JP2009194991A - リニアモータとアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 小径でも高い推力を持つリニアモータとそのようなリニアモータを使用したアクチュエータを提供すること。
【解決手段】 磁石とコイルの間に透磁率の良好な材料からなるコアを挿入したものであり、それによって、磁石から発生した磁束はＮ極からＳ極へ還流するが、その際、従来のように、コイルを通過して最外周のヨークまで行ってから戻ってくるのではなく、近くの磁束をよく通すコアへ入り還流できるので、磁気抵抗を大幅に下げることができ、より小径の磁石でも高い磁束密度が得られ、又、コイルから発生した磁束も近くにあるコアへ入り還流できるので、磁気抵抗を大幅に下げることができ、より高い磁束密度を得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、精密位置決めシステムに用いるリニアモータと該リニアモータを用いたアクチュエータに係り、特に、小型化に起因した推力の低下を防止して高い推力を提供することができるように工夫したものに関する。

非接触駆動の可能なリニアモータは、例えば、精密位置決め装置の駆動機構として適している。その中でも、特に、シャフトタイプのリニアモータが昨今使用されるようになってきている。これはその取扱が容易であるためである。しかしながら、上記シャフトタイプのリニアモータの場合には次に示すような問題があった。

まず、小型化に起因して推力が低いという問題があった。そもそもシャフトタイプのリニアモータを用いた電動アクチュエータの場合には、その形状及び消費エネルギの点において、エアーシリンダに比べて優れている。ところが、シャフタイプのリニアモータを小型化させるべく小径化させようとすると推力が大幅に減少してしまうという問題があった。これは、推力がリニアモータの断面積に略比例する関係にあるからであり、小径化によってその断面積が減少すると、それに伴って推力も大幅に減少してしまうことになるからである。その為、エアーシリンダの代替品になり得ないという現状があった。
又、シャフトタイプのリニアモータの場合には推力の変動が大きいという問題もあった。

又、リニアモータを構成している永久磁石の内隣接する永久磁石界面近傍において磁界の急峻なピークをもつ不均一な磁界分布が発生してしまい、それが原因して精密位置決め制御が困難になってしまうという問題もあった。
因みに、上記不均一な磁界分布に関しては、例えば、特許文献１における図４の急峻な磁界分布例として示されている。
特開平１０−３１３５６６号公報

そこで、このような問題を解決するために、本件特許出願人は、特許文献２に開示されているようなリニアモータとアクチュエータを開発した。そこには外周部ヨークを備えたリニアモータとそのようなリニアモータを用いたアクチュエータが記載されている。
特開２００７−２８２４７５号公報

上記特許文献２に開示されているアクチュエータは、図５に示すような構成になっている。まず、固定子２０１があり、この固定子２０１はヨーク２０３を備えていて、このヨーク２０３の内周側には複数組（図に示すアクチュエータの場合は３組）の３相駆動コイル２０５が設置されている。上記３三相駆動コイル２０５は、Ｕ相コイル２０７、Ｖ相コイル２０９、Ｗ相コイル２１１から構成されている。上記ヨーク２０３の両端にはガイド部材２１３、２１５が設置されている。

上記３組の３相駆動コイル２０５の内周側には可動子２１７が、図中設置左右方向に移動可能な状態で収容・配置されている。この可動子２１７は、円筒形状をなす複数個（図に示すアクチュエータの場合には５個）の永久磁石２１９を軸方向に沿って積層・配置させた構成になっている。又、図５中左右両端に配置されている永久磁石２１９、２１９には夫々シャフト２２１、２２３が連結されている。上記シャフト２２１、２２３は上記ガイド部材２１３、２１５を貫通した状態で配置されている。

上記構成によると、円筒形状をなし長手方向に磁化された複数の永久磁石２１９の同極同士が頭を付き合わせた状態で接していて、又、三相駆動コイル２０５は３個の異なる位相のＵ相コイル２０７、Ｖ相コイル２０９、Ｗ相コイル２１１より構成されていて、又、三相駆動コイル２０５の外周部にはヨーク２０３が設けられているので、永久磁石２１９の接触界面のＮ極から出た磁束が他端の接触界面Ｓ極へ戻る磁束の磁気抵抗を下げることができ、それによって、三相駆動コイル２０７を通過する磁束密度を向上させることができる。そのためリニアモータの推力発生原理である三相駆動コイル２０７に流れる電流と直交する磁束の相互作用により力が発生するフレミングの左手の法則において、磁束密度を上げることにより小型でも高い推力を確保できる。

又、上記特許文献２に開示されているリニアモータとは別に、コア付コイルを用いることによってさらに大きな推力を得る改良が行われている。例えば、特許文献３、特許文献４、特許文献５には、シャフトタイプ（円筒タイプ）のリニアモータに関する改良された構成が開示されている。
特開平７−７９０９号公報 特開２００２−３５４７８０号公報 特開２００５−２０４４４９号公報

上記従来の構成によると次のような問題があった。
まず、特許文献２に開示されているアクチュエータの場合には、ある程度の小型化を図ることは可能であるが、それでも十分な小型化が図られているとはいえず、さらなる小型化が要求されていた。又、それと同時に推力の確保も要求されていた。
又、特許文献３、特許文献４、特許文献５に開示されているリニアモータの場合には、構造が複雑であって小型化には適さないという問題があった、又、コア形成のためコイルを巻くことのできる領域が減少してしまうと共に、コア付構造に起因するいわゆる「コギング」が発生してしまうという問題があった。又、この場合にも有効な推力を十分確保できないといった問題があった。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、小径でも高い推力を持つリニアモータとそのようなリニアモータを使用したアクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決するべく本願発明の請求項１によるリニアモータは、磁石とコイルの間に透磁率の良好な材料からなるコアを挿入・配置したことを特徴とするものである。
又、請求項２によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、上記コアは上記磁石と上記コイルの相対運動方向に沿って配置されていることを特徴とするものである。
又、請求項３によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、円筒状の永久磁石の回りに環状のコイルが配置され、上記コアはそれら円筒状の永久磁石と環状のコイルの間に配置されていることを特徴とするものである。
又、請求項４によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、上記コアは上記磁石が相対移動しても該磁石の近傍にあることを特徴とするものである。
又、請求項５によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、上記コイルが固定側に配置され上記コア及び磁石が可動側に配置されていることを特徴とするものである。
又、請求項６によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、上記コイルが可動側に配置され上記コア及び磁石が固定側に配置されていることを特徴とするものである。
又、請求項７によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、２磁極ピッチに３個のコイルを配置したことを特徴とするものである。
又、請求項８によるアクチュエータは、請求項１〜請求項７の何れかに記載のリニアモータを用いたことを特徴とするものである。

以上述べたように、本願発明の請求項１によるリニアモータによると、磁石とコイルの間に透磁率の良好な材料からなるコアを挿入・配置したことを特徴とする構成になっているので、まず、磁石から発生した磁束はＮ極からＳ極へ還流するが、その際、従来のように、コイルを通過して最外周のヨークまで行ってから戻ってくるのではなく、近くの磁束をよく通すコアへ入り還流できるので、磁気抵抗を大幅に下げることができ、より小径の磁石でも高い磁束密度が得られる。
又、コイルから発生した磁束も近くにあるコアへ入り還流できるので、磁気抵抗を大幅に下げることができ、より高い磁束密度を得られる。
又、請求項２によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、上記コアは上記磁石と上記コイルの相対運動方向に沿って配置されていることを特徴とする構成になっているので、推力発生によりコイルと磁石は軸方向に相対運動するが、コアも同じ相対運動方向に配置されているので、磁石やコイルから発生した磁束の向きも軸方向となり、それによって、磁束対の作用力を効率よく推力として用いることができる。
又、請求項３によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、円筒状の永久磁石の回りに環状のコイルが配置され、上記コアはそれら円筒状の永久磁石と環状のコイルの間に配置されていることを特徴とする構成になっているので、本発明によるリニアモータの推力発生原理を理想的に満足するものであり、又、小型化（小径化）や低コスト化にも有利な形状である。
又、請求項４によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、上記コアは上記磁石が相対移動しても該磁石の近傍にあることを特徴とする構成になっているので、コイルと磁石が相対運動をしても磁石の近傍には常にコアを配することができ、それも略同一距離、同一質量のコアを配することができるので、コイルと磁石が相対運動しても磁石がコアを吸引している力の変動、すなわち、「コギング」は殆ど発生しないものである。
又、請求項５によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、上記コイルが固定側に配置され上記コア及び磁石が可動側に配置されていることを特徴とする構成になっているので、コイルと磁石が相対運動をしても磁石の近傍には常にコアを配することができ、コイルと磁石が相対運動しても磁石がコアを吸引している力の変動、すなわち、「コギング」は殆ど発生しないものである。
又、請求項６によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、上記コイルが可動側に配置され上記コア及び磁石が固定側に配置されていることを特徴とする構成になっているので、この場合にも、コイルと磁石が相対運動をしても磁石の近傍には常にコアを配することができ、コイルと磁石が相対運動しても磁石がコアを吸引している力の変動、すなわち、「コギング」は殆ど発生しないものである。
又、請求項７によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、２磁極ピッチに３個のコイルを配置したことを特徴とする構成になっているので、三相駆動によってより滑らかな駆動を可能にすることができるものである。
又、請求項８によるリニアモータは、請求項１〜請求項７の何れかに記載のリニアモータを用いたことを特徴とする構成になっているので、小型であって高い推力を備えたアクチュエータを提供することができる。

以下図１乃至図３を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本実施の形態によるアクチュエータを示す縦断面図であり、まず、固定子１があり、この固定子１はハウジング３を備えていて、このハウジング３は中空円筒形状をなしていて、その両端にはガイド部材５、７が取り付けられている。上記ハウジング３の内周側には複数組（図に示すアクチュエータの場合は３組）の三相駆動コイル９が設置されている。上記三相駆動コイル９は、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１３、Ｗ相コイル１５から構成されている。上記三相駆動コイル９の内周側にはコア１７が設置されている。上記コア１７は透磁率の良好な材料、例えば、軟鉄やニッケル系材料から構成されている。

上記コア１７の内周側には可動子２１が図１中左右方向に移動可能な状態で収容・配置されている。この可動子２１は、円筒形状をなす複数個（この実施の形態の場合には１０個）の永久磁石２３を軸方向に沿って積層・配置させた構成になっている。又、左右両端の永久磁石２３、２３にはそれぞれシャフト２５、２７が連結されている。
本実施の形態の場合には、従来のヨークに相当するコア１７を三相駆動コイル９と永久磁石２３との間に配置する構造、すなわち、三相駆動コイル９と永久磁石２３との間に透磁率の良好な材料からなるコア１７を挿入することにより推力の向上を図るようにしているものである。

ところで、本実施の形態における推力発生の原理は従来方式と異なり、「同一方向の磁束対は反発し、逆方向の磁束対は吸引する」という原理を採用している。すなわち、永久磁石２３より発生される磁束と三相駆動コイル９に電流を流すことにより発生する磁束とによって磁束対を生じさせ、それをより効率的に作用させるために、永久磁石２３と三相駆動コイル９との間に透磁率の良好な材料からなるコア１７を設置し、そのコア１７内に両磁束を導入して磁束対の吸引又は反発を生じさせてその作用力を推力とするものである。

ここで、推力発生の原理を図２を参照して具体的に説明する。図２（ａ）〜図２（ｅ）は図１に示すアクチュエータに使用されているリニアモータの要部を抽出して示す図であり、円筒状をなすリニアモータの要部断面の上半分のみを示している。円筒状の永久磁石２３は軸方向に磁化されており、隣接する永久磁石２３、２３同士は同じ極を突き合せている。永久磁石２３のＮ極から出た磁束はすぐ外側にあるコア１７を通り永久磁石２３の他端のＳ極に戻る。したがって、永久磁石２３直上のコア１７には軸方向に沿ってＮ極からＳ極に向かう磁束が生成される。したがって、突き合された多くの永久磁石２３により永久磁石２３の直上のコア１７中に１個の磁石ピッチにて右向き磁束、左向き磁束が交互に生成されることになる。

三相駆動コイル９は２磁極ピッチに３個のコイル、すなわち、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１３、Ｗ相コイル１５を配置して３相駆動とすることによって滑らかな駆動ができる構成になっている。すなわち、１磁極ピッチを電気角１８０度（２磁極ピッチを３６０度）とすると１磁極ピッチの２／３の長さのＵ相コイル１１、Ｖ相コイル１３、Ｗ相コイル１５の３相コイルを並べて、夫々１２０度位相差を持たせて駆動させることにより滑らかな推力を発生させることができるようになっている。
尚、図２の各電気角におけるＵ相コイル１１、Ｖ相コイル１３、Ｗ相コイル１５に流す電流は図３に示すようなものである。

さて、図２（ａ）に示す「電気角１２０°」においては、図３に示すように、Ｕ相コイル１１は「＋電流」、Ｗ相コイル１５は「−電流」、Ｖ相コイル１３「電流０」である。これは図２（ａ）においてＵ相コイル１１は紙面上方向に電流を流しており、Ｗ相コイル１５紙面下方向に電流を流している状態である。そして、Ｕ相コイル１１より右向き磁束が生成されると共にＷ相コイル１５により左向き磁束がコア１７内に生成される。これらのコイル磁束は何れも永久磁石２３により生成される磁束と向きが逆であり永久磁石２３により生成される磁束との対で吸引し合うことになる。すなわち、図２（ａ）)に図示した位置に移動し留まる。又、電気角を増やしていくと、図３に示すように、Ｖ相コイル１３の電流は「＋方向」に上がっていき、Ｖ相コイル１３の右側の永久磁石２３により生成される磁束とは同一方向対で反発し、左側の永久磁石２３により生成される磁束とは逆方向対で吸引するので、永久磁石２３は図中右方向の推力を受ける。又、Ｕ相電流は下がっていくので、永久磁石２３の右方向移動が容易になり、永久磁石２３は図上右方向に移動していく。

そして、「電気角１５０°」まで移動した時の様子を図２（ｂ）に示す。そして、さらに電気角が進むとＵ相コイル１１の電流は「０」まで減少し、Ｖ相コイル１３及びＷ相コイル１５により図２（ｃ）に示す「電気角１８０°」の位置に移動する。このように、三相駆動コイル９は２磁極ピッチに３個のコイル、すなわち、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１３、Ｗ相コイル１５を配置して３相駆動とする構成になっているので滑らかな駆動が可能である。
同様に、「電気角１８０°」〜「電気角２４０°」までの移動の様子を、図２（ｃ）〜図２（ｅ）に示す。

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、本実施の形態の場合には、小径の永久磁石２３でも高い磁束密度が得られる。すなわち、本実施の形態の場合には、永久磁石２３から発生した磁束はＮ極からＳ極へ還流するが、その際、従来のように、コイルを通過して最外周のヨークまで行ってから戻ってくるのではなく、近くの磁束をよく通す材料からなるコア１７へ入り還流できるので、磁気抵抗を大幅に下げることができる。それによって、より小径の永久磁石２３でも高い磁束密度が得られるものである。又、三相駆動コイル９から発生した磁束も近くにあるコア１７へ入り還流できるので、磁気抵抗を大幅に下げることができ、より高い磁束密度を得られる。そして、それによって、より高い推力を得ることができるものである。
又、本実施の形態の場合には、推力発生により三相駆動コイル９と永久磁石２３は軸方向（図１中左右方向）に相対運動するが、コア１７についても同じ相対運動方向（軸方向）に配置されているので、永久磁石２３や三相駆動コイル９から発生した磁束の向きも軸方向（紙面左右方向）となり、それによって、磁束対の作用力を効率よく推力として用いることができる。
又、本実施の形態によるリニアモータを用いたアクチュエータの場合には、円柱状の永久磁石２３は軸方向に磁化されており、隣接する永久磁石２３、２３はお互いに同極同士が接している。又、三相駆動コイル９は永久磁石２３と同軸であり環状に配されている。又、コア１７も永久磁石２３と同軸であって三相駆動コイル９と永久磁石２３の間に配されている。このような構成は本実施の形態によるリニアモータの推力発生原理を理想的に満足するものであり、又、小型化（小径化）や低コスト化にも有利な形状である。
又、コアを用いる一般のリニアモータの場合は、永久磁石による吸引力の変動、すなわち、「コギング」による推力変動が大きな問題となっていた。本実施の形態の場合にはそのような「コギング」をなくすことができる。すなわち、三相駆動コイル９とコア１７は固定子１側にあり、永久磁石２３は可動子２１側にあり、コア１７を永久磁石２３の移動範囲より軸方向（図上左右方向に）に沿って長く設置しているので、三相駆動コイル９と永久磁石２３が相対運動をしても永久磁石２３の近傍には常にコア１７を配置することができ、且つ、略同一距離であって同一質量のコア１７を配置することができる。したがって、三相駆動コイル９と永久磁石２３が相対運動しても永久磁石２３がコア１７を吸引している力の変動、すなわち、「コギング」は殆ど発生しないものである。

次に、図４を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。図４は本実施の形態によるアクチュエータの構成を示す縦断面図である。まず、固定子１０１があり、この固定子１０１はハウジング１０３を備えている。このハウジング１０３は中空円筒形状をなしていて、その両端にはガイド部材１０５、１０７が取り付けられている。上記ハウジング１０３の内周側には複数組（この実施の形態の場合には三組）の三相駆動コイル１０９が設置されている。上記三相駆動コイル１０９は、Ｕ相コイル１１１、Ｖ相コイル１１３、Ｗ相コイル１１５とから構成されている。

又、上記３組の三相駆動コイル９の内周側には可動子１２１が図４中左右方向に移動可能な状態で収容・配置されている。この可動子１２１は、円筒形状をなす複数個（この実施の形態の場合には１８個）の永久磁石１２３を軸方向に沿って積層・配置させた構成になっている。又、左右両端の永久磁石１２３、１２３には夫々端栓１２５、１２７が連結されている。又、上記複数個の永久磁石１２３の外周側には中空円筒形状をなすコア１１７が設置されている。

すなわち、この第２の実施の形態の場合には、永久磁石１２３とコア１１７を可動子１２１側に配置し、永久磁石１２３とコア１１７を相対運動させない構成としている。それによって、コア１１７と永久磁石１２３の吸引力の変動ひいては「コギング」の発生をなくすことができるものである。つまり、永久磁石１２３とコア１１７は共に可動子１２１側にあって、永久磁石１２３とコア１１７が相対運動しないために、「コギング」は発生しないものである。
又、三相駆動コイル１０９側にコア１１７がないために、三相駆動コイル１０９側の固定子１０１を永久磁石１２３の相対移動範囲以上に長くする必要はなく、軸方向に沿って短い固定子１０１を構成することができるものである。
さらに、永久磁石１２３の相対移動距離（ストローク）を長くするためには、永久磁石１２３をその分だけ長くすれば良く、容易にストロークを長くすることができる。
その他、前記第１の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができる。
又、この第２の実施の形態の場合には、永久磁石１２３とコア１１７を可動子１２１側とし、三相駆動コイル１０９を固定子１０１側として説明したが、永久磁石１２３とコア１１７を固定側とし、三相駆動コイル１０９を可動側としても同様の効果を奏することができる。

尚、本発明は前記第１、第２の実施の形態に限定されるものではない。
まず、前記第１、第２の実施の形態の場合には、円筒形状のアクチュエータを例に挙げて説明したが、必ずしも円筒形状である必要はなく、例えば、角柱状でも同様の効果を奏することができる。
又、コアの材料である透磁率の良好な材料については、一般に軟鉄やニッケル系材料が挙げられるが、その透磁率が大きければ特に限定はされない。
さらに、透磁率の良好な材料からなるコアは永久磁石と三相駆動コイルの間にあればよく、前記第１、第２の実施の形態では、三相駆動コイル側に組込んだ例、永久磁石側
に組込んだ例を挙げたが、それらに限定されるものではない。

本発明は、リニアモータと該リニアモータを用いるアクチュエータに係り、特に、小型化に起因した推力の低下を防止して高い推力を提供することができるように工夫したものに関し、例えば、精密位置決めシステムに使用するリニアモータと該リニアモータを用いるアクチュエータに好適である。

本発明の第１の実施の形態を示す図で、アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、作動原理を順次説明するための図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、駆動波形を示す特性図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図で、アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 従来例を示す図で、アクチュエータの構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 固定子
３ ハウジング
５ ガイド
７ ガイド
９ 三相駆動コイル
１１ Ｕ相コイル
１３ Ｖ相コイル
１５ Ｗ相コイル
１７ コア
２１ 可動子
２３ 永久磁石
２５ シャフト
２７ シャフト

Claims (8)

1. 磁石とコイルの間に透磁率の良好な材料からなるコアを挿入・配置したことを特徴とするリニアモータ。
2. 請求項１記載のリニアモータにおいて、
   上記コアは上記磁石と上記コイルの相対運動方向に沿って配置されていることを特徴とするリニアモータ。
3. 請求項１記載のリニアモータにおいて、
   円筒状の永久磁石の回りに環状のコイルが配置され、上記コアはそれら円筒状の永久磁石と環状のコイルの間に配置されていることを特徴とするリニアモータ。
4. 請求項１記載のリニアモータにおいて、
   上記コアは上記磁石が相対移動しても該磁石の近傍にあることを特徴とするリニアモータ。
5. 請求項１記載のリニアモータにおいて、
   上記コイルが固定側に配置され上記コア及び磁石が可動側に配置されていることを特徴とするリニアモータ。
6. 請求項１記載のリニアモータにおいて、
   上記コイルが可動側に配置され上記コア及び磁石が固定側に配置されていることを特徴とするリニアモータ。
7. 請求項１記載のリニアモータにおいて、
   ２磁極ピッチに３個のコイルを配置したことを特徴とするリニアモータ。
8. 請求項１〜請求項７の何れかに記載のリニアモータを用いたことを特徴とするアクチュエータ。

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