JP4745369B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、可動子が固定子に沿って直線的に往復移動するリニアモータに関する。

従来、可動子が固定子に沿って直線的に往復移動するリニアモータが知られている。

リニアモータは、主に、リニアモータ内の所定の位置に固定された状態で設けられる固定子と、ガイド部材上を固定子に沿って移動する可動子とを備えている。この可動子または固定子の一方には、永久磁石が、他方には、電機子が備えられている。そして、電機子に電流を供給することによって、電機子を構成するコイルの周りに所定の磁束を生じさせ、電磁石を得る。可動子は、永久磁石と電磁石との間の吸引力および反発力を受けて、固定子に沿って移動する（特許文献１参照）。

電機子には、電磁石と永久磁石との位置関係に応じた所定の電流が供給されることで、可動子が効率よく駆動する。とくに、使いはじめには、可動子を稼働させるような電流の電気角が特定される。具体的には、図６に示されるように、電源投入時の可動子１２の位置を基準として、可動子１２を方向Ａおよび方向Ｂに、わずかずつ移動させることによって、電磁石と永久磁石との位置関係に応じた電流の電気角が特定される。
特開２００２−２４７８８６号公報

上記のように電気角の特定のための処理を行う場合に、可動子１２が、可動範囲の端部に位置している状態にあると、方向Ａまたは方向Ｂの一方向にしか可動子１２を移動させることができない。このような事態に対応するため、図７に示されるようなエラー処理システムが導入されている。具体的には、まず、電源投入時の可動子１２の位置を基準として、電機子ｅに＋９０度分の電気角、−９０度分の電気角が与えられ（ステップＳ１、ステップＳ２）、可動子１２の移動量が判定される（ステップ３）。そして、可動子１２の移動量の判定が上手く完了しない場合（ステップＳ４）には、図７に示されるようなリトライが所定の回数だけ繰り返し行われた後に（ステップＳ４１、ステップＳ４２）、リニアモータの運転を停止させるなどの最終的なエラー処理が実行される（ステップＳ４３）。つまり、このようなエラー処理システムが導入されていたとしても、電気角の特定が行われないどころか、最終的なエラー処理（ステップＳ４３）が実行されるまでに多くの時間が費やされ、問題の発覚が大幅に遅れてしまう。

また、特許文献１の技術では、一対のリミットスイッチを可動子の可動範囲の両端に配置されたストッパの間に設け、可動子がリミットスイッチの位置に到達すると、リミットスイッチが信号を発信して、可動子が可動範囲の端部まで移動するのを禁止するように制御している。しかしながら、この場合、一対のリミットスイッチを設け、可動子の駆動を制御しているため、部品点数の増加に加えて複雑なシステムが必要になってしまう。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、可動子が可動範囲の端部に位置している場合に、複雑なシステムを必要とせずに、磁極推定を行うことができる位置まで可動子を移動させることができるリニアモータを提供することを目的としている。

本発明のリニアモータは、固定子と、該固定子に沿って直線的に往復移動する可動子と、前記固定子または前記可動子の一方に備えられる電機子と、他方に備えられる永久磁石と、前記可動子の可動範囲の端部に位置するストッパとを有し、かつ、電源投入時に、前記電機子に電流が供給されることにより、前記可動子を稼働させるための暫定的な電流の電気角を特定することが可能となる所定移動量だけ該可動子を移動させる磁極推定動作が行われるリニアモータであって、前記電機子は、その端部に磁性体を備え、この磁性体、前記ストッパおよび前記永久磁石は、前記電機子への電流の供給を断った状態で前記可動子が前記ストッパに当接したときに、前記永久磁石と前記磁性体との間に作用する磁力を受けて、前記可動子が前記ストッパから所定距離だけ離れた位置まで移動するように互いの位置関係が定められており、前記ストッパから前記所定距離だけ離れた位置が、前記磁極推定動作において前記可動子が前記所定移動量だけ変位することを許容する位置であることに特徴を有するものである。
また、本発明のリニアモータは、固定子と、該固定子に沿って直線的に往復移動する可動子と、前記固定子または前記可動子の一方に備えられる電機子と、他方に備えられる永久磁石と、前記可動子の可動範囲の両端部に位置するストッパとを有するリニアモータであって、前記永久磁石は、前記可動子の往復移動方向における配列長さが同方向における電機子の配列長さよりも長く設けられており、前記電機子は、前記配列長さ方向における両端部に磁性体を備えており、これら磁性体、前記ストッパおよび前記永久磁石は、前記ストッパに対して前記可動子が当接した状態において、前記各磁性体のうち一方側の磁性体が前記配列長さ方向における前記永久磁石の両端よりも外側かつ両ストッパよりも内側の位置であって前記永久磁石の磁力が当該一方側の磁性体に及ぶ位置に位置するように互いの位置関係が定められていることを特徴とするものである。

これらの発明によれば、仮に可動子がストッパに当接したところで電機子への通電が断たれたとしても、磁力によって、可動子がストッパから離れる方向に引き戻される。したがって、可動子が可動範囲の端部に位置している場合に、複雑なシステムを必要とせずに、磁極推定を行うことができる位置まで可動子を移動させることができる。

上記の各ニアモータにおいては、前記磁性体が、サブティースであることが好ましい。

この発明によれば、磁性体が、サブティースであることにより、部品の追加を伴うことなく、複雑なシステムを必要とせずに、磁極推定を行うことができる位置まで可動子を移動させることができる。

また、前記電機子は制御部に接続され、該制御部は、前記ストッパに前記可動子が当接しかつ前記電機子への電流供給が遮断されることにより、前記可動子が前記ストッパから離間して停止した状態において、前記可動子を稼働させるための暫定的な電流の電気角を特定する第１手段と、該第１手段で特定された電流の電気角に基づいて前記可動子を移動させ、該可動子が所定の位置に位置したときに、前記電機子と前記永久磁石との位置関係に応じて予め特定された電流の電気角の初期値を与える第２手段とを含み、前記第１手段と前記第２手段とによって、段階的に前記電機子と前記永久磁石との位置関係に応じた電流の電気角を設定するものであるのが好ましい。

この発明によれば、第１手段と第２手段とで段階的に電流の電気角が設定される。つまり、第１手段によって、暫定的な電流の電気角が設定されることにより、さしあたって可動子を稼働させることができるようになり、第２手段によって、第１手段で設定された暫定的な電流の電気角に基づいて可動子を所定の位置まで移動させて、予め特定された電流の電気角の初期値が与えられ、電機子と永久磁石との位置関係に応じた適正な電流が供給されるようになり、可動子を極めて効率よく稼働させることができる。

本発明によれば、可動子が可動範囲の端部に位置している場合に、複雑なシステムを必要とせずに、磁極推定を行うことができる位置まで可動子を移動させることができる。

以下で、本実施の形態のリニアモータについて図面を用いて詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１および図２は、リニアモータを説明するための概念図である。図１は、可動子１２がストッパ１１に当接した位置にある状態を示し、図２は、可動子１２の端部に設けられたサブティースｅ１３が、固定子１３の永久磁石ｍａによる磁力を受け、ストッパ１１から離れる方向に移動した状態を示す。以下では、可動子１２の移動方向に平行な方向をＸ方向、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向として説明する。

実施の形態１のリニアモータは、図１および図２に示されるように、固定子１３と、固定子１３に備えられた永久磁石ｍａと、固定子１３に沿って直線的に往復移動する可動子１２と、可動子１２に備えられた電機子ｅと、可動子１２の可動範囲の端部に位置する一対のストッパ１１とを備えている。このほか、リニアモータには、可動子１２を誘導するリニアガイド１４と、電機子ｅに供給される電流を制御する制御部１５とが備えられている。これら固定子１３、永久磁石ｍａ、可動子１２、電機子ｅ、ストッパおよびリニアガイド１４は、フレーム部材１６によって、一体に収容、保持されている。フレーム部材１６については、本実施の形態においてとくに限定されるものではないので、ここでの説明を省略する。

固定子１３は、直線状の長尺体である支持部材１３ａを有する。支持部材１３ａは、リニアモータのフレーム部材１６上の所定の位置に固定されている。固定子１３の支持部材１３ａには、長手方向に沿って、永久磁石ｍａが配置される。

永久磁石ｍａは、所定の間隔で、Ｎ極とＳ極とが交互に現れるように、固定子１３の支持部材１３ａに取り付けられている。また、本実施の形態では、永久磁石ｍａが設けられる範囲を、特定の範囲になるように定めている。具体的には、永久磁石ｍａが、一対のストッパ１１の間隔より短くなるように配設されている。

可動子１２は、支持部材１２ａを有する。支持部材１２ａは、電機子ｅをリニアモータ内の所定の位置に支持し、かつ、可動子１２の動力を外部へ伝達するための部材を取り付けるためのものである。可動子１２は、その移動方向が固定子１３の長手方向に平行になるように配置される。

電機子ｅは、コアｅ１０と、コイルｅ２０とを含む。

コアｅ１０は、鉄などの磁性材料により形成されている部材であり、共通部ｅ１１と、メインティースｅ１２と、サブティースｅ１３とを含む。共通部ｅ１１は、略直方体状を呈しており、その長手方向を可動子１２の移動方向に略平行にして可動子１２の支持部材１２ａに固定されている。そして、メインティースｅ１２は、共通部ｅ１１から可動子１２の移動方向に直交する方向に突出するように、複数並列に形成されている。サブティースｅ１３は、メインティースｅ１２を挟み込むように、可動子１２の移動方向の端部に一対設けられる。サブティースｅ１３は、モータ駆動時に可動子１２の両端の磁束形成を補うためのものである。本実施の形態では、電機子ｅへの電流の供給を断った状態で、このサブティースｅ１３と永久磁石ｍａとの間に作用する磁力から、可動子１２を所定の位置から所定の距離だけ移動させるための推進力を得る。

コイルｅ２０は、ボビンに導線が巻き付けられたものである。コイルｅ２０は、可動子１２の移動方向に沿って並列に並ぶように、メインティースｅ１２に対して複数装着されている。各コイルｅ２０は、メインティースｅ１２の共通部ｅ１１からの突出方向がコイルｅ２０の導線の巻き付け方向に略直交するように装着されている。

電機子ｅには、各コイルｅ２０に、互いに位相が異なるｕ相、ｖ相、ｗ相のうちのいずれかの相の電流が供給されることにより、各コイルｅ２０の周りに所定の磁束が生じ、電磁石が得られる。そして、この電磁石によって、サブティースｅ１３が磁化されることで、可動子１２の両端の磁束が補われる。電機子ｅは、可動子１２に対して固定子１３に取り付けられた永久磁石ｍａと対向するように設置される。そして、電機子ｅに所定の電流が供給されると、得られた電磁石と、永久磁石ｍａとの間に相互に作用する磁気の吸引力・反発力を受けて可動子１２が固定子１３に沿って推進する。

ストッパ１１は、可動子１２の可動範囲の両端に一対設けられている部材である。ストッパ１１は、可動子１２が所定の範囲からはみ出して進行するのを止める役割を担っている。

ここで、ストッパ１１と前述の永久磁石ｍａの端部ｍａ１との位置関係について説明する。固定子１３に取り付けられた永久磁石ｍａは、ストッパ１１から、所定の領域ａｒ１だけ離間した位置まで形成されている。この領域ａｒ１は、領域ａｒ１上に位置する磁性体に対して永久磁石ｍａの端部の磁気が充分に及ぶような範囲として設定された領域である。

とくに、本実施の形態では、可動子１２が可動範囲の端部に位置している状態では、可動子１２の端部に取り付けられたサブティースｅ１３がストッパ１１に当接する。つまり、図１に示されるように、ストッパ１１と永久磁石ｍａの端部ｍａ１との間には、Ｘ方向に領域ａｒ１が確保されているので、サブティースｅ１３は、領域ａｒ１内に位置することになる。サブティースｅ１３は、磁性材料により形成されているので、電機子ｅが電磁石として機能していない状態であれば、永久磁石ｍａの端部ｍａ１の磁気により吸引される。

リニアガイド１４は、可動子１２と固定子１３との間のＹ方向の距離、すなわち、電機子ｅと永久磁石ｍａとの距離を所定の間隔に保った状態で、可動子１２を誘導する役割を担っている。具体的には、リニアガイド１４は、長尺の直線状を呈し、１対のストッパ１１の間に、両端をそれぞれストッパ１１へ向けて、固定子１３の支持部材１３ａに略平行な姿勢でフレーム部材１６上に設置される。可動子１２の支持部材１２ａは、リニアガイド１４に対して、長手方向に摺動可能に係合している。

制御部１５は、図示しない検出手段で可動子１２の位置を検出し、検出された可動子１２の位置情報に基づいて、可動子１２に備えられた電機子ｅに、永久磁石ｍａと電機子ｅとの位置関係に応じた適正な電流を供給する。これにより、可動子１２は、効率よく制御される。また、制御部１５は、リニアモータへの電源投入時に、さしあたって可動子１２を稼動させるような電流の位相を特定する磁極推定を行う。具体的には、電機子ｅに電流をプラス方向、マイナス方向に供給し、それぞれの場合の可動子１２の挙動（移動方向）を検知する。そして、可動子１２の挙動に基づいて、可動子１２を稼動させるための電流の位相が大まかに特定される。したがって、電源投入時には、可動子１２を、ストッパ１１から磁極推定を行うために必要な距離だけ離れたところに位置させておく必要がある。

ここで、可動子１２がストッパ１１に当接した位置にある場合について説明する。図３は、図１の一部を拡大した図であり、永久磁石ｍａの端部ｍａ１と可動子１２の端部に設けられたサブティースｅ１３との間に生じる力について説明するための図である。

図３に示されるように、可動子１２がストッパ１１に当接した状態では、ストッパ１１、永久磁石ｍａの端部およびサブティースｅ１３は、図中Ｘ方向に、ストッパ１１と永久磁石ｍａの端部ｍａ１との間にサブティースｅ１３が存在している位置関係にある。

電機子ｅへの電流の供給が断たれた状態で、可動子１２がストッパ１１に当接した位置にあると、図３に示されるように、永久磁石ｍａの端部ｍａ１とサブティースｅ１３との間には、磁力Ｆが作用している。本実施の形態のリニアモータは、可動子１２がストッパ１１に当接した状態において、磁力Ｆの分力であって、可動子１２の移動方向に平行な方向の力Ｆｘが、可動子１２とリニアガイド１４との静止摩擦力（リニアガイド１４および可動子１２の支持部材１２ａの間の静止摩擦係数と、可動子１２および可動子１２に取り付けられた部材の荷重との積）を超えるように設定されている。したがって、可動子１２は、永久磁石ｍａの端部ｍａ１に引き付けられて、ストッパ１１から永久磁石ｍａの端部近傍まで、おのずと移動する（図２参照）。

それゆえ、リニアモータの電源が投入されたときには、常に可動子１２は、ストッパ１１から所定の距離だけ離れた位置に位置していることになる。そして、電機子ｅに供給される電流は、制御部１５に備えられた、リニアモータの駆動時にさしあたって可動子１２を稼働させるような電流の電気角を特定する第１手段１５ａと、可動子１２を所定の位置まで移動させて、設計時に特定された電流の電気角の初期値を与える第２手段１５ｂとで段階的に調整される。ここで、電気角とは、信号正弦波の１周期を３６０度にとって表現した位相を意味している。

具体的には、第１手段１５ａで電流の電気角を特定する際には、まず、電機子ｅに電気角が＋９０度変化するように電流が供給され、電源投入時の位置からの可動子１２の挙動（移動方向および移動量）が把握される。つぎに、可動子１２を電源投入時の位置に戻し、電機子ｅに電気角が−９０度変化するように電流が供給され、可動子１２の挙動（移動方向および移動量）が把握される。このようにして、所定の電気角を電機子ｅに与えた場合の、可動子１２の挙動（移動方向および移動量）を把握することによって、さしあたって可動子１２を稼働させるための暫定的な電流の電気角が特定される（図７、ステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ３参照）。とくに、本実施の形態では、常に可動子１２がストッパ１１から離れた位置にある状態でリニアモータの電源が投入されることになるので、可動子１２がストッパ１１に当接しているために、いずれか一方向に可動子１２を移動させることができず、暫定的な電流の電気角を特定することができない、という不具合が発生しない。したがって、図７に示されるようなエラー処理システムが導入されていたとしても、可動子１２がストッパ１１に当接していることに起因したエラー処理の実行は回避される。

また、第２手段１５ｂで電流の電気角の初期値を与える際には、まず、第１段階で特定された暫定的な電流の電気角に基づいて、可動子１２を移動させる。そして、可動子１２が可動範囲の所定の位置に位置したときに、設計段階で予め特定された電流の電気角の初期値が与えられる。このような、第２段階での電流の電気角の初期値を与える制御は、可動子１２または固定子１３の一方に固定（図１〜図３ではフレーム部材１６に固定）されたリニアスケールＬに記録された原点信号情報Ｌ１が、可動子１２または固定子１３の他方に固定（図１〜図３では可動子１２に固定）されたセンサＳで読み取られたことを合図として執り行われる。

こうして、電機子ｅには電磁石と永久磁石ｍａとの位置関係に応じた適正な電流が供給されるようになり、可動子１２が極めて効率よく駆動するようになる。

以上の実施の形態によれば、電機子ｅへの電流の供給を断った状態で、可動子１２がストッパ１１に当接したときに、永久磁石ｍａとサブティースｅ１３との間に作用する磁力を受けて、可動子１２が、ストッパ１１から所定の距離だけ離れた位置まで移動するように、サブティースｅ１３、ストッパ１１および永久磁石ｍａの端部の位置関係が特定されている。つまり、仮に可動子１２がストッパ１１に当接したところで電機子ｅへの通電が断たれたとしても、あるいは、電機子ｅへの通電を断った状態で、手動で可動子１２をストッパ１１に当接する位置まで移動させたとしても、磁力によって、可動子１２がストッパから離れる方向に引き戻される。したがって、可動子１２が可動範囲の端部に位置している場合に、複雑なシステムなどを必要とせずに、磁極推定を行うことができる位置まで可動子１２を移動させることができる。

また、磁性体が、サブティースｅ１３であることにより、部品の追加を伴うことなく、複雑なシステムを必要とせずに、磁極推定を行うことができる位置まで可動子１２を移動させることができる。

なお、上記実施の形態では、可動子１２に電機子ｅが備えられ、固定子１３に永久磁石ｍａが備えられた形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。図４は、リニアモータの他の形態を説明するための概念図であり、可動子がストッパに当接した位置にある状態を示す。図５は、図４のリニアモータにおいて、永久磁石ｍａが設けられた可動子１２が、固定子１３の端部に設けられたサブティースｅ１３との間に生じる吸引力を受け、ストッパ１１から離れる方向に移動した状態を示す。たとえば、図４および図５に示されるように、永久磁石ｍａが可動子１２に備えられ、電機子ｅが固定子１３に備えられた形態であって、固定子１３に備えられた電機子ｅへの通電を絶った状態で、可動子１２に備えられた永久磁石ｍａの端部ｍａ１と電機子ｅのサブティースｅ１３ｂとの間に生じた磁気の吸引力によって、可動子１２がストッパ１１から離れる方向に引き戻される形態であってもよい。この場合、ストッパ１１ａに当接した側の反対側の端部に設けられた永久磁石ｍａ１と固定子１３に設けられた電機子ｅのサブティースｅ１３ｂとの間に生じた磁力によって可動子１２が引き付けられ、ストッパ１１ａから離れる方向に移動する。

リニアモータを説明するための概念図であり、可動子がストッパに当接した位置にある状態を示す。 リニアモータを説明するための概念図であり、可動子の端部に設けられたサブティースが、固定子の永久磁石による磁力を受け、ストッパから離れる方向に移動した状態を示す。 図１の一部を拡大した図であり、永久磁石の端部と可動子の端部に設けられたサブティースとの間に生じる力について説明するための図である。 リニアモータの他の形態を説明するための概念図であり、可動子がストッパに当接した位置にある状態を示す。 リニアモータの他の形態を説明するための概念図であり、永久磁石が設けられた可動子が、固定子の端部に設けられたサブティースとの間に生じる磁力を受け、ストッパから離れる方向に移動した状態を示す。 リニアモータを説明するための概念図であり、リニアモータの駆動時に行う磁極推定の際の可動子の動きを説明するための図である。 エラー処理システムを説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１１ ストッパ
１２ 可動子
１３ 固定子
１５ 制御部
１５ａ 第１手段
１５ｂ 第２手段
ｅ 電機子
ｅ１３ サブティース（磁性体）
ｍａ 永久磁石

Claims (4)

1. 固定子と、該固定子に沿って直線的に往復移動する可動子と、前記固定子または前記可動子の一方に備えられる電機子と、他方に備えられる永久磁石と、前記可動子の可動範囲の端部に位置するストッパとを有し、かつ、電源投入時に、前記電機子に電流が供給されることにより、前記可動子を稼働させるための暫定的な電流の電気角を特定することが可能となる所定移動量だけ該可動子を移動させる磁極推定動作が行われるリニアモータであって、
   前記電機子は、その端部に磁性体を備え、
   この磁性体、前記ストッパおよび前記永久磁石は、前記電機子への電流の供給を断った状態で前記可動子が前記ストッパに当接したときに、前記永久磁石と前記磁性体との間に作用する磁力を受けて、当該可動子が前記ストッパから所定距離だけ離れた位置まで移動するように互いの位置関係が定められており、
   前記ストッパから前記所定距離だけ離れた位置は、前記磁極推定動作において前記可動子が前記所定移動量だけ変位することを許容する位置であることを特徴とするリニアモータ。
2. 固定子と、該固定子に沿って直線的に往復移動する可動子と、前記固定子または前記可動子の一方に備えられる電機子と、他方に備えられる永久磁石と、前記可動子の可動範囲の両端部に位置するストッパとを有するリニアモータであって、
   前記永久磁石は、前記可動子の往復移動方向における配列長さが同方向における電機子の配列長さよりも長く設けられており、
   前記電機子は、前記配列長さ方向における両端部に磁性体を備えており、
   これら磁性体、前記ストッパおよび前記永久磁石は、前記ストッパに対して前記可動子が当接した状態において、前記各磁性体のうち一方側の磁性体が前記配列長さ方向における前記永久磁石の両端よりも外側かつ両ストッパよりも内側の位置であって前記永久磁石の磁力が当該一方側の磁性体に及ぶ位置に位置するように互いの位置関係が定められていることを特徴とするリニアモータ。
3. 前記磁性体が、サブティースであることを特徴とする請求項１または２記載のリニアモータ。
4. 前記電機子は制御部に接続され、
   該制御部は、
   前記ストッパに前記可動子が当接しかつ前記電機子への電流供給が遮断されることにより、前記可動子が前記ストッパから離間して停止した状態において、前記可動子を稼働させるための暫定的な電流の電気角を特定する第１手段と、
   該第１手段で特定された電流の電気角に基づいて前記可動子を移動させ、該可動子が所定の位置に位置したときに、前記電機子と前記永久磁石との位置関係に応じて予め特定された電流の電気角の初期値を与える第２手段とを含み、
   前記第１手段と前記第２手段とによって、段階的に前記電機子と前記永久磁石との位置関係に応じた電流の電気角を設定することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のリニアモータ。
   

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