JP2008193760A

JP2008193760A - リニアモータ

Info

Publication number: JP2008193760A
Application number: JP2007022432A
Authority: JP
Inventors: Naoto Shibata; 直人柴田
Original assignee: Tsubakimoto Chain Co
Current assignee: Tsubakimoto Chain Co
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-08-21

Abstract

【課題】非通電時において、可動体（シャフト又はコイルモジュール）を静止させるのに十分な保持力を発生することが可能であり、通電時において、大きな推力を有し、周辺への漏れ磁束が少ないリニアモータを提供すること。
【解決手段】複数の円筒状永久磁石が同極同士が対向するように非磁性材料からなる外周パイプ１１２中に組み込まれて成るシャフト１１０と、シャフト１１０に外挿されたコイルモジュール１２０とを有するリニアモータにおいて、コイルモジュール１２０が、磁性材料からなるコイル間ヨークを介して軸方向に密接して配置された所定数のリング状コイルを有していることによって上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直線方向にシャフト又はコイルモジュールが駆動されるリニアモータに関するものであり、更に詳しくは、騒音や振動、オイルミスト等を嫌う医薬品、半導体、食品等の製造現場やクリーンルーム、オフィスなどでの使用に適したリニアモータに関するものである。

最近、空気圧や油圧による駆動源を利用しにくく、従来のソレノイドではストローク・推力が足りない分野において、複数の円筒状永久磁石を同極同士が対向するように非磁性材料からなる外周パイプ中に組み込んだシャフトと、そのシャフトに外挿されるコイルモジュールとを有するリニアモータを用いることが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平１０−３１３５６６号公報（図１乃至図３）特開２００２−３５４７８０号公報（図１、図３）

ところが、特許文献１に開示されたリニアモータでは、コイルモジュールが、空芯コイルだけからなり、鉄心を使わない構成であるため、コイルモジュールを所定の位置に静止させたい場合、すなわち、保持力を要する場合、コイルに直流電流を連続通電する必要があるだけでなく、ブレーキなどの構成部品が必要であった。また、コイルから空気中への漏れ磁束が大きく推力が低下するだけでなく、周辺へ磁場の影響を与えやすいという課題が指摘されていた。

一方、特許文献２に開示されたリニアモータでは、コイルモジュールが、電機子コアを有しているが、複数の矩形状の電機子コアが、外側から磁性体ロッドの軸心方向に差し込まれる構成をしているため、電機子コアと磁性体ロッド間のギャップが不均一となり局所的に磁気飽和が発生すると共に、円周方向に隣接する電機子コア間に空隙ができて磁束が漏れるため、推力が低下するという課題が指摘されていた。

そこで、本発明の目的は、非通電時において、可動体（シャフト又はコイルモジュール）を静止させるのに十分な保持力を発生することが可能であり、通電時において、大きな推力を有し、周辺への漏れ磁束が少ないリニアモータを提供することにある。

請求項１に係る発明は、複数の円筒状永久磁石が同極同士が対向するように非磁性材料からなる外周パイプ中に組み込まれて成るシャフトと、前記シャフトに外挿されたコイルモジュールとを有するリニアモータにおいて、前記コイルモジュールが、磁性材料からなるコイル間ヨークを介して軸方向に密接して配置された所定数のリング状コイルを有していることによって、前記の課題を解決するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の構成に加えて、コイルモジュールが、その外周に磁性材料からなる円筒状のコイル外側ヨークを有していることによって、前記の課題をさらに解決するものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る発明の構成に加えて、コイルモジュールが、その両端にシャフトに組み込まれた円筒状永久磁石の軸方向の長さの整数倍の距離を離間して配置された磁性材料からなるフランジを有していることによって、前記の課題をより一層解決するものである。

なお、本発明における「ヨーク」とは、磁力線を通すための磁気構造であり、磁性材料によって構成される。また、「磁性材料」とは、磁性を帯びることが可能な物質のことであり、ケイ素鋼、純鉄などが用いられる。一方、「非磁性材料」とは、磁性をほとんど帯びることがない物質のことであり、ステンレス、アルミニウムなどが用いられる。

請求項１に係る発明によれば、複数の円筒状永久磁石が同極同士が対向するように非磁性材料からなる外周パイプ中に組み込まれて成るシャフトと、前記シャフトに外挿されたコイルモジュールとを有するリニアモータにおいて、前記コイルモジュールが、磁性材料からなるコイル間ヨークを介して軸方向に密接して配置された所定数のリング状コイルを有していることによって、非通電時に、シャフトに組み込まれた複数の円筒状永久磁石とコイルモジュールに組み込まれた磁性材料からなるコイル間ヨークとが引き合い可動体（シャフト又はコイルモジュール）を静止させるのに十分な保持力を発生させることができる。

請求項２に係る発明によれば、請求項１に係る発明が奏する効果に加えて、コイルモジュールが、その外周に磁性材料からなる円筒形状のコイル外側ヨークを有していることによって、非通電時に、シャフトに組み込まれた円筒状永久磁石とコイルモジュールに組み込まれた磁性材料からなるコイル間及びコイル外側ヨークとが協働して磁気回路を構成するため、より大きな保持力が発生する。また、通電時に、外部空間への漏れ磁束が低減し、推力が増大する。

請求項３に係る発明によれば、請求項１又は請求項２が奏する効果に加えて、コイルモジュールが、その両端にシャフトに組み込まれた円筒状永久磁石の軸方向の長さ（磁石ピッチ）の整数倍の距離を離間して配置された磁性材料からなるフランジを有していることによって、より大きな保持力が発生すると共に、磁石ピッチ単位での位置決めが可能になる。

本発明は、複数の円筒状永久磁石が同極同士が対向するように非磁性材料からなる外周パイプ中に組み込まれて成るシャフトと、前記シャフトに外挿されたコイルモジュールとを有するリニアモータにおいて、前記コイルモジュールが、磁性材料からなるコイル間ヨークを介して軸方向に密接して配置された所定数のリング状コイルを有するものであって、非通電時に、シャフトに組み込まれた複数の円筒状永久磁石とコイルモジュールに組み込まれた磁性材料からなるコイル間ヨークとが引き合い保持力が発生するものであれば、その具体的な実施の形態は、如何なるものであっても何ら構わない。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図６に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施例であるリニアモータの外観を示した斜視図である。このリニアモータ１００は、複数の円筒状永久磁石が同極同士が対向するように非磁性材料、例えば、ステンレスからなる外周パイプ１１２中に組み込まれて成るシャフト１１０と、このシャフト１１０に外挿されたコイルモジュール１２０とから構成されている。ここに示されたリニアモータ１００は、コイルモジュール１２０の両端に断面Ｌ字形状の取付部材１３０を有しており、シャフト１１０が軸方向に前進後退するシャフト可動型であるが、シャフト１１０を固定して、コイルモジュール可動型としても使用することが可能である。

図２（ａ）は、図１に示したリニアモータの中心軸を通る垂直面で切断したときの断面図を示しており、図２（ｂ）は、図２（ａ）の矢視IIB方向から見た正面図である。図２に基づき本発明の主要部であるシャフト１１０と、コイルモジュール１２０について説明する。

シャフト１１０は、次のような構造をしている。非磁性材料、例えば、ステンレスからなる外周パイプ１１２の中に所定数の円筒状永久磁石１１４を同極同士が対向するように組み込まれており、隣接する円筒状永久磁石１１４の間には、磁性材料、例えば、ケイ素鋼からなる磁性板１１８が挟装されている。そして、外周パイプ１１２の両端は、非磁性材料からなる封止部材１１６により封止されている。なお、隣接する円筒状永久磁石１１４の間に挟装された磁性板１１８は、なくても構わない。

一方、コイルモジュール１２０は、次のような構造をしている。所定数（図２に示したものは１２個）のリング状コイル１２４が、その間に磁性材料からなるコイル間ヨーク１２６を挟装して、非磁性材料、例えば、ステンレスからなるセンターパイプ１２１に装填されている。そして、その外側を磁性材料、例えば、ケイ素鋼からなる円筒形状のコイル外側ヨーク１２２によって覆われている。また、コイルモジュール１２０の両端には、円筒状永久磁石１１４の軸方向の長さ（磁石ピッチ）の整数倍の距離を離間させて配置された磁性材料からなるフランジ１２８を有している。

この時、リング状コイル１２４の幅とコイル間ヨーク１２６の幅との和を、円筒状永久磁石１１４の軸方向の長さの略３の倍数分の１にすることによって、３相交流で駆動するときに円滑な移動ができるとともに、コイルモジュール１２０の両端に固設したフランジ１２８の位置をちょうど円筒状永久磁石１１４の軸方向の長さの整数倍の距離を離間させた位置とすることができる。

また、図２（ａ）において参照符号１２９を付した断面Ｌ字形状のリング部材は、回転止めリングであって、この回転止めリング１２９の内周面に僅かな高さの凸部が設けられており、この凸部がシャフト１１０の外周パイプ１１２の外周表面に軸方向に刻設された僅かな深さの凹部（図示はされていない）と係合することによって、シャフト１１０とコイルモジュール１２０が相互に回転することを規制している。さらに、図２（ｂ）に示したように、フランジ１２８の四隅にボルト穴１２８ａを穿孔し、図１に示したように、ボルト１３２とナット１３４によって対峙するフランジ１２８を締め付けている。

次に、図３に基づき本発明のリニアモータの駆動原理について説明する。なお、以下の説明においては、コイルモジュールを固定したシャフト可動型に基づいて説明する。

コイルモジュール１２０を構成する１２個のリング状コイル１２４には、それぞれ、順に１２０°ずつ位相の異なる３相の交流電源が接続され、ある瞬間において、図３（ａ）に示したような磁極が発生する。そして、コイルモジュール１２０に発生した磁極（Ｎ極及びＳ極）と異極のシャフト１１０に組み込まれた円筒状永久磁石の磁極（Ｓ極及びＮ極）との吸引力と、コイルモジュール１２０に発生した磁極（Ｎ極及びＳ極）と同極のシャフト１１０に組み込まれた円筒状永久磁石の磁極（Ｎ極及びＳ極）との反発力によって、シャフト１１０に対して紙面上で左方向に進めるような推力が発生する。

そして、シャフト１１０が左方向に推進するのに合わせて、３相の交流電源の位相が変わり、図３（ｂ）に示したような磁極が発生する。この時も同様に、コイルモジュール１２０に発生した磁極（Ｎ極及びＳ極）と異極のシャフト１１０に組み込まれた円筒状永久磁石の磁極（Ｓ極及びＮ極）との吸引力と、コイルモジュール１２０に発生した磁極（Ｎ極及びＳ極）と同極のシャフト１１０に組み込まれた円筒状永久磁石の磁極（Ｎ極及びＳ極）との反発力によって、シャフト１１０に対して紙面上で左方向に進めるような推力が発生する。

さらに、図３（ｃ）に示すように、シャフト１１０に組み込まれた円筒状永久磁石の位相に合わせて、コイルモジュール１２０を構成するリング状コイル１２４に通電される３相交流の電流位相を変えていくことにより、シャフト１１０が左方向に推進する。また、３相交流の位相を逆転させることによって、シャフト１１０を右方向に推進させることができる。

次に、図４に基づき、本発明のリニアモータの保持力及び推力が向上する原理について説明する。

本発明のリニアモータは、図４に示したようにシャフト１１０に装填された円筒状永久磁石１１４が発生する磁束が、コイルモジュール１２０に装填された隣接するリング状コイル１２４の間に挟装されたコイル間ヨーク１２６とコイル外側ヨーク１２２の中を集中して通ることによって、Ａで指示したような空間への漏れ磁束が低減され、磁気回路特性が向上するため、コイルへの非通電時における保持力が向上すると共に、通電時における推力が向上する。
さらに、コイルへの非通電時には、磁束が集中するところにコイル間ヨーク１２６が位置するようにコイルモジュール１２０が静止しようとするため、シャフト１１０に装填された円筒状永久磁石１１４の軸方向の長さピッチでの位置決め制御が可能になる。

また、本発明のリニアモータは、図５に示したようにコイルモジュール１２０がその両端に、シャフト１１０に組み込まれた円筒状永久磁石１１４の軸方向の長さ（磁石ピッチ）の整数倍の距離を離間させて磁性材料からなるフランジ１２８を装着しているため、非通電時により大きな保持力が発生する。このときフランジ１２８間の距離を磁石ピッチの整数倍になるように調整することで、保持力を最も大きくすることができる。さらに、フランジ１２８に磁石を内蔵することにより、さらに大きな保持力を得ることができる。しかしながら、この場合、シャフト１１０が静止するピッチは、磁石ピッチの２倍となる。なお、本実施例では、３相コイルを用いているが、単相用コイルであっても同様の効果を得ることができる。

最後に、本発明のリニアモータの主要部分であるコイルモジュール１２０の製造方法の一例について図６に基づき説明する。

予め所定の大きさのリング状コイル１２４とコイル間ヨーク１２６を所定数用意する。次に非磁性材料、例えば、ステンレスからなるセンターパイプ１２１にコイル間ヨーク１２６とリング状コイル１２４を挿入させていく。すべてのコイル間ヨーク１２６とリング状コイル１２４をセンターパイプ１２１に挿入し終えたら、磁性材料、例えば、ケイ素鋼からなるコイル外側ヨーク１２２を被せる。

１２２ａで示したスリットは、リング状コイル１２４の給電線を引き出すためのスリットである。最後に両端に磁性材料からなるフランジ１２８を合わせて、対峙するフランジ１２８同士をボルトとナットによって締め付けることによって、コイルモジュール１２０が完成する。なお、図６に示した製造方法では、リング状コイル１２４とコイル間ヨーク１２６を交互にセンターパイプ１２１に挿入する例を示しているが、この例の他にも、例えば、２個のリング状コイル１２４をセンターパイプ１２１に挿入した後、１個のコイル間ヨーク１２６を挿入したり、あるいは、１個のリング状コイル１２４をセンターパイプ１２１に挿入した後に２個のコイル間ヨーク１２６を挿入することもできる。このように、リング状コイル１２４とコイル間ヨーク１２６の数を自由に組み合わせることによって、必要な推力に応じて磁石ピッチを変えることが可能になる。

さらに、本発明は、円筒状永久磁石１１４及びリング状コイル１２４を用いて、断面円形状のシャフト１１０及び断面円筒形状のコイルモジュール１２０を有するリニアモータであるが、円筒状永久磁石１１４及びリング状コイル１２４を断面多角形状として、断面多角形状のシャフト及び断面多角リング形状のコイルモジュールを有するリニアモータとすることも可能である。

本発明のリニアモータは、ソレノイドでは得られない長ストロークが得られ、漏れ磁束を低減したことにより高推力が得られ、機械的な構成が存在しないため応答性が高いという特徴を有しており、騒音や振動、オイルミストを嫌う場所での使用が可能であり、その産業上の利用可能性は、きわめて高い。

本発明の一実施例であるリニアモータの外観を示した斜視図である。図１のリニアモータの垂直断面図と正面図である。本発明のリニアモータの駆動原理を説明する図である。本発明のリニアモータの保持力及び推力向上の原理を説明する図である。本発明のリニアモータの保持力向上の原理を説明する図である。本発明のリニアモータの主要部であるコイルモジュールの製造方法を説明する図である。

符号の説明

１００・・・リニアモータ
１１０・・・シャフト
１１２・・・外周パイプ
１１４・・・円筒状永久磁石
１１６・・・封止部材
１１８・・・磁性板
１２０・・・コイルモジュール
１２１・・・センターパイプ
１２２・・・コイル外側ヨーク
１２２ａ・・・スリット
１２４・・・リング状コイル
１２６・・・コイル間ヨーク
１２８・・・フランジ
１２８ａ・・・ボルト穴
１２９・・・回転止めリング
１３０・・・取付部材
１３２・・・ボルト
１３４・・・ナット
Ａ・・・漏れ磁束

Claims

複数の円筒状永久磁石が同極同士が対向するように非磁性材料からなる外周パイプ中に組み込まれて成るシャフトと、前記シャフトに外挿されたコイルモジュールとを有するリニアモータにおいて、
前記コイルモジュールが、磁性材料からなるコイル間ヨークを介して軸方向に密接して配置された所定数のリング状コイルを有していることを特徴とするリニアモータ。
前記コイルモジュールが、その外周に磁性材料からなる円筒状のコイル外側ヨークを有していることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
前記コイルモジュールが、その両端に前記シャフトに組み込まれた円筒状永久磁石の軸方向の長さの整数倍の距離を離間して配置された磁性材料からなるフランジを有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリニアモータ。