KR20020005020A

KR20020005020A - 리니어 모터

Info

Publication number: KR20020005020A
Application number: KR1020017013874A
Authority: KR
Inventors: 이토마사토; 다나카기미히코; 다케우치가츠히코
Original assignee: 구와하라 가츠노부; 가부시키가이샤 시나노 일렉트로닉스
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2002-01-16
Also published as: US20020140295A1; WO2001065671A1; EP1176704A1; JP3673498B2; TW513843B; KR100439777B1; CN1235328C; US6661125B2; CN1364333A; EP1176704A4

Abstract

IC 테스트 핸들러 등에 사용하는 2상 평면 리니어 모터는, 다수의 플래튼 도트(D)를 격자점 배열로 형성한 플래튼 면을 갖는 플래튼(50)과, 2개의 X축 가동자(60X)와 2개의 Y축 가동자(20Y)를 면내 직교 관계에 의해 연결시켜 이루어진 복합 가동자(70)로 구성되어 있다. 플래튼(50)은 다수개의 자성 박판 T를 적층시켜 이루어진 적층체로서, 그 판근 병행면 측을 플래튼 면(51)으로서 이용한다. X축 가동자(60X)의 극치(KA_X, KA'_X, KB_X, KB'_X)는 Y축 방향으로는 플래튼에서 Y축 방향의 지근 도트(D)에 대하여 갖는 공간 위상이 서로 동등한 관계에 있으나, 자성 박판 T의 맞춤면 법선 방향(X축 방향)으로는 1 도트 피치마다 반복 배열되어 있고, 1 피치 이내에 머무르는 상기 극치는, X축 방향의 지근 도트(D)에 대하여 갖는 공간 위상이 1/4 피치의 공간 위상차씩 서로 다른 어긋남 배치로 되어 있다. 이 어긋남 배치에 의해 X축 가동자(60X)가 X축 방향으로 진행할 수 있다. 따라서, 자성 박판의 적층체를 플래튼으로서 이용할 수 있고, 고속화, 고추진력, 고효율의 리니어 모터를 제공할 수 있다.

Description

리니어 모터{LINEAR MOTOR}

소야의 리니어 모터의 원리를 설명하면, 도 12에 나타낸 바와 같이, 자성 후판(厚板) 표면에 도트 피치 P의 공간 주기로 플래튼 도트(D)를 반복하여 형성한 플래튼(고정자)(10)과, 바이어스 자속을 생성하기 위한 영구 자석 M, 그 자극면에 접합하여 진행 방향으로 상호 종렬(縱列)되고, 각각 제1 및 제2 분기 자로(磁路) 각부(脚部) A, A'(B, B')를 구비한 제1 및 제2 요크(계철(繼鐵)) Y1(Y2), 제1 요크 Y1의 제1 및 제2 분기 자로 각부 A, A'에 각각 장착된 직렬 접속의 제1 및 제2 A상(相) 여자(勵磁) 코일 CA, CA', 제2 요크 Y2의 제1 및 제2 분기 자로 각부 B, B'에 각각 장착된 직렬 접속의 제1 및 제2 B상 여자 코일 CB, CB', 및 제1 및 제2 분기 자로 각부 A, A'(B, B')의 하단부에 각각 형성되고, 도트 피치 P의 1/2의 간격을 두어 진행 방향으로 상호 나열되는 2개의 극치(極齒; 돌극부) KA, KA'(KB, KB')로 이루어진 가동자(주행체)(20)로 구성되어 있다. 여기서, 상기 분기 자로 각부의 극치는 유일해도 상관없으나, 복수개일 경우는 플래튼 도트(D)의 지근(至近) 도트에 대하여 갖는 공간 위상이 동일하다. 또한, 제1 분기 자로 각부 A(B)와 제2 분기 자로 각부 A'(B')와의 간격은 지근 도트에 대한 공간 위상이 P/2만큼 진행 방향으로 어긋나도록 배치되어 있으며, 제2 분기 자로부 A'와 제1 분기 자로부 B와의 간격은 지근 도트에 대한 공간 위상이 P/4만큼 진행 방향으로 어긋나도록 배치되어 있다.

가동자(20)는 압공 분출구를 갖고, 압공의 블로잉(blowing)에 의해 플래튼(10) 표면으로부터 약간 부상하고 있지만, 도 12의 (a)에 나타낸 바와 같이, 제2 요크 Y2의 제1 및 제2 B상 여자 코일 CB, CB'의 단자에만 도시한 극성의 B상 전류를 흐르게 하면, 제2 분기 자로 각부 B'의 극치 KB'와 그 지근 도트(D1, D2)의 에어 갭에는 영구 자석 M에 의한 바이어스 자속 이외에 제2 여자 코일 CB'에 의한 교번(交番) 자속이 중첩되어 강해져 집중 자속부 a가 발생하고, 지근 도트(D1, D2)에 극치부 KB'를 강하게 자기 흡착하는 동시에, 제1 분기 자로 각부 B의 극치 CB에는 바이어스 자속을 소거하는 방향으로 교번 자속이 부가되기 때문에 자속 소멸부 b로 된다. 한편, 제1 요크 Y1의 제1 및 제2 분기 자로 각부 A, A'에는 제2 요크 Y2의 제2 분기 자로 각부 B'로부터의 집중 자속이 플래튼(10) 내부를 통하여 분기된 자속이 통과하지만, 제1 분기 자로 각부 A의 극치 KA가 지근 도트(D15, D14)에 대하여 P/4만큼 진행 방향으로 지연되고 있기 때문에, 한쪽의 분기 자속에 의해 지근 도트(D14, D15)가 그 극치 KA를 진행 방향으로 끌어당기는 동시에, 다른쪽의 분기 자속에 의해 제2 분기 자로 각부 A'의 극치 KA'가 지근 도트(D9, D10)에 대하여 P/4만큼 진행 방향으로 나아가고 있기 때문에, 지근 도트(D9, D10)가 그 극치 KA'를 진행 방향과는 반대 방향으로 끌어당기기 위해, 진행 방향으로의 추진력과 반대 방향으로의 복원력(復原力)이 꼭 알맞게 길항(拮抗)하여, 제1 요크 Y1 전체는 균형을 이룬다. 즉, 제1 분기 자로 각부 A의 극치 KA와 지근 도트(D14, D15)와의 에어 갭에는 추진력 분기 자속부 d가 발생하고, 제2 분기 자로 각부 A'의 극치 KA'와 지근 도트(D9, D10)와의 에어 갭에는 복원 분기 자속부 c가 발생하기 때문에, 제1 요크 Y1 자체는 자력 흡착 포텐셜의 안정점에 있다.

이어서, 도 12의 (b)에 나타낸 바와 같이, 제1 요크 Y1의 제1 및 제2 A상 여자 코일 CA, CA'의 단자에만 도시한 극성의 A상 전류를 흐르게 하면, 제1 분기 자로 각부 A의 극치 KA와 지근 도트(D14, D15)와의 에어 갭은 직전에서 추진력 분기 자속부 d였던 것이 바이어스 자속 이외의 제2 여자 코일 CA에 의한 교번 자속이 중첩되어 집중 자속부 a로 바뀌며, 제2 분기 자로 각부 A'의 극치 KA'에서는 복원 분기 자속부 c로부터 자속 소멸부 b로 바뀌기 때문에, 지근 도트(D14, D15)가 극치 KA를 강하게 자기 흡착하여 진행 추진력이 가동자(20)에 발생한다. 한편, 제2 요크 Y2의 제1 및 제2 분기 자로 각부 B, B'에는 플래튼(10) 내부를 통하여 제1 요크 Y1의 제1 분기 자로 각부 A에서의 집중 자속으로 되어야 할 분기 자속이 통과하지만, 제1 분기 자로 각부 B의 극치 KB에서는 자속 소멸부 b로부터 추진력 분기 자속부 d로 바뀌며, 제2 분기 자로 각부 B'의 극치 KB'에서는 집중 자속부 a로부터 복원 분기 자속부 c로 바뀐다. 따라서, 2상 전류의 전환에 의해, 가동자(20)는 P/4만큼 스테핑한다. 도 12의 (c) 및 (d)의 여자 패턴을 포함시키면, 2상 전류에서는 여자 코일의 여자 패턴은 4종류이기 때문에, 여자 패턴의 1순회(巡回)에서는 가동자(20)가 4회 스테핑하여 1피치분만큼 진행한다. 2상 전류의 전환 과정에서는 추진력 분기 자속부 d로부터 집중 자속부 a로 전이(轉移)하는 극치에서 추진력이 발생한다.

이러한 소야의 리니어 모터를 이용하여 플래튼 위를 가동자가 X축 및 Y축 방향으로 평면 이동하는 평면 리니어 모터를 실현하기 위해서는, 예를 들어, 일본국 특개평9-261944호 공보에 개시된 바와 같이, 도 13 및 도 14에 나타낸 바와 같이, 플래튼 표면에 정사각형 정상면의 플래튼 도트(D)를 격자점(매트릭스) 형상으로 배열 형성한 플래튼(10)과, Y축에 평행한 스트라이프 형상의 돌기 극치 KA, KA'(KB, KB')를 갖고 X축 방향으로만 가동하는 X축 가동자(20X) 및 X축에 평행한 스트라이프 형상의 돌기 극치 KA, KA'(KB, KB')을 갖고 Y축 방향으로만 가동하는 Y축 가동자(20Y)를 평면내 직교 관계로 지지판(30)에 의해 연결시켜 이루어진 복합 가동자로 구성하는 것이다.

또한, 가동자 20X(20Y)의 진행 중의 절동(節動) 또는 맥동(脈動)을 저감하기 위해서는, 도 15에 나타낸 바와 같이, 요크 Y1, Y2의 분기 자로 각부를 3개로 하고, 그 분기 자로 각부 U, V, V(U', V', W')마다 상호 독립상의 여자 코일 CU, CV, CW(CU', CV', CW')를 장착하여, 이들 코일에 3상 전류를 공급하도록 한다.

상기 평면 리니어 모터의 이용 분야로서는, 예를 들어, 매달아 지지한 플래튼의 하면을 평면 이동하는 가동자 측에 전자부품을 파지(把持)하면서 플래튼 하면의 법선 방향으로 슬라이드 이동하는 액추에이터를 설치하고, 플래튼 아래에 배치시킨 기판의 관통구멍 등에 전자부품을 꽂기 위한 부품 실장기가 알려져 있다.

평면 리니어 모터에 필수인 고정자로서의 플래튼은, 그 표면에 플래튼 도트를 매트릭스 형상으로 배열 형성하기 때문에, 블록재로 형성된 1개의 후판 자성재(두꺼운 강판)로 되어 있다. 따라서, 이 후판 자성재를 플래튼으로서 이용하면, 플래튼 내를 통과하는 자속에 의해 와전류가 자연적으로 발생하기 때문에, 교류 자화 특성이 나쁘고, 전력 손실(철손)이 크므로, 가동자의 고속화 및 고추진력을 얻기 어렵고, 큰 전류 용량이 필요하게 된다. 도 16에 나타낸 속도에 대한 추진력의 의존성의 특성 곡선 α로부터 알 수 있듯이, 구동 주기 전류(전류 펄스)를 고주파수화하여 진행 속도의 고속화를 도모할수록 추진력이 급격하게 저하되어, 효율(속도×추진력/소비전력)이 매우 나빠진다.

본 발명자들은, 와전류의 발생을 억제하고, 고속화, 고추진력, 고효율의 평면 리니어 모터를 실현하기 위해, 다수의 자성 박판(예를 들어, 1㎜ 이하의 판 두께)을 적층시켜 이루어진 적층체를 이용하고, 그 적층체의 판근(板筋) 병행면(다수개의 박판의 테두리선이 서로 병행하여 나타나 있는 면)을 플래튼 면으로 하고, 그 플래튼 면에 플래튼 도트를 격자점 배열로 에칭 등에 의해 형성하는 것에 착안하였다. 자성 박판의 적층 경계면(맞춤면)에서는 와전류가 관통하기 어렵기 때문에, 전류 저항이 높아지고, 와전류의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 고속화, 고추진력, 고효율의 평면 리니어 모터를 실현할 수 있을 것으로 기대했다.

1축 가동자의 극치 열과 이에 대향하는 지근 플래튼 도트 열이 균일하고, 양 열을 포함하는 면내에 형성되는 자기회로에 있어서 그 열 방향을 따라 집중 자속부, 자속 소멸부 및 분기 자속부(추진력 분기 자속부와 복원 분기 자속부)를 순회적으로 전이시킴으로써, 1축 가동자가 그 열 방향을 따라 진행하는 것이기 때문에, 1축 가동자의 극치 열과 지근 도트 열의 배열 방향이 자성 박판의 판근 방향일 경우에는, 진행 자속을 위한 자기회로가 맞춤면과 평행하게 자성 박판의 판 두께 내를 따라 형성되기 때문에, 1축 가동자의 판근 방향으로의 진행이 가능하고, 상기의 이점을 얻을 수 있다.

그런데, 적층체 내의 자속은 맞춤면에서는 굴절 또는 비투과로 되고, 자기저항이 높기 때문에, 맞춤면의 법선 방향을 따라서는 진행 자속을 위한 자기회로를 사실상 형성할 수 없으며, 맞춤면의 법선 방향(판근 방향과는 직교하는 방향)으로의 1축 가동자의 진행은 불가능하다. 따라서, 적층체를 플래튼으로서 이용하는 평면 리니어 모터의 개발은 지금까지 단념되고 있었다.

그래서, 상기 문제점을 감안하여, 본 발명의 과제는, 적층체의 맞춤면 법선 방향으로 추동(推動)하는 1축 가동자를 실현함으로써, 자성 박판의 적층체를 플래튼으로서 이용할 수 있고, 고속화, 고추진력, 고효율의 리니어 모터를 제공함에 있다.

본 발명은 소야의 리니어 모터에 관한 것으로, 특히 다수개의 자성 박판을 적층시켜 이루어지는 적층체를 고정자(platen)로서 이용할 수 있는 리니어 모터에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 2상(相) 평면 리니어 모터의 개략 구성을 나타내는 사시도.

도 2는 상기 모터에서의 X축 가동자를 나타내는 사시도.

도 3은 상기 X축 가동자의 극치와 플래튼 도트와의 공간 위상 관계를 나타내는 평면도.

도 4는 상기 X축 가동자를 X축 방향으로 본 상태를 나타내는 측면도.

도 5의 (a) 내지 (d)는 각각 도 3 중의 B'-B'선, B-B선, A'-A'선, A-A선을 따라 절단한 상태를 나타내는 단면도.

도 6은 제 1 극치 패턴과 제 2 극치 패턴을 공유하는 패턴 그룹을 갖는 X축 가동자를 나타내는 개략 평면도.

도 7은 X축 가동자와 Y축 가동자의 배치 관계를 나타내는 평면도.

도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 3상 평면 리니어 모터에서의 X축 가동자의 개략 구성을 나타내는 사시도.

도 9는 상기 X축 가동자의 극치와 플래튼 도트와의 공간 위상 관계를 나타내는 평면도.

도 10은 상기 X축 가동자를 X축 방향으로 본 상태를 나타내는 측면도.

도 11의 (a) 내지 (f)는 각각 도 9 중의 W'-W'선, V'-V'선, U'-U'선, W-W선, V-V선, U-U선을 따라 절단한 상태를 나타내는 단면도.

도 12의 (a) 내지 (d)는 각각 소야 모터(2상 리니어 모터)의 원리를 설명하기 위한 스테핑(stepping) 동작도.

도 13은 종래의 2상 평면 리니어 모터의 개략 구성을 나타내는 사시도.

도 14의 (a)는 도 13 중의 2상 평면 리니어 모터의 평면도, 도 14의 (b)는 상기 2상 평면 리니어 모터의 좌측면도, 도 14의 (c)는 상기 2상 평면 리니어 모터의 정면도.

도 15의 (a)는 종래의 3상 평면 리니어 모터의 평면도, 도 15의 (b)는 상기 3상 평면 리니어 모터의 우측면도, 도 15의 (c)는 상기 3상 평면 리니어 모터의 정면도.

도 16은 플래튼이 블록재와 적층체인 경우에 있어서, 가동자의 속도에 대한 추진력의 의존성의 특성 곡선 비교를 나타내는 그래프.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명이 강구한 수단은, 가동자를 위한 진행 자속(집중 자속부, 분기 자속부)을 발생시키기 위한 자기회로를 적층체의 판근 방향을 따라 형성하는 동시에, 가동자의 1세트의 극치 각각과 적층체 맞춤면의 법선 방향의 플래튼 도트 사이에서 자기 결합을 발생시키도록, 1세트의 극치를 맞춤면의 법선 방향으로 1피치 이내의 소정 공간 위상 관계에 의해 어긋남 배치로 한 점에있다.

즉, 본 발명은, 다수의 플래튼 도트를 격자점 배열로 형성한 플래튼 면을 갖는 플래튼과, 플래튼 도트 중에서 지근 도트와의 사이에서 진행 자속을 발생시키기 위한 적어도 2n(단, n은 2 이상의 정수)개의 극치를 1세트로 하는 극치 패턴을 갖는 X축 가동자를 구비한 리니어 모터에 있어서, 플래튼은 복수개의 자성 박판을 적층시켜 이루어진 적층체의 판근 병행면 측을 상기 플래튼 면으로 하고, 극치 패턴의 2n개의 극치는 자성 박판의 판근 방향(Y방향)으로 배열된 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상이 서로 동등한 관계의 횡렬 배치이다. 또한, 상기 극치 패턴의 2n개의 극치는 자성 박판의 맞춤면 법선 방향으로 1 도트 피치 P 이내의 어긋남 배치로서, 법선 방향으로 배열된 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상이 공간 위상차 (P/2n)씩 서로 다른 관계로 되어 있다. 즉, 각 극치가 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상은, 임의의 공간 위상을 p로 하면, n=2에서는 p-P/4, p, p+P/4, p+P/2로 각각 할당되고, n=3에서는 p-P/3, p-P/6, p, p+P/6, p+P/3, p+P/2로 각각 할당되며, n=4에서는 p-3P/8, p-P/4, p-P/8, p, p+P/8, p+P/4, p+3P/8, p+P/2로 각각 할당되어 있다.

이러한 구성에 의하면, 극치 패턴의 2n개의 극치는 모두 자성 박판의 판근 방향(Y축 방향)으로 배열된 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상이 서로 동등하기 때문에, X축 가동자는 Y축 방향으로의 추진력을 받지 않지만, X축 가동자의 극치 패턴의 2n개의 극치는 자성 박판의 맞춤면 법선 방향으로 1 도트 피치 P 이내에서 서로 다른 어긋남 배치로 되어 있기 때문에, 진행 자속을 위한 자기회로는 적층체의 판근 방향을 따라 형성된다. 그리고, X축 가동자의 극치 패턴의 2n개의 극치는 자성 박판의 맞춤면 법선 방향으로 배열된 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상이 공간 위상차 (P/2n)씩 서로 다른 관계이기 때문에, X축 방향으로 배열된 지근 도트와의 사이에서의 자기 결합이 발생하고, Y축 방향으로 가로로 긴 형상을 갖는 극치 패턴의 2n개의 극치에는 집중 자속부와 분기 자속부의 조합 순환에 의해 X축 방향의 추진력이 순서적으로 작용하여, X축 가동자는 말하자면 포복(匍匐) 운동에 의해 X축 방향으로 병진(竝進)한다.

이와 같이, 적층체의 맞춤면 법선 방향으로 추동하는 1축 가동자를 실현할 수 있기 때문에, 자성 박판의 적층체를 플래튼으로 하는 이용을 현실화할 수 있고, 고속화, 고추진력, 고효율의 리니어 모터를 제공할 수 있다. 분기 자속부로부터 집중 자속부로 전환되는 극치에 추진력이 작용하는 것이나, 분기 자속부와 집중 자속부가 각각 별도의 요크 극치에서 발생하는 것이기 때문에, X축 가동자에 작용하는 회전 모멘트가 정역(正逆)으로 번갈아 생긴다. 다만, 고속 주행으로 될 수록 주행 속도에 대한 회전 진동의 비율은 근소해진다.

자속 소멸부를 발생시키는 극치는 집중 자속부를 발생시키는 극치에 대하여 다른 극치보다도 가장 어긋나 있으며, 반(半)피치이다. 판 두께가 반피치 이내인 자성 박판을 사용한 플래튼의 경우, 판근 방향을 따라 형성되는 자기회로는 그 자속 소멸부를 발생시키는 극치와는 원래 자기 결합을 갖기 어렵기 때문에, 바이어스 자속을 꼭 알맞게 소거할 정도의 강도를 갖는 교번 자속을 발생시킬 필요가 없어, 설계의 자유도가 증대된다. 2상 리니어 모터의 경우, 집중 자속부의 극치와 한쌍의 분기 자속부의 극치가 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상차는 P/4이고, 한쪽의 분기 자속부의 극치와 다른쪽의 분기 자속부의 극치가 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상차는 P/2이다. 3상 리니어 모터의 경우, 집중 자속부의 극치와 한쌍의 분기 자속부의 극치가 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상차는 P/6이고, 한쪽의 분기 자속부의 극치와 다른쪽의 분기 자속부의 극치가 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상차는 P/3이다. 그래서, 3상 리니어 모터의 경우는, 판 두께가 1/3 피치 이내인 자성 박판을 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로, n상의 리니어 모터일 경우에는, 판 두께가 1/n 피치 이내인 자성 박판을 사용하는 것이 바람직하다. 상수(相數)가 증가할수록 판 두께를 얇게 한다. 3상 이상에서는, 희박한 분기 자속부를 발생시키는 한쌍의 극치와도 자기 결합이 발생하기 어려워지기 때문에, 스테핑 정지에 소비되는 여분의 자기 결합을 단절시키고, 그만큼 스테핑의 추진력으로 전가(轉嫁)할 수 있다. 오히려, 판근 방향으로 추동하는 Y축 가동자에 비하여, 그 직교 방향으로 추동하는 X축 가동자가 고효율화를 기대할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 2차원 평면 리니어 모터의 X축 가동자에 한정되지 않고, 적층체를 사용한 플래튼과, 그 적층체의 맞춤면 법선 방향으로 추동하는 1축 가동자로 이루어진 1차원 리니어 모터로서의 이용 가치도 충분히 있다. 또한, 플래튼이 자성 박판의 적층체이기 때문에, X축 방향의 도트 사이는 플라스틱 등의 비자성재를 끼운 적층체일 수도 있으며, 도트 사이에 홈을 형성하지 않을 수 있어, 플래튼의 제조 용이화도 실현할 수 있다. 또한, 누설 자속을 저감시킬 수 있어, 한층 더 고효율화에 기여한다.

또한, 가동자 측의 극치 세트와 플래튼 측의 지근 도트 세트와의 공간 위상관계는 상대적이기 때문에, 가동자의 극치 상호간에서 상기 위상 관계의 어긋남 배치를 부여하는 대신에, 플래튼 측의 X축 방향으로 배열된 플래튼 도트의 상호간에서 상기 위상 관계의 어긋남 배치를 부여할 수도 있다.

X축 가동자가 극치 패턴을 맞춤면의 법선 방향으로 반복 배열시켜 이루어진 패턴 그룹을 가질 경우, X축 가동자의 안정 주행과 고출력을 얻을 수 있다.

상기 극치 패턴을 제1 극치 패턴으로 하고, 이 제1 극치 패턴에 대하여 제2 극치 패턴을 법선 방향으로 사이를 두어 갖는 한쌍의 패턴을 형성한다. 이 제2 극치 패턴의 극치는, 제1 극치 패턴의 자성 박판의 맞춤면 법선 방향으로 배열된 지근 도트에 대하여 갖는 상기 공간 위상 관계의 어긋남 배치는, 패턴 중심을 통과하는 X방향 선에 관하여 선대칭의 어긋남 배치이다. X축 가동자에는 정역의 회전 모멘트가 동시에 작용하기 때문에, 회전 모멘트가 소거되어 회전 진동을 없앨 수 있다.

X축 가동자가 제1 극치 패턴과 제2 극치 패턴을 맞춤면의 법선 방향으로 번갈아 반복 배열시켜 이루어진 패턴 그룹을 가질 경우, 역시 X축 가동자의 안정 주행과 고출력을 얻을 수 있다.

평면 리니어 모터로서는, 상기와 같은 X축 가동자와 자성 박판의 판근 방향으로 이동하는 Y축 가동자를 면내 직교 관계로 연결시켜 이루어진 복합 가동자를 갖는 구성으로 하는 것이 바람직하나, 여기서, 2개의 X축 가동자와 2개의 Y축 가동자를 복합 가동자의 평면 중심점에 관하여 각각 대각 배치시키고, 한쪽의 X축 가동자의 극치 패턴과 다른쪽의 X축 가동자의 극치 패턴을 평면 중심점을 통과하는 X방향 선에 관하여 선대칭으로 한다. 복합 가동자의 평면 중심점에 관한 회전 모멘트가 동시에 정역 방향으로 작용하게 되어, 회전 모멘트가 소거되어 복합 가동자 전체의 회전 진동을 없앨 수 있고, 저속 주행으로부터 고속 주행에 걸쳐 X축 방향 및 Y축 방향의 안정 주행을 실현할 수 있다.

실시예 1

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 2상 평면 리니어 모터의 개략 구성을 나타내는 사시도, 도 2는 상기 모터의 X축 가동자를 나타내는 사시도, 도 3은 상기 X축 가동자의 극치와 플래튼 도트의 공간 위상 관계를 나타내는 평면도, 도 4는 상기 X축 가동자를 X축 방향으로 본 상태를 나타내는 측면도, 도 5의 (a) 내지 (d)는각각 도 3 중의 B'-B'선, B-B선, A'-A'선, A-A선을 따라 절단한 상태를 나타내는 단면도이다. 또한, 도 1 내지 도 3에 있어서, 도 13 및 도 14에 나타낸 부분과 동일한 부분에는 동일 참조부호를 첨부하여 그 설명을 생략한다.

본 예의 2상 평면 리니어 모터는, 다수의 플래튼 도트(D)를 격자점 배열로 형성한 플래튼 면(51)을 갖는 플래튼(50)과, 2개의 X축 가동자(60X)와 2개의 Y축 가동자(20Y)를 면내 직교 관계에 의해 지지판(30)으로 연결시켜 이루어진 복합 가동자(70)로 구성되어 있다. 복합 가동자(70)는 압공 분출구(도시 생략)를 갖고, 압공의 블로잉에 의해 플래튼(50) 표면으로부터 약간 부상하면서 평면 이동한다.

이 2상 평면 리니어 모터는, 예를 들어, IC 테스트 핸들러에 채용한다. IC 테스트 핸들러는, 반입 위치의 IC를 흡착 유지하여 테스트 위치까지 이동시킨 후, 하강시켜 IC 소켓에 IC 단자를 소정 시간 계속하여 누르고, 그 후, IC를 상승시켜 반출 위치에 그대로 두는 콘택트 트랜스퍼를 구비하는 것이며, 이 IC 테스트 핸들러에서는 플래튼(50)이 도시 상태와는 상하가 반대로 되어 매달아 지지되어 있고, 복합 가동자(70)는 콘택트 트랜스퍼의 기체(基體)로서 플래튼(50)의 바로 아래에서 플래튼 면을 따라 평면 주행하는 것이다.

플래튼(50)은 다수개의 자성 박판 T를 적층시켜 이루어진 적층체로서, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 그 판근 병행면 측을 플래튼 면(51)으로서 이용하는 것이다. 자성 박판 T는, 예를 들어, 0.35∼0.5㎜ 정도의 절연 피막 코트 규소 강판이다. 플래튼 도트(D)의 1 도트 피치 P(1 공간 주기)는, 예를 들어 수㎜ 정도이다.

Y축 가동자(20Y)는 자성 박판 T의 판근 방향(Y축 방향)으로 진행하는 가동자로서, 제1 및 제2 요크 Y1(Y2)는 종래와 동일하게 X축과 평행한 스트라이프 형상의 돌기 극치 KA, KA'(KB, KB')를 갖는다.

X축 가동자(60X)의 제1 요크 Y1의 제1 및 제2 분기 자로 각부 A, A'(B, B')의 극치 KA_X, KA'_X(KB_X, KB'_X)는 도 4에 나타낸 바와 같이 Y축 방향으로는 평평하여, 자성 박판 T의 판근 방향으로 배열된 지근 도트(D)에 대하여 갖는 공간 위상이 서로 동등하다. 극치 KA_X, KA'_X(KB_X, KB'_X)의 Y축 방향 길이는 플래튼 도트(D)의 2피치분이며, 모든 간격도 2피치분이다. 그러나, 극치 KA_X, KA'_X(KB_X, KB'_X)는 자성 박판 T의 맞춤면 법선 방향(X축 방향)으로는 1 도트 피치(1 공간 주기=P)마다 반복 배열되어, 치열(齒列)을 형성하고 있고, 도 3 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 1 피치 이내 횡렬의 임의의 세트(극치 패턴)를 구성하는 극치 KA_X, KA'_X(KB_X, KB'_X)는 자성 박판 T의 맞춤면 법선 방향으로 1 도트 피치 P 이내의 어긋남 배치이다. 그리고, 법선 방향으로 배열된 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상이 공간 위상차 (P/4)씩 서로 다르다.

도 3 중의 2점쇄선으로 둘러싸인 극치 패턴(61)에서는 극치 KA_X가 지근 도트(D)와 일치하고 있어, 도 5의 (d)에 나타낸 바와 같이 그 에어 갭에 집중 자속부 a를 발생시키고, 극치 KA'_X는 지근 도트(D)에 대하여 반피치만큼 어긋나 있어, 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이 그 에어 갭은 자속 소멸부 b로 되며, 극치 KB_X는 지근 도트(D)에 대하여 P/4만큼 어긋나 있어, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이 그 에어 갭은 복원 분기 자속부 c로 되고, 그리고, 극치 KB'_X는 지근 도트(D)에 대하여 P/4만큼 지연되어 어긋나 있어, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이 그 에어 갭은 추진력 분기 자속부 d로 되고 있다. X축 가동자(60X)는, 예를 들어, 상기의 극치 패턴(61)을 1 피치 주기로 X축 방향으로 반복 전개시킨 패턴 그룹을 갖는 것이다.

극치 패턴(61)의 극치 KA_X, KA'_X(KB_X, KB'_X)는 모두 자성 박판 T의 판근 방향(Y축 방향)으로 배열된 지근 도트(D)에 대하여 서로 동등한 공간 위상이기 때문에, X축 가동자(60X)는 Y축 방향으로의 추진력을 받지 않지만, 극치 KA_X, KA'_X(KB_X, KB'_X)가 X축 방향의 1 피치 이내에 머무르고 있기 때문에, 진행 자속을 위한 자기회로는 적층체의 판근 방향을 따라 형성된다. 도 3 및 도 5에 나타낸 상태(A상 전류에 의한 여자 상태)에서는 극치 KB'_X가 추진력 분기 자속부 d를 발생시키고 있기 때문에, A상 전류로부터 B상 전류로의 전환 과정에서는 극치 KB'_X에 X축 방향의 추진력이 작용하고, 2번째의 전환 과정에서는 극치 KA'_X에 X축 방향의 추진력이 작용하고, 3번째의 전환 과정에서는 극치 KB_X에 X축 방향의 추진력이 작용하며, 4번째의 전환 과정에서는 극치 KA_X에 X축 방향의 추진력이 작용한다. Y축 방향으로 가로로 긴 극치 패턴의 4개 극치에는 집중 자속부 a와 분기 자속부 cd와의 조합 순환에 의해 X축 방향의 추진력이 순서적으로 작용하여, X축 가동자(60X)는 말하자면 포복(匍匐) 운동에 의해 X축 방향으로 병진한다. 물론, 블록재로 구성한 플래튼의 경우에도 X축 방향으로 병진한다.

이와 같이, 적층체의 맞춤면 법선 방향으로 추동하는 X축 가동자(60X)를 실현할 수 있기 때문에, 자성 박판 T의 적층체를 플래튼(50)으로 하는 이용을 현실화할 수 있다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 속도에 대한 추진력의 의존성 특성 곡선 β로부터 알 수 있듯이, 구동 주기 전류(전류 펄스)를 고주파수화하여 진행 속도를 고속화하여도, 고속 대역(2m/초)까지 추진력은 그다지 저하되지 않는다. 따라서, 고속화, 고추진력, 고효율의 리니어 모터 실현이 가능해진다.

X축 가동자(60X) 측의 극치 KA_X, KA'_X(KB_X, KB'_X)와 플래튼(50) 측의 X축 방향으로 배열된 플래튼 도트(D)와의 공간 위상 관계는 상대적이므로, 극치 KA_X, KA'_X(KB_X, KB'_X)의 상호간에서 어긋남 배치를 부여하는 대신에, 플래튼(50) 측의 X축 방향으로 배열된 플래튼 도트의 상호간에서 어긋남 배치를 부여할 수도 있다. 다만, 플래튼 면의 도트 수는 방대하기 때문에, 플래튼(50)의 제조에 결점이 되지만, 소면적 플래튼의 경우, 또는 플래튼 제조의 고정밀화의 개발에 의해서 실현도 가능하다.

추진력 분기 자속부 d로부터 집중 자속부 a로 전환되는 극치에 추진력이 작용하는 것이나, 추진력 분기 자속부 d와 집중 자속부 a가 서로 반대의 요크 극치에서 발생하는 것이기 때문에, X축 가동자(60X)에 작용하는 회전 모멘트가 정역으로 번갈아 생겨, X축 가동자(60X)는 회전 진동을 수반하여 병진한다. 다만, 고속 주행으로 될 수록 주행 속도에 대한 회전 진동의 비율은 근소해진다.

여기서, 플래튼(50)의 도트 피치 P(X축 가동자(60X)의 극치 피치와 동일)와 자성 박판 T와의 관계를 고찰하면, 자성 박판 T의 판 두께는 도트 피치 이하일 수도 있고 도트 피치 이상일 수도 있지만, 고속화, 고추진력, 고효율을 달성하기 위해서는 도트 피치 이하인 것이 바람직하다. 자기회로에서의 자속 소멸부 b를 발생시키는 극치에 주목하면, 이 극치는 가동자의 추진력 및 안정과 직접적인 관계가 없다. 말하자면 차례로 할당될 뿐이다. 그리고, 이 자속 소멸부 b를 발생시키는 집중 자속부 a를 발생시키는 극치에 대하여 다른 극치보다도 가장 어긋나 있으며, 반피치의 공간 위상차가 있다. 따라서, 본 예와 같이, 판 두께가 반피치 이내인 자성 박판을 사용한 플래튼(50)의 경우, 판근 방향을 따라 형성되는 자기회로는 원래 그 자속 소멸부 b를 발생시키는 극치와는 자기 결합을 갖기 어렵기 때문에, 바이어스 자속을 꼭 알맞게 소거할 정도의 강도를 갖는 교번 자속을 발생시킬 필요가 없어, 설계의 자유도가 증대된다. 이것은 적층판을 플래튼으로서 사용하는 이점이기도 하다. 또한, 플래튼(50)이 자성 박판 T의 적층체이기 때문에, X축 방향의 서로 인접하는 도트 사이는 플라스틱 등의 비자성재를 끼운 적층체일 수도 있으며, 도트 사이에 홈을 형성하지 않을 수 있어, 플래튼의 제조 용이화도 실현할 수 있다. 또한, 누설 자속을 저감시킬 수 있어, 한층 더 고효율화에 기여한다.

도 3에 나타낸 극치 그룹은, 4종류의 극치 패턴 중에서, 예를 들어, 극치 패턴(61)을 1 피치 간격으로 X축 방향으로 반복 전개시킨 배열에 상당하고 있다. 여기서, 극치 패턴(61)을 제1 극치 패턴으로 하면, 예를 들어, 도 6에 나타낸 바와같이, 이 제1 극치 패턴의 극치 KA_X, KA'_X(KB_X, KB'_X)의 X축 방향으로 배열된 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상 관계의 어긋남 배치는, 패턴 중심을 통과하는 X방향 선 L₁에 관하여 선대칭의 어긋남 배치인 극치 Ka_X, Ka'_X(Kb_X, Kb'_X)에 따른 제2 극치 패턴(62)을 제1 극치 패턴(61)에 대하여 X축 방향으로 사이를 두어 갖는 패턴 그룹을 형성한 경우, X축 가동자(60X)에는 정역의 회전 모멘트가 동시에 작용하기 때문에, 회전 모멘트가 소거되어 회전 진동을 없앨 수 있다. 제1 극치 패턴(61)의 극치 KB'_X와 제2 극치 패턴(62)의 극치 Ka_X, 제1 극치 패턴(61)의 극치 KB_X와 제2 극치 패턴(62)의 극치 Ka'_X, 제1 극치 패턴(61)의 극치 KA'_X와 제2 극치 패턴(62)의 극치 Kb_X, 제1 극치 패턴(61)의 극치 KA_X와 제2 극치 패턴(62)의 극치 Kb'_X는 각각 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상이 동일해지기 때문이다.

본 예에서는, 상술한 바와 같이, X축 가동자(60X)와 Y축 가동자(20Y)는 면내 직교 관계로 연결시켜 복합 가동자(70)를 구성하고 있으나, 도 7에 나타낸 바와 같이, 2개의 X축 가동자(60X)와 2개의 Y축 가동자(20Y)를 복합 가동자(70)의 평면 중심점 O에 관하여 각각 대각 배치시키고, 한쪽의 X축 가동자(60X)의 극치 패턴(61)(분기 자로 각부 A, A', B, B')과 다른쪽의 X축 가동자(60X)의 극치 패턴(61)(분기 자로 각부 A, A', B, B')이 평면 중심점 O를 통과하는 X방향 선 L₂에 관하여 선대칭으로 되도록 배치시킨다. 복합 가동자(70)의 평면 중심점 O에 관한 회전 모멘트가 동시에 정역 방향으로 작용하게 되어, 회전 모멘트가 소거되어 복합 가동자(70) 전체의 회전 진동을 없앨 수 있고, 저속 주행으로부터 고속 주행에 걸쳐 X축 방향 및 Y축 방향의 안정 주행을 실현할 수 있다.

실시예 2

도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 3상 평면 리니어 모터에서의 X축 가동자의 개략 구성을 나타내는 사시도, 도 9는 상기 3상 리니어 모터에서의 X축 가동자 극치와 플래튼 도트와의 공간 위상 관계를 나타내는 평면도, 도 10은 상기 X축 가동자를 X축 방향으로 본 상태를 나타내는 측면도, 도 11의 (a) 내지 (f)는 각각 도 9 중의 W'-W'선, V'-V'선, U'-U'선, W-W선, V-V선, U-U선을 따라 절단한 상태를 나타내는 단면도이다. 또한, 도 8 내지 도 11에 있어서, 도 15에 나타낸 부분과 동일한 부분에는 동일 참조부호를 첨부하여 그 설명을 생략한다. 또한, 실시예 1과 동일한 부분에 대해서는 언급하지 않는다.

본 예의 X축 가동자(80X)에서의 X축 방향으로 1 피치 이내인 극치 패턴(81)의 6개 극치 KU_X, KV_X, KW_X, KU'_X, KV'_X, KW'_X는 자성 박판 T의 맞춤면 법선 방향으로 1 도트 피치 P 이내의 어긋남 배치에 있다. 그리고, 법선 방향으로 배열된 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상이 공간 위상차 (P/6)씩 서로 다른 관계로 되어 있다. 도 9의 2점쇄선으로 둘러싸인 극치 패턴(81) 내의 극치 KU_X가 지근 도트(D)와 일치하고 있어, 도 11의 (f)에 나타낸 바와 같이 그 에어 갭에 집중 자속부 a를 발생시키고, 극치 KV_X는 지근 도트(D)에 대하여 P/3만큼 진행되어 어긋나 있어, 도 11의 (e)에서는 에어 갭에 도시하지 않은 바와 같이 희박한 분기 자속부로 되고 있으며, 극치 KW_X는 지근 도트(D)에 대하여 P/3만큼 지연되어 어긋나 있어, 도 11의 (d)에서는 에어 갭에 도시하지 않은 바와 같이 역시 희박한 분기 자속부로 되고 있다. 극치 KU'_X는 지근 도트(D)에 대하여 반피치만큼 어긋나 있어, 도 11의 (c)에 나타낸 바와 같이 그 에어 갭은 자속 소멸부 b로 되고, 극치 KV'_X는 지근 도트(D)에 대하여 P/6만큼 지연되어 어긋나 있어, 도 11의 (b)에 나타낸 바와 같이 그 에어 갭은 추진력 분기 자속부 d로 되고 있으며, 극치 KW'_X는 지근 도트(D)에 대하여 P/6만큼 진행되어 어긋나 있어, 도 11의 (a)에 나타낸 바와 같이 그 에어 갭은 복원 분기 자속부 c로 되고 있다. X축 가동자(80X)는 상기의 극치 패턴(81)을 1 피치 간격으로 X축 방향으로 반복 전개시킨 패턴 그룹을 갖는 것이다.

이 3상 평면 리니어 모터에서는, 집중 자속부 a와 분기 자속부 cd가 각각 별도의 요크 Y1, Y2에서 발생한다. 동상(同相)의 여자 코일끼리가 요크 Y1, Y2의 각각에 장착되어 있기 때문이다. 본 예의 3상 평면 리니어 모터의 그 나머지 구성은 실시예 1에 기재된 구성을 채용할 수 있다.

이러한 3상 평면 리니어 모터일지라도, 실시예 1과 동일하게, 적층체의 맞춤면의 법선 방향으로 추동하는 X축 가동자(80X)를 실현할 수 있기 때문에, 자성 박판 T의 적층체를 플래튼(50)으로 하는 이용을 현실화할 수 있고, 고속화, 고추진력, 고효율의 리니어 모터 실현이 가능해진다.

자속 소멸부 b를 발생시키는 극치는 집중 자속부 a를 발생시키는 극치에 대하여 다른 극치보다도 가장 어긋나 있으며, 반피치이다. 판 두께가 반피치 이내인자성 박판을 사용한 플래튼의 경우, 판근 방향을 따라 형성되는 자기회로는 그 자속 소멸부를 발생시키는 극치와는 자기 결합을 원래 갖기 어렵기 때문에, 바이어스 자속을 꼭 알맞게 소거할 정도의 강도를 갖는 교번 자속을 발생시킬 필요가 없어, 설계의 자유도가 증대된다. 본 예의 3상 평면 리니어 모터의 경우, 집중 자속부 a의 극치와 한쌍의 분기 자속부 cd의 극치가 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상차는 P/6이고, 한쪽의 분기 자속부 c의 극치와 다른쪽의 분기 자속부 d의 극치가 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상차는 P/3이다. 그래서, 3상 평면 리니어 모터의 경우는, 판 두께가 1/3 피치 이내인 자성 박판을 사용하는 것이 바람직하다. 자속 소멸부 b를 발생시키는 극치와는 자기 결합이 맞춤면에 의해 발생하기 어려워, 무효 자속을 저감시킬 수 있는 동시에, 희박한 분기 자속부를 발생시키는 한쌍의 극치(도 11에서는 KV_X와 KW_X)와도 자기 결합이 발생하기 어려워지기 때문에, 스테핑 정지에 소비되는 자기 결합을 단절시키고, 그만큼 스테핑의 추진력으로 전가할 수 있다.

또한, 4상 이상의 리니어 모터를 실현하는 것도 가능하다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 리니어 모터는, 적층체의 맞춤면 법선 방향으로 추동하는 1축 가동자이기 때문에, 자성 박판의 적층체를 플래튼으로 하는 이용을 현실화할 수 있고, 고속화, 고추진력, 고효율의 모터를 제공할 수 있기 때문에, 부품 실장기에 한정되지 않으며, IC 테스트 핸들러 등의 각종 기기 또는 기계에 사용하는데 적합하다.

Claims

다수의 플래튼 도트를 격자점 배열로 형성한 플래튼 면을 갖는 플래튼과, 상기 플래튼 도트 중에서 지근 도트와의 사이에서 진행 자속을 발생시키기 위한 적어도 2n(단, n은 2 이상의 정수)개의 극치를 1세트로 하는 극치(極齒) 패턴을 갖는 X축 가동자를 구비한 리니어 모터에 있어서,

상기 플래튼은 복수개의 자성 박판을 적층시켜 이루어진 적층체의 판근 병행면 측을 상기 플래튼 면으로 하고, 상기 극치 패턴의 2n개의 극치는, 상기 자성 박판의 판근 방향으로 배열된 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상이 서로 동등한 관계의 횡렬 배치이며, 상기 극치 패턴의 2n개의 극치는, 상기 자성 박판의 맞춤면 법선 방향으로 1 도트 피치(P) 이내의 어긋남 배치로서, 상기 법선 방향으로 배열된 지근 도트에 대하여 갖는 공간 위상이 공간 위상차 (P/2n)씩 서로 다른 관계로 되어 있는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
제 1 항에 있어서,

상기 X축 가동자는, 상기 극치 패턴을 상기 법선 방향으로 반복 배열시켜 이루어진 패턴 그룹을 갖는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
제 1 항에 있어서,

상기 X축 가동자는, 상기 극치 패턴을 제1 극치 패턴으로 하고, 이 제1 극치패턴의 상기 자성 박판의 맞춤면 법선 방향으로 배열된 지근 도트에 대하여 갖는 상기 공간 위상 관계의 어긋남 배치는, 패턴 중심을 통과하는 X방향 선에 관하여 선대칭의 어긋남 배치인 제2 극치 패턴을 상기 제1 극치 패턴에 대하여 상기 법선 방향으로 사이를 두어 갖는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 X축 가동자와 상기 자성 박판의 판근 방향으로 이동하는 Y축 가동자를 면내 직교 관계로 연결시켜 이루어진 복합 가동자를 갖는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
제 4 항에 있어서,

2개의 상기 X축 가동자와 2개의 상기 Y축 가동자를 상기 복합 가동자의 평면 중심점에 관하여 각각 대각 배치시키고, 한쪽의 상기 X축 가동자의 상기 극치 패턴과 다른쪽의 상기 X축 가동자의 상기 극치 패턴이 상기 평면 중심점을 통과하는 X방향 선에 관하여 선대칭인 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 자성 박판의 판 두께가 상기 플래튼 도트의 반(半)피치 이하의 두께인 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
제 6 항에 있어서,

상기 자성 박판의 판 두께가 상기 플래튼 도트 피치의 1/n 이하의 두께인 것을 특징으로 하는 리니어 모터.