(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互に異極になるように複数の永久磁石が列状に配列された界磁と、
前記界磁と空隙を介して対向するように配列された複数のティース、前記複数のティースを連結する継鉄部、前記複数のティースのそれぞれに挿入されたボビン、及び、前記ボビンに巻回された巻線を有する電機子と、を備え、
前記複数のティースは、その先端部で前記空隙を介して前記界磁と対向すると共に、その後端部で前記継鉄部に連結され、
前記複数のティースのうち両端に位置しないいずれかの非端部ティースは、両端に位置するティースよりも、前記界磁との間の空隙が大きくなるように配置され、
前記複数のティースのすべて、又は前記非端部ティースの前記先端部近傍における断面積は、そのティースの前記後端部近傍における断面積よりも小さく、
前記複数のティースのすべて、又は前記非端部ティースが、前記後端部から前記先端部までのいずれかの位置において、断面積が急峻に変化する段付き部を有しており、
前記ボビンは、前記ティースに対して前記段付き部よりも後端部側に挿入され、かつ、前記段付き部よりも前端部側と嵌合しない、リニアモータ。
【請求項２】
前記後端部から前記段付き部までの長さが、前記後端部から前記先端部までの長さの１／６以上かつ２／３以下の範囲である、請求項１に記載のリニアモータ。
【請求項３】
前記後端部から前記段付き部までの長さが、該段付き部を有する複数のティースにおいて同一である、請求項１又は請求項２に記載のリニアモータ。
【請求項４】
前記非端部ティースは、前記両端に位置するティースよりも、前記後端部から前記先端部までの長さが短い、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のリニアモータ。
【請求項５】
前記非端部ティースにおける先端部の断面積は、前記両端に位置するティースにおける先端部の断面積よりも小さい、請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のリニアモータ。
【請求項６】
前記複数のティースの後端部における形状が同一である、請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載のリニアモータ。
【請求項７】
前記非端部ティースにおける先端部の端面が、曲面である、請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載のリニアモータ。
【請求項８】
前記複数のティースの総個数は３個である、請求項１から請求項７のいずれか１項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、リニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造装置や工作機器等におけるテーブル送りにリニアモータが用いられている。リニアモータは、複数個の永久磁石が直線状に配列された界磁と、界磁と対向する電機子とを有しており、界磁と電機子とのうち一方が固定子として機能し、他方が可動子として機能することにより、界磁と電機子とは相対移動する。電機子は、界磁と空隙を介して対向する複数のティースと、複数のティースにおけるそれぞれの後端部を連結する継鉄部とを有している。ティースの個数が３個である場合において、コギングを小さくするために、中央のティースの先端に凹部を形成した電機子を有するリニアモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−９９７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
リニアモータにおいては、コギングを一層低減することが求められている。リニアモータの電機子のティースを細く（すなわち、ティースの断面積を小さく）すればコギングの低減が期待できるが、その代わりに推力が低下する。推力を向上させるには、ティースを太くすることが効果的であるが、そうするとコギングが大きくなってしまう。したがって、低コギング、かつ、高推力のリニアモータが提供されることが望まれている。【０００５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、低コギングと高推力を両立させたリニアモータを提供することを例示的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の例示的側面としてのリニアモータは、交互に異極になるように複数の永久磁石が列状に配列された界磁と、界磁と空隙を介して対向するように配列された複数のティース、複数のティースを連結する継鉄部、及び複数のティースのそれぞれに巻回された巻線を有する電機子と、を備えている。複数のティースは、その先端部で空隙を介して界磁と対向すると共に、その後端部で継鉄部に連結されている。複数のティースのうち両端に位置しないいずれかの非端部ティースは、両端に位置するティースよりも、界磁との間の空隙が大きくなるように配置されている。複数のティースのすべて又は非端部ティースの先端部近傍における断面積は、そのティースの後端部近傍における断面積よりも小さい。【０００７】
複数のティースのすべて、又は非端部ティースが、後端部から先端部までのいずれかの位置において、断面積が急峻に変化する段付き部を有していてもよい。【０００８】
後端部から段付き部までの長さが、後端部から先端部までの長さの１／６以上かつ２／３以下の範囲であってもよい。【０００９】
後端部から段付き部までの長さが、段付き部を有する複数のティースにおいて同一であってもよい。【００１０】
複数のティースのすべて、又は非端部ティースが、後端部から先端部までのいずれかの位置において、断面積がなだらかに変化するテーパ部を有していてもよい。【００１１】
非端部ティースは、両端に位置するティースよりも、後端部から先端部までの長さが短くてもよい。【００１２】
非端部ティースにおける先端部の断面積は、両端に位置するティースにおける先端部の断面積よりも小さくてもよい。【００１３】
複数のティースの後端部における形状が同一であってもよい。非端部ティースにおける先端部の端面が、曲面であってもよい。また、複数のティースの総個数は３個であってもよい。【００１４】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施の形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、低コギングと高推力を両立することができる。したがって、滑らかにかつパワフルに駆動することのできるリニアモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態１に係るリニアモータの外観斜視及び側方を示す図である。
【図２】図１に示すリニアモータの電機子及び界磁の内部構造の概略を示す構造図である。
【図３】従来型のリニアモータの電機子の内部構造図である。
【図４】実施形態２に係る電機子の内部構造図である。
【図５】実施形態３に係る電機子の内部構造図である。
【図６】実施形態４に係る電機子の内部構造図である。
【図７】変形例１に係る電機子の内部構造図である。
【図８】変形例２に係る電機子の内部構造図である。
【図９】変形例３に係る電機子の内部構造図である。
【図１０】比較タイプＡに係る電機子の内部構造図である。
【図１１】比較タイプＢに係る電機子の内部構造図である。
【図１２】実施例における電流と推力との関係を示すグラフである。
【図１３】実施例における可動子の位置とコギング推力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［実施形態１］
以下、実施形態１に係るリニアモータを図面に基づき説明する。図１は、実施形態１に係るリニアモータ１の外観斜視及び側方を示す図である。リニアモータ１は、電機子２と界磁３とを有する。電機子２は可動子として機能し、界磁３は固定子として機能している。界磁３に対して、電機子２が矢印Ａ方向に相対移動可能となっている。界磁３は、例えば矢印Ａ方向に沿って直線状に延びるものであってもよい。界磁３は、電機子２の相対移動が可能な範囲で曲線部分を有していてもよい。
【００１８】
電機子２は、内部に電機子コイル２１を有している。界磁３は、内部に相互に極性が異なる複数の永久磁石３１（図２参照）を有している。電機子コイル２１の電機子コア２２と永久磁石３１とが空隙（磁気的空隙）を介して対向するように、電機子２と界磁３とが配置される。電機子２は、界磁３が有するガイド構造（不図示）によってガイドされ、相対移動中も空隙が確保されるようになっている。
【００１９】
図２は、電機子２及び界磁３の内部構造の概略を示す構造図である。図２は、リニアモータ１を、図１に示す平面Ｘで切断した図である。説明容易のため、図２においては要部構成のみを示し、他の構成部分の図示を省略している。
【００２０】
界磁３においては、複数個の永久磁石３１が列状に配置されている。永久磁石３１は、交互に異極になるように、すなわち、”・Ｓ・Ｎ・Ｓ・Ｎ・”のように配列されている。
【００２１】
電機子２の電機子コイル２１は、電機子コア２２に巻線２３が巻回されて構成されている。具体的には、ボビン（不図示）に巻線２３が巻回され、そのボビンが電機子コア２２の一部としてのティース２４に挿入されているが、この実施形態１では、これを”ティース２４（又は電機子コア２２）に巻線２３が巻回されている”と表現する場合がある。電機子コア２２は、界磁３に向けて歯状に突出する複数のティース２４と、そのティースを後端部２４ｅで連結する継鉄部２５とを有している。ティース２４の先端部２４ｔは、界磁３と空隙Ｐを介して対向している。電機子コア２２は、一般的に磁性材料で構成される。電機子コア２２におけるティース２４の本数に特に制限はないが、本実施形態１では電機子コア２２は３本のティース２４を有している。
【００２２】
３本のティースに巻回された巻線２３は、３相交流電源に接続されている。これら３つの巻線２３に各々位相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の異なる電流が通電されることにより、電機子２が生じる磁界と、界磁３の永久磁石３１による磁界との作用により、電機子２が界磁３上を相対移動する。
【００２３】
３本のティース２４は、両端に配置された端部ティース２４ａと両端に位置しない非端部ティース２４ｂとを有する。この実施形態１では、非端部ティース２４ｂは中央の１本である。図３に示すように、従来型のリニアモータでは端部ティース１２４ａも非端部ティース１２４ｂも同形状、同サイズである。また、端部ティース１２４ａも非端部ティース１２４ｂも、継鉄部１２５に連結する後端部から界磁に対向する先端部まで同形状かつ同断面積である。
【００２４】
しかし、本実施形態１に係るリニアモータ１では、端部ティース２４ａと非端部ティース２４ｂとが異なる形状とされている。実施形態１に係るティース２４は、すべて断面形状が四角形状であるとして説明する。非端部ティース２４ｂは、端部ティース２４ａよりも突出長さ（後端部２４ｅから先端部２４ｔまでの長さ）が短い。非端部ティース２４ｂにおける空隙Ｐは、端部ティース２４ａにおける空隙Ｐよりも大きい。非端部ティース２４ｂにおける電機子２−界磁３間の磁気抵抗が端部ティース２４ａにおける磁気抵抗よりも大きくなり、電機子２が界磁３の延長方向に沿って移動する際のコギング（振動）が低減される。
【００２５】
端部ティース２４ａも非端部ティース２４ｂも、段付き部２６を有している。段付き部２６は、後端部２４ｅから先端部２４ｔまでのいずれかの位置において、ティース２４の断面積が急峻に変化する部分である。後端部２４ｅから段付き部２６までの部分における断面積（ティース幅Ｔｅ×ティース積み厚）が、段付き部２６から先端部２４ｔまでの部分における断面積（ティース幅Ｔｔ×ティース積み厚）よりも大きい。後端部２４ｅ側の断面積が大きく、先端部２４ｔ側の断面積が小さいので、大きなモータ推力の確保と、コギングの低減を両立させることができる。
【００２６】
段付き部２６の位置は限定されないが、後端部２４ｅから段付き部２６までの長さが、ティース２４の突出長さの１／６〜２／３の範囲であることが好ましい。端部ティース２４ａにおける段付き部２６の位置（後端部２４ｅから段付き部２６までの長さ）と非端部ティース２４ｂにおける段付き部２６の位置とが同一であることも好ましい。
【００２７】
巻線２３用のボビンは、各ティース２４の後端部２４ｅ側に挿入される。端部ティース２４ａの後端部２４ｅ近傍における断面形状及びサイズと、非端部ティース２４ｂの後端部２４ｅ近傍における断面形状及びサイズとが同一であることが好ましい。それにより、端部ティース２４ａにも非端部ティース２４ｂにも同じ寸法のボビンを使用することができる。なお、この実施形態１では、端部ティース２４ａの先端部２４ｔ近傍における断面形状及びサイズと、非端部ティース２４ｂの先端部２４ｔ近傍における断面形状及びサイズも同一である。
【００２８】
以上、この実施形態１に係る電機子２の構成をまとめると、３本のティース２４が２本の端部ティース２４ａと１本の非端部ティース２４ｂを有して構成されている。各々のティース２４が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応している。非端部ティース２４ｂは、端部ティース２４ａよりも短くされている。非端部ティース２４ｂにおける空隙Ｐは端部ティース２４ａにおける空隙Ｐよりも大きい。端部ティース２４ａ及び非端部ティース２４ｂは、後端部２４ｅ側の断面積（ティース幅Ｔｅ×ティース積み厚）が大きく、先端部２４ｔ側の断面積（ティース幅Ｔｔ×ティース積み厚）が小さくされ、その突出長さにおける途中に断面積が急峻に変化する段付き部２６を有している。端部ティース２４ａと非端部ティース２４ｂとは、段付き部２６の位置、後端部２４ｅ近傍における断面積及び形状、先端部２４ｔにおける断面積及び形状において共通する。後端部２４ｅから段付き部２６までの長さは、ティース２４の突出長さの１／６〜２／３である。
【００２９】
電機子２が、このような構成を有しているので、この実施形態１に係るリニアモータ１は、充分大きい推力特性と低コギングの両立という困難な課題を解決している。
【００３０】
なお、非端部ティース２４ｂの後端部２４ｅ近傍における断面積を端部ティース２４ａの後端部２４ｅ近傍における断面積よりも小さくすることで、非端部ティース２４ｂにおける磁気抵抗を端部ティース２４ａにおける磁気抵抗よりも一層大きくすることができる。非端部ティース２４ｂの先端部２４ｔ近傍における断面積を端部ティース２４ａの先端部２４ｔ近傍における断面積よりも小さくすることも、非端部ティース２４ｂにおける磁気抵抗の増大に寄与する。
【００３１】
端部ティース２４ａにおける段付き部２６の位置と非端部ティース２４ｂにおける段付き部２６の位置とは、必ずしも同一でなくてもよい。非端部ティース２４ｂにおける空隙Ｐが端部ティース２４ａにおける空隙Ｐよりも大きければよく、必ずしも非端部ティース２４ｂの突出長さが端部ティース２４ａの突出長さよりも短くなくてもよい。
【００３２】
［実施形態２］
図４は、実施形態２に係るリニアモータの電機子２０２の内部構造図である。この電機子２０２においては、ティース２２４（２２４ａ，２２４ｂ）が段付き部でなくテーパ部２２６を有している。テーパ部２２６は、後端部２２４ｅから先端部２２４ｔまでのいずれかの位置において、ティース２２４の断面積がなだらかに変化する部分である。テーパ部２２６によってティース２２４の断面積は後端部２２４ｅから先端部２２４ｔにかけて徐々に絞られ、先端部２２４ｔ近傍における断面積が小さくされている。この実施形態２に係るリニアモータも、実施形態１のリニアモータ１と同様に高推力・低コギングを両立している。
【００３３】
なお、実施形態２におけるその他の構成については、実施形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００３４】
［実施形態３］
図５は、実施形態３に係るリニアモータの電機子３０２の内部構造図である。この電機子３０２においては、非端部ティース３２４ｂ（３２４）の先端部３２４ｔが凹面（曲面）形状とされている。これにより、非端部ティース３２４ｂにおける磁気抵抗を端部ティース３２４ａ（３２４）における磁気抵抗よりも一層増大させることができる。
【００３５】
なお、実施形態３におけるその他の構成については、実施形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００３６】
［実施形態４］
図６は、実施形態４に係るリニアモータの電機子４０２の内部構造である。この電機子４０２は、２本の端部ティース４２４ａと４本の非端部ティース４２４ｂの合計６本のティース４２４を有している。この実施形態４では、複数の非端部ティース４２４ｂのうちの中央寄りの２本の非端部ティース４２４ｂ１が、実施形態１における非端部ティース２４ｂと同様の構成を有している。他の２本、すなわち中央寄りの２本の非端部ティース４２４ｂ１の外側に位置する非端部ティース４２４ｂ２は、端部ティース４２４ａと同様の構成を有している。その端部ティース４２４ａは、実施形態１における端部ティース２４ａと同様の構成である。
【００３７】
なお、実施形態４におけるその他の構成については、実施形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。
【００３９】
例えば、図７に示す変形例１のように、端部ティース４２４ａ及び中央寄りの２本の非端部ティース４２４ｂ１は、実施形態４と同様の構成を有し、非端部ティース４２４ｂ１の外側に位置する２本の非端部ティース４２４ｂ２における空隙Ｐｂ２が、端部ティース４２４ａにおける空隙Ｐａと中央寄りの非端部ティース４２４ｂ１における空隙Ｐｂ１との中間的な大きさであってもよい。
【００４０】
図８に示す変形例２のように、端部ティース４２４ａは実施形態１における端部ティース２４ａと同様の構成を有し、中央寄りの２本の非端部ティース４２４ｂ１の外側に位置する２本の非端部ティース４２４ｂ２が実施形態１における非端部ティース２４ｂと同様の構成を有し、非端部ティース４２４ｂ１における空隙Ｐｂ１が、端部ティース４２４ａにおける空隙Ｐａと非端部ティース４２４ｂ２における空隙Ｐｂ２との中間的な大きさであってもよい。
【００４１】
図９に示す変形例３のように、端部ティース４２４ａ及び中央寄りの２本の非端部ティース４２４ｂ１は実施形態１における端部ティース４２４ａと同様の構成を有し、非端部ティース４２４ｂ１の外側に位置する２本に非端部ティース４２４ｂ２は実施形態１における非端部ティース２４ｂと同様の構成を有していてもよい。すなわち、端部ティース４２４ａにおける空隙Ｐａと非端部ティース４２４ｂ１における空隙Ｐｂ１とが同じ大きさであり、非端部ティース４２４ｂ２における空隙Ｐｂ２がそれらより大きくてもよい。
【００４２】
いずれの非端部ティースにおける空隙を端部ティースにおける空隙よりどの程度大きくするかについて、非端部ティースにおける空隙をすべて同じにするかについて、また、いずれかの非端部ティースにおける空隙を他の非端部ティースにおける空隙より大きくするかについては、各々どの位相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）をどのティースに割り当てるか等の設計事情に応じて最適な構成が選択される。もちろん、非端部ティース４２４ｂの本数は、実施形態１における１本、実施形態４における４本の他、更に多数であっても構わない。
【００４３】
［実施例］
実施形態１に係るリニアモータ１を用いた比較実験を行った。比較対象は、以下２つのタイプのリニアモータである。
【００４４】
比較タイプＡ：実施形態１と同様に、非端部ティースＡ１を短くして、非端部ティースＡ１における空隙Ｐ１を端部ティースＡ２における空隙Ｐ２よりも大きくした。段付き部は設けず、いずれのティースＡ１，Ａ２も断面積変化のない四角形状であり、その断面積は、実施形態１におけるティース２４の先端部２４ｔにおける断面積（ティース幅Ｔｔ×ティース積み厚）と同一である（図１０参照）。
【００４５】
比較タイプＢ：実施形態１と同様に、非端部ティースＢ１を短くして、非端部ティースＢ１における空隙Ｐ１を端部ティースＢ２における空隙Ｐ２よりも大きくした。段付き部は設けず、いずれのティースＢ１，Ｂ２も断面積変化のない四角形状であり、その断面積は、実施形態１におけるティース２４の後端部２４ｅにおける断面積（ティース幅Ｔｅ×ティース積み厚）と同一である（図１１参照）。
【００４６】
上記３つのリニアモータ（実施形態１、比較タイプＡ、比較タイプＢ）を駆動したときの、電流と推力との関係を図１２のグラフに、可動子の位置とコギング推力との関係を図１３のグラフに示した。図１２及び図１３より、実施形態１のリニアモータが、比較タイプＢと同等の大きさの推力特性を有し、比較タイプＡと同等のコギング特性を有することがわかる。
【符号の説明】
【００４７】
矢印：Ａ
空隙：Ｐ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐａ，Ｐｂ１，Ｐｂ２
平面：Ｘ
リニアモータ：１
電機子：２，２０２，３０２，４０２
電機子コイル：２１
電機子コア：２２
巻線：２３
ティース：２４，２２４，３２４
端部ティース：２４ａ，１２４ａ，２２４ａ，３２４ａ，４２４ａ，Ａ２，Ｂ２
非端部ティース：２４ｂ，１２４ｂ，２２４ｂ，３２４ｂ，４２４ｂ，４２４ｂ１，４２４ｂ２，Ａ１，Ｂ１
後端部：２４ｅ，２２４ｅ 
先端部：２４ｔ，２２４ｔ，３２４ｔ
継鉄部：２５，１２５
段付き部：２６
テーパ部：２２６
界磁：３
永久磁石：３１
【要約】
低コギングと高推力を両立させたリニアモータを提供すること。
リニアモータ１は、交互に異極になるように複数の永久磁石３１が列状に配列された界磁３と、界磁３と空隙Ｐを介して対向するように配列された複数のティース２４、複数のティース２４を連結する継鉄部２５、及び複数のティース２４のそれぞれに巻回された巻線２３を有する電機子２とを備えている。複数のティース２４は、その先端部２４ｔで空隙Ｐを介して界磁３と対向すると共に、その後端部２４ｅで継鉄部２５に連結されている。複数のティース２４のうち両端に位置しないいずれかの非端部ティース２４ｂは、両端に位置するティース２４ａよりも、界磁３との間の空隙Ｐが大きくなるように配置されている。複数のティース２４のすべて又は非端部ティース２４ｂの先端部２４ｔ近傍における断面積は、そのティースの後端部２４ｅ近傍における断面積よりも小さい。【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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