(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状部材の中空部に、磁化方向が同じ２個の永久磁石を、所定の厚さのスペーサを介して同磁極を対向させ密着させて成る磁石体を、交互に異磁極同士となるよう複数密着させて、直列状に配置した磁石体列から構成された界磁ヨークと、
前記磁石体列と磁気的空隙を介して対向配置された電機子コイルを有する電機子と、
前記磁石体列の端部または途中に配設され、前記磁石体列の磁気特性を変化せしめる磁気特性急変部と、
前記磁石体列を磁気スケール部として構成され、２個の前記磁石体間の長さを前記磁気スケール部のスケールピッチとして設定されるとともに、前記電機子の長手方向に設けられ、互いに電気角で位相を９０°（スケールピッチの１／４波長に相当）ずらして配置された複数個の第１の磁気検出器のうち、スケールヘッド端部側の第１の磁気検出器から電気角で位相を１８０°（スケールピッチの１／２波長に相当）ずらして配置された第２の磁気検出器を有した位置検出用の磁気式リニアエンコーダとを有し、
前記磁気特性急変部は、前記第１の磁気検出器と第２の磁気検出器とから合成される信号が、所定の閾値を超える程度に、前記磁石列の磁気特性を変化させ、
前記界磁ヨークと前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記磁気式リニアエンコーダのスケールヘッドを前記電機子側に備え、前記界磁ヨークと前記電機子を相対的に直線走行するようにしたことを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
前記永久磁石の外径Ｄと、前記永久磁石の磁化方向の長さ及び前記スペーサの厚さの合成長さＬとの比Ｄ／Ｌが、０．３以上であることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
【請求項３】
前記スペーサの厚さｔと、前記永久磁石の磁化方向の長さ及び前記スペーサの厚さの合成長さＬとの比ｔ／Ｌが、０．００５乃至０．５の範囲であることを特徴とする請求項１または２記載のリニアモータ。
【請求項４】
前記円筒状部材は、ｍ（但し、ｍは１．０より大きく、２．０以下）の比透磁率を有する材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリニアモータ。
【請求項５】
前記スペーサの厚さが、前記円筒状部材の板厚より大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリニアモータ。
【請求項６】
前記スペーサは、比透磁率ｎ（但し、ｎは、ｍより０．５以上大きい値）を有する部材或いは磁性体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のリニアモータ。
【請求項７】
前記スペーサの比透磁率ｎが１．５以上であることを特徴とする請求項６に記載のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリニアモータに関し、特に高速繰返し位置決め手段として有用な直線並進運動するリニアモータの改善に関し説明する。
【背景技術】
【０００２】
従来、搬送装置等の分野で、一定速送り或いは高速位置決め送りの駆動源としてリニアモータが用いられている。ところで、複数の磁石を円筒状部材内に直列配置した固定子と、この固定子の外周面に対向配置され移動可能な可動子とから成るリニアモータに関し、使用する磁石の総設置数を、相互に間隔Ｋを設けて配置することにより、コスト低減と軽量化を達成すると共に、リニアモータの速度リップルを改善する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、上記複数の磁石を直列状に配置して収納する円筒状部材（スリーブ材）に、２．０よりも大きい比透磁率を有する材料を選択することにより、モータ推力を増大させると共に、耐磨耗特性を高めたリニアモータ技術が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００５−２３７１６５号公報
【特許文献２】特表２００５−５２５７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかるに、搬送装置、特に、高速搬送装置の動力源としてリニアモータを使用する場合には、少しでも移動時間を短縮したいため、極力モータ推力を増大させたい要求がある。
【０００５】
そこで、特許文献１において提案されている磁石の間隔Ｋについて検討すると、速度及び推力に関し、隣り合う磁石同士を密着させた場合と性能的に遜色なくなる間隔Ｋは、概ね、磁石の軸方向の長さＬの１０％以下としたものが好適であるとされている。さらに、速度性能的にはやや劣るが、リニアモータの推力性能的に大きな問題はないとされる間隔Ｋについて、概ね、磁石の軸方向の長さＬの３０％以下と記載されている。
【０００６】
しかし、磁石間の間隔Ｋを制御しても改善されるのは、速度リップルであり、推力増加について提案されたものではなかった。
【０００７】
また、一般的に、比透磁率の大きな材料ほど、より錆び易くなる傾向にある。そのため、特許文献２において提案されているリニアモータが水分と接触し易い環境で使用され、屋外で使用される場合には、比透磁率の大きな材料ほど、リニアモータを含めた搬送装置の寿命を著しく短縮させ、装置の信頼性を著しく損なうという問題点がある。
【０００８】
本発明は上述のような事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、広範な使用環境に適応し、電機子コイルに鎖交する有効磁束密度を高めて、モータ推力を向上させたリニアモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、円筒状部材の中空部に、磁化方向が同じ２個の永久磁石を、所定の厚さのスペーサを介して同磁極を対向させ密着させて成る磁石体を、交互に異磁極同士となるよう複数密着させて、直列状に配置した磁石体列から構成された界磁ヨークと、
前記磁石体列と磁気的空隙を介して対向配置された電機子コイルを有する電機子と、
前記磁石体列の端部または途中に配設され、前記磁石体列の磁気特性を変化せしめる磁気特性急変部と、
前記磁石体列を磁気スケール部として構成され、２個の前記磁石体間の長さを前記磁気スケール部のスケールピッチとして設定されるとともに、前記電機子の長手方向に設けられ、互いに電気角で位相を９０°（スケールピッチの１／４波長に相当）ずらして配置された複数個の第１の磁気検出器のうち、スケールヘッド端部側の第１の磁気検出器から電気角で位相を１８０°（スケールピッチの１／２波長に相当）ずらして配置された第２の磁気検出器を有した位置検出用の磁気式リニアエンコーダとを有し、
前記磁気特性急変部は、前記第１の磁気検出器と第２の磁気検出器とから合成される信号が、所定の閾値を超える程度に、前記磁石列の磁気特性を変化させ、
前記界磁ヨークと前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記磁気式リニアエンコーダのスケールヘッドを前記電機子側に備え、前記界磁ヨークと前記電機子を相対的に直線走行するようにしたことを特徴とするリニアモータが提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、広範な使用環境に適応し、電機子コイルに鎖交する有効磁束密度を高めて、モータ推力の高いリニアモータが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。本発明に係るリニアモータでは、界磁ヨークと電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として、界磁ヨークと電機子を相対的に直線走行させるものである。以下に述べる実施形態では、説明の便宜上、界磁ヨークを固定子に、電機子を可動子としているが、本発明は、これら実施形態に限定して解釈されるものではない。
【００１３】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明を実施する磁気式リニアエンコーダを採用したリニアモータの概略構成を示す正面図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａでの断面図である。
【００１４】
図１、図２に示すように、リニアモータ１は、ベースとなるベース部２とリニアモータ１の直線方向の移動をガイドするためのリニアガイド３を備えている。リニアガイド３は、ベース部２に取り付けられるガイドレール３Ａと、ガイドレール３Ａ上をスライドするスライダ３Ｂから構成されている。スライダ３Ｂの上面には、例えば、リニアモータ１を適用する機械や装置を取り付けるためのテーブル３Ｃが載置されている。
【００１５】
ベース部２には、リニアモータ１の固定子（固定部）を構成し、界磁を発生させる界磁ヨーク４が配設されている。界磁ヨーク４は、円筒状部材（スリーブ）６と円筒状部材６の中空内部に挿入された円柱状の永久磁石８を密着させた磁石列から構成されている。複数の永久磁石８は、それぞれが同一の形状、寸法を備える部材である。各永久磁石８は、円筒状部材６の長手方向に磁化されている。磁石列は、隣り合う永久磁石８を同じ磁極（Ｎ極−Ｎ極、または、Ｓ極−Ｓ極同士）を相互に対向させて、且つ、密着させた状態で、複数並べて構成されている。リニアモータ１の移動方向の長さ、すなわち、最大移動距離は、並べられた永久磁石８の磁石列の長さに可動子の長さを引いたものである。
【００１６】
磁石の種別としては、ネオジム系が好適である。尚、永久磁石８は、円柱状、すなわち中実のものに限られることなく、例えば円筒形のものであってもよい。このように、永久磁石８の同じ磁極が、相互に密着対向配置されているので、非常に強力な反発力が発生する。かかる永久磁石８の磁気特性をシミュレーションにより求めると、図８に示すようになる。図８は、合成磁界の空間分布特性を示すもので、横軸方向は円筒状部材６の軸方向距離を、縦軸方向は同極磁石を密着させた場合の合成磁界を表わしている。円筒状部材６の半径方向に形成され、円筒状部材６の表面に垂直に出入りする磁束成分が、空隙を介して対向配置された電機子コイル１２に対し有効磁束となる。ところが、本発明の実施形態に係るリニアモータ１では、同極同士の磁束が密着面でぶつかり合っているので、磁石外周部の磁束と比較すると、磁石中心に近い磁束は、あらゆる方向から相手磁石の発生する磁界の影響を受けている。このため、磁石中心に近い磁束は、相手磁石と反対方向に相互の反発により折り曲げられる。その結果、折り曲げられた成分だけ円筒状部材６の半径方向からずれて円筒表面から出入りすることになり、電機子コイル１２に対する有効磁束が減少することが推察できる。
【００１７】
円筒状部材６は、非磁性体で構成し、その比透磁率は、２．０以下が好ましい。円筒状部材６を磁性体で構成すると、磁束のほとんどが永久磁石8列→円筒状部材6→永久磁石8列で構成される磁気回路を流れ、電機子コイル１２に達する有効磁束が減少するためである。
【００１８】
リニアモータ１の可動子（可動部）１０には、円筒状部材６を挿通する挿通孔が形成されており、円筒状部材６の長手方向に可動可能に構成されている。可動子１０は、電機子、電機子を収容する筐体、筐体に取り付けられる磁気式リニアエンコーダ（リニアセンサ）で構成されている。電機子には、３相の電機子コイル１２が装着されている。
【００１９】
図３は、リニアモータ１の側面から見た概略図で、図６は、図３の一部の拡大図である。磁気式リニアエンコーダでは、可動子の位置検出のための磁極パターンを形成するための磁気スケール部と、磁気スケール部の磁極パターンを検出するスケールヘッドを備えている。図３に示すように、本実施形態においては、磁気スケール部とスケールヘッドを、それぞれ個別にベース部２等に配設することなく、リニアモータ１の界磁ヨーク４に使用する永久磁石８列が、磁気式リニアエンコーダ１６の被検出体である磁気スケール部１９を兼用するように構成されている。更に、図３及び図６に示すように、２つの永久磁石８を密着させた構成したときの長さＬｐが、磁気スケール部１９のスケールピッチＬｐとなるように構成されている。尚、それぞれの永久磁石８に寸法上のバラツキが存在する場合には、バラツキによる影響を解消するため、所望の補正を行うことができる。この補正の手法については、本発明の本旨ではないので、ここでは詳述しない。
【００２０】
可動子１０側、すなわち電機子コイル１２の一端部で、リニアモータ１の原点側に、磁気式リニアエンコーダ１６のスケールヘッド１８が装着されている。ここで、原点側とは、リニアモータ１が現在位置から移動するとき、位置を表わす情報量が増大する方向は原点から離れ、減少する方向は原点に近づくことを意味している。尚、スケールヘッド１８の装着位置は、上記に限らず、例えば可動子１０の中心位置に装着させてもよい。
【００２１】
磁気式リニアエンコーダ１６は、固定子の永久磁石８列（から）の磁束を検出するため、２個の第１の磁気検出部１４を備えている。それぞれの第１の磁気検出部１４は互いに電気角で９０°位相差（スケールピッチＬｐの１／４波長に相当）をもつように配置され、その出力信号は２相となる。これにより、リニアモータ１の電気角とリニアモータ１の進行方向を検出することが可能となっている。
【００２２】
これら第１の磁気検出部１４からは、スケールヘッド１８の現在の位置情報の元となる２相正弦波のアナログ信号ｄａ，ｄｂが出力される。これら第１の磁気検出部１４としては、磁気を直線的に電気信号に変換できるホール素子が好適である。さらに、磁気式リニアエンコーダ１６には、磁気特性急変部３２（後述する）の磁気特性急変位置を検知するため、磁気特性急変位置検知部２２が、電機子の長手方向にスケールヘッド１８内に設けられている。磁気特性急変位置検知部２２は、第１の磁気検出部１４からの信号及び第２の磁気検出部２０からの信号を処理・判定するものである。
【００２３】
第２の磁気検出部２０は、第１の磁気検出部１４に対して、電気角で位相が１８０°（スケールピッチＬｐの１／２波長に相当）ずれるように、リニアモータ１の移動方向に配置されている。第２の磁気検出部２０からは、正弦波のアナログ信号ｄｃが出力される。第２の磁気検出部２０としては、磁気を直線的に電気信号に変換できるホール素子が好適である。
【００２４】
磁気特性急変位置検知部２２は、例えば、第２の磁気検出部２０の出力信号ｄｃと、Ｌｐ／２波長分、位置がずれている方の第１の磁気検出部１４（図６参照）の出力信号ｄａを加算する加算回路（図示しない）と、その加算結果から磁気特性急変位置を判定するためのコンパレータ（図示しない）で構成することができる。
【００２５】
２個の第１の磁気検出部１４から出力されるアナログ信号ｄａ，ｄｂ及び第２の磁気検出部２０から出力されるアナログ信号ｄｃの波形を、界磁ヨーク４に沿って示すと、図４のようになる。図４において、縦軸方向は磁束密度Ｂｒ、横軸方向はスケールヘッド１８の位置を表わしており、縦軸方向はその位置における永久磁石８列からの有効磁束の磁束密度Ｂｒを表わしていることになる。さらに、原点周辺の第１の磁気検出部１４から出力されるアナログ信号ｄａ，ｄｂ波形を部分拡大すると、図７（ａ）のようになる。
【００２６】
次に、本発明の実施形態に係るリニアモータ１のドライブシステム５０について説明する。図１０はドライブシステムの構成例を示すブロック図である。図１０に示すように、このドライブシステム５０は、モータ駆動制御装置（サーボドライバ）３０、磁気特性急変位置検知部２２、位置情報変換器２８、書込み可能なメモリ等である固定記憶部３１から構成されている。第１の磁気検出部１４から出力される２相正弦波のアナログ信号ｄａ，ｄｂを入力して位置データに変換する位置情報変換器２８と、外部からリニアモータ１に対して指示される位置指令（図示しない）と位置情報変換器２８で得られたスケールヘッド１８の現在位置の信号ｐｏｓによって、電機子コイル１２に対する電流指令を演算するモータ駆動制御装置３０とを接続している。
【００２７】
モータ駆動制御装置（サーボドライバ）３０は、例えば中央演算装置（またはマイクロプロセッサ）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力回路、及び電力増幅器等で構成される。
【００２８】
第１の磁気検出部１４からの磁気信号に基づいて、コイルに流す電流を制御しながらリニアモータ１を駆動制御する。
【００２９】
位置情報変換器２８は、電機子コイル１２の端部に取付けられたスケールヘッド１８から読み取った可動子１０の現在位置を示すアナログ信号、すなわち第１の磁気検出部１４から出力される２相正弦波のアナログ信号ｄａ，ｄｂを入力し、位置データに変換する。この位置情報変換器２８は、位置変換器であると共に、スケールヘッド１８の現在位置を表わす位置カウンタでもある。位置情報変換器２８は、原点復帰が完了した時にモータ駆動制御装置３０から出力されるリセット信号ｒｓｔ信号を受け取り、位置カウンタとしての値をゼロにする。
【００３０】
モータ駆動制御装置３０は、スケールヘッド１８の現在位置の情報ｐｏｓに基づき電流指令を演算し、制御電流を給電線（図示しない）を介して可動子に送り、可動子の目標位置及び移動速度を制御する。
【００３１】
尚、上記した説明では、位置情報変換器２８は、ドライブシステム５０の１構成要素として独立したものとしたが、これに限ることはなく、磁気式リニアエンコーダ１６の内部に配設してもよい。磁気式リニアエンコーダ１６を、モータ駆動制御装置３０の１構成要素として、その内部に配設してもよい。また、逆にモータ駆動制御装置３０を、磁気式リニアエンコーダ１６の１構成要素として、その内部に配設してもよい。
【００３２】
磁気特性急変位置検知部２２は、第1の磁気検出部１４から出力されるアナログ信号ｄａ及び第２の磁気検出部２０から出力されるアナログ信号ｄｃを入力して、両信号を加算演算する。
【００３３】
アナログ信号ｄａとアナログ信号ｄｃは位相が１８０度ずれていることから、ｄａ≒−ｄｃの関係にある。したがって、両者を加算すると、相互に打ち消しあい、永久磁石８列が密着している箇所では、加算信号ａｃの大きさはゼロに近いものとなる。ゼロとならないのは、個々の永久磁石８の磁気特性や形状、第1の磁気検出部１４、第２の磁気検出部２０にバラツキが存在するからである。
【００３４】
そして、この加算信号ａｃの大きさを処理（例えば、閾値処理）して、磁気特性急変位置を検知する。そして、磁気特性急変位置では、ｄａ≒−ｄｃの関係が崩れるため、ｄａ+ｄｃは大きな出力信号になる。この加算信号ａｃ、すなわち合成センサ出力が、界磁ヨーク４の全体に亘ってどのように変化するかを示すと、図５のようになる。また、原点周辺での加算信号ａｃの波形を拡大すると、図７（ｂ）のようになる。上述した閾値処理に応じて、磁気特性急変位置検知部２２は、磁気特性急変位置検知信号ｄｔｈ及び、オーバーラン信号ｄｏｖをモータ駆動制御装置３０に出力している。また、上述した閾値処理は、当該リニアモータが適用される搬送装置に要求される精度に応じて、適宜、設定することができる。
【００３５】
尚、磁気特性急変位置検知部２２は、磁気式リニアエンコーダ１６の１構成要素として、その内部に配設してもよい。更に、磁気式リニアエンコーダ16を、モータ駆動制御装置３０の１構成要素として、その内部に配設することは可能であるから、磁気特性急変位置検知部２２は、モータ駆動制御装置３０の内部に配設することも可能である。
【００３６】
＜磁気特性急変部＞
本発明の実施形態に係るリニアモータでは、図３に示すように、複数の永久磁石８を密着して配列した両端部に、磁気特性急変部３２が、界磁ヨーク４の一部として設けられている。尚、図３中、左端に設けられる磁気特性急変部３２は、リニアモータの原点位置検出用に利用され、右端に設けられる磁気特性急変部３２は、オーバーラン位置検出用として利用される。
【００３７】
磁気特性急変部３２は、非磁性体で構成しても磁性体で構成してもよい。尚、比透磁率ｒが５０以上の材料が好ましく、比透磁率ｒが１００以上の材料であれば更に好ましく、比透磁率ｒが１００００以上の材料が最も好適である。
【００３８】
また、磁気特性急変部３２の材質としては、例えば、アルミニウム合金、銅合金、非磁性ステンレス鋼（例えば、SUS304）等の非磁性材料が利用可能である。更に、比透磁率が高い磁性体材料として、磁性ステンレス鋼、軟鋼、珪素鉄ＢＦＭ、炭素鋼、または低炭素鋼等の利用がより好ましい。
【００３９】
磁気特性急変部３２のリニアモータ１の移動方向の厚さ（長さ）は、1個の永久磁石８の磁化方向の長さより短いものも利用可能であるが、永久磁石８の磁化方向の長さより長いものが好ましい。磁気特性急変位置検知部２２によって安定的に磁気特性急変位置を検知するためである。磁気特性急変部３２は、円筒状部材６の内径と略同じ大きさの外径を有し、外周部に接着剤を塗布した後、円筒状部材６の一端から圧入し、または、カシメにて、円筒状部材６に固定もしくは固着するのが好ましい。
【００４０】
仮に、永久磁石８列の端部に磁気特性急変部３２を配設することなく、空隙とした場合、端部を出た磁束は、直ぐに端部に位置する永久磁石８自身の異極に戻ろうとする。これに対して、永久磁石８列の端部に磁気特性急変部３２を配設した場合には、端部を出た磁束は、磁気特性急変部３２を通り端部に位置する永久磁石８自身の異極に戻ろうとする。しかも、磁気特性急変部３２の材料を高い比透磁率のものとすれば、端部を出た磁束の描くループはより顕著なものとなる。
【００４１】
しかも、磁気検出器は、それと直交する磁束に対しては、大きく反応する。
【００４２】
すなわち、図３に示す永久磁石８列と磁気特性急変部３２の配列、及び、図５に示す合成センサ出力ａｃの波形から明らかなように、可動子１０の移動指令に基づく移動方向Ｘと、合成センサ出力ａｃの出力信号を両方とも監視することにより、可動子１０のオーバーランが発生した場合、その検知が可能である。図３に示す永久磁石８列の左端部または右端部において、可動子１０のオーバーランが発生した場合、図５に示すように、合成センサ出力ａｃの出力が急に大きくなることがわかる。そこで、変化磁気特性急変位置検知部２２により、合成センサ出力ａｃの出力が所定の大きさより大きく変化した状態を閾値処理することにより、可動子１０のオーバーラン状態を検知することが可能である。ここでの、閾値処理は、例えば当該リニアモータが適用される搬送装置に要求される精度に応じて、適宜、設定することができる。
【００４３】
このようにして、通常の運転制御中、可動子１０が図３の右端において右方向に移動中、磁気特性急変位置検知部２２により、図５に示す右端位置ｘ４を閾値処理により検知した場合、この位置ｘ４を、可動子１０の右端部オーバーラン状態の検知に利用可能である。同様の処理により、通常の運転制御中、可動子１０が図３の左端において左方向に移動中、原点設定基準位置ｘ１（後述する）を閾値処理により検知した場合、この位置を、可動子１０の左端部オーバーラン状態の検知に利用可能である。リニアモータにおいては、原点位置の確立が容易になされることが望まれる。そこで、参考までに、原点設定処理中の可動子に対する運転指令の一例を図７（ｃ）に示す。ここでは、原点位置の確立については本願発明の趣旨からずれるので詳述しない。
【００４４】
図３、図６に示すように、磁気特性急変部３２として、円筒状部材６の内部に永久磁石８と略同じ大きさの直径を有する中実の非磁性ステンレス鋼のSUS304（比透磁率１．０００８）を使用した場合のアナログ信号の加算信号ａｃを、図１１の曲線ｇａに示す。図１１において、横軸はスケールヘッドの位置を表わし、縦軸は合成センサ出力信号の大きさを表わしている。
【００４５】
ここで、磁気特性急変部の変形例を説明する。図１３に示す磁気特性急変部３２ｂは、比透磁率ｒ＝１００００の高比透磁率磁性体３３で、その直径が永久磁石８の半分の大きさのものを軸心部に使用し、その外側に非磁性ステンレス鋼（SUS304）３４を使用したものである。このように磁気特性急変部３２ｂを構成した場合のアナログ信号の加算信号ａｃを、図１１の曲線ｇｂに示す。
【００４６】
更に、図１４に示す磁気特性急変部３２ｃは、比透磁率ｒ＝１００００の高比透磁率磁性体で、その直径が永久磁石８と同一の大きさのものを使用したものである。この変形例のアナログ信号の加算信号ａｃを、図１１の曲線ｇｃに示す。図１１に示される磁気特性曲線群ｇａ〜ｇｃから、磁気特性急変部の材質としては、非磁性体または磁性体の何れの材料でも利用可能なことが理解できる。
【００４７】
以上のことを踏まえて、磁気特性急変部の材質を変えたときの磁気特性について、発明者らの行ったシミュレーション結果を示すと図１２のようになる。図１２に示すシミュレーション結果から、少なくとも比透磁率ｒが５０以上の磁性体を含む材料を利用するのが好ましく、比透磁率ｒが１００以上の磁性体を含む材料を利用するのがより好ましく、比透磁率ｒが１００００以上の磁性体を含む材料を利用するのが更に好ましいことが理解できる。
【００４８】
また、磁気特性急変部の位置については、上記した実施形態に限られることはなく、いくつかのバリエーションが可能であることは言うまでもない。例えば、磁石列の端部側ではなく、界磁ヨークの途中に磁気特性急変部を配設することができる。さらに、磁気特性急変部を磁石列の端部側と界磁ヨークの途中にと、複数個所に配設することもできる。
【００４９】
本実施形態によれば、比透磁率が小さな円筒状部材の中空部に、複数の永久磁石を同一磁極を対向して密着させ、直列状に配設しているので、モータ推力の強いリニアモータが得られる。また、リニアエンコーダのリニアスケール部品としてリニアモータの一部である永久磁石列を利用して兼用させているので、光学式エンコーダで発生する塵芥や汚れの付着による検出感度低下がなく、耐環境性に優れたリニアモータを実現できる。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。図１５に示されるリニアモータ１ａの構成は、第１の実施形態におけるリニアモータ１の構成とは、以下の諸点が異なっている。
【００５１】
この実施形態では、同じ磁極（Ｎ極−Ｎ極、または、Ｓ極−Ｓ極同士）を対向、且つ、密着させる永久磁石の配列組立て作業を改善すると共に、電機子コイルに鎖交する有効磁束が、第１の実施形態におけるリニアモータ１よりも大きくなるように配置し、推力をより向上させたリニアモータである。
【００５２】
一般的に、リニアモータの界磁用永久磁石８として希土類磁石でネオジム系磁石を使用した場合、非常に強力な磁界を発生できる。図８に示すように、非磁性体の円筒状部材６の中空部内に、円柱形状のネオジム系磁石８の同じ磁極を対向させ、且つ、密着させて設置した状態で組立てる場合、同一磁極の磁石が対向しているので、非常に強力な反発力が発生する。そのため、相互に強力な反発力で離間しようとしている物体同士を密着させ接合する組立て作業は、非常な困難を伴う。
【００５３】
また、リニアモータの推力となる永久磁石の有効磁界成分は、磁気抵抗の大きな空隙空中部を透過して電機子コイルに到達するよりは、磁気抵抗の小さい円筒状部材６の内部により多く透過する。図９に示すように、高比透磁率の円筒状部材６を使用して、その中空部に磁石列を収納した場合、リニアモータの推力は、大きな比透磁率ｍを有する円筒状部材６を使用すると、小さな比透磁率ｍを有する円筒状部材６と比較して低下することが理解できる。したがって、円筒状部材６は、非磁性体で構成し、その比透磁率は２．０以下が好ましい。
【００５４】
図１５に示すように、同一の形状、寸法を備え、円筒状部材６の長手方向に磁化させた２個の永久磁石８を、同じ磁極を対向させると共に、所定の厚さを有するスペーサ３６をこれら永久磁石８の間に介挿し、密着させて１組の磁石体３８を形成している。スペーサ３６は、比透磁率ｎ（但し、ｎは、１．５以上）を有する部材で構成し、磁性体であってもよい。
【００５５】
上記磁石体３８を、中空部を有する円筒状部材６内に、複数個、隣り合わせに並べて直列状に配置する。円筒状部材６内に配置された複数個の磁石体３８は、互いに隣り合う磁石体３８の端部の永久磁石８が、相互に異なる磁極を対向して密着し、界磁ヨーク４を構成する。
【００５６】
スペーサ３６の厚さは、円筒状部材６の板厚よりも厚いものが好ましい。スペーサ３６の比透磁率ｎは、円筒状部材６の比透磁率ｍよりも、０．５以上大きいものが好ましい。尚、スペーサ３６の比透磁率ｎが、円筒状部材６の比透磁率ｍより１０以上大きいとより好ましく、比透磁率ｎが、円筒状部材６の比透磁率ｍより５０以上大きいと更に好ましく、比透磁率ｎが、円筒状部材６の比透磁率ｍより１００以上大きいと一段と好ましい。即ち、スペーサ３６の比透磁率ｎが、円筒状部材６の比透磁率ｍより大きければ大きい部材ほど、磁石体３８を構成する各永久磁石８の端部から電機子コイル１２に向けて、より有効な磁束を空中に供給でき、リニアモータ１ａの推力を増強する効果が期待できる。
【００５７】
かかる構成のリニアモータ１ａでは、磁石体３８が、リニアモータ１ａの界磁と磁気式リニアエンコーダ１６ａの被検出体である磁気スケール部１９ａを兼用して構成している。図１５に示すように、スペーサ３６の両面にＮ極永久磁石８を密着させ配置した磁石体３８と、スペーサ３６の両面にＳ極永久磁石８を密着させ配置した磁石体３８をペアとし、異なる磁極面同士で対向させて密着させて構成したときの長さＬｑが、磁気スケール部１９ａの基本単位となる。従って、磁気スケール部１９ａのスケールピッチは、Ｌｑとなる。
【００５８】
また、図１５に示すように、複数の磁石体３８が直列に配設された左右両端部に、磁石体３８の磁気特性を急激に変化せしめる磁気特性急変部３２ｃが配設されている。この磁気特性急変部３２ｃは、比透磁率ｒが１００以上、より好ましくは、１００００以上の磁性体が好適である。磁気特性急変部３２ｃは、第１の実施形態と同様に、原点またはオーバーラン点の検出用に設けられている。
【００５９】
リニアモータ１ａの可動子（可動部）１０には、円筒状部材６を挿通する挿通孔が形成されており、円筒状部材６の長手方向に可動可能に構成されている。可動子１０は、電機子、電機子を収容する筐体、筐体に取り付けられる磁気式リニアエンコーダ１６ａ（リニアセンサ）で構成されている。また、磁気式リニアエンコーダ１６ａの磁気スケール部１９ａが、界磁ヨーク４で兼用されているのは、第１の実施形態と同様である。電機子には、３相の電機子コイル１２が装着されている。
【００６０】
磁気式リニアエンコーダ１６ａのスケールヘッド１８ａは、電機子コイル１２に隣接して電機子の長手方向（図１５においてＸ方向）に沿って設けられ、相互に電気角で位相が９０°（スケールピッチＬｑの１／４波長に相当）ずれるようにした第１の磁気検出部１４を２個配置して構成されている。これにより、リニアモータの電気角とリニアモータの進行方向を検出することが可能となっている。更に、可動子側に、第１の磁気検出部１４から電気角で位相が１８０°（スケールピッチＬｑの１／２波長に相当）ずれるようにした第２の磁気検出部２０が配置されている。
【００６１】
磁気式リニアエンコーダ１６ａでは、第１の磁気検出部１４から出力される２相正弦波のアナログ信号ｄａ，ｄｂを演算処理して現在位置信号を生成する。さらに、第１の磁気検出部１４から出力されるアナログ信号ｄａと第２の磁気検出部２０から出力されるアナログ信号ｄｃを加算演算し、例えば閾値処理して磁気特性急変位置を検知する、磁気特性急変位置検知部２２がスケールヘッド１８ａ内に設けられている。
【００６２】
しかして、磁気式リニアエンコーダ１６と磁気式リニアエンコーダ１６ａとを比較すると、リニアエンコーダのリニアスケールのスケールピッチがＬｐからＬｑに変更されるだけで、その動作は、第１の実施形態の場合とまったく同様である。
【００６３】
本実施形態に係るリニアモータ１ａでは、第１の実施形態における永久磁石の配列に比べ、その永久磁石の配列が、複雑な構成となっている。そのため、電機子コイル１２が移動する空間部分の磁界分布（磁気プロファイル）も複雑に変化する。そこで、リニアモータ１ａをより精密に制御し、より振動を低減させた状態で高速に加減速制御するために、予め、磁気スケール部１９ａの左端から右端まで走査し、リニアモータ１ａの磁石体３８の磁気プロファイルを作成して、モータ制御装置３０内に設けられたバッテリーバックアップしたＲＡＭや再書込み可能な固定記憶部３１等に、記憶・保存させておくことが好ましい。
【００６４】
磁石体３８の磁気プロファイルの作成について説明する。図１６は、磁気プロファイルの作成に使用されるシステムの構成を示す概略図である。リニアモータ１ａの組立てが完了した時点で、予めリニアモータ１ａと並設して、レーザー測距計や精密な磁気式リニアスケール等の絶対位置計測器４４−４６を設置し、可動子１０と４４とを、連結子４２により連結しておく。パーソナル・コンピュータ等の制御装置４８により、リニアモータ１ａの左端から右端まで、所定の間隔で、絶対位置と共に、磁束密度等を測定する。かかる磁気プロファイル・データを、適当な圧縮手法を用いて圧縮する。圧縮手法としては、例えば磁気プロファイル・データをフーリエ変換してその係数だけを記憶する手法が好適である。圧縮データを制御装置４８からモータ駆動制御装置３０に転送し、再書込み可能ＲＯＭ等に記憶する。尚、図１６に示すように、界磁ヨークはクランプ金具４０で固定することができる。
【００６５】
次に、２種類の磁石体３８が交互に密着されている磁石体３８の左右端部について、変形例を説明する。図１５の左端部に示す構成の場合には、磁気式リニアエンコーダ１６ａ及び磁気特性急変位置検知部３２ｃにより、図７（ａ）と同様に、例えばＡ相アナログ信号のゼロクロス位置ｈｐＡを原点とすることが出来る。図１７の左端部に示す磁石体３８の左端に更に永久磁石８のＳ極を密着させた構成の場合には、磁気式リニアエンコーダ１６ａ及び磁気特性急変位置検知部３２ｃにより、図１８に示すように、例えばＢ相アナログ信号のゼロクロス位置ｈｐＢを原点とすることが出来る。また、図１９の左端部に示す磁石体３８の左端が永久磁石８のＳ極の構成の場合には、磁気式リニアエンコーダ１６ａ及び磁気特性急変位置検知部３２ｃにより、図２０に示すように、例えばＡ相アナログ信号のゼロクロス位置ｈｐＣを原点とすることが出来る。また、図２１の左端部に示す磁石体３８の左端に更に永久磁石８のＮ極を密着させた構成の場合には、磁気式リニアエンコーダ１６ａ及び磁気特性急変位置検知部３２ｃにより、図２２に示すように、例えばＢ相アナログ信号のゼロクロス位置ｈｐＤを原点とすることが出来る。いずれも、ゼロクロス点を利用することのメリットは、磁石が発生する磁束の大小関係なく同じ位置にあるので、閾値が磁石に関係なく固定でき、設定が容易であるからである。さらに、数あるゼロクロス点の中でもｈｐＡ〜ｈｐＤを利用するのは、これらｈｐＡ〜ｈｐＤの位置付近から磁束が安定し推力も安定して出せるためである。
【００６６】
本発明者らは、磁石体３８を構成する永久磁石８及びスペーサ３６の形状と寸法関係が、永久磁石外周空間の磁界分布にどのように影響を与えるか検討した。まず、図２３に示すように、永久磁石８の磁化方向の長さＬ１とスペーサ３６の軸方向の長さｔを合成した長さをＬ＝Ｌ１＋ｔとし、永久磁石８の外径をＤとする。
【００６７】
永久磁石外周空間の磁界分布の変化を検討したところ、図２４に示すような特性図が得られた。図２４では、スペーサ３６の長さｔと合成長さＬとの比を演算して、横軸を正規化して示している。永久磁石８の外径Ｄと合成長さＬとの比Ｄ／Ｌの値を、種々、変化させた場合、例えば、スペーサ３６の相対比透磁率を１００とすると、図２４の縦軸に示すような磁束密度の増加率が計測できた。即ち、永久磁石８と永久磁石８の間にスペーサ３６を挿入し、その形状を適切に選択すると、永久磁石８の周辺外部の磁界を効果的に増加させることが可能であることがわかる。
【００６８】
図２４によれば、スペーサ３６の相対比透磁率が１００前後の場合、外径Ｄと合成長さＬとの比Ｄ／Ｌの値が０．１では、永久磁石８の周辺外部の磁界に、磁束密度の増加は観測できない。外径Ｄと合成長さＬとの比Ｄ／Ｌの値が０．３以上であれば、永久磁石８の形状及びスペーサ３６の長さｔを適切に選択すると、永久磁石８の周辺外部の磁界に、磁束密度の増加をもたらすことが可能である。特に、外径Ｄと合成長さＬとの比Ｄ／Ｌの値が１以上であれば、効果的に、永久磁石８の周辺外部の磁界に、磁束密度の増加をもたらすことが可能である。尚、スペーサ３６の比透磁率がより大きな部材を使用すると、より小さな外径Ｄと合成長さＬとの比Ｄ／Ｌの値に対しても、永久磁石８の周辺外部の磁界に、磁束密度の増加をもたらすことが可能である。
【００６９】
スペーサ３６の長さ（厚さ）ｔに関しては、合成長さＬとの比ｔ／Ｌが、図２４の横軸から、概ね、０．００５から０．３の範囲で、永久磁石８の周辺外部の磁界に、磁束密度の増加をもたらすことが可能であり、０．０１から０．２の範囲であれば、より好ましいことがわかる。
【００７０】
形状パラメータを、外径Ｄと合成長さＬとの比Ｄ／Ｌ＝１，スペーサ３６の長さｔと永久磁石８とスペーサ３６との合成長さＬとの比ｔ／Ｌ＝０．０５と設定し、更に、円筒状部材６の比透磁率を１．１に設定して、スペーサ３６の比透磁率を１．０から１００００の範囲で変化させ、円筒状部材６の外側で、半径方向に永久磁石８の外周面から３ｍｍの位置（電機子コイル１２の中心位置）における磁束密度の大きさをシミュレーションした。それによれば、図２５に示すような比透磁率の増加と共に、単調に磁束密度も増加する特性曲線が得られた。比透磁率が１．０の近くの変化を詳細に観察するため、その部分拡大図を図２６に示す。図２６によれば、スペーサ３６の比透磁率が１．４前後の値で、磁束密度増加率が１になっており、図２５から、スペーサ３６の比透磁率が１．５以上であれば、電機子コイル１２と鎖交する有効磁束の大きさを、１．０以上、即ち、実質的に、増大させることが可能であることが観察できる。
【００７１】
本実施形態によれば、永久磁石の同極端部の間に、比較的大きな比透磁率を有するスペーサを介挿して、２種類の磁石体３８を直列に密着させ、界磁ヨークを形成しているので、組立て作業が非常に容易である。また、スペーサを介挿しているので、永久磁石の使用量を削減できる。かかる永久磁石の使用量を削減しても、スペーサを介して、電機子コイルに効率的に有効磁束を供給できるので、モータ推力を向上させ、高速移動可能なリニアモータが得られる。
【００７２】
更に、磁石体の外周部を比透磁率が１．０から２．０以下の円筒状部材で被包・密封するので、永久磁石及び高比透磁率のスペーサが、水分と接触したり、酸化することが無く、非常に耐久性に優れたリニアモータが得られる。
【００７３】
尚、本発明は上記の実施形態のそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】第１の実施形態に係るリニアモータの概略構成を示す正面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａでの断面図である。
【図３】第１の実施形態に係るリニアモータの側面略図である。
【図４】第１の実施形態の第1の磁気検出部の出力波形である。
【図５】第１の実施形態の第２の磁気検出部の出力を加算した波形である。
【図６】第１の実施形態に係るリニアモータの原点周辺の部分拡大図である。
【図７】（ａ）は図６における第1の磁気検出部の出力波形の部分拡大図、（ｂ）は図６における第２の磁気検出部の出力を加算した波形の部分拡大図、（ｃ）は原点設定に際しての可動子に対する運転指令を示す参考図である。
【図８】同極磁石を対向かつ密着させた場合の合成磁界のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】同極磁石を対向かつ密着させると共に、高比透磁率の円筒部材を使用した場合の合成磁界のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係るリニアモータのドライブシステムの構成例を示すブロック図である。
【図１１】比透磁率に応じて変化する合成センサ出力を示す図である。
【図１２】比透磁率に応じて変化する合成センサ出力について行ったシミュレーション結果を示す図である。
【図１３】本発明の磁気特性急変部の別の構成例を示す図である。
【図１４】本発明の磁気特性急変部の別の構成例を示す図である。
【図１５】第２の実施形態にかかるリニアモータの構成を示す図である。
【図１６】磁気プロファイル計測システムの構成例を示す図である。
【図１７】永久磁石配列の別の端部構成例を示す図である。
【図１８】図１７に示す磁気検出部の出力波形を示す図である。
【図１９】永久磁石配列の別の端部構成例を示す図である。
【図２０】図１９に示す磁気検出部の出力波形を示す図である。
【図２１】永久磁石配列の別の端部構成例を示す図である。
【図２２】図２１に示す磁気検出部の出力波形を示す図である。
【図２３】永久磁石とスペーサの形状と寸法関係を説明するための図である。
【図２４】図２３におけるＤ／Ｌを変化させた場合の磁束密度の変化を示す図である。
【図２５】比透磁率と磁束密度増加率の関係を示す図である。
【図２６】比透磁率と磁束密度増加率の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１，１ａ・・・リニアモータ、４・・・界磁ヨーク、６・・・円筒状部材、８・・・永久磁石、１０・・・可動子、１２・・・電機子コイル、１４、２０・・・磁気検出部、１６，１６ａ・・・磁気式リニアエンコーダ、１８，１８ａ・・・スケールヘッド、１９，１９ａ・・・磁気スケール部、２２・・・磁気特性急変位置検知部、２８・・・位置情報変換器、３０・・・モータ駆動制御装置、３２、３２ｂ、３２ｃ・・・磁気特性急変部、３６・・・スペーサ、３８・・・磁石体、５０・・・ドライブシステム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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