JP4264021B2 - シリンダ形リニア同期モータ - Google Patents

Description

本発明は、可動子が固定子の内部に配置されて直線運動をするシリンダ形リニア同期モータに関するものである。

現在、シリンダ形リニアモータとして実際に販売されているものとしては、シリンダ形のリニアステッピングモータ（またはリニアパルスモータ）がある。この市販されているシリンダ形のリニアステッピングモータは、内周面に直動軸の軸線方向に沿って複数の小歯が形成され且つ励磁巻線が巻装された複数の固定子コアからなる固定子と、直動軸に固定され内部に永久磁石を備えて外周面に直動軸の軸線方向に沿って複数の小歯が形成された可動部を備えた可動子とを備えている。そしてこのリニアステッピングモータでは、複数の固定子コアの励磁巻線を順次励磁することにより固定子の小歯と可動子の小歯との間に推力を発生させて直動軸を直線運動させる。

リニアステッピングモータは、位置制御性能は高いものの、大きな推力を得ることができない。そのため大きな負荷トル7クを必要とする用途には不向きである。

本発明の目的は、大きな推力を得ることができて、しかも構造が簡単なシリンダ形リニア同期モータを提供することにある。

本発明の他の目的は、励磁巻線を固定子コアに巻回する必要のないシリンダ形リニア同期モータを提供することにある。

本発明の他の目的は、直動軸を支持するリニア軸受の寿命を長くすることができるシ
リンダ形リニア同期モータを提供することにある。

本発明の更に他の目的は直動軸を支持するリニア軸受の寿命を長くすることができて、しかもより大きな推力を得ることができるシリンダ形リニア同期モータを提供することにある。

本発明の他の目的は、可動子と固定子との間に位置関係を検出する位置検出センサを内蔵したシリンダ形リニア同期モータを提供することにある。

本発明の他の目的は、可動子と固定子との間に位置関係の検出精度が高いシリンダ形リニア同期モータを提供することにある。

本発明の別の目的は、防水性能の高いシリンダ形リニア同期モータを提供することにある。

本発明の他の目的は、組み立てが容易でしかも機械的強度の高いシリンダ形リニア同期モータを提供することにある。

本発明の他の目的は、可動子の構造及び組み立てが簡単なシリンダ形リニア同期モータを提供することにある。

本発明のシリンダ形リニア同期モータでは、シリンダ形のフレームを有するケースの両端に一対のリニア軸受が取付けられている。具体的なものでは、内部に空洞を有するシリンダ形のフレームの両端に固定された一対のエンドブラケットに一対のリニア軸受がそれぞれ取付けられている。リニア軸受としては、一般的にはボールスプラインが用いられる。

可動子は、一対のリニア軸受に直線往復運動可能に支持された直動軸と、直動軸に固定されてフレームの空洞内に配置され且つ直動軸の軸線方向に延びる磁石取付部を備えた透磁性材料からなる磁石取付体と、この磁石取付体の磁石取付部に支持され且つ磁極面に交互にＮ極とＳ極とが現れるように軸線方向に並べれられた複数の永久磁石からなる１以上の永久磁石列とを備えて構成される。１つの永久磁石列を構成する複数の永久磁石は、物理的に分離した複数の永久磁石であってもよいし、物理的に１つの磁性体が長手方向に交互にＮ極とＳ極とに着磁されて構成された複数の永久磁石でもよい。

永久磁石列が複数列ある場合には、複数列の永久磁石列は周方向にほぼ等しい間隔をあけて配置するのが好ましい。但し、径方向の外面にＮ極またはＳ極が現れるように着磁された円環状永久磁石を用いて、永久磁石列の集合体を構成してもよい。具体的には、可動子の磁石取付体の外周部に軸線方向に所定の間隔をあけてＮ極とＳ極が交互に並ぶように円環状永久磁石を嵌合させて固定する。このような複数の円環状永久磁石を用いた場合には、複数の円環状永久磁石の固定子コアの複数の磁極部と対向する部分が、それぞれ永久磁石列を構成する複数の永久磁石となる。このような円環状永久磁石を用いると、可動子の構造が簡単になるだけでなく、永久磁石の磁石取付体への取付が容易になる。

固定子は、ケースのフレームの内周側に固定された基部及び直動軸の径方向において磁極面が１以上の永久磁石列と対向し且つ軸線方向に所定の間隔をあけて配置された複数の磁極部を有する１以上の固定子コアと、１以上の固定子コアの複数の磁極部の磁極面に所定の極性の磁極が現れるように各磁極部を励磁する複数の励磁巻線とから構成される。磁気的なバランスから見ると固定子コアは複数あることが好ましく、複数の固定子コアは可動子の複数の永久磁石列とそれぞれ対向するように周方向にほぼ等しい間隔をあけて配置するのが好ましい。

シリンダ形リニア同期モータでは、固定子の複数の励磁巻線に流れる励磁電流の通電方向を変えて複数の磁極部の磁極面に現れる磁極の極性を変えることにより移動磁界を発生して、１以上の永久磁石列と複数の磁極部との間に直動軸を軸線方向に変位さる推力を発生する。励磁電流が交流電流であれば、その周波数に応じて磁極部の磁極面に現れる磁極の極性が変化することになる。多相の交流電流を複数の励磁巻線に通電すれば多相同期モータとなるため、大きな推力を得ることができる。励磁電流の極性及び大きさを固定すれば固定子と可動子との間には吸引力のみが働き、可動子の位置は固定される。

固定子コアの磁極部を励磁する場合、回転電機の発想に従えば、磁極部の外周に巻線導体を巻回することになる。この回転電機の発想をリニア同期モータに持ち込むと、軸線方向の長さが長くなる上、巻線の巻回作業が大変になる。そこで本発明では、固定子の複数の励磁巻線として、それぞれ可動子の周囲を周方向に囲むように巻線導体を環状に巻回してなる環状巻線を用いる。そして１以上の固定子コアの軸線方向に隣接する２つの磁極部間に形成されたスロットに対応する１つの励磁巻線の一部を嵌合させる構造を採用する。このようにすると１つのスロットに嵌合された励磁巻線が発生する磁束が隣接する２つの磁極部を循環するように流れて、隣接する２つの磁極部の磁極面には極性の異なる磁極が現れる。１以上の固定子コアの複数のスロットに嵌合した複数の励磁巻線に流す励磁電流を適当に切り替えることにより、固定子側に軸線方向の一方の方向から他方の方向に向かって（または他方の方向から一方の方向に向かって）Ｎ極とＳ極の磁界が所定の速度で移動しているのと同じ状態の移動磁界が得られる。この移動磁界は、多相同期電動機で用いる回転磁界に相当するものである。この移動磁界により、固定子コアの複数の磁極部と可動子の永久磁石列との間に推力が発生して直動軸が軸線方向に移動する。固定子コアの複数の磁極部の磁極面に現れる磁極を一定にすれば、可動子と固定子との間には吸引力のみが発生して可動子は固定される。

複数の励磁巻線に位相の異なるｐ相（但しｐは２以上の正の整数）の励磁電流を流して移動磁界を得る場合に、ｍ個（但しｍは２以上の正の整数）の固定子コアを用いるときには、ｍ個の固定子コアを周方向にほぼ等しい間隔をあけて配置する。また複数の励磁巻線として、ｐ×ｑ個（但しｑは１以上の正の整数）の環状巻線を用意する。１つの固定子コアにｎ個の磁極部を設けるとすると、この場合ｎはｎ＝ｐ×ｑ＋１の関係になる。そしてｍ個の固定子コアの軸線方向に隣接する２つの磁極部間にそれぞれ形成されるｎ−１個のスロットに、それぞれ対応する１つの環状巻線の一部を嵌合させる。このようにするとｍ個の固定子コアのｎ個の磁極部から、完全に同期した移動磁界を発生せることができる。スロットに環状巻線を嵌合させるだけでよいため、スロットの軸線方向の寸法（隣接する２つの磁極部間の間隔）が狭くなっても、固定子を簡単に構成することができる。

励磁巻線として用いる環状巻線を構成する場合には、巻線作業の作業性と巻回密度の向上及び励磁巻線の保護の観点から、励磁巻線を絶縁材料からなるボビンに巻回して構成するのが好ましい。この場合には、ボビンの一部をスロットに嵌合する。各励磁巻線を巻装するボビンは各励磁巻線ごとに独立していてもよいが、各ボビンが一体に連結されていてもよい。

固定子コアの複数の磁極部の磁極面を実質的に平坦に構成し、磁石取付体の磁石取付部に取付けられた永久磁石列を構成する複数の永久磁石の磁極面を複数の磁極部の磁極面との間の間隙寸法が実質的に一定になるようにほぼ平坦にすると、固定子の磁極面と可動子の磁極面との間の間隙寸法に実質的に変化がないため、磁気的にみて最も大きな推力が得られ、直動軸に偏った力が加わるのを阻止することができる。そのためリニア軸受に大きな力が加わることがなく、リニア軸受の寿命を延ばすことができる。なおこのような構成にすると、永久磁石が固定された状態の可動子の磁石取付体の輪郭の横断面形状はいわゆる角形となる。

回転電機の可動子のように、永久磁石が固定された状態の可動子の磁石取付体の輪郭の横断面形状が実質的に円形になるように、永久磁石の磁極面を円弧状に形成すると、回転電機の製造設備を用いて可動子及び固定子を構成する各部品を製造できるため、製造コストを下げることができる。その場合、固定子コアの複数の磁極部の磁極面と永久磁石の磁極面との間の間隙寸法のバラツキが余り大きくならないように固定子コアの複数の磁極部の磁極面を湾曲させるのが好ましい。回転電機の固定子コアと同様に、固定子コアは複数枚の鋼板を積層して構成する。その場合には、複数の磁極部を構成する歯部を備えた櫛歯状の複数枚の鋼板を用いる。そして櫛歯状の複数枚の鋼板を固定子コアの磁極面が円弧状になるように（湾曲するように）積層する。この場合に、可動子の構造を簡単にするためには、前述の円環状永久磁石を用いればよい。

リニアステッピングモータと異なって、リニア同期モータは、励磁巻線に流れる励磁電流を切り替えるために、可動子と固定子との軸線方向における位置関係を検出する位置検出センサを必要とする。ケースの外部に突出する直動軸の変位を検出するように位置検出センサを設けることも考えられるが、このようにすると既存のモータと同様の感覚で取扱うことができず不便である。またこのようにすると温度変化による各部材の熱膨脹による検出誤差が大きくなって位置制御精度が悪くなる問題も生じる。そこで可動子と固定子との軸線方向における位置関係を検出する位置検出センサをフレームの内部に配置すれば、上記の問題はほぼ解消できる。位置検出センサは、可動子に取付けられた光学的にまたは磁気的に検出可能な被検出体と、フレームの内周部に固定されて被検出部の位置または移動量を光学的にまたは磁気的に検出する検出部とから構成できる。この場合に、可動子の磁石取付体とフレームは熱膨脹係数が異なる材料によって形成されているときには、被検出部を永久磁石列よりも直動軸の負荷が接続される出力軸部に近い位置に配置するのが好ましい。このようにすると検出部も当然にして負荷が接続される出力軸部に近い位置に配置されることになる。このようにすれば負荷が接続させる出力軸部に近い位置に位置検出センサが配置されるため、センサが検出する誤差が小さくなる。もし直動軸の出力軸部と反対側の非出力軸部側に位置検出センサを配置すると、出力軸部側から非出力軸部側に位置する各部の膨脹が累積して被検出部及び検出部の取付位置の変化として現れる。これに対して位置検出センサの被検出部及び検出部を直動軸の出力軸部側に近い位置に配置すると、被検出部及び検出部の取付位置を変化させる熱膨脹の累積値がわずかであるため、位置検出センサの検出精度が高くなり、その分リニア同期モータの位置決め精度が高くなる。なお磁石取付体の出力軸部側の外周に位置検出センサの被検出部を取付ける部分を形成しておけばよい。

また一対のエンドブラケットの直動軸の負荷が接続されない非出力軸部側の端部を支持するリニア軸受が取付けられる側のエンドブラケットに、該エンドブラケットから突出する直動軸の非出力軸部側の端部を覆うカバー部材を取付けてもよい。このようにすると直動軸の非出力軸部とリニア軸受部を保護できる。とくにカバー部材として防水性を有する構造のものを用いれば、直動軸の非出力軸部側からモータの内部に水分が入り込むのを阻止できる。このような機能は、特に直動軸の非出力軸部側が上側に位置するようにして直動軸を上下方向に変位させる姿勢で本発明のリニア同期モータを用いる場合に効果を発揮する。

また固定子コアのフレームに対する取付けに関して次のようにするのが好ましい。フレームの内周部に複数の固定子コアの基部がフレームの一方の開口端部側から挿入可能な複数の嵌合溝を形成しておく。これら複数の嵌合溝にはフレームの他方の開口端部側に固定子コアの軸線方向の一方の端面と接触して固定子コアの位置決めを図るストッパ面を設ける。そして固定子コアの基部が嵌合溝に嵌合されて固定子コアの一方の端面がストッパ面と接触した状態で、固定子コアの軸線方向の他方の端面と接触するストッパ部材をフレームに対して固定する。更に固定子コア、複数の励磁巻線及びストッパ部材を絶縁モールド材料によりモールドする。ストッパ面とストッパ部材は、固定子コアに働く軸線方向への反力を受けて、固定子コアが軸線方向に変位するのを阻止する機能を果たす。この機能があるために、モールド部に力が加わってモールド部にクラック等が入るのを防止できる。

本発明のシリンダ形リニア同期モータでは、固定子の複数の励磁巻線に流れる励磁電流の通電方向を変えて複数の磁極部の磁極面に現れる磁極の極性を変えることにより移動磁界を発生して、１以上の永久磁石列と複数の磁極部との間に直動軸を軸線方向に変位さる推力を発生するため、公知のシリンダ形リニアステッピングモータよりも大きな推力を得ることができる。特に本発明によれば、固定子の複数の励磁巻線として、それぞれ可動子の周囲を周方向に囲むように巻線導体を環状に巻回してなる環状巻線を用い、固定子コアの軸線方向に隣接する２つの磁極部間に形成されたスロットに対応する励磁巻線の一部を嵌合させる構造を採用するため、励磁巻線を固定子コアの磁極部に巻回する必要がなくなる。そのため本発明によれば、大きな推力を発生することができるシリンダ形リニア同期モータを簡単な構造で構成することができる。

以下本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明をシリンダ形リニア三相同期モータ１に適用した実施の形態の一例の一部破断断面図であり、図２は図１の半部横断面図である。このシリンダ形リニア三相同期モータ１のケース３は、非磁性材料（例えばアルミニューム）製のシリンダ形のフレーム５とアルミニューム製の一対のエンドブラケット７及び９とから構成されている。フレーム５は、内部に円筒状の空洞５ａを有しており、またその両端開口部の内側にエンドブラケット７及び９が嵌合される環状の段部５ｂ，５ｂを有している。エンドブラケット７及び９の中央部の開口部７ａ及び９ａには、ボールスプラインからなるリニア軸受１１及び１３が嵌合されている。リニア軸受１１及び１３は、エンドブラケット７及び９に対して４本の捩子１５で固定されている。一対のエンドブラケット７及び９のフレーム５の段部５ｂ，５ｂに嵌合される環状突出部７ｂ及び９ｂの外周部には、径方向外側に向かって開口する環状の溝７ｃ及び９ｃが形成されており、この溝７ｃ及び９ｃ内にはシール用のオーリング１７及び１９が嵌合されている。図２に示されるようにエンドブラケット７及び９には、輪郭形状がほぼ四角形をなすフランジ部７ｄ及び９ｄが一体に設けられており、このフランジ部の四隅には、取付用のボルトを挿入する孔２１及び２３がそれぞれ形成されている。なおエンドブラケット７及び９は、フレーム５に対して捩子２５により固定されている。

一対のリニア軸受１１及び１３には、直線往復運動可能に鉄製の直動軸２７が支持されている。図１に示した状態は、直動軸２７の負荷が接続される出力軸部２７ａが最も外側に突出した状態である。ケース３の内部に位置する直動軸２７の部分には、磁性材料である鉄製の磁石取付体２９が直動軸２７と同心になるように固定されている。磁石取付体２９は、基本的には円筒形形状を成しており、その内部には直動軸２７の外周に嵌合される嵌合孔２９ａと、この嵌合孔２９ａの両側に位置して嵌合孔２９ａよりも径寸法の大きい第１及び第２の大径孔２９ｂ及び２９ｃが形成されている。第１の大径孔２９ｂは、リニア軸受１１の内側端部の外周面と接触しない径寸法を有しており、また第２の大径孔２９ｃもリニア軸受１３の外周面と接触しない径寸法を有している。磁石取付体２９の第１の大径孔２９ｂが形成されている部分（直動軸２７の出力軸部２７ａ側の端部）の外周には、後に説明する位置検出センサの被検出部５１として用いられるリニアスケールが取付けられる段部２９ｄが形成されている。また第２の大径孔２９ｃが形成される部分の外周部が磁石取付部３０を構成している。磁石取付部３０は、直動軸２７の軸線方向に延びるほぼ円筒形状を有してり、その外周には８個の円環状永久磁石３１ａ〜３１ｈが嵌合されている。隣接する２つの円環状永久磁石の間及び円環状永久磁石３１ｈの軸線方向外側には非磁性材料からなり一部が切断されたほぼ環状またはＣ字状のストッパ部材３３…が嵌合されている。磁石取付部３０の外周部には、ストッパ部材３３…が嵌合される嵌合溝が形成されている。なお円環状永久磁石３１ａ〜３１ｈは接着剤を介して磁石取付部３０に固定してもよいし、円環状永久磁石３１ａ〜３１ｈの全体を合成樹脂によりモールドしてもよい。更に円環状永久磁石３１ａ〜３１ｈが嵌合された磁石取付部３０の外側に熱収縮チューブを被せた後、熱収縮チューブを加熱して熱収縮させて、円環状永久磁石３１ａ〜３１ｈを全体的に包み込むようにしてもよい。円環状永久磁石３１ａ，３１ｃ，３１ｅ及び３１ｇは、径方向の外面にＮ極が現れるように着磁されており、円環状永久磁石３１ｂ，３１ｄ，３１ｆ及び３１ｈは、径方向の外面にＳ極が現れるように着磁されている。その結果、直動軸２７の軸線方向にＮ極とＳ極とが交互に並ぶ永久磁石の列が形成されることになる。なお後述する６個の固定子コアの７個の磁極部と対向する各円環状永久磁石の部分が、それぞれ本発明における周方向に所定の間隔を明けて配置された複数の永久磁石列を構成する複数の永久磁石を構成する。この例では、直動軸２７と、磁石取付体２９と円環状永久磁石３１ａ〜３１ｈによって可動子３２が構成されている。

なお磁石取付体２９の直動軸２７への固定の態様は任意であるが、この例では直動軸２７の２か所に周方向に４つずつ設けた嵌合孔にピン３４を嵌合して磁石取付体２９を直動軸２７に対して固定している。

フレーム５の内周部には、６個の固定子コア３５…が固定されている。６個の固定子コア３５…は、それぞれフレーム５の内周側に固定された基部３５ａ及び直動軸２７の径方向において磁極面３５ｂ…が円環状永久磁石３１ａ〜３１ｈによって形成される永久磁石列と対向し且つ直動軸２７の軸線方向に所定の間隔をあけて配置された７つの磁極部３５ｃ…を有している。固定子コア３５は、複数枚の鋼板を積層して構成されている。鋼板としては、磁極部３５ｃ…を構成する歯部を備えた櫛歯状の複数枚の鋼板を用いる。そして櫛歯状の複数枚の鋼板を固定子コアの磁極面３５ｂが円弧状になるように（湾曲するように）積層する。なお積層した各鋼板はレーザ溶接等により相互に結合されている。６個の固定子コア３５…は、磁極面３５ｂが可動子の永久磁石列とそれぞれ対向するように周方向にほぼ等しい間隔（この例では６０度間隔）をあけて配置されている。

フレーム５の内周部に固定子コア３５の基部３５ａを固定するための構造は任意である。この例ではフレーム５の内周部に一方の開口端部（エンドブラケット９側の開口端部）側から挿入可能な６つの嵌合溝５ｃ…を周方向に等しい間隔を明けて形成している。そしてこれら嵌合溝５ｃには、フレーム５の他方の開口端部（エンドブラケット７側の開口端部）側に固定子コア３５の軸線方向の一方の端面と接触して固定子コア３５の位置決めを図るストッパ面５ｄを設けてある。そして固定子コア３５の基部３５ａは、嵌合溝５ｃに圧入嵌合されている。固定子コア３５の軸線方向の一方の端面がストッパ面５ｄと接触した状態で、固定子コア３５の軸線方向の他方の端面と接触するように、環状のストッパ部材３７がフレーム５の内周部に対して固定されている。ストッパ部材は溶接または捩子止め等によりフレーム５に対してしっかりと固定されている。

各固定子コア３５の隣接する２つの磁極部３５ｃ間に形成される６個のスロットには、巻線導体を環状に巻回してなる環状巻線からなる励磁巻線３９ａ〜３９ｆの一部がそれぞれ嵌合されている。なお図１の例では、各励磁巻線３９ａ〜３９ｆは、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すような合成樹脂製のボビン４１に巻線導体が巻回されて構成されており、ボビン４１の一部と一緒に励磁巻線が各スロットに嵌合されている。理解を容易にするために、図２及び図３においては、ボビン４１を省略してある。ボビンは、円筒部４１ａの両端に環状の２枚の鍔部４１ｂが結合された構造になっており、２枚の鍔部４１ｂ，４１ｂの間に絶縁材料により被覆された巻線導体３９が巻回されて各励磁巻線が構成されている。図４（Ｂ）において４０は励磁巻線の引出し線である。図２及び図３に示した概略斜視図を見ると分かるように、隣接する２つの固定子コア３５の間には、軸線方向に延びる６本の空間４３が形成される。各励磁巻線３９ａ〜３９ｆからの引出し線４０は、この空間４３を利用して引き回されて給電線または所定の励磁巻線の引出し線と接続される。なお本質的にはボビン４１を用いる必要はないが、ボビン４１を用いると作業性及び絶縁性は大幅に向上する。

この例では固定子コア３５…、励磁巻線３９ａ〜３９ｆ及びストッパ部材３７を絶縁モールド材料によりモールドしてモールド部４５を形成する。なお図１においては、モールド部４５を破線で示してある。ストッパ面５ｄとストッパ部材３７は、固定子コア３５…に働く軸線方向への反力を受けて、固定子コア３５…が軸線方向に変位するのを阻止する機能を果たす。この機能があるために、モールド部４５に力が加わってモールド部４５にクラック等が入るのを防止できる。 なおこの例では、固定子コア３５…と励磁巻線３９ａ〜３９ｆとにより固定子４７が構成されている。

リニアステッピングモータと異なって、リニア同期モータは、励磁巻線３９ａ〜３９ｆに流れる励磁電流を切り替えるために、可動子３２と固定子４７との軸線方向における位置関係を検出する位置検出センサを必要とする。ケースの外部に突出する直動軸２７の変位を検出するように位置検出センサを設けることも考えられるが、このようにすると既存のモータと同様の感覚で取扱うことができず不便である。またこのようにすると温度変化による各部材の熱膨脹による検出誤差が大きくなって位置制御精度が悪くなる問題も生じる。そこでこの例では、図１に示すように可動子３２と固定子４７との軸線方向における位置関係を検出する位置検出センサ４９をフレーム５の内部に配置している。位置検出センサ４９は、可動子３２に取付けられた光学的にまたは磁気的に検出可能な被検出部５１と、フレーム５の内周部に固定されて被検出部５１の位置または移動量を光学的にまたは磁気的に検出する検出部５３とから構成できる。光学的に位置を検出する位置検出センサでは、被検出部５１として所定の反射パターンを備えたリニアスケールを用いる。そして発光部と受光部とを備えた検出部５３から被検出部５１に光を照射して反射してきた光に含まれる情報に基づいて位置を検出する。この例では、可動子３２の磁石取付体２９とフレーム５は熱膨脹係数が異なる材料によって形成されている。そこで被検出部５１を直動軸２７の負荷が接続される出力軸部２７ａに近い位置に配置し、検出部５３も出力軸部２７ａに近い位置に配置してある。直動軸２７の出力軸部２７ａを通して負荷側から伝達される熱が直動軸２７を通して、モータ１のケース３の内部に伝わると、直動軸２７、磁石取付体２９及びフレーム５がそれぞれ熱膨脹を起こす。もし直動軸２７の出力軸部２７ａと反対側の非出力軸部２７ｂ側に位置検出センサを配置すると、出力軸部２７ａ側から非出力軸部側２７ｂに位置する各部の膨脹が累積して被検出部及び検出部の取付位置の変化として現れる。これに対してこの例のように位置検出センサ４９の被検出部５１及び検出部５３を直動軸２７の出力軸部側に近い位置に配置すると、被検出部５１及び検出部５３の取付位置を変化させる熱膨脹の累積値がわずかであるため、位置検出センサ４９の検出精度が高くなり、その分リニア同期モータの位置決め精度が高くなる。

図１の例では、直動軸２７の負荷が接続されない非出力軸部２７ｂ側の端部を支持するリニア軸受１３が取付けられる側のエンドブラケット９には、エンドブラケット９から突出する直動軸２８の非出力軸部２７ｂ側の端部を覆う金属製または合成樹脂製のカバー部材５５が取付けられている。カバー部材５５を設けると、直動軸２７の非出力軸部２７ｂとリニア軸受部１３を保護できる。特にこの例ではカバー部材５５として防水性を有する構造のものを用いている。具体的には、カバー部材５５のフランジ部５５ａに、エンドブラケット９の外面に向かう方向に開口する環状の嵌合溝が形成してあり、この嵌合溝にシール用のオーリング５７が圧縮状態で嵌合されている。なおカバー部材５５は、フランジ部５５ａに設けた図示しない複数の貫通孔に捩子を挿入してエンドブラケット９に対して捩子止めされている。このような構造にすると、直動軸２７の非出力軸部２７ｂ側からモータの内部に水分が入り込むのを阻止できる。このような機能は、特に直動軸２７の非出力軸部側２７ｂが上側に位置するようにして直動軸２７を上下方向に変位させる姿勢でこのリニア三相同期モータ１を用いる場合に効果を発揮する。

シリンダ形リニア同期モータでは、固定子４７の励磁巻線３９ａ〜３９ｆに流れる励磁電流の通電方向を変えて各固定子コア３５の磁極部３５ｃ…の磁極面３５ｂ…に現れる磁極の極性を変えることにより移動磁界を発生し、可動子３２の永久磁石列と固定子４７の磁極部３５ｃ…との間に直動軸２７を軸線方向に変位させる推力を発生する。この例では励磁電流として正弦波の三相交流を用いる。三相交流の周波数に応じて磁極部３５ｃ…の磁極面３５ｂ…に現れる磁極の極性が変化する。多相の交流電流を励磁巻線に通電すれば多相同期モータとなるため、大きな推力を得ることができるのである。励磁電流を変化させなければ（極性及び大きさを固定すれば）固定子４７と可動子３２との間には吸引力のみが働き、可動子３２の位置は固定されることになる。

この例の励磁巻線３９ａ〜３９ｆの励磁態様について、図５を及び図６を用いて簡単に説明する。まずこの例では、電気角で１２０度ずつ位相がずれた３相の励磁電流Ｕ，Ｖ及びＷを用いる。そこで６個の固定子コア３５…の隣接する２個のスロットに嵌合される２個の励磁巻線３９ａ及び３９ｂにはＵ相の励磁電流を流し、その次に隣接する２個のスロットに嵌合される２個の励磁巻線３９ｃ及び３９ｄにはＶ相の励磁電流を流し、その次に隣接する２個のスロットに嵌合される２個の環状巻線３９ｅ及び３９ｆにはＷ相の励磁電流を流す。そして６個の固定子コア３５…のそれぞれの軸線方向に隣接する２つの磁極部３５ｃ…に現れる極性が異極性になるように６個の励磁巻線３９ａ〜３９ｆを結線する。この例では、図５に示した磁束の流れを生じさせるために、Ｕ相の励磁電流を流す励磁巻線３９ａ及び３９ｂにはそれぞれ逆方向にＵ相の励磁電流が流れるように引出し線を結線して、結線した引出し線にＵ相の給電線を接続する。なお図５に示した記号は電流の流れる方向を示している。Ｖ相の励磁電流を流す励磁巻線３９ｃ及び３９ｄも，それぞれ逆方向にＶ相の励磁電流が流れるように引出し線を結線して、結線した引出し線にＶ相の給電線を接続する。同様にして、Ｗ相の励磁電流を流す励磁巻線３９ｅ及び３９ｆも，それぞれ逆方向にＷ相の励磁電流が流れるように引出し線を結線して、結線した引出し線にＷ相の給電線を接続する。

このように結線して、位置検出センサ４９の出力に基づいて、各励磁巻線に流れる励磁電流を切り替えることにより、見掛け上軸線方向に移動する移動磁界を発生させると、同期電動機の原理と同様の動作原理で、可動子３２が軸線方向に移動する。励磁電流の切り替えを停止すれば、可動子３２と固定子４７との間には吸引力のみが働き可動子３２は停止する。

この例で用いた励磁態様を一般的に説明すると次のようになる。まず複数の励磁巻線に位相の異なるｐ相（但しｐは２以上の正の整数）の励磁電流を流して移動磁界を得る場合には、ｍ個（但しｍは２以上の正の整数）の固定子コアを用いるときには、ｍ個の固定子コアを周方向にほぼ等しい間隔をあけて配置する。また複数の励磁巻線として、ｐ×ｑ個（但しｑは１以上の正の整数）の環状巻線を用意する。１つの固定子コアにｎ個の磁極部を設けるとすると、この場合ｎはｎ＝ｐ×ｑ＋１の関係になる。そしてｍ個の固定子コアの軸線方向に隣接する２つの磁極部間にそれぞれ形成されるｎ−１個のスロットに、それぞれ対応する１つの環状巻線の一部を嵌合させる。このようにするとｍ個の固定子コアのｎ個の磁極部から、完全に同期した移動磁界を発生せることができる。スロットに環状巻線を嵌合させるだけでよいため、スロットの軸線方向の寸法（隣接する２つの磁極部間の間隔）が狭くなっても、固定子を簡単に構成することができる。そして多相の励磁電流を用いて推力を高める場合には、ｍ個の固定子コアの軸線方向に連続して並ぶｑ個のスロットに嵌合されたｑ個の環状巻線に同じ相の励磁電流を流す。そしてこのときでもｍ個の固定子コアのそれぞれの軸線方向に隣接する２つの磁極部に現れる極性が異極性になるようにｐ×ｑ個の環状巻線を結線する。このようにすると、多相化した場合でも配線が複雑にならない。推力を増減する場合には、同じ相の励磁電流が流れる環状巻線の数を増減すればよい。図１の例で、更に推力を大きくするためには、１相に対して３個の励磁巻線を用意する。その場合、各固定子コアの磁極部の数は１０個となり、励磁巻線の数は９個となる。

上記例では、円環状永久磁石３１ａ〜３１ｈを用いたが、各固定子コア３５…に対応して設けられる永久磁石列を独立した複数の永久磁石により構成してもよいのは勿論である。その場合には、実際的に複数の永久磁石列は、可動子３２の周方向に間隔をあけて設けられることになる。

上記例では、６個の固定子コア３５を周方向にほぼ等しい間隔をあけて配置したが、理論的には固定子コアは１つでもよい。しかしながら固定子コアを１つにすると、可動子と固定子との間に働く吸引力により直動軸に径方向の一方向に偏った力が働き、その力がリニア軸受に作用してリニア軸受の寿命を短くする。そのためこの例のように、複数の固定子コアを磁気バランス良く配置するのが好ましい。また固定子コアの数を多くすると、その分合成推力も大きくなるので、得ようとする推力に応じて固定子コアの数を決定してもよい。

上記例の可動子のように、永久磁石が固定された状態の可動子の磁石取付体の輪郭の横断面形状が実質的に円形になるように、永久磁石の磁極面を円弧状に形成すると、回転電機の製造設備を用いて可動子及び固定子を構成する各部品を製造できるため、製造コストを下げることができる。しかしながらこの構造では、固定子コア３５の磁極部３５ｃの磁極面３５ｂと永久磁石の磁極面との間の間隙寸法にバラツキが生じる。そこで図７に示すように、固定子コア１３５の複数の磁極部１３５ｃの磁極面１３５ｂを実質的に平坦に構成し、磁石取付体１２９の磁石取付部１３０に取付けられた永久磁石列を構成する複数の永久磁石１３１として平板状の磁石を用いると、永久磁石１３１の磁極面１３１ａが平坦になって、複数の磁極部１３５ｃ…の磁極面１３５ｂとの間の間隙寸法が実質的に一定になる。このようにすると固定子１４７の磁極面１３５ｂと可動子１３２の磁極面１３１ａとの間の間隙寸法に実質的に変化がないため、磁気的に見て最も大きな推力が得られ、しかも直動軸を回転させるようなトルクが発生するのを阻止することができる。そのためリニア軸受に偏った力が加わることがなく、リニア軸受の寿命を延ばすことができる。なおこのような構成にすると、永久磁石１３１が固定された状態の可動子１３２の磁石取付体１２９の輪郭の横断面形状はいわゆる角形となり、角形シリンダ形リニア同期モータとなる。

なお図７の角形シリンダ形リニア同期モータを構成する場合には、図８に示すように、永久磁石１３１を少しずつ傾けて即ちスキューさせて磁石取付体１２９の磁石取付部１３０に配置するのが好ましい。図８の例では、磁石取付体１２９の磁石取付部１３０の平面上に軸線方向に間隔をあけて円柱状のピン１４０…を固定する。そしてこのピン１４０の間に隣接する永久磁石とは異なる極性が磁極面に現れるように永久磁石１３１を２本のピン１４０の間に配置する。このようにすると隣接する磁石どうしは吸引力によって角部が引き合い、図示のように交互に異なった方向に傾斜（スキュー）した状態になる。そしてこの状態で、磁石取付部１３０の周囲に熱収縮チューブを被せ、熱収縮チューブを収縮させれば、永久磁石１３１…をそれぞれ軸線方向に対して傾けた状態で磁石取付部１３０に固定することができる。このような永久磁石１３１の取付構造を採用すれば、コギングトルクを向上させることができる。なお永久磁石をスキューさせる構造を上記図１の例に適用しても良いのは勿論である。

なお上記の例で説明した励磁巻線の励磁態様または方法は一例であって、本発明を実施する場合の励磁巻線の励磁方法は移動磁界を発生できるものであれば任意である。

本発明をシリンダ形リニア三相同期モータに適用した実施の形態の一例の一部破断断面図である。 図１の半部横断面図である。 図１の例の固定子の概略斜視図である。 （Ａ）はボビンの斜視図、（Ｂ）はボビンに励磁巻線を巻装した状態の断面図である。 図１のシリンダ形リニア三相同期モータの固定子側の励磁巻線の配置状態を説明するために用いる図である。 図１のシリンダ形リニア三相同期モータの固定子と可動子の関係を示す図である。 本発明を角形シリンダ形リニア同期モータに適用した場合の固定子と可動子の関係を示す図である。 図７の角形シリンダ形リニア同期モータにおける永久磁石の取付け方の一例を説明するために用いる図である。

符号の説明

１ シリンダ形リニア三相同期モータ
３ ケース
５ フレーム
７，９ エンドブラケット
１１，１３ リニア軸受
２７ 直動軸
２７ａ 出力軸部
２９，１２９ 磁石取付体
３１ａ〜３１ｈ 円環状永久磁石
１３１ 永久磁石
３２，１３２ 可動子
３５，１３５ 固定子コア
３５ｂ，１３５ｂ 磁極面
３５ｃ，１３５ｃ 磁極部
３９ａ〜３９ｆ 励磁巻線（環状巻線）
４１ ボビン
４７，１４７ 固定子
５５ カバー部材

Claims (7)

1. シリンダ形のフレームと、
   前記フレームの両端に固定された一対のエンドブラケットと、
   前記フレームを有するケースの両端に取付けられた一対のリニア軸受と、
   前記一対のリニア軸受に直線往復運動可能に支持された直動軸、前記直動軸に固定されて前記フレーム内に配置され且つ前記直動軸の軸線方向に延びる磁石取付部を備えた透磁性材料からなる磁石取付体及び前記磁石取付体の前記磁石取付部に支持され且つ磁極面に交互にＮ極とＳ極とが現れるように軸線方向に並べれられた複数の永久磁石からなる１以上の永久磁石列を備えた可動子と、
   前記フレームの内周側に固定された基部及び前記直動軸の径方向において磁極面が前記１以上の永久磁石列と対向し且つ前記軸線方向に所定の間隔をあけて配置された複数の磁極部を有する１以上の固定子コア並びに前記１以上の固定子コアの前記複数の磁極部を励磁する複数の励磁巻線を備えた固定子とを具備し、
   前記複数の励磁巻線に流れる励磁電流の方向を変えて前記複数の磁極部の磁極面に現れる磁極の極性を変えることにより移動磁界を発生させて、前記１以上の永久磁石列と
   前記複数の磁極部との間に前記直動軸を前記軸線方向に変位させる推力を発生するように構成されたシリンダ形リニア同期モータであって、
   前記固定子の前記複数の励磁巻線はそれぞれ前記可動子の周囲を周方向に囲むように巻線導体が環状に巻回されて構成されており、
   前記１以上の固定子コアの前記軸線方向に隣接する２つの前記磁極部間に形成されたスロットに対応する１つの前記励磁巻線の一部が嵌合されており、
   前記一対のエンドブラケットの前記直動軸の負荷が接続されない非出力軸部側の端部を支持する前記リニア軸受が取付けられる側の前記エンドブラケットには、該エンドブラケットから突出する前記直動軸の前記非出力軸部側の端部を覆うカバー部材が取付けられており、
   前記可動子と前記固定子との前記軸線方向における位置関係を検出する位置検出センサが、前記フレームの内部に配置されており、
   前記位置検出センサは、前記可動子に取付けられた光学的にまたは磁気的に検出可能な被検出部と、前記フレームに固定されて前記被検出部の位置または移動量を光学的にまたは磁気的に検出する検出部とから構成され、
   前記可動子の前記磁石取付体と前記フレームは熱膨脹係数が異なる材料によって形成されており、
   前記被検出部は前記永久磁石列よりも前記直動軸の負荷が接続される出力軸部に近い位置に配置されており、
   前記フレームの内周部には前記１以上の固定子コアの前記基部が前記フレームの一方の開口端部側から挿入可能な複数の嵌合溝が形成されており、
   前記複数の嵌合溝は前記フレームの他方の開口端部側に前記固定子コアの前記軸線方向の一方の端面と接触して前記固定子コアの位置決めをするストッパ面を有しており、
   前記固定子コアの前記基部が前記嵌合溝に嵌合されて前記固定子コアの前記一方の端面が前記ストッパ面と接触した状態で、前記固定子コアの前記軸線方向の他方の端面と接触するストッパ部材が前記フレームに対して固定されていることを特徴とするシリンダ形リニア同期モータ。
2. 内部に空洞を有するシリンダ形のフレームと、
   前記フレームの両端に固定された一対のエンドブラケットと、
   前記一対のエンドブラケットに取り付けられた一対のリニア軸受と、
   前記一対のリニア軸受に直線往復運動可能に支持された直動軸、前記直動軸に固定されて前記フレームの前記空洞内に配置され且つ前記直動軸の軸線方向に延びる磁石取付部を備えた透磁性材料からなる磁石取付体及び前記磁石取付体の前記磁石取付部に支持され且つ磁極面に交互にＮ極とＳ極とが現れるように軸線方向に並べれられた複数の永久磁石からなり周方向に間隔をあけて配置されたｍ列（但しｍは２以上の正の整数）の永久磁石列を備えた可動子と、
   前記フレームの内周側に固定された基部及び前記直動軸の径方向において磁極面が前記ｍ列の永久磁石列と対向し且つ前記軸線方向に所定の間隔をあけて配置されたｎ個（但しｎは３以上の正の整数）の磁極部を有するｍ個の固定子コア及び前記ｍ個の固定子コアの前記ｎ個の磁極部の磁極面に所定の極性の磁極が現れるように各磁極部を励磁する複数の励磁巻線を備えた固定子とを具備し、
   前記複数の励磁巻線に位相の異なるｐ相（但しｐは２以上の正の整数）の励磁電流を流して前記複数の磁極部の磁極面に現れる磁極の極性を変えることにより移動磁界を発生して、前記ｍ列の永久磁石列と前記ｍ個の固定子コアの前記ｎ個の磁極部との間に前記直動軸を前記軸線方向に変位させる推力を発生するように構成されたシリンダ形リニア同期モータであって、
   前記ｍ個の固定子コアは前記可動子の周方向にほぼ等しい間隔をあけて配置されており、
   前記複数の励磁巻線は、それぞれ前記可動子の周囲を周方向に囲むように巻線導体が環状に巻回されてなるｐ×ｑ個（但しｑは１以上の正の整数）の環状巻線からなり、
   前記ｎはｎ＝ｐ×ｑ＋１の関係にあり、
   前記ｍ個の固定子コアの前記軸線方向に隣接する２つの前記磁極部間にそれぞれ形成されたｎ−１個のスロットにそれぞれ対応する１つの前記環状巻線の一部が嵌合されており、
   前記一対のエンドブラケットの前記直動軸の負荷が接続されない非出力軸部側の端部を支持する前記リニア軸受が取付けられる側の前記エンドブラケットには、該エンドブラケットから突出する前記直動軸の前記非出力軸部側の端部を覆うカバー部材が取付けられて
   おり、
   前記可動子と前記固定子との前記軸線方向における位置関係を検出する位置検出センサが、前記フレームの内部に配置されており、
   前記位置検出センサは、前記可動子に取付けられた光学的にまたは磁気的に検出可能な被検出部と、前記フレームに固定されて前記被検出部の位置または移動量を光学的にまたは磁気的に検出する検出部とから構成され、
   前記可動子の前記磁石取付体と前記フレームは熱膨脹係数が異なる材料によって形成されており、
   前記被検出部は前記永久磁石列よりも前記直動軸の負荷が接続される出力軸部に近い位置に配置されており、
   前記フレームの内周部には前記ｍ個の固定子コアの前記基部が前記フレームの一方の開口端部側から挿入可能な複数の嵌合溝が形成されており、
   前記複数の嵌合溝は前記フレームの他方の開口端部側に前記固定子コアの前記軸線方向の一方の端面と接触して前記固定子コアの位置決めをするストッパ面を有しており、
   前記固定子コアの前記基部が前記嵌合溝に嵌合されて前記固定子コアの前記一方の端面が前記ストッパ面と接触した状態で、前記固定子コアの前記軸線方向の他方の端面と接触するストッパ部材が前記フレームに対して固定されていることを特徴とするシリンダ形リニア同期モータ。
3. 前記励磁巻線は絶縁材料からなるボビンに巻回されており、前記ボビンの一部が前記スロットに嵌合されている請求項１または２に記載のシリンダ形リニア同期モータ。
4. 前記ｍ個の固定子コアは偶数個ある請求項２に記載のシリンダ形リニア同期モータ。
5. 前記固定子コア、前記複数の励磁巻線及び前記ストッパ部材が絶縁モールド材料によりモールドされている請求項１または２に記載のシリンダ形リニア同期モータ。
6. 前記可動子の前記磁石取付体の外周部には径方向の外面にＮ極またはＳ極が現れるように着磁された複数の円環状永久磁石が、前記軸線方向にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように前記軸線方向に所定の間隔をあけて嵌合されており、
   前記１以上の固定子コアの磁極部と対向する円環状永久磁石の部分が、前記永久磁石列を構成する前記複数の永久磁石を構成している請求項１に記載のシリンダ形リニア同期モータ。
7. 前記固定子コアは櫛歯状の複数枚の鋼板が、前記固定子コアの前記磁極面が円弧状になるように積層されて構成されている請求項６に記載のシリンダ形リニア同期モータ。

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