JP2012239362A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロバスト性を向上しつつ、体格を小型化することができるようにする。
【解決手段】リニアモータ１は、第１シャフトＳＨ１と、第１シャフトＳＨ１と平行となるように並列配置された第２シャフトＳＨ２と、第１シャフトＳＨ１と第２シャフトＳＨ２の端部を連結する２つの連結部材３と、第１シャフトＳＨが貫通する第１貫通孔４を有する第１フレーム２Ａと、第２シャフトＳＨ２が貫通する第２貫通孔８を有する第２フレーム２Ｂと、スケール１０１及びセンサ１０３を有し、スケール１０１とセンサ１０３とのギャップ方向Ａが、第１シャフトＳＨ１の軸線ＡＸ１と第２シャフトＳＨ２の軸線ＡＸ２とを含む面方向Ｂと略一致するように配設されたリニアエンコーダ１０とを備え、第１シャフトＳＨ１、第２シャフトＳＨ２、及び連結部材３を可動子３０、第１フレーム２Ａ及び第２フレーム２Ｂを固定子４０として、軸方向に相対的に進退移動する。
【選択図】図２

Description

開示の実施形態は、リニアモータに関する。

従来、円筒状の磁性体よりなる金属パイプの内径側に円筒状に巻回したコイルを軸方向に複数個並べた固定子と、固定子の内側に磁気的空隙を介して配置された円筒状のシャフト（キャン）の内径側に永久磁石を軸方向に複数個挿設した可動子とを備えた円筒形のリニアモータが提案されている（例えば、特許文献１参照)。このリニアモータは、シャフトに設けられたスケール（リニアスケール）と、金属パイプに設けられたセンサ（検出器）とからなるリニアエンコーダを有している。

国際公開第２００７／０４６１６１号パンフレット（第８−９図）

上記従来技術のリニアモータにおいては、リニアエンコーダのスケールがシャフトに設けられ、センサが金属パイプに設けられた構成となっているため、シャフトに外力や振動が作用することによってスケールとセンサとのギャップが変動するおそれがある。すなわち、ロバスト性に向上の余地がある。また、コイルと永久磁石により可動子の推力を発生する電磁部と、スケール及びセンサを有するリニアエンコーダが設けられるエンコーダ部は、その構造上、ストロークの２倍のスペースがそれぞれ必要となるが、上記従来技術では電磁部とリニアエンコーダとが直列に配置されているため、モータの軸方向寸法が大きくなり、体格が大型化するという課題があった。

本発明の目的は、ロバスト性を向上しつつ、体格を小型化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、本発明の一の観点によれば、複数の磁極が軸方向に配列された第１シャフトと、前記第１シャフトと平行となるように並列配置された第２シャフトと、前記第１シャフトと前記第２シャフトの端部を連結する少なくとも２つの連結部材と、前記第１シャフトが貫通する第１貫通孔及び前記第２シャフトが貫通する第２貫通孔を有し、前記第１貫通孔の内周面に複数の電機子巻線が配列されたフレームと、前記第２シャフトの外周面と前記第２貫通孔の内周面のいずれか一方に設けられたスケール及び他方に設けられたセンサを有し、前記スケールと前記センサとのギャップ方向が、前記第１シャフトの軸線と前記第２シャフトの軸線を含む面方向と略一致するように配設されたリニアエンコーダと、を備え、前記第１シャフト、前記第２シャフト及び前記連結部材と、前記フレームとの、いずれか一方を可動子、他方を固定子として、前記軸方向に相対的に進退移動するリニアモータが適用される。

本発明のリニアモータによれば、ロバスト性を向上しつつ、体格を小型化することができる。

一実施の形態のリニアモータの全体構成を表す側断面図である。 図１中ＩＩ−ＩＩ断面に相当するリニアモータの横断面図である。 リニアエンコーダを第２シャフトの第１方向他方側に配置する変形例におけるリニアモータの全体構成を表す側断面図である。 図３中ＩＶ−ＩＶ断面に相当するリニアモータの横断面図である。 第２シャフトを中空構造とする変形例におけるリニアモータの全体構成を表す側断面図である。 図３中ＶＩ−ＶＩ断面に相当するリニアモータの横断面図である。

以下、一実施の形態について図面を参照して説明する。

図１及び図２において、本実施形態のリニアモータ１は、可動子を２軸構造としたピストン型のリニアモータである。このリニアモータ１は、第１フレーム２Ａと、第２フレーム２Ｂと、２つの連結部材３と、第１シャフトＳＨ１と、第１シャフトＳＨ１と平行となるように並列配置された第２シャフトＳＨ２と、リニアエンコーダ１０とを備えている。

第１フレーム２Ａは、第１シャフトＳＨ１が貫通する第１貫通孔４と、第１貫通孔４の両端に配置され、第１シャフトＳＨ１を軸方向（図１中左右方向、図２中紙面手前奥方向）に直線移動可能に支持する２つの第１直動軸受５とを有している。第１貫通孔４の内周面には、銅線等で円筒状に巻回された電機子巻線７が軸方向に複数個配列されている。

第２フレーム２Ｂは、第１フレーム２Ａと別体として構成されており、適宜の固着剤を介して第１フレーム２Ａと連結されている。これら第１フレーム２Ａ及び第２フレーム２Ｂが、特許請求の範囲に記載のフレームに相当する。なお、第１フレーム２Ａと第２フレーム２Ｂとを一体的に構成、すなわち１つのフレームとして構成してもよい。この第２フレーム２Ｂは、第２シャフトＳＨ２が貫通する第２貫通孔８と、第２貫通孔８の両端に配置され、第２シャフトＳＨ２を軸方向に直線移動可能に支持する２つの第２直動軸受９とを有している。

連結部材３は、第１フレーム２Ａ及び第２フレーム２Ｂの負荷側（図１中右側）及び反負荷側（図１中左側）に設けられている。これら連結部材３は、それぞれの内側（第１フレーム２Ａ及び第２フレーム２Ｂに対向する側）に設けられた図示しない凹部に、第１シャフトＳＨ１と第２シャフトＳＨ２との端部がそれぞれ嵌合されることにより、第１フレーム２Ａ及び第２フレーム２Ｂの負荷側及び反負荷側において、第１シャフトＳＨ１と第２シャフトＳＨ２との端部を連結している。

第１シャフトＳＨ１は、第１フレーム２Ａの第１貫通孔４を貫通しており、第１貫通孔４の両端に設けられた第１直動軸受５により軸方向に直線移動可能に軸支されている。この第１シャフトＳＨ１には、複数の磁極を構成する永久磁石６が軸方向に所定のピッチで配列されている。複数の永久磁石６は、それらの磁極面が第１貫通孔４の内周面に配列された複数の電機子巻線７と磁気的空隙を介して対向すると共に、軸方向にＮ極同士又はＳ極同士が対向するように、交互に向きを反転させて配列されている。すなわち、永久磁石６が配列された部分では、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極とが軸方向に交互に配列されている。なお、磁極を構成する部材としては、永久磁石に限られず、その他の部材（例えば電磁石等）を用いてもよい。

第２シャフトＳＨ２は、第２フレーム２Ｂの第２貫通孔８を貫通しており、第２貫通孔８の両端に設けられた第２直動軸受９により軸方向に直線移動可能に軸支されている。この第２シャフトＳＨ２は、その外周面のうち、軸方向と直交する第１方向（図１及び図２中上下方向）の一方側（図１及び図２中下側）の面が、平坦面となっている。そして、この第２シャフトＳＨ２の第１方向一方側に、リニアエンコーダ１０が配置されている。

リニアエンコーダ１０は、この例では磁気式エンコーダであり、磁気パターンが設けられたスケール１０１と、基板１０２と、スケール１０１に設けられた磁気パターンによる磁界を検出するセンサ１０３とを有している。スケール１０１は、第２シャフトＳＨ２の外周面のうち上記第１方向一方側の平坦面に設けられている。基板１０２は、第２フレーム２Ｂの第２貫通孔８の内周面の一部を構成する、第１フレーム２Ａの外周面のうち上記第１方向他方側（図１及び図２中上側）の面に設けられている。センサ１０３は、スケール１０１と上記第１方向のギャップＧを介して対向するように基板１０２に設けられている。なお、センサ１０３が基板１０２に設けられることは、センサ１０３が第２フレーム２Ｂの第２貫通孔８の内周面の一部を構成する、第１フレーム２Ａの外周面のうち上記第１方向他方側の面に設けられることと同等である。そして、このリニアエンコーダ１０は、スケール１０１とセンサ１０３との上記第１方向のギャップＧに係る方向のうち、センサ１０３における軸方向と直交する第２方向（図１中紙面手前奥方向、図２中左右方向）の略中央を通るギャップ方向Ａが、第１シャフトＳＨ１の軸線ＡＸ１と第２シャフトＳＨ２の軸線ＡＸ２とを含む面方向Ｂと略一致するように配設されている。

以上のように構成されたリニアモータ１においては、第１シャフトＳＨ１、第２シャフトＳＨ２、及び連結部材３等が可動子３０を構成し、第１フレーム２Ａ及び第２フレーム２Ｂ等が固定子４０を構成している。そして、このリニアモータ１においては、可動子３０と固定子４０とが、軸方向に相対的に進退移動する。すなわち、第１フレーム２Ａ側（第１シャフトＳＨ１側）に設けられた電磁部６０において、電機子巻線７に通電すると、電機子巻線７に流れる電流と永久磁石６により形成される磁束との相互作用によって、電機子巻線７と永久磁石６の磁極との間に吸引力及び反発力が発生し、これが推進力となって、可動子３０が軸方向に進退移動する。また、可動子３０が移動するときに、第２フレーム２Ｂ側（第２シャフトＳＨ２側）に設けられたエンコーダ部７０において、センサ１０３によりスケール１０１に設けられた磁気パターンによる磁界を検出することによって、可動子３０の位置（移動量）を検出することができる。

以上説明したように、本実施形態のリニアモータ１においては、並列配置された第１シャフトＳＨ１及び第２シャフトＳＨ２と、これらの端部を連結する２つの連結部材３と、第１フレーム２Ａ及び第２フレーム２Ｂとを有しており、可動子３０と固定子４０とを軸方向に相対的に進退移動させる。また、本実施形態のリニアモータ１は、リニアエンコーダ１０を有している。リニアエンコーダ１０は、第２シャフトＳＨ２の外周面に設けられたスケール１０１、及び、第２フレーム２Ｂの第２貫通孔８の内周面に設けられたセンサ１０３を有しており、スケール１０１とセンサ１０３とのギャップ方向Ａが、第１シャフトＳＨ１の軸線ＡＸ１と第２シャフトＳＨ２の軸線ＡＸ２を含む面方向Ｂと略一致するように配設されている。

このように、第１シャフトＳＨ１及び第２シャフトＳＨ２の端部を連結部材３で連結することにより、これらを枠型の構造とすることができ、上記面方向Ｂに対する第２シャフトＳＨ２の剛性を向上できる。これにより、上記ギャップ方向Ａに対する第２シャフトＳＨの剛性を向上できるため、スケール１０１とセンサ１０３とのギャップＧの変動を抑制することができる。したがって、ロバスト性を向上できる。

また、リニアモータ１においては、電機子巻線７と永久磁石８により可動子３０の推力を発生する電磁部６０と、スケール１０１及びセンサ１０２を有するリニアエンコーダ１０が設けられるエンコーダ部７０とは、その構造上、ストロークの２倍のスペースがそれぞれ必要となるが、本実施形態においては、電磁部６０とエンコーダ部７０とを並列に配置するため、これらを直列に配置する場合に比べてリニアモータ１の軸方向寸法を大幅に小さくすることができる。さらに、これらを直列に配置する場合には、エンコーダ部は電磁部に比べて半径方向に小さく構成できるにもかかわらず、これらを同径のフレームに収納するのが一般的であり、リニアモータの体格が不必要に大型化する。これに対し、本実施形態では、電磁部６０とエンコーダ部７０とを並列に配置するため、エンコーダ部７０の配置スペースが必要最小限となるように第１フレーム２Ａ及び第２フレーム２Ｂを構成することが可能となり、リニアモータ１の体格を小型化することができる。

したがって、本実施形態によれば、ロバスト性を向上しつつ、リニアモータ１の体格を小型化することができる。

また、本実施形態では特に、次のような効果を得ることができる。すなわち、一般に、リニアモータのエンコーダとしては、主として光学式と磁気式が用いられる。磁気式エンコーダは、光学式エンコーダと比較して、構造がシンプルで部品点数が少なく、低コストであるが、ギャップ変動に弱くロバスト性が低いという特性がある。一方、光学式エンコーダは、磁気式エンコーダと比較して位置分解性能に優れ、ロバスト性が高いが、高コストである。本実施形態では、スケール１０１とセンサ１０３とのギャップＧの変動を抑制できることから、リニアエンコーダ１０として磁気式エンコーダを用いている。これにより、リニアエンコーダ１０の低コスト化を図ることができる。

なお、実施の形態は、上記内容に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。

（１）リニアエンコーダを第２シャフトの第１方向他方側に配置する場合
上記実施形態においては、リニアエンコーダ１０を第２シャフトＳＨ２の第１方向一方側に配置していたが、これに限られず、リニアエンコーダを第２シャフトの第１方向他方側に配置してもよい。

図３及び図４において、本変形例のリニアモータ１′の第２シャフトＳＨ２′は、その外周面のうち、軸方向（図３中左右方向、図４中紙面手前奥方向）と直交する第１方向（図３及び図４中上下方向）の他方側（図３及び図４中上側）の面が、平坦面となっている。そして、この第２シャフトＳＨ２′の第１方向他方側に、リニアエンコーダ１０′が配置されている。

リニアエンコーダ１０′のスケール１０１′は、第２シャフトＳＨ２′の外周面のうち上記第１方向他方側の平坦面に設けられている。基板１０２′は、前述の第２フレーム２Ｂの第２貫通孔８の内周面のうち上記第１方向他方側の面に設けられている。センサ１０３′は、スケール１０１′と上記第１方向のギャップＧ′を介して対向するように基板１０２′に設けられている。なお、センサ１０３′が基板１０２′に設けられることは、センサ１０３′が第２フレーム２Ｂの第２貫通孔８の内周面のうち上記第１方向他方側の面に設けられることと同等である。そして、このリニアエンコーダ１０′は、上記実施形態におけるリニアエンコーダ１０と同様、スケール１０１′とセンサ１０３′との上記第１方向のギャップＧ′に係る方向のうち、センサ１０３′における軸方向と直交する第２方向（図３中紙面手前奥方向、図４中左右方向）の略中央を通るギャップ方向Ａ′が、第１シャフトＳＨ１の軸線ＡＸ１と第２シャフトＳＨ２′の軸線ＡＸ２′とを含む面方向Ｂ′と略一致するように配設されている。

本変形例のリニアモータ１′においては、前述の第１シャフトＳＨ１、第２シャフトＳＨ２′、及び前述の連結部材３等が可動子３０′を構成し、前述の第１フレーム２Ａ及び第２フレーム２Ｂ等が固定子４０を構成している。そして、このリニアモータ１′においては、可動子３０′と固定子４０とが、軸方向に相対的に進退移動する。

リニアモータ１′の上記以外の構成は、上記実施形態のリニアモータ１と同様である。

以上説明した本変形例によれば、上記実施形態と同様、ロバスト性を向上しつつ、リニアモータ１′の体格を小型化することができる。

（２）第２シャフトを中空構造とする場合
図５及び図６において、本変形例のリニアモータ１″の第２シャフトＳＨ２″は、中空構造であり、中空部１２を有している。この第２シャフトＳＨ２″は、前述の実施形態における第２シャフトＳＨ２と同様、その外周面のうち、軸方向（図５中左右方向、図６中紙面手前奥方向）と直交する第１方向（図５及び図５中上下方向）の一方側（図５及び図５中下側）の面が、平坦面となっている。そして、この第２シャフトＳＨ２″の第１方向一方側に、前述のリニアエンコーダ１０が配置されている。

リニアエンコーダ１０は、前述の実施形態と同様、前述のスケール１０１と前述のセンサ１０３との上記第１方向のギャップＧに係る方向のうち、センサ１０３における軸方向と直交する第２方向（図５中紙面手前奥方向、図５中左右方向）の略中央を通るギャップ方向Ａ″が、前述の第１シャフトＳＨ１の軸線ＡＸ１と第２シャフトＳＨ２″の軸線ＡＸ２″とを含む面方向Ｂ″と略一致するように配設されている。

また、２つの連結部材３″は、前述の実施形態における２つの連結部材３と同様、前述の第１フレーム２Ａ及び第２フレーム２Ｂの負荷側（図５中右側）及び反負荷側（図６中左側）に設けられている。これら連結部材３″は、それぞれの内側に設けられた図示しない凹部に、第１シャフトＳＨ１の端部がそれぞれ嵌合されると共に、それぞれの内側に設けられた図示しない貫通孔に、第２シャフトＳＨ２″がそれぞれ挿通されることにより、第１フレーム２Ａ及び第２フレーム２Ｂの負荷側及び反負荷側において、第１シャフトＳＨ１と第２シャフトＳＨ２″との端部を連結している。

本変形例のリニアモータ１″においては、第１シャフトＳＨ１、第２シャフトＳＨ２″、及び連結部材３″等が可動子３０″を構成し、第１フレーム２Ａ及び第２フレーム２Ｂ等が固定子４０を構成している。そして、このリニアモータ１″においては、可動子３０″と固定子４０とが、軸方向に相対的に進退移動する。

また、第２シャフトＳＨ２″の軸線ＡＸ２″上、詳細には、第２シャフトＳＨ２″の負荷側の端部（以下適宜、「第２シャフトＳＨ２″の負荷側先端部」と称する）には、機器・部品等をハンドリングするための治具として、電動グリッパ１４が取り付けられている。電動グリッパ１４は、２つの爪１４１を有しており、当該２つの爪１４１で機器・部品等を把持可能な治具である。この電動グリッパ１４は、可動子３０″の移動に伴って移動される。そして、電動グリッパ１４に一端側が接続され当該電動グリッパ１４に対して電力を供給するための配線１３が、第２シャフトＳＨ２″の内部の中空部１２にこの例では２本挿通され配設されている。したがって、配線１３を介して、電動グリッパ１４に電力を供給することができる。

リニアモータ１″の上記以外の構成は、前述の実施形態のリニアモータ１と同様である。

以上説明した本変形例によれば、前述の実施形態と同様、ロバスト性を向上しつつ、リニアモータ１″の体格を小型化することができる。また、本変形例においては、第２シャフトＳＨ２″が中空構造であり、第１シャフトＳＨ１、第２シャフトＳＨ２″、及び連結部材３″等が可動子３０″である。そして、機器・部品等をハンドリングするために第２シャフトＳＨ２″の負荷側先端部に設けられる電動グリッパ１４に対して電力を供給するための配線１３を、第２シャフトＳＨ２″の内部の中空部１２を挿通して配設している。これにより、配線１３を第２シャフトＳＨ２″の先端部に横方向より接続する必要がないので、配線１３のテンションによって可動子３０″に作用する駆動抵抗を軽減することができる。また、流路方向を変更するための部材等も不要となるため、可動子３０″の重量を軽減することができる。したがって、タクトタイムを向上することができる。さらに、上記流路方向を変更する部材が不要となることで、可動子３０″の軸ブレを防止するためのガイド部材等も不要となるので、リニアモータ１″全体の重量をさらに軽減し、且つ小型化を図ることができる。また、配線１３を第２シャフトＳＨ２″内に配設できるので、配線をリニアモータ外部において引き回す場合に比べて省スペース化を図ることができる。

なお、第２シャフトＳＨ２″の負荷側先端部に取り付ける治具としては、上記電動グリッパ１４に限られず、他の治具を取り付けてもよい。例えば、第２シャフトＳＨ２″の負荷側先端部に、治具として機器・部品等を真空吸着可能なピックを取り付けた場合には、ピックに一端側が接続され当該ピックに対して空気等の流体を吸引するための流体用チューブを、第２シャフトＳＨ２″の中空部１２を挿通して配設することができる。この場合には、流体用チューブを第２シャフトＳＨ２″の先端部に横方向より接続する必要がないので、流体用チューブのテンションによって可動子３０″に作用する駆動抵抗を軽減することができる。また、流体用チューブを第２シャフトＳＨ２″内に配設できるので、流体用チューブをリニアモータ外部において引き回す場合に比べて省スペース化を図ることができる。

（３）その他
以上では、リニアエンコーダ１０等のスケール１０１等を第２シャフトＳＨ２等の外周面に設け、センサ１０３等を第２フレーム２Ｂの第２貫通孔８の内周面に設ける構成としたが、反対に、スケールを第２フレーム２Ｂの第２貫通孔８の内周面に設け、センサを第２シャフトＳＨ２等の外周面に設ける構成としてもよい。

また以上では、第１シャフトＳＨ１と第２シャフトＳＨ２等とを連結する連結部材３等を２つ設ける構成としたが、これに限られず、連結部材を３つ以上設ける構成としてもよい。

また以上では、リニアエンコーダ１０等が磁気式エンコーダである場合を一例として説明したが、これに限られず、リニアエンコーダが光学式エンコーダである場合に対しても適用可能である。

さらに以上では、第１シャフトＳＨ１、第２シャフトＳＨ２等、及び連結部材３等が可動子、第１フレーム２Ａ及び第２フレーム２Ｂ等が固定子である場合を一例として説明したが、反対に、第１シャフト、第２シャフト、及び連結部材が固定子、フレームが可動子である場合に対しても適用可能である。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１，１′，１″ リニアモータ
２Ａ 第１フレーム
２Ｂ 第２フレーム
３，３″ 連結部材
４ 第１貫通孔
６ 永久磁石
７ 電機子巻線
８ 第２貫通孔
１０，１０′ リニアエンコーダ
３０，３０′，３０″ 可動子
４０ 固定子
１０１，１０１′ スケール
１０３，１０３′ センサ
Ａ，Ａ′，Ａ″ ギャップ方向
ＡＸ１ 軸線（第１シャフトの軸線）
ＡＸ２，ＡＸ２′，ＡＸ２″ 軸線（第２シャフトの軸線）
Ｂ，Ｂ′，Ｂ″ 面方向
ＳＨ１ 第１シャフト
ＳＨ２，ＳＨ２′，ＳＨ２″ 第２シャフト

Claims (3)

1. 複数の磁極が軸方向に配列された第１シャフトと、
   前記第１シャフトと平行となるように並列配置された第２シャフトと、
   前記第１シャフトと前記第２シャフトの端部を連結する少なくとも２つの連結部材と、
   前記第１シャフトが貫通する第１貫通孔及び前記第２シャフトが貫通する第２貫通孔を有し、前記第１貫通孔の内周面に複数の電機子巻線が配列されたフレームと、
   前記第２シャフトの外周面と前記第２貫通孔の内周面のいずれか一方に設けられたスケール及び他方に設けられたセンサを有し、前記スケールと前記センサとのギャップ方向が、前記第１シャフトの軸線と前記第２シャフトの軸線を含む面方向と略一致するように配設されたリニアエンコーダと、を備え、
   前記第１シャフト、前記第２シャフト及び前記連結部材と、前記フレームとの、いずれか一方を可動子、他方を固定子として、前記軸方向に相対的に進退移動する
   ことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記第２シャフトは、中空構造である
   ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記リニアエンコーダは、
   磁気式エンコーダである
   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。

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