KR101952145B1

KR101952145B1 - 축 회전형 직선형 모터 및 축 회전형 직선형 모터 유닛

Info

Publication number: KR101952145B1
Application number: KR1020140048108A
Authority: KR
Inventors: 위치 탕; 사토시 스기타
Original assignee: 산요 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2019-02-26
Also published as: JP6082646B2; US20140319934A1; KR20140127764A; TWI618338B; US9712030B2; DE102014105677A1; JP2014217180A; HK1199558A1; TW201507328A; CN104124853A; CN104124853B

Abstract

간단한 구조로 가동자가 직선 및 회전 동작가능하여, 소형·공간 절약화, 경량화에 대응할 수 있는 축 회전형 직선형 모터가 제공된다.
축 회전형 직선형 모터는 샤프트부와 외통부를 가지며 외통부 내에 복수의 영구자석을 가지는 중공 가동자와, 중공 가동자을 둘러싸고 복수의 코일을 가지는 전기자와, 전기자를 수용하는 프레임을 포함한다. 샤프트부는 직선 및 회전 가능한 직선형 가이드에 의해 지지 된다.

Description

축 회전형 직선형 모터 및 축 회전형 직선형 모터 유닛{Shaft rotating type linear motor and shaft rotating type linear motor unit}

본 발명은 구동 대상물의 회전 동작 및 직선 동작이 가능한 축 회전형 직선형 모터 및 축 회전형 직선형 모터 유닛에 관한 것이다.

직선형 모터는 전자 유도에 의해 작동하므로, 볼 나사 기구와 같은 기계작동에 비교하여, 소형으로 고속 작동가능하다. 예를 들면 반도체제조 장치의 칩 마운터(전자부품설치 장치)에는 로드형(rod-type) 직선형 모터가 채용된다. 로드형 직선형 모터는 영구자석을 가지는 로드와 해당 로드를 둘러싸는 코일을 갖추며, 영구자석의 자계와 코일에 흐르는 전류의 전자 유도에 의해 로드에 축 방향의 추진력을 가하여 직선 운동시킨다.

최근, 회전 동작 및 직선 동작을 실현하기 위해서 회전 모터의 토크 발생부와 직선형 모터의 추진력 발생부를 볼 스플라인과 베어링의 연결 기구의 연구에 의해 실현하는 기술이 많이 제안되고 있다.

회전 동작 및 직선 동작 가능한 직선형 모터에 관련되는 기술로서는, 외주의 일부에 직선형 샤프트부와 스플라인 홈을 가지는 회전 이동 축과 회전 이동 축의 스플라인 홈에 계합하는 스플라인 가이드 베어링을 갖춘 2자유도 작동기가 개시되어 있다. (예를 들면 특허문헌 1 참조).

더욱이, 직선형 모터의 로드에 평행으로 제2의 축 부재를 배치한 직선형 작동기가 개시되어 있다 (예를 들면 특허문헌 2 참조). 특허문헌 2에 따르면, 로드의 직선운동에 따라 제2의 축 부재가 직선운동하도록 로드의 첨단부와 제2의 축 부재의 첨단부를 제1 연결부재로 연결한다. 제2의 연결부재는 제2의 축 부재가 직선운동할 수 있도록 제2의 축 부재와 하우징을 연결하고, 로드 축선의 주변을 제2의 축 부재가 선회하는 것을 방지한다.

[특허문헌1]특허3300465호 공보 [특허문헌2]특개2010-57357호 공보

그러나 특허문헌 1 및 특허문헌 2의 기술에 따르면, 모든 연결 기구가 번잡하여, 직선형 모터의 소형·공간 절약화, 경량화에 대응할 수 없다.

최근, 직선 동작하기 위한 중심축을 선회 불능한 구조로 하고, 해당 중심축과 평행으로 다른 회전 축을 마련하고, 회전 축이 중심축에 연동하여 회전 동작가능한 소형 직선형 모터가 개발되어 있다. 그러나 해당 중심축 및 회전 축을 가지는 소형 직선형 모터는, 역시 중심축과 회전 축의 연결부가 필요하여 직선형 모터의 소형·공간 절약화, 경량화에 불리하다.

본 발명은 상기의 사정에 비추어 창안된 것이며, 간단한 구조로 가동자가 직선 및 회전 동작 가능하며, 소형·공간 절약화, 경량화에 대응할 수 있는 축 회전형 직선형 모터 및 축 회전형 직선형 모터 유닛의 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 저가격화 및 고성능화와 양립할 수 있고 뛰어난 방열성을 가지는 축 회전형 직선형 모터 및 축 회전형 직선형 모터 유닛의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 축 회전형 직선형 모터는 중공 가동자, 전기자 및 프레임을 포함한다.

상기 중공 가동자는 샤프트부와 외통부를 가지고, 이 외통부 내에 복수의 영구자석을 가진다. 상기 전기자는 상기 중공 가동자를 둘러싸고 복수의 코일을 가진다. 상기 프레임은 상기 전기자를 수용한다.

상기 샤프트부는 직선 및 회전 가능한 직선형 가이드에 의해 지지 된다.

본 발명에 관련되는 축 회전형 직선형 모터에 의하면, 샤프트부가 직선 및 회전 가능한 직선형 가이드에 의해 지지 된다. 따라서 가동자로서의 샤프트부 자체가 직선 및 회전 동작 가능하며, 간단한 구조로 소형·공간 절약화, 경량화에 대응 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 프레임 개방 상태의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터의 가동측의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 여자부의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 중공 가동자의 내부구조의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 중공 스플라인 샤프트의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 영구자석의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 자석 누름 부재의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 제1 중공 끝단 부재의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 제2 중공 끝단 부재의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 전기자의 사시도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 프레임의 사시도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 프레임 및 전기자의 사시도이다.
도 14는 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터의 정면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 중공 가동자의 내부의 공기흐름 상태의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예 2에 따른 축 회전형 직선형 모터의 사시도이다.
도 17은 본 발명의 실시예 3의 축 회전형 직선형 모터 유닛의 사시도이다.

이하 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 관련되는 축 회전형 직선형 모터 및 본 발명의 실시예 3에 관련되는 축 회전형 직선형 모터 유닛을 설명한다.

본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 관련되는 축 회전형 직선형 모터 및 본 발명의 실시예 3에 관련되는 축 회전형 직선형 모터 유닛은, 샤프트부가 직선 및 회전 가능한 직선형 가이드에 의해 지지 된다.

따라서, 본 발명의 실시예 1로부터 실시예 3에 의하면, 가동자로서의 샤프트부 자체가 직선 및 회전 동작가능하며, 간단한 구조로 소형·공간 절약화, 경량화에 대응 가능한 축 회전형 직선형 모터 및 축 회전형 직선형 모터 유닛을 실현할 수 있다.

〔실시예 1〕

[축 회전형 직선형 모터의 구성]

우선, 도 1로부터 도 14를 참조하여, 본 발명의 실시예 1에 관련되는 축 회전형 직선형 모터의 구성에 대해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 프레임 개방 상태의 정면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터의 가동측의 측면도이다. 도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 여자부의 사시도이다.

도 1로부터 도 3에서 나타내듯이, 본 발명의 실시예 1의 축 회전형 직선형 모터(100)는 가동자로서의 여자부(1)와 고정자로서의 전기자(2)와 케이싱(casing)으로서의 프레임(3)을 포함한다.

여자부(1)는 도 4에서 나타내듯이 중공(中空) 가동자에 의해 구성된다. 중공 가동자(1)는 샤프트부(10A)와 외통부(外筒部, 11)를 가진다.

도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 중공 가동자의 내부구조의 사시도이다. 도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 중공 스플라인 샤프트의 사시도이다.

도 5에서 나타내듯이 실시예 1의 샤프트부(10)는 중공 스플라인 샤프트에 의해 구성된다. 중공 스플라인 샤프트(10A)는 도 3 및 도 6에서 나타내듯이 단관 부재(短管部材)이며 직경 방향의 대향 위치에 2군데의 볼 수용 홈부(12)를 가진다. 볼 수용 홈부(12)는 직선형 홈부이며, 해당 볼 수용 홈부(12)의 종단면은 후술하는 볼 스플라인 부시(10B)의 볼이 굴러가기 쉽도록 원호 형태를 나타낸다. 중공 스플라인 샤프트(10A)의 기단측(基端側)에는 후술하는 제1 중공 끝단 부재(18) 내에 삽입하기 위한 소켓부(13)가 형성된다.

중공 스플라인 샤프트(10A)의 중공부에는 공기를 공급하는 공기 튜브가 접속 가능하다. 공기 튜브를 접속하는 수단으로서는, 예를 들면 탭이나 공기 튜브 삽입용 구멍 등을 들 수 있지만 예시의 수단에 한정되지 않는다.

중공 스플라인 샤프트(10A)의 구성 재료로서는, 예를 들면 오스테나이트계 스테인레스 강철 등의 비자성 금속재료를 이용할 수 있지만 예시한 재료에 한정되지 않는다.

외통부(11)는 예를 들면 오스테나이트계 스테인레스 강관 등의 비자성의 금속재료를 이용할 수 있지만 예시한 재료에 한정되지 않는다.

도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 영구자석의 사시도이다.

도 5 및 도 7에서 나타내듯이, 외통부(11) 내에는 영구자석(14)이 축 방향을 따라 직렬로 복수 개 마련된다. 즉, 영구자석(14)은 거의 원주 형태를 나타내며, 해당 영구자석(14)의 외주부(外周部)에 축 방향을 따라 직선형 홈부(15a)를 가진다. 직선형 홈부(15a)의 종단면은 사각형 형태를 나타낸다.

본 실시예의 영구자석(14)은 축 방향으로 자극 대향(N-N, S-S)이 되도록 착자된다. 영구자석(14)을 자극 대향 배치하기 쉽게 하기 위해, 해당 영구자석(14), (14)사이에는 연자성체로 이루어지는 스페이서(16)가 개설된다. 스페이서(16)는 영구자석(14)과 같은 형상을 가지며, 해당 영구자석(14)보다도 축 방향 길이가 짧다.

도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 자석 누름 부재의 사시도이다.

도 5 및 도 8에서 나타내듯이, 영구자석(14) 군(群)의 양단에는 스페이서(16)를 통하여, Ｃ형의 자석 누름 부재(17)가 각각 마련된다. 즉, 자석 누름 부재(17)는 직선형 틈(15b)을 가진다. 자석 누름 부재(17)는 Ｃ형 형상의 용수철력을 이용하여 영구자석(14) 군의 반발력을 누르고, 자석배치 작업을 고효율화 한다. 자석 누름 부재(17)는, 예를 들면 용수철 강재 등의 연자성체에 의해 구성되지만 예시의 재료에 한정되지 않는다.

도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 제1 중공 끝단 부재의 사시도이다. 도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 제2 중공 끝단 부재의 사시도이다.

도 5, 도 9 및 도 10에서 나타내듯이, 자석 누름 부재(17)의 양단에는 제1 중공 끝단 부재(18) 및 제2 중공 끝단 부재(19)가 각각 마련된다. 중공 스플라인 샤프트(10A)와 첨단측의 자석 누름 부재(17)의 사이에는 제1 중공 끝단 부재(18)가 개설된다.

제1 중공 끝단 부재(18)는 도 9에서 나타내듯이, 계단식 원통체 형태를 나타낸다. 제1 중공 끝단 부재(18)의 기단측에는 자석 누름 부재(17) 안에 삽입하기 위한 소켓부(18a)가 형성된다. 제1 중공 끝단 부재(18)의 중공부(18b)에는 중공 스플라인 샤프트(10A)의 소켓부(13)가 삽입된다.

제2 중공 끝단 부재(19)는 도 10에서 나타내듯이 계단식 원통체 형태를 나타낸다. 제2 중공 끝단 부재(19)의 첨단측에는 자석 누름 부재(17) 내에 삽입하기 위한 소켓부(19a)가 형성된다.

외통부(11)는 도 4 및 도 5에서 나타내듯이, 해당 외통부(11)의 내부에 영구자석(14), 스페이서(16), 자석 누름 부재(17), 제1 중공 끝단 부재(18) 및 제2 중공 끝단 부재(19)를 수용하여 밀폐 배치한다.

도 11은 본 발명은 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 전기자의 사시도이다.

도 1로부터 도 3 및 도 11에서 나타내듯이, 전기자(2)는 코일(20)과 자성통(磁性筒, 40)을 가진다.

중공 가동자(1)의 외통부(11)의 주위는 직렬 배치된 복수의 코일(20)로 덮인다(도 4 참조). 상술한 것 같이, 외통부(11) 내에는 대향 자극배치된 영구자석(14) 군이 수용된다(도 5 참조).

각 코일(20)은 원통체 형태의 링(ring) 코일로 형성된다. 코일(20), (20)들 사이에는 절연성의 스페이서(21)가 개설된다.

복수의 코일(20) 군의 양단에는, 원통체 형태의 가이드 지지 통(22)이 각각 마련된다. 가이드 지지 통(22)은 중공 가동자(1)의 가이드 부시(미도시)를 내장한다. 한편, 가이드 부시는 후술하는 프레임(3)에 내장해도 좋다.

복수의 코일(20)은 예를 들면, 3상 교류 전원에 대응하도록 축 방향에 u상, v상, w상의 순으로 배치된다. u상 군, v상 군, w상 군의 코일(20)은 미도시의 리드 선으로 결선된다.

자성통(40)은 축 방향을 따라 직선형 개구부(41)를 가지는 통체 형태의 자성금속부 재료이다. 본 실시예의 자성통(40)은 원통체 형태로 형성되지만, 형상은 한정되지 않고 사각형 통체 형태 등의 다른 통 형태여도 상관없다. 자성통(40)은 복수의 코일(20) 군의 주위를 덮는다. 자성통(40) 내의 코일(20) 군은 가이드 지지 통(22)에 의해 지지 된다.

자성통(40)의 길이는, 코일(20) 안에 배치하는 중공 가동자(1)의 영구자석(14) 군의 전체 길이 보다도 길게 설정된다. 구체적으로는, 자성통(40)의 길이는 영구자석(14) 군의 전체 길이에 2배의 스트로크 길이를 더한 길이 이상으로 한다.

자성통(40)은 중공 가동자(1)의 영구자석(14)의 자속의 대부분을 닫고, 누설 자속을 억제하는 기능을 가진다. 또한, 자성통(40)의 직선형 개구부(41)는 코일(20)의 리드 선의 통과부를 구획하는 동시에 냉각 통로로서 기능을 가진다.

본 발명의 실시예 1의 자성통(40)은 거의 원통체 형태를 나타낸다. 본 실시예의 직선형 개구부(41)는 자성통(40)의 상부에 축 방향을 따라 개구된 틈부로 형성된다. 직선형 개구부(41)는 자성통(40)의 상부에 형성되지만 하부에도, 상부 및 하부 모두에 형성해도 좋다. 또, 직선형 개구부(41)는 2개 이상 형성될 수도 있다.

자성통(40)의 구성 재료로서는 예를 들면 SC재료 등의 철계의 자성체를 사용할 수 있다. 자성통(40)은 성능확보와 가격을 양립하기 위해서 판금 혹은 프레스 성형한 규소강판이 바람직하지만 이것에 한정되지 않는다.

도 12는 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 프레임의 사시도이다. 도 13은 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 프레임 및 전기자의 사시도이다.

도 1로부터 도 3 및 도 12에서 나타내듯이, 프레임(3)은 여자부(1) 및 전기자(2)를 수용하는 사각형 프레임 형태의 부재이다. 프레임(3)은 전기자(2)의 직경 방향의 상부, 하부 및 축 방향의 양단부를 둘러싼다. 사각형 프레임으로서의 프레임 본체(30)는 상 프레임(31), 하 프레임(32) 및 길이 방향(축 방향과 일치)의 양단 프레임(33), (34)으로 이루어진다. 프레임 본체(30)의 폭 방향 좌우 측면은 개방된다.

프레임(3)의 구성 재료로서는 예를 들면 가공이 용이한 알루미늄 혹은 알루미늄 합금을 이용할 수 있지만 예시한 재료에 한정되지 않는다. 프레임(3)의 성형은 예를 들면 압출 가공 등의 소성 가공에 의해 용이하게 형성할 수 있다.

프레임 본체(30)의 길이 방향(축 방향과 일치)의 양단 프레임(33), (34)에는 중공 가동자(1)를 통과시키기 위한 관통 구멍(51), (52)이 각각 개구 한다.

도 3 및 도 13에서 나타내듯이 선단 프레임(33)의 관통 구멍(51) 내에는 회전 베어링(10C)이 삽입된다. 더욱이, 회전 베어링(10Ｃ) 내에는 볼 스플라인 부시(10B)가 지지 된다. 볼 스플라인 부시(10B)는 해당 볼 스플라인 부시(10B)의 내부에 장전된 미도시의 볼에 의해, 중공 가동자(1)의 중공 스플라인 샤프트(10A)의 직선이동을 안내하고, 볼 스플라인 기구를 구성한다. 볼 스플라인 부시(10B)와 회전 베어링(10C)은 일체적으로 구성된다.

도 1, 도 2, 도 12 및 도 13에서 나타내듯이, 중공 가동자(1)의 기단부는 사각주 형태의 블록 부재(53)에 고정된 회전 베어링(10D)에 지지 된다. 블록 부재(53)는 기단 프레임 (34)에 따라 배치된다. 해당 블록 부재(53)의 상단부는 프레임 본체(30)의 상 프레임(31)에 따르도록 마련된 연장 부재(54)에 접속된다.

연장 부재(54)는 블록 부재(53)를 통하여, 프레임(3) 측으로 뒤집어 접힌다. 연장 부재(54)는 단면이 'ㄷ' 형인 가이드 블록(55)으로 슬라이드 이동 가능하게 배치된다. 연장 부재(54) 상에는 직선축의 위치를 검출하고 위치 정보를 출력하기 위한 직선형 인코더(56)가 마련된다.

직선형 인코더(56)는 자기 및 열의 영향을 고려하여, 코일(20)을 포함하는 전기자(2)로부터 벗어나는 부위에 배치한다. 직선형 인코더(56)로서는 자기식, 광학식 등의 어느 형식이어도 사용할 수 있다. 또한, 안정 구동과 고품질을 확보하기 위해서 직선형 인코더(56)의 가동부는 LM 가이드나 볼 스플라인 등의 직선형 가이드 상에, 혹은 가까운 부위에 배치하는 것이 바람직하다.

또한, 프레임 본체(30)의 상 프레임(31)에는 긴 구멍(60)이 개구 된다. 해당 긴 구멍(60)은 코일(20)의 리드선 결선공간을 구획하고, 접속 단자(23)의 통과부로서 기능을 하는 동시에 냉각 공기의 통로로서도 기능을 한다.

프레임 본체(30), 상 프레임(31) 및 하 프레임(32)의 내면에는 냉각 통로형성용의 요부(35)와 자성통 고정용의 철부(36)가 축 방향으로 교대로 형성된다. 상 프레임(31) 및 하 프레임(32)의 내면은 요철을 가지므로 자성통(40)에 접촉하거나 접촉하지 않거나 한다. 철부(36)의 접촉부에는 접착제 혹은 성형제 등의 충전재(70)로 자성통(40)을 고정하고, 접촉부에 의한 열전도로 코일(20)을 포함하는 전기자(2)를 냉각한다. 접촉하지 않는 요부(35)는 냉각 통로가 된다. 상 프레임(31)의 요부(35)와 하 프레임(32)의 요부(35)는 상하로 일부가 겹치도록 축 방향으로 조금 벗어나며, 자성통(40)과 프레임(3)의 사이에 거의 나선형태의 냉각 통로가 형성된다.

프레임 본체(30)의 상 프레임(31)과 하 프레임(32)에는 거의 나선형태의 냉각 통로에 냉각 공기를 통과시키기 위한 입구 및 출구로서 탭(관통 구멍)(62)이 각각 천공된다. 상 프레임(31)과 하 프레임(32)의 탭(62)은 프레임 본체의 폭 방향 중심에서 편심하여 개구되며, 대략 대각에 위치한다. 본 실시예에서는 각 탭(62)에 단관(63), (64)이 접속된다. 본 실시예에서는 하 프레임(32) 측의 단관(64)이 냉각 공기의 입구, 상 프레임(31) 측의 단관(63)이 냉각 공기의 출구로 되어 있지만, 입구와 출구는 상하 반대여도 상관없다.

도 14는 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터의 정면도이다.

도 1, 도 2, 도 12로부터 도 14에서 나타내듯이 상 프레임(31)과 하 프레임(32)의 양단부에는 볼트(81)를 체결하기 위한 나합 구멍(82)이 형성된다. 본 실시예에 따른 축 회전형 직선형 모터(100)를 일축의 작동기로 혹은 후술하는 다축의 작동기로서 유닛화 하여 채용할 경우에는 봉지 플레이트(80)를 통하여 볼트(81)를 나합구멍(82)에 체결함으로써 프레임 본체(30)의 폭 방향 좌우 측면의 개방부가 봉지된다.

[축 회전형 직선형 모터의 동작]

다음으로, 도 1부터 도 15를 참조하여 본 발명의 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터(100)의 동작에 대해서 설명한다.

도 1 및 도 4에서 나타내듯이, 본 발명의 실시예 1의 축 회전형 직선형 모터(100)의 여자부(중공 가동자)(1)는 외통부(11)에 복수의 영구자석(14)을 축 방향으로 자극대향(N-N, S-S) 착자가 되도록 배치한다. 전기자(2)는 영구자석(14)을 가지는 중공 가동자(1)를 둘러싸도록 마련되며, 축 방향으로 배열한 복수의 코일(20)을 가진다. 코일(20)은 예를 들면 3상 전원의 ｕ상, v상, w상에 대응하도록 배치되며, u상, v상, w상의 코일(20)에 위상을 벗어나서 전류를 흘려 보낸다.

전기자(2)는 고정자로서 기능을 하고, 중공 가동자(1)는 전기자(2) 내에서 직선 동작한다. 즉, 본 실시예에 관련되는 축 회전형 직선형 모터(100)는 중공 가동자(1)의 영구자석(14)이 발생하는 자속과 교차하도록 전기자(2)의 코일(20)에 전류가 흐른다. 영구자석(14)의 자속과 전기자(2)의 코일(20)에 흐르는 전류가 교차하면 본 실시예에 관련되는 축 회전형 직선형 모터(100)는 전자 유도에 의해 영구자석(14)에 축 방향의 추진력을 발생시켜서 중공 가동자(1)를 직선 동작시킨다.

이때, 도 1로부터 도 6에서 나타내듯이, 중공 가동자(1)의 중공 볼 스플라인 샤프트(10A)의 볼 수용 홈부(12)를 따라 볼 스플라인 부시(10B)의 볼이 굴러가는 것에 의해 해당 중공 볼 스플라인 샤프트(10A)는 원활하게 직선 동작한다.

또한, 볼 스플라인 부시(10B)는 프레임(3)의 선단 프레임(33)에 고정된 회전 베어링(10C)에 지지 된다. 따라서, 미도시의 회전 모터로 볼 스플라인 부시(10B)를 벨트 구동하는 것에 의해, 해당 볼 스플라인 부시(10B)와 함께 중공 볼 스플라인 샤프트(10A)를 회전 동작시키는 것이 가능하다.

회전 가능한 부분은 중공 가동자(1) 뿐이다. 중공 가동자(1) 만을 회전 가능하게 함으로써, 직선형 센서로서 광학식 혹은 자기식의 물건을 사용할 수 있다. 중공 가동자(1)는 직선 및 회전 동작할 수 있지만 직선 동작에 필요한 그 밖의 부분은 회전이 제한된다.

즉, 볼 스플라인 부시(10B)와 회전용 베어링(10C)의 배치의 창안에 의해, 중공 가동자(1)의 직선 및 회전 동작을 실현하고 더욱이 직선형 모터의 소형화 및 공간 절약화를 꾀할 수 있다.

중공 가동자(1)는 직선 및 회전 가능한 기구에 의해 지지 되지만 용도에 따라서 볼 스플라인 기구를 사용하는 것에 의해 구동부의 고품질화 및 장수명화를 기대할 수 있다.

중공 스플라인 샤프트(10A)를 선회시키기 위한 회전 모터는 필요에 응해서 자유롭게 연결·설치할 수 있고 장치설계·구성의 자유도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예 1에 관련되는 축 회전형 직선형 모터(100)에서는, 도 11로부터 도 13에서 나타내듯이, 직선형 개구부(틈)(41)를 가지는 자성통(40) 내에 u상, v상, w상의 코일(20)을 축 방향을 따라 직렬로 배열한다. 직선형 개구부(틈)(41)로부터 u상, v상, w상의 코일(20)의 리드 선을 통하고, 해당 리드 선을 자성통(40)에서 밖으로 나온 상태로 알루미늄제의 프레임(3) 내에 수용한다.

중공 가동자(1)의 영구자석(14)으로부터의 누설 자속은 자성통(40)에 의해 닫혀져, 누설 자속이 거의 없어진다. 따라서, 후술하는 것 같이, 본 실시예의 직선형 모터(100)를 다축으로 배열해도, 축 회전형 직선형 모터간의 자기적 영향이 작게 제압할 수 있다.

프레임 본체(30)는, 상 프레임(31), 하 프레임(32) 및 길이 방향의 양단 프레임(33), (34)으로 이루어지는 사각형 프레임 형상이다. 상 프레임(31)에는 긴 구멍(60)이 개구 되며, 해당 긴 구멍(60)은 u상, v상, w상의 코일(20)의 리드 선의 결선공간으로서 확보된다. 리드선 결선단자(23)는 긴 구멍(60)으로부터 노출한다.

하 프레임(32)의 내면 철부(36)의 접촉부에 충전재(70)를 통하여 자성통(40)을 고정하므로 접촉부에 의한 열전도로 코일(20)을 포함하는 전기자(2)를 냉각할 수 있는다.

다음으로, 본 발명의 실시예 1의 축 회전형 직선형 모터(100)의 공기흐름에 대해서 설명한다. 도 15는 실시예 1에 따른 축 회전형 직선형 모터에 있어서의 중공 가동자의 내부의 공기흐름 상태의 단면도이다. 도 15에 있어서 (b)(아래 도면)은 (a)(위 도면)의 Ｇ-G선 단면을 나타낸다.

도 5로부터 도 10에서 나타내듯이, 중공 가동자(1)의 외통부(11)는 제1 중공 끝단 부재(18), 자석 누름 부재(17), 스페이서(16)/영구자석(14)…, 자석 누름 부재(17) 및 제2 중공 끝단 부재(19)를 순서대로 밀폐 수용한다.

도 15(b)에 있어서, 화살표는 중공 볼 스플라인 샤프트(10A)의 중공부에 공기 튜브를 접속했을 경우의 공기흐름을 나타낸다.

도 15에서 나타내듯이, 미도시의 공기 튜브로부터 중공 볼 스플라인 샤프트(10A)의 중공부에 흘러들어 온 공기는 제1 중공 끝단 부재(18)를 통과하고, 첨단측의 자석 누름 부재(17)에 흘러들어 온다. 자석 누름 부재(17)는 Ｃ형 형상을 보이므로 해당 자석 누름 부재(17)의 직선형 틈(15b)을 통하여 외통부(11)의 내주면 측으로 유출한다.

그리고 외통부(11)의 내주면에 유출한 공기는 스페이서(16)/영구자석(14)…, 직선형 홈부(15a)를 통과한다. 스페이서(16)/영구자석(14)…, 직선형 홈부(15a)를 통과한 공기는 기단측의 자석 누름 부재(17)의 직선형 틈(15b)을 통하여, 해당 기단측의 자석 누름 부재(17) 내에 흘러들어 온다. 그 후, 기단측의 자석 누름 부재(17)내에 흘러들어 온 공기는 제2 중공 끝단 부재(19)의 중공부를 통과해서 유출하게 된다.

속의 영구자석(14)의 외주면에 축 방향에 따른 직선형 홈부(15a)를 마련하는 것으로 고급 자석의 사용이 가능해 진다. 따라서, 중공 스플라인 샤프트(10A)의 기능이 저가격으로 실현되는 동시에, 직선형 모터의 대추진력화 및 고품질화가 실현된다. 한편, 중공자석을 사용할 경우는 평행 자기장 성형품만 사용할 수 없으므로, 자속밀도의 저하나 자석방청 품질 등에 의한 직선형 모터성능·기능의 확보에는 불리하다.

또한, 도 1, 도 2, 도 12 및 도 13에서 나타내듯이, 프레임 본체(30), 상 프레임(31) 및 하 프레임(32)의 내면에는 요부(35) 및 철부(36)가 교대로 형성된다. 상 프레임(31)의 요부(35)와 하 프레임(32)의 요부(35)는, 자성통(40)과 프레임(3)의 사이에 거의 나선형태의 냉각 통로를 형성한다.

프레임 본체(30), 상 프레임(31)과 하 프레임(32)에는 냉각 통로에 냉각 공기를 통과시키기 위한 탭(61), (62)이 천공되며, 각각 단관(63), (64)이 접속된다. 한 편의 단관(64)으로부터 냉각 공기를 유입시키고, 다른 편의 단관(63)으로 냉각 공기를 유출시켜, 프레임(3)의 내부에 공기흐름을 형성한다. 냉각 공기는 프레임 본체(30)의 요부(35)와 자성통(40)의 틈을 통과하고, 회전하면서 난류를 일으켜, 코일(20) 포함하는 전기자(2)를 효율적으로 냉각한다.

즉, 본 발명의 실시예 1에 관련되는 축 회전형 직선형 모터(100)에 따르면, 전기자(2)는 영구자석(14)을 가지는 중공 가동자(1)를 둘러싼다. 전기자(2)는 직선형 개구부를 가지는 자성통(40) 내에 복수의 코일(20) 군을 수용한다.

자성통(40)은 자성재료로 이루어지는 통체이므로, 예를 들면 규소강판을 판금 혹은 프레스 가공하는 것에 의해 간단히 제조할 수 있다. 또한, 프레임(3)은 예를 들면 압출 가공 등에 의해 간단히 형성할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 관련되는 축 회전형 직선형 모터(100)는 저가격화 및 고성능화를 양립할 수 있다.

또한, 자성통(40)이 영구자석(14)의 자속의 대부분을 닫아 누설 자속을 억제하므로 자기차폐판이 불요하며, 소형·공간 절약화, 경량화에 대응할 수 있다.

더욱이, 영구자석(14)을 가지는 중공 가동자(1)는 링 형태의 코일(20) 군으로 둘러싸인다. 해당 코일(20) 군은 직선형 개구부(41)를 가지는 자성통(40) 내에 수용된다. 따라서, 본 발명의 실시예 1의 직선형 모터(100)는 자성통(40)이 영구자석(14)의 자속의 대부분을 닫고 누설 자속을 억제한다.

코일(20)의 리드 선은 직선형 개구부(41)를 통해서 상 프레임(31)의 긴 구멍(60)에 도입되므로 코일(20)의 리드 선의 결선공간을 확보할 수 있다.

자성통(40)은 직선형 개구부(41)를 가지며, 상 프레임(31) 및 하 프레임(32)의 요부(35)와 자성통(40)의 외주면의 사이에 틈이 형성되어 냉각 통로로서 기능을 한다. 프레임 본체(30)의 좌우 개방부를 봉지 플레이트(80)로 봉지 하는 것에 의해, 거의 나선형태의 냉각 통로가 형성된다. 따라서, 거의 나선형태의 냉각 통로에 냉각 공기를 유입시키는 것에 의해 코일(20)을 포함하는 전기자(2)를 냉각할 수 있다. 따라서 본 실시예에 관련되는 축 회전형 직선형 모터(100)는 뛰어난 방열성을 가진다.

본 실시예에 관련되는 축 회전형 직선형 모터(100)는 개별로 직선형 인코더(56)를 갖추므로, 단축(單軸)의 작동기로서 사용할 수 있다. 또한, 본 실시예의 직선형 모터(100)를 복수 조합시키면, 다축(多軸)의 작동기를 구성할 수 있다. 중공 가동자(1)와 직선형 인코더(56)는 함께 직진 동작하지만, 중공 가동자(1)의 회전은 직선형 인코더(56)에 영향을 주지 않으며, 해당 직선형 인코더(56)는 광학식, 자기식 등의 광범위한 사용이 가능하다.

따라서, 단축 혹은 다축의 작동기로서 간단히 사용할 수 있으므로 칩 마운터의 헤드 구성의 유연성을 확보할 수 있다.

본 실시예에 관련되는 축 회전형 직선형 모터(100)는, 소형·공간 절약, 회전 및 직선 동작을 요구하는 용도에 적합하다. 특히, 칩 마운터와 같은 직선형 모터를 가능한 한 공간 절약, 다축으로 모두 회전 및 직선 동작을 동시에 행하며, 공기흡인력으로 반도체 칩을 정확하게 고정하는 반도체제조 장치에 적합하다. 또한, 독자적인 자석배치 구조 및 간단한 회전 및 직선 동작 기구에 의해, 직선형 모터의 대추진력화 소형화 및 장치의 간략화 및 저가격화를 기대할 수 있다.

〔실시예 2〕

다음으로, 도 16을 참조하여 본 발명의 실시예 2에 관련되는 축 회전형 직선형 모터(200)에 대해서 설명한다. 도 16은 본 발명의 실시예 2에 따른 축 회전형 직선형 모터의 사시도이다. 한편, 실시예 1에 관련되는 축 회전형 직선형 모터(100)와 동일한 구성부 재료에 대해서는 동일한 부호를 첨부해서 설명을 생략한다.

도 16에서 나타내듯이, 실시예 2에 관련되는 직선형 모터(200)는 샤프트부(210A) 및 직선형 가이드(210B)의 구조가 다른 것 이외에는 실시예 1과 같이 구성된다.

즉, 실시예 2에 관련되는 축 회전형 직선형 모터(200)는 샤프트부(210A)가 홈부를 가지지 않는 단순한 중공 샤프트에 의해 구성된다. 샤프트부(210A)는 직진 및 회전 가능한 직선형 가이드(210B)에 의해 지지 된다.

직진 및 회전가능한 직선형 가이드(210B)로서는, 예를 들면 직선형 부시(금속 부시)이나 미끄럼 베어링 등을 들 수 있지만, 직진 및 회전 가능하면 좋고, 예시의 직선형 가이드에 한정되지 않는다.

중공 가동자(1)의 영구자석(14)과 전기자(2)의 코일(20)과의 전자 유도작용에 의해 직선 동작할 때에는, 선단측의 직선형 가이드(210B)와 기단측의 회전 베어링(10D)으로 중공 가동자(1)의 직선이동을 안내한다.

또한, 미도시의 회전 모터로 중공 가동자(1)를 벨트 구동하는 것에 의해 해당 중공 가동자(1)를 회전 동작시킬 수 있다.

실시예 2에 관련되는 축 회전형 직선형 모터(200)는 기본적으로 실시예 1과 같은 작용 효과를 얻는다. 특히, 실시예 2에 관련되는 축 회전형 직선형 모터(200)는 샤프트부(210A) 및 직선형 가이드(210B)의 구조가 간단하므로 제조 가격을 보다 저감하는 특유의 효과를 얻는다.

〔실시예 3〕

다음으로, 도 17을 참조하여 본 발명의 실시예 3에 관련되는 축 회전형 직선형 모터 유닛(300)에 대해서 설명한다. 도 17은 본 발명의 실시예 3의 축 회전형 직선형 모터 유닛의 사시도이다. 한편, 실시예 1의 축 회전형 직선형 모터(100)와 동일한 구성부 재료에 대해서는 동일한 부호를 첨부해서 설명을 생략한다.

도 15에서 나타낸 것과 같이, 실시예 3의 직선형 모터 유닛(300)은 실시예 1의 직선형 모터(100)를 폭 방향(횡 방향)으로 복수 배열하고, 유닛화 한 것이다.

상 프레임(31)과 하 프레임(32)의 양단부에는 실시예 1과 같이 볼트(81)를 체결하기 위한 나합구멍(82)이 형성된다. 복수의 축 회전형 직선형 모터(100)를 당접시켜 폭 방향으로 배열하고, 폭 방향 양단에 봉지 플레이트(80)를 배치한다. 그리고 봉지 플레이트(80)를 통하여, 복수의 축 회전형 직선형 모터(100)의 나합구멍(82)에 긴 볼트(81)를 통하여 체결함으로써 복수의 축 회전형 직선형 모터(100)가 다축 유닛으로서 일체화된다. 본 실시예에 관련되는 축 회전형 직선형 모터 유닛(300)의 양단의 폭 방향 좌우 측면의 개방부는 봉지된다.

프레임(3)의 폭 치수는 테이프 피더(feeder)의 요구 치수가 되나, 자성통(40)의 외경, 혹은 폭은 프레임 본체(30)의 폭치수 보다도 작게 설정된다. (도 11 참조). 따라서 복수의 축 회전형 직선형 모터(100)를 폭방향으로 다축으로 배열할 때, 프레임(3)의 측면을 따라 축 회전형 직선형 모터(100)를 배열하는 것만으로 축 회전형 직선형 모터 유닛(헤드 모듈)(300)을 간단하고, 동시에 치수가 좋게(크기가 작게) 조립할 수 있다.

또한, 복수의 축 회전형 직선형 모터(100)를 다축에 배열하는 것으로 각 축 회전형 직선형 모터(100)의 폭방향 좌우가 봉지된다. 따라서 냉각 공기의 누설이 적어지고 공기흐름이 자연히 확보되어, 본 실시예와 관계되는 축 회전형 직선형 모터 유닛(300)의 냉각 효과를 향상시킬 수 있다.

복수의 축 회전형 직선형 모터(100)는 당접하지만, 이웃하는 자성통(40), (40)들 사이에는 틈이 형성된다. 자성통(40), (40)들의 틈은 냉각에 유리할 뿐만 아니라 서로의 자기영향도 억제할 수 있다.

각 축 회전형 직선형 모터(100)는 개별로 직선형 인코더(56)를 갖추므로 각 직선형 모터(100)의 위치 정보를 개별로 파악할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 실시예 1에 관한 축 회전형 직선형 모터(100)를 채용해서 설명했지만, 실시예 2에 관한 축 회전형 직선형 모터(200)를 채용할 경우에도, 동일하게 축 회전형 직선형 모터 유닛(300)을 구성할 수 있다.

실시예 3에 관련되는 축 회전형 직선형 모터 유닛(300)은 기본적으로 실시예 1과 같은 작용 효과를 얻는다. 특히, 실시예 3은 폭방향으로 배열한 다축 작동기를 구성하므로 칩 마운터 헤드의 Z축으로서, 소형(소폭)으로, 대추진력 및 저가의 축 회전형 직선형 모터 유닛(300)을 제공할 수 있다고 하는 특유한 효과를 나타낸다.

이상 본 발명의 실시예를 설명했지만, 이들은 본 발명의 설명을 위한 예시이며 본 발명의 범위를 이들 실시예로만 한정하는 취지가 아니다. 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 상기 실시예와는 다른 여러 가지 형태로 실시할 수 있다.

1 중공 가동자(여자부)
2 전기자
3 프레임
10 샤프트부
10A 샤프트부 (중공 볼 스플라인 샤프트)
10B 볼 스플라인 부시
10C 회전 베어링
10D 회전 베어링
11 외통부
12 볼 수용 홈부
14 영구자석
15a 직선형 홈부
15b 직선형 틈
16 스페이서
17 자석 누름 부재
18 제1 중공 끝단 부재
19 제2 중공 끝단 부재
20 코일
30 프레임 본체
31 상 프레임
32 하 프레임
33 양단 프레임
34 양단 프레임
35 요부
40 자성통
41 직선형 개구부
56 직선형 인코더
61 탭(입구, 출구)
62 탭(입구, 출구)
70 충전재
100 축 회전형 직선형 모터
200 축 회전형 직선형 모터
300 축 회전형 직선형 모터 유닛

Claims

샤프트부와 외통부를 포함하며 상기 외통부 내에 복수의 영구자석을 포함하는 중공 가동자;
상기 중공 가동자를 둘러싸며 복수의 코일을 포함하는 전기자; 그리고,
상기 전기자를 수용하는 프레임을 포함하며,
상기 샤프트부는 직선 및 회전 가능한 직선형 가이드에 의해 지지 되고,
상기 샤프트부는 볼 수용 홈부를 갖춘 중공 볼 스플라인 샤프트로 형성되고,
상기 직선 및 회전 가능한 직선형 가이드는 볼을 내장한 볼 스플라인 부시와 회전 베어링을 일체적으로 형성하며,
상기 중공 볼 스플라인 샤프트는 상기 볼 스플라인 부시에 지지되어 직선 동작하고, 상기 볼 스플라인 부시는 상기 회전 베어링에 지지되어 회전 동작하는 축 회전형 직선형 모터.
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제1 항에 있어서,
상기 샤프트부는 중공 샤프트이고, 상기 샤프트부의 중공부에 공기 튜브가 접속 가능한 축 회전형 직선형 모터.
샤프트부와 외통부를 포함하며 상기 외통부 내에 복수의 영구자석을 포함하는 중공 가동자;
상기 중공 가동자를 둘러싸며 복수의 코일을 포함하는 전기자; 그리고,
상기 전기자를 수용하는 프레임을 포함하며,
상기 샤프트부는 직선 및 회전 가능한 직선형 가이드에 의해 지지 되고,
상기 외통부 내에는 제1 중공 끝단 부재, 선단측의 자석 누름 부재, 스페이서를 개설한 영구자석 군, 기단측의 자석 누름 부재 및 제2 중공 끝단 부재를 순서대로 밀폐 수용하고,
상기 스페이서 및 상기 영구자석은 외주면에 직선형 홈부를, 상기 자석 누름 부재는 직선형 틈을 가지며,
상기 제1 중공 끝단 부재의 중공부, 상기 제2 중공 끝단 부재의 중공부, 상기 스페이서의 직선형 홈부, 상기 영구자석의 직선형 홈부 및 상기 자석 누름 부재의 직선형 틈을 통하여, 상기 외통부 내에 공기흐름이 형성되는 축 회전형 직선형 모터.
제1 항 또는 제5 항에 있어서,
상기 전기자는 직선형 개구부를 가지는 자성통 내에 상기 복수의 코일을 수용하는 축 회전형 직선형 모터.
제6 항에 있어서,
상기 직선형 개구부는 상기 자성통의 적어도 상부에 형성되어 있는 축 회전형 직선형 모터.
제6 항에 있어서,
상기 복수의 코일의 리드 선은 상기 자성통의 직선형 개구부를 통하고, 상기 자성통의 외부에 노출되는 축 회전형 직선형 모터.
제1 항 또는 제5 항에 있어서,
상기 프레임의 본체는 사각형 프레임 형태로 형성되며, 상 프레임, 하 프레임 및 길이 방향의 양단 프레임을 포함하는 축 회전형 직선형 모터.
제1 항 또는 제5 항에 있어서,
상기 프레임의 본체의 상 프레임에는, 상기 복수의 코일의 리드 선 결선공간으로서의 구멍이 개구되는 것을 특징으로 하는 축 회전형 직선형 모터.
제1 항 또는 제5 항에 있어서,
상기 프레임의 본체의 상 프레임의 내면 및 하 프레임의 내면 중 적어도 한 내면에 요부가 형성되는 축 회전형 직선형 모터.
제11 항에 있어서,
상기 상 프레임의 내면의 요부와 하 프레임의 내면에 요부는, 적어도 일부가 겹치도록 길이 방향의 위치가 벗어나는 축 회전형 직선형 모터.
제6 항에 있어서,
상기 코일의 외주면과 상기 자성통의 내면과의 틈, 상기 자성통의 상기 직선형 개구부, 상기 자성통의 외면과 상기 프레임의 본체의 내면의 네 구석의 틈 및 상기 자성통의 외면과 상기 프레임의 본체의 내면의 요부의 틈 중 적어도 하나에 냉각 통로가 형성되는 축 회전형 직선형 모터.
제13 항에 있어서,
상기 프레임의 본체의 상 프레임 및 하 프레임에는, 상기 냉각 통로에 냉각 공기를 유입시키기 위한 입구 및 출구가 형성되는 축 회전형 직선형 모터.
제6 항에 있어서,
상기 프레임의 본체의 내면에 충전재를 통하여 상기 자성통이 고정되는 축 회전형 직선형 모터.
제1 항 또는 제5 항에 있어서,
상기 프레임의 일부에 직선형 인코더가 구비되는 축 회전형 직선형 모터.
제1 항 또는 제5 항에 따른 축 회전형 직선형 모터를 복수 개 폭방향으로 배열하고 당접시키고,
폭방향 양단면에 봉지 플레이트를 배치하고, 상기 봉지플레이트 및 복수의 축 회전형 직선형 모터를 일체화하여 다축의 유닛을 형성한 축 회전형 직선형 모터 유닛.
제5 항에 있어서,
상기 샤프트부는 볼 수용 홈부를 갖춘 중공 볼 스플라인 샤프트로 형성되고,
상기 직선 및 회전 가능한 직선형 가이드는 볼을 내장한 볼 스플라인 부시와 회전 베어링을 일체적으로 형성하며,
상기 중공 볼 스플라인 샤프트는 상기 볼 스플라인 부시에 지지되어 직선 동작하고, 상기 볼 스플라인 부시는 상기 회전 베어링에 지지되어 회전 동작하는 축 회전형 직선형 모터.
제5 항에 있어서,
상기 샤프트부는 중공 샤프트로 형성되고,
상기 직선 및 회전 가능한 직선형 가이드는 직선형 부시 또는 미끄럼 베어링으로 형성되는 축 회전형 직선형 모터.
제5 항에 있어서,
상기 샤프트부는 중공 샤프트이고, 상기 샤프트부의 중공부에 공기 튜브가 접속 가능한 축 회전형 직선형 모터.