(57)【要約】【課題】  複数のコイルを選択的に励磁して永久磁石を相対移動させる可動磁石形のリニアモータ装置において、制動力による推力リプルを無くし、発生銅損を低減するリニアモータ装置を提供する。【解決手段】  複数のコイル１１の各々がその始端側（図で上側）と終端側（図で下側）にそれぞれ第１スイッチ部３０と第２スイッチ部４０を設け、第１スイッチ部３０内部のスイッチ回路１個と第２スイッチ部４０内部のスイッチ回路１個をＯＮすることで、それらスイッチ回路間の複数のコイルが励磁されるように構成した。【選択図】  図１
2006087230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイルを有する多相の電機子と、複数の永久磁石を有する界磁と、前記コイルに電流を供給し前記電機子と前記界磁を相対的に移動させる制御手段と、前記電流を供給する前記コイルを選択するスイッチ部を備えたリニアモータ装置において、
前記スイッチ部を前記コイルの始端側と終端側にそれぞれ設けたことを特徴とするリニアモータ装置。
【請求項２】
前記複数のコイルの各々が最近隣の同相コイルの一方との間で自らの始端と相手の終端とを、また、最近隣の同相コイルの他方との間で自らの終端と相手の始端とを、それぞれ渡り線で結線したことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ装置。
【請求項３】
前記始端側スイッチ部に電流供給をＯＮ／ＯＦＦする複数個の第１スイッチ回路を備え、前記終端側スイッチ部に電流供給をＯＮ／ＯＦＦする複数個の第２スイッチ回路を備え、前記第１スイッチ回路の個数をＮａ、前記第２スイッチ回路の個数をＮｂ、前記コイルの個数をＮｃとした場合、
Ｎｃ−Ｍ＝Ｉａ×Ｎａ＝Ｉｂ×Ｎｂ
ここで、Ｍは相数、ＩａとＩｂは自然数
としたことを特徴とする請求項２記載のリニアモータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置、液晶製造装置、工作機械などの精密装置の直動機構に使用されているリニアモータ装置において、長ストローク、低発熱、低推力リプルが求められ、複数のコイルを選択的に励磁して永久磁石を移動させる可動磁石形のリニアモータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置、液晶製造装置、工作機械などの精密装置の直動機構に使用され、複数のコイルを選択的に励磁して永久磁石を移動させる可動磁石形のリニアモータ装置として特許文献１〜３がある。
【特許文献１】特開平７−２２７０７８号公報
【特許文献２】特開２０００−３４１９３１号公報
【特許文献３】特開２００２−１９９７８２号公報
【０００３】
特許文献１によれば、永久磁石の移動にともない発生するコイルの誘起電圧から可動子位置を推定し、電流位相の決定と励磁コイルの選択を行っている。
特許文献２によれば、可動子の位置センシング用永久磁石の磁力を固定子のホール素子により検出することで、可動子位置を特定し、電流位相の決定と励磁コイルの選択を行っている。
特許文献３によれば、可動子の一定速状態と加減速状態で励磁するコイル数を切り替えている。
これら特許文献１〜３によれば、電流位相の決定方法、励磁コイルの選択方法、励磁コイル数の決定方法は異なるものの、励磁のＯＮ／ＯＦＦを行うスイッチ部の構成についてはすべて同じであるので、以下、これら従来技術のスイッチ部の構成を有するリニアモータ装置について説明する。
【０００４】
図６は従来技術によるリニアモータ装置の全体構成図である。
図において、１が可動子、２が永久磁石、１０が固定子、１１がコイル、１３が電流アンプ、１４が位置検出手段、１５が制御器、２０がスイッチ部である。
図７は電流アンプ１３から固定子１０へ供給される電流パターンを示す図である。図において、１０１がＵ相電流、１０２がＶ相電流、１０３がＷ相電流である。
図８、９は図７中のＡ、Ｂの位置におけるコイルの励磁パターンを示す図である。図において、１２はコイル１１の中性点、２１はスイッチ回路である。
可動子１は複数の界磁磁極を形成する永久磁石２から構成されている。可動子１は、図示しない支持機構により固定子１０と所定の空隙を介して相対移動できるようになっている。固定子１０は３相の電機子を形成する複数のコイル１１から構成されている。コイル１１は各相間で電気角１２０度ずらせて配置されている。コイル１１の始端は電流１０１、１０２、１０３が供給される３相の電力線と接続されている。コイル１１の終端はスイッチ部２０につながっており、スイッチ部２０の内部でスイッチ回路２１（図８）と接続されている。さらに、スイッチ部２０の内部では、スイッチ回路２１の終端がすべて接続され、中性点１２が形成されている。
制御器１５は、位置検出手段１４の可動子位置情報と電流検出手段（図示なし）によって得られた実電流情報をもとに電流の位相と振幅の指令値を生成する。電流アンプ１３は電流指令値どおりにコイル１１へ電流１０１、１０２、１０３を供給する。また、制御器１５は位置検出手段１４の可動子位置情報をもとに、励磁するコイル１１を選択し、スイッチ部２０へコイル選択信号を渡す。ここで、位置検出手段１４には例えばホール素子、リニアエンコーダ、レーザー干渉計等が用いられる。また、スイッチ回路２１（図８）にはコイル選択信号をもとに電流を高速にＯＮ／ＯＦＦすることができる半導体スイッチング素子、例えばトライアックが用いられる。
【０００５】
次に、励磁するコイルの選択方法について説明する。
図８には、図７のＡの位置における永久磁石２とコイル１１の相対位置関係、さらにスイッチ回路２１のＯＮ／ＯＦＦの状態が記されている。スイッチ回路２１によって励磁されているコイル数は各相３個である。同図に示すようにスイッチ回路２１がＯＮすることで、コイル１１には同図中に示す矢印（黒色）の向き電流が流れる。コイル１１に流れる電流と永久磁石２が生成するギャップの磁束密度との作用により、可動子１はフレミング左手の法則に基づく方向（白抜き矢印）に推力が発生し移動する。
図９は可動子１が図８の位置から右側に電気角で約１２０度移動した図である。図９には、図７のＢの位置における永久磁石２とコイル１１の相対位置関係、さらにスイッチ回路２１のＯＮ／ＯＦＦの状態が記されている。図８と同じくスイッチ回路２１によって励磁されているコイル数は各相３個であるが、Ｖ相のコイル１１が可動子１の移動方向に１個シフトして励磁されている。励磁されるＶ相のコイル１１が切り替わるタイミングは、Ｖ相の電流１０２がちょうどゼロになるときであり、図７で示すＣの位置である。このように、各相の電流１０１、１０２、１０３がマイナスからプラスになるゼロのときに、励磁されるコイル１１が切り替わり、可動子１には所定の推力が発生するようになっている。
このように構成された従来技術によるリニアモータ装置は、可動子に対向した部分のみに電流が供給されるので、所定の推力に対する発生銅損を小さくすることができる。さらに、所定の推力に対し余分な電流を供給する必要が無いので、電流アンプの容量を低減でき、リニアモータ装置を安価にすることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術のリニアモータ装置において選択された励磁コイルの始端−両端間には、可動子の永久磁石の移動にともない誘起電圧が発生した。ところが、図８及び図９に示すようにコイルを各相３個ずつ励磁した場合、可動子の両端もしくは外れた箇所のコイルと可動子の内側に位置するコイルとの間で誘起電圧に差が生じ、同図の点線矢印に示すような循環電流が発生した。その結果、次のような問題を起こした。
（１）  循環電流はコイル間を流れるため電流アンプ付近に設けた電流検出手段によって検出することができない。これは、循環電流を制御することができないことを意味している。例えば速度制御により一定速で可動子を移動させようとした場合、循環電流がコイル間で正負に変わりながら流れ、可動子には正負に変化する制動力が発生する。この制動力はいわゆる推力リプルとなって、可動子に速度リプルを生じさせた。
（２）  一定速で可動子を移動させるには、（１）の制動力に打ち勝つ推力を発生させなければならない。その結果、その推力を発生させる余分な電流を供給しなければならず、発生銅損が増加した。
（３）  上記（１）、（２）の問題を避けるため、可動子の内側に位置するコイルのみに励磁すれば、誘起電圧の差が生じないために循環電流は流れない。しかし、励磁するコイルの数が少なくなるため、所定の推力に対し電流の供給量を増やさなければならず、発生銅損が増加した。
また、上記問題点だけでなく、ストロークが長い用途へ適用しようとした場合、以下のような別の問題が生じた。
（４）  ストロークが長いと固定子長が長くなり、コイル数も増加する。従来のリニアモータ装置では、コイル数と同数のスイッチ回路が必要となるため、スイッチ回路の数が増大した。その結果、高価な装置になった。
（５）  スイッチ回路数の増加に伴い、スイッチ回路とコイル間、スイッチ回路と制御器の配線数も増大した。膨大な配線数となり、ますます高価な装置になった。
本発明は、このような問題点を鑑みてなされたものであり、複数のコイルを選択的に励磁して永久磁石を移動させる可動磁石形のリニアモータ装置において、励磁するコイル数に関わらずコイル間で循環電流がまったく生じることがなく、推力リプルと発生銅損を大幅に低減でき、さらには、ストロークが長くなってもスイッチ回路の数を低減し安価にすることができるリニアモータ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、リニアモータ装置に係り、複数のコイルを有する多相の電機子と、複数の永久磁石を有する界磁と、前記コイルに電流を供給し前記電機子と前記界磁を相対的に移動させる制御手段と、前記電流を供給する前記コイルを選択するスイッチ部を備えたリニアモータ装置において、前記スイッチ部を前記コイルの始端側と終端側にそれぞれ設けたことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のリニアモータ装置において、前記複数のコイルの各々が最近隣の同相コイルの一方との間で自らの始端と相手の終端とを、また、最近隣の同相コイルの他方との間で自らの終端と相手の始端とを、それぞれ渡り線で結線したことを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項２記載のリニアモータ装置において、前記始端側スイッチ部に電流供給をＯＮ／ＯＦＦする複数個の第１スイッチ回路を備え、前記終端側スイッチ部に電流供給をＯＮ／ＯＦＦする複数個の第２スイッチ回路を備え、前記第１スイッチ回路の個数をＮａ、前記第２スイッチ回路の個数をＮｂ、前記コイルの個数をＮｃとした場合、
Ｎｃ−Ｍ＝Ｉａ×Ｎａ＝Ｉｂ×Ｎｂ
ここで、Ｍは相数、ＩａとＩｂは自然数
としたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１および２記載の発明によると、複数のコイルの始端側と終端側に設けたスイッチ部Ａとスイッチ部Ｂのスイッチ回路をＯＮすることで、ＯＮしたスイッチ回路間のコイルが直列に接続され励磁されるようになっている。複数のコイルが直列接続して励磁されるので、コイル間で循環電流が流れることがない。よって、従来技術によるリニアモータ装置で生じていた制動力による推力リプルや余分な銅損を無くすことができる。
請求項３記載の発明によると、スイッチ部Ａおよびスイッチ部Ｂのスイッチ回路の個数を低減することで、ストロークが長い用途の場合でも安価にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明の第１の実施例であるリニアモータ装置の全体構成図である。図２、３は図７中のＡ、Ｂの位置におけるコイルの励磁パターンを示す図である。以下、同一のものについては同一の符号を付して説明する。図において１６は制御器、１７は渡り線、３０はスイッチ部Ａ、４０はスイッチ部Ｂ、３１はスイッチ回路Ａ、４１はスイッチ回路Ｂである。
まず、従来技術と本発明が同じ構成とするところについて説明する。
可動子１は複数の界磁磁極を形成する永久磁石２から構成されている。可動子１は、図示しない支持機構により固定子１０と所定の空隙を介して相対移動できるようになっている。固定子１０は３相電機子を形成する複数のコイル１１から構成されている。コイル１１は各相間で電気角１２０度ずれて配置されている。コイル１１の終端はスイッチ部Ｂ４０につながっており、スイッチ部Ｂ４０の内部でスイッチ回路Ｂ４１と接続されている。さらに、スイッチ部Ｂ４０の内部では、すべてのスイッチ回路Ｂ４１の終端が接続され中性点１２が形成されている。制御器１６は、位置検出手段１４の可動子位置情報と電流検出手段（図示なし）によって得られた実電流情報をもとに電流の位相と振幅の指令値を生成する。電流アンプ１３はその電流指令値をもとにコイル１１へ電流１０１、１０２、１０３を供給する。位置検出手段１４には例えばホール素子、リニアエンコーダ、レーザー干渉計等が用いられる。
【００１１】
次に、従来技術と本発明が異なる構成とするところについて説明する。
コイル１１の始端側と電流アンプ１３との間にスイッチ部Ａが挿入され、最近隣の同相コイル間の始端と終端が渡り線１７により結線されている。また、制御器１６は位置検出手段１４の可動子位置情報をもとに、励磁するコイルを選択し、スイッチ部Ｂ４０だけでなくスイッチ部Ａ３０にもコイル選択信号を渡している。また、スイッチ回路３１、４１には従来技術同様の半導体スイッチング素子、例えばトライアックが用いられる。
次に、励磁するコイルの選択方法について説明する。
図２には、図７のＡの位置における永久磁石２とコイル１１の相対位置関係、さらにスイッチ回路Ａ３１およびスイッチ回路Ｂ４１のＯＮ／ＯＦＦの状態が記されている。スイッチ回路Ａ３１およびにスイッチ回路Ｂ４１のよって励磁されているコイル数は各相３個である。ここで、ＯＮしているスイッチ回路Ａ３１は１個、スイッチ回路Ｂ４１は１個である。図示された箇所のスイッチ回路Ａ３１とスイッチ回路Ｂ４１がＯＮされることで、励磁されているコイルは同図中に示す矢印（黒色）の向き電流が流れる。つまり、ＯＮされたスイッチ回路Ａ３１とスイッチ回路Ｂ４１の間に位置するコイル１１が、渡り線１７を通して直列に接続されている。
このようにコイル１１が直列に励磁されることで、可動子１は永久磁石２による磁束密度との作用によりフレミング左手の法則に基づく方向（白抜き矢印）に推力が発生し移動することができる。
図３は可動子１が図２の位置から右側に電気角で約１２０度移動した図である。図３には、図７のＢの位置における永久磁石２とコイル１１の相対位置関係、さらにスイッチ回路Ａ３１、スイッチ回路Ｂ４１のＯＮ／ＯＦＦの状態が記されている。図２と同じくスイッチ回路Ａ３１およびスイッチ回路Ｂ４１によって励磁されているコイル数は各相３個であるが、Ｖ相のコイル１１が可動子１の移動方向に１個シフトして励磁されている。励磁されるＶ相のコイル１１が切り替わるタイミングは、従来技術同様、Ｖ相の電流１０２がちょうどゼロになるときであり、図７で示すＣの位置である。各相の電流１０１、１０２、１０３がマイナスからプラスに変わるゼロのときに励磁するコイル１１の切り替わりが行われ、可動子１には所定の推力が発生するようになっている。
以上のように、第１の実施例で構成されたリニアモータ装置は、推力リプル増大や銅損増加の原因であるコイル間の循環電流発生の問題に対し、励磁されるコイル間の接続が直列になるようにスイッチ回路とコイルを構成することで、循環電流が流れないようにして解決している。
なお、従来技術に対し第１の実施例の構成では渡り線１７が追加されているが、実際の固定子製造において渡り線１７はコイル結線用の基板（図示しない）内に銅箔でパターン化されるので、渡り線１７が増えることによる作業性の増加はまったくない。
【００１２】
次に第２の実施例について示す。
図４および図５は図７中のＡ、Ｂの位置におけるコイルの励磁パターンを表す図である。第１の実施例同様、同図に示すスイッチ回路Ａ３１とスイッチ回路Ｂ４１のＯＮにより矢印で示す向きに電流が流れる。図５では、図４に対し可動子１が電気角で約１２０度右側に移動し、Ｖ相の複数のコイルが右側にシフトして励磁されている。第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、スイッチ回路Ａ３１の個数をＮａ、スイッチ回路Ｂ４１の個数をＮｂ、コイル１１の個数をＮｃとした場合、
Ｎｃ−Ｍ＝Ｉａ×Ｎａ＝Ｉｂ×Ｎｂ
ここで、Ｍは相数、ＩａとＩｂは自然数
の関係にあることである。
図４および図５ではＮｃ＝３０、Ｍ＝３、Ｉａ＝３、Ｉｂ＝３、Ｎａ＝９、Ｎｂ＝９としている。第１の実施例では、同じく上式を満たすように、Ｎｃ＝１８、Ｍ＝３、Ｉａ＝１、Ｉｂ＝１、Ｎａ＝１５、Ｎｂ＝１５の関係となっている。
しかし、第１の実施例においてＮｃ＝３０で構成した場合、Ｎａ＝２７、Ｎｂ＝２７となる。
つまり、第１の実施例に対し第２の実施例ではスイッチ回路Ａ３１およびスイッチ回路Ｂ４１の個数を１／３に低減することができる。
【００１３】
以上のように、推力リプル増大や銅損増加の原因であるコイル間の循環電流発生の問題に対し、励磁されるコイル間の接続が直列になるようにスイッチ回路とコイルを構成することで、循環電流が流れないようにして解決している。さらに、第１の実施例よりもスイッチ回路数を低減することができるので、長ストロークの用途であっても、スイッチ回路を増数することがなく安価にすることができる。
以上の実施例では、位置検出手段を用いた例で示したが、この位置検出手段を無くし、誘起電圧の情報をもとに可動子位置を推定し励磁コイルの選択を行ったり、Ｖ／ｆ駆動で励磁コイルを選択し可動子を移動させ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無い。
また、固定子上に可動子１台の例で示したが、可動子を複数台搭載したりしても本発明の効果が得られることは言うまでも無い。さらには、固定子上に可動子を２台搭載し、スイッチ部Ａ、スイッチ部Ｂ、電流アンプを各２台用いてこれら可動子を独立制御で駆動させても良い。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
本発明は、長ストローク、低発熱、低推力リプルが要求される半導体製造装置、液晶製造装置、工作機械などの精密装置の直動機構に適用することで、装置自身の高精度化と高機能化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施例に係るリニアモータ装置の全体構成図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係るコイルの励磁パターンを示す図である。
【図３】可動子が図２から電気角で１２０度右側に移動したコイルの励磁パターンを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係るコイルの励磁パターンを示す図である。
【図５】可動子が図４から電気角で１２０度右側に移動したコイルの励磁パターンを示す図である。
【図６】従来技術のリニアモータ装置の全体構成図である。
【図７】３相の電流パターンを示す図である。
【図８】従来技術であるコイルの励磁パターンを示す図である。
【図９】可動子が図８から電気角で１２０度右側に移動したコイルの励磁パターンを示す図である。
【符号の説明】
【００１６】
１  可動子
２  永久磁石
１０  固定子
１１  コイル
１２  中性点
１３  電流アンプ
１４  位置検出手段
１５、１６  制御器
１７  渡り線
２０  スイッチ部
２１  スイッチ回路
３０  スイッチ部Ａ
３１  スイッチ回路Ａ
４０  スイッチ部Ｂ
４１  スイッチ回路Ｂ
１０１  Ｕ相電流
１０２  Ｖ相電流
１０３  Ｗ相電流
【図１】
2006087230.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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