JP2000308324A - リニアシャトルモータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明はプリンタの印刷ヘッドの直線往復動
作等に使用するリニアシャトルモータ装置に関するもの
であり、エネルギー変換効率を向上させることを課題と
する。 【解決手段】 ロータとステータおよび負荷とカウンタ
バランスをそれぞれ同一軸上で相反往復動作させ、反発
磁力を活用することにより駆動効率を高めた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プリンタの印刷ヘ
ッドのようなほぼ一定の変位量を高速で往復動作させる
必要のある負荷を駆動させるリニアシャトルモータ装置
とその制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりプリンタ等に使用されているリ
ニアシャトルモータ装置は、永久磁石からなるステータ
を機器本体に固定して、コイルからなるロータをフレミ
ング左手の力により駆動し、このロータに印刷ヘッドを
連結して往復動作させていた。

【０００３】また、モーメントの発生を抑えるために、
ロータの推力をベクトル変換機構を介してカウンタバラ
ンスに伝えて相反往復動作させて偶力を得ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のリニアシャトル
モータ装置では、ロータの推力を印刷ヘッド及びカウン
タバランスの駆動（運動）に伝達する際、ロータの推力
を変換するベクトル変換機構がロータの推力の一部を消
費してしまい伝達ロスとなっていたため、必要以上に多
大の推力を要していた。特に往復動作方向の変化点での
動作（以下反転と呼ぶ）時にロータに慣性力が加わるの
で、この慣性力を上回る逆方向の反発推力を与えるため
に反転駆動回路をＤＣ４０Ｖ駆動で約２０Ａ程度の大電
流で駆動する必要があった。

【０００５】また、この推力はロータからベクトル変換
機構を介して印刷ヘッドに伝わるため、ベクトル変換機
構での伝達ロスが印刷ヘッドの反転時に瞬間的に大きく
なり、この負荷によってベクトル変換機構の摩耗につな
がりやすいという欠点があった。特に、従来の構成では
反転時の負荷に対する耐摩耗性を考慮して、反転時の慣
性力を弱めてかつ反発推力を補うために反発バネ機構や
反発磁石機構を別に設けることが行われていた。

【０００６】そこで、本発明の課題は、反転時の駆動エ
ネルギと動力伝達ロスの低減を図ることにより、エネル
ギー変換効率を向上させ、かつ何らの付勢手段を要しな
いリニアシャトルモータ装置を提供することを課題とし
ている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するには
次の実現手段を備えれば良い。

【０００８】（１）モータの構成として、ロータとステ
ータの質量を同じにして同一軸上で相反方向に往復動作
させる。ロータとステータをハウジングに固定されてい
る１８０度位相同期手段に連結して位相の同期を取る。

【０００９】（２）ロータの構成として同極どうしを対
向させた磁石を積層すると共に、各磁石間に強磁性材等
を介在させ、ロータの周上から垂直方向に磁力線を集中
して発生させるようにする。

【００１０】（３）ステータの構成として、両端にロー
タと反発する極の磁石を一対取り付ける。またステータ
の円周上に定速ソレノイドと反転ソレノイドと左端ソレ
ノイドと右端ソレノイドの４種のソレノイドを、後述す
る図２および図３の動作原理図の位置に取り付ける。

【００１１】（４）リニアシャトルモータ装置を駆動す
るための定速ソレノイド駆動部、反転ソレノイド駆動
部、左・右端ソレノイド駆動部および端部停止制御部、
始動制御部、定速制御部、反転制御部を設ける。

【００１２】（５）ソレノイドを横切る磁束数を増加さ
せるため、ソレノイドの外周に補助磁気回路を設ける。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を説
明する。

【００１４】図１は本発明になるリニアシャトルモータ
装置の横断面図である。

【００１５】ロータ１は金属のロータシャフト２を中心
に４個の円筒形の磁石３が同極反発するように配置さ
れ、また配列された磁石３間に強磁性材４を挟むように
構成されている。このように磁石３の間に強磁性材４を
介在させることにより、この強磁性材４の周上にロータ
シャフト２と垂直方向の強力な磁力線を集中して発生さ
せることができる。また、ロータ１の両端の強磁性材４
はロータシャフト２に水平な磁力線を発生すると共に、
反発する個々の磁石３間を挟み込むナットの役割も果た
している。

【００１６】ステータ５は円筒形で非磁性材のステータ
ハウジング６をベースとして、ステータハウジング６の
両端に配設されたベアリング７と、このベアリング７の
内側においてロータ１の両端の磁力線と反発する向きに
配置された一対の円筒形の磁石８により構成されてい
る。

【００１７】また、ステータ５の外周には、定速ソレノ
イド９、反転ソレノイド１０、左端ソレノイド１１、右
端ソレノイド１２をそれぞれ所定の位置に固着させてい
る。よって、これらソレノイドと、前述した磁石３およ
び強磁性材４より反発磁気回路が構成されることとな
る。

【００１８】なお、ロータ１とステータ５の質量は同じ
となるよう設計されているものとする。

【００１９】更に、負荷として印刷ヘッド１３がステー
タ５の両端から延びたアーム１４を介して連結されてい
る。この印刷ヘッド１３は、その両端に設けられたベア
リング１５を介してシャフト１６に取り付けられてお
り、左右に往復動作可能となっている。

【００２０】ロータシャフト２は、シャトルハウジング
１７にベアリング１８を介して保持されると共に、左右
２個所でカウンタバランス１９と連結されている。

【００２１】カウンタバランス１９はＨ型の構成であ
り、ベアリング２０を介してシャフト１６に取り付けら
れており、左右に往復動作できる。なお、カウンタバラ
ンス１９の質量は印刷ヘッド１３とアーム１４の質量と
同じにするとよい。

【００２２】シャフト１６はシャトルハウジング１７に
固定されている。

【００２３】シャトルハウジング１７の左右において
は、プーリ２１がプーリホルダ２２とナット２３により
取り付けられている。

【００２４】ステータ５の両端とカウンタバランス１９
の両端がそれぞれプーリ２１を介してベルト２４により
連結されている。このプーリ２１、プーリホルダ２２、
ナット２３とベルト２４が１８０度位相同期手段であ
る。この１８０度位相同期手段に連結することにより、
ステータ５及び印刷ヘッド１３がロータ１及びとカウン
タバランス１９と逆向きにそれぞれ直線往復動作できる
ようになる。

【００２５】また右側のプーリ２１の軸の延長上にエン
コーダ２５が取り付けられており、シャトルハウジング
１７に取り付けられている光学センサ２６との組み合わ
せにより印刷ヘッド１３の左右の変位を正確に検出する
ことが出来る。

【００２６】図２および図３は、本発明になる磁気反発
回路よりなるリニアシャトルモータ装置の動作原理図で
ある。ここで、図２は（１）停止からロータ１が図中右
方向へ移動して（４）反転するまでの動作を表したもの
であり、図３はロータ１が図中左方向に（５）移動した
後右端で（８）停止するまでの動作を表している。

【００２７】図においては、磁石の極性（図中SN）、磁
力線の方向（矢印）及びソレノイドの励磁電流を示して
おり、フレミング左手の法則による推力がロータ１（Ｆ
Ｒ）とステータ５（ＦＳ）に働く様子を示す。動作とし
ては停止、始動、定速、反転の状態変化を動作シーケン
ス順に説明する。

【００２８】また、図４は本発明になるリニアシャトル
モータ装置の動作を示すタイムチャートである。図にお
いてロータ１の変位と各ソレノイドの励磁タイミング
を、図２および図３の動作の状態変化と関連付けて説明
する。

【００２９】図２の（１）に示す初期の停止状態におい
て、図４に示すようにロータ１は左端にステータ５は右
端に位置している。図示しない上位装置からのデータ転
送待ち（印刷待機中）においては、反転ソレノイド１０
と左端ソレノイド１１を負励磁する。これら反転ソレノ
イド１０と左端ソレノイド１１の負励磁により、ステー
タ５には更に右方向に動く力ＦＳが与えられることとな
る。一方、ロータ１にはステータ５に作用する力ＦＳと
反対の方向、かつＦＳと相対的な力ＦＲが与えられる。
よって、強磁性材４と磁石８との反発力とＦＳが平衡す
るロータ１の左端停止位置に停止する。

【００３０】このロータ１の停止位置において、上位装
置からのデータをプリンタが受信して印刷可能な状態に
なると、図２の（２）に示す始動状態に移る。始動状態
では左端ソレノイド１１と反転ソレノイド１０を正励磁
する。反転ソレノイド１０と左端ソレノイド１１の正励
磁はステータ５に左方向へ加速する力（ＦＳ）を与え、
これにより左端停止位置から印刷範囲の左端間を助走変
位として、ロータ１は右方向に、ステータ５は左方向に
瞬時に移動を開始する。

【００３１】プリンタが印刷動作に入ると印刷ヘッド１
３は一定速度で直線動作することを要求されるので、図
２の（３）に示す定速状態に移る。このシーケンスでは
ロータ１とステータ５は慣性力により運動しているの
で、速度低下が生じない程度の力（Ｆｓ）をステータ５
に与えられるように、定速ソレノイド９に適当な電流を
流して正励磁する。

【００３２】印刷サイクルが終わり、図２の（４）に示
す反転状態の前半になると、慣性力によりロータ１は右
方向へ、ステータ５は左方向に押し付けられる。本構成
において、ロータ１端部の磁石３の極性と、ステータ５
側の磁石８の極性は同極なので、ステータ５が押し付け
られると強磁性材４を介してロータ１側の磁石３とステ
ータ５側の磁石８に反発力が生じる。この反発力が
（３）の定速状態における慣性力よりも大きくなったと
ころで、ロータ１は左方向へステータ５は右側へ向きを
変えて運動する。なお、反転の際、更に反転時間を短縮
して印刷速度の向上を図るために、反転ソレノイド１０
を正励磁し、ステータ５に右方向に作用する力を与える
ようにする。この時の反転位置は図４の右端となる。

【００３３】次にロータ１は図３の（５）に示す定速状
態となり、再び印刷サイクルに入り左側に運動する。こ
の時、定速ソレノイド９を負励磁する。このシーケンス
ではロータ１とステータ５は慣性力により運動している
ので、速度低下が生じない程度の力（Ｆｓ）をステータ
５に与えられるように、定速ソレノイド９に適当な電流
を流す。

【００３４】図３の（６）は図２の（４）の反対位置、
すなわち左端での動作を示す。慣性力によりロータ１は
左方向へ、ステータ５は右方向に押し付けられる。この
時、ロータ１端部の磁石３とステータ５側の磁石８に反
発力が生じる。この反発力が（５）の定速状態における
慣性力よりも大きくなったところで、ロータ１は右方向
へステータ５は左側へ向きを変えて運動する。なお、反
転の際、更に反転時間を短縮して印刷速度の向上を図る
ために、反転ソレノイド１０を正励磁し、ステータ５に
左方向に作用する力を与えるようにする。この時の反転
位置は図４の左端となる。

【００３５】図３の（７）は図２の（３）と同じ定速動
作である。

【００３６】上位装置からのデータ転送が途絶えると、
図３の（８）に示す停止状態に移る。図において、ロー
タ１は慣性力により一旦は右端位置にまで動くが、反転
ソレノイド１０と右端ソレノイド１２の負励磁によりス
テータ５は更に左方向に動く力を与えられ、ロータ１は
ステータ５の移動方向で相対的に作用する力を与えられ
る。この力と、強磁性材４を介してロータ１端部の磁石
３と磁石８との間に作用する反発力とが平衡になる右端
停止位置に最終的に停止する。

【００３７】図５は上記動作を行うためのリニアシャト
ルモータ制御装置を示す。

【００３８】左端ソレノイド駆動部２７はフルブリッジ
回路を構成しており、左端ソレノイド１１を正負の二通
りに励磁出来る。反転ソレノイド駆動部２８、定速ソレ
ノイド駆動部２９、右端ソレノイド駆動部３０も同様に
フルブリッジ回路を構成しており、それぞれ反転ソレノ
イド１０、定速ソレノイド９、右端ソレノイド１２を正
負の二通りに励磁できる。

【００３９】また、シャトルモータ制御部３１は一般的
なマイクロコンピュータで構成されており、エンコーダ
２５の信号を光学センサ２６で取り込んだ後、端部停止
制御部３２、始動制御部３３、定速制御部３４、反転制
御部３５により、図４に示す駆動信号をそれそれ発生さ
せる。

【００４０】なお、左端ソレノイド駆動部２７と右端ソ
レノイド駆動部３０は回路を共通化して端部停止制御部
３２により制御することも可能である。

【００４１】次に図２および図３の原理図を元にして、
駆動用ソレノイドの数を増やした例を図６に示す。

【００４２】図６は、図２の構成に反転ソレノイドおよ
び定速ソレノイドをおのおのひとつずつ増やした構成と
なっている。こうすることにより、図２の構成と比較し
て停止制動力を４／３倍に、始動推力を４／３倍に、定
速推力を３倍に、反転推力を３／２倍にそれぞれ増やす
ことができる。

【００４３】図７は、図２の構成の反転ソレノイドを取
り除いた構成となっている。こうすることにより，停止
制御を必要としない連続動作だけの用途においては左端
ソレノイドと右端ソレノイドを反転ソレノイドの代わり
に使用することもできる。

【００４４】図８は図２の構成の定速ソレノイド９と反
転ソレノイド１０の外周に補助磁気回路となる電気鉄板
３６を設けたものを示している。本構成によれば、磁石
のＮ極から出た磁力線がソレノイドを横切り、ソレノイ
ド外周の電気鉄板を通り、再びソレノイドを横切ってＳ
極へ向かうようになる。この結果、より磁路抵抗の小さ
な磁気回路が構成されるので、ソレノイドを横切る磁束
数が増加し、ソレノイドを駆動したときに、より大きな
直線推力と反発推力を得ることができる。

【００４５】なお、上述した構成については、以下に示
す関係式に合わせて設計することにより、振幅の異なる
リニアシャトルモータ装置のシリーズ製品化を容易に行
うことができる。

【００４６】

【数１】

【００４７】上記の式において、振幅Ａのリニアシャト
ルモータ装置を設計する場合は、（１）式を満たすよう
に磁石長Ｍと層間の強磁性材厚みＳを適当に設定すれば
良い。ＭとＳを設定することによりロータの長さLrは
（２）式で求められる。また、ステータ内の長さLsは上
記M、SおよびGにより求まる。ここでGはロータとステー
タが反転時にもっとも接近したときのギャップである。

【００４８】

【発明の効果】上記構成によれば、以下に示す効果が得
られる。 （１）ロータとステータにそれぞれ方向の異なるフレミ
ング左手の力が直接働くので、動力伝達ロスが最小とな
りエネルギー変換効率が向上する。 （２）リニアシャトルモータ自体に磁気エネルギの利用
効率が高い反発磁気回路を応用することにより、推力と
反転推力が得られるのでエネルギ変換効率が向上する。 （３）ロータとステータおよび負荷とカウンタバランス
をそれぞれ同一軸上で相反往復動作させることにより、
理論的にはモーメントの発生を０に抑えることが出来る
ので、機器本体の振動を最小に押さえることができる。 （４）エネルギ変換効率が高まるので、機構部と電子制
御部を合わせた原価を安価に抑えることができる。 （５）ステータの外側にソレノイドを巻き付ける構成が
とれるので、ソレノイドの放熱、空冷が容易である。 （６）ロータの反発磁石の積層数と駆動用ソレノイドの
数を増やすことにより容易に推力を増すことができる。 （７）振幅の異なるリニアシャトルモータ装置のシリー
ズ製品化を容易に行うことができる。 （８）従来方法では必要であったベクトル変換機構のな
い構成が取れるので装置を構成する部品の摩耗を解消で
きる。 （９）直線運動速度の大小により反転時の慣性力が大き
く変わるが，反転部においてステータの磁石とロータ端
部の磁石との反発力はギャップが狭くなる程大きくなり
得るので慣性力に対抗できる範囲が広い。したがってリ
ニアシャトルモータ装置の速度レンジを大きく取ること
ができる。 （１０）１８０度位相同期手段にエンコーダと光学セン
サを取り付けることにより、印刷ヘッドの直線変位を円
形に拡大出来るので信頼性の高い安価なデコード機能を
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明になるリニアシャトルモータ装置の横
断面図

【図２】 本発明になるリニアシャトルモータ装置の動
作原理図

【図３】 本発明になるリニアシャトルモータ装置の動
作原理図

【図４】 本発明になるリニアシャトルモータ装置の動
作示すタイムチャート

【図５】 本発明になるリニアシャトルモータ制御装置

【図６】 本発明の他の例となるリニアシャトルモータ
装置の動作原理図

【図７】 本発明の他の例となるリニアシャトルモータ
装置の動作原理図

【図８】 本発明の他の例となるリニアシャトルモータ
装置の動作原理図

【符号の説明】

１はロータ、２はロータシャフト、３は磁石、４は強磁
性材、５はステータ、６はステータハウジング、７はベ
アリング、８は磁石、９は定速ソレノイド、１０は反転
ソレノイド、１１は左端ソレノイド、１２は右端ソレノ
イド、１３は印刷ヘッド、１４はアーム、１５はベアリ
ング、１６はシャフト、１７はシャトルハウジング、１
８はベアリング、１９はカウンタバランス、２０はベア
リング、２１はプーリ、２２はプーリホルダ、２３はナ
ット、２４はベルト、２５はエンコーダ、２６は光学セ
ンサ、３６は補助磁気回路である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】その周上から垂直に複数の磁力線を発生さ
   せる部材を配置したロータと、該ロータ周上にあって定
   速ソレノイドおよび反転ソレノイドが設けられているス
   テータと、前記ロータとステータの往復変位量の和を０
   にする１８０度位相同期手段により構成されていること
   を特徴とするリニアシャトルモータ装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のリニアシャトルモータ装置
   において、 前記ロータまたはステータの何れかにそれぞれ装着され
   た負荷と該負荷に見合うカウンタバランスが装着されて
   いることを特徴とするリニアシャトルモータ装置。
3. 【請求項３】請求項１または２記載のリニアシャトルモ
   ータ装置において、 前記ロータの両端には前記ロータの長手方向に平行な複
   数の磁力線を発生させる部材を配置すると共に、前記ス
   テータの両端の前記ロータの左右端と対向する面には前
   記ロータ端部から発生された磁力線と同極の磁力線を発
   生させる部材を配置し、前記ロータの端面と前記ステー
   タの端面とが接近することにより生じる反発磁力線が集
   中する領域において前記ステータに端部ソレノイドを装
   着したことを特徴とするリニアシャトルモータ装置。
4. 【請求項４】請求項１ないし３記載のリニアシャトルモ
   ータ装置において、 前記ロータの複数の磁力線を発生させる部材は、同極同
   士が対向して配された複数の磁石と、該磁石の間に装着
   された複数の強磁性材で構成され、該強磁性材がその両
   側に同極に配された磁石の磁束を集中させることを特徴
   とするリニアシャトルモータ装置。
5. 【請求項５】請求項１ないし４記載のリニアシャトルモ
   ータ装置において、 前記ステータに装着されたソレノイドには個々に制御部
   が設けられていることを特徴とするリニアシャトルモー
   タ制御装置。
6. 【請求項６】請求項１ないし５記載のリニアシャトルモ
   ータ装置において、 前記ステータハウジング上のソレノイドの外周に補助磁
   気回路を設けたことを特徴とするリニアシャトルモータ
   制御装置。