JP6959023B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、リニアアクチュエータに関するものである。

リニアアクチュエータに設けられたリニアモータは、可動子又は固定子のいずれか一方に設けられた複数のコイルと、可動子又は固定子の他方に設けられた駆動用磁石との相対的な位置関係（磁極位置）に応じた通電をしないと、リニアモータの推力定数に応じた推力を発生させることができない。

そこで、リニアモータの駆動を開始する際には、固定子に対する可動子の磁極位置を検知する磁極検知を行う必要がある。例えば、リニアモータの駆動を開始する際に、予め定められた磁極位置に対応する電流を一定時間、リニアモータに印加することで当該磁極位置に可動子を引き込むこと（直流励磁）が行われている（特許文献１参照）。

特開平５−０１５１７９号公報

ところで、このようなリニアアクチュエータには、通常、可動子のストロークエンドにストッパーが設けられているが、可動子がストロークエンドに位置している状態で上記磁極検知を行った場合、可動子を引き込む方向がストッパーに向かう方向になってしまうと、可動子が移動することができず、磁極検知を行えないという問題がある。このため、従来では、磁極検知を行う前に、可動子をストロークの中央付近まで手動で動かす等、煩わしい作業が必要となっていた。一方で、ＡＢＳ（アブソリュート型）エンコーダや磁極センサを搭載し、ドライバに特殊な機能を持たせれば、磁極検知動作自体が不要になるが、コストが増えてしまうという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、可動子がストロークエンドに位置する場合であっても磁極検知動作を行うことができるリニアアクチュエータの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、固定子及び可動子を有するリニアモータと、前記固定子に対する前記可動子の移動を一定の範囲に規制するストッパーと、前記固定子に対して前記可動子を移動させ、前記固定子に対する前記可動子の磁極位置を検知する磁極検知手段と、を有し、前記ストッパーは、前記磁極検知手段による磁極検知に要する前記可動子の移動距離以上の変形可能領域を有しており、前記磁極検知手段は、前記磁極検知に要するモニタリング時間を、前記可動子を引き込む方向が前記ストッパーに向かう方向である場合に、前記可動子を引き込む方向がストッパーに向かう方向と反対方向である場合よりも長くする、リニアアクチュエータを採用する。

本発明によれば、可動子がストロークエンドに位置する場合であっても磁極検知動作を行うことができる。

本発明の実施形態におけるリニアアクチュエータを示す外観斜視図である。 本発明の実施形態におけるリニアアクチュエータを示す全体構成図である。 本発明の実施形態におけるストッパーを示す平断面図である。 本発明の実施形態におけるリニアアクチュエータにおいてサーボオン入力で磁極検知を行うときのフロー図である。 本発明の実施形態におけるストッパーの変形例を示す平断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明に用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、省略した部分がある。

図１は、本発明の実施形態におけるリニアアクチュエータ１を示す外観斜視図である。図２は、本発明の実施形態におけるリニアアクチュエータ１を示す全体構成図である。
リニアアクチュエータ１は、リニアモータで駆動する直動装置２と、直動装置２（リニアモータ）の動作を制御する制御装置３と、を有する。なお、制御装置３は、後述する磁極検知手段を構成する。

直動装置２は、図１に示すように、リニアモータを構成する固定子１０及び可動子１１と、可動子１１のストロークエンドに設けられ、固定子１０に対する可動子１１の移動を一定の範囲に規制するストッパー１２と、図２に示すように、可動子１１に設けられたリニアエンコーダ１３と、リニアエンコーダ１３と対向して設けられたリニアスケール１４と、を有する。このリニアエンコーダ１３は、インクリメンタル型であって、可動子１１の移動量に応じてパルスを出力するものであり、アブソリュート型と違い、サーボオフしたときに原点位置（初期磁極位置）を記憶していない。

固定子１０は、図１に示すように、断面視Ｕ字状の長尺部材であるベース部材２０と、ベース部材２０の長手方向両端部に取り付けられた取付板２１と、を有する。ベース部材２０は、長手方向に延びる底面部２０ａと、底面部２０ａに対して垂直に立設する側壁部２０ｂと、を有する。側壁部２０ｂは、底面部２０ａの長手方向と直交する幅方向（短手方向）において間隔をあけて配置され、底面部２０ａの両縁部に沿って一対で延在している。

図２に示すように、一対の側壁部２０ｂの互いの対向面には、永久磁石２２が取り付けられている。永久磁石２２は、ベース部材２０の長手方向に沿って所定のピッチで配置され、且つ、相手側の側壁部２０ｂに対向する側の磁極がＮ極、Ｓ極と交互になるように配置されている。永久磁石２２の磁石ピッチは、特に限定されないが、本実施形態のリニアアクチュエータ１では、例えば、１０ｍｍ程度に設定されている。

また、図１に示すように、一対の側壁部２０ｂの頂面には、軌道レール２３が取り付けられている。一対の側壁部２０ｂに取り付けられた軌道レール２３は、ベース部材２０の長手方向に沿って互いに平行に延在している。この軌道レール２３には、図２に示すように、複数のスライダブロック３０がその長手方向に沿って相対移動可能に組み付けられている。

スライダブロック３０は、図示しない転動体（ボール等）を介して軌道レール２３に組み付けられており、転動体を循環させる図示しない無限循環路を形成する。なお、本実施形態のように、スライダブロック３０のストロークが限られる場合、無限循環路が形成されない有限ストローク型を採用してもよい。有限ストローク型とは、スライダブロック３０と軌道レール２３との間にケージ（転動体保持部材）が配置され、当該ケージに設けられたボールホルダで転動体を回転自在に保持するものである。

一対の軌道レール２３に組み付けられた複数のスライダブロック３０には、テーブル３１が取り付けられている。すなわち、複数のスライダブロック３０は、テーブル３１に固定され、テーブル３１と一体になって移動する。テーブル３１の幅方向中央部には、コイル支持部３２が垂設されている。一対の側壁部２０ｂ（永久磁石２２）と対向するコイル支持部３２の両側面には、複数のコイル３３が取り付けられている。

コイル３３は、長手方向に沿って所定ピッチで配置され、且つ、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３つのコイルを一組として複数組設けられている。制御装置３は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のコイルに三相電機子電流を流すことによって直線的に移動する移動界磁を発生させ、リニアモータの可動子１１を固定子１０に対して直線的に移動させる。

また、制御装置３は、可動子１１（テーブル３１）に取り付けられたリニアエンコーダ１３から、可動子１１の移動量を取得し、後述する磁極検知により取得した初期磁極位置とリニアエンコーダ１３から出力される移動量とに基づいて、現在の可動子１１の磁極位置（具体的には、ｄ軸の位置、電気角）を算出し、当該磁極位置に基づき、可動子１１を移動させる。なお、このような制御の詳細は、例えば、特許第５８２０４４６号の特許公報に記載されている。

可動子１１の移動方向におけるコイル支持部３２の両端面には、ストッパー１２と接触可能な接触板３４（接触対象）が設けられている。ストッパー１２は、可動子１１の移動方向において可動子１１を挟んだ位置に一対で設けられている。一対のストッパー１２は、図１に示すように、固定子１０のベース部材２０の底面部２０ａに対して垂直に立設しており、可動子１１の接触板３４に対しその移動方向両側において接触可能な位置に配置されている。

図３は、本発明の実施形態におけるストッパー１２を示す平断面図である。図３（ａ）は、ストロークエンドに位置する可動子１１がストッパー１２に接触している状態を示す図である。また、図３（ｂ）は、ストロークエンドにおいて磁極検知を行ったときの可動子１１の移動及びそのときのストッパー１２の変形の様子を示す図である。
ストッパー１２は、図３に示すように、弾性部材４０と、剛性部材４１とから構成されている。

弾性部材４０は、図３（ｂ）に示すように、磁極検知に要する可動子１１の移動距離Ｂ１以上の変形可能領域Ｂ２を有する。磁極検知に要する可動子１１の移動距離Ｂ１とは、例えば、後述するように、サーボオン入力で直流励磁を行う場合には、最大で永久磁石２２の磁石ピッチ分となる。なお、この移動距離Ｂ１は、図２に示すように、可動子１１がストッパー１２に接触した位置から、例えば、ストッパー１２側の最端部に配置された永久磁石２２への引き込み量で規定できるため、最端部の永久磁石２２の配置によって、例えば１〜２ｍｍ程度に調整できる。

剛性部材４１は、弾性部材４０の変形可能領域Ｂ２を超えた変形を規制するものである。この剛性部材４１は、例えば、弾性部材４０がウレタン等の材料から形成された場合、その材料よりも剛性の高い材料から形成されている。本実施形態の剛性部材４１は、円柱状に形成された鉄心であり、その下端部に、固定子１０（ベース部材２０）に螺着可能な図示しないネジが形成されている。

弾性部材４０は、剛性部材４１の周面に所定の厚みで巻かれた円筒状のものである。これにより、ストッパー１２は、全体で円柱状に形成され、その周面が中心部に対して弾性変形し易くなっている。また、ストッパー１２（弾性部材４０）の周面は曲面であるのに対し、可動子１１（接触板３４）の接触面３４ａは平面であるため、図３（ａ）に示すように、可動子１１がストロークエンドに位置するとき、可動子１１とストッパー１２は、線接触する。

また、図３（ｂ）に示すように、磁極検知によって可動子１１がストッパー１２側に移動すると、ストッパー１２の変形可能領域Ｂ２は、その変形量が大きくなるに従って、可動子１１に対する接触面積が漸次大きくなる（接触面積Ａ１→Ａ２）。すなわち、可動子１１とストッパー１２の接触状態が、線接触から面接触に変わるため、磁極検知の初動時には、可動子１１がストッパー１２に接触する力が集中し、小さな力であってもストッパー１２を変形させることができる。

図４は、本発明の実施形態におけるリニアアクチュエータ１においてサーボオン入力で磁極検知を行うときのフロー図である。
電源が投入され、サーボオンされると（ステップＳ１）、制御装置３は、磁極検知を開始する（ステップＳ２）。本実施形態では、磁極検知として、予め定められた磁極位置に対応する電流を一定時間、コイル３３に印加することで、当該磁極位置に可動子１１を引き込む直流励磁を行う。

制御装置３は、リニアエンコーダ１３の出力を取得しつつ（ステップＳ３）、所定時間モニタリングする（ステップＳ４）。このモニタリング時間は、例えば、１〜５秒程度に設定されている。ステップＳ２の直流励磁から所定時間が経過したら、制御装置３は、リニアエンコーダ１３の出力結果から可動子１１が移動したか否かを判断する（ステップＳ５）。

例えば、リニアエンコーダ１３の分解能（１パルス）が１μｍであって、その１０００パルス分である１ｍｍ以上、可動子１１が動かなかった場合、何らかの不具合が発生したとしてエラーを出す。一方、可動子１１が１ｍｍ以上動いた場合、直流励磁によって可動子１１を引き込んだ磁極位置を初期磁極位置として設定する。
以上により、リニアアクチュエータ１における磁極検知が終了する。

本実施形態のリニアアクチュエータ１によれば、図２に示すように、可動子１１がストロークエンドに位置する場合であっても、上述した磁極検知動作を行うことができる。すなわち、固定子１０に設けられ、可動子１１に接触可能なストッパー１２は、図３（ｂ）に示すように、磁極検知に要する可動子１１の移動距離Ｂ１以上の変形可能領域Ｂ２を有するため、図３（ａ）に示すように、可動子１１がストッパー１２に接触した状態であって、且つ、図３（ｂ）に示すように、可動子１１を直流励磁により引き込む方向がストッパー１２に向かう方向になったとしても、ストッパー１２の変形可能領域Ｂ２で磁極検知を完了させることが可能である。

また、本実施形態においては、変形可能領域Ｂ２は、その変形量が大きくなるに従って、可動子１１に対する接触面積が漸次大きくなる円柱形状を有する。この構成によれば、磁極検知の初動時には、可動子１１とストッパー１２とがほぼ線接触となって接触面積が小さいため、可動子１１がストッパー１２に接触する力が集中し、小さな力であっても磁極検知に十分な距離だけストッパー１２を変形させることができる。一方で、ストッパー１２の変形量が過大に大きくなると、ストッパー１２の損傷等に繋がるため、可動子１１とストッパー１２との接触面積が漸次大きくなる（面接触となる）形状を採用し、可動子１１がストッパー１２に接触する力を徐々に分散させることで、ストッパー１２の過剰な変形を防止することができる。

また、本実施形態においては、ストッパー１２は、変形可能領域Ｂ２を有する弾性部材４０と、弾性部材４０の変形可能領域Ｂ２を超えた変形を規制する剛性部材４１と、を有する。このように、ストッパー１２の中心に剛性部材４１を挿入することで、弾性部材４０の過剰な変形を抑え耐久性を上げることができる。したがって、変形可能領域Ｂ２を形成するために変形し易い弾性部材４０を巻き付けた場合であっても、ストッパー１２の剛性や耐久性を確保することができ、ストッパー１２としての役割を果たすことができる。

また、本実施形態においては、ストッパー１２は、可動子１１の移動方向において可動子１１を挟んだ位置に一対で設けられている。この構成によれば、可動子１１がその移動方向のいずれのストロークエンドに位置する場合であっても、上述した磁極検知動作を行うことができる。例えば、リニアアクチュエータ１が多軸のロボットアーム等に取り付けられ、可動子１１の移動方向の両端が、いずれも鉛直下方（重力方向）に向く可能性がある場合、本実施形態によれば、リニアアクチュエータ１の向きによらず磁極検知を行えるため、特にメリットがある。

このように、上述の本実施形態によれば、固定子１０及び可動子１１を有するリニアモータからなる直動装置２と、固定子１０に対する可動子１１の移動を一定の範囲に規制するストッパー１２と、固定子１０に対して可動子１１を移動させ、固定子１０に対する可動子１１の磁極位置を検知する磁極検知手段である制御装置３と、を有し、ストッパー１２は、磁極検知に要する可動子１１の移動距離Ｂ１以上の変形可能領域Ｂ２を有する、という構成を採用することによって、可動子１１がストロークエンドに位置する場合であっても磁極検知動作を行うことができるリニアアクチュエータ１が得られる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、図５に示すような変形例を採用し得る。なお、以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図５（ａ）に示すリニアアクチュエータ１Ａのストッパー１２Ａは、平面視楕円形状の弾性部材４０Ａを有する。この構成によっても、可動子１１に対する弾性部材４０Ａの接触面積を徐々に大きくすることができる。

また、図５（ｂ）に示すリニアアクチュエータ１Ｂのストッパー１２Ｂは、平面視菱形形状の弾性部材４０Ｂを有する。この構成によっても、可動子１１に対する弾性部材４０Ｂの接触面積を徐々に大きくすることができる。

また、図５（ｃ）に示すリニアアクチュエータ１Ｃのストッパー１２Ｃは、平面視四角形状の弾性部材４０Ｃを有するが、弾性部材４０Ｃに当接する可動子１１の接触板３４Ｃが曲面形状の接触面３４ｃを有する。この構成によっても、可動子１１に対する弾性部材４０Ｃの接触面積を徐々に大きくすることができる。

また、例えば、剛性部材４１の形状は、円柱形状に限定されず、角柱形状であっても、板形状等であってもよい。

また、弾性部材４０単体で、ストッパー１２の耐久性、剛性が確保できる場合、剛性部材４１は必ずしも設ける必要はない。

また、本実施形態では、ストッパー１２の弾性力により、変形可能領域Ｂ２を確保したが、例えば、ストッパー１２をダンパー等から構成して、機構的に変形可能領域Ｂ２を確保する構成であってもよい。

また、本実施形態では、磁極検知として直流励磁を行ったが、例えば、サーボオン入力で力率検知をし、当該力率検知によって約十秒間、可動子１１を数ｍｍ程度揺動させて磁極位置を検知する、所謂自動磁極検知を行ってもよい。

また、例えば、本実施形態では、固定子１０にストッパー１２を設けたが、可動子１１にストッパー１２を設けて固定子１０に接触させる構成であってもよい。
さらに、ストッパー１２は、固定子１０及び可動子１１のいずれか一方に設けるのではなく、例えば、リニアアクチュエータ１が組み込まれた装置（例えば、実装機）に設ける構成であってもよい。

また、例えば、上述した磁極検知のステップＳ４における所定時間に補正時間を加算してもよい。例えば、可動子１１を引き込む方向がストッパー１２に向かう方向である場合に、可動子１１を引き込む方向がストッパー１２に向かう方向と反対方向（空間に向かう方向）である場合よりも長くするといった制御を行ってもよい。すなわち、可動子１１を引き込む方向がストッパー１２に向かう方向である場合、ストッパー１２の弾性変形による移動抵抗があるため、可動子１１の移動速度が落ちる場合があるためである。なお、可動子１１の移動速度は、リニアエンコーダ１３が出力するパルスの単位時間当たりの出力回数に基づき判断することができる。

また、例えば、上述した磁極検知では、あえて、可動子１１を引き込む方向がストッパー１２に向かう方向となるように制御してもよい。例えば、上述したリニアアクチュエータ１が複数台ある場合であって、それぞれが重力方向に沿って直動可能に配置された場合、それぞれのリニアアクチュエータ１の可動子１１は、同じ重力方向のストロークエンドに位置する。この場合に、可動子１１を引き込む方向がストッパー１２に向かう方向となるように制御し、初期磁極位置を取得すれば、その後、ストッパー１２の復元力により、それぞれの可動子１１の機械的な初動位置を揃えることができるため、複数台のリニアアクチュエータ１の動作の同期を取る場合にメリットがある。

１…リニアアクチュエータ、１Ａ…リニアアクチュエータ、１Ｂ…リニアアクチュエータ、１Ｃ…リニアアクチュエータ、２…直動装置（リニアモータ）、３…制御装置（磁極検知手段）、１０…固定子、１１…可動子、１２…ストッパー、１２Ａ…ストッパー、１２Ｂ…ストッパー、１２Ｃ…ストッパー、３４…接触板（接触対象）、４０…弾性部材、４０Ａ…弾性部材、４０Ｂ…弾性部材、４０Ｃ…弾性部材、４１…剛性部材、Ｂ１…移動距離、Ｂ２…変形可能領域

Claims (6)

1. 固定子及び可動子を有するリニアモータと、
   前記固定子に対する前記可動子の移動を一定の範囲に規制するストッパーと、
   前記固定子に対して前記可動子を移動させ、前記固定子に対する前記可動子の磁極位置を検知する磁極検知手段と、を有し、
   前記ストッパーは、前記磁極検知手段による磁極検知に要する前記可動子の移動距離以上の変形可能領域を有しており、
   前記磁極検知手段は、前記磁極検知に要するモニタリング時間を、前記可動子を引き込む方向が前記ストッパーに向かう方向である場合に、前記可動子を引き込む方向がストッパーに向かう方向と反対方向である場合よりも長くする、ことを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記ストッパーは、前記固定子及び前記可動子のいずれか一方に設けられ、他方に接触する、ことを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
3. 前記変形可能領域は、変形量が大きくなるに従って、接触対象に対する接触面積が漸次大きくなる形状を有する、ことを特徴とする請求項１または２に記載のリニアアクチュエータ。
4. 前記ストッパーは、円柱状である、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記ストッパーは、
   前記変形可能領域を有する弾性部材と、
   前記弾性部材の前記変形可能領域を超える変形を規制する剛性部材と、を有する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のリニアアクチュエータ。
6. 前記ストッパーは、前記可動子の移動方向において前記可動子を挟んだ位置に一対で設けられている、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のリニアアクチュエータ。

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