JPH0519282B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本発明はリニアアクチユエータに関し、具体的
には電機子と、放射状磁極セグメントとスペーサ
を交互に積み重ねたスタツクとして構成され、ア
クチユエータの軸にほぼ垂直な小さな閉じた１対
の均衡のとれた磁束ループを発生する固定子組立
体とを有する放射状磁極式リニアアクチユエータ
に関する。

Ｂ 従来技術 結合位相式および非結合位相式可変磁気抵抗設
計ならびにハイブリツド永久磁石設計を含めて、
所期の動作を行なうための多様な磁束パスを備え
たリニアモータが、多数開発されてきた。

従来の多くのリニアアクチユエータの設計は、
磁束を保持する向かい合つた１組の強磁性体の歯
の間の整合力に依存している。駆動軸の回転運動
が求められる場合は、モータの軸に垂直な磁束経
路が設けられるが、リニアモータでは、一般に磁
束経路の一部分が運動方向に平行である。

増分式移動制御システムと装置に関する第２年
次シンポジウム議事録、イリノイ大学電子技術
科、ウルバナ、1973年４月、に所載のJ.P.ポーレ
クト（Pawletko）およびH.D.チヤイ（Chai）の
論文「リニアステツプ・モータ（Linear Step
Motors）」は、軸方向磁束経路を備えたリニアモ
ータの理論と製造の詳細を示しているが、本発明
のセグメント内磁束経路を備えたものは示されて
いない。

増分式移動制御システムと装置に関する第２年
次シンポジウム議事報、イリノイ大学電子技術
科、ウルバナ、1984年５月、に所載のポーレクト
およびチヤイの論文「非結合位相をもつリニアス
テツプ・モータ（Linear Stepping Motor with
Uncoupled Phases）」は、軸方向磁束経路を備
えた非結合位相式リニアステツプ・モータを示し
ているが、本発明のセグメント内磁束経路を備え
たものは示されていない。

増分式移動制御システムと装置に関する第２年
次シンポジウム議事報、イリノイ大学電子技術
科、ウルバナ、1973年４月、に所載のW.E.ヒン
ズ（Hinds）およびB.ノシト（Nocito）、の論文
「ソーヤーリニアモーター（The Sawyer Linear
Motor）」は、軸方向磁束経路を備えた多重リニ
アモータ装置を示しているが、本発明のセグメン
ト内磁束経路を備えたものは示されていない。

国際電子機器会議議事録、ベルギー、ブラツセ
ル、1978年９月11−13日、に所載のG.ドーキン
ス（Dawkins）およびD.J.ローズ（Rhodes）の
論文「電磁式回転−リニア結合器（An
Electromagnetic Rotary−to−Linear
Coupler）」は、回転移動からリニア移動に変換
するのに使用される２条らせんねじをもつヘレノ
イド形結合器を示している。

増分式移動制御システムと装置に関する第２年
次シンポジウム議事報、イリノイ大学、電子技術
科、ウルバナ、1973年４月、に所載のチヤイの論
文「歯付き構造間のパーミアンス・モデルおよび
磁気抵抗力（Permeance Model and
Reluctance Force Between Toothed
Structures）」は、リニアモータ磁束の理論を示
しているが、セグメント内磁束経路は示していな
い。

1969年４月29日に授与されたパルメロ
（Palmero）の米国特許第3441819号明細書「往復
リニアモータ（RECIPROCATING LINEAR
MOTOR）」は、磁束がらせん状の歯のついた回
転子から放射状磁極とスペーサ積層体を交互に積
み重ねた歯付き電機子へと軸方向に流れる、リニ
アモータを示している。

1975年３月４日に授与されたソーヤー
（Sawyer）の米国特許第3869625号明細書「複数
軸リニア位置決め（PLURAL AXIS LINEAR
POSITION）」は、軸が１組のチヤンネル内の小
さなホイール、または同等の空気軸受に載つたリ
ニアモータを示しているが、プラテン上の歯とヘ
ツドの磁束パターンは軸方向である。

1978年５月16日に授与されたセイリー
（Seilly）の米国特許第4090097号明細書「電磁式
装置（ELECTROMAGNETIC DEVICES）」
は、ある要素の突起が他の要素のスロツトにぴつ
たりはまる、アクチユエータと固定子の関係を示
している。

1978年８月８日に授与されたセイリーの米国特
許第4105904号明細書「電磁式アクチユエータ
（ELECTROMAGNETIC ACTUATORS）」は、
密接に編み合わせた導線内を通る電流の電磁効果
が磁極片なしに直接相互作用する２条らせん構成
を示している。

1978年10月31日に授与されたセイリーの米国特
許第4123691号明細書は、共に２条らせん状溝を
備え、固定子の溝の内部に導体が配置された、環
状固定子と可動電機子を示している。

1980年４月８日に授与されたカント（Kant）
の米国特許第4197488号明細書「電気機械装置
（ELECTRICAL MACHINE）」は、２枚の面対
称半平面にらせん状の歯を備えた、回転−並進式
可変磁気抵抗アクチユエータを示している。磁束
経路は軸方向である。

1981年８月25日に授与されたラングレー
（Langley）の米国特許第4286180号明細書「可変
磁気抵抗ステツパ・モータ（VARIABLE
RELUCTANCE STEPPER MOTOR）」は、
回転子と電機子上に整合用のらせんねじを備え、
ねじ付きの歯の間の空間が導電性の非磁性はんだ
で充填された、可変磁気抵抗ステツパ・モータを
示している。磁束経路は線状である。

1980年８月24日に出願されたコイデ（Koide）
の特願昭55−97177A「リニアパルス・モータ
（LINEAR PULSE MOTOR）」は、リニアモー
タのスライダの歯のピツチの特定の式を示してい
る。

Ｃ 発明が解決しようとする問題点 従来のリニアモータは、磁束経路の一部分が運
動方向即ち軸方向に平行となつていて、小型軽量
化をはかるのが困難となつていた。

Ｄ 問題点を解決するための手段 本発明のアクチユエータは、基本的にリニア移
動軸に垂直な面内にある均衡のとれた新規なセグ
メント内磁束経路をもたらして、電機子の質量が
小さく設計と組立てが簡単なアクチユエータを提
供する。

本発明の目的は、高性能を実現する新規なセグ
メント内磁束経路を有するリニアアクチユエータ
を提供することにある。このリニアアクチユエー
タは所定の力要件に応じた小型サイズで、その力
と電機子質量の比が大きく、力および電機子の質
量がアクチユエータの長さに正比例する。

本発明は、また、複数位相ステツピング・モー
タで使用するのに適し、単一、低価格、平面状の
多重アクチユエータ構造として容易に複製でき
る、リニアアクチユエータ構成を提供する。

本発明は、さらに、製造に都合のよい多重リニ
アアクチユエータを提供する。

放射状磁極固定子とスペーサ積層体を交互に積
み重ねると、１つおきの層が軸方向の磁性の歯を
形成する、単純なリニアアクチユエータができ
る。スペーサ積層体は非強磁性であり、または磁
束経路から隔置されている。固定子積層体は放射
状に延びる磁極対を備え、充填可能でスペーサと
一緒に滑らかに研磨できる中央穴を形成し、電機
子が摺動できる滑らかな磁極面を形成する。

磁束経路は固定子積層体と同一平面上にあり、
したがつて、各積層体は完全に分離されている。
固定子積層体を追加するにつれて、電磁力はそれ
に比例して増大する。積み重ねられた固定子積層
体は、それぞれ有限の磁極面磁束容量をもつ磁極
面を有する。関連する電機子リングを非磁性支持
チユーブ上に取り付け、各リングは磁極面磁束容
量の半分を保持できるのに充分な断面積を持つ限
りできるだけ軽くできる。筒状の電機子は、質量
に応じて最大の剛性をもたらし、固定ロツド・ア
ーマチヤを使つて筒状電機子が支持できる。支持
ロツドは強磁性で磁束の一部を保持できるので、
各リングに必要な断面積と質量がさらに減少す
る。

本発明の一つの特色は、単純な環状強磁性磁極
片と単純な同形状の非強磁性スペーサを交互に用
いた放射状磁極式電機子の積重ね設計である。そ
の代りに、スペーサを強磁性物質で作つて、磁極
をもつと短くすることもできる。

本発明のもう一つの特色は放射状磁束力が均衡
を保つていることであり、その均衡のおかげで、
高性能リニアアクチユエータに著しく軽量の電機
子を使用できる。軽量の電機子は非常に軽いので
自立できなかつたり、磁束保持能力を欠いたりす
ることがある。その欠損（deficit）は、強磁性体
リングを備えた軽量可動チユーブで電機子を構成
することで埋め合わされ、そのチユーブは、自立
または磁束容量あるいはその両方の欠損を補完す
る、固定した磁束保持性の支持ロツド上を摺動す
る。

もう一つの特色は、非常に単純な巻線で構成で
きる積み重ねた固定子構成である。

本発明の利点は、それがコンパクトで軽量な形
で安価に高い出力を供給し、スタツクの放射状磁
極スペーサ積層体対の数を変える（その長さを変
える）だけで容易にモータの力を増減できること
にある。

本発明のもう一つの利点は、放射状磁極積層体
およびスペーサ積層体の単純なスタツクが、複数
のスライダ・シヤフト用の複数のチヤンネルを含
むことができることにある。

もう一つの利点は、単一の相補形多重チヤンネ
ル積層体を引つくり返すだけで、磁極積層体また
はスペーサ積層体として使えることである。

本発明のその他の目的、特色および利点は、以
下に示す、添付の図面に図示されている好ましい
実施例の説明から明らかになるはずである。

Ｅ 実施例 第１図ないし第３図は、アクチユエータの１つ
の平面状セグメントまたは「歯」の基本構造を示
す。各セグメントは同じ厚さの固定子積層体２内
の中心に位置するリング状電機子１から成る。電
機子リング１および固定子積層体２がセグメント
３を構成する。各固定子積層体２は、１対または
複数対の磁極延在部２−Ｎ，２−Ｓを有し、これ
らの延在部は電機子リング１より直径がやや大き
い円弧を形成する。磁極延在部２−Ｓと２−Ｎを
中空域２−Ｖが分離している。１個または複数の
コイル５（第１図ないし第３図には図示せず）が
固定子積層体２上の磁極延在部相互間の中空域２
−Ｖに巻かれ、固定子積層体２の周りに交互に北
磁極と南磁極を作成する。コイルを付勢すると、
第１図ないし第２図に破線で示すように、磁束４
は固定子積層体２と４つまたはそれ以上の閉じた
経路内の電機子積層体１とを通つて循環する。

電機子リング１を固定子積層体２と同じ平面内
に配置すると、電機子リング１と固定子積層体２
の間を通過する磁束は軸方向に磁気力を生成しな
い。しかし、第２図に示すように、電機子を軸方
向に外らせると、磁束経路の磁気抵抗の変化が起
こり、その結果固定子積層体２の平面に電機子リ
ング１を戻すような磁気力が発生する。どちらの
場合にも（電機子の偏心率が小さいと仮定する
と）４つの磁極内の磁束はほとんど同じであり、
比較的小さい半径方向の力が発生する。

軸方向スタツキング 第４図はアクチユエータの長手方向の断面を示
す。実際の大部分の用途では、第１図ないし第３
図に示した単一アクチユエータ・セグメントによ
つて発生する力は、所期の仕事を行なうのには不
十分である。この場合、第４図に示すようにいく
つかの平面状セグメントを軸方向に配置すること
ができる。固定子積層体２は、非磁性スペーサに
よつて、または好ましい実施例のように、中空域
２−Ｖをもち、固定子の歯２−Ｓと２−Ｎを形成
する「活動」固定子極板の磁極延在部より短い磁
極延在部をもつ強磁性積層体によつて、分離され
ている。好ましい実施例の電機子１１は、強磁性
または非強磁性の電機子支持チユーブ７に取り付
けられた個々の強磁性リング６から構成される。
移動質量の力学やその他の力学などの考慮から電
機子支持チユーブに（プラスチツク、ガラス、ア
ルミニウムなどの）軽量材料を使用せざるを得な
いと仮定すれば、各強磁性リング６は、各方向の
１つの歯２−Ｎから同じセグメントの固定子積層
体の隣接する２つの歯２−Ｓのそれぞれまで１つ
の固定子磁極からの磁束の半分を円弧状に保持す
るのに十分なバルク材料を含んでいなければなら
ない。

この装置によつて発生する力は、電機子リング
の直径と、固定子極の近傍にあるリングの周囲の
割合と、軸方向に積み重ねられたリングの数の積
に比例する。この設計の重要な利点は、各リング
構造が隣接部から磁気的に独立していることから
生じる大きなフレキシビリテイである。磁束はリ
ニア軸に垂直な小さなループ内でしか流れず、電
機子リング６および固定子２の外側部分の弧状セ
グメント（４極装置の４分円の外側の部分）に閉
じ込められる。各磁束ループは、固定子シヤフト
の円弧がはさむ電機子の弧の角度内にある。

電機子１１と固定子２２の寸法は、どちらも軸
方向に並べられた歯の数とは無関係である。この
ため、適切な数の歯を積み重ねるだけで、広範囲
の所期の出力をアクチユエータに設計できる。電
機子の直径は、後に述べるように構造上およびコ
イル巻線上の考慮に基づいて選ぶことができる。
これにより、様々な出力をもつアクチユエータ・
フアミリーを作るのに必要な異なる部分の数を最
小にできる。これは、また軸方向力と電機子の質
量の比が軸方向の長さとは無関係であることも意
味している。最大の加速度はアクチユエータのピ
ーク出力とも無関係である。

コイル巻線 第３図に示すように、固定子積層体の軸方向ス
タツク上に必要なコイルを巻く方法は、基本的に
２つある。第６図は、必要な交互の磁極の組を作
成するのに使用される、単一蛇行コイル５を示
す。第７図は、別々に巻いて適切に直列または並
列に接続した、交互の磁極を作成するためのいく
つかの独立なコイル８を示す。どの巻線方法が好
ましいかは、製造コストと組立コストならびに磁
極の数によつて決まる。

電機子の軽量化 上記のように、単一電機子リングの磁気断面
は、単一固定子磁極が保持できる磁束の半分を保
持できる大きさであればよい。すなわち、多数の
固定子磁極を使用すれば、各磁束経路の断面積が
減少し、非常に高い剛性と比較的小さな質量を併
せもつた筒状電機子構造の使用が可能になる。も
ちろん、その結果、追加コイル経路によりコイル
の抵抗損が増大し、電機子の周囲の使用部分が減
少するという欠点が生じる。

超軽量電機子が必要な場合、非常に薄いチユー
ブ７（第４図）を、電機子チユーブ内にある固定
強磁性（たとえば、鉄）支持ロツド８と一緒に使
用できる。磁束は、固定子セグメント２の１つの
磁極、たとえば２Ｎから小さな空気間隙を通つて
電機子の歯６およびチユーブ７に到し、次いで別
の小さな空気間隙を横切つて強磁性内部支持ロツ
ド８に流れる。次いで、磁束は分かれて支持ロツ
ド８内から次の磁極位置に、さらに電機子構造
７，６と空気間隙を通つて隣接する固定子磁極２
Ｓへと周囲を移動する。したがつて、支持ロツド
８の補助磁束保持能力を用いても必要な磁束閉鎖
を行なえないほど軽い電機子が使用可能になる。
電機子の質量が最小になつているので、大きな加
速が求められるとき、このことは非常に有益とな
る。固定支持ロツド８をすべり軸受、ころ軸受ま
たは空気軸受などを用いた電機子チユーブ用の軸
受支えとして使用すると、非常に好都合である。
電機子チユーブ７が磁束保持性支持ロツド８と摺
動接触しているとき、低摩擦ポリマーでそれを被
覆するかまたは他の適切な滑剤を備えると有利で
ある。支持ロツド８は中空にしてもよく、その内
部空洞を滑剤または液体軸受として使用される液
状物質の分配導管として使用できる。その導管
は、支持ロツドの電機子と噛み合う表面にあけら
れた適切な分配ノズルに接続される。その液体
は、磁束閉鎖を助けると共に軸受滑剤として働く
強磁液体であることが好ましい。追加の空気間隙
が認められる場所では、潤滑流体は圧縮空気また
はグリースでもよい。

リニアモータ適用例 第８図は、電機子１１の長手方向に３つの独立
した固定子構造２２を適切に配置することによつ
て構成された３位相リニアモータを示す。各位相
の固定子部分２は、従来のリニアステツピング・
モータと同様に隣接位相から歯のピツチの1/3だ
けずれている。大きな力と質量の比が可能であ
る。固定子積層体の厚みと電機子上のリングの間
隔を変えるだけで、様々なステツプ・サイズが達
成できる。これらのフアクターにより、当分野の
現状技術で得られる能力を著しく超える能力をも
つ、広範囲のリニアステツピング・モータの製造
が可能になる。

複数アクチユエータの実装 衝撃式印刷など多くの適用例では、極めて低価
格で互いに非常に近接した多数のアクチユエータ
を実装する必要がある。固定子２２の構成が単純
なので、このアクチユエータはこの状況によく適
している。上述のように、アクチユエータの固定
子２２は、（全長磁極延在部１０をもつ）強磁性
固定子極板９とそれより短い非能動磁極延在部を
もつ強磁性スペーサ極板１２を交互に積み重ねた
スタツクから構成できる。アクチユエータ列中で
は、第９図に示した単一打抜き鉄積層体９は、固
定子スタツクの交互積層体用に極板９を裏返しす
るだけで、固定子極板としてもスペーサ極板とし
ても働くことができる。第１０図に、その結果得
られる集積固定子組立体（必要なコイルを除く）
を示す。

Ｆ 発明の効果 本発明により、基本的にリニア移動軸に垂直な
面内にある均衡のとれた新規なセグメント内磁束
経路を達成した小型軽量化がはかれて設計および
組立が簡単なリニアアクチユエータが提供され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はアクチユエータの概略断面図である。
第２図は第１図に示した直径に沿つた切取り図で
ある。第３図はアクチユエータの断面の概略等角
投影図である。第４図は、スペーサ・リングおよ
び固定子極板のコイルおよび電機子との関係を示
す、アクチユエータの長手方向の断面の単純化し
た切取り図である。第５図はＮとＳ極が固定子の
周囲でどのように交互に配置されるかを示す、固
定子断面の単純化した等角投影図である。第６図
は、蛇行巻線の単純化した図である。第７図は、
個別に巻かれ接続されたコイルの単純化した図で
ある。第８図は、リニア３位相ステツピング・モ
ータの構成を示す、電機子の軸に沿つた切取り概
略側面図である。第９図は、長い極と短い極をど
のように交互に配置すれば、積層体を交互に反転
させるだけで単一の積層体パターンが極とスペー
サの両方に使用できるかを示す、単一積層体の平
面図である。第１０図は、表を上にしてまたは反
転して組み立てたとき反転された積層体がどのよ
うにしてスペーサまたは磁極となるのかを示す、
２層積層体スタツクの平面図である。 １，１１……電機子、２，２２……固定子積層
体、３……セグメント、５……コイル、６……強
磁性リング、７……支持チユーブ、８……支持ロ
ツド、９……固定子極板、１２……スペーサ極
板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固定子組立体と、巻線と、内側の電機子組立
   体とを備え、 前記電機子組立体が、固定子および電機子に磁
   束パターンを生じる巻線への選択的に印加される
   電流の関数として制御可能な相対的軸方向運動を
   するように設けられ、かつ棒状の電機子を構成す
   る１組のリングから成り、 前記固定子組立体が、固定子を構成するセグメ
   ントおよびスペーサを交互に積層したものから成
   り、各セグメントは、複数の磁極部を有する形状
   をなし、前記磁極部は、前記巻線への電流印加に
   よつて同数のＮ磁極とＳ磁極とを交互に形成す
   る、 ことを特徴とするリニアアクチユエータ。 ２ 固定子手段と電機子手段とを備え、 前記電機子手段が可動部分と支持部分とを有
   し、前記可動部分が必要な磁束保持能力に関して
   欠損したトロイダル断面形状の強磁性体から成
   り、前記支持部分が磁束保持能力を補完するよう
   に並置された磁束保持物質から成る、 ことを特徴とするリニアアクチユエータ。