TWI473392B - 線性步進馬達 - Google Patents

Description

線性步進馬達

本發明關於一種切換線圈之激磁電流而使動子每次直線運動既定步進量之線性步進馬達。

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(Variable Reductance)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1)。

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成相互極性被相反磁化。當以(1)、(2)、(3)、(4)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((1)之磁極2、(2)之磁極3、(3)之磁極1、(4)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)、(4)時動子21每次各步進定子25之齒距的1/4。

(專利文獻1)：日本專利特開昭61-173660號公報

在HB型之線性步進馬達中，具有於定子和動子加工多個梳齒而可使推力變大，又使梳齒之間距變細而可使步進量變小之優點。然而，其另一方面，需要複雜之梳齒形狀加工，且需要將定子和動子之梳齒間隔保持一定的組裝，因此有製造成本提高之問題。

因此，本發明課題是提供一種可使構造單純之廉價線性步進馬達。

為解決上述問題，本案申請專利範圍第1項之發明為一種線性步進馬達，其具備有：定子或動子之一者，由多個永久磁鐵，以既定間距使N極和S極之磁極在軸線方向交替磁化；定子或動子之另一者，包含有在上述定子或上述動子之一者周圍隔開空隙捲繞的至少二相線圈；和導引手段，用來導引上述動子對上述定子之直線運動；在上述至少二相線圈中之激磁線圈之軸線方向兩端部產生磁極，利用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及/或排斥力，使上述動子對上述定子進行直線運動。

申請專利範圍第2項發明之特徵是在申請專利範圍第1項之線性步進馬達中，上述線性步進馬達更具備有磁極，該磁極被設在上述至少二相線圈中之各線圈軸線方向之兩端部，由磁性材料構成同時形成磁路。

申請專利範圍第3項發明之特徵是在申請專利範圍第2項之線性步進馬達中，上述線性步進馬達更具備有筒狀磁軛，該磁軛用來收容上述至少二相線圈和上述磁極，由磁性材料構成同時形成磁路。

申請專利範圍第4項之發明之特徵是在申請專利範圍第3項之線性步進馬達中，上述線性步進馬達更具備有定位手段，該定位手段用來定位上述磁極對上述磁軛之軸線方向位置。

申請專利範圍第5項發明之特徵是在申請專利範圍第1或2項之線性步進馬達中，在上述至少二相線圈中之各線圈間，設置用來使相位偏移之由非磁性材料構成的隔件，上述隔件和上述定子或上述動子之一者之間的間隙，小於上述至少二相線圈和上述定子或上述動子之一者之間的間隙。

申請專利範圍第6項發明之特徵是在申請專利範圍第1或2項之線性步進馬達中，上述至少二相線圈中之各線圈軸線方向之兩端部磁極間距，為上述永久磁鐵之N-S間磁極間距之實質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利範圍第1或2項之線性步進馬達中，上述至少二相線圈為二相之線圈，上述二相線圈在上述永久磁鐵之N-N間磁極間距之1/4倍軸線方向具有相位偏移。

依照申請專利範圍第1項之發明，可獲得簡單構造且組裝亦簡單之廉價線性步進馬達。

依照申請專利範圍第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，所以雖然為簡單之構造，但可產生高推力。

依照申請專利範圍第3項之發明，因為線圈和磁極收容在用以形成磁路之筒狀磁軛，所以可產生更高之推力。

依照申請專利範圍第4項之發明，因為可決定磁極對磁軛在軸線方向之位置，所以可將形成磁路用之磁極間距保持一定。

依照申請專利範圍第5項之發明，使各相線圈之相位偏移的隔件支持定子或動子之一者，所以即使將線圈與定子或動子之一者間之間隙設計成較小，亦可防止線圈與定子或動子之一者接觸，可確實確保該等間之間隙。因為間隙可設計成較小，所以可提高線性步進馬達之推力。另外，定子或動子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，可使各線圈之軸線方向長度大於永久磁鐵之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。

依照申請專利範圍第7項之發明，由於為二相線圈，可成為簡單之構造。

以下，根據圖式用來詳細地說明本發明之實施形態。圖1至圖3表示本發明一實施形態中線性步進馬達之外觀圖。圖1表示線性步進馬達之外觀立體圖，圖2表示輪廓，圖3表示沿著軸線之剖視圖。如圖1所示，作為動子之桿1由作為定子之圓筒狀壓件(forcer)2所覆蓋。如圖2所示，桿1由將多個永久磁鐵3插入到圓筒狀管4而構成。利用永久磁鐵3於桿1以既定間距在軸線方向交替地磁化N極和S極。在壓件2設置隔開間隙捲繞在桿1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是保磁力較高之釹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內插入多個圓柱形之永久磁鐵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加工用以安裝進行直線運動之對象的螺紋。桿1之剖面形狀可不為圓形，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間插入由磁性材料構成之極靴(pole shoe)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，亦可不插入極靴。

如圖2和圖3所示，壓件2由使二相線圈5插入到筒狀磁軛8所構成。在各個線圈5a、5b之軸線方向兩端配置用以形成磁路之環狀磁極10。在磁軛8兩端部設有一對襯套11，用來支持桿1，防止桿1與線圈5a、5b之接觸。襯套11具有作為導引桿1對壓件2之直線運動的導引手段之功能。磁軛8之內部線圈5a、5b等之插入物利用襯套11屏蔽。

二相線圈5以二個線圈5a、5b為一組。在本實施形態中，二相線圈5由一組線圈5a、5b構成，但是亦可由二組，三組等多組之線圈5a、5b構成。

圖6表示磁軛8之俯視圖，圖7表示磁軛8之側視圖。圓筒狀磁軛8由薄壁之矽鋼等磁性材料所構成。在磁軛8開設注入用來固定線圈5a、5b和磁極10之黏著劑的孔8a。在磁軛8兩端部加工有缺口8b，用來引出各個線圈5a、5b之引線。在磁軛8加工有螺絲孔8c，作為用來決定磁極10對磁軛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10固定在磁軛8，而是鉚接磁軛8之兩端部。

圖8表示在壓件2之剖視圖，圖9表示線圈5a、5b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、5b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-A相，使在B相之線圈5b流動的電流反相時，成為-B相。

圖11表示環狀之磁極10。圖中之(A)表示磁極10之前視圖，(B)表示側視圖。磁極10由矽鋼等之磁性材料構成。在磁極10具有桿1貫穿之孔，在環狀之磁極10外周面設有定位凹部10a，作為用來決定磁極10對磁軛8之軸線方向位置的定位手段。如圖8所示，當使定位螺栓12螺入磁軛8之螺絲孔8c時，定位螺栓12之頭部嵌合在磁軛8之定位凹部10a。利用此種方式，可決定磁極10對磁軛8之位置。在磁極10加工用來安裝襯套11之安裝螺紋10b。

如圖3所示，在兩端配置有磁極10之狀態下，各個線圈5a、5b之磁極間距L1(線圈5a、5b兩端部之磁極10之中心間之距離L1)被設定為桿1之N-S間之磁極間距L2之實質2N＋1倍(N：正整數)。亦即，在線圈5a、5b兩端部之一對磁極10中，保持一磁極10位於桿1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，在本實施形態中，桿1之N-S間之磁極間距為2N＋1倍(N：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表示隔件14。圖中(A)表示隔件14之前視圖，(B)表示側視圖。隔件14為樹脂製，形成圓筒形狀。隔件14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之軸線方向厚度L3被設定成為使二相線圈5偏移電性角度90度、亦即桿1之N-N間之磁極間距L4之實質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之軸線方向厚度等於桿1之N-S間之磁極間距L2，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3之軸線方向厚度之1/2倍。在本實施形態中，磁極10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，B相線圈5b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倍。

隔件14和桿1間之間隙被設定成小於線圈5a、5b和桿1間之間隙。隔件14之內徑等於壓件2兩端部之襯套11內徑以可支持桿1。在線圈5a、5b之內徑和桿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之內徑小於線圈5a、5b之內徑，經由將桿1與襯套11一起支持而可確實確保間隙。因此，將線圈5a、5b和桿1之間隙設計成較小，可提高馬達之推力。另外，桿1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11之前視圖，(B)表示側視圖。襯套11由滑動阻力較小之樹脂構成，形成環狀。桿1在襯套11之內周面滑動。襯套11亦具有密封成使附著在桿1之鐵粉不會進入到壓件2內部之功用。在襯套11加工用來安裝在磁極10之安裝孔11a。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固定在磁軛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10後，使隔件14插入在A相線圈5a和B相線圈5b之間，將線圈5a、5b插入到磁軛8內。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11安裝在磁軛8後，就完成壓件2。

圖14表示二相線圈5之激磁方式之一例。此處，說明只在一相有電流流動之一相激磁方式。在最初之步驟中，激磁A相線圈5a，在其次之步驟中，激磁B相之線圈5b。在其次步驟中，使相反方向之電流在A相之線圈5a流動(-A相)，在其次步驟中，使電流以相反方向在B相線圈5b流動(-B相)。1~4之步驟成為1週期，在該期間桿1在N-N間之磁極間距進行直線運動。除一相激磁方式外，亦可以採用使共渡電流在A相和B相之二個相流動而進行驅動之二相激磁方式。二相線圈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1之N極及S極對向。首先，在(1)中為了激磁A相線圈5a，桿1在不同極間與A相線圈5a之磁極10對向。當在此種狀態施加外力使桿1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10中心位於桿1之磁極NS邊界。原因在於，A相線圈5a和B相線圈5b在電性角度偏移90度相位。

其次轉移到(2)，當A相線圈5a之電流為關(OFF)，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B相線圈5b吸引而停止。

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。

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內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高的N極和S極之磁極之情況時，亦可不在線圈兩端部設置磁極。更進一步，線圈之激磁方式亦可使用能將步進量分割成n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2007-226576。其內容全部包含於此。

1．．．桿(動子)

2．．．壓件(定子)

3．．．永久磁鐵

4．．．管

5．．．二相線圈

5a、5b．．．線圈

7．．．端栓

8．．．磁軛

8a．．．孔

8b．．．缺口

8c．．．螺絲孔

10．．．磁極

10a．．．定位凹部

10b．．．安裝螺紋

11．．．襯套(導引手段)

12．．．定位螺栓

13．．．引線

14．．．隔件

L1．．．線圈之軸線方向之兩端部之磁極間距

L2．．．永久磁鐵之N-S間之磁極間距

L3．．．隔件之軸線方向之厚度

L4．．．永久磁鐵之N-N間之磁極間距

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。

圖3為沿著線性步進馬達之軸線之剖視圖。

圖4為沿著桿之軸線的剖視圖。

圖5為桿之前視圖。

圖6為磁軛之俯視圖。

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。

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12表示隔件(圖中(A)表示隔件之前視圖，(B)表示側視圖)。

圖13表示襯套(圖中(A)表示襯套之前視圖，(B)表示側視圖)。

圖14表示線圈之激磁方式之一實例。

圖15(1)至(4)表示線性步進馬達之移動原理。

圖16(1)至(4)表示習知HB型之線性步進馬達之移動原理。

1．．．桿(動子)

2．．．壓件(定子)

3．．．永久磁鐵

4．．．管

5．．．二相線圈

5a、5b．．．線圈

8．．．磁軛

10．．．磁極

11．．．襯套(導引手段)

14．．．隔件

Claims (7)

1. 一種線性步進馬達，係具備有：定子或動子之一者，由多個永久磁鐵，以既定間距使N極和S極之磁極在軸線方向交替磁化；定子或動子之另一者，包含有在上述定子或上述動子之一者周圍隔開空隙捲繞的至少二相線圈；和導引手段，用來導引上述動子對上述定子之直線運動；各線圈之軸線方向的長度係大於上述定子或上述動子之上述一者之N-S間之磁極間距，在上述至少二相線圈中之激磁線圈之軸線方向兩端部產生磁極，利用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及/或排斥力，使上述動子對上述定子進行直線運動。
2. 如申請專利範圍第1項之線性步進馬達，其中，上述線性步進馬達更具備有磁極，該磁極被設在上述至少二相線圈中之各線圈軸線方向之兩端部，由磁性材料構成同時形成磁路。
3. 如申請專利範圍第2項之線性步進馬達，其中，上述線性步進馬達更具備有筒狀磁軛，該磁軛用來收容上述至少二相線圈和上述磁極，由磁性材料構成同時形成磁路。
4. 如申請專利範圍第3項之線性步進馬達，其中， 上述線性步進馬達更具備有定位手段，用來定位上述磁極對上述磁軛之軸線方向位置。
5. 如申請專利範圍第1或2項之線性步進馬達，其中，在上述至少二相線圈中之各線圈間，設置用來使相位偏移之由非磁性材料構成的隔件，上述隔件和上述定子或上述動子之一者之間的間隙，小於上述至少二相線圈和上述定子或上述動子之一者之間的間隙。
6. 如申請專利範圍第1或2項之線性步進馬達，其中，上述至少二相線圈中之各線圈軸線方向之兩端部磁極間距，為上述永久磁鐵之N-S間磁極間距之實質2N+1倍(N：正整數)。
7. 如申請專利範圍第1或2項之線性步進馬達，其中，上述至少二相線圈為二相之線圈，上述二相線圈在上述永久磁鐵之N-N間磁極間距之1/4倍軸線方向具有相位偏移。