JP2015027230A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】電機子に対する突極の相対位置を単純な構成で検出できるリニアモータを提供する。【解決手段】リニアモータ１は、空隙を介して互いに対向する固定子３及び電機子２を備える。固定子３は、電機子２との対向方向に交差するように延びた長尺形状を呈し、当該長尺形状の長手方向に沿って並び且つそれぞれ電機子２側に突出する複数の突極３ｂを有する。電機子２は、固定子３側に突出するティース６をなす電機子コア４と、ティース６に巻かれた電機子巻線７と、固定子３の長手方向に沿って並ぶようにティース６の先端側に設けられた複数の永久磁石８と、永久磁石８により発生して突極３ｂを通る磁界を検出する磁界センサ１０とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、リニアモータに関する。

リニアモータは、空隙を介して互いに対向する電機子及び長尺の固定子を備え、固定子の長手方向に沿って電機子及び固定子の相対運動を発生させる。このようなリニアモータの一種として、電機子には電機子コア、電機子巻線及び複数の永久磁石が設けられ、固定子には複数の突極が設けられたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。電機子コアは、固定子側に突出するティースをなし、電機子巻線はティースに巻かれる。複数の永久磁石はティースの先端側に設けられ、固定子の長手方向に沿って並ぶように配置される。複数の突極は、固定子の長手方向に沿って並ぶと共に、それぞれ電機子側に突出する。電機子は、電機子コア、電機子巻線及び永久磁石を協働させて進行磁界を発生させる。この進行磁界が固定子の突極に作用することで上記相対運動が生じる。

特開２００９−２１９１９９号公報

上述したリニアモータでは、電機子に対する突極の相対位置を検出し、突極の位置に合わせて進行磁界を発生させる必要がある。しかしながら、突極は永久磁石のような磁界発生要素ではないので、固定子側から発生する磁界に基づいて突極の相対位置を検出することができない。このため、磁界センサを用いた単純な構成で突極の相対位置を検出すことが難しい。

そこで本発明は、電機子に対する突極の相対位置を単純な構成で検出できるリニアモータを提供することを目的とする。

本発明に係るリニアモータは、空隙を介して互いに対向する固定子及び電機子を備え、固定子は、電機子との対向方向に交差するように延びた長尺形状を呈し、当該長尺形状の長手方向に沿って並び且つそれぞれ電機子側に突出する複数の突極を有し、電機子は、固定子側に突出するティースをなす電機子コアと、ティースに巻かれた電機子巻線と、固定子の長手方向に沿って並ぶようにティースの先端側に設けられた複数の永久磁石と、永久磁石により発生して突極を通る磁界を検出する磁界センサとを有する。

本発明によれば、電機子に対する突極の相対位置を単純な構成で検出できる。

本実施形態に係るリニアモータの概略構成を示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図１のリニアモータの側面図である。 突極により磁界センサに導かれる磁界を模式的に示す拡大図である。 磁界センサの他の配置例を示す側面図である。 磁界センサの更に他の配置例を示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態に係るリニアモータ１は、例えば様々な製造装置又は加工装置等のＦＡ機器において、テーブル送り等に利用される。図１及び図２に示すように、リニアモータ１は、互いに空隙を介して対向する電機子２及び固定子３を備える。固定子３は、電機子２との対向方向に直交するように延びる長尺形状を呈し、設置対象（例えばＦＡ機器の本体部）に固定される。電機子２は、固定子３の長手方向に沿って移動自在となるように、リニアガイド（不図示）により支持される。電機子２は、駆動対象（例えばＦＡ機器のテーブル）に固定される。リニアモータ１は、固定子３の長手方向に沿って、固定子３に対する電機子２の相対運動を発生させることで駆動対象を移送する。なお、電機子２が設置対象に固定され、固定子３が駆動対象に固定されてもよい。この場合、リニアモータ１は、電機子２に対する固定子３の相対運動を発生させることで駆動対象を移送する。

続いて、固定子３及び電機子２の構成について詳細に説明する。説明において、「上下」、「前後」及び「左右」は、電機子２側を上側とし、固定子３側を下側とし、固定子３の一端側を前側とした方向を意味する。

固定子３は、ヨーク３ａと複数の突極３ｂとを有する。ヨーク３ａは、前後方向に沿って延びると共に左右方向に沿って広がった帯状を呈する。複数の突極３ｂは、前後方向に沿って並ぶと共に、それぞれヨーク３ａから上側に突出する。突極３ｂは、左右方向に沿って延び、台形の断面形状を呈する。突極３ｂの断面形状は台形に限られず、例えば矩形又は半円形であってもよい。

固定子３は、例えば３％珪素鉄等の鉄系の軟磁性材料により構成される。固定子３は、珪素鋼板等の電磁鋼板を左右方向に沿って積層したものであってもよく、軟磁性複合材料（ＳＭＣ）を圧縮成形したものであってもよく、鉄系の構造材により一体的に形成されたものであってもよい。

電機子２は、電機子コア４と、６セットの電機子巻線７と、１２個の永久磁石８と、６個の磁界センサ１０とを有する。

電機子コア４は、ヨーク５と、６箇所のティース６とを有する。ヨーク５は、前後方向に沿って延びると共に左右方向に沿って広がった平板状を呈する。６箇所のティース６は、前後方向に沿って並ぶと共にそれぞれヨーク５から下側に突出する。

電機子コア４は、例えば３％珪素鉄等の鉄系の軟磁性材料により構成される。電機子コア４は、珪素鋼板等の電磁鋼板を左右方向に沿って積層したものであってもよく、軟磁性複合材料（ＳＭＣ）を圧縮成形したものであってもよい。

６セットの電機子巻線７は、６箇所のティース６にそれぞれ巻かれている。最前のティース６Ａに巻かれた電機子巻線７Ａと、前から３番目のティース６Ｃに巻かれた電機子巻線７Ｃと、前から５番目のティース６Ｅに巻かれた電機子巻線７Ｅとには、互いに位相が１／３周期ずれた３相の交流がそれぞれ供給される。以下、電機子巻線７Ａに供給される交流を「Ｕ相交流」といい、電機子巻線７Ｃに供給される交流を「Ｖ相交流」といい、電機子巻線７Ｅに供給される交流を「Ｗ相交流」という。

前から２番目のティース６Ｂに巻かれた電機子巻線７Ｂと、前から４番目のティース６Ｄに巻かれた電機子巻線７Ｄと、前から６番目のティース６Ｆに巻かれた電機子巻線７Ｆとには、Ｗ相交流と、Ｕ相交流と、Ｖ相交流とがそれぞれ供給される。電機子巻線７Ｄ，７Ｆ，７Ｂへの交流の供給方向は、電機子巻線７Ａ，７Ｃ，７Ｅへの交流の供給方向に対してそれぞれ逆向きである。

電機子コア４及び電機子巻線７は、モールド材Ｐにより一体化され、電磁石ユニット９を構成している。モールド材Ｐ１は、例えばエポキシ系樹脂である。電磁石ユニット９は、前後方向に延びた直方体形状を呈する。電磁石ユニット９の下面９ａは、ティース６の先端面（下端面）と略面一になっている。

１２個の永久磁石８は、前後方向に沿って並んだ状態で、接着等により電磁石ユニット９の下面９ａに固定されている。それぞれの永久磁石８は、左右方向に沿って延び、矩形の断面形状を呈する。６個の永久磁石８Ａは、下側がＳ極、上側がＮ極となるように配置されている。残りの６個の永久磁石８Ｂは、下側がＮ極、上側がＳ極となるように配置されている。永久磁石８Ａと永久磁石８Ｂとは交互に並んでおり、ティース６ごとに一対の永久磁石８Ａ，８Ｂが位置している。すなわち、それぞれのティース６の先端側には、前後方向に沿って並ぶ一対の永久磁石８Ａ，８Ｂが設けられている。

図２及び図３に示すように、磁界センサ１０は、左右方向（固定子３の幅方向）において永久磁石８の外側に配置されている。６個の磁界センサ１０は、前後方向において、ティース６Ｄの先端側の永久磁石８Ａ，８Ｂと、ティース６Ｅの先端側の永久磁石８Ａ，８Ｂと、ティース６Ｆの先端側の永久磁石８Ａ，８Ｂとにそれぞれ対応するように配置されている。すなわち、２個の磁界センサ１０は、Ｕ相交流を受け入れる電機子巻線７Ｄに対応している。２個の磁界センサ１０は、Ｗ相交流を受け入れる電機子巻線７Ｅに対応している。残りの２個の磁界センサ１０は、Ｖ相交流を受け入れる電機子巻線７Ｆに対応している。このように、磁界センサ１０は、３相交流の相ごとに２個ずつ配置されている。この状態で、磁界センサ１０は電磁石ユニット９に固定されている。

磁界センサ１０は、例えばホール素子又はホール素子を内蔵するホールＩＣであり、磁界を検出する。磁界センサ１０の感磁面１０ａは、上側及び下側に面する。感磁面１０ａは、磁界センサ１０により検出可能な磁界の方向に交差する面である。

左右方向における突極３ｂの幅Ｗ１は、左右方向におけるティース６及び永久磁石８の幅Ｗ２より大きい。左右方向において、突極３ｂの端部は永久磁石８の端部より外側に張り出し、磁界センサ１０の下方に位置している。磁界センサ１０の感磁面１０ａは上側から突極３ｂに対向する。

このようなリニアモータ１では、電機子２の電機子コア４、電機子巻線７及び永久磁石８の協働により進行磁界が生じ、この進行磁界が突極３ｂに作用することで推力が発生する。この推力により、固定子３の長手方向に沿って電機子２及び固定子３の相対運動が生じる。

期待通りの推力を発生させるには、電機子２に対する突極３ｂの相対位置を検出し、突極３ｂの位置に合わせて進行磁界を発生させる必要がある。図４に示すように、永久磁石８により発生した磁界Ｍの一部は、磁界センサ１０による検出対象としても用いられる。詳しくは、左右方向における永久磁石８の端部において発生した磁界Ｍａが検出対象として用いられる。

永久磁石８Ｂの端部においては、永久磁石８Ｂから下側に出る磁界Ｍａが発生する。この磁界Ｍａは、突極３ｂにより磁界センサ１０側に導かれ、下側から上側に向かって磁界センサ１０の感磁面１０ａを通過する。一方、永久磁石８Ａの端部においては、下側から永久磁石８Ａに入る磁界Ｍａが発生する。この磁界Ｍａは、突極３ｂにより磁界センサ１０側に導かれ、上側から下側に向かって磁界センサ１０の感磁面１０ａを通過する。

このように、検出対象の磁界は突極３ｂによって磁界センサ１０側に導かれるので、突極３ｂが永久磁石８に近接するにつれて磁界センサ１０により検出される磁界が強くなる。このため、磁界センサ１０により検出される磁界の強さに基づいて、永久磁石８に対する突極３ｂの相対位置を検出できる。従って、磁界センサ１０を用いた単純な構成で、電機子２に対する突極３ｂの相対位置を検出できる。なお、検出対象の磁界の発生に、進行磁界の発生用の永久磁石８が兼用されている。このことも、突極３ｂの相対位置を検出する構成の単純化に寄与している。

磁界センサ１０は、突極３ｂに空隙をもって対向するように配置されている。このため、永久磁石８により発生した磁界を突極３ｂによって更に効率よく磁界センサ１０側に導き、永久磁石８に対する突極３ｂの相対位置をより高感度に検出できる。

なお、磁界センサ１０を突極３ｂに対向させる形態は、上述したものに限られない。図５は、左右方向の外側から突極３ｂに対向するように磁界センサ１０を配置した例を示している。この場合、左右方向における突極３ｂの幅は、ティース６及び永久磁石８の幅Ｗ２に比べ大きい必要はない。そこで、図５の例では、突極３ｂの幅Ｗ１はティース６及び永久磁石８の幅Ｗ２に対し同等となっている。磁界センサ１０は、左右方向において突極３ｂの外側に位置すると共に、突極３ｂに対応する高さに位置する。磁界センサ１０の感磁面１０ａは、左側及び右側に面する。この状態で、磁界センサ１０は、連結部材１１を介して電機子コア４に固定される。連結部材１１は、例えば鉄系の軟磁性材料からなる。

この例によれば、突極３ｂの側面を有効活用して、永久磁石８に対する突極３ｂの相対位置を検出できる。また、連結部材１１を磁界の経路として利用できるので、永久磁石８により発生した磁界を更に効率よく磁界センサ１０に導き、永久磁石８に対する突極３ｂの相対位置をより高感度に検出できる。

磁界センサ１０は、前後方向において少なくとも一つの永久磁石８に対応するように配置されると共に、左右方向において当該永久磁石８の外側に配置されている。このため、電機子２及び固定子３が相対運動する方向において、磁界センサ１０が電機子２の外側に張り出すことがないので、磁界センサ１０の設置に伴う運動ストロークの低減を防止できる。

左右方向において、突極３ｂの端部は永久磁石８の端部より外側に張り出し、磁界センサ１０は、電機子２側から突極３ｂに対向する。このため、磁界センサ１０を永久磁石８の近傍に配置しつつ、突極３ｂに対向させることができる。従って、永久磁石８により発生した磁界を更に効率よく磁界センサ１０に導き、永久磁石８に対する突極の相対位置をより高感度に検出できる。

リニアモータ１は、前後方向に並ぶ複数の磁界センサ１０を備える。このため、複数の磁界センサ１０を用いることで、電機子２に対する突極３ｂの相対位置をより高精度に検出できる。

電機子２は、前後方向に並ぶ複数のティース６と、複数のティース６にそれぞれ巻かれ、複数相の交流をそれぞれ受け入れる複数の電機子巻線７とを有し、磁界センサ１０は交流の相ごとに配置されている。このため、突極３ｂがいずれの相の電機子巻線７に近接しているのかを高精度に検出し、進行磁界をより確実に突極３ｂの位置に合わせることができる。

なお、磁界センサ１０を交流の相ごとに配置する形態は、上述したものに限られない。図６は、３個の磁界センサ１０を交流の相ごとに配置した例を示している。この例では、３個の磁界センサ１０は、ティース６Ｃの先端側の永久磁石８Ｂと、ティース６Ｄの先端側の永久磁石８Ａと、ティース６Ｅの先端側の永久磁石８Ｂとにそれぞれ対応するように配置されている。すなわち、１個の磁界センサ１０は、Ｖ相交流を受け入れる電機子巻線７Ｃに対応している。１個の磁界センサ１０は、Ｕ相交流を受け入れる電機子巻線７Ｄに対応している。残りの１個の磁界センサ１０は、Ｗ相交流を受け入れる電機子巻線７Ｅに対応している。このように、磁界センサ１０は、３相交流の相ごとに１個ずつ配置されている。

リニアモータ１は、磁界センサ１０の出力に基づいて、電機子２と固定子３との相対移動量を計測する計測部２０を更に備えてもよい（図２参照）。計測部２０は、例えば、磁界センサ１０の出力を取得するポートを有するコンピュータにより構成可能である。この場合、相対移動量の計測専用の計測器を設ける必要がないので、リニアモータ１を利用する装置を単純化できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、磁界センサ１０の数は１個であってもよい。また、磁界センサ１０は、前後方向において永久磁石８に隣接するように配置されていてもよい。ティース６の数、電機子巻線７の数及び３相交流の割り当ては適宜変更可能である。永久磁石８の数及び配置も適宜変更可能である。電機子巻線７に供給する交流は、必ずしも３相に限られない。推力を継続的に発生させられる構成であれば、単層、２相又は４相以上であってもよい。

１…リニアモータ、２…電機子、３…固定子、３ｂ…突極、４…電機子コア、６…ティース、７…電機子巻線、８…永久磁石、１０…磁界センサ、１１…連結部材、２０…計測部。

Claims (9)

1. 空隙を介して互いに対向する固定子及び電機子を備え、
   前記固定子は、
   前記電機子との対向方向に交差するように延びた長尺形状を呈し、当該長尺形状の長手方向に沿って並び且つそれぞれ前記電機子側に突出する複数の突極を有し、
   前記電機子は、
   前記固定子側に突出するティースをなす電機子コアと、
   前記ティースに巻かれた電機子巻線と、
   前記固定子の前記長手方向に沿って並ぶように前記ティースの先端側に設けられた複数の永久磁石と、
   前記永久磁石により発生して前記突極を通る磁界を検出する磁界センサとを有するリニアモータ。
2. 前記磁界センサは、前記突極に空隙を介して対向するように配置される、請求項１記載のリニアモータ。
3. 前記磁界センサは、前記固定子の長手方向において少なくとも一つの前記永久磁石に対応するように配置されると共に、前記固定子の幅方向において当該永久磁石の外側に配置されている、請求項１又は２記載のリニアモータ。
4. 前記固定子の幅方向において前記突極の端部は前記永久磁石の端部より外側に張り出し、前記磁界センサは、前記電機子側から前記突極に対向する、請求項３記載のリニアモータ。
5. 前記磁界センサは、前記固定子の幅方向の外側から前記突極に対向する、請求項３記載のリニアモータ。
6. 前記磁界センサは、軟磁性材料からなる連結部材を介して前記電機子コアに固定される、請求項１〜５のいずれか一項記載のリニアモータ。
7. 前記固定子の長手方向に並ぶ複数の前記磁界センサを備える、請求項１〜６のいずれか一項記載のリニアモータ。
8. 前記電機子は、前記固定子の長手方向に並ぶ複数の前記ティースと、複数の前記ティースにそれぞれ巻かれ、複数相の交流をそれぞれ受け入れる複数の前記電機子巻線とを有し、前記磁界センサは、前記交流の相ごとに配置される、請求項７記載のリニアモータ。
9. 前記磁界センサの出力に基づいて、前記電機子と前記固定子との相対移動量を計測する計測部を更に備える、請求項１〜８のいずれか一項記載のリニアモータ。

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