JP5100073B2 - リニアモータ装置およびそれを搭載した工作機械 - Google Patents

Description

この発明は、リニアモータ装置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極が交互に並ぶ丸軸状の永久磁石からなる磁石部材と、この磁石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部材とを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１）。
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、リニアモータは、その直進動作において、移動経路中に磁石部材外周に磁性体がある場合、磁石部材の磁極を通過する周期の吸引力変動を生じ、推力のバラツキを生じる。上記のような磁性体は、磁石部材の落下防止等の目的で設けられることがある。プレス機械等の工作機械の駆動源としてリニアモータを用いた場合、前記吸引力変動は、ワークと工具あるいは金型間の接触速度の変動となり、その変動が、プレス切断面や切削加工面等の加工品質として現れ、加工品質の低下に繋がる。

この発明の目的は、吸引力変動による推力のバラツキを軽減できるリニアモータ装置を提供することである。
この発明の他の目的は、駆動源にリニアモータを用いて簡素化を図りながら、吸引力変動による加工品質の低下を軽減できるプレス機械等の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装置は、リニアモータと、このリニアモータを制御する制御部とを備え、前記リニアモータは、Ｎ極とＳ極が軸方向に交互に並ぶ永久磁石からなる磁石部材と、この磁石部材に対して前記軸方向に直交する側に配置され前記磁石部材が相対的に軸方向に移動自在なコイル部材とを備え、前記コイル部材には前記磁石部材に対して磁気吸引力を作用させる磁性体が設けられ、前記制御部は、前記磁石部材およびコイル部材のうちの移動側の部材が、磁石部材の磁極ピッチの中間における吸引力変動の比較的少ない範囲となる定められた使用範囲で往復移動するように前記コイル部材への通電を制御するものとする。
この構成によると、磁石部材およびコイル部材のうちの移動側の部材が、磁石部材の磁極間の一部で往復移動するように、制御部により前記コイル部材への通電を制御するため、吸引力変動が大きく起きない範囲でリニアモータを往復させることになる。そのため、吸引力変動による推力のバラツキが軽減される。

この発明の工作機械は、ワークに加工を施す加工手段と、この加工手段を往復動作させるドライブ手段とを備えた工作機械であって、前記ドライブ手段は、リニアモータと、このリニアモータを制御する制御部とを備え、前記リニアモータは、Ｎ極とＳ極が軸方向に交互に並ぶ永久磁石からなる磁石部材と、この磁石部材に対して前記軸方向に直交する側に配置され前記磁石部材が相対的に軸方向に移動自在なコイル部材とを有し、前記コイル部材には前記磁石部材に対して磁気吸引力を作用させる磁性体が設けられ、前記制御部は、前記磁石部材およびコイル部材のうちの、前記加工手段に結合された移動側の部材が、磁石部材の磁極ピッチの中間における吸引力変動の比較的少ない範囲となる定められた使用範囲で往復移動するように前記コイル部材への通電を制御するものとする。
この構成によると、加工手段を往復動作させるドライブ手段にリニアモータを用いたため、回転型のモータを用いるものと異なり、回転を往復動作に変換する機構が不要で構成が簡素化される。また、リニアモータは、前記制御部の制御により、吸引力変動が大きく起きない範囲で往復動作する。そのため、吸引力変動による推力のバラツキが軽減されて、吸引力変動に伴う加工品質の低下が回避でき、加工品質を向上させることができる。

前記工作機械は、プレス機械であっても良い。すなわち、この発明のプレス機械は、板材に孔加工，成形加工等の加工を施すプレス加工手段と、このプレス加工手段を駆動するドライブ手段とを備えたプレス機械であって、前記ドライブ手段は、リニアモータと、このリニアモータを制御する制御部とを備え、前記リニアモータは、Ｎ極とＳ極が軸方向に交互に並ぶ永久磁石からなる磁石部材と、この磁石部材に対して前記軸方向に直交する側に配置され前記磁石部材が相対的に軸方向に移動自在なコイル部材とを有し、前記コイル部材には前記磁石部材に対して磁気吸引力を作用させる磁性体が設けられ、前記制御部は、前記磁石部材およびコイル部材のうちの、前記プレス加工手段に結合された移動側の部材が、磁石部材の磁極ピッチの中間における吸引力変動の比較的少ない範囲となる定められた使用範囲で往復移動するように前記コイル部材への通電を制御するものとする。
この構成によると、プレス加工手段を往復動作させるドライブ手段にリニアモータを用いたため、回転型のモータを用いるものと異なり、回転を往復動作に変換する機構が不要で構成が簡素化される。また、リニアモータは、前記制御部の制御により、吸引力変動が大きく起きない範囲で往復動作する。そのため、吸引力変動による推力のバラツキが軽減されて、吸引力変動に伴う加工品質の低下が回避でき、加工品質を向上させることができる。

この発明のリニアモータ装置は、リニアモータと、このリニアモータを制御する制御部とを備え、前記リニアモータは、Ｎ極とＳ極が軸方向に交互に並ぶ永久磁石からなる磁石部材と、この磁石部材に対して前記軸方向に直交する側に配置され前記磁石部材が相対的に軸方向に移動自在なコイル部材とを備え、前記コイル部材には前記磁石部材に対して磁気吸引力を作用させる磁性体が設けられ、前記制御部は、前記磁石部材およびコイル部材のうちの移動側の部材が、磁石部材の磁極ピッチの中間における吸引力変動の比較的少ない範囲となる定められた使用範囲で往復移動するように前記コイル部材への通電を制御するものとしたため、吸引力変動による推力のバラツキを軽減することができる。

この発明の工作機械は、ワークに加工を施す加工手段と、この加工手段を往復動作させるドライブ手段とを備えた工作機械であって、前記ドライブ手段は、リニアモータと、このリニアモータを制御する制御部とを備え、前記リニアモータは、Ｎ極とＳ極が軸方向に交互に並ぶ永久磁石からなる磁石部材と、この磁石部材に対して前記軸方向に直交する側に配置され前記磁石部材が相対的に軸方向に移動自在なコイル部材とを有し、前記コイル部材には前記磁石部材に対して磁気吸引力を作用させる磁性体が設けられ、前記制御部は、前記磁石部材およびコイル部材のうちの、前記加工手段に結合された移動側の部材が、磁石部材の磁極ピッチの中間における吸引力変動の比較的少ない範囲となる定められた使用範囲で往復移動するように前記コイル部材への通電を制御するものとしたため、駆動源にリニアモータを用いて簡素化を図りながら、吸引力変動による加工品質の低下を軽減することができる。

この発明のプレス機械は、板材に孔加工，成形加工等の加工を施すプレス加工手段と、このプレス加工手段を駆動するドライブ手段とを備えたプレス機械であって、前記ドライブ手段は、リニアモータと、このリニアモータを制御する制御部とを備え、前記リニアモータは、Ｎ極とＳ極が軸方向に交互に並ぶ永久磁石からなる磁石部材と、この磁石部材に対して前記軸方向に直交する側に配置され前記磁石部材が相対的に軸方向に移動自在なコイル部材とを有し、前記コイル部材には前記磁石部材に対して磁気吸引力を作用させる磁性体が設けられ、前記制御部は、前記磁石部材およびコイル部材のうちの、前記プレス加工手段に結合された移動側の部材が、磁石部材の磁極ピッチの中間における吸引力変動の比較的少ない範囲となる定められた使用範囲で往復移動するように前記コイル部材への通電を制御するものとしたため、吸引力変動による加工品質の低下を軽減することができる。

この発明の一実施形態を図面と共に説明する。このリニアモータ装置は、リニアモータ１と、このリニアモータ１を制御する制御部３０とを備える。

リニアモータ１は、Ｎ極とＳ極が軸方向に交互に並ぶ永久磁石からなる磁石部材２と、この磁石部材２に対して前記軸方向に直交する側に配置され前記磁石部材２が相対的に軸方向に移動自在なコイル部材３とを備える。磁石部材２とコイル部材３とは、いずれを移動側としても良いが、この実施形態では、磁石部材２が移動側の部材、コイル部材３が固定側の部材とされている。磁石部材２は丸棒状の部材であり、図１に矢印ａで示すように隣合う磁極Ｎ，Ｓ間に磁束ａが発生する。コイル部材３は、磁石部材２の周囲を囲む複数の円筒状のコイル６を軸方向に並べたコイルユニットとして構成される。各コイル６は並列に接続されている。

コイル部材３には、例えばその一端に、磁石部材２に対して磁気吸引力を作用させる磁性体１３が設けられている。磁性体１３は、例えばコイル部材３への通電停止時における磁石部材２の落下阻止や、位置保持等のために設けられる。

制御部３０は、磁石部材２がコイル部材３に対して、磁石部材２の磁極Ｎ，Ｓのピッチｐ間の一部の使用範囲Ｌで往復移動するように、コイル部材３のコイル６への通電を制御するものである。
制御部３０は、コイル部材３の各コイル６を励磁する駆動電流を出力する電力制御部３２と、この電力制御部３２に、駆動電流の出力状態と停止状態との切換え、および電流流れ方向の切換を行わせる制御信号を出力する制御信号生成部３１と、磁石部材２の進退位置を検出する位置検出器３４の信号を変換して制御信号生成部３１に入力するデータ変換回路３３とでなる。

電力制御部３２は、前記駆動電流として、３相交流電流等を出力するものであり、３相商用交流電源を所定の周波数の出力に変換するインバータ回路等を備えている。リニアモータ１は、電力制御部３２による駆動電流の出力を維持すると、コイル６の励磁によって磁石部材２が一定方向への移動を続ける。

位置検出器３４は、磁石部材２の軸方向に延びるリニアスケール３５と、このリニアスケール３５を読み取る検出ヘッド３６とでなる。リニアスケール３５は、磁石部材２にスケール取付部品３７を介して取付けられている。検出ヘッド３５は、コイル部材３が固定された部材またはコイル部材３に、検出ヘッド取付部品３８を介して取付けられている。この実施形態では、後に示す図５のプレス機械のラム４９を案内するラムガイド５０に、検出ヘッド取付部品３８が取付けられている。
データ変換回路３３は、位置検出器３４の検出ヘッド３６の出力を、制御信号生成部３１で取扱可能な位置信号に変換する回路である。例えば、位置検出器３４が検出ヘッド３６から移動量相当のパルスを出力するインクリメンタル式のものである場合、データ変換回路３３はディジタル値の位置データに変換する。位置検出器３４の出力が、制御信号生成部３１で直接に取扱可能な形式の出力である場合、データ変換回路３３は不要である。

制御信号生成部３１は、磁石部材２の磁極Ｎ，Ｓのピッチｐ間の一部となる所定の使用範囲Ｌが設定されていて、位置検出器３４から得られる磁石部材２の位置を監視し、磁石部材２の往復運動時に上記所定の移動範囲を超えないように制御する機能を有する。この機能は、例えば、磁石部材２の位置が上記所定の使用範囲Ｌの一端に達すると電力制御部３２による電流の方向を、磁石部材２の移動方向が逆となるように変更する制御信号を出力するものである。所定の使用範囲Ｌは、任意に設定可能とされる。
制御信号生成部３１は、この他に、このリニアモータ装置の外部の制御手段（図示せず）、例えばこのリニアモータ装置を搭載した工作機械の制御装置の出力に従い、電力制御部３２に電流の供給を開始させ、または停止させる制御信号を出力する。例えば、制御信号生成部３１は、上記外部の制御手段の出力に従い、使用範囲Ｌのうちのさらに一部の範囲で往復動作させるように制御可能とされ、また磁石部材２の落下防止や、位置保持等のときには、上記使用範囲Ｌを超えて、吸引力の釣り合い位置まで移動するように制御信号を出力する。
なお、制御信号生成部３１は、往復運動モードでは、単に上記使用範囲Ｌを超えないように制御し、往復運動の動作範囲は上記外部の制御手段で定めるようにし、また上記外部の制御手段から与えられる上記往復運動モードの解除の指令によって、上記外部の制御手段により上記使用範囲を超える移動を許容するものとしても良い。

図２，図３は、リニアモータ１の具体例を示す。磁石部材２は丸棒状の永久磁石からなる磁石部材本体２ａの両端に、スライダー４，５を取付けたものである。

コイル部材３は、上記複数のコイル６を、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を取付けてコイル部材３とする。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。これら放熱板１１は、コイルケース７の内周面に接触させる。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。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３参照）は、コイルケース７に設けられた結線用開口１５から外部に取り出される。

図２に示すように、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、磁石部材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。前記ブッシュ１２により、磁石部材２とコイル部材３との相対移動を許す微小な隙間が保持される。すなわち、コイル６のコイルボビン１０の内周面と磁石部材２の外周面との間、および磁石部材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。
なお、磁石部材２とコイル部材３との間の隙間の保持手段は、必ずしもリニアモータに備えていなくても良く、このリニアモータを使用する機器に前記隙間の保持手段を設けても良い。

コイル部材３には、コイル６の並びの端部に磁石自在２の磁気吸引力を作用させて磁石部材２の落下を阻止するための磁性体１３が設けてある。磁性体１３は、磁石部材２の外周に遊嵌する内径のリング形状であり、鉄またはその他の強磁性体からなる。磁性体１３は、この実施形態では、上側のキャップ８の内周面に埋め込み状態に設けられている。磁性体１３の軸方向位置は、例えばコイル部材３に対して磁石部材２が移動しても常に磁性体１３が磁石部材２の周囲にある位置とされる。

コイルケース７の外周には強制冷却部１６が設けられている。強制冷却部１６は、それぞれ軸方向に延びる複数本の冷却管１７を、円周方向に等間隔で配置して構成される。各冷却管１７の両端は、コイルケース７の両端のキャップ８，９内に設けられた環状の集合路２０，２１にそれぞれ連通する。これら集合路２０，２１は冷却液の循環装置（図示せず）に接続されている。

この構成のリニアモータ装置によると、移動側の部材である磁石部材２が、この磁石部材２の磁極Ｎ，Ｓのピッチｐの一部の使用範囲Ｌで往復移動するように、制御部３０によりコイル６の通電方向が制御される。すなわち、制御部３０の制御信号制御部３１は、位置検出器３４の出力を監視し、往復運動時は、使用範囲Ｌ内で移動するように制御信号を出力し、落下防止や、位置保持等の時には、磁性体１３と磁石部材２の吸引力の釣り合い位置まで移動するように制御信号を出力する。

このように、磁石部材２を磁極Ｎ，Ｓのピッチｐの一部の使用範囲Ｌで往復移動させるため、磁石部材２に磁力を影響させる磁性体１３があるにも係わらず、吸引力変動が大きく起きない範囲でリニアモータ１の磁石部材２を往復させることになり、このため吸引力変動による推力のバラツキが軽減される。

このバラツキ軽減につき、図４と共に説明する。磁性体１３がない場合、リニアモータ１の推力となる吸引力は、図４（Ｃ）のように磁石部材２の進退位置に係わらず一定となる。しかし、磁性体１３があると、同図（Ｂ）のように、磁性体１３と磁石部材２の間の吸引力が作用し、この吸引力は磁石部材２の位置によって、その磁極のピッチｐの周期で変動する。したがって、磁性体１３がある場合、リニアモータ１の推力となる吸引力は、同図（Ｃ），（Ｂ）の力が加わった値となって、同図（Ｄ）のように磁極ピッチｐで変動した値となる。この吸引力変動は、磁性体１３が磁極に位置する付近で大きくなる。そのため、磁極ピッチｐの中間における吸引力変動の比較的少ない範囲に使用範囲Ｌを設定し、この使用範囲Ｌで進退するように駆動することにより、吸引力先変動によるリニアモータ１の推力のバラツキが軽減される。使用範囲Ｌは適宜設定すれば良い。

図５は、リニアモータを駆動源として用いたリニアモータ搭載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、プレス加工手段４５を往復動作させるドライブ手段として、図１の実施形態におけるリニアモータ１および制御３０からなるリニアモータ装置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。

プレス加工手段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は、そのコイル部材３がフレーム４１に固定され、磁石部材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、プレス加工手段４５のドライブ手段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、プレス加工手段４５の部品点数が少なく構成が簡素となる。また、プレス加工のドライブ手段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。

また、この実施形態のプレス機械で用いるリニアモータ１は、上記のように、磁石部材２の磁極Ｎ，Ｓのピッチｐの一部の使用範囲Ｌで往復移動するように、制御部３０により制御され、吸引力変動が大きく起きない範囲で磁石部材２を往復させることになる。このため、吸引力変動による推力のバラツキが軽減され、したがって吸引力変動によるプレス加工の品質の低下が軽減される。

なお、この発明のリニアモータ装置は、コイル部材３が磁石部材２を囲むリング状のものに限らず、例えば磁石部材２とコイル部材を平行に配置したものであっても良い。
また、この発明のリニアモータ搭載工作機械は、プレス機械に限らず、ワークに加工を施す加工手段、およびこの加工手段を往復動作させるドライブ手段を備えた工作機械一般において、前記ドライブ手段にこの発明のリニアモータ装置を用いたものであれば良い。
さらに、この発明のリニアモータ装置は、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。

この発明の一実施形態に係るリニアモータ装置の概念構成を示すブロック図である。 そのリニアモータの具体例の縦断面図である。 同リニアモータにおけるコイル部材の分解斜視図である。 同リニアモータの磁性体がある場合の推力変動の説明図である。 この発明の一実施形態に係るリニアモータ装置を搭載した工作機械であるプレス機械の側面図である。

符号の説明

１…リニアモータ
２…磁石部材
３…コイル部材
６…コイル
７…コイルケース
３０…制御部
３１…制御信号生成部
３２…電力制御部
４５…プレス加工手段
４９…ラム（可動部）
Ｎ，Ｓ…磁極
ｐ…ピッチ
Ｗ…ワーク

Claims (3)

1. リニアモータと、このリニアモータを制御する制御部とを備え、
   前記リニアモータは、Ｎ極とＳ極が軸方向に交互に並ぶ永久磁石からなる磁石部材と、この磁石部材に対して前記軸方向に直交する側に配置され前記磁石部材が相対的に軸方向に移動自在なコイル部材とを備え、
   前記コイル部材には前記磁石部材に対して磁気吸引力を作用させる磁性体が設けられ、前記制御部は、前記磁石部材およびコイル部材のうちの移動側の部材が、磁石部材の磁極ピッチの中間における吸引力変動の比較的少ない範囲となる定められた使用範囲で往復移動するように前記コイル部材への通電を制御するものとした
   リニアモータ装置。
2. ワークに加工を施す加工手段と、この加工手段を往復動作させるドライブ手段とを備えた工作機械であって、
   前記ドライブ手段は、リニアモータと、このリニアモータを制御する制御部とを備え、 前記コイル部材には前記磁石部材に対して磁気吸引力を作用させる磁性体が設けられ、 前記リニアモータは、Ｎ極とＳ極が軸方向に交互に並ぶ永久磁石からなる磁石部材と、この磁石部材に対して前記軸方向に直交する側に配置され前記磁石部材が相対的に軸方向に移動自在なコイル部材とを有し、
   前記制御部は、前記磁石部材およびコイル部材のうちの、前記加工手段に結合された移動側の部材が、磁石部材の磁極ピッチの中間における吸引力変動の比較的少ない範囲となる定められた使用範囲で往復移動するように前記コイル部材への通電を制御するものとした
   リニアモータ搭載工作機械。
3. 板材に孔加工，成形加工等の加工を施すプレス加工手段と、このプレス加工手段を駆動するドライブ手段とを備えたプレス機械であって、
   前記ドライブ手段は、リニアモータと、このリニアモータを制御する制御部とを備え、 前記リニアモータは、Ｎ極とＳ極が軸方向に交互に並ぶ永久磁石からなる磁石部材と、この磁石部材に対して前記軸方向に直交する側に配置され前記磁石部材が相対的に軸方向に移動自在なコイル部材とを有し、
   前記コイル部材には前記磁石部材に対して磁気吸引力を作用させる磁性体が設けられ、 前記制御部は、前記磁石部材およびコイル部材のうちの、前記プレス加工手段に結合された移動側の部材が、磁石部材の磁極ピッチの中間における吸引力変動の比較的少ない範囲となる定められた使用範囲で往復移動するように前記コイル部材への通電を制御するものとした
   リニアモータ搭載プレス機械。

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