JP2923573B2 - リニア直流ブラシレスモータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の産業上の利用分野］ 本発明は，位置検知素子の配設などを工夫すること
で，その推力リップル特性や大きさに影響されないよう
にして，同じサイズでありながら，より大きな推力を期
待できるように工夫した多極多相型のリニア直流ブラシ
レスモータに関し，リニアテーブル，精密測定装置など
多くの分野に適するものである。

［従来技術］ 多極多相型のリニア直流ブラシレスモータでは，磁極
判別素子［位置検知素子］によって界磁マグネットの磁
極の判別を行って，電機子コイルへ適宜方向の通電切換
を行ない移動子を直線的走行させている。

例えば，隣り配置の磁極が異極となるようにＮ極,S極
の磁極をＰ（Ｐは２以上の整数）個備えて界磁マグネッ
トを形成し，該界磁マグネットと対向する位置に移動子
の走行方向に沿って複数個の電機子コイルを配設して電
機子を形成し，上記界磁マグネット若しくは電機子の何
れか一方を相対的移動する移動子とし，他方を固定子と
してなるリニア直流ブラシレスモータにおいては，第３
図乃至第６図に示すようなコアレス構造の多極多相型の
リニア直流ブラシレスモータ１について説明すると，長
板状の固定板２の上面に固設されたステータヨーク３の
上面に空心型の電機子コイル４群を配設して固定側コア
レス電機子５を形成し，該固定側コアレス電機子５と微
小空隙を介して第６図に示すようなそれぞれ移動子６の
走行方向における幅がＴ幅のＮ極,S極の磁極を隣接配設
して形成して多極形の界磁マグネット７を移動子６とし
て用いたものとなっている。

尚，上記ステータヨーク３はステータヨーク兼リニア
ガイドの機能をなし，符号８は固定側コアレス電機子５
の界磁マグネット７と対向する面に配設した非磁性体か
らなるプリント配線基板で，位置検知素子として用いた
ホール素子やホールIC等の磁極判別素子９の端子及び電
機子コイル４群の電気的結線を行う図示しないプリント
配線パターンが形成してある。符号10は走行ヨークで，
その両側は下面方向に延長して延長折曲部10aを形成し
ており，該延長折曲部10aに回動自在に取り付けたガイ
ドローラ11を上記ステータヨーク兼リニアガイドの機能
をなすステータヨーク３の両側面にガイドさせて走らせ
ることで，界磁マグネット７を取り付けた走行ヨーク10
からなる移動子６と固定側コアレス電機子５などからな
る固定子12と相対的直線移動をなすように構成してい
る。

上記磁極判別素子９はそれぞれの電機子コイル４の推
力の発生に寄与する導体部4aと推力の発生に寄与いない
導体部4cとが交叉する導体部と対向するプリント配線基
板８位置に配置している。符号4bは推力の発生に寄与す
る導体部を，符号4dは推力の発生に寄与しない導体部を
示している。

上記したリニア直流ブラシレスモータ１では，滑かな
推力リップル特性のものとするために，磁極判別素子９
は上記界磁マグネット７と対向する電磁子コイル４の推
力の発生に寄与する導体部4aまたは4bの上面部に配置し
ている。

かかる位置に磁極判別素子９を配設すると，極めて良
好な推力リップル特性のリニア直流ブラシレスモータ１
が得られることに関しては，白木・宮尾共著『リニアサ
ーボモータとシステム設計』［総合電子出版刊］や電磁
アクチュエータに関する学会の文献にて既に公知になっ
ている。

しかし，界磁マグネット７と対向する電機子コイル４
の推力の発生に寄与する導体部4aまたは4bの上面部に磁
極判別素子９を配置すると，かかる磁極判別素子９の厚
み分だけ電機子コイル４と界磁マグネット７間のエアギ
ャップ長が増加して，その分だけ大きな推力が得られな
い欠点ある。

このような欠点を解消するために，従来では第７図及
び第８図に示すような構造の可動マグネット形リニア直
流ブラシレスモータ13を採用していた。

この可動マグネット形リニア直流ブラシレスモータ13
について説明すると，界磁マグネット７と対向する図示
しない固定側に配設した長板状のプリント配線基板14の
上面に上記同様に電機子コイル15群を配設して固定側コ
アレス電機子16を形成している。

各電機子コイル15は，推力の発生に寄与する導体部15
aと15b間の開角を界磁マグネット７のＮ極,S極の一磁極
幅Ｔの等しいＴ幅の矩形枠状のものに形成している。符
号15c,15dは，推力の発生に寄与しない導体部を示す。
このように形成した電機子コイル15は，移動子17の走行
方向における電機子コイル15の幅を移動子17の走行方向
における界磁マグネット７の幅ｈよりも短い幅L'に形成
している。各電機子コイル15の通電切換のために用いた
位置検知素子としての磁極判別素子９は，電機子コイル
15の推力の発生に寄与する導体部15aの移動子17の走行
方向と直角な方向に延びた延長線上のプリント配線基板
14上に配設している。

上記固定側コアレス電機子16及び磁極判別素子９と対
向して，その背面に走行ヨーク18を有する界磁マグネッ
ト７を備えた移動子16を相対的移動させるようにしてい
る。

界磁マグネット７は，電機子コイル15群からなる固定
側コアレス電機子16及び磁極判別素子９と対向させる必
要上，電機子コイル15の上記長さ幅L'よりもΔＬだけ長
い幅，すなわちｈ幅のものを用いている。

このように形成された可動マグネット形リニア直流ブ
ラシレスモータ13な，磁極判別素子９によって界磁エギ
ャップが増長しないため，推力リップル特性の点はもち
ろん良く，大きな推力が得られて効率が良好なため，実
用化されている。

［従来技術の問題点］ しかしながら上記可動マグネット形リニア直流ブラシ
レスモータ13は，電機子コイル15の幅L'よりもΔＬ幅だ
け幅の長い界磁マグネット７を用いなければならない欠
点がある。このことを更に第８図を用いて説明すると，
電機子コイル15は移動子17の走行方向と直角な方向の長
さ幅がL'のものに形成されている。ここに磁極判別素子
９の配設を考慮しなければ，電機子コイル15は更にΔＬ
幅長く形成したｈ幅，即ち，界磁マグネット７の幅ｈと
等しい幅に形成することが望まれる。しかしながら，磁
極判別素子９を配設する必要上，実際にはｈ幅の電機上
コイルを用いることができず，上記したようにL'幅の電
機子コイル15を用いている。このようなL'幅の電機子コ
イル15を考慮すると，電機子コイル15には，移動子17の
走行方向と平行な推力の発生に寄与しない導体部15c,15
dが形成されているので，この導体部15c,15dの移動子17
の走行方向と直角な方向の幅をαとすると，実際には，
この電機子コイル15の推力の発生に寄与する導体部15a,
15bの幅L'よりも更に短い幅（L'−２α）＝Ｌの部分し
か推力の発生に寄与しないものとなる。尚，推力の発生
に寄与しない導体部15c,15dが，この導体部15c,15dと推
力の発生に寄与する導体部15a,15bとが交叉する部分の
導体部，即ち，点線囲い部19で示す部分の導体部は，実
質的には若干推力の発生に寄与するが，この部分の導体
部は，上記α幅が狭い場合には，殆ど推力の発生に寄与
しないため，ここでは推力の発生に寄与しない導体部と
して取り扱う。

従って，電機子コイル15において推力の発生に寄与す
るのは，推力の発生に寄与しない導体部15c,15dの幅α
を除いた推力の発生に寄与する導体部15a,15bの幅（L'
−２α）＝Ｌの部分である。

いずれにしても，従来の可動マグネット形リニア直流
ブラシレスモータ13では，ΔＬの幅だけ界磁マグネット
７は磁極判別素子９の位置検知用としては機能している
ものの，推力発生に何ら寄与しない無駄な部分となって
いる。

［発明の課題］ 本発明は同じ面積当たりの界磁マグネットを用いた場
合でも，上記推力の発生に役立たないΔＬ幅の界磁マグ
ネット部分をも推力の発生に有効に役立てて，より大き
な推力を得ることを課題になされたものである。

［発明の課題達成手段］ かかる本発明の課題は，電機子コイルに通電位置検知
を行うための位置検知素子を，当該電機子コイルの推力
の発生に寄与する導体部と隣配置の電機子コイルの推力
の発生に寄与する導体部間の移動子の走行方向と直角な
方向に延びた中心線の延長位置であり且つ電機子コイル
の一方の推力の発生に寄与しない導体部の延長位置と交
叉する電機子コイルと重ならない位置に配設し，上記電
機子コイルの通電位置検知を行うための位置検知素子
を，当該電機子コイルの推力の発生に寄与する導体部の
移動子の走行方向と直角な方向に延びた中心線から上記
位置に配設した位置検知素子までの移動子の走行方向に
おける距離をｔとするとき，該ｔの移動距離だけ上記移
動子の走行方向にずらせて配置した位置検知素子と対向
する界磁マグネット側に上記ｔの距離だけ上記位置検知
素子がずれた方向に上記界磁マグネットのＮ極,S極の磁
極と同じ走行方向における磁極幅を有する隣り配置の磁
極が異極となるようにＮ極,S極の磁極をＰ（Ｐは２以上
の整数）個備えて形成した位置検知用界磁マグネットを
配設することにより達成できる。

［発明の作用］ 上記した従来の改良された可動マグネット形リニア直
流ブラシレスモータ13の発生推力Ｆの大きさは，次式で
求めることができる。

Ｆ＝ｎ・ｔ・Ｂ・Ｉ・Ｌ （１） n:電機子コイルの推力の発生に寄与する導体部の数 t:電機子コイルの巻線ターン数 B:磁束密度 L:電機子コイルの推力の発生に寄与する導体部の長さ 上記した可動マグネット形リニア直流ブラシレスモー
タ13も本発明の可動マグネット形リニア直流ブラシレス
モータ20も上記条件n,t,B,Iについては，同じ条件であ
るとすると，この可動マグネット形リニア直流ブラシレ
スモータ20の推力Ｆを大きくするには，条件Ｌの値を大
きくすることである。

ここに本発明の可動マグネット形リニア直流ブラシレ
スモータ20では，移動子21の走行方向と直角な方向の電
機子コイル４の発生推力に寄与する導体部4a,4bを駆動
用兼位置検知用界磁マグネット22の移動子21の走行方向
と直角な方向の幅ｈと同じ幅ｈに形成してある。駆動用
兼位置検知用界磁マグネット22の位置検知用界磁マグネ
ット23の移動子21の走行方向と直角な方向の幅はαとな
っていて，電機子コイル４の推力の発生に寄与しない導
体部4cの幅αと同じであるため，位置検知用界磁マグネ
ット23を形成したとしても，この部分にはもともと推力
の発生に寄与しない電機子コイル４の推力の発生に寄与
しない導体部4cが対向しているため，発生推力の低下に
つながらない。また磁極判別素子９は位置検知用界磁マ
グネット23と対向する部分に合理的に配置しているた
め，この磁極判別素子９の配設のために界磁マグネット
22が占領されることがないので,h幅の駆動用兼位置検知
用界磁マグネット22の位置検知用界磁マグネット23のα
だけ狭く形成した駆動用界磁マグネット24の幅h'と同じ
長さ幅，即ち，幅（Ｌ＋ΔＬ）＝h'幅の推力の発生に寄
与する導体部4a,4bを持つ電機子コイル４を用いること
ができる。

即ち，従来の可動マグネット形リニア直流ブラシレス
モータ13に比較して，本発明の可動マグネット形リニア
直流ブラシレスモータ20では，推力の発生に寄与する有
効導体部の長さをΔＬだけ長く形成できるため，ΔL/L
分推力が増加する。

また磁極判別素子９を，この実施例では，電機子コイ
ル４と４との境目にｔの距離だけずらした箇所に配設し
ているが，このための磁極の読み違えが起こらないよう
に位置検知用界磁マグネット23を駆動用界磁マグネット
24からｔの距離だけ，ずらせて配設しているため，従来
同様の滑らかな推力リップル特性を確保できる。

［発明の実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示す可動マグネット形リ
ニア直流ブラシレスモータ20の主要部を示す一部切欠概
略斜視図，第２図は駆動用兼位置検知要界磁マグネット
22と磁極判別素子９を有する固定側コアレス電機子５と
の展開図を示す。

以下，第１図及び第２図を参照して，本発明の実施例
を説明すると，図示しない長板状のステータの上面に同
じく長板状のプリント配線基板25を適宜な手段によって
固定している。このプリント配線基板25には，上記プリ
ント配線基板８同様に磁極判別素子９の端子及び電機子
コイル４群の電機的結線などを行うための図示しないプ
リント配線パターンが形成されている。プリント配線基
板25の上面には，上記リニア直流モータ１同様に移動子
21の走行方向と直角方向の長さがｈ幅に形成された矩形
枠状の電機子コイル４群を移動子21の走行方向に沿って
互いに重ならないように隣接配置してｎ（ｎは２以上の
整数）相配置の固定側コアレス電機子５を形成してい
る。該固定側コアレス電機子５を形成するための電機子
コイル４は，矩形枠状の空心型のものとなるように導線
を用いて多数ターン巻回して形成されたものであるが，
プリント，メッキ手段あるいはエッチング手段を用いた
シートコイル等にて形成したものでも良い。かかる空心
型の電機子コイル４群によると，効率及び性能の良好な
リニア往復180度通電方式を採用することができるよう
に，移動子21の走行方向と直角な方向に延びた推力発生
に寄与する導体部4aと4bとの開角が，駆動用兼位置検知
用界磁マグネット22の駆動用界磁マグネット24の移動子
21の走行方向における一磁極幅をＴとする時，該一磁極
幅Ｔの開角となるように巻線形成されている。

尚，電機子コイル４において，移動子21の走行方向と
平行な導体部4c,4dは，推力の発生に寄与しない導体部
となっている。また電機子コイル４は，導体部4cと4dの
外側までの長さが駆動用兼位置検知用界磁マグネット22
の幅ｈと等しい幅ｈとなる長さのものに形成している。

駆動用兼位置検知用界磁マグネット22の移動子21の走
行方向と直角な方向の位置検知用界磁マグネット23の幅
をαのものに形成しているため，駆動用界磁マグネット
24の幅は，（ｈ−α）＝h'幅となっている。ここに電磁
子コイル４の推力の発生に寄与しない導体部4c,4dは，
その移動子21の走行方向と直角な方向の幅を上記位置検
知用界磁マグネット23の幅αと同じ幅αのものに形成し
ている。このため，上記導体部4cはもともと推力の発生
に寄与しない部分となっているため，推力の発生に発生
には役立たない位置検知用界磁マグネット23に対向させ
ている。この位置検知用界磁マグネット23には，後記す
るように磁極判別素子９を対向させているため，磁極判
別素子９によって従来無駄になっていた駆動用界磁マグ
ネット24のΔＬの幅の部分だけ推力の発生に役立てるこ
とができる。

即ち，駆動用界磁マグネット24のΔＬの幅の分だけ上
記電機子コイル15に比較して電機子コイル４の推力の発
生に寄与する導体部4a,4bを長く形成できるため，実質
的に電機子コイル４の推力の発生に寄与する導体部4a,4
bの長さを（Ｌ＋ΔＬ）＝h'とすることができる。

上記電機子コイル４に通電位置検知を行うための磁極
判別素子９は，当該電機子コイル４の推力の発生に寄与
する導体部4a（又は4b）と隣配置の電機子コイル４の推
力の発生に寄与する導体部4b（又は4a）間の中心線26の
延長位置であり且つ電機子コイル４の一方の推力の発生
に寄与しない導体部4cの延長位置と交叉する電機子コイ
ル４と重ならない位置に配設している。なお，電機子コ
イル４群は，隣接配置している例を示したので，磁極判
別素子９は，当該電機子コイル４の推力の発生に寄与す
る導体部4a（又は4b）と隣配置の電機子コイル４の推力
の発生に寄与する導体部4b（又は4a）とが接する接線29
の延長位置であり且つ電機子コイル４の一方の推力の発
生に寄与しない導体部4cの移動子21と平行な方向に延び
た延長位置と交叉する電機子コイル４と重ならない電機
子コイル４の外側の角部の空きスペース位置28に配設し
ている。

このような空きスペース位置28が電機子コイル４の外
側の角部に形成されるのは，実際に電機子コイル４を巻
線機を用いて形成する場合，当該電機子コイル４の角部
が他の部分に比較して膨張形成されないためであり，又
巻線治具を予めそのような形状の電解子コイル４となる
ように形成しておくことで極めて容易に形成できる。

上記位置に配設した磁極判別素子９は，幅ｈの電機子
コイル４の長さ幅の中に収まり，且つ幅αの範囲に収ま
るように配設できるので，このような位置に磁極判別素
子９を配設したとしても，この磁極判別素子９によって
推力の発生に寄与しない無駄な駆動用界磁マグネットの
増加はない。

以上のようにして固定子27を形成している。

背面に走行ヨーク28を固定した駆動用兼位置検知用界
磁マグネット22は，空隙を介して上記固定側位置に配設
した磁極判別素子９及び固定側コアレス電機子５からな
る固定子27と相対的移動するように構成されている。

ここに駆動用兼位置検知用界磁マグネット22の移動子
21の走行方向と直角な方向の位置検知用界磁マグネット
23は幅をαのものに形成し，駆動用界磁マグネット24の
幅は，（ｈ−α）＝h'幅に形成している。従って，電機
子コイル４による推力は上記電機子コイル15の場合に比
較して推力の発生に寄与する導体部の長さをΔＬだけ長
く形成できるため，ΔL/L分だけ推力が増加する。

磁極判別素子９は，電機子コイル４の推力の発生に寄
与する導体部4aまたは4bと対向する位置あるいはその延
長上位置に配設しないと，滑らかな推力リップル特性の
可動マグネット形リニア直流ブラシレスモータ20を得る
ことができない。

ここに磁極判別素子９を電機子コイル４の推力の発生
に寄与する導体部4a（または4b）と対向する位置あるい
はその延長上位置に配設すべき磁極判別素子９は，当該
電機子コイル４の推力の発生に寄与する導体部4a（また
は4b）の中心線26位置から上記位置に配設した磁極判別
素子９まで，即ち上記接線29位置までの移動子21の走行
方向における距離をｔとするとき，該ｔの移動距離だけ
上記移動子21の走行方向，例えは，第２図において矢印
Ａ方向にずらせて配置した為，このままは滑らかな推力
リップル特性の可動マグネット形リニア直流ブラシレス
モータ20を得ることができない。従って，磁極判別素子
９と対向する駆動用兼位置検知用界磁マグネット22に形
成した位置検知用界磁マグネット23を上記ｔの距離だけ
上記駆動用界磁マグネット24に対して上記極磁判別素子
９がずれた距離ｔだけ，例えば矢印Ａ方向に上記ｔの幅
だけずれた方向にずらせて形成している。この位置検知
用界磁マグネット23は，上記駆動用界磁マグネット24の
Ｎ極,S極の磁極と同じ走行方向における一磁極幅Ｔを有
する隣り配置の磁極が異極となるようにＮ極,S極の磁極
をＰ（Ｐは２以上の整数）個備えて形成したものと同じ
ものとなっているが，位置検知用界磁マグネット23を上
記ｔの距離だけ所定方向に，例えば矢印Ａ方向にずらせ
て形成したため，その端部は上記Ｔ幅よりも短い幅に形
成されている。これは移動子21が移動ストロークの端部
にまでは移動しない場合も多いことからデメリットとな
るものではない。

以上のように位置検知用界磁マグネット23を上記駆動
用界磁マグネット24から上記ｔの幅だけずらせて位置検
知の読み違いが起こらないように補正しているので，従
来同様に滑らかな推力リップル特性を確保できる。

このような可動マグネット形リニア直流ブラシレスモ
ータ20の駆動方法例は，従来公知の方法によればよく，
磁極判別素子９からの信号に基づいて電機子コイル４群
に適宜な方向の推力が得られるように半導体整流装置を
用いて通電すれば良い。

［発明の効果］ 本発明に於いては，従来同様の大きさのマグネットを
用いた場合でも，その推力リップル特性に影響を与える
事無く，従来に比較して推力の発生に寄与する導体部の
長さをΔＬだけ長く形成できるので，ΔL/L分だけ推力
を向上させた可動マグネット形リニア直流ブラシレスモ
ータを極めて容易且つ安価に形成できる。尚，本発明
は，電機子側を可動子とし，固定側をマグネットとした
可動電機子型リニア直流ブラシレスモータにも当然適用
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す多極多相型の可動マグ
ネット形リニア直流ブラシレスモータの主要部を示す一
部切欠概略斜視図，第２図は駆動用兼位置検知用界磁マ
グネットと磁極判別素子を有する固定側コアレス電機子
との展開図，第３図は従来の可動マグネット型リニア直
流ブラシレスモータの一部切欠平面図，第４図は同可動
マグネット型リニア直流ブラシレスモータをその移動子
の走行方向から見た側面図，第５図は同可動マグネット
型リニア直流ブラシレスモータの移動子の走行方向から
見た縦断面図，第６図は同可動マグネット型リニア直流
ブラシレスモータに用いた界磁マグネトの斜視図，第７
図は従来の改良された可動マグネット形リニア直流ブラ
シレスモータの主要部を示す一部切欠概略斜視図，第８
図は同可動マグネット形リニア直流ブラシレスモータの
界磁マグネットと磁極判別素子を有する固定側コアレス
電機子との展開図ら見た縦断面図を示す。 ［符号の説明］ １……多極多相型の可動マグネット型リニア直流ブラシ
レスモータ,2……固定板,3……ステータヨーク,4……電
機子コイル,4a,4b……推力の発生に寄与する導体部,4c,
4d……推力の発生に寄与しない導体部,5……固定側コア
レス電機子,6……移動子,7……界磁マグネット,8……プ
リント配線基板,9……磁極判別素子（位置検知素子）,1
0……走行ヨーク,10a……延長折曲部,11……ガイドロー
ラ,12……固定子,13……可動マグネット形リニア直流ブ
ラシレスモータ,14……プリント配線基板,15……電機子
コイル,15a,15b……推力の発生に寄与する導体部,15c,1
5d……推力の発生に寄与しない導体部,16……固定側コ
アレス電機子,17……移動子,18……走行ヨーク,19……
点線囲い部,20……可動マグネット形リニア直流ブラシ
レスモータ,21……移動子,22……駆動用兼位置検知用界
磁マグネット,23……位置検知用界磁マグネット,24……
駆動用界磁マグネット,25……プリント配線基板,26……
中心線,27……固定子,28……走行ヨーク,29……空きス
ペース,30……接線。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】隣り配置の磁極が異極となるようにＮ極,S
   極の磁極をＰ（Ｐは２以上の整数）個備えて界磁マグネ
   ットを形成し，該界磁マグネットと対向する位置に移動
   子の走行方向に沿って複数個の電機子コイルを配設して
   電機子を形成し，上記界磁マグネット若しくは電機子の
   何れか一方を相対的移動する移動子とし，他方を固定子
   としてなるリニア直流ブラシレスモータにおいて，下記
   構成要素乃至からなることを特徴とするリニア直流
   ブラシレスモータ。 上記電機子は空心型の電機子コイル群を互いに重なら
   ないように移動子の走行方向に沿って配設しているこ
   と。 上記電機子コイルに通電位置検知を行うための位置検
   知素子は，当該電機子コイルの推力の発生に寄与する導
   体部と隣配置の電機子コイルの推力の発生に寄与する導
   体部間の移動子の走行方向と直角な方向に延びた中心線
   の延長位置であり且つ電機子コイルの一方の推力の発生
   に寄与しない導体部の延長位置と交叉する電機子コイル
   と重ならない位置に配設していること。 上記電機子コイルに通電位置検知を行うための位置検
   知素子は，当該電機子コイルの推力の発生に寄与する導
   体部の移動子の走行方向と直角な方向に延びた中心線か
   ら上記位置に配設した位置検知素子までの移動子の走行
   方向における距離をｔとするとき，該ｔの移動距離だけ
   上記移動子の走行方向にずらせて配置した位置検知素子
   と対向する界磁マグネット側に上記ｔの距離だけ上記位
   置検知素子がずれた方向に上記界磁マグネットのＮ極,S
   極の磁極と同じ走行方向における磁極幅を有する隣り配
   置の磁極が異極となるようにＮ極,S極の磁極をＰ（Ｐは
   ２以上の整数）個備えて形成した位置検知用界磁マグネ
   ットを配設していること。