JP2010041761A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】推力を向上させるための磁性体を設けたリニアモータにおいて、磁性体と軸部材との間に働く吸引力によって軸部材が撓むのを防止できるリニアモータを提供する。
【解決手段】リニアモータの軸部材１には、Ｎ極及びＳ極の磁極が軸線方向に交互に形成される。軸部材１の周囲を囲むコイルユニット３の外側及び内側の少なくとも一方には、推力を向上するための磁性体４，６が設けられる。コイルユニット３の内側と軸部材１の外側との間には、軸部材１がコイルユニット３に対して軸部材１の軸線方向に相対的に直線運動するのを案内するすべり軸受７が設けられる。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数のマグネットを有する軸部材が軸部材を囲むコイルに対して相対的に直線運動するリニアモータに関する。

リニアモータの一種として、Ｎ極及びＳ極が軸線方向に交互に形成される軸部材の周囲をコイルユニットで囲んだロッドタイプ（シャフトタイプと呼ばれることもある）のリニアモータが知られている（特許文献１参照）。軸部材には、複数のマグネットが収容される。コイルユニットはＵ，Ｖ，Ｗ相からなる三相コイルユニットを複数組み合わせてなる。コイルユニットに三相交流電流を流すと、軸部材の軸線方向に移動する移動磁界が発生する。軸部材は移動磁界により推力を得て、コイルユニットに対して軸部材の軸線方向に直線運動する。

軸部材をコイルユニットに対して相対的に直線運動させるとき、コイルユニットと軸部材との非接触の状態を保つ必要がある。コイルユニットと軸部材が接触すると、コイルの破損を招いたり、コイルの絶縁を保てなくなったりするからである。コイルユニット側には軸部材の直線運動を案内する軸受が設けられる。この軸受には、コイルユニットと軸部材との間に磁気的なすきまを確保できるような案内が要求される。従来のリニアモータにおいては、コイルユニットの軸線方向の両端部に軸部材が直線運動するのを案内する一対のすべり軸受が設けられていた。そして、コイルユニットの内側と軸部材の外側との間に磁気的なすきまとして空間を空けていた。

ところで、リニアモータは減速機を介することなく軸部材を直接直線運動させるという特質を有する。このリニアモータの特質上、リニアモータには推力を向上させることが要請され、特に小型のリニアモータほどこの要請が強い。リニアモータの推力を向上させる手法として、コイルユニットの外側に筒状の磁性体を配置することが行われている。軸部材のマグネットから半径方向に磁性体に向かう磁力線が形成されるので、マグネットに発生する磁力線をコイルユニットの巻線に直交させることができる。マグネットの磁力線をコイルユニットの巻線に直交させることができれば、推力が向上する。しかも、コイルユニットの外側に筒状の磁性体を配置することで、磁性体の外側の空気中に漏れる磁束を低減することができ、マグネットに発生する磁束を効率よくコイルユニットに作用させることができる。
特開２００７−９７２９５号公報

しかし、コイルユニットの外側に筒状の磁性体を配置すると、内部のマグネットの吸引力によって軸部材が磁性体に吸引されてしまう。軸部材はコイルユニットの両端部に設けられる一対のすべり軸受で支持されている。軸部材に働く吸引力が原因で一対のすべり軸受間の軸部材が撓んでしまう。軸部材が筒状の磁性体の中心線上に位置する限り、軸部材に働く吸引力のバランスが崩れないので、軸部材が撓むことはない。しかし、軸部材がすべり軸受内で片寄り、筒状の磁性体の中心線からずれると、軸部材に働く周方向の吸引力の不均衡が発生し、これが原因で軸部材が撓んでしまう。推力を上げようとコイルの数を多くし、一対のすべり軸受間のスパンを長くすればするほど、軸部材が撓みやすくなる。このような軸部材の撓みは、軸部材が直線運動するときにコイルユニットの内側に擦るおそれを生じさせたり、すべり軸受内での軸部材の円滑な動きを阻害したりする。

そこで、本発明は、推力を向上させるための磁性体を設けたリニアモータにおいて、磁性体と軸部材との間に働く吸引力によって軸部材が撓むのを防止できるリニアモータを提供することを目的とする。

ところで、ロッドタイプのリニアモータにおいては、コイルユニットの内部には軸部材が通されているので、コイルユニットの内部にコアが配置されることはなかった。したがって、ロッドタイプのリニアモータはコアレスのリニアモータであり、コア付のリニアモータほど推力を向上させることができないと考えられていた。

そこで本発明の他の目的は、コアレスのリニアモータであるにも係わらず、あたかもコア付のリニアモータのように推力を向上させることができるリニアモータを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、Ｎ極及びＳ極の磁極が軸線方向に交互に形成される軸部材と、前記軸部材の周囲を囲むコイルユニットと、前記コイルユニットの外側に設けられる外側磁性体、及び前記コイルユニットの内側に設けられる内側磁性体の少なくとも一方と、前記コイルユニットの内側と前記軸部材の外側との間に配置され、前記軸部材が前記コイルユニットに対して前記軸部材の軸線方向に相対的に直線運動するのを案内するすべり案内部と、を備えるリニアモータである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリニアモータにおいて、前記リニアモータは、前記コイルユニットの内側に前記内側磁性体を備え、前記すべり案内部は、前記内側磁性体の内側と前記軸部材の外側との間に配置されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のリニアモータにおいて、前記すべり案内部の内周面には、前記軸部材の外周面に接触する複数の突起が設けられることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のリニアモータにおいて、前記複数の突起は、前記すべり案内部の内周面を一周し、前記すべり案内部の軸線方向に並べられる複数の円周突起を含むことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、Ｎ極及びＳ極の磁極が軸線方向に交互に形成される軸部材と、前記軸部材の周囲を囲むコイルユニットと、前記コイルユニットの内側に設けられる内側磁性体と、を備え、前記軸部材のマグネットに発生する磁力と前記コイルユニットに流す電流とによって、前記軸部材が前記コイルユニットに対して相対的に直線運動するリニアモータである。

請求項６に記載の発明は、請求項２又は５に記載のリニアモータにおいて、前記内側磁性体は前記軸部材を囲む筒形状に形成されることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のリニアモータにおいて、前記コイルユニットは、前記軸部材の軸線方向に並べられる複数の相別コイルを有し、前記内側磁性体は、前記複数の相別コイルそれぞれの内側に設けられる分割磁性体を有することを特徴とする。

コイルユニットの内側と軸部材の外側との間にすべり案内部を介在させることで、吸引力によって軸部材が外側磁性体及び内側磁性体の少なくとも一方に引き付けられても、軸部材が撓むのを防止することができる。また、すべり案内部を介在させることで、コイルユニットと軸部材との間の磁気的なすきまをすべり軸受自体によって確保できる。したがって、磁気的なすきまを小さくできると同時に絶縁も確保することができる。

コイルユニットの内側に内側磁性体を配置することで、内側磁性体がコイルユニットの磁気回路の一部を形成するようになる。したがって、コアレスのコイルユニットでありながらあたかもコア付のコイルユニットのようにコイルユニットの磁束を向上させることができ、ひいてはリニアモータの推力を向上させることができる。

添付図面に基づいて本発明のリニアモータの一実施形態を詳細に説明する。
図１ないし図３は、本発明の第一の実施形態のリニアモータを示す。図１に示されるように、軸部材であるロッド１はハウジング２を貫通する。ロッド１は軸線方向に直交する断面が円形であり、棒状に細長く伸びる。ハウジング２の軸線方向に直交する断面は四角形である（図３参照）。ハウジング２もロッド１の軸線方向に細長く伸びる。ハウジング２の軸線方向の長さはロッド１の長さよりも短い。ロッド１には、軸線方向に交互にＮ極及びＳ極が形成されるよう複数のマグネットが収容される。ハウジング２には、ロッド１を囲むコイルユニット３が収容される。コイルユニット３は複数の相別コイル３ａ〜３ｃを軸線方向に重ねてなる。相別コイル３ａ〜３ｃはＵ相，Ｖ相及びＷ相のコイルからなる。Ｕ相，Ｖ相及びＷ相の三つのコイルで一組の三相コイルが構成される。複数の三相コイルをロッド１の軸線方向に重ねることでコイルユニット３が構成される。コイルユニット３に三相交流電流を流すと、ロッド１の軸線方向に移動磁界が発生し、ハウジング２に対してロッド１がその軸線方向に相対的に直線運動する。このリニアモータは、例えば電子部品を基板に実装する部品実装装置のヘッドに組み込まれる一軸のアクチュエータとして使用される。

図４に示されるように、ハウジング２には、コイルユニット３、外側磁性体であるアウタースリーブ４、内側磁性体であるインナースリーブ６、すべり案内部であるすべり軸受７が組み込まれる。アウタースリーブ４はコイルユニット３の外側に配置され、インナースリーブ６はコイルユニット３の内側に配置される。すべり軸受７はインナースリーブ６のさらに内側に配置される。ハウジング２の最も内側に配置されるすべり軸受７がロッド１を支持すると共に、ロッド１が直線運動するのを案内する。

すべり軸受７、インナースリーブ６、コイルユニット３、アウタースリーブ４は組み合わされた状態で射出成形の金型にインサートされる。金型に成形材料を射出することによって、これらをハウジング２に一体に成形することができる。ハウジング２には機械的強度が高いこと、絶縁性が高いこと、熱伝導性の良いことが要求される。これらの要求を満足するために、ハウジング２の成形材料には、ガラスエポキシ等の熱可塑性樹脂、又は絶縁性の金属酸化物粒子を充填材として熱可塑性樹脂に混合したものが用いられる。

図５及び図６は、すべり軸受７、インナースリーブ６、コイルユニット３、アウタースリーブ４を組み立てた状態を示す。上述のように、コイルユニット３はロッド１の軸線方向に重ねられた複数の相別コイル３ａ〜３ｃからなる。相別コイル３ａ〜３ｃは導線を螺旋状に巻いたものである。複数の円環状の相別コイル３ａ〜３ｃはその軸線が一致するように一列に配列される。隣接する相別コイル３ａ〜３ｃ間には、相別コイル３ａ〜３ｃ同士を絶縁させるために絶縁材として樹脂製のスペーサ８，９（図６参照）が介在される。

コイルユニット３の外側に配置されるアウタースリーブ４は、コイルユニット３の軸線方向の長さと略等しい。アウタースリーブ４は、コイルユニット３の軸線方向に細長く伸びる分割アウタープレート４ａをコイルユニット３の周方向に一定間隔で並べたものである。複数の分割アウタープレート４ａを周方向に並べることでアウタースリーブ４が全体として筒形状に形成される。分割アウタープレート４ａ間にはすきまが空いている。アウタースリーブ４を円筒形状に形成した場合、Ｎ極及びＳ極が交互に形成されるロッド１をアウタースリーブ４内で直線運動させると、アウタースリーブ４内に渦電流が発生する。分割アウタープレート４ａ間にすきまを空けることによって、渦電流を分断し、渦電流を小さくすることができる。アウタースリーブ４の材質は珪素鋼、鉄等の軟質磁性材料である。コイルユニット３との絶縁を保つために、コイルユニット３とアウタースリーブ４との間には絶縁紙等の絶縁材が介在される。

コイルユニット３の外側にアウタースリーブ４を配置することで、ロッド１のマグネットに発生する磁力線をコイルユニット３の巻線に直交させることができ、またアウタースリーブ４の外側に漏れる磁束を少なくすることができる。マグネットに発生する磁束が効率よくコイルユニット３に作用するので、リニアモータの推力を向上させることができる。

コイルユニット３の内側に配置されるインナースリーブ６は、複数の分割磁性体である複数の分割インナースリーブ６ａから構成される。複数の分割インナースリーブ６ａは複数の相別コイル３ａ〜３ｃの内側に設けられる。すなわち各分割インナースリーブ６ａは各相別コイル３ａ〜３ｃの内側に設けられる。分割インナースリーブ６ａは円筒形状に形成される。分割インナースリーブ６ａの外径は相別コイル３ａ〜３ｃの内径に等しく、分割インナースリーブ６ａの内径はすべり軸受７の外径に等しい。分割インナースリーブ６ａの軸線方向の長さは相別コイル３ａ〜３ｃの軸線方向の長さよりも短い。分割インナースリーブ６ａ間にはすきまが空けられる。このすきまはスペーサ９（図６参照）によって埋められる。インナースリーブ６の材質は珪素鋼、鉄等の軟質磁性材料である。コイルユニット３との絶縁を保つために、コイルユニット３とインナースリーブ６との間には絶縁紙等の絶縁材が介在される。

コイルユニット３の内側に筒状のインナースリーブ６を配置することで、コアレスのリニアモータでありながらあたかもコア付のリニアモータのようにインナースリーブ６が磁気回路の一部を形成するようになる。したがって、コイルユニット３の磁束を向上させることができ、ひいてはリニアモータの推力を向上させることができる。上述のアウタースリーブ４だけでもリニアモータの推力を向上させることができる。インナースリーブ６を併用することで更なるリニアモータの推力の向上を図ることができる。

各分割インナースリーブ６ａを各相別コイル３ａ〜３ｃの内側に設けることで、各分割インナースリーブ６ａが各相別コイル３ａ〜３ｃの磁気回路を形成するので、各相別コイル３ａ〜３ｃのみの磁束を向上させることができる。したがって、隣の相別コイル３ａ〜３ｃの磁束が悪影響するのを防止できる。さらに、分割インナースリーブ６ａを周方向に分割されない筒状に形成することで、相別コイル３ａ〜３ｃの内側に分割インナースリーブ６ａを組み込む作業が容易になる。

インナースリーブ６の内側には、すべり軸受７が配置される。すべり軸受７には、摺動性の良い樹脂製の軸受が用いられる。図７に示されるように、すべり軸受７は円筒形状に形成される。すべり軸受７の軸線方向の長さは、コイルユニット３の軸線方向の長さに等しいか、コイルユニット３の軸線方向の長さ以上である。すべり軸受７の外径はインナースリーブ６の内径に等しい。すべり軸受７の内周面には、すべり軸受７の内周面を一周する複数の円周突起１０が形成される。複数の円周突起１０はすべり軸受７の軸線方向に一定のピッチで形成される。円周突起１０の断面形状はロッド１に向かって凸の曲線、例えば円弧に形成される。円周突起１０の内径はロッド１の外径に等しい。図８に示されるように、ロッド１とすべり軸受７とは円周突起１０の断面の頂点１０ａで接触する。

ロッド１の軸線方向の直線運動はすべり軸受７によって案内される。ロッド１はすべり軸受７の円周突起１０に接触し、又は油膜を挟んで接触しながら、すべり軸受７内をすべり運動する。コイルユニット３とロッド１との間にコイルユニット３の軸線方向の全長に渡って伸びるすべり軸受７を配置することで、ロッド１がアウタースリーブ４及びインナースリーブ６に吸引されても、ロッド１が撓むのを防止することができる。また、コイルユニット３とロッド１との間にすべり軸受７を介在させることで、コイルユニット３とロッド１との間の磁気的なすきまをすべり軸受７自体によって確保することができる。すべり軸受７の厚みを薄くすることで磁気的なすきまを小さくすることができ、推力を向上させることができる。しかも、樹脂は空気よりも絶縁性が高いので、コイルユニット３とロッド１との間を確実に絶縁することができる。

すべり軸受７の内周面の全体がロッド１の外周面に接触していると、ロッド１がすべり軸受７に対して直線運動するときの摩擦抵抗が大きくなる。すべり軸受７の内周面に円周突起１０を設けることで、すべり軸受７とロッド１との接触面積を小さくすることができ、ロッド１がすべり軸受７に対して直線運動するときの摩擦抵抗を小さくすることができる。円周突起１０はすべり軸受７の内周面を一周しているので、ロッド１が半径方向に位置ずれするのを防止することができる。

図９はロッド１の斜視図を示す。ロッド１は、例えばステンレス等の非磁性材からなるパイプ１１を有する。パイプ１１の中空空間には、円柱状の複数のマグネット１２（セグメント磁石）が互いに同極が対向するように積層される。マグネット１２の間には、例えば鉄等の磁性体からなるポールシュー１３（磁極ブロック）が介在される。ポールシュー１３を介在させることで、マグネット１２が形成する磁界を正弦波に近づけることができる。

図１０は、リニアモータの作動原理図を示す。パイプ１１の中空空間には、界磁マグネットとして、円盤状の複数のマグネット１２（セグメント磁石）が互いに同極が対向するように、すなわちＮ極とＮ極が、Ｓ極とＳ極とが対向するように、積層される。マグネット１２間にはポールシュー１３（図９参照）が介在される。ロッド１の周囲には、ロッド１を囲むコイルユニット３が設けられる。コイルユニット３は、Ｕ・Ｖ・Ｗ相からなる三相コイルを複数組み合わせたものである。コイルユニット３に１２０°ずつ位相が異なる三相電流を流すと、ロッド１の軸線方向に移動する移動磁界が発生する。ロッド１は、移動磁界により推力を得て、移動磁界の速さと同一の速さで直線運動を行なう。

なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な実施形態に具現化できる。例えば上記実施形態では、ロッド１を移動磁界に同期して動作させるリニア同期モータに本発明を適用した例について説明したが、本発明はＮ極及びＳ極が交互に形成されるロッドの周囲をコイルユニットで覆う構成のリニアモータであれば、リニア同期モータに限られずリニアステッピングモータにも適用することができる。リニアステッピングモータは、二相、三相等の多相のコイルの励磁電流を切り替えることで、Ｎ極及びＳ極が交互に形成されたロッドを多相のコイルに対して所定のステップ量ずつ相対的に直線運動させるモータである。リニアステッピングモータは与えられたパルス数に比例した量だけ直線運動する。

ハウジングは断面が四角形に限らず、丸型や楕円形でもよい。

すべり軸受の内周面に形成される突起は、すべり軸受の内周面を一周していなくても途中で分断されていてもよい。また、突起はすべり軸受の内周面の周方向に細長く伸びてなくてもすべり軸受の内周面の軸線方向に伸びていてもよい。突起は溝のように伸びていなくても、すべり軸受の内周面に分散された複数の点のように形成されてもよい。

アウタースリーブ及びインナースリーブの一方を省略してもよい。

また、すべり軸受、インナースリーブ、コイルユニット、アウタースリーブの成形方法は射出成形に限らず、樹脂を流し込んで固めてもよい。

本発明の第一の実施形態のリニアモータの斜視図（一部断面図を含む） 上記リニアモータの側面図（一部断面を含む） 上記リニアモータのロッドの軸線方向からみた正面図 リニアモータの内部構造を示す斜視図 すべり軸受、インナースリーブ、コイルユニット及びアウタースリーブの組み立てた状態の斜視図（一部断面を含む） すべり軸受、インナースリーブ、コイルユニット及びアウタースリーブの組み立てた状態の側面図（一部断面を含む） すべり軸受の斜視図（一部断面を含む） すべり軸受とロッドとの接触状態を示す断面図 ロッドの斜視図（一部断面を含む） リニアモータの作動原理を示す図

符号の説明

１…ロッド（軸部材），２…ハウジング，３…コイルユニット，３ａ〜３ｃ…相別コイル，４…アウタースリーブ（外側磁性体），６…インナースリーブ（内側磁性体），６ａ…分割インナースリーブ，７…すべり軸受（すべり案内部），１０…円周突起，１２…マグネット

Claims (7)

1. Ｎ極及びＳ極の磁極が軸線方向に交互に形成される軸部材と、
   前記軸部材の周囲を囲むコイルユニットと、
   前記コイルユニットの外側に設けられる外側磁性体、及び前記コイルユニットの内側に設けられる内側磁性体の少なくとも一方と、
   前記コイルユニットの内側と前記軸部材の外側との間に配置され、前記軸部材が前記コイルユニットに対して前記軸部材の軸線方向に相対的に直線運動するのを案内するすべり案内部と、を備えるリニアモータ。
2. 前記リニアモータは、前記コイルユニットの内側に前記内側磁性体を備え、
   前記すべり案内部は、前記内側磁性体の内側と前記軸部材の外側との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記すべり案内部の内周面には、前記軸部材の外周面に接触する複数の突起が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータ。
4. 前記複数の突起は、前記すべり案内部の内周面を一周し、前記すべり案内部の軸線方向に並べられる複数の円周突起を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のリニアモータ。
5. Ｎ極及びＳ極の磁極が軸線方向に交互に形成される軸部材と、
   前記軸部材の周囲を囲むコイルユニットと、
   前記コイルユニットの内側に設けられる内側磁性体と、を備え、
   前記軸部材のマグネットに発生する磁力と前記コイルユニットに流す電流とによって、前記軸部材が前記コイルユニットに対して相対的に直線運動するリニアモータ。
6. 前記内側磁性体は前記軸部材を囲む筒形状に形成されることを特徴とする請求項２又は５に記載のリニアモータ。
7. 前記コイルユニットは、前記軸部材の軸線方向に並べられる複数の相別コイルを有し、
   前記内側磁性体は、前記複数の相別コイルそれぞれの内側に設けられる分割磁性体を有することを特徴とする請求項６に記載のリニアモータ。
   

Images