特開2017-46473(P2017-46473A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2017-46473(P2017-46473A)
(43)【公開日】2017年3月2日
(54)【発明の名称】積層形リニアモータ
(51)【国際特許分類】
   H02K 41/03 20060101AFI20170210BHJP
【FI】
   H02K41/03 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
【全頁数】19
(21)【出願番号】特願2015-167653(P2015-167653)
(22)【出願日】2015年8月27日
(71)【出願人】
【識別番号】504182255
【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学
【住所又は居所】神奈川県横浜市保土ヶ谷区常盤台79番1号
(71)【出願人】
【識別番号】591243103
【氏名又は名称】公益財団法人神奈川科学技術アカデミー
【住所又は居所】神奈川県川崎市高津区坂戸3丁目2番1号
(74)【代理人】
【識別番号】100101915
【弁理士】
【氏名又は名称】塩野入 章夫
(72)【発明者】
【氏名】下野 誠通
【住所又は居所】神奈川県横浜市保土ヶ谷区常盤台79番1号 国立大学法人横浜国立大学内
(72)【発明者】
【氏名】高野 俊也
【住所又は居所】神奈川県横浜市保土ヶ谷区常盤台79番1号 国立大学法人横浜国立大学内
(72)【発明者】
【氏名】田中 翔大
【住所又は居所】神奈川県横浜市保土ヶ谷区常盤台79番1号 国立大学法人横浜国立大学内
(72)【発明者】
【氏名】山口 柊平
【住所又は居所】神奈川県横浜市保土ヶ谷区常盤台79番1号 国立大学法人横浜国立大学内
(72)【発明者】
【氏名】溝口 貴弘
【住所又は居所】神奈川県川崎市高津区坂戸三丁目2番1号 公益財団法人神奈川科学技術アカデミー内
【テーマコード(参考)】
5H641
【Fターム(参考)】
5H641BB06
5H641BB16
5H641GG03
5H641GG05
5H641GG07
5H641HH02
(57)【要約】
【課題】リニアモータの構造を単純化し、推力の変更を容易とし、モータ容積当たりの推力密度を高める。
【解決手段】複数の磁極が配列された固定子と複数の巻線が配列された可動子とをリニアモータの構成要素とし、これらの固定子と可動子とを交互に層状に積み重ねることによって積層形リニアモータを構成する。積層形リニアモータは、固定子と可動子とを交互に積層するという簡易な構造であるため構造を単純化することができ、固定子と可動子とを積層する積層数に応じて積層形リニアモータが発生する推力特性を変更することができる。また、磁極を積層することによって巻線に交差する磁束の密度が高くなり、リニアモータの個数を増やすことで推力よりも、同じ個数の固定子と可動子との組み合わせと比較して、大きな推力を得ることができ、高推力密度化を図ることができる。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁極が長手方向に配置された第1の構成部材と、
巻線が長手方向に配置された第2の構成部材とを備え、
前記複数の第1の構成部材及び前記複数の第2の構成部材がそれぞれ磁界方向に交互に積層され、それぞれ第1部材及び第2部材が構成され、
前記第1部材と前記第2部材とは互いに長手方向に相対的に移動自在であることを特徴とする、積層形リニアモータ。
【請求項2】
前記第1の構成部材は、異なる極性の磁極が、交互に長手方向に、隣り合う2つの磁極を周期として設けられ、
前記第2の構成部材は、複数の巻線が、長手方向に、前記周期と所定の関係で配置され、
前記第1部材は、互いに所定の等間隔で、前記磁極の磁界方向に、磁極の極性が積層方向で一致するように並置されると共に、各第1の構成部材の少なくとも一部が互いに連結され、
前記第2部材は、互いに前記所定の等間隔で、前記巻線が形成する磁界方向に、巻線の極性が積層方向で一致するように並置されると共に、各第2の構成部材の少なくとも一部が互いに連結され、
前記第1部材及び前記第2部材は、前記第1の構成部材と前記第2の構成部材が交互に重なるように組み合わされ、互いに長手方向に相対的に可動自在であることを特徴とする積層形リニアモータ。
【請求項3】
前記第1の構成部材は、前記周期内に、長手方向の長さが等しい2つの磁極が極性を交互に長手方向に配置され、
前記第2の構成部材は、前記周期内に、前記磁極の長手方向の長さに少なくとも巻線の幅を加えた長さが長手方向の長さである1つの巻線が各周期内に配置され、
前記第2の構成部材の巻線は、前記第1の構成部材と第2の構成部材との長手方向の相対的な移動に伴って、巻線が1周期移動する間に1周期分の磁極と対向することを特徴とする、請求項1又は2に記載の積層形リニアモータ。
【請求項4】
前記第1の構成部材は、前記周期内に、長手方向の長さが等しい2つの磁極が極性を交互に長手方向に配置され、
前記第2の構成部材は、前記第1の構成部材の1周期に対して、3相分の巻線が1周期分配置され、
前記第2の構成部材の巻線は、前記第1の構成部材と第2の構成部材との長手方向の相対的な移動に伴って、3相分の巻線が1周期移動する間に1周期分の磁極と対向することを特徴とする、請求項1又は2に記載の積層形リニアモータ。
【請求項5】
前記第1部材と前記第2部材とが組み合わされて構成される積層体は、積層方向の両端部が前記第1の構成部材又は第2の構成部材の同一種類の構成部材であり、内側の積層部分は前記同一種類の構成部材で挟まれることを特徴とする、請求項1から4の何れか一つに記載された積層形リニアモータ。
【請求項6】
前記複数の第1の構成部材を互いに連結して前記第1部材を構成する第1の連結部材と、前記複数の第2の構成部材を互いに連結して前記第2部材を構成する第2の連結部材とを備えることを特徴とする、請求項1から5の何れか一つに記載された積層形リニアモータ。
【請求項7】
前記第1部材又は前記第2部材の何れか一方が固定子であり、他方が可動子であり、前記可動子が前記固定子に対して長手方向に可動自在であることを特徴とする、請求項1から6の何れか一つに記載された積層形リニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願発明は、積層形リニアモータに関する。
【背景技術】
【0002】
産業分野や医療分野においてリニアモータの導入が行われている。例えば、産業分野では研削機や旋盤などの工作機械に利用され、医療分野では人工心臓に利用されている。
【0003】
産業用ロボットやプレス機などでは高い推力特性が求められ、医療分野では容積当たりの推力密度が大きな高推力密度が求められている。
【0004】
推力を高める構成として複数のリニアモータを用いる構成が考えられるが、複数のリニアモータを用いる場合には制御や構造設計の困難性が指摘されている。例えば、工作機械において、2つのリニモータを組み合わせて上下のXYテーブルを駆動する際、2つのテーブルの動作が互いに外乱として作用するため、リニアモータの制御系が不安定となるため、制御や構造設計が困難となる。
【0005】
電機子側を複数の電機子モジュールで構成し、界磁側を複数の永久磁石モジュールで構成するリニアモータが提案されている(特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特表2014−504129号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献1で提案されているリニアモータは、複数の電機子モジュールによって一つの電機子を構成し、複数の永久磁石モジュールによって一つの界磁を構成するものであるため、両モジュールの構造は設計時に定めた磁極数に依存する。そのため、リニアモータの推力特性を変更する際には、電機子モジュール及び永久磁石モジュールの構造設計を再度行う必要があるという問題がある。
【0008】
産業用ロボット等の複数のモータを用いる機器では、仕様によって求められる推力特性が異なるため、求められる推力特性に応じて容易に対応することができることが求められる。そのために、リニアモータの構造の単純化が求められている。
【0009】
また、産業分野や医療分野では、単に高推力が求められるだけではなく、容積当たりで大きな推力が得られる高推力密度化が求められている。例えば、手術支援ロボット等の医療用遠隔操作装置では高精度、高安定性、高推力が求められている。リニアモータは、リニアモータが有する高精度及び高安定性の特性に加えて、容積当たりで大きな推力が得られる高推力密度化が求められている。
【0010】
特許文献1で提案されているリニアモータはモジュールの設置個数を増やすことで推力を高めることができるものの、その推力はモジュールの設置個数に比例するだけであって、リニアモータの容積はモジュールの設置個数に応じて増大する。そのため、容積当たりの推力密度を向上するには至らない。
【0011】
したがって、従来のリニアモータでは、構造の単純化、及び高推力密度化が求められている。
【0012】
そこで、本願発明は前記した従来の問題点を解決し、リニアモータの構造を単純化し、推力の変更を容易とすることを目的とする。
【0013】
また、リニアモータのモータ容積当たりの推力密度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本願発明の積層形リニアモータは、複数の磁極が長手方向に配列された第1の構成部材と複数の巻線が長手方向に配列された第2の構成部材とをリニアモータの構成要素とし、これらの第1の構成部材と第2の構成部材とを磁界方向に交互に層状に積み重ねて第1部材と第2部材を構成する。第1部材と第2部材は互いに長手方向に相対的に移動自在し積層形リニアモータを構成する。
【0015】
本願発明の積層形リニアモータは、第1の構成部材と第2の構成部材とを交互に積層するという簡易な構造であるため構造を単純化することができ、リニアモータの仕様変更に容易に対応することができる。
【0016】
また、本願発明の積層形リニアモータは、第1の構成部材と第2の構成部材とを交互に積層するという簡易な構造であるため、第1の構成部材と第2の構成部材とを積層する積層数に応じて積層形リニアモータが発生する推力特性を変更することができる。
【0017】
本願発明の積層形リニアモータは、磁極を積層することによって巻線に交差する磁束の密度が高くなり、単にリニアモータの個数を増やすことで得られる推力よりも大きな推力を得ることができる。そのため、積層する構造によって高推力密度化を図ることができる。
【0018】
第1の構成部材と第2の構成部材の何れの部材を、固定子あるいは可動子とするかは任意に定めることができる。磁極が配列された第1の構成部材を固定子とし、巻線が配列された第2の構成部材を可動子として、磁極の第1の構成部材に対して巻線の第2の構成部材を可動させる形態とする他、磁極が配列された第1の構成部材を可動子とし、巻線が配列された第2の構成部材を固定子として、巻線の第2の構成部材に対して磁極の第1の構成部材を可動させる形態とすることができる。
【0019】
本願発明の積層形リニアモータは、構成要素として第1の構成部材と第2の構成部材を備え、複数個のこれら二種類の構成部材を層状に交互に重ねて構成される。
【0020】
第1の構成部材は磁極部材であり、異なる極性の磁極が、交互に長手方向に、隣り合う2つの磁極を周期として配置される。第2の構成部材は巻線部材であり、長手方向に、周期と所定の関係で配置される。
【0021】
複数の第1の構成部材は、互いに所定の等間隔で、磁極の磁界方向に、磁極の極性が積層方向で一致するように並置されると共に、各第1の構成部材の少なくとも一部が互いに連結されて第1部材が構成される。
【0022】
複数の第2の構成部材は、互いに所定の等間隔で、前記巻線が形成する磁界方向に、巻線の極性が積層方向で一致するように並置されると共に、各第2の構成部材の少なくとも一部が互いに連結されて第2部材が構成される。
【0023】
第1の構成部材と第2の構成部材の各構成部材の積層の層数は、2以上の任意の個数とすることができる。第1部材と第2部材は、これらを構成する複数の第1の構成部材と第2の構成部材が交互に配置されるように組み合わされる。
【0024】
第1部材の磁極による磁界と第2部材の巻線に流れる電流との交錯によって、第1部材と第2部材との間に推力が発生する。第1部材及び第2部材は、互いに長手方向に相対的に可動自在に配置されており、何れか一方の部材を固定し、他方の部材を可動自在とすることで、積層形リニアモータを駆動することができる。
【0025】
磁極が設けられた第1部材を固定子とした場合には、巻線が設けられた第2部材が可動子となり、巻線の可動子が磁極の固定子に対して移動する。他方、巻線が設けられた第2部材を固定子とした場合には、磁極が設けられた第1部材が可動子となり、磁極の可動子が巻線の固定子に対して移動する。
【0026】
第1部材と第2部材とが組み合わされて構成される積層体は、積層方向の端部の一方を第1の構成部材とし、他方を第2の構成部材とする他、積層方向の両端部を第1の構成部材又は第2の構成部材とする構成としてもよい。
【0027】
第1部材と第2部材との組み合わせにおいて、同じ個数の第1の構成部材と第2の構成部材を単に交互に重ね合わせた場合には、構成される積層体の端部はそれぞれ異なる構成部材となるため、積層方向の両端部を同一種類の構成部材とするために、端部の一方に第1の構成部材又は第2の構成部材を追加して重ねる。積層体の両端部を同一種類の構成部材とした場合には、内側の積層部分は同じ種類の構成部材で挟まれる構成となる。
【0028】
構成部材は連結部材によって連結することができる。第1の連結部材は複数の第1の構成部材を互いに連結して第1部材を構成し、第2の連結部材は複数の第2の構成部材を互いに連結して第2部材を構成する。連結部材による構成部材の連結は、例えば、連結部材に設けた溝内に構成部材を差し込むことによって行うことができる。
【0029】
本願発明の積層形リニアモータは、巻線を直流で駆動する構成、及び巻線を交流で駆動する構成の何れの構成にも適用することができる。
【0030】
(直流駆動の構成)
直流駆動による積層形リニアモータでは、第1の構成部材は、周期内に、長手方向の長さが等しい2つの磁極が極性を交互に長手方向に配置される。一方、第2の構成部材は、周期内に、磁極の長手方向の長さに少なくとも巻線の幅を加えた長さが長手方向の長さである1つの巻線が各周期内に配置される。第2の構成部材の巻線は、第1の構成部材と第2の構成部材との長手方向の相対的な移動に伴って、巻線が1周期移動する間に1周期分の磁極と対向する。
【0031】
(交流駆動の構成)
交流駆動による積層形リニアモータでは、第1の構成部材は、周期内に、長手方向の長さが等しい2つの磁極が極性を交互に長手方向に配置される。一方、第2の構成部材は、前記第1の構成部材の1周期に対して、3相分の巻線が1周期分配置される。第2の構成部材の巻線は、前記第1の構成部材と第2の構成部材との長手方向の相対的な移動に伴って、3相分の巻線が1周期移動する間に1周期分の磁極と対向する。
【発明の効果】
【0032】
以上説明したように、本願発明の積層形リニアモータによれば、リニアモータの構造を単純化し、推力の変更を容易とすることができる。
【0033】
また、本願発明の積層形リニアモータによれば、リニアモータのモータ容積当たりの推力密度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0034】
図1】本願発明の積層形リニアモータの概略構成を説明するための概略図である。
図2】本願発明の積層形リニアモータの第1の形態の概略構成を説明するための概略図である。
図3】本願発明の積層形リニアモータの第1の形態の磁極と巻線22aとの関係を説明するための図である。
図4】本願発明の積層形リニアモータの第1の形態の積層形リニアモータの積層状態を説明するための図である。
図5】本願発明の積層形リニアモータの第1の形態の積層形リニアモータの積層状態を説明するための図である。
図6】本願発明の積層形リニアモータの第1の形態の概略構成を説明するための図である。
図7】本願発明の積層形リニアモータの第1の形態の推力の有限要素解析結果を説明するための図である。
図8】本願発明の積層形リニアモータの第1の形態の各層での最大推力と層数との関係を説明するための図である。
図9】本願発明の積層形リニアモータの第1の形態の磁束密度の増加を説明するための図である。
図10】本願発明の積層形リニアモータの第1の形態の推力の測定結果を説明するための図である。
図11】本願発明の積層形リニアモータの第2の形態の概略構成を説明するための概略図である。
図12】本願発明の積層形リニアモータの第2の形態を説明するための図である。
図13】本願発明の積層形リニアモータの第2の形態の推力の有限要素解析結果を説明するための図である。
図14】本願発明の積層形リニアモータの第2の形態の各層での最大推力と層数との関係を説明するための図である。
図15】本願発明の積層形リニアモータの適用例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0035】
以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図1を用いて本願発明の積層形リニアモータの概略構成を説明し、図2図10を用いて直流駆動の第1の形態を説明し、図11図14を用いて交流駆動の第2の形態について説明し、図15を用いて適用例を説明する。
【0036】
[積層形リニアモータの概略構成]
図1は本願発明の積層形リニアモータ1の概略構成を説明するための概略図である。図1(a)、(b)は積層形リニアモータの第1の構成部材2と第2の構成部材3を示し、図1(c)は積層形リニアモータ1の概略構成を示している。
【0037】
第1の構成部材2は、極性が異なる磁極が長手方向に順に交互に配置される。極性が異なる磁極は、極性が交互に反転された磁極2aと磁極2bで構成することができる。磁極2aと磁極2bの長手方向の長さは共にLである。第1の構成部材2は、長手方向に、隣り合う2つの磁極2aと磁極2bを1周期として周期的に配置される。
【0038】
第2の構成部材3は、複数の巻線3aが長手方向に等間隔で配置される。巻線3aの配置間隔は、第1の構成部材2の2つの磁極が配置される周期と同じ周期である。巻線3aの長手方向の長さは、少なくとも磁極2a、及び磁極2bの長手方向の長さLに巻線3aの幅wを加算した(L+w)とし、第1の構成部材2と第2の構成部材3とが相対的に移動した場合であっても、巻線3aの長手方向の一方の端部と他方の端部は、それぞれ隣り合う磁極2a及び磁極2bによる異なる磁界と交差し、同一方向の推力が発生するようにする。
【0039】
複数の第1の構成部材2及び複数の第2の構成部材3は、それぞれ磁極による磁界方向及び巻線に電流が流れることで発生する磁界方向に沿って積層され、それぞれ第1部材6及び第2部材7が構成される。
【0040】
図1(c)は、3つの第1の構成部材2が積層された第1部材6と、2つの第2の構成部材3が積層された第2部材7が一例として示している。
【0041】
第1部材6は、3つの第1の構成部材2が、磁極2a,2bの磁界方向に、各磁極を揃えて積層される。この積層によって、第1部材6を構成する複数の第1の構成部材2は磁極方向が一致する。
【0042】
一方、第2部材7は、2つの第2の構成部材3が、巻線3aが形成する磁界方向に、各磁極方向を揃えて積層される。この積層によって、第2部材7を構成する複数の巻線3aは、巻線に電流が流れた際に発生する磁界方向が一致する。
【0043】
第1部材6を構成する3つの第1の構成部材2は第1の連結部材4によって連結され、
第2部材7を構成する2つの第2の構成部材3は第2の連結部材5によって連結される。この連結によって、複数の第1の構成部材2と、複数の第2の構成部材3とは、それぞれ連結状態で互いに相対的に移動自在となる。例えば、第1部材6を固定子とし、第2部材7を可動子とした場合には、第2部材7は第1部材6に対して移動自在となる。また、第1部材6を可動子とし、第2部材7を固定子とした場合には、第1部材6は第2部材7に対して移動自在となる。
【0044】
なお、図1(c)に示す例では、第1部材6を固定子とし、第2部材7を可動子とする例を示している。第1部材6では、複数の第1の構成部材2の長手方向の側部側を第1の連結部材4で連結している。また、第2部材7では、複数の第2の構成部材3の長手方向の端部を第2の連結部材5で連結している。各連結部材が連結する個所はこの例に限らず、移動に伴って第1部材6と第2部材7とが互いに干渉しない個所であれば任意の部分で連結することができる。
【0045】
[直流駆動の第1の形態]
以下、図2図10を用いて、本願発明の積層形リニアモータを直流駆動する第1の形態を説明する。
【0046】
(第1の形態の概略構成)
第1の形態の概略構成を図2〜6を用いて説明する。図2(a)は第1の構成部材11と第2の構成部材21を示し、図2(b)は第1の構成部材11と第2の構成部材21との動作を示している。
【0047】
第1の構成部材11は、磁極方向が互いに逆方向の磁極12aと磁極12bが交互に長手方向に配置される。磁極12aと磁極12bの長手方向の長さは同長であり、隣り合う2つの磁極によって1周期分の異なる磁極配列が形成される。
【0048】
一方、第2の構成部材21は、第1の構成部材11の1周期分の磁極配列内に1つの巻線22aが配置され、周期毎において所定間隔を開けて長手方向に配置される。巻線22aの長手方向の長さは、磁極12a及び磁極12bの長手方向の長さLに少なくとも巻線22aの幅wを加えた長さ(L+w)である。
【0049】
図3は、第1の構成部材11の磁極12a,12bと第2の構成部材21の巻線22aとの関係を示している。図3(a)〜(c)では、第1の構成部材11に対して第2の構成部材21が左方に移動する状態を示している。なお、図中の円で囲んだ×印及び丸印は、巻線22aを流れる電流方向を示している。磁極12a,12bが形成する磁界の方向は、図中の矢印で示すように互いに逆方向である。
【0050】
巻線22aの長手方向の長さ(L+w)は、磁極12a及び磁極12bの長手方向の長さLよりも少なくとも巻線22aの幅wだけ長く設定されているため、巻線22aは、第1の構成部材11と第2の構成部材21とが長手方向で相対的に移動した場合であっても、巻線22aの長手方向の両端部分は、第1の構成部材11に磁極12a及び12bで形成される磁界とそれぞれ異なる方向で鎖交する。
【0051】
巻線22aは導線がリング状に巻回されているため、巻線22aの長手方向の両端部分に流れる電流の方向は逆方向となる。巻線22aの長手方向の両端部分では、電流方向と磁界方向が逆となるため、第1の構成部材11と第2の構成部材21との間には、フレミングの左手の法則に従って長手方向に同一方向の推力が発生する。
【0052】
なお、推力を発生して可動子が運動を継続している状態において、巻線22aの導線に流す電流方向を、巻線22aが1/2周期分移動することに反転させることで、巻線22aの移動方向を維持する。
【0053】
本願発明の積層形リニアモータの積層状態を図4,5を用いて説明する。
図4は積層方向の両端に第1の構成部材11を配置する構成例を示している。
図4(a)は2層構造の例を示している。第1部材10は3つの第1の構成部材11A,11B,11Cを積層して構成され、第2部材20は2つの第2の構成部材21A,21Bを積層して構成される。第1の構成部材11A,11B,11Cと第2の構成部材21A,21Bは、互いに交互に積層される。この2層構造の例では、第1の構成部材11と第2の構成部材21のペアを2組分重ね、さらに第1の構成部材11を積層することで構成される。
【0054】
図4(b)は3層構造の例を示している。第1部材10は4つの第1の構成部材11A,11B,11C、11Dを積層して構成され、第2部材20は3つの第2の構成部材21A,21B、21Cを積層して構成される。第1の構成部材11A,11B,11C,11Dと第2の構成部材21A,21B,21Cは、互いに交互に積層される。この3層構造の例では、第1の構成部材11と第2の構成部材21のペアを3組分重ね、さらに第1の構成部材11を積層することで構成される。
【0055】
図4(c)は4層構造の例を示し、図4(d)は5層構造の例を示している。4層構造及び5層構造は、2層構造及び3層構造と同様であるため、ここでは4層構造及び5層構造の説明は省略する。
【0056】
図4に示す構成は、積層方向の両端に第1の構成部材11の磁極を配置することによって、内側に積層される第2部材20が備える巻線に鎖交する磁界分布を積層方向に対して対称とすることができ、巻線に発生する推力の偏りを低減することができる。
【0057】
図5は本願発明の積層形リニアモータの他の積層例を示している。
図5(a)は、積層方向の両端に第2の構成部材21を配置する構成例を示している。
第1部材10は3つの第1の構成部材11A,11B,11Cを積層して構成され、第2部材20は4つの第2の構成部材21A〜21Dを積層して構成される。第1の構成部材11A〜11Cと第2の構成部材21A〜21Dは、互いに交互に積層される。この3層構造の例では、第1の構成部材11と第2の構成部材21のペアを3組分重ね、さらに第2の構成部材21を積層することで構成される。
【0058】
図5(b)は、積層方向の一端を第1の構成部材11とし、他端を第2の構成部材21とする構成例を示している。
【0059】
第1部材10は3つの第1の構成部材11A〜11Cを積層して構成され、第2部材20は3つの第2の構成部材21A〜21Cを積層して構成される。第1の構成部材11A〜11Cと第2の構成部材21A〜21Cは、互いに交互に積層される。この3層構造の例では、第1の構成部材11と第2の構成部材21のペアを3組分重ねることで構成される。
【0060】
図6は本願発明の積層形リニアモータ1Aの概略構成を示している。
直流駆動の積層形リニアモータ1Aは、第1部材10と第2部材20とから構成される。第1部材10は、複数の第1の構成部材11を所定の間隔で積層して構成される。各第1の構成部材11は、複数の磁極12a,12bを磁極方向を互いに反対方向として長手方向に配置して構成される。複数の第1の構成部材11は、各磁極方向が積層方向で揃うように積層され、第1の連結部材14によって互いに連結される。
【0061】
第1の連結部材14は長手方向に沿って所定間隔を開けて溝15が設けられ、この溝15内に第1の構成部材11の長手方向の側部を嵌め込むことによって連結され、第1の連結体16が構成される。
【0062】
図6では、第1部材10を2枚の第1の連結部材14で矜持する例を示しているが、第1の連結部材14を一方の側にのみ配置する構成としてもよい。
【0063】
第2部材20は、複数の第2の構成部材21を所定の間隔で積層して構成される。各第2の構成部材21は、複数の巻線22aが、第1の構成部材11の2つの磁極の長手方向の長さを1周期として長手方向に配置されて構成される。隣り合う巻線22aの間にスペーサ23を配置してもよい。
【0064】
複数の第2の構成部材21は、巻線22aが積層方向で揃うように積層され、第2の連結部材24によって互いに連結される。
【0065】
第2の連結部材24は、端部に所定間隔を開けて凹部等の取り付け部(図示していない)が設けられ、この取り付け部に第2の構成部材21の端部を取り付けることによって連結され、第2の連結体26が構成される。図6では、第2部材20を1枚の第2の連結部材24で固定する例を示しているが、移動時に干渉しない構成であれば、第2の連結部材24を両端で矜持する構成としてもよい。
【0066】
(積層形リニアモータの第1の形態の効果)
次に、本願発明の直流駆動の積層形リニアモータによって磁束密度及び推力が高まる効果について図7図10を用いて説明する。
【0067】
図7は、図4で示した2層〜5層の積層形リニアモータモデルについて求めた推力の有限要素解析結果を1層のモデルと比較して示している。ここでは、磁極が配置された第1部材を固定子とし、巻線が配置された第2部材を可動子としている。有限要素解析では、1周期分である固定子の2つ分の磁極の長さを60mmとし、これに合わせて可動子の移動量を60mmとしている。表1に有限要素解析のパラメータの条件を示す。
【表1】
【0068】
図7の横軸は可動子の位置を示し、縦軸に発生した推力を示している。可動子の位置は、巻線が2つの磁極間の中間位置に位置したときを初期位置として示している。図7(a)〜(e)は1層〜5層の各層数における推力を示し、何れも可動子の位置が0mm、30mm、及び60mm付近で最大となり、その前後で推力が一定となることを示している。また、層数の増加に伴って最大推力が増加している。
【0069】
図8は、各層での最大推力と層数との関係を示している。図8に示すグラフの直線Aは最小二乗法によって求めた近似直線である。図8の近似直線Aは、推力は層数の増加と共に線形に増加することを示している。この近似直線Aの傾きは4.014[N/layer]である。1層の場合の最大推力は3.2739Nである。1層の最大推力を単純に整数倍したときに得られる層数と最大推力との直線関係を直線Bで示す。近似直線Aと直線Bとの比較から、本願発明の積層形リニアモータによれば、1層構造の個数を単に増加して得られる最大推力よりも大きな最大推力を得られる。本願発明の積層形リニアモータによる最大推力の増加は、磁極を積層することによって磁束密度を高め、これによって巻線と鎖交する磁束を増加させることによる。
【0070】
(磁束密度の増加)
磁束密度の増加について図9を用いて説明する。
図9(a),(b)は磁束密度の分布を示し、図9(c)は3層構造における各層の推力の解析結果を示している。図9(a)は1層構造の磁束密度の分布を示し、図9(b)は2層構造の磁束密度の分布を示している。図9(b)の磁束密度は図9(a)の磁束密度よりも高いことを示している。
【0071】
図9(c)に示す3層構造では、3層の内の第2層に2層構造で発生する推力(図示していない)よりも大きな推力が発生している。3層構造では磁極を重ねることによって、内側の層の磁束密度が2層構造よりも高くなり、大きな推力が発生する。
【0072】
図10に本願発明の積層形リニアモータの推力の測定結果を示す。図10(a)は可動域内における位置と全体の推力の関係の測定結果であり、図10(b)は位置と各層における推力の測定結果である。ここでは、3層構造について、図9(c)において推力変化が少ない20mmの範囲を可動子の可動域としている。
【0073】
図10(a)において、位置が10mm付近で最大推力が発生し、10mm前後で推力特性が一定である。この測定結果は、前記した有限要素解析の結果と同様に、最大推力の位置の前後で推力が一定となることを示している。
【0074】
図10(b)において、各層の位置が10mm付近で最大推力を示し、最大推力を発生する位置の前後で推力が一定であり、外側の層に挟まれた2層目に大きな推力が発生する。これは、磁極を積み重ねたことによって、内側の層の磁束密度が高まり、外側の層よりも高い推力が発生したことを示している。
【0075】
また、外側の層の1層目と3層目とはほぼ同じ推力であり、図9(c)の解析結果と同様に、内側の層の推力が増加することを示している。
【0076】
[交流駆動の第2の形態]
以下、図11図14を用いて、本願発明の積層形リニアモータを交流駆動する第2の形態を説明する。
【0077】
(第2の形態の概略構成)
第2の形態の概略構成を図11,12を用いて説明する。図11(a),(b)は第1の構成部材31及び第2の構成部材41を示し、図11(c)は積層形リニアモータ1Bを示している。
【0078】
第1の構成部材31は、磁極方向が互いに逆方向の磁極32aと磁極32bが交互に長手方向に配置される。磁極32aと磁極32bの長手方向の長さは同長であり、隣り合う2つの磁極によって1周期分の異なる磁極配列が形成される。第1部材30は、複数の第1の構成部材31を積層し、第1の連結部材34で連結することで構成される。第1の連結部材34は、例えば、アルミニウムの台を用いることができる。
【0079】
一方、第2の構成部材41は、第1の構成部材31の1周期分の磁極配列内に1周期分の3相巻線42a,42b,42cが長手方向に配置される。3相巻線42a,42b,42cはU相、V相、及びW相の各巻線とし、120°の位相差の電流が供給される。したがって、3相分の巻線42の長手方向の長さは、2つの磁極32の長手方向の長さである。3相巻線42a,42b,42cは第2の連結部材44により連結することができる。第2の連結部材44は、例えば巻線を巻回するボビンを用いることができる。
【0080】
第1部材30は、複数の第1の構成部材31が磁極の磁界方向に、各磁極を揃えて積層されて構成され、第2部材40は、複数の第2の構成部材41が磁極の磁界方向に、各磁極を揃えて積層されて構成される。
【0081】
交流駆動される積層形リニアモータ1Bは、直流駆動の積層形リニアモータ1Aと同様に、第1部材30と第2部材40とから構成され、第1の構成部材31と第2の構成部材41とを交互に重ねて積層することによって構成される。第1の構成部材31と第2の構成部材41との積層は、直流駆動の積層形リニアモータ1Aと同様であるので、ここでの説明は省略する。
【0082】
図12は、本願発明の交流駆動の積層形リニアモータの動作を説明するための図である。
図12(a)〜(c)は、第1の構成部材31を固定子とし、第2の構成部材41を可動子としたときに動作例を示し、図12(d)は3相巻線の各相の巻線に供給する電流を示している。なお、ここでは、可動子が図中の右方向に移動する例を示し、図12(d)中のa,b,cはそれぞれ図12(a)〜図12(c)の状態に対応している。
【0083】
第2の構成部材41のU相、V相、及びW相の各相に電流を供給すると、第1の構成部材31の隣り合う磁極に跨がる位置にある相の巻線には矢印方向に推力が発生する。一方、第1の構成部材31の磁極内にある相の巻線には、それぞれの巻線の長手方向の端部には互いに相殺する方向の推力が発生するため、相の巻線を駆動する推力は発生しない。
【0084】
(積層形リニアモータの第2の形態の効果)
次に、本願発明の交流駆動の積層形リニアモータによって磁束密度及び推力が高まる効果について図13図14を用いて説明する。
【0085】
図13は、2層〜5層の積層形リニアモータモデルについて求めた推力の有限要素解析結果を1層のモデルと比較して示している。
【0086】
有限要素解析では、1周期分である固定子の2つ分の磁極の長さを60mmとし、これに合わせて可動子の移動量を60mmとしている。表2に有限要素解析のパラメータの条件を示す。
【表2】
【0087】
図中のリプル波形Cは解析結果を示し、直線Dは平均値を示している。平均推力は層数の増加に伴って増加している。
【0088】
図14は、各層での推力と層数との関係を示している。図14に示すグラフの直線Eは線形近似で求めた近似直線である。図14の近似直線Eは、推力は層数の増加と共に線形に増加することを示している。この近似直線Eの傾きは6.6746[N/layer]である。1層の場合の平均推力は5.3243Nである。1層の平均推力を単純に整数倍したときに得られる層数と平均推力との直線関係を直線Fで示す。近似直線Eと直線Fとの比較から、本願発明の交流駆動の積層形リニアモータによれば、1層構造の個数を単に増加して得られる平均推力よりも大きな平均推力を得られる。本願発明の積層形リニアモータによる平均推力の増加は、磁極を積層することによって磁束密度を高め、これによって巻線と鎖交する磁束を増加させることによる。
【0089】
表3は各層数の構造による平均推力、ピークピーク値、リプルを示している。
【表3】
【0090】
この結果は、ピークピーク値は層数の増加に伴って増加するが、リプルで換算すると1層構造を除き、層数を変化させても変化しない。したがって、交流駆動の積層形リニアモータ1Bによれば、層数の変化によって推力値のみを増加させることができる。
【0091】
[適用例]
本願発明の積層形リニアモータの適用例を、図15を用いて説明する。図15に示す構成は、複数の積層形リニアモータを略環状に配置し、隣り合う積層形リニアモータの第1部材あるいは第2部材の長手方向の側面間を磁性体50で繋ぐ。この構成によって閉じた磁路を形成し、各積層形リニアモータの側面からの磁束を磁路内の閉じ込めることができる。
【0092】
なお、本願発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本願発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本願発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【0093】
本願発明の積層形リニアモータは、電子部品実装や半導体製造等の産業機器の分野や、医療機器の分野等に適用することができる。
【符号の説明】
【0094】
1 積層形リニアモータ
1A 積層形リニアモータ
1B 積層形リニアモータ
2 第1の構成部材
2a,2b 磁極
3 第2の構成部材
3a 巻線
4 第1の連結部材
5 第2の連結部材
6 第1部材
7 第2部材
10 第1部材
11,11A,11B,11C,11D 第1の構成部材
12,12a,12b 磁極
14 連結部材
15 溝
16 連結体
20 第2部材
21,21A,21B,21C,21D 第2の構成部材
22a 巻線
23 スペーサ
24 連結部材
26 連結体
30 第1部材
31 第1の構成部材
32a,32b 磁極
34 第1の連結部材
40 第2部材
41 第2の構成部材
42,42a,42b,42c 3相巻線
44 第2の連結部材
50 磁性体
A 近似直線
B 直線
C リプル波形
D 直線
E 近似直線
F 直線
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15