JP4824424B2

JP4824424B2 - リニアモータ

Info

Publication number: JP4824424B2
Application number: JP2006044593A
Authority: JP
Inventors: 元澄由良; 庸市川井
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-02-21
Also published as: US7573162B2; JP2007228675A; DE102007007364A1; US20070194632A1

Description

本発明は、リニアモータに関し、特に、リニアモータの制動機構に関する。

近年、種々の分野において、リニアモータが多用されている。例えば、工作機械においては、加工時間短縮を目的として送り速度を高速化するため、また加工精度向上を目的としてボールネジによるバックラッシュや撓み誤差を排除するためにリニアモータを利用する例が増えつつある。図３にリニアモータを利用した工作機械の一部分の構造例を示す。図中のベッド１０は機械の固定部分であり、その上にリニアモータのステータ１が固定されている。テーブル１１は図示せぬリニアガイド等を介してベッド１０に取り付けられており、図中の横方向に可動する。テーブル１１の下部にはリニアモータのスライダ２が固定されていて、スライダ２とステータ１との間に推力を発生してテーブル１１を駆動している。なお、マシニングセンタにおいては通常、テーブル１１の上面には加工対象物（ワーク）を乗せて、その移動位置を加工プログラム等に従って位置制御することにより、図示せぬ工具で所望の形状に加工を行う。

これらのリニアモータを利用した工作機械においては、送り速度を高速化しているため制御異常が発生した場合などにおいて、送りを緊急停止させる際の制動距離が長くなる傾向がある。このため、送り機構のストローク端に近い部分で高速移動中に異常が発生した場合には、可動部分が機械固定部分に衝突して機械構造体を破損させる等の事故となることがある。

このような事故を防ぐためにリニアモータを用いた従来の工作機械では、図３に示すようにストローク端部にショックアブゾーバ１２を設置して衝突による衝撃を弱めるように設計されることが通例である。なお、ショックアブゾーバ１２には内部に封入された作動油の流体抵抗を利用したものや、ゴム等の樹脂材料の弾性変形を利用したものなどがある。

また、図４に示すようにストローク端部にリミットスイッチ１３を設けて、可動部分が有効可動範囲を超えて移動した場合に機械的にリミットスイッチを作動させる方法も一般的である。このリミットスイッチが作動した場合には、接点１４は駆動巻線に供給する電流を回路遮断し、同時に接点１５は駆動巻線を短絡することによってダイナミックブレーキが動作してスライダ２を制動停止する。なお、図中の接点１４、１５はリレーやマグネットコンダクタを用いて構成され、リミットスイッチ１３に直列接続されたコイル１６によって開閉制御される。また、インバータ１７はスライダ２に内蔵された駆動巻線に電流を供給している。

さらにまた、摩擦を利用したブレーキ機構をリニアモータに併設する方式も一般的であり、このブレーキ機構を前述したようなリミットスイッチで作動させることによって、可動部分が有効可動範囲を超えた場合に自動的に制動停止させる方法もある。

特開平９−１５１０４８号公報特開平８−２５１９０４号公報

リニアモータを用いた工作機械において、機械可動部分の固定部への衝突を防止するためにショックアブゾーバを用いた場合には、十分な制動能力を持った大型のショックアブゾーバを採用する必要があり、機械構造が大きくなる。また、ショックアブゾーバ自体によるコストアップが課題となる。

また、図４に示すような駆動巻線を短絡させることによってダイナミックブレーキ動作させる方法においては、接点１５を構成するリレー等の動作遅れ時間が課題となる。すなわち接点１５がオンするまでの時間は制動力が発生しないため、可動部は惰性で移動を続ける。また、接点１４、接点１５の動作信頼性も課題であり、長期間の使用によって接点の導通部が消耗すると十分な制動力が得られない。

さらにまた、摩擦を利用したブレーキ機構を用いる場合においては、ブレーキ機構の摩耗が課題となる。すなわち、長期間の使用によってブレーキの当り面が摩耗することにより、十分な制動力が得られなくなる。

そこで、本発明の目的は、リニアモータにおいて、制御異常等で可動部がストローク端に衝突することを防止するための手段として、構造が簡単で低コストであり、リレー接点やブレーキパッド等の摩耗部分を排除した信頼性の高いブレーキ機能を実現することにある。

本発明の上記目的は、所定間隔で配列された複数の固定側ティースを備えたステータと、駆動電流が供給される駆動巻線が巻回された可動側ティースと、前記固定側ティースに対応する周期で反転する磁極を構成する複数の永久磁石と、を備えたスライダと、有効範囲外に侵入したスライダの駆動を阻止する制動手段と、を有するリニアモータにおいて、前記制動手段は、有効可動範囲外に設けられ、各々独立して閉回路を構成するブレーキ巻線が巻回された制動用ティースを１以上備えることを特徴とするリニアモータにより達成される。

本発明のリニアモータによれば、有効可動範囲外にブレーキ巻線が巻回された制動用ティースを設けることにより、制動機能が実現される。そのため、ショックアブソーバ等の特別な制動装置を使用する必要がないので、機械構造を簡易化し、かつ、小型化することができ、コストを低く抑えることができる。

また、本発明のリニアモータでは、ブレーキ巻線が巻回された制動用ティースを追加しただけの構造であり、このブレーキ巻線にはリレー等の回路を接続する必要がないので高い信頼性を確保することができる。また、接点の動作遅れ時間による空走期間がないため、制動距離を最短とすることができる。

また、本発明のリニアモータでは、スライダに設けられた永久磁石が前記ブレーキ巻線上を通過することによる発電作用で制動力を発生させるので、摩耗部分がなく、長期間に渡って確実な制動力を維持することができる。

さらにまた、本発明のリニアモータでは、前記ブレーキ巻線の回路抵抗を変化することによって制動力を可変することができるので、スライダの移動位置に応じて制動力を任意に設定することができる。例えば、有効可動範囲の近傍のブレーキ巻線は抵抗値を大きく、有効可動範囲から離れるにつれて抵抗値を小さくすることによって、制動開始時の衝撃を小さくして、円滑な制動停止を実現することができる。

(実施例１)
図１に本発明を実施するために好適なリニアモータのステータおよびスライダの外観図を示す。ステータ１はケイ素鋼板等の磁性体で構成されており、スライダ２と対向する表面には凹凸形状のティース３が設けられている。スライダ２はケイ素鋼板等の磁性体で構成された本体に、ステータ１の対向面に永久磁石４を貼り付けた構造である。そして三相の駆動巻線５が磁石４の複数個を囲うように巻かれている。なお、本実施例に示すリニアモータの元となる基本構造は本出願人が出願した特開２００５−１３７１４０号公報に記載されたリニアモータと同一である。

図１においてステータ１の両端部は制動領域であり、この領域のティース３の各々にはブレーキ巻線６が巻回されている。これら複数のブレーキ巻線６は、スイッチ７を介して抵抗器８（８ａ、８ｂ、８ｃ）に接続されており、各々独立に回路を構成している。このスイッチ７は通常は接点を閉じていて、後述するブレーキ解除を行う時にのみ接点を開とする。なお、抵抗器８はブレーキ巻線６の導線抵抗で代用することも可能であり、省略することも可能である。

図１においてスライダ２が有効可動範囲の内側にある間は、駆動巻線５に供給する電流を制御することによってリニアモータの推力、速度等が制御される。そして制動領域は制御上は使用しない領域であり、制御装置が正常である間はスライダ２は有効可動範囲の中だけで移動する。しかしながら、制御装置に何らかの異常が発生した場合、特に有効可動範囲のストローク端部に近い部分で高速移動中に制御異常が発生した場合には、スライダ２は高速のまま、惰性で制動領域に侵入する。

このような異常発生により、スライダ２が制動領域に侵入した場合、永久磁石４によって制動領域部分のティース３には磁束が発生する。そして、磁束の変化がブレーキ巻線６に誘起電圧を発生し、抵抗器８を通じて電流が流れる。この電流はスライダ２の移動方向と逆方向の推力を発生するため、ダイナミックブレーキとして作用する。また、この電流は抵抗器８の抵抗値と誘起電圧の関係によって決まるので、複数のブレーキ巻線６について、それぞれ抵抗値を変えることによって制動力を調整することが可能である。例えば図１において抵抗器８ａは抵抗値を大きく、抵抗器８ｂ、８ｃを順に抵抗値を小さくすることによって、スライダ２が制動領域に入った直後、すなわちブレーキの効き始めは制動力を弱くし、有効可動範囲から遠ざかるに従って制動力を強めることができる。このように制動力を設定することによって円滑な制動力が得られるので、制動停止時に発生する衝撃を小さくすることができる。

次にスイッチ７の機能について説明する。スライダ２が制動領域に侵入して停止した後、制御異常の原因を取り除いて機械を正常状態に復帰する際、スイッチ７を開状態にすることによってブレーキ巻線６には電流が流れなくなる。この時、制動力は発生せずブレーキを解除した状態となるため、スライダ２は容易に移動させることができる。また、この時、駆動巻線５に電流を供給して制御することによってスライダ２を移動させることも可能である。

なお、以上の実施例の説明においては、スライダの表面に永久磁石を貼り付けた構造のリニアモータについて示したが、例えば本出願人が出願した特開平１１−０８９２０８号公報に記載されたようなスライダコアの内部に永久磁石を設けた方式のリニアモータにおいても、全く同様の構成で同等の作用、効果を実現することができる。

（実施例２）
図２は本発明の別の実施形態によるリニアモータのステータおよびスライダの断面図である。ステータ１およびスライダ２は図１に示したものと同様であり、その説明は省略する。本図の実施例において制動領域には、有効可動範囲とは形状のことなるブレーキ用ステータ９が設置されている。このように有効可動範囲のステータ１とブレーキ用ステータ９を分けることによって、ブレーキ用ステータ９は制動力を発生するために最適な形状に特化することができる。すなわち図１に示した実施例では、制動領域のステータを有効可動範囲と共用しているので組立が容易であるという利点がある反面、制動力を得るために最適なステータ形状とは言えない。これに対して図２のブレーキ用ステータ９は、制動用に特化した形状に設計でき、ブレーキ巻線６の実装密度を高くできるなどの効果があり、大きな制動力を得ることができる。

本発明の第１の実施例によるリニアモータの外観図である。本発明の第２の実施例によるリニアモータの断面図である。従来技術によるリニアモータを使用した工作機械のテーブル部分の構造図である。従来技術によるリニアモータにおいてリレーを用いてダイナミックブレーキを構成する場合の回路図例である。

符号の説明

１ステータ、２スライダ、３ティース、４永久磁石、５駆動巻線、６ブレーキ巻線、７スイッチ、８抵抗器、９ブレーキ用ステータ、１０ベッド、１１テーブル、１２ショックアブゾーバ、１３リミットスイッチ、１４接点、１５接点、１６コイル、１７インバータ。

Claims

所定間隔で配列された複数の固定側ティースを備えたステータと、
駆動電流が供給される駆動巻線が巻回された可動側ティースと、前記固定側ティースに対応する周期で反転する磁極を構成する複数の永久磁石と、を備えたスライダと、
有効範囲外に侵入したスライダの駆動を阻止する制動手段と、
を有するリニアモータにおいて、
前記制動手段は、有効可動範囲外に設けられ、各々独立して閉回路を構成するブレーキ巻線が巻回された制動用ティースを１以上備えることを特徴とするリニアモータ。
請求項１に記載のリニアモータであって、
前記制動用ティースは、有効可動範囲外に延長されたステータの延長部分に設けられる固定側ティースであることを特徴とするリニアモータ。
請求項１に記載のリニアモータであって、
前記制動用ティースは、固定側ステータとは別個に設けられた制動専用のティースであることを特徴とするリニアモータ。
請求項１から３のいずれか１項に記載のリニアモータであって、
少なくとも一つのブレーキ巻線には、抵抗器が接続されていることを特徴とするリニアモータ。
請求項１から４のいずれか１項に記載のリニアモータであって、
各ブレーキ巻線で構成される閉回路の回路抵抗値は、当該ブレーキ巻線が巻回されている制動用ティースの位置に応じて異なることを特徴とするリニアモータ。
請求項１から５のいずれか１項に記載のリニアモータであって、
各ブレーキ巻線には、制動力を解除するべく、ブレーキ巻線により構成される閉回路を開放するスイッチが設けられることを特徴とするリニアモータ。