(57)【要約】【課題】推力が取り出しやすく高推力および高い加速性能を実現できるボイスコイル形リニアモータを提供する。【解決手段】外ヨーク１の中空部に単一極のマグネット２を環状に固着した外ヨークユニット１１と、外ヨークユニット１１を貫通し、内ヨーク３の外周に巻回した複数組のコイル４を有する内ヨークユニット１２と、内ヨークユニット１２の複数組のコイル４に外ヨークユニット１１のマグネット２が対向するように、複数組の外ヨークユニット１１間を軸方向特定部で連結するスペーサ５とで構成するリニアユニット１３複数を並列配置して、隣同士のマグネット２を異極にして外ヨーク１を磁気連結するとともにコイル４とマグネット２との空隙を確保するように外ヨークユニット１１と内ヨークユニット１２を保持し、各コイル４に流す電流の向きとマグネット２の磁極配列による電磁作用で同一方向に推力を得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外ヨークの中空部に単一極のマグネットを環状に固着した外ヨークユニットと、前記外ヨークユニットを貫通し、内ヨークの外周に巻回した複数組のコイルを有する内ヨークユニットと、前記内ヨークユニットの複数組のコイルに外ヨークユニットのマグネットが対向するように、複数組の外ヨークユニット間を軸方向特定部で連結するスペーサとで構成したリニアユニット複数を並列配置して、隣同士のマグネットを異極にして外ヨークを磁気連結するとともに前記コイルとマグネットとの空隙を確保するように外ヨークユニットと内ヨークユニットを保持し、前記各コイルに流す電流の向きとマグネットの磁極配列による電磁作用で同一方向に推力を得て外ヨークユニットまたは内ヨークユニットをスライド駆動するリニアモータ。
【請求項２】
スペーサは磁性材で、少なくとも中空スペーサあるいは通しネジで構成した請求項１記載のリニアモータ。
【請求項３】
スペーサで連結する軸方向特定部は、直方体の外ヨークの角近傍である請求項２記載のリニアモータ。
【請求項４】
外ヨークユニット側を駆動させる請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイスコイル形リニアモータの磁気回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、直線駆動源には高精度、高速駆動の要望から、ボールネジ駆動では対応できない用途にリニアモータ駆動が検討されている。
【０００３】
そして、磁束の収束度がよく、ヨークに流れる磁束が均一になり、全ストロークに渡り電機子反作用が有効に働く、省スペースのボイスコイル形リニアモータが提案されており、図を用いて説明する。
【０００４】
図３おいて、外ヨーク３１と内ヨーク３２と側ヨーク３３とで構成した日の字形の閉鎖磁気回路と、極性を逆にしたマグネットとで界磁３０を構成し、空隙を介し、電機子４０を設け、外ヨーク３１に設けたマグネットを隣同士の極性を逆にした同じ幅の複数のマグネット３５とし、内ヨーク３２に設けたマグネットを隣同士の極性を逆にした同じ幅の複数のマグネットとし、マグネットの対向するもの同士を異磁極となるように配置し、コイルをマグネットのピッチと等しいピッチに分割し、隣同士の巻き方向を逆にした直列のコイル３８とし、ボビン３７の側面・軸方向端部に軸方向と直角方向に折り曲げたフランジを有するスラスト板３９を固定し、フランジにワークを連結する（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２１４５３０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のリニアモータを、さらに高推力かつ高い加速性能（高加速度）を必要とする機器に用いようとすると、以下のような課題があった。
【０００７】
まず、上記リニアモータの構成では、コイル側あるいはマグネット側のどちらを可動するにしても、推力を伝達するための強固な固定機構をコイル側に設ける必要があり、固定機構と対向したコイル（渡り部分）は磁束と鎖交せず、高推力化に課題があった。
【０００８】
また、高い加速性能を得るには、同じマグネットを用いて可動ヨークを軽量化するか、同じ可動ヨークを用いて磁束密度の高いマグネットを用いる必要があるが、いずれの場合もヨークが磁気飽和して磁束が漏れるため、実質的な加速度向上には至らず、高い加速性能を得る上で課題があった。
【０００９】
また、コイル側を駆動するとコイルに給電するためのリード線が繰り返し往復運動するため信頼性の面で課題があった。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、推力が取り出しやすく高推力および高い加速性能を実現できるボイスコイル形リニアモータを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明のリニアモータは、外ヨークの中空部に単一極のマグネットを環状に固着した外ヨークユニットと、前記外ヨークユニットを貫通し、内ヨークの外周に巻回した複数組のコイルを有する内ヨークユニットと、前記内ヨークユニットの複数組のコイルに外ヨークユニットのマグネットが対向するように、複数組の外ヨークユニット間を軸方向特定部で連結するスペーサとで構成したリニアユニット複数を並列配置して、隣同士のマグネットを異極にして外ヨークを磁気連結するとともに前記コイルとマグネットとの空隙を確保するように外ヨークユニットと内ヨークユニットを保持し、前記各コイルに流す電流の向きとマグネットの磁極配列による電磁作用で同一方向に推力を得るもので、外ヨークユニットあるいは内ヨークユニットのいずれからでも推力が取り出せ、１ストローク分のコイル全周にわたって磁束と鎖交するので、高推力を実現できる。
【００１２】
加えて、スペーサを磁性材で構成し、外ヨークユニット側を駆動することで、外ヨークを通る磁束をスペーサに分散させて磁気飽和を緩和し、コイルに鎖交する磁束量を低下させることなく高推力が得られる。同時に外ヨークユニット側の重量を最小限に抑えることができ、高い加速性能を実現できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
上記の課題を解決するため請求項１記載のリニアモータは、コイル全周にわたって推力を発生させることができ、スペーサにより部分連結するため外ヨークユニット側の重量を抑えることができる。また、外ヨークユニット（あるいは内ヨークユニット）から容易に高推力を取り出すことができる。
【００１４】
また、請求項２記載のリニアモータは上記に加えて、スペーサを磁性材とするもので、外ヨークを積極的に磁気飽和させ、主磁束の一部をスペーサに分流（分散）させることができるので、さらに外ヨークの軽量化が可能となり、より高い加速性能を実現できる。
【００１５】
また、請求項３記載のリニアモータは上記に加えて、連結位置をコイルから離れた外ヨークの角付近に設定することで、スペーサに分流した磁束がコイルに対して悪影響を与えるのを防止することができる。
【００１６】
さらに、請求項４記載のリニアモータは上記に加えて、外ヨークユニット側を駆動するもので高い加速性能を実現できる。また、マグネット側を駆動するためコイルに給電するリード線を固定でき、信頼性を向上させることができる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１において、１は中空部を備えた外ヨーク、２はマグネット、３は円柱状の内ヨーク、４はコイル、５は磁性材で中空のスペーサ、６はコイル固定板である。１１は外ヨークユニット、１２は内ヨークユニットである。
【００１９】
直方体の外ヨーク１には、マグネット２を固着するための中央孔と、軸方向に連結するための貫通孔を角近傍に設け、マグネット２が環状配置し易いように中央孔の軸方向に凹部を設けており、鉄板をプレス抜きしたものを所定寸法積層固着して形成する。また、マグネット２は、複数の直方体のセグメントマグネットから構成される。
【００２０】
この外ヨーク１とマグネット２とで構成した外ヨークユニット１１は、内周面あるいは外周面が単一極（内周Ｎ極をマグネット２ａ、内周Ｓ極をマグネット２ｂとする）である。また、マグネット２を直方体にするのは、ネオジ−鉄系や希土類系の焼結材を用いるためで、焼結後の加工費アップを抑制する。
【００２１】
内ヨーク３の外周上を絶縁テープなどで絶縁処理し、コイル固定板６で２区間に分けて逆巻回したコイル４ａ、コイル４ｂを設け、電流の向きが逆になるように接続して内ヨークユニット１２を構成する。
【００２２】
このコイル固定板６は、コイル４ａ、コイル４ｂを設けたあとに樹脂モールドで構成してもよく、また、あらかじめコイルボビンとして樹脂成形し、内ヨーク３の所定位置に装着後、コイル４ａ、コイル４ｂを巻回してもよい。コイル４ａとコイル４ｂとは、線径、巻数および軸方向寸法を同じにして、コイル間（中央）は絶縁が確保できる範囲で短くする。コイル固定板６はコイル４に作用する力でコイル４が動くのを防止する。
【００２３】
次に、説明しやすいように本発明のリニアモータをリニアユニットに分けて説明する。
【００２４】
２つの外ヨークユニット１１、内ヨークユニット１２、スペーサ５でリニアユニットを構成する。内ヨークユニット１２のコイル４ａとコイル４ｂにそれぞれ対向するようにスペーサ５を挟んで極性の異なる外ヨークユニット１１を配置し、通しネジやリベットなどの連結手段（図示せず）で外ヨークユニット１１を固定する。
【００２５】
２つのリニアユニットを平行かつ逆向きに配置（互いに隣り合う４つのマグネット２は異磁極）して、外ヨーク１同士を磁気連結（面接合）すると、互いに隣り合う４コイルの巻回方向が（電流の向きもそれぞれ）逆となる。
【００２６】
そして、２つの内ヨークユニット１２の両端を機器の固定側に、外ヨークユニットを機器の駆動側にそれぞれ固定して、マグネット２とコイル４の空隙を確保する。
【００２７】
このリニアモータの有効ストロークは、マグネット２とコイル４ａ（コイル４ｂ）の軸方向の寸法差に等しく、また、スペーサ５の軸方向寸法はリニアモータの有効ストロークよりもコイル間の絶縁距離分だけ長く設定する。
【００２８】
次に、磁気回路構成について説明する。図２において、外ヨーク１のマグネット２ａ（Ｎ極）から放射された主磁束φ１は、対向する内ヨーク３内〜隣のマグネット２ｂ（Ｓ極）〜外ヨーク１に至り、さらに隣の外ヨーク１〜マグネット２ａ〜内ヨーク３内〜マグネット２ｂ〜外ヨーク１〜元の外ヨーク１に還流する。
【００２９】
この磁気回路の磁気ギャップ内にある１ストローク分のコイル４は、常に主磁束φ１と鎖交状態にあり、主磁束φ１とコイル４に流れる電流の向きにしたがってコイル４に推力が作用する。
【００３０】
そして、互いに隣り合うマグネット２を異磁極、互いに隣り合うコイル４に流れる電流の向きを逆に設定しているので、それぞれのコイル４に作用する推力は同一方向となる。
【００３１】
ところで、内ヨークユニット１２が頻繁に急加速を繰り返すと、コイル４への給電リード線が断線する可能性がある。
【００３２】
そこで、本実施例ではコストと加速性能の両面を考慮して、マグネットの軸方向寸法をコイルの軸方向寸法に比べて短く設定し、外ヨークユニット側を駆動する。つまり、機器の駆動部に外ヨークユニット（マグネット側）を固定、機器の固定部に内ヨークユニット（コイル側）を固定すれば、容易に推力を取り出すことができる。
【００３３】
一方、磁気連結した接合面側の外ヨーク１の半分は、肉厚が２倍となるため磁気飽和しにくく、反対側は磁気飽和しやすくなる。この点に着目して、外ヨーク１を積極的に軽量化して部分的に磁気飽和させ、面接合した外ヨークの反対側の角近傍を磁性材のスペーサ５を介して連結固定し、このスペーサ５に主磁束の一部を分流させるものである。
【００３４】
主磁束φ１の一部（磁束φ２）はスペーサ５に分流して、コイル４と鎖交する前に、外ヨーク１で主磁束φ１に合流する。一方、分流した磁束φ２の向きと内ヨーク内の主磁束φ１の向きは逆向きなので、できるだけ離れた角近傍に設けるようにしている。
【００３５】
なお、ネジなどの連結手段も磁性材とする場合、スペーサの材質および肉厚寸法などは、分流させる磁束量を考慮して決定する。また、隣り合う外ヨークは、あらかじめ２つを面接合しても、最初から一体構成してもよく、スペーサは外側の角近傍の４ヶ所に配置する。
【００３６】
また、本実施例のリニアユニットを、２つのコイルと異磁極の２つのマグネットで説明したが、コイルとマグネットの数は２以上の複数対としても実施できる。この場合も、互いに隣り合うコイルの電流の向きおよび隣り合うマグネットの磁極が逆になるように配置して、外ヨーク間にスペーサを介在させて連結する。さらに、リニアユニットを並列配置で説明したが、２以上の複数配置（横３列、縦横２列など）でも実施することができる。
【００３７】
【発明の効果】
上記の実施例から明らかなように請求項１記載の発明によれば、外ヨークユニット側の重量を抑制しながら、外ヨークユニットあるいは内ヨークユニットから容易に高推力が得られる。
【００３８】
また、請求項２記載の発明によれば、外ヨークを部分的に磁気飽和させ、その一部の磁束をスペーサに分流させた後、コイルと鎖交する主磁束に合流させるもので、外ヨークユニットを軽量化でき、より高い加速性能を実現できる。
【００３９】
また、請求項３記載の発明によれば、スペーサに分流した磁束がコイルに対して悪影響を与えるのを防止することができる。
【００４０】
さらに、請求項４記載の発明によれば、マグネット側を駆動するためコイルに給電するリード線を固定でき、信頼性を向上させることができる。
【００４１】
このように、推力が取り出しやすく、高推力および高い加速性能を実現できるボイスコイル形リニアモータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるリニアモータの構造図
【図２】本発明の磁気回路における主磁束と分流磁束の説明図
【図３】従来例のリニアモータの構造図
【符号の説明】
１  外ヨーク
２（２ａ、２ｂ）  マグネット
３  内ヨーク
４（４ａ、４ｂ）  コイル
５  スペーサ
６  コイル固定板
１１  外ヨークユニット
１２  内ヨークユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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