JP3793874B2 - 永久磁石形リニアモータ - Google Patents

Description

【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動子に、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、前記界磁ヨ ーク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前記界磁極を構成する隣り合う磁石間の中心に一致するように凸部を形成したものである。
【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１１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。
【０００８】
【数１】
【０００９】
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１１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。
【００１０】
［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１４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＋３Ｗ）／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。
【００１１】
［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。
【００１２】
［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Ｘ１、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。
【００１３】
【数２】
【００１４】
及び、
【００１５】
【数３】
【００１６】
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。
【００１７】
【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 (1)

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動子に、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、前記界磁ヨーク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前記界磁極を構成する隣り合う磁石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。