(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、前記板状ヨーク１１に溝２０が設けられており、該溝２０に前記永久磁石１２が固定されている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、
前記板状ヨークが複数の溝を有し、前記各永久磁石が該複数の溝に固定されていることを特徴とする工作機械用リニアモータ。
【請求項２】
前記可動子の移動方向における前記溝の巾が、前記各永久磁石の巾に対して、プラス０．１ｍｍ以下の公差を有する請求項１に記載の工作機械用リニアモータ。
【請求項３】
前記永久磁石の列の一端から他端に延び、各永久磁石の巾方向の少なくとも一方の面に接するプレートを、前記ヨークの面に備えてなる請求項１または２に記載の工作機械用リニアモータ。
【請求項４】
前記プレートが、前記永久磁石の列の一端と他端との相対位置のずれを１ｍｍ以内とするように、前記可動子の移動方向と平行に配される請求項３に記載の工作機械用リニアモータ。
【請求項５】
前記板状ヨークの溝が、各永久磁石間に位置する突起部により形成され、該突起部の巾が、前記永久磁石の巾に対し、１０〜７０％である請求項１〜４のいずれかに記載の工作機械用リニアモータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか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１１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１１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方法が記載されている。特許文献１の方法によれば、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。
【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】
特許文献１による方法を用いた場合、部材加工ロット内であればほぼ同一形状、同一寸法となるが、ロットが異なればその限りではない。従って安定的に固定子の磁石列ピッチを等間隔に得ることができず、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。さらに磁石やスペーサを組付ける際に僅かな異物混入や位置決め不良が発生すると、それらが積算されて最終的な位置ずれや、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する。
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】
【０００８】
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、前記板状ヨークが複数の溝を有し、前記各永久磁石が前記板状ヨークに設けられた該複数の溝に固定されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、上記溝の間または上に前記永久磁石を固定させて位置決めをすることにより、磁石列ピッチを等間隔にした固定子を備える、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ができる。また、本発明に係る工作機械用リニアモータによれば、好ましくは磁石列の両端を板状のプレートで固定したことにより、好ましくは磁石列の両端の位置公差を１ｍｍ以下に抑え、磁石端部の漏れ磁束のばらつきを解消して、高速位置決め送りを可能にした。
【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、複数の溝２０が形成された板状ヨーク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には、部材２１と板状ヨーク１１の磁石固着面とで形成された複数の溝２０が、等間隔で、ヨークの長手方向に沿って形成され、各溝２０には、永久磁石１２が固定され、磁石列１７を形成している。
【００１３】
図２に、固定子１３を構成する板状ヨーク１１、永久磁石１２、溝２０の概念図を示す。図２（Ａ）は、固定子１３を、可動子移動方向に平行であって、ヨーク１１の永久磁石１２固着面に垂直な面で切断した断面図である。図２（Ｂ）は、固定子１３を、図２（Ａ）中の矢印Ｘの方向から見た平面図である。固定子１３の板状ヨーク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、ＳＵＳ等が挙げられるが、これらには限定されない。
【００１４】
板状ヨーク１１には、複数の部材２１と板状ヨーク１１の磁石固着面とにより形成された複数の溝２０が設けられている。なお、部材２１は板状ヨーク１１の磁石固着面から突出しているため、突起部ともいう。複数の溝２０は、複数の永久磁石を平行に配置、位置決めするためのものである。溝２０の巾は、永久磁石１２の巾に対して、プラス０．１ｍｍ以内の公差を有することが好ましい。溝２０巾が永久磁石１２の巾よりもプラス０．１ｍｍより大きい場合は、永久磁石１２端面と溝２０に空隙ができ、永久磁石１２の位置が定まらず、スキューのばらつきの原因となり、リニアモータとしての高速位置決め送りが実現できない場合があるためである。溝２０の長さは、永久磁石１２の長さと同じとすることが好ましい。
【００１５】
溝２０は、可動子１６の移動方向に直角な向きである必要はなく、リニアモータの設計上、適度なスキュー角度（磁場ベクトルの角度）を最大１０度まで持たせて平行に配置することができる。隣り合う溝２０は、平行であって、その間隔は、各溝２０に永久磁石１２を配置したときに、所望の特性を得ることができる磁石ピッチが得られるように決定することができる。具体的には、磁石ピッチは可動子の電機子コア１４の歯数、永久磁石１２の極数、さらに永久磁石１２の寸法や形状に合わせて適宜決定され、これに合わせて溝２０の位置を決定する。このような溝２０は、リニアモータ１０の固定子１３を組み立てる前に、予め、板状ヨーク１１の永久磁石固着面に、磁性体材料からなる部材２１を取り付けて形成することができる。
【００１６】
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、特にエネルギー積の高い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い。
【００１７】
板状ヨーク１１に設けられた各溝２０には、永久磁石１２が埋め込まれ、通常、接着剤などを介して板状ヨーク１１に固着されている。図示する永久磁石１２は、その表面が溝２０から突出するように溝２０に差し込まれ、固定されている状態であるが、部材２１と永久磁石１２の表面とが同一平面状にある状態としてもよい。
【００１８】
そして、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。板状ヨーク１１を介して向かい合う２つの永久磁石１２は、磁化の向きが逆になっている。図１中に、各永久磁石１２の磁化の向きを矢印で示す。永久磁石１２は、板状ヨーク１１に固着される前に磁化されたものであってもよく、板状ヨーク１１に固着された後に着磁してもよい。さらに、溝を形成する突起部（図１の形態においては部材２１）の巾は、永久磁石巾の１０〜７０％とすることが好ましい。磁束を効率よく流し、推力を低下させないためである。
【００１９】
図１、２においては、板状ヨーク１１と板状ヨークと同じ磁性体の部材２１とにより、板状ヨーク１１表面に形成された溝２０を形成し、その中に永久磁石１２を挿入する形態の固定子１３について説明した。かかる形態は、作業性、加工性の点から好ましく用いられるが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。その他に、例えば、以下に示す形態が挙げられる。
【００２０】
図３（Ａ）は、別の実施形態による固定子１３ａを、可動子移動方向に平行であって、ヨーク１１の永久磁石１２固着面に垂直な面で切断した断面図である。図３（Ｂ）は、固定子１３ａを、図３（Ａ）中の矢印Ｘの向きから見た平面図である。かかる実施形態において、溝２０は、板状ヨーク１１に掘り込むことにより形成される。したがって、かかる実施形態においては、各永久磁石１２の間に位置するヨークの部分が突起部となる。溝２０は、永久磁石１２と同じ長さではなく、永久磁石１２をはめ込んだ後も溝２０の一端に空隙ができるような長さに形成される。これは、永久磁石１２端部の磁束漏れを改善し、後に説明するプレート付けを容易にし、磁石の位置合わせをより精確にするためである。この場合には、永久磁石１２を溝２０に固定した後、非磁性体（アルミ、ＳＵＳ、樹脂等）または磁性体のスペーサ２２で開口部を封印することができる。また、後述する図６に示すプレート１８と同様のプレートをあてがって、開口部を封印することもできる。さらに、図２と同様に両端が開口部となっている態様であっても、同様に両側から、スペーサやプレートなどで開口部を封印することができる。
【００２１】
図４（Ａ）は、また別の実施形態による固定子１３ｂを、可動子移動方向に平行であって、ヨーク１１の永久磁石１２固着面に垂直な面で切断した断面図である。図４（Ｂ）は、固定子１３ｂを、図４（Ａ）中の矢印Ｘの向きから見た平面図である。かかる実施形態において、溝２０は、板状ヨーク１１に掘り込むことにより形成される。そして、永久磁石１２を溝２０の寸法に合わせて加工し、永久磁石１２の凸部を溝に挿入するようにはめ込むことができる。この実施形態においては、隣り合う永久磁石１２間には間隙はなく、磁石間ピッチは磁石巾と同じになる。
【００２２】
図５（Ａ）は、さらに別の実施形態による固定子１３ｃを、可動子移動方向に平行であって、ヨーク１１の永久磁石１２固着面に垂直な面で切断した断面図である。図５（Ｂ）は、固定子１３ｃを、図５（Ａ）中の矢印Ｘの向きから見た平面図である。かかる実施形態において、溝２０は、板状ヨーク１１に掘り込み、かつ溝２０の中にも凹凸が形成されるように設けられる。そして、永久磁石１２を溝２０の寸法に合わせて加工し、永久磁石１２の凹部を溝２０中の凸部に挿入するようにはめ込むことができる。
【００２３】
図１に示す実施形態においては、前記永久磁石１２の列の一端から他端に延び、各永久磁石１２の巾方向の少なくとも一方の面に接するプレート（図示せず）を、前記ヨーク１１の面に備えてなる。図６に、固定子１３を構成する部材の概観図を示す。図６において、磁石押さえ用のプレート１８は、ヨーク１１の面に、ヨーク１１の長手方向に延びるように配される。そして、永久磁石の列１７の両側から、各永久磁石１２の巾方向の面に接して、磁石列１７を固定している。この板状プレート１８は螺子等で板状ヨーク１１に締結することができる。プレート１８が、固定子１３の磁石列１７全てを位置決めするので、ヨーク１１およびプレート１８の螺子穴１９位置やそれぞれの位置決め部の加工精度で、磁石列１７の両端位置が拘束されるような形状で固定される。
【００２４】
固定子１３の長さにも依存するが、磁石列１７における、一端の永久磁石１２と他端の永久磁石１２の相対位置のずれを１ｍｍ以内とすることが好ましい。この相対位置のずれを、図８に模式的に示す。相対位置のずれが１ｍｍより大きい場合は、磁石列１７の端部の漏れ磁束の影響で可動子１６の動きに不調を来たすこともある。なお、図８は、一端の永久磁石と他端の永久磁石との相対位置のずれを説明するために、相対位置のずれを強調して示す図面である。したがって、ずれの大きさの縮尺は図示するとおりではなく、また各永久磁石どうしの相対位置のずれは図示された形態に限定されるものではない。
【００２５】
プレート１８の材質は永久磁石１２の位置決め、保持に値するような強度で、加工しやすい、非磁性体を用いることができる。例えば、プレート１８の巾、厚みを小さくするために、アルミ、ステンレス材等の高強度の材料を用いることができるが、これには限定されない。また、プレート１８の板状ヨーク１１への固定には、エポキシ樹脂等の耐熱性樹脂を用いることができる。そのほかに、板状ヨーク１１にプレート１８を、ボルト等を用いて固定させることもできる。なお、図示する実施形態では、磁石列１７が二本のプレートで挟まれた状態であるが、一方のプレートのみで固定することもできる。
【００２６】
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。
【００２７】
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、すなわち永久磁石１２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。
【００２８】
このような構成を備えるリニアモータ１０は、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り、三次元の移動機構に有効である。
【実施例】
【００２９】
図２に示す形態の固定子１３を備えるリニアモータ１０を作製した。板状ヨーク１１としては、長さ５５０ｍｍ×巾１４０ｍｍ×高さ１９ｍｍの鉄ヨークを用いた。板状ヨーク１１には、巾１８ｍｍに対して、０．０４〜０．０７ｍｍのプラス公差を持ち、長さが永久磁石１２と同じである溝２０を、高さ１ｍｍの鉄製部材２１をヨーク１１の磁石固着面に固定することにより形成した。部材２１は板状ヨーク１１から突出して溝２０を構成する突起状部材であり、その巾は永久磁石の巾に対し、３９％である。溝２０は、磁石ピッチが２５ｍｍとなるように設けた。溝２０のスキュー設定は２度±０．３度とした。永久磁石１２は、磁石巾が１８±０．０３ｍｍ×長さ１００ｍｍ×高さ×５ｍｍのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を用いた。プレート１８は、巾２０ｍｍ、厚み５ｍｍ、長さ５４８ｍｍのアルミニウム製のものを用いた。
【００３０】
板状ヨーク１１の両面に形成した上記溝２０に、永久磁石１２を、部材２１表面から４ｍｍ露出するように配置した。そして、プレート１８を用いて、ヨーク１１の上下部分で永久磁石１２を固定するようにエポキシ樹脂で、ヨーク１１の両端を固定した。図７に、ヨーク１１に設けられた溝２０に永久磁石１２を配列し、固着させた後の固定子１３の構成を模式的に示す。さらに、磁性体コア及び該コアに銅線等のコイルを巻きつけて可動子１６として、上記固定子１３に取り付け、リニアモータ１０を作成した。
【００３１】
参考例として、溝巾が永久磁石の巾よりも最大プラス０．３ｍｍ大きいこと以外は実施例と同様にして、リニアモータを作製した。板状ヨークに設けた複数の溝巾の公差が０．１ｍｍを超えた場合は、永久磁石のスキューが一定せず、可動子の正確な位置決めがしづらかたった。さらに、比較例として、従来の方法を用いて、ヨークに溝を設けることなく、機械加工で製作したスペーサを挿入しながら固定子を製作し、リニアモータを製造した。この場合、特開２００２−２８１７２９号と同じようにスペーサを加工したが、可動子の移動距離２５０ｍｍのところから加工ロットが変わり０．３ｍｍの差が生じた。
【００３２】
本実施例により製作したリニアモータ１０のコギングトルクを測定した結果と、参考例によるリニアモータのコギングトルクを測定した結果を図９に示す。また、本実施例により製作したリニアモータ１０のコギングトルクを測定した結果と、比較例のリニアモータのコギングトルクとを図１０に示す。
【００３３】
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。実際のコギングトルク測定は、製作したリニアモータと評価用リニアモータを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）の関係を測り、固定子を連結した全域にわたって測定した。
【００３４】
その結果、本実施例によるリニアモータ１０では、図９の参考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、さらにコギングの（最大値）−（最小値）は参考例２４Ｎが実施例では１７Ｎにまで抑えることができた。図１０では比較例のリニアモータにおいてコギングの（最大値）−（最小値）が３０Ｎだったのに対し、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】
【００３５】
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】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係るリニアモータを説明する図である。
【図２】本発明の一実施形態による固定子の概念図を示す。図２（Ａ）は、固定子の断面図である。図２（Ｂ）は、固定子を、図２（Ａ）中の矢印Ｘの方向から見た平面図である。
【図３】本発明の別の実施形態による固定子の概念図を示す。図３（Ａ）は、固定子の断面図である。図３（Ｂ）は、固定子を、図３（Ａ）中の矢印Ｘの方向から見た平面図である。
【図４】本発明のまた別の実施形態による固定子の概念図を示す。図４（Ａ）は、固定子の断面図である。図４（Ｂ）は、固定子を、図４（Ａ）中の矢印Ｘの方向から見た平面図である。
【図５】本発明のさらに別の実施形態による固定子の概念図を示す。図５（Ａ）は、固定子の断面図である。図５（Ｂ）は、固定子を、図５（Ａ）中の矢印Ｘの方向から見た平面図である。
【図６】固定子列を構成する部品を説明する図である。
【図７】固定子磁気回路の概観図である。
【図８】磁石の位置のずれを説明する概念図である。
【図９】コギングトルクの測定結果を表す図である。
【図１０】コギングトルクの測定結果を表す図である。
【図１１】レーザ加工機を説明する概念図である。
【符号の説明】
【００３７】
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
１９  螺子穴
２０  溝
２１  溝を形成する部材
２２  スペーサ
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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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