(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、等間隔で配列した固定子１３と、電機子コイル１５が巻かれた複数の歯を供える電機子コア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、前記板状ヨーク１１の両面に、前記複数の永久磁石１２を配列した後に、該永久磁石１２を着磁し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
2006054972.tif 000002
【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、着磁されたことを特徴とする工作機械用リニアモータ。
【請求項２】
板状ヨークの両面に、着磁されていない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を、該ヨークの面に垂直な方向であって隣り合う永久磁石と異なる向きに着磁する工程と
を含む、工作機械用リニアモータの固定子の製造方法。
【請求項３】
請求項１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。
【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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のリニアモータの製造においては、着磁した磁石を板状ヨークに配列していた。このため、その磁力等の影響によって、磁石が板状ヨーク上の所定の位置に収まらず、固定子の磁石列ピッチを安定的に等間隔に得ることが困難であった。これにより、リニアモータを組み込んだ工作機械において、位置ずれや、最終目標である高速で高精度な位置決めができないといった問題が発生している。さらに、従来のリニアモータの製造方法では、着磁した各々の磁石を固定子用ヨークに組付ける際の着磁済み磁石の扱いや、磁化方向の間違い防止、組付ける際の安全性など付帯する問題も多々発生している。
そこで本発明ではこれらの問題を解決し、より位置決め精度の高い工作機械用リニアモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、着磁されたことを特徴とするものである。
【０００８】
また、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、着磁されていない複数の同一形状の永久磁石を、等間隔で配列する工程と、配列された各永久磁石を、該ヨークの面に垂直な方向であって隣り合う永久磁石と異なる向きに着磁する工程とを含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、着磁されていない状態の磁石をヨーク上に配列するため、固定子の磁石列ピッチが安定的に等間隔になっており、特性が良好で生産性の高い工作機械用リニアモータが提供される。また、本発明の方法によれば、着磁した磁石を扱うことなく、その磁力等の影響による所定の位置ずれがなく、磁化方向の間違いがなく、工作機械用リニアモータの固定子を製造することができる。また、磁石のヨークへの組付け、および各磁石への着磁に要する時間が大幅に減り、上記のような特性を有する工作機械用リニアモータの量産が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。なお、本発明は図中に示された部材の縮尺や数に限定されるものではない。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。本発明においては、永久磁石１２は、板状ヨーク１１に配列させる前には磁化されていない状態のものである。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よく、さらに、永久磁石１２の表面が防錆用の表面処理剤で処理されていてもよい。
【００１５】
固定子１３において、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。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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。なお、可動子１６は、固定子１３の両側に１つずつ配置される。
【００１９】
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。
【００２０】
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、着磁されていない複数の同一形状の永久磁石１２を、等間隔で配列する工程と、配列された各永久磁石１２を、該ヨーク１１の面に垂直な方向であって隣り合う永久磁石１２と異なる向きに着磁する工程とを含む。
【００２１】
配列する工程では、着磁されていない永久磁石１２を板状ヨーク１１に積層し、接着剤等を介して固着させる。このとき、磁石列ピッチ７を安定的に等間隔にするように積層する。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。着磁されていない永久磁石１２を用いることにより、磁石列ピッチを安定的に等間隔にすることができないという問題を解決して、板状ヨーク１１に等間隔状態に永久磁石１２を配置することができる。
【００２２】
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。
【００２３】
着磁する工程では、ヨーク１１に着磁されていない永久磁石１２が配置された固定子１３の状態で、着磁機を用いて着磁することができる。磁化方向が、板状ヨーク１１の磁石列１７が固着された面に垂直な方向であって、磁化の向きが異なる永久磁石１２が、ヨーク１１の長手方向に沿って交互に配列されるように着磁する。図１に示す構成を有する固定子１３を着磁する場合には、片側づつ着磁してもよく、両面同時に着磁してもよい。
【００２４】
着磁機においては、パルス電源、高周波電源等を用いて、所望の着磁電流を選択することができる。５０００〜２００００Ａの着磁電流とすることが好ましい。なお、着磁の条件等は磁石の種類や寸法、着磁装置の性能によっても異なる。例えば、着磁コイルの長さやピッチは磁石列の形態に応じて変えて使用し、着磁コイルの大きさで着磁電流も代えて調節することができる。そのような条件は当業者であれば必要に応じて決定することができる。
【実施例】
【００２５】
本発明の工作機械用リニアモータ１０を作製した。用いた永久磁石１２はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ焼結磁石（信越化学製Ｎ４８Ｈ、Ｂｒ＝１．３５Ｔ，ｉＨｃ＝１２７３ｋＡ／ｍ）であった。磁石寸法は１００ｍｍ、巾１８ｍｍ、厚み５ｍｍであった。鉄ヨーク１１（材質Ｓ５０Ｃ、寸法：長さ５５０ｍｍ、巾１１６ｍｍ、厚み１９ｍｍ）に、磁化されていない状態の先の永久磁石１２を固定し、鉄ヨーク１の裏面にも同永久磁石１２を２５ｍｍの等ピッチに組付け、磁石押さえ用のプレートをその両端に固定して、固定子１３を製作した。図２に、実施例で作製したリニアモータ１０の固定子１３を構成する部材の概観図を示す。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。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。
【００２６】
この固定子１３を、磁石極性ピッチ４周期分の２０ｃｍを１回当たりの着磁ピッチとし、専用着磁コイルを備えたパルス着磁機（ニチコン製、パルス着磁装置）を用いて１３０００Ａでフル着磁した。全長では３回に分けて着磁した。なお、磁石の磁化方向は厚み方向、すなわち鉄ヨーク１１の磁石固着面に垂直な方向とした。着磁した磁気回路（図３）を固定子１３として、図１の構成を備えるリニアモータ１０に組込んだ。
【００２７】
比較例として、ヨークに配列する前に着磁した磁石（着磁条件は実施例と同じ）をすり込み治具で滑らせながらすり込み、位置調整し、そのまま磁石の吸引力でバックヨークに圧着させながら室温硬化させた。このバックヨークの長手方向に沿って、磁化の向きが反対の磁石を等ピッチに交互に組付け、さらに裏面にも同様に磁石を組付けた。そして、実施例と同じ可動子を組み込んで、工作機械用リニアモータを作成した。
【００２８】
実施例及び比較例の工作機械用リニアモータについて、固定子１３の表面、裏面それぞれの磁石面から３ｍｍ上の固定子厚み方向の表面磁場分布を、ホール素子を固定子の軸長さ方向に移動して測定した。その表面磁場測定結果を図４、５に示す。図４はヨークに固着した後、着磁した固定子の表面磁場分布である。図５は従来の着磁した磁石をすり込んで作成した固定子の表面磁場分布である。配列した後に着磁した磁石を備える固定子でも十分に安定した磁場強度が得られ、生産ができた。また、実施例の工作機械用リニアモータ１０においては、比較例と比べて、固定子の磁石列ピッチを安定的に等間隔に得ることができた。
【００２９】
このリニアモータのコギングトルクを測定した結果を図６に示す。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。
【００３０】
測定は、製作したリニアモータ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、製作したリニアモータ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、可動子の位置と推力（ロードセルの指示値）の関係を測った。
【００３１】
図６に実施例と比較例で製作したリニアモータのコギングトルク測定結果を示す。その結果、比較例で発生していた磁石ピッチ等の誤差によるコギング波形の脈動を抑えることができた。さらにコギングの（最大値）−（最小値）は比較例２４Ｎが実施例では１９Ｎにまで抑えることができたので、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】
【００３２】
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】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態に係るリニアモータを説明する図である。
【図２】固定子を構成する部品を説明する図である。
【図３】固定子磁気回路の概観図である。
【図４】実施例により製作した固定子磁気回路の固定子軸長さ方向、磁石面３ｍｍ上の表面磁場分布を説明する図である。
【図５】比較例により製作した固定子磁気回路の固定子軸長さ方向、磁石面３ｍｍ上の表面磁場分布を説明する図である。
【図６】コギングトルクの測定結果を表す図である。
【図７】レーザ加工機を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
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】
2006054972.tif 000003
【図２】
2006054972.tif 000004
【図３】
2006054972.tif 000005
【図４】
2006054972.tif 000006
【図５】
2006054972.tif 000007
【図６】
2006054972.tif 000008
【図７】
2006054972.tif 000009