JP5481064B2

JP5481064B2 - リニアモータ

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Publication number: JP5481064B2
Application number: JP2008330958A
Authority: JP
Inventors: 和男正田; 敏郎東條; 祐樹野村; 旭弘海野
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2028-12-25
Also published as: CN101764496A; JP2010154683A; DE102009059323A1; CN101764496B; US8217538B2; US20100164306A1

Description

本発明は、固定子と、この固定子と相対的に運動可能な可動子を備えたリニアモータに関し、特に固定子と可動子との間のギャップの管理を簡易な構成により構成したリニアモータに関する。

リニアモータは、工作機械や産業用ロボットなどの運動案内機構部において、移動されるべき物体を高精度な位置に移動させるために広く用いられている。そして、このようなリニアモータは、固定子と可動子とを備え、可動子を固定子に対して相対的に運動可能に支持する方法として様々な構成が知られている。

特許文献１に記載されたリニアモータは、固定子にレールが取り付けられ、このレール上を可動子が摺動することによって、可動子は固定子に対して相対的に運動可能に支持されている。

また、固定子は電機子コイル及びこの電機子コイルに対して駆動電流を供給するための駆動制御回路が配設され、可動子には、界磁マグネットが取り付けられている。この電機子コイルに駆動電流を供給することにより、固定子及び可動子の両者間に生ずる磁気的推力が発生し、固定子に対して可動子が相対的に運動することができるように構成されている。

さらに、従来のリニアモータは、上述したように固定子に取り付けられたレールによって、可動子の運動を案内しているが、レールは、電機子コイルに駆動電流を供給することにより生じた磁力の方向に対するギャップを保持する機能も有している。リニアモータにおいては、ギャップが固定子と可動子との間に介在しない場合には、電機子コイルに駆動電流を給電することにより生じた磁力により固定子と可動子とが貼り付いてしまい、可動子を固定子に対して相対的に運動させることができなくなってしまうことから、固定子と可動子との間のギャップを管理する必要がある。

また、従来のギャップを管理する構成としては、上述した特許文献１に記載されているように、レールによって管理する構成のほか、図１３に示すように可動子１２１に取り付けられた移動部材１３１と、固定子１１０に取り付けられた軌道レール１３２とからなる運動案内装置１３０を配設することによってギャップＧの管理を行っているリニアモータも知られている。

また、ギャップを管理する構成としては、さらに特許文献２に記載されているように、固定子または可動子のいずれかに固体潤滑被膜を形成してギャップを形成したリニアモータが知られている。

特開平９−２６１９４３号公報実開昭５８−１８６７８８号公報

しかしながら、従来のリニアモータの構成によると、可動子の運動方向に沿って延設されたレールや運動案内装置などの案内手段が必要となり、コストの抑制を図ることができないといった問題があった。

また、固定子に可動子の運動方向に沿って案内手段を連続的に延設する必要があったため、固定子が可動子の運動方向に沿って間隔を持って非連続に複数配列された構成を採用することができないといった問題もあった。

さらに、固体潤滑被膜を形成する場合にあっては、必要なギャップに相当する厚みを形成するために、固体潤滑被膜を塗布した後、この固体潤滑被膜を所望の厚みまで研削して厚みを調整する必要があり、精密なギャップ管理を行おうとすると非常に手間のかかる作業を行わなければならないものであった。

本発明は、上記課題を解決するために成されたものであって、より簡便且つ簡易な構成でリニアモータの電機子コイルとマグネットとの間のギャップを管理することができ、固定子を非連続に複数配列した場合であっても適用することができるリニアモータを提供することを目的とする。

上記の課題を解決する本発明に係るリニアモータは、固定子と、前記固定子とギャップを介して相対的に運動可能に配置された可動子とを備えるリニアモータにおいて、前記固定子と前記可動子の間に、前記固定子又は前記可動子のいずれか一方に取り付けられた非磁性板を備え、前記非磁性板は、前記可動子の運動方向に沿って延設され、前記ギャップは、前記非磁性板の厚みによって規定され、前記固定子は、底板と、前記底板の幅方向の両端面から上方に突出するように立設して取り付けられた側板と、前記底板の面に前記非磁性板と対向して固定されると共に、前記非磁性板の下面に当接するように取り付けられた電機子コイルとから構成され、前記可動子は、マグネットが取り付けられた可動部材とから構成されることを特徴とする。

さらに、本発明に係るリニアモータは、前記非磁性板は、前記固定子又は前記可動子のいずれか他方と摺動可能に当接していることができる。

さらにまた、本発明に係るリニアモータは、前記非磁性板は、前記固定子又は前記可動子のいずれか他方に回転可能に取り付けられた車輪と当接していることができる。

また、本発明に係るリニアモータは、前記非磁性板は、前記可動子の運動方向に沿って、前記車輪が転動する溝が形成されていると好適である。

またさらに、本発明に係るリニアモータは、前記固定子は、前記可動子を重力方向に支える支持手段を備えていると好適である。

また、本発明に係るリニアモータは、前記固定子は、前記可動子の運動方向に沿って、隙間を介して複数配列されていることができる。

このように形成された本発明に係るリニアモータは、固定子又は可動子のいずれか一方の固定された非磁性板によってギャップの管理を行うことができるので、従来のリニアモータに比べて簡易な構成によって固定子と可動子との間のギャップを管理することができ、格段にコストを抑制することができる。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、本実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係るリニアモータの斜視図であり、図２は、本実施形態に係るリニアモータの構成を説明する断面図であり、図３は、本実施形態に係るリニアモータの固定子を説明するための一部分解図であり、図４は、本実施形態に係るリニアモータの可動子の斜視図であり、図５は、本実施形態に係るリニアモータの可動子の底面図であり、図６は、本実施形態に係るリニアモータの可動子の構成を説明する断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るリニアモータ１は、長手方向に延びる固定子１０と、固定子１０の長手方向に沿って取り付けられる非磁性板３０と、非磁性板３０の上を摺動可能に配置された可動子２０とから構成されている。

図１及び図２に示すように、固定子１０は、長手方向に沿って延びる底板１２と、底板１２の幅方向の両端面から上方に突出するように立設して取り付けられた側板１３ａ、１３ｂと、底板１２の上面に固定された電機子コイル１１とから構成されている。また、可動子２０は、マグネット２２が下面に取り付けられた可動部材２１とから構成されている。さらに、固定子１０の側板１３ａ、１３ｂの上面には、ボルト３１によって非磁性板３０が取り付けられており、非磁性板３０の上面と可動子２０が摺動可能に当接することで、相対的に運動可能に配置されている。

なお、非磁性板３０の下面は、固定子１０に固定された電機子コイル１１の上面と当接するように取り付けられている。このように、電機子コイル１１と非磁性板３０とを当接して取り付けることで、非磁性板３０の厚みによってのみギャップＧが規定されることとなり、ギャップＧの調整を容易に行うことができる。

なお、可動子２０は、固定子１０に固定されたこの電機子コイル１１に駆動電流を供給することにより、電機子コイル１１及びマグネット２２の両者間に生ずる磁気的推力が発生し、固定子１０に対して可動子２０が相対的に運動することができるように構成されている。さらに、電機子コイル１１とマグネット２２との間のギャップＧは、非磁性板３０によって管理されており、非磁性板３０の厚みを適宜変更することで容易にギャップＧを調整することができる。

ここで、非磁性板３０は、オーステナイト系ステンレス鋼、セラミック、樹脂などの非磁性の材料により形成されており、可動子２０を高速移動させることによる渦電流の発生を考慮すると、絶縁体で形成することが好適である。

次に、本実施形態に係るリニアモータ１の構成部品について説明する。

図３に示すように、固定子１０は、駆動制御回路１５を介して３相交流電流が供給され可動子２０に取り付けられたマグネット２２と磁気的に作用をするコイルと、コイルが巻かれた突極と、を有する電機子コイル１１が底板１２に固定されている。電機子コイル１１を構成するコイルは、図示しないＵ相用のコイル、Ｖ相用のコイル、および、Ｗ相用のコイルの３種類がある。突極は、Ｕ相用のコイル、Ｖ相用のコイル、および、Ｗ相用のコイルに対応してＵ相用の突極と、Ｖ相用の突極、Ｗ相用の突極の３種類がある。これらが、コイルに電流を流すことにより可動子２０側に生じる極の一例である。そして、これらコイルおよび突極が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順に、固定子１０と可動子２０の相対運動の方向に周期的に配列された周期構造が形成される。すなわち、相対運動の方向の一例である固定子１０の長手方向にコイルおよび突極はＵ相・Ｖ相・Ｗ相の周期構造を形成している。なお、突極を含む固定子１０の電磁石のコア部は、珪素鋼などの磁気ヒステリシス損失の少ない磁性材料から形成されている。

さらに、電機子コイル１１は、固定子１０の長手方向に沿って複数配置されており、各電機子コイル１１は、給電線１６によって電気的に連結されている。

また、側板１３ａ、１３ｂ（図３では、１３ａは図示せず）の上面には、複数の取付穴１４が穿孔されており、この取付穴１４に上述したボルト３１を締結して固定子１０に非磁性板３０を取り付けることができるようになっている。

図４から図６に示すように、本実施形態に係るリニアモータ１の可動子２０は、長手方向に沿って延びる凹部２１ａが形成された可動部材２１と、この凹部２１ａに取付ボルト２４によって取り付けられたマグネット２２と、マグネット２２の非磁性板３０と対向する面に取り付けられた摺動板２３とを備えている。

図５に示すように、マグネット２２は、可動部材２１の長手方向に沿って配置されており、図５に示すように複数のマグネット２２を配列しても構わないし、単一のマグネットで構成しても構わない。

マグネット２２に取り付けられた摺動板２３は、マグネット２２と非磁性板３０とが円滑に摺動することができるように設けられており、金属皮膜処理、非金属皮膜処理やバニシ処理などの表面処理を施して摺動抵抗を低減させることができる。なお、マグネット２２と非磁性板３０との摺動面に直接表面処理を施すなどして摺動抵抗を小さくすることができれば、摺動板２３は設けなくても構わない。

さらに、マグネット２２と非磁性板３０とが対向する面に、圧搾空気を導通し、マグネット２２を非磁性板３０に対して、微小隙間を有して浮上するように形成しても構わない。このように、圧搾空気によってマグネット２２を浮上させれば、摺動抵抗は限りなく小さくすることができる。

なお、本実施形態に係るリニアモータ１は、電機子コイル１１とマグネット２２との間に互いに引き付けあう磁力が吸引力として発生しているので、可動子２０は、平板状の非磁性板３０に摺動可能に載置されているだけで、吸引力の作用により非磁性板３０の幅方向への運動を規制されている。

このように本実施形態に係るリニアモータ１は、固定子１０に取り付けられた非磁性板３０にマグネット２２が摺動可能に当接していることによって電機子コイル１１とマグネット２２との間のギャップＧを管理しているので、より簡易な構成でギャップＧの管理をすることができ、容易にコストの抑制を図ることができる。

さらに、本実施形態に係るリニアモータ１は、可動子２０が非磁性板３０に運動案内装置などを介さず、電機子コイル１１とマグネット２２との間に生じる磁力の作用により摺動可能に配置されているので、固定子が隙間を介して複数配列されている非連続な固定子にも適用することができる。

［第２の実施形態］
以上説明した第１の実施形態に係るリニアモータ１は、マグネット２２が非磁性板３０と直接摺動する場合について説明した。次に説明する第２の実施形態に係るリニアモータ２は、第１の実施形態とは異なる形態を有する可動子２０の運動方法について説明を行うものである。なお、上述した第１の実施形態の場合と同一又は類似する部材については、同一符号を付して説明を省略する。

図７は、第２の実施形態に係るリニアモータの構成を説明するための断面図であり、図８は、第２の実施形態に係るリニアモータの可動子の斜視図である。

図７に示すように、本実施形態に係るリニアモータ２は、可動子２０が車輪２５を備えている点で第１の実施形態に係るリニアモータ１と相違している。

図８に示すように、本実施形態に係るリニアモータ２の可動子２００は、可動部材２１の長手方向の両端及び略中央部に夫々車輪２５が回転可能に取り付けられており、合計６つの車輪２５が取り付けられている。このように長手方向の略中央部に車輪２５を取り付けた場合、複数の固定子１０及び非磁性板３０が隙間をもって配列された非連続の固定子１０及び非磁性板３０上を可動子２００が運動する場合であっても、隣り合う非磁性板３０間に形成された隙間を進行方向前方の車輪２５が通過する際に、略中央部及び進行方向後方の車輪２５によって、可動子２００の姿勢を保持することができ、隣り合う非磁性板３０の間に形成された隙間に進行方向前方の車輪２５が脱落することがなく、可動子２００の運動を阻害することがないため、非連続の非磁性板３０上を運動することができる。

また、本実施形態に係るリニアモータ２においては、図７に示すように、電機子コイル１１とマグネット２２との間のギャップは、非磁性板３０の厚みＧ１と非磁性板３０上面とマグネット２２との隙間Ｇ２との和となるように構成されている。なお、隙間Ｇ２の値はできるだけ小さく構成することが望ましく、車輪２５の外形を適宜調整し非磁性板３０の上面とマグネット２２の下面との間の隙間を隙間無く配置すると好適である。

なお、車輪２５の数は非磁性板３０が非連続に配列される形態に伴って適宜変更可能であり、非磁性板３０が長手方向に連続的に形成されている場合には、可動子２００の四隅のみに車輪２５を取り付けても構わない。

また、車輪２５は、非磁性板３０を円滑に転動することができれば、どのような材質によって形成されてもよく、例えばステンレス鋼やゴム材などを用いることができる。

［第３の実施形態］
以上説明した第１の実施形態に係るリニアモータ１及び第２の実施形態に係るリニアモータ２では、可動子２０がマグネット２２と電機子コイル１１との間に生じる磁力の作用によって非磁性板３０の幅方向への運動を規制している場合について説明した。次に説明する第３の実施形態のリニアモータ２は、第１の実施形態及び第２の実施形態とは異なる形態を有する可動子２０のガイド方法の実施例について説明を行うものである。なお、上述した第１の実施形態及び第２の実施形態の場合と同一又は類似する部材については、同一符号を付して説明を省略する。

図９は、第３の実施形態に係るリニアモータの構成を説明するための断面図である。

図９に示すように、本実施形態に係るリニアモータ３は、非磁性板３０の車輪２５が転動する位置に、長手方向に沿って転動溝３２が形成されている点で第２の実施形態に係るリニアモータと相違している。

このように、本実施形態に係るリニアモータ３は、非磁性板３０に車輪２５が転動する転動溝３２を形成したので、電機子コイル１１とマグネット２２との間に生じる磁力による吸引力に加えて、車輪２５と転動溝３２とが係合しているので、可動子は転動溝３２に沿って運動することができ、例えば、可動子の移動経路が曲がっており、可動子が曲線運動を行う場合であっても、安定して可動子を案内することができる。

［第４の実施形態］
以上説明した第１から第３の実施形態に係るリニアモータ１，２，３は、固定子１０に非磁性板３０を取り付けた場合について説明した。次に説明する第４の実施形態に係るリニアモータは、第１から第３の実施形態に係るリニアモータとは異なる非磁性板の取り付け方法の実施例について説明を行うものである。なお、上述した第１から第３の実施形態の場合と同一又は類似する部材については、同一符号を付して説明を省略する。

図１０は、第４の実施形態に係るリニアモータの可動子の構成を説明するための断面図である。

図１０に示すように、本実施形態に係るリニアモータの可動子２１０は、上述した第１の実施形態に係るリニアモータ１の可動子２０に非磁性板３０が取り付けられている。また、マグネット２２の下面と非磁性板３０の上面とは、当接するように取り付けられており、第１の実施形態に係るリニアモータ１と同様に非磁性板３０の厚みによって、電機子コイル１１とマグネット２２との間のギャップを規定している。

なお、本実施形態に係る可動子２１０は、非磁性板３０の下面に摺動面３０ａを備えており、この摺動面３０ａと、固定子１０とが直接摺動する。また、摺動面３０ａと固定子１０は、固定子１０の側板１３ａ、１３ｂの上面と摺動しても構わないし、電機子コイル１１と直接摺動しても構わない。さらに、摺動面３０ａや固定子１０の直接摺動面３０ａと摺動する面は、上述した摺動板２３と同様に表面処理を施したり、圧搾空気を導通することで摺動抵抗を低減することもできる。

このように、可動子２１０に非磁性板３０を取り付け、非磁性板３０と固定子１０とを直接摺動させるように形成すると、可動子２１０の運動方向に沿って非磁性板３０を延設する必要がなく、非磁性板３０の設置を容易に行うことができる。

［第５の実施形態］
以上説明した第１から第４の実施形態に係るリニアモータは、固定子１０をテーブルや地面に設置し、その上を可動子が運動する場合について説明した。次に説明する第５の実施形態に係るリニアモータは、第１から第４の実施形態に係るリニアモータと異なる形態を有する設置方法の実施例について説明を行うものである。なお、上述した第１から第３の実施形態の場合と同一又は類似する部材については、同一符号を付して説明を省略する。

図１１は、第５の実施形態に係るリニアモータの構成を説明するための断面図であり、図１２は、第５の実施形態に係るリニアモータの変形例を説明するための断面図である。

図１１に示すように、第５の実施形態に係るリニアモータ４は、底板１２が壁に取り付けられている点で、第１から第４の実施形態に係るリニアモータと相違している。

本実施形態に係るリニアモータ４は、第１の実施形態に係るリニアモータについて説明したように、電機子コイル１１に駆動電流を供給することで、マグネット２２と電機子コイル１１との間に磁力による吸引力を生じている。このため、本実施形態に係るリニアモータ４のように、リニアモータ４を壁に取り付けた場合であっても、可動子は、吸引力により固定子側に引き寄せられるので、当該吸引力が可動子の自重を支えることができる。

また、当該吸引力は、電機子コイル１１に供給される電流値を調整することによって制御することができる。しかし、当該吸引力を大きくすると、可動子の摺動抵抗も大きくなってしまうため、供給電流を制御して吸引力を調整する必要がある。吸引力が小さくなるように供給電流を制御した場合であっても、可動子が自重により落下しないように、非磁性板３０の長手方向に沿って可動子の下端を支持する支持板３３を取り付けることができる。

さらに、図１２に示すように、本実施形態に係るリニアモータ５は、底板１２を天井に取り付け、可動子が固定子から垂下するように摺動することができるように設置することもできる。この場合であっても、電機子コイル１１とマグネット２２との間の吸引力によって可動子の自重を支えることが可能である。

また、上述したように、電機子コイル１１の供給電流を制御した場合を考慮すると、図１２に示すように、可動子の下端を支持する支持板３４を非磁性板３０の長手方向に沿って取り付けることができる。このように支持板３４を取り付ければ、電機子コイル１１とマグネット２２との間の吸引力の変化に伴って、可動子の自重により可動子が落下することを防止することができる。

このように、本実施形態に係るリニアモータ４、５は、壁掛け型、天井垂下型などあらゆる設置方法にも容易に適用することが可能である。

また、第１から第５の実施形態に係るリニアモータにおいては、固定子１０が長手方向に連続的に延設された場合について説明したが、固定子１０は、複数の固定子を隙間を介して複数配列して非連続に配列しても構わない。

また、本実施形態に係るリニアモータにおいては、さまざまな固定子の設置方法について説明したが、固定子の設置向きはこれらに限定されず、例えば、固定子の幅方向に対して斜めに傾斜して設置しても構わない。

また、第１の実施形態に係るリニアモータにおいては、可動子の幅方向の運動を磁力による吸引力で規制した場合について説明したが、可動子の両脇をガイドするように支持板を立設して設けても構わない。また、非磁性板の形状は平板に限らず、曲がっていても良いし、装置の壁面を流用したものであっても良い。

その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

第１の実施形態に係るリニアモータの斜視図である。第１の実施形態に係るリニアモータの構成を説明する断面図である。第１の実施形態に係るリニアモータの固定子を説明するための一部分解図である。第１の実施形態に係るリニアモータの可動子の斜視図である。第１の実施形態に係るリニアモータの可動子の底面図である。第１の実施形態に係るリニアモータの可動子の構成を説明する断面図である。第２の実施形態に係るリニアモータの構成を説明するための断面図である。第２の実施形態に係るリニアモータの可動子の斜視図である。第３の実施形態に係るリニアモータの構成を説明するための断面図である。第４の実施形態に係るリニアモータの可動子の構成を説明するための断面図である。第５の実施形態に係るリニアモータの構成を説明するための断面図である。第５の実施形態に係るリニアモータの変形例の構成を説明するための断面図である。従来のリニアモータの断面図である。

符号の説明

１，２，３，４，５リニアモータ、１０固定子、１１電機子コイル、１２底板、１３ａ，１３ｂ側板、１４取付穴、１５駆動制御回路、１６給電線、２０可動子、２１可動部材、２１ａ凹部、２２マグネット、２３摺動板、２５車輪、３０非磁性板、３２転動溝、３３，３４支持板、Ｇ，Ｇ１，Ｇ２ギャップ。

Claims

固定子と、前記固定子とギャップを介して相対的に運動可能に配置された可動子とを備えるリニアモータにおいて、
前記固定子と前記可動子の間に、前記固定子又は前記可動子のいずれか一方に取り付けられた非磁性板を備え、
前記非磁性板は、前記可動子の運動方向に沿って延設され、
前記ギャップは、前記非磁性板の厚みによって規定され、
前記固定子は、底板と、前記底板の幅方向の両端面から上方に突出するように立設して取り付けられた側板と、前記底板の面に前記非磁性板と対向して固定されると共に、前記非磁性板の下面に当接するように取り付けられた電機子コイルとから構成され、
前記可動子は、マグネットが取り付けられた可動部材とから構成されることを特徴とするリニアモータ。
前記非磁性板は、前記固定子又は前記可動子のいずれか他方と摺動可能に当接していることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
前記非磁性板は、前記固定子又は前記可動子のいずれか他方に回転可能に取り付けられた車輪と当接していることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
前記非磁性板は、前記可動子の運動方向に沿って、前記車輪が転動する溝が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。
前記固定子は、前記可動子を重力方向に支える支持手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリニアモータ。
前記固定子は、前記可動子の運動方向に沿って、隙間を介して複数配列されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のリニアモータ。