(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向へ直線移動する可動部を有するリニアモータと、
該リニアモータの可動部に接続されており、該可動部と一体的に直線移動する第１可動子、及び該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子を有する移動方向変換機と、
前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に設けられており、前記リニアモータが駆動した場合に前記移動方向変換機の前記第１可動子及び前記第２可動子に働く反作用力を均衡させる重りと
を備え、
前記移動方向変換機は、
前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁性体を有する中間ヨークを備え、
前記第１可動子及び第２可動子は、
前記中間ヨークを介して対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された複数の磁極対を有することを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項２】
前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に接続された負荷を備え、
前記重り、前記リニアモータ、前記移動方向変換機及び前記負荷の質量と、前記移動方向変換機による第１可動子及び第２可動子の移動量の比とは下記式を満たす
ことを特徴とする請求項１に記載のリニア駆動装置。
Ｍａ／Ｍｂ＝α
但し、
Ｍａ：前記移動方向変換機の前記第１可動子側の質量
Ｍｂ：前記移動方向変換機の前記第２可動子側の質量
α：前記第１可動子の移動量に対する第２可動子の移動量の比
【請求項３】
上下方向へ直線移動する可動部を有するリニアモータと、
該リニアモータの可動部に接続されており、該可動部と一体的に直線移動する第１可動子、及び該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子を有する移動方向変換機と、
前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に設けられており、前記リニアモータが駆動した場合に前記移動方向変換機の前記第１可動子及び前記第２可動子に働く反作用力を均衡させる重りが取り付けられる重り取付部と
を備え、
前記移動方向変換機は、
前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁性体を有する中間ヨークを備え、
前記第１可動子及び第２可動子は、
前記中間ヨークを介して対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された複数の磁極対を有することを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項４】
前記重り取付部に取り付けられた重りを備える
ことを特徴とする請求項３に記載のリニア駆動装置。
【請求項５】
上下方向へ直線移動する可動部を有するリニアモータと、
該リニアモータの可動部に接続されており、該可動部と一体的に直線移動する第１可動子、及び該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子を有する移動方向変換機と、
前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に接続された負荷と
を備え、
前記移動方向変換機は、
前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁性体を有する中間ヨークを備え、
前記第１可動子及び第２可動子は、
前記中間ヨークを介して対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された複数の磁極対を有し、
前記リニアモータ、前記移動方向変換機及び前記負荷の質量と、前記移動方向変換機による第１可動子及び第２可動子の移動量の比とは下記式を満たす
ことを特徴とするリニア駆動装置。
Ｍａ／Ｍｂ＝α
但し、
Ｍａ：前記移動方向変換機の前記第１可動子側の質量
Ｍｂ：前記移動方向変換機の前記第２可動子側の質量
α：前記第１可動子の移動量に対する第２可動子の移動量の比
【請求項６】
前記移動方向における単位長さ当たりの前記磁性体の個数は、前記第１可動子及び第２可動子夫々が有する前記複数の磁極対の各個数の合計となるようにしてある
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載のリニア駆動装置。
【請求項７】
上下方向へ直線移動する可動部を有するリニアモータと、
該リニアモータの可動部に接続されており、該可動部と一体的に直線移動する第１可動子、及び該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子を有する移動方向変換機と、
前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に設けられており、前記リニアモータが駆動した場合に前記移動方向変換機の前記第１可動子及び前記第２可動子に働く反作用力を均衡させる重りと
を備え、
前記移動方向変換機は、
前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁極対を有する固定子を備え、
前記第１可動子（又は前記第２可動子）は、
前記固定子に対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された複数の磁性体を有し、
前記第２可動子（又は前記第１可動子）は、
前記第１可動子(又は前記第２可動子)を介して、前記固定子に対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁極対を有することを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項８】
前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に接続された負荷を備え、
前記重り、前記リニアモータ、前記移動方向変換機及び前記負荷の質量と、前記移動方向変換機による第１可動子及び第２可動子の移動量の比とは下記式を満たす
ことを特徴とする請求項７に記載のリニア駆動装置。
Ｍａ／Ｍｂ＝α
但し、
Ｍａ：前記移動方向変換機の前記第１可動子側の質量
Ｍｂ：前記移動方向変換機の前記第２可動子側の質量
α：前記第１可動子の移動量に対する第２可動子の移動量の比
【請求項９】
上下方向へ直線移動する可動部を有するリニアモータと、
該リニアモータの可動部に接続されており、該可動部と一体的に直線移動する第１可動子、及び該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子を有する移動方向変換機と、
前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に設けられており、前記リニアモータが駆動した場合に前記移動方向変換機の前記第１可動子及び前記第２可動子に働く反作用力を均衡させる重りが取り付けられる重り取付部と
を備え、
前記移動方向変換機は、
前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁極対を有する固定子を備え、
前記第１可動子（又は前記第２可動子）は、
前記固定子に対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された複数の磁性体を有し、
前記第２可動子（又は前記第１可動子）は、
前記第１可動子(又は前記第２可動子)を介して、前記固定子に対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁極対を有することを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項１０】
前記重り取付部に取り付けられた重りを備える
ことを特徴とする請求項９に記載のリニア駆動装置。
【請求項１１】
上下方向へ直線移動する可動部を有するリニアモータと、
該リニアモータの可動部に接続されており、該可動部と一体的に直線移動する第１可動子、及び該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子を有する移動方向変換機と、
前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に接続された負荷と
を備え、
前記移動方向変換機は、
前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁極対を有する固定子を備え、
前記第１可動子（又は前記第２可動子）は、
前記固定子に対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された複数の磁性体を有し、
前記第２可動子（又は前記第１可動子）は、
前記第１可動子(又は前記第２可動子)を介して、前記固定子に対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁極対を有し、
前記リニアモータ、前記移動方向変換機及び前記負荷の質量と、前記移動方向変換機による第１可動子及び第２可動子の移動量の比とは下記式を満たす
ことを特徴とするリニア駆動装置。
Ｍａ／Ｍｂ＝α
但し、
Ｍａ：前記移動方向変換機の前記第１可動子側の質量
Ｍｂ：前記移動方向変換機の前記第２可動子側の質量
α：前記第１可動子の移動量に対する第２可動子の移動量の比
【請求項１２】
前記移動方向における単位長さ当たりの前記磁性体の個数は、前記第２可動子（又は前記第１可動子）と、前記固定子とが夫々有する前記複数の磁極対の各個数の差分となるようにしてある
ことを特徴とする請求項７乃至請求項１１のいずれか一つに記載のリニア駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアモータの駆動電流が途絶えた際、リニアモータの可動部が自重で自由落下することを防止することができるリニア駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リニアモータは、非接触で直接駆動可能なモータであるため、精密ステージ、半導体製造装置等の工業機械に多く用いられている。ところが、垂直方向に稼働するリニアモータが、駆動電流を失った場合に可動部の自重で自由落下してしまい、機器が損傷するという問題がある。
【０００３】
この問題を回避する方法としては、リニアモータの可動部にワイヤーを接続し、滑車を介して可動子と重量バランスを取るカウンターウェイトと接続する方策がある。
また、リニアモータの駆動電流が途絶えて可動部が自然落下した場合、該可動部の落下を強制的に停止させる機械式ストッパを設ける例もある。
【０００４】
一方、特許文献１，２には、リニア型磁気歯車機構が開示され、非特許文献１には、モータから出力されるトルクを伝達する磁気歯車機構が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００９／０８７４０９号
【特許文献２】国際公開第２０１０−０３１４６０号
【特許文献３】特開２００３−１９５９４５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】池田哲也・中村健二・一ノ倉理、「永久磁石式磁気ギアの効率向上に関する一考察」、磁気学会論文誌、２００９年、３３巻、２号、１３０−１３４頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ワイヤーで接続されたカウンターウェイトを備える方法では、リニアモータの非接触伝達駆動の利点をそこなうため、好ましくない。また、機械式ストッパでリニアモータの可動子を停止させた場合、装置の一部が損傷するおそれがあった。
【０００８】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ワイヤーで接続されるカウンターウェイトや、機械式ストッパを設けることなく、リニアモータの駆動電流が途絶えた際、リニアモータの可動子が自由落下することを防止することができるリニア駆動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】
【０００９】
第１発明に係るリニア駆動装置は、上下方向へ直線移動する可動部を有するリニアモータと、該リニアモータの可動部に接続されており、該可動部と一体的に直線移動する第１可動子、及び該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子を有する移動方向変換機と、前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に設けられており、前記リニアモータが駆動した場合に前記移動方向変換機の前記第１可動子及び前記第２可動子に働く反作用力を均衡させる重りとを備え、前記移動方向変換機は、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁性体を有する中間ヨークを備え、前記第１可動子及び第２可動子は、前記中間ヨークを介して対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された複数の磁極対を有することを特徴とする。
【００１０】
第２発明に係るリニア駆動装置は、前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に接続された負荷を備え、前記重り、前記リニアモータ、前記移動方向変換機及び前記負荷の質量と、前記移動方向変換機による第１可動子及び第２可動子の移動量の比とは下記式を満たすことを特徴とする。
Ｍａ／Ｍｂ＝α
但し、
Ｍａ：前記移動方向変換機の前記第１可動子側の質量
Ｍｂ：前記移動方向変換機の前記第２可動子側の質量
α：前記第１可動子の移動量に対する第２可動子の移動量の比
【００１１】
第３発明に係るリニア駆動装置は、上下方向へ直線移動する可動部を有するリニアモータと、該リニアモータの可動部に接続されており、該可動部と一体的に直線移動する第１可動子、及び該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子を有する移動方向変換機と、前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に設けられており、前記リニアモータが駆動した場合に前記移動方向変換機の前記第１可動子及び前記第２可動子に働く反作用力を均衡させる重りが取り付けられる重り取付部とを備え、前記移動方向変換機は、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁性体を有する中間ヨークを備え、前記第１可動子及び第２可動子は、前記中間ヨークを介して対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された複数の磁極対を有する。
【００１２】
第４発明に係るリニア駆動装置は、前記重り取付部に取り付けられた重りを備えることを特徴とする。
【００１３】
第５発明に係るリニア駆動装置は、上下方向へ直線移動する可動部を有するリニアモータと、該リニアモータの可動部に接続されており、該可動部と一体的に直線移動する第１可動子、及び該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子を有する移動方向変換機と、前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に接続された負荷とを備え、前記移動方向変換機は、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁性体を有する中間ヨークを備え、前記第１可動子及び第２可動子は、前記中間ヨークを介して対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された複数の磁極対を有し、前記リニアモータ、前記移動方向変換機及び前記負荷の質量と、前記移動方向変換機による第１可動子及び第２可動子の移動量の比とは下記式を満たすことを特徴とする。
Ｍａ／Ｍｂ＝α
但し、
Ｍａ：前記移動方向変換機の前記第１可動子側の質量
Ｍｂ：前記移動方向変換機の前記第２可動子側の質量
α：前記第１可動子の移動量に対する第２可動子の移動量の比
【００１４】
第６発明に係るリニア駆動装置は、前記移動方向における単位長さ当たりの前記磁性体の個数は、前記第１可動子及び第２可動子夫々が有する前記複数の磁極対の各個数の合計となるようにしてあることを特徴とする。
【００１５】
第７発明に係るリニア駆動装置は、上下方向へ直線移動する可動部を有するリニアモータと、該リニアモータの可動部に接続されており、該可動部と一体的に直線移動する第１可動子、及び該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子を有する移動方向変換機と、前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に設けられており、前記リニアモータが駆動した場合に前記移動方向変換機の前記第１可動子及び前記第２可動子に働く反作用力を均衡させる重りとを備え、前記移動方向変換機は、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁極対を有する固定子を備え、前記第１可動子（又は前記第２可動子）は、前記固定子に対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された複数の磁性体を有し、前記第２可動子（又は前記第１可動子）は、前記第１可動子(又は前記第２可動子)を介して、前記固定子に対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁極対を有することを特徴とする。
第８発明に係るリニア駆動装置は、前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に接続された負荷を備え、前記重り、前記リニアモータ、前記移動方向変換機及び前記負荷の質量と、前記移動方向変換機による第１可動子及び第２可動子の移動量の比とは下記式を満たすことを特徴とする。
Ｍａ／Ｍｂ＝α
但し、
Ｍａ：前記移動方向変換機の前記第１可動子側の質量
Ｍｂ：前記移動方向変換機の前記第２可動子側の質量
α：前記第１可動子の移動量に対する第２可動子の移動量の比
第９発明に係るリニア駆動装置は、上下方向へ直線移動する可動部を有するリニアモータと、該リニアモータの可動部に接続されており、該可動部と一体的に直線移動する第１可動子、及び該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子を有する移動方向変換機と、前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に設けられており、前記リニアモータが駆動した場合に前記移動方向変換機の前記第１可動子及び前記第２可動子に働く反作用力を均衡させる重りが取り付けられる重り取付部とを備え、前記移動方向変換機は、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁極対を有する固定子を備え、前記第１可動子（又は前記第２可動子）は、前記固定子に対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された複数の磁性体を有し、前記第２可動子（又は前記第１可動子）は、前記第１可動子(又は前記第２可動子)を介して、前記固定子に対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁極対を有することを特徴とする。
第１０発明に係るリニア駆動装置は、前記重り取付部に取り付けられた重りを備えることを特徴とする。
第１１発明に係るリニア駆動装置は、上下方向へ直線移動する可動部を有するリニアモータと、該リニアモータの可動部に接続されており、該可動部と一体的に直線移動する第１可動子、及び該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子を有する移動方向変換機と、前記第１可動子、前記第２可動子又は前記リニアモータの可動部に接続された負荷とを備え、前記移動方向変換機は、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁極対を有する固定子を備え、前記第１可動子（又は前記第２可動子）は、前記固定子に対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された複数の磁性体を有し、前記第２可動子（又は前記第１可動子）は、前記第１可動子(又は前記第２可動子)を介して、前記固定子に対向しており、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁極対を有し、前記リニアモータ、前記移動方向変換機及び前記負荷の質量と、前記移動方向変換機による第１可動子及び第２可動子の移動量の比とは下記式を満たすことを特徴とする。
Ｍａ／Ｍｂ＝α
但し、
Ｍａ：前記移動方向変換機の前記第１可動子側の質量
Ｍｂ：前記移動方向変換機の前記第２可動子側の質量
α：前記第１可動子の移動量に対する第２可動子の移動量の比
第１２発明に係るリニア駆動装置は、前記リニアモータの可動部の移動方向に沿って略等間隔に配された磁極対を有し、前記移動方向における単位長さ当たりの前記磁性体の個数は、前記第２可動子（又は前記第１可動子）と、前記固定子とが夫々有する前記複数の磁極対の各個数の差分となるようにしてあることを特徴とする。
【００１６】
第１、第２、第７及び第８発明にあっては、リニアモータの可動部には移動方向変換機が設けられている。移動方向変換機は、リニアモータの可動部と一体的に直線移動する第１可動子と、該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子とを有する。また、第１可動子、第２可動子又は前記リニアモータの可動部には、リニアモータの可動部、第１及び第２可動子に重力加速度が働いた場合に移動方向変換機の第１可動子及び第２可動子に働く反力を均衡させるための重りが設けられているため、リニア駆動装置全体に加わる力は相殺する。言い換えると、リニアモータの可動部が降下することによる第１可動子側を構成する部材の位置エネルギーの減少量と、第１可動子の降下に伴う第２可動子の上昇による第２可動子側を構成する部材の位置エネルギーの増加量とが略同一である。このため、リニア駆動装置の系全体の位置エネルギーは、第１可動子及び第２可動子が昇降しても変化せず、一定である。従って、重力加速度による可動部の加速は生じず、リニアモータの駆動電流が失われたとしても、可動部は自由落下しない。
【００１７】
第３、第４、第９及び第１０発明にあっては、重り取付部を備えており、負荷に応じた重りを適宜取り付けることが可能である。
【００１８】
第５及び第１１発明にあっては、リニアモータの可動部には移動方向変換機が設けられている。移動方向変換機は、リニアモータの可動部と一体的に直線移動する第１可動子と、該第１可動子に対して逆向きに直線移動する第２可動子とを有する。また、第１可動子側と、第２可動子側の質量は、リニアモータの可動部、第１及び第２可動子に重力加速度が働いた場合に移動方向変換機の第１可動子及び第２可動子に働く反力が拮抗するように設定しているため、リニア駆動装置全体に加わる力は相殺する。このため、リニア駆動装置の系全体の位置エネルギーは、第１可動子及び第２可動子が昇降しても変化せず、一定である。従って、重力加速度による可動部の加速は生じず、リニアモータの駆動電流が失われたとしても、可動部は自由落下しない。
【００１９】
第１乃至第１２発明にあっては、第１可動子と、第２可動子と、中間ヨーク又は固定子とは直動磁気歯車を構成しているため、非接触で第１可動子及び第２可動子は直線移動する。従って、リニアモータの可動部の自由落下を防止することができ、通常使用時においては、非接触機構で第１可動子及び第２可動子を磁気結合させておくことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ワイヤーで接続されるカウンターウェイトや、機械式ストッパを設けることなく、リニアモータの駆動電流が途絶えた際、リニアモータの可動子が自由落下することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施の形態に係るリニア駆動装置の一構成例を示した斜視図である。
【図２】直線移動方向に直交する方向から見たリニア駆動装置の側断面図である。
【図３】直線移動方向から見たリニア駆動装置の平断面図である。
【図４】移動方向変換機の要部を示した分解斜視図である。
【図５】リニア駆動装置の動作説明図である。
【図６】リニア駆動装置の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
図１は、本実施の形態に係るリニア駆動装置の一構成例を示した斜視図、図２は、直線移動方向に直交する方向から見たリニア駆動装置の側断面図、図３は、直線移動方向から見たリニア駆動装置の平断面図である。なお図２中(負荷５をのぞき)ハッチングが付された部分は、磁石又は磁性体で構成されている部分を示している。ベース１に設けられた本実施の形態に係るリニア駆動装置は、上下方向に直線移動する可動部２２を有するリニアモータ２と、可動部２２に接続されており、該可動部２２と一体的に直線移動する第１可動子３１、及び該第１可動子３１に対して逆向きに直線移動する第２可動子３２を有する移動方向変換機３と、第２可動子３２に設けられており、リニアモータ２が駆動した場合に移動方向変換機３の第１可動子３１及び第２可動子３２に働く反作用力を均衡させる重り３５とを備える。本実施の形態に係るリニア駆動装置は、精密ステージ、半導体製造装置等の工業機械に適用することができるが、以下では負荷５を有する一般的な装置を想定して説明する。負荷５は、例えば、可動部２２に取り付けられている。なお、負荷５は、第１可動子３１又は第２可動子３２に固定するように構成しても良い。
【００２３】
リニアモータ２は、長手方向に沿って略等間隔に複数の磁極対が配された長尺平板状の固定子２１を備え、固定子２１はベース１に立設されている。固定子２１の両長辺側には、その長手方向に沿ってリニアモータスライドレール２３が立設されている。また、リニアモータ２は、間隙を有して固定子２１に対向するように、各リニアモータスライドレール２３に沿って移動可能に支持された可動部２２とを備える。可動部２２は、固定子２１の長手方向に沿って略等間隔に複数の磁極対が配されている。固定子２１及び可動部２２の一方は、永久磁石で構成され、他方は電磁石で構成されている。電磁石への通電は図示しない制御部によって制御されており、電磁石の励磁方向を順次変化させることによって、可動部２２は、固定子２１に沿って直線移動する。
【００２４】
移動方向変換機３は、例えば空間高調波型の直動磁気歯車であり、可動部２２の移動方向に沿って略等間隔に配された磁性体を有する中間ヨーク３３と、前記中間ヨーク３３を介して対向している第１可動子３１及び第２可動子３２とを備える。また、移動方向変換機３は、可動部２２の移動方向に沿ってベース１に立設された移動方向変換機用スライドレール３４を備える。
【００２５】
図４は、移動方向変換機３の要部を示した分解斜視図である。第１可動子３１は、可動部２２の移動方向に長い矩形板状をなし、図１に示すように、可動部２２に接続されている。第１可動子３１は、磁性体からなる板３１１を有し、板３１１の横面には、厚さ方向に着磁された右側Ｎ極の磁石３１２ａ及び右側Ｓ極の磁石３１２ｂからなる磁極対３１２が、可動部２２の移動方向に沿って単位長さΔＬ当たり６個配されている。ここでは、第１可動子３１の長手方向の寸法は、例えば単位長さΔＬの２／３倍である。したがって、第１可動子３１は、６×２／３＝４個の磁極対３１２を有している。なお、厚さ方向に着磁された磁石とは、左側及び右側が異極となるよう着磁されていることを意味する。例えば、磁石３１２ａは、左側及び右側がＳ極及びＮ極に着磁され、磁石３１２ｂは、右側及び左側夫々がＮ極及びＳ極に着磁されている。
【００２６】
第２可動子３２は、図４に示すように、可動部２２の移動方向に沿って略等間隔に配された複数の磁極対３２２を有し、中間ヨーク３３を介して第１可動子３１と対向している。第２可動子３２は、磁性体からなる長尺の板３２１を有し、板３２１の横面には、厚さ方向に着磁された左側Ｎ極の磁石３２２ａ及び左側Ｓ極の磁石３２２ｂからなる磁極対３２２が、可動部２２の移動方向に沿って単位長さΔＬ当たり１４個配されている。ここでは、第２可動子３２の長手方向の長さは、例えば単位長さΔＬの３／２倍である。したがって、第２可動子３２は、１４×３／２＝２１個の磁極対３２２を有している。
磁極対３１２と磁極対３２２は中間ヨーク３３を介して対向する様にそれぞれ板３１１及び３２１に配されている。
【００２７】
中間ヨーク３３は、長尺板状をなし、その長手方向が移動方向変換機用スライドレール３４の長手方向と同じ方向を向き、第１可動子３１と第２可動子３２との間に間隙を有して配され、その下端部がベース１に固定されている。中間ヨーク３３は、例えば、図４に示すように、第１可動子３１及び第２可動子３２夫々が有する磁極対３１２，３２２の単位長さΔＬ当たりの個数６及び１４の合計となる２０個の強磁性の磁性体３３１を等間隔に長手方向に沿って単位長さΔＬ毎に保持している。中間ヨーク３３の長手方向の長さは、単位長さΔＬの２倍である。
ここで強磁性の磁性体とは軟磁性体のことをいい、又磁性体とは軟磁性体のことを指す。
【００２８】
より一般的には、前記長手方向に沿って第１可動子３１に配された磁極対３１２の単位長さΔＬ当たり個数がｐｈ、前記長手方向に沿って第２可動子３２に配された磁極対３２２の単位長さΔＬ当たり個数がｐｌ、前記長手方向に沿って中間ヨーク３３に配された磁性体３３１の単位長さΔＬ当たり個数がｎｓである場合、下記式（１）を満たすように各磁極対３１２，３２２及び磁性体３３１の個数を合わせる。
ｐｌ＋ｐｈ＝ｎｓ…（１）
【００２９】
このように構成された移動方向変換機３においては、リニアモータ２への給電が途絶えるなどして、可動部２２と共に第１可動子３１が下方へ移動しようとした場合、第１可動子３１及び第２可動子３２夫々が有する磁極対３１２、３２２間の磁気的相互作用により、第１可動子３１とは逆方向に第２可動子３２が移動する（池田哲也・中村健二・一ノ倉理、「永久磁石式磁気ギアの効率向上に関する一考察」、磁気学会論文誌、２００９年、３３巻、２号、１３０−１３４頁参照）。つまり、第１可動子３１が移動しようとした場合、第１可動子３１からの磁束の空間高調波が中間ヨーク３３により変調され、第２可動子３２側の磁極対ピッチと同じ周期の空間高調波が生成される。上記式（１）が成立するときに、第１可動子３１を移動させると、第２可動子３２は単位長さ当たりの磁極対ピッチと反比例した減速比で移動する。第２可動子３２に配置してある磁極対の単位長さΔＬ当たりの個数ｐｌと、第１可動子３１に配置してある磁極対の単位長さΔＬ当たりの個数ｐｈとの比ｐｈ／ｐｌが第２可動子３２に対する第１可動子３１のギア比となる。図４に示す磁気ギア装置の例では、ギア比３／７となる。
このため、リニアモータ２の可動部２２と共に第１可動子３１が移動した場合、第２可動子３２は第１可動子３１よりもゆっくり逆方向へ移動する。
なお、ここでは、第１可動子３１における単位長さΔＬあたりの磁極対３１２の個数が、第２可動子３２における単位長さΔＬあたりの磁極対３２２の個数より小さい場合、つまり第１可動子３１の直線移動量に対して、第２可動子３２の移動量が小さくなる場合について説明したが、第１可動子３１の移動量に対して第２可動子３２の移動量が大きくなる場合にも本発明は適用できる。
また、第１可動子３１及び第２可動子３２の長手方向の寸法をそれぞれΔＬ×２／３、ΔＬ×３／２、中間ヨーク３３の長手方向の寸法がΔＬ×２の場合を説明したが、所定範囲を移動する第１可動子３１と、第２可動子３２とが同期ずれしない磁力で結合できていれば十分であり、第１可動子３１、第２可動子３２及び中間ヨーク３３の長さは特に限定されない。例えば、上述の実施の形態において、中間ヨーク３３の長手方向の寸法を、第１可動子３１と略同一寸法になるように構成しても良い。
更に、第１可動子３１及び第２可動子３２の磁気結合力を増強するために、第１可動子３１及び第２可動子３２の長手方向の寸法をΔＬ、中間ヨーク３３の長手方向の寸法を２ΔＬとしても良い。第１及び第２可動子３１，３２及び中間ヨーク３３に配されている、第１可動子３１はΔＬの長さに磁極対を６個、第２可動子３２はΔＬの長さに磁極対を１４個、中間ヨーク３３は２ΔＬの長さに磁性体を４０個、長手方向に等配している。
本明細書では磁極対を二つの磁石で形成したが、一つの磁石を等分にＮＳ着磁して磁極対を形成しても良い。
【００３０】
重り３５は、例えば、第２可動子３２の側面に固定された板状の部材である。重り３５の固定位置は特に限定されないが、第２可動子３２の重心位置など、重量バランスが取れる位置に固定すると良い。また、重り３５の大きさ及び部材は特に限定されない。更に、小さな重り３５でリニア駆動装置に加わる反作用力を相殺するためには、重り３５の密度を大きくすると良い。重り３５は、第２可動子３２に着脱不能に固定しても良いし、適宜着脱できるように構成しても良い。例えば、重り３５を着脱自在に固定する重り取付部４を第２可動子３２に設け、負荷５の質量に応じて、後述の式（２）を満たす質量を有する重り３５を前記重り取付部４に取り付けるように構成しても良い。重り取付部４は、例えば、重り３５を第２可動子３２に締結するためのネジ孔、重り３５が嵌合する凹部、重り３５を係止する爪部材などで構成される。
【００３１】
リニア駆動装置の自由落下を抑えることができる重り３５の質量は下記式を満たすように第２可動子３２に配置される。
Ｍａ×ａ＝Ｍｂ×ｂ…（２）
【００３２】
ここで、Ｍａは、可動部２２、第１可動子３１からなる直線移動部分の質量の総和である。Ｍｂは、第２可動子３２、重り３５及び重り取付部４からなる直線移動部分の質量の総和である。ａ、ｂは、移動方向変換機３の第１可動子３１及び第２可動子３２の移動量である。つまり、第１可動子３１の移動量：第２可動子３２の移動量＝ａ：ｂである。なお、特許請求の範囲における変数αは、第１可動子３１の移動量に対する第２可動子３２の移動量の比、即ちｂ／ａである。
【００３３】
次に、本実施の形態に係るリニア駆動装置の作用について説明する。
図５及び図６は、リニア駆動装置の動作説明図である。図５に示すように、可動部２２が下方向へ移動した場合、移動方向変換機３の第２可動子３２は上方向へ移動する。可動部２２に連結している第１可動子３１と、第２可動子３２との質量及び移動量の比は、上記式（２）を満たすため、第１可動子３１及び第２可動子３２に働く力は互いに相殺される。
同様に、図６に示すように、可動部２２が上方向へ移動した場合、移動方向変換機３の第２可動子３２は下方向へ移動する。可動部２２に連結している第１可動子３１と、第２可動子３２との質量及び移動量の比は、上記式（２）を満たすため、第１可動子３１及び第２可動子３２に働く力は互いに相殺する。
従って、リニアモータの可動部２２、第１可動子３１及び第２可動子３２に重力が働いている状態で第１可動子３１及び第２可動子３２が昇降した場合、第１可動子と一体的に移動する部材の位置エネルギーが変化するが、その変化量は、第２可動子と一体的に移動する部材の位置エネルギーの変化量と正負が逆で絶対値が略等しくなる。
なお本実施の形態では第１可動子３１は、長手方向の長さ４／３ΔＬの範囲で移動することができる。
【００３４】
このように構成されたリニア駆動装置にあっては、リニア駆動装置の系全体の位置エネルギーは、第１可動子３１及び第２可動子３２が昇降しても変化せず、一定である。従って、ワイヤーで接続されるカウンターウェイト、機械式ストッパを設けなくても、リニアモータの駆動電流が途絶えた際、重力による可動部２２の加速は生じず、可動部２２が自由落下することを防止することができる。
又反力を相殺することから、このリニア駆動装置を電子部品のマウンタやＩＣボンダなどに使用しても振動を抑制できているので、振動、騒音の低減が期待できるほか、部品のマウント精度の向上も期待できる。
【００３５】
また、移動方向変換機３は、直動磁気歯車機構であるため、第２可動子３２を第１可動子３１に対して非接触で逆方向へ移動させることができ、不要な摩擦力が発生せず、効率的である。
【００３６】
更に、第２可動子３２は、第１可動子３１の移動に対して逆向きに移動するが、この移動は、受動的な移動であるため、可動部２２の自由落下を防止する処理は受動的であり、安定性に優れている。
【００３７】
更にまた、本実施の形態に係るリニア駆動装置を利用することによって、搬送装置、露光装置、マウンタ、ロボットなどの精度向上、装置の小型軽量化などが実現できる。
【００３８】
なお、実施の形態では、重りを第２可動子３２に固定する例を説明したが、第１可動子３１又はリニアモータ用可動子に固定しても良い。
【００３９】
また、重りを設けることで上記式（２）を満たすように構成してあるが、重りが無くとも、上記式（２）を満たすのであれば、重りを設けなくても良い。
【００４０】
更に、本実施の形態では、リニアモータ２と、移動方向変換機３とが互いに面対向しているが、リニアモータ及び移動方向変換機３の側面が対向するように構成しても良い。
【００４１】
更にまた、実施の形態に係るリニア駆動装置の移動方向変換機は、中間ヨーク３３を固定した構成であったが、実施の形態における第２可動子３２をベース１に固定し、中間ヨーク３３を移動可能に構成しても良い。例えば、実施の形態における第２可動子３２を固定子（以下、変換機用固定子という。）とし、実施の形態における中間ヨーク３３を可動子（以下、第２中間ヨーク可動子という。）として構成すると良い。この場合、長手方向に沿って第１可動子３１に配された磁極対の単位長さΔＬ当たり個数がｐｈ、前記長手方向に沿って変換機用固定子に配された磁極対の単位長さΔＬ当たり個数がｐｌ、前記長手方向に沿って第２中間ヨーク可動子に配された磁性体の単位長さΔＬ当たり個数がｎｓである場合、下記式（３）を満たすように各磁極対及び磁性体の個数を合わせる。
ｎｓ+ｐｈ＝ｐｌ…（３）
【００４２】
また、上述の変形例では、実施の形態における第２可動子３２を固定子として構成した場合を説明したが、実施の形態における第１可動子３１を変換機用固定子として、可動部２２を第２可動子又は中間ヨークに連結するように構成しても良い。この場合、例えば、第２可動子は、例えば、変換機用固定子及び第１可動子夫々が有する磁極対の単位長さΔＬ当たりの個数６及び１４の差分となる８個の強磁性の磁性体を等間隔に長手方向に沿って保持している。
【００４３】
変形例にあっては、実施の形態と同様、ワイヤーで接続されるカウンターウェイト、機械式ストッパを設けることなく、リニアモータの駆動電流が途絶えた場合であっても、リニアモータの可動子が自由落下することを防止することができる。
又反力を相殺することから、このリニア駆動装置を電子部品のマウンタやＩＣボンダなどに使用しても振動を抑制できているので、振動、騒音の低減が期待できるほか、部品のマウント精度の向上も期待できる。
【００４４】
本明細書では、移動方向変換機３を構成する磁気ギアの一次側の質量と、二次側の質量×ギア比が一致する場合について述べたが、完全に一致していなくても反力相殺効果は期待できる。なお、一次側の質量とは、移動方向変換機３の第１可動子３１側の質量であり、二次側の質量とは、移動方向変換機３の第２可動子３２側の質量である。
例えば電子部品のマウンタのようなケースにおいて、電子部品をマウンタに載置してある状態と無い状態でも重量は異なる。またマウンタに空気や電気を送る配管や配線の位置でも負荷は異なる。
このような場合でも反力相殺機構が無い場合に比べて落下(自由落下)の加速度は低減される。また振動発生も大幅に低減される。
【００４５】
本願発明の更なる応用例として磁気ギアを利用することで振動を低減し高速駆動が可能な電子部品のマウンタやＩＣボンダを実現できる。
この場合にはモータ駆動側、即ち移動方向変換機３を構成する磁気ギアの一次側である第１可動子３１の単位長さΔＬあたりの磁極対数をｐｌとし、二次側である第２可動子３２の単位長さΔＬあたりの磁極対数をｐｈとすることで、一次側の可動子の移動量に対して二次側の可動子の移動量の移動量を大きくし、二次側可動子にマウンタやボンダのヘッドを載置すると、一次側であるモータ駆動側のストロークが短く、速度が低い状態で、二次側に載置したマウンタやボンダの高速駆動を行うことができる。また反力は相殺されているので低振動や低騒音を実現することができる。
【００４６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味では無く、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４７】
１  ベース
２  リニアモータ
３  移動方向変換機
４  重り取付部
５  負荷
２１  固定子
２２  可動部
２３  スライドレール
３１  第１可動子
３２  第２可動子
３３  中間ヨーク
３４  移動方向変換機用スライドレール
３５  重り
【図１】
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【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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