JP4417910B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、可動磁石型のリニアモータに関する。

周知のように、リニアモータは固定子部と可動子部とから成る。通常、固定子部は、複数の永久磁石（以下、磁石と総称する）あるいは電気磁石（以下、電磁石と総称する）を走行方向に並べて設置することにより構成されている。一方、可動子部はコイルを有し、磁石に対してギャップをおいて移動可能に組み合わされて構成される。コイルには可動子部の重量及び可動子部に搭載される負荷重量に応じた電力を供給する事が必要であり、運動しているコイルに配線を通して電力を供給する必要がある。このため、可動子部と固定子部との間の配線にはそれなりの工夫が必要となる。可動子部側にバッテリーを搭載してコイルへの電力供給を行えば可動子部と固定子部との間の配線を無くすことができる。しかし、この場合、長時間走行はできない。
また、コイルを可動子部として備えるリニアモータには、コイルにおける発熱の問題がある。つまり、運動しているコイルの発熱を冷却するために様々な工夫が必要である。
上記の問題を解決するために、磁石を可動子部とした可動磁石型のリニアモータも提案されている。このタイプのリニアモータは、複数のコイルを走行方向に直列的に並べて設置した固定子部を有する。可動子部は１つ以上の磁石を有し、コイルに対してギャップを置いて移動可能に組み合わされて構成される（例えば、特開平６−５４５１６号公報参照）。
ところで、リニアモータにおいては、可動子部を所定の位置に停止させるために位置検出装置が必要である。これまでのリニアモータは、可動子部の位置を検出するために、固定子部側には走行方向に沿ってリニアスケールを設置し、可動子部側にはリニアスケールに対向して磁気センサを設ける。つまり、リニアスケールと磁気センサとの組み合わせによる位置検出装置により可動子部の位置を検出する。位置検出装置の検出値に基づいてコイルへの電流を制御することで可動子部の走行制御及び位置制御を行う。
しかしながら、リニアスケールは安価ではなく、これによる部品コスト増、リニアスケール設置のための作業コスト増、メンテナンスコスト増という問題がある。
そこで、本発明の目的は、リニアスケール無しで走行制御を可能にした可動磁石型のリニアモータを提供することにある。
本発明の他の目的は、リニアスケール無しで位置制御を可能にした可動磁石型のリニアモータを提供することにある。

本発明によるリニアモータは、移動方向に直列的に並べて固定配置されたコイル部を持つ固定子部と、コイル部で発生される磁束と作用して移動方向に移動可能であるように組み合わされた１つ以上の磁石を持つ可動子部とを備える。
本発明の第１の態様によれば、固定子部はコイル部として位相差を持つ電流が流されるＮ相（但し、Ｎは３以上の整数）のコイル部を有する。各相のコイル部は時計回りに巻回した第１のコイルと反時計回りに巻回した第２のコイルとを対として移動方向に隣接させると共に直列接続したものを移動方向に複数対配列して成る。第１のコイルと第２のコイルとの延在長を３６０度とした場合、第２相のコイル部は第１相のコイル部に対して（３６０／Ｎ）度だけ、第３相のコイル部は第２相のコイル部に対して（３６０／Ｎ）度だけ、第Ｎ相のコイル部は第（Ｎ−１）相のコイル部に対して（３６０／Ｎ）度だけそれぞれ移動方向に関してずらし、かつ重ねて設置される。Ｎ相のコイル部には磁石が組み合わされる。磁石の移動方向の長さはコイルにより形成される磁束の波長の１／２以下の長さとされる。可動子部には、磁石の中心からあらかじめ定められた距離だけ移動方向に離れた位置に第１の磁電変換素子が取り付けられる。第１の磁電変換素子の出力に基づいて各コイル部への電流の制御が行われる。
本発明の第２の態様によれば、固定子部はコイル部として９０度の位相差を持つ電流が流されるＡ相、Ｂ相のコイル部を有する。各相のコイル部は時計回りに巻回した第１のコイルと反時計回りに巻回した第２のコイルとを対として移動方向に隣接させると共に直列接続したものを移動方向に複数対配列してなる。第１のコイルと第２のコイルとの延在長を３６０度とした場合、Ｂ相のコイル部はＡ相のコイル部に対して９０度だけ移動方向に関してずらし、かつ重ねて設置される。Ａ相、Ｂ相のコイル部には磁石が組み合わされる。磁石の移動方向の長さはコイルにより形成される磁束の波長の１／２以下の長さとされる。可動子部には、磁石の中心からあらかじめ定められた距離だけ移動方向に離れた位置に第１の磁電変換素子が取り付けられる。第１の磁電変換素子の出力に基づいて各コイル部への電流の制御が行われる。
第１、第２の態様のいずれにおいても、コイル部は、各相の積層方向が磁束の発生方向と同じになるように設置され、磁石は略逆Ｕ形状を有して積層されたコイル部を跨ぐように組み合わされる。これにより、積層されたコイル部の両側面の一方にギャップをおいて磁石の一方の磁極が対向し、積層されたコイル部の両側面の他方にギャップをおいて磁石の他方の磁極が対向するようにされる。
第１、第２の態様のいずれにおいても、磁石を２個以上備える場合、２個以上の磁石は、異磁極が互いに隣接するように移動方向に並べて備えられることが好ましい。
第１、第２の態様のいずれにおいても、第１の磁電変換素子の検出信号は無線信号あるいは光信号で固定部側に設置された受信機に送信されるのが好ましい。
第１、第２の態様のいずれにおいても、磁石の中心と第１の磁電変換素子との間のあらかじめ定められた距離は、コイルにより形成される磁束の１／２波長の整数倍の値にされることが好ましい。
第１、第２の態様のいずれにおいても、可動子部には更に、磁石の中心と第１の磁電変換素子とを結ぶ線分上であって第１の磁電変換素子とは別の位置に少なくとも１個の第２の磁電変換素子が取り付けられても良い。この場合、第１の磁電変換素子と第２の磁電変換素子との間の距離はコイルにより形成される磁束の１／４波長の値にされる。また、第１の磁電変換素子、第２の磁電変換素子の検出信号は無線信号あるいは光信号で固定部側に設置された受信機に送信するようにされる。更に、受信機で受信された第１の磁電変換素子、第２の磁電変換素子の検出信号を受けて可動子部の位置制御を行う制御部を備えることが望ましい。

図１は、本発明によるリニアモータの第１の実施例とその制御系の概略構成を示した図であり、
図２は、本発明を三相リニアモータに適用した場合の三相のコイル部を説明するための図であり、
図３は、本発明による三相リニアモータにおけるコイル部と磁石部との関係を示した図であり、
図４は、本発明による三相リニアモータの各コイル部に流される電流波形の一例を示した波形図であり、
図５は、本発明による三相リニアモータにおいて三相のコイル部と磁石部との相互作用により磁石部に作用する力を説明するための図であり、
図６（ａ）、図６（ｂ）は、本発明による三相リニアモータにおいて三相のコイル部と磁石部との相互作用により磁石部が移動する原理を説明するための波形図であり、
図７（ａ）、図７（ｂ）は、本発明による三相リニアモータにおいて三相のコイル部と磁石部との相互作用により磁石部が移動する原理を説明するための波形図であり、
図８（ａ）、図８（ｂ）は、本発明による三相リニアモータにおいて三相のコイル部と磁石部との相互作用により磁石部が移動する原理を説明するための波形図であり、
図９（ａ）、図９（ｂ）は、本発明による三相リニアモータにおいて三相のコイル部と磁石部との相互作用により磁石部が移動する原理を説明するための波形図であり、
図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、本発明による三相リニアモータに備えられるホール素子の位置を説明するための図であり、
図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、本発明による三相リニアモータに備えられたホール素子の機能を説明するための図であり、
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、本発明による三相リニアモータに備えられたホール素子の検出信号を用いてコイル電流の振幅制御を行う場合について説明するための図であり、
図１３は、本発明を二相リニアモータに適用した場合の二相のコイル部、磁石部との関係、ホール素子の取り付け位置を説明するための図であり、
図１４（ａ）〜図１４（ｃ）は、本発明によるリニアモータの磁石部に２個以上の磁石を備える場合について説明するための図であり、
図１５（ａ）〜図１５（ｄ）は、本発明によるリニアモータに２個のホール素子を取り付けて位置制御を行う場合について説明するための図であり、
図１６は、図１に示された制御部の構成を説明するブロック図であり、
図１７は、リニアモータの動作原理を説明するための図である。

はじめに、図１７を参照して本発明によるリニアモータの駆動原理について簡単に説明する。本発明が適用されるリニアモータは可動磁石型であり、矩形状のコイル１００が固定部２００の設置面に固定される。特に、コイル１００はその磁束の発生方向が設置面に対して平行になるように立設される。換言すれば、コイル１００は、その四辺のうち二辺が設置面に垂直になるように立設される。
一方、磁石部３００は、永久磁石本体（以下、磁石本体と呼ぶ）３０１と、その両磁極端から下方に延びるように垂設されたヨーク部３０２、３０３とから成り、略逆Ｕ字形状を有する。ここでは、ヨーク部３０２がＳ極、ヨーク部３０３はＮ極であり、Ｓ極、Ｎ極の磁極面がそれぞれコイル１００にギャップをおいて対向している。なお、磁石部３００は、図示しない支持部を介して矢印３０５で示す方向に自由に移動可能にされているものとする。また、磁石部３００の移動方向の長さは、１個のコイル１００の移動方向の延在長以下としている。
ここで、コイル１００に矢印で示す方向に電流が流れるとする。この場合、コイル１００の四辺のうちヨーク部３０２、３０３間にある垂直方向の一辺に流れる電流がヨーク部３０２、３０３間の磁束と作用し、フレミングの左手の法則によりコイル１００には図１７中、右方向への駆動力が発生する。しかし、コイル１００は固定されているので、移動可能にされている磁石部３００が図１７中、左方向へ移動する。なお、コイル１００の設置面に平行なコイル１００の二辺に発生する駆動力は相殺される。
図１７は、説明を簡略化するためにコイル１００を１個のみ示しているが、本発明によるリニアモータは、三相あるいは二相のコイルを使用する。以下では、本発明の第１の実施例として、三相コイルを使用する場合について説明する。
図２を参照して、三相コイル部はＵ相コイル部１０Ｕ、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗを有する。はじめに、Ｕ相コイル部１０Ｕについて説明する。Ｕ相コイル部１０Ｕは、時計回りに複数回巻回した矩形状の第１のコイルと反時計回りに複数回巻回した矩形状の第２のコイルとを対として有する。これら一対のコイルは可動子部の移動方向に隣接するようにされると共に直列接続される。しかも、複数対のコイルが移動方向に配列されると共に直列接続される。以下では、可動子部の移動方向を単に移動方向と呼ぶ。Ｕ相コイル部１０Ｕは、磁束の発生方向が移動方向に直角、かつ設置面に平行な方向となるように立設される。換言すれば、矩形状のコイルの四辺のうち、二辺が設置面に垂直になるように立設される。ここで、一対のコイルの延在長を３６０度［２π（ｒａｄ）］とする。
Ｕ相コイル部１０Ｕと同様にＶ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗが作られる。Ｖ相コイル部１０ＶはＵ相コイル部１０Ｕから１２０度［２π／３（ｒａｄ）］ずらして配置される。Ｗ相コイル部１０ＷはＶ相コイル部１０Ｖから１２０度ずらして配置される。しかも、Ｕ相コイル部１０Ｕ、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗは積層される。積層方向は、磁束の発生方向、つまり移動方向に直角かつ設置面に平行な方向とする。
上記のように、三相コイルは、Ｕ相コイル部１０Ｕと、Ｕ相コイル部１０Ｕに対して１２０度ずらして配置されたＶ相コイル部１０Ｖと、２４０度ずらして配置されたＷ相コイル部１０Ｗとを積層した構成を持つ。これにより、Ｕ相コイル部１０Ｕ、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗにそれぞれ１２０度ずつ位相のずれた電流を流すと、同一方向に磁束が発生される。
なお、各コイルは、巻線が同心状に多重巻きされた、いわゆる完全な空心コイルで良い。
図３を参照して、磁石部３０は、磁石本体３１と、その両磁極端から下方に延びるように垂設されたヨーク部３２，３３とから成り、略逆Ｕ字形状を有する。磁石部３０全体を１つの磁石で構成しても良く、また、ヨーク部３２、３３に磁石を備える構成であっても良い。いずれにしても磁石部３０全体を１つの磁石とみなすことができる。磁石部３０は、積層された三相コイル（以下、積層コイル部と呼ぶ）を跨ぐように設置される。ここでは、ヨーク部３２はＳ極、ヨーク部３３はＮ極であり、Ｓ極、Ｎ極はそれぞれ積層コイル部の両側面にギャップをおいて対向している。後述するように、磁石部３０の移動方向の延在長は、積層コイル部により形成される磁束の波長の１／２以下とする。勿論、磁石部３０は、図示しない支持部を介し、ガイド部に沿って矢印３７で示す方向に移動可能にされているものとする。
上記のように積層コイル部に磁石部３０を移動可能に組み合わせ、図４に示すように、Ｕ相コイル部１０Ｕ、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗのそれぞれに１２０度の位相差を持つ交流電流を流す。すると磁石部３０からの磁束とＵ相コイル部１０Ｕ、Ｖ相コイル１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗに流れる電流、特に設置面に垂直方向の電流とにより、両者の間には力が生ずる。
図４のＴ／４のタイミングにおいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル部により磁石部３０に作用する３つの力とそれらの合力を図５に示す。図５において、例えば位置ＡではＵ相コイル部１０Ｕにより磁石部３０に作用する力は０であり、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗにより磁石部３０に作用する力は互いに反対向きで同じである。それ故、上記３つの力の合力は０である。位置Ｂでは、Ｕ相コイル部１０Ｕにより磁石部３０に作用する力は最大であり、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル１０Ｗにより磁石部３０に作用する力は同じ値でしかも同じ向きである。それ故上記３つの力の合力は最大である。その結果、磁石部３０に働く力は図５のＡ−Ｃ間について言えば図５中右向きとなり、Ｃ−Ｅ間について言えば図５中左向きとなる。
図６（ａ），図６（ｂ）〜図９（ａ），図９（ｂ）は、上記のような三相の積層コイル部に流れる電流と磁石部３０との相互作用により、磁石部３０が移動する原理を順に示している。磁石部３０は、その延在長がコイル部により形成される磁束の波長の１／２とされているものとする。
なお、図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ）はある時刻における力の波形を示しており、横軸はコイルに対する位置を示す。ある時刻における力の波形は、ある時刻における磁束の波形と同じと考えて良い。それゆえ、後述される図１０〜図１５では、合成磁束の波形を示している。一方、図６（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）、図９（ｂ）は電流波形を示しており、横軸は時間を示す。
図６は三相のコイル電流が時刻Ｔａの時、つまりＵ相の電流値が正の最大値、Ｖ相、Ｗ相の電流値が負の同じ値である時に、各相のコイル電流と磁石部３０の磁束との相互作用により磁石部３０に作用する３つの力とそれらの合力を示す。
図７は、各相のコイル電流が時刻Ｔｂの値に変化することにより、合力の最大値が図６（ａ）のＡ点から図７（ａ）のＢ点、つまり図７（ａ）中右側にシフトしたことを示している。これにより、磁石部３０は図中右方向に移動する。
図８は、各相のコイル電流が時刻Ｔｃの値に変化することにより、合力の最大値が図７（ａ）のＢ点から図８（ａ）中右側のＣ点にシフトしたことを示している。これにより、磁石部３０は更に図中右方向に移動する。
図９は、各相のコイル電流が時刻Ｔｄの値に変化することにより、合力の最大値が図８（ａ）のＣ点から図９（ａ）中右側のＤ点にシフトしたことを示している。これにより、磁石部３０は更に図中右方向に移動する。
以上のように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル部への電流がＴａ→Ｔｂ→Ｔｃ→Ｔｄと変化した時、各相のコイル部に流れる電流と磁石部３０の磁束との相互作用により、移動自在にされている磁石部３０は、電流変化に追随、つまり同期してＡ点→Ｂ点→Ｃ点→Ｄ点のように順に移動する。
図６〜図９のように磁石部３０は移動可能である。しかし、例えば磁石部３０の移動に際して負荷が大きくなり駆動力を多く必要とした場合、積層コイル部の磁束により正確に磁石部３０を駆動することができない場合がある。この場合、積層コイル部の磁束に対して磁石部３０が遅れ無しで確実に動いているかどうかわからない。
この問題点を解決するために、本実施例によるリニアモータは、図１０に示すように、磁石本体３１の中心からあらかじめ定められた距離だけ移動方向に離れた位置に、磁電変換素子としてホール素子（第１のホール素子）４０を備えている。磁電変換素子は磁界強度を電気信号に変換する素子であり、ホールＩＣ、ホール素子、磁気抵抗素子等が知られている。本発明では、これらのいずれの素子を用いても良いが、以下ではホール素子を用いる場合について説明する。
図１０（ａ）、図１０（ｂ）は三相の積層コイル部の合成磁束波形を示す。ホール素子４０は磁界強度を計測するためのものであり、磁石本体３１と共に移動可能である。あらかじめ定められた距離は、磁石本体３１が左右からの力に対してバランスしている状態において、磁石本体３１の中心から積層コイル部の磁束（合成磁束）の１／２波長の整数倍だけ移動方向に進んだ箇所である。ここでも、磁石本体３１の移動方向の延在長は、積層コイル部により形成される合成磁束の波長の１／２としている。
図１０（ａ）は積層コイル部の磁束の１／２波長の２倍だけ移動方向に進んだ箇所にホール素子４０を取り付けた例を示す。図１０（ｂ）は積層コイル部の磁束の１／２波長の１倍だけ移動方向に進んだ箇所にホール素子４０を取り付けた例を示す。
図１０（ａ）の例について説明する。磁石本体３１の移動中、ホール素子４０により磁界強度を測定すると、図１１（ａ）のように、磁石本体３１の中心が合成磁界強度０の位置にある時、つまり同期状態で移動している時にはホール素子４０も合成磁界強度０の位置にあり出力は現れない。しかし、例えば図１１（ｂ）に示すように、同期状態から外れて磁石本体３１の移動が遅れると磁石本体３１の中心も合成磁界強度０の位置から外れ、ホール素子４０は合成磁界強度０の位置よりやや手前に位置することになる。その結果、ホール素子４０はその位置での合成磁界強度に対応した出力（正の値）を発生する。図１１（ｃ）に示すように、磁石部３０の移動が図１１（ｂ）の場合よりも更に遅れると、ホール素子４０は、図１１（ｂ）の場合より更に手前に位置することになる。その結果、ホール素子４０は図１１（ｂ）の場合より更に大きな出力を発生する。つまり、積層コイル部の磁束（合成磁束）に対して磁石本体３１の移動が図１１（ｂ）、図１１（ｃ）のように遅れると、ホール素子４０はその遅れに応じた値の検出信号を発生する。
この検出信号は後述する制御部にフィードバックされる。制御部は、図１２のように、磁石本体３１の遅れに対してコイル電流の振幅を増加させることにより、確実にコイル部の磁束に追随するように磁石本体３１を移動させる走行制御を行う。図示していないが、磁石本体３１の遅れに応じてコイル電流の位相をずらすことにより磁石本体３１の走行制御を行うようにしても良い。
なお、ホール素子４０は、磁石本体３１が遅れると正の検出信号を出力するが、仮に磁石本体３１が進み過ぎた場合には負の検出信号を出力する。この場合、制御部は、コイル電流の振幅を増加させて磁石本体３１に加わる左方向の力を強くするか、又は、位相を上記とは反対方向にずらす制御動作を実行する。コイル電流の振幅あるいは位相制御は、三相のそれぞれについて同じ比率で行われる。いずれにしても制御部は、磁石本体３１の走行中、常に磁石本体３１の中心が合成磁界強度０の位置近くにあるように走行制御を行う。
図１０（ｂ）の例は、図１０（ａ）とは次の点について異なる。まず、上述のようにホール素子４０を取り付ける位置が異なる。このことにより、磁石部３０の移動中、磁石本体３１の中心が合成磁界強度０の位置にない時、つまり同期状態から外れて磁石部３０の移動が遅れている時、ホール素子４０は負の値を持つ出力を発生する点で異なる。図１０（ｂ）のこれらの点以外の態様については図１０（ａ）と同様である。
図１は本発明の第１の実施例によるリニアモータとその制御系の構成図を示す。磁石部３０はスライダ５０に取り付けられている。スライダ５０は、Ｕ相コイル部１０Ｕ、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗから成る積層コイル部の延在方向に移動可能に支持（支持構造は図示省略）されている。上述したように、磁石本体３１の中心から積層コイル部の磁束（合成磁束）の１／２波長の整数倍だけ移動方向に進んだ箇所のスライダ５０にホール素子４０を取り付けている。特に、ホール素子４０は、積層コイル部の両側面のうちの一方にギャップをおいて対向するように配置されている。スライダ５０にはまた、ホール素子４０からの検出信号を無線信号で送信するために、アンテナを含む発信器５１及び送信電力を確保するためのバッテリー５２等を搭載している。バッテリー５２は送信電力を得るためのものであるので、小容量でも長時間の使用が可能である。なお、検出信号は光信号として送信されても良い。
一方、固定部側には、発信器５１からの検出信号を受信するアンテナ６１と、制御部６０に接続され、アンテナ６１からの検出信号を受けて上述したＵ相コイル部１０Ｕ、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗへ流す電流の振幅制御や位相制御を行う事で可動部の走行制御を行う制御部６０とが設置されている。
なお、ホール素子４０の信号は、無線や光を利用する他に、スライダ５０と制御部６０との間を有線で接続するようにしても同じ効果を発揮することができる。この場合、検出信号用の配線は信号線とＧＮＤ線とによる１回線で良く、可動コイルとした場合に三相のコイルに電力を供給するための三相電力ケーブルとは異なり、配線はそれほど難しいことではない。
上記の第１の実施例は三相リニアモータの場合であるが、本発明はＮ相（Ｎは３以上の整数）のリニアモータに適用可能である。この場合、固定子部はコイル部として位相差を持つ電流が流されるＮ相のコイル部を有する。各相のコイル部は時計回りに巻回した第１のコイルと反時計回りに巻回した第２のコイルとを対として移動方向に隣接させると共に直列接続したものを移動方向に複数対配列して成る。第１のコイルと第２のコイルとの延在長を３６０度とした場合、第２相のコイル部は第１相のコイル部に対して（３６０／Ｎ）度だけ移動方向にずらして配置される。第３相のコイル部は第２相のコイル部に対して（３６０／Ｎ）度だけ移動方向にずらして配置される。同様にして、第Ｎ相のコイル部は第（Ｎ−１）相のコイル部に対して（３６０／Ｎ）度だけ移動方向にずらして配置される。勿論、Ｎ相のコイル部は積層される。積層コイル部には磁石部が移動可能に組み合わされる。
また、上記の第１の実施例では、ホール素子４０の取り付け位置を磁石本体３１の中心位置から合成磁束の１／２波長の整数倍の位置としているが、これに限定されない。つまり、ホール素子４０は磁石本体３１の中心位置からの距離があらかじめ定められていれば、どの位置に取り付けられても良い。これは後述する第２の実施例でも同様である。
図１３は、本発明を二相リニアモータに適用した第２の実施例を示す。二相リニアモータの場合、コイル部が二相であることと、制御部による駆動電流の制御動作が二相制御である点を除いて、制御系を含む全体構成は図１に示された構成とほぼ同じである。それ故、リニアモータにおける本発明の要部にのみについて説明する。
図１３において、二相リニアモータはＡ相コイル部１０ＡとＢ相コイル部１０Ｂとを有する。Ａ相コイル部１０Ａについて説明する。Ａ相コイル部１０Ａは、時計回りの矩形状に巻回した第１のコイルと反時計回りの矩形状に巻回した第２のコイルとを対として有する。これら一対のコイルは移動方向に隣接するようにされると共に直列接続される。しかも、複数対のコイルが移動方向に配列されると共に直列接続される。Ａ相コイル部１０Ａは、磁束の発生方向が移動方向に直角、かつ設置面に平行な方向となるように立設される。勿論、隣接する対の間も直列接続される。第１の実施例と同様、一対のコイルの延在長を３６０度とする。Ａ相コイル部１０Ａと同様にＢ相コイル部１０Ｂを作り、Ａ相コイル部１０Ａから９０度ずらしてＡ相コイル部１０ＡにＢ相コイル部１０Ｂを積層する。勿論、積層方向は、磁束の発生方向、つまり移動方向に直角かつ設置面に平行な方向とする。磁石部３０は、第１の実施例と同じもので良い。つまり、磁石部３０は略逆Ｕ字形状を有し、その移動方向の延在長を、積層コイル部により形成される合成磁束の波長の１／２としている。そして、第１の実施例と同様、磁石部３０の磁石本体の中心から積層コイル部の磁束（合成磁束）の１／２波長の整数倍だけ移動方向に進んだ箇所のスライダにホール素子４０が取り付けられる。前述したように、ホール素子４０は、積層コイル部の両側面のうちの一方にギャップをおいて対向するように配置される。
リニアモータとしての動作、ホール素子４０の機能、ホール素子４０からの検出信号を用いた走行制御動作は、第１の実施例とほぼ同じであるので説明は省略する。
上記の第１、第２の実施例では、磁石部３０の移動方向の長さをコイルにより形成される磁束（合成磁束）の波長の１／２の長さとし、磁石本体３１として１個の磁石を使用する場合について説明した。代わりに、図１４（ａ）〜図１４（ｃ）に示すように、２個以上の磁石をＮ極−Ｓ極−Ｎ極というように交互に合成磁束の波長の１／２ピッチで配置するようにしても良い。このような磁石部を用いることにより、大きな駆動力を得ることができる。
図１４（ａ）は磁石本体３１が１個の場合を示し、図１４（ｂ）は２個の磁石本体３１、３１−１を用いる場合を示す。また、図１４（ｃ）は３個の磁石本体３１、３１−１、３１−２、を用いる場合を示している。勿論、磁石本体３１、３１−１、３１−２のそれぞれの長さは、コイルにより形成される磁束（合成磁束）の波長の１／２以下であれば良い。
図１５（ａ）〜図１５（ｄ）に示すように、スライダ５０（図１参照）に２つのホール素子４０ａ、４０ｂを備えることによりスライダ５０の現在位置を正確に把握することができる。この場合、ホール素子４０ａは第１のホール素子、ホール素子４０ｂは第２のホール素子と呼ばれても良い。
図１５（ａ）において、磁石本体３１の中心とホール素子４０ａとを結ぶ線分上であってホール素子４０ａとは別の位置にホール素子４０ｂが配置される。言い換えれば、２つのホール素子４０ａ、４０ｂは、磁石本体３１の中心が合成磁界強度０の位置にある時、ホール素子４０ａ、４０ｂが異なる位置で同じ強さの合成磁束を受けることができるように配置される。例えば、ホール素子４０ａは磁石本体３１の中心から合成磁束の（２２５／３６０）波長分［５π／４（ｒａｄ）］だけ進んだ位置に配置し、ホール素子４０ｂは磁石本体３１の中心から合成磁束の（３１５／３６０）波長分［７π／４（ｒａｄ）］だけ進んだ位置に配置する。つまり、ホール素子４０ｂは、ホール素子４０ａから合成磁束の（１／４）波長分［π／２（ｒａｄ）］だけずれた位置に配置されている。
このように２つのホール素子４０ａ、４０ｂを使用すると、合成磁界強度を検出できる他、ホール素子４０ａ、４０ｂの検出信号のレベルを比較することでスライダ５０の位置を検出できる。すなわち、磁石本体３１の中心が合成磁界強度０の位置に対して遅れている量をより正確に判別をすることができる。
以上の検出能力により、電源投入時に磁石本体３１の中心を合成磁界強度０の位置に合わす動作である磁極検知動作（力率検知動作とも言う）の時に磁石本体３１すなわちスライダ５０を大きく動かさずに、合成磁束を作っているコイル電流の位相を変えて磁極検知することができる。
図１５（ａ）〜図１５（ｄ）を使用して説明すると次のようになる。磁極検知動作無しの場合は、電源投入時に磁石本体３１が図１５（ｃ）の位置にある時、磁石本体３１は合成磁束により右方向に力を受けて、図１５（ｃ）→図１５（ｂ）→図１５（ａ）と動いて、磁石本体３１は図１５（ａ）の位置で左右からの力がバランスして停止する。
磁極検知動作がある場合は、電源投入時に磁石本体３１が図１５（ｃ）の位置にある時、電源投入と同時にホール素子４０ａ、４０ｂの検出信号レベルを後述する図１６の制御部６０で比較して磁石本体３１と合成磁束の位相ずれ量を計算する。制御部６０は、計算した位相ずれ量に応じて図１５（ｄ）のように合成磁束の位相を制御して、磁石本体３１に位置に合成磁束の位相を合わせる。これは、電源投入時に磁石本体３１を動かすこと無く、合成磁束の位相合わせを行うことができることを意味する。
図１６は、前述した三相リニアモータ用の制御部６０の内部構成を示す。この制御部６０は、図１０のようにホール素子が１個のみ備えられる場合、図１５のようにホール素子が２個備えられる場合、あるいは３個以上備えられる場合のいずれにも適用され得る。
制御部６０は、ＣＰＵ６０−１、記憶装置６０−２、発振器６０−３、発振器６０−３の出力パルスをカウントするカウンター６０−４を含む。制御部６０はまた、Ｕ相コイル部１０Ｕ用のドライブ系として波形変換器６０−５Ｕ、Ｄ／Ａ変換器６０−６Ｕ、電流増幅器６０−７Ｕを備える。制御部６０は更に、Ｖ相コイル部１０Ｖ用のドライブ系として波形変換器６０−５Ｖ、Ｄ／Ａ変換器６０−６Ｖ、電流増幅器６０−７Ｖを備え、Ｗ相コイル部１０Ｗ用のドライブ系として波形変換器６０−５Ｗ、Ｄ／Ａ変換器６０−６Ｗ、電流増幅器６０−７Ｗを備える。
なお、図１６では制御部６０の機能を理解し易くするために発振器６０−３を独立した構成要素として示しているが、実際には発振器６０−３の機能はＣＰＵ６０−１で実現される。つまり、ＣＰＵ６０−１はクロックパルス生成機能を有する。勿論、ＣＰＵ６０−１とは別に、周知のパルス生成器が備えられても良いことは言うまでも無い。
ＣＰＵ６０−１には、電源投入時に図示しない設定値入力部から初期データが与えられる。初期データというのは、本リニアモータに固有の固定データである。例えば、ホール素子により合成磁界強度を測定し、磁石本体３１の位置に対して積層コイル部により形成される合成磁界の位相を合わせる磁極検知（力率検知）動作や、スライダ５０を原点センサ（図示せず）に合わせて原点位置データを取得する原点サーチ動作等を行うために必要なデータである。
ＣＰＵ６０−１にはまた、スライダ５０の走行開始に先立ち、設定値入力部から可変データが与えられる。可変データというのは、必要に応じて変更可能なデータであり、例えばスライダ５０の走行速度データ、停止位置（目標位置）データ等である。ＣＰＵ６０−１は、上記の固定データ、可変データを受信すると記憶装置６０−２に記憶する。
ＣＰＵ６０−１は、スライダ５０の走行制御を開始する際には、記憶装置６０−２から上記の各種データを読み出し、読み出したデータに基づいて発振器６０−３の発振周波数を決定して発振器６０−３を発振させる。発振器６０−３からの出力パルスはカウンター６０−４でカウントされ、カウント値が波形変換器６０−５Ｕ、６０−５Ｖ、６０−５Ｗに出力される。波形変換器６０−５Ｕ、６０−５Ｖ、６０−５Ｗは、それぞれカウンター６０−４のカウント値に基づいてＵ相コイル部１０Ｕ、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｖに流す電流波形を規定する波形データを作成し、ディジタルデータとして出力する。これらのディジタルデータはＤ／Ａ変換器６０−６Ｕ、６０−６Ｖ、６０−６Ｗによりアナログ電流に変換される。電流増幅器６０−７Ｕ、６０−７Ｖ、６０−７Ｗは、それぞれＤ／Ａ変換器６０−６Ｕ、６０−６Ｖ、６０−６Ｗからのアナログ電流を増幅して、上記の波形データに対応する波形を持つＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流をＵ相コイル部１０Ｕ、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗに流す。
ＣＰＵ６０−１はまた、必要に応じて電流増幅器６０−７Ｕ、６０−７Ｖ、６０−７Ｗに対してコイル電流の振幅制御、位相制御のための制御信号Ｓ１を出力する。
ホール素子４０ａ、４０ｂの検出信号がＣＰＵ６０−１に入力された場合に行われる制御を説明すると次のようになる。図１５（ａ）で説明したように、スライダ５０（図１）、つまり磁石本体３１に遅れが生じていない場合、ホール素子４０ａ、４０ｂの検出信号のレベルはいずれも正でかつ同じ値である。この場合、ＣＰＵ６０−１は、ホール素子４０ａ、４０ｂの検出信号のレベルがいずれも正でかつ同じ値であれば、スライダ５０は合成磁束に同期して移動している、つまり遅れは発生していないと判定する。
しかし、図１５（ｂ）に示すように、磁石本体３１に遅れが生じ始めると、ホール素子４０ａの検出信号のレベルは減少し始め、ホール素子４０ｂの検出信号のレベルは増加し始める、つまり、図１５（ｂ）は、スライダ５０に大きな負荷がかかり、磁石本体３１に遅れが生じた場合を示している。磁石本体３１はスライダ５０と共に移動するので、スライダ５０の遅れと磁石本体３１の遅れは同じである。それゆえ、以下では遅れの対象を磁石本体３１として説明を行う。磁石本体３１が同期状態（正常状態）から遅れた場合、ＣＰＵ６０−１は以下の制御動作を実行する。
ＣＰＵ６０−１は、ホール素子４０ａ、４０ｂからの検出信号を基に磁石本体３１（スライダ５０）の位置と各コイル部に流れている電流を把握する。磁石本体３１に遅れがある場合、ＣＰＵ６０−１は電流増幅器６０−７Ｕ、６０−７Ｖ、６０−７Ｗに電流振幅を増加することを示す制御信号Ｓ１を出力する。その結果、Ｕ相コイル部１０Ｕ、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗに流れる電流振幅が増加される。これにより、積層コイル部が形成する合成磁界強度が増大し、磁石本体３１にはその中心が合成磁界強度０の位置に位置するように推力が作用する。
しかし、それでもスライダ５０にかかる負荷が大きくて磁石本体３１が合成磁束に追従しない時は、磁石本体３１は図１５（ｃ）に示すように、図１５（ａ）の同期状態から合成磁束の（１／４）波長［π／２（ｒａｄ）］分だけ遅れてしまう。この場合、ホール素子４０ａ、４０ｂの検出信号のレベルは同じ値であるが極性は異なる。つまり、ホール素子４０ａの検出信号のレベルは負、ホール素子４０ｂの検出信号のレベルは正である。これは、ホール素子４０ａ、４０ｂの検出信号のレベルが正で同じ値である状態から、ホール素子４０ａ、４０ｂの検出信号のレベルが同じで極性が異なる状態までの間は、磁石本体３１の遅れは合成磁束の（１／４）波長［π／２（ｒａｄ）］未満であることを意味する。ＣＰＵ６０−１は、ホール素子４０ａ、４０ｂの検出信号のレベル及び極性の相関関係から上記の判別を行う。ＣＰＵ６０−１はまた、上記の相関関係から磁石本体３１の遅れがどの程度であるかを距離で算出することができる。この場合の距離は、同期状態において磁石本体３１があるべき位置から外れた距離を意味する。
図１５（ｃ）の遅れ状熊になると、ＣＰＵ６０−１は、ホール素子４０ａ、４０ｂからの検出信号を基に、発振周波数を下げるように発振器６０−３に指示を出す。その結果、Ｕ相コイル部１０Ｕ、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗに流れる電流の周波数が低下し、合成磁束の進む速度（合成磁束の変化速度）が遅くなるので、スライダ５０は合成磁束に追随し易くなる。
しかし、それでも、移動中である磁石本体３１が遅れる場合、ＣＰＵ６０−１は、まず発振器６０−３を停止させる。この場合、カウンター６０−４は発振器６０−３停止時のカウント値を保持し続ける。そして、更に遅れが続くのであれば、カウンター６０−４のカウント値を減らす。この場合は、Ｕ相コイル部１０Ｕ、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗに流れる電流はＷ相→Ｖ相→Ｕ相→Ｗ相→Ｖ相・・・と今までカウンター６０−４のカウント値が増加していた時とは逆となり、合成磁束の進む方向も逆となって、図１５で示すと図１５（ｃ）から図１５（ｄ）の方向に進むこととなる。この場合、時間の経過と共に図１５中、右から左へと移動していた合成磁束皮形を、図１５（ｃ）から図１５（ｄ）の波形となるように逆行させることで磁石本体３１の遅れを解消することができる。
上記のようにして、ＣＰＵ６０−１は、磁石本体３１の中心が合成磁界強度０の位置にある同期状態から合成磁束の（１／４）波長以上は遅れないようにしている。つまり、磁石本体３１は、同期状態から合成磁束の（１／４）波長近くまで遅れることはあっても脱調することは無い。
以上の説明は、負荷に起因して磁石本体３１が正常状態（同期状態）から遅れる場合であるが、停止している磁石本体３１を強制的に前進させようとした場合も、磁石本体３１が正常状態から合成磁束の１／４波長まで進む間は、Ｕ相コイル部１０Ｕ、Ｖ相コイル部１０Ｖ、Ｗ相コイル部１０Ｗの電流は増加されるが、磁石本体３１が正常状態から合成磁束の１／４波長以上になると、ＣＰＵ６０−１はカウンター６０−４のカウント値を増加させ、合成磁束の波形を前（図１５では右側）に進める。
スライダ５０は、原点センサの位置に対応する原点位置から走行を開始するものとする。前述したように、走行開始後のスライダ５０の走行速度、停止位置（目標位置）、つまり原点位置からの移動距離は、外部の設定値入力部から可変データとしてＣＰＵ６０−１に入力され、記憶装置６０−２に記憶されている。ＣＰＵ６０−１は、走行開始に際し、記憶装置６０−２から上記の可変データを読み出す。ＣＰＵ６０−１は、読み出した可変データに基づいて上記の走行速度、移動距離を実現するために必要な発振器６０−３の発振周波数Ｆ１、総出力パルス数Ｐ１を算出し、算出値に基づいて発辰器６０−２を制御する。この時、ＣＰＵ６０−１は、総出力パルス数Ｐ１の算出のために、発振器６０−３の出力パルス１周期当たりのスライダ５０の移動距離Ｌ１も算出する。ＣＰＵ６０−１は、これらの算出値を保持する。
ＣＰＵ６０−１は、カウンター６０−４のカウント値に上記の移動距離Ｌ１を乗算してスライダ５０の現在位置を算出する。ＣＰＵ６０−１はまた、総出力パルス数Ｐ１とカウンター６０−４のカウント値とを比較し、両者の差が０になるまで発振器６０−２の発振を継続させる。総出力パルス数Ｐ１とカウンター６０−４のカウント値との差が０になると、ＣＰＵ６０−１はスライダ５０が目標位置に到達したものとして発振器６０−２の発振を停止させる。
発振器６０−２の発振を停止させると、停止させる直前に流された各電流値が引き続き各相コイル部に供給されることとなる。これにより時間の経過と共に合成磁束波形が移動しなくなり、磁石本体３１（スライダ５０）は一定の位置に保持される。
上記の説明で明らかなように、スライダ５０の現在位置は、カウンター６０−４のカウント値に移動距離Ｌ１を乗算して算出する。ここで、磁石本体３１が図１５（ａ）のように、合成磁束の安定停止位置に対して合成磁束の１／４波長以上位置がずれると、これがホール素子４０で検出される。この場合、ＣＰＵ６０−１は、カウンター６０−４の数値を加算あるいは減算し、ホール素子４０のずれを解消するように制御する。ＣＰＵ６０−１はまた、カウンター６０−４のカウント値を見る事によりスライダ５０（磁石本体３１）の位置を正確に把握することができる。ホール素子が１個であっても、ホール素子が２個の場合と同様な効果が得られる。しかし、ホール素子が２個の場合の方が磁石本体３１の位置をより詳しく把握できるためより早くカウンター６０−４のカウント値の修正ができ、これにより磁石本体３１の位置を精密に制御できる。なお、ホール素子の数は１個あるいは２個に限らず、３個以上が備えられても良い。
なお、センサを３個以上備える場合には、誤差のある位置情報を除外して位置を算出することができるため磁石３１の制御をより精密に行うことができる。

本発明によるリニアモータは、可動部に磁電変換素子を１個組み合わせるだけで正確な走行制御を維持することができる。一方、磁電変換素子を２個以上組み合わせることで磁石本体の正確な位置が解るため、電源投入時に磁石本体が同期状態となる位置に無かった場合であっても磁石本体の移動を防ぐ磁極検知（力率検知）動作制御を行うことができると共に、位置検出用の高価なリニアスケールを省略することができるので大幅なコスト削減ができる。本発明によるリニアモータは、半導体基板や液晶基板等のワークを搬送する搬送装置に適している。

Claims (5)

1. 移動方向に直列的に並べて固定配置されたコイル部を持つ固定子部と、前記コイル部で発生される磁束と作用して前記移動方向に移動可能であるように組み合わされた１つ以上の磁石を持つ可動子部とを備えたリニアモータにおいて、
   前記固定子部は前記コイル部として位相差を持つ電流が流されるＮ相（但し、Ｎは３以上の整数）のコイル部を有し、各相のコイル部は時計回りに巻回した第１のコイルと反時計回りに巻回した第２のコイルとを対として移動方向に隣接させると共に直列接続したものを移動方向に複数対配列して成り、しかも前記第１のコイルと第２のコイルとの延在長を３６０度とし、第２相のコイル部は第１相のコイル部に対して（３６０／Ｎ）度だけ、第３相のコイル部は前記第２相のコイル部に対して（３６０／Ｎ）度だけ、第Ｎ相のコイル部は第（Ｎ−１）相のコイル部に対して（３６０／Ｎ）度だけそれぞれ移動方向に関してずらし、かつ重ねて設置されており、
   前記Ｎ相のコイル部に前記磁石が組み合わされ、該磁石の移動方向の長さを前記コイルにより形成される磁束の波長の１／２以下の長さとし、
   前記可動子部には、前記磁石の中心からあらかじめ定められた距離だけ移動方向に離れた位置に第１の磁電変換素子が取り付けられ、該第１の磁電変換素子の出力に基づいて各コイル部への電流の制御を行うことを特徴とするリニアモータ。
2. 移動方向に直列的に並べて固定配置されたコイル部を持つ固定子部と、前記コイル部で発生される磁束と作用して前記移動方向に移動可能であるように組み合わされた１つ以上の磁石を持つ可動子部とを備えたリニアモータにおいて、
   前記固定子部は前記コイル部として９０度の位相差を持つ電流が流されるＡ相、Ｂ相のコイル部を有し、各相のコイル部は時計回りに巻回した第１のコイルと反時計回りに巻回した第２のコイルとを対として移動方向に隣接させると共に直列接続したものを移動方向に複数対配列して成り、しかも前記第１のコイルと第２のコイルとの延在長を３６０度とし、前記Ｂ相のコイル部は前記Ａ相のコイル部に対して９０度だけ移動方向に関してずらし、かつ重ねて設置されており、
   前記Ａ相、Ｂ相のコイル部に前記磁石が組み合わされ、該磁石の移動方向の長さを前記コイルにより形成される磁束の波長の１／２以下の長さとし、
   前記可動子部には、前記磁石の中心からあらかじめ定められた距離だけ移動方向に離れた位置に第１の磁電変換素子が取り付けられ、該第１の磁電変換素子の出力に基づいて各コイル部への電流の制御を行うことを特徴とするリニアモータ。
3. 前記第１の磁電変換素子の検出信号を無線信号あるいは光信号で固定部側に設置された受信機に送信するようにしたことを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載のリニアモータ。
4. 前記あらかじめ定められた距離は、前記コイルにより形成される磁束の１／２波長の整数倍の値にされることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のリニアモータ。
5. 前記可動子部には更に、前記磁石の中心と前記第１の磁電変換素子とを結ぶ線分上であって前記第１の磁電変換素子とは別の位置に少なくとも１個の第２の磁電変換素子が取り付けられ、前記第１の磁電変換素子と前記第２の磁電変換素子との間の距離は前記コイルにより形成される磁束の１／４波長の値にされ、前記第１の磁電変換素子、第２の磁電変換素子の検出信号は無線信号あるいは光信号で固定部側に設置された受信機に送信するようにされ、前記受信機で受信された前記第１の磁電変換素子、第２の磁電変換素子の検出信号を受けて前記可動子部の位置制御を行う制御部を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のリニアモータ。

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