200922080 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域] 本發明關於-種切㈣圈讀磁電流岐動子每次直線 運動既定步進篁之線性步進馬達。 【先前技術】 線性步進馬達與旋轉型之步進馬達不同，係使動子直接直 線運動。線性步進馬達習知者有VR型（VariableReductance) 〇 和組合有永久磁鐵和電磁鐵而成之HB型（Hybrid type)。一 般廣泛使用HB型之線性步進馬達（例如參照專利文獻！）。 圖16表示習知HB型之線性步進馬達之移動原理（索亞 (sawyer)原理）。動子21由永久磁鐵22和電磁鐵23構成。 在電磁鐵23之2個磁極，捲繞有線圈24成 磁化。當以⑴、⑵、⑶、⑷之順序切換電磁鐵23之電 流時，在與永久磁鐵22之磁通相同方向，產生線圈磁通磁 極（（1)之磁極1、（2)之磁極4、（3)之磁極2、（4)之磁極3)， 且在相反方向，產生線圈磁通磁極（（丨）之磁極2、（2)之磁 極3、（3)之磁極1、⑷之磁極4)。若將電流設定成使該反 向之磁通達到與永久磁鐵22之磁通相同程度，則可使遮斷 永久磁鐵22之磁通的磁性閥作動。透過該作動，永久磁鐵 22之磁通通過同方向之激磁磁極，通過定子25之磁軛，再 通過動子21之非激磁之2個磁極，回到永久磁鐵22。此種 磁路分別由（1)、（2)、（3)、（4)形成。在每次（1)、（2)、（3)、 97133160 4 200922080 (4)時動子21每次各步進定子25之齒距的。 (專利讀1):日本專利特開昭61〜i73_號公報 【發明内容】 (發明所欲解決之問題） ΓΒ型之祕步進錢+，w較姊奸加工多個 梳《而可使推力變大，又使梳齒之間距變細而可使步進 小之優點。然而，其另一方面，需 胥复雜之梳齒形狀加工， 且品要將疋子和動子之梳齒間隔 造成本提高之問題。 因此有製 因此，本發明課題是提供—種 進馬達。 幻使構造早純之廉價線性步 (解決問題之手段） 為解決上述問題，本案申請專利範圍第！項之發明為一種 線性步進馬達，其具備有：定子或動子之-者，由多個永久 磁鐵^使^和S極之雜妹㈣向交替磁 疋子或動子之另—者’包含有在上述定子或上述動子之 者周圍空隙捲繞的至少二相線圈；和導引手段，用來 =引上述動子對上述定子之直線運動；在上述至少二相線圈 之激磁線圈之軸線方向兩端部產生磁極’彻上述激磁線 圈之軸線方向兩端部之磁極和上述永久磁鐵之磁極之吸引 力=或排斥力’使上述動子對上述定子進行直線運動。 申凊專利範圍第2項發明之特徵是在申請專利範圍第^ 97133160 200922080 項之線性步進馬達中，上述線 磁極被設在上述至少二相線圈巾進馬達更具備有磁極，該 部，由磁性材料構成同時形成磁路各線圈轴線方向之兩端 申請專利範圍第3項發路' 項之線性步進馬達中，上述線丨生疋在申凊專利範圍第2 軛，該磁軛用來收容上述至少進馬達更具備有筒狀磁 材料構成同時形成磁路。 線圈和上述磁極，由磁性 申請專利範圍第4項之發 項之線性步進馬達中，上述線性疋在中請專利範圍第3 段，該定位手段絲定位上述 ^達更具備有定位手 置。 對上述磁軛之軸線方向位 申請專利範圍第5項發明之特徵 或2項之線性步進馬達中，在上述至少二相::中〗=第1 =置用來使相位偏移之由非磁性材料構成的隔件= 隔件°上述定子或上述動子之—者之__，小於上^ y-相線圈和上料子或上述動子之—者之間的間隙。 =專利範圍第6項發明之特徵是在中請專利範 =線性步=達中，上述至少二相線圈 =兩端部磁極間距’為上述永久磁鐵 間距之實質2N+1倍（N :正整數）。 申請專利範圍第7項發明之特徵是在申請專· 或2項之線性步進馬達中，上述至少二相線圈為二相之線 97133160 200922080 圈，上述一相線圈在上；十.、 述水久磁鐵之N—N間磁極間距之j /4倍軸線方向具有相位偏移。 (發明效果） 依照申請專利範圍第i項之發明 亦簡單之廉價線性步進馬達。 且裳 軸:二利乾圍第2項之發明，因為具備有用來在線圈 軸線方向兩端部形成磁路之磁極，所 )但可產生高推力。 ’、、巧間早之構造， 在=ΓΓ利範圍第4項之發明,因為可決定磁極對· 定。--之位置’所以可將形成磁路用之磁極間距保持— 錢”專利_帛5項之㈣，使各相_ 的隔敎持定子或動子之-者，所_使將線圈與定子2 子之者間之間隙設計成較小，亦可防止線圈與定子或動子 接觸了確貝確保該等間之間隙。因為間隙可# 較小’所以可提高線性步進馬達之推力。料，定子^動^ 之一者可容許有某程度之彎曲。 依照申請專利範圍第6項之發明，可使各線圈之耗線方向 長度大於I久磁鐵之N—s間之磁極間距，使捲繞數變多°。 因此，可提高線性步進馬達之推力。 97133160 200922080 由於為二相線圈，可成 依照申請專利範圍第7項之發明 為間早之構造。
【實施方式J α下’根據圖式用來詳細地說明本發明之實施形態。圖！ θ — τ本發明—實施㈣中線性步進馬達之外觀圖。圖 -表二線性步進馬達之外觀立體圖，圖2表示輪廟，圖3表 、:力者軸線之剖視圖。如圖i所示，作為動子之桿^由作為 ()疋:之圓筒狀壓件（f〇rcer)2所覆蓋。如圖2所示，桿工由 將多财久磁鐵3插入到圓筒狀管4而構成。利用永久磁鐵 ^於杯1以既定間距在轴線方向交替地磁化N極和S極。在 壓件2設置隔開間隙捲繞在桿i周圍之二相線圈5。在各個 線圈5a、5b之間插入有使相位偏移用之隔件14。當切換二 相線圈5之激磁電流時，桿1以既定之步進量在軸線方向直 線運動。 圖4表示沿著桿1之軸線之剖視圖，圖5表示前視圖。永 久磁鐵3是保磁力較高之鈦磁鐵等之稀土類磁鐵。圓筒狀之 管4為不銹鋼等之金屬製或樹脂製。在管4内插入多個圓柱 形之永久礤鐵3成N極間和S極間互相面對。在永久磁鐵3 之邊界形成N極或S極之磁極。由於永久磁鐵3之軸線方向 厚度保持一定，所以在軸線方向以一定間距交替形成N極及 S極。在管4插入永久磁鐵3之後’以端栓7塞住管之兩端。 端栓7例如由黏著、螺固等固定在管4。在端栓7加工用以 97133160 200922080 安裝進彳T直線勒之龍的·。桿丨之韻雜可不為圓 形，而為扁平之橢圓形，亦可為四角形等之多角形。 若在永久磁鐵3間插人由雜材料構成之姉⑽eshoe) 時，可使桿1之周圍磁通密度成為美觀之正弦波。然而，在 線性步進馬達之情況’線圈5a、5b之激磁電流為步進狀， 因此不需要使桿1周圍之磁通密度成為美觀之正弦波。在以 構造簡化和成本降低為優先考量之情況下，亦可不插 萆化。 如圖2和圖3所示，壓件2由使二 軛8所構成。在# '、插入到筒狀磁 軛斤構成在各個線圈5a、5b0· 形成磁路之環狀磁極1()。在_ &配置用以 用來支持桿卜防止桿U_5a概套⑴ 有作為導引桿丨對壓件2之錄運_導1套U具 輛8之内部線圈5a、5bf之插人物# =功能。磁 二相線圈5以二個線圈㈣為―1 二屏蔽。 二相線圈5由'組線圈5a、_成，、 組等多組之線圈5a、5b構成。 —疋亦可由二組，三 圖6表示磁幸厄8 + 筒狀磁軛8由薄壁之：’圖7表示磁輛8之側视圖。圓 寸土之矽鋼等磁性材料所椹 u圓 注入用來固定線圈和磁極細厄8開設 磁軛8兩端部加工右 *者劑的孔如。在 引線。梅心=:广出各個線圈5㈣之 97133160 有螺絲孔8。’作為时^邮10對 200922080 磁軛8在軸線方向之位置的定位手段。另外，亦可不使用黏 著劑來將線圈5a、5b和磁極1〇固定在磁！^ 8，❿是娜接磁 輛8之兩端部。 圖8表示在壓件2之剖視圖，圖9表示線圈5a、沾之剖 視圖。線圈5a、5b為將銅線捲繞成為圓筒狀者。二相線圈 5以2個線圈5a、5b作為1組。從各個線圈5a、北引出銅 線之始繞和終繞之引線13。如圖10之線圈接線圖所示，二 〇 相線圈5由A相之線圈5a和B相之線圈5b所構成。當使在 A相之線圈5a流動的電流反相時，成為一A相，使在B相之 線圈5b流動的電流反相時’成為一B相。 圖11表示環狀之磁極10。圖中之（A)表示磁極1〇之前視 圖，⑻表示側視圖。磁極1G由秒鋼等之磁性材料構成。在 磁極Π)具有桿丨貫穿之孔，在環狀之磁極1Q外周面設有定 位凹部他，作制來決定W對磁W之軸線方向位 置的定位手段。如圖8所示，當使定位螺㈣螺入磁輛8 之螺絲孔8c時，定位螺栓12 <頭部散合在磁扼8之定位凹 部此。利用此種方式，可^磁極1Q對魏8之位置。 在磁極H)加工用來安裝襯套u之安裝螺紋咖。 如圖3所示，在兩端配置有雜1〇之狀態下，各個線圈 5a、5b之磁極間距LU線圈5a、5b兩端部之磁錢之中心 間之距離U)被設定為桿間之魏間距L2之實質 2N+1倍（N:正整數）。亦即，在_a、5b兩端部之一對 97133160 200922080 磁極10中，保持一磁極10位於桿丨之N極上時，另一之磁 極10位於桿1之s極上之關係。然而，在一對線圈5a、5b 之磁極間距等於桿1之N-S間之磁極間距之情況時，線圈 5a、5b兩端部之磁通密度無法變大。因此，在本實施形熊 中，桿1之13間之磁極間距為跗+1倍0:正整數）。 當將線圈5a、5b之磁極間距L1正確地設定在桿1之n___ S間之磁極間距L2之2N+1倍時，會有發生鑲齒之虞。為 C'減低鑲齒，可使線圈5a、5b之磁極間距L1稍微偏離桿1 之磁極間距L2之2N+1倍。 圖12表不隔件14。圖中（A)表示隔件14之前視圖， 表示側視圖。隔件14為樹脂製，形成圓筒形狀。隔件Η 係為了將二相線圈5間之間隔保持一定而設置。如圖3所 示，隔件14之轴線方向厚度L3被設定成為使二相線圈5 偏移電性角度9 0度、亦即桿1之N 一 N間之磁極間距L 4之 G 實質1/4倍。桿1之S — S間之磁極間距L4之1/4倍，等 於N —S間之磁極間距L2之1/2倍。因為單獨之永久磁鐵 3之轴線方向厚度等於桿1之N — S間之磁極間距[2，所以 結果是各個線圈5a、5b之相位成為偏移單獨之永久磁鐵^ 之軸線方向厚度之1/2倍。在本實施形態中，磁極1〇之厚 度被設定為單獨之永久磁鐵3厚度之1/2。參照圖3可知， β相線圈％之左側磁極10之左端位置P2，從未對A相線圈 5a偏移相位之位置P1，朝左側偏移永久磁鐵3厚度之1/2 97133160 200922080 倍。 隔件14和桿1間之間隙被設定成小於線圈5心讥和桿工 間之間隙。隔件14之内徑等於壓件2兩端部之襯套u内徑 以可支持桿1。在線圈5a、5b之内徑和桿1之外徑間具有 間隙。為了提高馬達之推力，需要盡可能使該間隙變小。使 隔件14之内徑小於線圈5a、5b之内徑，經由將桿丨與襯套 11 —起支持而可確實確保間隙。因此，將線圈5a、北和桿 :1之間隙設計成較小，可提高馬達之推力。另外，桿丨可容 許有某種程度之彎曲。 圖13表示襯套11。圖中（A)表示襯套u之前視圖，（幻 表示側視圖。襯套Π由滑動阻力較小之樹脂構成，形成環 狀。桿1在襯套1 1之内周面滑動。襯套1 1亦具有密封成使 附著在桿1之鐵粉不會進入到壓件2内部之功用。在襯套 11加工用來女裝在磁極10之安裝孔lla。替代以螺絲將襯 *套11安裝在磁極10之方式，亦可鉚接磁軛8之兩端部，將 襯套11固定在磁輛8。 下面說明壓件2之組裝方法。首先，捲繞銅線來組裝線圈 5a、5b單體。當在各個線圈5a、5b之兩端安裝磁極1〇後， 使隔件14插入在A相線圈5a和β相線圈5b之間，將線圈 5a、5b插入到磁軛8内。在定位磁軛8和磁極10後，藉由 接著劑來固定磁軛8和線圈5a、5b。然後，當將襯套π安 裝在磁輛8後’就完成壓件2。 97133160 12 200922080 圖14表示二相線圈5之激磁方式之-例。此處’說明只 在一相有電流流動之-相激磁方式。在最初之步驟中，激磁 A相_ 5a ’在其次之步驟中，激磁b相之_ %。在盆 次步驟中，使相反方向之電流在A相之線圈5a流動㈠ 相），在其次步驟中，使電流以相反方向在β相線圈讪流動 (―B相）。1〜4之步驟成為1週期，在該期間桿！在N_N 間之磁極間距進行直線運動。除—相激磁方式外，亦可以採 〇用使共渡電流在A相和B相之二⑽目流㈣進行驅動之二相 激磁方式。二相_ 5可由單極方式激磁，亦可由雙極方式 激磁。 使用圖15說明線性步進馬達之移動原理。壓件2之磁極 10間之間距成為桿1之N-S間之磁極間距之2N+1倍（N : 正整數），一對磁極10必定與桿丨之N極及s極對向。首先， 在⑴中為了激磁A相線圈5a，桿1在不同極間與A相線圈 G 5a之磁極10對向。當在此種狀態施加外力使桿丨移動時， 因為使桿1回到（1)位置之力動作，所以可進行定位。此時， B相線圈5b之磁極1〇中心位於桿丨之磁極胳邊界。原因 在於，A相線圈5a和B相線圈5b在電性角度偏移度相 位。 其次轉移到（2)，當A相線圈5a之電流為關（0FF)，B相 線圈5b之電流為開（ON)時，桿1朝右方向移動N_N間之磁 極間距之1/4(亦即1步進部分），由β相線圈％吸引而停 97133160 13 200922080 止。 其次轉移到（3)，此次使與（1)逆向之電流在A相線圈5a 流動。桿1更朝右方向移動1步進部分，由A相線圈5a吸 引而停止。 其次轉動到（4)，同樣地使與（2)逆向之電流在B相之線 圈5b流動。B相磁極10之極性亦與（2)相反，桿1更朝右 方向移動1步進部分而靜止。 f) 其次返回（1)，重複進行（2)〜（4)。每次移動到（1)~(4)之 下個步驟時，桿1每次步進1步。以上為線性步進馬達之移 動原理。 另外，本發明不只限於上述實施形態，在不變更本發明要 旨之範圍内可使各種實施形態具體化。例如，線圈可為三相 線圈亦可為五相線圈。另外，在線圈單體兩端部可形成磁通 密度較尚的N極和S極之磁極之情況時，亦可不在線圈兩端 (j 部設置磁極。更進一步’線圈之激磁方式亦可使用能將步進 量分割成η個之微步進驅動。亦可不使桿移動而使壓件移 動。 本說明書根據2007年8月31日提出之日本專利特願2〇〇7 — 226576。其内容全部包含於此。 【圖式簡單說明] 圖1為本發明一實施形態中線性步進馬達之立體圖。 圖2為線性步進馬達之輪廓。 97133160 14 200922080 圖3為沿著線性步進馬達之軸線之剖視圖。 圖4為沿著桿之轴線的剖視圖。 圖5為桿之前視圖。 圖6為磁扼之俯視圖。 圖7為磁軛之側視圖。 圖8為壓件之剖視圖。 圖9為線圈之剖視圖。 C 圖10為線圈之接線圖。 圖11表示磁極（圖中（A)表示磁極之前視圖，（B)表示側視 圖）。 圖表示隔件（圖中（A)表示隔件之前視圖，⑻表示侧視 圖）。 圖13表不襯套（圖中（A)表示襯套之前視圖，⑻表示側視 圖）。 。 圖14表不線圈之激磁方式之一實例。 圖15(1)至⑷表示線性步進馬達之移動原理。 圖16⑴至⑷表示習矣口 Ηβ型之線性步進馬達之移動原 理。 【主要元件符號說明】 1 桿（動子） 2 壓件（定子） 3 永久磁鐵 97133160 15 200922080 4 5 5a、5b 7 8 8a 8b C' 8c 10 10a 10b 11 12 13 iJ 14 LI L2 L3 L4 管 二相線圈 線圈 端栓 磁軛 孔 缺口 螺絲孔 磁極 定位凹部 安裝螺紋 襯套（導引手段） 定位螺栓 引線 隔件 線圈之軸線方向之兩端部之磁極間距 永久磁鐵之N — S間之磁極間距 隔件之轴線方向之厚度 永久磁鐵之N _ N間之磁極間距 97133160 16