JP5087333B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、精密位置決めシステムに用いられるリニアアクチュエータに係り、特に、ストロークを長くしても全長がストローク増加分程度しか長くならず、小断面積でかつ全長が短くなるように工夫したものに関する。

非接触駆動の可能なリニアモータとして、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されているようなものがある。
特開２００５−３２８５８６号公報 特開２００１−３３３５６７号公報 特開平１０−３１３５６６号公報

上記特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載されているリニアモータの場合には、十分な推力が得られないという問題があると共に、隣接する永久磁石の界面近傍で磁界の急峻なピークを持った不均一な磁界分布となり、それが原因して推力の変動をもたらし位置決め精度が低下してしまうという問題があった。

そこで、本件特許出願人は、これらの問題点を解決するものとして、特願２００７−２８１４７や特願２００７−５１０５１に係る特許願を提出している（これら２件は未公開である）。以下、これらの特許願に開示されているリニアモータの構成を説明する。

まず、特願２００７−２８１４７に係る特許願に開示されているリニアモータは、図５に示すような構成になっている。まず、固定子１０１があり、この固定子１０１は、ヨーク１０３と、このヨーク１０３の内周側に配置された３個の異なる位相のＵ相コイル１２１、Ｖ相コイル１２３、Ｗ相コイル１２５等から構成されている。上記ヨーク１０３は、透磁率が高い磁性材料、例えば、軟鉄から構成されている。又、上記ヨーク１０３の両端にはガイド部材１０７、１０９が取り付けられている。

又、この場合には三相コイル駆動方式を採用しており、上記３個の異なる位相のコイル、すなわち、Ｕ相コイル１２１、Ｖ相コイル１２３、Ｗ相コイル１２５を一組とし、これを三組設置している。又、この場合にはＵ相コイル１２１、Ｖ相コイル１２３、Ｗ相コイル１２５の駆動を正弦波駆動としているものである。

又、上記Ｕ相コイル１２１、Ｖ相コイル１２３、Ｗ相コイル１２５の内周側には５個の永久磁石１１３が連接された状態で内装されている。上記永久磁石１１３の両端にはシャフト１１５、１１７が接続されている。上記シャフト１１５、１１７は上記ガイド部材１０７、１０９を貫通・配置されている。

次に、特願２００７−５１０５１に係る特許願に開示されているリニアモータは、図６及び図７に示すような構成になっている。まず、固定子２０１がある。この固定子２０１は、ヨーク２０３と、このヨーク２０３の内周側に設置されたコイル２０５とから構成されている。上記コイル２０５は４組の三相コイル２０７から構成されていて、上記三相コイル２０７は、Ｕ相コイル２０７ａと、Ｖ相コイル２０７ｂと、Ｗ相コイル２０７ｃとから構成されている。上記ヨーク２０３は、透磁率が高い磁性材料、例えば、軟鉄から構成されている。又、上記ヨーク２０３の両端にはガイド部材２０９、２１１が取り付けられている。

上記コイル２０５の内周側には可動子２１３が図中左右方向に移動可能な状態で収容・配置されている。この可動子２１３は、円筒形状をなす複数個（この実施の形態の場合には６個）の永久磁石２１５を積層・配置した構成になっている。又、上記複数個の永久磁石２１５の両端にはシャフト２１７、２１９が取り付けられている。これらシャフト２１７、２１９は上記ガイド部材２０９、２１１を貫通・配置されている。

上記シャフト２１９にはリニアスケール部２４３が設けられている。すなわち、シャフト２１９の一部に平坦部２４１を設け、その平坦部２４１にリニアスケール部２４３を設けるようにしたものである。上記リニアスケール部２４３は、縞状をなしていてスケール機能を備えた構成のものであり、鍍金及びエッチング加工によって設けられている。又、ガイド部材２１１には矩形の開口部２４５が形成されている。又、図中符号２３１、２３３、２３５は、Ａ相センサ、Ｂ相センサ、Ｚ相センサを示している。

上記従来の構成によると次のような問題があった。すなわち、従来のリニアモータの場合には、短いストロークの場合は殆ど問題ないが、ストロークを長くすると全長が大幅に長くなってしまう問題点があった。以下、詳細に説明する。
例えば、図５に示したリニアモータの場合には、ヨーク１０３の内周側に配置された永久磁石１１３が移動しても、永久磁石１１３とヨーク１０３との磁気吸引力に変化はないが（コギングがない）、永久磁石１１３がヨーク１０３の端部に近づくと磁束分布が不均一となり、大きな磁気吸引力が生じることになる。その為、永久磁石１１３の端部がヨーク１０３の端部より少し手前までしか移動できないように設計してある。そして、ストロークを長くしようとすれば、永久磁石１１３をストローク分長くすると共にヨーク１０３についても永久磁石１１３が長くなった分と永久磁石１１３の移動量増加分に相当する分だけ長くしなければならない。つまり、増加するストロークの２倍の分だけヨーク１０３の長さを長くする必要があり、結局、ストロークを長くしようとするとリニアアクチュエータ全長が急激に長くなってしまうことになる。
又、図６及び図７に示したリニアアクチュエータの場合は、図５に示したリニアアクチュエータにリニアスケール２４３（リニアエンコーダ）を付与した構成になっており、このリニアスケール２４３の付与のために、リニアアクチュエータの全長はさらに長くなってしまうものである。

本願発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、ストロークを長くしてもその全長が大幅に長くなることがないリニアアクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決するべく本願発明の請求項１によるリニアアクチュエータは、ハウジングと、上記ハウジング内に設置され磁石ホルダ内に複数個の永久磁石を収容してなる固定部と、上記ハウジング内であって上記磁石ホルダの外周側に移動可能に設置され一対のガイドホルダにより複数個の励磁コイルを保持してなる可動部と、上記ハウジング内であって上記励磁コイルの外周側に設置された外周部磁性材料性ヨークと、上記ハウジングと上記外周部磁性材料製ヨークに設けられた開口部と、を具備し、上記一対のガイドホルダの一部は上記開口部を介して上記ハウジングの外側に露出・配置され、上記露出・配置された一対のガイドホルダの一部には連結部材を介してスライダが上記ハウジングに近接した状態で設置され、上記ハウジングの一部は上記一対のガイドホルダが突出・配置されている側に延長され上記スライダの背面側空間を囲むように屈曲され、上記延長・屈曲されたハウジングの上記スライダ側にはスライダをガイドするレールが敷設されていて、上記囲まれた空間内において上記連結部材にはリニアスケールが取り付けられているとともに上記ハウジング側にはエンコーダセンサが設置されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
又、請求項２によるリニアアクチュエータは、請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、上記励磁コイルの内周側に滑りガイドが設置されていて、この滑りガイドは上記一対のガイドホルダ内に圧入され、それによって、励磁コイルが固定されるものであることを特徴とするものである。
又、請求項３によるリニアアクチュエータは、請求項２記載のリニアアクチュエータにおいて、上記滑りガイドが非磁性金属製であることを特徴とするものである。
又、請求項４によるリニアアクチュエータは、請求項３記載のリニアアクチュエータにおいて、上記滑りガイドの滑り面に焼結体を用いることを特徴とするものである。
又、請求項５によるリニアアクチュエータは、請求項４記載のリニアアクチュエータにおいて、上記焼結体の表面にテフロン（登録商標）樹脂をコーティングすることを特徴とするものである。

以上述べたように上記課題を解決するべく本願発明の請求項１によるリニアモータは、励磁コイル外周部近傍に外周部磁性材料製ヨークを配置し、該外周部磁性材料製ヨークと上記励磁コイルとが相対運動可能であるように構成したので、リニアモータ全長を短くすることが可能になった。すなわち、ストローク増加させようとする場合には、永久磁石を増加させるだけよく、その際、リニアモータとしての全長は永久磁石の増加分だけ、すなわち、ストローク分だけ長くするだけでいい。又、従来の典型的な一軸アクチュエータである回転モータとボールねじを用いたアクチュエータと比べても、少なくとも、回転モータが不要になる分だけ大幅に短くすることができるものである。
又、請求項２によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、上記外周部磁性材料製ヨークの端部に端部磁性材料製ヨークを配置した構成になっているので、永久磁石の端部がリニアモータ端部近くまで来ることになり、端部から磁束漏れを防ぐと共に磁気回路を構成でき端部の永久磁石の磁束密度を向上させることができる。
又、請求項３によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、上記外周部磁性材料製ヨークの一部に溝を切り欠いた構成になっているので、可動部の運動を容易に取り出すことができる。
又、請求項４によるリニアモータは、請求項３記載のリニアモータにおいて、 上記外周部磁性材料製ヨークをハウジングに納めた構成になっているので、外周部磁性材料ヨークの円筒形状を保持することができ、それによって、狭ギャップの小型リニアモータを得ることができる。
又、請求項５によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、 上記励磁コイルの内周側に滑りガイドを用いられている構成になっているので、永久磁石と励磁コイルとのギャップを狭小で安定化させることができ、それによっても、リニアモータの小型化が可能になるものである。
又、請求項６によるリニアモータは、請求項５記載のリニアモータにおいて、上記滑りガイドが非磁性金属製であるので、磁束の流れを乱すことなく発生推力を確保することができるものである。又、非磁性金属とすることにより良好な熱伝導性が得られより大電流を流すことが可能になるので、リニアモータとしての小型化に大きく寄与するものである。
又、請求項７によるリニアモータは、 請求項６記載のリニアモータにおいて、上記滑りガイドの滑り面に焼結体を用いる構成になっているので、より円滑な動作を提供することができる。
又、請求項８によるリニアモータは、請求項７記載のリニアモータにおいて、上記焼結体の表面にテフロン（登録商標）樹脂をコーティングする構成になっているので、さらに円滑な動作を得ることができるものである。
又、請求項９によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、上記励磁コイル前後にはガイドホルダが設置されていて、該ガイドホルダの連結を連結部材を用いて行う構成になっているので、例えば、滑りガイドを二分割した構成も実現することができる。
又、請求項１０によるリニアモータは、請求項９記載のリニアモータにおいて、 上記連結部材にリニアスケールを取付けている構成になっているので、新たな平面スペースを要することなく所望のリニアエンコーダを構成することができ、その際、リニアアクチュエータとしての全長を長くすることもない。
又、請求項１１によるリニアアクチュエータは、請求項１〜請求項１０の何れかに記載のリニアモータを使用した構成になっているので、断面積は従来例よる増えるものの、ストロークを長くしても略ストローク増加分しか全長が長くならない全長の短いアクチュエータを得ることが可能になったものである。

以下、図１乃至図３を参照して本発明の一実施の形態を説明する。まず、ハウジング１があり、このハウジング１の内側には外周部磁性材料製ヨーク３が収容・配置されている。又、上記外周部磁性材料製ヨーク３の両端には端部磁性材料製ヨーク５、７が設置されている。上記外周部磁性材料製ヨーク３の内周側には磁石ホルダ９が設置されていて、この磁石ホルダ９の内周側には複数個の永久磁石１１が積層・配置された状態で収容されている。

上記磁石ホルダ９と外周部磁性材料製ヨーク３との間にはガイドホルダ１３、１３が設置されていて、これらガイドホルダ１３、１３の内周側には非磁性金属製（この実施の形態の場合にはりん青銅）の滑りガイド１５が設置されている。上記滑りガイド１５の外周側には励磁コイル１７が設置されている。上記励磁コイル１７は３組の三相コイル１９から構成されていて、上記三相コイル１９は、Ｕ相コイル１９ａと、Ｖ相コイル１９ｂと、Ｗ相コイル１９ｃとから構成されている。そして、Ｕ相コイル１９ａと、Ｖ相コイル１９ｂと、Ｗ相コイル１９ｃ及び電流を流す向きを切り替えていくことにより、コイル１７とそれに一体化された可動部を図中左右何れかの方向に移動させるものである。

又、上記ガイドホルダ１３、１３の一部は、上記ハウジング１及び外周部磁性材料製ヨーク３に形成された開口部２１を介して外部に露出・配置されていて、連結部材２３を介して連結されている。上記連結部材２３にはスライダ２５が取り付けられている。又、上記ハウジング１にはレール２７が敷設されていて、上記スライダ２５はこのレール２７に沿って往復動可能に設置されている。

又、上記スライダ２５側にはリニアスケール２９が取り付けられている。又、上記ハウジング１側には回路基板３１が設置されていると共に、該回路基板３１にはエンコーダセンサ３３が設置されている。又、ハウジング１側にはフラットケーブル３５が設置されている。

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、本実施の形態の場合には、外周部磁性材料製ヨーク３と永久磁石１１の相対運動を止めて固定するべく、励磁コイル１７の外周部の外周部磁性材料製ヨーク３と励磁コイル１７との固定を外して相対運動可能に構成したので、リニアモータ全長を短くすることが可能になったものである。
例えば、ストローク増加させようとする場合には、永久磁石１１を増加させるだけでよく、その際、リニアモータとしての全長は永久磁石１１の増加分だけ、すなわち、ストローク分だけ長くするだけでいい。
そして、従来の典型的な一軸アクチュエータである回転モータとボールねじを用いたアクチュエータと比べても、少なくとも、回転モータが不要になる分だけ大幅に短くすることができるものである。
又、外周部近傍磁性材料製ヨーク３の端部に端部磁性材料製ヨーク５、７を設けているので、永久磁石１１の端部がリニアモータ端部近くまで来ることになり、端部から磁束漏れを防ぐと共に磁気回路を構成でき端部の永久磁石１１の磁束密度を向上させることができる。
又、励磁コイル１７側を可動部とすると共に永久磁石１１側を固定部とした場合、リニアモータの力の取り出しは上記固定部の内側にある可動部から取り出す必要がある。そこで、本実施の形態の場合には、ハウジング１及び外周部磁性材料製ヨーク３の一部に開口部２１を形成するようにしており、それによって、可動部の運動を取り出すことができる。
又、外周部磁性材料製ヨーク３の一部を切り欠いて開口部２１とした場合、外周部磁性材料製ヨーク３の円形状が歪み易くなるが、本実施の形態の場合に、切り欠いた外周部磁性材料製ヨーク３を円形状の穴のあいたハウジング１内に挿入するようにしているので、外周部磁性材料製ヨーク３の円形状を保持することができる。それによって、狭ギャップの小型リニアモータを得ることができる。
又、本実施の形態の場合には、滑りガイド１５の回りに励磁コイル１７を配置するようにしているので、永久磁石１１と励磁コイル１７とのギャップを狭小で安定化させることができ、それによっても、リニアモータの小型化が可能になるものである。
又、本実施の形態では、りん青銅製の滑りガイド１５の一部を前後のガイドホルダ１３、１３に圧入することによって、励磁コイル１７を固定すると共に永久磁石１１が挿入された磁石ホルダ９を案内部材とする滑りガイド部が構成されているので、それによっても、リニアモータの小型化が可能になるものである。
又、この場合滑りガイド部を非磁性にすることにより、磁束の流れを乱すことなく発生推力を確保することができるものである。又、非磁性金属とすることにより良好な熱伝導性が得られより大電流を流すことが可能になるので、リニアモータとしての小型化に大きく寄与するものである。
又、連結部材２３の下にリニアスケール２９を取り付け、さらにその下にエンコーダセンサ３３を配置するように構成しているので、新たな平面スペースを要することなく所望のリニアエンコーダを構成することができ、その際、リニアアクチュエータとしての全長を長くすることもない。
又、ガイドホルダ１３、１３の一部は外周部磁性材料製ヨーク３の開口部２１を介して露出して連結部材２３によって連結されており、さらに、このガイドホルダ１３、１３の一部はスライダ２５と連結されており、それによって、円筒状滑りガイド部の回り止めの機能を果たすと伴にスライダ２５上に負荷を載せ駆動させて位置決めすることができる。


又、 断面積は先願例に比べてより増えるものの、ストロークを長くしても略ストローク増加分しか全長が長くならない全長の短いリニアアクチュエータを得ることが可能になったものである。

次に、図４を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。この第２の実施の形態の場合には、前記第１の実施の形態におけるりん青銅製の上記滑りガイド１５の摺動面に焼結体層５１を形成し、この焼結体層５１の内周面にテフロン（登録商標）樹脂を薄くコーティングしたものである。図中テフロン（登録商標）樹脂のコーティング部を符号５３で示す。
その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同じであり、同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。

したがって、前記第１の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができると共に、より円滑な動作を提供することができる。
尚、潤滑剤としては、液体潤滑剤と上記テフロン（登録商標）樹脂のような固体潤滑剤の二種類があるが、液体潤滑剤の場合には飛散等の不具合もあり、よって、固体潤滑剤が好ましい。

尚、本発明は前記第１、第２の実施の形態に限定されるものではない。
例えば、前記第１、第２の実施の形態の場合は、りん青銅製の滑りガイド１５は、りん青銅板の上に焼結体層５１を形成し、その上にテフロン（登録商標）樹脂をコーティングし、それを円筒状（Ｃ字状）に成形するようにしている。しかしながら，長さの長いものはプレス圧が高く生産性が落ちてしまう。そこで、滑りガイド１５を二分割する構成が考えられる。この場合であっても励磁コイル１７の前後のガイドホルダ１３、１３の連結を外部の連結部材２３を用いることにより、例えば、二分割した滑りガイド１５であっても外部でガイドホルダ１３、１３は連結されており、よって、二分割した滑りガイド１５であっても一体化することができる。
又、可動部と固定部が入れ替わっても同等の機能を発揮することは言うまでもない。
その他、図示した構成あくまで一例であってそれに限定されるものではない。

本発明は、リニアモータと該リニアモータを使用したリニアアクチュエータに係り、特に、ストロークを長くしても全長がストローク増加分程度しか長くならず、小断面積でかつ全長が短くなるように工夫したものに関し、例えば、精密位置決めシステムに用いられるリニアアクチュエータに好適である。

本発明の第１の実施の形態を示す図で、リニアアクチュエータの構成を示す側断面図である（図２のＩ−Ｉ断面図）。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、図２は図１のＩＩ―ＩＩ断面図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図で、第１の実施の形態を示す図３に相当するリニアアクチュエータの構成を示す断面図である。 先願例を示す図で、リニアアクチュエータの縦断面図である。 先願例を示す図で、リニアアクチュエータの縦断面図である。 先願例を示す図で、図７（ａ）は図６のａ部を拡大して示す断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のｂ−ｂ断面図、図７（ｃ）は図７（ａ）のｃ−ｃ矢視図である。

符号の説明

１ ハウジング
３ 外周部磁性材料製ヨーク
５ 端部磁性材料製ヨーク
７ 端部磁性材料製ヨーク
９ 磁石ホルダ
１１ 永久磁石
１３ ガイドホルダ
１５ 滑りガイド
１７ 励磁コイル
１９ 三相コイル
２１ 開口部
２３ 連結部材
２５ スライダ
２７ レール
２９ リニアスケール
３３ エンコーダセンサ
５１ 焼結体層
５３ テフロン（登録商標）樹脂コーティング部

Claims (5)

1. ハウジングと、
   上記ハウジング内に設置され磁石ホルダ内に複数個の永久磁石を収容してなる固定部と、
   上記ハウジング内であって上記磁石ホルダの外周側に移動可能に設置され一対のガイドホルダにより複数個の励磁コイルを保持してなる可動部と、
   上記ハウジング内であって上記励磁コイルの外周側に設置された外周部磁性材料性ヨークと、
   上記ハウジングと上記外周部磁性材料製ヨークに設けられた開口部と、
   を具備し、
   上記一対のガイドホルダの一部は上記開口部を介して上記ハウジングの外側に露出・配置され、
   上記露出・配置された一対のガイドホルダの一部には連結部材を介してスライダが上記ハウジングに近接した状態で設置され、
   上記ハウジングの一部は上記一対のガイドホルダが突出・配置されている側に延長され上記スライダの背面側空間を囲むように屈曲され、
   上記延長・屈曲されたハウジングの上記スライダ側にはスライダをガイドするレールが敷設されていて、
   上記囲まれた空間内において上記連結部材にはリニアスケールが取り付けられているとともに上記ハウジング側にはエンコーダセンサが設置されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、
   上記励磁コイルの内周側に滑りガイドが設置されていて、この滑りガイドは上記一対のガイドホルダ内に圧入され、それによって、励磁コイルが固定されるものであることを特徴とするリニアアクチュエータ。
3. 請求項２記載のリニアアクチュエータにおいて、
   上記滑りガイドが非磁性金属製であることを特徴とするリニアアクチュエータ。
4. 請求項３記載のリニアアクチュエータにおいて、
   上記滑りガイドの滑り面に焼結体を用いることを特徴とするリニアアクチュエータ。
5. 請求項４記載のリニアアクチュエータにおいて、
   上記焼結体の表面にテフロン（登録商標）樹脂をコーティングすることを特徴とするリニアアクチュエータ。

Images