JP2014143847A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化及び軽量化を図りつつ高出力を得る。
【解決手段】界磁と電機子２１のいずれか一方を可動子２０、他方を固定子１０として、界磁と電機子２１を相対的に移動可能なリニアモータ１であって、界磁は、対向配置された２つのヨーク板１１と、２つのヨーク板１１の各一方側の端部を固定するヨークベース１２と、２つのヨーク板１１の対向面にそれぞれ固定され、可動子２０の移動方向に沿って並べられた複数の永久磁石１３と、２つのヨーク板１１の対向面の各他方の端部が互いに離れる方向に付勢する弾性部材としての板バネ１５と、を有する。
【選択図】図５

Description

開示の実施形態は、リニアモータに関する。

特許文献１には、コアレス型のリニアモータが記載されている。このリニアモータは、交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせに並べて配置した界磁ヨークと、永久磁石列と磁気的空隙を介して対向配置されると共に、集中巻にした複数個のコイル群を樹脂モールドにより固定し、かつ、平板状に成形された電機子コイルを有するコアレス型の電機子とを備え、界磁ヨークと電機子のいずれか一方を固定子に、他方を可動子として、界磁ヨークと電機子を相対的に走行させる。

上記リニアモータは、２枚の平板状の界磁ヨークとこれらを片持ち梁状に平行に支持する界磁ヨーク固定板とからなる断面略コの字状の界磁ヨーク組立体を有する。界磁ヨーク組立体の各界磁ヨークの内側には、相対移動方向に交互に極性が異なるように配置された複数の永久磁石が、対向する永久磁石と極性が異なるように固定される。

特開２００１−８６７２６号公報

上記のように構成されるリニアモータにおいて、高出力を得るために強力な永久磁石を用いると、対向配置された磁石同士の吸引力により界磁ヨークの撓みが大きくなる。この撓みを小さくするために、界磁ヨークの肉厚を厚くして剛性を高めると、モータの小型化、軽量化が困難になるという問題がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、小型化及び軽量化を図りつつ高出力を得ることが可能なリニアモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、界磁と電機子のいずれか一方を可動子、他方を固定子として、前記界磁と前記電機子を相対的に移動可能なリニアモータであって、前記界磁は、対向配置された２つのヨーク板と、前記２つのヨーク板の各一方側の端部を固定するヨークベースと、前記２つのヨーク板の対向面にそれぞれ固定され、前記可動子の移動方向に沿って並べられた複数の永久磁石と、前記２つのヨーク板の前記対向面を、当該２つのヨーク板の各他方側の端部が互いに離れる方向に付勢する弾性部材と、を有するリニアモータが提供される。

本発明によれば、リニアモータの小型化及び軽量化を図りつつ高出力を得ることができる。

一実施形態に係るリニアモータの外観を表す斜視図である。 リニアモータの正面図ある。 リニアモータの磁束の流れを表す説明図である。 可動子の分解斜視図である。 板バネをヨーク板に取り付ける前の要部の正面方向の断面図、板バネをヨークに取り付けた状態の要部の正面方向の断面図、及び、板バネをヨークに取り付けた状態の要部の側断面図である。 板バネがポールシューの機能を兼ね備える変形例における磁束の流れを表す説明図、及び、永久磁石をハルバッハ配列とした変形例の磁束の流れを表す説明図である。

以下、開示の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明においては、リニアモータの長手方向（図１中の左奥〜右手前方向）を「長手方向」とし、リニアモータの短手方向（図１中の左手前〜右奥方向、図２中の左右方向）を「短手方向」とし、リニアモータの高さ方向（図１中の上下方向、図２中の上下方向）を「上下方向」とする。

＜リニアモータの全体構成＞
図１及び図２に示すように、本実施形態に係るリニアモータ１は、界磁となる固定子１０と、電機子２１を有する可動子２０とを備えている。

＜固定子１０の構成＞
固定子１０は、対向配置された２つのヨーク板１１，１１と、ヨークベース１２と、各ヨーク板１１の対向面（内側面）に一対一組で対向配置された複数の永久磁石１３と、固定子１０の長手方向に沿って隣接する永久磁石１３，１３の間に形成された間隙１４に配置された板バネ１５とを、有している。

２つのヨーク板１１は、それぞれ同じ長尺の略矩形形状の平板である。ヨーク板１１は、上記短手方向に互いに離間して対向しつつ、固定子１０の上記長手方向に亘るよう配置されている。

ヨークベース１２は、略平板状の形状を備え、固定子１０の上記長手方向全体に亘って設けられている。またヨークベース１２は、２つのヨーク板１１，１１の各一方側（この例では下方側）の端部の間を連結し、それらヨーク板１１，１１を片持ち梁状に支持している。なお、前記板バネ１５の据わりを良くするために、ヨークベース１２の上面には、複数の凹部１２ｂが、長手方向に離散的に配置されており、各凹部１２ｂは上記短手方向に延設されている。また、２つのヨーク板１１，１１とヨークベース１２を一体としたコの字形状としてもよい。

複数の永久磁石１３は、それぞれ上記長手方向に沿った幅を有する略矩形形状の平板で構成されている。そのような複数組の永久磁石１３が、固定子１０の長手方向（可動子の移動方向に相当）に沿って所定の間隙１４を空けて並設されている。これにより、各ヨーク板１１の内側面に、それぞれ上記長手方向に沿った永久磁石列１６が形成されている。

このとき、永久磁石１３は、図３に示すように、一対一組（永久磁石対）として対向するように各ヨーク板１１それぞれの対向面に配置されている。各永久磁石１３は、上記短手方向に磁化されている。このとき、上記短手方向に対向する２つの永久磁石１３，１３どうしの永久磁石対が互いに磁極（Ｎ極とＳ極）の配置向きが逆となるように配置され、さらに、固定子１０の長手方向で隣接する上記永久磁石対どうしが互いに磁極（Ｎ極とＳ極）の配置向きが逆となるように、配置されている。

＜可動子２０の構成＞
可動子２０は、図４及び上記図２に示すように、電機子ベース２２と、上記電機子２１とを備えている。電機子２１は、プリント基板２３と、複数の電機子コイル２５とを有している。電機子ベース２２は、略直方体形状で構成されており、その上記長手方向の長さは固定子１０の長さよりも短い。プリント基板２３は、略矩形形状の薄板であり、複数の電機子コイル２５にそれぞれ電力を供給するための配線（図示せず）がプリントされている。

電機子コイル２５は、この例では空芯型で集中巻きのコアレスコイルである。各電機子コイル２５は、モールド樹脂２４によりプリント基板２３の一方の表面に固定される。これにより、それらモールドされた複数の電機子コイル２５及びプリント基板２３の全体により、略板状の電機子２１が構成される。その略板状の電機子２１の上辺が、電機子ベース２２の下面の溝部２２ａに挿入されて固定されることで、それら全体で可動子２０が構成される。そして、可動子２０の下側に設けた電機子２１が、上記固定子１０における２列の永久磁石列１６，１６の間に挿入されることにより、コアレス型のリニアモータ１が構成される。なお、電機子２１の構成はこれらに限定されるものではなく、例えば、プリント基板２３の板厚方向両側に電機子コイル２５をそれぞれ配置してもよい。

＜板バネ＞
そして、本実施形態では、最大の特徴として、上記図３及び上記図１に示すように、永久磁石列１６において上記長手方向（移動方向に相当）に隣り合う２つの上記永久磁石対の間（言い換えれば上記間隙１４）に、当該永久磁石対のそれぞれに接するように、板バネ１５（弾性部材に相当）が配置されている。図５（Ａ）〜（Ｃ）及び上記図１に示すように、各板バネ１５は、２つのヨーク板１１，１１をそれぞれ付勢する２つの付勢部１５Ａ，１５Ａと、２つの付勢部１５Ａを接続し、ヨークベース１２に載置されるベース部１５Ｂと、先端側が互いに離反するように拡開する拡開部１５Ｃと、を有する。

ベース部１５Ｂは、図５（Ｃ）に示すように、ヨークベース１２の上面のうち間隙１４と一致する長手方向位置（言い換えれば隣接する永久磁石１３，１３の間となる長手方向位置）に形成された凹部１２ｂに挿入される。このとき、ベース部１５Ｂは、図５（Ｂ）に示すように、例えば、外幅Ｗが、２つのヨーク板１１，１１の対向面の幅Ｗ１（図５（Ａ）参照）と同じ幅若しくはそれ以下となっている。またベース部１５Ｂの内幅Ｗ４は、プリント基板２３を含むモールド樹脂２４の厚さＷ５よりも大きくなっている。

付勢部１５Ａは、ベース部１５Ｂの両端から起立している。拡開部１５Ｃは、図５（Ａ）に示すように、少なくともその一部が、２つのヨーク板１１，１１の対向面の幅Ｗ１よりも幅広な幅Ｗ２となっている。この結果、上記凹部１２ｂに板バネ１５が装着されることで、２つのヨーク板１１，１１のそれぞれの他方側（この例では上方側）の端部が、離れる方向に付勢される。

なお、この板バネ１５は、板状或いは棒状の金属部材が屈曲されることで形成されている。具体的には、例えばヨーク板１１とは異なる種類の金属のプレート（又は棒体）を折り曲げることで、板バネ１５が構成されている。その際、材料が高強度であることが好ましく、要求されるバネ特性によっては、磁性材或いは非磁性材の使い分けが必要である。

＜実施形態の動作及び作用効果＞
上記の構成において、リニアモータ１は、固定子１０側に永久磁石列１６からなる界磁を備え、可動子２０側に電機子２１を備えた構成である。可動子２０側の電機子２１に備えられた複数の電機子コイル２５にそれぞれＵ相、Ｖ相、及びＷ相の３相交流電力のいずれかが適宜の位相で供給されることにより、各電機子コイル２５が、上記短手方向両側から挟む永久磁石列１６により推進力を受ける。この推進力により、可動子２０全体が固定子１０に対して上記長手方向に沿った相対移動を行う。このとき、２つのヨーク板１１，１１の各上端部は開放端となっていることから、対向する永久磁石１３の吸引力によって接近しようとする（なお、２つのヨーク板１１，１１の下端部はヨークベース１２によって固定されており相対位置関係は殆ど変化しない）。

そこで、本実施形態では、固定子１０に板バネ１５が設けられる。板バネ１５は、２つのヨーク板１１，１１の上端部が互いに離れる方向に、それらヨーク板１１，１１対向面を付勢する。これにより、２つのヨーク板１１，１１の対向面に固定された永久磁石１３同士の吸引力によりヨーク板１１が撓むのを防止し、２つのヨーク板１１の対向間隔を略一定とすることができる。その結果、永久磁石１３に強力な磁力を有するものを用いる場合でも、比較的剛性の低い薄肉のヨーク板１１を用いることができる。この結果、リニアモータ１の小型化及び軽量化を図りつつ高出力を得ることができる。また、ヨーク板１１の隙間を一定とするためにヨーク板１１を永久磁石１３の吸引力とは逆方向に反った形状とする等の加工が不要となるので、ヨーク板１１の加工コストを削減できる効果もある。

また、本実施形態では特に、上記短手方向に対向配置された極性の異なる２つの永久磁石１３を一対（永久磁石対）としつつ、上記長手方向に所定の間隔で複数組が配置されている。そして、上記板バネ１５が、上記長手方向に隣り合う永久磁石１３の間（間隙１４）に配置される。

これにより、永久磁石１３の配列に影響を与えることなく、板バネ１５を配置することができる。また、上記のように複数の板バネ１５を上記長手方向に間隔をおいて配置したり、あるいは、１つの板バネ１５をヨーク板１１の上記長手方向中央部近傍に配置したり（図示省略）、等が可能となり、板バネ１５の配置の自由度を向上できる。

また、本実施形態では特に、板バネ１５は、長手方向両側に隣り合う上記永久磁石対の各々と接触するように配置される。これにより、固定子１０を組み立てる際、板バネ１５を用いて永久磁石１３の位置決めを行うことができる。すなわち、例えば永久磁石１３、板バネ１５、永久磁石１３、板バネ１５、・・のように順に密着して配列させていくことで、等間隔で配置すべき永久磁石１３の位置の設定を行うことができる。この結果、専用の永久磁石の位置決め治具が不要となる。

また、本実施形態では特に、板状の金属部材を屈曲して形成された板バネ１５は、２つのヨーク板１１をそれぞれ付勢する２つの付勢部１５Ａと、２つの付勢部１５Ａを接続してヨークベース１２に載置されるベース部１５Ｂと、を有する構成である。これにより、簡単な構造でヨーク板１１を付勢することができる。

＜変形例＞
なお、上記の実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

（１）板バネがポールシューの機能を兼ね備える場合
上記実施形態では、上記図３に示したように、各ヨーク板１１それぞれの対向面に配置された永久磁石１３は、上記短手方向に磁化されている。この結果、ヨーク板１１を通って磁気回路が構成されることから、ヨーク板１１の板厚（肉厚）がある程度厚くなる。

これに対し、本変形例では、図６（Ａ）に示すように、複数の永久磁石１３が上記長手方向（移動方向に相当）に磁化されている。そして、磁性材の板バネ１５が、隣接する永久磁石１３に対してポールシューの機能を兼ねる。この場合、上記短手方向に対向する２つの永久磁石１３，１３（永久磁石対）と、その上記長手方向両側の磁性材の板バネ１５，１５とで、磁気回路が構成される。すなわち、ヨーク板１１を磁気回路が通過しなくなる。この結果、ヨーク板１１の肉厚を機械強度的に可能な範囲で極力薄くし、且つ、非磁性体で構成することができる。したがって、リニアモータ１の更なる小型化及び軽量化を図ることができる。

（２）ハルバッハ配列とした場合
本変形例では、図６（Ｂ）に示すように、ヨーク板１１に垂直な方向（言い換えれば上記短手方向）に磁化された永久磁石１３（主極磁石に相当）と、上記長手方向に磁化されるとともに当該長手方向に隣り合う永久磁石１３，１３によって形成される上記間隙１４において非磁性の板バネ１５に固定される永久磁石１３Ａ（補極磁石に相当）と、が設けられる。

上記のような永久磁石の配置（いわゆるハルバッハ配列）では、永久磁石１３の磁化方向と永久磁石１３Ａの磁化方向とが９０°異なることから、ヨーク板１１に対して各磁石１３，１３Ａを固定する際に、その磁化方向の差異により隣接する磁石１３，１３Ａの間、或いは磁石１３，１３Ａとヨーク板１１との間に、吸引力若しくは反発力が生じる。この結果、上記固定作業の作業性が低下すると共に、接触により磁石１３，１３Ａに割れ・欠け等の破損が生じる可能性がある。

そこで、本変形例では、非磁性の板バネ１５を先にヨーク板１１に装着し、その後に、永久磁石１３をヨーク板１１に装着する、その後に磁石１３Ａを非磁性の板バネ１５に接着するという作業手順とすることができる。この結果、専用の永久磁石の位置決め治具が不要であり、各磁石１３，１３Ａの固定作業の作業性を向上でき、磁石１３，１３Ａの割れ・欠け等の破損を防止できる。

（３）その他
なお、以上の実施形態及び変形例では、リニアモータ１は、界磁を固定部とし、電機子２１を可動部として構成する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、界磁を可動部とし、電機子２１を固定部としてリニアモータ１を構成してもよい。

また、以上既に述べた以外にも、実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ リニアモータ
１０ 固定子
１１ ヨーク板
１２ ヨークベース
１３ 永久磁石（主極磁石）
１３Ａ 永久磁石（補極磁石）
１４ 間隙
１５ 板バネ（弾性部材）
１５Ａ 付勢部
１５Ｂ ベース部
２０ 可動子
２１ 電機子

Claims (6)

1. 界磁と電機子のいずれか一方を可動子、他方を固定子として、前記界磁と前記電機子を相対的に移動可能なリニアモータであって、
   前記界磁は、
   対向配置された２つのヨーク板と、
   前記２つのヨーク板の各一方側の端部を固定するヨークベースと、
   前記２つのヨーク板の対向面にそれぞれ固定され、前記可動子の移動方向に沿って並べられた複数の永久磁石と、
   前記２つのヨーク板の前記対向面を、当該２つのヨーク板の各他方側の端部が互いに離れる方向に付勢する弾性部材と、を有する
   ことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記複数の永久磁石は、
   対向配置された極性の異なる２つの前記永久磁石で構成された永久磁石対が前記移動方向に所定の間隔で配置されて構成され、
   前記弾性部材は、
   前記移動方向に隣り合う前記永久磁石対の間に配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記弾性部材は、
   前記移動方向に隣り合う前記永久磁石対の各々と接触するように配置される
   ことを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
4. 前記複数の永久磁石は、前記移動方向に磁化されており、
   前記永久磁石対とその両側の前記弾性部材とで磁気回路が構成される
   ことを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。
5. 前記複数の永久磁石は、
   前記ヨーク板に垂直な方向に磁化された主極磁石と、
   前記移動方向に磁化され、前記移動方向に隣り合う主極磁石対の間で前記弾性部材に固定された補極磁石と、を有する
   ことを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。
6. 前記弾性部材は、板状の金属部材を屈曲して形成された板バネであり、
   前記２つのヨーク板をそれぞれ付勢する２つの付勢部と、
   前記２つの付勢部を接続し、前記ヨークベースに載置されるベース部と、を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のリニアモータ。

Images