JPH03222670A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、対向する永久磁石間に形成された磁気空隙内
を可動コイルが直線運動する形式のリニアモータに関す
る。

〔従来の技術〕

従来１０ｃｍ乃至１００ｃｍといった長いストロークの
範囲内で物体の位置決めを行なうための駆動装置として
は１例えば、特公昭５８−４９１００号および実開昭６
３−９３７８３号公報に開示されているような可動コイ
ル形リニアモータが多用されている。このリニアモータ
は、厚さ方向に着磁した複数の永久磁石を着磁方向が異
なるように対向させて配置し。

対向する永久磁石間に形成された空隙内に、ｖＡ束と直
角方向に運動する可動コイル組立体を配設した構造を有
する。

このようなリニアモータでは、磁気回路部にセンターヨ
ークがなく、シかも空隙内で磁束が複数個の閉ループを
構成し、磁路の一部に磁束が集中しないようになってい
るので、長いストロークの全域に亘って−様な磁束密度
を発生させることができる。

第１０図は従来のリニアモータを示す要部説明図である
。第１０回においてｌはヨークであり。

鉄板のような強磁性材料により例えば平板状に形成する
。２は永久磁石であり、Ｗ−さ方向に着磁し。

表面にＮＳ磁極が交互に出現するようにヨーク１の長手
方向に配設して固着する。上記のように形成したヨーク
１を永久磁石２の異極が対向するように空隙３を介して
配設する。４は支持板であり。

前記空隙３を確保するためにヨーク１の長手方向両端部
に固着する。なお支持板４は前記ヨークｌと同様の強磁
性材料によって形成することが好ましい。次に５はコイ
ルであり、前記空隙３における磁束と巻線方向が直交す
るような偏平の多相コイルによって形成する。すなわち
複数個のコイルを永久磁石２の配設方向に若干量宛ずら
せて配設し、磁極の方向を磁界検出素子等の手段を介し
て検出し、電流を流すべきコイルおよびその方向を切換
え得るように形成する。なお上記コイル５はホルダ（図
示せず）に一体に支持されて可動子を形成する。

以上の構成により、コイル５に電流を流すとコイル５０
巻線方向が永久磁石２による磁束と直交しているので、
コイル５はフレミングの左手の法則により、ヨーク１の
長手方向の駆動力を受けるから、コイル５を一体に支持
してなる可動子（図示せず）はヨーク１の長手方向に移
動する。

次にコイル５に前記と逆方向の電流を流すと、コイル５
には前記と逆方向の駆動力が作用するから。

可動子は前記と逆方向に移動する。従ってコイル５への
通電およびその電流の方向を選択することにより、可動
子を所定位置に移動させることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記構成のリニアモータにおいては、一般に永久磁石２
は直方体状に形成されており、コイル５の移動方向と直
交する断面積が同一、すなわち厚さ寸法および幅寸法は
同一である。また複数個の永久磁石２．２間においては
間隙、接着剤の介在。

および磁束の短絡等により磁束密度が永久磁石２の中間
部におけるものより小となっている。そして永久磁石２
全体としての前記コイル５の移動方向の磁束分布は略円
弧状となっている。

一般に回転子側が永久磁石界磁であり、外側が固定電機
子であるモータにおいては、常に回転子の磁束と電機子
起磁力の関係を垂直に保持するためには、適切な制御回
路によって、正弦波電機子電流の確立と正弦波のギャッ
プ磁束分布を形成することが必要であるとされている。

このように構成することにより、モータが発生するトル
クは。

電機子電流と磁束密度の各々最大値の積にのみ依存し２
回転子の基準軸からの変位角には無関係なトルクが発生
する。すなわち上記変位角によるトルクリップルの発生
を防止できることになる。

一方リニアモータは上記回転子および電機子の直径を無
限大に形成したものであり、上記の理論が当然に適用さ
れる。従って前記第１０図に示す永久磁石２におけるコ
イル５の移動方向の磁束密度分布を正弦波状に形成すれ
ば、コイル５の移動位置によるトルクリップルを解消し
、リニアリティの優れたリニアモータを得ることができ
ることとなる。

しかしながら、従来のリニアモータにおいては永久磁石
２が前記のように形成されているため。

コイル５の移動方向における磁束密度分布が非正弦波と
なり、トルクリップルが発生し、リニアリティを損なう
と共に９位置決め精度に悪影響を及ぼすという問題点が
ある。

また前記実開昭６３〜９３７８３号公報には、直流リニ
アモータにおける推力リップルを低減するために。

電機子と対向するマグネットの面をなだらかな凹部に形
成する内容の提案が記載されている。

しかし上記提案のリニアモータは、各コイル毎に位置検
出素子（磁電変換素子）を設けて、各コイルに流れる電
流の向きを反転させているため各コイルに電流の制御手
段を設ける必要がある。

このため高推力を得る目的でコイル数を多くした場合に
は、構造が複雑になるという欠点がある。

また隣接するマグネット相互の境界部になだらかな凹部
（円弧状）を形成する構成としているが。

このようなマグネットの形状においては、凹部に磁束が
集中し易くなり、磁束密度のピーク値が低下すると共に
、磁束密度分布においてもピーク値近傍が先細りになる
ことが考えられる。更にこのようなリニアモータにおい
ては、コイルに正弦波電流を通電する旨記載しているが
２位置検出素子の出力が正弦波状の磁束分布の影響を受
けることにより、結果的にコイルに入力される電流が正
弦波電流になるのであり１本質的にはリニア直流制御方
式であることに変りはない。

本発明は上記従来技術に存在する問題点を解決し、トル
クリップルの少ないリニアモータを提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために５本発明においては。

相隣る磁極の極性が異なるように複数個の永久磁石を、
空隙を介して異極が対向するように配設し。

この空隙内に多相コイルからなる可動子を前記永久磁石
の配設方向に移動可能に設けると共に、前記多相コイル
に正弦波駆動電流を供給するための駆動回路を備えてな
るリニアモータにおいて、可動子の移動方向と直交する
面における永久磁石の断面積をＡｃ＞Ａｅ（但し、Ａｃ
：中間部における断面積、Ａｅ：端部における断面積）
に形成する。という技術的手段を採用した。

本発明において、永久磁石の厚さをｔ　ｃ＞ｔ　ｅとす
るか１幅をＷｃ＞Ｗｅとするか、または両者を併用して
もよい。

〔作用〕

上記の構成により、永久磁石のコイル移動方向の磁束分
布が正弦波状となり、コイルに正弦波電流を印加するこ
とにより、トルクリップルを大幅に低減することができ
る。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示す要部断面図である。第１
図において１１はヘースであり、軟鋼のような強磁性材
料により平板状に形成する。１２はセンターヨーク、１
３はサイドヨークであり。

各々前記ヘース１１と同様の材料によって平板状に形成
すると共に、ベース１１上に間隔を介して固着する。次
に１４は永久磁石であり２例えば希土類系磁石により後
述するような形状寸法に形成し、センターヨーク１２お
よびサイドヨーク１３の夫々の対向面に、相隣る磁極の
極性が異なるように複数個を、空隙１５を介して異極が
対向するように配設する。第１図において永久磁石１４
の配設方向は紙面と直交する方向である。次に１６は可
動子であり、キャリッジ１７の下方にコイルフレーム１
８を固着し、コイルフレーム１８が前記空隙１５内にお
いて紙面と直交する方向に移動可能に設ける。このコイ
ルフレーム１８は、推力リップルの発生を防止するため
、非磁性材料によって形成する。すなわち２例えばアル
ミニウム合金製の枠（絶縁性を付与するため表面はアル
マイト処理をしておく）の表面に樹脂（例えばガラス入
エポキシ樹脂）製の基板を装着し、この基板上に後述す
るコイル１９を固着して形成する。なおコイルフレーム
１８を磁性材料によって形成したり、あるいは可動子１
６の側にバックヨークが存在すると、永久磁石１４の吸
着力によるアンバランスが発生し、推力リップルの発生
原因の一つとなる。１９はコイルであり、偏平状に形成
すると共にコイルフレーム１８の両面に設ける。

第２図は第１図におけるコイルフレーム１８を示す要部
斜視図であり、同一部分は第１図と同一の参照符号で示
す。コイル１９は例えば３相コイル（特開昭６２−１９
３５４３号公報参照）とし、各相はすべて直列接続する
と共に、各相間はＹ形接続とする。

本発明のリニアモータは、上記のように多相コイルを使
用して、この多相コイルに正弦波状の駆動電流を供給す
るのであるが、相数が多くなる程力率が低下するため、
入力電流を増加する必要があるので１２相または３相の
通電方式を採用するのが望ましい。すなわち本発明のリ
ニアモータは後述するような特定形状の永久磁石を有す
る磁気回路と、２相または３相の正弦波電流出力型の駆
動回路とを組合せた構成とすることが望ましい。

第３図は第１図および第２図における位置検出素子とコ
イル１９との位置関係を示す要部側面図であり、同一部
分は前記第１図および第２図と同一の参照符号で示す。

第３図において、可動子１６は、永久磁石１４の磁極ピ
ッチ２ｍの１／６の幅で紙面に平行な面内で巻かれてい
る３個の偏平コイルＬ　ｕ　＋　、　　Ｌ　Ｗｌ、　　
Ｌ　ｖ　＋をコイル幅だけずらせて配置した（相互の偏
平コイルの中央部は重ならない）コイル１９ａ、および
このコイル１９ａと同様に構成されたコイル１９ｂ、１
９ｃを有している。また可動子１６には、３個の位置検
出素子２０が、コイルピッチｌｃ　　（前記磁極ピッチ
２ｍと等しい）の１／６の間隔１１を置いて設けられて
いる。これらの位置検出素子２０は、偏平コイルＬｕ１
．Ｌｗ＋＋　　Ｌｖ＋に対して夫々間隔ｌ′宛オフセッ
トされているが、このオフセット状態は電気的に処理で
きるので、実用上は全く問題とならない。そして駆動回
路（図示せず）によって１２０°位置のずれた３相電流
波形を作り、これを前記偏平コイルＬｕｇ、　　Ｌｗｌ
、　　Ｌｖ＋に供給する（第３図における矢印は電流の
向きを示す）ことにより、可動子１６が連続して移動す
る。なお３相の場合、理論的には位置検出素子２０の間
隔１１は、コイルピッチＩ！ｃ　　（磁極ピッチｌ鵬と
等しい）の１７３に設定されるが、第３図に示す例にお
いては、実装上の理由により上記のように設定している
。すなわち、前記偏平コイルＬ　ｕ！＋Ｌｗ１．　　Ｌ
ｖｌ等は１通電方向を逆転させることにより、１８０°
のｎ（ｎは正の整数）倍毎の任意の位置に配置できるた
めである。

また本実施例においては１位置検出素子２０と制御回路
（図示せず）とによって通電すべき偏平コイルおよび電
流の方向を切換若しくは選択しているが２位置検出素子
２０としては、ホール素子のような公知のものを使用す
ることができる。なお制御回路も通常の永久磁石を界磁
として使用する１例えば同期式ＡＣサーボモータにおけ
るものと同様の構成でよい。

更に本発明においては、３相コイル（１９ａ〜１９ｂ）
を６連弐とした場合でも、３個の位置検出素子２０を使
用して位置検出をすることができる。従って供給される
電流は、単相または３相の正弦波電流が使用され、その
同期化手段としてホール素子の正（負）から負（正）に
反転する（ゼロクロス）タイミングのみをイ吏用してい
る。

なお２相の通電方式を採用した場合は、磁極ピッチｉ！
、−の１／４の間隔で位置検出素子２０を可動子１６に
設け、駆動回路で９０°位置のずれた２相電流波形を作
り、これをコイルに供給すればよい。

次に第４図は第１図における永久磁石１４の形状寸法を
示す斜視図であり、コイルフレーム１８の移動方向（矢
印Ａ）に複数個配設するのであるが、上記移動方向と平
行な断面の形状を略台形状に形成する。すなわち上記移
動方向の端部における厚さを６．５＋ｎｍ、中間部にお
ける厚さを１０ｍｍに形成する。なお永久磁石１４は厚
さ方向、すなわち上下方向に着磁する。

上記のように形成した実施例のリニアモータについて、
可動子１６の移動方向、すなわちストロークと磁束密度
との関係を測定した。第５図はこの結果を示す図であり
、◇印にて示すａは実施例に対応するものであり、Δ印
にて示すｂの正弦波と極めて近似した曲線であると認め
られる。なお口中にて示すＣは従来の構成であり、永久
磁石を幅５０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ１０ＩＩｌ１１
の直方体状に形成したものである。第５図から明らかな
ように。

Ｃは半楕円形若しくは円弧状を示し、前記すに示す正弦
波とは著しく形状が異なる。従ってトルクリップルが大
きく、リニアリティが低く現われる。

これに対して本実施例のものにおいてはトルクリップル
が大幅に低減し、優れたりニアリティを示すごとを確認
した。

第６図は本発明の他の実施例における永久磁石の形状寸
法を示す平面図であり、幅寸法を端部において２６ｍｎ
＋、中間部において５０＋ｎｍに形成し両側縁部の輪郭
を正弦波状に形成する。なお厚さ寸法は１０ｎ＋ｎとし
、前記同様に厚さ方向に着磁してリニアモータを構成し
た。矢印六方向の磁束密度分布を測定したところ２第５
図に示すａと同様の正弦波状となることが認められた。

第７図および第８図は各々比較例における永久磁石を示
す端面図であり、同一部分は前記第４図および第６図と
同一の参照符号で示す。第７図および第８図において、
永久磁石１４の寸法は１幅５０ｍｍ、長さ３０ｍ、最大
厚さ１０ｍｍに形成し。

前記第４図および第６図に示すものと対応させる。

なお第７図に示すものは永久磁石１４の上面の斜面部を
凸円弧状に形成し、第８図に示すものは。

端縁部に円弧状の凹部を形成した点が前記のものと異な
る。

第９図は第仔図および第８図に示す永久磁石１４を使用
したリニアモータにおけるストロークと磁束密度との関
係を示す図であり、前記第５図と対応する。第９図にお
いて曲線ａ、ｃｌは各々第４図および第８図に示す永久
磁石１４を使用したリニアモータにおけるものである。

第９図から明らかなように１曲線ｄ（第８図対応）は磁
束密度のピーク値が低いと共に、ピーク値近傍が先細り
した三角波状の曲線となっており、特性が低く現われる
。また第８図に示す永久磁石１４の凹部の円弧の半径を
大にすると、磁束密度のピーク値が更に低下する。なお
第７図に示す永久磁石１４を使用した場合には、磁束密
度分布が略正弦波曲線状になるが、ピーク値近傍が、第
９図に示す曲線ａよりもやや拡がった形状になると推定
される。

従って断面形状において台形状の永久磁石を使用する場
合には、第４図および第６図に示すように。

可動子若しくはコイルフレームの移動方向（矢印Ａ）に
おける永久磁石１４の端部表面輪郭を斜直線とすること
が好ましい。

〔発明の効果〕

本発明は以上記述のような構成および作用であるから、
リニアモータにおけるトルクリップルを大幅に低減させ
ることができ、リニアリティおよび信頼性を大幅に向上
させ得るという効果がある。

のリニアモータの例を示す要部説明図である。

１４：永久磁石、１６：可動子。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）相隣る磁極の極性が異なるように複数個の永久磁
   石を、空隙を介して異極が対向するように配設し、この
   空隙内に多相コイルからなる可動子を前記永久磁石の配
   設方向に移動可能に設けると共に、前記多相コイルに正
   弦波駆動電流を供給するための駆動回路を備えてなるリ
   ニアモータにおいて、可動子の移動方向と直交する面に
   おける永久磁石の断面積をＡｃ＞Ａｅ（但し、Ａｃ：中
   間部における断面積、Ａｅ：端部における断面積）に形
   成したことを特徴とするリニアモータ。
2. （２）永久磁石の厚さをｔｃ＞ｔｅ（但し、ｔｃ：中間
   部における厚さ、ｔｅ：端部における厚さ）に形成した
   請求項（１）記載のリニアモータ。
3. （３）永久磁石の幅をＷｃ＞Ｗｅ（但し、Ｗｃ：中間部
   における幅、Ｗｅ：端部における幅）に形成した請求項
   （１）若しくは（２）記載のリニアモータ。