JP2003061329A

JP2003061329A - リニアモータおよびこれを用いたステージ装置

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Publication number: JP2003061329A
Application number: JP2001248899A
Authority: JP
Inventors: Masashi Tamai; 真史玉井; Ryuichiro Tominaga; 竜一郎富永; Yoshiaki Kubota; 義昭久保田; Takao Fujii; 崇男藤井
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2003-02-28
Anticipated expiration: 2021-08-20
Also published as: JP3793871B2

Abstract

(57)【要約】【課題】水平方向に移動させるリニアモータを昇降移動
機構を有するステージ装置などの用途に適用した場合
に、渦電流による粘性制動力を発生することなく、可動
子の推力低下を防止することができる、冷却性の良いリ
ニアモータおよびこれを用いたステージ装置を提供す
る。【解決手段】界磁極を構成する複数の永久磁石３を直線
状に並べて配置した界磁ヨーク２と、永久磁石３の磁石
列と磁気的空隙を介し、磁石列の長手方向に向かって平
行に対向配置したコイル列６を有する電機子５と、電機
子５を支持するためフレーム７と、を備えたリニアモー
タにおいて、永久磁石３は、その磁石列が配置される長
手方向と直交する方向の長さを、コイル列６の電機子５
の長手方向と直交する方向の長さより大きくしたもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＦＡ機器の搬送シ
ステムなど、高速・高精度に位置決めすることが要求さ
れる用途に適するリニアモータおよびこれを用いたステ
ージ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、基板などの被加工物や被計測物
などを、高速・高精度に位置決めすることが要求されて
いるＦＡ機器の搬送システム、例えばステージ装置など
の用途においては、位置決め精度および応答性に優れた
リニアモータが適用されている。従来のリニアモータを
ＦＡ機器の搬送システムなどに用いた一般的な適用例と
しては、図５のようになっている。図５は従来のリニア
モータをステージ装置に適用した例を示すものであっ
て、（ａ）はその正面図、（ｂ）はＸ軸リニアモータの
側面図であり、可動子と固定子の位置関係を表すために
透視したものである。図において、１０はＺ軸リニアモ
ータ、１１はＺ軸アクチュエータ、１２はスライダ、１
３はガイドレール、１４は移動ステージ、１５は固定
台、２１はＸ軸リニアモータ、２２は界磁ヨーク、２３
は永久磁石、２４はヨークベース、２５は電機子、２６
はコイル列、２７はフレームである。ステージ装置は、
固定台１５上を紙面と垂直方向となるようなＸ軸方向に
往復移動自在であるＸ軸リニアモータ２１と、Ｘ軸リニ
アモータ２１上をＺ軸方向に往復移動自在であるＺ軸リ
ニアモータ１０と、Ｘ軸リニアモータ２１の上部に配設
され、被加工物や被計測物などを載置するための移動ス
テージ１４と、Ｚ軸リニアモータ１０側と固定台１５側
にそれぞれ設けたスライダ１２とガイドレール１３とよ
りなるリニアガイドで構成されている。このうち、一方
のＸ軸リニアモータ２１は、Ｎ極、Ｓ極の極性が交互に
異なるように界磁極を構成する複数の永久磁石２３が２
列の界磁ヨーク２２の側面に直線状に並べて配置され、
各々の界磁ヨーク２２の間にヨークベース２４を配設し
て固定子を構成している。また、Ｘ軸リニアモータ２１
は、永久磁石２３の磁石列と磁気的空隙を介してコアレ
ス型の電機子２５を対向配置し、これを可動子としてい
る。この電機子２５は、平板状に成形してなる複数個の
コイル列２６を有すると共に、該コイル列２６を図示し
ない金属や樹脂からなる芯金の両面に直線状に並べて配
置し、図示しない樹脂モールドなどにより固定して一体
化している。さらに、電機子２５の上部には、その長手
方向に沿ってステンレス製のフレーム２７を設け、例え
ば、電機子の芯金（不図示）の一部をフレーム２７に挿
入して、電機子２５とフレーム２７を固定するようにな
っている。他方のＺ軸リニアモータ１０においては、Ｚ
軸アクチュエータ１１を例えば、一般的に公知である円
筒形状をした可動子と固定子からなる機構で構成し、Ｘ
軸リニアモータ２１がＸ軸方向に移動した際にも、独立
してＺ軸方向に自在に移動できるようになっている。こ
のような構成において、図５は、Ｚ軸アクチュエータ１
１の昇降位置を、Ｘ軸リニアモータ２１の可動子である
コイル列２６と固定子である永久磁石２３とが高さ方向
にちょうど重なる位置になるようした場合を示したもの
であるが、Ｘ軸リニアモータ２１は、図示しない電源よ
り各相のコイル列２６に電流を印加すると、コイル列２
６には永久磁石２３との電磁作用により、コイル列２６
と永久磁石２３間の磁気的空隙部中に形成された磁界か
らコイル列２６の長手方向に向かって電磁力が働いて推
力を発生し、滑らかな直線移動を行う。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来技術で
は、以下のような問題があった。（１）図６は従来のＸ軸リニアモータの可動子が固定子
に対して最上部の位置に昇降移動した際の状態を示すも
のであって、（ａ）はその正面図、（ｂ）その側面図で
ある。図７は従来のＸ軸リニアモータの可動子が固定子
に対して最下部の位置に昇降移動した際の状態を示すも
のであって、（ａ）はその正面図、（ｂ）その側面図で
ある。なお、各図においてＳはＺ軸リニアモータの昇降
ストロークを示している。図５に示すようにコイル列２
６と永久磁石２３の形状は高さ方向に同等の大きさであ
るので、コイル列２６が図６に示すようにＺ軸の上方向
に移動するとコイル列２６が永久磁石２３の上部からは
み出してしまう。また、コイル列２６が図７に示すよう
にＺ軸の下方向に移動するとコイル列２６が永久磁石２
３の下部からはみ出してしまう。このため、コイル列２
６が永久磁石２３からはみ出した分だけ、コイル列２６
に流れる駆動に寄与するコイル電流が低下するため、Ｘ
軸リニアモータ２１を例えば、Ｚ軸アクチュエータ１１
によって昇降方向となるＺ軸方向に昇降させながら、水
平移動方向となるＸ軸方向に移動させる場合には、Ｘ軸
リニアモータ２１の推力が低下してしまうという問題が
あった。（２）また、（１）において、Ｘ軸リニアモータ２１を
昇降させた場合に、ステンレス製のフレームが永久磁石
に対向すると渦電流による粘性制動力が発生し、可動子
の推力のロスにつながるという問題があった。（３）また、Ｘ軸リニアモータ２１においては、電機子
５あるいはフレーム７に何の冷却対策も講じられていな
いため冷却性が悪い。そのため、コイル列６の温度上昇
が大きいと、コイル列６で生じた熱がフレーム７を介し
て移動ステージ１４に熱伝導した際、移動ステージ１４
が熱変形を起こして、ステージ装置全体の位置決め精度
に影響を与えるという、問題があった。本発明は、上記課題を解決するためになされたものであ
り、水平方向に移動させるリニアモータを、昇降移動機
構を有するステージ装置などの用途に適用した場合に、
渦電流による粘性制動力を発生することなく、可動子の
推力低下を防止することができる、冷却性の良いリニア
モータおよびこれを用いたステージ装置を提供すること
を目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の本発明は、交互に極性が異なるように界
磁極を構成する複数の永久磁石を直線状に並べて配置し
た界磁ヨークと、前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を
介し、磁石列の長手方向に向かって平行に対向配置した
コイル列を有する電機子と、前記電機子を支持するため
フレームとを備え、前記界磁極と前記電機子との何れか
一方を固定子に、他方を可動子として、前記界磁極と前
記電機子を相対的に走行するようにしたリニアモータに
おいて、前記永久磁石は、その磁石列が配置される長手
方向と直交する方向の長さを、前記コイル列の電機子の
長手方向と直交する方向の長さより大きくしたものであ
る。請求項２の本発明は、請求項１記載のリニアモータ
において、前記フレームが絶縁体によって構成されたも
のである。請求項３の本発明は、請求項２記載のリニア
モータにおいて、前記絶縁体がセラミックとしたもので
ある。請求項４の本発明は、請求項１から３までの何れ
か１項に記載のリニアモータ。前記フレームが内部に冷
却ジャケットを有したものである。請求項５の本発明
は、請求項１から４までの何れか１項に記載のリニアモ
ータにおいて、これによって駆動される移動ステージを
有するステージ装置としたものである。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図に基づ
いて説明する。図１は本発明の第１の実施例によるリニ
アモータをステージ装置に適用した例を示す正面図であ
る。なお、本発明が従来と同じ構成要素については同じ
符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。図
において、１はＸ軸リニアモータ、２は界磁ヨーク、３
は永久磁石、４はヨークベース、５は電機子、６はコイ
ル列、７はフレームである。本発明が従来と異なる点
は、以下のとおりである。Ｘ軸リニアモータ２１におけ
る永久磁石３は、その磁石列が配置される長手方向と直
交する方向の長さを、コイル列６の電機子５の長手方向
と直交する方向の長さより大きくした点である。また、
フレーム７を絶縁体によって構成してあり、特に絶縁体
にセラミックを用いると好ましい。

【０００６】図２は本発明の第１の実施例によるＸ軸リ
ニアモータの可動子が固定子に対して最上部の位置に昇
降移動した際の状態を示すものであって、（ａ）はその
正面図、（ｂ）その側面図である。図３は本発明の第１
の実施例によるＸ軸リニアモータの可動子が固定子に対
して最下部の位置に昇降移動した際の状態を示すもので
あって、（ａ）はその正面図、（ｂ）その側面図であ
る。なお、各図においてＳはＺ軸リニアモータの昇降ス
トロークを示しておる。第１の実施例は、Ｘ軸リニアモ
ータ１の永久磁石３は、その磁石列が配置される長手方
向と直交する方向の長さが、コイル列６の電機子５の長
手方向と直交する方向の長さより大きくしてあるため、
図２に示すように可動子のコイル列６が多少Ｚ軸の上方
向に移動しても、コイル列６が永久磁石３の上部からは
み出してしまうことはない。また、図３に示すようにコ
イル列６が多少Ｚ軸の下方向に移動してもコイル列６が
永久磁石３の下部からはみ出してしまうこともない。こ
のため、コイル列６が永久磁石３からはみ出さないた
め、コイル列６に流れる駆動に寄与するコイル電流が低
下することはない。このような水平方向に移動させるＸ
軸リニアモータを、昇降移動機構を有するステージ装置
などと組み合わせてＺ軸方向に昇降させながら水平移動
させると、Ｘ軸リニアモータ１の推力を低下することな
く、高精度に移動させることができる。また、フレーム
７をセラミックからなる絶縁体によって構成したため、
Ｘ軸リニアモータ１を昇降させた場合に、セラミック製
のフレーム７が永久磁石３にかかっても渦電流による粘
性制動力が発生することなく、可動子の推力低下を防ぐ
ことができる。

【０００７】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。図４は本発明の第２の実施例によるＸ軸リニアモ
ータの正面図である。第２の実施例が第１の実施例と異
なる点は、フレーム９の内部に冷却ジャケット８を設
け、図示しない冷媒供給装置から冷却ジャケット８に冷
媒を供給するようにしたものである。この際、可動子を
駆動させるためのコイル電流がコイル列６に流れると、
コイル列６は内部抵抗により発熱を起こすが、コイル列
６で発生した熱は、コイル列６を保持する芯金（不図
示）を介してフレーム７に伝熱した後、冷却ジャケット
８の内部を循環する冷媒によって熱交換される。よっ
て、冷却ジャケット８により、電機子５全体の冷却性能
を良好にすることができる。そして、フレーム７で効率
的に熱交換されるため、移動ステージ１４の熱変形を防
ぐことができ、ステージ装置全体の位置決め精度への影
響を防止することができる。

【０００８】なお、本実施例では、リニアモータの電機
子を可動子に、界磁極を固定子とした構成を例にとり説
明したが、リニアモータの電機子を固定子に、界磁極を
可動子とした構成にしても構わない。また、本実施例で
は、電機子コイルのコイル列が２列の例を用いて説明し
たが、コイル列が３列構造のものでも良く、その際、コ
イル列数と相数の組合せが限定されるものでない。

【０００９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、以
下の効果がある。（１）第１の実施例は、Ｘ軸リニアモータの永久磁石
は、その磁石列が配置される長手方向と直交する方向の
長さが、コイル列の電機子の長手方向と直交する方向の
長さより大きくしてあるため、可動子のコイル列が固定
子に対して多少、上下方向に移動しても、コイル列が永
久磁石の上部あるいは下部の位置からはみ出してしまう
ことはなく、コイル列に流れる駆動に寄与するコイル電
流の低下を防止することができる。このような水平方向
に移動させるＸ軸リニアモータを、昇降移動機構を有す
るステージ装置などと組み合わせてＺ軸方向に昇降させ
ながら、水平移動させるとＸ軸リニアモータの推力を低
下することなく、高精度に移動させることができる。ま
た、フレームをセラミックからなる絶縁体によって構成
したため、Ｘ軸リニアモータを昇降させた場合に、セラ
ミック製のフレームが永久磁石にかかっても渦電流によ
る粘性制動力が発生することなく、可動子の推力低下を
防ぐことができる。（２）第２の実施例は、フレームの内部に冷媒を供給し
熱交換する冷却ジャケットを設けたため、コイル列で発
生した熱がコイル列を保持する芯金を介してフレームに
伝熱した後、冷却ジャケットの内部を循環する冷媒によ
って熱交換され、電機子全体の冷却性能を良好にするこ
とができる。そして、フレームで効率的に熱交換される
ため、移動ステージの熱変形を防ぐことができ、ステージ
装置全体の位置決め精度への影響を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるリニアモータをス
テージ装置に適用した例を示す正面図である。

【図２】本発明の第１の実施例によるＸ軸リニアモータ
の可動子が固定子に対して最上部の位置に昇降移動した
際の状態を示すものであって、（ａ）はその正面図、
（ｂ）その側面図である。

【図３】本発明の第１の実施例によるＸ軸リニアモータ
の可動子が固定子に対して最下部の位置に昇降移動した
際の状態を示すものであって、（ａ）はその正面図、
（ｂ）その側面図である。

【図４】本発明の第２の実施例によるＸ軸リニアモータ
の正面図である。

【図５】従来のリニアモータをステージ装置に適用した
例を示すものであって、（ａ）はその正面図、（ｂ）は
Ｘ軸リニアモータの側面図であり、可動子と固定子の位
置関係を表すために透視したものである。

【図６】従来のＸ軸リニアモータの可動子が固定子に対
して最上部の位置に昇降移動した際の状態を示すもので
あって、（ａ）はその正面図、（ｂ）その側面図であ
る。

【図７】従来のＸ軸リニアモータの可動子が固定子に対
して最下部の位置に昇降移動した際の状態を示すもので
あって、（ａ）はその正面図、（ｂ）その側面図であ
る。

【符号の説明】

１Ｘ軸リニアモータ（本発明のリニアモータ）２界磁ヨーク３永久磁石４ヨークベース５電機子６コイル列７フレーム８冷却ジャケット１０Ｚ軸リニアモータ１１Ｚ軸アクチュエータ１２スライダ１３ガイドレール１４移動ステージ１５固定台

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤井崇男福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号株式会社安川テクノサポート内Ｆターム(参考） 5F046 CC03 CC05 CC18 5H609 BB08 PP02 QQ08 QQ12 RR27 RR32 RR37 5H641 BB06 BB15 BB18 BB19 GG02 GG03 GG05 GG07 GG12 HH02 HH03 HH14 HH16 JB04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交互に極性が異なるように界磁極を構成
する複数の永久磁石を直線状に並べて配置した界磁ヨー
クと、前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を介し、磁石
列の長手方向に向かって平行に対向配置したコイル列を
有する電機子と、前記電機子を支持するためフレームと
を備え、前記界磁極と前記電機子との何れか一方を固定
子に、他方を可動子として、前記界磁極と前記電機子を
相対的に走行するようにしたリニアモータにおいて、前記永久磁石は、その磁石列が配置される長手方向と直
交する方向の長さを、前記コイル列の電機子の長手方向
と直交する方向の長さより大きくしたことを特徴とする
リニアモータ。
【請求項２】前記フレームが絶縁体によって構成されて
いることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
【請求項３】前記絶縁体がセラミックであることを特徴
とする請求項２記載のリニアモータ。
【請求項４】前記フレームが内部に冷却ジャケットを有
していることを特徴とする請求項１から３までの何れか
１項に記載のリニアモータ。
【請求項５】請求項１から４までの何れか１項に記載の
リニアモータにおいて、これによって駆動される移動ス
テージを有するステージ装置。