JP4811780B2 - Linear motor, machine tool and measuring instrument - Google Patents
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Description
本発明は、精度の良い駆動を実現できるリニアモータ、工作機械及び計測器に関する。 The present invention relates to a linear motor, a machine tool, and a measuring instrument that can realize accurate driving.
工作機械や計測器などにおいて、ワークや工具もしくは測定子等を保持して位置決めするためにスライドテーブルが用いられている。かかるスライドテーブルの送り駆動手段として、リニアモータが用いられる場合がある(特許文献1参照)。
ところで、リニアモータの一つの問題は、コギングが生じることである。コギングとは、コイルと永久磁石との間に発生する磁力に起因した推力ムラであり、これが応答遅れの原因となる場合がある。コギングは、電流の有無に関わらず発生し、リニアモータの位置精度を低下させる恐れがあり、また、駆動のために余分な電流が必要になり発熱を増加させる恐れがある。 Incidentally, one problem with linear motors is that cogging occurs. Cogging is thrust unevenness caused by a magnetic force generated between a coil and a permanent magnet, which may cause a response delay. Cogging occurs regardless of the presence or absence of current, which may reduce the positional accuracy of the linear motor, and may require extra current for driving and increase heat generation.
コギングの低減対策として、可動磁石に補極を設けてみかけ上のコギングを相殺する方法や、リニアモータを複数ユニット設けて互いの位相をずらす方法などが提案されているが、これらの方法は、コギングのある周波数成分を除去するだけに過ぎず、高調波まで含めてコギングをほぼゼロにすることは達成されていない。 As countermeasures for reducing cogging, there have been proposed a method of offsetting apparent cogging by providing an auxiliary pole in the movable magnet, a method of shifting the phases of each other by providing multiple units of linear motors, It only removes frequency components with cogging, and it has not been achieved to make cogging almost zero including harmonics.
これに対し特許文献2には、複数の永久磁石を、移動方向における各永久磁石の両端の位置が実質的に櫛歯状鉄心の歯のピッチだけずれるように、傾斜して配置することでコギングを低減させるリニアモータが開示されている。しかしながら、特許文献2の技術は、櫛歯状鉄心を有するリニアモータにのみ有効なものであり、全てのリニアモータに適用できるとは限らない。
On the other hand, in
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、応答遅れなどを低減でき位置決め精度を高めることができるリニアモータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a linear motor that can reduce response delay and increase positioning accuracy.
請求項1に記載のリニアモータは、固定体と移動体のうち一方に配置され所定のピッチで並べられた複数の永久磁石と、前記固定体と前記移動体のうち他方に前記永久磁石に対向して配置されたコイルとを有するリニアモータにおいて、
前記永久磁石からの磁力を受ける位置に配置され、前記永久磁石のピッチ以上の長さを有する導体を有しており、
前記導体は、前記永久磁石の並び方向において、前記コイルに対して両側に配置されていることを特徴とする。
The linear motor according to claim 1, wherein a plurality of permanent magnets arranged on one of a fixed body and a moving body and arranged at a predetermined pitch, and the other of the fixed body and the moving body face the permanent magnet. In a linear motor having a coil arranged as
It is arranged at a position to receive the magnetic force from the permanent magnet, and has a conductor having a length equal to or longer than the pitch of the permanent magnet ,
The said conductor is arrange | positioned with respect to the said coil in the row direction of the said permanent magnet, It is characterized by the above-mentioned.
本発明のリニアモータにおいては、前記導体と前記永久磁石とが相対的に移動することで、前記永久磁石の磁束を相対的な移動によって横切ることにより、その速度に比例した誘導電流(渦電流)を発生し、その電流により発生する磁界が前記永久磁石との磁界により磁力(誘導起電力)を発生し抗力となる。ここで、前記移動体に働く推力をPとし、前記コイルの電流による磁力をFc(i)とし、誘導電流による抗力をFe(v)としたときに、以下の式(3)が成り立つ。
P=Fc(i)−Fe(v) (3)
In the linear motor of the present invention, the conductor and the permanent magnet move relative to each other so that the magnetic flux of the permanent magnet is traversed by relative movement, so that an induced current (eddy current) proportional to the speed thereof is obtained. The magnetic field generated by the current generates a magnetic force (induced electromotive force) by the magnetic field with the permanent magnet and becomes a drag force. Here, when the thrust acting on the moving body is P, the magnetic force due to the current of the coil is Fc (i), and the drag due to the induced current is Fe (v), the following equation (3) is established.
P = Fc (i) -Fe (v) (3)
本発明では、この誘導電流の発生に、前記コイルの磁力との相互作用で前記移動体の推進力を発生する前記永久磁石を用いることにより、前記コイルの磁力による推力方向と、前記導体による誘導電流による抗力が、ほとんど同一線上に位置して逆向きとなるため、前記移動体にモーメントなどの姿勢を崩す余分な力が働かないという効果が得られる。従って、このような抗力が働いても、前記移動体を滑らかに高精度に移動させることができるのである。 In the present invention, in order to generate the induced current, the permanent magnet that generates the driving force of the moving body by interaction with the magnetic force of the coil is used, so that the thrust direction by the magnetic force of the coil and the induction by the conductor Since the drag force caused by the current is almost on the same line and is in the opposite direction, there is an effect that an extra force that breaks the posture such as moment does not act on the moving body. Therefore, even if such a drag acts, the moving body can be smoothly moved with high accuracy.
式(3)によって、前記移動体がー定速度で移動している場合には、前記コイルの電流は前記導体が無い場合よりも大きくなる。しかし、前記移動体が―定速度で移動している場合に、例えば摩擦などによって前記移動体の速度が低下すると、速度に比例する誘導起電力すなわち抗力Feが減少し、前記コイルによる磁力Fcが変わらなくとも、前記移動体の速度vを復帰させるように推力Pが増えるという作用が発生する。一方、前記移動体の速度が上昇した場合には、これに比例する抗力Feが大きくなり、前記コイルの電流が変わらなくとも前記移動体の速度を低減させるように推力Pが減少するという作用が発生する。このように、前記導体を設けることによって、前記移動体の速度を―定に保とうとする作用が働くこととなる。 According to the equation (3), when the moving body is moving at a constant speed, the current of the coil becomes larger than that without the conductor. However, when the moving body is moving at a constant speed, if the speed of the moving body decreases due to, for example, friction, the induced electromotive force, that is, the drag force Fe that is proportional to the speed decreases, and the magnetic force Fc by the coil decreases. Even if it does not change, the effect that the thrust P increases so as to restore the speed v of the moving body occurs. On the other hand, when the speed of the moving body increases, the drag Fe proportional to this increases, and the thrust P decreases so as to reduce the speed of the moving body even if the current of the coil does not change. appear. As described above, by providing the conductor, an action of keeping the speed of the moving body constant is performed.
さらに、前記コイルへの電流の供給において、前記移動体の速度を検出してこれを制御する速度フィードバックを掛けている場合は、前記導体による誘導起電力がそのサーボ特性を補完するので、速度サーボゲインを大きくしたのと同じ効果が得られる。つまり、本発明にかかる前記導体による速度変化の抑制効果は誘導起電力に依存するため、速度変化とほとんど同時に発生するが、その応答速度は、例えば通常の工作機械などのサーボループ速度である100〜200Hzよりもずっと高速である。従って、通常のサーボ制御では追従できないような高速な速度変化に対しても抑制するように作用するため、見かけ上、速度サーボゲインを非常に高く設定した効果を生むのである。しかも、実際のサーボループ制御は帯域が全く違うために、この作用とは相互干渉を全く発生しないでその効果を発揮することができ、その結果、前記移動体の極めて安定した運動精度を確保できる。また、本発明にかかる前記導体によって発生する誘導起電力が、推力に対して抗力を与え、電流の制御分解能が同じ状態で前記コイルに大きな電流を流すため、その分、前記移動体の小さな速度変化や追従誤差に対して相対的に大きな電流変化を与えることができるので、ループゲインを高めたのと同じ効果が得られ、前記移動体の高精度な運動制御が可能となる。 Furthermore, in the supply of current to the coil, when speed feedback for detecting and controlling the speed of the moving body is applied, the induced electromotive force by the conductor complements its servo characteristics, so that the speed servo The same effect as increasing the gain can be obtained. That is, since the effect of suppressing the speed change by the conductor according to the present invention depends on the induced electromotive force, it occurs almost simultaneously with the speed change, but the response speed is, for example, a servo loop speed of a normal machine tool or the like. Much faster than ~ 200Hz. Therefore, since it acts so as to suppress even a high-speed speed change that cannot be followed by normal servo control, the effect of apparently setting the speed servo gain to be very high is produced. In addition, since the actual servo loop control has a completely different band, the effect can be exerted without generating any mutual interference with this action, and as a result, extremely stable motion accuracy of the moving body can be ensured. . In addition, the induced electromotive force generated by the conductor according to the present invention provides a drag force against the thrust, and a large current flows through the coil with the same current control resolution. Since a relatively large current change can be given to the change and the tracking error, the same effect as that obtained by increasing the loop gain can be obtained, and the moving body can be controlled with high accuracy.
本発明は、前記移動体の急激な速度変化を抑制する。これは前記導体の面積が大きくて、前記移動体の移動に伴って永久磁石の磁束を導体がたくさん横切るほど、大きな抗力を発生し速度変化の抑制効果も大きくなる。即ち前記導体の磁力が横切る面積を変化させることで、発生する抗力の大きさを制御することができる。また、前記導体の内部抵抗が小さいほど、誘導電流のジュール熱による損失が減少し発生磁界が強くなるので大きな抗力を発生し、速度変化の抑制効果を上げる。ただし、前記導体は、前記永久磁石の並び方向のピッチより長い長さ(前記永久磁石の並び方向の長さを言う)を有していることで、十分な速度変化の抑制効果を上げることができる。 The present invention suppresses a rapid speed change of the moving body. This is because the area of the conductor is large, and the more the conductor crosses the magnetic flux of the permanent magnet with the movement of the moving body, the greater the drag is generated and the effect of suppressing the speed change becomes larger. That is, the magnitude of the generated drag can be controlled by changing the area crossed by the magnetic force of the conductor. Also, the smaller the internal resistance of the conductor, the less the loss of induced current due to Joule heat and the stronger the generated magnetic field, so that a large drag is generated and the effect of suppressing the speed change is increased. However, the conductor has a length longer than the pitch in the direction in which the permanent magnets are arranged (referred to as the length in the direction in which the permanent magnets are arranged), thereby increasing the effect of suppressing a sufficient speed change. it can.
前記導体そのものは、銅などの金属材料で良く、前記コイルを挟むように両側に取り付けると、永久磁石との相対的な移動によっても横切る磁束が変わらず、速度に正確に比例した抗力を発生するので好ましい。このように、極めて簡単な部品によって、大きな効果を得られる。 The conductor itself may be a metal material such as copper, and if attached to both sides so as to sandwich the coil, the transverse magnetic flux does not change even by relative movement with the permanent magnet, and generates a drag that is exactly proportional to the speed. Therefore, it is preferable. Thus, a great effect can be obtained with extremely simple parts.
前記移動体の速度を変化させる制御を行っている場合は、速度変化を抑制するように前記導体の誘導起電力が働くが、この力は前記導体の大きさや内部損失等によって前記コイルの電流による磁力よりは必ず小さくなるので、前記移動体の速度を制御できることとなる。しかし、前記導体を有しない場合よりは、この抑制効果のためにより大きなコイルの電流の変化が必要となるので、これは見かけ上、サーボゲインを高めたと同じ効果となる。 When control is performed to change the speed of the moving body, an induced electromotive force of the conductor works to suppress the speed change, but this force depends on the current of the coil due to the size of the conductor and internal loss. Since it is always smaller than the magnetic force, the speed of the moving body can be controlled. However, a larger coil current change is required for this suppression effect than in the case where the conductor is not provided, and this apparently has the same effect as increasing the servo gain.
しかもサーボループでゲインを高めた場合は、ノイズも大きくなって容易に発振しやすくなるが、本発明の場合は、瞬間的な速度変化が滑らかに抑制されているために、このノイズに相当する副作用が小さく、その制御精度を期待通りに高めることができる。 In addition, when the gain is increased by the servo loop, the noise becomes large and the oscillation easily occurs. However, in the case of the present invention, the instantaneous speed change is smoothly suppressed, which corresponds to this noise. The side effects are small and the control accuracy can be improved as expected.
請求項2に記載のリニアモータは、
固定体と移動体のうち一方に配置され、所定のピッチで並べられた複数の永久磁石と、
前記固定体と前記移動体のうち他方に配置されたコイルと、
前記永久磁石の前記所定のピッチ以上の長さを有し、前記永久磁石に対向する位置に配置された導体と、を有しており、
前記導体は、前記永久磁石の並び方向において、前記コイルに対して両側に配置されていることを特徴とする。
The linear motor according to
A plurality of permanent magnets arranged at one of a fixed body and a movable body and arranged at a predetermined pitch;
A coil disposed on the other of the fixed body and the movable body;
Wherein having said predetermined pitch over the length of the permanent magnet, which have a, a conductor disposed at a position opposed to the permanent magnet,
The said conductor is arrange | positioned with respect to the said coil in the row direction of the said permanent magnet, It is characterized by the above-mentioned.
本発明によれば、請求項1に記載の発明の効果に加え、前記導体を前記永久磁石に対向する位置に配置することによって、コンパクトな構成でありながら効率的に誘導起電力を発生することができる。 According to the present invention, in addition to the effect of the invention described in claim 1, by arranging the conductor at a position facing the permanent magnet, an induced electromotive force can be efficiently generated while having a compact configuration. Can do.
請求項3に記載のリニアモータは、請求項1又は2に記載の発明において、前記導体は、前記永久磁石に対向する位置であって、前記コイルが配置される側に配置されていることを特徴とする。ここで、「コイルが配置される側」とは、複数の永久磁石が移動体に設けられている場合には、コイルが設けられた固定体と同様に、移動体に対して固定された側であることを意味し、複数の永久磁石が固定体に設けられている場合には、コイルが設けられた移動体と一体的に移動される側であることを意味する。このようにコイルが配置される側に配置された導体は、コイルと一体的にもしくはコイルの近傍にコイルと一体で設けられていても良く、またコイルが設けられた部材とは別部材に設けらていても良い。 According to a third aspect of the present invention, in the invention according to the first or second aspect, the conductor is disposed at a position facing the permanent magnet and on a side where the coil is disposed. Features. Here, the “side where the coil is arranged” means that the side fixed to the moving body is the same as the fixed body provided with the coil when a plurality of permanent magnets are provided on the moving body. In the case where a plurality of permanent magnets are provided on the fixed body, this means that the permanent magnet is on the side that is moved integrally with the moving body provided with the coil. Thus, the conductor arranged on the side where the coil is arranged may be provided integrally with the coil or in the vicinity of the coil, and may be provided separately from the member provided with the coil. You may take it.
特に、前記導体は、前記永久磁石の並び方向において、前記コイルに対して両側に配置されていると、前記コイルの両側でバランス良く抗力を発生することができる。 In particular, the conductor is in the arrangement direction of the permanent magnet, when being arranged on opposite sides with respect to the coil, it is possible to generate a good balance drag on both sides of the coil.
請求項4に記載のリニアモータは、請求項1〜3のいずれかに記載の発明において、前記永久磁石の並び方向において、前記コイルに対して一方の側に配置された前記導体の長さをA、他方の側に配置された前記導体の長さをB、前記コイルの長さをCとしたときに、前記複数の永久磁石の並び長さMと、前記移動体の駆動ストロークSとの間に、以下の式を満たす関係があることを特徴とする。
M+S≦A+B+C (1)
M−C≧S (2)
A linear motor according to a fourth aspect is the invention according to any one of the first to third aspects, wherein the length of the conductor disposed on one side with respect to the coil in the arrangement direction of the permanent magnets is determined. A, when the length of the conductor arranged on the other side is B and the length of the coil is C, the arrangement length M of the plurality of permanent magnets and the driving stroke S of the moving body There is a relationship satisfying the following formula between them.
M + S ≦ A + B + C (1)
M−C ≧ S (2)
式(1)の関係を満たすことにより、前記移動体が移動するストロークの範囲のいずれの位置でも、前記導体が前記永久磁石との間で、速度に比例した誘導起電力を発生することができる。コイルが永久磁石の並びの中央に位置しているとき、相対的に永久磁石が移動する場合を考える。この時、永久磁石の並びと、駆動方向に重なっている部分が減少する一方の側の導体では、その減少分に比例して誘導起電力が発生しなくなるが、他方の側にある導体においては、永久磁石との駆動力向の重なりが、減少分と同じだけ増加するので、それぞれで発生する誘導起電力(抗力)の和はほとんど変わらない。従って、移動体の速度に比例した抗力を安定して得られることとなる。即ち、本発明の効果を、移動ストローク全範囲で得るためには、式(1)を満たすことが望ましいといえる。式(2)は、前記コイルが、移動ストローク全範囲で前記永久磁石の並びからはみ出さないために必要な条件である。 By satisfying the relationship of the expression (1), an induced electromotive force proportional to the speed can be generated between the conductor and the permanent magnet at any position in the stroke range in which the moving body moves. . Consider a case where the permanent magnet moves relatively when the coil is located at the center of the arrangement of the permanent magnets. At this time, in the conductor on one side where the arrangement of the permanent magnets and the overlapping part in the driving direction decreases, the induced electromotive force does not occur in proportion to the decrease, but in the conductor on the other side Since the overlapping of the driving force direction with the permanent magnet increases by the same amount as the decrease, the sum of the induced electromotive forces (drags) generated in each of them hardly changes. Accordingly, a drag proportional to the speed of the moving body can be stably obtained. That is, it can be said that it is desirable to satisfy the formula (1) in order to obtain the effect of the present invention over the entire range of the moving stroke. Formula (2) is a necessary condition for the coil not to protrude from the arrangement of the permanent magnets over the entire range of the moving stroke.
請求項5に記載のリニアモータは、請求項1〜4のいずれかに記載の発明において、前記永久磁石は2列に並べられており、前記コイルと前記導体は、前記永久磁石の列間に配置されてなることを特徴とする。 The linear motor according to a fifth aspect is the invention according to any one of the first to fourth aspects, wherein the permanent magnets are arranged in two rows, and the coil and the conductor are arranged between the rows of the permanent magnets. It is characterized by being arranged.
請求項6に記載のリニアモータは、請求項1〜4のいずれかに記載の発明において、前記永久磁石は円筒状又は円柱状であり、前記コイルと前記導体は、並んだ前記永久磁石の周囲に配置されてなることを特徴とする。 A linear motor according to a sixth aspect is the invention according to any one of the first to fourth aspects, wherein the permanent magnet is cylindrical or columnar, and the coil and the conductor are arranged around the permanent magnet arranged side by side. It is characterized by being arranged.
いわゆるシャフトモータと呼ばれるリニアモータの特徴は、シャフト状の永久磁石の周りに隙間を介してコイルを設けているため、コイルの軸方向の磁界のみに永久磁石の磁力による推力が働くので、これと直交方向には実質的に力が生じない。つまり、シャフト状の永久磁石のアライメントが、移動方向に対して若干傾いていても、コイルとの隙間が維持されてシャフトの永久磁石と非接触を保つ限りは、移動体の移動特性に影響を与えない。従って、本発明によりシャフトの永久磁石やコイルのセッティングが容易なリニアモータが構成されることとなる。 The so-called shaft motor is characterized by the fact that a coil is provided around a shaft-shaped permanent magnet via a gap, so that the thrust of the permanent magnet acts only on the magnetic field in the axial direction of the coil. There is virtually no force in the orthogonal direction. In other words, even if the alignment of the shaft-shaped permanent magnet is slightly tilted with respect to the moving direction, as long as the clearance with the coil is maintained and is not in contact with the permanent magnet of the shaft, the moving characteristics of the moving body are affected. Don't give. Therefore, according to the present invention, a linear motor in which the setting of the permanent magnet and the coil of the shaft is easy is configured.
このコイルに対して円筒状の導体を設けて一体にすると、シャフト状の永久磁石とコイルが相対的に移動する際には、その速度に比例した誘導電流が、かかる導体内に働いて磁界を作り、抗力として働く。この抗力は速度に比例するので、速度変化に対してこれを抑制するように働く。つまり、コイルと導体、もしくはシャフトの永久磁石側が―定速度で相対移動している場合は、一定の抗力として誘導起電力が働き、そのためコイルの電流による駆動力は、かかる導体が無い場合よりも大きくなる。つまり、移動体に働く推力Pは、同様に式(3)で表される。その状態で、摩擦などによって前記移動体の速度が低下すると、速度に比例する誘導起電力すなわち抗力Feが減少し、前記コイルによる磁力Fcが変わらなくとも、移動体の速度Vを復帰させるように推力Pが増えるのである。 When a cylindrical conductor is provided for the coil and integrated, when the shaft-like permanent magnet and the coil move relatively, an induced current proportional to the speed acts in the conductor to generate a magnetic field. Make and work as a drag. Since this drag is proportional to speed, it works to suppress this against speed changes. In other words, when the coil and the conductor, or the permanent magnet side of the shaft are moving relative to each other at a constant speed, the induced electromotive force works as a constant drag, so that the driving force due to the coil current is greater than that without such a conductor. growing. That is, the thrust P acting on the moving body is similarly expressed by Expression (3). In this state, when the speed of the moving body decreases due to friction or the like, the induced electromotive force, that is, the drag Fe proportional to the speed decreases, and the speed V of the moving body is restored even if the magnetic force Fc by the coil does not change. The thrust P increases.
請求項7に記載のリニアモータは、請求項1〜6のいずれかに記載の発明において、前記コイルと前記導体とが前記固定体に固定されており、前記永久磁石が前記移動体に固定されており、前記コイルに電力を供給することによって前記固定体に対して前記移動体が移動することを特徴とする。 A linear motor according to a seventh aspect is the invention according to any one of the first to sixth aspects, wherein the coil and the conductor are fixed to the fixed body, and the permanent magnet is fixed to the movable body. The moving body moves relative to the fixed body by supplying electric power to the coil.
前記コイルに電流を供給する配線や、前記コイルを液冷する場合には、冷却水などの配管を組み付ける必要があるが、前記コイルと前記導体とを前記移動体に固定すると、かかる配線や配管を前記移動体と共に移動させなくてはならず、それを実現する構成が複雑となり、更には移動に際してこれらが障害となったり、抗力となったりする恐れもある。これに対し、前記永久磁石を前記移動体に取り付ける場合には、配線や配管が不要となり、極めて簡素でありながら、移動に障害を生じる心配がなく好ましい。 Wiring for supplying current to the coil and piping for cooling the coil need to be assembled with piping such as cooling water. However, when the coil and the conductor are fixed to the moving body, the wiring and piping Must be moved together with the moving body, and the configuration for realizing the movement is complicated, and there is a possibility that these may become an obstacle or a drag during movement. On the other hand, when the permanent magnet is attached to the moving body, wiring and piping are not necessary, and it is very simple, but there is no fear of causing an obstacle to movement, which is preferable.
請求項8に記載の工作機械は、請求項1〜7のいずれかに記載のリニアモータを搭載した工作機械であって、前記移動体はスライドテーブルであることを特徴とする。
A machine tool according to
請求項9に記載の工作機械は、請求項8に記載の発明において、前記スライドテーブルは、静圧により浮上保持されていることを特徴とする。
The machine tool according to claim 9 is the invention according to
例えば、油や空気などの流体の静圧によって非常に滑らかに移動できるスライドテーブルを有する工作機械は、高精度な運動精度を求められているので、本発明のリニアモータを適用することで、さらに高精度なスライドテーブルの運動制御が実現できる。 For example, since a machine tool having a slide table that can move very smoothly by the static pressure of a fluid such as oil or air is required to have a high accuracy of movement, by applying the linear motor of the present invention, High-precision slide table motion control can be realized.
請求項10に記載の工作機械は、請求項8又は9に記載の発明において、光学素子の光学面又は光学素子を形成する光学素子成形用金型の光学転写面を加工することを特徴とする。「光学転写面」とは、光学素子の光学面を転写する面をいう。
The machine tool according to
ここで言う光学面又は光学転写面を加工するとは、加工面の表面粗さが平均表面粗さRaで5nm以下を実現する加工を指す。そのような加工を目的とする工作機械は、極めて高精度に工具台やワーク固定台を直線運動や旋回運動する必要があり、本発明のリニアモータを適用することで、さらに高精度な運動精度を実現でき加工精度を高められる。 The processing of the optical surface or the optical transfer surface as used herein refers to processing that realizes a surface roughness of the processing surface of 5 nm or less in terms of an average surface roughness Ra. A machine tool intended for such processing needs to move or rotate the tool table or workpiece fixing table with extremely high accuracy. By applying the linear motor of the present invention, higher accuracy of motion can be achieved. Can be realized and machining accuracy can be improved.
請求項11に記載の計測器は、請求項1〜7のいずれかに記載のリニアモータを搭載した計測器であって、前記移動体はスライドテーブルであることを特徴とする。 A measuring instrument according to an eleventh aspect is a measuring instrument equipped with the linear motor according to any one of the first to seventh aspects, wherein the moving body is a slide table.
請求項12に記載の計測器は、請求項11に記載の発明において、前記スライドテーブルは、静圧により浮上保持されていることを特徴とする。
Instrument according to
本発明によれば、応答遅れなどを低減でき位置決め精度を高めることができるリニアモータを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a linear motor that can reduce response delay and the like and increase positioning accuracy.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図1は、本実施の形態にかかるリニアモータを適用できる工作機械としての5軸加工機10の斜視図である。5軸加工機10は、光学素子の光学面又は光学素子を形成する光学素子成形用金型の光学転写面を加工することができる。図1において、床F上に4本(3本のみ図示)の脚11aで支持されたアクティブエアマウント11は、振動の伝達を抑制する抑制手段であり、床の振動をベース12に伝達しない機能を有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of a 5-
アクテイブエアマウント11上に支持されたベース12のレール12a上には、Z軸方向に移動可能にスライドテーブル13が設けられ、スライドテーブル13上に回転可能に旋回テーブル14が設けられている。尚、スライドテーブル13はレール12aに対し、旋回テーブル14はスライドテーブル13に対し、それぞれ不図示の静圧案内により油を媒体として低フリクションで支持されている。
On the
更に、ベース12上において、一対のサポートブロック15上に掛け渡されたレール15aには、X軸方向に移動可能にスライドテーブル16が設けられ、スライドテーブル16上のレール16aには、Y軸方向に移動可能にスライドテーブル17が設けられ、スライドテーブル17上に回転可能に旋回テーブル18が設けられている。尚、スライドテーブル16はレール15aに対し、スライドテーブル17はレール16aに対し、旋回テーブル18はスライドテーブル17に対し、それぞれ不図示の静圧案内により油を媒体として低フリクションで支持されている。なお、旋回テーブル18に工具を配置する代わりに、旋回テーブル14に載置した被測定物を検査する測定子やカメラ等を搭載することで、高精度な計測が可能な計測器が構成されることとなる。
Further, on the
本実施の形態では、第1の作業台であるスライドテーブル13,16,17には、測定分解能1nmのレーザースケールを設けて、その移動量を測定できるようにし、サーボゲインが−3dBとなる周波数が50Hz(好ましくは100Hz)以上のリニアモータ(後述)により駆動する方式とした。一方、第2の作業台である旋回テーブル14,18には、角度分解能0.1秒のロータリーエンコーダーを設置して回転角度を測定できるようにした。本実施の形態の静圧案内では、油の粘度は2pois、供給圧力は5気圧とした。この時、スライド軸の水平・垂直方向の剛性は1350N/μmであり、十分な値であった。
In this embodiment, the slide tables 13, 16, and 17, which are the first work tables, are provided with a laser scale having a measurement resolution of 1 nm so that the amount of movement can be measured, and the frequency at which the servo gain is -3 dB. Is driven by a linear motor (described later) of 50 Hz (preferably 100 Hz) or higher. On the other hand, a rotary encoder with an angular resolution of 0.1 seconds is installed on the
スライドテーブル13,16,17、旋回テーブル14,18及び静圧案内は、窒化珪素製であり、旋回軸はローター部分を窒化珪素とし、ステーター部分を線膨張係数4×10-6の特殊合金製とした。また、サポートブロック15は、インバーを用いた。べース12は線膨張係数4×10-6の特殊合金板を溶接して用いた。この特殊合金のヤング率は、130GPaであるが、板厚を40mmとすることでべース面として必要な剛性を確保した。
The slide tables 13, 16, 17 and the swivel tables 14, 18 and the static pressure guide are made of silicon nitride. The swivel shaft is made of silicon nitride for the rotor portion and the stator portion is made of a special alloy having a linear expansion coefficient of 4 × 10 −6 . It was. The
自由曲面光学面の加工物を旋回テーブル14に取り付け、旋回テーブル18にダイアモンド工具(不図示)をセットし、スライドテーブル13,16,17、旋回テーブル14を同時に(4軸で)シェーパー切削加工を行った。スライドテーブル13の送り速度は600mm/min以上であり、加工時間は36時間であった。切削面の表面粗さは、Rmax5nm、形状精度57nmで、市販の多軸加工機の加工精度の約3倍の高精度を達成した。 A workpiece having a free-form optical surface is attached to the swivel table 14, a diamond tool (not shown) is set on the swivel table 18, and the slide tables 13, 16, 17 and the swivel table 14 are simultaneously (with four axes) subjected to shaper cutting. went. The feed rate of the slide table 13 was 600 mm / min or more, and the processing time was 36 hours. The surface roughness of the cutting surface was Rmax 5 nm, and the shape accuracy was 57 nm, achieving a high accuracy approximately three times that of a commercially available multi-axis machine.
図2は、本実施の形態におけるスライドテーブル及び旋回テーブルの断面図(図1のII-II線で切断した断面図)である。図2において、ベース12のレール支持部12a上には、セラミックから形成され紙面に垂直方向に延在する平板状のレール12bが固定されている。レール12bを覆うようにして、セラミックから形成され断面がコ字状のスライドテーブル13が配置されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 1) of the slide table and the turntable in the present embodiment. In FIG. 2, on a
スライドテーブル13は、レール12bの上面に対向する内周下面に静圧パッド(薄い空間もしくは多孔質材:以下同じ)13a、13aを形成し、レール12bの側面に対向する内周側面に静圧パッド13b、13bを形成し、レール12bの下面に対向する内周上面に静圧パッド13c、13cを形成している。各静圧パッド13a〜13cには、スライドテーブル13内を延在する孔13dを介して、外部より所定の圧力の油が供給されるようになっている。尚、スライドテーブル13には、不図示のエンコーダが固定されており、一方、これに対向して、ベース12には不図示のセンサが設けられており、ベース12に対してスライドテーブル13の移動量を、分解能10nm以下で測定できるようになっている。エンコーダとセンサとで測定手段を構成する。
The slide table 13 is formed with static pressure pads (thin spaces or porous materials: the same applies hereinafter) 13a, 13a on the inner peripheral lower surface facing the upper surface of the
スライドテーブル13の上面には、支持台120が固定されている。支持台120は、後述するようにコイル等を埋設するために、インバーなどの合金であると好ましいが、加工可能であればセラミックを用いることもできる。
A support table 120 is fixed to the upper surface of the slide table 13. The
略中空円筒状の支持台120は、旋回テーブルユニット14を内包している。より具体的には、旋回テーブルユニット14は、磁性材から形成された下部の歯形部14aと、セラミックから形成された上部の円盤部14bとを、円盤状の縮径部14fを介して連結した形状を有している。歯形部14aは、外周に複数の歯が形成され、一歯ずつ磁化されることでN極とS極が交互に配置されている。かかる歯に対向し、支持台120の内周面には、歯形部14aの歯数より一つ多い数だけコイルCが配置されている。歯形部14aとコイルCとでACサーボモータを構成する。
The substantially hollow
歯形部14aの下面には、エンコーダ14cが固定されており、一方、これに対向して、支持台120にはセンサ14dが設けられており、支持台120に対して旋回テーブルユニット14の回転角度を、分解能1秒角以下で測定できるようになっている。
An
支持台120は、歯形部14aの上面に対向する上部フランジ120fの下面に環状の静圧パッド120aを形成し、縮径部14fの外周面に対向する上部フランジ120fの内周面に環状の静圧パッド120bを形成し、歯形部14aの下面に対向する下部フランジ120eの上面に環状の静圧パッド120cを形成している。各静圧パッド120a〜120cには、支持台120内を延在する孔120dを介して、外部より所定の圧力の油が供給されるようになっている。
The
図3は、スライドテーブル13を駆動する本実施の形態にかかるリニアモータ50の主要部を示す図である。移動体としてのスライドテーブル13に(図2とは異なる断面位置で)配置される磁石ケース51は、断面がコ字状の直方体形状を有している。磁石ケース51内には、その軸線に沿って等しいピッチPで、N極とS極が交互になるように複数個並べられた永久磁石MGが2列、間隔をあけながら極を異ならせて互いに対向して配置されている。
FIG. 3 is a diagram showing a main part of the
スライドテーブル13が相対移動する固定体(ここではベース12が相当する)側には、3つのコイルCLを収容したコイルケース52と、コイルケース52に対して永久磁石MGの並び方向両側に連結された長板状の導体53,53が配置されている。図3では離れて示されているが、コイルケース52と導体53,53は、磁石ケース51内の対向する永久磁石MGの列間にスキマを介して挿入されている。永久磁石MGの並び方向において、コイルケース52の長さはCであり、導体53,53の長さはそれぞれAである。又、コイルケース52の幅W1は、導体53,53の幅W2の2倍となっている。ここで、永久磁石の並び長さMと、スライドテーブル13の駆動ストロークSとすると、以下の関係が成立する。
M+S≦2A+C
M−C≧S
A fixed body (in this case, the
M + S ≦ 2A + C
M-C ≧ S
図3で手前側の導体53には、冷却配管54が連結され、ここから導体53内の冷却通路(不図示)に導入された冷却水は、コイルケース52を冷却した後、図3で奥側の導体53内の冷却通路(不図示)を介して、別の冷却配管55から排出されるようになっている。又、コイルケース52には、外部の電源(不図示)からコイルCLに電力を供給するための配線56が接続されている。
A cooling
本実施の形態の動作について説明する。図2において、外部の油圧源より配管13dに油が供給されることで、静圧パッド13a〜13cから油が吐出され、その静圧を用いて、支持台120を搭載したスライドテーブル13は、レール12bに対して非接触状態で支持される。かかる状態で、図3のリニアモータ50が駆動されることで、スライドテーブル13は、ベース12に対して所望の位置に移動することとなる。
The operation of this embodiment will be described. In FIG. 2, oil is discharged from the
更に、外部の油圧源より配管120dに油が供給されることで、静圧パッド120a〜120cから油が吐出され、その静圧を用いて、不図示のワークを支持した旋回テーブルユニット14は、支持台120に対して非接触状態で支持される。かかる状態で、コイルCに交番電流を付与することで、歯形部14aが磁気的に駆動され、旋回テーブルユニット14は、支持台120に対して所望の角度だけ回転することとなる。
Furthermore, when the oil is supplied to the
図4は、本実施の形態にかかるリニアモータ50の動作を示す模式図である。図3に示す配線56を介して外部から電流を供給すると、コイルCLに磁界が発生するので、永久磁石MGとコイルCLとの間に磁力が生じ、それにより磁石ケース51は駆動方向(永久磁石MGの並び方向である図4で左右方向)に付勢されるため、スライドテーブル13が移動するようになっている。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the operation of the
ここで、導体53,53と永久磁石MGとが相対的に移動することで、導体53,53が永久磁石MGの磁束を横切ることにより、その速度に比例した誘導電流(渦電流)VIを発生し、その電流により発生する磁界MFが永久磁石MGとの磁界により磁力(誘導起電力)を発生し抗力となるので、応答遅れがないスライドテーブル13の移動を実現できるため、高精度な加工を実現できる。更に、静圧によって極めて滑らかにスライドするスライドテーブル13によって、永久磁石MGがコイルケース52と導体53,53を横切る構造であるため、スライドテーブル13側には、コイルのための配線や配管が不要となることから、簡素な構成を実現できる。なお、図3に示すリニアモータ50を、スライドテーブル16,17の駆動に用いることもできる。
Here, when the
(実施例1)
図3に示す工作機械において、高圧油によって浮上している静圧スライドテーブルに、図4に示すように、ピッチ25mmで板状の永久磁石を2列取り付け、その間をコイルケースとこれに延在する銅板をベース側に取り付けた。銅体の幅は永久磁石の幅の半分としたので、スライドテーブルの移動に伴って導体が横切る磁束は、コイル電流による磁力の約半分であるから、この導体が無い場合に対してスライドテーブルの推力は1.5倍の電流を必要とすることになる。言い換えれば、ループゲインを1.5倍高く設定することができる。
(Example 1)
In the machine tool shown in FIG. 3, two rows of plate-like permanent magnets with a pitch of 25 mm are attached to a static pressure slide table that is levitated by high-pressure oil, and a coil case extends between them. A copper plate was attached to the base side. Since the width of the copper body is half of the width of the permanent magnet, the magnetic flux that the conductor crosses with the movement of the slide table is about half of the magnetic force due to the coil current. The thrust requires 1.5 times the current. In other words, the loop gain can be set 1.5 times higher.
図5は、実施例にかかるリニアモータにより静圧スライドテーブルを停止状態から10mm/minの速度で駆動し停止させたときの追従誤差を示す図である。図6は、比較例(実施例に対し導体を取り外したもの)にかかるリニアモータにより静圧スライドテーブルを停止状態から10mm/minの速度で駆動し停止させたときの追従誤差を示す図であり、この状態でサーボのゲイン調整を行っている。「追従誤差」とは、指令位置に対するスライドテーブルの位置の誤差であり、この値がゼロであれば指令通りの運動をスライドテーブルが行っており、プラス側に増大するにつれ応答遅れが生じ、マイナス側に増大するにつれオーバーシュートが生じていることを示す。 FIG. 5 is a diagram illustrating a tracking error when the static pressure slide table is driven at a speed of 10 mm / min from the stopped state and stopped by the linear motor according to the embodiment. FIG. 6 is a diagram showing a tracking error when the static pressure slide table is driven and stopped at a speed of 10 mm / min from the stopped state by the linear motor according to the comparative example (with the conductor removed from the embodiment). In this state, the servo gain is adjusted. “Follow-up error” is the error in the position of the slide table relative to the command position. If this value is zero, the slide table is moving as commanded. It shows that an overshoot has occurred as it increases to the side.
まず、図6に示す比較例では、駆動の瞬間には追従誤差が遅れ方向に10nm以上発生し、6秒程かかってほぼゼロに推移している。また、停止の瞬間には、追従誤差が15nm程行き過ぎ方向に発生している。導体を設けていないことによりサーボの安定性が悪くなったために、ループゲインを落とさざるを得ず、その結果、比例ゲインが低下し積分時定数が大きくなり、スライドテーブルの運動レスポンスが大幅に悪くなった。 First, in the comparative example shown in FIG. 6, a tracking error occurs 10 nm or more in the delay direction at the moment of driving, and takes about 6 seconds and changes to almost zero. Further, at the moment of stopping, a tracking error occurs in the direction of overshooting by about 15 nm. Since the servo stability has deteriorated due to the absence of conductors, the loop gain has to be reduced, and as a result, the proportional gain decreases, the integration time constant increases, and the motion response of the slide table significantly decreases. became.
これに対し、図5に示す実施例では、駆動時も停止時とほぼ同じノイズレベルであり、ほぼ数nmの追従誤差で移動しているのがわかる。又、駆動や停止の瞬間においても数nmの追従誤差しか発生しておらす、図5からだけでは、応答遅れが生じることなく、いつ駆動し停止したかわからない程、スライドテーブルの高精度な制御を実現している。 On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 5, it can be seen that the noise level is almost the same as that at the time of stoppage at the time of driving, and it moves with a tracking error of about several nm. In addition, only a few nanometers of tracking error occurs at the moment of driving or stopping. From FIG. 5 alone, there is no response delay, and the control of the slide table is so precise that it is impossible to know when the driving has stopped. Is realized.
以上より、導体を設けたことによるスライドテーブルの送り精度向上効果が、実際に確認された。 From the above, the effect of improving the feeding accuracy of the slide table by providing the conductor was actually confirmed.
(実施例2)
実施例1に用いた静圧スライドテーブルにおいて、100mmの距離を速度10mm/minで連続往復運動させ、コイルの温度上昇を測定した。図7は、コイル温度を縦軸に、起動からの経過時間を横軸にとって示すグラフである。コイルは23±0.1℃の水によって冷却されている。コイルの温度は2時間経過して約0.7℃の温度上昇で飽和した。ベースの温度上昇は0.1℃以下でほとんど検知できなかった。これは、コイルケースがはるかに大きなベースに固定されているので熱容量が大きく、温度制御された静圧油が静圧面から排出されコイルの近くを流れているためと判断される。
(Example 2)
In the static pressure slide table used in Example 1, a distance of 100 mm was continuously reciprocated at a speed of 10 mm / min, and the temperature rise of the coil was measured. FIG. 7 is a graph showing the coil temperature on the vertical axis and the elapsed time from startup on the horizontal axis. The coil is cooled by water at 23 ± 0.1 ° C. The coil temperature was saturated with a temperature rise of about 0.7 ° C. after 2 hours. The temperature rise of the base was hardly detected at 0.1 ° C. or less. This is because the coil case is fixed to a much larger base, so the heat capacity is large, and the temperature-controlled hydrostatic oil is discharged from the hydrostatic surface and flows near the coil.
また、永久磁石を取り付けたスライドテーブルの温度上昇は明確に観察されなかった。コイルとは1mm以上の隙間が有って空気によって断熱されており、スライドテーブル内を流れる静圧油の循環によっても温度安定化がなされているためと判断される。 Moreover, the temperature rise of the slide table to which the permanent magnet was attached was not clearly observed. It is judged that the coil is insulated by air with a gap of 1 mm or more, and the temperature is stabilized by circulation of static pressure oil flowing through the slide table.
以上から、コイルの温度上昇に伴うベースやスライドテーブルの熱膨縮の影響は無視できる程度に小さいことが判明した。以上の実施例から、本発明に係るリニアモータが極めて高精度な移動体制御を、簡素な導体部品の付加だけで実現できることが実証された。 From the above, it has been found that the influence of thermal expansion and contraction of the base and the slide table accompanying the rise in coil temperature is so small that it can be ignored. From the above examples, it was proved that the linear motor according to the present invention can realize highly accurate moving body control only by adding a simple conductor component.
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、特開2005−073419に示すごときシャフトモータに本発明を適用できる。 The present invention has been described above with reference to the embodiments. However, the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and can be modified or improved as appropriate. For example, the present invention can be applied to a shaft motor as shown in JP-A-2005-073419.
10 5軸加工機
11 アクティブエアマウント
12 ベース
13(Z軸)スライドテーブル
14 旋回テーブル
15 サポートブロック
16(X軸)スライドテーブル
17(Y軸)スライドテーブル
18 旋回テーブル
50 リニアモータ
51 磁石ケース
52 コイルケース
53 導体
54、55 配管
56 配線
CL コイル
MG 永久磁石
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記永久磁石からの磁力を受ける位置に配置され、前記永久磁石のピッチ以上の長さを有する導体を有しており、
前記導体は、前記永久磁石の並び方向において、前記コイルに対して両側に配置されていることを特徴とするリニアモータ。 A linear having a plurality of permanent magnets arranged on one of the fixed body and the moving body and arranged at a predetermined pitch, and a coil disposed on the other of the fixed body and the moving body so as to face the permanent magnet. In the motor
It is arranged at a position to receive the magnetic force from the permanent magnet, and has a conductor having a length equal to or longer than the pitch of the permanent magnet ,
The linear motor according to claim 1, wherein the conductor is disposed on both sides of the coil in the direction in which the permanent magnets are arranged .
前記固定体と前記移動体のうち他方に配置されたコイルと、
前記永久磁石の前記所定のピッチ以上の長さを有し、前記永久磁石に対向する位置に配置された導体と、を有しており、
前記導体は、前記永久磁石の並び方向において、前記コイルに対して両側に配置されていることを特徴とするリニアモータ。 A plurality of permanent magnets arranged at one of a fixed body and a movable body and arranged at a predetermined pitch;
A coil disposed on the other of the fixed body and the movable body;
Wherein having said predetermined pitch over the length of the permanent magnet, which have a, a conductor disposed at a position opposed to the permanent magnet,
The linear motor according to claim 1, wherein the conductor is disposed on both sides of the coil in the direction in which the permanent magnets are arranged .
M+S≦A+B+C (1)
M−C≧S (2) In the arrangement direction of the permanent magnets, A is the length of the conductor disposed on one side of the coil, B is the length of the conductor disposed on the other side, and C is the length of the coil. when a, the sequence length M of the plurality of permanent magnets, between the drive stroke S of the movable body, claim 1-3, characterized in that there is a relationship that satisfies the following equation The linear motor described in 1.
M + S ≦ A + B + C (1)
M−C ≧ S (2)
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