(57)【要約】【課題】使用する磁石の量の低減を維持しながらも、渦電流損失が発生しにくく、また、ヒステリシス損失の影響も少なく、さらに発熱も小さいリニアモータを提供する。【解決手段】リニアモータ１０は、複数の軟質磁性板を可動方向に配した２列の軟質磁性板列１２，１３を有する可動子１と、両面に磁極歯を形成し、中央部に駆動コイル２４が巻回されている軟質磁性体部２２を有する第１固定子ユニット、上下に分離して磁極歯が形成されている軟質磁性体部３２ａ，３２ｂと永久磁石３４ａ，３４ｂとバックヨーク３５とを有する第２固定子ユニット３１、及び、第２固定子ユニット３１と同様の構成をなす第３固定子ユニット４１からなる固定子２とを備える。第１固定子ユニットと第２固定子ユニット３１との間に一方の軟質磁性板列１２が介在し、第１固定子ユニットと第３固定子ユニット４１との間に他方の軟質磁性板列１３が介在している。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動子と固定子とを備えたリニアモータにおいて、
前記可動子は、可動方向に複数の軟質磁性板が所定間隔で配されてなる２列の軟質磁性板列を可動方向に垂直な方向に対向して配設されており、前記対向する２列の軟質磁性板列夫々は可動方向と対向方向とに垂直な方向に２分されており、前記垂直な方向に２分された軟質磁性板の配列は相対的に位置が電気角で１８０°ずれ、前記対向方向に対向する軟質磁性板の配列は相対的に位置が電気角で１８０°ずれており、
前記固定子は、第１固定子ユニット、第２固定子ユニット及び第３固定子ユニットを備えており、前記第１固定子ユニットは角柱状の軟質磁性体部を有し、前記可動子に対向する該軟質磁性体部の平行な２つの面には前記可動子の軟質磁性板と等しい間隔で磁極歯が形成され、前記２つの面夫々における磁極歯は可動子の可動方向に対し、中央で２分されており、その可動方向の一方側と他方側とで電気角で１８０°ずれていて、前記２つの面での磁極歯は可動方向の同じ位置にあり、前記軟質磁性体部の可動方向中央部に駆動コイルが巻回されており、前記第２固定子ユニット及び第３固定子ユニット夫々は前記垂直な方向に２分された軟質磁性体部を有し、該軟質磁性体部の前記第１固定子ユニットの軟質磁性体部に対向する面には前記第１固定子ユニットの磁極歯と可動方向の同じ位置に磁極歯が形成されており、前記第２固定子ユニット及び第３固定子ユニットの軟質磁性体部夫々の前記第１固定子ユニットの軟質磁性体部に対向する面と反対側の面には夫々永久磁石が装着されており、該永久磁石は前記垂直な方向の一方側と他方側とで磁化の向きが逆向きであって、前記対向方向の一方側と他方側とで磁化の向きが同じであり、前記永久磁石にバックヨークが設けられており、
前記第１固定子ユニットと第２固定子ユニットとの間に前記可動子の一方の軟質磁性板列が介在しており、前記第１固定子ユニットと第３固定子ユニットとの間に前記可動子の他方の軟質磁性板列が介在してあることを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
前記可動子が有する前記軟質磁性板は、複数の珪素鋼板を積層して構成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】
前記第１固定子ユニット、第２固定子ユニット及び第３固定子ユニットが有する前記軟質磁性体部夫々は、複数の珪素鋼板を積層して構成して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】
前記可動子が有する前記軟質磁性板を支持する非磁性の枠を有することを特徴とする請求項１から３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、可動子と固定子とを組み合わせて直線運動出力を取り出す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、液晶ディスプレイ基板製造装置にあっては、大面積の基板を高速度に移動させて所望の位置に位置決めするための送り装置が必要である。この送り装置としては、一般的には、回転型モータの出力をボールねじにて直線運動に変えるような変換機構が利用されている。しかしながら、変換機構が介在するため、移動速度の高速化には限界があり、また、変換機構の機械的な誤差により位置決め精度も十分でないという問題がある。
【０００３】
そこで、近年にあっては、直線運動出力を直接取り出すことができるリニアモータを駆動源とした送り装置が広く使用されている。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にて構成されている。
【０００４】
従来のリニアモータでは、可動領域の全域に磁石を配列した構成が一般的である。この構成では、可動子が移動する距離が長くなるほど使用する磁石の量が増加する。磁石には、希土類磁石が良く使用されるが、近年の希土類磁石の価格高騰に伴って、使用する磁石の量の増加がリニアモータのコスト増大の原因になっている。
【０００５】
そこで、本出願人は、使用する磁石の量を低減させて低コスト化を図ったリニアモータを提案している（特許文献１参照）。
【０００６】
図２５は、特許文献１に開示されたリニアモータの概略構成を示す部分破断斜視図である。このリニアモータは、可動子１０１と固定子１０２とから構成されている。可動子１０１は、永久磁石１０１ａ、ヨーク１０１ｃ、永久磁石１０１ｂ、ヨーク１０１ｃ、・・・が交互に並べてあって、永久磁石１０１ａ及び永久磁石１０１ｂの磁化方向は逆向きであり、永久磁石１０１ａ、１０１ｂ及びヨーク１０１ｃの配列の周囲には駆動コイル１０１ｄが巻回されている。また、固定子１０２は、可動子１０１を挿通する断面略コの字状をなす外側ヨーク１０２ａと、可動子１０１に対向させて２列の複数のコア（磁極歯）１０２ｂとを有する。
【０００７】
図２６は、図２５に示した構成をなすリニアモータにおける推力発生機構を示す説明図である。図２６の下図は、図２６の上図から電気角で１８０°（１／２磁気周期だけずれた位置）だけ異なる状態を示しており、両図にあって、実線矢符は磁束の方向を表し、白抜矢符は推力の向きを表している。永久磁石１０１ａ，１０１ｂから発生する磁束に駆動コイル１０１ｄに印加する電流による起磁力を印加することにより、ヨーク１０１ｃ内の磁束の向きを上下方向に切り替えて、固定子１０２側の磁極歯１０２ｂを吸引させる。そして、駆動コイル１０１ｄに印加する電流の向きを磁極の位置によって変えることにより、一定方向の推力を連続的に得ている。
【０００８】
上述したようなリニアモータでは、可動部分にのみ磁石を配置するだけでよく、可動領域の全域に磁石を設ける必要がないため、使用する磁石の量を低減することができて、低コストのリニアモータを提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１２２０３１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に開示されたリニアモータでは、図２６に示すように、可動子１０１のヨーク１０１ｃ内の磁束密度が高い状態で磁束の向きが急変する（１８０°変わる）ことになる。よって、ヨーク１０１ｃ内における渦電流損失とヒステリシス損失とが大きくなり、無負荷駆動時の走行抵抗の増大、発熱などの課題があり、改善の余地がある。
【００１１】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、使用する磁石の量の低減を維持しながらも、渦電流損失が発生しにくく、また、ヒステリシス損失の影響も少なく、さらに発熱も小さい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】
【００１２】
本発明に係るリニアモータは、可動子と固定子とを備えたリニアモータにおいて、前記可動子は、可動方向に複数の軟質磁性板が所定間隔で配されてなる２列の軟質磁性板列を可動方向に垂直な方向に対向して配設されており、前記対向する２列の軟質磁性板列夫々は可動方向と対向方向とに垂直な方向に２分されており、前記垂直な方向に２分された軟質磁性板の配列は相対的に位置が電気角で１８０°ずれ、前記対向方向に対向する軟質磁性板の配列は相対的に位置が電気角で１８０°ずれており、前記固定子は、第１固定子ユニット、第２固定子ユニット及び第３固定子ユニットを備えており、前記第１固定子ユニットは角柱状の軟質磁性体部を有し、前記可動子に対向する該軟質磁性体部の平行な２つの面には前記可動子の軟質磁性板と等しい間隔で磁極歯が形成され、前記２つの面夫々における磁極歯は可動子の可動方向に対し、中央で２分されており、その可動方向の一方側と他方側とで電気角で１８０°ずれていて、前記２つの面での磁極歯は可動方向の同じ位置にあり、前記軟質磁性体部の可動方向中央部に駆動コイルが巻回されており、前記第２固定子ユニット及び第３固定子ユニット夫々は前記垂直な方向に２分された軟質磁性体部を有し、該軟質磁性体部の前記第１固定子ユニットの軟質磁性体部に対向する面には前記第１固定子ユニットの磁極歯と可動方向の同じ位置に磁極歯が形成されており、前記第２固定子ユニット及び第３固定子ユニットの軟質磁性体部夫々の前記第１固定子ユニットの軟質磁性体部に対向する面と反対側の面には夫々永久磁石が装着されており、該永久磁石は前記垂直な方向の一方側と他方側とで磁化の向きが逆向きであって、前記対向方向の一方側と他方側とで磁化の向きが同じであり、前記永久磁石にバックヨークが設けられており、前記第１固定子ユニットと第２固定子ユニットとの間に前記可動子の一方の軟質磁性板列が介在しており、前記第１固定子ユニットと第３固定子ユニットとの間に前記可動子の他方の軟質磁性板列が介在してあることを特徴とする。
【００１３】
本発明のリニアモータにあっては、所定間隔で配置された複数の軟質磁性板からなる２列の軟質磁性板列を可動子が有し、中央の第１固定子ユニットと第１固定子ユニットを挟むように設けた第２固定子ユニット及び第３固定子ユニットとを固定子が有する。可動子の一方の軟質磁性板列は、可動方向及び他方の軟質磁性板列との対向方向に垂直な方向に２分されて相対的に位置が電気角で１８０°（１／２磁気周期だけずれた位置）ずれている。他方の軟質磁性板列も、前記垂直な方向に２分されて相対的に位置が電気角で１８０°ずれている。また、対向する２列の軟質磁性板列の配列は互いに電気角で１８０°ずれている。第１固定子ユニットの軟質磁性体部の可動子（軟質磁性板列）と対向する２つの面には、可動子の軟質磁性板と同じ間隔で磁極歯が形成されている。２つの面夫々における磁極歯は可動方向の一方側と他方側とで電気角で１８０°ずれている。２つの面での磁極歯の位置は可動方向に対して同じである。第１固定子ユニットの可動方向中央部に駆動コイルが巻回されている。第２固定子ユニット及び第３固定子ユニット夫々の前記垂直な方向に２分された軟質磁性体部の可動子と対向する面には、第１固定子ユニットの磁極歯と可動方向に対して同じ位置に磁極歯が形成されている。すなわち、これらの磁極歯は可動方向の一方側と他方側とで電気角で１８０°ずれており、第２固定子ユニットと第３固定子ユニットとの磁極歯の可動方向における位置は同じである。第２固定子ユニット及び第３固定子ユニットの４つの軟質磁性体部夫々の磁極歯が形成されている面と反対側の面には永久磁石が装着されている。これらの４つの永久磁石は、前記垂直な方向の一方側と他方側とで磁化の向きが逆向きであり、前記対向方向の一方側と他方側とで磁化の向きが同じである。第２固定子ユニット及び第３固定子ユニット夫々には、前記垂直な方向に２分された軟質磁性体部の磁路を接続するバックヨークが、永久磁石に接着して設けられている。
【００１４】
本発明のリニアモータは、上述したような構成を有する可動子と固定子（電機子）とを組み合わせて構成される。具体的には、第１固定子ユニットと第２固定子ユニットとの間に可動子の一方の軟質磁性板列を挿通し、第１固定子ユニットと第３固定子ユニットとの間に可動子の他方の軟質磁性板列を挿通して、リニアモータは構成される。
【００１５】
本発明のリニアモータにあっては、固定子の駆動部分にのみ永久磁石を配置した構成であるため、磁石の推力発生に対する利用率が高く、また、使用する磁石の量が少なくコストの低減化を図れる。２列の軟質磁性板列を３個の固定子ユニットにて挟み込む構成としたため、可動子の両面に駆動磁束の剪断領域が設けられるので、総磁束に対する推力の発生比率が大きい。固定子の磁極歯の近傍及び可動子の軟質磁性体部に印加される磁束が一方向であるため、ヒステリシス損失の影響が小さい。
【００１６】
本発明に係るリニアモータは、前記可動子が有する前記軟質磁性板は、複数の珪素鋼板を積層して構成してあることを特徴とする。
【００１７】
本発明のリニアモータにあっては、可動子の軟質磁性板が、複数の珪素鋼板を積層して構成されている。磁束が一方向のみであるため、磁束に直交する方向に複数の珪素鋼板を積層させて簡単に可動子が得られる。
【００１８】
本発明に係るリニアモータは、前記第１固定子ユニット、第２固定子ユニット及び第３固定子ユニットが有する前記軟質磁性体部夫々は、複数の珪素鋼板を積層して構成してあることを特徴とする。
【００１９】
本発明のリニアモータにあっては、固定子（電機子）の部材が、複数の珪素鋼板を積層して構成されている。積層方向の磁束が発生しないため、渦電流による損失が発生しにくい。
【００２０】
本発明に係るリニアモータは、前記可動子が有する前記軟質磁性板を支持する非磁性の枠を有することを特徴とする。
【００２１】
本発明のリニアモータにあっては、非磁性体の枠にて可動子の複数の軟質磁性板を支持している。よって、複数の軟質磁性板を等ピッチにて正確な位置に配置できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のリニアモータでは、使用する磁石の量が少なくても、渦電流損失が発生しにくく、また、ヒステリシス損失の影響が少なく、大きな推力を得ることができる。また、可動子及び固定子（電機子）を珪素鋼板の積層にて構成できるため、容易に作製できると共に、発熱を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るリニアモータに使用する可動子の構成を示す斜視図である。
【図２】可動子が有する軟質磁性板列の構成を示す平面図である。
【図３】本発明に係るリニアモータに使用する固定子（電機子）の構成を示す斜視図である。
【図４】固定子の構成を示す側面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ′線及びＢ−Ｂ′線における断面図である。
【図６】本発明に係るリニアモータの構成を示す斜視図である。
【図７】リニアモータの構成を示す側面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ′線及びＢ−Ｂ′線における断面図である。
【図９】推力発生機構の説明図（電気角０°での図７のＡ−Ａ′線及びＢ−Ｂ′線における断面）である。
【図１０】推力発生機構の説明図（電気角９０°での図７のＡ−Ａ′線及びＢ−Ｂ′線における断面）である。
【図１１】推力発生機構の説明図（電気角１８０°での図７のＡ−Ａ′線及びＢ−Ｂ′線における断面）である。
【図１２】推力発生機構の説明図（電気角２７０°での図７のＡ−Ａ′線及びＢ−Ｂ′線における断面）である。
【図１３】作製した軟質磁性板列を示す平面図及び側面図である。
【図１４】２つの軟質磁性板列の配置構成を示す斜視図及び側面図である。
【図１５】作製する軟質磁性体部の鋼板素材の形状を示す平面図である。
【図１６】作製した軟質磁性体部の形状を示す斜視図である。
【図１７】作製する軟質磁性体部の鋼板素材の形状を示す平面図である。
【図１８】作製した軟質磁性体部の形状及び配置を示す斜視図である。
【図１９】軟質磁性体部に永久磁石を貼り付けた状態を示す斜視図である。
【図２０】永久磁石にバックヨークを貼り付けた状態を示す斜視図である。
【図２１】抵抗応力特性を示すグラフである。
【図２２】本発明におけるリニアモータの推力を示すグラフである。
【図２３】本発明におけるリニアモータの推力特性を示すグラフである。
【図２４】従来のリニアモータの推力特性を示すグラフである。
【図２５】特許文献１に開示されたリニアモータの概略構成を示す部分破断斜視図である。
【図２６】図２５に示した構成をなすリニアモータにおける推力発生機構を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
【００２５】
図１は、本発明に係るリニアモータに使用する可動子の構成を示す斜視図である。なお、図１において、矢印は可動方向を示している。また、以下の説明にあっては、この可動方向に垂直である紙面で左右を表す方向を左右方向とし、この可動方向及び左右方向に垂直である紙面で上下を表す方向を上下方向とする。
【００２６】
可動子１は、複数の四角柱状の軟質磁性板１１を可動方向に延在させて配置してなる２列の軟質磁性板列１２，１３を有している。隣り合う軟質磁性板１１，１１の間隙は各軟質磁性板１１の幅に等しい。これらの２列の軟質磁性板列１２，１３は、可動方向に垂直な方向、即ち図１で左右方向に、適宜距離だけ離隔させて設けられている。また、２列の軟質磁性板列１２，１３における軟質磁性板１１の配置間隔（配置ピッチ）は等間隔（等ピッチ）である。軟質磁性板１１は、複数の同一形状の珪素鋼板を積層して構成されている。各軟質磁性板１１の両端は非磁性材からなる支持枠１４に接着されており、各軟質磁性板１１の位置決めがなされている。両軟質磁性板列１２，１３の上方の一端は、支持枠１４を介して可動テーブル１５に固定されている。可動子１は、以上のような軟質磁性板１１、支持枠１４及び可動テーブル１５にて一体型の構造体として構成される。
【００２７】
図２は、可動子１が有する軟質磁性板列１３の構成を示す平面図である。一方の軟質磁性板列１３は、可動方向及び他方の軟質磁性板列１２との対向方向に垂直な方向、即ち図１で上下方向に、支持枠１４を介して上側の軟質磁性板列１３ａと下側の軟質磁性板列１３ｂとに２分されている。上側の軟質磁性板列１３ａにおける軟質磁性板１１の配置と、下側の軟質磁性板列１３ｂにおける軟質磁性板１１の配置とは、可動子の可動方向に電気角で１８０°（１／２磁気周期だけずれた位置）ずれている。また、他方の軟質磁性板列１２も、図１で上下方向に、支持枠１４を介して上側の軟質磁性板列１２ａと下側の軟質磁性板列１２ｂとに２分されており、上側の軟質磁性板列１２ａにおける軟質磁性板１１の配置と、下側の軟質磁性板列１２ｂにおける軟質磁性板１１の配置とは、可動子の可動方向に電気角で１８０°ずれている。軟質磁性板列１２，１３の図１で左右方向に対向する部分の軟質磁性板１１の配列は可動子の可動方向に電気角で１８０°ずれている。即ち、軟質磁性板列１２の上側の軟質磁性板列１２ａにおける軟質磁性板１１の配置と、軟質磁性板列１３の上側の軟質磁性板列１３ａにおける軟質磁性板１１の配置とは、可動子の可動方向に電気角で１８０°ずれており、同様に、軟質磁性板列１２の下側の軟質磁性板列１２ｂにおける軟質磁性板１１の配置と、軟質磁性板列１３の下側の軟質磁性板列１３ｂにおける軟質磁性板１１の配置とは、可動子の可動方向に電気角で１８０°ずれている。
【００２８】
ここで、１つの軟質磁性板１１の幅と隣り合う軟質磁性板１１との間隙との合計、言い換えると軟質磁性板１１の配置ピッチが、磁気周期である電気角３６０°に該当する。
【００２９】
図３は、本発明に係るリニアモータに使用する固定子（電機子）の構成を示す斜視図である。なお、以下の説明にあっては、可動子の可動方向（紙面の奥行き方向）に垂直である紙面で左右を表す方向を左右方向とし、この可動方向及び左右方向に垂直である紙面で上下を表す方向を上下方向とする。
【００３０】
固定子２は、中央の第１固定子ユニット２１と第１固定子ユニット２１を適宜距離隔てて挟むように設けた第２固定子ユニット３１及び第３固定子ユニット４１とを有する。図４は固定子２の構成を示す側面図、図５Ａは図４のＡ−Ａ′線における断面図、図５Ｂは図４のＢ−Ｂ′線における断面図である。図５Ａは固定子２の上側の断面を示し、図５Ｂは固定子２の下側の断面を示している、
【００３１】
第１固定子ユニット２１は、四角柱状をなす軟質磁性体部２２を有しており、図８で説明する可動子１に対向する軟質磁性体部２２の左右方向の平行な２つの面には可動方向に直交する方向に凹凸をなす磁極歯２３が形成されている。この２つの面は、後述するように、可動子１の軟質磁性板列１２，１３とそれぞれ対向する。よって、第１固定子ユニット２１には、可動子１の軟質磁性板１１の延在方向（可動方向）に沿って、磁極歯２３がパターン形成されていることになる。磁極歯２３の凸部分は電気角で１８０°（１／２磁気周期）分であり、凹部分が電気角で１８０°（１／２磁気周期）分である。この磁極歯２３の形成ピッチは、可動子１における軟質磁性板１１の配置ピッチに等しい。
【００３２】
軟質磁性体部２２の可動方向中央部には駆動コイル２４が巻回されている。この駆動コイル２４を挟んで、可動方向の一方側と他方側とで、磁極歯２３の凹凸部分の位相が、電気角で１８０°ずれている。第１固定子ユニット２１の軟質磁性体部２２は、複数の同一形状の珪素鋼板を積層して構成されている。
【００３３】
第２固定子ユニット３１は中央で上下方向に２分されてなる四角柱状の軟質磁性体部３２ａ，３２ｂを有しており、軟質磁性体部３２ａ，３２ｂの第１固定子ユニット２１に対向する側の面（言い換えると、可動子１の軟質磁性板列１２と対向する側の面）には、前記可動子１の可動方向及び第１固定子ユニット２１の対向方向に直交する方向に凹凸をなす磁極歯３３が形成されている。この磁極歯３３の可動方向における形成パターンは、第１固定子ユニット２１の対向する面における磁極歯２３の形成パターンと同じである。磁極歯３３を有する軟質磁性体部３２ａ，３２ｂの背面にはそれぞれ、永久磁石３４ａ，３４ｂが装荷されている。図３、図４、図５Ａ及び図５Ｂにあって、白抜矢符はこれらの永久磁石３４ａ，３４ｂの磁化方向を表している。上側の永久磁石３４ａの磁化方向と下側の永久磁石３４ｂの磁化方向とは逆向きである（図３、図４参照）。永久磁石３４ａ，３４ｂの背面には、軟質磁性材からなるバックヨーク３５が設けられている。このバックヨーク３５は、軟質磁性体部３２ａ及び永久磁石３４ａによる磁路と、軟質磁性体部３２ｂａ及び永久磁石３４ｂによる磁路とを接続する。
【００３４】
第３固定子ユニット４１は中央で上下方向に２分されてなる四角柱状の軟質磁性体部４２ａ，４２ｂを有しており、軟質磁性体部４２ａ，４２ｂの第１固定子ユニット２１に対向する側の面（言い換えると、可動子１の軟質磁性板列１３と対向する側の面）には、前記可動子１の可動方向及び第１固定子ユニット２１の対向方向に直交する方向に凹凸をなす磁極歯４３が形成されている。この磁極歯４３の可動方向における形成パターンは、第１固定子ユニット２１の対向する面における磁極歯２３の形成パターンと同じである。よって、磁極歯４３の形成パターンは、第２固定子ユニット３１における磁極歯３３の形成パターンとも等しい。この磁極歯４３を有する軟質磁性体部４２ａ，４２ｂの背面にはそれぞれ、永久磁石４４ａ，４４ｂが装荷されている。図３、図４、図５Ａ及び図５Ｂにあって、白抜矢符はこれらの永久磁石４４ａ，４４ｂの磁化方向を表している。上側の永久磁石４４ａの磁化方向と下側の永久磁石４４ｂの磁化方向とは逆向きである（図３、図４参照）。永久磁石４４ａ，４４ｂの背面には、軟質磁性材からなる四角柱状のバックヨーク４５が設けられている。このバックヨーク４５は、軟質磁性体部４２ａ及び永久磁石４４ａによる磁路と、軟質磁性体部４２ｂａ及び永久磁石４４ｂによる磁路とを接続する。
【００３５】
第２固定子ユニット３１の上側の永久磁石３４ａの磁化方向と、第３固定子ユニット４１の上側の永久磁石４４ａの磁化方向とは同じ向きであり（図５Ａ参照）、また、第２固定子ユニット３１の下側の永久磁石３４ｂの磁化方向と、第３固定子ユニット４１の下側の永久磁石４４ｂの磁化方向とは同じ向きである（図５Ｂ参照）。
【００３６】
第２固定子ユニット３１の軟質磁性体部３２ａ，３２ｂ、及び、第３固定子ユニット４１の軟質磁性体部４２ａ，４２ｂは何れも、複数の同一形状の珪素鋼板を積層して構成されている。
【００３７】
以上のような構成をなす可動子１と固定子２（電機子）とを組み合わせて、本発明のリニアモータ１０は構成される。具体的には、第１固定子ユニット２１と第２固定子ユニット３１との間に可動子１の一方の軟質磁性板列１２を介在させ、第１固定子ユニット２１と第３固定子ユニット４１との間に可動子１の他方の軟質磁性板列１３を介在させて、リニアモータ１０は構成される。
【００３８】
図６は本発明に係るリニアモータ１０の構成を示す斜視図、図７はリニアモータ１０の構成を示す側面図、図８Ａは図７のＡ−Ａ′線における断面図、図８Ｂは図７のＢ−Ｂ′線における断面図である。図８Ａはリニアモータ１０の上側の断面を示し、図８Ｂはリニアモータ１０の下側の断面を示している。なお、図６、図７、図８Ａ及び図８Ｂにあっては、前述した図１〜図５Ｂにおける部材と同一の部材には同一番号を付してそれらの説明は省略する。
【００３９】
上部側（図８Ａ参照）及び下部側（図８Ｂ参照）の何れにあっても、固定子２（電機子）の磁極歯２３，３３，４３の凹凸のピッチと、可動子１の軟質磁性板１１の配置ピッチとは等しい間隔であり、固定子２側における磁極歯２３，３３，４３の凹凸の位相は上下方向及び左右方向で同じである。一方、可動子１の軟質磁性板１１の位相は、上部側（図８Ａ）と下部側（図８Ｂ）とにおいて、電気角で１８０°（１／２磁気周期だけずれた位置）ずれており、また、左右の配置においても電気角で１８０°（１／２磁気周期だけずれた位置）ずれている（図８Ａ，Ｂ参照）。
【００４０】
以下、本発明のリニアモータ１０における推力発生機構の原理について説明する。なお、以下の説明では、前述したように、可動子１の軟質磁性板１１の幅（軟質磁性板１１が存在する存在領域）と軟質磁性板１１の間隙（軟質磁性板１１が存在しない空隙領域）とを合わせた部分を周期（電気角３６０°）として、この周期に合わせて駆動コイル２４に正弦波電流を印加することとする。
【００４１】
図９〜図１２は、固定子２（電機子）における磁束の流れ、駆動コイル２４における電流の向き、発生する推力の向きなどの経時変化を示す図である。図９は電気角が０°である場合を表しており、図９Ａは図７のＡ−Ａ′線における断面、図９Ｂは図７のＢ−Ｂ′線における断面を示している。図１０は電気角が９０°（１／４磁気周期）である場合を表しており、図１０Ａは図７のＡ−Ａ′線における断面、図１０Ｂは図７のＢ−Ｂ′線における断面を示している。図１１は電気角が１８０°（１／２磁気周期）である場合を表しており、図１１Ａは図７のＡ−Ａ′線における断面、図１１Ｂは図７のＢ−Ｂ′線における断面を示している。図１２は電気角が２７０°（３／４磁気周期）である場合を表しており、図１２Ａは図７のＡ−Ａ′線における断面、図１２Ｂは図７のＢ−Ｂ′線における断面を示している。なお、図１０及び図１２にあって、●印は紙面の裏から表への磁束の流れを表しており、×印は紙面の表から裏への磁束の流れを表している。
【００４２】
図９Ａ，Ｂに示すような電気角０°の状態では、駆動コイル２４に通電されておらず、可動子１の軟質磁性板１１は、固定子２の磁極歯２３，３３，４３と同じ位置にあるか、または、磁極歯２３，３３，４３の間に位置している。この状態では、固定子２の永久磁石３４ａ，３４ｂ，４４ａ，４４ｂから誘導される磁束が磁極歯２３，３３，４３の位置と軟質磁性板１１の位置とが一致している部分を通過して可動子１の左右で独立に流れるような磁束の流れは閉じられているため、可動子１と固定子２との間で磁束の剪断領域が生じず、推力は発生しない。
【００４３】
次に、図１０Ａ，Ｂに示すような電気角９０°（１／４磁気周期）の状態では、軟質磁性板１１の幅の半分だけ紙面の上方向に進んだことになり、このとき駆動コイル２４には図示される方向の電流が印加され、第１固定子ユニット２１の軟質磁性体部２２には紙面の下向きに駆動電流による起磁力が印加される。このため、固定子２の上部では図１０Ａに示すような磁束の流れが生じ、固定子２の下部では図１０Ｂに示すような磁束の流れが生じる。これらの磁束の流れを合せると、左右向きに８の字状に閉じた磁束の流れとなる。このとき、固定子２の上部側では図１０Ａに示すように、軟質磁性板１１の左上部分及び右下部分で磁極歯２３，３３，４３との対向部分に磁束の剪断領域が生じて可動方向に推力が発生する。また、固定子２の下部側では図１０Ｂに示すように、軟質磁性板１１の左下部分及び右上部分で磁極歯２３，３３，４３との対向部分に磁束の剪断領域が生じて可動方向に推力が発生する。ここで、この推力発生領域は可動方向の前後で位置が異なるため、固定子２の軸心を中心とした回転力は発生しない。つまり、可動方向に平行な推力のみが発生して、ねじれ力のような推力は発生しない。よって、可動方向のみの応力成分となるため、可動子１を支えるリニアガイド（図示せず）に回転力の負担がかからないという利点がある。
【００４４】
次に、図１１Ａ，Ｂに示すような電気角１８０°（１／２磁気周期）の状態では、電気角０°の状態と同様に、駆動コイル２４に通電されないので、第１固定子ユニット２１の軟質磁性体部２２には起磁力が印加されず、また、永久磁石３４ａ，３４ｂ，４４ａ，４４ｂから誘導される磁束について剪断領域が生じない。この結果、推力は発生しない。
【００４５】
次に、図１２Ａ，Ｂに示すような電気角２７０°（３／４磁気周期）の状態では、電気角９０°の場合とは逆向きの起磁力が第１固定子ユニット２１の軟質磁性体部２２に印加され、固定子２の上部側では図１２Ａに示すように、軟質磁性板１１の左下部分及び右上部分で磁極歯２３，３３，４３との対向部分に磁束の剪断領域が生じて可動方向に推力が発生し、また、固定子２の下部側では図１２Ｂに示すように、軟質磁性板１１の左上部分及び右下部分で磁極歯２３，３３，４３との対向部分に磁束の剪断領域が生じて可動方向に推力が発生する。
【００４６】
さらに、電気角３６０°まで進んだ場合には、電気角０°と同じ状態になる（図９Ａ，Ｂ参照）。リニアモータ１０では、上述したような磁束の流れの変化が、電気角３６０°を周期として周期的に繰り返され、可動方向にだけの推力が得られる。
【００４７】
上述した説明は、単相ユニットにおける推力発生機構に関するものであるが、上記のような構成をなす固定子２（電機子）を３個用意して、それらを互いに電気角で１２０°ずれた位置に配置させてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流駆動とすることにより、可動子１に対して連続した推力を得ることが可能である。
【００４８】
以下、本発明のリニアモータの利点について説明する。
【００４９】
可動子の駆動部分にのみ永久磁石を配置した構成であるので、使用する永久磁石の量を低減することができる。従来のように可動範囲の全域に永久磁石を周期的に配置させた構成では、駆動推力に寄与する永久磁石は可動子に対向する部分のみであるため、特に可動範囲が長いリニアモータにあっては、永久磁石の利用率が低い。これに対して、本発明では、推力発生に関わる可動子のみに永久磁石を設けているので、推力発生に対する永久磁石の利用率が高くなる。また、永久磁石の量が少なくて済むので、高価な希土類磁石の使用量を低減できてコスト低下につながる。
【００５０】
駆動磁束の剪断領域を増加させることにより、推力体格比の向上を図ることができる。本発明のリニアモータでは、可動子の２列の軟質磁性板列を、３個のユニット構成の固定子で挟み込む構成としたので、可動子の両面に磁束の剪断領域を生じさせることができるので、総磁束に対して発生する磁力の発生比率を大きくすることができる。
【００５１】
可動子における軟質磁性板の配列が簡単な構成であるため、珪素鋼板の積層にて容易に作製できる。また、可動子の軟質磁性板に印加される磁束が一方向のみであるため、その磁束に直交する方向に珪素鋼板を積層すればよく、この点でも可動子を容易に得ることができる。
【００５２】
磁束密度が大きい磁極歯の近傍及び可動子の軟質磁性板に印加される磁束の向きが一方向であるため、軟質磁性板のヒステリシス損失の影響が小さい。また、珪素鋼板の積層にて軟質磁性板を構成する場合には、積層方向の磁束が発生しないため、渦電流損失が発生しにくい。
【００５３】
一つの駆動コイルの一括巻きでも起磁力を印加できるように構成しているので、磁極歯間に個別にコイルを巻く構成に比べて、使用するコイルの量を低減できて、銅損を小さくできる。
【００５４】
以下、本発明者が作製したリニアモータの具体的な構成と、作製したリニアモータの特性とについて説明する。
【００５５】
リニアモータに使用する図１に示したような可動子１を作製した。まず、厚さ０．５ｍｍの珪素鋼板（鋼種５０Ａ８００）から幅５ｍｍ、長さ２７ｍｍの矩形状にワイア−カットにて切り出し、切り出した１０枚の珪素鋼板を積層して、厚さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ２７ｍｍの四角柱状の軟質磁性板１１を作製した。なお、積層方向は可動子１の可動方向である。作製した２０個の軟質磁性板１１を１０個ずつ上下に分けて、アルミニウムからなる支持枠１４に接着させて軟質磁性板列を作製した。軟質磁性板１１は、その幅（５ｍｍ）分だけ離隔させて配置した。この軟質磁性板列は、軟質磁性板列１２，１３として２個作製した。
【００５６】
図１３は、作製した軟質磁性板列を示す平面図及び側面図である。軟質磁性板列にあって、上側の軟質磁性板列における軟質磁性板１１の配置と、下側の軟質磁性板列における軟質磁性板１１の配置とは、可動方向に電気角で１８０°ずれている。即ち、上側の軟質磁性板列で軟質磁性板１１が存在する位置は下側の軟質磁性板列の空隙位置に対応し、上側の軟質磁性板列における空隙位置に対応して下側の軟質磁性板列の軟質磁性板１１が設けられている。
【００５７】
次に、作製した２つの軟質磁性板列１２，１３を、所定距離（５１ｍｍ）だけ離隔させて対向させ、各軟質磁性板列１２，１３を、リニアガイド（図示せず）を配置して可動方向に移動できる可動テーブル１５に固定した。図１４Ａ，Ｂは２つの軟質磁性板列１２，１３の配置構成を示す斜視図、側面図である。軟質磁性板列１２，１３にあっては、対向する軟質磁性板１１の配置が可動方向に電気角で１８０°ずれている。即ち、軟質磁性板列１２の上側の軟質磁性板列１２ａにおける軟質磁性板１１の配置と、軟質磁性板列１３の上側の軟質磁性板列１３ａにおける軟質磁性板１１の配置とは電気角で１８０°ずれており、軟質磁性板列１２の下側の軟質磁性板列１２ｂにおける軟質磁性板１１の配置と、軟質磁性板列１３の下側の軟質磁性板列１３ｂにおける軟質磁性板１１の配置とは電気角で１８０°ずれている。以上のようにして、図１に示したような可動子１を作製した。
【００５８】
次いで、リニアモータに使用する図３に示したような固定子２（電機子）を作製した。まず、図１５に示すような形状をなす素材を厚さ０．５ｍｍの珪素鋼板（鋼種５０Ａ８００）からワイア−カットにて１００枚切り出し、切り出した１００枚の素材を積層して、高さ５０ｍｍの四角柱状の軟質磁性体部を作製した。図１６は、作製した軟質磁性体部の形状を示す斜視図である。この作製した軟質磁性体部は、可動子２における第１固定子ユニット２１の軟質磁性体部２２である。軟質磁性体部２２の２つの面には磁極歯２３となる凹凸が形成されている。この凹凸は中央を境にして形成パターンが電気角で１８０°ずれている。また、２つの面における凹凸パターンは同じである。
【００５９】
次に、図１７に示すような形状をなす素材を厚さ０．５ｍｍの珪素鋼板（鋼種５０Ａ８００）からワイア−カットにて４４枚切り出し、切り出した４４枚の素材を積層して、高さ２２ｍｍの四角柱状の軟質磁性体部を作製した。このような軟質磁性体部を４個作製した。図１８は、作製した軟質磁性体部の形状及び配置を示す斜視図である。これらの作製した軟質磁性体部は、固定子２における第２固定子ユニット３１の軟質磁性体部３２ａ，３２ｂ、及び、固定子２における第３固定子ユニット４１の軟質磁性体部４２ａ，４２ｂである。軟質磁性体部３２ａ，３２ｂ，４２ａ，４２ｂの１つの面には磁極歯３３，４３となる凹凸が形成されている。この凹凸（磁極歯３３，４３）の形成パターンは、前述した軟質磁性体部２２の凹凸（磁極歯２３）の形成パターンと同じである。
【００６０】
軟質磁性体部３２ａ，３２ｂ，４２ａ，４２ｂの背面に、永久磁石３４ａ，３４ｂ，４４ａ，４４ｂをそれぞれ貼り付けた。図１９は、軟質磁性体部に永久磁石を貼り付けた状態を示す斜視図である。永久磁石３４ａ，３４ｂ，４４ａ，４４ｂとしては、ネオジム系磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石）であり、残留磁束密度：Ｂｒ＝１．３８Ｔ、固有保磁力：ＨｃＪ＝１１２０ｋＡ／ｍ、最大エネルギー積：ＢＨ（ｍａｘ）＝３７０ｋＪ／ｍ3 の磁気特性を有し、厚さ６ｍｍ、幅２２ｍｍ、長さ４０ｍｍである磁石を使用した。なお、これらの永久磁石３４ａ，３４ｂ，４４ａ，４４ｂの磁化方向は何れも厚さ方向であるが、第２固定子ユニット３１における上側の永久磁石３４ａと下側の永久磁石３４ｂとの磁化方向は逆向きであり、第３固定子ユニット４１における上側の永久磁石４４ａと下側の永久磁石４４ｂとの磁化方向も逆向きである。そして、第２固定子ユニット３１の上側の永久磁石３４ａの磁化方向と、第３固定子ユニット４１の上側の永久磁石４４ａの磁化方向とは同じ向きであり、また、第２固定子ユニット３１の下側の永久磁石３４ｂの磁化方向と、第３固定子ユニット４１の下側の永久磁石４４ｂの磁化方向とは同じ向きである。
【００６１】
軟鉄（鋼種ＳＳ４１）から厚さ１２．５ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ５０ｍｍのブロックを２個切り出し、切り出した各ブロックを永久磁石３４ａ，３４ｂ及び永久磁石４４ａ，４４ｂの背面に接着した。図２０は、永久磁石３４ａ，３４ｂ及び４４ａ，４４ｂにバックヨークとなる軟鉄ブロックを貼り付けた状態を示す斜視図である。この各ブロックがバックヨーク３５、バックヨーク４５である。以上のようにして、第２固定子ユニット３１及び第３固定子ユニット４１を作製した。
【００６２】
図１６に示す軟質磁性体部２２の中央部に、２分割して挿入できるようにした捲き枠（ボビン、図示せず）を挿入して接着させた後、直径０．４ｍｍのエナメル被覆銅線を１００回捲いて、駆動コイル２４とし、第１固定子ユニット２１を作製した。
【００６３】
そして、この第１固定子ユニット２１を、上述したようにして作製した第２固定子ユニット３１と第３固定子ユニット４１との間に挿入して、図３に示したような固定子２（電機子）を作製した。第１固定子ユニット２１の磁極歯２３の凸部と第２固定子ユニット３１の磁極歯３３の凸部との離隔距離、及び、第１固定子ユニット２１の磁極歯２３の凸部と第３固定子ユニット４１の磁極歯４３の凸部との離隔距離は何れも６ｍｍである。第１固定子ユニット２１、第２固定子ユニット３１及び第３固定子ユニット４１は、被磁性材製のべースプレート（図示せず）上に固定した。
【００６４】
最後に、可動子２の第１固定子ユニット２１と第２固定子ユニット３１との間に可動子１の一方の軟質磁性板列１２を挿通するとともに、第１固定子ユニット２１と第３固定子ユニット４１との間に可動子１の他方の軟質磁性板列１３を挿通して、リニアモータ１０を構成した。
【００６５】
本発明のリニアモータにおける可動子移動への抵抗応力を測定した。図２１は、抵抗応力特性を示すグラフである。この抵抗応力特性は、駆動コイルへの電流の非印加時に可動子を移動させた際の可動方向における抵抗応力である。また、特許文献１のリニアモータも同様に抵抗応力を測定した。この測定結果も図２１に併せて示す。
【００６６】
図２１において、横軸は可動子移動速度［ｍｍ／ｓ］であり、縦軸は可動方向応力［Ｎ］である。可動方向応力は、渦電流損失、ヒステリシス損失と関係がある。同じ可動子移動速度で可動方向応力が高いほど、渦電流損失が発生しやすく、ヒステリシス損失の影響を受けやすく、発熱もより大きくなる。図中ａは本発明のリニアモータ、図中ｂは比較例として特許文献１に開示のリニアモータの特性をそれぞれ表している。本発明のリニアモータでは、可動子の移動速度が速くなっても、抵抗応力は増大せず、低いレベルを維持している。本発明は比較例と比べて可動方向応力が低いことから、比較例と比べて渦電流が発生しにくく、ヒステリシス損失の影響が少なく、発熱の小さいリニアモータであると理解される。
【００６７】
このようにして得られた単相分のリニアモータ１０を推力測定用のテストベンチに固定し、可動テーブル１５を移動させて、可動テーブル１５の位置に同期した正弦波電流を駆動コイル２４に印加して単相分推力を測定した。そして、得られた単相分推力の測定値をＵ相分とし、この測定値を１２０°遅らせた値をＶ相、２４０°遅らせた値をＷ相として、３相合成した推力を計算した。
【００６８】
図２２は、本発明におけるリニアモータの推力を示すグラフである。この推力特性は、駆動起磁力（＝印加電流の振幅×駆動コイルの捲き数）を１２００Ａとした場合における可動子位置に対する推力の変化とＵ相測定結果からＶ相、Ｗ相を加えて得られた３相合成推力とを表している。図２２において、横軸は電気角［°］であり、縦軸は推力［Ｎ］である。また、図中ａはＵ相推力、図中ｂはＶ相推力、図中ｃはＷ相推力、図中ｄはＵ＋Ｖ＋Ｗの合成推力をそれぞれ表している。図２２に示すように３相合成時にはほぼ一定の推力を得られていることがわかる。
【００６９】
図２３は、本発明におけるリニアモータの推力特性を示すグラフである。この推力特性は、駆動コイルへの印加電流を変化させた場合の推力特性を表している。図２３において、横軸は駆動起磁力［Ａ］であり、左縦軸は３相合成時の平均推力［Ｎ］、右縦軸は推力起磁力比［Ｎ／Ａ］である、また、図中ａは３相合成時の平均推力、図中ｂは推力起磁力比をそれぞれ表している。本発明のリニアモータでは、例えば駆動起磁力が２０００Ａである場合に、３１５Ｎ程度の大きな推力が得られている。
【００７０】
上記の本発明のリニアモータと同一の体格比をなす特許文献１のリニアモータについて推力特性を測定した。その測定結果を図２４に示す。図２４における横軸及び縦軸は図２３と同じであり、図中ａは３相合成時の平均推力、図中ｂは推力起磁力比をそれぞれ表している。
【００７１】
図２３と図２４とを比較した場合、本発明のリニアモータでは従来例よりも優れた推力特性を得られていることが分かる。
【００７２】
なお、上述したリニアモータでは、可動子１の隣り合った軟質磁性板１１の間隙を空隙とする構成としたが、これとは異なり、隣り合った軟質磁性板１１の間隙に非磁性体の部材を装填するように構成してもよい。このような構成にあっては、軟質磁性板１１の保持精度を高めることができる。
【符号の説明】
【００７３】
１  可動子
２  固定子
１０  リニアモータ
１１  軟質磁性板
１２，１３  軟質磁性板列
１４  支持枠
１５  可動テーブル
２１  第１固定子ユニット
２２  軟質磁性体部
２３  磁極歯
２４  駆動コイル
３１  第２固定子ユニット
３２ａ，３２ｂ  軟質磁性体部
３３  磁極歯
３４ａ，３４ｂ  永久磁石
３５  バックヨーク
４１  第３固定子ユニット
４２ａ，４２ｂ  軟質磁性体部
４３  磁極歯
４４ａ，４４ｂ  永久磁石
４５  バックヨーク
【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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