特開 2023-45750 ガルバノモータ及びガルバノモータ駆動装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023045750

(43)【公開日】2023-04-03

(54)【発明の名称】ガルバノモータ及びガルバノモータ駆動装置

(51)【国際特許分類】

   H02K 7/08 20060101AFI20230327BHJP

   F16C 32/06 20060101ALI20230327BHJP

   G02B 26/10 20060101ALI20230327BHJP

   H02K 5/20 20060101ALI20230327BHJP

   H02K 11/25 20160101ALI20230327BHJP

   H02K 9/04 20060101ALI20230327BHJP

【ＦＩ】

H02K7/08 A

F16C32/06 C

G02B26/10 104

H02K5/20

H02K11/25

H02K9/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021154314

(22)【出願日】2021-09-22

(71)【出願人】

【識別番号】000233332

【氏名又は名称】ビアメカニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000442

【氏名又は名称】弁理士法人武和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】谷口 秀也

【テーマコード（参考）】

2H045

3J102

5H605

5H607

5H609

5H611

【Ｆターム（参考）】

2H045AB01

2H045AB03

2H045AB48

2H045BA12

2H045CA63

2H045DA11

3J102AA02

3J102BA03

3J102BA17

3J102BA18

3J102BA19

3J102CA07

3J102CA09

3J102CA11

3J102CA33

3J102CA36

3J102DB37

3J102EA02

3J102EA06

3J102EA08

3J102EA09

3J102EA12

3J102GA02

3J102GA13

5H605AA01

5H605BB05

5H605BB10

5H605CC04

5H605DD11

5H607AA02

5H607BB01

5H607BB07

5H607BB14

5H607CC01

5H607DD01

5H607DD08

5H607GG01

5H607GG02

5H607GG14

5H609BB03

5H609PP02

5H609PP06

5H609PP07

5H609PP09

5H609PP11

5H609QQ02

5H609QQ14

5H611AA01

5H611BB01

5H611BB04

5H611PP02

5H611QQ04

5H611UA01

(57)【要約】

【課題】冷却性能に優れたガルバノモータを提供する。
【解決手段】ガルバノモータ（１０）は、ガルバノミラーが取り付けられた回転軸（１３）と、回転軸（１３）を収容する円筒形状の筐体（１１）と、筐体（１１）の内周面に固定されたコイル（１５）と、コイル（１５）とラジアル方向に所定の間隔を隔てて対面する位置において、回転軸（１３）に固定された永久磁石（１６）と、筐体（１１）に対して回転軸（１３）を回転自在に支持する空気軸受（１７）とを備え、空気軸受（１７）は、回転軸（１３）に向けて圧縮空気を噴出する軸受流路（２４）と、軸受流路（２４）から分岐して、コイル（１５）及び永久磁石（１６）に向けて圧縮空気を噴出する冷却流路（２８）とを備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガルバノミラーが取り付けられた回転軸と、
前記回転軸を収容する円筒形状の筐体と、
前記筐体の内周面に固定されたコイルと、
前記コイルとラジアル方向に所定の間隔を隔てて対面する位置において、前記回転軸に固定された永久磁石と、
前記筐体に対して前記回転軸を回転自在に支持する空気軸受とを備えるガルバノモータであって、
前記空気軸受は、
前記回転軸に向けて圧縮空気を噴出する軸受流路と、
前記軸受流路から分岐して、前記コイル及び前記永久磁石に向けて圧縮空気を噴出する冷却流路とを備えることを特徴とするガルバノモータ。

【請求項2】

請求項１に記載のガルバノモータにおいて、
前記空気軸受は、
前記コイル及び前記永久磁石よりスラスト方向の一方側において、前記回転軸のラジアル方向の荷重を支持するラジアル軸受と、
前記コイル及び前記永久磁石よりスラスト方向の他方側において、前記回転軸のスラスト方向の荷重を支持するスラスト軸受とを含み、
前記冷却流路は、前記ラジアル軸受に設けられていることを特徴とするガルバノモータ。

【請求項3】

請求項２に記載のガルバノモータにおいて、
前記筐体には、前記コイル及び前記永久磁石と前記スラスト軸受との間において、前記冷却流路から噴出した圧縮空気を排出する排出流路が設けられていることを特徴とするガルバノモータ。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載のガルバノモータと、
圧縮空気を生成するコンプレッサと、
前記コンプレッサで生成された圧縮空気の温度を調整する温調装置と、
前記コイルの温度を検知する温度センサと、
前記温調装置を制御することによって、前記温度センサで検知された前記コイルの温度が高いほど、圧縮空気の温度を低下させるコントローラとを備えることを特徴とするガルバノモータ駆動装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガルバノモータ及びガルバノモータ駆動装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ加工装置は、レーザ発振器から出射されたレーザを被加工物上に照射することによって、被加工物を加工する装置である。このようなレーザ加工装置は、例えば、レーザ発振器と、レーザ発振器から出射されたレーザを被加工物に向けて偏向するガルバノミラーと、ガルバノミラーを駆動するガルバノモータとを備える。

【0003】

ガルバノモータは、例えば特許文献１に記載されているように、ガルバノミラーが取り付けられた回転軸と、回転軸を収容する円筒形状の筐体と、筐体の内周面に固定されたコイルと、回転軸に固定された永久磁石と、筐体に対して回転軸を回転自在に支持する空気軸受とを備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－０３１５２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、レーザ加工装置のスループット向上を目的として、ガルバノモータの高速化が求められている。しかしながら、大きな加減速トルクを得るためにコイルに大電流を流すと、コイルは自身の抵抗によって発熱する。また、流れる電流が高い周波数成分を持つ場合、永久磁石やヨークは渦電流によって発熱する。

【0006】

そして、発熱によってカルバノモータの内部温度が高くなると、以下の課題を生じる。まず、永久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、サーボ機構の応答性に劣化が生じる。また、軸受や主軸が熱変形して、位置決め精度が低下する。

【0007】

そこで、本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却性能に優れたガルバノモータを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、このような技術的課題を解決するため、ガルバノミラーが取り付けられた回転軸と、前記回転軸を収容する円筒形状の筐体と、前記筐体の内周面に固定されたコイルと、前記コイルとラジアル方向に所定の間隔を隔てて対面する位置において、前記回転軸に固定された永久磁石と、前記筐体に対して前記回転軸を回転自在に支持する空気軸受とを備えるガルバノモータであって、前記空気軸受は、前記回転軸に向けて圧縮空気を噴出する軸受流路と、前記軸受流路から分岐して、前記コイル及び前記永久磁石に向けて圧縮空気を噴出する冷却流路とを備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、冷却性能に優れたガルバノモータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】レーザ加工装置の概略構成図である。

【図2】本実施形態に係るガルバノモータの断面図である。

【図3】ガルバノモータ駆動装置のハードウェア構成図である。

【図4】温度設定処理のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本実施形態に係るレーザ加工装置１を図面に基づいて説明する。なお、以下に記載する本発明の実施形態は、本発明を具体化する際の一例を示すものであって、本発明の範囲を実施形態の記載の範囲に限定するものではない。従って、本発明は、実施形態に種々の変更を加えて実施することができる。

【0012】

図１は、レーザ加工装置１の概略構成図である。図１に示すように、レーザ加工装置１は、例えば、レーザ光源２と、偏向方向の異なる２つのガルバノスキャナ３ａ、３ｂ（以下、これらを総称して、「ガルバノスキャナ３」と表記することがある。）と、Ｆθレンズ４とを主に備える。また、ガルバノスキャナ３は、ガルバノミラー５と、ガルバノモータ１０と、ガルバノモータ駆動装置３０（図３参照）とで構成される。

【0013】

レーザ光源２から出射されたレーザは、ガルバノスキャナ３ａ、３ｂそれぞれで偏向され、Ｆθレンズ４を通じてプリント基板６上に集光される。これにより、プリント基板６のレーザ光が集光された部分に加工穴が形成される。換言すれば、ガルバノスキャナ３は、プリント基板６の所望の位置にレーザ光が集光するように、ガルバノミラー５の角度を制御する。そして、ガルバノスキャナ３の応答速度を高速化することは、穴あけ速度の高速化につながる。

【0014】

図２は、本実施形態に係るガルバノモータ１０の断面図である。図２に示すように、ガルバノモータ１０は、筐体１１と、一対のカバー１２ａ、１２ｂと、回転軸１３と、台座１４と、コイル１５と、永久磁石１６と、ラジアル軸受１７と、スラスト軸受１８と、ラジアルスラスト軸受１９とを主に備える。以下、ラジアル軸受１７、スラスト軸受１８、及びラジアルスラスト軸受１９を総称して、「空気軸受１７～１９」と表記する。

【0015】

筐体１１は、両端が開放された円筒形状の外形を呈する。筐体１１は、ガルバノモータ１０の構成部品１３～１９を収容する内部空間を有する。一対のカバー１２ａ、１２ｂは、中央に貫通孔が形成された円盤形状の外形を呈する。そして、一対のカバー１２ａ、１２ｂは、筐体１１の両端に取り付けられる。

【0016】

回転軸１３は、筐体１１の内部に収容されている。また、回転軸１３の一部は、一対のカバー１２ａ、１２ｂの貫通孔を通じて、筐体１１の外部に露出している。すなわち、カバー１２ａ、１２ｂの貫通孔の直径は、回転軸１３の直径より大きく設定されている。そして、回転軸１３の筐体１１から露出した部分には、ガルバノミラー５が取り付けられる。さらに、回転軸１３には、径方向の外向きに突出する円盤形状のフランジ部１３ａが設けられている。

【0017】

台座１４は、円筒形状の外形を呈する。台座１４は、回転軸１３を囲むように、筐体１１の内面に固定されている。コイル１５は、台座１４（すなわち、筐体１１）の内周面に固定されている。永久磁石１６は、コイル１５とラジアル方向に所定の間隔を隔てて対面する位置において、回転軸１３に固定されている。すなわち、コイル１５に電流を供給することによって、永久磁石１６と一体化された回転軸１３が回転する。

【0018】

空気軸受１７～１９は、筐体１１に対して回転軸１３を回転自在に支持する。ラジアル軸受１７は、回転軸１３に作用するラジアル方向（径方向）の荷重を支持する。スラスト軸受１８は、回転軸１３に作用するスラスト方向（軸方向）の荷重を支持する。ラジアルスラスト軸受１９は、回転軸１３に作用するラジアル方向及びスラスト方向の荷重を支持する。また、空気軸受１７～１９は、熱伝導率の高い銅などで形成されている。

【0019】

ラジアル軸受１７は、コイル１５及び永久磁石１６よりスラスト方向の一方側に配置されている。スラスト軸受１８は、コイル１５及び永久磁石１６よりスラスト方向の他方側で、且つフランジ部１３ａよりスラスト方向の一方側に配置されている。ラジアルスラスト軸受１９は、フランジ部１３ａよりスラスト方向の他方側に配置されている。換言すれば、ラジアル軸受１７及びスラスト軸受１８は、スラスト方向において、コイル１５及び永久磁石１６を挟んで反対側に配置されている。また、スラスト軸受１８及びラジアルスラスト軸受１９は、スラスト方向において、フランジ部１３ａを挟んで反対側に配置されている。

【0020】

空気軸受１７～１９は、コンプレッサ３４（図３参照）で生成された圧縮空気を回転軸１３に向けて噴出することによって、筐体１１に対して回転軸１３を回転自在に支持する。そのため、筐体１１及び空気軸受１７～１９の内部には、圧縮空気を通過させる流路が形成されている。

【0021】

筐体１１には、圧縮空気流路２０が形成されている。圧縮空気流路２０には、コンプレッサ３４で生成された圧縮空気が供給される。圧縮空気流路２０は、筐体１１の内部で分岐して、複数の円周溝２１、２２、２３それぞれに接続されている。円周溝２１、２２、２３は、筐体１１内周面に対面する位置において、空気軸受１７～１９それぞれの外周面に形成されている。また、円周溝２１、２２、２３は、周方向に連続するリング状である。

【0022】

ラジアル軸受１７には、円周溝２１と、複数のラジアル軸受流路２４とが形成されている。複数のラジアル軸受流路２４は、周方向に離間した位置において、ラジアル軸受１７をラジアル方向に貫通している。そして、複数のラジアル軸受流路２４は、外周面側が円周溝２１に接続され、内周面側の開口が回転軸１３に対面している。

【0023】

スラスト軸受１８には、円周溝２２と、複数のスラスト軸受流路２５とが形成されている。複数のスラスト軸受流路２５は、周方向に離間した位置において、スラスト軸受１８の内部に形成されている。スラスト軸受流路２５は、スラスト軸受１８の外周面側が円周溝２２に接続され、スラスト軸受１８の内部で屈曲して、スラスト軸受１８の側面側の開口がフランジ部１３ａの一方側の側面に対面している。

【0024】

ラジアルスラスト軸受１９には、円周溝２３と、複数のラジアル軸受流路２６と、複数のスラスト軸受流路２７とが形成されている。複数のラジアル軸受流路２６は、周方向に離間した位置において、ラジアルスラスト軸受１９をラジアル方向に貫通している。そして、複数のラジアル軸受流路２６は、外周面側が円周溝２３に接続され、内周面側の開口が回転軸１３に対面している。複数のスラスト軸受流路２７は、ラジアル軸受流路２６から分岐して、ラジアルスラスト軸受１９の側面側の開口がフランジ部１３ａの他方側の側面に対面している。

【0025】

図２に実線の矢印で示すように、圧縮空気流路２０、円周溝２１、２３、及びラジアル軸受流路２４、２６を通じて回転軸１３の外周面に圧縮空気が噴射されることによって、回転軸１３に作用するラジアル荷重が支持される。また、圧縮空気流路２０、円周溝２２、２３、及びスラスト軸受流路２５、２７を通じてフランジ部１３ａの両側面に圧縮空気が噴射されることによって、回転軸１３に作用するスラスト荷重が支持される。

【0026】

また、ラジアル軸受１７には、複数の冷却流路２８が形成されている。複数の冷却流路２８は、ラジアル軸受１７の内部でラジアル軸受流路２４から分岐して、コイル１５及び永久磁石１６に向けて圧縮空気を噴出する。ラジアル軸受流路２４及び冷却流路２８のピッチ及び開口面積は、例えば、同一に設定される。

【0027】

さらに、筐体１１及び台座１４には、排出流路２９が形成されている。排出流路２９は、コイル１５及び永久磁石１６とスラスト軸受１８との間において、筐体１１及び台座１４をラジアル方向に貫通している。図２に破線の矢印で示すように、冷却流路２８を通じてガルバノモータ１０の内部に噴出された圧縮空気は、コイル１５及び永久磁石１６を冷却し、排出流路２９を通じてガルバノモータ１０の外部に排出される。

【0028】

図３は、ガルバノモータ駆動装置３０のハードウェア構成図である。図３に示すように、ガルバノモータ駆動装置３０は、コントローラ３１を備える。コントローラ３１は、ガルバノモータ１０の全体動作を制御する。コントローラ３１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３２と、メモリ３３と含む。コントローラ３１は、メモリ３３に格納されたプログラムコードをＣＰＵ３２が読み出して実行することによって、後述する処理を実現する。

【0029】

但し、コントローラ３１の具体的な構成はこれに限定されず、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などのハードウェアによって実現されてもよい。

【0030】

コントローラ３１には、コイル１５と、コンプレッサ３４と、温調装置３５と、サーミスタ（温度センサ）３６とが接続されている。コントローラ３１は、コイル１５に電流を供給することによって、ガルバノモータ１０を回転させる。より詳細には、コントローラ３１は、コイル１５に供給する電流の大きさ及び方向を制御することによって、ガルバノミラー５の角度を調整する。

【0031】

コンプレッサ３４は、圧縮空気を生成する。温調装置３５は、コンプレッサ３４で生成された圧縮空気の温度を調整する。温調装置３５は、例えば、１０℃～２５℃（より好ましくは、２０℃前後）の範囲で圧縮空気の温度を調整する。すなわち、圧縮空気流路２０には、コンプレッサ３４で生成され且つ温調装置３５で温度が調整された圧縮空気が供給される。サーミスタ３６は、コイル１５の温度を検知し、検知した温度を示す温度信号をコントローラ３１に出力する。

【0032】

図４は、温度設定処理のフローチャートである。温度設定処理は、サーミスタ３６で検知されたコイル１５の温度に基づいて、ガルバノモータ１０に供給される圧縮空気の温度を設定する処理である。コントローラ３１は、ガルバノモータ１０を駆動している間、所定の時間間隔毎に繰り返し温度設定処理を実行する。

【0033】

まず、コントローラ３１は、サーミスタ３６で検知されたコイル１５の温度Ｔと、予め定められた閾値Ｔｈとを比較する（Ｓ１１）。そして、コントローラ３１は、コイル１５の温度Ｔが閾値Ｔｈ未満の場合に（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、圧縮空気の温度をＴ１に設定する（Ｓ１２）。一方、コントローラ３１は、コイル１５の温度Ｔが閾値Ｔｈ以上の場合に（Ｓ１１：Ｎｏ）、圧縮空気の温度をＴ２に設定する（Ｓ１３）。そして、コントローラ３１は、ステップＳ１２～Ｓ１３で設定した温度で温調装置３５を駆動させる（Ｓ１４）。

【0034】

なお、温度Ｔ１、Ｔ２は、１０℃＜Ｔ２＜Ｔ１＜２５℃の予め定められた温度である。但し、圧縮空気の温度は、２段階に限定されない。すなわち、コントローラ３１は、サーミスタ３６で検知されたコイル１５の温度が高いほど、圧縮空気の温度を低下させればよい。また、コントローラ３１は、サーミスタ３６で検知されたコイル１５の温度が低いほど、圧縮空気の温度を上昇させればよい。

【0035】

上記の実施形態によれば、例えば以下の作用効果を奏する。

【0036】

上記の実施形態によれば、回転軸１３を回転自在に支持するための圧縮空気の一部を利用して、コイル１５及び永久磁石１６を冷却するので、シンプルな構成で効率的にガルバノモータ１０を冷却することができる。その結果、発熱に起因するガルバノモータ１０のサーボ応答性の低下を抑制することができる。

【0037】

なお、上記の実施形態では、ラジアル軸受１７に冷却流路２８を形成した例を説明したが、冷却流路２８はスラスト軸受１８に形成されていてもよい。すなわち、冷却流路２８は、スラスト軸受流路２５の屈曲部分から分岐して、コイル１５及び永久磁石１６に向けて圧縮空気を噴出するものでもよい。この場合の排出流路２９は、コイル１５及び永久磁石１６とラジアル軸受１７との間に形成されるのが望ましい。また、排出流路２９を省略して、カバー１２ａ、１２ｂの貫通孔から圧縮空気を排出してもよい。

【0038】

また、上記の実施形態によれば、コイル１５の温度に基づいて圧縮空気の温度を調整するので、コイル１５及び永久磁石１６を効率的に冷却できると共に、過冷却による結露の発生を防止することができる。

【符号の説明】

【0039】

１ レーザ加工装置、２ レーザ光源、３ ガルバノスキャナ、４ Ｆθレンズ、５ ガルバノミラー、６ プリント基板、１０ ガルバノモータ、１１ 筐体、１２ａ，１２ｂ カバー、１３ 回転軸、１３ａ フランジ部、１４ 台座、１５ コイル、１６ 永久磁石、１７ ラジアル軸受、１８ スラスト軸受、１９ ラジアルスラスト軸受、２０ 圧縮空気流路、２１，２２，２３ 円周溝、２４，２６ ラジアル軸受流路、２５，２７ スラスト軸受流路、２８ 冷却流路、２９ 排出流路、３０ ガルバノモータ駆動装置、３１ コントローラ、３２ ＣＰＵ、３３ メモリ、３４ コンプレッサ、３５ 温調装置、３６ サーミスタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】