(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁束を通す電磁鋼板を多数積層してなる電機子鉄心と、前記電機子鉄心の積厚方向に沿ってティース部の外周に巻装された３相の電機子巻線と、前記電機子鉄心のティース部の先端に設けた薄板状の永久磁石と、前記永久磁石と空隙を介して対向配置されると共に磁性体からなる誘導子歯を有する誘導子を備え、前記電機子鉄心または前記誘導子の何れか一方を可動子に、他方を固定子として、前記電機子鉄心と前記誘導子とを相対的に走行するように配置したリニアモータにおいて、
前記誘導子歯は、前記可動子の走行する長手方向に向かって延びる平板の上に突起状に形成されると共にピッチλ毎に等間隔に設けてあり、
前記電機子鉄心は、電磁鋼板の積厚方向が前記誘導子歯のピッチ方向と直交するように設けると共に、当該電機子鉄心の各々のティース部ごとに鉄心を分割し、かつ、前記誘導子のピッチ方向に沿って斜めに配置してあり、
前記各々のティース先端部に設けた永久磁石は、交互に極性が異なるように前記誘導子歯の歯面に対向するように複数個並べて設けると共に、前記ティース部と同じ配置方向になるように斜めに並べて設けたことを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
前記電機子鉄心は、前記可動子の移動する長手方向に向かって３×Ｍ個（Ｍは整数）に分割された複数の鉄心ブロックで構成すると共に、前記分割された各々の鉄心ブロックを電気角で６０×Ｎ度（Ｎは整数）だけずらして配置して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】
前記誘導子は、前記誘導子歯の長手方向に沿って間に前記電機子鉄心を挟むように２列で配置してあ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４】
前記永久磁石の断面形状を、前記電機子鉄心の積厚方向に対してテーパを有する台形断面形状とすると共に、前記永久磁石を囲うように前記永久磁石の剥落を防止する磁石固定板を前記永久磁石の周囲に設けた請求項１に記載のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体製造装置やＦＡ機器などの分野で高精度位置決め送りとして用いられると共に、高速・高加減速で直線運動を行い、高推力を得ることが可能なリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、可動子に電機子巻線と永久磁石を備えた電機子鉄心、固定子に誘導子歯を持つ３相リニア誘導子形同期モータは図６、７のようになっている。
図６は従来の３相リニア誘導子形同期モータの斜視図、図７は３相のリニア誘導子形モータのうち、可動子の永久磁石と固定子の配置を示す図であって、（ａ）は各相永久磁石の着磁パターン図、（ｂ）は（ａ）の永久磁石に対向する固定子の平面図である。
図６において、２１はリニアモータ、２２はリニアモータ２１の可動子、２３はＥ字形状に打ち抜いた電磁鋼板を多数積層してなる電機子鉄心、２３ａは電機子鉄心のティース、２４は各々のティース２３ａ先端部に一列に設けた薄板状の永久磁石、２５は電機子鉄心のティース部２３ａの外周に巻装された３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）からなる電機子巻線である。永久磁石２４および電機子巻線２５を備えた電機子鉄心２３を可動子２２としている。２６はリニアモータ２１の固定子で、可動子２２と一定の空隙を介して図示しない固定台に支持されている。２７は一定の歯幅と高さ（継鉄厚み）の断面を持つ細長い磁性体であって、誘導子歯を構成している。２８は非磁性体であって、この磁性体２７と非磁性体２８をサンドイッチ状に交互に並べて固着したものを固定子２６として構成する。
また、可動子２２と固定子２６の支持は、スライダとガイドレールからなる図示しないリニアガイドで行われると共に、この場合、スライダ（図示せず）は可動子側に取り付けられる。
さらに、可動子２２に設けた永久磁石２４は、図７において、固定子２６の歯ピッチ（磁性体２７の間隔）と同じ極対ピッチで、歯切方向と平行にＮ極、Ｓ極の極性が交互に並ぶように多極に着磁し、各３相のうちの磁極ピッチは互いに１／３極対ピッチずつ位相差が与えられている。
このようなリニアモータは、固定子２６の誘導子歯２７によって、Ｕ、Ｖ、Ｗ極の永久磁石２４の磁束が互いに通路を与えられて流れる。また、各相磁極の位相差が電気角で１２０°なので、可動子２２を動かすと各相巻線には互いに１２０°差の磁束が鎖交し、３相誘起電圧を発生する。逆に各相に３相の正弦波電流を通電すると３相同期モータとして推力を発生し、可動子２２が固定子２６上を長手方向に直線移動する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術には以下の問題があった。
（１）可動子の永久磁石と固定子の誘導子歯間に大きな吸引力が作用し、可動子を固定し負荷を搭載するために設けられたテーブル（図示せず）が撓んだり、リニアガイド（図示せず）の摩擦抵抗が増大した。また、テーブルが撓まないように強固にするためテーブル重量を増加させると、リニアモータの発生する可動子推力では、所定の加速度を得ることができなくなった。
（２）リニアモータの固定子は、磁性体と非磁性体をサンドイッチ状に配置していることから、磁束の通りやすいところと通りにくいところが存在するためにパーミアンス変化が大きくなり、大きな振幅のコギング力が発生することになる。その結果、高速移動時の振動や一定速送り時の速度変動が起こるといった問題があった。
（３）電機子ティース部先端のスロット開口幅が狭く、巻線作業が困難となり、スロット内の巻線の占積率を高めることができなかった。その結果、リニアモータの効率を向上することができなかった。
（４）電機子ティースの外周に巻装された電機子巻線の発熱によって、電機子ティース先端に貼り付けられた永久磁石が剥離、落下することがあった。
そこで、本発明は吸引力、コギング力を低減すると共に、高速移動時の振動や一定速送り時の速度変動を低減でき、かつ、永久磁石が剥離、落下することの無いリニアモータを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の本発明は、磁束を通す電磁鋼板を多数積層してなる電機子鉄心と、前記電機子鉄心の積厚方向に沿ってティース部の外周に巻装された３相の電機子巻線と、前記電機子鉄心のティース部の先端に設けた薄板状の永久磁石と、前記永久磁石と空隙を介して対向配置されると共に磁性体からなる誘導子歯を有する誘導子を備え、前記電機子鉄心または前記誘導子の何れか一方を可動子に、他方を固定子として、前記電機子鉄心と前記誘導子とを相対的に走行するように配置したリニアモータにおいて、前記誘導子歯は、前記可動子の走行する長手方向に向かって延びる平板の上に突起状に形成されると共にピッチλ毎に等間隔に設けてあり、前記電機子鉄心は、電磁鋼板の積厚方向が前記誘導子歯のピッチ方向と直交するように設けると共に、当該電機子鉄心の各々のティース部ごとに鉄心を分割し、かつ、前記誘導子のピッチ方向に沿って斜めに配置してあり、前記各々のティース先端部に設けた永久磁石は、交互に極性が異なるように前記誘導子歯の歯面に対向するように複数個並べて設けると共に、前記ティース部と同じ配置方向になるように斜めに並べて設けたことを特徴としている。
また、請求項２の本発明は、請求項１に記載のリニアモータにおいて、前記電機子鉄心は、前記可動子の移動する長手方向に向かって３×Ｍ個（Ｍは整数）に分割された複数の鉄心ブロックで構成すると共に、前記分割された各々の鉄心ブロックを電気角で６０×Ｎ度（Ｎは整数）だけずらして配置してあることを特徴としている。
また、請求項３の本発明は、請求項１に記載のリニアモータにおいて、前記誘導子は、前記誘導子歯の長手方向に沿って間に前記電機子鉄心を挟むように２列で配置したことを特徴としている。
また、請求項４の本発明は、請求項１に記載のリニアモータにおいて、前記永久磁石の断面形状を、前記電機子鉄心の積厚方向に対してテーパを有する台形断面形状とすると共に、前記永久磁石を囲うように前記永久磁石の剥落を防止する磁石固定板を前記永久磁石の周囲に設けたことを特徴としている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施例を示すリニアモータであって、（ａ）はその全体構成を示す斜視図、（ｂ）はその推力方向から見た正断面図である。図２は第１の実施例によるリニアモータであって、（ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿うリニアモータの上面から見た可動子と誘導子の断面図、（ｂ）は（ａ）における可動子の側面図である。
図において、１はリニアモータ、２は可動子、３は電磁鋼板を多数積層してなる電機子鉄心、３ａは電機子鉄心３に設けた通し穴、３ｂは電機子鉄心の継鉄部、３ｃは電機子鉄心のティース部、４はティース部３ｃの先端部に一列に設けた薄板状で、矩形断面を有する永久磁石、５はティース部３ｃの外周に巻装された３相の電機子巻線、６は電機子取付ガイド、７は電機子取付板、８はモールド樹脂、９は固定子、１０は誘導子、１０ａは誘導子歯、１１は誘導子支持台、１２は固定台、１３はボルトである。なお、永久磁石４および電機子巻線５を備えた電機子鉄心３を可動子２とし、また、誘導子１０を固定子９とすると共に、可動子２と固定子９を図示しないリニアガイドで支持した構成は従来技術と基本的には同じである。
本発明が従来技術と異なる構成は、以下のとおりである。
すなわち、誘導子１０は、電磁鋼板を積層した磁性体で構成されると共に、長手方向に延びる平板の上に突起状の誘導子歯１０ａを所定のピッチλ毎に等間隔に形成し、２列で構成される。また、この２列からなる誘導子１０は、誘導子歯１０ａを内側にして断面Ｌ字状の誘導子支持台１１により支持され、さらに２個の誘導子支持台１１を、固定台１２により固定している。
一方、可動子となる電機子鉄心３は、電機子鉄心３の積厚方向が誘導子歯１０ａのピッチ方向と直交するように、２列の誘導子１０の間に空隙を介して対向配置されている。また、電機子鉄心３は、誘導子１０との対向面側にティース部３ｃが各々９個形成されており、各々のティース部３ｃを中央の継鉄部３ｂによって繋いでいる。そして、継鉄部３ｂには全部で５個の通し穴３ａを等間隔に設けており、積層された電機子鉄心３の一方側に位置する通し穴３ａに雄ねじを有するボルト１３を通し、積層された電機子鉄心３の他方側に雌ねじを有する電機子取付ガイド６を設けて、ボルト１３を電機子取付ガイド６にねじ込んだ後、電機子鉄心３と電機子取付ガイド６を連結、固定している。
また、電機子鉄心３の各々のティース先端部３ｃに設けた永久磁石４は、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極…というように極性の異なる永久磁石５個を一組として構成され、誘導子歯１０ａのピッチ方向に向かって誘導子歯１０ａの歯面に対向するように電機子鉄心３の表面に９組並べ、接着により取り付けている。
さらに、電機子巻線５は、図２に示すように誘導子歯のピッチ方向に向かって紙面左側から右側にＵ、Ｖ、Ｗ、Ｕ、Ｖ、Ｗ、…という順に配置されており、電機子巻線５の周囲は、熱伝導性に優れたモールド樹脂８、例えばスタイキャストにより固着されている。このように永久磁石４および電機子巻線５を備えた電機子鉄心３の上部に、電機子取付ガイド６を介して電機子取付板７を取り付けている。
次に動作について説明する。
リニアモータの可動子を構成する電機子鉄心を、固定子を構成する誘導子の長手方向に沿って直線移動させると、２列の誘導子間において空隙を介して対向する電機子鉄心のティース部先端に永久磁石を並べて配置した構成により、可動子の進行方向に推力が働き、推力方向と直交する空隙の方向に向かって吸引力が生じる。この時、リニアモータは二つの空隙部における吸引力がそれぞれ逆方向に働き相殺されて、所定の加速度で走行する。
【０００６】
次に、第２の実施例について説明する。
図３は本発明の第２の実施例を示すリニアモータであって、（ａ）は電機子取付板を取り外した状態における上面から見た断面図で、図１（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図に相当すると共に、（ｂ）は可動子の側面図である。
第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、可動子の電機子鉄心３を長手方向に向かって第１の鉄心ブロック３１、第２の鉄心ブロック３２および第３の鉄心ブロック３３の３つに分割した点である。
すなわち、鉄心ブロック３１〜３３はそれぞれティース部３ｃが３個形成されると共に、鉄心ブロック中央の継鉄部３ｂには２個の同じ形状の通し穴３ａを設け、通し穴３ａにボルト（図示せず）を通して電機子鉄心３と電機子取付ガイド（図示せず）を固定している。
また、各々の鉄心ブロック３１〜３３については、第１の鉄心ブロック３１に対し、第２の鉄心ブロック３２は（１７／２＋１／３）×λ、第３の鉄心ブロック３３は（１７／２＋１／３）×２λがずれている。これを電気角で表すと、そのずれ量は、第２の鉄心ブロック３２は（１７／２＋１／３）×３６０°＝３００°、第３の鉄心ブロック３３は（１７／２＋１／３）×２×３６０°＝２４０°である。ここで、第１の鉄心ブロック３１のティース部３ｃには紙面左からＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に電機子巻線５が巻装され、ティース部先端３ｃに永久磁石４がＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極の順に貼り付けられている。第２の鉄心ブロック３２は３００°＝１２０°＋１８０°ずれているので、紙面左からＶ相、Ｗ相、Ｕ相の順に電機子巻線５が巻装され、永久磁石４はＳ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極の順に貼り付けられている。第３の鉄心ブロック３３は２４０°ずれているので、紙面左からＷ相、Ｕ相、Ｖ相の順に電機子巻線５が巻装され、永久磁石４はＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極の順に貼り付けられている。
次に動作を説明する。
リニアモータにおいて、誘導子の内側に空隙を介して対向配置された電機子鉄心を誘導子の長手方向に沿って直線移動させると、電機子鉄心の進行方向に向かって推力が生じる。一般的に電機子鉄心の長手方向の端部において磁気的な不平衡、いわゆる端効果によりコギング力が発生する傾向にある。しかし、この場合、第１〜第３の鉄心ブロックは、電気角でそれぞれ３００°ずつ位相がずれた構成にしてあるため、各々のコギング力も電気角で３００°の位相のずれを生じる。その結果、この位相のずれにより３個の鉄心ブロックによって発生するコギング力は相殺されることになり、可動子は移動方向に速度変動を起こすことなく、一定の速度で移動する。
【０００７】
次に、第３の実施例について説明する。
図４は本発明の第３の実施例を示すリニアモータであって、（ａ）は電機子取付板を取り外した状態における上面から見た断面図で、図１（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図に相当すると共に、（ｂ）は可動子の側面図である。
第３の実施例が第１および第２の実施例と異なる点は、以下のとおりである。
第１〜第３の鉄心ブロック３１、３２、３３からなる３つに分割された電機子鉄心において、各々の鉄心ブロックに形成されたティース部ごとに鉄心を分割すると共に、各ティース部ごとの分割鉄心を誘導子歯のピッチ方向に向かって斜めに倒して配置した点である。
また、図４（ｂ）に図示するようにティース部先端に設けた永久磁石を鉄心の傾斜角度と同じ角度になるように斜めに貼りつけている。なお、各々の鉄心ブロック間における電気角のずれ量は第２の実施例と同じなので説明を省略する。
次に動作を説明する。
リニアモータにおいて、電機子鉄心を誘導子の長手方向に沿って直線移動させると、誘導子歯のピッチ方向に対する電機子鉄心と永久磁石の配置位置（傾斜）のずれにより、電機子鉄心および永久磁石側にて発生するコギング力がスキュー効果によりさらに低減される。
【０００８】
次に、第４の実施例について説明する。
図５は本発明の第４の実施例を示すリニアモータの推力方向から見た正断面図である。
第４の実施例が第１、第２および第３の実施例と異なる点は、電機子鉄心のティース部先端に設けた永久磁石の形状が、電機子鉄心の積厚方向に対してテーパを有する台形断面で形成されると共に、永久磁石４を囲うように磁石の剥落を防止するための磁石固定板１４を設けた点である。
具体的には、磁石固定板１４は、永久磁石のテーパ面に嵌合するようにその中心部分がくり抜かれた非磁性体で構成されている。また、この磁石固定板１４の上下両端部を電機子取付ガイド６に皿ネジ１５で固定している。なお、動作については第１の実施例と基本的に同じなので説明を省略する。
したがって、第１の実施例は２列からなる誘導子間において、誘導子歯のピッチ方向と空隙を介して対向する電機子鉄心のティース部先端に永久磁石を並べて配置したため、永久磁石と誘導子歯間に生じる大きな吸引力を相殺することができる。その結果、可動子を固定し負荷を搭載するために設けられたテーブルが撓むことなく、リニアガイドの摩擦抵抗を低減することができる。また、テーブルの撓みを避けるために、特にテーブル自体の強度を増加し、軽量化を図る必要がないので、所定の加速度を得ることができる。
また、第２の実施例は、電機子鉄心を第１〜第３の鉄心ブロックに分割し、各々の鉄心ブロックを電気角でそれぞれ３００°ずつ位相がずれた構成にしたため、可動子の端効果によって生じるコギング力を相殺することができる。これにより、可動子の移動方向における速度変動が起こらず、可動子を一定の速度で移動することができる。
さらに、第３の実施例は、誘導子歯のピッチ方向に対して電機子鉄心をティース部ごとに分割した分割コアとし、分割コアと永久磁石をそれぞれ斜めに配置する構成にしたため、コギング力をスキュー効果によりさらに低減することができる。また、電機子鉄心をティース部ごとに分割することにより、巻線の占積率アップによるリニモータの効率を向上することができる。
さらにまた、第４の実施例は、電機子ティース部先端に設けた永久磁石を、電機子鉄心の積厚方向に対してテーパを有する台形断面形状で形成し、永久磁石を囲うように磁石剥落防止用の磁石固定板を設けた構成にしたため、電機子巻線に大きな発熱が生じ温度上昇した場合であっても、磁石固定板によって永久磁石がティース表面から剥離落下することはなく、安定して永久磁石を固定することができる。
なお、上記実施例では電機子巻線と永久磁石を備えた電機子鉄心を可動子に、誘導子を可動子としたが、電機子鉄心を固定子に、誘導子を可動子とする構成にしても構わず、同じような効果を発揮できることは言うまでもない。
また、電機子ティース部先端の永久磁石を表面に貼り付けるものではなく、電機子ティース部先端に溝を設け、そこに永久磁石を埋設する構造であっても良く、同様の効果を得ることができる。
【０００９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば以下の効果を得ることができる。
（１）第１の実施例に示すように、２列の誘導子間と空隙を介し、誘導子歯のピッチ方向に電機子鉄心のティース部先端に永久磁石を並べて配置したので、永久磁石と誘導子歯間に生じる大きな吸引力を相殺することができる。その結果、可動子上に設けるテーブルが撓むことなく、リニアガイドの摩擦抵抗を低減することができる。また、テーブルを強固にするため重量を増加する必要もないのでリニアモータの発生する推力によって所定の加速度を得ることができる。
（２）第２の実施例に示すように、分割された第１〜第３の鉄心ブロック間を、電気角でそれぞれ３００°ずつ位相をずらした構成にしたので、可動子の端効果によって生じるコギング力を相殺することができる。これにより、可動子の移動方向における速度変動が起こらず、可動子を一定の速度で移動することができる。
（３）第３の実施例に示すように、誘導子歯のピッチ方向に対して電機子鉄心をティース部ごとに分割した分割コアとし、分割コアと永久磁石をそれぞれ斜めに配置する構成にしたので、コギング力をスキュー効果によりさらに低減することができる。また、電機子鉄心をティース部ごとに分割することで、巻線の占積率アップによるリニモータの効率を向上させることができる。
（４）第４の実施例に示すように、永久磁石の形状を、電機子鉄心の積厚方向に対してテーパを有する台形断面形状で形成し、磁石剥落防止用の磁石固定板を永久磁石を囲うように設けたので、電機子巻線に大きな発熱が生じ温度上昇した場合であっても、永久磁石がティース表面から剥離落下することはなく、安定して永久磁石を固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すリニアモータであって、（ａ）はその全体構成を示す斜視図、（ｂ）はその推力方向から見た正断面図である。
【図２】第１の実施例によるリニアモータであって、（ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿うリニアモータの上面から見た可動子と誘導子の断面図、（ｂ）は（ａ）における可動子の側面図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示すリニアモータであって、（ａ）は電機子取付板を取り外した状態における上面から見た断面図、（ｂ）は可動子の側面図である。
【図４】本発明の第３の実施例を示すリニアモータであって、（ａ）は電機子取付板を取り外した状態における上面から見た断面図、（ｂ）は可動子の側面図である。
【図５】本発明の第４の実施例を示すリニアモータの推力方向から見た正断面図である。
【図６】従来の３相リニア誘導子形同期モータの斜視図である。
【図７】３相のリニア誘導子形モータのうち、可動子の永久磁石と固定子の配置を示す図であって、（ａ）は各相永久磁石の着磁パターン図、（ｂ）は（ａ）に対した固定子の平面図である。
【符号の説明】
１  リニアモータ
２  可動子
３  電機子鉄心
３１  第１の鉄心ブロック
３２  第２の鉄心ブロック
３３  第３の鉄心ブロック
３ａ  通し穴
３ｂ  継鉄部
３ｃ  ティース部
４  永久磁石
５  電機子巻線
６  電機子取付ガイド
７  電機子取付板
８  モールド樹脂
９  固定子
１０  誘導子
１０ａ  誘導子歯
１１  誘導子支持台
１２  固定台
１３  ボルト
１４  磁石固定板
１５  皿ネジ
【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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