JP5943669B2 - ガルバノスキャナ及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明はガルバノスキャナ及びレーザ加工装置に係り、さらに詳しくは、レーザ光をワークに対して走査するガルバノスキャナ、及びガルバノスキャナによって走査偏向されるレーザ光を用いて穴明け、切断あるいはマーキングを行うレーザ加工装置に関する。

電子機器の小型化、高密度実装化に伴い、プリント基板は複数の配線パターンを積層した多層配線基板が主流となっている。多層配線基板では、上下に積層された基板間の導電層を電気的に接続する必要がある。そこで、多層配線基板の絶縁層に対して、下層の導電層に達するビアホール（穴）を形成し、ビアホールの内部に導電性メッキを施すことにより、上下に積層された基板間の導電層を電気的に接続している。ビアホールの製作には、微細化に伴い従来の機械的なドリル加工装置に加えて、高出力のＣＯ_２レーザ、あるいはＹＡＧの高調波を利用したＵＶレーザを用いたレーザ加工装置が用いられている（例えば、特許文献１）。

一方、携帯電話に代表させる携帯型情報端末の需要が年々拡大しており、携帯型情報端末の基幹部品であるプリント基板の需要も伸びている。そのため、プリント基板穴明け用のレーザ加工機にも生産性の向上が要求されており、レーザ光を穴加工位置に位置決めするガルバノスキャナには高速動作が求められている。

このとき、加減速のトルクを得るためにはコイルに大電流を流す必要があり、大電流を流すと、コイルはコイル自身の抵抗により発熱する。また、流れる電流が高い周波数成分を持つ場合、磁石やヨークは渦電流によって発熱する。発熱によってカルバノスキャナの内部温度が高くなると、磁石に減磁が生じて駆動トルクの低下あるいは回転軸のねじれ剛性の低下によってサーボ機構の応答に劣化が生じる。したがって、電磁アクチュエー夕式のガルバノスキャナでは冷却に特に配慮する必要がある。

他方、ガルバノスキャナのように過酷な揺動動作を繰り返す回転型モータの冷却構造としては、例えば、冷却ジャケットとケースとコイルに接触する伝熱バイパス手段を設けたものが提案されている（特許文献２）。

特開２００２−１３７０７４公報（第６頁、図６参照） 特開２００８−４３１３３号公報（第９頁、図１参照）

ところで、近年、プリント基板の高密度化による穴の小径化と穴数の増加が進んでいる。穴の小径化にはｆθレンズに入射するビーム径を大きくする必要がある。そのため、ガルバノミラーの大型化が避けられない。しかし、ガルバノミラーが大型化すると揺動モータに加わる慣性モーメントが増加するので、コイルにはさらに大きな駆動電流を供給する必要が生じ、コイルの発熱量もそれに伴ってさらに増大する。したがって、揺動モータで高速位置決め動作を実現するためには、発熱したコイルを効率的に冷却することが不可欠である。

コイルで発熱した熱を冷却するために、特許文献２記載の発明では、図１に示すように揺動アクチュエータに冷却ジャケットとケースとコイルに接触する伝熱バイパス手段を新たに設けることによって熱伝導性を向上させている。さらに、冷却ジャケットとケースとコイルの各構成部材間の接着面には接着剤、グリース、熱伝導シート等のギャップ材を介在させ、接触熱抵抗を抑えるようにしている。

しかし、ギャップ材は他の各構成部材が金属材である場合に比べて熱伝導率が桁違いに悪い。そのため、ギャップ材の厚さは極力薄くなるように設計されるが、加工精度を厳しくすると、部品の加工や組立てに時間を費やし高価になる。また、加工誤差によるギャップ層の厚さのばらつき、及び接着剤あるいはグリースの塗布斑により、ガルバノスキャナ全体に熱伝導率のばらつきが生じ、ガルバノスキャナの個体差が大きくなっていた。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、熱伝導率のばらつきがなく、安定的に高い冷却性能を発揮させることにある。

前記課題を解決するため、本発明は、ガルバノミラーを支持する回転軸、及び前記回転軸の周りに配置された永久磁石を備えた可動子と、前記可動子の周りに配置されたコイル、ヨーク及びハウジングケースを備えた固定子と、前記固定子を冷却する冷却手段と、を有し、前記可動子を予め定める角度範囲内で揺動させるガルバノスキャナにおいて、前記コイルとヨークとの間、及びハウジングケースと冷却手段の間の少なくとも一方に配置された高伝熱部材を備え、前記高伝熱部材が、両面に接着剤が塗布され、網目に前記接着剤が入り込み、前記コイルと前記ヨークに接触した状態で接着される熱伝導性のメッシュ部材、及び／又は両面にグリースが塗布され、網目に前記グリースが入り込み、前記ハウジングケースと前記冷却手段に接触した状態で保持される熱伝導性のメッシュ部材からなることを特徴とする。

本発明によれば、熱伝導率のばらつきがなく、安定的に高い冷却性能を発揮することができる。

本発明の実施形態に係るガルバノスキャナの構成を示す縦断面図である。 図１に示したガルバノスキャナのＡ−Ａ線断面図で磁気回路部分を示す。 図１におけるコイルの構成を示す図である。 図１における第１の熱伝導性メッシュの構成を示す図である。 第１の熱伝導性メッシュの接着方法を示す説明図である。 第１の熱伝導性メッシュの効果を説明する図である。 図１における第２の熱伝導性メッシュの構成を示す斜視図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。

図１は本発明の実施形態に係るガルバノスキャナの縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図で磁気回路部分を示す。

図１において、本実施形態に係るガルバノスキャナ１００は、可動子２００及び固定子３００からなる。可動子２００は、ガルバノミラー１、回転軸３、及び永久磁石１０を含み、固定子３００は、コイル１５、ヨーク１６、ハウジングケース１７、第１の熱伝導性メッシュ２０、第２の熱伝導性メッシュ２１を含む。また、固定子３００の外周部には水冷ジャケット２２が設けられ、水冷ジャケット２２には、入口配管２４及び出口配管２５が接続されている。

ガルバノミラー１はミラーマウント２を介して回転軸３の一方の端部に固定されている。回転軸３は第１及び第２の軸受４，５に支持され、所定の範囲で滑らかな揺動動作を行う。第１の軸受４は第１の軸受ケース６に第１のネジリング８により保持され、第２の軸受５は第２の軸受ケース７に第２のネジリング９により保持されている。回転軸３には内径が回転軸３の外径よりも僅かに（数μｍ程度）大径である円筒形の永久磁石１０が取り付けられている。永久磁石１０は、回転軸３と同軸かつ回転軸３の軸方向の所定の位置に接着剤により固定され、これにより回転軸３及びガルバノミラー１と一体に揺動する。

回転軸３の他方の端部には、ハブ１１を介してグレーティング（図示せず）を有するスケール１２が固定されている。スケール１２のグレーティングと対向する位置の軸受ケース７には、センサヘッド１３がセンサ支持具１４を介して固定されている。スケール１２とセンサヘッド１３は、ガルバノミラー１の角度を制御するためのロータリーエンコーダを形成しており、防塵対策のため軸受ケース７に取り付けられたカバー１９によって保護されている。

永久磁石１０と対向する位置には、コイル１５とヨーク１６が回転軸３と同軸に配置されている。ヨーク１６は渦電流を抑えるため、高透磁率で難磁性の鉄系薄板を回転軸３の軸方向に積層したもので、外径はハウジングケース１７の内径よりも僅かに（数μｍ）小径である。ヨーク１６はヨーク押さえリング１８でハウジングケース１７に保持されている。コイル１５は第１の熱伝導性メッシュ２０を介してヨーク１６に接着固定されている。

また、ハウジングケース１７の外周には、第２の熱伝導性メッシュ２１を介して水冷ジャケット２２が着脱自在に配置されている。水冷ジャケット２２は、図２に示すように平面視２分割された対称な第１及び第２の水冷ジャケット２２ａ、２２ｂ及び蝶番２３から構成されている。第１及び第２の水冷ジャケット２２ａ，２２ｂは蝶番２３が閉じたときに第２の熱伝導性メッシュ２１を介してハウジングケース１７に密着する。水冷ジャケット２２には破線で示す流路２２ｃ，２２ｄが形成されており、冷却水供給手段（図示せず）から入口配管２４を介して第１及び第２水冷ジャケット２２ａ、２２ｂにそれぞれ冷却水が供給される。冷却水は第１及び第２の水冷ジャケット２２ａ，２２ｂの内部に入り、流路２２ｃ，２２ｄを流れながら熱交換し、出口配管２５から排出される。

なお、軸受ケース６、軸受ケース７、ハウジングケース１７、ヨーク押さえリング１８、水冷ジャケット２２はアルミニウム系あるいは銅系等の熱伝導率の高い材料で形成されている。

図２に示すように、永久磁石１０は中心角９０度の４極の磁石片を組み合わせたものであり、各磁石片は半径方向に着磁されている。永久磁石１０のＮ極から出た磁束１０１，１０２，１０３，１０４は、コイル１５と交差し、ヨーク１６を通ってＳ極に戻り、閉ループを描く。

図３は、素材としてのコイル形状を示す図で、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図３に示すように素材としてのコイル１５は、銅などの素線を扁平な方形枠状に巻いたものである。このような素材としてのコイル１５をヨーク１６の内径に合わせて円弧状に曲げ、４個を電気的に接続すると共に有効長Ｃが回転軸３と平行になるようにして、ヨーク１６の内周面に第１の熱伝導性メッシュ２０を介して接着剤により接着固定されている。磁束１０１，１０２，１０３，１０４とコイル１５の有効長Ｃに流れる電流は直交するので、コイル１５に電流を流すと、永久磁石１０には接線方向の電磁力が作用する。この電磁力により回転軸３が回転するし、ガルバノミラー１も一体に回転する。

図４は第１の熱伝導性メッシュ２０の構成を示す図である。図４（ａ）の斜視図、図４（ｂ）の展開した正面図、図４（ｃ）の平面図に示すように、第１の熱伝導性メッシュ２０は、ハウジングケース１７の内周長Ｌ１と高さＨ１に合わせた外形寸法で、厚さｄが数十μｍ程度のシート形状である。材質はグラファイト、銅、アルミニウム、あるいはステンレスの金属であり、特に金属メッシュを圧延して製造するエキスバンドメタルは厚さが均一でしかも安価に入手できる。

第１の熱伝導性メッシュ２０の両面には、接着剤２６が薄く塗布されている。この状態でヨーク１６が内周面に装着されたハウジングケース１７に挿入し、その後、図５に示すようにテーパ押付治具２７とシュパンリング２８を用いて、コイル１５とヨーク１６との間に第１の熱伝導性メッシュ２０が配置された状態でコイル１５を内側からハウジングケース１７に対して押し付ける。これにより図６に示すように第１の熱伝導性メッシュ２０の表面の余分な接着剤２６が第１の熱伝導性メッシュ２０の網目に入り込む。そのため、コイル１５の有効長Ｃ部とヨーク１６の間隔、コイル１５の端部Ｄとハウジングケース１７及びヨーク押さえリング１８との間隔は、限りなく第１の熱伝導性メッシュ２０の厚さｄに近づき、しかも、余分な接着剤２６は網目内に留まるので、接着剤漏れを抑えることができる。この状態で接着剤２６が硬化するまでの所定の時間保持し、接着剤２６が硬化した後にテーパ押付治具２７とシュパンリング２８を外すと固定子が完成する。

一般的な接着剤の熱伝導率はフィラー入りでも４Ｗ／ｍ・ｋ程度なのに対して、銅は３９８Ｗ／ｍ・ｋである。例えば、第１の熱伝導性メッシュ２０の銅部と網目部との面積比率が１：１で網目部が全て空気と仮定しても、熱伝導率は１９９Ｗ／ｍ・ｋとなり、効率よくコイル１５で発生する熱をヨーク１６及びハウジングケース１７へ伝熱することができる。

次に、第２の熱伝導性メッシュ２１について説明する。

図７に示すように第２の熱伝導性メッシュ２１は、水冷ジャケット２１の内周長Ｌ２と高さＨ２に合わせた外形寸法で、厚さ及び材質は第１の熱伝導性メッシュ２０と同一である。第２の熱伝導性メッシュ２１の両面には、グリース（図示せず）が薄く塗布されている。この状態で第１及び第２の水冷ジャケット２２ａ，２２ｂの内周に挿入した後、ハウジングケース１７の外周中央部に装着する。そして、第１及び第２の水冷ジャケット２２ａ，２２ｂの蝶番２３を閉じると、水冷ジャケット２２は第２の熱伝導性メッシュ２１を介してハウジングケース１７の外周面に密着する。これにより、図６に示した第１の熱伝導性メッシュ２０と同様に第２の熱伝導性メッシュ２１の表面の余分なグリースが第２の熱伝導性メッシュ２１の網目に入り込み、水冷ジャケット２２が第２の熱伝導性メッシュ２１を介してハウジングケース１７と密着する。その結果、コイル１５での発熱を効率よく水冷ジャケット２２へ伝えることが可能となり、水冷ジャケット２２で効率よく冷却することができる。

以上のように、本実施形態によれば、
１）コイル１５とヨーク１６との間に第１の熱伝導性メッシュ２０を配し、限りなく第１の熱伝導性メッシュ２０の厚さｄに近づいた状態で接着、固定するので、熱伝導率を接着剤のみで接着、固定した場合に比べて大幅に向上させることができる。
２）その結果、コイル１５からヨーク１６側への伝熱効率が大きく向上し、コイル１５を効率よく冷却することができる。
３）水冷ジャケット２２が第２の熱伝導性メッシュ２１を介してハウジングケース１７と密着するので、コイル１５での発熱を効率よく水冷ジャケット２２へ伝えることが可能となり、水冷ジャケット２２で効率よく冷却することができる。
４）コイル１５の温度上昇を安定的に抑えることができるので、結果として永久磁石１０の温度上昇を抑制できる。この結果、高速位置決めが可能なガルバノスキャナを提供することができる。
５）ガルバノスキャナ１００は、コイル１５で発生する熱を効率よく冷却できるので、例えば、プリント基板の穴明けレーザ加工装置のような高速かつ連続的に位置決めを繰り返す過酷な動作が要求される加工装置に使用することができる。
などの効果を奏する。

なお、特許請求の範囲におけるガルバノミラーは本実施形態では符号１に、回転軸は符号３に、永久磁石は符号１０に、可動子は符号２００に、コイルは符号１５に、ヨークは符号１６に、ハウジングケースは符号１７に、固定子は符号３００に、高伝熱部材は第１及び第２の熱伝導性メッシュ２０，２１に、ガルバノスキャナは符号１００に、接着剤は符号２６に、冷却手段は水冷ジャケット２２に、それぞれ対応する。

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。前記実施例形態、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。

１ ガルバノミラー
３ 回転軸
１０ 永久磁石
１５ コイル
１６ ヨーク
１７ ハウジング
２０ 第１の熱伝導性メッシュ
２１ 第２の熱伝導性メッシュ
２２ 水冷ジャケット
２６ 接着剤
１００ ガルバノスキャナ
２００ 可動子
３００ 固定子

Claims (2)

1. ガルバノミラーを支持する回転軸、及び前記回転軸の周りに配置された永久磁石を備えた可動子と、
   前記可動子の周りに配置されたコイル、ヨーク及びハウジングケースを備えた固定子と、
   前記固定子を冷却する冷却手段と、
   を有し、前記可動子を予め定める角度範囲内で揺動させるガルバノスキャナにおいて、
   前記コイルとヨークとの間、及びハウジングケースと冷却手段の間の少なくとも一方に配置された高伝熱部材を備え、
   前記高伝熱部材が、
   両面に接着剤が塗布され、網目に前記接着剤が入り込み、前記コイルと前記ヨークに接触した状態で接着される熱伝導性のメッシュ部材、及び／又は両面にグリースが塗布され、網目に前記グリースが入り込み、前記ハウジングケースと前記冷却手段に接触した状態で保持される熱伝導性のメッシュ部材からなることを特徴とするガルバノスキャナ。
2. 請求項１に記載のガルバノスキャナを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。

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