JP2005051884A

JP2005051884A - 環状コイル式永久磁石型リニアモータとこれを駆動源とするシリンジポンプ駆動装置

Info

Publication number: JP2005051884A
Application number: JP2003204517A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Sakamoto; 正文坂本
Original assignee: Nidec Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】本発明は、高推力、低振動、且つ構造が簡単で安価なリニアモータ、特にリニアステツピングモータの実現を目的とする。
【解決手段】相対的に移動可能な電機子と円筒部材、及びこれらを保持する軸が同芯状を成し、前記電機子は、環状コイルと磁性体で形成され該環状コイルを挟持するように設けられた対の電機子ヨークを有する単位電機子が複数個同軸状に配置されて成り、前記夫々の電機子ヨークが、その内周面に軸方向に交互凹凸状の環状磁歯もしくは、軸方向で環状交互にＮＳに磁化されている円筒形永久磁石を備え、これと小空隙を介して対向し、その外周面に円筒形永久磁石を備えて該円筒形永久磁石が軸方向で環状交互にＮＳに磁化されもしくは、軸方向に交互凹凸状の環状磁歯を有する円筒部材を備えている円筒部材を備え、前記電機子の環状コイルへの通電により電機子と円筒部材が相対的に移動自在であるように構成されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＯＡ機器や医療機器に利用可能なリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
リニアモータとしては、図示も詳細な説明も省略するが、固定子と移動子とが対向する面対向型が多く、図８に見るように、永久磁石式円筒型の構成も知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述従来技術においては、面対向型の構成では、エヤギャップを確保しながら移動体を直線運動させるため、移動体のガイド機構や高価なリニアベアリングの利用等で、構成も複雑で高価なアクチュエータとなっていた。
【０００４】
また、図８に見る永久磁石式円筒型リニアステッピングモータでは、環状コイル３２とこれを囲むように設けられる電機子ヨーク３１とで単位電機子を構成し、軸方向に磁化された環状永久磁石３３を挟んで同軸状に配置される２つの単位電機子が電機子を形成するが、永久磁石３３から出る磁束は、磁気抵抗の差で、永久磁石３１に近い方の磁歯部を多く通り、遠い方の磁歯部では少なくなるため、例えば右側のコイル３２で、両サイドの磁歯を通る磁束に差が出来、位置決め精度等の障害となっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（手段１）
相対的に移動可能な電機子と円筒部材、及びこれらを保持する軸が同芯状を成すリニアステッピングモータにおいて、前記電機子は、環状コイルと磁性体で形成され該環状コイルを挟持するように設けられた対の電機子ヨークを有する単位電機子が複数個同軸状に配置されて成り、前記夫々の電機子ヨークが、その内周面に軸方向に交互凹凸状の環状磁歯を有すると共に、前記電機子内周面と小空隙を介して対向し、その外周面に円筒形永久磁石を備えて該円筒形永久磁石が軸方向で環状交互にＮＳに磁化されている円筒部材を備え、前記電機子の環状コイルへの通電により電機子と円筒部材が相対的に移動自在であるように構成し、又は、
【０００６】
（手段２）
相対的に移動可能な電機子と円筒部材、及びこれらを保持する軸が同芯状を成すリニアステッピングモータにおいて、前記電機子は、環状コイルと磁性体で形成され該環状コイルを挟持するように設けられた対の電機子ヨークを有する単位電機子が、複数個同軸状に配置されて成り、前記各電機子ヨークが、それぞれの内周面に軸方向で環状交互にＮＳに磁化されている円筒形永久磁石を備えると共に、前記電機子内周面と小空隙を介して対向し、その外周面に軸方向に交互凹凸状の環状磁歯を有する円筒部材を備え、前記電機子の環状コイルへの通電により電機子と円筒部材が相対的に移動自在であるように構成し、又は、
【０００７】
（手段３）
手段１又は２に記載の環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータで、電機子が、ハウジング及び軸と一体を成し固定子を形成し、前記円筒部材が軸をガイドとして移動自在に構成され、又は、
【０００８】
（手段４）
手段１から３のいずれかに記載の環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータで、電機子がＰ個の単位電機子より成り、前記環状磁歯が複数でその配設ピッチをτとしたとき、τが、前記円筒形永久磁石の極対ピッチ（ＮＮ極間距離）と略同じで、互いに対向する環状磁歯と円筒形永久磁石の磁極が、１相で対向したとき、他相では、少なくともτ／（２Ｐ）ずれた位置にあるように構成され、又は、
【０００９】
（手段５）
手段１から４のいずれかに記載の環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータで、外側に設けられる電機子と内側に設けられる円筒部材に替えて、外側に設けられる円筒部材と内側に設けられる電機子とより成るように構成され、又は、
【００１０】
（手段６）
手段１から５のいずれかに記載の環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータで、電機子の数Ｐを３とした時、３個の環状コイルが、スターまたはデルタ結線の３端子駆動で動作するように構成され、又は、
【００１１】
（手段７）
手段１から６に記載の環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータの構成を備え、移動子の位置や移動速度を検出して、所定のタイミングで次の相を励磁する環状コイル式永久磁石型リニアモータとして構成され、又は、
【００１２】
（手段８）
手段１から７に記載の環状コイル式永久磁石型リニアモータを駆動源とするシリンジポンプ駆動装置である。
【００１３】
【実施例】
以下図面によって本発明の実施例を説明する。
【００１４】
図１は本発明に成る一実施例を示し、円筒型の環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータの縦断面図、図２は図１の例の軸左方向から見た正面図である。１は磁性体より成る電機子ヨークで、断面コ字状を示す大径円筒部と小径円筒部を備えている。
【００１５】
上記電機子ヨーク１は、大径円筒部を筐体で代替し小径円筒部はこれを排し底部円板の内周面だけとしても良いが、出力・効率を高めるために、特に小径円筒部は設けることが好ましい。
【００１６】
そして、電機子ヨーク１は、大・小径円筒部が対向し環状コイル２を囲むようにして同軸状に配置され単位電機子を構成している。該単位電機子を所定数、同軸状に非磁性体３を介して連接配置し、ハウジング４で一体保持することで電機子を形成している。図示の例は、電機子ヨーク内周面の磁歯数ｍが３、単位電機子数Ｐも３としている。
【００１７】
ｍ＝２等、軸方向の薄形化を要する場合は、上述の通り、必ずしも円板底部の外・内周縁から軸方向に伸張する大・小径円筒部を設ける必要はない。
【００１８】
また、各単位電機子間に介挿される非磁性体３は、各相の磁路を独立させるために使用することが望ましい。
【００１９】
上述図１に見る大・小径円筒部を有する電機子ヨーク１は、その形体から磁性体部材による焼結成型が適している。
【００２０】
ハウジング４には軸５が締結固定されている。
【００２１】
前記電機子ヨーク１の内周側には、小空隙を介して円筒部材が設けられ、該円筒部材の外周面には円筒形永久磁石６が配置され、該円筒形永久磁石６が前記電機子ヨーク内周面と直接対向するように構成されている。該円筒形永久磁石６は軸方向で交互に、等ピッチでラジアル方向にＮ極、Ｓ極と磁化されている。そして、該円筒形永久磁石６は、好ましくは磁性体よりなるバックヨーク７で保持することが望ましく、円筒形永久磁石６の着磁磁力を大きくし永久磁石の磁束通路も兼ねることになる。
【００２２】
該例では移動体となる円筒部材は、円筒形永久磁石６、バックヨークを兼ねる支持体が一体となって、スリーブ状の摩擦の少ない樹脂や含油メタル等より成る軸受８で軸５に対し移動自在に保持され、該軸５をガイドに直線往復運動が出来るように構成されている。
【００２３】
上述の構成では、電機子の励磁に環状コイル２２を使用しているので、電機子の構造が極めてシンプルであり、また高価なリニアベアリング等を使用しなくてよく、直線運動をさせるためのエヤギャップ確保手段として、別のリニアガイド機構を必要とせず、当該円筒型リニアモータの中心固定軸をガイドとするので、安価なリニアモータとすることができる。
【００２４】
更に本願発明に見るような円筒型リニアモータの長所は、移動方向に対し垂直な向きのラジアル力（一般にＳｉｄｅｐｕｌｌとも呼ばれる）がキャンセルされるので、軸受にかかるラジアル方向の荷重が極めて少ないことである。
【００２５】
図１は３相の場合であり、磁界や電流の第３高調波の影響を受けないので低振動なリニアモータとなる。これに対して、Ｐ＝２の２相の場合は磁界や電流の第３高調波の影響を受けるため、構造は３相の場合よりシンプルであるが、振動では有利な構造ではなくなる。
【００２６】
本願発明に係る円筒型リニアモータが小型高効率化に適するものであることを説明する。一辺がＤの角型で、その長さがＬのリニアモータのモータボリュムはＶ＝Ｄ^２Ｌとなる。この場合、固定子と移動子間のエヤギャップ対向面積ＳはＳ１＝ＤＬとなる。これに対し、外径が同一サイズＤでその長さがＬの円筒型リニアモータでは、エヤギャップ対向面積は、エヤギャップの平均直径をＤ／２とすると、Ｓ２＝（π／２）ＤＬとなるので、Ｓ２／Ｓ１＝１．５７倍となり、推力も対向面積に比例するので、円筒型リニアモータの方が、高推力、高効率が得られる。
【００２７】
図３は、図１の例における固定子と移動子の磁極関係を説明する図である。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相で構成されており、図ではＵ相が磁化された場合を示している。実際は３つの環状コイルは、各コイルの巻き終わり同士を短絡した３端子入力のスター結線や、Ｕ相の巻き終わりとＶ相の巻き始め、Ｖ相の巻き終わりとＷ相の巻き始め、Ｗ相の巻き終わりとＵ相の巻き始め、の各接続点での、３端子入力のデルタ結線として２相または３相励磁駆動ができる。
【００２８】
しかし図が複雑となるので図３及び図４では１相励磁駆動での様子を示している。コイルはトロイダル状の環状コイルであり、該環状コイルは磁性体より成る対の電機子ヨーク２個で挟持されている。そして、電機子ヨーク内周面には軸方向交互凹凸状の環状磁歯が設けられている。
【００２９】
図３では、Ｕ相コイル電流でＵ相が磁化され、小空隙を介して円筒形永久磁石の異極性の磁極が対向している。この時、Ｖ相は円筒形永久磁石の極対ピッチτ（τはＮ極からＮＮ極までのピッチ）として、τ／（２Ｐ）だけ円筒形永久磁石のＮ極とずれて対向している。この場合、Ｐは３であり、τ＝２πとして、２π／２＊３＝π／３ずれて対向していることになる。このずれが歩進量となり、極対ピッチτの１／（２Ｐ）だけ歩進する。Ｐは相数なので、３相では１／６、２相では１／４歩進する。この場合、円筒形永久磁石の極対ピッチτ（τはＮ極からＮＮ極までのピッチ）と電機子ヨークの内周に設けた凹凸状の環状磁歯ピッチは同じことが基本であるが、コギング力を弱める場合にはわずか異ならせる場合もあるのでピッチは略同じと本願では表現している。
【００３０】
図４はこのリニアモータをリニアステッピングモータとして動作させた、歩進原理の図である。図４ではコイル電流方向により左側がＳ極、右側がＮ極に磁化されて、その極性と異極性の円筒形永久磁石の磁極が対向する様子を示し、各相の電流をその向きを含めて順次切りかえることで、リニアに歩進することを示している。図示の例では、環状コイルを有する電機子側を固定子として、永久磁石側を移動子としている。
【００３１】
３相では１ステップで円筒形永久磁石の極対ピッチの１／６づつ歩進して、６ステップで、円筒形永久磁石の極対ピッチ文だけ進むことが分かる。
【００３２】
環状コイルを有する電機子側を移動子とし、円筒部材側を固定子としても動作可能なことは言うまでもないので、図示も詳細な説明も割愛する。
【００３３】
図５は、本発明の別の構成を示す断面図で、図６は該例の正面図である。
【００３４】
各電機子ヨーク２１の内周面には円筒形永久磁石２０が固定配備されており、該円筒形永久磁石の内周面には図示のようにＮ極、Ｓ極交互に磁化されている。
【００３５】
環状コイル２２は、対向配置される２個の電機子ヨーク２１で挟持されて、１相分の単位電機子を形成している。
【００３６】
そして、上述１相目の単位電機子と２相目の単位電機子との間には非磁性体２３が介挿され、お互いに締結されている。
【００３７】
上述電機子の内周面に小空隙を介して対向する円筒部材は２４は、磁性体より成り、その外周面には等ピッチの軸方向に交互凹凸状の環状磁歯が設けられており、その内周側には軸２５が挿通保持されている。
【００３８】
図５は、左側の環状コイル２２が励磁されている様子を示すもので、このときの電流による起磁力が、当該環状コイル２２の左側に位置する円筒形永久磁石２０のＮ極性を弱め、Ｓ極性を強め、また右側に位置する円筒形永久磁石２０のＮ極性を強め、Ｓ極性を弱める作用をするので、図５に示す位置で、円筒部材２４の凸状を成す環状磁歯と対向する。
【００３９】
永久磁石材は磁性体である鉄等に比べて高価であるが、この第２の構造は、上述図１に示す第１の例での構造に対し、永久磁石材の使用量を少なく出来る。
【００４０】
また、詳細は省くが、図５で、円筒部材の磁歯２４を形成する筒状部のみを移動子として、軸２５に対し移動自在とすることも可能である。
【００４１】
図７は、上述図５、図６に示した環状コイル式円筒形リニアステッピングモータの回転原理の説明図である。
【００４２】
上述した原理で、円筒形永久磁石２０のＮ極、Ｓ極による強め合いと弱め合いで、図７の１）から６）に示すように、環状磁歯２４のピッチの１／６づつ歩進することが分かる。
【００４３】
図７では環状磁歯２４を形成する円筒部と軸２５が一体を成す移動子として示したが、軸２５は固定子として、環状磁歯２４のみ移動子としても良く、
【００４４】
また環状磁歯２４及び軸２５を固定子として電機子側を移動子としても良い。
【００４５】
更にまた、上述円筒部材を中空状に形成し、その内周面に環状磁歯２４を形成し、上述電機子側の電機子ヨークを外側に向けて形成して、外周面に円筒形永久磁石を配置することで、上述環状磁歯２４に対向するよう、内周側に配置することも可能である。
【００４６】
なお、上述環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータの構成は、移動子の位置や移動速度を検出して、所定のタイミングで次の相を励磁することで、環状コイル式永久磁石型リニアモータとして駆動可能であることは明らかであるので、その詳細は割愛する。
【００４７】
また、上述のような円筒状を成す環状コイル式永久磁石型リニアモータは、シリンジポンプに使用されているシリンダーやピストンが円柱状であることから、シリンジポンプの駆動源としても有用で、コンパクトなシリンジポンプ駆動システムを実現でき、また着磁してあるので、界磁磁束分布が正弦波とり、マイクロステップでの高精度な液量送りに適したものとなる。
【００４８】
【発明の効果】
上述のごとき本願発明に成る環状コイル式永久磁石型リニアモータは、次のような優れた効果を実現することが出来る。
１）円筒形状で固定子と移動子の対向するエアギャップも円筒形状なので平板ギャップに対し対向面積が約１．５倍大きく出来、高推力に有利である。
２）環状コイルなので、電工作業が簡素で安価となる。
３）ラジアル方向の吸引力が常にキャンセルされる構造のため、軸受に余分な荷重が加わらないので、スリーブ軸受も可能となり、安価となる。
４）移動子を固定軸の外周を滑らす構造が取れるので、低慣性となり、応答性が向上する。
５）永久磁石が円筒状なので、永久磁石からの磁束は各相で均一となり、高精度位置決めが可能となる。
６）エヤギャップ対向部は永久磁石に着磁して、磁極が形成されているため、永久磁石磁束は正弦波に分布するので、低振動化に有利となる。
７）永久磁石を電機子ヨーク内周に密着させる構造では、永久磁石の使用量を低減できるので、安価となる。
８）移動子の位置や速度を検出して最適なタイミングでコイル電流を切りかえることで、安価なブラシレスリニアモータとすることが可能である。
９）シリンジポンプその他、、バルブ開閉、溶接、ハンダ付けロボット等に最適なアクチュエータとして利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に成る環状コイル式永久磁石型リニアモータの例の断面図である。
【図２】図１の例の正面略図である。
【図３】図１の例の磁極関係を説明する断面図である。
【図４】図３の例の動作原理を説明する図である。
【図５】本発明に成る環状コイル式永久磁石型リニアモータの別の例の断面図である。
【図６】図５の例の正面略図である。
【図７】図５の例の動作原理を説明する図である。
【図８】本発明に係る従来技術の例の断面図である。
【符号の説明】
１電機子ヨーク
２環状コイル
３非磁性体
４ハウジング
５軸
６円筒形永久磁石
７バックヨークまたは磁石支持体
８軸受、
２０円筒形永久磁石
２１電機子ヨーク
２２環状コイル
２３非磁性体
２４磁歯
２５軸、
３１電機子ヨーク
３２環状コイル
３３円板状永久磁石
３４磁歯

Claims

相対的に移動可能な電機子と円筒部材、及びこれらを保持する軸が同芯状を成すリニアステッピングモータであり、前記電機子は、環状コイルと磁性体で形成され該環状コイルを挟持するように設けられた対の電機子ヨークを有する単位電機子が複数個同軸状に配置されて成り、前記夫々の電機子ヨークが、その内周面に軸方向に交互凹凸状の環状磁歯を有すると共に、前記電機子内周面と小空隙を介して対向し、その外周面に円筒形永久磁石を備えて該円筒形永久磁石が軸方向で環状交互にＮＳに磁化されている円筒部材を備え、前記電機子の環状コイルへの通電により電機子と円筒部材もしくは円筒部材と軸の一体が相対的に移動自在であるように構成されていること、を特徴とする環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータ。
相対的に移動可能な電機子と円筒部材、及びこれらを保持する軸が同芯状を成すリニアステッピングモータであり、前記電機子は、環状コイルと磁性体で形成され該環状コイルを挟持するように設けられた対の電機子ヨークを有する単位電機子が、複数個同軸状に配置されて成り、前記各電機子ヨークが、それぞれの内周面に軸方向で環状交互にＮＳに磁化されている円筒形永久磁石を備えると共に、前記電機子の永久磁石内周面と小空隙を介して対向し、その外周面に軸方向に交互凹凸状の環状磁歯を有する円筒部材を備え、前記電機子の環状コイルへの通電により電機子と円筒部材もしくは円筒部材と軸の一体が相対的に移動自在であるように構成されていること、を特徴とする環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータ。
前記電機子が、ハウジング及び軸と一体を成し固定子を形成し、前記円筒部材が軸をガイドとして移動自在に構成されていること、を特徴とする請求項１又は２に記載の環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータ。
電機子がＰ個の単位電機子より成り、前記環状磁歯が複数でその配設ピッチまたは前記円筒形永久磁石の極対ピッチ（ＮＮ極間距離）をτとしたとき、両者は略同じで、互いに対向する環状磁歯と円筒形永久磁石の磁極が、１相で対向したとき、他相では、少なくともτ／（２Ｐ）ずれた位置にあるように構成されていること、を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータ。
外側に設けられる電機子と内側に設けられる円筒部材に替えて、外側に設けられる円筒部材と内側に設けられる電機子とより成ること、を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータ。
電機子の数Ｐを３とした時、３個の環状コイルが、スターまたはデルタ結線の３端子駆動で動作するように構成されていること、を特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータ。
請求項１から６に記載の環状コイル式永久磁石型リニアステッピングモータの構成を備え、移動子の位置や移動速度を検出して、所定のタイミングで次の相を励磁するように構成されていること、を特徴とする環状コイル式永久磁石型リニアモータ。
請求項１から７に記載の環状コイル式永久磁石型リニアモータを駆動源とすること、を特徴とするシリンジポンプ駆動装置。