JP4946263B2 - リニアモータおよびそれを搭載した工作機械 - Google Patents

Description

この発明は、リニアモータおよびそれを搭載したプレス機械等の工作機械に関する。

従来、リニアモータとして、Ｎ極とＳ極が交互に並ぶ永久磁石からなる軸部材と、この軸部材の周囲を囲む複数のコイルを軸方向に並べたコイルユニットとを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１）。

このようなリニアモータにおいて、図９に示すように、コイルユニット６３に放熱板７２を設けたものが提案されている。同図のコイルユニット６３は、円筒状のコイルケース７１内に、複数のコイル７０を軸方向に並べて収容し、各コイル７０間に放熱板７２を介在させたものである。放熱板７２は円板からなり、熱伝導のために外周部がコイルケース７１の内周面に密に接触するものとされる。
特開平１０−３１３５６６号公報

上記特許文献１に開示のリニアモータは、ＯＡ機器等において、回転型のモータおよびボールねじの組み合わせに代えて用いる用途等のものであるが、プレス機械等の直動運動を行う工作機械においても、リニアモータを用いると、構成が簡素で制御性にも優れたものとなる。
しかし、プレス機械等にリニアモータを用いる場合、大きな推力を得ることが必要であり、そのためコイルの発熱が大きくなる。図９の例のように、コイル７０をコイルケース７１内に収容する場合、コイルユニット６３を堅固に構成できるが、密閉構造となるため、熱がコイルユニット６３内にこもり、コイルユニット６３の温度上昇が大きくなる。
コイルユニット６３の大きな温度上昇は、リニアモータの効率低下や安全性に影響し、特に工作機械に用いる場合は加工精度にも影響する。

そのため、コイル７０の発生する熱を効率良く放射することが必要となる。図９の例のようにコイル７０間に介在する放熱板７２を設けると、放熱板７２を介してコイル７０の熱をコイルケース７１に伝え、放出することができて、放熱効率の優れたものとなる。
しかし、放熱効率を高めるためには、放熱板７２をコイルケース７１に接触させることが必要であり、放熱板７２をコイルケース７１に接触する形状とすると、密な嵌合状態となるため、コイルユニット６３の組立時に、放熱板７２をコイルケース７１に挿入する作業が困難となる。組立性を良好にするには、放熱板７２とコイルケース７１との間に隙間を生じさせることが必要であるが、空気層が介在すると、熱伝導が行えず、放熱の効率が低下する。

この発明の目的は、コイルユニットの放熱性と組立性を両立させることができるリニアモータを提供することである。
この発明の他の目的は、コイルユニットにおける放熱板のコイルケースとの接触面を大きく得ることができて、放熱効率をより一層高めることができるものとすることである。 この発明のさらに他の目的は、放熱板およびコイルケースを簡素な形状としながら、放熱性と組立性の両立を可能とすることである。
この発明のさらに他の目的は、部品点数が少なく簡素な構造とすることができ、かつモータにおける発熱が少なくて加工精度に優れ、モータの組立性にも優れたリニアモータ搭載工作機械を提供することである。

この発明のリニアモータは、Ｎ極とＳ極が交互に並ぶ永久磁石からなる軸部材と、この軸部材の周囲を囲む複数のコイルを前記軸方向に並べてなり前記軸部材が内部を相対的に軸方向移動自在なコイルユニットとを備えるリニアモータにおいて、コイルユニットを次の構成としたことを特徴とする。
すなわち、前記コイルユニットは、前記複数のコイルを収容しこれらコイルが軸方向に移動可能な内周面形状を持つ筒状のコイルケースと、前記各コイルの間に介在した複数の放熱板とを有し、前記コイルケースの内周および前記放熱板の外周における円周方向複数箇所に、互いに接触する被接触部および接触部がそれぞれ設けられ、前記コイルケースの前記被接触部と前記放熱板の前記接触部とは、この放熱板のコイルケースへの組立状態では互いに接触して前記放熱板の前記コイルケースに対する軸方向移動が不可であり、この組立状態から前記放熱板の前記コイルケースに対する回転位相を異ならせることで互いの接触が解除され前記放熱板の前記コイルケースに対する軸方向移動が自在となる形状とする。ここで言う接触の解除は、必ずしも完全に非接触とならなくても良く、放熱板のコイルケースに対する軸方向移動が自在となる程度の軽接触状態となっていても良い。

この構成のリニアモータによると、各コイルの間に介在した複数の放熱板がコイルケースに前記被接触部および接触部で接触するため、熱伝導が良好に得られ、コイルの発熱を効率良く放出することができる。そのため、工作機械やその他の大出力が必要なリニアモータに適用した場合でも、必要な放熱効率を確保することができる。また、リニアモータの組立状態において、放熱板はコイルケースに接触するが、コイルケースの前記被接触部と放熱板の接触部とは、放熱板のコイルケースに対する回転位相を、この放熱板のコイルケースへの組立状態と異ならせることで互いの接触が解除され前記放熱板の前記コイルケースに対する軸方向移動が自在となる形状としている。そのため、放熱板をコイルケースに入れる組立作業時は、放熱板の接触部がコイルケースの被接触部に接触しない回転位相として放熱板をコイルケース内に入れることで、被接触部と接触部との干渉の問題を生じることなく、放熱板を挿入することができる。放熱板を目的位置まで入れた後、放熱板の回転位相を変えることで、コイルケースの被接触部と接触させることができる。このリニアモータは、このように、コイルユニットの放熱性と組立性を両立させることができる。

この発明において、前記コイルケースの前記被接触部を、前記コイルケースの内周に突出した突片とし、前記放熱板の前記接触部を、前記放熱板の外周に突出した突片としても良い。前記両突片は互いに軸方向に接触するものとする。
このようにコイルケースの被接触部および放熱板の接触部を突片とし、軸方向に接触させるようにした場合、接触面積が大きく得られ、そのため放熱効率をより一層高めることができる。
なお、コイルケースの前記被接触部となる突片は、軸方向に並ぶ一対のものを、放熱板の接触部となる突片が介在するスリットを開けて設けたものとしても良い。その場合、放熱板の接触部となる突片の両面がコイルケースの被接触部と接触して接触面積が増大するため、さらに放熱効率を高めることができる。

また、この発明において、前記コイルケースの前記被接触部が、前記コイルケースの内周面に設けられた軸方向溝の内側面であり、前記放熱板の前記接触部が前記コイルケースの前記軸方向溝内に遊嵌する形状の突片であっても良い。その場合、放熱板の突片は、その側端面が、前記被接触部となる前記軸方向溝の内側面に対して面接触する形状を有するものとする。
このように、コイルケースの被接触部を軸方向溝で形成することより、筒状のコイルケースの内部に突片からなる被接触部を設ける場合に比べて、被接触部の加工が簡単に行える。また、放熱板の突片の側端面を、コイルケースの前記被接触部となる軸方向溝の内側面に対して面接触させるため、接触面積が確保でき、加工が簡単な形状としながら、放熱性を確保することができる。

この発明のリニアモータ搭載工作機械は、この発明の上記いずれかの構成のリニアモータと、このリニアモータで進退駆動されて工具またはワークを移動させる可動部とを備えたものである。この明細書で言う「工作機械」は、旋盤等の切削加工を行う機械に限らず、物を加工する機械一般を示す広義の工作機械であり、パンチプレスやその他のプレス機械を含む意味である。
この構成によると、進退動作する可動部をリニアモータで駆動させるため、回転型のモータを用いるものと異なり、回転を直線運動に変換する機構が不要であり、部品点数が少なく簡素な構造とできる。また、この発明のリニアモータを用いることで、モータにおける発熱が少なくて加工精度に優れ、モータの組立性にも優れたものとなる。

この発明のリニアモータは、Ｎ極とＳ極が交互に並ぶ永久磁石からなる軸部材と、この軸部材の周囲を囲む複数のコイルを前記軸方向に並べてなり前記軸部材が内部を相対的に軸方向移動自在なコイルユニットとを備え、前記コイルユニットは、前記複数のコイルを収容しこれらコイルが軸方向に移動可能な内周面形状を持つ筒状のコイルケースと、前記各コイルの間に介在した複数の放熱板とを有し、前記コイルケースの内周および前記放熱板の外周における円周方向複数箇所に、互いに接触する被接触部および接触部がそれぞれ設けられ、前記コイルケースの前記被接触部と前記放熱板の前記接触部とは、この放熱板のコイルケースへの組立状態では互いに接触して前記放熱板の前記コイルケースに対する軸方向移動が不可であり、この組立状態から前記放熱板の前記コイルケースに対する回転位相を異ならせることで互いの接触が解除され前記放熱板の前記コイルケースに対する軸方向移動が自在となる形状としたため、コイルユニットの放熱性と組立性を両立させることができる。

前記コイルケースの前記被接触部が、前記コイルケースの内周に突出した突片であり、前記放熱板の前記接触部が、前記放熱板の外周に突出した突片であり、前記両突片が互いに軸方向に接触するものとした場合は、コイルユニットにおける放熱板のコイルケースとの接触面を大きく得ることができて、放熱効率をより一層高めることができる。

前記コイルケースの前記被接触部が、前記コイルケースの内周面に設けられた軸方向溝の内側面であり、前記放熱板の前記接触部が前記コイルケースの前記軸方向溝内に遊嵌する形状の突片であり、この突片はその側端面が、前記被接触部となる前記軸方向溝の内側面に対して面接触する形状を有するものとした場合は、放熱板およびコイルケースを簡素な形状として加工性を高めながら、放熱性と組立性の両立を可能とすることができる。

この発明のリニアモータ搭載工作機械は、この発明のリニアモータと、このリニアモータで進退駆動されて工具またはワークを移動させる可動部とを備えたものであるため、部品点数が少なく簡素な構造とでき、かつモータにおける発熱が少なくて加工精度に優れ、モータの組立性にも優れたものとなる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図４と共に説明する。このリニアモータ１は、Ｎ極とＳ極が交互に並ぶ永久磁石からなる軸部材２と、この軸部材２の周囲を囲み、軸部材２が内部を相対的に軸方向移動自在なコイルユニット３とを備える。コイルユニット３はステータとなり、軸部材２が移動体となる。なお軸部材２をステータとしても良い。

図３に全体の組立図を、図４にコイルユニット３の斜視図をそれぞれ示す。軸部材２は丸棒状の永久磁石からなる軸部材本体２ａの両端に、スライダー４，５を取付けたものである。

コイルユニット３は、軸部材２の周囲を囲む複数の円筒状のコイル６を軸方向に並べて構成される。これら複数のコイル６は、共通の円筒状のコイルケース７内に収容し、コイルケース７の両端にキャップ８，９を取付けてコイルユニット３とする。コイルケース７は、外気に触れる面を有し、自然冷却が行われる。コイルケース７の外気に触れる面は、外周面であっても、また外周に設けたフィン（図示せず）の外面であっても良い。

各コイル６の間にはリング状の放熱板１１を介在させる。放熱板１１は、コイル６の並びの両端にも配置する。各コイル６は、互いに共通の円筒状のコイルボビン１０の外周にある。コイル６は、このようにコイルボビン１０が挿入された状態でコイルケース７に軸方向に挿入する。複数のコイル６は、コイルケース７内で放熱板１１と共にモールドされ一体化される。複数のコイル６を接続する配線１４（図４参照）は、コイルケース７に設けられた配線用開口１５から外部に取り出される。

図３において、コイルケース７の両端に取付けたキャップ８，９の内周には、可動子である軸部材２の両端に取付けたスライダー４，５に摺動自在に嵌合させる滑り軸受として、円筒状のブッシュ１２が設けられる。キャップ８，９は内周面が段付き円筒状とされ、スライダー４，５は外周面が段付きの軸状とされ、前記ブッシュ１２は、キャップ８，９の大径側内周面に設けられている。また、キャップ８，９にはスライダー４，５の段部に当ってスライダー４，５を止めるストッパ１３が設けられている。前記ブッシュ１２により、コイル６のコイルボビン１０の内周面と軸部材２の外周面との間、および軸部材２の両端に取付けたスライダー４，５の小径部４ａ，５ａの外周面とキャップ８，９の小径側内周面８ａ，９ａとの間に、軸方向移動のための微小な隙間が保持される。

図１，図２と共に、放熱板１１とコイルケース７の関係を示す。コイルケース７の内周、および放熱板１１の外周における円周方向複数箇所（図示の例では４箇所）に、互いに接触する被接触部７ａおよび接触部１１ａがそれぞれ設けられる。これら被接触部７ａ，接触部１１ａは、放熱板１１のコイルケース７に対する回転位相を、この放熱板１１のコイルケース７への組立状態（図２（Ａ））と異ならせて図２（Ｂ）の回転位相とすることで、互いの接触が解除されて、完全に非接触となり、または少なくとも大部分が非接触となり、放熱板１１のコイルケース７に対する軸方向移動が自在となる形状とされている。

具体的には、コイルケース７の被接触部７ａは、コイルケース７の内周に突出した突片からなる。放熱板１１の接触部１１ａは、放熱板１１の外周に突出した突片である。これらの突片からなる被接触部７ａと接触部１１ａとは、いずれも軸方向に直交する面を有していて、この直交する面で、互いに軸方向に面接触する。コイルケース７の突片からなる被接触部７ａは、軸方向に並ぶ一対のものを、放熱板１１の突片からなる接触部１１ａが略隙間なく介在するスリット２０（図１（Ｂ））を開けて設けたものとされている。

コイルユニット３の組立に際しては、コイルボビン１０に各コイル６および放熱板１１が組付けられたものを、コイルケース７内に挿入する。このとき、図２（Ｂ）に示すように、コイルケース７の被接触部７ａに対して、放熱板１１の接触部１１ａが干渉しない放熱板１１の回転位相として上記挿入を行う。所定位置まで挿入すると、放熱板１１がコイルケース７の上下対となった被接触部７ａ間のスリット２０と対向する軸方向位置となった状態で、放熱板１１をコイル６と共に、コイルケース７に対して図２（Ａ）の回転位相となるように回転させ、放熱板１１の突片からなる接触部１１ａを、コイルケース７の被接触部７ａ間のスリット２０に挿入する。これにより、接触部１１ａはスリット２０の両側の被接触部７ａに接触する。この状態で、コイルユニット３の上記モールドを行う。

この構成のリニアモータ１によると、各コイル６の間に介在した複数の放熱板１１がコイルケース７に被接触部７ａおよび接触部１１ａで接触するため、熱伝導が良好に得られ、コイル６の発熱を効率良く放出することができる。そのため、工作機械やその他の大出力が必要なリニアモータに適用した場合でも、必要な放熱効率を確保することができる。 また、コイルユニット３の組立状態において、放熱板１１はコイルケース７に接触するが、コイルケース７の被接触部７ａと放熱板１１の接触部１１ａとは、放熱板１１のコイルケース７に対する回転位相を変えることで、前記接触が回避され、これら被接触部７ａと接触部１１ａとの干渉の問題を生じることなく、放熱板１１およびコイル６が組まれたものを、コイルケース７に挿入することができる。

この場合に、コイルケース７の被接触部７ａ、および放熱板１１の接触部１１ａを突片とし、軸方向に接触させるようにしたため、接触面積が大きく得られ、そのため放熱効率をより一層高めることができる。また、コイルケース７の被接触部７ａとなる突片は、軸方向に並ぶ一対のものを設け、その間のスリット２０を、放熱板１１の接触部１１ａが略隙間なく介在する寸法としたため、放熱板１１の接触部１１ａの両面でコイルケース７の被接触部７ａと接触する。そのため、接触面積がさらに増大し、放熱効率がより一層高めるられる。
このリニアモータ１は、このように、コイルユニット３の放熱性と組立性を両立させることができる。

なお、上記実施形態では、コイルケース７は自然冷却としたが、図５に示すように、冷却管１６ａ等で構成される強制冷却部１６を有するものとしても良い。冷却管１６ａは、それぞれコイルケース７の外周面に接して軸方向に延びるように、周方向に複数本並べて設けられ、コイルケース７から突出した冷却管保持部１７に嵌合状態に保持されている。各冷却管１６ａの両端は、キャップ８，９に設けられた環状の連通路１８，１９で互いに連通し、これら連通路１８，１９に、冷却水等の冷却液を循環させる冷却液供給装置（図示せず）が配管接続される。

図６，図７は、この発明の他の実施形態を示す。このリニアモータ１は、図１ないし図４と共に説明した第１の実施形態において、被接触部および接触部を次の構成としたものてある。すなわち、図７（Ｂ）のように、コイルケース７の内周面における円周方向の複数箇所に、断面Ｖ字状の軸方向溝２１を設け、この軸方向溝２１の片方の内側面を被接触部７ｂとする。放熱板１１の外周には、軸方向溝２１に遊嵌するＶ字状の突片からなる接触部１１ｂを設ける。この突片からなる接触部１１ｂは、放熱板１１をコイルケース７に対して図７（Ａ）のように回転させた状態で、その側端面１１ｂａが、コイルケース７の軸方向溝２１の内側面からなる被接触部７ｂに対して面接触する形状を有するものとする。

コイルユニット３の組立に際しては、図７（Ｂ）に示すように、放熱板１１のコイルケース７に対する回転位相を、コイルケース７の軸方向溝２１に内に放熱板１１の突片からなる接触部１１ｂが遊嵌する回転位相とした状態で、放熱板１１およびコイル６の組立体をコイルケース７内に軸方向に挿入する。所定位置まで挿入されると、図７（Ａ）のように放熱板１１の突片からなる接触部１１ｂの側端面１１ｂａを、軸方向溝２１の内側面からなる被接触部７ｂに押し当て状態とし、この状態を維持してコイル６の上記モールドを行う。このモールドにより、接触部１１ｂが軸方向溝２１の内側面からなる被接触部７ｂに接触した状態に、コイルユニット３が作成される。

この構成の場合も、コイルユニット３の放熱性と組立性を両立させることができる。また、このようにコイルケース７の被接触部７ｂを軸方向溝２１で形成することより、第１の実施形態のように筒状のコイルケース７の内部に突片からなる被接触部７ａ（図１）を設ける場合に比べて、被接触部７ｂの加工が簡単に行える。また、放熱板１１の突片からなる接触部１１ｂの側端面１１ｂａを、コイルケース７の前記軸方向溝２１の内側面からなる被接触部７ｂに対して面接触させるため、接触面積が確保でき、加工が簡単な形状としながら、放熱性を確保することができる。
この実施形態におけるその他の構成は、図１ないし図４と共に説明した第１の実施形態と同様である。

なお、上記各実施形態のリニアモータは、いずれも、コイル６を円筒形状としたが、コイル６は平面形状が四角形状等の多角形状となるように巻かれたものであっても良い。その場合、図示は省略するが、放熱板１１をコイル６の形状に応じた多角形状とし、コイルケース７についてもコイル６の外周形状に応じた多角形状の角筒状としても良い。このように多角形状とした場合、放熱板１１の外周形状をコイルケース７の内周面よりも若干小さな多角形状とすることで、放熱板１１のコイルケース７への挿入が干渉の問題を生じることなく行え、また挿入後に放熱板１１をコイルケース７に対して回転させることで、放熱板１１の外周の各角部からなる接触部がコイルケース７の内周面からなる被接触部に接触することになる。ただし、放熱板１１の多角形状の外周形状は、正多角形状ではなく、上記のように回転させてコイルケース７の内周面に接触させたときに、面接触となる形状とする。

図８は、リニアモータを駆動源として用いた工作機械の一例であるプレス機械を示す。このプレス機械は、フレーム４１の下部に工具支持体４２，４３と、ワーク送り機構４４とを設置し、フレーム４１の上部にプレス駆動源として、リニアモータ１を用いたプレス機構４５を設置したものである。

工具支持体４２，４３は、同心に設置された上下のタレットからなり、上下の工具支持体４２，４３には円周方向の複数箇所に、それぞれパンチ金型，ダイ金型である工具が搭載される。これらパンチ金型，ダイ金型は、工具支持体４２，４３の回転によって所定のパンチ位置Ｐに割り出される。ワーク送り機構４４は、板材のワークＷの縁部をワークホルダ４７で把持し、ワークＷをテーブル４８上で前後左右に移動させるものである。

プレス機構４５は、工具支持体４２のパンチ位置Ｐに割り出されたパンチ金型を昇降させるラム４９を、ラムガイド５０により昇降自在に支持し、ラム４９をリニアモータ１によって昇降駆動させるものである。リニアモータ１には、例えば図１〜図４と共に前述した第１の実施形態のもの、または図５に示す実施形態のもの、または図６，図７に示す実施形態のものが用いられる。リニアモータ１は、そのコイルユニット３がフレーム４１に固定され、軸部材２が可動部であるラム４９に結合される。

この構成のプレス機械によると、プレス駆動源としてリニアモータ１を用いるため、回転型のモータを用いるものに比べて、回転をラム４９の直線運動に変換する機構が不要であり、プレス機構４５の部品点数が少なく構成が簡素となる。また、プレス駆動源として油圧シリンダを用いるものと比べて、油圧ユニットが不要で、構成が簡単になる。しかもリニアモータ１は、位置精度に優れており、加工品質，精度の良い加工が可能となる。

なお、この発明のリニアモータは、プレス機械に限らず、工具またはワークを移動させる可動部を備えた工作機械一般において、前記可動部の駆動に用いることができる。さらに、工作機械に限らず、種々の機器の駆動源として用いることができる。

この発明の第１の実施形態に係るリニアモータの部分省略断面図およびその一部を拡大して示す斜視図である。 同リニアモータにおけるコイルユニットの組立状態および組立途中の状態をそれぞれ示す横断面図である。 同リニアモータの全体の縦断面図である。 同リニアモータにおけるコイルユニットの分解斜視図である。 （Ａ）はこの発明の他の実施形態に係るリニアモータの全体の縦断面図、（Ｂ）は同図（Ａ）のIV-IV 線拡大断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係るリニアモータの部分省略断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は同リニアモータのコイルユニットの組立状態および組立途中の状態をそれぞれ示す部分拡大横断面図である。 同リニアモータを用いた工作機械であるプレス機械の側面図である。 従来のリニアモータの部分省略断面図である。

符号の説明

１…リニアモータ
２…軸部材
３…コイルユニット
６…コイル
７…コイルケース
７ａ，７ｂ…被接触部
１０…コイルボビン
１１…放熱板
１１ａ，１１ｂ…接触部
１１ｂａ…側端面
２１…軸方向溝
２０…スリット
４１…フレーム
４５…プレス機構
４９…ラム（可動体）
Ｗ…ワーク

Claims (4)

1. Ｎ極とＳ極が交互に並ぶ永久磁石からなる軸部材と、この軸部材の周囲を囲む複数のコイルを前記軸方向に並べてなり前記軸部材が内部を相対的に軸方向移動自在なコイルユニットとを備え、
   前記コイルユニットは、前記複数のコイルを収容しこれらコイルが軸方向に移動可能な内周面形状を持つ筒状のコイルケースと、前記各コイルの間に介在した複数の放熱板とを有し、前記コイルケースの内周および前記放熱板の外周における円周方向複数箇所に、互いに接触する被接触部および接触部がそれぞれ設けられ、前記コイルケースの前記被接触部と前記放熱板の前記接触部とは、この放熱板のコイルケースへの組立状態では互いに接触して前記放熱板の前記コイルケースに対する軸方向移動が不可であり、この組立状態から前記放熱板の前記コイルケースに対する回転位相を異ならせることで互いの接触が解除され前記放熱板の前記コイルケースに対する軸方向移動が自在となる形状としたことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記コイルケースの前記被接触部が、前記コイルケースの内周に突出した突片であり、前記放熱板の前記接触部が、前記放熱板の外周に突出した突片であり、前記両突片は互いに軸方向に接触するものとした請求項１記載のリニアモータ。
3. 前記コイルケースの前記被接触部が、前記コイルケースの内周面に設けられた軸方向溝の内側面であり、前記放熱板の前記接触部が前記コイルケースの前記軸方向溝内に遊嵌する形状の突片であり、この突片はその側端面が、前記被接触部となる前記軸方向溝の内側面に対して面接触する形状を有するものとした請求項１記載のリニアモータ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のリニアモータと、このリニアモータで進退駆動されて工具またはワークを移動させる可動部とを備えたリニアモータ搭載工作機械。

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