JP3838813B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体のステッパー装置、ＣＡＤのプリンター等に用いるリニアアクチュエータ、特に可動コイル型のリニアアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リニアアクチュエータは走行通路を形成して、その通路上に固定あるいは変化する磁界を発生する固定子と、その通路に沿って走行する可動子からなっている。可動子の種類によって、可動磁石型リニアアクチュエータと可動コイル型リニアアクチュエータとに分けられる。
【０００３】
可動磁石型リニアアクチュエータは、固定子側の走行通路に沿って励磁コイルが並べられており、可動子側に永久磁石を持ったものである。一方、可動コイル型リニアアクチュエータは、固定子側の走行通路に沿って交番磁界が生じるように永久磁石が並べられており、それに対して可動子側のコイルが動くようになったものである。可動コイル型リニアアクチュエータでは、コイルを主体とする可動子のために、可動子の重量が小さく、その運動の慣性が小さくなるので、応答が早い上に位置決め精度が良く精密機器の分野で使われることが多い。
【０００４】
可動コイル型リニアアクチュエータの固定子と可動子のアセンブリー構造を図４を参照しながら説明する。図４は固定子／可動子アセンブリーの平面図である。この図にある固定子／可動子アセンブリー構造は、可動コイル型リニアアクチュエータの一般的なものであり、本発明においてもこのような従来使用されてきたリニアアクチュエータが適用され得るものである。
【０００５】
固定子／可動子アセンブリー１０（５０）は、長手方向に走行通路を有し、この長さよりも少し長い固定子１１（５１）を持ち、固定子は断面が略Ｕ字形状になった軟磁性体材料からなり、この固定子（以下、固定子の一部を構成するものをヨークと言う。）の対向する両側板の内側には永久磁石が並べられている。この両側の永久磁石が挟んでいる空間が磁気空隙として働くようになっており、この磁気空隙が可動子の走行する通路を形成する。永久磁石は走行通路側の面にその磁極が現われるように磁化されているとともに、通路を挟んで対向する永久磁石の極性は互いに反対極性となし、磁力線が通路を横切るようになっているのが一般的である。また、永久磁石の走行通路側の磁極は、通路の長さ方向にその極性が順次反転するように並べられている。一方、可動子１５は、励磁コイル１５１を持っており、励磁コイルに流される電流によって固定子磁界と相互作用をなして、可動子１５が走行あるいは停止するように制御される。
【０００６】
ヨーク１２（５２）は、永久磁石１４の磁束を通しやすくするために、透磁率及び飽和磁束密度ともに大きな磁性材料から作るのが好ましい。一般構造用炭素鋼、例えばＳＳ４００などはヨーク材として適したものである。
【０００７】
次に、図５、図６、図７は、従来のリニアアクチュエータを横断面で示すもので、図５は従来のリニアアクチュエータの一例の断面図、図６は従来のリニアアクチュエータに関し、部品組み合わせ型の固定子の一例の断面図、図７は従来のリニアアクチュエータに関し、ブロックから削り出し加工して形成した固定子の一例の断面図である。
【０００８】
図５において５０は、固定子／可動子アセンブリーであり、この固定子／可動子アセンブリー５０は、断面が略Ｕ字形状をしたヨーク５２と、固定子に沿って走行するようになっている可動子１５とからなっている。ここでヨーク５２は、対向する側板５２１と底板５２２とをボルト５２３で締結して断面略Ｕ字状に形成したものである。その対向する側板内面に永久磁石１４が並べて貼られている。可動テーブル３０は可動子１５の上に固定されており、可動テーブル３０の下面にはローラー３１が設けてある。よって、可動子１５が固定子５０に対して走行するとヨーク５２の上面に設けたレール１３上をローラー３１が転がって、可動テーブル３０が走行するようになっている。ここでは可動テーブル３０として例示しているが、複写機の場合はミラーが取り付けられていたり、プリンターの場合は印字ヘッドなどが取り付けられていることもある。
【０００９】
また、ヨーク５２としては、図６や図７に示すものも一般に使われている。図６に示す固定子ヨークでは軟磁性体材料から加工した底板５２２に同じく軟磁性体材料から加工した側板５２１がボルト５２３で締結固定されている。このヨークを作るには、まず側板５２１と底板５２２とを目的とする寸法に機械加工して製作し、側板５２１に永久磁石１４をエポキシ樹脂接着剤などで貼り付けた上で、底板５２２の両端面に側板５２１の底に近い部分に設けためねじにボルト５２３を締め付けて取り付けている。そして、数メートルもの長尺のものとなると複数のヨークを繋ぎ合わせて組み立てている。ここで、両側にある２枚の側板５２１間の平行度が問題となるが、例えば、平行度０．２以内などという条件を満たすために、底板５２２の端面の平行度や組立作業に高い精度が要求される。また、底板にはねじ穴を長手方向に複数個設けるので強度を確保するための厚さを必要とする。さらに、機械強度上の問題だけでなく永久磁石１４を磁化した後ではその磁気吸引力によって両側板が引き付けられる方向に作用するので、通常それに耐えられるだけの厚さは必要としていた。また、例えば３００ｍｍを越える長尺ものの底板５２２や側板５２１となると、使用中に反りや歪みが出やすい傾向があった。
【００１０】
次に、図７に示すヨーク５２は、削り出しタイプのものであり、同図に示す２点破線で示している軟鉄ブロックからフライス盤などを用いて削り出したものである。通常の規格鋼材では個々のヨーク寸法に合致しないのが普通であるから、このように無駄な加工部分が多い。少なくとも磁気空隙部の加工は必要となる。実際、長さの短いヨークであればまだ加工はし易いが、長尺で大きなヨークを作る場合には、それに合った大きさのフライス盤を必要とし、数メートル長さのヨークを作るのは、あたかも金型を製作するのと同じ様な加工工数を必要とし、加工費が嵩むものであった。このようなことから加工を省いてヨークの肉厚を必要以上に厚くするということになり、結局、リニアアクチュエータ全体が大きく重いものとなっていた。
【００１１】
図５に示すリニアアクチュエータでは、可動テーブルの下はほとんど固定子で占められている構造となっており、リニアアクチュエータの断面積のほとんどを固定子／可動子アセンブリー５０が占めていた。
【００１２】
これはリニアアクチュエータを装備している精密機器などでは、小型化をするという要求が常に存在しているので、リニアアクチュエータの外寸法すなわち長さを除いた縦寸法と横寸法を小さくする努力が払われて来たが、リニアアクチュエータの主要部品である固定子／可動子アセンブリーを小さくすることが困難であったがために、リニアアクチュエータのフレームを取り去ったためと考えられる。
【００１３】
リニアアクチュエータの固定子／可動子アセンブリーの主要部分は、ヨークであり、ヨークは鉄で構成されているのでかなりの重量物となる。そのためリニアアクチュエータの重量が大となったままであった。また、そのヨークが外面に露出しているために、リニアアクチュエータの周囲に磁気フラックスが漏洩して、鉄板や鉄粉を吸着することがあった。また、鉄片等の軟磁性体片をリニアアクチュエータの近くに設けるとその軟磁性体片を通って磁力線が流れたり、空隙磁界が変化するなどの悪影響が生じていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した通り、従来のリニアアクチュエータでは、ヨークを必要以上の厚肉とする結果となり、結果的にリニアアクチュエータ全体が大きく重いものとなっていた。また、長尺のヨークとなると加工機の能力に限界があるし、さらに組み立て構造であると反りや平行度の問題が稼働中に現れることもあった。このようなとき、部品を交換するというようなメンテナンスも必要となるが、従来のものではリニアアクチュエータ全体を工場に持ち帰り作業を行わなければならなかったし、これが長くて重いヨークであったからこれらのメンテナンス作業は非常に煩雑で大変なものとなっていた。
【００１５】
また、従来、リニアアクチュエータの大部分を軟磁性体材料からなるヨークが占めており、しかもこれが表面に露出していたので稼働中に磁気漏洩や磁界変化等の悪影響が現れ、種々の問題が生じていた。
【００１６】
そこで、本発明は上記問題を解消することを目的とし、特に長尺のヨークに適しており、軽量化をはかってメンテナンス作業性の改善を行うと共に磁気漏洩等の問題を解消したリニアアクチュエータを提供するものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のリニアアクチュエータは、断面Ｕ字状に形成され、長手方向に延びるヨークとその内周面に長手方向に交互に磁極が異なるようにかつ異極が対向するように配設された複数個の永久磁石とを有する固定子と、前記永久磁石の表面に沿って形成された磁気空隙内に配設されるコイルを備えかつ前記ヨークの長手方向に沿って走行可能に設けた可動子とを有するリニアアクチュエータにおいて、前記ヨークは、前記永久磁石の幅の１／３〜１／５の厚さを有する鋼材から塑性加工により一体成形されたもので長手方向全長に亘って一体で一様断面を持つことを特徴とする。ここで一体成形とは一つの素材から成形されたものであって複数の製造工程を持っていても構わない。また、一様断面とはその素材形状が反映されたものであれば、必ずしも平面である必要はなく凹凸部等が途中にあっても良い。
【００１８】
本発明において、塑性加工は、例えば鋼材を所定温度に加熱後、押し出し成形するか、あるいは冷間で曲げ成形することにより、行うことができる。本発明において、ヨークが非磁性体フレームの内周面に着脱自在に装着されていることが好ましい。
【００１９】
本発明において、ヨークとして、永久磁石の幅の１／３〜１／５の厚さを有する鋼材を使用することにより、ヨークが磁気飽和しない状態で永久磁石から出る磁力線を通すことができるとともに、所定の機械的強度を維持しつつヨークの軽量化を図ることができる。
【００２０】
本発明においては、ヨークは、非磁性体フレームの内周面に着脱自在に装着されているので、リニアアクチュエータのメンテナンス作業を容易に行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のリニアアクチュエータを図面を参照しながら詳しく説明する。図１は本発明の一実施例のリニアアクチュエータの断面図、図２は本発明のリニアアクチュエータに用いるヨークの一例を示し、押し出し成形品での断面図、図３は本発明のリニアアクチュエータに用いるヨークの他の例を示し、曲げ成形品での断面図である。図４は、本発明が関係するリニアアクチュエータの固定子／可動子アセンブリーの平面図である。
【００２２】
図１に断面図で示すリニアアクチュエータは、固定子／可動子アセンブリー１０が略Ｕ字形状断面をした非磁性体（アルミ）フレーム２０の中に収容され、下面よりボルト等の締結部材により着脱自在に設置されているものである。従って、固定子／可動子アセンブリー１０は独自に分解が可能でリニアアクチュエータの使用現場において、アルミフレーム２０からヨーク１２を抜き出してメンテナンスすることができる。また逆に、工場内においてヨーク１２に永久磁石１４を貼り付ける作業とアルミフレーム側の組み付け作業等を分業して行うことができ作業能率が向上する。尚、アルミフレーム２０は壁部分に空洞を設けるなどしてさらに軽量化したものを用いることもできる。また、非磁性材であれば良く合成樹脂等の使用も考えられる。
【００２３】
可動テーブル３０は、従来と同様アルミフレーム２０の上に沿って走行するようになっている。すなわち、可動テーブル３０から下方にブラケット３２が出ており、このブラケット３２には多極の可動子１５が固定されている。アルミフレーム２０の上部にはレール２１が各々設けられて、可動テーブル３０の下部に設けたローラー３１がレール上を転がって可動テーブル３０がアルミフレーム２０に対して走行するようになっている。尚、ヨーク１２を横に寝かせ、横方向に開口した磁気空隙間にブラケット３２と可動子１５を鈎状に挿入して長手方向に移動可能に構成することもできる。この場合、アクチュエータの高さを抑えられるという効果も出てくる。
【００２４】
さて、本実施例では、固定子／可動子アセンブリー１０の非磁性体フレーム２０（アルミフレーム）の内部に、図２あるいは図３に横断面図で示したヨーク１２を着脱自在に収容している。ここで、このヨーク１２は押し出し成形あるいは曲げ成形で製造した略Ｕ字状断面の長尺一体もので、長手方向全長に亘って一様の断面を有するものである。すなわち従来のように機械加工や複数の部品を組立てたものではなく、塑性加工による一体成形で形成したものである。そして、ヨークの対向する側板１２１には長手方向に複数の永久磁石を交互にその磁極が異なるように並べて接着剤等で貼り付けており、対向する永久磁石１４同士の磁極もまた反対磁極となって交番磁界が発生するように固定子１１を構成している。よって、上述した従来例と同様に固定子１１の永久磁石１４の間で可動子１５が走行するようになっている。尚、ヨークはＵ字形断面に限定されるものではなく例えばＬ字状断面でも良い。
【００２５】
上記したようにヨーク１２は、一方の側板１２１部分と底板１２２部分及び他方の側板１２１部分とが連続した一体的断面を持っており、これが長手方向に沿って変化することのない一様の断面に形成したものである。図２のものは軟磁性体材料を押し出し成形で得たものである。また、図３のものは軟磁性体材料の板材を曲げ成形して得たものである。
【００２６】
押し出し成形によるヨークは、ヨークの断面形状をしたキャビティを持った押し出し成形ダイを備えた温間押し出し機を用い、例えばＳＳ４００の鋼材を１１００℃に加熱した上で、加圧押し出し成形して得たものである。
【００２７】
曲げ成形によるヨークは、一様厚さのＳＳ４００の板材を矢弦と加圧機等を用いて冷間で片側づつ曲げ成形してＵ字状にしたものである。
【００２８】
例えば２０００ｍｍ以上の長さを持つものであっても、１辺が５０〜６０ｍｍのヨーク１２を曲げあるいは押し出し成形で一様の断面に成形しているので、ＳＳ４００材などの一般構造用鋼材で作ったものであっても、その厚さを２〜３ｍｍとしても機械強度が十分なものであり、永久磁石の吸引力や機器の取り扱いなどで変形することがない。また、両加工手段ともに側板１２１間の平行度も０．２は達成できるし、底板と側板の垂直度等も０．３を満足できるものである。
【００２９】
一方、ヨーク材としては、１個の永久磁石からの磁力線がヨークを通って隣接する永久磁石および対向する永久磁石に行くには、飽和磁束密度Ｂｓが１．０Ｔ以上ある軟磁性体ヨークでは、ヨーク材の厚さが磁石幅の１／３〜１／５あればヨーク材が飽和しないで磁力線を通すことができる。永久磁石の幅を例えば２３ｍｍとすると、ヨーク材の厚さは４．５〜８ｍｍあればよいことになる。ヨークの厚みが磁気飽和を起こさないだけあれば、機械強度に耐え得ることができる。
【００３０】
固定子ヨークを押し出しあるいは曲げ成形で作っているので、機械加工によるような無駄はなく素材の大きさの許す範囲の大きさの製品を作ることができる。すなわち、走行通路長さが２０００〜３０００ｍｍとなっても、それに対応したヨークを一つの素材の長さで且つ一様の断面で作ることができる。また、ヨークの深さも大きくすることができるので、永久磁石も大きなものを用いて可動子側のコイルを単極にしたりコンパクトにすることが可能となる。側板高さＢと底板幅Ａとの比（Ｂ／Ａ）は少なくとも３までは容易に作ることができる。Ｂ／Ａを５よりも大きくしたものについてはその効果が飽和する。素材の大きさや従来の加工と比較して０．５以上の場合に曲げ成形あるいは押し出し成形で作ったヨークのメリットがあるので、Ｂ／Ａの好ましい範囲を０．５〜５とした。加工性や作業性を考慮すると更に望ましいのは２〜３前後である。この比が大きくとれることによって永久磁石の選択の幅が広がるし、磁石を貼り付けるときやメンテナンス時の作業性が向上するという効果もある。
【００３１】
例えば、従来の固定子ヨークでは角状素材から削り出しであったから、例えば大きさが７０ｍｍｘ４０ｍｍｘ１０００ｍｍＬのヨークを得ようとすると、素材重量は２０Ｋｇ以上のものが必要であった。これが本発明により、その厚さは６ｍｍの板材から７０ｍｍｘ４０ｍｍｘ１０００ｍｍＬのヨークを成形できるから、製品重量は約７Ｋｇとすることができ、素材重量として１／３の軽量化が実現できた。また、コスト面での効果は１／２程度となった。
【００３２】
本実施例では、ヨークを曲げ成形で作っており、平板から略Ｕ字状の一様断面のものとしたので、上記同様薄くても強度が高く重量も大幅に軽減することができた。従って、実施例に示した如くアルミフレーム２０の中にヨーク１２を収容する構造としてもリニアアクチュエータ全体の大きさとしては、従来のヨークが表面に露出したものよりも小サイズとすることができている。さらに、ヨークをアルミフレーム２０で取り囲んでいるので軟磁性体が表には露出しない構造となり、従来ヨークが露出していたことによる問題点が解消できる。
【００３３】
また、組立時においてもメンテナンス時においても固定子とヨークが別体であるので作業性が格段に向上した。特にメンテナンス時においては、軽量ヨークであるばかりでなく、現場で永久磁石の貼り換え組み立て作業が行えるので、作業効率が良くなった。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のリニアアクチュエータによれば、長尺であるにもかかわらず長手方向に一様の断面を持ったヨークを用いたので、肉厚を薄く小型軽量化を計ることが出来た。さらに、このヨークを非磁性フレームの中に着脱自在に収容することによってヨークからの漏洩磁束などによる不都合を解消できる。また、メンテナンス時等にヨークだけを取り出して適宜作業を行えるので作業負担と作業効率が向上した。また、本発明のヨークでは機械加工を行なわないで、その製造工数を少なくすることができ、また軽量小型化等により安価なリニアアクチュエータを提供することが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のリニアアクチュエータの断面図である。
【図２】本発明のリニアアクチュエータに用いているもので、押し出し成形で形成された固定子ヨークの一例の断面図である。
【図３】本発明のリニアアクチュエータに用いているもので、曲げ加工で形成された固定子ヨークの一例の断面図である。
【図４】本発明が関係するリニアアクチュエータの固定子／可動子アセンブリーの平面図である。
【図５】従来のリニアアクチュエータの一例の断面図である。
【図６】従来のリニアアクチュエータに用いているもので、部品組み合わせ型の固定子の一例の断面図である。
【図７】従来のリニアアクチュエータに用いているもので、ブロックから削り出し加工して形成した固定子の一例の断面図である。
【符号の説明】
１０、５０ 固定子／可動子アセンブリー
１１、５１ 固定子
１２、５２ ヨーク
１２１、５２１ 側板
１２２、５２２ 底板
１３、２１ レール
１４ 永久磁石
１５ 可動子
１５１ 励磁コイル
２０ アルミフレーム
３０ 可動テーブル
３１ ローラー
３２ ブラケット
５２３ ねじ

Claims (2)

1. 断面Ｕ字状に形成され、長手方向に延びるヨークとその内周面に長手方向に交互に磁極が異なるようにかつ異極が対向するように配設された複数個の永久磁石とを有する固定子と、前記永久磁石の表面に沿って形成された磁気空隙内に配設されるコイルを備えかつ前記ヨークの長手方向に沿って走行可能に設けた可動子とを有するリニアアクチュエータにおいて、前記ヨークは、前記永久磁石の幅の１／３〜１／５の厚さを有する鋼材から塑性加工により一体成形されたもので長手方向全長に亘って一体で一様断面を持つことを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記ヨークが、非磁性体フレームの内周面に着脱自在に装着されている請求項1記載のリニアアクチュエータ。

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