JP5258234B2 - Linear motor actuator - Google Patents
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Description
本発明は、入力信号に応じて案内軸とスライド部材とが相対的に移動可能なリニアアクチュエータに係り、特に、前記案内軸とスライド部材とを相対的に移動させるための駆動手段としてリニアモータを採用したリニアモータアクチュエータに関する。 The present invention relates to a linear actuator in which a guide shaft and a slide member are relatively movable in accordance with an input signal, and in particular, a linear motor is used as a drive means for relatively moving the guide shaft and the slide member. It relates to the adopted linear motor actuator.
従来、この種のリニアモータアクチュエータとしては、WO2007/026673A1に開示されるものが知られている。このリニアモータアクチュエータは、推力発生源としてのロッド型リニアモータと直線案内手段としてのボールスプライン装置を融合させたものであり、リニアモータを構成するマグネットロッドがボールスプイランを構成するスプライン軸の内部に格納されている。具体的には、中空部を有して筒状に形成されると共に長手方向に沿ってスリット開口が形成されたスプライン軸と、多数のボールを介して前記スプライン軸に組付けられて当該スプライン軸をその軸方向へ案内するスプラインナットと、前記スプライン軸の中空部内に両端支持されるマグネットロッドと、前記スプライン軸の中空部内に配置されると共に当該マグネットロッドと相まってリニアモータを構成し、前記スリット開口を介して前記スプラインナットと結合されたフォーサと、から構成されている。 Conventionally, as this type of linear motor actuator, one disclosed in WO2007 / 026673A1 is known. This linear motor actuator is a combination of a rod-type linear motor as a thrust generation source and a ball spline device as a linear guide means, and the magnet rod that constitutes the linear motor is the interior of the spline shaft that constitutes the ball spilan. Stored in Specifically, a spline shaft that has a hollow portion and is formed in a cylindrical shape and has slit openings along the longitudinal direction, and the spline shaft that is assembled to the spline shaft via a large number of balls. A spline nut that guides the shaft in the axial direction, a magnet rod supported at both ends in the hollow portion of the spline shaft, and a linear motor that is disposed in the hollow portion of the spline shaft and is coupled with the magnet rod, the slit And a forcer coupled with the spline nut through an opening.
前記フォーサはコイル部材を内蔵しており、かかるコイル部材に駆動電流を通電すると、フォーサはマグネットロッドに沿ってスプライン軸の中空部内を軸方向へ推進される。その結果、スプライン軸のスリット開口を介して前記フォーサと結合されたスプラインナットがスプライン軸の外側において軸方向へ推進され、前記駆動電流の通電に応じてスプラインナットをスプライン軸に対して任意の量で移動させることが可能となっている。 The forcer incorporates a coil member, and when a drive current is passed through the coil member, the forcer is propelled in the axial direction in the hollow portion of the spline shaft along the magnet rod. As a result, the spline nut coupled to the forcer through the slit opening of the spline shaft is propelled in the axial direction outside the spline shaft, and the spline nut is moved to an arbitrary amount with respect to the spline shaft in response to energization of the drive current. It is possible to move with.
このように構成された従来のリニアモータアクチュエータは、スプライン軸の中空部内にロッド型リニアモータを格納した結果として、推力発生源としてのロッド型リニアモータと直線案内手段としてのボールスプライン装置とが極めてコンパクトに融合されており、その取り扱いが非常に容易なものとなっている。
しかし、WO2007/026673A1に開示される従来のリニアモータアクチュエータでは、フォーサがスプラインナットの軸方向長さと同一又はそれ以下の長さに形成されているため、マグネットロッドとフォーサとの間で十分な推力を発生させることができず、小型且つ高推力が要求される用途には不向きであった。 However, in the conventional linear motor actuator disclosed in WO2007 / 026673A1, the forcer is formed to have a length equal to or less than the axial length of the spline nut, so that sufficient thrust is generated between the magnet rod and the forcer. Cannot be generated, and is not suitable for applications requiring a small size and high thrust.
また、リニアモータのフォーサは通電によって発熱するため、推力の低下を防止するためにはフォーサの放熱対策を十分に行う必要があるが、従来のリニアモータアクチュエータではフォーサがスプラインナットによって覆われているため、連続運転等の使用状況によっては、フォーサの放熱が十分になされない懸念があった。 In addition, since the force of the linear motor generates heat when energized, it is necessary to take sufficient measures to dissipate the force of the forcer in order to prevent a reduction in thrust. However, in the conventional linear motor actuator, the forcer is covered with a spline nut. For this reason, there has been a concern that the heat radiation of the forcer may not be sufficiently performed depending on the use situation such as continuous operation.
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、小型に製作することが可能でありながら大きな推力を発揮することが可能であり、しかも運転時におけるフォーサの放熱を促進することが可能なリニアモータアクチュエータを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is that it is possible to produce a large thrust while being able to be manufactured in a small size, and furthermore, the force of the forcer during operation. An object of the present invention is to provide a linear motor actuator capable of promoting heat dissipation.
すなわち、本発明のリニアモータアクチュエータは、長手方向に沿って転動体の転走面が形成された案内軸と、この案内軸と平行に配設されると共に複数の磁極が長手方向に繰り返し配列されたマグネット部材と、多数の転動体を介して前記案内軸に組付けられ、かかる案内軸の長手方向に沿って移動自在なスライド部材と、前記マグネット部材と相まってリニアモータを構成すると共に、前記スライド部材よりも移動方向に沿って長尺に形成され、長手方向中央部が前記スライド部材に結合されたフォーサとから構成されている。 That is, the linear motor actuator of the present invention has a guide shaft in which the rolling surface of the rolling element is formed along the longitudinal direction, and is arranged in parallel with the guide shaft, and a plurality of magnetic poles are repeatedly arranged in the longitudinal direction. A magnetic member, a slide member that is assembled to the guide shaft via a number of rolling elements and is movable along the longitudinal direction of the guide shaft, and a linear motor together with the magnet member, and the slide The forcer is formed longer than the member in the moving direction, and the central portion in the longitudinal direction is coupled to the slide member.
このように構成された本発明のリニアモータアクチュエータによれば、マグネット部材と相まってリニアモータを構成しているフォーサは、その移動方向の長さがスライド部材よりも長尺に形成され、その分だけフォーサに具備されたコイル部材が増強されるので、リニアモータの推力の増強が図られている。そして、このフォーサは長手方向の中央部のみがスライド部材に結合されており、フォーサの両端部はスライド部材によって覆われることなく露出している。このため、通電によってフォーサが発熱した場合であっても、かかるフォーサの冷却を促進することができ、リニアモータの推力の低下を防止することが可能となる。 According to the linear motor actuator of the present invention configured as described above, the forcer constituting the linear motor coupled with the magnet member is formed to have a longer length in the moving direction than the slide member. Since the coil member provided in the forcer is strengthened, the thrust of the linear motor is enhanced. In addition, only the central portion in the longitudinal direction of the forcer is coupled to the slide member, and both end portions of the forcer are exposed without being covered by the slide member. For this reason, even when the forcer generates heat due to energization, cooling of the forcer can be promoted, and a reduction in the thrust of the linear motor can be prevented.
以下、添付図面に沿って本発明のリニアモータアクチュエータを詳細に説明する。 Hereinafter, the linear motor actuator of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1乃至図3は本発明を適用したリニアモータアクチュエータの一例を示す図であり、図1は全体斜視図、図2は側面図、図3は後述するスプラインナットの中心で長手方向と垂直に切り欠いた斜視図である。このリニアモータアクチユエータは、中空部10を有して略円筒状に形成されたスプライン軸1と、多数のボールを介してこのスプライン軸1の外側に嵌合したスプラインナット2とを備え、前記スプライン軸1の中空部10内に収容されたリニアモータ3の発生する推力を用いて、前記スプラインナット2とスプライン軸1を軸方向へ相対的に往復運動させることができるように構成されている。ここで、前記スプライン軸1は本発明の案内軸に、前記スプラインナット2は本発明のスライド部材に相当する。
1 to 3 are views showing an example of a linear motor actuator to which the present invention is applied. FIG. 1 is an overall perspective view, FIG. 2 is a side view, and FIG. 3 is a center of a spline nut, which will be described later, perpendicular to the longitudinal direction. It is a cutaway perspective view. The linear motor actuator includes a
前記スプライン軸1は中空部10を有して円筒状に形成されており、その外周面には180°位相をずらして2条のボール転走溝11が形成されている。また、このスプライン軸1には前記ボール転走溝11と位相を90°ずらした位置に軸方向に沿った一条のスリット開口12が設けられている。このスリット開口は図1及び図2ではスプライン軸1の下方に位置している。従って、前述したスプライン軸1の中空部10は、このスリット開口12を通してスプライン軸1の外部に開放されている。更に、スプライン軸1の外周面において、前記スリット開口12と位相を180°ずらした位置には平坦面13が形成されており、この平坦面13は後述するリニアスケールの取付け面となっている。
The
一方、前記スプラインナット2は略矩形状に形成されると共に、前記スプライン軸1よりも僅かに大きな内径の貫通孔を有している。スプライン軸1はこの貫通孔に挿通され、前記ボール転走溝11を転走する多数のボールを介してスプラインナット2に組付けられている。このスプラインナット2は、ナット本体20と、各ボール転走溝11に対応してナット本体20の軸方向の両端面に固定された複数のエンドプレート21とから構成されている。前記ナット本体にはこのリニアアクチュエータユニットを利用する機器の固定部又は可動部の取付け面20aが形成され、この取付け面20aにはボルトが螺合するタップ孔20bが形成されている。
On the other hand, the
また、ナット本体20の貫通孔の内周面には前記スプライン軸1のボール転走溝11と相対向する負荷転走溝22が180°位相をずらして2条形成されており、前記ボールはこれらボール転走溝11と負荷転走溝22との間で荷重を負荷しながら転走する。また、ナット本体20には各負荷転走溝22と平行に2条のボール戻し通路23が形成されており、これらボール戻し通路23は各負荷転走溝22の外側に存在している。一方、各エンドプレート21にはナット本体20の負荷転走溝22とこれに対応するボール戻し通路23との間でボール3を往来させる方向転換路が形成されており、2枚のエンドプレート21をナット本体20の軸方向の両端面に夫々固定すると、前記スプラインナット2にボール4の無限循環路が具備されるようになっている。すなわち、図3に示すスプラインナット2ではスプライン軸1を挟むようにして一対の無限循環路が形成されている。尚、図3では、ナット本体20に形成された負荷転走溝22及びボール戻し通路は描かれているが、これらを転走するボールは描かれていない。
Moreover, two
従って、仮にスプラインナット2を固定し、かかるスプラインナットに対して前記スプライン軸1を移動させると、ボール4がナット本体20とスプライン軸1との間で荷重を負荷しながら前記無限循環路25内を循環し、スプライン軸1をスプラインナット2に沿って連続的に移動させることができるものである。従って、このリニアモータアクチュエータは、前記タップ孔20bを利用することによってスプラインナット2を他の機器類に固定し、かかるスプラインナット2に支承されたスプライン軸1を軸方向へ進退させるようにして使用される。また、その逆として、スプライン軸1を他の機器類に固定し、かかるスプライン軸1に組付けられたスプラインナット2を軸方向へ進退させるように使用してもよい。尚、実際の試作では、前記ボール4として直径0.4mmの鋼球を使用することにより、スプラインナットに対するスプライン軸の滑らかな直線往復運動を得ることができた。
Accordingly, if the
一方、前記スプライン軸1の中空部10内にはリニアモータ3のマグネット部材としてのマグネットロッド30が収容されている。かかるマグネットロッド30は軸方向に沿って永久磁石のN極及びS極を交互に配列したものであり、スチールパイプの内部に多数の永久磁石を詰め込んで製作しても良いし、成形された丸棒に対して後から着磁して磁極を形成するようにしても良い。図3に示マグネットロッド30は前者の例で製作されている。
On the other hand, a
前記スプライン軸1の軸方向両端の開口部には一対のエンドキャップ5が嵌合しており、スプライン軸1の中空部10を閉塞している。これらエンドキャップ5の内側には前記マグネットロッド30の端部を嵌合させる保持部が夫々形成されており、一対のエンドキャップ5をスプライン軸1に固定することにより、前記マグネットロッド30がスプライン軸1の中空部10内で両端支持梁の如く保持され、スプライン軸1の軸方向と平行に位置決めされるようになっている。尚、図中における符号51は前記エンドキャップ5をスプライン軸1に固定するための止めねじの取付け孔である。
A pair of
また、前記マグネットロッド30の周囲にはリニアモータ3を構成するフォーサ31が配置されている。図4はこのフォーサ31の詳細を示すものである。このフォーサ31は、マグネットロッド30と僅かな間隙を保ってその周囲にリング状に巻き回された複数のコイル部材32と、これらコイル部材32を一体的に保持する絶縁体としての樹脂ホルダ33と、この樹脂ホルダ33に接着された金属製の補強プレート34とから構成されている。尚、図4中の符号35は各コイル部材32に駆動電流を通電するためのケーブルであり、フレキシブルプリント基盤(FPC)から形成されている。
A
各コイル部材32には三相交流電流が印加されるように構成されており、前記樹脂ホルダ33には三相交流電流のU相、V相、W相に対応したコイル部材32が順番に配列されている。図4に示す例では18個のコイル部材32が樹脂ホルダ33に配列されており、U相、V相、W相に対応した3個1組のコイル部材32が6組配列されていることになる。また、各コイル部材32の配列ピッチはマグネットロッド60における永久磁石の配列ピッチよりも短く設定されている。マグネットロッド30にはS極の磁極からN極の磁極に向かって磁束が形成されており、フォーサ31にはその磁束密度を検出する磁極センサ(図示せず)が内蔵されている。従って、この磁極センサの出力する検出信号からコイル部材32に対するマグネットロッド30の各磁極(N極及びS極)の位置関係が把握される。コイル部材32に対する駆動電流の通電を制御しているドライバユニットは前記磁極センサの検出信号を受信し、コイル部材32とマグネットロッド30の各磁極との位置関係に応じた最適駆動電流の位相を演算し、それを各コイル部材32に通電する。その結果、各コイル部材32に流れる駆動電流と永久磁石によって形成される磁束との相互作用によって、コイル部材32と永久磁石の各磁極との間に吸引力及び反発力が発生し、フォーサ31に対してマグネットロッド30が軸方向へ相対的に推進されることになる。
A three-phase alternating current is applied to each
前記スプライン軸1のスリット開口12と反対側に設けられた平坦面13には、スプライン軸1の長手方向に沿って2本のリニアスケール14,15が貼り付けられている。また、スプラインナット2には前記リニアスケール14,15と対向する読み取りヘッド16が搭載されており、スプラインナット2に対してスプライン軸1が移動すると、その移動量に応じた信号を出力するように構成されている。読み取りヘッド16の出力信号はケーブル17によって前記ドライバユニットに伝達される。このケーブル17はフレキシブルプリント基板(FPC)から形成されている。また、一対のリニアスケール14,15のうち、一方のリニアスケール14はスプライン軸1上におけるスプラインナット2の位置検出用であり、他方のリニアスケール15はスプライン軸1上におけるスプラインナット2のホームポジションを明示する原点復帰用である。
Two
図3の断面図に示されているように、前記フォーサ31のコイル部材32はスプライン軸1の中空部においてマグネットロッド30を取り囲んでいるが、かかるコイル部材32を保持する樹脂ホルダ33はスプライン軸1のスリット開口12を介して該スプライン軸1の外部に突出しており、樹脂ホルダ33に接着された補強プレート34が固定ねじによってスプラインナット2と結合されている。そのため、補強プレート34には前記固定ねじが螺合するタップ孔36が形成されている。これにより、マグネットロッド30がフォーサ31に対して推進されると、スプライン軸1がスプラインナット2の軸方向へ推進されることになる。
As shown in the sectional view of FIG. 3, the
前記フォーサ31の軸方向長さ、すなわち前記コイル部材32の配列方向に沿ったフォーサ31の長さは、前記スプラインナット2の軸方向長さよりも長尺に形成されている。このため、スプラインナット2はフォーサ31の長手方向の中央部に固定されており、フォーサ31の長手方向の両端はスプラインナット2によって覆われることなくスリット開口12からスプライン軸1の外部に露出している。
The axial length of the
このような構造では、フォーサ31の長手方向の中央部のみがスプラインナット2によって支持されており、リニアモータ3の推力増強のためにフォーサ31が長尺化した場合には、フォーサ31そのものの撓み変形に伴うマグネットロッド30との接触が懸念される。しかし、フォーサ31の全長にわたって金属製の補強プレート34を設け、この補強プレート34を介してフォーサ31をスプラインナット2に固定していることから、フォーサ31の変形を抑え、マグネットロッド30とフォーサ31の接触を防止することが可能となっている。
In such a structure, only the central portion in the longitudinal direction of the
また、フォーサ31はその長手方向の両端がスプラインナット2によって覆われることなくスプライン軸2のスリット開口12を介して外部に露出していることから、コイル部材32に対する駆動電流の通電によってフォーサ31が発熱した場合であっても、かかるフォーサ31からの放熱を促進することができ、連続運転時等におけるリニアモータ3の推力低下を防止することが可能となる。
Further, since both ends of the
一方、このようにフォーサ31を長大化し、リニアモータ3の推力を向上させた結果として、仮にスプライン軸1が限界停止位置を超えてスプラインナット2に対してオーバーランを生じてしまった場合には、フォーサ31の端部がエンドキャップ5に突き当たってしまい、フォーサ31が破損してしまう事態が想定される。
On the other hand, as a result of increasing the
そのような事態が発生した場合であっても、フォーサ31の破損を防止するため、このリニアアクチュエータユニットではフォーサ31を保護する一対のプロテクタプレート4が設けられている。図5はこれらプロテクタプレート4を装着した状態のフォーサ31を示す側面図である。プロテクタプレート4は先端部40が略L字状に屈曲した金属製プレートであり、スプラインナット2を軸方向から挟むようにして、フォーサ31の補強プレート34に取り付けられている。プロテクタプレートをフォーサの取り付けた状態で、プロテクタプレート4の先端部40とフォーサ31の軸方向端面との間には隙間が形成される一方、プロテクタプレートの後端部41はスプラインナット2に当接している。また、フォーサ31の補強プレート34に対するプロテクタプレート4の取付けは若干の遊びを伴っており、プロテクタプレート4に作用する外力が補強プレート34、ひいてはフォーサ31に及ばないようになっている。
Even when such a situation occurs, in order to prevent the
そして、このようなプロテクタプレート4を設けたことにより、スプライン軸1をスプラインナット2の軸方向へ運動させた際に、仮にスプライン軸1が限界停止位置を超えてオーバーランを生じてしまったとしても、プロテクタプレート4がフォーサ31に先立ってエンドキャップ5に衝突するので、フォーサ31がエンドキャップ5に衝突することはなく、フォーサ31の破損を防止することが可能となる。また、プロテクタプレート4の先端部40とフォーサ31の端面との間には隙間が存在し、しかもプロテクタプレート4の後端41はスプラインナット2に付き当てられていることから、プロテクタプレート4がエンドキャップ5と衝突したとしても、その衝撃力はスプライン軸1に組付けられたスプラインナット2によって負荷され、フォーサ31に作用することはない。このため、プロテクタプレート4のエンドキャップ5との衝突を原因として、スプラインナット2に対するフォーサ31の取付け姿勢、取付け位置が変化するといった悪影響を排除することが可能となる。
By providing such a protector plate 4, when the
尚、図1〜5ではスプライン軸を本発明の案内軸、スプラインナットを本発明のスライド部材とするリニアモータアクチュエータについて説明してきたが、本発明の適用対象はこれに限られるものではない。例えば、固定ベース上に配設された軌道レールを案内軸とし、この案内軸に沿って往復動自在なテーブル機構をスライド部材とし、前記固定ベースにリニアモータのマグネット部材を、前記テーブル機構にフォーサを組み付けたものであっても良い。 Although the linear motor actuator having the spline shaft as the guide shaft of the present invention and the spline nut as the slide member of the present invention has been described in FIGS. 1 to 5, the application target of the present invention is not limited to this. For example, a track rail arranged on a fixed base is used as a guide shaft, a table mechanism that can reciprocate along the guide shaft is used as a slide member, a magnet member of a linear motor is used as the fixed base, and a forcer is used as the table mechanism. May be assembled.
1…スプライン軸、2…スプラインナット、3…リニアモータ、4…プロテクタプレート、5…エンドキャップ、12,13…スリット開口、30…マグネットロッド、31…フォーサ、32…コイル部材、33…樹脂ホルダ、34…補強プレート
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記フォーサは、前記マグネットロッドの周囲に巻き回された複数のコイル部材と、これらコイル部材を一体的に保持する樹脂ホルダと、この樹脂ホルダの全長にわたって設けられた補強プレートとから構成され、かかる補強プレートを介して前記スプラインナットに固定されていることを特徴とするリニアモータアクチュエータ。The forcer is composed of a plurality of coil members wound around the magnet rod, a resin holder that integrally holds the coil members, and a reinforcing plate provided over the entire length of the resin holder. A linear motor actuator, wherein the linear motor actuator is fixed to the spline nut via a reinforcing plate.
前記フォーサの補強プレートには当該フォーサと前記エンドキャップとの接触を防止するプロテクタプレートが配設され、かかるプロテクタプレートの一端は前記スプラインナットの端面に突き当てられる一方、他端は前記スプラインナットの移動方向に関してフォーサの端面から突出していることを特徴とする請求項1記載のリニアモータアクチュエータ。A protector plate for preventing contact between the forcer and the end cap is disposed on the reinforcing plate of the forcer, and one end of the protector plate is abutted against the end surface of the spline nut, while the other end is the spline nut. The linear motor actuator according to claim 1, wherein the linear motor actuator protrudes from an end face of the forcer with respect to a moving direction.
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