(57)【要約】【課題】移動距離の全長が長くても磁石の使用量が増加しないリニアモータであって、ヒステリシス損を低減することにより、低電力で高速動作を可能としたリニアモータを提供する。【解決手段】リニアモータにおいて、可動子はコイル内部に、移動方向を長手方向とする矩形板状の２つの電機子コア及び磁石が縦姿勢で配してあり、電機子コアの固定子の板状部に対向する面それぞれには長手方向に沿って突出部が並説してあり、２つの電機子コアは磁石を挟み、一方の電機子コアの突出部と他方の電機子コアの突出部とが互い違いに配置されるように固定してあり、磁石は一方の電機子コアから他方の電機子コアに向かう方向に磁化してあるように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子、及びコイルを有する可動子を備えたリニアモータにおいて、
前記固定子は前記可動子の移動方向に長い２つの板状部を有し、前記２つの板状部は可動子の移動域を間にして対向し、磁気的に結合するようにしてあり、
前記２つの板状部の互いに対向する面それぞれには、直方体状の歯部が、一方の板状部の歯部と他方の板状部の歯部とは少なくとも一部が対向しないように、前記移動方向に並設してあり、
前記可動子は前記コイル内部に、共に前記移動方向を長手方向とする矩形板状の磁石及び２つの電機子コアが縦姿勢で配してあり、
前記電機子コアの前記板状部に対向する面それぞれには長手方向に沿って突出部が並設してあり、
前記磁石は前記２つの電機子コア間に配してあり、一方の電機子コアの突出部と他方の電機子コアの突出部とを千鳥配置としてあり、
前記磁石は２つの電機子コアの対向方向に磁化してあること
を特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
前記歯部は長手方向の略中央部に溝を有することを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
【請求項３】
前記突出部の板状部に対向する面は略平行四辺形としてあること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリニアモータ。
【請求項４】
前記突出部には、他の突出部とは前記可動子の移動方向の長さが異なるものを含むこと
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のリニアモータ。
【請求項５】
前記歯部の断面短辺は前記可動子の移動方向に対し傾斜していること
を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のリニアモータ。
【請求項６】
前記一方の板状部の歯部と前記他方の板状部の歯部とでは、前記断面短辺の傾斜方向を逆にしてあること
を特徴とする請求項５に記載のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固定子と駆動コイルを有する可動子とを組み合わせてなるリニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体製造装置、液晶表示装置の製造分野においては、大面積の基板等の処理対象物を高速度にて直線移動させ、適宜の移動位置にて高精度に位置決めすることができる送り装置が必要である。この種の送り装置は、一般的には、駆動源としてのモータの回転運動をボールねじ機構等の運動変換機構により直線運動に変換して実現されるが、運動変換機構が介在することから、移動速度の高速化に限界がある。また運動変換機構の機械的な誤差の存在により、位置決め精度も不十分であるという問題がある。
【０００３】
この問題に対応するため、近年においては、直線運動出力が直接的に取り出し可能なリニアモータを駆動源とする送り装置が使用されている。リニアモータは、直線状の固定子と該固定子に沿って移動する可動子とを備えている。前述した送り装置においては、板状の永久磁石を一定間隔毎に多数並設して固定子を構成し、磁極歯と通電コイルとを備える電機子を可動子としたムービングコイル型のリニアモータ（例えば、特許文献１参照）が使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１３９１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ムービングコイル型のリニアモータでは、固定子に磁石を配置するため、リニアモータの全長が長くなるほど（可動子の移動距離が長くなるほど）、使用する磁石の量が増える。近年、希土類の価格上昇に伴い、使用する磁石量の増加は、コスト増加の原因となっていた。
また、リニアモータが動作する際、固定子に設けられた歯部の磁極変化によりヒステリシス損が発生する。そのため、リニアモータを高速に動作させるためには、より多くの電力を必要としていた。
【０００６】
本発明は、上述のごとき事情に鑑みてなされたものであり、移動距離の全長が長くても磁石の使用量が増加しないリニアモータであって、ヒステリシス損を低減することにより、低電力で高速動作を可能としたリニアモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るリニアモータは、固定子、及びコイルを有する可動子を備えたリニアモータにおいて、前記固定子は前記可動子の移動方向に長い２つの板状部を有し、前記２つの板状部は可動子の移動域を間にして対向し、磁気的に結合するようにしてあり、前記２つの板状部の互いに対向する面それぞれには、直方体状の歯部が、一方の板状部の歯部と他方の板状部の歯部とは少なくとも一部が対向しないように、前記移動方向に並設してあり、前記可動子は前記コイル内部に、共に前記移動方向を長手方向とする矩形板状の磁石及び２つの電機子コアが縦姿勢で配してあり、前記電機子コアの前記板状部に対向する面それぞれには長手方向に沿って突出部が並設してあり、前記磁石は前記２つの電機子コア間に配してあり、一方の電機子コアの突出部と他方の電機子コアの突出部とを千鳥配置としてあり、前記磁石は２つの電機子コアの対向方向に磁化してあることを特徴とする。
【０００８】
本発明にあっては、リニアモータ稼動時の歯部の磁極の変化は、残留値からＮ極（Ｓ極）又はＮ極（Ｓ極）から残留値への変化しかないため、ヒステリシス損が低減可能となり、低電力で高速動作が可能となる。
【０００９】
本発明に係るリニアモータは、前記歯部は長手方向の略中央部に溝を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明にあっては、前記歯部の長手方向の略中央部に溝を有することで、歯部の中央部においてＳ極とＮ極とがオーバーラップする領域を低減できる。
【００１１】
本発明に係るリニアモータは、前記突出部の板状部に対向する面は略平行四辺形としてあることを特徴とする。
【００１２】
本発明にあっては、突出部の板状部に対向する面を略平行四辺形としたので、複数の電機子コアをスキュー配置した場合と同様に、ディテント力が低減され、固定子と可動子の相対位置の違いによる推力むらを低減することが可能となる。
【００１３】
本発明に係るリニアモータは、前記突出部には、他の突出部とは前記可動子の移動方向の長さが異なるものを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明にあっては、可動子の移動方向の長さが異なる突出部を有することにより、ディテント力を低減させることが可能となる。
【００１５】
本発明に係るリニアモータは、前記歯部の断面短辺は前記可動子の移動方向に対し傾斜していることを特徴とする。
【００１６】
本発明にあっては、前記歯部の断面短辺は前記可動子の移動方向に対し傾斜している。すなわち歯部をスキュー配置としてあるので、ディテント力が低減され、固定子と可動子の相対位置の違いによる推力むらを低減することが可能となる。
【００１７】
本発明に係るリニアモータは、前記一方の板状部の歯部と前記他方の板状部の歯部とでは、前記断面短辺の傾斜方向を逆にしてあることを特徴とする。
【００１８】
本発明にあっては、一方の板状部の歯部と他方の板状部の歯部とで、長手方向の両端の位置関係を逆にしてある。すなわち歯部の傾ける方向を板状部の一方と他方とで異なるようにしているので、可動子が移動方向に対して左右に傾くことにより生じるこじりを抑えることが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明にあっては、可動子のみに磁石を使用するので、移動距離の全長が長くても磁石の使用量が増加せず、電機子コアは板状部の対向方向に長い部分と短い部分を設けたことにより、固定子の歯部の磁極は残留値からＮ極又はＳ極、Ｎ極又はＳ極から残留値にしか変化しないため、ヒステリシス損が低減し、低電力で高速動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態１に係るリニアモータの概略構成の一例を示す部分破断斜視図である。
【図２】実施の形態１に係るリニアモータの電機子コア及び永久磁石の形状の一例を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１に係るリニアモータの可動子の一例を示す斜視図である。
【図４】実施の形態１に係るリニアモータの概略構成の一例を示す正面図である。
【図５】実施の形態１に係るリニアモータの概略構成の一例を示す側面図である。
【図６】実施の形態１に係るリニアモータの推力発生原理を示す説明図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面図である。
【図８】図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線による断面図である。
【図９】リニアモータの推力発生原理を示す説明図である。
【図１０】実施の形態１に係るリニアモータの推力発生原理を示す説明図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線による断面図である。
【図１２】図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ線による断面図である。
【図１３】リニアモータの推力発生原理を示す説明図である。
【図１４】鉄の通常のヒステリシス曲線を示したグラフである。
【図１５】実施の形態１に係るリニアモータにおける電機子コア、歯部のヒステリシス曲線を示したグラフである。
【図１６】実施の形態２に係るリニアモータの固定子の構成を示す正面図である。
【図１７】実施の形態３に係るリニアモータの可動子を示す斜視図である。
【図１８】実施の形態３に係るリニアモータの可動子を示す平面図である。
【図１９】実施の形態４に係るリニアモータの固定子の構成を示す断面図である。
【図２０】実施の形態５に係るリニアモータの固定子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
実施の形態１
図１は実施の形態１に係るリニアモータの概略構成の一例を示す部分破断斜視図である。本実施の形態に係るリニアモータは、可動子１と固定子２とから構成されている。可動子１はコイル１１、電機子コア１２、１３及び永久磁石（磁石）１４を含む。
【００２２】
図２は実施の形態１に係るリニアモータの電機子コア１２、１３及び永久磁石１４の形状の一例を示す斜視図である。図２Ａは電機子コア１２を示している。図２Ｂは電機子コア１３を示している。図２Ｃは永久磁石１４を示している。図１に示すように電機子コア１２は可動子１の移動方向を長手方向とする矩形板状である。電機子コア１２の長手方向の上面及び下面には直方体状の突起部１２ａ（突出部）が形成してある。隣り合う２つの突起部１２ａの間は凹部１２ｂとなっている。図２Ａに示す例では突起部１２ａは上面及び下面にそれぞれ５個ずつ形成してある。上面の突起部１２ａと下面の突起部１２ａとは対向する位置に形成してある。電機子コア１３も電機子コア１２と同様に可動子１の移動方向を長手方向とする矩形板状である。電機子コア１３の長手方向の上面及び下面には直方体状の突起部１３ａ（突出部）が形成してある。隣り合う２つの突起部１３ａの間は凹部１３ｂとなっている。図２Ｂに示す例では突起部１３ａは上面及び下面にそれぞれ４個ずつ形成してある。上面の突起部１３ａと下面の突起部１３ａとは対向する位置に形成してある。突起部１２ａ、突起部１３ａの個数はあくまでも一例であり、図２Ａ、２Ｂに示すものに限られない。電機子コア１２の上面及び下面それぞれに突起部１２ａ及び凹部１２ｂが最低一組あれば良い。同様に電機子コア１３の上面及び下面それぞれに突起部１３ａ及び凹部１３ｂが最低一組あれば良い。このような電機子コア１２、電機子コア１３及び磁石１４を組み合わせ、その周囲にコイル１１線を巻き回すことで最小サイズの可動子を形成することが可能である。電機子コア１２及び電機子コア１３の縦横は略同一寸法としてある。電機子コア１２及び電機子コア１３の奥行きも略同一寸法としてある。電機子コア１２と電機子コア１３とをそれぞれの中心が一致するように重ねた場合、突起部１２ａと凹部１３ｂとが及び凹部１２ｂと突起部１３ａとが、それぞれ重なる位置（千鳥配置）となるように突起部１２ａ、１３ａを形成してある。図２Ｃに示すように永久磁石１４は可動子１の移動方向を長手方向とする矩形板状である。紙面の裏側から表側方向に磁化されている。永久磁石１４の横寸法は電機子コア１２及び電機子コア１３と略同一としてある。永久磁石１４の縦寸法は、電機子コア１２に形成してある上面凹部１２ｂの底面と下面凹部１２ｂの底面との距離と略同一としてある。
【００２３】
電機子コア１２、１３は、軟磁性材料、例えばケイ素鋼板を積層してもよいし、磁性金属粉末を固めた例えばＳＭＣ（軟磁性複合部材：Soft  Magnetic  Composites）にしてもよい。このような部材を用いることで、電機子コア材料の渦電流損やヒステリシス損や偏磁を抑制することができる。
永久磁石１４は、ネオジム（Ｎｄ）、鉄（Ｆｅ）、ボロン（Ｂ）を主成分とするネオジム磁石である。ネオジム磁石に限らず、アルニコ磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石などを用いても良い。
【００２４】
図３は実施の形態１に係るリニアモータの可動子１の一例を示す斜視図である。電機子コア１２、電機子コア１３及び永久磁石１４は縦姿勢で、コイル１１の内部に配されている。電機子コア１２、電機子コア１３及び永久磁石１４の長手方向が可動子１の移動方向となるようにしてある。電機子コア１２、１３の広面にコイル１１を巻き回した構成としてある。永久磁石１４は電機子コア１２と電機子コア１３との間に配されている。図２Ｃに示したように磁石１４は広面の一方から他方に向かう向きに磁化されているから、電機子コア１２、１３の対向方向に磁化してあることになる。上述したように、電機子コア１２の突起部１２ａと電機子コア１３の突起部１３ａとは長手方向に沿って互い違いの配置（千鳥配置）となっている。
【００２５】
電機子コア１２及び１３を矩形板状とし、長手方向の上面及び下面に突起部１２ａ、１３ａを有する構成としているので、電機子コア１２及び１３を軟磁性鋼板から切り出し加工あるいは鋼板を打ち抜き加工しその後積層することで製造できる。
よって突起部１２ａ、１３ａ及び凹部１２ｂ、１３ｂの可動子１の移動方向の幅寸法のばらつきを少なくすることができコギング特性を良好にすることが可能となる。
【００２６】
図４は実施の形態１に係るリニアモータの概略構成の一例を示す正面図である。図５は実施の形態１に係るリニアモータの概略構成の一例を示す側面図である。
【００２７】
図４に示すように固定子２は断面略横Ｕ字形である。図１に示すように、固定子２は可動子１の移動方向に長くなっている。固定子２は互いに対向する上板部２１、下板部２２、上板部２１と下板部２２とを連結する側板部２３を含む。側板部２３は上板部２１と下板部２２とを磁気的に結合する役割を果たしている。固定子２は、軟磁性金属、例えば平板状の圧延鋼材を折り曲げることにより形成する。また、上板部２１、下板部２２、側板部２３それぞれを平板状の軟磁性金属の板として作成し、溶接やねじ止めにより形成してもよい。なお、図４に示す向きで設置されることが固定子２の必須の要件ではない。設置可能な如何なる向きで使用することが可能である。したがって、図４に示すように上板部２１が上側で、下板部２２が下側で、側板部２３が左右側となるように設置することは必須ではない。
【００２８】
上板部２１には可動子１の移動方向に直交した長手方向を有する複数の歯部２１ａが可動子１の移動方向に沿って並設されている。歯部２１ａは直方体状である。歯部２１ａは上板部２１の下板部２２に対向する面に設けてある。歯部２１ａは上板部２１から下板部２２に向かって突出している。同様に下板部２２に複数の歯部２２ａが可動子１の移動方向に沿って並設されている。歯部２２ａは略直方体状である。歯部２２ａは下板部２２の上板部２１に対向する面に設けてある。歯部２２ａは下板部２２から上板部２１に向かって突出している。歯部２１ａ、２２ａは軟磁性の金属板、例えば鋼板等により形成し、それぞれ上板部２１、下板部２２に溶接等で接合又はねじ止め等により固定する。またＵ字状に形成した軟磁性鋼板の歯部となる部位を残し歯部となる部位の両側に溝を掘り込み加工により形成し、歯部２１ａ、２２ａとしてもよい。このようにすると、歯部を溶接等で接合又はねじ止め等により固定する場合に比べて、固定子２のコストダウンが可能となる。
【００２９】
図４及び図５に示すように、上板部２１の歯部２１ａ及び下板部２２の歯部２２ａは同一形状、同一寸法であるのが望ましい。隣り合う歯部２１ａの間隔（歯部２１ａのピッチ）は歯部２１ａの配置方向の幅（図５における横幅）と略同一としてある。歯部２２ａのピッチも同様である。図５に示すように、歯部２１ａ、２２ａの突出長（図５における縦方向の長さ）は歯部２１ａ、２２ａのピッチよりも長くしてある。歯部２１ａ、２２ａの図４の紙面左右方向の寸法は、電機子コア１２、１３及び磁石１４の紙面左右方向の寸法を加算したものより、やや大きくしてある。この場合フリンジング磁束により仮想的にエアギャップが短くなり、可動子の磁石からの磁束を効率よく固定子に流すことができる。短くすると可動子が吸引力で中央に吸引されて直進性が良くなる。またこの長さは同じでもよい。
【００３０】
図５に示すように歯部２１ａ及び歯部２２ａは可動子の移動方向に互い違いに配置（千鳥配置）されている。歯部２１ａ及び歯部２２ａのそれぞれ可動子１と対向する面同士は対向していないが、面の一部同士が対向しても良い。そのような場合でも、推力は発生するからである。しかし、全面が対向すると可動子１に推力が発生しない。
【００３１】
歯部２１ａ及び歯部２２ａそれぞれの配置方向の幅（図５における横幅）は、可動子１の電機子コア１２の突起部１２ａ及び電機子コア１３の突起部１３ａの組の移動方向の長さ（図５における横幅）より、短くしてある。
歯部２１ａ及び歯部２２ａのそれぞれの配置方向の幅は突起部１２ａ及び１３ａの移動方向の幅と同じであってもよく、また長くてもよい。リニアモータの寸法や推力特性等を考慮し適宜設定すればよい。
【００３２】
図６は実施の形態１に係るリニアモータの推力発生原理を示す説明図である。図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面図である。図８は図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線による断面図である。図６は固定子２の開口側（リニアモータの側面）から見た場合の図である。図７、図８それぞれの紙面左側が図６の紙面表側を示す。図６において、電機子コア１２の手前側、紙面左右方向にコイル１１が通っているが、説明の都合上、記載を省略している。可動子１のコイル１１に交流電流を流す。図６のコイル１１において、丸の中に黒丸は紙面裏から手前へ電流が流れることを示す。丸の中にＸは紙面表から奥へ電流が流れることを示す。図６のコイル１１に示す方向に通電した場合、可動子１が固定子２の外部にある状態（通電した可動子が単体の状態）では、コイル１１により電機子コア１２、１３上側にはＳ極、下側にはＮ極が励磁される。しかしながら、可動子１が軟磁性体である固定子２の内部にある場合には、電機子コア１２、１３の励磁は可動子１及び固定子２を含めた一体の磁気回路で考慮する必要がある。
【００３３】
図６において、上板部２１の歯部２１ａの磁極及び電機子コア１３の突起部１３ａの磁極は点線で示す。下板部２２の歯部２２ａの磁極及び電機子コア１２の突起部１２ａの磁極は実線で示す。実線は可動子１及び固定子２の手前側で発生している現象であることを示す。点線は可動子１及び固定子２の奥側で発生している現象であることを示す。
【００３４】
コイル１１を図７、図８に示す向きに通電すると、図７Ａの紙面右側（図６において奥側）の電機子コア１３の突起部１３ａにはＳ極が励磁される。その磁極の直上である歯部２１ａの奥側にはＮ極が励磁される。通常電機子コア１３の下側の突起部１３ａにＮ極が励磁されるが電機子コア１３の下側の突起部１３ａの直下には歯部２２ａがなく、最も近い歯部は図８Ａに示す歯部２２ａとなるため、励磁の状態は変わり次のような流れとなる。磁力線は電機子コア１３と電機子コア１２で挟まれた磁石１４を貫通し電機子コア１２に流入する。図８Ａに示す様に電機子コア１２の下側の突起部１２ａから下側の歯部２２ａへ流入する。磁力線は磁気回路として最も磁気抵抗の小さい経路を通過しようとするからである。空気は磁性体より磁気抵抗が大きく、距離が長いほど磁気抵抗が大きくなる。そのため、磁力線は電機子コア１３の下側の突起部１３ａから歯部２２ａに流れこむのではなく、電機子コア１２の下側の突起部１２ａから下側の歯部２２ａへ流入するという経路を流れることとなる。
【００３５】
図７Ａ、８Ａにより示す磁力線の経路は、図６では紙面左から４番目の歯部２１ａ、電機子コア１３の左から２番目上部の突起部１３ａ、磁石１４（図６では現れず）、電機子コア１２の左から３番目下部の突起部１２ａ、左から５番目の歯部２２ａというものである。ここで、左から２番目上部の突起部１３ａ、磁石１４を通る磁力線は図６に示すように、電機子コア１２の左から３番目下部の突起部１２ａのみではなく、電機子コア１２の左から２番目下部の突起部１２ａ、左から４番目の歯部２２ａという経路にも流れる。その他の部分についても、図６に示す磁力線の流れが発生している。
【００３６】
図６、図７Ａ、図８Ａを参照して、コイル１１を通電したことによる電機子コア１２、１３の励磁について説明したが、次に電機子コア１２、１３に挟まれた磁石１４による電機子コア１２、１３の励磁とリニアモータの推力発生原理について述べる。図７Ｂは図７Ａと同様に図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面図である。図８Ｂは図８Ａと同様に図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線による断面図である。図９はリニアモータの推力発生原理を示す説明図である。図７Ｂ、図８Ｂに示すように磁石１４は矢印の方向に磁化してある。この場合は矢印の終点がＮ極、始点がＳ極となるように着磁してある。したがって、図７Ｂにおいて左側の電機子コア１２はＮ極に、右側の電機子コア１３はＳ極に励磁される。図８Ｂにおいても同様である。図９において紙面手前側の電機子コア１２はＮ極に、紙面奥側の電機子コア１３はＳ極に励磁されている。また歯部２１ａ、２２ａの磁極について考えると、上側の歯部２１ａについては、図９の紙面奥側はＮ極に励磁され、紙面手前側は励磁されていない。また下側の歯部２２ａついては、紙面手前側はＳ極に励磁され、紙面奥側は励磁されていない（図７Ｂ、図８Ｂを参照）。よって手前側の電機子コア１２は下側の歯部２２ａと吸引し、奥側の電機子コア１３は上側の歯部２１ａと吸引し、可動子１は紙面右側に移動する。
なお、図７において、断面で示した突起部１３ａと対向する歯部２２ａはないが、当該突起部１３ａより奥（紙面裏面方向）にある突起部１２ａと対向する歯部２２ａが見えるはずである。また、図８において、断面で示した突起部１２ａと対向する歯部２１ａはないが、当該突起部１２ａより奥（紙面裏面方向）にある突起部１３ａと対向する歯部２１ａが見えるはずである。しかし、上述の説明内容について、理解の妨げとならないように記載を省略している。
【００３７】
図１０は実施の形態１に係るリニアモータの推力発生原理を示す説明図である。図１０は図６の状態から可動子１が右側に移動した状態を示す図である。図１１は図１０のＸＩ−ＸＩ線による断面図である。図１２は図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ線による断面図である。図１０は固定子２の開口側から見た場合の図である。図１１、図１２それぞれの紙面左側が図１０の紙面表側を示す。図１０において、電機子コア１２の手前側、紙面左右方向にコイル１１が通っているが、説明の都合上、記載を省略している。可動子１のコイル１１に流れる電流は図６とは逆方向となる。図１０に示す方向にコイル１１を通電した場合、可動子１及び固定子２がどのように励磁されるかについては、図６の場合と同様に可動子１及び固定子２を含めた一体の磁気回路で考慮する必要がある。
【００３８】
図１０において、上板部２１の歯部２１ａの磁極及び電機子コア１２の突起部１２ａの磁極は実線で示す。下板部２２の歯部２２ａの磁極及び電機子コア１３の突起部１３ａの磁極は点線で示す。実線、点線の使い分けは図６と同様である。実線は手前側で発生している現象を示す。点線は奥側で発生している現象を示す。
【００３９】
コイル１１を図１１、図１２に示す向きに通電すると、図１１Ａの紙面右側（図１０において奥側）の電機子コア１３の下側の突起部１３ａにはＳ極が励磁される。その磁極の真下である歯部２２ａの奥側にはＮ極が励磁される。通常電機子コア１３の上側の突起部１３ａにＮ極が励磁されるが電機子コア１３の上側の突起部１３ａの真上には歯部２１ａがなく、最も近い歯部は図１２Ａに示す歯部２１ａとなるため、励磁の状態は変わり次のような流れとなる。磁力線は電機子コア１３と電機子コア１２で挟まれた磁石１４を貫通し電機子コア１２に流入する。図１２Ａに示すように電機子コア１２の上側の突起部１２ａから上側の歯部２１ａへ流入する。磁力線は磁気回路として最も磁気抵抗の少ない経路を通過しようとするからである。空気は磁性体より磁気抵抗が大きく、距離が長いほど磁気抵抗が大きくなる。そのため、磁力線は電機子コア１３の上側の突起部１３ａから歯部２１ａに流れこむのではなく、電機子コア１２の上側の突起部１２ａから上側の歯部２１ａへ流入するという経路を流れることとなる。
【００４０】
図１１Ａ、１２Ａに示す磁力線の経路は、図１０では紙面左から５番目の歯部２２ａ、電機子コア１３の左から２番目下部の突起部１３ａ、磁石１４（図１０では現れず）、電機子コア１２の左から２番目上部の突起部１２ａ、左から４番目の歯部２１ａというものである。ここで、左から２番目下部の突起部１３ａ、磁石１４を通る磁力線は図１０に示すように、電機子コア１２の左から２番目上部の突起部１２ａのみではなく、電機子コア１２の左から３番目上部の突起部１２ａ、左から５番目の歯部２１ａという経路にも流れる。その他の部分についても、図１０に示す磁力線の流れが発生している。
【００４１】
図１０、図１１Ａ、図１２Ａを参照して、コイル１１を通電したことによる電機子コア１２、１３の励磁について説明したが、次に電機子コア１２、１３に挟まれた磁石１４による電機子コア１２、１３の励磁とリニアモータの推力発生原理について述べる。図１１Ｂは図１１Ａと同様に図１０のＸＩ−ＸＩ線による断面図である。図１２Ｂは図１２Ａと同様に図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ線による断面図である。図１３はリニアモータの推力発生原理を示す説明図である。図１１Ｂ、図１２Ｂに示すように磁石１４は矢印の方向に磁化してある。この場合は矢印の終点がＮ極、始点がＳ極となるように着磁してある。したがって、図１１Ｂにおいて左側の電機子コア１２はＮ極に、右側の電機子コア１３はＳ極に励磁される。図１２Ｂにおいても同様である。図１３において紙面手前側の電機子コア１２はＮ極に、紙面奥側の電機子コア１３はＳ極に励磁されている。また歯部２１ａ、２２ａの磁極について考えると、上側の歯部２１ａについては、図１３の紙面手前側はＳ極に励磁され、紙面奥側は励磁されていない。また下側の歯部２２ａついては、紙面奥側はＮ極に励磁され、紙面手前側は励磁されていない（図１１Ｂ、図１２Ｂを参照）。よって手前側の電機子コア１２は上側の歯部２１ａと吸引し、奥側の電機子コア１３は下側の歯部２２ａと吸引し、可動子１は紙面右側に移動する。可動子１が右側に移動すると先に示した図６から図９と同様な状態となる。このように同様な動作を繰り返すことにより、可動子１は継続的に移動する。
なお、図１１において、断面で示した突起部１３ａと対向する歯部２１ａはないが、当該突起部１３ａより奥（紙面裏面方向）にある突起部１２ａと対向する歯部２１ａが見えるはずである。また、図１２において、断面で示した突起部１２ａと対向する歯部２２ａはないが、当該突起部１２ａより奥（紙面裏面方向）にある突起部１３ａと対向する歯部２２ａが見えるはずである。しかし、上述の説明内容について、理解の妨げとならないように記載を省略している。
【００４２】
ここで２種類の電機子コア１２、１３及び磁石１４との組み合わせと上下の歯部２１ａ、２２ａにおいて通電による励磁の状態について考察する。まず電機子コア１２、１３の励磁について考える。図７Ａ、図８Ａ、図１１Ａ、図１２Ａに示すように手前側（紙面左側）の電機子コア１２の突起部１２ａは上部及び下部ともＮ極に励磁されるか又は励磁されず、奥側（紙面右側）の電機子コア１３の突起部１３ａは上部及び下部ともＳ極に励磁されるか又は励磁されない。
【００４３】
次に歯部２１ａ、２２ａについて考える。図７Ａ、図１２Ａに示すように、歯部２１ａの奥側はＮ極に励磁されるか又は励磁されない。手前側はＳ極に励磁されるか又は励磁されない。図８Ａ、図１１Ａに示すように、歯部２２ａの奥側はＮ極に励磁されるか又は励磁されない。歯部２２ａの手前側はＳ極に励磁されるか又は励磁されない。図７Ａ等において、歯部２１ａ、２２ａが励磁されないか、励磁されていても極めて弱い状態を０で示している。また、上記歯部２１ａ、２２ａにおいて、左側（手前側）、右側（奥側）と表記しているが、励磁の状態はこれらの真ん中で完全に分かれているわけではなく、歯部２１ａ、２２ａの中央部においてはＳ極になったりＮ極になったりする。所謂オーバーラップ部分が存在する。
【００４４】
電流の向きを一定の周期で変える（交番電流を流す）と本実施の形態の電機子コア１２、１３や歯部２１ａ、２２ａはＮ←→Ｓの様に磁極が変化せず、残留値←→Ｎ又は残留値←→Ｓのように変化する。すなわち、ＮからＳ又はＳからＮのように逆の極には変化しない。
【００４５】
ここで磁性体のヒステリシス損について考える。ヒステリシス損は磁性体を交流で磁化した場合に失われる電気エネルギーである。ヒステリシス損は該磁性体のヒステリシスループで囲まれた部分の面積に比例することが知られている。本実施の形態のリニアモータのように、電機子１２の突起部１２ａ、電機子コア１３の突起部１３ａ、歯部２１ａ、２２ａで励磁される極を限定しＮとＳとの間で変化しないようにすれば、ヒステリシスループの面積を小さくでき、ヒステリシス損を低減できる。
【００４６】
図１４は鉄の通常のヒステリシス曲線を示したグラフである。図１５は実施の形態１に係るリニアモータにおける電機子コア、歯部のヒステリシス曲線を示したグラフである。横軸が磁界の強さであり、単位はＡ／ｍである。縦軸が磁束密度であり、単位はＴである。図１４と図１５とを比較して明らかのように、図１５で示す本実施の形態におけるヒステリシス曲線で囲まれた部分の面積のほうが、図１４で示すヒステリシス曲線で囲まれた部分の面積より小さい。したがって、ヒステリシス損の低減が示されている。
【００４７】
上述したような実施の形態１に係るリニアモータは次のような効果を奏する。可動子１のみに永久磁石を使用するので、移動距離の全長が長くても永久磁石の使用量が増加しない。また、可動子１は矩形板状の２つの電機子コア１２、１３を、矩形板状の永久磁石１４を挟んで縦姿勢に配し、各電機子コア１２、１３の歯部２１ａ、２２ａに対向する面それぞれには長手方向に沿って突起部１２ａ、１３ａが並設してある。一方の電機子コア１２（１３）の突起部１２ａ（１３ａ）と他方の電機子コア１３（１２）の突起部１３ａ（１２ａ）とを千鳥配置としてある。それにより、固定子２の歯部２１ａ、２２ａの磁極は残留値からＮ極又はＳ極、Ｎ極又はＳ極から残留値にしか変化しないため、ヒステリシス損が低減し、低電力で高速動作が可能となる。
【００４８】
なお、磁石１４の磁化方向は図７Ｂ等に示すように固定子２の図６の紙面奥側から手前側としたが、逆向きとしても良い。その場合、電機子コア１２と電機子コア１３との間で流れる磁力線の向きが逆向きとなる。すなわち、磁力線は電機子コア１２の突起部１２ａから入り、磁石１４を通り、電機子コア１３の突起部１３ａから出るという経路となる。電機子コア１２と電機子コア１３との間で流れる磁力線の向きが逆向きとなることにより、上述した動作も変わるが、動作原理については同様である。
【００４９】
また、実施の形態１では可動子１がすべて固定子２に挟まれている形態を示したが、本発明においては可動子１のうち電機子コア１２、１３と永久磁石１４とが固定子２に挟まれていればよく、コイル１１の一部が固定子２から突出していてもよい。
【００５０】
次に端効果による影響の改善について説明する。端効果とは、リニアモータにおいて、可動子両端に発生する磁気的吸引、反発力の影響がモータの推力特性(コギング特性、ディテント特性）に影響を及ぼすことを言う。端効果が発生するのは、磁束ループが移動方向と同じ方向に流れるためである。（特許文献１の第２図参照）しかしながら、実施の形態１に係るリニアモータでは、固定子２本体を通る磁路を含めたループ（磁束ループ）は可動子１の移動方向と直角な方向に流れるため、端効果の影響を低減させることが可能となる。
【００５１】
実施の形態２
図１６は実施の形態２に係るリニアモータの固定子２の構成を示す正面図である。実施の形態２において、歯部２１ａ、２２ａのそれぞれは溝２１ａ１、２２ａ１を有することを特徴とする。上述したように歯部２１ａ、２２ａはコイル１１による励磁と、歯部２１ａ、２２ａを含む固定子２、電機子コア１２、１３、永久磁石１４により構成される磁力線の流れによる励磁とが混在する。この２つの励磁により、歯部２１ａ、２２ａの長手方向の中央付近には、Ｓ極とＮ極とがオーバーラップする領域が発生する。オーバーラップする領域により、歯部２１ａ、２２ａの励磁が弱まるので、このオーバーラップする領域は存在しないか、存在したとしても狭い領域であることが望ましい。そこで、実施の形態２においては、歯部２１ａ、２２ａそれぞれに溝２１ａ１、２２ａ１を設けてある。
【００５２】
溝２１ａ１は歯部２１ａの長手方向の中央部に形成してある。溝２１ａ１は歯部２１ａの可動子１と対向する面から板状部２１方向へ掘ったように形成してある。溝２１ａ１は歯部２１ａの長手方向と交差する方向に沿って形成してある。図１６では、溝２１ａ１は歯部２１ａの長手方向と直角な方向、すなわち短手方向に沿って形成してある。溝２１ａ１は断面が矩形状となる矩形溝としてある。溝２１ａ１の深さは歯部２１ａの突出長より短くしてある。図１６では、溝２１ａ１の底面付近の連結部２１ａ２で左右の歯部はつながっている。それに限らず、歯部２１ａが溝２１ａ１により左右が完全に分かれていても良い。一方、歯部２１ａ（２２ａ）の可動子１と対向する面を左右に分ける程度の深さの浅いＶ溝を溝２１ａ１（２２ａ１）としても良い。なお、歯部２２ａに形成してある溝２２ａ１、連結部２２ａ２はそれぞれ歯部２１ａに形成してある溝２１ａ１、連結部２１ａ２と同様であるので、説明を省略する。
【００５３】
以上のように実施の形態２に係るリニアモータは、実施の形態１に係るリニアモータが奏する効果に加え、溝２１ａ１、２２ａ１により歯部２１ａ、２２ａの中央部でＳ極とＮ極がオーバーラップする領域を低減することが可能となる。それにより、歯部２１ａ、２２ａの励磁状態が安定し、安定した推進力を得ることが可能となる。なお、溝２１ａ１、２２ａ１の深さや幅を適宜設定することにより、オーバーラップする領域をなくすことも可能である。
【００５４】
実施の形態３
図１７は実施の形態３に係るリニアモータの可動子１を示す斜視図である。図１８は実施の形態３に係るリニアモータの可動子１を示す平面図である。固定子２については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００５５】
実施の形態３において、可動子１の全体的な構成は実施の形態１と同様であるので、ここでは実施の形態１との違いを主に説明する。
実施の形態３において、電機子コア１２の突起部１２ａ１の移動方向（図１８の紙面左右方向）の長さは、他の突起部１２ａよりも長くなっている。それに対応して突起部１２ａ１の反対側（図１８の紙面裏側）にある突起部１２ａ１（図示せず）も移動方向の長さが他の突起部１２ａよりも長くなっている。電機子コア１３も電機子コア１２と同様である。図１８に示す凹部１３ｂ１の移動方向の長さは他の凹部１３ｂよりも長くなっている。凹部１３ｂ１の反対側にある凹部１３ｂ１（図示せず）の移動方向の長さも他の凹部１３ｂよりも長くなっている。なお、長さの異なる突起部１２ａ１、凹部１３ｂ１の位置をそれぞれ、電機子コア１２、電機子コア１３の長手方向中央としているが、それに限られない。電機子コア１２のいずれか１つの突起部の移動方向の長さが他の突起部よりも長くなっていれば良い。電機子コア１３のいずれか１つの凹部の移動方向の長さが他の凹部よりも長くなっていれば良い。突起部１２ａ１と凹部１３ｂ１との移動方向の位置は一致していなくても良い。また、電機子コア１２の凹部の長さと電機子コア１３の突起部の移動方向の長さを変える構成としても良い。さらに、特定の突起部の移動方向の長さを他の突起部より長くし、特定の凹部の移動方向の長さを他の凹部より長い構成としているが、長くするのではなく、短くするのでも良い。
【００５６】
実施の形態１において電機子コア１２は平面視略長方形をなしている。それに対して、実施の形態３において、電機子コア１２は、図１８に示すように平面視が長方形を含まない略平行四辺形をなしている。電機子コア１２の突起部１２ａ、１２ａ１、電機子コア１２の凹部１２ｂは端面（板状部２１、２２と対向する面）が長方形を含まない略平行四辺形としてある。突起部１２ａ、１２ａ１を構成する面のうち、移動方向に対する面を傾斜してある。
【００５７】
電機子コア１２と同様に電機子コア１３は、平面視が長方形を含まない略平行四辺形をなしている（図１８参照）。電機子コア１３の突起部１３ａ、電機子コア１３の凹部１３ｂ、１３ｂ１の端面（板状部２１、２２と対向する面）が略平行四辺形としてある。突起部１３ａを構成する面のうち、移動方向に対する面を傾斜してある。
【００５８】
電機子コア１２、１３と同様に永久磁石１４は、平面視が長方形を含まない略平行四辺形をなしている（図１８参照）。電機子コア１２、１３、永久磁石１４の移動方向（長手方向）の長さは、略同一としてある。可動子１は実施の形態１と同様、電機子コア１２と電機子コア１３との間に永久磁石１４が配され、これらの周りにコイル１１が巻回してある構成である。
実施の形態１と異なり、突起部１２ａ、１３ａは図１８に示すように、移動方向に対する面が傾いている構成である。各突起部１２ａ、１３ａを、いわゆるスキュー配置している。このような構成は、ディテント力を低減させるための構成である。
【００５９】
可動子は移動方向で比透磁率が周期的に変化するため、高次のディテント力高調波成分が顕著になる。一般に相独立型の駆動では、３相合成時に基本波及び２次、４次の高調波は打ち消されるが、３次、６次、９次などの３の倍数の高調波は強め合うこととなる。
【００６０】
高調波成分の中で特に６次の高調波が多くなる傾向にあるため、電機子コア１２の突起部１２ａ１、電機子コア１３の凹部１３ｂ１の移動方向の長さを、他の電機子コア１２の突起部１２ａ、電機子コア１３の他の凹部１３ｂよりもτ／６（τ：極ピッチ、τ＝λ／２、λ：電気角で３６０度に相当する長さ）だけ長くしてある。これにより、突起部１２ａ１と突起部１２ａとに発生するディテント力の位相が６次の高調波成分において１８０度異なるので、６次の高調波成分が打ち消され減少する。なお、τ／６だけ電機子コア１２の突起部１２ａ１を長くしたが、τ／６だけ電機子コア１２の突起部１２ａ１を他の電機子コア１２の突起部１２ａより短くしても、同様の効果を奏する。すなわち、他の突起部１２ａとτ／６だけ長さが異なる電機子コアを設ければ良い。
【００６１】
次に、１２次以上の高調波成分については、電機子コア１２の突起部１２ａ、１２ａ１、電機子コア１３の突起部１３ａをスキュー配置することにより低減可能である。スキュー配置は、移動方向の垂直方向に対して傾斜（角度）をつけて電機子コア１２の突起部１２ａ、１２ａ１、電機子コア１３の突起部１３ａを形成することである。なお、スキューさせる角度（スキュー角度）は０〜６度程度である。
【００６２】
上述では電機子コア１２の突起部１２ａ及び突起部１２ａ１の長さ並びに電機子コア１３の凹部１３ｂ及び凹部１３ｂ１の長さを変えると共に、突起部１２ａ、１２ａ１、１３ａのスキュー配置を行った。このような構成では、電機子コアの突起部の長さとスキュー角度は独立で変更できるため、主たる高調波成分に対してディテント力を有効に低減することが可能である。それに限られず、スキュー配置はせずに、突起部１２ａ１等の長さのみを変えても良い。また、突起部１２ａ１、凹部１３ｂ１は形成せずに、突起部１２ａ、１３ａのスキュー配置のみを行なっても良い。
【００６３】
以上のように実施の形態３に係るリニアモータは、実施の形態１及び実施の形態２に係るリニアモータが奏する効果に加え、ディテント力の高調波成分を低減するという効果を奏する。
【００６４】
実施の形態４
図１９は実施の形態４に係るリニアモータの固定子２の構成を示す断面図である。リニアモータの固定子２を可動子１の移動方向に沿って切断した横断面図である。上板部２１が有する歯部２１ａ及び下板部２２が有する歯部２２ａをスキュー配置している。図１９の左から３番目の歯部２１ａを用いて説明する。歯部２１ａの断面は長方形である。点線で示す長方形は歯部２１ａをスキュー配置していない場合を示している。図１９において、可動子１の移動方向は左右の方向である。スキュー配置していない場合、点線で示す歯部２１ａの断面短辺は可動子１の移動方向に対して、平行である。スキュー配置した場合、断面短辺Ｅ１とＥ２は可動子１の移動方向に対して傾斜していることとなる。図１９では歯部２２ａは突出方向先端の端面が現れている。図１９の左から二番目の歯部２２ａにおいて、点線で示す長方形は歯部２２ａがスキュー配置していない場合を示している。端面の短辺は可動子１の移動方向と平行であり、傾斜していない。スキュー配置した場合、端面の短辺Ｅ３、Ｅ４は可動子１の移動方向に対して傾斜している。歯部２２ａの断面は端面と同一形状であるから、断面短辺も同様に可動子１の移動方向に対して傾斜することとなる。
【００６５】
可動子１については、上述の実施の形態１は実施の形態２又は実施の形態３と同様であるので、説明を省略する。実施の形態４においては、固定子２の歯部２１ａ及び歯部２２ａをスキュー配置することにより、可動子１の電機子コア１２の突起部１２ａ（１２ａ１）、電機子コア１３の突起部１３ａをスキューさせなくても、ディテント力の低減が可能となる。
なお、可動子１として上述の実施の形態３と同様なものも使用可能である。ディテント力の低減には、固定子２の歯部２１ａ、２２ａ並びに可動子１の電機子コア１２の突起部１２ａ（１２ａ１）、電機子コア１３の突起部１３ａの可動子１の移動方向となす角度が関係する。当該なす角度が適切な値となるように、固定子２の歯部２１ａ、２２ａ並びに可動子１の電機子コア１２の突起部１２ａ（１２ａ１）、電機子コア１３の突起部１３ａのそれぞれをスキューさせれば良い。
【００６６】
実施の形態５
図２０は実施の形態５に係るリニアモータの固定子２の構成を示す断面図である。リニアモータを可動子１の移動方向に沿って切断した横断面図である。上板部２１が有する歯部２１ａ及び下板部２２の有する歯部２２ａをスキュー配置している。すなわち、固定子２の歯部２１ａ及び歯部２２ａは、可動子１の移動方向に対して傾斜するように配置してある。可動子については、上述の実施の形態１、実施の形態２又は実施の形態３と同様であるので、説明を省略する。
【００６７】
実施の形態５において、一方の板状部２１が備える歯部２１ａと他方の板状部２２が備える歯部２２ａとでは、断面短辺の傾斜の方向を逆にしてある。図２０に示すように、歯部２１ａの断面短辺Ｅ１、Ｅ２と歯部２２ａの端面短辺と同様な断面短辺Ｅ３、Ｅ４とは可動子１の移動方向に対して傾斜している。その点は上述の実施の形態４と同様である。実施の形態５では、歯部２１ａと歯部２２ａとで傾斜する方向を逆にしている。すなわち、歯部２１ａの断面短辺Ｅ１、Ｅ２の傾斜方向と歯部２２ａの断面短辺Ｅ３、Ｅ４とは傾斜方向が逆にしてある。これは、スキュー配置したことによるこじりを抑えることを目的としている。歯部２１ａ、２２ａをスキュー配置することにより、リニアモータに発生する推力は、移動方向からスキュー角度分傾く方向に生じるので、可動子全体が傾きこじりを発生する場合がある。歯部２１ａと歯部２２ａの傾斜方向を逆にすることにより、歯部２１ａと歯部２２ａにより発生する移動方向に垂直な方向（横方向）の推力成分が逆向きとなる。そのため、横方向の推力成分は、互いに打ち消しあい、こじりを防止することが可能となる。
【００６８】
以上のように、実施の形態５においては、実施の形態１から実施の形態４に係るリニアモータにおける効果に加え、次の効果を奏する。固定子２の歯部２１ａ及び歯部２２ａをスキュー配置することにより、可動子１の電機子コア１２の突起部１２ａ（１２ａ１）、電機子コア１３の突起部１３ａ（１３ａ１）をスキューさせることなく、ディテント力の高調波成分を低減するという効果を奏する。また、歯部２１ａと歯部２２ａの傾ける向きを逆方向にすることにより、こじりを防止するという効果を奏する。
【００６９】
なお、実施の形態５においても、実施の形態４と同様に、実施の形態３における可動子１を用いることも可能であり、可動子１及び固定子２のスキュー角度は適宜定めれば良い。
【００７０】
また、本明細書では、固定子２は板状部材において歯部となる部分が突出した形状であるが、例えば板状部材で歯となる部分を残しスリットを形成したり、または歯となる部分をくし歯状に形成したりしても、本発明は実施可能である。
さらにまた、上述においては、単相のリニアモータ（単相分のユニット）について説明したが、例えば３相駆動のリニアモータを構成する場合には、上記の可動子３個を、歯部のピッチ×（ｎ＋１／３）または歯部のピッチ×（ｎ＋２／３）（但し、ｎは整数）だけ間隔をあけて直線上に配置すれば良い。この場合、各可動子の長手方向の長さを考慮して整数ｎを設定すれば良い。
【００７１】
各実施例で記載されている技術的特徴（構成要件）はお互いに組合せ可能であり、組み合わせすることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味では無く、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７２】
１  可動子
１１  コイル
１２、１３  電機子コア
１２ａ、１３ａ  突起部（突出部）
１２ｂ、１３ｂ  凹部
１４  永久磁石（磁石）
２  固定子
２１  上板部（板状部）
２１ａ  歯部
２２  下板部（板状部）
２２ａ  歯部
２３  側板部
１２ａ１  突起部（突出部）
１３ｂ１  凹部
【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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