JP2008271623A - シャフト型リニアモータのシャフト固定具及びこれを備えた直動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直動装置の駆動源として用いるシャフト型リニアモータにおいて、界磁マグネットを内蔵するシャフトの熱膨張による伸びを許容して適切な往復移動を可能とする。
【解決手段】シャフト固定具３４が、シャフト１１を固定支持する可動片５２及びクランプ片５３，５４と、その可動片５２を直動装置１の本体部に取り付けるための固定片５１と、可動片５２と取付部材５１との間を拡縮可能とすべくそれら部材間に介装された板ばね５５とを備えた構成とし、介装された板ばね５５の曲げにより、シャフトの熱膨張による伸びを許容する。
【選択図】図３

Description

本発明は、シャフト型リニアモータのシャフト固定具及びこれを備えた直動装置に関する。

従来、シャフト型リニアモータは、ＯＡ機器、ＦＡ機器及び光学機器などにおける直動装置の直線往復移動機構として用いられている。この種のシャフト型リニアモータとして、例えば、非磁性体で形成した円筒形シャフトに、Ｎ極とＳ極を交互に配列した複数の永久磁石からなる界磁マグネットを内蔵してなる固定子と、環状の電機子コイルを、ヨーク兼用のケーシング内に収容してシャフトの外周に軸線方向に沿って配列してなる可動子とで構成し、永久磁石による界磁マグネットから発生する磁束と電機子コイルの通電電流との相互作用で、シャフトの軸線方向に推力を発生させるものが知られている（特許文献１参照）。

特開２００５−１６０２１３号公報（第１図、第２図）

ところで、上記特許文献１に記載のようなシャフト型リニアモータでは、シャフトの両端は完全に固定されるのが一般的である。しかしながら、そのようにシャフトの両端を固定すると、リニアモータの稼働時の発熱によりシャフトの温度が上昇した場合に、軸方向の熱膨張が吸収されずにシャフトが径方向に撓んでしまうという課題があった。

このような径方向の撓みが発生してシャフトの外周面と可動子の内周面とが接触した状態となると、リニアモータの稼働時に悪影響（シャフトまたは可動子の破壊、異音の発生、推力の低下、摩擦粉の飛散、摩擦熱の発生等）を及ぼし得る。一方、熱膨張によるシャフトの径方向の撓みを見越してシャフトの外周面と可動子（電機子コイル等）の内周面との間隙を予め大きく設定することもできるが、モータの性能低下を招くという不都合があった。特に、可動子の移動距離を長く設定する必要がある場合には、シャフトの温度が上昇する範囲も拡がる（即ち、熱膨張によるシャフトの伸びが大きくなる）ので、上記課題は非常に重要となる。

本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、界磁マグネットを内蔵するシャフトの熱膨張による伸びを許容して適切な往復移動を可能とするシャフト型リニアモータのシャフト固定具及びこれを備えた直動装置を提供することを主目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、直動装置の駆動源として用いるシャフト型リニアモータのシャフトを固定するシャフト固定具であって、前記シャフトを固定支持する保持部材と、前記保持部材を前記直動装置の本体部に取り付けるための取付部材と、前記保持部材と前記取付部材との間を拡縮可能とすべくそれら部材間に介装された板ばねとを備えた構成とする。

これによると、介装された板ばねの曲げにより、界磁マグネットを内蔵するシャフトの熱膨張による伸びを許容して安定的な往復移動が可能となる。この場合、板ばねは、実質的にシャフトの軸方向にのみ撓むように設けることができるので、熱膨張によるシャフトの軸心のずれ（即ち、径方向のずれ）を防止してシャフトを適切に支持することができる。また、熱膨張によるシャフトの径方向の撓みを見越してシャフトの外周面と可動子（電機子コイル等）の内周面との間隙を必要以上に大きく設定する必要はなくなり、リニアモータの性能低下を回避することができるという利点もある。

上記課題を解決するためになされた第２の発明は、前記保持部材が、前記板ばねを介して前記取付部材に接続される可動片と、当該可動片に取り付けられ、前記シャフトの外周面を挟持する一対のクランプ片とを有する構成とすることができる。

これにより、簡易な構成によりシャフトを適切に固定支持することが可能となる。

上記課題を解決するためになされた第３の発明は、前記保持部材および前記取付部材が、前記板ばねと連結部材を介してそれぞれ連結され、前記保持部材および前記取付部材の少なくとも一方に前記連結部材を挿入可能な孔を設け、前記連結部材と前記孔とが相互に補完的な断面形状を有する構成とすることができる。

これによると、保持部材及び取付部材の少なくとも一方に設けた孔に連結部材を摺動可能に挿入した状態とすることで、シャフトの軸心のずれをより確実に防止することができる。また、シャフト固定具の軸方向の長さを低減することができ、直動装置の小型化が可能となる。

上記課題を解決するためになされた第４の発明は、上記第１乃至第３の発明のいずれかに係るシャフト固定具を備えた直動装置である。

このように本発明によれば、シャフト型リニアモータにおいて、界磁マグネットを内蔵するシャフトの熱膨張による伸びを許容して安定的な往復移動を可能にするという優れた効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明に係るシャフト型リニアモータを用いる直動装置の斜視図であり、図２はそのリニアモータの縦断面図である。

この直動装置１は、直線往復移動機構としてのシャフト型リニアモータ２と、ワークを載置してリニアモータ２により直線往復移動する移動テーブル３と、リニアモータ２及び移動テーブル３を支持する基台４とを主として備える。

シャフト型リニアモータ２は、図２に示すように、磁極（Ｎ極またはＳ極）を交互に異なる態様で配列した複数の永久磁石からなる界磁マグネット（図示せず）を、軸方向に沿って内蔵させたシャフト１１と、ヨーク兼用のケーシング１２内に収容され、シャフト１１の外周面に沿って環状をなす電機子コイル１３とを有しており、シャフト１１に内蔵した界磁マグネット及びケーシング１２に収容した電機子コイル１３によりリニアモータ２の固定子及び可動子がそれぞれ構成される。

シャフト１１は、例えば、ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０４）などの非磁性体による略円筒状をなすパイプ材からなり、その内部に配置される界磁マグネットは、ネオジウム磁石等の強力な磁石からなる。また、電機子コイル１３は、例えば、３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）のコイル要素を組み合わせて螺旋状に巻回した電機子巻線であり、その内周面とシャフト１１の外周面との間に微少な一定の間隙Ｃが確保されるように配置される。

移動テーブル３は、ケーシング１２の上部に取り付けられ、ケーシング１２の両側に配置された複数の脚体２１により支持される。

基台４は、シャフト１１を支持するべくその両端に設けられた支持壁３１，３２と、それら支持壁３１，３２にそれぞれ取り付けられ、シャフト１１を固定するシャフト固定具３３，３４と、各脚体２１の底面に設けられた案内溝３５と係合し、移動テーブル３を直線上で移動させるべく案内する一対のガイドレール３６とを有する。支持壁３１（支持壁３２も同様）は、その上部にシャフト１１が摺動自在に嵌入される概ね円弧状をなす溝４１を有している。

シャフト固定具３３は、溝４１と同様の円弧状をなす溝をそれぞれ有する一対のクランプ片４２，４３からなる周知の固定具であり、下方のクランプ片４２が取付ボルト４４によって支持壁３２に固定されるとともに、２つのクランプ片４２，４３の間にシャフト１１を挟持した状態で締付ボルト４５を締め付けることでシャフト１１を固定する。従って、支持壁３１側におけるシャフト１１の径方向及び軸方向の動きは完全に規制されることになる。一方、シャフト固定具３４は、本発明に係る固定具であって、後述するように、シャフト１１の径方向の動きを規制する一方、熱膨張によるシャフト１１の軸方向の伸びを許容する構成を有する。

上記構成の直動装置１においては、界磁マグネットから発生する磁束と電機子コイル１３の通電電流との電磁相互作用で、シャフト１１の軸線方向に推力を発生させて移動テーブル３を移動させることが可能である。このような直動装置１の連続運転を行うと、電機子コイル１３の発熱によりシャフト１１の温度が上昇して熱膨張によるシャフト１１の伸びが生じ得る。例えば、直動装置１において、リニアモータ２を３１０ｍｍのストロークで連続運転して、シャフト１１の中央部の温度が常温から２１℃上昇し、その両端部の温度が常温から５℃上昇した場合、シャフト１１には熱膨張に起因する８０μｍの伸びが生じる。

図３は、本発明に係るシャフト固定具の分解斜視図である。シャフト固定具３４は、支持壁３２に固定された固定片（取付部材）５１と、固定片５１に並設された可動片（保持部材）５２と、その可動片５２に取り付けられ、シャフト１１の外周面を挟持する一対のクランプ片（保持部材）５３，５４と、固定片５１と可動片５２との間を連結する板ばね５５とを有する。

固定片５１は、平板状をなし、その中央部にシャフト１１を遊挿可能な開口５７を有する。固定片５１は、図示しないボルトを用いてボルト孔５８を介して支持壁３１に取り付けられる。可動片５２は、平板状をなし、その中央部にシャフト１１を遊挿可能な開口５９を有する。板ばね５５は、例えば、耐食性を備えたステンレスばね綱を用いて構成され、長方形又は正方形の四隅を円弧状にした形状をなし、その中央部にはシャフト１１を遊挿可能な開口５９を有する。

固定片５１と板ばね５５との接続は、板ばね５５の四隅に設けられた４つの貫通孔６１ａ〜６１ｄのうち概ね対角線上に設けられた２つの貫通孔６１ａ，６１ｃをそれぞれ挟み込むように金属製のスペーサ６２ａ，６２ｃを配置した状態で、ボルト６３ａ，６３ｃを貫通孔６１ａ，６１ｃに差し込んで固定片５１に設けた対応するねじ孔６４ａ，６４ｃと螺合させることにより行われる。同様に、可動片５２と板ばね５５との接続は、板ばね５５に設けられた貫通孔６１ｂ，６１ｄを挟み込むようにスペーサ６２ｂ，６２ｄを配置した状態で、ボルト６３ｂ，６３ｄを貫通孔６１ｂ，６１ｄに差し込んで可動片５２に設けた対応するねじ孔６４ｂ，６４ｄと螺合させることにより行われる。なお、スペーサ６２ａ〜６２ｄを用いることで、簡易な構成により、固定片５１と可動片５２との間に板ばねが撓むためのスペースを確保することができる。

下側のクランプ片５３は、２つの段付き孔７１ａ，７１ｂにボルト７２ａ，７２ｂをそれぞれ差し込んで、可動片５２に設けた対応するねじ孔７３ａ，７３ｂと螺合させることにより可動片５２に取り付けられる。また、クランプ片５３，５４によるシャフト１１の固定は、各クランプ片５３，５４にそれぞれ設けられた概ね円弧状をなす溝８１ａ，８１ｂにシャフト１１が嵌入された状態で、クランプ５４に設けた段付き孔８２ａ，８２ｂにボルト８３ａ，８３ｂを差し込み、クランプ片５３に設けた対応するねじ孔８４ａ，８４ｂと螺合させることにより行われる。

固定片５１には、シャフト固定具３４の組み立て状態において、それらボルト頭部が移動可能に挿入される孔９１ｂ，９１ｄが設けられている。同様に、可動片５２には、シャフト固定具３４の組み立て状態において、それらボルト頭部が移動可能に挿入される孔９１ａ，９１ｃが設けられている。ここで、孔９１ａ〜９１ｄは、少なくともボルト６３ａ〜６３ｄの頭部をそれぞれ挿入可能な形状及びサイズで形成すればよい。これにより、板ばね５５をボルト６３ａ〜６３ｄで固定片５１及び可動片５２にそれぞれ接続する上述のような構成が可能となるとともに、シャフト固定具３４の軸方向の長さを低減して、直動装置１の小型化が可能となる。特に、孔９１ａ〜９１ｄをボルト６３ａ〜６３ｄの頭部の外形に適合する形状として、ボルト頭部が孔に摺動自在に挿入される構成とすることで、シャフト１１の軸心のずれ（即ち、径方向のずれ）をより確実に防止してシャフト１１を適切に支持することが可能となる。

なお、シャフト固定具３４において、可動片５２にシャフト１１を固定するための固定機構を設けることもできる。一方、上記のように可動片５２と別体のクランプ片５３，５４を設けることで、簡易な構成によりシャフト１１を容易に位置調整して適切に固定支持することが可能となるという利点がある。また、固定片５１と板ばね５５との連結または固定片５１と板ばね５５との連結に用いる連結部材は、上述のボルトに限らずリベットやピン等を用いることができる。また、ここでは、可動片５２を直動装置１の本体部に取り付けるための取付部材として固定片５１を備えた構成としたが、支持壁３１と固定片５１を一体として形成（即ち、支持壁３１に固定片５１と同様の機能を付加して固定片５１を省略）することも可能である。さらに、孔９１ａ〜９１ｄと連結部材（ここでは、ボルト６３ａ〜６３ｄ）とは、少なくともシャフト１１の軸心のずれを防止可能なように、相互に補完的な断面形状を有するものであればよい。

図４は、本発明に係るシャフト固定具の動作を示す断面図である。図４（ａ）は板ばねが変形していない状態であり、図４（ｂ）はシャフト１１の熱膨張が生じて板ばねが変形した状態である。なお、これらの図は、板ばねの動きを容易に把握できるように、実用上の寸法比は無視して示してある。

直動装置１の稼働時にシャフト１１が熱膨張により軸方向に伸びると、クランプ片５３，５４とともに可動片５２がシャフト１１の伸長方向（図４（ｂ）中、矢印で示す）に移動する。このとき、板ばね５５は、図４（ｂ）に示すように、ボルト６３ａ（ボルト６３ｃ）によりシャフト１１の伸長方向への移動が規制され（即ち、相対的に固定片５１側に引っ張られ）、また、ボルト６３ｂ（ボルト６３ｄ）によりシャフト１１の伸長方向とは逆方向への移動が規制され（即ち、相対的に可動片５２側に引っ張られ）、その弾性力に抗してシャフト１１の軸方向に撓み変形する。

一方、シャフト１１の温度が低下して熱膨張が収まると、シャフト固定具３４は、板ばね５５の弾性力により再び図４（ａ）の状態に復帰する。

このように、板ばね５２を、実質的にシャフト１１の軸方向にのみ撓むように設けることで、熱膨張によるシャフト１１の軸心のずれを防止しつつシャフト１１を適切に支持することができる。なお、熱膨張によるシャフト１１の伸びの許容量は、板ばね５２の形状を変更することで適宜変更することが可能である。また、場合によっては、上記シャフト固定具３３をシャフト固定具３４と同一の構成とすることもできる。さらに、比較的長いシャフト（例えば、２ｍ程度）を用いるような場合、板ばね５５と同様の板ばねをスペーサ６２ａ〜６２ｄ間に複数枚重ねた構成とすることで、簡易な構成により実質的な板ばねの厚みを増大させてシャフト１１の軸心のずれをより確実に防止することが可能となる。

本発明に係るシャフト型リニアモータのシャフト固定具及びこれを備えた直動装置は、界磁マグネットを内蔵するシャフトの熱膨張による伸びを許容して適切な往復移動を可能とするので、シャフト型リニアモータのシャフト固定具及びこれを備えた直動装置として有用である。

本発明に係るシャフト型リニアモータを用いる直動装置の斜視図 リニアモータの縦断面図 本発明に係るシャフト固定具の分解斜視図 本発明に係るシャフト固定具の動作を示す断面図

符号の説明

１ 直動装置
２ シャフト型リニアモータ
３ 移動テーブル
４ 基台
１１ シャフト
１２ ケーシング
１３ 電機子コイル
３１，３２ 支持壁
３４ シャフト固定具
５１ 固定片（取付部材）
５２ 可動片（保持部材）
５３ クランプ片（保持部材）
５５ 板ばね
６５，６６，７５，７６ ボルト（締結部材）
Ｃ 間隙

Claims (4)

1. 直動装置の駆動源として用いるシャフト型リニアモータのシャフトを固定するシャフト固定具であって、
   前記シャフトを固定支持する保持部材と、
   前記保持部材を前記直動装置の本体部に取り付けるための取付部材と、
   前記保持部材と前記取付部材との間を拡縮可能とすべくそれら部材間に介装された板ばねと
   を備えたことを特徴とするシャフト固定具。
2. 前記保持部材が、前記板ばねを介して前記取付部材に接続される可動片と、当該可動片に取り付けられ、前記シャフトの外周面を挟持する一対のクランプ片とを有することを特徴とする請求項１に記載のシャフト固定具。
3. 前記保持部材および前記取付部材が、前記板ばねと連結部材を介してそれぞれ連結され、前記保持部材および前記取付部材の少なくとも一方に前記連結部材を挿入可能な孔を設け、前記連結部材と前記孔とが相互に補完的な断面形状を有することを特徴とする請求項１に記載のシャフト固定具。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のシャフト固定具を備えた直動装置。

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