JP4859202B2 - 円筒型リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、磁束を発生するシャフト状の固定子の支持構造を改良した円筒型リニアモータに関する発明である。

近年、直線往復駆動用のアクチュエータとして円筒型リニアモータが注目されている。この円筒型リニアモータは、「シャフトモータ」とも呼ばれ、円筒状のシャフト内に多数の永久磁石を直線状に並べて配置すると共に、シャフトの外側に、コイルを内蔵した可動子を該シャフトと同心状に配置し、コイルに通電することで可動子をシャフトに沿って直線駆動するように構成されている。

この円筒型リニアモータは、多数の永久磁石を内蔵したシャフトの荷重をその両端で支持する両端支持構造であるため、シャフトが長くなると、その自重によりシャフトの中央側が下がるように撓み変形するという問題があった。このように、シャフトが撓み変形すると、可動子のコイルの内周面とシャフトの外周面との間の空隙（ギャップ）を均一に保てなくなるため、両者が接触してその摩擦力により可動子のスムーズな駆動が妨げられたり、コイルの内周部が摩耗により損傷して使用不能になる可能性がある。

このような不具合を防ぐために、一般的には、予め、可動子のコイルとシャフトとの間の空隙を大きくしてシャフトの撓み変形の許容量を大きくしたり、或は、シャフトの肉厚を厚くすることで、シャフトの曲げ剛性を高めて撓み変形量を少なくすることが考えられるが、これらの方法では、シャフト内の永久磁石とコイルの内周面との間隔が広がって、磁束の利用効率が低下してしまい、推力が低下するという新たな問題が発生する。

この問題を解決するために、特許文献１（特開２００５−１６０２１３号公報）に記載された円筒型リニアモータは、可動子の軸方向両側に、シャフトの外周面に接触する摺動部材を設けることで、シャフトがその自重により撓み変形しても、そのシャフトと可動子のコイルとの間の空隙を可動子両側の摺動部材によって確保できるように構成している。

しかしながら、上記特許文献１の技術では、可動子の軸方向両側に摺動部材を配置するため、可動子の駆動ストロークがその両側の摺動部材の寸法分だけ短くなってしまうという欠点がある。しかも、可動子両側の摺動部材が常にシャフトに接触しながら駆動されるため、摺動部材とシャフトとの接触による摩擦力が可動子の駆動を妨げる方向に作用して推力を低下させたり、摺動部材の摩耗の問題が避けられず、特に高速高サイクルで動作させる場合には、摺動部材の寿命が短くなるという問題が発生する。要するに、この特許文献１の技術では、円筒型リニアモータ本来の特長である非接触駆動の性能が損なわれてしまう。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、シャフト状の固定子の撓み変形によって発生する固定子と可動子との接触の問題を、円筒型リニアモータ本来の特長である非接触駆動の性能を損なわずに解決することができる円筒型リニアモータを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、磁束を発生するシャフト状の固定子の外側に、コイルを内蔵した可動子を該シャフト状の固定子と非接触で同心状に配置し、前記コイルに通電することで前記可動子をシャフト状の固定子に沿って直線的に非接触駆動する円筒型リニアモータにおいて、前記シャフト状の固定子の両端部を支持する支持構造部は、該シャフト状の固定子に作用させる上下方向及び水平方向の曲げモーメントを調整することで該シャフト状の固定子と可動子とが接触しないように該シャフト状の固定子の曲りを矯正する曲り矯正手段を備えている。この構成では、シャフト状の固定子が自重により撓み変形しても、曲り矯正手段によってシャフト状の固定子の両端部に対してシャフト状の固定子の中央側を持ち上げる方向に曲げモーメントを作用させて、その曲げモーメントの大きさを調整することで、シャフト状の固定子の自重による撓み変形を矯正してシャフト状の固定子を真っ直ぐに延ばした状態に戻すことができる。これにより、シャフト状の固定子の撓み変形によって発生する固定子と可動子との接触の問題を、円筒型リニアモータ本来の特長である非接触駆動の性能を損なわずに解決することができる。

ところで、シャフト状の固定子の自重による撓み変形は下側への変形であるため、上下方向の曲げモーメントの調整によって矯正できるが、シャフト状の固定子は長いため、自重以外の要因で最初からシャフト状の固定子が反っている場合がある。このシャフト状の固定子の反りは、上下方向に生じるとは限らず、あらゆる方向に生じる可能性がある。

このシャフト状の固定子の反りと自重による撓み変形の両方の曲りを矯正するために、請求項１に係る発明では、曲り矯正手段を上下方向及び水平方向の曲げモーメントを調整するように構成している。上下方向の曲げモーメントの調整と水平方向の曲げモーメントの調整とを組み合わせれば、あらゆる方向の曲げモーメントを調整することができ、シャフト状の固定子の反りや自重によるあらゆる方向の曲りを矯正することができる。

曲り矯正手段の具体例としては、例えば、請求項２のように、シャフト状の固定子の端部を嵌合支持するブラケットを曲げモーメントの作用方向に回動可能又は揺動可能に支持する可動支持手段を備え、前記ブラケットを回動又は揺動させることで曲げモーメントを調整し、その調整後に前記ブラケットの位置を固定手段により固定するようにしても良い。これにより、簡単な構成で曲り矯正手段の機能を実現することができる。

ところで、円筒型リニアモータの稼働中は、コイルへの通電により発熱するため、その熱によりシャフト状の固定子の温度が上昇してシャフト状の固定子が軸方向に熱膨張するが、シャフト状の固定子の両端部を支持する支持構造部の間隔（支点間の長さ）は変化しないため、シャフト状の固定子の熱膨張量が大きくなると、シャフト状の固定子の支点間に過大な熱応力が働いて、シャフト状の固定子が曲り変形したり、支持構造部側の部材が変形したりする可能性がある。

この対策として、請求項３のように、支持構造部は、シャフト状の固定子の一方の端部を固定支持し、他方の端部をその軸方向に位置ずれ可能に支持するように構成すると良い。この構成では、シャフト状の固定子が熱膨張すると、その熱膨張相当分だけシャフト状の固定子の他方の端部が軸方向に位置ずれして支持されるため、シャフト状の固定子の熱膨張によるシャフト状の固定子の曲り変形や支持構造部側の部材の変形が防止される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を図面に基づいて説明する。

ここで、図１は円筒型リニアモータ１１の一部を破断して示す平面図、図２は円筒型リニアモータ１１の一部を破断して示す正面図、図３は円筒型リニアモータ１１の右側の支持構造部１７Ａを説明するための右側面図、図４は円筒型リニアモータ１１の左側の支持構造部１７Ｂを説明するための左側面図である。

図１及び図２に示すように、円筒型リニアモータ１１は、円筒状のシャフト１２内に多数の永久磁石１３を直線状に並べて配置してシャフト状の固定子１０を構成すると共に、シャフト１２の外側に、コイル１４を内蔵した可動子１５を該シャフト１２と非接触で同心状に配置し、コイル１４に通電することで可動子１５をシャフト１２に沿って直線駆動するように構成されている。シャフト１２内の各永久磁石１３は、隣接する永久磁石１３のＳ極どうし、Ｎ極どうしが対向するように配置されている。また、シャフト１２は、各永久磁石１３の磁束を透過させる非磁性材料（例えばステンレス鋼）のパイプにより形成されている。可動子１５のコイル１４は、シャフト１２（永久磁石１３）の外周囲を取り巻くように該シャフト１２と同心状に配置されている。そして、このシャフト１２の両端部が、ベースフレーム１６上に立設された支持構造部１７Ａ，１７Ｂに水平に固定されている。

ベースフレーム１６上には、２本のスライドガイド２０，２１がシャフト１２と平行に設けられ、各スライドガイド２０，２１には、それぞれスライド部材２２，２３がスライド自在に嵌合されている。このスライド部材２２，２３上には、搬送テーブル２４（図１参照）が搭載され、この搬送テーブル２４の下面に可動子１５が連結されている。これにより、搬送テーブル２４が可動子１５と一体的にシャフト１２に沿って直線駆動される。

次に、シャフト１２の両端部を支持する支持構造部１７Ａ，１７Ｂの構成を図１乃至図４に基づいて説明する。

シャフト１２の両側の支持構造部１７Ａ，１７Ｂは、それぞれ上下方向及び水平方向の曲げモーメントを調整する２自由度の回動方向調整機構（曲り矯正手段）を備えている。そして、一方の支持構造部（以下「固定側支持構造部」という）１７Ａは、シャフト１２の一方の端部を固定支持し、他方の支持構造部（以下「非固定側支持構造部」という）１７Ｂは、シャフト１２の他方の端部をその軸方向に位置ずれ可能に支持するように構成されている。

各支持構造部１７Ａ，１７Ｂは、シャフト１２の端部を嵌合支持する第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂと、この第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂを第１ピン２６Ａ，２６Ｂ（可動支持手段）を介して回動可能に支持する第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂとを備えている。

固定側支持構造部１７Ａは、シャフト１２の端部を第１ブラケット２５Ａに固定して支持するのに対して、非固定側支持構造部１７Ｂは、シャフト１２の端部を第１ブラケット２５Ｂに軸方向に位置ずれ可能に支持する点のみが相違し、これ以外の構成は、同じである。

固定側支持構造部１７Ａの第１ブラケット２５Ａには、図３に示すように、シャフト１２の端部を嵌合するシャフト嵌合穴２８Ａの内外を貫通するスリット２９が形成され、例えば２本の固定ボルト３０が外側からスリット２９を貫通するように締め込まれている。そして、各固定ボルト３０を締め付けてスリット２９の溝幅を狭くすることで、シャフト嵌合穴２８Ａの径を縮小してシャフト嵌合穴２８Ａの内周面をシャフト１２の端部に圧接させ、その圧接力によりシャフト１２の端部を第１ブラケット２５Ａに固定して支持するようにしている。

これに対して、非固定側支持構造部１７Ｂの第１ブラケット２５Ｂには、例えば４本の止めボルト３１（図１と図４にはそれぞれ２本のみ図示）がシャフト嵌合穴２８Ｂ内のシャフト１２を軽く押え付けるように外側から締め込まれている。そして、各止めボルト３１をシャフト嵌合穴２８Ｂ内のシャフト１２のガタがなくなるまで軽く締め込むことで、シャフト１２の端部を第１ブラケット２５Ｂに軸方向に位置ずれ可能に支持している。この場合、各止めボルト３１の締め付け力が大きくなり過ぎると、シャフト嵌合穴２８Ｂ内でシャフト１２が軸方向に位置ずれできなくなるため、各止めボルト３１の締め付け力はシャフト嵌合穴２８Ｂ内のシャフト１２の位置ずれを許容する範囲内に制限する必要がある。

各支持構造部１７Ａ，１７Ｂの第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂを回動可能に支持する第１ピン２６Ａ，２６Ｂは、シャフト嵌合穴２８Ａ，２８Ｂの中心線と同一の高さ位置で且つ該中心線と水平に直交するように第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂに貫通支持されている。これにより、第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂは、第１ピン２６Ａ，２６Ｂを中心にして回動されることで、第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂに嵌合支持されたシャフト１２に対して上下方向の曲げモーメントが作用するようになっている。

そして、第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂには、第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂの回動位置を固定する固定手段として、例えば２本の固定ボルト３９Ａ，３９Ｂが挿通され、各固定ボルト３９Ａ，３９Ｂが第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂのねじ穴に締め付けられることで、第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂが第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂに固定されるようになっている。この場合、第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂに設けられた固定ボルト３９Ａ，３９Ｂの挿通穴は、第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂの上下方向の回動調整を許容するように長孔又は大きめの穴に形成されている。

また、第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂの上部フランジ部には、例えば２本の調整ボルト３２Ａ，３２Ｂ（固定手段）が上方から締め込まれ、各調整ボルト３２Ａ，３２Ｂの下端が第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂの上面に当接している。この場合、２本の調整ボルト３２Ａ，３２Ｂの中間位置の下方に第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂの回動軸（第１ピン２６Ａ，２６Ｂ）が位置している。これにより、２本の調整ボルト３２Ａ，３２Ｂのうちの一方の調整ボルトを緩めて、その分だけ他方の調整ボルトを締め込めば、その締め込み分だけ第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂを回動させてシャフト１２に作用させる上下方向の曲げモーメントを調整できるようになっている。

一方、第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂをベースフレーム１６に組み付けるために、ベースフレーム１６には第２ピン３３Ａ，３３Ｂ（可動支持手段）が上方に突出するように固定され、第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂの下部フランジ部に形成されたピン穴３４Ａ，３４Ｂ（図２参照）を第２ピン３３Ａ，３３Ｂに嵌合することで、第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂを第２ピン３３Ａ，３３Ｂを中心にして水平方向に回動可能に支持し、この第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂの回動によって第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂを水平方向に揺動させることで、第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂに嵌合されたシャフト１２に対して水平方向の曲げモーメントを作用させることができるようになっている。

第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂの下部フランジ部には、例えば２本の固定ボルト３５Ａ，３５Ｂ（固定手段）が上方から挿通され、各固定ボルト３５Ａ，３５Ｂがベースフレーム１６のねじ穴に締め付けられることで、第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂがベースフレーム１６に固定されるようになっている。この場合、第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂの下部フランジ部に設けられた固定ボルト３５Ａ，３５Ｂの挿通穴は、第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂの水平方向の回動調整を許容するように長孔又は大きめの穴に形成されている。

ベースフレーム１６上には、各第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂの近傍に、それぞれボス部３７Ａ，３７Ｂがボルト３８Ａ，３８Ｂで固定され、各ボス部３７Ａ，３７Ｂにそれぞれ２本の調整ボルト３６Ａ，３６Ｂが第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂ側に突出するように締め込まれ、各調整ボルト３６Ａ，３６Ｂの先端が第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂに当接している。この場合、２本の調整ボルト３６Ａ，３６Ｂの中間位置の付近に第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂの回動軸（第２ピン３３Ａ，３３Ｂ）が位置している。これにより、２本の調整ボルト３６Ａ，３６Ｂのうちの一方の調整ボルトを緩めて、その分だけ他方の調整ボルトを締め込めば、その締め込み分だけ第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂを水平方向に回動させてシャフト１２に作用させる水平方向の曲げモーメントを調整できるようになっている。

以上のように構成した本実施例の円筒型リニアモータ１１では、シャフト状の固定子１０の自重によりシャフト状の固定子１０の中央側が下がるように撓み変形している場合には、次のような手順でシャフト状の固定子１０の自重による撓み変形を矯正すれば良い。

まず、第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂを第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂに固定する固定ボルト３９Ａ，３９Ｂを少し緩めて第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂを第１ピン２６Ａ，２６Ｂを中心にして上下方向に回動調整できる状態にする。この後、第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂの上部フランジ部に締め込まれている２本の調整ボルト３２Ａ，３２Ｂのうちの内側の調整ボルトを少し緩めて外側の調整ボルトを少し締め付けることで、第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂを第１ピン２６Ａ，２６Ｂを中心にして回動調整する。これにより、シャフト状の固定子１０に対してシャフト状の固定子１０の中央側を持ち上げる方向に曲げモーメントを作用させ、その曲げモーメントの大きさを調整ボルト３２Ａ，３２Ｂの締め込み量によって調整することで、シャフト状の固定子１０の自重による撓み変形を矯正する。この作業により、シャフト状の固定子１０が真っ直ぐに延びた状態に矯正された時点で、固定ボルト３９Ａ，３９Ｂを締め付けて第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂを第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂに固定する。

このように、本実施例では、調整ボルト３２Ａ，３２Ｂの締め込み量の調整によってシャフト状の固定子１０に対してシャフト状の固定子１０の中央側を持ち上げる方向に作用させる曲げモーメントを調整して、シャフト状の固定子１０の自重による撓み変形を矯正することができるため、シャフト状の固定子１０の撓み変形によって発生するシャフト状の固定子１０と可動子１５との接触の問題を、円筒型リニアモータ１１本来の特長である非接触駆動の性能を損なわずに解決することができる。

ところで、シャフト状の固定子１０の自重による撓み変形は下側への変形であるため、上下方向の曲げモーメントの調整によって矯正できるが、シャフト状の固定子１０は長いため、自重以外の要因で最初からシャフト状の固定子１０が反っている場合がある。このシャフト状の固定子１０の反りは、上下方向に生じるとは限らず、あらゆる方向に生じる可能性がある。

このシャフト状の固定子１０の反り等による水平方向への曲りを矯正する場合には、まず、第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂをベースフレーム１６に固定する固定ボルト３５Ａ，３５Ｂを少し緩めて第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂを第２ピン３３Ａ，３３Ｂを中心にして水平方向に回動調整できる状態にする。この後、ボス部３７Ａ，３７Ｂに締め込まれている２本の調整ボルト３６Ａ，３６Ｂのうちの一方の調整ボルトを少し緩めて他方の調整ボルトを少し締め付けることで、第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂを第２ピン３３Ａ，３３Ｂを中心にして水平方向に回動調整して第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂを水平方向に揺動させる。これにより、第１ブラケット２５Ａ，２５Ｂに嵌合されたシャフト状の固定子１０に対して水平方向に曲げモーメントを作用させ、その水平方向の曲げモーメントの大きさを調整ボルト３６Ａ，３６Ｂの締め込み量によって調整することで、シャフト状の固定子１０の水平方向の曲りを矯正する。この作業により、シャフト状の固定子１０が真っ直ぐに延びた状態に矯正された時点で、固定ボルト３５Ａ，３５Ｂを締め付けて第２ブラケット２７Ａ，２７Ｂをベースフレーム１６に固定する。

尚、シャフト状の固定子１０の曲りが上下方向、水平方向以外の方向に生じている場合は、上述した上下方向の曲げモーメントの調整と水平方向の曲げモーメントの調整とを組み合わせれば、あらゆる方向の曲げモーメントを調整することができ、シャフト状の固定子１０の反りや自重によるあらゆる方向の曲りを矯正することができる。

ところで、円筒型リニアモータ１１の稼働中は、コイル１４への通電により発熱するため、その熱によりシャフト状の固定子１０の温度が上昇してシャフト状の固定子１０が軸方向に熱膨張するが、シャフト状の固定子１０の両端部を支持する支持構造部１７Ａ，１７Ｂの間隔（支点間の長さ）は変化しないため、従来構成のものでは、シャフト状の固定子の熱膨張量が大きくなると、シャフト状の固定子の支点間に過大な熱応力が働いて、シャフト状の固定子が曲り変形したり、支持構造部側の部材が変形したりする可能性がある。

この対策として、本実施例では、一方の支持構造部（固定側支持構造部）１７Ａは、シャフト状の固定子１０の一方の端部を固定支持し、他方の支持構造部（非固定側支持構造部）１７Ｂは、シャフト状の固定子１０の他方の端部をその軸方向に位置ずれ可能に支持するように構成されているため、シャフト状の固定子１０が熱膨張すると、その熱膨張相当分だけシャフト状の固定子１０の他方の端部が軸方向に位置ずれして支持されるようになる。これにより、シャフト状の固定子１０の熱膨張によるシャフト状の固定子１０の曲り変形や支持構造部１７Ａ，１７Ｂ側の部材の変形を防止することができる。

その他、本発明は、シャフトを断面非円形（例えば断面楕円形、断面長円形等）とした構成のものにも適用して実施でき、また、可動子の一部をシャフトの外周面に軽く接触させる構成としたり、シャフト状の固定子を磁石部材のみで形成する構成としても良い等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

本発明の一実施例における円筒型リニアモータの一部を破断して示す平面図である。 円筒型リニアモータの一部を破断して示す正面図である。 円筒型リニアモータの右側の支持構造部を説明するための右側面図である。 円筒型リニアモータの左側の支持構造部を説明するための左側面図である。

符号の説明

１０…固定子、１１…円筒型リニアモータ、１２…シャフト、１３…永久磁石、１４…コイル、１５…可動子、１６…ベースフレーム、１７Ａ…固定側支持構造部、１７Ｂ…非固定側支持構造部、２５Ａ，２５Ｂ…第１ブラケット、２６Ａ，２６Ｂ…第１ピン（可動支持手段）、２７Ａ，２７Ｂ…第２ブラケット、２８Ａ，２８Ｂ…シャフト嵌合穴、２９…スリット、３０…固定ボルト、３１…止めボルト、３２Ａ，３２Ｂ…調整ボルト、３３Ａ，３３Ｂ…第２ピン（可動支持手段）、３５Ａ，３５Ｂ…固定ボルト、３６Ａ，３６Ｂ…調整ボルト、３９Ａ，３９Ｂ…固定ボルト

Claims (3)

1. 磁束を発生するシャフト状の固定子の外側に、コイルを内蔵した可動子を該シャフト状の固定子と非接触で同心状に配置し、前記コイルに通電することで前記可動子を該シャフト状の固定子に沿って直線的に非接触駆動する円筒型リニアモータにおいて、
   前記シャフト状の固定子の両端部を支持する支持構造部は、該シャフト状の固定子に作用させる上下方向及び水平方向の曲げモーメントを調整することで該シャフト状の固定子と前記可動子とが接触しないように該シャフト状の固定子の曲りを矯正する曲り矯正手段を備えていることを特徴とする円筒型リニアモータ。
2. 前記曲り矯正手段は、前記シャフト状の固定子の端部を嵌合支持するブラケットを前記曲げモーメントの作用方向に回動可能又は揺動可能に支持する可動支持手段を備え、
   前記ブラケットを回動又は揺動させることで前記曲げモーメントを調整し、その調整後に前記ブラケットの位置を固定する固定手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の円筒型リニアモータ。
3. 前記支持構造部は、前記シャフト状の固定子の一方の端部を固定支持し、他方の端部をその軸方向に位置ずれ可能に支持するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の円筒型リニアモータ。

Images