JP4799958B2 - リニアモータシリンダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータシリンダ装置に係り、特に、リニアモータとスプライン機構を組み合わせることによって、従来にないシリンダ装置を実現する技術に関するものである。

例えば、射出成形機の射出装置や建設機械のリンク機構等、機械装置の伸縮動作を実現するアクチュエータとしては、一般的に、油圧シリンダが用いられている。この油圧シリンダでは、圧油供給源である可変ポンプの容量を変化させることで圧油の圧力と流量を変化させ、出力を最大にしながら広い速度範囲と推力範囲が実現されている。

このように駆動される油圧シリンダは、伸縮作動を行う油圧シリンダ本体と、この油圧シリンダ本体に圧油の供給を行う油圧発生装置とから構成されている。油圧シリンダ本体は、油圧ポンプや切換弁等からなる油圧発生装置から圧油の供給を受けることによって、伸縮作動を行えるように構成されている。そしてこれまで、油圧シリンダを構成する油圧シリンダ本体と油圧発生装置とは、油圧シリンダ本体と油圧発生装置とが離間して配置され、油圧配管を通じて両者間で圧油の給排を行うものや、油圧シリンダ本体と油圧発生装置とを一体に構成したものが提供されている（例えば、下記特許文献１参照）。

しかしながら、油圧シリンダは、上述したように油圧シリンダ本体とは別に比較的大きな油圧発生装置を必要とするため、導入の際の製造コストや維持・管理コストが高くなってしまうという課題を有していた。また、油圧シリンダは、大出力であり、且つ、広い速度範囲と推力範囲を実現できる一方、ストローク内での細かい停止位置制御を苦手とするため、高い制御性を要求されるような機械装置には、用いることができなかった。さらには、廃油発生などの環境問題をも抱えていた。

そこで、このような問題を抱える油圧シリンダを、制御が容易でクリーンなモータ等を用いた電動シリンダへ代替するための技術が種々創案されるに至っている。かかる電動シリンダによれば、例えば、コストと制御、設置条件、および環境問題等の点において、油圧シリンダにはない利点を発揮することができる（例えば、下記特許文献２，３参照）。

実開昭６３−１６４６０３号公報 特開平９−２７１１５４号公報 特開２００３−１８４９８１号公報

しかしながら、現在までに提供されている電動シリンダは、モータ等による回転運動を直線運動に変換する機構が必ず必要となるため、モータ駆動力の伝達効率が非常に悪いという問題を有していた。また、装置サイズについても、油圧シリンダと比べれば改善されてはいるものの、モータ等と変換機構との接続をしなければならない関係からコンパクト化の余地は残されており、さらなる装置サイズの極小化が望まれていた。

本発明は、かかる課題の存在に鑑みて成されたものであって、高い制御性という電動シリンダの利点を有しつつ、コンパクトで駆動力の伝達効率が高い新たなシリンダ装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係るリニアモータシリンダ装置は、中空円筒形状の筒形部材と、前記筒形部材に対して進退自在に設置されるシリンダロッドと、を有し、前記筒形部材は、前記シリンダロッドを案内するためのスプライン外筒を備えるとともに、複数の永久磁石を備えることによって界磁束発生源となり、前記シリンダロッドは、ロッド外周面の前記スプライン外筒と対応する位置にスプライン溝を備えるとともに、ロッド外周面の前記複数の永久磁石と対応する位置に磁界を発生させる可動子コイルを巻回されることにより、往復直線運動自在であり、前記複数の永久磁石は、前記スプライン外筒の周方向を一定の隙間を隔てて取り囲むように設置されており、前記可動子コイルは、前記複数の永久磁石と前記スプライン外筒の間に形成される前記隙間に進退自在に構成されることを特徴とする。

本発明に係るリニアモータシリンダ装置において、前記複数の永久磁石は、それぞれが前記シリンダロッドを導通可能な孔を有する環形部材として形成されるとともに、前記筒形部材の軸線方向に積み重ねられて固定されており、さらに、隣り合う永久磁石の孔の内側表面に現れる極性が異なるように設置されることとすることができる。

またさらに、本発明に係るリニアモータシリンダ装置において、前記可動子コイルに電流を供給する電源コードは、前記シリンダロッドの外周側に巻回されて設置されることとすることができる。

さらにまた、本発明に係るリニアモータシリンダ装置において、前記可動子コイルに電流を供給する電源コードには、前記シリンダロッドの往復直線運動に応じて前記電源コードを引き出し・巻き取り自在である線体駆動機構が設置されていることとすることができる。

また、本発明に係るリニアモータシリンダ装置において、前記可動子コイルは、前記シリンダロッドの外周面に突出して設置されるコア鉄心に巻回されて設置されていることとすることができる。

さらに、本発明に係るリニアモータシリンダ装置には、前記シリンダロッドの位置を検出してシリンダロッドの往復直線運動を制御するための位置検出手段が設けられていることとすることができる。

なお上記発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

本発明によれば、シリンダ装置の駆動源として、リニアモータという駆動力を直線運動によって及ぼすことが可能な構成を採用したので、非常に伝達効率が高く、且つ、電動シリンダと同等以上の制御性を備えるシリンダ装置を提供することができる。また、リニアモータの採用によって、従来の電動シリンダでは実現不可能なレベルのコンパクト化を実現したシリンダ装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

［第１の実施形態］
図１、図２および図３を用いて、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置を説明する。ここで、図１は、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の全体構成を示す外観斜視図であり、内部構造の説明のために外郭構成部材の一部を破断線で示してある。また、図２は、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の縦断面側面図であり、図３は、図２におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。

第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置は、中空円筒形状の筒形部材１０と、筒形部材に対して進退自在に設置されるシリンダロッド３０と、を有している。

リニアモータシリンダ装置の外郭を構成する筒形部材１０は、シリンダロッド３０を案内するためのスプライン外筒１４を備えるとともに、複数の永久磁石１７を備えることによって界磁束発生源となる部材である。

スプライン外筒１４は、中空円筒形状である筒形部材１０の一端側に固定設置、又は、一体構造とされる部材であり、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置を固定設置するためのフランジ１３を備える部材である。このスプライン外筒１４は、シリンダロッド３０が有するスプライン溝３４に対応する転走溝を有しており、これら転走溝には、スプライン溝３４が伸びる方向に伸びる複数条の突起が形成されている。そして、スプライン外筒１４に形成された転走溝とシリンダロッド３０に形成されたスプライン溝３４との間で負荷転走路が形成されることになり、負荷転走路の隣には、荷重から解放されたボール１５が移動する無負荷戻し通路が形成されている。また、スプライン外筒１４には、複数のボール１５をサーキット状に整列・保持する保持器１６が組み込まれている。そして、複数のボール１５が、スプライン外筒１４の転走溝とシリンダロッド３０のスプライン溝３４との間に転動自在に設置され、無負荷戻し通路を通って無限循環するように設置されることによって、シリンダロッド３０のスプライン外筒１４（すなわち、筒形部材１０）に対する安定した往復直線運動が実現されている。

また、筒形部材１０に設置される複数の永久磁石１７は、それぞれがシリンダロッド３０を導通可能な孔１７ａを有する環形部材として形成されるとともに、筒形部材１０の軸線方向に積み重ねられて固定されている。そして、隣り合う永久磁石１７は、孔１７ａの内側表面に現れる極性が異なるように設置されている。したがって、筒形部材１０は、複数の永久磁石１７の効果によって界磁束発生源となり、リニアモータにおける固定子としての機能を発揮することが可能となっている。

一方、シリンダロッド３０は、ロッド外周面のスプライン外筒１４と対応する位置にスプライン溝３４を備えるとともに、筒形部材１０に設置される複数の永久磁石１７と対応するロッド外周面の位置には、磁界を発生させるための可動子コイル３２が巻回されている。シリンダロッド３０は、かかる構成を備えることによって、筒形部材１０の軸方向で往復直線運動自在となっている。

シリンダロッド３０のロッド外周面のスプライン溝３４は、筒形部材１０側のスプライン外筒１４と協働することによって、シリンダロッド３０の安定した往復直線運動を案内する機能を発揮することになる。このスプライン溝３４については、装置の構成上、可動子コイル３２とスプライン溝３４がロッドの周方向で重複しないように設置される必要がある。これは、可動子コイル３２とスプライン外筒１４との接触を避ける必要があるために採られる構成である。したがって、第１の実施形態に係るシリンダロッド３０の長さは、ストロークとなる可動子コイル３２設置箇所の長さの少なくとも２倍以上の長さが必要ということになる。

なお、可動子コイル３２が設置されるシリンダロッド３０の構成材料としては、例えば、ステンレス鋼、セラミックス、高硬度非磁性快削鋼を挙げることができる。特に、高硬度非磁性快削鋼は、他の材料と比較して強度も高く、作用部となってシリンダ装置としての仕事を行うことになるシリンダロッド３０に用いるのに好適である。具体的な鋼種としては、使用時の硬さがＨＲＣ（ロックウェル硬さ）で４０〜４５程度を示す日立金属株式会社のＨＰＭ７５等を採用することができる。

また、シリンダロッド３０に設置される可動子コイル３２は、コイルを巻き回すことによって構成される部材であり、可動子コイル３２への電流を制御することによってコイルにＮ極とＳ極を発生させることができるようになっている。筒形部材１０には、隣り合う永久磁石１７の孔１７ａの内側表面に現れる極性が異なるように複数の永久磁石１７が設置されているので、シリンダロッド３０と可動子コイル３２との間でＮ極とＳ極の引っぱりあう力、Ｎ極同士とＳ極同士の反発しあう力が起こり、シリンダロッド３０の往復直線運動が実現することになる。

またさらに、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置は、シリンダロッド３０に可動子コイル３２を設置する構成を採用しているので、可動子コイル３２に電流を供給する電源コード３５の取り合いが問題となる。そこで、第１の実施形態に係る電源コード３５では、シリンダロッド３０のロッド外周側に螺旋形状に巻回し、常にはこの螺旋形状を維持し、シリンダロッド３０の動作に応じて伸縮自在な電源コード３５を採用している。このような電源コード３５としては、例えば、コードを取り巻く被覆内あるいは被覆表面に形状記憶材料を設置する構成を採用することが可能である。

以上説明した構成によって、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の動作が実現されているが、さらに、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置には、種々の改良を加えることが可能である。上述した第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置に用いられる電源コード３５は、シリンダロッド３０のロッド外周側で螺旋形状に巻回される形態のものを例示して説明したが、例えば、可動子コイル３２に電流を供給する電源コード３５には、図４に示すような、シリンダロッド３０の往復直線運動に応じて電源コード３５を引き出したり、巻き取りしたりすることが自在な線体駆動機構３９を採用することも可能である。

この線体駆動機構３９は、コードを取り巻く被覆内に高い弾性力を持つ金属プレートや金属ワイヤーを設置したものを一箇所で折り畳み、この折り畳んだ部分を中心として螺旋状に巻回してコードの両端部をそれぞれ別方向に引き出すようにして形状を維持したものである（図４参照）。かかる線体駆動機構３９によれば、シリンダロッド３０が作用方向（押し出される方向）に移動して電源コード３５が伸びる方向に移動したときには、金属の弾性力に抗して螺旋状に巻回された部分が伸ばされて電源コード３５は引き出され、シリンダロッド３０が反作用方向（収納される方向）に移動して電源コード３５が縮む方向に移動したときには、金属の弾性力によって螺旋状に巻回された部分が巻方向に収納されて電源コード３５は引き戻されることになる。このような線体駆動機構３９を採用することによって、電源コード３５の絡まりや引っ掛かりなどによる不具合を防止することができる。

また、シリンダロッド３０の往復直線運動を制御するために、シリンダロッド３０の位置検出手段を設置することも可能である。この位置検出手段としては、例えば、シリンダロッド３０のロッド外周面にスケールを貼付し、このスケール上の目盛を読み取ることができる読み取りセンサを設ける光学式のリニアスケール装置や、シリンダロッド３０の基準位置からの移動距離を測定することができるセンサを設ける機構などを採用することが可能である。このようなシリンダロッド３０の位置検出手段を設置することにより、ワークに対してより好適な駆動力を加えることが可能となる。

第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置は、上述したような構成を備えることにより、モータ駆動力のワークに対する伝達効率が非常に高く、且つ、電動シリンダと同等以上の制御性を発揮することができる。また、リニアモータの採用によって、従来の電動シリンダでは実現不可能なレベルのコンパクト化をも実現することができる。

［第２の実施形態］
第１の実施形態において、従来の電動シリンダでは実現不可能なレベルのコンパクト化を実現したリニアモータシリンダ装置を説明したが、次に説明する第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置は、さらなるコンパクト化を実現するための形態を備えている。そこで、図５、図６および図７を用いて、第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置を説明する。ここで、図５は、第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の全体構成を示す外観斜視図であり、内部構造の説明のために外郭構成部材の一部を破断線で示してある。また、図６は、第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の縦断面側面図であり、図７は、図６におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。なお、第１の実施形態で説明した部材と同一又は類似する部材については、同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置で特徴的な点としては、筒形部材１０に設置される複数の永久磁石１７がスプライン外筒１４の周方向を一定の隙間４０を隔てて取り囲むように設置されており、一方、シリンダロッド６０に設置される可動子コイル６３は、複数の永久磁石１７とスプライン外筒１４の間に形成される隙間４０に進退自在に構成されていることが挙げられる。

具体的な構造を説明すると、第２の実施形態に係るシリンダロッド６０は、スプライン外筒１４を覆って収納できるスペース６１を備えており、このスペース６１を構成する枠体６２の外側に可動子コイル６３が巻回されている。枠体６２と可動子コイル６３によって構成されるリニアモータの可動子は、筒形部材１０側に形成される隙間４０に対して進退自在となっており、隙間４０の外側に設置される複数の永久磁石１７と可動子コイル６３とが協働することによってシリンダロッド６０の往復直線運動が実現されている。このような構成を採用することによって、スプライン外筒１４（スプライン溝６４）と可動子コイル６３をロッドの周方向で重複して設置することができるので、第１の実施形態に比べて軸方向の長さを短縮したリニアモータシリンダ装置を得ることが可能となる。

なお、第２の実施形態に係る可動子コイル６３は、シリンダロッド６０の外周面に突出して設置されるコア鉄心６６に巻回されて設置されている。これは、コア鉄心６６の効果によって可動子コイル６３による磁界を強化する働きを発揮させるために採用される構成である。第２の実施形態では、スペース６１を設けた関係から可動子コイル６３の設置可能容量が低下せざるを得ないので、コア鉄心６６の設置によって可動子コイル６３の容積に制約を受けたとしても第１の実施形態と同様の駆動力を有するリニアモータシリンダ装置を実現することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記各実施形態に記載の範囲には限定されない。上記各実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の全体構成を示す外観斜視図である。 第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の縦断面側面図である。 図２におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。 線体駆動機構の構成を例示する図である。 第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の全体構成を示す外観斜視図である。 第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の縦断面側面図である。 図６におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。

符号の説明

１０ 筒形部材、１３ フランジ、１４ スプライン外筒、１５ ボール、１６ 保持器、１７ 永久磁石、１７ａ 孔、３０ シリンダロッド、３２ 可動子コイル、３４ スプライン溝、３５ 電源コード、３９ 線体駆動機構、４０ リニアスケール、４１ メインスケール、４２ 読み取りヘッド、５２ 永久磁石、５５ コア鉄心、６０ シリンダロッド、６１ スペース、６２ 枠体、６３ 可動子コイル、６４ スプライン溝、６６ コア鉄心。

Claims (6)

1. 中空円筒形状の筒形部材と、
   前記筒形部材に対して進退自在に設置されるシリンダロッドと、
   を有し、
   前記筒形部材は、前記シリンダロッドを案内するためのスプライン外筒を備えるとともに、複数の永久磁石を備えることによって界磁束発生源となり、
   前記シリンダロッドは、ロッド外周面の前記スプライン外筒と対応する位置にスプライン溝を備えるとともに、ロッド外周面の前記複数の永久磁石と対応する位置に磁界を発生させる可動子コイルを巻回されることにより、往復直線運動自在であり、
   前記複数の永久磁石は、前記スプライン外筒の周方向を一定の隙間を隔てて取り囲むように設置されており、
   前記可動子コイルは、前記複数の永久磁石と前記スプライン外筒の間に形成される前記隙間に進退自在に構成されることを特徴とするリニアモータシリンダ装置。
2. 請求項１に記載のリニアモータシリンダ装置において、
   前記複数の永久磁石は、それぞれが前記シリンダロッドを導通可能な孔を有する環形部材として形成されるとともに、前記筒形部材の軸線方向に積み重ねられて固定されており、さらに、隣り合う永久磁石の孔の内側表面に現れる極性が異なるように設置されることを特徴とするリニアモータシリンダ装置。
3. 請求項１または２に記載のリニアモータシリンダ装置において、
   前記可動子コイルに電流を供給する電源コードは、前記シリンダロッドの外周側に巻回されて設置されることを特徴とするリニアモータシリンダ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のリニアモータシリンダ装置において、
   前記可動子コイルに電流を供給する電源コードには、前記シリンダロッドの往復直線運動に応じて前記電源コードを引き出し・巻き取り自在である線体駆動機構が設置されていることを特徴とするリニアモータシリンダ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のリニアモータシリンダ装置において、
   前記可動子コイルは、前記シリンダロッドの外周面に突出して設置されるコア鉄心に巻回されて設置されていることを特徴とするリニアモータシリンダ装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のリニアモータシリンダ装置において、
   前記シリンダロッドの位置を検出してシリンダロッドの往復直線運動を制御するための位置検出手段が設けられていることを特徴とするリニアモータシリンダ装置。

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