JP4535231B2

JP4535231B2 - 可動磁石形リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JP4535231B2
Application number: JP2003352248A
Authority: JP
Inventors: 恭祐宮本
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: KR100786674B1; KR20060069868A; TWI356563B; US20070057579A1; TW200518422A; US7239049B2; JP2005117856A; WO2005036718A1

Description

本発明は、例えば、電気部品実装装置、半導体関連装置あるいは工作機械などの各種産業機械に使用されると共に、その直動機構の駆動用に好適なリニアアクチュエータに関し、特に界磁を可動子とし、電機子を固定子として構成する可動磁石（ＭｏｖｉｎｇＭａｇｎｅｔ）形リニアアクチュエータに関する。

従来、電気部品実装装置、半導体関連装置あるいは工作機械などの各種産業機械に使用されると共に、その直動機構の駆動用に好適なリニアアクチュエータは、図４に示すようになっている。なお、図４は従来技術を示す可動磁石形リニアクチュエータであって、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ―Ｂ線に沿う正断面図であり、（ａ）は（ｂ）の矢視Ａから透視した図に相当する。
図４において、１は電機子、２は固定子ベース、３は界磁永久磁石、４は界磁ヨーク、６はリニアガイドレール、７はセンサ、８はリニアガイドブロック、９はリニアスケール部、１１はコイル、１２は結線基板、１３はストッパである。
リニアアクチュエータは、界磁永久磁石３の背面に界磁ヨーク４を設けて、界磁ヨーク４が可動子と磁気回路を兼用している。また、電機子１は、結線基板１２上にスロットレスのコイル１１を複数備えた構造を有すると共に、ソリッドの磁性部材でできた固定子ベース２上に可動子と磁気的空隙を介して配置されて、固定子を構成している。この電機子１の両側には、平行するリニアガイドレール６が固定子ベース２上に固定され、リニアガイドレール６上には、該レール上を摺動するリニアガイドブロック８が界磁ヨーク４の両端の下部に固定されている。さらに、可動子の側面には、リニア形のエンコーダを構成する磁気式のリニアスケール９が配設され、このリニアスケール９に対向するように固定子ベース２に該リニアスケール９を検出するセンサ７が配設されている。それから、リニアガイドレール６の端部には可動子のオーバランを防止するためのストッパ１３が設けられている。
このリニアアクチュエータは界磁永久磁石３の磁束が、固定子ベース２に鎖交する磁気回路構造になっており、また、電機子のコイル１１を励磁すると、界磁と電機子とで作られる移動磁界により可動子を、電機子長と可動子長の差であるストローク内で直線移動するようになっている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平９−２６６６５９号公報（明細書第５頁、図３）

ところが従来技術では、可動子に比重の大きい界磁部を構成する界磁ヨークを設けているため、可動子の加速性能を上げられなかった。また、磁石と電機子コア（鉄心）との間に、最大推力の４倍以上の磁気吸引力が働くため、この磁気吸引力がリニアガイドに対する負荷荷重となるため、高頻度加減速動作をさせた場合、リニアガイドの寿命を短くさせる要因となっていた。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、磁石と電機子間の磁気吸引力を軽減させ、高頻度加減速動作をさせた場合でも、リニアガイド寿命の問題を解消することができる可動磁石形リニアアクチュエ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、請求項１に係る可動磁石形リニアアクチュエータは、界磁永久磁石を有する界磁部を可動子側に、前記可動子の進行方向に沿って固定子ベース上に固定されると共に平面状に複数のコイル群を装着してなる電機子を固定子側となるように配置しており、前記界磁永久磁石は、前記電機子部の反固定子ベース側と空隙を介して対向配置された非磁性の磁石ホルダの穴部に前記進行方向に沿って埋設されており、前記界磁永久磁石の反電機子側には、空隙を介して前記磁石ホルダに設けた凹部の内部に磁性バックヨークが配置されており、前記磁性バックヨークは、前記界磁永久磁石および前記電機子部を覆うように前記固定子ベースに固定されていることを特徴としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の可動磁石形リニアアクチュエータにおいて、前記磁石ホルダの側面には光学式のリニアスケール部が配列され、前記固定子ベースには前記リニアスケールを検出するセンサが配列されたことを特徴としている。
請求項３の発明は、請求項１記載の可動磁石形リニアアクチュエータにおいて、前記電機子部の両側を挟むように直線状に２本平行配置されたリニアガイドレールと、前記リニアガイドレール上を摺動するように設けたリニアガイドブロックと、を有したことを特徴としている。
請求項４の発明は、請求項１記載の可動磁石形リニアアクチュエータにおいて、前記磁性バックヨークを薄板状の積層電磁鋼板により構成したことを特徴としている。
請求項５の発明は、請求項１記載の可動磁石形リニアアクチュエータにおいて、前記固定子は、前記電機子部と対向するように前記固定子ベースの内部に埋設されると共に、可動子の進行方向と直角方向に薄板状の電磁鋼板を積層してなるコアを設けたことを特徴としている。請求項６の発明は、請求項１または５に記載の可動磁石形リニアアクチュエータにおいて、前記固定子ベースに冷媒導管もしくは強制液冷用ジャケットを埋設させた構造としたことを特徴としている。
請求項７の発明は、請求項１または３記載の可動磁石形リニアアクチュエータにおいて、前記平行する２本のリニアガイドレールの端部に、ストッパを設けたことを特徴としている。

請求項１および２並びに３の発明によれば、本発明は可動子である非磁性の磁石ホルダに界磁永久磁石を埋設させる構成にしたので、可動子重量を軽量化することで可動子の加速性能を上げることができる。
また、界磁永久磁石の背面に空隙を介して配置されると共に両端を固定子ベースに固定してなる磁性バックヨークを設ける構成にしたので、磁気吸引力を相殺させ、且つギャップ磁束密度を大きく設計することが可能となるので、高推力、高加減速を実現することができる。その結果、高頻度加減速動作をさせた場合でも、磁気吸引力によるリニアガイド寿命の問題を解消することができる。
また、発熱体である電機子部が固定側になるため、固定側１箇所に集約された発熱部を液冷等の強制冷却構造が可能となり、アクチュエータの冷却性能を上げることができる。
それから、リニアアクチュエータはコアレス構造であるため、コギングリプルも無く、極めて滑らかな動作ができる。
請求項４の発明によれば、界磁永久磁石の背面に設けた磁性バックヨークを積層電磁鋼板にすることで、界磁磁束が鎖交することによる渦電流損を低減することが可能であり、高速時の鉄損低減効果が大きくなる。
請求項５の発明によれば、本発明は固定子ベースの凹部に薄板状の電磁鋼板を積層してなるコアを電機子と対向するように埋設する構成にしたので、固定子部の電気抵抗が大きくなり、可動子である界磁永久磁石が固定子上を移動し、界磁磁束が鎖交することによる渦電流損を低減することが可能であり、高速時の鉄損低減効果を大きくすることができる。請求項６の発明によれば、固定子ベースに冷媒導管を埋設する構成にしたので、冷媒導管に冷罵などを流して強制冷却を行うことにより、固定子１箇所に集約された発熱部を効率よく冷却することが可能となり、アクチュエータの冷却性能を向上することができる。
請求項７の発明によれば、平行する２本のリニアガイドレールの端部にストッパを設けたので、可動子のオーバランを防止することができる。

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す可動磁石形リニアクチュエータであって、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ―Ｂ線に沿う正断面図であり、（ａ）は（ｂ）の矢視Ａから透視した図に相当する。
図１において、１０は磁性バックヨーク、１４は磁石ホルダ、１５はストッパである。
本発明の特徴は以下のとおりである。
すなわち、リニアアクチュエータの固定子は、固定子ベース２と、固定子ベース２に固定され複数のコイル１１群を装着してなる電機子１と、電機子１の両側を挟むように直線状に配置されたリニアガイドレール６と、を有しており、可動子は、電機子部と空隙を介して対向配置されると共に非磁性の磁石ホルダ１４に穿設された穴部１４Ａに保持され、かつ、磁極がＮ極、Ｓ極‥と交互に異なるように複数個設けられた界磁永久磁石３と、界磁永久磁石３の背面に空隙を介して配置されると共に、磁石ホルダ１４に設けた凹部１４Ｂの内部に設けられた磁性バックヨーク１０と、より成る界磁と、リニアガイドレール６上を摺動するように設けたリニアガイドブロック８とを有した点である。なお、詳しくは、磁性バックヨーク１０については界磁永久磁石３および電機子１を覆うように固定子ベース２にボルト１７により固定されている。
また、磁性バックヨーク１０は、可動子の進行方向と直角方向に薄板状の電磁鋼板を積層したものとなっている。
また、磁石ホルダ１４の側面には光学式のエンコーダを構成するリニアスケール９が配設されると共に、該リニアスケール９に対向してリニアスケール９を検出するセンサ７が固定子ベース２側に配設されている。
また、平行する２本のリニアガイドレールの端部に、可動子のオーバランを防止するためのストッパ１５が設けられている。
このような構成において、本リニアアクチュエータは電機子部に生じる起磁力の磁極数に対し、界磁磁極の数が少なく、その差がリニアアクチュエータの可動側のストロークとなり、直線移動を行う。
したがって、本実施例に係る可動磁石形リニアアクチュエータは、可動子である非磁性の磁石ホルダ１４に界磁永久磁石３を埋設させる構成にしたので、可動子重量を軽量化することで可動子の加速性能を上げることができる。
また、磁性バックヨーク１０を、磁石ホルダ１４内における界磁永久磁石３の背面に空隙を介して配置させる構成にしたので、磁気吸引力を相殺させ、且つギャップ磁束密度を大きく設計することが可能となり、高推力、高加減速を実現することができる。その結果、高頻度加減速動作をさせた場合でも、磁気吸引力によるリニアガイド寿命の問題を解消することができる。
また、発熱体である電機子１が固定側になるため、固定側１箇所に集約された発熱部を液冷等の強制冷却構造が可能となり、アクチュエータの冷却性能を上げることができる。
また、磁性バックヨーク１０は積層電磁鋼板で構成したので、界磁磁束が鎖交することによる渦電流損を低減することが可能であり、高速時の鉄損低減効果が大きくなる。
それから、リニアアクチュエータはコアレス構造であるため、コギングリプルも無く、極めて滑らかな動作ができる。

次に本発明の第２実施例を説明する。
図２は、本発明の第２実施例を示す可動磁石形リニアクチュエータであって、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ―Ｂ線に沿う正断面図であり、（ａ）は（ｂ）の矢視Ａから透視した図に相当する。
図２において、１６はコアである。
第２実施例が第１実施例と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、固定子ベース２には、該ベース２に配置されたコイル１１の全長と同等の長さで、界磁永久磁石３の幅寸法と同等の寸法を有する凹部２Ａが設けられ、該凹部２Ａには電機子部と対向するように、可動子の進行方向と直角方向に薄板状の電磁鋼板を積層してなるコア１６が設けられた点である。
また、固定子ベース２の材質は、基本的には鉄などの磁性体を用いるが、軽量化を図るためにアルミもしくはアルミ合金が好ましく、その他チタンもしくはチタン合金、または、マグネシウムもしくはマグネシウム合金などの非磁性材料の何れかを用いても構わない。
したがって、本実施例は固定子ベース２の凹部２Ａに薄板状の電磁鋼板を積層してなるコア１６を電機子１と対向するように埋設する構成にしたので、固定子部の電気抵抗が大きくなり、可動子である界磁永久磁石が固定子上を移動し、界磁磁束が鎖交することによる渦電流損を低減することが可能であり、高速時の鉄損低減効果を大きくすることができる。

次に本発明の第３実施例を説明する。
図３は、本発明の第３実施例を示す可動磁石形リニアクチュエータであって、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ―Ｂ線に沿う正断面図であり、（ａ）は（ｂ）の矢視Ａから透視した図に相当する。
図３において、５は冷媒導管である。
第３実施例が第１実施例と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、固定子ベース２に冷媒導管５を埋設させた構造とした点である。
第３実施例は固定子ベース２に冷媒導管５を埋設する構成にしたので、冷媒導管に冷罵などを流して強制冷却を行うことにより、固定子１箇所に集約された発熱部を効率よく冷却することが可能となり、アクチュエータの冷却性能を向上することができる。
なお、本実施例では冷媒導管に替えて、固定子ベース２に強制液冷用ジャケットを埋設させた構造にすることも可能である。

本発明の第１実施例を示す可動磁石形リニアクチュエータであって、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ―Ｂ線に沿う正断面図であり、（ａ）は（ｂ）の矢視Ａから透視した図に相当する。本発明の第２実施例を示す可動磁石形リニアクチュエータであって、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ―Ｂ線に沿う正断面図であり、（ａ）は（ｂ）の矢視Ａから透視した図に相当する。本発明の第３実施例を示す可動磁石形リニアクチュエータであって、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ―Ｂ線に沿う正断面図であり、（ａ）は（ｂ）の矢視Ａから透視した図に相当する。従来の応用例２を示す側断面図従来技術を示す可動磁石形リニアクチュエータであって、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ―Ｂ線に沿う正断面図であり、（ａ）は（ｂ）の矢視Ａから透視した図に相当する。

符号の説明

１電機子
２固定子ベース
２Ａ凹部
３界磁永久磁石
４界磁ヨーク
５冷媒導管
６リニアガイドレール
７センサ
８リニアガイドブロック
９リニアスケール部
１０磁性バックヨーク
１１コイル
１２結線基板
１３、１５ストッパ
１４磁石ホルダ
１４Ａ穴部
１４Ｂ凹部
１６コア
１７ボルト

Claims

界磁永久磁石を有する界磁部を可動子側に、前記可動子の進行方向に沿って固定子ベース上に固定されると共に平面状に複数のコイル群を装着してなる電機子を固定子側となるように配置しており、
前記界磁永久磁石は、前記電機子部の反固定子ベース側と空隙を介して対向配置された非磁性の磁石ホルダの穴部に前記進行方向に沿って埋設されており、
前記界磁永久磁石の反電機子側には、空隙を介して前記磁石ホルダに設けた凹部の内部に磁性バックヨークが配置されており、
前記磁性バックヨークは、前記界磁永久磁石および前記電機子部を覆うように前記固定子ベースに固定されていることを特徴とする可動磁石形リニアアクチュエータ。
前記磁石ホルダの側面には光学式のリニアスケール部が配列され、前記固定子ベースには前記リニアスケールを検出するセンサが配列されたことを特徴とする請求項１記載の可動磁石形リニアアクチュエータ。
前記電機子部の両側を挟むように直線状に２本平行配置されたリニアガイドレールと、前記リニアガイドレール上を摺動するように設けたリニアガイドブロックと、を有したことを特徴とする請求項１記載の可動磁石形リニアアクチュエータ。
前記磁性バックヨークを薄板状の積層電磁鋼板により構成したことを特徴とする請求項１記載の可動磁石形リニアアクチュエータ。
前記固定子は、前記電機子部と対向するように前記固定子ベースの内部に埋設されると共に、可動子の進行方向と直角方向に薄板状の電磁鋼板を積層してなるコアを設けたことを特徴とする請求項１記載の可動磁石形リニアアクチュエータ。
前記固定子ベースに冷媒導管もしくは強制液冷用ジャケットを埋設させた構造としたことを特徴とする請求項１または５に記載の可動磁石形リニアアクチュエータ。
前記平行する２本のリニアガイドレールの端部に、ストッパを設けたことを特徴とする請求項１または３記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。