JP5388853B2 - リニアステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、コイルの励磁電流を切り替えることで、移動子を所定のステップ量ずつ直線運動させるリニアステッピングモータに関する。

リニアステッピングモータは、回転型のステッピングモータと異なり、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、ＶＲ型(Variable Reductance)や、永久磁石と電磁石とを組み合わせたＨＢ型（Hybrid type）が知られている。一般的には、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）。

図１６は、従来のＨＢ型のリニアステッピングモータの移動原理（ソーヤの原理）を示す。移動子２１は、永久磁石２２と電磁石２３とから構成される。電磁石２３の２個の磁極には、お互いの極性が逆に磁化されるようにコイル２４が巻かれている。(1),(2),(3),(4)の順序で電磁石２３の電流を切り替えると、永久磁石２２の磁束と同じ方向にコイル磁束ができる磁極（(1)の磁極１、(2)の磁極４、(3)の磁極２、(4)の磁極３）と逆方向にコイル磁束ができる磁極（(1)の磁極２、(2)の磁極３、(3)の磁極１、(4)の磁極４）が生ずる。この逆方向の磁束が永久磁石２２の磁束と同程度となるように電流を設定すれば、永久磁石２２の磁束を遮断する磁気弁の働きをさせることができる。この働きにより、永久磁石２２の磁束は同方向の励磁磁極を通過し、固定子２５のヨークを通り移動子２１の非励磁の２個の磁極を通り永久磁石２２に戻る。このような磁気回路は、(1),(2),(3),(4)それぞれで形成される。(1),(2),(3),(4)の度に、移動子２１は固定子２５の歯ピッチの１／４ずつ歩進する。
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、また櫛歯のピッチを細かくすることでステップ量を小さくできる、という利点がある。しかしその反面、複雑な櫛歯の形状の加工が必要になったり、固定子と移動子の櫛歯の間隔を一定に保つ組立が必要になったりするので、製造コストが高くなるという問題がある。

そこで本発明は、構造を単純にすることができ、安価なリニアステッピングモータを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、複数の永久磁石によって、Ｎ極及びＳ極の磁極が所定のピッチで軸線方向に交互に着磁される固定子又は移動子の一方と、前記固定子又は前記移動子の一方の周囲にすきまを開けて巻かれる少なくとも二相のコイルを含む固定子又は移動子の他方と、前記固定子に対する前記移動子の直線運動を案内する案内手段と、を備え、各コイルの軸線方向の長さが前記固定子又は前記移動子の前記一方のＮ−Ｓ間の磁極ピッチよりも長く、前記少なくとも二相のコイルのうちの励磁コイルの軸線方向の両端部に磁極を発生させ、前記励磁コイルの軸線方向の両端部の磁極と前記永久磁石の磁極との吸引力及び／又は反発力を利用して、前記移動子を前記固定子に対して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、前記リニアステッピングモータはさらに、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設けられ、磁性材料からなると共に磁気回路を形成するためのポールを備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のリニアステッピングモータにおいて、前記リニアステッピングモータはさらに、前記少なくとも二相のコイル及び前記ポールが収容され、磁性材料からなると共に磁気回路を形成するための筒状のヨークを備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のリニアステッピングモータにおいて、前記リニアステッピングモータはさらに、前記ヨークに対する前記ポールの軸線方向の位置を位置決めする位置決め手段を備え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、前記少なくとも二相のコイルのうちの各コイル間には、位相をずらすための非磁性材料からなるスペーサが設けられ、前記スペーサと前記固定子又は前記移動子の一方との間のすきまは、前記少なくとも二相のコイルと前記固定子又は前記移動子の一方との間のすきまよりも小さいことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５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の磁極ピッチは、前記永久磁石のＮ−Ｓ間の磁極ピッチの実質的に２Ｎ＋１倍（Ｎ：正の整数）であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６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、前記少なくとも二相のコイルは、二相のコイルであり、前記二相のコイルは、前記永久磁石のＮ−Ｎ間の磁極ピッチの１／４倍軸線方向に位相がずれていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、シンプルな構造で、組立も簡単な安価なリニアステッピングモータが得られる。

請求項２に記載の発明によれば、コイルの軸線方向の両端部に磁気回路を形成するためのポールを備えるので、シンプルな構造でありながら高推力を発生させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、コイル及びポールが磁気回路を形成するための筒状のヨークに収容されているので、より高推力を発生させることができる。

請求項４に記載の発明によれば、ヨークに対するポールの軸線方向の位置を位置決めできるので、磁気回路を形成するためのポールのピッチを一定にすることができる。

請求項５に記載の発明によれば、各相のコイルの位相をずらすためのスペーサが固定子又は移動子の一方を支持するので、コイルと固定子又は移動子の一方との間のすきまを小さく設計したとしても、コイルと固定子又は移動子の一方が接触することを防止でき、これらの間にすきまを確実に確保できる。すきまを小さく設計できるので、リニアステッピングモータの推力を向上させることができる。また、固定子又は移動子の一方の曲がりもある程度許容することができる。

請求項６に記載の発明によれば、各コイルの軸線方向の長さを永久磁石のＮ−Ｓ間の磁極ピッチよりも長く、巻数を多くすることができる。このため、リニアステッピングモータの推力を向上させることができる。

請求項７に記載の発明によれば、二相のコイルにすることで、シンプルな構造にすることができる。

本発明の一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スケルトン リニアステッピングモータの軸線に沿った断面図 ロッドの軸線に沿った断面図 ロッドの正面図 ヨークの平面図 ヨークの側面図 フォーサの断面図 コイルの断面図 コイルの結線図 ポールを示す図（図中（Ａ）はポールの正面図を示し、（Ｂ）は側面図を示す） スペーサを示す図（図中（Ａ）はスペーサの正面図を示し、（Ｂ）は側面図を示す） ブッシュを示す図（図中（Ａ）はブッシュの正面図を示し、（Ｂ）は側面図を示す） 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 従来のＨＢ型のリニアステッピングモータの移動原理を示す図

符号の説明

１…ロッド（移動子）
２…フォーサ（固定子）
３…永久磁石
５…二相のコイル
５ａ，５ｂ…コイル
８…ヨーク
１０…ポール
１１…ブッシュ（案内手段）
１４…スペーサ
Ｌ１…コイルの軸線方向の両端部の磁極ピッチ
Ｌ２…永久磁石のＮ−Ｓ間の磁極ピッチ
Ｌ３…スペーサの軸線方向の厚み
Ｌ４…永久磁石のＮ−Ｎ間の磁極ピッチ

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ないし図３は本発明の一実施形態におけるリニアステッピングモータの外観図を示す。図１はリニアステッピングモータの外観斜視図を示し、図２はスケルトンを示し、図３は軸線に沿った断面図を示す。図１に示されるように、移動子であるロッド１は、固定子である円筒状のフォーサ２に覆われる。図２に示されるように、ロッド１は、円筒状のパイプ４に複数の永久磁石３を挿入してなる。永久磁石３によって、ロッド１にはＮ極及びＳ極の磁極が所定のピッチで軸線方向に交互に着磁される。フォーサ２には、ロッド１の周囲にすきまを開けて巻かれる二相のコイル５が設けられる。各コイル５ａ，５ｂ間には、位相をずらすためのスペーサ１４が介在される。二相のコイル５の励磁電流を切り替えると、ロッド１が所定のステップ量ずつ軸線方向に直線運動する。

図４はロッド１の軸線に沿った断面図を示し、図５は正面図を示す。永久磁石３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。円筒状のパイプ４は、ステンレスなどの金属製であるか、又は樹脂製である。パイプ４内には、複数の円柱形の永久磁石３がＮ極同士及びＳ極同士が向かい合うように挿入される。永久磁石３の境目にＮ極又はＳ極の磁極が形成される。永久磁石３の軸線方向の厚みは一定であるので、軸線方向に一定のピッチでＮ極及びＳ極が交互に形成される。パイプ４に永久磁石３を挿入した後、パイプの両端はエンドプラグ７で塞がれる。エンドプラグ７は例えば接着、ねじ結合などによってパイプ４に固定される。エンドプラグ７には、直線運動させる対象を取り付けるためのねじが加工される。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。

もし永久磁石３の間に磁性材料からなるポールシューを挿入するならば、ロッド１の周囲の磁束密度をきれいな正弦波にすることができる。しかし、リニアステッピングモータの場合、コイル５ａ，５ｂの励磁電流がステップ状なので、ロッド１の周囲の磁束密度をきれいな正弦波にする必要がない。構造を簡素化し、コストを低減する方を優先させたい場合には、ポールシューを挿入しなくてもよい。

図２及び図３に示されるように、フォーサ２は、筒状のヨーク８に二相のコイル５を挿入してなる。各コイル５ａ，５ｂの軸線方向の両端には、磁気回路を形成するためのリング状のポール１０が配置される。ヨーク８の両端部には、ロッド１を支持し、ロッド１とコイル５ａ，５ｂが接触するのを防止する一対のブッシュ１１が設けられる。ブッシュ１１は、フォーサ２に対するロッド１の直線運動を案内する案内手段として機能する。ヨーク８の内部のコイル５ａ，５ｂなどの挿入物がブッシュ１１によってシールされる。

二相のコイル５は、二つのコイル５ａ，５ｂで一組となる。この実施形態では、二相のコイル５が一組のコイル５ａ，５ｂから構成されているが、二組、三組などの複数組のコイル５ａ，５ｂから構成されてもよい。

図６はヨーク８の平面図を示し、図７はヨーク８の側面図を示す。円筒状ヨーク８は、薄肉で珪素鋼などの磁性材料からなる。ヨーク８には、コイル５ａ，５ｂ及びポール１０を固定するための接着剤を注入する孔８ａが開けられる。ヨーク８の両端部には、各コイル５ａ，５ｂのリード線を引き出すための切欠き８ｂが加工される。ヨーク８には、ヨーク８に対するポール１０の軸線方向の位置を位置決めするための位置決め手段として、ねじ孔８ｃが加工される。なお、コイル５ａ，５ｂ、ポール１０をヨーク８に固定するために、接着剤を用いる替わりにヨーク８の両端部をかしめてもよい。

図８はフォーサ２の断面図を示し、図９はコイル５ａ，５ｂの断面図を示す。コイル５ａ，５ｂは銅線を円筒状に巻いたものである。二相のコイル５は、２個のコイル５ａ，５ｂで１セットである。各コイル５ａ，５ｂからは、銅線の巻き始めと巻き終わりのリード線１３が引き出される。図１０のコイルの結線図に示されるように、二相のコイル５はＡ相のコイル５ａとＢ相のコイル５ｂから構成される。Ａ相のコイル５ａに流れる電流を反転させると−Ａ相になり、Ｂ相のコイル５ｂに流れる電流を反転させると−Ｂ相になる。

図１１は、リング状のポール１０を示す。図中（Ａ）はポール１０の正面図を示し、（Ｂ）は側面図を示す。ポール１０は、珪素鋼などの磁性材料からなる。ポール１０には、ロッド１が貫通する孔が開けられる。リング状のポール１０の外周面には、ヨーク８に対するポール１０の軸線方向の位置を位置決めするための位置決め手段として、位置決め凹部１０ａが設けられる。図８に示されるように、ヨーク８のねじ孔８ｃに位置決めボルト１２をねじ込むと、位置決めボルト１２の頭部がヨーク８の位置決め凹部１０ａに嵌まる。これにより、ヨーク８に対してポール１０を位置決めすることができる。ポール１０には、ブッシュ１１を取り付けるための取付けねじ１０ｂが加工される。

図３に示されるように、両端にポール１０が配置された状態で各コイル５ａ，５ｂの磁極ピッチＬ１（コイル５ａ，５ｂの両端部のポール１０の中心間の距離Ｌ１）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、コイル５ａ，５ｂの両端部の一対のポール１０のうち、一方のポール１０がロッド１のＮ極上にあるときは、他方のポール１０がロッド１のＳ極上にあるという関係を保つ。ただし、一対のコイル５ａ，５ｂの磁極ピッチがロッド１のＮ−Ｓ間の磁極ピッチに等しい場合、コイル５ａ，５ｂの両端部の磁束密度を大きくすることができない。このため、この実施形態では、ロッド１のＮ−Ｓ間の磁極ピッチの２Ｎ＋１倍（Ｎ：正の整数）とする。

コイル５ａ，５ｂの磁極ピッチＬ１をロッド１のＮ−Ｓ間の磁極ピッチＬ２の２Ｎ＋１倍に正確に設定すると、コギングが発生するおそれがある。コギングを低減するために、コイル５ａ，５ｂの磁極ピッチＬ１をロッド１の磁極ピッチＬ２の２Ｎ＋１倍から僅かにずらしてもよい。

図１２は、スペーサ１４を示す。図中（Ａ）はスペーサ１４の正面図を示し、（Ｂ）は側面図を示す。スペーサ１４は樹脂製であり、円筒形状に形成される。スペーサ１４は、二相のコイル５間の間隔を一定に保つために設けられる。図３に示されるように、スペーサ１４の軸線方向の厚みＬ３は、二相のコイル５の位相を電気角で９０度、すなわちロッド１のＮ−Ｎ間の磁極ピッチＬ４の実質的に１／４倍ずらすように設定される。ロッド１のＳ−Ｓ間の磁極ピッチＬ４の１／４倍は、Ｎ−Ｓ間の磁極ピッチＬ２の１／２倍に等しい。単独の永久磁石３の軸線方向の厚みは、ロッド１のＮ−Ｓ間の磁極ピッチＬ２に等しいから、結局、各コイル５ａ，５ｂの位相は、単独の永久磁石３の軸線方向の厚みの１／２倍だけずれていることになる。この実施形態では、ポール１０の厚みが単独の永久磁石３の厚みの１／２に設定されている。図３を参照すると、Ｂ相のコイル５ｂの左側のポール１０の左端の位置Ｐ２が、Ａ相のコイル５ａに対して位相がずれていない位置Ｐ１から、永久磁石３の厚みの１／２倍だけ左側にずれていることがわかる。

スペーサ１４とロッド１との間のすきまは、コイル５ａ，５ｂとロッド１との間のすきまよりも小さく設定される。スペーサ１４の内径は、ロッド１を支持できるようにフォーサ２の両端部のブッシュ１１の内径と等しい。コイル５ａ，５ｂの内径とロッド１の外径はあるすきまを持っている。モータの推力を向上させるためには、このすきまはなるべく小さくする必要がある。スペーサ１４の内径をコイル５ａ，５ｂの内径よりも小さくし、ブッシュ１１と共にロッド１を支持することにより、すきまを確実に確保することができる。このため、コイル５ａ，５ｂとロッド１とのすきまを小さく設計し、モータの推力を向上させることが可能になる。また、ロッド１の曲がりもある程度は許容できるようになる。

図１３は、ブッシュ１１を示す。図中（Ａ）はブッシュ１１の正面図を示し、（Ｂ）は側面図を示す。ブッシュ１１は、スライド抵抗の小さい樹脂からなり、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。ブッシュ１１は、ロッド１に付着した鉄粉がフォーサ２の内部に入らないようにシールする役割も持つ。ブッシュ１１には、ポール１０に取り付けるための取付け孔１１ａが加工される。ブッシュ１１をポール１０にねじで取り付ける替わりに、ヨーク８の両端部をかしめてブッシュ１１をヨーク８に固定してもよい。

フォーサ２の組立て方法を説明する。まず、銅線を巻いてコイル５ａ，５ｂ単体を組み立てる。各コイル５ａ，５ｂの両端にポール１０を取り付けた後、Ａ相コイル５ａとＢ相コイル５ｂとの間にスペーサ１４を介在させ、コイル５ａ，５ｂをヨーク８内に挿入する。ヨーク８とポール１０とを位置決めした後、接着剤によって、ヨーク８とコイル５ａ，５ｂを固定する。その後、ブッシュ１１をヨーク８に取り付けると、フォーサ２が完成する。

図１４は、二相のコイル５の励磁方式の一例を示す。ここでは、一相だけに電流を流していく一相励磁方式を説明する。最初のステップでＡ相のコイル５ａを励磁し、次のステップでＢ相のコイル５ｂを励磁する。次のステップでＡ相のコイル５ａ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５ｂに反対方向に電流を流す（−Ｂ相）。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間の磁極ピッチを直線運動する。一相励磁方式の他に、Ａ相とＢ相の二つの相に渡り電流を流して駆動する二相励磁方式を採用してもよい。二相のコイル５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１５を用いてリニアステッピングモータの移動原理を説明する。フォーサ２のポール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、一対のポール１０は必ずロッド１のＮ極及びＳ極に対向できるようになっている。まず、(1)においては、Ａ相のコイル５ａが励磁されているために、ロッド１はＡ相のコイル５ａのポール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５ｂのポール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５ａとＢ相のコイル５ｂとは、電気角で９０度位相がずれているからである。

次に(2)に移り、Ａ相のコイル５ａの電流がオフになり、Ｂ相のコイル５ｂ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５ｂ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５ａ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５ａ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５ｂに(2)とは逆向きの電流を流す。Ｂ相のポール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。

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。また、コイル単体でその両端部に磁束密度の高いＮ極及びＳ極の磁極を形成できる場合には、コイルの両端部にポールを設けなくてもよい。さらに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。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８月３１日出願の特願２００７-２２６５７６に基づく。この内容はすべてここに含めておく。

Claims (7)

1. 複数の永久磁石によって、Ｎ極及びＳ極の磁極が所定のピッチで軸線方向に交互に着磁される固定子又は移動子の一方と、
   前記固定子又は前記移動子の一方の周囲にすきまを空けて巻かれる少なくとも二相のコイルを含む固定子又は移動子の他方と、
   前記固定子に対する前記移動子の直線運動を案内する案内手段と、を備え、
   各コイルの軸線方向の長さが前記固定子又は前記移動子の前記一方のＮ−Ｓ間の磁極ピッチよりも長く、
   前記少なくとも二相のコイルのうちの励磁コイルの軸線方向の両端部に磁極を発生させ、前記励磁コイルの軸線方向の両端部の磁極と前記永久磁石の磁極との吸引力及び／又は反発力を利用して、前記移動子を前記固定子に対して直線運動させるリニアステッピングモータ。
2. 前記リニアステッピングモータはさらに、
   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設けられ、磁性材料からなると共に磁気回路を形成するためのポールを備える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. 前記リニアステッピングモータはさらに、
   前記少なくとも二相のコイル及び前記ポールが収容され、磁性材料からなると共に磁気回路を形成するための筒状のヨークを備えることを特徴とする請求項２に記載のリニアステッピングモータ。
4. 前記リニアステッピングモータはさらに、
   前記ヨークに対する前記ポールの軸線方向の位置を位置決めする位置決め手段を備えることを特徴とする請求項３に記載のリニアステッピングモータ。
5. 前記少なくとも二相のコイルのうちの各コイル間には、位相をずらすための非磁性材料からなるスペーサが設けられ、
   前記スペーサと前記固定子又は前記移動子の一方との間のすきまは、前記少なくとも二相のコイルと前記固定子又は前記移動子の一方との間のすきまよりも小さい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のうちの各コイルの軸線方向の両端部の磁極ピッチは、前記永久磁石のＮ−Ｓ間の磁極ピッチの実質的に２Ｎ＋１倍（Ｎ：正の整数）であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のリニアステッピングモータ。
7. 前記少なくとも二相のコイルは、二相のコイルであり、
   前記二相のコイルは、前記永久磁石のＮ−Ｎ間の磁極ピッチの１／４倍軸線方向に位相がずれていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のリニアステッピングモータ。

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