JPH1052023A

JPH1052023A - リニア駆動装置

Info

Publication number: JPH1052023A
Application number: JP19768796A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sato; 健二佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 1998-02-20

Abstract

(57)【要約】【課題】リニア駆動装置のベッドを基礎にアンカーボ
ルトで強固に固定せずとも、被駆動部を高精度に位置決
めすることができる実用的なリニア駆動装置を提供す
る。【解決手段】被駆動部とベッドの間に配置され、被駆
動部に直線駆動推力を発生させるリニアモータ４と、被
駆動部３の速度または位置を検出するリニア検出器７と
を有するリニア駆動装置において、リニア検出器７のヘ
ッド部８または本体部９のいずれか一方を被駆動部３に
固定すると共に、他方をベッド以外の基礎または基礎に
準じる安定した部材３０に設置したリニア駆動装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、リニアモータを
応用したリニア駆動装置に係り、特に被駆動部の推力の
反作用によるベッドの動き（変位）の影響を除くことに
よって、より高精度なリニア制御を可能にしたリニア駆
動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、工作機械、産業機械などにおける
被駆動部の直線移動としては、一般に回転モータの回転
力をボールネジによって直線運動に変換して得るものが
使用されていたが、高速化・高精度化という市場動向に
おいて、ボールネジの回転数制限による送り速度の制限
とか、ボールネジの摩耗による精度の低下などが、課題
とされるようになってきた。

【０００３】上述の課題の解決手段として、例えば、リ
ニアモータを応用したリニア駆動装置を使用し、被駆動
部に取り付けられた工具要素を高加速度、高減速度で位
置決めすることにより、位置決め時間の短縮を図ったも
のがある。

【０００４】図８は従来のリニアモータを用いたリニア
駆動装置の構成を示す図である。図において、３０は基
礎または基礎に準じる安定した部材としての基礎部分、
３１はリニア駆動装置のベッド、３２はベッド３１を基
礎部分３０に設置する取り付け脚部、３３はベッド３１
にリニアガイド（図示せず）などの支持機構によって、
一方向にのみ直線移動が可能な状態に設置される被駆動
部である。

【０００５】３４はリニアモータ、３５はリニアモータ
３４の１次側、３６はリニアモータ３４の２次側であ
る。リニアモータの１次側３５とリニアモータの２次側
３６とは、１ｍｍ程度の空隙を介して対向し、それぞれ
被駆動部３３とベッド３１に固定されている。３７はリ
ニア検出器、３８はリニア検出器３７のヘッド部、３９
はリニア検出器３７の本体部である。リニア検出器のヘ
ッド部３８とリニア検出器の本体部３９とは、それぞれ
リニア駆動装置の被駆動部３３とベッド３１に固定され
ている。

【０００６】図９は従来のリニア駆動装置をブロック線
図に表した図である。図において、４０はリニアモータ
３４を駆動するサーボドライバー、４１は位置制御手
段、４２は位置フィードバックデータから速度フィード
バックデータを作成する微分手段、４３は速度制御手
段、４４は電流制御手段、４５はリニアモータ３４の機
構構造部である。

【０００７】次に、リニア駆動装置の動作について、図
８及び図９により説明する。サーボドライバー４０によ
って制御された電流が、リニアモータ３４に供給され、
リニアモータの１次側３５とリニアモータの２次側３６
に移動方向に沿った推力を発生させ、その推力によって
リニア駆動装置の被駆動部３３を移動方向に動かす。リ
ニア検出器３７で被駆動部３３の動き（変位）を検出
し、サーボドライバー４０にフィードバックすることに
より速度ループ、位置ループによるサーボ制御を行なっ
ている。サーボ制御に関することは、一般に公知なので
詳細な説明を省略する。

【０００８】上述のリニア駆動装置において、被駆動部
に作用する推力と同じ大きさの推力が反作用としてリニ
ア駆動装置のベッドに作用するので、被駆動部を高加速
度、高減速度で動かせるためリニアモータに高推力を発
生させた場合に、リニア駆動装置のベッドが動き、被駆
動部のサーボ応答特性が悪くなることから、位置決め精
度を良くすることができないという問題点があった。

【０００９】従来のボールネジを使用した駆動装置で
は、ボールネジの回転数限界から加速度は０．３Ｇ
（２．９４ｍ／ｓｅｃ２）程度であり、被駆動部の反作
用としてベッドに作用する力（固定部に作用する力＝可
動部の質量×加速度）は比較的小さかったため問題にな
ることはほとんどなかった。

【００１０】しかし、リニアモータを用いることにより
加速度を上げることが可能となり、加速度を１Ｇ（９．
８ｍ／ｓｅｃ２）以上とすると、ベッドには従来のボー
ルネジ使用機の３倍以上の反作用による推力が作用する
ことになる。このため、従来の加速度の低い駆動装置で
はベッドの動きは問題とされなかったが、高加速度を実
現したリニア駆動装置ではベッドの動きが問題とされる
ようになかった。このベッドの動きが大きな動きとなる
ので、駆動装置全体が大きく振動し、その機械的な振動
（共振周波数）によって、サーボの速度ループゲイン及
び位置ループゲインが機械の共振周波数以下の値に制限
されるため、サーボ応答特性が非常に悪くなり、位置決
め精度も悪くなるという問題点が生じた。

【００１１】図１０は、従来のリニア駆動装置を簡略化
したモデルを示す図である。図において、リニア駆動装
置のベッド３１は、バネ要素（Ｋ２）と粘性要素（Ｃ
２）を有する取り付け脚部３２によって、基礎部分３０
に設置されていると考えられる。即ち、リニアモータの
１次側３５とリニアモータの２次側３６とに生じた、対
向する作用推力（Ｆ）と反作用推力（Ｆ）により、被駆
動部３３と共にベッド３１も、質量（ｍ２）とバネ要素
（Ｋ２）、粘性要素（Ｃ２）によって決まる振動数で振
動する。

【００１２】ここで、通常、ベッドの質量はｍ２＝１０
２〜１０４（Ｋｇ）であり、取付け脚部の剛性はＫ２＝
１０７〜１０９（Ｎ／ｍ），Ｃ２＝１０５〜１０７（Ｎ
・ｓｅｃ／ｍ）であり、ベッド３１の変位はｘ２＝１０
ー４〜１０ー７（ｍ）、一次の共振周波数は数１０Ｈｚ
である。

【００１３】図１１は従来のリニア駆動装置のサーボ応
答特性の一例を示す閉ループ周波数応答特性図（ボード
線図）である。図において、周波数が５０Ｈｚ近辺でゲ
イン（ｄＢ）が大きく落ち込んでいるのは、リニア駆動
装置のベッド３１が被駆動部３３の移動方向に振動する
共振（この５０Ｈｚ近辺のゲインの落ち込みは、被駆動
部３３とベッド１が同一方向に同一位相で振動している
ことから、反共振と言える）によるものである。

【００１４】リニア検出器３７は、リニア駆動装置の被
駆動部３３とベッド３１との相対変位（ｘ１ーｘ２）を
検出しており、必ずしも被駆動部３３の真の変位を検出
していない。このことが従来のリニア駆動装置のサーボ
応答が悪く、位置決め精度を良くできない原因であっ
た。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】リニア駆動装置の位置
決め精度を確保するために、特開平６ー１６９５６１号
公報には、駆動装置のベッドを多数のアンカーボルトで
もって基礎に強固に固定し、駆動装置のベッドの動きを
防ぐようにしたリニアモータ組立体の例が示されている
が、基礎にアンカーボルトで強固に固定することは設置
場所の限定、設置費用が高くなるなどの問題があった。

【００１６】この発明は、上述のような課題を解決する
ためになされたもので、リニア駆動装置のベッドを基礎
にアンカーボルトで強固に固定せずとも、被駆動部を高
精度に位置決めすることができる実用的なリニア駆動装
置を提供することを目的とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明のリニア駆動装
置は、被駆動部とベッドの間に配置され、被駆動部に直
線駆動推力を発生させるリニアモータと、被駆動部の速
度または位置を検出するリニア検出器とを有し、リニア
検出器のヘッド部または本体部のいずれか一方を被駆動
部に固定すると共に、他方をベッド以外の基礎または基
礎に準じる安定した部材に設置したものである。

【００１８】また、リニア検出器のヘッド部または本体
部のいずれか一方を被駆動部に固定すると共に、他方を
ベッド以外の基礎または基礎に準じる安定した部材にバ
ネ要素と粘性要素からなる免振部材を介して設置したも
のである。

【００１９】さらに、リニア検出器のヘッド部または本
体部のいずれか一方を被駆動部に固定すると共に、他方
をベッドにバネ要素と粘性要素からなる免振部材を介し
て設置したものである。

【００２０】さらにまた、被駆動部とベッドの間に配置
され、被駆動部に直線駆動推力を発生させるリニアモー
タと、被駆動部の速度または位置を検出する第一のリニ
ア検出器とを有し、第一のリニア検出器のヘッド部また
は本体部のいずれか一方を被駆動部に固定し、他方をベ
ッドに設置すると共に、第二のリニア検出器のヘッド部
または本体部のいずれか一方をベッドに固定し、他方を
基礎または基礎に準じる安定した部材に設置し、第一の
リニア検出器で検出した変位と第二のリニア検出器で検
出した変位の和を算出し、被駆動部の動きを制御するよ
うにしたものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１はこの発明の一実施の形態に係るリ
ニア駆動装置のモデルを示す図であり、図において、１
はリニア駆動装置のベッド、２はバネ要素（Ｋ２）と粘
性要素（Ｃ２）を有し、ベッド１を支える取付け脚部、
３はリニアガイド（図示せず）などにより、ベッド１に
移動方向の軸線を固定して取付けられているリニア駆動
装置の被駆動部である。

【００２２】４はリニアモータ、５はリニアモータ４の
１次側、６はリニアモータ４の２次側である。リニアモ
ータの１次側５とリニアモータの２次側６とは、１ｍｍ
程度の空隙を介して対向し、それぞれ被駆動部３とベッ
ド１に固定されている。７はリニア検出器、８はリニア
検出器７のヘッド部、９はリニア検出器７の本体部であ
る。リニア検出器７のヘッド部８は被駆動部３に取付け
られており、リニア検出器７の本体部９は基礎または基
礎に準じる安定した部材としての基礎部分３０に取付け
られている。

【００２３】リニア検出器のヘッド部８は被駆動部３
に、本体部９は基礎部分３０に設置されているので、リ
ニア駆動装置のベッド１の変位（ｘ２）に関係なく、被
駆動部３の変位（ｘ１）を正確に検出することができ
る。

【００２４】図２はこの発明の一実施の形態に係るリニ
ア駆動装置のサーボ応答特性の一例を示す閉ループ周波
数応答特性図（ボード線図）である。図に示すように、
従来の場合（図１１）に存在した５０Ｈｚ近辺のゲイン
の落ち込みもなく、約１６０Ｈｚ程度の比較的高周波数
帯域まで安定したゲインが得られる。速度サーボ応答帯
域として１６０Ｈｚが得られれば、位置ループゲイン
（Ｋｐ）は安定余裕を見込み２００〜３００（１／ｓｅ
ｃ）とすることができるので、指令に対する変位も少な
く高精度な位置決めが可能となる。

【００２５】リニア駆動装置を多数のアンカーボルトで
基礎に強固に固定しなくても、リニア駆動装置全体の低
い共振周波数によってサーボ制御の速度ループゲインお
よび位置ループゲインが低い値に制限されることがなく
なり、比較的高い周波数帯域まで安定したサーボ応答が
得られ指令に対する変位が少なく高精度な位置決めが可
能となり、駆動装置の設置場所を限定する必要もなく、
また設置費用が廉価になる。

【００２６】実施の形態２．図３はこの発明の一実施の
形態であるリニア駆動装置のモデルを示す図であり、図
において、１〜９は上述の実施の形態１の図１と同様で
あり、その説明を省略する。１０はバネ要素（Ｋ３）と
粘性要素（Ｃ３）からなる免振部材であり、リニア検出
器７の本体部９と基礎の間に介在して基礎の微振動がリ
ニア検出器７の本体部９に伝わらない様にするものであ
る。

【００２７】実施の形態２は、実施の形態１のものに加
え、リニア検出器を設置する基礎部分の微振動による影
響を防止することができ、正確なサーボ制御が可能とな
り位置決め精度がより正確となる。

【００２８】なお、上述の実施の形態では、リニア検出
器のヘッド部８を被駆動部３に固定し、本体部９を基礎
部分３０に設置した例を示したが、リニア検出器７はヘ
ッド部８と本体部９の相対変位を検出するものなので、
本体部９を被駆動部３に、ヘッド部８を基礎部分３０に
設置しても、同様であることは言うまでもない。

【００２９】実施の形態３．図４はこの発明の一実施の
形態であるリニア駆動装置のモデルを示す図であり、図
において、２〜９は上述の実施の形態１の図１と同様で
あり、その説明を省略する。１１はリニア駆動装置のベ
ッド、１２は免振部材である。免振部材１２は、リニア
検出器７とリニア駆動装置のベッド１との間に介在し
て、ベッド１１の振動がリニア検出器７の本体部９に伝
わらないようになっている。バネ要素（Ｋ３）と粘性要
素（Ｃ３）よりなる免振部材１２は、ベッド１１の移動
方向への一次共振周波数に対し、免振効果が最大となる
ように設計される。

【００３０】実施の形態３は、リニア検出器７の本体部
９を免振部材１２を介してリニアサーボ駆動装置のベッ
ド１１に設置し、ベッドの振動がリニア検出器に伝わら
ない様にしたものであり、免振部材１０をリニア検出器
７の本体部９と基礎の間に介在するようにした実施の形
態２に対して、リニア検出器７の設置場所を変えたもの
である。

【００３１】実施の形態３は、ベッドの振動の影響を極
わずかに押さえ、かつリニア検出器をリニア駆動装置と
一体とでき、別置きする必要がなくなるので駆動装置の
搬送、設置が容易かつ安価になる効果がある。

【００３２】なお、上述の実施の形態では、リニア検出
器のヘッド部８を被駆動部３に固定し、本体部９をベッ
ド１１に設置した例を示したが、リニア検出器７はヘッ
ド部８と本体部９の相対変位を検出するものなので、本
体部９を被駆動部３に、ヘッド部８をベッド１１に設置
しても、同様であることは言うまでもない。

【００３３】実施の形態４．図５はこの発明の一実施の
形態であるリニア駆動装置のモデルを示す図であり、図
において、２〜９は上述の実施の形態１の図１と同様
（ただし、ここではリニア検出器７は第二のリニア検出
器１４と区別するため、第一のリニア検出器と記す）で
あり、その説明を省略する。１３はリニア駆動装置のベ
ッド、１４は第二のリニア検出器、１５は第二のリニア
検出器１４のヘッド部、１６は第二のリニア検出器の本
体部である。

【００３４】実施の形態４は、図８、図１０の従来装置
にリニア駆動装置のベッドの変位（動き）を検出する第
二のリニア検出器１４を追加し、第一のリニア検出器
７、３７が検出した被駆動部とベッドとの相対変位（運
動）からベッドの変位（動き）を除き、被駆動部の正確
な変位（動き）を算出するものである。

【００３５】図６は、この発明の一実施の形態であるリ
ニア駆動装置の検出部分を簡単なブロック線図に表した
図である。第二のリニア検出器１４は、第一のリニア検
出器７の本体部９が設置されているベッド１３と基礎の
相対変位（ｘ２）を検出する。そして第一のリニア検出
器７の検出した被駆動部３とベッド１３の相対変位（ｘ
１−ｘ２）に加算して、被駆動部３の正確な変位（ｘ
１）を算出することによってサーボの応答特性を改善す
るものである。

【００３６】実施の形態４は、リニア駆動装置のベッド
と基礎の相対変位を検出する第二の検出器をベッドと基
礎の間に設置し、第一の検出器で検出した被駆動部とベ
ッドとの相対変位に加算し、被駆動部の正確な基礎に対
する変位を求めサーボドライバーにフィドバックするよ
うにしたので、ベッドの変位による影響をほぼ完全に除
くことができ、より正確なサーボ制御が可能となる。

【００３７】なお、上述の実施の形態では、第一のリニ
ア検出器のヘッド部８を被駆動部３に固定し、本体部９
をベッド１３に設置し、第二のリニア検出器のヘッド部
１５を被駆動部３に固定し、本体部１６をベッド１３に
設置した例を示したが、第一のリニア検出器の本体部９
を被駆動部３に固定し、ヘッド部８をベッド１３に設置
し、第二のリニア検出器の本体部１６を被駆動部３に固
定し、ヘッド部１５をベッド１３に設置しても、同様で
あることは言うまでもない。

【００３８】実施の形態５．図７はこの発明の一実施の
形態であるリニア駆動装置をマシニングセンターなどの
工作機械の送り機構に適用したモデル図である。図にお
いて、２〜９、１３〜１６は上述の実施の形態１、４の
図１、図５と同様であり、その説明を省略する。１７は
スピンドル、１８はスピンドル１５によって回転する加
工刃物、１９は被加工部材、２０は被加工部材１９を固
定する取付け台である。

【００３９】実施の形態５は、第一のリニア検出器７の
ヘッド部８を加工刃物１８と共に一体で動く被駆動部３
に固定すると共に、本体部９を被加工部材１９が固定さ
れた取付け台２０に設置したので、被駆動部３に設置さ
れた加工刃物１８と被加工部材１９とのとの間の相対変
位を検出することができ、また、第二のリニア検出器１
４のヘッド部１５をベッド１に固定すると共に、本体部
１６を基礎部材３０に設置したので、ベッド1３の基礎
部材３０に対する変位と位相を検出することができ、加
工刃物１８の搭載されている被駆動部３の動きを、より
正確にコントロールすることができるので、加工精度が
高精度となる工作機械を提供できる。

【００４０】なお、上述の実施の形態では、リニア検出
器のヘッド部８を被駆動部３に固定し、本体部９を基礎
部分３０に設置した例を示したが、リニア検出器７はヘ
ッド部８と本体部９の相対変位を検出するものなので、
本体部９を被駆動部３に、ヘッド部８を基礎部分３０に
設置しても、同様であることは言うまでもない。

【００４１】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に示すような効果を奏する。

【００４２】この発明のリニア駆動装置は、被駆動部と
ベッドの間に配置され、被駆動部に直線駆動推力を発生
させるリニアモータと、被駆動部の速度または位置を検
出するリニア検出器とを有し、リニア検出器のヘッド部
または本体部のいずれか一方を被駆動部に固定すると共
に、他方をベッド以外の基礎または基礎に準じる安定し
た部材に設置したので、リニア駆動装置のベッドの変位
に関係無く、被駆動部材の変位を検出することができ
る。

【００４３】また、リニア検出器のヘッド部または本体
部のいずれか一方を被駆動部に固定すると共に、他方を
ベッド以外の基礎または基礎に準じる安定した部材にバ
ネ要素と粘性要素からなる免振部材を介して設置したの
で、基礎部分の微振動による影響を防止することができ
る。

【００４４】さらに、リニア検出器のヘッド部または本
体部のいずれか一方を被駆動部に固定すると共に、他方
をベッドにバネ要素と粘性要素からなる免振部材を介し
て設置したので、ベッドの振動の影響を極わずかに押さ
え、かつリニア検出器をリニア駆動装置と一体とでき
る。

【００４５】さらにまた、被駆動部とベッドの間に配置
され、被駆動部に直線駆動推力を発生させるリニアモー
タと、被駆動部の速度または位置を検出する第一のリニ
ア検出器とを有し、第一のリニア検出器のヘッド部また
は本体部のいずれか一方を被駆動部に固定し、他方をベ
ッドに設置すると共に、第二のリニア検出器のヘッド部
または本体部のいずれか一方をベッドに固定し、他方を
基礎または基礎に準じる安定した部材に設置し、第一の
リニア検出器で検出した変位と第二のリニア検出器で検
出した変位の和を算出し、被駆動部の動きを制御するよ
うにしたので、ベッドの変位による影響をほぼ完全に除
くことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態に係るリニア駆動装
置のモデルを示す図である。

【図２】この発明の一実施の形態に係るリニア駆動装
置のサーボ応答特性の一例を示す閉ループ周波数応答特
性図（ボード線図）である。

【図３】この発明の一実施の形態であるリニア駆動装
置のモデルを示す図である。

【図４】この発明の一実施の形態であるリニア駆動装
置のモデルを示す図である。

【図５】この発明の一実施の形態であるリニア駆動装
置のモデルを示す図である。

【図６】この発明の一実施の形態であるリニア駆動装
置の検出部分を簡単なブロック線図に表した図である。

【図７】この発明の一実施の形態であるリニア駆動装
置をマシニングセンターなどの工作機械の送り機構に適
用したモデル図である。

【図８】従来のリニアモータを用いたリニア駆動装置
の側面図である。

【図９】従来のリニア駆動装置をブロック線図に表し
た図である。

【図１０】従来のリニア駆動装置を簡略化したモデル
図である。

【図１１】従来のリニア駆動装置のサーボ応答特性の
一例を示す閉ループ周波数応答特性図（ボード線図）で
ある。

【符号の説明】

１リニア駆動装置のベッド、２取付け脚部、３
被駆動部、４リニアモータ、５リニアモータ
の１次側、６リニアモータの２次側、７リニア検
出器、８リニア検出器のヘッド部、９リニア検
出器の本体部、１０免振部材、１１リニア駆動
装置のベッド、１２免振部材、１３リニア駆動装
置のベッド、１４第二のリニア検出器、１５第
二のリニア検出器のヘッド部、１６第二のリニア検
出器の本体部、１７スピンドル、１８加工刃
物、１９被加工部材、２０被加工部材を固定す
る取付け台、３０基礎部分。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被駆動部とベッドの間に配置され、前記
被駆動部に直線駆動推力を発生させるリニアモータと、
前記被駆動部の速度または位置を検出するリニア検出器
とを有するリニア駆動装置において、前記リニア検出器
のヘッド部または本体部のいずれか一方を前記被駆動部
に固定すると共に、他方を前記ベッド以外の基礎または
基礎に準じる安定した部材に設置したことを特徴とする
リニア駆動装置。
【請求項２】前記リニア検出器のヘッド部または本体
部のいずれか一方を前記被駆動部に固定すると共に、他
方を前記ベッド以外の基礎または基礎に準じる安定した
部材にバネ要素と粘性要素からなる免振部材を介して設
置したことを特徴とする請求項１記載のリニア駆動装
置。
【請求項３】被駆動部とベッドの間に配置され、前記
被駆動部に直線駆動推力を発生させるリニアモータと、
前記被駆動部の速度または位置を検出するリニア検出器
とを有するリニア駆動装置において、前記リニア検出器
のヘッド部または本体部のいずれか一方を前記被駆動部
に固定すると共に、他方を前記ベッドにバネ要素と粘性
要素からなる免振部材を介して設置したことを特徴とす
るリニア駆動装置。
【請求項４】被駆動部とベッドの間に配置され、前記
被駆動部に直線駆動推力を発生させるリニアモータと、
前記被駆動部の速度または位置を検出する第一のリニア
検出器とを有するリニア駆動装置において、前記第一の
リニア検出器のヘッド部または本体部のいずれか一方を
前記被駆動部に固定し、他方を前記ベッドに設置すると
共に、第二のリニア検出器のヘッド部または本体部のい
ずれか一方を前記ベッドに固定し、他方を基礎または基
礎に準じる安定した部材に設置し、前記第一のリニア検
出器で検出した変位と前記第二のリニア検出器で検出し
た変位の和を算出し、前記被駆動部の動きを制御するよ
うにしたことを特徴とするリニア駆動装置。