JP3819824B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来のリニアモータの概念図、図５は図４に示すリニアモータの可動コイルが傾いて配置されたときの可動コイルに作用する力を示す概念図、図６は図５に示す力によって生じるサイドフォースを示す説明図である。
【０００３】
なお、図示した従来例では後述のようにコイル２０３が往復動可能で、磁石２０５，２０５´，２０７，２０７´が固定されているが、コイルが固定され、コイルに作用する力の反作用によって磁石（可動マグネット）が往復動するタイプのリニアモータもある。コイルと磁石のどちらが動いても、コイルと磁石との間の相対的な運動は同じであるので、ここではコイルが往復動するタイプのリニアモータを説明する。
【０００４】
図４に示すように、従来のリニアモータは可動コイル２０３と第１の磁石２０５，２０５´と第２の磁石２０７，２０７´とを備えている。
【０００５】
可動コイル２０３はＸ軸に沿って往復動可能である。
【０００６】
可動コイル２０３は第１及び第２の辺２３１，２３２並びに第３及び第４の辺２３３，２３４を有している。第１及び第２の辺２３１，２３２はＹ軸に平行である。第３及び第４の辺２３３，２３４はＸ軸に平行である。
【０００７】
第１の磁石２０５，２０５´はＺ軸上に配置され、第１の辺２３１を介して対向している。磁石２０５の下面２０５ｂはＮ極になっており、磁石２０５´の上面２０５ａ´はＳ極になっている。したがって、磁石２０５の下面２０５ｂと磁石２０５´の上面２０５ａ´との間には磁石２０５から磁石２０５´に至る第１の方向ａの磁界が発生している。この第１の方向ａはＺ軸に平行である。
【０００８】
第２の磁石２０７，２０７´はＺ軸上に配置され、第２の辺２３２を介して対向している。磁石２０７の下面２０７ｂはＳ極になっており、磁石２０７´の上面２０７ａ´はＮ極になっている。したがって、磁石２０７の下面２０７ｂと磁石２０７´の上面２０７ａ´との間には磁石２０７´から磁石２０７に至る第２の方向ｂの磁界が発生している。この第２の方向ｂは第１の方向ａと逆方向である。
【０００９】
なお、ａ，ｂ磁界によって生じる磁束のほとんどを辺２３１，２３２だけが貫くように、可動コイル２０３、磁石２０５，２０５´，２０７，２０７´が配置されている。
【００１０】
可動コイル２０３に図４に示す方向の電流Ｉを流すと、フレミングの左手の法則により、第１及び第２の辺２３１，２３２に可動コイル２０３を図４上、左方へ動かす力Ｆｘが生じる。電流Ｉを流す方向を逆にすると、第１及び第２の辺２３１，２３２には力Ｆｘと逆方向の力が生じる。
【００１１】
以上のように、電流Ｉの方向に応じて、可動コイル２０３はＸ軸に沿って往復動する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図５中の実線で示すように、可動コイル２０３が正しく配置されれば問題は生じないが、各部の寸法誤差や組立誤差等により、可動コイル２０３は傾いた状態で配置されることが多い。特に、図５中の点線で示すように、可動コイル２０３の第１及び第２の辺２３１，２３２がＹ軸に対して傾いていると次の問題が生じる。
【００１３】
可動コイル２０３の辺２３１，２３２がＹ軸に対してθだけ傾いていると、辺２３１，２３２に生じる力Ｆｘ´の方向も傾いていないときの力Ｆｘの方向に対してθだけ傾く。力Ｆｘ´の大きさの絶対値は図６に示すように、力Ｆｘの大きさの絶対値に等しい。また、力Ｆｘ´は、Ｘ軸に平行で、大きさがＦｘ´ｃｏｓθの分力Ｆｘと、Ｙ軸に平行で、大きさがＦｘ´ｓｉｎθの分力Ｆｓとに分けられる。以下、この力Ｆｘ´のＹ軸に平行な分力Ｆｓをサイドフォースという。このサイドフォースＦｓは可動コイル２０３に対してＹ軸に平行な方向へ作用する。このように、可動コイル２０３にサイドフォースＦｓが加わった状態では、可動コイル２０３はＹ軸に平行な方向へぶれる。このような可動コイルのぶれは、特にリニアモータを精密機器の一部を駆動するモータや精密機器の制振装置として用いる場合等、好ましいものではない。
【００１４】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は可動コイルに生じたサイドフォースを打ち消すことが可能なリニアモータを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため請求項１の発明のリニアモータは、Ｙ軸に平行な第１及び第２の辺と、前記Ｙ軸と直交するＸ軸に平行な第３の辺とを有するコイルと、前記コイルの第１の辺を介して対向し、前記Ｘ，Ｙ軸と直交するＺ軸に平行な第１の方向へ磁界を発生させる第１の磁石と、前記コイルの第２の辺を介して対向し、前記第１の方向と反対の第２の方向へ磁界を発生させる第２の磁石と、前記コイルの第３の辺に対向し、前記コイルに生じた前記Ｙ軸と平行な方向の力を打ち消す力を生じさせる前記第１又は第２の方向への磁界を発生させる電磁石とを備えていることを特徴とする。
【００１６】
上述のようにコイルの第３の辺に対向し、そのコイルに生じたＹ軸と平行な方向の力を打ち消す力を生じさせる第１又は第２の方向への磁界を発生させる電磁石を備えているので、その電磁石に電流を供給して第１又は第２の方向へ磁界を発生させ、コイルに生じたＹ軸と平行な方向の力を打ち消す力を発生させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１はこの発明の一実施形態に係るリニアモータの概念図、図２は図１に示すリニアモータを図１中の矢印Ａ方向から見た側面図、図３は図１に示すリニアモータを上方から見た概念図である。
【００１９】
図１に示すように、このリニアモータは可動コイル３と一対の永久磁石（第１の磁石）５，５´と一対の永久磁石（第２の磁石）７，７´と電磁石９，９´とを備えている。このリニアモータは、可動コイル３を永久磁石５，５´と永久磁石７，７´との間で往復動させることにより振動を発生させ、この振動によって制振対象物（例えば、半導体露光装置（図示せず））の振動を減衰させるためのものである。
【００２０】
可動コイル３はＸ軸に沿って往復動可能である。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸は互いに直交する。
【００２１】
可動コイル３は一般的に矩形であり、第１及び第２の辺３１，３２並びに第３及び第４の辺３３，３４を有している。第１及び第２の辺３１，３２はＹ軸に平行である。第３及び第４の辺３３，３４はＸ軸に平行である。
【００２２】
可動コイル３は図２に示すようにコイルハウジング１１内に収容されている。コイルハウジング１１にはコイル接続用コネクタ１３が取り付けられている。
【００２３】
永久磁石５，５´はＺ軸上に配置され、第１の辺３１を介して対向している。永久磁石５の上面５ａはＳ極になっており、下面５ｂはＮ極になっている。永久磁石５´の上面５ａ´はＳ極になっており、下面５ｂ´はＮ極になっている。したがって、永久磁石５の下面５ｂと永久磁石５´の上面５ａ´との間には永久磁石５から永久磁石５´に至る第１の方向ａの磁界が発生している。この第１の方向ａはＺ軸に平行である。
【００２４】
永久磁石７，７´はＺ軸上に配置され、第２の辺３２を介して対向している。永久磁石７の上面７ａはＮ極になっており、下面７ｂはＳ極になっている。永久磁石７´の上面７ａ´はＮ極になっており、下面７ｂ´はＳ極になっている。したがって、永久磁石７の下面７ｂと永久磁石７´の上面７ａ´との間には永久磁石７´から永久磁石７に至る第２の方向ｂの磁界が発生している。この第２の方向ｂは第１の方向ａと逆方向である。
【００２５】
電磁石９と電磁石９´とは同じ構成であるので、電磁石９についてのみ説明する。電磁石９はコイル９１と電磁石用ヨーク９２とからなる。コイル９１は電磁石用ヨーク９２の後述する第１の脚部９２ａに取り付けられた巻枠（図示せず）に巻かれている。電磁石用ヨーク９２はほぼＵ字状であり、第１の脚部９２ａと第２の脚部９２ｂと連結部９２ｃとを有する。第１の脚部９２ａはＺ軸に沿って延びている。第１の脚部９２ａは磁心を兼ねる。また、第１の脚部９２ａの一端面９２ｄは第３の辺３３に対向している。第２の脚部９２ｂはＺ軸に沿って延びている。第２の脚部９２ｂの一端面９２ｅは第４の辺３４に対向している。連結部９２ｃは第１の脚部９２ａと第２の脚部９２ｂとを連結している。
【００２６】
電磁石９´は電磁石９の下方に配置されている。電磁石９´の第１の脚部９２ａ´の一端面９２ｄ´は第３の辺３３を介して電磁石９の第１の脚部９２ａの一端面９２ｄに対向している。電磁石９´の第２の脚部９２ｂ´の一端面９２ｅ´は第４の辺３４を介して電磁石９の第２の脚部９２ｂの一端面９２ｅに対向している。したがって、電磁石９の第１の脚部９２ａの一端面９２ｄと電磁石９´の第１の脚部９２ａ´の一端面９２ｄ´との間、電磁石９の第２の脚部９２ｂの一端面９２ｅと電磁石９´の第２の脚部９２ｂ´の一端面９２ｅ´との間には、それぞれ磁界が発生する。これらの磁界の向き及び強さはコイル９１，９１´に流す電流ｉの方向及び強さにより決められる。また、電磁石９，９´の磁路はヨーク９２，９２´によって形成される。
【００２７】
図２に示すように、可動コイル３、永久磁石５，５´、永久磁石７，７´及び電磁石９，９´はヨーク１５内に収容されている。ヨーク１５は両端面が開口した筒状である。永久磁石５は上面５ａがヨーク１５の天井面１５ａに接するように配置されている。永久磁石５´は下面５ｂ´がヨーク１５の底面１５ｂに接するように配置されている。したがって、永久磁石５´の下面５ｂ´から永久磁石５の上面５ａに至る磁路がヨーク１５に形成されている。永久磁石７は上面７ａがヨーク１５の天井面１５ａに接するように配置されている。永久磁石７´は下面７ｂ´がヨーク１５の底面１５ｂに接するように配置されている。したがって、永久磁石７の上面７ａから永久磁石７´の下面７ｂ´に至る磁路がヨーク１５に形成されている。電磁石９の電磁石用ヨーク９２は非磁性体１７を介してヨーク１５の天井面１５ａに固定されている。電磁石９´の電磁石用ヨーク９２´は非磁性体１７´を介してヨーク１５の底面１５ｂに固定されている。ヨーク１５内には電磁石接続コネクタ１９が取り付けられている。
【００２８】
次にこのリニアモータの動作について説明する。
【００２９】
可動コイル３に電流Ｉを図１に示す方向へ流すと、フレミングの左手の法則に則り、可動コイル３の第１及び第２の辺３１，３２にそれぞれ力Ｆｘが生じる。この力ＦｘはＸ軸に平行で、図１上、左向きの力である。この力Ｆｘによって可動コイル３は図１上、左方へ移動する。可動コイル３に電流Ｉを図１に示す方向と反対の方向へ流すと、可動コイル３の第１及び第２の辺３１，３２にそれぞれ力−Ｆｘ（図示せず）が生じる。この力−ＦｘはＸ軸に平行で、図１上、右向きの力である。この力−Ｆｘによって可動コイル３は図１上、右方へ移動する。したがって、例えば、加速度計を用いた振動計（図示せず）により制振対象物の振動を検出し、この振動計の出力信号に基づいてリニアモータを制御することにより、制振対象物の振動を相殺する振動をリニアモータに発生させることができる。
【００３０】
図３に示すように、例えば、組立誤差により、可動コイル３の第１及び第２の辺３１，３２がＹ軸に対してθだけ傾いているとする。この状態で可動コイル３に電流Ｉを図３に示す方向へ流したときに第１及び第２の辺３１，３２にそれぞれ生じる力Ｆｘ´の方向はＸ軸に対してθだけ傾く。この力Ｆｘ´はＸ軸に平行な方向の分力ＦｘとＹ軸に平行な方向の分力Ｆｓとに分けられる。分力Ｆｘは可動コイル３の推力となる。分力Ｆｓは可動コイル３を図３上、上方へ押すサイドフォースとなる。
【００３１】
図３に示すサイドフォースＦｓを打ち消す力を第３及び第４の辺３３，３４に生じさせるには、フレミングの左手の法則から、第１の脚部９２ａの一端面９２ｄから第１の脚部９２ａ´の一端面９２ｄ´に至る第１の方向ａの磁界、第２の脚部９２ｂ´の一端面９２ｅ´から第２の脚部９２ｂの一端面９２ｅに至る第２の方向ｂの磁界を発生させればよいことが分かる。この磁界が発生するように電磁石９，９´のコイル９１，９１´にそれぞれ電流ｉを流すと、第３及び第４の辺３３，３４にそれぞれ力Ｆｅが生じる。この力ＦｅのＹ軸に平行な方向の分力ＦｙはサイドフォースＦｓと逆方向の力になる。したがって、分力Ｆｙの大きさの絶対値がサイドフォーＦｓの大きさの絶対値に等しくなるように電流ｉをコイル９１，９１´に供給すれば、サイドフォースＦｓが分力Ｆｙによって相殺される。電磁石９，９´の制御は、例えば、可動コイル３のＹ軸に平行な方向の加速度を検出するセンサの出力信号に基づいて行うようにするとよい。また、電磁石９，９´を用いないときに発生するサイドフォースを予め測定し、この測定値に基づいてコイル９１，９１´に流す電流Ｉの値を決め、常に一定の電流Ｉをコイル９１，９１´に流してサイドフォースＦｓを相殺するようにしてもよい。
【００３２】
以上のように、この実施形態のリニアモータによれば、例えば、可動コイル３の第１及び第２の辺３１，３２がＹ軸に対して傾いた状態で配置されても、サイドフォースＦｓを相殺することができる。
【００３３】
なお、この実施形態のリニアモータは制振用であるが、勿論、この発明を制振用リニアモータに限らず、リニアモータ一般に適用することができる。
【００３４】
また、この実施形態では、可動コイル３は矩形であるが、可動コイル３の形状はこれに限らない。可動コイル３はＹ軸に平行な第１及び第２の辺３１，３２並びにＸ軸に平行な第３の辺３３を有していればよく、それ以外の辺の形状は特に限定されない。
【００３５】
なお、この実施形態では、電磁石を２つ設けてあるが、電磁石は１つ或いは３つ以上でもよい。
【００３６】
また、この実施形態では、可動コイル３が可動で、永久磁石５，５´，７，７´が固定であるが、この発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、コイルが固定で、永久磁石が可動のタイプのリニアモータにも適用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明のリニアモータによれば、電磁石によって第１又は第２の方向へ磁界を発生させることにより、第３の辺にサイドフォースと逆方向の力を発生させることができるので、電磁石による磁界の方向及び強さを制御することにより、サイドフォースを打ち消すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の一実施形態に係るリニアモータの概念図である。
【図２】図２は図１に示すリニアモータを図１中の矢印Ａ方向から見た側面図である。
【図３】図３は図１に示すリニアモータを上方から見た概念図である。
【図４】図４は従来のリニアモータの概念図である。
【図５】図５は図４に示すリニアモータの可動コイルが傾いて配置されたときの可動コイルに作用する力を示す概念図である。
【図６】図６は図５に示す力によって生じるサイドフォースを示す説明図である。
【符号の説明】
３ 可動コイル
３１ 第１の辺
３２ 第２の辺
３３ 第３の辺
５，５´ 永久磁石
７，７´ 永久磁石
９，９´ 電磁石

Claims (1)

1. Ｙ軸に平行な第１及び第２の辺と、前記Ｙ軸と直交するＸ軸に平行な第３の辺とを有するコイルと、
   前記コイルの第１の辺を介して対向し、前記Ｘ，Ｙ軸と直交するＺ軸に平行な第１の方向へ磁界を発生させる第１の磁石と、
   前記コイルの第２の辺を介して対向し、前記第１の方向と反対の第２の方向へ磁界を発生させる第２の磁石と、
   前記コイルの第３の辺に対向し、前記コイルに生じた前記Ｙ軸と平行な方向の力を打ち消す力を生じさせる前記第１又は第２の方向への磁界を発生させる電磁石と
   を備えていることを特徴とするリニアモータ。

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