JP2016123213A - リニアモータ - Google Patents

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Abstract

【課題】高推力でコギングも低減できるリニアモータを提供する。【解決手段】固定子1は、コアユニット21a,21b,21cをストローク方向に複数備える。各コアユニット21a,21b,21cは、第一の磁極34a及び第一の磁極34aと極性が異なる第二の磁極34bを有する第一のコア31と、第一のコア31に巻かれるコイル41a,41bと、第三の磁極35a及び第三の磁極35aと極性が異なる第四の磁極35bを有する第二のコア32と、第二のコア32に巻かれるコイル42a,42bと、を備える。第一の磁極34aに第三の磁極35aが対向し、第二の磁極34bに第四の磁極35bが対向する。可動子2は、第一の磁極34aと第三の磁極35aとに挟まれると共に、第二の磁極34bと第四の磁極35bとに挟まれる。【選択図】図7

Description

本発明は、第一部材に対して第二部材が一方向に相対的に移動可能なリニアモータに関する。
界磁に磁石を使用した同期型リニアモータが知られている。このリニアモータは、磁石を有する可動子と、コア及びコアに巻かれるコイルを有する固定子と、を備える。コアには、可動子の磁石に対向する突極が設けられる。突極にはコイルが巻かれる。典型的なコイルは三相コイルである。三相コイルに位相が120度ずれた三相交流を流すと、磁石に発生する磁束とコアに発生する磁束との相互作用によって、可動子が固定子に対して一方向に移動する。
従来のリニアモータにあっては、固定子のコアが可動子の磁石に対面するので、コアと磁石との間に推力よりも大きな磁気的な吸引力が働くという課題がある。この磁気的な吸引力を低減するために、特許文献1には、可動子が固定子のコアによって閉じられた空間内を移動する所謂トンネル式のリニアモータが開示されている。このリニアモータの特徴は、コアの構造にある。すなわち、固定子のコアは、上部磁極歯と下部磁極歯が対向する第一の対向部と、上部磁極歯と下部磁極歯が対向する第二の対向部と、を備える。第一の対向部と第二の対向部とは、極性が反対になるように互い違いに形成される。コイルに通電すると、第一及び第二の対向部の上部磁極歯と下部磁極歯とに挟まれた空間には、上下に交番する磁束が発生する。この磁束トンネル内を可動子が移動する。
固定子のコアと可動子の磁石とに働く吸引力を低減する他の発明として、特許文献2には、可動子の上下に2つの固定子を配置したリニアモータが開示されている(特許文献2、図8参照)。可動子は、磁性体のヨークと、ヨークに配置された磁石を備える。2つの固定子それぞれは、コアと、コアの突極に巻かれるコイルと、を備える。可動子の上下に2つの固定子を配置することで、上側の固定子と可動子との間に働く吸引力を、下側の固定子と可動子との間に働く吸引力で相殺することができる。
特開2002−125360号公報 特開2004−172557号公報
しかし、特許文献1に記載のトンネル式のリニアモータにあっては、コアの磁気回路が長く、コアが磁気飽和(すなわちコイルに流す電流を大きくしても磁束が強くならない現象)を起こし易いという課題がある。コアが磁気飽和を起こすと、コイルにいくら電流を流しても推力を大きくすることができない。
特許文献2に記載のリニアモータにあっては、リニアモータの推力の変動であるコギングが発生するので、テーブルを高精度に位置決めすることが困難である、という課題がある。
そこで、本発明は、高推力でコギングも低減できるリニアモータを提供することを目的とする。
本発明の一態様は、第一部材に対して第二部材が一方向に相対的に移動可能なリニアモータであって、前記第一部材は、第一の磁極及び前記第一の磁極と極性が異なる第二の磁極を有する第一のコア、前記第一のコアに巻かれるコイル、第三の磁極及び前記第三の磁極と極性が異なる第四の磁極を有する第二のコア、並びに前記第二のコアに巻かれるコイルを含み、前記第一の磁極に前記第三の磁極が対向し、前記第二の磁極に前記第四の磁極が対向するコアユニットを前記一方向に複数備え、前記第二部材は、前記第一の磁極と前記第三の磁極とに挟まれると共に、前記第二の磁極と前記第四の磁極とに挟まれるリニアモータである。
本発明によれば、第二部材を挟む第一のコアと第二のコアとで磁気回路が構成されるので、第一及び第二のコアの磁束経路を短くすることができる。第一及び第二のコアのそれぞれにコイルを巻くことで、推力を大きくすることができる。また、第二部材を挟む第一のコアと第二のコアとに働く吸引力はほぼ同じ大きさであり、方向が反対であるので、全体の吸引力をほぼキャンセルすることができる。このため、コギング力を低減することができる。さらに、一方向に隣接する第一のコア同士又は第二のコア同士には、磁気回路が形成され難いので、磁気漏洩によるノイズを低減することができる。
本発明の第一の実施形態のリニアモータの斜視図である。 図1のC矢視図(平面図)である。 図1のA矢視図(側面図)である。 図1のB矢視図(側面図)である。 本実施形態のリニアモータの可動子の斜視図である。 図5のD−D線断面図である。 本実施形態のリニアモータの固定子のコアユニットと可動子の2つの磁石列を示す斜視図である(図7(a)は全体図であり、図7(b)は図7(a)の拡大図である)。 従来のリニアモータの固定子のコアユニットと可動子の磁石を示す斜視図である(図8(a)は全体図であり、図8(b)は図8(a)の拡大図であり、図8(c)は側面図である)。 本発明の第二の実施形態のリニアモータのストローク方向から見た側面図である。
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態のリニアモータを説明する。ただし、本発明のリニアモータは種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。この実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。
図1は本発明の第一の実施形態のリニアモータの斜視図を示し、図2は図1のC矢視図(平面図)を示し、図3は図1のA矢視図(側面図)を示し、図4は図1のB矢視図(側面図)を示す。これらの図面及び明細書を通して同一の構成には同一の符号を附す。
図1に示すように、リニアモータは、第一部材としての固定子1と、第二部材としての可動子2と、を備える。固定子1は、ベース3に固定される。可動子2は、ベース3に一方向(矢印Bの方向であり、以下ストローク方向という)に移動可能に支持される。なお、以下においては、説明の便宜上、可動子2をストローク方向から見たときの各方向、すなわち図1に示す左右方向、上下方向及び前後方向を用いてリニアモータの構成を説明する。もちろん、リニアモータの配置は、このような左右、上下及び前後に限定されるものではない。
可動子2の構成は以下の通りである。図5は可動子2の斜視図を示す。可動子2は、複数の磁石4a,4bが並べられた2つの磁石列4−1,4−2を備える。2つの磁石列4−1,4−2は平行である。各磁石列4−1,4−2において、磁石4a,4bはストローク方向(図5の前後方向)に一定のピッチPで並べられる。上側の磁石列4−1の磁石4a,4bの前後方向の位置と下側の磁石列4−2の磁石4a,4bの前後方向の位置とは、互いに一致する。
磁石4a,4bは四角形の板状に形成されており、その厚み方向(図5の左右方向)に着磁される。磁石4aはその右側の表面がN極であり、その左側の表面がS極である。磁石4bはその右側の表面がS極であり、その左側の表面がN極である。図5においては磁石4bのS極にドット模様が付けられている。上側の磁石列4−1の極性は、前後方向にN、S、N、S、N…に形成される。下側の磁石列4−2の極性は前後方向にS、N、S、N、S…である。すなわち、前後方向に隣接する磁石4a,4bの極性は反対である。また、上下方向に隣接する磁石の極性も反対である。なお、磁石4a,4bを配置する際にスキュー(skew)をさせる(斜めに配置する)ことも可能である。
四角形の板状の基材6には、磁石4a,4bが嵌められる開口7が形成される。基材6はジュラルミン等の非磁性体からなる。基材6の幅方向(図5の上下方向)の両端部6a,6bは中央部よりも厚い。両端部6a,6bには、支持機構としてのリニアガイド8,9(図4参照)が取り付けられる。例えば、基材6の上端部6bには、リニアガイド9のレール9aが取り付けられる。基材6の下端部6aには、断面S字形のブラケット10を介してリニガイド8のブロック8b(図4参照)が取り付けられる。
図6は、可動子2のD−D線断面図を示す。上記のように基材6の開口7には磁石4a,4bが嵌められる。基材6の表面には板材又はシート材11が接着される。板材又はシート材11は、炭素繊維強化プラスチック(carbon-fiber-reinforced plastic, CFRP)製である。磁石4a,4bを基材6の開口7に嵌めても、磁石4a,4bと基材6との接着面積は、磁石4a,4bに対向する基材6の開口7の枠の面積しかない。基材6に板材又はシート材11を接着することで、基材6から磁石4a,4bが抜けるのを防止することができる。
図1に示すように、可動子2の上側の磁石列4−1と下側の磁石列4−2との間には、可動子2の位置を検出するためのスケール12が配置される。固定子1には、スケール12と協働して位置信号を出力するセンサ13が取り付けられる。スケール12及びセンサ13がエンコーダを構成する。センサ13の位置信号は例えば公知のフィードバック制御に用いられる。
固定子1の構成は以下のとおりである。図1に示すように、固定子1は、ストローク方向(図1の前後方向)に並べられた複数のコアユニット21a〜21cを備える。コアユニット21a〜21cはベース3に固定されたL字形の架台23に取り付けられる。
この実施形態では、固定子1には、2個の電機子21−1,21−2が配置される。リニアモータは三相のリニアモータであり、各電機子21−1,21−2のコアユニットは、U相コアユニット21a、V相コアユニット21b、及びW相コアユニット21cに分類される。磁石4a,4bの極ピッチをP(図5参照)とするとき、隣り合うコアユニット21a,21bのピッチP1(図2参照)は2P/3、4P/3等である。隣り合うコアユニット21b,21cのピッチもP1である。なお、リニアモータの相数は3相に限られることはなく、2相、4相、5相等にすることができる。電機子21−1,21−2の数も2個に限られることはなく、1個、3個、4個等にすることができる。
図4に示すように、コアユニット21aは、可動子2を挟む第一及び第二のコア31,32を備える。第一のコア31はC字形に形成されており、基部31cと、基部31cから可動子2に向かって突出する2つの突極31a,31bを備える。図1に示すように、複数の第一のコア31はストローク方向(図1の前後方向)に互いに離れている。なお、隣り合う第一のコア31間に非磁性体を介在させることもできる。第一のコア31は積層鋼板によって製造される。
図4に示すように、第一のコア31の2つの突極31a,31bには、2つのコイル41a,41bが巻かれる。より詳しくいえば、図7(a)に示すように、U相コアユニット21aの第一のコア31にはU相のコイル41a,41bが巻かれ、V相コアユニット21bの第一のコア31にはV相のコイル41a,41bが巻かれ、W相コアユニット21cの第一のコア31にはW相のコイル41a,41bが巻かれる。図4に示すように、コイル41aに電流を流すと、突極31aの先端には第一の磁極34a(例えばN極)が形成され、突極31bの先端には第一の磁極34aと極性が異なる第二の磁極34b(例えばS極)が形成される。2つのコイル41a,41bには、第一及び第二の磁極34a,34bを強めるように同一位相の交流が流される。第一及び第二の磁極34a,34bの極性は周期的に反転する。
図4に示すように、第二のコア32もC字形に形成されており、基部32cと、基部32cから可動子2に向かって突出する2つの突極32a,32bを備える。複数の第二のコア32はストローク方向に互いに離れている(図7(a)参照)。なお、隣り合う第二のコア32間に非磁性体を介在させることもできる。第二のコア32は積層鋼板によって製造される。
第二のコア32の2つの突極32a,32bには、2つのコイル42a,42bが巻かれる。より詳しくいえば、図7(a)に示すように、U相コアユニット21aの第二のコア32にはU相のコイル42a,42bが巻かれ、V相コアユニット21bの第二のコア32にはV相のコイル42a,42bが巻かれ、W相コアユニット21cの第二のコア32にはW相のコイル42a,42bが巻かれる。図4に示すように、コイル42a,42bに電流を流すと、突極32aの先端には第三の磁極35a(例えばS極)が形成され、突極32bの先端には第三の磁極35aと極性が異なる第四の磁極35b(例えばN極)が形成される。2つのコイル42a,42bには、第三及び第四の磁極35a,35bを強めるように同一位相の交流が流される。第三及び第四の磁極35a,35bの極性は周期的に反転する。
第一の磁極34aは第三の磁極35aと極性が異なり、第一の磁極34aと第三の磁極35aとの間で磁束が流れる。第二の磁極34bは第四の磁極35bと極性が異なり、第第二の磁極34bと第四の磁極35bとの間で磁束が流れる。第一の磁極34aと第三の磁極35aとの間の磁束の向きは、第二の磁極34bと第四の磁極35bとの間の磁束の向きと反対である。第一のコア31と第二のコア32とが磁気回路51(図7(b)参照)を構成する。
第一のコア31と第二のコア32との間には可動子2が挟まれる。第一の磁極34aと第三の磁極35aとの間には、可動子2の上側の磁石列4−1(図5参照)が挟まれる。第二の磁極34bと第四の磁極35bとの間には、可動子2の下側の磁石列4−2(図5参照)が挟まれる。
図4に示すように、可動子2の幅方向(図4の上下方向)の両端部には、可動子2の移動を案内するリニアガイド8,9が取り付けられる。リニアガイド8,9は、レール8a,9aと、レール8a,9aに沿って移動するブロック8b,9bと、を備える。リニアガイドは公知のものであり、レール8a,9aとブロック8b,9bとの間には転がり運動可能に多数の転動体が介在する。可動子2の幅方向(図4の上下方向)の両端部6a,6bは、第一及び第二のコア31,32の外側に突出する。可動子2の両端部6a,6bに取り付けられるリニアガイド8,9も、第一及び第二のコア31,32の外側に配置される。なお、リニアガイド8,9の替わりにボールスプライン、ボールブッシュ等を用いることも可能である。
図7(a)は、固定子1のコアユニット21a〜21cと可動子2の2つの磁石列4−1,4−2を示す斜視図である。図7(b)は、図7(a)の拡大図である。上記のように、第一のコア31の第一の磁極34aと第二の磁極34bとは極性が異なる。また、第二のコア32の第三の磁極35aと第四の磁極35bとは極性が異なる。さらに、第一の磁極34aと第三の磁極35aとは極性が異なり、第二の磁極34bと第四の磁極35bとは極性が異なる。コアユニットの4つのコイル41a,41b,42a,42bに電流を流すと、第一の磁極34aから第三の磁極35aへ磁束が流れ、第四の磁極35bから第二の磁極34bへ磁束が流れる。そして、第一のコア31と第二のコア32とで磁気回路51が構成される。U相コアユニット21a、V相コアユニット21b、W相コアユニット21cに120度ずつ位相がずれた交流を流すと、磁気回路51と可動子2の磁石列4−1,4−2の磁束との相互作用によって可動子2がストローク方向に移動する。
本実施形態のリニアモータによれば以下の効果を奏する。可動子2を挟む第一のコア31と第二のコア32とで磁気回路51が構成されるので、第一及び第二のコア31,32の磁束経路を短くすることができる。第一及び第二のコア31,32のそれぞれにコイル41a,41b,42a,42bを巻くことで、推力を大きくすることができる。また、可動子2を挟む第一のコア31と第二のコア32とに働く吸引力はほぼ同じ大きさであり、方向が反対であるので、全体の吸引力をほぼキャンセルすることができる。このため、コギング力を低減することができる。さらに、可動子2のストローク方向に隣接する第一のコア31同士又は第二のコア32同士には、磁気回路が形成されにくいので、磁気漏洩によるノイズを低減することができる。
コギングを低減できる理由を図8の比較例を参照しつつ説明する。図8(a)は従来のリニアモータを示す。このリニアモータの固定子60は、磁性体のヨーク61と、ヨーク61に並べられた複数の磁石62と、を備える。可動子65は、磁石62に対向するU,V,W相の突極63a〜63cを有するコア63と、突極63a〜63cに巻かれるU,V,W相のコイル64a〜64cと、を備える。図8(c)に示すように、従来のリニアモータにおいては、磁石62とコア63との間に磁気吸引力が働く。磁石62がコア63の直下にあるときは(図8(c)の左図参照)、磁気的に安定するので、コギング力は発生しない。しかし、コア63が安定した位置から離れたときは(図8(c)の右図参照)、コア63が元の位置に戻ろうとするので、コギング力が発生する。図7(b)に示すように、本実施形態のリニアモータのように、可動子2を挟むように第一のコア31と第二のコア32を配置することで、磁気吸引力をキャンセルすることができ、コギング力を低減することができる。
また、図8(b)の拡大図に示すように、従来のリニアモータにおいては、可動子65のストローク方向に隣接するU,V,W相の突極63a〜63cを通る磁気回路71が形成され、磁束漏洩によるノイズが発生する。本実施形態のリニアモータによれば、図7(b)に示すように、可動子2のストローク方向に隣接する第一のコア31同士又は第二のコア32同士に磁気回路が形成されにくいので、磁束漏洩によるノイズを低減することができる。
本実施形態のリニアモータによればさらに以下の効果を奏する。可動子2が2つの磁石列4−1,4−2を備え、一方の磁石列4−1が第一の磁極34aと第三の磁極35aとに挟まれ、他方の磁石列4−2が第二の磁極34bと第四の磁極35bとに挟まれる。磁気回路51がストローク方向と直交し、ストローク方向には磁気回路51が存在しないので、コギングをより低減できる。
コアユニット21a〜21cの第一のコア31が互いに離れていて、コアユニット21a〜21cの第二のコア32が互いに離れている。コアユニット21a〜21cが互いに独立しているので、ある相のコアユニット(例えばU相コアユニット21a)が他の相のコアユニット(例えばV相コアユニット21b及びW相コアユニット21c)の漏れ磁束の影響を受けるのを防止することができる。
可動子2の基材6を非磁性体にすることで、可動子2を挟む第一のコア31と第二のコア32とが磁気回路を構成し易くなる。
基材6に板材又はシート材11を接着することで、基材6から磁石4a,4bが抜けるのを防止することができる。
リニアモータをストローク方向から見たとき、可動子2の幅方向の両端部6a,6bが第一及び第二のコア31,32の外側に突出しており、可動子2が移動するのを案内するリニアガイド8,9が可動子2の両端部6a,6bに配置されるので、リニアガイド8,9に磁束が漏れるのを防止でき、またリニアガイド8,9で可動子2の移動を安定して案内することができる。
C字形の第一のコア31の2つの突極31a,31bに2つのコイル41a,41bを巻き、C字形の第二のコア32の2つの突極32a,32bに2つのコイル42a,42bを巻くので、可動子2の近くにコイル41a,41b,42a,42bを配置することができ、磁束経路を短くすることができる。
可動子2の2つの磁石列4−1,4−2の間にスケール12を配置するので、可動子2の位置を高精度に測定することができる。可動子2の力が作用する部分の近くにスケール12を配置できるからである。
図9は、本発明の第二の実施形態のリニアモータを示す。この図9は、ストローク方向から見たリニアモータの側面図を示す。上記第一の実施形態では、固定子1がベース3に固定され、可動子2が移動するが、第二の実施形態では、固定子1が移動し、可動子2がベース3に固定される。その他の構成は第一の実施形態のリニアモータと略同一である。可動子2の下端部はベース3に固定される。可動子2の上端部と固定子1との間には、リニアガイド72が介在する。固定子1の下端部とベース3との間には、リニアガイド73が介在する。固定子1の移動はリニアガイド72,73によって案内される。
なお、本発明は上記実施形態に具体化されるのに限られることはない。例えば、上記実施形態のリニアモータでは、第一及び第二のコアそれぞれに2つのコイルを巻いているが、1つのみのコイルを巻くこともできる。
また、上記実施形態のリニアモータでは、複数の第一のコアをストローク方向に離しているが、複数の第一のコアの製造のし易さを考慮して、複数の第一のコアを磁性体で繋げてもよい。複数の第二のコアも同様である。
さらに、上記実施形態のリニアモータでは、可動子に磁石を配置しているが、可動子に磁石の替わりにコイルを配置することも、可動子に磁性体の凸部を有する平板を配置することもできる。
さらに、上記実施形態では、位置信号をフィードバックするフィードバック制御の例を説明したが、オープンループ制御を使用し、リニアモータをリニアステッピングモータとして使用することもできる。また、位置センサレス制御を使用することも可能である。
1…固定子(第一部材)、2…可動子(第二部材)、3…ベース、4−1…一方の磁石列、4−2…他方の磁石列、4a,4b…磁石、6…基材、6a,6b…可動子の両端部、7…開口、8,9…リニアガイド(支持機構)、11…板材又はシート材、12…スケール、21−1,21−2…電機子、21a〜21c…コアユニット、31…第一のコア、31a,31b…第一のコアの突極、32…第二のコア、32a,32b…第二のコアの突極、34a…第一の磁極、34b…第二の磁極、35a…第三の磁極、35b…第四の磁極、41a,41b,42a,42b…コイル、51…磁気回路、72,73…リニアガイド(支持機構)

Claims (8)

  1. 第一部材に対して第二部材が一方向に相対的に移動可能なリニアモータであって、
    前記第一部材は、第一の磁極及び前記第一の磁極と極性が異なる第二の磁極を有する第一のコア、前記第一のコアに巻かれるコイル、第三の磁極及び前記第三の磁極と極性が異なる第四の磁極を有する第二のコア、並びに前記第二のコアに巻かれるコイルを含み、前記第一の磁極に前記第三の磁極が対向し、前記第二の磁極に前記第四の磁極が対向するコアユニットを前記一方向に複数備え、
    前記第二部材は、前記第一の磁極と前記第三の磁極とに挟まれると共に、前記第二の磁極と前記第四の磁極とに挟まれるリニアモータ。
  2. 前記第二部材は、複数の磁石が並べられた2つの磁石列を備え、
    一方の磁石列が、前記第一の磁極と前記第三の磁極とに挟まれ、
    他方の磁石列が、前記第二の磁極と前記第四の磁極とに挟まれることを特徴とする請求項1に記載のリニアモータ。
  3. 複数の前記第一のコアは互いに離れているか、又は隣り合う前記第一のコア間には非磁性体が介在し、
    複数の前記第二のコアは互いに離れているか、又は隣り合う前記第二のコア間には非磁性体が介在することを特徴とする請求項1又は2に記載のリニアモータ。
  4. 前記第二部材の前記複数の磁石は、非磁性体からなる基材に固定されることを特徴とする請求項2に記載のリニアモータ。
  5. 前記第二部材の前記複数の磁石は、前記基材の複数の開口に嵌められており、
    前記基材には、板材又はシート材が接着されることを特徴とする請求項4に記載のリニアモータ。
  6. 前記リニアモータを前記一方向から見たとき、前記第二部材の幅方向の両端部が前記第一のコア及び前記第二のコアの外側に突出しており、
    前記第二部材が移動するのを案内する支持機構が前記第二部材の前記両端部に配置されることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載のリニアモータ。
  7. C字形の前記第一のコアの2つの突極に2つのコイルが巻かれ、
    C字形の前記第二のコアの2つの突極に2つのコイルが巻かれることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載のリニアモータ。
  8. 前記2つの磁石列の間に、可動子の位置を検出するためのスケールが配置されることを特徴とする請求項2,4,5のいずれかに記載のリニアモータ。

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