JP2010068554A

JP2010068554A - リニアモータ

Info

Publication number: JP2010068554A
Application number: JP2008229979A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kinoshita; 伸治木下
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-03-25

Abstract

【課題】小型化を図ることができるリニアモータを提供する。
【解決手段】筒状の磁極部１０と磁極部１０の外周を覆う位置に備えられたコイルユニット２０とを備えるステータ３と、磁極部１０の長手方向に沿って移動可能な円柱磁石５とを備える。磁極部１０が、長手方向に間隔をあけて複数配列された磁極歯１３ａ，１３ｂと、磁極歯１３ａ，１３ｂを連結する連結部１５ａ，１５ｂとから櫛歯形状に形成された対になる磁極歯部材１１Ａ，１１Ｂを備えるとともに、これら磁極歯部材１１Ａ，１１Ｂを磁極歯１３ａ，１３ｂどうしが相互に隙間をあけて交互に噛み合うように組み合わせられて筒状に構成される。コイルユニット２０が、筒状胴部を備えるボビン２１と、ボビン２１の筒状胴部の周方向に沿って巻かれたコイル２３と、ボビンを挟持するように設けられた対になるヨーク２９Ａ，２９Ｂとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、リニアモータに関するものである。

従来、固定子と可動体とを相対的に直線方向に移動させるリニアモータが知られている（特許文献１）。
このようなリニアモータは、例えば、コイル等を有する固定子と永久磁石等を有する可動体との組み合わせで構成されており、コイルを励磁することにより、永久磁石との間に作用する磁束により推進力を得て、可動体が固定子の軸方向に沿って移動するようになっている。

特開２００５−５１８８４号公報

しかしながら、特許文献１のリニアモータでは、対の電機子ヨークの有する各環状磁極歯部材が可動体の移動方向に並べて配置されている。環状磁極歯部材は、同一極性の複数の磁極歯が所定間隔を空けて一方の側から並んで構成された一方側環状磁極歯部材と、当該磁極歯の極性とは異なる複数の磁極歯が所定間隔を空けて他方の側から並んで構成された他方側環状磁極歯部材とを備えている。これにより、一方側環状磁極歯部材及び他方側環状磁極歯部材が可動体の移動方向に並んで配置されているため、モータ自体が軸方向に長くなってしまうという問題があった。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、小型化を図ることができるリニアモータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、筒状の磁極部と該磁極部の外周を覆う位置に備えられたコイルユニットとを備えるステータと、前記磁極部の長手方向に沿って移動可能な可動体とを備え、前記磁極部が、前記長手方向に間隔をあけて複数配列された磁極歯と、該磁極歯を連結する連結部とから櫛歯形状に形成された一対の磁極歯部材を備えるとともに、これら磁極歯部材を前記磁極歯どうしが相互に隙間をあけて交互に噛み合うように組み合わせられて筒状に構成され、前記コイルユニットが、筒状胴部を備えるボビンと、該ボビンの筒状胴部の周方向に沿って巻かれたコイルと、前記ボビンを挟持するように設けられた一対のヨークとを備え、対になる前記磁極歯部材の一方の前記連結部は、一方の前記ヨークに接続され、他方の前記連結部は、前記一方のヨークの磁極とは異なる磁極に励磁される他方の前記ヨークに接続され、前記可動体が、前記磁極歯に対向させる磁極を前記磁極部の長手方向に交互に配列してなるマグネットを備えるリニアモータを提供する。

本発明によれば、コイルに通電すると、ヨークが励磁されることにより発生した磁束が磁極歯部材の磁極歯へと向かう磁気回路が形成される。これにより、磁極部の長手方向に沿って交互に噛み合うように組み合わせた一対の磁極歯部材の隣接する磁極歯には、異なる極性の磁極が形成される。そして、コイルに通電する電流の向きを変えることで、磁極歯に形成される磁極を交互に切り替えることができる。これにより、磁極歯に対向するマグネットとの間の磁気吸引力および磁気反発力によって、可動体を磁極部の長手方向に移動させることができる。

このリニアモータは、対になる櫛歯形状の磁極歯同士が交互に噛み合うように配置されているので、一方の磁極ピッチ空間隙間に他方の極性の磁極歯が並列配置されている分、磁極部の長さ方向の寸法を短くすることができる。したがって、リニアモータの小型化を図ることができる。

上記発明においては、前記磁極歯部材が周方向に間隔をあけて複数対設けられ、前記コイルユニットが各対の前記磁極歯部材に個別に設けられ、異なる対の磁極歯部材の各前記磁極歯の位置が前記長手方向に相互にずらされて配置されていることとしてもよい。

このような構成によれば、通電するコイルを切り替えることで、励磁される対の磁極歯部材を異なる対の磁極歯部材に切り替えることができる。各対の磁極歯部材は、それぞれ磁極歯の位置が長手方向に相互にずらされて配置されているので、通電するコイルを切り替えることにより、可動体を磁極歯のピッチよりも小さいピッチで移動させることができる。

また、上記発明においては、前記磁極部が前記長手方向に隣接して複数設けられ、前記コイルユニットが各前記磁極部に個別に設けられていることとしてもよい。

このような構成によれば、ほぼ周方向全長にわたって延びる磁極歯を備える二対の磁極歯部材により磁極部を構成し、通電するコイルを切り替えることで、励磁される二対の磁極歯部材を異なる二対の磁極歯部材に切り替えることができる。各対の磁極歯部材は、それぞれ磁極歯の位置が長手方向に相互にずらされて配置されているので、通電するコイルを切り替えることにより、可動体を磁極歯のピッチよりも小さいピッチで移動させることができる。

また、上記発明においては、前記ボビンが、前記磁極歯部材にモールドで一体に形成されていることとしてもよい。

このような構成によれば、ボビンの巻線部を磁極歯に近づけることができる。また、巻線の作業性がよく、コイルをボビンに緊密に巻きつけることができる。したがって、巻線抵抗を小さくし、モータの効率を向上させることができる。また、コイルをボビンに密着させることができ、磁束の効率の低下を防ぐことができる。

本発明によれば、小型で効率の良い構造にすることができるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態に係るリニアモータ１について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係るリニアモータ１は、１相のコイルに２つの磁極歯部材が接続されたステッピングモータである。このリニアモータ１は、図１および図２、図３に示すように、円筒状の磁極部１０と、この磁極部１０を励磁するコイルユニット２０とを備えるステータ３と、磁極部１０の長手方向に沿って移動可能な円柱磁石（可動体）５とを備えている。

磁極部１０は、長手方向に沿って延在する一対の磁極歯部材１１Ａ，１１Ｂにより、ほぼ円筒状に構成されている。

磁極歯部材１１Ａは、磁性材料からなる櫛歯形状の板材であり、磁極部１０の長手方向に間隔をあけて複数配列された磁極歯１３ａと、磁極歯１３ａを磁極部１０の長手方向に沿って連結する連結部１５ａとを備えている。

連結部１５ａ，１５ｂは、磁極部１０の長手方向に沿って互いに平行に設けられており、一端がヨーク２９Ａ，２９Ｂにそれぞれ接続されている。
磁極歯１３ａは、連結部１５ａから櫛歯状に延び、長さ方向に沿って湾曲している。なお、これら磁極歯１３ａはエッチング加工で作ることができ、例えば、エッチングによる電鋳加工で磁極歯１３ａを形成すれば、直径が数ミリの超小型リニアモータを製造するのに有効である。

このように形成された磁極歯部材１１Ａ，１１Ｂは、磁極歯１３ａ，１３ｂと、連結部１５ａ，１５ｂを備え、磁極歯１３ａ，１３ｂどうしが相互に隙間をあけて交互に噛み合うように組み合わせられている。

コイルユニット２０は、円筒部材であり、磁極部１０の半径方向外方に配置されている。このコイルユニット２０は、磁性材料からなるヨーク２９Ａ，２９Ｂと、ボビン２１に巻かれたコイル２３と、ヨーク２９Ａ，２９Ｂの外周面に接続するように設けられたケース２５とを備えている。

ボビン２１の一端には一対の電極ピン２６が突出し、コイル２３と電気的に接続されており、コイル２３に通電して励磁し、ヨーク２９Ａ，２９ＢにＳ極又はＮ極の磁界が発生する。なお、ボビン２１は、磁極歯部材１１Ａ，１１Ｂに図示しないモールドにより一体に形成されていても良い。

ヨーク２９Ａには磁極歯部材１１Ａの連結部１５ａが接続されている。また、ヨーク２９Ｂには磁極歯部材１１Ｂの連結部１５ｂが接続されている。

円柱磁石（マグネット）５は、磁極部１０の内筒寸法より小さい外径寸法を有する円柱状部材である。この円柱磁石５は、磁極歯１３ａ，１３ｂにそれぞれ対向させる磁極を軸方向に交互に配列して備えている。円柱磁石は、磁極歯のそれぞれに対応する部分が凸状に形成されていても良いし、磁極歯部材１１Ａ，１１Ｂを移動可能であればどのような形状であっても良いのは勿論のことである。

このように構成された本実施形態に係るリニアモータ１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るリニアモータ１において、磁極部１０の長手方向に沿って円柱磁石５を移動させる場合、例えば、コイル２３にパルスを入力して、ヨーク２９Ａ，２９Ｂを励磁するとともに、磁極歯部材１１Ａ、１１Ｂの磁極歯１３ａ、１３ｂを励磁して磁極となり、これら磁極の極性を順次反転させることにより円柱磁石５を移動させる。また、磁極歯１３ａ，１３ｂの一部には凹状切り欠き部（切り欠き部）１７ａ，１７ｂが形成されている。これら凹状切り欠き部１７ａ，１７ｂは、磁極歯１３ａ，１３ｂと円柱磁石５の１つの磁極との対向する面を不均一にし、円柱磁石の磁極の励磁安定位置と無励磁安定位置とを形成して、円柱磁石５の移動をよりスムーズにしている（図４参照）。

つまり、上記無励磁安定位置では、円柱磁石５の磁極が磁極歯１３ａ，１３ｂからのコギングトルクを受けて、励磁時に磁極歯１３ａ，１３ｂに発生する磁束の中心位置Ｃと円柱磁石の磁極中心Ｄ１がずれる位置関係となる（図４（ａ）,図４（ｃ），図４（ｅ）参照）。

また、上記励磁安定位置では、円柱磁石の磁極が磁極歯１３ａ，１３ｂからの吸引および反発力を受けてバランスし、円柱磁石はＤ１からＤ２に移動し、無励磁安定位置から円柱磁石が磁極歯１／２ピッチ未満移動した位置関係となる（図６（ｂ）および図６（ｄ）参照）。

このように、本実施形態に係るリニアモータ１においては、コイル２３に（ａ）無通電（ｂ）通電（ｃ）無通電を繰り返すことにより、円柱磁石５を磁極部１０の長手方向に移動させることができる。

また、このリニアモータ１は、対になる櫛歯形状の磁極歯同士が交互に噛み合うように配置されているので、一方の磁極ピッチ空間隙間に他方の極性の磁極歯が並列して配置されている分、磁極部の長さ方向の寸法を短くすることができる。したがって、リニアモータの小型化を図ることが可能となる。

また、ボビン２１が、前記磁極歯部材にモールドで一体に形成されていれば、ボビンの巻線部を磁極歯に近づけることができ、巻線抵抗を小さくし、リニアモータ１の効率を向上させることができる。また、コイル２３をボビン２１に密着させることができ、磁束の効率の低下を防ぐことができる。

なお、本実施形態においては、一対の磁極歯部材１１Ａ，１１Ｂを組み合わせて磁極部１０を構成することとしたが、これに限定されないのは勿論のことである。図５に示すように、本実施形態においては、一対の極歯部材１１Ａ，１１Ｂが周方向に間隔をあけて複数対設けられ、コイルユニットが各対の磁極歯部材に個別に設けられ、異なる対の磁極歯部材の各磁極歯の位置が長手方向に相互にずらされて配置されていることとしてもよい。

このような構成によれば、通電するコイルを切り替えることで、励磁される対の磁極歯部材を異なる対の磁極歯部材に切り替えることができる。各対の磁極歯部材は、それぞれ磁極歯の位置が長手方向に相互にずらされて配置されているので、通電するコイルを切り替えることにより、円柱磁石を磁極歯のピッチよりも小さいピッチで移動させることができる。

なお、本実施形態においては、図２又は図５に示す磁極部が長手方向に隣接して複数設けられ、コイルユニットが各磁極部に個別に設けられてもよい。かかる特徴によれば、通電するコイルを切り替えることにより、長手方向に設けられた磁極部のそれぞれが個別に励磁されるため、リニアモータ全体の小型化を図りつつ、円柱磁石の可動範囲を拡大させることができる。

なお、図５に示す極歯部材１１Ａ，１１Ｂは二対に限定されるものではなく、周方向に三対以上の磁極歯部材（不図示）を組み合わせる構成としてもよい。かかる特徴によれば、三対以上の磁極歯部材の磁極歯のそれぞれに対してより細かなタイミングで磁極を励磁することができるため、円柱磁石の位置制御をより精度良く行うことができる。

なお、三対以上の磁極歯部材（不図示）を長手方向に複数配置する構成としてもよい。かかる特徴によれば、三対以上の磁極歯部材（不図示）が長手方向に設けられ、それらの磁極歯部材（不図示）のそれぞれが個別に励磁されるため、円柱磁石の位置制御をより精度良く行うことができるとともに、円柱磁石の可動範囲を拡大させることができる。
なお、凹状切り欠き部が備えられていなくてもよい。リニアモータに外力などが加わることにより、磁極歯の磁束の中心位置と円柱磁石の磁束の中心位置とをずらすことができるため、凹状切り欠き部が備えられていなくても、円柱磁石を移動させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上記各実施形態においては、円筒状の磁極部１０を例示して説明したが、筒状であればよく、断面が矩形状であってもよい。また、ボビン２１が円筒状のコイル巻きつけ部を備えることとしたが、ボビン２１のコイル２３が巻きつけられる部分の形状はこれに限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係るリニアモータを示す分解斜視図である。図１のリニアモータを組み立てた状態での斜視図である。図１のリニアステータの展開図である。本実施形態のリニアモータの動作を説明する図である。変更例に係る磁極部の概略構成図である。

符号の説明

１リニアモータ
３ステータ
５円柱磁石（可動体）
１０磁極部
１１Ａ，１１Ｂ磁極歯部材
１３ａ，１３ｂ磁極歯
１５ａ，１５ｂ連結部
１７ａ，１７ｂ凹状切欠き部
２０コイルユニット
２３コイル
２６電極ピン
２９Ａ，２９Ｂヨーク

Claims

筒状の磁極部と該磁極部の外周を覆う位置に備えられたコイルユニットとを備えるステータと、前記磁極部の長手方向に沿って移動可能な可動体とを備え、
前記磁極部は、前記長手方向に間隔をあけて複数配列された磁極歯と、該磁極歯を連結する連結部とから櫛歯形状に形成された一対の磁極歯部材を備えるとともに、
前記磁極部は、前記一対の磁極歯部材を前記磁極歯どうしが相互に隙間をあけて交互に噛み合うように組み合わせられて筒状に構成され、
前記コイルユニットは、筒状胴部を備えるボビンと、該ボビンの筒状胴部の周方向に沿って巻かれたコイルと、前記ボビンを挟持するように設けられた一対のヨークとを備え、
対になる前記磁極歯部材の一方の前記連結部は、一方の前記ヨークに接続され、他方の前記連結部は、前記一方のヨークの磁極とは異なる磁極に励磁される他方の前記ヨークに接続され、
前記可動体は、前記磁極歯に対向させる磁極を前記磁極部の長手方向に交互に配列してなるマグネットを備えるリニアモータ。
前記磁極歯部材が周方向に間隔をあけて複数対設けられ、前記コイルユニットが各対の前記磁極歯部材に個別に設けられ、異なる対の磁極歯部材の各前記磁極歯の位置が前記長手方向に相互にずらされて配置されている請求項１に記載のリニアモータ。
前記磁極部が前記長手方向に隣接して複数設けられ、前記コイルユニットが各前記磁極部に個別に設けられている請求項１または請求項２のいずれかに記載のリニアモータ。
前記ボビンは、前記磁極歯部材にモールドで一体に形成されている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のリニアモータ。
前記磁極歯のそれぞれは、両端部のうちの一方に切り欠き部を備える請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のリニアモータ。