JP2011097750A - リニアモータアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータアクチュエータの小型化を図ることができ、リニアモータの磁束が転動体に作用するのを低減することができるリニアモータアクチュエータを提供する。
【解決手段】軌道レール１に移動可能に移動ブロック２を組み付ける。移動ブロックは、軌道レール１の転動体転走部１０に対向する負荷転動体転走部を含む転動体循環路を有する。軌道レール１の転動体転走部１０と移動ブロック２の負荷転動体転走部との間に転がり運動可能に多数の転動体を介在させる。軌道レール１にリニアモータの固定子５を取り付け、移動ブロック２に固定子５にすきまを介して対向するリニアモータの可動子４を取り付ける。軌道レール１の転動体転走部１０と移動ブロック２の負荷転動体転走部との間に介在される転動体列とリニアモータとを、軌道レール１を水平な取付け面に取り付けた状態において上下方向に分離する。
【選択図】図３

Description

本発明は、軌道レールに沿って搬送物を線運動させるリニアモータアクチュエータに関する。

軌道レールに沿って搬送物を線運動させるアクチュエータは、例えば、旋盤等の工作機械へワークをローディング・アンローディングするローディングシステムや、収容物を保管場所に自動的に収納し・取り出す自動倉庫に組み込まれている。ローディングシステムの場合、部屋の端から端に至る長い軌道レールが張り渡され、ワークは軌道レールに沿って搬送され、ローダを介して工作機械に渡される。自動倉庫の場合、倉庫の天井や壁に水平・垂直に軌道レールが張り渡され、収容物は軌道レールに沿って自動的に入出口から保管場所に搬送される。

ワークや収容物を搬送するアクチュエータは、軌道レールと、軌道レールに沿って移動し、ワークや収容物が載せられるテーブルと、を備える。テーブルには、軌道レール上を車輪のように転がるカムフォロアが取り付けられる。テーブルの線運動は軌道レール及びカムフォロアによって案内される。また、テーブルを移動させる駆動力を発生させるために、軌道レールに沿ってラックが敷き詰められ、テーブルにはラックに噛み合うピニオンが取り付けられる。回転モータを用いてピニオンを回転させることによってテーブルを移動させるための駆動力が発生する。

しかし、この種のローディングシステムや自動倉庫には、軌道レール上をカムフォロアのローラが音をたて揺れながら移動するので、搬送物を静かにかつ高精度に移動させることができないという問題がある。また、駆動機構にラック＆ピニオン機構を用いているので、アクチュエータが大型化したり、摩耗によりバックラッシが増大したりするという問題もある。

この問題を解決し、搬送物を高精度に位置決めすると共にコンパクト化を図ったリニアモータアクチュエータとして、特許文献１には、ガイド部とリニアモータ部とを一体にしたリニアスライドが開示されている。このリニアスライドにおいては、ガイド部としてリニアガイドを用いており、ガイドレールと可動部材との間には転がり運動可能に多数の転動体が介在されている。また、ガイド部とリニアモータ部とを一体にすべく、軌道レールにリニアモータの永久磁石を取り付け、可動部材にリニアモータのコイルを取り付けている。

特開２０００−１０２２３７号公報

しかし、特許文献１に記載のリニアスライドにあっては、リニアモータの永久磁石とコイルとの間のすきまを一定に保つために、一対の転動体列の間でリニアモータを挟むという構造を採用している。リニアモータによってガイド部のスペースを取られるので、ガイド部に必要な剛性を持たせるのにガイド部を一回り大きくしなければならないという問題がある。さらに、永久磁石の磁場が鋼製の転動体にも作用するので、転動体同士が磁石のようにくっつき、転動体の動きが悪くなったり、転動体が転がり運動する転走部に鉄粉等が入り込み、転動体の円滑な転がり運動を阻害されたりするという問題もある。

そこで本発明は、リニアモータアクチュエータの小型化を図ることができ、リニアモータの磁束が転動体に作用するのを低減することができるリニアモータアクチュエータを提供することを目的とする。

以下、本発明について説明する。
本発明の一態様は、長手方向に沿って転動体転走部が形成される軌道レールと、前記軌道レールの前記転動体転走部に対向する負荷転動体転走部を含む転動体循環路を有し、前記軌道レールに移動可能に組み付けられる移動ブロックと、前記軌道レールの前記転動体転走部と前記移動ブロックの前記負荷転動体転走部との間に転がり運動可能に介在されると共に、前記転動体循環路を循環可能な多数の転動体と、前記軌道レールに取り付けられる固定子、及び前記固定子にすきまを介して対向する状態で前記移動ブロックに取り付けられる可動子を有し、前記移動ブロックに前記軌道レールに沿って線運動させる動力を発するリニアモータと、を備えるリニアモータアクチュエータにおいて、前記軌道レールの前記転動体転走部と前記移動ブロックの前記負荷転動体転走部との間に介在される前記転動体の列と前記リニアモータとが、前記軌道レールを水平な取付け面に取り付けた状態において上下方向に分離されることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、移動ブロックとリニアモータとが軌道レールの上下方向に分離されるので、移動ブロック及び軌道レールの下部をスペース的に有効利用してリニアモータを取り付けることができる。このため、リニアモータアクチュエータの小型化を図ることができるとともに、リニアモータの磁束が転動体に作用するのを低減することができる。

本発明の一実施形態のリニアモータアクチュエータの斜視図 上記リニアモータアクチュエータの側面図 上記リニアモータアクチュエータの正面図 軌道レールを取付け面に取り付けた状態を示す正面図 移動ブロックの斜視図（一部断面図を含む） 移動ブロックの断面図 同期型のリニアモータを示す断面図（図中（ａ）は軌道レールにコイルを取り付けた例を示し、（ｂ）は移動ブロックにコイルを取り付けた例を示す） 誘導型のリニアモータを示す断面図（図中（ａ）は軌道レールにコイルを取り付けた例を示し、（ｂ）は移動ブロックにコイルを取り付けた例を示す） 誘導型のリニアモータの金属プレートの他の例を示す平面図

以下、添付図面に基づいて本発明の一実施形態のリニアモータアクチュエータを詳細に説明する。図１はリニアモータアクチュエータの斜視図を示し、図２はリニアモータアクチュエータの側面図を示す。このリニアモータアクチュエータは、軌道レール１と、軌道レール１の上フランジ１ｃに長手方向に移動可能に組み付けられる移動ブロック２と、移動ブロック２を線運動させるための駆動力を発するリニアモータ６と、を備える。軌道レール１が例えば部屋の床、壁、天井等の取付け面に取り付けられ、移動ブロック２が例えば搬送物を支持するテーブルに取り付けられる。

図３はリニアモータアクチュエータの正面図を示す。軌道レール１は、移動ブロック２が組み付けられる上フランジ１ｃ、取付け面に取り付けられる下フランジ１ａ、上フランジ１ｃと下フランジ１ａとを結ぶウェブ１ｂとを有するＩ形断面に形成される。

下フランジ１ａは幅方向の中央が両端部より僅かに厚い板状に形成される。下フランジ１ａが取付け面に固定される。下フランジ１ａには、ボルトの通し孔は空けられていない。図４に示すように、下フランジ１ａはクランプ７によって取付け面８に固定される。クランプ７は略Ｌ字形に形成され、その端部が下フランジ１ａに係合する。締付けボルト９でクランプを締め付けると、下フランジ１ａが取付け面８に固定される。なお、クランプ７を用いる替わりに、下フランジ１ａにボルトの通し孔を空け、ボルトで下フランジ１ａを取付け面８に固定するようにしてもよい。

図３に示すように、下フランジ１ａの幅方向の中央部からは垂直方向にウェブ１ｂが立設される。ウェブ１ｂの肉厚は上下方向及び奥行き方向に一定である。ウェブ１ｂには軌道レール１を取付け面に固定するためのボルト、ねじ等の通し孔は空けられていない。ウェブ１ｂの左右側面は互いに平行であり、ウェブ１ｂの左右側面には、リニアモータ６の固定子５が左右対称に取り付けられる。リニアモータ６の固定子５には、磁気的なすきまを介してリニアモータ６の可動子４が対向する。リニアモータ６の可動子４もウェブ１ｂに関して左右対称に移動ブロック２に取り付けられる。固定子５と可動子４が対向する方向（固定子５の中心と可動子４の中心を結んだ図中矢印(1)で示される方向）は、ウェブ１ｂが配置される垂直面に対して直交する。

ウェブ１ｂの上端部には、略長方形断面の上フランジ１ｃが設けられる。上フランジ１ｃの上下方向の厚さは下フランジ１ａの上下方向の厚さよりも厚く、上フランジ１ｃの左右方向の幅は下フランジ１ａの左右方向の幅よりも小さい。略長方形断面の上フランジ１ｃの４つの角部には、転動体としてのボールが転動する四条のボール転走部１０が形成される。図１に示すように、ボール転走部１０は上フランジ１ｃの長手方向に沿って形成される。ボール転走部１０の断面形状は、ボール１４（図５参照）の半径よりも僅かに大きな半径のサーキュラーアーク溝形状に形成され、ボール１４とボール転走部１０とは一点で接触する。

軌道レール１は、例えば鋼材を引き抜き加工し、その後、ボール転走部１０を研削加工することで製造される。

軌道レール１の上フランジ１ｃには、上フランジ１ｃを囲むように鞍形状の移動ブロック２が移動可能に組み付けられる。図５及び図６に示すように、移動ブロック２には、上フランジ１ｃのボール転走部１０に対向する負荷ボール転走部１２が形成されると共に、負荷ボール転走部１２と平行な貫通孔からなる無負荷戻し路１３が形成される。上フランジ１ｃのボール転走部１０と移動ブロック２の負荷ボール転走部１２との間には、転がり運動可能に多数のボール１４列が介在される。負荷ボール転走部１２の断面形状もボール１４の半径よりも僅かに大きな半径のサーキュラーアーク溝形状に形成され、ボール１４と負荷ボール転走部１２とは一点で接触する。図６に示すように、上下二条のボール１４列の接触角線は、水平方向に対して例えば上向きの４５度、及び下向きの４５度をなす。これにより、移動ブロック２に作用する４方向（ラジアル方向、逆ラジアル方向、左右方向）に対して略同一の荷重を負荷できるようになる。

図５に示すように、移動ブロック２の移動方向の両端部には、一対のエンドプレート２ｂが設けられる。一対のエンドプレート２ｂのそれぞれには、互いに平行な負荷ボール転走部１２と無負荷戻し路１３の端部を接続するＵ字状の方向転換路が形成される。負荷ボール転走部１２、無負荷戻し路１３、及びＵ字状の方向転換路によって、サーキット状のボール循環路が構成される。軌道レール１に対して移動ブロック２を相対的に線運動させると、多数のボール１４が上フランジ１ｃのボール転走部１０と移動ブロック２の負荷ボール転走部１２との間を転がり運動する。負荷ボール転走部１２の一端まで移動したボール１４は、Ｕ字状の方向転換路内に掬い上げられ、無負荷戻し路１３、反対側の方向転換路を経由した後、再び負荷ボール転走路１２の他端に戻される。

図５に示すように、移動ブロック２は、上述の負荷ボール転走部１２及び無負荷戻し路１３が形成される鋼製の移動ブロック本体２ａと、上述の方向転換路が形成される樹脂製のエンドプレート２ｂとを結合してなる。移動ブロック本体２ａには、移動ブロック２をテーブル等に取り付けるためのタップ孔又は通し孔１５が加工される。移動ブロック２には、さらに多数のボール１４に潤滑剤を供給するためのニップル１６、軌道レール１から移動ブロック２を取り外したときに移動ブロック２からボール１４が脱落するのを防止するボール保持プレート１７が設けられる。

図１に示すように、移動ブロック２の下面には、略長方形のブラケット１８が取り付けられる。図３に示すように、左右一対のブラケット１８は、ボルト、ねじ等の結合手段を介して移動ブロック２の幅方向の両端部に取り付けられる。移動ブロック２の両端部の下面には、ブラケット１８を取り付けるためのタップ孔が加工される。

左右一対のブラケット１８の互いに向かい合う内側面には、リニアモータ６の可動子４が取り付けられる。固定子５と可動子４とから構成されるリニアモータ６は、移動ブロック２とは上下方向に分離されていて、移動ブロック２のボール１４列の間にリニアモータ６が配置されてはいない。

リニアモータ６には、同期型又は誘導型のリニアモータが用いられる。図７は、同期型のリニアモータ６を用いた例を示す。同期型のリニアモータ６の場合、固定子５・可動子４の組み合わせに、永久磁石・コイルが用いられる。

図７（ａ）に示すように、軌道レール１のウェブ１ｂには、固定子５として例えば三相コイル５ａが取り付けられる。移動ブロック２には、可動子４として軌道レール１の長手方向に交互にＮ極及びＳ極を形成する複数の永久磁石４ａが取り付けられる。三相コイル５ａに三相交流電流を流すと、軌道レール１の長手方向に移動磁界が発生する。移動ブロック２に取り付けられる永久磁石４ａは移動磁界に引き付けられて、軌道レール１の長手方向に移動する。この例のように、軌道レール１側に三相コイル５ａを配置すると、ケーブルの引き回しが不要になるというメリットがある。

図７（ｂ）は、三相コイルと永久磁石の配置を逆にした例を示す。この例において、軌道レール１には複数の永久磁石５ｂが配列され、移動ブロック２に三相コイル４ｂが取り付けられる。この例の場合、一本の軌道レール１に複数の移動ブロック２を取り付けたマルチスライドに対応することができ、複数の移動ブロック２を移動ブロック２毎に移動させることができる。

図８は誘導型のリニアモータ６を示す。誘導型のリニアモータ６の場合、固定子５・可動子４の組み合わせに、アルミプレート・コイルが用いられる。

図８（ａ）に示すように、軌道レール１のウェブ１ｂには、固定子５として例えば三相コイル５ｃが取り付けられる。移動ブロック２には、可動子４としてのアルミプレート４ｃが取り付けられる。三相コイル５ｃに三相交流電流を流すと、アルミプレート４ｃに誘導電流が発生し、移動ブロック２を移動させる推力が発生する。軌道レール１側に三相コイル５ｃを配置すると、ケーブルの引き回しが不要になるというメリットがある。

図８（ｂ）は、コイルとアルミプレートの配置を逆にした例を示す。この例において、軌道レール１にアルミプレート５ｄが配置され、移動ブロック２に三相コイル４ｄが配置される。この例の場合、一本の軌道レール１に複数の移動ブロック２を取り付けたマルチスライドに対応することができ、複数の移動ブロック２を移動ブロック２毎に移動させることができる。

図９は、誘導型のリニアモータの金属プレート２１の他の例を示す。この例の金属プレート２１は、銅プレート２２をとアルミプレート２３を結合してなる。銅プレート２２は梯子状に形成されていて、梯子状の銅プレート２２の内側にアルミプレート２３が埋め込まれている。すなわち、銅プレート２２は二本の平行な側材部と、それを結ぶ幾段もの横木部と、から構成される。側材部及び横木部から構成される矩形状のスペースにアルムプレートが収容される。この例のように、銅プレート２２とアルミプレート２３を結合させることで、金属プレート２１に流れる誘導電流を大きくすることができ、リニアモータ６の推力を向上させることができる。

移動ブロック２を位置決めするために、軌道レール１に移動ブロック２の位置を検出するリニアエンコーダを取り付け、ドライバで三相コイルに流れる電流を制御する。精度の高い位置決めが不要な場合には、三相コイルに一定の大きさの電流を流し、移動ブロック２が所定の位置まで移動したときにリミットスイッチ等で三相コイルに流す電流を停止してもよい。

図３に示すように、本実施形態によれば、軌道レール１が取り付けられる取付け面に誤差があっても、軌道レール１のウェブ１ｂが根元を中心に左右方向に撓む（図中矢印(2)参照）ので、取り付け面の誤差を吸収できる。移動ブロック２は軌道レール１の上フランジ１ｃに組み付けられているので、ウェブ１ｂが撓んでもボール列に過負荷がかかることがない。一見したところ、ウェブ１ｂが撓むことによってリニアモータ６の固定子５と可動子４との間のすきまが変動するようにも思えるが、ウェブ１ｂの撓みにつれて上フランジ１ｃに組み付けられる移動ブロック２もウェブ１ｂの撓み方向に変位するので、固定子５と可動子４の相対的な位置はあまり変化することはなく、固定子５と可動子４との間のすきまが変動するのを防止できる。

移動ブロック２とリニアモータ６を軌道レール１の上下方向に分離し、軌道レール１のウェブ１ｂをスペース的に有効利用してリニアモータ６を取り付けるので、リニアモータアクチュエータの小型化を図ることができる。特に、リニアモータ６の固定子５と可動子４が対向する方向（図中矢印(1)で示す方向）をウェブ１ｂが配置される垂直面に直交させることによって、リニアモータアクチュエータの小型化を図った上で移動ブロック２の下方にリニアモータ６の体積を最大限増やすことができる。特許文献１に記載のリニアスライドにあっては、搬送物を高精度に移動させることができるという利点がある反面、軌道レールが取り付けられる取付け面の誤差を吸収できる構造になっていないので、長いストロークで搬送物を搬送するのに適していない。長い軌道レールを取付け面に取り付けるためには、取付け面に誤差があっても、軌道レールが取付け面の誤差を吸収できるようにしなければならない。

さらに、移動ブロック２にブラケット１８を介して可動子４を取り付けることで、移動ブロック２を組み立てた後から可動子４を移動ブロック２に取り付けることができる。リニアモータ６の磁束の影響を受ける前に移動ブロック２を組み立てることができるので、移動ブロック２の組み立てが容易になる。ここで、軌道レール１に対する移動ブロック２の位置は、ボール１４列によって正確に位置決めされているので、リニアモータ６の固定子５と可動子４との間のすきまの位置だしは容易である。

さらに、軌道レール１のウェブ１ｂに関して左右対称にリニアモータ６を配置することで、リニアモータ６の固定子５と可動子４との間に働く吸引力を相殺することができる。

さらに、図７（ｂ）に示すように、軌道レール１のウェブ１ｂに固定子５としての永久磁石５ｂを取り付けた場合、軌道レール１を磁気回路を形成するヨークとして機能させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な実施形態に変更できる。

例えば、本発明のリニアモータアクチュエータは、一本の軌道レールが単独で配置される一軸のアクチュエータとして使用されることもあるし、二本の軌道レールが平行に配置される二軸のアクチュエータとして使用されることもある。一軸のアクチュエータとして使用される場合、一本の軌道レールに複数の移動ブロックが配置されるマルチスライドとして使用されてもよい。一本の軌道レールで複数の移動ブロックを別々に移動させることができれば、二軸や三軸に複数本の軌道レールを張り渡さなくても、一軸のアクチュエータで二軸や三軸のアクチュエータに相当する仕事が可能になる。

軌道レールは直線状に伸びていなくても、曲線状に曲がっていてもよい。軌道レールを無端のリング状に繋げ、移動ブロックが円形の軌道に沿って移動するようにしてもよい。この場合、円形の軌道に沿って配置された複数のステーション間で搬送物を受け渡すことが可能になる。

軌道レールは、Ｉ形断面に限られず、Ｔ形断面であってもよい。Ｔ形断面の場合、ウェブの横幅と下フランジの横幅が略一致してもよい。

軌道レールは、水平な取付け面だけでなく、垂直な取付け面や傾斜した取付け面に取り付けられてもよい。この場合、垂直面や傾斜面に取り付けられた軌道レールを水平面に配置したと仮想した状態において、ボール列とリニアモータが上下方向に分離されていればよい。

移動ブロックに組み込まれる転動体にはボールの替わりにローラを用いることもできる。

本発明のリニアモータアクチュエータは、搬送物を長いストロークで移動させるのに適しているので、工作機械へワークをローディング・アンローディングするローディングシステムや、収容物を保管場所に自動的に収納し・取り出す自動倉庫のアクチュエータとして利用することができる。

１…軌道レール，１ａ…下フランジ，１ｂ…ウェブ，１ｃ…上フランジ，２…移動ブロック，４…可動子，５…固定子，６…リニアモータ，８…取付け面，１０…ボール転走部（転動体転走部），１２…負荷ボール転走部（負荷転動体転走部），１４…ボール（転動体），１８…ブラケット

Claims (6)

1. 長手方向に沿って転動体転走部が形成される軌道レールと、
   前記軌道レールの前記転動体転走部に対向する負荷転動体転走部を含む転動体循環路を有し、前記軌道レールに移動可能に組み付けられる移動ブロックと、
   前記軌道レールの前記転動体転走部と前記移動ブロックの前記負荷転動体転走部との間に転がり運動可能に介在されると共に、前記転動体循環路を循環可能な多数の転動体と、
   前記軌道レールに取り付けられる固定子、及び前記固定子にすきまを介して対向する状態で前記移動ブロックに取り付けられる可動子を有し、前記移動ブロックに前記軌道レールに沿って線運動させる動力を発するリニアモータと、を備えるリニアモータアクチュエータにおいて、
   前記軌道レールの前記転動体転走部と前記移動ブロックの前記負荷転動体転走部との間に介在される前記転動体の列と前記リニアモータとが、前記軌道レールを水平な取付け面に取り付けた状態において上下方向に分離されることを特徴とするリニアモータアクチュエータ。
2. 前記軌道レールは、前記転動体転走部が形成される上フランジ、取付け面に取り付けられる下フランジ、前記上フランジと前記下フランジを結ぶウェブを有し、
   前記移動ブロックが、前記軌道レールの前記上フランジに移動可能に組み付けられ、
   前記リニアモータの固定子が、前記軌道レールの前記ウェブに取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータアクチュエータ。
3. 前記移動ブロックの下面には、結合手段を介してブラケットが取り付けられ、
   前記リニアモータの前記可動子は、前記ブラケットに取り付けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータアクチュエータ。
4. 前記固定子は、前記軌道レールの前記ウェブの左右側面に前記ウェブに関して左右対称に取り付けられ、
   前記固定子に対向する前記可動子は、前記移動ブロックに前記軌道レールの前記ウェブに関して左右対称に取り付けられることを特徴とする請求項２に記載のリニアモータアクチュエータ。
5. 前記リニアモータは、同期型のリニアモータであり、
   前記固定子又は前記可動子の一方が、前記軌道レールの長手方向にＮ極及びＳ極の磁極を交互に形成する複数の永久磁石からなり、
   前記固定子又は前記可動子の他方が、前記軌道レールの長手方向に配列される複数のコイルからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のリニアモータアクチュエータ。
6. 前記リニアモータは、誘導型のリニアモータであり、
   前記固定子又は前記可動子の一方が、前記軌道レールの長手方向に伸びる金属プレートからなり、
   前記固定子又は前記可動子の他方が、前記軌道レールの長手方向に配列され、前記金属プレートの誘導電流を発生させる複数のコイルからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のリニアモータアクチュエータ。
   

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