JP4419151B2 - 円筒形リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、円筒形状の界磁と電機子を備えた可動磁石構造の円筒形リニアモータに関する。

従来、円筒形状の界磁と電機子を備えた円筒形リニアモータは、図１２のようになっている。
図１２は従来の円筒形リニアモータの構成を示す側断面図である。
図１２において、１は固定子、２は可動子、３は支持機構、５はコイル、６は永久磁石、７は軸支持部材、８はシャフト、９はキャン、１２はヨークである。
固定子１は円筒状の磁性体よりなるヨーク１２の内側に、電気装荷手段となる円筒状のコイル５を軸方向に複数個並べて構成される。可動子２は軸方向に伸びる円筒状のキャン９の内側に、磁気装荷手段となる円筒状の永久磁石６を軸方向に複数挿設して構成される。支持機構３は前記可動子２を構成する永久磁石６の内径にシャフト８を挿設して固定した後、固定子１に設けられた軸支持部材７にシャフト８を通すことで構成される。

また、図１３は図１２の円筒形リニアモータを外部装置に固定するための固定機構を備えた側断面図である。
図１３において、１３はフレーム、１４はタップ穴である。
リニアモータは、固定子１を外部の装置に取り付けるためにヨーク１２の外周にフレーム１３を嵌合すると共に、フレーム１３の端部には雌ねじを有するタップ穴を設け、該タップ穴１４に図示しないボルトネジをねじ込んで外部の装置（不図示）に固定するようになっている。

また、図１４は従来の円筒形リニアモータにリニアエンコーダを取り付けた構成を示す側断面図である。なお、固定子１と可動子２の構成は基本的に図１２および図１３に示したものと同じである。
図１４において、１６はリニアスケール、１７は検出器、１８はリニアエンコーダである。３１は軸支持機構、７１および７２はボールスプラインナット、８１はスプラインシャフトである。
軸支持機構３１は、可動子２に接続されたスプラインシャフト８１と、固定子１の金属パイプ４の軸方向両端部に可動子２が軸方向に移動可能となるように、シャフト８を支持するため軸支持部材であるボールスプラインナット７１、７２から構成してある。
可動子２を取り付けたスプラインシャフト８１の一方端には、リニアエンコーダ１８を構成する光学式のリニアスケール１６が配設され、このリニアスケール１６に対向するように固定子１に該リニアスケール１６を検出するための検出器１７が配設されている。このような構成で、固定子１に対する可動子２のスライド方向の位置を該エンコーダ１８により検出するようになっている。
この構成により、図示しない外部電源から固定子の電気装荷手段に電流を流すと、固定子の電気装荷手段と可動子の磁気装荷手段との間で軸方向の推力が発生し、可動子が固定子とギャップを介して支持機構により軸方向に移動可能に支持されるなかで、可動子のシャフトにより推力を外に取り出すことができる（例えば、特許文献１、２を参照）。

実開平６−６２７８７号公報（明細書第２頁、第１図〜第４図） 特開２０００−４５７５号公報（明細書第９項、第５図）

ところが、従来の円筒形リニアモータにおいて、以下（１）〜（３）の問題があった。

（１）可動子と支持機構となるシャフトとの結合は可動子を構成する円筒状の永久磁石内側にシャフトを通すことで行われていた。そのため、図１２に示すように可動子の外径がシャフトの外径より十分大きい場合には磁気装荷手段となる永久磁石をキャン内面に設けるスペースが十分確保され問題とならないが、可動子の外径が小さくシャフトの外径に近い場合には永久磁石を設けるスペースがなくなり、構成が困難であった。
また、この問題を解決するために従来、図１２に示すキャンの両端にシャフトを両側より挿設して可動子とシャフトを固定する構成も考えられている。しかしこの構成ではキャン内径に適合する外径を有するシャフトが必要となり、流通量の多い規格品を使うことが難しく高価なものとなってしまう。
また、シャフト径が問題となるほど可動子の外径が小さい場合には、永久磁石の作る磁束のロスをできるだけ小さくすることから、キャンは非常に薄肉であり、かつ非磁性のステンレス材が用いられるのが一般的である。そのため、キャンとシャフトの結合はキャンが薄肉であるため圧入や焼き嵌めではキャンの強度が足りず、結合力不足となるため、接着による結合が一般的に行われる。しかし、接着による結合は接着力のばらつきが大きく、製品としての信頼性に欠けるという問題があった。
そこで、キャンにシャフトを挿入した後、溶接する結合も考えられるが、溶接を行う際、異種の金属同士を溶接することは技術的に難しく、十分な溶接による結合力を確保することが困難である。そのため、シャフトもキャンと同じ非磁性のステンレス材で作る必要がある。流通量の多い規格品は一般に鉄系で作られているものが多く、ステンレス製は特注品となり、更に高価になってしまう問題があった。

（２）従来の円筒形リニアモータにおいて、固定子を構成するヨークには磁性特性を有する鉄などの金属製のパイプが一般的に用いられる。鉄パイプは構造材として使うことも出来、該鉄パイプにタップを設けて装置への取り付けも可能である。
しかし、小形の円筒形リニアモータ（例えば固定子の外径が１０ｍｍ）では、ヨークを構成する鉄パイプの厚さが０．５ｍｍ程度あれば永久磁石の作る磁束を通すための構造材としては十分な厚さであるが、この厚さでは、タップを設けることが困難である。（例えば、Ｍ２のボルトネジを用いるとして、タップ深さはネジの径の２倍程度は必要）。
そのため、従来の円筒形リニアモータ、特に小形のもの（図１３）にはヨークの外側にフレームを設け、該フレームにタップ穴を設けることで、固定面への取り付けを行っていた。
フレームは、上述のように外部装置の固定面へ取り付けるためのタップを設けることが主な目的であり、小形のリニアモータでも何らかの手段により、直接ヨークを構成する鉄パイプに固定面へ取り付ける機構を設けることが出来れば、コストダウンにつながる。
以上のように、従来の円筒形リニアモータ、特に小形のものでは、フレームを用いて該フレームにタップ穴を構成することで、固定面への取り付けを行っていたためにフレーム分だけ高コストとなる問題があった。

（３）また、従来の円筒形リニアモータは、図１４に示すように、可動子２がスプラインシャフト８１の両端を支持する軸支持部材７１、７２の位置におけるストローク内を移動する場合は、空気が空間Ｓ１からギャップである空間Ｓ２を通って空間Ｓ３に流れる。
小形の円筒形リニアモータ（例えば固定子の外径が１０ｍｍ）では、空間Ｓ２の体積が非常に小さくなるため、空間Ｓ１から空間Ｓ３に流れる空気が非常に少なくなる。
図１５は、図１４の円筒形リニアモータがストローク内を移動する際の空気の流れを示した模式図であって、（ａ）は可動子が左端、（ｂ）は可動子が右端に位置する場合である。
図１５（ａ）のように、可動子が移動ストロ−クの左端に移動した場合は、空間Ｓ１が加圧され、空間Ｓ３が減圧される。空間Ｓ１の加圧された空気により軸支持部材7に封入されたグリースがモータ外部に押し出され、空間Ｓ３の減圧された空気により軸支持部材７に封入されたグリースが空間Ｓ３に流入する。
また、図１５（ｂ）のように、可動子が移動ストロ−クの右端に移動した場合は、空間Ｓ１が減圧され、空間Ｓ３が加圧される。空間Ｓ１の減圧された空気により軸支持部材７に封入されたグリースが空間Ｓ１に漏れ出し、空間Ｓ３の加圧された空気により軸支持部材７に封入されたグリースが空間Ｓ４に流入する。
このように、可動子が動くためにはモータ内部の空気を加圧または減圧する必要がある。このモータ内部の空気圧の変動により、起動に必要な推力が増大し、軸支持部材に封入されたグリースが漏れ出し、支持機構の寿命が短くなる問題もあった。また、グリースが空間Ｓ４に流入すると、リニアスケールや検出器を汚すことでリニアエンコーダの信頼性が悪くなるといった問題もあった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、第１の目的は、可動子の外径がシャフトの外径に対して大きく設計できない場合であっても、可動子内部における永久磁石を設けるスペースを十分確保でき、安価で信頼性の高い可動子の支持機構を得ることができる円筒形リニアモータを提供することにある。また、第２の目的は、固定子を構成するヨークに固定面への取り付け機構を設けることでフレームレス構造を得ることが可能な円筒形リニアモータを提供することにある。さらに、第３の目的は、軸支持部材に封入されるグリース漏れをなくして長寿命化を図ると共に、検出装置の信頼性を高めることができる円筒形リニアモータを提供することにある。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、円筒状の磁性体よりなる金属パイプの内径側に、電気装荷手段となる円筒状に巻回したコイルを軸方向に複数個並べて構成される固定子と、前記固定子の内側に磁気的空隙を介して対向配置されると共に、軸方向に伸びる円筒状の薄肉ステンレス製のキャンの内径側に、磁気装荷手段となる永久磁石を軸方向に複数個挿設して構成される可動子と、前記可動子に挿設されたシャフトと、前記固定子の金属パイプの軸方向両端部に前記可動子が軸方向に移動可能となるように、前記シャフトを支持するため軸支持部材とよりなる支持機構と、を備えた円筒形リニアモータにおいて、前記キャン内部の両端側のそれぞれに前記永久磁石と隣り合わせになるように配設すると共に、前記シャフトのコーン面と嵌合するための凹部を有してなるコマを設けたことを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の円筒形リニアモータにおいて、前記コマをステンレス材により構成し、前記キャンに該コマを挿入した後、溶接により固定したことを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２記載の円筒形リニアモータにおいて、前記溶接をＴｉｇ溶接により行うことを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２記載の円筒形リニアモータにおいて、前記溶接をレーザー溶接により行うことを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項２記載の円筒形リニアモータにおいて、前記溶接を電子ビーム溶接により行うことを特徴としている。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１記載の円筒形リニアモータにおいて、前記軸方向両端部に設けた支持機構の少なくとも一方は、前記軸支持部材をボールスプラインナットとし、前記シャフトをスプラインシャフトで構成したことを特徴としている。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１記載の円筒形リニアモータにおいて、前記金属パイプは、該金属パイプの円周上の一部に軸方向に沿って設けられ、前記コイルの渡り線を収納するように成形された凸部と、前記凸部の軸方向端部に設けられ、前記金属パイプを外部の装置にボルトネジを介して取り付けるように穿設された貫通穴と、を備えたことを特徴としている。

また、請求項８に記載の発明は、請求項７記載の円筒形リニアモータにおいて、前記金属パイプに設けられる凸部の断面形状は、軸方向から見て略Ｕ字状となるように形成してあり、前記ボルトネジを構成する雄ネジ部とボルト頭部は、何れも互いに直交するように配置してなる円柱体で形成してあり。前記ボルト頭部を、該凸部の内径側の軸方向に沿うように取り付けたことを特徴としている。

また、請求項９に記載の発明は、請求項７または８に記載の円筒形リニアモータにおいて、前記ボルトネジを非磁性材により構成したことを特徴としている。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項７記載の円筒形リニアモータにおいて、前記貫通穴を軸方向に延びる長穴形状としたことを特徴としている。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項７または１０に記載の円筒形リニアモータにおいて、前記貫通穴は前記金属パイプの端部を切り欠いた切り欠き穴であることを特徴としている。

また、請求項１２に記載の発明は、請求項１記載の円筒形リニアモータにおいて、前記金属パイプの軸支持部材側の少なくとも一方端に、前記リニアモータ内部の空気圧を一定に保つように、径方向に貫通した空気穴を設けたことを特徴としている。

また、請求項１３に記載の発明は、請求項１または請求項１２に記載の円筒形リニアモータにおいて、前記円筒形リニアモータの可動子を鉛直方向に移動させて用いる場合であって、前記軸支持部材を構成するボールスプラインナットの鉛直方向上面に、前記シャフトと同心円状のグリース溜まりを設けたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、キャンとシャフトの間にキャンに内接し、シャフトに外接するようにコマを設け、コマの凹部にシャフトを嵌合により固定することで、可動子の外径がシャフトの外径に対して大きく設計できない場合であっても、可動子内部における永久磁石を設けるスペースを十分確保することができ、また、シャフトはキャン内径の大きさに関係なく、市販品を用いることができ、その結果、安価に構成することができる。

請求項２に記載の発明によると、コマをキャンの材質と同じステンレス材で構成しているので、溶接によるコマと薄肉ステンレス製のキャンとの結合が可能となり、結合の信頼性の向上ができる。

請求項３に記載の発明によると、最も普及しているＴｉｇ溶接によりキャンとコマを溶接するので、新たな溶接の設備を導入することなく、容易に製造できる。

請求項４に記載の発明によると、エネルギー密度の高いレーザー溶接によりキャンとコマを溶接するので、溶接部分だけが高温となり、その周辺には熱が加わらないため、溶接時の熱変形を抑えることが出来、精度良くキャンとコマを結合することができる。

請求項５に記載の発明によると、最もエネルギー密度の高い電子ビーム溶接によりキャンとコマを溶接するので、溶接部分だけが高温となり、その周辺には熱が加わらないため、溶接時の熱変形を抑え、精度良くキャンとコマを結合することができると共に、溶接の溶け込み量を増やすことができ、結合強度を増すことが可能である。

請求項６に記載の発明によると、軸方向両端に設けられるシャフトは個別に可動子に結合されるため、支持機構の一方だけをシャフトの回転止め機構を有するボールスプラインナットとスプラインシャフトで構成することができる。一方の軸のボールスプライン支持は、両軸ともにボールスプラインで構成する場合に比べて安価に構成できる。

請求項７に記載の発明によると、円筒状の磁性体よりなる金属パイプのコイルの渡り線を通すための凸部を利用して、そこに固定面へ取り付けるためのボルトネジを設けることが出来る。そのため、フレームが不要であり、コストを抑えることが出来る。

請求項８に記載の発明によると、前記金属パイプに設けられる凸部の形状を略Ｕ字状断面となるように形成し、前記ボルトネジのボルト頭部の形状を、該凸部の円形の内径側の軸方向に沿う円柱体とすることで、該ボルトネジを用いて外部装置の固定面に取り付ける際にボルト頭部の把持が不要となり、組み付けが容易となる。

請求項９に記載の発明によると、前記ボルトネジを非磁性材で構成しているので、可動子が移動する方向となる軸方向のパーミアンス変化によるコギングを無くすことができ、移動中の推力リプルを抑えることができる。

請求項１０に記載の発明によると、ボルトネジを金属パイプの凸部に設けた貫通穴に入れる際、ボルトネジは金属パイプの内径側より貫通穴を通して外に出すため、貫通穴が軸方向に延びる長穴形状とすると入れ易くなり、作業時間を少なくすることが出来る。

請求項１１に記載の発明によると、切り欠き穴に沿ってボルトネジを金属パイプの端から入れることが出来、容易にボルトネジを取り付けることが出来、一層の作業時間短縮になる。

請求項１２の発明によると、リニアモータ内部の空気が、空気穴を通り、流入または流出するため、モータ内部の空気圧を一定に保つことが出来るため、起動に必要な推力を低減することができる。また、支持機構を構成するボールスプラインナットに封入されたグリースがモータ内部の圧力変動により流れ出すことがなくなるので、支持機構を長寿命化させることができる。また、モータの支持機構の近くに、可動子の位置検出を行うための位置検出器を設置する場合は、支持機構のグリースで位置検出器が汚れることが無いので、検出装置の信頼性を高めることができる。

請求項１３に記載の発明によると、円筒形リニアモータの可動子が鉛直方向に移動可能となるように用いる場合、支持機構を構成するナットの鉛直方向上面に設けられたグリース溜まりにグリースを保持しておくことができるので、グリースを補給する必要をなくすことができる。

本発明の第１実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図、 本発明の第２実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図、 本発明の第３実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図、 本発明の第４実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図、 図４の円筒形リニアモータの固定子であって、（ａ）は図４のＡ−Ａ´線に沿う正断面図、（ｂ）は図４のＢ−Ｂ´線に沿う正断面図、（ｃ）は、固定子に装着されるボルトネジの斜視図、 本発明の第５実施例を示す円筒形リニアモータの固定子を凸部側から見た側面図、 本発明の第６実施例を示す円筒形リニアモータの固定子を凸部側から見た側面図、円筒形リニアモータの固定子の側面図、 本発明の第７実施例を示す円筒形リニアモータにリニアエンコーダを取り付けた図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図、 図８の円筒形リニアモータがストローク内を移動する際の空気の流れを示した模式図であって、（ａ）は可動子が左端、（ｂ）は可動子が右端に位置する場合、 空気穴の面積と起動時に必要な推力の関係を表すグラフ、 本発明の第８実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図、 従来の円筒形リニアモータの構成を示す側断面図、 図１２の円筒形リニアモータを外部装置に固定するための固定機構を備えた側断面図、 従来の円筒形リニアモータにリニアエンコーダを取り付けた構成を示す側断面図、 図１４の円筒形リニアモータがストローク内を移動する際の空気の流れを示した模式図であって、（ａ）は可動子が左端、（ｂ）は可動子が右端に位置する場合である。

符号の説明

１ 固定子
２ 可動子
３、３１ 支持機構
４ 金属パイプ
４ａ 凸部
４ｂ 貫通穴
４ｃ 切り欠き穴
５ コイル
５ａ 渡り線
６ 永久磁石
７ 軸支持部材
８ シャフト
７１ ボールスプラインナット
８１ スプラインシャフト
９ キャン
１０ コマ
１０ａ 凹部
１１ 鉄ピース
１２ ヨーク
１３ フレーム
１４ タップ穴
１５ ボルトネジ
１５ａ ボルト頭部
１５ｂ 雄ねじ部
１６ リニアスケール、
１７ 検出器、
１８ リニアエンコーダ、
１９，２０ 空気穴、
２１ グリース溜まり、
Ｓ１〜Ｓ４ 空間

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図である。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものついてはその説明を省略し、異なる点について説明する。
図１において、４は金属パイプ、１０はコマ、１０ａは凹部、１１は鉄ピースである。
本発明の特徴は以下のとおりである。
固定子１は円筒状の磁性体で作られたヨークとなる金属パイプ４の内径側に、電気装荷手段となる円筒状に巻回して構成されるコイル５を軸方向に複数並べて構成している。
可動子２は固定子１の内側に磁気的空隙を介して対向配置されると共に、軸方向に伸びる円筒状の薄肉ステンレス製のキャン９の内径側に、円柱状の鉄ピース１１を間に挟むようにして、図中に矢印で示す方向に磁化された磁気装荷手段となる円柱状の永久磁石６を互いに極性が同じ向きで軸方向に複数個挿設し、接着により各々を貼り合せて構成している。互いに極性が同じ向きで軸方向に挿設した永久磁石６の間に鉄ピース１１を設けた目的は、永久磁石６と鉄ピース１１の間に働く吸引力を利用してより強固に薄肉ステンレス製のキャン９内で永久磁石６を固定するためである。
支持機構３は、可動子２に挿設されたシャフト８と、固定子１の金属パイプ４の軸方向両端部に可動子２が軸方向に移動可能となるように、シャフト８を支持するため軸支持部材７とより構成されている。
また、キャン９内部の両端側のそれぞれには、永久磁石６と隣り合わせになるようにコマ１０を配設してある。該コマ１０にはシャフト８のコーン面（先端の傾斜した尖った部分）と嵌合するために、シャフト８の外径よりシメ代ほど小さい凹部１０ａを設けて圧入している。シャフト８が取り付いたコマ１０と可動子２との結合は可動子２を構成するキャン９の両端の内径側に前記コマ１０を挿入して接着している。

本発明の第１実施例は可動子２とシャフト８の間にキャンに内接し、シャフトに外接するようにコマ１０を備えたので、可動子の外径がシャフトの外径と同等のときでも、安価に可動子への支持機構となるシャフトを構成することができる。
このように本実施例では可動子２に支持機構３となるシャフト８を取り付けており、固定子１のコイル５に電流を流すことで、可動子２の永久磁石６の作る磁束との間で推力が発生し、シャフト８を介して外部に力を取り出すことができる。

図２は本発明の第２実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図である。
固定子１の構成は第１実施例と同じであるため省略する。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、以下のとおりである。
すなわち、シャフト８とコマ１０との結合においては、コマ１０にシャフト８の外径よりシメ代ほど小さい凹部１０ａを設け、その凹部１０ａにシャフト８のコーン面と嵌合するように圧入する点は同じであるが、シャフト８が取り付いたコマ１０とキャン９との結合はキャン９の両端の内径側にコマ１０を挿入して接着した後、キャン９とコマ１０のつなぎ目Ｗをレーザー溶接するようにした点である。

本発明の第２実施例は、コマ１０をキャン９の材質と同じステンレス材で構成しているので、溶接によるコマと薄肉ステンレスキャンとの結合が可能となり、結合の信頼性を向上することができる。
本実施例ではコマと薄肉ステンレスキャンとの結合をレーザー溶接にて行っているため、溶接部分だけが高温となり、その周辺には熱が加わらないため、溶接時の熱変形を抑えることができ、精度良くキャンとコマを結合することができる。
なお、コマと薄肉ステンレスキャンとの結合は、Ｔｉｇ溶接や電子ビーム溶接でも行うことが出きることも確認している。Ｔｉｇ溶接は最も普及した溶接方法のため、新たな設備の導入が不要という利点があり、電子ビーム溶接は溶接時の熱変形を抑えると共に、溶け込み量が多いために、結合力を増し、信頼性を向上すことができる。実験では、レーザー溶接の締結力を１とした場合、Ｔｉｇ溶接では熱変形が大きくなる傾向があるために溶接面積を減らした関係から０．６、電子ビーム溶接では溶け込み量が多いことから１．３という結果を得ている。
このように本実施例では、可動子２に支持機構３となるシャフト８を取り付けており、固定子１のコイル５に電流を流すことで、可動子２の永久磁石６の作る磁束との間で推力が発生し、シャフト８を介して外部に力を取り出すことができる。

図３は本発明の第３実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図である。
図３において、３１は支持機構、７１はボールスプラインナット、８１はスプラインシャフトである。
固定子１の構成は第１実施例、第２実施例と同じであるため省略する。
第３実施例が第１実施例と異なる点は、以下のとおりである。
すなわち、軸方向両端部に設けた支持機構の少なくとも一方は、軸支持部材をボールスプラインナット７１とし、シャフトをスプラインシャフト８１で構成するボールスプライン機構とした点である。
これは可動子２に個別のシャフト８、８１を取り付けることができる本発明の利点を活かして、少なくとも一方のシャフトをスパラインシャフトとすることでシャフトの回転を防止するためである。

本発明の第３実施例はこうすることにより、高価なスパイラルシャフトを両軸に用いることなくシャフトの回転を防止する機構を有する支持機構を構成できる。

図４は本発明の第４実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図、図５は円筒形リニアモータの固定子であって、（ａ）は図４のＡ−Ａ´線に沿う正断面図、（ｂ）は図４のＢ−Ｂ´線に沿う正断面図、（ｃ）は固定子に装着されるボルトネジの斜視図である。
である。なお、本発明の構成要素が第１実施例〜第３実施例と同じものついてはその説明を省略し、異なる点について説明する。
図４において、４ａは凸部、４ｂは貫通穴、５ａはコイルの渡り線、１５はボルトネジ、１５ａはボルト頭部である。
第４実施例が第１実施例〜第３実施例と異なる点は、以下のとおりである。
すなわち、金属パイプ４は、該金属パイプ４の円周上の一部に軸方向に沿って設けられ、コイル５の渡り線５ａを収納するように成形された凸部４ａと、該凸部４ａの軸方向端部に設けられ、金属パイプ４を図示しない外部の装置にボルトネジ１５を介して取り付けるように穿設された円形の貫通穴４ｂと、を備えた点である。ここで、固定子１を構成する金属パイプ４に設けられる凸部４ａの断面形状は、図5（ａ）のＡ−Ａ‘断面に示すように、軸方向から見て略Ｕ字状となるように形成してある。
また、図５（ｃ）に示すように、ボルトネジ１５を構成する雄ネジ部１５ｂとボルト頭部１５ａは、何れも互いに直交するように配置してなる円柱体で形成してあり。ボルト頭部１５ａを、該凸部４ａの内径側の軸方向に沿うように取り付けており、図示しない外部装置の固定面へ取り付ける際の、ボルトネジ１５の回り止め対策を講じたものとなっている。
本実施例では、ボルトネジ１５を非磁性材であるステンレス材および黄銅で構成している。動作試験では、ステンレス材および黄銅で構成したボルトネジ１５の場合ともに、可動子が移動する方向となる軸方向のパーミアンス変化によるコギングが無いことを確認している。
次に固定子の組立について説明する。
固定子１は円筒状の磁性体から成る金属パイプ４をハイドロフォーミングにより拡管することにより、該パイプ４の円周上の一部を軸方向に沿って突出した凸部４ａを成形したものとなっている。金属パイプ４の内径側の中央部分に、円筒状に巻回して構成されるコイル５を軸方向に複数並べて装着し、凸部４ａのコイル５との対向面に渡り線５ａを収納する。また、固定子１を図示しない外部の装置に取付ける際には、凸部４ａの軸方向の両端近傍に設けた貫通穴４ｂに金属パイプ４の内径側よりボルトネジ１５を挿入して、該ボルトネジ１５を外部の装置（不図示）の固定面にねじ込んで固定子１と外部の装置を固定する。

本発明の第４実施例は固定子１を構成する金属パイプ４の一部を軸方向に沿って凸部４ａを設けることで、固定子１をボルトネジ１５を用いて外部の装置の固定面に容易に取り付けることができ、フレームレスの構成で安価に製作することができる。

図６は本発明の第５実施例を示す円筒形リニアモータの固定子を凸部側から見た側面図である。なお、固定子１の構成は第４実施例と基本的に同じであるため省略し、異なる点のみを説明する。
第５実施例が第４実施例と異なる点は、以下のとおりである。
すなわち、固定子１を構成する金属パイプ４の凸部４ａに設けた貫通穴４ｂを軸方向に延びる長穴形状とした点である。
本実施例では金属パイプ４の外径が１０ｍｍ程度の小さいリニアモータであり、ボルトネジを貫通穴４ｂに挿入する際は、ピンセット等を用いてボルトネジ１５のボルト頭部を把持した状態で金属パイプ４の内径面から外周側に向かってボルトネジ１５を通す作業を必要とする。この作業を行う場合、図６に示すように作業者は金属パイプ４の端面より金属パイプ４の内径面を覗き込みながらボルトネジ１５を貫通穴４ｂに通す。そのため、ボルトネジ１５の倒れについては、金属パイプ４の軸方向に対して直角の方向の倒れは見分け易いが、金属パイプ４の軸方向の倒れは見分け難い。貫通穴４ｂの大きさは一般的にボルトネジ１５の大きさより若干大きい程度であり、貫通穴４ｂが円形の穴形状の場合にはボルトネジ１５が軸方向に倒れると通し難く、作業性が悪い。

そこで、第５実施例では、上述のように貫通穴４ｂを軸方向に延びる長穴形状とすると、上記の作業を行う際において、ボルトネジ１５が金属パイプ４の軸方向に倒れても、ボルトネジ１５を貫通穴４ｂに容易に入れ易くすることができ、ボルトネジ１５を貫通穴４ｂに入れて外部装置に対して取り付ける際の作業性も大幅に向上することができる。本実施例は前述の第４実施例の作業に比べて、作業時間を約２０％短縮できることが確認されている。

図７は、本発明の第６実施例を示す円筒形リニアモータの固定子を凸部側から見た側面図である。
図７において、４ｃは切り欠き穴である。
第６実施例が第５実施例と異なる点は、以下のとおりである。
すなわち、第５実施例、第６実施例の貫通穴に替えて、金属パイプ４の端部を切り欠いた切り欠き穴４ｃを用いた点である。

本実施例では、固定子１を構成する金属パイプ４の両端に切り欠き穴４ｃを設けると、ボルトネジ１５を切り欠き穴４ｃに極めて簡単に入れることができる上、ボルトネジ１５を外部装置に対してスムーズに取り付けることができる。前述の第４実施例の作業に比べて、作業時間を約６０％短縮できることが確認されている。

図８は本発明の第７実施例を示す円筒形リニアモータにリニアエンコーダを取り付けた図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図である。図９は図８の円筒形リニアモータがストローク内を移動する際の空気の流れを示した模式図であって、（ａ）は可動子が左端、（ｂ）は可動子が右端に位置する場合である。図１０は空気穴の面積と起動時に必要な推力の関係を表すグラフであり、横軸が空気穴の断面積Ｓ［ｍｍ^２］とモータ内の空気の体積Ｑ［ｍｍ^３］の比、縦軸が起動に必要な推力を示している。
なお、本発明の構成要素が図１４に示す従来技術および図１に示す第１実施例と同じものについてはその説明を省略し、異なる点について説明する。
図８および図９において、１９および２０は空気穴である。
本発明の特徴は以下の通りである。
軸支持機構３１、３２は、可動子２に接続されたスプラインシャフト８１、８２と、固定子１の金属パイプ４の軸方向両端部に可動子２が軸方向に移動可能となるようにスプラインシャフト８１，８２を支持するため軸支持部材であるボールスプラインナット７１、７２から構成されており、この構成により、固定子１の電気装荷手段と可動子２の磁気装荷手段との間で軸方向の推力が発生し、装置に取り付けられた固定子１とギャップを介して軸方向に移動可能となるよう支持された可動子２により推力を外に取り出すようになっている。
また、金属パイプ４の軸支持部材であるボールスプラインナット７１、７２側に、径方向に貫通した空気穴１９および２０を設けており、リニアモータ内部と外部との間で空気の流入および流出を行い、リニアモータ内部の空気圧を一定に保つようしている。

本実施例では、金属パイプ４の軸支持部材であるボールスプラインナット７１、７２側に、空気穴１９および２０を設けたことで、リニアモータがストローク内を動いた場合の空気の流れは図９（ａ）および（ｂ）に示すようになる。つまり、図９（ａ）に示すように可動子が下に動く場合は、空気が一方の空気穴２０から流入し、他方の空気穴１９から流出することでモータ内部の空気圧を一定に保つ。また、図９（ｂ）に示すように可動子が上に動く場合は、空気が一方の空気穴１９から流入し、他方の空気穴２０から流出することでモータ内部の空気圧を一定に保つことができる。
空気穴の断面積をＳ［ｍｍ^２］、モータ内部の体積をＱ［ｍｍ^３］とすると、図１０に示すように空気穴が無い場合（Ｓ／Ｑ＝０）に比べて、適当な大きさの空気穴を設けた場合（Ｓ／Ｑ＝０．０１５）は、起動時に必要な推力を約１／３まで低減していることがわかるが、一方で、モータ内の空気圧の圧力変動による推力の増加をなくすことで、支持機構の寿命が約２倍になることを実験により確認している。

図１１は本発明の第８実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図である。固定子１および可動子２および検出装置１８の構成は第７実施例と同じであるため省略し、異なる所のみを説明する。
図１１において、２１がグリース溜まりである。
第８実施例が第７実施例と異なる点は、円筒形リニアモータの可動子を鉛直方向に移動させて用いる場合であって、軸支持部材を構成するボールスプラインナットの鉛直方向上面に、シャフトと同心円状のグリース溜まり２１を設け点である。

円筒形リニアモータの可動子が鉛直方向に移動可能となるように用いる場合、ナット７１の鉛直方向上面にグリース溜まりを設けて、グリースを溜めるようにしたので、グリースを補給する必要がなくなる。

本発明の円筒形リニアモータによると、可動子内部における永久磁石を設けるスペースを十分確保し、また、固定子を構成するヨークに外部装置の固定面への取り付け機構を有したフレームレス構造を得ることが可能なので、高精度な位置決めや微小送りを必要とする液晶・半導体製造装置あるいは検査装置のほか、例えば、複数本の円筒リニアモータを並べて、チップマウンタのヘッドなどにも適用することができる。

Claims (13)

1. 円筒状の磁性体よりなる金属パイプの内径側に、電気装荷手段となる円筒状に巻回したコイルを軸方向に複数個並べて構成される固定子と、
   前記固定子の内側に磁気的空隙を介して対向配置されると共に、軸方向に伸びる円筒状の薄肉ステンレス製のキャンの内径側に、磁気装荷手段となる永久磁石を軸方向に複数個挿設して構成される可動子と、
   前記可動子に挿設されたシャフトと、前記固定子の金属パイプの軸方向両端部に前記可動子が軸方向に移動可能となるように、前記シャフトを支持するため軸支持部材とよりなる支持機構と、
   を備えた円筒形リニアモータにおいて、
   前記キャン内部の両端側のそれぞれに前記永久磁石と隣り合わせになるように配設すると共に、前記シャフトのコーン面と嵌合するための凹部を有してなるコマを設けたことを特徴とする円筒形リニアモータ。
2. 前記コマをステンレス材により構成し、前記キャンに該コマを挿入した後、溶接により固定したことを特徴とする請求項１記載の円筒形リニアモータ。
3. 前記溶接は、Ｔｉｇ溶接により行うものであることを特徴とする請求項２記載の円筒形リニアモータ。
4. 前記溶接は、レーザー溶接により行うものであることを特徴とする請求項２記載の円筒形リニアモータ。
5. 前記溶接は、電子ビーム溶接により行うものであることを特徴とする請求項２記載の円筒形リニアモータ。
6. 前記軸方向両端部に設けた支持機構の少なくとも一方は、前記軸支持部材をボールスプラインナットとし、前記シャフトをスプラインシャフトで構成したことを特徴とする請求項１記載の円筒形リニアモータ。
7. 前記金属パイプは、該金属パイプの円周上の一部に軸方向に沿って設けられ、前記コイルの渡り線を収納するように成形された凸部と、
   前記凸部の軸方向端部に設けられ、前記金属パイプを外部の装置にボルトネジを介して取り付けるように穿設された貫通穴と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の円筒形リニアモータ。
8. 前記金属パイプに設けられる凸部の断面形状は、軸方向から見て略Ｕ字状となるように形成してあり、
   前記ボルトネジを構成する雄ネジ部とボルト頭部は、何れも互いに直交するように配置してなる円柱体で形成してあり。
   前記ボルト頭部を、該凸部の内径側の軸方向に沿うように取り付けたことを特徴とする請求項７記載の円筒形リニアモータ。
9. 前記ボルトネジを非磁性材により構成したことを特徴とする請求項７または8に記載の円筒形リニアモータ。
10. 前記貫通穴を軸方向に延びる長穴形状としたことを特徴とする請求項７記載の円筒形リニアモータ。
11. 前記貫通穴は前記金属パイプの端部を切り欠いた切り欠き穴であることを特徴とする請求項７または１０に記載の円筒形リニアモータ。
12. 前記金属パイプの軸支持部材側の少なくとも一方端に、前記リニアモータ内部の空気圧を一定に保つように、径方向に貫通した空気穴を設けたことを特徴とする請求項１記載の円筒形リニアモータ。
13. 前記円筒形リニアモータの可動子を鉛直方向に移動させて用いる場合であって、前記軸支持部材を構成するボールスプラインナットの鉛直方向上面に、前記シャフトと同心円状のグリース溜まりを設けたことを特徴とする請求項１または請求項１２に記載の円筒形リニアモータ。

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