JP2009225640A - シリンダ形リニアモ−タ - Google Patents

Abstract

【課題】 シリンダ形リニアモータの固定子の撓みによって生じる、固定子と可動子の接触問題を解決し、リニア可動子との隙間調整を容易に行なうことが出来ると共に、固定子の組込み性を損なうことなく、固定子の長尺化を可能とし、しかも軸方向に確実に推力を伝えることができるコギングの発生を最小限に抑えるシリンダ形リニアモータを提供する。
【解決手段】 空気静圧軸受１２を埋め込んだヒンジ付ブラケット１１の一端を可動子２に接続し、他端を運動案内装置５であるガイドブロックク７に取付けられた移動テーブル９に接続している。空気静圧軸受１２に圧縮空気を供給すると、固定子１と空気静圧軸受１２は固定子１の撓みに関係なく常に一定の隙間を維持するので、可動子２のガイドレール６の位置に関係なく固定子１と可動子２は接触することはない。ヒンジはガイドレール６の方向には動かないので、可動子２で発生する動力は確実に移動テーブル９に伝わる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば、液晶・半導体製造装置などの分野で適用されると共に、軸方向に着磁された複数の永久磁石を配置した棒状の界磁磁極で構成される固定子と、固定子の外側に磁気的空隙を介して対向すると共に、複数の電機子コイルを軸方向に装着して構成される電機子を備えた可動子と、を備えたシリンダ形リニアモータに関する。

従来、液晶・半導体製造装置などの分野でシリンダ形リニアモータが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
図６は、従来のシリンダ形リニアモータであって、（ａ）はその側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ―Ａ線に沿う正断面図である。
図６において、１は固定子、１Ａは永久磁石、１Ｂはポールピース、１Ｃはパイプ、２は可動子、２Ａは電機子コイル、２Ｂはバックヨーク、３は磁気的空隙である。
固定子１は、軸方向に交互にＮ極、Ｓ極の磁極が着磁された複数の円筒状の永久磁石１Ａと、該永久磁石１Ａ間に配設された磁性体からなる複数の円筒状のポールピース１Ｂを備え、複数の永久磁石１Ａの同極同士を対向させると共に該磁石１Ａと該ポールピース１Ｂの外周に非磁性体からなる中空円筒状のパイプ１Ｃを同軸となるように嵌合し、棒状の界磁磁極を構成するものとなっている。また、可動子２は、固定子１の外側に磁気的空隙３を介して対向すると共に、軸方向に伸びる中空円筒状の磁性体からなるバックヨーク２Ｂの内径側に、複数の電機子コイル２Ａを軸方向に巻装して構成されている。

図７は従来のガイド装置を備えたシリンダ形リニアモータの全体構成を示した平面図である。
図７において、４は固定子取付部、５は運動案内装置、６はガイドレール、７はガイドブロック、８は固定ベース、９は移動テーブルである。
固定子１は、固定ベース８の両端に設けた固定子取付部４に固定されており、固定ベース８の長手方向にはガイドレール６が２軸平行に並んで配置されている。また、可動子２は、移動テーブル９を介して運動案内装置５のガイドブロック７に取付けられている。
る。また、リニアモータは移動テーブル９に取り付けたスケール１０によって位置を検出することで、正確な位置決めを行うようになっている。
ここで、図７に示したシリンダ形リニアモータに係る運動案内装置５は、１軸に変更することも容易で、構成部品を減らすことで固定子の取り付けを簡単にしたり、コストを低減できるという利点がある。

次に動作について説明する。
このような構成で、図６において、固定子を取り囲む電機子コイル２Ａの各部分に、界磁磁極となる永久磁石の極性に応じた電流を流すと、電流と界磁磁極が形成する磁界との相互作用により可動子に推力が発生する。この時、可動子２はガイドブロック７が固定子１のガイドレール６上の長手方向（案内軸方向Ｘ）に向かって案内されながら、高推力で移動する。
特開平１１−１５０９７３ 特開平１１−２２５４６８

ところが、シリンダ形リニアモータは可動子が筒状のため、棒状の固定子を可動子の動作する範囲内で支持することはできないので、固定子には必ずその自重によるたわみが発生する。固定子の軸方向長さが短い場合には問題はないが、固定子の軸方向長さが長い場合、固定子の撓みにより、固定子と可動子の接触が起こるという問題があった。
固定子と可動子の接触は、摩擦、磨耗の発生原因となり、リニアモータの特徴である高速応答、メンテナンスフリーを損なうことにつながる。さらに、コア付の可動子の場合、可動子の持つ磁気吸引力による可動子と固定子の吸着が起こるため、定格・最大推力の低下も引き起こされるという問題が生じたり、また、リニアモータにコギングが生じ、軸方向に確実に推力を伝えることができないという問題も生じた。
また、従来のシリンダ形リニアモータの構造は、固定子に撓みがあると、可動子が固定子の中央部にある撓み最大位置にて隙間調整を行い、可動子と固定子間の隙間の下面を狭く、上面を広く取るという調整をして全可動域にて可動子が固定子に接触しないように調整・確認を行うものであった。しかしながら、シンダ形リニアモータの長所である組込（容易）性は、固定子の反りの大きさによっては、大きく悪化する可能性を含んでいた。

ここで、例えば、特開２００４‐１２９３１６にて、空気静圧軸受を用いることで固定子の撓みを抑制し、固定子と可動子の隙間を確保する方法が提案されている。この方法の場合、固定子が長くなると空気静圧軸受で支えなければならない重量（負荷容量）が増大するが、使用できる空気圧には制限があるため、その重量を支える空気静圧軸受は必然的に大きくなる。また、固定子の断面積が大きくなると、その剛性は大きくなる。
すなわち、撓みを抑制するために必要な力は大きくなるので、撓みの抑制に必要な空気静圧軸受は大きくなり、その結果、可動子の軸方向長さが増えるため、固定子に対する可動子のストロークは短くなってしまう。また、固定子の軸方向長さによってはその撓みを抑制できない可能性がある。
さらに、特開２００４−１２９３１６（特許請求の範囲に記載の請求項4）では、可動子と固定子の間に空気静圧軸受で消費される圧縮空気が可動子と固定子の間を流れることによって冷却の効果があるとの記載があるが、必要な軸受剛性を確保するためには供給空気圧は大きくなければならないので、空気静圧軸受と固定子の隙間が小さい場合は空気流量が少なくなるため冷却効果は期待できなく、隙間が大きい場合は巨大な圧縮空気源が必要となるため装置が大形化しコストメリットが極端に悪くなる。

本発明は、シリンダ形リニアモータにおける固定子の撓みによって生じる固定子と可動子の接触問題を解決し、リニア可動子との隙間調整を容易に行なうことが出来ると共に、固定子の組込み性を損なうことなく、固定子の長尺化を可能とし、しかも軸方向に確実に推力を伝えることができる、コギングの発生を最小限に抑えることのできるシリンダ形リニアモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１は、軸方向に着磁された複数の永久磁石を配置した棒状の界磁磁極よりなる固定子と、前記固定子の外側に磁気的空隙を介して対向すると共に、複数の電機子コイルを軸方向に装着した電機子よりなる可動子と、前記可動子に搭載された移動テーブルと、前記固定子の両端に配置された固定子取付部と、前記固定子と平行に配置するように前記固定子取付部に取付けられたガイドレールと、前記ガイドレールに沿って摺動するように前記移動テーブルに取付けられたガイドブロックと、を具備し、前記可動子を前記固定子対して推力方向に移動させるシリンダ形リニアモータにおいて、前記可動子の軸方向の両端または中央部には、前記固定子の軸方向と垂直な方向となる前記移動テーブルの取付け面に対して自由に撓むように取り付けたヒンジ付きブラケットを配置してあり、前記ヒンジ付きブラケット内部には前記固定子と前記可動子の間隔を一定に保持するための空気静圧軸受を設けてあることを特徴としている。
請求項２は、請求項１に記載のシリンダ形リニアモータにおいて、前記固定子と前記空気静圧軸受との間の隙間は、前記固定子と前記可動子との間の隙間より小さくしたことを特徴としている。
請求項３は、請求項１または２に記載のシリンダ形リニアモータにおいて、前記空気静圧軸受は、耐摩耗性の高い焼結カーボンで構成したことを特徴としている。
請求項４は、請求項１記載のシリンダ形リニアモータにおいて、前記ヒンジ付ブラケットに替えて、ガイドピンとブッシュによる案内機構で構成したことを特徴としている。
請求項５は、請求項１または２に記載のシリンダ形リニアモータにおいて、前記空気静圧軸受は、自生絞りもしくはオリフィス絞りまたは多孔質絞りの何れ１つを用いたことを特徴としている。
請求項６は、請求項１または２に記載のシリンダ形リニアモータにおいて、前記空気静圧軸受に替えて、リニアブッシュもしくはボールスプラインを用いたことを特徴としている。
請求項７は、軸方向に着磁された複数の永久磁石を配置した棒状の界磁磁極よりなる固定子と、前記固定子の外側に磁気的空隙を介して対向すると共に、複数の電機子コイルを軸方向に装着した電機子よりなる可動子と、前記の固定子の両端に配置された固定子取付部と、前記固定子と平行に配置するように前記固定子取付部に取付けられたガイドレールと、前記ガイドレールに沿って摺動するように前記可動子に取付けられたガイドブロックと、を具備し、可動子を固定子対して推力方向に移動させるシリンダ形リニアモータにおいて、前記固定子の撓みを抑制するように、磁性体金属で前記固定子を吸引することを特徴としている。
請求項８は、請求項７に記載のシリンダ形リニアモータにおいて、前記移動テーブルに磁性体取付座が設けられており、前記磁体金属は前記磁性体取付座に上下方向に位置調整出来るようにボルトにより該磁性体取付座に固定され、前記固定子との隙間において吸引力を発生させ、該固定子が上方に持ち上げられるような構造としてあることを特徴としている。
請求項９は、請求項７または８に記載のシリンダ形リニアモータにおいて、前記固定子の撓みを抑制することで、前記固定子と前記可動子間の隙間を一定にすることを特徴としている。

本発明の請求項１−６によれば、空気静圧軸受は可動子を浮上させるのに必要最小限の大きさでよく、長さの違う固定子への対応が容易なため、シリンダ形リニアモータの固定子の長さの選択範囲が広がる。どんな長さの固定子のアクチュエータに使用可能になるため、リニアアクチュエータの使用範囲が格段に広がる。特に摩擦、磨耗による粉塵の発生が好ましくない医薬品、食料品関連への使用に適した安価で、メンテナンスフリーのリニアアクチュエータの提供が可能になる。
さらに、本発明によれば、移動テーブルの移動軸方向に対して垂直方向の振動が可動子に伝わらない、また、可動子の振動もテーブルには伝わらないという利点がある。テーブルの振動が伝わらないことは、可動子の精度の高い位置決めを可能とし、可動子の振動がテーブルに伝わらないことは、テーブルのピッチング、ヨーイング、真直度の移動精度の向上が期待できる。さらに、可動子の振動が小さいため、可動子と固定子の磁気吸引力によって起こるコギングも最小限に抑えることができる。
ゆえに、シリンダ形リニアモータが低価格にもかかわらず、高精度なアクチュエータを構成できる動力源なるという付加価値を得ることができ、工作機械、測定装置への採用の可能性を上げることができる。

本発明の請求項７−９の発明によれば、磁性体金属とリニア固定子との吸引力により、リニア可動子、固定子間の隙間の調整を容易にすることが可能となる。
また、磁性体金属を移動テーブルに対して、コギングトルクを最小限に抑えるような配置、形状にすることで、実可動時の自身による振動を抑制し、長尺化へ貢献出来る。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示すシリンダ形リニアモータの全体斜視図、図２は、第１実施例によるシリンダ形リニアモータの正面図で、ガイドブロックおよびガイドレールを組み合わせた構成を示したもの、図３は、第１実施例によるシリンダ形リニアモータの側面図で、ガイドブロックおよびガイドレールを組み合わせた構成を示したものである。
図１〜図３において、１１はヒンジ付ブラケット、１２は空気静圧軸受、１３は圧縮空気供給口、１４は空気静圧軸受と固定子の隙間、１５は移動テーブルと可動子の間隔である。
可動子２の両端にはヒンジ付ブラケット１１を取り付けると共に、このヒンジ付ブラケット１１内部に空気静圧軸受１２を設けてある。該空気静圧軸受１２は圧縮空気供給口１３より圧縮空気が供給されることにより軸受として機能する。また、ヒンジ付ブラケット１１の一端は、図２または図３のように移動テーブル１５に取り付けられており、ヒンジ付ブラケット１１のヒンジは、固定子１の軸方向Ｘには一切動くことはできないが、軸方向Ｘに対して垂直な方向Ｙ、すなわち移動テーブル９の取付面に対しては自由に撓むことができるようになっている。また、該ヒンジ付ブラケット１１の移動量はヒンジ部の設計によって任意に設定することができる。
また、移動テーブル９は運動案内装置５のガイドブロック７に取り付けられ、運動案内装置５のガイドブロック７は固定子１のガイドレール６に沿って取付けられるので、移動テーブル９は２の可動子の推力発生によって運動案内装置５の案内軸方向Ｙに沿って移動する。
本発明の実施例は上記の構成にしたので、可動子２は固定子１の軸方向に沿って運動する際に、空気静圧軸受１２によって可動子２は固定子１に対し浮上し、空気静圧軸受と固定子の隙間は常に一定に保たれると共に、ヒンジ付ブラケット１１のヒンジによって、固定子２と移動テーブル１３の間隔１５は空気静圧軸受９に発生する軸受力によって変化することができる。
また、可動子２が固定子１の軸方向に沿って運動する際に、可動子２に接続されたヒンジ付ブラケット１１によって、可動子の振動が直接、移動テーブル９に伝わらないため、テーブルのピッチング、ヨーイング、真直度の移動精度に影響を与えることなく、可動子の高精度な位置決めを行うことができる。
よって、シリンダ形リニアモータが低価格にもかかわらず、高精度なアクチュエータを構成できる動力源なるという付加価値を得ることができ、工作機械、測定装置への採用の可能性を拡大することができる。
それから、固定子の取付精度を本発明の機構のないものに比べ粗くすることが可能となるため、構成部品の低コスト化を進めることができ、結果としてアクチュエータの低価格化することができる。

また、固定子１と空気静圧軸受１２との隙間１４は、固定子１と可動子２との間の隙間１６より少ないので、空気静圧軸受１２に圧縮空気が供給されていない場合でも固定子１と可動子２の接触はない。空気静圧軸受１２には焼結カーボン等の耐摩耗性の高い材質が使われることが多いため、圧縮空気の供給がなくても固定子１と可動子２との間の隙間１６をある程度確保しての動作は可能であるが、この場合、固定子１と空気静圧軸受９との摩擦、磨耗が発生するため、空気静圧軸受１２の寿命が制限される。

なお、本実施例ではヒンジと空気静圧軸受は、可動子２の中央部に埋め込む構成でも構わず、可動子２と一体とすることでも同様の効果が得られる。
また、ヒンジ付ブラケットに替えて、ガイドピンとブッシュによる案内でも同等の効果が期待できる。但し、ガイドピンとブッシュには隙間があるので、バックラッシュの発生によりリニアアクチュエータの位置決め精度が若干下がる。）
また、空気静圧軸受９の形態については、自生絞り、オリフィス絞りあるいは多孔質絞りの何れでも構わず、可動子２を浮上させる際に最適な軸受を選定すればよい。
また、本実施例では可動子の支持機構に空気静圧軸受を用いたが、空気静圧軸受に替えて、他の流体軸受（油、水）あるいはリニアブッシュ、ボールスプライン等の固体軸受でも実現可能である。但し、他の流体は発熱の問題と使用流体の回収の問題を解決する必要があり、固体軸受の場合は摩擦、磨耗のほかにたわみに対して軸受が追従するようにする工夫が必要になる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。
図４は、本発明の第２実施例を示す磁性体金属を用いたシリンダ形リニアモータの正断面図、図５はン第２実施例によるシリンダ形リニアモータの側面図である。
図４、図５において、１７は磁性体取付座、１８は磁性体金属である。
磁性体金属１８は移動テーブル９に固定された磁性体取付座１７に取り付けられ、リニアモータ固定子１との隙間において吸引力を発生させ、該固定子１が上方に持ち上げられるようになっている。吸引力を調整するように、磁性体取付座１７と磁性体金属１８は上下に位置調整出来る構造となっている。
第２実施例はこのような構成にしたので、磁性体吸引方式によりニアモータ固定子の撓みを補正することで、シリンダ形リニアの組立性を向上させる事が可能となり、長尺化が求められる使用用途でシリンダ形リニアを使用することに貢献できる。

本発明によれば、どんな長さの固定子のアクチュエータに使用可能になるため、シリンダ形リニアモータが液晶・半導体製造装置などの分野への適用が有効であることはもちろんのこと、特に摩擦、磨耗による粉塵の発生が好ましくない医薬品、食料品関連への使用にも適しており、安価で、メンテナンスフリーのリニアモータの提供が可能になる。

本発明の第１実施例を示すシリンダ形リニアモータの全体斜視図である。 第１実施例によるシリンダ形リニアモータの正面図で、ガイドブロックおよびガイドレールを組み合わせた構成を示したものである。 第１実施例によるシリンダ形リニアモータの側面図で、ガイドブロックおよびガイドレールを組み合わせた構成を示したものである。 本発明の第２実施例を示す磁性体金属を用いたシリンダ形リニアモータの正断面図である。 第２実施例によるシリンダ形リニアモータの側面図である。 従来のシリンダ形リニアモータであって、（ａ）はその側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ―Ａ線に沿う正断面図である。 従来のガイド装置を備えたシリンダ形リニアモータの全体構成を示した平面図である。

符号の説明

１ 固定子、
１Ａ 永久磁石、
１Ｂ ポールピース、
１Ｃ パイプ、
２ 可動子、
２Ａ 電機子コイル、
２Ｂ バックヨーク、
３ 磁気的空隙
４ 固定子取付部、
５ 運動案内装置、
６ ガイドレール、
７ ガイドブロック、
８ 固定ベース、
９ 移動テーブル、
１０ スケール、
１１ ヒンジ付ブラケット
１２ 空気静圧軸受
１３ 圧縮空気供給口
１４ 空気静圧軸受と固定子の隙間
１５ 移動テーブルと可動子の間隔
１６ 固定子と可動子の隙間
１７ 磁性体取付座
１８ 磁性体金属
Ｘ 案内軸方向
Ｙ ヒンジの動作方向

Claims (9)

1. 軸方向に着磁された複数の永久磁石を配置した棒状の界磁磁極よりなる固定子と、
   前記固定子の外側に磁気的空隙を介して対向すると共に、複数の電機子コイルを軸方向に装着した電機子よりなる可動子と、
   前記可動子に搭載された移動テーブルと、
   前記固定子の両端に配置された固定子取付部と、
   前記固定子と平行に配置するように前記固定子取付部に取付けられたガイドレールと、
   前記ガイドレールに沿って摺動するように前記移動テーブルに取付けられたガイドブロックと、
   を具備し、前記可動子を前記固定子対して推力方向に移動させるシリンダ形リニアモータにおいて、
   前記可動子の軸方向の両端または中央部には、前記固定子の軸方向と垂直な方向となる前記移動テーブルの取付け面に対して自由に撓むように取り付けたヒンジ付きブラケットを配置してあり、
   前記ヒンジ付きブラケット内部には前記固定子と前記可動子の間隔を一定に保持するための空気静圧軸受を設けてあることを特徴とするシリンダ形リニアモータ。
2. 前記固定子と前記空気静圧軸受との間の隙間は、前記固定子と前記可動子との間の隙間より小さくしたことを特徴とする請求項１に記載のシリンダ形リニアモータ。
3. 前記空気静圧軸受は、耐摩耗性の高い焼結カーボンで構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ形リニアモータ。
4. 前記ヒンジ付ブラケットに替えて、ガイドピンとブッシュによる案内機構で構成したことを特徴とする請求項１記載のシリンダ形リニアモータ。
5. 前記空気静圧軸受は、自生絞りもしくはオリフィス絞りまたは多孔質絞りの何れ１つを用いたことを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ形リニアモータ。
6. 前記空気静圧軸受に替えて、リニアブッシュもしくはボールスプラインを用いたことを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ形リニアモータ。
7. 軸方向に着磁された複数の永久磁石を配置した棒状の界磁磁極よりなる固定子と、
   前記固定子の外側に磁気的空隙を介して対向すると共に、複数の電機子コイルを軸方向に装着した電機子よりなる可動子と、
   前記固定子の両端に配置された固定子取付部と、
   前記固定子と平行に配置するように前記固定子取付部に取付けられたガイドレールと、
   前記ガイドレールに沿って摺動するように前記可動子に取付けられたガイドブロックと、
   を具備し、可動子を固定子対して推力方向に移動させるシリンダ形リニアモータにおいて、
   前記固定子の撓みを抑制するように、磁性体金属で前記固定子を吸引することを特徴とするシリンダ形リニアモータ。
8. 前記移動テーブルに磁性体取付座が設けられており、
   前記磁体金属は前記磁性体取付座に対して上下方向に位置調整出来るようにボルトにより該磁性体取付座に固定され、前記固定子との隙間において吸引力を発生させ、該固定子が上方に持ち上げられるような構造としてあることを特徴とする請求項７に記載のシリンダ形リニアモータ。
9. 前記固定子の撓みを抑制することで、前記固定子と前記可動子間の隙間を一定にすることを特徴とする請求項７または８に記載のシリンダ形リニアモータ。

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