JP2004336842A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】コギングを起こさずに推力を大きくできるリニアモータを実現する。
【解決手段】リニアモータ１は、Ｎ極とＳ極の磁極が交互に現われる永久磁石Ｍと、永久磁石Ｍに外装したコイル１４と、コイル１４を内装し永久磁石Ｍに外装配置した反磁性材１３と、反磁性材１３に外装配置した強磁性材３３とを有する。反磁性材１３はカーボンからなる。これにより、強磁性材３３で引き寄せた磁力線１６は反磁性材１３によって圧縮しコイル１４近辺に磁束を集中させて、可動子１２の推力を大きくできる。反磁性材１３は、磁気的反発力の影響を強く受けないため、コギングを起こさずに滑らかに可動子１２が移動できる。また、反磁性材１３をカーボンとすれば、カーボンが軽量であるため、可動子１２の推力を更に大きくでき、また、リニアモータ１全体の軽量化が図れる。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石とコイルとが相対移動するように構成されたリニアモータにあって、主にその推力を増加させるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、Ｎ極とＳ極の磁極が交互に現われるように形成されて周囲に閉ループの磁束による磁界を形成する永久磁石と、この磁界内に配置するコイルとを有し、コイルに電流を流すと永久磁石とコイルとが相対移動するように構成されたリニアモータが知られている。
【０００３】
図６は、従来のリニアモータの概略側面図を示す。このリニアモータは、直線状に、Ｎ極とＳ極の磁極を交互に配列したシャフト状の永久磁石９１１と、永久磁石９１１に外装するコイル９２１と、電機子コイル９２１を内装する中空円筒状の強磁性材からなるヨーク９２２と、ヨーク９２２の開口している両端部に永久磁石９１１と嵌合する滑り軸受９２３とを有する（特許文献１、図１３を参照）。このリニアモータでは、永久磁石９１１側を固定子９１とし、コイル９２１およびヨーク９２２の側を可動子９２とする。そして、コイル９２１に通電すると、永久磁石９１１の磁界との相互作用によりフレミングの左手の法則に従って可動子９２（コイル９２１およびヨーク９２２）が電磁力による推力を発生して固定子９１（永久磁石９１１）に沿って移動する。このとき、永久磁石９１１の外周には、強磁性材からなるヨーク９２２が配置されているので、永久磁石９１１の磁力線がヨーク９２２を通る閉ループを形成する。これにより、コイル９２１近辺の磁束密度が高くなり、リニアモータは、このような強磁性材からなるヨーク９２２がない場合に比べてより大きな推力を発生させることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３２３００８号公報
【特許文献２】
特開２００２−６７１０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来のリニアモータでは、推力を増加することができるものの、可動子９２の移動に際しては大きなコギングが発生するといった問題があった。すなわち、永久磁石９１１は、磁極の境目では磁束密度が低く長手方向に磁束密度のバラツキがあり、また、ヨーク９２２を形成する強磁性材（鉄など）は、永久磁石９１１の磁気の影響を強く受ける。そのため、可動子９２が移動する際は、ヨーク９２２の端部において永久磁石９１１からの磁気的吸引力が強く作用する位置と、あまり作用しない位置とが規則的に且つ連続的に生じる。従って、この磁気的吸引力の変動によって可動子９２にコギングが発生して可動子９２の円滑な移動が妨げられる結果となる。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コギングを起こさずに推力を大きくすることができるリニアモータを実現するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｎ極とＳ極の磁極が交互に現れるように形成されて周囲に閉ループの磁束による磁界を形成する永久磁石と、この磁界内に配置するコイルとを有し、コイルに電流を流すと永久磁石とコイルとが相対移動するように構成されたリニアモータにおいて、反磁性材を上記コイルにおける上記永久磁石の反対側位置に配置させたことを特徴とするものである。
この構成において、反磁性材は、磁力線を反発させるので、反磁性材をコイルにおける永久磁石の反対側位置に配置することで、磁界を圧縮しコイル近辺に磁束を集中させることができる。これにより、コイル近辺の磁束密度が高くなるため、このような反磁性材を配置しない場合と比べて、リニアモータの推力を大きくすることができる。
【０００７】
しかも、反磁性材は、強磁性材よりも磁力の影響を強く受けないため、コイルと共に反磁性材が永久磁石との間で相対移動しても、反磁性材は磁気的反発力の変動をほとんど受けない。従って、コイルと共に反磁性材が永久磁石との間で相対移動しても、コギングがほとんど発生しない。
【０００８】
また、上記反磁性材は、カーボンからなるものでもよい。カーボンは、強磁性材である鉄などと比べ、遥かに軽量であるため、リニアモータ全体の軽量化に寄与できる。また、コイルと共に反磁性材を可動子とするときは、反磁性材が軽量である分、可動子の推力を一層大きくすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるリニアモータを用いた成形装置の取出機の概略構成を示す。図１に示すように、この取出機は、成形装置（図示せず）の上部に設置されて成形装置の金型から成形品を反操作側へ取り出すための装置であり、図示した取出機は、トラバースタイプのものであって、Ｘ軸アーム３と、Ｙ軸アーム４と、Ｚ軸アーム５とを備える。Ｚ軸アーム５の下端部には、成形装置の金型から成形品を把持するためのチャックパッド６が取り付けられている。また、この取出機は、Ｘ軸アーム３が固定され、Ｘ軸アーム３の長手方向に沿ってＹ軸アーム４が往復移動可能に取り付けられ、また、Ｙ軸アーム４の長手方向に沿って往復移動可能に且つ昇降移動可能にＺ軸アーム５が取り付けられている。これらＸ軸アーム３、Ｙ軸アーム４、Ｚ軸アーム５の各々の駆動源においては、本実施の形態によるリニアモータが使用されている。ここでは、上記Ｘ軸アームに着目して説明する。
【００１０】
図２は、上記Ｘ軸アーム３の斜視図を示し、図３は、その断面図を示す。図２、図３に示すように、このＸ軸アーム３は、リニアモータ１がスライダ用フレーム２１上に設置されている。このリニアモータ１は、スライダ用フレーム２１の長手方向に延び、両端が固定ブロック２２に固定された丸棒状のリニアモータ固定子１１と、このリニアモータ固定子１１を貫通させた矩形箱状のリニアモータ可動子１２とによって構成されている。なお、このリニアモータ１の構造の詳細は、後述する。
【００１１】
そして、このＸ軸アーム３は、上記リニアモータ可動子１２上に上板２６の両端部に側板２７を垂下形成したスライダ２が設置され、このスライダ２の各々の側板２７の内側に上下一対のスライダ用ベアリング２４を取り付け、これら一対のスライダ用ベアリング２４をスライダ用フレーム２１上部の両端に突出形成した突片２５においてその上下部に形成したスライダレール部２３と係合させるように設置している（図３を参照）。これにより、スライダ２がスライダ用フレーム２１上に長手方向に沿ってスライド可能に構成され、上記Ｙ軸アーム４がスライダ２に取り付けられる。
【００１２】
次に、上記リニアモータ１について説明する。図４は、上記リニアモータ１の長手方向における断面図を示す。このリニアモータ１は、上述したリニアモータ固定子１１とリニアモータ可動子１２とを備えており、以下に、図３、図４を参照して、これらリニアモータ固定子１１とリニアモータ可動子１２の構成を説明する。
【００１３】
リニアモータ固定子１１は、機械加工可能で且つ着磁可能な材料をその表面を平滑にした丸棒状に形成され、Ｎ極とＳ極の磁極が等ピッチに交互に現れるように形成されてその周囲に閉ループの磁束による磁界を形成する永久磁石Ｍで形成されている。この永久磁石Ｍの材料としては、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系、ＭｎＡｌ系などの金属が挙げられる。
【００１４】
また、このリニアモータ固定子１１には、リニアモータ可動子１２の位置制御、速度制御などのためのエンコーダ４の一部を構成するエンコーダチャート４１が形成されている。このエンコーダチャート４１としては、例えば、リニアモータ固定子１１の長手方向にＮ極とＳ極の磁極が交互に等ピッチに並ぶように永久磁石Ｍ上に重畳して着磁形成した磁気方式のものが使用可能である。なお、エンコーダチャート４１のＮ極とＳ極の磁極ピットは、リニアモータ固定子１１となる永久磁石Ｍの磁極ピッチと同一でも異なっていてもよい。
【００１５】
リニアモータ可動子１２は、上記リニアモータ固定子１１に外装した円筒状のコイル１４と、このコイル１４を内装し永久磁石Ｍ（リニアモータ固定子１１）に外装配置した円筒状の反磁性材１３と、この反磁性材１３を内装した円筒状の強磁性材３３と、これらコイル１４と反磁性材１３と強磁性材３３とを収容保持させたボックス１５とを備えるものである。コイル１４と反磁性材１３と強磁性材３３とは、長手方向の両端部が貫通孔を設けたボックス１５の側板に嵌合されている。そして、リニアモータ固定子１１とコイル１４との間、およびコイル１４と反磁性材１３との間にそれぞれ僅かな隙間を形成するようにボックス１５内に収容保持されている。なお、反磁性材１３と強磁性材３３とは接着剤等にて接合されている。
【００１６】
コイル１４は、電線を円形リング状に巻回した複数の単位コイルＣ１〜Ｃ１２を接着固定等して組み合わせ、円筒状に形成されたものである。各単位コイルＣ１〜Ｃ１２は、永久磁石ＭのＮ極とＳ極の磁極ピッチの１／３幅の長さに形成され、３相駆動を行うため３つの単位コイルを１組の３相コイル（Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル）としている。そして、上記コイル１４は、１組の３相コイルを４組備えている。なお、この３相コイルの組数は推力等を考慮して任意に決定できる。
【００１７】
そして、このコイル１４においては、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルとなる単位コイルに対して、ソフトウエアでの磁極検出によって通電制御される。なお、これらＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルとなる単位コイルに永久磁石Ｍが形成する磁界の向きや強さを検出するための磁電変換素子等からなるホール素子が設けられ、これらホール素子からの信号によってコイル１４への通電制御がなされるようにしてもよい。
【００１８】
また、コイル１４の内周面には、エンコーダチャート４１に対向する位置に磁気センサ４２（磁気抵抗素子）が設けられ、エンコーダチャート４１と磁気センサ４２とによってリニアモータ可動子１２の位置制御、速度制御等を行うためのエンコーダ４が構成される。なお、このようなエンコーダは、光学式のものでもよい。また、エンコーダチャート４１をスライダ用フレーム２１上面に形成し、磁気センサ４２をこのエンコーダチャート４１に対向させてボックス１５下面に形成するようにしてもよい。
【００１９】
一方、反磁性材１３は、上記コイル１４に対して外周に配置することで、コイル１４における永久磁石Ｍの反対側位置に配置される。反磁性材１３は、磁石の磁力線を反発させる性質を有するので、この反磁性材１３を、永久磁石Ｍに外装させたコイル１４の外周に配置されることで、永久磁石Ｍの磁力線を圧縮しコイル１４近辺に永久磁石Ｍの磁束を集中させることができる。
図５は、反磁性材１３を設けた場合（同図（ａ））と、この反磁性材１３を設けない場合（同図（ｂ））とにおける永久磁石Ｍの磁力線の状態を示す。
【００２０】
図５（ｂ）に示すように、反磁性材１３をリニアモータ可動子１１に設けない場合、永久磁石Ｍにおける、Ｎ極からＳ極に向かう閉ループの磁力線１６による磁束密度は、永久磁石Ｍの長手方向にわたって同じ割合にある。
【００２１】
一方、図５（ａ）に示すように、反磁性材１３をリニアモータ可動子１１に設けた場合、永久磁石Ｍにおける、Ｎ極からＳ極に向かう閉ループの磁力線は、この反磁性材１３が配置されたところで所定量だけ圧縮される。そのため、この反磁性材１３の内側部分における磁束密度が高くなる。特に、Ｎ極とＳ極の各磁極の中央付近における磁束密度が高くなっていることが、図５（ａ）により明らかである。この結果、反磁性材１３の内側部分であるコイル１４近辺の磁束密度が高くなるため、この反磁性材１３を配置しない場合と比べて、リニアモータ可動子１２の推力を大きくすることができる。
【００２２】
また、この反磁性材１３の外周に強磁性材３３が配置されることで、磁力線１６が強磁性材３３内を通過しようとするため、この強磁性材３３による磁力線１６の引き寄せ効果と相まって反磁性材１３での磁束反射効率（磁力線１６の圧縮率）を一層向上させることができる。すなわち、強磁性材３３で引き寄せた磁力線１６を反磁性材１３によって圧縮しコイル１４近辺に磁束を更に集中させることができる。その結果、リニアモータ可動子１２の推力をより大きくすることができる。
【００２３】
ところで、コイル９２１の外周に強磁性材（ヨーク９２２）のみを配置した従来のものでは（図６を参照）、リニアモータ可動子９２の移動に際し、強磁性材が永久磁石の磁気的吸引力を受けてこの磁気的吸引力の変動に伴いコギングを発生させていたが、反磁性材１３は、磁力線１６を反発させる性質を有するものの、一般に、強磁性材よりも磁気的影響を強く受けない。また、反磁性材１３は、磁力線１６を反発させる性質を有することから、磁力線１６を遮蔽する機能をも発揮する。従って、反磁性材１３を強磁性材３３の内側に形成した本実施の形態のものでは、リニアモータ可動子１２の移動に際し、反磁性材１３は、永久磁石Ｍ（リニアモータ固定子１１）の磁気的反発力による変動をほとんど受けず、しかも、永久磁石Ｍから強磁性材３３に働く磁気的吸引力をも阻止することができる。そのため、上記リニアモータ可動子１２は、ほとんどコギングが起こらない。
【００２４】
また、上記反磁性材１３としては、例えば、カーボンが使用される。このカーボンの重量は、鉄成分を含む強磁性材と比べ、遥かに軽量である。
【００２５】
また、上記強磁性材３３としては、例えば、ケイ素鋼鈑が使用される。このケイ素鋼鈑で上記強磁性材３３を形成すれば、既述したとおり磁束密度の向上を図ることができ、導体抵抗が大きいことから渦電流の発生を抑制することができ、強度面に優れている等の利点がある。ケイ素鋼鈑が強度面に優れることから、強磁性材３３を反磁性材１３に比して薄く形成するができる。また、反磁性材１３の外側に配置する上記強磁性材３３としては、永久磁石Ｍの磁力線１６の引き寄せ機能をある程度発揮できればよいので、この強磁性材３３を薄く形成しても十分にある程度の磁力線引き寄せ機能が発揮される。
【００２６】
よって、上記反磁性材１３の重量が軽量であること、および上記強磁性材３３を薄く形成し軽量化できることから、リニアモータ可動子１２の軽量化を図ることができる。
【００２７】
以上のリニアモータ１は、従来のものと同様の動作をする。すなわち、コイル１４に通電すると、コイル１４に流れる電流と永久磁石Ｍ（リニアモータ固定子１１）の形成する磁界との相互作用によりフレミングの左手の法則に従ってリニアモータ可動子１２にはリニアモータ固定子１１の長手方向に電磁力による推力が発生し、これにより、リニアモータ可動子１２がリニアモータ固定子１１の長手方向に沿って移動される。
【００２８】
このリニアモータ１によれば、反磁性材１３をコイル１４に外装配置させるようにしたので、永久磁石Ｍ（リニアモータ固定子１１）の磁界を圧縮しコイル１４近辺に永久磁石Ｍからの磁束を集中させてリニアモータ１の推力を大きくすることができる。しかも、反磁性材１３の外周に配置する強磁性材３３による磁力線引き寄せ効果と相まってコイル１４近辺の磁束密度を一層高くでき、リニアモータ１の推力を一層大きくすることができる。
【００２９】
また、反磁性材１３は、カーボンが磁化される割合が低いため、磁気的反発力の変動をほとんど受けないし、また、この反磁性材１３を強磁性材３３の内側に配置することで永久磁石Ｍから強磁性材３３に働く磁気的吸引力をも阻止することができる。そのため、リニアモータ可動子１２が永久磁石Ｍ（リニアモータ固定子１１）上を移動しても、コギングはほとんど起きない。従って、コギングを起こさずに滑らかにリニアモータ可動子１２を移動させることができ、且つこのリニアモータ可動子１２の推力を反磁性材１３を設けないものと比べて大きくすることができる効果が得られる。
【００３０】
また、上記反磁性材１３を重量の軽いカーボンで形成することで、リニアモータ可動子１２が軽量化されてその推力を更に大きくすることができ、また、リニアモータモータ１全体の軽量化を図ることができる等の効果が得られる。
【００３１】
以上のリニアモータ１を駆動源とした取出機によれば、リニアモータ１においては上記反磁性材１３を設けないものと比較して大きな推力が得られるので、各アーム３，４，５の移動速度を速くすることができ、その結果、成形装置からの成形品の取出サイクルを短くすることができ、成形品の生産性を向上することができる。しかも、リニアモータ１においてはコギングを起こさずに滑らかに駆動されるので、成形品の移送途中にチャックパッド６から成形品を落下させてしまうこともない。さらに、反磁性材１３が軽量なカーボンからなるので、駆動源のリニアモータ１が軽量となり、その結果、取出機全体の軽量化にも寄与することができる。
【００３２】
なお、本発明は、上記実施の形態のものに限定されず、適宜に設計変更することが可能である。
【００３３】
（１）上記実施の形態では、反磁性材１３の外周に強磁性材３３を配置する構成としたが、強磁性材３３を設けない構成としてもよい。
【００３４】
（２）上記実施の形態では、コイル１４側をリニアモータ可動子１２とし、永久磁石Ｍ側をリニアモータ固定子１１とするが、コイル１４側を固定部材に設け、永久磁石Ｍ側を進退自在に保持するようにし、上記のリニアモータ固定子１１とリニアモータ可動子１２との関係を逆にしてもよい。例えば、図２に示すもので言えば、コイル１４を備えたスライダ２を固定させ、永久磁石Ｍを取り付けたスライダ用フレーム２１をフリーにすれば、スライダ用フレーム２１の永久磁石Ｍがスライダ２に対して進退動しリニアモータ可動子として機能する一方、コイル１４を備えたスライダ２がリニアモータ固定子として機能することとなる。
【００３５】
（３）永久磁石Ｍ、コイル１４、反磁性材１３、強磁性材３３は、断面円形としたが、三角形、四角形、五角形等の多角形状にしてもよい。
【００３６】
（４）反磁性材１３は、コイル１４および永久磁石Ｍの外周全域を囲うようにしたが、その外周の一部を囲うようにしてもよい。
【００３７】
（５）上記リニアモータ１は、取出機の駆動源のみならず、コピー機、プリンタ、スキャナ等のＯＡ機器、ＸＹテーブルや搬送装置等のＦＡ機器、カメラ等の光学機器、リニアモーターカー等にも適用可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、反磁性材をコイルにおける永久磁石の反対側位置に配置させるようにしたので、コイル近辺に磁束を集中させてリニアモータの推力を大きくすることができる。また、反磁性材は、磁気的反発力の変動をほとんど受けないため、コイルと共に反磁性材が永久磁石との間で相対移動しても、コギングはほとんど起こらない。従って、コギングを起こさずに滑らかにリニアモータ可動子を移動させることができ、且つこのリニアモータ可動子の推力を反磁性材を設けないものと比べて大きくすることができる効果が得られる。
【００３９】
また、上記反磁性材としてカーボンを用いることで、反磁性材を軽量化することができ、これにより、リニアモータモータ全体の軽量化に寄与することができ、また、コイルと共に反磁性材をリニアモータ可動子とするときは、反磁性材が軽量化される分、リニアモータ可動子の推力をより一層大きくすることができる等の効果が得られる。また、カーボンは、熱伝導率も良く放熱に寄与するから、コイルの電流容量が増加し、リニアモータ可動子の推力をより一層大きくすることにも役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるリニアモータを用いた成形装置の取出機を示した斜視図である。
【図２】取出機のＸ軸アームを示した斜視図である。
【図３】取出機のＸ軸アームを示した断面図である。
【図４】リニアモータの構成を示した長手方向の断面図である。
【図５】反磁性材のヨーク１３を設けた場合（同図（ａ））と、このヨーク１３を設けない場合（同図（ｂ））とにおける永久磁石Ｍの磁力線の状態を示す模式図である。
【図６】従来のリニアモータの構成を示した側面図である。
【符号の説明】
１ リニアモータ
１１ リニアモータ固定子
１２ リニアモータ可動子
１３ 反磁性材
１４ コイル
１６ 磁力線
３３ 強磁性材
Ｍ 永久磁石

Claims (2)

1. Ｎ極とＳ極の磁極が交互に現れるように形成されて周囲に閉ループの磁束による磁界を形成する永久磁石と、この磁界内に配置するコイルとを有し、コイルに電流を流すと永久磁石とコイルとが相対移動するように構成されたリニアモータにおいて、
   反磁性材を上記コイルにおける上記永久磁石の反対側位置に配置させたことを特徴とするリニアモータ。
2. 請求項１に記載のリニアモータにおいて、
   上記反磁性材は、カーボンであることを特徴とするリニアモータ。

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