(57)【要約】【課題】被駆動部材を円滑に軸方向に往復動することができる直線往復動装置を提供する。【解決手段】直線往復動装置１０ａは、被駆動部材としての移動テーブル１２が直線往復動自在に設けられた支持台１１を有している。移動テーブル１２には、軸方向に着磁された永久磁石３３が設けられ、支持台１１には３つのコイル２３により構成されるコイル組２４ａ，２４ｂを有するコイルユニット１７が設けられている。永久磁石３３の軸方向長さＭは、３つのコイル２３の長さ未満の長さであって、２つのコイル２３より長い長さに設定されている。【選択図】図４
2013229998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持台に装着された被駆動部材を直線往復動する直線往復動装置であって、
前記支持台と前記被駆動部材の一方に設けられ、軸方向に着磁された永久磁石と、
前記支持台と前記被駆動部材の他方に設けられ、円筒形状の複数のコイルにより形成されるコイル組とを有し、
前記コイル組を構成する前記コイルの数をｎとし、前記コイルのピッチをＬとすると、前記永久磁石の軸方向長さＭは、ｎＬ未満であり、（ｎ−１）Ｌよりも長いことを特徴とする直線往復動装置。
【請求項２】
請求項１記載の直線往復動装置において、前記永久磁石の軸方向両端に、軸方向長さＰが（ｎ−１）Ｌ未満の補助磁石を設けることを特徴とする直線往復動装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の直線往復動装置において、前記コイル組は３つの前記コイルにより構成される３相コイルであり、前記永久磁石の軸方向長さＭが３Ｌ未満であり、２Ｌよりも長いことを特徴とする直線往復動装置。
【請求項４】
請求項３記載の直線往復動装置において、前記補助磁石の軸方向長さが２Ｌ未満であることを特徴とする直線往復動装置。
【請求項５】
請求項１または２記載の直線往復動装置において、前記コイル組は２つの前記コイルにより構成される２相コイルであり、前記永久磁石の軸方向長さＭが２Ｌ未満であり、Ｌよりも長いことを特徴とする直線往復動装置。
【請求項６】
請求項５記載の直線往復動装置において、前記補助磁石の軸方向長さがＬ未満であることを特徴とする直線往復動装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の直線往復動装置において、前記コイル組が前記支持台に設けられ、前記永久磁石が前記コイル組の内側に前記永久磁石と同軸に配置されて前記被駆動部材に設けられることを特徴とする直線往復動装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の直線往復動装置において、前記コイル組が前記支持台に設けられ、前記永久磁石が前記コイル組の外側に前記永久磁石と同軸に配置されて前記被駆動部材に設けられることを特徴とする直線往復動装置。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の直線往復動装置において、前記コイル組が前記被駆動部材に設けられ、前記永久磁石が前記コイル組の外側に前記永久磁石と同軸に配置されて前記支持台に設けられることを特徴とする直線往復動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持台に装着される被駆動部材をリニアモータにより直線往復動する直線往復動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被駆動部材を直線往復動するための直線往復動装置としては、軸方向に着磁された永久磁石と、複数のコイルが永久磁石に沿って直線状に配置されて形成されるコイル組とを有し、永久磁石とコイル組とによりリニアモータを構成するタイプがある。永久磁石とコイル組は相対的に移動自在となっており、永久磁石が被駆動部材に設けられると、永久磁石は可動側となり、コイル組は固定側となる。一方、コイル組が被駆動部材に設けられると、コイル組は可動側となり、永久磁石は固定側となる。
【０００３】
特許文献１には、ベースに取り付けられたステータと、ステータの外側にステータに沿って直線往復動自在に装着された可動側のムーバとを有し、ステータに複数のコイルが取り付けられ、ムーバに複数の円筒状の永久磁石が取り付けられた磁石可動型のリニアモータが記載されている。特許文献２には、３つの円筒状のコイルを、直線状にヨークに配置して形成されるコイル組と、軟磁性体を介して２つの永久磁石が突き当てられて構成される磁石可動体とを有し、磁石可動体がコイル組の内側に設けられて軸方向に駆動するようにした磁石可動型のリニアアクチュエータが記載されている。
【０００４】
一方、特許文献３には、複数の永久磁石が設けられた界磁子と、コイルユニットからなる電気子とを有し、コイルユニットを直線往復動させるようにしたリニアモータが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２９１２２０号公報
【特許文献２】特開平８−１１６６５８号公報
【特許文献３】特開２００４−３５７３５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、従来の直線往復動装置には、永久磁石を可動側としたタイプと、コイルを可動側としたタイプとがある。さらに、永久磁石を可動側としたタイプには、コイルの内側に永久磁石を配置したタイプと、コイルの外側に円筒形状の永久磁石を配置したタイプとがある。これらのタイプのリニアモータを有する従来の直線往復動装置においては、被駆動部材に推力を発生させるための永久磁石の軸方向長さを、１つのコイル組に対応させた長さとしている。例えば、３つのコイルによりコイル組が構成される場合には、永久磁石の長さを３つのコイルの長さに対応させた長さに設定している。
【０００７】
リニアモータを有する直線往復動装置としては、被駆動部材の全移動ストロークの範囲において、被駆動部材に加えられる軸方向の推力がほぼ一定となるようにし、被駆動部材の移動時に推力変動がないようにすることが好ましい。
【０００８】
そこで、被駆動部材のストロークと軸方向推力との関係を測定した。その結果、被駆動部材に推力を発生させるための永久磁石の軸方向長さをコイル組の長さに対応させた長さとすると、コイルに電流を流すことにより得られる軸方向推力は、コギングトルクの発生が大きくなり、被駆動部材の軸方向位置に応じて被駆動部材に加えられる推力が大きく変動することが判明した。
【０００９】
被駆動部材に加えられる軸方向推力が軸方向の位置に応じて、コギングトルクによって大きく変動すると、被駆動部材を円滑に軸方向に移動させることができなくなる。
【００１０】
本発明の目的は、軸方向推力の変動を小さくし被駆動部材を円滑に軸方向に往復動することができる直線往復動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の直線往復動装置は、支持台に装着された被駆動部材を直線往復動する直線往復動装置であって、前記支持台と前記被駆動部材の一方に設けられ、軸方向に着磁された永久磁石と、前記支持台と前記被駆動部材の他方に設けられ、円筒形状の複数のコイルにより形成されるコイル組とを有し、前記コイル組を構成する前記コイルの数をｎとし、前記コイルのピッチをＬとすると、前記永久磁石の軸方向長さＭは、ｎＬ未満であり、（ｎ−１）Ｌよりも長いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
直線状に配置される複数のコイルからなるコイル組とこれに沿って配置される永久磁石とを有し、被駆動部材を直線往復動する直線往復動装置において、永久磁石の軸方向長さを、コイル組の長さ未満の長さであって、コイル組を構成する複数のコイルよりも１つ少ないコイルの長さよりも長く設定すると、コギングトルクの発生を抑制することができる。これにより、被駆動部材を往復動させるときにおける被駆動部材に加えられる推力の変動を小さくすることができ、被駆動部材を円滑に軸方向に往復動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態である直線往復動装置を示す平面図であり、被駆動部材が後退限位置となっている。
【図２】図１の左側面図である。
【図３】図１の右側面図である。
【図４】（Ａ）は図１におけるＡ−Ａ線拡大断面図であり、（Ｂ）は被駆動部材が前進限位置となった状態における一実施の形態の直線往復動装置を示す断面図である。
【図５】（Ａ）は図１〜図５に示した直線往復動装置における被駆動部材の移動ストロークに応じた軸方向推力（単位ニュートン）の変化を示す特性線図であり、（Ｂ）は比較例における被駆動部材の移動ストロークに応じた軸方向推力の変化を示す特性線図である。
【図６】本発明の他の実施の形態である直線往復動装置を示す断面図であり、（Ａ）は被駆動部材が後退限位置となった状態を示し、（Ｂ）は被駆動部材が前進限位置となった状態を示す。
【図７】本発明のさらに他の実施の形態である直線往復動装置を示す断面図であり、（Ａ）は被駆動部材が後退限位置となった状態を示し、（Ｂ）は被駆動部材が前進限位置となった状態を示す。
【図８】さらに他の実施の形態である直線往復動装置におけるコイルユニットと磁石組立体を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。それぞれの図面においては、共通する部材には同一の符号が付されている。
【００１５】
図１〜図４に示される直線往復動装置１０ａは、ほぼ直方体形状となったブロック状の支持台１１を有し、支持台１１の表面には被駆動部材としての移動テーブル１２が長手方向に直線往復動自在に装着されている。支持台１１の表面側には図３に示されるようにガイドレール１３が突出して一体に設けられており、このガイドレール１３の両側にはガイド溝１４が設けられている。移動テーブル１２は、ガイド溝１４に転動自在に配置された図示しないボールを介して、支持台１１に往復動自在に案内される。移動テーブル１２は、図４（Ａ）に示されるように、移動テーブル１２が支持台１１の表面にほぼ重なった後退限位置と、図４（Ｂ）に示されるように、支持台１１から迫り出した前進限位置との間を往復動する。支持台１１のうち移動テーブル１２が迫り出す側が先端部となっており、反対側が後端部となっている。
【００１６】
図４に示されるように、支持台１１には収容孔１６が形成されている。収容孔１６内には円筒形状のコイルユニット１７が設けられ、コイルユニット１７は支持台１１に固定されている。コイルユニット１７の先端面は、支持台１１の先端部に設けられた仕切り壁１８の内面に突き当てられている。コイルユニット１７は、非磁性材料からなる円筒形状のボビン２１を有しており、ボビン２１には軸方向に一定間隔毎に仕切り部２２が径方向外方に突出して設けられている。ボビン２１の外側には６つのコイル２３が巻き付けられており、それぞれのコイル２３は仕切り部２２により仕切られている。６つのコイル２３のうち先端部側の３つのコイル２３は、一組のコイル組２４ａを構成しており、先端部側からＵ１相、Ｖ１相およびＷ１相となっている。他の３つのコイル２３は、他の一組のコイル組２４ｂを構成しており、先端部側からＵ２相、Ｖ２相およびＷ２相となっている。このように、コイルユニット１７は、それぞれ３相コイルを構成する２つのコイル組２４ａ，２４ｂを有している。それぞれのコイル２３の軸方向のピッチ、つまりコイル自体の長さ寸法と仕切り部２２の厚み寸法の合計寸法はＬとなっている。
【００１７】
支持台１１の仕切り壁１８には貫通孔２５が収容孔１６と同軸に形成されている。コイルユニット１７の内部には、磁石ユニットつまり磁石組立体２６が軸方向に移動自在に配置されている。磁石組立体２６は、貫通孔２５を貫通して移動テーブル１２の先端に取り付けられた連結ブロック２７に取り付けられている。このように、直線往復動装置１０ａにおけるリニアモータは、磁石組立体２６がコイルユニット１７の内側に配置された磁石可動型となっている。
【００１８】
磁石組立体２６はねじ部材２８により連結ブロック２７に取り付けられる連結ロッド３１を有し、この連結ロッド３１の後端部には非磁性材料からなる底付き円筒形状のホルダー３２が取り付けられている。このホルダー３２内には軸方向の長さＭの棒状の永久磁石３３が組み込まれている。永久磁石３３は軸方向に着磁されている。永久磁石３３の軸方向両端には軸方向長さＰの補助磁石３４ａ，３４ｂが組み込まれており、それぞれの補助磁石３４ａ，３４ｂは永久磁石３３の端面に突き当てられている。ホルダー３２の底壁３５には、ねじ部材３６が設けられており、このねじ部材３６と連結ロッド３１により永久磁石３３と補助磁石３４ａ，３４ｂは締結されて、それぞれの突き当て面が密着状態となる。
【００１９】
永久磁石３３は主たる永久主磁石であり、軸方向に着磁されており、永久磁石３３の両端部の極性は逆極性となっている。例えば、永久磁石３３の図４における左側端部がＮ極であるとすると、右側端部はＳ極となっている。それぞれの補助磁石３４ａ，３４ｂも軸方向に着磁されており、永久磁石３３に突き当てられる突き当て面は永久磁石３３の端部と同極性となっている。例えば、補助磁石３４ａの図４における右端部はＮ極となっており、左端部はＳ極となっている。同様に、補助磁石３４ｂの左端部はＳ極となっており、右端部はＮ極となっている。それぞれの補助磁石３４ａ，３４ｂの永久磁石３３に突き当てられる端部を永久磁石３３の端部と同極性とすることにより、永久磁石３３の両端部から径方向外方に向けて磁束が集中して立ち上げられる。このように、２つの補助磁石３４ａ，３４ｂは磁束立ち上げ用の永久磁石となっている。主たる永久磁石３３の長さ寸法はＭとなっており、補助磁石３４ａ，３４ｂの軸方向の厚み寸法はＰとなっている。
【００２０】
２つのコイル組２４ａ，２４ｂはそれぞれ３相コイルとなっており、それぞれのコイル組２４ａ，２４ｂを構成するコイルの数ｎは３となっている。各コイル２３のピッチを上述のようにＬとすると、永久磁石３３の軸方向長さＭは３Ｌ未満であって、２Ｌよりも長い寸法に設定されている。つまり、永久磁石３３の長さＭは、一組のコイル組の長さつまりピッチの３倍よりも短い寸法である３Ｌ未満であって、２つのコイル２３のピッチよりも長い寸法である２Ｌ以上に設定されている。それぞれの補助磁石３４ａ，３４ｂの寸法Ｐは２Ｌ未満、つまり２つのコイル２３の長さ２Ｌ未満に設定されている。補助磁石３４ａ，３４ｂの軸方向の寸法Ｐを２Ｌ未満とすることにより、磁石組立体２６の長さを短く設定することができる。
【００２１】
永久磁石３３の長さＭを一組のコイル組の長さである３Ｌと同一に設定すると、磁石組立体２６の軸方向移動に伴って、永久磁石３３の両端部から径方向外方に立ち上がる磁束がそれぞれのコイル組２４ａ，２４ｂの両端部と一致することになることから、コギングトルクが大きくなることが判明した。これに対し、永久磁石３３の長さＭを１組のコイル組の軸方向長さより短くし、２つのコイル２３の長さより長く、つまり２Ｌ以上とすると、永久磁石３３の両端部から径方向外方に立ち上がる磁束がコイル組２４ａ，２４ｂの両端部と一致することがなくなるとともに、コイル組２４ａ，２４ｂの一端部に永久磁石３３の一端部が一致するときには、永久磁石３３の他端部はコイル組２４ａ，２４ｂの両端部の間に位置することになる。これにより、磁石組立体２６が軸方向に移動する際に、コギングトルクの発生を抑制することができた。このように、コギングトルクの発生を抑制ないし低減することができると、被駆動部材としての移動テーブル１２を円滑に往復動させることができる。
【００２２】
図５（Ａ）は図１〜図４に示した直線往復動装置における移動テーブル１２の移動ストロークに対する軸方向推力の変化を示す特性線図であり、図５（Ｂ）は比較例としての直線往復動装置における移動テーブル１２の移動ストロークに対する軸方向推力の変化を示す特性線図である。それぞれの直線往復動装置における永久磁石３３の外径Ｄは４ｍｍ、コイル２３のピッチＬは５ｍｍとし、それぞれのコイル２３に対して同一の電流を供給した。
【００２３】
比較例の直線往復動装置においては、永久磁石３３の軸方向長さＭは、それぞれのコイル組２４ａ，２４ｂの長さ３Ｌに設定されている。比較例においては、コギングトルクの影響により移動テーブル１２に加えられる軸方向推力の変動が最大約０．８Ｎとなった。これに対し、直線往復動装置１０ａにおいては、コギングトルクが減少し、推力の変動は最大０．４Ｎ程度にまで半減した。なお、比較例においては、補助磁石３４ａ，３４ｂが設けられていない。これに対し、永久磁石３３の両端部に補助磁石３４ａ，３４ｂを設けると、得られる推力は０．５Ｎ程度増加した。このように、磁束立ち上げ用の磁石を永久磁石３３の両端に配置すると、移動テーブル１２に大きな推力を加えることができる。
【００２４】
直線往復動装置１０ａにおけるブロック状の支持台１１、移動テーブル１２、連結ブロック２７、および連結ロッド３１としては、アルミ合金等の非磁性材料により製造されているが、これらをそれぞれ鉄等の磁性材料により製造するようにしても良い。特に、支持台１１を磁性材料により製造すると、コイルユニット１７により生成される磁界がコイルユニット１７の外側となっている支持台１１の部分を磁路として案内されることになる。これにより、磁界の強さを高めることができ、移動テーブル１２に対する推力を高めることができる。
【００２５】
図６は、他の実施の形態である直線往復動装置１０ｂを示す断面図である。この直線往復動装置１０ｂにおいては、磁石組立体２６は２つの永久磁石３３ａ，３３ｂを有している。両方の永久磁石３３ａ，３３ｂの間には磁性材料３４ｃが配置され、永久磁石３３ａの先端側には補助磁石３４ａが配置され、永久磁石３３ｂの後端側には補助磁石３４ｂが配置されている。コイルユニット１７は、３組のコイル組２４ａ〜２４ｃを有している。このように、コイル組と永久磁石の数を前述した直線往復動装置１０ａよりも増加させることにより、移動テーブル１２に加えられる推力を増加させることができる。移動テーブル１２に加えられる推力に応じてコイル組と永久磁石の数が任意に設定される。
【００２６】
この直線往復動装置１０ｂにおいても、それぞれの永久磁石３３ａ，３３ｂの軸方向長さＭは３Ｌ未満であって、２Ｌよりも長い寸法に設定されている。さらに、それぞれの補助磁石３４ａ，３４ｂと磁性材料３４ｃの軸方向の寸法Ｐは２Ｌ未満に設定される。これにより、上述した直線往復動装置１０ａと同様に、磁石組立体２６が軸方向に移動する際に、コギングトルクの発生を抑制することができ、被駆動部材としての移動テーブル１２を円滑に往復動させることができる。
【００２７】
図７は、さらに他の実施の形態である直線往復動装置１０ｃを示す断面図である。この直線往復動装置１０ｃの磁石組立体２６は、直線往復動装置１０ａと同様に１つの永久磁石３３を有しており、その両端部には補助磁石３４ａ，３４ｂが配置されている。これに対し、直線往復動装置１０ｃのコイルユニット１７に設けられた３つのコイル組２４ａ〜２４ｃは、２つのコイル２３により構成されており、それぞれのコイル組２４ａ〜２４ｃは２相コイルとなっている。
【００２８】
この直線往復動装置１０ｃにおいては、永久磁石３３の軸方向長さＭは２Ｌ未満であって、Ｌよりも長い寸法に設定されている。さらに、それぞれの補助磁石３４ａ，３４ｂの軸方向の寸法ＰはＬ未満に設定される。
【００２９】
コイル組を構成するコイル２３の数は、２相以上であれば任意の数に設定することができる。したがって、コイル組を構成するコイルの数をｎとし、各コイルのピッチをＬとすると、永久磁石の軸方向長さＭを、ｎＬ未満とし、（ｎ−１）Ｌよりも長い寸法とすることにより、移動テーブル１２の全往復動ストロークの範囲におけるコギングトルクを抑制することができる。これにより、移動テーブル１２に加えられる推力の変動が抑制されて、円滑に移動テーブル１２を駆動することができる。さらに、磁束立ち上げ用の補助磁石の軸方向寸法を（ｎ−１）Ｌ未満とすることにより、磁石組立体２６の長さが過度に大きくなることを防止できる。
【００３０】
上述したそれぞれの直線往復動装置１０ａ〜１０ｃは、永久磁石を可動側とし、永久磁石をコイルユニット１７の内側に配置したタイプとなっている。直線往復動装置には、コイルユニット１７の外側に円筒形状の永久磁石を配置したタイプがある。このタイプには、コイルユニット１７を可動側とし永久磁石を固定側としたタイプと、コイルユニット１７を固定側とし、永久磁石を可動側としたタイプがある。
【００３１】
図８は、コイルユニット１７とその外側に配置された円筒形状の磁石組立体２６とを示す断面図である。コイルユニット１７は、３組のコイル組２４ａ〜２４ｃを有し、それぞれのコイル組は３つのコイル２３により構成される３相コイルとなっている。コイルユニット１７の外側には円筒形状の磁石組立体２６が配置されており、磁石組立体２６は永久磁石３３とその両端部に配置される補助磁石３４ａ，３４ｂとにより構成される。
【００３２】
このようにコイルユニット１７の外側に永久磁石３３と補助磁石３４ａ，３４ｂからなる磁石組立体２６を配置した形態においては、磁石組立体２６を可動側とすると、移動テーブル１２に磁石組立体２６が設けられ、コイルユニット１７が支持台１１にコアロッド３７により取り付けられる。一方、磁石組立体２６を支持台１１に固定して固定側とし、コイルユニット１７をコアロッド３７に対して軸方向に往復動自在に装着して移動テーブル１２に連結すると、コイルユニット１７により移動テーブル１２が駆動される。
【００３３】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、それぞれの直線往復動装置１０ａ〜１０ｃにおいては、永久磁石の両端に補助磁石を配置しているが、永久磁石のみにより磁石組立体２６を構成するようにしても良い。
【符号の説明】
【００３４】
１０ａ〜１０ｃ    直線往復動装置
１１    支持台
１２    移動テーブル（被駆動部材）
１３    ガイドレール
１４    ガイド溝
１６    収容孔
１７    コイルユニット
２１    ボビン
２３    コイル
２４ａ〜２４ｃ    コイル組
２５    貫通孔
２６    磁石組立体
２７    連結ブロック
３１    連結ロッド
３２    ホルダー
３３，３３ａ，３３ｂ    永久磁石
３４ａ，３４ｂ    補助磁石、
３５    底壁
３６    ねじ部材
３７    コアロッド
【図１】
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【図２】
2013229998.tif 000004
【図３】
2013229998.tif 000005
【図４】
2013229998.tif 000006
【図５】
2013229998.tif 000007
【図６】
2013229998.tif 000008
【図７】
2013229998.tif 000009
【図８】
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