JPH02219455A

JPH02219455A - リニアモータの支持機構

Info

Publication number: JPH02219455A
Application number: JP1036246A
Authority: JP
Inventors: Mutsuji Kobayashi; 小林　睦司
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1989-02-17
Filing date: 1989-02-17
Publication date: 1990-09-03

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】概要リニアモータの支持機構に関し、小形、省電力で長寿命の非接触式リニアモータ支持機構
を提供することを目的とし、永久磁石又はコイルによる少なくとも１個の起磁力源を
含む推力発生用磁気回路を有し、磁気力又は電流力によ
って可動子が固定子上を直進する推力を得るリニアモー
タにおいて、前記推力発生用磁気口°ノ各をベースに取
り付け、該推力発生用磁気圏路の反対側に固定子に対向
して動作空隙を隔てて浮上用永久磁石を設け、該浮上用
永久磁石を積層形圧電効果素子を介して前記ベースに取
り付けて構成する。

産業上の利用分野本発明はリニアモータの支持機構に関し、特に磁気力に
より推力発生用ギャップを支持する磁気浮上型支持機構
を有する真空用或いは宇宙用等のリニアモータの支持機
構に関する。

制御対象を１次元若しくは２次元平面上で移動させたり
、位置決めしたりする装置は、回転型のモータと回転運
動を直線運動に変換するメカニズムを使ったものが多い
。これに対して最近は制御対象を直接モータに取り付け
、これを直線駆動するリニアモータの開発が進んでいる
。リニア直流モータ、リニアパルスモータ及びリニアｍ
導％−タ等の小形リニアモータは、直交座標系の産業ロ
ボットや組立搬送装置及びタイプライタのキャリッジ駆
動等に見られるように、負荷質量を搭載して直進動作す
るＦＡ、ＯＡ機器に多く用いられている。

これらのリニアモータでは、固定子に対して可動子を所
定のギャップで支持する必要があり、長寿命の推力発生
用ギャップ支持機構が要望されている。

従来の技術第９図は従来のリニアモータの支持機構の一部破断正面
図であり、第１０図はその側面図である。

図において、１は固定子であり、鉄等の強磁性体基板２
上に等ピッチ間隔で複数のスケール歯３が設けられて構
成されている。４は可動子であり、鉄等の強磁性体から
形成された４個の磁極５ａｓ５ｂ、５ｃ、５ｄを有して
おり、磁極５ｂ、５ｃ、５ｄの歯は磁極５ａの歯に対し
てそれぞれτ／２、τ／４．３τ／４だけ位相がずれて
配置されている。磁極５ａ〜５ｄにはそれぞれコイル６
が巻かれており、その上部には永久磁石７が設けられて
いる。又、２個の永久磁石７に渡り強磁性体のヨーク８
が設けられている。

９はステンレス等の非磁性体フレームであり、このフレ
ームに上述したコイル６、永久磁石７等から構成される
一次側磁気回路アセンブリが取り付けられている。非磁
性体フレーム９には２本の孔通し軸１０が固定されてお
り、この軸１０にギャップ支持用ローラ１１が回転自在
に取り付けられている。ローラ１１は固定子１のローラ
転勤面１４に当接し推力発生用ギャップＧを支持するよ
うになっている。又、非磁性体フレーム９には垂直方向
に４個の軸１２が固定されており、この軸１２にローラ
１３が回転自在に取り付けられている。ローラ１３は強
磁性体基板２の側面に当接し、固定子１の直進案内をし
ている。

このように従来のリニアモータでは、ギャップ支持用ロ
ーラ１１が固定子１のローラ転動面１４に当接し、推力
発生用ギャップＧを支持して可動子４を固定子１に対し
て直進駆動するようにしている。

発明が解決しようとする課題従来のようなギャップ支持用ローラによる支持機構では
、推力発生用永久磁石による可動子と固定子の磁気吸引
力が推力の１０倍程度と大きい為に、支持機構の負担が
大きくなり、固定子のローラ転動面が剥離（フレーキン
グ）する等、支持機構の寿命が短いという問題があった
。又、大きな負荷のかかるギャップ支持用ローラには潤
滑油が必要であり、その飛散や蒸発のため真空用や宇宙
用のリニアモータの支持機構等には不向きである。

この問題を解決するため、リニアモータカーに見られる
ように電磁石による磁気浮上方式も最近検討が始まって
いる。この方式の模式図を第１１図に示す。同図に於い
て、１５は固定子であり、ヨーク１６が設けられている
。可動子１７は推力発生用磁気回路１８、直進案内用電
磁石１９及び浮上用電磁石２０を有している。このリニ
アモータは、浮上用電磁石２０による磁気吸引力で可動
子１７を固定子１５に対して浮上させ、推力発生用磁気
回路１８による推力により可動子１７を直進駆動するも
のである。

しかしこの構成であると、搭載負荷質量が変動したり、
推力発生用磁気回路に使用する永久磁石の磁気吸引力の
大きい用途では、コイル抵抗によるジコール熱損（銅損
）が大きくなりがちである。

これを防ぐため、超電導コイルを電磁石として用いると
、コイルの冷却等のため装置が大型化してしまうという
問題がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とする所は、小形、省電力で長寿命の非接触式リ
ニアモータ支持機構を提供することである。

課題を解決するための手段推力発生用磁気回路をベースに取り付け、この推力発生
用磁気回路の反対側に固定子に対して動作空隙を隔てて
浮上用永久磁石を設ける。そして、浮上用永久磁石を積
層形圧電効果素子を介してベースに取り付けることによ
り、リニアモータの支持機構を構成する。

可動子と固定子との間のギャップの変化を検出する検出
手段を設け、この検出手段の検出値に基づいて前記積層
形圧電効果素子に印加する電圧を変化させる制御手段を
設けるのが望ましい。又、浮上用永久磁石によるより大
きな磁気力変化を要する場合には、積層形圧電効果素子
と浮上用永久磁石との間に変位拡大機構を設けるように
する。

作　　　用本発明は浮上用永久磁石を変位させることによって、動
作空隙で生ずる磁気力を変化させ、可動子を磁気的に浮
上させ、長寿命の非接触式リニアモータ支持機構を提供
するものである。浮上用永久磁石の変位に対する磁気力
の変化は大きく、磁気力自体も大きくする必要がある。

そこで、この浮上用永久磁石を変位させるのに適合した
小変位で発生力の大きな小形変位素子として、積層形圧
電効果素子を用いるようにしている。圧電効果素子は変
位を維持するときに電流はほとんど流れず、電気機械変
換効率も高いので、省電力の支持機構を実現することが
できる。又、変位の応答性も速い利点がある。

検出手段により推力発生用ギャップの変化を検出し、こ
の検出値に基づいて制御手段により積層形圧電効果素子
に印加する電圧をフィードバック制御して、推力発生用
ギャップの変化に応じて動作空隙を変化させるようにす
る。

実　　施　　例以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。

第１図は本発明の第１実施例断面図であり、第２図はそ
の側面図である。この第１実施例は平板状片側リニアパ
ルスモータに本発明の支持機構を取り付けた例を示して
いる。２１は固定子であり、鉄等の強磁性体基板２２上
に等ピッチ間隔で複数のスケール歯２３が形成されて構
成されている。

２４は推力発生用磁気回路２９を有する可動子である。

推力発生用磁気回路２９は鉄等の強磁性体から形成され
た４個の磁極２５　ａ、　２５　ｂ、　２５ｃ、２５ｄ
を有しており、磁極２５ｂ、２５Ｃ。

２５ｄの歯は磁極２５ａの歯に対してそれぞれＴ／２、
τ／４．３τ／４だけ位相がずれて配置されている。磁
極２５ａ〜２５ｂにはそれぞれコイル２６が巻かれてお
り、その上部には推力発生用永久磁石２７が設けらてれ
いる。又、２個の永久磁石２７に渡り強磁性体のヨーク
２８が設けらてれいる。ヨーク２８はベース３０に取り
付けられている。

推力発生用磁気回路２９の反対側に、固定子２１に対向
して動作空隙Ｇ２を隔てて、２個の浮上用永久磁石３１
が配置されている。浮上用永久磁石３１の背面にはヨー
ク３２が貼られており、このヨーク３２と固定子２１と
の間で閉磁路を形成する。このため浮上用永久磁石３１
には磁気吸弓力が作用する。浮上用永久磁石３１のヨー
ク３２は可動台３３に取り付けられており、この可動台
３３の内側に積層形圧電効果素子３４が設けらてれいる
。積°層形圧電効果素子３４の一端は可動台３３により
支持されており、他端にはベース３０が搭載されている
。ベース３０は上述したように推力発生用磁気回路２９
に固定されている。圧電効果素子３４は浮上用永久磁石
３１の磁気吸引力により、常に圧縮方向に力を受けてい
る。

積層形圧電効果素子３３に電圧を印加することで、浮上
用永久磁石３１を上下方向に変位させ、動作空隙Ｇ２を
変えるようにする。このときの磁気吸引力の変化により
、推力発生用ギャップＧ１の大きさを調整できるように
なっている。

可動子２４の両側面には、それぞれ２列の循環式セラミ
ック球によるリニアガイド３５が取り付けられている。

横方向には本質的に大きな荷重が作用せず、リニアガイ
ド３５は直進案内のみのため無潤滑で済む。このリニア
ガイド３５は、可動子２４の横方向の変位と共に、ロー
リング（ｍ揺れ）、ヨーイング（偏揺れ）の３自由度を
拘束する。進行方向の自由度は推力発生用磁気回路によ
り制御する。

従って、浮上用永久磁石３１の変位により制御するのは
、６自由度の内で残る縦方向の変位とピッチング（縦揺
れ）の２自由度のみである。この２自由度の制御のため
、可動子２４の前後２カ所に例えば容量式変位計３６を
設け、この容量式変位計３６により推力発生用ギャップ
Ｇ１を検出し、この検出値を制御回路３７に入力する。

制御回路３７の出力を電力増幅回路３８で増幅し、積層
形圧電効果素子３１に印加する電圧を推力発生用ギャッ
プＧ１の変化に応じて変化させ、積層形圧電効果素子３
４を変位させる。このように本実施例では、容量式変位
計３６によるギヤツブ検出→制御回路３７→電力増幅→
積層形圧電効果素子３４の変位、による浮上用永久磁石
３１の変位のための２つの閉ループ系を形成している。

積層形圧電効果素子３４は、例えば−辺５　ｍｍの正方
形で厚さ０．４關の圧電セラミックを６０枚積層してお
り、印加電圧５００Ｖにおいて無負荷時５０μｍ変位し
く伸び）、全熱変位しないように拘束すると５９ｋｇｆ
の力を発生する。一方、推力発生用や浮上用の永久磁石
による磁気吸引力Ｆ１　は第３図の単純化した磁気回路
モデルで考えると次式のようになる。

ここで、 φ：磁束 μ０：空隙の透磁率ζ永久磁石のりコイル透磁率Ｓ、：
空隙対向面積Ｓｌ：永久磁石の断面積ＨＣ：永久磁石の保磁力１１：永久磁石の厚さ β、：空隙幅第４図は磁気吸引力と積層形圧電効果素子発生力の釣り
合い状態を示すグラフであり、圧電素子印加電圧を変え
た時の圧電素子の発生力と変位との関係、及び浮上用永
久磁石の磁気吸引力と動作空隙との関係を一つのグラフ
に示したものである。

第４図のグラフに示すように、積層形圧電効果素子への
印加電圧を増減することにより、積層形圧電効果素子の
発生力と浮上用永久磁石による磁気吸引力とを釣り合わ
せ、動作空隙を増減することができる。

第５図は浮上用永久磁石と推力発生用永久磁石の磁気吸
引力と動作空隙及び推力発生用ギャップの関係を一つの
グラフにまとめて示している。式（１）において、推力
発生用永久磁石ではＩ！、大、Ｓ１小とし、浮上用永久
磁石においてはＳｍ大、βヨ小とする。この時第５図に
示すように、両者の特性曲線の傾きに差ができる。両者
の永久磁石の磁気吸引力が等しい動作空隙と推力発生用
ギャップにおいて、力の釣り合いが保たれることになる
。例えば第５図では、両磁石の磁気吸引力が等しい時に
は、推力発生用ギャップが５０μｍと小さくなり、動作
空隙は０．３＋ｎｍと大きくなっている。

第６図は本発明の第２実施例概略構成図を示しており、
積層形圧電効果素子４４のみでは変位がまだ小さい場合
に、梃の原理による変位拡大機構４３を一対設けている
例である。推力発生用磁気回路２９は上述した第１実施
例と同様であるのでブロックで示してあり、固定子２１
のスケール歯も省略されている。浮上用永久磁石４１の
背面にはヨーク４２が貼られており、ヨーク４２は梃の
原理を利用した変位拡大機構４３及び積層形圧電効果素
子４４を介してベース４０に取り付けられている。第６
図において、４０ａ、４０ｂが梃の支点となり、ｌ、　
　　！！２、ｍ、、ｍ２　を第６図に示すように取ると
、変位拡大率は（ｍＩ／１１）ｘ　（ｍｚ　／Ｌ　）で
ある。この実施例によれば搭載負荷質量が大きく変わっ
ても、浮上用永久磁石４１の変位を大きく取ることで磁
気吸引力を大きく変えて、浮上用永久磁石４１による支
持を可能としている。

第７図は本発明の第３実施例概略構成図を示している。

この実施例は平板状両側式リニアモータの片側に積層形
圧電効果素子を用いた例である。

上側の推力発生用磁気回路２９は可動子を構成し、その
構成は第１図及び第２図に示した第１実施例と同様であ
るので詳細な説明を省略する。又、固定子２１°の表裏
両面には等ピッチ間隔のスケール歯が形成されているが
、簡単化のため図面上では省略されている。下側の推力
発生用磁気回路４５は４個の磁極及びコイルを含んでお
り、それぞれの磁極上には浮上兼推力発生用永久磁石４
６が設けられている。永久磁石４６の背面にはヨーク４
７が貼られており、各々のヨーク４７は強磁性体部材４
８により連結されている。強磁性体部材４８は可動台４
９に取り付けられており、この可動台４９と上側の推力
発生用磁気回路２９が取り付けられたベース５０との間
に積層形圧電効果素子５１が設けられている。この実施
例は第１図に示した第１実施例の下側の浮上用永久磁石
のヨークを連結し、浮上用永久磁石を推力発生用永久磁
石と兼用したものである。

第８図は本発明の第４実施例概略構成図を示している。

この実施例は第７図の上下の磁気回路を更に側面の両側
にも用いたものである。第８図において、５２は推力発
生用磁気回路であり、ベース５３に取り付けられている
。５４は固定子であり、４つの面に設けられているスケ
ール歯は省略されている。５５は浮上兼推力発生用永久
磁石であり、それぞれの磁気回路は浮上用兼推力発生用
永久磁石５６を含んでいる。浮上用兼推力発生用永久磁
石５６のヨークは可動台５７、積層形圧電効果素子５８
を介してベース５３に取り付けられている。この実施例
においては、第１図及び第２図に示した第１実施例のリ
ニアガイド３５は無く、完全磁気浮上型支持機構である
。可動子進行方向以外の５自由度を浮上用兼推力発生用
永久磁石５６の変位によって制御している。

上述した各実施例は平板状のリニアモータについて説明
したが、本発明の支持機構は円筒状リニアモータにも適
用可能である。又推力発生用磁気回路としてリニアパル
スモータで説明したが、リニアパルスモータに限らず、
リニア直流モータやリニア誘導モータにも適用可能であ
る。

発明の効果本発明のリニアモータの支持機構は以上詳述したように
構成したので、小形、省電力で長寿命の非接触式リニア
モータの支持機構を提供できるという効果を奏する。非
接触式であるため、潤滑油を必要とすることなく、真空
用や宇宙用のリニアモータの支持機構にも適用可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例断面図、第２図は第１実施例側面図、第３図は永久磁石と空隙の磁気回路モデルを示す説明図
、第４図は磁気吸引力と積層形圧電効果素子発生力の釣り
合いを示すグラフ、第５図は浮上用永久磁石と推力発生用永久磁石の磁気吸
引力と動作空隙及び推力発生用ギャップとの関係を示す
グラフ、第６図は本発明の第２実施例概略構成図、第７図は本発
明の第３実施例概略構成図、第８図は本発明の第４実施
例概略構成図、第９図は従来例の一部破断正面図、第１０図は従来例側面図、第１１図は電磁石による磁気浮上の従来例模式図である
。 ■・・・固定子、４・・・可動子、５ａ〜２５ｄ・・・磁極、６・・・コイル、７・・・推力発生用永久磁石、８・・・ヨーク、９・・・推力発生用磁気回路、０・・・ベース、ｌ・・・浮上用永久磁石、２・・・ヨーク、３・・・可動台、４・・・積層形圧電効果素子、５・・・リニアガイド、６・・・容量式変位計、１・・・浮上用永久磁石、３・・・変位拡大機構、４・・・積層形圧電効果素子、５・・・浮上用兼推力発生用磁気回路、・・・積層形圧
電効果素子、・・・推力発生用磁気回路、・・・浮上用兼推力発生用磁気回路、・・・積層形圧電効果素子。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）永久磁石又はコイルによる少なくとも１個の起磁
力源を含む推力発生用磁気回路（２９）を有し、磁気力
又は電流力によって可動子（２４）が固定子（２１）上
を直進する推力を得るリニアモータにおいて、前記推力発生用磁気回路（２９）をベース（３０）に取
り付け、該推力発生用磁気回路（２４）の反対側に固定子（２１
）に対向して動作空隙（Ｇ２）を隔てて浮上用永久磁石
（３１）を設け、該浮上用永久磁石（３１）を積層形圧電効果素子（３４
）を介して前記ベース（３０）に取り付けたことを特徴
とするリニアモータの支持機構。
（２）前記可動子（２４）と固定子（２１）との間の推
力発生用ギャップ（Ｇ１）の変化を検出する検出手段（
３６）を設け、該検出手段の検出値に基づいて前記積層
形圧電効果素子（３４）に印加する電圧を変化させる制
御手段（３７）を設けたことを特徴とする請求項１記載
のリニアモータの支持機構。
（３）積層形圧電効果素子（４４）と浮上用永久磁石（
４１）との間に変位拡大機構（４３）を設けたことを特
徴とする請求項１又は２記載のリニアモータの支持機構
。