JP3830479B2 - リニアステッピングモータ - Google Patents

Description

この発明はリニアステッピングモータに関し、特にたとえば、棒状に形成される移動子を当該移動子の軸方向に直線的に移動させる、リニアステッピングモータに関する。

従来のこの種のリニアステッピングモータの一例が特許文献１に開示される。図７に示すように、この特許文献１に開示される円筒形リニアパルスモータ１は、出力側軸ケース２および反出力側ケース３を備えている。ケース２に設けられる軸受２ａおよびケース３に設けられる軸受３ａは、移動子４を構成するとともに軸方向に移動される軸５を軸支する。移動子４は、軸５と、磁極コア４ａ，４ｂと、この磁極コア４ａ，４ｂ相互間に挟持され、かつ軸方向に磁化されたリング状の永久磁石４ｃとで構成される。また、ケース２とケース３に挟持されるように、軸５の周囲には５つ（図面では２つ）の固定子６が設けられる。固定子６は固定子コア６ａと固定子巻線６ｂとによって構成される。このような構成の円筒形リニアパルスモータ１では、固定子コア６ａに巻かれた固定子巻線６ｂに電流が流されることにより、移動子４を軸方向（図中の上下方向）に移動させていた。
特開平７−１７７７２３号公報［Ｇ０２Ｋ ４１／０３］

このような従来技術では、移動子４を所望の位置で停止させるようにしてあるため、永久磁石４ｃと固定子コア６ａとの間に働く吸引力に基づく保持トルク（ディテントトルク）を有している。したがって、ディテントトルクが大きい場合には、永久磁石４ｃと固定子コア６ａとの間に働く吸引力が大きくなるため、起動トルクも大きくする必要がある。このような起動トルクを大きくする方法としては、移動子４を移動させる場合に、固定子巻線６ｂに流す電流量を増大させることが考えられる。しかし、電流量を増加させると、固定子巻線６ｂにおける発熱量の増加を伴い、消費電力の浪費につながってしまうという問題を引き起こしてしまう。このため、ディテントトルクを小さくして、消費電力を低減させるようにした場合には、移動子４を所望の位置に保持できない場合があるという問題もあった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、ディテントトルクを減少させず、しかも駆動時の電力消費を増大させずに、比較的大きな起動トルクを得ることができる、リニアステッピングモータを提供することである。

請求項１の発明は、棒状に形成される移動子と、移動子の周囲に設けられる固定子コアと、固定子コアの内側であり、移動子を囲むように巻かれた複数の固定子コイルとを備え、移動子は永久磁石，軟磁性体および非磁性体を含み、永久磁石と軟磁性体との間に非磁性体を挟むようにそれぞれ連結して移動子を形成し、永久磁石と軟磁性体とに駆動力を与えるようにした、リニアステッピングモータである。

請求項１の発明では、リニアステッピングモータは、棒状に形成される移動子を備えている。この移動子の周囲には固定子コアが設けられ、固定子コアの内側には、移動子を囲むように巻かれた複数の固定子コイルが配置される。また、移動子は、永久磁石，軟磁性体および非磁性体で構成され、永久磁石と軟磁性体との間に非磁性体を挟むように、それぞれ連結される。このような構成のリニアステッピングモータでは、静止状態では、永久磁石と固定子コアとの間に働く吸引力によって、移動子が静止した状態で保持される。この保持トルクはディテントトルクと呼ばれる。また、移動子の移動（駆動）時には、永久磁石と軟磁性体とに駆動力が与えられる。

請求項１によれば、永久磁石と軟磁性体とに同時に駆動力を与えるので、永久磁石のみに駆動力を与える場合に比べて大きな駆動力を得ることができる。このため、ディテントトルクを低減することなく、駆動時の電流量を抑えることができる。

請求項２の発明は請求項１に従属し、隣接する固定子コイルの配置ピッチをＬとし、同時にオンする連続する固定子コイルの数をｎ（ｎは３以上の整数）とするとき、永久磁石の長さを（ｎ−２）Ｌに決定し、軟磁性体の長さをｎＬに決定するようにした。

請求項２の発明では、隣接する固定子コイルの配置ピッチをＬとし、同時にオンする連続する固定子コイルの数をｎ（ｎは３以上の整数）とする場合には、永久磁石の長さを（ｎ−２）Ｌに決定し、軟磁性体の長さをｎＬに決定するのが好ましい。これは、永久磁石は、固定子コイルをオンすることにより生成される電磁石の内部であり、その中心で安定点をとる（静止状態となる）からであり、電磁石の領域からはみ出さないようにするためである。一方、軟磁性体は、電磁石が発生する磁束が最も効率よく流れる位置に安定し、磁束が透磁率の低い空気中を通ると損失になるため、その損失を減らすようにするためである。したがって、たとえば、ｎ＝３にすると、永久磁石の長さはＬに決定され、軟磁性体の長さは３Ｌに設定される。

請求項２によれば、永久磁石および軟磁性体を適切な長さに設定できるので、効率よく移動子を移動させることができ、また、安定した状態で静止させることができる。

請求項３の発明は請求項１または２に従属し、永久磁石と軟磁性体との配置距離に対応する個数おきに複数の固定子コイルを直列接続するようにした。

請求項３の発明では、永久磁石と軟磁性体との配置距離に対応する個数おきに複数の固定子コイルを直列接続する。したがって、永久磁石に進行方向に向かう駆動力を与えるように、固定子コイルをオンすると、それに直列接続される固定コイルもオンされ、これによって、軟磁性体にも同様の駆動力が与えられる。

請求項３によれば、同時に駆動すべき固定子コイルを直列接続するので、複数の固定子コイルのオン／オフを個別に制御する場合よりも配線の数を減らすことができる。したがって、リニアステッピングモータ自体を小型化することができる。

この発明によれば、永久磁石と軟磁性体との間に非磁性体を挟むようにそれぞれ連結して移動子を形成し、移動子の駆動時に永久磁石と軟磁性体とに駆動力を与えるようにするので、ディテントトルクを低減させることなく、駆動時における電流量の増大を防止することができる。これにより、無駄な電力消費を削減することができる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１を参照して、この発明の一実施例であるリニアステッピングモータ（以下、単に「リニアモータ」という。）１０は移動子１２およびこの移動子１２の周囲に設けられる２つの固定子コア１４を含む。２つの固定子コア１４は互いに対向するように配置され、その両端部に、移動子１２を軸支するとともに、固定子コア１４を保持（固定）する軸受１６が設けられる。また、２つの固定子コア１４に挟持されるように、複数（この実施例では４０個）の固定子コイル１８が設けられる。

なお、図１においては、リニアモータ１０の全体構成を分かり易く示すために、固定子コイル１８の数を２６個にしてある。

移動子１２は、棒（円柱）状に形成され、図１のIIＡ−IIＡ断面図である図２（Ａ）および図２（Ａ）の一部（図中囲んである部分）を拡大した図２（Ｂ）から分かるように、その軸方向に第１所定長さ（この実施例ではＬ）を有する永久磁石２０を含む。永久磁石２０は、移動子１２の軸上の所定位置に設けられる。このように、永久磁石２０を移動子１２の軸上に連続的に設けた場合には、リニアモータ１０を小型化できる。

なお、図２（Ａ）においては、後述する溝１４ａおよび突起１４ｂを分かり易く示すために、固定子コイル１８は省略してある。また、永久磁石２０の長さＬには、後述するように、連結保持部材２４と連結する部分（両端の凸部）の長さは含まれない。

また、図２（Ａ）に示すように、移動子１２は複数（この実施例では、３つ）の軟磁性体２２を含み、この軟磁性体２２は円柱状に形成され、移動子１２の軸方向に第２所定長さ（この実施例では３Ｌ）を有する。永久磁石２０と軟磁性体２２とは連結保持部材２４によって連結（接合）され、軟磁性体２２同士もまた連結保持部材２４によって接合される。具体的には、この実施例では、移動子１２は、図２（Ａ）の上から下に向かって、連結保持部材２４，軟磁性体２２，永久磁石２０，連結保持部材２４，軟磁性体２２，連結保持部材２４および軟磁性体２２の順で接合される。この実施例では、永久磁石２０と軟磁性体２２との間および軟磁性体２２同士の間を連結する連結保持部材２４では、永久磁石２０の中心と３つの軟磁性体２２の中心とがそれぞれ等間隔になる長さに選択される。つまり、隣り合う永久磁石２０と３つの軟磁性体２２とは、所定ピッチＰに配置される。また、移動子１２の両端に設けられる連結保持部材２４は、図１および図２（Ａ）に示すような状態で、移動子１２が軸受１６によって軸支される適宜の長さに選択される。

永久磁石２０は、移動子１２の軸方向に磁化されており、たとえば略円柱状に形成されたネオジム系磁石等が使用され得る。軟磁性体２２は、たとえば鉄や珪素鋼等で形成され、永久磁石２０と同様に略円柱状に形成される。連結保持部材２４は、非磁性体であるアルミ等によって形成され、一例として円筒状のアルミパイプ等が用いられる。このように連結保持部材２４が円筒状（管状）に形成されるため、図２（Ｂ）に示すように、永久磁石２０および軟磁性体２２の両端面（両端部）には、管内面と嵌り合う凸部が形成され、永久磁石２０および軟磁性体２２は連結保持部２４と嵌合するとともに接着される。

図３（Ａ）は、固定子コア１４の一部を示す図解図（斜視図）である。この図３（Ａ）に示すように、固定子コア１４は、コア１４０とこのコア１４０を支持する支持部材１４２とによって構成される。コア１４０は、図３（Ｂ）の正面図で示すように、略矩形状であり、一方主面に凹凸が形成される。つまり、溝１４ａおよび突起１４ｂが形成される。また、図３（Ａ）ではその詳細は省略してあるが、図３（Ｂ）の上面図から分かるように、コア１４０はたとえば軟磁性の珪素鋼板を積層して厚板状に形成してある。これは、後述するように、固定子コイル１８に電流を流したときに発生する移動子１２に働く駆動力をより強く（大きく）するように、固定子コイル１８に流れる電流と直交する方向に流れる電流を低減させるためである。したがって、図面では表現できないが、コア１４０を形成する珪素鋼板の各々はシールドされている。

また、支持部材１４２は、非磁性体（たとえば、アルミ）を略四角柱状に形成し、その一方主面に、上述したコア１４０を支持する（嵌め込む）ための溝１４２ａが形成される。つまり、支持部材１４２はコの字状に形成される。

なお、この実施例では、コア１４０と支持部材１４２とによって固定子コア１４を構成するようにしたが、軟磁性体としての珪素鋼板のみを用いて、固定子コア１４を構成することも可能である。ただし、珪素鋼は、アルミに比べて加工性や熱伝導性が劣り、しかも高コストである。

したがって、リニアモータ１０としては、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、固定子コア１４には、その一方側面において、長手方向（移動子１２の軸に対応する軸方向）に所定ピッチＬで複数（この実施例では４０個）の溝１４ａが形成され、これによって、複数（この実施例では３９個）の突起１４ｂが所定ピッチＬで溝１４ａと交互に形成される。溝１４ａおよび突起１４ｂの軸方向幅は適宜に設定されるが、この実施例では、突起１４ｂの幅は溝１４ａよりも小さく設定される。このように、この実施例では、上述の永久磁石２０の長さＬは、溝１４ａおよび突起１４ｂの形成ピッチＬと同じに設定されている。

また、２つの固定子コア１４は、それぞれ、複数の溝１４ａおよび突起１４ｂが対向するように配置される。固定子コイル１８の各々は、対向する２つの溝１４ａにその一部が収容されるように、２つの固定子コア１４の間に挟持される（図４（Ａ）参照）。また、固定子コイル１８は、当該一部が固定子コア１４に設けられる、かつ、互いに隣接する突起１４ｂの間で挟持される。したがって、固定子コイル１８も所定ピッチＬで設けられる。たとえば、固定子コイル１８は、銅（非磁性体）等の導線によって構成される。

図１のIVA−IVA断面図である図４（Ａ）に示すように、固定子コイル１８は、その中心に孔１８ａが設けられるように巻き回され、すなわちドーナツ状に形成され、孔１８ａの径は移動子１２の外径よりも少し大きく形成される。また、移動子１２に設けられる永久磁石２０と、互いに対向するように配置される２つの固定子コア１４のそれぞれとの間に吸引力が働く。これにより、移動子１２の外周面と固定子コイル１８の内周面（孔１８ａ）との間に所定間隔（たとえば、０．５ｍｍ程度）のギャップを有する。

また、固定子コイル１８が存在しない部分では、図４（Ｂ）に示すように、２つの固定子コア１４（コア１４０）の突起１４ｂの間を通るように、移動子１２が配置される。移動子１２の外周面と固定子コア１４の突起１４ｂの突出面との間のギャップは、上記所定間隔と同じ或いはほぼ同じにされる。ただし、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）と同じ方向であり、異なる位置における断面図である。

なお、軟磁性体２２（凸部を除く。）および連結保持部材２４は、永久磁石２０（凸部を除く。）の径と同じにされ、移動子１２（永久磁石２０，軟磁性体２２および連結保持部材２４）の外面（外周面）は平滑にされる。これは、永久磁石２０と固定子コア１４との間に働く吸引力が、一方の固定子コア１４と他方の固定子コア１４との間で異なる場合があり、このとき、移動子１２が固定子コイル１８の内周面に接触したとしても、その接触による摩擦抵抗を小さくするためである。

このような構成のリニアモータ１０の動作の様子は、図５および図６に示される。なお、図５および図６においては、簡単のため、固定子コイル１８の数を１６個にするとともに、移動子１２の一部を省略してある。また、各固定子コイル１８は括弧付番号で区別することにする。さらに、図５および図６では、リニアモータ１０の長手方向を横（水平）にした状態で、固定子コア１４（コア１４０）の断面（図面では簡単のため、ハッチングは省略してある。）を示してある。

ここで、図１および図２においては省略したが、図５（Ａ）に示すように、固定子コイル１８は、所定個数（この実施例では、８個）おきに直列接続され、図示は省略するが、その一方端は接地され、他方端はドライバ（駆動装置）に接続される。したがって、直列接続される固定子コイル１８は、ドライバによって、同時に駆動（オン）／停止（オフ）される。このように、直列接続した場合には、固定子コイル１８の各々を個別に制御する場合に比べて配線数を減らすことができる。また、この実施例では、固定子コイル１８に電圧を印加した（電流を流した）とき、つまり固定子コイル１８をオンしたとき、図５（Ｂ）に示すような磁極（磁界）が発生する。

ここで、直列接続される固定子コイル１８の間隔は、形成された移動子１２における隣り合う永久磁石２０と軟磁性体２２との間隔Ｐおよび隣り合う軟磁性体２２同士の間隔Ｐによって決定される。逆に、所定個数おきに固定子コイル１８を直列接続した固定子（固定子コア１４および固定子コイル１８）を用意しておき、当該所定個数に相当する間隔で、永久磁石２０および３つの軟磁性体２２の配置ピッチを決定して、移動子１２を形成するようにしてもよい。

たとえば、初期状態において、いずれの固定子コイル１８もオンされていない場合には、固定子コア１４と移動子１２の永久磁石２０との吸引力によって、図５（Ａ）に示すような位置関係で、移動子１２は静止している。ここで、永久磁石２０の長さＬは、この実施例では固定子コア１４の溝１４ａおよび突起１４ｂの形成ピッチＬと同じに設定されているため、永久磁石２０の両端が突起１４ｂの幅方向略中央に位置する。このような状態（静止状態）における移動子１２の保持トルク（無励磁保持トルク）は「ディテントトルク」と呼ばれている。

図６（Ａ）に示すように、永久磁石２０に対向する（１０）番の固定子コイル１８と、移動子１２（永久磁石２０）の進行方向に配置される（１１）および（１２）番の固定子コイル１８とをオンし、その状態を維持する。すると、（１０），（１１），（１２）番の固定子コイル１８に発生する磁界（進行磁界）によって、図６（Ａ）において矢印で示す方向（図６（Ａ）の右方向）に駆動力が得られ、永久磁石２０が１ステップ移動して、図６（Ｂ）に示すように、次（（１１）番）の固定子コイル１８に対向する位置で静止する。この場合の移動距離はＬに等しい。

なお、図６（Ａ）および図６（Ｂ）においては、簡単のため、結線（接続線）は省略してある。

また、このとき、（１０），（１１），（１２）番の固定子コイル１８のそれぞれに直列接続される（２），（３），（４）番の固定子コイル１８もオンされ、その状態が維持される。したがって、（２），（３），（４）番の固定子コイル１８に発生する進行磁界によって、軟磁性体２２は、永久磁石２０の進行方向と同じ方向に駆動力を得る。ここで、図５（Ａ），図６（Ａ）および図６（Ｂ）においては、移動子１２の一部のみを示してあるため分かりにくいが、図２に示したように、永久磁石２０と３つの軟磁性体２２とが所定ピッチＰで配置され、省略されている２つの軟磁性体２２もまた、（１０），（１１），（１２）番の固定子コイル１８（または、（２），（３），（４）番の固定子コイル１８）のそれぞれに直列接続される固定子コイル１８がオンすることにより、同様の駆動力を得ている。

このように、移動子１２は、永久磁石２０が設けられた部分のみならず、軟磁性体２２が設けられた部分においても駆動力が得られるため、引き込み（起動）トルクを減少させずに、電流量の増大を防止することができる。すなわち、ディテントトルクを減少させずに、駆動時の無駄な消費電力を削減することができるのである。

なお、逆に言えば、永久磁石２０と軟磁性体２２との両方に駆動力を得るために、永久磁石２０と３つの軟磁性体２２との配置ピッチを等間隔にするようにし、その間隔にあうように直列接続する固定子コイル１８の間隔を決定しているのである。

また、この実施例では、永久磁石２０を移動させるために、一度に駆動する固定子コイル１８の数は３個（ここでは、軟磁性体２２を駆動する固定子コイル１８は除く。）に設定してある。これは、永久磁石２０は、固定子コイル１８をオンすることにより形成される電磁石の内部に位置するときに、その中心で安定点を取る（静止状態となる）ためであり、また、配置ピッチＬのｎ個の固定子コイル１８を一度（同時）にオンした場合には、電磁石となる長さはｎＬであり、永久磁石２０を固定子コイル１８の配置ピッチＬずつ移動させるとすると、永久磁石２０の長さは（ｎ−２）Ｌとなるからである。したがって、この実施例では、ｎ＝３であるため、上述したように、永久磁石２０の長さはＬに設定される。たとえば、同時に５個の固定子コイル１８をオンする場合には、永久磁石２０の長さは３Ｌに設定される。

さらに、軟磁性体２２では、電磁石が発生させる磁束が最も効率よく流れる位置に安定する。また、磁束が透磁率の低い空気中を通ると損失になるため、その損失を可及的低減させるために、電磁石と同じ長さｎＬにするようにしてある。したがって、この実施例では、ｎ＝３であるため、上述したように、軟磁性体２２の長さは３Ｌに設定される。たとえば、上述したように、同時に５個の固定子コイル１８をオンする場合には、軟磁性体２２の長さは５Ｌに設定される。

なお、図６（Ｂ）に示す状態で、（２），（３），（４），（１０），（１１）および（１２）番の固定子コイル１８がオフされると、永久磁石２０は固定子コア１４との吸引力によって静止状態を保持する。

また、図示は省略するが、図６（Ｂ）に示す状態で、（１１），（１２），（１３）番の固定子コイル１８がオンされると、さらに駆動力が得られ、永久磁石２０はさらに１ステップ移動して、（１２）番の固定子コイル１８と対向する位置で静止する。このとき、（３），（４），（５）番の固定子コイル１８もまたオンされるため、上述と同様に、軟磁性体２２にも進行方向に駆動力が働く。

さらに、図示は省略するが、図５（Ａ）に示した状態で、（８），（９），（１０）番の固定子コイル１８がオンされると、永久磁石２０は、図６（Ａ）に示した方向とは逆方向（図６（Ａ）の左方向）に駆動力を得る。これは、軟磁性体２２についても同様である。したがって、移動子１２すなわち永久磁石２０は図６（Ａ）の左方向に１ステップ移動される。つまり、移動子１２は、オンされる固定子コイル１８によって、軸方向に直線的に移動されるのである。

このように、固定子コイル１８への電圧印加を制御することにより、永久磁石２０すなわち移動子１２の移動を制御することができる。なお、印加電圧はたとえばＰＷＭされたパルス列であり、その印加時間，パルス幅およびレベル（パルス高）等は、構成するモータの駆動条件当によって適宜に設定される。

この実施例によれば、永久磁石と軟磁性体との間に非磁性体を挟むように連結して移動子を形成し、移動子を駆動するときに、永久磁石および軟磁性体の両方に駆動力を与えるので、ディテントトルクを低減させずに電流量を抑えることができる。言い換えると、起動トルクを低減させずに電流量を抑えることができる。このため、熱の発生を可及的抑制することができ、無駄な電力消費を削減することができる。

また、ディテントトルクを低減させる必要がないので、静止状態において、移動子を確実に保持することができる。

なお、上述の実施例で示したリニアモータは一例であり、これに限定される必要はない。移動子を上述の実施例で示したような構成にするのであれば、他の構成にすることも可能である。たとえば、背景技術に例示した特開平７−１７７７２３号に開示される円筒形リニアパルスモータや本願出願人が先に出願した特願２００３−４９８３４号に開示されるリニアモータなどと同じ構成にすることができる。

この発明のリニアステッピングモータの一例を示す図解図である。 図１実施例に示すリニアステッピングモータのIIＡ−IIＡ断面図およびその一部を拡大した拡大図である。 図１実施例に示すリニアステッピングモータを構成する固定子コアの一例を示す図解図である。 図１実施例に示すリニアステッピングモータのIVA−IVA断面図およびこの断面図と同じ断面で固定子コイルが配置されていない部分の断面図である。 図１実施例に示すリニアステッピングモータの動作を説明するための図解図である。 図１実施例に示すリニアステッピングモータの動作を説明するための図解図である。 従来技術の円筒形リニアパルスモータを示す図解図である。

符号の説明

１０ …リニアステッピングモータ
１２ …移動子
１４ …固定子コア
１６ …軸受
１８ …固定子コイル
２０ …永久磁石
２２ …軟磁性体
２４ …連結保持部材
１４０ …コア
１４２ …支持部材

Claims (3)

1. 棒状に形成される移動子と、
   前記移動子の周囲に設けられる固定子コアと、
   前記固定子コアの内側であり、前記移動子を囲むように巻かれた複数の固定子コイルとを備え、
   前記移動子は永久磁石，軟磁性体および非磁性体を含み、
   前記永久磁石と前記軟磁性体との間に前記非磁性体を挟むようにそれぞれ連結して前記移動子を形成し、
   前記永久磁石と前記軟磁性体とに駆動力を与えるようにした、リニアステッピングモータ。
2. 隣接する前記固定子コイルの配置ピッチをＬとし、同時にオンする連続する前記固定子コイルの数をｎ（ｎは３以上の整数）とするとき、前記永久磁石の長さを（ｎ−２）Ｌに決定し、前記軟磁性体の長さをｎＬに決定するようにした、請求項１記載のリニアステッピングモータ。
3. 前記永久磁石と前記軟磁性体との配置距離に対応する個数おきに前記複数の固定子コイルを直列接続するようにした、請求項１または２記載のリニアステッピングモータ。

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