JP4799959B2 - リニアモータシリンダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータシリンダ装置に係り、特に、リニアモータとスプライン機構を組み合わせることによって、従来にないシリンダ装置を実現する技術に関するものである。

例えば、射出成形機の射出装置や建設機械のリンク機構等、機械装置の伸縮動作を実現するアクチュエータとしては、一般的に、油圧シリンダが用いられている。この油圧シリンダでは、圧油供給源である可変ポンプの容量を変化させることで圧油の圧力と流量を変化させ、出力を最大にしながら広い速度範囲と推力範囲が実現されている。

このように駆動される油圧シリンダは、伸縮作動を行う油圧シリンダ本体と、この油圧シリンダ本体に圧油の供給を行う油圧発生装置とから構成されている。油圧シリンダ本体は、油圧ポンプや切換弁等からなる油圧発生装置から圧油の供給を受けることによって、伸縮作動を行えるように構成されている。そしてこれまで、油圧シリンダを構成する油圧シリンダ本体と油圧発生装置とは、油圧シリンダ本体と油圧発生装置とが離間して配置され、油圧配管を通じて両者間で圧油の給排を行うものや、油圧シリンダ本体と油圧発生装置とを一体に構成したものが提供されている（例えば、下記特許文献１参照）。

しかしながら、油圧シリンダは、上述したように油圧シリンダ本体とは別に比較的大きな油圧発生装置を必要とするため、導入の際の製造コストや維持・管理コストが高くなってしまうという課題を有していた。また、油圧シリンダは、大出力であり、且つ、広い速度範囲と推力範囲を実現できる一方、ストローク内での細かい停止位置制御を苦手とするため、高い制御性を要求されるような機械装置には、用いることができなかった。さらには、廃油発生などの環境問題をも抱えていた。

そこで、このような問題を抱える油圧シリンダを、制御が容易でクリーンなモータ等を用いた電動シリンダへ代替するための技術が種々創案されるに至っている。かかる電動シリンダによれば、例えば、コストと制御、設置条件、および環境問題等の点において、油圧シリンダにはない利点を発揮することができる（例えば、下記特許文献２，３参照）。

実開昭６３−１６４６０３号公報 特開平９−２７１１５４号公報 特開２００３−１８４９８１号公報

しかしながら、現在までに提供されている電動シリンダは、モータ等による回転運動を直線運動に変換する機構が必ず必要となるため、モータ駆動力の伝達効率が非常に悪いという問題を有していた。また、装置サイズについても、油圧シリンダと比べれば改善されてはいるものの、モータ等と変換機構との接続をしなければならない関係からコンパクト化の余地は残されており、さらなる装置サイズの極小化が望まれていた。

本発明は、かかる課題の存在に鑑みて成されたものであって、高い制御性という電動シリンダの利点を有しつつ、コンパクトで駆動力の伝達効率が高い新たなシリンダ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シリンダ装置は、中空円筒形状の筒形部材と、前記筒形部材に対して進退自在に設置されるシリンダロッドと、を有し、前記シリンダロッドは、ロッド内部に複数の永久磁石を備えることによって界磁束発生源となるとともに、ロッド外周面にスプライン溝を備え、前記筒形部材は、前記シリンダロッドを往復直線運動させるための磁界を前記複数の永久磁石に対応する位置で発生させる固定子コイルと、前記シリンダロッドの往復直線運動を前記スプライン溝に対応する位置で案内するためのスプライン外筒と、を備え、前記永久磁石と前記スプライン溝は、ロッドの軸方向で重複しないように設置されることを特徴とする。

本発明に係るリニアモータシリンダ装置において、前記複数の永久磁石は、前記シリンダロッドの軸線方向に積み重ねられてそれぞれが固定されるとともに、隣り合う永久磁石の外側表面に現れる極性が異なるように設置されることとすることができる。

さらに、本発明に係るリニアモータシリンダ装置は、中空円筒形状の筒形部材と、前記筒形部材に対して進退自在に設置されるシリンダロッドと、を有し、前記シリンダロッドは、ロッド内部に複数の永久磁石を備えることによって界磁束発生源となるとともに、ロッド外周面にスプライン溝を備え、前記筒形部材は、前記シリンダロッドを往復直線運動させるための磁界を前記複数の永久磁石に対応する位置で発生させる固定子コイルと、前記シリンダロッドの往復直線運動を前記スプライン溝に対応する位置で案内するためのスプライン外筒と、を備え、前記複数の永久磁石は、前記シリンダロッドの周方向においても複数に分割されており、前記固定子コイルは、周方向に分割される永久磁石に対応して複数設置されており、さらに、前記永久磁石と前記スプライン溝は、ロッドの周方向で重複せず、且つ、ロッドの軸方向で重複するように設置されることを特徴とする。

またさらに、本発明に係るリニアモータシリンダ装置において、前記複数の永久磁石が設置される前記シリンダロッドは、非磁性材料で構成されていることとすることができる。

さらにまた、本発明に係るリニアモータシリンダ装置において、前記非磁性材料は、ステンレス鋼、セラミックス、高硬度非磁性快削鋼の少なくとも１つであることとすることができる。

また、本発明に係るリニアモータシリンダ装置において、前記固定子コイルは、前記シリンダロッドが有するコア鉄心に巻回されて設置されていることとすることができる。

さらに、本発明に係るリニアモータシリンダ装置には、前記シリンダロッドの往復直線運動を制御するためのリニアスケールが設置されていることとすることが好適である。

なお上記発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

本発明によれば、シリンダ装置の駆動源として、リニアモータという駆動力を直線運動によって及ぼすことが可能な構成を採用したので、非常に伝達効率が高く、且つ、電動シリンダと同等以上の制御性を備えるシリンダ装置を提供することができる。また、リニアモータの採用によって、従来の電動シリンダでは実現不可能なレベルのコンパクト化を実現したシリンダ装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

［第１の実施形態］
図１、図２および図３を用いて、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置を説明する。ここで、図１は、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の全体構成を示す外観斜視図であり、内部構造の説明のために外郭構成部材の一部を破断線で示してある。また、図２は、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の縦断面側面図であり、図３は、図２におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。

第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置は、中空円筒形状の筒形部材１０と、筒形部材に対して進退自在に設置されるシリンダロッド３０と、を有している。

リニアモータシリンダ装置の作用部となるシリンダロッド３０は、ロッド内部に複数の永久磁石３２を備えている。これらの永久磁石３２は、シリンダロッド３０の軸線方向に積み重ねられてそれぞれが固定されるとともに、隣り合う永久磁石の外側表面に現れる極性が異なるように設置されている。したがって、シリンダロッド３０は、複数の永久磁石３２の効果によって界磁束発生源となり、リニアモータにおける可動子としての機能を発揮することが可能となっている。なお、第１の実施形態に係る複数の永久磁石３２は、それぞれが円柱形状をした部材であり、この円柱形状を軸方向で挿入することができるようにシリンダロッド３０に形成された空洞に対して、積み重ねることによって装着がなされている。

また、シリンダロッド３０のロッド外周面には、スプライン溝３４が形成されており、後述する筒形部材１０側のスプライン外筒１４と協働することによって、シリンダロッド３０の安定した往復直線運動を案内する機能を発揮することになる。このスプライン溝３４については、シリンダロッド３０の強度や永久磁石３２による界磁束に干渉しないようにするために、ロッドの周方向で永久磁石３２と重ならない位置に形成されている。また、永久磁石３２とスプライン溝３４は、ロッドの軸方向においても重ならないように設置されている。したがって、第１の実施形態に係るシリンダロッド３０の長さは、ストロークとなる永久磁石３２設置箇所の長さの少なくとも２倍以上の長さが必要ということになる。

さらに、永久磁石３２を収納設置するシリンダロッド３０の構成材料は、非磁性材料であることが望ましい。これは、シリンダロッド３０が磁性を持った材料で構成されていると、永久磁石３２が発生する界磁束を透過し難くなってロッド動作に影響を及ぼしてしまうためであり、シリンダロッド３０を非磁性材料によって構成することにより、安定した界磁束の発生が実現する。シリンダロッド３０に用いることに好適な非磁性材料としては、ステンレス鋼、セラミックス、高硬度非磁性快削鋼を挙げることができる。特に、高硬度非磁性快削鋼は、他の材料と比較して強度も高く、作用部となってシリンダ装置としての仕事を行うことになるシリンダロッド３０に用いるのに好適である。具体的な鋼種としては、使用時の硬さがＨＲＣ（ロックウェル硬さ）で４０〜４５程度を示す日立金属株式会社のＨＰＭ７５等を採用することができる。

一方、リニアモータシリンダ装置の外郭を構成する筒形部材１０は、シリンダロッド３０を往復直線運動させるための磁界を複数の永久磁石に対応する位置で発生させる固定子コイル１２と、シリンダロッド３０の往復直線運動をスプライン溝３４に対応する位置で案内するためのスプライン外筒１４と、を備えている。

固定子コイル１２は、コイルを巻き回すことによって構成される部材であり、固定子コイル１２への電流を制御することによってコイルにＮ極とＳ極を発生させることができるようになっている。シリンダロッド３０には、隣り合う永久磁石の外側表面に現れる極性が異なるように複数の永久磁石３２が設置されているので、シリンダロッド３０と固定子コイル１２との間でＮ極とＳ極の引っぱりあう力、Ｎ極同士とＳ極同士の反発しあう力が起こり、シリンダロッド３０の往復直線運動が実現することになる。

スプライン外筒１４は、中空円筒形状である筒形部材１０の一端側に固定設置される部材であり、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置を固定設置するためのフランジ１３を備える部材である。このスプライン外筒１４は、スプライン溝３４に対応する転走溝を有しており、これら転走溝には、スプライン溝３４が伸びる方向に伸びる複数条の突起が形成されている。そして、スプライン外筒１４に形成された転走溝とシリンダロッド３０に形成されたスプライン溝３４との間で負荷転走路が形成されることになり、負荷転走路の隣には、荷重から解放されたボール１５が移動する無負荷戻し通路が形成されている。また、スプライン外筒１４には、複数のボール１５をサーキット状に整列・保持する保持器１６が組み込まれている。そして、複数のボール１５が、スプライン外筒１４の転走溝とシリンダロッド３０のスプライン溝３４との間に転動自在に設置され、無負荷戻し通路を通って無限循環するように設置されることによって、シリンダロッド３０のスプライン外筒１４（すなわち、筒形部材１０）に対する安定した往復直線運動が実現されている。

以上説明した構成によって、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の動作が実現されているが、さらに、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置には、シリンダロッド３０の往復直線運動を制御するためのリニアスケール４０が設置されている。

図１および図２において例示するリニアスケール４０は、光学式のリニアスケールであり、シリンダロッド３０の移動方向に直交する目盛りを有するメインスケール４１と、メインスケール４１に対向設置される発光部と受光部とを有する読み取りヘッド４２とを含んで構成されている。したがって、シリンダロッド３０の移動にともなってメインスケール４１も移動することになるので、読み取りヘッド４２はメインスケール４１上に刻まれた目盛りを読み取ることができ、シリンダロッド３０の移動量が把握可能となる。

第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置は、上述したような構成を備えているので、非常に伝達効率が高く、且つ、電動シリンダと同等以上の制御性を発揮することができる。また、リニアモータの採用によって、従来の電動シリンダでは実現不可能なレベルのコンパクト化をも実現することができる。

［第２の実施形態］
第１の実施形態において、従来の電動シリンダでは実現不可能なレベルのコンパクト化を実現したリニアモータシリンダ装置を説明したが、次に説明する第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置は、さらなるコンパクト化を実現するための形態を備えている。そこで、図４、図５および図６を用いて、第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置を説明する。ここで、図４は、第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の全体構成を示す外観斜視図であり、内部構造の説明のために外郭構成部材の一部を破断線で示してある。また、図５は、第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の縦断面側面図であり、図６は、図５におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。なお、第１の実施形態で説明した部材と同一又は類似する部材については、同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置で特徴的な点としては、複数の永久磁石５２が、シリンダロッド３０の周方向においても複数に分割（図４ないし図６では、３つに分割）されていることが挙げられる。そして、永久磁石５２とスプライン溝３４は、ロッドの周方向で重複しないように設置されていることは第１の実施形態と同様であるが、第２の実施形態では、スプライン溝３４は、分割された永久磁石５２の中間部分に位置するように設定されているので、永久磁石５２とスプライン溝３４は、ロッドの軸方向で重複するように設置することが可能となっている。

すなわち、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置では、スプライン溝３４が永久磁石３２によって発生する界磁束に干渉しないようにするために、ロッドの軸方向で重ならないように設置されていたが、第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置では、永久磁石５２を周方向で分割し、磁石の隙間位置にスプライン溝３４が位置するように構成したので、ロッドの軸方向でスプライン溝３４と永久磁石５２を重ねて設定しても界磁束に対する干渉が生じない構成を実現することができたのである。このように構成することによって、ロッドの軸方向でスプライン溝３４と永久磁石５２の位置を重ねることができるので、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置と同一ストロークであればより短いシリンダロッド３０を、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置と同一長さのシリンダロッド３０であればより大きいストロークを実現したリニアモータシリンダ装置を得ることができる。

また、第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置では、ロッドの周方向で分割された永久磁石５２に対応する位置に、磁石の分割数に対応した個数（図４ないし図６では、３つ）の固定子コイル５３が設置されている。さらに、この固定子コイル５３は、シリンダロッド３０が内部に備えるコア鉄心５５に巻回されることによって設置されている。このように固定子コイル５３を構成することによって、個々の永久磁石５２に対する磁力を強化することができるので、磁石を分割したことによる影響を排除することができ、第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置と同等以上の作用力を持ち、しかもコンパクトなリニアモータシリンダ装置を実現することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。上述した各実施形態では、メインスケール４１と読み取りヘッド４２とによって構成される光学式のリニアスケール４０を採用した場合を例示して説明したが、例えば、ロッドの移動に伴う永久磁石３２，５２の磁束の変化を読み取ることによってシリンダロッド３０の移動量を把握することができる磁気式のリニアスケールを採用することも可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の全体構成を示す外観斜視図である。 第１の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の縦断面側面図である。 図２におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。 第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の全体構成を示す外観斜視図である。 第２の実施形態に係るリニアモータシリンダ装置の縦断面側面図である。 図５におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。

符号の説明

１０ 筒形部材、１２ 固定子コイル、１３ フランジ、１４ スプライン外筒、１５ ボール、１６ 保持器、３０ シリンダロッド、３２ 永久磁石、３４ スプライン溝、４０ リニアスケール、４１ メインスケール、４２ 読み取りヘッド、５２ 永久磁石、５３ 固定子コイル、５５ コア鉄心。

Claims (7)

1. 中空円筒形状の筒形部材と、
   前記筒形部材に対して進退自在に設置されるシリンダロッドと、
   を有し、
   前記シリンダロッドは、ロッド内部に複数の永久磁石を備えることによって界磁束発生源となるとともに、ロッド外周面にスプライン溝を備え、
   前記筒形部材は、
   前記シリンダロッドを往復直線運動させるための磁界を前記複数の永久磁石に対応する位置で発生させる固定子コイルと、
   前記シリンダロッドの往復直線運動を前記スプライン溝に対応する位置で案内するためのスプライン外筒と、
   を備え、
   前記永久磁石と前記スプライン溝は、ロッドの軸方向で重複しないように設置されることを特徴とするリニアモータシリンダ装置。
2. 請求項１に記載のリニアモータシリンダ装置において、
   前記複数の永久磁石は、前記シリンダロッドの軸線方向に積み重ねられてそれぞれが固定されるとともに、隣り合う永久磁石の外側表面に現れる極性が異なるように設置されることを特徴とするリニアモータシリンダ装置。
3. 中空円筒形状の筒形部材と、
   前記筒形部材に対して進退自在に設置されるシリンダロッドと、
   を有し、
   前記シリンダロッドは、ロッド内部に複数の永久磁石を備えることによって界磁束発生源となるとともに、ロッド外周面にスプライン溝を備え、
   前記筒形部材は、
   前記シリンダロッドを往復直線運動させるための磁界を前記複数の永久磁石に対応する位置で発生させる固定子コイルと、
   前記シリンダロッドの往復直線運動を前記スプライン溝に対応する位置で案内するためのスプライン外筒と、
   を備え、
   前記複数の永久磁石は、前記シリンダロッドの周方向においても複数に分割されており、
   前記固定子コイルは、周方向に分割される永久磁石に対応して複数設置されており、さらに、
   前記永久磁石と前記スプライン溝は、ロッドの周方向で重複せず、且つ、ロッドの軸方向で重複するように設置されることを特徴とするリニアモータシリンダ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のリニアモータシリンダ装置において、
   前記複数の永久磁石が設置される前記シリンダロッドは、非磁性材料で構成されていることを特徴とするリニアモータシリンダ装置。
5. 請求項４に記載のリニアモータシリンダ装置において、
   前記非磁性材料は、ステンレス鋼、セラミックス、高硬度非磁性快削鋼の少なくとも１つであることを特徴とするリニアモータシリンダ装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のリニアモータシリンダ装置において、
   前記固定子コイルは、前記シリンダロッドが有するコア鉄心に巻回されて設置されていることを特徴とするリニアモータシリンダ装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のリニアモータシリンダ装置において、
   前記シリンダロッドの往復直線運動を制御するためのリニアスケールが設置されていることを特徴とするリニアモータシリンダ装置。

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