(57)【要約】【課題】推力の低下を極力抑制しつつ励磁電流を迅速に反転することの可能な高速リニアモータを提供する。【解決手段】複数の交番磁束発生手段がスペーサを介して並行に配置されたステータと、複数の直流磁束発生手段がスペーサを介して並列に配置されステータと対向して移動可能なスライダを具備するリニアモータであって、ステータに配置された一つの交番磁束発生手段とスライダに配置された一つの直流磁束発生手段が正対したときにスライダに配置された一つの直流磁束発生手段が発生する磁束の一部を、直流磁束迂回手段によって一つの交番磁束発生手段に隣接する交番磁束発生手段の磁気回路中に迂回させる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の交番磁束発生手段がスペーサを介して配置されたステータと、
複数の直流磁束発生手段がスペーサを介して配置され、前記ステータと対向して移動可能なスライダと、
前記ステータに配置された一つの交番磁束発生手段と前記スライダに配置された一つの直流磁束発生手段が正対したときに、前記スライダに配置された一つの直流磁束発生手段が発生する磁束の一部を前記一つの交番磁束発生手段に隣接する交番磁束発生手段の磁気回路中に迂回させる直流磁束迂回手段を具備する高速リニアモータ。
【請求項２】
前記直流磁束迂回手段が、前記ステータのスペーサ中に配置されるステータ磁束迂回素子である請求項１に記載の高速リニアモータ。
【請求項３】
前記直流磁束迂回手段が、前記スライダのスペーサ中に配置されるスライダ磁束迂回素子をさらに含む請求項２に記載の高速リニアモータ。
【請求項４】
複数の直流磁束発生手段がスペーサを介して配置されたステータと、
複数の交番磁束発生手段がスペーサを介して並列に配置され、前記ステータと対向して移動可能なスライダと、
前記ステータに配置された一つの直流磁束発生手段と前記スライダに配置された一つの交番磁束発生手段が正対したときに、前記ステータに配置された一つの直流磁束発生手段が発生する磁束の一部を前記一つの交番磁束発生手段に隣接する交番磁束発生手段の磁気回路中に迂回させる直流磁束迂回手段を具備する高速リニアモータ。
【請求項５】
前記直流磁束迂回手段が、前記スライダのスペーサ中に配置されるスライダ磁束迂回素子である請求項４に記載の高速リニアモータ。
【請求項６】
前記直流磁束迂回手段が、前記ステータのスペーサ中に配置されるステータ磁束迂回素子をさらに含む請求項５に記載の高速リニアモータ。
【請求項７】
前記直流磁束迂回手段が、平板状の磁性体である請求項１から６のいずれか一項に記載の高速リニアモータ。
【請求項８】
前記直流磁束迂回手段が、Ｕ字型の磁性体である請求項１から６のいずれか一項に記載の高速リニアモータ。
【請求項９】
前記直流磁束迂回手段が、Ｖ字型の磁性体である請求項１から６のいずれか一項に記載の高速リニアモータ。
【請求項１０】
前記直流磁束迂回手段が、前記一つの直流磁束発生手段と前記一つの交番磁束発生手段が正対していないときに、前記磁性体中の磁束の流動を抑止する磁束制御手段をさらに具備する請求項７から９のいずれか一項に記載の高速リニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高速リニアモータに係り、特に、励磁電流を矩形波としたときに励磁コイルを流れる電流を迅速に反転させることの可能な高速リニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
３００ミリメートル以上の移動距離を有する直動アクチューエータとしてリニアモータが広く適用されている。
【０００３】
特に、ステータとしてコア付き電磁石を、スライダとして永久磁石を使用する同期型リニアモータは大推力を必要とする用途に適している。
【０００４】
ここで、同期型リニアモータを駆動するためには正弦波状電流を使用することが一般的であるが、供給電力が制限される場合は矩形波状電流を使用した方が大きな駆動力を得ることが可能である。
【０００５】
図１は同期型リニアモータの構成図であって、複数のコア付電磁石を並べて構成されるステータ１１と１２の間に、スライダ１３が配置される。
【０００６】
ステータ１１及び１２は、電磁石１１１、１１２、１１３、１１４・・・及び１２１、１２２、１２３、１２４・・・で構成される。
【０００７】
一対の電磁石１１１及び１２１、１１２及び１２２、１１３及び１２３、１１４及び１２４・・・は、それぞれ一直線上に配置される。
【０００８】
このステータをＡ相及びＢ相からなる２相電源で励磁する場合には、電磁石１１１及び１２１をＡ相で、電磁石１１３及び１２３を反転Ａ相で励磁する。さらに、電磁石１１２及び１２２をＢ相で、電磁石１１４及び１２４を反転Ｂ相で励磁する。
【０００９】
スライダは永久磁石１３１、１３２・・・が所定間隔ごとにスペーサ１３０を介して構成される。なお、永久磁石１３１、１３２・・・は隣り合う永久磁石では互いにＮ極とＳ極が反対向きになるように配置する（例えば非特許文献１参照）。
【００１０】
上記の構成を有する同期型リニアモータにおいて、スライダを高速駆動するには、スライダに搭載される永久磁石を強力なものとすることが有効である。
【００１１】
【非特許文献１】
超高加速・高速直動メカニズム（アクチュエータの設計と推力性能）日本機会学会第１３回「電磁力関連のダイナミックス」シンポジウム講演論文集（２００１年６月２１〜２３日）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステータの電磁石を矩形波で励磁して大きい推力を発生させるためには、ステータの電磁石とスライダの永久磁石が正対した瞬間に励磁電流を反転させることが必要であるが、スライダの永久磁石の影響により電流の反転速度が遅延するという課題が発生する。
【００１３】
図２は課題の説明図であって、スライダの上側に配置されるステータの記載を省略している。そして、スライダが図面右方に移動する場合を示す。
【００１４】
即ち、（イ）の状態では、Ａ相で励磁されるステータの電磁石１２１のＮ極とスライダの永久磁石１３１のＮ極の間に反撥力が、Ｂ相で励磁されるステータの電磁石１２２のＳ極とスライダの永久磁石１３１のＮ極の間に吸引力が働き、反転Ａ相で励磁されるステータの電磁石１２３のＳ極とスライダの永久磁石１３２のＳ極の間に反撥力が、反転Ｂ相で励磁されるステータの電磁石１２４のＮ極とスライダの永久磁石１３１のＳ極の間に吸引力が働き、スライダは右方に移動する。
【００１５】
スライダがさらに右方に移動して（ロ）の状態となると、Ｂ相で励磁される電磁石１２２と永久磁石１３１、及び反転Ｂ相で励磁される電磁石１２４と永久磁石１３２が正対したとき、即ち、電磁石の中心軸と永久磁石の中心軸が一致したときは、電磁石１２２と永久磁石１３１の間及び電磁石１２４と永久磁石１３２の間には吸引力が働き、スライダの右方への移動が阻止される。
【００１６】
従って、スライダをさらに右方に移動させるためには、Ｂ相及び反転Ｂ相の励磁電流の流れ方向を反転して（ハ）の状態とする必要がある。
【００１７】
そして、推力の低下を可能な限り抑制するためには、電磁石の中心軸と永久磁石の中心軸が一致したときに励磁電流の流れ方向を反転することが有利である。
【００１８】
すると、電磁石１２２と永久磁石１３１の間及び電磁石１２４と永久磁石１３２の間に反撥力が作用し、スライダは右方への移動を継続して（ニ）の状態となる。
【００１９】
しかしながら、実際に電磁石の中心軸と永久磁石の中心軸が一致した瞬間に励磁電流の流れ方向を反転しようとすると、永久磁石１３１及び１３２の発生する磁束により電磁石の励磁コイル中に励起される逆起電力の影響を受けて電流の反転が遅くれ、スライダの推力が低下することを回避できない。
【００２０】
この課題を解決するための方策としては、電磁石の励磁電力を増大する、電磁石のコイル巻数を低減する、あるいは、反転タイミングを前倒しとすることが考えられる。
【００２１】
しかしながら、励磁電力の増大は励磁電流発生器を実際に製作する上の制約により簡単ではなく、電磁石のコイル巻数を低減すると励磁電流の反転速度は上がるものの平均推力が低下することを回避できない。さらに、反転タイミングを前倒しとしても、永久磁石の磁束が強い場合は前倒しの効果は打ち消されてしまう。
【００２２】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、推力の低下を極力抑制しつつ励磁電流を迅速に反転することの可能な高速リニアモータを提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
このために、本発明にあっては、直流磁束発生手段の発生する直流磁束を迂回させる磁束迂回素子を設置する。
【００２４】
第一の発明に係る高速リニアモータは、複数の交番磁束発生手段がスペーサを介して配置されたステータと、複数の直流磁束発生手段がスペーサを介して配置されステータと対向して移動可能なスライダと、ステータに配置された一つの交番磁束発生手段とスライダに配置された一つの直流磁束発生手段が正対したときにスライダに配置された一つの直流磁束発生手段が発生する磁束の一部を一つの交番磁束発生手段に隣接する交番磁束発生手段の磁気回路中に迂回させる直流磁束迂回手段を具備する。
【００２５】
第二の発明に係る高速リニアモータは、複数の直流磁束発生手段がスペーサを介して配置されたステータと、複数の交番磁束発生手段がスペーサを介して配置されステータと対向して移動可能なスライダと、ステータに配置された一つの直流磁束発生手段とスライダに配置された一つの交番磁束発生手段が正対したときにステータに配置された一つの直流磁束発生手段が発生する磁束の一部を一つの交番磁束発生手段に隣接する交番磁束発生手段の磁気回路中に迂回させる直流磁束迂回手段を具備する。
【００２６】
第一及び二に係る発明にあっては、直流磁束発生手段と交番磁束発生手段が正対したときに、直流磁束発生手段の発生する磁束の一部が正対する交番磁束発生手段に隣接する交番磁束発生手段の磁気回路中に迂回し、直流磁束発生手段と正対する交番磁束発生手段の電流反転速度の低下が抑制される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図３は本発明に係る高速リニアモータの第一実施形態の構成図であって、ステータに配置される一つの電磁石及びスライダに配置される一つの永久磁石を拡大して示す。
【００２８】
即ち、ステータに配置される電磁石は、櫛状のコア３１の一つの突起３１２と、その周囲に巻回されたコイル３２、及びコイル３２を覆う非磁性体のステータ・スペーサ３３で構成される。
【００２９】
また、スタイダは永久磁石３４、及び永久磁石３４の両側に配置された非磁性体のスライダ・スペーサ３５を具備する。
【００３０】
さらに、本発明においては、少なくともステータ・スペーサ３３のスライダ対向面にステータ磁束迂回素子３６が埋め込まれる。さらに、スライダ・スペーサ３５のステータ対向面にスライダ磁束迂回素子３７が埋め込まれてもよい。
【００３１】
磁束迂回素子３６及び３７は磁性体で構成され、矢印Ａ及びＢで示されるように永久磁石３４の磁束の一部をステータのコア３１の永久磁石３４と正対する突起３１２に隣接する突起３１１及び３１２に迂回させる。これにより、永久磁石３４が発生する磁束のうち永久磁石３４と正対する突起３１２に流れ込む量が低減する。
【００３２】
従って、コイル３２の見かけのインダクタンスが低減し、コイル３２を流れる電流を迅速に反転させることが可能となる。
【００３３】
しかし、磁束迂回素子３６及び３７の設置は、永久磁石とコア３１の突起が正対していない状態でも永久磁石の磁束の漏洩を惹起するため、スライダ３５の推力はかならず低下する。
【００３４】
推力の低下を抑制するためには、電磁石と永久磁石が正対したとき、即ち、電磁石の中心軸と永久磁石の中心軸が一致したときに迂回路が作用し、その他のときには迂回路が作用しないようにすることが重要である。
【００３５】
このための方法として、以下の二つの方法が考えられる。
１．  磁束迂回素子の設置位置を適切に定める。
２．  電磁石と永久磁石が正対していないときは迂回路が作用しないように磁束迂回素子を積極的に制御する。
【００３６】
図４は磁束迂回素子の配置位置決定方法の説明図であって、ステータ磁束迂回素子３６がコア３１の突起３１１及び３１２を磁気的に短絡することは望ましくないので、ステータ磁束迂回素子３６をステータ・スペーサ３３の中央に配置することが望ましい。
【００３７】
即ち、ステータ・スペーサ３３の中心とステータ磁束迂回素子３３の中心一致するように、ステータ磁束迂回素子３６を配置することが望ましい。
【００３８】
そして、ステータ磁束迂回素子３６の長さは、コアの突起３１２と永久磁石３４が正対したときに永久磁石３４の端部とステータ磁束迂回素子３６の突起３１２側の端部にオーバラップ部が存在する長さとする。オーバラップ量は、永久磁石３４の磁束が確実にステータ磁束迂回素子３６に導かれる長さであれば十分であり、オーパラップ量を大きくするとステータ磁束迂回素子３６の長さが長くなって、ステータの磁気的な短絡状態を惹起するおそれがある。
【００３９】
ステータ磁束迂回素子３６だけを設置した場合には、ステータ磁束迂回素子３６と突起３１２に隣接する突起３１１との間の磁気抵抗は大きいので、永久磁石３４の磁束を十分に隣接する突起３１１に迂回させることができない。
【００４０】
そこで、スライダ・スペーサ３５にスライダ磁束迂回素子３７を配置することが有効となる。
【００４１】
この場合、スライダ磁束迂回素子３７の長さは、コア３１の突起３１２と永久磁石３４が正対した状態にあるときに、ステータ磁束迂回素子３６の突起３１１側端と突起３１１の双方と必要最小限オーバラップする長さとする。
【００４２】
上記第一実施形態にあっては、ステータ磁束迂回素子３６のスライダ対向面及びスライダ磁束迂回素子３７のステータ対向面は磁束迂回素子の全長にわたって暴露されている。
【００４３】
従って、突起３１２と永久磁石３４が正対していない状態でも、永久磁石３４の磁束がステータ磁束迂回素子３６及びスライダ磁束迂回素子３７を介して漏洩することを回避することはできない。
【００４４】
図５は本発明に係る高速リニアモータの第二実施形態の構成図であって、上記課題を解決するものである。
【００４５】
即ち、ステータ磁束迂回素子３６及びスライダ磁束調整素子３７を中央部が窪んだＵ字型とし、窪みをステータ・スペーサ３３及びスライダ・スペーサ３５で埋めることにより、コアの突起３１２と永久磁石３４が正対したときにだけ、永久磁石３４とステータ磁束迂回素子３６の間、及びステータ磁束迂回素子３６とスライダ磁束迂回素子３７の間にオーバラップが生じ、永久磁石３４の磁束を突起３１１及び３１３に漏洩させることが可能となる。
【００４６】
上記第二実施形態にあっては、コアの突起３１２と永久磁石３４が正対したときにだけ永久磁石の磁束が突起３１１及び３１３に迂回するものの、ステータ磁束迂回素子３６の厚みが増し、突起側面との対向面積が大きくなる。
【００４７】
従って、コアの突起３１２と永久磁石３４が正対していないときでも永久磁石３４の磁束がステータ磁束迂回素子３６からコアの突起側面に直接漏洩し、推力の低下を惹起する。
【００４８】
図６は本発明に係る高速リニアモータの第三実施形態の構成図であって、上記課題を解決するものである。
【００４９】
即ち、ステータ磁束迂回素子３６及びスライダ磁束迂回素子３７をＶ字型形状とすることにより、ステータ磁束迂回素子３６及びスライダ磁束迂回素子３７の側面は奥に行くほどコア３１の突起３１１及び３１２の側面から離れるので磁束の漏洩が抑制され、推力の低下が防止できる。
【００５０】
なお、Ｖ字の傾斜角度は４５°以下とすることが、磁束の漏洩を抑制するとともに、磁束迂回素子の厚さを抑制するうえで有利である。
【００５１】
上記第一〜三実施形態では、磁束迂回素子は磁性材製の平板もしくはＵ字型又はＶ字型の形材であり基本的に受動素子である。
【００５２】
これに対し、ステータ磁束迂回素子の中央に制御コイルを巻回し、コアと永久磁石が正対したときは磁束迂回素子中を磁束が流れ、正対していないタイミングでは磁束迂回素子中の磁束の流れを阻止する制御機能を有する能動素子とすることも可能である。
【００５３】
図７は本発明に係る高速リニアモータの第四実施形態の構成図であって、第二実施形態のステータ磁束迂回素子に制御コイル３８を巻回した構成を示す。
【００５４】
即ち、第四実施形態においては、コアの突起と永久磁石が一正対したことを検出する検出装置を設置し、この検出装置によりコア３１の突起３１２と永久磁石３４が一致したことが検出されたときに制御コイル３８を開放してステータ磁束迂回素子３８中を磁束が流れることを許容し、または、制御コイル３８を励磁して磁束の流れを促進し、その他では制御コイル３８を励磁してステータ磁束迂回素子３８中を磁束が流れることを禁止すればよい。
【００５５】
なお、第四実施形態において、ステータ磁束迂回素子の長さを長くする等して、スライダ磁束迂回素子３７を省略することも可能である。
【００５６】
図８は本発明に係る高速リニアモータの第五実施形態の構成図であって、第二実施形態のスライダ磁束迂回素子に制御コイル３９を巻回した構成を示す。なお、図８では、スライダ磁束迂回素子３７の長さをコア３１の突起間の距離とほぼ等しい程度に長くすることにより、ステータ磁束迂回素子３６を省略した例を示す。
【００５７】
即ち、第五実施形態においては、コア３１の突起３１２と永久磁石３４が一致したことが検出されたときに制御コイル３９の励磁を中止してスライダ磁束迂回素子３７中を磁束が流れることを許容し、その他では制御コイル３９を励磁してスライダ磁束迂回素子３７中を磁束が流れることを禁止すればよい。
【００５８】
上記第四及び第五の実施形態においては、磁束迂回素子の形状をＵ字型としているが磁束迂回素子の形状は平板、Ｖ字型をはじめ種々の形状とすることが可能である。
【００５９】
【表１】
2004248347.tif 000003
【００６０】
［表１］は本発明の第一〜三実施形態のリニアモータの性能の比較表であって、本発明を適用していないリニアモータを基準リニアモータとして、本発明を適用した４〜８の五つのリニアモータの性能比較を示す。
【００６１】
なお、電磁石の励磁電流の反転速度を早くするためには、励磁コイルの巻数を減少することが最も一般的な解決方法であるので、基準リニアモータの励磁コイルの巻数を８５％及び８０％に低減したリニアモータ（２及び３）の性能も参考として記載している。
【００６２】
なお、４の「ステータに平板状磁束迂回素子」は、上記の第一実施形態においてステータだけに磁束調迂回素子を設置したリニアモータであり、５の「ステータ及びスライダに平板状磁束迂回素子」は、上記の第一実施形態においてステータ及びスライダの双方に磁束迂回素子を設置したリニアモータである。
【００６３】
また、６の「ステータ及びスライダにＵ字型磁束迂回素子」は、上記の第二実施形態に係るリニアモータである。
【００６４】
さらに、７の「ステータ及びスライダにＶ字型（角度４５°）磁束迂回素子」は、上記の第三実施形態において傾斜角度を４５°としたリニアモータであり、８の「ステータ及びスライダにＶ字型（角度３０°）磁束迂回素子」は、上記の第三実施形態において傾斜角度を３０°としたリニアモータである。
【００６５】
なお、性能は靜推力、並びに動特性の最大速度及び最大推力について比較する。
【００６６】
この表から判明するように、本発明に係る磁束迂回素子を設置すること自体靜推力を低減することとなるが、励磁コイルの巻数を減らした場合よりも推力の低下は抑制される。
【００６７】
さらに、動特性では、２〜８の全てのリニアモータが基準リニアモータよりも大きい最大速度及び最大推力を獲得している。
【００６８】
そして、靜推力の低下量が少なく、かつ、動特性の最大速度及び最大推力の改善度合いの大きい８の「ステータ及びスライダにＶ字型（角度３０°）磁束迂回素子」を搭載したリニアモータの採用が望ましいといえる。
【００６９】
ここで、上記の第二及び第三実施形態では、ステータ及びスライダ双方に磁束迂回素子を設置した場合について説明したが、ステータ側だけに磁束迂回素子を設けることも本発明の範囲に含まれる。
【００７０】
なお、上記の各実施形態のリニアモータでは、ステータに電磁石を、スライダに永久磁石を使用した場合について説明したが、ステータに永久磁石を、スライダに電磁石を使用したリニアモータ、あるいはステータ及びスライダにともに電磁石を使用したリニアモータに対しても本願発明を適用できることは明らかである。
【００７１】
さらに、上記実施形態においては、励磁電流を二相としているが、三相以上の多相電流で励磁することも可能である。
【００７２】
【発明の効果】
本発明に係るリニアモータにあっては、直流磁束発生手段と交番磁束発生手段が正対したときに、直流磁束発生手段が発生する直流磁束を正対する交番磁束発生手段に隣接する交番磁束発生手段の磁気回路中に迂回させることにより交番磁束発生手段の励磁電流を迅速に反転することが可能となったので、推力の低下を抑制してスライダを高速に移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】同期型リニアモータの構成図である。
【図２】課題の説明図である。
【図３】本発明に係る高速リニアモータの第一実施形態の構成図である。
【図４】磁束迂回素子の配置位置決定方法の説明図である。
【図５】本発明に係る高速リニアモータの第二実施形態の構成図である。
【図６】本発明に係る高速リニアモータの第三実施形態の構成図である。
【図７】本発明に係る高速リニアモータの第四実施形態の構成図である。
【図８】本発明に係る高速リニアモータの第五実施形態の構成図である。
【符号の説明】
３１…コア
３１１、３１２，３１３…コア突起
３２…コイル
３３…ステータ・スペーサ
３４…永久磁石
３５…スライダ・スペーサ
３６…ステータ磁束迂回素子
３７…スライダ自足迂回阻止
３８、３９…制御コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004248347.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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