JP2006074881A - シリンダ形リニアモータの移動子 - Google Patents

Abstract

【課題】所定のストローク長に対し、モータ全長を短くできるとともに、移動子の位置を検出するためのセンサ手段を固定子軸方向に隣接させて付加することなく、ブラシレスDCモータとして動作させることができる。
【解決手段】シリンダ型リニアモータの移動子１において、第１の軸方向に磁化された第1の永久磁石３と、第１の永久磁石３の両側に配置され第１の軸方向と逆方向に磁化された第２、第３の永久磁石２，４とでユニットを形成し、ユニットを１個以上軸方向に直列に配置して永久磁石組立体５を構成する。永久磁石２，３，４の順に並んでいる場合、第２の永久磁石２の左側端面と第３の永久磁石４の右側端面間の距離を２×Lに設定し、第２の永久磁石２の右側端面と第１の永久磁石３の左側端面間の第１の中央位置と、第１の永久磁石３の右側端面と第３の永久磁石４の左側端面間の第２の中央位置との距離をLに設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動子部に永久磁石を有し、固定子部に複数のリング状コイルを有するシリンダ形リニアモータの移動子に関する。

図７に、従来からよく知られている２相のシリンダ形リニアモータの断面図を示す。
図７において、上記シリンダ形リニアモータの移動子１００は軸方向に往復移動する直動軸１０１と、上記直動軸１０１に嵌着された円筒状の移動子ヨーク１０２と、その外周面に軸方向に磁極ピッチPで交互の極性となるように磁化されて配設された複数のリング状永久磁石１０３を備えている。また、固定子２００の固定子コア２０１は、内径の小さいリング状ヨーク部２０２と、内径の大きいリング状ヨーク部２０３が、軸方向に交互に積層されており、その結果、上記固定子コア２０１の内周面には軸方向に等ピッチ（P／２）で多数のリング状歯部２０４とリング状溝部２０５が形成されている。そしてこのリング状溝部２０５にはリング状巻線２０６、２０７、・・・・、２１３がA相、B相の相順で配設されている。したがってひとつ置きに配設されたリング状巻線２０６、２０８、２１０、２１２は互いに結線されてA相巻線を形成し、残りのリング状巻線２０７、２０９、２１１、２１３も互いに結線されてB相巻線を形成している。

また、移動子コア部の軸方向長さMは固定子コア部の軸方向長さKより長いため、移動子と固定子の対向する軸方向長さ、すなわち推力寄与長さはKとなる。またストローク長Sは（M−K）で表せる。図７から移動子の移動範囲長さは（K＋２S）、すなわち、（推力寄与長さ＋２×ストローク長S）で表せる。そしてモータ全長は上記移動子の移動範囲長さを満足するように設定されている。
特開平７−１０７７３２号公報 特開平５−１５１３９号公報

しかしながら、前述のような従来構造のリニアモータは上記のように所定のストロークSを得るためにモータ全長を移動子の移動範囲長さ（推力寄与長さ＋２×ストローク長S）を満足するよう設定する必要があり、モータ全長が長くなるという問題があった。また従来構造の上記モータは永久磁石型であるので、原理的にブラシレスDCモータとして動作させることができるが、そのためには、移動子の位置を検出するためのセンサ手段を、上記固定子部に軸方向に隣接させて別に設ける必要があり、その場合はさらにモータ全長が長くなるという問題もあった。

また固定子製造の作業性をよくするため、図７の固定子コア断面図と同等の断面を有する櫛歯状のコアを複数個リング状コイルの外側から嵌め込む構造がとられることもあるが、その場合、ストローク長を変更するためには金型を新規に作成する必要があり、容易にストローク長の変更ができないという問題点もあった。また、固定子長さの変更は、各相巻線のリング状コイルの数が同数となるように行う必要があり、ストローク長変更の自由度が小さいという問題もあった。また推力寄与長さを一定とした場合、ストローク長Ｓを長くすればするほど、移動子の慣性モーメントが大きくなり応答性が悪くなるという問題もあった。

本発明は、上記課題を解決し、所定のストローク長に対し、モータ全長を短くできるとともに、移動子の位置を検出するためのセンサ手段を軸方向に付加することなくブラシレスDCモータとして動作させることができ、かつ従来のブラシレスモータで使用されていた磁極位置検出法を適用することができるシリンダ型リニアモータの移動子を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、円筒状の固定子の軸線上に配置され、該軸線上を軸方向に往復移動する直動軸と、この直動軸に設けられ、軸方向に磁化された複数の永久磁石の端面同士が互いに向い合うように配設された永久磁石組立体とを備えたシリンダ形リニアモータの移動子において、第１の軸方向に磁化された第1の永久磁石と、該第１の永久磁石の両側に配置され前記第１の軸方向と逆方向に磁化された第２および第３の永久磁石とでユニットを形成し、該ユニットを１個以上軸方向に直列に配置して、前記永久磁石組立体を構成し、前記第１ないし第３の永久磁石が左から第２、第１、第３の永久磁石の順に並んでいるとしたとき、前記第２の永久磁石の左側端面と前記第３の永久磁石の右側端面間の距離が２×Lに設定され、前記第２の永久磁石の右側端面と前記第１の永久磁石の左側端面間の第１の中央位置と、前記第１の永久磁石の右側端面と前記第３の永久磁石の左側端面間の第２の中央位置との距離がLに設定されていることにある。
また、本発明は、前記第１の永久磁石の軸方向長さがＬであり、前記第２および第３の永久磁石の軸方向長さがＬ／２であることにある。
さらに、本発明は、前記第２の永久磁石と第３の永久磁石の断面積は互いに等しく、前記第１の永久磁石の断面積とは異なっていることにある。
またさらに、本発明は、前記第２の永久磁石と第３の永久磁石のエネルギー積は互いに等しく、前記第１の永久磁石のエネルギー積とは異なっていることにある。

本発明によれば、磁束密度のラジアル方向成分の分布波形は、移動子の永久磁石組立体を構成しているそれぞれの永久磁石による分布波形の合成となるため、第１の永久磁石による分布波形に対し、第２、第３の永久磁石による分布波形を設定することにより、合成された分布波形を改善できるので、従来のブラシレスモータで使用されていた磁極位置検出法が適用できる。
また、本発明によれば、シリンダ形リニアモータを上記のように構成しているので必要なモータ全長を決める移動子の移動範囲長さを（推力寄与長さ＋ストローク長Ｓ）とすることができる。

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
図３ないし図６は、本発明のシリンダ型リニアモータの移動子の前提となるリニアモータの構造を示す断面図で、本願に先立って出願（２００４−２３１９９３）した発明である。
図３および図４において、移動子１０は、軸方向に往復移動する直動軸１１と、軸方向に磁化された永久磁石１２、１４が２個、同極性の端面同士が向い合うようにスペーサ１３を挟んで配設された永久磁石組立体１５とを備えている。上記スペーサ１３は移動子１０の磁極ピッチP（Ｎ極とＳ極の距離）の調整と磁束密度のラジアル方向成分が移動子の軸方向位置によって変化する波形（磁束密度分布波形）を調整するためのものであり、磁性材であっても非磁性材であってもよい。なお、場合によっては、スペーサ１３は使用しなくてもよい。

上記永久磁石組立体１５は、その両端面に配設された固定リング部材１６、１７により上記直動軸１１に強固に固定されている。そして、上記移動子１０は、互いに所定間隔で対向する一対のブラケット３０、３１の中心に、軸受３２、３３を介して、軸方向に移動自在に支持されている。一方、両端を上記ブラケット３０、３１に支持された固定子２０は、磁性材料よりなる円筒状ヨーク２１と、軸方向に等ピッチCで配設された複数のリング状コイル２２、２３、・・・、２７を備えたコイル組立体２８で構成されている。このコイル組立体２８は、上記円筒状ヨーク２１内に収納され、かつ内部に上記永久磁石組立体１５を収容する円筒状の空間３４を形成している。また上記円筒状ヨーク２１には軸方向にのびた開口部２９が設けられ、移動子１０の磁極位置を検出するための図示しないセンサ手段を備えた回路基板４０が取り付けられている。また上記回路基板４０には上記各コイルの始端および終端を接続する端子が設けられており、回路基板４０に設けられたプリント回路により各コイルは結線されて各相巻線を形成できるようになっている。

図５は移動子１０の移動範囲長さ（Ｍ＋Ｓ）と円筒状ヨーク２１の長さＹとの長さの関係に依存するディテント推力の関係を模式的に示した図である。ここでは永久磁石組立体１５の軸方向中心を位置の原点に取っている。図５からストロークの両端付近で移動子１０をヨーク内に引き込むディテント推力が発生することがわかる。また、円筒状ヨーク２１の長さＹをある値Ｙｏ以上に設定してやれば、移動子１０の移動範囲長さ（Ｍ＋Ｓ）において前記ディテント推力を無視できる値に抑えることができることもわかる。ここでＹ＝Ｙｏのときのヨーク張出し寸法Ｂは永久磁石外径Ｄに依存し、Ｂ＝ｋＤで表せ、ｋは０．４付近が妥当であることが解析的に求められる。したがって、Ｙｏ＝Ｍ＋Ｓ+２×Ｂ＝Ｍ＋Ｓ+０．８×Ｄとなる。

以上より、図４に示すように、円筒状ヨーク２１の長さYは永久磁石組立体１５の軸方向長さをM、外径をD、ストローク長をＳとするとき、（M＋Ｓ＋０．８×D）以上に設定されている。こうすることにより、無励磁時にストロークの両端で発生するディテント推力を無視できる値に抑えることができる。リング状コイル２２、２３、・・・、２７のピッチをCとすると、リング状コイル２２、２３、・・・、２７の個数ｎは６であるので固定子２０の軸方向長さKは６Cである。この場合、推力寄与長さはMとなる。またストローク長Ｓは（K−M）すなわち（６C−M）以下の値が可能となる。ここではリング状コイル２２、２３、・・・、２７の個数を６としているが、たとえばリング状コイル２２、２３、・・・、２７の個数を７個または５個と増減することにより、ストローク長Ｓを（７C−M）または（５C−M）と、コイルピッチCを単位として増減することができる。ストローク長Ｓは永久磁石組立体１５の長さMに依存しないので、ストローク長Ｓを長くしても移動子１０の慣性モーメントは増加しないことが分かる。また移動子１０の移動範囲長さは（推力寄与長さ＋ストローク長Ｓ）であるので、モータ全長は先行例の場合よりストローク長Ｓだけ短くできる。

図４は移動子１０とそれに対応させた永久磁石組立体１５による磁束密度のラジアル方向成分の軸方向分布波形を示した図である。前記磁束密度の分布波形は永久磁石組立体１５の軸方向長さＭの範囲ではコサイン成分に直流成分がプラスされた波形として近似できることがわかる。すなわち、永久磁石組立体１５の軸方向中央位置を原点とした軸方向位置を（ｘ）とすると、磁束密度Ｂ（ｘ）は、Ｂ（ｘ）＝Ｂ１×ｃｏｓ(πｘ／Ｌ)＋Ｂ０で表せる。ただし、Ｌは移動子の磁極ピッチとする。センサ手段４１の出力電圧もこれに比例した電圧となるので、上記と同様の関係式を利用して移動子位置を読み取ることが可能となる。
また、推力は逆起電圧と電流の積に比例し、逆起電圧は前記磁束密度の位置に対する変化に比例するので、前記磁束密度の直流成分の影響はなくなることがわかる。

しかしながら、前述の移動子構造を備えたシリンダ形リニアモータでは、例えばセンサ手段をホール素子とした場合、センサ手段の出力波形は前記センサ手段の空間位置における前記磁束密度のラジアル方向成分に比例するため図６の曲線Ｖのような波形となる。そのため前記出力波形のゼロクロスポイントを検出して磁極位置を検出するという従来ブラシレスモータで使用されていた方式が使用できないという問題点があった。そのため前記出力波形と移動子位置との関係をあらかじめ記憶させた記憶手段を使用して移動子位置を検出する必要があり、回路が複雑になるという問題点もあった。

図１は、上記出願を前提とし、移動子の構造を変更した本発明のシリンダ型リニアモータの移動子を示したもので、図３ないし図６と同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略して説明する。
図２は本発明によるシリンダ形リニアモータの移動子構造の一実施例を示す図１の部分断面図と、それに対応させた各永久磁石の磁束密度分布波形およびその合成波形であり、前記第１の永久磁石の軸方向中央位置を横軸の原点としている。

図１および図２において、移動子１は、軸方向に往復移動する直動軸１１と、第１の軸方向に磁化された第１の永久磁石３と前記第１の永久磁石３の両側に配置され前記第１の軸方向とは逆方向に磁化された第２、第３の永久磁石２、４よりなる永久磁石組立体５と、前記永久磁石組立体５の両側に配設された固定リング部材１６、１７とを備えている。
一方、両端をブラケット３０、３１に支持された固定子２０は、磁性材料よりなる円筒状ヨーク２１と、軸方向に等ピッチCで配設された複数のリング状コイル２２、２３、・・・、２７を備えたコイル組立体２８で構成されている。このコイル組立体２８は、上記円筒状ヨーク２１内に収納され、かつ内部に、上記永久磁石組立体５を備えた移動子１を収容する円筒状の空間３４を形成している。移動子１は、円筒状の空間３４の軸線上に配置され、軸方向に沿って往復運動可能に支持されている。
また上記円筒状ヨーク２１には軸方向にのびた開口部２９が設けられ、移動子１０の磁極位置を検出するための図示しないセンサ手段を備えた回路基板４０が取り付けられている。

前記第１の永久磁石３の軸方向長さをＬとすると、前記第１の永久磁石３による前記磁束密度の分布波形は図２の曲線Ｗのようになる。磁束密度のピークは軸方向位置±Ｌ／２にて発生しており、磁極ピッチ（Ｎ極とＳ極の距離）はＰ＝Ｌとなる。そのとき、軸方向位置±Ｌでは磁束密度はゼロではなく、図示のようにある値±Ｋをもっている。そのとき第２および第３の永久磁石２、４の軸方向長さをＬ／２に設定すると、前記第２の永久磁石２による磁束密度分布のピークは軸方向位置（−Ｌ）と（−Ｌ／２）となり曲線Ｘのようになる。

また前記第３の永久磁石４による磁束密度分布のピークは軸方向位置（Ｌ）と（Ｌ／２）となり曲線Ｙのようになる。ここで前記第２および第３の永久磁石２、４の外径を前記第１の永久磁石３の外径より小さくすると、前記第２および第３の永久磁石２、４の断面積が前記第１の永久磁石３の断面積より小さくなる。さらに前記第２および第３の永久磁石２、４とセンサ手段との距離が前記第１の永久磁石３の場合より長くなる。これら２つのことにより前記第２および第３の永久磁石２、４の前記ピーク値は前記第１の永久磁石３の前記ピーク値より小さくできるので、その外径を調節して前記ピーク値を±Ｋにほぼ近い値にすることができる。

そして、これら３個の永久磁石２，３，４による合成された磁束密度分布波形は図２の曲線Ｚのようになり、正弦波分布に近い波形を得ることができる。その結果、従来のブラシレスモータで使用されていた磁極位置検出方式が使用可能となる。

前記第２、第３の永久磁石２，４の、磁束密度分布のピーク値の調節方法は前記実施例のように磁石外径を小さくするだけでなく、センサ手段の空間位置によっては逆に大きくすることもあり得る。また断面積を変える方法としては前記磁石の内径を変えてもよい。また断面積は変えずに前記第２、第３の永久磁石２，４の材質を変えてエネルギー積を前記第１の永久磁石３のものよりも小さくするか、大きくするか、してもよい。さらにまた、これら３つの方法を組み合わせて使用してもよい。

実施例では前記永久磁石組立体のユニット数を１とした例を示したが、もちろん複数であってもかまわない。

なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜変更して実施し得ることは言うまでもない。

本発明のシリンダ型リニアモータの移動子の実施の形態を示す縦断面図である。 本発明のシリンダ型リニアモータの移動子の実施の形態を示す概念図と分布曲線である。 先行技術のシリンダ型リニアモータの移動子の実施の形態を示す縦断面図である。 図３の各部分の長さを示す符号を記載した縦断面図である。 図３の移動子の移動範囲長さと円筒状ヨークの長さとの関係に依存するディテント推力の関係を模式的に示した図である。 図３の移動子とそれに対応させた永久磁石組立体による磁束密度のラジアル方向成分の軸方向分布波形を示した図である。 従来のシリンダ型リニアモータを示す縦断面図である。

符号の説明

１，１０ 移動子
２，３，４ 永久磁石
５ 永久磁石組立体
１１ 直動軸
２０ 固定子
２１ 円筒状ヨーク
２２・・・２７ リング状コイル
２８ コイル組立体
２９ 開口部
４０ 回路基板

Claims (4)

1. 円筒状の固定子の軸線上に配置され、該軸線上を軸方向に往復移動する直動軸と、この直動軸に設けられ、軸方向に磁化された複数の永久磁石の端面同士が互いに向い合うように配設された永久磁石組立体とを備えたシリンダ形リニアモータの移動子において、第１の軸方向に磁化された第1の永久磁石と、該第１の永久磁石の両側に配置され前記第１の軸方向と逆方向に磁化された第２および第３の永久磁石とでユニットを形成し、該ユニットを１個以上軸方向に直列に配置して、前記永久磁石組立体を構成し、前記第１ないし第３の永久磁石が左から第２、第１、第３の永久磁石の順に並んでいるとしたとき、前記第２の永久磁石の左側端面と前記第３の永久磁石の右側端面間の距離が２×Lに設定され、前記第２の永久磁石の右側端面と前記第１の永久磁石の左側端面間の第１の中央位置と、前記第１の永久磁石の右側端面と前記第３の永久磁石の左側端面間の第２の中央位置との距離がLに設定されていることを特徴とするシリンダ形リニアモータの移動子。
2. 前記第１の永久磁石の軸方向長さがＬであり、前記第２および第３の永久磁石の軸方向長さがＬ／２であることを特徴とする請求項1に記載のシリンダ形リニアモータの移動子。
3. 前記第２の永久磁石と第３の永久磁石の断面積は互いに等しく、前記第１の永久磁石の断面積とは異なっていることを特徴とする請求項１記載のシリンダ形リニアモータの移動子。
4. 前記第２の永久磁石と第３の永久磁石のエネルギー積は互いに等しく、前記第１の永久磁石のエネルギー積とは異なっていることを特徴とする請求項１記載のシリンダ形リニアモータの移動子。

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