(57)【要約】【課題】円筒形または円弧面を有する素子を移動させる際に、より小さな空間に配置可能でより大きな推力を得ることが可能なリニアモータを提供する。【解決手段】コイルと、ヨークと、永久磁石とを組み合わせてコイルを流れる電流に磁界を作用させることで、コイルに推力を発生させるリニアモータであって、コイル２は、半径の異なる同心の二つの円の円弧２ａ、２ｂと、円弧２ａの２つの半径の一部２ｃ、２ｄで囲まれた形状であり、断面が円弧状でありコイル２の孔部を貫通するセンタヨーク３と、断面が円弧状でありコイル２における、円弧からなる部分の外側に配置されるアウタヨーク４と、センタヨーク３とアウタヨーク４を両端で連結する２つのサイドヨーク６ａ、６ｂと、アウタヨーク４に密接して配置され断面が円弧状である永久磁石５と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルと、
永久磁石とヨークとを含み前記コイルを通過する磁界を発生させる磁気回路ユニットと、を備え、
前記磁気回路ユニットと前記コイルとを組み合わせて前記コイルを流れる電流に磁界を作用させることで、前記コイルと前記磁気回路ユニットとを相対的に移動させるリニアモータであって、
前記コイルを端面側から見た形状は、少なくとも半径の異なる同心の二つの円の円弧を有する形状であり、
前記磁気回路ユニットは前記コイルと組み合わせた状態で、
前記コイルの端面側から見た断面が円弧状であり、前記コイルの孔部を貫通するセンタヨークと、
前記コイルの端面側から見た断面が円弧状であって、前記コイルにおける、円弧からなる部分の外側に配置されるアウタヨークと、
前記センタヨークとアウタヨークにおける前記コイルの移動方向の端部を連結するサイドヨークと、
前記アウタヨークまたはセンタヨークにおける、前記アウタヨークと前記センタヨークが互いに対向する面に配置され、前記コイルの端面側から見た断面が円弧状である永久磁石と、を有することを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
前記磁気回路ユニットが有する永久磁石は、前記コイルの端面側から見た断面の周方向について複数片に分割され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。
【請求項３】
前記分割された各々の永久磁石の周方向の幅は、厚みの３倍以上４．３倍以下であることを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
【請求項４】
前記アウタヨークは、前記コイルにおける、前記大きい方の円の円弧からなる部分の外側に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイルに通電された直流電流と、永久磁石を含む磁気回路において発生する磁界とを相互作用させることで推力を発生させ、コイルと磁気回路とを相対移動させる、ボイスコイル型のリニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
リニアモータは、回転形のモータの固定子側と回転子側とを直線状に引き伸ばしたもので、電気エネルギを直線運動するための推力に変換する。直線的な推力が得られるリニアモータは、移動体を直線運動させる一軸のアクチュエータとして用いられる。
【０００３】
小型の電子機器において、読み取りヘッドや光学系を高速、高精度に目的の位置に移動させるアクチュエータとして上述のリニアモータが利用される場合がある。特に上記の目的に対しては、コイルに直流電流を通電し、永久磁石から発生する磁界との相互作用によって電流値に比例する推進力を発生させ、その推進力によって移動対象を目的の位置に移動させるボイスコイルタイプのリニアモータが好適に用いられる。
【０００４】
ボイスコイルタイプのリニアモータを形状的に分類したタイプとしては、例えばロッドタイプとフラットタイプを挙げることができる。ロッドタイプのリニアモータとしては、円筒形のコイルの孔内にヨークの機能を有するロッドを挿入し、コイルの外周側に円筒状のヨークとともに配置した永久磁石が発生する磁界にコイルを通過させるものを例示できる。他方、フラットタイプのリニアモータとしては、端面側から見て四角形のコイルの孔内に平板上のセンタヨークを挿入し、四角形のコイルの外部の片側または両側に平板状の永久磁石をアウタヨークとともに配置し、永久磁石からセンタヨークに向かう磁界にコイルを通過させるものを例示できる。
【０００５】
しかしながら、上述したような小型の電子機器においては、機器の小型化の観点から非常に狭い空間にリニアモータを配置しなければならないことが多く、特に、円筒状の素子を機器内で移動させるために円弧状の空間を効率的に用いてリニアモータを配置しなければならない場合も多い。
【０００６】
これに対し、上記のロッドタイプのリニアモータでは、円筒状の素子の周囲の全周に係る空間を利用することとなり、機器の小型化の観点からは不都合があった。また、フラットタイプのリニアモータでは、円筒形の素子に適用させた場合には、円弧状の空間を有効に利用することができず、充分な推力を得ることが困難な場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−０８９５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記のような不都合を解決するためになされたものであり、円筒形または円弧面を有する素子を移動させる際に、より小さな空間に配置可能でより大きな推力を得ることが可能なリニアモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明は、コイルに直流電流を流し、この直流電流と磁気回
路が発生する磁界との相互作用により、コイルと磁気回路とを相対的に移動させるボイスコイルタイプのリニアモータであって、コイル及び、磁気回路の断面を、円弧状に形成したことを最大の特徴とする。  
【００１０】
より詳しくは、
コイルと、
永久磁石とヨークとを含み前記コイルを通過する磁界を発生させる磁気回路ユニットと、を備え、
前記磁気回路ユニットと前記コイルとを組み合わせて前記コイルを流れる電流に磁界を作用させることで、前記コイルと前記磁気回路ユニットとを相対的に移動させるリニアモータであって、
前記コイルを端面側から見た形状は、少なくとも半径の異なる同心の二つの円の円弧を有する形状であり、
前記磁気回路ユニットは前記コイルと組み合わせた状態で、
前記コイルの端面側から見た断面が円弧状であり、前記コイルの孔部を貫通するセンタヨークと、
前記コイルの端面側から見た断面が円弧状であって、前記コイルにおける、円弧からなる部分の外側に配置されるアウタヨークと、
前記センタヨークとアウタヨークにおける前記コイルの移動方向の端部を連結するサイドヨークと、
前記アウタヨークまたはセンタヨークにおける、前記アウタヨークと前記センタヨークが互いに対向する面に配置され、前記コイルの端面側から見た断面が円弧状である永久磁石と、を有することを特徴とする。
【００１１】
これによれば、種々のシャフト、半導体レーザ等の発光素子、光学素子など、円柱状または円弧を一部に有する形状の移動体を移動させる際に、リニアモータに許される空間を有効に利用することができる。従って、コイル、永久磁石及びヨークに割り当てられる容積を増加することができ、より多くの推力を得ることが可能となる。その結果、上記したような移動体をより速く、より精度よく目的位置まで移動させることが可能となる。
【００１２】
なお、本発明において上記した課題を解決するための手段は、可能なかぎり組み合わせて用いることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、円柱状、円筒状または円弧を一部に有する形状の移動体をリニアモータで移動させる際に、円弧状の空間をより効率よく利用することができ、より多くの推力を得ることが可能となる。その結果、上記したような移動体をより速く、より精度よく目的位置まで移動させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】円筒形または円柱形の移動体を移動させる際にリニアモータとして使える空間の例を示す図である。
【図２】本発明の実施例１におけるリニアモータの斜視図及び、コイルを端面側から見た図である。
【図３】本発明の実施例１におけるリニアモータの三面図である。
【図４】本発明の実施例１におけるリニアモータと実施例２におけるリニアモータの断面図を比較した図である。
【図５】円弧状断面を有する板状の永久磁石の表面近傍における周方向の磁界分布の概略を示す図である。
【図６】永久磁石を周方向に２分割した場合の、永久磁石の表面近傍における周方向の磁界分布の概略を示す図である。
【図７】永久磁石を周方向に２分割した場合の、永久磁石の表面近傍における長さ方向の磁界分布の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係るリニアモータについて、図面を参照して詳細に説明する。  
【００１６】
＜実施例１＞
近年の電子機器においては、小型化のために装置内の空間の有効利用を如何に行うかが問題となっている。一方で、装置内において円筒形あるいは円柱形の移動体をリニアモータで移動させる要求は高まっている。この移動体の例としては、シャフト、半導体レーザなどの発光素子、光学素子などが考えられる。図１には、円筒形または円柱形の移動体を移動させる際にリニアモータとして使える空間の例を示す。この例では円柱状の移動体１００を固定部１０１に対して軸方向に移動させる場合を示している。このような例において移動体１００と固定部１０１の間の空間を全て使える場合には、前述したロッドタイプのリニアモータを用いることができる。
【００１７】
しかしながら、装置の空間の有効利用の観点から、例えば、図中ハッチングで示すような、移動体１００と固定部１０１の間の空間の一部のみをリニアモータのための空間１０２として用いることが可能な場合が多い。このような場合には、ロッドタイプのリニアモータを用いることは不可能である。これに対し、フラットタイプのリニアモータを用いることはできる。しかしながら、図中に模擬的に示したリニアモータ断面１０３から分かるように、フラットタイプのリニアモータでは、許される空間に対して無駄になる空間が多く、磁気回路の永久磁石やヨークのための断面積を十分に確保することができない。その結果、移動体１００を高速、高精度に移動させるために充分な推力を得られない場合がある。
【００１８】
そこで、本実施例においては、断面が略円弧形をしたリニアモータを用いることとした。図２には、本実施例におけるリニアモータ１の斜視図を示す。リニアモータ１は、端面から見た形状が略円弧状であるコイル２と、コイル２の孔部を貫通する断面円弧状のセンタヨーク３、コイル２の外部に配置される断面円弧状のアウタヨーク４、アウタヨーク４のコイル２に対向する面に備えられた断面円弧状の永久磁石５、センタヨーク３とアウタヨーク４をコイル２の移動範囲の両端で接続するサイドヨーク６ａ、６ｂを備えている。
【００１９】
コイル２の断面形状は、より具体的には図２（ｂ）に示すように、大小異径の同心円の円弧の一部２ａ及び２ｂと、径の大きい方の円の半径の一部２ｃ及び２ｄで囲まれる形状に形成されている。そして、センタヨーク３、アウタヨーク４、永久磁石５の断面は、全てコイル２の円弧部分２ａ及び２ｂと同心の円弧となっている。サイドヨーク６ａ、６ｂは、センタヨーク３の両端を直角に曲げることで形成されている。そして、サイドヨーク６ａ、６ｂをコイル２の端面側から見た形状は、アウタヨーク４の断面と同一半径の円弧と、センタヨーク３の断面と同一半径の円弧と、アウタヨーク４の断面と同一半径の円の２つの半径の一部とによって囲まれた形状となっている。
【００２０】
ここで、コイル２は、銅線を回巻することで形成されるが、場合により、線の面積あたりの充填率を上昇させるために角型断面の線を用いてもよい。永久磁石５は、ネオジウムなどの希土類からなる磁石など、残留磁束密度などの磁気特性の優れた磁石を用いることが望ましいが、酸化鉄を主原料とするフェライト磁石などを用いても良い。また、永久磁石５は、その厚み方向に着磁されている。センタヨーク３、アウタヨーク４、サイドヨーク６ａ、サイドヨーク６ｂは、純鉄などの電磁軟鉄材料を用いるのがよい。また、防錆のためにメッキを施すことが望ましい。また、アウタヨーク４は、円弧の周方向の端部が内
周側に曲げられており、永久磁石５が周方向にずれてしまうことを防いでいる。
【００２１】
図３には、リニアモータ１の三面図を示す。図３（ａ）は各円弧の中心が存在する方向から見た図、図３（ｂ）はコイル２の端面の方向から見た図、図３（ｃ）はコイル２の端面の方向と垂直方向から見た側面図である。図３（ｂ）から分かるように、本実施例のリニアモータ１は、図１にハッチングで示したような空間にも適切に配置することができる。これによれば、円筒状または円柱状の素子あるいは、一部に円弧形状を含む形状の素子をリニアモータ１で移動させる際に、利用できる空間が円環の一部であるような場合でも、空間の利用効率をより高くすることができ、より高い推力を得ることが可能となる。その結果、上記の素子をより高速または高精度に移動させることができる。ここで、上記したセンタヨーク３、アウトヨーク４、永久磁石５、サイドヨーク６ａ、６ｂからなる磁気回路は、本実施例において磁気回路ユニットに相当する。  
【００２２】
なお、上記の実施例においては、アウタヨーク４はセンタヨーク３に対して、コイル２の径方向の大径側に配置されるようにした。これにより、同じ推力発生長さ（コイル２のうち、磁界が交わる部分の長さ）を得るのに必要なコイルの電線長さを相対的に短くすることができ、コイル２の抵抗値を低減することができる。その結果、同じ電圧でより多くの電流をコイル２に流すことができ、より大きな推力を得ることができる。
【００２３】
また、アウタヨーク４はセンタヨーク３に対して、コイル２の径方向の大径側に配置され、磁石がアウタヨーク４に密接して配置されているので、永久磁石から発生した磁界はセンタヨーク３側に集中するように分布するので、より確実に磁界にコイル２と交わらせて推力の発生に寄与させることができる。
【００２４】
さらに、コイル２を回巻する際には、その形状より、大径の円弧部分２ａを、小径の円弧部分２ｂと比較してより安定した巻き線状態にすることができる。上記の実施例においては、アウタヨーク４はセンタヨーク３に対して、コイル２の径方向の大径側に配置されているので、大径の円弧部分２ａを推力発生のために用いることができ、より安定的で、設計値に近い推力を得ることが可能である。
【００２５】
しかしながら、本発明においては、アウタヨーク４はセンタヨーク３に対して、コイル２の径方向の小径側に配置されるようにしてもかまわない。この場合でも、リニアモータ１が円弧状の形状を有することに変わりはなく、利用できる空間が円環の一部であるような場合でも、フラットタイプのリニアモータに比較してより効率的に推力を得ることが可能である。
【００２６】
また、上記の実施例においては、永久磁石５はアウタヨーク４に密接して配置されているが、この永久磁石５はセンタヨーク３に密接して配置されることで磁気回路を形成するようにしてもよい。
【００２７】
＜実施例２＞
次に、本発明の実施例２について説明する。この実施例では、円弧状のリニアモータにおいて、永久磁石を当該円弧の周方向に関し複数に分割して配置した例について説明する。
【００２８】
本実施例におけるリニアモータでは、コイル２、アウタヨーク４、センタヨーク３及びサイドヨーク６ａ、６ｂは、図２及び図３に示したものと同等である。本実施例と実施例１との相違点は、本実施例では円弧状の永久磁石を周方向に２つに分割して配置した点である。
【００２９】
図４には、本実施例のリニアモータ１０についての断面図を、実施例１におけるリニアモータ１と比較して示す。図４（ａ）に示すのはリニアモータ１の断面図である。図４（ｂ）に示すのは、本実施例におけるリニアモータ１０の断面図である。図４（ｂ）からも分かるように、本実施例においては、永久磁石を周方向について２つの永久磁石１５ａ、１５ｂに分割した。
【００３０】
本実施例で永久磁石を分割した理由は以下のとおりである。図５には、円弧状断面を有する板状の永久磁石の表面近傍における磁界分布の概略を示す。図５（ａ）において、横軸は、図５（ｂ）に示すように永久磁石５の左端面からの表面に沿った距離である。縦軸は、表面に垂直に一定距離だけ離れた点における、表面に垂直方向の磁束密度である。図５に示すように、磁束密度は、永久磁石５の周方向の端面から概略磁石厚みｔだけ離れた点において極大となる。そして永久磁石５の中央部に向かうにつれて減少し、中央部で極小値を迎える。中央部を越えると磁束密度は増加に転じ、永久磁石５の周方向の終端から概略磁石厚みｔだけ手前の点において再度極大となる。そして、それ以降は、永久磁石５の終端に向かうにつれて磁束密度は減少する。
【００３１】
図６には、永久磁石を周方向に２分割した場合の磁束密度の分布を示す。横軸は図５と同様に永久磁石１５の周方向の端面からの表面に沿った距離ｄである。縦軸は、永久磁石１５の表面から、表面に垂直に一定距離だけ離れた点における、表面に垂直方向の磁束密度である。この場合には、永久磁石１５ａの幅と永久磁石１５ｂの幅の合計値を、永久磁石５と同じにすると、永久磁石の中央部にも端面が存在することとなるので、中央部の端面から概略磁石厚みｔだけ離れた２箇所において磁束密度が極大となる点が存在する。
【００３２】
従って、磁束密度の分布は概略図６（ａ）に示すようなカーブを示すようになる。その結果、磁束密度は、中央部の狭い領域で落ち込みを見せるものの、他の領域における値を増加させることができ、平均的な磁束密度を、永久磁石５を１枚のみとした場合と比較して高くすることができる。
【００３３】
なお、本実施例においては、永久磁石を周方向について２つに分割することとしたが、この分割数は必ずしも２つである必要はない。得られる平均の磁束密度の値と、組み立て工数に応じて、３つ以上に分割しても構わない。
【００３４】
なお、その際の、各々の永久磁石の幅Ｄと厚みｔとの関係は、発明者の鋭意研究により
３ｔ≦Ｄ≦４．３ｔ・・・・・・（１）
なる関係が満たされることが望ましいことが分かってきた。これは、永久磁石の周方向端面からｔ付近で磁束密度が極大を迎えることと、永久磁石の周方向中央部において極小を迎えることの相互関係を実験的に確認することにより、平均的に高い磁束密度が得られる範囲として導出されたものである。従って、リニアモータにおいて永久磁石を周方向に分割する際の分割後の磁石の幅Ｄと厚みｔに、（１）式の関係を持たせることにより、より高い推力を得ることが可能となる。
【００３５】
図７には、本実施例に係るリニアモータ１０において、永久磁石１５ａ及び１５ｂとセンタヨーク３のギャップにおける平均の磁束密度分布の測定値の例を示す。横軸は、永久磁石１５ａ及び１５ｂの、コイル２の進行方向（図６の紙面に垂直方向）における端面からの距離である。図７には、端面から磁石厚みｔだけ離れた点における磁束密度のデータが無いが、図７より、コイル２の進行方向においても、端面から永久磁石の厚みｔ程度離れた点において磁束密度の極大値が得られる傾向が見られる。
【００３６】
なお、上記の実施例においては、コイル２の断面形状は、大小異径の同心円の円弧の一部２ａ及び２ｂと、径の大きい方の円の半径の一部２ｃ及び２ｄで囲まれる形状に形成した。しかしながら、コイル２の断面形状は、少なくとも大小異径の同心円の円弧の一部２ａ及び２ｂを有しておればよく、必ずしも、径の大きい方の円の半径の一部２ｃ及び２ｄで囲まれる形状に形成する必要はない。
【００３７】
例えば、コイル２の断面形状は、大小異径の同心円の円弧の一部２ａ及び２ｂと、平行な２つの直線とで囲まれる形状としてもよい。また、大小異径の同心円の円弧の一部２ａ及び２ｂと、円弧の一部２ａ及び２ｂの両端を連結する曲線で囲まれる形状としてもよい。
さらに、円弧の一部２ａ及び２ｂの両端を連結する曲線は円弧であってもよい。
【００３８】
また、上記の実施例においては、サイドヨーク６ａ、６ｂは、センタヨーク３の両端を直角に曲げることで２つのサイドヨーク６ａ、６ｂを形成することとしたが、サイドヨークは必ずしもセンタヨーク３の両端に形成される必要はない。例えば、磁気回路ユニットのヨークは、センタヨークとアウタヨークと、両者を片側で連結する一のサイドヨークとで形成されるようにしてもよい。その場合、センタヨーク及びアウタヨークとサイドヨークを一体に形成するようにしてもよい。
【００３９】
さらに、上記の実施例においては、サイドヨーク６ａ、６ｂをコイル２の端面側から見た形状は、アウタヨーク４の断面と同一半径の円弧と、センタヨーク３の断面と同一半径の円弧と、アウタヨーク４の断面と同一半径の円の２つの半径の一部とによって囲まれた形状としたが、サイドヨーク６ａ、６ｂの形状はこれに限られないことは当然である。
【符号の説明】
【００４０】
１・・・リニアモータ、２・・・コイル、３・・・センタヨーク、４・・・アウタヨーク、５・・・永久磁石、６ａ，６ｂ・・・サイドヨーク、１５ａ，１５ｂ・・・永久磁石、１００・・・移動体、１０１・・・固定部、１０２・・・リニアモータのための空間、ｔ・・・磁石厚み、ｄ・・・永久磁石端面からの距離、Ｄ・・・永久磁石幅
【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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