JP2009005562A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】センターコアに電磁コイルを装着する場合の作業性及び信頼性を向上させる。
【解決手段】ボビン１４に巻き回されて連続的に配列された複数の電磁コイルと、ボビンの中央部を貫通する磁性体からなるセンターコア１１とを備える固定子と、固定子からの磁束の作用を受ける複数の永久磁石を有し、固定子に沿って往復走行可能に設けられた可動子と、を備え、ボビンは、センターコアに対して電磁コイルを電磁コイルの巻線方向に回転しないようにする回転止め部を有し、回転止め部には、電磁コイルからの引き出し線を収納する収納部１４ｅが形成されている。
【選択図】 図８

Description

本発明は、ムービングマグネット型のリニアモータに関するもので、特に、円筒形状の界磁構造とそれに伴う電機子を備えたシャフト型リニアモータに関する。

リニアモータには様々なタイプのものがあるが、リニアモータカーのように大きな駆動力を必要としない場合には、界磁マグネットと電磁コイルとの組合わせで構成されることが多い。このような界磁マグネットと電磁コイルとの組合わせによるリニアモータは、例えば半導体製造装置の分野において精密用マイクロステージ、または精密位置決めステージの駆動源としての応用が考えられている。これは、リニアモータによる駆動機構は、これまで主流であったボールネジ駆動機構に比べて、駆動速度が高い、位置決め精度が高い、繰り返し位置決め精度が高い、駆動時と停止時のオーバシュート、アンダーシュートが小さい、等速移動時の速度リップルが小さい、などの利点があるからである。このようなリニアモータの一種として、電磁コイルを軸状の固定子とし、界磁マグネットを有する可動子を円筒状に形成して固定子が中心を貫通するように構成したムービングマグネットタイプのシャフト型リニアモータが知られている。

このタイプのリニアモータでは、電磁コイルを構成している各リング状コイルに、それが臨んでいる界磁マグネットの磁極の極性に応じた電流を流すことで、電流と界磁マグネットの形成する磁界との相互作用で所望する方向の可動子推力を発生させることができる。

例えば、特許文献１に記載のリニアモータは、図１０及び図１１に示されるように、固定子１１０は、磁性体よりなる軸状のセンターコア１１１（固定子本体）の周囲に予めボビン１１４にコイル素線を巻き付けて成るリング状コイル１１２を軸方向に連続的に配置し、このリング状コイル１１２の外周を絶縁性の皮膜１１３で包んで構成されている。可動子１２０は、皮膜１１３の外周を囲む複数の界磁マグネット１２１を軸方向に連続的に配置し、これらの界磁マグネット１２１をマグネットケース１２２内に収納して構成されている。この構成によれば、固定子側の電磁コイル１１２に電力を供給すると、電磁コイル１１２からの磁束と界磁マグネット１２１との相互作用により、可動子１２０がガイドブロック１２３を不図示のベースに固定されたガイドレール１３２に沿って案内されながら軸方向に移動する。
特開２００４−２８２７９６号公報

しかしながら、上記のように各ボビンにコイル素線を巻き付けて成るリング状コイルを形成し、これらリング状コイルを結線して電磁コイルを作る場合、結線作業に手間がかかり、また引出し線がコイル外周に露出するため、組立て作業中などにコイル素線の絶縁被膜を傷つけたり断線を引き起こす可能性がある。

また、このような事態を回避するために引出し線の収納部をボビンに形成すると、その分ボビンが肉厚となりコイル巻き数が減少し、電磁コイル全体の大きさからみた占積率が低くなってしまう。その結果、モータ推力を得るためには、より多くの電流を流す必要があり、その際は電流値の２乗に比例する銅損が増え、モータ効率が悪くなることが考えられる。よって、ある程度の推力を得るためには、コイル巻き数を増やさなければならず、電磁コイルのサイズ、ひいてはリニアモータのサイズが大きくなってしまう。

一方、ボビンをセンターコアに固定する場合、各コイルからの引出し線の位置を合わせるため位置決めが必要となる。従来はコイルの巻線方向、センターコアの軸方向とも、目視にて各コイルの位置を確認し接着剤で固定していたが、極めて不安定であった。

従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、センターコアに電磁コイルを装着する場合の作業性及び信頼性を向上させることである。

上述した課題を解決し、目的を解決するために、本発明に係わるリニアモータは、ボビンに巻き回されて連続的に配列された複数の電磁コイルと、前記ボビンの中央部を貫通する磁性体からなるセンターコアとを備える固定子と、前記固定子からの磁束の作用を受ける複数の永久磁石を有し、前記固定子に沿って往復走行可能に設けられた可動子と、を備え、前記ボビンは、前記センターコアに対して前記電磁コイルを該電磁コイルの巻線方向に回転しないようにする回転止め部を有し、該回転止め部には、前記電磁コイルからの引き出し線を収納する収納部が形成されていることを特徴とする。

また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記回転止め部は、前記センターコアと前記ボビンとの対面する部分に設けられたＤ文字形状部あるいは凹凸形状部であることを特徴とする。

また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記複数の電磁コイルは、あらかじめ前記センターコアに装着された前記ボビンに直接巻き回されることを特徴とする。

また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記ボビンの前記センターコアの軸方向に対する固定は、前記ボビンを前記センターコアへ挿入後にコイルを巻き回す際のコイルの巻き締まりを利用して行われることを特徴とする。

また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記ボビンの前記センターコアの軸方向に対する固定は、前記センターコアを前記ボビンへ圧入することにより行われることを特徴とする。

また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記ボビンの前記センターコアの軸方向に対する固定は、前記センターコアを前記ボビンにインサート成形することにより行なわれることを特徴とする。

本発明によれば、センターコアに電磁コイルを装着する場合の作業性及び信頼性を向上させることが可能となる。

以下、本発明の好適な一実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、センターコアにボビンを複数個連続的に配列して固定させてリング状コイルを形成したシャフト型リニアモータの１例を示す図である。図２は電磁コイルの拡大断面図である。

図１に示すリニアモータは、固定子１０と可動子２０とからなるシャフト型リニアモータである。固定子１０は、軸状のセンターコア１１と、センターコア１１の周囲に装着された複数個のリング状コイルから成る電磁コイル１２と、電磁コイル１２の外周をカバーするように装着されたパイプ１３（筒状体）とを備える。センターコア１１は、電磁コイルの中央部を貫通している。

電磁コイル１２は不図示の制御ドライバーのモータ接続端子に接続されたＵ相コイル１２Ｕ、Ｗ相コイル１２Ｗ、Ｖ相コイル１２Ｖを備え、これらの各コイルはセンターコア１１の周囲にその磁極軸がセンターコア１１の軸芯に平行になるようにして可動子２０の走行範囲のほぼ全長にわたって装着されている。

可動子２０は、電磁コイル１２を囲むことができるような筒状の複数の界磁マグネット（永久磁石）２１と、これら複数の界磁マグネット２１を収容しているマグネットケース２２とを備えている。複数の界磁マグネット２１は、同じ長さ寸法を持ち、しかも隣接する磁極が互いに反対向きになり、かつ磁極軸がセンターコア１１の軸芯に平行になるように直列的に組み合わされてマグネットケース２２に収容されている。各相コイル、界磁マグネット２１のサイズは、推力、リニアモータ全体の大きさ等の条件により変わるが、すべての界磁マグネット２１は軸方向の寸法が等しく、また軸方向の寸法が各相コイルの磁極軸方向の寸法の３倍の長さになるように作られる。

なお、可動子２０は、パイプ１３の外周に対してギャップを維持した状態、すなわちパイプ１３に非接触状態で移動させる必要がある。これは、ガイドブロック３５とガイドレール３４により実現される。すなわち、マグネットケース２２にはガイドブロック３５が固定され、このガイドブロック３５が可動子２０の走行方向に沿うように不図示のベース上に配置されたガイドレール３４によりスライド案内される。言い換えれば、可動子２０は、固定子１１の軸方向に往復走行可能となる。

なお、パイプ１３の外面側と界磁マグネット２１の内面側との間のギャップは一定である必要は無い。言い換えれば、上記のギャップが全長にわたって一定であってもあるいは上下方向、左右方向に関してばらつきがあったとしても推力は同じであり、推力ムラなどの影響を受けない。これは、界磁マグネット２１が筒状であり、その内側に電磁コイル１２があるからである。このことにより、可動子２０と固定子１０には厳しい取付け精度を要求されず、それらを構成する部品にも厳しい加工性度を要求されない。

上記の各構成要素の材料について一例をあげると、センターコア１１は、ヨークとしての機能を持たせるために磁性体、例えば鉄が用いられ、パイプ状にすることで機械的強度の向上を図っている。パイプ１３はＳＵＳ３０４や非磁性体のステンレス等であることが好ましい。

磁界マグネット２１はマグネットとしての性能の高い、例えばネオジウム磁石が用いられる。特に、界磁マグネット２１の磁極軸方向の寸法はすべて同じにする必要がある。マグネットケース２２としては軽量化を考慮する場合はアルミ合金等が好ましいが、この限りではなく例えば石材等でも良い。

いずれにしても、マグネットケース２２は、図１に示されるように、複数の界磁マグネット２１を収容固定しているケース本体部２２ａと、その片端部に取り付けられる蓋部材２２ｂとの２ピース構成で一体化され、十分な機械的強度をもたせることができる。

電磁コイル１２は、本例では、Ｕ相、Ｗ相及びＶ相の３つのコイルを１組とするコイル群を複数組有しており、第１組のコイル群、第２組のコイル群、…の順に、固定子１０の長手方向に配置されている。

各相コイルは、予めセンターコア１１の周囲に所定の位置に配列されているボビン１４上に巻き付けて形成されている。すなわち、第１組のＵ相コイル１２Ｕはセンターコア１１上に固定されたボビン１４にコイル素線を巻線機で巻き付けて成る。さらに第１組のＷ相コイル１２Ｗ、Ｖ相コイル１２Ｖ、次に第２組のＵ相コイル１２Ｕ、Ｗ相コイル１２Ｗ、Ｖ相コイル１２Ｖ、更に…と順々にセンターコア１１上に固定されたボビン１４にコイル素線を巻き付け、かくして電磁コイル１２が形成されている。なお、本実施形態では、予めセンターコア１１に全てのボビン１４を固定した後に、そのボビンに対してコイル素線を巻き線機で巻きつける。

これにより、電磁コイル１２は予めセンターコア１１上にボビン１４を固定することを利用して容易に最終組み立てでき、かつコイルの占積率が高くなり効率化・小型化が可能となる。さらにはリニアモータ全体としてもそれだけ容易に組み立てることができると共に、効率化・小型化が可能となる。

電磁コイル１２についてさらに説明すると、それを構成している各相コイルは、それに限定されるものではないが本実施形態では、それぞれ磁極マグネット幅Ｐｍの１／３の幅に形成されている。これらコイルのうちいずれの隣り合う二つのコイルも、それらの中心位置が固定子１０の長手方向にＰｍ／３ずつずらして配置されている。

以上説明したリニアモータでは、電磁コイル１２に通電制御下において通電すると、電磁コイル１２に流れる電流と磁界マグネット２１の形成する磁界との相互作用により、界磁マグネット２１を有する可動子２０が固定子１０である電磁コイル１２に沿って走行する。

以上説明したシャフト型リニアモータでは、電磁コイル１２における各相コイルはＰｍ／３の幅を有し、センターコア１１上に固定されたボビン１４にコイル素線を巻き付けて配置されているが、各相コイルの幅はＰｍ／３より小さくてもよい。但し、各隣り合うコイルの中心（コイル幅方向での中心）の間隔はＰｍ／３を維持する。

また、以上説明したリニアモータでは、各相コイルは予めセンターコア１１の周囲に所定の位置に配列されたボビン１４上に巻き付けて形成されてると説明したが、次にセンターコア１１とボビン１４の回転止め方法について説明する。

図３は、Ｄ文字形状によるボビン１４の回転止め方法の１例を示す断面図である。

センターコア１１の外周面とボビン１４の内周面（センターコア１１の外周面とボビン１４の内周面の対面する部分）をＤ文字形状部として、コイル巻き付け方向回転止め部１４ｃを設け、ボビン１４にコイルを巻き付ける際、ボビン１４が回転しないように固定させる。

あるいは、図４に表す凹凸形状によるボビン回転止め方法の１例の断面図のように、センターコア１１の外周面とボビン１４の内周面を凹凸形状部として、コイル巻き付け方向回転止め部１４ｄを設け、ボビン１４にコイルを巻き付ける際、ボビン１４が回転しないように固定させる。

以上説明したボビンの回転止め方法は本発明を何ら限定するものではなく、センターコアに対してボビンが回転することを防止できれば上記の形状に限定されるものではない。。

ここで、センターコア１１に対するコイル巻き付け方向のボビン１４の回転止め（固定）方法は以上説明したようなものであるが、センターコアの軸方向（コイル配列方向）に対するボビンの固定方法は、ボビンの挿入後に、強度を必要としない薄肉のボビンにコイルを巻き付けることでコイルによる巻き締まりを利用して、固定を行っても良い。また、センターコア１１とボビン１４を圧入によって固定しても良く、あるいは接着剤を用いて固定しても良い。

また、以上説明したリニアモータでは、図５のように各相コイル１つに対してボビン１４が１つずつ分割されているように説明したが、本実施形態ではＵ相、Ｗ相、Ｖ相の３つのコイルを１組とするコイル群としていることから、図６のように１個のボビン６４にＵ相コイル、Ｗ相コイル、Ｖ相コイルのコイル群１組を巻き付けられる形状としても良い。あるいは、コイル群を複数組分巻き付ける形状としても良く、さらには、図７のように電磁コイル全部を１個のボビン７４で巻き付けられる形状としても良い。

また、以上説明したリニアモータでは、各相コイルを巻きつけるに当たり、予めセンターコア１１上にボビンを固定させると説明したが、ボビンに成形材料を用いることで、センターコアをインサート成形してボビンを成形することによってセンターコアにボビンを固定させても良い。

次に、ボビンの回転止め部を利用して、各相コイルからの引き出し線を収納する方法について説明する。

図８は凹凸形状によるボビン回転止め部に各相コイルからの引き出し線収納部を設けたボビン形状の１例の斜視図であり、図９は凹凸形状によるボビン回転止め部に各相コイルからの引き出し線を収納させたときの１例の断面図である。

電磁コイル１２はセンターコア１１に固定されたボビン１４に絶縁被膜を施したワイヤを多重に巻きつけて構成されている。本実施形態におけるリニアモータは、三相駆動型であるため、Ｕ相コイル、Ｗ相コイル、Ｖ相コイルの三つのコイルからなるコイル組を１単位としている。Ｖ相コイル１２ｂに流す電流がＵ相コイル１２ａに流す電流に対し１２０°の位相差を持ち、Ｗ相コイル１２ｃに流す電流がＶ相コイル１２ｂに流す電流に対し１２０°の位相差を持つよう駆動する。センターコア１１の外周上には凹形状を成すようにセンターコア１１の軸方向に溝が切られている。ボビン１４の内周上にはセンターコア１１の外周形状に沿うように凸形状が形成されている。ボビン１４の外周上には内周上の凸形状部に合わせるような形で凹形状を成すように溝が切られている。ボビン１４の外周上の凹形状部１４ｅにはＵ相コイルの引出線１５Ｕ、Ｗ相コイルの引出線１５Ｗ、Ｖ相コイルの引出線１５Ｖが収納されている。

なお、三つのコイル組の相互の結線方法については、一般的な結線方法であるスター結線を用いている。スター結線についての説明は省略する。また、本実施形態の配線部材はスター結線に使用することに限るものではなく、デルタ結線等の結線方法でも使用することができる。さらには、本実施形態のボビンは、三相駆動型のリニアモータ用に限るものではない。二相または四相以上のリニアモータ等でもよい。また、センターコアに形成する形状もＤ文字、あるいはコ文字形状に限定されるものではない。更には、センターコアの形状も軸状に限るものではなく平板状であっても多角柱状であっても同様の効果を得ることができ、その形状に合わせたボビン形状を形成すればよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、ボビンに、センターコアに対しコイルの巻線方向に回転しないような回転止め部と、各電磁コイルからの引き出し線を収納する収納部を形成するため、ボビンの厚さを最小にでき、リニアモータ全体を小型化できる。

また取扱によるコイル引き出し線などの断線や短絡を防止できる。

さらにボビンをあらかじめセンターコアに固定し、電磁コイルをボビンに直接巻き回すと、ボビンの肉厚をさらに薄くでき、またボビン間の巻線の結線が必要ないため、リニアモータの信頼性が向上する。

本発明の一実施形態に係わるシャフト型リニアモータの断面図である。 図１に示すモータにおける電磁コイルの断面図である。 本発明の一実施形態に係わるシャフト型リニアモータのＤ文字形状によるボビン回転止め方法を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係わるシャフト型リニアモータの凹凸形状によるボビン回転止め方法を示す断面図である。 シャフト型リニアモータの各相コイルの１個分が巻き付けられるボビン形状を示した図である。 シャフト型リニアモータのＵ相、Ｗ相、Ｖ相の３相分のコイル１組が巻き付けられるボビン形状を示した図である。 シャフト型リニアモータの電磁コイル全体が巻き付けられるボビン形状を示した図である。 シャフト型リニアモータの凹凸形状によるボビン回転止め部に各相コイルからの引き出し線収納部を設けた状態を示す斜視図である。 シャフト型リニアモータの凹凸形状によるボビン回転止め部に各相コイルからの引き出し線収納部を設けた状態を示す断面図である。 従来のシャフト型リニアモータの概略構成断面図である。 従来のシャフト型リニアモータの概略構成側断面図である。

符号の説明

１０ 固定子
１１ センターコア
１２ 電磁コイル
１３ パイプ
１４ ボビン
２０ 可動子
２１ 界磁マグネット
２２ マグネットケース

Claims (6)

1. ボビンに巻き回されて連続的に配列された複数の電磁コイルと、前記ボビンの中央部を貫通する磁性体からなるセンターコアとを備える固定子と、
   前記固定子からの磁束の作用を受ける複数の永久磁石を有し、前記固定子に沿って往復走行可能に設けられた可動子と、を備え、
   前記ボビンは、前記センターコアに対して前記電磁コイルを該電磁コイルの巻線方向に回転しないようにする回転止め部を有し、該回転止め部には、前記電磁コイルからの引き出し線を収納する収納部が形成されていることを特徴とするリニアモータ。
2. 前記回転止め部は、前記センターコアと前記ボビンとの対面する部分に設けられたＤ文字形状部あるいは凹凸形状部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. 前記複数の電磁コイルは、あらかじめ前記センターコアに装着された前記ボビンに直接巻き回さ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. 前記ボビンの前記センターコアの軸方向に対する固定は、前記ボビンを前記センターコアへ挿入後にコイルを巻き回す際のコイルの巻き締まりを利用して行われることを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。
5. 前記ボビンの前記センターコアの軸方向に対する固定は、前記センターコアを前記ボビンへ圧入することにより行われることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリニアモータ。
6. 前記ボビンの前記センターコアの軸方向に対する固定は、前記センターコアを前記ボビンにインサート成形することにより行なわれることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリニアモータ。

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