JP5413640B2 - 多連結円筒リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば工作機械や半導体製造装置、一般産業用機械の分野におけるテーブル送りなどの駆動装置に用いられると共に、界磁である可動子を複数連結して推力を増大化できる円筒状の多連結円筒リニアモータに関する。

近年、例えば工作機械や半導体製造装置、一般産業用機械の分野におけるテーブル送りなどの駆動装置において、高速性、高位置決め性能に加え、多用途への対応として高推力化が求められている。これらの要求に対して、従来、回転機とボールねじの組み合わせの駆動装置が用いられてきた。この組合せの駆動装置ではバックラッシュの発生は避けられず、高速化の上限が低いこと、位置決め精度が確保できないことなどからリニアモータが採用されるようになっている。
これまで提案されてきたリニアモータ（第1従来技術）は、推力を増大化しようとした場合、複数の電機子ブロックからなる可動子を推力方向（ストローク方向）に電気的に接続させていた（例えば、参考文献１）。
また、位置決め精度を確保する必要がある場合、コギング推力など推力変動を極力低減する必要があるが、その対策として、これまで図９に示すような第２従来技術のリニアモータが提案されている。
図９は、第２の従来技術におけるコギング推力低減対策を施したリニアモータの側断面図である。図９において、当該リニアモータは、ヨーク７２上に等間隔に配置された複数のマグネット７１（永久磁石）を備えた界磁を固定子とし、該固定子と磁気的空隙を介して配置されると共に、コア７４にコイル７５を巻回してなる電機子巻線を備えた電機子を可動子として構成している。ここでは、複数の電機子ブロック７７、７８、７９からなる可動子を推力方向に多連結し、１つの可動子内の電機子ブロック間に空隙を設け、該空隙に間隔片７６を配置し、その間隔片分の位相をずらすことにより、各電機子ブロック７７、７８、７９に生ずるコギング推力を相殺させている（例えば、参考文献２）。
特開２００３−２１９６２７ 特許第３８５２１１７号

リニアモータを例えば、工作機械などの設備に搭載設置する際、搭載設置スペースの制限や、テーブル等の可動部の軽量化のため、機械全体をなるべくコンパクトに配置することが望ましいため、駆動装置であるリニアモータもまた、その性能を維持しつつ、できるだけ小型化・省スペース化する必要があった。
しかしながら、第1従来技術のように、複数の電機子ブロックからなる可動子を推力方向に電気的に接続する方法では、駆動装置であるリニアモータの推力性能を増大しつつ、省スペース化を実現しようとした場合、可動子全長が長くなり、装置全体が大型化してしまうため不向きであった。
また、複数の可動子を連結する場合、単体で発生するコギング推力が同位相で生じるため、「コギング推力値×可動子数量」の分だけコギング推力が増加してしまうという問題があった。
一方、第２従来技術のように、このコギング推力を低減するために、１つの可動子内の電機子ブロック間に設けた空隙に間隔片を配置することで位相をずらす方法もあったが、間隔片の分だけ可動子が長くなるため、スト推力方向に結合した場合、「空隙×可動子数量」だけ可動子全長をさらに長くしてしまうという問題があった。
また、可動子を直列に複数連結した場合、可動子ピッチの取付誤差が累積され、界磁側との相対位置に誤差が発生することで、設計値よりも特性が低下する可能性があった。
それから、電機子単体を見たときも、全長に対するコイル位置やコイルピッチなど、組立上避けることができない個体差が発生することがあり、この場合前記のように直列に複数連結しても、前記直列連結誤差にこの個体差が加わることで特性が設計値よりもさらに低下する可能性があった。
さらに、可動子を推力方向に連結する方法では突起と溝による嵌合することで可動子を結合させていたが、その連結面にコネクタが配置されているため嵌合部分が小さく、一体の可動子としての剛性が低かった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、コンパクトな構造で推力を増大させることができ、コギング推力を低減させると共に、複数軸の組立精度を確保し、高い剛性を有する多連結円筒リニアモ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、請求項１記載の多連結円筒リニアモータに係る発明は、中空円筒状のヨークと該ヨークの内径側に等間隔に配置された複数の円弧状マグネットとを備えた界磁を構成する可動子と、前記可動子と磁気的空隙を介して配置されると共に、円筒状のフレームと該フレームの外周に配置されたコアにコイルを巻回してなる電機子巻線とを備えた電機子を構成する固定子と、を有し、前記可動子は、前記ヨークの外周に設けられると共に該ヨークを挿入・固定するための中空直方体状のホルダを備え、前記ホルダは、前記可動子の推力方向と直交する上下方向及び左右方向の４つの側面に、他のホルダと凹凸係合により連結可能な係合部を備える、円筒リニアモータであって、前記ホルダの前記係合部を用いた連結により、前記可動子を、前記上下方向及び前記左右方向のうち少なくとも一方に複数個、多連結したことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の多連結円筒リニアモータにおいて、前記ホルダは、前記ヨークを挿入・固定する際に該ホルダと該ヨークの間に所定の厚さを有するスペーサを挿設してあることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の多連結円筒リニアモータにおいて、前記ホルダは、互いに対向する面の前記係合部の一方を係合突起とし、他方を係合溝として配置してあることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の多連結円筒リニアモータにおいて、前記ホルダは、互いに対向する面の前記係合部の両方に係合突起同士、あるいは係合溝同士を配置してあることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４までの何れか１項に記載の多連結円筒リニアモータにおいて、前記ホルダは、前記係合溝の高さ寸法が前記係合突起の高さ寸法より大きいことを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５までの何れか１項に記載の多連結円筒リニアモータにおいて、前記ホルダは、その軸方向端面にピンを圧入するための穴を配置してあり、前記可動子の推力方向に該可動子を複数連結するようにしたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、界磁である可動子を推力方向（ストローク方向）と直交する方向の上下左右に任意に多連結することで、可動子の推力方向に長尺化することなく、コンパクトな構造のまま、用途に応じて推力を増大化することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、ヨークを容易にオフセットさせることができ、可動子を長くすることなくコギング推力を低減させることができる。
また、請求項３、４に記載の発明によると、可動子の推力方向に十分な長さのある凹凸状の係合突起、係合溝を互いに嵌合させることで複数連結させた可動子に十分な剛性を持たせることができる。
また、請求項５に記載の発明によると、係合溝の高さがばらついても隣り合うホルダの軸間距離を精度良く位置決めすることができる。また圧入の際にホルダの端面をそろえることで、可動子を複数連結してもヨークの相対位置を容易に揃えることができる。これによって各可動子・固定子間の磁気的空隙を確保しつつ、連結取付誤差を累積させることなく、多数の可動子を連結することができる。
また、請求項６に記載の発明によると、前記ホルダ端面に配置された穴にピンを圧入することで、軸方向にも可動子を連結することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す多連結円筒リニアモータの全体斜視図である。図１において、１１は電機子を構成する固定子、１２は固定子１１の外周に磁気的空隙を介して対向配置された界磁を構成する可動子である。基本的には可動子１２と固定子１１をそれぞれ1個組合わせて構成される一対の円筒リニモータを可動子の推力方向（ストローク方向）と直交する方向の上下左右方向に複数、多連結するようになっている。なお、複数の固定子１１は図示しないフレームにその両側を保持され、そのフレームは図示しない工作機械等へ固定される。

図２は第１実施例による多連結円筒リニアモータの側断面図であって、固定子１１と可動子１２の１対を取り出した場合である。２１はホルダ、２２はホルダ２１に挿入・固定されるヨーク、２３はヨーク２２の内径側に接着固定されるマグネット（永久磁石）、２４はホルダ２１に対してヨーク２２を挿入・固定する際にホルダ２１とヨーク２２の間に必要に応じて挿入される所定の厚さを有したスペーサである。一方、固定子（電機子）において２５はコイル、２６はコア、２７は円筒フレームである。Ｕ、Ｖ、Ｗの３相から構成されるコイル２５の各相間にコア２６が配置される。コイル２５はその内径側が図示しないボビン等の絶縁材料を介して、コア２６はその内径が接するようにして円筒フレーム２７に挿入されて積み上げられる。これを絶縁性の樹脂でモールドすることにより固定子が構成される。この固定子に３相電流を流すことで電磁界を発生させ、可動子１２を駆動させることができる。

図３は第１実施例によるリニアモータ可動子からヨークとスペーサを取り出した状態を示す斜視図である。
図３において、５１はホルダ２１の上面、下面及び両側の側面の４面のうち、２面に形成される凹状の係合溝、５２はホルダ２１の外面の残り２面に形成される凸状の係合突起で、この係合溝５１と係合突起５２で構成される係合部により、可動子を複数個、該可動子の推力方向と直交する方向に多連結するようになっている。
ホルダ２１同士は軸方向への圧入、焼きばめ、接着等により機械的に固定され、それぞれの端面が同一平面になるよう揃えられるものとする。ヨーク２２はホルダ２１に図示しないボルトなどにより固定され、必要に応じてその間にスペーサ２４を挟んで、ヨーク２２を所定の距離だけオフセットさせることができる。このスペーサ２４を使用するか否かで、可動子に発生するコギング推力について電気角で所定の位相差を生じさせることができる。

図４は第１の実施例のコギング推力の波形図、図４はコギング推力の状態を示す特性図の一例である。前記スペーサ２４を用いることでコギング推力４１、４２は１／２周期の位相差を生じ、コギング推力を相殺して、その和を０にすることができる。

またスペーサ２４の厚さ違いを複数用意しておくことで、前記のように組立上避けることができない個体差が発生した場合でも、機械的に位置を微調整できるため、複数連結した際に個体差を排除して設計値どおりの特性を得ることができる。

図５は第１実施例によるホルダに形成される係合部の拡大図である。
図５において、ホルダ２１は、係合溝５１の高さ寸法が係合突起５２の高さ寸法より大きくしてあり、係合溝５１と係合突起５２の間に隙間５４が設けられている。
こうすることで機械加工による係合溝の高さ寸法のばらつきが生じても隣り合うホルダ２１同士の軸間距離は平面部５３によって精度良く位置決めされる。また、係合突起の両側の根元が狭くなっていることで、圧入の作業性を向上させることができる。

図６は本発明の第２実施例を示す多連結円筒リニアモータに用いるホルダの斜視図である。
第２実施例は、第１実施例（図３）に示すホルダ２１の互いに対向する面の係合部の一方を係合突起５２とし、他方を係合溝５１として配置する構成に替えて、図６に示すようにホルダ２１の互いに対向する面の係合部の両方に係合溝５１同士、係合突起５２同士を配置する点である。この場合も第１実施例と同様にして複数のホルダ２１が機械的に固定され、それぞれの端面が同一平面となるよう揃えられるものとする。
これにより、このとき前記と同様に３個のホルダが既に連結されているところにさらに１個のホルダを連結しようとすると、１箇所が係合突起、もう１箇所が係合溝の嵌合になる。この場合でも係合突起の両側の根元が狭くなっていることで、圧入の作業性を向上させることができる。

図７は本発明の第３実施例を示す多連結円筒リニアモータの可動子の全体斜視図、図８は第３実施例によるリニアモータ可動子のピンによる連結方法を示す斜視図である。
第３実施例が第1実施例および第２実施例と異なる点は、図７に示すように、可動子１２を推力方向と直交する方向の上下左右方向以外に推力方向にも複数、多連結した点である。また、図８に示すように、ホルダ２１は、その軸方向端面にピン９２を圧入するための穴９１を配置してあり、これは可動子１２の推力方向に該可動子を複数連結するために設けられたものである。これにより、ホルダ２１の穴９１にピン９２を圧入した後は、接着、焼き嵌め等により固定することで、このピン９２に対して上下左右に複数連結した可動子１２を軸方向にも容易に複数連結することができる。
なお、本発明の第1実施例〜第３実施例は円筒状のリニアモータで説明したが、可動子および固定子を円筒状に替えて、矩形状のリニアモータとしても適宜、適用できる。
また、本実施例におけるリニアモータは界磁を可動子に、電機子を固定子とする構成で説明したが、界磁を固定子に、電機子を可動子とする構成に替えても何ら問題はない。

本発明の第１実施例を示す多連結円筒リニアモータの全体斜視図、 第１実施例による多連結円筒リニアモータの断面図、 第１実施例によるリニアモータ可動子からヨークとスペーサを取り出した状態を示す斜視図、 第１の実施例のコギング推力の波形図、 第１実施例によるホルダに形成される係合部の拡大図、 本発明の第２実施例を示すホルダ外観図、 本発明の第３実施例を示す多連結円筒リニアモータの可動子の全体斜視図、 第３実施例によるリニアモータ可動子のピンによる連結方法を示す斜視図、 第２の従来技術におけるコギング推力低減対策を施したリニアモータの側断面図

符号の説明

１１ 固定子（電機子側）
１２ 可動子（界磁側）
２１ ホルダ
２２ ヨーク
２３ マグネット
２４ スペーサ
２５ コイル
２６ コア
２７ 円筒フレーム
５１ 係合溝
５２ 係合突起
５３ 平面部
５４ 隙間
９１ 穴
９２ ピン

Claims (6)

1. 中空円筒状のヨークと該ヨークの内径側に等間隔に配置された複数の円弧状マグネットとを備えた界磁を構成する可動子と、
   前記可動子と磁気的空隙を介して配置されると共に、円筒状のフレームと該フレームの外周に配置されたコアにコイルを巻回してなる電機子巻線とを備えた電機子を構成する固定子と、
   を有し、
   前記可動子は、
   前記ヨークの外周に設けられると共に該ヨークを挿入・固定するための中空直方体状のホルダを備え、
   前記ホルダは、
   前記可動子の推力方向と直交する上下方向及び左右方向の４つの側面に、他のホルダと凹凸係合により連結可能な係合部を備える、
   円筒リニアモータであって、
   前記ホルダの前記係合部を用いた連結により、前記可動子を、前記上下方向及び前記左右方向のうち少なくとも一方に複数個、多連結したことを特徴とする多連結円筒リニアモータ。
2. 前記ホルダは、
   前記ヨークを挿入・固定する際に該ホルダと該ヨークの間に所定の厚さを有するスペーサを挿設してあることを特徴とする請求項１に記載の多連結円筒リニアモータ。
3. 前記ホルダは、
   互いに対向する面の前記係合部の一方を係合突起とし、他方を係合溝として配置してあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多連結円筒リニアモータ。
4. 前記ホルダは、
   互いに対向する面の前記係合部の両方に係合突起同士、あるいは係合溝同士を配置してあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多連結円筒リニアモータ。
5. 前記ホルダは、
   前記係合溝の高さ寸法が前記係合突起の高さ寸法より大きいことを特徴とする請求項１〜４までの何れか１項に記載の多連結円筒リニアモータ。
6. 前記ホルダは、
   その軸方向端面にピンを圧入するための穴を配置してあり、前記可動子の推力方向に該可動子を複数連結するようにしたことを特徴とする請求項１〜５までの何れか１項に記載の多連結円筒リニアモータ。

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