JP4074170B2

JP4074170B2 - リニアモータを用いた送り装置

Info

Publication number: JP4074170B2
Application number: JP2002290401A
Authority: JP
Inventors: 庸市川井
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: JP2004129394A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械や産業機械に使用されるリニアモータを用いた送り装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、工作機械や産業機械の高速化に伴い、リニアモータを採用した送り装置が多く用いられるようになってきた。現在主流となっているブラシレスサーボモータでボールネジを回転させ、ボールネジに取り付けられたテーブルが一軸方向に移動するタイプの送り装置においては、７０ｍ／ｍｉｎ程度の送り速度が一般的であったのに対して、リニアモータを採用した送り装置では、４００ｍ／ｍｉｎ以上の高速送りを実現している。
【０００３】
一方、リニアモータを用いた送り装置は、ボールネジを使用するタイプの送り装置に比べて、ボールネジの回転方向のたわみや、ブラシレスサーボモータとボールネジを接続するカップリングのたわみのような、いわゆるたわみ系が無く、テーブルをダイレクトに駆動するため、ボールネジを使用するタイプの送り装置に比べて位置決め精度が優れているといった特徴がある。
【０００４】
一般的なリニアモータを用いた送り装置は、固定されたベッドにガイド機構を介して一軸方向に移動可能となるようにテーブルが配置され、ベッドとテーブルには、それぞれリニアモータの固定子と可動子とが、所定のギャップを設けて固定されている。このように配置されたリニアモータにおいて、固定子または可動子に巻回された巻線に電流を印加することにより、リニアモータに推力を発生させ、テーブルを移動可能としている。
【０００５】
図４は、従来技術によるリニアモータを用いた送り装置を示す図である。図４（ａ）は送り装置をテーブルスライド方向から見た図であり、図４（ｂ）は送り装置をテーブルスライド方向に垂直な側面方向から見た図である。また、図５は、図４で示したリニアモータを用いた送り装置をテーブルスライド方向に切断した断面図である。
【０００６】
図４、図５を参照して、従来技術によるリニアモータの送り装置の構成および動作について説明する。
【０００７】
図４、図５において、固定されたベッド４０に、転がりガイド４２を介して矢印４４の方向に移動可能となるようにテーブル４６が配置され、ベッド４０とテーブル４６には、それぞれリニアモータの可動子４９と、固定子５０が所定のギャップを設けて固定されている。リニアモータの固定子５０には、永久磁石５２がテーブル４６のスライド方向に所定の間隔を持って複数個配置されている。また、可動子４９の内部には巻線５４が巻回されている。固定子５０に配置された永久磁石５２により界磁磁束５６が発生し、巻線５４に電流を印加することにより、フレミングの左手の法則に対応した推力Ｆ＝磁束密度Ｂ×電流Ｉ×巻線長Ｌが発生し、テーブル４６が駆動される。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−１９２３２６号公報
【特許文献２】
特開２０００−１４１２０号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術では、以下のような課題があった。
【０００９】
従来技術において、リニアモータの可動子４９と固定子５０間には、一般的に推力の３倍以上の強力な磁気吸引力が発生する。したがって、特に精密な位置決めを必要とされる工作機械の送り装置においては、磁気吸引力により、テーブル４６や転がりガイド４２が変形するという問題があった。これに対して、磁気吸引力による変位を小さくするために、テーブル４６や転がりガイド４２の剛性を上げなければならず、テーブル４６の重量増加による加速性能の悪化や、コスト増加の要因となっていた。
【００１０】
上記課題を解決するための技術として、特開平８−１９２３２６や、特開２０００−１４１２０において、リニアモータの磁気吸引力によるテーブルの変形を防ぐ構造を提案している。
【００１１】
図６は、特開平８−１９２３２６に示された送り装置を示した図である。明細書には、「この構成によれば、リニアモータの磁気垂直力によって1次側部材７と２次側部材９との間に吸引力が発生すると、ブラケット２５の水平片部３１ｄが片持ち梁であることから、水平片部２９ｄが取付台座部２７との接続部を曲げ点として弾性変形する。この弾性変形によってリニアモータとリニアモータによる吸引力が吸収され、吸引力がベッド１ｄ、ベッド５ｄが吸引力によって変形することが回避される。」と記載されている。
【００１２】
一方、図７は、特開２０００−１４１２０に示された送り装置を示した図である。明細書には、「コイル３０ａとマグネット３０ｂ間に働くＹ方向の電磁力Ｆ１と、コイル３１ａとマグネット３１ｂ間に働くＹ方向の電磁力Ｆ２はハウジング３２の位置により異なる場合があり、ハウジング３２のＹ方向に１００ｋｇ程度の力が加わることがある。このような場合、ベアリング３４ｂのボールが弾性変形して、ハウジング３２は数１０μｍだけＹ方向にずれる。本実施例の形態における、ハウジング３２は、弾性を備えたジョイント３５を介してテーブル３に接続されているので、ハウジング３２のみＹ方向に移動し、テーブル３はＹ方向に移動しない。」と記載されている。
【００１３】
しかしながら、上記特開平８−１９２３２６に示されたリニアモータを用いた送り装置では、リニアモータの磁気吸引力によるテーブル５ｄが変形することを防ぐことはできない。なぜならば、リニアモータの可動子と固定子に相当する1次側部材７と２次側部材９の間には、テーブル５ｄが移動可能とするためのエアギャップが存在するために、水平片部２９が磁気吸引力により弾性変形しても、リニアモータの可動子７と固定子９間に働く磁気吸引力は低下するわけではなく、テーブル５ｄとベッド１ｄはその磁気吸引力を受け変形してしまうからである。しかも、水平片部２９が弾性変形することで、可動子７と固定子９のエアギャップが減少するため、磁気吸引力はさらに増加し、テーブル５ｄとベッド１ｄをより大きく変形させるという問題が発生する。
【００１４】
また、特開２０００−１４１２０の送り装置においても、上記特開平８−１９２３２６の送り装置と同様、弾性を備えたジョイント３５が変形しても、コイル３０ａとマグネット３０ｂ間およびコイル３１ａとマグネット３１ｂ間にエアギャップが存在するために、磁気吸引力は低下せず、上記テーブル３の変位を防ぐことはできない。さらに、ジョイント３５が変形することにより、コイル３０ａとマグネット３０ｂ間およびコイル３１ａとマグネット３１ｂ間のエアギャップがさらにアンバランスとなり、磁気吸引力が増大し、テーブル３の変位をより悪化させるという問題が発生する。
【００１５】
本発明は、上記問題点を解決するもので、リニアモータの磁気吸引力によるテーブルやリニアガイドの変形を低減したリニアモータを用いた送り装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る、リニアモータを用いた送り装置は、リニアモータの固定子と、送り方向に延設した二つの第一のガイドと、第二のガイドと、を有するベッドと、前記第一のガイドで各々支持される二つの脚部を有し前記ベッドに対してスライド可能に設置されたテーブルと、前記第二のガイドで支持され、前記固定子に対向配置されたリニアモータの可動子と、前記可動子を取り付け、前記テーブルをスライド方向に押圧し、前記スライド方向と垂直な方向に前記二つの脚部内を滑動可能である押圧部と、を有するテーブル駆動部材と、を備えるものである。
【００１７】
また、前記送り装置は、前記テーブル駆動部材の押圧部と、前記テーブルとの間に配置されたボールケージを備えることが好ましい。
【００１８】
また、前記送り装置は、前記テーブル駆動部材の押圧部と、前記テーブルとの間に配置されたすべりガイドを備えることが好ましい。
【００１９】
また、本発明に係る、リニアモータを用いた送り装置は、リニアモータの固定子と、送り方向に延設した二つの第一のガイドと、第二のガイドを有するベッドと、前記第一のガイドで各々支持される二つの脚部を含み前記ベッドに対してスライド可能に設置されたテーブルと、前記第二のガイドで支持され、前記固定子に対向配置されたリニアモータの可動子を有するテーブル駆動部材と、前記テーブル駆動部材を前記二つの脚部に接続する接続部材であって、前記テーブルのスライド方向に剛性が高く、前記スライド方向と垂直な方向に剛性が低い接続部材と、を備えるものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００２１】
第１の実施形態．
図１は、第１の実施形態に係るリニアモータを用いた送り装置を示した図である。図１（ａ）は送り装置をテーブルスライド方向から見た図であり、図１（ｂ）は送り装置をテーブルスライド方向に垂直な側面方向から見た図である。図１を参照しながら、本実施形態について説明する。
【００２２】
まず、装置の構成について説明する。装置の基台となるベッド６０が、床などに固定して設置される。ベッド６０の上面には２筋の水平に延びる凸部６１があり、この２筋の凸部６１は、共にテーブルスライド方向に延設されている。また、凸部６１の上面及び左右両側面には、後述する転がりガイド６２の鋼球が転がる通路となる溝が形成されている。
【００２３】
また、ベッド６０にはリニアモータの固定子５０が固定されている。この固定子５０は、平板形状であり、平板上面にはテーブルスライド方向に所定間隔おきに磁石５２が並べて配置されている。また、平板の両端から、２筋の凸部５１が上方に突出して形成されている。これら２筋の凸部５１も、テーブルスライド方向に延設されている。これらの凸部５１の上面及び左右両側面にも、転がりガイド６４の鋼球の通路となる溝が形成されている。なお、固定子５０は、ベッド６０とは別部品として製作したものをベッド６０に取り付け固定してもよく、または、ベッド６０と同じ素材で製造し、一体のものとしてもよい。
【００２４】
テーブル６６は上部が平板であり、その平板の四隅から下方に４本の脚部６７が突出した形状となっている。これらの各脚部６７の下面には転がりガイド６２が固定されており、各転がりガイド６２をベッド６０の凸部に係合させることで、テーブル６６が、ベッド６０に対して、凸部が延設された方向（図中に矢印６５で示すテーブルスライド方向）にスライド可能となる。また、スライド方向に並べて配置されたテーブル６６の脚部６７間は溝部７０となっており、この溝部７０において、脚部６７の対向する各面には、ボールケージ７２が配置されている。ボールケージ７２は、並べて配置された複数の鋼球と、これらの鋼球を保持する保持器とで構成される。鋼球は、保持器に対して回転可能である。なお、脚部６７が対向する各面は、テーブルスライド方向に対して垂直な面であり、よって、複数の鋼球は、その垂直な面上に並べて配置される。
【００２５】
ベッド６０とテーブル６６の間には、テーブル駆動部材４８が配置されている。テーブル駆動部材４８は、リニアモータの可動子４９と、テーブルを押す押圧部６８と、固定子５０の凸部と係合する転がりガイド６４と、で構成されている。２つの転がりガイド６４は、転がりガイド６２と同様に、２筋の凸部５１に係合し、テーブル駆動部材４８をテーブルスライド方向にスライド移動可能としている。
【００２６】
リニアモータの可動子４９は、固定子５０上に配置された磁石５２に対して、所定のギャップを設けて配置されている。可動子４９の内部には図５で示した巻線５４が巻回されている。固定子５０に配置された永久磁石５２により界磁磁束が発生し、巻線５４に電流を印加することにより、フレミングの左手の法則に対応した推力Ｆ＝磁束密度Ｂ×電流Ｉ×巻線長Ｌが発生し、テーブル６６を駆動する駆動原理については、従来のリニアモータと同様である。
【００２７】
押圧部６８は、可動子４９から水平方向に突出した２本の柱状部材である。この２本の押圧部６８は、リニアモータの可動子４９を挟んで対称となる位置に取付けられている。各押圧部６８は、それぞれ２枚のボールケージ７２の間に挿入される。なお、押圧部６８、溝部７０及びボールケージ７２は、押圧部６８をボールケージ７２間に圧入して使用するのがスライド方向のガタを無くすために好ましい。ただし、圧入時のシメシロを大きくしすぎると押圧部６８および溝部７０に圧痕がつき、ボールケージ７２が滑らかに移動できなくなるため、例えば直径５ｍｍのボールでは、シメシロを１０〜１５μｍ程度とするように、適正なシメシロを付けて使用することが必要である。
【００２８】
次に、本発明におけるリニアモータを用いた送り装置の動作を説明する。リニアモータのテーブル駆動部材４８は、テーブル６６に直接固定されずに、押圧部６８とボールケージ７２を介してテーブル６６に取付けられている。リニアモータの巻線５４に電流を印加してリニアモータが推力を発生すると、この推力は押圧部６８からボールケージ７２を介してテーブル６６に伝わり、テーブル６６をスライド方向（矢印６４方向）に駆動する。一方、リニアモータに磁気吸引力が発生し、可動子４９が固定子５０方向に変形した結果、押圧部６８がスライド方向と垂直な矢印７４で示す方向に変形しても、押圧部６８は、ボールケージ７２上を滑って矢印７４方向にスライドするため、テーブル６６には磁気吸引力による変形の影響は及ばない。
【００２９】
上述したように本実施形態による構成では、従来技術で示した特開平８−１９２３２６や特開２０００−１４１２０で示した送り装置とは異なり、テーブル６６に対してスライド方向と垂直な方向に滑動可能な押圧部で、テーブルを押して駆動するため、テーブル６６に磁気吸引力が伝わらず、テーブル６６や転がりガイド６２も変形することがない。
【００３０】
ただし、ベッド６０に関しては、リニアガイドの磁気吸引力を受けることになる。しかしながら、工作機械等のベッドは、高い加速性能を得るため軽量化を行わなければならないテーブルとは異なり、テーブルよりはるかに高い剛性を得る構造を採用することができるため、磁気吸引力による変形は実用状問題のない小さなレベルに抑えることができる。
【００３１】
第２の実施形態．
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態に係る送り装置が、第１の実施形態と異なる点は、ボールケージ７２の代わりにすべりガイド７６が、テーブル６６の溝部７０に配置された点である。図２は、このすべりガイド７６が配置された溝部７０の側面図である。この場合もボールケージ７２を使用した場合と同様、押圧部６８がすべりガイド７６上を滑って、磁気吸引力が発生する矢印７４方向にスライドするため、上記実施例と同様の効果が得られる。なお、すべりガイド７６の材質については、ホワイトメタルやケルメット等の耐摩耗性に優れ、摩擦係数の小さい金属材料や、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリ四化エチレン樹脂等、耐摩耗性や潤滑性に優れた合成樹脂を使用することが好ましいが、特に材料を特定するものではなく、耐摩耗性や潤滑性に優れた材料であれば前記材料と同様、本発明に適用することができる。
【００３２】
また、押圧部６８をスライドさせる機構には、ボールケージ７２のような玉ではなく円筒形状のコロを矢印７４方向に転がるように配置しても同様の動作が行える。このように、磁気吸引力の影響をテーブル６６に与えない機構は上記実施形態で示した機構に限定されるものではない。ただし、押圧部６８をガタなくテーブル６６に配置できるものが好ましい。また、押圧部６８は、リニアモータの発生する推力の大きさによっては、さらに複数個追加して配置しても良い。また、図１において、押圧部６８は、リニアモータの可動子４９を挟んで対象となる位置に取り付けられているが、これも特に機構を限定されるものではなく、可動子４９を挟んで左右非対称に配置しても良い。
【００３３】
第３の実施形態．
図３は、本発明の第３の実施形態を示した図であり、ボールケージ７２と押圧部６８の替わりに、弾性体７５を用いた構造である。弾性体７５は、図３に示した断面形状でテーブルスライド方向の長さ（図３の奥行き方向の長さ）が長いため、テーブル６６のスライド方向に剛性が高く、モータの磁気吸引力、すなわち矢印７４の方向に剛性の低い特性を持っている。この弾性体７５をリニアモータの可動子４９とテーブル６６に結合することにより、リニアモータの磁気吸引力による可動子４９の矢印７４方向の変形は、弾性体７５により吸収されテーブル６６には伝わらず、テーブル６６のスライド方向の推力は、弾性体７５を介してテーブル６６に伝達される。なお、弾性体７５の形状は図３で示した形状に特定するものではなく、テーブル６６のスライド方向に剛性が高く、モータの磁気吸引方向に剛性の低い特性の形状であれば、本発明に適用可能である。
【００３４】
さらに、本発明では、固定子側に永久磁石を配置し、可動子側に巻線を配置した同期型リニアモータの場合について説明したが、永久磁石と巻線を可動子側に持つリニアモータや、永久磁石を使用しないリラクタンス型等、リニアモータにはさまざまなタイプがあり、磁気吸引力を発生するリニアモータでは、本発明を同様に適用可能である。また、４２，６２，６４で示した転がりガイドは、他にすべりガイドや、転がり＋すべり複合のガイドを用いても良い。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によるリニアモータの送り装置では、可動子と固定子間に発生する磁気吸引力がテーブルやガイド機構に影響を与えないように、可動子をテーブルに対してスライド方向にのみ力を伝達するように配置し、リニアモータの磁気吸引力方向にはスライドして力を伝えないように構成にすることで、リニアモータの磁気吸引力によるテーブルやリニアガイドの変形を無くし、テーブルを軽量化することにより加速性能の向上とコスト低減を実現したリニアモータの送り装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるリニアモータの送り装置を示した正面図、側面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す図である。
【図４】従来技術に係るリニアモータの送り装置を示す正面図、側面図である。
【図５】従来技術に係るリニアモータのテーブルスライド方向断面図である。
【図６】特開平８−１９２３２６で開示された従来技術に係るリニアモータのテーブル送り装置の断面図である。
【図７】特開２０００−１４１２０で開示された従来技術に係るリニアモータのテーブル送り装置の断面図である。
【符号の説明】
４０，６０ベッド、４２，６２，６４転がりガイド、４６，６６テーブル、４８テーブル駆動部材、４９可動子、５０固定子、５１，６１凸部、５２永久磁石、５４巻線、５６界磁磁束、６７脚部、６８押圧部、７０溝部、７２ボールケージ、７５弾性体、７６すべりガイド。

Claims

リニアモータを用いた送り装置であって、
リニアモータの固定子と、送り方向に延設した二つの第一のガイドと、第二のガイドと、を有するベッドと、
前記第一のガイドで各々支持される二つの脚部を有し前記ベッドに対してスライド可能に設置されたテーブルと、
前記第二のガイドで支持され、前記固定子に対向配置されたリニアモータの可動子と、前記可動子を取り付け、前記テーブルをスライド方向に押圧し、前記スライド方向と垂直な方向に前記二つの脚部内を滑動可能である押圧部と、を有するテーブル駆動部材と、
を備えることを特徴とする送り装置。
請求項１に記載の送り装置であって、
前記テーブル駆動部材の押圧部と、前記テーブルとの間に配置されたボールケージを備えることを特徴とする送り装置。
請求項１に記載の送り装置であって、
前記テーブル駆動部材の押圧部と、前記テーブルとの間に配置されたすべりガイドを備えることを特徴とする送り装置。
リニアモータを用いた送り装置であって、
リニアモータの固定子と、送り方向に延設した二つの第一のガイドと、第二のガイドを有するベッドと、
前記第一のガイドで各々支持される二つの脚部を含み前記ベッドに対してスライド可能に設置されたテーブルと、
前記第二のガイドで支持され、前記固定子に対向配置されたリニアモータの可動子を有するテーブル駆動部材と、
前記テーブル駆動部材を前記二つの脚部に接続する接続部材であって、前記テーブルのスライド方向に剛性が高く、前記スライド方向と垂直な方向に剛性が低い接続部材と、
を備えることを特徴とする送り装置。