JP4883845B2

JP4883845B2 - リニアモータ駆動ユニット

Info

Publication number: JP4883845B2
Application number: JP2001147326A
Authority: JP
Inventors: ミシュラーマイク
Original assignee: THK America Inc
Current assignee: THK America Inc
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: JP2002136097A; US6495935B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば工作機械のワークテーブル等のように、ベッド等の固定部上で移動自在に支承された可動体に接続され、かかる可動体に所定の移動量を与えつつこれを往復駆動させるリニアモータ駆動ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械の各種テーブル、産業用ロボットの走行部、各種搬送装置等においては、ベッドやコラム等の固定部上でテーブル等の可動体を直線的に案内し、且つ、これを所定の位置に位置決めすることが要求されている。従来、このような可動体の案内構造としては図６に示すものが一般に良く知られている。具体的には、固定部１００上に一対の直線案内装置１０１，１０１を配設して上記可動体１０２を支持すると共に、かかる可動体１０２の下側にはボールねじ１０３を配置し、このボールねじ１０３をロータリモータ１０４で駆動するように構成されている。上記直線案内装置１０１はボールを介して組み付けられた軌道レール１０５及びスライドブロック１０６から構成されている。従って、軌道レール１０５を固定部１００に、スライドブロック１０６を可動体１０２に固定することによって、可動体１０２を固定部１００上で軌道レール１０５に沿って自在に案内することが可能となっている。また、上記ボールねじ１０３はボールを介してねじ軸１０７とナット部材（図示せず）とが螺合したものであり、ナット部材が可動体１０２に固定される一方、ねじ軸１０７は直線案内装置１０１の軌道レール１０５と平行に且つ回転自在に設けられている。このため、ロータリモータ１０４で上記ねじ軸１０７を回転させると、ナット部材がロータリモータ１０４の回転に応じてねじ軸１０７上を移動し、可動体１０２に対して軌道レール１０５に沿った方向の推進力を与え、且つ、可動体１０２を所定の位置に停止させることができるようになっている。
【０００３】
このように、ボールねじを用いて可動体を固定部上で正確に位置決めするためには、ロータリモータの回転速度や回転量を適格に制御することが必要とされる。しかし、エンコーダを内蔵すると共にフィードバック制御機能を備えてユニット化された精密ロータリモータが市場には多種供給されている。従って、上記案内構造を構築しようとする者は、これらの精密ロータリモータを用途に合わせて購入し、それを固定部に据えつけると共にカップリングを介してねじ軸に結合しさえすれば、極めて容易に上記案内構造を構築することができる。
【０００４】
一方、近年では、ボールねじを用いず、リニアモータを用いて直接可動体を駆動する案内構造も増加してきている。しかし、ステータとロータとがケーシング内で一体化されているロータリモータと異なり、リニアモータではマグネットプレートとコイルとが分離された状態にあり、マグネットプレートを固定部に対して、コイルを可動体に対して別々に固定する必要が生じる。すなわち、リニアモータはマクネットプレートとコイルとが一体化された状態で取り引きされておらず、購入後の取り扱いが大変に面倒である。特に、マクネットプレートとコイルとは極めて小さな所定の隙間で対向させることが必要とされることから、これらマグネットプレートとコイルとを別々に取り扱った場合には、その取付け作業に手間がかかり、マグネットプレートをコイルに接触させ、破損させてしまういったトラブルや、マグネットプレートとコイルとの間に手を挟んでしまうといった事故が発生し易い。
【０００５】
また、マグネットプレートに対するコイルの移動量を検出するためのリニアエンコーダも全く別個に取り引きされており、フィードバック制御機能を実現するためには、リニアモータとは別個にリニアエンコーダを購入し、これを固定部や可動体に対して組み付ける必要がある。そして、このようにマグネットプレート、コイル及びリニアエンコータを全く別々に固定部や可動体に組み付けるに当たっては、各取付け作業毎に一定の精度が要求され、その作業が大変面倒なものになってしまう。
【０００６】
これらマグネットプレート、コイル及びリニアエンコーダが完全にユニット化されたリニアモータも市場には存在するが、かかるリニアモータは特定用途向けであり、必要とされる条件に応じてこれを改良し得る余地は殆ど存在しない。
【０００７】
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、各種案内構造の駆動源として容易に且つ安全に取り付けることができ、必要とされる用途に対して柔軟に適応させることが可能なリニアモータ駆動ユニットを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のリニアモータ駆動ユニットは、固定部に対して直線移動自在な可動体に取り付けられ、かかる可動体に推力を与える目的で使用されるリニアモータ駆動ユニットであって、長尺なベースプレートと、このベースプレート上に配設されると共に該ベースプレートの長手方向に沿って所定のピッチで複数の磁極が配列されたマグネットプレートと、上記可動体の取付け面を有する天板と、この天板に固定されて上記マグネットプレートに対向する可動子と、上記マグネットプレートの両側に沿ってベースプレート上に設けられた一対の軌道レールと、上記可動子の両側に沿って天板に固定され、上記可動子とマグネットプレートとの非接触状態を保ちながら上記軌道レール上を移動するスライド部材とから構成され、上記軌道レール及びスライド部材は、可動子をマグネットプレートから引き離す方向へ自在に分離し得るように構成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
このような技術的手段によれば、マグネットプレートはベースプレートに固定される一方、可動子は天板に固定されており、しかも、かかる天板はスライド部材と軌道レールとを介してベースプレートに組み付けられているので、マグネットプレートと可動子をユニット化された一体のものとして取り扱うことが可能となる。このため、これらマグネットプレート及び可動子を固定部や可動体に取り付ける作業を容易に行うことができ、かかる作業の際にマグネットプレートを破損したり、マグネットプレートと可動子との間に手を挟んでしまったりといったトラブルを回避することが可能となる。すなわち、上記軌道レール及びスライド部材は可動子をマグネットプレートから引き離す方向へ分離し得るように構成されているので、直線案内装置によって移動自在に支承された可動体の下側に本発明のリニアモータ駆動ユニットを挿入し、ベースプレートを固定部へ、天板を可動体へ夫々固定することにより、マグネットプレート及び可動子を所定の隙間で容易に対向させることができる。
【００１０】
また、リニアエンコーダをベースプレートと天板との間に組み込むことも可能であり、そのように構成した場合には、リニアモータとリニアエンコーダとをユニット化された一体のものとして取り扱うことができるので、フィードバック制御機能を備えた案内構造を容易に且つ短時間で構築することが可能となる。
【００１１】
従って、本発明のリニアモータ駆動ユニット幅広い用途に対して容易に適用可能であり、大量生産によってコストダウンを図ることも可能となる。
【００１２】
また、限定された用途に対しては、上記天板をテーブルとしてそのまま用いることも可能である。その場合、マグネットプレートと可動子との間に作用する磁気力が軌道レールとスライド部材との間に予圧を与える結果となるので、かかる予圧を損なわない範囲で上記天板をテーブルとして使用することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明のリニアモータ駆動ユニットを詳細に説明する。
図１は本発明を適用したリニアモータ駆動ユニット１を示す正面断面図である。このリニアモータ駆動ユニット１は、長尺なベースプレート２上に一対のリニアガイド３を介して天板４を移動自在に支承すると共に、これらベースプレート２と天板４との間にリニアサーボモータ５を配して、上記天板４に推進力を与えるように構成されている。
【００１４】
図２及び図３は上記リニアガイド３の構成の詳細を示す斜視図及び正面断面図である。このリニアガイド３は、ベースプレート２の長手方向に沿って配設される軌道レール３０と、この軌道レール３０に沿って移動すると共に上記天板４に固定されるスライド部材３１とから構成されている。上記軌道レール３０は長手方向に垂直な断面が略矩形状に形成されており、長手方向に沿った一方の側面には２条のボール転走面３２が互いに９０°拡開する方向に向けて形成されている。一方、上記スライド部材３１の側面には軌道レール３０のボール転走面３２と対向する２条の負荷転走面３３が形成されており、多数のボール３４が軌道レール３０のボール転走面３２とスライド部材３１の負荷転走面３３との間で荷重を負荷しながら転走するようになっている。また、スライド部材３１には上記負荷転走面３３を転走し終えたボール３４を循環させるためのボール無限軌道３５が形成されており、ボール３４が無限循環することでスライド部材３１が軌道レール３０に沿って連続的に移動し得るように構成されている。尚、図２及び図３中において、符号３６はリテーナであり、スライド部材３１を軌道レール３０から分離した際に、ボール３４がスライド部材３１の負荷転走面３３から転がり落ちるのを防止している。
【００１５】
図１に示したように、上記ベースプレート２の長手方向に沿った両側縁部には一対のスタンドオフ２０，２０が立設されており、上記軌道レール３０は各スタンドオフ２０上にボルトで夫々固定されている。一方、スライド部材３１は各軌道レール３０に対応して天板４の両側縁部に固定されており、かかる天板４は一対のスタンドオフ２０，２０の間を跨ぐようにして設けられている。ここで、各軌道レール３１はボール転走面３２が形成された側面を上に向けてスタンドオフ２０に固定される一方、各スライド部材３１は負荷転走面３３が形成された側面を下に向けて天板４に固定されており、スライド部材３１は軌道レール３０に対して上方（図１の紙面上側）から組み付けられている。従って、軌道レール３０のボール転走面３２は水平方向（図１の紙面左右方向）に対して上向きに４５°の角度でボール３４と接触する一方、スライド部材３１の負荷転走面３３は水平方向に対して下向きに４５°の角度でボール３４と接触しており、これら軌道レール３０及びスライド部材３１から構成されるリニアガイド３は天板４に作用する鉛直下向きの荷重Ｆ１及び水平方向に作用する荷重Ｆ２のみを負荷し得るようになっている。すなわち、上記天板４はリニアガイド３によってベースプレート２上に支承されており、荷重Ｆ１及びＦ２を負荷しながら自在に移動し得る反面、鉛直上向きの荷重が作用した際にはベースプレート２から離間し得るようになっている。
【００１６】
また、上記天板４とベースプレート２との間にはリニアサーボモータ５が設けられ、このリニアサーボモータ５によって発生した推力及び保持力により、天板４がベースプレート２上を移動し、また、ベースプレート２上の所定の位置で停止し得るように構成されている。かかるリニアサーボモータ５は、ベースプレート２側に固定されたマグネットプレート５０と、天板４側に固定された可動子５１とにより構成されている。ベースプレート２上には上記スタンドオフ２０に挟まれるようにしてボルスター５２が固定され、マグネットプレート５０はこのボルスター５２上に配置されている。また、上記マグネットプレート５０にはベースプレート２の長手方向に沿って複数の磁極が所定のピッチで着磁されており、これらの磁極はＮ極及びＳ極が交互に配列されている。一方、上記可動子５１は複数のコイルアセンブリを天板４の移動方向に繰り返し配列して構成されており、各コイルアセンブリは励磁コア５３に対してコイル５４を巻回して構成されている。そして、各コイルアセンブリはヨーク５５を介して天板４の下面に固定されており、互いに隣接するコイルアセンブリの配設ピッチはマグネットプレート５０における磁極の配列ピッチと同じである。
【００１７】
また、このリニアモータ駆動ユニット１においては、図４に示すように、ホールセンサ６がブラケット６０を介して天板４に固定されており、ベースプレート２に固定されたマグネットプレート５０と所定の間隙を保って対向している。このホールセンサ６は磁束密度の変化に応じた信号を発生することから、天板４が軌道レール３０に沿ってベースプレート２上を移動すると、マグネットプレート５０の磁極が発する磁界の強度に応じて信号を発生する。従って、このホール素子６の信号に基づいて各コイルアセンブリに対する給電のタイミングを制御することにより、励磁コア５３の先端とマグネットプレート５０の磁極との間に磁気吸引力が発生し、天板４に対してベースプレート２の長手方向に沿った推進力を連続的に与えることが可能となる一方、天板４をベースプレート２上の一カ所に係止する保持力を与えることが可能となる。
【００１８】
更に、上記ブラケット６０には光学式リニアエンコーダの読取部６１が固定されており、この読取部６１は軌道レール３０の長手方向に沿って上記スタンドオフ２０の側面に貼付されたエンコーダテープ６２と対面している。従って、天板４が軌道レール３０に沿ってベースプレート２上を移動すると、上記読取部６１がエンコーダテープ６２に所定のピッチで形成された明暗の縞をカウントし、かかるカウント値に基づいてベースプレート２に対する天板４の移動量を把握し得るようになっている。尚、図４中の符号６３は、ホールセンサ６及び上記読取部６１からの信号を図示外の制御部へ伝達すると共に上記可動子５１に対して給電するためのケーブルである。また、上記読取部及６１びエンコーダテープ６２から構成されるリニアエンコーダは光学式のものに限らず、マグネットスケールの磁気を読み取る磁気式のものであっても差し支えない。
【００１９】
そして、以上のように構成された本実施例のリニアモータ駆動ユニット１は、例えば図５に示すように、別のリニアガイド７，７によって固定部８上で案内される可動体９の下面側に配設され、かかる可動体９の駆動手段として使用される。すなわち、リニアモータ駆動ユニット１のベースプレート２が固定部８に、天板４が可動体９に固定して使用される。また、ベースプレート２の長手方向は上記ガイドユニット７による可動体９の移動方向と平行に設定される。そして、この状態で上記可動子５１を構成する各コイルアセンブリに対して通電することにより、天板４に与えられた推力が可動体９に伝達され、可動体９を固定部８上で任意の量だけ駆動し、且つ、所定の位置に保持することができるものである。
【００２０】
このような使用方法において、固定部８から可動体９迄の高さＨを本実施例のリニアモータ駆動ユニット１の高さｈ（図１参照）よりも僅かに大きく（例えば０．１ｍｍ程度）設定しておけば、天板４を可動体９に固定したことによって、スライド部材３１が軌道レール３０から僅かに浮き上がった状態となり、可動体９はこれを支承するリニアガイド７によってのみ固定部８上で案内されるることになる。このため、リニアモータ駆動ユニット１による天板４の案内方向が固定部８上における可動体９の案内方向と厳密に合致していなくとも、可動体９の移動に対して起きな抵抗が作用することなく、可動体９を軽く駆動することができるものである。つまり、可動体９の高さＨをリニアモータ駆動ユニット１の高さｈよりも僅かに大きく設定しておけば、リニアモータ駆動ユニット１の固定部８及び可動体９への組み付けはある程度までラフに行うことができ、組み付けにかかる手間を軽減することができるものである。
【００２１】
また、このリニアモータ駆動ユニット１を可動体８に組み付ける前においては、可動子５１を固定した天板４が一対のリニアガイド３，３によってベースプレート２上に架設されていることから、可動子５１とマグネットプレート５０とが接触してしまうといったトラブルを防止することができる他、可動子５１とマグネットプレート５０との間に手を挟んでしまうといった事故の発生も防止することができるものである。
【００２２】
更に、本実施例のリニアモータ駆動ユニット１によれば、可動子５１を固定した天板４それ自体もリニアガイド３によってベースプレート２上で支えられていることから、かかる天板４に対して鉛直上向きの荷重（Ｆ１と反対方向への荷重）が作用せず、また、Ｆ１が極めて軽荷重であれば、図５に示すようにリニアガイド７で支えられた可動体９を別途設けずとも、この天板４自体を可動体として利用してテーブル案内構造を構築することも可能である。天板４とベースプレート２との間にはリニアサーボモータ５の吸引力、すなわち可動子５１とマグネットプレート５０との間の磁気吸引力が作用していることから、この磁気吸引力はスライド部材３１を軌道レール３０に押し付ける予圧力として働き、天板４に作用する鉛直上向きの荷重がこの予圧力を上回らない限りは、天板４とベースプレート２とが分離してしまうことがないからである。
【００２３】
また更に、本実施例のリニアモータ駆動ユニットでは、リニアサーボモータを構成するマグネットプレート及び可動子がリニアベアリングを介してユニット化されていると共に、リニアサーボモータの制御に必要なホールセンサやリニアエンコーダが外リニアサーボモータと一体化されているので、可動体の案内構造を構築するに当たりこのリニアモータ駆動ユニットを使用すれば、フィードバック制御機能を備えた案内構造を容易に且つ短時間で構築することが可能となる。
【００２４】
尚、上記リニアガイド３は図２及び図３に示したものに限定されず、天板４に作用する鉛直下向きの荷重Ｆ１を負荷し得るものであれば、適宜その構成を変更することができる。但し、天板４を可動体９に固定して使用することを考慮した場合、ベースプレート２に固定されたマグネットプレート５０と天板４に固定された可動子５１との間隔を自在に調整し得るよう、かかるリニアガイド３は荷重Ｆ１の作用方向とは反対方向について負荷能力を具備していないことが必要である。例えば、上記リニアガイド３の他の例としては、図７に示すように、可動体９の移動方向に沿って延びるガイドシャフト７０を上記スタンドオフ２０上に配設する一方、可動体９にはこのガイドシャフト７０の上を走行するローラ７１を設けたものが考えられる。
【００２５】
また、天板４とベースプレート２との間に設けられるリニアモータは、前述のリニアサーボモータモータ５に限られず、例えばリニアパルスモータ等の他の形式のリニアモータを使用することも可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明のリニアモータ駆動ユニットによれば、マグネットプレートと可動子とがリニアガイドを介して一体化されており、これらを容易に取り扱うことが可能となる一方、特定方向に関してはマグネットプレートと可動子とを容易に分離することが可能であり、各種案内構造の駆動源として容易に且つ安全に取り付けることができ、必要とされる用途に対して柔軟に適応させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のリニアモータ駆動ユニットの実施例を示す正面断面図である。
【図２】実施例に係るリニアモータ駆動ユニットに使用されるリニアガイドの一例を示す斜視図である。
【図３】実施例に係るリニアモータ駆動ユニットに使用されるリニアガイドの一例を示す断面図である。
【図４】実施例に係るリニアモータ駆動ユニットの正面図である。
【図５】実施例に係るリニアモータ駆動ユニットを可動体の駆動手段として用いた案内構造を示す正面図である。
【図６】ロータリモータを駆動手段として用いた従来の案内構造の一例を示す斜視図である。
【図７】実施例に係るリニアモータ駆動ユニットに使用されるリニアガイドの他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…リニアモータ駆動ユニット、２…ベースプレート、４…天板、３０…軌道レール、３１…スライド部材、５０…マグネットプレート、５１…可動子、

Claims

固定部に対して直線移動自在な可動体に取り付けられ、かかる可動体に推力を与える目的で使用されるリニアモータ駆動ユニットであって、
長尺なベースプレートと、
このベースプレート上に配設されると共に該ベースプレートの長手方向に沿って所定のピッチで複数の磁極が配列されたマグネットプレートと、
上記可動体の取付け面を有する天板と、
この天板に固定されて上記マグネットプレートに対向する可動子と、
２条のボール転走面を有すると共に、これらボール転走面が形成された側を上記天板に向けて上記マグネットプレートの両側に沿ってベースプレート上に設けられ、前記ボール転走面は天板に対して４５°の角度で傾斜している一対の軌道レールと、
各軌道レールに対応して上記可動子の両側に沿って天板に固定され、前記軌道レールのボール転走面を転走する多数のボールを有すると共にこれらボールが循環する無限軌道を有し、上記可動子とマグネットプレートとの非接触状態を保ちながら上記軌道レール上を移動するスライド部材と、
から構成され、
上記軌道レール及びスライド部材は、可動子をマグネットプレートから引き離す方向へ自在に分離し得るように構成されていることを特徴とするリニアモータ駆動ユニット。