WO2012176236A1

WO2012176236A1 - リニアモータ

Info

Publication number: WO2012176236A1
Application number: PCT/JP2011/003568
Authority: WO
Inventors: 陽介高石; 興起仲; 小林　学
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-12-27
Also published as: JPWO2012176236A1; CN103650306A; KR101370230B1; CN103650306B; TWI448050B; KR20130143676A; TW201301718A; JP5372298B2

Abstract

従来のリニアモータの問題点であった、リニアモータの小型化に伴う機械とリニアモータの結合強度低下を解消し、高剛性の磁石配列部と推力伝達部を有するコイル占積率の高い集中巻コイルを備えたリニアモータを得るため、自身に発生する各励磁相が互いに重なり合わずに巻回された複数個のコイル１１を有する固定部１と、固定部１内に配置される、複数個の永久磁石２１が積層された可動部２と、可動部２に結合された推力伝達部２８とを備え、コイル１１からの磁束６１を受け、軸線方向に可動部２及び推力伝達部２８が駆動し、コイル１１は、軸線方向に垂直な断面形状が、一側を開放する凹形状をなし、推力伝達部２８は、凹形状のコイル１１が存在しない開放部に沿うべく配置しつつ、開放部に位置する可動部２と結合される。

Description

リニアモータ

この発明は、コの字形状の集中巻コイルを備えたリニアモータに関する。

従来の集中巻コイルを備えたリニアモータは、リニアモータの可動部から機械にリニアモータの推力を伝える場合、円柱状の複数個の永久磁石を円筒状の可動子（磁石配列部）内部に並べ、この可動子の外側に円筒状に巻回して構成される複数のコイル（集中巻コイル）で構成される固定子内部に可動子を挿入し、可動子とシャフト（推力伝達部）の剛性をそれぞれ確保し、可動子の端面設けられた凹部にシャフトを圧入したうえで、機械とシャフトを結合していた（例えば、特許文献１参照）。

また、別のコイル構造として分布巻コイルを備えたリニアモータがあるが、従来の分布巻コイルを備えたリニアモータは、リニアモータの可動子（推力伝達部）と機械の結合強度を高くする場合、２つの永久磁石群を保持する保持部材（磁石配列部）と対向配置されるように電機子コイル（分布巻コイル）をコの字形状に成形し、さらに保持部材と可動子を一体結合して、すなわち保持部材と可動子の結合面積を大きくして対応していた（例えば、特許文献２参照）。

特許第４４１９１５１号公報（第８頁、第１図）特開２００１－１１２２３４号公報（第１０頁、第６図）

従来のリニアモータは、以上のように構成されているので、例えば、集中巻コイルを備えたリニアモータでは、集中巻コイル構造を維持したままリニアモータを小型化しようとすると、シャフト（推力伝達部）を小径化するためシャフト（推力伝達部）と可動子（磁石配列部）間の結合面積が不足する、あるいは可動子（磁石配列部）とシャフト（推力伝達部）の剛性確保が難しくなるという問題点があった。

一方、コイル構造が分布巻コイルのリニアモータでは、分布巻コイルをコの字形状に成形し、さらに保持部材（磁石配列部）と可動子（推力伝達部）の一体結合とすることで、保持部材（磁石配列部）と可動子（推力伝達部）の高剛性化は可能となるが、この分布巻コイルを備えたリニアモータを小型化しようとすると、コイル構造が分布巻構造であるため、励磁相の異なるコイル同士が互いに重なり合ってしまい、その結果、コイル構造内部に不要な空間が多数発生し、この多数の空間が分布巻コイルを備えたリニアモータ小型化の阻害要因となっていた。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、その目的は、磁石配列部と推力伝達部の間の結合面積を十分に備え、磁石配列部と推力伝達部の高剛性を確保したコイル占積率の高い集中巻コイルを備えたリニアモータを得ることである。

この発明に係るリニアモータにおいては、自身に発生する各励磁相が互いに重なり合わずに巻回された複数個のコイルを有する固定部と、固定部内に配置される、複数個の永久磁石が積層された可動部と、可動部に結合された軸とを備え、コイルからの磁束を受け、軸線方向に可動部及び軸が駆動し、コイルは、軸線方向に垂直な断面形状が、一側を開放する凹形状をなし、軸は、凹形状のコイルが存在しない開放部に沿うべく配置しつつ、開放部に位置する可動部と結合される。

この発明により、リニアモータの磁石配列部と推力伝達部の間の結合面積を大きくすることで、磁石配列部と推力伝達部の高剛性化が可能となるため、その結果、機械とリニアモータの結合強度を高く維持することができ、小型でコイル占積率の高い集中巻コイルを備えたリニアモータを実現することが可能となる。

この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータの断面図である。この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータの分解斜視図である。この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータのすべり軸受の構造図である。この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータの制御部の構成図である。この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータのコイルのスロットと永久磁石数の関係を示す図である。この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータのコの字形状のコイルの作製方法を示す図である。この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータのコイルのスロットと永久磁石数の組み合わせが３ｎ対２ｎ及び９ｎ対８ｎの場合のコイル形状を示す図である。この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータのボビンの斜視図である。

実施例１．
図１は、この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータの断面図であり、図２は、この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータの分解斜視図である。図１と図２において、１は集中巻コイルを備えたリニアモータの固定部、２は集中巻コイルを備えたリニアモータの可動部で、固定部１に対して軸線方向に相対変位が可能である。３１は可動部２を支え、軸線方向に垂直な断面がＬ字形状をしたすべり軸受、５１は電源用リード線、１１は電源用リード線５１から電流を流して磁束を発生させるための軸線方向に垂直な面と平行にコの字形状に屈曲し、可動部２の両側面に対向配置された複数個のコイルである。１１１はコイル１１のスロットで、コイル１１を構成するＸ方向（上下方向）の直線部に該当する。

１２は複数個のコイル１１を各々電気的に絶縁すると共に各々のコイル１１を固定する樹脂製の軸線方向に垂直な断面がコの字形状をしたボビン、１３は発生した磁束の磁気回路となる上フレーム、１４は発生した磁束の磁気回路となる、軸線方向に垂直な断面がＵ字形状をした下フレーム、１５は機械剛性を高くするためのベース、１６は軸（シャフト）を支える軸受、１７は軸受１６を保持するブラケット、１８は異物の侵入を防ぐカバー、４１は位置検出器、５２は位置検出器用リード線であり、固定部１は、すべり軸受３１、コイル１１、ボビン１２、上フレーム１３、下フレーム１４、ベース１５、軸受１６、ブラケット１７、カバー１８、位置検出器４１で構成される。

一方、３２はすべり軸受３１の表面を摺動案内する摺動部材、２１は複数個のコイル１１の発生磁束との相互作用により推力を発生するために積層された複数個の永久磁石であり、永久磁石２１の軸線方向に垂直な断面は矩形状である。２２は磁性材もしくは非磁性材からなり、積層された複数個の永久磁石２１のＮ極及びＳ極の磁極が軸線方向に交互に形成されるように複数個の永久磁石２１の間に配置されるスペーサ、２７は磁石配列部であり、磁石配列部２７は永久磁石２１とスペーサ２２で構成される。また、可動部２は、摺動部材３２と磁石配列部２７で構成される。

２３ａはシャフト結合部、２３ｂは永久磁石２１とスペーサ２２に結合して発生推力を機械に伝達する軸（シャフト）、２３ｃはリニアモータと機械が連結されるシャフト先端部、２８は推力伝達部であり、推力伝達部２８はシャフト結合部２３ａとシャフト２３ｂとシャフト先端部２３ｃで構成される。２６はスケール結合部材、４２はスケールである。図１と図２において、シャフト結合部２３ａは可動部２を構成する磁石配列部２７の上面に全面にわたって接着結合されている。シャフト２３ｂのもう一方の端部は固定部１の外部に出ており、位置検出用に使われる。可動部２は固定部１の内部に配置され、図１中のＺ方向に可動な構造となっている。また、複数個のコイル１１は複数個の永久磁石２１の外側に対向配置されている。

スケール４２はスケール結合部材２６によって、シャフト先端部２３ｃに結合されており、シャフト２３ｂの動きに合わせて可動する構造となっている。また、スケール４２は、その内部には光学的もしくは磁気的な位置情報が記録されており、固定部１に結合された位置検出器４１によって、シャフト２３ｂの図１中のＺ方向の位置を検出し、位置検出器用リード線５２から制御部へ位置信号を伝達する構造となっている。

Ａ－Ａ’断面とＢ－Ｂ’断面は、図１に示す集中巻コイルを備えたリニアモータのＸ－Ｙ面に沿った断面を示す。なお、図１では、コイルのスロット１１１の数対コイルのスロット１１１と相互作用する永久磁石２１の磁極数が、１２スロット対１０極（６ｎ対５ｎ系列におけるｎ＝２）の場合を示している。

図３は、この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータのすべり軸受の構造図である。すべり軸受３１は樹脂製（非磁性材）であり、図３のＡ－Ａ’断面に示すように軸線方向に垂直な断面がＬ字形状をしている。一方、摺動部材３２はＳ５０Ｃ等であり、上フレーム１３及び下フレーム１４はＳＰＣＣ等のいずれも磁性材である。ここで、摺動部材３２と上フレーム１３の間、摺動部材３２と下フレーム１４の間のそれぞれのギャップは、Ｌ字形状のすべり軸受３１が介在する側は小さく、介在しない側は大きくしており、永久磁石２１の作る磁束６１によって発生する磁気吸引力６２は、Ｌ字形状のすべり軸受３１が介する側に大きく働く。その結果、摺動部材３２とすべり軸受３１は、一定の磁気吸引力６２で常に接触しながら摺動する構造となっている。

図４は、この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータの制御部の構成図である。図４において、９０は制御部、１００はリニアモータである。９１は位置制御回路、９２は速度制御回路、９３は電流制御回路、９９は電流検出器であり、制御部９０は位置制御回路９１、速度制御回路９２、電流制御回路９３、電流検出器９９で構成される。

スケール４２及び位置検出器４１により検出された位置情報は、リニアモータ１００の制御部９０にフィードバックされる。位置制御回路９１は位置検出器４１からの位置フィードバック値と指令値とを比較することによって位置制御し、速度制御回路９２は位置制御回路９１からの出力値と位置フィードバック値を微分した速度フィードバック値を比較することによって速度制御し、電流制御回路９３は速度制御回路９２からの出力値と電流検出器９９からの電流フィードバック値を比較することによって推力制御することがそれぞれ可能である。

図５は、この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータのコイルのスロットの数と永久磁石数の関係を示す図である。図５（ａ）は、コイルのスロット１１１の数対永久磁石２１の磁極数が６ｎ対５ｎの場合を説明する図であり、図５（ｂ）は、６ｎ対７ｎの場合を説明する図である。また、図６は、この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータの軸線方向に垂直な面と平行なコの字形状のコイルの作製方法を示す図である。

図５において、コイルのスロット１１１の数と永久磁石２１の磁極数の組み合わせが、６ｎ対５ｎ、６ｎ対７ｎの場合のスロット１１１で発生する励磁相の配列順は、軸線方向に沿って設計上Ｕ＋、Ｕ－、Ｖ－、Ｖ＋、Ｗ＋、Ｗ－の順となるため、図５に示すように、同じ励磁相のスロット１１１（例えば、Ｕ＋、Ｕ－）が軸線方向に沿って隣接する必要がある。この同じ励磁相のスロット１１１が軸線方向に沿って隣接する条件を満足する構造として、図６に示すような、ロの字形状のコイル１１の両端部を上方に折り曲げて成形したコの字形状が考えられ、コの字形状のコイル１１の開放部（例えば、図２の上部）、すなわち磁石配列部２７の上面にシャフト結合部２３ａを配置することで、磁石配列部２７と推力伝達部２８の間の結合面積を大きくすることができ、磁石配列部２７と推力伝達部２８の高剛性化が可能になり、磁石配列部２７と推力伝達部２８の結合強度を高くすることができる。

従って、この発明は、分布巻コイルからよりコイル占積率の高い集中巻コイルへの置き換えに加えて、コイル１１として作製容易な軸線方向に垂直な面と平行なコの字形状の構造を適用することで、磁石配列部２７の上面にシャフト結合部２３ａを配置して磁石配列部２７と推力伝達部２８の結合強度を高め、その結果、リニアモータと機械との結合強度を高くするものであり、軸線方向に沿って励磁相の異なるコイル１１が互いに重なり合うことをなく、リニアモータを小型化することができる。

一方、図７は、この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータのコイルのスロットと永久磁石数の組み合わせが３ｎ対２ｎ及び９ｎ対８ｎの場合のコイル形状を示す図である。図７（ａ）は、コイルのスロット１１１の数対永久磁石２１の磁極数が３ｎ対２ｎの場合のコイル形状を示す図であり、図７（ｂ）は、９ｎ対８ｎの場合のコイル形状を示す図である。

組み合わせが３ｎ対２ｎの場合、スロット１１１で発生する励磁相の配列順は、軸線方向に沿って設計上Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋の順となるが、図６に示すようなコの字形状のコイル１１では、同じ励磁相のスロット１１１（例えば、Ｕ＋、Ｕ－）が軸線方向に沿って２本隣接してしまうため、軸線方向に沿って互いに異なる励磁相のスロット１１１が連なる必要があるＵ＋、Ｖ＋、Ｗ＋の配列順に対しては、コの字形状のコイル１１は適用できない。従って、組み合わせが３ｎ対２ｎの場合の適用可能なコイル形状は、図７（ａ）に示すようなロの字形状のコイルとなる。

また、組み合わせが９ｎ対８ｎの場合、スロット１１１で発生する励磁相の配列順は、軸線方向に沿って設計上Ｕ－、Ｕ＋、Ｕ－、Ｖ－、Ｖ＋、Ｖ－、Ｗ－、Ｗ＋、Ｗ－の順となり、同じ励磁相のスロット１１１（例えば、Ｕ－、Ｕ＋、Ｕ－）が軸線方向に沿って３本隣接する必要があるが、この場合、コイル１１の形状は図７（ｂ）に示すように、形状が軸線方向に沿って３本のスロット１１１が連なる必要があり、従って、同じ励磁相のスロット１１１（例えば、Ｕ＋、Ｕ－）が軸線方向に沿って２本隣接するコの字形状のコイルは適用できない。

図８は、この発明の実施例１を示す集中巻コイルを備えたリニアモータのボビンの斜視図である。図８に示すように、この発明の実施例１における樹脂製のボビン１２は、軸線方向に垂直な断面がコの字形状であり、さらにボビン１２には、複数個のコイル１１をそれぞれ位置決めして固定するために、コイル１１とコイル１１の各境界に複数の凸状の第１段差部である段差部７１と、コイル１１が有する各スロット数を２本に規定する複数の凸状の第２段差部である段差部７２がそれぞれ設けられている。複数の段差部７１によって、複数個のコイル１１は各コイル１１が固定される区画内に区切られて位置決めされ、各コイル１１が電気的に絶縁される。また、複数の段差部７２によって、コイル１１が有する各スロット数を２本に規定するように成形される。

このように、軸線方向に垂直な断面がコの字形状のボビン１２は、複数の段差部７２によるコイル１１が有する各スロット数を２本に規定するように成形する治具と、複数の段差部７１による隣接するコイル１１間の位置決め機能を兼用した構造を有している。その結果、この発明の実施例１におけるボビン１２を適用することで、リニアモータを小型化する際に小型で高精度の固定部１を製作することができる。

なお、実施例１では、この発明を細長いシャフト状の機構に推力を伝える構造を有したリニアモータに適用する場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば、テーブル状の機構に推力を伝える構造を有したリニアモータに適用しても同様の効果を得ることができる。

さらに、図３で説明した集中巻コイルを備えたリニアモータにおいては、摺動部材３２と断面がＬ字形状のすべり軸受３１が、一定の磁気吸引力６２でもって常に接触した状態となるため、摺動部材３２とすべり軸受３１の間にはギャップが存在せず、その結果、従来の集中巻コイルを備えたリニアモータの構成では生じていたギャップに起因したがたつきや変動もなく、シャフト先端部２３ｃの位置決め精度を高くすることが可能となる。また、従来の集中巻コイルを備えたリニアモータの構成のままでギャップを小さくしようとした場合、摺動部材３２とすべり軸受３１の寸法を高精度に加工する必要があったが、この実施例１における集中巻コイルを備えたリニアモータの構成では、その加工も必要もない。

このように、この発明の集中巻コイルを備えたリニアモータの構成によれば、リニアモータのシャフト先端部の位置決め精度を高くすることができるので、表面実装機や基板検査機へのリニアモータの適用が可能となり、例えば、電子基板に実装する部品の高密度化が可能となる。

１　固定部、２　可動部、１１　コイル、１２　ボビン、１３　上フレーム、１４　下フレーム、１５　ベース、１６　軸受、１７　ブラケット、１８　カバー、２１　永久磁石、２２　スペーサ、２３ａ　シャフト結合部、２３ｂ　シャフト、２３ｃ　シャフト先端部、２６　スケール結合部材、２７　磁石配列部、２８　推力伝達部、３１　すべり軸受、３２　摺動部材、４１　位置検出器、４２　スケール、５１　電源用リード線、５２　位置検出器用リード線、６１　磁束、６２　磁気吸引力、７１　段差部、７２　段差部、９０　制御部、９１　位置制御回路、９２　速度制御回路、９３　電流制御回路、９９　電流検出器、１００　リニアモータ、１１１　スロット。

Claims

自身に発生する各励磁相が互いに重なり合わずに巻回された複数個のコイルを有する固定部と、
該固定部内に配置される、複数個の永久磁石が積層された可動部と、
前記可動部に結合された軸と、
を備え、前記コイルからの磁束を受け、軸線方向に前記可動部及び前記軸が駆動するリニアモータにおいて、
前記コイルは、前記軸線方向に垂直な断面形状が、一側を開放する凹形状をなし、
前記軸は、該凹形状の前記コイルが存在しない前記開放部に沿うべく配置しつつ、前記開放部に位置する前記可動部と結合されることを特徴とするリニアモータ。
前記コイルは前記可動部の両側面と対向配置するようにコ字形状であることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
前記可動部の両側面に対向配置された前記コイルが形成するスロット数と前記コイルと相互作用する前記永久磁石の磁極数との比は、６ｎ対５ｎ、又は６ｎ対７ｎ（ｎは自然数）であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリニアモータ。
前記コイルは、断面がコ字形状であるボビン内に配設されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のリニアモータ。
前記ボビンのコイル固定面には前記コイル間の各境界を区切る複数の凸状の第１段差部を設け、該第１段差部によって複数個の前記コイルが各々電気的に絶縁されることを特徴とする請求項４に記載のリニアモータ。
前記ボビンのコイル固定面には前記コイルの各々が固定される各区画内に複数の凸状の第２段差部をさらに設け、該第２段差部によって複数個の前記コイルが有する各スロットが規定されることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のリニアモータ。
前記第２段差部は複数個の前記コイルが有する各スロット数を２本に規定することを特徴とする請求項６に記載のリニアモータ。
前記可動部は、複数個の前記永久磁石の一方の先端部に配置され、前記固定部内部を軸線方向に摺動案内する磁性材から成る摺動部材をさらに有し、
前記固定部は、前記摺動部材を摺動可能に支持する前記固定部内面に当接された非磁性材から成るすべり軸受をさらに有し、
前記摺動部材は、前記摺動部材の中心軸が前記コイルによって形成される内空間の断面中心軸から前記すべり軸受側に偏心して配置されると共に前記すべり軸受と当接することで、前記永久磁石からの磁気吸引力を偏心方向に作用させることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のリニアモータ。
前記固定部の内断面は矩形状であり、前記摺動部材は矩形状であり、前記すべり軸受の断面はＬ字形状であることを特徴とする請求項８に記載のリニアモータ。