JP2017118803A - リニアモータ及び電機子 - Google Patents

Abstract

【課題】ディテント力及び推力リプルを低減できて、３相駆動と同程度の滑らかな可動子の移動を実現できる２相駆動のリニアモータ、及びそれに使用される電機子を提供する。【解決手段】電機子４にあって、ディテント力の４次の高調波成分の低減を図るべく、前半のブロックと後半のブロックとの間で、λ／８（λ：界磁周期）のピッチシフトを付与する。また、前半のブロックと後半のブロックとで駆動起磁力の位相を機械角に合わせるために、第１駆動コイル９ａとは別に、前半のブロック及び後半のブロックそれぞれに位相補償コイル１１ａ，１１ｂを挿入して、推力リプルの低減を図る。【選択図】図１８

Description

本発明は、複数の板状の永久磁石を有する可動子と、複数の磁極歯を有する電機子（固定子）とを組み合わせてなるリニアモータ、及び、該リニアモータに使用する電機子に関し、特に、ディテント力と推力リプルとの低減を図った２相駆動のリニアモータ及び電機子に関する。

工作機械の加工機ヘッドに搭載する工具の駆動用アクチュエータ、電子回路基板などの孔あけ機に用いるドリルの垂直移動装置、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、高速な移動且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直線運動（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んでいる。複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、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（特許文献１及び２）。

特開２００５−２８７１８５号公報 特開２００１−１１９９１９号公報

垂直移動機構にリニアモータを適用する場合、リニアモータの全高が高いとその重心位置も高くなり、曲げモーメントによる可動子の撓みが大きくなって、移動精度の悪化の原因となる。そこで、リニアモータの長さを短くして、この可動子の撓みを小さくする要望が高まっている。

上記の特許文献１及び２に開示されたリニアモータは、３相駆動であるため、３個の電機子を直線状に配置して、それらに可動子を貫通させるようにした構成となっている。よって、リニアモータの全長が長くなり、上記の要望を実現できないという難点がある。

そこで、各相の電機子を直列配置する必要がなくて全長を短くでき、垂直移動機構に適用した場合に全高を低くして、可動子の撓みを小さくできる２相駆動のリニアモータの開発が進められている（国際公開第２０１０／０８４９４０号、国際公開第２０１５／１４６８７４号など）。

しかしながら、２相駆動のリニアモータでは、ディテント力及び推力リプルが大きくなり、３相駆動と同程度の滑らかな可動子の移動を行うことが容易でないという課題があり、改善の余地がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ディテント力及び推力リプルを低減できて、３相駆動と同程度の滑らかな可動子の移動を実現できる２相駆動のリニアモータ、及びそれに使用される電機子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、四角筒状の軟質磁性体製のバックヨークの外側面それぞれに複数の平板状の永久磁石として、前記バックヨークの内側から外側に向かって磁化した第１平板状の永久磁石と、前記バックヨークの外側から内側に向かって磁化した第２平板状の永久磁石とが間隙をあけて交互に前記バックヨークの軸方向に配されている可動子を、四角形状の開口部、該開口部の外側に配したヨーク部、及び該ヨーク部から前記開口部に向かう２方向に延設させたコア部を有する軟質磁性体製の第１単極ユニットと、四角形状の開口部、該開口部の外側に配したヨーク部、及び前記第１単極ユニットのコア部を９０度回転させた位置に設けられ、該ヨーク部から前記開口部に向かう２方向に延設させたコア部を有する軟質磁性体製の第２単極ユニットとを交互に重ねており、重なり合う前記第１単極ユニットと前記第２単極ユニットとの間に前記第１単極ユニット及び第２単極ユニットのコア部同士が接触しないように軟質磁性体製のスペーサを挟んであるコアユニットを備えており、前記第１単極ユニットの一方側のコア部に一括して第１駆動コイルが捲かれており、前記第１単極ユニットの他方側のコア部に一括して第２駆動コイルが捲かれている電機子の前記第１単極ユニットの開口部及び前記第２単極ユニットの開口部に貫通させてあり、前記第１駆動コイルと前記第２駆動コイルとに電気角で９０度位相が異なる電流を通電すべくなしてあるリニアモータであって、前記第１駆動コイルに対向するバックヨークの２つの外側面における前記第１平板状及び第２平板状の永久磁石の配列と、前記第２駆動コイルに対向するバックヨークの２つの外側面における前記第１平板状及び第２平板状の永久磁石の配列とは、１つの前記第１平板状の永久磁石、１つの前記第２平板状の永久磁石、及び２つの前記間隙の合計の長さである界磁周期の１／４だけ前記バックヨークの軸方向にずれており、前記第１駆動コイルに対向するバックヨークの２つの外側面間で前記第１平板状及び第２平板状の永久磁石の配列が前記界磁周期の１／１６だけ前記バックヨークの軸方向にずれており、前記第２駆動コイルに対向するバックヨークの２つの外側面間で前記第１平板状及び第２平板状の永久磁石の配列が前記界磁周期の１／１６だけ前記バックヨークの軸方向にずれており、前記コアユニットは前記可動子の移動方向に２つの群に分けられ、該２つの群間には他の箇所の前記スペーサよりも前記界磁周期の１／８だけ厚いスペーサが介在してあり、前記分けられた２つの群の一方の群及び他方の群それぞれの前記第１単極ユニットの一方側のコア部に第１位相補償コイルが捲かれ、一方の群及び他方の群それぞれの前記第１単極ユニットの他方側のコア部に第２位相補償コイルが捲かれており、一方の群と他方の群とで巻き方向が逆で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、第１駆動コイルに対向するバックヨークの２つの外側面における永久磁石の配列と、第２駆動コイルに対向するバックヨークの２つの外側面における永久磁石の配列とを、界磁周期の１／４（電気角の９０度分）だけ変位させ、第１駆動コイルと、第２駆動コイルとに、電気角で９０度位相が異なる電流を通電して、２相駆動を実現する。コアユニットを、可動子の移動方向に２つの群に分けて、この２つの群の間に、他の箇所よりも界磁周期の１／８（電気角の４５度分）だけ厚いスペーサを介在させている。この構成により、ディテント力の４次の高調波成分の低減を図る。また、第１駆動コイルに対向するバックヨークの２つの外側面間での永久磁石の配列を界磁周期の１／１６（電気角の２２．５度分）だけずらせるとともに、第２駆動コイルに対向するバックヨークの２つの外側面間での永久磁石の配列を界磁周期の１／１６（電気角の２２．５度分）だけずらせている。この構成により、ディテント力の８次の高調波成分の低減を図る。さらに、分けられた２つの群の一方の群及び他方の群それぞれの第１単極ユニットの一方側のコア部に第１位相補償コイルを捲き、一方の群及び他方の群それぞれの第１単極ユニットの他方側のコア部に第２位相補償コイルを捲いており、一方の群と他方の群とで巻き方向が逆である。この構成により、推力リプルの低減を図る。以上により、３相駆動と同程度である滑らかな移動を、２相駆動にて実現する。

本発明に係るリニアモータは、前記第１位相補償コイルには前記第２駆動コイルと同じ電流を通電し、前記第２位相補償コイルには前記第１駆動コイルと同じ電流を通電すべくな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、第１位相補償コイルと第２駆動コイルとには同じ電流を通電し、第２位相補償コイルと第１駆動コイルとには同じ電流を通電する。よって、第１位相補償コイル及び第２位相補償コイルに通電するための電源を新たに設ける必要がない。

本発明に係るリニアモータは、前記第１位相補償コイル及び前記第２位相補償コイルの巻き数は、前記バックヨークの４つの外側面における磁石配列のずれ量に応じて設定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、第１位相補償コイル及び第２位相補償コイルそれぞれの巻き数を、バックヨークの四つの外側面における磁石配列のずれ量に応じて設定する。よって、永久磁石の配列ずれの影響を正確に補償して、推力リプルを低減する。

本発明に係る電機子は、四角筒状の軟質磁性体製のバックヨークの外側面それぞれに複数の平板状の永久磁石を前記バックヨークの軸方向に配している可動子が貫通されるリニアモータ用の電機子において、四角形状の開口部、該開口部の外側に配したヨーク部、及び該ヨーク部から前記開口部に向かう２方向に延設させたコア部を有する軟質磁性体製の第１単極ユニットと、四角形状の開口部、該開口部の外側に配したヨーク部、及び前記第１単極ユニットのコア部を９０度回転させた位置に設けられ、該ヨーク部から前記開口部に向かう２方向に延設させたコア部を有する軟質磁性体製の第２単極ユニットとを交互に重ねており、重なり合う前記第１単極ユニットと前記第２単極ユニットとの間に前記第１単極ユニット及び第２単極ユニットのコア部同士が接触しないように軟質磁性体製のスペーサを挟んであるコアユニットを備えており、前記第１単極ユニットの一方側のコア部に一括して第１駆動コイルが捲かれており、前記第１単極ユニットの他方側のコア部に一括して第２駆動コイルが捲かれており、前記コアユニットは２つの群に分けられ、前記分けられた２つの群の一方の群及び他方の群それぞれの前記第１単極ユニットの一方側のコア部に第１位相補償コイルが捲かれ、一方の群及び他方の群それぞれの前記第１単極ユニットの他方側のコア部に第２位相補償コイルが捲かれており、一方の群と他方の群とで巻き方向が逆であることを特徴とする。

本発明の電機子にあっては、第１単極ユニットの一方側の全部のコア部に一括して第１駆動コイルが捲かれており、第１単極ユニットの他方側の全部のコア部に一括して第２駆動コイルが捲かれており、これらの第１駆動コイル及び第２駆動コイルとは別に、コアユニットの一方の群及び他方の群それぞれの第１単極ユニットの一方側のコア部に第１位相補償コイルが捲かれ、一方の群及び他方の群それぞれの第２単極ユニットの他方側のコア部に第２位相補償コイルが捲かれており、一方の群と他方の群とで巻き方向が逆である。よって、この第１位相補償コイル及び第２位相補償コイルにより、推力リプルの低減を図る。

本発明に係る電機子は、前記第１駆動コイル及び前記第２位相補償コイルには第１電流を通電し、前記第２駆動コイル及び前記第１位相補償コイルには、前記第１電流と電気角で９０度位相が異なる第２電流を通電すべくなしてあることを特徴とする。

本発明の電機子にあっては、第１駆動コイル及び第２位相補償コイルには第１電流を通電し、第２駆動コイル及び第１位相補償コイルには、この第１電流と電気角で９０度位相が異なる第２電流を通電する。これにより、２相駆動を実現する。第１位相補償コイル及び第２位相補償コイルに通電するための電源を新たに設ける必要がない。

本発明では、２相駆動で課題となっているディテント力及び推力リプルを低減できて、３相駆動と同程度の滑らかな可動子の移動を実現できる２相駆動のリニアモータを提供することができる。この結果、本発明では、短尺なリニアモータを提供できるため、垂直移動機構に適用しても、可動子の撓みが小さくなって、高い移動精度を発揮できる。

リニアモータ（基本例）における可動子の構成を示す斜視図である。 リニアモータ（基本例）における電機子の構成を示す斜視図である。 リニアモータ（基本例）における電機子の構成を示す斜視図である。 リニアモータ（基本例）の構成を示す斜視図である。 リニアモータ（基本例）の構成を示す一部破断斜視図である。 リニアモータの（基本例）における電機子の構成を示す一部破断斜視図である。 リニアモータ（基本例）におけるディテント力の特性を示すグラフである。 リニアモータ（基本例）におけ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。 リニアモータ（基本例）における推力特性の測定結果を示すグラフである。 リニアモータ（改善例）における電機子の構成を示す一部破断斜視図である。 リニアモータ（改善例）の構成を示す上面図、側面図及び正面図である。 リニアモータ（改善例）の構成を示す斜視図である。 リニアモータ（改善例）におけるディテント力の特性を示すグラフである。 リニアモータ（改善例）におけ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。 リニアモータ（改善例）における推力特性を示すグラフである。 リニアモータ（改善例）における推力特性を示すグラフである。 リニアモータ（改善例）における推力リプル発生の原因を説明するための駆動コイル、コア部、及び可動子の磁石の位置関係を示す配置構成図である。 リニアモータ（本発明例）における駆動コイル、位相補償コイル、コア部、及び可動子の磁石の位置関係を示す配置構成図である。 リニアモータ（本発明例）における駆動コイル及び位相補償コイルの構成を示す図である。 リニアモータ（本発明例）における駆動コイル及び位相補償コイルへの通電を示す図である。 リニアモータ（本発明例）における駆動コイル及び位相補償コイルの合成磁界を説明するための駆動コイル、位相補償コイル、コア部、及び可動子の磁石の位置関係を示す配置構成図である。 リニアモータ（本発明例）における推力特性を示すグラフである。 リニアモータ（本発明例）における推力特性を示すグラフである。 作製した可動子の構成を示す側面図、正面図及び斜視図である。 電機子の作製に用いる電機子素材を示す平面図である。 単極ユニット片、第１スペーサ片及び第２スペーサ片の重ね合わせを示す斜視図である。 電機子の作製における中間品の構成を示す斜視図である。 作製した電機子の構成を示す斜視図である。 作製したリニアモータの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。

（基本例）
図１はリニアモータ（基本例）における可動子の構成を示す斜視図である。可動子１は、四角筒状の軟質磁性体製のバックヨーク２の各外側面に、２種類の平板状磁石３ａ，３ｂを交互に間隙をあけてバックヨーク２の軸方向（可動子１の移動方向）に設置させた構成をなしている。図１において、白抜矢符は平板状磁石３ａ，３ｂの磁化方向を示している。平板状磁石３ａは、バックヨーク２の外側面に垂直であって内側から外側に向かう方向に磁化されており、平板状磁石３ｂは、バックヨーク２の外側面に垂直であって外側から内側に向かう方向に磁化されている。よって、平板状磁石３ａと平板状磁石３ｂとの磁化方向は、バックヨーク２の外側面に垂直であって逆向きになる。

バックヨーク２の上側の２側面（後述する電機子４の第１駆動コイル９ａに対向する２側面）における磁石配列と、バックヨーク２の下側の２側面（後述する電機子４の第２駆動コイル９ｂに対向する２側面）における磁石配列とは、１つの平板状磁石３ａ、１つの平板状磁石３ｂ、及び２つの間隙の合計の長さである界磁周期の１／４だけ、バックヨーク２の軸方向（可動子１の移動方向）にずれている。すなわち、界磁周期をλとした場合、λ／４（電気角で９０度）だけ、磁石配列が変位している。

例えば、平板状磁石３ａ，３ｂとして長さ２５ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ４ｍｍの永久磁石を使用し、隣り合う平板状磁石３ａ，３ｂの間隙を２ｍｍとした場合、界磁周期λは、１０＋１０＋２×２=２４（ｍｍ）となる。この場合には、６ｍｍだけ磁石配列がずれている。

図２及び図３はリニアモータ（基本例）における電機子の構成を示す斜視図であって、図２Ａ−Ｃ及び図３Ａはその部分構成図、図３Ｂはその全体構成図である。

電機子４は、図２Ａに示す四角板状の第１単極ユニット５と、図２Ｂに示す四角板状の第２単極ユニット６とを交互に配列し、隣り合う第１単極ユニット５及び第２単極ユニット６の間に図２Ｃに示す枠状のスペーサ７を挿入させた構成を有している（図３Ａ参照）。

第１単極ユニット５は、軟質磁性体にて形成されており、可動子１が貫通される四角状の開口部５ａと、開口部５ａの外側に配置された枠体としてのヨーク部５ｂと、ヨーク部５ｂから開口部５ａに向けて２方向に延在しているコア部５ｃとを有する。また、第２単極ユニット６は、軟質磁性体にて形成されており、可動子１が貫通される四角状の開口部６ａと、開口部６ａの外側に配置された枠体としてのヨーク部６ｂと、ヨーク部６ｂから開口部６ａに向けて２方向に延在しているコア部６ｃとを有する。第２単極ユニット６は、第１単極ユニット５を９０度回転させた構成をなしている。

隣り合う第１単極ユニット５と第２単極ユニット６との間にヨークのみからなる軟質磁性体製のスペーサ７を挿入することにより、両単極ユニット５，６のコア部同士が接触しないようにしている。そして、第１単極ユニット５、スペーサ７、第２単極ユニット６、スペーサ７、…の順に交互に配列して重ね合わせて、図３Ａに示すようなコアユニットを構成する。

第１単極ユニット５と第２単極ユニット６との共通の隙間部分８ａ，８ｂを貫通して第１単極ユニット５における一方側のコア部５ｃ（図２Ａの上側のコア部５ｃ）に一括して第１駆動コイル９ａが捲かれているとともに、第１単極ユニット５と第２単極ユニット６との共通の隙間部分８ｃ，８ｄを貫通して第１単極ユニット５における他方側のコア部５ｃ（図２Ａの下側のコア部５ｃ）に一括して第２駆動コイル９ｂが捲かれている（図３Ｂ参照）。

そして、図１に示す可動子１を、図３Ｂに示す電機子４の開口部５ａ，６ａが連なって形成される中空部１０に貫通させることにより、本発明の基本例としてのリニアモータ３１が構成される。図４はリニアモータ（基本例）の構成を示す斜視図であり、図５はリニアモータ（基本例）の構成を示す一部破断斜視図である。

第１駆動コイル９ａに正弦波（ｓｉｎ波）状の駆動電流を通電し、第２駆動コイル９ｂには余弦波（ｃｏｓ波）状の駆動電流を通電する。このように駆動電流を印加することにより、電機子単相ユニットの上部と下部とで交互に推力のピークが得られ、１つの単相ユニットにより連続した推力が得られて、２相駆動のリニアモータが実現する。

（ディテント力を改善した改善例）
図６は、上述したリニアモータ（基本例）における電機子の構成を示す一部破断斜視図である。図６において、図２〜図５と同一部分には同一符号を付している。図６に示すように、第１単極ユニット５と第２単極ユニット６とが可動子１の移動方向に等間隔で配置されている。

図７は、リニアモータ（基本例）におけるディテント力の特性を示すグラフであり、図８は、リニアモータ（基本例）におけ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。図７に示すように、最大推力３００Ｎのリニアモータに対してディテント力が７０Ｎ程度もある。一般的な３相駆動のリニアモータではディテント力が数Ｎである点を考慮すると、この数値は非常に大きい。また、高調波成分では、図８に示すように、界磁周期の４次の成分が主体であり、その振幅は２５Ｎである。また、８次の成分も大きい。

また、図９は、リニアモータ（基本例）における推力特性の測定結果を示すグラフであり、駆動起磁力１２００Ａで駆動した場合の推力リプル特性を表している。図９に示すように、平均推力２００Ｎに対して推力リプルが尖頭値で１２０Ｎもあり、通常の３相駆動のリニアモータと比べて大きな推力リプルを呈している。

よって、３相駆動と同様な滑らかな移動（推力特性）を実現するためには、ディテント力及び推力リプルの低減が必要である。

改善例では、電機子４における磁極歯の間隔を調整することで、ディテント力の４次の高調波成分の低減を図る。図１０は、リニアモータ（改善例）における電機子の構成を示す一部破断斜視図である。図１０にあって、図６と同一部分には同一符号を付している。

改善例では、図１０に示すように、電機子全体を可動子１の移動方向に２つのブロック（群）に分け、一方のブロックと他方のブロックとの間隔を、各単極ユニットの均等配置間隔からλ／８（λ：界磁周期）だけ広げている。このλ／８は、４次の高調波成分の半分に該当し、電気角で４５度に相当する。例えば、前述したように界磁周期λが２４ｍｍである場合には、３ｍｍだけ両ブロック間で間隔を広げる。このような構成は、両ブロック間でのスペーサ７の厚さを他の箇所でのスペーサ７の厚さより厚くすることにより容易に実現できる。

両ブロック間をλ／８だけ広げることにより、一方のブロックで発生する４次の高調波成分と、他方のブロックで発生する４次の高調波成分とは、互いに逆位相となって打ち消し合うため、全体として大幅に４次の高調波成分を低減することができる。

また、改善例では、可動子１における磁石の配列を調整することで、ディテント力の８次の高調波成分の低減を図る。図１１は、リニアモータ（改善例）の構成を示す上面図（Ａ）、側面図（Ｂ）及び正面図（Ｃ）であり、図１２は、リニアモータ（改善例）の構成を示す斜視図である。図１１及び図１２にあって、図４及び図５と同一部分には同一符号を付している。

前述したように、可動子１での磁石配列は上下方向に２分されており、バックヨーク２の上側の２側面（第１駆動コイル９ａに対向する２側面）における磁石配列と、バックヨーク２の下側の２側面（第２駆動コイル９ｂに対向する２側面）における磁石配列とは、界磁周期の１／４（電気角で９０度）だけ、バックヨーク２の軸方向（可動子１の移動方向）にずれている。このような磁石配列を図１１Ｃにおける左右に分割して、左右方向に隣り合うバックヨーク２側面における磁石配列を、バックヨーク２の軸方向（可動子１の移動方向）に、界磁周期の１／１６（λ／１６：電気角で２２．５度に相当）だけずらせている。例えば、前述したように界磁周期λが２４ｍｍである場合には、磁石配列を左右間で１．５ｍｍだけ変位させる。

このような磁石配列とすることにより、右側に発生する８次の高調波成分と、左側に発生する８次の高調波成分とは、互いに逆位相となって打ち消されるため、全体として大幅に８次の高調波成分を低減することができる。

図１３は、リニアモータ（改善例）におけるディテント力の特性を示すグラフであり、図１４は、リニアモータ（改善例）におけ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。図１４に示すように、２次の高調波成分は１．５Ｎ、８次の高調波成分は０．３３Ｎとなっており、大幅に低減できている。また、図１３に示すように、最大推力３００Ｎのリニアモータに対してディテント力の尖頭値は１０Ｎ程度まで減らすことができている。この数値は、一般的な３相駆動のリニアモータと同程度のものである。

（本発明例）
図１５は、リニアモータ（改善例）における推力特性を示すグラフであり、駆動コイルに種々の駆動起磁力を印加した場合の推力及び推力リプルの発生状況を表している。図１５に示すように、印加する駆動起磁力の増加に伴って推力は増加していくが、推力リプルも大きくなっていくことが分かる。特に最大の推力が発生する際に、非常に大きな推力リプルが生じている。そこで、推力リプルを低減する必要がある。

改善例で大きな推力リプルが生じる原因を検討した。図１６は、リニアモータ（改善例）における推力特性を示すグラフであり、駆動起磁力１２００Ａにおける推力リプルの解析結果を表している。電機子の前半のブロックと後半のブロックとで、推力リプルの４次の高調波成分の位相が１８０度ずれていないことが分かる。このため、合成推力で推力リプルの４次の高調波成分が相殺されずに残留することになる。

この原因として、電機子に駆動起磁力が一括して印加されていることが考えられる。図１７は、リニアモータ（改善例）における推力リプル発生の原因を説明するための駆動コイル、コア部、及び可動子の磁石の位置関係を示す配置構成図である。図１７にあって、図４及び図５と同一部分には同一符号を付している。

４次の高調波成分を低減するために、前半のブロックと後半のブロックとの間でλ／８の変位（ピッチシフト量）を加えているので、電機子の磁極歯に関して、前半のブロック内の磁極歯では進み角が発生して付与され、後半のブロック内の磁極歯では遅れ角が発生して付与されることになる。このため、ディテント力については４次の高調波成分が前半のブロックと後半のブロックとの間で相殺されるが、駆動した場合には、進み角／遅れ角の付与により、機械角に対応した駆動起磁力が印加されなくなって、前半のブロックと後半のブロックとで推力リプルの位相が１８０度ずれなくなり、合成応力で４次の推力リプルが残留することになる。

本発明例では、駆動起磁力の位相を補償するための位相補償コイルを設けることで、推力リプルの低減を図る。図１８は、リニアモータ（本発明例）における駆動コイル、位相補償コイル、コア部、及び可動子の磁石の位置関係を示す配置構成図であり、図１９は、リニアモータ（本発明例）における駆動コイル及び位相補償コイルの構成を示す図である。図１８及び図１９にあって、図４、図５及び図１７と同一部分には同一符号を付している。

電機子４の上側では、前半のブロックと後半のブロックとで駆動起磁力の位相を機械角に合せるために、第１駆動コイル９ａとは別に、前半のブロック及び後半のブロックそれぞれに位相補償コイル１１ａ，１１ｂ（特許請求の範囲での第１位相補償コイル）を挿入している（図１９Ａ参照）。また、電機子４の下側では、前半のブロックと後半のブロックとで駆動起磁力の位相を機械角に合せるために、第２駆動コイル９ｂとは別に、前半のブロック及び後半のブロックそれぞれに位相補償コイル１１ｃ，１１ｄ（特許請求の範囲での第２位相補償コイル）を挿入している（図１９Ｂ参照）。

位相補償コイル１１ａは、前半のブロック内での上側の磁極歯群（前半のブロック内における第１単極ユニット５の上側のコア部５ｃ）を一括して捲かれており、位相補償コイル１１ｂは、後半のブロック内での上側の磁極歯群（後半のブロック内における第１単極ユニット５の上側のコア部５ｃ）を一括して捲かれている。位相補償コイル１１ａと位相補償コイル１１ｂとは、互いに逆向きで同一巻き数だけ捲かれている。位相補償コイル１１ｃは、前半のブロック内での下側の磁極歯群（前半のブロック内における第１単極ユニット５の下側のコア部５ｃ）を一括して捲かれており、位相補償コイル１１ｄは、後半のブロック内での下側の磁極歯群（後半のブロック内における第１単極ユニット５の下側のコア部５ｃ）を一括して捲かれている。位相補償コイル１１ｃと位相補償コイル１１ｄとは、互いに逆向きで同一巻き数だけ捲かれている。

図２０は、リニアモータ（本発明例）における駆動コイル及び位相補償コイルへの通電を示す図である。電機子４下側の位相補償コイル１１ｃ及び位相補償コイル１１ｄには、第１駆動コイル９ａと同じ正弦波（ｓｉｎ波）状の駆動電流が通電され、電機子４上側の位相補償コイル１１ａ及び位相補償コイル１１ｂには、第２駆動コイル９ｂと同じ余弦波（ｃｏｓ波）状の駆動電流が通電される。

本発明例では、駆動コイル及び位相補償コイルの合成磁界により、前半のブロックと後半のブロックとの間での変位（ピッチシフト量）を補償している。図２１は、リニアモータ（本発明例）における駆動コイル及び位相補償コイルの合成磁界を説明するための駆動コイル、位相補償コイル、コア部、及び可動子の磁石の位置関係を示す配置構成図である。以下、第１駆動コイル９ａと位相補償コイル１１ａ，１１ｂとを例として、補償について説明する。

正弦波電流が通電される第１駆動コイル９ａによる磁界の向きを図２１で矢印Ａにて表す。位相補償コイル１１ａ，１１ｂは互いに巻き方向を逆にしており、位相補償コイル１１ａ，１１ｂには、正弦波電流から９０度位相がずれた余弦波電流が通電されるため（図１９Ａの矢符）、位相補償コイル１１ａ、位相補償コイル１１ｂによる磁界の向きは、それぞれ図２１で矢印Ｂ、矢印Ｃにて表される。この結果、前半のブロックにおける合成磁界の向きは、図２１で矢印Ｄにて表され、後半のブロックにおける合成磁界の向きは、図２１で矢印Ｅにて表される。この２つの合成磁界の向きのなす角（位相角）（図２１のθ）にてピッチシフトを補償できる。

このような位相角θは、位相補償コイル１１ａ，１１ｂによる磁界の大きさによって制御できるため、本発明例では、この位相角θが前述したピッチシフト量λ／８に対応するように、位相補償コイル１１ａ，１１ｂでの巻き数を設定している。

電機子４の下側にあっても、位相補償コイル１１ｃ，１１ｄにより、同様に、ピッチシフトを補償することができ、それらの巻き数を補償すべきピッチシフト量に対応させて設定している。

図２２は、リニアモータ（本発明例）における推力特性を示すグラフであり、駆動起磁力１２００Ａにおける推力リプルの解析結果を表している。位相補償コイルを設けていない改善例では、図１６に示すように、推力リプルは６０Ｎ程度もあり、前半のブロックで発生した推力と後半のブロックで発生した推力とで４次の成分の位相が１８０度ずれていない。これに対して、本発明例では、図２２に示すように、前半のブロックで発生した推力と後半のブロックで発生した推力とで４次の成分の位相が１８０度ずれており、合成推力リプルは２５Ｎ程度しかなく、大幅な推力リプルの低減を実現できていることが分かる。ここで、推力リプルは（推力最大値−推力最小値）（Ｎ）で求めた。

図２３は、リニアモータ（本発明例）における推力特性を示すグラフであり、駆動コイルに種々の駆動起磁力を印加した場合の推力及び推力リプルの発生状況を表している。位相補償コイルを設けていない改善例による図１５と比較した場合、位相補償コイルを設けている本発明例では、特に印加する駆動起磁力が大きい場合に、推力リプルの顕著な低減効果を実現できていることが分かる。

以上のことから、上述した本発明例により、２相駆動での課題であったディテント力及び推力リプルを大幅に低減できて、３相駆動と同程度の滑らかな可動子の移動を実現できる２相駆動のリニアモータを提供できる。

上述した本発明例のリニアモータは、下記に述べるような可動子と電機子とを組み合わせた構成をなしている。

可動子１では、軟質磁性体製のバックヨーク２の４つの外側面それぞれに、磁化方向が逆である平板状磁石３ａ，３ｂ，…を交互にバックヨーク２の軸方向（可動子１の移動方向）に配している。電機子４の第１駆動コイル９ａに対向する上側の平板状磁石３ａ，３ｂの配列と、第２駆動コイル９ｂに対向する下側の平板状磁石３ａ，３ｂの配列とは、界磁周期の１／４（λ／４）だけ移動方向にずれている。また、第１駆動コイル９ａに対向する２つの外側面間での平板状磁石３ａ，３ｂの配列が、界磁周期の１／１６（λ／１６）だけ移動方向にずれており、第２駆動コイル９ｂに対向する２つの外側面間での平板状磁石３ａ，３ｂの配列も、界磁周期の１／１６（λ／１６）だけ移動方向にずれている。

電機子４は、開口部５ａとヨーク部５ｂとコア部５ｃとを有する第１単極ユニット５、スペーサ７、第１単極ユニット５を９０度回転させた第２単極ユニット６、スペーサ７、…を交互に重ね合わせたコアユニットを備えている。複数の第１単極ユニット５の一方側の複数のコア部５ｃに一括して第１駆動コイル９ａが捲かれており、複数の第１単極ユニットの他方側の複数のコア部５ｃに一括して第２駆動コイル９ｂが捲かれている。コアユニットは可動子１の移動方向に２つの群に分けられ、この２つの群間には他の箇所のスペーサ７よりも界磁周期の１／８（λ／８）だけ厚いスペーサ７が介在してある。分けられた２つの群の一方の群及び他方の群それぞれの第１単極ユニット５の上側のコア部５ｃに位相補償コイル１１ａ，１１ｂが捲かれ、一方の群及び他方の群それぞれの第１単極ユニット５の下側のコア部５ｃに位相補償コイル１１ｃ，１１ｄが捲かれている。

上記の電機子４に上記の可動子１を貫通させて、第１駆動コイル９ａと位相補償コイル１１ｃ，１１ｄとに例えば正弦波電流を通電し、第２駆動コイル９ｂと位相補償コイル１１ａ，１１ｂとに例えば余弦波電流を通電する。

電機子４の２つの群の間を界磁周期の１／８だけ広くすることにより、ディテント力の４次の高調波成分の低減を図る。また、第１駆動コイル９ａ及び第２駆動コイル９ｂそれぞれに対向するバックヨーク２の２つの外側面間での永久磁石の配列を界磁周期の１／１６だけずらせることにより、ディテント力の８次の高調波成分の低減を図る。さらに、電機子４の２つの群それぞれに位相補償コイル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを設けることにより、推力リプルの低減を図る。

以上により、本発明例のリニアモータは、ディテント力及び推力リプルが小さくて、３相駆動と同程度である滑らかな移動を、２相駆動にて実現する。

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。

まず、リニアモータに用いる可動子１として、図２４に示すような四角筒状のバックヨークと平板状の永久磁石とを含んだ可動子を作製した。図２４Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ、可動子１の側面図、正面図、斜視図を示している。使用するバックヨーク２は、軟質磁性体製の四角筒状であり、その外側形状は３２ｍｍ角、内側形状は２６ｍｍ角である。

バックヨーク２の４つの外側面それぞれに、２種類の平板状磁石３ａ，３ｂを交互に２ｍｍの間隙をあけて接着させた。平板状磁石３ａ，３ｂは、同じ形状であって、長さ２５ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ４ｍｍのサイズである。よって、界磁周期λは、１０+１０+２×２=２４（ｍｍ）である。平板状磁石３ａは、バックヨーク２の外側面に垂直であって内側から外側に向かう方向に磁化されており、平板状磁石３ｂは、バックヨーク２の外側面に垂直であって外側から内側に向かう方向に磁化されている（図２４Ｃの矢印参照）。つまり、平板状磁石３ａ及び平板状磁石３ｂは何れもその厚さ方向に磁化されているが、その方向は逆である。

バックヨーク２の上側の２側面（電機子４の第１駆動コイル９ａに対向する２側面）における磁石配列と、バックヨーク２の下側の２側面（電機子４の第２駆動コイル９ｂに対向する２側面）における磁石配列とを、可動子１の長手方向（移動方向）に６ｍｍ（界磁周期の１／４に該当）だけ変位させている。また、左右の磁石配列に関しては、前述したようにディテント力の８次の高調波成分を低減すべく、１．５ｍｍ（界磁周期の１／１６に該当）だけ変位させている。

このような可動子１（全長１５１．５ｍｍ）の両側に、電機子４内を平滑に移動できるように、リニアガイドレール（図示せず）を張り付けた。

次に、電機子４を作製した。図２５Ａに示すような形状をなす電機子素材を０．５ｍｍ厚さの珪素鋼板から２０枚切り出し、切り出したこれらの２０枚を重ねて接着し、厚さ１０ｍｍの単極ユニット片２１を８個作製した。また、図２５Ｂに示すような形状をなす電機子素材を０．５ｍｍ厚さの珪素鋼板から切り出し、切り出した４枚を重ねて接着して厚さ２ｍｍの第１スペーサ片２２を８個作製するとともに、切り出した１０枚を重ねて接着して厚さ５ｍｍの第２スペーサ片２３を２個作製した。

単極ユニット片２１（厚さ１０ｍｍ）、第１スペーサ片２２（厚さ２ｍｍ）、単極ユニット片２１（厚さ１０ｍｍ）、第２スペーサ片２３（厚さ５ｍｍ）、単極ユニット片２１（厚さ１０ｍｍ）、第１スペーサ片２２（厚さ２ｍｍ）、単極ユニット片２１（厚さ１０ｍｍ）をこの順に重ねて積層体を作製した。ここで、２番目及び４番目の単極ユニット片２１は、１番目及び３番目の単極ユニット片２１に対して９０度回転させた配置とした。図２６は、この単極ユニット片２１、第１スペーサ片２２及び第２スペーサ片２３の重ね合わせを示す斜視図である。

このようにして、図２７に示すようなサイズ８４ｍｍ×８４ｍｍ×４９ｍｍの積層体を得た。第１駆動コイル９ａとして直径０．６ｍｍの導線を１００回と、第１駆動コイル９ａの内側に位相補償コイル１１ａ，１１ｂとして直径０．６ｍｍの導線をそれぞれ４０回とをボビンに捲いた構造体（図２７参照）、及び、第２駆動コイル９ｂとして直径０．６ｍｍの導線を１００回と、第２駆動コイル９ｂの内側に位相補償コイル１１ｃ，１１ｄとして直径０．６ｍｍの導線をそれぞれ４０回とをボビンに捲いた構造体（図２７参照）を、図２７の矢印に示すように、積層体の２箇所それぞれに挿入して、電機子４を作製した。図２８は、作製した電機子４の構成を示す斜視図である。

これらの第１駆動コイル９ａ、第２駆動コイル９ｂ、位相補償コイル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとなる導線は、第１駆動コイル９ａ及び位相補償コイル１１ｃ，１１ｄに正弦波電流が通電され、第２駆動コイル９ｂ及び位相補償コイル１１ａ，１１ｃに余弦波電流が通電されるべく、前述した図２０に示すように結線される。つまり、第１駆動コイル９ａ及び位相補償コイル１１ｃ，１１ｄの直列回路が正弦波電流源に接続され、第２駆動コイル９ｂ及び位相補償コイル１１ａ，１１ｂの直列回路が余弦波電流源に接続される。

このような電機子４の２群の駆動コイル（第１駆動コイル９ａ及び第２駆動コイル９ｂ）を２相駆動用モータコントローラに接続し、可動子１の先端に位置センサを取り付けて、２相駆動用モータコントローラに位置信号を入力させ、リニアモータの推力特性を測定した。その測定結果を図２９に示す。

図２９に示すように、推力比例限が２００Ｎ程度であって最大推力が３５０Ｎ程度であるリニアモータを、全長僅か６５ｍｍ程度の構成で得られた。特許文献１，２の３相駆動のリニアモータにあって、この程度の推力特性を得るためには、電機子として１５０ｍｍから２００ｍｍの長さが必要である。したがって、本発明では、ほぼ半分のリニアモータの短尺化を実現できている。よって、本発明のリニアモータは、Ｘ−Ｙ−Ｚの３軸駆動ステージのように重ねて使用する用途にあって、省スペース化と小型化とに寄与する最適なリニアモータである。

また、本発明例のリニアモータでは、大きな駆動起磁力を印加した場合であっても、推力リプルは大きくならず（駆動起磁力１２００Ａの場合に２５Ｎ程度、平均推力２６０Ｎ、平均推力に対する推力リプルは１０％、図２２参照）、３相駆動リニアモータと同程度の優れた特性が得られた。比較として、本発明例と同一推力になるように特許文献１に記載の３相駆動リニアモータに駆動起磁力を印加し、推力を測定したところ、平均推力に対する推力リプルは３％であった。また、本発明例と同一推力になるように特許文献２に記載の３相駆動リニアモータに駆動起磁力を印加し、推力を測定したところ、平均推力に対する推力リプルは１４％であった。電機子である固定子の可動子移動方向の長さは、本発明が電機子のコアで４９ｍｍであるのに対して特許文献１、２では２００ｍｍから３００ｍｍの長さが必要である。本発明のリニアモータは、特許文献１、２のリニアモータよりも短尺なリニアモータであるが、３相駆動の特許文献１、２のリニアモータと同程度の滑らかな可動子の移動を実現できる２相駆動のリニアモータであることが分かる。ここで平均推力に対する推力リプルは、（推力最大値−推力最小値）／平均推力×１００（％）で求めた。

なお、上述した例では、第１単極ユニット５のコア部５ｃに、第１駆動コイル９ａ、第２駆動コイル、位相補償コイル１１ａ−１１ｄを捲く構成としたが、これとは異なり、第２単極ユニット６のコア部６ｃに、これらのコイルを捲くような構成としても良い。

また、上述した例では、２相駆動のために、正弦波電流と余弦波電流とを通電するようにしたが、電気角で９０度だけ位相が異なる矩形波状の電流、台形波状の電流を通電するようにしても良い。

なお、開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなくて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全ての変更が含まれることが意図される。

１ 可動子
２ バックヨーク
３ａ，３ｂ 平板状磁石
４ 電機子
５ 第１単極ユニット
６ 第２単極ユニット
５ａ，６ａ 開口部
５ｂ，６ｂ ヨーク部
５ｃ，６ｃ コア部
７ スペーサ
９ａ 第１駆動コイル
９ｂ 第２駆動コイル
１１ａ，１１ｂ 位相補償コイル（第１位相補償コイル）
１１ｃ，１１ｄ 位相補償コイル（第２位相補償コイル）

Claims (5)

1. 四角筒状の軟質磁性体製のバックヨークの外側面それぞれに複数の平板状の永久磁石として、前記バックヨークの内側から外側に向かって磁化した第１平板状の永久磁石と、前記バックヨークの外側から内側に向かって磁化した第２平板状の永久磁石とが間隙をあけて交互に前記バックヨークの軸方向に配されている可動子を、
   四角形状の開口部、該開口部の外側に配したヨーク部、及び該ヨーク部から前記開口部に向かう２方向に延設させたコア部を有する軟質磁性体製の第１単極ユニットと、四角形状の開口部、該開口部の外側に配したヨーク部、及び前記第１単極ユニットのコア部を９０度回転させた位置に設けられ、該ヨーク部から前記開口部に向かう２方向に延設させたコア部を有する軟質磁性体製の第２単極ユニットとを交互に重ねており、重なり合う前記第１単極ユニットと前記第２単極ユニットとの間に前記第１単極ユニット及び第２単極ユニットのコア部同士が接触しないように軟質磁性体製のスペーサを挟んであるコアユニットを備えており、前記第１単極ユニットの一方側のコア部に一括して第１駆動コイルが捲かれており、前記第１単極ユニットの他方側のコア部に一括して第２駆動コイルが捲かれている電機子の前記第１単極ユニットの開口部及び前記第２単極ユニットの開口部に貫通させてあり、
   前記第１駆動コイルと前記第２駆動コイルとに電気角で９０度位相が異なる電流を通電すべくなしてあるリニアモータであって、
   前記第１駆動コイルに対向するバックヨークの２つの外側面における前記第１平板状及び第２平板状の永久磁石の配列と、前記第２駆動コイルに対向するバックヨークの２つの外側面における前記第１平板状及び第２平板状の永久磁石の配列とは、１つの前記第１平板状の永久磁石、１つの前記第２平板状の永久磁石、及び２つの前記間隙の合計の長さである界磁周期の１／４だけ前記バックヨークの軸方向にずれており、
   前記第１駆動コイルに対向するバックヨークの２つの外側面間で前記第１平板状及び第２平板状の永久磁石の配列が前記界磁周期の１／１６だけ前記バックヨークの軸方向にずれており、前記第２駆動コイルに対向するバックヨークの２つの外側面間で前記第１平板状及び第２平板状の永久磁石の配列が前記界磁周期の１／１６だけ前記バックヨークの軸方向にずれており、
   前記コアユニットは前記可動子の移動方向に２つの群に分けられ、該２つの群間には他の箇所の前記スペーサよりも前記界磁周期の１／８だけ厚いスペーサが介在してあり、
   前記分けられた２つの群の一方の群及び他方の群それぞれの前記第１単極ユニットの一方側のコア部に第１位相補償コイルが捲かれ、一方の群及び他方の群それぞれの前記第１単極ユニットの他方側のコア部に第２位相補償コイルが捲かれており、一方の群と他方の群とで巻き方向が逆である
   ことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記第１位相補償コイルには前記第２駆動コイルと同じ電流を通電し、前記第２位相補償コイルには前記第１駆動コイルと同じ電流を通電すべくなしてあることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
3. 前記第１位相補償コイル及び前記第２位相補償コイルの巻き数は、前記バックヨークの４つの外側面における磁石配列のずれ量に応じて設定してある請求項１または２記載のリニアモータ。
4. 四角筒状の軟質磁性体製のバックヨークの外側面それぞれに複数の平板状の永久磁石を前記バックヨークの軸方向に配している可動子が貫通されるリニアモータ用の電機子において、
   四角形状の開口部、該開口部の外側に配したヨーク部、及び該ヨーク部から前記開口部に向かう２方向に延設させたコア部を有する軟質磁性体製の第１単極ユニットと、四角形状の開口部、該開口部の外側に配したヨーク部、及び前記第１単極ユニットのコア部を９０度回転させた位置に設けられ、該ヨーク部から前記開口部に向かう２方向に延設させたコア部を有する軟質磁性体製の第２単極ユニットとを交互に重ねており、重なり合う前記第１単極ユニットと前記第２単極ユニットとの間に前記第１単極ユニット及び第２単極ユニットのコア部同士が接触しないように軟質磁性体製のスペーサを挟んであるコアユニットを備えており、
   前記第１単極ユニットの一方側のコア部に一括して第１駆動コイルが捲かれており、前記第１単極ユニットの他方側のコア部に一括して第２駆動コイルが捲かれており、
   前記コアユニットは２つの群に分けられ、前記分けられた２つの群の一方の群及び他方の群それぞれの前記第１単極ユニットの一方側のコア部に第１位相補償コイルが捲かれ、一方の群及び他方の群それぞれの前記第１単極ユニットの他方側のコア部に第２位相補償コイルが捲かれており、一方の群と他方の群とで巻き方向が逆である
   ことを特徴とする電機子。
5. 前記第１駆動コイル及び前記第２位相補償コイルには第１電流を通電し、前記第２駆動コイル及び前記第１位相補償コイルには、前記第１電流と電気角で９０度位相が異なる第２電流を通電すべくなしてあることを特徴とする請求項４記載の電機子。

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