KR20080013784A - 요동 액츄에이터 장치 및 레이저 가공 장치 - Google Patents

요동 액츄에이터 장치 및 레이저 가공 장치 Download PDF

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KR20080013784A
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소이치 도야마
고노스케 기타무라
아키라 도이
히로무 히라이
겐타 세키
요시아키 가노
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히다치 비아 메카닉스 가부시키가이샤
국립대학법인 나고야공업대학
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

본 발명은 요동(搖動) 액츄에이터 장치 및 레이저 가공 장치에 관한 것으로서, 가동 자석식 요동 액츄에이터에 있어서의 영구 자석의 온도 상승을 억제하고, 예를 들면 가동 미러의 위치 결정 동작을 고속이면서 연속적으로 행하는 경우라 하더라도, 가공 스루풋(throughput)이나 구멍 위치 정밀도가 저하되지 않고, 신뢰성이 높은 가공을 실현할 수 있는 요동 액츄에이터 장치 및 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의하면, 케이스를 냉각하는 냉각 쟈켓과, 코일과 케이스에 접촉하는 열전달 바이패스 유닛을 설치하고, 열전달 바이패스 유닛에 의해, 코일에서 발생하는 열을 케이스에 안내하여, 코일의 온도 상승을 억제한다. 또한, 코일과 대향하는 영구 자석에 직경 방향의 홈을 형성하여, 영구 자석에 와전류(Eddy current)가 발생하는 것을 방지한다. 홈의 깊이는 영구 자석의 저항율, 상기 영구 자석의 투자율 및 코일에 흐르는 전류의 기본 주파수의 함수로 나타내며, 표피 깊이 이상으로 설정한다.
와전류, 요동 액츄에이터, 레이저 가공, 코일, 열전달, 온도 상승 억제, 냉각

Description

요동 액츄에이터 장치 및 레이저 가공 장치{ROCKING ACTUATOR AND LASER MACHINING APPARATUS}
본 발명은, 코일을 고정자로 하고, 영구 자석을 가동자로 하여 회전축에 고정시키고, 가동자를 미리 정해진 각도 범위 내에서 요동(搖動)시키는 요동 액츄에이터 장치 및 이와 같은 요동 액츄에이터 장치를 사용한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
프린트 배선판의 제조 공정에 있어서, 구멍뚫기 가공을 행하는 레이저 가공 장치에서는, 피가공물의 복수개의 가공 위치에 레이저광을 계속적으로 조사하기 위한 위치 결정 제어 기구가 필요하고, 높은 가공 스루풋(throughput)과 정밀도가 높은 가공을 실현하기 위해 광 스캐너가 많이 이용되고 있다. 광 스캐너는, 요동 액츄에이터 장치와 서보 제어 장치로 구성된다. 요동 액츄에이터 장치는 부하(負荷)요소로서 회전축에 고정시킨 가동 미러를 구비한다. 서보 제어 장치는 미러의 각도를 명령치에 따르도록 미러를 제어한다.
레이저 가공 장치는, 통상 계층적인 제어 구조를 가지는 수치 제어(NC) 장치이며, 광 스캐너 장치는 그 최하위의 계층에 포함된다. 상위 계층의 제어 장치(이 하, 「관리 제어 장치」라고 함)에서는, 프린트 배선판의 CAM(Computer Aided Manufacturing) 데이터에 기초하여, 구멍의 가공시에, 2차원의 구멍 위치 좌표가 가공되는 순서에 따라서 NC 프로그램에 기술된다. 가공이 시작되면, 관리 제어 장치는 NC 프로그램 중의 구멍 위치 좌표를 계속적으로 좌표 변환시키고, 광 스캐너 장치에 대해서 시계열적인 각도 명령 데이터를 송신한다. 구멍을 진원(眞圓)으로 가공하기 위하여, 가동 미러가 각도 명령 데이터로 지정된 각도로 정지한 후에, 레이저광을 프린트 배선판에 조사할 필요가 있다. 그러므로 각도 명령 데이터의 송신과 레이저광의 조사 제어는, 관리 제어 장치에서 동기를 취하여 행해진다. 광 스캐너는, 가동 미러의 각도가 각도 명령 데이터와 일치하도록 정확하게 위치 결정하도록 동작한다. 특허 문헌 1에는, 광 스캐너를 사용한 레이저 가공 장치의 스루풋을 향상시키기 위해, 구멍 가공의 순서를 최적화하는 기술이 개시되어 있다.
요동 액츄에이터 장치로서, 전자식(電磁式) 액츄에이터가 많이 이용되고 있다. 전자식 액츄에이터에는, 고정자인 영구 자석과 요크 사이의 에어갭에 자계를 형성하고, 그 중 가동 코일이 프레밍의 왼손 법칙의 원리를 이용하여 구동 토크를 발생시켜서 회전축에 전달하는 가동 코일식 액츄에이터와, 고정자를 코일, 가동자를 영구 자석으로 하고, 프레밍의 왼손 법칙의 반작용에 의한 구동 토크를 영구 자석에서 받아서 회전축에 전달하는 가동 자석식 액츄에이터가 있다. 특허 문헌 2와 특허 문헌 3에는, 가동 자석식 액츄에이터에 관한 기술이 개시되어 있다. 특허 문헌 4에는, 가동 코일식 액츄에이터에 관한 기술이 개시되어 있다. 이들 액츄에이터에서는 위치 결정 응답성을 높이기 위하여, 영구 자석의 재료로서 높은 잔류 자 속 밀도와 보자력(coercive force)을 가지는 네오디움-철-붕소(Nd-Fe-B) 등 희토류(稀土類)계 자석이 많이 사용된다. 비특허 문헌 1에는, 네오디움-철-붕소 자석의 감자(減磁) 곡선이나 온도 특성 계수 등이 나타나 있다.
또한, 특허 문헌 5에는, 영구 자석을 회전자에 구비한 모터에 있어서, 영구 자석에 생기는 와전류 손실(Eddy current loss)을 저감시키기 위해, 영구 자석을 축 방향 또는 주위 방향으로 복수개로 분할하고, 분할된 영구 자석 사이에 절연체를 설치하는 기술이 개시되어 있다.
[특허 문헌 1] 일본국 특개 2003-245843호 공보
[특허 문헌 2] 일본국 특허 제3199813호 공보
[특허 문헌 3] 일본국 특표 2003-522968호 공보
[특허 문헌 4] 일본국 특개 2005-348462호 공보
[특허 문헌 5] 일본국 특개 2005-354899호 공보
[비특허 문헌 1] Hi-Dong Chai저, Electromechanical Motion Devices, Chap.8, Prentice-Hal1, 1998년
광 스캐너의 위치 결정 응답성, 즉 단위 시간당 실시 가능한 위치 결정 동작의 회수는, 레이저 가공 장치의 스루풋을 좌우하는 중요한 요소이다. 특허 문헌 1에 개시되어 있는 가공 순서 최적화 기술을 사용하면, 스트로크가 짧은 위치 결정 동작의 발생 빈도가 높아지고, 스루풋이 향상된다. 이 경우, 광 스캐너는 이동 거리가 짧은 위치 결정 동작을 고속으로 행하기 위해, 최대 가속 → 최대 감속 → 정지를 반복한다. 가동 미러 정지 후의 레이저 조사는 단시간 내에 이루어지므로, 코일 전류가 0[A]가 되는 시간은 매우 짧고, 큰 동손(銅損), 즉 코일에 흐르는 전류에 의한 줄 열(Joule's heat)이 발생한다. 이 열이 영구 자석에 전달되면, 비특허 문헌 1에 진술되어 있는 바와 같이 감자된다. 특히 네오디움-철-붕소 자석은, 다른 자석 소재에 비해 가역적 감자의 온도 계수가 크고, 온도가 10˚C 상승할 때마다 잔류 자속밀도가 1.2[%], 보자력이 6[%]만큼 각각 저하된다. 결과적으로, 서보 제어를 행하는 피드백 루프의 게인이 저하되고, 가동 미러의 정정 동작에 오버 슈트 등의 과도 응답이 생기며, 위치 결정에 필요한 시간이 길어지게 된다.
또한, 와전류 손실도 영구 자석의 온도 상승의 원인이 된다. 전술한 바와 같이 최대 가속→최대 감속→정지를 반복적으로 행하는 경우, 코일에는 고주파 성분을 포함하는 전류가 흐른다. 또한, 펄스 폭 변조 방식으로 전류를 공급하는 경우에는, 변조 주파수의 성분이 전류에 포함된다. 코일이 형성하는 자속은 이들 교류 성분에 의하여 변화하므로, 코일과 대향하는 영구 자석에 와전류가 생기고, 상 기 와전류에 의한 줄 열로 영구 자석의 온도가 상승한다. 따라서, 요동 액츄에이터 장치에서 높은 위치 결정 응답성을 실현하려면, 냉각이 필요 불가결하다.
특허 문헌 2에는, 코일로부터 하우징을 통하여 액츄에이터 외부의 구조체에 열을 전달하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허 문헌 3에는, 액츄에이터 외부에 히트 싱크(heat sink)와 냉각 팬을 설치하는 기술이 개시되어 있다. 가동 자석식 액츄에이터에서는, 고정자를 구성하는 부품으로서 코일의 외측에 자속을 통과하는 요크가 있고, 요크는 철계 재료로 형성되어 있으므로 열전도성이 좋지 못하지만, 특허 문헌 2 및 특허 문헌 3에는, 요크의 열전도성의 문제를 해결하는 기술은 개시되어 있지 않다. 또 특허 문헌 4에는, 가동 자석식 액츄에이터의 코일의 열을 방출하는 기술이 개시되어 있지 않다.
또한, 특허 문헌 5에 개시된 기술에서는, 회전자에 고정시키는 영구 자석을 축 방향으로 분할하므로, 회전자의 비틀림 강성(torsional rigidity)이 저하될 우려가 있다. 상기 배경 기술에서 설명한 바와 같이, 요동 액츄에이터 장치에서는 가동자의 각도가 서보 제어되므로, 가동자의 비틀림 진동에 관한 고유 진동수는 서보 제어의 대역에 영향을 끼친다. 즉, 비틀림 강성(torsional rigidity)이 작으면 고유 진동수도 낮아지므로, 서보 제어의 피드백 루프를 안정적으로 유지하려면, 대역을 좁힐 필요가 있다. 대역을 좁히면, 위치 결정 응답성이 제한되거나 가동자에 작용하는 마찰 등의 외란을 받아서 위치 결정 정밀도가 쉽게 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 상기 종래 기술의 문제점을 해결하고, 가동 자석식 액츄 에이터에 있어서의 영구 자석의 온도 상승을 억제하고, 예를 들면 가동 미러의 위치 결정 동작을 고속이면서 연속적으로 행하는 경우라 하더라도, 가공 스루풋이나 구멍 위치 정밀도가 저하되지 않고, 신뢰성이 높은 가공을 실현할 수 있는 요동 액츄에이터 장치 및 레이저 가공 장치를 제공하는 것이다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 구성은, 회전축과 이 회전축의 주위에 배치된 영구 자석으로 이루어지는 가동자와, 상기 가동자의 주위에 배치되고 코일과 요크로 이루어지는 고정자와, 상기 가동자와 상기 고정자를 수납하는 하우징을 구비하고, 상기 가동자를 미리 정해진 각도 범위 내에서 요동시키는 요동 액츄에이터 장치에 있어서, 열전달 바이패스 수단을 설치하고, 상기 열전달 바이패스 수단에 의해, 상기 코일과 상기 하우징을 열 접속한 것을 특징으로 하는 요동 액츄에이터 장치이다.
또한, 본 발명의 제2 구성은, 회전축과 이 회전축의 주위에 배치된 영구 자석으로 이루어지는 가동자와, 상기 가동자의 주위에 배치되고 코일과 요크로 이루어지는 고정자와, 상기 가동자와 상기 고정자를 수납하는 하우징을 구비하고, 상기 가동자를 미리 정해진 각도 범위 내에서 요동시키는 요동 액츄에이터 장치에 있어서, 상기 고정자 측에 개구하고, 개구된 깊이가 상기 영구 자석의 저항율, 상기 영구 자석의 투자율 및 상기 코일에 흐르는 전류의 기본 주파수의 함수로 나타내어지는 표피 깊이 이상인 직경 방향의 홈을 상기 영구 자석에 형성한 것을 특징으로 하는 요동 액츄에이터 장치이다.
또한, 본 발명의 제3 구성은, 제1 구성 또는 제2 구성에 따른 요동 액츄에이터 장치를 레이저 가공 장치가 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 구성에 의해, 코일의 온도 상승을 억제할 수 있으므로, 결과적으로 영구 자석의 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한, 상기 제2 구성에 의해, 영구 자석에 발생하는 와전류 손실를 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 비틀림 진동의 고유 진동수의 저하를 억제할 수 있다. 이 결과, 요동 액츄에이터 장치의 안정된 위치 결정 응답성을 실현할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 가동 자석식 요동 액츄에이터 장치의 정면 단면도, 도 2는 도 1에서의 자기 회로 부분의 단면도이다.
가동 미러(10)는 미러 마운트(11)를 개재하여 회전축(20)의 한쪽의 단부에 고정되어 있다. 회전축(20)은, 볼 베어링(21)과 볼 베어링(25)에 의하여 지지되고, 스무드한 요동 동작을 행할 수 있다.
볼 베어링(21)은 베어링 하우징(22)에, 볼 베어링(25)은 베어링 하우징(26)에, 각각 유지되어 있다. 웨이브 와셔(23, wave washer)는 볼 베어링(21)의 외륜을 도 1의 우측으로 가압하고, 볼 베어링(21)에 예압(preload)을 부여하고 있다. 베어링 하우징(22, 26)은 열전도율이 높은 재료(알루미늄계 또는 동계)로 형성되어 있다.
내경이 회전축(20)의 외경보다 약간(수㎛) 큰 원통형의 영구 자석(30)은, 접착 등에 의해, 회전축(20)과 동일한 축이면서, 또한 회전축(20)의 축 방향으로 미리 정해진 위치에 고정되어 있다. 영구 자석(30)에는 원주 방향의 3개의 홈(300, 301, 302)이 형성되어 있다. 상기 홈의 상세한 것에 대해서는 후술한다.
회전축(20)의 타단부에는, 허브(61, hub)를 개재하여, 표면에 슬릿(도시하지 않음)이 구비된 인코더 판(60)이 고정되어 있다. 인코더 판(60)의 슬릿과 대향하는 위치에는 센서 헤드(62)가 배치되어 있다. 센서 헤드(62)는 센서 베이스(63)에 유지되어 있다. 센서 베이스(63)는 베어링 하우징(26)에 고정되어 있다. 인코더 판(60)과 센서 헤드(62)는, 가동 미러(10)의 각도 변위를 피드백 제어하기 위한 로터리 인코더를 형성하고 있다.
볼 베어링(21)과 영구 자석(30) 사이에는 볼 베어링(21)의 내륜의 어깨 부분에 해당하는 컬러(24)와 컬러(31)가, 볼 베어링(25)과 영구 자석(30) 사이에는 볼 베어링(25)의 내륜의 어깨 부분에 해당하는 컬러(27)와 컬러(32)가, 각각 배치되어 있다.
에어갭(39)을 사이에 두고, 영구 자석(30)과 대향하는 위치에는, 코일(33)과 요크(34)가 회전축(20)의 축선 O와 동일한 축을 가지고 배치되어 있다. 요크(34)는, 와전류를 억제하기 위하여, 고투자율을 가지면서 연자성의 철계의 박판을 축선 O 방향으로 적층시킨 것이며, 그 외경은 케이스(41)(하우징)의 내경보다 약간(수㎛) 작다. 요크(34)는, 축선 O 방향의 한쪽 단부(도시의 경우, 우측 단부)가 케이스(41)의 내경부에 설치된 플랜지(41a)에, 다른 쪽 단부가 요크 가압 링(35)에, 각 각 접촉되어 케이스(41)에 유지되어 있다. 케이스(41)는, 열전도율이 높은 재료(알루미늄계 또는 동계)로 형성되어 있다. 플랜지(41a)의 내경은, 후술하는 원통형의 일부에 형성된 코일(33)의 외경보다 직경이 크다.
요크 가압 링(35)의 외경은 케이스(41)의 내경보다 약간(수㎛) 작으며, 열전도율이 높은 재료(알루미늄계 또는 동계)로 형성되어 있다. 케이스(41)와 베어링 하우징(26) 사이에는 열전도율이 높은 재료(여기서는 동)로 형성된 열전달 바이패스 유닛(51)이, 베어링 하우징(22)과 요크 가압 링(35) 사이에는 열전도율이 높은 재료로 형성된 열전달 바이패스 유닛(50)이, 각각 배치되어 있다. 열전달 바이패스 유닛(50, 51)은 단면이 T자형의 원통형이며, 대경부의 외경은 케이스(41)의 내경보다 약간(수㎛) 작으며, 소경부의 외경은 코일(33)의 내경보다 약간(수㎛) 작다.
여기서, 열전달 바이패스 유닛(50)의 대경부의 두께는, 케이스(41)의 좌측단에서 플랜지(41a)의 좌측단까지의 거리로부터 요크(34)와 요크 가압 링(35)의 두께를 뺀 거리보다 약간 두껍다. 또한, 열전달 바이패스 유닛(51)의 대경부의 두께는, 케이스(41)의 우측단으로부터 플랜지(41a)의 우측단까지의 거리보다 약간 두껍다. 즉, 열전달 바이패스 유닛(50), 요크 가압 링(35), 요크(34), 플랜지(41a) 및 열전달 바이패스 유닛(51)의 축선 O 방향의 두께의 합은, 케이스(41)의 축선 O 방향의 길이보다 길다. 따라서, 도시를 생략하는 볼트에 의해 베어링 하우징(22) 및 베어링 하우징(26)을 케이스(41)에 고정시키면, 베어링 하우징(22), 열전달 바이패스 유닛(50), 요크 가압 링(35), 요크(34), 플랜지(41a), 열전달 바이패스 유 닛(51) 및 베어링 하우징(26)은 축선 O 방향으로 밀착한다. 또한, 회전축(20)은, 베어링 하우징(22)과 영구 자석(30) 사이에 배치되는 컬러(24)와 컬러(31), 또한, 베어링 하우징(26)과 영구 자석(30) 사이에 배치되는 컬러(32)와 컬러(27)에 의해, 축선 O 방향으로 위치 결정된다.
그리고, 요크(34)의 외주와 케이스(41)의 내주 사이, 코일(33)과 열전달 바이패스 유닛(50, 51) 사이, 열전달 바이패스 유닛(50, 51)의 대경부와 케이스(41) 사이, 열전달 바이패스 유닛(50)과 요크 가압 링(35) 사이, 요크 가압 링(35)의 외주와 케이스(41)의 내주 사이, 요크(34)와 요크 가압 링(35) 사이 및 요크(34)와 플랜지(41a) 사이에는, 각각 열전도율이 높은 부재(예를 들면, 그리스)가 얇게 도포되어, 각 구성 요소 사이의 접촉면의 열저항을 억제하도록 구성되어 있다. 또한, 베어링 하우징(26)의 단부에는, 로터리 인코더를 방진하기 위한 슬리브(64, sleeve)와 커버(65)가 배치되어 있다.
케이스(41)의 외주에는, 열전도성 시트재(42)를 개재하여, 열전도율이 높은 재료(여기서는, 동)로 형성된 냉각 쟈켓(43)이 착탈 가능하게 배치되어 있다. 냉각 쟈켓(43)은, 직경에 대하여 대칭인 냉각 쟈켓(43R)과 냉각 쟈켓(43L) 및 경첩(44)으로 구성되고, 경첩(44) 상에서 냉각 쟈켓(43R, 43L)이 닫혔을 때, 냉각 쟈켓(43)은 열전도성 시트재(42)를 개재하여 케이스(41)의 외주에 밀착한다. 냉각 쟈켓(43)에는 파선으로 나타낸 유로가 형성되어 있다. 그리고, 도시가 생략된 냉각수 공급 수단으로부터 공급된 냉각수는, 냉각 쟈켓(43R, 43L)에 각각 접속된 배관(45)으로부터 냉각 쟈켓(43)의 내부에 들어가서 냉각 쟈켓(43)을 냉각시킨 후, 냉각 쟈켓(43R, 43L)에 각각 접속된 배관(46)으로부터 배출된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 영구 자석(30)은 자극을 가지는 4개의 자석편을 조합한 것이며, 이웃하는 자석편끼리 이루는 각도는 90°이고, 각각의 자석편은 반경 방향으로 착자(着磁)되어 있다. 영구 자석(30)의 N극으로부터 에어갭(39)으로 나온 자속(303, 304, 305, 306)은, 코일(33)과 교차하고, 요크(34)를 통과하여 S극으로 복귀하고, 폐 루프(closed loop)를 형성한다.
다음에, 코일(33)에 대하여 설명한다.
도 3의 (a)와 (b)는 코일의 형상을 나타낸 도면이며, (a)는 정면도, (b)는 측면 단면도이다.
도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 코일은, 동 등의 소재로 된 전선을 편평한 직사각 틀형으로 감은 것이다. 이와 같은 소재로 된 4개의 코일을 요크(34)의 내경에 맞추어 원호형으로 굽히고, 4개를 전기적으로 접속시키고, 유효 길이가 회전축(20)과 평행하게 되도록 하며, 요크(34)의 내주면에 열전도율이 높은 접착제에 의해 접착되어 있다. 각각의 자속(303, 304, 305, 306)과 코일(33)의 유효 길이에 흐르는 전류는 직교하므로, 코일(33)에 전류를 공급하면, 영구 자석(30)에는 접선 방향의 전자력(電磁力)이 작용한다. 상기 전자력에 의해 회전축(20)이 회전하고, 가동 미러(10)를 각도 변위시킨다. 상기 도 3의 (a)에 단부로서 나타낸 부분은, 각각 열전달 바이패스 유닛(50, 51)과 접촉하는 부분이다.
다음에, 열전달 경로에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 요동 액츄에이터 장치의 열전달 경로를 간략하게 나타낸 모식도이다. 상기 해결하려고 하는 과제에서 설명한 바와 같이, 열원은 코일(33)의 줄 열(도 4의 기호 QC)과 영구 자석(30)의 와전류 손실(도 4의 기호 QE)이다.
요크(34)는 철계 재료로 이루어지며 열전도율이 낮지만, 본 발명에서는, 코일(33)이 열전도율이 높은 열전달 바이패스 유닛(50), 요크 가압 링(35) 및 열전달 바이패스 유닛(5)에 접속되어 있고, 또한, 열전달 바이패스 유닛(50), 요크 가압 링(35) 및 열전달 바이패스 유닛(51)이 케이스(41)에 접촉하고 있으므로, 줄 열 QC는 케이스(41)에 신속하게 전달되어 냉각수를 통하여 액츄에이터의 외부로 방열된다. 즉, 코일(33)의 줄 열을 냉각 수단에 전달하는 경로가, 요크(34) 경유와, 열전달 바이패스 유닛(51), 열전달 바이패스 유닛(50) 및 요크 가압 링(35) 경유로 병렬 경로가 되며, 이러한 경로의 열 저항이 작아진다. 결과적으로, 코일(33)의 온도 상승은 작아지게 된다. 이 경우, 케이스(41)와 베어링 하우징(22) 및 베어링 하우징(26)이 축선 O 방향으로 접촉하게 하면, 코일(33)에서 발생한 열은 베어링 하우징(22)과 베어링 하우징(26)을 통하여 케이스(41)에 전달되므로, 코일(33)의 온도 상승이 더욱 작아지게 할 수 있다.
또한, 플랜지(41a)의 내경을 코일(33)의 외경보다 약간(수㎛) 크게 설정하고, 양 측 사이에 열전도율이 높은 그리스(grease)를 도포함으로써, 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
다음에, 영구 자석(30)에 형성된 홈(300, 301, 302)에 대하여 설명한다.
코일(33)에 흐르는 전류의 교류 성분에 의해 영구 자석(30) 내부에서 자속이 변화하므로, 영구 자석(30)에 와전류가 발생하고, 와전류 손실 QE가 열로서 발생한 다. 영구 자석(30)에서 발생한 와전류 손실 QE는, 회전축(20)을 통하여 요동 액츄에이터 장치의 주위의 공기로 방열되는 것으로 여겨진다. 에어갭(39)의 열 저항(310)은 크기 때문에, 와전류 손실 QE의 열이 냉각 쟈켓(43)에서 냉각되는 것은 그다지 기대할 수 없다. 그러므로 와전류 손실 QE를 발생시키는 와전류 자체를 저감시킬 필요가 있다.
와전류는 이른바 표피에서 발생하므로, 홈의 깊이를 표피보다 깊게 하면, 와전류를 방지할 수 있고, 와전류 손실을 저감시킬 수 있다.
표피 깊이 d는, 전자기학에서 알려져 있는 표피 깊이의 계산식으로 산출할 수 있고, 식 1로 나타낸다. 또한, 표면으로부터의 깊이(거리)를 δ라 하면, 깊이 d의 전류 밀도는, 표면에 대해서 e(-d/d)으로 감쇠한다.
표피 깊이 d =
Figure 112007057262610-PAT00001
···(식 1)
여기서, ρ와 μ는 영구 자석의 재료 상수이며, ρ는 영구 자석의 저항율, μ는 영구 자석의 투자율이다. 또한, e는 자연로그의 밑, ω는 자속 역전의 각도 주파수이다.
이하, 더 구체적으로 설명한다.
도 5는 코일(33)에 흐르는 전류 파형의 모식도이다.
동일 방향의 짧은 위치 결정 동작을 연속적으로 행하는 경우, 최대 가속 → 최대 감속 → 정지를 1주기로 하는 전류 파형이 된다. 상기 전류 파형을 푸리에 급수(Fourier series) 전개하면, 기본 주파수 성분은 주기 Ts의 역수 1/Ts[Hz]이므 로, 자속 역전의 각도 주파수 ω = 2π/Ts[rad/s]이다. 상기 계산식에 의하면, 각도 주파수 ω가 작을수록 표피 깊이 d가 크기 때문에, 전류의 기본 주파수 성분에 맞추어서 홈의 깊이를 설계하는 것이 합리적이다.
예를 들면, 영구 자석(30)으로서 네오디움-철-붕소 자석을 사용하는 경우,
ρ = 1. 5 × 10-6[Ωm], μ = 1.4 × 10-6[H/m]이다.
따라서, 영구 자석(30)이 네오디움-철-붕소 자석이며, 위치 결정 응답성 1/Ts = 2kHz라 하면, 표피 깊이 d는 13mm가 된다. 그래서, 이 경우, 홈(300 ∼ 302)의 깊이를 13mm 이상으로 설계한다. 홈의 폭은 0.5mm 이하이면 충분하다.
이 경우, 와전류가 많이 흐르기 쉬운 곳에 집중적으로 홈을 형성하도록 하면, 효과적으로 와전류를 저감시킬 수 있다. 즉, 도 1에 있어서 홈(300, 301, 302)을 형성하지 않는 것으로 가정하면, 영구 자석(30)의 장축 방향의 중앙 부근에서 와전류의 전류 밀도가 높아진다. 따라서, 와전류의 전류 밀도가 높아지는 부분에 홈을 집중적으로 형성하면, 효과적으로 와전류를 저감시킬 수 있다.
그리고, 홈의 개수를 늘릴수록 와전류 손실을 저감시킬 수 있지만, 홈의 폭에 따라서 토크 상수가 감소한다. 따라서, 토크 상수의 감소를 억제하기 위하여, 전기 저항이 큰 자석, 예를 들면 본드 자석을 홈 내에 충전하여도 된다.
또한, 영구 자석(30)의 두께 치수가 표피 깊이 d보다 작은 경우는, 영구 자석(30)의 비틀림 강성(torsional rigidity)의 저하가 가동 미러의 위치 결정에 악영향을 미치지 않는 범위(예를 들면, 홈의 저면과 회전축(20)의 거리가 영구 자 석(30)의 두께의 10 ∼ 30%) 내로 억제하도록 하면 된다.
도 6은 영구 자석(30)에 형성된 홈의 다른 예를 나타낸 도면이며, (a)는 정면도, (b)는 측면도이다.
원주 방향의 홈(300, 301, 302) 대신, 축선 O 방향으로 홈(331, 332)을 형성해도, 와전류(30A)의 루프를 절단할 수 있다. 이 경우, 도시한 바와 같이, 원주 방향의 홈(301) 등과 홈(331) 등의 양 쪽을 형성해도 된다.
본 실시예에서는, 각 구성 요소의 직경 방향의 간극을 미소한 거리로 설정했으므로, 열저항을 작게 할 수 있다.
그리고, 간극에 도포하는 부재의 열전도율이 높은 경우는, 각 구성 요소의 직경 방향의 간극을 큰 값으로 설정해도 된다.
또한, 요크(34)의 외경을 케이스(41)의 내경보다 약간 크게 설정해 두고, 요크(34)를 케이스(41)에 압입해도 된다.
또한, 케이스(41)에 냉각 쟈켓(43)을 외접하는 대신, 케이스(41)에 유로를 형성하고, 케이스(41)를 직접 냉각시켜도 된다.
또한, 냉각 쟈켓(43)에 공급하는 냉매는 물로 한정되지 않고, 기체라도 된다.
상기 배경 기술에서 설명한 바와 같이, 프린트 배선판의 제조 공정에 있어서 구멍뚫기 가공을 행하는 레이저 가공 장치에서는, 가동 미러를 부가 요소로서 회전축에 고정시킨 요동 액츄에이터 장치와, 미러의 각도를 명령치에 따르도록 제어하는 서보 제어 장치로 구성되는 광 스캐너에 의해, 레이저광을 가공 위치에 위치 결 정한다. 따라서, 이와 같은 레이저 가공 장치에 본 발명에 따른 요동 액츄에이터 장치를 채용하면, 가동 미러의 위치 결정 동작을 고속이면서 연속적으로 행하는 경우라 하더라도, 가공 스루풋이나 구멍 위치 정밀도가 저하되지 않고, 신뢰성이 높은 가공을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가동 자석식 요동 액츄에이터 장치의 정면 단면도이다.
도 2는 도 1에 있어서의 자기 회로 부분의 단면도이다.
도 3은 코일의 형상을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 요동 액츄에이터 장치의 열전달 경로를 간략하게 나타낸 모식도이다.
도 5는 코일에 흐르는 전류 파형의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
[부호의 설명]
30: 영구 자석 33: 코일
41: 케이스 ` 43: 냉각 쟈켓
50: 열전달 바이패스 수단 51: 열전달 바이패스 수단
300 ∼ 302: 홈

Claims (7)

  1. 회전축과 이 회전축의 주위에 배치된 영구 자석을 포함하는 가동자와,
    상기 가동자의 주위에 배치되고 코일과 요크를 포함하는 고정자와,
    상기 가동자와 상기 고정자를 수납하는 하우징과,
    열전달 바이패스(heat transfer bypass) 유닛
    을 포함하고,
    상기 가동자는 미리 정해진 각도 범위 내에서 요동되고,
    상기 열전달 바이패스 유닛에 의하여, 상기 코일과 상기 하우징이 열접속되는 것을 특징으로 하는 요동 액츄에이터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징을 냉각시키기 위한 냉각 유닛을 더 구비한 것을 특징으로 하는 요동 액츄에이터 장치.
  3. 회전축과 이 회전축의 주위에 배치된 영구 자석을 포함하는 가동자와,
    상기 가동자의 주위에 배치되고 코일과 요크를 포함하는 고정자와,
    상기 가동자와 상기 고정자를 수납하는 하우징
    을 포함하고,
    상기 가동자는 미리 정해진 각도 범위 내에서 요동되고,
    상기 고정자 측을 향하여 개구되고, 개구된 깊이가 상기 영구 자석의 저항율, 상기 영구 자석의 투자율 및 상기 코일에 흐르는 전류의 기본 주파수의 함수로 나타내어지는 표피 깊이 이상인 직경 방향의 홈이 상기 영구 자석에 형성된 것을 특징으로 하는 요동 액츄에이터 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 홈은 상기 회전축의 축선 방향의 중앙 부근에 2개 이상 형성된 것을 특징으로 하는 요동 액츄에이터 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 홈에 비도전성 자석을 충전한 것을 특징으로 하는 요동 액츄에이터 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    연산된 상기 홈의 깊이가 상기 영구 자석의 반경 방향의 두께 이상인 경우는, 상기 홈의 깊이를 상기 영구 자석의 반경 방향의 두께로부터 미리 정해진 값을 뺀 깊이로 설정하는 것을 특징으로 하는 요동 액츄에이터 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 요동 액츄에이터 장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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