JP2013198204A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータのシャフトの真直度や反りの影響による位置検出不良を防止できるようにする。
【解決手段】リニアモータ２０は、電機子部を固定子１とし、界磁部を直線移動する可動子２とする。リニアモータ２０は、可動子２のシャフト７に連結されたガイドレール１１と、このガイドレール１１を固定子１に対して軸方向に移動可能に支持するガイドブロック１２と、可動子２のガイドレール１１に設けられたリニアスケール１３と、リニアスケール１３に対向配置された位置センサ１４と、を備える。
【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、リニアモータに関する。

特許文献１には、円筒状の磁性体よりなるヨークの内径側に円筒状に巻回したコイルを軸方向に複数個並べて構成される固定子と、固定子の内側に磁気的空隙を介して対向配置された円筒状のキャンの内径側に永久磁石を軸方向に複数個挿設して構成される可動子と、可動子に挿設されたシャフト及び固定子のヨークの軸方向両端部において可動子が軸方向に移動可能となるようにシャフトを支持する軸支持部材を有する支持機構と、を備えた円筒形のリニアモータが記載されている。このリニアモータは、シャフトに設けられたリニアスケールとヨークに設けられた検出器からなるリニアエンコーダを有している。

国際公開第２００７／０４６１６１号（第８−９図）

リニアエンコーダにおいては、検出器とリニアスケールとの隙間が一定であることが望ましい。しかしながら、上記従来技術においては、リニアエンコーダの検出器が軸支持部材より離間した位置に配置されているので、シャフト等の可動部の真直度や反りの影響により、検出器とリニアスケールとの隙間が変動し、検出不良を招くおそれがある。

本発明の目的は、シャフト等の可動部の真直度や反りの影響による検出不良を防止できるリニアモータを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、界磁部と電機子部の何れか一方を固定部とし、他方を直線移動する可動部とするリニアモータであって、前記可動部又はこれに連結されたガイドレール、及び、前記可動部又は前記ガイドレールを前記固定部に対して軸方向に移動可能に支持する少なくとも１個以上のガイドブロックを有する直動ガイドと、前記可動部又は前記ガイドレールに設けられたリニアスケールと、前記リニアスケールに対向配置された位置検出部と、を備えるリニアモータが適用される。

本発明のリニアモータによれば、シャフト等の可動部又はこれに連結されたガイドレールの真直度や反りの影響による検出不良を防止できる。

実施形態に係るリニアモータの全体構成を表す側断面図である。 比較例のリニアモータの全体構成を表す側断面図である。 ガイドレールとシャフトの軸心をずらして連結した場合のリニアモータの要部を表す側断面図である。 ２軸構造とした場合のリニアモータの全体構成を水平断面図である。 直動案内機構の少なくとも一方を直動ガイドとした場合のリニアモータの側断面図及び垂直断面図である。 位置センサをガイドブロック内に設けた場合の直動ガイドを表す垂直断面図である。

以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。

＜リニアモータの構成＞
図１に示すように、実施形態に係るリニアモータ２０は、電機子部となる固定子１（固定部）と、界磁部となる可動子２（可動部）と、リニアエンコーダ１０とを備える。固定子１は、筐体３の内側に、電気装荷手段となる円筒状のコイル４を軸方向に複数個並べて構成される。可動子２は、固定子１の内側に同軸に配置されている。可動子２は、磁気装荷手段となる円筒状の永久磁石６を軸方向に複数並設し、シャフト７を軸方向に装着して構成される。永久磁石６の軸方向両側に突出したシャフト７は、固定子１の筐体３に軸方向に間隔を開けて設けられた一対の支持部材８に軸受９（リニアブッシュ、ボールスプライン等）を介して支持され、固定子１の軸方向に移動可能に設けられている。シャフト７の負荷側（図１中右端部）は、リニアモータ２０の外に露出しており、図示しない被駆動機器に接続される。

リニアエンコーダ１０は、リニアモータ２０の反負荷側（負荷側の反対側。図１中左側）に設けられている。リニアエンコーダ１０は、ガイドレール１１と、ガイドブロック１２と、光学式あるいは磁気式のリニアスケール１３と、位置センサ１４（位置検出部）とを備える。ガイドレール１１は例えば断面矩形の棒体からなり、シャフト７の他端（図１では左端）に同軸に設けられている。ガイドブロック１２は、ガイドレール１１をシャフト７と互いに軸心が一致するように支持するように、ベース１８を介して固定子１の筐体３の底部に取り付けられている。ガイドブロック１２は、図１中拡大図で示すように、ガイドレール１１の下部を収容する断面矩形の凹部１９を有し、断面円形の軸方向に延びる循環溝１５を形成し、循環溝１５内に金属製の球体１６を収容する。ガイドブロック１２は、循環溝１５内での球体１６の転動により断面矩形のガイドレール１１を軸方向に直線移動可能に支持する。

リニアスケール１３は、ガイドブロック１２による支持側とは反対側（図１ではガイドレール１１の上面）に設けられている。また、筐体３の内側におけるガイドブロック１２及びベース１８の反対側には、取付部材１７ａを介してエンコーダ基板１７が設けられている。位置センサ１４は、エンコーダ基板１７におけるガイドブロック１２によるガイドレール１１の支持部位に対向した位置に設けられ、ガイドブロック１２と略同一の軸方向位置においてリニアスケール１３と所定の間隙を開けて対向配置されている。

リニアモータ２０は、図示しない外部電源から固定子１のコイル４に電流を流すと、固定子１のコイル４と可動子２の永久磁石６との間で軸方向の推力が発生し、可動子２のシャフト７が軸方向に移動し、可動子２の推力をシャフト７によりリニアモータ２０の外に取り出すことができる。リニアエンコーダ１０は、シャフト７に連結されたガイドレール１１のリニアスケール１３のメモリを位置センサ１４で読み取り、固定子１に対する可動子２の移動方向の位置（移動量）を検出する。

＜実施形態の効果＞
上記のガイドレール１１及びガイドブロック１２は、可動子２の直動ガイドを構成する。この直動ガイドの通常の使用法は、図２の比較例に示すように、構成要素の１つのガイドレール１１を固定子１の筐体３に固定し、構成要素の他の１つのガイドブロック１２を可動子２のシャフト７に固定して、ガイドブロック１２をガイドレール１１に沿ってスライドさせることによりシャフト７を固定子１に対し軸方向に移動可能に支持するものである。そして、シャフト７にリニアスケール１３を設け、当該リニアスケール１３と対向した位置に位置センサ１４を設ける。この比較例においては、可動子２に発生した推力により、シャフト７が図２に二点鎖線で示すように移動した場合、ガイドブロック１２によるシャフト７の支持位置が位置センサ１４に対向した位置から移動する。このため、シャフト７を含む可動子２の真直度が低い場合や反りが生じた場合には、位置センサ１４とリニアスケール１３との隙間距離が変動してしまい、シャフト７の真直度や反りの影響による検出不良を生じる可能性がある。

これに対し、本実施形態では、上記のように、可動子２の直動ガイドの構成要素の１つのガイドブロック１２を固定子１の筐体３に固定し、当該ガイドブロック１２によりガイドレール１１を固定子１に対し軸方向に移動可能に支持する。そして、ガイドレール１１にリニアスケール１３を設け、ガイドブロック１２によるガイドレール１１の支持位置に対向した位置に位置センサ１４を設ける。この実施形態の構成においては、可動子２に発生した推力により、シャフト７に連結されたガイドレール１１が図１に二点鎖線で示すように移動した場合でも、ガイドブロック１２によるガイドレール１１の支持位置が位置センサ１４に対向した位置から移動することがない。このため、シャフト７やガイドレール１１の真直度が低い場合や反りが生じた場合でも、リニアスケール１３と位置センサ１４との隙間距離を略一定にすることができる。したがって、シャフト７等の可動部やこれに連結されたガイドレール１１の真直度や反りの影響による検出不良を防止できる。

また、従来はシャフト７が長尺になるほど真直度の確保や反りを抑えるためにコストの増大や生産性の低下を招いていたが、本実施形態によれば、シャフト７の真直度が低い場合や反りが生じた場合でもその影響を受けないので、コストの増大を抑え、生産性を向上できる。

また、本実施形態では特に、シャフト７に連結されたガイドレール１１にリニアスケール１３を設けている。これにより、リニアモータ２０のモータサイズやストロークにより長尺化していたシャフト７の役割をガイドレール１１が代替するので、シャフト７を短くできると共に、リニアスケール１１を配置するためのシャフト７の加工（Ｄカット等）が不要となるので、この点からもコストの増大を抑え、生産性を向上できる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。

（１）ガイドレールとシャフトの軸心をずらして連結した場合
上記実施形態では、ガイドレール１１を可動子２のシャフト７と同軸に連結した場合を一例として説明したが、ガイドレール１１を可動子２のシャフト７と軸心をずらして連結してもよい。図３に本変形例の一例を示す。なお、本変形例の構成要素が上記実施形態と同じものついては図示及び説明を省略し、異なる点について説明する。

本変形例のリニアモータ２０では、可動子２のシャフト７が、ガイドレール１１のガイドブロック１２による支持側とは反対側の面（図３ではガイドレール１１の上面）に連結されている。そして、ガイドブロック１２が固定子１の筐体３の内側に（この例ではベース１８を介さずに）取り付けられ、このガイドブロック１２によりガイドレール１１を軸方向に移動可能に支持している。

上記実施形態のように、可動子２のシャフト７に軸心が略一致するようにガイドレール１１を連結する場合、ガイドレール１１の位置センサ１４側に、上記図１に示すように、無駄スペースＡが生じることとなる。本変形例においては、シャフト７に軸心をずらしてガイドレール１１を連結することで、図３に示すように無駄スペースＡを位置センサ１４の取付部分と干渉しない範囲でシャフト７の可動スペースとして使用することが可能となるので、無駄スペースＡを有効に活用することができる。この結果、上記実施形態ではリニアモータ２０の外径がＨであったのを、本変形例ではリニアモータ２０の外径をｈ（ｈ＜Ｈ）とすることができ、リニアモータ２０の体格を小さくすることができる。

（２）リニアモータを２軸構造とした場合
上記実施形態では、リニアモータ２０が１軸構造である場合を一例に説明したが、リニアモータ２０は、可動子２と連動するガイドレール１１を可動子２のシャフト７と平行に設け、ガイドレール１１にリニアスケール１３を設けて、リニアエンコーダ１０を構成する２軸構造としてもよい。図４に本変形例の一例を示す。

この変形例のリニアモータ２０は、固定子１及び可動子２からなるリニアモータ部２１Ａと、リニアモータ部２１Ａと平行に設けられたエンコーダ部２１Ｂとを備える。

リニアモータ部２１Ａの固定子１は、筐体３の内側に、電気装荷手段となる円筒状のコイル４を軸方向に複数個並べて構成される。可動子２は、固定子１の内側に同軸に配置されている。可動子２は、コイル４の内側に、磁気装荷手段となる円筒状の永久磁石６を軸方向に複数並設し、永久磁石６を有する界磁部にシャフト７を軸方向に装着して構成される。永久磁石６の軸方向両側に突出したシャフト７は、固定子１の筐体３の両端部から外方に延出するとともに、筐体３の両端部に設けられた軸受９を介して支持され、固定子１の軸方向に移動可能に設けられている。

エンコーダ部２１Ｂは、固定子１の筐体３の外周面に設けられたエンコーダフレーム２２内に、リニアエンコーダ１０を備えている。エンコーダフレーム２２は筐体３と別体として構成されており、適宜の固着材を介して筐体３と連結されている。なお、エンコーダフレーム２２は筐体３と一体に形成してもよい。リニアエンコーダ１０は、エンコーダフレーム２２と筐体３との間に形成される空間に配置される。リニアエンコーダ１０は、ガイドレール１１に設けられた光学式あるいは磁気式のリニアスケール１３と、位置センサ１４（位置検出部）と、エンコーダ基板１７を備える。ガイドレール１１は例えば断面矩形の棒体からなり、エンコーダフレーム２２を軸方向に貫通し、可動子２のシャフト７と平行に設けられている。ガイドレール１１の両端は、エンコーダフレーム２２の両端部に設けられた開口２８に挿通され、エンコーダフレーム２２の両端部から外方に延出する。

ガイドブロック１２は、固定子１の筐体３と対向するエンコーダフレーム２２の周壁部に取り付けられ、ガイドレール１１を軸方向に移動可能に支持している。図４中拡大図で示すように、リニアスケール１３は、ガイドレール１１のガイドブロック１２による支持側とは反対側の面（図４では下面）に設けられている。位置センサ１４は、エンコーダ基板１７におけるガイドブロック１２によるガイドレール１１の支持部位に対向した位置に設けられ、ガイドブロック１２と略同一の軸方向位置においてリニアスケール１３と所定の間隙を開けて対向配置されている。

筐体３及びエンコーダフレーム２２の両端部外方には、連結部材２３がそれぞれ配置されている。連結部材２３は、筐体３の両端部から外方に延出したシャフト７と、エンコーダフレーム２２の両端部から外方に延出したガイドレール１１とにそれぞれ固定され、これらを両端において連結する。この連結部材２３により、シャフト７及びガイドレール１１は、軸方向に連動して移動する。２つの連結部材２３の少なくとも一方は、図示しない被駆動機器に接続される。

本変形例においても、上記実施形態と同様に、リニアスケール１３と位置センサ１４との隙間距離を略一定にすることができるので、シャフト７の真直度や反りの影響による検出不良を防止できる。また本変形例では、リニアモータ部２１Ａとエンコーダ部２１Ｂとを並列に配置するため、これらを直列に配置する場合に比べて、リニアモータ２０の軸方向寸法を大幅に小さくすることができる利点がある。さらに、これらを直列に配置する場合には、半径方向に小さく構成できるエンコーダ部２１Ｂをリニアモータ部２１Ａと同径のフレームに収納することから、リニアモータ２０の体格が不必要に大型化するが、本変形例では、エンコーダ部２１Ｂの配置スペースが必要最小限となるようにエンコーダフレーム２２を構成することで、リニアモータ２０の体格を小型化することができる利点もある。

（３）直動案内機構の少なくとも一方を直動ガイドとした場合
上記実施形態では、固定部１に、シャフト７の軸方向両端部を直線移動可能に支持する軸受９を設けたが、この軸受９の少なくとも一方を直動ガイドとすることができる。本変形例の一例を図５に示す。

図５（ａ）に示すように、固定子１の内側に配置された可動子２のシャフト７は、一方側（図５中左側）をガイドブロック３２により支持され、他方側（図５中右側）を軸受９により支持されることで、軸方向に直線移動可能に設けられている。軸受９は、固定子１の筐体３の他方端に設けられた支持部材８に取り付けられている。ガイドブロック３２は、筐体３の一方側の底部にベース１８を介して取り付けられている。

なお、本変形例では、ガイドブロック３２とシャフト７とが直動ガイドを構成し、この直動ガイドと軸受９とが可動部の軸方向両端部を支持する直動案内機構を構成する。

シャフト７は円形断面の棒材である。このシャフト７の一方側には、図５（ａ）のＶｂ−Ｖｂによる垂直断面を表す図５（ｂ）に示すように、例えばＤカット加工により水平な平坦面７ａが形成されている。ガイドブロック３２の内側の中空部２４は、その一部を切り欠いた欠損部を有する円筒状に形成されており、ガイドブロック３２の上部には、中空部２４に続くＶ字状の切り欠き部２５が形成されている。シャフト７は平坦面７ａを上側にして中空部２４に挿入され、平坦面７ａが切り欠き部２５より露出する。シャフト７の平坦面７ａにはリニアスケール１３が設けられている。固定子１の筐体３の上部内側に配置した位置センサ１４は、リニアスケール１３に対向する。

ガイドブロック３２は、中空部２４の内周面とこの中空部２４に挿入したシャフト７の外周面との間に断面円形の軸方向に延びる循環溝２６を形成し、循環溝２６内に金属製の球体２７を収容する。ガイドブロック３２は、循環溝２６内での球体２７の転動により上部に平坦面７ａを有する円形断面のシャフト７を軸方向に直線移動可能に支持する。

本変形例においては、ガイドブロック３２の円筒状の内側が円周方向の一部に欠損部を有するので、シャフト７に設けたリニアスケール１３を欠損部側に露出させることができる。これにより、位置センサ１４をガイドブロック３２と略同一の軸方向位置で欠損部を介してリニアスケール１３と対向配置することができる。したがって、シャフト７の真直度や反りの影響による検出不良を防止できる。

また本変形例によれば、上記実施形態のように２つの軸受９とは別個に直動ガイドを設けるのではなく、一方の軸受９の代わりに直動ガイドを設けるので、部品点数を少なくでき、コストを低減できる。また、別個に直動ガイドを設置するスペースが不要となるので、リニアモータ２０の軸方向の体格を大幅に小さくすることができる。

（４）位置センサをガイドブロック内に設ける場合
本変形例では、位置センサをガイドブロック内に設置する。本変形例の一例を図６に示す。図６に示すように、本変形例では、ガイドブロック３２の内側は、欠損のない円筒状の中空部２４に形成されている。可動子２のシャフト７は、平坦面７ａを例えば上側にして中空部２４に挿入されている。位置センサ１４は、ガイドブロック３２の中空部２４の内周面上部に埋設され、リニアスケール１３に対向配置されている。ガイドブロック３２は、中空部２４の内周面とシャフト７の外周面との間に形成された循環溝２６内の球体２７の転動により、シャフト７を軸方向に直線移動可能に支持する。

本変形例においては、可動子２のシャフト７に平坦面７ａを形成したので、ガイドブロック３２の中空部２４とシャフト７の平坦面７ａとの隙間を利用して可動子２にリニアスケールを設けることができる。これにより、一般に用いられる内側が円筒状のガイドブロックを用いて、可動子２の真直度や反りの影響による検出不良を防止できるリニアモータ２０を実現できる。また本変形例によれば、位置センサ１４をガイドブロック３２の内部に設けることで、位置センサ１４の設置スペースが不要となるので、リニアモータ２０の体格をさらに小さくすることができる。

（５）その他
上記実施形態では、直動ガイドのガイドブロック１２外に位置センサ１４を設けたが、ガイドブロック１２の凹部１９の例えば底部とガイドレール１１との間に隙間を形成し、その隙間に臨むガイドレール１１の面にリニアスケール１３を設け、上記変形例（４）と同様に、ガイドブロック１２の凹部１９の底部にリニアスケール１３と対向する位置センサ１４を埋設するようにしてもよい。

また以上では、ガイドブロック１２が可動子２に連結されたガイドレール１１を軸方向の１箇所で支持するようにしたが、ガイドブロック１２を軸方向に狭い間隔を開けて２箇所に設置して、ガイドレール１１を支持してもよい。この場合、位置センサ１４は２つのガイドブロック１２に近い軸方向上の位置、例えばガイドブロック１２同士の間に対応する位置に設置する。

以上の実施形態及び変形例（１）〜（４）では、リニアモータ２０の電機子部を固定子１とし、界磁部を可動子２としたが、反対に電機子部を可動子とし、界磁部を固定子としてもよい。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ 固定子（固定部）
２ 可動子（可動部）
３ 筐体
４ コイル
６ 永久磁石
７ シャフト（直動ガイド、直動案内機構）
７ａ 平坦面
９ 軸受（直動案内機構）
１０ リニアエンコーダ
１１ ガイドレール（直動ガイド）
１２ ガイドブロック（直動ガイド）
１３ リニアスケール
１４ 位置センサ（位置検出部）
２０ リニアモータ
３２ ガイドブロック（直動ガイド、直動案内機構）

Claims (8)

1. 界磁部と電機子部の何れか一方を固定部とし、他方を直線移動する可動部とするリニアモータであって、
   前記可動部又はこれに連結されたガイドレール、及び、前記可動部又は前記ガイドレールを前記固定部に対して軸方向に移動可能に支持する少なくとも１個以上のガイドブロックを有する直動ガイドと、
   前記可動部又は前記ガイドレールに設けられたリニアスケールと、
   前記リニアスケールに対向配置された位置検出部と、を備える
   ことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記位置検出部は、
   前記ガイドブロックと略同一の軸方向位置において前記リニアスケールと対向するように配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記ガイドブロックは、
   前記可動部に連結された前記ガイドレールを支持し、
   前記リニアスケールは、
   前記ガイドレールの前記ガイドブロックによる支持部位に設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータ。
4. 前記リニアスケールは、
   前記可動部に軸心をずらして連結した前記ガイドレールに設けられている
   ことを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。
5. 前記固定部に前記可動部の軸方向両端部を支持する直動案内機構が設けられ、前記直動案内機構の少なくとも一方は、前記可動部を軸方向に移動可能に支持する前記直動ガイドを構成する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータ。
6. 前記ガイドブロックの内側は、円筒状或いは矩形状であり、
   前記リニアスケールが設けられた平坦面を有する前記可動部を支持する
   ことを特徴とする請求項５に記載のリニアモータ。
7. 前記ガイドブロックの内側は、その一部に欠損部を有する円筒状或いは矩形状であり、
   前記リニアスケールが前記欠損部側に露出するように前記可動部を支持する
   ことを特徴とする請求項５に記載のリニアモータ。
8. 前記検出部は、
   前記ガイドブロックの内部に設けられている
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のリニアモータ。

Images