JP2004135468A

JP2004135468A - コアレス形リニアモータ

Info

Publication number: JP2004135468A
Application number: JP2002299664A
Authority: JP
Inventors: Ryuichiro Tominaga; 富永　竜一郎; Toshiyuki Harada; 原田　敏行
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-11
Also published as: JP4175076B2

Abstract

【課題】コストアップすることなく、サイドフォースを低減できるコアレス形リニアモータを提供する。
【解決手段】複数の永久磁石４を互いに異極となるように一方向に沿って交互に配置した界磁ヨーク３を２列、相対する永久磁石４が異極となるように空隙部を介して配置した固定界磁と、固定界磁の空隙部内に配置された電機子巻線１を有する電機子６とを有し、電機子６が固定されたテーブル１０を一方向に移動自在に配置した磁石対向型のコアレス形リニアモータにおいて、電機子６を空隙部の機械的な中心から距離Ｘだけオフセットして配置するとともに、界磁部の相対する永久磁石４の位置誤差に基づくサイドフォースを、電機子電流の位相を電機子巻線１の誘起電圧に対して電気角でπ／２±αずらすことで打ち消す駆動回路を備えた。αとしては、８°以下とすることで、リニアモータの有効推力にほとんど影響することなくサイドフォースを発生させることができる。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機、半導体製造装置等に用いられる磁石対向型リニアモータに関し、特にクリーンルームや真空中での半導体製造プロセス等に用いられる超精密位置決め装置に好適なコアレス形リニアモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のコアレス形リニアモータには、例えば、本出願人による特許文献１（特開平１１−２７５８４９号公報）に示すものがある。
図５はその構成を示すものであり、（ａ）はガイドおよび電機子巻線、巻線固定板の一体成型後の正面図、（ｂ）は（ａ）の側断面図、（ｃ）は固定子のキャン取り付け状態の側断面図である。図５に示されるように、従来例のコアレス形リニアモータは、平滑な帯状の電機子巻線１と、両面に電機子巻線１を装着した非磁性体の巻線固定板７と、巻線固定板７および電機子巻線１を収納し両部材の周囲に冷却液を流すための非磁性体のキャン１７と、巻線固定板７をキャン１７に位置決め固定するために電機子巻線１の上部および下部に配設した第１ガイド１８および第２ガイド１９と、前記キャン１７の底部を勘合する溝を有する固定ベース２０とからなる固定子を備えたキャンド・リニアモータにおいて、第１ガイド１８は、キャン１７と対向する電機子巻線１の側面に設けてあり、電機子巻線１、巻線固定板７、第１ガイド１８および第２ガイド１９を樹脂材料により一体モールドしたものである。また、第１ガイド１８は電機子巻線１の長手方向に向かって所定ピッチの長さで不連続に設けられている。
本モータでは第１および第２ガイド１８，１９を樹脂材料と一体モールドすることで、キャン１７と電機子の組立て精度を高くでき、製作工数も低減できる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２７５８４９号公報（第３頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のコアレス形リニアモータではキャン１７と電機子巻線１との接着精度は高くできるものの、可動子の磁気的空隙中心からのずれ、および永久磁石の接着誤差により発生するサイドフォースを低減できないという問題があった。
図４はコアレス形リニアモータの積厚方向断面の一部を示したものである。図４では、磁気的空隙を介して対向する永久磁石４が角度θだけずれた場合を示したものである。空隙部の磁束線を直線と仮定すれば、永久磁石による磁束１５もθだけ傾くので、電機子巻線１に発生する推力１６は進行方向に対して角度θだけずれ、この分力としてサイドフォースＦｓｍが発生する。サイドフォースＦｓｍは次の（１）式で表される。
Ｆｓｍ＝Ｂｇ・ｓｉｎθ×ＡＴ×Ｌｎｅｔ　　　　　　　・・・（１）
但し、Ｂｇ：空隙部磁束密度
ＡＴ：電機子起磁力
Ｌｎｅｔ：積厚
【０００５】
例えば超精密位置決め装置のＸ−Ｙテーブルをリニアモータで駆動する場合、サイドフォースＦｓｍは直交する軸に対して外乱要因となり、精密な位置決めが困難となる。
永久磁石４の接着精度を改善すればサイドフォースＦｓｍは低減できるが、この場合、永久磁石４、界磁ヨーク３の寸法精度を高くする必要があり、コストアップになってしまう。
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、コストアップすることなく、サイドフォースを低減できるコアレス形リニアモータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、複数の永久磁石を互いに異極となるように一方向に沿って交互に配置されると共に２列で構成された界磁部と、この２列の界磁部を、相対する前記永久磁石が異極となるように空隙部を介して配置した固定界磁と、前記固定界磁の空隙部内に配置された電機子巻線を有する電機子とを有し、前記電機子が固定された移動子を前記一方向に移動自在に配置した磁石対向型のコアレス形リニアモータにおいて、
前記電機子を前記空隙部の機械的な中心から距離Ｘだけオフセットして配置するとともに、前記界磁部の相対する前記永久磁石の位置誤差に基づくサイドフォースを、電機子電流の位相を前記電機子巻線の誘起電圧に対して電気角でπ／２±αずらすことで打ち消す駆動回路を備えたものである。
【０００７】
本発明においては、電機子を空隙部の機械的な中心から距離Ｘだけオフセットして配置することで、意図的にサイドフォースを発生させ、磁石のずれなど製造上の誤差により発生するサイドフォースを打ち消すことで、結果的にサイドフォースの小さいコアレス形リニアモータを低コストで実現するものである。
前記駆動回路は、予めリニアモータのサイドフォースを測定し、位置に対するサイドフォースの測定結果をデータとして保持する機能を備えるとともに、そのデータに基づいてリニアモータの位置によりサイドフォースを打ち消すよう電気角αを制御する電気角制御手段を持たせることで実現可能である。
前記電気角α（ｄｅｇ）は、−８≦α≦８、α≠０とすることで、リニアモータの有効推力にほとんど影響することなくサイドフォースを発生させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係るコアレス形リニアモータの進行方向から見た正断面図であって、固定台、リニアガイド、テーブルおよび磁気センサを組み込んだ状態を示す。図２はコアレス形リニアモータと駆動回路の接続状況を示すブロック図、図３は本発明の動作原理を示す概略図である。なお、本例では、ムービングコイル型リニアモータを例示して説明する。
図１〜３において、１は電機子巻線、２はヨークホルダ、３は界磁ヨーク、４は永久磁石、５は電機子固定板、６は電機子、７は巻線固定板、８は樹脂モールド、９は固定台、１０はテーブル、１１はスライダ、１２はガイドレール、１３は磁気センサ（リニアスケール）、１４は磁気センサ（センサヘッド）、２１は駆動回路、２２は電気角制御手段、２３は演算処理回路、２４はアンプである。
【０００９】
界磁ヨーク３には交互にＮ極、Ｓ極の極性が異なるように界磁極を構成する複数の永久磁石４が等間隔で配置されており、２列からなる界磁ヨーク３の長手方向に沿って直線状に配列されている。２列の界磁ヨーク３はヨークホルダ２により永久磁石４が互いに異極となるよう対向して締結され、固定子を構成している。また、永久磁石４の磁石列の長手方向には、磁気的空隙を介して対向するように複数個の巻線群からなる平板状に成型されたコアレス型の電機子巻線１を有した電機子６が配置されている。ここで、電機子巻線１は、巻線固定板７に樹脂モールド８により固着され、電機子巻線１を固着した巻線固定板７は電機子固定板５に固定され電機子６を構成する。
かかるリニアモータは、図１に示すように、固定された一対の永久磁石４が、空隙部を介して電機子６を両側から挟み込むように設けられ、かつ、永久磁石４の磁束線が電機子巻線１を貫通するよう磁気回路を構成してなるもの（磁束貫通型構造）であり、電機子巻線１に流れる電流と永久磁石４により発生する磁束の電磁作用により、直線移動するようになっている。
【００１０】
電流と誘起電圧の位相差は９０＋α（ｄｅｇ）としている。電機子固定板５には磁気エンコーダのセンサヘッド１４が、固定台９には磁気エンコーダのリニアスケール１３がそれぞれ取り付けられており、磁気エンコーダの位置信号に基づき駆動回路２１に設けた演算処理回路２３、アンプ２４を介してリニアモータの位置制御や速度制御を行う。
電機子６の中心が磁気的空隙の中心からＸだけオフセットするように電機子固定板５はテーブル１０に固着され、固定台９に設けたガイドレール１２とテーブル１０に取り付けたスライダ１１とで構成されたリニアガイドにより、テーブル１０は進行方向に対して、移動自在に支持される。
また、ここで界磁部を構成する２列の界磁ヨーク３，３の相対する永久磁石４，４の位置誤差に基づくサイドフォースを、電機子電流の位相を電機子巻線１の誘起電圧に対して電気角で９０±α（ｄｅｇ）ずらすことで打ち消す駆動回路２１を備えている。
また、図２に示すように、駆動回路２１は、予めリニアモータのサイドフォースを測定し、位置に対するサイドフォースの測定結果をデータとして保持する機能を備えるとともに、データに基づいてリニアモータの位置によりサイドフォースを打ち消す電気角αを制御する電気角制御手段２２を有するようにしている。さらに、電気角αは、−８≦α≦８（ｄｅｇ）、α≠０としている。その理由については後述する。
【００１１】
次に、図３に基づいて本発明によるサイドフォース低減方法の原理について説明する。図３（ａ）は永久磁石による磁束線の概略図、（ｂ）は電機子巻線が磁気的空隙中心からオフセットした状態でのサイドフォースを説明する図、（ｃ）は電機子巻線が磁気的空隙中心からオフセットし、電機子巻線の位相がずれた状態でのサイドフォースを説明する図である。なお、図３において永久磁石４１１，４１２の極性は空隙対向面での極性を示す。また、原理の説明に関係のない界磁ヨーク３、電機子巻線固定板７、樹脂モールド８は省略した。
図３においては、説明を簡単にするため、空隙を介して対向する永久磁石４同士がずれていない状態で、本発明によりサイドフォースＦｓｒを発生させ得ることを説明する。サイドフォースＦｓ（Ｆｓ＝Ｆｓｍ＋Ｆｓｒ）を低減するには永久磁石のずれなどにより発生したサイドフォースＦｓｍを相殺するように、サイドフォースＦｓｒを発生させれば良い。
【００１２】
図３（ａ）に示すように、磁石対向型リニアモータでは永久磁石４１１から出て、電機子巻線１と鎖交し、空隙を通って対向面の永久磁石４１２に到達する主磁束成分Φｍと、隣り合う異極の永久磁石４１３へ向かう漏れ磁束成分Φｌが存在する。漏れ磁束成分Φｌは空隙対向面では逆方向であるため、磁気的な空隙中心では０となる。空隙には所定の相数、極数を有する電機子巻線１を配置するが、簡単のため１巻線分だけ考えると、図３（ｂ）に示すように磁気的空隙中心からオフセットして電機子巻線１を配置しても電機子電流と誘起電圧の位相が電気角で９０（ｄｅｇ）ずれた状態ではΦｌにより個々の電線で発生するサイドフォースｆｓｒが互いに打ち消し合うため、電機子巻線１全体で見たサイドフォースＦｓｒは発生しない。
【００１３】
図３（ｃ）に示すように電機子巻線１を磁気的空隙中心からオフセットし、さらに電機子巻線１と誘起電圧の位相を９０（ｄｅｇ）からさらにα（ｄｅｇ）だけ遅らせると、個々の電線に発生するサイドフォースｆｓｒが完全に打ち消されないため、サイドフォースＦｓｒが発生する。サイドフォースＦｓｒの方向は電流位相により変えることができる。
図３（ｃ）ではＦｓｒは下方向に発生しているが位相を進めればＦｓｒは上方向に発生する。つまり、電機子巻線を空隙中心に対してどちらにオフセットしても、αの位相を調整することで、サイドフォースＦｓｒの方向は自由に決められる。また、図３（ｃ）では図の説明上、電機子巻線１の配置をずらしているが、実際のリニアモータに適用する場合には、駆動回路２１の電流位相をソフトウェア等により変更すれば良い。
【００１４】
ここで、｜α｜≦４５（ｄｅｇ）電気角の範囲で｜α｜を増加すれば、発生するサイドフォースＦｓｒは増加するものの、推力１６も低下してしまう。
電気角αと有効推力の減少率および有効推力の関係を表１に示す。
【００１５】
【表１】

【００１６】
この表１から分かるように、αを電気角−８≦α≦８（ｄｅｇ）とすれば有効推力の減少率は１００×（１−ｓｉｎ（９０±８））＝０．９７３（％）と１％未満になり、有効推力は９９％台であるので、有効推力にほとんど影響することなくサイドフォースＦｓｒを発生させることができる。
このようにして、図４で説明した、永久磁石４の磁石自体の寸法誤差や永久磁石４と界磁ヨーク３との接着位置決め精度などにより発生するサイドフォースＦｓｍを打ち消すようなサイドフォースＦｓｒを、電流位相を調整して発生させることで、結果的にサイドフォースを低減したリニアモータが得られる。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、電機子を前記空隙部の機械的な中心から距離Ｘだけオフセットして配置するとともに、前記界磁部の相対する前記永久磁石の位置誤差に基づくサイドフォースを、電機子電流の位相を前記電機子巻線の誘起電圧に対して電気角でπ／２±αずらすことで打ち消す駆動回路を備えたことで、部材の寸法精度や組立て精度を変えることなく、サイドフォースを低減できるため非常に経済的である。また、寸法精度や組立て精度を向上したリニアモータと組み合わせることでさらにサイドフォースの小さいリニアモータを実現できる。
また、前記駆動回路は、予めリニアモータのサイドフォースを測定し、位置に対するサイドフォースの測定結果をデータとして保持する手段を備えるとともに、そのデータに基づいてリニアモータの位置によりサイドフォースを打ち消すよう電気角αを制御する機能を持たせることで、実現可能である。
なお、移動位置によるサイドフォースの変動が問題とならない場合には、電流位相の調整のみ行えば良く、サイドフォースの測定結果を保持する手段や、αを制御する機能も必要ない。
前記角度αは、−８≦α≦８、α≠０とすることで、有効推力の減少率を１％未満に抑えることができ、リニアモータの有効推力にほとんど影響することなくサイドフォースを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の正断面図である。
【図２】コアレス形リニアモータと駆動回路の接続状況を示すブロック図である。
【図３】（ａ）は永久磁石による磁束線の概略図、（ｂ）は電機子巻線が磁気的空隙中心からオフセットした状態でのサイドフォースを説明する図、（ｃ）は電機子巻線が磁気的空隙中心からオフセットし、電機子巻線の位相がずれた状態でのサイドフォースを説明する図である。
【図４】コアレス形リニアモータの積厚方向の一部を示す断面図である。
【図５】従来技術を示すもので、（ａ）はガイドおよび電機子巻線、巻線固定板の一体成型後の正面図、（ｂ）は（ａ）の側断面図、（ｃ）は固定子のキャン取り付け状態の側面図である。
【符号の説明】
１：電機子巻線
２：ヨークホルダ
３：界磁ヨーク
４：永久磁石
５：電機子固定板
６：電機子
７：巻線固定板
８：樹脂モールド
９：固定台
１０：テーブル
１１：スライダ
１２：ガイドレール
１３：磁気センサ（リニアスケール）
１４：磁気センサ（センサヘッド）
１５：永久磁石による磁束
１６：推力
１７：キャン
１８：第１ガイド
１９：第２ガイド
２１：駆動回路
２２：電気角制御手段
２３：演算処理回路
２４：アンプ

Claims

複数の永久磁石を互いに異極となるように一方向に沿って交互に配置されると共に２列で構成された界磁部と、この２列の界磁部を、相対する前記永久磁石が異極となるように空隙部を介して配置した固定界磁と、前記固定界磁の空隙部内に配置された電機子巻線を有する電機子とを有し、前記電機子が固定された移動子を前記一方向に移動自在に配置した磁石対向型のコアレス形リニアモータにおいて、
前記電機子を前記空隙部の機械的な中心から距離Ｘだけオフセットして配置するとともに、前記界磁部の相対する前記永久磁石の位置誤差に基づくサイドフォースを、電機子電流の位相を前記電機子巻線の誘起電圧に対して電気角でπ／２±αずらすことで打ち消す駆動回路を備えたことを特徴とするコアレス形リニアモータ。
前記駆動回路は、予め前記リニアモータのサイドフォースを測定し、位置に対するサイドフォースの測定結果をデータとして保持する機能を備えるとともに、前記データに基づいてリニアモータの位置により前記サイドフォースを打ち消す電気角αを制御する電気角制御手段を有するものであることを特徴とする、請求項１に記載のコアレス形リニアモータ。
前記電気角α（ｄｅｇ）を、−８≦α≦８、α≠０とした請求項１または２に記載のコアレス形リニアモータ。