JP2004104858A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】電機子コイルによるモータ外部への漏洩磁束を電流位相に依らず大幅に抑えることができるリニアモータを提供することを目的とする。
【解決手段】リニアモータの永久磁石（図示せず）と磁気的ギャップを介して対向配置される電機子コイルは、主コイル群４ａと、主コイル群４ａの両側に配置した２つの補助コイル群４ｂより構成される。当該補助コイル群４ｂによって作られる磁束がそれぞれ隣り合う主コイル群４ａによって作られる磁束と逆向きとなるように補助コイル群４ｂの各コイルの電流位相をそれぞれ隣り合う主コイル群４ａの各コイルの電流位相に対して１８０°ずらした構成にしてある。さらに、主コイル群４ａのコイル直線長Ａに対する補助コイル群４ｂのコイル直線長Ｂの比率であるＢ／Ａを０．６〜０．８としてある。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体製造装置または工作機械のテーブル送りなど、超精密位置決め、高推力が要求される用途に適するリニアモータに関し、特に、電機子コイルによって生じる漏洩磁束を低減する構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造装置または工作機械のテーブル送りなど、超精密位置決め・高推力が要求される用途に適するリニアモータは、図７、図８のようになっている。図７は従来技術を示すリニアモータの可動子を構成する電機子の平面図である。図８は、図７の電機子を搭載したリニアモータを進行方向から見た正断面図である。なお、従来技術ならびに後述する本発明において、ムービングコイル形リニアモータを例示して説明する。
図７、図８において、１は界磁ヨーク、２はサイドヨーク、３は永久磁石、５は電機子、５ａは電機子コイル、６は芯金、７は電機子固定板を表し、Ｕ、Ｖ、ＷはそれぞれＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルを表している。
【０００３】
界磁極を構成する永久磁石３は、移動方向に向かって所定ピッチで隣り合うもの及び対向するものとが互いに異極となるように２つの界磁ヨーク１上にそれぞれ複数個並べて配置されている。そして、当該永久磁石３を配置した２つの界磁ヨーク１の間にサイドヨーク２を配設することによりリニアモータの固定子を構成している。
また、永久磁石３の磁石列と磁気的ギャップを介して対向する位置には、電機子コイル５ａを有した電機子５を配置することにより、リニアモータの可動子を構成している。ここで、電機子コイル５ａはステンレスなどの非磁性部材で形成された平板上の芯金６の両側面に、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相の順に３の倍数個だけ１列に繰り返し並べて配置されると共に、図示しない樹脂モールドにより電機子コイル５ａのコイル群と芯金６を固着して強度を向上させている。そして、芯金６の先端部分には電機子固定板７が取り付けられている。なお、上記可動子は移動方向に可動自在な図示しない支持機構によって支持されており、固定子と可動子相互の位置を測るためにリニアスケール（図示せず）が取り付けられている。当該リニアモータは、電機子コイル５ａを有する可動子の両側を永久磁石３を備えた２つの界磁ヨーク１からなる固定子で挟み込むように構成することにより、永久磁石３の磁力線が電機子コイル５ａを貫通する磁気回路を形成した磁束貫通形構造であることから、電機子コイル５ａのコイル群に三相交流を通電すると、その各コイルに流れる電流と永久磁石による磁束との電磁作用により高推力で滑らかに直線移動する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１―８６７２６号公報（第４図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図７、図８に示すような従来技術のリニアモータの場合、電機子コイル５ａのＷ相電流がピークとなるときにはコイルによって発生する磁界はバランスするためモータ外部への漏洩磁束は小さいが、Ｗ相電流が０となるにつれてコイルによって発生する磁界のバランスが崩れてモータ外部への漏洩磁束が大きくなっていく。したがって、漏洩磁束が電機子電流の位相によって大きく変動するため、モータ外部の機器に影響を及ぼした後、誤作動を起こし、その結果、精密な位置決め作業に支障をきたす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、電機子コイルによるモータ外部への漏洩磁束を電流位相に依らず大幅に抑えることができるリニアモータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の本発明は、界磁極を構成する永久磁石を移動方向に向かって交互に極性が異なるように複数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ギャップを介して対向配置されると共に電機子コイルを有した電機子と、前記界磁極と前記電機子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直線移動するようにしたリニアモータにおいて、前記電機子コイルは、前記永久磁石と磁気的ギャップを介して対向する位置に配置してなる主コイル群と、前記主コイル群の長手方向および磁気的ギャップ方向と直交する方向の両側に配置してなる２つの補助コイル群より構成され、前記補助コイル群の各コイルの電流位相は、それぞれ隣り合う前記主コイル群の各コイルの電流位相に対して１８０°ずらしたものである。
【０００７】
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、前記主コイル群と前記補助コイル群のコイルピッチ及びアンペアターンを同じにすると共に、前記主コイル群のコイル直線長をＡ、前記補助コイル群のコイル直線長をＢとしたときにＢ／Ａの値を０．６〜０．８としたものである。
【０００８】
請求項３の本発明は、請求項１記載のリニアモータにおいて、前記主コイル群と前記補助コイル群のコイルピッチ及びコイル直線長を同じにすると共に、前記主コイル群のアンペアターンをＡＴ、前記補助コイル群のアンペアターンをＢＴとしたときにＢＴ／ＡＴの値を０．６〜０．８としたものである。
【０００９】
請求項４の本発明は、請求項１乃至３記載のリニアモータにおいて、前記界磁ヨークの補助コイル群と対向する位置に第２の永久磁石を配置すると共に、前記第２の永久磁石の極性を、前記主コイル群と対向する位置に配置した永久磁石の極性と互いに異極となるように構成したものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
［第１実施例］
図１は本発明の第１実施例を示すリニアモータの可動子を構成する電機子の平面図であり、図２は図１の電機子を搭載したリニアモータを進行方向から見た正断面図である。なお、本発明において、界磁ヨーク１とサイドヨーク２と永久磁石３とで構成される固定子は図７に示す従来例と同じであるため、その説明を省略し、従来技術と異なる点のみ説明する。
図１、図２において、４は電機子、４ａ，４ｂはそれぞれ電機子コイルを構成する主コイル群、補助コイル群、Ａは主コイル群４ａのコイル直線長、Ｂは補助コイル群４ｂの直線長を表す。また、―Ｕ、―Ｖ、―ＷはそれぞれＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルと電機角が１８０°ずれている―Ｕ相コイル、―Ｖ相コイル、―Ｗ相コイルを表す。
本発明の特徴は以下のとおりである。
すなわち、図１、図２において、電機子コイルは、永久磁石と磁気的ギャップを介して対向する位置に配置してなる主コイル群４ａと、主コイル群４ａの長手方向および磁気的ギャップ方向と直交する方向の両側に配置してなる２つの補助コイル群４ｂより構成された点である。
また、補助コイル群４ｂによって作られる磁束がそれぞれ隣り合う主コイル群４ａによって作られる磁束と逆向きとなるように補助コイル群４ｂの各コイルの電流位相をそれぞれ隣り合う主コイル群４ａの各コイルの電流位相に対して１８０°ずらした構成にした点である。具体的に詳述すると、主コイル群４ａがＵ相、Ｗ相、Ｖ相の順に繰り返して並設されると共に、補助コイル群４ｂはそれと電機角で１８０°分ずれた−Ｕ相、−Ｗ相、−Ｖ相の順に繰り返して並設されている。
さらに、補助コイル群４ｂを構成する各コイルによって作られる磁束がそれぞれ隣り合う主コイル群４ａを構成する各コイルによって作られる磁束の半分の大きさになるように、主コイル群４ａと補助コイル群４ｂのコイルピッチ及びアンペアターンを同じにすると共に、主コイル群４ａのコイル直線長をＡ、補助コイル群４ｂのコイル直線長をＢとしたときにＡに対するＢの比率Ｂ／Ａを０．６〜０．８とした点である。なお、当該Ｂ／Ａの値については、リニアモータの電磁界解析による検証結果を用いて、以下に説明する。
【００１１】
次に、本発明のリニアモータによる漏洩磁場低減の効果を確認するため、電磁界解析による検証を行なった結果を図４、図５に示す。
図４は第１実施例に示すリニアモータと従来のリニアモータの電機子によって発生する漏洩磁束を比較したグラフであり、本発明の電機子構造では主コイル群４ａのコイル直線長Ａに対する補助コイル群４ｂのコイル直線長Ｂの比率Ｂ／Ａを０．６〜０．８とすると、従来の電機子構造と比較して１／５以下に漏洩磁束を減少することができる。
【００１２】
本発明の第１実施例は，電機子コイルを永久磁石と磁気的ギャップを介して対向する位置に配置してなる主コイル群４ａと、主コイル群４ａの長手方向および磁気的ギャップ方向と直交する方向の両側に配置してなる２つの補助コイル群４ｂより構成し、また、補助コイル群４ｂによって作られる磁束がそれぞれ隣り合う主コイル群４ａによって作られる磁束と逆向きとなるように補助コイル群４ｂの各コイルの電流位相をそれぞれ隣り合う主コイル群４ａの各コイルの電流位相に対して１８０°ずらす構成にして通電するようにしたので、電流位相がいかなる場合でも、主コイル群４ａと補助コイル群４ｂで構成される電機子コイルによって発生する磁界が直近で閉磁路を作ることから、電機子コイルによるモータ外部への漏洩磁束が電流位相に依らず、電機子コイルによるモータ外部への漏洩磁束を大幅に抑えることができるという効果がある。その結果、磁気センサ（図失せず）のノイズが減少するため位置決め精度の向上が図られ、外部機器への漏洩磁場対策が不要となるためシステムの小型、軽量化と低コストが可能となる。
さらに、電機子コイルを構成する主コイル群４ａと補助コイル群４ｂのコイルピッチ及びアンペアターンを同じにすると共に、主コイル群４ａのコイル直線長Ａに対する補助コイル群４ｂのコイル直線長Ｂの比率であるＢ／Ａを０．６〜０．８とする構成にしたので、補助コイル群４ｂによる磁束が主コイル群４ａによる磁束の半分の大きさになり、漏洩磁束の低減効果が最も大きくなる。
【００１３】
［第２実施例］
図３は本発明の第２実施例を示すリニアモータの可動子を構成する電機子の平面図である。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、以下のとおりである。
補助コイル群４ｂによって作られる磁束がそれぞれ隣り合う主コイル群４ａによって作られる磁束の半分の大きさになるように、主コイル群４ａと補助コイル群４ｂのコイルピッチ及びコイル直線長を同じにすると共に、主コイル群４ａのアンペアターンをＡＴ、補助コイル群４ｂのアンペアターンをＢＴとしたときにＡＴに対するＢＴの比率ＢＴ／ＡＴの値を０．６〜０．８とした点である。なお、当該ＢＴ／ＡＴの値について、リニアモータの電磁界解析による検証結果を用いて、以下に説明する。
【００１４】
また、図５は第２実施例に示すリニアモータと従来のリニアモータの電機子によって発生する漏洩磁束を比較したグラフであり、本発明の電機子構造では主コイル群４ａのアンペアターンＡＴに対する補助コイル群４ｂのアンペアターンＢＴの比率ＢＴ／ＡＴの値を０．６〜０．８とすると従来の電機子構造と比較して１／５以下に漏洩磁束を減少することができる。
【００１５】
本発明の第２実施例は，　電機子コイルを構成する主コイル群４ａと補助コイル群４ｂのコイルピッチ及びコイル直線長を同じにすると共に、主コイル群４ａのアンペアターンＡＴに対する補助コイル群４ｂのアンペアターンＢＴの比率であるＢＴ／ＡＴの値を０．６〜０．８とする構成にしたので、補助コイル群４ｂによる磁束が主コイル群４ａによる磁束の半分の大きさになり、漏洩磁束の低減効果が最も大きくなる。
【００１６】
［第３実施例］
図４は本発明の第３実施例を示すリニアモータを進行方向から見た正断面図である。
第３実施例が第１実施例及び第２実施例と異なる点は、以下のとおりである。
図において，３ａ、３ｂは永久磁石である。
界磁ヨーク１の補助コイル群４ｂと対向する位置に第２の永久磁石３ｂを配置すると共に、第２の永久磁石３ｂの極性を、主コイル群４ａと対向する位置に配置した永久磁石３ａの極性と互いに異極となるように構成した点である。
【００１７】
本発明の第３実施例は，　補助コイル群４ｂと対向する位置に第２の永久磁石３ｂを配置する構成にしたので，、補助コイル群４ｂからも推力を得ることができる。
【００１８】
なお、本実施例では電機子への通電方法として三相を例示して説明したが、三相以外でも構わない。
また、本実施例のリニアモータは、電機子コイルを有する可動子の両側を永久磁石を備えた２つの界磁ヨークからなる固定子で挟み込む構成となっているが、永久磁石を備えた界磁ヨークを１つにして、電機子コイルと対向させるギャップ対向形構造の構成にしても構わない。
また、本実施例では電機子を可動子とするムービングコイル形を例示して説明したが、界磁極を可動子とするムービングマグネット形に適用しても構わない。
【００１９】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の第１実施例によれば、電機子コイルを永久磁石と磁気的ギャップを介して対向する位置に配置してなる主コイル群と、主コイル群の長手方向および磁気的ギャップ方向と直交する方向の両側に配置してなる２つの補助コイル群より構成し、また、補助コイル群によって作られる磁束がそれぞれ隣り合う主コイル群によって作られる磁束と逆向きとなるように補助コイル群の各コイルの電流位相をそれぞれ隣り合う主コイル群の各コイルの電流位相に対して１８０°ずらす構成にして通電するようにしたため、電流位相がいかなる場合でも、主コイル群と補助コイル群で構成される電機子コイルによって発生する磁界が直近で閉磁路を作ることから、電機子コイルによるモータ外部への漏洩磁束が電流位相に依らず、電機子コイルによるモータ外部への漏洩磁束を大幅に抑えることができるという効果がある。その結果、磁気センサのノイズが減少するため位置決め精度の向上が図られ、外部機器への漏洩磁場対策が不要となるためシステムの小型、軽量化と低コストが可能となる。
さらに、電機子コイルを構成する主コイル群と補助コイル群のコイルピッチ及びアンペアターンを同じにすると共に、主コイル群のコイル直線長Ａに対する補助コイル群のコイル直線長Ｂの比率であるＢ／Ａを０．６〜０．８とする構成にしたため、補助コイル群による磁束が主コイル群による磁束の半分の大きさになり、漏洩磁束の低減効果を最も大きくすることができる。
【００２０】
また、本発明の第２実施例によれば、電機子コイルを構成する主コイル群と補助コイル群のコイルピッチ及びコイル直線長を同じにすると共に、主コイル群のアンペアターンＡＴに対する補助コイル群４ｂのアンペアターンＢＴの比率であるＢＴ／ＡＴの値を０．６〜０．８とする構成にしたため、補助コイル群による磁束が主コイル群による磁束の半分の大きさになり、漏洩磁束の低減効果を最も大きくすることができる。
【００２１】
また、本発明の第３実施例によれば、補助コイル群と対向する位置に第２の永久磁石を配置する構成にしたため、補助コイル群からも推力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すリニアモータの可動子を構成する電機子の平面図である。
【図２】図１の電機子を搭載したリニアモータを進行方向から見た正断面図である。
【図３】本発明の第１実施例のリニアモータと従来のリニアモータでの電機子によって発生する漏洩磁束の大きさを比較したグラフである。
【図４】本発明の第２実施例を示すリニアモータの可動子を構成する電機子の平面図である。
【図５】本発明の第２実施例のリニアモータと従来のリニアモータでの電機子によって発生する漏洩磁束の大きさを比較したグラフである。
【図６】本発明の第３実施例を示すリニアモータを進行方向から見た正断面図である。
【図７】従来技術を示すリニアモータの可動子を構成する電機子の平面図である。
【図８】図７の電機子を搭載したリニアモータを進行方向から見た正断面図である。
【符号の説明】
１：界磁ヨーク
２：サイドヨーク
３、３ａ、３ｂ：永久磁石
４：電機子
４ａ：主コイル群（電機子コイル）
４ｂ：補助コイル群（電機子コイル）
５：電機子
５ａ：電機子コイル
６：芯金
７：電機子固定板
Ａ：主コイル直線長
Ｂ：補助コイル直線長
Ｃ：コイル直線長
ＡＴ：主コイルアンペアターン
ＢＴ：補助コイルアンペアターン
Ｕ：Ｕ相コイル
Ｖ：Ｖ相コイル
Ｗ：Ｗ相コイル
−Ｕ：−Ｕ相コイル
−Ｖ：−Ｖ相コイル
−Ｗ：−Ｗ相コイル

Claims (4)

1. 界磁極を構成する永久磁石を移動方向に向かって極性が互いに異なるように複数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ギャップを介して対向配置されると共に電機子コイルを有した電機子と、前記界磁極と前記電機子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直線移動するようにしたリニアモータにおいて、
   前記電機子コイルは、前記永久磁石と磁気的ギャップを介して対向する位置に配置してなる主コイル群と、前記主コイル群の長手方向および磁気的ギャップ方向と直交する方向の両側に配置してなる２つの補助コイル群より構成され、
   前記補助コイル群の各コイルの電流位相は、それぞれ隣り合う前記主コイル群の各コイルの電流位相に対して１８０°ずらしてあることを特徴とするリニアモータ。
2. 前記主コイル群と前記補助コイル群のコイルピッチ及びアンペアターンを同じにすると共に、前記主コイル群のコイル直線長をＡ、前記補助コイル群のコイル直線長をＢとしたときにＢ／Ａの値を０．６〜０．８としたことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
3. 前記主コイル群と前記補助コイル群のコイルピッチ及びコイル直線長を同じにすると共に、前記主コイル群のアンペアターンをＡＴ、前記補助コイル群のアンペアターンをＢＴとしたときにＢＴ／ＡＴの値を０．６〜０．８としたことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
4. 前記界磁ヨークの補助コイル群と対向する位置に第２の永久磁石を配置すると共に、前記第２の永久磁石の極性を、前記主コイル群と対向する位置に配置した永久磁石の極性と互いに異極となるように構成したことを特徴とする請求項１乃至３記載のリニアモータ。

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