JP2005160213A - シャフト型リニアモータの空隙保持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
電機子コイルの内周面とシャフトの外周面との間に所定の空隙を保持できるように改良し、直動装置として各種の直線往復移動機構に用いた場合に、固定子に対する可動子の直線往復移動を円滑にするシャフト型リニアモータの空隙保持装置を提供する。
【解決手段】
筒状体で形成したヨーク兼用のケーシング１２内にリング状の電機子コイル１３を装着した可動子１１Ａによる可動部と、多数の永久磁石による界磁マグネット１４を内蔵したシャフト１５を可動子１１Ａの軸心に装着した固定子１１Ｂによる固定部を備えたシャフト型リニアモータ１１において、ケーシング１２の両側には、シャフト１５の外周に装着して電機子コイル１３の内周面とシャフト１４の外周面との間に介在し、所定の空隙を保持する摺動部材による空隙保持リング１７を設けた空隙保持装置である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、シャフト型リニアモータの改良に係わるものであって、特に電機子コイルの内周面とシャフトの外周面との間に所定の空隙を保持できるように改良し、直動装置として各種の直線往復移動機構に用いた場合に、固定子に対する可動子の直線往復移動を円滑にすることが可能な空隙保持装置に関する。

この種のシャフト型リニアモータは、直動装置として各種の直線往復移動機構に用いられており、図１で示す使用状態の一例に基づいて概略説明を行うと、筒状体で形成したヨーク兼用のケーシング２内にリング状の電機子コイル３を装着した可動子１Ａによる可動部と、多数の永久磁石による界磁マグネット（図示を省略）を内蔵したシャフト４を可動子１Ａの軸心に装着した固定子１Ｂによる固定部によって、リニアモータ１が構成されている。

リニアモータ１は、基台５の両端に設けた支持台６，７によってシャフト４の両端を支持し、ケーシング２の上部にはワークを載置して移動させる可動ステージ８を設けると共に、基台５とケーシング２の下部との間にはガイドレールなどの案内部材９を設け、電機子コイル３に対して通電を行って磁束を発生させ、Ｎ極とＳ極の磁極を交互に配列した界磁マグネットとの吸引又は反発作用により、可動子１Ａによる可動部が固定子１Ｂによる固定部に沿って、直線往復移動する直動装置１０が構成される。

このリニアモータ１では、固定子１Ｂの界磁マグネットを内蔵するシャフト４として、通常はステンレス材（例えば、SUS304など）の非磁性体によるパイプ材が使用されると共に、シャフト４内には界磁マグネットとしてネオジウム磁石などの強力な磁石がＮ極とＳ極の磁極を交互に規則正しい間隔で詰め込まれ、可動子１Ａの電機子コイル３は、シャフト４との間に微少な一定の空隙が確保されるように離間して配置されている。

しかしながら、可動子１Ａの移動範囲を長くした図２のような長ストロークで使用した場合には、固定子１Ｂのシャフト４が長尺になるので、固定子１Ｂの自重でシャフト４の中央側が撓み変形したり、シャフト４の真円度や僅かな組み付け精度の低下が大きく影響を及ぼし、電機子コイル３の内周面とシャフト４の外周面との間に所定の空隙を保持できなくなり、両者が接触して良好な直線往復移動ができなくなったり、電機子コイル３を損傷させて使用不能になる恐れがあり、この課題を解決する有効な手段がなかった。

すなわち、ネオジウム磁石などによる界磁マグネットは、比重が7.4〜7.5で鉄に近いのでシャフト４を長くした場合には、重量が嵩んで固定子１Ｂが自重で撓み変形し易くなるが、接触を防止する手段として予め空隙を大きく確保して撓み変形の許容量を大きく採ったり、撓み変形を少なくするためにシャフト４を肉厚なものにすると、磁力が弱くなってリニアモータ１の性能を低下させるので、望ましい解決手段ではなかった。

なお、電機子コイル３の内周面とシャフト４の外周面との空隙は、全周に亘って微少な一定値で両者が同心円状になることが望ましいが、多少の偏心があっても全体としては相殺されて僅かな磁力の低下に止めることができるので、少なくとも上記したように電機子コイル３の内周面とシャフト４の外周面とが接触することだけは、絶対に避けられる構造にする必要がある。

そこで本発明では、これら従来技術の課題を解決し得るシャフト型リニアモータの空隙保持装置を提供するものであり、固定子の自重でシャフトが撓み変形したり、シャフトの真円度や組み付け精度に多少のバラツキがある場合でも、電機子コイルの内周面とシャフトの外周面とが接触しない空隙を確保できるようにすると共に、空隙を必要最小限に設定して且つ肉薄なシャフトの使用を可能にすることによって、小型で高性能のリニアモータを容易に製造することができ、特に長ストロークの直動装置には好適である。

本発明によるシャフト型リニアモータの空隙保持装置は、筒状体で形成したヨーク兼用のケーシング内にリング状の電機子コイルを装着した可動子による可動部と、多数の永久磁石による界磁マグネットを内蔵したシャフトを可動子の軸心に装着した固定子による固定部を備えたシャフト型リニアモータを実施対象とするものであって、前記ケーシングの両側には、シャフトの外周に装着して電機子コイルの内周面とシャフトの外周面との間に介在し、所定の空隙を保持する摺動部材による空隙保持リングを設けた。

本発明によるシャフト型リニアモータの空隙保持装置では、前記した構成によってシャフト自身が自重により撓んでもそれを矯正するために硬質多孔質性炭素材料で有るＲＢセラミックスなどによる摺動部材を使用して、電機子コイルの内周面とシャフトの外周面とが接触しないように常に空隙を維持できるようにしている。

特に、通常のシャフトは汎用性のあるSUS304製などのパイプ材を使用するので、真円度や真直度が精度よく出来ておらず、スムースに摺動させるためには摺動部材である空隙保持リングとシャフト間の空隙を若干大きめに設定する必要があるが、少なくとも電機子コイルとシャフト間の空隙よりも充分小さくし、空隙保持リングとシャフトが先に接触して摺動を始めても電機子コイルとシャフトは接触しないようにしている。

また、本発明は前記した要旨の範囲内において各種の変形を採り得るものであるが、特に空隙保持リングは、次第に縮径するテーパ面を外周に設けた円錐台形状に形成される形態を採ったり、ＲＢセラミックスで形成される形態を採ることがより望ましく、空隙保持リングの外周面にテーパ面を設けて円錐台形状に形成すると、空隙保持リングの装着が容易であると共に、挿入する深さを可変することによって、電機子コイルの内周面とシャフトの外周面との空隙を、所望に可変して適性に調整することが可能である。

また、シャフトが自重により撓んだときにそれを押し返して矯正するのに必要な力は小さいので、摺動部材である空隙保持リングとしては比較的軽微な負担となり、摺動抵抗は極少となるために摩耗も少なくて動作への影響もほとんど出ないと共に、特に空隙保持リングに硬質多孔質性炭素材料であるＲＢセラミックスなどを用いると、シャフトの一般的な材料であるSUS304相当品との摺動特性が著しく改善され、長時間の摺動にも充分耐える良好な性能を有し、しかも潤滑油を全く必要とせずに低摩擦係数を維持でき、他の摺動部材を空隙保持リングに用いた場合に比べ、モータ性能を格段に向上できる。

本発明のシャフト型リニアモータの空隙保持装置によると、固定子の自重でシャフトが撓み変形したり、シャフトの真円度や組み付け精度に多少のバラツキがある場合でも、電機子コイルの内周面とシャフトの外周面とが接触しない空隙を確保できると共に、空隙を必要最小限に設定して且つ肉薄なシャフトの使用を可能にすることによって、小型で高性能のリニアモータを容易に製造することができ、特に長ストロークの直動装置には好適であり、従来技術における課題を解決することができる。

本発明のシャフト型リニアモータの空隙保持装置について、本発明を適用した好適な実施形態を示す図３添付図面に基づいて詳細に説明するが、図３は第１の実施形態によるリニアモータで、（ａ）は概略の縦断面図を（ｂ）は側面図を示し、図４は図３のリニアモータを用いた直動装置の斜視図を示し、図５は第２の実施形態によるリニアモータで、（ａ）は概略の縦断面図を（ｂ）は側面図を示し、図６は図５のリニアモータを用いた直動装置の斜視図を示すものである。

第１の実施形態によるリニアモータ１１は、図２で示した従来技術のリニアモータ１の場合と同様に、筒状体で形成したヨーク兼用のケーシング１２内にリング状の電機子コイル１３を装着した可動子１１Ａによる可動部と、多数の永久磁石による界磁マグネット１４を内蔵したシャフト１５を可動子１１Ａの軸心に装着した固定子１１Ｂによる固定部を備え、ケーシング１２の上部にはワークを載置して移動させる可動ステージ１６が取り付けられている。

また、ケーシング１２の両側には可動ステージ１６を介して一対の支持体１７，１７を取付け、各支持体１７にはシャフト１５を遊嵌状に貫通させる通孔１８を設けると共に、通孔１８の両側は内側に向かって次第に縮径するテーパ孔１８ａ，１８ｂを形成し、各テーパ孔１８ａ，１８ｂには空隙保持リング１９をそれぞれ装着させ、各空隙保持リング１９は外側に取り付けたカバー２０によって、それぞれ係止保持される。

空隙保持リング１９は、内径をシャフト１５の外径より僅かに大径にした円周面で形成されると共に、外径はテーパ孔１８ａ，１８ｂに嵌合し得る円錐台形状に形成した環状であって、内径は電機子コイル１３の内径より十分な小径に形成することによって、仮にシャフト１５が撓み変形した場合でも常に所定の空隙を保持して、電機子コイル１３の内周面がシャフト１５の外周面に接触しないように設定され、これらの設定値が確保されるように組み付ける際に治具などを用いて行うことができる。

なお、空隙保持リング１９は外周にテーパ面のない筒状体で形成する形態を採ることも可能であるが、図示の実施形態のようにテーパ面を設けて円錐台形状に形成すると、空隙保持リング１９の装着が容易であると共に、挿入する深さを可変することによって、電機子コイル１３の内周面とシャフト１５の外周面との空隙を、所望に可変して適性に調整することが可能である。

空隙保持リング１９は、フッ素樹脂材その他公知の摺動材料を用いて形成することが可能であるが、特に米ぬかを原料にした硬質多孔性炭素材料による摺動部材として近年注目されているＲＢセラミックスの使用が望ましく、この摺動部材の特徴である無給油、低摩擦係数、低摩耗、低騒音が達成される。

また、シャフト１５に使用されているSUS304などのステンレス材料との摩擦特性が最良であること及び、シャフト１５はパイプ構造のため曲げ剛性が低いのでこれを矯正するのに必要な力も小さく、運転時にＲＢセラミックス表面には僅かな力しか作用しないので、円滑な直線往復移動を行うことができる。

リニアモータ１１は、例えば図４で示すように直動装置２１に組み込んで利用することが可能であり、基台２２の両端に設けた支持台２３，２４によってシャフト１５の両端を支持させ、支持体１７の下部には案内受け部材２５を設けると共に、基台２２上には案内部材２６を設け、電機子コイル１３に対する通電によって、案内受け部材２５及び案内部材２６を介して、可動子１１Ａによる可動部が固定子１１Ｂによる固定部に沿って直線往復移動される。

次に、図５で示す第２の実施形態によるリニアモータ２７は、可動子２７Ａによる可動部と固定子２７Ｂによる固定部で構成されており、第１の実施形態によるリニアモータ１１との相違は、支持体１７，１７を省略して空隙保持リング１９及びカバー２０をケーシング１２の両端側に直接装着した点であり、その他の構成及び作用は第１の実施形態によるリニアモータ１１の場合と同様であるから、同様の構成部材には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

リニアモータ２７は、支持体１７，１７を省略して空隙保持リング１９及びカバー２０をケーシング１２の両端側に直接装着したことによって、可動部の全体を小型化且つ軽量化することができると共に、質量や慣性が小さくなることによって動作速度や応答性を向上することが可能となり、さらに第１の実施形態のように支持体１７を別体で製作する場合と異なり、予めケーシング１２を加工することによって内径の同軸度も合せられるので、取付けの際に各摺動面の同軸度を合せる作業が不要となり組立が簡単に行える。

リニアモータ２７は、例えば図６で示すように直動装置２８に組み込んで利用することが可能であり、第１の実施形態によるリニアモータ１１を利用した直動装置２１との相違はないので、同様の構成部材には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

従来技術によるシャフト型リニアモータを利用した直動装置の概略構造を縦断面図で示す。 従来技術によるシャフト型リニアモータを利用した他の直動装置の概略構造を縦断面図で示す。 本発明を適用した第１の実施形態によるシャフト型リニアモータで、（ａ）は概略構造を縦断面図で示し、（ｂ）は側面図で示す。 図３のシャフト型リニアモータを用いた直動装置を斜視図で示す。 本発明を適用した第２の実施形態によるシャフト型リニアモータで、（ａ）は概略構造を縦断面図で示し、（ｂ）は側面図で示す。 図５のシャフト型リニアモータを用いた直動装置を斜視図で示す。

符号の説明

１１，２７ （シャフト型）リニアモータ
１１Ａ，２７Ａ 可動子（可動部）
１１Ｂ，２７Ｂ 固定子（固定部）
１２ ケーシング
１３ 電機子コイル
１４ 界磁マグネット（永久磁石）
１５ シャフト
１６ 可動ステージ
１７ 支持体
１８ 通孔
１８ａ，１８ｂ テーパ孔
１９ 空隙保持リング
２０ カバー
２１，２８ 直動装置
２２ 基台
２３，２４ 支持台
２５ 案内受け部材
２６ 案内部材

Claims (3)

1. 筒状体で形成したヨーク兼用のケーシング内にリング状の電機子コイルを装着した可動子による可動部と、多数の永久磁石による界磁マグネットを内蔵したシャフトを可動子の軸心に装着した固定子による固定部を備えたシャフト型リニアモータにおいて、
   前記ケーシングの両側には、シャフトの外周に装着して電機子コイルの内周面とシャフトの外周面との間に介在し、所定の空隙を保持する摺動部材による空隙保持リングを設けたことを特徴とするシャフト型リニアモータの空隙保持装置。
2. 前記空隙保持リングは、次第に縮径するテーパ面を外周に設けた円錐台形状に形成される請求項１に記載したシャフト型リニアモータの空隙保持装置。
3. 前記空隙保持リングは、ＲＢセラミックスで形成される請求項１又は２に記載したシャフト型リニアモータの空隙保持装置。

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