JP4721211B2 - コアレス・リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、コアレス・リニアモータに関する。

コアレスリニアモータは、電機子にコア(鉄心)を持たないタイプのリニアモータであり、コギングがなく推力変動が小さい、精密制御が容易等の特徴をもつ。このコアレスリニアモータは、たとえば、工作機械、射出成形機、半導体製造装置等の各種分野に用いられている。コアレスリニアモータの構造は、たとえば、特許文献１等に開示されている。
たとえば、特許文献１に開示されているようなコアレスリニアモータの可動子では、コイルがコアを持たないため剛性が低い。このため、ステンレスやＦＲＰ等の非磁性材料からなるプレート状の保持板の両面に扁平に形成したコイルを樹脂で固定することにより、剛性を確保している。
コイルが固定された保持板を直線状に配列された一対の永久磁石列の間に配置し、一方の永久磁石列から他方の永久磁石列に向かう磁束とコイルに流れる電流との相互作用によって、左手のフレミング則に基づく推力が発生する。
特開２００２−１６５４３４号公報

ところで、上記のような構造のコアレスリニアモータでは、コイルの保持板は磁気回路の磁束の通路にあるため、保持板の肉厚を厚くすることができない。すなわち、保持板の両面にコイルを固定するタイプのコアレスリニアモータでは、保持板の肉厚を厚くするほど永久磁石の発生する磁束の利用効率が低下するため、可動子の剛性向上は構造上限界がある。保持板に十分な剛性が確保できないと、リニアモータを駆動したときに振動が発生しやすく、制御ループゲインを高めることができないという不利益がある。
また、コイルは熱伝導性の低い樹脂で保持板に固定され、かつ、保持板もステンレス等の熱伝導率の低い材料で形成されているため、コイルから発生する熱により温度上昇しやすく、リニアモータの位置決め精度を確保するのが困難である。放熱性の観点からは、アルミニウム合金などの熱伝導率の高い金属を保持板に用いるのが好ましいが、アルミニウム合金などの熱伝導率の高い金属はステンレス等と比べて電気抵抗も低いため、モータ駆動時にステンレスなどよりはるかに大きな誘導電流が発生する。この誘導電流と磁石の磁束との相互作用により推力とは逆方向の力が発生し、推力変動が大きくなる。このため、アルミニウム合金などの熱伝導率の高い金属を保持板に用いるのは困難であった。

本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電機子の剛性が向上するとともに、電機子コイルの発熱による温度上昇を抑制できるリニアモータを提供することにある。

本発明によれば、ステータとして機能し、内空を有する固定部と、電機子として機能し、前記固定部の前記内空を長手方向に移動可能な可動部とを有し、
前記可動部は、断面が四角柱状の、長手方向に延び、非磁性体かつ導電性の材料で形成された、補強部材と、前記補強部材の外周に嵌装されるコイル結合体とを有し、
前記コイル結合体は、３相コイルとして機能する連接された３個のコイルを有し、
当該３個のコイルのそれぞれが、断面の外形が矩形でかつ内形が前記補強部材の矩形の外形の外周に嵌装可能な矩形の中空を有するように導電線を長手方向に筒状に巻回された構成されており、かつ、前記３個のコイルの巻回方向は同じであり、
前記固定部は、
前記可動部が長手方向に移動する当該固定部の前記内空を規定するように対向し、対向する面が平面であり、長手方向に沿って延びる第１および第２の対向部を有するヨークと、前記ヨークを構成する前記第１の対向部の前記第２の対向面に対向する対向面に設けられた、第１の複数の磁石と、前記ヨークを構成する前記第２の対向部の前記第１の対向面に対向する対向面に設けられた、第２の複数の磁石と、を有し、
前記第１の複数の磁石および前記第２の複数の磁石はそれぞれ、前記外形が矩形のコイル結合体の前記３個の平坦なコイルの外周面に対向し、
前記第１の複数の磁石と、対向して配置された前記第２の複数の磁石とはそれぞれ、磁極が同じであり、
前記補強部材の外周に嵌装された前記コイル結合体に流れる電流による電磁誘導による磁界に起因して前記補強部材に流れる誘導電流による推力とは逆方向の力を抑制するため、前記補強部材の表面を前記対向する磁石の表面から所定距離離間されており、
前記補強部材に嵌装された前記コイル結合体を有する前記可動部が、前記コイル結合体の前記３相コイルに印加される電流に応じて、前記固定部の前記内空を長手方向に移動する、
コアレス・リニアモータが提供される。

好適には、前記３相コイルは、各相コイルが筒状に整列多層巻きされ、かつ、接着剤で固められており、電気絶縁性の部材を介して端面が互いに結合されている。

好適には、前記補強部材は、金属で形成されている。
さらに、好適には、前記補強部材は、アルミニウム合金または銅合金で形成されている。

前記補強部材は、内部に流体が通過可能な貫通路を有する構成とすることも可能である。

好適には、前記補強部材は、前記３相コイルが発生した熱を外部に放出する放熱手段を有する。

また、前記電機子を構成する前記コイル結合体として、互いに逆位相の磁界を発生させる第１および第２の３相コイルを有し、前記第１および第２の３相コイルの対応する各相コイルは隣接して配置されている構成を採用することもできる。

本発明では、電機子に用いる３相コイルを導電線を筒状に巻いて形成するため、コイルの断面２次モーメントを大きくとることができ、コイルの剛性、特に、曲げ、せん断剛性が高まる。また、導電線を筒状に整列多層巻きし、かつ、接着剤で固め、電気絶縁性の部材を介して端面を互いに結合することで、コイル自体の剛性が飛躍的に高まる。
このように形成された３相コイルの外周面に対向する位置に磁気回路を構成するための磁石を対向配置し、かつ、同じ極性の磁極が対向するように配置すると、互いに対向する磁石の磁束の向きは相反しているため、磁束は磁石に近い位置にあるコイルには到達するが、３相コイルの内部では磁束密度が非常に小さくなる。
対向する磁石の一方の磁束とコイルとの間で発生する力の向きと、他方の磁束とコイルとの間で発生する力の向きとは同じ向きとなり、これがリニアモータの推力となる。
非磁性で導電性を有する補強部材は、３相コイルの内周を支持し、剛性がアップしたコイルをさらに補強する。この補強部材は、導電性を有し、３相コイルの発生する磁束が通過するため、誘導電流が流れるが、磁石からの磁束が届かないコイル内部にあるため、推力とは逆方向の力がほとんど発生しない。
本発明では、上記のような構造を採用したことで、アルミニウム合金や銅合金当の熱伝導率の高い金属材料を補強部材に使用することが可能となる。したがって、コイルで発生する熱が高熱伝導率の材料で形成された補強部材を通じて外部に効率よく放出される。
さらに、本発明では、３相コイルに対して逆位相相の関係にある３相コイルを各相コイルに隣接して配置すると、互いに隣接するコイルの内部では、相反する向きの磁束が発生し、互いに打ち消し合い、補強部材を通過する磁束が大幅に減少し、補強部材に誘導電流がほとんど流れなくなる。この結果、補強部材に磁石からの磁束が到達したとしても、推力とは逆方向の力の発生を大幅に抑えることができる。また、渦電流損失を回避でき、モータの効率低下を防ぐことができる。

本発明によれば、電機子部分の剛性を大幅に向上させることができる。
また、本発明によれば、コイルからの熱を効率良く放出でき、温度上昇が抑制されたリニアモータが得られる。
さらに、本発明によれば、電機子部分が大幅に軽量化されたリニアモータが得られる。
また、本発明によれば、推力の変動が大幅に抑制されたリニアモータが得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
第1の実施形態
図１は、本発明の一実施形態に係るリニアモータの構造を示す斜視図である。
図１に示すように、リニアモータ１は、可動部２と固定部５０とを有する。なお、本実施形態では、可動部２が電機子となっている。

固定部５０は、ヨーク５１と、ヨークに保持された複数の永久磁石６０とを有する。
ヨーク５１は、互いに対向する平面をもつ、所定の間隔で対向する対向部５１Ａ，５１Ｂと、これらに垂直に配置され直動方向Ａ１およびＡ２に沿って対向部５１Ａ，５１Ｂの一端部を連結する連結部５１Ｃとからなる。なお、直動方向Ａ１，Ａ２は可動部２の運動する方向である。対向部５１Ａ，５１Ｂの間隔は、補強部材２０の剛性を確保でき相互の永久磁石からの磁束が影響しない程度の大きさとする。
対向部５１Ａ，５１Ｂおよび連結部５１Ｃは、たとえば、鉄などの強磁性体材料で一体に形成されている。対向部５１Ａ，５１Ｂまたは連結部５１Ｃの外側面がベースなどに固定される。なお、対向部５１Ａ，５１Ｂおよび連結部５１Ｃは、別体としてもよい。また、連対向部５１Ａ，５１Ｂに強磁性体を用い、連結部に非磁性体を用いる構成としてもよい。また、ヨーク５１は、軽量化の観点から、アルミ二ウム合金等の比強度の高い軽量の金属や強化プラスチックなどの非磁性材料を用いてもよい。

永久磁石６０は、外形が長方形状の平板状に形成されており、各永久磁石６０は同じ寸法を有する。
これらの永久磁石６０は、対向部５１Ａ，５１Ｂの各対向面に直動方向Ａ１，Ａ２に沿って配列されている。永久磁石６０は、直動方向Ａ１，Ａ２に沿って磁極の極性が交互に反転する、すなわち、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極となるように配列されている。さらに、対向部５１Ａ側と対向部５１Ｂとで対向する永久磁石６０は、同じ極性の磁極が対向するように配置されている。

図２は、可動部２の構造を示す斜視図である。
図２に示すように、可動部２は、コイル結合体３と、補強部材２０と、保持部材１０とを有する。
保持部材１０は、プレート状の部材からなり、たとえば、ステンレス、アルミ二ウム合金等の金属で形成されている。保持部材１０は、コイル結合体３を保持する役割を果たす。この保持部材１０は、図示しないガイド機構によって直動方向Ａ１およびＡ２に移動自在に支持されている。

コイル結合体３は、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃからなる。この各コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、たとえば、電気絶縁材料で被覆された導電線にウエット状態の接着剤を塗布し、これを筒状に整列多層巻きし、接着剤を硬化させて固めたものである。コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、断面の輪郭形状が長方形状であり、永久磁石６０に対向する各辺がそれ以外の辺よりも長くなっている。また、中央部に輪郭が長方形状の中空部をもつ。
筒状の３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃをそれぞれ形成したのち、非磁性材料からなる電気絶縁性部材９によって端面同士が互いに結合される。電気絶縁性部材９は、たとえば、ガラスエポキシ樹脂や硬質アルマイト処理されたアルミ合金である。
なお、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃの巻き方向は、すべて同じである。
また、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃを上記構成とすることにより、断面２次モーメントを大きくとることができ、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃコイルの剛性、特に、曲げ、せん断剛性が高まる。

補強部材２０は、可動部２に必要な剛性を得るために設けられている。補強部材２０は、四角柱状の部材からなり、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃの中空部に嵌合し、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃの内周を支持する。補強部材２０の断面の輪郭形状は、長方形状であり、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃの中空部の形状と合致している。
補強部材２０は、コイル結合体３の中空部に嵌合挿入され、電気絶縁性部材９と同様の材料で固定される。なお、コイル結合体３をあらかじめ所定精度で形成することができるので、組み立ては非常に容易である。
補強部材３０は、非磁性でかつ導電性を有する材料で形成されている。非磁性でかつ導電性を有する材料としては、たとえば、ステンレス、カーボングラファイト、アルミ二ウム合金、銅合金などが挙げられる。この補強部材３０には、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃから発生する熱を効率良く外部へ放出する観点から、できるだけ熱伝導性が高い材料を用いるのが好ましく、アルミ二ウム合金や銅合金等の金属が最適である。

図３に示すように、補強部材２０は、長手方向においてコイル結合体３の全長よりも長く、補強部材２０の端部２０ｅは、コイル結合体３の両端部から突き出ている。補強部材２０の両端部２０ｅは、スペーサ２５を介して上記した保持部材１０にボルト３０によって締結されている。スペーサ２５には、アルミ二ウム合金等の熱伝導性が高い非磁性の材料を用いる。補強部材２０をスペーサ２５を介して保持部材１０に連結すると、保持部材１０はコイル結合体３の対向する外周面を全面的に保持した状態となる。
このような構造により、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃで発生した熱は、補強部材２０に伝わり、スペーサ２５を介して保持部材１０に伝導可能となっている。また、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃで発生した熱は保持部材１０へ直接伝導可能となっている。したがって、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃで発生した熱を外部へ効率良く放出することが可能となる。

３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、断面の輪郭形状が長方形状となっているため、図４に示すように、互いに対向する永久磁石６０の対向面６０ｆは、コイル結合体３の外周面３ｆに対して所定の空隙をもって対向しており、対向面６０ｆと外周面３ｆは略平行である。

次に、上記構成のリニアモータ１の作用について図５を参照して説明する。
図５に示すように、直動方向Ａ１，Ａ２に関して、一対の磁極、すなわち、２個の永久磁石６０の寸法と、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃの寸法とが略一致する。
３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃを間にして、対向する永久磁石６０，６０の磁束ＢＦは、磁極の極性が同じであることから、対向している永久磁石６０，６０の一方から他方へはほとんど向かわず、主に隣接する永久磁石６０,６０へ向かう。
したがって、図５からわかるように、永久磁石６０の磁束ＢＦは、永久磁石６０の表面６０ｆ付近に主に分布し、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃの内部へは到達しにくい。

３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃへそれぞれ位相が１２０度づつ異なるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流を供給すると、ヨーク５１Ａ側の３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃに流れる電流の方向と、ヨーク５１Ｂ側の３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃに流れる電流の方向は逆向きであり、かつ、ヨーク５１Ａ側の３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃを貫く磁束ＢＦの向きと、ヨーク５１Ｂ側の３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃを貫く磁束ＢＦの向きとは逆になる。このため、ヨーク５１Ａ側とヨーク５１Ｂ側とには、同じ向きの推力が発生する。

３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃに電流が流れると、電磁誘導により磁界が発生し、補強部材２０に誘導電流が流れる。アルミ二ウム合金等の電気抵抗の低い金属を補強部材２０に用いると、より大きな誘導電流が流れる。このとき、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃ内に達する永久磁石６０の磁界の磁束密度が大きいと、推力とは逆方向の力が発生する。
この推力とは逆方向の力の発生を防ぐためには、永久磁石６０の表面６０ｆと、これに対向する補強部材２０の表面２０ｆとの距離をＬｄとすると、距離Ｌｄをある程度確保する必要がある。
たとえば、本実施形態の構造においては、補強部材２０にアルミ二ウム合金を用いた場合、補強部材２０の表面２０ｆに入射する磁束ＢＦの密度が永久磁石６０の表面６０ｆの中央における磁束密度の１/２以下となるように距離Ｌｄを設定すれば、ほとんど影響のない状態となる。

以上のように、本実施形態によれば、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃ自体の剛性を高めた上に、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃの内部に芯として非磁性の補強部材２０を設けることで、電機子がコアレスであっても、剛性を飛躍的に高めることが可能となる。この結果、リニアモータ１を駆動制御する際に、制御ループゲインを高めることが可能となり、外乱に強いナノレベルの位置決め制御に対応可能となる。

また、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃを筒状とし、これを同じ極性の磁極が対向する永久磁石６０の間に配置することで、アルミ二ウム合金等の電気抵抗の低い材料を補強部材２０に用いて大きな誘導電流が流れたとしても、コイル内部における永久磁石６０からの磁束ＢＦの影響が非常に小さいので推力とは逆方向の力の発生を最小限に抑えることができる。この結果、リニアモータ１の推力変動を大幅に抑制することができる。
さらに、本実施形態では、アルミニウム合金や銅合金等の熱伝導率の高い金属材料を補強部材２０に使用することが可能となるので、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃをコイルで発生する熱が高熱伝導率の材料で形成された補強部材を通じて外部に効率よく放出される。この結果、リニアモータの温度上昇の抑制や熱変形による位置決め精度の低下を防ぐことが可能となる。
また、本実施形態では、補強部材２０にアルミ二ウム合金や銅合金などの電気抵抗の低い材料を使用するため、補強部材２０に電気抵抗の高い材料を用いる場合に比べて、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃと補強部材２０との相互インダクタンスを小さくすることができ、リニアモータ１の電気的応答性を向上させることができる。

第2の実施形態
図６は、本発明の第２の実施形態に係るリニアモータの可動部の構造を示す斜視図である。なお、本実施形態に係るリニアモータの基本的な構成は第１の実施形態のリニアモータ１と同様である。また、図６において、第１の実施形態と同一構成部分は同一の符号を使用している。
図６に示す可動部２Ａは、３相コイル３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１と、３相コイル３Ａ２，３Ｂ２，３Ｃ２からなるコイル結合体３０を備えている。各相のコイル３Ａ２，３Ｂ２，３Ｃ２は、各相のコイル３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１にそれぞれ隣接して配置されている。
３相コイル３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１と３相コイル３Ａ２，３Ｂ２，３Ｃ２は、上述した実施形態の３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃと同様の構成である。コイル結合体３０も上述した実施形態と同様に形成される。
３相コイル３Ａ２，３Ｂ２，３Ｃ２は、３相コイル３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１に対して逆位相、すなわち、位相が１８０度異なる磁界を発生する。

次に、可動部２Ａを備えるリニアモータの作用について説明する。
図７に示すように、２組の３相コイル３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１および３相コイル３Ａ２，３Ｂ２，３Ｃ２は、２対の磁極、すなわち、４個の隣り合う永久磁石６０に対向する。直動方向Ａ１およびＡ２に関して、４個の永久磁石６０の寸法と、６個のコイルの寸法とが略同じである。

たとえば、３相コイル３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１と３相コイル３Ａ２，３Ｂ２，３Ｃ２の巻き方向が同じ場合には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流を３相コイル３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１へ供給し、３相コイル３Ａ２，３Ｂ２，３Ｃ２へは、３相交流と位相が１８０度異なる-Ｕ相、-Ｖ相、-Ｗ相の３相交流を供給する。これにより、図７に示すように、コイル３Ａ１,３Ａ２、コイル３Ｂ１，３Ｂ２およびコイル３Ｃ１，３Ｃ２には、それぞれ逆向きの磁界が発生する。これらは、逆位相の関係にあるため、磁界の磁束は互いに打ち消しあう。
この結果、コイル内に存在する補強部材２０に発生する誘導電流を抑制することができる。補強部材２０に流れる誘導電流を抑えることができるため、補強部材２０と永久磁石６０との距離を短縮することができる。さらに、渦電流損を低下させることができ、モータ効率の低下を防ぐことができる。

また、コイル３Ａ１,３Ａ２、コイル３Ｂ１，３Ｂ２およびコイル３Ｃ１，３Ｃ２内から漏れる磁束が抑制されるため、永久磁石６０の形成する磁場への乱れを少なくできまた、コイルの発生する磁束によるヨーク５１の磁気飽和を防ぐことができる。

なお、３相コイル３Ａ２，３Ｂ２，３Ｃ２と３相コイル３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１とが発生する磁界を逆位相とするには、３相コイル３Ａ２，３Ｂ２，３Ｃ２と３相コイル３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１の巻き方向を逆にして同相の３相交流を印加してもよいし、コイルの結線方法を変えることで対応してもよい。

図８は、上記した第２の実施形態の変形例を示す図である。
図８に示すように、コイル３Ａ１,３Ａ２、コイル３Ｂ１，３Ｂ２およびコイル３Ｃ１，３Ｃ２の組の寸法を２個の磁石６０の寸法と略同じとし、各コイルの組を６０度または１２０度の位相分異ならせた配置とする。各コイルの組に上記と同様に磁界を発生させることにより、同様の作用、効果が得られる。

図９は、補強部材の他の構造例を示す断面図である。
上述した第１および第２の実施形態では、補強部材２０は中実の四角柱状の部材とした。
図９に示す補強部材２０Ｂは、放熱性を高めるために、上記した直動方向Ａ１およびＡ２に沿って貫通する貫通穴２０Ｂａが形成されている。貫通穴２０Ｂａを設けることにより、補強部材２０Ｂの空気に触れる面積が増加し、コイルで発生した熱を放出しやすくなる。また、この貫通穴２０Ｂａに空気などの冷却媒体を供給すればさらに冷却効率が高まる。

図１０は、補強部材のさらに他の構造例を示す断面図である。
図１０に示す補強部材２０Ｃは、直動方向Ａ１およびＡ２に沿って貫通する貫通穴２０Ｃａが形成されているとともに、貫通穴２０Ｃａの内壁に放熱用にフィン２０Ｃｆが形成されている。フィン２０Ｃｆを形成することで、さらに効率よく放熱することができる。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係るリニアモータの斜視図である。
図１１に示すように、リニアモータ１００は、可動部１５０と固定部１０１とを有する。本実施形態では、固定部１０１が電機子となっている。

固定部１０１は、コイル結合体１０３と、補強部材１２０と、保持部材１１０とを有する。
保持部材１１０は、プレート状の部材からなり、たとえば、ステンレス、アルミ二ウム合金等の金属で形成されている。保持部材１１０は、コイル結合体１０３を保持する役割を果たす。この保持部材１１０は、図示しないベース等に固定される。

コイル結合体１０３は、３相コイル１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃが複数集まったものである。各コイル１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃは、電気絶縁部材１０９を介して結合されている。コイル結合体１０３の形成は、第１の実施形態で説明したコイル結合体３と同様である。ただし、３相コイル１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃが多数結合され、全長が長い点で異なる。

補強部材１２０は、図１２に示すように、コイル結合体１０３内を貫通しており、コイル結合体１０３に固定されている。
補強部材１２０は、コイル結合体１０３の強度を補う機能をもつが、主に、３相コイル１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃからの熱を外部へ放出する役割を担っている。補強部材１２０の中心部には、後述するように、冷却媒体が流れる流路１２０ｐが長手方向を貫通している。
この補強部材１２０には、第１の実施形態で説明した補強部材２０と同様の形成材料が用いられる。
図１２に示すように、補強部材１２０の端部１２０ｅは、コイル結合体１０３の両端部から突き出ており、スペーサ１２５を介して保持部材１１０に図示しない締結部材によって締結されている。スペーサ１２５には、アルミ二ウム合金等の熱伝導性が高い非磁性の材料を用いる。

図１２に示すように、保持部材１１０は、コイル結合体１０３の対向する外周面を全面的に保持している。このため、比較的長い全長をもつ固定部１０１の剛性が飛躍的に高まる。

可動部１５０は、ヨーク１５１と、ヨークに保持された複数の永久磁石１０６とを有する。この可動部１５０は、図示しないガイド機構によって直動方向Ａ１およびＡ２に移動自在に支持されている。
ヨーク１５１は、図１３に示すように、互いに対向する平面をもつ所定の間隔で対向する対向部５１Ａ，１５１Ｂと、これらに垂直に配置され直動方向Ａ１およびＡ２に沿って対向部１５１Ａ，１５１Ｂの一端部を連結する連結部１５１Ｃとが一体に形成されている。なお、対向部１５１Ａ，１５１Ｂ、連結部１５１Ｃを別体としてもよい。
ヨーク１５１は、鉄などの磁性材料で形成することができるが、可動部１５０の軽量化の観点から、アルミ二ウム合金等の比強度の高い軽量の非磁性の材料を用いることができる。
また、対向部１５１Ａ，１５１Ｂに磁性材料を用い、連結部１５１Ｃにアルミ二ウム合金等の非磁性材料を用いても良い。

永久磁石１０６は、外形が長方形状の平板状に形成されており同じ寸法を有する。永久磁石１０６は、ヨーク１５１の対向部１５１Ａ，１５１Ｂの各対向面に固定されている。各対向面に２個ずつ設けられている。また、同じ対向面に設けられた永久磁石１０６は、磁極の極性が異なるように配置されている。さらに、対向部１５１Ａ側と対向部１５１Ｂとで対向する永久磁石１０６は、同じ極性の磁極が対向するように配置されている。

３相コイル１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃは、断面の輪郭形状が長方形状となっているため、図１３に示すように、互いに対向する永久磁石１０６の対向面１０６ｆは、コイル結合体１０３の外周面１０３ｆに対して所定の空隙をもって対向しており、対向面１０６ｆと外周面１０３ｆは略平行に配置されている。

次に、上記リニアモータ１００の作用について図１４を参照して説明する。
図１４に示すように、直動方向Ａ１，Ａ２に関して、一対の磁極、すなわち、２個の永久磁石１０６の寸法と、３相コイル１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃの寸法とが略一致する。
３相コイル１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃを間にして、対向する永久磁石１０６，１０６の磁束ＢＦは、磁極の極性が同じであることから、対向している永久磁石１０６，１０６の一方から他方へはほとんど向かわず、主に隣接する永久磁石１０６へ向かう。
したがって、図１４からわかるように、永久磁石１０６の磁束ＢＦは、永久磁石１０６の表面付近に主に分布し、対向する３相コイル１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃの内部へは到達しにくい。

上記の状態において、３相コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃに電流を供給する。電流は、すべてのコイルに流れる。これにより、電磁誘導により磁界が発生し、補強部材１２０に誘導電流が流れる。アルミ二ウム合金等の電気抵抗の低い金属を補強部材１２０に用いると、より大きな誘導電流が流れる。このとき、３相コイル１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ内に達する永久磁石６０の磁界の磁束密度が大きいと、推力とは逆方向の力が発生する。
この推力とは逆方向の力の発生を防ぐためには、永久磁石１０６と補強部材１２０との距離Ｌｄを第１の実施形態と同様に確保する。これにより、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。

次に、リニアモータ１００の冷却方法の一例を図１５を参照して説明する。
図１５に示すように、補強部材１２０に形成された流路１２０ｐの一端に冷却媒体を供給する供給源３００を接続し、冷却媒体ＣＬを供給する。冷却媒体ＣＬには、たとえば、空気等と比べて熱容量の高い水等の液体を用いる。
流路１２０ｐの一端から供給された冷却媒体ＣＬは、補強部材１２０内を通過し、熱を効率よく吸収し、流路１２０ｐの他端から排出される。
本実施形態では、補強部材１２０が固定されているので、液体の冷却媒体ＣＬを用いた強制冷却を容易に行うことができる。この結果、リニアモータの温度管理が容易にでき、ナノ位置決め制御等の精密制御において特にメリットがある。

第４の実施形態
図１６は、本発明の第４の実施形態に係るリニアモータの構成を示す図である。
なお、本実施形態に係るリニアモータの基本的な構成は第３の実施形態のリニアモータ１００と同様である。また、図１６において、第３の実施形態と同一構成部分は同一の符号を使用している。
図１６に示すリニアモータ１００Ａは、第３の実施形態と同様に、固定部が電機子であり、可動部に永久磁石が設けられている。リニアモータ１００Ａは、複数の３相コイル１０３Ａ１，１０３Ｂ１，１０３Ｃ１と、３相コイル１０３Ａ２，１０３Ｂ２，１０３Ｃ２からなるコイル結合体１０３−Ａを備えている。また、各相のコイル１０３Ａ２，１０３Ｂ２，１０３Ｃ２は、各相のコイル１０３Ａ１，１０３Ｂ１，１０３Ｃ１にそれぞれ隣接して配置されている。
３相コイル１０３Ａ１，１０３Ｂ１，１０３Ｃ１と３相コイル１０３Ａ２，１０３Ｂ２，１０３Ｃ２は、上述した実施形態の３相コイル１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃと同様の構成である。
３相コイル１０３Ａ２，１０３Ｂ２，１０３Ｃ２は、３相コイル１０３Ａ１，１０３Ｂ１，１０３Ｃ１に対して位相が１８０度異なる磁界を発生する。

また、ヨーク１５１Ａ，１５１Ｂには、それぞれ４個の永久磁石１６０が磁極の極性が直動方向Ａ１およびＡ２に沿って交互に反転するように配列され、かつ、対向する永久磁石１６０の磁極の極性が同じになるように固定されている。

図１６に示すように、２組の３相コイル１０３Ａ１，１０３Ｂ１，１０３Ｃ１および３相コイル１０３Ａ２，１０３Ｂ２，１０３Ｃ２は、２対の磁極、すなわち、４個の隣り合う永久磁石６０に対向する。直動方向Ａ１およびＡ２に関して、４個の永久磁石６０の寸法と、６個のコイルの寸法とが略同じである。

上記構成のリニアモータ１００Ａにおいて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流を３相コイル１０３Ａ１，１０３Ｂ１，１０３Ｃ１へ供給し、３相コイル１０３Ａ２，１０３Ｂ２，１０３Ｃ２へは、３相交流と位相が１８０度異なる-Ｕ相、-Ｖ相、-Ｗ相の３相交流を供給する。コイル１０３Ａ１,１０３Ａ２、コイル１０３Ｂ１，１０３Ｂ２およびコイル１０３Ｃ１，１０３Ｃ２には、それぞれ逆向きの磁界が発生する。この結果、第２の実施形態と同様の作用、効果が得られる。

第５の実施形態
図１７は、本発明の第５の実施形態に係るリニアモータの構成を示す図である。
図１８は、図１７に示すリニアモータの可動部および固定部の構造を示す断面図である。
本実施形態に係るリニアモータは、電機子が固定部であり、可動部に永久磁石が設けられている。また、本実施形態に係るリニアモータの基本的な構成は、第３の実施形態または第４の実施形態と同様である。
本実施形態では、ヨーク１５１−Ａを外形が四角の筒状に形成している。ヨーク１５１−Ａの内面には、２組の対向する永久磁石１０６が設けられている。これらの永久磁石１０６がコイル結合体１０３の４つの外周面にそれぞれ対向している。
このように構成することにより、コイルが利用する永久磁石の利用効率が高まり、推力等を向上させることができる。

なお、上述した実施形態では、コイルの断面形状を長方形状とし、永久磁石を平板状に形成したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、コイルの断面形状は、正方形、円形、長円形状などの他の形状でもよく、永久磁石はこれらの形状に応じて湾曲した形状とすることができる。また、ヨークの形状もこれに合わせて変更可能である。
また、上述した実施形態では、コイルを筒状に形成した後に、コイル内に補強部材を挿入する構成としたが、電気絶縁された導電線を補強部材の周囲に直接巻いてもよい。

本発明の一実施形態に係るリニアモータの構造を示す斜視図である。 可動部の構造を示す斜視図である。 可動部の側面図である。 可動部および固定部の直動方向に直交する平面に沿った断面図である。 リニアモータの作用を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係るリニアモータの可動部の構造を示す斜視図である。 図６に示した可動部をもつリニアモータの作用を説明するための図である。 第２の実施形態の変形例を示す図である。 補強部材の他の構造例を示す断面図である。 補強部材のさらに他の構造例を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るリニアモータの斜視図である。 図１１に示すリニアモータの側面図である。 図１１に示すリニアモータの可動部および固定部の直動方向に直交する平面に沿った断面図である。 図１１に示すリニアモータの可動部および固定部の水平面方向の断面図である。 図１１に示すリニアモータにおける冷却方法の一例を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係るリニアモータの構成を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るリニアモータの構成を示す図である。 図１７に示すリニアモータの可動部および固定部の構造を示す断面図である。

符号の説明

１，１００…リニアモータ
２…可動部
３…コイル結合体
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…３相コイル
９…樹脂
１０…保持部材
２０…補強部材
２５…スペーサ
５０…固定部
５１，１５１…ヨーク
６０…永久磁石

Claims (8)

1. ステータとして機能し、内空を有する固定部と、
   電機子として機能し、前記固定部の前記内空を長手方向に移動可能な可動部と
   を有し、
   前記可動部は、
   断面が四角柱状の、長手方向に延び、非磁性体かつ導電性の材料で形成された、補強部材と、
   前記補強部材の外周に嵌装されるコイル結合体と
   を有し、
   前記コイル結合体は、３相コイルとして機能する連接された３個のコイルを有し、
   当該３個のコイルのそれぞれが、断面の外形が矩形でかつ内形が前記補強部材の矩形の外形の外周に嵌装可能な矩形の中空を有するように導電線を長手方向に筒状に巻回されて構成されており、かつ、前記３個のコイルの巻回方向は同じであり、
   前記固定部は、
   前記可動部が長手方向に移動する当該固定部の前記内空を規定するように対向し、対向する面が平面であり、長手方向に沿って延びる第１および第２の対向部を有するヨークと、
   前記ヨークを構成する前記第１の対向部の前記第２の対向面に対向する対向面に設けられた、第１の複数の磁石と、
   前記ヨークを構成する前記第２の対向部の前記第１の対向面に対向する対向面に設けられた、第２の複数の磁石と、
   を有し、
   前記第１の複数の磁石および前記第２の複数の磁石はそれぞれ、前記外形が矩形のコイル結合体の前記３個の平坦なコイルの外周面に対向し、
   前記第１の複数の磁石と、対向して配置された前記第２の複数の磁石とはそれぞれ、磁極が同じであり、
   前記補強部材の外周に嵌装された前記コイル結合体に流れる電流による電磁誘導による磁界に起因して前記補強部材に流れる誘導電流による推力とは逆方向の力を抑制するため、前記補強部材の表面を前記対向する磁石の表面から所定距離離間されており、
   前記補強部材に嵌装された前記コイル結合体を有する前記可動部が、前記コイル結合体の前記３相コイルに印加される電流に応じて、前記固定部の前記内空を長手方向に移動する、
   コアレス・リニアモータ。
2. 前記３相コイルは、各相コイルが筒状に整列多層巻きされ、かつ、接着剤で固められており、電気絶縁性の部材を介して端面が互いに結合されている、
   請求項１に記載のコアレス・リニアモータ。
3. 前記補強部材は、非磁性体の金属で形成されている、
   請求項１に記載のコアレス・リニアモータ。
4. 前記補強部材は、アルミニウム合金または銅合金で形成されている、
   請求項３に記載のコアレス・リニアモータ。
5. 前記補強部材は、長手方向の内部に冷却用流体が通過可能な貫通路を有する、
   請求項１〜４のいずれかに記載のコアレス・リニアモータ。
6. 前記補強部材は、前記３相コイルが発生した熱を外部に放出する放熱手段を有する、
   請求項１〜５のいずれかに記載のコアレス・リニアモータ。
7. 前記補強部材がアルミニウム合金で形成されているとき、前記補強部材は、当該補強部材の表面に入射する磁束密度が前記磁石の表面の中央における磁束密度の１／２以下となる距離だけ前記磁石から離隔している、
   請求項４に記載のコアレス・リニアモータ。
8. 前記電機子を構成する前記コイル結合体は、互いに逆位相の磁界を発生させる第１および第２の３相コイルを有し、
   前記第１および第２の３相コイルの対応する各相コイルは隣接して配置されている、
   請求項１に記載のコアレス・リニアモータ。

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