(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁束を通すＥ字状の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、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、鉄心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前記誘導子に対向配置しており、
前記永久磁石は、各々のティース先端部に極性の異なる永久磁石２個を一組として、少なくとも永久磁石２組を前記誘導子歯のピッチ方向に向かって並べて設けてあり、
前記誘導子歯のピッチ方向に沿う永久磁石１個の幅Ｗmは、前記誘導子歯のピッチλとの間に、Ｗm＝λ／２の関係を有しており、
前記各々の永久磁石組間には、隙間δを設けると共に、前記隙間δと前記誘導子歯のピッチλとの間には、０＜δ≦λの関係を有していることを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
磁束を通すＥ字状の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、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、鉄心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前記誘導子に対向配置しており、
前記永久磁石は、各々のティース先端部に極性の異なる永久磁石２個を一組として、少なくとも永久磁石２組を前記誘導子歯のピッチ方向に向かって並べて設けてあり、
前記誘導子歯のピッチ方向に沿う永久磁石１個の幅Ｗmは、前記永久磁石の全個数をＺ、前記永久磁石の見かけ上のスキュー角度θとした場合、角度θが０°＜θ≦１８０°の範囲にあるとき、
【数１】
0004352439.tif 000010
の関係を有してい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、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７のようになっている。
図７は従来の３相リニア誘導子形同期モータの斜視図、図８は３相リニア誘導子形同期モータのうち、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）に対応した固定子の平面図である。
図７において、１１はリニアモータ、１２はリニアモータ１１の可動子、１３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、１３ａは電機子鉄心のティース、１４は各々のティース１３ａ先端部に一列に設けた薄板状の永久磁石、１５は電機子鉄心のティース部１３ａ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１４および電機子巻線１５を備えた電機子鉄心１３を可動子１２としている。１６はリニアモータ１１の固定子で、可動子１２と一定の空隙を介して図示しないベースに支持されている。１７は一定の歯幅と高さ（継鉄厚み）の断面をもつ細長い磁性体であって、誘導子歯を構成している。１８は非磁性体であって、この磁性体１７と非磁性体１８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として構成する。
また、可動子１２と固定子１６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、ガイドレール（図示せず）は固定子側に取り付けられる。
さらに、可動子１２に設けた永久磁石１４は、図８において、固定子１６の歯ピッチ（磁性体１７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１６の誘導子歯（１７）によって、Ｕ、Ｖ、Ｗ極の永久磁石１４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１２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１２が固定子１６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、従来技術では、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、図９に示すように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、コギング力発生に伴って起こる高速移動時の振動や一定速送り時の速度変動といった問題があった。
このようなリニアモータのコギング力低減を図る方法として、固定子の誘導子歯を可動子の進行方向に向かって斜めに設けたり、可動子の永久磁石を斜めに配置するなどの方策（スキュー）をとると、若干のコギング力の低減効果はあるものの、逆に製造・組立工数がかかり、製品原価が高くなるという問題があった。
そこで、本発明は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、安価な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記載の本発明は、磁束を通すＥ字状の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、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、鉄心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前記誘導子に対向配置してあり、前記永久磁石は、各々のティース先端部に極性の異なる永久磁石２個を一組として、少なくとも永久磁石２組を前記誘導子歯のピッチ方向に向かって並べて設けてあり、前記誘導子歯のピッチ方向に沿う永久磁石１個の幅Ｗmは、前記誘導子歯のピッチλとの間に、Ｗm＝λ／２の関係を有しており、前記各々の永久磁石組間には、隙間δを設けると共に、前記隙間δと前記誘導子歯のピッチλとの間には、０＜δ≦λの関係を有することを特徴としている。
請求項２記載の本発明は、磁束を通すＥ字状の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、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、鉄心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前記誘導子に対向配置してあり、前記永久磁石は、各々のティース先端部に極性の異なる永久磁石２個を一組として、少なくとも永久磁石２組を前記誘導子歯のピッチ方向に向かって並べて設けてあり、前記誘導子歯のピッチ方向に沿う永久磁石１個の幅Ｗmは、前記永久磁石の全個数をＺ、前記永久磁石の見かけ上のスキュー角度θとした場合、角度θが０°＜θ≦１８０°の範囲にあるとき、
【０００５】
【数２】
0004352439.tif 000002
【０００６】
の関係を有することを特徴としている。
【０００７】
【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の斜視図、図２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）はその側断面図、（ｂ）はリニアモータ可動子のコアティース先端部と誘導子の部分拡大図である。
図において、１はリニアモータ、２はリニアモータの可動子、３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、３ａは電機子鉄心３のティース、４はティース３ａ先端部にＮ極、Ｓ極の極性が交互に配列するように設けた薄板状の永久磁石、５は電機子鉄心のティース３ａ部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、７は電機子鉄心３の上部に設けたテーブルである。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に、また誘導子６を固定子とすると共に、可動子と固定子を図示しないリニアガイドで支持し、電機子鉄心３と誘導子６とを相対的に走行させる基本構成は従来技術と同じである。
本発明が従来技術と異なる構成は、以下のとおりである。
図において、誘導子６は、磁性体で、かつ、平板に突起状の誘導子歯６ａをピッチλ毎に等間隔に形成して構成される。
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６ａのピッチ方向と直交するように誘導子６上に配置されている。また、電機子鉄心３のティース３ａ先端部に設けた永久磁石４は、極性の異なる永久磁石２個を一組として、永久磁石２組を誘導子歯のピッチ方向に向かって並べて設けてある。さらに、誘導子歯のピッチ方向に沿う永久磁石１個の幅をＷmとした場合、誘導子歯ピッチλとの間に、Ｗm＝λ／２の関係を有している。またさらに、隣接する２個の永久磁石を１組とした場合、各々の永久磁石間に隙間δを設けており、隙間δと誘導子歯ピッチλとの間には、０＜δ≦λの関係を有している。
上記の関係を有するリニアモータは、各ティース間に設けた永久磁石の数が図２（ｂ）に示すように４個の場合、隣接する電機子鉄心のティース３ａ間のピッチを、３×λ＋λ／３として表すことができる。つまり、λが電気角で３６０°であるため、（３×３６０°）＋（３６０°／３）＝１２００°となり、電機子鉄心３の各相磁極の位相差が電気角で、１２００°−３×３６０°＝１２０°となる。
また、各ティース先端に設けた永久磁石４において、永久磁石４ａと永久磁石４ｂ、永久磁石４ｃと永久磁石４ｄを各々１対の永久磁石組とすれば、各々の永久磁石組同士の隙間δは、δ＝λ／８となる。つまり、δは電気角で３６０／８＝４５°となっている。
次に、本実施例のリニアモータを用いて、コギング力を数値解析により検討した結果を説明する。
図３は第１の実施例によるコギング力の波形を示したものである。
コギング力は、永久磁石４ａと永久磁石４ｂによって発生するものと、永久磁石４ｃと永久磁石４ｄによって発生するものをおおよそ足し合せたものである。しかし、前者と後者の各々のコギング力は、隙間δによって、λ／８のずれがあるため、それらの足し合せは図示のようになる。これから、本実施例のリニアモータのコギング力を従来技術（図９）と比較すると、振幅値で約３割程度低減されることになり、このようなコギング力の低減効果は、スキューを施したときと同じ効果を得ていることがわかる。
続いて、この理由を計算式を用いて説明する。
ここで、コギング力の振幅をｆ1、電機子鉄心の積厚をＬ、積厚方向の座標をｙ、可動子の進行方向の座標ｘ、スキュー角度をθskとする。スキューが無い場合のコギング力が誘導子歯ピッチλの２倍周期で発生するとすれば、コギング力は次式で表すことができる。
【０００８】
【数３】
0004352439.tif 000003
【０００９】
スキューがある場合は、次式で書き表すことができる。
【００１０】
【数４】
0004352439.tif 000004
【００１１】
また、上式を展開すると次式のようになる。
【００１２】
【数５】
0004352439.tif 000005
【００１３】
また、スキュー角度θskとコギング力振幅値の関係を図４に示す。
図４はスキュー角度θskが０のとき、コギング力振幅値を１とした場合の結果である。
次に、本発明のコギング力について計算式を用いて説明する。
第１の実施例によるとコギング力は、（１）式と（１）式を電気角で４５°ずらせたもののおおよその足し合せで表すことができる。
【００１４】
【数６】
0004352439.tif 000006
【００１５】
同様に上式を展開すると次式のようになる。
【００１６】
【数７】
0004352439.tif 000007
【００１７】
スキュー角度θskが０のときのコギング力振幅値を１とした場合、本発明によるコギング力の振幅値は０．７１である。図４よりコギング力の振幅値が０．７１時のスキュー角度θskを読取れば、θsk＝８０°となる。従って、本案は約８０°のスキューの効果を得ていることになる。また、この結果は図３と図９のコギング力の振幅比としても現れている。
次に、動作について説明する。
リニアモータにおいて、固定子上に空隙を介して対向配置させた可動子を固定子の長手方向に沿って直線移動させると、電機子鉄心のティース部先端に設けた永久磁石組間に所定の隙間を設けた配置構成により、永久磁石２個を一組とする各々の永久磁石組によって発生するコギング力の位相のずれが生じ、この位相のずれによってコギング力が低減される。その結果、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。
【００１８】
次に、第２の実施例について図５をもとに説明する。
図５は第２実施例による可動子のティース先端部分の拡大図を表している。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、永久磁石組の数を２に替えて３としたものである。
すなわち、永久磁石４ａと４ｂ、同様に永久磁石４ｃと４ｄ、４ｅと４ｆをそれぞれ一組としている。この場合、隣接する電機子鉄心のティース間のピッチは、４×λ＋λ／３と表せることができる。また、それら永久磁石組間の隙間δは、δ＝λ／１２になっている点である。つまり、δは電気角で３６０／１２＝３０°であり、３つの永久磁石組は、１組を基準として３０°ずれたものと６０°ずれたものになっている。よって、第２実施例は第１実施例と同じスキューの効果を得ることができる。動作については第1実施例と同じであるため説明を省略する。
【００１９】
次に、第３の実施例について図６をもとに説明する。
図６は第３の実施例による可動子のティース先端部分の拡大図を表している。
第３実施例が、第１および第２実施例と異なる点は、永久磁石４ａと４ｂ、永久磁石４ｃと４ｄを一組とした場合、永久磁石組間の隙間δは無く、１個の永久磁石の幅Wmがλ／２以上となっている点である。
ティース先端に貼り付けた永久磁石の全個数をＺ個とすれば、永久磁石の幅Wmは、次式のようになる。
【００２０】
【数８】
0004352439.tif 000008
【００２１】
ここで、角度θは永久磁石の見かけ上のスキュー角であり、０°＜θ≦180°が成り立っている。
図６によれば、Ｚ＝４、θを＋９０°としているので、永久磁石の幅Wmは次式のようになる。
【００２２】
【数９】
0004352439.tif 000009
【００２３】
これを電気角で表すと、λは３６０°であるので、 Wmは２０２．５°となる。
第３実施例は、第１および第２実施例の構造によるWmがλ／２＝１８０°であるのに対して、従来構造の永久磁石４ａを基準とすれば、永久磁石４ｂは．２２．５°、永久磁石４ｃは４５°、永久磁石４ｄは６７．５°ずれて配置されたことになる。よって、各々の永久磁石と誘導子歯によって生じるコギング力に位相差が生じるため、スキューによる効果と同等の効果が得られ、コギング力を低減することができる。動作については第１、第２実施例と同じであるため説明を省略する。
したがって、本発明の第１、第２実施例は、電機子鉄心のティース部先端に設けた永久磁石組間に所定の隙間を設けた配置構成により、永久磁石２個を一組とする各々の永久磁石組によって発生するコギング力の位相のずれが生じるため、コギング力が低減される。その結果、スキューによる効果と同等の効果が得られ、可動子は、移動方向に向かって速度変動を起こすことはなく、一定の速度で可動子を移動させることができる。
また、第３実施例は、永久磁石組間の隙間δを無くし、１個の永久磁石の幅Wmをλ／２以上とした配置構成により、各々の永久磁石と誘導子歯によって生じるコギング力に位相差が生じるため、スキューによる効果と同等の効果が得られ、コギング力を低減することができる。
なお、上記実施例では電機子巻線と永久磁石を有する電機子鉄心を可動子としたが、電機子鉄心を固定子とし、一方、誘導子歯が設けられた方を可動子としても構わない。この構成の変更によって得られる発明の効果は、上記実施例と同様であることは言うまでもない。
また、本実施例では、ティース先端に永久磁石を貼り付ける構造のもので説明したが、ティース先端に凸凹を設け、この凹部に永久磁石を埋め込む構造のものとしても構わず、ティース先端部の形状は、適宜選択される。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、従来技術で問題となっていたコギング力を、簡単な可動子構造で低減することができる。その結果、高速移動時の振動や、一定速送り時の速度変動を低減でき、かつ、安価なリニアモータを得ることができる。
【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の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施例を示すリニアモータであって、（ａ）はその側断面図、（ｂ）はリニアモータ可動子のコアティース先端部と誘導子の部分拡大図である。
【図３】第１の実施例によるコギング力の波形を示したものである。
【図４】スキュー角度とコギング力の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施例におけるティース先端の拡大図である。
【図６】本発明の第３の実施例におけるティース先端の拡大図である。
【図７】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８】３相リニア誘導子形同期モータのうち、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）に対応した固定子の平面図である。
【図９】従来技術を示すリニアモータのコギング力の波形である。
【符号の説明】
１  リニアモータ
２  可動子
３  電機子鉄心
３ａ  ティース
４  永久磁石
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ  永久磁石
５  電機子巻線
６  誘導子（固定子）
６ａ  誘導子歯
７  テーブル
【図１】
0004352439.tif 000011
【図２】
0004352439.tif 000012
【図３】
0004352439.tif 000013
【図４】
0004352439.tif 000014
【図５】
0004352439.tif 000015
【図６】
0004352439.tif 000016
【図７】
0004352439.tif 000017
【図８】
0004352439.tif 000018
【図９】
0004352439.tif 000019