JP4387181B2 - リニアモーター及び直線案内装置 - Google Patents

Description

本発明は多相コイルを有するコイル体部と非磁性体材からなる筒体内に多数の板状セグメント磁石を軸方に積層して収容した構成の棒状体部を具備し、コイル体の多相コイルに多相交流を通電することにより、移動磁界が発生し棒状体部又はコイル体部が移動するロッド式のリニアモーターと該リニアモーターを駆動手段とする直線案内装置に関するものである。

図１は従来のこの種のロッド式のリニアモーターの概略構成を示す図である。図示するように、リニアモーター１００は棒状固定部１１０と、可動部１２０を具備する。棒状固定部１１０は非磁性体材（例えばステンレススチール）からなる円筒体１１１に円板状のセグメント磁石１１２を軸方に互いに同極が対向するように（Ｎ極とＮ極、Ｓ極とＳ極が対向するように）積層して収容した構成である。可動部１２０は該棒状固定部１１０を囲む多相コイル１２１（図ではＵ、Ｖ、Ｗの３相コイル）を具備する構成である。なお、図１（ａ）はリニアモーターの側断面図、図１（ｂ）は横断面図である。

上記構成のロッド式のリニアモーター１００において、可動部１２０の多相コイル１２１（Ｕ、Ｖ、Ｗの３相コイル）に３相交流を供給すると移動磁界が発生し、該移動磁界と棒状固定部１１０の多数のセグメント磁石１１２が発する磁束の相互磁気作用により、可動部１２０は矢印Ａ、Ｂのように移動する。なお、可動部１２０はコア（鉄心）を具備する場合もあるし、コアを具備しない（コアレス）場合もある。
特開平１１−１５０９７３号公報

上記構成のロッド式のリニアモーター１００において、棒状固定部１１０は非磁性体材からなる円筒体１１１に円板状のセグメント磁石１１２を軸方に積層して収容した構成であるから、水平に配置した場合その自重で撓みリニアモーター１００のスパン（長さ寸法）を大きくできないという問題があった。特にこのようなロッド式のリニアモーター１００をレールに沿って移動ブロックが移動するように構成した直線案内装置の駆動手段として用いる場合、棒状固定部１１０をレールと平行で且つ略水平に配置する場合が多いが、棒状固定部１１０の長さ寸法を大きくすると自重で撓み、その撓み量が大きいと可動部１２０の移動に伴って、多相コイル１２１と棒状固定部１１０の間の適正なギャップが得られない問題があり、移動距離の大きい直線案内装置を実現することが困難となるという問題があった。

また、上記のような直線案内装置の駆動手段としてロッド式のリニアモーターを用いる場合、大きい推力を得ようとすると、円板状のセグメント磁石１１２の径を大きくし、発生する磁束を大きくする必要があるが、このような直線案内装置ではレールとレールの間隔寸法を大きくできない場合が多く、決められた幅寸法の間にリニアモーターの棒状固定部を配置しなければならない。従って、断面円形状の棒状固定部の断面の径寸法を大きくするには限界があり、大きな推力を得ることができないという問題もある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、棒状体部の上下方向の曲げモーメントに対する剛性を大きくしリニアモーターのスパン（可動部の移動距離）を大きくできると共に、棒状体部の幅寸法が小さくても大きい推力を得ることができるロッド式のリニアモーター及びこのリニアモーターを駆動手段に用いた直線案内装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、非磁性体材からなる筒体内に多数の板状セグメント磁石を軸方に積層収容した構成の棒状体部と、多相コイルを有するコイル体部とを具備し、棒状体部はコイル体部の中央貫通孔を貫通して配置され、コイル体部の多相コイルに通電することにより、棒状体部とコイル体部が相対的に移動するリニアモーターにおいて、棒状体部は断面が略楕円形状又は略長方形状の筒体内に多数の略楕円板状又は略長方形板状のセグメント磁石を軸方に積層収容した構成であり、コイル体部の中央貫通部孔の断面は棒状体部の断面形状に応じた略楕円形状又は略長方形状であり、コイル体部はその外周を断面外周が円形状のケーシングで囲まれてコイル体支持部に支持されており、リニアモーターの使用状態に応じて棒状体部を支持する棒状体支持部とコイル体支持部を回転させ、棒状体部の断面略楕円形状の長径又は断面略長方形状の長辺と前記コイル体部の中央貫通孔の断面略楕円の長径又は断面略長方形状の長辺が上下方向を向くように配置できる構成であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、直線案内レールと、該直線案内レールに沿って移動する移動ブロックと、該移動ブロックに駆動力を与える駆動手段とを具備する直線案内装置において、駆動手段として上記構成のリニアモーターを用い、該リニアモーターの棒状体部をその軸方向が直線案内レールと平行になるように配置すると共に、コイル体部と移動ブロックとを一体に又は連結したことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、リニアモーターの使用状態に応じて棒状体部を支持する棒状体支持部とコイル体支持部を回転させ、棒状体部の断面略楕円形状の長径又は断面略長方形状の長辺とコイル体部の中央貫通孔の断面略楕円の長径又は断面略長方形状の長辺が上下方向を向くように配置できる構成とすることにより、リニアモーターの設置面が水平面に対して任意に傾斜していても、常に断面略楕円形状の長径又は断面略長方形状の長辺とコイル体部の中央貫通孔の断面略楕円の長径又は断面略長方形状の長辺が上下方向を向くように配置することが容易となる。従って、上下方向の曲げモーメントに対する剛性が大きく、大きなスパンのリニアモーターが実現できる。

請求項２に記載の発明によれば、直線案内装置の駆動手段として、請求項１又は２に記載のリニアモーターを用いるので、大きな推力で且つ大きなスパン、即ちリニアモーターの可動部移動距離（移動ブロック移動距離）の大きい直線案内装置が実現できる。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図２は本発明に係るリニアモーターの概略構成を示す図である。リニアモーター１０は棒状固定部１１と、可動部２０を具備する。棒状固定部１１は非磁性体材（例えばステンレススチール）からなる断面略楕円状の筒体１２に略楕円板状のセグメント磁石１３を軸方に互いに同極が対向するように積層して収容した構成である。可動部２０は該棒状固定部１１を囲む多相コイル２１（図ではＵ、Ｖ、Ｗの３相コイル）を具備する構成である。

多相コイル２１には棒状固定部１１の断面形状に対応して断面が略楕円形状の中央貫通孔２１ａが設けられ、該中央貫通孔２１ａを棒状固定部１１が貫通している。棒状固定部１１はその両端部を図示しない支持部材により断面略楕円の長径が上下方向を向くように支持され、可動部２０も図示しない移動自在な支持部材により棒状固定部１１外周面と多相コイル２１の中央貫通孔２１ａ内周面の間に所定の間隙を設けて支持されている。なお、図２（ａ）はリニアモーターの側断面図、図２（ｂ）は横断面図である。

上記構成のロッド式のリニアモーター１０において、可動部２０の多相コイル２１（Ｕ、Ｖ、Ｗの３相コイル）に３相交流を供給すると移動磁界が発生し、該移動磁界と棒状固定部１１の多数のセグメント磁石１３が発する磁束の相互磁気作用により、可動部２０は矢印Ａ、Ｂのように移動する。なお、可動部２０はコア（鉄心）を具備する場合もあるし、コアを具備しない（コアレス）場合もある。

図３はコアレスのリニアモーターの外観構成を示す図である。本リニアモーター１０の棒状固定部１１は、図２（ｂ）に示す棒状固定部１１と同様、非磁性体材からなる略楕円状の筒体１２に略楕円板状のセグメント磁石１３を軸方に互いに同極が対向するように積層して収容した構成である。可動部２０は荷重を受ける強度を有するハウジング２２内に多相コイル２１（図ではＵ、Ｖ、Ｗの３相コイル）を設けた構成である。ハウジング２２内には放熱フィン２３が一体に構成されている。

棒状固定部１１はその両端部を図示しない支持部材により断面略楕円の長径が上下方向を向くように支持され、可動部２０のハウジング２２も図示しない移動自在な支持部材に棒状固定部１１外周面と多相コイル２１の中央貫通孔内周面の間に所定の間隙を設けて支持されている。ハウジング２２の多相コイル２１に多相交流（ここでは３相交流）を通電することにより、移動磁界が発生し、棒状固定部１１の多数のセグメント磁石１３が発する磁束との相互磁気作用により多相コイル２１に推力が発生し、ハウジング２２が棒状固定部１１に沿って移動する。

なお、上記例では、多相コイル２１を具備する可動部２０を移動部とし、筒体１２に多数のセグメント磁石１３を収容した棒状固定部１１を固体部としたが、棒状固定部１１を移動部とし、可動部２０を固定部とする場合もある。即ち、可動部２０を固定しその多相コイル２１に多相交流を通電することにより棒状固定部１１が移動するように構成することもある。

なお、上記例では、棒状固定部１１は非磁性体材からなる断面略楕円状の筒体１２に略楕円板状のセグメント磁石１３を軸方に互いに同極が対向するように積層して収容した構成であるが、ここで断面略楕円形状の筒体１２とは、断面楕円形状のもの、図１０に示すように、断面が長方形状の上下端を半径Ｒの円弧とした筒体１２、或いは楕円形よりずれた長円形状の筒体を含むものとする。そして該筒体１２にその断面形状に応じた形状のセグメント磁石１３を軸方に互いに同極が対向するように積層して収容して棒状固定部１１を構成してもよい。

また、棒状固定部１１は上記のような略楕円形状に限定されるものではなく、略長方形又は図１１に示すように断面が長方形の４つの角部を半径Ｒの円弧状とした略長方形状の筒体１２にその断面形状に応じた形状のセグメント磁石１３を軸方に互いに同極が対向するように積層して収容して構成した棒状固定部１１であってもよい。

図４及び図５は本発明に係る直線案内装置の構成例を示す図で、図４は外観図、図５は断面図である。図示するように、直線案内装置３０は断面コの字状のレール３１を有し、該レール３１に沿って移動ブロック３２が移動するように構成されている。レール３１の両端部にはハウジング３３、３４が装着され、リニアモーターの棒状固定部１１の両端が該ハウジング３３、３４に支持されている。棒状固定部１１はレール３１のボール転走溝３１ａに対して平行に配置されている。棒状固定部１１は上記と同様、非磁性体材からなる略楕円状の筒体１２に略楕円板状のセグメント磁石１３を軸方に互いに同極が対向するように積層して収容した構成である。

移動ブロック３２には上記棒状固定部１１を囲むように多相コイル２１が設けられている。図５に示すように、レール３１の凹部内面には４本のボール転走溝３１ａが設けられている。移動ブロック３２の両側面には、レール３１の４本のボール転走溝３１ａに対応して４本のボール転走溝３２ａが設けられ、更に４本のボール循環孔３２ｂが設けられている。レール３１のボール転走溝３１ａと移動ブロック３２のボール転走溝３２ａとの間には多数のボール３５が介在し、移動ブロック３２の移動に伴って、ボール転走溝３２ａからボール循環孔３２ｂへと循環するようになっている。

移動ブロック３２に設けられた多相コイル２１は多相（例えば、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相）からなり、該多相コイル２１に多相（ここではＵ、Ｖ、Ｗの３相）交流を通電することにより、移動磁界が発生し、該移動磁界と棒状固定部１１の多数のセグメント磁石から発生する磁束の相互磁気作用により、移動ブロック３２は推力を得、レール３１に沿って移動する。棒状固定部１１は上記のように非磁性体材からなる筒体１２に板状のセグメント磁石１３を軸方に積層して収容した構成であるから、その自重により撓む。

本実施形態では棒状固定部１１の断面を楕円形とし、その長径（長軸）が上下方向になるように配置しているので、上下方向の曲げモーメントに対する剛性が大きくなり、棒状固定部１１を長くすることができる。即ち、自重による撓み量を同じとすると、幅寸法が同じ断面円形状の棒状固定部より、断面略楕円状の棒状固定部の方が長さ寸法を大きくできる。棒状固定部１１の断面を短径（短軸）２ｒの楕円とした場合と、径２ｒの円形とした場合で、撓み量を同じとすると、棒状固定部１１の長さの増加分ΔＬは、ΔＬ＝Ｌ｛（ａ／２ｒ）^1/2−１｝となり、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、径２ｒの円形、長径ａ＝３ｒの楕円形、長径ａ＝４ｒの楕円形であれば、長径ａ＝３ｒの場合はΔＬ＝０．２２、長径ａ＝４ｒの場合はΔＬ＝０．４１となり、それぞれ棒状固定部１１の長さ寸法を２２％、４１％大きくできる。

図７は駆動手段として、図３に示す構成のリニアモーター１０を用いた直線案内装置の構成例を示す図である。本直線案内装置は、両側に側壁４０−１、４０−１が立設した断面コの字状のベース４０と、該ベース４０の両側壁４０−１、４０−１の頂部に設けたレール４１、４１上を移動する移動ブロック４２、４２とを具備し、この両移動ブロック４２、４２でテーブル４３を支持する構成である。ここで移動ブロック４２、４２は、レール４１、４１上を該移動ブロック４２、４２が滑る構成であってもよいし、また移動ブロック４２、４２に形成した複数本のボール転走溝（図示せず）とレール４１、４１に形成した複数本のボール転走溝（図示せず）の間に介在する多数のボールが転がるように構成したものでもよい。テーブル４３の下面に断熱材４４、４４を介在させて連結部材４５、４５でリニアモーター１０のハウジング２２が連結されている。

ハウジング２２内には図３と同様、多相コイル２１（Ｕ、Ｖ、Ｗの３相コイル）が設けられ、更に放熱フィン２３が一体に構成されている。また、多相コイル２１の中央部には断面楕円状の棒状固定部１１が楕円の長径（長軸）を上下方向にして該ベース４０の両側壁４０−１、４０−１の中央部にレール４１、４１と平行に配設されている。

上記構成の直線案内装置において、ハウジング２２内の多相コイル２１に多相交流（ここでは３相交流）を通電すると、移動磁界が発生し、この移動磁界と棒状固定部１１のセグメント磁石から発する磁束との相互磁気作用により、多相コイル２１に推力が発生しハウジング２２が棒状固定部１１に沿って移動する。このハウジング２２の推力が連結部材４５、４５を介してテーブル４３に伝達され、移動ブロック４２、４２はレール４１、４１に沿って移動する。ここでも、棒状固定部１１の断面が楕円形状であるから、断面円形の棒状固定部の場合と同じ幅寸法でも棒状固定部１１の長さを長くでき、且つセグメント磁石の断面積が大きくなるから大きい推力が得られる。

なお、断熱材４４、４４は多相コイル２１に発生した熱がテーブル４３に伝達し、テーブル４３の熱膨張により移動ブロック４２、４２とレール４１、４１の間の滑り抵抗や転がり抵抗に影響を与えるのを防止するため、断熱作用を奏させるためのものであるから、多相コイル２１の発生熱量が小さい場合は、必ずしも必要なものではない。

図８及び図９は駆動手段として、図３に示す構成のリニアモーター１０を用いた直線案内装置の他の構成例を示す図である。本リニアモーター１０は図示するように、多相コイル２１の外周を断面外周が円形状のケーシング５０で囲んでハウジング（コイル体支持部材）２２に支持させている。多相コイル２１はハウジング２２内を回転可能にでき、任意に回転させた位置で固定できるようになっている。また、棒状固定部１１もその両端で支持部材（図示せず）で支持されている。また、棒状固定部１１も支持部材に対して回転可能で任意に回転させた位置で固定できるようになっている。

上記構成の直線案内装置を、例えば水平面５１上に配置する場合は、図８に示すように、ベース４０を水平面５１上に設置し、棒状固定部１１がその断面楕円形の長径が上下方向になるようにその両端部を水平面５１に固定した支持部材（図示せず）で支持固定すると共に、多相コイル２１を中央貫通孔２１ａの断面略楕円の長径が上下方向になるようにハウジング２２内にケーシング５０を介在させて支持固定している。

また、例えば直線案内装置を垂直面に配置する場合は、図９に示すように、ベース４０を垂直面５２上に設置し、棒状固定部１１がその断面略楕円形の長径が上下方向になるように両端部を垂直面５２上に固定した支持部材（図示せず）で支持固定、即ち棒状固定部材１１に対して支持部材を図８に示す状態から９０°回転させて垂直面５２上に固定すると共に、多相コイル２１を中央貫通孔２１ａの長径が上下方向になるようにハウジング２２内にケーシング５０を介在させて支持固定、即ち、多相コイル２１をケーシング５０毎図８に示す状態から９０°回転させて固定する。

上記のように多相コイル２１の外周を断面外周が円形状のケーシング５０で囲んでコイル体支持部材に支持させることにより、直線案内装置を水平面、垂直面、或いは任意に傾斜した面に設置する場合でも、ベース４０をその設置面上に設置し棒状固定部１１の両端部を支持する支持部材を所定角度回転させて該設置面に固定すると共に、多相コイル２１をケーシング５０毎所定角度回転させてハウジング２２内に支持固定することにより、棒状固定部１１の断面略楕円の長径と多相コイル２１の中央貫通孔２１ａの断面略楕円の長径を上下方向を向くように配置することができる。従って、同じ構成の直線案内装置を水平面に対して任意に傾斜した面に、常に棒状固定部１１の断面略楕円の長径と多相コイル２１の中央貫通孔２１ａの断面略楕円の長径を上下方向を向くように配置することができる。

図１２乃至図１４はそれぞれリニアモーターの推力（Ｎ）の実験結果を示す図である。リニアモーターの棒状固定部１１は図１２では断面形状が図１５（Ａ）に示すように直径２５ｍｍの円形、図１３では断面形状が図１５（Ｂ）に示すように両端が直径２５ｍｍの半円で長さが５０ｍｍの長円（長円１）、図１４では断面形状が図１５（Ｃ）に示すように両端が直径１０．６ｍｍの半円で長さが４８．６ｍｍの長円（長円２）のリニアモータを示す。コイル巻数はいずれも１２１回で、ＡＣ電流を３Ａ（Ｍａｘ）を流した。なお、図１２乃至図１４において、縦軸は推力、横軸は電気角（度）を示す。

図１２においては多相コイルの１相抵抗が１．４８（Ω）、磁石円周長さ７８．５４ｍｍ、磁石断面積４９０．８７ｍｍ²、電圧（Ｍａｘ）４．５Ｖであり、推力平均は３５．０（Ｎ）であった。図１３においては多相コイルの１相抵抗が２．１６（Ω）（長円１／円＝１．４６）、磁石周囲長さ１２８．５４ｍｍ（長円１／円＝１．６４）、磁石断面積１１１５．８７ｍｍ²（長円１／円＝２．２７）、電圧（Ｍａｘ）６．６０Ｖ（長円１／円＝１．４７）であり、推力平均は５９．３０（Ｎ）（長円１／円＝１．６９）であった。図１４においては多相コイルの１相抵抗が１．９０（Ω）（長円２／円＝１．２８）、磁石周囲長さ１０９．３０ｍｍ（長円２／円＝１．３９）、磁石断面積４９１．０５ｍｍ²（長円２／円＝１．００）、電圧（Ｍａｘ）５．８０Ｖ（長円２／円＝１．２９）であり、推力平均は図示するように、３８．７３（Ｎ）（長円２／円＝１．１１）であった。

図１２と図１３を比較して明らかなように、断面円形状の棒状固定部と同じ幅寸法でも断面長円形状の棒状固定部の方がセグメント磁石の表面積が増えるから大きな推力のリニアモーターが実現できる。

なお、上記実施例では棒状固定部１１の断面略楕円の長径と多相コイル２１の中央貫通孔２１ａの断面略楕円の長径を上下方向を向くように配置しているが、リニアモータのスパンを問題とせず推力のみを大きくしたい場合は、棒状固定部１１の断面略楕円の長径と多相コイル２１の中央貫通孔２１ａの断面略楕円の長径を上下方向に限らず同一方向を向くように配置するだけでよい。同様に棒状固定部１１の断面略長方形状の場合も長辺と多相コイル２１の中央貫通孔２１ａの長径辺が同一方向を向くように配置するだけでよい。

以上本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお、直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。

従来のリニアモーターの概略構成例を示す図である。 本発明に係るリニアモーターの概略構成例を示す図である。 本発明に係るリニアモーターの構成例を示す一部切欠き外観斜視図である。 本発明に係る直線案内装置の構成を示す一部切欠き外観斜視図である。 図４に示す直線案内装置の横断面図である。 リニアモーターの棒状固定部の断面形状例を示す図である。 本発明に係る直線案内装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る直線案内装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る直線案内装置の構成を示す断面図である。 本発明に係るリニアモーターの概略断面構成例を示す図である。 本発明に係るリニアモーターの概略断面構成例を示す図である。 従来のリニアモーターの推力試験結果を示す図である。 本発明に係るリニアモーターの推力試験結果を示す図である。 本発明に係るリニアモーターの推力試験結果を示す図である。 図１２乃至図１３の推力試験に用いたリニアモーターの棒状固定部の断面図である。

符号の説明

１０ リニアモーター
１１ 棒状固定部
１２ 筒体
１３ セグメント磁石
２０ 可動部
２１ 多相コイル
２２ ハウジング
２３ 放熱フィン
３０ 直線案内装置
３１ レール
３２ 移動ブロック
３３ ハウジング
３４ ハウジング
３５ ボール
４０ ベース
４１ レール
４２ 移動ブロック
４３ テーブル
４４ 断熱材
４５ 連結部材
５０ ケーシング
５１ 水平面
５２ 垂直面

Claims (2)

1. 非磁性体材からなる筒体内に多数の板状セグメント磁石を軸方に積層収容した構成の棒状体部と、多相コイルを有するコイル体部とを具備し、前記棒状体部は前記コイル体部の中央貫通孔を貫通して配置され、前記コイル体部の多相コイルに通電することにより、前記棒状体部と前記コイル体部が相対的に移動するリニアモーターにおいて、
   前記棒状体部は断面が略楕円形状又は略長方形状の筒体内に多数の略楕円板状又は略長方形板状のセグメント磁石を軸方に積層収容した構成であり、前記コイル体部の中央貫通部孔の断面は前記棒状体部の断面形状に応じた略楕円形状又は略長方形状であり、
   前記コイル体部はその外周を断面外周が円形状のケーシングで囲まれてコイル体支持部に支持されており、前記リニアモーターの使用状態に応じて前記棒状体部を支持する棒状体支持部と前記コイル体支持部を回転させ、前記棒状体部の断面略楕円形状の長径又は断面略長方形状の長辺と前記コイル体部の中央貫通孔の断面略楕円の長径又は断面略長方形状の長辺が上下方向を向くように配置できる構成であることを特徴とするリニアモーター。
2. 直線案内レールと、該直線案内レールに沿って移動する移動ブロックと、該移動ブロックに駆動力を与える駆動手段とを具備する直線案内装置において、
   前記駆動手段として請求項１に記載のリニアモーターを用い、該リニアモーターの棒状体部をその軸方向が前記直線案内レールと平行になるように配置すると共に、前記コイル体部と前記移動ブロックとを一体に又は連結したことを特徴とする直線案内装置。

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