JP3916048B2 - リニアモータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置や工作機械などのＦＡ機器に使用されると共に、特にハルバッハ配列構造の界磁極を有する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、界磁極を構成する永久磁石と当該永久磁石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リニアモータの利用が図られている。
図３は従来のリニアモータの平断面図である。
図３において、１はヨークであり、互いに平行させた強磁性体よりなる２個一対のもので構成されている。２は界磁極であり、ヨーク１上の進行方向に沿って隣接し、磁極の向きが異なる主磁極２Ｅと副磁極２Ｆで構成された永久磁石からなるハルバッハ配列構造を有している。３は界磁極２と磁気的空隙を介して対向するように配置した電機子巻線、４は電機子巻線３を備えた電機子であって、界磁極２の長手方向に対して相対移動するものである。ここで、界磁極２においては、副磁極２Ｆの進行方向の幅と主磁極２Ｅの進行方向の幅の比を、０．７５〜０．８としている。
このような構成において、リニアモータは電機子４を固定子に、界磁極２を相対移動する可動子として、界磁極２を直線移動するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、ヨーク１の中心部に位置する主磁極２Ｅと副磁極２Ｆの磁石幅の寸法比と，ヨーク１端に位置する主磁極２Ｅと副磁極２Ｆの磁石幅の寸法比は同じであるため、ヨーク１の両端部において、端効果のために磁路がヨーク１の中心部と異なることとなり、磁界効率が悪化するため、推力の変動が発生する問題があった。その結果、リニアモータを組み込んだ工作機械や半導体装置などにおいては制御性能を劣化させる原因となっていた。
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、ヨークの両端部における端効果の影響により磁界効率が悪化することなく、推力の変動の発生を極力低減できる高精度な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の本発明は、互いに平行させた強磁性体で構成してなる２個一対のヨークと、前記ヨーク上の進行方向に沿って、磁極の向きが異なる主磁極と副磁極とから構成されるハルバッハ配列構造を有する界磁極と、前記界磁極と磁気的空隙を介して対向するように配置した電機子巻線を有する電機子とを備え、前記界磁極と前記電機子と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、前記主磁極は、前記ヨークの両端位置に配設した第１主磁極の進行方向の幅Ｗｃが、前記ヨークの両端を除く内側の位置に設けた第２主磁極の進行方向の幅Ｗａより狭くなるように形成してあり、前記副磁極は、前記第１主磁極と隣り合わせに配置した第１副磁極の進行方向の幅Ｗｄが、前記第２主磁極の第１副磁極と反対側に配置した第２副磁極の進行方向の幅Ｗｂより広くなるように形成してあり、前記第２主磁極同志の中心間の距離を極ピッチＰとし、前記第1主磁極と前記第２主磁極の中心間の距離をＰ’とするとき、Ｐ’＝１．０３×Ｐの関係を有したものである。
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、前記主磁極の極数が偶数である時、前記第１主磁極の進行方向の幅を、前記第２主磁極の進行方向の幅の０．４５〜０．５５としたものである。
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、前記主磁極の極数が奇数である時、前記第１主磁極の進行方向の幅を、第２主磁極の進行方向の幅の０．７５〜０．８５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は本発明の実施例を示すリニアモータの平断面図である。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、異なる点のみ説明する。
図において、２Ｃは第１主磁極、２Ｄは第１副磁極、２Ａは第２主磁極、２Ｂは第２副磁極である。
本発明の特徴は以下のとおりである。
すなわち、界磁極を構成する一方の主磁極は、ヨーク１の両端位置に配設した第１主磁極２Ｃの進行方向の幅Ｗｃが、ヨーク１の両端を除く位置に設けた第２主磁極２Ａの進行方向の幅Ｗａより狭くなるように形成してあり、他方の副磁極は、第１主磁極２Ｃと隣り合わせに配置した第１副磁極２Ｄの進行方向の幅Ｗｄが、第２主磁極２Ａの第１副磁極２Ｄと反対側に配置した第２副磁極２Ｂの進行方向の幅Ｗｂより広くなるように形成してあり、第２主磁極２Ａ同志の中心間の距離を極ピッチＰとし、第1主磁極２Ｃと第２主磁極２Ａの中心間の距離をＰ’とするとき、Ｐ’＝１．０３×Ｐの関係を有した点である。
【０００６】
次に、本実施例に係るリニアモータの有限要素法による磁界解析結果について説明する。
図２は本実施例におけるリニアモータの磁束分布を示す模式図である。図では便宜上、リニアモータの進行方向に沿った軸に対して２分の１にカットしたモデルとなっている。従来に比べて、第１主磁極２Ｃの幅Ｗｃを第２主磁極２Ａの幅Ｗａより狭くし、第１副磁極２Ｄの幅Ｗｄを、第２副磁極２Ｂの幅Ｗｂより広くすると共に、第1主磁極２Ｃと第２主磁極２Ａの中心間の距離を上式のように限定すると、図２に示すようにヨーク１の両端部とヨーク１の進行方向における中心位置での磁束の流れがほぼ同じになり、リニアモータのストロークにおいて推力変動がなくなる。
【０００７】
したがって、本実施例は、界磁極を構成する一方の主磁極として、ヨーク１の両端位置に配設した第１主磁極２Ｃの進行方向の幅Ｗｃが、ヨーク１の両端を除く位置に設けた第２主磁極２Ａの進行方向の幅Ｗａより狭くなるように形成し、また、他方の副磁極として、第１主磁極２Ｃと隣り合わせに配置した第１副磁極２Ｄの進行方向の幅Ｗｄが、第２主磁極２Ａの第１副磁極２Ｄと反対側に配置した第２副磁極２Ｂの進行方向の幅Ｗｂより広くなるように形成し、さらに第２主磁極２Ａ同志の中心間の距離を極ピッチＰとし、第1主磁極２Ｃと第２主磁極２Ａの中心間の距離をＰ’とするとき、Ｐ’＝１．０３×Ｐの関係を有した構成にしたので、ヨーク両端部における磁束の流れとヨーク中央部における磁束の流れがほぼ一様となり、ヨーク１の両端部における端効果の影響により磁界効率が悪化することなく、推力の変動の発生を極力低減することが可動で高精度なリニアモータを提供することができる。
そして、リニアモータの推力の変動を抑制できることから、リニアモータを組み込んだ工作機械や半導体装置などにおいては制御性を向上することができる。
【０００８】
なお、上記実施例において、リニアモータの推力変動を抑制するために、解析と実験により最適な主磁極と副磁極の幅の検討を行った。
例えば、上記実施例で示した条件に加え、主磁極の極数を偶数としたときに、第１主磁極２Ｃの進行方向の幅を、第２主磁極２Ａの進行方向の幅の０．４５〜０．５５とすると、リニアモータの推力変動を従来比１５％〜２０％減少できることを確認した。
また、主磁極の極数を奇数としたときに、第１主磁極２Ｃの進行方向の幅を、第２主磁極２Ａの進行方向の幅の０．７５〜０．８５とすると、リニアモータの推力変動を従来比１２０％〜３０％減少できることを確認した。これにより、リニアモータの推力変動を一層抑制することができる。
【０００９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、界磁極を構成する一方の主磁極として、ヨークの両端位置に配設した第１主磁極の進行方向の幅Ｗｃが、ヨークの両端を除く位置に設けた第２主磁極の進行方向の幅Ｗａより狭くなるように形成し、また、他方の副磁極として、第１主磁極と隣り合わせに配置した第１副磁極の進行方向の幅Ｗｄが、第２主磁極の第１副磁極と反対側に配置した第２副磁極の進行方向の幅Ｗｂより広くなるように形成し、さらに第２主磁極同志の中心間の距離を極ピッチＰとし、第1主磁極と第２主磁極の中心間の距離をＰ’とするとき、Ｐ’＝１．０３×Ｐの関係を有した構成にしたため、ヨーク両端部における磁束の流れとヨーク中央部における磁束の流れがほぼ一様となり、ヨークの両端部における端効果の影響により磁界効率が悪化することなく、推力の変動の発生を極力低減することが可動で高精度なリニアモータを提供することができる。
そして、リニアモータの推力の変動を抑制できることから、リニアモータを組み込んだ工作機械や半導体装置などにおいては制御性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すリニアモータの平断面図である。
【図２】本実施例におけるリニアモータの磁束分布を示す模式図である。
【図３】従来技術を示すリニアモータの平断面図である。
【符号の説明】
１ ヨーク
２ 界磁極
２Ａ 第２主磁極
２Ｂ 第２副磁極
２Ｃ 第１主磁極
２Ｄ 第１副磁極
３ 電機子巻線
４ 電機子
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置や工作機械などのＦＡ機器に使用されると共に、特にハルバッハ配列構造の界磁極を有する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、界磁極を構成する永久磁石と当該永久磁石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リニアモータの利用が図られている。
図３は従来のリニアモータの平断面図である。
図３において、１はヨークであり、互いに平行させた強磁性体よりなる２個一対のもので構成されている。２は界磁極であり、ヨーク１上の進行方向に沿って隣接し、磁極の向きが異なる主磁極２Ｅと副磁極２Ｆで構成された永久磁石からなるハルバッハ配列構造を有している。３は界磁極２と磁気的空隙を介して対向するように配置した電機子巻線、４は電機子巻線３を備えた電機子であって、界磁極２の長手方向に対して相対移動するものである。ここで、界磁極２においては、副磁極２Ｆの進行方向の幅と主磁極２Ｅの進行方向の幅の比を、０．７５〜０．８としている。
このような構成において、リニアモータは電機子４を固定子に、界磁極２を相対移動する可動子として、界磁極２を直線移動するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、ヨーク１の中心部に位置する主磁極２Ｅと副磁極２Ｆの磁石幅の寸法比と，ヨーク１端に位置する主磁極２Ｅと副磁極２Ｆの磁石幅の寸法比は同じであるため、ヨーク１の両端部において、端効果のために磁路がヨーク１の中心部と異なることとなり、磁界効率が悪化するため、推力の変動が発生する問題があった。その結果、リニアモータを組み込んだ工作機械や半導体装置などにおいては制御性能を劣化させる原因となっていた。
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、ヨークの両端部における端効果の影響により磁界効率が悪化することなく、推力の変動の発生を極力低減できる高精度な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の本発明は、互いに平行させた強磁性体で構成してなる２個一対のヨークと、前記ヨーク上の進行方向に沿って、磁極の向きが異なる主磁極と副磁極とから構成されるハルバッハ配列構造を有する界磁極と、前記界磁極と磁気的空隙を介して対向するように配置した電機子巻線を有する電機子とを備え、前記界磁極と前記電機子と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、前記主磁極は、前記ヨークの両端位置に配設した第１主磁極の進行方向の幅Ｗｃが、前記ヨークの両端を除く内側の位置に設けた第２主磁極の進行方向の幅Ｗａより狭くなるように形成してあり、前記副磁極は、前記第１主磁極と隣り合わせに配置した第１副磁極の進行方向の幅Ｗｄが、前記第２主磁極の第１副磁極と反対側に配置した第２副磁極の進行方向の幅Ｗｂより広くなるように形成してあり、前記第２主磁極同志の中心間の距離を極ピッチＰとし、前記第1主磁極と前記第２主磁極の中心間の距離をＰ’とするとき、Ｐ’＝１．０３×Ｐの関係を有したものである。
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、前記主磁極の極数が偶数である時、前記第１主磁極の進行方向の幅を、前記第２主磁極の進行方向の幅の０．４５〜０．５５としたものである。
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、前記主磁極の極数が奇数である時、前記第１主磁極の進行方向の幅を、第２主磁極の進行方向の幅の０．７５〜０．８５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は本発明の実施例を示すリニアモータの平断面図である。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、異なる点のみ説明する。
図において、２Ｃは第１主磁極、２Ｄは第１副磁極、２Ａは第２主磁極、２Ｂは第２副磁極である。
本発明の特徴は以下のとおりである。
すなわち、界磁極を構成する一方の主磁極は、ヨーク１の両端位置に配設した第１主磁極２Ｃの進行方向の幅Ｗｃが、ヨーク１の両端を除く位置に設けた第２主磁極２Ａの進行方向の幅Ｗａより狭くなるように形成してあり、他方の副磁極は、第１主磁極２Ｃと隣り合わせに配置した第１副磁極２Ｄの進行方向の幅Ｗｄが、第２主磁極２Ａの第１副磁極２Ｄと反対側に配置した第２副磁極２Ｂの進行方向の幅Ｗｂより広くなるように形成してあり、第２主磁極２Ａ同志の中心間の距離を極ピッチＰとし、第1主磁極２Ｃと第２主磁極２Ａの中心間の距離をＰ’とするとき、Ｐ’＝１．０３×Ｐの関係を有した点である。
【０００６】
次に、本実施例に係るリニアモータの有限要素法による磁界解析結果について説明する。
図２は本実施例におけるリニアモータの磁束分布を示す模式図である。図では便宜上、リニアモータの進行方向に沿った軸に対して２分の１にカットしたモデルとなっている。従来に比べて、第１主磁極２Ｃの幅Ｗｃを第２主磁極２Ａの幅Ｗａより狭くし、第１副磁極２Ｄの幅Ｗｄを、第２副磁極２Ｂの幅Ｗｂより広くすると共に、第1主磁極２Ｃと第２主磁極２Ａの中心間の距離を上式のように限定すると、図２に示すようにヨーク１の両端部とヨーク１の進行方向における中心位置での磁束の流れがほぼ同じになり、リニアモータのストロークにおいて推力変動がなくなる。
【０００７】
したがって、本実施例は、界磁極を構成する一方の主磁極として、ヨーク１の両端位置に配設した第１主磁極２Ｃの進行方向の幅Ｗｃが、ヨーク１の両端を除く位置に設けた第２主磁極２Ａの進行方向の幅Ｗａより狭くなるように形成し、また、他方の副磁極として、第１主磁極２Ｃと隣り合わせに配置した第１副磁極２Ｄの進行方向の幅Ｗｄが、第２主磁極２Ａの第１副磁極２Ｄと反対側に配置した第２副磁極２Ｂの進行方向の幅Ｗｂより広くなるように形成し、さらに第２主磁極２Ａ同志の中心間の距離を極ピッチＰとし、第1主磁極２Ｃと第２主磁極２Ａの中心間の距離をＰ’とするとき、Ｐ’＝１．０３×Ｐの関係を有した構成にしたので、ヨーク両端部における磁束の流れとヨーク中央部における磁束の流れがほぼ一様となり、ヨーク１の両端部における端効果の影響により磁界効率が悪化することなく、推力の変動の発生を極力低減することが可動で高精度なリニアモータを提供することができる。
そして、リニアモータの推力の変動を抑制できることから、リニアモータを組み込んだ工作機械や半導体装置などにおいては制御性を向上することができる。
【０００８】
なお、上記実施例において、リニアモータの推力変動を抑制するために、解析と実験により最適な主磁極と副磁極の幅の検討を行った。
例えば、上記実施例で示した条件に加え、主磁極の極数を偶数としたときに、第１主磁極２Ｃの進行方向の幅を、第２主磁極２Ａの進行方向の幅の０．４５〜０．５５とすると、リニアモータの推力変動を従来比１５％〜２０％減少できることを確認した。
また、主磁極の極数を奇数としたときに、第１主磁極２Ｃの進行方向の幅を、第２主磁極２Ａの進行方向の幅の０．７５〜０．８５とすると、リニアモータの推力変動を従来比１２０％〜３０％減少できることを確認した。これにより、リニアモータの推力変動を一層抑制することができる。
【０００９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、界磁極を構成する一方の主磁極として、ヨークの両端位置に配設した第１主磁極の進行方向の幅Ｗｃが、ヨークの両端を除く位置に設けた第２主磁極の進行方向の幅Ｗａより狭くなるように形成し、また、他方の副磁極として、第１主磁極と隣り合わせに配置した第１副磁極の進行方向の幅Ｗｄが、第２主磁極の第１副磁極と反対側に配置した第２副磁極の進行方向の幅Ｗｂより広くなるように形成し、さらに第２主磁極同志の中心間の距離を極ピッチＰとし、第1主磁極と第２主磁極の中心間の距離をＰ’とするとき、Ｐ’＝１．０３×Ｐの関係を有した構成にしたため、ヨーク両端部における磁束の流れとヨーク中央部における磁束の流れがほぼ一様となり、ヨークの両端部における端効果の影響により磁界効率が悪化することなく、推力の変動の発生を極力低減することが可動で高精度なリニアモータを提供することができる。
そして、リニアモータの推力の変動を抑制できることから、リニアモータを組み込んだ工作機械や半導体装置などにおいては制御性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すリニアモータの平断面図である。
【図２】本実施例におけるリニアモータの磁束分布を示す模式図である。
【図３】従来技術を示すリニアモータの平断面図である。
【符号の説明】
１ ヨーク
２ 界磁極
２Ａ 第２主磁極
２Ｂ 第２副磁極
２Ｃ 第１主磁極
２Ｄ 第１副磁極
３ 電機子巻線
４ 電機子
Claims (3)
- 互いに平行させた強磁性体で構成してなる２個一対のヨーク（１）と、前記ヨーク（１）上の進行方向に沿って、磁極の向きが異なる主磁極と副磁極とから構成されるハルバッハ配列構造を有する界磁極（２）と、前記界磁極（２）と磁気的空隙を介して対向するように配置した電機子巻線（３）を有する電機子（４）とを備え、前記界磁極（２）と前記電機子（４）と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、
前記主磁極は、前記ヨーク（１）の両端位置に配設した第１主磁極（２Ｃ）の進行方向の幅Ｗｃが、前記ヨーク（１）の両端を除く内側の位置に設けた第２主磁極（２Ａ）の進行方向の幅Ｗａより狭くなるように形成してあり、
前記副磁極は、前記第１主磁極（２Ｃ）と隣り合わせに配置した第１副磁極（２Ｄ）の進行方向の幅Ｗｄが、前記第２主磁極（２Ａ）の第１副磁極（２Ｄ）と反対側に配置した第２副磁極（２Ｂ）の進行方向の幅Ｗｂより広くなるように形成してあり、
前記第２主磁極（２Ａ）同志の中心間の距離を極ピッチＰとし、前記第1主磁極（２Ｃ）と前記第２主磁極（２Ａ）の中心間の距離をＰ’とするとき、Ｐ’＝１．０３×Ｐの関係を有することを特徴とするリニアモータ。 - 前記主磁極の極数が偶数である時、前記第１主磁極（２Ｃ）の進行方向の幅を、前記第２主磁極（２Ａ）の進行方向の幅の０．４５〜０．５５としたことを特徴とする請求項1記載のリニアモータ。
- 前記主磁極の極数が奇数である時、前記第１主磁極（２Ｃ）の進行方向の幅を、第２主磁極（２Ａ）の進行方向の幅の０．７５〜０．８５としたことを特徴とする請求項1記載のリニアモータ。
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- 2002-01-10 JP JP2002003461A patent/JP3916048B2/ja not_active Expired - Fee Related
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