JP6238880B2 - ガルバノスキャナ用ロータシャフト、ロータシャフトの製造方法、およびガルバノスキャナ用ロータシャフトを用いたガルバノスキャナ - Google Patents

Description

この発明は、例えばレーザ加工機に使用されるガルバノスキャナ等のロータシャフトおよびその製造方法、このロータシャフトを用いたガルバノスキャナに関するものである。

携帯電話や電子機器の基板の高集積化に伴い、このような基板の穴加工を行うレーザ加工機には加工機の高精度化、高速化が求められている。そのため、このようなレーザ加工機に用いられるガルバノスキャナの高速化も不可欠となっている。

しかしながら、従来のガルバノスキャナをレーザ加工機に用いて連続穴加工を行う場合、加速→減速→静止を繰り返すことになり、例えば、連続穴あけ速度を４０００（ｐｏｉｎｔ／ｓｅｃ）で運転すると、電流周波数は４ｋＨｚとなる。電流によりできる磁束は、永久磁石内部に達するので、永久磁石の内部磁界も４ｋＨｚで変化して渦電流が流れ、ジュール熱により、永久磁石が発熱する。そして、永久磁石の温度が過度に高くなると熱減磁が発生し、磁石特性が劣化するため、ガルバノスキャナの動作に支障が生じていた。

そこで、例えば特許文献１のように、永久磁石に径方向の溝を設けたり、コイルとハウジングとを熱的に接続する伝熱バイパス手段を設けたりすることにより、永久磁石の温度上昇を抑制するものが提案されている。

特開２００８−４３１３３号公報

しかしながら、特許文献１では特別な伝熱バイパス手段や永久磁石に溝を設けることを必要としているので、構成が複雑になるという問題点を有している。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、簡単な構成により永久磁石の温度上昇を抑制でき、高速運転に適したロータシャフトを得るものである。

本発明に係るガルバノスキャナ用ロータシャフトは、セラミックス材で構成されたシャフトと、このシャフトに内蔵された永久磁石とを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明に係るロータシャフトの製造方法は、炭化ケイ素化（以下、ＳｉＣ化）を行う前に炭素繊維強化炭素複合材（以下、Ｃ／Ｃ）のブロックからシャフト部品の形状に加工することを特徴とするものである。

本発明に係るロータシャフトによれば、セラミックス材で構成したシャフトに永久磁石を内蔵したので、簡単な構成により永久磁石の温度上昇を抑制でき、高速運転に適したロータシャフトを得るという効果を奏する。

また、本発明に係るロータシャフトの製造方法によれば、ＳｉＣ化を行う前にＣ／Ｃのブロックからシャフト部品の形状に加工するので、通常のセラミックス材より加工時間を短縮し、加工コストを削減できるという効果を奏する。

本発明のロータシャフトを組み込んだガルバノスキャナの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１を示すロータシャフトの外観図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施の形態１におけるシャフト材を変更した場合の、特性を比較した結果を示す図である。 本発明のロータシャフトの製造プロセスを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２を示すロータシャフトの外観図である。 図６のＢ―Ｂ断面図である。

実施の形態１．
以下に、図１乃至図３に基づいて本発明の実施の形態１のロータシャフトについて説明する。

図において、ガルバノスキャナ１００は、ロータシャフト１０と、ベアリング４０を介してロータシャフト１０を回転可能に支持するハウジング５０と、ロータシャフト１０の外周に対向して設けられ、ハウジング５０の内周面に固着されたコイル３０と、ロータシャフト１０の一端に固定された光学部材としての矩形平面状のガルバノミラー６０と、ロータシャフト１０の他端に固定されたエンコーダ板７０とを備えている。エンコーダ板７０は表面にスリットを有し、センサヘッド（図示せず）と協働して、ガルバノミラー６０の角度変位フィードバックを制御するためのロータリエンコーダを構成している。なお、ガルバノミラー６０の回転位置をフィードバック制御するための回転位置検出装置としては、ロータリエンコーダに限らず、レゾルバを用いてもよい。

ロータシャフト１０はセラミックス材で構成されたシャフト１５と、ロータシャフト１５に内蔵された永久磁石２０とを有している。この永久磁石２０は、例えばネオジム焼結磁石であって、ロータシャフト１５と同軸上に設けられている。

シャフト１５は図示のように永久磁石２０の外周面を覆う筒状部１５ａと、永久磁石２０の両端面を覆う一対の柱状部１５ｂ、１５ｃとを有している。そして、シャフト１５は筒状部１５ａの軸方向中央部で分割され、シャフト部品１５Ａ、１５Ｂを形成している。このシャフト部品１５Ａ、１５Ｂに形成された穴部に永久磁石２０が接着剤により密着固定されている。また、シャフト部品１５Ａ、１５Ｂの接合部も接着剤により接着されている。

シャフト１５を構成するセラミックス材としては、炭素繊維含有炭化ケイ素複合材（以下、Ｃ／ＳｉＣ）を用いているが、焼結ＳｉＣ（以下、ＳｉＣ）、窒化ケイ素（以下、Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化ホウ素（以下、Ｂ_４Ｃ）、アルミナ（以下、Ａｌ_２Ｏ_３）であってもよい。

次に、ガルバノスキャナ１００を用いたレーザ加工について説明する。ガルバノスキャナ１００は、ガルバノミラー６０がレーザ加工機（図示せず）のレーザ光線の経路に位置するように配置される。そして、エンコーダ板７０を用いたロータリエンコーダの回転位置情報に基づいて、制御回路（図示せず）によりガルバノミラー６０の回転位置が制御される。これによりレーザ光線の反射方向が変えられ、レーザ光線の被加工物への照射位置が制御される。

まず、動作前に、ロータシャフト１０の位置の初期化が行われ、ロータシャフト１０の回転位置が基準位置に位置するように調整される。この状態で、コイル３０に電流を流すと、永久磁石２０の磁束との相互作用により、ロータシャフト１０はフレミングの左手の法則に従った方向に回転する。このロータシャフト１０の回転方向はコイル３０に流す電流方向により変えることができる。そこで、ロータリエンコーダからの位置情報により電流方向を定めてロータシャフト１０を加速して回転させる。停止位置に近づくと、電流方向を逆方向としてロータシャフト１０を減速し、目的位置に停止させる。

ガルバノスキャナ１００は、上記のような加速→減速→停止の動作を繰り返すことにより、レーザ光線の照射位置を変えながら、穴を１つずつ順番に開孔することになる。

上記の動作において、コイル３０を流れる電流によって生じる磁束は永久磁石２０の内部に達するので、連続開孔速度を高めることで、コイル３０に流れる電流の周波数が高くなると、永久磁石２０の内部磁界も動作速度と同期して変化する。このため、永久磁石２０に渦電流が流れて渦損が生じ、この渦損により永久磁石２０が発熱する。このとき、永久磁石２０で発生した熱はシャフト１５を通じてハウジング５０に流れ、外部に排熱される。

ここで、比較のためにＳＵＳ３０４で構成したシャフト１５を用いてロータシャフト１０を製作して、このロータシャフト１０をガルバノスキャナ１００に組み込んで高速運転させたところ、ＳＵＳ３０４は熱伝導率が低いので、永久磁石２０で発生した熱が十分に排熱されず、永久磁石２０の温度が上昇した。

これに対して、上記のようにシャフト１５をＣ／ＳｉＣで構成した場合、Ｃ／ＳｉＣはその熱伝導率が１２５Ｗ／ｍ・Ｋであり、ＳＵＳ３０４の熱伝導率１７．２Ｗ／ｍ・Ｋの約７倍であるので、永久磁石２０で発生した熱をシャフト１５から効率よく排熱し、永久磁石２０の温度上昇を抑制することが確認できた。

さらに、Ｃ／ＳｉＣは、その体積抵抗率が６１００μΩｃｍであり、ＳＵＳ３０４の体積抵抗率７２μΩｃｍの約８５倍であるため、シャフト１５には渦電流が流れにくく、渦損による発熱が少ない。このことも、永久磁石２０の温度上昇を抑制することに寄与する。

上記のように、本実施の形態によれば、セラミックス材で構成されたシャフトに永久磁石を内蔵したので、高速運転によりコイルに流れる電流の周波数が高くなっても、永久磁石の温度上昇を抑制でき、高速運転に適したロータシャフトを得ることができる。

また、シャフトの筒状部を軸方向中央部で分割したので、永久磁石を内蔵するための穴加工が容易となり、量産化に適している。なお、シャフトを分割する位置は、筒状部の軸方向中央部に限らない。シャフトの筒状部を軸方向で複数の部分に分割することによっても、同様の効果を得ることができる。

また、ガルバノスキャナの高速運転においては、シャフトのねじれ剛性の影響により、ある周波数でロータシャフトが共振を起こしてしまい、その周波数以上の速さでは運転できないという問題もある。Ｃ／ＳｉＣのヤング率は３５０ＧＰａであり、ＳＵＳ３０４のヤング率１８９ＧＰａよりも約８０％大きい。また、比重は、Ｃ／ＳｉＣが２．９５、ＳＵＳ３０４は７．９である。このため、比重と剛性との比である比剛性は、Ｃ／ＳｉＣがＳＵＳ３０４の約５倍である。したがって、Ｃ／ＳｉＣをシャフト１５に用いた場合、ＳＵＳ３０４を用いた場合よりも軽量かつ高剛性となり、ロータシャフトの捩れが軽減されるとともに、共振周波数が大きくなり、より高速な運転が可能となる。

次に、シャフト１５をＳＵＳ３０４、Ｃ／ＳｉＣ以外の材質で構成した場合についても、図４に基づいて説明する。ここでは、比較対象の材料で構成され、本実施の形態におけるシャフトと形状が同じシャフトに永久磁石を組み込んでロータシャフトを製作し、これらのロータシャフトを用いたガルバノスキャナを実際に高速運転させ、温度上昇とロータシャフトの共振周波数とを確認することで特性を比較した。比較対象は、軟鉄（Ｓ２０Ｃ）、アルミ（Ａ５０５２）、Ｃ／ＳｉＣ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｂ_４Ｃ、Ａｌ_２Ｏ_３である。図４では、従来から一般的に用いられているＳＵＳ３０４を用いた場合を基準として、１から５の５段階で相対評価を行っている。

比較の結果、ＳＵＳ３０４よりヤング率が高いセラミックス材であるＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｂ_４Ｃ、Ａｌ_２Ｏ_３で構成した場合はロータシャフト１０の共振周波数が大きくなった。また、体積抵抗率が大きく、シャフト１５に渦電流が流れにくいため、渦損による発熱が抑制され、永久磁石２０の温度上昇が抑えられる効果が確認できた。一方で、アルミ（Ａ５０５２）で構成した場合は共振周波数が低下し、温度も上昇した。軟鉄（Ｓ２０Ｃ）で構成した場合は共振周波数がＳＵＳ３０４と殆ど変化せずに同等であったが、温度は上昇した。

以上より、シャフト１５に上記セラミックス材を用いれば、高速化に適することが確認できた。その中でも、Ｃ／ＳｉＣは、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｂ_４Ｃ、Ａｌ_２Ｏ_３と比べて形状形成性や加工性に優れているため、複雑な微細構造の製作において短時間でかつ低コストでの製作が実現可能できる。このため、Ｃ／ＳｉＣを用いることが好ましい。

なお、図４では各特性の比較を５段階評価で行っているが、より具体的には、ロータシャフト１０の共振周波数を７０００Ｈｚ以上にするためにはシャフト材のヤング率が３００ＧＰａ以上である必要があることが確認できた。また、シャフト温度を４５℃以下にするためには、シャフト材の体積抵抗率が１×１０−３Ωｃｍ以上であり、かつ熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である必要があることが確認できた。

次に、上記実施の形態１におけるロータシャフトの製造方法を図５に基づいて説明する。

まず、原料紛体として、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、黒鉛粉末および粉末フェノール樹脂の４種類の原料を重量比で１５．３：４０．９：３５．１：８．７の比率で配合し、均質に混合させることで混合体を得る（混合工程）。

この混合工程では、ＰＡＮ系炭素繊維は平均繊維長さが３０μｍのミルド繊維（東レ（株）製ＭＬＤ−３０のミルドファイバー）を、ピッチ系炭素繊維は平均繊維長さが２００μｍのミルド繊維（三菱化学（株）製Ｋ７３５１Ｍのミルドファイバー）を、黒鉛粉末は和光純薬工業（株）製の黒鉛粉末を、粉末フェノール樹脂は群栄化学（株）製ＰＧ９４００を用いた。混合にはスクレーパー式回転羽による攪拌装置を用いて、均質に分散させ混合させた。

次に、前記混合工程で得られた混合体を成形用のモールド型に充填した後、加熱、加圧して成形し、炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰ）の成形体を得る（成形工程）。

この成形工程では、予め設定されたかさ比重となるように、成形寸法、重量を管理して行う必要がある。具体的には、成形用モールド型に予め設定された重量の前記混合体を平坦に充填し、そこに上パンチをセットして、予め設定された寸法まで加圧して圧縮した後、１５０℃まで昇温させ、更に１時間保持して硬化させた。その後、冷却し、成形用モールド型から取り出した。ここで、予め設定されたかさ比重、予め設定された重量、及び予め設定された寸法は、設計時に決められた値である。

また、ＣＦＲＰの成形における、成形温度の範囲は、１２０℃から１７０℃の範囲としている。

また、成形における処理時間は１時間以上としている。

さらに、成形圧力は、後述する後工程のシリコン含浸に必要な空隙（ボイド）を確保するために、成形後のかさ比重が０．８５〜０．９５となるように調整した。

ＣＦＲＰの成形体に用いられる原料は、上記具体例のように指定されているため、かさ比重と空隙率とは１対１の関係にある。また、かさ比重が高い場合は、空隙率が小さくなり、逆にかさ比重が低い場合は、空隙率は大きくなる関係にある。かさ比重が高く、空隙率が小さい場合、含浸できるシリコンの量が減り、基材と反応するシリコンが不足する。これにより、Ｃ／ＳｉＣのＳｉＣ比率が低くなり、体積抵抗率などについて十分な特性を確保できない。また、炭素とシリコンとが反応する時に体積膨張を起こすため、シリコン含浸時の反応により割れが生じやすくなる。一方、かさ比重が低く、空隙率が大きい場合、シリコンと反応する基材の炭素が不足するため、Ｃ／ＳｉＣのＳｉＣ比率が低下し、やはり十分な特性を確保することができない。したがって、十分な特性を確保するためには、かさ比重が上記範囲である必要がある。

続いて、前記成形工程で得られた成形体を熱処理し、ＣＦＲＰのマトリックス樹脂を熱分解させて炭素化し、Ｃ／Ｃブロックを得る（炭素化工程）。

この炭素化工程では、窒素やアルゴンなどの不活性雰囲気中で、前記成形体を７００℃〜１０００℃程度の温度で熱処理した。昇温条件は、室温から２００℃までは２０℃／ｈで昇温し、その後、７００℃までを７℃／ｈ、９００℃までを１５℃／ｈで昇温した。そして、５時間保持した後、冷却した。

なお、前記熱処理では、６００℃以上で熱処理を行う必要があり、８００℃以上であれば好ましい。また、炭素化反応が十分に完了し安定するには、最高温度での保持時間は、２時間以上必要である。

次に、前記炭素化工程で得られたＣ／Ｃブロックから、研削加工によりシャフト部品の形状に加工し、Ｃ／Ｃ製シャフト部品を得る（１次加工工程）。

この１次加工工程では、後工程で永久磁石を配置するための穴加工と外周加工とを行う。このうち、穴加工は、１次加工工程で行う必要があるが、外周加工は、１次加工工程ではシャフトの最外周部に合わせた単純な棒状形状にするのみとし、それ以降の詳細な外周加工はＳｉＣ化後の２次加工工程で行ってもよい。

前記１次加工工程で穴加工を行う理由は、後工程で行われるＳｉＣ化の後は通常のセラミックス材のように加工性が悪化し、形状加工が困難になるからである。ＳｉＣ化後では、穴加工のように小さな治具を使用する場合は加工性悪化の影響が大きく、膨大な加工時間が必要となる。このため、穴加工は１次加工工程で行っている。

一方、外周加工は大きな研削治具を使用するために加工性悪化の影響を受けにくいので、１次加工工程ではシャフトの最外周部に合わせた単純な棒状形状にするのみとし、詳細な段差加工は２次加工工程で行ってもよい。

次に、前記１次加工工程で得られたＣ／Ｃ製シャフト部品に対して、金属シリコンを溶融含浸させることで炭素とシリコンとを反応させてＳｉＣ化を行い、Ｃ／ＳｉＣ製シャフト部品を得る（シリコン含浸工程）。

このシリコン含浸工程では、前記Ｃ／Ｃ製シャフト部品に対して、金属シリコンを１６００℃まで、２℃／ｈで昇温し、その後、１時間保持して溶融含浸させた。

次に、着磁前の磁石に接着剤を塗布し、一方のＣ／ＳｉＣ製シャフト部品の穴に挿入する。続いて、他方のＣ／ＳｉＣ製シャフト部品の穴に挿入する。その後、前記Ｃ／ＳｉＣ製シャフト部品と着磁前の磁石とを互いに組み合わせて接着し、一体化する（接着工程）。

なお、前記着磁前の磁石と前記Ｃ／ＳｉＣ製シャフト部品との接着においては、前記着磁前の磁石の全体が前記Ｃ／ＳｉＣシャフト部品と密着するように接着剤を塗布し、放熱面積が広くなるようにする。また、接着剤は熱伝導性が高くないので、接着剤の層は可能な限り薄くなるようにする。

次に、前記接着工程で得られた部材に外形の仕上げ加工を実施し、シャフトを形成する（２次加工工程）。

なお、前記着磁前の磁石の外周面を覆う筒状部の肉厚が０．２ｍｍとなるように仕上げた。

最後に、前記着磁前の磁石を高磁場に曝し、着磁することで永久磁石にする（着磁工程）。このようにして、Ｃ／ＳｉＣで構成されたシャフトに永久磁石が内蔵されたロータシャフトが完成する。

上記のようなロータシャフトの製造方法では、Ｃ／Ｃのブロックから得られたシャフト部品の形状加工において、ＳｉＣ化する前に形状加工を行うので、精度よい加工が可能であり、かつ加工時間を短縮できる。

実施の形態２．
次に、図６、図７に基づいて、実施の形態２のロータシャフトについて説明する。

シャフト１５１は図示のように永久磁石２０１の外周面を覆う筒状部１５１ａと、永久磁石２０１の両端面を覆う一対の柱状部１５１ｂ、１５１ｃとを有している。そして、シャフト１５１は筒状部１５１ａの軸方向両端部で分割され、シャフト部品１５１Ａ〜１５１Ｃを形成している。このシャフト部品１５１Ａ、１５１Ｂに形成された穴部に永久磁石２０１が接着剤により密着固定されている。また、シャフト部品１５１Ａ〜１５１Ｃの接合部分も接着剤により接着されている。

実施の形態２において、シャフト１５１の中間に筒状部のみからなるシャフト部品１５１Ｃが存在するため、軸方向両端のシャフト部品１５１Ａ、１５１Ｂの筒状部の高さが、実施の形態１におけるシャフト部品１５Ａ、１５Ｂの筒状部の高さより低くなっている。このため、シャフト部品１５１Ａ、１５１Ｂの形成において、シャフト部品１５１Ａ、１５１Ｂに空ける穴はシャフト部品１５Ａ、１５Ｂに空ける穴よりも浅くてよいので、加工がしやすい。また、中間のシャフト部品１５１Ｃは筒状部のみから構成されるため形状が単純であるので、製作も容易となる。したがって、実施の形態２のロータシャフトでは、さらなる加工時間の短縮および加工コストの削減を図ることができると共に、製作も容易になるという効果がある。なお、シャフトを分割する位置は、筒状部の軸方向両端部に限らない。シャフトの筒状部を軸方向で複数の部分に分割することによっても、同様の効果を得ることができる。

１０ ロータシャフト、１５、１５１ シャフト、１５Ａ、１５Ｂ、１５１Ａ、１５１Ｂ、１５１Ｃ シャフト部品、１５ａ、１５１ａ 筒状部、１５ｂ、１５ｃ、１５１ｂ、１５１ｃ 柱状部、２０、２０１ 永久磁石、３０ コイル、４０ ベアリング、５０ ハウジング、６０ ガルバノミラー（光学部材）、７０ エンコーダ板、１００ ガルバノスキャナ。

Claims (9)

1. セラミックス材で構成されたシャフトと、前記シャフトに内蔵された永久磁石とを備えたガルバノスキャナ用ロータシャフトであって、
   前記セラミックス材は、体積抵抗率が１×１０ ^−３ Ωｃｍ以上であり、かつ、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である
   ことを特徴とするガルバノスキャナ用ロータシャフト。
2. 前記永久磁石は、前記シャフトと同軸上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガルバノスキャナ用ロータシャフト。
3. 前記シャフトは、前記永久磁石の外周面を覆う筒状部と、前記永久磁石の両端面を覆う柱状部とを有することを特徴とする請求項１または２に記載のガルバノスキャナ用ロータシャフト。
4. 前記筒状部は、軸方向で複数の部分に分割されていることを特徴とする請求項３記載のガルバノスキャナ用ロータシャフト。
5. 前記セラミックス材は、炭素繊維含有炭化ケイ素複合材であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のガルバノスキャナ用ロータシャフト。
6. 前記セラミックス材は、窒化ケイ素、アルミナ、炭化ケイ素または炭化ホウ素であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のガルバノスキャナ用ロータシャフト。
7. 前記セラミックス材は、ヤング率が３００ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のガルバノスキャナ用ロータシャフト。
8. 請求項１から７いずれか１項に記載のガルバノスキャナ用ロータシャフトと、
   前記ガルバノスキャナ用ロータシャフトを回転可能に支持するハウジングと、
   前記ガルバノスキャナ用ロータシャフトの外周に対向して設けられ、前記ハウジングの内周面に固着されたコイルと、
   前記ガルバノスキャナ用ロータシャフトの軸方向一端に連結された光学部材と
   を備えたことを特徴とするガルバノスキャナ。
9. ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、黒鉛粉末および樹脂粉末を混合し混合体を得る混合工程と、
   前記混合体を成形、硬化して成形体を得る成形工程と、
   前記成形体を炭素化し炭素繊維強化炭素複合材のブロックを得る炭素化工程と、
   前記ブロックからシャフト部品の形状に加工する１次加工工程と、
   前記１次加工工程で得られた部材に金属シリコンを溶融含浸させて炭化ケイ素化を行うシリコン含浸工程と、
   前記シリコン含浸工程で得られた部材と着磁前の磁石を接着により組み合わせる接着工程と、
   前記接着工程で得られた部材に仕上げ加工を施す２次加工工程と、
   前記着磁前の磁石に着磁する着磁工程と
   を備えたことを特徴とするロータシャフトの製造方法。

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