リニア駆動装置
【課題】簡単な構成で、高速性能および応答性能を飛躍的に向上させることである。
【解決手段】ベッド１と可動テーブル４とを対向させるとともに、可動テーブル４には、そのストローク方向に区分した複数の永久磁石５を設け、ベッド１には、上記永久磁石に対向する一又は複数の電機子コイル８を設けている。さらに、この電機子コイルに電流を流したとき、電機子コイル電流と永久磁石の磁束とによる電磁相互作用によって、上記両移動体が相対移動する推力を発生させる。そして、上記可動テーブル４がストローク方向における中立位置にあるとき、その可動テーブル４であって永久磁石の磁力の極大点もしくはその近傍に対応する位置に、磁性体片１１を設け、両移動体が中立位置から相対移動したとき、永久磁石の磁力が磁性体片１１に作用する構成にしている。
【解決手段】ベッド１と可動テーブル４とを対向させるとともに、可動テーブル４には、そのストローク方向に区分した複数の永久磁石５を設け、ベッド１には、上記永久磁石に対向する一又は複数の電機子コイル８を設けている。さらに、この電機子コイルに電流を流したとき、電機子コイル電流と永久磁石の磁束とによる電磁相互作用によって、上記両移動体が相対移動する推力を発生させる。そして、上記可動テーブル４がストローク方向における中立位置にあるとき、その可動テーブル４であって永久磁石の磁力の極大点もしくはその近傍に対応する位置に、磁性体片１１を設け、両移動体が中立位置から相対移動したとき、永久磁石の磁力が磁性体片１１に作用する構成にしている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、永久磁石と電機子コイルとを主要素にしたリニアモータを内蔵してなるリニア駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置として特許文献１に記載の発明が従来から知られているが、この従来の装置を示したのが、図１３，図１４である。この図からも明らかなように、従来のリニア駆動装置は、強磁性材料からなるベッド１に一対の軌道レール２，２を平行に敷設している。そして、この軌道レール２，２には複数のスライダ３を移動可能に設けるとともに、このスライダ３に、強磁性材料からなる可動テーブル４を固定し、可動テーブル４が上記軌道レール２，２上を往復動できるようにしている。
【０００３】
上記可動テーブル４は、ベッド１との対向面側に、その移動方向に整列した複数の永久磁石５を設けているが、この永久磁石５は、矩形でかつ板状にしている。そして、これら各永久磁石５は、可動テーブル４側を上と見たとき、その上下方向にＮ極とＳ極とが現れるとともに、可動テーブル４の移動方向において隣り合う永久磁石５は、互いにその極性が逆になるようにしている。なお、可動テーブル４を強磁性材料で構成したのは、この可動テーブル４に、永久磁石５から生じる磁束を通すマグネットヨークとして機能させるためである。
【０００４】
一方、上記ベッド１であって、一対の軌道レール２，２の対向部間に、軌道レール２，２の長手方向に沿って凹部６を形成している。このようにした凹部６はコイル基板７で覆うとともに、このコイル基板７の下面には、３相のコアレスコイルからなる複数の電機子コイル８を設けている。これら電機子コイル８は、凹部６の長手方向に沿って整列させている。このようにした電機子コイル８に３相電流を供給すると、永久磁石５の磁束と、電機子コイル８に流れる３相電流との電磁相互作用によって、可動テーブル４がスライダ３とともに軌道レール２，２上を移動することになる。したがって、上記永久磁石５と電機子コイル８とで、リニアモータを構成することになる。なお、ベッド１を強磁性材料で構成したのは、このベッド１に電機子コイル８のヨークとして機能させるためである。
【特許文献１】特開２００１−３５２７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようにした従来の装置は、電機子コイル８に電流を供給すると、永久磁石５の磁束と、電機子コイル８に流れる３相電流との電磁相互作用によって、可動テーブル４がスライダ３とともに軌道レール２，２上を移動するが、最近では、この駆動装置にはますます高速性および高応答性が求められるようになってきている。この要望に応えるためには、当該駆動装置の推力を大きくしなければならないが、その推力を大きくする手段としては、可動テーブル４を軽量化したり、永久磁石の磁力をさらに強くしたり、あるいは供給電流を大きくしたりしなければならない。
【０００６】
上記のように可動テーブル４を軽量化するためには、それを薄肉にしなければならない。しかし、可動テーブル４を薄肉にすれば、その分、剛性が劣るので、可動テーブル４が撓んだりする。このように可動テーブル４が撓めば、性能が低下するという問題が発生する。
【０００７】
また、永久磁石５の磁力を強力にすることも考えられるが、現状でもかなり強力な磁石を用いているので、これ以上強力な磁石を用いることは不可能に近いのが現状である。また、強力な磁力を得るために、例えば、永久磁石５や電機子コイル８を大型化することも考えられる。しかし、これら部品の大型化にともなってその質量も大きくなるので、たとえ推力が大きくなったとしても、その推力は大きくなった質量に費やされてしまう。このような事情から、永久磁石５の磁力を強力にするにも限界があるというのが実状である。
【０００８】
さらに、強力な磁力を得るために、供給電流を大きくすると、その分、発熱量も多くなる。この発熱が大きくなると、例えば、その熱によって、電機子コイル８が燃えてしまうこともあるので、供給電流を大きくするのにも限界があった。
いずれにしても、従来の装置では、高速性あるいは高応答性を実現するには、限界があった。
【０００９】
この発明の目的は、簡単な構成で、高速性能および応答性能を飛躍的に向上させることができるリニア駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、一対の移動体を対向させるとともに、いずれか一方の移動体に、そのストローク方向に区分した複数の永久磁石を設け、いずれか他方に、上記永久磁石に対向する一又は複数の電機子コイルを設け、この電機子コイルに電流を流したとき、電機子コイル電流と永久磁石の磁束とによる電磁相互作用によって、上記両移動体が相対移動する推力を発生させるリニア駆動装置を前提にするものである。
【００１１】
第１の発明は、上記他方の移動体がストローク方向における中立位置にあるとき、その他方の移動体側であって永久磁石の磁力の極大点もしくはその近傍に対応する位置に、磁性体片を設け、両移動体が中立位置から相対移動したとき、永久磁石の磁力が磁性体片に作用する構成にした点に特徴を有する。
【００１２】
なお、上記極大点とは、数学的な意味であって、最大の意味とは異なる。例えば、この発明において、永久磁石が複数あるので、それぞれの永久磁石の中で極大点があり得るが、この発明では、磁力の極大点あるいはその近傍に対応する位置であれば、磁性体片をどの永久磁石に対応させてもよい。
【００１３】
第２の発明は、上記一方の移動体がストローク方向における中立位置にあるとき、上記永久磁石の磁力の極大点もしくはその近傍に対応する上記他方の移動体位置に、隣り合う一対の永久磁石単位で形成される磁束ループのうち、互いに隣り合う一対の磁束ループのみの磁力線の影響を受ける幅を有する磁性体片を設けた点に特徴を有する。なお、この磁性体片を設けた点から離れた磁石の磁力線も、上記磁性体片にかかることも考えられるが、この磁力線は、移動体の移動に対しては、ほとんど影響力がない。したがって、互いに隣り合う一対の磁束ループのみの磁力線の影響を受ける幅とは、実質的な磁力線の影響を受ける幅をいうものである。
【００１４】
第３の発明は、一対の磁性体片を、他方の移動体における最外端の上記電機子コイルのさらに外方であって、かつ、一方の移動体における最外端位置にある永久磁石に対向する関係位置に設け、さらに、両移動体が相対移動してフルストークしたとき、一方の磁性体片が一対の永久磁石の境界部に対向するところに位置し、他方の磁性体片が、最外端に位置する永久磁石の磁束の影響を受けないか、あるいはその影響をほとんど受けない箇所に位置する構成にした点に特徴を有する。
【００１５】
第４の発明は、上記磁性体片が、上記他方の移動体を貫通して、一方の移動体の永久磁石と対向する側面に突出させた点に特徴を有する。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、両移動体が中立位置から相対移動したとき、磁性体片には永久磁石の磁力が作用する。そして、この作用力は、一方の移動体が中立位置からストローク端に移動するときには、一方の移動体の移動方向に対して逆方向の力となる。また、上記ストローク端から中立位置方向に移動したときには、一方の移動体の移動方向に対して順方向の力となる。したがって、上記逆方向の力は、一方の移動体を制動する作用をし、順方向の力は、一方の移動体をその移動方向に推す力となる。したがって、永久磁石や電機子コイルを大型化しなくても、高速性能と高応答性能とを実現できる。
【００１７】
第２の発明によれば、両移動体が中立位置にあるとき、磁性体片を通る２つの磁束ループが、磁性体片を境にして左右対称になるので、その中立位置における安定性が高いものとなる。
第３の発明によれば、移動体の移動ストロークを大きく確保できる。
第４の発明によれば、移動体に対する磁性体片の組み付け作業が簡単になる。また、既存の移動体にも当該磁性体片を簡単に取り付けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１〜７に示した第１実施形態の最大の特徴は、この発明の他方の移動体に相当するベッド１の中心部分に、後で詳しく説明する磁性体片１１を設けた点であり、その他は、従来の構造とほぼ同様である。ただし、従来の構造と重複する部分についても、以下に詳しく説明する。
【００１９】
上記図１〜７に示した第１実施形態は、強磁性材料からなるベッド１に一対の軌道レール２，２を平行に敷設している。そして、この軌道レール２，２には複数のスライダ３を移動可能に設けるとともに、このスライダ３に、強磁性材料からなる可動テーブル４を固定し、可動テーブル４が上記軌道レール２，２上をスライダ３とともに往復動できるようにしている。
なお、上記ベッド１がこの発明の他方の移動体を構成し、可動テーブル４が一方の移動体を構成するものである。
【００２０】
上記可動テーブル４は、ベッド１との対向面側に、その移動方向に整列した複数の５つの永久磁石５を設けているが、この永久磁石５は、矩形でかつ板状にしている。そして、これら各永久磁石５は、可動テーブル４側を上と見たとき、その上下方向にＮ極とＳ極とが現れるとともに、可動テーブル４の移動方向において隣り合う永久磁石５は、互いにその極性が逆になるようにしている。なお、可動テーブル４を強磁性材料で構成したのは、この可動テーブル４に、永久磁石５から生じる磁束を通すマグネットヨークとして機能させるためである。
【００２１】
一方、上記ベッド１であって、一対の軌道レール２，２の対向部間に、軌道レール２，２の長手方向に沿って凹部６を形成している。そして、この凹部６をコイル基板７で覆うとともに、このコイル基板７の下面には、３相のコアレスコイルからなる複数の電機子コイル８を設けている。このようにした複数の電機子コイル８は、凹部６の長手方向に沿って整列させている。そして、この電機子コイル８に３相電流を供給すると、永久磁石５の磁束と、電機子コイル８に流れる３相電流との電磁相互作用によって、可動テーブル４に駆動力が作用し、可動テーブル４は、スライダ３とともに軌道レール２，２上を移動することになる。したがって、永久磁石５と電機子コイル８とでリニアモータを構成することになる。なお、ベッド１を強磁性材料で構成したのは、このベッド１に電機子コイル８のヨークとして機能させるためである。
【００２２】
さらに、上記可動テーブル４の下面には、光学式リニアスケール１２を設けるとともに、ベッド１側には光学式エンコーダ１３を設け、これら光学式リニアスケール１２と光学式エンコーダ１３とによって、可動テーブル４の移動位置を検出できるようにしている。
【００２３】
上記のようにした他方の移動体であるベッド１には、前記した磁性体片１１を設けているが、この磁性体片１１は、図４〜図６に示す関係位置を保つようにしている。なお、上記図４〜図６は、ベッド１と可動テーブル４との相対関係を示すもので、上記ベッド１には、３つの電機子コイル８ａ，８ｂ，８ｃを、前記したように凹部６の長手方向に整列させている。また、可動テーブル４の下面には、５つの永久磁石５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅを、同じく長手方向に整列させている。なお、図４〜６においては、凹部６を省略している。
【００２４】
そして、電機子コイル８ａ〜８ｃのうちの中央に位置する電機子コイル８ｂの内側中心部には、上記磁性体片１１を固定している。このようにした磁性体片１１は、可動テーブル４が図４に示す中立位置にあるとき、永久磁石５ａ〜５ｅのうちの中央に位置する永久磁石５ｃの中央に対向させている。このように磁性体片１１を対向させた永久磁石５ｃの中央は、永久磁石５ｂと５ｃによる磁束ループＢ１と、永久磁石５ｃと５ｄによる磁束ループＢ２とが、磁性体片１１に対してほぼ垂直方向に通るので、その磁力が最大になる。したがって、この場合には、磁力の最大点と極大点とが一致した状態になる。
【００２５】
また、上記磁性体片１１は、隣り合う一対の永久磁石単位で形成される磁束ループのうち、互いに隣り合う一対の磁束ループＢ１，Ｂ２のみをまたがる幅を有する。言い換えると、磁性体片１１は、互いに隣り合う磁束ループと、さらに隣り合う磁束ループにまでまたがることはない幅を有している。
【００２６】
そして、上記のように可動テーブル４が、図４に示した中立位置にあるとき、永久磁石５ｂ，５ｃで形成される磁束ループＢ１と、永久磁石５ｃ，５ｄで形成される磁束ループＢ２とが、上記磁性体片１１を通るとともに、その磁性体片１１を通る磁束は、磁性体片１１内において左右対称となる。このように磁束が左右対称になるので、力の関係は、左右において安定した状態を保つことになる。言い換えると、この第１実施形態によれば、可動テーブル４が中立位置を安定的に保つことができる。
【００２７】
そして、上記可動テーブル４が、図４に示す中立位置から、図面左方向に移動したとすると、その移動過程で、中立位置において保っていた磁性体片１１に対する磁束の安定状態が崩れるとともに、図５に示すように、磁性体片１１には、磁束ループＢ２の磁束のみが通る。このときには磁性体片１１に対して斜めから入る磁束ｂが発生する。この磁束ｂは、上記可動テーブル４の上記左方向の移動に対しては抵抗として作用する。したがって、上記中立位置から、左右いずれかに移動する段階では、上記磁束ｂによる力が、可動テーブル４の移動に対して抵抗として作用し、可動テーブル４に対して減速作用を発揮する。しかし、可動テーブル４が方向転換して移動するときには、上記磁束ｂによる力が、今度は順方向の推力として作用する。
【００２８】
上記可動テーブル４が図５の状態から、さらに左方向に移動すると、今度は、磁性体片１１が永久磁石５ｃ，５ｄの境界部分に対向するが、この状態が、可動テーブル４のストローク端である。そして、磁性体片１１が永久磁石５ｃ，５ｄの境界部分に対向すると、磁性体片１１を通る磁束は、その磁性体片１１に対してほとんどストローク方向から通るので、磁性体片１１に対する永久磁石の吸引力だけが、可動テーブル４に作用することになる。したがって、上記ストローク端からはわずかな力で、可動テーブル４がスムーズに移動できることになる。
【００２９】
次に、上記のようにした第１実施形態の作用を説明する。
電機子コイル８ａ〜８ｃを図示していない電源に接続するとともに、同じく図示していないコントローラを介して電機子コイル８ａ〜８ｃに供給する３相電流を制御する。このように電機子コイル８ａ〜８ｃに３相電流を供給すると、前記したように永久磁石５の磁束と、電機子コイル８に流れる３相電流との電磁相互作用によって、可動テーブル４が軌道レール２，２上を移動することになるが、そのときの電流の方向によって、可動テーブル４の移動方向が決まることになる。
【００３０】
そして、この第１実施形態では、その運転パターンのモデルを次のように設定した。すなわち
ストローク ：９mm
可動テーブル側の荷重 ：０．３kg
最大速度 ：３００mm/sec
加減速時間 ：０．０２sec
インターバル ：０．１sec
永久磁石の
ストローク方向長さ：約９ｍｍ
とした。
【００３１】
上記の条件の下で、可動テーブル４が図６に示すストローク端から反対方向すなわち図面右方向に移動する場合について、図７の特性図を基にして説明する。なお、この図７において、曲線ｗが可動テーブル４の速度特性であり、曲線ｘがリニアモータの推力の特性であり、曲線ｙが磁性体片１１に対する磁束による力（補助推力）の特性であり、曲線ｚは曲線ｘから曲線ｙを差し引いた推力特性である。そして、時間軸のゼロ点は、可動テーブル４が上記ストローク端に位置するときである。
【００３２】
また、可動テーブル４が上記のようにストローク端に位置するときには、磁性体片１１が永久磁石５ｃ，５ｄの境界部分に対向するととともに、このときの磁束は、その磁性体片１１に対してほとんどストローク方向から通るので、磁性体片１１に対する永久磁石の吸引力だけが、可動テーブル４に作用することになる。
【００３３】
上記の状態から図６における可動テーブル４を、図７の速度特性線ｗに沿って、図面右方向に移動させようとしたときには、リニアモータの推力は、上記推力特性線ｘに沿ったものにしなければならない。すなわち、可動テーブル４が加速されている加速域ｗ１では、リニアモータに一定の推力ｘ１を出力させ続ける。そして、可動テーブル４の移動速度が最大になった時点で、上記推力をｘ１からｘ２に落とすとともに、その推力ｘ２を一定時間保つと、可動テーブル４が上記加速域ｗ１から平行域ｗ２において最高速度を保つ。この状態からリニアモータの推力の方向を逆転してその推力をｘ３にすると、可動テーブル４は減速域ｗ３において減速する。そして、最終的にリニアモータの推力をゼロにすることによって、可動テーブル４は、図６に示したストローク端とは反対側のストローク端で停止することになる。なお、このように一方のストローク端から他方のストローク端までの過程で、図７におけるポイントｎが図４の中立位置になる。
【００３４】
また、上記のような可動テーブル４の右方向の移動過程で、磁性体片１１に対する磁束の作用力を、図７の補助推力特性線ｙに基づいて説明する。まず、図６のストローク端では、上記したように磁性体片１１に対する磁束の作用力はマイナス側にふれている。この状態から、可動テーブル４が、図５の位置まで移動していくと、このときには、磁性体片１１に対して斜めから入る磁束ｂが発生するとともに、この磁束ｂは、前記したように可動テーブル４の上記右方向の移動に対しては順方向の推力として作用する。可動テーブル４が、図４に示す中立位置方向にさらに移動すると、その中立位置の少し手前で上記補助推力ｙがピークに達する。
【００３５】
上記ピークを過ぎると、今度は、磁束ｂの作用力が小さくなり、可動テーブル４が中立ポイントｎに達した時点で、その補助推力ｙはゼロになる。この中立ポイントｎからさらに可動テーブル４が図面右方向に移動すると、以後、上記補助推力ｙは、可動テーブル４の移動方向に対しては逆方向の推力すなわち抵抗となる。このことは、前記図４から図５に可動テーブル４が移動する過程で説明したとおりである。
【００３６】
そして、最終的に図６とは反対側のストローク端に達すると、図６の場合と同様に、磁性体片１１が永久磁石５ｃ，５ｄの境界部分に対向するととともに、このときの磁束は、その磁性体片１１に対してほとんどストローク方向から通るので、磁性体片１１に対する永久磁石の吸引力だけが、可動テーブル４に作用することになる。
【００３７】
上記のようにリニアモータの推力ｘから、磁性体片１１に対する磁束の作用による補助推力ｙの特性を差し引いたときの推力特性は、図７に示す特性線ｚで表される。そして、このときの補助実効推力ｚの値は３．０７Ｎであり、磁性体片１１を用いないリニアモータだけの実効推力は３．８３Ｎであった。このように補助実効推力が、実効推力よりも小さいと言うことは、それだけ、電力等でまかなうエネルギーを小さくできると言うことになる。したがって、従来と同じようなエネルギー供給量なら、可動テーブル４をより高速に移動することができるとともに、その応答性能も向上させることができる。
【００３８】
なお、上記第１実施形態における磁性体片は、可動テーブル４がストローク方向における中立位置にあるとき、隣り合う一対の永久磁石単位で形成される磁束ループのうち、互いに隣り合う一対の磁束ループＢ１，Ｂ２をまたがり、かつ、この磁性体片１１を境に、上記磁束ループＢ１，Ｂ２が対称になる関係を満たせば、磁性体片１１がどのような位置にあってもよいし、それが複数以上あってもよい。
【００３９】
図８〜図１１に示した第２実施形態は、ベッド１と可動テーブル４等を含めた基本的な構成は、第１実施形態と同じである。すなわち、第２実施形態が第１実施形態と異なるのは、一対の磁性体片１４，１５を備えるとともに、この磁性体片１４，１５を、最外端の上記電機子コイル８ａ，８ｃのさらに外方に設けた点である。このようにして電機子コイル８ａ，８ｃの外方に設けた磁性体片１４，１５は、可動テーブル４が中立位置にあるとき、最外端位置にある永久磁石５ａ，５ｅに対向する関係位置を保っている。しかも、可動テーブル４がストローク端に達したとき、一方の磁性体片１４あるいは１５は、一対の永久磁石５ａ，５ｂあるいは５ｄ，５ｅの境界部に対向するところに位置するとともに、他方の磁性体片１５あるいは１４が、最外端に位置する永久磁石５ｄ，５ｅあるいは５ａ，５ｂの磁束の影響を受けないか、あるいはその影響をほとんど受けない箇所に設けている。
【００４０】
上記以外の構成は、第１実施形態とすべて同じなので、その詳細な説明を省略する。
【００４１】
上記のようにした第２実施形態では、可動テーブル４が図８に示す中立位置にあるとき、磁束ループＢ１およびＢ２のそれぞれは、磁性体片１４，１５に対して垂直方向に通るので、その磁力が最大ではないが、極大となる。したがって、可動テーブル４はある程度安定した状態を保つ。
【００４２】
そして、上記可動テーブル４が、図８に示す中立位置から、図９に示す位置に移動したとすると、その移動過程で、中立位置において保っていた磁性体片１４，１５に対する磁束の安定状態が崩れるとともに、図９に示すように、磁性体片１４，１５には、磁束ループＢ１，Ｂ３の磁束のみが通る。このときには磁性体片１４，１５に対して斜めから入る磁束ｂが発生する。この磁束ｂは、上記可動テーブル４の上記左方向の移動に対しては抵抗として作用する。したがって、上記中立位置から、左右いずれかに移動する段階では、上記磁束ｂによる力が、可動テーブル４の左方向の移動に対して抵抗として作用し、可動テーブル４に対して減速作用を発揮する。しかし、可動テーブル４が方向転換して右方向に移動するときには、上記磁束ｂによる力が、今度は順方向の推力として作用する。
【００４３】
上記可動テーブル４が図９の状態から、さらに左方向に移動すると、図１０に示すように、今度は、一方の磁性体片１４が永久磁石５ａ，５ｂの境界部分に対向するとともに、他方の磁性体片１５が永久磁石５ｅの磁束の影響を受けないか、あるいはその影響をほとんど受けない箇所に位置するが、この図１０に示す状態が、可動テーブル４のストローク端である。そして、上記のように磁性体片１４が永久磁石５ａ，５ｂの境界部分に対向すると、磁性体片１４を通る磁束は、その磁性体片１４に対してほとんどストローク方向から通る。しかも、他方の磁性体片１５は、永久磁石５ｅの磁束の影響を受けないか、あるいはその影響をほとんど受けない箇所に位置するので、磁性体片１４に対する永久磁石の吸引力だけが、可動テーブル４に作用することになる。したがって、可動テーブル４は、そのストローク端においてわずかな力でも、スムーズに移動できることになる。
【００４４】
次に、上記のようにした第２実施形態の作用を説明する。
電機子コイル８ａ〜８ｃを図示していない電源に接続するとともに、同じく図示していないコントローラを介して電機子コイル８ａ〜８ｃに供給する３相電流を制御する。このように電機子コイル８ａ〜８ｃに３相電流を供給すると、前記したように永久磁石５の磁束と、電機子コイル８に流れる３相電流との電磁相互作用によって、可動テーブル４が軌道レール２，２上を移動することになるが、そのときの電流の方向によって、可動テーブル４の移動方向が決まることになる。
【００４５】
そして、この第２実施形態では、その運転パターンのモデルを次のように設定した。すなわち
ストローク ：１２mm
可動テーブル側の荷重 ：０．３kg
最大速度 ：６００mm/sec
加減速時間 ：０．０２sec
インターバル ：０．１sec
永久磁石の
ストローク方向長さ：約９ｍｍ
とした。
【００４６】
上記の条件の下で、可動テーブル４が図１０に示すストローク端から反対方向すなわち図面右方向に移動する場合について、図１１の特性図を基にして説明する。なお、この図１１において、曲線ｗが可動テーブル４の速度制御特性であり、曲線ｘがリニアモータの推力の特性であり、曲線ｙが磁性体片１１に対する磁束による力（補助推力）の特性であり、曲線ｚは曲線ｘから曲線ｙを差し引いた推力特性である。そして、時間軸のゼロ点は、可動テーブル４が上記ストローク端に位置するときである。
【００４７】
また、ストローク端においては、一方の磁性体片１４が、永久磁石５ａ，５ｂの境界部分に対向するとともに、他方の磁性体片１５が永久磁石５ｅの磁束の影響を受けないか、あるいはその影響をほとんど受けない箇所に位置する。そして、その磁性体片１４に対して、磁束がほとんどストローク方向から通るので、磁性体片１４に対する永久磁石の吸引力だけが、可動テーブル４に作用することになる。
【００４８】
上記の状態から図１０における可動テーブル４を、図１１の速度特性線ｗに沿って、図面右方向に移動させようとしたときには、リニアモータの推力は、上記推力特性線ｘに沿ったものにしなければならない。すなわち、可動テーブル４が加速されている加速域ｗ１では、リニアモータに一定の推力ｘ１を出力させ続ける。そして、可動テーブル４の移動速度が最大になった時点で、リニアモータの推力の方向を逆転してその推力をｘ２にする。リニアモータの推力ｘ２が、可動テーブル４に作用すると、可動テーブル４は減速域ｗ２において減速する。そして、最終的にリニアモータの推力をゼロにすることによって、可動テーブル４は、図１０に示したストローク端とは反対側のストローク端で停止することになる。なお、このように一方のストローク端から他方のストローク端までの移動で、図１１におけるポイントｎが図８の中立位置になる。
【００４９】
また、上記のような可動テーブル４の右方向の移動過程で、磁性体片１４，１５に対する磁束の作用力を、図１１の補助推力特性線ｙに基づいて説明する。まず、図１０のストローク端では、上記したように磁性体片１４，１５に対する磁束の作用力はほとんどゼロに近い。この状態から、可動テーブル４が、図９の位置まで移動していくと、このときには、磁性体片１４，１５に対して斜めから入る磁束ｂが発生するとともに、この磁束ｂは、前記したように可動テーブル４の上記右方向の移動に対しては順方向の推力として作用する。可動テーブル４が、さらに図８に示す中立位置方向に移動すると、その中立位置の少し手前で上記補助推力ｙがピークに達する。
【００５０】
上記ピークを過ぎると、今度は、磁束ｂの作用力が小さくなり、可動テーブル４が中立ポイントｎに達した時点で、その補助推力ｙはゼロになる。この中立ポイントｎからさらに可動テーブル４が図面右方向に移動すると、以後、上記補助推力ｙは、可動テーブル４の移動方向に対しては逆方向の推力すなわち抵抗となる。
【００５１】
最終的に、可動テーブル４が、図１０とは反対側のストローク端に達すると、図１０の場合と同様に、磁性体片１５が永久磁石５ｄ，５ｅの境界部分に対向するととともに、このときの磁束は、その磁性体片１５に対してほとんどストローク方向から通るので、磁性体片１５に対する永久磁石の吸引力だけが、可動テーブル４に作用することになる。
【００５２】
上記のようにリニアモータの推力ｘから、磁性体片１４，１５に対する磁束の作用による補助推力ｙの特性を差し引いたときの推力特性は、図１１に示す特性線ｚで表される。そして、このときの補助実効推力ｚは４．７６Ｎであり、磁性体片１４，１５を用いないリニアモータだけの実効推力ｚは７．５８Ｎであった。このように補助実効推力が、実効推力よりも小さいと言うことは、それだけ、電力等でまかなうエネルギーを小さくできると言うことになる。したがって、従来と同じようなエネルギー供給量なら、可動テーブル４をより高速に移動することができるとともに、その応答性能も向上させることができる。
【００５３】
上記のようにした第２実施形態の特徴は、可動テーブル４の一方の終端から他方の終端までの最大ストロークを大きくとれることである。例えば、第１実施形態の場合には、ストローク方向における永久磁石一つ分の長さ（９ｍｍ）が、一方向に移動できる最大ストロークとなる。なぜなら、磁性体片１１が、中立位置から、永久磁石５ｂ，５ｃあるいは５ｃ，５ｄの境界部分までの相対移動量が限界になるからである。これに対して、第２実施形態の磁性体片１４，１５の一方向への相対移動量は、図８において長さＬとなり、永久磁石５の一つ分（９ｍｍ）以上の長さになること明らかである。したがって、この第２実施形態の最大ストロークは、一つの永久磁石のストローク方向の長さの１．２〜１．８倍程度となり、第１実施形態よりもその最大ストロークが大きくなる。
【００５４】
図１２に示した第３実施形態は、磁性体片１６をベッド１の下方から貫通させたもので、その他は、第１，２実施形態と同様である。つまり、上記磁性体片１６は、図示のようにその下側に嵌合部１７を形成するとともに、この嵌合部１７の下面にフランジ部１８を形成している。また、ベッド１には、上記嵌合部１７およびフランジ部１８がはまる貫通孔９を形成している。したがって、上記嵌合部１７およびフランジ部１８を上記貫通孔１９にはめることによって、磁性体片１６がベッド１上に突出することになる。
【００５５】
このようにした磁性体片１６は、上記フランジ部１８に貫通させるボルト２０によってベッド１に固定される。このようにした第３実施形態の最大の特徴は、磁性体片１６をベッド１に組み付けやすいことである。なお、この第３実施形態は、もともとは磁性体片を設けていない既存のリニア駆動装置のベッド１に、後付で設ける場合にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】ベッドに可動テーブルを組み付けた状態の第１実施形態の一部断面斜視図である。
【図２】第１実施形態の可動テーブルを外したベッドの平面図である。
【図３】図２のIII−III線断面図である。
【図４】第１実施形態のベッドと中立位置にある可動テーブルとの相対位置を示す説明図である。
【図５】第１実施形態のベッドと中立位置から少し移動した可動テーブルとの相対位置を示す説明図である。
【図６】第１実施形態のベッドとストローク端にある可動テーブルとの相対位置を示す説明図である。
【図７】第１実施形態の速度と推力との関係を示すグラフである。
【図８】第２実施形態のベッドと中立位置にある可動テーブルとの相対位置を示す説明図である。
【図９】第２実施形態のベッドと中立位置から少し移動した可動テーブルとの相対位置を示す説明図である。
【図１０】第２実施形態のベッドとストローク端にある可動テーブルとの相対位置を示す説明図である。
【図１１】第２実施形態の速度と推力との関係を示すグラフである。
【図１２】第３実施例の部分拡大断面図である。
【図１３】従来のリニア駆動装置のベッドの平面図である。
【図１４】図１３のXIV−XIV線断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 他方の移動体であるベッド
４ 一方の移動体である可動テーブル
５ 永久磁石
５ａ〜５ｅ 永久磁石
８ 電機子コイル
８ａ〜８ｃ 電機子コイル
１１ 磁性体片
１４，１５ 磁性体片
【技術分野】
【０００１】
この発明は、永久磁石と電機子コイルとを主要素にしたリニアモータを内蔵してなるリニア駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置として特許文献１に記載の発明が従来から知られているが、この従来の装置を示したのが、図１３，図１４である。この図からも明らかなように、従来のリニア駆動装置は、強磁性材料からなるベッド１に一対の軌道レール２，２を平行に敷設している。そして、この軌道レール２，２には複数のスライダ３を移動可能に設けるとともに、このスライダ３に、強磁性材料からなる可動テーブル４を固定し、可動テーブル４が上記軌道レール２，２上を往復動できるようにしている。
【０００３】
上記可動テーブル４は、ベッド１との対向面側に、その移動方向に整列した複数の永久磁石５を設けているが、この永久磁石５は、矩形でかつ板状にしている。そして、これら各永久磁石５は、可動テーブル４側を上と見たとき、その上下方向にＮ極とＳ極とが現れるとともに、可動テーブル４の移動方向において隣り合う永久磁石５は、互いにその極性が逆になるようにしている。なお、可動テーブル４を強磁性材料で構成したのは、この可動テーブル４に、永久磁石５から生じる磁束を通すマグネットヨークとして機能させるためである。
【０００４】
一方、上記ベッド１であって、一対の軌道レール２，２の対向部間に、軌道レール２，２の長手方向に沿って凹部６を形成している。このようにした凹部６はコイル基板７で覆うとともに、このコイル基板７の下面には、３相のコアレスコイルからなる複数の電機子コイル８を設けている。これら電機子コイル８は、凹部６の長手方向に沿って整列させている。このようにした電機子コイル８に３相電流を供給すると、永久磁石５の磁束と、電機子コイル８に流れる３相電流との電磁相互作用によって、可動テーブル４がスライダ３とともに軌道レール２，２上を移動することになる。したがって、上記永久磁石５と電機子コイル８とで、リニアモータを構成することになる。なお、ベッド１を強磁性材料で構成したのは、このベッド１に電機子コイル８のヨークとして機能させるためである。
【特許文献１】特開２００１−３５２７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようにした従来の装置は、電機子コイル８に電流を供給すると、永久磁石５の磁束と、電機子コイル８に流れる３相電流との電磁相互作用によって、可動テーブル４がスライダ３とともに軌道レール２，２上を移動するが、最近では、この駆動装置にはますます高速性および高応答性が求められるようになってきている。この要望に応えるためには、当該駆動装置の推力を大きくしなければならないが、その推力を大きくする手段としては、可動テーブル４を軽量化したり、永久磁石の磁力をさらに強くしたり、あるいは供給電流を大きくしたりしなければならない。
【０００６】
上記のように可動テーブル４を軽量化するためには、それを薄肉にしなければならない。しかし、可動テーブル４を薄肉にすれば、その分、剛性が劣るので、可動テーブル４が撓んだりする。このように可動テーブル４が撓めば、性能が低下するという問題が発生する。
【０００７】
また、永久磁石５の磁力を強力にすることも考えられるが、現状でもかなり強力な磁石を用いているので、これ以上強力な磁石を用いることは不可能に近いのが現状である。また、強力な磁力を得るために、例えば、永久磁石５や電機子コイル８を大型化することも考えられる。しかし、これら部品の大型化にともなってその質量も大きくなるので、たとえ推力が大きくなったとしても、その推力は大きくなった質量に費やされてしまう。このような事情から、永久磁石５の磁力を強力にするにも限界があるというのが実状である。
【０００８】
さらに、強力な磁力を得るために、供給電流を大きくすると、その分、発熱量も多くなる。この発熱が大きくなると、例えば、その熱によって、電機子コイル８が燃えてしまうこともあるので、供給電流を大きくするのにも限界があった。
いずれにしても、従来の装置では、高速性あるいは高応答性を実現するには、限界があった。
【０００９】
この発明の目的は、簡単な構成で、高速性能および応答性能を飛躍的に向上させることができるリニア駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、一対の移動体を対向させるとともに、いずれか一方の移動体に、そのストローク方向に区分した複数の永久磁石を設け、いずれか他方に、上記永久磁石に対向する一又は複数の電機子コイルを設け、この電機子コイルに電流を流したとき、電機子コイル電流と永久磁石の磁束とによる電磁相互作用によって、上記両移動体が相対移動する推力を発生させるリニア駆動装置を前提にするものである。
【００１１】
第１の発明は、上記他方の移動体がストローク方向における中立位置にあるとき、その他方の移動体側であって永久磁石の磁力の極大点もしくはその近傍に対応する位置に、磁性体片を設け、両移動体が中立位置から相対移動したとき、永久磁石の磁力が磁性体片に作用する構成にした点に特徴を有する。
【００１２】
なお、上記極大点とは、数学的な意味であって、最大の意味とは異なる。例えば、この発明において、永久磁石が複数あるので、それぞれの永久磁石の中で極大点があり得るが、この発明では、磁力の極大点あるいはその近傍に対応する位置であれば、磁性体片をどの永久磁石に対応させてもよい。
【００１３】
第２の発明は、上記一方の移動体がストローク方向における中立位置にあるとき、上記永久磁石の磁力の極大点もしくはその近傍に対応する上記他方の移動体位置に、隣り合う一対の永久磁石単位で形成される磁束ループのうち、互いに隣り合う一対の磁束ループのみの磁力線の影響を受ける幅を有する磁性体片を設けた点に特徴を有する。なお、この磁性体片を設けた点から離れた磁石の磁力線も、上記磁性体片にかかることも考えられるが、この磁力線は、移動体の移動に対しては、ほとんど影響力がない。したがって、互いに隣り合う一対の磁束ループのみの磁力線の影響を受ける幅とは、実質的な磁力線の影響を受ける幅をいうものである。
【００１４】
第３の発明は、一対の磁性体片を、他方の移動体における最外端の上記電機子コイルのさらに外方であって、かつ、一方の移動体における最外端位置にある永久磁石に対向する関係位置に設け、さらに、両移動体が相対移動してフルストークしたとき、一方の磁性体片が一対の永久磁石の境界部に対向するところに位置し、他方の磁性体片が、最外端に位置する永久磁石の磁束の影響を受けないか、あるいはその影響をほとんど受けない箇所に位置する構成にした点に特徴を有する。
【００１５】
第４の発明は、上記磁性体片が、上記他方の移動体を貫通して、一方の移動体の永久磁石と対向する側面に突出させた点に特徴を有する。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、両移動体が中立位置から相対移動したとき、磁性体片には永久磁石の磁力が作用する。そして、この作用力は、一方の移動体が中立位置からストローク端に移動するときには、一方の移動体の移動方向に対して逆方向の力となる。また、上記ストローク端から中立位置方向に移動したときには、一方の移動体の移動方向に対して順方向の力となる。したがって、上記逆方向の力は、一方の移動体を制動する作用をし、順方向の力は、一方の移動体をその移動方向に推す力となる。したがって、永久磁石や電機子コイルを大型化しなくても、高速性能と高応答性能とを実現できる。
【００１７】
第２の発明によれば、両移動体が中立位置にあるとき、磁性体片を通る２つの磁束ループが、磁性体片を境にして左右対称になるので、その中立位置における安定性が高いものとなる。
第３の発明によれば、移動体の移動ストロークを大きく確保できる。
第４の発明によれば、移動体に対する磁性体片の組み付け作業が簡単になる。また、既存の移動体にも当該磁性体片を簡単に取り付けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１〜７に示した第１実施形態の最大の特徴は、この発明の他方の移動体に相当するベッド１の中心部分に、後で詳しく説明する磁性体片１１を設けた点であり、その他は、従来の構造とほぼ同様である。ただし、従来の構造と重複する部分についても、以下に詳しく説明する。
【００１９】
上記図１〜７に示した第１実施形態は、強磁性材料からなるベッド１に一対の軌道レール２，２を平行に敷設している。そして、この軌道レール２，２には複数のスライダ３を移動可能に設けるとともに、このスライダ３に、強磁性材料からなる可動テーブル４を固定し、可動テーブル４が上記軌道レール２，２上をスライダ３とともに往復動できるようにしている。
なお、上記ベッド１がこの発明の他方の移動体を構成し、可動テーブル４が一方の移動体を構成するものである。
【００２０】
上記可動テーブル４は、ベッド１との対向面側に、その移動方向に整列した複数の５つの永久磁石５を設けているが、この永久磁石５は、矩形でかつ板状にしている。そして、これら各永久磁石５は、可動テーブル４側を上と見たとき、その上下方向にＮ極とＳ極とが現れるとともに、可動テーブル４の移動方向において隣り合う永久磁石５は、互いにその極性が逆になるようにしている。なお、可動テーブル４を強磁性材料で構成したのは、この可動テーブル４に、永久磁石５から生じる磁束を通すマグネットヨークとして機能させるためである。
【００２１】
一方、上記ベッド１であって、一対の軌道レール２，２の対向部間に、軌道レール２，２の長手方向に沿って凹部６を形成している。そして、この凹部６をコイル基板７で覆うとともに、このコイル基板７の下面には、３相のコアレスコイルからなる複数の電機子コイル８を設けている。このようにした複数の電機子コイル８は、凹部６の長手方向に沿って整列させている。そして、この電機子コイル８に３相電流を供給すると、永久磁石５の磁束と、電機子コイル８に流れる３相電流との電磁相互作用によって、可動テーブル４に駆動力が作用し、可動テーブル４は、スライダ３とともに軌道レール２，２上を移動することになる。したがって、永久磁石５と電機子コイル８とでリニアモータを構成することになる。なお、ベッド１を強磁性材料で構成したのは、このベッド１に電機子コイル８のヨークとして機能させるためである。
【００２２】
さらに、上記可動テーブル４の下面には、光学式リニアスケール１２を設けるとともに、ベッド１側には光学式エンコーダ１３を設け、これら光学式リニアスケール１２と光学式エンコーダ１３とによって、可動テーブル４の移動位置を検出できるようにしている。
【００２３】
上記のようにした他方の移動体であるベッド１には、前記した磁性体片１１を設けているが、この磁性体片１１は、図４〜図６に示す関係位置を保つようにしている。なお、上記図４〜図６は、ベッド１と可動テーブル４との相対関係を示すもので、上記ベッド１には、３つの電機子コイル８ａ，８ｂ，８ｃを、前記したように凹部６の長手方向に整列させている。また、可動テーブル４の下面には、５つの永久磁石５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅを、同じく長手方向に整列させている。なお、図４〜６においては、凹部６を省略している。
【００２４】
そして、電機子コイル８ａ〜８ｃのうちの中央に位置する電機子コイル８ｂの内側中心部には、上記磁性体片１１を固定している。このようにした磁性体片１１は、可動テーブル４が図４に示す中立位置にあるとき、永久磁石５ａ〜５ｅのうちの中央に位置する永久磁石５ｃの中央に対向させている。このように磁性体片１１を対向させた永久磁石５ｃの中央は、永久磁石５ｂと５ｃによる磁束ループＢ１と、永久磁石５ｃと５ｄによる磁束ループＢ２とが、磁性体片１１に対してほぼ垂直方向に通るので、その磁力が最大になる。したがって、この場合には、磁力の最大点と極大点とが一致した状態になる。
【００２５】
また、上記磁性体片１１は、隣り合う一対の永久磁石単位で形成される磁束ループのうち、互いに隣り合う一対の磁束ループＢ１，Ｂ２のみをまたがる幅を有する。言い換えると、磁性体片１１は、互いに隣り合う磁束ループと、さらに隣り合う磁束ループにまでまたがることはない幅を有している。
【００２６】
そして、上記のように可動テーブル４が、図４に示した中立位置にあるとき、永久磁石５ｂ，５ｃで形成される磁束ループＢ１と、永久磁石５ｃ，５ｄで形成される磁束ループＢ２とが、上記磁性体片１１を通るとともに、その磁性体片１１を通る磁束は、磁性体片１１内において左右対称となる。このように磁束が左右対称になるので、力の関係は、左右において安定した状態を保つことになる。言い換えると、この第１実施形態によれば、可動テーブル４が中立位置を安定的に保つことができる。
【００２７】
そして、上記可動テーブル４が、図４に示す中立位置から、図面左方向に移動したとすると、その移動過程で、中立位置において保っていた磁性体片１１に対する磁束の安定状態が崩れるとともに、図５に示すように、磁性体片１１には、磁束ループＢ２の磁束のみが通る。このときには磁性体片１１に対して斜めから入る磁束ｂが発生する。この磁束ｂは、上記可動テーブル４の上記左方向の移動に対しては抵抗として作用する。したがって、上記中立位置から、左右いずれかに移動する段階では、上記磁束ｂによる力が、可動テーブル４の移動に対して抵抗として作用し、可動テーブル４に対して減速作用を発揮する。しかし、可動テーブル４が方向転換して移動するときには、上記磁束ｂによる力が、今度は順方向の推力として作用する。
【００２８】
上記可動テーブル４が図５の状態から、さらに左方向に移動すると、今度は、磁性体片１１が永久磁石５ｃ，５ｄの境界部分に対向するが、この状態が、可動テーブル４のストローク端である。そして、磁性体片１１が永久磁石５ｃ，５ｄの境界部分に対向すると、磁性体片１１を通る磁束は、その磁性体片１１に対してほとんどストローク方向から通るので、磁性体片１１に対する永久磁石の吸引力だけが、可動テーブル４に作用することになる。したがって、上記ストローク端からはわずかな力で、可動テーブル４がスムーズに移動できることになる。
【００２９】
次に、上記のようにした第１実施形態の作用を説明する。
電機子コイル８ａ〜８ｃを図示していない電源に接続するとともに、同じく図示していないコントローラを介して電機子コイル８ａ〜８ｃに供給する３相電流を制御する。このように電機子コイル８ａ〜８ｃに３相電流を供給すると、前記したように永久磁石５の磁束と、電機子コイル８に流れる３相電流との電磁相互作用によって、可動テーブル４が軌道レール２，２上を移動することになるが、そのときの電流の方向によって、可動テーブル４の移動方向が決まることになる。
【００３０】
そして、この第１実施形態では、その運転パターンのモデルを次のように設定した。すなわち
ストローク ：９mm
可動テーブル側の荷重 ：０．３kg
最大速度 ：３００mm/sec
加減速時間 ：０．０２sec
インターバル ：０．１sec
永久磁石の
ストローク方向長さ：約９ｍｍ
とした。
【００３１】
上記の条件の下で、可動テーブル４が図６に示すストローク端から反対方向すなわち図面右方向に移動する場合について、図７の特性図を基にして説明する。なお、この図７において、曲線ｗが可動テーブル４の速度特性であり、曲線ｘがリニアモータの推力の特性であり、曲線ｙが磁性体片１１に対する磁束による力（補助推力）の特性であり、曲線ｚは曲線ｘから曲線ｙを差し引いた推力特性である。そして、時間軸のゼロ点は、可動テーブル４が上記ストローク端に位置するときである。
【００３２】
また、可動テーブル４が上記のようにストローク端に位置するときには、磁性体片１１が永久磁石５ｃ，５ｄの境界部分に対向するととともに、このときの磁束は、その磁性体片１１に対してほとんどストローク方向から通るので、磁性体片１１に対する永久磁石の吸引力だけが、可動テーブル４に作用することになる。
【００３３】
上記の状態から図６における可動テーブル４を、図７の速度特性線ｗに沿って、図面右方向に移動させようとしたときには、リニアモータの推力は、上記推力特性線ｘに沿ったものにしなければならない。すなわち、可動テーブル４が加速されている加速域ｗ１では、リニアモータに一定の推力ｘ１を出力させ続ける。そして、可動テーブル４の移動速度が最大になった時点で、上記推力をｘ１からｘ２に落とすとともに、その推力ｘ２を一定時間保つと、可動テーブル４が上記加速域ｗ１から平行域ｗ２において最高速度を保つ。この状態からリニアモータの推力の方向を逆転してその推力をｘ３にすると、可動テーブル４は減速域ｗ３において減速する。そして、最終的にリニアモータの推力をゼロにすることによって、可動テーブル４は、図６に示したストローク端とは反対側のストローク端で停止することになる。なお、このように一方のストローク端から他方のストローク端までの過程で、図７におけるポイントｎが図４の中立位置になる。
【００３４】
また、上記のような可動テーブル４の右方向の移動過程で、磁性体片１１に対する磁束の作用力を、図７の補助推力特性線ｙに基づいて説明する。まず、図６のストローク端では、上記したように磁性体片１１に対する磁束の作用力はマイナス側にふれている。この状態から、可動テーブル４が、図５の位置まで移動していくと、このときには、磁性体片１１に対して斜めから入る磁束ｂが発生するとともに、この磁束ｂは、前記したように可動テーブル４の上記右方向の移動に対しては順方向の推力として作用する。可動テーブル４が、図４に示す中立位置方向にさらに移動すると、その中立位置の少し手前で上記補助推力ｙがピークに達する。
【００３５】
上記ピークを過ぎると、今度は、磁束ｂの作用力が小さくなり、可動テーブル４が中立ポイントｎに達した時点で、その補助推力ｙはゼロになる。この中立ポイントｎからさらに可動テーブル４が図面右方向に移動すると、以後、上記補助推力ｙは、可動テーブル４の移動方向に対しては逆方向の推力すなわち抵抗となる。このことは、前記図４から図５に可動テーブル４が移動する過程で説明したとおりである。
【００３６】
そして、最終的に図６とは反対側のストローク端に達すると、図６の場合と同様に、磁性体片１１が永久磁石５ｃ，５ｄの境界部分に対向するととともに、このときの磁束は、その磁性体片１１に対してほとんどストローク方向から通るので、磁性体片１１に対する永久磁石の吸引力だけが、可動テーブル４に作用することになる。
【００３７】
上記のようにリニアモータの推力ｘから、磁性体片１１に対する磁束の作用による補助推力ｙの特性を差し引いたときの推力特性は、図７に示す特性線ｚで表される。そして、このときの補助実効推力ｚの値は３．０７Ｎであり、磁性体片１１を用いないリニアモータだけの実効推力は３．８３Ｎであった。このように補助実効推力が、実効推力よりも小さいと言うことは、それだけ、電力等でまかなうエネルギーを小さくできると言うことになる。したがって、従来と同じようなエネルギー供給量なら、可動テーブル４をより高速に移動することができるとともに、その応答性能も向上させることができる。
【００３８】
なお、上記第１実施形態における磁性体片は、可動テーブル４がストローク方向における中立位置にあるとき、隣り合う一対の永久磁石単位で形成される磁束ループのうち、互いに隣り合う一対の磁束ループＢ１，Ｂ２をまたがり、かつ、この磁性体片１１を境に、上記磁束ループＢ１，Ｂ２が対称になる関係を満たせば、磁性体片１１がどのような位置にあってもよいし、それが複数以上あってもよい。
【００３９】
図８〜図１１に示した第２実施形態は、ベッド１と可動テーブル４等を含めた基本的な構成は、第１実施形態と同じである。すなわち、第２実施形態が第１実施形態と異なるのは、一対の磁性体片１４，１５を備えるとともに、この磁性体片１４，１５を、最外端の上記電機子コイル８ａ，８ｃのさらに外方に設けた点である。このようにして電機子コイル８ａ，８ｃの外方に設けた磁性体片１４，１５は、可動テーブル４が中立位置にあるとき、最外端位置にある永久磁石５ａ，５ｅに対向する関係位置を保っている。しかも、可動テーブル４がストローク端に達したとき、一方の磁性体片１４あるいは１５は、一対の永久磁石５ａ，５ｂあるいは５ｄ，５ｅの境界部に対向するところに位置するとともに、他方の磁性体片１５あるいは１４が、最外端に位置する永久磁石５ｄ，５ｅあるいは５ａ，５ｂの磁束の影響を受けないか、あるいはその影響をほとんど受けない箇所に設けている。
【００４０】
上記以外の構成は、第１実施形態とすべて同じなので、その詳細な説明を省略する。
【００４１】
上記のようにした第２実施形態では、可動テーブル４が図８に示す中立位置にあるとき、磁束ループＢ１およびＢ２のそれぞれは、磁性体片１４，１５に対して垂直方向に通るので、その磁力が最大ではないが、極大となる。したがって、可動テーブル４はある程度安定した状態を保つ。
【００４２】
そして、上記可動テーブル４が、図８に示す中立位置から、図９に示す位置に移動したとすると、その移動過程で、中立位置において保っていた磁性体片１４，１５に対する磁束の安定状態が崩れるとともに、図９に示すように、磁性体片１４，１５には、磁束ループＢ１，Ｂ３の磁束のみが通る。このときには磁性体片１４，１５に対して斜めから入る磁束ｂが発生する。この磁束ｂは、上記可動テーブル４の上記左方向の移動に対しては抵抗として作用する。したがって、上記中立位置から、左右いずれかに移動する段階では、上記磁束ｂによる力が、可動テーブル４の左方向の移動に対して抵抗として作用し、可動テーブル４に対して減速作用を発揮する。しかし、可動テーブル４が方向転換して右方向に移動するときには、上記磁束ｂによる力が、今度は順方向の推力として作用する。
【００４３】
上記可動テーブル４が図９の状態から、さらに左方向に移動すると、図１０に示すように、今度は、一方の磁性体片１４が永久磁石５ａ，５ｂの境界部分に対向するとともに、他方の磁性体片１５が永久磁石５ｅの磁束の影響を受けないか、あるいはその影響をほとんど受けない箇所に位置するが、この図１０に示す状態が、可動テーブル４のストローク端である。そして、上記のように磁性体片１４が永久磁石５ａ，５ｂの境界部分に対向すると、磁性体片１４を通る磁束は、その磁性体片１４に対してほとんどストローク方向から通る。しかも、他方の磁性体片１５は、永久磁石５ｅの磁束の影響を受けないか、あるいはその影響をほとんど受けない箇所に位置するので、磁性体片１４に対する永久磁石の吸引力だけが、可動テーブル４に作用することになる。したがって、可動テーブル４は、そのストローク端においてわずかな力でも、スムーズに移動できることになる。
【００４４】
次に、上記のようにした第２実施形態の作用を説明する。
電機子コイル８ａ〜８ｃを図示していない電源に接続するとともに、同じく図示していないコントローラを介して電機子コイル８ａ〜８ｃに供給する３相電流を制御する。このように電機子コイル８ａ〜８ｃに３相電流を供給すると、前記したように永久磁石５の磁束と、電機子コイル８に流れる３相電流との電磁相互作用によって、可動テーブル４が軌道レール２，２上を移動することになるが、そのときの電流の方向によって、可動テーブル４の移動方向が決まることになる。
【００４５】
そして、この第２実施形態では、その運転パターンのモデルを次のように設定した。すなわち
ストローク ：１２mm
可動テーブル側の荷重 ：０．３kg
最大速度 ：６００mm/sec
加減速時間 ：０．０２sec
インターバル ：０．１sec
永久磁石の
ストローク方向長さ：約９ｍｍ
とした。
【００４６】
上記の条件の下で、可動テーブル４が図１０に示すストローク端から反対方向すなわち図面右方向に移動する場合について、図１１の特性図を基にして説明する。なお、この図１１において、曲線ｗが可動テーブル４の速度制御特性であり、曲線ｘがリニアモータの推力の特性であり、曲線ｙが磁性体片１１に対する磁束による力（補助推力）の特性であり、曲線ｚは曲線ｘから曲線ｙを差し引いた推力特性である。そして、時間軸のゼロ点は、可動テーブル４が上記ストローク端に位置するときである。
【００４７】
また、ストローク端においては、一方の磁性体片１４が、永久磁石５ａ，５ｂの境界部分に対向するとともに、他方の磁性体片１５が永久磁石５ｅの磁束の影響を受けないか、あるいはその影響をほとんど受けない箇所に位置する。そして、その磁性体片１４に対して、磁束がほとんどストローク方向から通るので、磁性体片１４に対する永久磁石の吸引力だけが、可動テーブル４に作用することになる。
【００４８】
上記の状態から図１０における可動テーブル４を、図１１の速度特性線ｗに沿って、図面右方向に移動させようとしたときには、リニアモータの推力は、上記推力特性線ｘに沿ったものにしなければならない。すなわち、可動テーブル４が加速されている加速域ｗ１では、リニアモータに一定の推力ｘ１を出力させ続ける。そして、可動テーブル４の移動速度が最大になった時点で、リニアモータの推力の方向を逆転してその推力をｘ２にする。リニアモータの推力ｘ２が、可動テーブル４に作用すると、可動テーブル４は減速域ｗ２において減速する。そして、最終的にリニアモータの推力をゼロにすることによって、可動テーブル４は、図１０に示したストローク端とは反対側のストローク端で停止することになる。なお、このように一方のストローク端から他方のストローク端までの移動で、図１１におけるポイントｎが図８の中立位置になる。
【００４９】
また、上記のような可動テーブル４の右方向の移動過程で、磁性体片１４，１５に対する磁束の作用力を、図１１の補助推力特性線ｙに基づいて説明する。まず、図１０のストローク端では、上記したように磁性体片１４，１５に対する磁束の作用力はほとんどゼロに近い。この状態から、可動テーブル４が、図９の位置まで移動していくと、このときには、磁性体片１４，１５に対して斜めから入る磁束ｂが発生するとともに、この磁束ｂは、前記したように可動テーブル４の上記右方向の移動に対しては順方向の推力として作用する。可動テーブル４が、さらに図８に示す中立位置方向に移動すると、その中立位置の少し手前で上記補助推力ｙがピークに達する。
【００５０】
上記ピークを過ぎると、今度は、磁束ｂの作用力が小さくなり、可動テーブル４が中立ポイントｎに達した時点で、その補助推力ｙはゼロになる。この中立ポイントｎからさらに可動テーブル４が図面右方向に移動すると、以後、上記補助推力ｙは、可動テーブル４の移動方向に対しては逆方向の推力すなわち抵抗となる。
【００５１】
最終的に、可動テーブル４が、図１０とは反対側のストローク端に達すると、図１０の場合と同様に、磁性体片１５が永久磁石５ｄ，５ｅの境界部分に対向するととともに、このときの磁束は、その磁性体片１５に対してほとんどストローク方向から通るので、磁性体片１５に対する永久磁石の吸引力だけが、可動テーブル４に作用することになる。
【００５２】
上記のようにリニアモータの推力ｘから、磁性体片１４，１５に対する磁束の作用による補助推力ｙの特性を差し引いたときの推力特性は、図１１に示す特性線ｚで表される。そして、このときの補助実効推力ｚは４．７６Ｎであり、磁性体片１４，１５を用いないリニアモータだけの実効推力ｚは７．５８Ｎであった。このように補助実効推力が、実効推力よりも小さいと言うことは、それだけ、電力等でまかなうエネルギーを小さくできると言うことになる。したがって、従来と同じようなエネルギー供給量なら、可動テーブル４をより高速に移動することができるとともに、その応答性能も向上させることができる。
【００５３】
上記のようにした第２実施形態の特徴は、可動テーブル４の一方の終端から他方の終端までの最大ストロークを大きくとれることである。例えば、第１実施形態の場合には、ストローク方向における永久磁石一つ分の長さ（９ｍｍ）が、一方向に移動できる最大ストロークとなる。なぜなら、磁性体片１１が、中立位置から、永久磁石５ｂ，５ｃあるいは５ｃ，５ｄの境界部分までの相対移動量が限界になるからである。これに対して、第２実施形態の磁性体片１４，１５の一方向への相対移動量は、図８において長さＬとなり、永久磁石５の一つ分（９ｍｍ）以上の長さになること明らかである。したがって、この第２実施形態の最大ストロークは、一つの永久磁石のストローク方向の長さの１．２〜１．８倍程度となり、第１実施形態よりもその最大ストロークが大きくなる。
【００５４】
図１２に示した第３実施形態は、磁性体片１６をベッド１の下方から貫通させたもので、その他は、第１，２実施形態と同様である。つまり、上記磁性体片１６は、図示のようにその下側に嵌合部１７を形成するとともに、この嵌合部１７の下面にフランジ部１８を形成している。また、ベッド１には、上記嵌合部１７およびフランジ部１８がはまる貫通孔９を形成している。したがって、上記嵌合部１７およびフランジ部１８を上記貫通孔１９にはめることによって、磁性体片１６がベッド１上に突出することになる。
【００５５】
このようにした磁性体片１６は、上記フランジ部１８に貫通させるボルト２０によってベッド１に固定される。このようにした第３実施形態の最大の特徴は、磁性体片１６をベッド１に組み付けやすいことである。なお、この第３実施形態は、もともとは磁性体片を設けていない既存のリニア駆動装置のベッド１に、後付で設ける場合にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】ベッドに可動テーブルを組み付けた状態の第１実施形態の一部断面斜視図である。
【図２】第１実施形態の可動テーブルを外したベッドの平面図である。
【図３】図２のIII−III線断面図である。
【図４】第１実施形態のベッドと中立位置にある可動テーブルとの相対位置を示す説明図である。
【図５】第１実施形態のベッドと中立位置から少し移動した可動テーブルとの相対位置を示す説明図である。
【図６】第１実施形態のベッドとストローク端にある可動テーブルとの相対位置を示す説明図である。
【図７】第１実施形態の速度と推力との関係を示すグラフである。
【図８】第２実施形態のベッドと中立位置にある可動テーブルとの相対位置を示す説明図である。
【図９】第２実施形態のベッドと中立位置から少し移動した可動テーブルとの相対位置を示す説明図である。
【図１０】第２実施形態のベッドとストローク端にある可動テーブルとの相対位置を示す説明図である。
【図１１】第２実施形態の速度と推力との関係を示すグラフである。
【図１２】第３実施例の部分拡大断面図である。
【図１３】従来のリニア駆動装置のベッドの平面図である。
【図１４】図１３のXIV−XIV線断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 他方の移動体であるベッド
４ 一方の移動体である可動テーブル
５ 永久磁石
５ａ〜５ｅ 永久磁石
８ 電機子コイル
８ａ〜８ｃ 電機子コイル
１１ 磁性体片
１４，１５ 磁性体片
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の移動体を対向させるとともに、いずれか一方の移動体に、そのストローク方向に区分した複数の永久磁石を設け、いずれか他方に、上記永久磁石に対向する一又は複数の電機子コイルを設け、この電機子コイルに電流を流したとき、電機子コイル電流と永久磁石の磁束とによる電磁相互作用によって、上記両移動体が相対移動する推力を発生させるリニア駆動装置において、上記他方の移動体がストローク方向における中立位置にあるとき、その他方の移動体側であって永久磁石の磁力の極大点もしくはその近傍に対応する位置に、磁性体片を設け、両移動体が中立位置から相対移動したとき、永久磁石の磁力が磁性体片に作用する構成にしたリニア駆動装置。
【請求項２】
上記一方の移動体がストローク方向における中立位置にあるとき、上記永久磁石の磁力の極大点もしくはその近傍に対応する上記他方の移動体位置に、隣り合う一対の永久磁石単位で形成される磁束ループのうち、互いに隣り合う一対の磁束ループのみの磁力線の影響を受ける幅を有する磁性体片を設けた請求項１記載のリニア駆動装置。
【請求項３】
一対の磁性体片を、他方の移動体における最外端の上記電機子コイルのさらに外方であって、かつ、一方の移動体における最外端位置にある永久磁石に対向する関係位置に設け、さらに、両移動体が相対移動してフルストークしたとき、一方の磁性体片が一対の永久磁石の境界部に対向するところに位置し、他方の磁性体片が、最外端に位置する永久磁石の磁束の影響を受けないか、あるいはその影響をほとんど受けない箇所に位置する構成にした請求項１記載のリニア駆動装置。
【請求項４】
上記磁性体片は、上記他方の移動体を貫通して、一方の移動体の永久磁石と対向する側面に突出させてなる請求項１〜３のいずれかに記載のリニア駆動装置。
【請求項１】
一対の移動体を対向させるとともに、いずれか一方の移動体に、そのストローク方向に区分した複数の永久磁石を設け、いずれか他方に、上記永久磁石に対向する一又は複数の電機子コイルを設け、この電機子コイルに電流を流したとき、電機子コイル電流と永久磁石の磁束とによる電磁相互作用によって、上記両移動体が相対移動する推力を発生させるリニア駆動装置において、上記他方の移動体がストローク方向における中立位置にあるとき、その他方の移動体側であって永久磁石の磁力の極大点もしくはその近傍に対応する位置に、磁性体片を設け、両移動体が中立位置から相対移動したとき、永久磁石の磁力が磁性体片に作用する構成にしたリニア駆動装置。
【請求項２】
上記一方の移動体がストローク方向における中立位置にあるとき、上記永久磁石の磁力の極大点もしくはその近傍に対応する上記他方の移動体位置に、隣り合う一対の永久磁石単位で形成される磁束ループのうち、互いに隣り合う一対の磁束ループのみの磁力線の影響を受ける幅を有する磁性体片を設けた請求項１記載のリニア駆動装置。
【請求項３】
一対の磁性体片を、他方の移動体における最外端の上記電機子コイルのさらに外方であって、かつ、一方の移動体における最外端位置にある永久磁石に対向する関係位置に設け、さらに、両移動体が相対移動してフルストークしたとき、一方の磁性体片が一対の永久磁石の境界部に対向するところに位置し、他方の磁性体片が、最外端に位置する永久磁石の磁束の影響を受けないか、あるいはその影響をほとんど受けない箇所に位置する構成にした請求項１記載のリニア駆動装置。
【請求項４】
上記磁性体片は、上記他方の移動体を貫通して、一方の移動体の永久磁石と対向する側面に突出させてなる請求項１〜３のいずれかに記載のリニア駆動装置。
【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】
【公開番号】特開２００７−９７３７２（Ｐ２００７−９７３７２Ａ）
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２８６６９７（Ｐ２００５−２８６６９７）
【出願日】平成１７年９月３０日（２００５．９．３０）
【出願人】（０００２２９３３５）日本トムソン株式会社 (96)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月３０日（２００５．９．３０）
【出願人】（０００２２９３３５）日本トムソン株式会社 (96)
【Ｆターム（参考）】
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