JP6128206B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は突極を有する固定子と、コイルおよび磁石を有する可動子とを組み合わせてなるリニアモータに関する。

例えば、半導体製造装置、液晶表示装置の製造分野においては、大面積の基板等の処理対象物を高速度にて直線移動させ、適宜の移動位置にて高精度に位置決めすることができる送り装置が必要である。この種の送り装置は、一般的には、駆動源としてのモータの回転運動をボールねじ機構等の運動変換機構により直線運動に変換して実現されるが、運動変換機構が介在することから、移動速度の高速化には限界がある。また運動変換機構の機械的な誤差の存在により、位置決め精度も不十分であるという問題がある。

この問題に対応するため、近年においては、直線運動出力が直接的に取り出し可能なリニアモータを駆動源とする送り装置が使用されている。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を備えている。前述した送り装置においては、板状の永久磁石を一定間隔毎に多数並設して固定子を構成し、磁極歯と通電コイルとを備える電機子を可動子としたムービングコイル型のリニアモータ（例えば、特許文献１参照）が使用されている。

特開平３−１３９１６０号公報

ムービングコイル型のリニアモータでは、固定子に磁石を配置するため、リニアモータの全長が長くなるほど（可動子の移動距離が長くなるほど）、使用する磁石の量が増える。近年、希土類の価格上昇に伴い、使用する磁石量の増加は、コスト増加の原因となっていた。
また、３相リニアモータでは可動子の位置により変動する３相の合成推力の変動幅を低減させるため、単相あたりの推力波形をほぼ正弦波とする必要がある。又推力を確保する必要がある。その手段の一つとして、各相に複数の磁極を設けて狭ピッチ化を図るのが一般的であり、そのことが可動子構造の簡素化や固定子及び可動子の小型化、軽量化を阻んでいた。
また挟ピッチ化した場合には駆動周波数の高周波化を招き、リニアモータ自体の鉄損が増大するという問題があった。

本発明は上述のごとき事情に鑑みてなされたものであり、リニアモータの全長が長くても磁石の使用量が増加せず、可動子の小型化及び軽量化を実現したリニアモータを提供することを目的とする。

本発明に係るリニアモータは、固定子、及びコイルを有する可動子を備えたリニアモータにおいて、前記固定子は前記可動子の移動方向に長い２つの板状部を有し、２つの板状部は可動子の移動域を間にして、磁気的に結合するように対向して設けてあり、前記２つの板状部の互いに対向する面それぞれには、複数の歯部が、一方の板状部の歯部と他方の板状部の歯部とで千鳥状となるように前記移動方向に並設してあり、前記可動子は前記コイル内部に、前記移動方向に沿って２つの磁石及び３つのヨークが交互に配列してあり、前記２つの磁石は前記移動方向に沿って磁化してあり、磁化方向は互いに対向してあり、前記２つの磁石及び３つのヨークの前記対向する面の法線方向の長さは、略同一であることを特徴とする。

本発明にあっては、可動子は磁石２つ、ヨーク３つを備えるという最小構成としているので、固定子側の歯部のピッチを相対的に大きくしても、可動子の移動方向の寸法をより小さくすることが可能となる。言い換えると固定子側の歯部のピッチを相対的に大きくし易い構造といえる。また、固定子には磁石を使用しないので、リニアモータの全長が長い場合であっても磁石の使用量が増加しない。
また、可動子の有する２つの磁石、３つのヨークは、２つの板状部の対向する面の法線方向の長さを略同一としてある。そのため、磁石およびヨークに流れる磁束が可動子の移動方向に漏れてしまうことによる磁束量の低減、それに伴う推力の低下を防ぐことが可能となる。

本発明に係るリニアモータは、前記２つの磁石に挟まれているヨークが他の２つのヨークより前記移動方向に長いことを特徴とする。

本発明にあっては、２つの磁石に挟まれているヨークは、１つの磁石としか接しない他の２つのヨークより移動方向に長くしてある。磁石とやり取りする磁束量に合わせて移動方向の長さ、すなわち歯部と対向する部分の長さを定めているので、コイルに流す電流量が増加しても、ヨークが磁気飽和をしにくくなる。

本発明に係るリニアモータは、前記２つの磁石に挟まれているヨークの前記移動方向の長さは、他の２つのヨークの２倍の長さであることを特徴とする。

本発明にあっては、２つの磁石に挟まれているヨークの前記移動方向の長さは、流れる磁束量に最適な他の２つのヨークの２倍の長さとしてあるので、可動子の移動方向の長さを小さくしながら、ヨークの磁気飽和を緩和して大推力のリニアモータを得ることが可能となる。

本発明に係るリニアモータは、前記歯部の並設方向の幅が、歯部の並設間隔よりも長いことを特徴とする。

本発明にあっては、歯部の並設方向の幅が歯部の並設間隔よりも広くしてあるので、より大きな推力を得ることが可能となる。

本発明に係るリニアモータは、前記２つの磁石及び３つのヨークが直方体状をなし、各磁石及び各ヨークの前記移動方向側の面は、前記移動方向及び前記板状部の対向方向と直交する方向に対して傾斜していることを特徴とする。

本発明にあっては、各磁石及び各ヨークの前記移動方向側の面は、前記移動方向及び前記板状部の対向方向と直交する方向に傾斜している。すなわち所謂スキュー配置としてあるので、ディテント力が低減され、固定子と可動子の相対位置の違いによる推力むらを低減することが可能となる。

本発明に係るリニアモータは、前記歯部が直方体状をなし、前記歯部の前記板状部に平行な断面の向かい合ういずれかの２辺は前記移動方向に対し傾斜していることを特徴とする。

本発明にあっては、前記歯部が直方体状をなし、前記歯部の前記板状部に平行な断面の向かい合ういずれかの２辺は前記移動方向に対し傾斜している。すなわち歯部をスキュー配置としてあるので、ディテント力が低減され、固定子と可動子の相対位置の違いによる推力むらを低減することが可能となる。

本発明に係るリニアモータは、前記２つの板状部が有する歯部は、前記断面の前記２辺の傾斜方向が互いに逆であることを特徴とする。

本発明にあっては、前記２つの板状部が有する歯部は、前記断面の前記２辺の傾斜方向が互いに逆としてある。すなわち歯部の傾ける方向を板状部の一方と他方とで異なるようにしているので、可動子が移動方向に対して左右に傾くことにより生じるこじりを抑えることが可能となる。

本発明に係るリニアモータは、前記ヨーク及び磁石の前記移動方向に平行な側面と前記コイルとの間に設けられた板状の非磁性体板と該非磁性体板と前記ヨーク及び磁石を介して対向しかつ前記コイルとの間に設けられた板状の非磁性非導電性材からなる補助板を備えることを特徴とする。

本発明にあっては、ヨークとコイルとの間に非磁性非導電性材を設けたので、ヨークに流れる渦電流の流路が部分的に遮断され、渦電流損を小さくすることが可能となる。

本発明に係るリニアモータは、前記非磁性体板に連結され、前記移動方向に配列される３つの可動子を連結する連結部をさらに備えることを特徴とする。

本発明にあっては、３つの可動子を連結しているので、可動子が１つの場合に比べて大きな推力を得ることが可能となる。

本発明に係るリニアモータは、前記非磁性体板は、前記コイルの巻線を間にして対向する板状の第１突出板部及び第２突出板部と、前記第１突出板部及び前記第２突出板部を結ぶ基部を有することを特徴とする。

本発明にあっては、コイルの外部に設けられた第２突出板部を備えているので、リニアモータの推力を容易に外部へ伝達することが可能となる。

本発明にあっては、固定子は磁石２つ、ヨーク３つを備えるという最小構成としてあるので、可動子の移動方向の寸法をより小さくすることが可能となる。また、固定子には磁石を使用しないので、リニアモータの全長が長い場合であっても磁石の使用量が増加しないという効果を奏する。
ここで本明細書及び請求項で使用する電機子ヨークとヨークは同じ意味として使用する。

実施の形態１に係るリニアモータの概略構成の一例を示す部分破断斜視図である。 実施の形態１に係るリニアモータの可動子の構成例を示す平面図である。 実施の形態１に係るリニアモータの概略構成を示す断面図である。 実施の形態１に係るリニアモータの概略構成を示す側面図である。 実施の形態１に係るリニアモータの推力発生原理を説明するための図である。 実施の形態１に係るリニアモータの推力発生原理を説明するための図である。 実施の形態１に係るリニアモータの推力発生原理を説明するための図である。 実施の形態２に係るリニアモータの可動子を示す平面図である。 可動子の電機子ヨークの磁気飽和についての説明図である。 可動子の電機子ヨークの磁気飽和についての説明図である。 実施の形態１及び実施の形態２に係るリニアモータそれぞれについてコイルに流す電流と得られる推力との関係を示すグラフ図である。 実施の形態３に係るリニアモータの可動子の構成例を示す平面図である。 図１１における断面線ＸＩＩ−ＸＩＩによる断面と固定子の断面とを示す断面図である。 実施の形態３に係るリニアモータの動作を説明するための図である。 実施の形態３に係るリニアモータの推力を示すグラフである。 実施の形態４に係るリニアモータの可動子の構成例を示す平面図である。 実施の形態５に係るリニアモータの固定子の構成を示す断面図である。 実施の形態６に係るリニアモータの固定子の構成を示す断面図である。

実施の形態１
図１は実施の形態１に係るリニアモータの概略構成の一例を示す部分破断斜視図である。図２は実施の形態１に係るリニアモータの可動子１の構成例を示す平面図である。図３は実施の形態１に係るリニアモータの概略構成を示す断面図である。図４は実施の形態１に係るリニアモータの概略構成を示す側面図である。

本実施の形態に係るリニアモータは可動子１と固定子２とを含む。可動子１はそれぞれ略直方体状の電機子ヨーク（ヨーク）１ｂ、永久磁石（磁石）１ｃ、１ｄを並べて連結させたものに、コイル１ａを巻回した構成をなしている。本実施の形態において、可動子１は電機子ヨーク１ｂを３つ、永久磁石１ｃ、１ｄを各１つ備える最小構成としてある。図１又は図２に示すように電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｃ、電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｄ、電機子ヨーク１ｂと、電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｃ又は１ｄは可動子１の移動方向に沿って交互に配列されている。永久磁石１ｃ及び永久磁石１ｄは電機子ヨーク１ｂを挟むように配置されている。図２、図４の各永久磁石１ｃ、１ｄに示す白抜矢印は各永久磁石１ｃ、１ｄの磁化方向を示している。白抜矢印の終点はＮ極、始点はＳ極を示す。永久磁石１ｃ及び永久磁石１ｄは可動子１の移動方向に沿って磁化してあり、磁化方向が互いに対向している。以上のように配置された電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｃ又は１ｄをコイル１ａが囲繞している。

図３に示すように、固定子２は断面略コの字状（Ｕ字状）である。固定子２は２つの板状部、上板部２１、下板部２２を含む。上板部２１と下板部２２とは可動子１の移動域を間にして、互いに板面が対向している。板状をなす側板部２３は上板部２１と下板部２２を結合している。図１に示すように、固定子２は可動子１の移動方向に長くなっている。上板部２１は下板部２２と対向する一面に複数の歯部２１ａを備えている。歯部２１ａは可動子１の移動方向に沿って上板部２１に並置してある。下板部２２は上板部２１に対向する面に複数の歯部２２ａを備えている。歯部２２ａは可動子１の移動方向に沿って下板部２２に並置してある。歯部２１ａ、歯部２２ａはそれぞれ略直方体状をなしている。固定子２は軟磁性金属、例えば平板状の圧延鋼材を折り曲げることにより形成する。固定子２は折り曲げにより形成する他に平板状の圧延鋼材を溶接等の接合やねじ止め等により固定して形成しても良い。固定子２の上板部２１と下板部２２とは側板部２３により磁気的に結合してある。歯部２１ａ、歯部２２ａについても、それぞれ軟磁性金属板、例えば鋼板等を積層して直方体状に形成する。直方体状に形成した歯部２１ａ、歯部２２ａはそれぞれ、上板部２１、下板部２２に溶接等による接合又はねじ止め等により固定する。
また略コの字に形成した磁性鋼板の歯部となる部位を残し歯部となる部位の両側に溝を掘り込み加工により形成し、歯部２１ａ、歯部２２ａとしてもよい。このようにすると、歯部を溶接等で接合又はねじ止め等により固定する場合に比べて、固定子２のコストダウンが可能となる。さらにまた、板状部材で歯部２１ａ、歯部２２ａとなる部分を残しスリットを形成しても良い。または歯部２１ａ、歯部２２ａとなる部分をくし歯状に形成しても良い。なお、図３に示す向きで設置されることが固定子２の必須の要件ではない。設置可能な如何なる向きで使用することも可能である。上板部２１が下側や左右側となるように設置しても良い。

図３及び図４に示すように、歯部２１ａ及び歯部２２ａは同一形状、同一寸法であることが望ましい。歯部２１ａ（歯部２２ａ）の可動子１の移動方向に沿う長さＬ１と、２つの歯部２１ａ（歯部２２ａ）の間隔Ｌ２との比は６対４としてある。すなわち、歯部２１ａ（歯部２２ａ）の並設方向の幅Ｌ１は歯部２１ａ（２２ａ）の並設間隔Ｌ２よりも長くなっている。本実施の形態に係るリニアモータは可動子１が備える電機子ヨーク１ｂが３個という最小構成である。

電機子ヨーク１ｂ並びに永久磁石１ｃ及び１ｄの可動子１の移動方向に垂直な方向の長さ(図２では紙面に対して垂直方向、図３では紙面上下方向の長さ:対向する固定子２の上板部２１及び下板部２２の板面の法線方向の長さ）は略同じであることが望ましい。ここで電機子ヨーク１ｂが永久磁石１ｃ及び１ｄよりも長い場合には、永久磁石１ｃ及び１ｄより突出した部分における電機子ヨーク１ｂの磁束が、上板部２１又は下板部２２の板面の法線方向に流れずに水平方向へ漏れてしまう。その結果、電機子ヨーク１ｂから固定子の歯部２１ａ又は２２ａへ流れる磁束量が低減して推力が低下する。
また永久磁石１ｃ及び１ｄが電機子コア１ｂよりも長い場合には、推力に寄与する磁束の上板部２１又は下板部２２の板面の法線方向の成分を確保しにくくなるため、推力ロスが発生する。後述する様に、本発明の推力は電機子ヨーク１ｂと歯部２１ａとの間、及び電機子ヨーク１ｂと歯部２２ａとの間に流れる磁束量によるため、永久磁石１ｃ及び１ｄが突出している場合には、歯部２１ａと電機子ヨーク１ｂとの距離、及び歯部２２ａと電機子ヨーク１ｂとの距離が遠くなり、推力が低減する。
なお、ここで略同じとは構造部を設計する上での寸法設定では同じということを意味している。そして、加工設備による加工誤差を含むため、設計上の寸法設定に公差を含めた上で略同じと表記している。

図５、図６及び図７は実施の形態１に係るリニアモータの推力発生原理を説明するための図である。可動子１のコイル１ａの移動方向に沿う部分は説明の都合上、省略して移動方向と直交する部分の断面のみ表示してある。可動子１のコイル１ａに交流電流を流す。図５、６のコイル１ａに示す黒丸印は紙面の裏から表への通電、バツ印は紙面の表から裏への通電を表している。（交流電流を流した際のある時点の電流の向きを示した）コイル１ａの通電により、図５に点線で示したような磁束の流れが発生する。

可動子１が備える電機子ヨーク１ｂの個数が３個の場合、図５に示す様に歯部２１ａから流れる磁束が、可動子１の両端に位置する電機子ヨーク１ｂに流れ込む。流れ込んだ磁束は、永久磁石１ｃ、１ｄ内を通り、永久磁石１ｃ、１ｄの間、すなわち可動子１の中央に位置する電機子ヨーク１ｂに集まり、歯部２２ａへ抜けていく。この様にすると、並設する歯部２１ａのピッチ（Ｌ１＋Ｌ２）よりも、両端の電機子ヨーク１ｂの移動方向中央部間の距離（Ｌ３）を小さくすることができる。すなわち、可動子１の移動方向の長さを小さくすることが可能となる。歯部２１ａのピッチとは、隣り合う２つの歯部２１ａ、２１ａの並設方向中央部間の距離である。歯部２２ａについても、歯部２１ａと同様である。
言い換えると１相あたりの歯部のピッチを相対的に大きくすることができる。

これに対して、可動子１が備える電機子ヨーク１ｂの個数が４個以上の場合には、並設する歯部２１ａの移動方向中央部の間隔（ピッチ）（Ｌ１＋Ｌ２）に対して、それぞれの電機子ヨーク１ｂの移動方向中央部の間隔を１／２とする必要がある。図５でたとえるならＬ１＋Ｌ２＝Ｌ３／２＋Ｌ３／２＝Ｌ３にする必要があるため、可動子の移動方向の長さを小さくすることが困難になる。
つまり電機子ヨーク１ｂが４個以上の場合には次のような問題がある。Ｌ１＋Ｌ２＞Ｌ３にすると、隣り合う電機子ヨーク１ｂの間隔が小さくなる。永久磁石１ｃ、１ｄを介して隣り合う電機子ヨーク１ｂの永久磁石１ｃ、１ｄによる界磁方向はそれぞれ異なるので、一つの歯部２１ａ（２２ａ）との間で吸引と反発とが短い距離で行われることとなり、可動子１と固定子２の間で発生する推力を低下させる。

可動子１のコイル１ａを除く移動方向の幅は、歯部２１ａ（２２ａ）の幅Ｌ１と２つの歯部２１ａ（２２ａ）の間隔Ｌ２とを合わせた幅（Ｌ１＋Ｌ２）より、狭くしてある。図３において歯部２１ａ及び歯部２２ａの紙面左右方向の長さは、電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｃ、１ｄよりも、やや長くしてある。この場合フリンジング磁束により仮想的にエアギップが短くなり、可動子１の永久磁石１ｃ、１ｄからの磁束を効率よく固定子２に流すことができる。また、歯部２１ａ、２２ａの長さと、電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｃ、１ｄとの長さを同じとしても良い。

歯部２１ａと歯部２２ａとはそれぞれ、等間隔（Ｌ２）で固定子２の対向する上板部２１、下板部２２の対向面側にそれぞれ配置してある。歯部２１ａ、歯部２２ａの長手方向は、可動子１の移動方向に略直角に配置してある。また、歯部２１ａと歯部２２ａは互いに対向する面に可動子１の移動方向の中央部が重ならないように可動子１の移動方向に沿って互い違いに（千鳥状に）並設してある。なお、歯部２１ａと歯部２２ａは互いに対向する面の全面が重なると可動子１には推力が発生しない。

以上のように構成された固定子２に上述の可動子１を配置する。図４に示すように、可動子１の一方の面が歯部２１ａに対向し、他方の面が歯部２２ａに対向する。移動方向の前後に配置してある電機子ヨーク１ｂは一方が歯部２１ａと対向し、他方が歯部２２ａと対向している。中央の電機子ヨーク１ｂは歯部２１ａ、２２ａの両方に対向している。歯部２１ａ、２２ａは１磁気周期毎に１つずつ設けてある。歯部２１ａと歯部２２ａとは電気角で１８０度の異なる位置（１／２磁気周期ずれた位置）に設けられている。

次に、図５、図６及び図７を参照して、実施の形態１に係るリニアモータの推力発生原理について説明する。上述したように図５において可動子１には、点線で示したような磁束の流れが発生する。すなわち、左右の電機子ヨーク１ｂに発生した磁束は永久磁石１ｃ又は１ｄを通り、中央の電機子ヨーク１ｂより歯部２２ａに流れ込む。歯部２２ａに流れ込んだ磁束は下板部２２、側板部２３、上板部２１を通り歯部２１ａより左右の電機子ヨーク１ｂに流れ込み上記のような磁束ループが発生する。磁束ループにより、歯部２１ａはＮ極に励磁され、歯部２２ａはＳ極に励磁される。

次に、永久磁石１ｃ、１ｄによる磁極の発生と推力の発生を、図６を用いて説明する。図６に示すように永久磁石１ｃ、１ｄが電機子ヨーク１ｂに対して着磁方向が対向して配置してある場合、各電機子ヨーク１ｂ全体が単極となる。中央の電機子ヨーク１ｂはＮ極に励磁され、左右の電機子ヨーク１ｂはＳ極に励磁される。
一方、固定子２の歯部２１ａはＮ極、歯部２２ａはＳ極に励磁されている。歯部２１ａ、２２ａに発生した磁極と、永久磁石１ｃ、１ｄにより励磁された電機子ヨーク１ｂの磁極が吸引又は反発することにより、可動子１には図６の紙面左向きの推力が発生する。

図６の状態から、可動子１が電気角１８０度に相当する距離を進んだ場合の状態を示しているのが図７である。図７ではコイル１ａに流す電流の向きが逆向きとなる。この結果、図５の紙面において点線で示した上側から下側へ向かう磁束の流れが逆になる。このため、歯部２１ａはＳ極に励磁され、歯部２２ａはＮ極に励磁されたことと等しくなる。永久磁石１ｃ、１ｄによる電機子ヨーク１ｂの励磁は変わらないため、図６の場合と吸引／反発する歯部２１ａ、２２ａが逆の関係となる。図７に示した矢印の方向に吸引力が発生し、可動子１は図７において紙面に対して左向きの推力が発生する。図７の状態から、可動子１が電気角１８０度に相当する距離を進んだ場合、図６と同様な状態となる。以上の動作を繰り返すことにより、可動子１は移動を継続する。

次に端効果による影響の改善について説明する。端効果とは、リニアモータにおいて、可動子両端に発生する磁気的な吸引、反発力の影響がモータの推力特性（コギング特性、ディテント特性）に影響を及ぼすことを言う。従来、端効果を減少させるために、両端の歯部の形状を、他の形状と異なるようにするなどの対策が取られている。端効果が発生するのは、磁束ループが移動方向と同じ方向に流れるためである（特許文献１の第２図参照）。しかしながら、実施の形態１に係るリニアモータでは、固定子２を通る磁路を含めたループ（磁束ループ）は進行方向と直角な方向に流れるため、端効果の影響を低減させることが可能となる。

以上のように、実施の形態１に係るリニアモータでは、永久磁石１ｃ、１ｄは可動子１のみに使用するので、リニアモータの全長を長くした場合においても、使用する永久磁石の量は増加せず一定となり、コストを低減させることが可能となる。加えて、端効果の影響を低減させることが可能となる。
また、可動子１は電機子ヨーク１ｂを３個、永久磁石１ｃ、１ｄを各１個の計２個という最小の構成としている。そのため、可動子１の備える永久磁石１ｃ、１ｄの移動方向の幅を広くすること、及び歯部２１ａ、２２ａの可動子１の移動方向の幅を大きくすることも可能となる。それによって、電機子ヨーク、永久磁石の数が多い同一サイズの固定子よりも大きな推力を得ることが可能となる。
なお、実施の形態１では可動子１がすべて上板部２１と下板部２２とに挟まれている形態を示したが、本発明においては可動子１のうち永久磁石１ｃ、１ｄと電機子ヨーク１ｂが固定子２に挟まれていればよく、コイル１ａの一部が固定子２から突出していてもよい。
また、電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｃ、１ｄは直方体状としたが、それに限られない。コイル１ａの励磁により発生した磁束が固定子２と協同した磁気ループ回路を構成するものであれば良い。例えば、電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｃ、１ｄが正六面体であっても良い。

実施の形態２
図８は実施の形態２に係るリニアモータの可動子１を示す平面図である。固定子２については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

実施の形態２においては、可動子１の移動方向に沿って並ぶ３つの電機子ヨーク１ｂ、１０ｂのうち、中央に位置する電機子ヨーク１０ｂと左右に位置する電機子ヨーク１ｂの移動方向の幅が異なることを特徴とする。電機子ヨーク１０ｂの幅ｄ２は電機子ヨーク１ｂの幅ｄ１の２倍としてある。これはコイル電流増加に伴い電機子ヨーク１ｂ、１０ｂを流れる磁束が増加した場合において、磁気飽和を起きにくくするためである。左右に位置する電機子ヨーク１ｂは１つの永久磁石１ｃ又は１ｄからの磁束を歯部２１ａ又は２２ａとやり取りするのに対して、中央に位置する電機子ヨーク１０ｂは２つの永久磁石１ｃ及び１ｄからの磁束を歯部２１ａ又は２２ａとやり取りをする。そのため、中央に位置する電機子ヨーク１０ｂの幅ｄ２は左右に位置する電機子ヨーク１ｂの幅ｄ１の２倍とすることが好適である。

図９Ａ及び図９Ｂは可動子１の電機子ヨーク１ｂ、１０ｂの磁気飽和についての説明図である。図９Ａは本実施の形態に係る可動子１の場合を示している。図９Ｂは上述の実施の形態１に係る可動子１の場合を示している。歯部２１ａから電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｃ又は１ｄを通り、電機子ヨーク１ｂ又は１０ｂを経て歯部２２ａに至る点線が磁束の流れを示している。本実施の形態において、２つの永久磁石１ｃ、１ｄに挟まれている電機子ヨーク、すなわち中央に位置する電機子ヨーク１０ｂは実施の形態１における電機子ヨーク１ｂよりも移動方向の幅（長さ）が広くなっている。そのため、歯部２２ａに流れこむ磁束の密度が高くなり難くなっており、磁気飽和が起きにくくなっている。このように、コイル１ａの電流を増加した場合であっても電機子ヨーク１０ｂが磁気飽和を起こしにくくなるので、リニアモータの電流増加時における推力リニアリティが改善される。なお、図９に示した磁束の流れは一例として示したものである。
なお、幅ｄ２は幅ｄ１の２倍に限られない。幅ｄ２が２倍以上であれば、電機子ヨーク１０ｂが飽和しにくくなる。しかしながら、電機子ヨーク１０ｂで磁気飽和が起きない場合でも、両端の電機子ヨーク１ｂで飽和するので、幅ｄ２は幅ｄ１の２倍が好適である。幅ｄ２が２倍以下である場合は、幅ｄ２と幅ｄ１が等しい場合よりも電機子ヨーク１０ｂで磁気飽和を起こしにくくなるが、両端の電機子ヨーク１ｂが磁気飽和を起こす前に、電機子ヨーク１０ｂで磁気飽和が起こることとなる。幅ｄ１、ｄ２により可動子１の移動方向の寸法が決まるので、幅ｄ１、ｄ２をどのように設定するかは、上述した点を考慮して決定すれば良い。

図１０は実施の形態１及び実施の形態２に係るリニアモータそれぞれについてコイル１ａに流す電流と得られる推力との関係を示すグラフ図である。横軸が電流で単位はアンペア（Ａ）である。縦軸が推力であり単位はニュートン（Ｎ）である。図１０に示すように実施の形態１に係るリニアモータに比べて本実施の形態（実施の形態２）に係るリニアモータの方が推力リニアリティに優れている。

上述のように実施の形態２に係るリニアモータは実施の形態１に係るリニアモータの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。中央に位置する電機子ヨーク１０ｂの幅ｄ２は左右に位置する電機子ヨーク１ｂの幅ｄ１の２倍としたので、可動子１の移動方向の長さを小さくしながらも、電機子ヨーク１ｂ、１０ｂの磁気飽和を緩和して大推力を得ることが可能となる。すなわち、可動子１の小型化と推力の増大というトレードオフの関係にある２つの事項を最適化したリニアモータを得ることが可能となる。それにより、電流増加時におけるリニアリティにより優れるという効果を奏する。

実施の形態３
実施の形態１及び実施の形態２においては、単相のリニアモータ（単相分のユニット）について説明した。しかしこれに限られるものではない。例えば３相駆動のリニアモータを構成する場合には、その３個の各可動子間のピッチを、固定子歯部のピッチの２／３のｎ倍（３分の２の整数倍）にすれば良い。またこの場合、各可動子の長手方向の長さを考慮して整数ｎを設定すれば良い。

図１１は実施の形態３に係るリニアモータの可動子１の構成例を示す平面図である。図１２は図１１における断面線ＸＩＩ−ＸＩＩによる断面と固定子２の断面とを示す断面図である。図１２では固定子２と可動子１の位置関係を示すために、図１１では記載していない固定子２の断面を記載している。本実施の形態に係るリニアモータは３相モータである。可動子１は実施の形態２における可動子１と同様な３つの単相ユニット１Ｕ、１Ｖ、１Ｗを移動方向に沿って配置したものである。Ｕ相に対応する単相ユニットが１Ｕ、Ｖ相に対応する単相ユニットが１Ｖ、Ｗ相に対応する単相ユニットが１Ｗである。３つの単相ユニット１Ｕ、１Ｖ、１Ｗは共に同じ構成である。各々の構成中で図８に示したものと同様なものは、図８と同じ符号を付している。図８に示した可動子１と各単相ユニット１Ｕ、１Ｖ、１Ｗを比較すると、各単相ユニット１Ｕ、１Ｖ、１Ｗはそれぞれ、補助板３１及び出力部３２を含んでいる。補助板３１は矩形板状である。補助板３１は例えばエンジニアリングプラスチック（ポリアミド、ポリカーボネイト、）あるいは非磁性のセラミックなど非磁性かつ非導電体で構成する。補助板３１を非磁性かつ非導電体にて形成すると、電機子ヨーク１ｂ、１０ｂに流れる渦電流の流路を部分的に遮断できるため、渦電流損を小さくすることが可能となり、出力効率が向上する。補助板３１は縦姿勢で、電機子ヨーク１ｂ、１０ｂ、永久磁石１ｃ、１ｄの短手方向の側板部２３に近い側面（移動方向に平行な側面）とコイル１ａとの間に配されている。補助板３１は電機子ヨーク１ｂ、１０ｂ、永久磁石１ｃ、１ｄの短手方向の側面と密着している。出力部３２（非磁性体板）は縦断面コの字状（Ｕ字状）であり、第１突出板部３２ａ、基部３２ｂ、第２突出板部３２ｃを含む。出力部３２は、例えばアルミニウム、非磁性体ステンレス鋼などの非磁性体で構成する。
非磁性体とすることで可動子１内に発生した磁束の短絡を防止できる。
第１突出板部３２ａ、第２突出板部３２ｃはそれぞれ矩形板状をなしている。第１突出板部３２ａ、第２突出板部３２ｃは矩形板状をなす基部３２ｂから略垂直上に突出している。第１突出板部３２ａ及び第２突出板部３２ｃはコイル１ａの巻線を間にして対向している。第１突出板部３２ａは電機子ヨーク１ｂ、１０ｂ、永久磁石１ｃ、１ｄの短手方向の側面（移動方向に平行な側面）とコイル１ａの巻線との間に配されている。基部３２ｂの長手方向の長さは、電機子ヨーク１ｂ、１０ｂ、永久磁石１ｃ、１ｄの短手方向の長さを加算した値と略同一である。第１突出板部３２ａは、電機子ヨーク１ｂ、１０ｂ、永久磁石１ｃ、１ｄの短手方向の側面のうち、補助板３１が密着している側面に対向する面と密着している。補助板３１と第１突出板部３２ａとにより、電機子ヨーク１ｂ、１０ｂ、永久磁石１ｃ、１ｄが相互にズレないようにしている。可動子１は移動方向に長い連結板４（連結部）を含んでいる。各単相ユニットは連結板４と各単相ユニットが備える第２突出板部３２ｃとがネジ等で固定されることにより連結される。
可動子１の支持は非磁性体である第１突出板部３２ａから、基部３２ｂ、第２突出板部３２ｃを介して可動可能に行われる。
第１突出板部３２ａは電機子ヨーク１ｂ、１０ｂとコイル１ａとの間にあるため、たとえば可動子１を支持する際にコイル１ａの側面を支持する場合に比べて可動子１を小型化できる。

３つの単相ユニットのコイル１ａに流す電流は３相交流（対称３相交流）である。図１３の示す白抜き矢印は図８と同様に永久磁石１ｃ、１ｄの磁化方向を示している。実施の形態３において、固定子２は実施の形態１及び実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。

図１３は実施の形態３に係るリニアモータの動作を説明するための図である。図１３はリニアモータを側面から見た図である。図１３の紙面左右方向に通るコイル１ａのコイル線は説明のため記載していない。図１３に示すように可動子相ピッチＰ２は歯部２１ａ（２２ａ）のピッチＰ１の２／３×２倍（Ｐ１の３分の２の２倍）と等しい値としてある。図１３に示す状態はＵ相とＷ相のコイル１ａに電流が流れ、Ｖ相のコイル１ａに電流が流れていない状態を示している。このとき、Ｗ相の可動子１Ｗが推力を発生する原理は、図５の場合と同様である。Ｕ相の可動子１Ｕが推力を発生する原理は、図７の場合と同様である。

Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル１ａに流れる交流電流は３相交流であるので、Ｖ相の次にＷ相に流れる電流が０となる状態となる。その次にＵ相に流れる電流が０となる状態となり、再び図１３に示すＶ相に流れる電流が０となる状態となる。これを繰り返すことにより可動子１は移動を継続する。

図１４は実施の形態３に係るリニアモータの推力を示すグラフである。
横軸は可動子１の移動距離であり、単位はミリメートル（ｍｍ）である。
縦軸は推力であり、単位はニュートン（Ｎ）である。図１４に示すように３相の合成推力が単相ピーク推力の２．５倍程度となっている。一般的には単相あたりの推力波形を略正弦波状にして、３相合成後の推力波形を平滑化し、推力脈動を除去する。しかし、この場合に３相合成推力は単相ピーク推力の１．４倍程度に留まる。これに対して、本実施の形態のリニアモータは図３および図４に示す歯部２１ａ（歯部２２ａ）の可動子１の移動方向に沿う長さＬ１と、２つの歯部２１ａ（歯部２２ａ）の間隔Ｌ２との比を６対４にしているので、固定子２に対して可動子１の相対位置が変化したときの推力波形の分布が、正弦波状から台形波状に変化する。その結果、推力脈動は大きくなるものの、３相合成推力を大幅に高められている。つまり、リニアモータの小型化と高推力化の両立を可能にしている。
なお、合成推力は移動距離により周期的に変動しているが、ＰＩＤ（Proportional Integral Derivative）制御により適切なフィードバックを掛けることにより、変動幅が小さくなるように電流を制御すれば良い。

本実施の形態においては、実施の形態１又は実施の形態２に係るリニアモータにおける効果に加え、次の効果を奏する。電機子ヨーク１ｂ、１０ｂとコイル１ａとの間に非導電体で形成した補助板３１を設けたので、電機子ヨーク１ｂ、１０ｂに流れる渦電流の流路が部分的に遮断され、渦電流損を小さくすることが可能となる。単相ユニットを３つ連結したものを可動子１とするので、単相ユニット１つの場合に比べて大きな推力を得ることが可能となる。第２突出板部３２ｃを設けたことより、リニアモータの推力を容易に外部へ伝達することが可能となる。

本実施の形態において、各単相ユニット１Ｕ、１Ｖ、１Ｗが備える第２突出板部３２ｃと連結板４とをネジ等で固定することにより、単相ユニット同士を連結することとした。それに限られず、連結板４を備えない構成でも良い。すなわち、各単相ユニットの第２突出板部３２ｃを一体で形成するようにすれば、連結板４は不要となる。
図１２に示すように出力部３２は断面Ｕ字状としたが、基部３２ｂを上にした構成、すなわち、断面逆Ｕ字状としても良い。
電機子ヨーク１ｂ、１０ｂ、永久磁石１ｃ、１ｄの短手方向の側面とコイル１ａとの間に補助板３１を設ける構成は、上述の実施の形態１及び２においても適用可能である。

実施の形態４
可動子１に永久磁石１ｃ、１ｄと電機子ヨーク１ｂとが配列されている場合、移動方向で比透磁率が周期的に変化するため、高次のディテント力高調波成分が顕著になる。一般に相独立型の駆動では、３相合成時に基本波及び２次、４次の高調波は打ち消されるが、３次、６次、９次、１２次などの３の倍数の高調波は強め合うこととなる。

図１５は実施の形態４に係るリニアモータの可動子１の構成例を示す平面図である。永久磁石１ｃ、１ｄ、電機子ヨーク１ｂの移動方向側の面は、移動方向並びに上板部及び下板部の対向方向と交差する方向に傾斜している。所謂スキュー配置としている。スキュー配置は、移動方向の直交する方向に対して傾斜（角度）をつけて永久磁石１ｃ、１ｄ及び電機子ヨーク１ｂの長辺を配置することである。すなわち、永久磁石１ｃ、１ｄ及び電機子ヨーク１ｂの長手方向両端部は、移動方向の位置が互いに異なることとなる。これにより、１２次以上の高調波成分を低減することが可能である。なお、スキューさせる角度（スキュー角度）は０〜６度程度である。固定子２は実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

以上のように実施の形態４に係るリニアモータは、実施の形態１に係るリニアモータが奏する効果に加え、ディテント力の高調波成分を低減するという効果を奏する。
また、電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｃ、１ｄは、直方体状のものを配置しているが、コイル１ａの内周面と対向する電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｃ、１ｄのそれぞれの２面を、コイル１ａの内周面と平行となるよう構成しても良い。すなわち、電機子ヨーク１ｂ永久磁石１ｃ、１ｄの一つの断面が平行四辺形となるようにしても良い。

実施の形態２又は実施の形態３においても、永久磁石１ｃ、１ｄ及び電機子ヨーク１ｂ、１０ｂをスキュー配置することにより１２次以上の高調波成分を低減することが可能である。

実施の形態５
図１６は実施の形態５に係るリニアモータの固定子２の構成を示す断面図である。図１６はリニアモータの固定子２を、可動子１の移動方向に沿って切断した横断面図である。歯部の２１ａ、２２ａの上板部２１又は下板部２２に平行な断面の向かい合う二組の２辺のうち短辺（いずれかの２辺）は、可動子１の移動方向に対し傾斜している。上板部２１が有する歯部２１ａ及び下板部２２が有する歯部２２ａを所謂スキュー配置している。図１６の左から３番目の歯部２１ａを用いて説明する。歯部２１ａの断面は長方形である。点線で示す長方形は歯部２１ａをスキュー配置していない場合を示している。図１６において、可動子１の移動方向は左右の方向である。スキュー配置していない場合、点線で示す歯部２１ａの断面短辺は可動子１の移動方向に対して、平行である。スキュー配置した場合、断面短辺Ｅ１とＥ２は可動子１の移動方向に対して傾斜していることとなる。図１６では歯部２２ａは突出方向先端の端面が現れている。図１６の左から二番目の歯部２２ａにおいて、点線で示す長方形は歯部２２ａがスキュー配置していない場合を示している。端面の短辺は可動子１の移動方向と平行であり、傾斜していない。スキュー配置した場合、端面の短辺Ｅ３、Ｅ４は可動子１の移動方向に対して傾斜している。歯部２２ａの断面は端面と同一形状であるから、断面短辺も同様に可動子１の移動方向に対して傾斜することとなる。

可動子１については、上述の実施の形態１から実施の形態４のいずれかと同様であるので、説明を省略する。実施の形態５においては、固定子２の歯部２１ａ及び歯部２２ａをスキュー配置することにより、可動子１の電機子ヨーク１ｂ（１０ｂ）、永久磁石１ｃ、１ｄをスキューさせなくても、ディテント力の１２次以上の高調波成分を低減することが可能となる。なお、可動子１として上述の実施の形態４と同様なものを用いる場合、ディテント力の低減には、固定子２の歯部２１ａ及び２２ａ並びに可動子１の電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｃ及び１ｄのなす角度が関係する。当該なす角度が適切な値となるように、固定子２の歯部２１ａ及び２２ａ並びに可動子１の電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｃ及び１ｄのそれぞれをスキューさせれば良い。

実施の形態６
図１７は実施の形態６に係るリニアモータの固定子２の構成を示す断面図である。リニアモータの固定子２を可動子１の移動方向に沿って切断した横断面図である。上板部２１が有する歯部２１ａ及び下板部２２の有する歯部２２ａをスキュー配置している。すなわち、固定子２の歯部２１ａ及び歯部２２ａは、可動子１の移動方向に対して傾斜するように配置してある。可動子１については、上述の実施の形態１から実施の形態４のいずれかと同様であるので、説明を省略する。

実施の形態６において、一方の板状部２１が備える歯部２１ａと他方の板状部２２が備える歯部２２ａとでは、断面短辺の傾斜の方向を逆にしてある。図１７に示すように、歯部２１ａの断面短辺Ｅ１、Ｅ２と歯部２２ａの端面短辺とＥ３、Ｅ４とは可動子１の移動方向に対して傾斜している。その点は上述の実施の形態５と同様である。実施の形態６では、歯部２１ａと歯部２２ａとで傾斜する方向を逆にしている。すなわち、歯部２１ａの断面短辺Ｅ１、Ｅ２の傾斜方向と歯部２２ａの断面短辺Ｅ３、Ｅ４とは傾斜方向が互いに逆にしてある。これは、スキュー配置したことによるこじりを抑えることを目的としている。歯部２１ａ、２２ａをスキュー配置することにより、リニアモータに発生する推力は、可動子１の移動方向からスキュー角度分傾く方向に生じるので、可動子１全体が傾きこじりを発生する場合がある。歯部２１ａと歯部２２ａの傾斜方向を逆にすることにより、歯部２１ａと歯部２２ａにより発生する可動子１の移動方向に垂直な方向（横方向）の推力成分が逆向きとなる。そのため、横方向の推力成分は、互いに打ち消しあい、こじりを防止することが可能となる。

以上のように、実施の形態６においては、実施の形態１から実施の形態４に係るリニアモータにおける効果に加え、次の効果を奏する。固定子２の歯部２１ａ及び歯部２２ａをスキュー配置することにより、可動子１の電機子ヨーク１ｂ（１０ｂ）、永久磁石１ｃ、１ｄをスキューさせなくても、ディテント力の１２次以上の高調波成分を低減することが可能となる。また、歯部２１ａと歯部２２ａの傾ける向きを逆方向にすることにより、こじりを防止するという効果を奏する。

なお、実施の形態６においても、実施の形態５と同様に、実施の形態４における可動子１を用いることも可能であり、可動子１の電機子ヨーク１ｂ、永久磁石１ｃ及び１ｄ並びに固定子２の歯部２１ａ及び２２ａのそれぞれのスキュー角度は適宜定めれば良い。

各実施例で記載されている技術的特徴（構成要件）はお互いに組合せ可能であり、組み合わせすることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味では無く、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 可動子
１ａ コイル
１ｂ、１０ｂ 電機子ヨーク（ヨーク）
１ｃ、１ｄ 永久磁石（磁石）
２ 固定子
２１ 上板部
２１ａ 歯部
２２ 下板部
２２ａ 歯部
２３ 側板部
３１ 補助板
３２ 出力部（非磁性体板）
３２ａ 第１突出板部
３２ｂ 基部
３２ｃ 第２突出板部
４ 連結板（連結部）

Claims (10)

1. 固定子、及びコイルを有する可動子を備えたリニアモータにおいて、
   前記固定子は前記可動子の移動方向に長い２つの板状部を有し、２つの板状部は可動子の移動域を間にして、磁気的に結合するように対向して設けてあり、
   前記２つの板状部の互いに対向する面それぞれには、複数の歯部が、一方の板状部の歯部と他方の板状部の歯部とで千鳥状となるように前記移動方向に並設してあり、
   前記可動子は前記コイル内部に、前記移動方向に沿って２つの磁石及び３つのヨークが交互に配列してあり、
   前記２つの磁石は前記移動方向に沿って磁化してあり、磁化方向は互いに対向してあり、
   前記２つの磁石及び３つのヨークの前記対向する面の法線方向の長さは、略同一であること
   を特徴とするリニアモータ。
2. 前記２つの磁石に挟まれているヨークが他の２つのヨークより前記移動方向に長いこと
   を特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記２つの磁石に挟まれているヨークの前記移動方向の長さは、他の２つのヨークの２倍の長さであること
   を特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
4. 前記歯部の並設方向の幅が、歯部の並設間隔よりも長いこと
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のリニアモータ。
5. 前記２つの磁石及び３つのヨークが直方体状をなし、各磁石及び各ヨークの前記移動方向側の面は、前記移動方向及び前記板状部の対向方向と直交する方向に対して傾斜していること
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のリニアモータ。
6. 前記歯部が直方体状をなし、
   前記歯部の前記板状部に平行な断面の向かい合ういずれかの２辺は前記移動方向に対し傾斜していること
   を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のリニアモータ。
7. 前記２つの板状部が有する歯部は、前記断面の前記２辺の傾斜方向が互いに逆であること
   を特徴とする請求項６に記載のリニアモータ。
8. 前記ヨーク及び磁石の前記移動方向に平行な側面と前記コイルとの間に設けられた板状の非磁性体板と該非磁性体板と前記ヨーク及び磁石を介して対向しかつ前記コイルとの間に設けられた板状の非磁性非導電性材からなる補助板を備えること
   を特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のリニアモータ。
9. 前記非磁性体板に連結され、前記移動方向に配列される３つの可動子を連結する連結部をさらに備えること
   を特徴とする請求項８に記載のリニアモータ。
10. 前記非磁性体板は、
    前記コイルの巻線を間にして対向する板状の第１突出板部及び第２突出板部と、
    前記第１突出板部及び前記第２突出板部を結ぶ基部を有すること
    を特徴とする請求項９に記載のリニアモータ。

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