JP2000299973A

JP2000299973A - リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JP2000299973A
Application number: JP11103620A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Takahashi; 聡高橋; Masaki Taketomi; 正喜武富
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; Hitachi Metals Kiko Co Ltd
Current assignee: Neomax Kiko Co Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1999-04-12
Filing date: 1999-04-12
Publication date: 2000-10-24
Anticipated expiration: 2019-04-12
Also published as: JP3838813B2

Abstract

(57)【要約】【課題】肉厚が薄く軽い固定子ヨークを用いたリニア
アクチュエータを提供する。それにより、断面が小さく
ともヨーク材がおもてに露出しないで非磁性カバーで覆
われたリニアアクチュエータとすることができる。【解決手段】リニアアクチュエータの固定子ヨークと
して押し出し成形あるいは曲げ成形で一体的な断面に形
成したものを用いる。固定子ヨークの厚さを薄くするこ
とができるので、固定子／可動子アセンブリーの断面が
小さくなり軽いものとすることができる。その外側に非
磁性フレームを設けてもリニアアクチュエータを小型化
するという要求に添うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体のステッパ
ー装置、ＣＡＤのプリンター等に用いるリニアアクチュ
エータ、特に可動コイル型のリニアアクチュエータに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】リニアアクチュエータは走行通路を形成
して、その通路上に固定あるいは変化する磁界を発生す
る固定子と、その通路に沿って走行する可動子からなっ
ている。可動子の種類によって、可動磁石型リニアアク
チュエータと可動コイル型リニアアクチュエータとに分
けられる。

【０００３】可動磁石型リニアアクチュエータは、固定
子側の走行通路に沿って励磁コイルが並べられており、
可動子側に永久磁石を持ったものである。一方、可動コ
イル型リニアアクチュエータは、固定子側の走行通路に
沿って交番磁界が生じるように永久磁石が並べられてお
り、それに対して可動子側のコイルが動くようになった
ものである。可動コイル型リニアアクチュエータでは、
コイルを主体とする可動子のために、可動子の重量が小
さく、その運動の慣性が小さくなるので、応答が早い上
に位置決め精度が良く精密機器の分野で使われることが
多い。

【０００４】可動コイル型リニアアクチュエータの固定
子と可動子のアセンブリー構造を図４を参照しながら説
明する。図４は固定子／可動子アセンブリーの平面図で
ある。この図にある固定子／可動子アセンブリー構造
は、可動コイル型リニアアクチュエータの一般的なもの
であり、本発明においてもこのような従来使用されてき
たリニアアクチュエータが適用され得るものである。

【０００５】固定子／可動子アセンブリー１０（５０）
は、長手方向に走行通路を有し、この長さよりも少し長
い固定子１１（５１）を持ち、固定子は断面が略Ｕ字形
状になった軟磁性体材料からなり、この固定子（以下、
固定子の一部を構成するものをヨークと言う。）の対向
する両側板の内側には永久磁石が並べられている。この
両側の永久磁石が挟んでいる空間が磁気空隙として働く
ようになっており、この磁気空隙が可動子の走行する通
路を形成する。永久磁石は走行通路側の面にその磁極が
現われるように磁化されているとともに、通路を挟んで
対向する永久磁石の極性は互いに反対極性となし、磁力
線が通路を横切るようになっているのが一般的である。
また、永久磁石の走行通路側の磁極は、通路の長さ方向
にその極性が順次反転するように並べられている。一
方、可動子１５は、励磁コイル１５１を持っており、励
磁コイルに流される電流によって固定子磁界と相互作用
をなして、可動子１５が走行あるいは停止するように制
御される。

【０００６】ヨーク１２（５２）は、永久磁石１４の磁
束を通しやすくするために、透磁率及び飽和磁束密度と
もに大きな磁性材料から作るのが好ましい。一般構造用
炭素鋼、例えばＳＳ４００などはヨーク材として適した
ものである。

【０００７】次に、図５、図６、図７は、従来のリニア
アクチュエータを横断面で示すもので、図５は従来のリ
ニアアクチュエータの一例の断面図、図６は従来のリニ
アアクチュエータに関し、部品組み合わせ型の固定子の
一例の断面図、図７は従来のリニアアクチュエータに関
し、ブロックから削り出し加工して形成した固定子の一
例の断面図である。

【０００８】図５において５０は、固定子／可動子アセ
ンブリーであり、この固定子／可動子アセンブリー５０
は、断面が略Ｕ字形状をしたヨーク５２と、固定子に沿
って走行するようになっている可動子１５とからなって
いる。ここでヨーク５２は、対向する側板５２１と底板
５２２とをボルト５２３で締結して断面略Ｕ字状に形成
したものである。その対向する側板内面に永久磁石１４
が並べて貼られている。可動テーブル３０は可動子１５
の上に固定されており、可動テーブル３０の下面にはロ
ーラー３１が設けてある。よって、可動子１５が固定子
５０に対して走行するとヨーク５２の上面に設けたレー
ル１３上をローラー３１が転がって、可動テーブル３０
が走行するようになっている。ここでは可動テーブル３
０として例示しているが、複写機の場合はミラーが取り
付けられていたり、プリンターの場合は印字ヘッドなど
が取り付けられていることもある。

【０００９】また、ヨーク５２としては、図６や図７に
示すものも一般に使われている。図６に示す固定子ヨー
クでは軟磁性体材料から加工した底板５２２に同じく軟
磁性体材料から加工した側板５２１がボルト５２３で締
結固定されている。このヨークを作るには、まず側板５
２１と底板５２２とを目的とする寸法に機械加工して製
作し、側板５２１に永久磁石１４をエポキシ樹脂接着剤
などで貼り付けた上で、底板５２２の両端面に側板５２
１の底に近い部分に設けためねじにボルト５２３を締め
付けて取り付けている。そして、数メートルもの長尺の
ものとなると複数のヨークを繋ぎ合わせて組み立ててい
る。ここで、両側にある２枚の側板５２１間の平行度が
問題となるが、例えば、平行度０．２以内などという条
件を満たすために、底板５２２の端面の平行度や組立作
業に高い精度が要求される。また、底板にはねじ穴を長
手方向に複数個設けるので強度を確保するための厚さを
必要とする。さらに、機械強度上の問題だけでなく永久
磁石１４を磁化した後ではその磁気吸引力によって両側
板が引き付けられる方向に作用するので、通常それに耐
えられるだけの厚さは必要としていた。また、例えば３
００ｍｍを越える長尺ものの底板５２２や側板５２１と
なると、使用中に反りや歪みが出やすい傾向があった。

【００１０】次に、図７に示すヨーク５２は、削り出し
タイプのものであり、同図に示す２点破線で示している
軟鉄ブロックからフライス盤などを用いて削り出したも
のである。通常の規格鋼材では個々のヨーク寸法に合致
しないのが普通であるから、このように無駄な加工部分
が多い。少なくとも磁気空隙部の加工は必要となる。実
際、長さの短いヨークであればまだ加工はし易いが、長
尺で大きなヨークを作る場合には、それに合った大きさ
のフライス盤を必要とし、数メートル長さのヨークを作
るのは、あたかも金型を製作するのと同じ様な加工工数
を必要とし、加工費が嵩むものであった。このようなこ
とから加工を省いてヨークの肉厚を必要以上に厚くする
ということになり、結局、リニアアクチュエータ全体が
大きく重いものとなっていた。

【００１１】図５に示すリニアアクチュエータでは、可
動テーブルの下はほとんど固定子で占められている構造
となっており、リニアアクチュエータの断面積のほとん
どを固定子／可動子アセンブリー５０が占めていた。

【００１２】これはリニアアクチュエータを装備してい
る精密機器などでは、小型化をするという要求が常に存
在しているので、リニアアクチュエータの外寸法すなわ
ち長さを除いた縦寸法と横寸法を小さくする努力が払わ
れて来たが、リニアアクチュエータの主要部品である固
定子／可動子アセンブリーを小さくすることが困難であ
ったがために、リニアアクチュエータのフレームを取り
去ったためと考えられる。

【００１３】リニアアクチュエータの固定子／可動子ア
センブリーの主要部分は、ヨークであり、ヨークは鉄で
構成されているのでかなりの重量物となる。そのためリ
ニアアクチュエータの重量が大となったままであった。
また、そのヨークが外面に露出しているために、リニア
アクチュエータの周囲に磁気フラックスが漏洩して、鉄
板や鉄粉を吸着することがあった。また、鉄片等の軟磁
性体片をリニアアクチュエータの近くに設けるとその軟
磁性体片を通って磁力線が流れたり、空隙磁界が変化す
るなどの悪影響が生じていた。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記した通り、従来の
リニアアクチュエータでは、ヨークを必要以上の厚肉と
する結果となり、結果的にリニアアクチュエータ全体が
大きく重いものとなっていた。また、長尺のヨークとな
ると加工機の能力に限界があるし、さらに組み立て構造
であると反りや平行度の問題が稼働中に現れることもあ
った。このようなとき、部品を交換するというようなメ
ンテナンスも必要となるが、従来のものではリニアアク
チュエータ全体を工場に持ち帰り作業を行わなければな
らなかったし、これが長くて重いヨークであったからこ
れらのメンテナンス作業は非常に煩雑で大変なものとな
っていた。

【００１５】また、従来、リニアアクチュエータの大部
分を軟磁性体材料からなるヨークが占めており、しかも
これが表面に露出していたので稼働中に磁気漏洩や磁界
変化等の悪影響が現れ、種々の問題が生じていた。

【００１６】そこで、本発明は上記問題を解消すること
を目的とし、特に長尺のヨークに適しており、軽量化を
はかってメンテナンス作業性の改善を行うと共に磁気漏
洩等の問題を解消したリニアアクチュエータを提供する
ものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明のリニアアクチュ
エータは、長手方向に延びるヨークを有する固定子と、
この固定子に沿って走行するように設けた可動子とを有
するリニアアクチュエータであって、前記ヨークは、曲
げ成形又は押し出し成形等の塑性加工により一体成形さ
れ、長手方向全長に亘って一様断面を有するものである
ことを特徴とする。例えば、ヨークは一体成形された略
Ｕ字状やＬ字状の一様断面である。ここで一体成形とは
一つの素材から成形されたものであって複数の製造工程
を持っていても構わない。また、一様断面とはその素材
形状が反映されたものであれば、必ずしも平面である必
要はなく凹凸部等が途中にあっても良い。

【００１８】また、長手方向のヨークの高さＢと対向す
る側壁間距離Ａとの比（Ｂ／Ａ）が０．５〜５であるこ
とが望ましい。更に望ましくは（Ｂ／Ａ）が１〜３前後
である。

【００１９】また、前記ヨークの外側に非磁性体フレー
ムを設け、前記ヨークを前記非磁性体フレーム内に着脱
自在に収容したリニアアクチュエータとすることが出来
る。

【００２０】そして、長手方向に延びるヨークに複数個
の永久磁石を交互に磁極が異なるように配設し、永久磁
石の表面に沿って形成された磁気空間内にコイルを備え
た可動子を前記永久磁石の配設方向に走行可能に設けた
可動コイル型リニアアクチュエータとすることも出来
る。このリニアアクチュエータは、ヨークは長さ方向に
可動子の走行路長さ以上で一体とすることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明のリニアアクチュエ
ータを図面を参照しながら詳しく説明する。図１は本発
明の一実施例のリニアアクチュエータの断面図、図２は
本発明のリニアアクチュエータに用いるヨークの一例を
示し、押し出し成形品での断面図、図３は本発明のリニ
アアクチュエータに用いるヨークの他の例を示し、曲げ
成形品での断面図である。図４は、本発明が関係するリ
ニアアクチュエータの固定子／可動子アセンブリーの平
面図である。

【００２２】図１に断面図で示すリニアアクチュエータ
は、固定子／可動子アセンブリー１０が略Ｕ字形状断面
をした非磁性体（アルミ）フレーム２０の中に収容さ
れ、下面よりボルト等の締結部材により着脱自在に設置
されているものである。従って、固定子／可動子アセン
ブリー１０は独自に分解が可能でリニアアクチュエータ
の使用現場において、アルミフレーム２０からヨーク１
２を抜き出してメンテナンスすることができる。また逆
に、工場内においてヨーク１２に永久磁石１４を貼り付
ける作業とアルミフレーム側の組み付け作業等を分業し
て行うことができ作業能率が向上する。尚、アルミフレ
ーム２０は壁部分に空洞を設けるなどしてさらに軽量化
したものを用いることもできる。また、非磁性材であれ
ば良く合成樹脂等の使用も考えられる。

【００２３】可動テーブル３０は、従来と同様アルミフ
レーム２０の上に沿って走行するようになっている。す
なわち、可動テーブル３０から下方にブラケット３２が
出ており、このブラケット３２には多極の可動子１５が
固定されている。アルミフレーム２０の上部にはレール
２１が各々設けられて、可動テーブル３０の下部に設け
たローラー３１がレール上を転がって可動テーブル３０
がアルミフレーム２０に対して走行するようになってい
る。尚、ヨーク１２を横に寝かせ、横方向に開口した磁
気空隙間にブラケット３２と可動子１５を鈎状に挿入し
て長手方向に移動可能に構成することもできる。この場
合、アクチュエータの高さを抑えられるという効果も出
てくる。

【００２４】さて、本実施例では、固定子／可動子アセ
ンブリー１０の非磁性体フレーム２０（アルミフレー
ム）の内部に、図２あるいは図３に横断面図で示したヨ
ーク１２を着脱自在に収容している。ここで、このヨー
ク１２は押し出し成形あるいは曲げ成形で製造した略Ｕ
字状断面の長尺一体もので、長手方向全長に亘って一様
の断面を有するものである。すなわち従来のように機械
加工や複数の部品を組立てたものではなく、塑性加工に
よる一体成形で形成したものである。そして、ヨークの
対向する側板１２１には長手方向に複数の永久磁石を交
互にその磁極が異なるように並べて接着剤等で貼り付け
ており、対向する永久磁石１４同士の磁極もまた反対磁
極となって交番磁界が発生するように固定子１１を構成
している。よって、上述した従来例と同様に固定子１１
の永久磁石１４の間で可動子１５が走行するようになっ
ている。尚、ヨークはＵ字形断面に限定されるものでは
なく例えばＬ字状断面でも良い。

【００２５】上記したようにヨーク１２は、一方の側板
１２１部分と底板１２２部分及び他方の側板１２１部分
とが連続した一体的断面を持っており、これが長手方向
に沿って変化することのない一様の断面に形成したもの
である。図２のものは軟磁性体材料を押し出し成形で得
たものである。また、図３のものは軟磁性体材料の板材
を曲げ成形して得たものである。

【００２６】押し出し成形によるヨークは、ヨークの断
面形状をしたキャビティを持った押し出し成形ダイを備
えた温間押し出し機を用い、例えばＳＳ４００の鋼材を
１１００℃に加熱した上で、加圧押し出し成形して得た
ものである。

【００２７】曲げ成形によるヨークは、一様厚さのＳＳ
４００の板材を矢弦と加圧機等を用いて冷間で片側づつ
曲げ成形してＵ字状にしたものである。

【００２８】例えば２０００ｍｍ以上の長さを持つもの
であっても、１辺が５０〜６０ｍｍのヨーク１２を曲げ
あるいは押し出し成形で一様の断面に成形しているの
で、ＳＳ４００材などの一般構造用鋼材で作ったもので
あっても、その厚さを２〜３ｍｍとしても機械強度が十
分なものであり、永久磁石の吸引力や機器の取り扱いな
どで変形することがない。また、両加工手段ともに側板
１２１間の平行度も０．２は達成できるし、底板と側板
の垂直度等も０．３を満足できるものである。

【００２９】一方、ヨーク材としては、１個の永久磁石
からの磁力線がヨークを通って隣接する永久磁石および
対向する永久磁石に行くには、飽和磁束密度Ｂｓが１．
０Ｔ以上ある軟磁性体ヨークでは、ヨーク材の厚さが磁
石幅の１／３〜１／５あればヨーク材が飽和しないで磁
力線を通すことができる。永久磁石の幅を例えば２３ｍ
ｍとすると、ヨーク材の厚さは４．５〜８ｍｍあればよ
いことになる。ヨークの厚みが磁気飽和を起こさないだ
けあれば、機械強度に耐え得ることができる。

【００３０】固定子ヨークを押し出しあるいは曲げ成形
で作っているので、機械加工によるような無駄はなく素
材の大きさの許す範囲の大きさの製品を作ることができ
る。すなわち、走行通路長さが２０００〜３０００ｍｍ
となっても、それに対応したヨークを一つの素材の長さ
で且つ一様の断面で作ることができる。また、ヨークの
深さも大きくすることができるので、永久磁石も大きな
ものを用いて可動子側のコイルを単極にしたりコンパク
トにすることが可能となる。側板高さＢと底板幅Ａとの
比（Ｂ／Ａ）は少なくとも３までは容易に作ることがで
きる。Ｂ／Ａを５よりも大きくしたものについてはその
効果が飽和する。素材の大きさや従来の加工と比較して
０．５以上の場合に曲げ成形あるいは押し出し成形で作
ったヨークのメリットがあるので、Ｂ／Ａの好ましい範
囲を０．５〜５とした。加工性や作業性を考慮すると更
に望ましいのは２〜３前後である。この比が大きくとれ
ることによって永久磁石の選択の幅が広がるし、磁石を
貼り付けるときやメンテナンス時の作業性が向上すると
いう効果もある。

【００３１】例えば、従来の固定子ヨークでは角状素材
から削り出しであったから、例えば大きさが７０ｍｍｘ
４０ｍｍｘ１０００ｍｍＬのヨークを得ようとすると、
素材重量は２０Ｋｇ以上のものが必要であった。これが
本発明により、その厚さは６ｍｍの板材から７０ｍｍｘ
４０ｍｍｘ１０００ｍｍＬのヨークを成形できるから、
製品重量は約７Ｋｇとすることができ、素材重量として
１／３の軽量化が実現できた。また、コスト面での効果
は１／２程度となった。

【００３２】本実施例では、ヨークを曲げ成形で作って
おり、平板から略Ｕ字状の一様断面のものとしたので、
上記同様薄くても強度が高く重量も大幅に軽減すること
ができた。従って、実施例に示した如くアルミフレーム
２０の中にヨーク１２を収容する構造としてもリニアア
クチュエータ全体の大きさとしては、従来のヨークが表
面に露出したものよりも小サイズとすることができてい
る。さらに、ヨークをアルミフレーム２０で取り囲んで
いるので軟磁性体が表には露出しない構造となり、従来
ヨークが露出していたことによる問題点が解消できる。

【００３３】また、組立時においてもメンテナンス時に
おいても固定子とヨークが別体であるので作業性が格段
に向上した。特にメンテナンス時においては、軽量ヨー
クであるばかりでなく、現場で永久磁石の貼り換え組み
立て作業が行えるので、作業効率が良くなった。

【００３４】

【発明の効果】本発明のリニアアクチュエータによれ
ば、長尺であるにもかかわらず長手方向に一様の断面を
持ったヨークを用いたので、肉厚を薄く小型軽量化を計
ることが出来た。さらに、このヨークを非磁性フレーム
の中に着脱自在に収容することによってヨークからの漏
洩磁束などによる不都合を解消できる。また、メンテナ
ンス時等にヨークだけを取り出して適宜作業を行えるの
で作業負担と作業効率が向上した。また、本発明のヨー
クでは機械加工を行なわないで、その製造工数を少なく
することができ、また軽量小型化等により安価なリニア
アクチュエータを提供することが出来た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のリニアアクチュエータの断
面図である。

【図２】本発明のリニアアクチュエータに用いているも
ので、押し出し成形で形成された固定子ヨークの一例の
断面図である。

【図３】本発明のリニアアクチュエータに用いているも
ので、曲げ加工で形成された固定子ヨークの一例の断面
図である。

【図４】本発明が関係するリニアアクチュエータの固定
子／可動子アセンブリーの平面図である。

【図５】従来のリニアアクチュエータの一例の断面図で
ある。

【図６】従来のリニアアクチュエータに用いているもの
で、部品組み合わせ型の固定子の一例の断面図である。

【図７】従来のリニアアクチュエータに用いているもの
で、ブロックから削り出し加工して形成した固定子の一
例の断面図である。

【符号の説明】

１０、５０固定子／可動子アセンブリー１１、５１固定子１２、５２ヨーク１２１、５２１側板１２２、５２２底板１３、２１レール１４永久磁石１５可動子１５１励磁コイル２０アルミフレーム３０可動テーブル３１ローラー３２ブラケット５２３ねじ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武富正喜群馬県多野郡吉井町多比良2977番地日立金属機工株式会社内Ｆターム(参考） 5H002 AA07 AB04 AC03 AE04 5H622 CA02 CA10 CB01 5H641 BB06 BB18 GG03 GG05 GG07 GG11 HH02 HH05 HH06 HH13 HH14 HH18 JA04 JA09 JB09 JB10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長手方向に延びるヨークを有する固定子
と、この固定子に沿って走行するように設けた可動子と
を有するリニアアクチュエータにおいて、前記ヨーク
は、曲げ成形により一体成形されたものであることを特
徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】長手方向に延びるヨークを有する固定子
と、この固定子に沿って走行するように設けた可動子と
を有するリニアアクチュエータにおいて、前記ヨーク
は、押し出し成形により一体成形されたものであること
を特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項３】前記ヨークは、略Ｕ字状の一様断面であ
り、固定子の高さＢと対向する側壁間距離Ａとの比（Ｂ
／Ａ）が０．５〜５であることを特徴とする請求項１又
は２記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】前記ヨークの外側に非磁性体フレームを
設け、前記ヨークを前記非磁性体フレーム内に着脱自在
に収容したことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに
記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】長手方向に延びるヨークに複数個の永久
磁石を交互に磁極が異なるように配設し、永久磁石の表
面に沿って形成された磁気空間内にコイルを備えた可動
子を前記永久磁石の配設方向に走行可能に設けた可動コ
イル型としたことを特徴とする請求項１乃至４いずれか
に記載のリニアアクチュエータ。