JP2019122090A - 直動電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを抑制しつつ、従来に比して直動電動機の推力特性を向上させることができる直動電動機を提供する。【解決手段】直動電動機は、複数のコイルが周方向に並べて配置された柱状の電機子と、電機子を囲繞する磁極子とを備える。磁極子は、鉄心と複数の永久磁石とを具備する磁極ブロックを複数有する。各磁極ブロックの鉄心は電機子のコイルと対向して配置される。磁極ブロックの各永久磁石はコイルとの対向面を開放して鉄心を囲繞する。各磁極ブロックでは、複数の永久磁石が鉄心に同一の磁極を向けて配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石と鉄心とを有する磁極子を備える直動電動機に関する。

特許文献１には、円柱状の磁極子と、当該磁極子の外周を囲むように配置された円筒状の電機子とを有する直動電動機が開示されている。この直動電動機では、電機子において複数のコイルが周方向に並べて設けられ、磁極子においてコイルと同数の永久磁石が周方向に並べて設けられている。各永久磁石は１つの磁極面をコイルに対向させて配置され、隣り合う永久磁石の磁極は互いに反対の極性とされている。

特許文献２には、永久磁石がハルバッハ配列された磁極子を有する直動電動機が開示されている。ハルバッハ配列では鉄心を用いずにコイルに多くの磁束を鎖交させることができ、軽量で高出力の直動電動機を得ることができる。

特表２０１４−５０４１２９号公報 特許第５４０４０２９号公報

電動機において、体積当たりの推力を増加させるためには、次の２つの方法がある。
（１）推力発生面、即ち、磁極子と電機子との対向面の面積を増加させる。
（２）コイルを大型化することで、電機子から生じる磁束を増加させる。
しかしながら、特許文献１に開示された直動電動機では、推力発生面を大きくするために磁極子の半径を大きくすると、電機子のコイルを設ける空間（コイルスペース）が減少し、コイルが小型化してしまう。電機子のバックヨークを薄くすることでコイルスペースを増加させることはできるが、バックヨークで磁気飽和が生じ、推力特性が低下する。一方、ハルバッハ配列は磁路中の磁石量を増加させることで空隙中の磁束密度を増加させる手法であり、磁石量が多くなるため高コストとなる。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、上記課題を解決することができる直動電動機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の直動電動機は、複数のコイルが周方向に並べて配置された柱状の電機子と、前記電機子を囲繞する磁極子とを備え、前記磁極子は、前記コイルと対向して配置される鉄心と、前記コイルとの対向面を開放して前記鉄心を囲繞する複数の永久磁石とを具備する磁極ブロックを複数有し、前記磁極ブロックにおいて、前記複数の永久磁石が前記鉄心に同一の磁極を向けて配置される。

この態様において、複数の前記磁極ブロックのそれぞれは、異なる磁極が周方向に交互に並ぶように配置されてもよい。

また、上記態様において、複数の前記磁極ブロックのそれぞれは、同一磁極が周方向に並ぶように配置されてもよい。

また、上記態様において、複数の前記磁極ブロックのそれぞれは、前記電機子の長手方向に異なる磁極が交互に並ぶように配置されてもよい。

また、上記態様において、隣り合う前記磁極ブロックは、永久磁石の一面を互いに密着させていてもよい。

また、上記態様において、前記鉄心は、前記電機子の長手方向視において先端が欠落した扇形の互いに平行な２つの円環扇形面と、前記２つの円環扇形面に対して垂直な４つの側面とを有する立体形状をなし、前記磁極ブロックは、前記鉄心における前記扇形の半径方向内側の側面以外の５つの面のそれぞれに前記永久磁石が取り付けられて構成されていてもよい。

また、上記態様において、前記鉄心は、前記電機子の長手方向視において台形状の互いに平行な２つの台形面と、前記２つの台形面に対して垂直な４つの側面とを有する多面体状をなし、前記磁極ブロックは、前記鉄心における前記台形の上底側の側面以外の５つの面のそれぞれに前記永久磁石が取り付けられて構成されていてもよい。

また、上記態様において、前記鉄心は、前記電機子の長手方向視において五角形の一辺が円弧状とされた形状の互いに平行な２つの主面と、前記２つの主面に対して垂直な５つの側面とを有する立体形状をなし、前記磁極ブロックは、前記鉄心における前記円弧状の側面以外の６つの面のそれぞれに前記永久磁石が取り付けられて構成されていてもよい。

また、上記態様において、前記鉄心は、互いに平行な菱形の２つの面と、前記２つの面に対して垂直な４つの面とを有する六面体が、前記菱形の一の対角線に平行な軸を中心に、他の対角線を円弧状に湾曲させた立体形状をなし、前記磁極ブロックは、前記鉄心における半径方向内側の円弧面以外の５つの面のそれぞれに前記永久磁石が取り付けられて構成されていてもよい。

また、上記態様において、前記磁極子は、推力を伝達する対象物を取り付けるために一部が欠落した環状に構成されていてもよい。

本発明によれば、コストを抑制しつつ、従来に比して直動電動機の推力特性を向上させることができる。

実施の形態１に係る直動電動機の構成を示す斜視図。 実施の形態１に係る電機子の構成を示す平面断面図。 実施の形態１に係る磁極子の構成を示す斜視図。 実施の形態１に係る磁極ブロックの構成を示す分解斜視図。 実施の形態１に係る磁極子の磁路を説明するための部分拡大平面断面図。 図５のＡ−Ａ線による断面図。 実施の形態１に係る電機子コイルから生じた磁路を示す部分拡大平面断面図。 実施の形態２に係る直動電動機の構成を示す平面図。 実施の形態２に係る直動電動機を用いたラックアンドピニオン機構の構成を示す平面図。 実施の形態２に係る直動電動機を用いたラックアンドピニオン機構の構成を示す側面図。 実施の形態３に係る電機子の構成を示す斜視図。 実施の形態３に係る磁極子の構成を示す斜視図。 実施の形態３に係る電機子の構成を示す平面図。 図１３のＢ−Ｂ線における矢視図。 実施の形態３に係る磁極ブロックの構成を示す分解斜視図。 実施の形態３に係る磁極子の内側面を平面に展開した状態を示す図。 実施の形態４に係る磁極子の構成を示す平面断面図。 実施の形態４に係る磁極ブロックの構成を示す分解斜視図。 実施の形態５に係る磁極子の構成を示す平面断面図。 実施の形態５に係る磁極ブロックの構成を示す分解斜視図。 磁極子の構成の変形例を示す平面断面図。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態では、複数のコイルが周方向に並べて配置された円柱状の電機子と、電機子を囲繞する円環状の磁極子とを備える直動電動機について説明する。磁極子は、異なる磁極が周方向に交互に並ぶように複数の磁極ブロックが円環状に配置されて構成される。

図１は、本実施の形態に係る直動電動機の構成を示す斜視図である。直動電動機１００は、円柱状の電機子１１０と、円環状の磁極子１２０とを備える。電機子１１０と磁極子１２０とは同心円状に配置され、磁極子１２０が電機子１１０を囲繞する。直動電動機１００が駆動されると、電機子１１０と磁極子１２０とが相対的に直線移動する。ここで、磁極子１２０を可動子とし、電機子１１０を固定子とする構成としてもよいし、電機子１１０を可動子とし、磁極子１２０を固定子とする構成としてもよい。本実施の形態では、磁極子１２０を可動子とし、電機子１１０を固定子とする構成について説明する。なお、以下の説明では、電機子１１０の中心軸１０１の長手方向を「可動方向」、中心軸１０１を中心とする円周方向を「周方向」、中心軸１０１に直交する方向を「半径方向」という。

図２を参照して、電機子１１０の構成について説明する。図２は電機子の構成を示す平面断面図である。電機子１１０は、電機子コイル１１１と、ティース部１１２と、ヨーク部１１３とを有する。ヨーク部１１３は円筒状をなしており、その外側面からは平面視においてＴ字状のティース部１１２が周方向に等間隔に並ぶように半径方向外側に突出している。ティース部１１２は、軸方向にもヨーク部１１３から並べて設けられている。

ヨーク部１１３とティース部１１２とは電機子部材１１５として一体的に形成されている。かかる電機子部材１１５は、軟鉄、ソフトフェライト等の軟磁性体によって構成される。また、各ティース部１１２には導線が巻回され電機子コイル１１１が形成される。電機子コイル１１１は、周方向に１０個設けられている。

次に、磁極子１２０の構成について説明する。図１に示すように、磁極子１２０は、円環状をなしており、電機子１１０の半径方向外側に配置される。図３は、磁極子１２０の構成を示す斜視図である。かかる磁極子１２０は、複数の磁極ブロック１２１を有しており、これらの磁極ブロック１２１が周方向に並べられた構造となっている。

図４は、磁極ブロック１２１の構成を示す分解斜視図である。磁極ブロック１２１は、軟磁性体の鉄心１２２と、５つの板状の永久磁石１２３ａ〜１２３ｅとを有している。鉄心１２２は、軸方向視において先端が円弧状に欠落した扇形（以下、「円環扇形」という）の互いに平行な２つの面（以下、「円環扇形面」という）と、これらの円環扇形面に対して垂直な４つの側面とを有する立体形状をなしている。永久磁石１２３ａ及び１２３ｂは、鉄心１２２の円環扇形面と同じ又は若干大きい円環扇形の主面を有しており、鉄心１２２の円環扇形面を隠すようにそれぞれに取り付けられる。永久磁石１２３ｃ及び１２３ｄは、鉄心１２２の軸方向長さと同一又は若干大きい幅を有しており、鉄心１２２の長方形の側面（つまり、半径方向と平行な側面）を隠すようにそれぞれに取り付けられる。また、永久磁石１２３ｅは、鉄心１２２の大きい方の円弧面、即ち外側円弧面と同一の外径の円弧板状をなしており、鉄心１２２の外側円弧面を隠すようにこれに取り付けられる。つまり、鉄心１２２には、内側円弧面を開放して囲繞するように永久磁石１２３ａ〜１２３ｅが取り付けられる。また、各永久磁石１２３ａ〜１２３ｅは、鉄心１２２に同一の磁極を向けて配置される。鉄心１２２の開放された内側円弧面は可動子磁極１２４となる。後述するように、可動子磁極１２４は、各永久磁石１２３ａ〜１２３ｅが鉄心１２２を向く面の磁極と同一磁極となる。また、各永久磁石１２３ａ〜１２３ｅの外側を向く面（鉄心１２２とは反対側の面）は可動子磁極１２４の反対磁極となる。

図３を参照する。磁極ブロック１２１のそれぞれは、長方形の側面同士を接して周方向に互いに接続される。周方向に隣接する２つの磁極ブロック１２１の可動子磁極１２４は互いに異なる磁極とされる。つまり、異なる可動子磁極１２４が交互に並ぶように各磁極ブロック１２１が周方向に並べられる。このため、周方向について隣り合う磁極ブロック１２１の接合面は一方がＳ極となり他方がＮ極となる。したがって、隣り合う２つの磁極ブロック１２１が磁力によって互いに引きつけ合い、複数の磁極ブロック１２１を容易に周方向に並べて配置することができる。

また、複数の磁極ブロック１２１が一列に並んだ円環状の構造体は軸方向に複数積層される。軸方向に隣接する磁極ブロック１２１のそれぞれは、円環扇面同士を接して互いに接続される。軸方向に隣接する２つの磁極ブロック１２１の可動子磁極１２４は互いに異なる磁極とされる。つまり、異なる可動子磁極１２４が交互に並ぶように各磁極ブロック１２１が軸方向に並べられる。このため、軸方向について隣り合う磁極ブロック１２１の接合面は一方がＳ極となり他方がＮ極となる。したがって、隣り合う２つの磁極ブロック１２１が磁力によって互いに引きつけ合い、複数の磁極ブロック１２１を容易に軸方向に並べて配置することができる。

さらに積層された円環状の構造体を囲繞するように円筒状の軟磁性体からなるバックヨーク１２５が外側に配置される。このため、各磁極ブロック１２１は可動子磁極１２４以外の磁極が外部に露出されず、バックヨーク１２５内に磁路が形成される。

図５は磁極子１２０の磁路を説明するための部分拡大平面断面図であり、図６は図５のＡ−Ａ線による断面図である。図５及び図６において、矢印は磁化方向を示しており、極性はＳ→Ｎとなっている。鉄心１２２は、その周囲を取り囲む永久磁石１２３ａ〜１２３ｅによって磁化される。Ｓ極が鉄心１２２に面する永久磁石１２３ａ〜１２３ｅから出た磁束が鉄心１２２内を進む。鉄心１２２には５面に永久磁石１２３ａ〜１２３ｅが取り付けられているため、これらの５つの永久磁石１２３ａ〜１２３ｅのそれぞれから出た磁束が鉄心１２２の内部を進み、それぞれの磁束が半径方向内向きに進行して可動子磁極１２４から内側の空間（電機子１１０とのギャップ）に出る。かかる磁束は放射状に周方向及び軸方向に分岐し、隣の磁極ブロック１２１のＮ極の可動子磁極１２４から鉄心１２２の内部に進入する。この鉄心１２２には、周方向及び軸方向のそれぞれに隣り合う４つの磁極ブロック１２１からの磁束が進入する。この鉄心１２２には永久磁石１２３ａ〜１２３ｅのＮ極が面しているため、磁束はさらにこの鉄心１２２の内部を進み、軸方向、周方向、及び半径方向外向きのそれぞれに分岐して永久磁石１２３ａ〜１２３ｅに入る。永久磁石１２３ｃ及び１２３ｄからは周方向に隣接する永久磁石１２３ｃ及び１２３ｄへと磁束が戻る。永久磁石１２３ａ及び１２３ｂからは軸方向に隣接する永久磁石１２３ａ及び１２３ｂへと磁束が戻る。また、永久磁石１２３ｅから出た磁束はバックヨーク１２５を周方向及び軸方向のそれぞれに分かれて進行し、周方向及び軸方向に隣接する磁極ブロック１２１の永久磁石１２３ｅに入る。

可動子磁極１２４は、当該可動子磁極１２４を含む鉄心１２２に面した永久磁石１２３ａ〜１２３ｅの磁極と同一極性となる。つまり、鉄心１２２に永久磁石１２３ａ〜１２３ｅのＳ極が面している場合、当該鉄心１２２の可動子磁極１２４はＳ極となり、鉄心１２２に永久磁石１２３ａ〜１２３ｅのＮ極が面している場合、当該鉄心１２２の可動子磁極１２４はＮ極となる。

上記のような構成の直動電動機１００において、電機子コイル１１１に電流を流すと、電機子コイル１１１の周囲に磁界が発生する。図７は、電機子コイル１１１から生じた磁路を示す部分拡大平面断面図である。各電機子コイル１１１の断面の回りに環状の磁路が形成される。このとき、ティース部１１２の磁極子１２０との対向面が磁極（電機子磁極１１４）となる。

電機子コイル１１１によって生じた磁束は、ギャップを通じて可動子磁極１２４から鉄心１２２に入り、永久磁石１２３ａ〜１２３ｄを通過する。永久磁石１２３ｃ，１２３ｄを通過した磁束は、隣の磁極ブロック１２１の永久磁石１２３ｃ，１２３ｄを介して鉄心１２２に入り、Ｓ極の可動子磁極１２４からギャップに出て、これに対向するＮ極の電機子磁極１１４に入る。図示しないが、永久磁石１２３ａ，１２３ｂを通過した磁束も同様にして、隣の磁極ブロック１２１の永久磁石１２３ａ，１２３ｂを介して鉄心１２２に入り、Ｓ極の可動子磁極１２４からギャップに出て、Ｎ極の電機子磁極１１４に入る。

なお、電機子コイル１１１によって生じた磁束が永久磁石１２３ｅを通過してもよいし、通過しなくてもよい。当該磁束が永久磁石１２３ｅを通過するか否かは直動電動機１００の構成による。例えば、鉄心１２２の半径方向寸法が小さく電機子磁極１１４と永久磁石１２３ｅとの距離が短ければ、電機子磁極１１４から生じた磁束が永久磁石１２３ｅを通過しやすく、鉄心１２２の半径方向寸法が大きく電機子磁極１１４と永久磁石１２３ｅとの距離が長ければ、電機子磁極１１４から生じた磁束が永久磁石１２３ｅを通過しにくい。本実施の形態に係る直動電動機１００は、各鉄心１２２を永久磁石１２３ａ〜１２３ｅが取り囲んでいるため、従来型の鉄心の２面にのみ永久磁石が取り付けられた構造の回転子に比べて、可動子磁極１２４に生じる磁束が増大される。したがって、直動電動機１００における磁気効率が向上する。

（実施の形態２）
本実施の形態では、複数のコイルが周方向に並べて配置された円柱状の電機子と、一部が欠落した円環状の磁極子とを備える直動電動機について説明する。

図８は、本実施の形態に係る直動電動機の構成を示す平面図である。直動電動機２００は、柱状の電機子２１０と、一部が欠落した円環状の磁極子２２０とを備える。電機子２１０と磁極子２２０とは同軸的に配置され、磁極子２２０が電機子２１０を囲繞する。直動電動機２００が駆動されると、電機子２１０と磁極子２２０とが相対的に直線移動する。ここで、磁極子２２０を可動子とし、電機子２１０を固定子とする構成としてもよいし、電機子２１０を可動子とし、磁極子２２０を固定子とする構成としてもよい。本実施の形態では、磁極子２２０を可動子とし、電機子２１０を固定子とする構成について説明する。

電機子２１０は、電機子コイル２１１と、ティース部２１２と、ヨーク部２１３とを有する。ヨーク部２１３は円柱状をなしている。ヨーク部２１３の円弧面からは外周の一部の範囲を除き、平面視においてＴ字状のティース部２１２が周方向に等間隔に並ぶように半径方向外側に突出している。ティース部２１２は、軸方向にもヨーク部２１３から並べて設けられている。即ち、本実施の形態に係る電機子部材２１５は、実施の形態１に係る電機子部材１１５から一部のティース部１１２が取り除かれた形状となっている。かかる電機子部材２１５は、軟鉄、ソフトフェライト等の軟磁性体によって構成される。

各ティース部２１２には導線が巻回され電機子コイル２１１が形成される。電機子コイル２１１は、周方向に８個設けられている。電機子部材２１５のティース部２１２が設けられていない部分は非コイル部２１６とされる。

次に、磁極子２２０の構成について説明する。図８に示すように、磁極子２２０は、一部が欠落した円環状、即ち平面視においてＣ字状をなしており、電機子２１０の半径方向外側に配置される。さらに詳細に説明すると、磁極子２２０の欠落部は、ヨーク部２１３の非コイル部２１６に周方向の位置を合わせて配置される。かかる磁極子２２０は、複数の磁極ブロック１２１を有しており、これらの磁極ブロック１２１が周方向に並べられた構造となっている。なお、磁極ブロック１２１の構成については、実施の形態１におけるものと同様であるので、その説明を省略する。

磁極ブロック１２１のそれぞれは、長方形の側面同士を接して周方向に互いに接続される。周方向に隣接する２つの磁極ブロック１２１の可動子磁極１２４は互いに異なる磁極とされる。つまり、異なる可動子磁極１２４が交互に並ぶように各磁極ブロック１２１が周方向に並べられる。このため、周方向について隣り合う磁極ブロック１２１の接合面は一方がＳ極となり他方がＮ極となる。したがって、隣り合う２つの磁極ブロック１２１が磁力によって互いに引きつけ合い、複数の磁極ブロック１２１を容易に周方向に並べて配置することができる。

また、複数の磁極ブロック１２１が一列に並んだ一部が欠落した円環状の構造体は軸方向に複数積層される（図示せず）。軸方向に隣接する磁極ブロック１２１のそれぞれは、円環扇面同士を接して互いに接続される。軸方向に隣接する２つの磁極ブロック１２１の可動子磁極１２４は互いに異なる磁極とされる。つまり、異なる可動子磁極１２４が交互に並ぶように各磁極ブロック１２１が軸方向に並べられる。このため、軸方向について隣り合う磁極ブロック１２１の接合面は一方がＳ極となり他方がＮ極となる。したがって、隣り合う２つの磁極ブロック１２１が磁力によって互いに引きつけ合い、複数の磁極ブロック１２１を容易に軸方向に並べて配置することができる。

さらに積層された平面視Ｃ字状の構造体を囲繞するように平面視Ｃ字の筒状の軟磁性体からなるバックヨーク２２５が外側に配置される。このため、各磁極ブロック１２１は可動子磁極１２４以外の磁極が外部に露出されず、バックヨーク２２５内に磁路が形成される。なお、本実施の形態に係る磁極ブロック１２１に形成される磁路は、実施の形態１で説明した物と同様であるので、その説明を省略する。同様に、本実施の形態に係る電機子コイル２１１によって形成される磁路は、実施の形態１に係る電機子コイル１１１によって形成される磁路と同様であるので、その説明を省略する。

上記の磁極子２２０における欠落部には、推力を伝達する対象物が取り付けられる。図９は、本実施の形態に係る直動電動機を用いたラックアンドピニオン機構の構成を示す平面図であり、図１０はその側面図である。図９及び図１０に示すように、推力伝達対象をラックアンドピニオン機構２３０におけるラックギア２３１とすることができる。本実施の形態に係る直動電動機２００においては、磁極子２１０の一部が欠落しているため、この欠落部において磁気が発生せず、電機子２１０と磁極子２２０との間に生じる磁気吸引力が周方向で不均一となる。このため、欠落部の反対側において磁極子２２０が電機子２１０に引きつけられ、ラックギア２３１がピニオンギア２３２に押し付けられる。この結果、ラックギア２３１の歯の両面がピニオンギア２３２の２つの歯にそれぞれ接触した状態となり、バックラッシュが防止される。

（実施の形態３）
本実施の形態では、周方向に同極が並び、軸方向に交互に異極が並ぶように配置した磁極子を備える直動電動機について説明する。

図１１は、本実施の形態に係る電機子の構成を示す斜視図であり、図１２は、本実施の形態に係る磁極子の構成を示す斜視図である。本実施の形態に係る直動電動機は、円柱状の電機子３１０と、円環状の磁極子３２０とを備える。電機子３１０と磁極子３２０とは同心円状に配置され、磁極子３２０が電機子３１０を囲繞する。直動電動機が駆動されると、電機子３１０と磁極子３２０とが軸方向に相対的に直線移動する。ここで、磁極子３２０を可動子とし、電機子３１０を固定子とする構成としてもよいし、電機子３１０を可動子とし、磁極子３２０を固定子とする構成としてもよい。本実施の形態では、磁極子３２０を可動子とし、電機子３１０を固定子とする構成について説明する。

図１３及び図１４を参照して、電機子３１０の構成について説明する。図１３は電機子の構成を示す平面図であり、図１４は図１３のＢ−Ｂ線における矢視図、即ち、円筒状の電機子を平面的に展開したときの図である。電機子３１０は、電機子コイル３１１と、ティース部３１２と、ヨーク部３１３とを有する。ヨーク部３１３は円筒状をなしており、その外側面からは、周方向に概ね一周するように一部が欠落した環状のティース部３１２が半径方向外側に突出している。また、ヨーク部３１３には複数のティース部３１２が軸方向に並べて設けられている。

ヨーク部３１３とティース部３１２とは電機子部材３１５として一体的に形成されている。かかる電機子部材３１５は、軟鉄、ソフトフェライト等の軟磁性体によって構成される。各ティース部３１２には導線が巻回され電機子コイル３１１が形成される。１つの電機子コイル３１１は、ヨーク部３１３の外周を概ね一周する。

次に、磁極子３２０の構成について説明する。図１２に示すように、磁極子３２０は、円環状をなしており、電機子３１０の半径方向外側に配置される。かかる磁極子３２０は、複数の磁極ブロック３２１を有しており、これらの磁極ブロック３２１が周方向に並べられた構造となっている。

図１５は、磁極ブロック３２１の構成を示す分解斜視図である。磁極ブロック３２１は、軟磁性体の鉄心３２２と、５つの板状の永久磁石３２３ａ〜３２３ｅとを有している。鉄心３２２は、互いに平行な菱形の２つの面と、前記２つの面に対して垂直な４つの面とを有する六面体が、菱形の一の対角線に平行な軸を中心に、他の対角線を円弧状に湾曲させた立体形状をなしている。以下、周方向内側の菱形の円弧面を「内側菱形円弧面」、周方向外側の菱形の円弧面を「外側菱形円弧面」といい、内側菱形円弧面と外側菱形円弧面とを繋ぐ４つの面のそれぞれを「側面」という。

永久磁石３２３ａ乃至３２３ｄは、鉄心３２２の側面と同じ又は若干大きい主面を有しており、鉄心３２２の側面を隠すようにそれぞれに取り付けられる。永久磁石３２３ｅは、鉄心３２２の外側菱形円弧面と同じ又は若干大きい主面を有した円弧板状をなしており、外側菱形円弧面を隠すように取り付けられる。つまり、鉄心３２２には、内側菱形円弧面を開放して囲繞するように永久磁石３２３ａ〜３２３ｅが取り付けられる。また、各永久磁石３２３ａ〜３２３ｅは、鉄心３２２に同一の磁極を向けて配置される。鉄心３２２の開放された内側菱形円弧面は可動子磁極３２４となる。可動子磁極３２４は、各永久磁石３２３ａ〜３２３ｅが鉄心３２２を向く面の磁極と同一磁極となる。また、各永久磁石３２３ａ〜３２３ｅの外側を向く面（鉄心３２２とは反対側の面）は可動子磁極３２４の反対磁極となる。

図１２を参照する。磁極ブロック３２１のそれぞれは、側面同士を接して軸方向及び周方向に対して斜めの方向に互いに接続される。隣接する２つの磁極ブロック３２１の可動子磁極３２４は互いに異なる磁極とされる。つまり、異なる可動子磁極３２４が交互に並ぶように各磁極ブロック３２１が軸方向及び周方向に対して斜めの方向に並べられる。このため、隣り合う磁極ブロック３２１の接合面は一方がＳ極となり他方がＮ極となる。したがって、隣り合う２つの磁極ブロック３２１が磁力によって互いに引きつけ合い、複数の磁極ブロック３２１を容易に並べて配置することができる。

図１６は、本実施の形態に係る磁極子の内側面を平面に展開した状態を示す図である。１つの磁極ブロック３２１の軸方向の両側及び周方向の両側のそれぞれには、頂点を対向させるように磁極ブロック３２１が配置される。このようにして互いに頂点を対向させて配置される磁極ブロック３２１の可動子磁極３２４は同一磁極とされる。つまり、磁極ブロック３２１は、同一の可動子磁極３２４が周方向に並ぶように配置され、また、同一の可動子磁極３２４が軸方向に並ぶように配置される。

以下の説明では、菱形円弧面の可動子磁極３２４が頂点を突き合わせるようにして周方向に一列に並んだ一群の磁極ブロック３２１を、磁極ブロック３２１の「列」という。１つの列に含まれる全ての可動子磁極３２４は同極とされる。また、隣り合う列は互いに異極とされる。図１６に示すように、１列目（最も軸方向の一方側の列）はＳ極とされ、２列目（軸方向一方側の２番目の列）はＮ極とされ、３列目はＳ極とされ、４列目はＮ極とされ、５列目はＳ極とされ、６列目はＮ極とされる。換言すれば、磁極子３２０において、前後方向に１列ずつ可動子磁極３２４が反転し、一列の周方向に同一の可動子磁極３２４が並ぶ。

上記のようにして複数の磁極ブロック３２１が互いに接続されて構成された円環状の構造体を囲繞するように円筒状の軟磁性体からなるバックヨーク３２５が外側に配置される。このため、各磁極ブロック３２１は可動子磁極３２４以外の磁極が外部に露出されず、バックヨーク３２５内に磁路が形成される。

上記のような構成の直動電動機において、電機子コイル３１１に電流を流すと、電機子コイル３１１の周囲に磁界が発生する。各電機子コイル３１１の断面の回りに環状の磁路が形成される。このとき、ティース部３１２の磁極子３２０との対向面が電機子磁極３１４（図１１参照）となる。

電機子コイル３１１に電流が流れると、電機子磁極３１４と可動子磁極３２４とが磁力によって吸引又は反発される。電機子コイル３１１に流れる電流が制御されることで、電機子コイル３１１によって生じる磁界が変化し、これによって磁極子３２０が軸方向に移動する。円環状のＳ極の電機子磁極３１４からは放射状に磁束が出る。かかる磁束は円環状に配置されたＮ極の列の各可動子磁極３２４に入り、この可動子磁極３２４を有する鉄心３２２に接する全ての永久磁石３２３を通過する。永久磁石３２３を出た磁束は、隣のＳ極の列の各磁極ブロック３２１の永久磁石３２３に入り、円環状に配置されたＳ極の各可動子磁極３２４から出て円環状のＮ極の電機子磁極３１４に入る。つまり、本実施の形態に係る直動電動機では、電機子３１０によって生じた磁束が磁極ブロック３２１の全ての永久磁石３２３を通過する。磁極子３２０では、各鉄心３２２を永久磁石３２３が取り囲んでいるため、従来型の鉄心の２面にのみ永久磁石が取り付けられた構造の磁極子に比べて、可動子磁極３２４に生じる磁束が増大される。したがって、直動電動機における磁気効率が向上する。

（実施の形態４）
本実施の形態では、軸方向視において台形状の互いに平行な２つの台形面と、２つの台形面に対して垂直な４つの側面とを有する多面体状の鉄心の５つの面に永久磁石が取り付けられた磁極ブロックにより構成された磁極子を有する直動電動機について説明する。

本実施の形態に係る電機子の構成は、実施の形態１に係る電機子の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態に係る磁極子の構成について説明する。図１７は、本実施の形態に係る磁極子の構成を示す平面断面図である。磁極子４２０は、多角形環状をなしており、電機子１１０の半径方向外側に配置される。かかる磁極子４２０は、複数の磁極ブロック４２１を有しており、これらの磁極ブロック４２１が周方向に並べられた構造となっている。

図１８は、磁極ブロック４２１の構成を示す分解斜視図である。磁極ブロック４２１は、軟磁性体の鉄心４２２と、５つの板状の永久磁石４２３ａ〜４２３ｅとを有している。鉄心４２２は、軸方向視において台形の互いに平行な２つの面（以下、「台形面」という）と、これらの台形面に対して垂直な４つの側面とを有する多面体状をなしている。永久磁石４２３ａ及び４２３ｂは、鉄心４２２の台形面と同じ又は若干大きい台形の主面を有しており、鉄心４２２の台形面を隠すようにそれぞれに取り付けられる。永久磁石４２３ｃ及び４２３ｄは、鉄心４２２の軸方向長さと同一又は若干大きい幅を有しており、鉄心４２２の台形の脚側の側面（つまり、半径方向と平行な側面）を隠すようにそれぞれに取り付けられる。また、永久磁石４２３ｅは、鉄心４２２の軸方向長さと同一又は若干大きい幅を有しており、鉄心４２２の台形の下底側の側面（つまり、半径方向外側を向く側面）を隠すようにこれに取り付けられる。つまり、鉄心４２２には、台形の上底側の側面（つまり、半径方向内側を向く側面）を開放して囲繞するように永久磁石４２３ａ〜４２３ｅが取り付けられる。また、各永久磁石４２３ａ〜４２３ｅは、鉄心４２２に同一の磁極を向けて配置される。鉄心４２２の開放された側面は可動子磁極４２４となる。可動子磁極４２４は、各永久磁石４２３ａ〜４２３ｅが鉄心４２２を向く面の磁極と同一磁極となる。また、各永久磁石４２３ａ〜４２３ｅの外側を向く面（鉄心４２２とは反対側の面）は可動子磁極４２４の反対磁極となる。

図１７を参照する。磁極ブロック４２１のそれぞれは、台形の脚側の側面同士を接して周方向に互いに接続される。周方向に隣接する２つの磁極ブロック４２１の可動子磁極４２４は互いに異なる磁極とされる。つまり、異なる可動子磁極４２４が交互に並ぶように各磁極ブロック４２１が周方向に並べられる。このため、周方向について隣り合う磁極ブロック４２１の接合面は一方がＳ極となり他方がＮ極となる。したがって、隣り合う２つの磁極ブロック４２１が磁力によって互いに引きつけ合い、複数の磁極ブロック４２１を容易に周方向に並べて配置することができる。

また、複数の磁極ブロック４２１が一列に並んだ環状の構造体は軸方向に複数積層される。軸方向に隣接する磁極ブロック４２１のそれぞれは、台形面同士を接して互いに接続される。軸方向に隣接する２つの磁極ブロック４２１の可動子磁極４２４は互いに異なる磁極とされる。つまり、異なる可動子磁極４２４が交互に並ぶように各磁極ブロック４２１が軸方向に並べられる。このため、軸方向について隣り合う磁極ブロック４２１の接合面は一方がＳ極となり他方がＮ極となる。したがって、隣り合う２つの磁極ブロック４２１が磁力によって互いに引きつけ合い、複数の磁極ブロック４２１を容易に軸方向に並べて配置することができる。

さらに積層された円環状の構造体を囲繞するように多角形筒状の軟磁性体からなるバックヨーク４２５が外側に配置される。このため、各磁極ブロック４２１は可動子磁極４２４以外の磁極が外部に露出されず、バックヨーク４２５内に磁路が形成される。バックヨーク４２５の外周面の頂点は、隣り合う２つの磁極ブロック４２１の接合位置の半径方向外側に設けられる。隣り合う２つの磁極ブロック４２１の接合位置の半径方向外側の部分は、一方の磁極ブロック４２１の永久磁石４２３ｅから出て他方の磁極ブロック４２１の永久磁石４２３ｅに入る磁束が通る箇所であり、磁束が集中する。このため、この部分に頂点を設けることによって、当該部分における半径方向に切断したときの断面積が大きくなり、磁気飽和を抑制することができる。

（実施の形態５）
本実施の形態では、軸方向視において五角形の一辺が円弧状とされた平行な２つの主面と、２つの主面に対して垂直な５つの側面とを有する立体形状の鉄心の６つの面に永久磁石が取り付けられた磁極ブロックにより構成された磁極子を有する直動電動機について説明する。

本実施の形態に係る電機子の構成は、実施の形態１に係る電機子の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態に係る磁極子の構成について説明する。図１９は、本実施の形態に係る磁極子の構成を示す平面断面図である。磁極子５２０は、円環状をなしており、電機子１１０の半径方向外側に配置される。かかる磁極子５２０は、複数の磁極ブロック５２１を有しており、これらの磁極ブロック５２１が周方向に並べられた構造となっている。

図２０は、磁極ブロック５２１の構成を示す分解斜視図である。磁極ブロック５２１は、軟磁性体の鉄心５２２と、６つの板状の永久磁石５２３ａ〜５２３ｆとを有している。鉄心５２２は、軸方向視において、五角形の一辺が円弧となった平面形状の互いに平行な２つの主面と、これらの主面に対して垂直な５つの側面とを有する立体形状をなしている。永久磁石５２３ａ及び５２３ｂは、鉄心５２２の略五角形の主面と同じ又は若干大きい形状の主面を有しており、鉄心５２２の主面を隠すようにそれぞれに取り付けられる。永久磁石５２３ｃ乃至５２３ｆは、鉄心５２２の軸方向長さと同一又は若干大きい幅を有しており、鉄心５２２の円弧面以外の側面を隠すようにそれぞれに取り付けられる。つまり、鉄心５２２には、円弧面（つまり、半径方向内側を向く側面）を開放して囲繞するように永久磁石５２３ａ〜５２３ｆが取り付けられる。また、各永久磁石５２３ａ〜５２３ｆは、鉄心５２２に同一の磁極を向けて配置される。鉄心５２２の開放された円弧面は可動子磁極５２４となる。可動子磁極５２４は、各永久磁石５２３ａ〜５２３ｆが鉄心５２２を向く面の磁極と同一磁極となる。また、各永久磁石５２３ａ〜５２３ｆの外側を向く面（鉄心５２２とは反対側の面）は可動子磁極５２４の反対磁極となる。

図１９を参照する。磁極ブロック５２１のそれぞれは、円弧面に連なる側面（つまり、半径方向に平行な側面）同士を接して周方向に互いに接続される。周方向に隣接する２つの磁極ブロック５２１の可動子磁極５２４は互いに異なる磁極とされる。つまり、異なる可動子磁極５２４が交互に並ぶように各磁極ブロック５２１が周方向に並べられる。このため、周方向について隣り合う磁極ブロック５２１の接合面は一方がＳ極となり他方がＮ極となる。したがって、隣り合う２つの磁極ブロック５２１が磁力によって互いに引きつけ合い、複数の磁極ブロック５２１を容易に周方向に並べて配置することができる。

また、複数の磁極ブロック５２１が一列に並んだ環状の構造体は軸方向に複数積層される。軸方向に隣接する磁極ブロック５２１のそれぞれは、概略五角形の主面同士を接して互いに接続される。軸方向に隣接する２つの磁極ブロック５２１の可動子磁極５２４は互いに異なる磁極とされる。つまり、異なる可動子磁極５２４が交互に並ぶように各磁極ブロック５２１が軸方向に並べられる。このため、軸方向について隣り合う磁極ブロック５２１の接合面は一方がＳ極となり他方がＮ極となる。したがって、隣り合う２つの磁極ブロック５２１が磁力によって互いに引きつけ合い、複数の磁極ブロック５２１を容易に軸方向に並べて配置することができる。

さらに積層された円環状の構造体を囲繞するように円筒状の軟磁性体からなるバックヨーク５２５が外側に配置される。このため、各磁極ブロック５２１は可動子磁極５２４以外の磁極が外部に露出されず、バックヨーク５２５内に磁路が形成される。

上記のように、本実施の形態に係る磁極ブロック５２１にあっては、半径方向外側において所定角度で互いに傾斜するように２つの永久磁石５２３ｅ及び５２３ｆを設けているため、実施の形態４のような半径方向外側に１つの永久磁石４２３ｅを設けた構成に比べて、永久磁石の表面積を大きくすることができる。このため、磁極ブロック５２１が生じる磁束量を増大させ、磁気特性を向上させることができる。

（その他の実施の形態）
上記の実施の形態１乃至５においては、磁極ブロックのそれぞれが固有の永久磁石を有する構成について述べたが、これに限定されるものではない。隣り合う磁極ブロックが１つの永久磁石を共有する構成であってもよい。図２１は、磁極子の構成の変形例を示す平面断面図である。図２１に示すように、この例に示す磁極子６２０では、半径方向に延びる板状の永久磁石６２３が、周方向に隣り合う磁極ブロック６２１によって共有される。つまり、周方向に隣り合う２つの鉄心６２２の間には、１つの永久磁石６２３が配置される。この永久磁石６２３のＳ極の面は１つの鉄心６２２に接合されており、この鉄心６２２の可動子磁極６２４がＳ極とされる。他方、永久磁石６２３のＮ極の面はもう一つの鉄心６２２に接合されており、この鉄心６２２の可動子磁極６２４がＮ極とされる。

また、上記の実施の形態３乃至５においては、磁極子を環状とする構成について述べたが、これに限定されるものではない。実施の形態２と同様に、磁極子を周方向の一部が欠落した環状とし、この欠落部にラックアンドピニオン機構等の推力伝達対象を取り付ける構成としてもよい。

本発明の直動電動機は、永久磁石と鉄心とを有する磁極子を備える直動電動機として有用である。

１００，２００， 直動電動機
１０１ 中心軸
１１０，２１０，３１０ 電機子
１１１，２１１，３１１ 電機子コイル
１１２，２１２，３１２ ティース部
１１３，２１３，３１３ ヨーク部
１１４ 電機子磁極
１１５，２１５，３１５ 電機子部材
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０，６２０ 磁極子
１２１，３２１，４２１，５２１，６２１ 磁極ブロック
１２２，３２２，４２２，５２２，６２２ 鉄心
１２３ａ〜１２３ｅ，３２３ａ〜３２３ｅ，４２３ａ〜４２３ｅ，５２３ａ〜５２３ｆ，６２３ 永久磁石
１２４，３２４，４２４，５２４，６２４ 可動子磁極
１２５，２２５，３２５，４２５，５２５ バックヨーク
２１６ 非コイル部
２３０ ラックアンドピニオン機構
２３１ ラックギア
２３２ ピニオンギア

Claims (10)

1. 複数のコイルが周方向に並べて配置された柱状の電機子と、
   前記電機子を囲繞する磁極子と
   を備え、
   前記磁極子は、前記コイルと対向して配置される鉄心と、前記コイルとの対向面を開放して前記鉄心を囲繞する複数の永久磁石とを具備する磁極ブロックを複数有し、
   前記磁極ブロックにおいて、前記複数の永久磁石が前記鉄心に同一の磁極を向けて配置される、
   直動電動機。
2. 複数の前記磁極ブロックのそれぞれは、異なる磁極が周方向に交互に並ぶように配置される、
   請求項１に記載の直動電動機。
3. 複数の前記磁極ブロックのそれぞれは、同一磁極が周方向に並ぶように配置される、
   請求項１に記載の直動電動機。
4. 複数の前記磁極ブロックのそれぞれは、前記電機子の長手方向に異なる磁極が交互に並ぶように配置される、
   請求項２又は３に記載の直動電動機。
5. 隣り合う前記磁極ブロックは、永久磁石の一面を互いに密着させている、
   請求項１乃至４の何れかに記載の直動電動機。
6. 前記鉄心は、前記電機子の長手方向視において先端が欠落した扇形の互いに平行な２つの円環扇形面と、前記２つの円環扇形面に対して垂直な４つの側面とを有する立体形状をなし、
   前記磁極ブロックは、前記鉄心における前記扇形の半径方向内側の側面以外の５つの面のそれぞれに前記永久磁石が取り付けられて構成されている、
   請求項５に記載の直動電動機。
7. 前記鉄心は、前記電機子の長手方向視において台形状の互いに平行な２つの台形面と、前記２つの台形面に対して垂直な４つの側面とを有する多面体状をなし、
   前記磁極ブロックは、前記鉄心における前記台形の上底側の側面以外の５つの面のそれぞれに前記永久磁石が取り付けられて構成されている、
   請求項５に記載の直動電動機。
8. 前記鉄心は、前記電機子の長手方向視において五角形の一辺が円弧状とされた形状の互いに平行な２つの主面と、前記２つの主面に対して垂直な５つの側面とを有する立体形状をなし、
   前記磁極ブロックは、前記鉄心における前記円弧状の側面以外の６つの面のそれぞれに前記永久磁石が取り付けられて構成されている、
   請求項５に記載の直動電動機。
9. 前記鉄心は、互いに平行な菱形の２つの面と、前記２つの面に対して垂直な４つの面とを有する六面体が、前記菱形の一の対角線に平行な軸を中心に、他の対角線を円弧状に湾曲させた立体形状をなし、
   前記磁極ブロックは、前記鉄心における半径方向内側の円弧面以外の５つの面のそれぞれに前記永久磁石が取り付けられて構成されている、
   請求項５に記載の直動電動機。
10. 前記磁極子は、推力を伝達する対象物を取り付けるために一部が欠落した環状に構成されている、
    請求項１乃至９の何れかに記載の直動電動機。
    

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