JP3793874B2 - 永久磁石形リニアモータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体製造装置や工作機などのFA機器の分野で、送りや加工の高速化・高精度化を達成するために用いられる永久磁石形リニアモータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体製造装置あるいは工作機械などのFA機器においては、送りや加工の高速化・高精度化を達成できるよう、永久磁石よりなる界磁極と当該界磁極の磁極面に磁気的空隙を介して対向した電機子巻線を配置する電機子を備えた永久磁石形リニアモータの利用が図られている。図8は従来の永久磁石形リニアモータの概観を示した斜視図、図9は図8に示したリニアモータのX―X断面に沿う断面図である。1、2は界磁ヨーク、3は界磁ヨーク1、2上に交互に異極になるように直線状に配列して構成した界磁極、4は界磁部、5は集中巻にしたコイル群を重ねずに配置した電機子巻線51を形成したコアレス形の電機子、7は界磁ヨーク固定板である。電機子5と界磁極3の何れか一方が相対移動する可動子に、他方が固定子として構成される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来技術における界磁ヨークと界磁極の作る磁束分布を示す模式図は図10に示すようになっている。図に示すように、界磁ヨーク1、2の厚さが一様であるため、界磁極3の作る界磁の磁束密度に粗密が生じる。一般的に界磁ヨーク1、2の厚さは、磁束密度が密な部分で磁気飽和を起こさないようしていた。そのため、磁束密度が粗な部分にも、磁路としてさして有効でないにも関わらず磁束密度が密な部分の界磁ヨーク1、2と同じ厚さになり、界磁ヨーク1、2を可動子として用いる場合、界磁ヨーク1、2の自重が重くなるという問題があった。それから、界磁ヨーク1、2の自重増加に伴って可搬重量を増加することが厳しくなるため、加速度を上げて高推力を達成する用途には不利であった。また、界磁ヨーク1、2を固定子として用いる場合、長ストロークの用途では、材料コストが高くな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って、界磁ヨークの磁束密度を均一化して、界磁ヨークの軽量化を図り、安価で、高推力の永久磁石形リニアモータ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】
上記問題を解決するため、請求項1の発明は互いに平行させた強磁性体からなる界磁ヨークと前記界磁ヨーク上に交互に異極になるように直線状に配列してなる(2n+1)個(n:整数)の界磁極とより構成された界磁部と、前記界磁部と磁気的空隙を介して対向するように電機子巻線を配置した電機子を備え、前記界磁部と前記電機子の何れか一方を相対移動する可動子に、他方を固定子とする永久磁石形リニアモータにおいて、前記界磁ヨークは、前記界磁極が配設される面と反対側の背面の進行方向に向かって、前記界磁ヨ ークの背面の磁路として機能しない部分を削除することにより前記界磁極を構成する隣り合う磁石間の中心に一致するように凸部を形成したものである。
【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。
[第1の実施例]
図1は本発明の第1の実施例を示す界磁部の斜視図である。なお、本発明の実施例に示すリニアモータは、界磁極が電機子の両側にある磁束貫通形構造を有する点で、基本的に従来のものと同じであることから、本発明と従来技術の構成要素が同じものはその説明を省略し、異なる点のみ説明する。また、界磁部については説明を簡単にするために片側の界磁ヨーク1側のみ説明する。
図1において、11は界磁ヨークの凸部、12は界磁ヨークの凹部である。本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。すなわち、界磁ヨーク1は、界磁極3が配設される面と反対側の背面の進行方向に向かって、界磁極3間の中心に一致するように、断面形状が方形の凸部11を形成している点である。
この場合、界磁ヨーク1の凸部11間に形成される凹部12はいずれも極ピッチPの1/2の幅であり、凸部11を持つ界磁ヨーク1の厚さをHとした場合、凹部12における界磁ヨーク1の厚さDは前記厚さHの1/2の厚さを有している。また、界磁極3については、所定の極ピッチPで幅W(極ピッチPの4/5近傍)を有するもので、界磁ヨーク1上に隣りの極性が交互に入れ替わるように7個貼付してある。
上述した永久磁石形リニアモータは、界磁極3と対向する電機子巻線51に電機子の位置に応じた所定の電流を流すと、電機子巻線51と界磁極3との電磁作用により、可動子である電機子5が直線移動するように作用する。
次に、当該永久磁石形リニアモータを有限要素法によって磁界解析を行った結果を図2に示す。図2は第1の実施例における界磁ヨークと界磁極の作る磁束分布を示す模式図である。図より、上記に述べた界磁部の仕様の場合、磁束密度Φは凸部11のコーナー部は粗となるが、その他の部分では密となりほぼ満足出来る程度になることが判明した。
このように、本発明の第1の実施例は、界磁ヨーク1を界磁極3が配設される面と反対側の背面の進行方向に向かって、界磁極3間の中心に一致するように、断面形状が方形の凸部11を形成する構成にしたため、界磁ヨーク1、2の背面の磁路として機能しない部分を削除することにより界磁ヨーク1、2の磁束密度を均一化して、界磁ヨーク1、2の軽量化を図ることができることから、界磁ヨーク1、2を可動子として用いる場合、界磁ヨーク1、2の自重の減少に伴って可搬重量を増加させたり、もしくは可搬重量が一定の場合に加速度を上げて高推力を達成する用途に適した永久磁石形リニアモータを提供することができる。それから、リニアモータの可搬重量を一定とし、加速度も同じでよいとした場合、電機子巻線に流す定格電流を小さくできることから、モータの発熱を抑えることができるなどの効果があり、半導体製造に用いられる露光装置(ステッパ)などの超精密、高推力駆動用途に用いるのに最適である。
また、界磁ヨーク1、2を固定子として用いる場合、長ストロークの用途では、材料コストが少なくて済み、安価な永久磁石形リニアモータを提供することができる。
【0006】
[第2の実施例]
図3は、本発明の第2の実施例を示す界磁部の側面図である。
第2の実施例が第1の実施例と異なる点は、第1の実施例に示した界磁ヨーク1の凸部11の断面形状である方形の角部を取り、凸部11を台形とした点である。
図に示すように凸部11の頂点を辺F1の上底とし、凸部11の底部を辺F2の下底として、当該上底と下底を直線で結んであり、第1の実施例と比較すると、製作上は工数が増加するが磁束密度をより均一にすることができる。なお、この場合、F1をほぼ3P/10、F2をほぼP/2にするとよいことが磁界解析の結果によって判明した。
このように本発明の第2の実施例は、界磁ヨーク1、2の背面の磁路として機能しない部分を削除して、界磁ヨーク1、2の凸部11を台形状に形成したため、第1の実施と同様に、界磁ヨーク1、2の磁束密度を均一化して、界磁ヨーク1、2の軽量化を図り、安価で、高推力の永久磁石形リニアモータを提供することができる。
【0007】
[第3の実施例]
図4は、本発明の第3の実施例を示す界磁部の側面図である。
第3の実施例が第1の実施例と異なる点は、凸部11の中心における界磁極3が配設される面側を原点として、界磁ヨーク1の進行方向の位置をX、界磁ヨーク1の進行方向と直交する凸部11方向の位置をY、凸部11間の極ピッチをP、凸部11の厚さをH、凸部11間に形成される凹部12と凸部11との厚みの差をD、界磁極3の進行方向の幅をWとした時に。凸部11と凹部12の形状が式1で表される点である。
【0008】
【数1】
【0009】
このように本発明の第3の実施例は、界磁ヨークの凸部11の形状を上式のごとく曲線形状に近似したため、第1、第2の実施例に比べると、凸部11の形状が複雑な形状となるが、界磁ヨーク1、2内の磁束密度をより最適に均一化し、軽量化することができる。
【0010】
[第4の実施例]
図5は、本発明の第4の実施例を示す界磁部の斜視図である。
図において、13は界磁ヨーク1上の両端部に設けた第1凸部、14は第1凸部13の内側に配置された第2凸部、15は第1凸部13と第2凸部14間に形成される第2凹部、16は界磁ヨークの中央部における第1凸部13間に形成される第2凹部である。ここで、第1凸部13、第2凸部14を持つ界磁ヨーク1の厚さをHとした場合、第2凹部15、第2凹部16における界磁ヨーク1の厚さDは前記厚さHの1/2の厚さを有している。
第4の実施例が第1の実施例と異なる点は、第1凸部13の幅を極ピッチPの1/2の幅とし、第2凸部14の幅が界磁極3の幅Wの1/2の幅としたときに、第1凸部13と第2凸部14との間の幅を極ピッチPの1/4の幅と界磁極3の幅Wの3/8の値を加えた値、すなわち、(2P+3W)/8とした点である。
なお、第2界磁ヨークの中央部における第2凹部16の幅は、界磁極数nが奇数である場合であるが、界磁極nが偶数の場合は、3P/5となる。
以後、界磁ヨーク1の背面には、永久磁石の極数から1引いた個数を2で割った数の凸部が、界磁ヨーク1の進行方向両端から中央に向かって、第1凸部13、第2凸部14となって交互に形成される。
このように本発明の第4の実施例は、界磁ヨーク上に第1凸部13、第2凸部14からなる凸部の幅を交互に替えて形成したため、第1乃至第3の実施例に比べると、界磁ヨーク1、2内の磁束密度をより最適に均一化し、軽量化することができる。
【0011】
[第5の実施例]
図6は本発明の第5の実施例の示す界磁部の側面図である。
第5の実施例が第4の実施例と異なる点は、界磁ヨーク1上に交互に形成される第1凸部13、第2凸部14の方形のコーナー部を削除し、台形の断面形状にした点である。
この時、第1凸部13の頂点を辺F3の上底、第1凸部13の底部を辺F4の下底、第2凸部14の頂点を辺F5の上底、第2凸部14の底部を辺F6の下底とし、上底と下底を直線で結んである。
このように第5の実施例は、界磁ヨーク1上に交互に形成される第1凸部13、第2凸部14の方形のコーナー部を台形状にしたため、第2の実施例、第4の実施例に比べ、磁束密度をより均一にすることができる。なお、この場合、F3をほぼ3P/10、F4をほぼP/2に、F5をほぼP/5、F6をほぼW/2にするとよいことが磁界解析結果で判明した。
【0012】
[第6の実施例]
図7は、本発明の第6の実施例を示す界磁部の側面図である。
第6の実施例が第5の実施例と異なる点は、第1凸部13、第2凸部14各々の凸部の中心における界磁極が配設される面側を原点として、界磁ヨーク1の進行方向の位置をそれぞれX1、X2、界磁ヨーク1の進行方向と直交する凸部方向の位置をそれぞれY1、Y2、凸部間の極ピッチをP、凸部の厚さをH、凸部間に形成される凹部と凸部との厚みの差をD、界磁極の進行方向の幅をWとした時に。第1凸部13、第2凸部14の方形の形状がそれぞれ式2及び式3で表される点である。
【0013】
【数2】
【0014】
及び、
【0015】
【数3】
【0016】
このように本発明の第6の実施例は、界磁ヨークの第1凸部13、第2凸部14の形状を上式のごとく曲線形状に近似したため、第5の実施例に比べると、各々の凸部13、14の形状が複雑な形状となるが、界磁ヨーク1、2内の磁束密度をより最適に均一化し、軽量化することができる。
なお、本発明の界磁ヨークは可動子に適用するのが望ましいが、固定子に適用することも可能であり、リニアモータの用途によって適宜選択されるものである。
【0017】
【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)本発明の第1の実施例は、界磁ヨークを界磁極が配設される面と反対側の背面の進行方向に向かって、界磁極間の中心に一致するように、断面形状が方形の凸部を形成する構成にしたので、界磁ヨークの磁束密度を均一化して、界磁ヨークの軽量化を図ることができることから、界磁ヨークを可動子として用いる場合、界磁ヨークの自重の減少に伴って可搬重量を増加させたり、もしくは可搬重量が一定の場合に加速度を上げて高推力を達成する用途に適した永久磁石形リニアモータを提供することができる。それから、リニアモータの可搬重量を一定とし、加速度も同じでよいとした場合、電機子巻線に流す定格電流を小さくできることから、モータの発熱を抑えるなどの効果があり、半導体製造に用いられる露光装置などの超精密、高推力駆動用途に用いるのに最適である。
また、界磁ヨーク1、2を固定子として用いる場合、長ストロークの用途では、材料コストが少なくて済み、安価な永久磁石形リニアモータを提供することができる。
(2)本発明の第2の実施例は、界磁ヨークの背面の磁路として機能しない部分を削除して、界磁ヨークの凸部を台形状に形成したので、第1の実施と同様に、界磁ヨークの磁束密度を均一化して、界磁ヨークの軽量化を図り、安価で、高推力の永久磁石形リニアモータを提供することができる。
(3)本発明の第3の実施例は、界磁ヨークの凸部の形状を曲線形状に近似したため、第1、第2の実施例に比べると、凸部の形状が複雑な形状となるが、界磁ヨーク内の磁束密度をより最適に均一化し、軽量化することができる。
(4)本発明の第4の実施例は、界磁ヨーク上に第1凸部、第2凸部からなる凸部の幅を交互に替えて形成したので、第1乃至第3の実施例に比べると、界磁ヨーク内の磁束密度をより最適に均一化し、軽量化することができる。
(5)本発明の第5の実施例は、界磁ヨーク上に交互に形成される第1凸部、第2凸部の方形のコーナー部を台形状にしたので、第2の実施例、第4の実施例に比べ、磁束密度をより均一にすることができる。
(6)本発明の第6の実施例は、界磁ヨークの第1凸部、第2凸部の形状を曲線形状に近似したので、第5の実施例に比べると、各々の凸部の形状が複雑な形状となるが、界磁ヨーク内の磁束密度をより最適に均一化し、軽量化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す界磁部の斜視図である。
【図2】第1の実施例における界磁ヨークと界磁極の作る磁束分布を示す模式図である。
【図3】本発明の第2の実施例を示す界磁部の側面図である。
【図4】本発明の第3の実施例を示す界磁部の側面図である。
【図5】本発明の第4の実施例の示す界磁部の側面図である。
【図6】本発明の第5の実施例の示す界磁部の側面図である。
【図7】本発明の第6の実施例の示す界磁部の側面図である。
【図8】従来の永久磁石形リニアモータの概観を示した斜視図である。
【図9】図8に示したリニアモータのX―X断面に沿う断面図である。
【図10】従来の界磁ヨークと界磁極の作る磁束分布を示す模式図である。
【符号の説明】
1:界磁ヨーク
11:凸部
12:凹部
13:第1凸部
14:第2凸部
15:第1凹部
16:第2凹部
3:界磁極
4:界磁部
5:電機子
51:電機子巻線
Claims (1)
- 互いに平行させた強磁性体からなる界磁ヨークと前記界磁ヨーク上に交互に異極になるように直線状に配列してなる(2n+1)個(n:整数)の界磁極とより構成された界磁部と、前記界磁部と磁気的空隙を介して対向するように電機子巻線を配置した電機子を備え、前記界磁部と前記電機子の何れか一方を相対移動する可動子に、他方を固定子とする永久磁石形リニアモータにおいて、
前記界磁ヨークは、前記界磁極が配設される面と反対側の背面の進行方向に向かって、前記界磁ヨークの背面の磁路として機能しない部分を削除することにより前記界磁極を構成する隣り合う磁石間の中心に一致するように凸部を形成していることを特徴とする永久磁石形リニアモータ。
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