JP2013223289A5 - - Google Patents

Description

円筒型リニアモータ

この発明は、リニアモータに関し、特に円筒型リニアモータに関する。

近年電子部品実装装置においては、実装速度向上と高精度化のため、ノズル駆動用のアクチュエータとして従来用いられてきたボールねじと回転型サーボモータの組合せから円筒型リニアモータへの置き換えが進んでいる。
円筒型リニアモータの構成としては、例えば特許文献１のように、可動子がパイプに複数の永久磁石を挿設して構成されたものがある。
また、例えば特許文献２のように、可動子に永久磁石を用いない構成のリニアモータがある。このものは、円筒型リニアパルスモータと呼ばれ、可動子表面は複数の細かいティースが形成されており、固定子内側にも同ピッチの細かいティースが形成されている。

特開２００８−７９３５８号公報 特開平７−３９１３５号公報

上記特許文献１のものは、長いストロークが必要な場合、可動子を延ばす必要があり、それに伴い永久磁石の必要個数を増加させなければならずコストアップになるという問題点があった。

また、特許文献２のものでは、ステッピングモータの構成となり、可動子の位置決め精度はティースピッチに依存するために高精度化するためにはティースピッチを細かくする必要がある。そして、ステッピングモータの先端部にノズルを取付けた実装装置の場合、生産性を考慮すると、複数台密集して並べて配置する必要があり、このためにはリニアモータの断面（可動子の軸線に対して垂直方向に沿って切断したときの断面）形状が小さいことが重要である。
しかしながら、可動子表面に複数の細かいティースが形成された特許文献２のものでは、小型化しつつ高精度化することは困難であるという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、長ストロークでも、安価で小型化が可能で、かつ高精度化が可能な円筒型リニアモータを提供することを目的とする。

この発明に係る円筒型リニアモータは、円筒形状の電機子と、この電機子の中心軸線上に電機子との相互作用により電機子に対して相対的に中心軸線に沿って往復動可能に設けられた界磁子とを備え、
前記電機子は、軸線方向に沿って間隔を空けて複数配置されたリング状の相コイルと、 各前記相コイル間に設けられたリング状の永久磁石からなる永久磁石部とを有し、
前記界磁子は、シャフトと、このシャフトの軸線に沿って間隔を空けて複数配置された磁性体からなるリング状の突極とを有し、
前記突極は、その総数がｎを１以上の整数としたときに５ｎとし、前記突極と対向する前記相コイルは、その総数が６ｎとし、
三相の前記相コイルを、前記軸線方向に沿って、Ｕ＋相、Ｕ−相、Ｖ＋相、Ｖ−相、Ｗ＋相、Ｗ−相の順序で少なくとも一巡配置されている。

この発明に係る円筒型リニアモータによれば、電機子に相コイルと永久磁石部の両方を配置することにより、長ストローク化する場合には、界磁子の突極数を増加させればよく、永久磁石部の個数を増加させる必要がないので、コストが安価となる。
また、制御はステッピングモータ方式ではなく一般的なリニアサーボモータと同様の制御が可能であり、界磁子の位置決め精度は突極ピッチによらないために、小型化した場合でも高精度化が可能である。

この発明の実施の形態１における円筒型リニアモータを示す側断面図である。 図１の可動子を示す分解斜視図である。 図１の円筒型リニアモータのコイル磁束波形である。 この発明の実施の形態１における円筒型リニアモータの他のコイル磁束波形である。 この発明の実施の形態１における円筒型リニアモータのＹ結線の巻線図である。 この発明の実施の形態１における円筒型リニアモータの他のＹ結線の巻線図である。 この発明の実施の形態１における円筒型リニアモータのΔ結線の巻線図である。 この発明の実施の形態１における円筒型リニアモータの他のΔ結線の巻線図である。 この発明の実施の形態１における円筒型リニアモータの変形例を示す側断面図である。 この発明の実施の形態１における円筒型リニアモータの他の変形例を示す側断面図である。 この発明の実施の形態２における円筒型リニアモータを示す側断面図である。 この発明の実施の形態２における円筒型リニアモータの変形例を示す側断面図である。 この発明の実施の形態３における円筒型リニアモータを示す側断面図である。 この発明の実施の形態３における永久磁石部及びコイルを示す斜視図である。 この発明の実施の形態４における円筒型リニアモータを示す側断面図である。 この発明の実施の形態４における円筒型リニアモータの変形例を示す側断面図である。 この発明の実施の形態４における他の変形例を示す円筒型リニアモータを示す側断面図である。 この発明の実施の形態５における円筒型リニアモータを示す側断面図である。 この発明の実施の形態５における円筒型リニアモータの変形例を示す側断面図である。 この発明の実施の形態６における円筒型リニアモータを示す側断面図である。 この発明の実施の形態６における円筒型リニアモータの変形例を示す側断面図である。 この発明の実施の形態７における円筒型リニアモータを示す側断面図である。 図２２の可動子を示す斜視図である。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における円筒型リニアモータ（以下、リニアモータと略称する。）を示す側断面図である。
この実施の形態のリニアモータは、円筒形状のフレーム１と、このフレームの内壁面に固定された円筒形状の電機子である固定子２と、この固定子２の中心軸線上に配置され中心軸線上を往復動する界磁子である可動子３とを備えている。

固定子２は、軸線方向に沿って複数配置されたリング状の相コイル４と、この相コイル４の可動子３との対向面側を除いた三面を覆った電機子コアである固定子コア５と、隣接した固定子コア５間、及び両側にそれぞれ配置された複数のリング状の永久磁石からなる永久磁石部６とを備えている。
固定子コア５は、例えば鉄や電磁鋼板、圧粉鉄心などの磁性体で構成される。隣接する永久磁石部６は、互いに異極となるように軸線方向に着磁されている。
永久磁石部６は、永久磁石として推力特性を向上させるためにはネオジム磁石を使用するのがよく、低コストに構成するためにはフェライト磁石を使用するのがよい。
相コイル４は、冶具に巻きつけてワニスやモールドなどで一体化した後に冶具から外すことで製作してもよいし、ボビン状のインシュレータに銅線を巻きつけて製作してもよい。
固定子コア５の軸線方向の端部については、コギング力を低減するために他の形状であってもよい。

可動子３は、磁性体からなるシャフト９と、このシャフト９に軸線方向に間隔をあけて配置されたリング状の複数の突極１０とから構成されている。
この可動子３は、図２に示すように、複数のリング状の磁性体である突極１０を加工し、その中にシャフト９を通して接着もしくは溶接等で固定すればよい。
他には円柱形状の磁性体である素材から旋盤加工で製作してもよい。
シャフト９の先端部は、ノズルを取り付け電子部品の吸着等を行うために、磁気的に問題が発生しないように、非磁性体としてもよい。

円筒形状の固定子２は、焼きばめや接着等でフレーム１内に固定されている。
可動子３は、フレーム１の両端部に固定されたリニアブッシュ等の軸受１１で直動自在に支持されている。
フレーム１は、永久磁石部６からの磁束がフレーム１へ漏れて特性が悪化するために、アルミニウムやＳＵＳなどの非磁性体で構成した方がよい。
フレーム１の軸線方向の長さは、可動子３の直動方向の移動を確保するためには、固定子２の軸線方向長さに、可動子３のストローク長さＳ（図１参照）の２倍を加えた値以上が必要である。

次に、相コイル４と突極１０との関係について説明する。
図１に示すように、例えば５個の突極１０に対して６個の相コイル４が対向し、かつ各相の相コイル４の配置を固定子２の軸線に沿ってＵ＋相、Ｕ−相、Ｖ＋相、Ｖ−相、Ｗ＋相、Ｗ−相とした場合には、図３に示すコイル磁束波形が得られる。なお、各相の＋相、−相は、銅線の巻回が逆方向を示す。
このとき、電気角３６０°は突極ピッチに相当する。電気角３６０°で三相巻線の磁束がバランスし、かつ１２０°位相がずれているため、一般的なリニアサーボモータと同様の制御で駆動できる。

また、突極１０及び相コイル４のそれぞれの数は、突極１０が５個に対して相コイル４が６個で上記と同等で、三相巻線の各相コイル４の配置を固定子２の軸線に沿ってＵ＋相、Ｖ＋相、Ｗ＋相、Ｕ＋相、Ｖ＋相、Ｗ＋相とした場合には、図４に示すコイル磁束波形が得られる。
三相巻線の磁束がバランスし、かつ１２０°位相がずれているので、この相コイル４の配置の場合も、同様に制御可能であるが、図３のものと比較してピーク値が増大しており、図４のものの相コイル４の配置の方が同じ電流でより大きな推力が得られる。

なお、何れの各相コイル４の配置も結線方法は、Ｙ結線でもΔ結線でもよい。
相コイル４の配置がＵ＋相、Ｕ−相、Ｖ＋相、Ｖ−相、Ｗ＋相、Ｗ−相でＹ結線の場合の三相巻線の巻線図を図５に、相コイル４の配置がＵ＋相、Ｖ＋相、Ｗ＋相、Ｕ＋相、Ｖ＋相、Ｗ＋相でＹ結線の場合の三相巻線の巻線図を図６に示す。
さらに、相コイル４の配置がＵ＋相、Ｕ−相、Ｖ＋相、Ｖ−相、Ｗ＋相、Ｗ−相でΔ結線の場合の三相巻線の巻線図を図７に、相コイル４の相配置がＵ＋相、Ｖ＋相、Ｗ＋相、Ｕ＋相、Ｖ＋相、Ｗ＋相でΔ結線の場合の三相巻線の巻線図を図８に示す。
図７のものの場合、巻回方向が相コイル４毎に順次交互に変えて銅線の連続巻を行い、相コイル４間にリード線を接続すればよいので、結線数が低減する利点がある。
図８のものの場合は、６つの相コイル４を全て同じ方向に銅線の連続巻を行ない、相コイル４間にリード線を接続して結線するために銅線の結線作業が簡素化される。

上記構成のリニアモータによれば、固定子２に相コイル４及び永久磁石部６の両方が配置されており、長ストローク化する場合でも可動子３の突極１０の数を増加させればよいのであって、永久磁石部６の個数は増加する必要性がなく、従ってリニアモータのコストが低減される。
また、制御は一般的なリニアサーボモータと同様であり、可動子３の位置決め精度は突極１０のピッチによらないために小型化した場合でも高精度化が可能である。

また、パイプに複数の永久磁石部を挿設した従来の可動子であって、フレームから永久磁石部が出入りする構造とした場合には、隣接するリニアモータと磁気的に干渉する問題があるが、この実施の形態では可動子３に永久磁石部６を用いず、フレーム１から永久磁石部が出入りしないために隣接するリニアモータとの磁気的干渉が低減される。

なお、図９は、実施の形態１におけるリニアモータの変形例を示す側断面図である。
この例では、各固定子コア５は、コアバック部７と、リング状のティース部８とに分割されている。

また、図１０は、実施の形態１におけるリニアモータの他の変形例を示す側断面図である。
この例でも、図９のものと同様に、各固定子コア５は、コアバック部７と、リング状のティース部８とに分割されているものの、ティース部８の外周面がフレーム１に面接触しており、図９のものと比較して、ティース部８の径方向の寸法が大きく、またコアバック部７の軸線方向の長さが短い。
何れにせよ、図１に示された固定子コア５は、内径側に凹部が形成されたリング形状であり、加工が困難であるが、図９及び図１０に示した固定子コア５では、コアバック部７と、リング状のティース部８とが分割されており、固定子コア５の作製が簡単である。

実施の形態２．
図１１は、この発明の実施の形態２におけるリニアモータを示す側断面図である。
このリニアモータでは、固定子コア５は、ティース部８のみで構成され、コアバック部７は無い。
また、図１２は図１１の変形例であり、この例では固定子コア５をコアバック部７のみで構成され、ティース部８は無い。各相コイル４間に永久磁石部６が介在しており、各相コイル４間は、永久磁石部６で画成されている。
他の構成は、実施の形態１のリニアモータと同じである。

実施の形態１の固定子コア５は、相コイル４の３面を囲んでおり、そのうち図１の固定子コア４の場合は加工が困難であり、図９及び図１０のものでは、固定子コア５をコアバック部７とティース部８とに分割しており、部品点数が多い。
これに対して、この実施の形態では、固定子コア５のコアバック部７またはティース部８が削除され、部品点数が削減されて組立コストが低減し、またその削除した部位が相コイル４で占めることで、相コイル４の断面積を増大させることができる。

実施の形態３．
図１３は、この発明の実施の形態３におけるリニアモータを示す側断面図、図１４は、図１３の固定子２の分解斜視図である。
このリニアモータでは、固定子２は、リング状の相コイル４とリング状の永久磁石部６とが交互に配列されて構成されており、実施の形態１及び２に示した固定子コア５は無い。
他の構成は、実施の形態１のリニアモータと同じである。

この実施の形態の固定子２では、固定子コア５が無いので、実施の形態２のものと比較してさらに部品点数が削減されて組立コストが低減し、また固定子コア５を削除した部位も相コイル４で占めることで、相コイル４の断面積を大幅に増大させることができる。

実施の形態４．
図１５は、この発明の実施の形態４におけるリニアモータを示す側断面図である。
このリニアモータでは、固定子コア５は、コアバック部のみで構成されている。
相コイル４の軸線方向の両側には、互いに異極となるように軸線方向に着磁された永久磁石部６が配置され、相コイル４の径方向の外側には、径方向に着磁された永久磁石で構成された固定子コア５が配置されている。しかも、相コイル４の三面を囲む、永久磁石部６及び固定子コア５の各着磁方向は、各相コイル４に対して、全て集中、またはその逆方向（拡散）になるように軸線方向に沿って交互に配置されている。
他の構成は、実施の形態１のリニアモータと同じである。

実施の形態３のリニアモータでは、固定子コア５が無いので、固定子コア５が配置された場合と比較して永久磁石部６のパーミアンスが低下し、推力特性が低下する。
これに対して、この実施の形態では、固定子コア５は、リング状の軸線方向に着磁された永久磁石からなるコアバック部で構成され、磁性体からなる固定子コア５を用いたリニアモータと比較して総磁束量が増加し、推力特性が向上する。

図１６は、実施の形態４のリニアモータの変形例を示す側断面図である。
この変形例では、コアバック部のみで構成された固定子コア５は、互いに異極となるように軸線方向に着磁された永久磁石である第１の永久磁石子１２と、永久磁石である第２の永久磁石子１３とから構成されている。第１の永久磁石子１２、第２の永久磁石子１３は、それぞれ隣接した永久磁石部６と同極になるように、着磁されている。

図１７は、実施の形態４のリニアモータの他の変形例を示す側断面図である。
この変形例では、コアバック部のみで構成された固定子コア５は、互いに異極となるように軸線方向に着磁された永久磁石で構成されている。この固定子コア５の内側には、互いに外径が等しい、永久磁石部６と相コイル４とが交互に配置されている。固定子コア５とその内側に配置された永久磁石部６とは、互いに同極に着磁されている。

実施の形態５．
図１８は、この発明の実施の形態５におけるリニアモータの側断面図である。
このリニアモータでは、軸線方向に着磁された永久磁石部６が固定子コア５の内周壁面に接触しており、永久磁石部６がフレーム１の内周壁面に接触された図１５に示された実施の形態４のものと永久磁石部６の接触対象が異なる。
また、フレーム１が磁性材で構成されており、フレーム１が非磁性材で構成された図１５のものと異なる。

この実施の形態では、図１５に示したリニアモータと同様に、相コイル４に、径方向に着磁された、コアバック部のみで構成された固定子コア５の磁束、及び軸線方向に着磁された永久磁石部６の着磁方向が全て集中、もしくは全て逆方向（拡散）となるように軸線方向に沿って交互に配置されている。
このようなリニアモータでは、固定子コア５の外周部から出た磁束線は、隣接した固定子コア５へ戻るような磁気回路となる。
実施の形態１〜４のリニアモータでは、フレーム１は非磁性材で構成されており、フレーム１を通過してその外周部から出た磁束線は、再びフレーム１を通過して隣接した固定子コア５へ戻るような磁気回路となる。
一方、この実施の形態では、フレーム１が磁性材で構成されており、フレーム１の外周部から外部への磁束の漏れが低減されつつ、磁気回路のパーミアンスも向上し、推力特性を高潮させることが可能となる。

図１９は、実施の形態５のリニアモータの変形例を示す側断面図である。
この変形例は、図１８に示した、軸線方向に着磁された永久磁石部６が除かれており、各径方向に着磁された永久磁石からなり、コアバック部のみで構成された固定子コア５に対応して内側に相コイル４が配置されており、この例でも図１８のものと同様の効果を得ることができる。

実施の形態６．
図２０は、この発明の実施の形態６のリニアモータを示す側断面図である。
この実施の形態では、可動子３は、シャフト９と、シャフト９に所定の間隔をあけて固定された複数の突極１０と、隣接した突極１０間、及びシャフト９の両端部に設けられた樹脂材で構成された非磁性体１４とから構成され、軸線方向の全域において外径寸法は同一である。
固定子２に関する構成は、図１に示したリニアモータと同じである。

実施の形態１〜５では、シャフト９の外径よりも突極１０の外径が大きく、シャフト９の軸線方向のストローク長さＳ（図１参照）を確保するために、フレーム１の全長は、「固定子２の軸線方向の長さ」＋「２Ｓ」以上にする必要性である。
これに対して、この実施の形態では、可動子３は、突極１０間に非磁性体１４を設けて軸線方向の全域において外径寸法を同一とすることで、フレーム１の全長は、固定子２の全長分あればよく、フレーム１の軸線方向の長さを実施の形態１〜５のものと比較して短くすることができる。

図２１は、図２０のリニアモータの変形例を示す側断面図である。
この例では、図２０の可動子３が、非磁性管１５で覆われている。
この非磁性管１５を用いることで、非磁性管１５は軸受１１に対して円滑に摺動し、可動子３は、滑らかな直動が可能となり、また軸受１１も長寿命化する。

実施の形態７．
図２２は、この発明の実施の形態７のリニアモータを示す側断面図、図２３は図２２の可動子３を示す斜視図である。
この実施の形態では、磁性体からなるシャフト９に複数のリング状に凹部を形成し、この凹部に樹脂を溶かし込み固化して非磁性体１４を形成している。非磁性体１４間は、突極１０を構成している。樹脂を溶かし込む方法としては、例えばレーザーやビームが挙げられる。
なお、非磁性体は、樹脂の他にアルミニウムやステンレス等で構成してもよい。
他の構成は、実施の形態６のリニアモータと同じである。

この実施の形態では、図２０に示したリニアモータと同様の効果を得ることができるとともに、可動子３は、シャフト９の一部が突極１０を兼ねており、部品点数を削減することができる。

なお、上記各実施の形態では、電機子である固定子２に対して界磁子である可動子３が直動する場合について説明したが、界磁子に対して電機子が直動する円筒型リニアモータであっても、この発明は適用することができる。
また、上記各実施の形態では、突極１０の総数が５であり、この突極１０と対向する相コイル４の総数が６の場合について説明したが、ｎを２以上の整数として突極１０の数を５ｎ、相コイル４の数を６ｎとすることで、それだけ推力を増大させるようにしてもよい。
また、上記各実施の形態では、シャフト９は磁性体で構成したが、非磁性体であってもこの発明は適用することができる。
また、実施の形態７のリニアモータの可動子３についても、図２１に示した非磁性管１５で可動子３の全周を覆ってもよい。

１ フレーム、２ 固定子（電機子）、３ 可動子（界磁子）、４ 相コイル、５ 固定子コア（電機子コア）、６ 永久磁石部、７ コアバック部、８ ティース部、９ シャフト、１０ 突極、１１ 軸受、１２ 第１の永久磁石子、１３ 第２の永久磁石子、１４ 非磁性体、１５ 非磁性管。

Claims (10)

1. 円筒形状の電機子と、
   この電機子の中心軸線上に電機子との相互作用により電機子に対して相対的に中心軸線に沿って往復動可能に設けられた界磁子とを備え、
   前記電機子は、軸線方向に沿って間隔を空けて複数配置されたリング状の相コイルと、 各前記相コイル間に設けられたリング状の永久磁石からなる永久磁石部とを有し、
   前記界磁子は、シャフトと、このシャフトの軸線に沿って間隔を空けて複数配置された磁性体からなるリング状の突極とを有し、
   前記突極は、その総数がｎを１以上の整数としたときに５ｎとし、前記突極と対向する前記相コイルは、その総数が６ｎとし、
   三相の前記相コイルを、前記軸線方向に沿って、Ｕ＋相、Ｕ−相、Ｖ＋相、Ｖ−相、Ｗ＋相、Ｗ−相の順序で少なくとも一巡配置されていることを特徴とする円筒型リニアモータ。
2. 円筒形状の電機子と、
   この電機子の中心軸線上に電機子との相互作用により電機子に対して相対的に中心軸線に沿って往復動可能に設けられた界磁子とを備え、
   前記電機子は、軸線方向に沿って間隔を空けて複数配置されたリング状の相コイルと、 各前記相コイル間に設けられたリング状の永久磁石からなる永久磁石部とを有し、
   前記界磁子は、シャフトと、このシャフトの軸線に沿って間隔を空けて複数配置された磁性体からなるリング状の突極とを有し、
   前記突極は、その総数がｎを１以上の整数としたときに５ｎとし、
   前記相コイルは、その総数が６ｎとし、
   三相の前記相コイルを、前記軸線方向に沿って、Ｕ＋相、Ｖ＋相、Ｗ＋相、Ｕ＋相、Ｖ＋相、Ｗ＋相の順序で少なくとも一巡配置されていることを特徴とする円筒型リニアモータ。
3. 各前記永久磁石部間には、磁性体からなる電機子コアが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の円筒型リニアモータ。
4. 前記電機子コアは、前記永久磁石部に面接触した一対のティース部と、前記突極の反対側でティース部の端部同士を接続したコアバック部との少なくとも一方で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の円筒型リニアモータ。
5. 前記電機子コアは、前記ティース部及び前記コアバック部とから構成されているとともに、前記ティース部及び前記コアバック部は分割されて構成されていることを特徴とする請求項４に記載の円筒型リニアモータ。
6. 前記電機子コアは、永久磁石からなるコアバック部のみで構成され、かつ隣接した前記電機子コア同士は、着磁方向が互いに異極となるように着磁されていることを特徴とする請求項３に記載の円筒型リニアモータ。
7. 前記界磁子は、前記突極間に非磁性体を設けて軸線方向の全域において外径寸法が同じであることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の円筒型リニアモータ。
8. 前記界磁子は、磁性体で構成され、リング状の複数の凹部が軸線方向に沿って間隔をあけて形成されたシャフトと、この凹部に樹脂を溶かし込み固化された前記非磁性体とから構成され、前記シャフトと、前記凹部間の前記突極とは一体化されていることを特徴とする請求項７に記載の円筒型リニアモータ。
9. 前記界磁子は、全周が非磁性管で覆われていることを特徴とする請求項７または８に記載の円筒型リニアモータ。
10. 前記電機子は固定子であり、前記界磁子は可動子であることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の円筒型リニアモータ。

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