转子轴及其制造方法、使用该转子轴的电扫描器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种例如在激光加工机中使用的电扫描器等的转子轴及其制造方法、使用该转子轴的电扫描器。
【背景技术】
[0002]伴随着移动电话、电子设备的基板的高集成化，对于进行这种基板的孔加工的激光加工机，要求加工机的高精度化、高速化。因此，在如上所述的激光加工机中使用的电扫描器的高速化也不可或缺。
[0003]然而，在将现有的电扫描器使用于激光加工机而进行连续孔加工的情况下，重复进行加速一减速一静止，例如如果将连续开孔速度设为4000 (point/sec)而进行运转，则电流频率成为4kHz。由电流产生的磁通到达永磁铁内部，因此永磁铁的内部磁场也以4kHz变化而流动涡电流，由于焦耳热，而永磁铁发热。而且，如果永磁铁的温度过高，则会发生热减磁，磁铁特性会劣化，因而对电扫描器的动作造成障碍。
[0004]因此，例如如专利文献I所述，提出如下技术，即通过在永磁铁上设置径向的槽，或者设置将线圈和壳体热连接的传热旁路单元，而抑制永磁铁的温度上升。
[0005]专利文献:日本特开2008 - 43133号公报
[0006]然而，在专利文献I中，需要特别的传热旁路单元或在永磁铁上设置槽，因此具有结构复杂这样的问题点。
【发明内容】
[0007]本发明就是为了解决如上所述的课题而提出的，得到一种转子轴，其能够通过简单的结构抑制永磁铁的温度上升，适用于高速运转。
[0008]本发明所涉及的转子轴的特征在于，具有由陶瓷材料构成的轴和在该轴中内置的永磁铁。
[0009]此外，本发明所涉及的转子轴的制造方法的特征在于，在进行碳化硅化(以下，记为SiC化)之前，从碳纤维增强碳复合材料(以下，记为C/C)的块体加工为轴部件的形状。
[0010]发明的效果
[0011]根据本发明所涉及的转子轴，由于在由陶瓷材料构成的轴中内置有永磁铁，因此具有下述效果，即:得到能够通过简单的结构抑制永磁铁的温度上升，且适用于高速运转的转子轴。
[0012]此外，根据本发明所涉及的转子轴的制造方法，由于在进行SiC化之前从C/C的块体加工为轴部件的形状，因此具有与通常的陶瓷材料相比能够缩短加工时间，削减加工成本的效果。
【附图说明】
[0013]图1是表示安装有本发明的转子轴的电扫描器的结构的示意图。
[0014]图2是表示本发明的实施方式I的转子轴的外观图。
[0015]图3是图2的A — A剖视图。
[0016]图4是对在将本发明的实施方式I的轴材料进行变更的情况下的特性进行比较，示出其比较结果的图。
[0017]图5是表示本发明的转子轴的制造过程的流程图。
[0018]图6是表示本发明的实施方式2的转子轴的外观图。
[0019]图7是图6的B—B剖视图。
[0020]标号的说明
[0021]10 转子轴，15,151 轴，15A、15B、151A、151B、151C 轴部件，15a、151a 筒状部，15b、15c、151b、151c柱状部，20,201永磁铁，30线圈，40轴承，50壳体，60电控反射镜(光学部件)，70编码器板，100电扫描器。
【具体实施方式】
[0022]实施方式I
[0023]以下，基于图1至图3对本发明的实施方式I的转子轴进行说明。
[0024]在图中，电扫描器100具有:转子轴10 ;壳体50，其经由轴承40可旋转地支撑转子轴10 ;线圈30，其与转子轴10的外周相对而设置，固定在壳体50的内周面上；作为光学部件的矩形平面状的电控反射镜60，其固定在转子轴10的一端；以及编码器板70，其固定在转子轴10的另一端。编码器板70在表面具有狭缝，与传感头(未图示)协同动作，而构成用于对电控反射镜60的角度位移反馈进行控制的旋转编码器。另外，作为用于对电控反射镜60的旋转位置进行反馈控制的旋转位置检测装置，不限于旋转编码器，也可以使用解析器。
[0025]转子轴10具有由陶瓷材料构成的轴15以及在转子轴15中内置的永磁铁20。该永磁铁20例如是钕烧结磁体，与转子轴15同轴设置。
[0026]如图示，轴15具有对永磁铁20的外周面进行覆盖的筒状部15a、以及对永磁铁20的两端面进行覆盖的一对柱状部15b、15c。而且，轴15在筒状部15a的轴向中央部处被分害J，形成轴部件15A、15B。永磁铁20通过粘接剂而密接固定在形成于该轴部件15A、15B上的孔部中。此外，轴部件15A、15B的接合部也通过粘接剂进行粘接。
[0027]作为构成轴15的陶瓷材料，使用含有碳纤维的碳化硅复合材料(以下，记为C/SiC)，但也可以是烧结SiC(以下，记为SiC)、氮化硅(以下，记为Si3N4)、碳化硼(以下，记为B4C)、氧化销(以下，记为Al2O3) ο
[0028]下面，对使用了电扫描器100的激光加工进行说明。电扫描器100配置为使电控反射镜60位于激光加工机(未图示)的激光光线的路径上。而且，基于使用了编码器板70的旋转编码器的旋转位置信息，通过控制电路(未图示)对电控反射镜60的旋转位置进行控制。由此，对激光光线的反射方向进行改变，对激光光线的向被加工物的照射位置进行控制。
[0029]首先，在动作前，进行转子轴10位置的初始化，调整为使转子轴10的旋转位置位于基准位置。在该状态下，如果在线圈30中流动电流，则通过与永磁铁20的磁通的相互作用，转子轴10向遵循弗莱明左手法则的方向旋转。该转子轴10的旋转方向能够根据在线圈30中流动的电流方向而改变。而且，根据来自旋转编码器的位置信息而确定电流方向，并使转子轴10加速旋转。如果靠近停止位置，则将电流方向设为反方向而使转子轴10减速并停止在目标位置。
[0030]电扫描器100通过重复如上所述的加速一减速一停止的动作，从而一边改变激光光线的照射位置，一边一个一个地依次开孔。
[0031]上述的动作中，由在线圈30中流动的电流产生的磁通到达永磁铁20的内部，因此，如果由于提高连续开孔速度，而在线圈30中流动的电流的频率变高，则永磁铁20的内部磁场也与动作速度同步而变化。因此，在永磁铁20中流动涡电流而产生涡损，由于该涡损而永磁铁20发热。此时，在永磁铁20中产生的热经过轴15而流向壳体50，向外部排出。
[0032]此处，为了进行比较，使用由SUS304构成的轴15制作转子轴10，在将该转子轴10安装至电扫描器100中而进行高速运转时，由于SUS304的导热率较低，因此，在永磁铁20中产生的热没有充分地排出，而永磁铁20的温度上升。
[0033]与此相对，能够确认到，在如上所述地由C/SiC构成轴15的情况下，C/SiC的导热率是125W/m.Κ，是SUS304的导热率17.2ff/m.Κ的大致7倍，因此在永磁铁20中产生的热从轴15高效地排出，对永磁铁20的温度上升进行抑制。
[0034]此外，C/SiC的体积电阻率是6100 μ Ω cm，是SUS304的体积电阻率72 μ Ω cm的大致85倍，因此在轴15中涡电流难以流动，由涡损导致的发热较少。这也有助于抑制永磁铁20的温度上升。
[0035]如上所述，根据本实施方式，由于在由陶瓷材料构成的轴中内置有永磁铁，因此即使由于高速运转，而在线圈中流动的电流的频率变高，也能够得到能够抑制永磁铁的温度上升，适用于高速运转的转子轴。
[0036]此外，由于将轴的筒状部在轴向中央部处分割，因此用于内置永磁铁的孔加工变得容易，适用于量产化。另外，对轴进行分割的位置不限于筒状部的轴向中央部。通过将轴的筒状部在轴向上分割为多个部分也能够得到同样的效果。
[0037]此外，在电扫描器的高速运转中，也存在由于轴的扭转刚性的影响而在某个频率处转子轴产生共振，在大于或等于该频率的速度下无法运转这样的问题。C/SiC的杨氏模量是3506?3，比5”304的杨氏模量1896?3大致大80%。此外，对于比重，C/SiC是2.95，SUS304是7.9。因此，对于比重与刚性的比即比刚性，C/SiC是SUS304的大致5倍。因此，在将C/SiC使用在轴15中的情况下，与使用SUS304的情况相比，成为轻量且高刚性，转子轴的扭转减轻，并且共振频率变大，能够实现更高速的运转。
[0038]下面，基于图4，对由SUS304、C/SiC以外的材质构成轴15的情况进行说明。此处，由比较对象的材料构成，且与本实施方式中的轴形状相同的轴中安装永磁铁而制作转子轴，将使用这些转子轴的电扫描器实际地高速运转，并对温度上升和转子轴的共振频率进行确认，由此对特性进行比较。比较对象是软铁(S20C)、铝(A5052)、C/SiC、SiC、Si3N4,B4C, Al2O3O在图4中，以使用当前通常采用的SUS304的情况作为基准，用I到5这5个等级进行相对评价。
[0039]比较的结果确认到，在利用杨氏模量高于SUS304的陶瓷材料即SiC、Si3N4, B4C,Al2O3构成的情况下，转子轴10的共振频率变大。此外，由于体积电阻率较大，在轴15中涡电流难以流动，因此具有抑制由涡损导致的发热，抑制永磁铁20的温度上升的效果。另一方面，在由铝(A5052)构成的情况下，共振频率降低，温度也上升。在由软铁(S20C)构成的情况下，共振频率与SUS304几乎没有变化而相等，但温度上升。
[0040]根据上述能够确认到，如果在轴15中使用上述陶瓷材料，则适用于高速化。其中，C/SiC与SiC、Si3N4, B4C, Al2O3相比，形状形成性、加工性优异，因此在复杂的微细构造的制作中，能够实现以短时间且低成本的制作。因此，优选使用C/SiC。
[0041]另外，在图4中，利用5个等级评价进行各特性的比较，更具体而言，确认出，为了使转子轴10的共振频率大于或等于7000Hz，需要使轴材料的杨氏模量大于或等于300GPa。此外，确认出，为了使轴温度小于或等于45°C，需要使轴材料的体积电阻率大于或等于I X 1- 3 Ω cm，并且使导热率大于或等于100W/m.K。