JP2020039198A - 縦型リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 縦型リニアアクチュエータ１であっても、軸側マグネット６１と固定側マグネット６２の間に生じる反発磁力を利用して、ワーク体５を、所定の離間幅をもってその自重がキャンセルされた状態で支持受けでき、かつ、上下駆動制御に伴う可動軸２の下降位置を、常に反発磁力が及ぶ範囲に設定してコイル３２の上昇起磁力を補助し、ワーク体５を小さな推力をもって上下駆動できるようにする。【解決手段】 一対のマグネット６を可動軸２側と固定側に、磁極反発するよう対向配置させて設けて、両者間に生じる反発磁力によって、非通電時におけるワーク体５の荷重を、所定の離間幅をもって支持受けさせ、可動軸２の下降位置を、一対のマグネット６間に生じる反発磁力の及ぶ範囲に設定せしめて、静止基準及び反転上昇時におけるコイル３２…の起磁力を補助し、ワーク体５を小さな推力をもって上下駆動可能に構成する。【選択図】図２

Description

本発明は、基台に固定されたコイルユニットにスライド自在に挿通された可動軸を、外嵌するコイルの励磁によって装着されたワーク体と共に、小さな推力をもって上下駆動することのできる縦型リニアアクチュエータに関する。

近年、直線駆動する電気アクチュエータとしてシャフト型リニアアクチュエータが注目されている。この種リニアアクチュエータは、複数の棒状磁石が直列状に配列された可動軸（シャフト）と、該可動軸をスライド自在に外嵌する固定子としてコイルユニットを備え、該コイルユニットの内周部に設けられるコイルの励磁によって、可動軸を直線的に駆動させるようになっている。このような構成によれば、コギングや速度ムラが少ないので、様々な分野での応用が検討されており、殊に、リニアアクチュエータを縦置きにして可動軸を上下にリニア駆動する機能を生かした分野（半導体の製造装置など）への応用が期待されている。

しかしながら、リニアアクチュエータを縦置きに設定すると、停電などで供給電源が停止した場合、装着されるワーク体重量を含む可動軸への推力がゼロになるため、自重により落下して可動軸の先端やワーク体がワーク台などと衝突して故障を誘発する危惧が生じる。
ところで、従来、この様な衝突を回避するために、特許文献１に開示された如くのダンパー機構を備えた筒型リニアモータなるものが知られている。このものは、複数の永久磁石（２２）が直列状に配列されたパイプ（２１）よりなる可動子としての磁界部（２０）と、磁界部（２０）をスライド自在に外嵌する固定子としての筒状フレーム（１１）を備え、筒状フレーム（１１）の内周部に設けられるコイル（１３）の励磁によって、磁界部（２０）を直線的に駆動させるようになっており、筒状フレーム（１１）の両側内部に緩衝部材を（２６）配設した構造となっている。

しかしながら、かかる緩衝部材（２６）は、コイルスプリングや対向する同一磁極の反発磁力を利用した永久磁石（２６ｅ）を筒状フレーム（１１）の内部に採用（図１１参照）することで、制御間違えや暴走、加速中の電源停止などの異常時に、磁界部（２０）の端部と軸受部（１７）との衝突を回避できるようにした、所謂ダンパー機構として機能するにすぎず、通常のリニア駆動に影響しない構成となっている。したがって、このものを縦置きに設置して使用すると、下降から上昇へ反転駆動する際に、段付きシャフト（２４）と装着されるワーク体との自重に抗して上動しなければならず、強い起磁力をもったコイル（１３）や強い磁気力をもった永久磁石（２２）を用いる必要があり、リニアモータ全体が大型化されコスト高を招来するだけでなく、永久磁石（２６ｅ）と永久磁石（２２）か筒状フレーム（１１）の内部に固定化されて設けられているため、ワーク体の重さが異なったり、永久磁石（２６ｅや２２）の磁力の強弱の違いなどによって、反発磁力による離間幅の変位に伴って、相対的に筒状フレーム（１１）から突出する小径シャフト部（２４ｂ）の突出幅や、そこに装着されるワーク体の始動位置に変化を生じてしまい、その位置決め調整を行うことができず、リニアモータの初期駆動設定された動作制御をそのまま採用できないという問題がある。

国際公開第２０１３／０６９１４８号公報

本発明は、上記の如き問題点を一掃すべく創案されたものであって、コイルユニットを基台に縦置きに設けて、可動軸を、装着されるワーク体と共に上下駆動するものでありながら、可動軸の下端部に設けられる軸側マグネットに、同一磁極を対向させて基台に設けられる固定側マグネットとの間に生じる反発磁力によって、ワーク体を所定の離間幅をもって支持受けさせて、その自重がキャンセルされた状態で位置保持できるようにし、上下駆動制御に伴う可動軸の下降位置を、常に反発磁力が及ぶ範囲に設定して、可動軸を反転上動させる際にコイルの上昇起磁力を補助し、ワーク体を小さな推力をもって上下駆動することができるようにし、しかも、軸側と固定側のマグネットは、調整やメンテナンス可能な外部に設けられているので、ワーク体の重さの違いなどによる外部要因により、磁極反発による離間幅に変位が生じてワーク体の静止基準位置が変化しても、容易に位置決め調整可能とすることのできる縦型リニアアクチュエータを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明の縦型リニアアクチュエータは、複数の棒状磁石が直列状に配列された可動軸と、該可動軸をスライド自在に外嵌する複数のコイルを内周部に並設せしめたコイルユニットとを備え、前記可動軸を、装着されるワーク体と共に前記コイルの励磁によって所定の可動域を進退駆動するよう構成されたリニアアクチュエータであって、前記コイルユニットを基台に縦置きに装着し、前記可動軸と共にワーク体を上下駆動するに、前記可動軸の下端部に軸側マグネットを設け、該軸側マグネットに磁極反発するよう前記基台やワークテーブル側に対向配置させて固定側マグネットを設け、前記軸側マグネットと固定側マグネットとの間に生じる反発磁力によって、前記ワーク体の励磁ＯＦＦ状態時の荷重を、所定の離間幅をもって支持受けさせて位置保持せしめ、ワーク体の静止基準位置に設定すると共に、前記可動軸の下降位置を、前記両マグネット間に生じる反発磁力の及ぶ範囲に設定せしめて、ワーク体を小さな推力をもって上下駆動可能に構成したことを特徴とするものである。

本発明は、上記のように構成したことにより、コイルユニットを基台に縦置きに設けて、可動軸を装着されるワーク体と共に上下駆動するものでありながら、可動軸の下端部に設けられる軸側マグネットに、同一磁極を対向させて基台に設けられる固定側マグネットとの間に生じる反発磁力によって、ワーク体を所定の離間幅をもって支持受けさせて、その自重がキャンセルされた状態で位置保持できるだけでなく、上下駆動制御に伴う可動軸の下降位置を、常に反発磁力が及ぶ範囲に設定して、反転上動させるストローク下限位置として位置決めされた状態で駆動制御を行うことができ、可動軸の反転上動時におけるコイルの上昇起磁力を補助し、ワーク体を小さな推力をもって上下駆動することが可能となり、縦型リニアアクチュエータであっても、強い起磁力をもったコイルや、強い磁気力をもった棒状磁石を必要とすることが無く、装置自体の軽量化とコンパクト化を図り得て、安価なものを提供することができる。しかも、軸側と固定側のマグネットはメンテナンス可能な外部に設けられているので、ワーク体の重さや、使用されるマグネットの表面磁束や加工精度等による機械的精度のばらつきの存在を含む磁気力の強弱の違いなどによる外部要因により、反発磁力による離間幅が変位し、当該変位に伴って相対的に生じる可動軸の突出幅変化による可動域や、ワーク体の静止基準位置やストローク下限位置に変化が生じても、使用される現場において、両マグネット間の離間幅を一定に保持したまま、その設置環境に応じてワーク体を上下調整することで、ワーク体の静止基準位置を、容易に位置決め変更可能なものとし得る。

本発明の実施形態を示す縦型リニアアクチュエータであって、（Ａ）はワーク体を装着した状態の正面図、（Ｂ）は同じく側面図である。 本発明の実施形態に係る図１（Ａ）に示す縦型リニアアクチュエータの縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態を好適な実施の形態として例示する縦型リニアアクチュエータを図面に基づいて詳細に説明する。図１は、縦型リニアアクチュエータにワーク体を装着した状態を示す（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図、図２は、図１（Ａ）２示す縦型リニアアクチュエータの縦断面図である。これら図に示すように、縦型リニアアクチュエータ１は、非磁性体ステンレス管よりなる円筒パイプ２１内に、中心に孔が穿設された複数のドーナツ状の棒状磁石２ａが互いの磁極が対向するように直列状に配列された可動軸２と、該可動軸２をスライド自在に外嵌する固定子としてのコイルユニット３とを備え、コイルユニット３は、基台４に装着され、可動軸２が挿通される筒状ボビン３１の外周部に設けられるコイル３２の励磁により、可動軸２を直線的に駆動させる。なお、棒状磁石２ａは、その中心に孔が穿設されていない棒状磁石でも良い。

可動軸２には、円筒パイプ２１の上端部と下端部にそれぞれ後端キャップ２２と先端キャップ２３が嵌着されており、円筒パイプ２１の外周面域を含む可動軸２の端部が好適に補強されており、この補強された部位に、可動ステージなど任意のワーク体５が装着される。
また、各コイル３２…は、予めドーナツ状に巻線形成されたものを、筒状ボビン３１の胴部に都合１２個嵌挿配設し、３相駆動のためのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３個のコイル３２を１組として４組の組数による各コイルブロックにて構成される。なお、コイル３２…の組数は任意であり、各相のコイル３２…同士はそれぞれ直列または並列に接続せしめた所定のパターンによって結線されており、また、必要において各コイル３２…の間には、図示しないドーナツ状の絶縁紙や絶縁樹脂シートなどを介在させても良い。

可動軸２の下部域には、可動軸２側に配設される円筒形状の軸側マグネット６１と、基台４側、或いは、基台４と離間したワークテーブルなどに配設される円筒形状の固定側マグネット６２とからなる一対のマグネット６が、同軸上に、互いのＮ極同士を対向させて、磁極反発より所定間隔を存して対向離間するよう配設されている。軸側マグネット６１は、先端キャップ２３の下部側に突出させて一体形成させた、断面視下向きコ字状のマグネット装着部６ａに嵌着されており、最下端の棒状磁石２ａとの磁力干渉を生じない部位に設けられている。
なお、マグネット装着部６ａは別部材にて形成して、先端キャップ２３にネジ止め固定するようにしても良い。この様に別部材にて形成すると、ワーク体との兼ね合いに応じて、最適な磁気力や大きさを有したマグネットを好適に選択取着することができる。また、固定側マグネット６２は、軸側マグネット６１に同軸上に対向配置されて固定状態で設けられていればよい。

固定側マグネット６２は、その下部に突設される雄ネジ部６ｃを有して、断面視上向きコ字状に形成されたマグネット装着部６ｂに嵌着された状態で、基台４設けられたホルダー部４１に嵌挿されている。
ホルダー部４１は、断面視上向きコ字状に形成され、その底部に雄ネジ部６ｃを螺入するための雌ネジ部４１ａが形成されており、マグネット装着部６ｂは、雄ネジ部６ｃを雌ネジ部４１ａに螺入させた状態で、雄ネジ部６ｃを下部の凹溝６ｃ１をドライバー等によって、緊緩操作することで螺合送りによる上下移動調整可能にセットされている。つまり、マグネット装着部６ａと６ｂは、可動軸２の下部域で、その調整操作やメンテナンス作業が可能な外部に設けられており、ワーク体５は、これら調整操作やメンテナンス作業の邪魔にならない態様で取付けられている。なお、上下動作に伴う振動等により、調整セット位置のズレ防止のために、雌ネジ部４１ａにロックナットを設けるようにしても良い。

次に、本実施形態にかかる縦型リニアアクチュエータ１の駆動制御について説明する。この様に、可動軸２の下部域に、軸側マグネット６１と固定側マグネット６２とを配置させた状態において、縦型リニアアクチュエータ１を非通電時における励磁ＯＦＦ状態では、可動軸２とワーク体５に働く重力（以下単に、ワーク体５の荷重または自重という）を、軸側マグネット６１と固定側マグネット６２との間に生じる反発磁力によって、所定の離間幅をもって支持受けする、謂わば、ワーク体５の自重が反発磁力によりキャンセルされ、両者の釣合がとれた状態で停止位置が保持され、この停止保持位置を、ワーク体５の静止基準位置として設定し、可動軸２は、コイルユニット３の下面からワーク体５までの間隔を可動域Ｍとして、この可動域Ｍ内において任意に設定された移動ストロークを、３相コイル３２…を組とするコイルブロック毎に、或いは、中間のコイルブロックと、上側または下側のコイルブロックを組として、順次に切換え励磁制御されて反復リニア駆動するようになっている。

この静止基準位置からコイル３２を励磁ＯＮして、ワーク体５を所定の上昇位置に上動し、下動させて反転上動させる駆動制御を行うのであるが、当該上下駆動制御によって反転上動させる可動軸２の下降位置を、常に軸側マグネット６１と固定側マグネット６２との間に生じる反発磁力の及ぶ範囲に設定してあり、その下降位置における反発磁力を利用して反転上昇時におけるコイル３２…の起磁力を補助することのできるよう、反転上動させるストローク下限位置として位置決め設定して構成されている。このストローク下限位置は、ワーク体５の静止基準位置に一致させて設定しても良く、また、採用設置される環境等を考慮して、静止基準位置周辺の前記軸側マグネット６１と前記基台側マグネット６２との間に生じる反発磁力の及ぶ範囲に設定しても良い。この様にストローク下限位置を設定して駆動制御すると、ワーク体５を小さな推力をもって上下駆動することが可能となり、縦型リニアアクチュエータ１であっても、強い起磁力をもったコイル３２…や、強い磁気力をもった棒状磁石２ａを必要とすることが無く、磁気力の小さなコイル３２…や磁気力の小さな棒状磁石２ａを採用することが可能となり、装置自体の軽量化とコンパクト化を図ることができ、安価なものを提供することができる。なお、両磁石間の反発磁力の及ぶ範囲には、少なくとも、ワーク体を動かすには推力なリニアアクチュエータが、両マグネットの反発力の補助により、ワーク体を駆動することが可能な範囲を含むものとする。

一方、縦型リニアアクチュエータ１において、この様にストローク下限位置を常に反発磁力を利用した位置に設定すると、ワーク体５自体の製作誤差や種類、大きさの違いなどにより生じるばらつきの存在を含む重量の違いや、使用される一対のマグネット６の表面磁束や加工精度等による機械的精度のばらつきの存在を含む磁気力の強弱の違い、或いは、温度等の設置環境の違いなどによる外部要因により、反発磁力による離間幅が一定化されずに変位し、当該変位に伴って相対的に生じる可動軸の突出幅変化による可動域Ｍや、ワーク体５の静止基準位置やストローク下限位置に変化が生じる。この変化は同じ製造ラインに複数設置された場合であっても、個々の縦型リニアアクチュエータ１に生じる危惧があり、かかる相対的に位置変化を生じた状態では、出荷時に予め初期設定された駆動制御によって、精度の良い動作制御が行えない危惧が生じる。

しかしながら、本実施形態における固定側マグネット６２は、マグネット装着部６ｂの雄ネジ部６ｃを緊緩操作することで、螺合送りによる上下移動調整が可能に構成されている。つまり、固定側マグネット６２を上動操作して、反発磁力に抗して離間幅を一定に保持したままワーク体５を上昇させ、下動操作によって、反発磁力による離間幅を一定に保持したままワーク体５を下降させることで、ワーク体５を微調整しながら位置決め調整操作することができるようになっており、ワーク体５の静止基準位置を、使用される現場において、その設置環境に応じて、容易にワーク体５を上下位置を調整変更して位置決めセットすることができ、しかも、ワーク体５を上下位置調整することで、可動軸２のストローク下限位置が一定化されて、予め初期設定された駆動制御を何ら変更することなく、可動域Ｍ内に設定した任意のストロークを精度良く昇降駆動させて、ワーク体５の上昇位置と下降位置で精度良く位置決め停止させる動作制御を行うことができるように構成されている。

叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、縦型リニアアクチュエータ１の可動軸２を、基台４に固定されたコイルユニット３のコイル３２…のＯＮ／ＯＦＦ切り替えにより、ワーク体５と共に上下駆動するのであるが、本発明における縦型リニアアクチュエータ１は、可動軸２の下端部に軸側マグネット６１を設け、該軸側マグネット６１に磁極反発するよう基台４やワークテーブル側に対向配置させて固定側マグネット６２を設け、軸側マグネット６１と固定側マグネット６２との間に生じる反発磁力によって、ワーク体５の励磁ＯＦＦ状態時の荷重を、所定の離間幅をもって支持受けさせて位置保持せしめ、ワーク体５の静止基準位置に設定すると共に、可動軸２の下降位置を、両マグネット６１と６２間に生じる反発磁力の及ぶ範囲に設定せしめて、ワーク体５を小さな推力をもって上下駆動可能に構成されている。

この様に構成すると、コイルユニット３を基台に縦置きに配設させて、可動軸２を装着されるワーク体５と共に上下駆動する縦型リニアアクチュエータ１でありながら、可動軸２の下端部に設けられる軸側マグネット６１に、同一磁極を対向させて基台４に設けられる固定側マグネット６２との間に生じる反発磁力によって、ワーク体５を所定の離間幅をもって支持受けさせて、その自重がキャンセルされた状態で位置保持できるだけでなく、上下駆動制御に伴う可動軸２の下降位置を、常に反発磁力が及ぶ範囲に設定して、反転上動させるストローク下限として位置決めされた状態で駆動制御を行うことができ、可動軸２の反転上動時におけるコイル３２の上昇起磁力を補助し、ワーク体５を小さな推力をもって上下駆動することが可能となり、縦型リニアアクチュエータ１であっても、強い起磁力をもったコイル３２や、強い磁力をもった棒状磁石２ａを必要とすることが無く、装置自体の軽量化とコンパクト化を図り得て、安価なものを提供することができる。

特に、ワーク体５の上昇の上限を、軸側マグネット６１と基台側マグネット６２との間に生じる反発力による補助が及ぶ範囲内に設定することにより、さらにコンパクトな縦型リニアアクチュエータ１を選定することが可能となる。
例えば、静止基準位置における両磁石の反発力が５０Ｎであった場合、４ｋｇのワーク体を、定格推力３．５Ｎのリニアアクチュエータで駆動制御することが可能であった。この場合のストロークの上限は、静止基準位置から上方に８ｍｍ程度であった。出願人の販売しているリニアアクチュエータでは、４ｋｇの荷重を駆動制御するためには、直径２５ｍｍの円筒状ネオジム磁石を用いたシャフトを用いなければ駆動できないところ、直径８ｍｍの円筒状ネオジム磁石を用いたシャフトで駆動制御することができた。
しかも、軸側マグネット６１と固定側マグネット６２は、メンテナンス可能な外部に設けられているので、ワーク体５の重さや、使用される両マグネット６１、６２の表面磁束密度や加工精度等による機械的精度のばらつきの存在を含め、磁気力の強弱の違いなどによる外部要因により、反発磁力による離間幅が変位し、当該変位に起因して相対的に生じる可動域Ｍの変化（可動軸２の突出幅変化）や、ワーク体５の静止基準位置やストローク下限位置に変化が生じても、使用される現場において、両マグネット６１、６２間の離間幅を一定に保持したまま、その設置環境に応じてワーク体５を上下調整することで、ワーク体５の静止基準位置を、容易に位置決め変更可能なものとし得る。

また、固定側マグネット６２は、ワーク体５の重さの変更、または、両マグネット６１と６２の大きさの変更等によって、軸側マグネット６１との間における反発磁力による離間幅が変位することに起因して、相対的に生じる可動域Ｍの変化に応じて、ワーク体５の静止基準位置を上下調整可能に構成されている。
この様に構成すると、ストローク下限位置を常に反発磁力を利用した位置に設定された状態においては、ワーク体５自体の製作誤差や種類、大きさの違いなどにより生じる重量の違いや、使用される一対のマグネット６の表面磁束や加工精度等による機械的精度のばらつきの存在を含む磁力の強弱の違いなどによる外部要因により、反発磁力による離間幅が変位し、当該変位に伴って相対的に生じる可動域Ｍの変化（可動軸２の突出幅変化）や、ワーク体５の静止基準位置やストローク下限位置に変化が生じても、固定側マグネット６２を上下調整することにより、反発磁力による離間幅を一定に保持したまま、ワーク体５の静止基準位置を調整変更することができる。しかも、ワーク体５を上下位置調整することで、可動軸２のストローク下限位置が一定化されて、予め初期設定された駆動制御を何ら変更することなく、精度の良い動作制御を行うことができ、ワーク体５を設定された上昇位置と下降位置に精度良く位置決め停止させることができる。

１ 縦型リニアアクチュエータ
２ 可動軸
２ａ 棒状磁石
２１ 円筒パイプ
２２ 後端キャップ
２３ 先端キャップ
３ コイルユニット
３１ 筒状ボビン
３２ コイル
４ 基台
４１ ホルダー部
４１ａ 雌ネジ部
５ ワーク体
６ マグネット
６１ 軸側マグネット
６２ 固定側マグネット
６ａ マグネット装着部
６ｂ マグネット装着部
６ｃ 雄ネジ部
６ｃ１ 凹溝
Ｍ 可動域

Claims (3)

1. 複数の棒状磁石が直列状に配列された可動軸と、該可動軸をスライド自在に外嵌する複数のコイルを内周部に並設せしめたコイルユニットとを備え、前記可動軸を、装着されるワーク体と共に前記コイルの励磁によって所定の可動域を進退駆動するよう構成されたリニアアクチュエータであって、
   前記コイルユニットを基台に縦置きに装着し、前記可動軸と共にワーク体を上下駆動するに、
   前記可動軸の下端部に軸側マグネットを設け、該軸側マグネットに磁極反発するよう前記基台やワークテーブル側に対向配置させて固定側マグネットを設け、
   前記軸側マグネットと固定側マグネットとの間に生じる反発磁力によって、前記ワーク体の励磁ＯＦＦ状態時の荷重を、所定の離間幅をもって支持受けさせて位置保持せしめ、ワーク体の静止基準位置に設定すると共に、
   前記可動軸の下降位置を、前記両マグネット間に生じる反発磁力の及ぶ範囲に設定せしめて、ワーク体を小さな推力をもって上下駆動可能に構成したことを特徴とする縦型リニアアクチュエータ。
2. 請求項１において、前記固定側マグネットは、相対的に生じる前記可動域の変化に応じて、前記ワーク体の静止基準位置を上下調整可能に構成されていることを特徴とする縦型リニアアクチュエータ。
3. 請求項１または２において、前記ワーク体の移動ストロークの上限を、前記両マグネット間に生じる反発磁力の及ぶ範囲に設定したことを特徴とする縦型リニアアクチュエータ。