JP5272404B2 - 磁気浮上推進装置 - Google Patents

Description

本発明は、浮上案内を電磁気吸引反発力により非接触に支持し、推進する磁気浮上推進装置に係わり、特に半導体製造工程の中で移動ストロークが長い搬送系に適した磁気浮上推進装置に関する。

近年の半導体製造基準の進歩に伴い、超ＬＳＩ素子パターンの微細化がさらに進み、極めてクリーン度の高い真空内製造設備が強く要求されてきている。特に、１６Ｍｂｉｔ以上のＤＲＡＭ製造工程においては、ダストフリーであることが絶対条件である。しかし、直線方向の搬送が不可欠である製造設備において、摩擦，摩耗による塵埃の発生を防ぐことは、非常に困難である。
一方、磁気浮上搬送装置は、磁力による非接触の支持であるため、塵埃の発生はなく、潤滑媒体も不要である。このため、極めてクリーン度の高い搬送装置として注目されている。
従来の磁気浮上推進装置は、浮上（案内）機構と推進機構を別々に構成して可動子を浮上しながら推進するようになっている（例えば、特許文献１参照）。
図４は、従来の磁気浮上推進装置の縦断面図である。図において、１は固定子、２は可動子、５は浮上用コイル、６は浮上用永久磁石、７は推進用コイル、８は推進用永久磁石である。
また、浮上用コイル５と浮上用永久磁石６は左右対称に配置されていて、浮上ｚ方向に浮上力を発生すると同時に案内ｘ方向に引き戻す力も発生するので、浮上（案内）機構となっている。尚、推進用コイル７と推進用永久磁石８は装置の中心に配置されていて、普通の３相リニアモータの構造をして推進機構となっている。
このように、従来の磁気浮上推進装置は、浮上ｚ方向に付けられたギャップセンサーからのギャップ信号に基づいて浮上用コイル５の電流を制御して浮上用永久磁石６との間に吸引力を発生し可動子を浮上（案内）させながら、推進ｙ方向に付けられた位置センサーからの位置情報に基づいて推進用コイル７の電流を制御して推進用永久磁石８との間に推進力を発生し可動子を推進するのである。
特開平５−４７１７号公報（第２−５頁、図１）

従来の磁気浮上推進装置は、浮上（案内）機構と推進機構が別々に構成されているので、浮上（案内）機構と推進機構の各々の空隙を管理する必要があるとともに、部品点数が多くなり、装置が複雑になるという問題があった。
また、浮上（案内）機構と推進機構は別々に制御されていて、推力の発生に伴う空隙方向への吸引力により浮上力とが互いに干渉する。この吸引力は、一定の吸引力ではなく移動位置によって変化するために、非線形な制御系となり難しくなるというような問題もあった。
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、浮上（案内）機構と推進機構を一体化すると共に浮上力と推進力を同時に発生し、簡単な構成で可動子の姿勢を制御しながらバランス良く安定に可動子を推進することができる磁気浮上推進装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
本発明は、固定子と、可動子と、コイルと、永久磁石とを備えた磁気浮上推進装置において、前記コイルは前記固定子または前記可動子の左右両側の底面に対称的に設定され、前記永久磁石は前記コイルに上下対向して前記可動子または前記固定子の左右両側に設定され、浮上と推進を同時に制御するように前記コイルを給電するものである。
また、本発明は、固定子と、可動子と、コイルと、永久磁石とを備えた磁気浮上推進装置において、前記コイルは前記固定子または前記可動子の左右両側の側面に対称的に設定され、前記永久磁石は前記コイルに左右対向して前記可動子または前記固定子の左右両側に設定され、案内と推進を同時に制御するように前記コイルを給電するものである。
また、本発明は、前記コイルは、独立に制御できる相数が４以上とするものである。
また、本発明は、前記コイルは、浮上または案内と推進を４相以上のｄｑ変換することで給電するものである。
また、本発明は、前記コイルは、ｄ軸を基本軸としたときに、第1の前記コイルと前記ｄ軸との位相は１極の永久磁石の幅と前記ｄ軸と前記第１のコイルの距離の比率から求められるものである。

請求項１および請求項２に記載の発明によると、浮上（案内）機構と推進機構を一体化することで装置を簡素化することができる。
また、請求項３から５に記載の発明によると、４相コイルの電流を独立に制御することで任意な浮上力、推進力ｆ_ｑおよびピッチングトルクを発生することができるので、可動子をバランス良く安定に推進することができる。

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実施例を示す磁気浮上推進装置の縦断面図である。図において、浮上（案内）推進機構は固定子１に左右対称で配置されている浮上推進用永久磁石４と浮上推進用永久磁石４に対向して可動子に配置されている浮上推進用コイル３とで構成されている。
本発明が従来技術と異なる部分は、浮上（案内）機構と推進機構を別々に構成することではなく一体化した点である。
以下、図を用いて磁気浮上推進機構の原理を説明する。
図１において、浮上（案内）推進機構はコイルと永久磁石の吸引力で浮上と推進を行う同時にｘ（案内）方向に中心に戻る力が発生するので、案内の働きもするものである。また、浮上（案内）推進機構が完全に左右対称に構成されているので、片側のコイルと永久磁石がｚ（浮上）方向に浮上力、ｙ（推進）方向に推進力、そしてｘ軸を軸中心とするピッチングトルクを独立に発生することができれば、可動子をバランス良く安定に推進することができる。以下、簡単のために片側のコイルと永久磁石用いて、浮上、推進、案内が可能であることを説明する。
図２は、図１に示す磁気浮上推進機構のＰ−Ｐ’に沿う断面図である。図において、４１は永久磁石のＮ側、４２は永久磁石のＳ側であり、移動ストロークが長い搬送系にはこのような極対永久磁石がＮ側とＳ側交互に固定子１に配置されている。また、３１はＡ相コイル、３２はＢ相コイル、３３はＣ相コイル、３４はＤ相コイルであり、それぞれ独立に通電可能である。この４つコイルは１セットとなり、永久磁石に対向し１極対の幅に合わせて設置されている。以下、このような永久磁石と４つ独立なコイルで構成されたものを４相アクチュエータと呼ぶ。
まず、各コイルへの電流に対して４相のｄｑ変換を行う。
図２において、永久磁石のＮ側４１の中心軸をｄ軸とし、永久磁石Ｎ側４１と永久磁石Ｓ側４２との間隔の中心位置をｑ軸とし、Ａ相コイル３１、Ｂ相コイル３２、Ｃ相コイル３３およびＤ相コイル３４の中心軸をそれそれα軸、β軸、γ軸およびδ軸とする。また、１極対永久磁石の幅をＬとし、ｄ軸からα軸までの距離をｌ_ｄとする。
図３は磁気浮上推進機構の空間ベクトル位相図である。図３において、１極対永久磁石の位相範囲を３６０°とし、そしてｄ軸を基準軸とすると、ｑ軸の位相は９０°となる。また、α軸の位相θは
θ＝３６０°×ｌ_ｄ／Ｌ （１）
となる。そして、β軸、γ軸およびδ軸の位相はそれぞれ（θ＋９０°）、（θ＋１８０°）および（θ＋２７０°）となる。よって、Ａ相コイル３１の電流ｉ_Ａ、Ｂ相コイル３２の電流ｉ_Ｂ、Ｃ相コイル３３の電流ｉ_ＣおよびＤ相コイル３４の電流ｉ_Ｄは、それぞれｄ軸における写像ｉ_ｄＡ、ｉ_ｄＢ、ｉ_ｄＣおよびｉ_ｄＤが式（２）になる。また、それぞれｑ軸における写像ｉ_ｑＡ、ｉ_ｑＢ、ｉ_ｑＣおよびｉ_ｑＤが式（３）になる。

次に、磁気浮上推進機構が発生する電磁気力について説明する。
図２において、浮上推進用永久磁石４がＡ相コイル３１の電流ｉ_Ａ、Ｂ相コイル３２の電流ｉ_Ｂ、Ｃ相コイル３３の電流ｉ_ＣおよびＤ相コイル３４の電流ｉ_Ｄに働く電磁気力をそれぞれｆ_Ａ、ｆ_Ｂ、ｆ_Ｃおよびｆ_Ｄとする。ｆ_Ａ、ｆ_Ｂ、ｆ_Ｃおよびｆ_Ｄが浮上ｚ方向における写像ｆ_ｄＡ、ｆ_ｄＢ、ｆ_ｄＣおよびｆ_ｄＤは式（４）になる。また、ｆ_Ａ、ｆ_Ｂ、ｆ_Ｃおよびｆ_Ｄが推進ｙ方向における写像ｆ_ｑＡ、ｆ_ｑＢ、ｆ_ｑＣおよびｆ_ｑＤは式（５）になる。ただし、ｋ_ｄＡ、ｋ_ｄＢ、ｋ_ｄＣおよびｋ_ｄＤはそれぞれＡ、Ｂ、ＣおよびＤ相コイルのｄ軸トルク定数、ｋ_ｑＡ、ｋ_ｑＢ、ｋ_ｑＣおよびｋ_ｑＤはそれぞれＡ、Ｂ、ＣおよびＤ相コイルのｑ軸トルク定数である。

従って、可動子に発生する浮上力ｆ_ｄと推進力ｆ_ｑはそれぞれ式（６）と式（７）になる。

次に、磁気浮上推進機構が可動子に働くトルクを分析する。
以下、説明しやすくするため、ｘｏｚ平面に平行であり可動子２の重心Ｇを通る平面を重心平面と定義する。また、ｆ_Ａ、ｆ_Ｂ、ｆ_Ｃおよびｆ_Ｄの作用点がそれぞれα軸、β軸、γ軸およびδ軸にあるとし、α軸、β軸、γ軸およびδ軸から重心平面までの距離をそれぞれｌ_ｄＡ、ｌ_ｄＢ、ｌ_ｄＣおよびｌ_ｄＤとし、そして４相コイルの中心点を通る線と重心Ｇとの距離をｌ_ｑとすると、磁気浮上推進機構が可動子に働くピッチングトルクＴ_Ｐは式（８）になる。

式（５）と式（７）を式（８）に代入し、整理すると、式（９）となる。

最後に、磁気浮上推進機構が任意な浮上力ｆ_ｄ、推進力ｆ_ｑおよびピッチングトルクＴ_Ｐを出力できるかについて説明する。
一般的に、各相の電流は式（１０）を満たす必要がある。
ｉ_Ａ＋ｉ_Ｂ＋ｉ_Ｃ＋ｉ_Ｄ＝０ （１０）
式（６）、式（７）、式（９）および式（１０）をまとめると、式（１１）になる。

ただし、Ｈは式（１２）となる。

一般的に、Ｈの行列式が０にならない。よって、Ｈが正則であるため磁気浮上推進機構が任意な浮上力ｆ_ｄ、推進力ｆ_ｑおよびピッチングトルクＴ_Ｐを出力するように４相コイルに給電することが可能である。

このように、１極対永久磁石に対向して４相コイルを設置し、そして４相コイルの電流を適切に制御することによって、任意な浮上力、推進力ｆ_ｑおよびピッチングトルクを発生し、可動子をバランス良く安定に推進することができる。

ここでは、可動子に１セット４相コイルを設置しているが、数セット４相コイルを設置することも可能である。また、コイルと永久磁石の設置場所を交替し、可動子に永久磁石、移動子にコイルを設置することも可能である。また、１セットのコイル相数を必ず４とする必要がなく４以上とすれば良い。

浮上はエア浮上で、４相アクチュエータを可動子と固定子の横側に設置することによって、案内力と推進力を同時に発生することができるので、磁気案内推進装置という用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示す磁気浮上推進装置の縦断面図 図１に示す磁気浮上推進機構のＰ−Ｐ’に沿う断面図 磁気浮上推進機構の空間ベクトル位相図 従来の磁気浮上推進装置の縦断面図

符号の説明

１ 固定子
２ 可動子
３ 浮上推進用コイル
３１ Ａ相コイル
３２ Ｂ相コイル
３３ Ｃ相コイル
３４ Ｄ相コイル
４ 浮上推進用永久磁石
４１ 永久磁石のＮ側
４２ 永久磁石のＳ側
５ 浮上用コイル
６ 浮上用永久磁石
７ 推進用コイル
８ 推進用永久磁石

Claims (2)

1. 固定子と、可動子と、コイルと、永久磁石とを備えた磁気浮上推進装置において、
   前記永久磁石は、
   前記可動子の移動方向からみて、前記可動子または前記固定子の左右両側の底面に対称的に設置され、かつ、前記移動方向について、極対が所定のピッチで繰り返して設置され、
   前記コイルは、
   前記移動方向からみて、前記永久磁石と対向するように前記固定子または前記可動子に設置され、かつ、前記移動方向について、４つの相にそれぞれ対応する各相コイルの中心軸が、前記ピッチを該相の数で除した間隔となるようにそれぞれ設置され、
   前記各相コイルに流す電流の条件式は、
   であり、
   前記条件式に基づき、浮上力および推進力がそれぞれ目標とする値になるように、前記各相コイルに流す電流がそれぞれ独立に制御されること
   を特徴とする磁気浮上推進装置。
2. 固定子と、可動子と、コイルと、永久磁石とを備えた磁気浮上推進装置において、
   前記永久磁石は、
   前記可動子の移動方向からみて、前記可動子または前記固定子の左右両側の側面に対称的に設置され、かつ、前記移動方向について、極対が所定のピッチで繰り返して設置され、
   前記コイルは、
   前記移動方向からみて、前記永久磁石と対向するように前記固定子または前記可動子に設置され、かつ、前記移動方向について、４つの相にそれぞれ対応する各相コイルの中心軸が、前記ピッチを該相の数で除した間隔となるようにそれぞれ設置され、
   前記各相コイルに流す電流の条件式は、
   であり、
   前記条件式に基づき、案内力および推進力がそれぞれ目標とする値になるように、前記各相コイルに流す電流がそれぞれ独立に制御されること
   を特徴とする磁気浮上推進装置。