(57)【要約】開示されたリニア移動デバイスは、電機子アセンブリと磁場アセンブリとを備え、その磁場アセンブリは、各々が長さを有する複数の極片と、複数の永久磁石とを含み、その複数の極片の長さは、正弦波整流が用いられた際に、定常力対ストローク特性を達成するように誂えてある。【選択図】図１
2004518391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシレスＤＣモータであって、
電機子アセンブリと、
磁場アセンブリとを備え、その磁場アセンブリは、
各々が長さを有する複数の永久磁石と、
各々が長さを有する複数の極片とを含み、
前記複数の永久磁石の長さと前記複数の極片の長さとの間の比は、定常力対ストローク特性を達成するように誂えられたブラシレスＤＣモータ。
【請求項２】
ブラシレスＤＣモータであって、
電機子アセンブリと、
この電機子アセンブリに関して、この電機子アセンブリとの間に空気間隙を形成するように位置する磁場アセンブリとを備え、その磁場アセンブリは、
各々が長さを有する複数の永久磁石と、
各々が長さを有する複数の極片とを含み、
前記複数の永久磁石の長さと複数の極片の長さとの間の比は、空気間隙内の磁束密度の法線成分の正弦分布を与えるように選択されたブラシレスＤＣモータ。
【請求項３】
請求項１又は２のブラシレスＤＣモータにおいて、
磁性材料からなるハウジングと、
長さを有する端部極片を含むエンドキャップとを更に含み、このエンドキャップは、前記磁場アセンブリ上に位置することにより、前記磁場アセンブリ、前記エンドキャップ及び前記ハウジングが共通の磁気回路を形成するようにされ、
前記複数の極片の長さに対する前記端部極片の長さの比は、ブラシレスＤＣモータについての正弦力対全ストローク特性が得られるように選択されているブラシレスＤＣモータ。
【請求項４】
請求項１又は２のブラシレスＤＣモータにおいて、前記複数の永久磁石及び前記複数の極片が共通の磁場アセンブリ軸に沿って位置して、前記複数の永久磁石の各々が、前記複数の極片の別々の１つづつによって他の永久磁石から離間するようにされているブラシレスＤＣモータ。
【請求項５】
請求項３のブラシレスＤＣモータにおいて、前記複数の極片の各々の長さが、前記複数の永久磁石の各々の長さの３分の２（即ち２／３）であるブラシレスＤＣモータ。
【請求項６】
請求項４のブラシレスＤＣモータにおいて、前記複数の極片の各々の長さが、前記複数の永久磁石の各々の長さの３分の２（即ち２／３）であるブラシレスＤＣモータ。
【請求項７】
請求項３のブラシレスＤＣモータにおいて、前記端部極片の各々の長さが、前記複数の極片の各々の長さの半分（即ち１／２）であるブラシレスＤＣモータ。
【請求項８】
請求項４のブラシレスＤＣモータにおいて、前記端部極片の各々の長さが、前記複数の極片の各々の長さの半分（即ち１／２）であるブラシレスＤＣモータ。
【請求項９】
請求項５のブラシレスＤＣモータにおいて、前記端部極片の各々の長さが、前記複数の極片の各々の長さの半分（即ち１／２）であるブラシレスＤＣモータ。
【請求項１０】
請求項６のブラシレスＤＣモータにおいて、前記端部極片の各々の長さが、前記複数の極片の各々の長さの半分（即ち１／２）であるブラシレスＤＣモータ。
【請求項１１】
請求項１又は２のブラシレスＤＣモータにおいて、前記電機子アセンブリが、非磁性コイルベースと、この非磁性コイルベース上に支持された複数のコイルとを含むブラシレスＤＣモータ。
【請求項１２】
請求項１１のブラシレスＤＣモータにおいて、前記複数のコイルが、三（３）相巻きを形成するブラシレスＤＣモータ。
【請求項１３】
リニア移動デバイスであって、
磁場アセンブリを備え、この磁場アセンブリは、
複数の極片と、
複数の端部極片と、
複数の永久磁石とを含み、
前記複数の極片と複数の端部極片と複数の永久磁石とは、共通軸に沿って位置して前記複数の極片の１つづつが前記複数の永久磁石の個々の間に位置するようにされており、
前記リニア移動デバイスは更に、
前記共通軸に沿って移動するように適合された電機子アセンブリを備え、この電機子アセンブリは、
非磁性コイルベースと、
この非磁性コイルベース上に支持された複数のコイルとを含み、
前記複数の永久磁石の各々が長さ及び極性を有すると共に、前記複数の極片と前記複数の端部極片との各々が長さを有し、それらの長さは、前記磁場アセンブリが、定常力対ストローク特性及び間隙における磁束密度の法線成分の正弦分布を与えるように選択されているリニア移動デバイス。
【請求項１４】
請求項１３のリニア移動デバイスにおいて、前記複数の極片の各々の長さが、前記複数の永久磁石の各々の長さの３分の２（即ち２／３）であるリニア移動デバイス。
【請求項１５】
請求項１３のリニア移動デバイスにおいて、前記端部極片の各々の長さが、前記複数の極片の各々の長さの半分（即ち１／２）であるリニア移動デバイス。
【請求項１６】
電機子アセンブリ及び磁場アセンブリを有するブラシレスＤＣモータを形成する方法であって、
各々が長さを有する複数の極片を共通の磁場アセンブリ軸に沿って配置し、前記複数の極片の個々が前記複数の永久磁石の個々と交互になるようにする段階と、
前記複数の永久磁石の長さと前記複数の極片の長さとの間の比を、電機子の１相のみ又は２相の組み合わせが励磁されたときに、正弦力対ストローク特性を達成するように選択する選択段階とを含む方法。
【請求項１７】
請求項１６の方法において、前記電機子アセンブリと前記磁場アセンブリとの間に空気間隙が形成されるように、前記磁場アセンブリを前記電機子アセンブリに関して位置決めする段階を更に含むと共に、
前記選択段階が、
前記複数の永久磁石の長さと前記複数の極片の長さとの間の比が、前記空気間隙内の磁束密度の法線成分の正弦分布を与えるように設定する段階を含む方法。
【請求項１８】
請求項１６又は１７の方法において、
磁性材料から形成されたハウジングを設ける段階と、
長さを有する端部極片を含むエンドキャップを設ける段階と、
前記磁場アセンブリ、前記エンドキャップ及び前記ハウジングが共通の磁気回路を形成するように、前記ハウジングと前記エンドキャップと前記磁場アセンブリとを位置決めする段階と、
前記複数の極片の長さに対する前記端部極片の長さの比を、ブラシレスＤＣモータについての正弦力対全ストローク特性が得られるように調整する調整段階とを更に含む方法。
【請求項１９】
請求項１６又は１７の方法において、前記選択段階が、前記複数の極片の各々の長さを、前記複数の永久磁石の各々の長さの３分の２（即ち２／３）になるように設定する段階を含む方法。
【請求項２０】
請求項１８の方法において、前記調整段階が、前記複数の極片の各々の長さを、前記複数の永久磁石の各々の長さの３分の２（即ち２／３）になるように設定する段階を含む方法。
【請求項２１】
請求項１８の方法において、前記調整段階が、前記複数の極片の各々の長さを、前記複数の端部極片の各々の長さの半分（即ち１／２）になるように設定する段階を含む方法。
【請求項２２】
請求項１６又は１７の方法において、非磁性コイルベースと、この非磁性コイルベース上に支持された複数のコイルとの前記電機子アセンブリを形成する段階を更に含む方法。
【請求項２３】
請求項２２の方法において、前記電機子アセンブリを形成する段階が、複数のコイルから三（３）相巻きを形成する段階を含む方法。
【請求項２４】
リニア移動デバイスを形成する方法であって、
複数の極片、複数の端部極片、及び複数の永久磁石の磁場アセンブリを形成する段階と、
前記複数の極片、前記複数の端部極片、及び前記複数の永久磁石を共通の軸に沿って配置して、前記複数の極片の１つづつが前記複数の永久磁石の個々の間に位置させる段階と、
前記磁場アセンブリに関して、この磁場アセンブリと共に共通の磁気回路を形成するようにハウジングを位置決めする段階と、
電機子アセンブリを形成するように非磁性コイルベース上に支持された複数のコイルを支持する段階と、
前記電機子アセンブリが前記ハウジングと前記磁場アセンブリとの間で前記共通軸に沿って移動可能になるように、且つ前記電機子アセンブリと前記磁場アセンブリとの間に間隙を規定するように、前記電機子アセンブリを位置決めする段階と、
前記磁場アセンブリが、定常力対ストローク特性と前記間隙内の磁束密度の法線成分の正弦分布とを与えるように、前記複数の永久磁石の各々の長さ及び極性と、前記複数の極片の各々の長さ及び極性と、前記複数の端部極片の各々の長さ及び極性とを選択する選択段階とを含む方法。
【請求項２５】
請求項２４の方法において、前記選択段階が、前記複数の極片の各々の長さを、前記複数の永久磁石の各々の長さの３分の２（即ち２／３）になるように設定する段階を含む方法。
【請求項２６】
請求項２４の方法において、前記選択段階が、前記端部極片の各々の長さを、前記複数の極片の各々の長さの半分（即ち１／２）になるように設定する段階を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の参照
この出願は、米国仮特許出願第６０／２５８，２０５号（２０００年１２月２６日出願）から米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく優先権を主張している。
【０００２】
発明の技術分野
本発明は一般にリニア移動デバイスに関し、更に詳しくは無鉄電機子アセンブリを有し、且つそのストロークに亘って実質的に定常力を有するリニアブラシレスＤＣモータに関する。
【０００３】
発明の背景
考えられるリニア移動デバイスで最も単純なものの一つは、円筒リニアボイスコイルアクチュエータである。しかしながら、これらはストロークが限定されたデバイスである。長いストロークが要求されるならば、リニアブラシレスＤＣモータとしても知られる整流リニアボイスコイルアクチュエータを使用できる（図１Ａ）。磁束収束磁気回路を有するリニアブラシレス非整流デバイスの一例は、本願の譲受人であるＢＥＩ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．に譲渡された米国特許第５，３２４５，２０６号に開示された可動コイルアクチュエータに見ることができる。この米国特許第５，３２４５，２０６号は、引用により本明細書に組み込まれている。
【０００４】
リニア移動デバイスがサーボシステムに用いられた場合、可動部品（電機子アセンブリ）の質量は最小化させねばならない。更に、モータにより形成された力は、移動方向の力を除いては、全て排除するか或いは最小化させねばならない。最後に、円滑な操作を達成するためには、サーボモータにより生じた力はストロークに亘って一定に保たねばならない。
【０００５】
発明の概要
従って本発明の一つの目的は、長ストロークを有し、且つ可動部品が低質量であるリニア移動デバイスを与えることである。
【０００６】
本発明の他の目的は、モータにより形成された力が、移動方向の力を除いては、最小化されたリニアブラシレスＤＣモータの形式におけるリニア移動デバイスを与えることである。
【０００７】
本発明の更なる目的は、生じた力がストロークに亘って一定に保たれる円滑な操作を有するリニアブラシレスＤＣモータを与えることである。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、３相モータの正弦波整流を用いることにより、生じた力がストロークに亘って一定に保たれる円滑な操作を有するリニアブラシレスＤＣモータを与えることである。
【０００９】
本発明によれば、無鉄電機子アセンブリと、例えば図２に記載されたような所望の定常力対ストローク特性（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｆｏｒｃｅ ｖｅｒｓｕｓ ｓｔｒｏｋｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ）を達成するために誂えられた磁場アセンブリとを有するリニアブラシレスＤＣモータを与えることである。
【００１０】
本発明は、電機子アセンブリと、各々が長さを有する複数の永久磁石を含む磁場アセンブリと、各々が長さを有する複数の極片とを備える。複数の永久磁石の長さと複数の極片の長さとの間の比は、定常力対ストローク特性を達成するように誂えてある。
【００１１】
本発明によれば、ブラシレスＤＣモータが与えられており、これは電機子アセンブリと、この電機子アセンブリに関して、この電機子アセンブリとの間に空気間隙を形成するように位置する磁場アセンブリとを備える。磁場アセンブリは、各々が長さを有する複数の永久磁石と、各々が長さを有する複数の極片とを含む。複数の永久磁石の長さと複数の極片の長さとの間の比は、空気間隙内の磁束密度の法線成分の正弦分布を与えるように選択してある。
【００１２】
本発明の上述及びその他の目的、特徴、利点は以下の本発明の詳細な説明と添付図面とを斟酌することにより一層容易に理解される。
【００１３】
図示の実施形態の説明
本発明によれば、リニアブラシレスＤＣモータ１０は、電機子アセンブリ１３と、軟磁性材料からなる２つのエンドキャップ１４，１６の間に「挟まれた」磁場アセンブリ１２と、これまた軟磁性材料からなるハウジングの２つの半体１８，２０とを含む。磁場アセンブリ１２と、エンドキャップ１４，１６及びハウジング１８，２０は共通の磁気回路を構成する。
【００１４】
磁場アセンブリ１２は、共通の磁場アセンブリ軸を規定する非磁性ロッド２２を備え、その上には軸方向に磁化された円筒永久磁石２４、軟化磁極片２６及び２つの軸方向に磁化された端部永久磁石２８，３０が組み込まれており、これは例えば図３に記載された如くである。
【００１５】
極片２６は、反対方向に磁化された永久磁石２４の間に位置している。全ての磁石２４及び極片２６は互いに接着されている。芯合わせの目的のために、磁場アセンブリロッド２２の両端を、エンドキャップ１４，１６内に設けられた円筒内腔３２へ嵌合させる。ハウジングの２つの半体１８，２０は、これまたエンドキャップ１４，１６内に機械加工された円形キャビティ３４内へ嵌合させる。ハウジング半体１８，２０の角度的不整合を防止するために、これらは係止ピン３６により両端における所定位置へ固定されている（図４参照）。
【００１６】
本発明のリニアモータの磁気成分の形態は、本願の譲受人であるＢＥＩ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃに譲渡された米国特許第５，３２４５，２０６号に開示された可動コイルアクチュエータのそれに似ているが、以下のように２つの基本的な差異がある。
【００１７】
１）米国特許第５，３２４５，２０６号の設計は磁束収束磁気回路の形成を意図していたが、本発明は図５に図示したように空気間隙における磁束密度の法線成分の正弦分布の達成を可能にする。正弦分布は、永久磁石の長さと極片の長さとの間の適切な比を選択することにより得られる。例えば、図３における極片と（端部永久磁石を除く）永久磁石とを参照すると、このような一つの適切な比は、永久磁石の長さの３分の２（即ち２／３）である極片長さである。端部磁石長さもこれに従って選択されている。
【００１８】
２）図６に示すような３相モータの１相又は２相の組み合わせについて正弦力対全ストローク曲線（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｆｏｒｃｅ ｖｓ． ｅｎｔｉｒｅ ｓｔｒｏｋｅ ｃｕｒｖｅ）を得る目的では、極片長さ（ｌＰ．Ｐ．）と、エンドキャップの一体的部品である端部極片の長さ（ｌＥ．Ｐ．Ｐ．）との間の適切な比の選択には特別な注意が払われている。図２を参照すると、このような一つの適切な比の例が示してあり、これは端部極片長さ（ｌＥ．Ｐ．Ｐ．）であって、極片長さ（ｌＰ．Ｐ．）の半分（即ち１／２）である。
【００１９】
電機子アセンブリ１３は、図７に示すように、コイル４０のためのキャビティを有する非磁性円筒コイルベース３８と、３相巻きと、負荷へ接続すべき２つの取り付けブラケット４２，４４とを含む。
【００２０】
電機子アセンブリ１３は、モータ自身のリニアベアリング（図示せず）上を摺動するようにしてもよく、或いは負荷のリニアベアリングにより支持されるようにしてもよい。
【００２１】
本明細書に用いた用語及び表現は、説明の目的を意図したものであって、限定を意図するものではなく、これらの用語及び表現を図示及び説明された特徴の均等物又はその部分を除外するように用いる意図はなく、請求された本発明の目的の範囲内で様々な変更が可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１ＡはリニアブラシレスＤＣモータの図解である。図１Ｂは従来の米国特許第５，３４５，２０６号に開示されたリニアボイスコイルアクチュエータの断面図である。
【図２】
図２は本発明のリニアブラシレスＤＣモータの一実施形態のハウジング、磁場アセンブリ及び電機子アセンブリを示す単純化された断面図である。
【図３】
図３は本発明のリニアブラシレスＤＣモータの一実施形態の磁場アセンブリの単純化された断面図である。
【図４】
図４は本発明のリニアブラシレスＤＣモータの一実施形態のエンドキャップの詳細を示す単純化された断面図である。
【図５】
図５は本発明の一実施形態により空気間隙内の磁束密度の法線成分の正弦分布を示す。
【図６】
図６は本発明の一実施形態により３相モータの１相又は２相の組合せについて得られた正弦力対全ストローク曲線を示す。
【図７】
図７Ａは本発明の一実施形態の電機子アセンブリの斜視図である。図７Ｂは本発明の一実施形態の電機子アセンブリの断面図である。
【図１】
2004518391.tif 000003
2004518391.tif 000004
【図２】
2004518391.tif 000005
【図３】
2004518391.tif 000006
【図４】
2004518391.tif 000007
【図５】
2004518391.tif 000008
【図６】
2004518391.tif 000009
【図７】
2004518391.tif 000010
【国際公開パンフレット】
2004518391.tif 000011
2004518391.tif 000012
2004518391.tif 000013
2004518391.tif 000014
2004518391.tif 000015
2004518391.tif 000016
2004518391.tif 000017
2004518391.tif 000018
2004518391.tif 000019
2004518391.tif 000020
2004518391.tif 000021
2004518391.tif 000022
2004518391.tif 000023
2004518391.tif 000024
2004518391.tif 000025
2004518391.tif 000026
2004518391.tif 000027
2004518391.tif 000028
2004518391.tif 000029
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004518391.tif 000030
【国際調査報告】
2004518391.tif 000031
2004518391.tif 000032
2004518391.tif 000033