JP4860222B2 - リニアモータ及びその製造方法 - Google Patents

Description

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。

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。

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。そして、例えばＵ・Ｖ・Ｗ相の三相に分けたコイルに１２０°ずつ位相が異なる三相電流を流し、コイルの軸線方向に移動する移動磁界を発生させる。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なう。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。

ロッドタイプのリニアモータのコイルの組立て方法は、以下のように行なわれていた。まず、コイル、コイル間に介在されるスペーサを治具としてのコイル配列用シャフトに順番に挿入する。リング状のスペーサは、隣接するコイル同士を絶縁する役割を持つ。全てのコイル・スペーサを挿入し終わったら、Ｕ・Ｖ・Ｗ相に分けたコイルを配線するために、三つ置きに表れるコイルのリード線を互いに半田付けする。半田付けされたリード線には、絶縁チューブが巻かれる。

しかし、従来のリニアモータのコイルの組立て方法では、コイル・スペーサがコイル組立て用シャフトに順番に挿入され、その後、コイルの数と等しい回数コイルの結線作業が行われるので、コイルの数が多数になると、非常に手間・時間のかかる作業になる。しかも、コイル・スペーサを順番に並べていくと、コイルピッチにばらつきが生ずるだけでなく、一つ一つのコイルの寸法差が累積してコイルユニット全長の寸法にばらつきが生ずる。

特許文献１には、コイルを一つずつあるいは二つを一組にしてコイルガイドに挿入し、コイルが挿入されたコイルガイドを複数個積層してコイルユニットを構成する方法が開示されている。

特開２００４−３５７４６４号公報

しかし、特許文献１に記載の方法であっても、コイルガイドを積層するので、やはりコイルユニット全長の寸法にばらつきが生ずる。そして、コイル群の数と等しい回数結線作業を行う必要があるので、やはり結線作業に手間がかかる。

そこで、本発明は、コイルユニットの組立てを簡素化することができ、しかもコイルユニットの全長寸法及びコイルピッチを安定化することができるリニアモータ及びその製造方法を提供することを目的とする。

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おいて、マグネットを有するロッドと、前記ロッドを囲み、前記ロッドの軸線方向に配列される複数のコイルと、前記複数のコイルを覆うハウジングと、前記ハウジング内で複数の前記コイルを保持するコイルホルダと、を備え、前記コイルホルダは、隣接する全ての前記コイル間に介在される複数の樹脂製のスペーサ部を、前記コイルの配列方向にかつ前記コイルの中心線方向に細長く伸びるホルダ本体部に一体に成型してなることを特徴とする。

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、複数の前記コイルのリード線を通すためのスルーホールが空けられると共に、複数の前記コイルを配線するための導電パターンが形成された絶縁基板を用いて、複数の前記コイルを配線することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のリニアモータにおいて、前記絶縁基板は、前記ホルダ本体部とは別体であり、かつ前記コイルのリード線を通すための配線用孔が空けられる前記ホルダ本体部に取り付けられることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、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おいて、マグネットを有するロッドと、前記ロッドを囲み、前記ロッドの軸線方向に配列される複数のコイルと、前記複数のコイルを覆うハウジングと、前記ハウジング内で複数の前記コイルを保持するコイルホルダと、を備え、前記コイルホルダは、隣接する全ての前記コイル間に介在される複数の樹脂製のスペーサ部を、前記コイルの配列方向に細長く伸びるホルダ本体部に一体に成型してなり、前記ホルダ本体部は、板状に形成されると共に、前記コイルを挟むように前記コイルの中心線を挟んだ両側に設けられ、前記コイルの両側に設けられる一対の前記ホルダ本体部それぞれに、一対の前記ホルダ本体部を組み合わせたときに円環状の前記スペーサ部を構成する分割スペーサ部が一体に成型されることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、マグネットを有するロッドと、前記ロッドを囲み、前記ロッドの軸線方向に配列される複数のコイルと、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、直線運動するための推力を得るリニアモータの製造方法において、隣接する全ての前記コイル間に介在される複数の樹脂製のスペーサ部を、前記コイルの配列方向にかつ前記コイルの中心線方向に細長く伸びるホルダ本体部に一体に成型してなるコイルホルダに、複数の前記コイル全てを保持させる工程と、複数の前記コイルをハウジングにて覆う工程と、を備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のリニアモータの製造方法において、複数の前記コイルを配線するための導電パターンが形成された絶縁基板のスルーホールに複数の前記コイルのリード線を通して、前記コイルのリード線を半田付けする工程を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、コイルホルダのスペーサ部間にコイルを嵌めこめば、コイルユニットを構成することができるので、コイルユニットの組立工数を減らすことができ、しかもコイルユニットの全長寸法及びコイルピッチを安定できる。

請求項２に記載の発明によれば、コイルホルダにより位置決めされたコイルのリード線を、絶縁基板の配線用孔に通して半田付けすれば、コイルの配線がされるので、配線作業を簡素化することができる。

請求項３に記載の発明によれば、コイルホルダと絶縁基板とを別体にすることで、コイルホルダ及び絶縁基板自体を容易に製造できる。

請求項４に記載の発明によれば、コイルの中心線を挟んで両側に設けられた一対のホルダ本体部でバランスよくコイルを保持するので、ハウジング内でコイルを安定して保持することができる。

請求項５に記載の発明によれば、コイルホルダのスペーサ部間にコイルを嵌めこめば、コイルユニットを構成することができるので、コイルユニットの組立工数を減らすことができ、しかもコイルユニットの全長寸法及びコイルピッチを安定できる。

請求項６に記載の発明によれば、コイルホルダにより位置決めされたコイルのリード線を、絶縁基板の配線用孔に通して半田付けすれば、コイルの配線がされるので、配線作業を簡素化することができる。

以下、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斜視図を示す。この実施形態のリニアモータは、ロッド１がハウジング２に対してロッド１の軸線方向に移動する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移動させるのに用いられる。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。このリニアモータは一軸のみで使用されることもあるし、作業効率を上げるために複数のリニアモータが並列に組み合わされて多軸のアクチュエータとして使用されることもある。

リニアモータは回転形のモータと同様に、マグネット３の磁界とコイル４に流す電流によって運動するための力を得る。その一方、リニアモータは回転形のモータと異なり、直線運動を行うものなので、複数のコイル４が直線状に積層され、マグネット３が挿入されるロッド１が積層されたコイル４を貫通する。そして、コイル４に電流を流すと、ロッド１がその軸線方向に移動する。

リニアモータの原理を説明する。図２は、リニアモータのマグネット３とコイル４の位置関係を示す。ロッド１内の中空空間には、円盤状の複数のマグネット３（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。ロッド１の周囲には、ロッド１を囲むコイル４が複数個積層される。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。一組の三相コイルを複数組み合わせて、コイルユニットが構成される。そして、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４の軸線方向に移動する移動磁界が発生する。ロッド１内のマグネット３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なう。

次に、リニアモータの構造について説明する。図１に示されるように、リニアモータのロッド１は、ハウジング２にロッド１の軸線方向に移動可能に支持されている。コイルユニットはコイルホルダ５に保持され、これらコイルユニット及びコイルホルダ５はハウジング２に覆われている。

ロッド１は、例えばステンレス等の非磁性材からなり、パイプのように中空の空間を有する。ロッド１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３（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３の間には、例えば鉄等の磁性体からなるポールシュー７（磁極ブロック）が介在される。

コイル４は銅線を螺旋状に巻いたもので、コイルホルダ５に保持されている。この実施形態では、ハウジング２の寸法を抑えるために、コイル４及びコイルホルダ５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２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２で覆われている状態になる。このインサート成型により、ハウジング２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、リニアモータの寸法を小さくする必要がある。なお、インサート成型しなくても、コイルホルダ５に保持されたコイル４をアルミ製のハウジング２に収納し、コイル４とハウジング２との間の隙間を接着剤で埋めて、コイル４及びコイルホルダ５をハウジング２に固定してもよい。

ハウジング２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、機械的剛性が高い材料で製造される。また、コイル４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２には、コイル４の放熱性を高めるためにフィン２ａが複数形成される。

ロッド１はリニアモータの作動中、コイル４内で浮いている状態になっている。ロッド１の直線運動を支えるために、ブッシュ８が設けられる。ブッシュ８は、ハウジング２の両端に設けたエンド部材９に固定される。

図３は、コイルホルダ５に保持された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は一本一本接続されなければいけないところ、一本一本半田付けするのは非常に工数がかかる。コイル４のリード線４ａの配線を簡素化するために絶縁基板６が用意される。

図４は、絶縁基板６の平面図を示す。絶縁基板６には、複数のコイル４のリード線４ａが通されるスルーホール６ａが空けられると共に、複数のコイル４を配線するための導電パターン６ｂが形成される。導電パターン６ｂは、Ｕ相同士のコイル、Ｖ相同士のコイル、Ｗ相同士のコイルを接続するように予め形成されている。スルーホール６ａにコイル４のリード線４ａを通し、スルーホール６ａにてリード線４ａを半田付けしていけば、コイル４の配線が行われる。なお、この作業はリフロー半田付け工程を組み込むことにより、自動化することも可能である。

図５は、コイル４、及びコイル４を保持するコイルホルダ５の詳細図を示す。隣接するコイル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部５ｂが介在される。スペーサ部５ｂはコイル４の正面形状と同様に円環形状に形成される。従来、このスペーサ部とコイルとを交互に積層してコイルユニットを構成したが、作業工数がかかるし、コイルユニットの全長寸法が安定しなかった。この問題を解決するために本実施形態では、スペーサ部５ｂをコイル４の配列方向に細長く伸びる板状のホルダ本体部５ａに一体に成型した。すなわち、コイルホルダ５は樹脂の射出成型品であり、コイル４の配列方向に細長く伸びる板状のホルダ本体部５ａと、ホルダ本体部５ａから立設する薄肉の複数のスペーサ部とが一体に形成された構成になる。

ホルダ本体部５ａのコイル４の配列方向の長さは、コイルユニットの全長と略等しく、横幅はコイル４の直径と略等しい。ホルダ本体部５ａの上面には、コイルユニットの全長に渡って細長く伸びる絶縁基板６の取り付け座が形成される。またホルダ本体部５ａの側面には、射出成型するときにコイルホルダ５を金型に固定するための突起５ｃ（図３参照）が設けられる。射出成型時の圧力により、コイルホルダ５が位置ずれするのを防止するためである。ホルダ本体部５ａの下面には、コイル４の外形形状に合わせた曲面状の窪み５ｄが形成される。図３に示されるようにコイル４にはリード線４ａがある。リード線４ａを絶縁基板６のスルーホール６ａまで導くために、ホルダ本体部５ａには絶縁基板６のスルーホール６ａと同じ位置に複数の配線用孔が空けられる。

図５に示されるように、スペーサ部５ｂは、コイル４の正面形状と同様に円環状に形成され、板状の本体部５ａから下方に立設する。スペーサ部５ｂは、隣接する全てのコイル４間に介在され、そのうえコイルユニットの両端にも設けられる。それゆえ、スペーサ部５ｂの個数はコイルの数よりも一つ多い数になる。

以下に上記コイルホルダを用いたコイルの組立方法について説明する。まず、図３に示されるように、コイル４をコイルホルダ５に嵌める。スペーサ部５ｂとホルダ本体部５ａを一体にしたコイルホルダ５を用いると、コイル４をコイルホルダ５に嵌めるだけでコイル４をその配列方向に位置決めすることができる。この段階で、コイル４のリード線４ａがコイルホルダ５の配線用孔を通る。

その後、コイルユニットに治具としてのコイル整列用シャフトを通して、コイル４を配列方向と直交する方向に位置決めをする。次に、絶縁基板６をコイルホルダ５に取り付け、コイル４のリード線４ａを絶縁基板６のスルーホール６ａに通す。ここで、コイルユニットにコイル整列用シャフトを通す順番と、絶縁基板６をコイルホルダ５に取り付ける順番とは逆でもよい。コイル４をコイルホルダ５に接着剤等で固定した後、コイル４のリード線４ａを絶縁基板６のスルーホール６ａに半田付けする。その後、コイルホルダ５、複数のコイル４、絶縁基板６が一体になったコイル組立体は、上述のようにハウジング２を形成するためにインサート成型される。

図６及び図７は、コイルホルダの他の例を示す。図６はコイル４を保持した状態のコイルホルダ１３を示し、図７はコイルホルダ１３の分解図を示す。上記のコイルホルダ５では、コイル４の配列方向に細長く伸びるホルダ本体部５ａがコイル４の片側にのみ設けられるのに対し、この例のコイルホルダ１３では、ホルダ本体部１１ａ，１２ａがコイル４を挟むようにコイル４の中心線を挟んだ両側に設けられる。

コイル組立体をインサート成型するときに、コイル組立体には溶融樹脂の圧力がかかり、また樹脂の収縮により力がかかる。ホルダ本体部５ａがコイル４の片側だけだと、コイル４の反対側に拘束するものがないので、ホルダ本体部５ａが伸びたり反ったりするおそれがある。この問題を解決するために、ホルダ本体部１１ａ，１２ａをコイル４の両側に配置してバランスをよくしている。すなわち、コイルホルダ１３は、コイル４の両側に設けられる一対のホルダ本体部１１ａ，１２ａと、一対のホルダ本体部１１ａ，１２ａそれぞれに一体に成型された分割スペーサ部１１ｂ，１２ｂとから構成される。そして、分割スペーサ部１１ｂ，１２ｂは円環を二分割した形状であり、上側のホルダ本体部１１ａと下側のホルダ本体部１１ｂとを組み合わせた状態で、円環状のスペーサ部を構成する。

ホルダ本体部１１ａ，１２ａに金型に固定するための突起が形成される点、コイル４の外形形状に合わせた窪みが形成される点、上側のホルダ本体部に絶縁基板６が取り付けられる点、は上記例のホルダと同一である。

この例のコイルホルダ１３でも、上側のホルダ本体部１１ａの分割スペーサ部１１ｂ間にコイル４を嵌めこんだ後、下側のホルダ本体部１２ａの分割スペーサ部１２ｂを互いの分割スペーサ部１１ｂ，１２ｂが当接するまで嵌めれば、コイルユニットを構成することができるので、コイルユニットの組立工数を減らすことができ、しかもコイルユニットの全長寸法を安定できる。

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。例えば、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、自動車用懸架装置の振動抑制に用いられてもよい。この場合、コイルに通電することによりロッドを変位させてアクティブに減衰力を発生させてもよいし、リニアモータを発電機として使用することによりパッシブに減衰力を発生させてもよい。また、配線用の絶縁基板がホルダ本体部を兼用してもよい。この場合、絶縁基板にスペーサ部が一体に射出成型されることになる。さらに、上記実施の形態では、ロッド側がコイル側に対して直線運動しているが、コイル側がロッド側に対して直線運動してもよい。

本発明の一実施形態におけるリニアモータの斜視図（一部断面図を含む）。 上記リニアモータのコイルとマグネットを示す断面図。 コイルホルダに保持されたコイルユニットを示す断面図。 絶縁基板の平面図（導電パターンを示す）。 コイルホルダを示す図（図中（Ａ）は正面図を示し、図中（Ｂ）は軸線に沿った断面図を示す）。 コイルホルダの他の例を示す図（図中（Ａ）は平面図を示し、図中（Ｂ）は側面図を示し、図中（Ｃ）は底面図を示し、図中（Ｄ）は正面図を示す）。 コイルホルダの他の例を示す分解図（図中（Ａ）は側面図を示し、図中（Ｂ）は正面図を示す）。

符号の説明

１…ロッド
２…ハウジング
３…マグネット
４…コイル
４ａ…リード線
５，１３…コイルホルダ
５ａ…ホルダ本体部
５ｂ…スペーサ部
６…絶縁基板
６ａ…スルーホール
６ｂ…導電パターン
１１ａ，１２ａ…ホルダ本体部
１１ｂ，１２ｂ…分割スペーサ部

Claims (6)

1. 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おいて、
   マグネットを有するロッドと、前記ロッドを囲み、前記ロッドの軸線方向に配列される複数のコイルと、前記複数のコイルを覆うハウジングと、前記ハウジング内で複数の前記コイルを保持するコイルホルダと、を備え、
   前記コイルホルダは、隣接する全ての前記コイル間に介在される複数の樹脂製のスペーサ部を、前記コイルの配列方向にかつ前記コイルの中心線方向に細長く伸びるホルダ本体部に一体に成型してなることを特徴とするリニアモータ。
2. 複数の前記コイルのリード線を通すためのスルーホールが空けられると共に、複数の前記コイルを配線するための導電パターンが形成された絶縁基板を用いて、複数の前記コイルを配線することを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記絶縁基板は、前記ホルダ本体部とは別体であり、かつ前記コイルのリード線を通すための配線用孔が空けられる前記ホルダ本体部に取り付けられることを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
4. 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おいて、
   マグネットを有するロッドと、前記ロッドを囲み、前記ロッドの軸線方向に配列される複数のコイルと、前記複数のコイルを覆うハウジングと、前記ハウジング内で複数の前記コイルを保持するコイルホルダと、を備え、
   前記コイルホルダは、隣接する全ての前記コイル間に介在される複数の樹脂製のスペーサ部を、前記コイルの配列方向に細長く伸びるホルダ本体部に一体に成型してなり、
   前記ホルダ本体部は、板状に形成されると共に、前記コイルを挟むように前記コイルの中心線を挟んだ両側に設けられ、
   前記コイルの両側に設けられる一対の前記ホルダ本体部それぞれに、一対の前記ホルダ本体部を組み合わせたときに円環状の前記スペーサ部を構成する分割スペーサ部が一体に成型されることを特徴とするリニアモータ。
5. マグネットを有するロッドと、前記ロッドを囲み、前記ロッドの軸線方向に配列される複数のコイルと、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、直線運動するための推力を得るリニアモータの製造方法において、
   隣接する全ての前記コイル間に介在される複数の樹脂製のスペーサ部を、前記コイルの配列方向にかつ前記コイルの中心線方向に細長く伸びるホルダ本体部に一体に成型してなるコイルホルダに、複数の前記コイル全てを保持させる工程と、
   複数の前記コイルをハウジングにて覆う工程と、を備えることを特徴とするリニアモータの製造方法。
6. 複数の前記コイルを配線するための導電パターンが形成された絶縁基板のスルーホールに複数の前記コイルのリード線を通して、前記コイルのリード線を半田付けする工程を備えることを特徴とする請求項５に記載のリニアモータの製造方法。

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