JP2001298941A - リニアモータ駆動の軸送り装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】リニアモータを駆動源とする固定体上の移動体
の軸送り装置が増えてきているが、リニアモータの１次
側部材と２次側部材との間に働く得られる推力の何倍に
も及ぶ大きな磁気吸引力が、軸受に負担を与えるだけで
なく、移動体を変形させ撓みを生じさせ、リニアモータ
の高応答の性能が発揮されず、精度を低下させていた。 【解決手段】両側端部の直動軸受間の中央部にリニアモ
ータが設けられる場合には該リニアモータと両側の各直
動軸受の間に、または、リニアモータが間隔を置いて２
個設けられている場合には該両リニアモータ間の中央部
位に、同一磁極を対向させるように組み合わせて構成さ
れる永久磁石を含む磁気反発部材を、移動方向に沿って
固定体上面と移動体下面とに相対向して取り付けて、リ
ニアモータの磁気吸引力を相殺、軽減させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リニアモータによ
って駆動制御されるサドルやテーブル等の移動体の軸送
り装置、特に前記使用するリニアモータが、交流リニア
同期モータやリニア直流モータのようにモータの１次側
部材と２次側部材とが磁気吸引力によって強力に引き合
う態様のリニアモータである前記軸送り装置の構成に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近時、工作機械では、サドルやテーブル
あるいはラムが移動軸としてリニアモータによって駆動
制御されるものが多くなってきている。このような軸送
り装置は、従来型の回転形のサーボモータによるボール
ねじ、ナットを介して軸を移動制御する軸送り装置とは
異なり、高応答、高加速など、高速に移動し、制御性が
いいところから精密なサーボ制御が可能となる。このた
め、工作機械に限らず、３次元測定機や各種産業分野に
おける位置決め装置として採用されるようになって来て
いる。

【０００３】図８は、このようなリニアモータを駆動送
り手段として有するサドルやテーブル等の軸送り装置の
代表的な構成例の軸方向に対する直交断面図である。図
において、１は固定側のベッドやサドル、２は移動体側
のサドルやテーブルであり、両者は上下対向面におい
て、図示の場合、長手方向と直角な幅方向の両端に、ベ
ッド１上に形成した移動体の案内面上に取り付けられた
レール３Ａと、夫々のレール３Ａの長手方向に所定間隔
を置いた態様にサドル２下面に設けられ、ベアリングボ
ールまたはローラを内蔵する軸受３Ｂとからなる直動軸
受３Ｒ、３Ｌによって案内保持されてなる。この直動軸
受３Ｒ、３Ｌ間の中央の部位には、図示の場合所定の永
久磁石片４Ａを強磁性体の鉄鋼材に移動長さ方向に列設
した磁石板４Ｂから成るリニアモータの２次側部材４が
ベッド１上の案内面上に長手方向に沿って取り付けら
れ、これに対し、移動長さ方向に複数個の磁極を形成し
た強磁性体の鉄芯に励磁コイルを巻回して成る電磁石５
Ａの１次側部材５がサドル２下面に対向させて取り付け
られる。

【０００４】上述の如き構成のリニアモータ、即ちリニ
ア直流モータ、または直流もしくは交流リニア同期モー
タは、近年の永久磁石材、特に希土類磁石化およびＮｄ
ＦｅＢ磁石化による大幅な高性能化、電磁器技術および
電子自動制御技術の高精密化および高度化により約０．
１μｍオーダの位置決め制御に使用されるようになって
きているが、前記リニアモータの１次側部材と２次側部
材とは、高性能の高推力を得るため約１ｍｍ前後以内の
微細間隙に設置して使用されるため、両者間には得られ
る定格推力の大凡７〜１０倍の強力な磁気吸引力が作用
するものであることが知られている。

【０００５】このとき、テーブルに負担される負荷を考
察すると、上記磁気吸引力（例えばＦ１）が、簡略化し
てリニアモータ４、５の間で、即ちサドル２の幅方向の
中央の位置に於いて集中荷重的に作用している場合に
は、直動軸受３Ｒ、３Ｌの箇所での負担は、垂直抗力と
してそれぞれＦ１／２（ここでは直動軸受３Ｒ、３Ｌの
軸受３Ｂが両側に各１個配置されているものとして単純
化している）になる。そしてサドル２の中央には、後述
するように曲げモーメント（Ｍ＝−Ｆ１／２・Ｌ、但し
直動軸受３Ｒ、３Ｌ間の長さを２Ｌとする）が作用して
いるので、サドル２中央部を曲げ剛性（断面係数
（Ｚ）、または断面２次モーメント（Ｉ））が大きくな
るよう形成しておかないと変位して精度が悪くなる。

【０００６】軸送り装置には、上述図８に示したものの
外種々の構成のものがあるが、例えば、大型装置である
場合、図９に示すように２個のリニアモータが並列に設
けられる。この場合、各リニアモータ４・５、４′・
５′の箇所での磁気吸引力をＦ１とすると、両側の直動
軸受３Ｒ、３Ｌに対する負荷の増加はＦ１であるが、直
動軸受３Ｒ、３Ｌ間の距離等は大きくなっているので、
実際の曲げモーメントは大きくなっていて、サドル２の
剛性を充分大きくして、撓み変形が生じないようにする
必要があるものである。

【０００７】このようなリニアモータ駆動の軸送り装置
における直動軸受に対する負担の軽減と変形の減少また
は防止等の課題を解決するための手段として、例えば、
特開平８−１９２，３２７号公報（先行技術１と言
う）、特開平９−１４０，１１８号公報（先行技術２と
言う）、および特開平９−２８，０７４号（先行技術３
と言う）に開示の技術がある。

【０００８】上記先行技術１のものは、リニアモータに
よって生ずる磁気吸引力の方向を直動軸受に作用する負
荷の方向と交叉するようにリニアモータを配置して、前
記磁気吸引力の分力が直動軸受に負担される負荷方向に
対して反対向きに作用するようにし、軸受の負担と抵抗
を軽減し、テーブル等の変形減少を計っている。また、
先行技術２のものは、テーブル、サドル等の移動体、ま
たはそれと一体の張り出し部材の１側にリニアモータを
取り付け、もう１側にリニアモータ側の吸引力を打消す
よう磁石板を取り付け、上記先行技術１と同一の目的効
果を達成しようとするものである。また、先行技術３の
ものは、リニアモータの１次側または２次側の一方の部
材をテーブル、サドル等の移動体に取り付けるとき、磁
気吸引力で変形し撓むプレートを移動体に取り付けてお
き、そのプレートに１次または２次側部材を取り付け、
移動体に大きな磁気吸引力が作用しないようにしたもの
である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記先
行技術１のものは、２つのリニアモータを夫々所定に傾
斜させて取り付け、その傾斜した状態でギャップを維持
させて作動させるものであるから、構成、製作等に難点
がある。また、先行技術２のものは、リニアモータと吸
着力相殺用磁石とを必ず背中合わせにしなければならな
いので、配置構成上の制約がある。即ち、この先行技術
の２中、図１の第１の実施例の構成によれば、テーブ
ル、サドル等の移動体１４の上面に物が載置できない。
また、具体的構成例の図２のものでは、固定側がコの字
形の枠体でなければならないので、移動側の上面の載置
可能領域がやはり制限される。また、図３以下の他の実
施形態の構成によれば、移動体の下部に上向コの字形の
枠体が用意される構成で上面部に制約はないが、下部の
リニアモータと磁石との両面での磁気吸着力が等しく対
称にならないと運動の真直性にかえって悪い影響があ
る。また、先行技術３のものは、移動体に取り付けた変
形、撓み部材としてのプレート８が、変形し、撓んだ後
のリニアモータの作動が担保されていないだけでなく、
移動体に磁気吸引力がプレート８の固定部を介して作用
することになる。

【００１０】そこで本発明は、リニアモータによって駆
動制御されるサドルやテーブル等の移動体の軸送り装置
において、上述のように折角構成した軸送り装置の移動
体上への載物障害問題がなく、また軸送り運動の真直性
に悪影響が発生しないことはもちろんのこと、リニアモ
ータの磁気吸引力によって掛かる軸受部の負担が軽減さ
れるとともに、上記移動体の変形撓みが軽減され、精密
度を維持する軸送り装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前述の本発明の目的は、
（１）相対的な固定体上に形成された案内面上を、移動
体が水平１軸に線形移動可能に直動軸受を介して設けら
れている軸送り装置において、前記移動体は、線形移動
の方向と直交する両端部位に移動方向に沿って前記案内
面上と移動体下面とに取り付けられ、レールとこれに嵌
挿する少なくとも２個の軸受とから成る一対の直動軸受
によって支持され、該直動軸受間の中央部位において前
記案内面上と移動体下面とに取り付けられ、永久磁石片
を列設した磁石板と磁極が並ぶ鉄芯に励磁コイルが巻回
された電磁石とから成るリニアモータによって駆動制御
される軸送り装置であって、該リニアモータと両側の各
直動軸受との間に、同一磁極を対向させるように組み合
わせて構成される永久磁石を含む磁気反発部材が、相対
移動方向に沿って前記案内面上と移動体下面とに取り付
けられて成る軸送り装置とすることにより達成される。

【００１２】また、前述の本発明の目的は、（２）相対
的な固定体上に形成された案内面上を、移動体が水平１
軸に線形移動可能に直動軸受を介して設けられている軸
送り装置において、前記移動体は、線形移動の方向と直
交する両端部位に移動方向に沿って前記案内面上と移動
体下面とに取り付けられ、レールとこれに嵌挿する少な
くとも２個の軸受とから成る一対の直動軸受とによって
支持され、永久磁石片を列設した磁石板と磁極が並ぶ鉄
芯に励磁コイルが巻回された電磁石とから成るリニアモ
ータが、前記直動軸受間の中央と両側の直動軸受との各
間において前記案内面上と移動体下面とに取り付けられ
て駆動制御される軸送り装置であって、該一対のリニア
モータ間の中央部位に同一磁極を対向させるように組み
合わせて構成される永久磁石を含む磁気反発部材が相対
移動方向に沿って前記案内面上と移動体下面とに取り付
けられて成る軸送り装置とすることによって達成され
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施例に
係わるベッド、サドル等の相対的な固定体に対するサド
ル、テーブル等の移動体の軸送り装置を軸方向と直角方
向に切断して示した直交断面図、図２はこの第１実施例
の移動体に作用する力およびその力による曲げモーメン
ト線図を示すもので、前述従来例の図８の軸送り装置に
対応して示したものである。なお、図２で、移動体２の
断面は、同じ一つの単純梁に模している。

【００１４】図１および図２において、前述図８と同一
符号を付したものは、同一または同等物で、さらに、本
発明によれば、ベッド１等の固定体側の案内面上および
サドル２等の移動体側の下面の移動軸に直交する方向の
ほぼ中央にあるリニアモータ４・５の両側、両端部の直
動軸受３Ｒ、３Ｌとの間のほぼ中間の位置に、同一磁極
を対向させるように組み合わせて構成される永久磁石を
含む磁気反発部材６Ａ、６Ｂの各一対が、相対移動方向
に取り付けてある。

【００１５】前記固定体側の磁気反発部材６Ａは、図１
および図３に示すように強磁性体や非磁性体等のベース
部材６１と、その上の他方の磁気反発部材６Ｂの相対向
する面に永久磁石６２が取り付けられており、該永久磁
石６２は、比較的幅が狭くて長尺状をした帯状体の表裏
方向にＮＳに着磁された一体物の磁石であっても良い
が、図示のようにほぼ同一の寸法、形状の短冊形の磁石
片６２を同一磁極を一方の側に揃えて取り付けたもので
あっても良い。

【００１６】ここで、固定体側の案内面上に設けられる
磁気反発部材６Ａは、移動体２の移動可能ストロークに
応じ、リニアモータの２次側部材磁石板４とほぼ同一長
さで、かつ、磁石板４の両側に対称に並設されているの
に対し、移動体側の磁気反発部材６Ｂは、リニアモータ
の１次側部材電磁石５とほぼ同一の長さと短く、前記磁
気反発部材６Ａと対面する位置で、かつ前記電磁石５の
両側に並設させて設けられていることにより、移動体２
が移動軸方向のどの位置にあっても、リニアモータによ
る同一励磁状態時の磁気吸引力は一定で、またリニアモ
ータの両側にある各磁気反発部材６Ａ、６Ｂによる磁気
反発力も一定に保たれる。

【００１７】上記のような負荷状態（但し、積載物や移
動体の重量は無視している）を以下に解析すると、リニ
アモータによる磁気吸引力Ｆ１は、両側の軸受３Ｂ、３
Ｂに負担される負荷として、それぞれＮ＝Ｆ１／２作用
するが、磁気反発力Ｆ２、Ｆ２が作用すると、その負担
は、それぞれＮ＝Ｆ１／２−Ｆ２となって減少すること
になる。そして、磁気反発部材６Ａ、６Ｂの反発用永久
磁石がない図８の場合のリニアモータによる移動体２中
央での曲げモーメントＭ＝−Ｆ１／２・Ｌ、図２のＣ線
図に対し、２組の磁気反発部材６Ａ、６Ｂの反発力Ｆ２
が夫々働いてＢ線図の曲げモーメントが発生し、移動体
２には前記曲げモーメントＭよりも低減されたＡ線図の
曲げモーメントが作用していることになる。即ち、軸受
３Ｂ、３Ｂ位置と磁気反発力が作用する位置との距離を
Ｋとすると、磁気反発力による移動体２の中央部の曲げ
モーメントはＭ＝Ｆ２・Ｋである。したがって、磁気
「吸着力」と「反発力」とのモーメントが打消されてモ
ーメントが小さくなるわけで、移動体の撓みが小さくな
るか、剛性アップが軽減されることになる。この結果、
軸送り運動の真直性を良好に保った状態で、直動軸受３
Ｒ、３Ｌ部に掛かる負担が軽減されるとともに、移動体
２の変形撓みも減少し、精密な軸送り制御を高応答で高
速度で行えることになる。

【００１８】図４は、本発明の第２の実施例に係わる軸
送り装置の軸直交断面図で、前述従来例の図９の軸送り
措置に対応するものである。この例では、磁気反発部材
６Ａ，６Ｂが間隔を置いて平行に併設された一対のリニ
アモータ４・５および４′・５′間の中央の部位に、相
対移動方向に沿って固定体１と移動体２とに設けられる
以外の点は、前述図１のものと図８のものとの関係と同
様な関係のものであるので、この部分の説明は省略す
る。

【００１９】図５は、前述図４の軸送り装置に於いて、
移動体１に作用する力およびその力による曲げモーメン
ト線図を示すもので、磁気反発部材６Ａ、６Ｂが設けら
れていない図９の場合は２つのリニアモータによる磁気
吸引力が各Ｆ１で、曲げモーメント線図がＣであったの
が、磁気反発部材６Ａ、６Ｂを設けることにより、移動
体２に作用している曲げモーメント線図はＡとなり、線
図Ｃに対して減少するものである。即ち、前述第１の実
施例と同様に、移動体２中央部での曲げモーメントは、
モーメント線図Ｃで、Ｍ＝−Ｆ１・Ｋ、線図Ｂでは、Ｍ
＝Ｆ２／２・Ｌ、したがって両者を合成した線図Ａで
は、Ｍ＝−Ｆ１・Ｋ−Ｆ２／２・Ｌとなって減少するわ
けである。そして、この結果として、軸送り運動の真直
性を良好に保った状態で、直動軸受３Ｒ、３Ｌに掛かる
負担が軽減されるとともに、移動体２の変形撓みも減少
し、精密な軸送り制御を、高応答で、高速度で行えるこ
ととなる。

【００２０】図６は、固定体１と移動体２間に介設した
２個のリニアモータ４・５および４′・５′によって働
く磁気吸引力を相殺軽減させる力を、永久磁石の異極間
に働く磁気吸引力によって両者間に離隔力として働かせ
る場合の一例を、前述図４と同様にして示したものであ
る。図に於いて７は、移動体２の下面に移動方向に沿っ
て取り付けられた断面が逆Ｔの字状をした一方の磁気吸
引部材で、Ｉの字ビームの支持部７Ａと必要に応じて吸
引用永久磁石７Ｃをビーム７Ａの両側に移動方向に沿っ
て取り付ける支持部材７Ｂとから成る。これに対し、一
対のブラケット８Ａが前記ビーム７Ａ部を両側から挟む
とともに逆Ｌの字状に向かい合わせで固定体１上面に取
り付けられ、前記支持部材７Ｂ上の永久磁石７Ｃと異極
で対向させる永久磁石８Ｂを取り付けて他方の磁気吸引
部材８を構成させるものである。

【００２１】この場合は、磁気吸引力を作用させるの
で、図７に示すように、例えばＡ図の如く、ブラケット
８Ａに下向きに取り付けられた永久磁石８Ｂが一方の極
（Ｓ）を下向きに揃えてあるのに対し、これに対向する
支持部材７Ｂ上には、上向きに他方の極（Ｎ）を揃えて
取り付けることにより使用されているが、使用する永久
磁石が最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘが約３２０ＫＪ
／立方メートル前後またはそれ以上のＮｄＦｅＢ系等の
希土類合金強力磁石８Ｃの場合にはＢ図に示すように他
方の支持部材７Ｂを強磁性体材から成る構成とすること
もでき、また、その際永久磁石８Ｃは、隣り合って取り
付けられる永久磁石片が、異極である取り付け構成であ
っても良い。

【００２２】かくすることにより、前述図４の軸送り装
置の場合と同様に、軸受３Ｂにかかる力Ｎが軽減され
る。同様に、一対の磁気吸引部材７、８により、移動体
２のほぼ中央部に曲げモーメントのＭ＝Ｆ２／２・Ｌが
作用し、リニアモータ４・５および４′・５′による曲
げモーメントＭ＝−Ｆ１・Ｋを減少させるので、軸送り
運動の真直性を良好に保った状態で直動軸受３Ｒ・３Ｌ
に掛かる負担が軽減されるとともに、移動体２の変形撓
みも減少し、精密な軸送り制御を、高応答で、高速度で
行えることとなる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、１次側部
材と２次側部材との間に発生推力を上廻る強力な磁気吸
引力が作用する型式のリニアモータを使用した軸送り装
置において、前記磁気吸引力に対向する磁気反発力を固
定体と移動体との間に作用させて、直動軸受に掛かる負
荷を軽減するとともに、移動体を変形させようとする曲
げモーメントも軽減させることができる。このため直動
軸受部の荷重が軽減され、直動軸受部の寿命が延びると
ともに、摩擦抵抗も軽減されリニアモータの高応答性が
充分に発揮される。また、移動体の中心付近での撓み変
形量も少なくなるので、軸送り精度が向上するが、その
分移動体を剛性小さく簡略な構造とし、重量を軽減させ
たものとすることができる。

【００２４】また、リニアモータの磁気吸引力を相殺、
軽減させる力を同じく磁気の反発または吸引力で行うよ
うにしたから、非接触で摩擦抵抗もなく、精度阻害要因
となることも無い。さらに前述先行技術のもののよう
に、移動体上面部の搭載制限問題を生じさせることなく
使用できるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる移動体の軸送り
装置の断面図。

【図２】図１に係わる作用する力とその力による曲げモ
ーメントの線図。

【図３】磁気反発部材の１実施例の部分拡大断面図。

【図４】本発明の第２の実施例に係わる移動体の軸送り
装置の断面図。

【図５】図４に係わる作用する力とその力による曲げモ
ーメントの線図。

【図６】本発明のさらに他の実施例に係わる移動体の軸
送り装置の断面図。

【図７】ＡおよびＢは、図６の実施例に於いて使用する
磁気吸引部材の実施例の部分拡大断面図。

【図８】従来例の移動体の軸送り装置の断面図。

【図９】他の従来例の移動体の軸送り装置の断面図。

【符号の説明】

１ ベッド等の固定体 ２ テーブル等の移動体 ３Ｒ、３Ｌ 直動軸受 ３Ａ レール ３Ｂ 軸受 ４、４′ リニアモータの２次側部材 ５、５′ リニアモータの１次側部材 ４Ａ 永久磁石 ５Ａ 電磁石 ６Ａ、６Ｂ 磁気反発部材 ７、８ 磁気吸引部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対的な固定体上に形成された案内面上
   を、移動体が水平１軸に線形移動可能に直動軸受を介し
   て設けられている軸送り装置において、前記移動体は、
   線形移動の方向と直交する両端部位に移動方向に沿って
   前記案内面上と移動体下面とに取り付けられ、レールと
   これに嵌挿する少なくとも２個の軸受とから成る一対の
   直動軸受によって支持され、該直動軸受間の中央部位に
   おいて前記案内面上と移動体下面とに取り付けられ、永
   久磁石片を列設した磁石板と磁極が並ぶ鉄芯に励磁コイ
   ルが巻回された電磁石とから成るリニアモータによって
   駆動制御される軸送り装置であって、該リニアモータと
   両側の各直動軸受との間に、同一磁極を対向させるよう
   に組み合わせて構成される永久磁石を含む磁気反発部材
   が、相対移動方向に沿って前記案内面上と移動体下面と
   に取り付けられて成ることを特徴とするリニアモータ駆
   動の軸送り装置。
2. 【請求項２】 相対的な固定体上に形成された案内面上
   を、移動体が水平１軸に線形移動可能に直動軸受を介し
   て設けられている軸送り装置において、前記移動体は、
   線形移動の方向と直交する両端部位に移動方向に沿って
   前記案内面上と移動体下面とに取り付けられ、レールと
   これに嵌挿する少なくとも２個の軸受とから成る一対の
   直動軸受によって支持され、永久磁石片を列設した磁石
   板と磁極が並ぶ鉄芯に励磁コイルが巻回された電磁石と
   から成るリニアモータが、前記直動軸受間の中央と両側
   の直動軸受との各間において前記案内面上と移動体下面
   とに取り付けられて駆動制御される軸送り装置であっ
   て、該一対のリニアモータ間の中央部位に同一磁極を対
   向させるように組み合わせて構成される永久磁石を含む
   磁気反発部材が相対移動方向に沿って前記案内面上と移
   動体下面とに取り付けられて成るとこを特徴とするリニ
   アモータ駆動の軸送り装置。