JP5113436B2 - リニアモータ駆動の軸送り装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械や半導体製造装置などのテーブル送りに利用されるリニアモータ駆動の軸送り装置に関する。

従来、工作機械や半導体製造装置などのテーブル送りに利用されるリニアモータを駆動源とした軸送り装置がある。リニアモータの界磁部は磁性体からなる界磁ヨークに沿って隣り合う磁極が交互に異極となるように永久磁石を備え、前記リニアモータの電機子部は磁性体からなるコアと導線を巻き回したコイルとを備えている。前記軸送り装置では、リニアモータの界磁部と電機子部とをリニアガイド部品などの直動案内手段によって互いに摺動自在に機械ギャップを設けて配置する。

前記リニアモータでは、特に近年は希土類磁石のような残留磁束密度と保持力が高い高性能磁石が界磁部の磁極を形成する手段として積極的に利用されるようになっている。前記リニアモータの電機子部と界磁部とは、高推力を得るため、磁気ギャップを極力小さくし、例えば１ｍｍ前後に配置される（電機子部や界磁部にステンレス製のカバーやモールドなどの保護部材を有する場合は機械ギャップが０．５ｍｍ前後になる）。前記電機子部と界磁部とが、このような微細な磁気ギャップにて配置されるため、両者間には得られる推力よりも強力な磁気吸引力が作用することが知られている。

電機子部と界磁部とを直動案内しているリニアガイドのガイドブロックとガイドレールとの間に働く力にはリニアモータが搬送する負荷の重力や外部から受ける力の他に磁気吸引力が増加され、摩擦抵抗力が増加する。この摩擦抵抗力は、リニアモータが加速する際に移動方向と逆方向に加わるため、加速推力の低下を招くという問題点があった。

また、ガイドブロックとガイドレールの摺動摩擦によるリニアガイドの寿命が低下するという問題もあった。

このような問題点の解決策として、リニアガイドの内部構造を改善して荷重に対する摩擦抵抗力の低減を図る直接的な対策が講じられたが、リニアガイド部品の大型化という問題が発生するため、より有効な改善案が検討されてきた。

例えば、特許文献１には、同一磁極を対向させるように組み合わせて構成される永久磁石を含む磁気反発部材を、リニアモータの移動方向に沿って固定体上面と移動体下面とに相対向して取り付けて、リニアモータの磁気吸引力を相殺、軽減させる例が開示されている。

また、例えば、特許文献２には、リニアモータの磁気吸引力を相殺的に低減させることが可能であると共に所要に応じて推力と交差した方向に作用する荷重成分をも低減させ、リニアガイド部品などの直動案内手段に生ずる摩擦抵抗力を低減させる磁力発生手段を設けた例が開示されている。

また、例えば、特許文献３には、磁気吸引力が相殺するようにリニアモータの電機子部の両側に界磁部を配置した両側式リニアモータの例が開示されている。

特開２００１−２９８９４１号公報（第３−４頁、図１−図４） 特開平９−１４０１１８号公報（第３−５頁、図１−図７） 特許第３７８６１５０号（第３−４頁、図１−図５）

ところが、前記特許文献１では磁気反発部材を必要とするため、機械装置自体の構成が大型化及び重量化するという問題があった。

また、前記特許文献２も同様に、磁力発生手段を必要とするので、機械装置自体の構成が大型化及び重量化するという問題があった。

また、前記特許文献３では、磁気吸引力は相殺されるものの、リニアモータの負荷がリニアガイド部品に及ぼす荷重による摩擦抵抗力は低減されていないという問題が残されていた。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、リニアガイドで生ずる摩擦抵抗力を軽減し、加速推力の増大を図ることができるとともに、リニアガイドの寿命を延命することができるリニアモータ駆動の軸送り装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係るリニアモータ駆動の軸送り装置は、磁性体からなる界磁ヨークに沿って隣り合う磁極が交互に異極となるように永久磁石を備えた一対の界磁部と、前記界磁ヨークに沿って並行に配置された前記一対の界磁部間に、磁性体からなるコアにコイルを備えた電機子部とを有し、前記電機子部または前記界磁部と機械的に締結されたリニアガイドによって前記界磁ヨークに沿った方向に直動案内するように前記電機子部と前記界磁部とを互いに摺動自在に配置したリニアモータ駆動の軸送り装置であって、
前記リニアガイドは、互いに押し合うように設置されたガイドレールとガイドブロックとによって構成され、
前記電機子部と前記界磁部とのギャップ対向面と並行でかつ前記直動案内する方向と垂直な方向をＡ方向とし、
前記永久磁石及び前記コアのうち前記ガイドレール側に配置された方を第１磁性体、前記ガイドブロック側に配置された方を第２磁性体とし、
前記第２磁性体の前記Ａ方向長さの中心に対して前記第１磁性体の前記Ａ方向長さの中心を、前記ガイドレールから前記ガイドブロックへ向かう方向へずれるように前記第１磁性体を配置し、
前記第２磁性体のＡ方向長さの中心と前記第１磁性体のＡ方向長さの中心との距離をずれ量ｘ［ｍｍ］とし、前記第２磁性体のＡ方向長さをＬｍ［ｍｍ］としたとき、
０＜ｘ／Ｌｍ≦０．７８
を満たす範囲内としたものである。

本発明に係るリニアモータ駆動の軸送り装置によれば、リニアガイドへの荷重が軽減されるため、リニアガイドで生ずる摩擦抵抗力が軽減でき、リニアモータが出力する加速推力を増大することができるとともに、リニアガイドの寿命を延命することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１、図２及び図３は、本発明に係るリニアモータ駆動の軸送り装置の実施の形態１を示す断面図であり、リニアモータの移動方向から見たものである。図４は、図１、図２及び図３の矢視Ｂの平面図である。図１、図２及び図４において、リニアモータ１００の界磁部３０は磁性体からなる界磁ヨーク３に沿って移動方向に隣り合う磁極が交互に異極となるように磁性体からなる永久磁石４ａ、４ｂを備え、リニアモータ１００の電機子部２０は磁性体からなるコア２にコイル７を備えてケーシング１０に納められている。コア２は、分割コアとして示しているが、本発明はこれに依らない。ベース６は、略コの字状であってガイドレール８ｂを備え、リニアモータ１００の永久磁石４を界磁ヨーク３に備えた界磁部３０は、リニアガイド８のガイドレール８ｂ側（ベース６側）に図示しないボルトなどにより取り付けられている。天板９は、ガイドレール８ｂにより支持案内されるガイドブロック８ａに取り付けられ、リニアガイド８のガイドレール８ｂにより支持案内される。ケーシング１０内のコア２を備えた電機子部２０は、ガイドブロック８ａ側の天板９にボルトなどにより取り付けられ、電機子部２０は界磁部３０と機械ギャップ５をあけて摺動自在に配置されている。また、本実施の形態１では、ガイドレール８ｂとガイドブロック８ａは、互いに押し合うように配置されている。

図１では、ガイドレール８ｂ側（ベース６側）に界磁部３０の永久磁石４が第１磁性体として配置され、ガイドブロック８ａ側（天板９側）に電機子部２０のコア２が第２磁性体として配置されている。
図３は、ガイドレール８ｂ側（ベース６側）に配置する第１磁性体を電機子部２０のコア２とし、ガイドブロック８ａ側（天板９側）に配置する第２磁性体を界磁部３０の永久磁石４とした例であり、本発明では、図１、図３いずれの構成としてもよい。

ベース６は、図１、図２及び図３では２つの部材ベース１（６ａ，６ｂ）を組み合わせているが、一体削り出しのベースでも良く、コの字状は一例であり他の形状に設計されることもある。

さらに、電機子部２０と界磁部３０の対向面と並行でかつ移動方向と垂直な方向をＡ方向とするとき、永久磁石４とコア２とは、永久磁石４のＡ方向長さＬｍの中心Ｍと電機子部２０を構成するコア２のＡ方向長さＬｐの中心Ｐとが一致しないようにずれ量ｘだけずらして配置されている。

図５は、永久磁石４のＡ方向長さＬｍの中心Ｍと電機子部２０を構成するコア２のＡ方向長さＬｐの中心Ｐとのずらし位置の関係を説明する図である。図５においては、コアに加わる磁気吸引力２００ａ、２００ｂ、それらのベクトル和２００、及び外力３００の例として負荷１１や天板９、ガイドブロック８ａの重力を示している。図５に示したように、永久磁石４のＡ方向長さの中心Ｍに対して、電機子部２０を構成するコア２のＡ方向長さの中心Ｐを、電機子部２０と機械的に締結されたガイドブロック８ａに加わる外力のＡ方向成分ベクトル和３００の方向へずらしている。つまり、第２磁性体である電機子部２０のコア２のＡ方向長さの中心に対して第１磁性体である界磁部３０の永久磁石４のＡ方向長さの中心を、ガイドレール８ｂからガイドブロック８ａへ向かう方向（ベクトル和２００の方向）へずれるように永久磁石４を配置している。

図６は、ずれ量と磁気吸引力のＡ方向成分ベクトル和との関係を示す図である。図６において、横軸はずれ量ｘを永久磁石４のＡ方向長さＬｍで除して規格化して表記している。図６に示したように、ずらして配置すると、磁気吸引力２００ａおよび２００ｂがＡ方向に成分をもつこととなり、Ａ方向の磁気吸引力のベクトル和２００は、中心のずれ量ｘによって変化し、ずれ量ｘを大きくするとＡ方向の磁気吸引力の和２００が大きくなる。

この構成によれば、外力３００とＡ方向の磁気吸引力のベクトル和２００とが互いに逆方向となることにより、ガイドレール８ｂとガイドブロック８ａが互いに押し合わないようになり、リニアガイド８への荷重が相殺もしくは軽減されるため、リニアガイド８で生ずる摩擦抵抗力が軽減でき、搬送時の加速推力の増大を図ることができるととともに、リニアガイド８の寿命を延命できる。

また、リニアモータ１００の電機子部２０と界磁部３０の位置関係を調節することで上記効果が得られるため、省スペース化の効果も得ることができ、機械装置の小型化が実現可能となる。なお、磁気吸引力２００ａおよび２００ｂのＡ方向と垂直な方向成分は、電機子部２０が両側に配置した界磁部３０の略中心にあることにより相殺・軽減されている。

図７及び図８は、ずれ量ｘとリニアモータの発生推力の関係を説明する断面図である。図７に示したように、ずれ量ｘが大きくなると、コア２のギャップ対向面であっても永久磁石４と対向していない領域Ｎが増加して、図８に示したように、永久磁石４のＡ方向長さＬｍの中心Ｍとコア２のＡ方向長さＬｐの中心Ｐが一致している場合よりも電機子部２０のコイル７に鎖交する磁束量が低下し、リニアモータ１００の発生推力が低下する。このため、リニアモータの発生推力の観点からは、ずれ量ｘはできるだけ小さいことが望ましいと言える。一方、図６において、磁気吸引力のＡ方向成分ベクトル和はｘ／Ｌｍ＝０．７８付近において極大となる。つまり０．７８＜ｘ／Ｌｍの範囲におけるＡ方向の磁気吸引力のベクトル和は、０＜ｘ／Ｌｍ≦０．７８でも実現できる。以上のことから、ずれ量ｘは０＜ｘ／Ｌｍ＜０．７８の範囲とすることが望ましい。

さらに好ましくは、Ａ方向の磁気吸引力の和２００と外力３００とがつり合うようにずれ量ｘを調節してベース６を設計したり、リニアガイド８を選定したり、天板９の形状を設計したりすることが望ましい。

なお、図１では、天板９とガイドブロック８ａとが締結されているが、図２に示したように、天板９とガイドレール８ｂとが締結される構成としても上記効果を得られることは自明である。また、図３に示したように、電機子部２０をベース６に締結し、界磁部３０を天板９に締結するような構成としても上記効果を得られることは自明である。

また、本実施の形態１では、ガイドレール８ｂとガイドブロック８ａは、互いに押し合うように設置されている場合について説明したが、天板９側を天井から吊り下げて本装置を利用する場合などには、ガイドレール８ｂとガイドブロック８ａは、互いに押し合わないように設置されることになる。このような場合には、第２磁性体であるヨーク２のＡ方向の長さの中心に対して第１磁性体である永久磁石４のＡ方向長さの中心を、ガイドブロック８ａからガイドレール８ｂへ向かう方向へずれるように永久磁石４を配置することによって、上記効果を得ることができる。

実施の形態２．
図９及び図１０は、本発明に係るリニアモータ駆動の軸送り装置の実施の形態２を示す断面図であり、リニアモータの移動方向から見たものである。図９において、基本的な構成は図１、図２及び図３と同じであるので、異なる部分を説明する。図９では、永久磁石４のＡ方向長さＬｍがコア２のＡ方向長さＬｐよりも長く構成されている。また、図１０では、コア２のＡ方向長さＬｐが永久磁石４のＡ方向長さＬｍよりも長く構成されている。

上記実施の形態１では、コア２のギャップ対向面であっても永久磁石４と対向していない領域Ｎが存在していた（図７参照）。このような状況下では、電機子部２０のコイル７に鎖交する磁束量が永久磁石４のＡ方向長さＬｍの中心Ｍとコア２のＡ方向長さＬｐの中心Ｐが一致している場合（図８参照）よりも低下してしまう。換言すれば、図８では永久磁石４に基づく磁束Ｆがほとんどコア２に鎖交するが、図７の状態ではコア２に鎖交しない漏れ磁束が図８より多く生ずる。この漏れ磁束のため、リニアモータ１００の発生推力が低下する。本実施の形態２では、この漏れ磁束を補うために、永久磁石４のＡ方向長さＬｍをコア２のＡ方向長さＬｐに対して大きく、または、コア２のＡ方向長さＬｐを永久磁石４のＡ方向長さＬｍに対して大きくしている。

図１１及び図１２は、本実施の形態２における作用を説明する断面図である。図１１及び図１２に示したように、漏れ磁束ＦＬが生じるが、図７に示したような領域Ｎによる漏れ磁束は生じないようにすることができ、リニアモータ１００の加速推力を増大することができる。

また、図１０のようにコア２のＡ方向長さＬｐが永久磁石４のＡ方向長さＬｍよりも長く構成されている場合も、同様にしてリニアモータ１００の加速推力を増大することができる。

上記構成としても、永久磁石４のＡ方向長さＬｍの中心Ｍに対してコア２のＡ方向長さＬｐの中心Ｐを電機子部２０と機械的に締結されたガイドブロック８ａに加わる外力のＡ方向成分ベクトルの方向へずらすことによって、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

好ましくは、コア２と永久磁石４のうちＡ方向長さが短いものの対向面が全面に渡って他方と対向するように構成することが望ましい。なぜなら、電機子部２０のコイル７に鎖交する磁束量が、永久磁石４のＡ方向長さＬｍの中心Ｍとコア２のＡ方向長さＬｐの中心Ｐとが一致する場合の磁束量と同量得られ、同等の推力が得られるようになるからである。

さらに好ましくは、コア２のＡ方向長さＬｐが永久磁石のＡ方向長さＬｍよりも短いことが望ましい。

以下にその理由を説明する。ＬｐとＬｍのいずれを短く構成してもコイル７に鎖交する磁束量は同等に設計できる。このとき、一定の推力を得るときの電流値も同等となる。しかしながら、コイル７の電気抵抗はコア２のＡ方向長さＬｐに依存しており、Ｌｍ＞Ｌｐの場合の方が電気抵抗は小さい。したがって、リニアモータ１００の電気抵抗における損失（∝電流の二乗×電気抵抗）もＬｍ＞Ｌｐの場合の方が小さい。つまりＬｍ＞Ｌｐとすることが好ましい理由とは、リニアモータ１００の電気抵抗における損失がＬｍ＜Ｌｐの場合よりもＬｍ＞Ｌｐの場合の方が小さく、ひいてはリニアモータ駆動の軸送り装置の発熱・温度上昇を小さくできるためである。

さらに好ましくは、図１２中に線Ｅで示したように、コア２及び永久磁石４のＡ方向端面であって、外力３００のＡ方向成分ベクトル和の方向側にある端面がほぼ一致する構成とすることが望ましい。なぜなら、電機子部２０のコイル７に鎖交する磁束量が、永久磁石４のＡ方向長さＬｍの中心Ｍとコア２のＡ方向長さＬｐの中心Ｐとが一致する場合と同量得られ、同じく同等の推力が得られる構成でありながら、永久磁石４の使用量を抑制することができ、ひいてはリニアモータ駆動の軸送り装置の重量増加を抑制することができるからである。

さらに好ましくは、１＜Ｌｍ／Ｌｐ≦１．３４の範囲とすることが望ましい。以下に本範囲が好ましい理由を説明する。図１３は、Ｌｍ＞Ｌｐとし、コア２及び永久磁石４のＡ方向端面であって、外力３００のＡ方向成分ベクトル和の方向にある端面がほぼ一致した構成における磁気吸引力のＡ方向のベクトル和とＬｍ及びＬｐとの関係を示す図であり、横軸はＬｍとＬｐとの比を分母にＬｐをとって表示した値であり、縦軸は磁気吸引力のＡ方向のベクトル和を示している。図１３に示したように、磁気吸引力のＡ方向のベクトル和はＬｍ／Ｌｐ＝１．３４の場合に極大となっている。このため、前述と同様にリニアモータ駆動の軸送り装置の重量増加を最低限に抑制するためには、１＜Ｌｍ／Ｌｐ≦１．３４の範囲で設計することが望ましいと言える。

本発明は、工作機械や半導体製造装置などのテーブル送りに利用されるリニアモータ駆動の軸送り装置に有効に利用することができる。

本発明に係るリニアモータ駆動の軸送り装置の実施の形態１を示す断面図である。 本発明に係るリニアモータ駆動の軸送り装置の実施の形態１を示す断面図である。 本発明に係るリニアモータ駆動の軸送り装置の実施の形態１を示す断面図である。 図１、図２及び図３の矢視Ｂの平面図である。 永久磁石４のＡ方向長さＬｍの中心Ｍと電機子部を構成するコアのＡ方向長さＬｐの中心Ｐとのずらし位置の関係を説明する図である。 ずれ量と磁気吸引力のＡ方向成分ベクトル和との関係を示す図である。 ずれ量ｘとリニアモータの発生推力の関係を説明する断面図である。 ずれ量ｘとリニアモータの発生推力の関係を説明する断面図である。 本発明に係るリニアモータ駆動の軸送り装置の実施の形態２を示す断面図である。 本発明に係るリニアモータ駆動の軸送り装置の実施の形態２を示す断面図である。 本実施の形態２における作用を説明する断面図である。 本実施の形態２における作用を説明する断面図である。 Ｌｍ＞Ｌｐとし、コア２及び永久磁石４のＡ方向端面であって、外力３００のＡ方向成分ベクトル和の方向にある端面がほぼ一致した構成における磁気吸引力のＡ方向のベクトル和とＬｍ及びＬｐとの関係を示す図である。

２ コア、３ 界磁ヨーク、２０ 電機子部、３０ 界磁部、４，４ａ 永久磁石、
５ 機械ギャップ、６ ベース、６ａ ベース１、６ｂ ベース２、７ コイル、
８ リニアガイド、８ａ ガイドブロック、８ｂ ガイドレール、９ 天板、
１０ ケーシング、１１ 搬送負荷、２０ 電機子部、３０ 界磁部、
１００ リニアモータ、２００ 磁気吸引力のベクトルの和、
２００ａ，２００ｂ 磁気吸引力、３００ 外力、Ｐ コアのＡ方向長さの中心、
Ｍ 磁石のＡ方向長さの中心、Ｆ 永久磁石に基づく磁束の流れ、ＦＬ 漏れ磁束。

Claims (6)

1. 磁性体からなる界磁ヨークに沿って隣り合う磁極が交互に異極となるように永久磁石を備えた一対の界磁部と、前記界磁ヨークに沿って並行に配置された前記一対の界磁部間に、磁性体からなるコアにコイルを備えた電機子部とを有し、前記電機子部または前記界磁部と機械的に締結されたリニアガイドによって前記界磁ヨークに沿った方向に直動案内するように前記電機子部と前記界磁部とを互いに摺動自在に配置したリニアモータ駆動の軸送り装置であって、
   前記リニアガイドは、互いに押し合うように設置されたガイドレールとガイドブロックとによって構成され、
   前記電機子部と前記界磁部とのギャップ対向面と並行でかつ前記直動案内する方向と垂直な方向をＡ方向とし、
   前記永久磁石及び前記コアのうち前記ガイドレール側に配置された方を第１磁性体、前記ガイドブロック側に配置された方を第２磁性体とし、
   前記第２磁性体の前記Ａ方向長さの中心に対して前記第１磁性体の前記Ａ方向長さの中心を、前記ガイドレールから前記ガイドブロックへ向かう方向へずれるように前記第１磁性体を配置し、
   前記第２磁性体のＡ方向長さの中心と前記第１磁性体のＡ方向長さの中心との距離をずれ量ｘ［ｍｍ］とし、前記第２磁性体のＡ方向長さをＬｍ［ｍｍ］としたとき、
   ０＜ｘ／Ｌｍ≦０．７８
   を満たす範囲内としたことを特徴とするリニアモータ駆動の軸送り装置。
2. 前記永久磁石のＡ方向長さと前記コアのＡ方向長さを異なる長さとしたことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ駆動の軸送り装置。
3. 前記第１磁性体及び前記第２磁性体のうちのＡ方向長さが短い一方は、前記第１磁性体及び前記第２磁性体のうちのＡ方向長さが長い他方に対して全面で対向するように配置したことを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ駆動の軸送り装置。
4. 前記第１磁性体及び前記第２磁性体のうちのＡ方向長さが短い一方を前記コアとし、前記第１磁性体及び前記第２磁性体のうちのＡ方向長さが長い他方を前記永久磁石としたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のリニアモータ駆動の軸送り装置。
5. 前記第１磁性体のＡ方向の一方の端面と前記第２磁性体とのＡ方向の一方の端面とがほぼ一致するように前記第１磁性体及び前記第２磁性体を配置したことを特徴とする請求項４に記載のリニアモータ駆動の軸送り装置。
6. 前記第１磁性体のＡ方向長さをＬｐ［ｍｍ］とするとき、
   １＜Ｌｍ／Ｌｐ≦１．３４
   を満たす範囲内としたことを特徴とする請求項５に記載のリニアモータ駆動の軸送り装置。

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