(57)【要約】【課題】リニアモータの構造を単純化し、推力の変更を容易とし、モータ容積当たりの推力密度を高める。【解決手段】複数の磁極が配列された固定子と複数の巻線が配列された可動子とをリニアモータの構成要素とし、これらの固定子と可動子とを交互に層状に積み重ねることによって積層形リニアモータを構成する。積層形リニアモータは、固定子と可動子とを交互に積層するという簡易な構造であるため構造を単純化することができ、固定子と可動子とを積層する積層数に応じて積層形リニアモータが発生する推力特性を変更することができる。また、磁極を積層することによって巻線に交差する磁束の密度が高くなり、リニアモータの個数を増やすことで推力よりも、同じ個数の固定子と可動子との組み合わせと比較して、大きな推力を得ることができ、高推力密度化を図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁極が長手方向に配置された第１の構成部材と、
巻線が長手方向に配置された第２の構成部材とを備え、
前記複数の第１の構成部材及び前記複数の第２の構成部材がそれぞれ磁界方向に交互に積層され、それぞれ第１部材及び第２部材が構成され、
前記第１部材と前記第２部材とは互いに長手方向に相対的に移動自在であることを特徴とする、積層形リニアモータ。
【請求項２】
前記第１の構成部材は、異なる極性の磁極が、交互に長手方向に、隣り合う２つの磁極を周期として設けられ、
前記第２の構成部材は、複数の巻線が、長手方向に、前記周期と所定の関係で配置され、
前記第１部材は、互いに所定の等間隔で、前記磁極の磁界方向に、磁極の極性が積層方向で一致するように並置されると共に、各第１の構成部材の少なくとも一部が互いに連結され、
前記第２部材は、互いに前記所定の等間隔で、前記巻線が形成する磁界方向に、巻線の極性が積層方向で一致するように並置されると共に、各第２の構成部材の少なくとも一部が互いに連結され、
前記第１部材及び前記第２部材は、前記第１の構成部材と前記第２の構成部材が交互に重なるように組み合わされ、互いに長手方向に相対的に可動自在であることを特徴とする積層形リニアモータ。
【請求項３】
前記第１の構成部材は、前記周期内に、長手方向の長さが等しい２つの磁極が極性を交互に長手方向に配置され、
前記第２の構成部材は、前記周期内に、前記磁極の長手方向の長さに少なくとも巻線の幅を加えた長さが長手方向の長さである１つの巻線が各周期内に配置され、
前記第２の構成部材の巻線は、前記第１の構成部材と第２の構成部材との長手方向の相対的な移動に伴って、巻線が１周期移動する間に１周期分の磁極と対向することを特徴とする、請求項１又は２に記載の積層形リニアモータ。
【請求項４】
前記第１の構成部材は、前記周期内に、長手方向の長さが等しい２つの磁極が極性を交互に長手方向に配置され、
前記第２の構成部材は、前記第１の構成部材の１周期に対して、３相分の巻線が１周期分配置され、
前記第２の構成部材の巻線は、前記第１の構成部材と第２の構成部材との長手方向の相対的な移動に伴って、３相分の巻線が１周期移動する間に１周期分の磁極と対向することを特徴とする、請求項１又は２に記載の積層形リニアモータ。
【請求項５】
前記第１部材と前記第２部材とが組み合わされて構成される積層体は、積層方向の両端部が前記第１の構成部材又は第２の構成部材の同一種類の構成部材であり、内側の積層部分は前記同一種類の構成部材で挟まれることを特徴とする、請求項１から４の何れか一つに記載された積層形リニアモータ。
【請求項６】
前記複数の第１の構成部材を互いに連結して前記第１部材を構成する第１の連結部材と、前記複数の第２の構成部材を互いに連結して前記第２部材を構成する第２の連結部材とを備えることを特徴とする、請求項１から５の何れか一つに記載された積層形リニアモータ。
【請求項７】
前記第１部材又は前記第２部材の何れか一方が固定子であり、他方が可動子であり、前記可動子が前記固定子に対して長手方向に可動自在であることを特徴とする、請求項１から６の何れか一つに記載された積層形リニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、積層形リニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業分野や医療分野においてリニアモータの導入が行われている。例えば、産業分野では研削機や旋盤などの工作機械に利用され、医療分野では人工心臓に利用されている。
【０００３】
産業用ロボットやプレス機などでは高い推力特性が求められ、医療分野では容積当たりの推力密度が大きな高推力密度が求められている。
【０００４】
推力を高める構成として複数のリニアモータを用いる構成が考えられるが、複数のリニアモータを用いる場合には制御や構造設計の困難性が指摘されている。例えば、工作機械において、２つのリニモータを組み合わせて上下のＸＹテーブルを駆動する際、２つのテーブルの動作が互いに外乱として作用するため、リニアモータの制御系が不安定となるため、制御や構造設計が困難となる。
【０００５】
電機子側を複数の電機子モジュールで構成し、界磁側を複数の永久磁石モジュールで構成するリニアモータが提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１４−５０４１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１で提案されているリニアモータは、複数の電機子モジュールによって一つの電機子を構成し、複数の永久磁石モジュールによって一つの界磁を構成するものであるため、両モジュールの構造は設計時に定めた磁極数に依存する。そのため、リニアモータの推力特性を変更する際には、電機子モジュール及び永久磁石モジュールの構造設計を再度行う必要があるという問題がある。
【０００８】
産業用ロボット等の複数のモータを用いる機器では、仕様によって求められる推力特性が異なるため、求められる推力特性に応じて容易に対応することができることが求められる。そのために、リニアモータの構造の単純化が求められている。
【０００９】
また、産業分野や医療分野では、単に高推力が求められるだけではなく、容積当たりで大きな推力が得られる高推力密度化が求められている。例えば、手術支援ロボット等の医療用遠隔操作装置では高精度、高安定性、高推力が求められている。リニアモータは、リニアモータが有する高精度及び高安定性の特性に加えて、容積当たりで大きな推力が得られる高推力密度化が求められている。
【００１０】
特許文献１で提案されているリニアモータはモジュールの設置個数を増やすことで推力を高めることができるものの、その推力はモジュールの設置個数に比例するだけであって、リニアモータの容積はモジュールの設置個数に応じて増大する。そのため、容積当たりの推力密度を向上するには至らない。
【００１１】
したがって、従来のリニアモータでは、構造の単純化、及び高推力密度化が求められている。
【００１２】
そこで、本願発明は前記した従来の問題点を解決し、リニアモータの構造を単純化し、推力の変更を容易とすることを目的とする。
【００１３】
また、リニアモータのモータ容積当たりの推力密度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願発明の積層形リニアモータは、複数の磁極が長手方向に配列された第１の構成部材と複数の巻線が長手方向に配列された第２の構成部材とをリニアモータの構成要素とし、これらの第１の構成部材と第２の構成部材とを磁界方向に交互に層状に積み重ねて第１部材と第２部材を構成する。第１部材と第２部材は互いに長手方向に相対的に移動自在し積層形リニアモータを構成する。
【００１５】
本願発明の積層形リニアモータは、第１の構成部材と第２の構成部材とを交互に積層するという簡易な構造であるため構造を単純化することができ、リニアモータの仕様変更に容易に対応することができる。
【００１６】
また、本願発明の積層形リニアモータは、第１の構成部材と第２の構成部材とを交互に積層するという簡易な構造であるため、第１の構成部材と第２の構成部材とを積層する積層数に応じて積層形リニアモータが発生する推力特性を変更することができる。
【００１７】
本願発明の積層形リニアモータは、磁極を積層することによって巻線に交差する磁束の密度が高くなり、単にリニアモータの個数を増やすことで得られる推力よりも大きな推力を得ることができる。そのため、積層する構造によって高推力密度化を図ることができる。
【００１８】
第１の構成部材と第２の構成部材の何れの部材を、固定子あるいは可動子とするかは任意に定めることができる。磁極が配列された第１の構成部材を固定子とし、巻線が配列された第２の構成部材を可動子として、磁極の第１の構成部材に対して巻線の第２の構成部材を可動させる形態とする他、磁極が配列された第１の構成部材を可動子とし、巻線が配列された第２の構成部材を固定子として、巻線の第２の構成部材に対して磁極の第１の構成部材を可動させる形態とすることができる。
【００１９】
本願発明の積層形リニアモータは、構成要素として第１の構成部材と第２の構成部材を備え、複数個のこれら二種類の構成部材を層状に交互に重ねて構成される。
【００２０】
第１の構成部材は磁極部材であり、異なる極性の磁極が、交互に長手方向に、隣り合う２つの磁極を周期として配置される。第２の構成部材は巻線部材であり、長手方向に、周期と所定の関係で配置される。
【００２１】
複数の第１の構成部材は、互いに所定の等間隔で、磁極の磁界方向に、磁極の極性が積層方向で一致するように並置されると共に、各第１の構成部材の少なくとも一部が互いに連結されて第１部材が構成される。
【００２２】
複数の第２の構成部材は、互いに所定の等間隔で、前記巻線が形成する磁界方向に、巻線の極性が積層方向で一致するように並置されると共に、各第２の構成部材の少なくとも一部が互いに連結されて第２部材が構成される。
【００２３】
第１の構成部材と第２の構成部材の各構成部材の積層の層数は、２以上の任意の個数とすることができる。第１部材と第２部材は、これらを構成する複数の第１の構成部材と第２の構成部材が交互に配置されるように組み合わされる。
【００２４】
第１部材の磁極による磁界と第２部材の巻線に流れる電流との交錯によって、第１部材と第２部材との間に推力が発生する。第１部材及び第２部材は、互いに長手方向に相対的に可動自在に配置されており、何れか一方の部材を固定し、他方の部材を可動自在とすることで、積層形リニアモータを駆動することができる。
【００２５】
磁極が設けられた第１部材を固定子とした場合には、巻線が設けられた第２部材が可動子となり、巻線の可動子が磁極の固定子に対して移動する。他方、巻線が設けられた第２部材を固定子とした場合には、磁極が設けられた第１部材が可動子となり、磁極の可動子が巻線の固定子に対して移動する。
【００２６】
第１部材と第２部材とが組み合わされて構成される積層体は、積層方向の端部の一方を第１の構成部材とし、他方を第２の構成部材とする他、積層方向の両端部を第１の構成部材又は第２の構成部材とする構成としてもよい。
【００２７】
第１部材と第２部材との組み合わせにおいて、同じ個数の第１の構成部材と第２の構成部材を単に交互に重ね合わせた場合には、構成される積層体の端部はそれぞれ異なる構成部材となるため、積層方向の両端部を同一種類の構成部材とするために、端部の一方に第１の構成部材又は第２の構成部材を追加して重ねる。積層体の両端部を同一種類の構成部材とした場合には、内側の積層部分は同じ種類の構成部材で挟まれる構成となる。
【００２８】
構成部材は連結部材によって連結することができる。第１の連結部材は複数の第１の構成部材を互いに連結して第１部材を構成し、第２の連結部材は複数の第２の構成部材を互いに連結して第２部材を構成する。連結部材による構成部材の連結は、例えば、連結部材に設けた溝内に構成部材を差し込むことによって行うことができる。
【００２９】
本願発明の積層形リニアモータは、巻線を直流で駆動する構成、及び巻線を交流で駆動する構成の何れの構成にも適用することができる。
【００３０】
（直流駆動の構成）
直流駆動による積層形リニアモータでは、第１の構成部材は、周期内に、長手方向の長さが等しい２つの磁極が極性を交互に長手方向に配置される。一方、第２の構成部材は、周期内に、磁極の長手方向の長さに少なくとも巻線の幅を加えた長さが長手方向の長さである１つの巻線が各周期内に配置される。第２の構成部材の巻線は、第１の構成部材と第２の構成部材との長手方向の相対的な移動に伴って、巻線が１周期移動する間に１周期分の磁極と対向する。
【００３１】
（交流駆動の構成）
交流駆動による積層形リニアモータでは、第１の構成部材は、周期内に、長手方向の長さが等しい２つの磁極が極性を交互に長手方向に配置される。一方、第２の構成部材は、前記第１の構成部材の１周期に対して、３相分の巻線が１周期分配置される。第２の構成部材の巻線は、前記第１の構成部材と第２の構成部材との長手方向の相対的な移動に伴って、３相分の巻線が１周期移動する間に１周期分の磁極と対向する。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、本願発明の積層形リニアモータによれば、リニアモータの構造を単純化し、推力の変更を容易とすることができる。
【００３３】
また、本願発明の積層形リニアモータによれば、リニアモータのモータ容積当たりの推力密度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本願発明の積層形リニアモータの概略構成を説明するための概略図である。
【図２】本願発明の積層形リニアモータの第１の形態の概略構成を説明するための概略図である。
【図３】本願発明の積層形リニアモータの第１の形態の磁極と巻線２２ａとの関係を説明するための図である。
【図４】本願発明の積層形リニアモータの第１の形態の積層形リニアモータの積層状態を説明するための図である。
【図５】本願発明の積層形リニアモータの第１の形態の積層形リニアモータの積層状態を説明するための図である。
【図６】本願発明の積層形リニアモータの第１の形態の概略構成を説明するための図である。
【図７】本願発明の積層形リニアモータの第１の形態の推力の有限要素解析結果を説明するための図である。
【図８】本願発明の積層形リニアモータの第１の形態の各層での最大推力と層数との関係を説明するための図である。
【図９】本願発明の積層形リニアモータの第１の形態の磁束密度の増加を説明するための図である。
【図１０】本願発明の積層形リニアモータの第１の形態の推力の測定結果を説明するための図である。
【図１１】本願発明の積層形リニアモータの第２の形態の概略構成を説明するための概略図である。
【図１２】本願発明の積層形リニアモータの第２の形態を説明するための図である。
【図１３】本願発明の積層形リニアモータの第２の形態の推力の有限要素解析結果を説明するための図である。
【図１４】本願発明の積層形リニアモータの第２の形態の各層での最大推力と層数との関係を説明するための図である。
【図１５】本願発明の積層形リニアモータの適用例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図１を用いて本願発明の積層形リニアモータの概略構成を説明し、図２〜図１０を用いて直流駆動の第１の形態を説明し、図１１〜図１４を用いて交流駆動の第２の形態について説明し、図１５を用いて適用例を説明する。
【００３６】
［積層形リニアモータの概略構成］
図１は本願発明の積層形リニアモータ１の概略構成を説明するための概略図である。図１（ａ）、（ｂ）は積層形リニアモータの第１の構成部材２と第２の構成部材３を示し、図１（ｃ）は積層形リニアモータ１の概略構成を示している。
【００３７】
第１の構成部材２は、極性が異なる磁極が長手方向に順に交互に配置される。極性が異なる磁極は、極性が交互に反転された磁極２ａと磁極２ｂで構成することができる。磁極２ａと磁極２ｂの長手方向の長さは共にＬである。第１の構成部材２は、長手方向に、隣り合う２つの磁極２ａと磁極２ｂを１周期として周期的に配置される。
【００３８】
第２の構成部材３は、複数の巻線３ａが長手方向に等間隔で配置される。巻線３ａの配置間隔は、第１の構成部材２の２つの磁極が配置される周期と同じ周期である。巻線３ａの長手方向の長さは、少なくとも磁極２ａ、及び磁極２ｂの長手方向の長さＬに巻線３ａの幅ｗを加算した（Ｌ＋ｗ）とし、第１の構成部材２と第２の構成部材３とが相対的に移動した場合であっても、巻線３ａの長手方向の一方の端部と他方の端部は、それぞれ隣り合う磁極２ａ及び磁極２ｂによる異なる磁界と交差し、同一方向の推力が発生するようにする。
【００３９】
複数の第１の構成部材２及び複数の第２の構成部材３は、それぞれ磁極による磁界方向及び巻線に電流が流れることで発生する磁界方向に沿って積層され、それぞれ第１部材６及び第２部材７が構成される。
【００４０】
図１（ｃ）は、３つの第１の構成部材２が積層された第１部材６と、２つの第２の構成部材３が積層された第２部材７が一例として示している。
【００４１】
第１部材６は、３つの第１の構成部材２が、磁極２ａ，２ｂの磁界方向に、各磁極を揃えて積層される。この積層によって、第１部材６を構成する複数の第１の構成部材２は磁極方向が一致する。
【００４２】
一方、第２部材７は、２つの第２の構成部材３が、巻線３ａが形成する磁界方向に、各磁極方向を揃えて積層される。この積層によって、第２部材７を構成する複数の巻線３ａは、巻線に電流が流れた際に発生する磁界方向が一致する。
【００４３】
第１部材６を構成する３つの第１の構成部材２は第１の連結部材４によって連結され、
第２部材７を構成する２つの第２の構成部材３は第２の連結部材５によって連結される。この連結によって、複数の第１の構成部材２と、複数の第２の構成部材３とは、それぞれ連結状態で互いに相対的に移動自在となる。例えば、第１部材６を固定子とし、第２部材７を可動子とした場合には、第２部材７は第１部材６に対して移動自在となる。また、第１部材６を可動子とし、第２部材７を固定子とした場合には、第１部材６は第２部材７に対して移動自在となる。
【００４４】
なお、図１（ｃ）に示す例では、第１部材６を固定子とし、第２部材７を可動子とする例を示している。第１部材６では、複数の第１の構成部材２の長手方向の側部側を第１の連結部材４で連結している。また、第２部材７では、複数の第２の構成部材３の長手方向の端部を第２の連結部材５で連結している。各連結部材が連結する個所はこの例に限らず、移動に伴って第１部材６と第２部材７とが互いに干渉しない個所であれば任意の部分で連結することができる。
【００４５】
［直流駆動の第１の形態］
以下、図２〜図１０を用いて、本願発明の積層形リニアモータを直流駆動する第１の形態を説明する。
【００４６】
（第１の形態の概略構成）
第１の形態の概略構成を図２〜６を用いて説明する。図２（ａ）は第１の構成部材１１と第２の構成部材２１を示し、図２（ｂ）は第１の構成部材１１と第２の構成部材２１との動作を示している。
【００４７】
第１の構成部材１１は、磁極方向が互いに逆方向の磁極１２ａと磁極１２ｂが交互に長手方向に配置される。磁極１２ａと磁極１２ｂの長手方向の長さは同長であり、隣り合う２つの磁極によって１周期分の異なる磁極配列が形成される。
【００４８】
一方、第２の構成部材２１は、第１の構成部材１１の１周期分の磁極配列内に１つの巻線２２ａが配置され、周期毎において所定間隔を開けて長手方向に配置される。巻線２２ａの長手方向の長さは、磁極１２ａ及び磁極１２ｂの長手方向の長さＬに少なくとも巻線２２ａの幅ｗを加えた長さ（Ｌ＋ｗ）である。
【００４９】
図３は、第１の構成部材１１の磁極１２ａ，１２ｂと第２の構成部材２１の巻線２２ａとの関係を示している。図３（ａ）〜（ｃ）では、第１の構成部材１１に対して第２の構成部材２１が左方に移動する状態を示している。なお、図中の円で囲んだ×印及び丸印は、巻線２２ａを流れる電流方向を示している。磁極１２ａ，１２ｂが形成する磁界の方向は、図中の矢印で示すように互いに逆方向である。
【００５０】
巻線２２ａの長手方向の長さ（Ｌ＋ｗ）は、磁極１２ａ及び磁極１２ｂの長手方向の長さＬよりも少なくとも巻線２２ａの幅ｗだけ長く設定されているため、巻線２２ａは、第１の構成部材１１と第２の構成部材２１とが長手方向で相対的に移動した場合であっても、巻線２２ａの長手方向の両端部分は、第１の構成部材１１に磁極１２ａ及び１２ｂで形成される磁界とそれぞれ異なる方向で鎖交する。
【００５１】
巻線２２ａは導線がリング状に巻回されているため、巻線２２ａの長手方向の両端部分に流れる電流の方向は逆方向となる。巻線２２ａの長手方向の両端部分では、電流方向と磁界方向が逆となるため、第１の構成部材１１と第２の構成部材２１との間には、フレミングの左手の法則に従って長手方向に同一方向の推力が発生する。
【００５２】
なお、推力を発生して可動子が運動を継続している状態において、巻線２２ａの導線に流す電流方向を、巻線２２ａが１／２周期分移動することに反転させることで、巻線２２ａの移動方向を維持する。
【００５３】
本願発明の積層形リニアモータの積層状態を図４，５を用いて説明する。
図４は積層方向の両端に第１の構成部材１１を配置する構成例を示している。
図４（ａ）は２層構造の例を示している。第１部材１０は３つの第１の構成部材１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを積層して構成され、第２部材２０は２つの第２の構成部材２１Ａ，２１Ｂを積層して構成される。第１の構成部材１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃと第２の構成部材２１Ａ，２１Ｂは、互いに交互に積層される。この２層構造の例では、第１の構成部材１１と第２の構成部材２１のペアを２組分重ね、さらに第１の構成部材１１を積層することで構成される。
【００５４】
図４（ｂ）は３層構造の例を示している。第１部材１０は４つの第１の構成部材１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ、１１Ｄを積層して構成され、第２部材２０は３つの第２の構成部材２１Ａ，２１Ｂ、２１Ｃを積層して構成される。第１の構成部材１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄと第２の構成部材２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、互いに交互に積層される。この３層構造の例では、第１の構成部材１１と第２の構成部材２１のペアを３組分重ね、さらに第１の構成部材１１を積層することで構成される。
【００５５】
図４（ｃ）は４層構造の例を示し、図４（ｄ）は５層構造の例を示している。４層構造及び５層構造は、２層構造及び３層構造と同様であるため、ここでは４層構造及び５層構造の説明は省略する。
【００５６】
図４に示す構成は、積層方向の両端に第１の構成部材１１の磁極を配置することによって、内側に積層される第２部材２０が備える巻線に鎖交する磁界分布を積層方向に対して対称とすることができ、巻線に発生する推力の偏りを低減することができる。
【００５７】
図５は本願発明の積層形リニアモータの他の積層例を示している。
図５（ａ）は、積層方向の両端に第２の構成部材２１を配置する構成例を示している。
第１部材１０は３つの第１の構成部材１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを積層して構成され、第２部材２０は４つの第２の構成部材２１Ａ〜２１Ｄを積層して構成される。第１の構成部材１１Ａ〜１１Ｃと第２の構成部材２１Ａ〜２１Ｄは、互いに交互に積層される。この３層構造の例では、第１の構成部材１１と第２の構成部材２１のペアを３組分重ね、さらに第２の構成部材２１を積層することで構成される。
【００５８】
図５（ｂ）は、積層方向の一端を第１の構成部材１１とし、他端を第２の構成部材２１とする構成例を示している。
【００５９】
第１部材１０は３つの第１の構成部材１１Ａ〜１１Ｃを積層して構成され、第２部材２０は３つの第２の構成部材２１Ａ〜２１Ｃを積層して構成される。第１の構成部材１１Ａ〜１１Ｃと第２の構成部材２１Ａ〜２１Ｃは、互いに交互に積層される。この３層構造の例では、第１の構成部材１１と第２の構成部材２１のペアを３組分重ねることで構成される。
【００６０】
図６は本願発明の積層形リニアモータ１Ａの概略構成を示している。
直流駆動の積層形リニアモータ１Ａは、第１部材１０と第２部材２０とから構成される。第１部材１０は、複数の第１の構成部材１１を所定の間隔で積層して構成される。各第１の構成部材１１は、複数の磁極１２ａ，１２ｂを磁極方向を互いに反対方向として長手方向に配置して構成される。複数の第１の構成部材１１は、各磁極方向が積層方向で揃うように積層され、第１の連結部材１４によって互いに連結される。
【００６１】
第１の連結部材１４は長手方向に沿って所定間隔を開けて溝１５が設けられ、この溝１５内に第１の構成部材１１の長手方向の側部を嵌め込むことによって連結され、第１の連結体１６が構成される。
【００６２】
図６では、第１部材１０を２枚の第１の連結部材１４で矜持する例を示しているが、第１の連結部材１４を一方の側にのみ配置する構成としてもよい。
【００６３】
第２部材２０は、複数の第２の構成部材２１を所定の間隔で積層して構成される。各第２の構成部材２１は、複数の巻線２２ａが、第１の構成部材１１の２つの磁極の長手方向の長さを１周期として長手方向に配置されて構成される。隣り合う巻線２２ａの間にスペーサ２３を配置してもよい。
【００６４】
複数の第２の構成部材２１は、巻線２２ａが積層方向で揃うように積層され、第２の連結部材２４によって互いに連結される。
【００６５】
第２の連結部材２４は、端部に所定間隔を開けて凹部等の取り付け部（図示していない）が設けられ、この取り付け部に第２の構成部材２１の端部を取り付けることによって連結され、第２の連結体２６が構成される。図６では、第２部材２０を１枚の第２の連結部材２４で固定する例を示しているが、移動時に干渉しない構成であれば、第２の連結部材２４を両端で矜持する構成としてもよい。
【００６６】
（積層形リニアモータの第１の形態の効果）
次に、本願発明の直流駆動の積層形リニアモータによって磁束密度及び推力が高まる効果について図７〜図１０を用いて説明する。
【００６７】
図７は、図４で示した２層〜５層の積層形リニアモータモデルについて求めた推力の有限要素解析結果を１層のモデルと比較して示している。ここでは、磁極が配置された第１部材を固定子とし、巻線が配置された第２部材を可動子としている。有限要素解析では、１周期分である固定子の２つ分の磁極の長さを６０ｍｍとし、これに合わせて可動子の移動量を６０ｍｍとしている。表１に有限要素解析のパラメータの条件を示す。
【表１】
2017046473.tif 000003
【００６８】
図７の横軸は可動子の位置を示し、縦軸に発生した推力を示している。可動子の位置は、巻線が２つの磁極間の中間位置に位置したときを初期位置として示している。図７（ａ）〜（ｅ）は１層〜５層の各層数における推力を示し、何れも可動子の位置が０ｍｍ、３０ｍｍ、及び６０ｍｍ付近で最大となり、その前後で推力が一定となることを示している。また、層数の増加に伴って最大推力が増加している。
【００６９】
図８は、各層での最大推力と層数との関係を示している。図８に示すグラフの直線Ａは最小二乗法によって求めた近似直線である。図８の近似直線Ａは、推力は層数の増加と共に線形に増加することを示している。この近似直線Ａの傾きは４．０１４［Ｎ/layer］である。１層の場合の最大推力は３．２７３９Ｎである。１層の最大推力を単純に整数倍したときに得られる層数と最大推力との直線関係を直線Ｂで示す。近似直線Ａと直線Ｂとの比較から、本願発明の積層形リニアモータによれば、１層構造の個数を単に増加して得られる最大推力よりも大きな最大推力を得られる。本願発明の積層形リニアモータによる最大推力の増加は、磁極を積層することによって磁束密度を高め、これによって巻線と鎖交する磁束を増加させることによる。
【００７０】
（磁束密度の増加）
磁束密度の増加について図９を用いて説明する。
図９（ａ），（ｂ）は磁束密度の分布を示し、図９（ｃ）は３層構造における各層の推力の解析結果を示している。図９（ａ）は１層構造の磁束密度の分布を示し、図９（ｂ）は２層構造の磁束密度の分布を示している。図９（ｂ）の磁束密度は図９（ａ）の磁束密度よりも高いことを示している。
【００７１】
図９（ｃ）に示す３層構造では、３層の内の第２層に２層構造で発生する推力（図示していない）よりも大きな推力が発生している。３層構造では磁極を重ねることによって、内側の層の磁束密度が２層構造よりも高くなり、大きな推力が発生する。
【００７２】
図１０に本願発明の積層形リニアモータの推力の測定結果を示す。図１０（ａ）は可動域内における位置と全体の推力の関係の測定結果であり、図１０（ｂ）は位置と各層における推力の測定結果である。ここでは、３層構造について、図９（ｃ）において推力変化が少ない２０ｍｍの範囲を可動子の可動域としている。
【００７３】
図１０（ａ）において、位置が１０ｍｍ付近で最大推力が発生し、１０ｍｍ前後で推力特性が一定である。この測定結果は、前記した有限要素解析の結果と同様に、最大推力の位置の前後で推力が一定となることを示している。
【００７４】
図１０（ｂ）において、各層の位置が１０ｍｍ付近で最大推力を示し、最大推力を発生する位置の前後で推力が一定であり、外側の層に挟まれた２層目に大きな推力が発生する。これは、磁極を積み重ねたことによって、内側の層の磁束密度が高まり、外側の層よりも高い推力が発生したことを示している。
【００７５】
また、外側の層の１層目と３層目とはほぼ同じ推力であり、図９（ｃ）の解析結果と同様に、内側の層の推力が増加することを示している。
【００７６】
［交流駆動の第２の形態］
以下、図１１〜図１４を用いて、本願発明の積層形リニアモータを交流駆動する第２の形態を説明する。
【００７７】
（第２の形態の概略構成）
第２の形態の概略構成を図１１，１２を用いて説明する。図１１（ａ），（ｂ）は第１の構成部材３１及び第２の構成部材４１を示し、図１１（ｃ）は積層形リニアモータ１Ｂを示している。
【００７８】
第１の構成部材３１は、磁極方向が互いに逆方向の磁極３２ａと磁極３２ｂが交互に長手方向に配置される。磁極３２ａと磁極３２ｂの長手方向の長さは同長であり、隣り合う２つの磁極によって１周期分の異なる磁極配列が形成される。第１部材３０は、複数の第１の構成部材３１を積層し、第１の連結部材３４で連結することで構成される。第１の連結部材３４は、例えば、アルミニウムの台を用いることができる。
【００７９】
一方、第２の構成部材４１は、第１の構成部材３１の１周期分の磁極配列内に１周期分の３相巻線４２ａ，４２ｂ，４２ｃが長手方向に配置される。３相巻線４２ａ，４２ｂ，４２ｃはＵ相、Ｖ相、及びＷ相の各巻線とし、１２０°の位相差の電流が供給される。したがって、３相分の巻線４２の長手方向の長さは、２つの磁極３２の長手方向の長さである。３相巻線４２ａ，４２ｂ，４２ｃは第２の連結部材４４により連結することができる。第２の連結部材４４は、例えば巻線を巻回するボビンを用いることができる。
【００８０】
第１部材３０は、複数の第１の構成部材３１が磁極の磁界方向に、各磁極を揃えて積層されて構成され、第２部材４０は、複数の第２の構成部材４１が磁極の磁界方向に、各磁極を揃えて積層されて構成される。
【００８１】
交流駆動される積層形リニアモータ１Ｂは、直流駆動の積層形リニアモータ１Ａと同様に、第１部材３０と第２部材４０とから構成され、第１の構成部材３１と第２の構成部材４１とを交互に重ねて積層することによって構成される。第１の構成部材３１と第２の構成部材４１との積層は、直流駆動の積層形リニアモータ１Ａと同様であるので、ここでの説明は省略する。
【００８２】
図１２は、本願発明の交流駆動の積層形リニアモータの動作を説明するための図である。
図１２（ａ）〜（ｃ）は、第１の構成部材３１を固定子とし、第２の構成部材４１を可動子としたときに動作例を示し、図１２（ｄ）は３相巻線の各相の巻線に供給する電流を示している。なお、ここでは、可動子が図中の右方向に移動する例を示し、図１２（ｄ）中のａ，ｂ，ｃはそれぞれ図１２（ａ）〜図１２（ｃ）の状態に対応している。
【００８３】
第２の構成部材４１のＵ相、Ｖ相、及びＷ相の各相に電流を供給すると、第１の構成部材３１の隣り合う磁極に跨がる位置にある相の巻線には矢印方向に推力が発生する。一方、第１の構成部材３１の磁極内にある相の巻線には、それぞれの巻線の長手方向の端部には互いに相殺する方向の推力が発生するため、相の巻線を駆動する推力は発生しない。
【００８４】
（積層形リニアモータの第２の形態の効果）
次に、本願発明の交流駆動の積層形リニアモータによって磁束密度及び推力が高まる効果について図１３、図１４を用いて説明する。
【００８５】
図１３は、２層〜５層の積層形リニアモータモデルについて求めた推力の有限要素解析結果を１層のモデルと比較して示している。
【００８６】
有限要素解析では、１周期分である固定子の２つ分の磁極の長さを６０ｍｍとし、これに合わせて可動子の移動量を６０ｍｍとしている。表２に有限要素解析のパラメータの条件を示す。
【表２】
2017046473.tif 000004
【００８７】
図中のリプル波形Ｃは解析結果を示し、直線Ｄは平均値を示している。平均推力は層数の増加に伴って増加している。
【００８８】
図１４は、各層での推力と層数との関係を示している。図１４に示すグラフの直線Ｅは線形近似で求めた近似直線である。図１４の近似直線Ｅは、推力は層数の増加と共に線形に増加することを示している。この近似直線Ｅの傾きは６．６７４６［Ｎ/layer］である。１層の場合の平均推力は５．３２４３Ｎである。１層の平均推力を単純に整数倍したときに得られる層数と平均推力との直線関係を直線Ｆで示す。近似直線Ｅと直線Ｆとの比較から、本願発明の交流駆動の積層形リニアモータによれば、１層構造の個数を単に増加して得られる平均推力よりも大きな平均推力を得られる。本願発明の積層形リニアモータによる平均推力の増加は、磁極を積層することによって磁束密度を高め、これによって巻線と鎖交する磁束を増加させることによる。
【００８９】
表３は各層数の構造による平均推力、ピークピーク値、リプルを示している。
【表３】
2017046473.tif 000005
【００９０】
この結果は、ピークピーク値は層数の増加に伴って増加するが、リプルで換算すると１層構造を除き、層数を変化させても変化しない。したがって、交流駆動の積層形リニアモータ１Ｂによれば、層数の変化によって推力値のみを増加させることができる。
【００９１】
［適用例］
本願発明の積層形リニアモータの適用例を、図１５を用いて説明する。図１５に示す構成は、複数の積層形リニアモータを略環状に配置し、隣り合う積層形リニアモータの第１部材あるいは第２部材の長手方向の側面間を磁性体５０で繋ぐ。この構成によって閉じた磁路を形成し、各積層形リニアモータの側面からの磁束を磁路内の閉じ込めることができる。
【００９２】
なお、本願発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本願発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本願発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本願発明の積層形リニアモータは、電子部品実装や半導体製造等の産業機器の分野や、医療機器の分野等に適用することができる。
【符号の説明】
【００９４】
１    積層形リニアモータ
１Ａ    積層形リニアモータ
１Ｂ    積層形リニアモータ
２    第１の構成部材
２ａ，２ｂ    磁極
３    第２の構成部材
３ａ    巻線
４    第１の連結部材
５    第２の連結部材
６    第１部材
７    第２部材
１０    第１部材
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ    第１の構成部材
１２，１２ａ，１２ｂ    磁極
１４    連結部材
１５    溝
１６    連結体
２０    第２部材
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ    第２の構成部材
２２ａ    巻線
２３    スペーサ
２４    連結部材
２６    連結体
３０    第１部材
３１    第１の構成部材
３２ａ，３２ｂ    磁極
３４    第１の連結部材
４０    第２部材
４１    第２の構成部材
４２，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ    ３相巻線
４４    第２の連結部材
５０    磁性体
Ａ    近似直線
Ｂ    直線
Ｃ    リプル波形
Ｄ    直線
Ｅ    近似直線
Ｆ    直線
【図１】
2017046473.tif 000006
【図２】
2017046473.tif 000007
【図３】
2017046473.tif 000008
【図４】
2017046473.tif 000009
【図５】
2017046473.tif 000010
【図６】
2017046473.tif 000011
【図７】
2017046473.tif 000012
【図８】
2017046473.tif 000013
【図９】
2017046473.tif 000014
【図１０】
2017046473.tif 000015
【図１１】
2017046473.tif 000016
【図１２】
2017046473.tif 000017
【図１３】
2017046473.tif 000018
【図１４】
2017046473.tif 000019
【図１５】
2017046473.tif 000020