(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネットを有するロッドと、前記ロッドを囲むコイルと、前記コイルを覆うハウジングと、を備え、前記マグネットの磁界と前記コイルに流す電流によって、前記ロッドを前記コイルに対して相対的に直線運動させるリニアモータにおいて、
前記ロッドの外周に、前記ロッドの軸線方向に伸びるスプライン溝が形成され、
前記ハウジングに、前記スプライン溝に嵌まって前記ロッドがその軸線回りに回転するのを制限する回り止め部が設けられ、
前記ロッドは、前記スプライン溝が形成されないと共に前記マグネットを有するマグネット軸と、このマグネット軸の端部に結合され、前記スプライン溝が形成されるスプライン軸と、を備えることを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
前記回り止め部は、内周面に転動体転走溝が形成されると共に転動体を循環させる転動体循環路を有するスプラインナットと、前記スプラインナットの前記転動体循環路に配列され、前記スプライン溝に対する前記スプラインナットの相対的な移動に伴って前記転動体転走溝と前記スプライン溝との間を転がり運動する転動体と、で構成されることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
【請求項３】
前記マグネット軸の中空空間に前記マグネットが挿入されることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
【請求項４】
前記スプライン軸の端部を前記マグネット軸の中空空間の端部に挿入することによって、前記スプライン軸が前記マグネット軸に結合されることを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。
【請求項５】
前記ハウジングには、前記スプライン軸を案内する前記スプラインナットと、前記マグネット軸を案内するブッシュが設けられ、
前記ロッドは、前記スプラインナット及び前記ブッシュの二箇所で支持されることを特徴とする請求項３又は４に記載のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネットの磁界とコイルに流す電流によって、直線運動するための推力を得るリニアモータに関し、特に積層された複数のコイルに、マグネットを有するロッドを挿入したロッドタイプのリニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
リニアモータは、回転形のモータの固定子側と回転子側を直線状に引き伸ばしたもので、電気エネルギを直線運動するための推力に変換する。直線的な推力が得られるリニアモータは、移動体を直線運動させる一軸のアクチュエータとして用いられる。
【０００３】
リニアモータを形状的に分けると、ロッドタイプとフラットタイプがある。ロッドタイプのリニアモータは、複数の円筒形のコイルを積層し、積層して出来たコイルの孔内にマグネットを有するロッドを挿入した構成になっている。例えばＵ・Ｖ・Ｗ相の三相に分けた複数のコイルに１２０°ずつ位相が異なる三相電流を流すと、コイルの軸線方向に移動する移動磁界が発生する。ロッドは移動磁界により推力を得て、移動磁界の速さに同期してコイルに対して相対的に直線運動を行う。他方、フラットタイプのリニアモータは、平板状のマグネットを複数個並べた軌道レールに複数のコイルを対向させる構成になっている。マグネットに対してコイルが相対的に直線運動を行なう原理は、ロッドタイプのリニアモータと同じである。
【０００４】
出願人は、この種のロッドタイプリニアモータとして、特許文献１に記載されたものを提案している。このリニアモータでは、ロッドの両端がベースに設けた支持ブラケットに固定され、コイルがロッドに対して直線運動する。すなわち、ロッド側が固定されるのに対し、コイル側が直線運動する。コイルはハウジングで覆われていて、コイル及びハウジングが直線運動するのは、ベースとハウジングの間に設けたリニアガイドにより案内されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００４−２４８４９０号公報
【発明の開示】
発明が解決しようとする課題
［０００６］
コイル及びハウジング側を固定して、ロッド側を直線運動させることができれば、アクチュエータとしてのリニアモータの利用範囲が広がる。出願人は開発の過程で、ベースにハウジングを固定し、ハウジングにブッシュを取り付け、該ブッシュでロッドが直線運動するのを案内することを試みた。
［０００７］
しかし、ロッドはコイル内で浮いた状態になっており、コイルからロッドにはロッドの軸線方向の推力しか働かないので、はずみでロッドに回転する力が加わると、ロッドがくるくると回転してしまった。ロッドには、移動体が取り付けられたり、フィードバック制御するためのリニアスケールが取り付けられたりするので、ロッドが回転すると、移動体が回転してしまったり、リニアスケールで速度や移動距離を検出できなかったりするという問題が生じる。
［０００８］
コイル側が直線運動する特許文献１に記載のリニアモータでは、ハウジングとベースとの間に設けたリニアガイドが、コイル側が回転するのを防止する役割を果たしていた。この特許文献１に記載のリニアモータの支持方法を、ロッド側が直線運動するリニアモータに適用すれば、ロッドが回転するのを低減できる。すなわち、コイル及びハウジングをベースに固定して、ベースとロッドとの間にリニアガイドを設ければ、ロッドが直線運動する際にロッドが回転するのを防止することができる。しかしこの方法だと、ベースとロッドとの間に設けられるリニアガイドが、リニアモータの寸法を大きくするのみならず、ロッドのストロークをも制限してしまう。
［０００９］
そこで、本発明は、コイルに対して相対的に直線運動するロッドが回転してしまうのを制限できるコンパクトなリニアモータを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［００１０］
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、マグネットを有するロッドと、前記ロッドを囲むコイルと、前記コイルを覆うハウジングと、を備え、前記マグネットの磁界と前記コイルに流す電流によって、前記ロッドを前記コイルに対して相対的に直線運動させるリニアモータにおいて、前記ロッドの外周に、前記ロッドの軸線方向に伸びるスプライン溝が形成され、前記ハウジングに、前記スプライン溝に嵌まって前記ロッドがその軸線回りに回転するのを制限する回り止め部が設けられ、前記ロッドは、前記スプライン溝が形成されないと共に前記マグネットを有するマグネット軸と、このマグネット軸の端部に結合され、前記スプライン溝が形成されるスプライン軸と、を備えることを特徴とするリニアモータにより、上述した課題を解決する。
［００１１］
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリニアモータにおいて、前記回り止め部は、内周面に転動体転走溝が形成されると共に転動体を循環させる転動体循環路を有するスプラインナットと、前記スプラインナットの前記転動体循環路に配列され、前記スプライン溝に対する前記スプラインナットの相対的な移動に伴って前記転動体転走溝と前記スプライン溝との間を転がり運動する転動体と、で構成されることを特徴とする。
［００１２］
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のリニアモータにおいて、前記マグネット軸の中空空間に前記マグネットが挿入されることを特徴とする。
［００１３］
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のリニアモータにおいて、前記スプライン軸の端部を前記マグネット軸の中空空間の端部に挿入することによって、前記スプライン軸が前記マグネット軸に結合されることを特徴とする。
［００１４］
請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載のリニアモータにおいて、前記ハウジングには、前記スプライン軸を案内する前記スプラインナットと、前記マグネット軸を案内するブッシュが設けられ、前記ロッドは、前記スプラインナット及び前記ブッシュの二箇所で支持されることを特徴とする。
発明の効果
［００１５］
請求項１に記載の発明によれば、廉価に且つコンパクトな構造で、コイルに対して相対的に直線運動するロッドが回転するのを制限できる。また、マグネット軸にスプライン溝が形成されないので、マグネット軸の肉厚を薄くすることができる。それゆえ、リニアモータをコンパクトにすることができる。
［００１６］
請求項２に記載の発明によれば、転動体の転がり接触を利用することにより、コイルに対して相対的に直線運動するロッドの摺動抵抗を低減することができる。
［００１７］
請求項３に記載の発明によれば、中空空間が形成されるマグネット軸にマグネットを挿入することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、マグネット軸とスプライン軸とを互いの軸線を一致させた状態で結合させることができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、スプラインナット及びブッシュによりロッドが直線運動するのを安定して案内することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態におけるリニアモータの外観斜視図。
【図２】モータ本体部、ロッド部及び検出部の分解斜視図。
【図３】リニアモータのマグネットとコイルを示す断面図。
【図４】モータ本体部の斜視図（図中（Ａ）はモータ本体部の斜視図を示し、図中（Ｂ）は分解斜視図を示す）。
【図５】コイルユニットを示す斜視図。
【図６】ロッド部の斜視図（図中（Ａ）はロッド部の斜視図を示し、図中（Ｂ）は分解斜視図を示す）。
【図７】マグネット軸とスプライン軸との結合部分を示す断面図。
【図８】スプライン軸とスプラインナットを示す斜視図。
【図９】検出部の斜視図（図中（Ａ）は検出部の斜視図を示し、図中（Ｂ）は分解斜視図を示す）。
【符号の説明】
【００２１】
４…コイル
５…ハウジング
７…ブッシュ
８…スプラインナット（回り止め部）
９…マグネット軸
１０ａ…スプライン溝
１０…スプライン軸
１１…ロッド
１３…マグネット
２８…ボール（転動体）
３１…戻し通路（転動体循環路）
３２…方向転換路（転動体循環路）
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
添付図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態におけるリニアモータの外観斜視図を示す。この実施形態のリニアモータは、一軸のアクチュエータで、電子部品等の移動体を一軸方向に搬送するのに用いられる。より具体的には、例えばチップ状の電子部品を所定の位置にマウントするチップマウンタのヘッド軸に用いられる。細長い直方体形状のモータ本体部１には、ロッド部２が進退可能に組み込まれる。ロッド部２の速度・移動距離は、モータ本体部１の後端に取付けた検出部３で検出される。
【００２３】
図２は、リニアモータを、モータ本体部１、ロッド部２、検出部３に分解した状態を示す。まず、これらの部分の概略の構成について説明する。
【００２４】
モータ本体部１は、積層された複数のコイル４（図４参照）をハウジング５で覆ってなる。ハウジング５の両端には、一対のエンド部材６が設けられる。一対のエンド部材６のうちの一方には、ロッド部２を案内するブッシュ７が設けられ、残りの一方にはロッド部２を案内するスプラインナット８が設けられる。この図２ではスプラインナット８がロッド部２に外嵌している状態が示されているが、スプラインナット８はロッド部２に外嵌すると共にエンド部材６に取り付けられている。モータ本体部１に対して直線運動するロッド部２は、これらブッシュ７及びスプラインナット８の二箇所で支持される。
【００２５】
ロッド部２は、マグネットを有するマグネット軸９と、スプライン溝が形成されたスプライン軸１０とを結合してなるロッド１１と、細長く伸びるロッド１１の後端に結合されたリニアスケール１２とから構成される。リニアスケール１２は、検出部３と協働してロッド部２の速度や移動距離を検出する。
【００２６】
検出部３は、その内部にリニアスケール１２の目盛を読み取るエンコーダを有する。この検出部３は、リニアモータのモータ本体部１が取付けられる相手部品のベース側に取付けられる。すなわち、モータ本体部１及び検出部３の両方がベース側に取付けられる。なお検出部３は、モータ本体部１の後端に取り付けられてもよい。
【００２７】
次に、上記リニアモータの作動原理について説明する。図３は、リニアモータのマグネットとコイルを示す。リニアモータは、回転形のモータと同様に、マグネットの磁界とコイルに流す電流によって運動するための力を得る。その一方、リニアモータは直線運動を行うものなので、コイル４が直線的に積層され、積層されたコイル４の中空空間をマグネット軸９が貫通する。
【００２８】
マグネット軸９には、パイプのように複数のマグネット１３が挿入される中空空間が形成される。この中空空間には、円柱状の複数のマグネット１３（セグメント磁石）が互いに同極が対向するように、すなわちN極とN極が、S極とS極とが対向するように積層される。マグネット軸９の周囲には、マグネット軸９を囲むコイル４が複数配置される。コイル４は３つでＵ・Ｖ・Ｗ相からなる一組の三相コイルとなる。一組のコイル４を複数組み合わせて、コイルユニットが構成される。
【００２９】
そして、Ｕ・Ｖ・Ｗ相の三相に分けた複数のコイル４に１２０°ずつ位相が異なる三相電流を流すと、コイル４の軸線方向に移動する移動磁界が発生する。マグネット軸９は、移動磁界により推力を得て、移動磁界の速さに同期してコイル４に対して相対的に直線運動を行う。
【００３０】
次に、リニアモータの各部の構成を、モータ本体部１、ロッド部２、検出部３の順番で説明する。
【００３１】
図４は、モータ本体部１を示す。モータ本体部１は、複数のコイル４を収容する部分である。コイル４は銅線を螺旋状に巻いたものである。この実施形態では、ハウジング５の寸法を抑えるために、コイル４を射出成型の金型にセットし、溶融した樹脂又は特殊セラミックスを流すインサート成型によりハウジング５を形成する。成型後に成型品を金型から取り出すと、コイル４の周囲がハウジング５で覆われている状態になる。このインサート成形により、ハウジング５の肉厚を薄くできるという利点がある。例えば、リニアモータを並べて使用する場合には、リニアモータの横幅を狭くする必要がある。なお、インサート成型しなくても、コイル４をアルミ製等のハウジング５に収納し、隙間を接着材で埋めて、コイル４をハウジング５に固定してもよい。
【００３２】
ハウジング５は、リニアモータを一軸アクチュエータとして使用する部分に取り付けられる。そのため、機械的剛性が高く材料が使用される。またハウジングには、コイルとの絶縁を保つ必要があるため、絶縁性の高い材料が使用される。さらに、ハウジングには、コイルの放熱性を高めるためにフィンが複数形成される。
【００３３】
ハウジング５の上面には、リニアモータを相手部品のベースに取付けるための位置決めピン１５やナット１６が埋め込まれる。ハウジング５の両端には、エンド部材１７が設けられる。このエンド部材１７はハウジング５と一体にインサート成型されてもよいし、ねじ等の結合手段によりハウジング５に結合されてもよい。一対のエンド部材１７のうち、一方には、ロッド１１のマグネット軸９を案内するためのブッシュ７が取り付けられ、残りの一方には、ロッド１１のスプライン軸１０を案内するためのスプラインナット８が取り付けられる。ブッシュ７、スプラインナット８はねじ１９等の結合手段によりエンド部材１７に取付けられる。エンド部材１７には、検出部３を位置決めするための位置決めピン２０が差し込まれる。
【００３４】
図４（Ａ）に示されるように、コイルユニット（複数のコイル４）はロッド１１のマグネット軸９がストロークする範囲のみに設けられ、スプライン軸１０がストロークする範囲には設けられていない。スプライン軸１０はマグネットを有さないので、たとえコイル４があったとしても、推力を発生させないからである。
【００３５】
図５は、コイルユニットを示す。コイルユニットは、銅線を螺旋状に巻いた一つのコイル４を複数個、例えば数十個積層したものである。コイル４のリード線４ａは、三つおきのＵ相同士のコイル、Ｖ相同士のコイル、Ｗ相同士のコイルで接続される。コイル４同士は絶縁させる必要があるので、コイル４間には絶縁材として樹脂製のスペーサ１４が介在される。スペーサ１４は、コイル４の正面形状と同様に円環形状に形成される。
【００３６】
図６は、ロッド部２を示す。ロッド部２は、マグネット軸９とスプライン軸１０とからなるロッド１１と、ロッド１１の後端に取り付けられるリニアスケール１２とから構成される。中空のマグネット軸９は、例えばステンレス等の非磁性材からなり、マグネット１３が収容されるパイプ体２３を有する。パイプ体２３の中空空間には、上述のように、円柱状の複数のマグネット１３（セグメント磁石）が互いに同極が対向するように積層される。マグネット１３の間には、ヨークとして例えば鉄等の磁性体からなるポールシュー２４（磁極ブロック）が介在される。マグネット軸９の先端には、マグネット１３をパイプ体２３内に固定するためのマグネット抑え２５が接着等により固定される。
【００３７】
マグネット軸９の後端には、スプライン軸１０が固定される。図７に示されるように、スプライン軸１０の端部がマグネット軸９の中空空間に挿入されることによって、スプライン軸１０がマグネット軸９に互いの軸線を一致するように結合される。スプライン軸１０の端部は、マグネット軸９に挿入されるマグネット１３を抑える役割ももつ。図６に示されるように、スプライン軸１０の外周には、スプラインナット８が嵌め込まれる。これらスプライン軸１０とスプラインナット８とで、ロッド１１がその軸線の回りに回転するのを制限する。
【００３８】
図８は、スプライン軸１０とスプラインナット８の斜視図を示す。スプライン軸１０の外周には、その軸線方向に伸びる複数状のスプライン溝１０ａが形成される。スプライン軸１０には、非磁性材料でかつ剛性の高いステンレス等が用いられる。スプライン溝１０ａには転動体としてのボールが転動するから、強度を高めるために焼き入れがされる。
【００３９】
スプラインナット８は、スプライン軸１０に遊嵌された外筒２７と、スプライン軸１０と外筒２７との間に転がり運動可能に介在される複数のボール２８と、外筒２７に組み込まれ、複数のボール２８をサーキット状のボール循環路（転動体循環路）に整列する保持器２９と、を備える。外筒２７の内周面には、スプライン軸１０のスプライン溝１０ａに対応して軸線方向に延びる複数条のボール転走溝（転動体転走溝）が形成される。外筒２７の軸線方向の両端には、外筒２７に保持器２９を組み付けるための止め輪３０が設けられている。
【００４０】
スプラインナット８に対するスプライン軸１０の相対的な直線運動に伴い、ボール２８がスプライン軸１０のスプライン溝１０ａと外筒２７のボール転走溝との間を転がり運動する。外筒２７のボール転走溝の一端まで転がったボールは、保持器２９によりスプライン溝１０ａから掬い上げられ、Ｕ字状の方向転換路３２を経由した後、向きを変えてボール転走溝と平行に伸びる戻し通路３１に入る。戻し通路３１を通過したボールは、反対側の方向転換路３２を経由した後、再びスプライン溝１０ａに戻される。ここで、戻し通路３１は保持器２９と外筒２７との間に形成されているので、戻し通路３１においてボール２８がスプライン溝１０ａに接触することはない。
【００４１】
スプラインナット８に形成されるボール転走溝と、スプライン軸１０のスプライン溝１０ａとの間には、ボール２８が介在されるから、スプラインナット８はスプライン軸１０がその軸線の回りに回転するのを制限する。これらスプラインナット８とボール２８が回り止め部となる。
［００４２］
図６に示されるように、スプライン軸１０の後端には、ねじ３４等の固定手段によりブラケット３５が固定される。このブラケット３５にリニアスケール１２が接着等により固定される。リニアスケール１２は、検出部のエンコーダと協働してリニアエンコーダを構成する。リニアスケール１２には一定間隔で細かい目盛が配列される。
［００４３］
図９は、検出部３を示す。検出部３は、ハウジング５の後端にエンド部材６を介して取り付けられるブラケット３６と、ブラケット３６に固定されるエンコーダ３７とを備える。ブラケット３６には中空空間が形成され、この中空空間にリニアスケール１２が導入される。ブラケット３６の上面には、ブラケット３６の内部を視認できる窓が形成される。この窓にエンコーダ基板３８がねじ３９等により固定される。ブラケット３６の上面には、ねじ３９に螺合するナット４１が埋め込まれる。エンコーダ基板３８の下面には、リニアスケール１２を読み取るエンコーダ３７が設けられる。エンコーダ３７は、発光ダイオードを光源とし、フォトダイオードによりリニアスケール１２の目盛を読み取る。エンコーダ３７が読み込んだパルス信号からロッド１１の移動距離が検出され、フィードバック制御などに利用される。ブラケット３６の端はカバー４０で覆われる。
［００４４］
なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更できる。スプラインナットとスプライン溝との間に転がり接触するボールを介在させなくても、スプラインナットにスプライン溝に嵌ると共にすべり接触する突起を設け、該突起でロッドの回り止めをしてもよい。さらに、本発明のリニアモータは、一軸のアクチュエータに用いられるのに限られることなく、多数組み合わせて多軸のアクチュエータとして用いてもよい。
［００４５］
本明細書は、２００５年８月３１日出願の特願２００５−２５１１８４に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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