JP6036221B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、複数の永久磁石を有する界磁部と、複数の磁極歯を有する電機子とを組み合わせてなるリニアモータに関する。

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、重力方向に垂直な面内で加工対象物を低振動で精度良く移動させることが要求される。直交配置されたリニアガイド上を各別に移動できる駆動源によって、加工対象物を載置したテーブルが移動される。この移動には低振動で精度が良いことが求められるため、一般の加工機械に用いられている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方式は駆動源として採用されておらず、直接の平行移動が可能なリニアモータが駆動源として用いられている。

リニアモータの一般的な構成としては、極性が交互に変わるように複数の永久磁石を配列した固定子としての界磁部と、複数の磁極歯を含む軟質磁性体からなるコア及び磁極歯に巻かれたコイルを有する可動子としての電機子とを組み合わせている。この界磁部と電機子とを、両者間に所定の距離を隔てて対向配置させ、極性と大きさとが界磁部の界磁周期に対する移動距離に同期した交流電流をコイルに印加することにより、永久磁石との吸引反発力により移動方向に推力を発生させ、電機子（可動子）を界磁部（固定子）に対して直線運動させる。

このような構成をなすリニアモータとして、種々のタイプのものが提案されている（例えば、特許文献１、２など）。

特開２０１２−５２３０号公報 特開２０１１−１９９９３６号公報

一般的に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相で互いに電気角で１２０°異なった３相の正弦波状の交流電流がコイルに印加されて、電機子が駆動する。このような電機子では、駆動電流が印加されていない状態で可動方向に移動させた場合に、磁極歯が永久磁石に吸引されるために応力脈動（ディテント力）が生じる。このディテント力は、回転型モータでのコギング力に相当する。

このディテント力は永久磁石の極性に関係なく発生するため、Ｓ極、Ｎ極に磁極歯が接近する際に磁極歯は永久磁石に吸引されることになり、界磁周期の間に２回のディテント力が生じる。つまり、界磁周期に対してディテント力は２次の高調波成分が基本となり、波形のひずみにより４次、６次、８次、・・・の高調波成分が発生する。

ところで、リニアモータの場合には有限長であるため、回転型モータとは異なり、両端部が存在する。このため、両端部の磁極歯では、中央部側の磁極歯に比べて、界磁部の永久磁石との間に発生する漏れ磁束が多くなる。よって、両端部の磁極歯に発生する吸引力が顕著になって、２次、４次のディテント力が大きくなる。このような両端部の磁極歯におけるディテント力の増加は、「端部効果」と呼ばれている。

ディテント力は、リニアモータの駆動時にも重畳されるので、加工対象物の静粛な移動の妨げとなり、高速移動の際に振動が生じたり、精密な位置決めの際に精度が悪化したりする要因となる。

「端部効果」によるディテント力を低減するために、両端部の磁極歯の外側に補助磁極歯を配置し、この補助磁極歯にて発生するディテント力の位相が本体の磁極歯にて発生するディテント力の位相から電気角で１８０°異なるようにして、ディテント力の相殺を図る対策が取られている。しかしながら、この対策では、駆動には関与しない補助磁極歯を設けるため、電機子が大型化するという問題点がある。

また、別の対策として、永久磁石をスキュー配置（移動方向に垂直な方向から角度をつけて永久磁石を配置）させて、そのスキュー角度を大きくすることがなされている。しかしながら、この対策では、スキュー角度の増大によって、駆動効率が低下するという問題点がある。

更に、別の対策として、ディテント力が原理的に発生しないコアレスリニアモータの利用が考えられる。しかしながら、コアレスリニアモータは磁石体積当たりの推力がコア付きリニアモータに比べて小さいため、所望の推力を得るためには、高価な希土類磁石を多量に使用する必要があり、装置の高コスト化が避けられないという問題点がある。

特許文献１のリニアモータでは、電機子の移動方向の両端部の磁極歯の幅を細くして、「端部効果」による両端部の磁極歯でのディテント力の増加を抑制するようにしている。しかしながら、２次、４次のディテント力を小さくする対策ではないため、確実にディテント力を低減できないという問題点がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、小型及び低コストの構成であっても、また、駆動効率を低下させることなく、ディテント力を低減することができるリニアモータを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、２次、４次のディテント力を確実に低減することができるリニアモータを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、２次、４次のディテント力の低減を図るための調整が容易に行えるリニアモータを提供することにある。

本発明に係るリニアモータは、磁極が交互に形成されるように複数の永久磁石を直線状に配列してある界磁部と、該界磁部に先端部が対向するように直線状に配列してある複数の磁極歯、及び該磁極歯に巻回されたコイルを有する電機子とを備えており、前記コイルへの通電により前記電機子が前記磁極歯の配列方向に前記界磁部に対して相対的に直線移動するｎ極ｎ−１スロット構成（ｎ−１は３の倍数）またはｎ極ｎ＋１スロット構成（ｎ＋１は３の倍数）のリニアモータにおいて、前記電機子の移動方向中央部の磁極歯の先端部の幅が、移動方向両端部の磁極歯の先端部の幅より広く、前記移動方向中央部と前記移動方向両端部との間の移動方向中間部の磁極歯の先端部の幅は、前記移動方向中央部の磁極歯の先端部の幅より狭くて前記移動方向両端部の磁極歯の先端部の幅より広く、前記移動方向中央部の磁極歯及び前記移動方向中間部の磁極歯は先端部の幅が基端部の幅より広いことを特徴とする。

本発明のリニアモータにあっては、移動方向中央部の磁極歯の先端部の幅が最も広く、移動方向中間部の磁極歯の先端部の幅が次に広く、移動方向両端部の磁極歯の先端部の幅が最も狭くなっている。ｎ極（ｎ−１）スロット構成またはｎ極（ｎ＋１）スロット構成のリニアモータでは、中央部の磁極歯は、両端部の磁極歯に比べて、電気角で９０°程度ずれた位置にあるため、２次のディテント力では１８０°ずれることになる。このため、中央部の磁極歯により発生する２次のディテント力は、両端部の磁極歯により発生する２次のディテント力と逆位相になるので、中央部の磁極歯の先端部の幅を両端部の磁極歯の先端部の幅より広く調整することにより、「端部効果」により両端部の磁極歯で増加した２次のディテント力を相殺することができる。また、ｎ極（ｎ−１）スロット構成またはｎ極（ｎ＋１）スロット構成のリニアモータでは、中間部の磁極歯は、両端部の磁極歯に比べて、電気角で４５°程度（３０°〜６０°）ずれた位置にあるため、４次のディテント力では１８０°ずれることになる。このため、中間部の磁極歯により発生する４次のディテント力は、両端部の磁極歯により発生する４次のディテント力と逆位相になるので、中間部の磁極歯の先端部の幅を両端部の磁極歯の先端部の幅より広く調整することにより、「端部効果」により両端部の磁極歯で増加した４次のディテント力を相殺することができる。以上のことから、本発明のリニアモータでは、２次、４次のディテント力の低減を図れる。

本発明に係るリニアモータは、前記移動方向両端部の磁極歯は、先端部から基端部に至るまで幅が同一であり、前記移動方向両端部の磁極歯の幅が、前記移動方向中央部の磁極歯の基端部の幅及び前記移動方向中間部の磁極歯の基端部の幅に等しいことを特徴とする。

本発明のリニアモータにあっては、移動方向両端部の磁極歯の基端部の幅と移動方向中央部の磁極歯の基端部の幅と移動方向中間部の磁極歯の基端部の幅とが等しくなっている。よって、先端部の幅が異なっていても基端部の幅は均一であるので、全ての磁極歯についてコイルを巻くボビンを共通にすることができる。

本発明に係るリニアモータは、前記移動方向中央部の磁極歯の先端部の幅は前記移動方向両端部の磁極歯の先端部の幅より０．０５τ〜０．２τ（但し、τ：前記界磁部の界磁周期）だけ広く、前記移動方向中間部の磁極歯の先端部の幅は前記移動方向両端部の磁極歯の先端部の幅より０．０３τ〜０．１５τだけ広いことを特徴とする。

本発明のリニアモータにあっては、中央部の磁極歯の先端部の幅及び中間部の磁極歯の先端部の幅がそれぞれ、０．０５τ〜０．２τ及び０．０３τ〜０．１５τ（τ：界磁周期）だけ両端部の磁極歯の先端部の幅より広い。よって、両端部の磁極歯で増加した２次、４次のディテント力を効率良く相殺することができ、全体としての２次、４次のディテント力がそれぞれ低減する。

本発明に係るリニアモータは、前記複数の永久磁石は直方体状をなし、移動方向と直交する方向に対して長辺を傾けて直線状に配列してあることを特徴とする。

本発明のリニアモータにあっては、界磁部の複数の永久磁石を、移動方向と直交する方向から傾けて配列している。このように、永久磁石をスキュー配置して、永久磁石にスキュー角度を付加することにより、６次以上のディテント力を低減する。なお、本発明では２次、４次のディテント力ではなく、６次以上のディテント力のみを低減するために永久磁石をスキューさせるので、そのスキュー角度は小さく（数°程度）、駆動効率が低下する問題は生じない。

特許文献１に開示されたリニアモータは、両端部の磁極歯の幅を細くして両端部の磁極歯での余分な磁束を減少させることを目的としている。これに対して、本発明のリニアモータでは、中央部側の磁極歯の先端部の幅を両端部の磁極歯の先端部の幅より広くすることにより、中央部側の磁極歯の先端部の幅を調整して、「端部効果」により増加した両端部の磁極歯でのディテント力を中央部側の磁極歯でのディテント力にて相殺し、全体としてディテント力の低減を図ることを目的としている。従って、特許文献１と本発明とでは、ディテント力低減を実現するための技術思想が全く異なっている。

また、特許文献１のリニアモータでは、両端部の磁極歯を全長にわたって他の磁極歯より細くしているに過ぎないため、２次、４次などの高調波成分を含むディテント力を精度良く低減することができない。また、磁極歯の幅の微妙な調整を簡単に行えない。本発明のリニアモータでは、中央部側の磁極歯（中央部の磁極歯、中間部の磁極歯）の先端部の幅を調整して、ディテント力の２次、４次の高調波成分を独立的に相殺して、全体としてバランスを取って、ディテント力を低減する。この幅の調整は、広くなっている先端部のみを削るだけで良いので、簡単な手法でしかも精度良く行える。

本発明のリニアモータでは、電機子の移動方向中央部側の磁極歯の先端部の幅を、電機子の移動方向両端部の磁極歯の先端部の幅より広くなるようにしたので、「端部効果」にて増加した両端部の磁極歯での磁束を、中央部側の磁極歯での磁束にて平衡できて、ディテント力を低減することができる。本発明では、補助磁極歯を設ける必要がないため、構成が大型化することはなく、推力体格比が減少することもない。また、本発明では、付与するスキュー角を大きくする必要がないため、駆動効率の低下のおそれがない。更に、本発明では、コアレス構成を採用する必要がないため、高コスト化を招かない。

また、中央部側の磁極歯ではその先端部の幅を基端部の幅より広くなるようにしたので、中央部側の磁極歯の先端部の幅を調整する際に、先端部だけを研削していけば良いため、その調整を容易に行うことができる。

本発明のリニアモータでは、両端部の磁極歯の基端部の幅と中央部側の磁極歯の基端部の幅とを等しくしているので、全ての磁極歯について共通のコイル構成を使用することができ、構成の簡略化を図れる。

本発明のリニアモータでは、中央部の磁極歯の先端部の幅が最も広く、両端部の磁極歯の先端部の幅が最も狭く、中間部の磁極歯の幅がそれらの間であるようにしたので、２次のディテント力の相殺、４次のディテント力の相殺を各別に行うことができ、全体としての２次のディテント力の低減と４次のディテント力の低減とをそれぞれ独立的に行えるため、発生する２次のディテント力、４次のディテント力をほぼゼロにすることが可能となる。

本発明のリニアモータでは、中央部の磁極歯の先端部の幅及び中間部の磁極歯の先端部の幅をそれぞれ、０．０５τ〜０．２τ及び０．０３τ〜０．１５τ（τ：界磁周期）だけ両端部の磁極歯の先端部の幅より広くしているので、２次、４次のディテント力の効率良い相殺を行うことができ、ほぼゼロの２次のディテント力及び４次のディテント力を達成できる。

本発明のリニアモータでは、界磁部の複数の永久磁石をスキュー配置するようにしたので、６次以上のディテント力を低減することができる。

本発明に係るリニアモータに使用する界磁部（固定子）の構成を示す平面図である。 本発明に係るリニアモータに使用する電機子（可動子）の構成を示す断面図である。 本発明に係るリニアモータの構成を示す斜視図である。 「端部効果」を説明するための説明図である。 本発明によるディテント力の低減を説明するための説明図である。 磁極歯の幅を調整する動作の処理手順を示すフローチャートである。 磁極歯の幅を調整する際の最初の幅の関係を示すコアの平面図である。 本発明のリニアモータの第１実施例の上面図である。 本発明のリニアモータの第１実施例の断面図である。 電機子を構成するコア素材を示す平面図である。 第１実施例における磁極歯の先端部の幅及びディテント力特性の測定結果を示す図である。 第２実施例における磁極歯の先端部の幅及びディテント力特性の測定結果を示す図である。 第３実施例における磁極歯の先端部の幅及びディテント力特性の測定結果を示す図である。 従来例における磁極歯の先端部の幅及びディテント力特性の測定結果を示す図である。 第１実施例における推力特性の測定結果を示すグラフである。 従来例における推力特性の測定結果を示すグラフである。 第４実施例における磁極歯の先端部の幅及びディテント力特性の測定結果を示す図である。 第５実施例における磁極歯の先端部の幅及びディテント力特性の測定結果を示す図である。 第４実施例における推力特性の測定結果を示すグラフである。

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。

図１は、本発明に係るリニアモータに使用する固定子としての界磁部１の構成を示す平面図である。界磁部１は、軟鋼板からなる薄板状のヨーク１１と、ヨーク１１の上面に電機子（可動子）の移動方向に一列に配設された複数の永久磁石１２とを備えている。

各永久磁石１２は、最大エネルギー積と保磁力が大きいネオジム磁石などの希土類磁石からなり、直方体状をなし、その厚さ方向に磁化されている。これらの複数の永久磁石１２が、隣り合う磁極が互いに異極となるようにヨーク１１上に接着して配列されている。つまり、Ｎ極の永久磁石１２とＳ極の永久磁石１２とが交互に等間隔に列状に配設されている。隣り合うＮ極の永久磁石１２とＳ極の永久磁石１２との中心間距離（磁極ピッチ）が磁極周期τである。また、各永久磁石１２は、移動方向と直交する線Ｌに対して所定角度θ（スキュー角θ）だけ傾いている。

図２は、本発明に係るリニアモータに使用する可動子としての電機子２の構成を示す断面図である。電機子２は、珪素鋼などの磁性材料からなるコア２１と、コア２１に巻回されたコイル２２とを備えている。コア２１は、例えば所定の形状に切り出された複数枚の珪素鋼板を積層して構成される。

コア２１は、矩形板状をなすヨーク２３と、ヨーク２３から直角な方向に突出する６個の磁極歯２４ａ−２４ｆとを有する。磁極歯２４ａ−２４ｆはヨーク２３から同じ方向に等間隔に突出しており、隣り合う磁極歯間のピッチは全て等しい。

移動方向の両端部に位置する磁極歯２４ａ、２４ｆは、その基端部（ヨーク２３側端部）から先端部に至って幅Ｗ１が均一である。残りの磁極歯２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅでは、その先端部の幅が、基端部も含めた他の部分の幅よりも広くなっている。両端部の磁極歯２４ａ、２４ｆに隣り合う磁極歯２４ｂ、２４ｅ（中間部の磁極歯）では、先端部の幅がＷ２ａであって、他の部分の幅がＷ２ｂであり、Ｗ２ａ＞Ｗ２ｂの関係を満たす。また、中央部の磁極歯２４ｃ、２４ｄでは、先端部の幅がＷ３ａであって、他の部分の幅がＷ３ｂであり、Ｗ３ａ＞Ｗ３ｂの関係を満たす。

中央部の磁極歯２４ｃ、２４ｄの先端部の幅Ｗ３ａは、これらより端部側にある中間部の磁極歯２４ｂ、２４ｅの先端部の幅Ｗ２ａよりも広い。また、磁極歯２４ａ、２４ｆの均一な幅Ｗ１と、磁極歯２４ｂ、２４ｅの先端部以外での幅Ｗ２ｂと、磁極歯２４ｃ、２４ｄの先端部以外での幅Ｗ３ｂとは等しい。磁極歯における各種の幅の大小関係を示すと、下記（１）のようになる。
Ｗ３ａ＞Ｗ２ａ＞Ｗ１＝Ｗ２ｂ＝Ｗ３ｂ ・・・（１）

具体的には、界磁部１の界磁周期τを用いて、中央部の磁極歯２４ｃ、２４ｄの先端部の幅Ｗ３ａは両端部の磁極歯２４ａ、２４ｆの先端部の幅Ｗ１より０．０５τ〜０．２τだけ広く、中間部の磁極歯２４ｂ、２４ｅの先端部の幅Ｗ２ａは両端部の磁極歯２４ａ、２４ｆの先端部の幅Ｗ１より０．０３τ〜０．１５τだけ広くなっている。

これらの磁極歯２４ａ−２４ｆそれぞれの先端部を除く部分には、コイル２２が巻回されている。各磁極歯２４ａ−２４ｆに巻回されるコイル２２は、線の太さ及び巻き数は全て等しい。ここで、コイル２２が巻かれる部分での各磁極歯２４ａ−２４ｆの幅は等しくなっているので（Ｗ１＝Ｗ２ｂ＝Ｗ３ｂ）、全ての磁極歯２４ａ−２４ｆについてコイル２２を巻くボビンを共通にすることができる。よって、簡略な構成となり、低コスト化も図れる。隣り合う２つの磁極歯２４ａ、２４ｂ、２つの磁極歯２４ｃ、２４ｄ、２つの磁極歯２４ｅ、２４ｆを、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相とする。

上記のような構成を有する界磁部１及び電機子２を組み合わせて、７極６スロット構成のリニアモータが構成される。図３は、本発明に係るリニアモータ３の構成を示す斜視図である。

界磁部１には、所定の隙間を介して、各磁極歯の先端面が界磁部１（永久磁石１２）に向かい合うようにして、電機子２が対向する。界磁部１の７個の永久磁石１２の全長と、６個の磁極歯を有する電機子２の全長（一端の仮想スロット部も含む）とが等しくなっており、図３に示すリニアモータ３は７極６スロット構成である。

コイル２２に三相交流を通電して電機子２に磁界を発生させると、この磁界にて界磁部１の永久磁石１２に電機子２が順次磁気吸引反発されることにより、可動子としての電機子２が固定子としての界磁部１に対して直線運動を行う。

以下、本発明のリニアモータにおけるディテント力の低減の原理について説明する。

リニアモータにあっては、両端部の磁極歯のみが隣りの永久磁石の磁束を更に捕捉するため、両端部の磁極歯での磁束密度が他の中央部側の磁極歯での磁束密度より高くなるという、前述したような「端部効果」が生じる。図４は、この「端部効果」を説明するための説明図である。

６個の磁極歯４４ａ−４４ｆが設けられている場合、これらの磁極歯４４ａ−４４ｆの中で両端部に位置する磁極歯４４ａ、４４ｆでは、他の磁極歯４４ｂ−４４ｅと比べて界磁部１の永久磁石１２との間に発生する漏れ磁束が多くなる（図４の矢印参照）。この結果、両端部の磁極歯４４ａ、４４ｆで発生する吸引力が大きくなって、２次、４次のディテント力が大きくなる。この際、界磁部１の１周期中にＮ極の永久磁石１２、Ｓ極の永久磁石１２にて２回吸引されるため、２次の高調波成分が主となる。

本発明では、磁極歯の先端部の幅を調整することにより、上記のような「端部効果」に起因するディテント力を低減している。図５は、本発明によるディテント力の低減を説明するための説明図である。

移動方向中央部側の磁極歯２４ｂ−２４ｅの先端部の幅（Ｗ２ａ、Ｗ３ａ）を、移動方向両端部の磁極歯２４ａ、２４ｆの先端部の幅（Ｗ１）より広くしている。具体的には、界磁部１の界磁周期τを用いて、中央部の磁極歯２４ｃ、２４ｄの先端部の幅Ｗ３ａを両端部の磁極歯２４ａ、２４ｆの先端部の幅Ｗ１より０．０５τ〜０．２τだけ広く、中間部の磁極歯２４ｂ、２４ｅの先端部の幅Ｗ２ａを両端部の磁極歯２４ａ、２４ｆの先端部の幅Ｗ１より０．０３τ〜０．１５τだけ広くしている。このように中央部側の磁極歯の先端部を広く設計することにより、「端部効果」によって増加した両端部の磁極歯での磁束に中央部側の磁極歯での磁束を平衡させて、ディテント力の低減を図っている。

７極６スロット構成のリニアモータにあっては、中央部の磁極歯２４ｃ、２４ｄ付近が、両端部の磁極歯２４ａ、２４ｆと比較して電気角で９０°程度ずれた位置にある。この電気角での９０°のずれは、ディテント力の２次の高調波成分では１８０°分に相当する。よって、中央部の磁極歯２４ｃ、２４ｄでは、両端部の磁極歯２４ａ、２４ｆと逆位相のディテント力が発生する。そこで、中央部の磁極歯２４ｃ、２４ｄの先端部の幅を調整して、即ちその先端部の幅Ｗ３ａを両端部の磁極歯２４ａ、２４ｆの先端部の幅Ｗ１より０．０５τ〜０．２τだけ広くして、２次の高調波成分の相殺（打ち消し）を図っている。

また、両端部の磁極歯２４ａ、２４ｆに隣り合う磁極歯２４ｂ、２４ｅ付近では、界磁周期に対して電気角で約４５°（３０°〜６０°）ずれるため、このずれはディテント力の４次の高調波成分では１８０°分に相当する。そこで、この磁極歯２４ｂ、２４ｅの先端部の幅を調整することにより、即ちその先端部の幅Ｗ２ａを両端部の磁極歯２４ａ、２４ｆの先端部の幅Ｗ１より０．０３τ〜０．１５τだけ広くすることにより、４次の高調波成分の相殺（打ち消し）を図っている。

なお、ディテント力の６次以上の高調波成分については、永久磁石１２をスキュー配置（移動方向に垂直な方向から角度をつけて永久磁石１２の長辺を配置）することにより低減する。この場合、２次、４次の高調波成分は、磁極歯の先端部の幅調整によって低減できているので、６次以上の高調波成分だけをスキュー配置により低減すれば良いので、そのスキュー角度θは０°〜４°と小さくて済む。よって、スキュー配置による駆動効率の低下はほとんど生じない。

以下、ディテント力の２次、４次の高調波成分を低減するために、磁極歯の先端部の幅を調整する処理について説明する。この調整処理では、中央部側の磁極歯の先端部の幅を予め余分めに広くしておき、その先端部を研削していきながら、最適な幅が得られるようにする。

図６は、この磁極歯の幅を調整する処理手順を示すフローチャートである。まず、図７に示すような電機子２のコア２１を構成する珪素鋼板の積層体を準備する（ステップＳ１）。図７は、磁極歯の幅を調整する際の最初の幅の関係を示すコア２１の平面図である。図７に示すように、両端部の磁極歯２４ａ、２４ｆの幅は全体にわたってｗｍｍであり、残りの磁極歯２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅでは、先端部２．０ｍｍの部分の幅がｗ＋０．３τｍｍ（τ：界磁周期）であって、残りの部分の幅はｗｍｍである。

準備したコア２１を、界磁部１（固定子）に所定の隙間をあけて対向させ、直線状に摺動させて、ディテント力の２次、４次の高調波成分を測定する（ステップＳ２）。磁極歯２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅの先端部を０．０１τｍｍだけ研削して、その幅を狭くする（ステップＳ３）。そして、再び、コア２１を界磁部１（固定子）に所定の隙間をあけて対向させ、直線状に摺動させて、ディテント力の２次、４次の高調波成分を測定する（ステップＳ４）。

ディテント力の２次の高調波成分が減少したか否かを判断する（ステップＳ５）。減少した場合には（Ｓ５：ＹＥＳ）、ステップＳ３に戻って、ステップＳ３〜Ｓ５の処理を繰り返す。

ディテント力の２次の高調波成分が減少していない場合には（Ｓ５：ＮＯ）、２次の高調波成分に対する調整は完了したので、中間部の磁極歯２４ｂ、２４ｅの先端部のみを０．０１τｍｍだけ研削して、その幅を狭くする（ステップＳ６）。そして、コア２１を界磁部１（固定子）に所定の隙間をあけて対向させ、直線状に摺動させて、ディテント力の４次の高調波成分を測定する（ステップＳ７）。

ディテント力の４次の高調波成分が減少したか否かを判断する（ステップＳ８）。減少した場合には（Ｓ８：ＹＥＳ）、ステップＳ６に戻って、ステップＳ６〜Ｓ８の処理を繰り返す。

ディテント力の４次の高調波成分が減少していない場合には（Ｓ８：ＮＯ）、４次の高調波成分に対する調整も完了して、磁極歯２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅの先端部の幅が最適な値になったので、調整処理を終了する。

本発明では、上記ステップＳ３−Ｓ５にてディテント力の２次の高調波成分を低減するための最適な幅に設定でき、上記ステップＳ６−Ｓ８にてディテント力の４次の高調波成分を低減するための最適な幅に設定できる。２次の高調波成分への対策を施した後に、４次の高調波成分への対策を施すので、２次、４次の高調波成分を何れも確実に低減することができる。また、磁極歯の先端部のみを研削するだけで良いので、調整処理を簡単に行うことができる。

なお、上述した例では、実際に作製したコアを用いて調整を行ったが、これとは異なり、磁界解析を用いた高調波成分の計算結果に基づいて磁極歯の幅の調整を行うようにしても良い。

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。

（第１実施例）
図８及び図９は、本発明のリニアモータの第１実施例の上面図及び断面図である。複数の永久磁石１２を磁極を交互に変えながらヨーク１１上に一列状に配置してなる界磁部１と、ヨーク２３から６個の磁極歯２４ａ−２４ｆを突出させて各磁極歯２４ａ−２４ｆにコイル２２が巻回されている電機子２とを、所定の距離だけて離隔させて対向させている。このリニアモータは、７極６スロット構成である。

長さ１５９ｍｍ、幅８０ｍｍ、厚さ８．０ｍｍの平板形状に軟鉄鋼板をワイアーカットで切り出して、界磁部１のヨーク１１とした。このヨーク１１の表面に、寸法が長さ７２ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ５．０ｍｍで厚さ方向に磁化された複数の永久磁石１２を、表面が互いに異極となるように、スキュー角３°を付与して、ピッチ（界磁周期τ）１０．８ｍｍにてエポキシ樹脂系接着剤で接着した。

厚さ０．５ｍｍの珪素鋼板から、図１０に示すような外形６９ｍｍ×３３ｍｍの所定形状をなす多数のコア素材をワイアーカットで切り出した。切り出した１４４枚のコア素材を、熱硬化性樹脂を含浸させながら積層して、電機子２のコア２１を作製した。本例では、両端部の磁極歯２４ａ、２４ｆの幅は全長にわたって均一なＷ１＝６．０ｍｍであり、これらより中央部側の中間部の磁極歯２４ｂ、２４ｅの幅は先端部でＷ２ａ＝７．０ｍｍであって先端部以外でＷ２ｂ＝６．０ｍｍであり、中央部の磁極歯２４ｃ、２４ｄの幅は先端部でＷ３ａ＝７．５ｍｍであって先端部以外でＷ３ｂ＝６．０ｍｍである。これらの６個の磁極歯２４ａ−２４ｆは等間隔であり、隣り合う磁極歯間のピッチは１２．６ｍｍである。電機子２のコア２１の体格は、高さ６９ｍｍ×幅７２ｍｍ×長さ３３ｍｍである。

直径０．６ｍｍのポリウレタン被覆銅線を磁極歯２４ａ−２４ｆの幅６．０ｍｍの部分それぞれに１００回巻きつけて電機子２のコイル２２とした。コイル形状は、幅１２．６ｍｍ×高さ２３ｍｍ×長さ７８．６ｍｍである。これらの６個の磁極歯２４ａ−２４ｆに関して、隣り合う２個の磁極歯同士がペアとなるよう互いの磁化が逆向きとなるように直列に接続した。２個ずつの磁極歯のペアを、順にＵ相（磁極歯２４ａ、２４ｂ）、Ｖ相（磁極歯２４ｃ、２４ｄ）、Ｗ相（磁極歯２４ｅ、２４ｆ）とした。Ｖ相のみ通電方向が他と逆向きになるようにスター結線し、Ｖ相はＵ相−１２０°、Ｗ相はＵ相＋１２０°となるようにモータドライバに接続した。

そして、界磁部１（固定子）と電機子２（可動子）とを、隙間０．５ｍｍを維持して対向させ、電機子２がヨーク１１の長手方向に移動できるテストベンチに固定して、特性（ディテント力及び推力）を測定した。

（第２実施例）
中央部の磁極歯２４ｃ、２４ｄの先端部の幅を７．２５ｍｍ（Ｗ３ａ＝７．２５ｍｍ）とした以外は、上記第１実施例と同様の構成をなすリニアモータを作製した。

（第３実施例）
中央部の磁極歯２４ｃ、２４ｄの先端部の幅を７．７５ｍｍ（Ｗ３ａ＝７．７５ｍｍ）とした以外は、上記第１実施例と同様の構成をなすリニアモータを作製した。

（従来例）
各磁極歯４４ａ−４４ｆにあって幅が全域にわたって一定であって、６個全ての磁極歯４４ａ−４４ｆの幅が同一の６．０ｍｍである電機子を用いて、リニアモータを作製した。なお、この従来例では、上述の第１実施例と比べて磁極歯の先端部の幅が異なっているだけであり、界磁部、コイルなどの他の構成については第１実施例と同様である。

そして、上記のような３種（第２実施例、第３実施例、従来例）のリニアモータについても、第１実施例と同様にテストベンチに固定して、特性（ディテント力及び推力）を測定した。

図１１は、上記第１実施例における磁極歯の先端部の幅及びディテント力特性の測定結果を示しており、図１１Ａは６個の各磁極歯２４ａ−２４ｆの先端部の幅を示し、図１１Ｂは電気角に対する可動方向応力の変化を示し、図１１Ｃは各高調波次数におけるディテント力振幅を示している。ここで可動方向応力は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の合成された出力であり、以下同様である。

また、図１２は、上記第２実施例における磁極歯の先端部の幅及びディテント力特性の測定結果を示しており、図１２Ａは６個の各磁極歯２４ａ−２４ｆの先端部の幅を示し、図１２Ｂは電気角に対する可動方向応力の変化を示し、図１２Ｃは各高調波次数におけるディテント力振幅を示している。

また、図１３は、上記第３実施例における磁極歯の先端部の幅及びディテント力特性の測定結果を示しており、図１３Ａは６個の各磁極歯２４ａ−２４ｆの先端部の幅を示し、図１３Ｂは電気角に対する可動方向応力の変化を示し、図１３Ｃは各高調波次数におけるディテント力振幅を示している。

また、図１４は、上記従来例における磁極歯の先端部の幅及びディテント力特性の測定結果を示しており、図１４Ａは６個の各磁極歯４４ａ−４４ｆの先端部の幅を示し、図１４Ｂは電気角に対する可動方向応力の変化を示し、図１４Ｃは各高調波次数におけるディテント力振幅を示している。

全ての磁極歯の先端部の幅を均一にした従来例では、３０Ｎ程度のディテント力が発生している（図１４Ｂ参照）。これに対して、磁極歯の先端部の幅を異ならせた第１実施例、第２実施例、第３実施例では、ディテント力が１０Ｎ以下に低減されている（図１１Ｂ、図１２Ｂ、図１３Ｂ参照）。特に、第１実施例にあっては、１Ｎ程度までディテント力を低減できており（図１１Ｂ参照）、従来例と比べてディテント力が１／３０以下である滑らかな動きを実現できている。

図１１Ｂ、Ｃ、図１２Ｂ、Ｃ、図１３Ｂ、Ｃの結果を比較することにより、図１１Ａに示すように各磁極歯の先端部の幅を最適化した第１実施例に対して、中央部の磁極歯２４ｃ、２４ｄの先端部の幅を狭くした第２実施例及びその幅を広くした第３実施例では、ディテント力が大きくなり、特に、２次の高調波成分が増加していることが分かる。また、幅を狭くした第２実施例と幅を広くした第３実施例では、ディテント力波形の位相が逆転していることが分かる。中央部の磁極歯２４ｃ、２４ｄの先端部の幅を最適に調整することにより、２次の高調波成分をほぼ零まで低減することが可能である。

図１５は、上記第１実施例における推力特性の測定結果を示しており、図１５Ａは駆動起磁力（＝駆動電流×コイルの巻き数）に対する推力及び推力起磁力比を示し、図１５Ｂは電気角に対する推力の変化を示している。

また、図１６は、上記従来例における推力特性の測定結果を示しており、図１６Ａは駆動起磁力に対する推力及び推力起磁力比を示し、図１６Ｂは電気角に対する推力の変化を示している。

推力特性に関して、第１実施例では、駆動起磁力に対する推力の直線性、推力起磁力比、最大推力の何れの点においても、従来例と同等の特性が得られている。よって、本発明のように磁極歯の先端部の幅を調整しても、推力特性に影響を及ぼさないことが分かる。

上記第１実施例では、ディテント力の２次の高調波成分をほぼ零まで低減できているが、４次の高調波成分は少なからず残存している（図１１Ｃ参照）。そこで、第１実施例から更に磁極歯２４ｂ、２４ｅの先端部の幅を最適化して、４次の高調波成分の低減を図った第４実施例及び第５実施例について説明する。

（第４実施例）
中間部の磁極歯２４ｂ、２４ｅの先端部の幅を６．８ｍｍ（Ｗ２ａ＝６．８ｍｍ）とした以外は、上記第１実施例と同様の構成をなすリニアモータを作製した。

（第５実施例）
中間部の磁極歯２４ｂ、２４ｅの先端部の幅を６．６ｍｍ（Ｗ２ａ＝６．６ｍｍ）とした以外は、上記第１実施例と同様の構成をなすリニアモータを作製した。

そして、上記のような第４実施例及び第５実施例のリニアモータについても、第１実施例と同様にテストベンチに固定して、特性（ディテント力及び推力）を測定した。

図１７は、上記第４実施例における磁極歯の先端部の幅及びディテント力特性の測定結果を示しており、図１７Ａは６個の各磁極歯２４ａ−２４ｆの先端部の幅を示し、図１７Ｂは電気角に対する可動方向応力の変化を示し、図１７Ｃは各高調波次数におけるディテント力振幅を示している。

また、図１８は、上記第５実施例における磁極歯の先端部の幅及びディテント力特性の測定結果を示しており、図１８Ａは６個の各磁極歯２４ａ−２４ｆの先端部の幅を示し、図１８Ｂは電気角に対する可動方向応力の変化を示し、図１８Ｃは各高調波次数におけるディテント力振幅を示している。

磁極歯２４ｂ、２４ｅの先端部の幅を最適化させた第４実施例及び第５実施例では、第１実施例に比べて、ディテント力の４次の高調波成分を大幅に低減できている。また、２次の高調波成分については、第１実施例と同様に、ほぼ零を維持している。このことは、４次の高調波成分の低減が２次の高調波成分の低減に影響を及ぼさないことを示している。

よって、第１実施例、第４実施例及び第５実施例におけるディテント力の測定結果から、まず、２次の高調波成分を低減すべく中央部の磁極歯２４ｃ、２４ｄ及び中間部の磁極歯２４ｂ、２４ｅの先端部の幅を調整し（図６のＳ３−Ｓ５）、次に、４次の高調波成分を低減すべく中間部の磁極歯２４ｂ、２４ｅの先端部の幅を調整する（図６のＳ６−Ｓ８）ことにより、ディテント力の２次及び４次の高調波成分を確実に低減することが可能となる。即ち、図６のフローチャートに示した調整処理の手順は、２次及び４次の高調波成分の低減に極めて有効である。

図１９は、上記第４実施例における推力特性の測定結果を示しており、図１９Ａは駆動起磁力に対する推力及び推力起磁力比を示し、図１９Ｂは電気角に対する推力の変化を示している。

第４実施例においても、推力特性に関して、駆動起磁力に対する推力の直線性、推力起磁力比、最大推力の何れの点においても、従来例と同等の特性が得られている。よって、本発明のように磁極歯の先端部の幅を調整しても、推力特性に影響を及ぼさないことが分かる。

以上のことから、本発明では上記第１−第５実施例のように、推力特性を損なうことなくディテント力を低減することができ、高精度の位置制御用に適したリニアモータを提供することが可能である。

なお、７極６スロット構成のリニアモータを例として説明したが、５極６スロット構成、８極９スロット構成、１０極９スロット構成など、ｎ極ｎ−１スロット構成（ｎ−１は３の倍数）またはｎ極ｎ＋１スロット構成（ｎ＋１は３の倍数）のリニアモータに本発明を適用することができる。

なお、上述したリニアモータでは、界磁部を固定子側に、電機子を可動子側に配置する構成としたが、界磁部を可動子側に、電機子を固定子側に配置するように構成しても良い。

１ 界磁部
２ 電機子
３ リニアモータ
１１ ヨーク
１２ 永久磁石
２１ コア
２２ コイル
２３ ヨーク
２４ａ、２４ｆ 磁極歯（両端部の磁極歯）
２４ｂ、２４ｅ 磁極歯（中間部の磁極歯）
２４ｃ、２４ｄ 磁極歯（中央部の磁極歯）

Claims (4)

1. 磁極が交互に形成されるように複数の永久磁石を直線状に配列してある界磁部と、該界磁部に先端部が対向するように直線状に配列してある複数の磁極歯、及び該磁極歯に巻回されたコイルを有する電機子とを備えており、前記コイルへの通電により前記電機子が前記磁極歯の配列方向に前記界磁部に対して相対的に直線移動するｎ極ｎ−１スロット構成（ｎ−１は３の倍数）またはｎ極ｎ＋１スロット構成（ｎ＋１は３の倍数）のリニアモータにおいて、
   前記電機子の移動方向中央部の磁極歯の先端部の幅が、移動方向両端部の磁極歯の先端部の幅より広く、前記移動方向中央部と前記移動方向両端部との間の移動方向中間部の磁極歯の先端部の幅は、前記移動方向中央部の磁極歯の先端部の幅より狭くて前記移動方向両端部の磁極歯の先端部の幅より広く、前記移動方向中央部の磁極歯及び前記移動方向中間部の磁極歯は先端部の幅が基端部の幅より広いことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記移動方向両端部の磁極歯は、先端部から基端部に至るまで幅が同一であり、前記移動方向両端部の磁極歯の幅が、前記移動方向中央部の磁極歯の基端部の幅及び前記移動方向中間部の磁極歯の基端部の幅に等しいことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
3. 前記移動方向中央部の磁極歯の先端部の幅は前記移動方向両端部の磁極歯の先端部の幅より０．０５τ〜０．２τ（但し、τ：前記界磁部の界磁周期）だけ広く、前記移動方向中間部の磁極歯の先端部の幅は前記移動方向両端部の磁極歯の先端部の幅より０．０３τ〜０．１５τだけ広い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。
4. 前記複数の永久磁石は直方体状をなし、移動方向と直交する方向に対して長辺を傾けて直線状に配列してあ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。

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