JP2006074975A - リニアモータおよびリニア移動ステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リニア移動ステージ装置において、磁石間の磁気吸引力により制約、コイル放熱性などの理由に薄型化が困難で、駆動時に制御性を低下させる偶力が生じる。
【解決手段】一方向にＮ極とＳ極が並ぶようにベース２側に配置している複数の永久磁石６と、永久磁石６の配置方向に沿って並び、かつ、永久磁石６との間に電磁空隙を介して対面するように、ステージ３側に電機子として固定されている複数の扁平形のコイル５Ｕ〜５Ｗとを有している。そして、このステージ３側のコイル固定面に、当該コイル固定面とコイル５Ｕ〜５Ｗとの間に空隙を形成する凹部３Ｂが形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、一方向に自在直線移動の推進力を付与するリニアモータと、当該リニアモータを備え、これによりステージ移動を可能とするリニア移動ステージ装置とに関する。

従来のコアレスリニアモータとしては、可動マグネット型と可動コイル型がある。可動マグネット型リニアモータは、マグネット側（二次側）の可動ストロークのほぼ全域に亘る給電側（一次側）の対応箇所にコイルを配置する必要がある。そのため可動マグネット型リニアモータは高価な装置となりやすい。
これに対し、可動コイル型リニアモータは、そのような不利益がなく、その点で優れている。

可動コイル型リニアモータとしては、対向して配置されるマグネット間に移動体取り付け板を挿通し、当該移動体取り付け板の厚さ方向両側に、電機子として扁平形（略トラック形状）のコイルを配置しているものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

図１０に、特許文献１に従来技術として記載されているコアレスリニアモータを、その長手方向（可動方向）と直交する断面からみた構成図を示す。また、図１１に、移動体取り付け板に固定される補強部材と、補強部材にはめ込んで固定されるコイルとの斜視図を示す。
図１０に示すコアレスリニアモータ１００は、断面コ字状のサイドヨーク１０１を備え、サイドヨーク１０１の上片（上サイドヨーク１０２）と、下片（下サイドヨーク１０３）との対向面に永久磁石列１０４と１０５を設けている。このとき永久磁石列１０４と１０５を構成する個々の磁石を、サイドヨーク１０１の長手方向（モータ可動方向）の隣接磁石間で極性が異なるように並べ、かつ、上サイドヨーク側と下サイドヨーク側で対向する磁石の極性が異なるように配置する。この対向する永久磁石列１０４と１０５の間に、移動体が開放端側に取り付けられる移動体取り付け板１０６を挿通し、その厚さ方向の両側に、それぞれコイル１０７を装着した補強部材１０８を固定している。

補強部材１０８は、図１１に示すように、略平板形状を有し樹脂などの非磁性材料から構成されている。補強部材１０８の一方の主面（磁石対向面）に、中空のコイル１０７の形状にほぼ合致した環状溝１０８Ａが形成してある。図１１に示す三相コイルモータ用の補強部材１０８は、この環状溝１０８Ａをモータ可動方向＜Ａ＞に沿って３つ形成し、それぞれの環状溝１０８Ａに中空のコイル１０７を装着する。各環状溝１０８Ａの略中央部にコイルボビンに相当する凸部１０８Ｂが予め形成してあり、この当該凸部１０８Ｂにコイルの中空部１０７Ａをはめ込む。したがって装着後の各コイル１０７は、磁石対向面を除く他の多くの面が樹脂などの非磁性材料により囲まれた状態となる。

コイル１０７を装着した補強部材１０８を、図１０に示すように、移動体取り付け板１０６の厚み方向両側のそれぞれに固定し、サイドヨーク１０１内の磁石対向空間に挿入する。このとき図示していないが、移動体取り付け板１０６は、サイドヨーク１０１、または、サイドヨーク１０１を固定する不図示のベースなどに自在直線移動が可能に支持される。
電機子としての３つのコイル１０７に三相交流電流を流すと、可動子としての移動体取り付け用の組み立て体、すなわち移動体取り付け板１０６、コイル１０７および補強部材１０８に対し、磁界および電界によるローレンツ力が作用し、これがリニアモータの推進力となる。

可動コイル型のコアレスリニアモータは様々な用途、たとえば、工作機械、各種製造装置などに装備される小型のリニア移動ステージ装置として使用できる。その場合、装置が小型であり、かつ、制御性能が高く低消費電力であることが要求される。
特開２００３−１１６２６２号公報（従来技術の記載を参照）

ところが、図１０に示す構造のコアレスリニアモータ１００は、たとえばリニア移動ステージ装置に応用するには、以下に記述する課題を有している。

＜第１の課題＞
図１０に示すリニアモータ構造では、永久磁石列１０４または１０５に対し、扁平形のコイル１０７を対面させている。コイル１０７および永久磁石列１０４または１０５、ならびに、上サイドヨーク１０２および下サイドヨーク１０３により磁気回路を構成している。この構成では、以下の（１）〜（４）の観点により薄型化が困難である。
（１）図１０に示すように、コイル１０７を厚さ方向に２つ配置しており、それぞれのコイル１０７は、所望の磁気空隙をおいて永久磁石列１０４または１０５と対向させる必要がある。
（２）磁気回路のヨークは、上サイドヨーク１０２、下サイドヨーク１０３と厚さ方向に見ると２つ必要になる。この上サイドヨーク１０２、下サイドヨーク１０３は、磁気飽和を起こさないように、ある程度の厚みが必要である。ただし、磁気飽和の影響が少なくヨークをある程度薄くできる場合でも、上サイドヨーク１０２と下サイドヨーク１０３との間に強い磁気吸引力が作用し、強度的な制約により、それぞれのヨークをある程度厚くする必要がある。
（３）強度的な意味では、移動体取り付け板１０６もある程度厚くする必要がある。
（４）ステージ（不図示）を上サイドヨーク１０２のさらに上方に配置する際、上サイドヨーク１０２が固定であることから、ステージと上サイドヨーク１０２と間に空間を確保する必要がある。
以上の（１）〜（４）の観点より、図１０に示す構造のリニアモータ１００自体が厚く、そのため、これをリニア移動ステージ装置に応用すると、リニア移動ステージ装置の薄型化が構造上困難であるという課題がある。

＜第２の課題＞
コイル１０７のボビンが樹脂などからなり、また図１１に示すように、磁石対向面以外の多くの面が樹脂などの補強部材１０８に囲まれていることから放熱性が悪く、コイル１０７に電流を流すと過熱状態になりやすい。このため、コイル１０７に余り電流を流すことができず、その結果、磁場強度を上げざるを得ず、これが永久磁石列１０４と１０５を構成する各磁石の肉厚アップ、ヨーク（上サイドヨーク１０２と下サイドヨーク１０３）などの肉厚アップを招きやすい。

＜第３の課題＞
コイル１０７の取り付け部から推力作用点（すなわち、ステージ位置）までの距離が長く、しかも、断面Ｌ字状の移動体取り付け板１０６を介して推進力をステージに伝達することから、とくにヨーイング（横揺れ）方向の振動を誘起しステージの性能を損なう偶力が発生しやすい。そのために制御ゲインの低下を招き、ステージ速度の安定性、ステージ位置決め時の整定時間および保持精度等の低下が問題となる。

本発明は上記課題を解決して、コイル、磁石等の部品点数を減らすことが可能で、磁石間の磁気吸引力に起因する機械強度上の制約をなくすことが可能で、かつ、コイルの放熱を十分にして磁場強度を上げる必要をなくすことによって、薄型化を達成したリニアモータを提供するものである。
また本発明は、上記リニアモータと同様に薄型化を達成した上で、さらにコイルの取り付け部から推力作用点までの距離を短くし、推進力を直接ステージに伝達することによって偶力の発生を抑制し、その結果、薄型で制御ゲインが高いリニア移動ステージ装置を提供するものである。

本発明にかかるリニアモータは、固定子に対し一方向に自在直線移動が可能な可動子に推進力を付与するリニアモータであって、前記一方向にＮ極とＳ極が並ぶように固定子側に配置されている複数の永久磁石と、永久磁石の配置方向に沿って並び、かつ、永久磁石との間に電磁空隙を介して対面するように、前記可動子側に電機子として固定されている複数の扁平形のコイルとを有し、可動子側のコイル固定面に、当該コイル固定面と前記コイルとの間に空隙を形成する凹部を備える。

好ましくは、前記凹部を備え前記コイルが固定されている可動子側部材が非磁性材料からなる。

好ましくは、前記コイル固定面から前記凹部内の前記コイルとの対向面までの深さを、対向する磁石の磁場により発生する前記対向面の表面磁束が１０００ガウス以下となるように規定する。

本発明では、好ましくは、前記可動子側部材は、前記凹部の周囲に熱伝導性固着材を介して前記コイルが固定されている非磁性金属製の放熱プレートである。
さらに好ましくは、前記放熱プレートにフィンが形成してある。
さらに好ましくは、前記フィンは前記凹部内で前記コイルの中心付近に設けられ、フィンの端面に当該コイルのボビン部材が固定されている。

本発明では、好ましくは、前記コイルが固定されている可動子側部材に冷却媒体の通路が形成されている。
さらに好ましくは、前記冷却媒体としての気体を前記コイルに向けて吐き出す吐出し口が、前記冷却媒体の通路に設けられている。

本発明にかかるリニア移動ステージ装置は、ベースと、ベースに対し一方向の自在直線移動が可能に組まれているステージと、ステージに前記一方向の推進力を付与するリニアモータとを備えているリニア移動ステージ装置であって、前記リニアモータが、前記一方向にＮ極とＳ極が並ぶようにベースに配置している複数の永久磁石と、永久磁石の配置方向に沿って並び、かつ、永久磁石との間に電磁空隙を介して対面するように、前記ステージに対し電機子として固定されている複数の扁平形のコイルとを有し、ステージ側のコイル固定面に、当該コイル固定面と前記コイルとの間に空隙を形成する凹部を備える。

前記ステージが非磁性材料からなり、当該ステージに凹部が形成され、当該凹部周囲のステージ面に前記コイルが固定されている。

あるいは、前記ステージに、熱的絶縁体からなるスペーサを介して放熱プレートが固定され、当該放熱プレートの反ステージ側の面に前記凹部が形成され、当該凹部周囲の放熱プレート面に熱伝導性固着材を介して前記コイルが固定されている。
本発明では、好ましくは、前記ステージまたは前記放熱プレートに冷却媒体の通路が形成されている。さらに好ましくは、前記冷却媒体としての気体を前記コイルに向けて吐き出す吐出し口が、前記冷却媒体の通路に設けられている。

本発明のリニアモータは、コイル、磁石等の部品点数を減らし、磁石間の磁気吸引力に起因する機械強度上の制約をなくすことが可能で、かつ、コイルの放熱を十分にして磁場強度を上げる必要をなくすことによって、薄型になるという利点がある。
また、本発明のリニア移動ステージ装置は、上記リニアモータと同様な利点に加え、コイルの取り付け部から推力作用点（ステージ位置）までの距離を短くし、推進力を直接ステージに伝達することによって偶力の発生を抑制し、その結果、制御ゲインが高いという利点がある。

以下、本発明の実施の形態に係るリニア移動ステージ装置と、その駆動力を付与するリニアモータについて図面を参照して説明する。ここでは、主に一つの軸に沿って移動する場合を述べるが、本発明では、以下の構成のリニア移動テーブルを組み合わせて二軸移動可能なリニア移動ステージ装置（Ｘ−Ｙテーブル装置）の実現も可能である。

［第１の実施の形態］
図１に、第１の実施の形態に係るリニア移動ステージ装置の平面図を示す。また、図２にステージ移動方向＜Ａ＞の側面図を、図３に図１のＸ−Ｘ線の断面図を示す。
リニア移動ステージ装置１は、ベース２と、移動台としてのステージ３と、ベース２とステージ３との間に設けられているリニアガイド４と、リニアガイド４によってベース２に対して支持された状態で直線移動が可能な推進力をステージ３に付与するリニアモータとを有する。なお、リニアモータは、一般にコイル、永久磁石およびヨークなどにより構成されるが、それぞれの構成要素は後述する。

図１〜図３に示すように、ベース２は、ステージ３の移動方向＜Ａ＞に長い平板形状を有している。本実施の形態におけるベース２は、たとえば冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）あるいは他の低炭素鋼などの磁性材料からなりヨークとしても機能させる。そのため、ベース２の厚みはヨークとして必要な値に規定されている。また、ベース２の材質と厚さは、ステージ３等からの重量を支えるために必要な剛性を確保する点も考慮して決められる。
ベース２の上面には永久磁石６が固定されている。永久磁石６については後述する。

ステージ３は、リニアガイド４によってベース２に対し直線移動可能に支持され、全体としてはベース２と対向する略平板形状を有している。ステージ３の上面が当該リニア移動ステージ装置１によって直線移動をさせたい積載物（不図示）を載置する面である。ステージ３は、軽量化のために、たとえばアルミニウムなどの軽量な非磁性金属材料から構成されている。

図１に示すように、ステージ３は、その移動方向＜Ａ＞の長さがベース２より十分短いが、移動方向と直交する幅方向＜Ｂ＞の寸法が、ここではベース２とほぼ同じ程度に規定されている。
なお、ステージ３の幅はこれに限らないが、積載物を載置する上面の幅を大きくし全体の小型化を図るためには、ステージ３の幅をベース２の幅とほぼ同じ程度にすることが望ましい。

リニアガイド４は、ベース２の幅方向の両側に各々ビス止めなどにより固定されている２本のガイドレール４１と、テーブル３の裏面、すなわちベース２に対向する面に固定されている複数のスライドユニット４２とからなる。図示例の場合、ガイドレール４１ごとに２個で、合計４個のスライドユニット４２がステージ裏面の四隅付近に固定してある。
詳細な図示を省略しているが、ガイドレール４１と各スライドユニット４２は、それぞれの係合部がガイドレール４１の両側面などで噛み合い、容易に抜けない構造を有している。

なお、スライドユニット４２の係合部は、ガイドレール４１との摩擦を減らすためにトラックボールなどを備えた構成でもよい。
また、スライドユニット４２の取り付け位置および個数は図示例のものに限らないが、ステージ３およびその上面に載置される積載物の重量をほぼ均等にベース２側に伝えるためには、スライドユニット４２をテーブル３の移動方向＜Ａ＞および幅方向＜Ｂ＞に対称に設けることが望ましい。

ガイドレール４１の両端部付近のベース２の長手方向の両端部に、エンド部材２１がベース２から立設している。これにより、当該リニア移動ステージ装置１を使用したい場所に移設する際にガイドレール４１からステージ３が脱落することを防止し、あるいは、ガイドレール４１によって案内されてきたステージ３が誤動作等によりオーバーランした場合でも、そのステージ３の動きを規制することができる。
なお必須の構成ではないが、図示例の場合、エンド部材２１のベース中央側に面する側面の上部に緩衝部２２が設けられ、これによってステージ３の動きを、衝撃を和らげて規制するようになっている。

図１および図３に示すように、ステージ３の一方の側面に、リニアスケール（不図示）が下面に形成されているスケール固定板３１が設けられ、その下面のリニアスケールと相対する位置に位置検出センサとして、たとえばエンコーダ７が設けられている。エンコーダ７は、図３に示すように、ベース２の側面に固定されているセンサ固定板２１上に固定されている。
このエンコーダ７は図１および図３では１つしか設けられていないが、これを規定のピッチで複数設けることもできる。エンコーダ７を複数設ける場合の理由は、ベース長が長い場合にステージ３がベース長のどの位置にある場合でも、どれかのエンコーダ７によりステージ３の位置を検出可能とするためである。また、ステージ位置検出の必要がなければ、これらエンコーダ７、および、それを取り付けるためのセンサ固定板２１やスケール固定板３１は不要である。

ステージ３の裏面に三相コイルが固定されている。三相コイルは、図１に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのコイル５Ｕ，５Ｖ，５Ｗからなり、ステージ３の移動方向＜Ａ＞に沿って等間隔に配置されている。
コイル５Ｕ〜５Ｗのそれぞれは、永久磁石６に対面して配置される扁平形（略トラック形状）の巻き線コイルであり、図３に示すように、コイルボビンを兼ね、ガラスエポキシ樹脂などからなる薄板形状の補強部材５１の外周に、ウエット巻きにより巻き線を幾重にも巻いて形成されている。ここで「ウエット巻き」とは、巻き線を巻き込んで所定のコイル形状を形作り、その巻き線の隙間にエポキシ樹脂などを浸透させてコイル形状を維持したままで巻き線同士を固着させる巻き線方法である。なお、空芯のウエット巻きでもよいし、あるいは自己融着巻き線を使った巻き線でもよい。

コイル５Ｕ〜５Ｗのそれぞれは、図１に示すように、ステージ移動方向＜Ａ＞に長い側部５Ａと、永久磁石６にほぼ直交するステージ幅方向＜Ｂ＞に長い部分５Ｂとを有し、ステージ幅方向＜Ｂ＞に長い部分５Ｂがリニアモータの推進力に寄与するコイル部分である。
コイル５Ｕ〜５Ｗのそれぞれは、２つの側部５Ａとその両端のコーナー部でステージ３の裏面に固定されている。この固定は、図３に示すように、コイル５Ｕ〜５Ｗからの発熱を熱容量が大きいステージ３に逃がすために、熱伝導性固着材としてのコイル固着フィルム５２を介して行われている。なお、コイル固着フィルム５２に代えて、焼付塗装、電着塗装あるいは薄い樹脂板を用いることができる。

コイル固着フィルム５２は、コイル５Ｕ〜５Ｗをステージ３と熱的に密に固定するための薄い絶縁からなるフィルム絶縁性伝熱フィルムであり、たとえばカプトンフィルム（ポリイミドフィルム「カプトン」：「カプトン」は米国デュポン社の登録商標）、ポリエステルフィルム、テフロンフィルム（フッ素樹脂「テフロン」は米国デュポン社の登録商標）などからなり、必要な絶縁強度があって、好ましくは０．１ｍｍ程度、あるいは、それ以下のフィルム厚を有する。
焼付塗装はエポキシ系、メラミン系のいずれでもよい。また、薄い樹脂板としてはガラスエポキシクロス等を用いることができる。

このようにしてコイル５Ｕ〜５Ｗと熱的に密に固着されるステージ３に、コイル５Ｕ〜５Ｗからの熱を有効に放熱するためにフィンを備えることが望ましい。たとえば図３に示すように、ステージ裏面のコイル固定部分とスライドユニット４２の固定部分との間に幾つかのフィン３Ａを設けるとよい。
なお、ステージ３の上面の平坦性が多少損なわれることが許されるのであれば、放熱のためのフィンをステージ上面の任意の箇所、たとえばコイル固定部分の近くに設けることも可能である。

図３に示すように、コイル５Ｗが固定されているステージ３の裏面には凹部３Ｂが形成されている。図１の例では、凹部３Ｂの幅方向＜Ｂ＞の寸法が、コイルの２つの側部５Ａの内側エッジの距離とほぼ同等になっているが、これより多少短くてもよい。また、凹部３Ｂのステージ移動方向＜Ａ＞の寸法は、３つのコイル５Ｕ〜５Ｗのステージ移動方向＜Ａ＞と直交する６つの直線部分５Ｂの全てが凹部３Ｂを横切るように規定することが望ましい。このとき、凹部３Ｂのステージ移動方向＜Ａ＞の端部が、隣接するコイル５Ｕまたは５Ｗの直線部分５Ｂから十分離れ、これにより凹部３Ｂによって永久磁石６とコイル５Ｕ〜５Ｗによる電磁場が乱されないことが、さらに望ましい。

本実施の形態では、凹部３Ｂが設けられていることにより、コイル５Ｕ〜５Ｗおよび補強部材５１とステージ３との間に空隙が形成されている。
凹部３Ｂの深さ、すなわちステージ３のコイル固定面から凹部３Ｂ内のコイル対向面までの高さ方向の距離は、永久磁石６とコイル５Ｕ〜５Ｗによる電磁界によって凹部３Ｂ内のコイル対向面で渦電流が生じない、あるいは、生じてもステージ３の温度上昇に殆ど寄与しない程度に規定されている。
言い換えると、各コイル５Ｕ〜５Ｗにステージ最大推進力を得るための最大規定電流を流したときに、凹部３Ｂ内のコイル対向面の表面磁束が１０００ガウス以下となるように凹部３Ｂの深さが規定されている。

なお、コイル５Ｕ〜５Ｗ自体は、前述したように補強部材５１を有しウエット巻きにより形成されていることから強度的には十分であるが、さらに強固にステージ３と固定して変形を防止したい場合は、図３に示すように、凹部３Ｂ内のほぼ中央部に突起３Ｃを設け、この突起３Ｃと補強部材５１のほぼ中央付近を固着させるとよい。ただし、この突起３Ｃにより電磁界が乱されることがないように、その寸法を規定し、かつ、コイル５Ｕ〜５Ｗのとくに直線部分５Ｂからの距離を十分確保する必要がある。

図４に、永久磁石６の上面図を示す。
永久磁石６は、図４に示す上面視において、隣接する極性が相異なって長手方向（ステージ移動方向＜Ａ＞）に着磁されており、その着磁により形成された各単位磁石６１からの磁束が余り上方に到達することなく、隣接する相異なる磁性の単位磁石６１にショートカットする。
なお、永久磁石６の長手方向の両端部に、磁石の端部の磁場を他の箇所と同一とするための磁束吸い込み用補助磁石６２が設けられている。

ところで、当該リニア移動ステージ装置１の高さを出来るだけ小さくする薄型化の要請からは、永久磁石６を出来るだけ薄くすることが望ましい。ただし、永久磁石６の厚さは必要な磁場強度に応じて所望の値に決定される。ここでいう磁場強度は、永久磁石６に対し必要なスペースをおいて配置されるコイル５Ｕ〜５Ｗの配置位置における磁場強度である。

また、図４において隣接して形成されている単位磁石６１によるＮ極とＳ極のピッチが短ければ短いほど、磁場の到達する高さが押さえられる。このときの磁場の到達する高さは、コイル５Ｕ〜５Ｗに対しほぼ垂直方向（法線方向）の磁界を供給するが、ステージ３の、とくに凹部３Ｂ内のコイル対向面（図３では上面）に対しては、コイル５Ｕ〜５Ｗおよび永久磁石６による電磁界が余り影響しないように規定される。
さらに、単位磁石６１によるＮ極とＳ極のピッチは、所定のコイル５Ｕ〜５Ｗのピッチとの関係でスムーズなリニア推進力が得られる値に規定されている。

このように、単位磁石６１によるＮ極とＳ極のピッチと磁界強度は、コイル５Ｕ〜５Ｗまでの距離およびコイル５Ｕ〜５Ｗの配置ピッチを勘案し、全体を薄型化してもコイル部分で必要な磁場強度が得られ、かつ、駆動時にステージ３の凹部３Ｂで渦電流の悪影響がないように磁場解析により決定される。

コイル５Ｕ〜５Ｗの各巻き線の両端から引き出された各配線、および、エンコーダ７からの配線は、互いに絶縁されてケーブルダクト８内を通り、不図示の駆動回路に接続されている。図１に示すように、ケーブルダクト８を支持するためのケーブル支持板３２が、テーブル３の上面の幅方向の一端側にビス止めなどにより固定されている。
不図示の駆動回路から三相交流電流がコイル５Ｕ〜５Ｗに供給されると、コイル５Ｕ〜５Ｗに対し磁界および電界によるローレンツ力が作用し、これがリニアモータの推進力となる。したがって、コイル５Ｕ〜５Ｗに固定されたステージ３がリニアガイド４に支持されて直線移動する。このときステージ３位置がエンコーダ７により検出され、その検出結果を受けた駆動回路により三相交流電流が制御される。

本実施の形態におけるリニアモータと、それを利用したリニア移動ステージ装置１は、図１０および図１１に示す従来構造のリニアモータと対比して以下の利点がある。

図３に示すように、推進力を得るためのリニアモータの構成が、厚さ方向で見ると、一層のコイル（三相コイル５Ｕ〜５Ｗの何れか）と一つの永久磁石６と、ヨークを兼用するベース２とからなることから、全体が薄型化されている。また、コイル（三相コイル５Ｕ〜５Ｗの何れか）の両側にヨークを２つ設ける必要がなく、コイル５Ｕ〜５Ｗはステージ３に薄いコイル固着フィルム５２を介して固定されていることから、その点でも全体が薄型化されている。
また、リニアモータの構造が簡素で、その部品点数が少ない。

また、この構成では、ステージ３が非磁性材料からなることからステージ３と永久磁石６およびベース２との間に、一切磁気吸引力が作用しない。このためにステージ３およびベース２は、磁気吸引力に起因した機械的強度の制約がなく、その分、薄肉化が可能である。
なお、ベース２はヨークも兼ねることから、磁気飽和を起こさない厚さと、リニアガイド４によりステージ３を支える機械的強度が要求されるが、磁気吸引力の影響は考慮しなくてよいことから、材質や厚さについての選択の自由度が高い。

このような構成では、永久磁石６の法線方向とコイル電流の積で決まるローレンツ力が、ベース長手方向（ステージ移動方向＜Ａ＞）に発生し、これがステージ３のリニア移動の推進力となる。
このときコイル５Ｕ〜５Ｗは、ステージ３と熱伝導性能が高いコイル固着フィルム５２を介して固定されるため、推力発生点（コイル位置）と推力作用点（ステージ位置）との距離を大幅に短縮することができる。そのため、制御性能の低下を招きやすい偶力を大幅に抑制することが可能となっている。
とくにコイル５Ｕ〜５Ｗ側で発生した推進力が直接ステージに伝達されることから、屈曲し剛性が弱い移動体取り付け板１０６を通して推進力を伝える図１０の場合と比較すると偶力が格段に小さく、機械的振動も大幅に抑制されている。

また、本実施の形態では、ほぼすべての部材が、図３に示す幅方向断面の中心軸で左右対称に配置されている。
このため、推力作用点であるステージ３とその上の積載物（不図示）の荷重が、推力発生点（コイル位置）に略鉛直にかかる。したがって、ステージ移動の際にステージ３の横揺れの方向（ヨーイング方向）に偶力が発生しない。
そのため、図１０に示す従来のリニアモータと比較すると、ステージ移動時の力学的外乱が小さく、その結果、制御性能が向上している。

図１１に示す従来の場合、磁石対向面を除く他のほとんどの面が、熱はけが悪い非磁性体により囲まれている。
コイルが非磁性体からなる補強部材に囲まれると、その非磁性体は磁気抵抗が大きく界磁を弱めるため効率が低下する。

これに対し、本実施の形態では、コイル５Ｕ〜５Ｗの樹脂などの非磁性体に囲まれている面が少ない。
すなわち、本実施の形態ではコイルボビンとしての補強部材５１などに、その強度を確保する意味で非磁性体（ガラスエポキシ樹脂）が用いられることがあるが、その他のコイル表面は、コイル５Ｕ〜５Ｗを固定するために必要な部分を除くと、その多くが空気に晒されている。

したがって、放熱効果が高く、所望の推進力を得るためにコイル５Ｕ〜５Ｗに流す電流値が従来に比べ小さくてすむ。また、コイル５Ｕ〜５Ｗで発生した磁界が余り弱められることがないことから、この意味でもコイルに流す電流値を小さくすることができる。
さらに、コイル５Ｕ〜５Ｗの放熱性が良いと、放熱性とともに低下する効率の低下分を補って所望の推進力を得るために永久磁石６の肉厚を上げて磁場強度を向上させる必要がなく、この点も薄型化に貢献する。

２層のコイルを重ねて上下の磁石との磁気作用で力を受ける図１０に示す構成に比べると、大幅に固有振動数を高くできる利点がある。固有振動数が高いと、制御性を阻害する大きな振幅の振動が発生しにくく、その結果、スムーズなリニア移動が可能で制御性能が向上する。

また、重量が重い鉄系の材料をほとんど使用せず、軽量なアルミニウムなどの材料を主に使用している。このため、とくにステージ３の重量が軽減でき、このことと、リニアモータの構成が簡素で部品点数が少ないこととが相まって、リニア移動ステージ装置１の制御性能が飛躍的に向上している。

［第２の実施の形態］
図５に、第２の実施の形態に係るリニア移動ステージ装置の平面図を示す。また、図６にステージ移動方向の側面図を、図７に図５のＸ−Ｘ線の断面図を示す。
本実施の形態のリニア移動ステージ装置１が第１の実施の形態のものと大きく異なる点は、ベース２０の形状と、ヨーク３０およびコイル放熱構造（とくに、放熱プレート１０を新たに設けたこと）である。以下、この点を順次説明する。なお、他の部分は基本的に第１の実施の形態と変わらないことから、図面に同一符号を付して説明を省略する。

本実施の形態におけるベース２０は、全体の軽量化のために、たとえばアルミニウムなどの軽量な非磁性金属材料から構成し、これにヨーク３０を埋め込んで形成している。
本例のコイル放熱構造は放熱プレート１０を有するため、その配置空間が必要である。この放熱プレート１０および永久磁石６の配置空間を確保するために、ベース２０の幅方向の両側部分２０Ａを厚くしている。図７に示すように、ベース２０は全体として凹部形の断面形状を有している。

ベース２０の幅方向の両側部分２０Ａより内側の薄肉部に、ヨーク３０を埋め込むように強固に固定している。このときヨーク３０の剛性が高いことから、この部分での必要な剛性を確保している。
ヨーク３０は、薄肉のＳＰＣＣ材を単数あるいは複数積層して精密プレスすることにより形成され、磁石のＮ極とＳ極のピッチを小さくすれば、磁石の磁束を小さくできることから薄肉化が容易となる。なお、ヨーク３０は他の低炭素鋼から形成してもよい。
このヨーク３０上に永久磁石６を固定している。永久磁石６の材料および形状、ならびに着磁に関しては第１の実施の形態と同じである（図４参照）。

放熱プレート１０は、三相コイル５Ｕ〜５Ｗとステージ３との間に介在する放熱のための部材である。放熱プレート１０は、ステージ３およびリニアガイド４と熱遮断した状態でステージ裏面に、スペーサを兼ねる支持部材（以下、スペーサという）１１によって固定されている。

スペーサ１１は、ステージ３と放熱プレート１０との空間を確保するための厚さと、固定強度確保のために必要なサイズおよび材質を有し、たとえばコイル５Ｕ〜５Ｗからの熱をステージ３に伝導させないように熱的絶縁体からなる。また、スペーサ１１は高い剛性を有するので、これにより強固にステージ３と放熱プレート１０とが固定されている。このような役割を果たすスペーサ１１の材料としては、セラミックまたはガラスエポキシ樹脂などが望ましい。

放熱プレート１０の永久磁石側の面に、第１の実施の形態と同様な形状のコイル５Ｕ〜５Ｗが、熱伝導性固着材としてのコイル固着フィルム５２を介して熱的に強固に固定されている。

放熱プレート１０は、使用を繰り返している間にコイル５Ｕ〜５Ｗの温度がどの程度まで上昇するかに応じて、その必要なサイズ等が決まる。また、放熱プレート１０を収容可能な空間の制限、さらには出来るだけ軽量にしたいとの要請もあり、これらを勘案して放熱プレート１０のサイズと形状、さらには材料が決められる。
一般的には、許される範囲で熱容量および表面積を大きくし、しかも、全体の軽量化のために軽い材料から放熱プレート１０を形成することが望ましい。本実施の形態では、放熱プレート１０をアルミニウムなどの比較的熱伝導率が高く軽量な材質から形成している。

第１の実施の形態では凹部３Ｂをステージ３に設けたが、本実施の形態では放熱プレート１０に凹部１０Ｂを設けている。
コイル５Ｕ〜５Ｗの固定位置に対する凹部１０Ｂの相対的位置関係および平面図でのサイズは、第１実施の形態と同じであり、また、凹部を設けた目的および深さも第１の実施の形態とほぼ共通する。

すなわち、凹部１０Ｂは、コイル５Ｕ〜５Ｗおよび補強部材５１と放熱プレート１０との間に空隙を形成するためのものであり、その深さは、永久磁石６とコイル５Ｕ〜５Ｗによる電磁界によって凹部１０Ｂ内のコイル対向面で渦電流が生じない、あるいは、生じても放熱プレート１０の温度上昇に殆ど寄与しないように規定されている。
言い換えると、各コイル５Ｕ〜５Ｗにステージ最大推進力を得るための最大規定電流を流したときに、凹部１０Ｂ内のコイル対向面の表面磁束が１０００ガウス以下となるように凹部１０Ｂの深さが規定されている。

放熱プレート１０には、放熱効果を上げるためのフィンを備えることが望ましい。たとえば図７に示すように、放熱プレート１０のステージとの対向面、あるいは、コイル固定部分の周囲に幾つかのフィン１０Ａを設けるとよい。なお、フィンは一枚フィンであってもよい。

以上のような放熱構造において、熱容量や表面積を大きくすることに着目すれば、放熱プレート１０を厚くすることで放熱効果をより高めることが可能である。
ただし本実施の形態では、放熱プレート１０自体の熱伝導率が高く、また、凹部１０Ｂにより形成されたコイル５Ｕ〜５Ｗとの隙間、さらにはスペーサ１１により形成されたステージ３との隙間によって空冷効果が働くことから、放熱プレート１０を薄くしても十分な放熱が可能である。

第２実施の形態に係るリニア移動ステージ装置によれば、第１の実施の形態と同様な効果が得られる。
すなわち、従来構造との比較において本実施の形態では、薄型化および軽量化が可能であり、磁気吸引力が作用しないことから強度的制約がなく、推力の発生点と作用点の距離が短く偶力の発生が抑制され、対称構造による加重バランスが良く横揺れが防止でき、さらに、固有振動数が高くスムーズなリニア移動が可能であり、その結果、制御性が飛躍的に向上している。

また、第１の実施の形態との比較では以下の利点がある。
第１の実施の形態では、ベース２がヨークを兼ねるため板厚や剛性に制約があるが、第２の実施の形態のベース２０には、そのような制約がない。

このため第２の実施の形態では、ベース２０の材料および断面形状を変えることによってベース全体の剛性を制御できる。とくにリニア移動ステージ装置の場合、スムーズな移動のためには、以下のようにベース２０の剛性を最適化する必要がある。

ステージ３がガイドレール４１に移動可能に支持されている状態で、ステージ３に非常に重い物が乗せられるとステージ３が多少撓むことがある。このときベース２０側の剛性があまりに高いと、リニアガイド４に横方向の力が加わり、却って摩擦抵抗が増しリニア移動ステージ装置としての機械的性能が低下し、コイル５Ｕ〜５Ｗに流す電流値も増大する。
そのときベース２０側がある程度一緒に撓むように剛性を抑えておくと、このような摩擦の増大、それによる機械的性能の低下および電流値の増大を防止できる。

また、とくに第２の実施の形態では図７の断面において、ベース２０の肉厚部２０Ａの高さを変えることによって、推力発生点（コイル固定位置付近）と、移動体（ステージ３、放熱プレート１０、コイルおよびスライドユニット４２との組み立て体）の重心と、リニアガイド４の支持点とが、垂直方向の位置としてほぼ揃えることができる。これは、「力が発生する箇所」、「その力が作用する箇所」、そして、「その力の相互作用を支える箇所」が位置的にバランスしていることを意味する。したがって、第２の実施の形態のリニア移動ステージ装置は、この３箇所の位置的アンバランスに起因する偶力が極めて小さく、構造力学的に安定した機構となっている。

以上より、従来構造のリニアモータに比べ制御性が大幅に優れ、また第１の実施の形態との比較でも構造上の利点が得られ、その分、制御性が高いリニア移動ステージ装置を実現できる。

なお、以上は、本発明のリニアモータをリニア移動ステージ装置に応用した場合を記述したが、本発明のリニアモータを二軸移動が可能なＸ−Ｙテーブル装置に応用することも可能である。
Ｘ−Ｙテーブル装置では、Ｘ軸またはＹ軸の一方に沿って移動する第１のリニア移動ステージ部と、第１のリニア移動ステージ部のステージ上にリニア移動方向が直交する第２のリニア移動ステージ部を固定する構造の採用が可能である。その場合、第２のリニア移動ステージ部のステージを、最終的に移動させたい物を載せるためのＸ−Ｙテーブルとする。このとき、第１および第２のリニア移動ステージ部のそれぞれを、本発明を適用した上述した構造で構築する。

この構成のＸ−Ｙテーブル装置では、第１および第２のリニア移動ステージ部が薄型化されていることから、全体としてもコンパクトで薄型の装置が実現できる。

また、この構造のＸ−Ｙテーブル装置では、とくに下方に位置する第１のリニア移動ステージ部に、より大きな荷重がかかる。ただし、リニア移動ステージ部の軽量化が図られていることから、その分、第１のリニア移動ステージ部にかかる負担は小さくて済む。

また、前述した数々の構造的利点、すなわち、推力発生点に対しほぼ真上から力がかかり、かつ移動軸を通る垂直面に対し対称構造であることからヨーイング方向の偶力がかかりにくいこと、さらに、重心等の位置的バランスがとれている点で構造上安定なことによって、他のリニア移動ステージ部からの振動（力学的外乱）の影響を相互に受け難く、制御性能が高い。

さらに、第１および第２のリニア移動ステージ部が薄型で、コイルを重ねて上下の磁石との磁気作用で力を受ける図１０の構成に比べると、第１のリニア移動ステージ部のピッチング方向の固有振動数を大幅に高くできる利点がある。固有振動数が高いと、制御性を阻害する大きな振幅の振動が発生しにくく、その結果、スムーズなリニア移動が可能で制御性能が向上している。

［第３の実施の形態］
上述した第１および第２の実施の形態において、ステージ３または放熱プレート１０に冷却媒体、たとえば空気または水等の気体あるいは液体の通路を設けることができる。本実施の形態は、この通路を設けた場合を示すものである。

図８（Ａ）に、第３の実施の形態に係るリニア移動ステージ装置の断面図を示す。
本例では、ステージ３または放熱プレート１０内に通路７０を構成する管が埋め込まれている。通路７０の位置および本数は任意であるが、本例ではコイル５の固定部分の近くに２本、コイル５の中央付近に１本の通路７０が設けられている。さらに望ましくは、コイル５に直接気体を吹き付けて冷却するための冷却気体の吐出し口７１が中央付近の通路７０に設けられている。冷却気体の吐出し口７１のコイル１個あたりの個数および位置は任意であるが、本例では、図８（Ｂ）に示すように、コイル１個あたり２箇所に冷却気体を吹き付けることが可能になっている。
このため中央の通路７０の冷却媒体は気体である必要があるが、コイル固定位置付近の通路７０は気体のほかに液体を流すようにしてもよい。

本実施の形態では、冷却媒体の通路７０がステージ３０または放熱プレート１０に設けられていることから、当該ステージ２０または放熱プレート１０にコイル５から伝わった熱が冷却媒体を介して外部に排出されやすくなる。その結果、コイル５の温度上昇を抑制して当該リニアステージ移動装置の制御性が、第１または第２の実施の形態の場合よりさらに高くなる。
冷却気体の吐出し口７１を設ける場合には、さらにコイル５の冷却効果を高めることができる。
なお、このような高い放熱効果の付与によって放熱プレート１０を省略することが容易になり、このことが全体の剛性向上につながるという利点がある。

［第４の実施の形態］
上述した第１〜第３の実施の形態において、コイル５に近接する可動子側部材、たとえばステージ３または放熱プレート１０に、コイル５の補強部材５１を支持し、かつ補強部材５１からの熱を逃がす役割のフィンを設けることができる。本実施の形態は、このフィンを設けた場合を示すものである。

図９に、第４の実施の形態に係るリニア移動ステージ装置の断面図を示す。
この図示例におけるフィン８０は、図示の断面方向で３つ設けられている。この数および形状は任意であるが、フィン８０の端面がコイル５の中心部で補強部材５１に接している必要がある。好ましくは、フィン８０の端面と補強部材５１との間に、図示を省略しているが、コイル固着フィルム５２と同じ材料の層、その他の焼付塗装などが介在し、これによって両者が熱的および機械的に強固に固定されている。
さらに望ましくは、フィン８０の個数、位置および幅などの寸法が、渦電流への影響がないように決められている。なお、渦電流を十分抑制できる場合、ステージ３または放熱プレート１０の材料はアルミニウム等のほかに、ステンレス鋼（ＳＵＳ板）であってもよい。

本実施の形態では、コイル５の放熱効果が高まり、また、コイル５の固定が強固となることから、このフィン８０を設けない場合と比較すると、当該リニア移動ステージ装置の制御性および剛性が高くなる。

第１の実施の形態に係るリニア移動ステージ装置の平面図である。 第１の実施の形態に係るリニア移動ステージ装置の側面図である。 第１の実施の形態に係る図１のＸ−Ｘ線の断面図である。 第１および第２の実施の形態に係る永久磁石の上面図である。 第２の実施の形態に係るリニア移動ステージ装置の平面図である。 第２の実施の形態に係るリニア移動ステージ装置の側面図である。 第２の実施の形態に係る図５のＸ−Ｘ線の断面図である。 （Ａ）は第３の実施の形態に係るリニア移動ステージ装置の断面図、（Ｂ）は冷却気体を当てる位置を示すコイルの平面図である。 第４の実施の形態に係るリニア移動ステージ装置の断面図である。 従来技術としてのコアレスリニアモータを、その長手方向（可動方向）と直交する断面からみた構成図である。 図１０に示すコアレスリニアモータにおける移動体取り付け板に固定される補強部材と、補強部材にはめ込み固定されるコイルとの斜視図である。

符号の説明

１…リニア移動ステージ装置、２，２０…ベース、３…ステージ、３Ａ…フィン、３Ｂ…凹部、４…リニアガイド、５…三相コイル、６…永久磁石、１０…放熱プレート、１０Ａ…フィン、１０Ｂ…凹部、１１…スペーサ、３０…ヨーク、５１…補強部材、５２…コイル固着フィルム、７０…冷却媒体の通路、７１…冷却気体の吐出し口、８０…フィン

Claims (18)

1. 固定子に対し一方向に自在直線移動が可能な可動子に推進力を付与するリニアモータであって、
   前記一方向にＮ極とＳ極が並ぶように固定子側に配置されている複数の永久磁石と、
   永久磁石の配置方向に沿って並び、かつ、永久磁石との間に電磁空隙を介して対面するように、前記可動子側に電機子として固定されている複数の扁平形のコイルとを有し、
   可動子側のコイル固定面に、当該コイル固定面と前記コイルとの間に空隙を形成する凹部を備える
   リニアモータ。
2. 前記凹部を備え前記コイルが固定されている可動子側部材が非磁性材料からなる
   請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記コイル固定面から前記凹部内の前記コイルとの対向面までの深さを、対向する磁石の磁場により発生する前記対向面の表面磁束が１０００ガウス以下となるように規定している
   請求項１または２に記載のリニアモータ。
4. 前記可動子側部材は、前記凹部の周囲に熱伝導性固着材を介して前記コイルが固定されている非磁性金属製の放熱プレートである
   請求項２に記載のリニアモータ。
5. 前記放熱プレートにフィンが形成してある
   請求項４に記載のリニアモータ。
6. 前記フィンは前記凹部内で前記コイルの中心付近に設けられ、フィンの端面に当該コイルのボビン部材が固定されている
   請求項５に記載のリニアモータ。
7. 前記コイルが固定されている可動子側部材に冷却媒体の通路が形成されている
   請求項１に記載のリニアモータ。
8. 前記冷却媒体としての気体を前記コイルに向けて吐き出す吐出し口が、前記冷却媒体の通路に設けられている
   請求項７に記載のリニアモータ。
9. ベースと、ベースに対し一方向の自在直線移動が可能に組まれているステージと、ステージに前記一方向の推進力を付与するリニアモータとを備えているリニア移動ステージ装置であって、
   前記リニアモータが、
   前記一方向にＮ極とＳ極が並ぶようにベースに配置している複数の永久磁石と、
   永久磁石の配置方向に沿って並び、かつ、永久磁石との間に電磁空隙を介して対面するように、前記ステージに対し電機子として固定されている複数の扁平形のコイルとを有し、
   ステージ側のコイル固定面に、当該コイル固定面と前記コイルとの間に空隙を形成する凹部を備える
   リニア移動ステージ装置。
10. 前記ステージが非磁性材料からなり、当該ステージに凹部が形成され、当該凹部周囲のステージ面に前記コイルが固定されている
    請求項９に記載のリニア移動ステージ装置。
11. 前記ステージに、熱的絶縁体からなるスペーサを介して放熱プレートが固定され、
    当該放熱プレートの反ステージ側の面に前記凹部が形成され、当該凹部周囲の放熱プレート面に熱伝導性固着材を介して前記コイルが固定されている
    請求項９に記載のリニア移動ステージ装置。
12. 前記コイルの固定面から前記凹部内の前記コイルとの対向面までの深さを、対向する磁石の磁場により発生する前記対向面の表面磁束が１０００ガウス以下となるように規定している
    請求項９〜１１の何れかに記載のリニア移動ステージ装置。
13. 前記放熱プレートのステージ側の面にフィンが形成してある
    請求項９に記載のリニア移動ステージ装置。
14. 前記フィンは前記凹部内で前記コイルの中心付近に設けられ、フィンの端面に当該コイルのボビン部材が固定されている
    請求項１３に記載のリニア移動ステージ装置。
15. 前記ステージに冷却媒体の通路が形成されている
    請求項９に記載のリニア移動ステージ装置。
16. 前記冷却媒体としての気体を前記コイルに向けて吐き出す吐出し口が、前記冷却媒体の通路に設けられている
    請求項１５に記載のリニア移動ステージ装置。
17. 前記放熱プレートに冷却媒体の通路が形成されている
    請求項１１に記載のリニア移動ステージ装置。
18. 前記冷却媒体としての気体を前記コイルに向けて吐き出す吐出し口が、前記冷却媒体の通路に設けられている
    請求項１７に記載のリニア移動ステージ装置。

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