JPWO2008096519A1

JPWO2008096519A1 - 回転・直動モータ

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Publication number: JPWO2008096519A1
Application number: JP2008557018A
Authority: JP
Inventors: 美佐中山; 興起仲; 盛幸枦山; 秀哲有田; 一将伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-01-21
Also published as: JP4912417B2; WO2008096519A1

Abstract

回転可能かつ軸方向に沿って移動可能に設けられた可動子（１）と、可動子（１）の外周に磁気ギャップ（２）を介して同心状に配置された固定子（３）とを有し、可動子（１）はシャフト（６）の外周に複数の磁石（７，８）が、互いに隣接する磁石同士が各辺において異極となるように斜め格子状に固着され、固定子（３）は可動子（１）を回転させる回転用コイル（１０）と可動子（１）を直動させる直動用コイル（１１）と備え、両コイル（１０，１１）が各磁石（７，８）の対角線の向きとそれぞれ略平行になるように巻装されている。

Description

本発明は、回転と直動の両方が可能である回転・直動モータに関する。

例えば、電子部品実装装置や半導体製造装置などの分野においては、各種部品をハンドリングするロボットアームの先端部に回転駆動と直進駆動とを行う機構が必要となることがある。そのため、従来技術では、回転型モータと直動型モータの２つを組み合わせて両モータをスプライン加工によりスライド自在に連結した構成のものが提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

また、他の従来技術では、固定子に可動子を回転させるための回転磁束を形成する巻線と、可動子を軸方向に直動させるための巻線とを共に施した回転・直動モータが提案されている（例えば、下記の特許文献２参照）。

特に、この特許文献２記載の回転・直動モータは、可動子を構成する円筒状の可動子鉄心の表面に、Ｎ極の磁石を周方向および軸方向に１極置きに配置するとともに、この各Ｎ極の磁石とは周方向および軸方向に１極ずらした位置にＳ極の磁石を周方向および軸方向に１極置きに配置している。つまり、この特許文献２では、Ｎ極、Ｓ極の磁石を一つおきに隙間を設けて格子状に配置している。

特開２００３−１６９４５６号公報特開２００５−０２０８８５号公報

しかしながら、特許文献１記載の従来技術のものは、回転型モータと直動型モータとを組み合わせているので、各モータに磁極が必要となって磁極の数が全体的に多くなるとともに、全長も長くなって小型化を図ることが難しいという問題がある。

また、特許文献２のものは、特許文献１のものと比べると、各磁石は、回転用磁石と直動用磁石を兼用しているため、全長を短縮できるので小型化が可能であるという利点があるものの、Ｎ極、Ｓ極の磁石を一つおきに隙間を設けて格子状に配置しているので、可動子のシャフト表面に対して半分しか磁石が存在せず、このため、磁束量が低下して十分大きなトルクや推力が得られないという問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、磁束量が多くて十分に大きなトルクや推力が得られる回転・直動モータを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、回転可能かつ軸方向に沿って移動可能に設けられた可動子と、この可動子の外周に磁気ギャップを介して同心状に配置された固定子とを有し、この固定子の固定子鉄心には、上記可動子を回転させる回転用コイルと、上記可動子を軸方向へ直動させる直動用コイルとが設けられている回転・直動モータを前提として、次の構成を採用している。

すなわち、本発明において、上記可動子は、シャフトの外周に複数の磁石が、互いに隣接する磁石同士が各辺において異極になるように斜め格子状に固着される一方、上記固定子の回転用コイルは上記シャフトの軸方向に沿って上記各磁石の対角線の向きと略並行になるように、また上記直動用コイルはシャフトの周方向に沿って上記各磁石の対角線の向きと略並行になるように、それぞれ巻装されていることを特徴としている。

また、本発明において、上記可動子は、シャフトの外周に複数のリング状の磁石が、互いに隣接する磁石同士が異極になるように嵌着され、各リング状磁石は、左右の軸方向端面が周方向に沿った中心線に対して線対称となるように波状に形成される一方、上記固定子の回転用コイルは上記シャフトの軸方向に沿って、また上記直動用コイルはシャフトの周方向に沿って、それぞれ略平行になるように巻装されていることを特徴としている。

また、本発明において、上記可動子は、シャフトの外周に複数のリング状の磁石が、互いに隣接する磁石同士が異極になるように嵌着され、各リング状磁石は、左右の軸方向端面が並行となるように波状に形成され、かつ左右の軸方向端面で異極となるように着磁されている一方、上記固定子の回転用コイルは上記シャフトの軸方向に沿って、また上記直動用コイルはシャフトの周方向に沿って、それぞれ略平行になるように巻装されていることを特徴としている。

本発明によれば、可動子の外周表面に占める磁石の割合が多くなるため、従来に比べて磁束量が格段に増加し、大きなトルクや推力を発揮する回転・直動モータが得られる。

本発明の実施の形態１における回転・直動モータの要部を示す縦断面図である。同モータの要部を示す側面図である。同モータの可動子表面を平面状に展開した状態を示す展開図である。本発明の実施の形態２における回転・直動モータの要部を示す縦断面図である。同モータの要部を示す側面図である。本発明の実施の形態３における回転・直動モータの要部を示す縦断面図である。図６に示す同モータの要部を右側から見た側面図である。図６に示す同モータの要部を左側から見た側面図である。本発明の実施の形態４の回転・直動モータにおける可動子表面を平面状に展開した状態を示す展開図である。本発明の実施の形態４の回転・直動モータにおける可動子表面の他の例を示す展開図である。本発明の実施の形態５の回転・直動モータにおける可動子表面を平面状に展開した状態を示す展開図である。同モータの可動子を構成する一つのリング状磁石を取り出して平面状に展開した状態を示す展開図である。本発明の実施の形態６の回転・直動モータにおける可動子表面を平面状に展開した状態を示す展開図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における回転・直動モータの要部を示す縦断面図、図２は同モータの側面図、図３は同モータを構成する可動子の表面を平面状に展開した状態を示す展開図である。

この実施の形態１の回転・直動モータは、回転可能かつ軸方向に沿って移動可能な可動子１と、この可動子１の外方に磁気ギャップ２を介して同心状に配置された固定子３とを有する。

上記の可動子１は、シャフト６の両端が図示しない軸受で支持されて回転可能かつ軸方向に沿って移動可能に設けられており、このシャフト６の外周表面には、Ｎ極とＳ極の複数個の各磁石７，８が例えば接着剤を用いて固着されている。この場合、各磁石７，８の形状は略四角形であり、その各辺において隣接する磁石７，８同士が互いに異極となるように斜め格子状に稠密に配置されている。したがって、図３に示すように、シャフト６の軸方向Ａおよび周方向Ｒに沿って見た場合には、互いに隣接する磁石同士は同極となっている。

一方、固定子３は、可動子１と同心状に配置された円筒形の固定子鉄心９を有し、この固定子鉄心９の内周側に、可動子１を回転させる回転用コイル１０、および可動子１を軸方向Ａへ直動させる直動用コイル１１の２種類のコイルが設けられている。

すなわち、この固定子３は、固定子鉄心９の内周面から径方向内方に向けて突設された複数の突起状の巻枠１４が周方向Ｒに順次等間隔に配置された状態で軸方向Ａに沿って多数設けられている。そして、回転用コイル１０は、同期モータにおける固定子コイルと同様、周方向Ｒに沿って配列された各巻枠１４の間において、シャフト６の軸方向Ａに沿って各磁石７，８の対角線の向きと略並行になるように巻回されている。また、直動用コイル１１は、回転用コイル１０よりも外周側の位置で、かつ、軸方向Ａに沿って延びる各巻枠１４間において、シャフト６の周方向Ｒに沿って各磁石７，８の対角線の向きと略並行になるように巻回されている。

可動子１を回転させる際には、回転用コイル１０に電流を流して回転磁界を発生させることにより回転同期モータとなるので、可動子１が回転する。また、可動子１を直動させる際には、直動用コイル１１に電流を流して移動磁界を発生させることによりリニア同期モータとなるので、可動子１が直動する。

以上のように、この実施の形態１の回転・直動モータは、可動子１のシャフト６の外周に複数の磁石７，８を斜め格子状に稠密に配置固定することにより、シャフト６の表面の全体を磁石７，８で覆うことができるので、可動子１の外周表面に占める磁石７，８の割合が従来に比べてはるかに増大する。このため、磁束量が格段に増加して大きなトルクや推力を発揮することができ、また、従来と同じトルクや推力の場合にはモータを一層小型化することが可能となる。

さらに、この実施の形態１の回転・直動モータは、直動用コイル１１の内側に回転用コイル１０が配置されているので、可動子１の各磁石７，８と回転用コイル１０との距離が短く、このため、回転用コイル１０による回転磁界を可動子１に多く作用させることができるので、直動力よりも回転力をより重視する場合に有効に使用することができる。

なお、この実施の形態１では、Ｎ極とＳ極の各磁石７，８が、斜め格子状に稠密に配置されているので、シャフト６の外周表面に占める両磁石７，８の面積の割合は略１００％であるが、互いに隣接する各磁石７，８の間にわずかな隙間を設けることもできる。ただし、この場合、従来よりも大きな磁束を得てトルクや推力を増大させるには、シャフト６の外周表面に占める両磁石７，８の面積の５０％以上であることが好ましい。

また、この実施の形態１において、シャフト６、固定子鉄心９、巻枠１４の内の幾つか、もしくは全てを磁性体で構成すれば、各コイル１０，１１に鎖交する磁束量が増加するので、さらなるトルクや推力の向上が可能となる。なお、巻枠１４は部品点数の削減、もしくは工作性の向上のために省略することもできる。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２における回転・直動モータの要部を示す縦断面図、図５は同モータの側面図である。

この実施の形態２の特徴は、実施の形態１の構成に比べると、固定子３の回転用コイル１０と直動用コイル１１との配置関係が内外逆になっていることである。すなわち、回転用コイル１０の内側に直動用コイル１１が設けられている。

このように、この実施の形態２の回転・直動モータは、回転用コイル１０の内側に直動用コイル１１が配置されているので、可動子１の各磁石７，８と直動用コイル１１との距離が短く、このため、直動用コイル１１による移動磁界を可動子１に多く作用させることができるので、回転力よりも直動力をより重視する場合に有効に使用することができる。

その他の構成および作用効果は、実施の形態１と同様であるから、図１ないし図３に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付して、ここでは詳しい説明は省略する。

実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３における回転・直動モータの要部を示す縦断面図、図７は同モータを右側から見た側面図、図８は同モータを左側から見た側面図である。

この実施の形態３の特徴は、固定子３の回転用コイル１０と直動用コイル１１とを径方向において互いに重ね合わせずに、両コイル１０，１１を軸方向Ａに沿って互いに位置をずらせて配置し、これによって各コイル１０，１１が可動子１にそれぞれ対向するようにしていることである。

上記の実施の形態１，２では、回転用コイル１０と直動用コイル１１を径方向において互いに重ねて巻線するため、回転用コイル１０と直動用コイル１１間を絶縁する必要があり、また巻線のための巻枠１４も複雑となり組立性が悪化する。

これに対して、この実施の形態３では、回転用コイル１０と直動用コイル１１を軸方向Ａに沿って互いに分離して配置しているため、回転用コイル１０と直動用コイル１１間の絶縁が不要となり、また、巻線配置も簡単なために組立性が向上する。さらに、両コイル１０，１１が可動子１にそれぞれ個別に対向しているため、磁石７，８の磁束をより有効に用いることができる。しかも、回転用コイル１０と直動用コイル１１の各巻数や軸方向Ａの長さの割合を変更することにより、回転力と直動力との比率を簡単に変更することができるため、設計の自由度が高い。

実施の形態４．
図９および図１０は本発明の実施の形態４における回転・直動モータの可動子表面を平面状に展開した状態を示す展開図である。

上記の実施の形態１〜３では、可動子１のシャフト６の外周表面に略四角形のＮ極とＳ極の各磁石７，８を斜め格子状に稠密に配置したが、この実施の形態４では、略四角形の各磁石７，８の互いに隣接する頂点の部分を面取りしている。すなわち、図９では各磁石７，８の四隅を直線状に面取りし、また、図１０では各磁石７，８の四隅を曲線状に面取りしている。このため、互いに隣接する磁石７，８の箇所には僅かに隙間１５が生じている。

この実施の形態４の構成の場合でも、可動子１の外周の表面積に占める磁石７，８の表面積の割合が従来に比べて多くなるため、磁束量が格段に増加し、大きなトルクや推力を得ることができる。しかも、この実施の形態４のように、各磁石７，８の角を面取りしておけば、磁石７，８をシャフト６に固着する作業中に磁石７，８が欠損するのを防ぐことができるので、モータ製作時の歩留まり率を向上させることができる。
なお、この実施の形態４における可動子１の構成は、上記の実施の形態１，２，３のいずれの回転・直動モータについても適用することができる。

実施の形態５．
図１１は本発明の実施の形態５における回転・直動モータの可動子の表面を平面状に展開した状態を示す展開図、図１２は一つのリング状磁石を取り出して平面状に展開した状態を示す展開図である。

この実施の形態５の回転・直動モータにおいて、可動子１は、Ｎ極とＳ極の複数個の各リング状磁石１６，１７を備え、これらのリング状磁石１６，１７がシャフト６の外周に、互いに隣接する磁石同士が異極となるように、つまり、シャフト６の軸方向Ａに沿ってリング状磁石１６，１７がＮ、Ｓ、Ｎ、Ｓ、…と交互に繰り返すように配列して嵌合されている。そして、各々のリング状磁石１６，１７は、その左右の軸方向Ａの端面が周方向Ｒに沿った中心線ｃに対して線対称となるように波状に形成され、かつ、互いに隣接する波状のリング状磁石１６，１７同士は、周方向Ｒにおいて半ピッチ分だけずれた状態で配置されている。

一方、固定子３の回転用コイル１０はシャフト６の軸方向Ａに沿って略平行になるように巻装され、また直動用コイル１１はシャフト６の周方向Ｒに沿って略平行になるように巻装されている。なお、この場合の回転用コイル１０と直動用コイル１１との相互の配置関係は、上記の実施の形態１〜３で示したいずれの構成のものであってもよい。

このように、リング状磁石１６，１７をシャフト６の軸方向Ａに沿って順次配列することにより、軸方向Ａ、周方向Ｒ共に磁極がＮ、Ｓ、Ｎ、Ｓ、…と交互に繰り返されるので、固定子３の回転用コイル１０と直動用コイル１１にそれぞれ電流を流すと、磁気回路的に実施の形態１，２，３の構成を備えた可動子１の場合と略同等の作用が得られ、可動子１を回転および直動させることができる。
その他の構成、および作用効果は、実施の形態１〜３の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

以上のように、この実施の形態５では、両端面が波状のリング状磁石１６，１７を用いているので、波状に加工する手間は幾分かかるものの、実施の形態１〜４に比べて部品点数の削減ができるとともに、各磁石１６，１７をシャフト６に嵌合した後、シャフト６の両側端を固定するだけでよいので、各磁石１６，１７のシャフト６への装着が極めて容易となり、作業の手間とコスト削減を図ることが可能となる。また、モータ作動時には磁石に遠心力がかかるが、実施の形態１〜４では磁石の固定強度は接着剤に依存している。これに対して、この実施の形態５ではリング状磁石１６，１７としているので、磁石の飛散防止の効果が得られ、より強固に磁石を固定することができる。

実施の形態６．
図１３は本発明の実施の形態６における回転・直動モータの可動子１の表面を平面状に展開した状態を示す展開図である。

上記の実施の形態５では、Ｎ極とＳ極の各リング状磁石１６，１７を設けているのに対して、この実施の形態６の回転・直動モータでは、Ｓ極，Ｎ極が単一の磁石内に形成されたリング状磁石１８を設けている。

すなわち、この実施の形態６において、可動子１は、Ｓ極，Ｎ極が単一の磁石内に形成してなる複数個のリング状磁石１８を備え、これらのリング状磁石１８がシャフト６の外周に、互いに隣接する磁石同士が異極となるように、つまり、シャフト６の軸方向Ａに沿ってＮ、Ｓ、Ｎ、Ｓ、…と交互に繰り返すように配列して嵌合されている。そして、各々のリング状磁石１８は、その左右の軸方向Ａの端面が周方向Ｒに並行になるように波状に形成され、かつ、左右の軸方向Ａの端面で異極となるように着磁されている。

このように、リング状磁石１８をシャフト６の軸方向Ａに沿って順次配列することにより、軸方向Ａ、周方向Ｒ共に磁極がＮ、Ｓ、Ｎ、Ｓ、…と交互に繰り返されるので、固定子３の回転用コイル１０と直動用コイル１１にそれぞれ電流を流すと、磁気回路的に実施の形態１，２，３の構成を備えた可動子１の場合と略同等の作用が得られ、可動子１を回転および直動させることができる。

また、この実施の形態６では、両端面が波状でかつＳ極，Ｎ極が単一の磁石内に形成されたリング状磁石１８を用いているので、実施の形態５に比べてさらに部品点数を削減することができる。さらに、実施の形態５におけるリング状磁石１６、１７は、磁石の幅が周方向Ｒに沿って変動するために強度が低下する箇所があるが、実施の形態６では、リング状磁石１８の形状は波状に変化するものの、磁石幅は周方向Ｒに沿って常に一定となるので、磁石の強度が向上して飛散防止の効果が高まる。

この発明は、回転と直動の両方が可能である回転・直動モータに適用可能である。

本発明において、上記可動子は、シャフトの外周に複数のリング状の磁石が、互いに隣接する磁石同士が異極になるように嵌着され、各リング状磁石は、左右の軸方向端面が周方向に沿った中心線に対して線対称となるように波状に形成される一方、上記固定子の回転用コイルは上記シャフトの軸方向に沿って、また上記直動用コイルはシャフトの周方向に沿って、それぞれ略平行になるように巻装されていることを特徴としている。

Claims

回転可能かつ軸方向に沿って移動可能に設けられた可動子と、この可動子の外周に磁気ギャップを介して同心状に配置された固定子とを有し、この固定子の固定子鉄心には、上記可動子を回転させる回転用コイルと、上記可動子を軸方向へ直動させる直動用コイルとが設けられている回転・直動モータにおいて、上記可動子は、シャフトの外周に複数の磁石が、互いに隣接する磁石同士が各辺において異極になるように斜め格子状に固着される一方、上記固定子の回転用コイルは上記シャフトの軸方向に沿って上記各磁石の対角線の向きと略並行になるように、また上記直動用コイルはシャフトの周方向に沿って上記各磁石の対角線の向きと略並行になるように、それぞれ巻装されていることを特徴とする回転・直動モータ。
上記シャフトに固着されている磁石の占める面積が、上記シャフト外周の表面積の５０％以上になるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の回転・直動モータ。
上記磁石の形状は略四角形であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転・直動モータ。
回転可能かつ軸方向に沿って移動可能に設けられた可動子と、この可動子の外周に磁気ギャップを介して同心状に配置された固定子とを有し、この固定子の固定子鉄心には、上記可動子を回転させる回転用コイルと、上記可動子を軸方向へ直動させる直動用コイルとが設けられている回転・直動モータにおいて、上記可動子は、シャフトの外周に複数のリング状の磁石が、互いに隣接する磁石同士が異極になるように嵌着され、各リング状磁石は、軸方向の両端面が周方向に沿った中心線に対して線対称となるように波状に形成される一方、上記固定子の回転用コイルは上記シャフトの軸方向に沿って、また上記直動用コイルはシャフトの周方向に沿って、それぞれ略平行になるように巻装されていることを特徴とする回転・直動モータ。
回転可能かつ軸方向に沿って移動可能に設けられた可動子と、この可動子の外周に磁気ギャップを介して同心状に配置された固定子とを有し、この固定子の固定子鉄心には、上記可動子を回転させる回転用コイルと、上記可動子を軸方向へ直動させる直動用コイルとが設けられている回転・直動モータにおいて、上記可動子は、シャフトの外周に複数のリング状の磁石が、互いに隣接する磁石同士が異極になるように嵌着され、各リング状磁石は、軸方向の両端面が並行となるように波状に形成され、かつ左右の軸方向端面で異極となるように着磁されている一方、上記固定子の回転用コイルは上記シャフトの軸方向に沿って、また上記直動用コイルはシャフトの周方向に沿って、それぞれ略平行になるように巻装されていることを特徴とする回転・直動モータ。