JP2003153521A - 永久磁石形リニアモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】界磁ヨークの磁束密度を均一化して、界磁ヨー
クの軽量化を図り、安価で、高推力の永久磁石形リニア
モータを提供する。 【解決手段】界磁部４と電機子５の何れか一方を相対移
動する可能子に、他方を固定子とする永久磁石形リニア
モータにおいて、界磁ヨーク１は、界磁極３が配設され
る面と反対側の背面の進行方向に向かって、界磁極３間
の中心に一致するように、断面形状が方形の凸部１１を
形成した。これにより、界磁ヨーク１の背面の磁路とし
て機能しない部分を削除することにより界磁ヨーク１の
磁束密度を均一化して、界磁ヨーク１の軽量化を図るこ
とができることから、界磁ヨーク１を可動子として用い
る場合、界磁ヨーク１の自重の減少に伴って可搬重量を
増加させることが容易になり、加速度を上げて高推力を
得ることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体製造
装置や工作機などのＦＡ機器の分野で、送りや加工の高
速化・高精度化を達成するために用いられる永久磁石形
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、永久磁石よりなる界磁極と当該
界磁極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永久磁石形リニアモータの
利用が図られている。図８は従来の永久磁石形リニアモ
ータの概観を示した斜視図、図９は図８に示したリニア
モータのＸ―Ｘ断面に沿う断面図である。１、２は界磁
ヨーク、３は界磁ヨーク１、２上に交互に異極になるよ
うに直線状に配列して構成した界磁極、４は界磁部、５
は集中巻にしたコイル群を重ねずに配置した電機子巻線
５１を形成したコアレス形の電機子、７は界磁ヨーク固
定板である。電機子５と界磁極３の何れか一方が相対移
動する可動子に、他方が固定子として構成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来技術に
おける界磁ヨークと界磁極の作る磁束分布を示す模式図
は図１０に示すようになっている。図に示すように、界
磁ヨーク１、２の厚さが一様であるため、界磁極３の作
る界磁の磁束密度に粗密が生じる。一般的に界磁ヨーク
１、２の厚さは、磁束密度が密な部分で磁気飽和を起こ
さないようしていた。そのため、磁束密度が粗な部分に
も、磁路としてさして有効でないにも関わらず磁束密度
が密な部分の界磁ヨーク１、２と同じ厚さになり、界磁
ヨーク１、２を可動子として用いる場合、界磁ヨーク
１、２の自重が重くなるという問題があった。それか
ら、界磁ヨーク１、２の自重増加に伴って可搬重量を増
加することが厳しくなるため、加速度を上げて高推力を
達成する用途には不利であった。また、界磁ヨーク１、
２を固定子として用いる場合、長ストロークの用途で
は、材料コストが高くなるという問題があった。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、界
磁ヨークの磁束密度を均一化して、界磁ヨークの軽量化
を図り、安価で、高推力の永久磁石形リニアモータを提
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の発明は互いに平行させた強磁性体からな
る界磁ヨークと前記界磁ヨーク上に交互に異極になるよ
うに直線状に配列してなる（２ｎ＋１）個（ｎ：整数）
の界磁極とより構成された界磁部と、前記界磁部と磁気
的空隙を介して対向するように電機子巻線を配置した電
機子を備え、前記界磁部と前記電機子の何れか一方を相
対移動する可能子に、他方を固定子とする永久磁石形リ
ニアモータにおいて、前記界磁ヨークは、前記界磁極が
配設される面と反対側の背面の進行方向に向かって、前
記界磁極間の中心に一致するように凸部を形成したもの
である。また、請求項２の本発明は、請求項１記載の永
久磁石形リニアモータにおいて、前記界磁ヨークの凸部
の断面形状を方形としたものである。また、請求項３の
本発明は、請求項１記載の永久磁石形リニアモータにお
いて、前記界磁ヨークの凸部の断面形状を台形としたも
のである。また、請求項４の本発明は、請求項１記載の
永久磁石形リニアモータにおいて、前記凸部の中心にお
ける界磁極が配設される面側を原点として、前記界磁ヨ
ークの進行方向の位置をＸ、前記界磁ヨークの進行方向
と直交する凸部方向の位置をＹ、前記凸部間の極ピッチ
をＰ、前記凸部の厚さをＨ、前記凸部間に形成される凹
部と前記凸部との厚みの差をＤ、前記界磁極の進行方向
の幅をＷとした時に。前記凸部と前記凹部の形状が式１
で表されるものである。また、請求項５の本発明は、請
求項１記載の永久磁石形リニアモータにおいて、前記界
磁ヨーク上の両端部に設けた凸部を第１凸部とし、前記
第１凸部の内側に配置された凸部を第２凸部とした場合
であって、前記第１凸部の幅を極ピッチＰの１／２の幅
とし、前記第２凸部の幅が界磁極の幅Ｗの１／２の幅と
したときに、前記第１凸部と前記第２凸部との間の幅
を、（２Ｐ＋３Ｗ）／８としたものである。また、請求
項６の本発明は、請求項５記載の永久磁石形リニアモー
タにおいて、界磁ヨーク上に交互に形成される前記第１
凸部、前記第２凸部の断面形状を台形状にしたものであ
る。また、請求項７の本発明は、請求項５記載の永久磁
石形リニアモータにおいて、前記第１凸部、前記第２凸
部各々の凸部の中心における界磁極が配設される面側を
原点として、前記界磁ヨークの進行方向の位置をそれぞ
れＸ１、Ｘ２、前記界磁ヨークの進行方向と直交する凸
部方向の位置をそれぞれＹ１、Ｙ２、前記凸部間の極ピ
ッチをＰ、前記凸部の厚さをＨ、前記凸部間に形成され
る凹部と前記凸部との厚みの差をＤ、前記界磁極の進行
方向の幅をＷとした時に。前記凸部の形状がそれぞれ式
２及び式３で表されるものである。

【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。 ［第１の実施例］図１は本発明の第１の実施例を示す界
磁部の斜視図である。なお、本発明の実施例に示すリニ
アモータは、界磁極が電機子の両側にある磁束貫通形構
造を有する点で、基本的に従来のものと同じであること
から、本発明と従来技術の構成要素が同じものはその説
明を省略し、異なる点のみ説明する。また、界磁部につ
いては説明を簡単にするために片側の界磁ヨーク１側の
み説明する。図１において、１１は界磁ヨークの凸部、
１２は界磁ヨークの凹部である。本発明が従来技術と異
なる点は以下のとおりである。すなわち、界磁ヨーク１
は、界磁極３が配設される面と反対側の背面の進行方向
に向かって、界磁極３間の中心に一致するように、断面
形状が方形の凸部１１を形成している点である。この場
合、界磁ヨーク１の凸部１１間に形成される凹部１２は
いずれも極ピッチＰの１／２の幅であり、凸部１１を持
つ界磁ヨーク１の厚さをＨとした場合、凹部１２におけ
る界磁ヨーク１の厚さＤは前記厚さＨの１／２の厚さを
有している。また、界磁極３については、所定の極ピッ
チＰで幅Ｗ（極ピッチＰの４／５近傍）を有するもの
で、界磁ヨーク１上に隣りの極性が交互に入れ替わるよ
うに７個貼付してある。上述した永久磁石形リニアモー
タは、界磁極３と対向する電機子巻線５１に電機子の位
置に応じた所定の電流を流すと、電機子巻線５１と界磁
極３との電磁作用により、可動子である電機子５が直線
移動するように作用する。次に、当該永久磁石形リニア
モータを有限要素法によって磁界解析を行った結果を図
2に示す。図２は第１の実施例における界磁ヨークと界
磁極の作る磁束分布を示す模式図である。図より、上記
に述べた界磁部の仕様の場合、磁束密度Φは凸部１１の
コーナー部は粗となるが、その他の部分では密となりほ
ぼ満足出来る程度になることが判明した。このように、
本発明の第１の実施例は、界磁ヨーク１を界磁極３が配
設される面と反対側の背面の進行方向に向かって、界磁
極３間の中心に一致するように、断面形状が方形の凸部
１１を形成する構成にしたため、界磁ヨーク１、２の背
面の磁路として機能しない部分を削除することにより界
磁ヨーク１、２の磁束密度を均一化して、界磁ヨーク
１、２の軽量化を図ることができることから、界磁ヨー
ク１、２を可動子として用いる場合、界磁ヨーク１、２
の自重の減少に伴って可搬重量を増加させたり、もしく
は可搬重量が一定の場合に加速度を上げて高推力を達成
する用途に適した永久磁石形リニアモータを提供するこ
とができる。それから、リニアモータの可搬重量を一定
とし、加速度も同じでよいとした場合、電機子巻線に流
す定格電流を小さくできることから、モータの発熱を抑
えることができるなどの効果があり、半導体製造に用い
られる露光装置（ステッパ）などの超精密、高推力駆動
用途に用いるのに最適である。また、界磁ヨーク１、２
を固定子として用いる場合、長ストロークの用途では、
材料コストが少なくて済み、安価な永久磁石形リニアモ
ータを提供することができる。

【０００６】［第２の実施例］図３は、本発明の第２の
実施例を示す界磁部の側面図である。第２の実施例が第
１の実施例と異なる点は、第１の実施例に示した界磁ヨ
ーク１の凸部１１の断面形状である方形の角部を取り、
凸部１１を台形とした点である。図に示すように凸部１
１の頂点を辺Ｆ１の上底とし、凸部１１の底部を辺Ｆ２
の下底として、当該上底と下底を直線で結んであり、第
１の実施例と比較すると、製作上は工数が増加するが磁
束密度をより均一にすることができる。なお、この場
合、Ｆ１をほぼ３Ｐ／１０、Ｆ２をほぼＰ／２にすると
よいことが磁界解析の結果によって判明した。このよう
に本発明の第２の実施例は、界磁ヨーク１、２の背面の
磁路として機能しない部分を削除して、界磁ヨーク１、
２の凸部１１を台形状に形成したため、第１の実施と同
様に、界磁ヨーク１、２の磁束密度を均一化して、界磁
ヨーク１、２の軽量化を図り、安価で、高推力の永久磁
石形リニアモータを提供することができる。

【０００７】［第３の実施例］図４は、本発明の第３の
実施例を示す界磁部の側面図である。第３の実施例が第
１の実施例と異なる点は、凸部１１の中心における界磁
極３が配設される面側を原点として、界磁ヨーク１の進
行方向の位置をＸ、界磁ヨーク１の進行方向と直交する
凸部１１方向の位置をＹ、凸部１１間の極ピッチをＰ、
凸部１１の厚さをＨ、凸部１１間に形成される凹部１２
と凸部１１との厚みの差をＤ、界磁極３の進行方向の幅
をＷとした時に。凸部１１と凹部１２の形状が式１で表
される点である。このように本発明の第３の実施例は、
界磁ヨークの凸部１１の形状を上式のごとく曲線形状に
近似したため、第１、第２の実施例に比べると、凸部１
１の形状が複雑な形状となるが、界磁ヨーク１、２内の
磁束密度をより最適に均一化し、軽量化することができ
る。

【０００８】［第４の実施例］図５は、本発明の第４の
実施例を示す界磁部の斜視図である。図において、１３
は界磁ヨーク１上の両端部に設けた第１凸部、１４は第
１凸部１３の内側に配置された第２凸部、１５は第１凸
部１３と第２凸部１４間に形成される第２凹部、１６は
界磁ヨークの中央部における第１凸部１３間に形成され
る第２凹部である。ここで、第１凸部１３、第２凸部１
４を持つ界磁ヨーク１の厚さをＨとした場合、第２凹部
１５、第２凹部１６における界磁ヨーク１の厚さＤは前
記厚さＨの１／２の厚さを有している。第４の実施例が
第１の実施例と異なる点は、第１凸部１３の幅を極ピッ
チＰの１／２の幅とし、第２凸部１４の幅が界磁極３の
幅Ｗの１／２の幅としたときに、第１凸部１３と第２凸
部１４との間の幅を極ピッチＰの１／４の幅と界磁極３
の幅Ｗの３／８の値を加えた値、すなわち、（２Ｐ＋３
Ｗ）／８とした点である。なお、第２界磁ヨークの中央
部における第２凹部１６の幅は、界磁極数ｎが奇数であ
る場合であるが、界磁極ｎが偶数の場合は、３Ｐ／５と
なる。以後、界磁ヨーク１の背面には、永久磁石の極数
から１引いた個数を２で割った数の凸部が、界磁ヨーク
１の進行方向両端から中央に向かって、第１凸部１３、
第２凸部１４となって交互に形成される。このように本
発明の第４の実施例は、界磁ヨーク上に第１凸部１３、
第２凸部１４からなる凸部の幅を交互に替えて形成した
ため、第１乃至第３の実施例に比べると、界磁ヨーク
１、２内の磁束密度をより最適に均一化し、軽量化する
ことができる。

【０００９】［第５の実施例］図６は本発明の第５の実
施例の示す界磁部の側面図である。第５の実施例が第４
の実施例と異なる点は、界磁ヨーク１上に交互に形成さ
れる第１凸部１３、第２凸部１４の方形のコーナー部を
削除し、台形の断面形状にした点である。この時、第１
凸部１３の頂点を辺Ｆ３の上底、第１凸部１３の底部を
辺Ｆ４の下底、第２凸部１４の頂点を辺Ｆ５の上底、第
２凸部１４の底部を辺Ｆ６の下底とし、上底と下底を直
線で結んである。このように第５の実施例は、界磁ヨー
ク１上に交互に形成される第１凸部１３、第２凸部１４
の方形のコーナー部を台形状にしたため、第2の実施
例、第４の実施例に比べ、磁束密度をより均一にするこ
とができる。なお、この場合、Ｆ３をほぼ３Ｐ／１０、
Ｆ４をほぼＰ／２に、Ｆ５をほぼＰ／５、Ｆ６をほぼＷ
／２にするとよいことが磁界解析結果で判明した。

【００１０】［第６の実施例］図７は、本発明の第６の
実施例を示す界磁部の側面図である。第６の実施例が第
５の実施例と異なる点は、第１凸部１３、第２凸部１４
各々の凸部の中心における界磁極が配設される面側を原
点として、界磁ヨーク１の進行方向の位置をそれぞれＸ
１、Ｘ２、界磁ヨーク１の進行方向と直交する凸部方向
の位置をそれぞれＹ１、Ｙ２、凸部間の極ピッチをＰ、
凸部の厚さをＨ、凸部間に形成される凹部と凸部との厚
みの差をＤ、界磁極の進行方向の幅をＷとした時に。第
１凸部１３、第２凸部１４の方形の形状がそれぞれ式２
及び式３で表される点である。このように本発明の第６
の実施例は、界磁ヨークの第１凸部１３、第２凸部１４
の形状を上式のごとく曲線形状に近似したため、第５の
実施例に比べると、各々の凸部１３、１４の形状が複雑
な形状となるが、界磁ヨーク１、２内の磁束密度をより
最適に均一化し、軽量化することができる。なお、本発
明の界磁ヨークは可動子に適用するのが望ましいが、固
定子に適用することも可能であり、リニアモータの用途
によって適宜選択されるものである。

【００１１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、以
下の効果がある。 （１）本発明の第１の実施例は、界磁ヨークを界磁極が
配設される面と反対側の背面の進行方向に向かって、界
磁極間の中心に一致するように、断面形状が方形の凸部
を形成する構成にしたので、界磁ヨークの磁束密度を均
一化して、界磁ヨークの軽量化を図ることができること
から、界磁ヨークを可動子として用いる場合、界磁ヨー
クの自重の減少に伴って可搬重量を増加させたり、もし
くは可搬重量が一定の場合に加速度を上げて高推力を達
成する用途に適した永久磁石形リニアモータを提供する
ことができる。それから、リニアモータの可搬重量を一
定とし、加速度も同じでよいとした場合、電機子巻線に
流す定格電流を小さくできることから、モータの発熱を
抑えるなどの効果があり、半導体製造に用いられる露光
装置などの超精密、高推力駆動用途に用いるのに最適で
ある。また、界磁ヨーク１、２を固定子として用いる場
合、長ストロークの用途では、材料コストが少なくて済
み、安価な永久磁石形リニアモータを提供することがで
きる。 （２）本発明の第２の実施例は、界磁ヨークの背面の磁
路として機能しない部分を削除して、界磁ヨークの凸部
を台形状に形成したので、第１の実施と同様に、界磁ヨ
ークの磁束密度を均一化して、界磁ヨークの軽量化を図
り、安価で、高推力の永久磁石形リニアモータを提供す
ることができる。 （３）本発明の第３の実施例は、界磁ヨークの凸部の形
状を曲線形状に近似したため、第１、第２の実施例に比
べると、凸部の形状が複雑な形状となるが、界磁ヨーク
内の磁束密度をより最適に均一化し、軽量化することが
できる。 （４）本発明の第４の実施例は、界磁ヨーク上に第１凸
部、第２凸部からなる凸部の幅を交互に替えて形成した
ので、第１乃至第３の実施例に比べると、界磁ヨーク内
の磁束密度をより最適に均一化し、軽量化することがで
きる。 （５）本発明の第５の実施例は、界磁ヨーク上に交互に
形成される第１凸部、第２凸部の方形のコーナー部を台
形状にしたので、第2の実施例、第４の実施例に比べ、
磁束密度をより均一にすることができる。 （６）本発明の第６の実施例は、界磁ヨークの第１凸
部、第２凸部の形状を曲線形状に近似したので、第５の
実施例に比べると、各々の凸部の形状が複雑な形状とな
るが、界磁ヨーク内の磁束密度をより最適に均一化し、
軽量化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す界磁部の斜視図で
ある。

【図２】第１の実施例における界磁ヨークと界磁極の作
る磁束分布を示す模式図である。

【図３】本発明の第２の実施例を示す界磁部の側面図で
ある。

【図４】本発明の第３の実施例を示す界磁部の側面図で
ある。

【図５】本発明の第４の実施例の示す界磁部の側面図で
ある。

【図６】本発明の第５の実施例の示す界磁部の側面図で
ある。

【図７】本発明の第６の実施例の示す界磁部の側面図で
ある。

【図８】従来の永久磁石形リニアモータの概観を示した
斜視図である。

【図９】図８に示したリニアモータのＸ―Ｘ断面に沿う
断面図である。

【図１０】従来の界磁ヨークと界磁極の作る磁束分布を
示す模式図である。

【符号の説明】

１：界磁ヨーク １１：凸部 １２：凹部 １３：第１凸部 １４：第２凸部 １５：第１凹部 １６：第２凹部 ３：界磁極 ４：界磁部 ５：電機子 ５１：電機子巻線

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに平行させた強磁性体からなる界磁
   ヨークと前記界磁ヨーク上に交互に異極になるように直
   線状に配列してなる（２ｎ＋１）個（ｎ：整数）の界磁
   極とより構成された界磁部と、前記界磁部と磁気的空隙
   を介して対向するように電機子巻線を配置した電機子を
   備え、前記界磁部と前記電機子の何れか一方を相対移動
   する可能子に、他方を固定子とする永久磁石形リニアモ
   ータにおいて、 前記界磁ヨークは、前記界磁極が配設される面と反対側
   の背面の進行方向に向かって、前記界磁極間の中心に一
   致するように凸部を形成していることを特徴とする永久
   磁石形リニアモータ。
2. 【請求項２】前記界磁ヨークの凸部の断面形状が方形で
   あることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形リニア
   モータ。
3. 【請求項３】前記界磁ヨークの凸部の断面形状が台形で
   あることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形リニア
   モータ。
4. 【請求項４】前記凸部の中心における界磁極が配設され
   る面側を原点として、前記界磁ヨークの進行方向の位置
   をＸ、前記界磁ヨークの進行方向と直交する凸部方向の
   位置をＹ、前記凸部間の極ピッチをＰ、前記凸部の厚さ
   をＨ、前記凸部間に形成される凹部と前記凸部との厚み
   の差をＤ、前記界磁極の進行方向の幅をＷとした時に。
   前記凸部と前記凹部の形状が 【数１】 で表されることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形
   リニアモータ。
5. 【請求項５】前記界磁ヨーク上の両端部に設けた凸部を
   第１凸部とし、前記第１凸部の内側に配置された凸部を
   第２凸部とした場合であって、前記第１凸部の幅を極ピ
   ッチＰの１／２の幅とし、前記第２凸部の幅が界磁極の
   幅Ｗの１／２の幅としたときに、前記第１凸部と前記第
   ２凸部との間の幅を、（２Ｐ＋３Ｗ）／８としたことを
   特徴とする請求項１記載の永久磁石形リニアモータ。
6. 【請求項６】 界磁ヨーク上に交互に形成される前記第
   １凸部、前記第２凸部の断面形状を台形状にしたことを
   特徴とする請求項５記載の永久磁石形リニアモータ。
7. 【請求項７】 前記第１凸部、前記第２凸部各々の凸部
   の中心における界磁極が配設される面側を原点として、
   前記界磁ヨークの進行方向の位置をそれぞれＸ１、Ｘ
   ２、前記界磁ヨークの進行方向と直交する凸部方向の位
   置をそれぞれＹ１、Ｙ２、前記凸部間の極ピッチをＰ、
   前記凸部の厚さをＨ、前記凸部間に形成される凹部と前
   記凸部との厚みの差をＤ、前記界磁極の進行方向の幅を
   Ｗとした時に。前記凸部の形状がそれぞれ 【数２】 及び、 【数３】 で表されることを特徴とする請求項５記載の永久磁石形
   リニアモータ。