JP2007218630A

JP2007218630A - 直線駆動装置

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Publication number: JP2007218630A
Application number: JP2006036802A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Kawai; 知彦河合; Kenzo Ebihara; 建三蛯原; Osamu Matsuura; 修松浦
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-02-14
Also published as: EP1818135B1; US7528561B2; CN101021422A; JP4079972B2; DE602007001903D1; EP1818135A1; US20070188118A1

Abstract

【課題】外部磁界による位置検出への影響を抑え、可動側の正確な位置検出を行うことができる磁気的計測手段を有する直線駆動装置を提供する。
【解決手段】鉄心を内部に有する固定側の真直のガイド２と、ガイド２に沿って直線移動するスライダ８と、スライダ８とガイド２との磁気的相互作用により駆動力を生じてスライダ８を直線駆動するリニアモータ機構と、ガイド２に対するスライダ８の相対的位置を計測するために、相対向しつつ互いの相対的な位置を変化させる一組の磁気スケール１３及び磁気ヘッド１４を有する磁気的計測手段１２と、を備えた直線駆動装置において、磁気スケール１３と磁気ヘッド１４との対向方向がガイド２の外周方向であり、磁気ヘッド１４が磁気スケール１３からスライダ８の位置に応じた信号を検出し、それを信号処理することでスライダ８の位置を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械や測定装置などに適用され、真直のガイドと、駆動機構によってガイドに沿って直線移動するスライダと、ガイドに対するスライダの相対的位置を計測する磁気的計測手段と、を備えた直線駆動装置に関する。

一般に、真直のガイドと、駆動機構によってガイドに沿って直線移動するスライダと、を備えた直線駆動装置においては、ガイドに対するスライダの相対的位置を計測するために、光学的計測手段が用いられている。この光学的計測手段は、光源部や、光スケールや、受光部などを備えている。しかし、光学的計測手段は、切削油や切り屑などが存在する劣悪な環境での計測、特に、インプロセス計測には不適当であるという問題や、小物部品の湿式加工には適用できないという問題などがあった。

これに対して、一組の磁気スケール及び検出器を有する磁気的計測手段は、光学的計測手段に比べて劣悪な環境に強いことが知られている。磁気的計測手段は、相対向しつつ互いの相対的な位置を変化させる一組の磁気スケール及び検出器を有し、検出器が磁気スケールからスライダの位置に応じた信号を検出して、スライダの位置を計測するものである。

しかし、磁気スケールがリニアモータ機構により駆動されるスライダなどに取り付けられる場合、磁気スケールがコイルや磁石から発生する磁力の影響を受けてしまう事により、正確な位置の検出を行うことが困難となる問題があった。このため、磁気スケールを含む磁気的計測手段は、コイルや磁石から十分に離れた位置に取り付けられて使用されなければならず、一定以上の高精度な位置の検出を行うことができなかった。

磁気的計測手段が周囲の磁力の影響を受けて、正確な位置の検出を行うことができないという問題に対しては、磁気スケールに磁気シールドを取り付ける方法や、磁気スケールとコイルや磁石との間に別の磁石を取り付け、コイルや磁石から発生する磁力を相殺するといった方法がある（例えば、特許文献１）。しかし、これらの方法では磁気シールドや磁石を装置に追加する事になるため、装置の小型化や軽量化を図ることができないという問題があった。

特開平１１−２１５７９５号公報

本発明は、上記した点に鑑み、外部磁界による位置検出への影響を抑え、可動側の正確な位置検出を行うことができる磁気的計測手段を有する直線駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の直線駆動装置は、固定側の真直のガイドと、該ガイドに沿って直線移動する可動側のスライダと、該スライダを直線駆動する駆動機構と、前記ガイドに対する前記スライダの相対的位置を計測するために、相対向しつつ互いの相対的な位置を変化させる一組の磁気スケール及び検出器を有する磁気的計測手段と、を備えた直線駆動装置において、前記磁気スケールと前記検出器との対向方向が、周囲の外部磁界の磁力線方向に対して交差する方向であり、前記検出器が前記磁気スケールから前記スライダの位置に応じた信号を検出し、それを信号処理することで前記スライダの位置を計測することを特徴とする。

また、請求項２記載の直線駆動装置は、磁性体を内部に有する固定側の真直のガイドと、該ガイドに沿って直線移動するスライダと、該スライダと前記ガイドとの磁気的相互作用により駆動力を生じて前記スライダを直線駆動する駆動機構と、前記ガイドに対する該スライダの相対的位置を計測するために、相対向しつつ互いの相対的な位置を変化させる一組の磁気スケール及び検出器を有する磁気的計測手段と、を備えた直線駆動装置において、前記磁気スケールと前記検出器との対向方向が前記ガイドの外周方向であり、前記検出器が前記磁気スケールから前記スライダの位置に応じた信号を検出し、それを信号処理することで前記スライダの位置を計測することを特徴とする。

また、請求項３記載の直線駆動装置は、請求項２記載の直線駆動装置において、前記磁性体は、永久磁石又は周囲の磁力によって磁化された心棒である。
また、請求項４記載の直線駆動装置は、請求項１〜３の何れか１項に記載の直線駆動装置において、前記スライダが空気軸受で浮上支持されている。

以上の如く、請求項１記載の発明によれば、磁気的計測手段の磁気スケールと検出器との対向方向が周囲の外部磁界の磁力線方向と交差する方向であるから、磁気スケールが磁化される方向及び検出器が磁力を検出する方向が、外部磁界の磁力線方向と交差する方向となり、検出信号が外部磁界によって干渉を受けることが抑制される。したがって、外部磁界が存する環境においても、磁気的計測手段によりスライダの相対的位置を正確に計測することができ、直線駆動装置の位置精度を高めることができる。

また、請求項２記載の発明によれば、磁気的計測手段の磁気スケールと検出器との対向方向がガイドの外周方向であるから、ガイドから磁力が生ずる環境で磁気スケールが使用された場合であっても、磁気スケールが磁化される方向及び検出器が磁力を検出する方向が、ガイドの半径方向に出る磁力線に対して交差する方向となり、検出信号がガイドから生ずる磁力によって干渉を受けることが抑制される。したがって、磁界が存する環境においても、磁気的計測手段によりスライダの相対的位置を正確に計測することができ、直線駆動装置の位置精度を高めることができる。

また、請求項２記載の発明は、ガイドとスライダとにより、駆動機構としてのリニアモータ機構が構成されているから、スライダを高速で直線移動させることができ、高能率加工を行うことができ、加工生産性を高めることが可能となる。

また、請求項３記載の発明によれば、磁性体としての永久磁石や心棒の半径方向外側に生じる放射状の磁力線に対して、磁気的計測手段の磁気スケールと検出器との対向方向が略垂直に交差する方向となる。したがって、強い磁力が存する環境においてもスライダの相対的位置を正確に計測することができる。

また、請求項４記載の発明によれば、加工機の剛性などに起因する振動の影響を抑制でき、精密部品の高精度加工を行うことができる。また、請求項２記載の駆動機構との相乗効果により、高能率・高精度加工を行うことができる。

以下、本発明に係る直線駆動装置を図面に基づいて説明する。本実施形態の直線駆動装置１は、図示しないベースと、ベースに固定された固定側のガイド２と、ガイド２に案内されつつ直線的に相対移動する可動側のスライダ８と、スライダ８とガイド２との磁気的相互作用によりスライダ８を直線駆動するリニアモータ機構１１と、スライダ８の相対的位置を計測する磁気的計測手段１２と、ガイド２とスライダ８との対向面間に圧縮空気を供給してスライダ８を浮上支持する空気軸受とから構成されている。

図１に示すように、ガイド２は、断面矩形状をなしており、ベースの水平方向で一側から他側にかけて直線状に延びている。ガイド２の外側面３、すなわち上下面及び両側面は、互いに交差する各一対の軸受面３ａ〜３ｄとなっている。各軸受面３ａ〜３ｄは、スライダ８の各対向面に対して所定の軸受間隙を介して対向している。

断面視（図３参照）、ガイド２の中心部には、磁気的相互作用によって任意の方向に磁化される円柱状の鉄心（磁性体）５が挿入されている。鉄心５は、ガイド２とスライダ８との協働によるリニアモータ機構を構成する構成部材であり、スライダ８がガイド２に沿って直線駆動される際には軸方向に強く磁化されるようになっている。また、鉄心５は、外部磁界の影響を受けて半径方向にも磁化されると共に、鉄心５自身がその周囲に磁界を形成することもできる。鉄心５によって形成された半径方向の磁界の強さは、スライダ８近傍に配置された磁気スケール１３に影響を与える程度の十分な強さとなることもあるが、本実施形態の磁気的計測手段１２では、磁気スケール１３と磁気ヘッド（検出器）１４との対向方向がガイド２の円周方向に配置されているから、外部磁界による悪影響を受けないようになっている。

また、ガイド２は、図２に示すように、鉄心５の両端において永久磁石６，７を有している。２つの永久磁石６，７は、磁石の反発する性質を利用した直動駆動装置１のリミッタとしての機能と、スライダ８の方向反転時の反力の軽減及び反転方向への推力を付加する機能とを有している。リミッタとして機能することで、スライダ８の往復移動可能なストロークを所定の長さ（加工長、測定長）に規定することができ、特別な停止装置を必要とすることなく、安全な加工や計測を行うことが可能となる。また、反力の軽減を図り、反転方向へ推力を付加することで、スライダ８の移動方向反転時の発熱を回避することができると共に、低剛性の小型機械で高能率・高精度加工を行うことができる。特に、小物部品を長時間に渡って加工する場合に好適する。

スライダ８は、前後両端が開口形成された矩形枠状をなしており、コイル９ａを有する内枠９と、外枠１０とから構成されている。外枠１０は、別体に形成された４つの外枠部材１０ａ〜１０ｂを枠状に組み立てることで構成されている。スライダ８の組み立ては、図示しないボルトを用い、スライダ８とガイド２との対向面間に所定の軸受間隙が形成されるように慎重に行われる。

各外枠部材１０ａ〜１０ｂは、ガイド２とスライダ８との対向面間に外部から圧力気体（圧縮空気）を供給して、そこに軸受間隙を形成するための図示しない流路を有している。圧力気体が、流路を通して対向面間に供給されることで、スライダ８が浮上支持され、ガイド２とスライダ８との相互摩擦による機械的トルクリップルが低減されるようになっている。軸受間隙は数μｍ〜数１０μｍに設定され、これにより、スライダ８をスムーズに直線移動させることが可能となる。

図示されるように、スライダ８の上側に位置する外枠部材１０ａの外面には、磁気ヘッド１４と対向する位置で磁気スケール１３が垂直に設けられている。磁気スケール１３と磁気ヘッド１４の対向方向は、ガイド２の円周方向に一致する方向になっている。図２に示されるように、この方向は、半径方向に磁化された鉄心５の磁力線２０に対して交差する方向となり、磁気ヘッド１４により検出される信号が鉄心５の磁力線２０によって干渉を受けることが抑制される。

リニアモータ機構１１は、磁石（不図示）及び鉄心５とコイル９ａとの磁気的相互作用により電気エネルギーを機械的エネルギーに変換させ、固定側に対して可動側を直線移動させる駆動機構である。本実施形態では、固定側のガイド２に磁化される鉄心５と磁石とが設けられ、可動側のスライダ８にコイル９ａが設けられている（図３参照）。本実施形態のリニアモータ機構１１は、周知の構造と同様であるため、その他の説明は省略することとする。

磁気的計測手段１２は、磁気スケール１３と、磁気ヘッド１４と、図示しない信号変換装置と、図示しないディスプレイとから構成され、ガイド２に対して相対移動したスライダ８の相対的位置を計測する計測手段である。磁気スケール１３は、磁気格子縞１３ａを目盛りとしたスケールであり、例えばステンレス板にゴム磁石を接着した後、着磁処理をすることで作られる。この磁気スケール１３は、磁気格子縞１３ａの隣接する方向（目盛りの刻み方向）がスライダ８の移動方向に一致するように、スライダ８の外枠部材１０ａの面上に突出した状態で設けられている。磁気格子縞１３ａは目視できるものではないが、本発明の理解を容易にするために、本実施形態の図１では想像線で示されている。磁気スケール１３の磁化方向２１は、鉄心５の磁力線２０方向に対して交差する方向となっている。

磁気ヘッド１４は、周知の磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子やホール効果を利用したホール素子などの検出部であり、磁気スケール１３と対向するように、図示しないベースの壁部に固定されている。磁気ヘッド１４の磁力検出方向２２は鉄心５の磁力線２０方向に対して交差する方向となっている。磁気ヘッド１４により、ガイド２に対するスライダ８の相対位置が検出される。信号変換装置では、磁気ヘッド１４で検出された信号の信号処理が行われる。ディスプレイでは、信号処理された計測値が表示される。

以上のように、本実施形態によれば、ガイド２に対するスライダ８の相対位置を計測する磁気スケール１３と磁気ヘッド１４との対向方向がガイド２の外周方向であるから、磁気スケール１３の磁化方向２１及び磁気ヘッド１４の磁力検出方向２２が、ガイド２の半径方向に出る磁力線（主として鉄心の磁力線）に対して交差（直交）する方向となり、検出信号がガイド２から生ずる磁力線２０によって干渉を受けることが抑制される。このため、磁気スケール１３の近傍に強い磁界が存在する場合であっても、スライダ８の相対的位置を正確に計測することが可能となる。これにより、切削油、塵埃などの存在する環境においても、スライダ８の位置計測の信頼性を高めることができる。また、空気軸受とリニアモータ機構１１との相乗効果により、図示しない液晶表示装置の導光板などを長時間に渡って高能率・高精度に加工することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、本実施形態では、磁気スケール１３が可動側のスライダ８に設けられ、磁気ヘッド１４が固定側のベースに設けられているが、磁気スケールを固定側のベースに設け、磁気ヘッドを可動側のスライダに設けることも可能である。また、本実施形態の直線駆動装置１は、駆動機構としてリニアモータ機構１１を備えているが、リニアモータ機構１１に代えて、ロータリモータ機構やボールねじ機構などの他の駆動機構を備えることも可能である。

本実施形態の直線駆動装置の一実施形態を示す斜視図である。図１に直線駆動装置の縦断面図である。同じく直線駆動装置の横断面図である。

符号の説明

１直線駆動装置
２ガイド
５鉄心
８スライダ
９ａコイル
１１リニアモータ機構
１２磁気的計測手段
１３磁気スケール
１４磁気ヘッド（検出器）

Claims

固定側の真直のガイドと、該ガイドに沿って直線移動する可動側のスライダと、該スライダを直線駆動する駆動機構と、前記ガイドに対する前記スライダの相対的位置を計測するために、相対向しつつ互いの相対的な位置を変化させる一組の磁気スケール及び検出器を有する磁気的計測手段と、を備えた直線駆動装置において、
前記磁気スケールと前記検出器との対向方向が、周囲の外部磁界の磁力線方向に対して交差する方向であり、前記検出器が前記磁気スケールから前記スライダの位置に応じた信号を検出し、それを信号処理することで前記スライダの位置を計測することを特徴とする直線駆動装置。
磁性体を内部に有する固定側の真直のガイドと、該ガイドに沿って直線移動するスライダと、該スライダと前記ガイドとの磁気的相互作用により駆動力を生じて前記スライダを直線駆動する駆動機構と、前記ガイドに対する該スライダの相対的位置を計測するために、相対向しつつ互いの相対的な位置を変化させる一組の磁気スケール及び検出器を有する磁気的計測手段と、を備えた直線駆動装置において、
前記磁気スケールと前記検出器との対向方向が前記ガイドの外周方向であり、前記検出器が前記磁気スケールから前記スライダの位置に応じた信号を検出し、それを信号処理することで前記スライダの位置を計測することを特徴とする直線駆動装置。
前記磁性体は、永久磁石又は周囲の磁力によって磁化された心棒である請求項２に記載の直線駆動装置。
前記スライダが、空気軸受で浮上支持されている請求項１〜３の何れか１項に記載の直線駆動装置。