JP5116317B2 - 円筒型リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、複数の永久磁石を直線状に組み付けたシャフト状の固定子の外側に、複数のコイルを内蔵した可動子を該固定子と同心状に配置した円筒型リニアモータに関する発明である。

近年、直線往復駆動用のアクチュエータとして円筒型リニアモータが注目されている。この円筒型リニアモータは、「シャフトモータ」とも呼ばれ、例えば、特許文献１（特開２０００−１３９０６９号公報）、特許文献２（特開平１０−３１３５６６号公報）、特許文献３（特許第３４８１７５９号公報）等に記載されているように、Ｎ極とＳ極の磁束を交互に発生するシャフト状の固定子の外側に、複数のコイルを内蔵した可動子を該シャフト状の固定子と同心状に配置し、該可動子に設けた磁気センサ（ホール素子）で固定子の磁極の位置を検出してコイルへの通電を切り換えることで可動子を固定子に沿って直線駆動するように構成したものが多い。

この円筒型リニアモータの固定子は、特許文献１に記載されているように、１本の棒状磁性材料に着磁装置でＮ極とＳ極を交互に着磁して形成したものがあるが、１本の棒状磁性材料にＮ極とＳ極を等ピッチで強力に着磁することが難しく、磁石の高磁力化や磁極間の境界位置の高精度化が困難であり、リニアモータの高推力化や位置決め精度向上の要求を十分に満たすことができない。

この課題を解決するために、円筒状のシャフト内に、予め着磁された多数の永久磁石を直線状に並べて収納することでシャフト状の固定子を構成するようにしたものが多い。例えば、特許文献２に記載されているように、円筒状のシャフト内に収納した各永久磁石の同極どうしを密着させた状態でシャフトに締め付けたナットで固定したり、或は、特許文献３に記載されているように、推力発生に寄与する磁束を増加させるために、各永久磁石間にヨーク（磁性体）を挟み込んだ構成のものもある。
特開２０００−１３９０６９号公報 特開平１０−３１３５６６号公報 特許第３４８１７５９号公報

しかし、上記実施例２，３に記載された構成では、隣接する永久磁石の同極どうしが対向する構成であるため、固定子を組み立てる際に円筒状のシャフト内に収納した各永久磁石間に磁気反発力が作用する。各永久磁石は、強力な磁力を発生するように着磁されているため、固定子の組立時には各永久磁石間に発生する大きな磁気反発力に抗して永久磁石を大きな力で押さえ付けながら組み立てる必要がある。このため、固定子の組立中に永久磁石が磁気反発力により飛び出してしまったり、或は、永久磁石の飛び出しを阻止するための特殊な治具を使用する必要があり、固定子の組立作業に多大の手間がかかり、製造コストが高くなってしまうという問題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、固定子の組立作業性を向上することができる円筒型リニアモータを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、シャフト状の固定子を構成する複数の永久磁石を直線状に配列すると共に、隣接する永久磁石の同極どうしを磁性体スペーサを挟んで対向させた構成の円筒型リニアモータにおいて、磁性体スペーサの厚み寸法を、永久磁石と磁性体スペーサとの間に発生する磁気反発力が、当該磁性体スペーサを挟まずに隣接する永久磁石の同極どうしを密着させた場合の永久磁石間の磁気反発力（以下「最大磁気反発力」という）の１／１０以下からマイナス値（吸引力）となる範囲で当該磁性体スペーサを挟まずに隣接する永久磁石の同極どうしを密着させた場合の推力（以下「最大推力」という）の９０％以上の推力が得られるように設定したものである。

各永久磁石の間に磁性体スペーサを挟み込んだ構成の円筒型リニアモータについて、磁性体スペーサの厚み寸法と磁気反発力との関係を調べて見ると、磁性体スペーサの厚み寸法が０の場合（つまり隣接する永久磁石の同極どうしを密着させた場合）に磁気反発力が最大となり、この状態から磁性体スペーサの厚み寸法が厚くなるに従って磁気反発力が小さくなり、磁性体スペーサの厚み寸法が永久磁石の厚みの１／４〜１／６程度になると磁気反発力がほぼ０になり、これよりも厚くなると、永久磁石と磁性体スペーサとの間に作用する磁気力が反発力から吸引力に反転することが判明した。また、磁性体スペーサの厚み寸法とリニアモータの推力との関係を調べて見ると、磁性体スペーサの厚み寸法が磁気反発力がほぼ０となる点付近であれば、推力の低下が僅かであることが判明した。

このような特性を考慮して、本発明は、磁性体スペーサの厚み寸法を、永久磁石と磁性体スペーサとの間に発生する磁気反発力が最大磁気反発力の１／１０以下（より好ましくは１／２０以下、更に好ましくは１／５０以下）からマイナス値（吸引力）となる範囲で最大推力の９０％以上（より好ましくは９５％以上、更に好ましくは９７％以上）の推力が得られるように設定したものである。この構成では、永久磁石と磁性体スペーサとの間に発生する磁気反発力が非常に小さいか又は吸引力となるため、固定子の組立中に永久磁石が磁気反発力により飛び出してしまうことを防止できると共に、永久磁石の飛び出しを阻止するための特殊な治具を使用せずに固定子を組み立てることが可能となり、固定子の組立作業を能率良く行うことができて、生産性向上・コスト削減の要求を満たすことができる。しかも、推力の低下も少ないため、円筒型リニアモータの動力性能をほとんど損なわずに生産性向上・コスト削減を実現することができる。

更に、請求項２のように、磁性体スペーサの厚み寸法は、永久磁石と磁性体スペーサとの間に発生する磁気反発力（吸引力）がほぼ０となるように設定しても良い。このようにすれば、固定子の組立時に永久磁石と磁性体スペーサとの間に磁気反発力や吸引力がほとんど作用しなくなるため、固定子の組立性をより一層向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。
図１及び図２に示すように、円筒型リニアモータ１１は、円筒状のシャフト１２内に多数の永久磁石１３を直線状に並べて配置してシャフト状の固定子１０を構成すると共に、シャフト１２の外側に、複数のコイル１４を内蔵した可動子１５を該シャフト１２と同心状に配置し、可動子１５の移動位置に応じて複数のコイル１４への通電を切り換えることで可動子１５をシャフト１２に沿って直線駆動するように構成されている。シャフト１２内の各永久磁石１３は、隣接する永久磁石１３のＳ極どうし、Ｎ極どうしが後述する磁性体スペーサ１８を挟んで対向するように配置されている。

また、シャフト１２は、各永久磁石１３の磁束を透過させる非磁性材料（例えばステンレス鋼）のパイプにより形成されている。可動子１５のコイル１４は、シャフト１２（永久磁石１３）の外周囲を取り巻くように該シャフト１２と同心状に配置されている。そして、このシャフト１２の両端部が、ベースフレーム１６上に立設された支持ブラケット１７に水平に固定されている。

次に、図３に基づいて固定子１０の組立構造を説明する。
固定子１０の外殻を構成する円筒状のシャフト１２内には、多数の永久磁石１３が、隣接する永久磁石１３のＳ極どうし、Ｎ極どうしが磁性体スペーサ１８を挟んで対向するように収納されている。各磁性体スペーサ１８は、ヨークを兼ねるように鉄等の磁性材料により円盤状若しくは短円柱状に形成され、各永久磁石１３も短円柱状に形成されている。固定子１０を組み立てる場合は、円筒状のシャフト１２の一端部内周に形成された雌ねじ部２３にナット２１を締め付けた後、該シャフト１２内に磁性体スペーサ１８と永久磁石１３とを交互に収納して、該シャフト１２の他端部内周に形成された雌ねじ部２４にナット２２を締め付ける。これにより、該シャフト１２内の永久磁石１３と磁性体スペーサ１８とが両ナット２１，２２で挟み付けられて固定された状態となる。

この構成では、隣接する永久磁石１３の同極どうしが磁性体スペーサ１８を挟んで対向する構成であるため、磁性体スペーサ１８の厚みが薄いと、固定子１０を組み立てる際に円筒状のシャフト１２内に収納した各永久磁石１３間に磁気反発力が作用する。各永久磁石１３は、強力な磁力を発生するように着磁されているため、固定子１０の組立時には永久磁石１３と磁性体スペーサ１８との間に発生する大きな磁気反発力に抗して永久磁石１３を大きな力で押さえ付けながら組み立てる必要がある。このため、従来構成のものは、固定子１０の組立中に永久磁石１３が磁気反発力により飛び出してしまったり、或は、永久磁石１３の飛び出しを阻止するための特殊な治具を使用する必要があり、固定子１０の組立作業に多大の手間がかかり、製造コストが高くなってしまうという問題があった。

この対策として、本実施例では、磁性体スペーサ１８の厚み寸法を、永久磁石１３と磁性体スペーサ１８との密着時に両者間に発生する磁気反発力が最大磁気反発力の１／１０以下（より好ましくは１／２０以下、更に好ましくは１／５０以下）からマイナス値（吸引力）となる範囲で最大推力の９０％以上（より好ましくは９５％以上、更に好ましくは９７％以上）の推力が得られるように設定している。ここで、最大磁気反発力と最大推力は、磁性体スペーサ１８の厚み寸法が０の場合（つまり隣接する永久磁石１３の同極どうしを密着させた場合）に発生する磁気反発力と推力のことである。

本発明者は、各永久磁石１３間に挟み込むスペーサ（磁性体スペーサ１８）と磁気反発力と推力との関係を調べるために、次の４種類の試験１〜４を行ったので、その試験結果を説明する。

［試験１］
まず、スペーサの材質の違いによる特性変化を考察するために、磁性体（鉄ＳＳ４００）のスペーサと非磁性体（プラスチック）のスペーサを用いて、スペーサの厚み比率と磁気反発力と推力定数との関係を調べてみた。ここで、推力定数とは、リニアモータに１Ａの電流を流したときに得られる推力のことである。

この試験１では、図４に示すように、永久磁石とスペーサの合計厚みを４５ｍｍとし、スペーサの厚み比率を０％から１００％まで段階的に変化させて、磁気反発力と推力定数を算出したところ、次の表１及び図５に示す結果が得られた。

この試験１に用いた永久磁石は、最大エネルギ積が４０ＭＧＯｅ、外径φが２５ｍｍの磁石を用いた。可動子は、１２個のＵＶＷ相のコイル（１コイルは１００ターン）で構成した。

非磁性体スペーサでは、厚み比率が大きくなっても、永久磁石間に作用する磁気反発力が０以下（吸引力）にはならないが、磁性体スペーサでは、厚み比率が２０％付近になると、磁気反発力がほぼ０になり、これよりも厚くなると、永久磁石と磁性体スペーサとの間に作用する磁気力が反発力から吸引力に反転する。これは、磁性体スペーサの両端部分が異なる極性に磁化されるためである。

また、推力定数は、磁性体スペーサの方が非磁性体スペーサよりも全般的に大きくなる。更に、磁性体スペーサでは、厚み比率が２０％前後でも、推力定数の低下は僅かである。

［試験２］
この試験２では、永久磁石の特性（最大エネルギ積）の違いによる特性変化を調べてみた。この試験２でも、上記試験１と同様に、永久磁石とスペーサの合計厚みを４５ｍｍとし、外径φが２５ｍｍの永久磁石を用いると共に、磁性体（鉄ＳＳ４００）のスペーサを用いた。可動子は１２個のＵＶＷ相のコイル（１コイルは１００ターン）で構成した。

この試験２では、永久磁石の最大エネルギ積を３０ＭＧＯｅ、４０ＭＧＯｅ、５０ＭＧＯｅの３段階に変化させ、磁性体スペーサの厚み比率を０％から１００％まで段階的に変化させて、磁気反発力と推力定数を算出したところ、次の表２及び図６に示す結果が得られた。

この試験２の結果を見ると、永久磁石の最大エネルギ積が相違しても、磁性体スペーサの厚み比率が２０％付近になると、磁気反発力がほぼ０になり、これよりも厚くなると、永久磁石と磁性体スペーサとの間に作用する磁気力が反発力から吸引力に反転する。この試験２の結果から、永久磁石の最大エネルギ積が変化しても、磁性体スペーサの厚み比率に対する磁気反発力と推力定数の変化特性がほぼ同じ傾向を示すことが確認された。
また、永久磁石の最大エネルギ積が変化しても、磁性体スペーサの厚み比率が、磁気反発力がほぼ０になる２０％付近における推力定数の低下は僅かである。

［試験３］
この試験３では、永久磁石の外径φの違いによる特性変化を調べてみた。この試験３でも、前記試験１と同様に、永久磁石とスペーサの合計厚みを４５ｍｍとし、磁性体（鉄ＳＳ４００）のスペーサを用いた。可動子は１２個のＵＶＷ相のコイル（１コイルは１００ターン）で構成した。

この試験３では、永久磁石の最大エネルギ積を４０ＭＧＯｅとし、永久磁石の外径φを１５ｍｍ、２５ｍｍ、３５ｍｍの３段階に変化させ、磁性体スペーサの厚み比率を０％から１００％まで段階的に変化させて、磁気反発力と推力定数を算出したところ、次の表３及び図７に示す結果が得られた。

この試験３の結果を見ると、永久磁石の外径φが相違しても、磁性体スペーサの厚み比率が２０％前後になると、磁気反発力がほぼ０になり、これよりも厚くなると、永久磁石と磁性体スペーサとの間に作用する磁気力が反発力から吸引力に反転する。この試験３の結果から、永久磁石の外径φが変化しても、磁性体スペーサの厚み比率に対する磁気反発力と推力定数の変化特性がほぼ同じ傾向を示すことが確認された。
また、永久磁石の外径φが相違しても、磁性体スペーサの厚み比率が、磁気反発力がほぼ０になる２０％付近における推力定数の低下は僅かである。

［試験４］
この試験４では、図８に示すように、固定子の組立時に永久磁石を磁性体スペーサに近付けて密着させるまでの過程で、永久磁石と磁性体スペーサとの間に発生する磁気力の変化を調べてみた。この試験４でも、磁性体（鉄ＳＳ４００）のスペーサを用い、可動子は１２個のＵＶＷ相のコイル（１コイルは１００ターン）で構成した。

この試験４では、永久磁石の最大エネルギ積を４０ＭＧＯｅ、永久磁石の外径φを２５ｍｍ、永久磁石の厚み寸法を３０ｍｍとし、磁性体スペーサの厚み寸法を１５ｍｍとした（磁性体スペーサの厚み比率を３３．３％とした）。
この試験４では、永久磁石と磁性体スペーサとの間の距離Ｘ［ｍｍ］を変化させて、磁気反発力を算出したところ、次の表４及び図９に示す結果が得られた。

この試験４の条件では、永久磁石と磁性体スペーサとを密着させた状態（距離Ｘ＝０ｍｍ）では、５３．６［Ｎ］の吸引力が発生するが、距離Ｘが３ｍｍ以上では、吸引力とはならず、反発力となるため、実際に吸引力が発生する距離Ｘは３ｍｍよりも小さくなる。このように、永久磁石が磁性体スペーサにかなり接近するまで吸引力が発生しないため、固定子の組立時の作業性はほとんど悪くならない（距離Ｘが離れた状態で大きな吸引力が発生すると、永久磁石が磁性体スペーサに勢い良く吸着されて永久磁石が損傷する可能性がある）。

以上説明した各試験１〜４の結果から明らかなように、各永久磁石１３の間に磁性体スペーサ１８を挟み込んだ構成の円筒型リニアモータについて、磁性体スペーサ１８の厚み寸法と磁気反発力との関係を調べて見ると、磁性体スペーサ１８の厚み寸法が０の場合（つまり隣接する永久磁石１３の同極どうしを密着させた場合）に磁気反発力が最大となり、この状態から磁性体スペーサ１８の厚み寸法が厚くなるに従って磁気反発力が小さくなり、磁性体スペーサ１８の厚み寸法が永久磁石１３の厚みの１／４〜１／６程度になると磁気反発力がほぼ０になり、これよりも厚くなると、永久磁石１３と磁性体スペーサ１８との間に作用する磁気力が反発力から吸引力に反転することが判明した。また、磁性体スペーサ１８の厚み寸法とリニアモータの推力定数との関係を調べて見ると、磁性体スペーサ１８の厚み寸法が磁気反発力がほぼ０となる点付近であれば、推力の低下が僅かであることが判明した。

このような特性を考慮して、本実施例では、磁性体スペーサ１８の厚み寸法を、永久磁石１３と磁性体スペーサ１８との間に発生する磁気反発力が最大磁気反発力の１／１０以下（より好ましくは１／２０以下、更に好ましくは１／５０以下）からマイナス値（吸引力）となる範囲で最大推力の９０％以上（より好ましくは９５％以上、更に好ましくは９７％以上）の推力が得られるように設定したものである。この構成では、永久磁石１３と磁性体スペーサ１８との間に発生する磁気反発力が非常に小さいか又は吸引力となるため、固定子１０の組立中に永久磁石１３が磁気反発力により飛び出してしまうことを防止できると共に、永久磁石１３の飛び出しを阻止するための特殊な治具を使用せずに固定子１０を組み立てることが可能となり、固定子１０の組立作業を能率良く行うことができて、生産性向上・コスト削減の要求を満たすことができる。しかも、推力の低下も少ないため、円筒型リニアモータの動力性能をほとんど損なわずに生産性向上・コスト削減を実現することができる。

この場合、磁性体スペーサ１８の厚み寸法は、永久磁石１３と磁性体スペーサ１８との間に発生する磁気反発力（吸引力）がほぼ０となるように設定すると良い。このようにすれば、固定子１０の組立時に永久磁石１３と磁性体スペーサ１８との間に磁気反発力や吸引力がほとんど作用しなくなるため、固定子１０の組立性をより一層向上させることができる。

本発明の一実施例の円筒型リニアモータを搭載した装置を概略的に示す図である。 円筒型リニアモータの主要部の斜視図である。 円筒型リニアモータの主要部の断面図である。 永久磁石とスペーサ（磁性体スペーサ）と固定子のコイルの寸法関係を説明する図である。 磁性体（鉄ＳＳ４００）のスペーサと非磁性体（プラスチック）のスペーサについて、スペーサの厚み比率と磁気反発力と推力定数との関係を説明する図である。 永久磁石の特性（最大エネルギ積）の違いによる特性変化を説明する図である。 永久磁石の外径φの違いによる特性変化を説明する図である。 試験４の試験条件を説明する図である。 永久磁石と磁性体スペーサとの間の距離Ｘの違いによる磁気力の変化を説明する図である。

符号の説明

１０…固定子、１１…円筒型リニアモータ、１２…円筒状のシャフト、１３…永久磁石、１４…コイル、１５…可動子、１６…ベースフレーム、１７…支持ブラケット、１８…磁性体スペーサ

Claims (2)

1. 複数の永久磁石を直線状に組み付けたシャフト状の固定子の外側に、複数のコイルを内蔵した可動子を該固定子と同心状に配置し、前記可動子の移動位置に応じて前記複数のコイルへの通電を切り換えることで前記可動子を前記固定子に沿って直線駆動する円筒型リニアモータにおいて、
   前記シャフト状の固定子は、前記各永久磁石の間にそれぞれ磁性体スペーサが挟み込まれ、且つ、隣接する永久磁石の同極どうしが前記磁性体スペーサを挟んで対向するように構成され、
   前記磁性体スペーサの厚み寸法は、前記永久磁石と前記磁性体スペーサとの間に発生する磁気反発力が、当該磁性体スペーサを挟まずに隣接する永久磁石の同極どうしを密着させた場合の永久磁石間の磁気反発力の１／１０以下からマイナス値（吸引力）となる範囲で当該磁性体スペーサを挟まずに隣接する永久磁石の同極どうしを密着させた場合の推力の９０％以上の推力が得られるように設定されていることを特徴とする円筒型リニアモータ。
2. 前記磁性体スペーサの厚み寸法は、前記永久磁石と前記磁性体スペーサとの間に発生する磁気反発力がほぼ０となるように設定されている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。

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