JP3824061B2 - リニアモータ - Google Patents

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やＦＡ機器などの分野で小形・高推力が要求されるリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば半導体製造装置やＦＡ機器などの分野に多く供給されて小形・高推力が要求されるリニアモータとしては図８、図９のようになっている。
図８は従来技術を示すリニアモータの側断面図、図９は図８における磁極の拡大図である。
図において、１は固定子、２は誘導子、３は誘導子歯、１０は可動子、１１は電機子、１２は電機子コア、１３はティース、１４は継鉄、１５は電機子巻線、１６は磁極である。
リニアモータの固定子１は長手方向に誘導子歯３（誘導子歯ピッチ：λ）を有すると共に、磁性材料から成る誘導子２によって構成されている。また、可動子１０は３つのティース１３およびそれらをつなぐ継鉄１４を一体に形成した、磁性材料からなる電機子コア１２と、ティース１３に集中巻された３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の電機子巻線１５と、ティース１３先端に配置された複数の磁極１６（磁極ピッチ：Ｐｍ）を備えた電機子１１によって構成されている。この電機子１１は誘導子歯３と磁気的空隙ｇを介して対向するように設けられている。なお、誘導子２および電機子コア１２は例えば積層された電磁鋼板が用いられる。
それから、１つのティース１３先端に設けた磁極１６は６極から成り、その磁極ピッチＰｍがλ／２となるように隣接するものどうしが互いに異極になるように永久磁石１７ａを６個配置したものとなっている。具体的には、隣り合った永久磁石１７ａの磁化方向間の角度θは１８０度で、１極当たりの磁極に使われる永久磁石数ｎは１である。また、隣接するティース１３間の間隔は、ティース１３の幅３×λとティース１３間の幅λ＋λ／３を足し合わせた４×λ＋λ／３である。
【０００３】
次に動作原理について説明する。
永久磁石１７ａの磁束は、ティース１３、継鉄１４、磁気的空隙ｇ、誘導子歯３によって構成される磁気回路を流れる。各相のティース１３の位相差が電気角で１２０度なので、可動子１０を動かすと互いに電気角１２０度差の磁束が各相電機子巻線１５に鎖交し、電機子巻線１５には３相の誘起電圧が発生する。逆に各相の電機子巻線１５に３相の正弦波電流を通電すると３相同期モータとして推力を発生し、可動子１０が図示しないリニアガイド等によって移動自在に支持された状態で、固定子１の長手方向を移動方向（矢視Ａ）として直線移動する（例えば、特公平５−３４９０１号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来技術のような電機子１１と誘導子２によって構成されるリニアモータは、誘導子歯３のピッチλを小さくし、１ティース当たりの誘導子歯数を多くするほど発生推力が大きくなる。これは発生推力箇所がティース１３に対向した誘導子歯３であるためである。また、このリニアモータを小型化しようとする場合、１ティース当たりの誘導子歯数を確保するには、λを小さくしなければならない。
しかしながら、従来技術ではλを小さくしようとした場合、磁極ピッチＰｍも小さくしなければならず、その結果、以下のような問題が生じた。
（１）永久磁石１７ａの磁極ピッチＰｍが小さくなるほど、磁極ピッチＰｍ寸法誤差が磁極ピッチの精度に影響を及ぼし、コギング力の変動あるいは推力変動を生じた。
（２）永久磁石１７ａの磁極ピッチＰｍ寸法に対し、可動子の移動方向Ａおよび磁気的空隙方向Ｇと直交する方向Ｂ（紙面と垂直方向）の寸法が大きくなり、永久磁石自身の強度が劣化し、永久磁石１７ａをティース１３先端へ貼り付ける際や運搬する際に永久磁石が折損する事故などがあった。
（３）上記（１）の問題を回避するため、個々の永久磁石１７ａの寸法管理を厳しくすると、検査時間が増えるだけでなく歩留まりが低下し、コスト高を招いた。
（４）上記（２）の問題を回避するため、永久磁石１７ａを磁極ピッチＰｍ寸法に対して可動子の移動方向Ａおよび磁気的空隙方向Ｇと直交する方向Ｂに複数に分割し、磁極ピッチＰｍ寸法に対して図示Ｂ方向における寸法の小さい永久磁石を複数使用すると、永久磁石の貼り付け作業に時間がかかり、コスト高を招いた。
【０００５】
また、上記に示したリニアモータでは、電機子側の問題を挙げたが、長ストローク化する際に誘導子側にも課題がある。
リニアモータには一般に高価な永久磁石が使用されているが、永久磁石１７ａは固定子１となる誘導子２には取り付けておらず、可動子１０となる電機子１１側のみにあるため、ストロークが長い用途に適している。しかし、長ストローク化する際に誘導子２の全長を長くしすぎると、誘導子２を運搬ずる際に労力がかかったり、誘導子の材料となる電磁鋼鈑をプレス機械により打ち抜く際にワンスタンプで抜くことができず生産性が悪い。また、加工による反りが生じて誘導子歯７のピッチ精度が悪くなり、コギング力が大きくなるなどの問題があった。
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、その第１の目的は、発生推力が大きくかつ小形化に適した磁極ピッチの磁極構造を有すると共に、永久磁石の製造・組立コストが安価であり、コギング力の変動あるいは推力変動を低減することができるリニアモータを提供することにある。
また、第２の目的はリニアモータを長ストローク化する際に誘導子の生産性を良好にし、誘導子歯のピッチ精度低下を防止できるリニアモータを提供することにある。
【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、電機子コアのティースに巻装された電機子巻線と前記ティース先端に配置された複数の磁極とより構成される電機子と、前記電機子と磁気的空隙を介して対向するように設けられた誘導子歯（誘導子歯ピッチ：λ）を有する誘導子とを備え、前記電機子と前記誘導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リニアモータにおいて、前記磁極は凹凸状に形成してなる永久磁石で構成するとともに、当該永久磁石の凸部のピッチを前記誘導子歯ピッチλに等しくなるように設定してあり、前記永久磁石は、前記ティースの各々の先端に磁化方向の異なる当該永久磁石を少なくとも２個１組として組み合わせたものを配置しであることを特徴とするものである。
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、磁化方向の異なる前記永久磁石を、可動子の移動方向に並べて配置したものである。
請求項３の本発明は、請求項１または２に記載のリニアモータにおいて、磁化方向の異なる前記永久磁石を、可動子の移動方向および磁気的空隙方向と直交する方向に並べて配置したものである。
請求項４の本発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載のリニアモータにおいて、前記永久磁石をボンド磁石で構成したものである。
請求項５の本発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載のリニアモータにおいて、前記誘導子を移動方向に分割する構成とするとともに、分割する部位となる接合面に凹凸状の係合部を設けたものである。
【０００７】
【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の実施例を示すリニアモータの側断面図、図２は図１の磁極を可動子の下方から見た平面図である。図３は図１の磁極の拡大図であり、永久磁石の磁化方向を表したものである。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものについてはその説明を省略し、異なるものについて説明する。また、本発明の実施例では、従来技術同様、電機子を可動子、誘導子を固定子とした例を示している。
本発明が従来技術と異なる点は、以下のとおりである。
磁極１６は凹凸状に形成してなる永久磁石１７ｂ、１７ｃで構成するとともに、当該永久磁石の凸部のピッチを誘導子歯ピッチλに等しくなるように設定した点である。また、凹凸状の永久磁石１７ｂ、１７ｃは、ティース１３の各々の先端に磁化方向の異なる当該永久磁石を２個１組組み合わせて配置してあり、それぞれの凸部が電気的に１８０度の位相差になるように、可動子の移動方向に並べて配置してある。
なお、本実施例では従来技術に対して、リニアモータの発生推力を上げるための１ティース当たりの誘導子歯数を多くする条件として、隣接するティース１３間の間隔を、ティース１３の幅６×λとティース１３間の幅２λ＋２λ／３を足し合わせた８×λ＋２λ／３として設定してある。
【０００８】
次に動作原理について、図４を用いて説明する。
図４は、第１の実施例における電機子起磁力による磁束の流れを示した模式図である。なお、本実施例による磁極構造は従来技術のものと違いはあるものの、動作原理の基本的な部分は同じであるため、重複する動作内容については省略し、その動作内容を補足する形で説明する。
すなわち、Ｕ相の電機子巻線１５に＋方向の電流、Ｖ相とＷ相に−方向の電流を印可した場合の電機子起磁力による磁束の流れを示している。図示したように、電機子起磁力による磁束は、磁化方向と一致する凹凸状永久磁石１７ｂ中または凹凸状永久磁石１７ｃ中を流れる。その結果、誘導子歯３と電機子起磁力による磁束が通過する凹凸状永久磁石１７ｂまたは凹凸状永久磁石１７ｃとの磁気吸引作用によって、可動子は移動方向（矢視Ａ方向）に移動する。
【０００９】
このように、第１の実施例は、誘導子歯ピッチλを従来技術の１／２の長さ（１ティース当たりの誘導子歯数を２倍）に設定した条件のもとで、磁極１６を凹凸状に形成された永久磁石１７ｂ、１７ｃで構成するとともに、当該永久磁石の凸部のピッチを誘導子歯ピッチλに等しくなるように設定した構成、永久磁石１７ｂ、１７ｃは、ティース１３の各々の先端に磁化方向の異なる当該永久磁石を少なくとも２個１組として組み合わせたものを配置した構成、そして、凹凸状の永久磁石１７ｂ、１７ｃを、それぞれの凸部が電気的に１８０度の位相差になるように、可動子の移動方向に並べて配置した構成にしたので、複数の磁極が一体で構成されることから、従来技術よりも永久磁石の磁極ピッチＰｍに対して紙面と垂直方向の寸法を大きくすることなく、機械加工によって磁極ピッチＰｍを小さくすることができ、磁極ピッチＰｍ寸法誤差も小さくできることできる。その結果、従来技術で問題となった製造にかかるコストを低減するとともに、コギング力、推力変動を低減しつつ発生推力の大きなリニアモータを提供することができる。
また、上記構成により個々の永久磁石の寸法管理を厳しくする必要が無く、永久磁石の組み付け時の検査時間も短縮できるため、組立コストの安価なリニアモータを提供することができる。
さらに、磁化方向の異なる永久磁石１７ｂ、１７ｃを、可動子１０の移動方向Ａに並べて配置したので、磁極ピッチＰｍ寸法に対し可動子１０の移動方向Ａに多数並べることができるため、個々の凹凸状の永久磁石１７ｂ、１７ｃを強度上問題無い縦横寸法形状に設定することができ、永久磁石１７ｂ、１７ｃをティース１３先端へ貼り付けたり、運搬する時に折損を生じる等の問題を回避することができる。
【００１０】
［第２の実施例］
次に本発明の第２の実施例について説明する。
図５は本発明の第２実施例を示すリニアモータの側断面図、図６は図５の磁極を可動子の下方から見た平面図である。。
第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、磁化方向の異なる永久磁石１７ｂ、１７ｃを、当該磁石の凸部が電気的に１８０度の位相差になるように、可動子１０の移動方向Ａおよび磁気的空隙方向Ｇと直交する方向Ｂに並べて配置した点である。なお、動作原理については第１の実施例と同じであるため、その説明を省略する。
【００１１】
このように第２の実施例は、磁化方向の異なる永久磁石１７ｂ、１７ｃを、当該磁石の凸部が電気的に１８０度の位相差になるように、可動子１０の移動方向Ａおよび磁気的空隙方向Ｇと直交する方向Ｂに並べて配置したので、第１の実施例同様の効果を得ることができる。
また、上記効果に加えて、磁極ピッチＰｍ寸法に対し可動子１０の移動方向Ａおよび磁気的空隙方向Ｇと直交する方向Ｂの寸法が大きい場合でも、可動子１０の移動方向Ａおよび磁気的空隙方向Ｇと直交する方向Ｂに短い形状をした磁化方向の異なる凹凸状の永久磁石を複数個並べることができるため、強度劣化の無い永久磁石を使用することができ、ティース１３先端への貼り付け時や運搬時に永久磁石が折損を生じる等の問題を回避することができる。
また、従来技術に比べても、永久磁石の貼り付け作業を大幅に短縮でき、安価なリニアモータを提供することができる。
【００１２】
［第３の実施例］
次に、本発明の第３の実施例について説明する。
図７は本発明の第３実施例を示すリニアモータであって、（ａ）は誘導子の側断面図、（ｂ）は係合部の拡大図である。
第３の実施例が第１、第２の実施例と異なる点は、誘導子２を移動方向Ａに分割する構成とするとともに、分割する部位となる接合面に凹凸状の係合部２ａ、２ｂを設けた点である。なお、誘導子歯３は電機子１１との磁気的空隙ｇの寸法精度が要求されるため、分割位置は歯と歯の中間部としている。
このように第３の実施例は誘導子２を分割構造にしたので、リニアモータを長ストローク化する際に持ち運びが容易に行うことができる。また、誘導子２のコア形状もプレス機械によりワンスタンプで抜くことができるため生産性が向上し、加工による反りも少ないため誘導子歯３のピッチ精度が良く、コギング力を低減することができる。
【００１３】
なお、上記の実施例で示した永久磁石１７ｂ、１７ｃを、例えばボンド磁石を用いると良い。すなわち、永久磁石１７ｂ、１７ｃのような凹凸に形成しようとした場合、従来から使用される燒結磁石では加工が困難で、形状が複雑なものには不向きであるため、ボンド磁石によって金型で成形することにより、永久磁石１７ｂ、１７ｃを安価にすることができる。
また、誘導子２を分割構成にしたが、これは場合によっては誘導子２の加工による寸法誤差を生じ、それに伴って連結部での誘導子歯３のピッチ精度や電機子１１とのギャップ精度が悪くなるという問題を生じる恐れがある。すなわち、分割した誘導子２の係合部が大きいために、ベース１８と誘導子２の間の直角精度をクリアすることが難しく、各々の誘導子２を連結した時に部分的な接触となってしまい、誘導子歯３のピッチ精度が悪くなることや、ベース１８の上面から誘導子歯３の先端面までの高さ寸法が長いために、各々の誘導子２で高さ寸法に誤差を生じることが考えられる。このような問題を回避するには、誘導子２を分割する部位となる接合面に設けた凹凸状の係合部２ａ、２ｂにおいて、当該係合部を連結したときに、図７（ｂ）に示すように微小の隙間２ｃを設けて凹凸状の係合部の寸法を調節すると、加工による寸法誤差を逃がすことができ、寸法精度の必要な面を小さくできたり、連結部の誘導子歯７のピッチを精度良くできる。また、ベース１８の上面と誘導子２の間に微小の隙間２ｄを設けると、各々の誘導子２で高さ寸法に誤差を生じることはない。
また、本実施例では電機子を可動子に、誘導子を固定子とした構造としたが、電機子を固定子に、誘導子を可動子とした構造としても、本発明の効果を同じく発揮できることは言うまでもない。
また、３つのティースで構成される電機子を示したが、それらを複数個連結して同一のテーブルに固定する構成、１個の電機子において複数個のティースを持つものであっても同様の効果を得ることができる。
また、本実施例では凹凸状の永久磁石の凸部を単に矩形状としたが、永久磁石を、可動子の移動方向Ａおよび磁気的空隙方向Ｇと直交する方向Ｂにスキューを設けたり、凸部先端を円弧状に形成するようにしても良い。
【００１４】
【発明の効果】
以上のような構成により、以下の効果を得ることができる。
（１）第１の実施例は、誘導子歯ピッチλを従来技術の１／２の長さ（１ティース当たりの誘導子歯数を２倍）に設定した条件のもとで、磁極を凹凸状に形成された永久磁石で構成するとともに、当該永久磁石の凸部のピッチを誘導子歯ピッチλに等しくなるように設定した構成、永久磁石は、ティースの各々の先端に磁化方向の異なる当該永久磁石を少なくとも２個１組として組み合わせたものを配置した構成、そして、凹凸状の永久磁石を、それぞれの凸部が電気的に１８０度の位相差になるように、可動子の移動方向に並べて配置した構成にしたため、複数の磁極が一体で構成されることから、従来技術よりも永久磁石の磁極ピッチＰｍに対して紙面と垂直方向の寸法を大きくすることなく、機械加工によって磁極ピッチＰｍを小さくすることができ、磁極ピッチＰｍ寸法誤差も小さくできることできる。その結果、従来技術で問題となった製造にかかるコストを低減するとともに、コギング力、推力変動を低減しつつ発生推力の大きなリニアモータを提供することができる。
また、上記構成により個々の永久磁石の寸法管理を厳しくする必要が無く、永久磁石の組み付け時の検査時間も短縮できるため、組立コストの安価なリニアモータを提供することができる。
さらに、磁化方向の異なる永久磁石を、可動子の移動方向および磁気的空隙と直交する方向に並べて配置したので、磁極ピッチＰｍ寸法に対し可動子の移動方向および磁気的空隙と直交する方向に多数並べることができるため、個々の凹凸状の永久磁石を強度上問題無い縦横寸法形状に設定することができ、永久磁石をティース先端へ貼り付けたり、運搬する時に折損を生じる等の問題を回避することができる。
（２）第２の実施例は、磁化方向の異なる永久磁石を、当該磁石の凸部が電気的に１８０度の位相差になるように、可動子の移動方向および磁気的空隙と直交する方向に並べて配置したため、第１の実施例同様の効果を得ることができる。
また、上記効果に加えて、磁極ピッチＰｍ寸法に対し可動子の移動方向および磁気的空隙と直交する方向の寸法が大きい場合でも、可動子の移動方向および磁気的空隙と直交する方向に短い形状をした磁化方向の異なる凹凸状の永久磁石を複数個並べることができるため、強度劣化の無い永久磁石を使用することができ、ティース先端への貼り付け時や運搬時に永久磁石が折損を生じる等の問題を回避することができる。
また、従来技術に比べても、永久磁石の貼り付け作業を大幅に短縮でき、安価なリニアモータを提供することができる。
（３）第３の実施例は、誘導子を移動方向に分割する構成とするとともに、分割する部位となる接合面に凹凸状の係合部を設けたため、リニアモータを長ストローク化する際に持ち運びが容易に行うことができる。また、誘導子のコア形状もプレス機械によりワンスタンプで抜くことができるため生産性が向上し、加工による反りも少ないため誘導子歯のピッチ精度が良く、コギング力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すリニアモータの側断面図である。
【図２】図１の磁極を可動子の下方から見た平面図である。
【図３】図１の磁極の拡大図であり、永久磁石の磁化方向を表したものである。
【図４】第１の実施例における電機子起磁力による磁束の流れを示した模式図である。
【図５】本発明の第２実施例を示すリニアモータの側断面図である。
【図６】図５の磁極を可動子の下方から見た平面図である。
【図７】本発明の第３実施例を示すリニアモータであって、（ａ）は誘導子の側断面図、（ｂ）は係合部の拡大図である。
【図８】従来技術を示すリニアモータの側断面図である。
【図９】図８における磁極の拡大図であり、永久磁石の磁化方向を表したものである。
【符号の説明】
１ 固定子
２ 誘導子
２ａ 係合部
２ｂ 係合部
２ｃ 隙間
２ｄ 隙間
３ 誘導子歯
１０ 可動子
１１ 電機子
１２ 電機子コア
１３ ティース
１４ 継鉄
１５ 電機子巻線
１６ 磁極
１７ａ 永久磁石（従来技術）
１７ｂ、１７ｃ 永久磁石（本発明）

Claims (5)

1. 電機子コアのティースに巻装された電機子巻線と前記ティース先端に配置された複数の磁極とより構成される電機子と、前記電機子と磁気的空隙を介して対向するように設けられた誘導子歯（誘導子歯ピッチ：λ）を有する誘導子とを備え、前記電機子と前記誘導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リニアモータにおいて、
   前記磁極は凹凸状に形成してなる永久磁石で構成するとともに、当該永久磁石の凸部のピッチを前記誘導子歯ピッチλに等しくなるように設定してあり、
   前記永久磁石は、前記ティースの各々の先端に磁化方向の異なる当該永久磁石を少なくとも２個１組として組み合わせたものを配置しであることを特徴とするリニアモータ。
2. 磁化方向の異なる前記永久磁石を、可動子の移動方向に並べて配置したことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 磁化方向の異なる前記永久磁石を、可動子の移動方向および磁気的空隙方向と直交する方向に並べて配置したことを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータ。
4. 前記永久磁石をボンド磁石で構成したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のリニアモータ。
5. 前記誘導子を移動方向に分割する構成とするとともに、分割する部位となる接合面に凹凸状の係合部を設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のリニアモータ。

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