JP6804705B1 - 可動子及びリニアサーボモータ - Google Patents

Abstract

可動子（１）は、可動方向に分割されたコア（１１）と、コア（１１）の間に挟み込まれた磁石（１２）とによって形成され、可動方向に伸びるコアバック（１５）から複数のティース（１４）が突出する形状の可動子コア（４０）と、ティース（１４）の各々に巻き付けられたコイル（１３）とを有し、磁石（１２）からコア（１１）に入る磁束は、可動方向の方向成分と、コアバック（１５）からティース（１４）へ向かう方向であるティース先端方向の方向成分とを含んでおり、かつ、コア（１１）から磁石（１２）に入る磁束は、可動方向の方向成分と、ティース（１４）からコアバック（１５）へ向かう方向であるティース根元方向の方向成分とを含んでいる。

Description

本開示は、磁石が埋め込まれたコアを備えた可動子及びリニアサーボモータに関する。

リニアサーボモータは、可動方向に伸びるコアバックからティースが突出する形状の可動子コアとコイルとで可動子が構成されており、磁石及び台座で固定子が構成されている。可動子のコイルは、ティース同士の間の隙間であるスロットに配置されてティースに巻き付けられる。

リニアサーボモータは、固定子に磁石を設ける構造であると、モータの可動距離を長くするために固定子の長さを長くすると、磁石の数が増えてコストが増大する。コストの増大を防ぐために、単位長さ当たりの磁石数を減らすと、可動子の推力が低下してしまう。

特許文献１には、可動子コアに磁石が埋め込まれたリニアサーボモータが開示されている。特許文献１に開示されるリニアサーボモータは、ティースのうち固定子側の部分に幅拡張部分を設けることで、ティースを通過する磁束を増加させている。特許文献１に開示されるリニアサーボモータは、固定子には磁石を配置しないため、可動距離を長くすることによるコストの上昇が抑制される。

特開２０１８−１８３０４３号公報

特許文献１に開示されるリニアサーボモータは、ティースの磁界が可動方向に対して垂直かつ固定子側を向いているため、可動子の推力を向上させにくかった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、ティースの磁界を可動方向に対して垂直かつ固定子側とするよりも、推力を向上させた可動子を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る可動子は、可動方向に分割されたコアと、コアの間に挟み込まれた磁石とによって形成され、可動方向に伸びるコアバックから複数のティースが突出する形状の可動子コアと、ティースの各々に巻き付けられたコイルとを有する。磁石からコアに入る磁束は、可動方向の方向成分と、コアバックからティースへ向かう方向であるティース先端方向の方向成分とを含んでいる。コアから磁石に入る磁束は、可動方向の方向成分と、ティースからコアバックへ向かう方向であるティース根元方向の方向成分とを含んでいる。

本開示に係る可動子は、ティースの磁界を可動方向に対して垂直かつ固定子側とするよりも、推力を向上させることができるという効果を奏する。

実施の形態１に係るリニアサーボモータの斜視図 実施の形態１に係るリニアサーボモータの断面図 実施の形態１に係るリニアサーボモータの可動子の変形例を示す図 実施の形態１に係るリニアサーボモータの可動子の断面図 実施の形態１に係るリニアサーボモータの可動子の磁石を磁化する方法を示す図 実施の形態１に係るリニアサーボモータの可動子の磁石を磁化する方法を示す図 実施の形態２に係るリニアサーボモータの可動子の断面図 実施の形態２に係るリニアサーボモータの可動子の磁石を磁化する方法を示す図 実施の形態３に係るリニアサーボモータの可動子の断面図 実施の形態３に係るリニアサーボモータの可動子の変形例を示す図 実施の形態４に係るリニアサーボモータの可動子の断面図 実施の形態５に係るリニアサーボモータの可動子の断面図 実施の形態５の変形例に係るリニアサーボモータの可動子の断面図 実施の形態６に係るリニアサーボモータの可動子の断面図

以下に、実施の形態に係る可動子及びリニアサーボモータを図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るリニアサーボモータの斜視図である。図２は、実施の形態１に係るリニアサーボモータの断面図である。リニアサーボモータ１０は、可動子１と固定子２とを有する。固定子２は、突起２１が等間隔で配置された棒状である。可動子１は、固定子２の突起２１の配列方向に移動する。すなわち、固定子２の突起２１の配列方向は、可動子１の可動方向でもある。図２には、可動子１の可動方向を矢印Ａで示している。

可動子１は、可動方向に伸びるコアバック１５から複数のティース１４が突出する形状の可動子コア４０及びコイル１３を有する。可動子コア４０は、可動方向に分割されたコア１１と、コア１１の間に挟み込まれた磁石１２とによって形成されている。以下の説明において、コアバック１５からティース１４に向かう方向をティース先端方向といい、ティース１４からコアバック１５に向かう方向をティース根元方向という。図２には、ティース先端方向を矢印Ｂで示し、ティース根元方向を矢印Ｃで示している。ティース１４は、可動子１の可動方向に複数配列されており、各ティース１４にコイル１３が巻かれている。コイル１３は、隣接する二つのティース１４間の「スロット」と称される隙間に配置される。可動子１は、ティース１４の配列方向に移動する。すなわち、可動子１及び固定子２は、ティース１４の配列方向と突起２１の配列方向とが同じ方向となるように設置される。

可動子コア４０は、可動方向でのスロット１６の中央部でコア１１が分割された構造となっている。スロット１６の中央部でコア１１が分割されていることにより、コイル１３を巻き付けてからティース１４を配列させることが可能となるため、ティース１４へのコイル１３を容易に行える。なお、可動子コア４０は、スロット１６の部分でコア１１が分割されていない構造であってもよい。コア１１がスロット１６の部分で分割されずに繋がっている構造とすることにより、可動子コア４０の部品点数を削減することができる。

コア１１は、基部１１１と、基部１１１から突出する突出部１１２とを有する。基部１１１は、コアバック１５の一部分であり、突出部１１２は、ティース１４の一部分である。

コア１１のうち突出部１１２と磁石１２との界面において、磁石１２からコア１１に入る磁束は、可動子１の可動方向の方向成分に加え、ティース先端方向の方向成分を含んでいる。また、コア１１のうち突出部１１２と磁石１２との界面において、コア１１から磁石１２に入る磁束は、可動子１の可動方向の方向成分に加え、ティース根元方向の方向成分を含んでいる。

図３は、実施の形態１に係るリニアサーボモータの可動子の変形例を示す図である。コア１１のうちの突出部１１２だけでなく、基部１１１においても、磁石１２からコア１１に入る磁束が可動方向の方向成分とティース先端方向の方向成分とを含み、コア１１から磁石１２に入る磁束が可動方向の方向成分とティース根元方向の方向成分とを含んでいてもよい。

図４は、実施の形態１に係るリニアサーボモータの可動子の断面図である。図４には、実施の形態１に係る可動子１の磁石１２内部の磁束の向きを矢印で示している。ティース先端方向及びティース根元方向と可動子１の可動方向とがなす平面を含む断面において、磁石１２の内部の磁束は、ティース根元方向に凸の曲線状である。

図５及び図６は、実施の形態１に係るリニアサーボモータの可動子の磁石を磁化する方法を示す図である。まず、図５に示すように、ヨークコア３１及び着磁コイル３２を備えた着磁ヨーク３を、ティース１４の先端側に配置し、着磁コイル３２を磁石１２に正対させる。そして、図６に示すように、ティース先端方向及びティース根元方向と可動子１の可動方向とに垂直な軸回りに環状の着磁磁界４を発生させることにより、磁石１２内部の磁束を、ティース先端方向及びティース根元方向と可動子１の可動方向とがなす平面を含む断面において、ティース根元方向に凸となる曲線状にすることができる。

実施の形態１に係るリニアサーボモータ１０は、磁石１２からコア１１に入る磁束及びコア１１から磁石１２に入る磁束の向きが可動方向である場合と比較すると、磁石１２からコア１１を経由して固定子２の突起２１に入る磁束と、固定子２の突起２１からコア１１を経由して磁石１２に入る磁束とが増大する。このため、実施の形態１に係るリニアサーボモータ１０は、リラクタンストルクを増やし、可動子１の推力を向上させることができる。

また、磁石１２が可動方向に垂直かつ固定子２側の方向となるティース先端方向に磁界を発生させる場合は、推力向上のためには、ティース１４に可動方向の寸法が大きい磁石１２を配置する必要があり、ティース１４の可動方向の寸法が大きくなる。しかし、ティース１４の可動方向の寸法が大きくなると、コイル１３の設置スペースであるスロット１６が狭くなり、推力向上の妨げとなる。すなわち、磁石１２がティース先端方向に磁界を発生させる場合には、磁石１２から固定子２の突起に入る磁束を増やすと、コイル１３が発生させる磁力が弱くなってしまうため、可動子１の推力を向上させにくい。実施の形態１に係るリニアサーボモータ１０は、ティース１４に配置する磁石１２の可動方向の寸法を大きくする必要がないため、スロット１６が狭くならない。したがって実施の形態１に係るリニアサーボモータ１０は、コイル１３の巻き数を減らすことなく、リラクタンストルクを増やし、可動子の推力を向上させることができる。

また、実施の形態１に係る可動子１は、ティース１４の先端側から磁石１２を着磁する場合に、着磁磁界４の方向と磁石１２の磁化方向とが同じ方向になりやすいため、着磁磁界４のうち磁化方向成分が大きくなり、磁石１２を容易に着磁できる。

なお、磁石１２からコア１１の突出部１１２に入る磁束が可動子１の可動方向の方向成分とティース先端方向の方向成分とを含み、コア１１の突出部１１２から磁石１２に入る磁束が可動子１の可動方向の方向成分とティース根元方向の方向成分とを含んでいればよく、磁石１２内部の磁束は曲線状でなくてもよい。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係るリニアサーボモータの可動子の断面図である。図７には、実施の形態２に係る可動子１の磁石１２内部の磁束の向きを矢印で示している。実施の形態２に係る可動子１は、コアバック１５とティース１４とで磁石１２内部の磁束の湾曲方向が異なっている。ティース先端方向及びティース根元方向と可動子１の可動方向とがなす平面を含む断面において、ティース１４では、磁石１２内部の磁束は、ティース先端方向に凸の曲線状となっている。一方、コアバック１５では、磁石１２内部の磁束は、ティース先端方向及びティース根元方向と可動子１の可動方向とがなす平面を含む断面において、ティース根元方向に凸の曲線状となっている。

図８は、実施の形態２に係るリニアサーボモータの可動子の磁石を磁化する方法を示す図である。ヨークコア３１及び着磁コイル３２を備えた着磁ヨーク３で、ティース１４が伸びる方向における両方向から可動子１を挟み、着磁コイル３２を磁石１２に正対させる。そして、ティース先端方向及びティース根元方向と可動子１の可動方向とに垂直な軸回りの環状に着磁磁界４を発生させることにより、磁石１２内部の磁束を、ティース先端方向及びティース根元方向と可動子１の可動方向とがなす平面を含む断面において、ティース１４での磁曲線の湾曲の向きとコアバック１５での磁曲線の湾曲の向きとを逆方向にすることができる。

実施の形態２に係る可動子１は、ティース１４の先端側から磁石１２全体を着磁する場合と比較して、コアバック１５の磁石１２が着磁されやすい。したがって、磁石１２の磁力を高めて可動子１の推力を向上させることができる。

実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係るリニアサーボモータの可動子の断面図である。図９には、実施の形態３に係る可動子１の磁石１２内部の磁束の向きを矢印で示している。図９は、実施の形態３に係るリニアサーボモータの可動子の磁石内部の磁束の向きを示す断面図である。実施の形態３に係る可動子１は、可動方向に並べられた二つの磁石片１２ａ，１２ｂによって磁石１２が構成されている。二つの磁石片１２ａ，１２ｂの各々の内部の磁束は、ティース先端方向及びティース根元方向と可動子１の可動方向とがなす平面を含む断面において直線状である。可動方向に並べられた二つの磁石片１２ａ，１２ｂからなる磁石１２全体では、内部の磁束は、ティース先端方向及びティース根元方向と可動子１の可動方向とがなす平面を含む断面において、ティース根元方向に凸の屈曲線状である。

磁石１２の材料に用いられる強磁性体は、磁気異方性を持ち、磁化されやすい方向と磁化されにくい方向とが存在する。実施の形態３に係る磁石１２は、磁石片１２ａ，１２ｂの内部では磁束が湾曲していないため、二つの磁石片１２ａ，１２ｂの各々を、磁化されやすい方向に着磁することで、磁石１２全体では内部の磁束を屈曲線状にすることができる。

図１０は、実施の形態３に係るリニアサーボモータの可動子の変形例を示す図である。図１０には、実施の形態３の変形例に係る可動子１の磁石１２内部の磁束の向きを矢印で示している。実施の形態３の変形例に係る可動子１では、磁石１２は、ティース先端方向及びティース根元方向と可動子１の可動方向とのそれぞれに二つずつ並べられた、計四つの磁石片１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄで構成されている。コアバック１５では、磁石１２内部の磁束は、ティース先端方向及びティース根元方向と可動子１の可動方向とがなす平面を含む断面において、ティース先端方向に凸の屈曲線状である。ティース１４では、磁石１２内部の磁束は、ティース先端方向及びティース根元方向と可動子１の可動方向とがなす平面を含む断面において、ティース根元方向に凸の屈曲線状である。

磁石１２が複数の磁石片に分かれていない場合には、磁石１２内部で磁束を曲げるようにすると、磁化されにくい方向に着磁される部分が存在してしまうため、磁石１２の磁力を高めることが難しくなる。実施の形態３に係る可動子１は、磁化されやすい方向に沿って磁化された複数の磁石片１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが並ぶことによって磁石１２内部で磁束の向きが曲がるため、磁石１２の磁力を強くすることできる。したがって、実施の形態３に係る可動子１は、磁石１２が複数の磁石片に分かれていない構造と比較して、推力を向上させることができる。

実施の形態４．
図１１は、実施の形態４に係るリニアサーボモータの可動子の断面図である。実施の形態４に係る可動子１は、ティース１４のうち、端から二つ目のティース１４のみ磁石１２の厚さが異なっている。具体的には、端から二つ目のティース１４の磁石１２の厚さＬ２は、他のティース１４の磁石１２の厚さＬ１よりも薄くなっている。この他は、実施の形態１に係る可動子１と同様である。

可動子１の移動により、固定子２の突起２１と磁石１２との位置関係は、周期的に変化する。固定子２の突起２１と磁石１２との位置関係の周期的な変化にともない、磁石１２が固定子２の突起２１を吸引する力も周期的に変化し、吸引力が極大となる箇所を磁石１２が通過する際には可動子１の移動を妨げる抵抗力となる。この現象は、一般的にはコギングと称されている。可動子１の可動方向の端のティース１４は、可動方向における片側のみで別のティース１４と隣接するため、コギングの影響を受けやすい。実施の形態４に係る可動子１は、可動子１の可動方向の端から二つ目のティース１４の磁石１２が他のティース１４の磁石１２よりも薄くなっているため、端から二つ目のティース１４の磁石１２が発生させる磁束は、他のティース１４の磁石１２が発生させる磁束よりも弱い。このため、実施の形態４に係る可動子１の可動方向の端のティース１４は、コギングの影響を受けにくくなっている。したがって、実施の形態４に係る可動子１は、コギングを低減し、省エネルギーを図ることができる。

実施の形態５．
図１２は、実施の形態５に係るリニアサーボモータの可動子の断面図である。図１２には、実施の形態５に係る可動子１の磁石１２内部の磁束の向きを矢印で示している。また、図１２には、方向性電磁鋼板の磁化容易方向を白抜き矢印で示している。実施の形態５に係る可動子１は、コア１１が方向性電磁鋼板で構成されている。コア１１は、磁石１２に接触する磁石接触部１１ａと、コア１１同士を繋ぐコア連結部１１ｂとを備える。コア１１のうち磁石接触部１１ａにおける方向性電磁鋼板の磁化容易方向は、ティース先端方向及びティース根元方向である。

磁石接触部１１ａでは、ティース先端方向及びティース根元方向に方向性電磁鋼板の磁化が容易であるため、磁石１２からコア１１に入る磁束は、ティース１４の先端側に伝わりやすくなる。したがって、コア１１に磁化容易方向が無い場合と比較すると、固定子２の突起２１に入る磁束が増大するため、可動子１の推力が向上する。同様に、コイル１３が発生させる磁束も固定子２の突起２１に入りやすくなるため、可動子１の推力が向上する。

また、磁石１２を着磁する際にも、着磁コイル３２が発生させる磁束が磁石１２を通りやすくなるため、磁石１２を容易に着磁することができる。

実施の形態５に係る可動子１は、磁石１２が発生させる磁束及びコイル１３が発生させる磁束の両方が固定子２の突起２１に入りやすいため、推力を向上させることができる。

図１３は、実施の形態５の変形例に係るリニアサーボモータの可動子の断面図である。図１３には、実施の形態５の変形例に係る可動子１の磁石１２内部の磁束の向きを矢印で示している。また、図１３には、方向性電磁鋼板の磁化容易方向を白抜き矢印で示している。実施の形態５の変形例に係る可動子１では、コア１１のうち、コア連結部１１ｂの磁化容易方向は、可動子１の可動方向となっている。コア連結部１１ｂの磁化容易方向が可動子１の可動方向であるため、コイル１３への通電時に発生する磁束がコア連結部１１ｂを通りやすくなる。コイル１３への通電時に発生する磁束がコア連結部１１ｂを通りやすいことにより、コイル１３が発生させる磁束が固定子２の突起２１に入りやすくなるため、可動子１の推力を向上させることができる。

実施の形態６．
図１４は、実施の形態６に係るリニアサーボモータの可動子の断面図である。図１４には、実施の形態６に係る可動子１の磁石１２内部の磁束の向きを矢印で示している。実施の形態６に係る可動子１は、可動方向における磁石１２の寸法が、ティース１４の先端側では短くなっている。コア１１と磁石１２との界面は、可動方向に対して斜めに傾いている。このため、コア１１と磁石１２との界面の面積は、コア１１と磁石１２との界面が可動方向に対して垂直である場合よりも広くなっている。したがって、コア１１と磁石１２との界面が可動方向に対して垂直である場合と比較すると、磁石１２からコア１１に入る磁束が多くなり、可動子１の推力が向上する。

また、ティース１４は、先端部において可動方向における磁石１２の寸法が短くなっている分だけ、コア１１の寸法は長くなっており、ティース１４におけるコア１１の体積は、コア１１と磁石１２との界面が垂直である場合と比較して大きくなっている。このため、コア１１が磁気飽和しにくくなっており、磁石１２又はコイル１３からコア１１を通じて固定子２の突起２１に入る磁束を増やすことができ、可動子１の推力を向上させることができる。

また、磁石１２は、ティース１４の先端側が細いテーパ形状となっているため、固定子２の突起２１に吸引されても、コア１１から抜け落ちにくい。したがって、可動子１の強度及び耐久性を高めることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 可動子、２ 固定子、３ 着磁ヨーク、４ 着磁磁界、１０ リニアサーボモータ、１１ コア、１１ａ 磁石接触部、１１ｂ コア連結部、１２ 磁石、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ 磁石片、１３ コイル、１４ ティース、１５ コアバック、１６ スロット、２１ 突起、３１ ヨークコア、３２ 着磁コイル、４０ 可動子コア、１１１ 基部、１１２ 突出部。

Claims (7)

1. 可動方向に分割されたコアと、前記コアの間に挟み込まれた磁石とによって形成され、前記可動方向に伸びるコアバックから複数のティースが突出する形状の可動子コアと、前記ティースの各々に巻き付けられたコイルとを有し、
   前記磁石から前記コアに入る磁束は、前記可動方向の方向成分と、前記コアバックから前記ティースへ向かう方向であるティース先端方向の方向成分とを含んでおり、かつ、前記コアから前記磁石に入る磁束は、前記可動方向の方向成分と、前記ティースから前記コアバックへ向かう方向であるティース根元方向の方向成分とを含んでおり、
   前記磁石のうち、少なくとも前記ティースの部分では、
   前記磁石のうち前記コアへ向かって磁束が出る部分は、前記可動方向の方向成分と、前記ティース先端方向の方向成分とを含む方向に磁化されており、
   前記コアから磁束が入る部分は、前記可動方向の方向成分と前記ティース根元方向の方向成分とを含む方向に磁化されており、
   前記磁石のうち前記コアバックの部分では、
   前記磁石のうち前記コアへ向かって磁束が出る部分は、前記可動方向の方向成分と前記ティース根元方向の方向成分とを含む方向に磁化されており、
   前記磁石のうち前記コアから磁束が入る部分は、前記可動方向の方向成分と前記ティース先端方向の方向成分とを含む方向に磁化されていることを特徴とする可動子。
2. 前記磁石は、磁化容易な方向を有する複数の磁石片に分かれていることを特徴とする請求項１に記載の可動子。
3. 複数の前記ティースのうち、端から二つ目の前記ティースに配置される前記磁石は、端から二つ目以外の前記ティースに配置される前記磁石よりも、前記可動方向の寸法が小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の可動子。
4. 前記コアは、磁化容易な方向を有する方向性電磁鋼板で構成されており、
   前記ティースの部分の前記方向性電磁鋼板の磁化容易な方向は、前記ティース先端方向及び前記ティース根元方向であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の可動子。
5. 前記コアは、前記コアバックの部分では、前記方向性電磁鋼板の磁化容易な方向が前記可動方向であることを特徴とする請求項４に記載の可動子。
6. 前記磁石は、前記ティースの先端部での前記可動方向の寸法が小さいテーパ形状であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の可動子。
7. 複数の突起が配列された棒状の固定子と、
   前記可動方向が前記突起の配列方向と同じ方向になるように前記固定子に対向して配置された請求項１から６のいずれか１項に記載の可動子とを有することを特徴とするリニアサーボモータ。

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