WO2012073755A1

WO2012073755A1 - 可撓性マグネット、可撓性マグネットの製造方法、磁気エンコーダ、アクチュエータ

Info

Publication number: WO2012073755A1
Application number: PCT/JP2011/076891
Authority: WO
Inventors: 山中　修平; 東條　敏郎; 角振　正浩; 英児宮嵜
Original assignee: Thk株式会社
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2012-06-07
Also published as: JP2012119472A; CN103229254B; TWI536411B; CN103229254A; TW201227767A; JP5509049B2

Abstract

　可撓性マグネット（Ｍ）は、希土類磁性粉末を樹脂に含有させて形成すると共に表面にＮ極とＳ極を着磁した第一シート（１）と、フェライト系磁性粉末を樹脂に含有させて形成すると共に前記第一シート（１）の裏面に固着された第二シート（２）と、を有する。

Description

可撓性マグネット、可撓性マグネットの製造方法、磁気エンコーダ、アクチュエータ

　本発明は、可撓性マグネット、可撓性マグネットの製造方法、磁気エンコーダ、アクチュエータに関する。
　本願は、２０１０年１１月３０日に日本に出願された特願２０１０－２６７４２６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　帯状の磁性体部材の表面に、Ｎ極とＳ極を交互に着磁したリニア磁気スケールが知られている。このリニア磁気スケールは、リニア磁気エンコーダの一部に用いられる。リニア磁気スケールに対してＭＲセンサ等の磁気センサを対向配置して相対移動させることにより、磁気スケールと磁気センサの相対位置を検出する。リニア磁気エンコーダは、リニアモータの可動部の位置等を検出に用いられる。

　リニア磁気エンコーダは、外部磁界の影響を受けにくいことが要請される。リニア磁気スケールからの磁気出力が大きく安定していることが要請される。このため、リニア磁気スケールには、ネオジム磁石等の強い磁力を有する磁石が用いられる。

　リニア磁気スケールは、曲線部分の計測等に用いるために、湾曲可能であることも要請される場合もある。このため、ボンド磁石と呼ばれる、柔軟性のある磁石が用いられる。ボンド磁石は、磁石を砕いてゴムやプラスチックに練り込んだものである。ボンド磁石は、ゴム磁石、塩ビ磁石又はプラスチック磁石などとも呼ばれる。

　ところが、ネオジム磁石等をゴム等に練り込んだボンド磁石は、脆いという性質がある。このため、ネオジム磁石等を含むシート状のボンド磁石の裏面側に補強部材としてステンレス板等の金属板を貼り付けたものが用いられている（特許文献１参照）。

特開平１１－１４８８４２号公報

　ネオジム磁石等を含むシート状のボンド磁石の裏面側に金属板等の補強部材を貼り付けると、ボンド磁石本来の柔軟性・可撓性が損なわれてしまう。また、重量化、錆つき、温度変形、高コスト化等の問題が発生する。

　本発明は、強い磁力を有すると共に柔軟性に富む可撓性マグネット、可撓性マグネットの製造方法、磁気エンコーダ、アクチュエータを提供することを目的とする。

　本発明に係る可撓性マグネットは、希土類磁性粉末を樹脂に含有させて形成すると共に表面にＮ極とＳ極を着磁した第一シートと、フェライト系磁性粉末を樹脂に含有させて形成すると共に前記第一シートの裏面に固着された第二シートと、を有することを特徴とする。

　本発明に係る可撓性マグネットの製造方法は、希土類磁性粉末を樹脂に含有させて第一シートを形成する工程と、フェライト系磁性粉末を樹脂に含有させて第二シートを形成する工程と、前記第一シート及び前記第二シートを重ね合わせて固着する工程と、前記第一シートの表面にＮ極とＳ極を着磁する工程と、を有することを特徴とする。

　本発明に係る磁気エンコーダは、表面にＮ極とＳ極を着磁した磁気スケールと、前記磁気スケールに対して対向配置される磁気センサと、を備える磁気エンコーダにおいて、前記磁気スケールとして、上記可撓性マグネット若しくは上記可撓性マグネットの製造方法により製造された可撓性マグネットを用いることを特徴とする。

　本発明に係るアクチュエータは、表面にＮ極とＳ極を着磁した磁石部と、複数のコイルを前記磁石部に対向して配列したコイル部と、を備え、前記磁石部の磁界と前記コイルに流れる電流とにより前記磁石部と前記コイル部と相対移動させるアクチュエータにおいて、前記磁石部として、上記可撓性マグネット若しくは上記可撓性マグネットの製造方法により製造された可撓性マグネットを用いることを特徴とする。

　本発明に係る可撓性マグネット及び可撓性マグネットの製造方法によれば、第二シートが第一シートの補強部材として機能するので、可撓性マグネットを曲げたり捻ったりした場合であっても、第一シートが割れたり裂けたりしない。
　また、可撓性マグネットは、高強度の磁力を有する第一シートを有するので、磁気スケール等に好適に用いることができる。また、高い柔軟性・可撓性を有するので、可撓性マグネットを湾曲した部位等にその形状に倣って密着して取り付けることができる。

　本発明に係る磁気エンコーダ、アクチュエータによれば、第一シートが強い磁力を発生するので、磁気エンコーダは検出精度の向上や安定化を図ることができる。したがって、アクチュエータは高い推進力を得ることができる。

本発明の実施形態に係るアクチュエータ（リニアモータ）の概略構成を示す斜視図である。ベース及びテーブルを示す拡大斜視図（一部断面図）である。アクチュエータの概略構成を示す断面図である。コイル部を示す斜視図である。リニアガイドの構成を示す断面図である。本発明の実施形態に係る可撓性マグネットの構成を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る可撓性マグネットの構成を示す断面図である。

　図１は、本発明の実施形態に係るアクチュエータＡ（リニアモータ５）の概略構成を示す斜視図である。図２は、ベース１０及びテーブル２０を示す拡大斜視図（一部断面図）である。図３は、リニアモータ５の概略構成を示す断面図である。

　アクチュエータＡは、リニアモータ５と、リニアモータ５を制御するモータドライバ８０（制御装置）と、モータドライバ８０に接続されたユーザー端末９０（情報処理装置）と、を備える。
　リニアモータ５は、一軸方向（Ｘ方向）に細長く伸びるベース１０と、ベース１０に対して摺動自在に設けられたテーブル２０と、を備える。
　ベース１０とテーブル２０の間には、一対のリニアガイド５０が設けられる。テーブル２０は、ベース１０に対して円滑に摺動可能である。

　ベース１０に対するテーブル２０の位置・速度・加速度は、リニア磁気エンコーダ６０により検出される（図３参照）。リニア磁気エンコーダ６０は、例えば１μｍ程度の分解能を有している。
　リニア磁気エンコーダ６０は、ベース１０に取り付けられた磁気スケール６１と、テーブル２０に取り付けられた磁気センサ６２等と、から構成される。

　磁気スケール６１は、細長い矩形の磁性体からなる。磁気スケール６１は、その上面に、Ｎ極とＳ極を交互に一定のピッチ（例えば２ｍｍ）になるように着磁したものである。
　磁気スケール６１は、ベース１０の側壁部１２の外面側に、ベース１０の長手方向（Ｘ方向）に沿って密着配置される。

　磁気スケール６１には、可撓性マグネットＭが用いられる（図６Ａ，図６Ｂ参照）。
　可撓性マグネットＭは、強い磁力を有する第一シート１と、第一シート１の裏面１ｂに溶着された弱い磁力を有する第二シート２、の二層構造に形成されたボンド磁石である。第一シート１は、その表面（上面）に、Ｎ極とＳ極を交互に一定のピッチで長手方向に沿うように着磁したものである。
　可撓性マグネットＭは、ベース１０の長手方向（Ｘ方向）に沿って固定される。可撓性マグネットＭは、裏面側の第二シート２を、ベース１０の側壁部１２の外面側に、両面テープや接着剤を介して密着固定される。可撓性マグネットＭは、表側に露出する第一シート１が磁気スケール６１として機能する。
　可撓性マグネットＭの詳細構成については、後述する。

　磁気センサ６２は、ＭＲ素子により磁気スケール６１の磁気を検出する。磁気センサ６２は、磁気スケール６１に沿って相対移動することにより正弦波信号を出力する。
　磁気センサ６２が検出した信号は、不図示の信号処理部を介して、モータドライバ８０に送られる。モータドライバ８０は、ユーザー端末９０からの位置指令に基づいて、テーブル２０が指令位置に移動するように、コイル部４０に供給する電流を制御する。このようにして、リニアモータ５の制御が行われる。

　リニアモータ５の制御方法は、フィードバック制御等である。リニアモータ５では、磁気センサ６２を用いて計測されたテーブル２０の位置情報、速度情報、加速度情報をモータドライバ８０に送り、目標値（指令値）との差分を算出し、テーブル２０の位置、速度、加速度が目標値に近づくようにコイル部４０の３つのコイル４１に対する三相交流電流を制御する。

　ベース１０は、細長い矩形の底壁部１１と、この底壁部１１の幅方向（Ｙ方向）の両端に垂直に設けられた一対の側壁部１２とから形成される。ベース１０は、例えば鉄鋼等の磁性体材料又はアルミニウム等の非磁性体材から形成される。
　ベース１０の底壁部１１の上面には、複数のマグネットが配列された磁石部３０が取り付けられる。
　ベース１０の側壁部１２のそれぞれの上面には、リニアガイド５０の軌道レール５１が一軸方向に沿って配置される。この２本の軌道レール５１は、平行に配置される。軌道レール５１には、それぞれ２つの移動ブロック５２が取り付けられる。

　テーブル２０は、アルミニウム等の非磁性材料からなり、矩形の板状に形成される。
　テーブル２０の下面２０ｂの四隅には、リニアガイド５０の移動ブロック５２が取り付けられる。この４つの移動ブロック５２は、上述した２本の軌道レール５１に取り付けられる。テーブル２０は、一対のリニアガイド５０により、ベース１０に直線運動可能に支持される。

　テーブル２０の下面のうち、４つの移動ブロック５２の間（中央部）には、３つのコイル４１等からなるコイル部４０が吊り下げられように固定される。この３つのコイル４１は、三相コイル（電機子）として機能する。
　ベース１０に取り付けられた磁石部３０と、テーブル２０に取り付けられたコイル部４０との間には、ギャップｇが設定される。このギャップｇは、テーブル２０が一対のリニアガイド５０によりベース１０に対して直線運動しても一定に維持される。

　磁石部３０は、コイル部４０に向けて磁界を発生する。磁石部３０は、細長い矩形板状に形成された磁石である。磁石部３０は、その表面（上面）に、Ｎ極とＳ極を交互に一定のピッチでベース１０の長手方向（Ｘ方向）に沿うように着磁したものである。

　磁石部３０には、可撓性マグネットＭが用いられる（図６Ａ，図６Ｂ参照）。
　磁石部３０に用いられる可撓性マグネットＭは、磁気スケール６１に用いられる可撓性マグネットＭと同一構成である。この可撓性マグネットＭの形状寸法、磁力及び着磁ピッチなどは、磁石部３０の要求仕様に合わせて最適化される。
　可撓性マグネットＭは、ベース１０の長手方向（Ｘ方向）に沿って固定される。可撓性マグネットＭは、裏面側の第二シート２を、ベース１０の底壁部１１に、両面テープや接着剤を介して密着固定される。可撓性マグネットＭは、表側に露出する第一シート１がコイル部４０に向けて磁界を発生する。

　図４は、コイル部４０を示す斜視図である。
　テーブル２０の下面の中央部には、三相コイル（電機子）が取り付けられる。三相コイルは、３つのコイル４１とコア４２からなるコイル部４０である。
　コア４２の材質は、ケイ素鋼等の磁性体である。コア４２は、三相コイル（コイル４１）に発生する磁界を強める３つの櫛歯４２ａ，４２ｂ，４２ｃを有する。
　３つのコイル４１は、コア４２の３つの櫛歯４２ａ，４２ｂ，４２ｃの周囲にそれぞれ巻かれる。３つのコイル４１は、テーブル２０の移動方向に沿って並べられる。
　櫛歯４２ａに巻かれたコイル４１は、Ｕ相コイル４１ａである。櫛歯４２ｂに巻かれたコイル４１は、Ｖ相コイル４１ｂである。櫛歯４２ｃに巻かれたコイル４１は、Ｗ相コイル４１ｃである。

　３つのコイル４１には、１２０度ずつ位相が異なる三相交流電流が流される。コイル部４０から進行磁界が発生する。コイル部４０に発生する進行磁界と磁石部３０に発生する磁界の作用により、コイル部４０（テーブル２０）に推力が発生する。
　コイル部４０の３つのコイル４１に流れる電流は、モータドライバ８０によって制御される。

　図５は、リニアガイド５０の斜視図を示す。
　リニアガイド５０は、ベース１０の側壁部１２の上面に取り付けられた軌道レール５１を有する。
　軌道レール５１には、長手方向に所定のピッチで複数の取付け孔５１ｂが開けられる。取付け孔５１ｂにボルトを通し、ボルトをベース１０の側壁部１２のねじ孔にねじ込むことにより、軌道レール５１が側壁部１２に固定される。
　軌道レール５１には、長手方向に沿ってボール５５が転がる複数条のボール転走溝５１ａが形成される。ボール転走溝５１ａの断面形状は、ボール５５の半径よりも僅かに大きい単一の円弧からなるサーキュラーアーク溝形状、または二つの円弧からなるゴシックアーチ溝形状である。
　ボール転走溝５１ａは、軌道レール５１の側面だけでなく、軌道レール５１の上面にも形成されている。軌道レール５１の上面にボール転走溝５１ａを形成することで、リニアガイド５０の垂直方向の剛性を高めることができる。

　移動ブロック５２は、軌道レール５１を跨る鞍形状に形成される。移動ブロック５２には、軌道レール５１のボール転走溝５１ａに対向する負荷ボール転走溝５２ａが形成されると共に、負荷ボール転走溝５２ａを含むボール循環路が形成される。
　移動ブロック５２の一軸方向の各端面には、エンドプレート５３が取り付けられる。ボール循環経路は、負荷ボール転走溝５２ａと、負荷ボール転走溝５２ａと平行に伸びるボール戻し路５２ｂと、エンドプレート５３に形成された方向転換路５２ｃと、から構成される。方向転換路５２ｃは、負荷ボール転走溝５２ａの端部とボール戻し路５２ｂの端部とを接続するＵ字状に形成される。ボール循環経路は、全体がサーキット状に形成される。
　ボール循環経路には複数のボール５５が配列・収容される。
　移動ブロック５２には、テーブル２０を取り付けるための取付けねじ５２ｄが加工される。移動ブロック５２は、テーブル２０の下面２０ｂにねじ止めされる。

　軌道レール５１に対して移動ブロック５２を相対的に移動させると、軌道レール５１のボール転走溝５１ａと移動ブロック５２の負荷ボール転走溝５２ａとの間に介在されたボール５５が転がり運動する。負荷ボール転走溝５２ａの一端まで転がったボール５５は、方向転換路５２ｃに導かれる。さらにボール５５は、ボール戻し路５２ｂ及び反対側の方向転換路５２ｃを経由した後、負荷ボール転走溝５２ａの他端に戻される。
　軌道レール５１と移動ブロック５２との間にボール５５を介在させることによって、軌道レール５１に対して移動ブロック５２が移動するときの抵抗を低減できる。

　次に、可撓性マグネットＭの詳細構成について説明する。
　図６は、本発明の実施形態に係る可撓性マグネットＭの構成を示す斜視図及び断面図である。
　可撓性マグネットＭは、細長い矩形板状に形成されたシート状のボンド磁石である。可撓性マグネットＭは、強い磁力を有する第一シート１と、第一シート１の裏面１ｂに溶着された弱い磁力を有する第二シート２とから構成される。可撓性マグネットＭは、第一シート１と第二シート２の二層構造に形成されたボンド磁石である。

　第一シート１は、例えば、短手方向が１０ｍｍ、長手方向が１ｍ、厚みが１ｍｍに形成される。第一シート１の表面１ａは、長手方向に沿って、例えば２ｍｍピッチでＮ極とＳ極が交互に着磁される。
　第一シート１は、希土類磁性粉末を加硫ゴムやエラストマー等のバインダー樹脂に練り込んで細長い矩形板状に形成される。
　希土類磁性粉末には、ネオジム、サマリウム－コバルト又はサマリウム－窒化鉄等の粉末が用いられる。第一シート１は、高強度の磁力を発生する。

　第二シート２は、第一シート１と同一形状に形成される。第二シート２は、例えば、短手方向が１０ｍｍ、長手方向が１ｍに形成される。第二シート２の厚みは、第一シート１よりも厚く形成される。例えば、第二シート２の厚みは、３ｍｍに形成される。
　第二シート２は、フェライト系磁性粉末を加硫ゴムやエラストマー等のバインダー樹脂に練り込んで細長い矩形板状に形成される。
　フェライト系磁性粉末には、マンガン亜鉛フェライト、ニッケル亜鉛フェライト、銅亜鉛フェライト等の粉末が用いられる。第二シート２は、第一シート１に比べて弱い磁力を発生する。

　可撓性マグネットＭは、以下の工程を経て製造される。
　最初に、第一シート１と第二シート２は、それぞれ別個に形成される。磁性粉末を加硫ゴム等のバインダー樹脂に練り込んで細長い矩形板状に形成する。この際、第一シート１と第二シート２に用いるバインダー樹脂は、同一であることが好ましい。第一シート１と第二シート２の硬度、柔軟性、可撓性を一致させるためである。
　バインダー樹脂に対する磁性粉末（ネオジム、フェライト等）の含有率は、任意に設定することができる。例えば、８０パーセント以上の磁性粉末を含有させることで、十分な磁力を得ることができる。

　次に、第一シート１と第二シート２を重ね合わせた後に加熱して、第一シート１と第二シート２を溶着する。例えば、プレス成形機を用いて第一シート１と第二シート２を溶着する。第一シート１の厚みが１ｍｍ、第二シート２の厚みが３ｍｍの場合には、４ｍｍ厚の可撓性マグネットＭが得られる。

　最後に、第一シート１の表面１ａに、Ｎ極とＳ極を交互に着磁する。Ｎ極とＳ極の配置ピッチは、任意に設定できる。
　可撓性マグネットＭを磁気スケールに用いる場合には、例えば２ｍｍピッチで着磁する。可撓性マグネットＭをリニアモータの磁石部に用いる場合には、例えば数ｍｍ～数十ｍｍピッチで着磁する。
　第一シート１の表面１ａを着磁する際に、第一シート２が同時に着磁されてもよい。

　可撓性マグネットＭは、高強度の磁力を有する第一シート１を有する。したがって、磁石部３０や磁気スケール６１等に好適に用いることができる。
　その一方で、第一シート１は、ネオジム等の磁性粉末を含有するため脆いという性質を有する。しかし、可撓性マグネットＭは、第一シート１に対して第二シート２を重ねて溶着しているので、可撓性マグネットＭを曲げたり捻ったりした場合であっても、第一シート１が割れたり裂けたりしない。第二シート２は、第一シート１の補強部材として機能する。

　第二シート２は、第一シート１のバックヨークとしても機能する。第二シート２は、第一シート１からの磁力線を集中させる継鉄として機能する。したがって、第一シート１は、その表面１ａから強く安定した磁力を発生する。
　特に、ボンド磁石である第二シート２が第一シート１の補強部材に用いられるので、可撓性マグネットＭの柔軟性・可撓性は、ボンド磁石本来のものとなる。
　従来例では、金属板が補強部材に用いられている。この従来例に比べて、可撓性マグネットＭは、高い柔軟性・可撓性を有する。したがって、可撓性マグネットＭは、湾曲した部位等にその形状に倣って密着して取り付け可能である。

　可撓性マグネットＭは、リニアモータ５の磁石部３０やリニア磁気エンコーダ６０の磁気スケール６１等に好適に用いることができる。
　特に、第一シート１が強い磁力を発生するので、リニアモータ５は、高い推進力を得ることができる。リニア磁気エンコーダ６０（磁気スケール６１）は、検出精度の向上や安定化が実現できる。

　上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

　第一シート１の表面に、一方向に沿って、Ｎ極とＳ極を交互に着磁する場合について説明したが、これに限らない。第一シート１の表面に、任意の磁気パターンを形成してもよい。例えば、第一シート１の表面に、任意の曲線に沿って、Ｎ極とＳ極を交互に着磁する場合であってもよい。例えば、第一シート１の表面に、二方向に沿ってＮ極とＳ極を交互に着磁する場合であってもよい。可撓性マグネットＭは、例えば、平面モータの磁石部や、二方向の位置検出を行う磁気エンコーダの磁気スケールに用いられる。

　第一シート１の表面に着磁するＮ極とＳ極は、一定ピッチに限らず、任意の間隔でもよい。

　可撓性マグネットＭを直線形状の磁石部３０や磁気スケール６１に用いる場合について説明したが、これに限らない。磁石部３０や磁気スケール６１が湾曲したり、折れ曲がったりする形状の場合であってもよい。

　リニアガイド５０の転動体は、複数のボール５５の場合に限らない。転動体は、ローラ等でもよい。リニアガイド５０に代えて、すべり案内機構を用いてもよい。

　第二シート２の厚みを第一シート１のよりも厚くする場合について説明したが、両者の厚みを同一にしてもよい。
　第二シート２を第一シート１よりも厚くする方が好ましい。なぜなら、第二シート２の厚みが薄すぎると、第一シート１から出た磁束（磁力線）が第二シート２を抜けて、外部への漏れ磁束となるからである。第二シート２（フェライト）は、第一シート１（ネオジム等）に比べて飽和磁束密度が小さい。このため、第一シート１からの磁束を外部へ漏らさないためには、第二シート２を第一シート１よりも厚くして第二シート２の内部を通過できる磁束を増やす必要がある。

　可撓性マグネットＭを、両面テープや接着剤を用いて固定する場合について説明したが、これに限らない。可撓性マグネットＭを磁性体材料（鉄鋼など）に固定する場合には、ボルト等の締結部材や接着剤などを用いずに、可撓性マグネットＭ（第二シート２）自身の磁気を利用して、磁性体材料に密着固定してもよい。この場合には、可撓性マグネットＭの取り付け位置の修正や可撓性マグネットＭの交換を容易に行うことができる。したがって、可撓性マグネットＭ（磁石部３０、磁気スケール６１）は、メンテナンス性に優れる。

　Ｍ…可撓性マグネット、　１…第一シート、　１ｂ…裏面、　２…第二シート、　Ａ…アクチュエータ、　５…リニアモータ、　３０…磁石部、　６０…リニア磁気エンコーダ、　６１…磁気スケール、　６２…磁気センサ

Claims

　希土類磁性粉末を樹脂に含有させて形成すると共に表面にＮ極とＳ極を着磁した第一シートと、
　フェライト系磁性粉末を樹脂に含有させて形成すると共に前記第一シートの裏面に固着された第二シートと、
を有することを特徴とする可撓性マグネット。
　前記希土類磁性粉末は、ネオジム、サマリウム－コバルト又はサマリウム－窒化鉄の粉末であることを特徴とする請求項１に記載の可撓性マグネット。
　希土類磁性粉末を樹脂に含有させて第一シートを形成する工程と、
　フェライト系磁性粉末を樹脂に含有させて第二シートを形成する工程と、
　前記第一シート及び前記第二シートを重ね合わせて固着する工程と、
　前記第一シートの表面にＮ極とＳ極を着磁する工程と、
を有することを特徴とする可撓性マグネットの製造方法。
　表面にＮ極とＳ極を着磁した磁気スケールと、
　前記磁気スケールに対して対向配置される磁気センサと、
を備える磁気エンコーダにおいて、
　前記磁気スケールとして、請求項１又は２に記載の可撓性マグネット若しくは請求項３に記載の可撓性マグネットの製造方法により製造された可撓性マグネットを用いることを特徴とする磁気エンコーダ。
　表面にＮ極とＳ極を着磁した磁石部と、
　複数のコイルを前記磁石部に対向して配列したコイル部と、
を備え、
　前記磁石部の磁界と前記コイルに流れる電流とにより前記磁石部と前記コイル部と相対移動させるアクチュエータにおいて、
　前記磁石部として、請求項１又は２に記載の可撓性マグネット若しくは請求項３に記載の可撓性マグネットの製造方法により製造された可撓性マグネットを用いることを特徴とするアクチュエータ。