(57)【要約】【課題】  位置決め精度の高い工作機械用リニアモータを得ること。【解決手段】  板状ヨーク１１の両面に、該ヨーク１１の面に垂直な方向に磁化された複数の同一形状の永久磁石１２を、隣り合う永久磁石１２と磁化の向きが異なるように、可動子の移動方向に等間隔で配列した固定子１３と、電機子コイル１５が巻かれた電機子コア１４を、該電機子コイル１５の中心軸が前記永久磁石１２の磁化の方向と平行になるように、前記板状ヨーク１１の両面に設けられた各永久磁石１２の列にそれぞれ対向させて配置した一対の可動子１６とを含んでなる工作機械用リニアモータ１０であって、前記複数の永久磁石１２が前記板状ヨーク１１の両面に配列された後に、該永久磁石の露出面に表面処理膜が形成されたことを特徴とする工作機械用リニアモータ１０。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状ヨークの両面に、該ヨークの面に垂直な方向に磁化された複数の同一形状の永久磁石を、隣り合う永久磁石と磁化の向きが異なるように、可動子の移動方向に等間隔で配列した固定子と、
電機子コイルが巻かれた電機子コアを、該電機子コイルの中心軸が前記永久磁石の磁化の方向と平行になるように、前記板状ヨークの両面に設けられた各永久磁石の列にそれぞれ対向させて配置した一対の可動子と
を含んでなる工作機械用リニアモータであって、
前記複数の永久磁石が前記板状ヨークの両面に配列された後に形成された表面処理膜を、該永久磁石の露出面に有することを特徴とする工作機械用リニアモータ。
【請求項２】
前記表面処理膜の厚さが、１ｍｍ以下である請求項１に記載の工作機械用リニアモータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のリニアモータを三次元の移動機構に用いたレーザ加工機。
【請求項４】
板状ヨークの両面に、該ヨークの面に垂直な方向に磁化された複数の同一形状の永久磁石を、隣り合う永久磁石と磁化の向きが異なるように、可動子の移動方向に等間隔で配列する工程と、
配列された各永久磁石の露出面に、表面処理膜を形成する工程と
を含む、工作機械用リニアモータの固定子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械用リニアモータに関する。本発明は、特には、切削装置、フライス盤、マシニングセンター、レーザ加工機等の工作機械における駆動装置に用いられるリニアモータであって、その固定子が永久磁石型である工作機械用リニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工機は、半導体のワークなどを加工する装置として、従来から広く用いられている。図７は、従来技術によるレーザ加工機の一例を示す概念図である。図示するレーザ加工機によれば、フレーム１２１の上にテーブル１２２を備え、テーブル１２２の上に加工すべきワーク（図示せず）が置かれる。また、フレーム１２１の上方に、加工すべきワーク面に対して平行な座標面内のＸ軸方向に移動可能なＸ軸駆動装置１２３が取り付けられている。さらに、駆動装置１２３には取り付け部品を介してＹ軸方向に移動可能なＹ軸駆動装置１２４が、Ｙ軸駆動装置１２４にはＺ軸方向に移動可能なＺ軸駆動装置１２５が取り付けられ、Ｚ軸駆動装置１２５にはレーザ光を射出するトーチ１２６が取り付けられている。なお、図７において、駆動装置の配線や制御装置、レーザ光を伝達する部材は省略して表示されている。
【０００３】
このような構成を有するレーザ加工機では、図示しない制御装置でＸ軸駆動装置１２３とＹ軸駆動装置１２４を制御して、先端に取り付けられたトーチ１２６からのレーザ光をワークに当てながら所望の形状に切断する。また、レーザ光の焦点を合わせるために、Ｚ軸方向の駆動装置１２５でトーチ１２６とワークとの距離を制御する。このような構成を有する従来のレーザ加工機では、駆動装置を回転形のサーボモータとボールネジで構成したものが用いられていた。
【０００４】
しかし、回転形のサーボモータを用いた上記レーザ加工機では、高速で加工するには限界があり、早送り速度で２０ｍ／ｍｉｎ程度が限界となっていた。さらに、３ｍを超えるような長尺のワークになると、ボールネジのたわみなどから加工精度が落ちるという問題があった。そこで、駆動装置部分をリニアモータに置き換える検討を行ってきた。
【０００５】
リニアモータは、鉄板などの板状ヨークの上に、該ヨークの面に垂直な方向に磁化された複数の永久磁石を等ピッチで、交互に磁化の向きが異なるように取り付けた固定子と、この永久磁石列に対向するように配置された磁性体からなる電機子コア（磁性体コア）に電機子コイルを巻いた可動子から構成されている。工作機械は大きな推力を必要とするため、このようなリニアモータが好ましく用いられている。リニアモータにおいては、この電機子コイルに、位置に適合した電流を流して位置制御、速度制御等を行うが、この位置は、永久磁石が等ピッチの磁石列であることを前提に決定される。そのため、ピッチ誤差があると、高速で高精度な位置決めをすることが難しく、リニアモータの長所を十分に生かすことができないことがある。なお、ピッチ（磁石ピッチとも呼ぶ）は、可動子の移動方向において、永久磁石の巾と、永久磁石間の距離との和である。
【０００６】
特許文献１では、磁石およびスペーサを一括研磨することにより、それぞれ同一形状、同一寸法の部材が得られ、従って個体差が少ないために正確な送りが得られるリニアモータが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２８１７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
リニアモータに用いられる磁石は、その特性上、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ等の永久磁石を採用することが好ましい。しかし、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石はその添加元素に依存して酸化しやすいので、一般的に防錆用の表面処理が施される。磁石表面に施された防錆用の表面処理膜の厚さは、表面処理の方法によって差異はあるが、場合によっては、各磁石間で１００μｍオーダーの膜厚ばらつきを生じることさえある。この場合、特許文献１に開示された加工方法で同一形状、同一寸法の磁石やスペーサを揃えても、実際に固定子に組込む際には寸法が異なり、従って、等間隔な磁石列ピッチを安定的に得ることができない。これでは、個々のリニアモータやこのリニアモータを搭載した工作機械の個体差が生じ、同一の制御パラメータで、高速で高精度な位置決めができないという問題があった。本願発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明は、工作機械用リニアモータであって、板状ヨークの両面に、該ヨークの面に垂直な方向に磁化された複数の同一形状の永久磁石を、隣り合う永久磁石と磁化の向きが異なるように、可動子の移動方向に等間隔で配列した固定子と、電機子コイルが巻かれた電機子コアを、該電機子コイルの中心軸が前記永久磁石の磁化の方向と平行になるように、前記板状ヨークの両面に設けられた各永久磁石の列にそれぞれ対向させて配置した一対の可動子とを含んでなり、前記複数の永久磁石が前記板状ヨークの両面に配列された後に、該永久磁石の露出面に表面処理膜が形成されたことを特徴とする。
【０００９】
本発明は、別の局面によれば、工作機械用リニアモータの固定子の製造方法であって、板状ヨークの両面に、複数の同一形状の永久磁石を、可動子の移動方向に等間隔で配列する工程と、配列された各永久磁石の露出面に、表面処理膜を形成する工程とを含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、上記構成により、等間隔な磁石列ピッチを有する固定子を備える、低コストで生産性が良く、高速位置決め送りが可能な工作機械用リニアモータを提供することができる。かかる工作機械用リニアモータにおいては、先に磁石に表面処理膜を形成し、表面処理膜を形成した磁石をヨーク上に配列して得られた固定子において生じていた、成形膜厚のばらつきによる磁石ピッチ誤差が回避できる。また、上記構成とすることで、工作機械に固定子として配置、設置する際に、他の物品との衝突による打痕、傷を防止し、リニアモータとして移動中に、固定子の保護機能を持たせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明を図面を参照して詳細に説明する。図中、同じ部材には同じ符号を付して表した。
【００１２】
図１は、本発明の一実施の形態によるリニアモータ１０を、可動子移動方向に平行な面であって、ヨークの永久磁石固着面に垂直な面で切断した断面図である。かかるリニアモータ１０は、板状ヨーク１１と複数の永久磁石１２とから構成される固定子１３と、電機子コア１４と電機子コイル１５とから構成される可動子１６とを備える。
【００１３】
図示する固定子１３において、板状ヨーク１１の一つの面には、ヨーク１１の長手方向に沿って、複数の永久磁石１２が、同一のピッチで配列され、磁石列１７を形成している。
【００１４】
板状ヨーク１１は、可動子移動方向を長手方向とする板状の部材である。板状ヨーク１１の材質としては、特に一般的な磁性体を用いることができる。例えば低炭素鋼、ケイ素鋼鈑等が挙げられるが、これらには限定されない。なお、ヨーク１１は、一体形状、個々に分割された状態のいずれの形状としてもよい。分割された状態の場合は、工作機械にリニアモータとして組み付ける段階で組み立てることができる。
【００１５】
複数の永久磁石１２は、それぞれが同一の形状、寸法を備える板状の部材である。永久磁石１２の材質としては、Ｎｄ系、Ｓｍ系等の希土類系、フェライト系、アルニコ系などの永久磁石を用いることができる。本発明は、特に酸化されやすいＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を用いる場合に有効である。特に所望の組成なるように粉末冶金、急冷法により得られた磁石を用いることが好ましい。
【００１６】
各永久磁石１２は、通常、接着剤等を介して板状ヨーク１１に固着されている。そして、各永久磁石１２は、板状ヨーク１１の磁石を固着する面に垂直な方向に磁化されており、隣り合う永久磁石１２の磁化の向きは交互に異なっている。図１中に、各永久磁石１２の磁化の向きを矢印で示す。磁石ピッチは、可動子の電機子コア歯数と永久磁石の極数、さらに永久磁石の寸法や形状に合わせて適宜決定することができる。
【００１７】
さらに、板状ヨーク１１の他方の面にも、永久磁石１２が同様に配置されている。このとき、ヨーク１１の両面の磁石列１７はヨーク１１を挟んで重なり合うように向かい合っており、向かい合う２つの永久磁石１２は、磁化の向きが逆になっている。
【００１８】
このようにして配置された磁石列１７には、各永久磁石１２の露出面に表面処理膜が形成されている。表面処理膜の厚さは、１ｍｍ以下であることが好ましく、０ｍｍより大きく、０．５ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。成膜厚さが１ｍｍを越えると、永久磁石１２と可動子１６とのギャップと重なり、可動子１６の動作に影響を及ぼすためである。また膜厚の管理上、支障が出るためである。
【００１９】
表面処理膜は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エナメル等の合成樹脂や天然樹脂からなる耐熱性樹脂とすることができる。
【００２０】
固定子１３には、プレートをさらに備えてもよい。図２に、プレートを備える固定子を構成する部材を模式的に示す。プレート１８は、ヨーク１１の永久磁石１２が固着された面に、磁石列１７と平行に取り付けることができる。プレート１８により、永久磁石１２の固着位置が、ヨークの長手方向と垂直な方向にずれるのを防止することができる。図２に示す形態では、２本の磁石押さえプレート１８が、それぞれ各永久磁石１２の巾方向の面に接して、磁石列１７を挟むように配置され、螺子、ボルト、またはエポキシ樹脂等の耐熱樹脂材等で留められている。
【００２１】
可動子１６は、電機子コイル１５が巻かれた歯を複数備えてなる電機子コア１４により構成されている。可動子１６において、電機子コイル１５は複数設けられ、各々のコイル１５の中心軸が、可動子移動方向に沿って、平行になるように配列されている。電機子コア１４は、上記板状ヨーク１１と同様の磁性体から構成することができ、電機子コイル１５としては、銅線等を用いることができる。
【００２２】
そして、可動子１６は、複数の電機子コイル１５の中心軸が、上記板状ヨーク１１の磁石列１７固着面に垂直となるように、すなわち磁石の磁化方向に平行になるように、該磁石列１７との間に空隙を介して配置されている。磁石列１７と可動子１６との間隔は１ｍｍ程度とすることができる。なお、可動子１６は、固定子１３の両側に１つずつ配置される。
【００２３】
このような構成を備えるリニアモータ１０によれば、レーザ加工機の移動機構として用いたときに、正確かつ高速な位置決めが可能になる。
【００２４】
次に、本実施形態によるリニアモータ１０を、固定子１３の製造方法の側面から説明する。本実施形態によるリニアモータ１０の固定子１３の製造方法は、板状ヨーク１１の両面に、該ヨークの面に垂直な方向に磁化された複数の同一形状の永久磁石１２を、隣り合う永久磁石１２と磁化の向きが異なるように、可動子１６の移動方向に等間隔で配列する工程と、配列された各永久磁石１２の露出面に、表面処理膜を形成する工程とを含む。
【００２５】
配列する工程では、表面処理がされていない永久磁石１２を板状ヨーク１１に積層し、固着させる。このとき、磁石列ピッチを安定的に等間隔にするように積層する。このために、例えば、板状ヨーク１１を用い、板状ヨーク１１の磁石ピッチを規定する位置に各磁石間距離を一定にして距離間にずれがないように位置固定具等を使用して、永久磁石１２端面を合わせることで、精度良く位置決めを行うことができる。また、永久磁石１２の位置決めは、スペーサ方式、溝方式その他いずれの方式で行うこともできる。このような精確な位置決め方法は、表面処理されていない永久磁石１２を直接板状ヨーク１１に積層することにより可能となるものである。また、永久磁石１２を板状ヨーク１１に固着させるためには、例えば、接着剤を用いることができる。
【００２６】
好ましくは、配列する工程の後に、必要に応じて、磁石列１７の外側に磁石押さえのためのプレートを取り付ける工程を実施することもできる。プレートは、螺子、ボルト、またはエポキシ樹脂等の耐熱樹脂材等で板状ヨーク１１に固着することにより取り付けることができる。
【００２７】
表面処理膜を形成する工程では、表面処理材を、既に位置決めされ、板状ヨーク１１に固着された永久磁石１２の露出面に塗布する。具体的には、適切な表面処理材を刷毛やウエス等に染み込ませ、永久磁石１２の露出面に塗布することにより実施することができる。あるいはヘラ、ロール等で、表面処理材を永久磁石１２の露出面にコーティングすることもできる。また、表面処理されていない永久磁石１２が固着している板状ヨーク１１ごと表面処理材の溶液に浸漬することによって永久磁石１２に表面処理膜を形成してもよい。表面処理膜の形成においては、ヨーク１１の片側ずつあるいは両面（両側）同時にコーティングすることができる。プレートを備える固定子においては、永久磁石１２をヨーク１１に配列し、プレートを固定した後にコーティングを行うので、プレートと固着されている永久磁石１２の面は露出面とならず、表面処理されない場合もある。
【００２８】
表面処理材は、水系、溶剤系のいずれの表面処理材を用いてもよいが、金属を含有しないものが好ましい。例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エナメル等の合成樹脂や天然樹脂等が挙げられる。具体的には、シリコーンワニス（信越化学製ＫＲ２５５）、ウレタン系塗装（ＭＡＮＮＮＡ  ＴＥＣＨ製ＰＯＲ−１５）、エナメル塗料（日本ペイント製  ハイポン）、エポキシ塗料、松脂等を用いることができるが、これらには限定されない。さらに、鉱物系のグリースを用いることも可能である。表面処理材によっては必要に応じ乾燥させ、永久磁石１２の露出面に、表面処理膜を形成させることができる。
【００２９】
表面処理材は、固形状態で１ｍｍ以下となるようにコーティングすることが好ましく、０ｍｍより大きく、０．５ｍｍ以下となるようにコーティングすることがさらに好ましい。また、必要によって、コーティングした表面処理剤を加熱することもできる。
【００３０】
かかる固定子１３の製造方法によれば、各磁石への表面処理膜厚の差が、磁石ピッチに影響を与えることなく、等間隔なピッチの磁石列を形成することができ、位置決め精度の高いリニアモータを製造することができる。
【実施例】
【００３１】
材質Ｓ５０Ｃの鉄製ヨーク１１（長さ５５０ｍｍ×巾１１６ｍｍ×厚み１９ｍｍ）の両面に、表面処理をしていないＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結永久磁石１２（長さ１００ｍｍ×巾１８ｍｍ×厚み５ｍｍ）を、２０μｍの厚さで塗布した特殊ポリマー系接着剤を介して積層した。このとき、永久磁石１２は交互に異なる磁極が配置されるように、該可動子の移動方向に沿って、２５ｍｍの等ピッチで配列し、磁石押さえ用のプレートをその両端に固定した。次に、固定された永久磁石１２の露出面に、シリコーンワニス（信越化学製ＫＲ２５５）を刷毛により塗布することで、膜厚が２００μｍ程度の処理膜を形成した。そして、該永久磁石１２の対向面に、磁性体からなる可動コア４に銅線を巻きつけた可動子６を約１ｍｍの間隔を空けてとりつけて、リニアモータ１０を作製した。
【００３２】
図２に、実施例で作製したリニアモータ１０の固定子１３の組み立てを模式的に示す。固定子１３は、板状ヨーク１１とその両面に形成される磁石列１７と、磁石列１７に平行に磁石列を挟むようにして設けられる磁石押さえ用のプレート１８とから構成した。実施例で用いた永久磁石１２は表面処理がなされてないので、形成膜厚のバラツキを考慮する必要がなく、厳しい寸法公差の板状ヨーク１１を製作することができた。さらに永久磁石１２を板状ヨーク１１に組付ける際も磁石ピッチを規定する位置に永久磁石１２の端面を合わせるだけで、精度良く位置決めを行うことができた。また、図３に、永久磁石１２をヨーク１１表面に配列し、固着させた後の固定子１３の構成を模式的に示す。磁石列１７は、螺子で固定された２本のプレート１８で挟まれ、可動子移動方向に垂直な方向への永久磁石１２のずれが防止された。表面処理はこの状態で行った。
【００３３】
このようにして作製された本実施例によるリニアモータ１０について、室内放置３ケ月後の防錆を観察したが、表面状態は良好であった。
【００３４】
このリニアモータ１０のコギングトルクを測定した結果を図４に示す。コギングトルクの測定は、本実施例により作製されたリニアモータ１０と、評価用リニアモータを１ｋＮのロードセルを介して連結し、本実施例によるリニアモータ１０に電流を流さずに評価用リニアモータを動かし、測定ピッチ１ｍｍごとに止め、可動子６の位置と推力（ロードセルの指示値）との関係を測った。
【００３５】
比較例として、予め防錆処理（硬化厚が２０μｍのエポキシ塗装）を施した永久磁石を、ヨークに取り付けて組み立て、リニアモータを製造した。比較例のリニアモータのコギングトルクも図４に示す。なお、板状ヨーク、永久磁石、可動子は実施例と比較例とで同じものを使用した。
【００３６】
リニアモータのコギング力は、可動子が移動したときに進行方向またはその逆方向に周期的に働く力で、その周期は磁石のピッチになっている。磁石と電機子コアの各歯との間に発生する磁気吸引力の総和がコギング力であり、電機子コア内側の歯で発生する磁気吸引力は打ち消し合っているが、電機子の両端で発生する磁気吸引力がうまく打ち消し合わないために、磁石ピッチ周期のコギング力として現れる。
【００３７】
図４において、コギングの（最大値）−（最小値）は、比較例では３４Ｎであったが、実施例では１６Ｎにまで抑えることができた。さらに、磁石ピッチ等の誤差によるコギング波形の脈動も抑えることができ、位置や速度の制御も容易となり、リニアモータとしての高速位置決めが可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、切削装置、フライス盤、マシニングセンター、レーザ加工機等の工作機械の駆動装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のリニアモータを示す断面図である。
【図２】固定子の構成要素を模式的に表した概念図である。
【図３】組み立てられた固定子を模式的に表した概念図である。
【図４】実施例のリニアモータにおける可動子移動距離に対するコギング力と、比較例のリニアモータにおける可動子移動距離に対するコギング力との関係を示すグラフである。
【図５】駆動装置を備えた工作機械を概念的に示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  リニアモータ
１１  板状ヨーク
１２  永久磁石
１３  固定子
１４  電機子コア
１５  電機子コイル
１６  可動子
１７  磁石列
１８  プレート
１２１  フレーム
１２２  テーブル
１２３  Ｘ軸方向駆動装置
１２４  Ｙ軸方向駆動装置
１２５  Ｚ軸方向駆動装置
１２６  トーチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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