JP2010098880A - 円筒形リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 小形で推力が大きく、コギング力の小さい円筒形リニアモータを提供する。
【解決手段】 ３相電機子巻線を巻装した複数のティースを円周方向に配置するとともに、ティースのギャップ面に軸方向等間隔に小歯を配置した固定子と、軸方向等間隔に磁極を配置した可動子から構成し、小歯の軸方向厚さをｔ、軸方向ピッチをλとした場合、
２／５ ＜ ｔ／λ ≦ １／２
とし、かつ、３相電機子巻線が作る磁界の極数（電機子極数）をＰａ、ティース数をＮとした場合、隣接するティースとの間の小歯の軸方向ずれδを
δ＝Ｐａ・λ／（２×Ｎ） とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置などの精密位置決め装置の直動機構に使用されているリニアモータの中で特に重力方向の小ストローク位置決め用途に向けたものであり、小型でありながら高推力、推力リプル低減が求められる円筒形リニアモータに関する。

従来、半導体製造装置などの精密位置決め装置の直動機構に使用されると共に、固定子と可動子が円筒形を成し、固定子が電機子巻線を巻装した複数のティースとそのティース先端に軸方向等間隔に設けられた小歯から構成され、可動子が軸方向等間隔に配置された磁極から構成された、円筒形リニアモータが提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
特許文献１の円筒形リニアモータは、ティースを有する固定子コアが電磁鋼板の積層により構成されており、１枚の電磁鋼板中に有する小歯の数が相数とティースの数により決められている。電磁鋼板が回転積層されることで、小歯が隣接するティース間で軸方向にずれるように配置される。小歯の軸方向ピッチが電磁鋼板の厚さ×ティース数に設定されているので、ステッピングモータとして駆動した場合、ステップごとの基本移動量を小さくできる。また、回転モータと同様の製造方法により電機子巻線をティースに巻装することができるので、スロット内の導体数を多くでき高推力にすることができる。
特許文献２の円筒形リニアモータは、特許文献１の可動子を改良したものである。可動子は薄板の永久磁石が２枚の薄板の可動子コアで挟まれ、その組合せが軸方向等間隔に並べて構成される。特許文献１に比べ、ギャップの磁束密度を高めることができ、さらに高推力にすることができる。
以下、特許文献１を例に従来の円筒形リニアモータを説明する。
図１３は第１従来技術（特許文献１）による円筒形リニアモータの側断面図、図１４は図１３を軸方向から見た正断面図である。図において、１は可動子、２はシャフト、３は永久磁石、４は可動子コア、５は凸部、１００は固定子、１０１はフレーム、１０２は電機子巻線、１０３は固定子コア、１０４はティース、１０５は小歯である。
可動子１はシャフト２、永久磁石３、可動子コア４から構成されている。シャフト２の外周に２個の可動子コア４と１個の永久磁石３が配置され、可動子コア４の外周表面に凸部５が形成されている。軸方向上側の可動子コア４の凸部５はＮ極の磁極となり、軸方向下側の可動子コア４の凸部５はＳ極の磁極となっている。このように構成された可動子１は、図示しない支持機構により固定子１０と所定の磁気的空隙を介して相対移動できるようにされている。
固定子１００はフレーム１０１、電機子巻線１０２、固定子コア１０３、ティース１０４、小歯１０５から構成されている。フレーム１０１の内周に固定子コア１０３が設けられ、固定子コア１０３の円周方向には６個のティース１０４が形成されている。そのティース１０４に３相の電機子巻線１０２が巻装されている。固定子コア１０３の材料には電磁鋼板の積層体が用いられている。３相の電機子巻線１０２はティース１０４と同数の６個のコイルにより構成されており、各コイルは図１４において時計方向の順にＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相となっている。
また、ティース１０４の内周表面には軸方向等間隔に小歯１０５が形成されている。図１５は図１３に示す可動子１側から見た小歯１０５の配置展開図である。同図の上下方向と左右方向は、円筒形リニアモータのそれぞれ軸方向と円周方向を表している。つまり、上下方向に並ぶ小歯１０５は各ティース１０４上での並びを表し、左右方向はティース１０４の並びを表している。
特許文献１によると、ｋを１以上の整数、ｍを相数、ｎをｍ／２より小さくｍ／２に最も近い値の整数とするとき、電磁鋼板はｋ×ｍ個のティースを有するとともに、１枚の電磁鋼板中の小歯１０５がｎ×ｋ個とするように決められている。図１３、１４に示す円筒形リニアモータは、相数ｍ＝３、ティース１０４の数を６としているので、ｎ＝１、ｋ＝２であり、１枚の電磁鋼板中の小歯１０５はｎ×ｋ＝２個となっている。従って、図１５に示すような小歯１０５の並びとなっており、小歯１０５の厚さｔと軸方向ピッチλの関係は必然的に
ｔ／λ＝１／３
となる。
例えば、相数ｍ＝３、ティースの数を９とすると、ｎ＝１、ｋ＝３となるので、１枚の電磁鋼板中の小歯はｎ×ｋ＝３個となり、小歯の厚さｔと軸方向ピッチλの関係はｔ／λ＝１／３となる。従って、３相の場合はティースの数に限らず、ｔ／λが１／３に決定される。
次に、図１６は第２従来技術（特許文献２）による円筒形リニアモータの可動子の側面から見た断面拡大図である。図において、１３は永久磁石、１４は可動子コアである。特許文献１と異なり、薄板の永久磁石が２枚の薄板の可動子コアで挟まれ、その組合せが軸方向等間隔に並べて配置されている。永久磁石２３の磁化方向はすべて同じ軸方向となっている。
このように構成された従来技術による円筒形リニアモータは、電機子巻線にサーボモータとして３相交流電流を供給したり、ステッピングモータとして矩形波状の電流を供給することで、可動子に軸方向の推力を発生させることができる。
特許第３２２０５５９号公報（第３−４頁、図１） 特開平１１−４１９０５号公報（第３−４、図１）

しかし、従来技術の円筒形リニアモータには次のような問題があった。
特許文献１の構成は、小歯の厚さｔと軸方向ピッチλの関係がｔ／λ＝１／３に設定されている。一般にｔ／λが小さいと推力／電流比は大きくできるものの、電流を大きくすると巻線磁束の増大にともない小歯が磁気飽和を起こしてしまう。つまり、推力が飽和し、所定の最大推力が得られなくなる問題があった。
また、ｔ／λが小さいので、ギャップのパーミンアス分布は高調波成分を多く含む歪なものとなり、コギング力が大きくなった。コギング力が大きいと、ステッピングモータとして駆動した場合は静止位置誤差が大きくなり、サーボモータとして駆動した場合は送り時の振動が大きくなるなどの問題を引き起こした。さらに、特許文献２の構成は、永久磁石の磁化方向がすべて同じ軸方向になっている。そのため、永久磁石が作る磁束のうち固定子側を通る有効磁束はわずかで、可動子コア間を漏れ渡って軸方向に通る漏れ磁束が圧倒的に多くなっていた。その結果、所定の推力を得られない問題があった。
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、円筒形リニアモータにおいて、推力を大きくでき、かつ、コギング力を小さくできる円筒形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、請求項１に記載の発明は、３相電機子巻線を巻装した複数のティースを円周方向に配置すると共に、前記ティースのギャップ面に軸方向等間隔に小歯を配置した固定子と、前記固定子と磁気的空隙を介して対向すると共に、軸方向等間隔に磁極を配置した可動子と、を備えた円筒形リニアモータにおいて、前記小歯の軸方向の厚さをｔ、軸方向ピッチをλとした場合、２／５ ＜ ｔ／λ ≦ １／２ とし、かつ、前記３相電機子巻線が作る磁界の極数である電機子極数をＰａ、前記ティース数をＮとした場合、隣接する前記ティースとの間の前記小歯の軸方向ずれδを、δ＝Ｐａ・λ／（２×Ｎ）としたことを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の円筒形リニアモータにおいて、前記可動子の磁極の極ピッチをτ、前記磁極の極数である界磁極数をＰｍとした場合、λ／２−λ／（６×Ｐｍ） ≦ τ ≦ λ／２＋λ／（６×Ｐｍ）としたことを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の円筒形リニアモータにおいて、前記可動子の磁極を可動子コアと永久磁石で構成すると共に、前記可動子コアと前記永久磁石を軸方向に交互に配置し、隣接する前記永久磁石の磁化方向を軸方向にして対極させたことを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の円筒形リニアモータにおいて、前記小歯の形状を階段状もしくは台形状にしたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、小歯の厚さｔと軸方向ピッチλの関係ｔ／λを従来技術よりも大きくしているので、固定子の小歯の磁気飽和を抑制し、最大推力を大きくすることができる。また、隣接するティース間での小歯の軸方向ずれδをティース数と電機子極数に合わせ推力が最大となるように規定しているので、推力／電流比を大きくし、推力を有効的に発生させることができる。さらに、ギャップのパーミアンス分布の高調波成分も低減されるので、コギング力を低減することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、可動子の磁極ピッチを固定子の小歯ピッチ／２よりも少し小さくまたは大きく設定しているので、各磁極に発生するコギング力を可動子全体で相殺することができ、コギング力を大幅に低減することができる。
また、請求項３に記載の発明によると、可動子コアと永久磁石を軸方向に交互に配置し、隣接する永久磁石の磁化方向を軸方向にして対極するようにしている。そのため、可動子コアで集中された永久磁石の磁束が固定子側を通る有効磁束となるので、推力を大幅に向上することができる。
また、請求項４に記載の発明によると、小歯の形状を階段状もしくは台形状にしているので、請求項１に比べ、ギャップのパーミアンス分布をより滑らかにし、コギング力を更に低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図、図２は図１に示す可動子の拡大側断面図、図３は図１を軸方向から見た正断面図である。以下、本発明が従来技術と同一の構成要素については同一の符号を付して説明する。
図において、２３は永久磁石、２４は可動子コア、１１２は電機子巻線、１１３は固定子コア、１１４はティース、１１５は小歯である。可動子１はシャフト２、永久磁石２３、可動子コア２４から構成されている。シャフト２の外周に可動子コア２４と永久磁石２３を軸方向に交互に配置するとともに、隣接する永久磁石２３の磁化方向を軸方向に対極するようにして、それを磁極数（界磁極数）Ｐｍ＝１６個組み合わせている。このように構成した可動子１を、図示しない支持機構により固定子１００と所定の磁気的空隙を介して相対移動できるようにしている。
固定子１０はフレーム１０１、電機子巻線１１２、固定子コア１１３、ティース１１４、小歯１１５から構成されている。フレーム１０１の内周に固定子コア１１３を設け、固定子コア１１３の円周方向に６個のティース１１４を形成し、そのティース１１４に３相の電機子巻線１１２を巻装している。固定子コア１１３の材料には磁性体である電磁鋼板の積層体や焼結コアの成形体を用いることでき、第１実施例では電磁鋼板の積層体としている。３相の電機子巻線１１２をティース１１４と同数の６個のコイルにより構成しており、各コイルを図２において時計方向の順にＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相となるように配置している。このようなコイルの相順にすることで、３相の電機子巻線１１２が作る回転磁界の極数（電機子極数）はＰａ＝４となっている。
また、ティース１１４の内周表面には軸方向等間隔に小歯１１５を形成している。図４は図１に示す可動子１側から見た小歯１１５の配置展開図である。第１実施例では小歯１１５の軸方向厚さｔと軸方向ピッチλの関係を、
ｔ／λ＝１／２
としている。従来技術はｔ／λ＝１／３であるので、第１実施例のｔ／λは１．５倍大きくなっている。さらに、小歯１１５を隣接するティース１１４間で軸方向にずらして配置させている。ティース１１４の数をＮとした場合、隣接するティース１１４との間で生じる小歯１１５の軸方向ずれδを
δ＝Ｐａ・λ／（２×Ｎ）＝λ／３
になるように設定している。
上記した式の関係から、１枚の電磁鋼板中に有する小歯１１５の数は図４を見てわかるように２個と４個が繰り返すようになっている。つまり、従来技術が２個の電磁鋼板だけであったのに対し、新たに４個の電磁鋼板が入っている。

以上のような構成において、電機子巻線１１２に３相交流電流を供給すると、回転磁界を生じる。その回転磁界はティース１４の先端の小歯１１５で変調され、軸方向の進行磁界になる。この進行磁界と可動子１の磁極との電磁作用によって、可動子１は軸方向に推力を発生する。

以上のように構成された円筒形リニアモータは、小歯の厚さｔと軸方向ピッチλの関係であるｔ／λを従来技術に比べ大きく設定しているので、固定子の小歯の磁気飽和を抑制し、最大推力を大きくすることができる。また、永久磁石の磁束を可動子コアに集中させ、固定子に流れる有効磁束としているので、推力／電流比を大きく大きくすることができる。さらに、ギャップのパーミアンス分布の高調波成分も低減されるので、コギング力を低減することができる。

次に本発明の第２実施例について説明する。
図５は本発明の第２実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図、図６は図５を軸方向から見た正断面図である。である。また、図７は図５に示す可動子側から見た小歯の配置展開図である。図において、１２２は電機子巻線、１２３は固定子コア、１２４はティース、１２５は小歯である。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、ティース１２４の数をＮ＝９、電機子極数をＰａ＝８とし、小歯１２５の厚さｔと軸方向ピッチλを
ｔ／λ＝４／９
としたことである。従来技術はｔ／λ＝１／３であるので、第２実施例のｔ／λは１．３３倍大きくなっている。
また、ティース１２４の数をＮ＝９、電機子極数をＰａ＝８としているので、図６における電機子巻線１２２の９個のコイルを時計方向の順にＵ相、Ｕ´相、Ｖ´相、Ｖ相、Ｖ´相、Ｗ´相、Ｗ相、Ｗ´相、Ｕ´相としている（Ｕ´相、Ｖ´相、Ｗ´相で示されるコイルはＵ相、Ｖ相、Ｗ相で示されるコイルと反対のコイル巻線方向（逆相）を示す）。
そして、隣接するティース１２４間の小歯１２５の軸方向ずれδを
δ＝Ｐａ・λ／（２×Ｎ）＝４×λ／９
としている。
上記した式の関係から、ティースの数Ｎ＝９における１枚の電磁鋼板中に有する小歯の数は図７を見てわかるように４個となっている。従来技術でティース数Ｎ＝９とすると、１枚の電磁鋼板中に有する小歯の数は前記したように３個となる。従って、従来技術とは異なる構成となっている。

以上のような構成において、電機子巻線１２２に３相交流電流を供給すると、第１実施例と同様の原理により、可動子１に推力を発生させることができる。

以上のように構成された円筒形リニアモータは、第１実施例とはティース数や電機子極数、１枚の電磁鋼板中の小歯数が異なっている。このように異なる構造においても、第１実施例と同様に、最大推力を大きくでき、コギング力を低減することができる。さらに、隣接するティース間での小歯の軸方向ずれδを、ティース数と電機子極数に合わせ推力が最大となるように規定している。つまり、同じティース数であっても従来技術とは異なる電機子巻線と小歯の配置になっており、より推力／電流比を大きくし推力を有効的に発生させるようになっている。

なお、第１実施例および第２実施例で説明した効果は、小歯の厚さｔと軸方向ピッチλの関係を従来技術のｔ／λ＝１／３よりも大きな２／５とすることで、より大きな効果を得ることができる。また、１／２よりも大きくすると、推力／電流比や最大推力がかえって低下してしまう。従って、本発明では
２／５ ＜ ｔ／λ ≦ １／２
の条件を満たすこととしている。軸方向ピッチλあたりの電磁鋼板の枚数を３の倍数とし、この条件を満たすｔ／λを求めると、以下のとおりとなる。
電磁鋼板の枚数が ３枚の場合 適合するものなし
６枚の場合 ｔ／λ＝３／６＝１／２ （第１実施例に適用）
９枚の場合 ｔ／λ＝４／９ （第２実施例に適用）
１２枚の場合 ｔ／λ＝５／１２
ｔ／λ＝６／１２＝１／２
１５枚の場合 ｔ／λ＝７／１５
１８枚の場合 ｔ／λ＝８／１８＝４／９
ｔ／λ＝９／１８＝１／２
以上のように電磁鋼板の枚数を設定することで、第１実施例、第２実施例と同様の効果を得ることができる。なお、電磁鋼板の枚数を多くしλを大きくしすぎると、小歯の数が少なくなり、推力／電流比が低下してしまう。よって、１８枚より多く設定することは、設計上ほとんどないと言える。

次に本発明の第３の実施例について説明する。
図８〜図１１は本発明の第３の実施例を示す側面から見た小歯の形状である。図において、１３５、１４５、１５５、１６５すべて小歯である。
図８は第１実施例における小歯を階段状に形成し、新たに小歯１３５として構成したものである。小歯１３５は電磁鋼板３枚のうち外側２枚の内径を大きくすることで階段状としている。
図９は第２実施例における小歯を階段状に形成し、新たに小歯１４５として構成したものである。小歯１４５は電磁鋼板４枚のうち外側２枚の内径を大きくすることで階段状としている。
図１０は小歯の厚さｔと軸方向ピッチλの関係をｔ／λ＝５／１２として構成した場合について、その小歯を階段状に形成し、新たに小歯１５５として構成したものである。小歯１５５は電磁鋼板５枚のうち外側２枚の内径を最も大きくし、次に内側２枚の内径を少し大きくすることで階段状としている。
図１１は固定子コアを焼結コアで構成した場合であり、小歯１６５を台形状に形成したものである。

以上のように構成された円筒形リニアモータは、第１実施例や第２実施例に比べ、ギャップのパーミアンス分布の高調波成分がより低減されるので、コギング力をさらに低減することができる。

次に本発明の第４実施例について説明する。
図１２は本発明の第４実施例を示す可動子であって、（ａ）はその側断面図、（ｂ）は（ａ）の比較対象となる第１実施例の側断面図である。
図１２において、３３は永久磁石、３４は可動子コアである。第４実施例が第１実施例と異なる点は、可動子の磁極ピッチを固定子の小歯ピッチよりも少し大きく設定している点である。図１２（ｂ）に示す第１実施例の可動子の磁極ピッチτは、
τ＝λ／２
に設定されている。一方、図１２（ａ）に示す第４実施例の磁極ピッチτは、界磁極数Ｐｍ＝１６であるので
τ＝λ／２＋λ／（６×Ｐｍ）＝λ／２＋λ／９６
に設定している。つまり、磁極ピッチをλ／９６だけ大きくしている。その結果、可動子の軸方向長Ｌｍは第１実施例が
Ｌｍ＝τ×Ｐｍ＝８×λ
であるのに対し、第４実施例では
Ｌｍ＝８×λ＋λ／６
となり、λ／６だけ長くなっている。

一方、第１実施例において発生するコギング力の１周期はλ／６（可動子がλだけ動くと６山のコギング力が発生する）である。可動子の界磁極数はＰｍ＝１６であり、１６個の磁極はそれぞれλ／９６だけずれて配置されので、それぞれの磁極に発生するコギング力もλ／９６だけずれることになる。よって、１６個の磁極に発生するコギング力が相殺され、可動子に発生するコギング力をさらに低減することができる。
なお、第４実施例では磁極ピッチτを
τ＝λ／２＋λ／（６×Ｐｍ）
として設定したが、この場合１６個の磁極がλ／９６ずつずれることになるので、推力も低下してしまう。そこで、下記の範囲
λ／２−λ／（６×Ｐｍ） ≦ τ ≦ λ／２＋λ／（６×Ｐｍ）
の中で、必要な推力に合わせて設定すれば、推力をむやみに低下させずにコギング力を低減することができる。

以上の実施例では、磁極を可動子コアと永久磁石を交互に配置する構成で示したが、可動子コアをなくし永久磁石のみで構成しても良いし、可動子表面に径方向を磁化方向とする永久磁石を配置する構成としても良い。また、第１実施例では小歯の軸方向ピッチの電磁鋼板枚数が６枚であったがこれを１２枚とし、小歯の電磁鋼板枚数を５枚として、ｔ／λ＝５／１２として構成しても良い。また、可動子に永久磁石、固定子に電機子巻線を有する構成で示したが、これを逆にして構成するようにしても本発明の効果が得られることは言うまでもない。

本発明の円筒形リニアモータは推力が大きく、コギング力が小さいので、精密な直動機構として半導体製造装置などに搭載されている昇降機構の位置決め用途に適用できる。

本発明の第１実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図、 図１に示す可動子の拡大側断面図、 図１を軸方向から見た正断面図、 図１に示す可動子側から見た小歯の配置展開図、 本発明の第２実施例を示す円筒形リニアモータの側断面図、 図５を軸方向から見た正断面図、 図５に示す可動子側から見た小歯の配置展開図、 本発明の第３実施例を示す小歯の形状を示す図 本発明の第３実施例を示す小歯の別の形状を示す図 本発明の第３実施例を示す小歯の別の形状を示す図 本発明の第３実施例を示す小歯の別の形状を示す図 本発明の第４実施例を示す可動子であって、（ａ）はその側断面図、（ｂ）は（ａ）の比較対象となる第１実施例の側断面図、 第１従来技術（特許文献１）による円筒形リニアモータの側断面図、 図１３を軸方向から見た正断面図、 図１３に示す可動子側から見た小歯の配置展開図、 第２従来技術（特許文献２）による円筒形リニアモータの可動子の側面から見た拡大断面図

符号の説明

１ 可動子
２ シャフト
３、１３、２３、３３ 永久磁石
４、１４、２４、３４ 可動子コア
５ 凸部
１００ 固定子
１０１ フレーム
１０２、１１２、１２２ 電機子巻線
１０３、１１３、１２３ 固定子コア
１０４、１１４、１２４ ティース
１０５、１１５、１２５、１３５、１４５、１５５、１６５ 小歯

Claims (4)

1. ３相電機子巻線を巻装した複数のティースを円周方向に配置すると共に、前記ティースのギャップ面に軸方向等間隔に小歯を配置した固定子と、
   前記固定子と磁気的空隙を介して対向すると共に、軸方向等間隔に磁極を配置した可動子と、
   を備えた円筒形リニアモータにおいて、
   前記小歯の軸方向の厚さをｔ、軸方向ピッチをλとした場合、
   ２／５ ＜ ｔ／λ ≦ １／２
   とし、かつ、前記３相電機子巻線が作る磁界の極数である電機子極数をＰａ、前記ティース数をＮとした場合、隣接する前記ティースとの間の前記小歯の軸方向ずれδを
   δ＝Ｐａ・λ／（２×Ｎ）
   としたことを特徴とする円筒形リニアモータ。
2. 前記可動子の磁極の極ピッチをτ、前記磁極の極数である界磁極数をＰｍとした場合、
   λ／２−λ／（６×Ｐｍ） ≦ τ ≦ λ／２＋λ／（６×Ｐｍ）
   としたことを特徴とする請求項１記載の円筒形リニアモータ。
3. 前記可動子の磁極を可動子コアと永久磁石で構成すると共に、前記可動子コアと前記永久磁石を軸方向に交互に配置し、隣接する前記永久磁石の磁化方向を軸方向にして対極させたことを特徴とする請求項１または２記載の円筒形リニアモータ。
4. 前記固定子の小歯の形状を階段状もしくは台形状にしたことを特徴とする請求項１記載の円筒形リニアモータ。

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