JP2007282475A - リニアモータとアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 推力の向上と位置決め精度の向上を図ることが可能なリニアモータとアクチュエータを提供すること。
【解決手段】 永久磁石と、一個又は複数個のコイルと、を具備してなるリニアモータにおいて、上記コイルに位相差「０°」又は位相差「１８０°」の電流を流すようにし同じ向きに推力が発生するようにしたものであり、それによって、全てのコイルが推力の発生に寄与することになるので推力の向上を図ることができる。
又、そのようなリニアモータを使用したアクチュエータ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、精密位置決め装置に使用されるリニアモータと該リニアモータを使用したアクチュエータに係り、特に、推力の向上と位置決め精度の向上を図ることができるように工夫したものに関する。

従来のリニアモータは、例えば、図７に示すような構成になっている。まず、固定子５０１があり、この固定子５０１は円筒形状をなす複数個の永久磁石５０３を軸方向に沿って積層・配置した構成になっている。その際、隣接・配置されている永久磁石５０３、５０３は同極同士が付き合わされた状態で設置されている。上記複数個の永久磁石５０３の外周側には可動子５０５が設置されている。この可動子５０５は、三個の異なる位相のコイル、すなわち、Ｕ相コイル５０７、Ｖ相コイル５０９、Ｗ相コイル５１１とから構成されている。

上記構成において、上記Ｕ相コイル５０７、Ｖ相コイル５０９、Ｗ相コイル５１１に電流を流す。その電流の方向は上記複数個の永久磁石５０３によって発生される磁束と交叉する方向である。そして、電流と磁界との相互作用によって上記固定子５０１に軸方向に沿った推力が発生するものである。
尚、固定子５０１と可動子５０５は相対的なものであり、永久磁石５０３側が可動子であって、Ｕ相コイル５０７、Ｖ相コイル５０９、Ｗ相コイル５１１側が固定子の場合もある。

尚、同種のリニアモータの構成を開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３等がある。

特開２００５−３２８５８６号公報 特開２００１−３３３５６７号公報 特開平１０−３１３５６６号公報

上記従来の構成によると次のような問題があった。
まず、十分に大きな推力を得ることができないという問題があった。これは次のような理由による。すなわち、従来のリニアモータの場合には、既に説明したように、可動子５０５が三個の異なる位相のコイル、すなわち、Ｕ相コイル５０７、Ｖ相コイル５０９、Ｗ相コイル５１１とから構成されている。その際、三個のＵ相コイル５０７、Ｖ相コイル５０９、Ｗ相コイル５１１の全てが推力の発生に寄与するわけではなく、それが原因して十分に大きな推力を得ることができないものである。
具体的に説明すると、例えば、図７における永久磁石５０３とＵ相コイル５０７、Ｖ相コイル５０９、Ｗ相コイル５１１の位置関係ではＶ相コイル５０９は推力発生に対して休みとなり、Ｕ相コイル５０７及びＷ相コイル５１１は推力発生に対して寄与している。つまり、三相の内一相は推力の発生に対して寄与しない構成になっているものである。
特に、昨今、リニアモータに対してはその小径化が要求されており、リニアモータを小径化した場合には、断面積に比例して推力が低下することになる。よって、上記推力の低下がより顕著な問題となってしまうものである。
又、別の問題があった。すなわち、従来の構成の場合には、隣接する永久磁石５０３、５０３の界面近傍で磁界の急峻なピークを持った不均一な磁界分布となり、それが原因して推力の変動をもたらし位置決め精度が低下してしまうという問題があった。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、推力の向上と位置決め精度の向上を図ることが可能なリニアモータとアクチュエータを提供することにある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項１によるリニアモータは、永久磁石と、一個又は複数個のコイルと、を具備してなるリニアモータにおいて、上記コイルに位相差「０°」又は位相差「１８０°」の電流を流すことにより同じ向きに推力が発生するようにしたことを特徴とするものである。
又、請求項２によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、 上記永久磁石は対向・配置された一対又は複数対から構成されていて、それら各対の永久磁石の磁化の向きが逆向きになっていることを特徴とするものである。
又、請求項３によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、 上記コイルの外周部近傍に磁性材料からなるヨークを設置したことを特徴とするものである。
又、請求項４によるリニアモータは、請求項３記載のリニアモータにおいて、 上記磁性材料からなるヨークは上記永久磁石の可動範囲より長いものであることを特徴とするものである。
又、請求項５によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、 上記永久磁石は対向・配置された一対又は複数対から構成されていて、それら各対の永久磁石は直接又はベースを介して接着・固定されていることを特徴とするものである。
又、請求項６によるアクチュエータは、請求項１〜請求項５の何れかに記載のリニアモータを使用したことを特徴とするものである。
又、請求項７によるリニアモータは、永久磁石と、三相コイルと、を具備してなるリニアモータにおいて、上記三相コイルの外周部近傍に磁性材料からなるヨークを設置したことを特徴とするものである。
又、請求項８によるリニアモータは、請求項７記載のリニアモータにおいて、上記磁性材料からなるヨークは上記永久磁石の可動範囲より長いものであることを特徴とするものである。
又、請求項９によるリニアモータは、請求項７記載のリニアモータにおいて、 上記三相コイルの駆動を正弦波駆動としたことを特徴とするものである。
又、請求項１０によるアクチュエータは、請求項７〜請求項９の何れかに記載のリニアモータを使用したことを特徴とするものである。

以上述べたように本発明の請求項１によるリニアモータによると、永久磁石と、一個又は複数個のコイルと、を具備してなるリニアモータにおいて、上記コイルに位相差「０°」又は位相差「１８０°」の電流を流すことにより同じ向きに推力が発生するように構成したので、全てのコイルが推力の発生に寄与することになり、それによって、推力の向上を図ることができる。
又、請求項２によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、 上記永久磁石は対向・配置された一対又は複数対から構成されていて、それら各対の永久磁石の磁化の向きが逆向きになっているので、隣接する永久磁石の境界近傍で磁束が急峻でありストロークをより長く確保できる。
又、請求項３によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、 上記コイルの外周部近傍に磁性材料からなるヨークを設置した構成になっているので、磁気回路における磁気抵抗の低減を図ることができ、それによって、推力の向上を図ることができる。
又、請求項４によるリニアモータは、請求項３記載のリニアモータにおいて、 上記磁性材料からなるヨークは上記永久磁石の可動範囲より長いものとなっているので、永久磁石の移動範囲においては磁気吸引の変動が生ずることはなく、いわゆる「ゴギング」による推力の変動を除去或いは軽減させることができる。
又、請求項５によるリニアモータは、請求項１記載のリニアモータにおいて、 上記永久磁石は対向・配置された一対又は複数対から構成されていて、それら各対の永久磁石は直接又はベースを介して接着・固定されているので、これによっても磁気抵抗の軽減が図られ推力を向上させることができる。永久磁石の設置作業が容易化されるものである。
又、請求項６によるアクチュエータは、請求項１〜請求項５の何れかに記載のリニアモータを使用したものであり、大きな推力で高い精度で位置決めを行うことができる。
又、請求項７によるリニアモータは、永久磁石と、三相コイルと、を具備してなるリニアモータにおいて、上記三相コイルの外周部近傍に磁性材料からなるヨークを設置した構成になっているので、磁気回路における磁気抵抗の低減を図ることができ、それによって、三相コイルタイプのリニアモータにおいても推力の向上を図ることができる。
又、請求項８によるリニアモータは、請求項７記載のリニアモータにおいて、上記磁性材料からなるヨークは上記永久磁石の可動範囲より長いものとなっているので、永久磁石の移動範囲においては磁気吸引の変動が生ずることはなく、いわゆる「ゴギング」による推力の変動を除去或いは軽減させることができる。
又、請求項９によるリニアモータは、請求項７記載のリニアモータにおいて、 上記三相コイルの駆動を正弦波駆動としているので、推力の変動を抑制することができる。
又、請求項１０によるアクチュエータは、請求項７〜請求項９の何れかに記載のリニアモータを使用しているので、大きな推力で高い精度で位置決めを行うことができる。

以下、図１を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。まず、可動子があり、この可動子１は円筒形状をなす複数個の永久磁石３を軸方向に沿って積層・配置した構成になっている。その際、隣接・配置されている永久磁石３、３は同極同士が付き合わされた状態で設置されている。上記複数個の永久磁石３の外周側には固定子５が設置されている。この固定子５は、複数個（この実施の形態の場合には３個）のコイル７から構成されている。

上記３個のコイル７の内、中央に位置するコイル７と、左右に配置されているコイル７、７とでは、コイル７を通る磁束の向きが逆となっているため、同じ方向の推力を得るためには位相をずらす必要がある。そこで、この実施の形態の場合には、中央に位置するコイル７と左右に配置されているコイル７、７に関して、位相を１８０°だけずらして電流を流すようにしているものである。

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、推力の向上を図ることができる。これは、本実施の形態における全てのコイル７は、略同じ大きさの電流を流すことで略同じ向きと大きさの推力を発生することができ、その結果、全てのコイル７が推力の発生に寄与することになるからである。

次に、
図２を参照して本願発明の第２の実施の形態を説明する。図２に示す第２の実施の形態の場合には、永久磁石３の磁化の向きが図２中上下方向になっている。この点が前記第１の実施の形態によるリニアモータと違うところである。
尚、その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同じであり、図中同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。
そして、この場合には、隣接する永久磁石３、３の境界付近の磁束反転は比較的なだらかなものとなる。よって、コイル７はこのなだらかな磁束反転領域を回避しなければ均一な磁束は通過せず推力の変動が生じてしまい、その結果、コイル７の移動領域は制限されることになりストロークが短くなってしまう。その点、既に説明した第１の実施の形態の場合には、隣接する永久磁石３の境界近傍で磁束が急峻でありストロークをより長く確保できる。
しかしながら、推力の向上を図る点においては前記第１の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができる。

次に、図３を参照して本発明の第３の実施の形態を説明する。この第３の実施の形態の場合には、前記第１の実施の形態におけるコイル７の外周側にヨーク２１を設置したものである。このヨーク２１は、透磁率の高い磁性材料、例えば、軟鉄から構成されている。
尚、その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同様であり、同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。

したがって、前記第１の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができ、又、ヨーク２１を設置することにより永久磁石３の「Ｎ極」からコイル７、ヨーク２１、コイル７を介して「Ｓ極」に向かう磁束の磁気抵抗を低減させることができる。それによって、推力のさらなる向上を図ることができる。

次に、図４を参照して本発明の第４の実施の形態を説明する。この第４の実施の形態は本発明によるリニアモータを使用したアクチュエータの構成を示すものである。まず、固定子１０１があり、この固定子１０１は、ヨーク１０３と、このヨーク１０３の内周側には複数個（この実施の形態の場合には２個）のコイル１０５、１０５等から構成されている。上記ヨーク１０３は、透磁率が高い磁性材料、例えば、軟鉄から構成されている。又、上記ヨーク１０３の両端にはガイド部材１０７、１０９が取り付けられている。

上記コイル１０５、１０５はその電流位相が１８０°ずれるように巻回されている（逆相）。上記ヨーク１０３はアクチュエータの全長近くまで延長されており、後述する永久磁石１１３の移動による吸引力の変動を低減させるように構成されている。又、この種のタイプのリニアモータにおいては磁気吸引不具合（いわゆる「ゴギング」と称されている）が懸念されるためにヨークは使用していなかったが、この実施の形態の場合には、上記ヨーク１０３を軸方向に十分に長いものとし、少なくとも、永久磁石１１３の可動範囲より長い構成になっているので、永久磁石１１３の移動範囲において磁気吸引の変動が生ずることはない。

上記コイル１０５、１０５の内周側には可動子１１１が図中左右方向に移動可能に設置されている。この可動子１１１は円筒形状をなす複数個（この実施の形態の場合には３個）の永久磁石１１３を軸方向に沿って積層・配置した構成になっている。又、３個の永久磁石１１３の左右両端にはシャフト１１５、１１７が夫々連結されている。上記３個の永久磁石１１３は接着によって接合されている。又、左右のシャフト１１５、１１７についても接着によって接合されている。

したがって、前記第１〜第３の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができる。
又、この実施の形態の場合には、永久磁石１１３とコイル１０５との間の隙間をできるだけ小さくするために、永久磁石１１３、１１３同士を接着によって接合しており、又、シャフト１１５、１１７についても同様に接着・接合するようにしている。そして、永久磁石１１３とコイル１０５との間の隙間をできるだけ小さくすることができたので、永久磁石１１３の「Ｎ極」から「Ｓ極」に向かう磁束の磁気抵抗を低減させることができる。そして、コイル１０５を通過する磁束の密度を高めて推進力を向上させることが可能になる。
因みに、従来の場合には、例えば、ステンレス製のパイプ内に永久磁石を収容して固定するようにしているので、そのステンレスパイプの厚みの分だけ永久磁石とコイルとの間の隙間が大きくなってしまうものである。
尚、アクチュエータの横断面形状としては、円形、四角形（正方形、長方形等）等様々な形状が想定される。
又、この実施の形態の場合には、前述したように、上記ヨーク１０３を軸方向に十分に長いものとし、少なくとも、永久磁石１１３の可動範囲より長い構成になっているので、永久磁石１１３の移動範囲において磁気吸引の変動が生ずることはない。

次に、図５及び図６を参照して本発明の第５の実施の形態を説明する。前記第１〜第４の実施の形態の場合には、推力の向上を図ることはできるものの、ストロークの点においては十分なものではない。すなわち、得られるストロークは高々コイル長程度のものである（推力が略均一な領域はコイル長の８０％程度の領域である）。それに対してこの第５の実施の形態の場合は、推力の向上と十分なストロークの確保の両方を満足させようとするものである。以下、詳細に説明する。

この第５の実施の形態の場合には、まず、三相コイル駆動方式を採用している。すなわち、三個の異なる位相のコイル、すなわち、Ｕ相コイル２０１、Ｖ相コイル２０３、Ｗ相コイル２０５を一組とし、これを三組設置している。そして、コイル及び電流を流す向きを切り替えていくものである。又、永久磁石１１３については５個使用するようにしている。

又、この実施の形態の場合は、コイルの駆動を、図６に示すような正弦波駆動としているものである。図６は横軸に電気角をとり縦軸に電流をとってＵ相コイル２０１、Ｖ相コイル２０３、Ｗ相コイル２０５毎の駆動波形を示すものであり、図中波形（ａ）は矩形波を示し、波形（ｂ）は正弦波を示している。この第５の実施の形態の場合にはコイル電流を位置により変化させているので、波形（ａ）で示すような矩形波を採用した場合には推力が変動してしまうことが予想される。そこで、波形（ｂ）に示すような正弦波によって駆動する方式を採用しているものである。
尚、その他の構成については前記第４の実施の形態の場合と同じであり、同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。

上記構成に基づいて作用を説明する。図５において、可動子１１１を右方向に移動させようとする場合を例に挙げて説明する。永久磁石１１３の磁束はＮ極から出てＳ極に向かうので、Ｕ相コイル２０１、Ｖ相コイル２０３、Ｗ相コイル２０５を通過する磁束は、Ｎ極近傍で＋方向最大となり、Ｓ極近傍で−方向最大となる。すなわち、Ｎ極或いはＳ極近傍から離間した箇所には十分な磁束が付与されないことになり、その結果、フレミングの左手の法則により推力は小さくなってしまう。又、Ｎ極近傍とＳ極近傍では磁束の向きが異なるので、通電方向を逆向きにしなければ同じ向きの推力を得ることはできない。

一般的な矩形波駆動では、図５に示すようなコイル配置では、Ｕ相コイル２０１、Ｗ相コイル２０５に夫々、例えば、＋方向、-方向の電流を流すことにより、図５中右方向の推力が得られる。Ｖ相コイル２０３に通電しても殆ど推力が得られないので、Ｖ相コイル２０３には通電しない。又、図５に示すコイル配置に対応する電気角は６０°の箇所にある（図６中符号Ａで指し示す箇所）。又、図６の波形（ａ）でみてみると、Ｕ相コイル２０１用矩形波は（＋）、Ｗ相コイル２０５用矩形波は（−）、Ｖ相コイル２０３用矩形波は「ＯＦＦ」の状態になっている。

そして、可動子１１１が図５中右方向に移動していくと、Ｗ相コイル２０５は磁極Ｎ極近傍から外れ、Ｖ相コイル２０３がＳ極近傍に近づいていくので、Ｗ相コイル２０５には通電を止め、Ｖ相コイル２０３に−方向の電流を流す。
尚、Ｖ相コイル２０３は三相コイルのＹ結線のため他のコイルとは逆向きになっている。
この切り替えポイントが図６における電気角９０°の箇所である（図６中符号Ｂで指し示す箇所）。このコイル切り替え時はＷ相コイル２０５、Ｖ相コイル２０３において最も推力が落ちる箇所である。ここではトータルの推力も最少となり、矩形波駆動では推力の変動か大きくなってしまう。

そこで、磁束の大きさや向きに応じた電流値をコイルに流せば、この推力の変動を小さくすることができる。この方法により近いのが正弦波駆動である。コイル電流をＯＮ／ＯＦＦで切り替えるのではなく、電気角（位置）に応じて電流の大きさや向きを変えている。磁束の強さや向きは略正弦波であるので、電流も正弦波で流せばよい。例えば、図６において符号Ｂで指し示す電気角９０°のポイントでは、Ｕ相コイル２０１はＳ極に最も近く大きな磁束を受けているのに対して、Ｖ相コイル２０３、Ｗ相コイル２０５は小さな磁束しか受けていないので、正弦波駆動ではＵ相コイル２０１に最大の電流を流し、Ｗ相コイル２０５、Ｖ相コイル２０３には小さな電流しか流していない。このように制御することにより推力の変動を抑制することができるものである。

したがって、前記第４の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができるとともに、ストロークの延長を図ることができる。具体的には前記第４の実施の形態の場合に比べて略２．７倍のストロークを得ることができるものである。又、永久磁石１１３を追加することにより更なるストロークの延長も可能である。
又、正弦波駆動方式を採用しているので推力の変動も効果的に抑制されるものである。

尚、本発明は前記第１〜第５の実施の形態に限定されるものではない。
例えば、コイルの個数、配置等についてはこれを特に限定するものではない。
又、前記第１〜第５の実施の形態の場合には、コイル側を固定子として永久磁石側を可動子としたが、その逆の構成も考えられる。
その他、図示した構成はあくまで一例である。

本発明は、リニアモータと該リニアモータを使用したアクチュエータに係り、特に、推力の向上と位置決め精度の向上を図ることができるように工夫したものに関し、例えば、精密位置決め装置に好適である。

本発明の第１の実施の形態を示す図で、リニアモータの構成を示す縦断面図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図で、リニアモータの構成を示す縦断面図である。 本発明の第３の実施の形態を示す図で、アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 本発明の第４の実施の形態を示す図で、アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 本発明の第５の実施の形態を示す図で、アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 本発明の第５の実施の形態を示す図で、駆動波形を示す特性図である。 従来例を示す図で、リニアモータの構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 可動子
３ 永久磁石
５ 固定子
７ コイル
２１ ヨーク
１０１ 固定子
１０３ ヨーク
１０５ コイル
１０７ ガイド部材
１０９ ガイド部材
１１１ 可動子
１１３ 永久磁石
１１５ シャフト
１１７ シャフト
２０１ Ｕ相コイル
２０３ Ｖ相コイル
２０５ Ｗ相コイル

Claims (10)

1. 永久磁石と、一個又は複数個のコイルと、を具備してなるリニアモータにおいて、
   上記コイルに位相差「０°」又は位相差「１８０°」の電流を流すことにより同じ向きに推力が発生するようにしたことを特徴とするリニアモータ。
2. 請求項１記載のリニアモータにおいて、
   上記永久磁石は対向・配置された一対又は複数対から構成されていて、それら各対の永久磁石の磁化の向きが逆向きになっていることを特徴とするリニアモータ。
3. 請求項１記載のリニアモータにおいて、
   上記コイルの外周部近傍に磁性材料からなるヨークを設置したことを特徴とするリニアモータ。
4. 請求項３記載のリニアモータにおいて、
   上記磁性材料からなるヨークは上記永久磁石の可動範囲より長いものであることを特徴とするリニアモータ。
5. 請求項１記載のリニアモータにおいて、
   上記永久磁石は対向・配置された一対又は複数対から構成されていて、それら各対の永久磁石は直接又はベースを介して接着・固定されていることを特徴とするリニアモータ。
6. 請求項１〜請求項５の何れかに記載のリニアモータを使用したことを特徴とするアクチュエータ。
7. 永久磁石と、三相コイルと、を具備してなるリニアモータにおいて、
   上記三相コイルの外周部近傍に磁性材料からなるヨークを設置したことを特徴とするリニアモータ。
8. 請求項７記載のリニアモータにおいて、
   上記磁性材料からなるヨークは上記永久磁石の可動範囲より長いものであることを特徴とするリニアモータ。
9. 請求項７記載のリニアモータにおいて、
   上記三相コイルの駆動を正弦波駆動としたことを特徴とするリニアモータ。
10. 請求項７〜請求項９の何れかに記載のリニアモータを使用したことを特徴とするアクチュエータ。

Images