KR100786674B1

KR100786674B1 - 가동 자석형 리니어 액츄에이터

Info

Publication number: KR100786674B1
Application number: KR1020067006020A
Authority: KR
Inventors: 야스히로 미야모토
Original assignee: 가부시키가이샤 야스카와덴키
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2007-12-21
Also published as: WO2005036718A1; TWI356563B; US7239049B2; JP4535231B2; US20070057579A1; KR20060069868A; TW200518422A; JP2005117856A

Abstract

자석과 전기자 사이의 자기 흡인력을 경감시키고, 고빈도 가감 속도 동작을 시키는 경우에도 리니어 가이드 수명의 문제를 해소할 수 있는 가동 자석형 리니어 액츄에이터를 제공한다.

리니어 엑츄에이터의 고정자는, 고정자 베이스(2)에 고정되고 복수의 코일(11) 군을 장착하여 이루어지는 전기자(1)와, 전기자(1)의 양측을 샌드위치(sandwich)하도록 직선 형상으로 배치된 리니어 가이드 레일(6)을 가지고 있고, 가동자는, 전기자부와 공극을 통해 대향 배치됨과 아울러 비자성의 자석 홀더(14)에 설치된 구멍 부분(14A)에 보유되고, 한편, 자극이 N극, S극과 교대로 다르도록 복수개 설치된 계자 영구자석(3)과, 계자 영구자석(3)의 배면에 공극을 통해 배치됨과 아울러, 자석 홀더(14)에 설치한 오목부(14B)의 내부에 설치된 얇은 판형상의 전자 강판을 적층하여 이루어지는 자성 백요크(10)로 이루어지는 계자와, 리니어 가이드 레일(6) 상을 슬라이딩하도록 설치한 리니어 가이드 블록(8)을 가지는 것이다.

자석, 전기자, 흡인력, 리니어, 가이드, 자석형, 액츄에이터, 계자, 레일, 블록

Description

가동 자석형 리니어 액츄에이터{MOVING MAGNET TYPE LINEAR ACTUATOR}

본 발명은, 예를 들면, 전기 부품 실장 장치, 반도체 관련 장치 혹은 공작 기계 등의 각종 산업 기계에 사용됨과 아울러, 그 직동(linear motion) 기구의 구동용으로 매우 적합한 리니어 액츄에이터에 관한 것으로, 특히 계자(界磁)를 가동자로 하고, 전기자를 고정자로 하여 구성되는 가동 자석형(moving magnet type) 리니어 액츄에이터에 관한 것이다.

종래, 전기 부품 실장 장치, 반도체 관련 장치 혹은 공작 기계 등의 각종 산업 기계에 사용됨과 아울러, 그 직동 기구의 구동용으로 매우 적합한 리니어 액츄에이터는 도 4에 나타내듯이 되어 있다. 또, 도 4는 종래 기술을 나타내는 가동 자석형 리니어 엑츄에이터로서, (a)는 그 평면도, (b)는 (a)의 B-B선을 따르는 정단면도이고, (a)는 (b)의 화살표A의 방향으로부터 투시한 도에 상당한다.

도 4에 있어서, (1)은 전기자, (2)는 고정자 베이스(stator base), (3)은 계자 영구자석(field permanent magnet), (4)는 계자 요크(field yoke), (6)은 리니어 가이드 레일(linear guide rail), (7)은 센서(sensor), (8)은 리니어 가이드 블록(linear guide block), (9)는 리니어 스케일부(linear scale part), (11)은 코일(coil), (12)는 결선 기판, (13)은 스토퍼(stopper)이다.

리니어 액츄에이터는 계자 영구자석(3)의 배면에 계자 요크(4)를 설치하여 계자 요크(4)가 가동자와 자기회로를 겸용하고 있다. 또, 전기자(1)는 결선 기판(12) 상에 슬롯(slot)이 없는 코일(11)을 복수 구비한 구조를 가짐과 아울러, 고체 자성 부재로 이루어진 고정자(stator) 베이스(base)(2) 상에 가동자와 자기적 공극을 통해 배치되어 고정자를 구성하고 있다. 이 전기자(1)의 양측에는 평행하는 리니어 가이드 레일(6)이 고정자 베이스(2) 상에 고정되고, 리니어 가이드 레일(6) 상에는 이 레일 상을 슬라이딩(sliding)하는 리니어 가이드 블록(8)이 계자 요크(4)의 양단의 하부에 고정되어 있다. 또한, 가동자의 측면에는 리니어형(linear type)의 엔코더(encoder)를 구성하는 자기식의 리니어 스케일(9)이 배치되어 설치되고, 이 리니어 스케일(9)에 대향하도록 고정자 베이스(2)에 이 리니어 스케일(9)을 검출하는 센서(7)가 배치되어 설치되어 있다. 그리고, 리니어 가이드 레일(6)의 단부에는 가동자의 오버런(overrun)을 방지하기 위한 스토퍼(stopper)(13)가 설치되어 있다.

이 리니어 액츄에이터는 계자 영구자석(3)의 자속이 고정자 베이스(2)에 쇄교하는 자기회로 구조로 되어 있고, 또, 전기자의 코일(11)을 여자하면, 계자와 전기자로 만들어지는 이동 자계에 의해 가동자를 전기자 길이와 가동자 길이의 차이인 스트로크(stroke) 내에서 직선 이동하도록 되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1을 참조).

특허문헌1 : 특개평9-266659호 공보(명세서 제5 페이지, 도 3)

<발명이 해결하고자 하는 과제>

그런데, 종래 기술에서는 가동자에 비중이 큰 계자부를 구성하는 계자 요크를 설치하고 있기 때문에, 가동자의 가속 성능을 거론되지 않았다. 또, 자석과 전기자 코어(철심)와의 사이에 최대 추진력의 4배 이상의 자기 흡인력이 작용하기 때문에, 이 자기 흡인력이 리니어 가이드에 대한 부하 하중으로 되기 때문에, 고빈도 가감 속도 동작을 시키는 경우 리니어 가이드의 수명을 단축시켜 버리는 요인이 되고 있었다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 자석과 전기자 사이의 자기 흡인력을 경감시키고, 고빈도 가감 속도 동작을 시키는 경우에도 리니어 가이드 수명의 문제를 해소할 수가 있는 가동 자석형 리니어 액츄에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

<과제를 해결하기 위한 수단>

상기 과제를 해결하기 위해서, 청구항1과 관련되는 가동 자석형 리니어 액츄에이터의 발명은, 전기자부를 고정자 측으로, 계자부를 가동자측으로 되도록 배치하고, 상기 고정자에 대한 상기 가동자의 슬라이딩 방향의 위치를 엔코더에 의해 검출하는 가동 자석형 리니어 액츄에이터에 있어서, 상기 고정자는, 고정자 베이스와, 상기 고정자 베이스에 고정되고 복수의 코일 군(group)을 장착하여 이루어지는 전기자부와, 상기 전기자부의 양측을 샌드위치(sandwich)하도록 직선 형상으로 배치된 리니어 가이드 레일을 가지고 있고, 상기 가동자는, 상기 전기자부와 공극을 통해 대향 배치됨과 아울러 비자성의 자석 홀더(holder)에 보유된 계자 영구자석과, 상기 계자 영구자석의 배면에 공극을 통해 배치됨과 아울러 양단을 상기 고정자 베이스에 고정하여 이루어지는 자성 백요크(back yoke)로 이루어지는 계자부와, 상기 리니어 가이드 레일 상을 슬라이딩하도록 설치한 리니어 가이드 블록을 가지고 있고, 상기 엔코더는, 상기 자석 홀더의 측면에 배치되어 설치된 광학식의 리니어 스케일과 상기 리니어 스케일에 대향하고 한편 상기 고정자 베이스 측에 배치되어 설치됨과 아울러 상기 리니어 스케일을 검출하는 센서로 구성되는 광학식 엔코더인 것을 특징으로 하고 있다.

청구항2의 발명은, 청구항1에 기재의 가동 자석형 리니어 액츄에이터에 있어서, 상기 자성 백요크를 얇은 판형상의 적층 전자 강판에 의해 구성한 것을 특징으로 하고 있다.

청구항3의 발명은, 청구항1에 기재의 가동 자석형 리니어 액츄에이터에 있어서, 상기 고정자는, 상기 전기자부와 대향하도록 상기 고정자 베이스의 내부에 매설됨과 아울러, 가동자의 진행 방향과 직각 방향으로 얇은 판형상의 전자 강판을 적층하여 이루어지는 코어를 설치한 것을 특징으로 하고 있다.

청구항4의 발명은, 청구항1 또는 3에 기재의 가동 자석형 리니어 액츄에이터에 있어서, 상기 고정자 베이스에 냉매 도관 혹은 강제 액체 냉각용 쟈켓(jacket)을 매설시킨 구조로 한 것을 특징으로 하고 있다.

<발명의 효과>

청구항1의 발명에 의하면, 본 발명은 가동자인 비자성의 자석 홀더에 계자 영구자석을 매설시키는 구성으로 하였으므로, 가동자 중량을 경량화 함으로써 가동자의 가속 성능을 향상할 수가 있다.

또, 계자 영구자석의 배면에 공극을 통해 배치됨과 아울러 양단을 고정자 베이스에 고정하여 이루어지는 자성 백요크를 설치하는 구성으로 하였으므로, 자기 흡인력을 상쇄시키고, 한편 갭(gap) 자속 밀도를 크게 설계하는 것이 가능하게 되므로, 고추진력, 고가감 속도를 실현할 수가 있다. 그 결과, 고빈도 가감 속도 동작을 시키는 경우에도 자기 흡인력에 의한 리니어 가이드 수명의 문제를 해소할 수가 있다.

또, 발열체인 전기자부가 고정측으로 되기 때문에, 고정측 1개소에 집약된 발열부를 액체 냉각 등의 강제 냉각 구조가 가능하게 되어 액츄에이터의 냉각 성능을 향상할 수가 있다.

그리고, 리니어 액츄에이터는 코어가 없는 구조이기 때문에, 코깅 리플(cogging ripple)도 없어 매우 매끄러운 동작을 할 수 있다.

청구항2의 발명에 의하면, 계자 영구자석의 배면에 설치한 자성 백요크를 적층 전자 강판으로 함으로써, 계자 자속이 쇄교하는 것에 의한 와전류 손실을 저감하는 것이 가능하고, 고속시의 철손실(iron-loss) 저감 효과가 커진다.

청구항3의 발명에 의하면, 본 발명은 고정자 베이스의 오목부에 얇은 판형상의 전자 강판을 적층하여 이루어지는 코어를 전기자와 대향하도록 매설하는 구성으로 하였으므로, 고정자부의 전기 저항이 커지고, 가동자인 계자 영구자석이 고정자 상을 이동하고, 계자 자속이 쇄교하는 것에 의한 와전류 손실을 저감하는 것이 가능하고, 고속시의 철손실 저감 효과를 크게 할 수가 있다.

청구항4의 발명에 의하면, 고정자 베이스에 냉매 도관을 매설하는 구성으로 하였으므로, 냉매 도관에 냉매 등을 흘려 강제 냉각을 함으로써, 고정자 1개소에 집약된 발열부를 효율적으로 냉각하는 것이 가능하게 되어 액츄에이터의 냉각 성능을 향상할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예를 나타내는 가동 자석형 리니어 엑츄에이터로서, (a)는 그 평면도, (b)는 (a)의 B-B선을 따르는 정단면도이고, (a)는 (b)의 화살표A의 방향으로부터 투시한 도에 상당한다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예를 나타내는 가동 자석형 리니어 엑츄에이터로서, (a)는 그 평면도, (b)는 (a)의 B-B선을 따르는 정단면도이고, (a)는 (b)의 화살표A의 방향으로부터 투시한 도에 상당한다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예를 나타내는 가동 자석형 리니어 엑츄에이터로서, (a)는 그 평면도, (b)는 (a)의 B-B선을 따르는 정단면도이고, (a)는 (b)의 화살표A의 방향으로부터 투시한 도에 상당한다. 종래의 응용예 2를 나타내는 측단면도이다.

도 4는 종래 기술을 나타내는 가동 자석형 리니어 엑츄에이터로서, (a)는 그 평면도, (b)는 (a)의 B-B선을 따르는 정단면도이고, (a)는 (b)의 화살표A의 방향으로부터 투시한 도에 상당한다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 전기자 2 고정자 베이스

2A 오목부 3 계자 영구자석

4 계자 요크

5 냉매 도관

6 리니어 가이드 레일 7 센서

8 리니어 가이드 블록 9 리니어 스케일부

10　 자성 백요크 11 코일

12 결선 기판

13,15 스토퍼

14 자석 홀더

14A 구멍 부분 14B 오목부

16 코어 17 볼트

이하, 본 발명의 실시예를 도에 기초하여 설명한다.

<실시예 1>

도 1에 있어서 (10)은 자성 백요크, (14)는 자석 홀더, (15)는 스토퍼이다.

본 발명의 특징은 이하와 같다.

즉, 리니어 액츄에이터의 고정자는, 고정자 베이스(2)와, 고정자 베이스(2) 에 고정 되고 복수의 코일(11) 군(group)을 장착하여 이루어지는 전기자(1)와, 전기자(1)의 양측을 샌드위치(sandwich)하도록 직선 형상으로 배치된 리니어 가이드 레일(6)를 가지고 있고, 가동자는, 전기자부와 공극를 통해 대향 배치됨과 아울러 비자성의 자석 홀더(14)에 설치된 구멍 부분(14A)에 보유되고, 한편, 자극이 N극, S극이 교대로 다르도록 복수개 설치된 계자 영구자석(3)과, 계자 영구자석(3)의 배면에 공극을 통해 배치됨과 아울러, 자석 홀더(14)에 설치한 오목부(14B)의 내부에 설치된 자성 백요크(10)로 이루어지는 계자와, 리니어 가이드 레일(6) 상을 슬라이딩하도록 설치한 리니어 가이드 블록(8)을 가지는 점이다. 또, 자세하게는 자성 백요크(10)에 대해서는 계자 영구자석(3) 및 전기자(1)를 덮도록 고정자 베이스(2)에 볼트(17)에 의해 고정되어 있다.

또, 자성 백요크(10)는 가동자의 진행 방향과 직각 방향으로 얇은 판형상의 전자 강판을 적층한 것으로 되어 있다.

또, 자석 홀더(14)의 측면에는 광학식의 엔코더를 구성하는 리니어 스케일(9)이 배치되어 설치됨과 아울러, 이 리니어 스케일(9)에 대향하여 리니어 스케일(9)을 검출하는 센서(7)가 고정자 베이스(2) 측에 배치되어 설치되어 있다.

또, 평행한 2개의 리니어 가이드 레일의 단부에 가동자의 오버런(overrun)을 방지하기 위한 스토퍼(15)가 설치되어 있다.

이러한 구성에 있어서, 본 리니어 액츄에이터는 전기자부에 생기는 기자력의 자극수에 대해, 계자 자극의 수가 적고, 그 차이가 리니어 액츄에이터의 가동측의 스트로크(stroke)로 되어 직선 이동을 한다.

따라서, 본 실시예와 관련되는 가동 자석형 리니어 액츄에이터는 가동자인 비자성의 자석 홀더(14)에 계자 영구자석(3)을 매설시키는 구성으로 하였으므로, 가동자 중량을 경량화 함으로써 가동자의 가속 성능을 향상할 수가 있다.

또, 자성 백요크(10)를 자석 홀더(14) 내에 있어서의 계자 영구자석(3)의 배면에 공극을 통해 배치시키는 구성으로 하였으므로, 자기 흡인력을 상쇄시키고, 한편 갭 자속 밀도를 크게 설계하는 것이 가능하게 되어 고추진력, 고가감 속도를 실현할 수가 있다. 그 결과, 고빈도 가감 속도 동작을 시키는 경우에도 자기 흡인력에 의한 리니어 가이드 수명의 문제를 해소할 수가 있다.

또, 발열체인 전기자(1)가 고정측으로 이루어지기 때문에, 고정측 1개소에 집약된 발열부를 액체 냉각 등의 강제 냉각 구조가 가능하게 되어 액츄에이터의 냉각 성능을 향상할 수가 있다.

또, 자성 백요크(10)는 적층 전자 강판으로 구성하였으므로, 계자 자속이 쇄교하는 것에 의한 와전류 손실을 저감하는 것이 가능하고, 고속시의 철손실(iron-loss) 저감 효과가 커진다.

<실시예 2>

다음에 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예를 나타내는 가동 자석형 리니어 엑츄에이터로서, (a)는 그 평면도, (b)는 (a)의 B-B선을 따르는 정단면도이고, (a)는 (b)의 화 살표A의 방향으로부터 투시한 도에 상당한다.

도 2에 있어서 (16)은 코어이다.

제2 실시예가 제1 실시예와 다른 점은 이하와 같다.

즉, 고정자 베이스(2)에는, 이 베이스(2)에 배치된 코일(11)의 전체 길이와 동등의 길이로, 계자 영구자석(3)의 폭 치수와 동등의 치수를 가지는 오목부(2A)가 설치되고, 이 오목부(2A)에는 전기자부와 대향하도록, 가동자의 진행 방향과 직각 방향으로 얇은 판형상의 전자 강판을 적층하여 이루어지는 코어(core)(16)가 설치된 점이다.

또, 고정자 베이스(2)의 재질은 기본적으로는 철 등의 자성체를 이용하지만, 경량화를 도모하기 위해서 알루미늄 혹은 알루미늄 합금이 바람직하고, 그 외 티타늄(titanium) 혹은 티타늄 합금, 또는, 마그네슘 혹은 마그네슘 합금 등의 비자성 재료의 어느 것을 이용하여도 상관이 없다.

따라서, 본 실시예는 고정자 베이스(2)의 오목부(2A)에 얇은 판형상의 전자 강판을 적층하여 이루어지는 코어(16)를 전기자(1)와 대향하도록 매설하는 구성으로 하였으므로, 고정자부의 전기 저항이 커지고, 가동자인 계자 영구자석이 고정자 상을 이동하고, 계자 자속이 쇄교(interlinkage)하는 것에 의한 와전류(eddy current) 손실을 저감하는 것이 가능하고, 고속시의 철손실(iron-loss) 저감 효과를 크게 할 수가 있다.

<실시예 3>

다음에 본 발명의 제3 실시예를 설명한다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예를 나타내는 가동 자석형 리니어 엑츄에이터로서, (a)는 그 평면도, (b)는 (a)의 B-B선을 따르는 정단면도이고, (a)는 (b)의 화살표A의 방향으로부터 투시한 도에 상당한다.

도 3에 있어서 (5)는 냉매 도관이다.

제3 실시예가 제1 실시예와 다른 점은 이하와 같다.

즉, 고정자 베이스(2)로 냉매 도관(5)을 매설시킨 구조로 한 점이다.

제3 실시예는 고정자 베이스(2)에 냉매 도관(5)을 매설하는 구성으로 하였으므로, 냉매 도관(2)에 냉매 등을 흘려 강제 냉각을 함으로써, 고정자 1개소에 집약된 발열부를 효율 좋게 냉각하는 것이 가능하게 되어 액츄에이터의 냉각 성능을 향상할 수가 있다.

또, 본 실시예에서는 냉매 도관으로 교체하여 고정자 베이스(2)에 강제 액체 냉각용 쟈켓(jacket)을 매설한 구조로 하는 것도 가능하다.

본 발명의 가동 자석형 리니어 액츄에이터는, 자석과 전기자간의 자기 흡인력을 경감시키고, 고빈도 가감 속도 동작을 시키는 경우에도 리니어 가이드 수명의 문제를 해소할 수 있으므로, 고정밀도 및 고강성화가 요구되는 대형의 공작 기계, 반도체 제조 장치 등의 용도에도 적용할 수 있다.

Claims

전기자부를 고정자 측으로, 계자부를 가동자측으로 되도록 배치하고, 상기 고정자에 대한 상기 가동자의 슬라이딩 방향의 위치를 엔코더에 의해 검출하는 가동 자석형 리니어 액츄에이터에 있어서,

상기 고정자는, 고정자 베이스와, 상기 고정자 베이스에 고정되고 복수의 코일 군을 장착하여 이루어지는 전기자부와, 상기 전기자부의 양측을 샌드위치(sandwich)하도록 직선 형상으로 배치된 리니어 가이드 레일을 가지고 있고,

상기 가동자는, 상기 전기자부와 공극을 통해 대향 배치됨과 아울러 비자성의 자석 홀더에 보유된 계자 영구자석과, 상기 계자 영구자석의 배면에 공극을 통해 배치됨과 아울러 양단을 상기 고정자 베이스에 고정하여 이루어지는 자성 백요크로 이루어지는 계자부와, 상기 리니어 가이드 레일 상을 슬라이딩하도록 설치한 리니어 가이드 블록을 가지고 있고,

상기 엔코더는, 상기 자석 홀더의 측면에 배치되어 설치된 광학식의 리니어 스케일과 상기 리니어 스케일에 대향하고 한편 상기 고정자 베이스 측에 배치되어 설치됨과 아울러 상기 리니어 스케일을 검출하는 센서로 구성되는 광학식 엔코더인 것을 특징으로 하는 가동 자석형 리니어 액츄에이터.
제1항에 있어서,

상기 자성 백요크를 얇은 판형상의 적층 전자 강판에 의해 구성한 것을 특징 으로 하는 가동 자석형 리니어 액츄에이터.
제1항에 있어서,

상기 고정자는, 상기 전기자부와 대향하도록 상기 고정자 베이스의 내부에 매설됨과 아울러, 가동자의 진행 방향과 직각 방향으로 얇은 판형상의 전자 강판을 적층하여 이루어지는 코어를 설치한 것을 특징으로 하는 가동 자석형 리니어 액츄에이터.
제1항 또는 제3항에 있어서,

상기 고정자 베이스에 냉매 도관 혹은 강제 액체 냉각용 쟈켓을 매설시킨 구조로 한 것을 특징으로 하는 가동 자석형 리니어 액츄에이터.