(57)【要約】【課題】円筒型リニアモータにおいて、永久磁石の寸法公差を厳しくしなくても、固定子の磁極ピッチのばらつきを少なくできるようにする。【解決手段】円筒型リニアモータの固定子１０の外殻を構成する円筒状のシャフト１２内には、多数の永久磁石１３が、隣接する永久磁石１３のＳ極どうし、Ｎ極どうしが磁極ピッチ調整用のスペーサ部材１８を挟んで対向するように収納されている。そして、固定子１０の磁極ピッチ（永久磁石１３の間隔）を調整するために、各永久磁石１３間に挟み込むスペーサ部材１８は、予め準備された厚み寸法の異なる複数のスペーサ部材の中から必要とする厚み寸法のものを選択する。これにより、各永久磁石１３の厚み寸法に製造ばらつきがあっても、そのばらつきをスペーサ部材１８の厚み調整により吸収することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の永久磁石を直線状に組み付けたシャフト状の固定子の外側に、複数のコイルを内蔵した可動子を該固定子と同心状に配置し、前記可動子の移動位置に応じて前記複数のコイルへの通電を切り換えることで前記可動子を前記固定子に沿って直線駆動する円筒型リニアモータにおいて、
前記固定子の各永久磁石の間に磁極ピッチを調整する磁極ピッチ調整手段を設けたことを特徴とする円筒型リニアモータ。
【請求項２】
前記磁極ピッチ調整手段は、予め準備された厚み寸法の異なる複数のスペーサ部材の中から必要とする厚み寸法のものを選択して前記各永久磁石の間に挟み込むことで磁極ピッチを調整することを特徴とする請求項１に記載の円筒型リニアモータ。
【請求項３】
前記磁極ピッチ調整手段は、前記各永久磁石の間に挟み込むスペーサ部材の枚数を増減させることで磁極ピッチを調整することを特徴とする請求項１に記載の円筒型リニアモータ。
【請求項４】
前記各永久磁石及び前記各スペーサ部材は、それぞれの中心部に形成した貫通孔を中心軸に挿通して該中心軸の両端を抜け止めすることで一体化されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の円筒型リニアモータ。
【請求項５】
前記スペーサ部材には、前記中心軸にその外周側から差し込み可能な切欠部が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の円筒型リニアモータ。
【請求項６】
前記各永久磁石は、その中心部に形成した貫通孔が中心ボルトに挿通され、
前記磁極ピッチ調整手段は、前記各永久磁石間に挟み込ませて前記中心ボルトに螺合させた一対のナット間の隙間寸法を該ナットの螺進退により調整することで磁極ピッチを調整することを特徴とする請求項１に記載の円筒型リニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定子の磁極ピッチを調整する機能を備えた円筒型リニアモータに関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
近年、直線往復駆動用のアクチュエータとして円筒型リニアモータが注目されている。この円筒型リニアモータは、「シャフトモータ」とも呼ばれ、例えば、特許文献１（特開２０００−１３９０６９号公報）、特許文献２（特許第３４８１７５９号公報）等に記載されているように、Ｎ極とＳ極の磁束を交互に発生するシャフト状の固定子の外側に、複数のコイルを内蔵した可動子を該シャフト状の固定子と同心状に配置し、該可動子に設けた磁気センサ（ホール素子）で固定子の磁極の位置を検出してコイルへの通電を切り換えることで可動子を固定子に沿って直線駆動するように構成したものが多い。
【０００３】
この円筒型リニアモータの固定子は、特許文献１に記載されているように、１本の棒状磁性材料に着磁装置でＮ極とＳ極を交互に着磁して形成したものがあるが、１本の棒状磁性材料にＮ極とＳ極を等ピッチで強力に着磁することが難しく、高磁力化や磁極間の境界位置の高精度化が困難であり、高推力化や位置決め精度向上の要求を十分に満たすことができない。
【０００４】
この課題を解決するために、円筒状のシャフト内に、予め着磁された多数の永久磁石を直線状に並べて収納することでシャフト状の固定子を構成するようにしたものが多い。この場合、隣接する永久磁石の同極どうしを互いに対向させて接合したり、或は、推力発生に寄与する磁束を増加させるために、隣接する永久磁石間にヨーク（磁性材料）を挟み込んだ構成のものもある（特許文献２参照）
【特許文献１】特開２０００−１３９０６９号公報
【特許文献２】特許第３４８１７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、永久磁石は、成形型により成形して製造したり、或は、それを焼結して製造するため、寸法ばらつきが大きくなる傾向がある。従って、多数の永久磁石を直線状に配列して固定子を製造すると、各永久磁石の厚み寸法の製造ばらつきにより磁極ピッチがばらついて推力が低下するという問題があった。
【０００６】
この推力の低下率Ｙ［ｐ．ｕ．］は次式で算出される。
Ｙ＝１−ｃｏｓ｛（Ｘ−ｎ・Ｄ）／Ｄ×３６０°｝    ……（１）
ここで、Ｄは磁極ピッチ［ｍｍ］であり、Ｘは原点からの可動子の移動距離［ｍｍ］である（ある１つのＮ極の位置を原点とする）。ｎは、可動子が原点から距離Ｘ移動する過程で通過する磁極ピッチの回数である。
【０００７】
例えば、磁極ピッチＤ＝６０［ｍｍ］、可動子の移動距離Ｘ＝９１０［ｍｍ］、磁極ピッチの通過回数ｎ＝１５の場合は、可動子と固定子の磁極との位置関係が１０［ｍｍ］ずれることが次式により算出される。
磁極ピッチのずれ＝｜９１０−６０×１５｜＝１０［ｍｍ］
このずれた位置で可動子のコイルに通電すると、上記（１）式により推力が半分になってしまうことが分かる。
【０００８】
この対策として、従来は、永久磁石の寸法公差を厳しくすることで、要求精度を満たすようにしていたため、永久磁石の製造コストがかなり高くなってしまい、低コスト化の要求を満たすことができないという問題があった。
【０００９】
また、可動子の移動位置を検出するリニアエンコーダを搭載したシステムでは、このリニアエンコーダの検出位置情報に基づいてコイルへの通電を切り換えることで、固定子の磁極の位置を検出する磁気センサを省略した磁気センサレス構成を採用することが考えられるが、前述した磁極ピッチのばらつきによりリニアエンコーダの検出位置情報と実際の磁極の位置との対応関係にずれが生じるため、推力の低下は避けられない。従って、磁気センサレス構成で推力の低下を回避するためには、(1) 永久磁石の寸法公差を厳しくして磁極ピッチのばらつきを小さくするか、或は、(2) リニアエンコーダの検出位置情報と実際の磁極の位置との対応関係を実測して、そのデータをリニアモータ制御装置のメモリに記憶しておき、リニアモータ駆動中にリニアエンコーダの検出位置情報とメモリの記憶データとに基づいて磁極の位置を検出してコイルへの通電を切り換える構成が考えられる。しかし、いずれの手法でも、かなりのコストアップを伴い、低コスト化の要求を満たすことができない。
【００１０】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、永久磁石の寸法公差を厳しくしなくても、固定子の磁極ピッチのばらつきを少なくすることができて、低コスト化や磁気センサレス化に対応することができる円筒型リニアモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、複数の永久磁石を直線状に組み付けたシャフト状の固定子の外側に、複数のコイルを内蔵した可動子を該固定子と同心状に配置し、前記可動子の移動位置に応じて前記複数のコイルへの通電を切り換えることで前記可動子を前記固定子に沿って直線駆動する円筒型リニアモータにおいて、前記固定子の各永久磁石の間に磁極ピッチを調整する磁極ピッチ調整手段を設けた構成としたものである。この構成では、各永久磁石の厚み寸法に製造ばらつきがあっても、そのばらつきを磁極ピッチ調整手段の調整により吸収することができるため、永久磁石の寸法公差を厳しくしなくても、固定子の磁極ピッチのばらつきを少なくすることができて、低コスト化や磁気センサレス化に対応することができる。
【００１２】
ここで、磁極ピッチ調整手段の具体例としては、請求項２のように、予め準備された厚み寸法の異なる複数のスペーサ部材の中から必要とする厚み寸法のものを選択して各永久磁石の間に挟み込むことで磁極ピッチを調整するようにしたり、或は、請求項３のように、各永久磁石の間に挟み込むスペーサ部材の枚数を増減させることで磁極ピッチを調整するようにしても良い。これらいずれの場合でも、磁極ピッチ調整手段を安価に実現することができる。
【００１３】
この場合、請求項４のように、各永久磁石及び各スペーサ部材のそれぞれの中心部に形成した貫通孔を中心軸に挿通して該中心軸の両端を抜け止めすることで各永久磁石及び各スペーサ部材を一体化するようにすると良い。このようにすれば、多数の永久磁石とスペーサ部材を一直線状に配列した状態に簡単に組み立てることができる。
【００１４】
更に、請求項５のように、スペーサ部材には、中心軸にその外周側から差し込み可能な切欠部を形成するようにすると良い。このようにすれば、各永久磁石を中心軸に挿通した状態のまま、各永久磁石間の隙間からスペーサ部材を中心軸に容易に差し込んだり取り替えることができ、磁極ピッチの調整作業を容易に且つ精度良く行うことができる。
【００１５】
また、請求項６のように、各永久磁石の中心部に形成した貫通孔を中心ボルトに挿通し、磁極ピッチ調整手段は、前記各永久磁石間に挟み込ませて前記中心ボルトに螺合させた一対のナット間の隙間寸法を該ナットの螺進退により調整することで磁極ピッチを調整するようにしても良い。この構成では、中心ボルトに螺合したナットの螺進退により磁極ピッチの調整作業を極めて容易に且つ精度良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した幾つかの実施例を説明する。
【実施例１】
【００１７】
本発明の実施例１を図１乃至図７に基づいて説明する。
図１及び図２に示すように、円筒型リニアモータ１１は、円筒状のシャフト１２内に多数の永久磁石１３を直線状に並べて配置してシャフト状の固定子１０を構成すると共に、シャフト１２の外側に、複数のコイル１４を内蔵した可動子１５を該シャフト１２と同心状に配置し、可動子１５の移動位置に応じて複数のコイル１４への通電を切り換えることで可動子１５をシャフト１２に沿って直線駆動するように構成されている。シャフト１２内の各永久磁石１３は、隣接する永久磁石１３のＳ極どうし、Ｎ極どうしが後述する磁極ピッチ調整用のスペーサ部材１８（磁極ピッチ調整手段）を挟んで対向するように配置されている。
【００１８】
また、シャフト１２は、各永久磁石１３の磁束を透過させる非磁性材料（例えばステンレス鋼）のパイプにより形成されている。可動子１５のコイル１４は、シャフト１２（永久磁石１３）の外周囲を取り巻くように該シャフト１２と同心状に配置されている。そして、このシャフト１２の両端部が、ベースフレーム１６上に立設された支持ブラケット１７に水平に固定されている。
【００１９】
次に、図３に基づいて固定子１０の組立構造を詳しく説明する。固定子１０の外殻を構成する円筒状のシャフト１２内には、多数の永久磁石１３が、隣接する永久磁石１３のＳ極どうし、Ｎ極どうしが磁極ピッチ調整用のスペーサ部材１８（磁極ピッチ調整手段）を挟んで対向するように収納されている。各スペーサ部材１８は、ヨークを兼ねるように鉄等の磁性材料により円盤状若しくは短円柱状に形成され、各永久磁石１３も短円柱状に形成されている。各永久磁石１３と各スペーサ部材１８は、それぞれの中心部に形成した貫通孔２１，２２に中心軸２３が挿通され、該中心軸２３の両端を次のようにして抜け止めすることで一体化されている。
【００２０】
中心軸２３の両端部には、それぞれ雄ねじ部２４，２５が形成され、円筒状のシャフト１２の両端開口部に嵌合装着される段付き形状のキャップ部材２６，２７の中心部には、中心軸２３の雄ねじ部２４，２５に締め込むためのねじ孔２８，２９が形成されている。そして、固定子１０を組み立てる場合は、まず、中心軸２３の一方の雄ねじ部２４のみにキャップ部材２６を締め込んだ後、この中心軸２３に所定数のスペーサ部材１８と永久磁石１３とを交互に差し込む。この後、中心軸２３の他方の雄ねじ部２５にナット３０を締め付けることで、中心軸２３に差し込まれた所定数の永久磁石１３とスペーサ部材１８をキャップ部材２６とナット３０で挟み付けて固定した状態にする。
【００２１】
この後、この永久磁石１３とスペーサ部材１８の組立体をナット３０側から円筒状のシャフト１２内に挿入し、中心軸２３の他方の雄ねじ部２５にキャップ部材２７を締め込み、各キャップ部材２６，２７の外周段付き部が円筒状のシャフト１２の両端開口縁に当接して固定されるまでキャップ部材２７を締め付けることで、永久磁石１３とスペーサ部材１８の組立体を円筒状のシャフト１２内に組み付ける。
【００２２】
この場合、固定子１０の磁極ピッチ（永久磁石１３の間隔）を調整するために、各永久磁石１３間に挟み込むスペーサ部材１８は、予め準備された厚み寸法の異なる複数のスペーサ部材の中から必要とする厚み寸法のものを選択するようにしている。
【００２３】
更に、本実施例１では、各永久磁石１３を中心軸２３に組み付けた状態でスペーサ部材１８を取替え可能とするために、図４に示すように、各スペーサ部材１８には、中心軸２３にその外周側から差し込み可能な切欠部３１が形成されており、その結果、各スペーサ部材１８の形状はＣ字型となっている。
【００２４】
この場合、中心軸２３に差し込まれた永久磁石１３とスペーサ部材１８は、キャップ部材２６とナット３０で挟み付けて固定するため、スペーサ部材１８の形状がＣ字型であっても、ナット３０の締付け後はスペーサ部材１８が中心軸２３から脱落することはない。      
【００２５】
また、中心軸２３からのスペーサ部材１８の脱落をより確実に防止するために、図５に示すように、スペーサ部材１８の貫通孔２２に対して切欠部３２を斜めに交差させるように形成し、中心軸２３に対してスペーサ部材１８を斜めにして切欠部３２から貫通孔２２まで差し込むようにしても良い。この構成では、中心軸２３に嵌め込んだスペーサ部材１８を永久磁石１３間に挟み込んで、スペーサ部材１８を中心軸２３に対して直角となる状態に戻せば、スペーサ部材１８の切欠部３２と中心軸２３とが交差した状態となるため、中心軸２３からのスペーサ部材１８の脱落が防止される。
【００２６】
また、スペーサ部材１８は、ヨークも兼ねるため、スペーサ部材１８（ヨーク）から可動子１５のコイル１４に鎖交する磁束のバランスが切欠部３１，３２によって少し乱されて可動子１５に働く推力のバランスが少し悪くなる可能性が懸念される。この対策として、図６に示すように、スペーサ部材１８の切欠部３１に跨がるように鉄等の磁性材料で形成された磁性ボルト３３を設け、この磁性ボルト３３によって磁束の矯正とスペーサ部材１８の脱落防止を図るようにしても良い。或は、スペーサ部材１８の切欠部３１，３２に弾性変形可能な磁性材料（例えば磁性ゴム等）を嵌め込むようにしても良い。
【００２７】
例えば、固定子１０の界磁部分の全長が１５００［ｍｍ］、磁極ピッチが６０［ｍｍ］の場合、図７に示すように、１磁極ピッチの長さ６０［ｍｍ］当たり、永久磁石１３とスペーサ部材１８がそれぞれ２個ずつ存在することになる。
【００２８】
この例では、固定子１０の磁極の周期は１５００／６０＝２５［周期］となる。
永久磁石１３とスペーサ部材１８の寸法公差をそれぞれ±０．１［ｍｍ］とすると、固定子１０の界磁部分の全長のプラス方向最大誤差は、２５×４×０．１＝１０［ｍｍ］となる。
【００２９】
もし、固定子１０の磁極とコイル１４との位置関係が１０［ｍｍ］ずれた状態でコイル１４に通電した場合、推力の低下率Ｙ［ｐ．ｕ．］が０．５となり、推力が半分になってしまう。
【００３０】
Ｙ＝１−ｃｏｓ｛１０／６０×３６０°｝＝１−ｃｏｓ６０°＝０．５
この場合、永久磁石１３とスペーサ部材１８の寸法公差を上記の公差の１／１０以下に小さくすれば、推力の低下が０．５［％］以下に抑えられるが、このような厳密な公差管理は、かなりのコストアップを伴い、実用的ではない。
【００３１】
そこで、本実施例１では、固定子１０の磁極ピッチを調整するために、各永久磁石１３間に挟み込むスペーサ部材１８は、予め準備された厚み寸法の異なる複数のスペーサ部材の中から必要とする厚み寸法のものを選択するようにしている。これにより、各永久磁石１３の厚み寸法に製造ばらつきがあっても、そのばらつきをスペーサ部材１８の厚み調整により吸収することができるため、永久磁石１３の寸法公差を厳しくしなくても、固定子１０の磁極ピッチのばらつきを少なくすることができて、低コスト化の要求を満たすことができる。
【００３２】
しかも、本実施例１では、固定子１０の磁極ピッチの精度を十分に確保できるため、可動子１５の移動位置を検出するリニアエンコーダ（図示せず）を搭載していれば、このリニアエンコーダの検出位置情報に基づいてコイル１４への通電を切り換えることで、固定子１０の磁極の位置を検出する磁気センサを省略した磁気センサレス構成を採用することが可能となり、一層の低コスト化を実現できる。
【００３３】
しかしながら、本発明は、固定子１０の磁極の位置を検出する磁気センサを搭載して、この磁気センサの出力信号に基づいてコイル１４への通電を切り換えるように構成しても良い。
【００３４】
また、本実施例１では、スペーサ部材１８に、中心軸２３にその外周側から差し込み可能な切欠部３１（３２）が形成されているため、中心軸２３に組み付けた各永久磁石１３とスペーサ部材１８を挟み付けているナット３０を緩めれば、各永久磁石１３間で対向する同じ極性の磁力が反発し合って各永久磁石１３の間隔が自然に広がる。これにより、中心軸２３に各永久磁石１３を挿通した状態のまま、各永久磁石１３間の隙間から適宜の厚みのスペーサ部材１８を中心軸２３にその外周側から容易に差し込んだり取り替えることができ、磁極ピッチの調整作業を容易に且つ精度良く行うことができる利点がある。
【００３５】
しかしながら、本発明は、切欠部３１（３２）が形成されていない円環状のスペーサ部材を用いても良い。この場合でも、中心軸２３からナット３０を取り外して、中心軸２３から永久磁石１３と円環状のスペーサ部材を抜き出せば、適宜の厚みのスペーサ部材と取り替えることができる。
【実施例２】
【００３６】
上記実施例１では、各永久磁石１３の間に１つのスペーサ部材１８を挟み込むようにしたが、図８に示す本発明の実施例２では、磁極ピッチ調整手段である各スペーサ部材３５の厚みを上記実施例１のスペーサ部材１８よりも薄く形成して、各永久磁石１３の間に挟み込むスペーサ部材３５の枚数を増減させることで固定子１０の磁極ピッチを調整するようにしている。この場合、各スペーサ部材３５の厚み以外の形状は、前記実施例１で説明した図４乃至図６のいずれの形状であっても良く、勿論、それ以外の形状であっても良いことは言うまでもない。
【００３７】
本実施例２では、各スペーサ部材３５の厚みは同一であっても良いが、前記実施例１と同様に、予め準備された厚み寸法の異なる複数のスペーサ部材の中から必要とする厚み寸法のものを選択するようにしても良い。
以上説明した本実施例２においても、前記実施例１と同様の効果を得ることができる。
【実施例３】
【００３８】
前記実施例１では、永久磁石１３とスペーサ部材１８を挿通する中心軸２３の両端部のみに雄ねじ部２４，２５を形成したが、図９に示す本発明の実施例３では、全長にわたって雄ねじ部が形成された中心ボルト３６を用い、この中心ボルト３６に多数の永久磁石１３が挿通され、各永久磁石１３間にはスペーサ部材１８と一対のナット３７（磁極ピッチ調整手段）とが交互に挿通されている。図９の例では、永久磁石１３を２個挟んだ間隔（１磁極ピッチの間隔）で一対のナット３７を配置したが、これ以外の間隔で一対のナット３７を配置しても良い。
【００３９】
この場合、一対のナット３７は中心ボルト３６に螺合されているが、永久磁石１３とスペーサ部材１８は、中心ボルト３６に単に挿通されているだけであり、中心ボルト３６に螺合された一対のナット３７間の隙間寸法を該ナット３７の螺進退により調整することで永久磁石１３とスペーサ部材１８の位置を中心ボルト３６に沿ってずらして固定子１０の磁極ピッチを調整するようにしている。その他の構成は、前記実施例１と同じである。
【００４０】
この構成では、中心ボルト３６に螺合したナット３７の螺進退により固定子１０の磁極ピッチの調整作業を極めて容易に且つ精度良く行うことができる。
尚、一対のナット３７の間には、弾性変形可能な磁性材料（例えば磁性ゴム等）を挟み込んで磁束効率を高めるようにしても良い。
【００４１】
以上説明した各実施例１〜３では、１本の中心軸２３（中心ボルト３６）に固定子１０を構成する全ての永久磁石１３とスペーサ部材１８（ナット３７）を組み付けるようにしたが、中心軸２３（中心ボルト３６）を複数に分割して、個々に組み立て、それらを円筒状のシャフト１２内に収納して中心軸２３を組み立てるように構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例１の円筒型リニアモータを搭載した装置を概略的に示す図である。
【図２】実施例１の円筒型リニアモータの主要部の斜視図である。
【図３】実施例１の円筒型リニアモータの主要部の断面図である。
【図４】スペーサ部材の第１例を説明する図である。
【図５】スペーサ部材の第２例を説明する図である。
【図６】スペーサ部材の第３例を説明する図である。
【図７】１磁極ピッチ当たりの永久磁石とスペーサ部材の配列を説明する図である。
【図８】実施例２の円筒型リニアモータの主要部の断面図である。
【図９】実施例３の円筒型リニアモータの主要部の断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…固定子、１１…円筒型リニアモータ、１２…円筒状のシャフト、１３…永久磁石、１４…コイル、１５…可動子、１６…ベースフレーム、１７…支持ブラケット、１８…スペーサ部材（磁極ピッチ調整手段）、２１，２２…貫通孔、２３…中心軸、２６，２７…キャップ部材、３１，３２…切欠部、３３…磁性ボルト、３５…スペーサ部材（磁極ピッチ調整手段）、３６…中心ボルト、３７…ナット（磁極ピッチ調整手段）
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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