JPWO2011118568A1 - リニアモータ - Google Patents

Abstract

モノポーラ駆動方式のように異極の磁極間を短絡する磁束が発生しにくい構造であるとともに、バイポーラ駆動することによって最大推力の低下を防止でき、推力起磁力比が高いリニアモータを提供する。可動方向の一方向に磁化された永久磁石、軟質磁性体のヨーク、可動方向の他方向に磁化された永久磁石、軟質磁性体のヨーク、…の順に交互に配列させた可動子１を、可動子１に対向する一方の面、他方の面に複数の磁極歯、磁極歯をそれぞれ列状に有し、複数の磁極歯からなる磁極歯群、複数の磁極歯からなる磁極歯群にそれぞれ駆動コイル２５ａ、駆動コイル２５ｂを一括して巻回してなる電機子２の中空部に貫通させて、リニアモータ３は構成される。

Description

本発明は、複数の板状の永久磁石を有する可動子と駆動コイルを有する電機子（固定子）とを組み合わせてなるリニアモータに関する。

電子回路基板の検査装置におけるプローブ（検査用接触素子）の垂直移動機構、または、ピックアンドプレース（部品を掴んで所定の位置に置く）型ロボットにおける垂直移動機構などにあっては、高速な移動かつ高精度の位置決めが要求される。したがって、回転型モータの出力をボールねじにて平行運動（垂直運動）に変換するような従来の方法では、移動速度が遅いため、そのような要求を満たせない。

そこで、このような垂直移動には、平行運動出力を直接に取り出し可能なリニアモータの利用が進められている。多数の板状の永久磁石を配設した角形状の永久磁石構造体を可動子とし、通電コイルを有する電機子を固定子として、固定子に可動子を貫通させた構成を有する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１，２，３など）。

特開２００２−２７７２９号公報 特開２００２−１４２４３７号公報 特開２００５−２９５７０８号公報

従来のリニアモータは、ボールねじに比べれば応答は速いが、可動子の質量が大きいために十分な推力は確保できるものの要求される水準の応答速度を実現できない。高速化に適したリニアモータの構造は可動磁石型であり、小型で大きな推力を有するリニアモータを実現するためには、電機子の磁極ピッチを小さくする必要がある。

電機子の磁極は、可動子の永久磁石の配列周期に対応して特定の比率で周期的に設けられており、各磁極毎に駆動用のコイルが巻回されている。リニアモータの推力密度を高めるためには磁極ピッチを小さくする必要があるが、このような個別捲き線構造では巻回されるコイルのスペースが狭くなり、コイルの電気抵抗の上昇にともなって駆動時の発熱が増加するという問題がある。

この問題を解決するために、相一括捲きをなすクローポール型（クローティース型）の電機子を用いたリニアモータが提案されている。この相一括捲き方式では、電機子の磁極で同極になる部分に一括してコイルを巻回させており、コイルの数を減らし、捲き線領域を広く確保して、コイルの電気抵抗を下降させる効果がある。しかしながら、この相一括捲き方式では、一般に対極となる磁極歯をＮ極，Ｓ極交互に配置するため、特に磁極ピッチを小さくした場合に、隣り合う磁極間を短絡する磁束が多くなって、電機子から発生させた磁束を可動子の永久磁石側に有効に印加できない。そして、電機子の磁極間を短絡する磁束の割合が大きくなると、最大推力が低下して推力体格比が低下するという課題がある。

上記のような異極間の磁束の短絡を防止することを目的としてモノポーラ型（単極型）のリニアモータが提案されている。このモノポーラ型では、電機子の磁極歯を上述のようにＮ極，Ｓ極交互に配置する構造とはせず、同時に励磁される極性がＮ極，Ｓ極の何れか一方のみとなるようにしている。この場合、対極となる磁極歯が電機子に存在しないので、短絡磁界は発生せず、比例限界となる推力の値を高めることができる。この方式は、構造が簡単なために小型化できる利点がある。しかしながら、バイポーラ型（双極型）と比較して永久磁石の利用率が半分となるため、同一の永久磁石の配列として同一の駆動起磁力を印加した場合に推力は１／２に低下する。また、駆動に寄与する永久磁石の面積がバイポーラ型の半分となるため、同程度の推力を発生させた場合に永久磁石の負荷が高くなって、駆動時の永久磁石のパーミアンス係数が大きく低下する部分が発生し、永久減磁を発生させる危険性があるという課題がある。

従来より、永久磁石と軟質磁性体のヨークとを有する可動子では、軟質磁性体の比透磁率が高いことに起因するディテント力（移動方向に発生する応力脈動）が大きくなるという問題がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、モノポーラ駆動方式のように異極の磁極間を短絡する磁束が発生しにくい構造であるとともに、バイポーラ駆動することによって最大推力の低下を防止でき、推力起磁力比が高い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、駆動起磁力を印加した際に永久磁石のパーミアンス係数の低下が少なくて減磁耐力が高く、連続駆動時の耐久性が向上して耐熱性にも優れた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、可動子のヨークから磁極歯への磁束の流れを確保するとともに、電機子での磁気飽和が起こりにくい構造をなす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、電機子における磁束の経路としての効果が少ない磁極歯に対向する部分を軽量な非磁性材料にて構成することにより、電機子の軽量化を図れ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、ディテント力の高調波成分を打ち消すことができるリニアモータを提供することにある。

本発明に係るリニアモータは、平板状の可動子を中空状の電機子に貫通させてなるリニアモータにおいて、移動方向に磁化した平板状の永久磁石と、該永久磁石と磁化方向が逆の方向である平板状の永久磁石とが交互に配され、隣り合う永久磁石の間に平板状の軟質磁性体のヨークが挿入されている可動子と、前記可動子に対向する一方の面及び他方の面それぞれに、軟質磁性体の磁極歯が、一方の面の磁極歯と他方の面の磁極歯とは電気角で１８０°異なるように前記ヨークの一つおきに対向して設けられており、一方の面における磁極歯からなる磁極歯群及び他方の面における磁極歯からなる磁極歯群の外側を包むように磁束の帰路となる軟質磁性体のコアを有しており、前記磁極歯群それぞれに一括して、駆動起磁力を印加する駆動コイルが巻回されている電機子とを備えることを特徴とする。

本発明に係るリニアモータの可動子は、可動子の移動方向（長手方向）に磁化された平板状の永久磁石と平板状の軟質磁性体のヨークとを組み合わせた構成をなしており、移動方向の一方向に磁化された永久磁石と、移動方向の一方向とは逆の他方向に磁化された永久磁石とを交互に配置し、隣り合う一方向に磁化された永久磁石及び他方向に磁化された永久磁石の間に軟質磁性体のヨークを配置した構成を有している。一方、電機子は、可動子のヨークの配列に対応させて、可動子に対向する一方の面と他方の面とにおいて磁極歯がヨークの一つおきに対向して設けられ、一方の面の磁極歯と他方の面の磁極歯とは電気角で１８０°の異なる位置に配置している。また、一方の面における磁極歯及び他方の面における磁極歯からなる一対の磁極歯群の外側を包むように磁束の帰路となる軟質磁性体のコアを有している。更に、一対の磁極歯群それぞれに一括して、駆動起磁力を印加する駆動コイルが巻回されている。

上記のような構成をなす可動子を上記のような構成をなす電機子に貫通させ、上記一対の駆動コイルに同方向の電流を流すことにより、推力が発生して可動子は移動する。この際、電機子の一方の面側のすべての磁極歯は同じ極性（例えばＮ極）になり、電機子の他方の面側のすべての磁極歯は一方の面側の磁極歯とは逆である同じ極性（例えばＳ極）になる。よって、それぞれの面側において隣り合う磁極間を短絡する磁束はほとんど発生しない。また、駆動コイルから印加される駆動起磁力は可動子の移動方向に垂直であるが、可動子の永久磁石の磁化方向が移動方向に平行であるため、永久磁石が減磁する方向の磁化が印加されにくいので、永久磁石のパーミアンス係数の低下は小さい。この結果、耐熱温度も高くなる。

本発明のリニアモータは、磁極間の短絡磁束が発生しにくい構造であるというモノポーラ型の利点と、永久磁石のＮ極，Ｓ極両方を同時に利用できるというバイポーラ型の利点とを併せもったリニアモータである。

本発明に係るリニアモータは、前記磁極歯は、前記可動子の近傍側である先端部の前記移動方向の寸法が前記可動子の遠位側である基端部の前記移動方向の寸法より小さいことを特徴とする。

本発明に係るリニアモータの磁極歯にあっては、可動子に近位する先端部の移動方向の寸法が可動子に遠位する基端部の移動方向の寸法より小さくなっている。よって、磁極歯の先端部を狭くしているため、可動子のヨークから磁極歯へ磁束が確実に流れる。一方、磁極歯の基端部を広くしているため、電機子において磁気飽和が起こりにくい。

本発明に係るリニアモータは、前記電機子の磁極歯に対向する部分の軟質磁性体のコア、すなわち、磁極歯と磁極歯との間に位置する電機子部材を、前記軟質磁性体より軽量である非磁性の材料にて置き換えてあることを特徴とする。

本発明に係るリニアモータの電機子にあっては、磁極歯に対向する部分を磁極歯の磁性材より軽量である非磁性材料にて構成している。よって、全体を磁性材にて構成する場合に比べて、電機子は軽量化して、より軽いリニアモータとなる。この磁極歯に対向する部分は、元来磁束密度が小さくて、磁束の経路としての効果が少ない部分であるため、この部分を非磁性材料にて構成しても発生推力はあまり低下しない。

本発明に係るリニアモータは、前記磁極歯群それぞれを２群に分け、２群の間隔を、他の磁極歯の間隔に主たるディテント力高調波成分の１／２波長を加算または減算した間隔とすることを特徴とする。

本発明に係るリニアモータの電機子にあっては、同一極の磁極歯群を２群に分けて、これらの磁極歯群の間隔を、主たる高調波成分の半波長分を磁極ピッチに加えるまたは磁極ピッチから減じた間隔とする。よって、高調波成分が打ち消されて、ディテント力は低減する。

本発明に係るリニアモータは、前記主たるディテント力高調波成分は６次であり、界磁周期の１／１２を加算または減算するように構成したことを特徴とする。

本発明に係るリニアモータの電機子にあっては、界磁周期２τ（２τ＝λ）の１／１２（τ／６）を磁極ピッチに加えるまたは磁極ピッチから減じて、同一極の分けられた磁極歯群の間隔とする。よって、６次のディテント力高調波成分を打ち消せる。

本発明に係るリニアモータは、前記永久磁石、前記ヨーク、前記磁極歯の前記移動方向の寸法をそれぞれＭ，Ｙ，Ｔとした場合に、Ｙ＜Ｍ＜Ｔの条件を満たすことを特徴とする。

本発明に係るリニアモータにあっては、上記のような寸法条件を満たすことにより、過大な起磁力が電機子のコアに印加された場合に磁極歯から印加された磁束はヨークを介して対極の磁極歯へ流れるため、永久磁石の磁化と逆向きの磁界が印加され難くなるため、減磁耐力は大きくなる。

本発明では、電機子の一方の面及び他方の面それぞれにおいて、モノポーラ型のように同時に励磁される極性が常にＮ極，Ｓ極の何れかになるので、隣り合う磁極歯の極性が同じになるため、異極間における磁束の短絡を防止することができる。また、可動子の永久磁石の磁束を有効に利用できるバイポーラ駆動が可能であるため、高い推力起磁力比を実現することができる。また、駆動起磁力の印加時に永久磁石の減磁の影響度は少なく、パーミアンス係数の低下は小さいため、高い耐熱性を発揮することができる。

本発明では、磁極歯の先端側の寸法を基端側の寸法より短くするようにしたので、磁極歯への磁束の流れを確保するとともに、磁気飽和が起こりにくい構造を提供することができる。

本発明では、電機子の磁極歯に対向する部分を磁極歯の磁性材より軽量である非磁性材料にて構成するようにしたので、軽量であっても大きな推力を発生することができる。

本発明では、同一極性の磁極歯群を２群に分けて、これらの磁極歯群の間隔を、主たる高調波成分の半波長分を磁極ピッチに加えるまたは磁極ピッチから減じた間隔とするようにしたので、主たる高調波成分を打ち消せて、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可動子の構成を示す斜視図である。 本発明に係るリニアモータに使用する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に使用する電機子の構成を示す斜視図である。 本発明に係るリニアモータに使用する電機子の構成を示す斜視図である。 本発明に係るリニアモータに使用する電機子の構成を示す斜視図である。 本発明に係るリニアモータの構成を示す部分破断斜視図である。 本発明に係るリニアモータの推力発生の原理を説明するための図である。 可動子のヨークの機能を説明するための図である。 可動子のヨークの機能を説明するための図である。 可動子のヨークの機能を説明するための図である。 比較例における磁束の流れを説明するための図である。 比較例における磁束の流れを説明するための図である。 比較例における磁束の流れを説明するための図である。 本発明例における磁束の流れを説明するための図である。 駆動起磁力と最小パーミアンス係数との関係を示すグラフである。 温度と減磁限界パーミアンス係数との関係の一例を示すグラフである。 主たるディテント力高調波成分の打ち消し手法を説明するための図である。 永久磁石、ヨーク、磁極歯の寸法例を示す図である。 本発明のリニアモータの他の実施の形態の構成を示す斜視図である。 本発明のリニアモータの他の実施の形態の構成を示す斜視図である。 電機子に発生する磁束密度の分布を示す図である。 電機子に発生する磁束密度の分布を示す図である。 駆動時の電機子における磁束の流れを示す図である。 駆動時の電機子における磁束の流れを示す図である。 本発明の単相分のリニアモータの実施例の上面図である。 本発明の単相分のリニアモータの実施例の側面図である。 電機子を構成するコア素材を示す平面図である。 電機子を構成するコア素材を示す平面図である。 電機子を構成するコア素材を示す平面図である。 電機子を構成するコア素材を示す平面図である。 電機子を構成するコア素材を示す平面図である。 電機子を構成するコア素材を示す平面図である。 電機子を構成するコア素材を示す平面図である。 電機子を構成するコア素材を示す平面図である。 電機子を構成するコア素材を示す平面図である。 電機子を構成するコア素材を示す平面図である。 電機子を構成するコア素材を示す平面図である。 電機子を構成するコア素材を示す斜視図である。 電機子を構成するコア素材を示す斜視図である。 電機子を構成するコア素材を示す斜視図である。 電機子を構成するコア素材を示す斜視図である。 電機子を構成するコア素材を示す斜視図である。 電機子を構成するコア素材を示す斜視図である。 電機子を構成するコア素材を示す斜視図である。 電機子を構成するコア素材を示す斜視図である。 電機子を構成するコア素材を示す斜視図である。 電機子を構成するコア素材を示す斜視図である。 電機子を構成するコア素材を示す斜視図である。 電機子の磁極歯の平面形状を示す図である。 本発明のリニアモータの実施例の外観形状を示す図である。 本発明のリニアモータの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。 本発明の単相分のリニアモータの他の実施例の上面図である。 本発明の単相分のリニアモータの他の実施例の側面図である。 本発明の単相分のリニアモータの他の実施例の断面図である。 単相分及び３相合成による各高調波次数でのディテント力の振幅を示すグラフである。 単相分及び３相合成による各高調波次数でのディテント力の振幅を示すグラフである。 単相分及び３相合成による各高調波次数でのディテント力の振幅を示すグラフである。 本発明の単相分のリニアモータの更に他の実施例の上面図である。 本発明の単相分のリニアモータの更に他の実施例の側面図である。 本発明の単相分のリニアモータの更に他の実施例の断面図である。 本発明の更に他の実施例による電機子の構成素材を示す斜視図である。 本発明のリニアモータの更に他の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１Ａ，Ｂは、本発明に係るリニアモータに使用する可動子の構成を示しており、図１Ａはその斜視図、図１Ｂはその断面図である。

可動子１は、２種類の平板状の永久磁石１１ａ，１１ｂと、平板状の軟質磁性体のヨーク１２とを組み合わせた構成であり、永久磁石１１ａ、ヨーク１２、永久磁石１１ｂ、ヨーク１２、…の順に交互に接着させた構成をなしている。

図１Ａ及びＢにおいて、各永久磁石１１ａ，１１ｂに示された白抜矢符は各永久磁石１１ａ，１１ｂの磁化方向を示している。永久磁石１１ａ，１１ｂは何れも、可動子１の移動方向（可動子１の長手方向）、言い換えればそれらの連なり方向に磁化されているが、それらの磁化の向きは互いに１８０度異なる逆向きである。そして、これらの隣り合う永久磁石１１ａと永久磁石１１ｂとの間には、平板状の軟質磁性体のヨーク１２が挿入されている。

図１Ｂにおいて、ヨーク１２に示された白抜矢符は磁束の流れを示しており、各ヨーク１２は、永久磁石１１ａ，１１ｂからの磁束の向きを可動子１の厚さ方向に変更する役目を担っている。そして、この可動子１では、ヨーク１２，１２，…には、Ｎ極，Ｓ極，…が交互に形成される（図１Ｂ参照）。即ち、Ｎ極となるヨーク１２ＮとＳ極となるヨーク１２Ｓとが交互に存在する。また、各ヨーク１２（ヨーク１２Ｎ、ヨーク１２Ｓ）の表面及び裏面は同一極になる。

図２Ａ−Ｃは、本発明に係るリニアモータに使用する電機子の構成を示しており、図２Ａはその一部の斜視図、図２Ｂはその部分破断斜視図、図２Ｃはその全体の破断斜視図である。

電機子２は、全体として中空直方体状をなす軟質磁性体から構成されており、その中空部２１に上記のような構成をなす可動子１が貫通される。電機子２は、中空部２１を除いて周面を構成する枠体としてのコア部２２と、コア部２２から中空部２１の下方に向けて配置された上側の複数の磁極歯２３ａ，２３ａ，２３ａと、コア部２２から中空部２１の上方に向けて配置された下側の複数の磁極歯２３ｂ，２３ｂ，２３ｂとを有している。上側の複数の磁極歯２３ａ，２３ａ，２３ａにて一方の磁極歯群（磁極歯集合体）２４ａが構成され、下側の複数の磁極歯２３ｂ，２３ｂ，２３ｂにて他方の磁極歯群（磁極歯集合体）２４ｂが構成される。

可動子１に対向する一方の面における上側の磁極歯２３ａ，２３ａ，２３ａ及び可動子１に対向する他方の面における下側の磁極歯２３ｂ，２３ｂ，２３ｂはそれぞれ、電機子２の長手方向（可動子１の移動方向）に列状に、可動子１のヨーク１２の配列に対応させてヨーク１２の一つおきに対向して設けられている。つまり、界磁周期に一つずつの磁極歯２３ａ、磁極歯２３ｂが設けられている。また、上側の磁極歯２３ａと下側の磁極歯２３ｂとは、電気角で１８０°の異なる位置（界磁周期の半分だけずれた位置）に設けられている。よって、例えば、上側の磁極歯２３ａが可動子１の一方の永久磁石１１ａに対向している場合、下側の磁極歯２３ｂは可動子１の他方の永久磁石１１ｂに対向するような位置関係となる。

なお、各磁極歯２３ａ，２３ｂは、可動子１に対向する先端部から遠位の基端部に向けて階段状に幅が広くなっている。各磁極歯２３ａ，２３ｂの先端部の幅は、可動子１のヨーク１２からの磁束が確実に流れるように、ヨーク１２の幅より長くすることが好ましい。

コア部２２は、一対の磁極歯群２４ａ，２４ｂの外側を包むように配置されており、各磁極歯２３ａ，２３ｂからの磁束の帰路となる。一方の磁極歯群２４ａ（磁極歯２３ａ，２３ａ，２３ａ）に一括して捲き線としての駆動コイル２５ａを巻回するとともに、他方の磁極歯群２４ｂ（磁極歯２３ｂ，２３ｂ，２３ｂ）に一括して捲き線としての駆動コイル２５ｂを巻回する（図２Ｃ参照）。そして、駆動コイル２５ａと駆動コイル２５ｂとの通電方向が同一になるように、両駆動コイル２５ａ，２５ｂを接続する。図２Ｃにおける黒線矢符は、駆動コイル２５ａ、駆動コイル２５ｂでの通電方向を示している。

一方の磁極歯群２４ａを構成する各磁極歯２３ａ，２３ａ，２３ａは全て同一の極性（例えばＮ極）となり、他方の磁極歯群２４ｂを構成する各磁極歯２３ｂ，２３ｂ，２３ｂは全て同一の極性（例えばＳ極）となる。

そして、上述した図１Ａ，Ｂに示す可動子１を、図２Ａ−Ｃに示す電機子２の中空部２１に貫通させることにより、本発明に係る単相駆動のリニアモータ（単相分のユニット）３が構成される。図３は、本発明に係るリニアモータ３の構成を示す部分破断斜視図である。

このリニアモータ３の場合には、電機子２が固定子として機能する。そして、駆動コイル２５ａ，２５ｂに同一方向に電流を流すことにより、電機子２の中空部２１に貫通された可動子１が電機子２（固定子）に対して往復直線運動を行う。

なお、図１Ａに示す例では、各６個ずつの永久磁石１１ａ，１１ｂと１２個のヨーク１２とを順次配置する構成としているが、これは一例であって、それらの個数は任意の数であって良い。また、図２Ａ−Ｃに示す例では、３組の上側の磁極歯２３ａと下側の磁極歯２３ｂとを設ける構成としているが、これは一例であって、その組数は任意の数であって良い。

また、永久磁石１１ａ，１１ｂ及びヨーク１２を接着させた構成体を枠（図示せず）に収納して可動体１を構成するようにしても良い。但し、隣り合うヨークが異極同士であるので、異極間の磁束の漏れを抑制するために、この枠は非磁性体であることが必要である。また、このような枠にリニアガイドレール（図示せず）を設け、電機子２の中空部２１にこのリニアガイドレールを通すための切欠きを設けるようにしても良い。

なお、単相のリニアモータ（単相分のユニット）について説明したが、例えば３相駆動のリニアモータを構成する場合には、上記の電機子３個を、磁極ピッチ×（ｎ＋１／３）または磁極ピッチ×（ｎ＋２／３）（但し、ｎは整数）だけ間隔をあけて直線状に配置して、それらに可動子を貫通させるようにすれば良い。なお、この場合、駆動コイルが収まるスペースを考慮して整数ｎを設定すれば良い。

以下、以上のような構成をなす本発明のリニアモータ３の作動機構について、図４を参照して説明する。

電機子２の駆動コイル２５ａと駆動コイル２５ｂとに図４に示すような方向に通電した場合（●は紙面の裏から表への通流、×は紙面の表から裏への通流）、上側の磁極歯２３ａ，２３ａ，２３ａにはＮ極が発生し、下側の磁極歯２３ｂ，２３ｂ，２３ｂにはＳ極が発生する。一方、可動子１では、ヨーク１２Ｎは表裏ともにＮ極となり、ヨーク１２Ｓは表裏ともにＳ極となる。

したがって、図４に示すような位置に可動子１が存在する場合、白抜矢符方向に吸引力が発生し、可動子１の長手方向（移動方向）の応力成分が合成されて推力となり、可動子１が移動する。この際、ヨーク１２のＮ極及びＳ極が何れも推力の発生に寄与するため、バイポーラ駆動となる。

以下、可動子１の永久磁石１１ａ，１１ｂ間に挿入された軟質磁性体のヨーク１２における効果（バイポーラ駆動機能）について、図５Ａ−Ｃを参照して説明する。

図５Ａに示すように可動子１が単体で存在する場合には、各ヨーク１２（ヨーク１２Ｎ，ヨーク１２Ｓ）の表面及び裏面が同じ極性の磁極となり、表面と裏面とで均等に磁束が発生する。これに対して、可動子１を電機子２に貫通させた場合、即ち各ヨーク１２（ヨーク１２Ｎ，ヨーク１２Ｓ）が磁極歯２３ａ，２３ｂに対向する場合には、図５Ｂに示すように、各ヨーク１２（ヨーク１２Ｎ，ヨーク１２Ｓ）から発生した磁束は磁極歯２３ａ，２３ｂ側へ集中する。例えば、図５Ｂに示す位置関係では、Ｎ極であるヨーク１２Ｎからの磁束は上側の磁極歯２３ａ側へ集中し、Ｓ極であるヨーク１２Ｓからの磁束は下側の磁極歯２３ｂ側へ集中する。また、電気角が１８０°進んで図５Ｃに示す位置関係になった場合には、Ｎ極であるヨーク１２Ｎからの磁束は下側の磁極歯２３ｂ側へ集中し、Ｓ極であるヨーク１２Ｓからの磁束は上側の磁極歯２３ａ側へ集中する。

したがって、永久磁石１１ａ，１１ｂ間に軟質磁性体のヨーク１２を挿入することにより、固定された永久磁石１１ａ，１１ｂから発生した磁束を上下方向に切り替えることができて、すべての永久磁石１１ａ，１１ｂから発生した磁束を推力発生に寄与させることができ、バイポーラ駆動を実現できる。ヨーク１２は、永久磁石１１ａ，１１ｂからの磁束を上下方向に切り替えるスイッチング機能を果たす。このため、永久磁石１１ａ，１１ｂから発生した磁束をともに推力発生に寄与させることができる。また、このような磁極歯の構成にすることにより、隣り合う磁極歯が同一の極性であるため、一般的な相一括捲き型の電機子に比べて、磁極ピッチを小さくした場合の磁束の隣接異極間の短絡損失を極めて少なくすることができる。

以下、本発明のリニアモータの特徴について更に説明する。
（１）可動子の永久磁石の磁束の利用率の向上：
図６Ａは本発明の比較例として、ヨークを設けない場合の磁束の流れを示す図である。ヨークを設けない場合には、永久磁石４１ａ，４１ｂから上下に均等に磁束が流れるので、使われない磁束（図６Ａの破線で囲んだ磁束）が生じて、高い推力が得られない。また、図６Ｂは本発明の比較例として、厚さ方向に磁化した永久磁石５１ａ，５１ｂを使用した場合の磁束の流れを示す図である。この場合にも、永久磁石５１ａ，５１ｂから上下に均等に磁束が流れるので、使われない磁束（図６Ｂの破線で囲んだ磁束）が生じて、高い推力が得られない。

以上のように、ヨークを設けない可動子、または、厚さ方向に磁化した永久磁石を使用する可動子を、本発明の電機子２の磁極歯２３ａ，２３ｂの構成に適用した場合には、永久磁石から発生した磁束を磁極歯２３ａ，２３ｂの方向に切り替えることができないため、推力に寄与しない磁束が生じて推力密度は低くなる。本発明では、可動子１にヨーク１２を挿入することにより、永久磁石１１ａ，１１ｂからの磁束の利用率を高めることができる。

（２）隣り合う磁極歯間での短絡磁束の発生を防止：
本発明の電機子２の構成では、磁極歯の配置において、同一極性の磁極歯２３ａ，…及び磁極歯２３ｂ，…をそれぞれ片側に集合させ、異極性の磁極歯２３ａと磁極歯２３ｂとを可動子１を挟んで対向配置させている。よって、隣り合う磁極歯が同一極性であるため異極間での短絡磁束の発生を防ぐとともに、可動子１のバイポーラ駆動を可能としている。よって、電機子２の駆動コイル２５ａ，２５ｂに印加した起磁力によって発生させた磁束を有効に可動子１に印加することができ、最大推力を高めることができる。

（３）駆動時における永久磁石のパーミアンス係数の低下を抑制：
図７Ａは本発明の比較例として、例えば特許文献１に開示された厚さ方向に磁化した永久磁石６１ａ，６１ｂを使用する場合の磁束の流れを示す図である。磁極歯６２から印加される駆動磁束（図中の点線矢符）が可動子６１の厚さ方向であって、永久磁石６１ａ，６１ｂの磁化方向（図中の白抜矢符）も可動子６１の厚さ方向であるため、つまり、磁極歯６２からの駆動磁束（図中点線の矢符）と永久磁石６１ａ，６１ｂの磁化方向（図中の白抜矢符）とが全く逆方向になるため、減磁領域（図７Ａの破線で囲んだ領域）が発生して、パーミアンス係数の低下を引き起こす。

本発明では、図７Ｂに示すように、駆動時に最も大きな起磁力が印加される電気角９０°の位置において磁極歯２３ａから可動子１の永久磁石１１ａ，１１ｂに印加される駆動磁束（図中の点線矢符）が可動子１の移動方向（長手方向）に直角であるのに対して、永久磁石１１ａ，１１ｂの磁化方向（図中の白抜矢符）は可動子１の移動方向に平行であるため、永久磁石１１ａ，１１ｂが減磁する方向の磁束が印加されにくい。また、重負荷時には磁極歯２３ａからの駆動磁束（図中の点線矢符）はヨーク１２を通って磁極歯２３ｂに入る経路をとるので、永久磁石１１ａ，１１ｂの磁化方向と逆向きの磁束が印加されにくい。よって、減磁耐性に優れていてパーミアンス係数の低下を抑制でき、その結果、動作温度領域を広くすることができる。

図８は、図７Ａに示した比較例と図７Ｂに示した本発明例とにおける駆動起磁力（＝駆動電流×駆動コイルの捲き数）と最小パーミアンス係数との関係を示すグラフである。比較例と本発明例とは、磁石厚さ：５ｍｍ、電機子ギャップ：６．６ｍｍ、界磁周期：１８ｍｍの同一体格のモデルである。図８において、実線Ａは比較例の特性、実線Ｂは本発明例の特性を表している。図８の結果から、比較的大きな駆動起磁力を印加した場合に、本発明例の方が比較例と比べてパーミアンス係数の低下が少なくなっている。

図９は、希土類磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石）を可動子に用いた場合の温度と減磁限界パーミアンス係数（磁石の減磁が始まるパーミアンス係数）との関係の一例を示すグラフである。この図９の特性に則して、駆動起磁力を２４００Ａとした場合の比較例と本発明例とで耐熱温度を求めると以下のようになる。比較例では、駆動起磁力が２４００Ａである場合に図８の特性から最小パーミアンス係数が０．５であるため、その耐熱温度は図９の特性から５５℃となる（図中Ａ参照）。一方、本発明例では、駆動起磁力が２４００Ａである場合に図８の特性から最小パーミアンス係数が１であるため、その耐熱温度は図９の特性から７５℃となる（図中Ｂ参照）。このように、本発明では耐熱温度の向上を図ることができる。

（４）可動子の組立性の向上：
従来、厚さ方向に磁化した永久磁石を可動子の長手方向（移動方向）に配列する構造（図７Ａ）では、隣リ合う永久磁石の露出面が互いに異極となって吸引力が働くため、可動子の組立て時に永久磁石が枠から飛び出し、隣り合う永久磁石に吸着しようとする。そのため、永久磁石の装入後で接着が完了するまで、永久磁石を固定しておく必要があった。しかし、本発明では、永久磁石がヨークに吸引される構造となるため、組み立てた形状のままで安定しており、押さえを必要としない。したがって、可動子の組立性が良好となる。

なお、可動子の幅方向の両縁部に長手方向に延在する長尺の非磁性体のヨークを更に設けて、軟質磁性体のヨークとこの非磁性体のヨークとで可動子ヨークを構成するようにしても良い。軟質磁性体のヨークと非磁性体のヨークとは、ねじ、接着剤、かしめなどにて固定できる。このような可動子では、軟質磁性体のヨークと非磁性体のヨークとで可動子ヨ−クを構成するとともに、永久磁石を軟質磁性体のヨークに吸着固定することにより、組立作業性が大幅に向上するだけでなく、外部応力が永久磁石へ直接的にかからない構成とすることができる。よって、組立作業性と構造信頼性との両立を図ることができる。永久磁石とコアとを接着層により固定する手法では、接着層を安定的に確保することが困難であり、接着力のばらつきが生じ易いが、本発明の可動子ではそのような不都合は生じない。

（５）ディテント力の低減：
可動子に永久磁石と軟質磁性体のヨークとが共存する場合、移動方向（界磁周期方向）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（ディテント力の周期が界磁周期に同じ）及び２次、４次の高調波は打ち消されるが、３次、６次、９次などの３の倍数の高調波は強め合うこととなる。

図１０は、主たるディテント力高調波成分の打ち消し手法を説明するための図である。上記のような構成の可動子にあっては、３次よりも６次の高調波成分が多くなる傾向にあるため、同一の極性をなす磁極歯群を２群に分け、これらの配列をτ／６（τ：磁極ピッチ、τ＝λ／２）だけ他の磁極歯の間隔より広くする（Ｔ１＝τ、Ｔ２＝τ＋τ／６）。これにより、２群の磁極歯群に発生するディテント力の位相が６次の高調波成分において１８０°異なるので、６次の高調波成分は打ち消されて出力されなくなる。なお、τ／６だけ他の磁極歯の間隔より広くするようにしたが、τ／６だけ他の磁極歯の間隔より狭くするようにしても同様の効果を奏する。

次に、１２次以上の高調波成分については、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の長辺を配置）することにより低減可能である。この場合のスキュー角度は０〜４°である。

上述したような磁極歯群の変位量と永久磁石のスキュー角度とはそれぞれ独立で変更できるため、主たる高調波成分に対してディテント力を有効に低減することが可能である。

（６）減磁耐力の向上：
図１１は、永久磁石、ヨーク、磁極歯の寸法例を示す図である。図１１に示すように、可動子の移動方向における永久磁石、ヨーク、磁極歯の寸法をそれぞれＭ，Ｙ，Ｔとした場合に、Ｙ＜Ｍ＜Ｔの関係を満たすように構成する。このような構成では、特に印加される起磁力が最大となる電気角が９０°付近において、磁極歯から印加された磁束はヨークを介して対極の磁極歯へ流れるため、永久磁石への影響が少なくなり減磁耐力が向上する。

以下、本発明のリニアモータの他の実施の形態について説明する。本発明のリニアモータは、前述したように、垂直移動機構における高速な移動かつ高精度な位置決めを実現することができる。垂直移動機構では、Ｘ−Ｙ（水平方向）テーブルの可動部にリニアモータを設置することが一般的であり、このような場合には、リニアモータ自身の重力がＸ−Ｙ軸駆動側の負荷となるため、リニアモータは軽量化が要求されている。

以下の実施の形態は、この要求を満たすものである。この実施の形態では、リニアモータの電機子に着目して、駆動時に磁束密度が高くならない部分を、軟質磁性体から軽量な非磁性材料に置き換えることにより、発生する推力をあまり低下させずに、軽量化を図っている。

図１２Ａ，Ｂは、この本発明のリニアモータの他の実施の形態の構成を示しており、図１２Ａはリニアモータの全体の斜視図、図１２Ｂは電機子の一部の構成を示す斜視図である。

この単相駆動のリニアモータ（単相分のユニット）３ａは、前述したリニアモータ３と同様に（図３参照）、可動子１を電機子２ａの中空部に貫通させて構成される。リニアモータ３ａの可動子１の構成は、前述したリニアモータ３における可動子１の構成と全く同じであるため、説明を省略する。

前述したリニアモータ３とこのリニアモータ３ａとでは、電機子の構成に差異がある。前述したリニアモータ３の電機子２は全体が軟質磁性体から構成されているが、リニアモータ３ａの電機子２ａではその一部が、軟質磁性体より軽量である非磁性材料にて構成されている。具体的には、リニアモータ３における電機子２のコア部２２において、磁極歯２３ａ，２３ｂに対向する部分（ハッチングを付した部分）を、例えばマグネシウム合金などの軽量な非磁性材料に置き換えている。よって、電機子２ａでは、コア部２２は磁極歯２３ａ，２３ｂ側のみとなり、磁極歯２３ａ，２３ｂに対向する部分は軽量な支持部材２２ａとなる（図１２Ｂ参照）。

なお、一部に軽量な非磁性材料を使用している点を除けば、上側の磁極歯２３ａと下側の磁極歯２３ｂとは電気角で１８０°の異なる位置に設けられて、上側の磁極歯２３ａが可動子１の一方の永久磁石１１ａに対向している場合、下側の磁極歯２３ｂは可動子１の他方の永久磁石１１ｂに対向するような位置関係となっていること、複数の磁極歯２３ａに駆動コイル２５ａ、複数の磁極歯２３ｂに駆動コイル２５ｂをそれぞれ一括して巻回し、駆動コイル２５ａと駆動コイル２５ｂとに同一方向の電流を流すことなど、リニアモータ３ａの電機子２ａの他の構成はリニアモータ３の電機子２と同様である。

上側の複数の磁極歯２３ａにて構成される一方の磁極歯群（磁極歯集合体）と、下側の複数の磁極歯２３ｂにて構成される他方の磁極歯群（磁極歯集合体）とでは、可動子１の移動方向に対して１／２界磁周期分だけ位置が変位しているため、各磁極歯２３ａ，２３ｂに対向する位置のコア部分では駆動時に発生する磁束密度が小さい。よって、この部分に磁性材が存在しなくて非磁性材を設けていても、駆動時に磁束の流れの妨げにはなりにくい。そこで、この部分を軽量な非磁性の支持部材２２ａに置き換えている。

電機子２ａは、一対の磁極歯群（磁極歯集合体）の磁極歯２３ａ，２３ｂの厚さに相当する部分のみ外側を包むように配置された磁性体のコア部２２によって磁束の帰路を形成する構成である。この磁束の帰路部分は一対の磁極歯群間で電気角で１８０°だけ異なっているため、それぞれの磁極歯群間では位置が重ならない。そこで、可動子１の側面に位置するこの磁束の帰路部分に重なり合う部分を設けて、磁束が可動子１の移動方向に流れる部分を確保することにより、電機子２ａ内で閉磁路を形成している。そして、磁性体が存在しない部分に、推力によって発生する反力を支えるために、支持部材２２ａを充填させている。

図１３Ａ，Ｂは、駆動コイル２５ａ，２５ｂに電流を流した場合（駆動起磁力１２００Ａ、電気角９０°で最大電流が流れている場合）の電機子に発生する磁束密度の分布を示す図、また、図１４Ａ，Ｂは、駆動時の電機子における磁束の流れを示す図である。図１３Ａ及び図１４Ａは、すべてが磁性体で構成された電機子での磁束密度の分布及び磁束の流れを示し、図１３Ｂ及び図１４Ｂは、磁極歯に対向する部分を非磁性体に置き換えた電機子での磁束密度の分布及び磁束の流れを示している。

すべてが磁性体で構成された電機子では、図１４Ａの点線矢印で示すように磁束が流れるので、磁極歯直下の部分では磁束密度が高いが、同一極の磁極歯間（点線で囲まれた領域）では磁束密度が小さくなっており、その磁極歯に対向する部分は磁束の通り道としてほとんど寄与していない。そこで、本実施の形態では、この磁束密度が低い部分（磁極歯に対向する部分）の磁性体を削除して軽量な非磁性体に置き換えている。

本実施の形態では、図１４Ｂの点線矢印で示すように磁束が流れるので、磁極歯に対向する部分を非磁性体としても、磁束の流れが妨げられることはない。そして、図１３Ｂに示される磁極歯に発生した磁束密度分布は、図１３Ａに示される磁極歯に発生した磁束密度分布とほぼ同様の分布を呈する。また、非磁性体に隣接するコア部分（点線で囲まれた領域）でも、磁束密度の増加は僅かである。よって、一部を軽量の非磁性体に置き換えた場合でも、全てが磁性体からなる場合と比べて、同程度の推力を得ることができる。

本実施の形態において軽量な非磁性体（支持部材２２ａ) への置き換え可能な体積比率は３０〜５０％程度であり、使用する非磁性体の材料にも依存するが、電機子の重量は２０〜４０％程度の軽量化が可能である。

なお、本実施の形態のリニアモータ３ａにおける作動機構は、前述したリニアモータ３における作動機構と同様である。また、前述した（１）〜（６）で述べたようなリニアモータ３の特徴をリニアモータ３ａも有していることは勿論である。

上述した実施の形態では、一部（磁束密度が低い部分）を軽量な非磁性体に置き換える構成にして、推力の低減を生じることなく、より軽いリニアモータを実現している。このようなリニアモータの軽量化を図れる他の実施の形態について説明する。この実施の形態では、電機子の磁気飽和が起こりにくい部分に長手方向（可動子の移動方向）に貫通する１または複数の貫通孔を設けている。電機子全体を磁性体にて構成する場合に比べて、磁性体がない貫通孔の分だけ、電機子の質量を軽くすることができる。このような貫通孔を設けた構成であっても、推力の低下はほとんど見られない。

（実施例）
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。

図１５Ａ，Ｂは本発明の実施例による単相分のリニアモータ３の上面図，側面図である。永久磁石１１ａ、ヨーク１２、永久磁石１１ｂ、ヨーク１２、…の順に交互に配列させた可動子１を、複数の磁極歯２３ａ、磁極歯２３ｂをそれぞれ列状に有し、複数の磁極歯２３ａからなる磁極歯群、複数の磁極歯２３ｂからなる磁極歯群にそれぞれ駆動コイル２５ａ、駆動コイル２５ｂを一括して巻回してなる電機子２の中空部２１に貫通させて、リニアモータ３は構成される。

まず、リニアモータ３に用いる平板状の可動子１として、図１Ａ，Ｂに示すような形状の永久磁石１１ａ，１１ｂを含んだ可動子１を作製した。使用する永久磁石１１ａ，１１ｂは、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石であって、長さ３８ｍｍ，幅３ｍｍ，厚さ５ｍｍの平板形状に切り出した。また、軟質磁性体のヨーク１２として、軟鉄で長さ３８ｍｍ，幅６ｍｍ，厚さ５ｍｍの平板形状にワイアーカットで切り出したものを作製した。

そして、これらの永久磁石５４個とヨーク５５個とを準備し、永久磁石１１ａ、ヨーク１２、永久磁石１１ｂ、ヨーク１２、…の順に交互にエポキシ系接着剤にて接着して、長さ４９２ｍｍ，幅３８ｍｍ，厚さ５ｍｍの板状体を作製し、この作製した板状体をアルミニウム製の枠に挿入して可動子１とした。永久磁石１１ａ、永久磁石１１ｂの磁化方向は可動子１の移動方向（長手方向）に向いているが、その方向は互いに逆方向である（図１Ａ，Ｂの白抜矢符参照）。

次に、図１６Ａ〜Ｆ及び図１７Ｇ〜Ｋ（図１８Ａ〜Ｋ）に示す珪素鋼板からなるコア素材Ａ〜Ｋを所定の順序で積層させて、電機子２を作製した。各コア素材Ａ〜Ｋは、何れも長辺９０ｍｍ、短辺６２ｍｍであるが、厚さはコア素材Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｇ，Ｈ，Ｊ，Ｋが２ｍｍ、コア素材Ａ，Ｂが３ｍｍ、コア素材Ｆ，Ｉが５ｍｍである。また、各コア素材Ａ〜Ｋは中空形状が異なっている。

これらのコア素材Ａ〜Ｋは何れも、厚さ０．５ｍｍの珪素鋼板から所定形状に切り出したものをエポキシ系接着剤にて接着して構成されており、厚さ２ｍｍのコア素材は厚さ０．５ｍｍの珪素鋼板を４枚重ねて一体化され、同様に厚さ３ｍｍ、５ｍｍのコア素材はそれぞれ６枚、１０枚重ねて一体化されて構成される。

各コア素材Ａ〜Ｋの積層順序及び積層枚数は、下記の通りである。
Ｈ＋Ｇ＋Ｆ＋｛Ｅ＋Ｄ＋Ｃ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ＋Ａ｝×３＋Ｅ＋Ｄ＋Ｃ＋Ｉ＋Ｊ＋Ｋ
この積層順序にて、コア素材Ａ〜Ｋを重ね合わせて、外形が高さ６２ｍｍ、幅９０ｍｍ、長さ７８ｍｍの単相分のユニットを構成した (図１５Ａ，Ｂ参照）。この構成により、一方面の磁極歯と他方面の磁極歯とが電気角で１８０°異なる配置となる。磁極歯間（ギャップ）は６．６ｍｍとなる。

このユニットにおける隣り合う磁極歯２３ａ，２３ａ（２３ｂ，２３ｂ）の平面形状を図１９に示す。各磁極歯２３ａ（２３ｂ）では、可動子１に対向する先端部から遠位の基端部に向けて３段階に順次幅が広くなっている。可動子１のヨーク１２からの磁束を考慮して最先端部の幅はヨーク１２の幅（６ｍｍ）よりも少し長い７ｍｍであり、磁気飽和の発生を防止すべく最基端部の幅は磁極ピッチ（１８ｍｍ）に近い１５ｍｍである。なお、階段状に幅を変化させる構成としたが、これとは異なり、可動子１に対向する先端側から基端側に向けて連続的に幅が広くなるようにテーパ状に構成しても良い。

この単相分のユニットに対して、ユニットの上側の磁極歯群２４ａを一括して包括するように駆動コイル２５ａを巻回するとともに、ユニットの下側の磁極歯群２４ｂを一括して包括するように駆動コイル２５ｂを巻回した。この際、２分割して挿入できるようにした捲き枠（ボビン：図示せず）をユニット内に挿入して磁極歯群に接着させた後、直径１ｍｍのエナメル被覆銅線をそれぞれ１００回ずつ捲いて駆動コイル２５ａ、駆動コイル２５ｂとした。

以上のように、複数枚の珪素鋼板を積層して単相分の電機子のユニットを作製する場合に、各珪素鋼板の厚さのばらつきの影響により、単相分のユニットの積層方向（可動子の移動方向）の長さが所望の長さにならない可能性がある。各ユニットが所望の長さでない場合には、コギングが悪化する。このような事態を避けるために、必要に応じて、磁極歯が設けられずにコア部のみからなる厚さ０．０５〜０．１ｍｍ程度の珪素鋼板をスペーサとして、電機子の長手方向（可動子の移動方向）の一端または両端に挟んで、電機子の長さを補正することが望ましい。

このようにして作製した電機子２を３個準備し、隣り合う電機子２間の相対的な電気角が１２０°分進むように（具体的には２７ｍｍ）その３個の電機子２を直線状に配置した。隣り合う電機子２の間隔を２７ｍｍとしたので、この３相分の全長は２８８ｍｍ（＝７８ｍｍ×３＋２７ｍｍ×２）となった。そして、３個の電機子２の中央の中空部に可動子１を挿入し（図２０参照）、可動子１が電機子２に接触することなく長手方向に移動できるように、テストベンチに固定した。

各電機子の上側のコア部及び下側のコア部に長手方向（可動子の移動方向）に貫通する複数の貫通孔を設けておき、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ユニット（電機子）を長尺のシャフトにて一括固定する。この際、所望の剛性力と真直度とを確保するためには、このシャフトの直径を５ｍｍ以上とすることが好ましい。

各相のユニット毎に駆動コイルを直列に接続し、その一対の駆動コイルの捲き線方向が同じになるように結線した。そして、これらのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各ユニットの捲き線をスター結線にして、モータコントローラに接続した。また、可動子１側にはフォースゲージを接続し、駆動起磁力に対する推力を測定できるようにした。

このように接続した後、駆動コイルに印加する駆動電流を変えて可動子１の推力を測定した。この際、フォースゲージを可動子１に押し付ける方法で推力を測定した。その推力の測定結果と推力起磁力比の算出結果とを図２１に示す。また、例えば特許文献１に開示された図７Ａに示すような構成をなす比較例として、本発明の実施例と同一体格のリニアモータを作製し、本発明の実施例と同一の条件にて推力を測定した。その推力の測定結果及び推力起磁力比の算出結果も図２１に示す。

図２１の横軸は、電機子単相当たりの駆動起磁力（＝駆動電流×駆動コイルの捲き数）［Ａ］であり、縦軸は、推力［Ｎ］及び推力起磁力比［Ｎ／Ａ］である。また、図中Ａは本発明例の推力、図中Ｂは比較例の推力、図中Ｃは本発明例の推力起磁力比、図中Ｄは比較例の推力起磁力比の特性をそれぞれ表している。

図２１に示すように、同一の駆動起磁力に対して、推力の比例領域において本発明例では比較例と比べて６５％程度も高い推力を実現できている。また、本発明例では耐熱温度も向上できている。したがって、本発明では、高速な移動かつ高精度の位置決めが要求される産業上の移動機構に適したリニアモータを提供することができる。

次に、ディテント力の低減を図った他の実施例について説明する。図２２Ａ，Ｂは本発明の他の実施例による単相分のリニアモータ３の上面図，側面図であり、図２３は他の実施例による単相分のリニアモータ３の断面図である。

使用する永久磁石１１ａ，１１ｂは、長さ３８ｍｍ，幅４ｍｍ，厚さ５ｍｍであり、軟質磁性体のヨーク１２は、長さ３８ｍｍ，幅３．５ｍｍ，厚さ５ｍｍとした。また、磁極ピッチτは７．５ｍｍ（界磁周期が１５ｍｍ）、磁極歯２３ａ，２３ｂの幅は６ｍｍ、不等ピッチシフト量はτ／６＝１．２５ｍｍとした。また、永久磁石１１ａ，１１ｂのスキュー角度を２°とした。

磁極歯の間隔を均一とし永久磁石のスキュー配置を行わない構成のリニアモータ（構成例１）と、磁極歯の間隔は調整するが永久磁石のスキュー配置を行わない構成のリニアモータ（構成例２）と磁極歯の間隔を調整するとともに永久磁石のスキュー配置を行った構成のリニアモータ（構成例３）とについて、単相分及び３相合成による各高調波次数におけるディテント力の振幅を求めた。その結果を図２４Ａ，Ｂ，Ｃに示す。

図２４Ａに示された構成例１では、第６次高調波成分のディテント力が非常に大きくなっている。図２４Ｂに示された構成例２では、第６次高調波成分のディテント力は低減されているが、第１２次高調波成分のディテント力は大きい。これらに対して、図２４Ｃに示された構成例３では、第６次高調波成分及び第１２次高調波成分のディテント力が何れも低減されている。

次に、電機子のコア部の一部（磁極歯に対向する部分）を軽量な非磁性体 (支持部材）に置き換えて軽量化を図った更に他の実施例について説明する。図２５Ａ，Ｂは本発明の更に他の実施例による単相分のリニアモータ３ａの上面図，側面図であり、図２６は更に他の実施例による単相分のリニアモータ３ａの断面図である。また、図２７は更に他の実施例による電機子２ａの構成素材を示す斜視図である。

電機子２ａの全体サイズは、図２２Ａ，Ｂに示す実施例と同じであるが、磁極歯に対向する部分（可動子１の移動方向に６ｍｍ分の長さ：ハッチングを付した部分）は、磁性体ではなくマグネシウム合金からなる支持部材２２ａにて構成されている。なお、可動子１に使用する永久磁石１１ａ，１１ｂ及びヨーク１２のサイズは、図２２Ａに示す実施例と同じであり、隣り合う磁極歯２３ａ，２３ａ、２３ｂ，２３ｂのピッチも、図２３に示す実施例と同じである。

リニアモータ３ａに用いる平板状の可動子１（長さ：４１０ｍｍ、幅：３８ｍｍ、厚さ：５ｍｍ）を作製した。なお、使用する永久磁石１１ａ，１１ｂ及びヨーク１２の材料、及びその作製工程は、前述した図１５Ａ，Ｂに示す実施例の場合と同様であるので、それらの説明は省略する。

磁極歯を構成する厚さ０．５ｍｍの珪素鋼板（材質５０Ａ８００、比重７．８ｇ／ｃｍ3 ）からワイアーカットにて所定形状に切り出した１２枚をエポキシ系接着剤にて接着して構成したコア部材３１と、マグネシウム合金（材質ＬＡ１４１、Ｍｇ−１４質量％Ｌｉ−１質量％Ａｌ、比重１．３６ｇ／ｃｍ3 ）から厚さ６ｍｍで所定形状に切り出した軽量部材（支持部材）３２とを接合させて第１電機子素材３３を作製した。また、厚さ０．５ｍｍの珪素鋼板からワイアーカットにて所定形状に切り出した複数枚をエポキシ系接着剤にて接着して、磁極歯の側面部分となる第２電機子素材３４を作製した。

そして、図２７に示すように、第１電機子素材３３、第２電機子素材３４を交互に配置して、それらを接合させて，外形が高さ６２ｍｍ、幅９０ｍｍ、長さ５９．７５ｍｍの単相分のユニットを作製した。２分割して挿入できるようにした捲き枠（ボビン：図示せず）をユニット内に挿入して磁極歯群に接着させた後、直径１ｍｍのエナメル被覆銅線をそれぞれ１００回ずつ捲いて駆動コイルとした。

作製した電機子２ａに使用した珪素鋼板の質量、マグネシウム合金の質量は、それぞれ単相あたり１１１１．２ｇ、９５．５７ｇであり、単相の電機子２ａ全体の質量は１２０６．７７ｇであった。

このようにして作製した電機子２ａを３個準備し、隣り合う電機子２ａ間の相対的な電気角が１２０°分進むように（具体的には２７．７５ｍｍ）その３個の電機子２ａを直線状に配置した。この３相分の全長は２３４．７５ｍｍ（＝５９．７５ｍｍ×３＋２７．７５ｍｍ×２）となった。そして、３個の電機子２ａの中央の中空部に可動子１を挿入し（図２６参照）、可動子１が電機子２ａに接触することなく長手方向に移動できるように、テストベンチに固定した。

各相のユニット毎に駆動コイルを直列に接続し、その一対の駆動コイルの捲き線方向が同じになるように結線した。そして、これらの各ユニットの捲き線をスター結線にして、モータコントローラに接続した。また、可動子１側にはフォースゲージを接続し、駆動起磁力に対する推力を測定できるようにした。

このように接続した後、駆動コイルに印加する駆動電流を変えてリニアモータ３ａの可動子１の推力を測定した。この際、フォースゲージを可動子１に押し付ける方法で推力を測定した。その推力の測定結果と推力起磁力比の算出結果とを図２８に示す。また、電機子全体を磁性体（珪素鋼板）にて構成した以外は、この実施例のリニアモータ３ａと同一体格のリニアモータを比較例として作製し、リニアモータ３ａと同一条件にて推力を測定した。その推力の測定結果及び推力起磁力比の算出結果も図２８に示す。なお、この比較例のリニアモータにおける電機子の質量は単相当たり１６５９．３２ｇであった。

図２８の横軸は、電機子単相当たりの駆動起磁力（＝駆動電流×駆動コイルの捲き数）［Ａ］であり、縦軸は、推力［Ｎ］及び推力起磁力比［Ｎ／Ａ］である。また、図中Ｅは本実施例の推力、図中Ｆは比較例の推力、図中Ｇは本実施例の推力起磁力比、図中Ｈは比較例の推力起磁力比の特性をそれぞれ表している。

図２８に示すように、本実施例では、駆動起磁力が１６００Ａになるまでは、比較例と同等の推力特性が得られている。また、本実施例では、比較例と比べて最大推力が１５％程度小さいが、比較例と比較して２７％の軽量化を図れているので、推力質量比は本実施例が比較例を上回っている。よって、本実施例のリニアモータ３ａは垂直移動機構に最適な構造である。

電機子全体を磁性体で構成したリニアモータ３は、重量は大きいが優れた推力特性を得ることができる。一方、磁極歯に対向する部分を軽量な非磁性体で構成したリニアモータ３ａは、推力特性が少し劣るものの重量を小さくすることができる。したがって、使用する環境、用途等に応じて、これらの本発明のリニアモータ３、リニアモータ３ａを使い分けるようにすれば良い。

なお、磁極歯に対向する部分を構成する軽量な非磁性材料としてマグネシウム合金を使用する場合について説明したが、他の材料を用いても良い。この材料に要求される条件は、軽量であること、推力によって発生する反力を支えるための支持部材２２ａとして機能できることである。これらの条件を満足する材料として、アルミニウム合金、リチウム合金、強化プラスチック、炭素繊維、ガラスエポキシ樹脂などの利用が可能である。

軽量な非磁性体に置き換える部分としては、図２７などに示したものは一例である。全体を磁性体で構成した電機子について、図１３Ａに示されるような磁束密度の分布を取得し、その取得した磁束密度の分布に基づいて、発生した磁束密度が小さい部分を軽量な非磁性体に置き換えるようにしても良い。例えば、最大駆動時にコア材の飽和磁束密度の１／３程度以下しか磁束密度が発生しないような部分を軽量な非磁性体に置き換えるようにすることできる。

なお、上述した作製例とは異なり、電機子を上下に分割させて作製することも可能である。この場合には、所定の複数枚の珪素鋼板を積層接着させて上側の磁極歯を含めた電機子の上側部分を作製し、また、所定の複数枚の珪素鋼板を積層接着させて下側の磁極歯を含めた電機子の下側部分を作製し、これらの上側部分及び下側部分を一体結合させて、電機子を構成する。この場合に、電機子のコア部の分割部を磁気飽和が起こりにくい箇所とすることにより、推力の低下を回避できる。また、この作製手法では、上側部分及び下側部分を一体結合させる前に、捲き枠（ボビン）にコイルを捲いたものを上側部分の磁極歯群と下側部分の磁極歯群とにそれぞれ接着させることとができる。よって、８０％以上に占積率を高めることが容易である。また、組み立て作業性も向上することができる。

１ 可動子
２，２ａ 電機子
３，３ａ リニアモータ
１１ａ，１１ｂ 永久磁石
１２（１２Ｎ，１２Ｓ） ヨーク
２１ 中空部
２２ コア部
２２ａ 支持部材（非磁性体）
２３ａ，２３ｂ 磁極歯
２４ａ，２４ｂ 磁極歯群
２５ａ，２５ｂ 駆動コイル

Claims (6)

1. 平板状の可動子を中空状の電機子に貫通させてなるリニアモータにおいて、
   移動方向に磁化した平板状の永久磁石と、該永久磁石と磁化方向が逆の方向である平板状の永久磁石とが交互に配され、隣り合う永久磁石の間に平板状の軟質磁性体のヨークが挿入されている可動子と、
   前記可動子に対向する一方の面及び他方の面それぞれに、軟質磁性体の磁極歯が、一方の面の磁極歯と他方の面の磁極歯とは電気角で１８０°異なるように前記ヨークの一つおきに対向して設けられており、一方の面における磁極歯からなる磁極歯群及び他方の面における磁極歯からなる磁極歯群の外側を包むように磁束の帰路となる軟質磁性体のコアを有しており、前記磁極歯群それぞれに一括して、駆動起磁力を印加する駆動コイルが巻回されている電機子と
   を備えることを特徴とするリニアモータ。
2. 前記磁極歯は、前記可動子の近傍側である先端部の前記移動方向の寸法が前記可動子の遠位側である基端部の前記移動方向の寸法より小さいことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
3. 前記電機子の磁極歯に対向する部分の軟質磁性体のコアを、前記軟質磁性体より軽量である非磁性の材料にて置き換えてあることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
4. 前記磁極歯群それぞれを２群に分け、２群の間隔を、他の磁極歯の間隔に主たるディテント力高調波成分の１／２波長を加算または減算した間隔とすることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のリニアモータ。
5. 前記主たるディテント力高調波成分は６次であり、界磁周期の１／１２を加算または減算するように構成したことを特徴とする請求項４記載のリニアモータ。
6. 前記永久磁石、前記ヨーク、前記磁極歯の前記移動方向の寸法をそれぞれＭ，Ｙ，Ｔとした場合に、Ｙ＜Ｍ＜Ｔの条件を満たすことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のリニアモータ。

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