JP5240563B2

JP5240563B2 - Ｘｙ軸コアレスリニアモータ及びそれを用いたステージ装置

Info

Publication number: JP5240563B2
Application number: JP2008240956A
Authority: JP
Inventors: 俊行星
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: JP2010074976A

Description

本発明は、液晶・半導体関連製造装置、実装機械、工作機械などの産業機械の分野でステージ装置などに利用されると共にＸＹ方向の２軸に移動することが可能なＸＹ軸コアレスリニアモータ及びそれを用いたステージ装置に関する。

従来、液晶・半導体関連製造装置、実装機械、工作機械などの産業機械の分野でステージ装置などに利用されると共に1軸方向に移動することが可能な一般のコアレスリニアモータは、図４及び図５に示すように構成されている。
図４は第１従来技術を示すコアレスリニアモータの界磁であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示している。図４において、２つの平板状の界磁ヨーク１ａを互いに平行に対向配置するようにヨークベース１ｂに固定し、それぞれの界磁ヨーク１ａの対向面側にストローク方向に向かって交互に極性が異なる複数の永久磁石１ｅを等ピッチで配置して磁石列を構成している。また、界磁ヨークにそれぞれ配置した磁石列の対向する面に配置される各永久磁石同士は異極性となっている。
図５は第１従来技術を示すコアレスリニアモータの電機子であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示している。図５において、電機子２は、平板状の基板２ａの両面に直線方向に向かって配置すると共に移動磁界を発生させるよう、互いに電気角１２０°の位相差を持つＡＣ３相コイル２ｂを等ピッチに並べて樹脂モールドにより成型してなる電機子コイル列を、電機子ベース２ｄに固定した構成となっている。
このように、電機子２の移動通路の両側に電機子コイル列と磁気的空隙を介して磁石列を対向配置し、界磁を固定子とし、電機子を可動子とする構成によって、単軸駆動を行うことが可能となる。また、ＸＹ軸方向の２軸駆動を行う場合は、界磁１と電機子２を２セット直交するように配置することで実現できるが、界磁を可動子に、電機子を固定子とする場合でも同様に実現できる。

しかしながら、界磁１と電機子２を２セット直交配置させることにより、アクチュエータ体格の巨大化、製作コストの増加という問題が起こる。
この問題点を解決するものとして、図６及び図７に示す可動巻線型リニアモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図６は可動巻線型リニアモータの界磁であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示している。図６において、２つの平板状の界磁ヨーク１ａを互いに平行に対向配置するようにヨークベース１ｂに固定し、それぞれの界磁ヨーク１ａの対向面側に、ストローク方向に向かって交互に極性が異なる複数の永久磁石１ｅを、交互に上下方向の位置をずらすよう千鳥足状に等ピッチで配置して磁石列を構成するようになっている。また、界磁ヨーク１ａにそれぞれ配置した磁石列の対向する面に配置される各永久磁石同士は異極性となっている。
図７は第２従来技術を示す可動巻線型リニアモータの電機子であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示したものである。図７において、平板状の基板２ａの両面に、電気角１２０°の位相差を持つＡＣ３相コイル２ｂを等ピッチに並べ、更に、ＡＣ３相コイル２ｂの外周に単相コイル２ｃを配置したものを図示しない樹脂によりモールド成型し、電機子ベース２ｄに固定した構成となっている。
このような構成において、リニアモータの界磁と電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子とすることにより、ＡＣ３相コイル２ｂと磁石１ｅに生じる電磁力にてＸ軸方向に駆動させると共に、単相コイル２ｃと磁石１ｅに生じる電磁力にてＹ軸方向に駆動させるので、１台のリニアモータで併せてＸＹ２軸の駆動を行うことができるが、可動子はＹ軸方向には±数ｍｍ程度しか駆動できない。
しかしながら、第２の従来技術においては、（１）磁石１ｅを界磁ヨーク１上に千鳥足状に配置することにより、推力発生に寄与しない無駄な空間ができてしまうという問題と、（２）前記単相コイル２ｃの導体長の約半分は推力発生に寄与しない為、効率が低くなるという問題があった。
特開２０００−２０９８３９（明細書第２頁、第１図参照）

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、１台のリニアモータでＸＹ２軸の駆動を行うためのアクチュエータ体格を小さくすると共に、Ｙ軸の単相コイルにおける推力発生に寄与しない導線長を極力抑えることができ、しかも損失が小さく、製作コストが安価なＸＹ軸コアレスリニアモータ及びそれを用いたステージ装置を提供することを目的とするものである。

上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、移動磁界を発生させる平板状の複数のＡＣ３相コイルを配置し、かつ、樹脂モールドされた電機子コイル列を含む電機子と、前記電機子の移動通路の両側に前記電機子コイル列と磁気的空隙を介して対向するよう、Ｘ方向に交互に極性が異なる複数の第１永久磁石を平板状の界磁ヨークにそれぞれ配置した第１磁石列を含む界磁と、を備えたコアレスリニアモータにおいて、前記界磁は、前記第１磁石列の上部または下部の何れか一方側に、前記第１磁石列の界磁ヨークの長手方向と直交する向きに２個の第２永久磁石が交互に極性が異なるように並べて構成される第２磁石列を前記界磁ヨークの長手方向に沿って配置してあり、前記電機子は、前記電機子コイル列の上部または下部の何れか一方側であって、かつ、前記第２磁石列と対向する位置に前記電機子コイル列の長手方向と直交する向きに単相電機子コイルを前記基板の長手方向に沿って配置し、かつ、前記界磁は、前記第１永久磁石と、当該第１永久磁石の上下方向一方側に設けられるとともに前記第１永久磁石と同一のＸ方向寸法を備え、当該第１永久磁石と極性が異なる、第１段の前記第２永久磁石と、当該第１段の第２永久磁石のさらに前記上下方向一方側に設けられるとともに前記第１段の第２永久磁石と同一のＸ方向寸法を備え、当該第１段の第２永久磁石と極性が異なる、第２段の前記第２永久磁石と、を含む、Ｘ方向第１分割単位と、前記第１永久磁石と、当該第１永久磁石の上下方向一方側に設けられるとともに前記第１永久磁石と同一のＸ方向寸法を備え、当該第１永久磁石と極性が同一の、第１段の前記第２永久磁石と、当該第１段の第２永久磁石のさらに前記上下方向一方側に設けられるとともに前記第１段の第２永久磁石と同一のＸ方向寸法を備え、当該第１段の第２永久磁石と極性が異なる、第２段の前記第２永久磁石と、を含む、Ｘ方向第２分割単位とを、Ｘ方向に交互に配列しつつ複数個組み合わせた集合体により構成されていることを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のＸＹ軸コアレスリニアモータにおいて、各分割単位に備えられた前記第１永久磁石、前記第１段の第２永久磁石、及び前記第２段の第２永久磁石は、互いに共通の金型により構成されていることを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載のＸＹ軸コアレスリニアモータにおいて、前記界磁ヨークにそれぞれ設けた第１磁石列の対向する面に配置される各永久磁石同士は異極性であることを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３までの何れか１項に記載のＸＹ軸コアレスリニアモータにおいて、前記電機子の外周に該電機子を直接冷却するよう該コイルから発生する熱量を回収するための冷媒通路が設けた電機子ベースを取り付けたことを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項１〜４までの何れか１項に記載のＸＹ軸コアレスリニアモータを直動機構の駆動源として用いたステージ装置としたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、１台のリニアモータでＸＹ２軸の駆動が可能となる為、アクチュエータ体格を小さくすることが可能となる。また、Ｙ軸の単相コイルにおいて、推力発生に寄与しない導線長を極力抑えられる為、損失を小さくすることが可能となる。更に、電機子製作において、キバンの原版、樹脂成型に使用する金型等を１種類にでき、製作コストを最小限に抑えることが可能となる。
また、Ｙ軸磁石をＸ軸磁石と同じストローク方向長さにすることにより、磁石の金型を１種類にすることが可能となる。また、界磁そのものをストローク方向に分割製作することが可能となる。
また、請求項４に記載の発明によると、電機子ベースにおいて、電機子の外周に該電機子を直接冷却するよう該電機子のコイルから発生する熱量を回収するための冷媒通路を設けたため、コイル発熱による損失が小さくなり、効率の良いコアレスリニアモータを提供することができる。
また、請求項５に記載の発明によると、請求項１−４の何れか１項に記載のＸＹ軸コアレスリニアモータの効果を有するステージ装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施例を示すコアレスリニアモータの界磁であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示したものであり、図２は本発明の第１実施例を示すコアレスリニアモータの電機子であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示したものである。
図１において、１は界磁であり、界磁１は、２つの平板状の界磁ヨーク１ａと、該界磁ヨーク１ａを互いに平行に対向配置するように固定したヨークベース１ｂと、界磁ヨーク１ａにおけるストローク方向に等ピッチで交互に極性が異なる複数のＸ軸永久磁石１ｃをそれぞれ配置した第１磁石列と、を含むものであって、さらに第１磁石列の上部または下部の何れか一方側に、該第１磁石列の界磁ヨーク１ａの長手方向と直交する向きに交互に極性が異なる２個のＹ軸永久磁石１ｄを、界磁ヨーク１ａの長手方向に沿って（ストローク全域に渡って）並べるよう第２磁石列として配置している。
なお、界磁ヨーク１ａにそれぞれ設けた第１磁石列の対向する面に配置される各Ｘ軸永久磁石１ｃ同士は異極性となっている。
図２において、２は電機子であり、電機子２は、平板状の基板２ａの両面に、電気角１２０°の位相差を持つＡＣ３相コイル２ｂを等ピッチに並べて樹脂モールドにより成型してなる第１電機子コイル列を基板２ａに固定してある。さらに、ＡＣ３相コイル２ｂよりなる第１電機子コイル列の上部または下部の何れか一方側であって、かつ、該第２磁石列と対向する位置に第１電機子コイル列の長手方向と直交する向きになるよう単相コイル２ｃを基板２ａの長手方向に沿って配置してあり、単相コイル２ｃも同様に図示しない樹脂によりモールド成型し、共に樹脂成型されたＡＣ３相コイル２ｂおよび単相コイル２ｃを電機子ベース２ｄに固定するようになっている。
また、電機子ベース２ｄは、電機子２の外周に該電機子２を直接冷却するよう該電機子のコイルから発生する熱量を回収するための冷媒通路３を設ける構成となっている。
このような構成とすることにより、１台のリニアモータでＸＹ２軸の駆動が可能となる為、アクチュエータ体格を小さくすることが可能となる。また、Ｙ軸の単相コイルにおいて、推力発生に寄与しない導線長を極力抑えられる為、損失を小さくすることが可能となる。更に、電機子製作において、キバンの原版、樹脂成型に使用する金型等を１種類にでき、製作コストを最小限に抑えることが可能となる。但し、Ｙ軸方向は±数ｍｍ程度しか駆動できない。
また、電機子ベース２ｄにおいて、電機子２の外周に該電機子２を直接冷却するよう該電機子のコイルから発生する熱量を回収するための冷媒通路３を設けたため、コイル発熱による損失が小さくなり、効率の良いコアレスリニアモータを提供することができる。

図３は、本発明の第２実施例を示すコアレスリニアモータの界磁であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示したものである。
図３において、第２実施例が第１実施例と異なる点は第２磁石列を構成するＹ軸永久磁石１ｄが、界磁ヨーク１ａの長手方向に沿って、第１磁石列の界磁ヨーク１ａの長手方向に沿う各々の磁石の単位幅に分割した点である。
このような構成において、Ｙ軸永久磁石１ｄをＸ軸永久磁石１ｃと同じストローク方向長さとすることにより、磁石の金型を１種類にすることができ、製作コストを抑えることが可能となる。また、界磁１そのものをストローク方向に分割製作することが可能となる。
なお、第１実施例および第２実施例で示した界磁ヨークにそれぞれ設けた第１磁石列の対向する面に配置される各永久磁石１ｃ同士は同極性としても構わない。その場合は、リニアモータのＸ軸方向の移動がＺ軸方向の移動に変更されることになる。

１台のリニアモータでＸＹ２軸の駆動が可能となる為、アクチュエータ体格を小さくすることが可能となる。また、製作コストを最小限に抑えることができる為、安価なリニアモータをカストマへ提供できるようになる。以上から、最小限のマシン体格でＸＹ２軸ステージを実現することができる。

本発明の第１実施例を示すコアレスリニアモータの界磁であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示したものである。本発明の第１実施例を示すコアレスリニアモータの電機子であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示したものである。本発明の第２実施例を示すコアレスリニアモータの界磁であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示したものである。第１従来技術を示すコアレスリニアモータの界磁であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示したものである。第１従来技術を示すコアレスリニアモータの電機子であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示したものである。第２従来技術を示す可動巻線型リニアモータの界磁であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示したものである。第２従来技術を示す可動巻線型リニアモータの電機子であって、(ａ)はその正面図、（ｂ）はその側面図を示したものである。

符号の説明

１界磁
１ａ界磁ヨーク
１ｂヨークベース
１ｃＸ軸永久磁石
１ｄＹ軸永久磁石
１ｅ永久磁石
２電機子
２ａ基板
２ｂＡＣ３相コイル
２ｃ単相コイル
２ｄ電機子ベース
３冷媒通路

Claims

移動磁界を発生させる平板状の複数のＡＣ３相コイルを配置し、かつ、樹脂モールドされた電機子コイル列を含む電機子と、
前記電機子の移動通路の両側に前記電機子コイル列と磁気的空隙を介して対向するよう、Ｘ方向に交互に極性が異なる複数の第１永久磁石を平板状の界磁ヨークにそれぞれ配置した第１磁石列を含む界磁と、
を備えたコアレスリニアモータにおいて、
前記界磁は、前記第１磁石列の上部または下部の何れか一方側に、前記第１磁石列の界磁ヨークの長手方向と直交する向きに２個の第２永久磁石が交互に極性が異なるように並べて構成される第２磁石列を前記界磁ヨークの長手方向に沿って配置してあり、
前記電機子は、前記電機子コイル列の上部または下部の何れか一方側であって、かつ、前記第２磁石列と対向する位置に前記電機子コイル列の長手方向と直交する向きに単相電機子コイルを前記基板の長手方向に沿って配置し、
かつ、
前記界磁は、
前記第１永久磁石と、当該第１永久磁石の上下方向一方側に設けられるとともに前記第１永久磁石と同一のＸ方向寸法を備え、当該第１永久磁石と極性が異なる、第１段の前記第２永久磁石と、当該第１段の第２永久磁石のさらに前記上下方向一方側に設けられるとともに前記第１段の第２永久磁石と同一のＸ方向寸法を備え、当該第１段の第２永久磁石と極性が異なる、第２段の前記第２永久磁石と、を含む、Ｘ方向第１分割単位と、
前記第１永久磁石と、当該第１永久磁石の上下方向一方側に設けられるとともに前記第１永久磁石と同一のＸ方向寸法を備え、当該第１永久磁石と極性が同一の、第１段の前記第２永久磁石と、当該第１段の第２永久磁石のさらに前記上下方向一方側に設けられるとともに前記第１段の第２永久磁石と同一のＸ方向寸法を備え、当該第１段の第２永久磁石と極性が異なる、第２段の前記第２永久磁石と、を含む、Ｘ方向第２分割単位とを、
Ｘ方向に交互に配列しつつ複数個組み合わせた集合体により構成されている
ことを特徴とするＸＹ軸コアレスリニアモータ。
各分割単位に備えられた前記第１永久磁石、前記第１段の第２永久磁石、及び前記第２段の第２永久磁石は、互いに共通の金型により構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のＸＹ軸コアレスリニアモータ。
前記界磁ヨークにそれぞれ設けた第１磁石列の対向する面に配置される各永久磁石同士は異極性であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸＹ軸コアレスリニアモータ。
前記電機子の外周に該電機子を直接冷却するよう該コイルから発生する熱量を回収するための冷媒通路が設けた電機子ベースを取り付けたことを特徴とする請求項１〜３までの何れか１項に記載のＸＹ軸コアレスリニアモータ。
請求項１〜４までの何れか１項に記載のＸＹ軸コアレスリニアモータを直動機構の駆動源として用いたことを特徴とするステージ装置。