JP2007143216A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 リニアモータ電機子自身の固有振動数が高く、安定した高速位置決め制御を行うことができるリニアモータを提供する。
【解決手段】 界磁ヨーク上に交互に極性が異なるように配置した複数の永久磁石とより構成される界磁と、界磁と磁気的空隙を介して対向配置すると共に、結線基板８の両側に複数個のコイル群を平板状に成形してなる成形コイル７ａ，７ｂを２列に並べて整列させた電機子巻線７と、結線基板８上に整列された電機子巻線７の一端を固着するベース６とより構成される電機子と、を備えたリニアモータにおいて、電機子巻線7の各列における成形コイル７ａ，７ｂの間に、非金属材料からなる複数の支柱１１ａ、１１ｂ、１１ｃを設け、複数の該支柱の一端をベース６に固定すると共に、他端に該支柱を連結するための連結バー１２を設けて固定するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば半導体製造関連のステッパ駆動装置や工作機のテーブル送り装置等、超精密位置決め・高推力が要求される用途に適するリニアモータに関する。

従来、半導体製造関連のステッパ駆動装置や工作機のテーブル送り装置等、超精密位置決め・高推力が要求される用途に適するリニアモータは、図７のようになっている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
図７は従来のリニアモータの全体構成を示す斜視図であって、後述する本発明と共通な図となっている。
図７において、１はリニアモータ、２は固定子、３は界磁ヨーク、４は永久磁石、５は可動子、６はベースである。
リニアモータ１は固定子２と可動子５で構成されている。このうち、一方の固定子２は平板状の界磁ヨーク３と、界磁ヨーク３上に交互に極性が異なるように配置した複数の永久磁石４とからなる界磁を構成している。また、他方の可動子５は永久磁石４と磁気的空隙を介して対向配置され、ベース６と後述する電機子巻線とからなる電機子を構成している。
図８は図７のＡ−Ａ線に沿う従来のリニアモータを示す正断面図、図９は図７の可動子を構成する電機子を矢視Ｃ方向から見た側面図、図１０は図９の電機子のＢ−Ｂ線に沿う平断面図、図１１は図１０のＤ部の詳細図を示している。
図８〜図１１において、６ａは凹部、７は電機子巻線、７ａおよび７ｂは成形コイル、８は結線基板、９はモールド樹脂、１０はセンターブロックである。
電機子巻線７は集中巻にした複数個のコイル群を平板状に成形してなる成形コイル７ａおよび７ｂを２列に並べて整列する構成にしており、この電機子巻線を構成する複数の各成形コイル７ａおよび７ｂ間および電機子外部間を結線基板８により電気的に接続すると共に、その両面に長手方向に沿って固定している。それから、結線基板８上に整列された電機子巻線７の一端をベース６の凹部６ａに固着するようにしている。
このような構成において、成形コイル７ａおよび７ｂの位置決めにあたっては、結線基板８上に予め設けられたセンターブロック１０の周囲に複数の成形コイル７ａ、７ｂをはめ込み、結線基板８との間でハンダ付けを行うことにより実施している。それから、結線を行った結線基板８をベース６の凹部６ａにはめ込み、結線基板８の固定および絶縁保護を行うためにベース６と結線基板８の外周にモールド樹脂９を充填して固着する。本図の例では、電機子は１枚の結線基板８、１２個のセンターブロック１０、６個の成形コイル７ａ、６個の成形コイル７ｂで構成しており、この時、成形コイル７ａと成形コイル７ｂは、推力リップル低減を図ることを目的としてδ＝α×ｎの量だけ位置をずらして配置している。
但し、αはコイル位置のずらし量で、基本電気角６０°の位相差に相当し、コイルピッチをＡ（ｍｍ）とすると、α＝Ａ／４で表わされる。また、ｎは自然数である。
このように構成され電機子に、電気的相対位置に応じた３相交流電流を成形コイル７ａと成形コイル７ｂに流すことにより、図示しない永久磁石の作る磁界と作用して、電機子に対して図示しない界磁ヨークに推力が発生する。
特開２００１−２３１２４６号公報 特開２００４−８８８４４号公報

ところが、従来技術は、リニアモータ電機子の大きさに対するモールド樹脂の量、すなわち、電機子の単位体積あたりのモールド樹脂の重量比（密度）が相対的に多くなると、リニアモータ電機子自身の固有振動数を高くすることが出来ないという問題があった。そのため、実稼動時に発振したりして、安定した高速位置決め制御を行うことが非常に困難である。
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、縦弾性係数／密度比の高い複数の非金属製支柱や連結バーを採用したり、また断面形状が同一である複数の非鉄金属製支柱や連結バーを採用することで、リニアモータ電機子自身の固有振動数が高く、安定した高速位置決め制御を行うことができるリニアモータ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ものである。
請求項１に記載の発明は、界磁ヨークと、前記界磁ヨーク上に交互に極性が異なるように並べて配置した複数の永久磁石とより構成される界磁と、前記界磁の磁石列と磁気的空隙を介して対向配置すると共に、結線基板の両側に複数個のコイル群を平板状に成形してなる成形コイルを２列に並べて整列させた電機子巻線と、前記結線基板上に整列された電機子巻線の一端を固着するベースとより構成される電機子と、を備え、前記界磁と前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として相対的に走行するようにしたリニアモータにおいて、前記電機子巻線の各列における成形コイルの間に、非金属材料からなる複数の支柱を設けると共に、前記支柱を以下の式で表わされるピッチＰで配置するようにしたことを特徴としている。
Ｐ＝Ａ×Ｎ＋α×ｎ
但し、Ａはコイルピッチ、Ｎは同一列中の各支柱間に入るコイル数で０を除く自然数、αは各電機子巻線列のコイル位置の基本ずらし量であって、推力リップル低減のための電気角６０°に相当し（α＝Ａ／４）、ｎは自然数である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリニアモータにおいて、前記複数の支柱の一端を前記ベースに固定すると共に、他端に該支柱を連結するための連結バーを設けて固定したことを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、界磁ヨークと、前記界磁ヨーク上に交互に極性が異なるように並べて配置した複数の永久磁石とより構成される界磁と、前記界磁の磁石列と磁気的空隙を介して対向配置すると共に、結線基板の両側に複数個のコイル群を平板状に成形してなる成形コイルを２列に並べて整列させた電機子巻線と、前記結線基板上に整列された電機子巻線の一端を固着するベースとより構成される電機子と、を備え、前記界磁と前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として相対的に走行するようにしたリニアモータにおいて、前記電機子巻線の各列における成形コイルの間に、非鉄金属材料からなる同一の断面形状を有した複数の支柱を設けると共に、前記支柱を以下の式で表わされるピッチＰで配置するようにしたことを特徴としている。
Ｐ＝Ａ×Ｎ＋α×ｎ
但し、Ａはコイルピッチ、Ｎは同一列中の各支柱間に入るコイル数で０を除く自然数、αは各電機子巻線列のコイル位置の基本ずらし量であって、推力リップル低減のための電気角６０°に相当し（α＝Ａ／４）、ｎは自然数である。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のリニアモータにおいて、前記複数の支柱の一端を前記ベースに固定すると共に、他端に該支柱を連結するための連結バーを設けて固定したことを特徴としている。

請求項１〜４に記載の発明によると、縦弾性係数／密度比の高い材料より形成された支柱、連結バーの採用により、結線基板部の位置決め固定、絶縁確保および保護の目的により用いているモールド樹脂の量を、リニアモータ電機子の大きさに対して従来よりも相対的に少なくし、リニアモータ電機子自身の固有振動数を高くすることが出来る。
その結果、安定した高速位置決め制御を行うことが出来る。
また、特に、請求項４記載の発明によると、非鉄金属製の支柱を用いる場合は非金属製の支柱の場合に比べて渦電流損等の問題が生じるが、支柱の断面形状を同一にすることで、渦電流損を低減することが出来る。

以下、本発明の実施例を図に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示すリニアモータ電機子であって、（ａ）は図７のＡ−Ａ線に沿う正断面図に相当し、（ｂ）は（ａ）の側面図、図２は図１（ｂ）の電機子のＢ−Ｂ線に沿う平断面図、図３は図２のＤ部の詳細図を示したものである。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものについては、同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。

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、電機子巻線７の各列における成形コイル７ａ、７ｂの間に、非金属材料からなる複数の支柱１１ａ、１１ｂ、１１ｃを設けると共に、該支柱を以下の式で表わされるピッチＰで配置するようにした点である。
Ｐ＝Ａ×Ｎ＋α×ｎ
但し、Ａはコイルピッチ、Ｎは同一列中の各支柱間に入るコイル数で０を除く自然数、αは各電機子巻線列のコイル位置の基本ずらし量であって、推力リップル低減のための電気角６０°に相当し（α＝Ａ／４）、ｎは自然数である。
また、成形コイル７ａ、７ｂを電気結線するための結線基板８は軸方向に二分割されており、２枚の結線基板８の一方の側面および両基板間に該支柱を配置するように設けている。ここで、図１（ｂ）は２枚の結線基板８が支柱１１ｂで仕切られた状態となっており、この場合、隣り合うコイルのコイルピッチＢは、Ｂ＝Ａ＋α×ｎで表わされる。
また、複数の支柱１１ａ、１１ｂ、１１ｃの一端をベース６に固定すると共に、他端に該支柱を連結するための連結バー１２を設けて固定する点である。
なお、複数の支柱１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、例えば、設計上密度に対する縦弾性係数の比が３０（ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３））以上の機械的特性を有する、セラミックが好ましく、各支柱の断面形状は必ずしも一定でなくても構わない。

次に、リニアモータの組立について説明する。
本実施例では、２枚の結線基板８、１２個のセンターブロック１０、６個の成形コイル７ａ、６個の成形コイル７ｂで構成しており、成形コイル７ａと成形コイル７ｂは、
まず、２枚の結線基板８上を用意し、結線基板８上に予め設けられたセンターブロック１０の周囲に平板状に成形された複数の成形コイル７ａ、７ｂをはめ込み、各コイルと結線基板８をハンダ付けした後、結線を行った２枚の結線基板８の軸方向に並べ、２枚の結線基板８の一方の側面および両基板間に金属製部材からなる支柱１１ａ、支柱１１ｂ、支柱１１ｃを配置するようにし、結線基板８と支柱１１ａ、１１ｂ、１１ｃをベース６の凹部６ａにはめ込む。それから、支柱１１ａ、１１ｂ、１１ｃの先端に連結バー１２を固定し、ベース６と結線基板８の外周の間にモールド樹脂９を充填して固定する。

次に動作について説明する。
このように構成されたリニアモータ電機子に、電気的相対位置に応じた３相交流電流を成形コイル７ａと成形コイル７ｂに流すことにより、図示しない永久磁石の作る磁界と作用して、電機子に対して図示しない界磁ヨークに推力が発生する。
本発明の第１実施例は上記構成にしたので、縦弾性係数／密度比の高い材料より形成された支柱、連結バーの採用により、結線基板部の位置決め固定、絶縁確保および保護の目的により用いているモールド樹脂の量を、リニアモータ電機子の大きさに対して従来よりも相対的に少なくし、リニアモータ電機子自身の固有振動数を高くすることが出来、その結果安定した高速位置決め制御を行うことが出来る。

次に、本発明の第２実施例について説明する。
図４は本発明の第２実施例を示すリニアモータ電機子であって、図７の矢視Ｃ方向から見た側面図、図５は図４の電機子のＢ−Ｂ線に沿う平断面図、図６は図５のＤ部の詳細図を示したものである。
第２実施例が第１実施例と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、電機子巻線８の各列における成形コイル７ａ、７ｂの間に、非鉄金属材料（例えばアルミ合金）からなる同一の断面形状を有した複数の支柱１１ａ、支柱１１ｂ、支柱１１ｃを設ける点である。
なお、成形コイル間に配置される支柱のピッチＰ、および支柱の他端を連結バーにより固定する点は同じである。また、組立方法、動作については第１実施例と同じなので、説明を省略する。

本発明の第２実施例は上記構成にしたので、支柱が非金属製の場合は、渦電流損等の問題はないが、非鉄金属製の場合は渦電流損等の問題が生じる。支柱の断面形状を同一にすることで、渦電流損を低減することが出来る。

本発明の第１実施例を示すリニアモータ電機子であって、（ａ）は図７のＡ−Ａ線に沿う正断面図に相当し、（ｂ）は（ａ）の側面図に相当するもの、 図１（ｂ）の電機子のＢ−Ｂ線に沿う平断面図、 図２のＤ部の詳細図を示したもの。 本発明の第２実施例を示すリニアモータ電機子であって、図７の矢視Ｃ方向から見た側面図、 図４の電機子のＢ−Ｂ線に沿う平断面図、 図５のＤ部の詳細図を示したもの、 従来および本発明と共通なリニアモータの全体構成を示す斜視図、 図７のＡ−Ａ線に沿う従来のリニアモータを示す正断面図、 図７の可動子を構成する電機子を矢視Ｃ方向から見た側面図、 図９の電機子のＢ−Ｂ線に沿う平断面図、 図１０のＤ部の詳細図を示したもの

符号の説明

１ リニアモータ、
２ 固定子、
３ 界磁ヨーク、
４ 永久磁石、
５ 可動子、
６ ベース、
７ 電機子巻線、
７ａ、７ｂ 成形コイル、
８ 結線基板、
９ モールド樹脂、
１０ センターブロック、
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 支柱、
１２ 連結バー、
Ｐ 支柱のピッチ（Ｐ＝Ａ×Ｎ＋α×ｎ）、
Ａ コイルピッチ、
Ｎ 各支柱間に配置されるコイル数（自然数）、
α コイル位置の基本ズラシ量（α＝Ａ／４）

Claims (4)

1. 界磁ヨークと、前記界磁ヨーク上に交互に極性が異なるように並べて配置した複数の永久磁石とより構成される界磁と、
   前記界磁の磁石列と磁気的空隙を介して対向配置すると共に、結線基板の両側に複数個のコイル群を平板状に成形してなる成形コイルを２列に並べて整列させた電機子巻線と、前記結線基板上に整列された電機子巻線の一端を固着するベースとより構成される電機子と、
   を備え、
   前記界磁と前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として相対的に走行するようにしたリニアモータにおいて、
   前記電機子巻線の各列における成形コイルの間に、非金属材料からなる複数の支柱を設けると共に、前記支柱を以下の式で表わされるピッチＰで配置するようにしたことを特徴とするリニアモータ。
   Ｐ＝Ａ×Ｎ＋α×ｎ
   但し、Ａはコイルピッチ、Ｎは同一列中の各支柱間に入るコイル数で０を除く自然数、αは各電機子巻線列のコイル位置の基本ずらし量であって、推力リップル低減のための電気角６０°に相当し（α＝Ａ／４）、ｎは自然数である。
2. 前記複数の支柱の一端を前記ベースに固定すると共に、他端に該支柱を連結するための連結バーを設けて固定したことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 界磁ヨークと、前記界磁ヨーク上に交互に極性が異なるように並べて配置した複数の永久磁石とより構成される界磁と、
   前記界磁の磁石列と磁気的空隙を介して対向配置すると共に、結線基板の両側に複数個のコイル群を平板状に成形してなる成形コイルを２列に並べて整列させた電機子巻線と、前記結線基板上に整列された電機子巻線の一端を固着するベースとより構成される電機子と、
   前記界磁と前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として相対的に走行するようにしたリニアモータにおいて、
   前記電機子巻線の各列における成形コイルの間に、非鉄金属材料からなる同一の断面形状を有した複数の支柱を設けると共に、前記支柱を以下の式で表わされるピッチＰで配置するようにしたことを特徴とするリニアモータ。
   Ｐ＝Ａ×Ｎ＋α×ｎ
   但し、Ａはコイルピッチ、Ｎは同一列中の各支柱間に入るコイル数で０を除く自然数、αは各電機子巻線列のコイル位置の基本ずらし量であって、推力リップル低減のための電気角６０°に相当し（α＝Ａ／４）、ｎは自然数である。
4. 前記複数の支柱の一端を前記ベースに固定すると共に、他端に該支柱を連結するための連結バーを設けて固定したことを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。

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