(57)【要約】    【課題】  モータ定数の向上やロバスト性を向上させたリニア同期モータを提供する。    【解決手段】本発明のリニア同期モータは、外部ヨーク１０と、外部ヨーク１０内に外部ヨークの軸線に沿って移動可能に配置されたセンターヨーク５と、センターヨークの上下外周で、かつ外部ヨーク１０の内面と対向する側にそれぞれ長手方向に沿って嵌装・固着された複数個の永久磁石からなる永久磁石群４と、センターヨーク５を囲繞し外部ヨーク１０の内周面に固着された環状の電磁石用コイル群３とを備えている。センターヨーク５に装着された永久磁石群４が電磁石用コイル群３に対して移動する。【選択図】    図１
2005192322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部ヨークと、
断面が中空の環状で、前記外部ヨークの内部に挿入され、固定されている電磁石用コイル群と、
前記電磁石用コイル群の中空内を前記外部ヨークの長手方向に移動可能に配置されたセンターヨークと、
前記センターヨークの断面の１方向の対向する両側に、前記電磁石用コイル群と対向するように配設された、永久磁石群と
を具備し、
前記永久磁石群は、前記センターヨークの長手方向に異なる磁極で交互に配設され、前記センターヨークの長手方向の同じ位置の両側の磁極は同じである、複数の永久磁石を有し、
前記電磁石用コイル群）は、前記センターヨークの長手方向に、前記複数の永久磁石と所定の位置関係で配設された、複数の電磁石用コイルを有し、
前記所定の位置関係と前記複数の電磁石用コイルに印加する電流とが同期条件に設定され、
前記センターヨークおよび前記複数の永久磁石が、前記電磁石用コイル群と前記永久磁石群との相互に作用する電磁力の推力で、同期状態で、前記外部ヨークの内部を移動する、
リニア同期モータ。
【請求項２】
前記電磁石用コイル群を構成する複数のコイルの１単位は、それぞれ、３π／４（ラジアン）の位置角で配設された、第１相の正相の交流電流が印加される第１のコイルと、第１相の逆相の交流電流が印加される第２のコイルと、前記第１相の正相の交流電流とπ（ラジアン）位相差のある、第２相の正相の交流電流が印加される第３のコイルと、第２相の逆相の交流電流が印加される第４のコイルとで構成され、
前記永久磁石群を構成する複数の永久磁石の１単位は、前記センターヨークの長手方向に、前記センターヨークの両側にそれぞれ、π（ラジアン）の位置角で配設された３個の永久磁石で構成されている、
請求項１記載のリニア同期モータ。
【請求項３】
前記電磁石用コイル群の１単位を構成する複数のコイルにはそれぞれ、下記の電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄが印加される、
Ｉａ＝  Ｉｍ×ｃｏｓ（ωｔ）
Ｉｂ＝−Ｉｍ×ｃｏｓ（ωｔ）
Ｉｃ＝  Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ）
Ｉｄ＝−Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ）
ただし、Ｉｍは電流の最大振幅である。
請求項２記載のリニア同期モータ。
【請求項４】
前記電磁石用コイル群を構成する複数のコイルの１単位は、それぞれ、３π／４（ラジアン）の位置角で配設された、第１相の正相の交流電流が印加される第１のコイルと、第１相の逆相の交流電流が印加される第２のコイルと、前記第１相の正相の交流電流と第１の位相差のある、第２相の正相の交流電流が印加される第３のコイルと、第２相の逆相の交流電流が印加される第４のコイルと、前記第１相の正相の交流電流と第２の位相差のある、第３相の正相の交流電流が印加される第５のコイルと、第３相の逆相の交流電流が印加される第６のコイルとで構成され、
前記永久磁石群を構成する複数の永久磁石の１単位は、前記センターヨークの長手方向に、前記センターヨークの両側にそれぞれ、π（ラジアン）の位置角で配設された４個の永久磁石で構成されている、
請求項１記載のリニア同期モータ。
【請求項５】
前記電磁石用コイル群の１単位を構成する複数のコイルにはそれぞれ、下記の電流ＩＵａ、ＩＵｂ、ＩＷａ、ＩＷｂ、ＩＶａ、ＩＶｂが印加される、
ただし、Ｉｍは電流の最大振幅である。
ＩＵａ＝  Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ）
ＩＵｂ＝−Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ）
ＩＷａ＝  Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋８π／３）
ＩＷｂ＝−Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋８π／３）
ＩＶａ＝  Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）
ＩＶｂ＝−Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）
ただし、Ｉｍは電流の最大振幅である。
請求項４記載のリニア同期モータ。
【請求項６】
前記電磁石用コイル群は前記外部ヨークの内壁に嵌装されており、
前記電磁石用コイル群の熱が前記外部ヨークを経由して放熱される、
請求項１〜５いずれかに記載のリニア同期モータ。
【請求項７】
前記外部ヨークの断面形状は矩形である、
請求項１〜６いずれかに記載のリニア同期モータ。
【請求項８】
前記センターヨークの断面形状は矩形である、
請求項１〜７いずれかに記載のリニア同期モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリニア同期モータに関する。
特に本発明は、高剛性で推力変動が小さく、小型化、軽量化を図ることができるリニア同期モータに関する。
また本発明は、除振、制振装置の微振動制御やナノメートル単位の超精密度で位置決めする場合に有用なリニア同期モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
リニア同期モータは、大きな推力を必要とする機械工作機や半導体製造装置等において使用されている。たとえば、リニア同期モータの適用例としては、除振、制振装置の微振動制御やナノメートル単位の超精密度で位置決めする場合などがある。
【０００３】
そのような用途に適したリニア同期モータとしては、たとえば、特開２００２−２３８２４０号公報に記載されている。
特開２００２−２３８２４０号公報に記載のリニア同期モータは、外部ヨークと、外部ヨークの内壁に外部ヨークの軸方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に配設された複数の永久磁石と、外部ヨーク内を外部ヨークの軸方向に沿って移動可能な補強板と、補強板に複数の永久磁石と対向するように配設された３相コイルとを有している。外部ヨークの長手方向において、複数の永久磁石と、３相コイルとは所定の位置関係で配設されている。補強板と、補強板に装着されている３相コイルとが、外部ヨーク内を移動する可動部を構成している。このようなリニア同期モータにおいて、３相コイルに電流を流したとき、３相コイルに発する電磁力と永久磁石との磁力との相互作用で、可動部が外部ヨーク内を外部ヨークの軸方向に沿って移動する。３相コイルに印加する電流の大きさに応じて可動部の移動速度が変化し、３相コイルに電流を印加している時間に応じて可動部の移動量が規定され、３相コイルに印加する電流の向きで可動部の移動の向きが変化する。
【０００４】
しかしながら、特開２００２−２３８２４０号公報に記載されているリニア同期モータは、下記に例示する不利益が存在する。
（１）可動部の補強板は、軽量化のため、平坦でその厚さも薄いので、捩り剛性が低く、可動部に微振動が発生し易くなる。
（２）可動部に発生する微振動に起因して可動部の速度や現在位置が変動する。かかる変動が位置センサを介してフィードバックされ、より一層振動が増幅されることから、制御ゲインが低くなり、ひいては、ナノメートル単位での制御が困難になる。
（３）出力が大きくなると、発熱が多くなり、ひいては、周囲の温度が上昇し、熱膨張による誤差が生じ易くなる。
【特許文献１】特開２００２−２３８２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した不利益を克服するため、種々の試みが行われてきた。
しかしながら、高剛性で推力変動が小さく、小型化、軽量化を図ることができ、モータ定数やロバスト性を向上させうることがさらに望まれており、また、超精密制御を容易に行なうことができるリニア同期モータの提供が望まれているが、未だ達成されていない。
【０００６】
本発明の目的は、上述した要望を達成するリニア同期モータを提供することにある。
すなわち、本発明の目的は、高剛性で推力変動が小さく、小型化、軽量化を図ることができるリニア同期モータを提供することにある。
また本発明の目的は、モータ定数やロバスト性を向上させることができ得るリニア同期モータを提供することにある。
さらに本発明の目的は、除振、制振装置の微振動制御やナノメートル単位の超精密度で位置決めする場合に有用なリニア同期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】
【０００７】
本発明によれば、外部ヨークと、断面が中空の環状で、前記外部ヨークの内部に挿入され、固定されている電磁石用コイル群と、前記電磁石用コイル群の中空内を前記外部ヨークの長手方向に移動可能に配置されたセンターヨークと、前記センターヨークの断面の１方向の対向する両側に、前記電磁石用コイル群と対向するように配設された、永久磁石群とを具備し、
前記永久磁石群は、前記センターヨークの長手方向に異なる磁極で交互に配設され、前記センターヨークの長手方向の同じ位置の両側の磁極は同じである、複数の永久磁石を有し、
前記電磁石用コイル群は、前記センターヨークの長手方向に、前記複数の永久磁石と所定の位置関係で配設された、複数の電磁石用コイルを有し、
前記所定の位置関係と前記複数の電磁石用コイルに印加する電流とが同期条件に設定され、
前記センターヨークおよび前記複数の永久磁石が、前記電磁石用コイル群と前記永久磁石群との相互に作用する電磁力の推力で、同期状態で、前記外部ヨークの内部を移動する、リニア同期モータが提供される。
【０００８】
本発明のリニア同期モータの第１形態においては、
前記電磁石用コイル群を構成する複数のコイルの１単位は、それぞれ、３π／４（ラジアン）の位置角で配設された、第１相の正相の交流電流が印加される第１のコイルと、第１相の逆相の交流電流が印加される第２のコイルと、前記第１相の正相の交流電流とπ（ラジアン）位相差のある、第２相の正相の交流電流が印加される第３のコイルと、第２相の逆相の交流電流が印加される第４のコイルとで構成され、
前記永久磁石群を構成する複数の永久磁石の１単位は、前記センターヨークの長手方向に、前記センターヨークの両側にそれぞれ、π（ラジアン）の位置角で配設された３個の永久磁石で構成されている。
【０００９】
本発明のリニア同期モータの第１形態においては、前記電磁石用コイル群の１単位を構成する複数のコイルにはそれぞれ、下記の電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄが印加される。
Ｉａ＝  Ｉｍ×ｃｏｓ（ωｔ）
Ｉｂ＝−Ｉｍ×ｃｏｓ（ωｔ）
Ｉｃ＝  Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ）
Ｉｄ＝−Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ）
ただし、Ｉｍは電流の最大振幅である。
【００１０】
本発明のリニア同期モータの第２形態においては、
前記電磁石用コイル群を構成する複数のコイルの１単位は、それぞれ、３π／４（ラジアン）の位置角で配設された、第１相の正相の交流電流が印加される第１のコイルと、第１相の逆相の交流電流が印加される第２のコイルと、前記第１相の正相の交流電流と第１の位相差のある、第２相の正相の交流電流が印加される第３のコイルと、第２相の逆相の交流電流が印加される第４のコイルと、前記第１相の正相の交流電流と第２の位相差のある、第３相の正相の交流電流が印加される第５のコイルと、第３の逆相の交流電流が印加される第６のコイルとで構成され、
前記永久磁石群を構成する複数の永久磁石の１単位は、前記センターヨークの長手方向に、前記センターヨークの両側にそれぞれ、π（ラジアン）の位置角で配設された４個の永久磁石で構成されている。
【００１１】
本発明のリニア同期モータの第２形態においては、前記電磁石用コイル群の１単位を構成する複数のコイルにはそれぞれ、下記の電流ＩＵａ、ＩＵｂ、ＩＷａ、ＩＷｂ、ＩＶａ、ＩＶｂが印加される。
ＩＵａ＝  Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ）
ＩＵｂ＝−Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ）
ＩＷａ＝  Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋８π／３）
ＩＷｂ＝−Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋８π／３）
ＩＶａ＝  Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）
ＩＶｂ＝−Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）
ただし、Ｉｍは電流の最大振幅である。
【００１２】
好ましくは、前記電磁石用コイル群は前記外部ヨークの内壁に嵌装されており、前記電磁石用コイル群の熱が前記外部ヨークを経由して放熱される。
【００１３】
また好ましくは、前記外部ヨークの断面形状は矩形であり、前記センターヨークの断面形状は矩形である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のリニア同期モータは、電磁石用コイル群が外部ヨーク内に嵌装されるように環状に形成され、かつ環状に形成された電磁石用コイル群が外部ヨークの内部に嵌装されて固着されていることから、電磁石用コイル群の捩り剛性が高くなる。さらに、推力変動も小さくなり、ひいては超精密制御が容易となり、モータ定数やロバスト性も向上した。
【００１５】
本発明のリニア同期モータにおいては、隣接する電磁石用コイルが逆極性で配置されていることから、各相コイルからの動磁束が相互に相殺され、外部ヨークに発生する渦電流が殆どなくなり、鉄損を著しく減少させることができた。
【００１６】
本発明のリニア同期モータにおいては、電磁石用コイル群が外部ヨークに固定されていることから、外部ヨークを介して放熱され、熱の影響を小さくすることができる。換言すれば、電磁石用コイル群の冷却対策が容易であり、リニア同期モータの熱膨張を抑えることができる。
【００１７】
本発明のリニア同期モータにおいて、センターヨークに固定される永久磁石群の形状はコンパクトであり、センターヨークを大きくとれる。そのため、センターヨークの剛性を高めることができる。その結果、センターヨークへの永久磁石群の固定も安定している。
なお、センターヨークに電磁石用コイル群が固定された場合に比較して、センターヨークと永久磁石群とは移動しやすいので、高速動作が可能である。
【００１８】
電磁石用コイル群が外部ヨークの嵌装されて移動しないので、電磁石用コイル群への電流印加用電線の布線が容易である。換言すれば、本発明のリニア同期モータにおいては、可動部への給電するという問題がない。
【００１９】
本発明のリニア同期モータは小型である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明のリニア同期モータの好ましい実施の形態例について、添付図面を参照して述べる。
【００２１】
第１実施の形態
図１（Ａ）〜（Ｃ）、図２および図３を参照して本発明のリニア同期モータの第１実施の形態について述べる。
図１（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、本発明の第１実施の形態のリニア同期モータの概略断面図、図１（Ａ）の線Ｂ−Ｂにおける矢視断面図、図１（Ａ）の線Ａ−Ａにおける矢視断面図である。
図２は図１（Ａ）に図解したコイルの斜視図である。
図３は図１（Ａ）に図解した永久磁石とコイルとの配置を示す図である。
【００２２】
〔リニア同期モータの構造〕
まずリニア同期モータ１の構造について述べる。
リニア同期モータ１は、外部ヨーク１０とセンターヨーク５とを有する。
リニア同期モータ１はさらに、外部ヨーク１０の内壁に嵌装された電磁石用コイル群３と、センターヨーク５の上下に装着された永久磁石群４を有する。
センターヨーク５は、電磁石用コイル群３および永久磁石群４と磁気回路を構成するので、磁性体で製造されている。
【００２３】
外部ヨーク１０は、断面が矩形で、長手方向に筒状に延び、両端部はサイドヨーク１００ａ、１００ｂが設けられ、内部が内腔９を構成している。内腔９は、電磁石用コイル群３を収容し、センターヨーク５および永久磁石群４が移動可能にしている。
断面において、外部ヨーク１０は、上部ヨーク１０Ａと、下部ヨーク１０Ｂと、左ヨーク１０Ｃ、右ヨーク１０Ｄを有する。
各サイドヨーク１００ａ、１００ｂにはセンターヨーク５を貫通させる断面が矩形の透孔２００ａ、２００ｂが設けられており、矩形の透孔２００ａ、２００ｂの断面積は、センターヨーク５の断面積より若干大きい。
【００２４】
センターヨーク５の断面は矩形であり、センターヨーク５の両端は透孔２００ａ、２００ｂを貫通して外部ヨーク１０の外部に突出している。センターヨーク５は透孔２００ａ、２００ｂおよび内腔９内を外部ヨーク１０の軸中心Ｃ−Ｃに沿って往復移動可能に、２００ａ、２００ｂ部分に軸支されている。
透孔２００ａ、２００ｂの断面積が、センターヨーク５の断面積より若干大きいのは、上述したように、センターヨーク５が軸支されつつ、透孔２００ａ、２００ｂ部分を往復移動可能になっているからである。なお、透孔２００ａ、２００ｂ部分に潤滑部材または潤滑剤を配して、センターヨーク５の移動を円滑にしている。
センターヨーク５の少なくとも一方の端部に、リニア同期モータ１で駆動すべき対象物（図示せず）が接続されうる。
【００２５】
センターヨーク５の上下に装着された永久磁石群４は、線Ｃ−Ｃに沿って、第１Ｓ極永久磁石４Ｓ１ａ、４Ｓ１ｂ、第１Ｎ極永久磁石４Ｎ１ａ、４Ｎ１ｂ、第２Ｓ極永久磁石４Ｓ２ａ、４Ｓ２ｂのように、配設されている。すなわち、センターヨーク５の線Ｃ−Ｃ方向におけるセンターヨーク５の同じ位置の上下には同じ磁極の永久磁石、たとえば、第１Ｓ極永久磁石４Ｓ１ａ、４Ｓ１ｂが配設され、線Ｃ−Ｃ方向に沿って異なる磁極の永久磁石、たとえば、第１Ｓ極永久磁石４Ｓ１ａ、４Ｓ１ｂと第１Ｎ極永久磁石４Ｎ１ａ、４Ｎ１ｂとが交互に配設されている。
【００２６】
電磁石用コイル３は図２に図解したように、外部ヨーク１０の長手方向（Ｃ−Ｃ方向）に沿って、コイル３Ａ１、コイル３Ａ２、コイル３Ｂ１、コイル３Ｂ２が、非磁性の絶縁部材３１ａ〜３１ｃを介して一体に固着されており、その中心部分は、センターヨーク５およびセンターヨーク５に装着された永久磁石群４が移動可能な中空３２状態に形成されている。
コイル３Ａ１、コイル３Ａ２、コイル３Ｂ１、コイル３Ｂ２は、外部ヨーク１０の内壁に嵌装可能なように、矩形環状に形成されており、それぞれ同一の仕様で、たとえば、エナメル線等の導線を矩形環状に多層巻きしたもので形成され、導線間にエポキシ樹脂などの接着剤を浸透させることにより、矩形環状の形状を維持した状態で固着されている。
電磁石用コイル３、たとえば、コイル３Ａ１は、図１（Ａ）、（Ｂ）に図解したように、外部ヨーク１０の上部ヨーク１０Ａの内壁１０ａ、下部ヨーク１０Ｂの内壁１０ｂ、左ヨーク１０Ｃの内壁１０ｃ、右ヨーク１０Ｄの内壁１０ｄに嵌装されている。他のコイルも同様に外部ヨーク１０の内部に挿入される、好ましくは、外部ヨーク１０の内壁に嵌装される。
【００２７】
図３に図解したように、永久磁石群４は、各上下組の永久磁石の位置角がπ（ラジアン）であり、永久磁石４Ｓ１ａ、４Ｓ１ｂを起点として、センターヨーク５の長手方向に沿って配設された３組の上下の永久磁石の位置角の合計が３π（ラジアン）となる。
破線はセンターヨーク５に隣接して交互の磁極に配設された永久磁石の磁力線を図解している。
電磁石用コイル３は４個のコイル３Ａ１、３Ａ２、３Ｂ１、３Ｂ２で３π（ラジアン）である。各コイルの位置角は３π／４（ラジアン）である。コイル３Ａ１、３Ａ２、３Ｂ１、３Ｂ２の位置角は、永久磁石４Ｓ１ａ、４Ｓ１ｂを起点としてそれぞれ、３π／４、６π／４、９π／４（ラジアン）、３π（ラジアン）である。
【００２８】
図１（Ａ）には、基本形態として、第１電磁石用コイル群３と永久磁石群４との１単位部分、すなわち、４個の電磁石用コイル３Ａ１：３Ａ２、３Ｂ１：３Ｂ２と、６個の永久磁石４Ｓ１ａ：４Ｓ１ｂ、４Ｎ１ａ：４Ｎ１ｂ、４Ｓ２ａ、４Ｓ２ｂとしてのみを図解している。
推力を高め、センターヨーク５の円滑な移動を遂行するなどのために、実際は、センターヨーク５の長手方向に沿って、複数単位の電磁石と、複数単位の永久磁石群が配設される。
４個のコイル３Ａ１、３Ａ２、３Ｂ１、３Ｂ２にはそれぞれ、たとえば、下記の電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄが印加される。
【００２９】
Ｉａ＝  Ｉｍ×ｃｏｓ（ωｔ）
Ｉｂ＝−Ｉｍ×ｃｏｓ（ωｔ）
Ｉｃ＝  Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ）
Ｉｄ＝−Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ）
ただし、Ｉｍは電流の最大振幅である。
…（１）
【００３０】
コイル３Ａ１には正相の余弦波（ｃｏｓ）交流電流、コイル３Ａ２には逆相の余弦波交流電流、コイル３Ｂ１には正相の正弦波（ｓｉｎ）交流電流、コイル３Ｂ２には逆相の正弦波交流電流が印加される。
換言すれば、コイル３Ａ１、３Ａ２、３Ｂ１、３Ｂ２には、４相の交流電流が印加されるとも言えるし、余弦波交流電流（または正弦波交流電流）を基準にとれば、０、π、π／２、２π（ラジアン）の位相差のある単相交流電流が印加されるともいえるし、それぞれ正相と逆相の余弦波、正弦波の２相の交流電流が印加されるともいえる。
以下、本明細書において、２相の交流電流が印加されると言う。
なお、電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄは、０、π、π／２、２π（ラジアン）の位相差が維持されていればよく、電流Ｉｃ、Ｉｄを余弦波交流電流、電流Ｉａ、Ｉｂを正弦波交流電流としてもよい。
【００３１】
図解の関係で、これらコイル３Ａ１、３Ａ２、３Ｂ１、３Ｂ２に電流を印加する電線は図解していないが、電磁石用コイル群３は移動せず、外部ヨーク１０の内壁に嵌装されるので、たとえば、電線を外部ヨーク１０の内壁に沿って布線するとか、外部ヨーク１０の外壁を貫通させることもできるので、電流印加用電線の布線は容易である。
【００３２】
図１（Ａ）の図解においては、外部ヨーク１０は一体構成されている状態を図解しているが、実際は、サイドヨーク１００ａ、１００ｂのいずれか一方部分が取り外し可能になっていて、電磁石用コイル３を外部ヨーク１０の内壁に嵌装するとき、および、永久磁石群４を装着したセンターヨーク５を外部ヨーク１０の内腔９に挿入するとき、サイドヨーク１００ａ、１００ｂのいずれか一方部分を取り外し、電磁石用コイル３を外部ヨーク１０の内壁に嵌装し、永久磁石群４を装着したセンターヨーク５を外部ヨーク１０の内腔９に挿入した後、図１（Ａ）に図解したように、サイドヨーク１００ａ、１００ｂで外部ヨーク１０の両端側を閉塞状態にする。
【００３３】
〔リニア同期モータの動作方法〕
リニア同期モータ１の動作方法を述べる。
図３に上部分の半分を図解したが、図１（Ａ）に図解のごとく、センターヨーク５の上下に１対で３組、合計６個の永久磁石４Ｓ１ａ：４Ｓ１ｂ、４Ｎ１ａ：４ＮＳｂ、４Ｓ２ａ：４Ｓ２ｂと、４個の電磁石用コイル３Ａ１：３Ａ２、３Ｂ１：３Ｂ２を１動作単位として構成されており、この１単位の動作について述べる。
図３において、永久磁石４Ｎ１ａから出た磁束は、対向する電磁石用コイル３Ａ１、３Ａ２を通り左側の隣接する永久磁石４Ｓ１ａと、対向する電磁石用コイル３Ｂ１、３Ｂ２を通り右側の隣接する永久磁石４Ｓ２ａに入る。
永久磁石４Ｓ１ａ、４Ｓ１ｂを起点として、センターヨーク５の移動方向、すなわち、Ｘ軸方向の距離ｘとする。
コイル３Ａ１、３Ａ２、３Ｂ１、３Ｂ２が距離ｘだけＸ軸方向に移動したとき、鎖交する磁束数Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃ、Ｂｄは下記になる。
【００３４】
Ｂａ＝Ｂｍ×ｓｉｎ（ｘ）
Ｂｂ＝Ｂｍ×ｓｉｎ（ｘ＋３π／４）
Ｂｃ＝Ｂｍ×ｓｉｎ（ｘ＋６π／４）
Ｂｄ＝Ｂｍ×ｓｉｎ（ｘ＋９π／４）
ただし、Ｂｍは永久磁石の最大磁束密度である。
…（２）
【００３５】
永久磁石４Ｓ１ａ：４Ｓ１ｂ、４Ｎ１ａ：４ＮＳｂ、４Ｓ２ａ：４Ｓ２ｂの界磁磁束と、式１（１）に示した電磁石用コイル３Ａ１：３Ａ２、３Ｂ１：３Ｂ２に流れる電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄとの鎖交により、永久磁石群４Ｓ１ａ：４Ｓ１ｂ、４Ｎ１ａ：４ＮＳｂ、４Ｓ２ａ：４Ｓ２ｂと電磁石用コイル３Ａ１：３Ａ２、３Ｂ１：３Ｂ２との相互間に働く力は、下記になる。
【００３６】
Ｆ＝Ｂａ×Ｉａ＋Ｂｂ×Ｉｂ＋Ｂｃ×Ｉｃ＋Ｂｄ×Ｉｄ
＝  Ｂｍ・Ｉｍ〔ｓｉｎ（ｘ）−ｓｉｎ（ｘ＋３π／４）〕×ｃｏｓ（ωｔ）
＋Ｂｍ・Ｉｍ〔ｓｉｎ（ｘ＋６π／４）−ｓｉｎ（ｘ＋９π／４）〕
×ｓｉｎ（ωｔ）
＝２Ｂｍ・Ｉｍ・ｓｉｎ（−３π／４）
×〔ｃｏｓ（ｘ＋３π／８）・ｃｏｓ（ωｔ）
＋ｃｏｓ（ｘ＋１５π／８）・ｓｉｎ（ωｔ）
…（３）
【００３７】
ｃｏｓ（ｘ＋１５π／８）＝ｓｉｎ（−３π／８）であるから、これを代入すると、下記式になる。
【００３８】
Ｆ＝２Ｂｍ・Ｉｍ・ｓｉｎ（−３π／４）
×ｓｉｎ（−３π／８）×〔ｃｏｓ（ｘ＋（３π／８）−ωｔ）〕
＝α×ｓｉｎ（−３π／８）×〔ｃｏｓ（ｘ＋（３π／８）−ωｔ）〕
ただし、α＝２Ｂｍ・Ｉｍ・ｓｉｎ（−３π／４）
…（４）
【００３９】
（ｘ＋（３π／８）−ωｔ）＝２Ｎπのとき（Ｎは整数）、力Ｆは下記の条件で最大値Ｆｍａｘとなる。
【００４０】
Ｆｍａｘ＝２Ｂｍ・Ｉｍ・ｓｉｎ（−３π／８）×ｓｉｎ（−３π／８）
＝２Ｂｍ・Ｉｍ・（＝１／２）〔ｃｏｓ（−３π／４）−１〕
＝Ｂｍ・Ｉｍ〔１−ｃｏｓ（３π／４）〕
…（４）
【００４１】
最大力Ｆｍａｘを時間ｔで微分すると、下記式が得られる。
【００４２】
−ω＋ｄｘ／ｄｔ＝０
…（５）
【００４３】
Ｘ軸上での位相速度は下記である。
ｄｘ／ｄｔ＝ωである。
…（６）
【００４４】
本実施の形態においては、電磁石用コイル３Ａ１：３Ａ２、３Ｂ１：３Ｂ２が固定されているから、永久磁石４Ｓ１ａ：４Ｓ１ｂ、４Ｎ１ａ：４ＮＳｂ、４Ｓ２ａ：４Ｓ２ｂとセンターヨーク５とが移動する。
上記の結果は、永久磁石４Ｓ１ａ：４Ｓ１ｂ、４Ｎ１ａ：４ＮＳｂ、４Ｓ２ａ：４Ｓ２ｂが位置角で規定された移動速度ωでＸ軸方向に移動する限り、電磁石用コイル３Ａ１：３Ａ２、３Ｂ１：３Ｂ２が永久磁石４Ｓ１ａ：４Ｓ１ｂ、４Ｎ１ａ：４ＮＳｂ、４Ｓ２ａ：４Ｓ２ｂの界磁磁束から受ける推力は一定であることを意味している。
【００４５】
さらに、上記の結果は、リニア同期モータの動作の前提である、ωｔ＝±ｘの条件を満足している。
したがって、電磁石用コイル３Ａ１：３Ａ２、３Ｂ１：３Ｂ２それぞれを位置角において、３π／４だけ離間させ、たとえば、式（１）で例示したように、０、−π／２、２π（ラジアン）の位相差がある交流電流を印加すると、その駆動電流の各周波数ωで規定される位相速度で、センターヨーク５に搭載された永久磁石群４（４Ｓ１ａ：４Ｓ１ｂ、４Ｎ１ａ：４ＮＳｂ、４Ｓ２ａ：４Ｓ２ｂ）がＸ軸方向に移動する。
なお、電磁石用コイル３Ａ１：３Ａ２、３Ｂ１：３Ｂ２に印加する電流は、式（１）の例示に限らず、たとえば、π、π／２、π（ラジアン）の位相差でもよい。
【００４６】
〔第１実施の形態のリニア同期モータの効果〕
第１実施の形態のリニア同期モータにおいては、電磁石用コイル群３が外部ヨーク１０内に嵌装されるように環状に形成され、かつ環状に形成された電磁石用コイル群３が外部ヨーク１０の内壁に嵌装されて固着されていることから、電磁石用コイル群３の捩り剛性が高くなる。また推力変動も小さくなり、ひいては超精密制御が容易となり、モータ定数やロバスト性も向上した。
【００４７】
隣接する電磁石用コイル３Ａ１と３Ａ２、３Ｂ１と３Ｂ２とが逆極性で配置されていることから、各相コイルからの動磁束が相互に相殺され、外部ヨーク１０に発生する渦電流が殆どなくなり、鉄損を著しく減少させることができた。
【００４８】
さらに、電磁石用コイル群３が外部ヨーク１０に固定されていることから、外部ヨーク１０を介して放熱され、熱の影響を小さくすることができる。換言すれば、電磁石用コイル群３の冷却対策が容易であり、リニア同期モータの熱膨張を抑えることができる。
【００４９】
センターヨーク５に固定される永久磁石群４の形状はコンパクトであり、センターヨーク５に電磁石用コイル群３が搭載される場合に比較して、センターヨーク５を大きくとれる。そのため、センターヨーク５の剛性を高めることができる。その結果、センターヨーク５への永久磁石群４の固定も安定している。
さらに、センターヨーク５に電磁石用コイル群３が固定された場合に比較して、センターヨーク５と永久磁石群４とは移動しやすいので、高速動作が可能である。
【００５０】
電磁石用コイル群３が外部ヨーク１０の内壁に嵌装されて固定されていて移動しないので、電磁石用コイル群３への電流印加用電線の布線が容易である。たとえば、特開２００２−２３８２４０号公報に記載のリニア同期モータにおいては、可動部の補強板にコイルが搭載されていたので、コイルに電流を供給するための電流印加用電線の布線が難しかった。これに対して、本発明の実施の形態においては、可動部はセンターヨーク５とこのセンターヨーク５に装着された永久磁石群４であり、永久磁石群４には電流印加する必要がないから、可動部への給電の問題がない。
【００５１】
リニア同期モータ１の構造はコンパクトであり、電流印加用電線の布線の問題もなく、リニア同期モータは小型である。
【００５２】
第２実施の形態
【００５３】
図４（Ａ）〜（Ｃ）、図５および図６を参照して本発明のリニア同期モータの第２実施の形態について述べる。
第２実施の形態において、特に記述しないものは、第１実施の形態と同様である。
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、本発明の第２実施の形態のリニア同期モータの概略断面図、図４（Ａ）の線Ｂ−Ｂにおける矢視断面図、図４（Ａ）の線Ａ−Ａにおける矢視断面図である。
図５は図４（Ａ）に図解したコイルの斜視図である。
図６は図４（Ａ）に図解した永久磁石とコイルとの配置を示す図である。
【００５４】
〔リニア同期モータの構造〕
図４（Ａ）〜（Ｃ）において、本発明の第２実施の形態のリニア同期モータ１Ａは、筒状の外部ヨーク１０と、外部ヨーク１０内に外部ヨーク１０の軸線に沿って移動可能に配置されたセンターヨーク５と、センターヨーク５の上部外周で、かつ外部ヨーク１０の図中上部位置に配置された上部ヨーク１０Ａの内面１０ａと対向する側に長手方向に沿って固着された複数個の上部永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…と、センターヨーク５の下部外周で、かつ外部ヨーク１０の図中下部位置に配置された下部ヨーク１０Ｂの内面１０ｂと対向する側に長手方向に沿って固着された複数個の下部永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…と、センターヨーク５を囲繞し外部ヨーク１０の内周面に固着された環状の第１、第２の三相コイル６ａ、６ｂとを備えている。
【００５５】
上部永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…と、下部永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…は、同一の鉛直線上においては同一極性の永久磁石が対向するように配設されている。たとえば、第１のＳ極／Ｎ極の上部永久磁石Ｓ１ａ／Ｎ１ａと第１のＳ極／Ｎ極の下部永久磁石Ｓ１ｂ／Ｎ１ｂが対向するように配置されている。
また、上部永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…は、センターヨーク５の長手方向に沿って相異なる極性の永久磁石の磁極の極性が交互に位置するように、すなわち、Ｓ極、Ｎ極、…Ｓ極と交互に位置するように配置されている。同様に、下部永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…も、センターヨーク５の長手方向に沿って相異なる磁極の極性の永久磁石が交互に位置するように、たとえば、Ｓ極、Ｎ極、…Ｓ極となるように、配置されている。
【００５６】
センターヨーク５は、横断面視で略矩形状に形成されており、一体化された上部永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…と、下部永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…と共に、Ｘ方向に移動するように構成されている。
【００５７】
第１の三相コイル６ａは、図５に示すように、たとえば、矩形環状に形成されたＵ相コイル６Ｕａ、Ｗ相コイル６ＷａおよびＶ相コイル６Ｖａを備えており、これらのＵ相コイル６Ｕａ、Ｗ相コイル６ＷａおよびＶ相コイル６Ｖａは、それぞれ同一の仕様で例えばエナメル線等の導線を矩形環状に多層巻きしたもので形成され、導線間にエポキシ樹脂などの接着剤を浸透させることにより、矩形環状の形状を維持した状態で固着されている。
同様に、第２の三相コイル６ｂは、たとえば、矩形環状に形成された−Ｕ相コイル６Ｕｂ、−Ｗ相コイル６Ｗｂおよび−Ｖ相コイル６Ｖｂを備えており、これらの−Ｕ相コイル６Ｕｂ、−Ｗ相コイル６Ｗｂおよび−Ｖ相コイル６Ｖｂは、第１の三相コイル６ａと同様にそれぞれ同一の仕様で形成され、接着剤により矩形環状の形状を維持した状態で固着されている。
−Ｕ相コイル６Ｕｂ、−Ｗ相コイル６Ｗｂおよび−Ｖ相コイル６Ｖｂはそれぞれ、Ｕ相コイル６Ｕａ、Ｗ相コイル６ＷａおよびＶ相コイル６Ｖａとは逆極性のＵ相コイル６Ｕｂ、Ｗ相コイル６ＷｂおよびＶ相コイル６Ｖｂが配置されていることを表わしている。
各相のコイル間には非磁性の絶縁部材６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅが介挿されている。
【００５８】
第１、第２の三相コイル６ａ、６ｂを構成するＵ相コイル６Ｕａ、−Ｕ相コイル６Ｕｂ、Ｗ相コイル６Ｗａ、−Ｗ相コイル６ＷｂおよびＶ相コイル６Ｖａ、−Ｖ相コイル６Ｖｂは、次のようにして一体化されている。すなわち、（１）第１の三相コイル６ａのＵ相コイル６Ｕａに第２の三相コイル６ｂの−Ｕ相コイル６Ｕｂが隣接して配置され、（２）第１の三相コイル６ａのＷ相コイル６Ｗａに第２の三相コイル６ｂの−Ｗ相コイル６Ｗｂが隣接して配置され、（３）第１の三相コイル６ａのＶ相コイル６Ｖａに第２の三相コイル６ｂの−Ｖ相コイル６Ｖｂが隣接して配置され、（４）これらの各相のコイルがそれぞれ中空部６２の軸芯を一致させてかつＸ方向に沿ってＵ相、Ｗ相、Ｖ相の相順で積層状態に配列されている。
【００５９】
本実施の形態において三相交流の相順をＵ相、Ｗ相、Ｖ相と設定しているのは、本実施の形態において、Ｕ相コイル６Ｕ、Ｖ相コイル６ＶおよびＷ相コイル６Ｗの位相差を４π／３に設定したことによる。
したがって、Ｕ相コイル６Ｕａ、−Ｕ相コイル６Ｕｂ、Ｗ相コイル６Ｗａ、−Ｗ相コイル６ＷｂおよびＶ相コイル６Ｖａ、−Ｖ相コイル６Ｖｂには、下記の電流ＩＵａ、ＩＵｂ、ＩＷａ、ＩＷｂ、ＩＶａ、ＩＶｂが印加される。
【００６０】
ＩＵａ＝  Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ）
ＩＵｂ＝−Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ）
ＩＷａ＝  Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋８π／３）
ＩＷｂ＝−Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋８π／３）
ＩＶａ＝  Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）
ＩＶｂ＝−Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）
ただし、Ｉｍは電流の最大振幅である。
…（７）
【００６１】
通常、三相コイルの相順は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相とされ、その位相差は２π／３に設定されているが、本発明の第２実施の形態においては、Ｕ相コイル６Ｕ、Ｖ相コイル６ＶおよびＷ相コイル６Ｗの位相差を４π／３に設定することにより、Ｗ相コイル６ＷがＵ相コイル６Ｕから見て位相が２π／３ずれることになる。その結果、図４に示すように、三相コイル６がＵ相コイル６Ｕ、Ｗ相コイル６ＷおよびＶ相コイル６Ｖの相順で配置されることになる。
【００６２】
第２実施の形態のリニア同期モータにおいては、第１実施の形態と同様、同一鉛直線上に同一極性の永久磁石が配置された、いわゆる軸方向磁束形の励磁構造が採用されていることから、図６に図解した磁気回路となる。
（１）たとえば、第１のＮ極の上部永久磁石Ｎ１ａから発生する磁束は、三相コイル６Ｗａ、６Ｕａを通り抜けて隣接する第１のＳ極の上部永久磁石Ｓ１ａを通り、センターヨーク５を介して元の第１のＮ極の上部永久磁石Ｎ１ａに戻る。
（２）また、たとえば、第１のＮ極の下部永久磁石Ｎ１ｂから発生する磁束は、三相コイル６Ｗａ、６Ｗｂを通り抜けて隣接する第２のＳ極の下部永久磁石Ｓ２ｂを通り、センターヨーク５を介して、元の第１のＮ極の下部永久磁石Ｎ１ｂに戻る。
【００６３】
このような永久磁石の磁界中に配置されたＵ相コイル６Ｕａ、Ｗ相コイル６ＷａおよびＶ相コイル６Ｖａを１組とする第１の三相コイル６ａまたは−Ｕ相コイル６Ｕｂ、−Ｗ相コイル６Ｗｂおよび−Ｖ相コイル６Ｖｂを一組とする第２の三相コイル６ｂに、式（７）の三相交流電流ＩＵａ、ＩＵｂ、ＩＷａ、ＩＷｂ、ＩＶａ、ＩＶｂを流すと、各相のコイルと、上部永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…および下部永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…との相互間に、フレミング左手の法則に基づく推力が発生する。コイル側は固定されているから、上部永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…および下部永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…と、これら永久磁石を搭載しているセンターヨーク５が可動子として、外部ヨーク１０内の内腔９をＸ方向に移動する。
【００６４】
〔第２実施の形態の動作〕
コイルと永久磁石との相互間に働く力Ｆは、式３と同様である。
力Ｆの最大値Ｆｍａｘも式４と同様となる。
最大値Ｆｍａｘを時間ｔで微分すると、式５となり、Ｘ軸上での位相速度は式６となる。すなわち、第２実施の形態においても、第１実施の形態と同様、位相速度、ｄｘ／ｄｔ＝ωとなる。
【００６５】
〔第２実施の形態のリニア同期モータの効果〕
第２実施の形態のリニア同期モータも第１実施の形態のリニア同期モータと同様の効果を奏する。
第２実施の形態のリニア同期モータにおいては、三相コイルが環状に形成され、かつ環状に形成された三相コイルが外部ヨークの内面に嵌装されて固着されていることから、三相コイルの捩り剛性が高くなる上、また推力変動も小さくなり、ひいては超精密制御が容易となり、モータ定数やロバスト性も向上させることができる。
また、第２の三相コイルが第１の三相コイルに対して逆極性で配置されていることから、各相コイルからの動磁束が相互に相殺され、ヨークに発生する渦電流が殆どなくなり、鉄損を著しく減少させることができる。
さらに、コイルが外部ヨークに固定されていることから、放熱性がよく、熱の影響を小さくすることができ、また、冷却構造も取り易く効果が顕著になり、ひいてはリニアモータのヨークの熱膨張を抑えることができる。
【００６６】
その他の実施の形態
本発明のリニア同期モータは、電磁石用コイル群を外部ヨーク１０の内壁に嵌装させ、永久磁石群をセンターヨークに装着させた構造を基本とし、電磁石用コイル群の各コイルと永久磁石群の各永久磁石との位置関係、および、コイルに印加する電流を、同期状態にする、種々のリニア同期モータに適用できる。
したがって、本発明のリニア同期モータは上述した実施の形態に限定されず、上述した条件に基づく他の種々のリニア同期モータに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第１実施の形態としてのリニア同期モータの断面図および側面図である。
【図２】図２は図１（Ａ）〜（Ｃ）に図解したリニア同期モータにおける２相コイルの斜視図である。
【図３】図３は図１（Ａ）〜（Ｃ）に図解したリニア同期モータにおける永久磁石と２相コイルとの位置関係を図解した図である。
【図４】図４（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第２実施の形態としてのリニア同期モータの断面図および側面図である。
【図５】図５は図４（Ａ）〜（Ｃ）に図解したリニア同期モータにおける２相コイルの斜視図である。
【図６】図６は図４（Ａ）〜（Ｃ）に図解したリニア同期モータにおける永久磁石と２相コイルとの位置関係を図解した図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０…外部ヨーク
１０Ａ…上部ヨール、１０ａ…上部ヨーク内壁
１０Ｂ…下部ヨーク、１０ｂ…下部ヨーク内壁
１０Ｃ…左側面ヨーク、１０ｃ…左側面ヨーク内壁
１０Ｄ…右側面ヨーク、１０ｄ…右側面ヨーク内壁
９…内腔
３…電磁石用コイル（３Ａ１：３Ａ２，３Ｂ１：３Ｂ２）
４…永久磁石群（４Ｓ１ａ：４Ｓ１ｂ，４Ｎ１ａ：４Ｎ１ｂ，４Ｓ２ａ：４Ｓ２ｂ）
５…センターヨーク
Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ…永久磁石（上部永久磁石）
Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ…永久磁石（下部永久磁石）
６…三相コイル
６ａ…第１の三相コイル、６ｂ…第２の三相コイル
６Ｕａ…Ｕ相コイル、６Ｕｂ…−Ｕ相コイル
６Ｗａ…Ｗ相コイル、６Ｗｂ…−Ｗ相コイル
６Ｖａ…Ｖ相コイル、６Ｖｂ…−Ｖ相コイル
【図１】
2005192322.tif 000003
【図２】
2005192322.tif 000004
【図３】
2005192322.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005192322.tif 000007
【図６】
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