JP4757261B2 - リニアモータ - Google Patents
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Description
【0001】
本発明は、マグネットの磁界とコイルに流す電流によって、直線運動するための推力を得るリニアモータに関し、特に積層された複数のコイルに、マグネットを有するロッドを挿入したロッドタイプのリニアモータに関する。
【背景技術】
【0002】
リニアモータは、回転形のモータの固定子側と回転子側を直線状に引き伸ばしたもので、電気エネルギを直線運動するための推力に変換する。直線的な推力が得られるリニアモータは、移動体を直線運動させる一軸のアクチュエータとして用いられる。
【0003】
リニアモータを形状的に分けると、ロッドタイプとフラットタイプがある。ロッドタイプのリニアモータは、複数の円筒形のコイルを積層し、積層して出来たコイルの孔内にマグネットを有するロッドを挿入した構成になっている。例えばU・V・W相の三相に分けた複数のコイルに120°ずつ位相が異なる三相電流を流すと、コイルの軸線方向に移動する移動磁界が発生する。ロッドは移動磁界により推力を得て、移動磁界の速さに同期してコイルに対して相対的に直線運動を行う。他方、フラットタイプのリニアモータは、平板状のマグネットを複数個並べた軌道レールに複数のコイルを対向させる構成になっている。マグネットに対してコイルが相対的に直線運動を行なう原理は、ロッドタイプのリニアモータと同じである。
【0004】
出願人は、この種のロッドタイプリニアモータとして、特許文献1に記載されたものを提案している。このリニアモータでは、ロッドの両端がベースに設けた支持ブラケットに固定され、コイルがロッドに対して直線運動する。すなわち、ロッド側が固定されるのに対し、コイル側が直線運動する。コイルはハウジングで覆われていて、コイル及びハウジングが直線運動するのは、ベースとハウジングの間に設けたリニアガイドにより案内されている。
【0005】
【特許文献1】
特開2004−248490号公報
【発明の開示】
発明が解決しようとする課題
[0006]
コイル及びハウジング側を固定して、ロッド側を直線運動させることができれば、アクチュエータとしてのリニアモータの利用範囲が広がる。出願人は開発の過程で、ベースにハウジングを固定し、ハウジングにブッシュを取り付け、該ブッシュでロッドが直線運動するのを案内することを試みた。
[0007]
しかし、ロッドはコイル内で浮いた状態になっており、コイルからロッドにはロッドの軸線方向の推力しか働かないので、はずみでロッドに回転する力が加わると、ロッドがくるくると回転してしまった。ロッドには、移動体が取り付けられたり、フィードバック制御するためのリニアスケールが取り付けられたりするので、ロッドが回転すると、移動体が回転してしまったり、リニアスケールで速度や移動距離を検出できなかったりするという問題が生じる。
[0008]
コイル側が直線運動する特許文献1に記載のリニアモータでは、ハウジングとベースとの間に設けたリニアガイドが、コイル側が回転するのを防止する役割を果たしていた。この特許文献1に記載のリニアモータの支持方法を、ロッド側が直線運動するリニアモータに適用すれば、ロッドが回転するのを低減できる。すなわち、コイル及びハウジングをベースに固定して、ベースとロッドとの間にリニアガイドを設ければ、ロッドが直線運動する際にロッドが回転するのを防止することができる。しかしこの方法だと、ベースとロッドとの間に設けられるリニアガイドが、リニアモータの寸法を大きくするのみならず、ロッドのストロークをも制限してしまう。
[0009]
そこで、本発明は、コイルに対して相対的に直線運動するロッドが回転してしまうのを制限できるコンパクトなリニアモータを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0010]
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、マグネットを有するロッドと、前記ロッドを囲むコイルと、前記コイルを覆うハウジングと、を備え、前記マグネットの磁界と前記コイルに流す電流によって、前記ロッドを前記コイルに対して相対的に直線運動させるリニアモータにおいて、前記ロッドの外周に、前記ロッドの軸線方向に伸びるスプライン溝が形成され、前記ハウジングに、前記スプライン溝に嵌まって前記ロッドがその軸線回りに回転するのを制限する回り止め部が設けられ、前記ロッドは、前記スプライン溝が形成されないと共に前記マグネットを有するマグネット軸と、このマグネット軸の端部に結合され、前記スプライン溝が形成されるスプライン軸と、を備えることを特徴とするリニアモータにより、上述した課題を解決する。
[0011]
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のリニアモータにおいて、前記回り止め部は、内周面に転動体転走溝が形成されると共に転動体を循環させる転動体循環路を有するスプラインナットと、前記スプラインナットの前記転動体循環路に配列され、前記スプライン溝に対する前記スプラインナットの相対的な移動に伴って前記転動体転走溝と前記スプライン溝との間を転がり運動する転動体と、で構成されることを特徴とする。
[0012]
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載のリニアモータにおいて、前記マグネット軸の中空空間に前記マグネットが挿入されることを特徴とする。
[0013]
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載のリニアモータにおいて、前記スプライン軸の端部を前記マグネット軸の中空空間の端部に挿入することによって、前記スプライン軸が前記マグネット軸に結合されることを特徴とする。
[0014]
請求項5に記載の発明は、請求項3又は4に記載のリニアモータにおいて、前記ハウジングには、前記スプライン軸を案内する前記スプラインナットと、前記マグネット軸を案内するブッシュが設けられ、前記ロッドは、前記スプラインナット及び前記ブッシュの二箇所で支持されることを特徴とする。
発明の効果
[0015]
請求項1に記載の発明によれば、廉価に且つコンパクトな構造で、コイルに対して相対的に直線運動するロッドが回転するのを制限できる。また、マグネット軸にスプライン溝が形成されないので、マグネット軸の肉厚を薄くすることができる。それゆえ、リニアモータをコンパクトにすることができる。
[0016]
請求項2に記載の発明によれば、転動体の転がり接触を利用することにより、コイルに対して相対的に直線運動するロッドの摺動抵抗を低減することができる。
[0017]
請求項3に記載の発明によれば、中空空間が形成されるマグネット軸にマグネットを挿入することができる。
【0018】
請求項4に記載の発明によれば、マグネット軸とスプライン軸とを互いの軸線を一致させた状態で結合させることができる。
【0019】
請求項5に記載の発明によれば、スプラインナット及びブッシュによりロッドが直線運動するのを安定して案内することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の一実施形態におけるリニアモータの外観斜視図。
【図2】モータ本体部、ロッド部及び検出部の分解斜視図。
【図3】リニアモータのマグネットとコイルを示す断面図。
【図4】モータ本体部の斜視図(図中(A)はモータ本体部の斜視図を示し、図中(B)は分解斜視図を示す)。
【図5】コイルユニットを示す斜視図。
【図6】ロッド部の斜視図(図中(A)はロッド部の斜視図を示し、図中(B)は分解斜視図を示す)。
【図7】マグネット軸とスプライン軸との結合部分を示す断面図。
【図8】スプライン軸とスプラインナットを示す斜視図。
【図9】検出部の斜視図(図中(A)は検出部の斜視図を示し、図中(B)は分解斜視図を示す)。
【符号の説明】
【0021】
4…コイル
5…ハウジング
7…ブッシュ
8…スプラインナット(回り止め部)
9…マグネット軸
10a…スプライン溝
10…スプライン軸
11…ロッド
13…マグネット
28…ボール(転動体)
31…戻し通路(転動体循環路)
32…方向転換路(転動体循環路)
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
添付図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は本発明の一実施形態におけるリニアモータの外観斜視図を示す。この実施形態のリニアモータは、一軸のアクチュエータで、電子部品等の移動体を一軸方向に搬送するのに用いられる。より具体的には、例えばチップ状の電子部品を所定の位置にマウントするチップマウンタのヘッド軸に用いられる。細長い直方体形状のモータ本体部1には、ロッド部2が進退可能に組み込まれる。ロッド部2の速度・移動距離は、モータ本体部1の後端に取付けた検出部3で検出される。
【0023】
図2は、リニアモータを、モータ本体部1、ロッド部2、検出部3に分解した状態を示す。まず、これらの部分の概略の構成について説明する。
【0024】
モータ本体部1は、積層された複数のコイル4(図4参照)をハウジング5で覆ってなる。ハウジング5の両端には、一対のエンド部材6が設けられる。一対のエンド部材6のうちの一方には、ロッド部2を案内するブッシュ7が設けられ、残りの一方にはロッド部2を案内するスプラインナット8が設けられる。この図2ではスプラインナット8がロッド部2に外嵌している状態が示されているが、スプラインナット8はロッド部2に外嵌すると共にエンド部材6に取り付けられている。モータ本体部1に対して直線運動するロッド部2は、これらブッシュ7及びスプラインナット8の二箇所で支持される。
【0025】
ロッド部2は、マグネットを有するマグネット軸9と、スプライン溝が形成されたスプライン軸10とを結合してなるロッド11と、細長く伸びるロッド11の後端に結合されたリニアスケール12とから構成される。リニアスケール12は、検出部3と協働してロッド部2の速度や移動距離を検出する。
【0026】
検出部3は、その内部にリニアスケール12の目盛を読み取るエンコーダを有する。この検出部3は、リニアモータのモータ本体部1が取付けられる相手部品のベース側に取付けられる。すなわち、モータ本体部1及び検出部3の両方がベース側に取付けられる。なお検出部3は、モータ本体部1の後端に取り付けられてもよい。
【0027】
次に、上記リニアモータの作動原理について説明する。図3は、リニアモータのマグネットとコイルを示す。リニアモータは、回転形のモータと同様に、マグネットの磁界とコイルに流す電流によって運動するための力を得る。その一方、リニアモータは直線運動を行うものなので、コイル4が直線的に積層され、積層されたコイル4の中空空間をマグネット軸9が貫通する。
【0028】
マグネット軸9には、パイプのように複数のマグネット13が挿入される中空空間が形成される。この中空空間には、円柱状の複数のマグネット13(セグメント磁石)が互いに同極が対向するように、すなわちN極とN極が、S極とS極とが対向するように積層される。マグネット軸9の周囲には、マグネット軸9を囲むコイル4が複数配置される。コイル4は3つでU・V・W相からなる一組の三相コイルとなる。一組のコイル4を複数組み合わせて、コイルユニットが構成される。
【0029】
そして、U・V・W相の三相に分けた複数のコイル4に120°ずつ位相が異なる三相電流を流すと、コイル4の軸線方向に移動する移動磁界が発生する。マグネット軸9は、移動磁界により推力を得て、移動磁界の速さに同期してコイル4に対して相対的に直線運動を行う。
【0030】
次に、リニアモータの各部の構成を、モータ本体部1、ロッド部2、検出部3の順番で説明する。
【0031】
図4は、モータ本体部1を示す。モータ本体部1は、複数のコイル4を収容する部分である。コイル4は銅線を螺旋状に巻いたものである。この実施形態では、ハウジング5の寸法を抑えるために、コイル4を射出成型の金型にセットし、溶融した樹脂又は特殊セラミックスを流すインサート成型によりハウジング5を形成する。成型後に成型品を金型から取り出すと、コイル4の周囲がハウジング5で覆われている状態になる。このインサート成形により、ハウジング5の肉厚を薄くできるという利点がある。例えば、リニアモータを並べて使用する場合には、リニアモータの横幅を狭くする必要がある。なお、インサート成型しなくても、コイル4をアルミ製等のハウジング5に収納し、隙間を接着材で埋めて、コイル4をハウジング5に固定してもよい。
【0032】
ハウジング5は、リニアモータを一軸アクチュエータとして使用する部分に取り付けられる。そのため、機械的剛性が高く材料が使用される。またハウジングには、コイルとの絶縁を保つ必要があるため、絶縁性の高い材料が使用される。さらに、ハウジングには、コイルの放熱性を高めるためにフィンが複数形成される。
【0033】
ハウジング5の上面には、リニアモータを相手部品のベースに取付けるための位置決めピン15やナット16が埋め込まれる。ハウジング5の両端には、エンド部材17が設けられる。このエンド部材17はハウジング5と一体にインサート成型されてもよいし、ねじ等の結合手段によりハウジング5に結合されてもよい。一対のエンド部材17のうち、一方には、ロッド11のマグネット軸9を案内するためのブッシュ7が取り付けられ、残りの一方には、ロッド11のスプライン軸10を案内するためのスプラインナット8が取り付けられる。ブッシュ7、スプラインナット8はねじ19等の結合手段によりエンド部材17に取付けられる。エンド部材17には、検出部3を位置決めするための位置決めピン20が差し込まれる。
【0034】
図4(A)に示されるように、コイルユニット(複数のコイル4)はロッド11のマグネット軸9がストロークする範囲のみに設けられ、スプライン軸10がストロークする範囲には設けられていない。スプライン軸10はマグネットを有さないので、たとえコイル4があったとしても、推力を発生させないからである。
【0035】
図5は、コイルユニットを示す。コイルユニットは、銅線を螺旋状に巻いた一つのコイル4を複数個、例えば数十個積層したものである。コイル4のリード線4aは、三つおきのU相同士のコイル、V相同士のコイル、W相同士のコイルで接続される。コイル4同士は絶縁させる必要があるので、コイル4間には絶縁材として樹脂製のスペーサ14が介在される。スペーサ14は、コイル4の正面形状と同様に円環形状に形成される。
【0036】
図6は、ロッド部2を示す。ロッド部2は、マグネット軸9とスプライン軸10とからなるロッド11と、ロッド11の後端に取り付けられるリニアスケール12とから構成される。中空のマグネット軸9は、例えばステンレス等の非磁性材からなり、マグネット13が収容されるパイプ体23を有する。パイプ体23の中空空間には、上述のように、円柱状の複数のマグネット13(セグメント磁石)が互いに同極が対向するように積層される。マグネット13の間には、ヨークとして例えば鉄等の磁性体からなるポールシュー24(磁極ブロック)が介在される。マグネット軸9の先端には、マグネット13をパイプ体23内に固定するためのマグネット抑え25が接着等により固定される。
【0037】
マグネット軸9の後端には、スプライン軸10が固定される。図7に示されるように、スプライン軸10の端部がマグネット軸9の中空空間に挿入されることによって、スプライン軸10がマグネット軸9に互いの軸線を一致するように結合される。スプライン軸10の端部は、マグネット軸9に挿入されるマグネット13を抑える役割ももつ。図6に示されるように、スプライン軸10の外周には、スプラインナット8が嵌め込まれる。これらスプライン軸10とスプラインナット8とで、ロッド11がその軸線の回りに回転するのを制限する。
【0038】
図8は、スプライン軸10とスプラインナット8の斜視図を示す。スプライン軸10の外周には、その軸線方向に伸びる複数状のスプライン溝10aが形成される。スプライン軸10には、非磁性材料でかつ剛性の高いステンレス等が用いられる。スプライン溝10aには転動体としてのボールが転動するから、強度を高めるために焼き入れがされる。
【0039】
スプラインナット8は、スプライン軸10に遊嵌された外筒27と、スプライン軸10と外筒27との間に転がり運動可能に介在される複数のボール28と、外筒27に組み込まれ、複数のボール28をサーキット状のボール循環路(転動体循環路)に整列する保持器29と、を備える。外筒27の内周面には、スプライン軸10のスプライン溝10aに対応して軸線方向に延びる複数条のボール転走溝(転動体転走溝)が形成される。外筒27の軸線方向の両端には、外筒27に保持器29を組み付けるための止め輪30が設けられている。
【0040】
スプラインナット8に対するスプライン軸10の相対的な直線運動に伴い、ボール28がスプライン軸10のスプライン溝10aと外筒27のボール転走溝との間を転がり運動する。外筒27のボール転走溝の一端まで転がったボールは、保持器29によりスプライン溝10aから掬い上げられ、U字状の方向転換路32を経由した後、向きを変えてボール転走溝と平行に伸びる戻し通路31に入る。戻し通路31を通過したボールは、反対側の方向転換路32を経由した後、再びスプライン溝10aに戻される。ここで、戻し通路31は保持器29と外筒27との間に形成されているので、戻し通路31においてボール28がスプライン溝10aに接触することはない。
【0041】
スプラインナット8に形成されるボール転走溝と、スプライン軸10のスプライン溝10aとの間には、ボール28が介在されるから、スプラインナット8はスプライン軸10がその軸線の回りに回転するのを制限する。これらスプラインナット8とボール28が回り止め部となる。
[0042]
図6に示されるように、スプライン軸10の後端には、ねじ34等の固定手段によりブラケット35が固定される。このブラケット35にリニアスケール12が接着等により固定される。リニアスケール12は、検出部のエンコーダと協働してリニアエンコーダを構成する。リニアスケール12には一定間隔で細かい目盛が配列される。
[0043]
図9は、検出部3を示す。検出部3は、ハウジング5の後端にエンド部材6を介して取り付けられるブラケット36と、ブラケット36に固定されるエンコーダ37とを備える。ブラケット36には中空空間が形成され、この中空空間にリニアスケール12が導入される。ブラケット36の上面には、ブラケット36の内部を視認できる窓が形成される。この窓にエンコーダ基板38がねじ39等により固定される。ブラケット36の上面には、ねじ39に螺合するナット41が埋め込まれる。エンコーダ基板38の下面には、リニアスケール12を読み取るエンコーダ37が設けられる。エンコーダ37は、発光ダイオードを光源とし、フォトダイオードによりリニアスケール12の目盛を読み取る。エンコーダ37が読み込んだパルス信号からロッド11の移動距離が検出され、フィードバック制御などに利用される。ブラケット36の端はカバー40で覆われる。
[0044]
なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更できる。スプラインナットとスプライン溝との間に転がり接触するボールを介在させなくても、スプラインナットにスプライン溝に嵌ると共にすべり接触する突起を設け、該突起でロッドの回り止めをしてもよい。さらに、本発明のリニアモータは、一軸のアクチュエータに用いられるのに限られることなく、多数組み合わせて多軸のアクチュエータとして用いてもよい。
[0045]
本明細書は、2005年8月31日出願の特願2005−251184に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
Claims (5)
- マグネットを有するロッドと、前記ロッドを囲むコイルと、前記コイルを覆うハウジングと、を備え、前記マグネットの磁界と前記コイルに流す電流によって、前記ロッドを前記コイルに対して相対的に直線運動させるリニアモータにおいて、
前記ロッドの外周に、前記ロッドの軸線方向に伸びるスプライン溝が形成され、
前記ハウジングに、前記スプライン溝に嵌まって前記ロッドがその軸線回りに回転するのを制限する回り止め部が設けられ、
前記ロッドは、前記スプライン溝が形成されないと共に前記マグネットを有するマグネット軸と、このマグネット軸の端部に結合され、前記スプライン溝が形成されるスプライン軸と、を備えることを特徴とするリニアモータ。 - 前記回り止め部は、内周面に転動体転走溝が形成されると共に転動体を循環させる転動体循環路を有するスプラインナットと、前記スプラインナットの前記転動体循環路に配列され、前記スプライン溝に対する前記スプラインナットの相対的な移動に伴って前記転動体転走溝と前記スプライン溝との間を転がり運動する転動体と、で構成されることを特徴とする請求項1に記載のリニアモータ。
- 前記マグネット軸の中空空間に前記マグネットが挿入されることを特徴とする請求項1に記載のリニアモータ。
- 前記スプライン軸の端部を前記マグネット軸の中空空間の端部に挿入することによって、前記スプライン軸が前記マグネット軸に結合されることを特徴とする請求項3に記載のリニアモータ。
- 前記ハウジングには、前記スプライン軸を案内する前記スプラインナットと、前記マグネット軸を案内するブッシュが設けられ、
前記ロッドは、前記スプラインナット及び前記ブッシュの二箇所で支持されることを特徴とする請求項3又は4に記載のリニアモータ。
Priority Applications (1)
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