントロールユニット6により制御されており、コントロールユニット6は、対象物の走査面におけるレーザ加工深度等の加工度合いを常に一定に維持すべく、スキャナヘッド32のモータ41A、41Bの駆動量によって規定されるレーザ光45の走査速度に応じて、レーザ光45の強度を可変する。すなわち、コントロールユニット6は、レーザ光45の走査速度が速い場合には、単位面積あたりのエネルギーが低下するためレーザ光45の強度もしくはレーザ光45の密度を高め、これとは逆に、走査速度が遅い場合にはレーザ光45の強度もしくはレーザ光45の密度を低める制御を行い、レーザ光45の走査時の単位面積あたりのエネルギーを略一定に維持する制御を行う。
なお、上記レーザ光45の密度は、パルスレーザ光の単位時間当たりのパルス数により定義され、当該レーザ光密度を可変することで、単位面積当たりのレーザ光45のエネルギーを可変することができる。
As described above, the
The density of the
また、スキャナヘッド32のモータ41A、41Bには、スキャナミラー40A、40Bの回転量に応じたパルス数のデジタルパルス信号SA、SBをコントロールユニット6に出力するエンコーダ44A及び44Bが設けられている。
コントロールユニット6は、各デジタルパルス信号SA、SBをカウントし、このカウント値に基づいて、スキャナミラー40A、40Bの回転量を特定し、現在のレーザ光照射位置のXY座標値を特定する。
また、コントロールユニット6は、レーザ光照射位置の目標値と現在のXY座標値との偏差を打ち消すように、モータ41A、41Bのそれぞれに出力してネガティブフィードバック制御を実行する。このように、コントロールユニット6においては、デジタルパルス信号SA、SBを出力するエンコーダ44A、44B、及び、コントロールユニット6によりクローズドループ制御系が構成されており、各モータ41A、41Bの駆動が高精度に補償される。これにより、高精度なモータ制御、すなわち、被加工物の加工面における高精度な照射位置制御が実現される。
The
The
Further, the
このようなレーザ加工装置1としては、例えば、リモートレーザ溶接、ワーキングディスタンスが比較的長い光造形システム、高い描画精度が要求される描画システム(単なる製造年月日などの文字を認識するために描画されるものを除く)などに使用することができる。
Examples of such a
図3は、図1に示すモータ41Aを単体で示す断面図である。また、図4は、図3に示す軸受を拡大して示す断面図である。なお、以下の説明では、モータ41Aについて説明するが、モータ41Bについてもモータ41Aの構造と同一であり、その説明を省略する。また、図3において、モータ41Aの後部に取り付けられているエンコーダ44Aは省略してある。さらに、以下の説明において、上下および左右の方向は、この図3を正面から見た方向をいうものとする。
FIG. 3 is a sectional view showing the
モータ41Aは、このモータ41Aの外側部分を構成する有底円筒形状の筐体部51と、この筐体部51の中心軸線Xに沿って延びる回転軸52と、この回転軸52を駆動するモータ部53と、このモータ部53の上側に配置されたラジアル磁気軸受54と、回転軸52の下側端部を支持する軸受55とを備えている。すなわち、このモータ部53は、図3に示すように、ラジアル磁気軸受54と軸受55との間に配設されている。
The
回転軸52は、図3に示すように、軸線Xに沿って上下方向に延在しており、その上端部52aが筐体部51の上側開口51aから突出している。この回転軸52は、磁性体(例えば、鉄など)を用いて形成されている。この回転軸52の上端部52aには、上述したスキャナミラー40Aが取り付けられている。一方、回転軸52の下端部52bは、図3及び図4に示すように、半球体形状をなしており、詳細は後述する軸受55に接触する態様で支持されている。
As shown in FIG. 3, the rotating
モータ部53は、筐体部51に固定された固定子56(ステータ)を備えており、この固定子56の巻線56aに電流を供給することにより、変動する磁界を発生させている。一方、上述した回転軸52には、この固定子56と対応する位置に回転子52d(ロータ)が一体に設けられており、この固定子56と回転子52dとによって、回転軸52が回転することになる。
The
ラジアル磁気軸受54は、筐体部51に固定されたヨーク57を備えている。このヨーク57は、回転軸52の周方向に連続してリング状に配置されており、回転軸52の外周面とヨーク57の内周面との間に所定の隙間が設けられている。また、このヨーク57には、周方向に間隔を置いて、複数の磁界発生コイル58が設けられている。この磁界発生コイル58に個々に電力を供給してヨーク57の周方向における各部に磁力を発生させ、回転軸52の外周外側から回転軸52を吸引することにより、回転軸52を非接触で支持するようになっている。この非接触支持によって、回転軸52の非接触支持部に摩耗が生じないようにすることができる。
それぞれの磁界発生コイル58に供給される電力は、図示しない制御システムによって制御されており、回転軸52に軸振れが生じた場合に回転軸52の全周における各部での磁力が調節され、軸振れを規制する。
The radial
The electric power supplied to each magnetic
なお、回転軸52の外周面であってヨーク57の内側と対向する位置に永久磁石(図示せず)を取り付け、ヨーク57で発生する極性をこの永久磁石の極性と同じ極性にすることにより、ヨーク57と回転軸52とを反発させて、回転軸52を非接触支持するようにしてもよい。この構造であっても、この非接触支持によって、回転軸52の非接触支持部に摩耗が生じないようにすることができる。
In addition, by attaching a permanent magnet (not shown) on the outer peripheral surface of the
また、ラジアル磁気軸受54の上側には、変位センサ59が設けられている。この変位センサ59は、筐体部51に取り付けられており、回転軸52の変位(軸振れの量)を検出するためのものである。この変位センサ59は、図示しない制御システムに接続されており、回転軸52の変位信号を制御システムに送信する。この変位信号は、ヨーク57の磁力を増減させるフィードバック制御に使用されており、制御システムは、ラジアル磁気軸受54の磁界発生コイルに供給する電力を変位信号に基づいて調節する。これにより、回転軸52の軸振れを小さくし、回転軸52をより安定して支持することができることになる。
A
軸受55は、図3及び図4に示すように、回転軸52の下端部52bが接触可能な構造となっている。より詳細には、下端部52bには、半球面形状の半球面部52cが形成されている一方、軸受55は、この半球面部52cの側縁部S及び下端面T(図4参照)を覆う窪み形状に形成されており、この半球面部52cと面で接触する半球面形状の接触面55aを有している。この軸受55は、回転軸52のラジアル方向への変位を半球面部52cの側縁部Sを覆う部分で規制し、スラスト方向への変位を半球面部52cの下端面Tを覆う部分で規制することにより、ラジアル方向とスラスト方向との両方の変位を支持できるようになっている。この半球面52cと軸受55の接触面55aとは、図4に示すように、半球面部52cの半径中心Qから、左右均等に90度以上の角度をなす範囲で接触していることが好ましい。このように90度以上の角度で接していれば、半球面部52cにおいて垂直方向に作用する力よりも水平方向に作用する力が大きくなり、ラジアル軸受としての機能をより向上させることができる。
なお、ここで記載した半球面とは、厳格に球体の半分の形状を意味するものではなく、スラスト方向及びラジアル方向の両方向を支持可能なものであれば完全な半球体には限られない。すなわち、球状の面を備えた形状、或いは、ほぼ同じ寸法の半径で形成された球面をいい、例えば、全体が球状(図6(b)参照)のものも含まれ得る。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
The hemispherical surface described here does not strictly mean a half shape of a sphere, and is not limited to a complete hemisphere as long as it can support both the thrust direction and the radial direction. That is, it refers to a shape having a spherical surface, or a spherical surface formed with a radius having substantially the same dimension, and for example, a spherical shape as a whole (see FIG. 6B) may be included.
また、回転軸52は、回転軸52の延在方向に沿って並設された永久磁石98、99によって軸受55側に向けて押圧力Fが付与されている。すなわち、筐体部51に固定された永久磁石98と、回転軸52に固定された永久磁石99は、その対向する面の磁性が同じになっており、これらの永久磁石98、99の反発力によって押圧力Fが発生している。そのため、回転軸52の半球面部52cは、軸受55の接触面55aに押圧力Fによって常に押し付けられた状態になっている。従って、軸端部が溝部から抜けにくくなるので、軸端の固定位置が変化しない。
The rotating
筐体部51の上側開口51aには、ラジアル磁気軸受54の制御システムの異常時又は停電時のためのタッチダウンベアリング60(補助軸受)が設けられている。このタッチダウンベアリング60は、ラジアル磁気軸受54の磁界の影響を受けないように、非磁性体(例えば、アルミニウムなど)を用いて形成されており、非常時に回転軸52がこのタッチダウンベアリング60に接触するようになっている。また、このタッチダウンベアリング60は、押圧力Fを作用させるための永久磁石98、99を保護する役割を果たしており、回転軸52に上方向に大きなスラスト荷重が作用した場合であっても、永久磁石98、99が接触する前に、回転軸52の段差部がタッチダウンベアリング60に接触するようになっている。さらには、回転軸52がラジアル方向に動いた場合であっても、モータ41Aの回転子52dと固定子56、及び回転軸52とラジアル磁気軸受54のヨーク57とが接触する前にタッチダウンベアリング60が接触することにより、モータや磁気軸受の各部分が破損するのを防止している。
A touch-down bearing 60 (auxiliary bearing) is provided in the
なお、タッチダウンベアリング60を電磁石または永久磁石で構成し、ラジアル方向およびスラスト方向の変位を支持できるようにすることもできる。この場合、タッチダウンベアリング60の内周面と対向する回転軸52の外周面を、このタッチダウンベアリング60の極性と同じにし、回転軸52に反発力を生じさせることにより、回転軸52を安定位置に回転自在に支持することができる。また、軸振れしたときにのみ電磁石に電流を流せばよく、省エネ効果を得ることができる。
Note that the touchdown bearing 60 may be composed of an electromagnet or a permanent magnet so that the displacement in the radial direction and the thrust direction can be supported. In this case, the outer peripheral surface of the
次に、本実施の形態における軸受構造の作用について、図5を用いて説明する。図5は、回転軸52(中心軸線X)が軸振れしたときの、振れの範囲を示している。
回転軸52にラジアル方向及びスラスト方向の両方の変位が作用して回転軸52が軸振れした場合、回転軸52の下端部52bは、軸受55によって、ラジアル方向及びスラスト方向の両方の変位が支持されるので、回転軸52の下端部52bが1点で支持され、固定されることになる。すなわち、図5に示すように、回転軸52の中心軸線Xの振れ範囲は、図5で示すように、軸受55を頂点(中心)にした逆円錐形状の範囲となる。
Next, the effect | action of the bearing structure in this Embodiment is demonstrated using FIG. FIG. 5 shows a range of shake when the rotation shaft 52 (center axis X) is shaken.
When both the radial direction and thrust direction displacements act on the
また、ラジアル磁気軸受54の位置では、回転軸52の変位量を変位センサ59で検出し、この変位量に基づいてヨーク57の磁力を制御することにより、軸振れが生じている回転軸52の軸線を中心軸線Xの位置に戻す支持力P(図5参照)を作用させることができる。これにより、回転軸52の変位量を少なくすることができる。
Further, at the position of the radial
一方、従来技術で説明したように、回転軸の延在方向に沿って2つ以上のラジアル磁気軸受が配設された場合には、2つ以上のラジアル磁気軸受の部分で軸振れが生じ、全体としての軸振れの範囲が相乗的に大きくなる。すなわち、軸受55によって回転軸52の下端部52bを1点で支持することにより、回転軸52の全体としての軸振れを小さく抑えることができる。このような軸受55を設けた軸受構造は、加減速、正逆転制御が多いことから回転軸52の軸振れがしやすいレーザ加工装置1の偏向用モータ41Aに適している。
On the other hand, as described in the prior art, when two or more radial magnetic bearings are disposed along the extending direction of the rotating shaft, shaft runout occurs in the portions of the two or more radial magnetic bearings, The range of shaft runout as a whole increases synergistically. That is, by supporting the
本発明の実施の形態に係る軸受構造によれば、回転軸52のラジアル方向への変位を規制する非接触式のラジアル磁気軸受54と、ラジアル磁気軸受54と間隔をあけた1点であって、回転軸52の長手方向の一端部に、ラジアル方向とスラスト方向の両方の変位を規制可能な軸受55を設けているので、2つのラジアル磁気軸受と1つのスラスト磁気軸受とを組み合わせて構成する場合と比較して、軸受構造を構成するのに大きなスペースを必要としない。また、軸受55の1点で軸の変位を抑えることによって、ラジアル磁気軸受54の部分でのラジアル方向への軸振れを小さくすることができる。これにより、例えば、変位センサを用いてラジアル磁気軸受54の部分の変位を測定し、変位を調整するための制御(フィードバック制御)を行う場合であっても、調整幅が少なくなり容易に調整することができる。そのため、軸受精度を高めることができる。
According to the bearing structure according to the embodiment of the present invention, a non-contact type radial
また、軸受55を、回転軸52の側縁部S及び下端面Tを覆う窪み形状に形成し、回転軸52の一端部を半球面形状に形成する一方、軸受55に回転軸52の半球面部52cと接触する接触面55aを形成しているので、スラスト方向又はラジアル方向の両方の変位を簡単な構造で規制することができる。そのため、軸受のコストを低減することができる。
Further, the
さらに、回転軸52の一端部を軸受55に押圧するための押圧力Fを作用させているので、軸受55での支持を確実に行うことができ、より精度よく1点で支持することができる。
Furthermore, since a pressing force F for pressing one end of the
また、ラジアル磁気軸受54と軸受55との間にモータ部53を設けているので、支点(軸受55)に対する力点(ラジアル磁気軸受54)の距離を長く確保することができ、ラジアル磁気軸受54において作用させる力が小さくてすむことになる。また、この小さな力で回転軸52を大きく動かすことができる。他方、支点(軸受55)と変位センサ59との間の距離も長くすることができるので、変位センサ59の単位検出距離に対する軸振れ角が小さくなり、制御が容易になる。
Further, since the
他方、軸受55を設けた構造を、加減速、正逆転制御が多く、軸振れしやすいレーザ加工装置1の偏向用モータ41Aに適用しているので、モータ41Aの回転軸52の軸振れを小さく抑えることで、スキャナミラー40Aを精度良く回動させることができる。これにより、ワーキングエリア46にレーザ光を精度良く照射することができ、レーザ加工装置1で加工することができるワーキングエリア46の加工を精度良く行うことができる。また、軸受55が小さなスペースで構成できるので、モータ41Aの外形を小さくすることができる。これにより、レーザ加工装置1の外形寸法も、従来と比べて小さくすることができる。
On the other hand, since the structure provided with the
以上、本発明を実施するための最良の形態について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。
図6(a)〜図6(d)は、接触式の軸受55の変形例を示す断面図である。
本実施の形態では、軸受55の形状を、回転軸52の半球面部52cと面で接する接触面55aにしているが、図6(a)に示す軸受61のように、円錐形状に窪ませた窪み形状であってもよい。これにより、回転軸52の半球面部52cが、円錐形状の窪み面62と円状に接触し、この窪み面62の傾斜角度によって、回転軸52に作用するスラスト方向とラジアル方向との両方の変位を1点で支持することができる。この場合においても、回転軸52には、押圧力Fが作用しており、回転軸52の半球面部52cが窪み面62に押圧されるようになっている。なお、この半球面部52cと軸受61の窪み面62とは、半球面部52cの半径中心Q(図4参照)から、90度以上の角度をなす位置で接触していることが好ましい。このように90度以上の角度で接していれば、半球面部52cにおいて垂直方向に作用する力よりも水平方向に作用する力が大きくなり、ラジアル軸受としての機能をより向上させることができる。
The best mode for carrying out the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and changes can be made based on the technical idea of the present invention. .
FIG. 6A to FIG. 6D are cross-sectional views showing modifications of the
In the present embodiment, the shape of the
また、図6(b)に示す軸受64のように、回転軸65の下端部を球状にして、半球面部(図4の符号52c)を一部に含む球面65aを形成すると共に、軸受64を、図6(b)における左右及び奥行き方向を支持する4つの縦壁面66aと下方を支持する底面66bとで構成することもできる。この球面65aは、軸受64の内部で支持されている状態で、縦壁面66a及び底面66bと接触し、回転軸65に作用するスラスト方向とラジアル方向との両方の変位を1点で支持することができる。この場合においても、回転軸65には、押圧力Fが作用しており、回転軸65の球面65aの最下面が底面66bに押圧されるようになっている。
Further, like the
さらに、図6(c)に示す軸受70のように、回転軸71の下端部を逆円錐形状にして、この円錐形状の頂部に丸み(曲面)を付けた丸み部72を設けると共に、軸受70を逆円錐形状の窪み面73を形成し、この窪み面73の最下面に丸み部72の形状と略同一の丸みを有する受け面73aを形成して構成することもできる。この丸み部72と受け面73aとは、押圧力Fが作用した状態でそれぞれ面で接触し、回転軸71に作用するスラスト方向とラジアル方向との両方の変位を1点で支持することができる。なお、丸み部72と軸受61の受け面73aとは、丸み部72の半径中心から、左右均等に90度以上の角度をなす範囲で接触していることが好ましい。このように90度以上の角度で接していれば、半球面部52cにおいて垂直方向に作用する力よりも水平方向に作用する力が大きくなり、ラジアル軸受としての機能をより向上させることができる。
Further, like the
また、図6(d)に示す軸受75のように、回転軸76の下端部76bを支持する自動調芯機能を有する軸受77で支持するようにしてもよい。この自動調芯機能を有する軸受77は、ラジアル方向とスラスト方向との両方の変位を支持可能な一般的なものであり、その詳細構造の説明は省略する。この軸受77を使用する場合には、回転軸76には、押圧力Fを作用させる必要はない。
Moreover, you may make it support by the bearing 77 which has the self-alignment function which supports the
また、図6(e)に示す軸受80のように、図6(b)に示す軸受64の構造に、球面65aの上部を下側に押さえる上縁部81を設けるようにしてもよい。この構造では、回転軸65の上方向に作用するスラスト荷重をこの上縁部81で受けることができるので、回転軸65に押圧力Fを作用させる必要がない。そのため、永久磁石98、99を取り付ける必要がなくなり、さらにモータを小型化することができると共に、コストを低減することができる。
Further, like the
さらにまた、図6(a)、(b)、(c)、(e)に示す構造において、軸端部と溝部とを異なる極性に磁化させ、互いに吸引する力を持たせることにより、押圧力Fに替わる力を得るようにしてもよい。 Furthermore, in the structure shown in FIGS. 6 (a), 6 (b), 6 (c), and 6 (e), the axial end portion and the groove portion are magnetized to have different polarities and have a force for attracting each other. A force in place of F may be obtained.
一方、図7(a)、図7(b)に示すように、軸受55を非接触式の軸受構造にしてスラスト方向及びラジアル方向の変位を規制することもできる。
図7(a)では、回転軸86の下端部を、半球面部(図4の符号52c)を一部に含む球体に形成し、その内部に永久磁石87を埋め込む一方、軸受85の窪み形状を回転軸86の下端部の半球体の形状に合わせて一定の隙間が形成されるような半球体形状に形成し、この軸受85の内部にも永久磁石88を埋め込むようにしてもよい。永久磁石87、88は、例えば、図7(a)に示すように、互いにS極が対向するようにして反発力を発生させる。また、それぞれの半球体の全体で反発力を発生させることにより、ラジアル方向とスラスト方向との両方の変位を支持できるようにする。この場合、回転軸86には、押圧力Fを作用させ、支持部を安定させるようにしてもよい。また、永久磁石の替わりに、電磁石を用いることもできる
On the other hand, as shown in FIG. 7A and FIG. 7B, the displacement in the thrust direction and the radial direction can be restricted by making the bearing 55 a non-contact type bearing structure.
In FIG. 7A, the lower end portion of the
また、図7(b)では、回転軸91の下端部を円柱形状にし、軸受90の窪み形状をこの円柱形状に合わせて一定の隙間が形成されるような窪み形状にすることもできる。この回転軸91の下端部及び軸受90の窪み部には、それぞれ反発力を発生させる磁界を発生させる。さらに、回転軸91には、押圧力Fを作用させ、支持部を安定させるようにしてもよい。
Moreover, in FIG.7 (b), the lower end part of the
さらには、図7(a)及び図7(b)に示した構成では、永久磁石を埋め込んでいるが、軸受85、90及び回転軸86、91の表面を磁化させて反発力を得るようにしてもよい。また、磁化は、電磁石を用いて発生させてもよい。さらに、永久磁石を内部に埋め込む(内部に含む)もののほか、表面に固定する構成であってもかまわない。これにより、同様な反発力を得ることができ、ラジアル方向とスラスト方向との両方の変位を支持できるようにする。
Furthermore, in the configuration shown in FIGS. 7A and 7B, permanent magnets are embedded, but the surfaces of the
他方、本実施の形態では、モータ41Aにモータ部53を設けて回転軸52を回転させているが、図8に示すように、モータ部53を外部に設けて回転軸52を回転させるように構成することもできる。
図8では、筐体100の底面部100bに下開口部101を形成し、この下開口部101に上述した自動調芯機能を有する軸受77を取り付けている。回転軸102は、上端部102aが上開口部106から突出し、下端部102bが軸受77で支持されている。また、回転軸102の下端部102bは、軸受77の下方に少し突出しており、この回転軸102を接続するためのカップリング103によってモータ部104の駆動軸105と接続されている。なお、筐体100の内部には、図8に示すように、本実施の形態で説明した位置に、ラジアル磁気軸受54、変位センサ59、タッチダウンベアリング60がそれぞれ設けられている。このような構成であっても、回転軸102の下端部102bは、軸受77によって、ラジアル方向及びスラスト方向の両方の変位が支持されるので、回転軸102の下端部102bが1点で支持されることになる。そのため、回転軸102の軸振れを小さく抑えることができる。
On the other hand, in the present embodiment, the
In FIG. 8, the
1 レーザ加工装置
2 レーザ発振器
3 スキャナ光学装置
4A、4B ミラー
5 石定盤
6 コントロールユニット
20 発振器本体
21 レーザ出射口
32 スキャナヘッド
33 調整用ステージ
40A、40B スキャナミラー
41A、41B モータ
42 筐体
43 出射口
45 レーザ光
46 ワーキングエリア
51 筐体部
52 回転軸
52c 半球面部
52d 回転子
53 モータ部
54 ラジアル磁気軸受
55 軸受
55a 接触面
56 固定子
57 ヨーク
58 磁界発生コイル
59 変位センサ
61 軸受
62 窪み面
X 中心軸線
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記軸の長手方向に前記ラジアル磁気軸受と間隔をあけ、ラジアル方向とスラスト方向の両方の変位を規制可能な軸受を設けたことを特徴とする軸受構造。 A bearing structure including a non-contact radial magnetic bearing that regulates a radial displacement of a rotatable shaft,
A bearing structure characterized in that a bearing is provided which is spaced apart from the radial magnetic bearing in the longitudinal direction of the shaft and can regulate displacement in both the radial direction and the thrust direction.
前記軸の長手方向に前記ラジアル磁気軸受と間隔をあけ、ラジアル方向とスラスト方向の両方の変位を規制可能な軸受を設けたことを特徴とするレーザ加工装置。 A motor having a rotatable shaft and a non-contact radial magnetic bearing for restricting displacement of the shaft in the radial direction; a scanner mirror for deflecting laser light is attached to the shaft end of the motor; A laser processing apparatus for rotating and irradiating the workpiece with the laser beam,
A laser processing apparatus, characterized in that a bearing capable of regulating displacement in both the radial direction and the thrust direction is provided at a distance from the radial magnetic bearing in the longitudinal direction of the shaft.
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