JP2006353024A - シリンダ形リニアモータ - 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部を軸方向に付加することなくレゾルバセンサ付モータとして動作させることができ、移動子の慣性モーメントがストローク長に影響されないシリンダ形リニアモータを提供する。
【解決手段】複数のリング状コイル23・・・30を軸方向に並設して、円筒状の空間を形成するコイル組立体35を有する固定子20と、上記固定子20の軸線上に、軸方向に往復移動可能に設けられた直動軸11に、軸方向に磁化された永久磁石12，13を1個以上有する永久磁石組立体16を設けた移動子10と、上記リング状コイル23・・・30の半径方向外側に、軸方向に等間隔に配置された複数のセンサ磁極51，52，・・・，66に巻線を巻回して構成されたセンサ手段50，50Aを備え、ラジアル方向の磁束変化をインダクタンス変化として上記センサ手段50，50Aによって検出するようにしたことにある。
【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に関する。

図６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６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６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部を、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６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部を軸方向に付加することなくレゾルバセンサ付モータとして動作させることができ、さらにストローク長の増減が容易に安価にでき、しかもストローク長変更の自由度が大きくできるとともに、移動子の慣性モーメントがストローク長に影響されないシリンダ形リニアモータ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、複数のリング状コイルを軸方向に並設して、円筒状の空間を形成するコイル組立体を有する固定子と、上記固定子の軸線上に軸方向に往復移動可能に設けられた直動軸に、軸方向に磁化された永久磁石を1個以上有する永久磁石組立体を設けた移動子と、上記リング状コイルの半径方向外側に、軸方向に等間隔に配置された複数のセンサ磁極巻線を巻回して構成されたセンサ手段とを備え、上記永久磁石組立体の軸方向の移動に伴い上記センサ磁極内に発生するラジアル方向の磁束変化をインダクタンス変化として上記センサ手段によって検出するようにしたことにある。
また、本発明は、上記永久磁石組立体の磁極間距離をＬ、上記永久磁石の個数をｂ、モータの相数をｍ、ｋは相数に依存する値で、ｍが偶数のときｋ＝２、奇数のときｋ＝１とするとき、上記リング状コイルの配設ピッチＣは、Ｃ＝２Ｌ/ｋｍであり、ａを、ａ＞ｂｋ/２を満足する整数とするとき、上記リング状コイルの個数ｎは、ｎ＝ｍａであって、ストロークＳは、Ｓ＝ｎＣ-ｂＬで表せ、ｄを１以上の整数とするとき、上記センサ磁極は全部でｇ個の巻線グループを形成するようにＬ/ｇの間隔で、少なくともｄｇ個配設されており、ｄが複数の場合には磁極間距離が互いにＬであるセンサ磁極の巻線同士を結線して一つの巻線グループを形成していることにある。この場合、ｄ＝ｎＣ/Ｌにすることができる。
さらに、本発明は、上記複数のセンサ磁極は上記リング状コイルと対向する端部と反対側の端部でバックヨーク部材により磁気的に接続されて、櫛歯状のセンサ鉄心を形成していることにある。
またさらに、本発明は、複数のリング状コイルを軸方向に並設して、円筒状の空間を形成するコイル組立体を有する固定子と、上記固定子の軸線上に、軸方向に往復移動可能に設けられた直動軸に、軸方向に磁化された永久磁石を１個以上有する永久磁石組立体を設けた移動子と、軸心を上記直動軸に対し平行にして上記リング状コイルの半径方向外側に上記軸方向に等間隔に配置された複数のセンサ巻線内に棒状のセンサヨークを配設したセンサ手段とを備え、上記永久磁石組立体の軸方向の移動に伴い上記センサヨーク内に発生する軸方向の磁束変化をインダクタンス変化として上記センサ手段によって検出するようにしたことにある。
また、本発明は、上記センサ巻線内に配設する棒状のセンサヨークを、センサ巻線ごとに個別に設けるか、または、複数のセンサ巻線に共通の１本の棒状のセンサヨークを設けることによって、センサ手段を構成したことにある。
さらに、本発明は、上記永久磁石組立体の磁極間距離をＬとするとき、上記センサ巻線はセンサ巻線間距離が互いにＬであるセンサ巻線同士を結線して一つの巻線グループを形成することにより、全部でｇ個の巻線グループを形成するように軸方向にＬ/ｇの間隔で配設されていることにある。

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。また、固定子にスロットがないため金型が必要なく、ストローク長の増減は移動子の長さに依存せず、リング状コイルを１個単位で増減することにより行えるので、容易にしかも安価にでき、増減の自由度も大きくすることができる。また、リング状コイルの外側に移動子の位置を検出するためのセンサ手段を配設できるので軸方向に長くすることなくレゾルバセンサ付モータとして動作させることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明のシリンダ形リニアモータの実施の形態を示す断面図であり、図２は図１のセンサ手段を拡大したものである。図３はセンサ手段の結線図である。

図1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１２，１３が２個、同極性の端面同士が向い合うように配設された永久磁石組立体１６とを備えている。永久磁石１２，１３の個数ｂは、ｂ＝２であり、上記永久磁石１２，１３の軸方向長さをＬとすると、この場合、永久磁石１２，１３間にスペーサがないため磁極間距離もＬとなる。上記永久磁石組立体１６は、その両端面に配設された固定リング部材１７，１８により上記直動軸１１に強固に固定されている。

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４０，４１の中心取付穴に、軸受４２，４３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４０，４１に支持された固定子２０は、側壁面に軸方向に伸びた開ロ部４５を有する非磁性材ケース２１と、上記開口部４５と同じ位置に開口部４６を有し、上記ケース２１の内周面に嵌着された磁性材よりなる円筒状ヨーク２２と、軸方向に等ピッチで配設された８個のリング状コイル２３，２４、・・・３０を備えたコイル組立体３５で構成されている。

上記円筒状ヨーク２２は、リング状コイル２３，２４、・・・３０に鎖交する上記永久磁石１２，１３の磁束を増加させ、電流あたりの推力を増加させる効果があるが、上記移動子１０が上記円筒状ヨーク２２の端部付近にきたときに上記移動子１０を上記円筒状ヨーク２２内に引き込むディテント推力が発生するため、円筒状ヨーク２２の長さを適切に設定する必要がある。この場合、円筒状ヨーク２２の長さ≧コイル組立体長さ+０．８×移動子直径というのがひとつの目安といえる。上記リング状コイル２３，２４、・・・３０の配設ピッチＣは、永久磁石１２，１３の磁極間距離Ｌとモータの相数ｍで決まる値であり、Ｃ＝２Ｌ/ｋｍで表せる。ｋは相数ｍに依存する値で、ｍが偶数のときｋ＝２、奇数のときｋ＝１である。

図１の実施の形態では、ｍ＝２であり、Ｃ＝Ｌ/２となっている。またリング状コイル２３，２４、・・・３０の個数ｎは、ａをａ＞ｂｋ/２を満足する整数とするとき、ｎ＝ｍａで表せる。本実施の形態では、ｍ＝２、ｂ＝２としているので、ａはａ＞２を満足する整数とする必要があり、ここではａ＝４とし、リング状コイル２３，２４、・・・３０の個数ｎをｎ＝８としている。

本発明の実施の形態では、ケース２１をアルミの引き抜き材とし、円筒状ヨーク２２は磁性材プレートをロール成形して断面Ｃ形の円筒状に形成したものを上記ケース２１内に挿入する構成になっており、断面Ｃ形の円筒状ヨーク２２の隙間部分が上記開口部４６に相当する。上記コイル組立体３５は、上記円筒状ヨーク２２内に収納され、かつ内部に上記永久磁石組立体１６を収容する円筒状の空間４４を形成している。

以上の構成により、モータ部は永久磁石形の２相リニアモータを構成しており、２相のマイクロステップドライバに接続して、永久磁石形リニアステップモータとして駆動することも可能である。ストロークＳはＳ＝ｎＣ-ｂＬで表せ、Ｓ＝４Ｌ-２Ｌ＝２Ｌである。また上記開口部４５、４６には、移動子１０の磁極位置を検出するためのセンサ手段５０が設置されている。このセンサ手段５０は、図２に示すように、１６個のセンサ巻線８１，８２，・・・，９６がそれぞれ巻回された１６個のセンサ磁極５１，５２，・・・，６６と、それらの両端にセンサ巻線の巻かれていない補助磁極７０，７１を備えている。上記補助磁極７０，７１は、両端部のセンサ磁極５１，６６における磁束変化を内側のセンサ磁極５２，５３，・・・，６５における磁束変化と同じくなるように、両端部のセンサ磁極５１，６６付近の磁束の流れを制御する役目をもっている。

したがって、上記補助磁極７０，７１は、上記センサ磁極５１，５２，・・・，６６と同じ形状である必要はなく、上記役目を実現できるものであればどのような形状であってもかまわない。また、補助磁極７０，７１を設けず、上記円筒状ヨーク２２の開口部４６の両端部分を磁気的にふさぐことによっても同様の効果を得ることが可能である。各センサ磁極５１，５２，・・・，６６は直動軸１１に鉛直に軸方向に等ピッチＬ/４で配設され、上記リング状コイル２３，２４、・・・３０と対向する端部と反対側の端部はバックヨーク部材７２により磁気的に接続されて櫛歯状のセンサ鉄心を形成している。センサ磁極５１，５２，・・・，６６の磁極ピッチＬ/ｇがＬ/４であることから、センサ巻線８１，８２，・・・，９６のグループ数ｇはｇ＝４である。センサ巻線８１，８２，・・・，９６は磁極間距離が互いにＬであるセンサ磁極５１，５２，・・・，６６の巻線同士を結線して一つの巻線グループを形成している。

すなわち、センサ巻線８１，８５，８９，９３が接続されて第一の巻線グループＨ₁を形成し、センサ巻線８２，８６，９０，９４が接続されて第二の巻線グループＨ₂を形成し、センサ巻線８３，８７，９１，９５が接続されて第三の巻線グループＨ₃を形成し、センサ巻線８４，８８，９２，９６が接続されて第四の巻線グループＨ₄を形成している。そして、各巻線グループＨ_3,Ｈ_4,Ｈ_1,Ｈ₂は図３に示すように結線され、励磁電源Ｑ₁，Ｑ₂によって励磁される。

その結果、センサ出力端子Ｔ₁，Ｔ₂には移動子１０の位置によって振幅がｓｉｎ波状、ｃｏｓ波状で変化するとともに励磁電源の励磁周波数で変調された信号が得られる。この信号を復調し、演算処理することで移動子１０の位置を検出することができる。この位置信号を使ってモータの励磁切換え制御や位置決め制御を行うことが可能となる。

図４はセンサ手段５０Ａの他の実施の形態である。この場合、１６個のセンサ巻線８１，８２，・・・，９６は上記直動軸１１に対し平行に上記リング状コイル２３，２４、・・・３０の外側に配置された一本の棒状のセンサヨーク５１Ａに等間隔Ｌ/４で配設されている。各センサ巻線８１，８２，・・・，９６の接続は、図２の場合と同じで、結線図も図３と同じであるが、図２のセンサ（検出手段）がラジアル方向の磁束変化を検出するのに対し、図４のセンサ手段は軸方向の磁束変化を検出する構成になっている。

上記実施の形態によれば、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１０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。また、固定子２０にスロットがないため金型が必要なく、ストローク長の増減は、移動子１０の長さに依存せず、リング状コイル２３，２４、・・・３０を１個単位で増減することにより行えるので、容易にしかも安価にでき、増減の自由度も大きくすることができる。また、リング状コイル２３，２４、・・・３０の外側に移動子１０の位置を検出するためのセンサ手段５０（図２参照），５０Ａ（図４参照）を配設できるので軸方向に長くすることなくレゾルバセンサ付モータとして動作させることができる。

図５は図１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示す本発明の他の実施の形態で、この場合、永久磁石組立体１６は、永久磁石１２，１３，１４，１５が４個、同極性の端面同士が向い合うように配設されたものである。
また、コイル組立体３５は、１２個のリング状コイル２３，２４、・・・３４を備えたものである。センサ手段５０は、図２で説明した前記実施の形態と同様の構成であるが、この場合、図示しない８個のセンサ巻線がそれぞれ巻回された８個のセンサ磁極と、それらの両端にセンサ巻線の巻かれていない補助磁極を備えている。

上記実施の形態によれば、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１０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。また、固定子２０にスロットがないため金型が必要なく、ストローク長の増減は、移動子１０の長さに依存せず、リング状コイル２３，２４、・・・３４を１個単位で増減することにより行えるので、容易にしかも安価にでき、増減の自由度も大きくすることができる。また、リング状コイル２３，２４、・・・３４の外側に移動子１０の位置を検出するためのセンサ手段５０（図２参照），あるいは５０Ａ（図４参照）を配設できるので軸方向に長くすることなくレゾルバセンサ付モータとして動作させることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、例えば、永久磁石組立体１６は、永久磁石１２，１３が２個、または４個、同極性の端面同士が向い合うように配設された場合について説明したが、６個等組み合わせても良い。また、センサ手段５０は、１６個のセンサ巻線８１，８２，・・・，９６をそれぞれ巻回した１６個のセンサ磁極５１，５２，・・・，６６と、それらの両端にセンサ巻線の巻かれていない補助磁極７０，７１とで構成したが、センサ磁極の数は１６個以上でも、以下でも良い等、その他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。

本発明のシリンダ形リニアモータの実施の形態を示す縦断面図である。 図１のセンサ手段を拡大して示す概念図である。 図１のセンサ手段の結線図である。 センサ手段の他の実施の形態を示す概念図である。 本発明のシリンダ形リニアモータの他の実施の形態を示す縦断面図である。 従来のシリンダ形リニアモータを示す縦断面図である。

符号の説明

１０ 移動子
１１ 直動軸
１２，１３，１４，１５ 永久磁石
１６ 永久磁石組立体
１７，１８ 固定リング部材
２０ 固定子
２１ 非磁性材ケース
２２ 円筒状ヨーク
２３・・・３４ リング状コイル
３５ コイル組立体
４０ 回路基板
４５，４６ 開口部
５０，５０Ａ センサ手段
５１Ａ センサヨーク
５１，５２，・・・，６６ センサ磁極
７０，７１ 補助磁極

Claims (7)

1. 複数のリング状コイルを軸方向に並設して、円筒状の空間を形成するコイル組立体を有する固定子と、上記固定子の軸線上に軸方向に往復移動可能に設けられた直動軸に、軸方向に磁化された永久磁石を1個以上有する永久磁石組立体を設けた移動子と、上記リング状コイルの半径方向外側に、軸方向に等間隔に配置された複数のセンサ磁極巻線を巻回して構成されたセンサ手段とを備え、上記永久磁石組立体の軸方向の移動に伴い上記センサ磁極内に発生するラジアル方向の磁束変化をインダクタンス変化として上記センサ手段によって検出するようにしたことを特徴とするシリンダ形リニアモータ。
2. 上記永久磁石組立体の磁極間距離をＬ、上記永久磁石の個数をｂ、モータの相数をｍ、ｋは相数に依存する値で、ｍが偶数のときｋ＝２、奇数のときｋ＝１とするとき、上記リング状コイルの配設ピッチＣは、Ｃ＝２Ｌ/ｋｍであり、ａを、ａ＞ｂｋ/２を満足する整数とするとき、上記リング状コイルの個数ｎは、ｎ＝ｍａであって、ストロークＳは、Ｓ＝ｎＣ-ｂＬで表せ、ｄを１以上の整数とするとき、上記センサ磁極は全部でｇ個の巻線グループを形成するようにＬ/ｇの間隔で、少なくともｄｇ個配設されており、ｄが複数の場合には磁極間距離が互いにＬであるセンサ磁極の巻線同士を結線して一つの巻線グループを形成してい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。
3. ｄ＝ｎＣ/Ｌであることを特徴とする請求項２に記載のシリンダ形リニアモータ。
4. 上記複数のセンサ磁極は上記リング状コイルと対向する端部と反対側の端部でバックヨーク部材により磁気的に接続されて、櫛歯状のセンサ鉄心を形成していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のシリンダ形リニアモータ。
5. 複数のリング状コイルを軸方向に並設して、円筒状の空間を形成するコイル組立体を有する固定子と、上記固定子の軸線上に、軸方向に往復移動可能に設けられた直動軸に、軸方向に磁化された永久磁石を1個以上有する永久磁石組立体を設けた移動子と、軸心を上記直動軸に対し平行にして上記リング状コイルの半径方向外側に上記軸方向に等間隔に配置された複数のセンサ巻線内に棒状のセンサヨークを配設したセンサ手段とを備え、上記永久磁石組立体の軸方向の移動に伴い上記センサヨーク内に発生する軸方向の磁束変化をインダクタンス変化として上記センサ手段によって検出するようにしたことを特徴とするシリンダ形リニアモータ。
6. 上記センサ巻線内に配設する棒状のセンサヨークを、センサ巻線ごとに個別に設けるか、または、複数のセンサ巻線に共通の１本の棒状のセンサヨークを設けることによって、センサ手段を構成したことを特徴とする請求項５に記載のシリンダ形リニアモータ。
7. 上記永久磁石組立体の磁極間距離をＬとするとき、上記センサ巻線はセンサ巻線間距離が互いにＬであるセンサ巻線同士を結線して一つの巻線グループを形成することにより、全部でｇ個の巻線グループを形成するように軸方向にＬ/ｇの間隔で配設されていることを特徴とする請求項５または６に記載のシリンダ形リニアモータ。

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