JP6596767B2 - リニアモータ用界磁部及びリニアモータ - Google Patents

Description

本発明はリニアモータ用界磁部及び当該界磁部を備えるリニアモータに関する。

半導体製造装置、液晶ディスプレイ基板製造装置にあっては、重力方向に垂直な面内で加工対象物を低振動で精度良く移動させることが要求される。直交配置されたリニアガイド上を各別に移動できる駆動源によって、加工対象物または加工工具を載置したテーブルが移動される。この移動には低振動で精度が良いことが求められるため、一般の加工機械に用いられている回転型モータの出力をボールねじにて直線運動に変えるような方式は駆動源として採用されておらず、直接の平行移動が可能なリニアモータが駆動源として用いられている。

リニアモータの一般的な構成としては、極性が交互に変わるように複数の永久磁石を配列した可動子（又は固定子）としての界磁部と、複数の磁極歯を含む軟磁性体からなるコア及び磁極歯に巻かれたコイルを有する固定子（又は可動子）としての電機子とを組み合わせている。この界磁部と電機子とを、両者間に所定の距離を隔てて対向配置させ、極性と大きさとが界磁部の界磁周期に対する移動距離に同期した交流電流をコイルに印加することにより、永久磁石との吸引反発力により移動方向に推力を発生させ、界磁部（又は電機子）を電機子（又は界磁部）に対して直線運動させる。このような構成をなすリニアモータとして、種々のタイプのものが提案されている。例えば、特許文献１には界磁部を固定子とし、電機子を可動子とするリニアモータが記載されている。

特表２００６−５２７５７６号公報

リニアモータにおいては、モータ固有のディテント力が発生する。このディテント力は、リニアモータの推力低下や推力のむらの発生の原因となる。このような問題に対して、従来は、磁極歯の配置列に一定の角度を設けるスキュー配列により対応している。

しかし、スキュー配列はディテント力の高次成分の除去には有効であるが、低次成分の除去には限界がある。特に、可動子の端効果として現れる磁束量変化の２次成分除去にはほとんど効果がない。

本発明は、上述のごとき事情に鑑みてなされたものであり、２次成分を含むディテント力の低減が可能なリニアモータを提供することを目的とする。

本発明に係るリニアモータ用界磁部は、矩形板状のバックヨークと、平面視矩形状をなし、互いに磁極が逆方向となるようにバックヨークに並設してある複数の第１永久磁石と、平面視多角形状をなし、並設方向の幅が並設方向に交差する方向に沿って一方から他方へテーパー状に狭くしてあり、複数の第１永久磁石の並設方向両端部にテーパー方向を互いに反転して配置してある同一形状の２つの第２永久磁石とを備えることを特徴とする。

本発明にあっては、第１永久磁石列の両端に第２永久磁石を設けることにより、２次成分を含むディテント力を低減することが可能となる。

本発明に係るリニアモータ用界磁部は、第２永久磁石それぞれの並設方向の両端の幅寸法の和は、第１永久磁石の並設方向の幅寸法と略同一であることを特徴とする。

本発明にあっては、第２永久磁石のそれぞれの並設方向の両端の寸法の和は、第１永久磁石の並設方向の寸法と略同一としてあるので、リニアモータの特性を維持することが可能となる。

本発明に係るリニアモータ用界磁部は、第２永久磁石の並設方向の両端の幅寸法は、一方と他方との比が１０対１から１対１の範囲であることを特徴とする。

本発明にあっては、第２永久磁石の両端の寸法の比を１０対１から１対１の範囲であるので、２次成分を含むディテント力を低減することが可能となる。

本発明に係るリニアモータ用界磁部は、第２永久磁石は平面視台形状をなすことを特徴とする。

本発明にあっては、第２永久磁石は平面視台形をなすので、第２永久磁石の作成を容易にすることが可能となる。

本発明に係るリニアモータ用界磁部は、第２永久磁石は平面視略３角形状をなすことを特徴とする。

本発明にあっては、第２永久磁石は平面視略３角形状をなすので、２次成分を含むディテント力を低減することが可能となる。

本発明に係るリニアモータ用界磁部は、２つの第２永久磁石は、バックヨークの所定の点を中心として、平面視互いに点対称となるように配置されていることを特徴とする。

本発明にあっては、２つの第２永久磁石は点対称となるように配置するので、リニアモータの特性を維持することが可能となる。

本発明に係るリニアモータは、矩形板状の基板部と、該基板部に並設してあるコイルを巻回した複数の磁極歯とを有する電機子、及び上記に記載のリニアモータ用界磁部を備えることを特徴とする。

本発明にあっては、２次成分を含むディテント力を低減することが可能となる。

本発明に係るリニアモータの電機子は、基板部の並設方向の端部に、磁極歯から間隔をおいて設けられ、コイルを巻回していない補助歯を備え、補助歯及び磁極歯は、その先端部が根元部よりも大きく、補助歯及び該補助歯に隣接する磁極歯は並設方向に正対していることを特徴とする。

本発明にあっては、補助歯は磁極歯と先端面を面一としてあるので、磁極歯と同様に固定子との間で磁束を流すことが可能となる。

本発明に係るリニアモータは、電機子を固定子とし、リニアモータ用界磁部を可動子とすることを特徴とする。

本発明にあっては、２次成分を含むディテント力の低減が可能となる。

リニアモータの一構成例を示す斜視図である。 コイルを除いた固定子の構成を示す斜視図である。 可動子の構成を示す斜視図である。 可動子の構成を示す平面図である。 リニアモータの側面図である。 リニアモータのディテント力を示すグラフ図である。 コイルを除いた固定子の別の構成を示す説明図である。

以下、実施の形態を、図面を用いて具体的に説明する。図１はリニアモータ１００の一構成例を示す斜視図である。リニアモータ１００は、一方向に長く直方体状をなす固定子１と、当該固定子１の一部と僅かな間隔を隔てて対向する可動子２を含む。可動子２は、矩形板状のバックヨーク２１に永久磁石（第１永久磁石）２２ａ、２２ｂ、永久磁石（第２永久磁石）２３を並設してある。可動子２は固定子１の長手方向（図１の矢印方向または矢印の逆方向）に、移動するようにしてある。本実施の形態のリニアモータ１００は、電機子を固定子１とし、界磁部を可動子２としている。

図２はコイル１４を除いた固定子１の構成を示す斜視図である。固定子１は磁極歯パーツ１１、１２、補極歯パーツ１３を含む。磁極歯パーツ１１は矩形板状の基板部１１ａ、基板部１１ａから垂直に立ち上がり、所定の距離を隔てる２つの矩形板状の歯部１１ｂを含む。磁極歯パーツ１１は側面視、Ｌ字を２つ連結したような形状である。磁極歯パーツ１２は矩形板状の基板部１２ａの両端部から垂直に立ち上がる２つの矩形板状の歯部１２ｂを含む。磁極歯パーツ１２は側面視、Ｕ字状をなしている。歯部１１ｂと歯部１２ｂとは略同一形状である。

補極歯パーツ１３は矩形板状の基板部１３ａの一端から垂直に立ち上がる矩形板状（直方体状）の補極歯部１３ｂを含む。補極歯パーツ１３は側面視、Ｌ字状をなしている。補極歯部１３ｂは、歯部１１ｂ及び歯部１２ｂと略同一形状をなしている。

固定子１は次のように構成する。８個の磁極歯パーツ１１を隣接する歯部１１ｂが等間隔となるように並べて結合する。結合したものの長手方向の一端、すなわち、基板部１１ａが可動子２の移動方向に突出している側に磁極歯パーツ１２を歯部１２ｂが歯部１１ｂと平行となるように結合する。

さらに、固定子１は、その長さ方向の両端部それぞれに補極歯パーツ１３を固定し、歯部１１ｂと１２ｂとを結合して構成される。そして、歯部１１ｂ、１２ｂ、補極歯部１３ｂは、その高さ方向の先端面が面一で、固定子１の長手方向に沿って、所定間隔で並設される。さらに、歯部１１ｂ、１２ｂそれぞれに導線を巻回し、それぞれに対応するコイル１４、１４を形成する。各コイル１４を構成する導線の太さ、巻回数は同一である。歯部１１ｂ、１２ｂはそれぞれ巻回されているコイル１４、１４に電流を流すことにより、磁極歯として機能する。固定子１を構成する磁極歯パーツ１１、１２及び補極歯パーツ１３は、例えば、無方向性電磁鋼板により形成する。導線を巻回さない(コイルを形成しない）補極歯部１３ｂを固定子１の両端側に有することで、推力の低下を伴わずに、可動子２（可動子２の永久磁石２２ａ、２２ｂ）の移動範囲を固定子１の歯部１１ｂ（１２ｂ）と対向していない領域にまで増やすことができる。これは端部効果による磁束が吸収され、引き戻し（推力と対向する力）が低減するため、推力の低下が発生しないからである。

図３は可動子２の構成を示す斜視図である。図４は可動子２の構成を示す平面図である。可動子２はバックヨーク２１と、複数の永久磁石２２ａ及び２２ｂと、２つの永久磁石２３とを含む。バックヨーク２１は移動方向に長い、矩形板状をなしている。バックヨーク２１は軟磁性金属、例えば圧延鋼材で形成する。永久磁石２２ａ及び２２ｂは直方体状をなしている。永久磁石２２ａ及び２２ｂはネオジム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石などである。

永久磁石２２ａ及び２２ｂは、それぞれの長手方向がバックヨーク２１の長手方向と交差する方向となるように並設されている。永久磁石２２ａ及び２２ｂはスキュー配置としてあり、長手方向と、バックヨーク２１の短手方向とは、約３度の角度を持っている。永久磁石２２ａ及び２２ｂの配列は、永久磁石２２ａ、２２ｂ、２２ａ、２２ｂ、…のように、永久磁石２２ａ及び２２ｂが交互になっている。永久磁石２２ａ及び２２ｂは同一仕様の磁石であるが、磁化方向が互いに逆になるようにバックヨーク２１に固定されている。永久磁石２２ａは、磁化方向がバックヨーク２１の固定面の法線方向であって、固定面に向かう向きとしてある。永久磁石２２ｂは、磁化方向がバックヨーク２１の固定面の法線方向であって、固定面から離れる向きとしてある。なお、永久磁石２２ａ及び２２ｂの磁化方向は互いに逆方向であれば良いので、それぞれが上記の方向とは逆方向であっても良い。

本実施の形態の永久磁石は、２つの永久磁石２３は永久磁石２２ｂを２つに分割した形状としてある。２つの永久磁石２３は同一形状としてある。永久磁石２３は平面視、直角台形状で、長手方向にテーパーをつけた形状としてある。永久磁石２２ａ及び２２ｂの並設方向の幅をＷ₀とした場合、永久磁石２３の並設方向の一方の幅Ｗ₁は、Ｗ₁＝３／４×Ｗ₀、他方の幅Ｗ₂は、Ｗ₂＝１／４×Ｗ₀としてある。すなわち、幅Ｗ₁：幅Ｗ₂は３：１としてある。永久磁石２３は、永久磁石２２ａ及び２２ｂからなる磁石列の並設方向両端に１つずつ設けられている。２つの永久磁石２３は幅広の部分と幅狭の部分とが互いに対称の位置となるように配置される。すなわち、図４において、紙面右側に配置されている永久磁石２３は紙面の下側が幅広で、紙面の上側が幅狭となっている。一方、紙面左側に配置されている永久磁石２３は紙面の下側が幅狭で、紙面の上側が幅広となっている。永久磁石２２ａ、２２ｂ及び２３は接着剤、例えばエポキシ系接着剤により、バックヨーク２１に固着される。なお、幅Ｗ₁：幅Ｗ₂を３：１とするのは一例であり、これに限らない。他の態様としては、幅Ｗ₁：Ｗ₂の比率は、幅Ｗ₂の比率を１とすると、幅Ｗ₁の比率は１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０であり、これらの数値のいずれか２つの範囲内であってよい。また、永久磁石２３は平面視形状が台形ではなく三角形となるようにしても良い。

上記のように構成した固定子１及び可動子２を組み合わせて、リニアモータ１００が構成される。図５はリニアモータ１００の側面図である。可動子２は、永久磁石２２ａ、２２ｂが、所定の隙間を介して、固定子１の歯部１１ｂ、１２ｂの先端面と向かい合うようにして、固定子１と対向する。可動子２が備える７対の永久磁石２２ａ（２２ｂ）は、固定子１が備える歯部１１ｂ（１２ｂ）６対と対向している。すなわち、リニアモータ１００は７極６スロットの構成となっている。なお、可動子２は理論上、７個の永久磁石２２ａ（２２ｂ）が二組備える構成であるが、ここでは、永久磁石２２ｂの１つが分割され、２つの永久磁石２３となっている。

固定子１のコイル１４に三相交流を通電して歯部１１ｂ（１２ｂ）に磁界を発生させると、この磁界に可動子２の永久磁石２２ａ、２２ｂが順次磁気吸引反発することにより、可動子２は固定子１に対して、直線運動を行う。

次に、リニアモータ１００のディテント力について説明する。図６はリニアモータ１００のディテント力を示すグラフ図である。横軸は電気角で単位は度である。縦軸はディテント力で単位はＮ（ニュートン）である。図６に示すグラフ図では、ディテント力の可動方向の成分のみを示している。ディテント力をプラスとするのはディテント力が移動方向に働く場合を示す。ディテント力をマイナスとするのはディテント力が移動方向と逆方向に働く場合を示す。

グラフ６１は可動子２を従来の構成とした場合のディテント力を示す。従来の構成の可動子２とは、２つの永久磁石２３が１つの磁石として備えられている可動子２をいう。グラフ６２は本実施の形態の可動子２を用いた場合のディテント力を示す。図６に示すように、本実施の形態の可動子２を用いた場合は、従来の場合と比較して、ディテント力が約６３％に低減されている。

本実施の形態は、以下の効果を奏する。可動子２を構成する永久磁石２２ｂを２つに分割した永久磁石２３を、磁石列の両端に対称に配置したことにより、ディテント力を低減することが可能となる。また、１つの極を構成する永久磁石２２ｂを２つに分割して永久磁石２３として用いるので、リニアモータ１００の特性が大幅に変化はしないという利点がある。さらに、可動子２に用いる永久磁石の量は変動しないため、材料費を増加しないという利点がある。

なお、上述において、磁極歯パーツ１１の歯部１１ｂ及び磁極歯パーツ１２の歯部１２ｂ並びに補極歯パーツ１３の補極歯部１３ｂは矩形板状とした。その先端に逆テーパー形状を設けても良い。図７は、コイル１４を除いた固定子１の別の構成を示す説明図である。歯部１１ｂ及び１２ｂの高さ方向の上部先端が、それぞれ基板部１１ａ及び１２ａの根元部よりも太い逆テーパー形状としてある。同様に、補極歯部１３ｂの高さ方向の上部先端が、基板部１３ａの根元部よりも太い逆テーパー形状としてある。

歯部１１ｂ、１２ｂ及び補極歯部１３ｂの高さ方向の上部先端を逆テーパー状とすると、より磁束の伝達効率が向上できる。

また、上述の実施の形態においては、電機子を固定子１とし、界磁部を可動子２としたが、電機子を可動子とし、界磁部を固定子としても良い。

各実施例で記載されている技術的特徴（構成要件）はお互いに組み合せ可能であり、組み合わせすることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味では無く、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ リニアモータ
１ 固定子
１１ 磁極歯パーツ
１１ａ 基板部
１１ｂ 歯部
１２ 磁極歯パーツ
１２ａ 基板部
１２ｂ 歯部
１３ 補極歯パーツ
１３ａ 基板部
１３ｂ 補極歯部
１４ コイル
２ 可動子
２１ バックヨーク
２２ａ 永久磁石
２２ｂ 永久磁石
２３ 永久磁石

Claims (10)

1. 矩形板状のバックヨークと、
   平面視矩形状をなし、互いに磁極が逆方向となるように前記バックヨークに並設してある複数の第１永久磁石と、
   平面視多角形状をなし、前記並設方向の幅が前記並設方向に交差する方向に沿って一方から他方へテーパー状に狭くしてあり、前記複数の第１永久磁石の並設方向両端部にテーパー方向を互いに反転して配置してある同一形状の２つの第２永久磁石と
   を備え、
   前記第２永久磁石それぞれの前記並設方向の両端の幅寸法の和は、前記第１永久磁石の並設方向の幅寸法と略同一である
   ことを特徴とするリニアモータ用界磁部。
2. 前記第１永久磁石は並設方向にスキューしており、
   前記第２永久磁石の並設方向両端部の角度は前記第１永久磁石のスキュー角より大きくしてある
   ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ用界磁部。
3. 前記第２永久磁石の前記並設方向の両端の幅寸法は、一方と他方との比が１０対１から１対１の範囲である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリニアモータ用界磁部。
4. 前記第２永久磁石は平面視台形状をなす
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のリニアモータ用界磁部。
5. 前記第２永久磁石は平面視略３角形状をなす
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリニアモータ用界磁部。
6. 前記２つの第２永久磁石は、前記バックヨークの所定の点を中心として、平面視互いに点対称となるように配置されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のリニアモータ用界磁部。
7. 前記第２永久磁石は、互いに磁極が逆方向である２つの前記第１永久磁石を一対とする７対の組磁石のうちの一対に含まれる前記第１永久磁石の１つを分割配置したものである
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のリニアモータ用界磁部。
8. 矩形板状の基板部と、該基板部に並設してあるコイルを巻回した複数の磁極歯とを有する電機子、及び
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のリニアモータ用界磁部
   を備えることを特徴とするリニアモータ。
9. 前記電機子は、前記基板部の前記並設方向の端部に、前記磁極歯から間隔をおいて設けられ、コイルを巻回していない補助歯を備え、
   前記補助歯及び磁極歯は、その先端部が根元部よりも大きく、
   前記補助歯及び該補助歯に隣接する前記磁極歯は並設方向に正対している
   ことを特徴とする請求項８に記載のリニアモータ。
10. 請求項８又は９に記載のリニアモータにおいて、前記電機子を固定子とし、前記リニアモータ用界磁部を可動子とする
    ことを特徴とするリニアモータ。

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