JP5126262B2 - リニアモータおよび送り装置 - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータおよび送り装置などに関する。

従来、リニアモータの小型化による界磁ヨークの磁気飽和を軽減し、発生電磁推力の低下を回避するために、界磁部を構成する永久磁石の個数を奇数個とするものが知られている（特許文献１参照）。

特開２０００−３４１９３０号公報

近年、リニアモータが適用される工作機や半導体製造装置等のＦＡ設備の高性能化に伴い、さらに高性能のリニアモータや送り装置が要求されている。しかしながら、従来の奇数極界磁リニアモータでは、発生電磁推力の低下を回避できたとしても、奇数極界磁であるがために、界磁部と電機子部との間の磁気的空隙における磁束密度分布にバイアスが生じてしまう。このため、十分なモータ特性が得られなかった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、高性能のリニアモータおよび送り装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
本発明のリニアモータは、着磁の方向が異なる奇数個の永久磁石が長手方向に沿って交互に並んで設けられた第１の磁性部材および第２の磁性部材とを有し、前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材は、それぞれの永久磁石が対向し、かつ、対向する永久磁石の極性が異なるように配置された磁石部と、巻線が巻装され、前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材の間に配置された巻線部と、前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材の前記長手方向の両側面を連結する磁性体の連結部材と、前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材の短手方向の側面かつ前記長手方向の両側に設けられ、前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材を連結する磁性体の第２連結部材および第３連結部材と、前記第２連結部材および前記第３連結部材の間に設けられ、前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材を連結する非磁性体の第４連結部材と、を備え、前記第２連結部材および前記第３連結部材は互いに対称な形状を有し、前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材の前記長手方向における中心線を線対称軸として互いに対称の位置に設けられ、前記巻線に通電することにより、前記巻線部が前記磁石部に対して相対的に移動する。
本発明の送り装置は、本発明のリニアモータを用いたものである。

本発明によれば、高性能のリニアモータおよび送り装置を提供することができる。

第１実施形態のリニアモータの全体斜視図 磁束分布の模式図 第２実施形態のリニアモータの全体斜視図 （ａ）送り装置の側断面図、（ｂ）送り装置の部分平面図

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態のリニアモータの全体斜視図である。第１実施形態のリニアモータは、界磁部としての磁石部６（図４参照）と電機子部としての巻線部７（図４参照）とを備えている。磁石部６は、矩形状で平板状の第１の磁性部材１ａと矩形状で平板状の第２の磁性部材１ｂとを備えている。一対の平板状の界磁ヨークとしての第１の磁性部材１ａと第２の磁性部材１ｂは互いに略平行に配置されている。第１の磁性部材１ａおよび第２の磁性部材１ｂの長手方向は、巻線部７が磁石部６に対して相対的に移動する移動方向（図１における矢印方向）と同じ方向である。

第１の磁性部材１ａには、着磁の方向が異なる奇数個（本実施形態では５個）の永久磁石２ａ〜２ｅが移動方向に沿って交互に並んで設けられている。同様に、第２の磁性部材１ｂにも、着磁の方向が異なる奇数個（本実施形態では５個）の永久磁石２ａ〜２ｅが移動方向に沿って交互に並んで設けられている。
巻線部７には、巻線１０（図４参照）が巻装されている。巻線部７は、第１の磁性部材１ａと第２の磁性部材１ｂの間に配置されている。
第１の磁性部材１ａおよび第２の磁性部材１ｂは、それぞれの永久磁石２ａ〜２ｅが対向し、かつ、対向する永久磁石の極性が異なるように配置されている。第１の磁性部材１ａおよび第２の磁性部材１ｂの長手方向の両側面は、磁性体の連結部材３０ａ、３０ｂにより連結されている。

第１実施形態のリニアモータにおいては、巻線１０に通電することにより、巻線部７が磁石部６に対して相対的に移動するように構成されている。連結部材３０ａ、３０ｂは、開口部３４（図２参照）を有する略Ｕ字形状となっており、その開口部３４は、移動方向に移動する巻線部７との干渉を回避する干渉回避部として機能する。

連結部材３０ａ、３０ｂの形状を詳述すると次のようになる。すなわち、連結部材３０ａ、３０ｂは、第１の磁性部材１ａの短手方向に沿って設けられた角柱状で磁性体の第１連結部３１ａ、３１ｂと、第２の磁性部材１ｂの短手方向に沿って設けられた角柱状で磁性体の第２連結部３２ａ、３２ｂと、第１連結部３１ａ、３１ｂおよび第２連結部３２ａ、３２ｂの長手方向における同方向の端部を連結する角柱状で磁性体の第３連結部３３ａ、３３ｂと、を備えている。

次に、本実施形態のリニアモータにおける磁束分布について説明する。図２は、磁束分布の模式図である。図２の点線矢印は磁束の流れを示している。図２に示すように、本実施の形態のリニアモータは、磁性部材１ａ、１ｂを部分的に接続する磁性体の連結部材３０ａ、３０ｂを備えているため、磁気回路に加え、磁気的空隙を介して永久磁石２ａ〜２ｅと、磁性部材１ａ、１ｂと、連結部材３０ａ、３０ｂとを通る磁気回路を形成する。このため、移動方向における界磁部としての磁石部６の両端の漏洩磁束が減少し、ここでは図示しない巻線部７から見た磁石部６は、相対的に磁石部６の両端が周期的な境界を有するのと同様なことになる。よって、磁性部材１ａ、１ｂの両端の永久磁石２ａ、２ｅにより巻線部７へ鎖交する磁束分布が、中央部の永久磁石２ｂ、２ｃ、２ｄにより巻線部７へ鎖交する磁束分布と同等となる。したがって、電機子部としての巻線部７と界磁部としての磁石部６との間の磁気的空隙における磁束密度分布に生じるバイアスの量を減らすことができる。

第１実施形態は上記に示したごとく、永久磁石２ａ〜２ｅの個数を奇数とする磁石部６を構成する奇数極界磁のリニアモータにおいて、磁性部材１ａ、１ｂに、磁性部材１ａ、１ｂの長手方向の端面を閉じるように接続する２つの連結部材３０ａ、３０ｂを設けることで、両端の磁束が２つの連結部材３０ａ、３０ｂを通って移動方向の中心側へ戻ることができる。したがって、巻線部７から見た磁石部６は、相対的に界磁部の両端に周期的な境界が存在することと同様になる。よって、磁性部材１ａ、１ｂの両端部の磁石の磁束分布と中央部の磁石の磁束分布が同等になる界磁を得られる。
すなわち、本実施形態によれば、２つの連結部材３０ａ、３０ｂを設けることにより、界磁部を奇数極界磁（永久磁石を奇数個）としても、電機子部と界磁部との間の磁気的空隙における磁束密度に生じるバイアスの量を減らすことができる。その結果、界磁部を奇数極界磁としても、十分なモータ特性を得ることができる。したがって、高性能のリニアモータを提供することができる。

＜第２実施形態＞
図３は、第２実施形態のリニアモータの全体斜視図である。図３において、第２実施形態のものは、第１実施形態ものに、後述する様々な部材を含む少なくとも一つの部材を加えたものである。
第２実施形態のリニアモータにおいて、連結部材３０ａ、３０ｂは、連結部材３０ａ、３０ｂを補強する磁性体または非磁性体の補強部５を備えている。補強部５の例としては、三角柱形状のリブのようなものが挙げられるが、これに限られるものではなく、連結部材３０ａ、３０ｂの強度を補強するものであればよい。

また、第２実施形態のリニアモータは、第１の磁性部材１ａおよび第２の磁性部材１ｂの短手方向の側面かつ長手方向（移動方向）の両側にそれぞれ間隔をあけて設けられ、第１の磁性部材１ａと第２の磁性部材１ｂを連結する磁性体の第２連結部材３ａおよび磁性体の第３連結部材３ｂを備えている。第２連結部材３ａと第３連結部材３ｂは、ヨークを固定するヨーク固定部材としても機能する。
ここで、第２連結部材３ａと第３連結部材３ｂは、互いに対称な形状であり、磁性部材１ａ、１ｂの長手方向（リニアモータの移動方向）における中心線を線対称軸として、互いに対称な位置に設けられている。この対称性により、リニアモータの強度的なバランスと磁気的なバランスを確保できる。
さらに、第２実施形態のリニアモータは、第２連結部材３ａと第３連結部材３ｂの間に設けられ、第１の磁性部材１ａと第２の磁性部材１ｂを連結する非磁性体の第４連結部材４を備えている。第４連結部材４を、強化プラスチックなどの軽量で高剛性の非磁性体の材料で形成すれば、リニアモータの高剛性化と軽量化を両立することができる。

なお、必ずしも、補強部５、第２連結部材３ａ、第３連結部材３ｂ、第４連結部材４を全て備える必要は無く、これらの内、任意の一つ、または任意の組合わせの部材を備えればよい。また、第２連結部材３ａ、第３連結部材３ｂ、第４連結部材４は、磁性体と非磁性体のどちらの材料で形成しても構わない。これにより、第１実施例と同様の効果に加え、リニアモータの剛性を向上できるという格別の効果を得られる。
例えば、非磁性体の第２連結部材３ａだけを設けてもよい。この場合、第２連結部材３ａを、磁性部材１ａ、１ｂの長手方向におけるどの位置に設けてもよいが、磁性部材１ａ、１ｂの長手方向における中央部の近傍に位置させると、リニアモータの強度的なバランスが確保できるので望ましい。
また、磁性体の第２連結部材３ａだけを設けてもよい。この場合、第２連結部材３ａの長手方向の寸法を、磁性部材１ａ、１ｂの長手方向の寸法と略同一にする。または、長手方向の寸法が磁性部材１ａ、１ｂの長手方向の寸法より短い第２連結部材３ａを、磁性部材１ａ、１ｂの長手方向における中央部の近傍に位置させる。このとき、磁性体の第２連結部材３ａは、磁性部材１ａ、１ｂの長手方向（リニアモータの移動方向）における中心線を線対称軸として、対称に設けられている。この対称性により、強度的なバランスと磁気的なバランスを確保できる。さらに、第２連結部材３ａの長手方向における中央部の近傍に、貫通孔などの対称形状の開口を設けてもよい。これにより、リニアモータの剛性向上と強度的、磁気的なバランスの確保を両立しつつ、リニアモータの軽量化、放熱性向上などの効果を得ることができる。

図４は本実施形態のリニアモータを工作機のテーブルの送り装置に適用した例を示すものである。図４（ａ）は、送り装置の側断面図であり、図４（ｂ）は、送り装置の部分平面図である。
ここで、詳述すると、図４（ｂ）は、図４（ａ）の可動部材（テーブル）を取り外した状態を示すと共に移動方向に沿って上面から見た平面図である。この図より、巻線１０は、電機子コア８に設けられたティース９に巻装されていることがわかる。また、ティース幅Ｂｔでティース長さＨｔのティース９は、スロットピッチＰｓで複数設けられている。一方、永久磁石２ａ〜２ｅは、磁極ピッチＰｍで設けられている。

図４に示した送り装置は、凹部を有し断面略Ｕ字形状のベース部材１４と、断面略Ｕ字形状のベース部材１４の両側に設けられたリニアガイド１１と、リニアガイド１１に連結されリニアガイド１１によって移動方向（磁性部材１ａ、１ｂの長手方向）に案内される可動部材１３と、を備えている。磁石部６や巻線部７の構成は、すでに説明したリニアモータのものとほぼ同様である。
図４に示した送り装置おいては、磁石部６がベース部１４の凹部に連結され、かつ、巻線部７が取付部材１２を介して可動部材１３に連結されている。したがって、この送り装置においては、巻線１０に通電することにより、可動部材１３が移動方向（磁性部材１ａ、１ｂの長手方向）に送られるようになっている。

なお、磁石部６が可動部材１３に連結され、かつ、巻線部７が取付部材１２を介してベース部１４の凹部に連結されていてもよい。

このように高性能のリニアモータをテーブルの送り装置に適用することで、高性能の送り装置を提供することができ、高性能な位置決め送りを実現することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。

１ａ、１ｂ 磁性部材
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ 永久磁石
３ａ、３ｂ 第２連結部材、第３連結部材
４ 第４連結部材
５ 補強部
６ 磁石部
７ 巻線部
８ 電機子コア
９ ティース
１０ 巻線
１１ リニアガイド
１２ 取付部材
１３ 可動部材
１４ ベース部材
３０ａ、３０ｂ 連結部材

Claims (7)

1. 着磁の方向が異なる奇数個の永久磁石が長手方向に沿って交互に並んで設けられた第１の磁性部材および第２の磁性部材とを有し、前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材は、それぞれの永久磁石が対向し、かつ、対向する永久磁石の極性が異なるように配置された磁石部と、
   巻線が巻装され、前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材の間に配置された巻線部と、
   前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材の前記長手方向の両側面を連結する磁性体の連結部材と、
   前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材の短手方向の側面かつ前記長手方向の両側に設けられ、前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材を連結する磁性体の第２連結部材および第３連結部材と、
   前記第２連結部材および前記第３連結部材の間に設けられ、前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材を連結する非磁性体の第４連結部材と、
   を備え、
   前記第２連結部材および前記第３連結部材は互いに対称な形状を有し、前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材の前記長手方向における中心線を線対称軸として互いに対称の位置に設けられ、
   前記巻線に通電することにより、前記巻線部が前記磁石部に対して相対的に移動する
   ことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記連結部材に、開口部を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
3. 前記連結部材が、略Ｕ字形状である
   ことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
4. 前記連結部材が、当該連結部材を補強する補強部を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
5. 前記連結部材が、
   前記第１の磁性部材の短手方向に沿って設けられた角柱状の第１連結部と、
   前記第２の磁性部材の短手方向に沿って設けられた角柱状の第２連結部と、
   前記第１連結部および前記第２連結部の長手方向における同方向の端部を連結する角柱状の第３連結部と、
   を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
6. ベース部材と、
   前記ベース部材に設けられたリニアガイドと、
   前記リニアガイドに連結され当該リニアガイドによって移動方向に案内される可動部材と、
   着磁の方向が異なる奇数個の永久磁石が長手方向に沿って交互に並んで設けられた第１の磁性部材および第２の磁性部材とを有し、前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材は、それぞれの永久磁石が対向し、かつ、対向する永久磁石の極性が異なるように配置された磁石部と、
   巻線が巻装され、前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材の間に配置された巻線部と、
   前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材の前記長手方向の両側面を連結する磁性体の連結部材と、
   前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材の短手方向の側面かつ前記長手方向の両側に設けられ、前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材を連結する磁性体の第２連結部材および第３連結部材と、
   前記第２連結部材および前記第３連結部材の間に設けられ、前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材を連結する非磁性体の第４連結部材と、
   を備え、
   前記磁石部が前記ベース部に連結され、かつ、前記巻線部が前記可動部材に連結されており、
   前記第２連結部材および前記第３連結部材は、互いに対称な形状を有し、前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材の前記長手方向における中心線を線対称軸として互いに対称の位置に設けられ、
   前記巻線に通電することにより、前記可動部材が前記移動方向に送られる
   ことを特徴とする送り装置。
7. ベース部材と、
   前記ベース部材に設けられたリニアガイドと、
   前記リニアガイドに連結され当該リニアガイドによって移動方向に案内される可動部材と、
   着磁の方向が異なる奇数個の永久磁石が長手方向に沿って交互に並んで設けられた第１の磁性部材および第２の磁性部材とを有し、前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材は、それぞれの永久磁石が対向し、かつ、対向する永久磁石の極性が異なるように配置された磁石部と、
   巻線が巻装され、前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材の間に配置された巻線部と、
   前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材の前記長手方向の両側面を連結する磁性体の連結部材と、
   前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材の短手方向の側面かつ前記長手方向の両側に設けられ、前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材を連結する磁性体の第２連結部材および第３連結部材と、
   前記第２連結部材および前記第３連結部材の間に設けられ、前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材を連結する非磁性体の第４連結部材と、
   を備え、
   前記磁石部が前記可動部材に連結され、かつ、前記巻線部が前記ベース部に連結されており、
   前記第２連結部材および前記第３連結部材は、互いに対称な形状を有し、前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材の前記長手方向における中心線を線対称軸として互いに対称の位置に設けられ、
   前記第１の磁性部材および前記第２の磁性部材の前記移動方向の両側面が、連結部材により連結され、
   前記巻線に通電することにより、前記可動部材が前記移動方向に送られる
   ことを特徴とする送り装置。

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