JP2006074882A

JP2006074882A - シリンダ形リニアモータの移動子

Info

Publication number: JP2006074882A
Application number: JP2004253766A
Authority: JP
Inventors: Takao Iwasa; 孝夫岩佐; Hirobumi Satomi; 博文里見
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】移動子組立体の両端部付近の磁束密度分布波形を改善し、よりコサイン波形に近づけるとともにコサイン波形の振幅値を大きくすることにより、推力特性を改善できるシリンダ型リニアモータの移動子を提供する。
【解決手段】永久磁石組立体５が、軸方向に磁化されるとともに同極性の端面同士が互いに対向するよう配置された一対の永久磁石２，４と、これら一対の永久磁石２，４の外径よりも小さい外径を有し、かつ前記一対の永久磁石２，４の両側に当接して前記直動軸１１に固着された一対のリング状固定部材６，７と、これら一対のリング状固定部材６，７の外周面に設けられ、かつ外周面の極性が、前記一対の永久磁石２，４の前記対向する端面の極性と異なる極性になるように半径方向に磁化された一対のリング状の永久磁石２，４とを有するシリンダ型リニアモータの移動子。
【選択図】図２

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、かつ前記移動子組立体の両端部付近の磁束密度分布波形を改善し、よりコサイン波形に近づけるとともにコサイン波形の振幅値を大きくすることにより、推力特性を改善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個の永久磁石よりなる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、該永久磁石組立体は、軸方向に磁化されるとともに同極性の端面同士が互いに対向するよう配置された一対の永久磁石と、これら一対の永久磁石の外径よりも小さい外径を有し、かつ前記一対の永久磁石の両側に当接して前記直動軸に固着された一対のリング状固定部材と、これら一対のリング状固定部材の外周面に設けられ、かつ外周面の極性が、前記一対の永久磁石の前記対向する端面の極性と異なる極性になるように半径方向に磁化された一対のリング状の永久磁石とを有することにある。
また、本発明は、前記リング状固定部材は磁性材料よりなることにある。
さらに、本発明は、前記リング状の永久磁石の軸方向中央位置間の距離が前記移動子の磁極ピッチの２倍となるように設定したことにある。

本発明によれば、前記移動子組立体の両端部付近の磁束密度分布波形を改善し、よりコサイン波形に近づけるとともにコサイン波形の振幅値を大きくすることにより、推力特性を改善できる。

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６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(半径方向)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、図６に示すように移動子組立体の両端部付近の磁束密度分布が前記コサイン波形から大きく逸脱しているため推力特性が劣化することがある。また前記近似式Ｂ（ｘ）＝Ｂ１×ｃｏｓ(πｘ／Ｌ)＋Ｂ０が適用できる範囲が図示の２×Lの範囲に限定されるという問題がある。

図１は、上記先の出願を前提とし、移動子の構造を変更して前記移動子組立体の両端部付近の磁束密度分布波形を改善し、よりコサイン波形に近づけるとともに前記コサイン波形の振幅値を大きくすることにより、推力特性を改善できる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、軸方向（左から右）に磁化された永久磁石２と、前記永久磁石２と対向配置され逆方向（右から左）に磁化された永久磁石４よりなる一対の永久磁石２，４と、前記一対の永久磁石２，４の両側端面にそれぞれ当接され前記直動軸１１に固着された一対の固定リング部材６、７と、前記固定リング部材６，７の外周面に、嵌着または当接して設けられた一対のリング状永久磁石８、９を備えており、前記一対のリング状永久磁石８，９は外周面の極性が前記一対の永久磁石２、４の前記対向面の極性と異なるようにラジアル方向(半径方向)に着磁されている。また前記リング状永久磁石８、９の軸方向長さの中央位置間の距離は２×Ｌに設定され、外径は前記一対の永久磁石２、４の外径と同一に設定されている。

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１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。

上記のように設定されているため、前記一対の永久磁石２、４による磁束密度の分布波形は図２の曲線Ｗのようになり、前記一対のリング状永久磁石８、９による磁束密度分布波形は曲線Ｘのようになる。ここで前記曲線Ｗの点Ａと前記曲線Ｘの点Ｂの磁束密度の値が互いに相殺するように設定すると、合成された磁束密度分布波形は曲線Ｙのようにすることができ、永久磁石組立体５の両端部付近の磁束密度分布波形をよりコサイン波形に近づけることができる。
前記リング状永久磁石８，９は円筒状に成形されたものに限定されず、瓦状のものを貼り合せてリング状にしてもよい。またリング状永久磁石８と永久磁石２間、永久磁石２と永久磁石４間、永久磁石４とリング状永久磁石９間には適宜スペーサを介在させても良い。
以上の結果、図２に示す固定リング部材６，７を含めた移動子１の長さを変えることなく、図１の構成が可能であり、移動子長さを変えずに特性改善が行える。

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
２，４永久磁石
５永久磁石組立体
６，７固定リング部材
８，９リング状永久磁石
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

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個の永久磁石よりなる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、該永久磁石組立体は、軸方向に磁化されるとともに同極性の端面同士が互いに対向するよう配置された一対の永久磁石と、これら一対の永久磁石の外径よりも小さい外径を有し、かつ前記一対の永久磁石の両側に当接して前記直動軸に固着された一対のリング状固定部材と、これら一対のリング状固定部材の外周面に設けられ、かつ外周面の極性が、前記一対の永久磁石の前記対向する端面の極性と異なる極性になるように半径方向に磁化された一対のリング状の永久磁石とを有することを特徴とするシリンダ形リニアモータの移動子。
前記リング状固定部材は磁性材料よりな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。
前記リング状の永久磁石の軸方向中央位置間の距離が前記移動子の磁極ピッチの２倍となるように設定した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。