JP4488929B2 - リニアモータアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極とが交互に並ぶ固定子としてのマグネットロッドに対して、可動子としてのコイル部材が相対的に運動するリニアモータアクチュエータに関する。

特開２００２−１３６０９７号公報 特開平１１−１５０９７３号公報

リニアモータアクチュエータは、Ｘ−Ｙテーブルや物品搬送装置等のＦＡ機器において、物品、部材等を直線的に移動させる目的で多用されている。この種のリニアモータアクチュエータは、通常、搬送対象である物品等の可動体を搭載する案内テーブルと、この案内テーブルを直線往復運動自在にする直線案内装置と、前記案内テーブルに対して推力を与えるリニアモータと、前記案内テーブルの位置を検出するリニアエンコーダとから構成されており、かかるリニアエンコーダの検出値に応じて前記リニアモータを制御することで、案内テーブルに任意の移動量を高精度に与えることが可能となっている（特開２００２−１３６０９７号公報等）。

前記リニアモータとしては、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極とが交互に並ぶ固定子としての界磁マグネットをベースプレート上に配設する一方、前記直線案内装置によって支承された案内テーブルの下面側に可動子としてのコイル部材を設け、これら界磁マグネットとコイル部材とをわずかな隙間を介して対向させたものが知られている。

しかし、このように界磁マグネットをベースプレート上に配設した場合、コイル部材と界磁マグネットを対向させるためには、かかる界磁マグネットを跨ぐようにして前記案内テーブルを設ける必要があり、更には界磁マグネットの両側に一対の直線案内装置を設けて前記案内テーブルの直線往復運動を支承する必要があり、アクチュエータの構造そのものが大型化してしまう傾向にある。

一方、リニアモータの他の形式としては、所謂シャフト型のものが知られている（特開平１１−１５０９７３号公報）。このシャフト型のリニアモータは、棒状に形成されると共に軸方向に沿って所定のピッチでＮ極及びＳ極が繰り返し配列され、両端がベースプレート上に支持される固定子としてのマグネットロッドと、このマグネットロッドの周囲に僅かな隙間を介して遊嵌しているコイル部材とから構成されており、コイル部材に通電することで、かかるコイル部材がマグネットロッドの周囲を軸方向に沿って運動するように構成されている。

このシャフト型のリニアモータでは、前記マグネットロッドの周囲をコイル部材が取り囲んでいることから強力な推力を発揮することができ、かかるリニアモータを用いてアクチュエータを構成した場合には、小型化を図りながらも案内テーブルに対して大きな推力を与えることが可能となる。また、案内テーブルの往復運動を支承する直線案内装置は、通常、ベースプレート上に配設される軌道レールと、この軌道レールに沿って運動するスライダとから構成されているが、このシャフト型リニアモータでは前記コイル部材をスライダに固定し、更にコイル部材の上に案内テーブルを固定する所謂ビルトアップ構造を採用することが可能となり、特開２００２−１３６０９７号公報に開示されるリニアモータアクチュエータのように２軸の直線案内装置を使用するタイプに比べて、アクチュエータそのものを小型化し易いといった特質がある。

しかし、リニアモータを構成するコイル部材は通電によって著しく発熱することから、ビルトアップ構造を採用してコイル部材を直接スライダに固定したのでは、かかるコイル部材で発生した熱がスライダに流入してしまい、直線案内装置の移動精度や寿命に悪影響が及ぶ懸念がある。コイル部材からスライダへの熱伝導を防止するためには、これら両者の間に断熱部材を介在させる等の手法が考えられるが、コイル部材とマグネットロッドとの間で発生した推力をスライダに伝達するという観点からすれば、コイル部材は高い剛性でスライダと一体化されることが必要であり、断熱部材にも高い剛性が要求されることから、かかる断熱部材の構造的、材質的制約が大きく、製造コストのアップにつながってしまう。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、アクチュエータ全体の小型化を図りつつも、コイル部材から直線案内装置のスライダに対して熱が流入し難く、しかも低コストで制作することが可能なリニアモータアクチュエータを提供することにある。

すなわち、本発明のリニアモータアクチュエータは、ベースプレートと、このベースプレート上に配設された軌道レールと、この軌道レールに沿って自在に往復運動可能なスライダと、このスライダの直上で前記軌道レールと平行に両端支持されると共に、軸方向に沿って所定のピッチで多数の磁極が配列された固定子としてのマグネットロッドと、前記スライダに固定されると共に前記マグネットロッドの周囲に遊嵌する可動子としてのコイル部材と、前記マグネットロッドの直上に位置すると共に前記コイル部材及びスライダと共に往復運動する案内テーブルとから構成され、前記案内テーブルがサポート部材を介して前記スライダに固定されて、これら案内テーブルとスライダとの間には前記コイル部材の収容空間が形成されると共に、前記コイル部材はスライダに接触することなく前記収容空間内に保持されているものである。

このような本発明のリニアモータアクチュエータによれば、サポート部材を介して案内テーブルをスライダに固定することにより、これらスライダと案内テーブルの間にはリニアモータを構成するコイル部材の収容空間が形成される。コイル部材は前記収容空間内に保持される一方、スライダに対しては非接触に保たれている。コイル部材を前記収容空間内に保持する方法としては、かかるコイル部材を案内テーブルに固定するようにしても良いし、前記サポート部材に固定するようにしても良いが、少なくともスライダとコイル部材との間には隙間が形成され、両者は非接触の状態に保たれている。これにより、コイル部材への通電によって発生した熱がスライダへ直接流入するのを防止することができ、軌道レールに対するスライダの移動精度や、かかるスライダの寿命に悪影響が及ぶのを防ぐことが可能となる。

また、断熱部材を用いることなく、コイル部材からスライダへの熱の流入を防止することができ、しかも簡易な構造でこれを達成することができるので、製造コストを抑えながら前記効果を得ることができる。

更に、スライダとコイル部材との間に隙間が形成されることにより、かかる隙間にウォータージャケットの等のクーラを設置することも可能であり、しかも該クーラには何ら荷重が作用しないので、機械的強度を気にすることなく種々の形式のものを採用することができる。

そして、このようにコイル部材で発生した熱がスライダに伝わるのを防止することができることから、コイル部材の発熱を気にすることなく該コイル部材に通電することができ、通電電流値を高めることでリニアモータに大きな推力を発生させることが可能となる。

以下、添付図面に基づいて本発明のリニアモータアクチュエータを詳細に説明する。

図１は本発明のリニアモータアクチュエータの一実施例を示す概略側面図である。このリニアモータアクチュエータ１は、長尺なベースプレート２と、このベースプレート２上にその長手方向に沿って配設された１条の軌道レール３と、この軌道レールに沿って直線往復運動自在なスライダ４と、このスライダ４に固定されると共に可動体の取付面を備えた案内テーブル５と、この案内テーブル５に対して推力を与えるリニアモータ６とから構成されており、案内テーブル５上に搭載した可動体をベースプレート２の長手方向に沿って往復運動させ、任意の位置に停止させることができるようになっている。

図２は前記リニアモータ６を示す斜視図である。このリニアモータ６は、長尺な円柱状に形成された固定子としてのマグネットロッド６ａと、このマグネットロッド６ａの周囲に僅かな隙間を介して遊嵌した可動子としてのコイル部材６ｂとから構成されている。前記マグネットロッド６ａには軸方向に沿って複数の永久磁石６０が配列されており、外周面は円滑に加工されている。図３に示すように、各永久磁石６０はＮ極及びＳ極を有しており、互いに隣接する永久磁石６０はＮ極同士またはＳ極同士が対向するように交互に向きを逆転させて配列されている。これにより、マグネットロッド６ａにはその長手方向に沿ってＮ極の磁極とＳ極の磁極が交互に並んだ駆動用の着磁部が形成され、これが界磁マグネットとなっている。

図１に示すように、このマグネットロッド６ａはその両端が一対のエンドプレート２０，２１に夫々固定されており、また、一対のエンドプレート２０，２１はベースプレート２の長手方向の両端部に互いに対向するように固定されている。すなわち、前記マグネットロッド６ａはベースプレート２上に両端支持梁の如く固定されている。

一方、コイル部材６ｂは全体が四角柱状に形成されるハウジング６１内に円筒状の励磁コイル６２を収納して構成される。前記ハウジング６１は熱伝導性に優れたアルミニウムで形成されると共に、その表面には複数の放熱フィン６３が前記マグネットロッドの長手方向と平行に立設されており、前記励磁コイル６２に通電した際に該励磁コイル６２で発生する熱を効率よくハウジング６１に伝達すると共に、周辺雰囲気中に放熱し、励磁コイル６２そのものを効果的に冷却することができるようになっている。

図３及び図４はこのリニアモータ６の作動原理を示す。励磁コイル６２はＵ，Ｖ及びＷ相の３つのコイルを１組とするコイル群を有している。いずれの相の励磁コイル６２もリング状であり、マグネットロッド６ａの外周面と僅かな隙間を介して対向している。また、各相の励磁コイル６２の配列ピッチは永久磁石６０の配列ピッチよりも短く設定される。マクネットロッド６ａにはＳ極の磁極からＮ極の磁極に向かって磁束６４が形成されており、コイル部材６ｂにはその磁束密度を検出する磁極センサ（図示せず）が内蔵されている。従って、この磁極センサの出力する検出信号から励磁コイルに対するマグネットロッドの各磁極（Ｎ極及びＳ極）の位置関係が把握される。励磁コイルへの通電を制御しているコントローラは前記磁極センサの検出信号を受信し、励磁コイルとマグネットロッドの各磁極との位置関係に応じた最適な電流を演算し、それを各励磁コイルに通電する。その結果、各励磁コイル６２に流れる電流と永久磁石６０によって形成される磁束６４との相互作用によって、励磁コイル６２と永久磁石６０の各磁極との間に吸引力及び反発力が発生し、コイル部材６ｂがマグネットロッド６ａの軸線方向に推進されることになる。

図５及び図６は、前記ベースプレート２に対する軌道レール３、スライダ４、案内テーブル５及びコイル部材６ｂの組み付け状態を示す側面図及び正面断面図であり、図６は図５のＶＩ−ＶＩ線断面図を示している。

前記軌道レール３及びスライダ４は前記ベースプレート２上で案内テーブル５を自在に往復運動させる直線案内装置を構成している。前記軌道レール３は長手方向に垂直な断面が略矩形状に形成されており、ベースプレート２の全長と略同じ長さに形成されると共に、かかるベースプレート２に対しその長手方向と平行に配設されている。また、軌道レール３にはその両側面及び上面には長手方向に沿って複数条のボール転走溝が形成されている。

一方、この軌道レール３に沿って移動するスライダ４は、軌道レール３の上部が僅かな隙間を介して遊嵌する案内溝を有してサドル状に形成されると共に、多数のボールが循環するボール無限循環路を具備しており、前記ボールが軌道レール３のボール転走溝を転走することで軌道レール３に沿って連続的に移動することが可能となっている。このスライダ４は軌道レール３の長手方向と垂直な方向、すなわち該スライダ４の移動方向と垂直な方向に作用する荷重を負荷しており、リニアモータ６のコイル部材６ｂに対してマグネットロッド６ａの軸方向以外の荷重が作用するのを防止している。

尚、軌道レール３及びスライダ４の組み合わせとしては市販の直線案内装置 （例えば、ＴＨＫ株式会社製ＬＭガイド）を使用可能であり、案内テーブル５に作用する荷重の大きさや方向などに応じ、市販されている種々のタイフの直線案内装置の中から任意の直線案内装置を選択することができる。

前記ベースプレート２には軌道レール３の底部を収容するための固定基準溝２２が長手方向に沿って形成されており、軌道レール３はその側面をこの固定基準溝２２の側面に突き当てた状態で、固定ボルト２１によってベースプレート２に固定されている。この固定基準溝２２は前記エンドプレート２０，２１によって両端支持されたマグネットロッド６ａの軸方向と平行に形成されており、これによって軌道レール３とマグネットロッド６ａの平行が確保されるようになっている。また、図６に示すように、ベースプレート２の幅方向の一端には長手方向に沿って側壁２４が立設されており、この側壁２４の外側面にはリニアエンコーダを構成するマグネットスケール４０がスライダ３の移動方向の全域にわたって固定されている。

更に、前記スライダ４には案内テーブル５を支持するためのサドルプレート８が固定されている。このサドルプレート８は取り付けボルト８０によってスライダ４の上部取付面に固定されている。図６に示すように、サドルプレート８の幅方向の一端には前記リニアエンコーダの読み取りヘッド４１を固定するためのフランジ部８１が突設されており、このフランジ部８１はベースプレート２の側壁２４を乗り越えるようにして設けられている。リニアエンコーダの読み取りヘッド４１は前記フランジ部８１から吊り下げられるようにして固定されており、ベースプレート２の側壁２４に固定されたマグネットスケール４０と対向している。これにより、スライダ４が軌道レール３に沿って移動すると、リニアエンコーダの読み取りヘッド４１がマグネットスケール４０に沿って移動し、かかる読み取りヘッド４１の出力信号からベースプレート２に対するスライダ４の移動量を把握することができるようになっている。

前記リニアエンコーダとしては、このリニアモータアクチュエータの用途に応じた分解能のものを選択して用いることが可能であり、マグネットスケールにおける磁気の変化を検出するタイプのものや、スケール表面に形成されたパターンを光学的に読み取るタイプのもの等、任意に選択することが可能である。

図５に示すように、前記サドルプレート８の移動方向の前後両端には一対のサホートプレート９ａ，９ｂが立設されており、案内テーブル５はこれら２枚のサポートプレート９ａ，９ｂに固定されている。各サポートプレート９ａ，９ｂは固定ボルト９０によってサドルプレート８及び案内テーブル５に固定されており、その中心には図６に示すように、前記マグネットロッド６ａが貫通する開放孔９１が形成されている。
そして、サドルプレート８と案内テーブル５の間にはサポートプレート９ａ，９ｂによって前後から挟まれた空間が存在するが、この空間が前記リニアモータ６のコイル部材６ｂの収容空間９２となっている。

尚、前記サドルプレート８はスライダ４と一体に形成することも可能であり、サポートプレート８をスライダ４の前後に直接立設することができるのであれば、敢えて設けるには及ばない。

また、一対のサボートプレート９ａ，９ｂは本発明のサポート部材に相当するものであるが、かかるサポート部材は案内テーブル５とスライダ４との間にコイル部材６ｂの収容空間９２を形成するものであれば、必ずしも２枚のサポートプレートとして構成される必要はなく、例えば、案内テーブル５とスライダ４とを互いに非接触に結合する断面略Ｕ字型のブラケットであっても差し支えない。

前記コイル部材６ｂはサドルルプレート８及びサポートプレート９ａ，９ｂには直接固定されず、案内テーブル５を貫通する吊り下げボルト５０によって該案内テーブル５の下面に固定され、その状態で前記マグネットロッド６ａに遊嵌している。また、コイル部材６ｂへの通電によって発生した熱が案内テーブル５に対して流入するのを防止するため、案内テーブル５とコイル部材６ｂとの間には断熱部材５２が介装され、更に吊り下げボルト５０と案内テーブル５の間にも断熱部材５３が介装されている。

このようにコイル部材６ｂは案内テーブル５から吊り下げられた状態で前記収容空間９２に位置しており、サドルプレート８とサポートプレート９ａ，９８ｂに対しては非接触の状態が保たれている。すなわち、コイル部材６ｂとサドルプレート８、コイル部材６ｂとサポートプレート９ａ，９ｂとの間には空間が形成されている。

以上のように構成されたこのリニアモータアクチュエータでは、前記コイル部材６ｂの励磁コイル６２に対して通電することにより、かかる励磁コイル６２とマグネットロッド６ａの各磁極６０との間に吸引力及び反発力が発生し、前記コイル部材６ｂに固定された案内テーブル５がマグネットロッド６ａの軸方向へ推進される。また、コイル部材６ｂの励磁コイル６２に対する通電はリニアエンコーダの検出信号に応じて制御され、それによって案内テーブル５をベースフレート２上の所定の位置で停止させることができるようになっている。

このようなリニアモータアクチュエータ１では案内テーブル５に対して連続的に往復運動を与えると、励磁コイル６２が通電によって発熱し、かかる熱エネルギがコイル部材６ｂのハウジング６１を通じて周辺部材に流入していくことになる。しかし、この実施例のリニアモータアクチュエータ１では、コイル部材６ｂのハウジング６１を案内テーブル５から吊り下げて固定しており、かかるコイル部材６ｂはスライダ４に固定されたサドルプレート８及びサホートプレート９ａ，９ｂには接していないので、コイル部材６ｂとこれらサドルプレート８及びサポートプレート９ａ，９ｂの間には空気層が存在している。このため、コイル部材６ｂで発生した熱エネルギがスライダ４に対して流入するのを効果的に防止することができ、運転中におけるスライダ４の昇温を防止することができるものである。従って、軌道レール３に対するスライダ４の移動精度が低下したり、スライダ４に保持されているグリースなどの潤滑剤が早期に酸化したりしてしまうのを防止することができ、軌道レール３及びスライダ４から構成される直線案内装置の寿命が短命化するのを防止することも可能となる。

また、コイル部材６ｂの収容空間９２はその前後こそはサポートプレート９ａ，９ｂによって挟まれているが、コイル部材６ｂの移動方向の左右は外部雰囲気に開放されており、コイル部材６ｂのハウジング６１に立設した放熱フィン６２が開放部に面することによって、かかる放熱フィンが空冷され易くなっている。これによってもコイル部材６ｂで発生した熱エネルギがスライダ４へ伝わるのを効果的に防止することができるようになっている。

更に、前記サポートプレート９ａ，９ｂに形成された開放孔９１の面積はこれを貫通するマグネットロッド６ａの断面積よりも著しく大きく、マグネットロッドの外周面と開放孔の内周面との間には十分な大きさの空間が設けられている。このため、案内テーブル５、サポートプレート９ａ，９ｂ、サドルプレート８及びコイル部材６ｂがスライダ４と一体となって軌道レール３に沿って運動すると、移動方向の前側に位置するサポートプレート９ａ（又は９ｂ）の開放孔９１からコイル部材６ｂの収容空間９２に対して空気が流入する一方、収容空間９２内の空気が後側に位置するサポートプレート９ｂ（又は９ａ）の開放孔９１から収容空間９２外へ排出されることになる。これによってもコイル部材６ｂのハウジング６１の空冷を促進することが可能となっている。特に、前記ハウジング６１にはマグネットロッド６ａの長手方向、すなわちコイル部材６ｂの移動方向に沿って放熱フィン６３が立設されていることから、前述した収容空間９２内の空気の流動方向は放熱フィン６３の立設方向と合致しており、放熱フィン６３の周囲における空気の流動が一層促進されることになる。従って、サポートプレート９ａ，９ｂの開放孔９１はコイル部材６ｂの冷却を一層促進するものである。

また更に、この実施例ではコイル部材６ｂとサドルプレート８との間には何も配置せず、そのまま断熱のための空間として利用したが、コイル部材６ｂを積極的に冷却するという観点からすれば、コイル部材６ｂとサドルプレート８との間にウォータジャケット等のクーラを設けることもできる。その場合、コイル部材６ｂは案内テープル５から吊り下げられて固定されているので、クーラはコイル部材６ｂに接触さえしていれば、特に機械的強度を必要とされず、その分だけクーラの設計を容易に行うことが可能となる。従って、リニアモータ６に強大な推力が要求される用途に使用する場合、すなわちコイル部材６ｂの発熱量が大きくなると考えられる用途に使用する場合には、設計の自由度を高めることができ、低コストで製造することが可能となる。

本発明のリニアモータアクチュエータの実施例の概略を示す側面図である。 実施例に係るリニアモータを示す斜視図である。 実施例に係るリニアモータの動作原理を示す側面図である。 実施例に係るリニアモータの動作原理を示す正面図である。 実施例に係るリニアモータアクチュエータの腰部を示す側面拡大図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。

符号の説明

１…リニアモータアクチュエータ、２…ベースプレート、３…軌道レール、４…スライダ、５…案内テーブル、６…リニアモータ、６ａ…マグネットロッド、６ｂ…コイル部材、９ａ，９ｂ…サポートプレート、９２…収容空間

Claims (6)

1. ベースプレートと、このベースプレート上に配設された軌道レールと、この軌道レールに跨って遊嵌する共に当該軌道レールに沿って自在に往復運動可能なスライダと、前記軌道レールと平行に両端支持されると共に、軸方向に沿って所定のピッチで多数の磁極が配列された固定子としてのマグネットロッドと、前記スライダに固定されると共に前記マグネットロッドの周囲に遊嵌する可動子としてのコイル部材と、前記コイル部材及びスライダと共に往復運動する案内テーブルとから構成され、前記軌道レール、スライダ、マグネットロッド及び案内テーブルは、前記ベースプレートに対してその法線方向にこの順で配置されるリニアモータアクチュエータにおいて、
   前記案内テーブルはサポート部材を介して前記スライダに固定されて、これら案内テーブルとスライダとの間には前記コイル部材の収容空間が形成されると共に、前記コイル部材は前記案内テーブルに固定された状態で前記収容空間内に保持されて前記スライダと非接触であることを特徴とするリニアモータアクチュエータ。
2. 前記コイル部材は案内テーブルの下面側に保持されていることを特徴とする請求項１記載のリニアモータアクチュエータ。
3. 前記コイル部材はサポート部材とも非接触であることを特徴とする請求項２記載のリニアモータアクチュエータ。
4. 前記サポート部材は前記コイル部材の収容空間を挟むようにしてスライダに立設された一対のサポートプレートを含み、かかる収容空間が外部雰囲気に開放されていることを特徴とする請求項１記載のリニアモータアクチュエータ。
5. 一対のサポートプレートはスライダの移動方向の前後両端において前記収容空間を挟むように立設され、かかるサポートプレートには前記マグネットロッドの貫通する開放孔が設けられていることを特徴とする請求項４記載のリニアモータアクチュエータ。
6. 前記コイル部材には前記収容空間の開放部に対応して放熱フィンが形成されていることを特徴とする請求項５記載のリニアモータアクチュエータ。