JP5126649B2

JP5126649B2 - リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JP5126649B2
Application number: JP2007019315A
Authority: JP
Inventors: 栄治郎平柳
Original assignee: Neomax Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2027-01-30
Also published as: JP2008187824A

Description

本発明は、半導体を含む電子部品などの製造装置や各種制御機器に使用される可動磁石式のリニアアクチュエータに関する。

半導体製造装置においては、ダイボンダーにより短冊状リードフレームに半田接合を含むチップボンディングを行う工程がある。このダイボンダーは、被搬送部材を所定距離だけ直線的に往復移動させるリニアアクチュエータを備えている。この種アクチュエータとしては、例えば可動コイルを備えたボイスコイルモータ（ＶＣＭ）があり、大推力を必要としない磁気ディスクやレコーダペンなどの駆動手段としては有用である。これに対して比較的大きな推力を必要とする場合は、可動磁石式のリニアアクチュエータが使用される。

例えば、特許文献１には、軸を含む平面における縦断面端面を略Ｅ形に形成したヨーク内に２個の筒状電磁コイルを相隣る部分に同極が発生するように配設し、ヨーク中央部には両端部に磁極片を有し、かつ軸方向に着磁してなる永久磁石を含む可動子を軸方向摺動自在に設けた往復駆動装置が記載されている。

また、特許文献２には、隣接して配設された磁極が異極となるように３個以上の磁極を有する界磁マグネットを可動子とし、磁性体部材に導線をトロイダル状に巻回した第１の導体部とその導体部から磁極幅の数倍の間隔だけ離れた位置でそれと同方向の推力が得られるように、導線をトロイダル状に巻回した第２の導体部を有する電機子コイルを備えた直流リニアモータが記載されている。

また、特許文献３には、隣接する永久磁石の磁極が同極が対向するように配置された少なくとも３個の永久磁石間に軟磁性体をそれぞれ設けた構造を有し、外周面が非磁性金属パイプ部材で覆われた直線界磁体と、ボビンに複数の駆動コイルが巻装されたコイル体とを備え、ボビンがパイプ部材の外周面を直接摺動するようにしたリニアモータが記載されている。

実公昭５８−２１４９号公報（第２頁、図４）特公平４−２３５１２号公報（第４−５頁、図１、図２）特許第３４８１７５９号公報（第３−５頁、図５）

特許文献１に記載された構造では、縦断面端面をＥ形に形成したヨークを必要とするので、固定子の構造が複雑で、また別々に作製した２個の筒状コイルを接続することになるので、製作コストの点で不利である。特許文献２及び３に記載された多極多相形リニアモータは、ストロークが長く（例えば１ｍ以上）、モータの設置スペースが広い用途に使用されるもので、短ストロークの場合には、モータの設置スペースが狭いので、このようなモータ構造は採用できないものである。

特に特許文献２に記載されている（特許文献１も同様である。）ように、コイルの巻始めと巻終りが離れている（一端側と他端側に分かれている）と、コイルの端末処理に多大な工数を要するという問題がある。

従って本発明の目的は、コイルの端末処理が容易なリニアアクチュエータを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のリニアアクチュエータは、強磁性体からなるヨークとその内部に収容されたコイルユニットを有する固定子と、前記コイルユニットの内側に、Ｎ極とＳ極が交互に並ぶように配置された複数の永久磁石を有する可動子とを備え、前記コイルユニットは複数の多層コイルが直列に並びかつ各多層コイルは１本の導線を整列巻で巻回して形成されるとともに、巻始めと巻終りが同じ位置で引出されていることを特徴とするものである。

本発明のリニアアクチュエータにおいて、前記コイルユニットは、少なくとも一端側の多層コイルは、最上層を除いて所定方向に導線が巻回され、かつ他端側の多層コイルが最上層まで巻回された後に最上層が巻回されて形成されたコイルを有することが好ましい。

本発明のリニアアクチュエータにおいて、前記可動子は、半径方向に磁化された複数のメインリング磁石とそのリング磁石の間に設けられた軸方向に磁化された複数のスペーサリング磁石を有することがさらに好ましい。

本発明によれば、コイルユニットは複数の多層コイルが直列に並びかつ各コイルは１本の導線を整列巻で巻回して形成されるとともに、巻始めと巻終りが同じ位置で引出されているので、コイルの端末処理を簡素化することができる。

さらに、可動子を磁化方向の異なる永久磁石を交互に組合わせた磁気回路構造とすることで、簡単な構造で高い推力を発生することが可能となる。

以下本発明の詳細を添付図面により説明する。図１は本発明の実施の形態に係わるリニアアクチュエータの断面図、図２は図１をＡ方向から見た矢視図、図３は図１に使用されるコイルスペーサの平面図、図４は第１コイルの最上層を除いた層の巻線工程を示す模式図、図５は第２コイルの最上層を除いた層の巻線工程を示す模式図、図６は第３コイルの巻線工程を示す模式図、図７は第２コイルの最上層の巻線工程を示す模式図、図８は第１コイルの最上層の巻線工程を示す模式図である。

図１及び２に示すように、本発明のリニアアクチュエータは、鉄鋼材料（例えばＳＳ材）などの強磁性体からなる円筒状のヨーク２の内径側に、１本の導線を巻回して形成した複数の多層コイル３１、３２、３３と各コイル間に挟着されたコイルスペーサ４からなる円筒状のコイルユニット３を設けた固定子１を有する。隣り合う円筒状の多層コイル（空心コイル）は、互いに逆方向に巻回されているとともに、コイルの巻始めの引出線３５と巻終りの引出線３６は、ヨーク２の一端側に固着された端子部材１０から引出されている。固定子１は、このアクチュエータが組込まれる装置（不図示）に固設される。なお、ヨーク２の内部には、コイルの発熱を低減するために、軸方向に延びる複数の冷却溝（不図示）を放射状に形成して、空気が流動できるように構成することができる。

固定子１の内部には、ギャップｇをおいて強磁性体からなるシャフト６とその外周面に固着された界磁磁石７を有する可動子５が同心状に配置されている。シャフト６の一端側（縮径部６１）は、上記装置側の部材（不図示）に保持されかつ軸方向移動可能に支持されるとともに、シャフト６の他端側（端面６２）は、被駆動部材（不図示）を所定距離だけ直線的に往復移動できるように、例えばすべり軸受を含む支持手段により上記装置側に支持されている。界磁磁石７は、半径方向に磁化された複数のメインリング磁石７１ａ、７１ｂ、７１ｃが所定間隔をおいて軸方向に沿って並べられる（Ｎ極とＳ極が交互に並ぶ）とともに、各メインリング磁石間に設けられた軸方向に磁化されたスペーサリング磁石７２ａ、７２ｂを有する。このような磁気回路であると、メインリング磁石７２ｂのＮ極から流出した磁束線は、その両側のスペーサリング磁石７２ａ、７２ｃのＳ極に流入し、メインリング磁石から発生した磁束線の殆どはコイルユニット３と鎖交するので、大きな推力を得ることができる。メインリング磁石の寸法（厚さや長さ）は、必要とする推力の値やその直線性などを考慮して設定すればよく、図示のものに限らず、例えば、中央のメインリング磁石７１ｂを両端のメインリング磁石７１ａ、７１ｃよりも長く設定することができる。

またギャップｇが狭い（例えば１．０ｍｍ以下）場合には、コイルに通電中に、外部からの振動などで固定子１の軸線と可動子２の軸線がずれて（偏心して）、界磁磁石７がコイルユニット３の外周面に接触すると、ショートすることが予測されるので、界磁磁石の表面は絶縁性を有しかつ非磁性体からなる保護カバー８（図１に一点鎖線で示す）を被覆してもよい。さらに、界磁磁石７の端面に絶縁性を有する保護リング９（図１に太い一点鎖線で示す。）を設けることができる。保護カバー８は、厚いとギャップｇが広がり、推力が低下するので、例えば０．１ｍｍ程度の厚さを有する樹脂フィルムを使用することが好ましく、具体的にはＰＴＦＥ、ＰＦＡ等のフッ素樹脂フィルムが好適である。保護リング９は、アクチュエータを設置する際に永久磁石が他部材と干渉しても破損しないようにするために、剛性が大なる非磁性体で形成され、例えば厚さ０．５ｍｍ程度のガラスエポキシ製リングが好適である。

上記のアクチュエータは、コイルに所定極性の電流を供給することにより、フレミングの左手則に基づいて可動子を直線的に移動させることができる。すなわちコイルに所定極性（例えばプラス）の電流を供給し、可動子６を矢印Ｓ１方向に移動させ、また電流の極性を反転させることにより、可動子６を矢印Ｓ２方向に移動させることができる。可動子６が一方の側に移動する距離（ストローク）は、コイルユニット２の長さと界磁磁石の長さとの差の１／２になるので、これらの長さを適宜選定することにより設定することができる。

本発明において、コイルユニット３は１本の導線と図４に示すコイルスペーサ４で構成することができる。コイルスペーサ４は、絶縁性を有する非磁性体（例えばガラスエポキシ）からなる中空円板状の部材である。コイルスペーサ４は、導線（線材：例えば樹脂で被覆された銅線）を１つのコイルの巻終りから隣のコイルの巻始めに案内できるようにするために、切込み４１を有するとともに、その内径側は斜めに切欠かれて、内周円に接する直線部４２を有する。またコイルスペーサ４は、全層が巻回されたコイルの巻終りを隣のコイルの最上層に案内するために、切込み４１と対称の位置の外周部に案内溝４３を有する。コイルスペーサ４の寸法は、内径Ｄｓ１をコイルの内径Ｄｃ１と一致させるとともに、巻線時にコイルがばらけないようにするために、外径Ｄｓ２をコイルの外径Ｄｃ２よりもやや大きくなるように設定することが好ましい。なお、コイルスペーサ４の外径Ｄｓ２をコイルの外径Ｄｃ２よりも大きくすることにより、コイルの外周に冷却空気を流動させることが可能となる。

コイルユニット３を構成する各コイルは、ｍ層（ｍ：２以上の偶数）に整列巻された円筒状コイルである。各コイルの層数及び巻数は、必要とする推力やアクチュエータの設置スペースなどに応じて選定される。例えば、０．４ｍｍの線径を有する銅線（樹脂被覆）を使用して、推力定数が約３６Ｎのアクチュエータを製作する場合は、各コイルを１０〜２０層とし、第１の多層コイル及び第３の多層コイルは、各層の巻数を３０〜４０回とし、第２の多層コイルは各層の巻数を５０〜６０回とすることができる。

コイルユニット３の作製工程を図３〜８により説明する。図３〜８において、矢印は巻線の進行方向を示し、また黒丸は各コイルの各層の巻始めを示す。

最初に、図４に示すように第１の多層コイル３１では、（１）層目は、所定方向（例えば時計方向）に所定回だけ巻回され、その終端で折り返して（１）層目と同方向に所定回だけ巻回され、この動作を繰り返すことにより、（ｍ−１）層目まで巻線が行われて、長さＬ１の第１の多層コイル３１（半完成品）が得られる。このコイルの端面に、コイルスペーサ４を固着することにより、巻線がばらけるのを防止することができる。

図５に示すように、第２の多層コイル３２では、（１）層目は、第１の多層コイル３１と逆方向（反時計方向）に巻回され、その終端で折り返して（１）層目と同方向に所定回だけ巻回され、この動作を繰り返すことにより、（ｍ−１）層目まで巻線が行われて、長さＬ２の第２の多層コイル３２（半完成品）が得られる。このコイルの端面に、コイルスペーサ４を固着する。

図６に示すように、第３の多層コイル３３では、（１）層目は、第１の多層コイル３１と同方向（時計方向）に所定回だけ巻回され、その終端で折り返して（１）層目と同方向に所定回だけ巻回され、この動作を繰り返すことにより、（ｍ）層目まで巻線が行われて、長さＬ３の第３の多層コイル（完成品）が得られる。

図７に示すように、第２の多層コイル３２に戻って、その（ｍ）層目が、第３の多層コイル３３と逆方向（反時計方向）に所定回だけ巻回されて、（ｍ）層の第２の多層コイル３２（完成品）が形成される。

最後に、図８に示すように、第１の多層コイル３１に戻って、その（ｍ）層目が第２の多層コイル３２と逆方向（時計方向）に所定回だけ巻回されて、（ｍ）層の第１の多層コイル３１（完成品）が形成される。

図８に示すコイルユニット３は、１本の導線で形成され、その巻終わりが巻始めと同じ位置にくるので、引出し線が短くて済みしかもその端末処理が容易となり、信頼性の向上と製作工数の低減を図ることができる。

本発明において、磁気回路を構成する永久磁石は、公知の永久磁石材料で形成することができるが、高い磁束密度を得るために希土類磁石を使用することが好ましく、特にＲ（ＲはＮｄ等の希土類元素のうちの少なくとも一種である。）、Ｔ（ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである。）及びＢを必須成分とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石（耐食性の点から各種の表面処理を施したもの）を使用することがより好ましい。またこのＲ−Ｔ−Ｂ系異方性焼結磁石のうちでは、最大エネルギー積が４０ＭＧＯｅ以上となる磁気特性を有するものがより好ましい。

本発明の実施の形態に係わるリニアアクチュエータの断面図である。図１をＡ方向から見た矢視図である。図１に使用されるコイルスペーサの平面図である。図４は第１の多層コイルの最上層を除いた層の巻線工程を示す模式図である。第２の多層コイルの最上層を除いた層の巻線工程を示す模式図である。第３の多層コイルの巻線工程を示す模式図である。第２の多層コイルの最上層の巻線工程を示す模式図である。第１の多層コイルの最上層の巻線工程を示す模式図である。

符号の説明

１：固定子、２：ヨーク、３：コイルユニット、３１：第１の多層コイル、３２：第２の多層コイル、３３：第３の多層コイル、３５、３６：引き出し線、４：コイルスペーサ、４１：切込み、４２：直線部、４３：案内溝、５：可動子、６：シャフト、６１：縮径部、６２：端面、７：界磁磁石、７１ａ、７１ｂ、７１ｃ：メインリング磁石、７２ａ、７２ｂ：スペーサリング磁石、８：保護カバー、９：保護リング、１０：端子部材

Claims

強磁性体からなるヨークとその内部に収容されたコイルユニットを有する固定子と、前記コイルユニットの内側に、Ｎ極とＳ極が交互に並ぶように配置された複数の永久磁石を有する可動子とを備え、前記コイルユニットは複数の多層コイルが隣り合う同士で導線の巻回方向が互いに逆方向になるようにして直列に並びかつ各多層コイルは１本の導線を整列巻で巻回して形成されるとともに、前記導線は前記コイルユニットの一端側に配置される多層コイルから順次他端側に配置される多層コイルに最上層を除いて所定方向に巻回され、引き続き他端側の多層コイルが最上層まで巻回された後に、その他端側に配置される多層コイルから順次一端側に配置される多層コイルの最上層まで巻回され、この導線の巻始めと巻終りが同じ位置で引出されているリニアアクチュエータにおいて、
前記隣り合う多層コイル間に絶縁性を有する非磁性体からなる中空円板状のコイルスペーサを配置し、前記コイルスペーサは前記コイルユニットの一端側に配置される多層コイルから順次他端側に配置される多層コイルに前記導線を案内するために切込みを有し、その切込みの内径側は斜めに切欠かれて内周円に接する直線部を有し、また他端側に配置される多層コイルから順次一端側に配置される多層コイルに最上層を巻回する前記導線を案内するために前記切込みと対称位置の外周部に案内溝を有する
ことを特徴とするリニアアクチュエータ。
前記可動子は、半径方向に磁化された複数のメインリング磁石とそのメインリング磁石の間に設けられた軸方向に磁化された複数のスペーサリング磁石を有することを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。