JP2009017693A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】ガイドレールの長尺化に起因する駆動性能の低下という不都合な現象を、低コストに、かつコンパクトな構成で防止することが可能なリニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】リニアガイド２３、２６を弾性体２４、２７を介して上記被ガイド体２０に取り付ける。リニアガイド２３、２６は複数のガイド要素２３ａ、２６ａに分割構成する。リニアガイド２３、２６はガイドホルダ２５、２８に取り付け、可動子２０には、ホルダ装着部３１、３２を形成し、ガイドホルダ２５、２８をホルダ装着部３１、３２に対して着脱可能にしている。
【選択図】図１

Description

この発明は、リニアアクチュエータに関するものであって、特に、駆動性能の低下を抑制することが可能なリニアアクチュエータに係るものである。

近年に至り、リニアモータの推力を利用したリニアアクチュエータの活用が活発化している。図３において、５１は、基盤に固定されたベース、５２は、ベース５１上において位置決めされるステージを示している。図のように、ベース５１には、メインガイドレール５３が設置され、また、ステージ５２にはメインスライドガイド５４が取り付けられている。すなわち、ベース５１に、メインガイドレール５３及びメインスライドガイド５４を介して、ステージ５２がＸ方向に移動自在に支持されている。そして、このステージ５１の位置決め制御が、リニアアクチュエータによってなされる。アクチュエータは、リニアモータＭの推力によって駆動されるものであって、リニアモータＭは、上下方向に延びる永久磁石（固定子）６１を水平方向に並設すると共に、電機子（可動子）６２の電機子歯を所定の間隔を置いて永久磁石６１の左右両側に相対向させた構造を有するものである。この場合、可動子６２は、その移動方向（紙面と直交するＸ方向）に延びる上下一対のガイドレール６３、６３によってガイドされ、水平移動方向（Ｘ方向）には移動自在で、移動方向とは直交する水平方向（以下、Ｙ方向と称する）、及び上下方向（以下、Ｚ方向と称する）には移動を規制された状態でガイドされる。そのガイド機構としては、可動子６２に上下一対のリニアガイド６４、６４を取り付け、ガイドレール６３、６３をその上下から両リニアガイド６４、６４で挟持した状態として、可動体６２をガイドする構造を採用するのが一般的である（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００６−３２００３５号公報 特開２００３−２５０２６０号公報

ところで、上記従来のリニアアクチュエータにおいてガイドレールは両端が支持された両端支持梁構造となっている。このような支持構造のガイドレールにおいては、「重力に起因するＺ方向のたわみ」と「磁気吸引力に起因するＹ方向のたわみ」とが生じることになる。「重力に起因するＺ方向のたわみ」は、梁中央部にて最大値となり、また、「磁気吸引力に起因するＹ方向のたわみ」は、両端部で最大となる。しかしながら、「重力に起因するＺ方向のたわみ」に関しては、支持間距離によってたわみ量は計算でき、推力の低下を招くことなく電機子６２に接触しない構造に設計することが可能であり、特に大きな問題とはならない。これに対して、「磁気吸引力に起因するＹ方向のたわみ」の原因である磁気吸引力は、電機子６２とガイドレール６３との間の隙間のアンバランスから発生するものであり、アンバランスの量に比例して磁気吸引力が増大する特徴がある。すなわちバランスが一度狂うと電機子６２に接触するまで磁気吸引力は増大を続ける。このような現象を抑制するため、従来はガイドレール６３に対してリニアガイド６４をいれて規制を行っていたが、この規制により規制しなくても良い「重力に起因するＺ方向のたわみ」の方向のたわみも規制してしまい、リニアガイド６４に無理な力が加わるという不具合が生じていた。この結果、リニアガイド６４、６４には大きな力が作用することになり、これにより、リニアガイド６４、６４に作用する摩擦が増大し、場合によっては、振動が生じて駆動性能の低下を招くことがある。このような不都合な現象を防止しようとすると、ガイドレール６３、６３の剛性を大きくしたり、リニアガイド６４、６４を大形化したりすればよいが、このような対策を講じた場合には、ガイド機構が大形化し、装置設置スペースが増加すると共に、コストアップを招くことにもなる。

この発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、従来のようなガイドレールの長尺化に起因する駆動性能の低下という不都合な現象を、低コストに、かつコンパクトな構成で防止することが可能なリニアアクチュエータを提供することにある。

そこで請求項１のリニアアクチュエータは、水平方向に延びるガイド部材１１と、ガイド部材１１にガイドされながら相対移動する被ガイド体２０とを備え、上記ガイド部材１１は、ガイド部材１１の長手方向に延びる上ガイド面１２ａと下ガイド面１３ａとを有し、上記被ガイド体２０は、上ガイド面１２ａに上側から摺接する上リニアガイド２３と、下ガイド面１３ａに下側から摺接する下リニアガイド２６とを有し、上下リニアガイド２３、２６で上下ガイド面１２ａ、１３ａを挟持した状態でガイドを行うガイド機構を備えたリニアアクチュエータにおいて、少なくともいずれか一方の上下リニアガイド２３、２６は弾性体２４、２７を介して上記被ガイド体２０に取り付けられていることを特徴としている。また、請求項２においては、上リニアガイド２３と下リニアガイド２６との両者が弾性体２４、２７を介して上記被ガイド体２０に取り付けられていることを特徴としている。

請求項３のリニアアクチュエータは、上記リニアガイド２３、２６は複数のガイド要素２３ａ、２６ａに分割構成され、これらガイド要素２３ａ、２６ａの内、すくなくともその一部のガイド要素２３ａ、２６ａが弾性体２４、２７を介して上記被ガイド体２０に取り付けられていることを特徴としている。

請求項４のリニアアクチュエータは、リニアガイド２３、２６はガイドホルダ２５、２８に取り付けられており、上記被ガイド体２０には、ホルダ装着部３１、３２が形成され、上記ガイドホルダ２５、２８を、上記ガイド面１２ａ、１３ａに沿って移動させることで、ガイドホルダ２５、２８を被ガイド体２０の上下ホルダ装着部３１、３２に対して着脱可能にしていることを特徴とする。

請求項５のリニアアクチュエータは、上記ガイド部材１１は、上ガイドレール１２と下ガイドレール１３とを有し、両ガイドレール間に、永久磁石１５が、ガイドレール１２、１３の長手方向に沿って、相隣接する磁極が互いに異極となるように並設され、また、永久磁石１５の略中央部に、ガイドレール１２、１３の長手方向に沿って延びると共に、水平方向の両側に向けて突出する状態で保持板１４を取り付けて成り、上記被ガイド体２０には電機子２２が取り付けられ、その電機子歯を所定の間隔を置いて永久磁石１５を挟むように相対向させていることを特徴とする。

請求項１のリニアアクチュエータによれば、ガイド部材１１に、重力に起因するＺ方向への撓みが生じた場合には、各リニアガイド２３、２６が弾性体２４、２７によって被ガイド体２０に支持されているので、各弾性体２４、２７は、撓みに応じて変形し、リニアガイド２３、２６には、過大な力は作用しない。従って、摩擦の増大、振動の発生による駆動性能の低下を抑制できる。

請求項２のリニアアクチュエータによれば、上記弾性体２４、２７は上リニアガイド２３と下リニアガイド２６とのいずれか一方に設けることによっても、ある程度は、上記効果が得られるが、請求項２のように、上下リニアガイド２３、２６の両者に設けることにより確実に請求項１の効果が得られる。

請求項３のリニアアクチュエータによれば、各ガイド要素２３ａ、２６ａはガイド面１２ａ、１３ａの各位置において、各位置での撓みに応じて独立して個別に変形する。従って、ガイドレール１２、１３の撓みに対し、リニアガイド２３、２６の変形追従性が向上し、リニアガイド２３、２６に作用する摩擦力が減少し、アクチュエータにおける駆動性能の低下を抑制できる。この場合、全てのガイド要素２３ａ、２６ａが弾性体２４、２７を介して被ガイド体２０に取り付けられることもあるし、特定のガイド要素２３ａ、２６ａを弾性体２４、２７を介して被ガイド体２０に取り付け、残りのガイド要素２３ａ、２６ａは、弾性体２４、２７を介することなく直接的に（変位しない状態で）被ガイド体２０に取り付けることもある。

請求項４のリニアアクチュエータによれが、被ガイド体２０のホルダ装着部３１、３２からガイドホルダ２３、２６を引き出すことで、リニアガイド２３、２６や弾性体２４、２７を交換することができる。従って、被ガイド体２０を分解しなければリニアガイドを交換できなかった従来に比較して、メンテナンス作業の作業性を向上できる。

請求項５のリニアアクチュエータによれば、コンパクトにリニアモータを構成することが可能である。しかも、永久磁石１５と保持板１４とを、十字状に直交する状態に配置しているので、永久磁石１５の剛性、ひいてはガイド部材の剛性が向上し、リニアアクチュエータの位置精度をさらに向上できる。

次に、この発明のリニアアクチュエータの具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１には、装置外観の分解斜視図、図２には、装置の断面図を示している。図２において、１は、基盤に固定されたベース、２は、ベース上において位置決めされるステージを示している。図のように、ベース１には、メインガイドレール３が設置され、また、ステージ２にはメインスライドガイド４が取り付けられている。すなわち、ベース１に、メインガイドレール３及びメインスライドガイド４を介して、ステージ２がＸ方向に移動自在に支持されている。ステージ２の主たる荷重は、この構造によって、ベース１に支持されることになる。そして、このステージ１の位置決め制御が、この発明の実施形態としてのリニアアクチュエータによってなされる。

このアクチュエータは、リニアモータＭの推力によって駆動されるものであって、固定子１０と可動子（電機子）２０とを有している。固定子１０は、水平方向に延びるガイド部材１１を有しているが、このガイド部材１１は、上ガイドレール１２、下ガイドレール１３、保持板１４、永久磁石１５で構成される。永久磁石１５は、板状の部材で、上下ガイドレール１２、１３間に配置され、その平面部がガイドレール１２、１３の長手方向に沿うように配置されている。この場合、永久磁石１５は、ガイドレール１２、１３の長手方向に沿って、Ｎ極とＳ極とが交互に相隣接するように配置された構造を有している。この永久磁石１５の上下方向中央部の位置において、永久磁石１５には、保持板１４が取り付けられている。この場合、保持板１４には、永久磁石１５の嵌入し得る四角形の嵌入孔（図示せず）が形成されており、この嵌入孔内に永久磁石１５の各磁極片が嵌入され、保持される。このような構造を採用することにより、保持板１４は、永久磁石１５の長手方向に沿って延びると共に、永久磁石１５両側から水平方向の両側に突出する態様で取り付けられることになり、図２に示すように、永久磁石１５と保持板１４とは、十字状に直交する状態に配置されている。なお、ガイド部材１１は、図示しないが、ベース１の所定高さ位置に弾性体を介して支持されているものとする。なお、この理由については後述する。

被ガイド体としての可動子２０は、図２に示すように、上記ステージ２の裏側下部に垂設されたものであって、ステージ２を駆動する機能を有するものである。そしてこの可動子２０は、図１に示すように、その外装ケース２０ａの内部に、電機子巻線２１（図２参照）を有する電機子２２を収納したものである。電機子２２は、図１に示すように、３相分の電機子単位体２２ａ、２２ｂ、２２ｃを移動方向（ガイド部材１１の長手方向）に並設することによって構成されたもので、リング状コアタイプのもので、その電機子歯が所定の間隔を置いて永久磁石１５を挟むように相対向して配置している。そして、この可動子２０は、上記ガイド部材１１によって、その長手方向（Ｘ方向）には移動自在で、それとは直交する水平方向（Ｙ方向）、及び上下方向（Ｚ方向）には移動を規制された状態でガイドされている。

このガイド機構について詳しく説明する。図１及び図２に示すように、ガイド部材１１の上ガイドレール１２には、上リニアガイド２３がＸ方向に摺動自在に嵌合され、この上リニアガイド２３は、弾性体２４、上ガイドホルダ２５を介して、可動子２０に取り付けられている。また、下ガイドレール１３についても同様の構造であり、下ガイドレール１３に摺動自在に勘合した下リニアガイド２６が、弾性体２７、上ガイドホルダ２８を介して、可動子２０に取り付けられている。上記各リニアガイド２３、２６は、複数のガイド要素２３ａ・・、２６ａ・・に分割構成されたものであって、相互に独立したガイド要素２３ａ・・、２６ａ・・が個別に、弾性体２４、２７を介して各ガイドホルダ２５、２８に取り付けられている。また、各ガイドホルダ２５、２８は、可動子２０の上下各部に設けた上ホルダ装着部３１、下ホルダ装着部３２に収納され、止ネジ３３によって、可動子２０に固定するようになっている。すなわち、上記各ガイドホルダ２５、２８は、上記止ネジ３３を取り外し、各ガイドホルダ２５、２８を上記各ホルダ装着部３１、３２からＸ方向に引き出すことで、可動体２０から取り外し可能となっているのである。

上記上下リニアガイド２３、２６は、公知のものであって、上下ガイドレール１２、１３に対して、その長手方向（Ｘ方向）には移動自在で、それとは直交する水平方向（Ｙ方向）、及び上下方向（Ｚ方向）には移動を規制された状態でガイドされている。また、上記弾性体２４、２７は、公知の弾性ゴムなどによって構成されるものである。

また、ベース１と可動子２０との間には、位置検出機構３０が配置されている。すなわち、ベース１にはリニアスケール３４が取り付けられ、また、可動子２０には、リニアスケールに相対向して、リニアエンコーダ３５が取り付けられている。

上記リニアアクチュエータにおいて、ガイド部材１１、１２に重力に起因するＺ方向へのたわみが生じた場合には、各リニアガイド２３、２６が弾性体２４、２７によって各ガイドホルダ２５、２８に支持されているので、各弾性体２４、２７はたわみ量に応じて変形し、リニアガイド２３、２６には過大な力は作用しない。したがって、摩擦の増大、振動の発生による駆動性能の低下を抑制することが可能となる。一方、磁気吸引力によるたわみに関しては、アンバランスの変位量に比例して磁気吸引力は増大する特徴があるため、変位量が少ない場合には磁気吸引力も小さい。そのため、弾性体２４、２７の変形量も微小となる。つまり、弾性体２４、２７のヤング率や弾性体２４、２７の個数を適正に選択することで、変位量を抑えることは可能であり、結果として、磁気吸引力によるたわみ量を少なくすることが可能となる。

また、上記弾性体２４、２７は上リニアガイド２３と下リニアガイド２６とのいずれか一方に設けることによってもある程度は、上記効果が得られるが、実施形態のように、両者に設けると確実に効果が得られる。

さらに、リニアガイド２３、２６を複数のガイド要素２３ａ、２６ａに分割構成し、各ガイド要素２３ａ、２６ａを弾性体２４、２７によって支持しているので、各ガイド要素２３ａ、２６ａはガイドレール１２、１３の各位置において、各位置での撓みに応じて独立して個別に変形する。従って、ガイドレール１２、１３の撓みに対し、リニアガイド２３、２６の変形追従性が向上し、リニアガイド２３、２６に作用する摩擦力が減少し、リニアモータＭによる駆動性能の低下を抑制できる。この場合、全てのガイド要素２３ａ、２６ａが弾性体２４、２７を介して被ガイド体２０に取り付けられることもあるし、特定のガイド要素２３ａ、２６ａを弾性体２４、２７を介して被ガイド体２０に取り付け、残りのガイド要素２３ａ、２６ａは、弾性体２４、２７を介することなく直接的に（変位しない状態で）被ガイド体２０に取り付けることもある。

上リニアガイド２３は上ガイドホルダ２５に、また下リニアガイド２６は下ガイドホルダ２８に取り付けられており、上記可動子２０には、上下ホルダ装着部３１、３２が形成され、上記各ガイドホルダ２５、２８を、上記ガイドレール１２、１３に沿って移動させることで、各ガイドホルダ２５、２８を可動子２０の上下ホルダ装着部３１、３２に対して着脱可能にしている。このような構成を採用することにより、可動子２０の上下ホルダ装着部３１、３２から各ガイドホルダ２５、２８を引き出すことで、リニアガイド２３、２６や弾性体２４、２７を交換することができる。従って、従来の場合、すなわちリニアモータＭを分解しなければリニアガイドを交換できなかった場合に比較して、メンテナンス作業の作業性を向上できる。なお、上記ホルダ装着部３１、３２からガイドホルダ２５、２８を抜き出す場合には、ホルダ装着部３１、３２内には、ガイドホルダ２５、２８の代わりに、滑り易いスペーサ（図示せず）を挿入して、固定子１０と可動子２０との磁気による吸着を防止するようにする。

上記ガイド部材１１は、上ガイドレール１２と下ガイドレール１３とを有し、両ガイドレール間に、永久磁石１５が、ガイドレール１２、１３の長手方向に沿って、相隣接する磁極が互いに異極となるように並設され、また、永久磁石１５の略中央部に、ガイドレール１２、１３の長手方向に沿って延びると共に、水平方向の両側に向けて突出する状態で保持板１４を取り付けて成り、上記被ガイド体２０には電機子２２が取り付けられ、その電機子歯を所定の間隔を置いて永久磁石１５を挟むように相対向させることでリニアモータＭを構成している。従って、コンパクトにリニアモータＭを構成可能である。しかも、永久磁石１５と保持板１４とを、十字状に直交する状態に配置しているので、ガイド部材１１の剛性が向上し、リニアアクチュエータの位置精度を向上できる。

上記実施形態においては、リニアモータＭは、永久磁石１１を固定子１０、電機子２２を可動子２０としているが、永久磁石１１を可動子、電機子２２を固定子としてモータＭを構成することもある。また、上記では、リニアモータを使用した例を示しているが、場合によっては、サーボモータを用いたボール−スクリュー方式のアクチュエータに対しても適用可能である。この場合においても、ガイド部材１１の重力に起因する撓みに対しての対処は上記実施形態と全く同様に可能である。また、上ガイドレール１２と下ガイドレール１３との２本のガイドレール１２、１３を用いる例を示しているが、１本のガイドレールを使用し、その上面を上ガイド面１２ａ、下面を下ガイド面１３ａとして機能させても良い。さらに、リニアガイド２３、２６を、ガイド要素２３ａ、２６ａに分割構成した例を示しているが、ガイド要素に分割構成せず、一体のものとして構成されたリニアガイドを用いることもある。もっとも、上記した通り、分割構成するのが好ましい。この場合において、弾性体２４、２７は、実施形態のように要素ごとに設けるのが好ましいが、一体に成形された共通の弾性体２４、２７を用いることもできる。

また、上記実施形態においては、ガイド部材１１は、ベース１の所定高さ位置に弾性体を介して支持されているが、このような構成を採用している理由は以下の通りである。すなわち、ガイド部材１１の両端部を、ガイド部材１１のヤング率よりも充分に小さいヤング率の弾性体で覆うようにして保持することにより、両端部に自由度を持たせ、可動子２０に負担をかけないようにしているのである。なお、ガイド部材１１の両側ではなく、片側だけを弾性体を介して支持するようにして実施することも可能である。

この発明のリニアアクチュエータの実施形態を示す斜視図である。 上記実施形態の縦断面図である。 従来例の縦断面図である。

符号の説明

１０・・固定子、１１・・ガイド部材、１２・・上ガイドレール、１３・・下ガイドレール、１４・・連結部材、１５・・永久磁石、２０・・可動子（被ガイド部材）、２３・・上リニアガイド、２４・・弾性体、２５・・上ガイドホルダ、２６・・下リニアガイド、２７・・弾性体、２８・・下ガイドホルダ、３１・・上ホルダ装着部、３２・・下ホルダ装着部

Claims (5)

1. 水平方向に延びるガイド部材（１１）と、ガイド部材（１１）にガイドされながら相対移動する被ガイド体（２０）とを備え、上記ガイド部材（１１）は、ガイド部材（１１）の長手方向に延びる上ガイド面（１２ａ）と下ガイド面（１３ａ）とを有し、上記被ガイド体（２０）は、上ガイド面（１２ａ）に上側から摺接する上リニアガイド（２３）と、下ガイド面（１３ａ）に下側から摺接する下リニアガイド（２６）とを有し、上下リニアガイド（２３）（２６）で上下ガイド面（１２ａ）（１３ａ）を挟持した状態でガイドを行うガイド機構を備えたリニアアクチュエータにおいて、少なくともいずれか一方の上下リニアガイド（２３）（２６）は弾性体（２４）（２７）を介して上記被ガイド体（２０）に取り付けられていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 上リニアガイド（２３）と下リニアガイド（２６）との両者が、弾性体（２４）（２７）を介して上記被ガイド体（２０）に取り付けられていることを特徴とする請求項１のリニアアクチュエータ。
3. 上記リニアガイド（２３）（２６）は複数のガイド要素（２３ａ）（２６ａ）に分割構成され、これらガイド要素（２３ａ）（２６ａ）の内、少なくともその一部のガイド要素（２３ａ）（２６ａ）が弾性体（２４）（２７）を介して上記被ガイド体（２０）に取り付けられていることを特徴とする請求項１または請求項２のリニアアクチュエータ。
4. 上記リニアガイド（２３）（２６）はガイドホルダ（２５）（２８）に取り付けられており、上記被ガイド体（２０）には、ホルダ装着部（３１）（３２）が形成され、上記各ガイドホルダ（２５）（２８）を、上記ガイド面（１２ａ）（１３ａ）に沿って移動させることで、ガイドホルダ（２３）（２６）を被ガイド体（２０）のホルダ装着部（３１）（３２）に対して着脱可能にしていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかのリニアアクチュエータ。
5. 上記ガイド部材（１１）は、上ガイドレール（１２）と下ガイドレール（１３）とを有し、両ガイドレール間に、永久磁石（１５）が、ガイドレール（１２）（１３）の長手方向に沿って、相隣接する磁極が互いに異極となるように並設され、また、永久磁石（１５）の略中央部に、ガイドレール（１２）（１３）の長手方向に沿って延びると共に、水平方向の両側に向けて突出する状態で保持板（１４）を取り付けて成り、上記被ガイド体（２０）には電機子（２２）が取り付けられ、その電機子歯を所定の間隔を置いて永久磁石（１５）を挟むように相対向させていること特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかのリニアアクチュエータ。