JP2014072952A - リニアステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータの軸方向における寸法を切り詰めた構造であっても、シャフトのストロークをできるだけ大きく確保できるリニアステッピングモータを提供する。
【解決手段】ステータアッシー１３０，１４０の内側に回転可能な状態で保持されたロータ１５０を備え、ロータ１５０は、フロント側にオフセットした位置にスクリューナット１５４を備え、スクリューナット１５４は、シャフト１７０の雄ネジ構造に螺合している。ロータ１５０は、ロータマグネット１５２，１５３およびスクリューナット１５４をインサート材とした樹脂を原料とした射出成形により製造されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、リニアステッピングモータに関する。

シャフト（出力軸）の軸方向への移動をステッピングモータによって行うリニアステッピングモータが知られている。リニアステッピングモータとしては、例えば、特許文献１や２に記載した構造が知られている。

特開２００５−３５４８５８号公報 特開平１０−３２２９６３号公報

リニアステッピングモータでは、シャフトの軸方向の移動量（ストローク）が重要なファクタとなる。そのため機械的ストッパをモータ内部に設けないで、モータの外にこれを設定する装置もある。しかしこの場合にはモータ内部にストップ位置が無いので、モータ単体でシャフトの絶対位置を規定することができず、位置精度の再現性が確保できなくなる問題がある。例えば、出荷試験データと実機装置での位置精度が合わない等の問題がある。

また、長ストロークを実現するために、ステータのリア部にシャフト端が飛び出すことが出来る貫通穴を開けるものもある。この場合には、シャフトストロークの拡大の自由度は増すが、この穴から塵の進入等のトラブルが発生するリスクが増大する。この問題は、ステータのリア部を閉鎖した構造とすることで避けられるが、そうするとストロークを大きく確保できない。

上述したように、リア部が密閉されているステータ構造においては、必然的にシャフトストロークが限定され、最大でもモータ長以下のストロークとなる。理由は、モータ長以上シャフトが移動すると、モータからシャフトが抜けてしまうからである。厳密には、スクリューナットの位置からステータリア部の壁までの距離以上のストロークを取ることが出来ない。理由は、シャフトが一番入り込んだ状態は、シャフトエンド端面が前記ステータの壁に当たっている時で、シャフトが一番出た時は、シャフトエンド端面がスクリュースクリューナットに到達した所であるからである。

このような背景において、本発明は、モータの軸方向における寸法を切り詰めた構造であっても、シャフトのストロークをできるだけ大きく確保できるリニアステッピングモータを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ステータユニットと、該ステータユニットの内側に回転可能な状態で配置されたロータユニットと、該ロータユニットの回転運動が直線運動に変換されて直線運動する出力軸と、前記ロータユニットの内側に設けられ、前記出力軸に形成したねじ部と螺合するナット部とを備え、前記ナット部は、前記ロータユニットの軸方向における一端側または他端側のどちらかにオフセットした位置に配置され、前記ロータユニットは、前記ナット部およびマグネットをインサート材とした樹脂による一体成形構造を有することを特徴とするリニアステッピングモータである。請求項１に記載の発明によれば、ナットを軸方向においてオフセット配置することで、シャフトストロークを長くできる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ロータユニットは、前記ステータユニットに一対の同一構造の軸受により回転自在な状態で保持されていることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、部品の共通化が図られ、低コスト化に有利となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記ロータユニットは、軸方向において間隔を有して配置された一対の前記マグネットと、前記一対のマグネットの間の前記一対のマグネットの外径よりも小さい外径の中間部分とを有していることを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、樹脂のバリ等に起因してロータの一部がステータに接触する事故の発生が抑えられる。さらに温度上昇によるロータマグネットと樹脂の熱膨張係数の違いにより、樹脂の外径寸法が大きくなることによるステータとの接触する事故の発生（不具合）も抑えられる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記ステータユニットは、樹脂でモールドされた一体構造を有することを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、ステータユニットの製造が簡素化され、また内部の隙間が樹脂で充填されるので、防塵性が高く高信頼性が得られる。また、樹脂モールドによりコイルボビンが一体化されて、コイル励磁による振動やモータ回転による振動が低減し低騒音化に寄与する。

本発明によれば、モータの軸方向における寸法を切り詰めた構造であっても、シャフトのストロークをできるだけ大きく確保できるリニアステッピングモータを得ることができる。

実施形態の上面図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。 実施形態の側断面図である。 ロータの側断面図である。 実施形態の組み立ての過程を示す斜視図である。

（構造）
図１および図２には、実施形態のリニアステッピングモータ１００が示されている。リニアステッピングモータ１００は、フロント側ハウジング１０１とエンド側ハウジング１０２を有している。フロント側ハウジング１０１とエンド側ハウジング１０２との間には、ステータアッシー１３０とステータアッシー１４０とが配置されている。ステータアッシー１３０およびステータアッシー１４０は、基本的に同じ構造を有し、軸方向において背中合わせに配置されている。ステータアッシー１３０およびステータアッシー１４０によって、クローポール型ステッピングモータのステータが構成されている。

以下代表して、ステータアッシー１３０について説明する。ステータアッシー１３０は、外側ステータ１３１および内側ステータ１３２を有している。外側ステータ１３１と内側ステータ１３２は、電磁鋼板等の磁性材料により構成されている。外側ステータ１３１と内側ステータ１３２は、通常のクローポール型のステッピングモータにおけるものと同様な構造を有している。外側ステータ１３１の内側には、樹脂製のボビン１３３にマグネットワイヤを巻回することで構成されたステータコイル１３４が配置されている。ボビン１３３には、端子ピン１３７が埋め込まれている。ここでは、ステータアッシー１３０について説明したが、ステータアッシー１４０も同様な構造を有している。

ステータアッシー１３０と１４０は、仮組みした状態で、樹脂を内部の隙間に注入し、樹脂モールド構造により一体化されている。符号１３６は、充填された樹脂材料である。この樹脂モールド構造により、ステータアッシー１３０と１４０は、軸方向において背中合わせに接触した状態で一体化されている。また、この際、樹脂材料１３６によってエンド側ハウジング１０２も一体に同時形成されている。エンド側ハウジング１０２は、ステータ内側の空間を閉鎖する部材であり、ステータ内側に配置された後述するシャフトは、エンド側ハウジング１０２によってその移動が制限される。

ステータアッシー１３０には、フロントプレート１３５が接触した状態で固定されている。フロントプレート１３５は、２つのネジ孔１３５ａが設けられたフランジ部を有している。ネジ孔１３５ａを利用してリニアステッピングモータ１００が、固定対象物に固定される。フロントプレート１３５には、フロント側ハウジング１０１が固定されている。この固定は、フロントプレート１３５に設けられた爪部（係止部）１３５ｂを利用して行われている。なお、フロントプレート１３５におけるフランジの形状は、図示する形状に限定されない。

図示するように、ステータアッシー１３０には、端子ピン１３７が設けられ、端子ピン１３７には、ステータコイル１３４の巻き線の端部が絡げられて接続されている。端子ピン１３７は、配線パターンが形成された基板１３８のコンタクトホールに通され、その端部は基板１３８を突き抜けている。基板１３８は、端子部１３９と一体化され、端子部１３９は、ステータアッシー１３０および１４０に固定されている。なお、説明は省略するが、ステータアッシー１４０の側にも同様な構造の端子ピンが設けられている。

ステータアッシー１３０および１４０の内側には、ロータ１５０が回転自在な状態で収められている。図３には、ロータの断面図が示されている。ロータ１５０は、ロータ部材１５１、ロータマグネット１５２，１５３、スクリューナット１５４を有している。ロータ部材１５１は、ロータマグネット１５２，１５３およびスクリューナット１５４をインサート材とした樹脂の射出成形により形成された略筒状の部材である。ロータ部材１５１の両端には、転がり軸受１６１，１６２を取り付けるためのボス１５６，１５７が設けられている。ロータ１５０を構成する樹脂には、ガラスフィラ等を１０重量％〜５０重量％含ませてもよい。ロータマグネット１５２，１５３は、樹脂と磁性粉を原料したボンド磁石であり、略円筒形状を有している。ロータマグネット１５２，１５３は、周方向に沿ってＮＳＮＳと交互に着磁されている。スクリューナット１５４は、内側に雌ネジ構造が形成されており、この雌ネジ構造は、後述するシャフト１７０の雄ネジと噛み合っている。

図３において、Ｌrotはロータ１５０の軸方向における長さ（ロータ長）、Ｌmagはロータマグネット１５２，１５３の軸方向における長さ（マグネット長）であり、Ｌnutは、スクリューナット１５４の軸方向における長さ（ナット長）である。ここで、Ｌnut＜Ｌmagとなるように設定されている。

図３に示すように、Ｌrotの中心部分Ｐ１がロータ１５０の軸方向における中心の位置となる。Ｐ１は、基本的にステータアッシー１３０とステータアッシー１４０とで構成されるステータ（ステータユニット）の軸方向における中心の位置でもある。また、Ｐ２がスクリューナット１５４の軸方向における中心の位置である。ここで、Ｐ１とＰ２の位置を一致させず、軸方向における両者の位置をずらすことでオフセット状態を得ている。すなわち、Ｐ１とＰ２の位置をずらすことで、ナット部の位置を、ロータユニットの軸方向における一端側または他端側のどちらかにオフセット配置した状態を実現している。

なお、本実施形態では、ロータマグネットとして、ロータマグネット１５２，１５３の２つを用いる場合を説明したが、ロータマグネットが一つの場合もあり得る。この場合もＬnut＜Ｌmagとし、Ｐ１とＰ２の位置をずらしたオフセット状態とする。

ロータ１５０の両端の部分に設けられたボス１５６，１５７には、転がり軸受１６１，１６２が圧入により取り付けられている。転がり軸受１６１，１６２は同じ部品であり、転がり軸受１６１，１６２によって、ロータ１５０がフロント側ハウジング１０１およびエンド側ハウジング１０２に回転自在な状態で保持されている。ロータ１５０の内側には、金属製のシャフト１７０が固定されている。シャフト１７０は軸方向に可動する出力軸として機能する。シャフト１７０の外周には、スクリューナット１７０の雌ネジ構造と噛み合う雄ネジ構造が刻まれている。また、シャフト１７０には、回転防止用のストッパ１７１が設けられている。フロント側ハウジング１０１は、ストッパ１７１を軸方向に移動可能で、且つ、ストッパ１７１が回転できないように規制する軸方向に延在する空間を有している。ストッパ１７１は、この空間内において、その内壁に沿って軸方向に移動可能で、フロント側ハウジング１０１に対して回転ができない（回転しようすると、フロント側ハウジング１０１の内壁に接触する）状態とされている。

（動作）
ステータアッシー１３０および１４０のステータコイルに極性が周期的に反転する駆動電流を流すと、クローポール型のステッピングモータの動作原理により、ロータマグネット１５２，１５３を回転させようとする駆動力が作用し、ロータ１５０が回転する。この際、シャフト１７０外周の雄ネジ構造に噛み合ったスクリューナット１５４も回転するが、ストッパ１７１の機能により、シャフト１７０は回転できず、他方でシャフト１７０は軸方向に移動できるので、スクリューナット１５４の回転にしたがって、ネジの原理により、シャフト１７０は軸方向に移動する。この際、駆動信号のパルス数により、ロータ１５０の回転量が制御され、それにより、シャフト１７０のリニア移動量の制御が行われる。

（組立工程）
最初に、図３のロータ１５０を得る工程について説明する。まず、図示しない金型のキャビティー内に、ロータマグネット１５２および１５３、スクリューナット１５４をインサート材として配置する。そして、当該金型のキャビティー内部に加熱し流動化させた樹脂を注入し、射出成形を行う。この射出成形により、図３に示すロータ１５０を得る。

次に、図４（Ａ）に示すシャフト１７０を用意し、シャフト１７０とロータ１５０とを結合させる。シャフト１７０には、雄ネジ部１７０ａが設けられており、この雄ネジ部１７０ａにロータ１５０のスクリューナット１５４を螺合させることで、図４（Ａ）に示す状態が得られる。

次に、ステータアッシー１３０と１４０を仮組みし、その状態のものを図示しない金型内に配置して、当該金型内に樹脂を注入する。この工程において、図２の符号１３６に示されるように樹脂が隙間の部分に充填され、ステータアッシー１３０，１４０が樹脂により一体化される。

次に、転がり軸受１６２をエンド側ハウジング１０２の内側に圧入（接着剤による固定でもよい）により固定し、更にフロントプレート１３５をプラズマ溶接等の手段によりステータアッシー１３０に固定する。こうして、図４（Ｂ）に示す状態において、図４（Ａ）に示すシャフト１７０とロータ１５０が結合した部材が取り付けられていない状態を得る。次に、エンド側ハウジング１０２内部に取り付けられた転がり軸受１６２の内輪に図４（Ａ）に示す部材のロータ１５０を固定する。この固定は、同様に圧入（接着剤による固定でもよい）により行う。こうして、図４（Ｂ）に示す状態を得る。

図４（Ｂ）に示すように、フロントプレート１３５は、４つの爪部１３５ａを有している。図４（Ｂ）の状態を得たら、フロント側ハウジング１０１をフロントプレート１３５に固定する。この際、爪部１３５ｂをカシメることで、フロントプレート１３５にフロント側ハウジング１０１を固定する。こうして、図４（Ｃ）に示すリニアステッピングモータ１００を得る。なお、図示されていないが、図４（Ｃ）に示す状態を得たら、基板１３８を備えた端子部１３９を取り付け、図１および図２に示す状態を得る。

（特徴）
本実施形態では、ロータにスクリュークリューナットを組み込む際、マグネット長に対して出来るだけ短いスクリューナット長を使い、軸方向で見て、このスクリューナット位置をロータマグネットに対して出来るだけ前側に置いている。こうすることで、スクリューナットからステータリアの壁までの距離を長く確保し、シャフトのストローク長を大きくしている。また、スクリューナットをフロント側へオフセットしたことにより、モータ全長を短くすることが出来る。また、モールド一体成形なので、金型の一部の部品を変えることにより、スクリューナットの位置が自由に配置でき、必要に応じたストロークに対応できるリニアモータが提供できる。

以下、リニアステッピングモータ１００の特徴を列挙する。
（１）２個の転がり軸受１６１および１６２として、同じものを使用し、部品の共通化を図っている。
（２）ロータ１５０は、ロータマグネット１５２，１５３、およびネジ部を持つスクリューナッ１５４が樹脂モールドにより一体成形された構造を有している。この構造によれば、組み立てが簡素化され、また部品精度が向上する。また、スクリューナット１５４の位置の変更が簡単に行える。
（３）ステータアッシー１３０，１４０を樹脂により一体化することで、製造工程の簡素化、隙間を樹脂により封止することによる防塵性および信頼性の向上を得ている。
（４）スクリューナット１５４をフロント側にオフセットした位置に配置している。すなわち、スクリューナット１５０の中心の位置がフロント側ステータユニット（ステータアッシー１３０）の中心よりフロント側にある。この構造によれば、シャフト１７０のストローク（図２における左方向への移動量）を確保しつつ、リニアステッピングモータ１００本体の軸方向における寸法を短くできる。
（５）ストッパ１７１によるシャフト１７０の回転防止機構、フロント側ハウジング１０１によるシャフト１７０の前進を制約する機械的ストッパ機構、エンド側ハウジング１０２による後退端でシャフト１７０の移動を制約する機械的ストッパ機構を内蔵している。
また、ストッパ１７１をハウジング１０１の内面にあたることによる前進の制約および転がり軸受けの内輪の端面にあたることによる後退の制約を行う機械的ストッパ機構として捉えることもできる。
（６）ロータ１５０において、２個のロータマグネット１５２，１５３の間の中間部分１５０ａの外径が、マグネットの外径よりも小さく、中間部分１５０ａがロータマグネット１５２，１５３の外周面より低い位置にある。この構造により、ロータ１５０を構成する樹脂のバリ等によってロータ１５０の回転が阻害される可能性が抑制されている。
（７）スクリューナット１５４の軸方向の長さＬnutは、ロータマグネット１５２，１５３の軸方向長さLmagに対して、Ｌnut＜ L magの関係がある。
（８）スクリューナット１５４の外形形状は多角形あるいは回転止めのある形状とされ、ロータ１５０に対するスクリューナット１５４の相対的な空転が生じない構造とされている。
（９）エンド側ハウジング１０２は、転がり軸受１６２を保持する受け部を備え、ステータと一体的に成形された構造を持つ。
（１０）フロント側ハウジング１０１は、転がり軸受１６１を保持する受け部、およびシャフト１７０の回転止め溝を有する一体構造を有している。
（１１）リニアステッピングモータ１００の構造は、ロータマグネット１５２，１５３の外径が９ｍｍ以下である場合に特に適している。
（１２）ロータマグネット１５２，１５３としては、フェライト磁石、希土類磁石などの焼結磁石、ボンド磁石が使用可能である。
（１３）ロータ１５０を構成する樹脂の径方向の厚みを極力薄くでき、モータ外径を小さくすることができる。また、スクリューナット１５４のフロント側端面が転がり軸受１６１の端面より後方にある。

（その他）
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、リニアステッピングモータに利用することができる。

１００…リニアステッピングモータ、１０１…フロント側ハウジング、１０２…エンド側ハウジング、１３０…ステータアッシー、１３１…外側ステータ、１３２…内側ステータ、１３３…ボビン、１３４…ステータコイル、１３５…フロントプレート、１３５ａ…ネジ孔、１３５ｂ…ネジ孔、１３６…充填された樹脂、１３７…端子ピン、１３８…基板、１３９…端子部、１４０…ステータアッシー、１５０…ロータ、１５０ａ…一対のロータマグネット間の中間部分、１５１…ロータ部材、１５２…ロータマグネット、１５３…ロータマグネット、１５４…スクリューナット、１５６…ボス、１５７…ボス、１６１…転がり軸受、１６２…転がり軸受、１７０…シャフト、１７０ａ…雄ネジ部、１７１…ストッパ。

Claims (4)

1. ステータユニットと、
   該ステータユニットの内側に回転可能な状態で配置されたロータユニットと、
   該ロータユニットの回転運動が直線運動に変換されて直線運動する出力軸と、
   前記ロータユニットの内側に設けられ、前記出力軸に形成したねじ部と螺合するナット部と
   を備え、
   前記ナット部は、前記ロータユニットの軸方向における一端側または他端側のどちらかにオフセットした位置に配置され、
   前記ロータユニットは、前記ナット部およびマグネットをインサート材とした樹脂による一体成形構造を有することを特徴とするリニアステッピングモータ。
2. 前記ロータユニットは、前記ステータユニットに一対の同一構造の軸受により回転自在な状態で保持されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアステッピングモータ。
3. 前記ロータユニットは、
   軸方向において間隔を有して配置された一対の前記マグネットと、
   前記一対のマグネットの間の前記一対のマグネットの外径よりも小さい外径の中間部分と
   を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のリニアステッピングモータ。
4. 前記ステータユニットは、樹脂でモールドされた一体構造を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のリニアステッピングモータ。

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