JP3719016B2

JP3719016B2 - リニアモータ

Info

Publication number: JP3719016B2
Application number: JP31099698A
Authority: JP
Inventors: 勝義川崎; 信吾竹越; 禎後藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2018-10-30
Also published as: JP2000050614A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可動コイル型のリニアモータに関し、特に構造簡単で製作しやすく且つ移動方向に剛性を有する安価な電機子コイルを備えたリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の可動コイル型のリニアモータにおける電機子コイルの構造としては、例えば図１７に示すようなものが知られている。このものは、本来強度の弱いコアレスのコイル１をボビン２に嵌め込んで固定したものである。そのボビン２自体は、例えばアルミニウム合金や合成樹脂などの非磁性材料で作られており、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相に対応する３個のコイル１をそれぞれに収納するべく、隔壁３で仕切られた３個の皿状の区画４を備えると共に、一端側には肉厚の取付け部５が形成されている。このボビン２の各区画４内に、それぞれコアレスのコイル１が固定保持される。このようにコイル１をボビン２に固定保持してなる可動子を、例えば可動テーブル体の下面に取り付ける。一方、多数の永久磁石を異極同士で隣接させて前記テーブル体の移動方向に並べた固定子を、上下一対にすき間を隔ててコイル巻線方向に対し直交させて配設する。そして、その両固定子間に前記可動子をエアギャップを介して対向配置する。この状態で可動子の三相のコイルに正弦波駆動電流を供給すれば、駆動力を発生して可動子ひいては可動テーブル体を固定子沿いに移動させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなボビン２を用いてコイル１を固定保持すると、ボビンのコイル収納部分（皿部分４）の厚さＴがコイル１の厚さｔよりボビン板厚分厚くなる。したがって、▲１▼その厚さの差により可動子と固定子とが相対するエアギャップ（すきま）を大きくしなければならず、そのままでは発生駆動力が弱くなる。同一の駆動力を得るには、固定子に磁力やサイズがより大きい磁石を使用しなければならずコスト増になる。▲２▼また、各コイル毎に隔壁３で仕切っているので、可動子がコイル並列方向に長くなる結果、コイル数を多くするほど可動子の専有スペースが大きくなる。▲３▼かといって、専有スペースを縮小させるべく、各コイル間の隔壁３を排除すると、本来強度の弱いコアレスコイル同士接触して横一列に並ぶことになり、コイル数を多くするほど可動子の移動方向に対する剛性が弱くなるという問題点がある。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、リニアモータの可動子におけるコイル保持構造を改善することにより、可動子の厚さを薄くすることができ、コイル装着数を増やしても専有スペースが比較的小さく且つ剛性を維持できて、駆動力向上やコスト低減が可能なリニアモータを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、隣り合う磁極の磁性が異なるように並べて配置した複数の永久磁石からなる固定子と、該固定子の磁石と共働して移動推進力を付与される複数個の電機子コイルを有する可動子とを備えたリニアモータにおいて、前記可動子の電機子コイルを、該コイルの中心軸が前記永久磁石の磁極面に対して垂直となるように、前記可動子の移動方向に一列に密着させて並べると共に、そのコイル列の両端を電機子コイルと略同じ厚さの第１の支持部材で挟んで固定し、且つ当該第１の支持部材及び電機子コイルを、可動子の移動方向に対し直角方向の一端部において第２の支持部材で保持したことを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２に係る発明は、隣り合う磁極の磁性が異なるように並べて配置した複数の永久磁石からなる固定子と、該固定子の磁石と共働して移動推進力を付与される複数個の電機子コイルを有する可動子とを備えたリニアモータにおいて、前記可動子の３相又はその倍数個の電機子コイルを、該コイルの中心軸が前記永久磁石の磁極面に対して垂直となるように、前記可動子の移動方向に一列に密着させて並べて１組としたものを複数組、各組毎に電機子コイルの相順を順次ずらすことにより各組間にすき間を設けて配設し、該すき間を利用して各組毎にそのコイル列の両端を電機子コイルと略同じ厚さの第１の支持部材で挟んで固定し、且つ当該第１の支持部材及び電機子コイルを、可動子の移動方向に対し直角方向の一端部において第２の支持部材で保持したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１〜図５は、本発明のリニアモータの第１の実施の形態を示すもので、図１は、本発明のリニアモータの電機子コイル保持構造の平面図、図２はその電機子コイルを組み込んだ可動子の正面図、図３はその可動子の平面図、図４は当該可動子と固定子を組み合わせた本発明のリニアモータの単品の平面図、図５はそのV 矢視で示した正面図である。先ず、構成を説明すると、この実施の形態にあっては、図１に示すように、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相に対応する３個の偏平なコアレス電機子コイル（以下、単にコイルという）１を、巻線方向が可動子の移動方向に対し直交するように一列に並べ（すなわち、コイルを、可動子の移動方向に一列に並べ）、それぞれを隔壁で仕切ることなく直接に密着させ、第１の支持部材であるコ字形の保持体１１の中に挿入し固定することにより一体に組み立てて、コイル組立体１２を形成している。その保持体１１の厚さＴは、図２に示すように、コイル１の厚さｔと略同じにしてある（但し、必ず同じである必要はない）。保持体１１で三方を囲んで一体に組み立てたコイルの組立体１２は、図２，図３に示すように、コ字形の保持体１１の開口側の反対端を基部１１１とし、その基部１１１をＡ，Ｂ二枚の保持板からなる第２の支持部材１３で挟んで固定してある。必要に応じて、その第２の支持部材１３による固定部分を、接着剤やモールド剤などにより強固に固定する。なお、上記コイルの保持体１１（第１の支持部材）及び第２の支持部材１３の材質は、例えばアルミニウム合金や合成樹脂のような非磁性材とするのがよい。こうして、コイル部分の厚みがコイル自体の厚みとほぼ同じ程度に薄いリニアモータの可動子１０Ａが形成されている。
【０００８】
上記の可動子１０Ａに固定子１５を組み合わせて、図４，図５に示すようなリニアモータＬＭが形成される。その固定子１５については、公知のサーボ制御用のリニアモータにおける永久磁石のものと同等でよい。すなわち、軟鋼板のような強磁性材で形成したヨーク１５１の平面に、厚さ方向に着磁した同一サイズの永久磁石１５２を多数個、隣接する磁極が異極同士となるように並べて固着し、これを前記可動子１０Ａを挟んで上下一対に対向させ、上下の永久磁石１５２，１５２は異極同士対向するように配すると共に、上下のヨーク１５１，１５１の一端部を他のヨーク１５３で固定し、可動子１０Ａのコイル面との間に一定のエアギャップを維持するようになっている。
【０００９】
図６，図７は、上記の可動子１０Ａを有する本発明のリニアモータＬＭを組み込んだ位置決めテーブル装置１６の一例である。すなわち、ベース１６１の上面には、中央にリニアモータＬＭの固定子１５を固定すると共に、その固定子１５を挟むようにして左右両サイドに平行に一対の直動案内（リニアガイド）１７の案内レール１７ｒが固定してある。その案内レール１７ｒには各レール毎に二台ずつのスライダ１７ｓが搭載されており、それら四台のスライダ１７ｓで支持してテーブル１８が取り付てある。そして、テーブル１８の下面に、リニアモータＬＭの可動子１０Ａを、ボルト止めなどの手段で固定して装着している。可動子のコイルは、その巻線方向が固定子１５の上下の永久磁石１５２の延長方向に対し直交するようにして、上下の永久磁石１５２の面との間に最小必要限のエアギャップを介して配置される。
【００１０】
次に、上記位置決めテーブル装置１６に装着したリニアモータＬＭの動作を説明する。
可動子１０Ａの三相コイル１に駆動電流を流すと、その電流と固定子１５の永久磁石１５２の磁束との相互作用により、可動子１０Ａと固定子１５との間に相対的な推力が働き、可動子１０Ａが所定方向に動き出す。これに伴って、テーブル１８が直動案内１７の案内レール１７ｒに案内されつつ移動する。コイル１に前記と逆方向の電流を流すと可動子１０Ａには前記と逆方向の駆動力が作用して、可動子１０Ａが反対方向に動き出す。かくして、コイル１への電流の強さ及びその電流の方向を適宜に選択すれば、可動子１０Ａひいてはテーブル１８を所定位置に自在に移動させることができる。
【００１１】
その場合、リニアモータＬＭには、三相コイルへの通電を切り換える切り換え手段と共に、固定子１５の永久磁石１５２と可動子１０Ａとの相対位置を検出する位置検出手段が必要である。図示の位置決めテーブル装置１６の場合、当該位置検出手段としてリニアエンコーダ１９を備えている。リニアエンコーダ１９のリニアスケール１９１はリニアガイド１７の案内レール１７ｒと平行にベース１６１の上面に延設して固定している。一方、エンコーダヘッド１９２の方は可動子１０Ａの方に取り付けている。なお、エンコーダヘッド１９２を、可動子ではなくこれと同伴して移動するリニアガイドのスライダ１７ｓのいずれかに取り付けてもよい。このリニアエンコーダ１９により可動子１０Ａの現在位置情報を得て、図外のモータ駆動用ドライバを経て三相コイル１への通電をフィードバック制御することで、テーブル１８を自在に移動させると共に、任意に位置決めして停止させることができる。
【００１２】
上記第１の実施形態のリニアモータＬＭは、その構成要素である可動子１０Ａとして、図３示したようにその移動方向に一列に密着させて並べたコイル１の両端を、当該コイル１と略同じ厚さの保持体（第１の支持部材）１１で挟んで固定保持し、その保持体１１と複数個のコイル１とを一体的に、可動子１０Ａの移動方向に対し直角方向の一端部において第２の支持部材１３で保持した構造を採用している。したがって、従来のように、各コイル１を、おのおのボビン２の隔壁３で仕切った皿状の区画４に収納したものに比べて、構造が簡単で且つ可動子を小型化することが容易にできるという効果が得られる。また、可動子１０Ａのコイル組立体１２が、略コイル厚みと同程度に薄くなるので、固定子１５を構成する永久磁石１５２との間のエアギャプを小さくでき、その結果、より小さな永久磁石１５２を使用しても同一磁束強度が得られることから、固定子１５のコストを低減できるという効果も得られる。
【００１３】
図８，図９に、本発明のリニアモータの第２の実施の形態を示す。
この実施の形態の場合は、リニアモータの可動子の構造が、上記第１の実施の形態のものと異なる。すなわち、この可動子１０Ｂにあっては、直接に密着して並列した三個のコイル１を囲むコイルと同じ厚みの保持体１１で三方から囲んで固定することによりコイル組立体１２を形成した点は同じであるが、更にそのコイル組立体１２を電気絶縁性のシート状固定部材２１で被覆してコイル１を固定した点が異なっている。そのシート状固定部材２１としては、適度に強度を有すると同時に折り曲げ易く、また接着性の良いことが必要であり、例えば芳香族ポリアミド（アラミドポリマ）で作られた繊維又は紙のようなものが好ましい。
【００１４】
このようなシート状固定部材２１で、コイル組立体１２の上下及開口端側を、保持体１１と共に三方から囲むように覆って接着固定すると共に、保持体基部１１１側の被覆端部を第２の支持部材１３の上下の保持板Ａ，Ｂで押さえて固定してある。なお、強度を増すために、シート状固定部材２１にガラス繊維やカーボン繊維を混入させても良い。また、非磁性金属であるアルミニウム製の薄板をコイル１に対し絶縁させて用いることもできる。
【００１５】
この第２の実施の形態の可動子１０Ｂを用いたリニアモータは、可動子１０Ｂの厚さが、シート状固定部材２１の厚さだけ上下に厚くなるが、本来シート状固定部材２１の厚みは薄いので、固定子１５を構成する永久磁石１５２との間のエアギャプに及ぼす影響は小さくて済む。このように連続したシート状固定部材２１でコイル組立体１２を全体的に囲って被覆することにより、可動子の移動方向強度が増すと共に、移動方向に対し直交方向の強度も増すという効果が得られる。さらに、強度が増せば、リニアモータとしての剛性が高くなって制御性の良いアクチュエータとなる。
【００１６】
図１０〜図１２に、本発明のリニアモータの第３の実施の形態を示す。
この実施の形態は、上記第２の実施の形態の可動子を更に強固な構造にしたものである。すなわち、この可動子１０Ｃは、各コイル１の中心の中空部分にコイルの厚さと同程度もしくは若干薄目の間座１４を挿入してある。間座１４は、接着性の良い例えば芳香族ポリアミド（アラミドポリマ）で作られた繊維又は紙のような材料からなる非磁性材である。その間座入りコイル１を３個密着させて並べ、可動子移動方向の両端のコイル面にそれぞれ第１の支持部材である保持体１１（この図の場合は、図１と違い２本の棒体である）を密着固定してコイル組立体１２を形成する。そのコイル組立体１２の上下及一端側を、三方から囲むようにシート状固定部材２１で被覆して、コイル１，間座１４，保持体１１の全てを接着固定する。この被覆したコイル組立体１２の他端側を、シート状固定部材２１と共にコ字形断面を有する第２の支持部材１３の溝に差し込んで装着し接着固定することで可動子１０Ｃが形成されている。
【００１７】
勿論、第２の実施の形態におけるコイル列の各コイル１に間座１４を挿入した構成であっても良い。
この実施の形態の可動子１０Ｃによれば、潰れ易いコイル中心の中空部分に間座１４を挿入して補強したことにより、可動子の移動方向強度及び移動方向に対し直交方向の強度が一層増すという効果が得られる。
【００１８】
また、構造が簡単で製作しやすく、部品削減によるコスト低減効果もある。
図１３〜図１６に、本発明のリニアモータの第４の実施の形態を示す。
この実施の形態は、リニアモータの可動子の構造が、上記各実施の形態のものと異なる。すなわち、この可動子１０Ｄは、リニアモータにおける可動子に複数組のコイルを組み込んだもの、例えば図１３に示すように、三相のコアレスコイルＵ，Ｗ，Ｖの三組Ｕ1 ，Ｗ1 ，Ｖ1 とＵ2 ，Ｗ2 ，Ｖ2 とＵ3 ，Ｗ3 ，Ｖ3 とを用いた場合に適用される。これら合計９個のコイルを、上記第１の実施の形態の場合のように、コイル同士直接に密着させて、巻線方向が移動方向に直交するように一列に並べると、たとえコイル全体を三方から第１の支持部材であるコ字形の保持体１１（図１参照）で囲んで固定しても、可動体の移動方向の剛性が弱くしかもその直角方向も弱くなってしまう。そこで、本実施の形態では、三相のコアレスコイルＵ，Ｗ，Ｖの複数組（例えば三組）を、補強材を介して各組毎に三方から囲んで固定保持したものを、等間隔に配列させる構造にして、剛性の低下を防止している。
【００１９】
具体的には、第１の支持部材である保持体３１が、図１５（ａ）に示すように、各組のコイルＵ，Ｖ，Ｗをそれぞれに仕切る支持部３１２，３１３を両端の支持部３１１と３１４との間に備えている点が、第１の実施の形態の保持体１１とは異なっている。各支持部３１１〜３１４は、基部３１５と直交して等間隔に形成してあり、基部３１５の反対端側は開口しており、全体は櫛状である。もっとも、必ずしも一端に開口を設けるとは限らず、例えば図１５（ｂ）に示すように、先端を連結部３１６で閉じた構成として強度を増大させるようにすることもできる。
【００２０】
その支持部３１１〜３１４で三等分した各スペース内に、図１３に示すように、各組のコイルＵ，Ｖ，Ｗを別々に挿入し、密着させて固定している。そして、その保持体３１の基部３１５と各コイルの一端側とを、第１の実施の形態のものと同様に第２の支持部材３２の保持板Ａと保持板Ｂとで上下から挟んで一体に固定している。この場合の、保持体３１の厚さＴは、勿論コイル１の厚さｔと略同じになっている。保持体３１の材質は、上記各実施の形態の場合と同じく、コイルに磁束を均一に通し易く且つコイルの発生熱を逃がし易い例えばアルミニウムなどのような材料が好ましい。但し、アルミニウムは電気伝導性も良いので、絶縁テープを巻くなどしてコイルとの接触面を絶縁する必要がある。
【００２１】
ここで、Ｕ，Ｗ，Ｖ三相の各コイルの配列パターンについて、図１６を参照して説明する。図１６のパターン１は、一般的に用いられるもので、可動子の移動方向に若干ずつずらせて、部分的に重なるように配設するパターンである。すなわち、一列に配列された固定子の永久磁石１５２の隣接したＮ，Ｓ極１セットの磁石が電気角で３６０°、これに対する三相の各コイルの電気角はそれぞれ１２０°の位相差があるので、三相の各コイルをＵ，Ｖ，Ｗの正相の順に並べると共にＶ相の巻線を他のＵ，Ｗ相の両巻線と重なり合わせている。一方、パターン２は、上記パターン１におけるＶ相のみを隣の磁石の同位相の箇所まで移動させ、重ならないようにＵ，Ｗ，Ｖの相順にした等間隔の配列を三回繰り返したパターンである。すなわち、第１ブロックの各コイル▲１▼▲２▼▲３▼、第２ブロックの各コイル▲４▼▲５▼▲６▼及び第３ブロックの各コイル▲７▼▲８▼▲９▼の９個のコイルをＵ，Ｗ，Ｖの相順で等間隔に並べてある。
【００２２】
これに対して、パターン３は、三組の三相コイルを、各組毎にコイルの相順を順次ずらすと共に、各組間には電気角で６０°のすき間を設けて配列したパターンである。すなわち、第１ブロック（第１組）は、各コイル▲１▼▲２▼▲３▼の配列がパターン２と同じくＵ，Ｗ，Ｖの相順のままであるが、第２ブロック（第２組）は上記のコイル配列▲４▼▲５▼▲６▼の▲４▼コイル（Ｕ相）を入れ換えて▲５▼▲６▼▲４▼とし、相順がＷ，Ｖ，Ｕになっている。さらに第３ブロック（第３組）は、上記のコイル配列▲７▼▲８▼▲９▼の▲９▼コイル（Ｖ相）を入れ換えて▲９▼▲７▼▲８▼とし、相順がＶ，Ｕ，Ｗになっている。この相順の変更は、常に磁石を基準とし、電気角を守ようにコイルの配置を考慮して行う。このように、相順を操作することにより、各ブロック（組）間には電気角で６０°のすき間αができる。
【００２３】
第４の実施の形態にあっては、このパターン３のコイル巻線を用い、それによってできる各組間のすき間αを利用する。即ち、先に述べたように（図１３参照）、支持部３１１〜３１４で三等分したスペースを有する保持体３１を用いて、その各スペース内に各組のコイルＵ，Ｖ，Ｗを挿入する。すると、図１３に示すように、第１ブロックのコイルＵ1 ，Ｗ1 ，Ｖ1 と第２ブロックのコイルＷ2 ，Ｖ2 ，Ｕ2 との間のすき間αに支持部３１２がくる。また第２ブロックのコイルＷ2 ，Ｖ2 ，Ｕ2 と第３ブロックのコイルＶ3 ，Ｕ3 ，Ｗ3 との間のすき間αに支持部３１３がくる。かくして、第３の実施の形態によれば、第１〜第３の各ブロック毎に、固定子磁石に対する適切な電気角を維持しながら各コイルを強固に固定することができ、複数組のコイルブロックを並列してなる可動子の場合でもその剛性を大幅に向上させると同時にモータ特性も向上させることができる。
【００２４】
なお、上記実施の形態では、三相のコイルを三組とした場合を説明したが、三組以外の組み合わせにも適用できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係るリニアモータにあっては、可動子の電機子コイルの保持構造を、一組毎にその巻線方向が可動子移動方向に対し直交するように一列に密着させて並べると共に、各組のコイル列を電機子コイルと略同じ厚さの支持部材で挟んで固定するものとしたため、強度の低いコアレスコイルであっても可動子移動方向に剛性を付与でき、且つ可動子の厚さを薄くすることができて専有スペースが比較的小さくて済み、しかも駆動力向上やコスト低減が可能になるという種々の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のリニアモータにおけるコイル組立体の平面図である。
【図２】それを用いた可動子の正面図である。
【図３】図２の平面図である。
【図４】本発明のリニアモータの一部を切り欠いて示した平面図である。
【図５】その正面図である。
【図６】本発明のリニアモータを搭載した位置決めテーブル装置の平面図である。
【図７】図７の正面図である。
【図８】本発明のリニアモータの他の可動子の平面図である。
【図９】図８の正面図である。
【図１０】本発明のリニアモータの更に他の可動子の平面図で、シート状固定部材の一部を切り欠いて示したものである。
【図１１】図１０の正面図である。
【図１２】図１０のXII − XII断面図である。
【図１３】本発明のリニアモータの更に他の可動子の平面図である。
【図１４】図１３の正面図である。
【図１５】図１３に示すもののコイル保持体二種の平面図である。
【図１６】コイル巻線の配列パターンの説明図である。
【図１７】従来のリニアモータにおける可動子を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【符号の説明】
１電機子コイル
１０可動子
１０Ａ可動子
１０Ｂ可動子
１０Ｃ可動子
１１第１の支持部材
１３第２の支持部材
１５固定子
１５２永久磁石
３１第１の支持部材
３２第２の支持部材
ＬＭリニアモータ

Claims

隣り合う磁極の磁性が異なるように並べて配置した複数の永久磁石からなる固定子と、該固定子の磁石と共働して移動推進力を付与される複数個の電機子コイルを有する可動子とを備えたリニアモータにおいて、
前記可動子の電機子コイルを、該コイルの中心軸が前記永久磁石の磁極面に対して垂直となるように、前記可動子の移動方向に一列に密着させて並べると共に、そのコイル列の両端を電機子コイルと略同じ厚さの第１の支持部材で挟んで固定し、且つ当該第１の支持部材及び電機子コイルを、可動子の移動方向に対し直角方向の一端部において第２の支持部材で保持したことを特徴とするリニアモータ。
隣り合う磁極の磁性が異なるように並べて配置した複数の永久磁石からなる固定子と、該固定子の磁石と共働して移動推進力を付与される複数個の電機子コイルを有する可動子とを備えたリニアモータにおいて、
前記可動子の３相又はその倍数個の電機子コイルを、該コイルの中心軸が前記永久磁石の磁極面に対して垂直となるように、前記可動子の移動方向に一列に密着させて並べて１組としたものを複数組、各組毎に電機子コイルの相順を順次ずらすことにより各組間にすき間を設けて配設し、該すき間を利用して各組毎にそのコイル列の両端を電機子コイルと略同じ厚さの第１の支持部材で挟んで固定し、且つ当該第１の支持部材及び電機子コイルを、可動子の移動方向に対し直角方向の一端部において第２の支持部材で保持したことを特徴とするリニアモータ。