JP2004129440A

JP2004129440A - １軸駆動装置

Info

Publication number: JP2004129440A
Application number: JP2002292632A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Ishii; 石井　雅文
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】移動子の自重による駆動推力が変動を受けず、また、発熱等による寸法精度誤差を生じさせないリニアモータを使用した１軸駆動装置を提供する。
【解決手段】Ｎ極とＳ極とが交互に配列されてなる棒状磁石である固定子１４と、固定子に嵌装されるとともに、コイル部材を有し、固定子に沿って移動が可能な環状部材である移動子１６と、を有するリニアモータ１２を使用した１軸駆動装置１０。バランスウェイト３０が移動子１６と釣り合うように配される。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータを使用した１軸駆動装置（直動装置とも称呼される）に係り、特に、リニアモータの移動子の自重による駆動推力が変動を受ける状態での使用にあたって、この駆動推力の変動を抑制しやすい１軸駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１軸駆動装置に使用できるリニアモータとしては、従来より各種の構成のものが知られている。このうちでも、棒状磁石である固定子と、固定子に嵌装されるとともに、コイル部材を有し、固定子に沿って直線移動が可能な環状部材である移動子とを有するリニアモータは、コギングが少ない、速度ムラが少ない、等の特徴を持っており、市場に出回りつつある（たとえば、ＧＭＣ　ＨＩＬＬＳＴＯＮＥ社製、商品名：シャフトモーター。）。
【０００３】
また、このようなリニアモータの改良技術として、安定的に精度良く作動できるとする構成のものが提案されている（特許文献１、特許文献２等。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−３３１８３４号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平１１−１５０９７３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、１軸駆動装置に上記従来のリニアモータを適用し、移動子の自重による駆動推力が変動を受ける状態で使用した場合、この駆動推力の変動を抑制しにくいという問題が指摘されている。
【０００７】
図４〜図６はこの現象を説明する概念図である。図４において、リニアモータ１の断面が略示されている。Ｎ極とＳ極とが交互に直線状に配列されてなる棒状磁石である固定子２に、コイル部材を有する環状部材である移動子４が嵌装されている。そして、固定子２の磁束と移動子４のコイル部材に流される電流との相互作用により、フレミングの左手の法則によって、移動子４は固定子２に沿って直線移動する。なお、移動子４のコイル部材には図示しない駆動回路より電流が供給される。
【０００８】
この場合、固定子２と移動子４との間に摩擦が存在するとすれば通電による駆動をしない状態で図５、図６に示されるようになる。図５は、リニアモータ１が水平に配された状態を示し、図６はリニアモータ１が水平に対してΘの傾斜角度をもって配された状態を示す。なお、固定子２と移動子４との間の摩擦係数はμとする。
【０００９】
図５において、移動子４に通電しない状態では固定子２と移動子４との相対運動はない。また、移動子４を右又は左に動かすには、移動子の自重Ｍによる摩擦力に打ち勝つべく、駆動力Ｆ＝μＭを要する。
【００１０】
一方、図６においては、移動子４の自重による分力Ｍ・Ｓｉｎ　Θが固定子２に沿った直線移動方向にかかる。また、移動子４の自重による分力Ｍ・Ｃｏｓ　Θが固定子２に沿った直線移動方向に対し垂直にかかる。
【００１１】
この状態で、移動子４の自重による分力及び摩擦力に打ち勝って移動子４を左方に動かすには、同図（ａ）に示されるように、駆動力Ｆ＝Ｍ・Ｓｉｎ　Θ＋μＭ・Ｃｏｓ　Θを要する。一方、移動子４を右方に動かすには、同図（ｂ）に示されるように、駆動力Ｆ＝−Ｍ・Ｓｉｎ　Θ＋μＭ・Ｃｏｓ　Θを要する。このように、従来のこの種のリニアモータは、移動子４の自重により駆動推力が変動を受ける。
【００１２】
また、図６のような状態でΘが大きいと、移動子４が自重により右方に移動（落下）する。これを抑制し、移動子４を現状位置に維持させるためには、移動子４に通電し、左方向きの駆動力を与えて釣り合わせる必要がある。ところが、移動子４に通電した状態を維持すると、移動子４に発熱を生じ、この発熱により装置全体の寸法誤差を引き起こすという問題をも生じる。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、リニアモータの移動子の自重による駆動推力が変動を受けず、また、発熱等による寸法精度誤差を生じさせないリニアモータを使用した１軸駆動装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、Ｎ極とＳ極とが交互に配列されてなる棒状磁石である固定子と、前記固定子に嵌装されるとともに、コイル部材を有し、前記固定子に沿って移動が可能な環状部材である移動子と、を有するリニアモータを使用した１軸駆動装置であって、バランスウェイトが前記移動子と釣り合うように配されていることを特徴とする１軸駆動装置を提供する。
【００１５】
ここで、「バランスウェイト」とは、「研削加工等において回転体の不釣合いを取り除くために付加するおもり。門型工作機械のクロスレールや中ぐり盤の主軸頭の自重と釣り合わせるのに用いるおもり。」（以上、切削・研削・研磨用語辞典、砥粒加工学会編、１９９５年、工業調査会出版）と説明されているが、本明細書においては、上記のうち、後者の意味で使用する。
【００１６】
本発明によれば、移動子の自重又は移動子に他の構成部材が取り付けられている場合にはこれらと略同一重量のバランスウェイトにより釣り合いがとれる。したがって、移動子の自重等によるによる影響はなく、駆動推力が変動を受けず、また、発熱等による寸法精度誤差を生じさせない。
【００１７】
本発明において、前記バランスウェイトの重量が前記移動子の重量と略同一であることが好ましい。移動子に他の構成部材を取り付けずに使用した場合、このように移動子の自重と略同一重量のバランスウェイトにより釣り合いがとれる。したがって、移動子の自重による駆動推力が変動を受けず、また、寸法精度誤差を生じさせない。
【００１８】
また、本発明において、前記バランスウェイトの重量が前記移動子の重量に対し上下２０％の範囲内であることが好ましい。移動子に他の構成部材を取り付ずに使用した場合、又は、移動子に他の構成部材を取り付けて使用した場合、バランスウェイトの重量がこのような範囲内であれば、移動子の自重等による駆動推力の変動は許容範囲となることが多く、また、寸法精度誤差も生じにくい。
【００１９】
また、本発明において、前記バランスウェイトは、リニアモータの一端部又は両端部の近傍に設けられる巻き掛け運動伝達支持部材を介して巻き掛け運動伝達部材により前記移動子と連結されていることが好ましい。このように、バランスウェイトが、巻き掛け運動伝達支持部材を介して巻き掛け運動伝達部材により移動子と連結されていれば、容易に釣り合いがとれるからである。
【００２０】
なお、「巻き掛け運動伝達部材」とは、機構学での巻き掛け伝達における機械要素で、一般的には、ベルト、チェーン、ワイヤ等が該当する。また、「巻き掛け運動伝達支持部材」とは、同じく巻き掛け伝達における機械要素で、一般的には、プーリ、ベルト車、スプロケット等が該当する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に係る１軸駆動装置の好ましい実施の形態について詳説する。図１は、本発明に係る１軸駆動装置１０の全体構成図であり、斜視図で表示されている。図２は、図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は、リニアモータ１２の要部拡大断面図である。
【００２２】
１軸駆動装置１０は、固定子１４及び移動子１６を主体としてなるリニアモータ１２と、各部材を固定するベース板１８と（図１では図示を略す）、固定子１４の両端部をベース板１８に固定する固定金具２０、２０と、移動子１６に給電を行うケーブルベア２２と、移動子１６の１軸方向位置を検出するエンコーダ２４及びエンコーダスケール２６と、固定子１４の両端部近傍に設けられ、移動子１６のエンドリミットを検知するリミットセンサ２８、２８と、移動子１６の自重等との釣り合いをとるバランスウェイト３０と、固定子１４の両端部近傍に設けられる巻き掛け運動伝達支持部材であるプーリ３４、３４と、ベース板１８に固定されプーリ３４を回動自在に軸支するプーリ軸３６、３６と、プーリ３４を介して移動子１６とバランスウェイト３０とを連結する巻き掛け運動伝達部材であるワイヤ３２と、より構成される。
【００２３】
次に、図３等によりリニアモータ１２の詳細について説明する。リニアモータ１２は、いわゆるシャフト型のリニアモータである。リニアモータ１２は、前述のように界磁用のマグネットが形成されている直線棒状のシャフト部材である固定子１４と、コイル部材を主要部として有する環状部材である移動子１６がこれに嵌装されることにより構成されている。
【００２４】
固定子１４は、機械加工が可能で、着磁可能な材料、たとえば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系金属よりなり、断面が円形に形成されている。また、固定子１４は、その長手方向に沿って等ピッチの、好ましくは略矩形の磁束分布となるように着磁されている。これにより、固定子１４には、その長手方向に沿ってＮ極とＳ極とが同じ磁極幅Ｐで交互に並んだ駆動用着磁部が形成されており、これが界磁マグネットとなっている。この磁極幅Ｐは、たとえば３０ｍｍとすることができる。
【００２５】
移動子１６のコイル部材４０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのコイルを１組とするコイル群の２組（第１組のコイル群及び第２組のコイル群）よりなる。第１組のコイル群は、コイルＵ１、Ｖ１、Ｗ１からなり、この順に固定子１４の長手方向に配置されている。第２組のコイル群は、コイルＵ２、Ｖ２、Ｗ２からなり、この順に固定子１４の長手方向に配置されている。これらのコイルは、いずれも磁極幅Ｐの１／３の幅に形成されている。
【００２６】
移動子１６のコイル部材４０を構成するこれら各コイルは、その外周面を接着剤によってコーティングするようにして固着され一体化されている。そして、コイル部材４０は、中空直方体状の移動子フレーム４２の中空部分に内蔵されており、かつ、移動子フレーム４２の内周面に一体化して支持されている。
【００２７】
移動子１６の移動子フレーム４２の左右両端部分には、固定子１４に嵌装され、固定子１４に摺動可能な軸受け部４４、４４が設けられている。この軸受け部４４、４４の作用により、移動子１６は固定子１４に沿って滑らかに移動できる。
【００２８】
そして、固定子１４の磁束と移動子１６のコイル部材４０に流される電流との相互作用により、フレミングの左手の法則によって、移動子１６は固定子１４に沿って直線移動する。なお、移動子１６のコイル部材４０には図示しない駆動回路よりケーブルベア２２を介して電流が供給される。
【００２９】
図１、図２に示されるバランスウェイト３０としては、移動子１６と釣り合うような重量のものを選択することが好ましい。すなわち、移動子１６に他の構成部材を取り付けて使用する場合には、移動子１６と当該構成部材との重量を加算したものと略同様の重量のバランスウェイト３０とするのが好ましい。また、移動子１６に他の構成部材を取り付けて使用しない場合、又は、移動子１６に他の構成部材を取り付けて使用するが、当該構成部材の重量が僅かな場合等には、移動子１６と略同様の重量のバランスウェイト３０とするのが好ましい。
【００３０】
更に、移動子１６に取り付ける他の構成部材によって、バランスウェイト３０の重量を増減できるような構成を採用することもできる。
【００３１】
移動子１６とバランスウェイト３０との連結は、図１、図２に示されるように、ワイヤ３２により無端環状に構成し、このワイヤ３２をプーリ３４、３４に巻き掛けて支持すればよい。
【００３２】
その他、１軸駆動装置１０の他の構成（ベース板１８、固定金具２０、ケーブルベア２２、エンコーダ２４、エンコーダスケール２６、リミットセンサ２８）については、いずれも公知のものであることより、その説明は省略する。
【００３３】
次に、１軸駆動装置１０の作用について説明する。１軸駆動装置１０（リニアモータ１）が水平に配された状態（図５）において、移動子１６に通電しない状態では、固定子１４と移動子１６との相対運動はない。また、１軸駆動装置１０（リニアモータ１）が水平に対して所定傾斜角度をもって配された状態（図６）であっても、バランスウェイト３０の釣り合いの効果により、固定子１４と移動子１６との相対運動はない。したがって、移動子１６に通電しておく必要はなく、発熱等による寸法精度誤差を生じさせない。
【００３４】
１軸駆動装置１０（リニアモータ１）の移動子１６に通電し駆動した場合、１軸駆動装置１０（リニアモータ１）が水平に対して所定傾斜角度をもって配された状態（図６）であっても、バランスウェイト３０の釣り合いの効果により、固定子１４と移動子１６とはバランスがとれている。したがって、移動子の自重等による影響はなく、駆動推力が変動を受けることはない。
【００３５】
上記の構成の１軸駆動装置１０の用途としては、たとえば、表面粗さ測定装置、輪郭形状測定装置、真円度測定装置、三次元座標測定装置等の駆動部への使用が挙げられる。このような用途に使用した場合、リニアモータ１２の特徴とする、メンテナンスが不用である、磨耗部分がない、低振動駆動が可能である、速度範囲を大きくとれる、高剛性である、構造が簡単である、バックラッシュがない、等の有利な効果が得られる。
【００３６】
以上、本発明に係る１軸駆動装置の実施形態の例について説明したが、本発明は上記実施形態の例に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。たとえば、実施形態の例では、バランスウェイト３０が、リニアモータ１２の両端部の近傍に設けられる巻き掛け運動伝達支持部材（プーリ３４、３４）を介して巻き掛け運動伝達部材（ワイヤ３２）により移動子１６と連結される構成が採用されているが、巻き掛け運動伝達支持部材（プーリ３４）がリニアモータ１２一端部の近傍に設けられる構成も採用できる。
【００３７】
たとえば、１軸駆動装置１０を使用して鉛直方向の動作をさせる場合には、巻き掛け運動伝達支持部材（プーリ３４）をリニアモータ１２の上端部の近傍に設け、これに巻き掛け運動伝達部材（ワイヤ３２）を巻き掛けて、移動子１６とバランスウェイト３０との釣り合いを取る構成が採用できる。
【００３８】
また、巻き掛け運動伝達支持部材（プーリ３４）と巻き掛け運動伝達部材（ワイヤ３２）との組み合わせ以外の構成でも、バランスウェイト３０が移動子１６と釣り合うように配されている構成であれば、各種構成が採用できる。
【００３９】
たとえば、１軸駆動装置１０を使用して鉛直方向の動作をさせる場合に、マノメータ（連通管）を介してバランスウェイト３０と移動子１６との釣り合いを取る構成である。この場合、たとえば、両端のマノメータ内の水銀のヘッド（上端）を塞ぐ上下移動可能な蓋材を設け、この両端の蓋材でバランスウェイト３０と移動子１６のそれぞれの自重を受ければよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、移動子の自重又は移動子に他の構成部材が取り付けられている場合にはこれらと略同一重量のバランスウェイトにより釣り合いがとれる。したがって、移動子の自重等によるによる影響はなく、駆動推力が変動を受けず、また、発熱等による寸法精度誤差を生じさせない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る１軸駆動装置の全体構成図
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図
【図３】リニアモータの要部拡大断面図
【図４】リニアモータの概要を示す断面図
【図５】従来のリニアモータにおける問題点を説明する概念図
【図６】従来のリニアモータにおける問題点を説明する概念図
【符号の説明】
１０…１軸駆動装置、１２…リニアモータ、１４…固定子、１６…移動子、１８…ベース板、２０…固定金具、２２…ケーブルベア、２４…エンコーダ、２６…エンコーダスケール、２８…リミットセンサ、３０…バランスウェイト、３２…ワイヤ、３４…プーリ、３６…プーリ軸

Claims

Ｎ極とＳ極とが交互に配列されてなる棒状磁石である固定子と、
前記固定子に嵌装されるとともに、コイル部材を有し、前記固定子に沿って移動が可能な環状部材である移動子と、を有するリニアモータを使用した１軸駆動装置であって、
バランスウェイトが前記移動子と釣り合うように配されていることを特徴とする１軸駆動装置。
前記バランスウェイトの重量が前記移動子の重量と略同一である請求項１に記載の１軸駆動装置。
前記バランスウェイトの重量が前記移動子の重量に対し上下２０％の範囲内である請求項１に記載の１軸駆動装置。
前記バランスウェイトは、リニアモータの一端部又は両端部の近傍に設けられる巻き掛け運動伝達支持部材を介して巻き掛け運動伝達部材により前記移動子と連結されている請求項１、２又は３のいずれか１項に記載の１軸駆動装置。