JP4796674B2 - スキャナ - Google Patents

Description

本発明は、スキャナに係り、特に微小角度だけ揺動運動するスキャナに関する。

従来のガルバノスキャナの例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載のスキャナにおいては、その図４に典型的に記載されているように、周方向にガルバノスキャナの揺動範囲分だけコイルと永久磁石を配置している。その際、回転子側にコイルを、固定子側に永久磁石を配置しており、それらの外径はほぼ一定である。

一方、回転軸の周りに永久磁石を配置したＤＣモータの例が、特許文献２に記載されている。この公報では、減磁による特性変化を抑制するとともに誘起電圧の歪みを抑制するために、固定子に対向する回転子の表面に永久磁石を配置している。そして、永久磁石の磁極境界付近の固定子に対向する表面に、直線を含む形状の溝を軸方向に形成している。

特開２００３−３０７７００号公報 特開２００４−８８８５５号公報

従来のガルバノスキャナにおいては、トルク定数が回転角度により変動し、均一なトルクが得られない恐れがあった。すなわち、回転子を形成する永久磁石の外径をほぼ一定にすると、磁束密度は永久磁石の周方向中央位置で最大になり、周方向両端部に向かって減少するほぼ放物線形状となる。その結果、４極のＤＣモータ相当の場合には、回転角度が１５度変化すると、トルク定数が約１０％程度低下している。このことは特許文献２に記載されたＤＣモータでも同様である。

本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、スキャナにおいて、トルク定数の回転角度による変動を低減することにある。本発明の他の目的は、スキャナが、簡単な構成でトルク定数が均一化されていることにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、軸とこの軸の外周側に取り付けられた永久磁石を有する回転子と、回転子の外側に配置した固定子とを備え、この固定子は、ケーシングと、ケーシングの内周側に保存したヨークと、ヨークの内周側に配置したコイルとを有するものであるスキャナにおいて、前記回転子の永久磁石は、半径方向に凹んだ溝が外周部に形成されており、前記コイルの内側のほぼ中央部に前記コイルよりも周方向長さが短い第２のコイルを対向する前記永久磁石に形成した前記溝の内側に食い込むように設けたことにある。

そして、この特徴において、永久磁石は、軸の周方向に複数極設けられており、永久磁石の溝は永久磁石の複数の極に対応して形成されており、その周方向長さはコイルの周方向長さよりも±１０°の範囲で相違しているのが望ましく、また、永久磁石の溝の数を、永久磁石の極数の２倍にしてもよく、永久磁石の極数の２倍にしてもよく、永久磁石の溝の数を、永久磁石の極数の２倍にしてもよい。

本発明によれば、回転子を構成する永久磁石の外径を、永久磁石の周方向位置に応じて変化させたので、トルク定数の回転角度による変動を低減できる。これにより、位置決め精度の向上または位置決め時間の低減が可能になる。

以下、本発明に係るスキャナのいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。本実施例ではレーザ加工機に用いるガルバノスキャナを例にとり説明するが、その他の位置決め用スキャナにも本発明は適用できる。

図１に、本発明に係るスキャナ１００の一実施例を、横断面図で示す。図２に、このスキャナ１００において、ガルバノミラーを省いた縦断面図を示す。軸１０の外周側に、Ｎ極とＳ極とを交互に配置した４極の永久磁石１２を取り付けている。軸１０と永久磁石１２とは、一体となって回転子を形成する。この回転子と半径方向に間隔をおいて固定子が配置されている。固定子は、円筒状に形成した外周円筒５と、この外周円筒５の内側に取り付けたリング状のヨーク１１と、このヨーク１１の内側であって周方向複数箇所に配置したコイル４とを有する。軸１０の両端部をベアリング１５が支持し、ベアリング１５は外周円筒５に保持されている。永久磁石が４極であるので、コイル４は周方向４箇所にほぼ９０度ピッチで配置されている。

ここで本発明の特徴である永久磁石１２には、その外周部にトルク定数の回転角度による変動を低減する溝１が形成されている。溝１とコイル４の寸法は、トルク定数の角度依存性の要求により、以下のように最適化される。

図３に永久磁石にネオジウム系の磁石を用い、溝１を永久磁石外径の３．４％の深さまで形成し、溝幅を５４°にしたときのトルク定数の変化を示す。この図３では、溝１に対向する位置に設けたコイル４の幅Ｗをパラメータにして表しており、Ｗ＝５４°、５６°、５８°である。スキャナ１００に用いる永久磁石１２は、駆動するミラー等の大きさにも依存するが、一般的に直径が５ｍｍ〜４０ｍｍ程度の大きさである。したがって、永久磁石外径の３．４％の深さは、０．１７ｍｍ〜１．３６ｍｍに相当する。

スキャナ１００のトルク定数が揺動角度により変動するのを極力抑制するために、スキャナ１００の揺動角度が±５°の範囲であれば、溝の幅を５６°とすればよいことが、図３から知られる。すなわち、溝幅を５６°とすると、揺動角度が５°以内であれば、トルク変動が０．１％以下になる。揺動角度の範囲が±１０°の大揺動角ミラーを使用するときには、溝１の幅を５４°とするとトルク変動が抑制される。この場合、トルク変動を、０．３％以下に低減できる。

なお、この図３の算出においては、コイル４での径方向の磁束密度を計算し、頂点で磁束密度分布が左右対称になるように溝１の深さを調整した。この詳細を、図４及び図５を用いて説明する。コイル４部における半径方向磁束密度分布の計算例を、図４に示す。この図４では、図１の矢印３０で示した方向を横軸にし、縦軸にその位置での磁束密度の計算結果を示す。溝１の幅を５４°とし、溝１の深さを永久磁石１２の外径の３％、３．４％、３．８％とした場合について、磁束密度を計算した。

永久磁石１２に溝１を形成しないときは、永久磁石１２の周方向中心部に頂点を持つほぼ放物線形状になるのに対し、永久磁石１２の中心と、周方向端部寄りに極大値を有する３こぶ状の曲線となる。この中で、周方向端部寄りの極大値を頂点と呼ぶ。頂点付近では磁束密度の変化が中心部よりも大きい。そして、溝１が形成された部分では、全体的に磁束密度の減少が見られる。この図４から明らかなように、溝１の深さを変化させると、磁束密度の減少量を調節できる。また、溝１の端部近傍に磁束密度の頂点が出現しているが、頂点間の幅は約５６°であり、溝１の幅５４°より若干大きい。

図５に、頂点付近の磁束密度分布が線対称に最も近かった、溝１の深さを永久磁石１２の外径の３．４％とした例を示す。この条件で得られた磁束密度分布において、頂点付近の磁束密度分布を注目すると、頂点を中心に±５°の範囲では、実質的に対称な分布となっている。スキャナ１００のトルク定数を計算する際に、通常、磁束密度をコイル４の幅で平均化して評価している。このことから、コイル４の幅を頂点の幅５６°と等しくしたときには、頂点を中心に±５°の範囲では、トルク定数の回転角度による変動を極力抑制できる、ことが推測される。

なお、図３に示したトルク定数の分布図では、コイル４の幅が５６°の場合に、トルク定数の回転角度による変動が小さい。そして、揺動角度が５°以内の範囲であれば、トルク変動が０．１％以下になっている。この理由は、頂点を中心に磁束密度が左右対称になっているからである。すなわち、トルク定数の変動が小さい範囲と、磁束密度分布が頂点を中心に対称な分布となっている範囲とは、一致している。このように、永久磁石１２に溝１を形成することにより、溝を形成しない場合に比べてトルク変動を１/１０以下に低減できる。

さらに、コイル４の幅Ｗを変化させてトルク定数を評価した。この場合、溝１の幅より周方向角度で±１０°程度増減する範囲からコイル幅Ｗを選択すれば、トルク定数の最適な均一性が得られる。本実施例では、永久磁石１２を４極として説明したが、２極または６極、…等にしても、本実施例と同様な効果が得られる。

本発明に係るスキャナの他の実施例を、図６に縦断面図で示す。本実施例は、上記実施例とは、永久磁石１２に対向配置したコイルの形状が相違している。ヨーク１１の内周にほぼ等ピッチで配置したコイル４の内側であってほぼ中央部に、コイル４よりも周方向長さが短い第２のコイル４０を追加して配置している。この第２のコイル４０は、対向する永久磁石１２に形成した溝１に食い込んで配置されている。溝１に食い込んで第２のコイル４０を配置したので、軸１０の揺動範囲は制限される。しかしながら、第２のコイル４０を追加したので、コイル４と第２のコイル４０との巻数の和が増加し、トルク定数を増大できる。また、本実施例によれば、実施例１における溝１中心部の磁束密度の低下を回復でき、トルク定数の溝１中心部における若干の低下を補償できる。

本発明に係るスキャナ１００のさらに他の実施例を、図７に横断面図で示す。本実施例が、上記実施例と相違するのは、永久磁石１２に設けた１個の溝１を、幅の小さな２本の溝５０で置き換えたことにある。実施例１のスキャナ１００では、溝１の外周面の半径をほぼ一定としていたので、溝１の周方向中心部における磁束密度が若干低下し、僅かにトルク定数が低下している。この不具合を回避するために、本実施例では溝５０を永久磁石１２の周方向端部近傍にだけ形成し、永久磁石１２の中心部には溝を形成していない。図４に示すように永久磁石１２に形成した溝の役割は、磁束密度に頂点を発生させることであるから、中央部に形成していた溝を無くして、永久磁石１２の中心における磁束密度の低下を抑制する。これにより、トルク定数の低下も抑制される。ここで、溝５０の幅を、少なくともスキャナ１００の揺動範囲よりも大きくする。

上記いずれの実施例においても、スキャナの回転子が有する永久磁石の極数は複数極あり、２極でも、４極でもそれ以上でもよい。また、永久磁石を軸の全周にわたり配置しているが、揺動範囲を考慮して周方向に部分的に配置してもよい。

本発明に係るスキャナの一実施例の横断面図である。 図１に示したスキャナの縦断面図である。 本発明に係るスキャナのトルク定数の計算例を示すグラフである。 本発明に係るスキャナの径方向の磁束密度分布の一例を示すグラフである。 本発明に係るスキャナの径方向の磁束密度分布の一例を示すグラフである。 本発明に係るスキャナの他の実施例の横断面図である。 本発明に係るスキャナのさらに他の実施例の横断面図である。

符号の説明

１…溝（小径部）、４…コイル、５…外周円筒、１０…軸、１１…ヨーク、１２…永久磁石、１５…ベアリング、３０…線、４０…第２のコイル、５０…溝（小径部）。

Claims (4)

1. 軸とこの軸の外周側に取り付けられた永久磁石を有する回転子と、回転子の外側に配置した固定子とを備え、この固定子は、ケーシングと、ケーシングの内周側に保存したヨークと、ヨークの内周側に配置したコイルとを有するものであるスキャナにおいて、
   前記回転子の永久磁石は、半径方向に凹んだ溝が外周部に形成されており、前記コイルの内側のほぼ中央部に前記コイルよりも周方向長さが短い第２のコイルを対向する前記永久磁石に形成した前記溝の内側に食い込むように設けた、ことを特徴とするスキャナ。
2. 前記永久磁石は、前記軸の周方向に複数極設けられており、その周方向長さは前記コイルの周方向長さよりも±１０°の範囲で相違していることを特徴とする請求項１に記載のスキャナ。
3. 前記永久磁石の溝の数を、永久磁石の極数の２倍にしたことを特徴とする請求項１に記載のスキャナ。
4. 前記永久磁石の溝の周方向幅を、前記軸の揺動角度よりも大きくしたことを特徴とする請求項３に記載のスキャナ。

Images