JP4913993B2 - 揺動型アクチュエータ装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石あるいはコイルのいずれか一方を固定子とし、他方を可動子として回転軸に固定し、可動子を予め定める角度範囲内で揺動させる揺動型アクチュエータ装置およびこのような揺動型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。

プリント配線板の製造工程において穴あけ加工を行うレーザ加工装置では、被加工物の複数の加工位置にレーザ光を次々と照射するための位置決め制御機構が必要であり、高い加工スループットと高精度な加工を実現するためにガルバノスキャナ装置が多く用いられている。ガルバノスキャナ装置は、揺動型アクチュエータ装置の回転軸にミラー（ガルバノミラー）を固定した装置である。

レーザ加工装置は通常、階層的な制御構造を有する数値制御（ＮＣ）装置であって、ガルバノスキャナ装置はその最下位の階層に含まれる。上位階層の制御装置（以下、上位制御と呼ぶ）では、プリント配線板のＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）データに基づき、二次元の穴位置座標が加工される順番でＮＣプログラムに記述される。加工が始まると、上位制御はＮＣプログラム中の穴位置座標を次々に座標変換し、ガルバノスキャナ装置に対して時系列的な角度指令データを送信する。穴を真円に加工するには、ミラーが角度指令データで指定された角度で静止した後に、レーザ光を照射する必要がある。このため角度指令データの送信とレーザ光の照射制御は、上位制御の内部で同期を取って行われる。

上記の揺動型アクチュエータとして電磁アクチュエータが多用されている。電磁アクチュエータには、固定子の永久磁石とヨーク間のエアギャップに磁界を形成し、その中で可動コイルがフレミングの左手の法則を原理として駆動トルクを発生して回転軸に伝達するするムービング・コイル式アクチュエータと、固定子をコイル、可動子を永久磁石とし、フレミングの左手の法則の反作用による駆動トルクを永久磁石で受けて回転軸に伝達するムービング・マグネット式アクチュエータとがある（特許文献１）。

図５は、従来の４極型ムービング・コイル式アクチュエータにおける磁気回路の断面図である。

固定子は、中心角が９０度の４個の永久磁石１と、アウタヨーク２と、インナヨーク３とから構成されている。永久磁石１は、Ｎ極とＳ極が交互になるように並べて配置されており、永久磁石１とインナヨーク３間のエアギャップ４に概ね半径方向の磁力線が発生する。エアギャップ４には、可動コイル５を形成する導線が紙面と垂直の方向に、偶力が発生するように配置されている。可動コイル５は図示しない部品により回転軸６に締結されている。そして、可動コイル５に電流が供給されると、可動コイル５に加わるトルクにより、回転軸６が回転する。

また、ムービング・コイル式アクチュエータと同じ動作原理の揺動型アクチュエータとして、磁気ディスク装置で磁気ヘッドの位置決め制御に用いられるボイスコイル・モータがある（特許文献２）。また、ムービング・マグネット式アクチュエータと同様に、回転子に永久磁石を用いたブラシレスモータについて、トルクリップルを低減する技術が開示されている（特許文献３）。

しかし、特許文献３にはブラシレスモータのトルクリップルを低減するために、永久磁石表面に設けた凹部に磁性体を配置し、かつ永久磁石と固定子間のエアギャップ長を異なるようにする技術が開示されているが、前記特許文献１ないし３のいずれにおいてもトルク定数を均一化する技術は開示されていない。
特開２００３−１０７３８６号公報 特開平６−４６５５５号公報 特開２０００−１６６１４１号公報

図６は、従来のムービング・コイル式アクチュエータにおける回転軸の揺動角度とトルク定数との関係を模式的に示す図であり、縦軸はトルク定数［Ｎ・ｍ／Ａ］、横軸は揺動角度θである。なお、トルク定数は、コイルに１Ａの電流を供給した時に発生する駆動トルクの大きさである。また、揺動角度の最大揺動角θmaxは１５°程度である。

回転軸の揺動範囲（−θmaxから＋θmax）の全範囲においてトルク定数が一定であれば、回転軸に固定されたミラーの角度をフィードバック制御することにより位置決め時間を一定にすることができる。しかし、同図に示されているように、従来のムービング・コイル式アクチュエータにおけるトルク定数は、揺動範囲の中央（θ＝０）近傍で高く、両端（最大揺動角−θmax，＋θmax）に角度が振れるほど低下するようなプロファイルになっていた。このようなプロファイルになる理由は、エアギャップ４の磁束密度が角度によって不均一になることに起因している。すなわち、永久磁石１の各磁極の中央付近では磁力線が半径方向を向いているので磁束密度が高いが、隣接する磁極の境界に近づくにつれて磁力線が半径方向から徐々に傾いて磁束密度が低下するためである。

このような揺動角度の全範囲（−θmaxから＋θmax）においてトルク定数が一定でない状態でミラー（回転軸）の角度をフィードバック制御すると整定波形が揺動角度θ毎に変動するので、所定の精度範囲内に収束するまでの位置決め時間はそれぞれ異なる。このため、加工精度を優先させると加工時間が長くなり、加工能率を優先させると加工精度が低下することになる。

なお、予め揺動角度θ毎にトルク定数を測定しておき、変動の逆特性を制御入力信号に係数倍することにより制御系の動特性の変動を抑えるようにすると、制御対象の特性変動が制御系の性能に与える影響を低減することができる（いわゆるロバスト化）。しかし、アクチュエータ毎にトルク定数変動を測定しなければならないため、作業性を向上させることは困難である。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、トルク定数を略均一にすることができる揺動型アクチュエータ装置およびこのような揺動型アクチュエータ装置を備えたレーザ加工機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、永久磁石を固定子、コイルを可動子として回転軸に固定し、前記可動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、前記コイルが前記角度範囲の両端に位置するときに前記永久磁石の内周面側の前記コイルが対向する箇所に、円周方向の１つの角度範囲の端部に対して回転軸方向に沿ってそれぞれ凹部が１箇所形成され、前記凹部内には軟磁性の部材が配設されていることを特徴とする。

本発明によれば、揺動角度範囲内のトルク定数が略一定になるので、フィードバック制御する場合に整定波形が揺動角度θの値に関係なくほぼ一定になり、加工精度および加工能率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

〈第１の実施形態〉
図１は本発明の第１の実施形態に係るムービング・コイル式の揺動型アクチュエータ装置の断面図、図２は図１におけるＸＯＹ断面図であり、図６と同等な各部には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。

図２に示すように、回転軸６は１対の軸受７および軸受７を保持するプレート７０を介して固定子（ここでは、アウタヨーク２）に支持されている。可動コイル５は、トルク伝達部品５１，５２により回転軸６に固定されている。回転軸６の端部には、ロータリ・エンコーダ円盤８が取付けられている。エンコーダ・ヘッド９はロータリ・エンコーダ円盤８に対向するようにしてケース７１に固定され、ロータリ・エンコーダ円盤８から角度情報を得る。ケース７１は固定子（ここでは、アウタヨーク２）の端部に固定されている。

永久磁石１内面の前記回転軸６の最大揺動角＋θmax，−θmaxの近傍の可動コイル５に対向する部分には、回転軸６の軸線Ｏ方向に沿って第１及び第２の凹部１１ａ，１１ｂが形成され、当該第１及び第２の凹部１１ａ，１１ｂ内には、軟磁性板１２が配設されている。なお、軟磁性板１２は、エアギャップ４の大きさが円周方向にほぼ一様になるようにして凹部１１ａ、１１ｂに埋め込まれている。

このように構成すると、図１に示すように、磁力線は永久磁石１のＮ極から出て、エアギャップ４とインナヨーク３を通り、Ｓ極で永久磁石１に入り、裏側からアウタヨーク２に入って元のＮ極に戻るような閉ループになる。永久磁石１内に設けられた軟磁性板１２は、当該永久磁石１の端部の磁力線を寄せ集める働きをする。

図３は、本実施形態に係る揺動型アクチュエータにおける回転軸の揺動角度とトルク定数との関係を模式的に示す図である。なお、比較のため、図７で説明した曲線を並べて示してある。

同図に示すように、本実施形態に係る揺動型アクチュエータ装置では、揺動中心（θ＝０）におけるトルク定数からの回転軸６の最大揺動角＋θmax，−θmaxの近傍の落ち込みが少ないので、揺動角度θの可変範囲（−θmax≦θ≦＋θmax）においてトルク定数は略一様になる。したがって、回転軸６の揺動角度θをエンコーダ・ヘッド９で測定し、その結果に基づいて図示を省略する制御回路によってフィードバック制御すると、整定波形はミラーの位置（角度）によらずほぼ一様になるので、所定の精度範囲内に収束するまでの位置決め時間が一定になり、加工精度および加工能率を向上させることができる。

なお、図１と図２に示す磁気回路断面の寸法設計は、例えば有限要素法による電磁気系ＣＡＤソフトウェアを用いて形状（寸法）を最適化することができる。

また、軟磁性板１２としては電磁鋼板を用いることができ、その物性としては純鉄系で飽和磁束密度が高く、永久磁石１の動作点の磁束密度付近で比透磁率がほぼ最大になり、かつ渦電流を抑えるために電気抵抗の大きな材料が望ましい。また、渦電流を抑えるため、軟磁性板１２を積層板にしても良い。

なお、この実施形態では、ムービング・コイル式（可動コイル形）のアクチュエータ装置を例示しているが、コイルを固定子とし、永久磁石を可動子として回転軸に固定するムービング・マグネット式アクチュエータにおいても適用することができる。すなわち、回転軸に固定する永久磁石のエアギャップに面した磁極の可動範囲の両端付近に凹部を設け、そこに軟磁性板をはめ込むようにすると、上記の場合と同様に、揺動角度範囲内においてトルク定数を略一様にすることができる。そして、この場合も、磁気回路の寸法設計は公知の電磁気系ＣＡＤソフトウェアにより形状（寸法）を最適化することができる。

その他、特に説明しない各部は前述の従来例と同等に構成され、同等に機能する。

〈第２の実施形態〉
図４は、本発明が適用されるプリント基板穴明け用レーザ加工機の構成を示す図であり、発明の本質に関わらない部分については図示を省略している。

同図において、第１のガルバノスキャナ１００ａと第２のガルバノスキャナ１００ｂは、本発明に係る揺動型アクチュエータの回転軸にミラーを固定したものである。なお、具体的には、第１及び第２の実施形態で説明したムービング・コイル式の揺動型アクチュエータ装置が使用される。

同図において、レーザ発振器３１０から出力されたレーザビーム３０は、ミラー３１３ａ、ミラー３１３ｂを介して、コリメータ３１２やアパーチャ３１４等で構成される光学的ビーム処理系を経て整形され、さらにミラー３１３ｃ、ミラー３１３ｄ、ミラー３１３ｅ、ミラー３１３ｆを介して第１のガルバノスキャナ１００ａのミラーに入射する。このミラーは中立位置のときに図中右方向からの入射ビームを図中前方向に反射するが、ミラーの角度を変えることによって反射ビームの進路を図中水平面内、すなわちＸＹテーブル上のスポット位置では図中左右方向（Ｙ軸方向）に変化させることができる。

第１のガルバノスキャナ１００ａを通過したビームは、次に第２のガルバノスキャナ１００ｂのミラーに入射する。このミラーは中立位置のときに図中奥方向からの入射ビームを図中下方向に反射するが、ミラーの角度を変えることで、反射ビームの進路を図中前後方向の垂直面内、すなわちＸＹテーブル上のスポット位置では図中前後方向（Ｘ軸方向）に変化させることができる。第２のガルバノスキャナ１００ｂのミラーを通過したビームは、Ｆθレンズ１４０を介して、ＸＹテーブル３５３上に載置されたプリント基板３５２に照射される。なお、ＸＹテーブル３５３はＹ軸駆動機構３５４によりＹ軸方向に駆動され、Ｙ軸駆動機構３５４はＸ軸駆動機構３５５によりＸ軸方向に駆動されるので、ＸＹテーブル３５３のＸＹ方向への移動位置決めが実現される。Ｘ軸駆動機構３５５はベッド３５６の上に固定されている。

このように構成し、回転軸６の揺動角度をエンコーダ・ヘッド９で測定し、その結果に基づいて図示を省略する制御回路によってフィードバック制御すると、整定波形はミラーの位置（角度）によらずほぼ一様になるので、所定の精度範囲内に収束するまでの位置決め時間が一定になり、加工精度および加工能率を向上させることが可能なレーザ加工機を提供することができる。

本発明に係るムービング・コイル式の揺動型アクチュエータ装置の断面図である。 図１におけるＸＯＹ断面図である。 本発明に係る揺動型アクチュエータにおける回転軸の角度変位とトルク定数との関係を模式的に示す図である。 本発明を適用したプリント基板穴明け用レーザ加工機の構成図である。 従来技術の説明図である。 従来技術の説明図である。

符号の説明

１ 永久磁石
２ アウタヨーク
３ インナヨーク
５ 可動コイル
６ 回転軸
１１ａ、１１ｂ 凹部
１２ 軟磁性板
１００ａ，１００ｂ ガルバノスキャナ
Ａ 回転軸の揺動中心（θ＝０）近傍の永久磁石部分
Ｂ 永久磁石の接合部近傍
Ｃ 隣接する揺動中心の中間部のアウタヨーク部分
Ｄ 回転軸の揺動中心（θ＝０）近傍のアウタヨーク部分

Claims (1)

1. 永久磁石を固定子、コイルを可動子として回転軸に固定し、前記可動子を予め定める
   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、
   前記コイルが前記角度範囲の両端に位置するときに前記永久磁石の内周面側の前記コイルが対向する箇所に、円周方向の１つの角度範囲の端部に対して回転軸方向に沿ってそれぞれ凹部が１箇所形成され、
   前記凹部内には軟磁性の部材が配設されていること
   を特徴とする揺動型アクチュエータ装置。

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