JP2019115239A - 円筒型リニアモーター - Google Patents

Abstract

【課題】ハルバッハ配列磁石体を備える円筒型リニアモーターであって、ハルバッハ配列磁石体において正弦波に限りなく近い磁束分布を持つ磁界を生成することのできる円筒型リニアモーターを提供する。【解決手段】円筒型リニアモーターは、長さ方向に異方性を持つ第１の円筒状永久磁石１０の一端側に、半径方向に異方性を持つ第２の円筒状永久磁石１２を組み合わせ、他端側には半径方向に異方性を持つと共に前記第２の円筒状永久磁石の磁極の向きとは反対の磁極の向きを持つ第３の円筒状永久磁石１３を組み合わせてなる配列磁石体を複数組備え、前記第２の円筒状永久磁石と前記第３の円筒状永久磁石は同じ長さａを有し、前記第１の円筒状永久磁石の長さｂと前記長さａとの関係を、０．５ｂ≦ａ≦ｂとしたことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、駆動用磁石の発生磁界を利用して可動子の位置を検出しフィードバック制御を行う円筒型リニアモーターに関する。

リニアモーターにおける可動子（移動体）の位置制御のためには位置検出手段としてリニアエンコーダー（リニアスケール）が多く用いられる（特許文献１）。しかし、リニアエンコーダーは、高価であること、付加して取り付けるため部品点数が増えることや、その手間がかかるなどの問題がある。

そこで、リニアモーターにおける固定子側の駆動用磁石の発生磁界を利用してリニアエンコーダーの代わりとする、リニアモーター用の位置検出装置が提案されている（特許文献２）。このような位置検出装置は、一般に、リニアモーターの一次側に二次側磁石による磁界波形の１／４波長の間隔で設けられる２つの磁気センサと、これらの磁気センサが出力する検出信号を処理して得られる信号を用いて位置信号とする。通常、磁気センサはホール素子、磁気抵抗効果素子、差動トランス等が使われ、アナログ信号を出力する。このアナログ信号をデジタル信号に変換するのであるが、この段階で誤差が生じる。この誤差の主なものには、磁界波形の歪み、振幅の変動、オフセットの変動があり、いずれも位置検出精度に影響を与える。この内、振幅の変動は一次側と二次側の距離の変動に因るところが大きく機械、機構的に変動を小さくする工夫がなされる。オフセットの変動は温度変化に因るところが大きく、センサの物理特性の改善や信号処理回路の工夫によって改善が試みられている。磁界波形の歪みは二次側の磁石によって決定されるので、センサからの信号に対する処理では解決できない。後述するように、本願発明はこのような磁界波形の歪みを極力小さくすることで位置検出精度を向上させることを企図している。

特開２００３−２４４９２９号公報 特開２０１２−２５３８８７号公報 特開２０１０−２８８４１８号公報

ところで、上記のような磁気センサを用いる位置検出装置は、固定子側に一軸方向に並べて配置された複数の駆動用磁石で発生される磁界分布が正弦波であることを前提としている。しかしながら、実際の磁界分布は理想的な正弦波とは言えず、かなり歪んだ波形をしているので位置決め精度、分解能には制限が生じてしまう。このような制限は、特に円筒型リニアモーターの場合に顕著である。

円筒型リニアモーターの一例として、筒状ケーシングの内壁に筒状ボビンを介して設けられた複数の固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の軸心に形成された長手中空孔内に直動自在に設けられた可動軸と、前記筒状ケーシングの両端に設けられ前記可動軸を直動自在に保持するための一対の第１、第２軸受と、前記可動軸の外周に設けられた複数のマグネットと、を備えた円筒型リニアモーターが提案されている（特許文献３）。

更に、本発明者により、磁気漏洩の低減、推力向上に有効なハルバッハ配列磁石体を固定子として備える円筒型リニアモーターが提案されている。

この円筒型リニアモーターは、長さ方向に異方性を持つ第１の円筒状永久磁石の一端側に、半径方向に異方性を持つ第２の円筒状永久磁石を組み合わせ、他端側には半径方向に異方性を持つと共に前記第２の円筒状永久磁石の磁極の向きとは反対の磁極の向きを持つ第３の円筒状永久磁石を組み合わせてなるハルバッハ配列磁石体を少なくとも１組備える。そして、前記第１〜第３の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に構成した断面円形の固定子と、前記固定子の外周側に該固定子に沿って直動可能に組み合わせ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した可動子とで、円筒型リニアモーターとして作用するように構成している。

本発明の課題は、ハルバッハ配列磁石体を備える円筒型リニアモーターであって、ハルバッハ配列磁石体において正弦波に限りなく近い磁束分布を持つ磁界を生成することのできる円筒型リニアモーターを提供することにある。

本発明の態様によれば、長さ方向に異方性を持つ第１の円筒状永久磁石の一端側に、半径方向に異方性を持つ第２の円筒状永久磁石を組み合わせ、他端側には半径方向に異方性を持つと共に前記第２の円筒状永久磁石の磁極の向きとは反対の磁極の向きを持つ第３の円筒状永久磁石を組み合わせてなる配列磁石体を少なくとも１組備え、前記第２の円筒状永久磁石と前記第３の円筒状永久磁石は同じ長さａを有し、前記第１の円筒状永久磁石の長さｂと前記長さａとの関係を、０．５ｂ≦ａ≦ｂとしたことを特徴とする円筒型リニアモーターが提供される。

なお、前記第１の円筒状永久磁石の長さｂと前記長さａとの関係は、０．７ｂ≦ａ≦０．８ｂがより望ましい。

上記態様による円筒型リニアモーターは、前記配列磁石体は、前記第１の円筒状永久磁石のＮ極側に、外周側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第２の円筒状永久磁石を組み合わせ、前記第１の円筒状永久磁石のＳ極側に、中心軸側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第３の円筒状永久磁石を組み合わせてなり、前記配列磁石体を複数組、直列に組み合わせた配列磁石集合体を備え、該配列磁石集合体において隣り合う２組の前記配列磁石体の一方の組は、前記第１の円筒状永久磁石の磁極の向きが、他方の組の前記配列磁石体の前記第１の円筒状永久磁石の磁極の向きと反対になるように前記他方の組に組み合わせるようにして、前記第３の円筒状永久磁石又は第２の円筒状永久磁石を交互に共用する構成としても良い。

上記態様による円筒型リニアモーターは、前記配列磁石集合体における前記第１〜第３の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に構成した断面円形の固定子と、前記固定子の外周側に該固定子に沿って直動可能に組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した可動子とで、円筒型リニアモーターとして作用するように構成しても良い。この場合、前記可動子側に取り付けられて前記配列磁石集合体からの磁界を検出し、互いに９０度の位相差を持つ検出信号を出力する２つの磁気センサを含む位置検出装置を備えることが望ましい。

上記態様による円筒型リニアモーターは、前記配列磁石集合体における前記第１〜第３の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に中心軸方向に可動とした断面円形の可動子と、前記可動子の外周側に中心軸方向に沿って組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した固定子とで、円筒型リニアモーターとして作用するように構成しても良い。この場合、前記可動子側に取り付けられて前記配列磁石集合体からの磁界を検出し、互いに９０度の位相差を持つ検出信号を出力する２つの磁気センサを含む位置検出装置を備えることが望ましい。

上記態様による円筒型リニアモーターは三相駆動型であり、前記複数の環状コイルがＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルの組み合わせを１組とする少なくとも１組からなることを特徴とする。

本発明によれば、大きな磁界を発生させることのできるハルバッハ配列磁石体を備える円筒型リニアモーターであって、ハルバッハ配列磁石体において正弦波に限りなく近い磁束分布を持つ磁界を生成することのできる円筒型リニアモーターを提供することができる。これにより、可動子の位置制御に必須の位置検出装置として、リニアエンコーダーのような高価な装置が不要になり、かつ、位置検出装置を取り付けるための部品や、作業も簡略化することができる。その結果として、装置の耐久性、メンテナンス性が向上する。

本発明に用いられる永久磁石とその磁化方向の表記法について説明するための図である。 本発明を円筒型リニアモーターに適用する場合の構成要素であるハルバッハ配列磁石体の例について説明するための図で、該配列磁石体を中心軸側に配置し外周側に環状コイルを配置する場合の該配列磁石体の最小限の構成について説明するための斜視図である。 図２に示されたハルバッハ配列磁石体を複数組、直列に組み合わせて構成したハルバッハ配列磁石集合体の各永久磁石の磁化方向について説明するための図である。 ブロック状の永久磁石を直線状のハルバッハ配列としてリニアモーターの固定子を構成する場合の各永久磁石の磁化方向について説明するための図である。 図３に示されたハルバッハ配列磁石集合体における第１の円筒状永久磁石の長さａと、第２、第３の円筒状永久磁石の長さｂの関係をａ＝ｂとした時の外部磁場分布の測定結果を示した図である。 図３に示されたハルバッハ配列磁石集合体における第１の円筒状永久磁石の長さａと、第２、第３の円筒状永久磁石の長さｂの関係をａ＝０．６８ｂとした時の外部磁場分布の測定結果を示した図である。 図３に示されたハルバッハ配列磁石集合体における第１の円筒状永久磁石の長さａと、第２、第３の円筒状永久磁石の長さｂの関係をａ＝０．５ｂとした時の外部磁場分布の測定結果を示した図である。 図２及び図３に示されたハルバッハ配列磁石体を固定子として採用した円筒型リニアモーターの主要構成を示した縦断面図である。 円筒型三相リニアモーターにおける永久磁石の磁極と三相コイルの基本的の構成について説明するための図である。 図９の磁極Ｎ−Ｎ間が長くなった場合に増やされるコイルと、図２に示される配列磁石体２組からなる配列磁石集合体との関係を示した図である。 本発明による磁石可動型の円筒型リニアモーターの全体構成例について説明するための正面図（図（ａ））及び側面図（図（ｂ））である。 図１１における位置検出装置の別の設置例を示した正面図（図（ａ））及び側面図（図（ｂ））である。

本発明の実施形態を説明する前に、図１を参照して、本発明に係る円筒型リニアモーターに使用される永久磁石（以下、磁石と略称する）の態様を説明する。図１（ｂ）に示すように、第１の円筒状磁石１０はその長さ方向（中心軸方向）に異方性を有する。一方、図１（ａ）に示すように、第２、第３の円筒状磁石１２、１３はその半径方向に異方性を有する。

磁化方向について言えば、第１の円筒状磁石１０は、図１（ｅ）に矢印で示すように、図の左方向向きに磁極の向きを持つように配置される場合と、図１（ｆ）に矢印で示すように、図の右方向向きに磁極の向きを持つように配置される場合がある。

一方、図１（ｃ）に矢印で示すように、第２の円筒状磁石１２はその断面の、中心から外周側に向かう放射方向に磁極の向きを有し、図１（ｄ）に矢印で示すように、第３の円筒状磁石１３はその断面の、外周側から中心に向かう方向に磁極の向きを有する。また、電流の向きを表示する方法に倣って、第２、第３の円筒状磁石１２、１３についてはそれぞれ、磁極の向きを図１（ｃ）、図１（ｄ）の右側に示したような記号で表記するものとする。

次に、図２を参照して、本発明に使用されるハルバッハ配列磁石集合体（以下、配列磁石集合体と略称することがある）の最小限の構成要素であるハルバッハ配列磁石体（以下、配列磁石体と略称することがある）の例について説明する。図２に示される矢印も磁極の向きを示す。

図２（ａ）は、配列磁石体を中心軸側に配置し、その外側に環状コイルを配置する円筒型リニアモーターの場合の最小単位の配列磁石体の例である。この例によれば、長さ方向に異方性を持つ第１の円筒状磁石１０と、該円筒状磁石１０のＮ極側（矢印の先端側）の端部に組み合わされた磁石であって、半径方向に異方性を持ち磁石の外周を向くように磁化した第２の円筒状磁石１２と、第１の円筒状磁石１０のＳ極側（矢印の終端側）の端部に組み合わされた磁石であって、半径方向に異方性を持ち磁石の中心方向を向くように磁化した第３の円筒状磁石１３と、を有する配列磁石体が提供される。

本例の配列磁石体は、第２の円筒状磁石１２の外周を出て第３の円筒状磁石１３の外周に入り、第３の円筒状磁石１３から第１の円筒状磁石１０に入る外周側の磁束密度が、内周側の磁束密度に比べてはるかに大きいという特徴を有している。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示されている配列磁石体を、左右逆にして示しており、図２（ａ）と同じ例として考えて良い。図２（ｂ）を示した理由は、後述の図３の説明で明らかになる。

図３は、図２で説明した最小単位の配列磁石体を複数組（ここでは４組）、直列に組み合わせて配列磁石集合体を構成した例を示す。この配列磁石集合体においては、隣り合う２組（例えば１組目と２組目）の配列磁石体の一方の組（１組目）は、第１の円筒状磁石１０の磁極の向きが、他方の組（２組目）の配列磁石体の第１の円筒状磁石１０の磁極の向きと反対になるように他方の組（２組目）に組み合わせるようにして、第３の円筒状磁石１３を共用できる構成としている。同様にして、２組目と３組目では第２の円筒状磁石１２を共用でき、３組目と４組目で第３の円筒状磁石１３を共用できる。つまり、隣り合う２組の配列磁石体において第３の円筒状磁石１３又は第２の円筒状磁石１２を交互に共用する構成としている。

この配列磁石集合体は、後で図８を参照して説明するように、中心軸側に固定配置してコイル可動型の円筒型リニアモーターを構成するのに適している。この配列磁石集合体はまた、後で図１１、図１２を参照して説明するように、中心軸側に軸方向に直動可能に配置して磁石可動型の円筒型リニアモーターを構成するのにも適している。これは、図２に示す配列磁石体においては、円筒状磁石１０、１２、１３の外周側の磁束密度が内周側の磁束密度に比べてはるかに大きいという特徴を有しているからである。

図３のような配列磁石集合体は、すべての円筒状磁石の中心部の穴に、両端にネジ部を持つステンレス製のシャフトを通し、両端をナットで固定して使用することができるが、これは一例にすぎず、これに限定されるものでないことは言うまでも無い。

ところで、ブロック状の磁石を直線状のハルバッハ配列としてリニアモーターの固定子を構成する場合、図４に示すように、４５度方向に異方性を持つ磁石（４５度方向異方性磁石）を使用することで、磁界の磁束分布を正弦波に近づけることができる。

一方、円筒型リニアモーター用に配列磁石体を組むときに、半径方向異方性円筒状磁石と軸方向異方性円筒状磁石は比較的容易に製造できるが、中間の４５度方向異方性円筒状磁石は製造が困難である。この４５度方向異方性円筒状磁石を挿入した配列磁石体であれば、その発生する磁界は限りなく正弦波に近く、高調波成分は測定が難しい程のレベルである。しかし、４５度方向異方性円筒状磁石を挿入しないと、若干の高調波成分が発生し、正弦波にひずみが生じる。こうなると、配列磁石体からの磁界分布を利用した磁気センサを用いる位置検出装置の検出精度が低下し、分解能を上げることが難しくなる。

このような問題点に対し、本発明者は、様々な試行、計測を行って検討を繰り返した結果、半径方向異方性円筒状磁石の長さと軸方向異方性円筒状磁石の長さの比を選ぶことで、発生磁界の磁束分布を正弦波に近づけることができるという知見に到達した。

具体的には、図３で説明した左側から順に第２の円筒状磁石１２−第１の円筒状磁石１０−第３の円筒状磁石１３−第１の円筒状磁石１０−第２の円筒状磁石１２の組み合わせによる配列磁石体（以下では、計測用配列磁石体と呼ぶ）を用い、第１の円筒状磁石１０の軸方向長さｂ、第２、第３の円筒状磁石１２、１３の軸方向長さａとして、長さａ、ｂを様々な組み合わせで変化させて磁束密度を計測した結果、以下のような計測値が得られた。

（第１の例：ａ＝ｂの場合）
外径２３．８ｍｍ、内径１０．０ｍｍ、長さ１１．０ｍｍの半径方向異方性円筒状磁石と、外径２３．８ｍｍ、内径１０．０ｍｍ、長さ１１．０ｍｍの軸方向異方性円筒状磁石を図３で説明した計測用配列磁石体のように構成して、ガウスメーターで磁石体表面の磁束密度を測定した。結果を図５に示す。ひずみ率は２％である。正弦波を破線で示し、測定結果を実線で示しているが、ほとんど重なりあっている。

（第２の例：ａ＝０．６８ｂの場合）
外径２３．８ｍｍ、内径１０．０ｍｍ、長さ１１．０ｍｍの半径方向異方性円筒状磁石と、外径２３．８ｍｍ、内径１０．０ｍｍ、長さ１６．０ｍｍの軸方向異方性円筒状磁石を図３で説明した計測用配列磁石体のように構成して、ガウスメーターで磁石体表面の磁束密度を測定した。結果を図６に示す。ひずみ率は０．６％である。本例でも正弦波を破線で示し、測定結果を実線で示しているが、ほとんど重なりあっている。

（第３の例：ａ＝０．５ｂの場合）
外径２３．８ｍｍ、内径１０．０ｍｍ、長さ１１．０ｍｍの半径方向異方性円筒状磁石と、外径２３．８ｍｍ、内径１０．０ｍｍ、長さ２２．０ｍｍの軸方向異方性円筒状磁石を図３で説明した計測用配列磁石体のように構成して、ガウスメーターで表面の磁束密度を測定した。結果を図７に示す。ひずみ率は４．２％である。本例でも正弦波を破線で示し、測定結果を実線で示しているが、ほとんど重なりあっている。

以上の計測結果から、第１の円筒状磁石１０の長さｂと第２、第３の円筒状磁石１２、１３の長さａとの関係は０．５ｂ≦ａ≦ｂが望ましく、０．７ｂ≦ａ≦０．８ｂがより好ましいという知見が得られた。一方、歪み率の観点から言えば、５％以内が望ましく、２％以内がより好ましい。

次に、図８を参照して、本発明によるコイル可動型の円筒型リニアモーターの実施形態について説明する。

図８は、図３に示すような配列磁石集合体を用いた円筒型リニアモーターの断面図である。

本実施形態においては、配列磁石集合体側を固定子とし、環状コイル側を可動子とするが、図１１、図１２で説明するように、配列磁石集合体側を可動子とし、環状コイル側を固定子とすることも可能である。

本実施形態において使用する円筒状磁石として、外径２３．５ｍｍ、内径６ｍｍ、長さ２２．５ｍｍの長さ方向（軸方向）に異方性を持つ円筒状Nd-Fe-B磁石（第１の円筒状磁石１０）と、外径２３．５ｍｍ、内径６ｍｍ、長さ１１．２５ｍｍの半径方向に異方性を持つ円筒状Nd-Fe-B磁石（第２、第３の円筒状磁石１２、１３）とが挙げられるが、一例にすぎず、本発明はこれらの数値に限定されないことは言うまでもない。また、磁石もNd-Fe-B磁石の他、Sm-Co磁石、フェライト磁石やその他の永久磁石であってもよい。

図８は、三相リニアモータ（円筒型リニアモータ）における固定子と可動子の断面図、特に固定子の中心軸に沿った縦断面図である。以下では、中心軸という場合、特にことわりがない場合、固定子の中心軸を意味する。また、固定子は断面円形、可動子は断面環状形が望ましいが、この限りではなく、固定子と可動子の断面形状が相互の移動を妨げないように適合していれば良い。

固定子３０は、図２で説明した配列磁石体を複数組、ここでは５組を直列に繋ぎ合わせてなる。すなわち、図３で説明したように、隣り合う２組の配列磁石体の一方の組は、第１の円筒状磁石１０の磁極の向きが、他方の組の配列磁石体の第１の円筒状磁石１０の磁極の向きと反対になるように他方の組に組み合わせるようにして、第３の円筒状磁石１３又は第２の円筒状磁石を交互に共用する構成としている。すなわち、１組目と２組目で第３の円筒状磁石１３を共用し、２組目と３組目では第２の円筒状磁石１２を共用し、３組目と４組目で第３の円筒状磁石１３を共用し、４組目と５組目では第２の円筒状磁石１２を共用する構成としている。

配列磁石体の組数は、可動子のストロークにより決められる。

このような配列磁石体を複数組、直列に繋ぎ合わせて配列磁石集合体を構成する手法の一例を説明すると以下の通りである。

少なくとも両端に近い部分にそれぞれ雄ネジを切った丸棒状のセンター軸４０の一端側にナット４１Ａを装着する。続いて、５組の配列磁石体からなる配列磁石集合体を構成すべく、第１〜第３の円筒状磁石を、１２−１０−１３−１０−１２−１０−１３−１０−１２−１０−１３の順にセンター軸４０に装着してゆく。なお、センター軸４０の全長に亘って雄ネジを形成しても良い。

配列磁石体５組分の円筒状磁石を装着したら、センター軸４０の他端側の雄ネジにナット４１Ｂを装着し、円筒状磁石相互の締め付けを行なう。ナットによる締め付けは、後で緩みが生じないように、ダブルナットで行なわれるのが望ましい。

次に、上記のように一体化した配列磁石集合体を円筒状のケーシング５０内に挿着する。ケーシング５０は、配列磁石集合体の外周に密着するような内径で薄い肉厚の方が望ましい。

ケーシング５０の両端は蓋部材４２Ａ、４２Ｂで塞ぐようにし、ケーシング５０内の気密を維持する必要がある場合には、ケーシング５０と蓋部材４２Ａ、４２Ｂの間に、Ｏ（オー）リング等のシール材を設けるか、あるいはロウ付け等の方法により密閉するのが好ましい。

センター軸４０、ケーシング５０は、ステンレス、アルミ、真鍮等の非磁性材料で提供される。また、通常、固定子３０は、その両端側において土台等に固定される。

以上のように構成された固定子３０の外周側に、６個の環状（円筒状を含む）コイル８０−１Ｕ、８０−１Ｖ’、８０−１Ｗ、８０−２Ｕ’、８０−２Ｖ、８０−２Ｗ’をコイルケーシング９０に装着してなる円筒状の可動子１００が、固定子３０に沿って直動可能に組み合わされる。なお、Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’は、巻線の方向が逆向きであることを示す。６個の環状コイルはそれぞれボビンに巻線を巻回してなり、巻線はスターあるいはデルタ結線されて、図示しない三相電源に接続されるとともに図示しない制御装置に接続される。

ここで、リニアモーターにおける永久磁石とコイルの関係について図９、図１０を参照して簡単に説明する。

通常、磁石を用いる三相リニアモーターに適用される磁石の磁極とＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルの関係は図９のようになる。つまり、磁極Ｎ−Ｎ間に対してＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルが対応し、磁極Ｎ−Ｎ間の長さ＝（Ｕ相コイル長＋Ｖ相コイル長＋Ｗ相コイル長）となる。また、各相のコイル長＝（磁極Ｎ−Ｎ間の長さ）／３となる。

磁極Ｎ−Ｎ間の長さが長いときは図１０のようにすることもできる。図１０に示されるように、磁極Ｎ−Ｎ間にＵ、Ｖ、Ｗの各相当たり２個、合計６個のコイルが入る。コイルの配置は、Ｕ相−Ｖ’相−Ｗ相−Ｕ’相−Ｖ相−Ｗ’相が基本構成となり、コイルの数が３個（６個、９個、１２個、・・・）を越える場合、この基本構成が繰り返される。前述したように、Ｖ’相、Ｕ’相、Ｗ’相は巻線の方向が逆にされる。各相のコイル長＝（磁極Ｎ−Ｎ間の長さ）／６となる。

図１０には、このような磁極Ｎ−Ｎ、三相を構成する６個のコイルと、図２で説明した配列磁石体を２組組み合わせた配列磁石集合体との関係を示している。

図８の円筒型リニアモーターでは、６個の環状コイルを示しているが、上述したように、三相の円筒型リニアモーターの構成に必要な環状コイルの最小限の個数は３個である。つまり、可動子側のコイルは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相１組を単位とし、必要推力に応じて複数組設置される。６個の環状コイルの合計長は、一例を挙げれば、（第２又は第３の円筒状磁石の長さ×２＋第１の円筒状磁石の長さ×２）である。また、円筒型リニアモーターとしての可動距離範囲は、図３の場合、（配列磁石集合体の全長−６個の環状コイルの合計長）となる。

可動子１００は、ケーシング５０の周囲に軸受等を介して直動可能に組み合わされるが、ケーシング５０に沿うように配置されたガイド棒を介して直動可能に支持されても良い。しかし、これらに限定されるものではない。更に、可動子１００は三相電源と接続するための可撓性の電力ケーブルを備えるが、コイルと三相電源との接続形態は、巻線のスターあるいはデルタ結線形態を含め、本発明の要旨ではないので、詳しい説明は省略する。これは、後述する図１１、図１２の例においても同様である。

可動子１００には、ケーシング５０の表面に近接しつつその移動方向に平行に延びるように位置検出装置２００が設置されている。位置検出装置２００とケーシング５０の間隔は狭いほど良いわけではなく、１ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上離した方が良い。後述する図１２の例のような配置ではケーシング５０から２０ｍｍ程度離れるが問題はない。位置検出装置２００は可動子１００と共に移動し、配列磁石集合体（ケーシング５０）表面の磁束密度を検出するための第１、第２の磁気センサＳ１、Ｓ２を有する。磁気センサとしてはホール素子、磁気抵抗効果素子（MR素子）及び差動トランスコイルセンサ等が使われる。第１の磁気センサＳ１は、配列磁石集合体（ケーシング５０）表面に生成される正弦波形の磁界の磁束密度を検出して第１の検出信号を出力する。第２の磁気センサＳ２は、配列磁石集合体（ケーシング５０）表面に生成される正弦波形の磁界の磁束密度を検出し、第１の検出信号に対して９０度の位相差を持つ第２の検出信号を出力する。このために、第１の磁気センサＳ１と第２の磁気センサＳ２の移動方向における間隔は磁極ピッチ（Ｎ極−Ｎ極間）の１／４に設定される。このような位置検出装置２００は、周囲温度変化やギャップ変化等の影響を受けにくい長所を持つ。

位置検出装置２００からの第１、第２の検出信号を用いて、図示しない制御装置により実行される可動子１００の位置制御を含む制御形態は良く知られている（例えば特許文献２）ので詳しい説明は省略する。

また、円筒型リニアモーターとしての動作原理もこれまでの円筒型リニアモーターと同様であるので、詳しい説明は省略する。

コイルケーシング９０は、その内径がケーシング５０の外径より大きく、配列磁石集合体（ケーシング５０）の外周と環状コイルの内周、厳密にはコイルケーシング９０の内周との間には微小ギャップが形成される。

なお、ケーシング５０の内周と配列磁石集合体の外周との間にギャップを設けると共に、蓋部材４２Ａ、４２Ｂにそれぞれ、等角度間隔をおいて中心軸方向に貫通する複数の孔を設け、一方の側の孔から圧縮空気等の冷媒を導入し、他方の側の孔から冷媒を排出することにより、固定子３０側の冷却を行うことができる。

以上のような構成により、三相の環状コイル８０−１Ｕ、８０−１Ｖ’、８０−１Ｗ、８０−２Ｕ’、８０−２Ｖ、８０−２Ｗ’に流す電流を制御して位置制御や速度制御を行うことで円筒型リニアモーターとして動作させることができる。

以上のような構成による円筒型リニアモーターは、図２、図３で説明した円筒状のハルバッハ配列磁石体を用いたことにより、生成される磁束の大部分が円筒状のハルバッハ配列磁石体の外周側、すなわち環状コイルに作用するので、磁気漏洩の低減、エネルギー効率の向上を実現することができ、環状コイルに作用する磁束密度が大幅に増加する結果、ハルバッハ配列磁石体を使用しない円筒型リニアモーターに比べて約１．２〜１．５倍の推力が得られる。

図１１を参照して、磁石可動型の円筒型リニアモーターの全体構成例について説明する。

この円筒型リニアモーターは、図８で説明した複数の環状コイルを固定子３００とし、環状コイルの空間内に配置されている配列磁石集合体を可動子４００として構成している。

具体的には、図８で説明したケーシング５０の断面円形空間の内壁に、配列磁石集合体を長さ方向（中心軸方向）に沿って配置したものを可動子４００とするために、固定子３００における複数の環状コイルの内側空間（図８のコイルケーシング９０の内側空間）に中心軸に沿って直動自在にケーシング５０を配置すると共に、ケーシング５０の両端に脚部４１０を固着し、これらの脚部４１０を介しての可動子４００の直動をテーブル５００上に固定したリニアガイド５１０でガイドするように構成している。

本例では、位置検出装置２００は、ケーシング５０の表面に近接しつつ可動子４００の移動方向に平行に延びるように固定子３００側に設置され、移動する配列磁石集合体（ケーシング５０）表面に生成される正弦波形の磁界の磁束密度を検出するように構成されている。

図１２は、位置検出装置の別の設置例を示した図である。この例では、位置検出装置２００’を固定子３００本体に設置している。そのため、位置検出装置２００’は配列磁石集合体（ケーシング５０）表面から離れることになるが、検出精度に支障は生じないことが確認されている。勿論、位置検出装置２００’は位置検出装置２００とまったく同じ構成である。この場合は、位置検出装置を含めた固定子の移動方向における長さが図８の場合に比較して短くなるために、配列磁石集合体の全長に対して有効な長さが長くなる。

以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態、図示された構成に限定されないことは言うまでも無い。

本発明は、ハルバッハ配列磁石体を用いる円筒型リニアアモーター全般、特に円筒型リニアサーボモーターにおいて、有用に利用することができる。

１０ 第１の円筒状永久磁石
１２ 第２の円筒状永久磁石
１３ 第３の円筒状永久磁石
３０、３００ 固定子
４０ センター軸
４１Ａ、４１Ｂ ナット
５０ ケーシング
８０−１Ｕ、８０−２Ｕ’、８０−１Ｖ’、８０−２Ｖ、８０−１Ｗ、８０−２Ｗ’ 環状コイル
９０ コイルケーシング
１００、４００ 可動子
２００、２００’ 位置検出装置
４１０ 脚部
５１０ リニアガイド
Ｓ１、Ｓ２ 磁気センサ

Claims (8)

1. 長さ方向に異方性を持つ第１の円筒状永久磁石の一端側に、半径方向に異方性を持つ第２の円筒状永久磁石を組み合わせ、他端側には半径方向に異方性を持つと共に前記第２の円筒状永久磁石の磁極の向きとは反対の磁極の向きを持つ第３の円筒状永久磁石を組み合わせてなる配列磁石体を少なくとも１組備え、
   前記第２の円筒状永久磁石と前記第３の円筒状永久磁石は同じ長さａを有し、
   前記第１の円筒状永久磁石の長さｂと前記長さａとの関係を、０．５ｂ≦ａ≦ｂとしたことを特徴とする円筒型リニアモーター。
2. 前記第１の円筒状永久磁石の長さｂと前記長さａとの関係を、０．７ｂ≦ａ≦０．８ｂとしたことを特徴とする請求項１に記載の円筒型リニアモーター。
3. 前記配列磁石体は、前記第１の円筒状永久磁石のＮ極側に、外周側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第２の円筒状永久磁石を組み合わせ、前記第１の円筒状永久磁石のＳ極側に、中心軸側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第３の円筒状永久磁石を組み合わせてなり、
   前記配列磁石体を複数組、直列に組み合わせた配列磁石集合体を備え、該配列磁石集合体において隣り合う２組の前記配列磁石体の一方の組は、前記第１の円筒状永久磁石の磁極の向きが、他方の組の前記配列磁石体の前記第１の円筒状永久磁石の磁極の向きと反対になるように前記他方の組に組み合わせるようにして、前記第３の円筒状永久磁石又は第２の円筒状永久磁石を交互に共用する構成としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の円筒型リニアモーター。
4. 前記配列磁石集合体における前記第１〜第３の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に構成した断面円形の固定子と、
   前記固定子の外周側に該固定子に沿って直動可能に組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した可動子とで、円筒型リニアモーターとして作用するように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の円筒型リニアモーター。
5. 前記可動子側に取り付けられて前記配列磁石集合体からの磁界を検出し、互いに９０度の位相差を持つ検出信号を出力する２つの磁気センサを含む位置検出装置を備えたことを特徴とする請求項３に記載の円筒型リニアモーター。
6. 前記配列磁石集合体における前記第１〜第３の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に中心軸方向に可動とした断面円形の可動子と、
   前記可動子の外周側に中心軸方向に沿って組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した固定子とで、円筒型リニアモーターとして作用するように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の円筒型リニアモーター。
7. 前記可動子側に取り付けられて前記配列磁石集合体からの磁界を検出し、互いに９０度の位相差を持つ検出信号を出力する２つの磁気センサを含む位置検出装置を備えたことを特徴とする請求項６に記載の円筒型リニアモーター。
8. 前記円筒型リニアモーターは三相駆動型であり、前記複数の環状コイルがＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルの組み合わせを１組とする少なくとも１組からなることを特徴とする請求項４又は６に記載の円筒型リニアモーター。

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