(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つのコイルが配置された磁性体からなる電機子と、磁性を有する可動子とからなるリニアモータであって、
前記電機子が少なくとも第一の対向部を有し前記コイルで励磁される第一極性の磁極と、第二の対向部を有し前記コイルで励磁される第二極性の磁極と、を交互に有し、
前記可動子が前記第一の対向部に挟持され、かつ、前記可動子が前記第二の対向部に挟持され、
該可動子の磁性の分布が可動方向の位置に応じて異なることを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
一つのコイルが配置された磁性体からなる電機子と、磁性を有する可動子とからなるリニアモータであって、
前記電機子が少なくとも第一の対向部を有し前記コイルで励磁される第一磁性の磁極と、第二の対向部を有し前記コイルで励磁される第二磁性の磁極と、を交互に有し、
前記可動子が前記第一の対向部に挟持され、かつ、前記可動子が前記第二の対向部に挟持され、
該可動子の表面に極性の異なる永久磁石を配置し、該永久磁石の幅方向の長さが可動方向の位置に応じて異なることを特徴とするリニアモータ。
【請求項３】
一つのコイルが配置された磁性体からなる電機子と、磁性を有する可動子とからなるリニアモータであって、
前記電機子が少なくとも第一の対向部を有し前記コイルで励磁される第一磁性の磁極と、第二の対向部を有し前記コイルで励磁される第二磁性の磁極と、を交互に有し、
前記可動子が前記第一の対向部に挟持され、かつ、前記可動子が前記第二の対向部に挟持され、
該可動子の表面に磁性の異なる永久磁石を配置し、該永久磁石として磁気特性が異なる永久磁石を可動方向の位置に応じて配置することを特徴とするリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータに関し、特に通常の直線移動時における推力よりも大きなあるいは小さな推力をある特定の区間において発生することに好適なリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
リニアモータは、回転形モータの構成を水平に展開したものであり、次のような種類のものが存在する。例えば、リニア直流モータ（単極形・多極形）、リニア同期モータ，リニア誘導モータ，リニアパルスモータなどである。リニアパルスモータを例に挙げると、従来のリニアモータとしては、例えば、特開昭６３−３１０３６１号公報に記載されているものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
リニアモータの応用される機械などには、十分な大きさの推力・制動力を必要とするものもあれば、そうでないものもある。また、機械によっては、ある特定の区間についてだけ大きな推力・制動力を必要とするものが考えれる。このようにある特定の区間についてだけ大きな推力・制動力を必要とする機械については、その必要とされる推力・制動力を発生する構造のリニアモータを全範囲に渡って利用することが考えられる。なお、リニアモータ自身が必要とされる推力・制動力を発生することのできない場合には、その区間についてだけ別の特殊な動力源を用いて必要な推力・制動力を発生することが考えられる。
【０００４】
例えば、特開平１１−２４３６７６号公報に記載されているように、移動子が移動方向に対してテーパ状の斜面を有し、電機子手段の電機子コアもこの斜面に対して等間隔となるように設けることで、移動子と電機子コアとの間に生じた吸引力の一部が移動方向に分力して従来の推力・制動力よりも大きな推力・制動力を発生させる機構を特定の区間に用いる方法がある。
【０００５】
しかし、特定の部分にテーパ状の斜面を構築する必要があり、特定の部分のみ構造を変える必要があり、製造上高価になる可能性があるという課題があった。
【０００６】
本発明の一つの目的は、直線移動時における推力・制動力よりも大きな推力・制動力をある特定の区間において発生することのできるリニアモータを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、一つのコイルが配置された磁性体からなる電機子と、磁性を有する可動子とからなるリニアモータであって、前記電機子が少なくとも第一の対向部を有し前記コイルで励磁される第一極性の磁極と、第二の対向部を有し前記コイルで励磁される第二極性の磁極と、を交互に有し、前記可動子が前記第一の対向部に挟持され、かつ、前記可動子が前記第二の対向部に挟持され、該可動子の磁性の分布が可動方向の位置に応じて異なることを特徴とするものである。
【０００８】
また、上記課題を解決するために、本発明は、一つのコイルが配置された磁性体からなる電機子と、磁性を有する可動子とからなるリニアモータであって、前記電機子が少なくとも第一の対向部を有し前記コイルで励磁される第一磁性の磁極と、第二の対向部を有し前記コイルで励磁される第二磁性の磁極と、を交互に有し、前記可動子が前記第一の対向部に挟持され、かつ、前記可動子が前記第二の対向部に挟持され、該可動子の表面に極性の異なる永久磁石を配置し、該永久磁石の幅方向の長さが可動方向の位置に応じて異なることを特徴とするものである。
また、上記課題を解決するために、本発明は、一つのコイルが配置された磁性体からなる電機子と、磁性を有する可動子とからなるリニアモータであって、前記電機子が少なくとも第一の対向部を有し前記コイルで励磁される第一磁性の磁極と、第二の対向部を有し前記コイルで励磁される第二磁性の磁極と、を交互に有し、前記可動子が前記第一の対向部に挟持され、かつ、前記可動子が前記第二の対向部に挟持され、該可動子の表面に磁性の異なる永久磁石を配置し、該永久磁石として磁気特性が異なる永久磁石を可動方向の位置に応じて配置することを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態によるリニアモータの構成図であり、その断面図を図２に示し、図３に、本実施形態のリニアモータの磁束流れの概念図を示す。また、図１に示す可動子６に取り付ける永久磁石の配置概の概要について図４，図５に示す。
【００１１】
図１において、１は磁極、１１ａは磁極１の上部磁極歯、１２ｂは磁極１の下部磁極歯、２は磁極、２１ｂは磁極２の下部磁極歯、２２ａは磁極２の上部磁極歯、３は電機子、４は電機子巻線、５は電機子鉄心、６は可動子、７は永久磁石、８は磁極１の上部磁極歯１１ａと磁極２の下部磁極歯２１ｂ（磁極１の下部磁極歯１２ｂと磁極２の上部磁極歯２２ａ）のギャップ、Ｐｓは同部磁極面の隣り合う磁極歯中心間の極ピッチである。電機子３は、その底部の電機子鉄心５の両側に磁極１，２を設け、断面がコ字状で上に開いた直線状の細長い電機子鉄心５に長手方向に電機子巻線４か巻回する。電機子３には、二つの磁極１，２を持たせることになる。
【００１２】
磁極１は、その上面に磁極２に向って突起状の上部磁極歯１１ａ，下部磁極歯１２ｂ，…を持ち、磁極２は、その上面に磁極１に向って突起状の下部磁極歯２１ｂ，上部磁極歯２２ａ，…を持つ。すなわち、磁極１の突起状の(２ｎ−１)番目（ｎ＝１，２，３，…）の磁極歯は上部、（２ｎ）番目（ｎ＝１，２，３，…）の磁極歯は下部になるように上下２段に分けて伸ばす。また、磁極１とは反対に、磁極２の突起状（２ｎ−１）番目（ｎ＝１，２，３，…）の磁極歯は下部、（２ｎ）番目（ｎ＝１，２，３，…）の磁極は上部になるように同じ２段に分けて伸ばす。磁極１と磁極２の上部磁極歯全体を上部磁極面，下部磁極歯全体を下部磁極面と定義すると、磁極１と磁極２の向かい合う磁極歯が互い違いになる磁極面を上部と下部２ヶ所に持たせる構造となる。
【００１３】
ここで、一番目の上部磁極歯１１ａと下部磁極歯２１ｂを第一の対向部と定義し、２番目の下部磁極歯１２ｂと上部磁極歯２２ａを第二の対向部と定義する。よって、（２ｎ−１）番目は第一の対向部、（２ｎ）番目は第二の対向部になるような電機子構造となる。
【００１４】
また、各対向部の上部磁極歯と下部磁極歯の間に一定のギャップ８を設け、ギャップ８に磁性を有する可動子を通すと、可動子６が第一の対向部に挟持され、かつ、可動子６が前記第二の対向部に挟持された構造を形成する。
【００１５】
上記のようにすることにより、本実施形態のリニアモータ各対向部の上部磁極歯と下部磁極歯のギャップには磁束が上部と下部の磁極歯間を交番して上下に流れる電機子ユニットを形成し、ギャップを通して可動子６が相対移動する構造になる。
【００１６】
図２において、支持機構（電機子側）１４は電機子３側に相対移動する可動子６を支持し、支持機構（可動子側）１５は可動子６側に相対移動する可動子６を支持する機構である。可動子６は、支持機構１４，１５に支持されてトンネルを通るようにギャップ８を相対移動する。
【００１７】
本実施形態のリニアモータでは、電機子３の磁極歯を上部と下部２ヶ所に持たせ、上部磁極歯と下部磁極歯間に可動子６が相対移動するが、可動子６の中心から上下磁極歯までの距離が同じであれば、可動子６と上部磁極歯に働く吸引力と可動子６と下部磁極歯に働く吸引力の大きさは同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対であるので、全体の吸引力を零に相殺する。このため、可動子６と電機子３の磁極歯間の吸引力を小さくすることができ、支持機構１４，１５の負担を小さくできる。
【００１８】
図３に、本実施形態のリニアモータの磁束流れの概念図を示す。電機子巻線４を励磁すると、磁極１に取り付けられている上下の磁極歯がＮ極ならば、磁極２に取り付けられている上下の磁極歯はＳ極となる。この場合、磁束は磁極１の上部磁極歯１１ａから磁極２の下部磁極歯２１ｂに流れ、同じく磁極１の下部磁極歯１２ｂから磁極２の上部磁極歯２２ａに磁束が流れるので、上部磁極面と下部磁極面のギャップ８には極ピッチ毎に磁束の流れの方向が反対になる。
【００１９】
このため、本実施形態のリニアモータにおける磁束の流れは、上部の磁極歯から可動子６の永久磁石Ｎ極，Ｓ極を貫いて下部磁極歯に流れ、また、下部の磁極歯から可動子６の永久磁石Ｓ極，Ｎ極を貫いて上部磁極歯に流れるようになることにより、有磁極束の磁気回路の磁路が短くなり、磁気抵抗が小さく、有効磁束が増え、漏れ磁束が少なくなる。
【００２０】
因に、従来のクローボール形リニアモータは磁極面が１面であり、磁束の流れは、電機子のＮ極歯から可動子の永久磁石Ｓ極，Ｎ極を横に通って電機子のＳ極歯に戻るように流れる。従って、有効磁束の磁気回路の磁路が長くなる。そのため、従来のクローボール形は磁気抵抗が大きくなり、可動子の永久磁石を通らずに電機子のＮ極歯から隣の電機子のＳ極歯に直接流れる漏れ磁束が多くなる。
【００２１】
このようなことから従来のリニアモータに比較して、同一のサイズでも大きな推力・制動力を実現することが可能である。
【００２２】
次に、図４，図５を用いて可動子６に配置される永久磁石の構成の例について説明する。
【００２３】
図４では、可動子６に配置する永久磁石の図４で示すｙ軸方向の幅が配置場所によって異なる場合である。先ず、図４の（ａ）に示すように、可動子６には、隣り合う磁極が異極になるように永久磁石７１１〜７１６を複数個配置し、図４に示すＺ軸方向に着磁する。このとき、図４（ａ）では、中心付近の磁石の幅方向（ｙ軸方向）を短くした場合である。また、図４（ｂ）では、端部付近の磁石の幅方向（ｙ軸方向）を短くした場合の例である。図４の（ａ）（ｂ）に示すように、可動子６の場所に応じて永久磁石７１１〜７１６，７２１〜７２６の幅を変更することで、可動子６の各場所によって発生する推力や制動力が異なる。つまり、可動子６の永久磁石７の幅が広い区間が上下磁極歯間にある場合と、可動子６の永久磁石７の幅が狭い区間が上下磁極歯間にある場合とでは、可動子に働く推力・制動力がことなる。このように、推力や制動力を減らしたい区間では、可動子６の永久磁石７の幅を短く設定し、逆に推力や制動力を増やしたい区間では、可動子６の永久磁石７の幅を広く設定することで可変にすることが可能となる。
【００２４】
また、図５では、可動子６に配置する永久磁石の材質を変更した場合の例である。図５の（ａ）では、ネオジウム磁石とフェライト磁石を混在して用いており、可動子６の端部にネオジウム磁石を用いて、可動子６の中央部にフェライト磁石を用いている。また、図５（ｂ）では、逆に可動子６の端部にフェライト磁石、中央部にネオジウム磁石を用いた場合である。ネオジウム磁石とフェライト磁石では、異なる磁性体であるため、上下磁極歯において同じ磁束密度であっても発生する磁力が異なる。このため、異なる磁性体を用いることにより、可動子６に働く推力・制動力を可動子６の区間によって変更することができる。
【００２５】
以上のように、可動子６に働く推力・制動力を変更したい場合、可動子６に配置する永久磁石７のｙ軸方向の幅を変更する場合と異なる種類の磁石を配置する方法について説明したが、異なる種類の磁石と異なる幅の磁石を組み合わせて可動子６の永久磁石７の配置を設定してもよい。つまり、ｙ軸方向に幅の狭いフェライト磁石とｙ軸方向に幅の広いネオジウム磁石を配置させる方法などがある。
【００２６】
次に、図１の電機子ユニットを直列または並列に複数個並べたリニアモータを説明する。図６は、図１の電機子ユニットを２個直列に並べたリニアモータを示す。
【００２７】
図６において、一般的には、電機子ユニットＡの磁極歯ａとその隣り合う電機子ユニットＢの磁極歯ｂのピッチが(ｋ×Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛(ｋ＝０，１，２，…)、（Ｍ＝２，３，４，…）｝になるように電機子ユニットＡと電機子ユニットＢを直列に並べる。ここで、Ｐは極ピッチ（極ピッチＰは電機子磁極ピッチＰｓ又は可動子極ピッチＰｍのどちらかを選ぶ）、Ｍはモータ相数を表わす。すなわち、図６では、ｋ＝１，Ｍ＝２となる。
【００２８】
図６において、電機子磁極ピッチＰｓと可動子極ピッチＰｍの値を同じにするか、又は異なっても良い。電機子磁極ピッチＰｓと可動子極ピッチＰｍの値を異なるようにすれば、永久磁石７と磁極歯間に働く推力脈動を低減する効果がある。
可動子６には、隣り合う磁極が異極になるように永久磁石７を複数個配置し、図２に示すＺ軸方向に着磁する。
【００２９】
図２に示すように、支持機構１４，１５によって可動子６を電機子ユニットＡと電機子ユニットＢの上下部磁極面間のギャップ８に支持し、電機子ユニットＡと電機子ユニットＢの電機子巻線４を交互に励磁すると、上部磁極面と下部磁極面のギャップ８には極ピッチ毎に反対方向に磁束が流れ、移動に必須なＰ／２によって推力が発生し、可動子６が相対移動する。
【００３０】
このように、電機子ユニットを２個直列に並べることによって、可動子６が電機子ユニットＡとＢの上部磁極面と下部磁極面間のギャップ８を通るように相対移動するリニアモータになる。
【００３１】
このとき、図６に示すように可動子６に配置される永久磁石７のｙ方向の幅を可動子の場所に応じて変更することで上下磁極歯間の磁束が一定であっても、可動子６に配置されている永久磁石７の磁力が異なるので可動子６の区間に応じて推力・制動力を可変にすることが可能である。
【００３２】
図６では、同じ種類の永久磁石７のｙ方向幅を可動子６の位置に応じて変更する方法を述べたが、ネオジウム磁石やフェライト磁石等異なる磁石を混在して用いることも可能である。
【００３３】
図６では、電機子ユニットを２個直列に並べることについて説明したが、電機子ユニットを複数個直列に並べても同様である。
【００３４】
図７は、図１の電機子ユニットを２個並列に並べたリニアモータを示す。図７において、電機子ユニットＡと電機子ユニットＢを揃えて並列配置し、可動子として隣り合う磁極が異極になるように永久磁石７を複数個配置し、可動子６ａと可動子６ｂを一体化して形成する。この際、可動子６ａと可動子６ｂは、Ｐ／２ピッチだけずらせる。相対的に、可動子６ａと可動子６ｂは揃えて電機子ユニットＡと電機子ユニットＢをＰ／２ピッチだけずらせても良い。
【００３５】
また、図７の並列配置においても、図６の直列配置と同様に、電機子磁極ピッチＰｓと可動子極ピッチＰｍの値を同じにするか、又は異なっても良い。
【００３６】
図６と同様に、図２に示す支持機構１４，１５によって可動子６ａと可動子６ｂをそれぞれ電機子ユニットＡと電機子ユニットＢの上下部磁極歯のギャップ８に支持し、電機子ユニットＡと電機子ユニットＢの電機子巻線４を交互に励磁すると、上部磁極面と下部磁極面のギャップ８には極ピッチ毎に反対方向に磁束が流れ、移動に必須なＰ／２によって推力が発生し、可動子６が相対移動する。
【００３７】
このように、電機子ユニットを２個並列に並べ、２個の可動子を一体化することによって、可動子６ａと可動子６ｂがそれぞれ電機子ユニットＡとＢの上部磁極面と下部磁極面間のギャップ８を通るように相対移動するリニアモータになる。
【００３８】
このとき、図７に示すように可動子６に配置される永久磁石７のｙ方向の幅を可動子の場所に応じて変更することで上下磁極歯間の磁束が一定であっても、可動子６に配置されている永久磁石７の磁力が異なるので可動子６の区間に応じて推力・制動力を可変にすることが可能である。
【００３９】
図７では、同じ種類の永久磁石７のｙ方向幅を可動子６の位置に応じて変更する方法を述べたが、ネオジウム磁石やフェライト磁石等異なる磁石を混在して用いることも可能である。
【００４０】
また、図７では、電機子ユニットを２個並列に並べ、２個の可動子を一体化することについて説明したが、電機子ユニットを複数個並列に並べ、複数個の可動子を一体化しても同様である。
【００４１】
以上説明したように、電機子ユニットを直列または並列に複数個並べる際に、隣り合う電機子ユニットまたは隣り合う可動子のどちらか磁極歯のピッチが（ｋ×Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝１，２，３，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝になるように、各電機子ユニットまたは各可動子のそれぞれを一体化にして配置すれば、お互いに相対移動が可能である。ここで、Ｐは極ピッチ、Ｍはモータの相数を表わす。
【００４２】
図８は、本発明の他の実施形態による電機子ユニットの直列配置の概略図である。図８では、電機子ユニットを４個並べ、２個の電機子ユニットを１相とし、極ピッチをＰとするとき、同相間の隣り合う電機子ユニットの磁極歯のピッチを（ｋ×Ｐ）｛（ｋ＝１，２，３，…）｝、異極間の隣り合う電機子ユニットの磁極歯ピッチを（ｋ×Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝１，２，３，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝｛ｋは隣り合う電機子ユニットの配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータ相数｝とする２相のリニアモータの直列配置を示す。（ａ）は電機子ユニットのＡ相，Ｂ相，Ａ相，Ｂ相の配置、（ｂ）は電機子ユニットのＡ相，Ａ相，Ｂ相，Ｂ相の配置である。
【００４３】
図８のように、多数の電機子ユニットを１相として配置することにより、大きな推力が得られるリニアモータになる。ここで、図８に、電機子ユニットを４個並べ、２個の電機子ユニットを１相としたリニアモータを示したが、電機子ユニットを複数個直列に並べても同様である。また、電機子ユニットを複数個並列に並べ、複数個の可動子を一体化しても同様である。
【００４４】
図９は、本発明の可動子について他の実施形態を示す。図１の可動子６は、隣り合う磁極が異極になるように永久磁石７を複数個配置したが、図９に示す可動子６は、永久磁石７の代わりに平板状の強磁性体を用い、この強磁性体の両面には一定間隔ごとに凸の磁極歯１３を設ける。
【００４５】
平板状の強磁性体の両面に凸の磁極歯１３を設けると、電機子の磁極面との間で磁気抵抗が変化する。すなわち、凸の磁極歯１３と電機子の磁極面との間の磁気抵抗は、強磁性体の平板部１６と電機子の磁極面との間の磁気抵抗より小さい。この磁気抵抗の変化を利用すると、移動自在な可動子となる。
【００４６】
ここで、凸の磁極歯１３を強磁性体にし、平板部１６に永久磁石を設けることにより、複合型可動子にすることも可能である。また、凸の磁極歯１３を強磁性体にして平板部１６を非磁性体とする組み合わせにしても良い。
【００４７】
更に、図９に示すように磁極歯１３のサイズを異なるように設けることで、可動子６の場所によって推力・制動力を可変にすることが可能である。
【００４８】
以上説明したように、有効磁束の磁気回路の磁路が短くなり、磁極歯の漏れ磁束を少なくすることができ、推力・制動力を大きくすることが可能となり、可動子の個所に応じて推力・制動力を可変にすることができる。
【００４９】
また、可動子の進行方向と垂直に働く可動子と電機子間の全体の吸引力を零に相殺し、このため、可動子と電機子の磁極面間の吸引力を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくすることができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、特定区間で他の区間より大きな推力・制動力を容易に発生できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるリニアモータの構成図。
【図２】図１のリニアモータの断面図。
【図３】図１のリニアモータの磁束流れの概念図。
【図４】本発明における可動子の実施形態概略図。
【図５】本発明における可動子の別の実施形態概略図。
【図６】本発明の電機子ユニットを２個直列に並べたリニアモータ。
【図７】本発明の電機子ユニットを２個並列に並べたリニアモータ。
【図８】本発明の他の実施形態による電機子ユニットの直列配置概略図。
【図９】本発明における可動子の他の実施形態概略図。
【符号の説明】
１…磁極、１１ａ…磁極１の上部磁極歯、１２ｂ…磁極１の下部磁極歯、２…磁極、２１ｂ…磁極２の下部磁極歯、２２ａ…磁極２の上部磁極歯、３…電機子、４…電機子巻線、５…電機子鉄心、６…可動子、７…永久磁石、８…ギャップ、１３…凸の磁極歯、１４…相対移動の支持機構（電機子側）、１５…相対移動の支持機構（可動子側）、１６…強磁性体の平板部、３１Ａ…磁極ユニット。
【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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