TWI536411B - 可撓性磁石、可撓性磁石之製造方法、磁性編碼器、致動器 - Google Patents

可撓性磁石、可撓性磁石之製造方法、磁性編碼器、致動器 Download PDF

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TWI536411B
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東條敏郎
角振正浩
宮崎英兒
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Description

可撓性磁石、可撓性磁石之製造方法、磁性編碼器、致動器
本發明係關於可撓性磁石、可撓性磁石之製造方法、磁性編碼器及致動器。
本申請案係基於且主張2010年11月30日提出申請之日本專利申請案第2010-267426號之優先權，該案之全部內容以引用之方式併入本文中
已知有在帶狀之磁性體構件之表面上交互地磁化N極與S極之線性磁尺。該線性磁尺係使用於線性磁性編碼器之一部份。藉由相對於線性磁尺使MR感應器等之磁性感應器對向配置且相對移動，而檢測磁尺與磁性感應器之相對位置。線性磁性編碼器係使用於檢測線性馬達之可動部之位置等。
線性磁性編碼器係要求難以受外部磁場之影響。要求來自線性磁尺之磁性輸出大且穩定。因此，在線性磁尺中，使用有含有釹磁石等之強磁力之磁石。
線性磁尺由於使用在曲線部份之計測等，故有時亦要求要能夠彎曲。因此，使用有稱作黏結磁石之具有柔軟性之磁石。黏結磁石係將磁石粉末化並混練入橡膠或塑膠內者。黏結磁石亦稱作橡膠磁石、聚氯乙烯磁石或塑膠磁石等。
然而，於橡膠等內混練入釹磁石等之黏結磁石具有脆性。因此，使用有在包含釹磁石等之片狀之黏結磁石之背 面側上貼附作為補強構件之不鏽鋼板等之金屬板者(參照專利文獻1)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平11-148842號公報
若於包含釹磁石等之片狀之黏結磁石之背面側上貼附金屬板等之補強構件，則有損於黏結磁石本來之柔軟性、可撓性。且會產生變重、生銹、溫度變形及高成本化等之問題。
本發明係以提供具有強磁力且富有柔軟性之可撓性磁石、可撓性磁石之製造方法、磁性編碼器及啟動器者為目的。
本發明之可撓性磁石，其特徵在於包含：使稀土類磁性粉末含於樹脂中而形成、且於表面上磁化N極與S極之第一片材；及使鐵氧體系磁性粉末含於樹脂中而形成、且固著於上述第一片材之第二片材，上述第一片材係相對於磁性感應器或包含複數之線圈之線圈部而對向配置，且上述第二片材係固定於相對於上述磁性感應器或上述線圈部相對移動之構件。
本發明之可撓性磁石之製造方法，其特徵在於包含：使稀土類磁性粉末含於樹脂中而形成第一片材之步驟；使鐵氧體系磁性粉末含於樹脂中而形成第二片材之步驟；重合上述第一片材及上述第二片材並固著之步驟；及於上述第一片材之表面磁化N極與S極之步驟。
本發明之磁性編碼器係具備於表面磁化N極與S極之磁尺、及相對於上述磁尺而對向配置之磁性感應器者，其特徵在於：作為上述磁尺，使用上述可撓性磁石，或藉由上述可撓性磁石之製造方法而製造之可撓性磁石。
本發明之致動器係具備於表面磁化N極與S極之磁石部、及對向於上述磁石部而排列複數之線圈之線圈部，且藉由上述磁石部之磁場與流動於上述線圈中之電流使上述磁石部與上述線圈部相對移動者，其特徵在於：作為上述磁石部，使用上述可撓性磁石，或藉由上述可撓性磁石之製造方法而製造之可撓性磁石。
根據本發明之可撓性磁石及可撓性磁石之製造方法，由於第二片材係作為第一片材之補強構件而發揮功能，故即使為彎曲或扭轉可撓性磁石之情形，第一片材亦不會斷裂。
又，可撓性磁石因含有具高強度之磁力之第一片材，故可適用於磁尺等。且，因具有高柔軟性、可撓性，故可於彎曲可撓性磁石之部位等依照其形狀而密著安裝。
根據本發明之磁性編碼器及致動器，由於第一片材產生強磁力，故磁性編碼器可謀求檢測精度之提高及穩定化。因此，致動器可得到高推進力。
圖1係顯示本發明之實施形態之致動器A(線性馬達5)之概略構成的立體圖。圖2係顯示基底10及平台20的放大立體圖(局部剖面圖)。圖3係顯示線性馬達5之概略構成的剖面圖。
致動器A具備線性馬達5、控制線性馬達5之馬達驅動器80(控制裝置)、及連接於馬達驅動器80之使用者終端90(資訊處理裝置)。
線性馬達5係具有於單軸方向(X方向)細長延伸之基底10，及相對於基底10滑動自如地配置之平台20。
於基底10與平台20之間，配置有一對之線性導件50。平台20可相對於基底10順暢滑動。
平台20相對於基底10之位置、速度、加速度係藉由線性磁性編碼器60予以檢測(參照圖3)。線性磁性編碼器60例如具有1 μm程度之分辨率。
線性磁性編碼器60係由安裝於基底10之磁尺61，及安裝於平台20之磁性感應器62等構成。
磁尺61係由細長之矩形之磁性體構成。磁尺61係於其上表面以一定之間距(例如2 mm)交互磁化N極與S極而成者。
磁尺61係於基底10之側壁部12之外面側，沿基底10之長邊方向(X方向)密著配置。
磁尺61中使用有可撓性磁石M(參照圖6A及圖6B)。
可撓性磁石M係以具有強磁力之第一片材1、及熔接於第一片材1之背面1b之具有弱磁力之第二片材2之二層構造而形成之黏結磁石。第一片材1係於其表面(上表面)以一定之間距沿長邊方向交互磁化N極與S極而成者。
可撓性磁石M係沿基底10之長邊方向(X方向)固定。可撓性磁石M係經由雙面膠帶或接著劑而將背面側之第二片材2密著固定於基底10之側壁部12之外面側。可撓性磁石M係以露出於表側之第一片材1作為磁尺61而發揮功能。
有關可撓性磁石M之詳細構成將於後述。
磁性感應器62係藉由MR元件檢測磁尺61之磁性。磁性感應器62係藉由沿磁尺61相對移動而輸出正弦波信號。磁性感應器62所檢測出之信號係經由未圖示之信號處理部被傳送至馬達驅動器80。馬達驅動器80基於來自使用者終端90之位置指令，以使平台20移動至指令位置之方式，控制供給至線圈部40之電流。以此方式進行線性馬達5之控制。
線性馬達5之控制方法係反饋控制等。在線性馬達5中，將使用磁性感應器62而計測之平台20之位置資訊、速度資訊及加速度資訊傳送至馬達驅動器80，並算出與目標值(指令值)之差分，以使平台20之位置、速度及加速度接近目標值之方式控制對於線圈部40之3個之線圈41供給之三相交流電流。
基底10係由細長之矩形之底壁部11、及垂直設置於該底壁部11之寬度方向(Y方向)之兩端之一對側壁部12而形成。基底10係由例如鋼鐵等之磁性體材料或氧化鋁等之非磁性體材料形成。
於基底10之底壁部11之上表面，安裝排列有複數個磁石之磁石部30。
於基底10之側壁部12之各自之上表面，沿單軸方向配置線性導件50之導軌51。該2條之導軌51係平行地配置。於導軌51上各安裝有2個移動塊52。
平台20包含氧化鋁等之非磁性材料，且形成為矩形之板狀。
於平台20之下表面20b之四個角落，安裝有線性導件50之移動塊52。該4個移動塊52係安裝於上述之2條導軌51上。平台20係藉由一對線性導件50，可直線運動地被支持於基底10上。
於平台20之下表面中、4個移動塊52之間(中央部)，以懸吊方式固定有由3個線圈41等構成之線圈部40。該3個之線圈41係作為三相線圈(電樞)而發揮功能。
於安裝於基底10之磁石部30與安裝於平台20之線圈部40之間，設定有間隙g。即使平台20藉由一對線性導件50而相對於基底10直線運動，該間隙g亦維持一定。
磁石部30朝向線圈部40產生磁場。磁石部30係形成為細長之矩形板狀之磁石。磁石部30係於其表面(上表面)，以一定之間距沿基底10之長邊方向(X方向)交互磁化N極與S極而成。
磁石部30中使用可撓性磁石M(參照圖6A及圖6B)。
使用於磁石體30之可撓性磁石M與使用於磁尺61之可撓性磁石M為相同構成。該可撓性磁石M之形狀尺寸、磁力及磁化間距等，係配合磁石部30之要求規格予以最佳化。
可撓性磁石M係沿基底10之長邊方向(X方向)固定。可撓性磁石M經由雙面膠帶或接著劑，將背面側之第二片材2密著固定於基底10之底壁部11。可撓性磁石M其露出於表側之第一片材1朝向線圈部40產生磁場。
圖4係顯示線圈部40之立體圖。
於平台20之下表面之中央部安裝有三相線圈(電樞)。三相線圈係由三個之線圈41與磁芯42組成之線圈部40。
磁芯42之材質係矽鋼等之磁性體。磁芯42具有加強三相線圈(線圈41)中產生之磁場之3個梳齒42a、42b、42c。
3個之線圈41各自捲繞於磁芯42之3個梳齒42a、42b、42c之周圍。3個線圈41沿平台20之移動方向排列。
捲繞於梳齒42a之線圈41係U相線圈41a。盤卷於42b之線圈41係V相線圈41b。盤卷於梳齒42c之線圈41係W相線圈41c。
於3個線圈41中流動相位各相差120°之三相交流電流。從線圈部40產生行進磁場。藉由線圈部40中產生之進行磁場與磁石部30中產生之磁場之作用，於線圈部40(平台20)產生推力。
流動於線圈部40之3個線圈41中之電流係藉由馬達驅動器80控制。
圖5係顯示線性導件50之立體圖。
線性導件50含有安裝於基底10之側壁部12之上表面之導軌51。
於導軌51上，於長邊方向上以特定之間距開設有複數之安裝孔51b。將螺栓穿入安裝孔51b，並將螺栓旋入基底10之側壁部12之螺旋孔，藉此使導軌51固定於側壁部12上。
於導軌51中，沿長邊方向形成供鋼珠55滾動之複數條之鋼珠滾動槽51a。鋼珠滾動槽51a之剖面形狀較鋼珠55之半徑稍大之由單一之圓弧構成之圓形弧槽形狀，或由2個之圓弧構成之哥德弧槽形狀。
鋼珠滾動槽51a不僅形成於導軌51之側面，亦形成於導軌51之上表面。藉由在導軌51之上表面形成有鋼珠滾動槽51a，可提高線性導件50之垂直方向之剛性。
移動塊52形成為跨過導軌51之鞍形狀。於移動塊52中，形成有對向於導軌51之鋼珠滾動槽51a之負荷鋼珠滾動槽52a，且形成有包含負荷鋼珠滾動槽52a之鋼珠循環路徑。
於移動塊52之單軸方向之各端面安裝有端板53。鋼珠循環路徑係由負荷鋼珠滾動槽52a、與負荷鋼珠滾動槽52a平行延伸之鋼珠返回路徑52b、及形成於端板53之方向轉換路徑52c而構成。方向轉換路徑52c係形成為連接負荷鋼珠滾動槽52a之端部與鋼珠返回路徑52b之端部之U字形。鋼珠循環路徑全體形成為迴路狀。
於鋼珠循環路徑中排列、收容有複數之鋼珠55。
於移動塊52中，加工有用於安裝平台20之安裝螺紋52d。移動塊52係螺合於平台20之下表面20b。
若使移動塊52相對於導軌51而相對地移動，則介於導軌51之鋼珠滾動槽51a與移動塊52之負荷鋼珠滾動槽52a間之鋼珠55進行滾動運動。滾動至負荷鋼珠滾動槽52a之一端之滾動鋼珠55被導入方向轉換路徑52c。進而鋼珠55經由鋼珠返回路徑52b及相反側之方向轉換路徑52c之後，返回負荷鋼珠滾動槽52a之另一端。
藉由導軌51與移動塊52之間介在鋼珠55，可減低移動塊52相對於導軌51移動時之阻力。
接著，對可撓性磁石M之詳細構成進行說明。
圖6係顯示本發明之實施形態之可撓性磁石M之構成的立體圖及剖面圖。
可撓性磁石M係形成為細長之矩形板狀之片狀之黏結磁石。可撓性磁石M係由具有強磁力之第一片材1，及熔接於第一片材1之背面1b之具有弱磁力之第二片材2而構成。可撓性磁石M係形成為第一片材1與第二片材2之二層構造之黏結磁石。
第一片材1形成為例如以短邊方向為10 mm、長邊方向為1 mm、厚度為1 mm。第一片材1之表面1a沿長邊方向例如以2 mm間距交互磁化N極與S極。
第一片材1係於加硫橡膠或彈性體等之黏合劑樹脂內混練入稀土類磁性粉末，且形成為細長之矩形板狀。
稀土類磁性粉末中使用釹、釤-鈷或釤-氮化鐵等之粉末。第一片材1係產生高強度之磁力。
第二片材2形成為與第一片材1相同之形狀。第二片材2例如形成為短邊方向為10 mm、長邊方向為1 mm。第二片材2之厚度形成為較第一片材1更厚。例如，第二片材2之厚度形成為3 mm。
第二片材2係將鐵氧體系磁性粉末混練入加硫橡膠或彈性體等之黏合劑樹脂，且形成為細長矩形板狀。
鐵氧體系磁性粉末中使用鋅錳鐵氧體、鋅鎳鐵氧體及鋅銅鐵氧體等之粉末。第二片材2產生較第一片材1為弱之磁力。
可撓性磁石M係藉由以下之步驟製造。
最初，分別個別形成第一片材1與第二片材2。將磁性粉末混練入加硫橡膠等之黏結樹脂並形成細長之矩形板狀。此時，使用於第一片材1與第二片材2之黏結樹脂較佳為相同，以使第一片材1與第二片材2之硬度、柔軟性及可撓性一致。
磁性粉末(鎳及鐵氧體等)相對於黏結樹脂之含有率可任意設定。例如，藉由含有百分之八十以上之磁性粉末，可得到充分之磁力。
接著，重合第一片材1與第二片材2後加熱，熔接第一片材1與第二片材2。例如使用壓製成型機熔接第一片材1與第二片材2。於第一片材1之厚度為1 mm、第二片材2之厚度為3 mm之情形中，可得到4 mm厚之可撓性磁石M。
最後，於第一片材1之表面1a，交互地磁化N極與S極。N極與S極之配置間距可任意設定。
將可撓性磁石M使用於磁尺之情形中，例如以2 mm間距磁化。將可撓性磁石M使用於線性馬達之磁石部之情形中，例如以數mm~數十mm間距磁化。
磁化第一片材1之表面1a時，亦可同時磁化第二片材2。
可撓性磁石M含有具高強度之磁力之第一片材1。因此，可適用於磁石部30或磁尺61等。
另一方面，第一片材1因含有釹等之磁性粉末故具有脆性。然而，可撓性磁石M因對第一片材1重合並熔接第二片材2，故即使將可撓性磁石M彎曲或扭轉之情形時，第一片材1亦不會斷裂。第二片材2係作為第一片材1之補強構件而發揮功能。
第二片材2亦作為第一片材1之背磁軛而發揮功能。第二片材2係作為集中來自第一片材1之磁力線之軛鐵而發揮功能。因此，第一片材1從其表面1a產生強大且穩定之磁力。
尤其，由於黏結磁石之第二片材2係使用於第一片材1之補強構件，故可撓性磁石M之柔軟性、可撓性成為黏結磁石本來之屬性。
在先前例中，將金屬板使用為補強構件。相較於該先前例，可撓性磁石M具有高柔軟性、可撓性。因此，可撓性磁石M可能於彎曲之部位等，根據其形狀而密著安裝。
可撓性磁石M可適用於線性馬達5之磁石部30或線性磁性編碼器60之磁尺61。
尤其，因第一片材1產生強磁力，故線性馬達5係可得到高推進力。線性磁性編碼器60(磁尺61)可實現檢測精度之提高及穩定化。
上述實施形態所示之各構成構件之各種形狀或組合等乃為一例，可在不脫離本發明之主旨之範圍內，基於設計要求等進行種種變更。
以上已對於第一片材1之表面上沿一方向交互磁化N極與S極之情形進行說明，但並不限於此。亦可於第一片材1之表面上形成任意之磁性圖案。例如，亦可為於第一片材1之表面上，沿任意之曲線交互地磁化N極與S極之情形。例如，亦可為於第一片材1之表面上，沿二方向交互地磁化N極與S極之情形。可撓性磁石M例如使用於平面馬達之磁石部，或進行二方向之位置檢測之磁性編碼器之磁尺。
磁化於第一片材1之表面上之N極與S極並不限於一定間距，亦可為任意之間隔。
以上已對將可撓性磁石M使用於直線形狀之磁石部30或磁尺61之情形進行說明，但並不限於此。亦可為磁石部30或磁尺61為彎折之形狀之情形。
線性導件50之滾動體並不限於複數之鋼珠55之情形。滾動體亦可為滾柱等。亦可使用滑動引導機構來取代線性導件50。
以上已對將第二片材2之厚度設為較第一片材1之厚度更厚之情形進行說明，但亦可將兩者之厚度設為相同。
較佳為使第二片材2相較第一片材1更厚。其原因在於若第二片材2之厚度過薄，則從第一片材1發出之磁束(磁力線)會穿透第二片材而成為洩漏至外部之磁束。第二片材2(鐵氧體)其飽和磁束密度小於第一片材1(釹等)。故，為避免來自第一片材1之磁束洩漏至外部，有必要將第二片材2設為較第一片材1厚，以增加可通過第二片材2之內部之磁束。
以上已對使用雙面膠帶或接著劑固定可撓性磁石M之情形進行說明，但並不限於此。將可撓性磁石M固定於磁性體材料(鋼鐵等)之情形中，亦可不使用螺栓等之緊固構件或接著劑等，而利用可撓性磁石M(第二片材2)本身之磁性使其密著固定於磁性體材料。該情形中，可容易進行可撓性磁石M之安裝之位置之修正或可撓性磁石M之更換。因此，可撓性磁石M(磁石部30、磁尺61)之維護性優異。
1．．．第一片材
1a．．．表面
1b．．．背面
2．．．第二片材
5．．．線性馬達
10．．．基底
11．．．底壁部
12．．．側壁部
20．．．平台
20b．．．下表面
30．．．磁石部
40．．．線圈部
41．．．線圈
41a．．．U相線圈
41b．．．V相線圈
41c．．．W相線圈
42．．．磁芯
42a．．．梳齒
42b．．．梳齒
42c．．．梳齒
50．．．線性導件
51．．．導軌
51a．．．鋼珠滾動槽
51b．．．安裝孔
52．．．移動塊
52a．．．負荷鋼珠滾動槽
52b．．．鋼珠返回路徑
52d．．．安裝螺紋
53．．．端板
53c．．．短板隔板
55．．．鋼珠
60．．．線性磁性編碼器
61．．．磁尺
62．．．磁性感應器
80．．．馬達驅動器
90．．．使用者終端
A．．．致動器
M．．．可撓性磁石
圖1係顯示本發明之實施形態之致動器(線性馬達)之概略構成的立體圖。
圖2係顯示基底及平台的放大立體圖(一部份剖面圖)。
圖3係顯示致動器之概略構成的剖面圖。
圖4係顯示線圈部的立體圖。
圖5係顯示線性導件之構成的立體圖。
圖6A係顯示本發明之實施形態之可撓性磁石之構成的立體圖。
圖6B係顯示本發明之實施形態之可撓性磁石之構成的剖面圖。
1．．．第一片材
2．．．第二片材
M．．．可撓性磁石

Claims (5)

  1. 一種可撓性磁石，其特徵為包含：使稀土類磁性粉末含於樹脂中而形成、且於表面磁化N極與S極之第一片材；及使鐵氧體系磁性粉末含於樹脂中而形成、且固著於上述第一片材之背面之第二片材，上述第一片材係相對於磁性感應器或包含複數之線圈之線圈部而對向配置，且上述第二片材係固定於相對於上述磁性感應器或上述線圈部相對移動之構件。
  2. 如請求項1之可撓性磁石，其中上述稀土類磁性粉末係釹、釤-鈷或釤-氮化鐵之粉末。
  3. 一種如請求項1之可撓性磁石之製造方法，其特徵為包含：使稀土類磁性粉末含於樹脂中而形成第一片材之步驟；使鐵氧體系磁性粉末含於樹脂中而形成第二片材之步驟；重合上述第一片材及上述第二片材並固著之步驟；及於上述第一片材之表面磁化N極與S極之步驟。
  4. 一種磁性編碼器，其具備：於表面磁化N極與S極之磁尺；及相對於上述磁尺而對向配置之磁性感應器；其特徵在於： 作為上述磁尺，使用如請求項1或2之可撓性磁石，或藉由如請求項3之可撓性磁石之製造方法而製造之可撓性磁石。
  5. 一種致動器，其具備：於表面磁化N極與S極之磁石部；及對向於上述磁石部而排列複數之線圈之線圈部；且其係藉由上述磁石部之磁場與流動於上述線圈中之電流，使上述磁石部與上述線圈部相對移動者；其特徵在於：作為上述磁石部，使用如請求項1或2之可撓性磁石，或藉由如請求項3之可撓性磁石之製造方法而製造之可撓性磁石。
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