バックヨークの製造方法、電動機、ロボット
【課題】電動機の損失を低減するバックヨークの製造方法を提供する。
【解決手段】バックヨーク４０の製造方法は、界磁用磁石２１を有する回転子２０との間で磁路を形成するリング形状のバックヨーク４０の製造方法であって、断面形状が円形または四角形の軟磁性材料の線材４１を、巻芯１４０に向かって搬送し、線材４１が巻芯１４０に達する位置の手前で線材４１を所与の温度で加熱し、巻芯１４０を回転し、加熱した状態で線材４１を螺旋状に巻回し、所与の巻数に達したときに線材４１を切断し、バックヨーク４０に個片化する。このように製造方法によれば、製造時の廃材の発生と、加熱した状態で巻回することから、内部歪や残留応力の発生を抑制して、コスト増を抑えつつ、損失を低減することができる。
【解決手段】バックヨーク４０の製造方法は、界磁用磁石２１を有する回転子２０との間で磁路を形成するリング形状のバックヨーク４０の製造方法であって、断面形状が円形または四角形の軟磁性材料の線材４１を、巻芯１４０に向かって搬送し、線材４１が巻芯１４０に達する位置の手前で線材４１を所与の温度で加熱し、巻芯１４０を回転し、加熱した状態で線材４１を螺旋状に巻回し、所与の巻数に達したときに線材４１を切断し、バックヨーク４０に個片化する。このように製造方法によれば、製造時の廃材の発生と、加熱した状態で巻回することから、内部歪や残留応力の発生を抑制して、コスト増を抑えつつ、損失を低減することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バックヨークの製造方法、この製造方法を用いて製造されたバックヨークを有する電動機、及びこの電動機を有するロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
界磁用コイルを有する回転子、コイル、バックヨークからなる電動機では、回転子の回転によって磁場が回転方向に移動する。磁場の移動、すなわち変化により、バックヨークにはヒステリシス損と渦電流損が発生し、電動機特性に影響を与える。これら損失を低減するために、従来、軟磁性特性を有する円環状の薄板を複数枚積層したバックヨークが用いられていた。しかし、このようなバックヨークでは、円環状の薄板をプレス加工等で打抜き加工で製造することが一般的であって、廃材部分が多く材料の使用効率が悪いという課題を有していた。また、打抜かれた薄板を積層する際、接着剤等で固着して円筒形状にしなければならず、コスト面でも不利であった。
【０００３】
そこで、軟磁性を有する線材を螺旋状に巻回して円筒形状のバックヨークを形成する製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３４１７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような特許文献１のバックヨークの製造方法は、材料の使用効率を高めることはできるが、線材を螺旋状に巻回するときに加工歪が発生し、残留応力の影響で磁気損失が増加し、その結果、ヒステリシス損が増加するという課題があった。
また、線材を巻回するときには加工硬化が生じ、線材にクラックが発生することもあり、加工性が悪く、さらに加工困難となる課題もある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係るバックヨークの製造方法は、界磁用磁石を有する回転子との間で磁路を形成するリング形状のバックヨークの製造方法であって、断面形状が円形または四角形の軟磁性材料の線材を、巻芯に向かって搬送し、前記線材が前記巻芯に達する位置の手前で前記線材を所与の温度で加熱し、前記巻芯を回転し、加熱した状態で前記線材を螺旋状に巻回し、所与の巻数に達したときに前記線材を切断し、前記バックヨークに個片化すること、を特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、線材を螺旋状に巻回してバックヨークを形成する。よって、従来の円環形状の薄板を形成し、複数個積層する場合のように廃材が発生することはなく、材料使用高効率を格段に向上させることができる。
【０００９】
また、線材を加熱した状態で巻回加工を行うため、加工歪の発生、及び残留応力を抑制できることから、加工歪や残留応力に起因するヒステリシス損を低減できるという効果がある。
また、線材を加熱せずに巻回加工するときには加工硬化が生じ、線材にクラック等が発生することや、スプリングバックによって所定の寸法を確保できないことが考えられるが、線材を加熱して巻回加工することで、加工硬化を抑制できることから加工性が向上し、スプリングバックを小さくできるため狙いの寸法精度を確保することができるという効果もある。
【００１０】
［適用例２］上記適用例に係るバックヨークの製造方法において、前記線材が純鉄またはＳｉを含む鉄系合金の場合の加熱温度を、６００℃〜１２００℃の範囲とすること、が好ましい。
【００１１】
加熱温度が６００℃以下の場合には、線材に加工歪が残ることから磁気特性が低下し、その結果、ヒステリシス損や渦電流損などの損失が増加する。また、１２００℃を超える高温領域では、線材表面の酸化が進行し、磁場内の金属部分が減少するため損失が増加してしまう。そこで、加熱温度を６００℃〜１２００℃に管理することで、加工歪を抑制でき、結果として損失の低減と、加工性の向上をはかることができる。
【００１２】
［適用例３］上記適用例に係るバックヨークの製造方法において、前記線材が軟磁性特性を有するアモルファス材料または微結晶合金の場合の加熱温度を、４５０℃以上ガラス転移点温度以下でとすること、が好ましい。
ここで、アモルファス材料としては、例えば、鉄基、コバルト基、ニッケル基等のアモルファス状態材料があり、微結晶合金としては、例えば、Ｃｏ基、Ｎｉ基等の微結晶状態の材料がある。
【００１３】
このような材料の加熱温度は、再結晶温度以下（つまり、ガラス転移点温度以下）で、４５０℃以上にすることで、加工歪を抑制でき、結果として損失の低減と、加工性の向上をはかることができる。これらの材料は、特に鉄損の低減に効果がある。
また、これらの金属材料は加熱温度４５０℃付近で変形しやすくなるため、容易に巻回加工を行うことができる。
【００１４】
［適用例４］上記適用例に係るバックヨークの製造方法において、前記線材の断面形状が円形であって、前記線材の直径ｄを０．０２ｍｍ≦ｄ≦０．３５ｍｍとすること、が好ましい。
【００１５】
線材の断面形状が円形の場合、線材の直径ｄを０．３５ｍｍよりも大きくすると、巻回したときの単位断面積当りの鉄占有率が低下し、損失が大きくなってしまう。そこで、直径ｄを０．３５ｍｍ以下にすれば鉄占有率の低下を抑え、損失を低減できる。なお、線材の直径ｄは小さいほど損失は小さくなる傾向があるが、例えば、ｄ＝０．０１ｍｍの線材を作り出すこと自体が容易ではない。よって、線材の直径ｄを、０．０２ｍｍ≦ｄ、Ａ≦０．３５ｍｍの範囲にすることで、線材の製造が容易になると共に、損失をより低減できる。
【００１６】
［適用例５］上記適用例に係るバックヨークの製造方法において、前記線材の断面形状が正方形であって、前記線材の一辺の寸法Ａを０．０２ｍｍ≦Ａ≦０．３５ｍｍとすること、が好ましい。
【００１７】
このように、線材の断面形状を正方形にした場合、整列巻回によって単位断面積当りの鉄占有率の低下がなく、線材の巻回に伴う損失を低減することができる。
【００１８】
［適用例６］上記適用例に係るバックヨークの製造方法において、前記線材の断面形状が扁平な四角形である場合、幅寸法をＡとし、厚みをＢとしたとしたとき、０．１ｍｍ≦Ａ＜０．４ｍｍ、２＜Ｂ／Ａ＜３、であること、が好ましい。
一般に、断面形状が扁平な線材の巻回はエッジワイズ巻きと呼ばれ、幅寸法は巻回方向の幅であって、厚みは巻回後の内周面から外周面までの肉厚みをいう。
【００１９】
幅寸法Ａを０．４ｍｍ以上にすると、渦電流が急激に増え損失が増加する。また、Ｂ／Ａが３を超えると、バックヨークの内周部の圧縮力と外周部の引張力との差が大きく働き、巻回された線材間に隙間が開く。そのため、バックヨークの長さが一定の場合、バックヨーク内の鉄占有率が減少し、磁気特性が悪化する。さらに、Ｂ／Ａを大きくすると巻回加工の加工性が悪化する。
そこで、上記寸法及び寸法の比を、０．１ｍｍ≦Ａ＜０．４ｍｍ、２＜Ｂ／Ａ＜３、にすることで、損失の低減と良好な加工性を実現できる。
【００２０】
［適用例７］上記適用例に係るバックヨークの製造方法において、前記線材の加熱時に前記線材に、絶縁膜を形成すること、が好ましい。
【００２１】
巻回された線材に絶縁膜を形成することで、渦電流損を低減することができる。この絶縁膜は、線材を加熱したときに生成される酸化膜であって、線材に絶縁膜を形成する工程が必要ないという効果がある。
【００２２】
［適用例８］本適用例に係る電動機は、界磁用磁石を有する回転子と、前記回転子を回転可能に内挿し、前記回転子を周回するよう配置される扁平な複数の小コイルを有する円筒形状のコイルと、前記コイルを内挿する前述した各適用例のいずれかに記載のバックヨークと、を備えていることを特徴とする。
【００２３】
本適用例によれば、前述した適用例の製造方法を用いて製造したバックヨークを採用することによって、損失が小さい電動機を実現できる。
【００２４】
［適用例９］本適用例に係るロボットは、アームと、前記アームを駆動する電動機と、を備え、前記電動機が、界磁用磁石を有する回転子と、前記回転子を回転可能に内挿し、前記回転子を周回するよう配置される扁平な複数のコイルを有する円筒形状のコイルと、前記コイルを内挿する請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のバックヨークと、を備えていること、を特徴とする。
【００２５】
本適用例によれば、アームを駆動する電動機として前述した適用例に記載のバックヨークを備えた電動機を用いることで、損失が小さいロボットを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】電動機の主たる要素構成を示す断面図。
【図２】バックヨークの外形形状を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は正面図。
【図３】線材が巻回された状態のバックヨークの断面形状を示し、（ａ）は直径ｄの断面円形の場合、（ｂ）は一辺寸法がＡの正方形の場合、（ｃ）は幅寸法がＡ、厚み寸法がＢの扁平四角形の場合を示す断面図。
【図４】バックヨークの製造装置、及び製造方法の概略を示す説明図。
【図５】巻芯の１例を示し、（ａ）は軸方向に切断した断面図、（ｂ）は正面図。
【図６】加熱温度と損失の関係の調査結果を示すグラフ。
【図７】ロボットを模式的に表す構成説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
なお、以下の説明で参照する図は、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
（電動機）
【００２８】
まず、電動機１０の構成について説明する。
図１は、電動機１０の主たる要素構成を示す断面図であって、軸方向に切断した状態を表している。電動機１０は、界磁用磁石２１を有する回転子２０と、回転子２０を回転可能に内挿し、回転子２０の外周を周回するよう配置される扁平な複数の小コイルを有する円筒形状のコイル５０と、コイル５０を内挿する円筒形状のバックヨーク４０と、を備えている。
【００２９】
回転子２０は、本実施形態では円周方向に６極に着磁された界磁磁石（永久磁石）２１がシャフト３０に軸止されており、シャフト３０を回転軸として円周方向に回転可能である。
【００３０】
コイル５０は、本実施例では半径方向に２層構造を有して構成されている。２層構造のうちの外周側に周回するように配置された小コイル群を第１層コイル６０、内周側に周回するように配置された小コイル群を第２層コイル７０とする。
【００３１】
第１層コイル６０は、界磁用磁石２１の極数と同じ数（６個）の扁平にコイル線が巻回されたな小コイルが回転子２０を周回するよう配置されている。第２層コイル７０は、第１層コイル６０の外周側に界磁用磁石２１の極数と同じ数（６個）の扁平にコイル線が巻回されたな小コイルが回転子２０を周回するよう配置されている。
【００３２】
第１層コイル６０と第２層コイル７０の各々の小コイルは、互いに１／２ピッチ（角度で）位相をずらして配置されており、インサートモールドによって互いの間隙や周囲を軟磁性粉と樹脂との混合材８０によって充填、被覆されて円筒形状のコイル５０を構成している。
バックヨーク４０は、軟磁性材料の線材４１をアキシャル方向に螺旋状に巻回して構成され、回転子２０−コイル５０−バックヨーク４０間で磁路が形成される。
【００３３】
バックヨーク４０の材質としては、軟磁性を有する金属材料であって、純鉄、Ｓｉを３％〜７％含む鉄系合金、ＣｏまたはＮｉを含む鉄系合金、Ｃｏ基アモルファス材料、Ｎｉ基アモルファス材料、Ｎｉ基微結晶合金、等が用いられる。
【００３４】
図２は、バックヨーク４０の外形形状を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は正面図である。バックヨーク４０は、螺旋状に巻回された状態で外形形状が円筒形状をしており、Ｌは長さ、Ｄ１は外径、Ｄ２は内径である。長さＬは巻回する線材４１の巻数と幅寸法によって、外径Ｄ１は線材４１の厚み（または直径）によって、内径Ｄ２はコイル５０の外径によって律せられる。なお、バックヨーク４０の原料である線材４１の断面形状によって巻回された状態が異なる。このことについて図３を参照して説明する。
【００３５】
図３は線材４１が巻回された状態の断面形状を示し、（ａ）は直径ｄの断面円形の場合、（ｂ）は一辺寸法がＡの正方形の場合、（ｃ）は幅寸法がＡ、厚み寸法がＢの扁平四角形の場合を示し、Ａ＜Ｂの関係にある。なお、線材４１の断面形状に関わらず密接巻きされている。線材４１の断面形状及び寸法によって、巻回し易さや損失に影響がでるが、このことについては、以下のバックヨーク４０の製造方法で詳述する。
（バックヨークの製造方法）
【００３６】
図４は、バックヨーク４０の製造装置１００、及び製造方法の概略を示す説明図である。バックヨーク４０の製造装置１００は、線材４１が巻回された線材供給ローラー１１０と、可動ローラー１２０と、第１搬送ローラー１３０と、第２搬送ローラー１３１と、線材４１を巻回する巻芯１４０と、線材４１を加熱する加熱装置１５０とから構成されている。
【００３７】
線材４１は、線材供給ローラー１１０から可動ローラー１２０、第１搬送ローラー１３０、第２搬送ローラー１３１を経て巻芯１４０に供給され、線材４１の先端部を巻芯の一部に固定した後（図示せず）、巻芯１４０を回転して巻回する。図中、矢印は線材４１の搬送方向を表している。可動ローラー１２０は、線材４１に適切な緩みを与えるように図示上下方向に可動する。線材４１は、第１搬送ローラー１３０と第２搬送ローラー１３１との間で巻癖を除去しつつ、巻芯１４０との間で適切な張力を維持する。
【００３８】
加熱装置１５０は、線材４１が巻芯１４０に達する位置の手前で線材４１を所与の温度で加熱する。そして、所与の温度で加熱された状態で巻芯１４０を回転し、線材４１を螺旋状に巻回する。巻芯１４０は、回転しながら軸方向に１回転する毎に線材４１の幅寸法分移動することで、線材４１を密接させながら螺旋状に整列巻回する。そして、所与の巻数に達したところで切断し、バックヨーク４０に個片化する。この個片化工程は、一旦個片化した後、線材先端部と末端部とを所定の長さ、及び形状になるように成形するようにしてもよい。
次に、巻芯１４０の構造について説明する。
【００３９】
図５は、巻芯１４０の１例を示し、（ａ）は軸方向に切断した断面図、（ｂ）は正面図である。巻芯１４０は、段付の円筒形状をしており、外周形状が段部１４１と段部１４１に連続する線材４１を巻回する巻回部１４２とを有している。巻回部１４２の両端側には、線材４１の両端位置（長さＬ）を規制する規制部１４３と、規制リング１４４が設けられている。規制リング１４４は巻芯１４０に対して脱着可能である。巻芯１４０の中心部には貫通孔１４５が設けられている。貫通孔１４５の一方の端面には、斜面部１４６が形成されている。この貫通孔１４５には開閉軸１６０が挿通されている。
【００４０】
開閉軸１６０には、貫通孔１４５に形成される斜面部１４６に係合する鍔部１６１が設けられており、鍔部１６１には、斜面部１４６に当接する斜面部１６２が形成されている。巻芯１４０には、図５（ｂ）に示すような割溝１４７が十文字に設けられている。
【００４１】
開閉軸１６０を巻芯１４０に対してＳ１方向に移動させると、巻芯１４０の斜面部１４６と開閉軸１６０の斜面部１６２との相互作用で割溝１４７の溝幅を拡げ、巻回部１４２の外径が拡がる。また、開閉軸１６０を巻芯１４０に対してＳ２方向に移動させると、巻芯１４０の斜面部１４６と開閉軸１６０の斜面部１６２とが離れて割溝１４７の溝幅が元に復帰し、巻回部１４２の外径が縮小する。つまり、開閉軸１６０を巻芯１４０に対して進退させることによって、巻回部１４２の外周径が拡がった状態で線材４１を巻回し、外周径が縮小した状態で巻回された線材４１（つまり、バックヨーク４０）を巻芯１４０から取り外すことができる。この際、規制リング１４４も取り外される。
【００４２】
線材４１を巻回するときの巻回部１４２の外周径の寸法は、巻回された線材４１のスプリングバックを考慮して設定され、バックヨーク４０の完成時に内径Ｄ２（図２、参照）を確保できるようにする。
【００４３】
加熱方法としては、ガスバーナーによる直接加熱する方法、線材４１に直接電流を流して自己発熱させる方法、高周波加熱による方法、レーザー光を用いた加熱方法、赤外線等を用いる方法等から適宜選択することができる。例えば、ガスバーナーを用いる場合は、非接触温度計によって加熱温度を測定しながら、燃料供給量をコントロールして温度管理を行う。どの加熱方法を用いる場合であっても、加熱は大気中で行う。従って、加熱過程で、線材４１の表面には酸化膜、つまり絶縁膜が形成される。加熱温度については、以降説明する実施例で詳述する。
【００４４】
続いて、前述した電動機１０にバックヨーク４０を用いたときの性能を調査した結果について比較して説明する。ここで性能とは、バックヨーク４０の製造条件（加熱温度）、線材４１の断面形状、線材４１の材質によって影響される損失（Ｗ）であって、損失（Ｗ）が小さいほど性能がよいものとする。また、調査条件としては、回転子２０の回転数を３０００ｒｐｍ、回転子２０に３００Ｎｃｍのトルクを負荷した場合を例示して説明する。
（実施例１）
【００４５】
まず、実施例１に係る調査結果を表１に表す。実施例１は、円形の線材４１断面形状が円形または正方形の場合であって、線材４１の材質として純鉄、３％〜７．５％のＳｉを含む鉄系合金、ＣｏまたはＮｉを含む鉄系合金、加熱温度を加熱しない無加熱の場合と、加熱温度を９００℃〜１２５０℃まで変化させた場合の損失（Ｗ）を比較している。
【００４６】
【表１】
【００４７】
No.１８は、従来技術によりバックヨーク４０を製造したものであって、厚さ０．３ｍｍの円環形状の薄板を長さＬ分積層して、同じ条件で測定した結果である。材質は３．５％のＳｉを含む鉄系合金であって、加熱していない。このときの損失（Ｗ）を比較基準とする。
【００４８】
表中No.１〜No.４は、純鉄と、Ｓｉを添加した鉄系合金の線材４１（直径０．３ｍｍの円形断面）の損失（Ｗ）を表している。なお、加熱温度は９００℃である。表１に示すとおり、Ｓｉの添加量が増えるのに従い損失（Ｗ）は低下する。ここで、損失（Ｗ）は、鉄損、渦損、銅損、機械損を含み、損失の変化は主に鉄損（ヒステリシス損と渦電流損）である。これは、磁気特性が良好になると共に、線材４１の電気抵抗が高くなり渦電流損が低下したためである。しかし、Ｓｉの添加量が７．５％になると、線材４１そのものの製造が困難になるうえ、巻回加工が困難となり測定不可能であった。No.１は純鉄であって、比較基準（No.１８）に対して若干の損失増であった。
【００４９】
No.５は、Ｃｏを５０％含んだ鉄系合金であり、No.６は、Ｎｉを４５％含んだ鉄系合金であり、共に磁気特性が良好な材料であることから、損失（Ｗ）は比較基準に対して１０％程度改善されている。なお、加熱温度は９００℃である。
【００５０】
No.７〜No.１１は、線材４１の断面形状と寸法を変化させた場合の損失（Ｗ）を表している。材質はＳｉを３．５％含んだ鉄系合金である。No.７に示す直径０．０１ｍｍの場合は、損失（Ｗ）が他よりも低下している。これは渦電流損が大幅に減少するためである。しかし、直径０．０１ｍｍの線材４１を製造することは困難であって、電動機１０に用いる線材４１としては高コストとなり実用的ではない。なお、No.７は加熱温度を１０００℃としているが、９００℃の場合と差はないと考えられる（図６、参照）。No.８に示すように線材４１の直径が０．３５ｍｍ、また、一辺が０．３ｍｍの正方形の場合でも比較基準（No.１８）とほぼ同等の損失といえる。なお、線材４１が太くなるに従い損失が増加する傾向があり、一辺寸法が０．４ｍｍになるNo.１１では渦電流が増加し、損失は比較基準よりも高くなる。
【００５１】
No.１２〜No.１５は加熱温度の影響を調査したものである。そこで、加熱温度と損失の関係について説明する。
図６は、加熱温度と損失の関係の調査結果を示すグラフである。横軸に加熱温度（℃）、縦軸に損失（Ｗ）を表している。なお、加熱方法としてガスバーナーを使用した場合を表している。図６から分かるように、６００℃以下及び１２００℃以上では損失が増加する傾向があり、加熱温度は６００℃〜１２００℃の範囲が好ましいといえる。
【００５２】
図６を参照しながら、さらに調査結果を説明する。No.１２は５８０℃、No.１６は６００℃で線材４１を加熱し巻回したものである。これらの加熱温度は低すぎるため、材料内部に歪が残り、磁気特性の低下が損失を増加させている。また、No.１５は加熱温度が１２５０℃と高すぎて線材表面の酸化が進み、結果として磁場内の金属部分が減少し、損失を増大させている。No.１６は無加熱で加工したもので、線材４１内部の歪と、無加熱のため絶縁膜が形成されなかったことにより線材同士が導通し、ヒステリシス損、渦電流損が大幅に増大した。No.１７は、予め線材４１を４００℃で加熱（予備加熱）して表面に酸化物を生成させ、巻回時は無加熱でバックヨーク４０を形成し、個片化した後、さらに７５０℃で加熱してバックヨーク４０の加工歪を除去したものである。線材４１の電気絶縁は予備加熱により行われ、巻回時に発生した歪は巻回後の加熱にて除去されるため、良好な特性を示している。
（実施例２）
【００５３】
続いて、実施例２に係る調査結果を表２に表す。実施例２は、線材４１の材質として３％のＳｉを含む鉄系合金、Ｃｏ基アモルファス材料、Ｎｉ基アモルファス材料、Ｎｉ基微結晶合金の場合、加熱温度を無加熱、４５０℃〜１０００℃の範囲で変化させた場合、線材４１の断面形状が扁平な四角形であって（図３（ｃ）、参照）、幅Ａと厚みＢ、及び幅Ａと厚みＢの比Ｂ／Ａを変化させたときの損失（Ｗ）を比較している。
【００５４】
【表２】
【００５５】
No.３０は、従来技術によりバックヨーク４０を製造したものであって、厚み０．３ｍｍの円環形状の薄板を長さＬ分積層している。なお、材質は３％のＳｉを含む鉄系合金であって、加熱していない。このときの損失（Ｗ）を比較基準とする。バックヨーク４０の形状は図２に示す通りであって、調査条件は実施例１と同じである。
【００５６】
No.１９〜No.２２は線材４１の幅Ａ及び厚みＢを変化させた場合の結果である。なお、Ｂ／Ａは２．０になるように厚みＢを変化させている。加熱温度は９００℃とした。No.１９〜No.２１では、比較基準の損失（Ｗ）よりも低下している。No.２２に示すように幅Ａが０．４ｍｍでは渦電流が急激に増え損失が増加する。
また、No.１９に示す幅Ａが０．０１ｍｍの場合は、線材の形成が困難で高コストとなり実用的ではないと考えられる。
【００５７】
No.２３〜No.２６は、Ｂ／Ａの影響について調査したものである。Ｂ／Ａが３より大きくなるNo.２４，Ｎｏ２５では、バックヨーク４０内周部と外周部とで圧縮と引っ張りの力が大きく働く。その結果、No.２４ではバックヨーク４０の線材間の隙間が発生する。このため全体としてバックヨーク４０の体積が減少し、損失（Ｗ）が増加する傾向がある。なお、No.２４は加熱温度を１０００℃にしたが、ここでは加熱温度の差は見出せない。No.２５は、Ｂ／Ａ＝５の場合であって、巻回時に線材４１が破損し、測定不可能であった。No.２６はＢ／Ａ＝３の場合であるが、加熱せずに巻回したものであり、No.２５と同様に巻回時に線材４１が破損し、測定不可能であった。
【００５８】
No.２７〜No.２９はＣｏ基またはＮｉ基アモルファス合金、Ｎｉ基微結晶合金を使用した例である。組成については特に言及しないが、一般的な４成分ないし５成分からなる合金である。No.２９はアモルファス中に熱処理にて微細な結晶を析出させたものである。加熱温度は再結晶温度以下であるため４５０℃と低い温度となっている。しかし、これらの金属では短時間の加熱であれば変形能が非常に高く容易に巻回加工が出来る。なお表２には試験に使用したアモルファス合金のガラス転移点（ＴＧ）を記載する。No.２７〜No.２９の材質の加工ではこのガラス転移点より低い温度で加工しなければならない。これらの材質では、Ｓｉを含む鉄系合金よりも磁気特性が優れており、損失（Ｗ）は低く良好である。
【００５９】
以上説明したバックヨーク４０の製造方法によれば、線材４１を螺旋状に巻回してバックヨーク４０を形成する。よって、従来の円環状の薄板を形成し、それらを複数個積層する場合のように廃材が発生することはなく、材料使用高効率を格段に向上させることができる。
【００６０】
また、線材４１を加熱した状態で巻回加工を行うため、加工歪の発生、及び残留応力を抑制できることから、加工歪や残留応力に起因するヒステリシス損を低減できるという効果がある。
また、線材４１を加熱して巻回加工することで、加工硬化を抑制できることから加工性が向上し、スプリングバックを小さくできるため狙いの寸法精度を確保することができるという効果もある。
【００６１】
また、線材４１が軟磁性特性を有するＳｉまたはＮｉを適量含む鉄系合金の場合の加熱温度を、６００℃〜１２００℃の範囲としている。このようにすることで、加工歪を抑制でき、結果として損失の低減と、加工性の向上をはかることができる。
【００６２】
また、線材４１が軟磁性特性を有するＣｏ基、Ｎｉ基等のアモルファス状態材料、またはＣｏ基、Ｎｉ基等の微結晶合金の場合の加熱温度を、再結晶温度またはガラス転移点温度以下４５０℃以上にすることで、加工歪を抑制でき、結果として損失（Ｗ）の低減と、加工性の向上をはかることができる。これらの金属材料は、特に鉄損の低減に効果がある。
また、これらの金属材料は加熱温度４５０℃付近で、変形しやすくなるため容易に巻回加工を行うことができる。
【００６３】
また、線材４１の断面形状が円形であって、直径ｄを０．３５ｍｍよりも大きくすると、巻回したときの単位断面積当りの鉄占有率が低下し、損失が大きくなってしまう。そこで、直径ｄを０．３５ｍｍ以下にすれば鉄占有率の低下を抑え、損失を低減できる。なお、線材４１の直径ｄ（または一辺の寸法Ａ）は小さいほど損失（Ｗ）は小さくなる傾向があるが、例えば、ｄ＝０．０１ｍｍの線材を作り出すこと自体が容易ではない。そこで、直径ｄを０．２ｍｍ以上にすれば、線材４１の加工性と損失低減の両方を満足させることができる。
線材４１の断面形状が正方形の場合、一辺の寸法Ａを０．０２ｍｍ≦Ａ＜０．４ｍｍの範囲にすれば、鉄占有率の低下がないことから、損失（Ｗ）を低減することができる。
【００６４】
また、線材４１の断面形状が扁平な四角形である場合、幅寸法Ａを０．４ｍｍ以上にすると、渦電流が急激に増え損失が増加する。また、Ｂ／Ａが３を超えると、バックヨーク４０の内周部の圧縮力と外周部の引張力との差が大きく働き、巻回された線材間に隙間が開く。そのため、バックヨーク４０の長さが一定の場合、バックヨーク４０内の鉄占有率が減少し、磁気特性が悪化する。さらに、Ｂ／Ａを大きくすると巻回加工の加工性が悪化する。そこで、上記寸法及び寸法の比を、０．１ｍｍ≦Ａ＜０．４ｍｍ、２＜Ｂ／Ａ＜３、にすることで、損失の低減と良好な加工性を実現できる。
【００６５】
さらに、線材４１には絶縁膜が形成されている。巻回された線材４１に絶縁膜を形成することで、渦電流損を低減することができる。なお、この絶縁膜は、線材４１を加熱したときに生成される酸化膜であって、線材４１に絶縁膜を形成する工程は必要ない。
【００６６】
また、前述したバックヨーク４０の製造方法を用いて製造したバックヨーク４０を採用することによって、損失が小さい電動機１０を実現できる。
（ロボット）
【００６７】
図７は、ロボット１を模式的に示す構成説明図である。ロボット１は、基部２０３と、アーム２１０とを備えている。アーム２１０は、腕部２００や関節部２０１やロボットハンド部２０２等を備えた所謂ロボットアームであり、動作対象物（以降、ワークＷと表す）を「掴む」ことや「放す」こと、また、ワークを所定の位置に「移動させる」こと等の動作を、ロボット制御装置２２０からの指示に応じて行う動作主体である。
【００６８】
関節部２０１には前述した電動機１０（図１、参照）を備えており、ロボット制御装置２２０からの指示に従い腕部２００及びロボットハンド部２０２を駆動する。
【００６９】
このように、前述したバックヨーク４０を有する電動機１０を用いてアーム２１０を駆動することで、駆動に関わる損失が小さいロボット１を実現できる。
【符号の説明】
【００７０】
１０…電動機、２０…回転子、２１…界磁用磁石、４０…バックヨーク、４１…線材、１４０…巻芯、１５０…加熱装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バックヨークの製造方法、この製造方法を用いて製造されたバックヨークを有する電動機、及びこの電動機を有するロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
界磁用コイルを有する回転子、コイル、バックヨークからなる電動機では、回転子の回転によって磁場が回転方向に移動する。磁場の移動、すなわち変化により、バックヨークにはヒステリシス損と渦電流損が発生し、電動機特性に影響を与える。これら損失を低減するために、従来、軟磁性特性を有する円環状の薄板を複数枚積層したバックヨークが用いられていた。しかし、このようなバックヨークでは、円環状の薄板をプレス加工等で打抜き加工で製造することが一般的であって、廃材部分が多く材料の使用効率が悪いという課題を有していた。また、打抜かれた薄板を積層する際、接着剤等で固着して円筒形状にしなければならず、コスト面でも不利であった。
【０００３】
そこで、軟磁性を有する線材を螺旋状に巻回して円筒形状のバックヨークを形成する製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３４１７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような特許文献１のバックヨークの製造方法は、材料の使用効率を高めることはできるが、線材を螺旋状に巻回するときに加工歪が発生し、残留応力の影響で磁気損失が増加し、その結果、ヒステリシス損が増加するという課題があった。
また、線材を巻回するときには加工硬化が生じ、線材にクラックが発生することもあり、加工性が悪く、さらに加工困難となる課題もある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係るバックヨークの製造方法は、界磁用磁石を有する回転子との間で磁路を形成するリング形状のバックヨークの製造方法であって、断面形状が円形または四角形の軟磁性材料の線材を、巻芯に向かって搬送し、前記線材が前記巻芯に達する位置の手前で前記線材を所与の温度で加熱し、前記巻芯を回転し、加熱した状態で前記線材を螺旋状に巻回し、所与の巻数に達したときに前記線材を切断し、前記バックヨークに個片化すること、を特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、線材を螺旋状に巻回してバックヨークを形成する。よって、従来の円環形状の薄板を形成し、複数個積層する場合のように廃材が発生することはなく、材料使用高効率を格段に向上させることができる。
【０００９】
また、線材を加熱した状態で巻回加工を行うため、加工歪の発生、及び残留応力を抑制できることから、加工歪や残留応力に起因するヒステリシス損を低減できるという効果がある。
また、線材を加熱せずに巻回加工するときには加工硬化が生じ、線材にクラック等が発生することや、スプリングバックによって所定の寸法を確保できないことが考えられるが、線材を加熱して巻回加工することで、加工硬化を抑制できることから加工性が向上し、スプリングバックを小さくできるため狙いの寸法精度を確保することができるという効果もある。
【００１０】
［適用例２］上記適用例に係るバックヨークの製造方法において、前記線材が純鉄またはＳｉを含む鉄系合金の場合の加熱温度を、６００℃〜１２００℃の範囲とすること、が好ましい。
【００１１】
加熱温度が６００℃以下の場合には、線材に加工歪が残ることから磁気特性が低下し、その結果、ヒステリシス損や渦電流損などの損失が増加する。また、１２００℃を超える高温領域では、線材表面の酸化が進行し、磁場内の金属部分が減少するため損失が増加してしまう。そこで、加熱温度を６００℃〜１２００℃に管理することで、加工歪を抑制でき、結果として損失の低減と、加工性の向上をはかることができる。
【００１２】
［適用例３］上記適用例に係るバックヨークの製造方法において、前記線材が軟磁性特性を有するアモルファス材料または微結晶合金の場合の加熱温度を、４５０℃以上ガラス転移点温度以下でとすること、が好ましい。
ここで、アモルファス材料としては、例えば、鉄基、コバルト基、ニッケル基等のアモルファス状態材料があり、微結晶合金としては、例えば、Ｃｏ基、Ｎｉ基等の微結晶状態の材料がある。
【００１３】
このような材料の加熱温度は、再結晶温度以下（つまり、ガラス転移点温度以下）で、４５０℃以上にすることで、加工歪を抑制でき、結果として損失の低減と、加工性の向上をはかることができる。これらの材料は、特に鉄損の低減に効果がある。
また、これらの金属材料は加熱温度４５０℃付近で変形しやすくなるため、容易に巻回加工を行うことができる。
【００１４】
［適用例４］上記適用例に係るバックヨークの製造方法において、前記線材の断面形状が円形であって、前記線材の直径ｄを０．０２ｍｍ≦ｄ≦０．３５ｍｍとすること、が好ましい。
【００１５】
線材の断面形状が円形の場合、線材の直径ｄを０．３５ｍｍよりも大きくすると、巻回したときの単位断面積当りの鉄占有率が低下し、損失が大きくなってしまう。そこで、直径ｄを０．３５ｍｍ以下にすれば鉄占有率の低下を抑え、損失を低減できる。なお、線材の直径ｄは小さいほど損失は小さくなる傾向があるが、例えば、ｄ＝０．０１ｍｍの線材を作り出すこと自体が容易ではない。よって、線材の直径ｄを、０．０２ｍｍ≦ｄ、Ａ≦０．３５ｍｍの範囲にすることで、線材の製造が容易になると共に、損失をより低減できる。
【００１６】
［適用例５］上記適用例に係るバックヨークの製造方法において、前記線材の断面形状が正方形であって、前記線材の一辺の寸法Ａを０．０２ｍｍ≦Ａ≦０．３５ｍｍとすること、が好ましい。
【００１７】
このように、線材の断面形状を正方形にした場合、整列巻回によって単位断面積当りの鉄占有率の低下がなく、線材の巻回に伴う損失を低減することができる。
【００１８】
［適用例６］上記適用例に係るバックヨークの製造方法において、前記線材の断面形状が扁平な四角形である場合、幅寸法をＡとし、厚みをＢとしたとしたとき、０．１ｍｍ≦Ａ＜０．４ｍｍ、２＜Ｂ／Ａ＜３、であること、が好ましい。
一般に、断面形状が扁平な線材の巻回はエッジワイズ巻きと呼ばれ、幅寸法は巻回方向の幅であって、厚みは巻回後の内周面から外周面までの肉厚みをいう。
【００１９】
幅寸法Ａを０．４ｍｍ以上にすると、渦電流が急激に増え損失が増加する。また、Ｂ／Ａが３を超えると、バックヨークの内周部の圧縮力と外周部の引張力との差が大きく働き、巻回された線材間に隙間が開く。そのため、バックヨークの長さが一定の場合、バックヨーク内の鉄占有率が減少し、磁気特性が悪化する。さらに、Ｂ／Ａを大きくすると巻回加工の加工性が悪化する。
そこで、上記寸法及び寸法の比を、０．１ｍｍ≦Ａ＜０．４ｍｍ、２＜Ｂ／Ａ＜３、にすることで、損失の低減と良好な加工性を実現できる。
【００２０】
［適用例７］上記適用例に係るバックヨークの製造方法において、前記線材の加熱時に前記線材に、絶縁膜を形成すること、が好ましい。
【００２１】
巻回された線材に絶縁膜を形成することで、渦電流損を低減することができる。この絶縁膜は、線材を加熱したときに生成される酸化膜であって、線材に絶縁膜を形成する工程が必要ないという効果がある。
【００２２】
［適用例８］本適用例に係る電動機は、界磁用磁石を有する回転子と、前記回転子を回転可能に内挿し、前記回転子を周回するよう配置される扁平な複数の小コイルを有する円筒形状のコイルと、前記コイルを内挿する前述した各適用例のいずれかに記載のバックヨークと、を備えていることを特徴とする。
【００２３】
本適用例によれば、前述した適用例の製造方法を用いて製造したバックヨークを採用することによって、損失が小さい電動機を実現できる。
【００２４】
［適用例９］本適用例に係るロボットは、アームと、前記アームを駆動する電動機と、を備え、前記電動機が、界磁用磁石を有する回転子と、前記回転子を回転可能に内挿し、前記回転子を周回するよう配置される扁平な複数のコイルを有する円筒形状のコイルと、前記コイルを内挿する請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のバックヨークと、を備えていること、を特徴とする。
【００２５】
本適用例によれば、アームを駆動する電動機として前述した適用例に記載のバックヨークを備えた電動機を用いることで、損失が小さいロボットを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】電動機の主たる要素構成を示す断面図。
【図２】バックヨークの外形形状を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は正面図。
【図３】線材が巻回された状態のバックヨークの断面形状を示し、（ａ）は直径ｄの断面円形の場合、（ｂ）は一辺寸法がＡの正方形の場合、（ｃ）は幅寸法がＡ、厚み寸法がＢの扁平四角形の場合を示す断面図。
【図４】バックヨークの製造装置、及び製造方法の概略を示す説明図。
【図５】巻芯の１例を示し、（ａ）は軸方向に切断した断面図、（ｂ）は正面図。
【図６】加熱温度と損失の関係の調査結果を示すグラフ。
【図７】ロボットを模式的に表す構成説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
なお、以下の説明で参照する図は、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
（電動機）
【００２８】
まず、電動機１０の構成について説明する。
図１は、電動機１０の主たる要素構成を示す断面図であって、軸方向に切断した状態を表している。電動機１０は、界磁用磁石２１を有する回転子２０と、回転子２０を回転可能に内挿し、回転子２０の外周を周回するよう配置される扁平な複数の小コイルを有する円筒形状のコイル５０と、コイル５０を内挿する円筒形状のバックヨーク４０と、を備えている。
【００２９】
回転子２０は、本実施形態では円周方向に６極に着磁された界磁磁石（永久磁石）２１がシャフト３０に軸止されており、シャフト３０を回転軸として円周方向に回転可能である。
【００３０】
コイル５０は、本実施例では半径方向に２層構造を有して構成されている。２層構造のうちの外周側に周回するように配置された小コイル群を第１層コイル６０、内周側に周回するように配置された小コイル群を第２層コイル７０とする。
【００３１】
第１層コイル６０は、界磁用磁石２１の極数と同じ数（６個）の扁平にコイル線が巻回されたな小コイルが回転子２０を周回するよう配置されている。第２層コイル７０は、第１層コイル６０の外周側に界磁用磁石２１の極数と同じ数（６個）の扁平にコイル線が巻回されたな小コイルが回転子２０を周回するよう配置されている。
【００３２】
第１層コイル６０と第２層コイル７０の各々の小コイルは、互いに１／２ピッチ（角度で）位相をずらして配置されており、インサートモールドによって互いの間隙や周囲を軟磁性粉と樹脂との混合材８０によって充填、被覆されて円筒形状のコイル５０を構成している。
バックヨーク４０は、軟磁性材料の線材４１をアキシャル方向に螺旋状に巻回して構成され、回転子２０−コイル５０−バックヨーク４０間で磁路が形成される。
【００３３】
バックヨーク４０の材質としては、軟磁性を有する金属材料であって、純鉄、Ｓｉを３％〜７％含む鉄系合金、ＣｏまたはＮｉを含む鉄系合金、Ｃｏ基アモルファス材料、Ｎｉ基アモルファス材料、Ｎｉ基微結晶合金、等が用いられる。
【００３４】
図２は、バックヨーク４０の外形形状を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は正面図である。バックヨーク４０は、螺旋状に巻回された状態で外形形状が円筒形状をしており、Ｌは長さ、Ｄ１は外径、Ｄ２は内径である。長さＬは巻回する線材４１の巻数と幅寸法によって、外径Ｄ１は線材４１の厚み（または直径）によって、内径Ｄ２はコイル５０の外径によって律せられる。なお、バックヨーク４０の原料である線材４１の断面形状によって巻回された状態が異なる。このことについて図３を参照して説明する。
【００３５】
図３は線材４１が巻回された状態の断面形状を示し、（ａ）は直径ｄの断面円形の場合、（ｂ）は一辺寸法がＡの正方形の場合、（ｃ）は幅寸法がＡ、厚み寸法がＢの扁平四角形の場合を示し、Ａ＜Ｂの関係にある。なお、線材４１の断面形状に関わらず密接巻きされている。線材４１の断面形状及び寸法によって、巻回し易さや損失に影響がでるが、このことについては、以下のバックヨーク４０の製造方法で詳述する。
（バックヨークの製造方法）
【００３６】
図４は、バックヨーク４０の製造装置１００、及び製造方法の概略を示す説明図である。バックヨーク４０の製造装置１００は、線材４１が巻回された線材供給ローラー１１０と、可動ローラー１２０と、第１搬送ローラー１３０と、第２搬送ローラー１３１と、線材４１を巻回する巻芯１４０と、線材４１を加熱する加熱装置１５０とから構成されている。
【００３７】
線材４１は、線材供給ローラー１１０から可動ローラー１２０、第１搬送ローラー１３０、第２搬送ローラー１３１を経て巻芯１４０に供給され、線材４１の先端部を巻芯の一部に固定した後（図示せず）、巻芯１４０を回転して巻回する。図中、矢印は線材４１の搬送方向を表している。可動ローラー１２０は、線材４１に適切な緩みを与えるように図示上下方向に可動する。線材４１は、第１搬送ローラー１３０と第２搬送ローラー１３１との間で巻癖を除去しつつ、巻芯１４０との間で適切な張力を維持する。
【００３８】
加熱装置１５０は、線材４１が巻芯１４０に達する位置の手前で線材４１を所与の温度で加熱する。そして、所与の温度で加熱された状態で巻芯１４０を回転し、線材４１を螺旋状に巻回する。巻芯１４０は、回転しながら軸方向に１回転する毎に線材４１の幅寸法分移動することで、線材４１を密接させながら螺旋状に整列巻回する。そして、所与の巻数に達したところで切断し、バックヨーク４０に個片化する。この個片化工程は、一旦個片化した後、線材先端部と末端部とを所定の長さ、及び形状になるように成形するようにしてもよい。
次に、巻芯１４０の構造について説明する。
【００３９】
図５は、巻芯１４０の１例を示し、（ａ）は軸方向に切断した断面図、（ｂ）は正面図である。巻芯１４０は、段付の円筒形状をしており、外周形状が段部１４１と段部１４１に連続する線材４１を巻回する巻回部１４２とを有している。巻回部１４２の両端側には、線材４１の両端位置（長さＬ）を規制する規制部１４３と、規制リング１４４が設けられている。規制リング１４４は巻芯１４０に対して脱着可能である。巻芯１４０の中心部には貫通孔１４５が設けられている。貫通孔１４５の一方の端面には、斜面部１４６が形成されている。この貫通孔１４５には開閉軸１６０が挿通されている。
【００４０】
開閉軸１６０には、貫通孔１４５に形成される斜面部１４６に係合する鍔部１６１が設けられており、鍔部１６１には、斜面部１４６に当接する斜面部１６２が形成されている。巻芯１４０には、図５（ｂ）に示すような割溝１４７が十文字に設けられている。
【００４１】
開閉軸１６０を巻芯１４０に対してＳ１方向に移動させると、巻芯１４０の斜面部１４６と開閉軸１６０の斜面部１６２との相互作用で割溝１４７の溝幅を拡げ、巻回部１４２の外径が拡がる。また、開閉軸１６０を巻芯１４０に対してＳ２方向に移動させると、巻芯１４０の斜面部１４６と開閉軸１６０の斜面部１６２とが離れて割溝１４７の溝幅が元に復帰し、巻回部１４２の外径が縮小する。つまり、開閉軸１６０を巻芯１４０に対して進退させることによって、巻回部１４２の外周径が拡がった状態で線材４１を巻回し、外周径が縮小した状態で巻回された線材４１（つまり、バックヨーク４０）を巻芯１４０から取り外すことができる。この際、規制リング１４４も取り外される。
【００４２】
線材４１を巻回するときの巻回部１４２の外周径の寸法は、巻回された線材４１のスプリングバックを考慮して設定され、バックヨーク４０の完成時に内径Ｄ２（図２、参照）を確保できるようにする。
【００４３】
加熱方法としては、ガスバーナーによる直接加熱する方法、線材４１に直接電流を流して自己発熱させる方法、高周波加熱による方法、レーザー光を用いた加熱方法、赤外線等を用いる方法等から適宜選択することができる。例えば、ガスバーナーを用いる場合は、非接触温度計によって加熱温度を測定しながら、燃料供給量をコントロールして温度管理を行う。どの加熱方法を用いる場合であっても、加熱は大気中で行う。従って、加熱過程で、線材４１の表面には酸化膜、つまり絶縁膜が形成される。加熱温度については、以降説明する実施例で詳述する。
【００４４】
続いて、前述した電動機１０にバックヨーク４０を用いたときの性能を調査した結果について比較して説明する。ここで性能とは、バックヨーク４０の製造条件（加熱温度）、線材４１の断面形状、線材４１の材質によって影響される損失（Ｗ）であって、損失（Ｗ）が小さいほど性能がよいものとする。また、調査条件としては、回転子２０の回転数を３０００ｒｐｍ、回転子２０に３００Ｎｃｍのトルクを負荷した場合を例示して説明する。
（実施例１）
【００４５】
まず、実施例１に係る調査結果を表１に表す。実施例１は、円形の線材４１断面形状が円形または正方形の場合であって、線材４１の材質として純鉄、３％〜７．５％のＳｉを含む鉄系合金、ＣｏまたはＮｉを含む鉄系合金、加熱温度を加熱しない無加熱の場合と、加熱温度を９００℃〜１２５０℃まで変化させた場合の損失（Ｗ）を比較している。
【００４６】
【表１】
【００４７】
No.１８は、従来技術によりバックヨーク４０を製造したものであって、厚さ０．３ｍｍの円環形状の薄板を長さＬ分積層して、同じ条件で測定した結果である。材質は３．５％のＳｉを含む鉄系合金であって、加熱していない。このときの損失（Ｗ）を比較基準とする。
【００４８】
表中No.１〜No.４は、純鉄と、Ｓｉを添加した鉄系合金の線材４１（直径０．３ｍｍの円形断面）の損失（Ｗ）を表している。なお、加熱温度は９００℃である。表１に示すとおり、Ｓｉの添加量が増えるのに従い損失（Ｗ）は低下する。ここで、損失（Ｗ）は、鉄損、渦損、銅損、機械損を含み、損失の変化は主に鉄損（ヒステリシス損と渦電流損）である。これは、磁気特性が良好になると共に、線材４１の電気抵抗が高くなり渦電流損が低下したためである。しかし、Ｓｉの添加量が７．５％になると、線材４１そのものの製造が困難になるうえ、巻回加工が困難となり測定不可能であった。No.１は純鉄であって、比較基準（No.１８）に対して若干の損失増であった。
【００４９】
No.５は、Ｃｏを５０％含んだ鉄系合金であり、No.６は、Ｎｉを４５％含んだ鉄系合金であり、共に磁気特性が良好な材料であることから、損失（Ｗ）は比較基準に対して１０％程度改善されている。なお、加熱温度は９００℃である。
【００５０】
No.７〜No.１１は、線材４１の断面形状と寸法を変化させた場合の損失（Ｗ）を表している。材質はＳｉを３．５％含んだ鉄系合金である。No.７に示す直径０．０１ｍｍの場合は、損失（Ｗ）が他よりも低下している。これは渦電流損が大幅に減少するためである。しかし、直径０．０１ｍｍの線材４１を製造することは困難であって、電動機１０に用いる線材４１としては高コストとなり実用的ではない。なお、No.７は加熱温度を１０００℃としているが、９００℃の場合と差はないと考えられる（図６、参照）。No.８に示すように線材４１の直径が０．３５ｍｍ、また、一辺が０．３ｍｍの正方形の場合でも比較基準（No.１８）とほぼ同等の損失といえる。なお、線材４１が太くなるに従い損失が増加する傾向があり、一辺寸法が０．４ｍｍになるNo.１１では渦電流が増加し、損失は比較基準よりも高くなる。
【００５１】
No.１２〜No.１５は加熱温度の影響を調査したものである。そこで、加熱温度と損失の関係について説明する。
図６は、加熱温度と損失の関係の調査結果を示すグラフである。横軸に加熱温度（℃）、縦軸に損失（Ｗ）を表している。なお、加熱方法としてガスバーナーを使用した場合を表している。図６から分かるように、６００℃以下及び１２００℃以上では損失が増加する傾向があり、加熱温度は６００℃〜１２００℃の範囲が好ましいといえる。
【００５２】
図６を参照しながら、さらに調査結果を説明する。No.１２は５８０℃、No.１６は６００℃で線材４１を加熱し巻回したものである。これらの加熱温度は低すぎるため、材料内部に歪が残り、磁気特性の低下が損失を増加させている。また、No.１５は加熱温度が１２５０℃と高すぎて線材表面の酸化が進み、結果として磁場内の金属部分が減少し、損失を増大させている。No.１６は無加熱で加工したもので、線材４１内部の歪と、無加熱のため絶縁膜が形成されなかったことにより線材同士が導通し、ヒステリシス損、渦電流損が大幅に増大した。No.１７は、予め線材４１を４００℃で加熱（予備加熱）して表面に酸化物を生成させ、巻回時は無加熱でバックヨーク４０を形成し、個片化した後、さらに７５０℃で加熱してバックヨーク４０の加工歪を除去したものである。線材４１の電気絶縁は予備加熱により行われ、巻回時に発生した歪は巻回後の加熱にて除去されるため、良好な特性を示している。
（実施例２）
【００５３】
続いて、実施例２に係る調査結果を表２に表す。実施例２は、線材４１の材質として３％のＳｉを含む鉄系合金、Ｃｏ基アモルファス材料、Ｎｉ基アモルファス材料、Ｎｉ基微結晶合金の場合、加熱温度を無加熱、４５０℃〜１０００℃の範囲で変化させた場合、線材４１の断面形状が扁平な四角形であって（図３（ｃ）、参照）、幅Ａと厚みＢ、及び幅Ａと厚みＢの比Ｂ／Ａを変化させたときの損失（Ｗ）を比較している。
【００５４】
【表２】
【００５５】
No.３０は、従来技術によりバックヨーク４０を製造したものであって、厚み０．３ｍｍの円環形状の薄板を長さＬ分積層している。なお、材質は３％のＳｉを含む鉄系合金であって、加熱していない。このときの損失（Ｗ）を比較基準とする。バックヨーク４０の形状は図２に示す通りであって、調査条件は実施例１と同じである。
【００５６】
No.１９〜No.２２は線材４１の幅Ａ及び厚みＢを変化させた場合の結果である。なお、Ｂ／Ａは２．０になるように厚みＢを変化させている。加熱温度は９００℃とした。No.１９〜No.２１では、比較基準の損失（Ｗ）よりも低下している。No.２２に示すように幅Ａが０．４ｍｍでは渦電流が急激に増え損失が増加する。
また、No.１９に示す幅Ａが０．０１ｍｍの場合は、線材の形成が困難で高コストとなり実用的ではないと考えられる。
【００５７】
No.２３〜No.２６は、Ｂ／Ａの影響について調査したものである。Ｂ／Ａが３より大きくなるNo.２４，Ｎｏ２５では、バックヨーク４０内周部と外周部とで圧縮と引っ張りの力が大きく働く。その結果、No.２４ではバックヨーク４０の線材間の隙間が発生する。このため全体としてバックヨーク４０の体積が減少し、損失（Ｗ）が増加する傾向がある。なお、No.２４は加熱温度を１０００℃にしたが、ここでは加熱温度の差は見出せない。No.２５は、Ｂ／Ａ＝５の場合であって、巻回時に線材４１が破損し、測定不可能であった。No.２６はＢ／Ａ＝３の場合であるが、加熱せずに巻回したものであり、No.２５と同様に巻回時に線材４１が破損し、測定不可能であった。
【００５８】
No.２７〜No.２９はＣｏ基またはＮｉ基アモルファス合金、Ｎｉ基微結晶合金を使用した例である。組成については特に言及しないが、一般的な４成分ないし５成分からなる合金である。No.２９はアモルファス中に熱処理にて微細な結晶を析出させたものである。加熱温度は再結晶温度以下であるため４５０℃と低い温度となっている。しかし、これらの金属では短時間の加熱であれば変形能が非常に高く容易に巻回加工が出来る。なお表２には試験に使用したアモルファス合金のガラス転移点（ＴＧ）を記載する。No.２７〜No.２９の材質の加工ではこのガラス転移点より低い温度で加工しなければならない。これらの材質では、Ｓｉを含む鉄系合金よりも磁気特性が優れており、損失（Ｗ）は低く良好である。
【００５９】
以上説明したバックヨーク４０の製造方法によれば、線材４１を螺旋状に巻回してバックヨーク４０を形成する。よって、従来の円環状の薄板を形成し、それらを複数個積層する場合のように廃材が発生することはなく、材料使用高効率を格段に向上させることができる。
【００６０】
また、線材４１を加熱した状態で巻回加工を行うため、加工歪の発生、及び残留応力を抑制できることから、加工歪や残留応力に起因するヒステリシス損を低減できるという効果がある。
また、線材４１を加熱して巻回加工することで、加工硬化を抑制できることから加工性が向上し、スプリングバックを小さくできるため狙いの寸法精度を確保することができるという効果もある。
【００６１】
また、線材４１が軟磁性特性を有するＳｉまたはＮｉを適量含む鉄系合金の場合の加熱温度を、６００℃〜１２００℃の範囲としている。このようにすることで、加工歪を抑制でき、結果として損失の低減と、加工性の向上をはかることができる。
【００６２】
また、線材４１が軟磁性特性を有するＣｏ基、Ｎｉ基等のアモルファス状態材料、またはＣｏ基、Ｎｉ基等の微結晶合金の場合の加熱温度を、再結晶温度またはガラス転移点温度以下４５０℃以上にすることで、加工歪を抑制でき、結果として損失（Ｗ）の低減と、加工性の向上をはかることができる。これらの金属材料は、特に鉄損の低減に効果がある。
また、これらの金属材料は加熱温度４５０℃付近で、変形しやすくなるため容易に巻回加工を行うことができる。
【００６３】
また、線材４１の断面形状が円形であって、直径ｄを０．３５ｍｍよりも大きくすると、巻回したときの単位断面積当りの鉄占有率が低下し、損失が大きくなってしまう。そこで、直径ｄを０．３５ｍｍ以下にすれば鉄占有率の低下を抑え、損失を低減できる。なお、線材４１の直径ｄ（または一辺の寸法Ａ）は小さいほど損失（Ｗ）は小さくなる傾向があるが、例えば、ｄ＝０．０１ｍｍの線材を作り出すこと自体が容易ではない。そこで、直径ｄを０．２ｍｍ以上にすれば、線材４１の加工性と損失低減の両方を満足させることができる。
線材４１の断面形状が正方形の場合、一辺の寸法Ａを０．０２ｍｍ≦Ａ＜０．４ｍｍの範囲にすれば、鉄占有率の低下がないことから、損失（Ｗ）を低減することができる。
【００６４】
また、線材４１の断面形状が扁平な四角形である場合、幅寸法Ａを０．４ｍｍ以上にすると、渦電流が急激に増え損失が増加する。また、Ｂ／Ａが３を超えると、バックヨーク４０の内周部の圧縮力と外周部の引張力との差が大きく働き、巻回された線材間に隙間が開く。そのため、バックヨーク４０の長さが一定の場合、バックヨーク４０内の鉄占有率が減少し、磁気特性が悪化する。さらに、Ｂ／Ａを大きくすると巻回加工の加工性が悪化する。そこで、上記寸法及び寸法の比を、０．１ｍｍ≦Ａ＜０．４ｍｍ、２＜Ｂ／Ａ＜３、にすることで、損失の低減と良好な加工性を実現できる。
【００６５】
さらに、線材４１には絶縁膜が形成されている。巻回された線材４１に絶縁膜を形成することで、渦電流損を低減することができる。なお、この絶縁膜は、線材４１を加熱したときに生成される酸化膜であって、線材４１に絶縁膜を形成する工程は必要ない。
【００６６】
また、前述したバックヨーク４０の製造方法を用いて製造したバックヨーク４０を採用することによって、損失が小さい電動機１０を実現できる。
（ロボット）
【００６７】
図７は、ロボット１を模式的に示す構成説明図である。ロボット１は、基部２０３と、アーム２１０とを備えている。アーム２１０は、腕部２００や関節部２０１やロボットハンド部２０２等を備えた所謂ロボットアームであり、動作対象物（以降、ワークＷと表す）を「掴む」ことや「放す」こと、また、ワークを所定の位置に「移動させる」こと等の動作を、ロボット制御装置２２０からの指示に応じて行う動作主体である。
【００６８】
関節部２０１には前述した電動機１０（図１、参照）を備えており、ロボット制御装置２２０からの指示に従い腕部２００及びロボットハンド部２０２を駆動する。
【００６９】
このように、前述したバックヨーク４０を有する電動機１０を用いてアーム２１０を駆動することで、駆動に関わる損失が小さいロボット１を実現できる。
【符号の説明】
【００７０】
１０…電動機、２０…回転子、２１…界磁用磁石、４０…バックヨーク、４１…線材、１４０…巻芯、１５０…加熱装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁用磁石を有する回転子との間で磁路を形成するリング形状のバックヨークの製造方法であって、
断面形状が円形または四角形の軟磁性材料の線材を、巻芯に向かって搬送し、
前記線材が前記巻芯に達する位置の手前で前記線材を所与の温度で加熱し、
前記巻芯を回転し、加熱した状態で前記線材を螺旋状に巻回し、
所与の巻数に達したときに前記線材を切断し、前記バックヨークに個片化すること、
を特徴とするバックヨークの製造方法。
【請求項２】
前記線材が純鉄またはＳｉを含む鉄系合金の場合の加熱温度を、６００℃〜１２００℃の範囲とすること、
を特徴とする請求項１に記載のバックヨークの製造方法。
【請求項３】
前記線材がアモルファス材料または微結晶合金の場合の加熱温度を、４５０℃以上ガラス転移点温度以下とすること、
を特徴とする請求項１に記載のバックヨークの製造方法。
【請求項４】
前記線材の断面形状が円形であって、前記線材の直径ｄを０．０２ｍｍ≦ｄ≦０．３５ｍｍとすること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のバックヨークの製造方法。
【請求項５】
前記線材の断面形状が正方形であって、一辺の寸法Ａを０．０２ｍｍ≦Ａ≦０．３５ｍｍ、とすること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のバックヨークの製造方法。
【請求項６】
前記線材の断面形状が扁平な四角形である場合、幅寸法をＡとし、厚みをＢとしたとき、０．１ｍｍ≦Ａ＜０．４ｍｍ、２≦Ｂ／Ａ≦３、とすること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のバックヨークの製造方法。
【請求項７】
前記線材の表面に、前記線材の加熱時に絶縁膜を形成すること、
を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のバックヨークの製造方法。
【請求項８】
界磁用磁石を有する回転子と、
前記回転子を回転可能に内挿し、前記回転子を周回するよう配置される扁平な複数のコイルを有する円筒形状のコイルと、
前記コイルを内挿する請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のバックヨークと、
を備えていることを特徴とする電動機。
【請求項９】
アームと、
前記アームを駆動する電動機と、を備え、
前記電動機が、界磁用磁石を有する回転子と、前記回転子を回転可能に内挿し、前記回転子を周回するよう配置される扁平な複数のコイルを有する円筒形状のコイルと、前記コイルを内挿する請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のバックヨークと、を備えていること、
を特徴とするロボット。
【請求項１】
界磁用磁石を有する回転子との間で磁路を形成するリング形状のバックヨークの製造方法であって、
断面形状が円形または四角形の軟磁性材料の線材を、巻芯に向かって搬送し、
前記線材が前記巻芯に達する位置の手前で前記線材を所与の温度で加熱し、
前記巻芯を回転し、加熱した状態で前記線材を螺旋状に巻回し、
所与の巻数に達したときに前記線材を切断し、前記バックヨークに個片化すること、
を特徴とするバックヨークの製造方法。
【請求項２】
前記線材が純鉄またはＳｉを含む鉄系合金の場合の加熱温度を、６００℃〜１２００℃の範囲とすること、
を特徴とする請求項１に記載のバックヨークの製造方法。
【請求項３】
前記線材がアモルファス材料または微結晶合金の場合の加熱温度を、４５０℃以上ガラス転移点温度以下とすること、
を特徴とする請求項１に記載のバックヨークの製造方法。
【請求項４】
前記線材の断面形状が円形であって、前記線材の直径ｄを０．０２ｍｍ≦ｄ≦０．３５ｍｍとすること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のバックヨークの製造方法。
【請求項５】
前記線材の断面形状が正方形であって、一辺の寸法Ａを０．０２ｍｍ≦Ａ≦０．３５ｍｍ、とすること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のバックヨークの製造方法。
【請求項６】
前記線材の断面形状が扁平な四角形である場合、幅寸法をＡとし、厚みをＢとしたとき、０．１ｍｍ≦Ａ＜０．４ｍｍ、２≦Ｂ／Ａ≦３、とすること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のバックヨークの製造方法。
【請求項７】
前記線材の表面に、前記線材の加熱時に絶縁膜を形成すること、
を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のバックヨークの製造方法。
【請求項８】
界磁用磁石を有する回転子と、
前記回転子を回転可能に内挿し、前記回転子を周回するよう配置される扁平な複数のコイルを有する円筒形状のコイルと、
前記コイルを内挿する請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のバックヨークと、
を備えていることを特徴とする電動機。
【請求項９】
アームと、
前記アームを駆動する電動機と、を備え、
前記電動機が、界磁用磁石を有する回転子と、前記回転子を回転可能に内挿し、前記回転子を周回するよう配置される扁平な複数のコイルを有する円筒形状のコイルと、前記コイルを内挿する請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のバックヨークと、を備えていること、
を特徴とするロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１０２５８７（Ｐ２０１３−１０２５８７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４４２１１（Ｐ２０１１−２４４２１１）
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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