JP5093567B2

JP5093567B2 - θＺアクチュエータ

Info

Publication number: JP5093567B2
Application number: JP2007068145A
Authority: JP
Inventors: 健一貞包; 光洋松崎; 透鹿山
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: JP2008236818A

Description

本発明は、回転と直進の２つのモーションを精密に行うθＺアクチュエータに関する。

従来のθＺアクチュエータとして、回転モータとリニアモータの電機子巻線を同心円状に重ね合わせ、出力軸に直接トルクと推力を発生させ回転動作と直動動作を行うものが開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２）
図８はＡ−Ａ断面図、図９は矢視Ｂ断面図である。
固定子１００は、中空のモータフレーム１０１、θ軸電機子巻線１０２、Ｚ軸電機子巻線１０３、Ｌ側ロータリーボールスプライン１０４、反Ｌ側ロータリーボールスプライン１０５、Ｌ側ブラケット１０６、反Ｌ側ブラケット１０７等より構成されている。中空のモータフレーム１０１内部の、同心円状外周側にθ軸電機子巻線１０２、内周側にＺ軸電機子巻線１０３が設けられている。モータフレーム１０１の負荷側端面にＬ側ブラケット１０６、反負荷側端面に反Ｌ側ブラケット１０７、またそれぞれにＬ側ロータリーボールスプライン１０４、反Ｌ側ロータリーボールスプライン１０５が設けられている。モータフレーム１０１の外周部には、図示しない電力供給用のモータ端子が設けられている。
θ軸電機子巻線１０２、内周側にＺ軸電機子巻線１０３の渡線は、図８に示す隣り合ったθ軸成形コイルとθ軸成形コイルのすきまである渡線処理スペース１１０Ｃや、モータフレーム１０１に加工等により確保された渡線処理スペース１１０ｂにて、接続されている。

一方、可動子２００は、出力軸２０１、界磁ヨーク２０２、永久磁石２０３等より構成されている。θ軸電機子巻線１０２とＺ軸電機子巻線１０３に対向する位置の出力軸２０１の外周に界磁ヨーク２０２、永久磁石２０３が同心円状に設けられており、可動子２００は、出力軸２０１において、Ｌ側ロータリーボールスプライン１０４および反Ｌ側ロータリーボールスプライン１０５により支持され、θ軸方向およびＺ軸方向に自由に移動可能となっている。

このように構成されたθＺアクチュエータは、電流をθ軸電機子巻線１０２に流すことにより永久磁石２０３の作る磁界との作用で可動子２００にトルクを発生し、また電流をＺ軸電機子巻線１０３に流すことにより永久磁石２０３の作る磁界との作用で可動子２００に推力が発生する。このようにして、可動子２００は回転と直進の両方向の動作を実現している。
特開２００４−３４３９０３号公報特開２００５−２０８８５号公報

θＺアクチュエータは、主にチップマウンタのヘッドや実装基板の検査装置のプローブ等に用いられ、１本で用いられるというより多数本を並べて用いられるケースが多い。電子部品の実装などを想定すると、実装密度が高くなってきており、マウンタヘッドや検査プローブの配置間隔も狭くしていくことが要望されていた。また、実装密度が高くなってきているので、マウンタヘッドや検査プローブには、高速な動作が要望されていた。このような要望を解決するためには、小さな外形寸法で高トルクのθＺアクチュエータが必要となってきている。
しかしながら、従来のθＺアクチュエータには、以下の問題があった。
複数のθ軸成形コイルおよび複数のＺ軸成形コイルを接続する際に、図８に示す隣り合ったθ軸成形コイルとθ軸成形コイルのすきまである渡線処理スペース１１０Ｃを利用した場合は、前記スペースを確保するためにθ軸成形コイルの大きさを幅方向に狭くする必要があり、そのためコイルの占める体積が減少しθ軸のトルクを大きくすることができないという問題が生じていた。
また、複数のθ軸成形コイルおよび複数のＺ軸成形コイルを接続する際に、モータフレーム１０１に加工等により確保された渡線処理スペース１１０ｂを利用した場合は、モータフレームが非対称に形成されるため磁路がアンバランスになり磁気特性が悪くなる。このような磁界が形成されると、トルクむらが発生したり、発生トルク自体が小さくなるなどの問題が生じていた。また、フレームの所定の肉厚を確保しようとすると、外形寸法が大きくなるという問題が生じていた。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、簡素な構造で精密な回転動作と直進動作を一つのアクチュエータで実現するθＺアクチュエータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、界磁とする永久磁石を備えた可動子と、回転θ軸方向に回転磁界を発生するθ軸電機子巻線と直進Ｚ軸方向に進行磁界を発生するＺ軸電機子巻線を備えた固定子とで構成されるとともに、前記θ軸電機子巻線と前記Ｚ軸電機子巻線に電流を通電し、θ軸方向にトルクを、Ｚ軸方向に推力を発生させて前記可動子の回転動作と直進動作を行うθＺアクチュエータにおいて、前記θ軸電機子巻線の空芯部を、前記θ軸電機子巻線および前記Ｚ軸電機子巻線の渡線処理スペースとしたものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記θ軸電機子巻線が、前記Ｚ軸電機子巻線に対して内周面または外周面のいずれか一方に配置されたものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記θ軸電機子巻線の前記空芯部の長手方向の長さが前記Ｚ軸電機子巻線の長手方向の長さより長いものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記θ軸電機子巻線が、前記Ｚ軸電機子巻線に対して内周面に配置され、前記θ軸電機子巻線の前記空芯部の長手方向の長さが前記Ｚ軸電機子巻線の長手方向の長さより長いものである。
また、請求項５に記載の発明は、前記θ軸電機子巻線が、前記Ｚ軸電機子巻線に対して外周面に配置され、前記θ軸電機子巻線の前記空芯部の長手方向の長さが前記Ｚ軸電機子巻線の長手方向の長さより長いものである。

本発明によると、θＺアクチュエータにおいて渡線処理スペースを確保する目的で、θ軸成形コイルの大きさを幅方向に狭くする必要がないため、同体格（同体積）でθ軸のトルク値を大きくすることが出来る。逆を言えば、同トルク値で小形化することが出来る。また、θ軸電機子巻線をＺ軸電機子巻線の内周面または外周面のいずれか一方に配置するように選択することで、回転トルクと推力のいずれかをより大きくすることを選択することが可能である。
また、渡線処理スペースを確保する目的で、モータフレームに複雑な加工等を行う必要がないため、磁気特性のアンバランス量の小さいθＺアクチュエータを提供することが出来る。

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。

本発明実施例１の図１は正面図、図２はＡ−Ａ断面図、図３は矢視Ｂ断面図である。本発明の構成要素が従来技術と同じものについては同一符号を付して説明する。固定子１００は、中空のモータフレーム１０１、θ軸電機子巻線１０２、Ｚ軸電機子巻線１０３、Ｌ側ロータリーボールスプライン１０４、反Ｌ側ロータリーボールスプライン１０５、Ｌ側ブラケット１０６、反Ｌ側ブラケット１０７等より構成されている。中空のモータフレーム１０１内部の、同心円状外周側にθ軸電機子巻線１０２、内周側にＺ軸電機子巻線１０３が設けられている。モータフレーム１０１の負荷側端面にＬ側ブラケット１０６、反負荷側端面に反Ｌ側ブラケット１０７、またそれぞれにＬ側ロータリーボールスプライン１０４、反Ｌ側ロータリーボールスプライン１０５が設けられている。モータフレーム１０１の外周部には、図示しない電力供給用のモータ端子が設けられている。
図４にθ軸電機子巻線結線図、図５にＺ軸電機子巻線結線図を示す。θ軸電機子巻線１０２は、複数のθ軸成形コイルから構成され図４のとおり接続され、図示しない電力供給用のモータ端子に接続される。Ｚ軸電機子巻線１０３は、複数のＺ軸成形コイルから構成され図５のとおり接続され、図示しない電力供給用のモータ端子に接続される。複数のθ軸成形コイルおよび複数のＺ軸成形コイルが前記それぞれの図４および図５のように接続され、図６に示す複数のθ軸成形コイルの空芯部を渡線処理スペース１１０ａとして接続されている。たとえば、Ｕ１とＵ２の渡線１６０は渡線処理スペース１１０ａで処理され、Ｕ１の巻き始め線１６１とＵ２の巻き終わり線１６２は一方方向に引き出され、θ軸電機子巻線１０２とＺ軸電機子巻線１０３の隙間から端末処理される。また、外周に配置されたθ軸電機子巻線１０２のＺ軸方向長さを、前記θ軸電機子巻線１０２の内周に配置されたＺ軸電機子巻線１０３のＺ軸方向長さより十分長くして、図１に示したＬ１およびＬ２寸法を確保し、前記すきまを利用して端末処理を行っている。
検出器１５０は、検出器フレーム１５１、θ軸検出ヘッド１５２、Ｚ軸検出ヘッド１５３等より構成されている。検出器フレーム１５１に並べてθ軸検出ヘッド１５２、Ｚ軸検出ヘッド１５３が設けられている。

一方、可動子２００は、出力軸２０１、界磁ヨーク２０２、永久磁石２０３、θ軸スケール２５１、Ｚ軸スケール２５２等より構成されている。θ軸電機子巻線１０２とＺ軸電機子巻線１０３に対向する位置の出力軸２０１の外周に界磁ヨーク２０２、永久磁石２０３が同心円状に設けられており、θ軸検出ヘッド１５２、Ｚ軸検出ヘッド１５３に対向する位置の出力軸２０１の外周にθ軸スケール２５１、Ｚ軸スケール２５２が並べて設けられている。可動子２００は、出力軸２０１において、Ｌ側ロータリーボールスプライン１０４および反Ｌ側ロータリーボールスプライン１０５により支持され、θ軸方向およびＺ軸方向に自由に移動可能となっている。

このように構成されたθＺアクチュエータは、電流をθ軸電機子巻線１０２に流すことにより永久磁石２０３の作る磁界との作用で可動子２００にトルクを発生し、また電流をＺ軸電機子巻線１０３に流すことにより永久磁石２０３の作る磁界との作用で可動子２００に推力が発生する。このようにして、可動子２００は回転と直進の両方向の動作を実現している。

本発明の実施例２を前記実施例１との相違点のみ抽出して説明する。
図７に示すように内周に配置されたθ軸電機子巻線のＺ軸方向長さを、前記θ軸電機子巻線の外周に配置されたＺ軸電機子巻線のＺ軸方向長さより十分長くして、両電機子巻線のＺ軸方向のすきまを利用して渡線処理を行っている。

本発明の構成により、θＺアクチュエータにおいて渡線処理スペースを確保する目的で、θ軸成形コイルの大きさを幅方向に狭くする必要がないため、同体格（同体積）でθ軸のトルク値を大きくすることが出来る。逆を言えば、同トルク値で小形化することが出来る。また、渡線処理スペースを確保する目的で、モータフレームに複雑な加工等を行う必要がないため、比較的安価で磁気特性のアンバランス量の小さいθＺアクチュエータを提供することが出来る。
また、θ軸電機子巻線をＺ軸電機子巻線の内周面または外周面のいずれか一方に配置したことで、回転トルクをより大きくしたい場合には、θ軸電機子巻線をＺ軸電機子巻線の内周面に配置し、磁路長が短くなるようにし、推力をより大きくしたい場合には、θ軸電機子巻線をＺ軸電機子巻線の外周面に配置し、Ｚ軸電機子巻線と可動子間の磁路長が短くなるようにする。

本発明は、１つのアクチュエータで、精密な回転動作と直進動作を実現するθＺアクチュエータを提供することが出来る。よって、θＺの２自由度動作が要求されるチップマウンタ装置のマウンタヘッドや各種検査装置の検査ヘッドなどの用途に適用することが出来る。

本発明実施例のＡ−Ａ断面図本発明実施例の正面図本発明実施例の矢視Ｂ断面図本発明実施例のθ軸電機子巻線結線図本発明実施例のＺ軸電機子巻線結線図本発明実施例の電機子巻線の模式図第２の本発明実施例の断面図従来技術のＡ−Ａ断面図従来技術の矢視Ｂ断面図

符号の説明

１００固定子
１０１モータフレーム
１０２ θ軸電機子巻線
１０３Ｚ軸電機子巻線
１０４Ｌ側ロータリーボールスプライン
１０５反Ｌ側ロータリーボールスプライン
１０６Ｌ側ブラケット
１０７反Ｌ側ブラケット
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ渡線処理スペース
１５０検出器
１５１検出器フレーム
１５２ θ軸検出ヘッド
１５３Ｚ軸検出ヘッド
２００可動子
２０１出力軸
２０２界磁ヨーク
２０３永久磁石
２５１ θ軸スケール
２５２Ｚ軸スケール

Claims

界磁とする永久磁石を備えた可動子と、回転θ軸方向に回転磁界を発生するθ軸電機子巻線と直進Ｚ軸方向に進行磁界を発生するＺ軸電機子巻線を備えた固定子とで構成されるとともに、前記θ軸電機子巻線と前記Ｚ軸電機子巻線に電流を通電し、θ軸方向にトルクを、Ｚ軸方向に推力を発生させて前記可動子の回転動作と直進動作を行うθＺアクチュエータにおいて、
前記θ軸電機子巻線の空芯部を、前記θ軸電機子巻線および前記Ｚ軸電機子巻線の渡線処理スペースとしたことを特徴とするθＺアクチュエータ。
前記θ軸電機子巻線は、前記Ｚ軸電機子巻線に対して内周面または外周面のいずれか一方に配置されたことを特徴とする請求項１記載のθＺアクチュエータ。
前記θ軸電機子巻線の前記空芯部の長手方向の長さが前記Ｚ軸電機子巻線の長手方向の長さより長いことを特徴とする請求項１または２に記載のθＺアクチュエータ。
前記θ軸電機子巻線は、前記Ｚ軸電機子巻線に対して内周面に配置され、前記θ軸電機子巻線の前記空芯部の長手方向の長さが前記Ｚ軸電機子巻線の長手方向の長さより長いことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載のθＺアクチュエータ。
前記θ軸電機子巻線は、前記Ｚ軸電機子巻線に対して外周面に配置され、前記θ軸電機子巻線の前記空芯部の長手方向の長さが前記Ｚ軸電機子巻線の長手方向の長さより長いことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載のθＺアクチュエータ。