JP2005039941A - 円筒形リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 モータのコギング推力を低減することができる円筒形リニアモータを提供する。
【解決手段】 電機子コア１２および電機子コイル１３からなる可動子１１と、永久磁石１７を多数配置した固定子１６と、により構成される円筒形リニアモータ１０において、電機子コア１２に焼結材料を使用し、電機子コア１２または固定子１６の永久磁石１７にスキューを施し、電機子コア１２の進行方向の最前端または最後端に、鋼製のダミーティース１４ｂを配置した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工作機械や半導体製造装置等に使用される円筒形リニアモータに関する。

円筒形リニアモータとして、電機子コアおよび電機子コイルからなる可動子と、永久磁石を多数配置した固定子とから構成されるものは公知である（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−２７５４９７号公報

特許文献１記載の円筒形リニアモータは、全体構造をコンパクト化、小型化できて、さらに組み立てが容易となるもので、推進用界磁マグネットを有する棒状の固定子と、界磁マグネットに外嵌する電機子コイル及びホール素子を搭載した可動子とでリニアモータを構成し、しかも界磁マグネット部分で固定子表面に段差部を形成してこれにホール素子を対向接近配置するとともに可動子に該着磁部に対向接近配置される磁気センサを搭載して成るものである。
しかしこの円筒形リニアモータは、固定子表面に段差部を形成してこれにホール素子を対向接近配置するので、固定子と可動子との間の空隙を狭くすることができず、加工も複雑となるなどの欠点があった。
図４は、上記欠点を解決する従来の円筒形リニアモータで、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。
図において、４０は従来の円筒形リニアモータで、主として可動子側４１と固定子部４６から成る。
可動子４１は薄い電磁鋼板を多数積層した電機子コア４２となっており、
４３は電機子コイルであり、結線部４４にて各電機子コイルを半田付けにより接続している。
固定子４６は永久磁石４７を多数並べて固定子を構成している。
４８は可動子を直下で支持するタイプのリニアガイドで、これによって可動子４１を支持しており、リニアスケール４９ａ、リニアスケール・リードヘッド４９ｂによって、可動子４１の位置検出を行っている。

しかしながら、従来の円筒形リニアモータ４０は、電機子コイル４２と永久磁石４７とが、どちらも推力方向に対して垂直に配置されており、コギング推力が発生しやすい構造となっていた。
解決策として電機子コイル４２にスキューを施すことが考えられるが、電機子コアは薄い電磁鋼板を多数積層したつくりになっており、１枚１枚の断面形状は同じであることが生産上望ましく、電機子コアをスキューさせるような複雑なコア形状にできないという問題があった。
また、可動子４１はその下部に配置したリニアガイド４８にて支持されているが、この構成では剛性が低く、ヨーイングが発生するという問題があった。
さらに、位置決めの精度が必要とされる可動子４１のステージ面４５から実際に位置検出を行うリニアスケール・リードヘッド４９ｂまでの部品点数が多く、位置決め精度がよくないという問題があった。
また、多数の電機子コイル４３を半田付けする結線部４４での結線作業は、非常に手間のかかる作業であり、誤配線および振動による断線等の信頼性にも欠けていた。
次に、この構成は、固定子４６の永久磁石４７の表面や磁石間の隙間に埃や異物が溜まりやすく、特に金属片などが付着した場合にモータ故障を起こす恐れがあった。
また、この永久磁石４７は推力方向に精度よく等間隔に配置する必要があるが、位置決め治具を用いてひとつずつ接着を行っており、非常に手間のかかる作業であった。
次に、このリニアモータ４０は、工作機械における従来のボールねじを用いた直動案内装置からの置き換えが多く、従って固定子４６は非常に長尺で、永久磁石４７を多数配置した固定子４６のシャフトは自重による撓みが大きく、モータの特性に悪影響を及ぼしてしまうという問題があった。特に半導体装置においては、高精度な位置決めが要求され、それに伴って装置の温度上昇について厳しく制限されるが、電機子コイル４３を備えた可動子４１の発熱によって、温度仕様を満足できないという問題があった。

また、図５は、別のタイプの従来の円筒形リニアモータで、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。
図において、５０は別のタイプの円筒形リニアモータで、主として可動子側５１と固定子部５６から成る。可動子側５１は電機子コア５２となっており、これは中心積層コア５３と両端積層コア５４の２種類で構成されている。中心積層コア５３と両端積層コア５４はいずれも電磁鋼板等の薄板から成り、これで電機子コア５２とするためには、中心積層コア５３を一定枚数積層し、さらに両端積層コア５４を一定枚数積層して、各々の位置合わせを行うことで作成している。５５は電機子コイルであり、電機子コア５２、５２の間に配置している。
固定子部５６は永久磁石５７を多数並べて固定子を構成している。
５８はリニアガイドで、これによって可動子５１を支持しており、リニアスケール５９ａ、リニアスケール・リードヘッド５９ｂによって、可動子５１の位置検出を行っている。
しかしながら、この種の円筒形リニアモータ５０の電機子コア５２は、中心積層コア５３と両端積層コア５４の２種類の積層コアを用いた構成となっており、簡単に位置決めして重ね合わせることができず、コア製作に非常に時間を費やしてしまうという問題があった。
また、積層コアが２種類あることで、抜き型や位置決め治具等も２種類必要であり、コア製作に多額の費用がかかってしまうという問題もあった。
さらに、薄板の電磁鋼板の積層方向が、磁気回路の磁路の方向に対して直角方向となっているため、電磁鋼板に渦電流が発生しモータ効率を悪くしてしまうという問題があった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、コギング推力を低減するとともに、可動子のヨーイングを少なくし、位置検出の精度を向上させ、モータ特性を向上させると共に、電機子コアの構成を簡易化して製作時間の短縮および製作費の削減を図ることで安価で生産性がよい、渦電流を低減してモータ効率を向上できる円筒形リニアモータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、電機子コアおよび電機子コイルからなる可動子と、永久磁石を多数配置した固定子と、により構成される円筒形リニアモータにおいて、前記電機子コアに焼結材料を使用したことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の円筒形リニアモータにおいて、前記電機子コアまたは前記固定子の永久磁石にスキューを施したことを特徴としている。
次に、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の円筒形リニアモータにおいて、前記電機子コアの進行方向の最前端または最後端に、鋼製のダミーティースを配置したことを特徴としている。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の円筒形リニアモータにおいて、前記可動子の進行方向と直角な面の両側に配置した２本のリニアガイドにて前記可動子を支持する構成とし、かつ前記リニアガイドの少なくとも一方の内側に位置検出用のリニアスケールを備えたことを特徴としている。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の円筒形リニアモータにおいて、前記電機子コアの上部に切り欠き溝を設け、該切り欠き溝に結線用の基板を配置したことを特徴としている。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項記載の円筒形リニアモータにおいて、前記各永久磁石の間に非磁性材料製のスペーサを配置したことを特徴としている。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項記載の円筒形リニアモータにおいて、前記可動子と前記固定子との間の隙間部分をクリーニングするため、例えばネオプレン・スポンジ等の弾性材料でできたワイパーを前記可動子側に設けたことを特徴としている。
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１記載の円筒形リニアモータにおいて、固定子として中空シャフトを使用したことを特徴としている。

請求項９に記載の発明は電機子コアを、中心積層コアと一体形ヨークとを交互に並べて構成したことを特徴としている。
また、請求項１０に記載の発明は、電機子コアを構成する中心積層コアと一体形ヨークとにそれぞれ数箇所の凹凸部を設け、前記凹凸部を基準に接合したことを特徴としている。

以上述べたように、請求項１記載の円筒形リニアモータの発明によれば、電機子コアに焼結材料を用いたので、電機子コイルがスキューする形状に簡単に作ることができるため、モータのコギング推力を低減でき、優れたモータ特性が得られるという効果がある。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１にある電機子コアもしくは、固定子のマグネットにスキューを施したため、さらにモータのコギング推力を低減することができ、モータ特性が向上する。
次に、請求項３に記載の円筒形リニアモータによれば、電機子コアの両端に焼結材料製のダミーティースを追加するようになっているため、同じくモータのコギング推力を低減することができ、モータ特性が向上する。
請求項４に記載の発明によれば、可動子を、両側に配置した２本のリニアガイドにて支持する構成とし、少なくとも一方のリニアガイドの内側に、位置検出のためのリニアスケールを備えて一体化するようになっているため、ガイドの剛性が増し、可動子のヨーイングを少なくでき、モータ特性および位置検出の精度を向上することができるという効果がある。

請求項５に記載の発明によれば、電機子コア上部に設けた切り欠き溝に、結線用の基板を配置しているため、生産性がよく、また結線後にこの溝全体を樹脂モールドするため、モータ運転時の振動に対しても強くなるため、信頼性を向上できるという効果がある。
請求項６に記載の発明によれば、各永久磁石の間に、非磁性材料製のスペーサを配置する構造になっているため、精度よく等間隔に永久磁石が並べられ、生産性を向上することができるという効果がある。
請求項７に記載の発明によれば、可動子における、固定子との隙間部分に、ネオプレン・スポンジ等の弾性材料でできたワイパーを設ける構造になっているため、永久磁石上に溜まる埃や異物を除去でき、リニアモータの安定した運転を保証することが可能なため、モータの信頼性が高くなるという効果がある。
請求項８に記載の発明によれば、固定子に中空シャフトを使用しており、ここに冷却液を流すことでモータを冷却することができ、またシャフトの質量も低減するため、撓み量が少なくなり、優れたモータ特性を得ることができるという効果がある。
請求項９に記載の発明によれば、電機子コアを、中心積層コアと一体形ヨークとを交互に並べて構成したので、作業時間の短縮が図れ、製作費も削減でき、さらに、焼結材料製の一体形ヨークを用いることにより、磁気回路の磁路を妨げることがなくなるため、渦電流を低減することができるという効果がある。
また、請求項１０記載のによれば、中心積層コアと一体形ヨークに、それぞれ数箇所の凹凸部を設けており、前記凹凸部を基準に接合することで、位置合せ等が簡単に行え、製作時間の短縮が図れるという効果がある。

以下、本発明について図面に基づいて詳しく説明する。
（第１発明の第１実施の形態）
図１は、本願第１発明の第１実施の形態係る円筒形リニアモータで、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。
図において、１０は本発明に係る円筒形リニアモータ、１１は可動子、１２は電機子コア、１３は電機子コイル、１４ａは結線基板、１４ｂはダミーティース、１４ｃはワイパー、１４ｄはステージ面、１６は固定子、１７は永久磁石、１８はリニアガイド、１９ａはリニアスケール、１９ｂはリニアスケール・リードヘッドである。
電機子コア１２は焼結材料を用いて各ブロックを一体成形しており、従来の電磁鋼板を積層したものと比べて、発生する渦電流を小さく抑えられるため、モータの損失が減り、効率を上げることができる。
これにより、従来単純な形状にしかできなかった電機子コア１２を複雑な形状に成形できるため、電機子コイル１３にスキューを施す形状としている。
従って、電機子コイル１３と永久磁石間１７でコギング推力が発生しにくくなり、優れたモータ特性を得ることができる。

さらに、１４ｂは鋼材よりつくられたダミーティースであり、電機子コア１２の両端に配置することで、同じくコギングを打ち消す推力を得ることができる。
１８はリニアガイドであり、可動子１１を両サイドから支持する構成としている。これによって剛性が増し、可動子１１のヨーイングが少なくなり、高精度で滑らかな動きを得ることができる。このリニアガイド１８には面取り加工を施しており、その面に直接リニアスケール１９ａを貼り付けて一体化している。
１９ｂはリニアスケール・リードヘッドであり、この構成によって可動子１１の位置検出の精度を向上することができる。
また、電機子コア１２の上部に設けた切り欠き溝に、結線基板１４ａを配置しており、これによって、各電機子コア１２の位置決めおよび結線作業を容易に行うことができる。この結線基板１４ａが配置された切り欠き溝は、全体を樹脂封止しており、モータ運転時の振動に対して強くなり、断線を防ぐことができる。
また、各永久磁石１７の間には、非磁性材料製のスペーサ１６ａを配置して位置決めを行っており、これによって、精度よく等間隔に永久磁石１７を並べる作業が容易に行える。
次に、可動子１１における固定子１６との隙間部分には、弾性材料であるネオプレン・スポンジ製のワイパー１４ｃを設けており、固定子１６の永久磁石１７上に溜まる埃や異物を除去でき、リニアモータ１０の安定した運転を保証することができる。
さらに、固定子１６に中空シャフト１６ｂを使用しており、ここに冷却液を流すことで、発熱部である可動子１１や、温度上昇によって特性が低下してしまう永久磁石１７を冷却することができ、特に半導体製造装置などに要求される、厳しい温度仕様を満足することができる。
この冷却液によってモータ運転時の振動も防止することができ、またシャフトの質量も低減するため、撓み量が少なくなり、優れたモータ特性を得ることができる。

(第２実施の形態)
図２は第２実施の形態に係る円筒形リニアモータで、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。
図において、２０は本発明に係る円筒形リニアモータ、２１は可動子、２２は電機子コア、２３は電機子コイル、２４ａは結線基板、２４ｂはダミーティース、２４ｃはワイパー、２４ｄはステージ面、２６は固定子、２７は永久磁石、２８はリニアガイド、２９ａはリニアスケール、２９ｂはリニアスケール・リードヘッドである。
第１の実施の形態での電機子コイルにスキューを施すことに加え、ここではさらに固定子２６永久磁石２７にもスキューを施した構造になっており、これによってモータのコギング推力をさらに低減することができる。
また、可動子２１の両側にあるリニアガイド２８に、それぞれリニアスケール２９ａを配置しており、リニアスケール・リードヘッド２９ｂにて位置検出を行う構成としている。これにより、二つのセンサで検出した値を相殺して、さらに可動子の位置決めの精度を向上することができる。

図３は、本願第２の発明に係る円筒形リニアモータの構成を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。
図において、３０は本願第２の発明に係る円筒形リニアモータ、３１は可動子、３２は電機子コア、３３は中心積層コア、３４は焼結材料製一体形ヨーク、３５は電機子コイル、３６は固定子部、３７は永久磁石、３８はリニアガイド、３９ａはリニアスケール、３９ｂはリニアスケール・リードヘッドである。
電機子コア３２は、電磁鋼板をリング形状に打ち抜いた後、一定の厚さになるまで積層して構成した中心積層コア３３と、同じくリング形状に一体成形した焼結材料製の一体形ヨーク３４とを交互に並べて構成されている。
図５の場合のような非常に時間を要していた薄板の積み重ね作業が、ここではこのように積層コアが１種類となるため、減って作業性がよくなり、また、電磁鋼板の抜き型も１種類で済むため、製作費を削減することができる。
さらに、焼結材料製一体形ヨーク３４は、磁気回路の磁路を妨げることがないため、渦電流を低減することができる。

また、中心積層コア３３を構成する電磁鋼板には、図３（ａ）の一部拡大図Ａで示すように、プレス加工によって、Ｖ形あるいは半円形の凹凸３３ａが数箇所設けられており、また、一体形ヨーク３４の両端面にも同形状の凹凸３４ａが成形されている。
この凹凸部を基準に接合することにより、中心積層コア３３の薄板を多数積み重ねる工程や、中心積層コア３３と一体形ヨーク３４とを接合する際に、位置決めが容易に行え、さらに短時間で電機子コア３２を製作することができる。
なお、電機子コイル３５は電機子コア３２、３２の間に配置し、固定子部３６は永久磁石３７を多数並べて固定子を構成している。
３８はリニアガイドで、これによって可動子３１を支持しており、リニアスケール３９ａ、リニアスケール・リードヘッド３９ｂによって、可動子３１の位置検出を行っている。
以上のように、本願第２の発明によれば、電機子コアを中心積層コアと一体形ヨークとを交互に並べて構成したので、作業時間の短縮が図れ、製作費も削減できた。
さらに、焼結材料製の一体形ヨークを用いることにより、磁気回路の磁路を妨げることがなくなるため、渦電流を低減することができた。
また、電機子コアを構成する中心積層コアと一体形ヨークとに、それぞれ数箇所の凹凸部を設け、この凹凸部を基準に接合する構造にしたので、位置合せが容易に行え、電機子コアの製作時間をさらに短縮することができた。

本願第１発明の第１実施の形態に係る円筒形リニアモータの図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。 同じく第２実施の形態を示す円筒形リニアモータの図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。 本願第２発明に係る円筒形リニアモータの図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。 従来の円筒形リニアモータの図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。 別のタイプの従来の円筒形リニアモータの図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。

符号の説明

１０ 本願第１発明の第１実施形態に係る円筒形リニアモータ
１１、２１、３１ 可動子
１２、２２，３２ 電機子コア
１３、２３，３３ 電機子コイル
１４ａ、２４ａ 結線基板
１４ｂ、２４ｂ ダミーティース
１４ｃ、２４ｃ ワイパー
１４ｄ、２４ｄ ステージ面
１６、２６，３６， 固定子
１７、２７，３７ 永久磁石
１８、２８，３８ リニアガイド
１９ａ，２９ａ、３９ａ リニアスケール
１９ｂ、２９ｂ、３９ｂ リニアスケール・リードヘッド
２０ 本願第１発明の第２実施形態に係る円筒形リニアモータ
３０ 本願第２発明に係る円筒形リニアモータ
３３ 中心積層コア
３３ａ 中心積層コアの凹凸部
３４ 焼結材料製一体形ヨーク
３４ａ 焼結材料製一体形ヨークの凹凸部

Claims (10)

1. 電機子コアおよび電機子コイルからなる可動子と、永久磁石を多数配置した固定子と、により構成される円筒形リニアモータにおいて、前記電機子コアに焼結材料を使用したことを特徴とする円筒形リニアモータ。
2. 前記電機子コアまたは前記固定子の永久磁石にスキューを施したことを特徴とする請求項１記載の円筒形リニアモータ。
3. 前記電機子コアの進行方向の最前端または最後端に、鋼製のダミーティースを配置したことを特徴とする請求項１または２記載の円筒形リニアモータ。
4. 前記可動子の進行方向と直角な面の両側に配置した２本のリニアガイドが前記可動子を支持し、かつ前記リニアガイドの少なくとも一方の内側に位置検出用のリニアスケールを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の円筒形リニアモータ。
5. 前記電機子コアの上部に切り欠き溝を設け、該切り欠き溝に結線用の基板を配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の円筒形リニアモータ。
6. 前記各永久磁石の間に非磁性材料製のスペーサを配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の円筒形リニアモータ。
7. 前記可動子と前記固定子との間の隙間部分をクリーニングするための弾性材料でできたワイパーを前記可動子側に設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の円筒形リニアモータ。
8. 前記固定子として中空のシャフトを使用したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１記載の円筒形リニアモータ。
9. 電機子コア、電機子コイルからなる可動子と、永久磁石を多数配置した固定子により構成される円筒形リニアモータにおいて、電機子コアを、積層コアと一体形ヨークとにより構成したことを特徴とする円筒形リニアモータ。
10. 前記積層コアと前記一体形ヨークにそれぞれ数箇所の凹凸部を設け、前記凹凸部を基準に接合したことを特徴とする請求項９記載の円筒形リニアモータ。

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