| 【発明の名称】 |
リニアモータを用いた駆動装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】稲葉 善治
【氏名】伊藤 進
【氏名】方 榮鳳
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| 【要約】 |
【課題】リニアモータを用いた機械可動部をリニアモータで駆動する場合に加減速時に生じる直線方向の反力を駆動機構内部でキャンセルする。
【解決手段】両側に磁石板４８，５０が取り付けられた可動子フレーム４９には、機械可動部であるスクリュ１２が取り付けられている。磁石板４８，５０に対面して固定子４７、５１が設けられている。対面する磁石板４８，５０と固定子４７，５１で正方向駆動リニアモータを構成する。可動子フレーム４３の両側に磁石板４２，４４を固着し、これら磁石板４２，４４と対面する位置に固定子４１，４５を配置され、対面する磁石板４２、４４と固定子４１，４５で逆方向リニアモータを構成する。正、逆リニアモータの可動子フレーム４９と４３間に運動方向変換機構を連結する。可動子フレーム４９と４３は互いに逆方向に移動し、これによりモータ加減速時に発生する慣性力による反力をキャンセルしている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 リニアモータを用いて機械の可動部を直線運動させるための駆動機構であって、リニアモータで駆動される直線可動部材を少なくとも２以上設け、一方の直線可動部材を機械可動部に連結し、該一方の直線可動部材と他方の直線可動部材間を運動方向変換機構で連結し、前記一方の直線可動部材と他方の可動部材は互いに逆方向に移動するようにしたリニアモータを用いた駆動装置。
【請求項２】 １台以上のリニアモータで構成し、各リニアモータの固定子及び可動子を共に可動子移動方向に移動可能に機械ベースに取り付け、前記一方の直線可動部材を前記可動子又は固定子の一方とし、他方の直線可動部材を前記可動子又は固定子の他方とした請求項１記載のリニアモータを用いた駆動装置。
【請求項３】 前記一方の直線可動部材は１台以上の正方向駆動用リニアモータの可動子で構成し、前記他方の直線可動部材は前記正方向駆動用リニアモータの可動子の移動方向とは反対方向へ駆動される１台以上の逆方向駆動用リニアモータ可動子で構成している請求項１記載のリニアモータを用いた駆動装置。
【請求項４】 リニアモータ２台を１組とし、各組のリニアモータをそれぞれ対向して配置し、１以上の組を正方向駆動用リニアモータとし、残りの１以上の組を逆方向駆動用リニアモータとした請求項３記載のリニアモータを用いた駆動装置。
【請求項５】 リニアモータ２台を１組とし、各組のリニアモータをそれぞれ対向して配置し、正方向駆動用リニアモータの組、逆方向駆動用リニアモータの組、正方向駆動用リニアモータの組、あるいは、逆方向駆動用リニアモータの組、正方向駆動用リニアモータの組、逆方向駆動用リニアモータの組の順に配置したリニアモータを用いた請求項３記載のリニアモータを用いた駆動装置。
【請求項６】 前記運動方向変換機構の一方の直線可動部材側の連結点と他方の直線可動部材側の連結点との速度比は、前記一方の直線可動部材と共に移動する正方向移動部材の質量と他方の直線可動部材と共に移動する逆方向移動部材の質量比の逆比になっている請求項１乃至５の内１項記載のリニアモータを用いた駆動装置。
【請求項７】 前記運動方向変換機構機はリンク機構、ラック−ギア−ラック機構、てこ機構、ベルト機構の中の１つである請求項１乃至６の内１項記載のリニアモータを用いた駆動装置。
【請求項８】 前記運動方向変換機構機としてリンク機構を少なくとも１つ有しており、その、１つのリンク機構は３つのリンクから構成されている請求項１乃至６の内１項記載のリニアモータを用いた駆動装置。
【請求項９】 前記リニアモータの固定子または可動子の一方に励磁コイルが配設され、他方に磁石板が配設されている請求項１乃至６の内１項記載のリニアモータを用いた駆動装置。
【請求項１０】 前記機械は射出成形機である請求項１乃至８の内１項記載のリニアモータを用いた駆動装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械、産業機械、ロボット、射出成形機等の機械における可動部をリニアモータで駆動する駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】工作機械、産業機械、ロボット、射出成形機等の各種機械の直線移動する可動部の駆動源としては、従来、油圧装置や回転モータが用いられている。油圧装置を用いる場合、エネルギ効率が悪く、作動油が必要であり、制御性もあまりよくなかった。そこで、従来駆動源として油圧を多く用いられていたロボットや射出成形機においても、回転式の電気モータを駆動源として用いる場合が多くなって来ている。
【０００３】回転式の電気モータを用いた場合、エネルギ効率がよく、作動油を必要とせず、制御性もよいが、回転式モータの出力をボールネジ等の変換機構で直線運動に変換して機械可動部を駆動するようにしていることから、可動部の高速移動を得ることは難しい。例えば、超薄肉成形品を射出成形機で成形する場合、射出機構の駆動源に回転式電気モータを用いたときは高射出速度が得られず成形することが難しい。そのため、油圧式の超高速射出成形機を使用せざるを得ない。そこで、リニアモータを用いた電動式射出成形機も種々開発されている（特開平１１−５８４６８号公報参照）。しかし、実用化に至ったものは見あたらない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】機械の直線運動する可動部の駆動源に電気式であるリニアモータを用いれば、エネルギ効率がよく、制御もしやすく、かつ高速移動も可能であるが、モータの加減速時に大きな慣性力が機械に作用し、機械各部を破損させたり、制御特性を悪くするという問題がある。
【０００５】回転式モータで機械可動部を直線移動させる場合、回転式モータの回転運動をボールネジ等で直線運動に変換して可動部を駆動している。この場合、可動部の直線運動による慣性力は、モータ回転子とボールネジなどの回転による慣性力に比べ無視できる程度であり、モータの加減速時の主な反力はモータハウジングからモータが取り付けられた部材（機械ベース等）に加わる回転させようとする力である。このモータ取付部材を直線運動させようとする反力は小さい。そのため、例えば、射出成形機の射出機構の駆動源に回転式電気モータを用い、ボールネジ等を介してスクリュやプランジャを軸方向に駆動したとしても、直線方向の反力は小さい。モータを駆動してスクリュやプランジャを金型方向に駆動する際のモータの加減速時には、モータが取り付けられている射出ユニットにモータ加減速によって発生する反力が加わるが、この反力は小さいので、射出ユニットを後退させ、射出ユニットの加熱シリンダ先端であるノズルを金型から離脱させることや、逆に射出ユニットが前進ノズルが金型に大きな力で押され破損するようなことはない。
【０００６】しかし、このスクリュやプランジャ等の可動部の駆動源にリニアモータを用いた場合には、回転力で慣性力を受けるということがないので、リニアモータの大部分の推力は加減速時には慣性力として作用し、数tonfの直線運動の慣性力がリニアモータ取付部材に作用することになる。この慣性力により機械の一部を破損させる恐れがある。上述した射出機構の場合、ノズルが金型から離れたり、ノズルが金型に強圧され破損するという問題がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】機械の直線移動する可動部の駆動源としてリニアモータを使用するものにおいて、上記課題を解決するために、本発明は、リニアモータで駆動される直線可動部材を少なくとも２以上設け、一方の直線可動部材を機械可動部に連結し、該一方の直線可動部材と他方の直線可動部材間を運動方向変換機構で連結し、前記一方の直線可動部材と他方の可動部材は互いに逆方向に移動するようにした。特に、１台以上のリニアモータで構成し、各リニアモータの固定子及び可動子を共に可動子移動方向に移動可能に機械ベースに取り付け、前記一方の直線可動部材を前記可動子又は固定子の一方とし、他方の直線可動部材を前記可動子又は固定子の他方とした。又、前記一方の直線可動部材は１台以上の正方向駆動用リニアモータの可動子で構成し、前記他方の直線可動部材は前記正方向駆動用リニアモータの可動子の移動方向とは反対方向へ駆動される１台以上の逆方向駆動用リニアモータ可動子で構成するようにした。更に、リニアモータ２台を１組とし、各組のリニアモータをそれぞれ対向して配置し、１以上の組を正方向駆動用リニアモータとし、残りの１以上の組を逆方向駆動用リニアモータとした。その組み合わせも、リニアモータ２台を１組とし、各組のリニアモータをそれぞれ対向して配置し、正方向駆動用リニアモータの組、逆方向駆動用リニアモータの組、正方向駆動用リニアモータの組、あるいは、逆方向駆動用リニアモータの組、正方向駆動用リニアモータの組、逆方向駆動用リニアモータの組の順に配置するようにした。
【０００８】又、前記運動方向変換機構の一方の直線可動部材側の連結点と他方の直線可動部材側の連結点との速度比を、前記一方の直線可動部材と共に移動する正方向移動部材の質量と他方の直線可動部材と共に移動する逆方向移動部材の質量比の逆比になるように構成した。又、この運動方向変換機構機の構成を、リンク機構、ラック−ギア−ラック機構、てこ機構、ベルト機構のいずれかで構成した。特に、リンク機構で構成する場合には、３つのリンクから構成する。なお、前記リニアモータの固定子または可動子の一方に励磁コイルが配設され、他方に磁石板を配設し、励磁コイル、磁石板の配設側を固定子側、可動子側どちら側でも良いものとした。特に、前記機械を射出成形機とした。
【０００９】
【発明の実施の形態】直線移動する機械可動部として射出成形機のスクリュを例にとり、以下、本発明のリニアモータを用いた駆動機構の実施の形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における射出部構造の説明図である。射出ユニットフレーム（図示せず）に固定された射出シリンダ１１内には射出スクリュ１２が嵌装され、該射出スクリュ１２の軸１３はベアリングブロック２０で回転自在で軸方向移動不能に軸支されている。該ベアリングブロック２０にはロードセル２１を介して第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９が固着されている。スクリュ回転軸１３は該第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９を貫通しており、その後端部にはスプライン加工が施され、ベルトプーリ８２がスプライン結合している。該ベルトプーリ８２はタイミングベルト８１を介してスクリュ回転用モータ８０によって駆動される。なお８３はベルトプーリ支持用ベアリングであり、このベルトプーリ支持用ベアリング８３及びスクリュ回転用モータ８０は射出ユニットフレームに固定されている。
【００１０】第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９の両側には第１の正方向駆動リニアモータの可動子の磁石板４８，第２の正方向駆動リニアモータの可動子の磁石板５０が固着されている。該第１の正方向駆動リニアモータの可動子の磁石板４８、第２の正方向駆動リニアモータの可動子の磁石板５０には、それぞれ対面して第１の正方向駆動リニアモータの固定子４７、第２の正方向駆動リニアモータの固定子５１が配置されている。これら固定子４７，５１には励磁コイルが配設され射出ユニットフレームに固着されている。この、第１の正方向駆動リニアモータの可動子の磁石板４８と第１の正方向駆動リニアモータの固定子４７によって第１の正方向駆動リニアモータを構成し、第２の正方向駆動リニアモータの可動子の磁石板５０と第２の正方向駆動リニアモータの固定子５１で、第２の正方向駆動リニアモータを構成している。そして、可動子フレーム４９は磁石板４８，５０を連結し、共通の可動子を形成して、本実施形態における直線可動部材を形成している。
【００１１】第１の正方向駆動リニアモータの固定子４７は、射出ユニットフレームに固定された固定子固定板４６に固着されており、この固定子固定板４６の反対側面には、第２の逆方向駆動リニアモータの固定子４５が固定されている。該第２の逆方向駆動リニアモータの固定子４５に対して、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子の磁石板４４が対面している。この第２の逆方向駆動リニアモータの固定子４５と第２の逆方向駆動リニアモータの可動子の磁石板４４で第２の逆方向駆動リニアモータを構成している。前記磁石板４４は、第１、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子を構成するフレーム４３の一方の面に設けられており、この可動子フレーム４３の他方の面には、第１の逆方向駆動リニアモータの可動子の磁石板４２が固定されている。該第１の逆方向駆動リニアモータの可動子の磁石板４２に対面して第１の逆方向駆動リニアモータの固定子４１が配置され、該固定子４１は射出ユニットフレームに固定されている。この、固定子４１と磁石板４２によって第１の逆方向駆動リニアモータを構成している。可動子フレーム４３は、第１、第２の逆方向駆動リニアモータの磁石板４２，４４を連結し共通の可動子として直線可動部材を構成している。
【００１２】第１、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム４３と、第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９は運動方向変換機構６０で連結されている。なお、可動子フレーム４３、可動子フレーム４９とそれぞれ一体的に移動する部材にこの運動方向変換機構６０を連結してもよい。運動方向変換機構６０は３つのリンク６６，６７，６８とリンクピン６１，６２，６３，６４，６５で構成されている。射出ユニットフレームに固定されたリンクピン６３を中心に概略対称形状になっており、リンクピン６３に回動自在に取り付けられたリンク６７の両端に設けられたリンクピン６２，６４にはそれぞれリンク６６，６８が回動自在に軸支されている。又リンク６６，６８の他端は、第１、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム４３、第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９に設けられたリンクピン６１，６５にそれぞれ回動自在に軸支されている。
【００１３】図２（ａ）〜（ｃ）は、この第１の実施形態における動作状態を示す図である。図２（ａ）は図１と同様に射出スクリュー１２がストロークの中間位置にある時の状態を示している。樹脂の計量混練りのために射出スクリュ１２を回転させる場合には、スクリュ回転用モータ８０を駆動しタイミングベルト８１、ベルトプーリ８２を介してスプライン結合されているスクリュ回転軸１３を駆動し、射出スクリュ１２を回転させる。
【００１４】又、射出時の場合には、各リニアモータを駆動して、射出スクリュ１２を前進（図２において左方向）させるが、第１の逆方向駆動リニアモータ及び第２の逆方向駆動リニアモータを逆方向に駆動し、可動子フレーム４３を図２（ｂ）に示すように後退（図２において右方向）させ、かつ、第１の正方向駆動リニアモータ及び第２の正方向駆動リニアモータを正方向に駆動して、図２（ｂ）に示すように、可動子フレーム４９を前進させ、ベアリングブロック２０を介して射出スクリュ１２を前進させて射出を行う。この場合、第１、第２の逆方向駆動リニアモータによる可動子フレーム４３を後退させる推力は、運動変換機構６０の各リンクを介して、第１，第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９を前進させる推力となり、射出スクリュ１２は、第１、第２の正方向駆動リニアモータ及び、第１、第２の逆方向駆動リニアモータの４つのモータの推力によって駆動されることになる。
【００１５】又、図２（ｃ）は、図２（ｂ）の状態とは逆方向に正方向駆動リニアモータ及び逆方向駆動リニアモータを駆動したときの状態を示す図である。通常、計量混練り工程で射出スクリュ１２が回転され、樹脂が混練りされて溶融し、この溶融圧によって射出スクリュ１２は後退方向に力を受けるが、各リニアモータによって射出スクリュ１２を前進させる方向に設定背圧を与え、溶融樹脂圧が設定背圧以上となることにより射出スクリュ１２は後退する。そして、設定計量位置に達し、図２（ｃ）のような状態から、図２（ｂ）の状態になるように各リニアモータを駆動することによって射出を行う。
【００１６】以上の通り、第１、第２の正方向駆動リニアモータで駆動される可動子フレーム４９の直線可動部材と、第１、第２の逆方向駆動リニアモータで駆動される可動子フレーム４３の直線可動部材は、互いに逆方向に駆動されるものである。以下、正方向駆動リニアモータで駆動される可動子フレーム４９と該可動子フレーム４９と共に移動する磁石板４８，５０、射出スクリュ１２，スクリュ回転軸１３、ベアリングブロック２０、ロードセル２１等を正方向移動部材という。又、逆方向駆動リニアモータで駆動される可動子フレーム４３と該可動子フレーム４３共に移動する磁石板４２，４４等を逆方向移動部材という。
【００１７】図３は、運動方向変換機構６０の説明図である。図３に示すように、リンクピン６５とリンクピン６４中心軸間の距離をｒ、リンクピン６３とリンクピン６４の中心軸間の距離をL、リンクピン６３とリンクピン６２の中心軸間の距離をｋL、リンクピン６１とリンクピン６２の中心軸間の距離をｋｒとし、リンクピン６３とリンクピン６５の中心軸をそれぞれ通りスクリュ回転軸１３の軸心と並行な線間の距離をｈ、リンクピン６３とリンクピン６１の中心軸をそれぞれ通りスクリュ回転軸１３の軸心と並行な線間の距離をｋｈとする。なお、ｋは比例係数である。
【００１８】そして、各リニアモータが駆動され、図３（ａ）の状態からリンクピン６５がｘ１変位し、リンクピン６１がｘ２変位して図３（ｂ）となったとする。のときの各変位ｘ１，ｘ２は次のようになる。
ｘ１＝Lsinθ＋(ｒ2−(Lcosθ−ｈ)2)1/2−(ｒ2−(L−ｈ)2)1/2ｘ２＝ｋLsinθ＋(ｋ2ｒ2−(ｋLcosθ−ｋｈ)2)1/2−(ｋ2ｒ2−(ｋL−ｋｈ)2)1/2＝ｋ｛Lsinθ＋(ｒ2−(Lcosθ−ｈ)2)1/2−(ｒ2−(L−ｈ)2)1/2｝＝ｋｘ１となる。つまり、変位ｘ２とｘ１は比例係数ｋで比例する線形関係にあることを意味する。これは、このｋの値をリンクピン６５と共に移動する正方向移動部材の等価全質量ｍ１とリンクピン６１と共に移動する逆方向移動部材の等価全質量ｍ２の比とすることで、加減速時の慣性力から生じる反力をキャンセルすることができる。
【００１９】即ち、ｋ＝ｍ１／ｍ２＝ｘ２／ｘ１よって、ｍ１・ｘ１＝ｍ２・ｘ２ここで、ｘ１，ｘ２を加速度とみれば、ｍ１・ｘ１は正方向移動部材の慣性力であり、ｍ２・ｘ２は逆方向移動部材の慣性力である。この正、逆の慣性力が等しいということは、互いに慣性力がうち消され、射出ユニットフレームには加減速時の反力が加わらないことを意味する。又、ｘ１，ｘ２を速度とみれば、正方向移動部材の速度と逆方向移動部材の速度の比（ｘ１／ｘ２）を正方向移動部材と逆方向移動部材の質量の逆比（ｍ２／ｍ１＝１／ｋ）とするようにすればよいことを意味する。
【００２０】以上のことから、正方向移動部材及び逆方向移動部材のそれぞれの全質量ｍ１、ｍ２と、リンク６７を枢着するリンクピン６３の位置を調整することによって上記比例係数ｋを調整して、ｋ＝ｍ１／ｍ２とすればよい。
【００２１】又、本実施形態では、リンクピン６３とリンクピン６５の中心軸をそれぞれ通りスクリュ回転軸１３の軸心と並行な線間の距離ｈよりリンクピン６３とリンクピン６４の中心軸間の距離Lが少し大きくなるようにしている。これにより、各リニアモータの駆動による推力がリンクピン６１，リンクピン６５に加わった場合に発生する垂直方向の力の最大値を最小化しているものである。
【００２２】図４は、この運動方向変換機構６０における前進動作、後退動作による可動部であるスクリュの全ストローク状態を表す説明図で、図４（ａ）は前進最大位置の状態を示し、図４（ｅ）は後退最大位置を示す状態を示す。図４（ａ）、（ｅ）に示すこのストロークの両端とすると、図４（ｃ）に示すストロークの中央で、リンク６６，リンク６８とリニアモータの推力方向（図４において水平方向）となす角度が等しい値で最大となる。即ち、この運動方向変換機構６０のリンク機構は、リンク６６、リンク６８とリニアモータの推力方向との角度の最大値を最小化するようになっている。
【００２３】上述した実施形態では、可動子側に磁石板を取り付け、固定子側に励磁コイルを配置するようにしたが、逆に、固定子側に磁石板を配置し、可動子側に励磁コイルを配置しても良い。又、上述した実施形態では、リニアモータの可動子を中心に配置し、その両側に固定子を配置して、可動子を共用する２つのリニアモータを２組設け、一方の組の可動子を機械可動部であるスクリュを駆動する直線可動部材とし、この直線可動部材と共に移動する部材を正方向移動部材としている。又、この正方向移動部材とは逆方向に移動する他方の組のリニアモータの可動子（直線可動部材）を含めた部材を逆方向移動部材としたものである。しかし、リニアモータの固定子も可動子も固定せず、長手方向（可動子の移動方向）に移動可能にベース（射出ユニットフレーム）に取り付け、固定子か可動子かの一方を正方向の直線可動部材とし、他方を逆方向の直線可動部材としてもよい。この例を第２の実施形態として図５に示す。
【００２４】射出シリンダ１１，射出スクリュ１２，スクリュ回転軸１３，ベアリングブロック２０，ロードセル２１、スクリュ回転用モータ８０，タイミングベルト８１，ベルトプーリ８２，ベルトプーリ支持用ベアリング８３は、図１に示した第１の実施形態と同一構成である。この第２の実施形態では、リニアモータ１台で構成し、その可動子側を正方向の直線可動部材（正方向移動部材）、固定子側を逆方向の直線可動部材（逆方向移動部材）としている。そして、この固定子と可動子間を運動方向変換機構６０で連結している。
【００２５】ベアリングブロック２０にロードセル２１を介して正方向移動部材を構成するリニアモータ可動子のフレーム３３が取り付けられている。該リニアモータ可動子のフレーム３３の中心部に設けられた孔にスクリュ回転軸１３が貫通している。このリニアモータ可動子のフレーム３３の長手方向の一方の面にはリニアモータ可動子の磁石板３２が取り付けられており、この磁石板３２に対面してリニアモータ固定子３１が配置されている。なお、リニアモータ固定子３１は固定子といっても、ベースである射出ユニットフレームに移動不能に固着されるのではなく、可動子であるリニアモータ可動子のフレーム３３の移動方向と並行に移動できるように射出ユニットフレームに摺動自在に取り付けられている。
【００２６】又、リニアモータ固定子３１とリニアモータ可動子のフレーム３３間（又はこれら固定子３１と一体的な部材とフレーム３３と一体的な部材間）は、運動方向変換機構６０で連結されている。この運動方向変換機構６０の構成は第１の実施形態で述べた構成と同一である。この実施形態においては、正方向移動部材は、スクリュ回転軸１３、射出スクリュ１２，ベアリングブロック２０，ロードセル２１，リニアモータ可動子のフレーム３３，リニアモータ可動子の磁石板３２等で構成され、逆方向移動部材はリニアモータ固定子３１で構成されている。この正方向移動部材の全質量ｍ１と逆方向移動部材の全質量ｍ２の比ｋによって、運動方向変換機構６０のリンクピン６１，リンクピン６２，リンクピン６３，リンクピン６４，リンクピン６５の配設位置が決められている点は、第１の実施形態と同様であるが、この第２の実施形態では、更に、リンクピン６５の配設位置が射出スクリュ１２の中心軸線、リニアモータの推力線との関係によって決められている。
【００２７】図６（ａ）は、この第２の実施形態における運動方向変換機構６０の拡大図である。リンクピン６５は射出スクリュ１２の中心軸線よりも下側（反リニアモータ固定子３１側）に配置されており、リニアモータ固定子３１とリニアモータ可動子の磁石板３２で構成されるリニアモータの推力線と射出スクリュ１２の中心軸線間の距離をａとすると、リンクピン６５は、射出スクリュ１２の中心軸線からａ／ｋ（ｋは前述した質量比）の距離の位置に配設されている。これによって、射出スクリュ１２の中心線付近に、正方向移動部材に加わるリニアモータの推力の合力が加わることになる。図６（ｂ）は、この合力の説明図で、リニアモータの推力をＦとすると、リンクピン６３とリンクピン６１間、及びリンクピン６３とリンクピン６５間の垂直方向の距離がそれぞれｋｈ、ｈであるから、リンクピン６５にはｋＦの力が加わる。一方、射出スクリュ１２の中心線からリニアモータの推力線までの距離をａ、リンクピン６５の中心までの距離をａ／ｋとしているから、射出スクリュ１２の中心線近傍にリニアモータの推力の合力（１＋ｋ）Ｆが発生することになる。
【００２８】この第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、射出シリンダ１１、リンクピン６３、ベルトプーリ支持用ベアリング８３はベースである射出ユニットフレームに固定されており、スクリュ回転用モータ８０を駆動することによって、タイミングベルト８１，ベルトプーリ８２及びベルトプーリ８２とスクリュ回転軸１３のスプライン結合を介して、スクリュ回転軸１３及び射出スクリュ１２を回転させる。又、リニアモータ固定子３１とリニアモータ可動子の磁石板３２で構成されるリニアモータの駆動によって、リニアモータ固定子３１とリニアモータ可動子のフレーム３３は互いに逆方向に移動し、射出スクリュ１２を前後進させる。図５（ｂ）は、射出スクリュ１２を前進させたときの状態を示し、正方向移動部材であるリニアモータ可動子のフレーム３３及び射出スクリュ１２は前進（図５において左方向）し、逆方向移動部材であるリニアモータ固定子３１は後退している。又、図５（ｃ）は、射出スクリュ１２を後退させるようにリニアモータを駆動したときの状態を示し、リニアモータ固定子３１が前進し、リニアモータ可動子のフレーム３３，射出スクリュ１２が後退している。
【００２９】上記第２の実施形態では、リニアモータを１台のみ設けたが、更にリニアモータを追加してもよい。例えば、射出スクリュ１２の中心軸線と対称リニアモータを設けてもよい。図５におけるリニアモータ可動子のフレーム３３の下側にも磁石板を設け、かつこの磁石板と対面して固定子を摺動自在に配置して、リニアモータを構成してもよい。さらには、複数のリニアモータを設け各リニアモータの可動子を連結しロードセル２１を介してベアリングブロック２０に結合するようにし、かつ各リニアモータの固定子は、摺動自在に射出ユニットフレーム（ベース）に取り付けるようにすればよい。なお、これらの場合にも、スクリューと共に移動する正方向移動部材側の部材の全質量と逆方向移動部材側の全固定子の全質量の比ｋによって、運動方向変換機構６０のピン位置等を設計することは上記実施形態で述べた通りである。なお、前述した第２の実施形態では、可動子側に機械可動部である射出スクリュ１２を取り付けたが、この第２の実施形態では、固定子も可動子も共に移動するものであるから、固定子側に射出スクリュ１２を取り付けてもよいものである。即ち、リニアモータを構成するコイル側、磁石側のどちらの側に機械可動部を取り付けてもよいものである。
【００３０】図７は、本発明の第３の実施形態の説明図である。この第３の実施形態では、スクリュ中心軸線に対して対称にリニアモータが配設されているものである。射出シリンダ１１、射出スクリュ１２，スクリュ回転軸１３，ベアリングブロック２０，ロードセル２１，第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９，スクリュ回転用モータ８０，タイミングベルト８１，ベルトプーリ８２，ベルトプーリ支持用ベアリング８３の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様である。
【００３１】第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９の一方の面には第１の正方向駆動リニアモータの可動子の磁石板４８がとりつけられ、該磁石板４８と対面して固定子固定板４６に取り付けられた第１の正方向駆動リニアモータの固定子４７が配置され、第１の正方向駆動のリニアモータを構成している。又、固定子固定板４６の反対側の面には第１の逆方向駆動リニアモータの固定子４１が取り付けられこの第１の逆方向駆動リニアモータの固定子４１に対面して、第１の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム５２に取り付けられた第１の逆方向駆動リニアモータの可動子の磁石板４２が配置されている。この第１の逆方向駆動リニアモータの固定子４１と可動子の磁石板４２によって第１の逆方向駆動のリニアモータを構成している。
【００３２】更に、第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９の他方の面には、第２の正方向駆動リニアモータの可動子の磁石板５０が取り付けられ、該磁石板５０に対して固定子固定板５３に固着された第２の正方向駆動リニアモータの可動子の固定子５１が対面するよう配置され、第２の正方向駆動のリニアモータを構成している。固定子固定板５３の反対側面には、第２の逆方向駆動リニアモータの固定子５４が設けられ、該固定子５４に対して第２の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム５６に取り付けられた磁石板５５が対面するよう配置されている。この固定子５４と磁石板５５、可動子フレーム５６で第２の逆方向駆動のリニアモータを構成している。
【００３３】第１の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム５２と第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９間には運動方向変換機構６０が設けられ、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム５６と第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９間にも運動方向変換機構６０’が設けられている。なお、運動方向変換機構６０と運動方向変換機構６０’は同一構成であり運動方向変換機構６０’の詳細は省略する。この第３の実施形態においても、射出シリンダ１１、リンクピン６３，リンクピン６３’（リンクピン６３に対応する運動方向変換機構６０’のピン）、固定子固定板４６，固定子固定板５３，ベルトプーリ支持用ベアリング８３，スクリュ回転用モータ８０はベースである射出ユニットフレームに固定されている。又、スクリュ回転用モータ８０を駆動することによって、射出スクリュ１２を回転させる点も第１の実施形態と同一である。
【００３４】図７（ｂ）は、機械可動部である射出スクリュ１２を前進（図７中左方向）駆動させたときの状態を示し、射出スクリュ１２に連結された第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９は前進し、逆方向移動部材を構成する第１の逆方向駆動モータの磁石板４２，可動子フレーム５２及び第２の逆方向駆動モータの可動子フレーム５６，磁石板５５は後退している。又、図７（ｃ）は射出スクリュ１２が後退しているときの状態を示しており、第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９は後退し、第１の逆方向駆動リニアモータの可動子の磁石板４２，可動子フレーム５２，第２の逆方向駆動リニアモータの可動子の磁石板５５，可動子フレーム５６は前進している。
【００３５】この第３の実施形態においても、スクリュ１２と共に移動するスクリュ回転軸１３，ベアリングブロック２０、ロードセル２１，可動子フレーム４９，磁石板４８，５０で正方向移動部材が構成され、この正方向移動部材とは逆方向に移動する逆方向移動部材は、第１、第２逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム５２，５６，磁石板４２，５５で構成される。運動方向変換機構６０，運動方向変換機構６０’の構成を前述したように、スクリュと共に移動する正方向移動部材の質量と、それとは逆方向に移動する逆方向移動部材の質量の比ｋによって、各ピン位置等を構成しておく。これにより、正方向移動部材と逆方向移動部材の相対運動によって、可動部の加減速時の反力をキャンセルしている。
【００３６】図１に示した第１の実施形態においては、射出スクリュ１２の軸線方向の反力はキャンセルすることはできるが、射出ユニットを回転させるような反力は射出ユニットの支持部（図示せず）で受けざるを得ない。しかしこの第３の実施形態においては、射出スクリュ１２の中心軸に対して対称にリニアモータが配置されているから、この回転方向の反力もキャンセルさせることができる。
【００３７】この第３の実施形態と同様に、第１の実施形態において、射出スクリュ１２の中心軸線に対して対称に第３、第４の逆方向駆動リニアモータを加えて配設し、逆方向駆動リニアモータを４台としてもよい。即ち、図１において、第１の逆方向駆動リニアモータの固定子４１，第１の逆方向駆動リニアモータの可動子の磁石板４２，第１、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム４３，第２の逆方向駆動リニアモータの可動子の磁石板４４，第２の逆方向駆動リニアモータの固定子４５、固定子固定板４６を射出スクリュ１２の中心軸線に対して対称に下側に配置し、この下側に配置した、第３、第４の逆方向駆動リニアモータの可動子（第１、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム４３に対応するもの）と第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９間に運動方向変換機構６０’を設けるようにすればよい。
【００３８】図８は、本発明の第４の実施形態である。この第４の実施形態と第１の実施形態との相違点は、運動変換機構が相違するのみで、他の構成は第１の実施形態と同一である。即ちリンク機構からなる運動方向変換機構６０の代わりに、ラック−ギア−ラックからなる運動方向変換機構７０を設けたものである。ギア７１回転自在に軸支するギア軸７２は機械ベースである射出ユニットフレームに固定され、ギア７１に噛み合うラック７３，７４がそれぞれ第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９，第１、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム４３に固定されている。ギア７１のラック７４と噛み合っている部分のピッチ円半径とラック７３に噛み合っている部分のピッチ半径との比を正方向移動部材と逆方向移動部材の質量比とすることによって、この第４実施形態における射出スクリュ１２の移動方向への反力をキャンセルさせることができる。
【００３９】図８（ｂ）は、射出スクリュ１２を前進させた状態を表す図で、図８（ｃ）は射出スクリュ１２を後退させたときの状態を表す図である。
【００４０】図９は、本発明の第５の実施形態である。この第５の実施形態と第１図に示す第１の実施形態と相違する点は、リンク機構で構成された運動方向変換機構６０がプーリとベルト機構で構成された運動方向変換機構９０となっている点であり、他の構成は図１に示す第１の実施形態と同一である。運動方向変換機構９０を構成するスチールベルトプーリ９３を回転自在に軸支するスチールベルトプーリ軸９５及びスチールベルトプーリ９４を回転自在に軸支するスチールベルトプーリ軸９６は、射出ユニットフレームに固定されており、スチールベルトプーリ９３，スチールベルトプーリ９４は同一の構成で、それぞれ半径の異なる２つの半周面を備えている。スチールベルトプーリ９３の一方の半周面（図９では半径の小さい方の半周面）の一端にはスチールベルト９１の一端が固着され、スチールベルト９１はこの半周面の一部に沿い、かつ、スチールベルトプーリ９４の一方の半周面（図９では半径の小さい方の半周面）の一部に沿い、この半周面の一端に他方の端が固定されている。このスチールベルト９１は第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９に固定されたスチールベルト固定軸９７に固定されている。
【００４１】また、スチールベルトプーリ９３の他方の半周面（図９では半径の大きい方の半周面）の一端にはスチールベルト９２の一端が固着され、スチールベルト９２はこの半周面の一部に沿い、かつ、スチールベルトプーリ９４の他方の半周面（図９では半径の大きい方の半周面）の一部に沿い、この半周面の一端に他方の端が固定されている。このスチールベルト９２は第１、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム４３に固定されたスチールベルト固定軸９８に固定されている。
【００４２】スチールベルトプーリ９３とスチールベルトプーリ９４において、スチールベルト９２の回っている部分の半径（図９では大きい方の半径）とスチールベルト９１が回っている部分の半径（図９では小さい方の半径）の比を正方向移動部材と逆方向移動部材の質量比とすることによって、射出方向（射出スクリュ１２の軸方向）への反力をキャンセルすることができる。
【００４３】図９（ｂ）は、各リニアモータを駆動して射出スクリュ１２を前進させた状態を示し図９（ｃ）は、射出スクリュ１２を後退させたときの状態を示している。
【００４４】図１０は、本発明の第６の実施形態である。この第６の実施形態と第１図に示す第１の実施形態と相違する点は、リンク機構で構成された運動方向変換機構６０が、てこ構成された運動方向変換機構１００となっている点であり、他の構成は図１に示す第１の実施形態と同一である。
【００４５】てこ軸１０３，１０４は射出ユニットフレームに固着され、該てこ軸１０３，１０４にそれぞれてこ１０１，１０２が回動自在に取り付けらている。てこ１０１，１０２は同一形状に構成され、一方の面にカム面が形成されている。そしてカム面が形成された面が互いに対面するように前記てこ軸１０３，軸１０４にそれぞれ枢着されている。てこ１０１におけるてこ軸１０３の両側（図１０における上側、下側）に設けたカム面の一方の面（図１０における上側のカム面）には第１、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム４３に固定されているカムフォロア１０７が当接し、かつ他方の面（図１０における下側のカム面）には第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９に固定されたカムフォロア１０５が当接するように配置されている。又、てこ１０２におけるてこ軸１０４の両側に設けたカム面の一方の面（図１０における上側のカム面）には第１、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム４３に固定されているカムフォロア１０８が当接し、かつ他方の面（図１０における下側のカム面）には第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９に固定されたカムフォロア１０６が当接するように配置されている。
【００４６】図１０（ｂ）に示すように、射出スクリュ１２を前進させるように各リニアモータが駆動すると、カムフォロア１０７，カムフォロア１０８は第１、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム４３と共に後退し、カムフォロア１０８がてこ１０２をてこ軸１０４を中心に時計方向に駆動し、カムフォロア１０６を前進方向に駆動する。又、正方向駆動リニアモータの駆動によりカムフォロア１０５、１０６も駆動され前進する。このカムフォロア１０５の前進でてこ１０１をてこ軸１０３を中心に時計方向に回動させるが、カムフォロア１０７は第１，第２の逆方向リニアモータの駆動で該第１、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム４３と共に後退方向に駆動されているから、てこ１０１の回転を阻止することはなく、カムフォロア１０５，カムフォロア１０７は、てこ１０１のカム面に当接した状態を保持している。
【００４７】一方、各リニアモータが射出スクリュ１２を後退させる方向に駆動されたときは、図１０（ｃ）に示すように、第１、第２の逆方向駆動リニアモータの可動子フレーム４３が前進し、第１、第２の正方向駆動リニアモータの可動子フレーム４９が後退させられるから、カムフォロア１０７が、てこ１０１を反時計方向に駆動し、カムフォロア１０５を後退方向に駆動すると共に、第１、第２の正方向駆動リニアモータの駆動により可動子フレーム４９を後退方向に駆動する。又、カムフォロア１０６が後退してもカムフォロア１０８が前進するから、てこ１０２とカムフォロア１０６，カムフォロア１０８は当接した状態を常に保持する。
【００４８】この第６の実施形態においても、てこ軸１０３，てこ軸１０４からカムフォロア１０７，１０８とカムフォロア１０５，１０６との鉛直距離比を正方向移動部材と逆方向移動部材の質量比とすることによって、射出方向（射出スクリュ１２の軸方向）への反力をキャンセルすることができる。
【００４９】図１１は上記第６の実施形態で使用した、てこに関する説明図である。この図１１に示されるように、てこ１０２（てこ１０１）が回転しても、カムフォロア１０６，カムフォロア１０８（カムフォロア１０５，カムフォロア１０７）からの接触力の方向が変わらないように、てこ１０２（てこ１０１）のカム面が形成されているから、リニアモータの推力に垂直方向の力を発生しない。これにより可動部と可動部支持ガイドに不必要な力を与えることが防止できる。
【００５０】上述した各実施形態では、機械可動部を射出成形機のスクリュとして、該射出スクリュをリニアモータを用いて駆動する駆動装置の例を説明したが、工作機械、産業機械、ロボット等の各種機械の直線移動する可動部の駆動源とリニアモータを用いる際の駆動装置として本発明は適用できるものである。
【００５１】
【発明の効果】本発明は、リニアモータを用いて機械可動部を駆動する際に、モータの加減速時に生じる直線方向の反力を駆動機構内部でキャンセルするようにしたので、この駆動機構を備える機械に大きな力が加わらず、不用意な機械の破損を防止でき、機械の寿命を長くすることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】３９０００８２３５
【氏名又は名称】ファナック株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１０月２６日（１９９９．１０．２６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８２３０４
【弁理士】
【氏名又は名称】竹本 松司 （外４名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１２４１６９（Ｐ２００１−１２４１６９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月８日（２００１．５．８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３０４３０８ |
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