JP2006311715A - リニア・ロータリ複合型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 経済的かつ部品点数の削減が図れ、組立作業の工数の削減および生産コストの低減が図れ、かつ、リニアモータ部に内部の移動子の位置を検出するセンサを取付けることができるリニア・ロータリ複合型モータを提供する。
【解決手段】 永久磁石を1個以上備えた永久磁石組立体１４を有し、直動回転軸１１に軸心を支持された移動子１０と、コイル組立体２８の外周面に当接されたケース部材２１を備えてなる直動用固定子２０と、前記直動回転軸１１の一方を直動および回動自在に支持する第１の軸受部材３１と、前記直動回転軸１１の一端部を摺動可能に収容する第１と第２の中空軸部からなる中空軸５３を有する回転子５０と、該回転子５０を駆動する回転用固定子６０とを備え、第２の中空軸部５２の中空部５２ａに前記直動回転軸１１の回転を阻止するとともに該直動回転軸１１を直動自在に支持する第２の軸受部材３８を配設してなる回転形モータ部３を有するリニア・ロータリ複合型モータ。
【選択図】 図１

Description

本発明は出力軸が直動および回動を独立して行うことができるリニア・ロータリ複合型モータに関する。

ロボットアーム等の操作に用いられる直線運動と回転運動の両方を行うことができる、いわゆるリニア・ロータリ複合型モータが知られている。この種のモータとしては、円筒状の３相ＶＲ型リニアロータリパルスモータ部分と、ハイブリッド型３相ロータリパルスモータ部分またはＶＲ型３相ロータリパルスモータ部分とが軸方向に並べて配置され、それぞれの出力軸を共通にして、ひとつのハウジング内に収容したものが開示されている（特許文献１）。

この従来技術のリニア・ロータリ複合型モータは、図５に示すように、３相ＶＲ型リニアパルスモータ部分１０１と、ハイブリッド型３相ロータリパルスモータ部分１０２とが軸方向に並べられて、一体的に組み立てられている。リニアパルスモータ部分１０１の固定子１０３の固定子小歯１０３ａに対向して、移動子小歯１０４ａが設けられている移動子１０４と、ハイブリッド型３相ロータリパルスモータ部分１０２の固定子１０５の固定子小歯１０５ａに対向して、回転子小歯１０６ａが設けられている回転子１０６とが共通の出力軸１０７にそれぞれ配設されている。固定子１０３，１０５には、固定子巻線１０８，１０９が巻回されている。共通の出力軸１０７は、両端に設けられたブラケット１１０，１１１により、軸方向および回動方向に、摺動自在に支持されている。ブラケット１１０，１１１には、出力軸１０７との摺動部分にスライド軸受けが設けられている。

しかしながら、このような従来のリニア・ロータリ複合型モータ１００にあっては、リニアパルスモータ部分１０１のストロークがロータリパルスモータ部分１０２の固定子１０５の長さより長い場合、該ストロークとロータリパルスモータ部分１０２の固定子１０５の長さとの差にほぼ相当する分だけ、該固定子１０５の軸方向の長さを長くしなければならないという問題点があった。

そこで、出力ストロークが長い場合でも、ロータリパルスモータ部分の固定子の長さが、本来固有の長さより長くならないリニア・ロータリ複合型パルスモータを先に出願した（特許文献２）。

これはリニアパルスモータ部とロータリパルスモータ部とが、軸方向に一体的に結合されるように配設され、それぞれの移動子と回転子とがひとつの出力軸を共通にして、軸方向に移動自在、かつ回動自在に支持されるリニア・ロータリ複合型パルスモータであって、前記出力軸上に配設される軸受としてボールスプライン軸受を採用したものである。こうして、ボールスプライン軸受により、出力ストロークの長い分を調整して、ロータリパルスモータ部の固定子の長さが、本来固有の長さより長くならないようにしている。
特開平４−２２９０６３号公報 特開平８−２３７９３１号公報

しかしながら、このような従来のリニア・ロータリ複合型パルスモータにあっては、リニアパルスモータ部がハイブリッド型パルスモータであるため移動子と固定子間のエアギャップをできるだけ小さく設計する必要があり、そのエアギャップを高精度に維持するために高価なボールスプライン軸受を使用しなければならないという課題があった。また前記出力軸を直動および回動自在に支持するため、前記ボールスプライン軸受の外側に回動用の玉軸受をそれぞれ２個一組として組み合わせる必要があり、部品点数が多く構造が複雑になり組立作業の工数がかかることから、生産コストが高くなるという課題もあった。またリニアパルスモータは固定子鉄心を必要とするため、リニアモータ部にモータ特性を犠牲にせずに内部の移動子の位置を検出するセンサを取付けることが難しいという課題もあった。

本発明は、上記課題を解決し、高価なボールスプライン軸受を使用せずに済むので経済的かつ部品点数の削減が図れ、モータ構造も複雑でなくなることから、組立作業の工数の削減および生産コストの低減が図れ、かつ、リニアモータ部にモータ特性を犠牲にすることなく内部の移動子の位置を検出するセンサを取付けることができるリニア・ロータリ複合型モータを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、軸方向に往復移動可能で、かつ回動可能に支持された直動回転軸と、軸方向に磁化された永久磁石を1個以上備えた永久磁石組立体を有し、かつ前記直動回転軸に軸心を支持された移動子と、複数のリング状コイルを前記直動回転軸と同軸方向に一定間隔で配設して、内部に前記永久磁石組立体を収容する円筒状の空間を形成したコイル組立体と該コイル組立体の外周面に当接されたケース部材とを備えてなる直動用固定子と、前記直動用固定子の一方の端面側に前記直動回転軸の一方を直動および回動自在に支持する第１の軸受部材と、前記直動用固定子の他方の端面側に前記直動回転軸と軸心を回動自在に支持され、前記直動回転軸の一端部を摺動可能に収容する第１と第２の中空軸部からなる中空軸を有する回転子と、該回転子を駆動する回転用固定子とを備え、前記中空軸における第１の中空軸部の中空部の内径よりも第２の中空軸部の中空部の内径を大きく形成し、前記第２の中空軸部の中空部に、前記直動回転軸の回転を阻止するとともに該直動回転軸を直動自在に支持する第２の軸受部材を配設してなる回転形モータ部を有することにある。
また、本発明は、前記永久磁石が２個以上の場合は同極性の端面同士が互いに向い合うように配設することにある。
さらに、本発明は、前記第１および第２の軸受部材は、すべり軸受であって、前記第１の軸受部材の前記直動回転軸部と摺動する内周面の断面形状を円形に形成し、前記第２の軸受部材の前記直動回転軸部と摺動する内周面の断面形状を円形以外の形状に形成したことにある。

本発明によるリニア・ロータリ複合型モータによれば、高価なボールスプライン軸受を使用せずに済むので、玉軸受などの部品点数の削減および小型化が図れることから、生産コストの削減を図れ、経済的である。リニアモータ部にハイブリッド型パルスモータを使用せずに済むので、移動子と固定子間のエアギャップをできるだけ小さく設計する必要がないことから、モータ構造も複雑でなく、部品点数も少なくてすみ、その結果組立作業の工数もかからない。また、従来のような高価なボールスプライン軸受を使用する必要がないので、生産コストも低く抑えることができる。さらに、リニアモータ部は、固定子鉄心を必要としないため、リニアモータ部にモータ特性を犠牲にすることなく内部の移動子の位置を検出するセンサを取付けることができる。

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。
図1は本発明のリニア・ロータリ複合型モータの実施の形態を示す断面図、図２は図１のロータリ型パルスモータ部を拡大して示す断面図である。

図1および図２において、リニア・ロータリ複合型モータ１は、リニアモータ部２とロータリ型パルスモータ部（回転形モータ部）３が軸方向に一体的に結合されるように構成されている。
リニアモータ部２の移動子１０は、軸方向に往復移動するとともに回動可能な直動回転軸１１と、該直動回転軸１１と同軸方向に磁化された永久磁石１２，１３が２個、同極性の端面同士が互いに向い合うように配設された永久磁石組立体１４を備えている。前記永久磁石組立体１４は、永久磁石組立体１４の両端面に配設された固定リング部材１５，１６により前記直動回転軸１１に強固に固定されている。

リニアモータ部２の移動子１０は、直動用固定子２０を構成する円筒状ケース部材２１内の軸線上に収容されており、前記円筒状ケース部材２１の一方開口端には円板状のブラケット３０が設けられて閉じられている。前記ブラケット３０の中心には開口穴が形成され、該開口穴には、軸受部材として第１のすべり軸受３１が配設されている。
前記直動回転軸１１の一方の側は、前記ブラケット３０に取付られた第１のすべり軸受３１を介して直動および回動自在に支持されている。前記円筒状ケース部材２１は非磁性材であっても磁性材であってもよく、磁性材を使用した場合にはリニアモータの巻線に鎖交する磁束量を増加させることができ、リニアモータの推力を高めることができる。

しかし、前記円筒状ケース部材２１に磁性材を使用した場合には、有限長の磁性材ケースの存在により前記移動子１０が前記ケース端付近にきたときに前記移動子１０をケース内に引き込もうとするディテント推力が発生するので、前記ケースの軸方向長さＹを（Ｍ+Ｓ＋０．８×Ｄ）以上に設定する必要がある。ここでＭは前記永久磁石組立体１４の軸方向長さ、Ｓは必要なストローク長、Ｄは前記永久磁石１２，１３の外径である。

図３（ａ）（ｂ）に前記第１のすべり軸受３１の断面図と対応する前記出力軸の断面図を示す。図示のように前記第１のすべり軸受３１の内周面の断面形状は円形であるので、前記直動回転軸１１の前記一方の側を直動および回動自在に支持することができる。
また、前記直動用固定子２０は、円筒状のケース部材２１と、該ケース部材２１の軸方向に等ピッチＣで配設された６個のリング状コイル２２，２３，・・・，２７を備えたコイル組立体２８を有し、前記コイル組立体２８は前記円筒状ケース部材２１内に収納され、内部の軸線上に前記永久磁石組立体１４を収容する円筒状の空間３２を形成している。

また、前記円筒状ケース部材２１の周面には軸方向に延びた開口部２９が設けられ、この開口部２９に前記移動子１０の磁極位置を検出するための図示しないセンサ手段、例えばホール素子を備えた回路基板４０が取付けられている。また、前記回路基板４０には、前記各コイル２２，２３，・・・，２７の始端および終端を接続する端子が設けられており、回路基板４０に設けられたプリント回路により各コイル２２，２３，・・・，２７は結線されている。本実施の形態の場合には、各コイル２２，２３，・・・，２７は３相巻線を形成できるようになっている。

したがって、前記のリニアモータ部２は３相の永久磁石型パルスモータまたはブラシレスモータまたはサーボモータとして動作させることができる。サーボモータとして動作させる場合には、前記ホール素子からの信号を利用して必要な分解能の位置信号を生成する必要がある。

また、前記リング状コイル２２，２３，・・・，２７の配設ピッチＣは永久磁石１２，１３の軸方向長さをＬ、相数をｍとすると、ｍが奇数の場合にはＣ＝２×Ｌ／ｍ、ｍが偶数の場合にはＣ＝Ｌ／ｍで表せる。

前記直動用固定子２０の前記円筒状ケース部材２１のもう一方の端面には、前記ロータリ型パルスモータ部３が当接されて一体的に結合されている。前記ロータリ型パルスモータ部３はハイブリッド形パルスモータであって、中空軸５３を有する回転子５０と、回転用固定子６０と、モータケースを構成する円筒状のブラケット３３，３４とを備えている。
前記中空軸５３は、小径部の第１の中空軸部５１と、前記第１の中空軸部５１の中空部５１ａの内径Ｒ１よりも大きい中空部５２ａの内径Ｒ２を有する大径部の第２の中空軸部５２とで、前記直動回転軸１１と同軸方向に段差状に構成されている。前記中空軸５３は、第２の中空軸部５２の中空部５２ａの開口端５２ｂを前記円筒状ケース部材２１に向けて前記直動回転軸１１と同一軸線上に配設されている。前記中空軸５３は、第２の中空軸部５２と第１の中空軸部５１の中空部５２ａ，５１ａの内部に前記直動回転軸１１の一端部１１ａを挿通自在に構成されている。

前記回転子５０は、第１の中空軸部５１の外周面に装着され、かつ外周面に複数の小歯が形成されたリング状の回転子鉄心５４，５５と、該回転子鉄心５４，５５相互間に挟持されたリング状の永久磁石５６とで構成されている。前記回転用固定子６０はブラケット３３，３４相互間に挟持されて配設されており、これらブラケット３３は一方の開口端面を前記円筒状ケース部材２１の開口端面に突き合わせて組み付けられている。このブラケット３３の内周面側には、前記第２の中空軸部５２を回転自在に支持する玉軸受３６，３７が軸方向に並べて配設されている。前記ブラケット３４には内周面側ボス部３４ａの内径側に、第１の中空軸部５１を回転自在に支持する玉軸受３５が配設されている。

前記第２の中空軸部５２の内周面側には、第２の軸受部材として、すべり軸受３８が固定されている。前記第２のすべり軸受３８の内周面の断面および対応する前記直動回転軸１１の一端部１１ａの断面は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、それぞれ四角形をしており、前記直動回転軸１１の回動を阻止して直動自在に支持する構成となっている。前記第２のすべり軸受３８の内周面の断面形状は本実施例では四角形としているが、それに限定されることなく、円形以外の形状であればどのような形状でも可能である。この場合、すべり軸受３８の内周面の断面形状に合わせて前記直動回転軸１１の一端部１１ａの断面形状を形成することになる。

次に、上記実施の形態の作用を説明する。
リニアモータ部２では、前記直動用固定子２０に設けられた複数のリング状コイル２２，２３，・・・，２７に連続的にパルス駆動電流を流して励磁すると、軸方向に所定のステップストロークで機械的出力を発生する。
一方、ロータリ型パルスモータ部３では、回転用固定子６０の固定子巻線に流れるパルス駆動電流により、回動方向に所定のステップ角で機械的出力を発生する。
本発明は、リニアモータ部２を、軸方向に往復移動可能で、かつ回動可能に支持された直動回転軸１１と、軸方向に磁化された永久磁石を1個以上備えた永久磁石組立体１４を有し、かつ前記直動回転軸１１に軸心を支持された移動子１０と、複数のリング状コイル２２，２３，・・・，２７を前記軸方向に一定間隔で配設して、内部に前記永久磁石組立体１４を収容する円筒状の空間を形成するコイル組立体２８と該コイル組立体２８の外周面に当接されたケース部材２１とを備えてなる直動用固定子２０とを備えた構成の永久磁石形モータとしている。
そのため前記移動子１０と前記直動用固定子２０とのエアギャップを広く取ることができ、その結果低コストの、すべり軸受３１が使用でき、少ない部品点数でリニア・ロータリ複合モータを構成できる。
またリニアモータ部２は、固定子鉄心を必要としないモータ構造であるため前記リング状コイル２２，２３，・・・，２７の外側から前記移動子１０を構成する永久磁石１２，１３の磁束を検出することができ、モータ特性を損なうことなく移動子１０の位置を検出することができる。

さらに、前記中空軸５３は、第１の中空軸部５１と、前記第１の中空軸部５１の中空部５１ａの内径Ｒ１よりも大きい中空部５２ａの内径Ｒ２を有する第２の中空軸部５２とで段差状に構成され、ロータリ型パルスモータ部３が作動していないときは、第２のすべり軸受３８が直線運動のみを許容するので、直動回転軸１１に直線運動のみを行わせることができる。また、ロータリ型パルスモータ部３を作動させたときは、第２のすべり軸受３８を介して直動回転軸１１に回転運動をさせることができるので、直動回転軸１１には移動子１０のみを装着させればよいことから、直動回転軸１１の重量を軽減することができる。よって、リニア駆動の際の直動回転軸１１のステップ駆動をスムーズに行うことができる。

なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、例えば、上記実施の形態では、直動回転軸１１の一端部のみをリニア・ロータリ複合型モータの片側に突出させているが、直動回転軸１１の両端部をリニア・ロータリ複合型モータの両側から突出させて両側から出力を取り出すこともできる。移動子１０を構成する永久磁石１２，１３の数、直動用固定子２０を構成するリング状コイル２２，２３，・・・，２７の数も必要に応じて任意に設定することができる。等、その他、本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜変更して実施し得ることは言うまでもない。

本発明のリニア・ロータリ複合型モータの実施の形態を示す断面図である。 図１の部分拡大図である。 （ａ）は、リニアモータ部に設けられたすべり軸受の断面図、（ｂ）は、リニアモータ部のすべり軸受に係合する直動回転軸の断面図である。 （ａ）は、ロータリ型パルスモータ部に設けられたすべり軸受の断面図、（ｂ）は、ロータリ型パルスモータ部に設けられたすべり軸受に係合する直動回転軸の断面図である。 従来のリニア・ロータリ複合型モータを示す断面図である。

符号の説明

１ リニア・ロータリ複合型モータ
２ リニアモータ部
３ ロータリ型パルスモータ部（回転形モータ部）
１０ 移動子
１１ 直動回転軸
１２，１３ 永久磁石
１４ 永久磁石組立体
１５，１６ 固定リング部材
２０ 直動用固定子
２１ ケース部材
２２，２３，・・・，２７ リング状コイル
２８ コイル組立体
２９ 開口部
３０ ブラケット
３１ 第１のすべり軸受
３２ 空間
３３，３４ ブラケット
３５，３６，３７ 玉軸受
３８ 第２のすべり軸受
４０ 回路基板
５０ 回転子
５１ 第１の中空軸部
５２ 第２の中空軸部
５３ 中空軸
５４，５５ 回転子鉄心
５６ 永久磁石
６０ 回転用固定子
１１ａ 一端部

Claims (3)

1. 軸方向に往復移動可能で、かつ回動可能に支持された直動回転軸と、軸方向に磁化された永久磁石を1個以上備えた永久磁石組立体を有し、かつ前記直動回転軸に軸心を支持された移動子と、複数のリング状コイルを前記直動回転軸と同軸方向に一定間隔で配設して、内部に前記永久磁石組立体を収容する円筒状の空間を形成したコイル組立体と該コイル組立体の外周面に当接されたケース部材とを備えてなる直動用固定子と、前記直動用固定子の一方の端面側に前記直動回転軸の一方を直動および回動自在に支持する第１の軸受部材と、前記直動用固定子の他方の端面側に前記直動回転軸と軸心を回動自在に支持され、前記直動回転軸の一端部を摺動可能に収容する第１と第２の中空軸部からなる中空軸を有する回転子と、該回転子を駆動する回転用固定子とを備え、前記中空軸における第１の中空軸部の中空部の内径よりも第２の中空軸部の中空部の内径を大きく形成し、前記第２の中空軸部の中空部に、前記直動回転軸の回転を阻止するとともに該直動回転軸を直動自在に支持する第２の軸受部材を配設してなる回転形モータ部を有することを特徴とするリニア・ロータリ複合型モータ。
2. 前記永久磁石が２個以上の場合は同極性の端面同士が互いに向い合うように配設することを特徴とする請求項１に記載のリニア・ロータリ複合型モータ。
3. 前記第１および第２の軸受部材は、すべり軸受であって、前記第１の軸受部材の前記直動回転軸部と摺動する内周面の断面形状を円形に形成し、前記第２の軸受部材の前記直動回転軸部と摺動する内周面の断面形状を円形以外の形状に形成したことを特徴とする請求項１または２に記載のリニア・ロータリ複合型モータ。

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