JP4151067B2

JP4151067B2 - リニアモータ

Info

Publication number: JP4151067B2
Application number: JP2002307482A
Authority: JP
Inventors: 明彦前村; 幸雄筒井; 双輝郭
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2022-10-22
Also published as: JP2004147392A

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のリニアステージ等を駆動するために用いられ、速度変動の小さい一定速送りが要求されるリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば半導体製造装置のリニアステージ等を駆動するために用いられ、速度変動の小さい一定速送りを要求されるリニアモータは、図３のようになっている。図３は従来技術を示すリニアモータの正断面図である。なお、従来技術および後述する本発明の何れも、界磁部を移動子とし、電機子を固定子とした磁束貫通形のリニアモータを用いて説明し、移動子は図示しないリニアガイドにより案内支持されるものである。
図３において、６は永久磁石、７は該永久磁石６の作る磁束が流れる界磁ヨーク、８は移動子、１１は電機子となる集中巻に巻回された電機子巻線、１２はガラス布をエポキシ樹脂で固めた薄い板状の芯金、１３は固定子、１４は電機子固定ブロックである。
リニアモータの界磁部は、コの字形状をした界磁ヨーク７上の移動方向（紙面と垂直方向）に沿って複数の永久磁石５を交互に極性が異なるように配置してなる２列の磁石列で構成されている。また、永久磁石５は、磁気的空隙方向に向かって界磁ヨーク７の内面に対向する面同士が互いに極性が異なるように配置されている。そして、界磁ヨーク７は電機子固定ブロック１４に固定されている。
さらに、界磁部を構成する２列の磁石列の間には、磁気的空隙を介して芯金１２に固定された電機子巻線１１を有する電機子が対向して配置されている。なお、電機子巻線１１は集中巻に巻回されたものであって、電機子巻線１１に電流を流すことにより、界磁部となる永久磁石６との間で移動方向への推力を発生することになる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
実開平５−９１８３号公報（第５−７頁、第１図、第４図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来のリニアモータでは、クリーンルーム内で使用される半導体製造装置のうち、例えば露光装置用のリニアステージ等に用いる場合、回路パターンを焼付ける露光中は速度変動の非常に小さい一定速送りを要求されると共に、停止状態から一定速度となる送り速度までステージを加速する際はスループットを上げるために大きな加速が要求される。そのためリニアモータは一定速送り時はリニアガイドの粘性推力を補うだけの非常に小さな負荷から、加速時はテーブル全体を加速する非常に大きな負荷まで対応しなければならない。
半導体製造装置等のリニアステージに用いられるリニアモータおよびドライバの容量は、加速時に必要とされる推力により決まる。一例を示すと、加速時に要求される推力が１５００Ｎであり、一定速送り時は３０Ｎという場合もある。この時、一定速送りは、１５００Ｎの推力に対応したリニアモータとドライバにより３０Ｎの負荷に対して一定速を保たなくてはならない。これはドライバの電流分解能等からすると非常に厳しい負荷条件であり、３０Ｎという軽負荷に対応する際、電流波形は望ましい形である正弦波からずれて高次成分を含んだ波形となってしまう。この電流波形に含まれる高次成分は推力リップルの原因となる。
また、図３に示す電機子巻線１１が位置する空間における永久磁石６の作る推力に寄与する磁束成分（図中のＸ方向成分）の分布を図４に示す。永久磁石６に近いその表面では、該永久磁石６の作る磁束の殆どがＸ方向成分であるため台形波に近い形をしており、界磁ヨーク７の内面側に設けられた対向する永久磁石６に挟まれた空間のＸ方向中心で最も正弦波形に近い分布となる。
リニアモータの推力は上述のように、永久磁石６の作る磁束と電機子巻線１１に流れる電流とで発生し、両者の波形が正弦波の時は、推力リップルは生じない。少なくとも両者のどちらか一方に高次成分が含まれていると推力リップルの原因となる。電機子巻線１１は、永久磁石６に挟まれた空間中に位置し、該永久磁石６の表面に近い部位の電機子巻線１１は台形波形に近い磁束が鎖交し、該永久磁石６の表面から離れた位置における電機子巻線１１ほど正弦波形に近い磁束が鎖交することになる。そのため、永久磁石６の表面に近い部位の電機子巻線１１では、高次成分の磁束が鎖交することになり、推力リップルが発生してしまう。
以上のように、永久磁石の表面に近い部位に位置する電機子巻線１１では高次成分の磁束が鎖交することになり、発生する推力はリップルを含んだものとなり、速度変動を生じ、速度変動に伴う一定速送りが難しいという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、一定速送りの負荷が小さい状態でも電流波形に含まれる高次成分を小さくし、また、電機子巻線に鎖交する磁束の高次成分を低減すると共に、速度変動を抑制することが可能なリニアモータを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、請求項１の本発明に係わるリニアモータ。界磁ヨーク上に複数の永久磁石を交互に極性が異なるように配置してなる２列の磁石列で構成された界磁部と、前記２列からなる永久磁石の磁石列の間に磁気的空隙を介して対向配置された電機子を備え、前記界磁部と前記電機子の何れか一方を移動子に、他方を固定子として、前記移動子を前記固定子に対して相対移動するリニアモータにおいて、前記電機子は、コイル群をヘリカル巻に巻回し、かつ、樹脂により薄板状にモールド成形してなる第１電機子巻線と、前記第１電機子巻線の両側面にコイル群を集中巻に巻回された薄板状に成形してなる第２電機子巻線より構成したものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１記載のリニアモータにおいて、前記第１電機子巻線を芯金として兼用したものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のリニアモータにおいて、前記電機子を構成する第１電機子巻線および第２電機子巻線の夫々を、独立するドライバに接続したものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項３に記載のリニアモータにおいて、前記電機子を構成する第１電機子巻線および第２電機子巻線の夫々に接続されるドライバの少なくとも一方がリニアアンプによる電源増幅回路により構成したものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示すリニアモータの正断面図、図２は図１に示すリニアモータとドライバの接続状態を示すブロック図である。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、異なるものについてのみ説明する。
【００１１】
図１において、１は第１電機子巻線、２は樹脂、３は第２電機子巻線、４は電機子固定ブロック、５は固定子、６は永久磁石、７はコの字形状の界磁ヨーク、８は移動子、９、１０はドライバを示す。
【００１２】
本発明の特徴は以下のとおりである。
本リニアモータの電機子は、コイル群をヘリカル巻に巻回し、かつ、樹脂２により薄板状にモールド成形してなる第１電機子巻線１と、第１電機子巻線１の両側面にコイル群を集中巻に巻回された薄板状に成形してなる第２電機子巻線３より構成した点である。ここで、第１電機子巻線１は芯金として兼用されている。
また、電機子を構成する第１電機子巻線１および第２電機子巻線３の夫々を、独立するドライバ９、１０に接続したものとなっている。このうち一方の第１電機子巻線１は、一定速度送り時のガイド等に発生する摩擦損を補うための非常に小さな推力を目的とした設計であり、対応するドライバ９の容量も小さなものとなっている。他方の第２電機子巻線３は加速時の非常に大きな推力を目的とした設計であり、対応するドライバ１０は容量も大きなものとなっている。
また、電機子を構成する第１電機子巻線１および第２電機子巻線３の夫々に接続されるドライバ９、１０の少なくとも一方がリニアアンプによる電源増幅回路により構成したものである。
【００１３】
本発明の実施例は、リニアモータの電機子を、コイル群をヘリカル巻に巻回し、かつ、樹脂２により薄板状にモールド成形してなる第１電機子巻線１と、第１電機子巻線１の両側面にコイル群を集中巻により巻回された薄板状に成形してなる第２電機子巻線３より構成したので、加速時等の負荷の大きな時は集中巻により巻回された第２電機子巻線３を使用し、一定速度送り時等の負荷の小さな時はヘリカル巻に巻回された第１電機子巻線１を使用することで、推力の異なる２つの電機子巻線を使い分けることができる。
【００１４】
また、第１電機子巻線１は２列からなる永久磁石６の磁石列間の空間の中心に配置され、該永久磁石６の表面からの距離を第２電機子巻線３に比べて大きくしてあるため、第１電機子巻線１に鎖交する永久磁石６の作る推力に有効に作用する磁束成分に含まれる高次成分を大幅に低減することができる。そのため、一定速度送り時に第１電機子巻線１をドライバ９により駆動電流を流すると、高次成分の少ない磁束と鎖交する第１電機子巻線１により必要な推力を得ることができ、推力リップル、速度変動も低減することができる。
【００１５】
また、第１電機子巻線１を芯金として兼用したので、従来のリニアモータ構造に比べて電機子の形状あるいは大きさを変更することはなく、小型化、省スペース化を維持することができる。
【００１６】
さらに、該第１電機子巻線１と第２電機子巻線３を夫々独立するドライバ９および１０にて駆動する構成にしたので、一定速度送り時負荷の非常に小さな場合と、加速時の負荷の非常に大きい場合に応じて、夫々のリニアモータの電機子巻線に最適なドライバを選択して運転することができる。その結果、ドライバの電流分解能等に起因して生じる電流波形に含まれる高次成分を低減でき、一定速送り時に推力変動が小さくなり、速度変動を低減できる。
そして、電機子を構成する第１電機子巻線１、第２電機子巻線３に接続されるドライバの少なくとも一方がリニアアンプにより構成されているので、推力の小さな一定速送り時はリニアアンプにより構成される電源増幅回路を有するドライバにより駆動することで、ＰＷＭアンプのスイッチングに起因する高次成分を全く含まない電流波形にて運転することが出来、速度変動を大幅に低減することができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載のリニアモータによれば、リニアモータの電機子として、コイル群をヘリカル巻に巻回し、かつ、樹脂により薄板状にモールド成形してなる第１電機子巻線と、第１電機子巻線の両側面にコイル群を集中巻により巻回された第２電機子巻線より構成したため、加速時等の負荷の大きな時は集中巻により巻回された第２電機子巻線を使用し、一定速度送り時等の負荷の小さな時はヘリカル巻に巻回された第１電機子巻線を使用することで、推力の異なる２つの電機子巻線を使い分けることができる。
また、第１電機子巻線は２列からなる永久磁石の磁石列間の空間の中心に配置され、該永久磁石の表面からの距離を第２電機子巻線に比べて大きくしてあるため、第１電機子巻線に鎖交する永久磁石の作る推力に有効に作用する磁束成分に含まれる高次成分を大幅に低減することができる。そのため、一定速度送り時に第１電機子巻線をドライバにより駆動電流を流すると、高次成分の少ない磁束と鎖交する第１電機子巻線により必要な推力を得ることができ、推力リップル、速度変動も低減することができる。
【００１８】
請求項２記載のリニアモータによれば、第１電機子巻線を芯金として兼用したため、従来のリニアモータ構造に比べて電機子の形状あるいは大きさを変更することはなく、小型化、省スペース化を維持することができる。
【００１９】
請求項３記載のリニアモータによれば、該第１電機子巻線と第２電機子巻線を夫々独立するドライバにて駆動する構成にしたため、一定速度送り時負荷の非常に小さな場合と、加速時の負荷の非常に大きい場合に応じて、夫々のリニアモータの電機子巻線に最適なドライバを選択して運転することができる。その結果、ドライバの電流分解能等に起因して生じる電流波形に含まれる高次成分を低減でき、一定速送り時に推力変動が小さくなり、速度変動を低減できる。
【００２０】
請求項４記載のリニアモータ構造によれば、また、電機子を構成する第１の電機子および第２の電機子に接続されるドライバの少なくとも一方がリニアアンプにより構成されているため、推力の小さな一定速送り時はリニアアンプにより構成される電源増幅回路を有するドライバにより駆動することで、ＰＷＭアンプのスイッチングに起因する高次成分を全く含まない電流波形にて運転することが出来、速度変動を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すリニアモータの正断面図である。
【図２】図１に示すリニアモータとドライバの接続状態を示すブロック図である。
【図３】従来技術を示すリニアモータの正断面図である。
【図４】永久磁石の磁束分布を示す図である。
【符号の説明】
１第１電機子巻線
２樹脂
３第２電機子巻線
４電機子固定ブロック
５固定子
６永久磁石
７界磁ヨーク
８移動子
９、１０ドライバ

Claims

界磁ヨーク上に複数の永久磁石を交互に極性が異なるように配置してなる２列の磁石列で構成された界磁部と、前記２列からなる永久磁石の磁石列の間に磁気的空隙を介して対向配置された電機子を備え、前記界磁部と前記電機子の何れか一方を移動子に、他方を固定子として、前記移動子を前記固定子に対して相対移動するリニアモータにおいて、
前記電機子は、コイル群をヘリカル巻に巻回し、かつ、樹脂により薄板状にモールド成形してなる第１電機子巻線と、前記第１電機子巻線の両側面にコイル群を集中巻に巻回された薄板状に成形してなる第２電機子巻線より構成したことを特徴とするリニアモータ。
前記第１電機子巻線は芯金として兼用されることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
前記電機子を構成する第１電機子巻線および第２電機子巻線の夫々を、独立するドライバに接続したことを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータ。
前記電機子を構成する第１電機子巻線および第２電機子巻線の夫々に接続されるドライバの少なくとも一方がリニアアンプによる電源増幅回路で構成したことを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ構造。