JP5363994B2 - リニアステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、電機子の少なくとも二相のコイルの励磁電流を切り替えることで、界磁マグネットを電機子に対して所定のステップ量ずつ相対的に直線運動させるリニアステッピングモータに関する。

ステッピングモータは、与えられたパルス数に比例して、一定の角度だけ回転する機能をもったモータである。指令パルスのみで位置も速度も決まるので、回転子の位置や速度をフィードバックしないオープンループの制御ができる。

ステッピングモータの駆動回路は、ＤＣ電源からの電流をステッピングモータの各コイルに供給すると共に、指令パルスがある度ごとに励磁するコイルを順次切り替える。励磁するコイルを切り替えるごとに、回転子は１ステップずつ、固有の角度で回転する。回転型のステッピングモータが回転子の回転運動をラック・ピニオン機構などの運動変換手段を介して直線運動に変換するのに対し、リニアステッピングモータは移動子をダイレクトに直線運動させる。

リニアステッピングモータとしては、永久磁石を使用しないＶＲ型(Variable Reductance)のリニアモータや、永久磁石と電磁石とを組み合わせたＨＢ型（Hybrid type）のリニアモータが知られている。一般的には、推力を大きくすることができるＨＢ型のリニアステッピングモータが広く用いられている（例えば特許文献１参照）。
特開昭６１−１７３６６０号公報

ＨＢ型のリニアステッピングモータにおいては、固定子及び移動子に多数の櫛歯を加工することで推力を大きくすることができたり、ステップ量を小さくすることができたりするなどの利点がある。しかし、複雑な櫛歯の形状の加工が必要になったり、固定子の櫛歯と移動子の櫛歯との間隔を一定に保つ組立が必要になったりするので、製造が困難であるという欠点がある。

そこで本発明は、構造を単純にすることができ、しかも大きな推力を得ることができるリニアステッピングモータ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、Ｎ極及びＳ極の磁極が軸線方向に交互に着磁される界磁マグネットと、前記界磁マグネットの周囲を取り囲む少なくとも二相のコイル、及び前記少なくとも二相のコイルの内側に前記界磁マグネットからすきまを空けて配置される磁性材料のインナーコアを有する電機子と、前記少なくとも二相のコイルを励磁すると共に、励磁するコイルを切り替える制御装置と、を備え、前記インナーコアは、前記少なくとも二相のコイルの相数に等しい数の分割インナーコアからなり、各分割インナーコアは、前記少なくとも二相のコイルのうちの各コイルの内側に配置され、励磁コイルの軸線方向の両端部に発生する磁極と前記界磁マグネットの磁極との間の吸引力及び／又は反発力を利用して、前記界磁マグネットを前記電機子に対して所定のステップ量ずつ相対的に直線運動させるリニアステッピングモータである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリニアステッピングモータにおいて、前記分割インナーコアの軸線方向の長さが、前記各コイルの軸線方向の長さと等しいか又はわずかに長いことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のリニアステッピングモータにおいて、前記少なくとも二相のコイルのうちの各コイルの軸線方向の両端部には、非磁性材料が設けられることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のリニアステッピングモータにおいて、前記電機子は、前記少なくとも二相のコイルを覆う磁性材料のヨーク、前記少なくとも二相のコイルの軸線方向の両端部に設けられ、前記電機子に対する前記界磁マグネットの相対的な直線運動を案内する非磁性材料のブッシュ、及び前記各コイル間に設けられ、前記各コイルの位相をずらす非磁性材料のスペーサを有することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載のリニアステッピングモータにおいて、前記界磁マグネットは、軸線方向にＮ極及びＳ極が着磁された単一マグネットがＮ極同士及びＳ極同士が向かい合うように並べられたユニットマグネットを有し、前記単一マグネットのＮ極又はＳ極が着磁される一対の端面が互いに平行であり、かつ軸線方向に直交する面から傾けられることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のリニアステッピングモータにおいて、前記少なくとも二相のコイルは、二相のコイルであり、前記一対の端面は、軸線方向に直交する面から下記の数式から算出される角度θだけ傾けられることを特徴とする。
（数１）
θ＝ｔａｎ^-1（Ｐ／２Ｒ）
ここで、Ｐ：Ｎ−Ｓ間の磁極ピッチ、Ｒ：単一マグネットの直径

請求項７に記載の発明は、少なくとも二相のコイルを励磁すると共に、励磁するコイルを切り替えることによって、励磁コイルの軸線方向の両端部に発生する磁極を発生させ、該励磁コイルの磁極と界磁マグネットの磁極との間の吸引力及び／又は反発力を利用して、電機子に対して界磁マグネットを所定のステップ量ずつ相対的に直線運動させるリニアステッピングモータの製造方法において、前記少なくとも二相のコイルの内側に前記少なくとも二相のコイルの相数に等しい数の分割インナーコアからなる磁性材料の筒状のインナーコアを、前記少なくとも二相のコイルのうちの各コイルの内側に各分割インナーコアが配置されるように挿入するインナーコア挿入工程と、前記少なくとも二相のコイルを磁性材料の筒状のヨークに挿入するコイル挿入工程と、前記インナーコアの内側にＮ極及びＳ極の磁極が軸線方向に交互に着磁される前記界磁マグネットを挿入するマグネット挿入工程と、を備えるリニアステッピングモータの製造方法である。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のリニアステッピングモータの製造方法において、前記コイル挿入工程では、前記少なくとも二相のコイルの軸線方向の両端部に、前記電機子に対する前記界磁マグネットの相対的な直線運動を案内する非磁性材料のブッシュを配置すると共に、前記少なくとも二相のコイルのうちの各コイル間に、各コイルの位相をずらす非磁性材料のスペーサを配置することを特徴とする。

推力の大きなリニアステッピングモータを得るためには、リニアステッピングモータの作動原理から各コイルの両端部の磁極を強くする必要がある。請求項１に記載の発明によれば、コイルの内側に磁性材料のインナーコアを配置するので、コイルの内側の磁気抵抗が小さくなり、コイルの両端部の磁束密度がより高くなる。よって、推力の大きなリニアステッピングモータが得られる。しかも、インナーコアをコイルの内側に配置することで、リング状のコアをコイルの両端部に配置する場合のように、コイルの両端部に発生する磁極が隣のコイルの両端部に発生する磁極に影響されたり、コアによるコギング力が発生したりするのを防止することができる。
また、各コイルの内側に分離した分割インナーコアを配置するので、各コイルの両端部に発生する磁極が隣のコイルの両端部に発生する磁極によって影響されるのを防止することができる。仮に、複数のコイルに対して一つのインナーコアを配置したとすると、各コイルの両端部に強い磁極が発生しにくくなる。

請求項２に記載の発明によれば、機械的な加工部品であるインナーコアの両端部に磁極を形成することができるので、コイル側の磁極の位置と界磁マグネット側の磁極の位置とを正確に位置決めすることができる。コイルの軸線方向の長さを高精度に管理する必要がないので、コイルの巻線作業が容易になる。

請求項３に記載の発明によれば、コイルの両端部に発生する磁極が隣のコイルの両端部に発生する磁極に影響されるのを防止することができる。

請求項４に記載の発明によれば、コイルの両端部の非磁性材料をブッシュやスペーサに兼用することができる。また、コイルを磁性材料からなるヨークで覆うので、コイルの外側の磁気抵抗が小さくなり、コイルの両端部の磁束密度がより高くなる。

請求項５に記載の発明によれば、単一マグネットの端面を傾けることで、インナーコアと界磁マグネットとの間に発生するコギング力を低減することができる。コイルが界磁マグネットを取り囲んでいる構造のため、単一マグネットの端面を傾けることによる発生推力の低下は少ない。

請求項６に記載の発明によれば、インナーコアと界磁マグネットとの間に発生するコギング力を最小にすることができる。

請求項７に記載の発明によれば、コイルの内側に磁性材料のインナーコアを配置するので、コイルの内側の磁気抵抗が小さくなり、コイルの両端部の磁束密度がより高くなる。よって、推力の大きなリニアステッピングモータが得られる。しかも、インナーコアをコイルの内側に配置することで、リング状のコアをコイルの両端部に配置する場合のように、コイルの両端部に発生する磁極が隣のコイルの両端部に発生する磁極に影響されたり、コアによるコギング力が発生したりするのを防止することができる。
また、各コイルの内側に分離した分割インナーコアを配置するので、各コイルの両端部に発生する磁極が隣のコイルの両端部に発生する磁極によって影響されるのを防止することができる。仮に、複数のコイルに対して一つのインナーコアを配置したとすると、各コイルの両端部に強い磁極が発生しにくくなる。

請求項８に記載の発明によれば、コイルの両端部に発生する磁極が隣のコイルの両端部に発生する磁極に影響されるのを防止することができる。また、コイルの両端部の非磁性材料をブッシュやスペーサに兼用することができる。

本発明の第一の実施形態におけるリニアステッピングモータの斜視図 リニアステッピングモータの軸線に沿った断面図 ロッドの詳細図 単一マグネットの側面図 フォーサの平面図 フォーサの軸線に沿った断面図 ヨークを示す図（図中（ａ）が平面図を示し、図中（ｂ）が側面図を示す） コイルの断面図 コイルの結線図 分割インナーコアを示す図（図中（ａ）が平面図を示し、図中（ｂ）が側面図を示す） ブッシュを示す図（図中（ａ）が平面図を示し、図中（ｂ）が側面図を示す） スペーサを示す図（図中（ａ）が平面図を示し、図中（ｂ）が側面図を示す） コイルの励磁方式の一例を示す図 リニアステッピングモータの移動原理を示す図 コギング力の解析結果を示すグラフ コイルに誘起される誘起電圧を示すグラフ コギング力が低減する原理を示すグラフ 分割インナーコアにポールを設けた場合と、ポールを設けない場合を示す図（図中（ａ）がポール付きの例であり、図中（ｂ）がポールなしの例） ポール付きの場合とポールなしの場合とで、コイルに発生する逆起電圧定数の比較結果を示すグラフ（図中（ａ）がポール付きのグラフであり、図中（ｂ）がポールなしのグラフ） 本発明の第二の実施形態のリニアステッピングモータを示す断面図

符号の説明

１…ロッド（界磁マグネット）
２…フォーサ（電機子）
４…二相のコイル
４ａ，４ｂ…各相のコイル
５…単一マグネット
５ａ，５ｂ…マグネットの端面
８…インナーコア
８ａ，８ｂ…各分割インナーコア
９…ヨーク
１１…ブッシュ
１２…スペーサ

以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の第一の実施形態のリニアステッピングモータを示す。リニアステッピングモータは、細長く伸びるロッド１と、ロッド１の周囲を覆う筒状のフォーサ２からなる。ロッド１はリニアステッピングモータの界磁マグネットとして機能し、フォーサ２が電機子として機能する。ロッド１はフォーサ２に対して軸線方向に相対的に直線運動する。ロッド１又はフォーサ２のいずれか一方が固定され、他方が移動する。

図２は、リニアステッピングモータの断面図を示す。ロッド１には、Ｎ極及びＳ極の磁極が軸線方向に交互に着磁される。フォーサ２には、ロッド１の周囲にすきまを空けて巻かれた二相のコイル４が収容される。二相のコイル４は軸線方向に並べて配置される一対の各相のコイル４ａ，４ｂからなる。各相のコイル４ａ，４ｂを励磁することによって、各相のコイル４ａ，４ｂの両端部にＮ極及びＳ極の磁極が発生する。各相のコイル４ａ，４ｂの両端部の磁極とロッド１の磁極との吸引力及び／又は反発力が推力となって、ロッド１がフォーサ２に対して直線運動する。そして、各相のコイル４ａ，４ｂの励磁電流を切り替えることによって、ロッド１がフォーサ２に対して所定のステップ量ずつ直線運動する。

図３はロッド１の詳細図を示す。ロッド１は、円筒状のパイプ３に複数のマグネット５を封入させてなる。円筒状のパイプ３は、ステンレスなどの金属製であるか、又は樹脂製である。単一マグネット５は、保磁力の高いネオジウム磁石などの希土類磁石である。単一マグネット５の形状は、正面が円形状であり、側面が平行四辺形である。単一マグネット５はボンド磁石（例えば、プラスチックマグネット）からなり、磁石粉末と樹脂との複合材を射出成型することで製造される。単一マグネット５には、軸線方向にＮ極及びＳ極が着磁される。すなわち、単一マグネット５の軸線方向の一方の端面５ａがＮ極に、他方の端面５ｂがＳ極になる。単一マグネット５をＮ極同士及びＳ極同士が向かい合うように並べることで、ユニットマグネットが構成される。ユニットマグネットによって、ロッド１にはＮ極及びＳ極の磁極が軸線方向に所定のピッチで交互に形成される。

図４は単一マグネット５の側面図を示す。単一マグネット５は、Ｎ極又はＳ極が着磁される一対の端面５ａ，５ｂが平行であり、かつこの一対の端面５ａ，５ｂが軸線方向に直交する面６から傾けられる。この実施形態では、一対の端面５ａ，５ｂの傾き角θは、θ＝ｔａｎ^-1（Ｐ／２Ｒ）に実質的に設定される。ここで、Ｐ：Ｎ−Ｓ間の磁極ピッチ、Ｒ：単一マグネットの直径である。単一マグネット５の端面５ａ，５ｂを傾けるのは、インナーコア８（図２参照）と単一マグネット５との間に発生するコギング力を低減するためである。端面５ａ，５ｂの傾き角θとコギング力との関係については後述する。単一マグネット５がボンド磁石からなり、射出成型で製作されるため、今回のような端面５ａ，５ｂの傾き加工などを容易に行うことができる。

図３に示されるように、パイプ３に複数のマグネット５を挿入した後、パイプ３の両端はエンドプラグ７で塞がれる。エンドプラグ７の露出面７ａは、ロッド１の軸線方向と直交する。エンドプラグ７の奥側の端面７ｂは、単一マグネット５の端面５ａに合わせて傾斜する。エンドプラグ７は例えば接着、ねじ結合などの結合手段によってパイプ３に固定される。エンドプラグ７には、直線運動させる可動体を取り付けるためのねじ７ｃが加工される。ロッド１の断面形状は、円形でなくても、扁平な楕円形であってもよく、四角形などの多角形であってもよい。

図５はフォーサ２の平面図を示し、図６はフォーサ２の断面図を示す。磁性材料からなる筒状のヨーク９には、二相のコイル４が軸線方向に一列に収容される。各コイル４ａ，４ｂの内側には、磁性材料からなる円筒形状の分割インナーコア８ａ，８ｂが配置される。二相のコイル４の軸線方向の両端部には、フォーサ２に対するロッド１の相対的な直線運動を案内する樹脂製（非磁性材料）のブッシュ１１が設けられる。各コイル間には、非磁性体として、各コイルの位相をずらすためのスペーサ１２が設けられる。

図７はヨークを示す。ヨーク９は、珪素鋼などの磁性材料からなり、円筒状に形成される。ヨーク９の軸線方向の両端には、折り曲げ変形できる爪部９ａが形成される。爪部９ａは周方向に複数個設けられる。ヨーク９内にブッシュ１１、二相のコイル４及びスペーサ１２を装入した後、爪部９ａをかしめてブッシュ１１と係合させることで、ブッシュ１１がヨーク９に固定される。二相のコイル４及びスペーサ１２は、ブッシュ１１間に挟まれることで、その位置が固定される。

図８は各コイル４ａ，４ｂを示す。各コイル４ａ，４ｂは絶縁被覆された導線を螺旋状に巻いたものである。各コイル４ａ，４ｂの端部には、銅線の巻き始めと巻き終わりとなるリード線１３が引き出される。この実施形態では、二つのコイル４ａ，４ｂで二相のコイル４を構成しているが、四つ又は六つのコイルで二相のコイル４を構成してもよい。

図９は二相のコイル４の結線図を示す。Ａ相のコイル４ａとＢ相のコイル４ｂとで二相のコイル４が構成される。Ａ相のコイル４ａに流れる電流を反転させると−Ａ相になり、Ｂ相のコイル４ｂに流れる電流を反転させると−Ｂ相になる。

図１０は、分割インナーコア８ａ，８ｂを示す。分割インナーコア８ａ，８ｂは、珪素鋼などの磁性材料からなり、円筒形状に形成される。分割インナーコア８ａ，８ｂの軸線方向の長さは、各コイル４ａ，４ｂの軸線方向の長さと等しいか又はわずかに長い。分割インナーコア８ａ，８ｂの内径はロッド１の外径よりも大きく、分割インナーコア８ａ，８ｂとロッド１との間にはすきまが空く。

図２に示されるように、分割インナーコア８ａ，８ｂの軸線方向の長さＬ１（各コイル４ａ，４ｂの両端部の磁極ピッチ）は、ロッド１のＮ−Ｓ間の磁極ピッチＬ２の実質的に２Ｎ＋１倍（Ｎ：正の整数）に設定される。すなわち、各コイル４ａ，４ｂの一方の端部がロッド１のＮ極上にあるときは、他方の端部はロッド１のＳ極上にある。

図１１はブッシュ１１を示す。ブッシュ１１はリング状に形成される。ブッシュ１１の内周面をロッド１がスライドするので、ブッシュ１１は摩擦抵抗の小さい樹脂を射出成型して製造される。ブッシュ１１は、ロッド１に付着した鉄粉がフォーサ２の内部に入るのを防止するシールの役割も持つ。ブッシュ１１には、ヨーク９の爪部９ａに係合する凹み１１ａが形成される。

図１２は、スペーサ１２を示す。スペーサ１２もリング状に形成される。スペーサ１２は、各コイル４ａ，４ｂ間の間隔を一定に保つために設けられる。スペーサ１２の軸線方向の長さＬ３は、二相のコイル４の位相を電気角で９０度ずらすように設定される。図２に示されるように、この実施形態では、ロッド１のＮ−Ｎ間の磁極ピッチＬ４の３／４倍に設定される。軸線方向に移動するロッド１に接触しないように、スペーサ１２の内径はブッシュ１１の内径よりも大きく設定される。

フォーサ２は以下の工程を経て製造される。まず、各コイル４ａ，４ｂに各分割インナーコア８ａ，８ｂを挿入する。次に、ヨーク９内にブッシュ１１、コイル４ａ、スペーサ１２、コイル４ｂ及びブッシュ１１を順番に挿入する。次に、ヨーク９の爪部９ａを折り曲げてヨーク９にブッシュ１１を固定する。以上によりフォーサ２が組み立てられる。次に、ロッド１をフォーサ２に挿入する。ロッド１の挿入はブッシュ１１に案内される。

図１３は、制御装置による二相のコイル４の励磁方式の一例を示す。この図１３には、１相だけに電流を流していく１相励磁方式が示される。まず、最初のステップでＡ相のコイル４ａを励磁し、次のステップでＢ相のコイル４ｂを励磁する。次のステップでＡ相のコイル４ａに反対方向の電流を流し（−Ａ相）、次のステップでＢ相のコイル４ｂに反対方向に電流を流す（−Ｂ相）。制御装置は、指令パルスを受けるたびに上記のステップを繰り返す。１〜４までのステップが１周期となり、この間にロッド１はＮ−Ｎ間の磁極ピッチだけ移動する。１相励磁方式の他に、Ａ相とＢ相の二つの相に渡って電流を流す２相励磁方式を採用してもよい。また、二相のコイル４はユニポーラ方式によって励磁されてもよいし、バイポーラ方式によって励磁されてもよい。

図１４は、リニアステッピングモータの移動原理を説明する。各コイル４ａ，４ｂの両端部１０間のピッチは、ロッド１のＮ−Ｓ間の磁極ピッチの２Ｎ＋１倍（Ｎ：正の整数）になっていて、一対の両端部１０は必ずロッド１のＮ極及びＳ極に対向する。まず、(1)においては、Ａ相のコイル４ａが励磁されているために、ロッド１はＡ相のコイル４ａの両端部１０に異極同士で対向する。この状態で外力が加わり、ロッド１を移動させようとすると、ロッド１を(1)の位置に戻そうとする力が働くので、位置決めが可能になる。このとき、Ｂ相のコイル４ｂの両端部１０の中心は、ロッド１の磁極ＮＳの境目に位置している。Ａ相のコイル４ａとＢ相のコイル４ｂとは、電気角で９０度位相がずれている。

次に(2)に移り、Ａ相のコイル４ａの電流がオフになり、Ｂ相のコイル４ｂの電流がオンになると、ロッド１はＮ−Ｎ間の磁極ピッチの１／４（すなわち１ステップ分）右方向に移動して、Ｂ相のコイル４ｂに吸引されて停止する。

次に(3)に移り、今度はＡ相のコイル４ａに(1)とは逆向きの電流を流す。ロッド１はさらに、１ステップ分右方向に移動して、Ａ相のコイル４ａに吸引されて停止する。

次に(4)に移り、同様にＢ相のコイル４ｂに(2)とは逆向きの電流を流す。Ｂ相の両端部１０の極性も(2)とは逆になり、ロッド１はさらに１ステップ分右方向に移動して静止する。

次に(1)に戻り、(2)〜(4)を繰り返す。(1)〜(4)の次のステップに移る度に、ロッド１は１ステップずつ歩進する。以上がリニアステッピングモータの移動原理である。

推力の大きなリニアステッピングモータを得るためには、リニアステッピングモータの作動原理から各コイル４ａ，４ｂの両端部１０の磁極を強くする必要がある。各コイル４ａ，４ｂの内側に磁性材料の分割インナーコア８ａ，８ｂを配置することで、各コイル４ａ，４ｂの内側の磁気抵抗が小さくなり、各コイル４ａ，４ｂの両端部１０の磁束密度がより高くなる。よって、推力の大きなリニアステッピングモータが得られる。しかも、分割インナーコア８ａ，８ｂを各コイル４ａ，４ｂの内側に配置することで、リング状のコアを各コイル４ａ，４ｂの両端部に配置する場合のように、各コイル４ａ，４ｂの両端部に発生する磁極が隣のコイルの両端部に発生する磁極に影響されたり、リング状のコアによるコギング力が発生したりするのを防止することができる。

コイル４の内側にインナーコア８を配置したときと、コイル４の両端部にリング状のコアを配置したときとでは、減少するコイル４の量はほとんど変わらない。インナーコア８によって減少するコイル４の内側のスペースと、リング状のコアによって減少するコイル４の両端部のスペースが略等しいからである。コイル４の量が殆ど変わらないにも関わらず、実験したところ、インナーコア８を配置したときのモータの推力は、リング状のコアを配置したときの推力の３倍まで大きくなった。

コイル４の内側にインナーコア８を挿入すると、インナーコア８とロッド１との間にコギング力が発生する。このコギング力はロッド１の単一マグネット５の端面５ａ，５ｂを傾ける（スキューする）ことで抑えることができる。

図１５は、フォーサ２に対してロッド１を直線運動させたときに発生するコギング力の解析結果を示す。ロッド１を直線運動させると、フォーサ２の二相のコイル４に電流を流さなくても、ロッド１にコギング力が発生する。図１５には、ロッド１を一定の速度で直線運動させたときに、ロッド１に発生するコギング力が示される。横軸はロッド１の位置であり、縦軸がコギング力である。コギング力はモータの推力を妨げる力になるので、コギング力を抑える必要がある。図１５に示されるように、単一モータの端面を傾けないとき（normal）よりも、１２度、２０度と傾けるにつれてコギング力のばらつきを抑えることができる。

図１６は、コイル４に誘起される誘起電圧を示す。フォーサ２に対してロッド１を直線運動させたときに、コイル４には誘起電圧が発生する。モータを発電機と考えたとき、誘起電圧がモータの強さを表す。この図１６から、単一マグネット５の端面５ａ，５ｂを１２度、２０度と傾けてもモータの推力が殆ど落ちないのがわかる。板状の界磁マグネットにコイルが対向するフラットタイプのリニアモータと異なり、ロッド状の界磁マグネットをコイル４が覆う構造であることが推力が落ちない原因だと思われる。

図１７は、コギング力が低減する原理を示すグラフである。横軸がロッド１の位置を表し、縦軸がコギング力を表す。分割インナーコア８ａにより発生するコギング力Ｃ１と分割インナーコア８ｂにより発生するコギング力Ｃ２とでは、コギング力のピークがずれる。そして、分割インナーコア８ａと分割インナーコア８ｂとを合算した全体のコギング力Ｃ３は、コギング力Ｃ１及びコギング力Ｃ２が互いに打ち消し合うように作用するので、合計四つのピークを持つようになる。単一マグネット５の端面５ａ，５ｂを傾けると、分割インナーコア８ａにより発生するコギング力Ｃ１のピークが左側にシフトし、分割インナーコア８ｂにより発生するコギング力Ｃ２のピークが右側にシフトするようになる。互いのコギング力Ｃ１，Ｃ２をより打ち消しあうようにシフトするので、全体のコギング力Ｃ３をより低減できる。

解析の結果、下記の数式を満足するように単一マグネット５の端面５ａ，５ｂを傾けると、最も全体のコギング力を低減できるのがわかった。
（数１）
θ＝ｔａｎ^-1（Ｐ／２Ｒ）
ここで、Ｐ：Ｎ−Ｓ間の磁極ピッチ、Ｒ：単一マグネットの直径

単一マグネット５を傾ける替わりにコイル４を傾けてもよいが、コイル４を傾けるのは製造的に困難である。

なお、永久磁石同期モータの場合、界磁マグネットのＮ極及びＳ極がラジアル方向に着磁されていて、界磁マグネットの磁束密度の分布がきれいな正弦波にならずに台形形状になる。磁束密度の分布が正弦波から遠ざかると、推力リップルが生じてしまう。このため、推力リップルが発生しないように、各マグネットの端面を傾け、界磁マグネットの磁束密度の分布を正弦波に近づけることが行われることがある。これに対して、本発明のようなリニアステッピングモータの場合、各コイル４ａ，４ｂの励磁電流がステップ状であり、界磁マグネットの磁束密度の分布も正弦波にする必要がない。永久磁石同期モータのように磁束密度の分布を正弦波にするためではなく、コアを挿入することにより発生するコギング力を低減するために、単一マグネット５の端面５ａ，５ｂが傾けられている。

図１８は、分割インナーコア８ａ，８ｂの軸線方向の両端部に磁性材料からなるポールを設けた場合と、ポールを設けない場合の分割インナーコア８ａ，８ｂの形状の比較を示す。図中（ａ）がポール付きの例であり、図中（ｂ）がポールなしの例である。図１９は、ポール付きの場合とポールなしの場合とで、コイル４に発生する逆起電圧定数の比較結果を示す。図中（ａ）がポール付きのグラフであり、図中（ｂ）がポールなしのグラフである。ポール付きの場合、４％程度、電流あたりの推力が向上した。しかし、ポールを付けることで、コイル４の巻き数が減ったり、隣の分割インナーコア８ａ，８ｂの磁極の影響を受けたりする（９０°の位相差をもつ二相のコイル４の電圧が同位相に近づいたりする）などの問題も発生した。このため、ポールを設けないのが望ましい。

図２０は、本発明の第二の実施形態のリニアステッピングモータを示す。フォーサ２の構造は上記第一の実施形態と同一である。この実施形態には、ロッド１内に収容される単一マグネット５の端面を傾けない例が示される。モータを作動させるにあたり、分割インナーコア８ａ，８ｂとロッド１との間に働くコギング力が問題にならないときは、単一マグネット５の端面を傾けなくてもよい。

なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な実施形態に具現化できる。例えば、コイルは三相のコイルでも五相のコイルでもよい。コイルの励磁方式には、フルステップ量をｎ分割できるマイクロステップ駆動を用いてもよい。さらにロッドが移動する替わりにフォーサが移動してもよい。

本明細書は、２００７年１２月２８日出願の特願２００７-３４０４６５に基づく。この内容はすべてここに含めておく。

Claims (8)

1. Ｎ極及びＳ極の磁極が軸線方向に交互に着磁される界磁マグネットと、
   前記界磁マグネットの周囲を取り囲む少なくとも二相のコイル、及び前記少なくとも二相のコイルの内側に前記界磁マグネットからすきまを空けて配置される磁性材料のインナーコアを有する電機子と、
   前記少なくとも二相のコイルを励磁すると共に、励磁するコイルを切り替える制御装置と、を備え、
   前記インナーコアは、前記少なくとも二相のコイルの相数に等しい数の分割インナーコアからなり、
   各分割インナーコアは、前記少なくとも二相のコイルのうちの各コイルの内側に配置され、
   励磁コイルの軸線方向の両端部に発生する磁極と前記界磁マグネットの磁極との間の吸引力及び／又は反発力を利用して、前記界磁マグネットを前記電機子に対して所定のステップ量ずつ相対的に直線運動させるリニアステッピングモータ。
2. 前記分割インナーコアの軸線方向の長さが、前記各コイルの軸線方向の長さと等しいか又はわずかに長いことを特徴とする請求項１に記載のリニアステッピングモータ。
3. 前記少なくとも二相のコイルのうちの各コイルの軸線方向の両端部には、非磁性材料が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアステッピングモータ。
4. 前記電機子は、
   前記少なくとも二相のコイルを覆う磁性材料のヨーク、前記少なくとも二相のコイルの軸線方向の両端部に設けられ、前記電機子に対する前記界磁マグネットの相対的な直線運動を案内する非磁性材料のブッシュ、及び前記各コイル間に設けられ、前記各コイルの位相をずらす非磁性材料のスペーサを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のリニアステッピングモータ。
5. 前記界磁マグネットは、軸線方向にＮ極及びＳ極が着磁された単一マグネットがＮ極同士及びＳ極同士が向かい合うように並べられたユニットマグネットを有し、
   前記単一マグネットのＮ極又はＳ極が着磁される一対の端面が互いに平行であり、かつ軸線方向に直交する面から傾けられることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のリニアステッピングモータ。
6. 前記少なくとも二相のコイルは、二相のコイルであり、
   前記一対の端面は、軸線方向に直交する面から下記の数式から算出される角度θだけ傾けられることを特徴とする請求項５に記載のリニアステッピングモータ。
   （数１）
   θ＝ｔａｎ^-1（Ｐ／２Ｒ）
   ここで、Ｐ：Ｎ−Ｓ間の磁極ピッチ、Ｒ：単一マグネットの直径
7. 少なくとも二相のコイルを励磁すると共に、励磁するコイルを切り替えることによって、励磁コイルの軸線方向の両端部に発生する磁極を発生させ、該励磁コイルの磁極と界磁マグネットの磁極との間の吸引力及び／又は反発力を利用して、電機子に対して界磁マグネットを所定のステップ量ずつ相対的に直線運動させるリニアステッピングモータの製造方法において、
   前記少なくとも二相のコイルの内側に前記少なくとも二相のコイルの相数に等しい数の分割インナーコアからなる磁性材料の筒状のインナーコアを、前記少なくとも二相のコイルのうちの各コイルの内側に各分割インナーコアが配置されるように挿入するインナーコア挿入工程と、
   前記少なくとも二相のコイルを磁性材料の筒状のヨークに挿入するコイル挿入工程と、
   前記インナーコアの内側にＮ極及びＳ極の磁極が軸線方向に交互に着磁される前記界磁マグネットを挿入するマグネット挿入工程と、
   を備えるリニアステッピングモータの製造方法。
8. 前記コイル挿入工程では、
   前記少なくとも二相のコイルの軸線方向の両端部に、前記電機子に対する前記界磁マグネットの相対的な直線運動を案内する非磁性材料のブッシュを配置すると共に、
   前記少なくとも二相のコイルのうちの各コイル間に、各コイルの位相をずらす非磁性材料のスペーサを配置することを特徴とする請求項７に記載のリニアステッピングモータの製造方法。

Images