JP4539045B2 - ムービングマグネット形リニアアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、界磁磁石が可動側となるムービングマグネット（Ｍｏｖｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔ）形リニアアクチュエータに関し、特に可動子の重量を軽量化するための磁気回路構造に関する。

従来よりムービングコイル形のリニアクチュエータではあるが、界磁用永久磁石と磁気的空隙を介して電機子が対向する構成のものは公知である（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３０８３２８号公報

特許文献１記載の発明は、同じ本出願人が出願したムービングコイル形リニアクチュエータで、電機子コイルの渡り線および中性点の接続処理を容易にし、コアブロックの単位体積当たりの推力を大きくできるリニアモータを提供するためになされたものである。
このリニアモータは界磁用永久磁石と磁気的空隙を介して対向する電機子を備え、電機子が推力方向に複数に分割されたコアブロックで構成してなる電機子コアと電機子コイルを有し、各々のコアブロックに巻装される電機子コイルを、コイル導体の巻始め部分と巻終わり部分がコアブロックの両側面で反対側に配置されるように、コイル導体の巻終わり部分を巻始め部分側に２分の１ターン巻きほどいて取り出し、電機子コアの継鉄部の両側面に、電機子コイルの渡り線および中性点を接続する配線パターンを有する配線基板を設けたものである。
このようにしたことで、電機子コイルの渡り線および中性点の接続処理が容易になり、コアブロックの単位体積当たりの推力を大きくすることができた。
しかしながら、可動する電機子に確実にかつ安全に給電することは容易ではなく、そこでこの点を解決するものとして、ムービングコイル形ではなくて、ムービングマグネット形のリニアクチュエータが開発された。

図３は本発明の先行発明として位置づけられるムービングマグネット形リニアアクチュエータの図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図である。
図において、６０はムービングマグネット形リニアアクチュエータで、大きく分けて、２０の可動子部と、３０の固定子部と、４０のリニアガイド部と、５０の位置検出検出部とから成る。
可動子部２０は主として界磁永久磁石２１と界磁永久磁石２１を保持する磁性ヨーク２３から構成され、固定子部３０は主として固定子ベース３１と固定子ベース３１の上に固定される電機子部３２とから成る。電機子部３２は磁性鉄心３３と磁性鉄心３３に巻回配置される電機子巻線３４と電機子巻線３４を囲む絶縁層３５と電機子巻線３４に給電する給電線３６とから成る。
リニアガイド部４０（図ｂ）は主としてリニアガイドレール４１とリニアガイドレール４１の上を走行するリニアガイドブロック４２とリニアガイドブロック４２の走行をリニアアクチュエータ６０の走行方向の両端で強制的に止めるストッパ機構４３（図ａ）とから成る。
位置検出検出部５０は主として固定子ベース３１の上に固定される検出部支持体５１と検出部支持体５１に固定されるリニアスケール検出部５２とリニアスケール検出部５２から近接距離で可動子側に固定されるリニアスケール５３と信号線５４とから成る。
このように、界磁永久磁石２１の背面には磁性ヨーク２３が設けられ、この両方で磁気回路兼可動子を構成していた。
また、電機子部３２は磁性鉄心を有しており、等ピッチで施されたスロット部には電機子巻線３４が巻装されており、このリニアアクチュエータ６０は、この電機子巻線３４に通電することで、電機子長と前記界磁可動子長の差であるストローク内を移動するものであった。

ところが先行技術では、可動子２０側に比重の大きい界磁磁性体ヨーク２３が必要なため、可動子２０の加速性能を上げられないという問題があった。
また、可動子２０と電機子コア（鉄心）３３との間に、最大推力の４倍以上の従引力（図示矢印参照）が働くため、高頻度加減速動作をさせた場合、リニアガイドの寿命に問題をきたすような問題があった。
本発明はこれらの問題を解決するためになされたもので、可動子の加速性能を十分に上げることのできる、かつ高頻度加減速動作をさせてもリニアガイドの寿命に問題のないムービングマグネット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、本願請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータの発明は、界磁永久磁石を有する可動子部と、固定子ベース上に固定されると共に電機子巻線を巻回した磁性鉄心を前記可動子部の走行方向に平面状に複数個配列してなる電機子部を有する固定子部と、を備え、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体の磁石ホルダの肉薄部位に、前記走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、前記磁石ホルダに形成された略コ字状の凹部の内部に空隙を介して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が、前記固定子ベース上に設けた支持体を介して固定されていることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記磁石ホルダにはリニアスケールのスケール部が固定され、前記固定子ベースには前記スケール部と空隙を介して前記リニアスケールの検出側が固定されたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記磁石ホルダにはリニアスケールのスケール部が固定され、前記固定子ベースには前記スケール部と空隙を介して前記リニアスケールの検出側が固定されたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記電機子部の長さ方向には、前記電機子部の両側面を挟むようにリニアガイドレールが２本平行配置固定され、該各リニアガイドレールの上にガイドブロックがそれぞれ配備され、前記磁石ホルダが該ガイドブロックに固定されていることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項４記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記ガイドブロック間の幅方向スペースに対応する幅の穴が前記非磁性ホルダに加工され、該穴に前記界磁磁石が固定されたことを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項４記載のムービングマグネット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四端にストッパ機構を設けたことを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記固定子ベースに液冷用冷媒導管を埋設させたことを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項１又は２記載のムービングマグネット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として、薄板電磁鋼板の積層体を用いたことを特徴とする。

請求項１および２記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータの発明によれば、磁石ホルダを非磁性体で構成し、しかも磁性バックヨークを固定部に固定したので、可動部の重量を軽量化することができ最大推力、最大加減速を実現することが可能となる。
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記磁石ホルダにはリニアスケールのスケール部が固定され、前記固定子ベース３１には前記スケール部と空隙を介して前記リニアスケールの検出側を固定したので、磁石ホルダが非磁性体でできているので、位置検出検出部は磁力線の影響を受けにくくなる。
請求項４記載の発明によれば、請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、リニアガイドレールが２本、前記電機子部を挟むように前記電機子部の長さ方向に平行配置固定され、該各リニアガイドレールの上にガイドブロックがそれぞれ配備され、前記磁石ホルダを該ガイドブロックに固定したので、リニアガイドレールおよびガイドブロックは強度の強くない材料で実現することができるようになる。

請求項５記載の発明によれば、請求項４記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記ガイドブロック間の幅方向スペースに対応する幅の穴が前記非磁性ホルダに加工され、該穴に前記界磁磁石を固定したので、リニアアクチュエータの高さを低くすることができるようになる。
請求項６記載の発明によれば、請求項４記載のムービングマグネット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四端にストッパ機構を設けたので、ストッパ機構の能力が小さいもので十分となり、しかも従来の２箇所から４箇所に設置したので、１個のストッパ機構の能力はさらに小さいもので十分となる。
請求項７記載の発明によれば、請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記固定子ベースに液冷用冷媒導管を埋設させたので、発熱体である電機子部が固定側になるため、固定側の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。
請求項８記載の発明によれば、請求項１又は２記載のムービングマグネット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として、薄板電磁鋼板の積層体を用いたので、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。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るムービングマグネット形リニアアクチュエータであって、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側断面図、図２は図１のリニアアクチュエータの要部斜視図である。
両図において、１０はムービングマグネット形リニアアクチュエータで、大きく分けて、２０の可動子部と、３０の固定子部と、４０のリニアガイド部と、５０の位置検出検出部とから成る。
可動子部２０は、主として界磁永久磁石２１と界磁永久磁石２１を保持する非磁性磁石ホルダ２２から構成される。
固定子部３０は、主として固定子ベース３１と固定子ベース３１の上に固定される電機子部３２と本発明により設けられた磁性バックヨーク３９とから成り、また、電機子部３２は磁性鉄心３３と磁性鉄心３３に巻回配置される電機子巻線３４と電機子巻線３４を囲む絶縁層３５と電機子巻線３４に給電する給電線３６とから成る。
このように、本発明では、電機子部３２に生じる起磁力の磁極数に対し、前記界磁磁極数の数が少ないため、その差分がリニアアクチュエータのストロークとなる可動側となるムービングマグネット形リニアモータとなっている。

次に、各部の構成について説明する。
まず、可動子部２０の構成について述べると、界磁永久磁石２１は、固定子３０側の磁性鉄心３３と磁気的空隙を介して対向配置されるもので、大きさは幅が磁性鉄心３３の幅、走行方向の長さは可動子２０の長さに亘って、界磁永久磁石２１を板状をした非磁性体の磁石ホルダ２２にＮ極、Ｓ極・・・・・・と交互に埋設されている。非磁性体としては軽いアルミニゥムが良く、これで界磁永久磁石２１を磁性鉄心３３に空隙を設けた状態で保持している。磁石ホルダ２２は、平行な２本のリニアガイドレール４１の走行方向の前後に設けられているリニアガイドブロック４２の上に固定されている。磁石ホルダ２２が界磁永久磁石２１を支持する部位は可能な限り肉薄として、可動子部２０の背面側に磁性バックヨーク３９を配置固定することで、磁気吸引力を相殺させ、か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可能となる。
このように、界磁永久磁石２１を有する可動子２０側には、リニアガイドレール４１と対なるガイドブロック４２が左右に固定され、このガイドブロック４２の間のスペースには、非磁性体ホルダ２２に界磁磁石形状と同寸法の穴加工、もしくは抜き穴加工が施され、界磁永久磁石２１が固定された構造となっている。
さらに可動子２０側には、固定子ベース３１に固定されたリニアスケール５３の検出側５２と空隙（エアギャップ）を介してリニアスケール５０のスケール部５３が固定されている。

次に、固定子部３０の構成について説明する。
固定子ベース３０には、走行方向の中心位置に沿って断面矩形状の複数の磁性鉄心３３がＳＮ極性を互い違いに交互に替えながら延設されている。磁性鉄心３３の周囲にそれぞれ電機子巻線３４が巻回され、その周囲を絶縁層３５で覆っている。電機子巻線３４への給電は、可動子部２０の最大ストローク長移動できる可撓導電線３６により行われる。
また、界磁永久磁石２１の反電機子側に界磁永久磁石２１と空隙を介して磁性バックヨーク３９を設けている。磁性バックヨーク３９は、電機子部３２および界磁永久磁石２１を覆うように、電機子部３２の走行方向に延び、走行方向の前後スペースで固定子ベース３１上に設けた支持体３１ｃに固定されている。磁性バックヨーク３９の幅方向は略前記界磁永久磁石２１の幅であり、その長さ方向は略可動部２０のストローク以上となっている。
さらに、固定子ベース３１の中には強制液冷冷媒用導管３１ａ、ｂが形成されており、この強制液冷冷媒用導管３１ａ、ｂの形成方法としては、断面半円形状の長溝を掘った板２枚を互いに半円形状同士を突き合わせて断面円形となるように張り合わせればよい。このように、固定子ベース３１に強制液冷用冷媒導管３１ａを埋設させた構造にしてリニアアクチュエータ１０の実効推力性能の向上、温度上昇防止をしている。

リニアガイド部４０は、主としてリニアガイドレール４１とリニアガイドレール４１の上を走行するリニアガイドブロック４２とリニアガイドブロック４２の走行をリニアアクチュエータ１０の走行方向の両端で強制的に止めるストッパ機構４３とから成る。
このように、平行する２本のリニアガイドレール４１の前後左右の４端にショックアブソーバ４３ａ〜４３ｄを備えたストッパ機構４３を設けてオーバーラン防止機構としている。

位置検出検出部５０は、主として固定子ベース３１の上に固定される検出部支持体５１と検出部支持体５１に固定されるリニアスケール検出部５２とリニアスケール検出部５２から近接距離で可動子側に固定されるリニアスケール５３とから成る。

本発明の応用変形例として、磁性バックヨーク３９を薄板状の電磁鋼板をラミネート（積層）したものを用いる場合もある。この場合、最後に、磁性バックヨークとして、薄板電磁鋼板の積層体を用いたので、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。

以上述べたように、ムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、磁石ホルダを非磁性体で構成したので、可動部の重量を軽量化することができる。
また、界磁永久磁石の反電機子側に磁性バックヨークを配設したので、可動部の軽量化のために磁石ホルダを非磁性体で構成した分を磁性バックヨークで補い、高推力、高加減速を実現することが可能となる。
さらに、磁性バックヨークの幅方向は略前記界磁永久磁石の幅であり、その長さ方向は略前記可動部のストローク以上で、かつその長さ方向両端が前記固定部に固定され、該磁性バックヨークと前記界磁永久磁石との間に空隙を形成したので、可能な限りの最大推力、最大加減速を実現することが可能となる。
そして、磁石ホルダにはリニアスケールのスケール部が固定され、前記固定子ベース３１には前記スケール部と空隙を介して前記リニアスケールの検出側を固定したので、磁石ホルダが非磁性体でできているので、位置検出検出部は磁力線の影響を受けにくくなる。
該各リニアガイドレールの上にガイドブロックがそれぞれ配備され、前記磁石ホルダが該ガイドブロックに固定されていることを特徴とする
さらに、前記電機子部の長さ方向には、前記電機子部の両側面を挟むようにリニアガイドレールが２本平行配置固定され、該各リニアガイドレールの上にガイドブロックがそれぞれ配備され、前記磁石ホルダを該ガイドブロックに固定したので、リニアガイドレールおよびガイドブロックは強度の強くない材料で実現することができるようになる。
また、ガイドブロック間の幅方向スペースに対応する幅の穴が前記非磁性ホルダに加工され、該穴に前記界磁磁石を固定したので、リニアアクチュエータの高さを低くすることができるようになる。

そして、平行する２本のリニアガイドレールの四端にストッパ機構を設けたので、ストッパ機構の能力が小さいもので十分となり、しかも従来の２箇所から４箇所に設置したので、１個のストッパ機構の能力はさらに小さいもので十分となる。
また、前記固定子ベース３１に液冷用冷媒導管を埋設させたので、発熱体である電機子部が固定側になるため、固定側の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。

本発明に係るムービングマグネット形リニアアクチュエータであって、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側断面図である。 図１のリニアアクチュエータの要部斜視図である。 先行発明としてムービングマグネット形リニアアクチュエータであって、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側断面図である。

符号の説明

１０ リニアアクチュエータ
２０ 可動子部
２１ 界磁永久磁石
２２ 非磁性磁石ホルダ
３０ 固定子部
３１ 固定子ベース
３１ａ、ｂ 強制液冷冷媒用導管
３１ｃ 支持体
３２ 電機子部
３３ 磁性鉄心
３４ 電機子巻線
３５ 絶縁層
３６ 給電線
３９ 磁性バックヨーク
４０ リニアガイド部
４１ リニアガイドレール
４２ リニアガイドブロック
４３ ストッパ機構
４３ａ〜４３ｄ ショックアブソーバ
５０ 位置検出検出部
５１ 検出部支持体
５２ リニアスケール検出部
５３ リニアスケール
５３ 信号線

Claims (8)

1. 界磁永久磁石を有する可動子部と、固定子ベース上に固定されると共に電機子巻線を巻回した磁性鉄心を前記可動子部の走行方向に平面状に複数個配列してなる電機子部を有する固定子部と、を備え、
   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体の磁石ホルダの肉薄部位に、前記走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、前記磁石ホルダに形成された略コ字状の凹部の内部に空隙を介して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が、前記固定子ベース上に設けた支持体を介して固定されていることを特徴とするムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
2. 前記磁性バックヨークの幅は略前記界磁永久磁石の幅であり、その長さ方向は略前記可動部のストローク以上であることを特徴とする請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
3. 前記磁石ホルダにはリニアスケールのスケール部が固定され、前記固定子ベースには前記スケール部と空隙を介して前記リニアスケールの検出側が固定されたことを特徴とする請求項１項記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
4. 前記電機子部の長さ方向には、前記電機子部の両側面を挟むように２本平行配置固定されたリニアガイドレールと、前記各リニアガイドレールの上にそれぞれ配置されたガイドブロックが設けられ、前記磁石ホルダが該ガイドブロックに固定されていることを特徴とする請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
5. 前記ガイドブロック間の幅方向スペースに対応する幅の穴が前記非磁性ホルダに加工され、該穴に前記界磁磁石が固定されたことを特徴とする請求項４記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
6. 前記平行する２本のリニアガイドレールの四端にストッパ機構を設けたことを特徴とする請求項４記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
7. 前記固定子ベースに液冷用冷媒導管を埋設させたことを特徴とする請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
8. 前記磁性バックヨークとして、薄板電磁鋼板の積層体を用いたことを特徴とする請求項１又は２記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。

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