KR20150070942A

KR20150070942A - 리니어 모터를 구비한 직선 구동 장치 및 공작 기계

Info

Publication number: KR20150070942A
Application number: KR1020140168745A
Authority: KR
Inventors: 홍영표; 겐조 에비하라
Original assignee: 화낙 코퍼레이션
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2015-06-25
Also published as: DE102014118335A1; JP5855631B2; US9729039B2; KR101651340B1; US20150171722A1; CN104716810A; CN104716810B; JP2015119531A

Abstract

본 발명은, 리니어 모터의 추력과 코깅의 밸런스를 고려하면서, 여러가지 용도에 적응 가능한 직선 구동 장치, 및 상기 직선 구동 장치를 구비한 공작 기계를 제공한다.
상기 직선 구동 장치는, 코일 및 자석 중의 적어도 한쪽을, 코일 및 자석이 서로 접촉 분리되도록 변위시킴으로써, 코일과 자석 사이의 자기갭의 크기를 변경하도록 구성된 자기갭 변경 기구를 갖는다.

Description

리니어 모터를 구비한 직선 구동 장치 및 공작 기계{LINEAR DRIVE UNIT HAVING LINEAR MOTOR AND MACHINE TOOL}

본 발명은, 코일 및 자석을 갖는 리니어 모터를 구비한 직선 구동 장치, 및 상기 직선 구동 장치를 구비한 공작 기계에 관한 것이다.

도 5는, 일반적인 리니어 모터의 구성예를 모식적으로 도시한 도면이다. 리니어 모터(100)는, 자석(102)을 자석 철심(104) 상에 배치하여 이루어지는 고정자(106)와, 코일 철심(108)에 3상(U상, V상, W상)의 권선(110)을 감아 이루어지는 이동자(코일)(112)를 갖고, 권선(110)에 전류를 흘림으로써 자석(102)과의 사이에 화살표(114)로 나타내는 방향의 추력이 발생한다. 통상, 코일측이 가동부로서, 자석측이 고정부로서 구성되고, 코일의 추력 방향 길이에 상기 코일의 가동 범위(스트로크 길이)를 더한 길이에 걸쳐, 자석이, N 극 및 S 극이 교대가 되도록 추력 방향으로 나란히 늘어서 배치된다.

도 6은, 도 5에 도시한 바와 같은 일반적인 리니어 모터를 탑재한 종래의 직선 구동 장치(120)의 개략 구성을, 리니어 모터의 추력 방향에서 본 도면이다. 코일(112)은 슬라이드(122)(가동부)에 고정되고, 고정자(106)는 베이스(124)(고정부)에 고정된다. 슬라이드(122)는, 베어링(126)을 통해 베이스(124)에 지지되고, 추력 방향으로만 이동 가능한 구조로 되어 있다. 따라서 직선 구동 장치(120)에서는, 코일(112)과 고정자(106)[자석(102))의 거리(자기갭(g)]는, 일정값으로서 미리 정해져 있다.

자기갭은 리니어 모터의 성능에 크게 영향을 미치는 인자로, 자기갭의 크기가 변화되면, 리니어 모터의 성능(추력)도 크게 변동된다. 이에 관련되는 기술로서, 예컨대 일본 특허 공개 제2003-250258호 공보에는, 가동부[테이블부(2)]에 대하여 이동자(12)가 상하 방향으로 미끄럼 이동이 가능해지도록 구성된 리니어 모터가 개시되어 있다.

도 5에 도시한 바와 같은 일반적인 리니어 모터에서는, 코일(112)과 자석(102) 사이의 거리[자기갭(g)]를 바꾸면, 코일(112)에 동일한 크기의 전류가 흐르고 있더라도, 추력이 크게 변하는 것이 알려져 있다. 또한, 도 5와 같이 코일 철심(108)을 갖는 리니어 모터에서는, 자석(102)의 자속 밀도가 장소에 따라 상이함으로써, 구동시에 코일 철심(108)과 자석(102) 사이에 작용하는 자기 흡인력에 변동[코깅(cogging)]이 생긴다. 자기갭(g)을 작게 하면 추력이 증가하는 한편 코깅이 커지고, 자기갭(g)을 크게 하면 추력이 감소하는 한편 코깅이 작아진다.

초정밀 가공기 등에서 사용되는, 높은 이송 정밀도가 요구되는 리니어 모터에서는, 이송축의 진직도가 코깅에 의해 저하되는 것을 피하기 위해, 자기갭을 어느 정도 크게 하여, 추력을 떨어뜨려 사용하는 경우가 많다. 혹은, 철심을 갖지 않는(코어리스) 코일을 사용하여, 원리적으로 코깅이 생기지 않도록 한다는 대책이 강구되는 경우도 있다.

그러나, 자기갭을 크게 하거나, 코어리스 코일을 사용하거나 하는 경우에는, 코깅은 억제되는 한편 리니어 모터의 추력이 저하되기 때문에, 큰 추력을 얻기 위해서는 코일에 큰 전류를 흘릴 필요가 있다. 그렇게 하면, 코일의 발열에 의해, 리니어 모터나 상기 리니어 모터를 포함하는 공작 기계 등의 기계 정밀도가 악화된다는 문제가 있다. 일반적으로 공작 기계의 열용량은 크기 때문에, 일단 온도의 변화(상승)가 발생하면, 원래의 온도로 되돌아가는 데 시간이 걸린다. 또한, 이 대책으로서, 공작 기계에 냉각 기구를 내장하는 것도 고려할 수 있지만, 열의 발생원과 냉각 기구의 위치를 완전히 동일하게 할 수는 없기 때문에, 어느 정도의 온도 분포가 생기는 것은 피할 수 없다.

일본 특허 공개 제2003-250258호 공보에 기재된 발명에서는, 이동자(12)를 테이블부(2)에 대하여 미끄럼 이동 가능하게 구성하고 있는데, 이 목적은, 고정자(11)와 이동자(12) 사이의 거리(에어갭)의 조정시에, 고정자(11)의 두께(D) 및 이동자(12)의 두께(R)를 무시할 수 있도록 하고, 비교적 고질량의 테이블부(2)의 영향을 배제하는 것, 또한 사용시에 이동자(12)가 진동하더라도 테이블부(2)와 기대(機臺)(1)의 상하 방향의 상대 위치 관계를 바꾸지 않는 것이라고 해석된다. 즉 일본 특허 공개 제2003-250258호 공보에서는, 에어갭의 크기는 제2 레일부(7) 및 제2 슬라이드부(9)의 치수에 의해 결정되고, 에어갭의 크기를 의도적으로 변경하는 것은 전혀 시사되어 있지 않다.

그래서 본 발명은, 리니어 모터의 추력과 코깅의 밸런스를 고려하면서, 여러가지 용도에 적응 가능한 직선 구동 장치, 및 상기 직선 구동 장치를 구비한 공작 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 양태는, 코일 철심을 갖는 코일 및 자석을 구비한 리니어 모터를 구비하고, 고정부에 대하여 가동부가 베어링을 통해 직선적으로 이동 가능하게 되어 있는 직선 구동 장치에 있어서, 상기 코일 및 상기 자석 중의 적어도 한쪽을, 상기 코일 및 상기 자석이 서로 접촉 분리되도록 변위시킴으로써, 상기 코일과 상기 자석 사이에 형성되는 자기갭의 크기를 변경하는 자기갭 변경 기구를 갖는 것을 특징으로 하는, 직선 구동 장치를 제공한다.

적합한 실시형태에서는, 상기 자기갭 변경 기구는, 전기, 공기압, 또는 유압으로 구동하는 액추에이터이다.

적합한 실시형태에서는, 상기 자기갭 변경 기구는, 상기 코일을 상기 자석에 대하여, 상기 자기갭이 제1 값이 되는 제1 위치와, 상기 자기갭이 상기 제1 값보다 큰 제2 값이 되는 제2 위치와, 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이의 위치에 위치 결정하여 유지하도록 구성되어 있다.

적합한 실시형태에서는, 한 쌍의 리니어 모터가, 상기 자기갭의 방향으로 서로 대향하여 배치되고, 상기 한 쌍의 리니어 모터의 자기갭은 서로 동일하다.

또한, 상기 자기갭 변경 기구가 액추에이터일 때는, 상기 한 쌍의 리니어 모터에 있어서, 상기 코일, 상기 자석 및 상기 액추에이터가 대칭 구조이고, 상기 액추에이터는 자기갭을 동시에 동일한 변위량으로 변경할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

적합한 실시형태에서는, 상기 베어링이 정압 공기 베어링이다.

본 발명의 다른 양태는, 상기 직선 구동 장치를 적어도 하나 갖고, 상기 자기갭의 크기가 서로 상이한 복수의 가공 모드를 갖는 공작 기계를 제공한다.

본 발명의 전술한 또는 그 밖의 목적, 특징 및 장점은, 이하의 적합한 실시형태를 첨부 도면을 참조하면서 설명함으로써, 더욱 명확해질 것이다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에 관련된 리니어 모터를 탑재한 직선 구동 장치의 개략 구성을, 상기 리니어 모터의 진행 방향에서 본 도면이다.
도 2는, 도 1의 직선 구동 장치에 있어서, 자기갭을 변경한 상태를 도시한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 제2 실시형태에 관련된 리니어 모터를 탑재한 직선 구동 장치의 개략 구성을, 상기 리니어 모터의 진행 방향에서 본 도면이다.
도 4는, 본 발명에 관련된 직선 구동 장치를, 초정밀 가공기에 적용한 구성예를 도시한 도면이다.
도 5는, 종래 기술에 관련된 리니어 모터의 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 6은, 종래 기술에 관련된 리니어 모터를 탑재한 직선 구동 장치의 개략 구성을, 상기 리니어 모터의 진행 방향에서 본 도면이다.

도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에 관련된 리니어 모터를 탑재한 직선 구동 장치(20)의 개략 구성을, 상기 리니어 모터의 진행 방향에서 본 도면이다. 직선 구동 장치(20)는, 코일 철심에 3상(U상, V상, W상)의 권선을 감아 이루어지는 코일(22)이 고정된 슬라이드(24)(가동부)와, 자석(26)을 자석 철심(28) 상에 배치하여 이루어지는 고정자(30)가 고정된 베이스(32)(고정부)를 갖고, 코일(22) 및 고정자(30)가 리니어 모터의 주요부를 구성한다. 슬라이드(24)는, 슬라이드 베어링(34)을 통해 베이스(32)에 지지되고, 리니어 모터의 추력 방향으로만 이동 가능한 구조로 되어 있다. 슬라이드 베어링(34)으로는, 구름 베어링, 정압 오일 베어링, 정압 공기 베어링 등이 사용 가능하지만, 후술하는 바와 같이 정압 공기 베어링이 가장 바람직하다.

또한 코일(이동자)(22) 및 고정자(30) 자체의 구성에 관해서는 도 5에 도시한 종래의 것과 동일하면 되기 때문에, 상세한 설명은 생략한다. 또한 실제로 리니어 모터를 구동하기 위해서는, 서보앰프, NC 장치 및 리니어 스케일 등이 사용되지만, 여기서는 도시를 생략한다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 직선 구동 장치(20)는, 코일(22) 및 자석(26) 중의 적어도 한쪽[도시예에서는 코일(22)]을, 코일(22) 및 자석(26)이 서로 접촉 분리되도록 변위시킴으로써, 코일(22)과 자석(26) 사이의 자기갭의 크기를 변경[예컨대 도 1에 도시한 갭(g1)으로부터 도 2에 도시한 갭(g2)으로, 혹은 그 반대]하도록 구성된 자기갭 변경 기구(도시예에서는 에어 실린더)(36)를 갖는다. 에어 실린더(36)는, 그 일단(상단)이 슬라이드(24)[도시예에서는 슬라이드(24)에 형성된 오목부(37)의 상면]에 고정되고, 타단(하단)이 코일(22)에 고정되어 있으며, 에어 실린더(36)의 구동력에 의해, 슬라이드(24)에 대한 코일(22)의 위치를 갭 방향(도시예에서는 상하 방향)으로 변경할 수 있다.

슬라이드(24)[의 오목부(37)의 내면]와 코일(22) 사이에는, 코일의 이동 방향을 자기갭 방향으로 한정하기 위한, 플레인 베어링 등의 코일 베어링(38)이 설치되는 것이 바람직하다. 다만, 에어 실린더(36)가 충분한 강성을 갖는 베어링을 내장하는 타입이면, 코일 베어링(38)을 설치하지 않고, 에어 실린더(36)만으로 코일(22)을 지지해도 좋다. 혹은, 복수의 에어 실린더로 코일을 지지해도 좋다. 통상, 자석(26)이 코일(22)의 철심을 끌어 당기는 자기 흡인력은 수백 N에 달하는 경우가 있기 때문에, 자기갭을 변경하며 또한 그 상태를 유지하기 위해서는, 에어 실린더(36)는 자기 흡인력 이상의 구동력을 발생할 수 있는 것을 선정하는 것이 바람직하다. 또한, 리니어 모터의 구동중에 코일(22)이 약간이라도 움직이면 제어성이 악화되기 때문에, 에어 실린더(36) 및 코일 베어링(38)은, 코일(22)의 위치를 유지할 수 있는 충분한 강성을 구비한 것인 것이 바람직하다.

도 1은, 에어 실린더(36)가 신장된 상태, 즉 코일(22)이 제1 위치에 있어, 자기갭(g1)의 크기가 비교적 작은 상태를 나타내고 있는 반면, 도 2는, 에어 실린더(36)가 축소된 상태, 즉 코일(22)이 제2 위치에 있어, 자기갭(g2)의 크기가 g1보다 큰 상태를 나타내고 있다. 자기갭이 커지면, 코일(22)이 자석(26)으로부터 떨어짐으로써 자속 밀도가 저하되기 때문에, 코일(22)에 동일한 전류를 흘리더라도, 발생하는 리니어 모터의 추력은 작아진다. 또한, 자속 밀도가 작아짐으로써, 코일(22)의 철심에 작용하는 자기 흡인력도 작아진다. 자기 흡인력 자체가 작아지면, 슬라이드(24)의 위치에 따른 자기 흡인력의 변동(=코깅)도, 자기 흡인력의 저하와 동일한 정도의 비율로 작아진다. 코깅이 작아짐으로써 슬라이드가 추력 방향으로 이동했을 때의 직진성(=진직도)이 개선된다.

즉, 도 2의 상태에서는, 비교적 큰 자기갭(g2)에 의해 리니어 모터의 추력이 저하되는 한편, 슬라이드(24)의 진직도가 개선되는 효과가 있다. 따라서 자기갭을 크게 하는 것은, 마무리 가공 등의, 고부하는 아니지만 정밀한 위치 결정이 필요한 가공(초정밀 가공)에 직선 구동 장치(20)를 사용하는 경우에 적합하다. 반대로, 도 1과 같이, 자기갭(g1)의 크기가 비교적 작은 경우에는, 추력이 증대되는 한편, 슬라이드(24)의 진직도는 저하되게 된다. 따라서 자기갭을 작게 하는 것은, 초벌 가공 등의, 고정밀도는 요구되지 않지만 부하가 높은 가공에 직선 구동 장치(20)를 사용하는 경우에 적합하다. 또 실용적인 자기갭은 0.5 ㎜~5 ㎜ 정도의 범위이고, 예컨대 g1=0.5 ㎜ 또한 g2=5 ㎜의 경우, 양자 사이에서는 추력이나 코깅이 5배 정도 변화된다.

제1 실시형태에서는, 자기갭을 변경하기 위한 자기갭 변경 기구로서 에어 실린더를 설명했지만, 자기갭 변경 기구는 에어 실린더와 같이 공기압을 이용하는 액추에이터에 한정되지 않고, 양방향 솔레노이드 혹은 압전 소자와 같은 전기를 이용하는 것, 또는 유압 실린더와 같은 액압을 이용하는 액추에이터도 사용 가능하다. 어느 액추에이터도, 코일(22)을 자석(26)에 대하여, 자기갭의 크기가 비교적 작은 제1 값(g1)이 되는 제1 위치(도 1)와, 자기갭이 제1 값보다 큰 제2 값(g2)이 되는 제2 위치(도 2)의 적어도 2개의 위치에 위치 결정·유지할 수 있다. 또한 유압 실린더를 사용하는 경우에는, 상기 유압 실린더의 유압 조정에 의해, 자석(26)에 대한 코일(22)의 위치를, 제1 위치와 제2 위치 사이의 위치에 위치 결정·유지할 수도 있다. 또한, 에어 실린더나 솔레노이드를 사용하는 경우에도, 스트로크가 상이한 2개의 에어 실린더나 솔레노이드를 사용함으로써, 역시 자석(26)에 대한 코일(22)의 위치를 제1 위치와 제2 위치 사이의 위치에 위치 결정·유지할 수도 있다.

또한 본 발명에서는, 자기갭 변경 기구로서 액추에이터를 사용하지 않고, 수동으로 자기갭의 변경을 행할 수도 있다. 즉, 자석(26)에 대하여 코일(22)을 자기갭 방향으로 변위 가능하게 구성하고, 또한 코일(22) 및 슬라이드(24)[의 오목부(37)]에, 코일(22)의 위치를 수동으로 변경하여 위치 결정할 수 있는 기구(스토퍼나 볼트 등)를 설치해 두면, 에어 실린더(36)와 같은 액추에이터를 사용하지 않아도 자기갭의 변경을 행할 수 있다. 또한, 자기갭 변경 기구로서 액추에이터를 사용할 수 있는 점이나, 액추에이터를 사용하지 않고 작업자가 수동으로 자기갭을 변경할 수 있는 점은, 이후의 실시형태에 관해서도 동일하게 적용 가능하다.

일반적으로, 리니어 모터를 구성하는 자석은, 리니어 모터의 추진 방향에 관해 코일보다 긴 치수(코일 길이+스트로크 길이)를 갖기 때문에, 자기갭을 바꾸는 경우에는, 제1 실시형태와 같이, 코일만을 변위시키는 것이 바람직하다. 또한, 리니어 모터의 구동중에 코일이 약간이라도 움직이면 리니어 모터의 제어성이 나빠지는 한편, 소형의 리니어 모터라도 자기 흡인력은 수백 N에 달하는 경우가 있기 때문에, 확실하게 코일이 위치 결정·유지될 것이 요구된다.

도 3은, 본 발명의 제2 실시형태에 관련된 리니어 모터를 탑재한 직선 구동 장치(40)의 개략 구성을, 상기 리니어 모터의 진행 방향에서 본 도면이다. 직선 구동 장치(40)는, 코일 철심에 3상(U상, V상, W상)의 권선을 감아 이루어지는 적어도 한 쌍(도시예에서는 한 쌍)의 코일(42a 및 42b)이 고정된 슬라이드(44)(가동부)와, 자석(46a 및 46b)을 각각 자석 철심(48a 및 48b) 상에 배치하여 이루어지는 적어도 한 쌍(도시예에서는 한 쌍)의 고정자(50a 및 50b)가 고정된 베이스((52)(고정부)를 갖고, 코일(42a 및 42b) 및 고정자(50a 및 50b)가 리니어 모터의 주요부를 구성한다. 슬라이드(44)는, 슬라이드 베어링(54)을 통해 베이스(52)에 지지되고, 리니어 모터의 추력 방향으로만 이동 가능한 구조로 되어 있다. 슬라이드 베어링(54)으로는, 구름 베어링, 정압 오일 베어링, 정압 공기 베어링 등이 사용 가능하지만, 후술하는 바와 같이 정압 공기 베어링이 가장 바람직하다.

제2 실시형태에서는, 한 쌍의 코일(42a 및 42b)은, 리니어 모터의 추진 방향에 수직인 방향, 즉 코일과 자석 사이에 형성되는 자기갭의 방향(도시예에서는 좌우 방향)으로 대향하도록 배치되고, 한 쌍의 자석(46a 및 46b)은, 대응하는 코일과의 사이에 각각 자기갭(g3 및 g4)을 형성하도록 배치된다. 또 코일(이동자) 및 고정자의 각각의 구성에 관해서는 도 5에 도시한 종래의 것과 동일하면 되기 때문에, 상세한 설명은 생략한다. 또한 실제로 리니어 모터를 구동하기 위해서는, 서보앰프, NC 장치 및 리니어 스케일 등이 사용되지만, 여기서는 도시를 생략한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 직선 구동 장치(40)는, 코일(42a) 및 자석(46a) 중의 적어도 한쪽[도시예에서는 코일(42a)]을, 코일(42a) 및 자석(46a)이 서로 접촉 분리되도록 변위시킴으로써, 코일(42a)과 자석(46a) 사이의 자기갭(g3)의 크기를 변경하도록 구성된 자기갭 변경 기구(도시예에서는 에어 실린더)(56a)를 갖고, 마찬가지로 코일(42b) 및 자석(46b) 중의 적어도 한쪽[도시예에서는 코일(42b)]을, 코일(42b) 및 자석(46b)이 서로 접촉 분리되도록 변위시킴으로써, 코일(42b)과 자석(46b) 사이의 자기갭(g4)의 크기를 변경하도록 구성된 자기갭 변경 기구(도시예에서는 에어 실린더)(56b)를 갖는다.

에어 실린더(56a)는, 그 일단(상단)이 슬라이드(44)[도시예에서는 슬라이드(44) 내에 형성된 오목부(57a)의 내측면]에 고정되고, 타단(하단)이 코일(42a)에 고정되어 있으며, 에어 실린더(56a)의 구동력에 의해, 슬라이드(44)에 대한 코일(42a)의 위치를 갭 방향(도시예에서는 좌우 방향)으로 변경할 수 있다. 마찬가지로, 에어 실린더(56b)는, 그 일단(상단)이 슬라이드(44)[도시예에서는 슬라이드(44) 내에 형성된 오목부(57b)의 내측면]에 고정되고, 타단(하단)이 코일(42b)에 고정되어 있으며, 에어 실린더(56b)의 구동력에 의해, 슬라이드(44)에 대한 코일(42b)의 위치를 갭 방향(도시예에서는 좌우 방향)으로 변경할 수 있다.

슬라이드(44)[의 오목부(57a)의 내면]와 코일(42a) 사이에는, 코일의 이동 방향을 자기갭 방향으로 한정하기 위한, 플레인 베어링 등의 코일 베어링(58a)이 설치되는 것이 바람직하다. 다만, 에어 실린더(56a)가 충분한 강성을 갖는 베어링을 내장하는 타입이면, 코일 베어링(58a)을 설치하지 않고, 에어 실린더(56a)만으로 코일(42a)을 지지해도 좋다. 혹은, 복수의 에어 실린더로 코일을 지지해도 좋다. 마찬가지로, 슬라이드(44)[의 오목부(57b)의 내면]와 코일(42b) 사이에는, 코일의 이동 방향을 자기갭 방향으로 한정하기 위한, 플레인 베어링 등의 코일 베어링(58b)이 설치되는 것이 바람직하다. 다만, 에어 실린더(56b)가 충분한 강성을 갖는 베어링을 내장하는 타입이면, 코일 베어링(58b)을 설치하지 않고, 에어 실린더(56b)만으로 코일(42b)를 지지해도 좋다. 혹은, 복수의 에어 실린더로 코일을 지지해도 좋다.

통상, 자석(46a 및 46b)이 각각 코일(42a 및 42b)의 철심을 끌어 당기는 자기 흡인력은 수백 N에 달하는 경우가 있기 때문에, 자기갭을 바꾸기 위해서는, 에어 실린더(56a 및 56b)는 자기 흡인력 이상의 구동력을 발생할 필요가 있다. 또한 리니어 모터의 구동중에 코일(42a 및 42b)이 약간이라도 움직이면 제어성이 악화되기 때문에, 에어 실린더(56a 및 56b) 및 코일 베어링(58a 및 58b)은, 각각 코일(42a 및 42b)의 위치를 유지할 수 있는 충분한 강성을 구비한 것인 것이 바람직하다.

도 3에 도시한 바와 같이, 한 쌍의 코일(42a 및 42b)은, 슬라이드(44)의 내측에, 리니어 모터의 추진 방향에 수직인 면에서 좌우 대칭으로 배치하고, 각각의 코일에 대향하는 베이스(52)의 면에 고정자(50a 및 50b)[자석(46a 및 46b)]를 각각 배치하는 것이 바람직하다. 이러한 배치에 의해, 코일(42a 및 42b)에 작용하는 자석의 자기 흡인력은 원리적으로는 상쇄되기 때문에, 코깅에 의한 슬라이드(44)의 진직도의 저하를 크게 억제할 수 있다. 실제로는, 자석의 착자 불균일, 치수 오차 및 위치 결정 오차 등에 의해, 자기 흡인력이 완전히 좌우 대칭으로는 되지 않기 때문에, 코일을 대칭 구조로 하더라도 코깅이 제로가 되는 경우는 없지만, 코깅의 영향은 실용적으로 문제가 되지 않는 정도로 저감된다. 특히, 슬라이드 베어링(54)의 강성이 낮은 경우에는, 코깅의 영향이 현저히 개선된다.

에어 실린더(56a 및 56b)의 각각에는, 2계통의 배관이 접속되어 있으며, 각 에어 실린더는, 계통 1의 배관(60)에 압력이 가해지면 각 에어 실린더가 축소되는(자기갭이 넓어지는) 방향으로 변위되고, 계통 2의 배관(62)에 압력이 가해지면 각 에어 실린더가 신장되는(자기갭이 좁아지는) 방향으로 변위되도록 구성되어 있다. 어느쪽 계통에 압력을 가할지는, 배관(60 및 62)이 접속되고, 에어 컴프레서 등의 압력원(64)에 접속된 전자 밸브(66)(제어 기기)를 이용하여 택일적으로 전환할 수 있다. 이러한 구성으로 하면, 2개의 에어 실린더에 동일한 공기압을 동시에 공급할 수 있기 때문에, 자기갭(g3 및 g4)을, 동시에 동일한 변위량으로 변경할 수 있다.

이와 같이 쌍방의 자기갭을 동시에 변경하는 이점은, 슬라이드(44)에 언밸런스한 힘이 가해지지 않는 점에 있다. 전술한 바와 같이 자기 흡인력은 수백 N 정도이기 때문에, 자기갭을 한쪽씩 바꾸면, 큰 언밸런스한 힘이 슬라이드에 가해지고, 특히 슬라이드 베어링(54)에 정압 공기 베어링을 사용한 경우에는, 상기 베어링의 축과 베어링면이 접촉하여 손상될 위험성이 있다. 동시에 양측의 자기갭을 바꿈으로써, 이러한 언밸런스한 힘을 최소로 할 수 있다. 또한 도 3의 화살표(68)는, 코깅에 의한 슬라이드(44)의 진직도의 오차 방향을 나타내고 있다.

본 발명은, 전술한 슬라이드 베어링(34 또는 54)이, 정압 공기 베어링인 경우에 특히 유리하다. 일반적으로 공기 베어링은, 수 ㎛의 갭에 고압의 공기를 흘림으로써, 비접촉으로 대상물을 지지하는 베어링으로, 베어링의 마찰이 거의 제로이고 고정밀도인 구동에 적합하며, 또한 고속 구동시에도 발열이 거의 제로라는 이점이 있기 때문에, 초정밀 가공기 등에서 사용되는 경우가 많다. 그러나 정압 공기 베어링은, 구름 베어링이나 정압 오일 베어링과 비교하면, 강성을 표시하는 수치가 대략 1자릿수 작아, 코깅의 영향을 받기 쉽다는 결점이 있다. 고로 종래에서는, 공기 베어링은 자기갭이 비교적 큰 리니어 모터와의 조합으로, 고정밀도인 진직도를 유지한 상태에서, 사용되고 있었다. 그러나 전술한 바와 같이, 자기갭을 크게 하면 추력이 감소하기 때문에, 고부하에서의 구동에는 적합하지 않고, 만일 대전류를 흘려 큰 추력을 얻고자 하면, 큰 발열을 일으키는 효율이 나쁜 리니어 모터가 되었다.

정밀한 위치 결정 구동을 행할 필요가 있는 초정밀 가공기 등에서는, 나노미터 단위의 정밀도로 구동을 행할 필요가 있는 한편, 발열에 의한 열팽창은 용이하게 수마이크로미터의 오차가 되기 때문에, 발열을 억제하는 것은 특히 중요하다. 일단 발열이 생기면, 열용량이 큰 공작 기계는 원래의 정밀도(기계 온도)로 되돌아가기까지 시간이 걸린다. 또한, 냉각 기구를 내장하더라도 열의 발생원과 피냉각부를 동일한 장소로 하는 것은 곤란하기 때문에, 온도 분포가 생기는 것은 피할 수 없다. 또한, 열팽창이 없는 재료를 사용하는 것도 고려할 수 있지만, 그와 같은 재료는 고가여서, 기계 전체에 적용하는 것은 현실적이지 않다. 이러한 사정으로부터, 정밀도를 유지하기 위해서는, 가능한 한 발열을 일으키지 않는 구동 기구가 필요해진다.

그래서 본 발명은, 자기갭 가변의 리니어 모터를 사용하여, 고부하 구동시에는 자기갭의 크기를 작게 하여 발열량을 억제하고, 저부하 구동시에는 자기갭의 크기를 크게 하여 정밀한 구동을 행한다는 복수의 운전 방식(모드)의 전환을 가능하게 하는 직선 구동 장치를 제공한다. 본 발명에 의하면, 초벌 가공 모드 등의 고부하 운전시에는, 자기갭을 작게 하여 고속·고효율을 우선하고 발열량을 억제할 수 있는 한편, 마무리 가공 모드 등의 저부하 운전시에는, 자기갭을 크게 하여 정밀도를 우선하고, 정압 공기 베어링의 결점을 보완하며 그 장점을 최대한 살릴 수 있다.

도 4는, 본 발명에 관련된 직선 구동 장치를 포함하는 공작 기계로서, 초정밀 가공기(70)의 한 구성예를 나타내고 있다. 초정밀 가공기(70)는, 서로 직교하는 3개의 직동축[X축(72), Y축(74) 및 Z축(76)]을 갖고, 3개의 직동축 중의 적어도 하나가, 도 1 또는 도 3에 도시한 바와 같은, 자기갭을 가변으로 하는 액추에이터를 갖는 리니어 모터를 구비한다.

도 4의 예에서는, 기계 베이스(78) 상에, X축(72)을 구성하는 X축 베이스(72a) 및 X축 베이스(72a) 상을 지면에 수직인 방향으로 슬라이드 가능한 X축 슬라이드(72b)가 설치되고, X축 슬라이드(72b) 상에는, 가공 대상인 워크(80)가 놓인다. 또한 기계 베이스(78) 상에, Y축(74)을 구성하는 Y축 베이스(74a) 및 Y축 베이스(74a) 상을 슬라이드 가능한 Y축 슬라이드(74b)가 설치되고, X축 슬라이드(72b)와 Y축 슬라이드(74b)의 슬라이드 방향은 대략 수평면 내에서 서로 직교하고 있다.

또한, Y축 슬라이드(74b)에는, Z축(76)을 구성하는 Z축 베이스(76a)가, X축(72) 및 Y축(74)의 쌍방에 수직(도시예에서는 대략 연직 방향)으로 연장되도록 설치되고, Z축 슬라이드(76b)가, Z축 베이스(76a) 상을 대략 연직 방향으로 슬라이드 가능하게 설치된다. Z축 슬라이드(76b)에는, 워크(80)를 가공하기 위한 공구(82)를 구비한 주축(84)이 부착된다.

공작 기계(70)는, 각 직동축을 동시에 제어 가능한 NC 장치를 내장한 제어 장치(86)를 갖고, 오퍼레이터는, 제어 장치(86)에 설치된 표시·조작 패널(88)을 이용하여 공작 기계를 조작하여, 워크(80)에 대하여 소정의 가공을 행할 수 있다. 제어 장치(86)는, 코일과 자석이 근접한 자기갭(g1)으로 행해지는 제1 운전 모드(예컨대 초벌 가공 모드)와, 제1 운전 모드보다 큰 자기갭(g2)으로 행해지는 제2 운전 모드(예컨대 마무리 가공 모드)를 탑재하고, 오퍼레이터가 조작 패널(88)로부터 각 모드를 선택함으로써, 선택된 모드에 대응한 자기갭이 자동적으로 설정된다. 또 복수의 직동축이 자기갭 변경 기구(액추에이터)를 구비하는 경우에는, 직동축마다 개별적으로 모드를 선택할 수 있고, 예컨대 X축을 초벌 가공 모드, Y축 및 Z축을 마무리 가공 모드로 하여 운전할 수도 있다.

또 기계 베이스(78)는, 바닥면에 배치된 에어 댐퍼(90) 상에 올려 놓아도 좋고, 이에 따라 바닥 진동의 영향을 제거할 수 있다. 다만, 일반적으로 에어 댐퍼는, 그 위의 기계가 고속 동작하면 그 반동으로 크게 흔들리기 때문에, 정밀도를 중시하지 않는 초벌 가공 모드에서는, 에어 댐퍼(90)에 대한 공기 공급을 차단하여, 공작 기계(70)의 흔들림을 억제해도 좋다.

종래, 공기 베어링과 종래의 리니어 모터를 조합시킨 직선 구동 장치를 탑재한 초정밀 가공기에서는, 고부하에서의 구동에 적합하지 않기 때문에, 마무리 가공의 용도로밖에 이용할 수 없었다. 이에 비하여, 도 4에 기재된 바와 같은 초정밀 가공기에서는, 고부하의 초벌 가공 모드에서는 고속·고능률을 우선한 가공을 행하고, 그 후, 정밀도를 우선한 마무리 가공 모드로 종래의 초정밀 가공기와 동일한 정밀도의 가공을 행할 수 있다. 이와 같이, 가공에 맞춘 사용 방법을 선택할 수 있음으로써, 가공 시간의 대폭적인 단축이나 가공 비용의 삭감이 실현된다.

또한, 구름 베어링이나 정압 오일 베어링과 종래의 리니어 모터를 조합시킨 초정밀 가공기에서는, 베어링의 구동 저항이 발열의 원인이 되기 때문에, 고속 가공을 행하면 발열의 영향을 무시할 수 없다. 그래서 본 발명에 관련된 리니어 모터를, 정압 공기 베어링이라는 발열이 적은 베어링과 조합시켜 사용함으로써, 초벌 가공부터 마무리 가공까지 최소의 발열로 가공할 수 있다는 매우 큰 메리트가 얻어진다. 또한, 강성이 낮다는 공기 베어링의 단점에 관해서도, 가공 모드를 적절히 전환함으로써, 가공 정밀도에 대한 영향을 최소로 할 수 있다.

이와 같이 공작 기계에서는, 가공에 따라 필요한 속도와 정밀도가 크게 상이하기 때문에, 초벌 가공과 마무리 가공에서 자기갭의 크기를 바꿈으로써, 고속·고능률 가공과 고정밀도 가공을 구별하여 사용할 수 있다. 또한, 초벌 가공 모드 및 마무리 가공 모드뿐만 아니라, 그 중간적인 자기갭의 모드나 특정한 축만 자기갭을 바꾸는 모드(예컨대, 1축만 고속 구동하는 모드)를 설정해도 좋다.

본원 발명에 따르면, 리니어 모터에 있어서 코일과 자석 사이의 자기갭의 크기를 의도적으로 변경할 수 있어, 리니어 모터의 추력과 코깅의 밸런스를 맞춘 다용도의 직선 구동 장치가 제공된다.

자기갭 변경 기구로서 액추에이터를 사용함으로써, 자기갭을 자동으로 용이하게 변경할 수 있다.

일반적으로 자석은 코일보다 추진 방향으로 긴 치수(코일 길이+스트로크 길이)를 갖기 때문에, 코일만을 변위시키는 편이 용이하게 자기갭을 변경할 수 있다.

한 쌍의 리니어 모터를 자기갭 방향으로 대향시켜 배치하고, 쌍방의 자기갭을 동일하게 함으로써, 자기갭 방향의 자기 흡인력이 상쇄되어, 코깅이 대폭 감소한다.

한 쌍의 리니어 모터의 자기갭을 동시에 동일한 변위량으로 변경함으로써, 한 쪽씩 자기갭을 바꾼 경우에 발생할 수 있는 큰 언밸런스한 힘을 최소로 할 수 있다.

슬라이드 베어링에 정압 공기 베어링을 사용함으로써, 강성이 작기 때문에 코깅의 영향을 받기 쉬운 한편 발열량이 적다는 정압 공기 베어링의 특징을 최대한 살릴 수 있다.

본 발명에 관련된 직선 구동 장치를 포함하고, 자기갭을 변경한 복수의 운전 모드를 탑재한 공작 기계에 의해, 효율 중시의 고속 가공과, 정밀도 중시의 고정밀도 가공을 적합하게 구별하여 사용할 수 있다.

Claims

코일 철심을 갖는 코일(22, 42a, 42b) 및 자석(26, 46a, 46b)을 구비한 리니어 모터를 구비하고, 고정부(32, 52)에 대하여 가동부(24, 44)가 베어링(34, 54)을 통해 직선적으로 이동 가능하게 되어 있는 직선 구동 장치(20, 40)에 있어서,
상기 코일 및 상기 자석 중의 적어도 한쪽을, 상기 코일 및 상기 자석이 서로 접촉 분리되도록 변위시킴으로써, 상기 코일과 상기 자석 사이에 형성되는 자기갭의 크기를 변경하는 자기갭 변경 기구(36, 56a, 56b)를 갖는 것을 특징으로 하는 직선 구동 장치.
제1항에 있어서, 상기 자기갭 변경 기구(36, 56a, 56b)는, 전기, 공기압 또는 유압으로 구동하는 액추에이터인 것을 특징으로 하는 직선 구동 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자기갭 변경 기구(36, 56a, 56b)는, 상기 코일(22, 42a, 42b)을 상기 자석(26, 46a, 46b)에 대하여, 상기 자기갭이 제1 값이 되는 제1 위치와, 상기 자기갭이 상기 제1 값보다 큰 제2 값이 되는 제2 위치와, 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이의 위치에 위치 결정하여 유지하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 직선 구동 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 한 쌍의 리니어 모터가, 상기 자기갭의 방향으로 서로 대향하여 배치되고, 상기 한 쌍의 리니어 모터의 자기갭은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 직선 구동 장치.
제4항에 있어서, 상기 자기갭 변경 기구(56a, 56b)는, 전기, 공기압, 또는 유압으로 구동하는 액추에이터이고,
상기 한 쌍의 리니어 모터에 있어서, 상기 코일(42a, 42b), 상기 자석(46a, 46b) 및 상기 액추에이터가 대칭 구조이며, 상기 액추에이터는 자기갭을 동시에 동일한 변위량으로 변경할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 직선 구동 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베어링(34, 54)이 정압 공기 베어링인 것을 특징으로 하는 직선 구동 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 직선 구동 장치(20, 40)를 적어도 하나 갖고, 상기 자기갭의 크기가 서로 상이한 복수의 가공 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 공작 기계(70).