JPWO2019150718A1 - リニアモータ、リニアモータの製造方法 - Google Patents

Abstract

リニアモータ１００は、界磁磁石５２を含む可動子５０と、可動子５０の可動方向に連結された複数のコイルモジュール２０を含む固定子１０と、を備える。コイルモジュール２０は、可動方向に配列された複数のコイル２６を含む。

Description

本発明は、リニアモータおよびリニアモータの製造方法に関する。

電気エネルギーを直線運動に変換するためにリニアモータが利用される。リニアモータの一種として、マグネットがコイルに沿って走行するムービングマグネット型のリニアモータがある。例えば、特許文献１には、固定子に電機子コイルを有し、可動子に界磁マグネットを有するムービングマグネット型のリニアスライダが記載されている。

国際公開第２００５／１２２３６９号

本発明者はムービングマグネット型のリニアモータ（以下、単にリニアモータという）について以下の認識を得た。
多くの場合、リニアモータは用途によって可動子の可動ストロークが異なる。したがって、リニアモータは所望の可動ストロークに応じて長さの異なる電機子コイルを用意する必要がある。つまり、様々な用途に対応するためには、用途ごとに異なる長さの電機子コイルを製造する必要がある。

可動方向に配列された複数のコイルを樹脂成形して電機子コイルを製造する場合がある。この場合、用途ごとに異なる長さの金型を用意する必要があるため不経済である。さらに、電機子コイルが特に長い場合には、通常の金型や樹脂成形設備では製造が難しい問題もある。これらから、本発明者らは、リニアモータには電機子コイルの製造を容易にする観点から、改善する余地があることを認識した。
このような課題は、樹脂成形によって製造される電機子コイルに限らず、他の方法により製造される電機子コイルについても生じうる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的は、電機子コイルの製造を容易にするリニアモータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のリニアモータは、界磁磁石を含む可動子と、可動子の可動方向に連結された複数のコイルモジュールを含む固定子と、を備える。コイルモジュールは、可動方向に配列された複数のコイルを含む。

本発明の別の態様はリニアモータを製造する方法である。この方法は、上述のリニアモータを製造する方法であって、ケース２２に複数のコイルを収容することと、複数のコイルを収容したケースに樹脂を流し込みコイルモジュールを形成することと、複数のコイルモジュールを可動方向に並べて梁部材に固定することと、コイル２６に配線部材３４を電気的に接続することと、を含む。

本発明によれば、電機子コイルの製造を容易にするリニアモータを提供することができる。

本発明の実施の形態に係るリニアモータを示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のリニアモータの固定子を概略的に示す平面図である。 図１の固定子の配線を概略的に説明する説明図である。 図１のリニアモータの固定子の製造工程を説明する工程図である。 第１変形例に係るリニアモータの断面図である。 第２変形例に係るリニアモータの断面図である。 第３変形例に係るリニアモータの断面図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに各図面を参照しながら説明する。実施の形態および変形例では、同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

なお、以下の説明において、「平行」、「垂直」は、完全な平行、垂直だけではなく、誤差の範囲で平行、垂直からずれている場合も含むものとする。また、「略」は、おおよその範囲で同一であるという意味である。
また、第１、第２などの序数を含む用語は多様な構成要素を説明するために用いられるが、この用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられ、この用語によって構成要素が限定されるものではない。
また、リニアモータは、可動子が円弧状など湾曲した軌道を移動するものを含み、可動子が直線状の軌道を移動するものに限定されない。

［実施の形態］
図面を参照して、本発明の実施の形態に係るリニアモータ１００について説明する。図１は、実施の形態に係るリニアモータ１００を示す平面図である。図２はリニアモータ１００のＡ−Ａ線に沿った側断面図である。

以下、主にＸＹＺ直交座標系をもとに説明する。Ｘ軸方向は、図１において紙面左右方向に対応し、図２において紙面に垂直な方向に対応する。Ｙ軸方向は、図１、図２において紙面上下方向に対応する。Ｚ軸方向は、図１において紙面に垂直な方向に対応し、図２において紙面左右方向に対応する。Ｙ軸方向およびＺ軸方向はそれぞれＸ軸方向に直交する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれの正の方向は、各図における矢印の方向に規定され、負の方向は、矢印と逆向きの方向に規定される。また、Ｘ軸の正方向側を「右側」、Ｘ軸の負方向側を「左側」ということもある。また、Ｙ軸の正方向側を「前側」、Ｙ軸の負方向側を「後側」、Ｚ軸の正方向側を「上側」、Ｚ軸の負方向側を「下側」ということもある。このような方向の表記はリニアモータ１００の使用姿勢を制限するものではなく、リニアモータ１００は、用途に応じて任意の姿勢で使用されうる。

（リニアモータ）
リニアモータ１００は、固定子１０と、可動子５０と、を備える。可動子５０は磁気的空隙６０に磁気回路を形成する。リニアモータ１００は、磁気的空隙６０において固定子１０に可動方向の推力を生じさせるエネルギー変換機構として機能する。実施の形態では、可動方向はＸ軸方向と一致するように配置されている。

（可動子）
先に可動子を説明する。可動子５０は、一対の界磁磁石５２と、一対のヨーク５４と、スペーサ５６と、を含む。界磁磁石５２、一対のヨーク５４は、磁気的空隙６０に界磁磁界を形成する磁気回路を構成する。磁気的空隙６０は、一対の界磁磁石５２の間の空隙である。

一対のヨーク５４は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に延在してＺ軸方向に薄い板状の部材である。平面視において、一対のヨーク５４は、Ｘ軸方向に平行な２辺とＹ軸方向に平行な２辺とを有する略矩形の輪郭を有する。一対のヨーク５４は、公知の様々な軟磁性材料で形成される。一対のヨーク５４は、Ｚ軸方向に離れて互いに平行に配置されている。

スペーサ５６は、一対のヨーク５４間の上側領域に配置され、一対のヨーク５４のＺ軸方向の間隔を保持する。一対のヨーク５４は、その上端近傍に設けられた複数の貫通孔を介して固定具５８（例えばボルト）によりスペーサ５６に固定される。

界磁磁石５２は、磁気的空隙６０に界磁磁界を形成する磁束の供給源として機能する。界磁磁石５２は、１または複数の磁石を含んでもよい。界磁磁石５２は、複数の磁石をハルバッハ配列に配置して構成されてもよい。界磁磁石５２の表面には、Ｘ軸方向に所定の間隔で複数の磁極が設けられる。実施の形態では６極の磁極が設けられている。界磁磁石５２は、公知の様々な磁石材料で形成されてもよい。この例では、界磁磁石５２は、ＮｄＦｅＢなどの希土類磁石材料で形成されている。界磁磁石５２は、接着など公知の手段によってヨーク５４に固定されてもよい。

（固定子）
固定子１０は、Ｘ軸方向に延在する複数のコイルモジュール２０と、梁部材３０と、第２梁部材３１と、配線部材３４と、を含む。複数のコイルモジュール２０は可動方向であるＸ軸方向に並べられている。コイルモジュール２０は、例えば、平面視にて略矩形を呈し、Ｚ軸方向に薄い略板状の部材である。この例では、コイルモジュール２０は、平面視にて、長辺がＸ軸方向に沿い、短辺がＹ軸方向に沿うように配置されている。

コイルモジュール２０は、コイル組立２４と、ケース２２と、を含む。コイル組立２４は、Ｘ軸方向に配列された複数のコイル２６と、コネクタ３６と、を含む。複数のコイル２６は樹脂２４ｍに包まれることによって一体化されている。ケース２２を設ける場合、一例として、コイル組立２４は、複数のコイル２６が配置されたケース２２に樹脂２４ｍを注入することによって形成される。なお、ケース２２を設けることは必須ではない。ケース２２を設けない場合、一例として、コイル組立２４は、複数のコイル２６が配置された金型内に樹脂２４ｍを注入して成形するインサート成形によって形成される。これらの製法はあくまでも一例であって、コイル組立２４は、その他の様々な製造方法によって形成されてもよい。

コイル２６は、Ｘ軸方向に平行な２辺とＹ軸方向に平行な２辺とを有し、四隅がＲ形状に丸められた略矩形の輪郭を有する。コイル２６は、辺を有しない全体として楕円などの曲線により構成される輪郭を備えてもよいし、その他の様々な形状の輪郭を備えてもよい。コイル２６は、有鉄芯コイルであってもよいが、この例では、空芯コイルである。コイル２６は、Ｚ軸の周りを周回するように巻かれたワイヤから構成される。コイル２６に駆動電流が供給されると、コイル２６は、Ｚ軸方向の磁束を発生させ、界磁磁石５２にＸ軸方向の推力を発生させる電機子コイルとして機能する。

コネクタ３６は、複数のコイル２６のリード線に電気的に接続された電極を含む。コネクタ３６は、インサート成形前に、複数のコイル２６のリードワイヤ（引き出し線）に接続され、インサート成形により複数のコイル２６と一体化されてもよい。あるいは、コネクタ３６は、インサート成形後の複数のコイル２６のリード線に接続されてもよい。この場合、コイル２６のからリード線を直出しにして、そのリード線の先端にコネクタ３６を接続するようにしてもよい。

ケース２２は、コイル組立２４の周囲を覆うように設けられる。ケース２２は、コイル２６やコイル２６の周囲を取り囲む樹脂２４ｍから発生するガスの外部への流出を抑制する。ケース２２は、上面が開放された５面からなる箱形状のケース本体２２ｂと、ケース本体２２ｂの上面を覆う蓋２２ｃと、から構成される直方体の箱体である。蓋２２ｃは、コイル組立２４を収容したケース本体２２ｂの上面に、例えば溶接などによって固定されてもよい。ケース２２は、非磁性ステンレスなどの金属材料や、セラミックなどの非金属材料で形成されてもよい。

次に、配線部材３４について説明する。図３は、固定子１０を概略的に示す平面図である。図４は、固定子１０の配線を説明する説明図である。配線部材３４は、駆動回路４０からコイル２６に電流を供給する経路として機能する。駆動回路４０からの電流は、配線部材３４とコネクタ３６とコネクタ３６の電極に接続されたリードワイヤ２６ｂとを介してコイル２６に流れる。配線部材３４は、例えばワイヤモジュールやプリント配線基板である。実施の形態では、配線部材３４は、コネクタ３６と接続するための別のコネクタ（不図示）を搭載したプリント配線基板である。実施の形態では、配線部材３４は、後述する梁部材３０の通路凹部３０ｂに収容される。

複数のコイルモジュール２０に駆動電流を供給する方式として、全励磁方式と部分励磁方式とが考えられる。全励磁方式は、１つの相を構成する全コイルに駆動電流を供給する方式である。全励磁方式は、配線が比較的容易であるという特徴を有する。部分励磁方式は、可動子５０の近傍のコイル２６に選択的に駆動電流を供給する方式である。部分励磁方式は、無駄な電力が小さいという特徴を有する。実施の形態では、部分励磁方式を採用している。図４に示すように、それぞれのコイルモジュール２０は、他のモジュールとは独立して駆動回路４０に接続されている。

梁部材３０および第２梁部材３１は、複数のコイルモジュール２０を連結するとともに、固定子１０に所望の剛性を付与するための梁として機能する。この例では、梁部材３０および第２梁部材３１は、Ｘ軸方向に延びる断面矩形の棒状部材である。図２に示すように、梁部材３０には、Ｘ軸方向に延びる通路凹部３０ｂが設けられている。通路凹部３０ｂは、コイルモジュール２０側が開放されており、上向きに後退する凹部である。通路凹部３０ｂは、コネクタ３６および配線部材３４を収容する。梁部材３０はコイルモジュール２０の上面に、第２梁部材３１はコイルモジュール２０の下面にそれぞれ接するように配置される。複数のコイルモジュール２０は、梁部材３０および第２梁部材３１にボルトなどの固定部材３２によって固定される。梁部材３０は、シームレスな一体部材として形成されてもよいし、複数の部材が一体化されてもよい。第２梁部材３１についても同様である。

次に、コイルモジュール２０を構成する複数のコイル２６のコイル数（以下、単にコイル数という）について説明する。３相駆動する場合は、コイル数は３の整数倍であることが望ましい。なお、コイル数は３の整数倍であることは必須ではなく、コイル数は任意に設定されてもよい。つまり、コイルモジュール２０は必要に応じて３の整数倍以外の個数のコイル２６で構成されてもよい。特に、ムービングマグネット型で部分励磁をする場合、３の整数個のコイル２６を励磁すればよいため、３の整数個以外でモジュール化してもよい。

可動ストロークが長いモータの場合、コイル数が３個だと、コイルモジュール数が増えて製造コストが高くなるので、コイル数は６個が望ましい。可動ストロークが短いモータの場合、コイル数が６個以上だと、固定子が不必要に長くなる可能性があるのでコイル数は３個が望ましい。

１つのコイルモジュール２０が長くなり過ぎると、コイルモジュール２０が反って可動子５０に接触する可能性が高くなる。この観点から、コイル数は６個以下が望ましい。

次に、リニアモータ１００の製造工程の一例について説明する。図５は、リニアモータ１００の製造工程Ｓ８０を説明する工程図である。特に、製造工程Ｓ８０は、固定子１０を製造する工程Ｓ８２〜Ｓ９２を含んでいる。

工程Ｓ８２において、表面が絶縁されたワイヤを巻線して空芯のコイル２６を製造する。

工程Ｓ８４において、複数のコイル２６をケース本体２２ｂに収容する。ケース本体２２ｂに収容する前または後に複数のコイル２６にコネクタ３６を取付ける。実施の形態では、コネクタ３６は、ケース本体２２ｂに収容する前にコイル２６に取付けられる。コネクタ３６は、次工程で流し込まれる樹脂２４ｍによってコイル２６と一体化される。

工程Ｓ８６において、複数のコイル２６を収容したケース本体２２ｂに、樹脂２４ｍを流し込むことによって複数のコイル２６を一体化し、コイル組立２４を形成する。
工程Ｓ８８において、樹脂２４ｍが流し込まれたコイル２６を収容したケース本体２２ｂに蓋２２ｃを被せる。

工程Ｓ９０において、ケース本体２２ｂに蓋２２ｃを例えば溶接により固定する。蓋２２ｃには、開口２２ｅが設けられており、蓋２２ｃを固定した状態で、コネクタ３６は開口２２ｅから露出している。

工程Ｓ９２において、複数のコイルモジュール２０をＸ軸方向に配列し、コネクタ３６を配線部材３４の配線部に電気的に接続し、梁部材３０および第２梁部材３１を固定する。このようにして固定子１０は製造される。

このように製造された固定子１０を、別に製造された可動子５０の磁気的空隙６０に挿入することにより、リニアモータ１００が製造される。この製造工程Ｓ８０は一例に過ぎず、他の工程を追加したり、工程の一部を変更または削除したり、工程の順序を入れ替えたりしてもよい。

図１に示すように、コイルモジュール２０と隣のコイルモジュール２０の間にはケース２２の壁面が２重に介在する。このような壁面を有しない場合と比べて、樹脂２４ｍからのガスの流出を減らすことができる。

このように構成されたリニアモータ１００の動作を説明する。駆動回路４０からコイルモジュール２０に交番する駆動電流が供給されると、コイルモジュール２０は可動方向の移動磁界を発生し、可動子５０の界磁磁石５２に可動方向の推力を付与する。リニアモータ１００は、この推力により可動子５０に連結された駆動対象を駆動する。

本発明の一態様の概要は、次の通りである。本発明のある態様のリニアモータ１００は、界磁磁石５２を含む可動子５０と、可動子５０の可動方向に連結された複数のコイルモジュール２０を含む固定子１０と、を備える。コイルモジュール２０は、可動方向に配列された複数のコイル２６を含む。

この態様によると、リニアモータ１００の可動ストロークを変更して設計する場合、連結するコイルモジュール２０の数を変更することで対応できるので、設計の標準化が可能になり、設計工数を低減できる。リニアモータ１００の可動ストロークを変更して製造する場合、連結するコイルモジュール２０の数を変更することで対応できるので、金型、治工具および製造設備などを共用できる。コイルモジュール２０を製造に適した長さにできるので、長尺なリニアモータ１００を製造する場合、治工具やコイルモジュール２０の取り回しが容易になる。また、コイルモジュール２０を連結する作業を、リニアモータ１００を設置する現場において行うことができる。

複数のコイル２６のコイル数は、３の整数倍であってもよい。この場合、コイルの数が３の整数倍以外の場合と比べて、不必要なコイルにより固定子が不必要に長くなる可能性を低減できる。

複数のコイル２６のコイル数は、６以下であってもよい。この場合、コイルの数が７以上の場合と比べて、コイルモジュール２０を短くできるので、コイルモジュール２０が反って可動子５０に接触する可能性を低減できる。

コイルモジュール２０は、複数のコイル２６に電気的に接続された電極を含むコネクタ３６を有する。この場合、コイルモジュール２０を連結する際、コネクタ３６を配線部材３４の配線部に容易に接続できる。また、コネクタが着脱可能であれば、既存のリニアモータを容易に分解して再利用できる。既設のリニアモータのストロークを変更する場合に、追加のコイルモジュール２０を容易に連結できる。既設のリニアモータを廃棄して新たなリニアモータを設置する場合と比べて、無駄になる資源を大幅に低減できる。

本発明の別の態様はリニアモータを製造する方法である。この方法は、ケース２２に複数のコイル２６を収容することと、複数のコイル２６を収容したケース２２に樹脂２４ｍを流し込みコイルモジュール２０を形成することと、複数のコイルモジュール２０を可動方向に並べて梁部材３０に固定することと、コイル２６に配線部材３４を電気的に接続することと、を含む。

この態様によると、リニアモータ１００の可動ストロークを変更して設計する場合、連結するコイルモジュール２０の数を変更することで対応できるので、設計の標準化が可能になり、設計工数を低減できる。リニアモータ１００の可動ストロークを変更して製造する場合、連結するコイルモジュール２０の数を変更することで対応できるので、金型、治工具および製造設備などを共用できる。

コイルモジュール２０を形成することは、樹脂２４ｍを流し込んだケース本体２２ｂに蓋２２ｃを固定することを含んでもよい。この場合、ケース本体２２ｂに蓋２２ｃを固定するので、樹脂２４ｍからの発ガスを抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態の例について詳細に説明した。前述した実施の形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施の形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。前述の実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「実施の形態の」「実施の形態では」等との表記を付して説明しているが、そのような表記のない内容に設計変更が許容されないわけではない。また、図面の断面に付したハッチングは、ハッチングを付した対象の材質を限定するものではない。

以下、変形例について説明する。変形例の図面および説明では、実施の形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。実施の形態と重複する説明を適宜省略し、実施の形態と相違する構成について重点的に説明する。

（第１変形例）
図６は、第１変形例に係るリニアモータ２００ａを示す断面図であり、図２に対応する。リニアモータ２００ａは、リニアモータ１００に対して、第２梁部材３１を備えない点で相違し、他の構成は同様である。第２梁部材３１を備えることは必須ではない。

（第２変形例）
リニアモータ１００では、梁部材３０と第２梁部材３１とは結合されない例について説明したが、これに限定されない。図７は、第２変形例に係るリニアモータ２００ｂを示す断面図であり、図２に対応する。リニアモータ２００ｂは、リニアモータ１００に対して、梁部材３０と第２梁部材３１の代わりに梁部材３０Ｂと第２梁部材３１Ｂとスペーサ３５とを備える点で相違し、他の構成は同様である。梁部材３０Ｂおよび第２梁部材３１Ｂは、コイルモジュール２０からＹ軸で負方向に張出しており、これらの張出部分の間にスペーサ３５が設けられている。梁部材３０Ｂおよび第２梁部材３１Ｂは、スペーサ３５を挟んで一体に結合される。

リニアモータ２００ｂでは、梁部材３０Ｂおよび第２梁部材３１Ｂは、磁気的空隙６０内に進入する進入部３０ｅを有する。進入部３０ｅは、例えばＸ軸方向およびＹ軸方向に延在してＺ軸方向に薄い板状の部分であってもよい。進入部３０ｅは、コイルモジュール２０の全部または一部を覆うように設けられる。進入部３０ｅを有することにより、コイルモジュール２０の反りを抑制できる。進入部３０ｅは、実施の形態および他の変形例にも適用できる。

（第３変形例）
図８は、第３変形例に係るリニアモータ２００ｃを示す断面図であり、図２に対応する。リニアモータ２００ｃは、リニアモータ２００ｂに対して、梁部材３０Ｂと第２梁部材３１Ｂとスペーサ３５の代わりに梁部材３０Ｃを備える点で相違し、他の構成は同様である。梁部材３０Ｃは、梁部材３０Ｂと第２梁部材３１Ｂとスペーサ３５とをシームレスに一体化した形状を有する。

（第４変形例）
実施の形態では、コイルモジュール２０を製造する工程と、コイルモジュール２０を連結する工程と、を連続して設ける例について説明したが、本発明はこれに限定されない。また、上述の梁部材を備えることは必須ではない。例えば、コイルモジュール２０を製造する工程では、梁部材を備えないコイルモジュール２０を製造するようにしてもよい。このように製造された梁部材を備えないコイルモジュール２０はサイズなどの仕様ごとに保管されてもよい。この場合、コイルモジュール２０を連結する工程は別工場に設けられてもよい。保管されたものうち所望の仕様のコイルモジュール２０を別工場に輸送し、そこでコイルモジュール２０を連結するようにしてもよい。

（その他の変形例）
リニアモータ１００は、コイル数が異なるコイルモジュール２０を組み合わせて構成されてもよい。
リニアモータ１００は、直線状のコイルモジュール２０と湾曲したコイルモジュールとを含んでもよい。
一対のヨーク５４とスペーサ５６とはシームレスに一体に形成されてもよい。
コイルモジュール２０を挟む一対の界磁磁石５２のうちの一方は設けられなくてもよい。
上述の各変形例は、実施の形態と同様の作用・効果を奏する。

１０・・固定子、 １８・・コイル、 ２０・・コイルモジュール、 ２２・・ケース、 ２２ｂ・・ケース本体、 ２２ｃ・・蓋、 ２４・・コイル組立、 ２４ｍ・・樹脂、 ２６・・コイル、 ３０・・梁部材、 ３１・・第２梁部材、 ３４・・配線部材、 ３６・・コネクタ、 ５０・・可動子、 ５２・・界磁磁石、 ５４・・ヨーク、 ６０・・磁気的空隙、１００・・リニアモータ。

本発明によれば、電機子コイルの製造を容易にするリニアモータを提供することができる。

Claims (6)

1. 界磁磁石を含む可動子と、
   前記可動子の可動方向に連結された複数のコイルモジュールを含む固定子と、
   を備え、
   前記コイルモジュールは、前記可動方向に配列された複数のコイルを含むことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記複数のコイルのコイル数は、３の整数倍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。
3. 前記複数のコイルのコイル数は、６以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータ。
4. 前記コイルモジュールは、前記複数のコイルに電気的に接続された電極を含むコネクタを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のリニアモータ。
5. 請求項１に記載のリニアモータを製造する方法であって、
   ケースに複数のコイルを収容することと、
   複数のコイルを収容したケースに樹脂を流し込みコイルモジュールを形成することと、
   複数のコイルモジュールを前記可動方向に並べて梁部材に固定することと、
   コイルに配線部材を電気的に接続することと、
   を含むことを特徴とするリニアモータの製造方法。
6. コイルモジュールを形成することは、
   樹脂を流し込んだケースに蓋を固定することを含むことを特徴とする請求項５に記載のリニアモータの製造方法。

Images