(57)【要約】【課題】分析機器や各種検査装置の試料搭載用X-Yステージ等に使用されるリニアモータは、所望の推進力を得るためには薄型化に限度があり、漏洩する磁束も多く、組み込み設計の自由度が低かった。【解決手段】本発明は、可動子を構成する一対の磁石列を所定の間隙を形成して配置するとともに、前記間隙内に固定子を構成する電気子列を配置することで、各磁石列の永久磁石から発生する磁束を、電気子列の電気子コアに効率的に作用させ、かつ各磁石列の対向面の反対側側面にヨークを配置することで磁束の漏れを低減し、高推力・薄型化を可能とした薄型リニアモータの提供を実現する。【選択図】図2
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一軸方向に移動自在に支持される可動プレートと、可動プレートの一方主面に複数の永久磁石を可動プレートの移動方向と同方向に配列してなる一対の磁石列を可動プレートの移動方向と直角方向に所定の間隙を形成して対向配置し、各永久磁石が一対の磁石列対向方向に磁化されるとともに可動プレートの移動方向に隣接する永久磁石の磁化の向きが交互に逆向きとなり、かつ前記間隙を介して対向位置に配置される永久磁石の磁化の向きが同じである可動磁石列と、各磁石列の対向面の反対側側面に配置されるヨークとを有する可動子と、前記一対の磁石列にて形成される間隙内に配置され、励磁コイルを巻回してなる軟質磁性材料からなる複数の電気子コアを可動プレートの移動方向と同方向に配列するとともに当該励磁コイルへ印加する励磁電流によって電気子コアを前記一対の磁石列対向方向に磁化可能な電気子列と、当該電気子列を支持するベースプレートとを有する固定子からなる薄型リニアモータ。
【請求項２】
前記可動プレートが軟質磁性材料からなり、ベースプレートが非磁性材料からなる請求項1に記載の薄型リニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分析機器や各種検査装置の試料搭載用X-Yステージのような薄型化が求められているステージに使用するリニアモータに関する。さらに好ましくは、分析機器などリニアモータからの磁束の漏れによる周辺機器への悪影響が懸念されるような用途に用いる薄型リニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、分析機器や各種検査装置の試料搭載用X-Yステージ等に使用されるリニアモータとして種々の構造が提案されている。
【０００３】
特許文献1（特開2004-7884号公報）には、ベース上に複数の永久磁石を所定方向に配列してなる永久磁石列を配置した固定子と、コイルを嵌装した複数の磁極部材を所定方向に配列するとともに当該磁極部材の一方端を前記永久磁石列と空隙を介して対向配置し、かつ他方端をヨークにて一体的に固定してなる可動子とを有する構造が提案されている。なお、上記永久磁石は、ベースの永久磁石配置面に対して垂直な方向に磁化されており、隣り合う永久磁石の磁化の向きは交互に異なっている。
【０００４】
また、特許文献2（特開2006−54974号公報）には、図6に示す構造からなる高推力を実現したリニアモータが提案されている。この構造は板状ヨーク111の両面に可動子116
の移動方向に配列した複数の永久磁石112を配置する固定子113と、各永久磁石112に対向して電機子コイル115が巻かれた電機子コア114を配置する一対の可動子116を有する。また、電機子コア114は図示の如く、永久磁石12と対向する端部と異なる端部が一体的に接続されている。なお、上記永久磁石112は、板状ヨーク111の永久磁石配置面に対して垂直な方向に磁化されており、隣り合う永久磁石112の磁化の向きは交互に異なるとともに、板上ヨーク111を介して向かい合う2つの永久磁石112は磁化の向きが逆になっている。
【０００５】
特許文献3（特開2003-134792号公報）には、図7に示す構造からなる漏れ磁束の低減を実現したリニアモータが提案されている。この構造は、複数の永久磁石203を配列した一対のヨーク201、202からなる界磁極204と電機子（図示せず）からなるリニアモータにおいて、互いに対向したヨーク201、202を、その長手方向に向かって所定の間隔を置いて複数の平板状磁性体206で連結したものであり、漏れ磁束の大半を板状磁性体206に通すことによってリニアモータからの漏れ磁束の低減を達成する。
【０００６】
【特許文献１】特開2004-7884号公報
【０００７】
【特許文献２】特開2006-54974号公報
【０００８】
【特許文献３】特開2003-134792号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献1に示すリニアモータ構造は、可動子を構成するコイルの巻回スペースを有効に利用することで比較的高推力が得やすい反面、リニアモータの厚み方向に伸びる磁極部材を必須部材とするため薄型化には限度があり、厚さ数ｍｍのリニアモータを実現するのが難しい状況にあった。
【００１０】
特許文献2に示すリニアモータ構造は、特許文献1と同様にリニアモータの厚み方向に伸びる電機子コア（磁極部材）を必須部材とすることから薄型化が困難であるだけでなく、板状ヨーク111の両面に配置される永久磁石112は板状ヨーク111を介して互いに磁化の向きが逆になる（同磁極が対向する）ようにして接着してあるため周囲の空間に漏れ磁束を多く発生させてしまう問題がある。漏れ磁束の発生はリニアモータ近傍に配置される各種機器に悪影響を及ぼすだけでなく、磁気効率の観点からも好ましくなく、推力低下の要因ともなる。また、電気子コア114は一端部において共通に接続された部分が存在するため、各相の磁束の干渉が発生する問題もある。
【００１１】
特許文献3に示すリニアモータ構造は、複数の平板状磁性体206を配置することで漏れ磁束の低減は達成できるものの、リニアモータを構成する磁気回路部（界磁極204）に後から磁性体を追加することになり、結果として電機子を配置する磁気ギャップ内の磁束密度を変化させる恐れがあり、所定の推力が得られない場合がある。
【００１２】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。この発明の目的は、漏れ磁束が少なく高推力を実現する薄型リニアモータの提供を目的とするものである。特に、高推力を実現する汎用性の高い１０ｍｍ以下の厚さからなる薄型リニアモータの提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために、請求項1に記載の薄型リニアモータは、一軸方向に移動自在に支持される可動プレートと、可動プレートの一方主面に複数の永久磁石を可動プレートの移動方向と同方向に配列してなる一対の磁石列を可動プレートの移動方向と直角方向に所定の間隙を形成して対向配置し、各永久磁石が一対の磁石列対向方向に磁化されるとともに可動プレートの移動方向に隣接する永久磁石の磁化の向きが交互に逆向きとなり、かつ前記間隙を介して対向位置に配置される永久磁石の磁化の向きが同じである可動磁石列と、各磁石列の対向面の反対側側面に配置されるヨークとを有する可動子と、前記一対の磁石列にて形成される間隙内に配置され、励磁コイルを巻回してなる軟質磁性材料からなる複数の電気子コアを可動プレートの移動方向と同方向に配列するとともに当該励磁コイルへ印加する励磁電流によって電気子コアを前記一対の磁石列対向方向に磁化可能な電気子列と、当該電気子列を支持するベースプレートとを有する固定子からなる薄型リニアモータを特徴とする。
【００１４】
請求項2に記載の薄型リニアモータは、請求項1に記載の薄型リニアモータにおいて、前記可動プレートが軟質磁性材料からなり、ベースプレートが非磁性材料からなる薄型リニアモータを特徴とする。
【００１５】
請求項1に記載の薄型リニアモータでは、一対の磁石列を構成する各永久磁石が一対の磁石列対向方向に磁化されるとともに可動プレートの移動方向に隣接する永久磁石の磁化の向きが交互に逆向きとなり、かつ前記間隙を介して対向位置に配置される永久磁石の磁化の向きが同じであることから、可動プレートの移動方向と直角方向、すなわち可動プレート主面と平行方向（水平方向）に磁束を発生する構成であり、かつ各磁石列の対向面の反対側側面にヨークを有することから、当該ヨークの外側にはほとんど磁束が漏れない。
したがって、磁束の漏れを要因とするリニアモータ近傍に配置される各種機器への悪影響を懸念する必要がなく、種々装置への組み込み設計の自由度が高くなる。先に説明した特許文献3のような磁気シールド部材を追加することによる推力への悪影響をも心配をする必要がない。
【００１６】
また、励磁コイルを巻回してなる軟質磁性材料からなる複数の電気子コアは、可動プレートの移動方向と同方向に配列するとともに当該励磁コイルへ印加する励磁電流によって前記一対の磁石列対向方向に磁化可能に配置され、前記ヨークを通して磁気回路を閉じる構造であることから、電気子コアを効率よく磁化することが可能であり、しかも前記一対の磁石列にて形成される間隙内に配置されるため、リニアモータの薄型化を実現できる。
【００１７】
さらに、上記一対の磁石列と電気子コアの配置構造により、各永久磁石から発生する磁束が全て電気子コアに印加されるため、永久磁石から発生した磁束が効率良く推力に利用され磁石重量あたりの推力比を大きくとれる。
【００１８】
請求項2に記載の薄型リニアモータでは、可動プレートを軟質磁性材料とすることにより、リニアモータ外部への磁束の漏れを一層低減することができる。すなわち、上述した永久磁石の磁化方向及びヨークの配置により、磁束は可動プレート主面と平行方向（水平方向）に発生し、実質的にリニアモータの厚さ方向に発生することはない。例えリニアモータの厚さ方向に磁束の漏れが発生しても、可動プレートが軟質磁性材料であれば、当該可動プレート自体が磁気回路の一部材として機能し、外部への磁束の漏れを防ぐことが可能となる。
【００１９】
また、電気子列を支持するベースプレートを非磁性材料とすることで、適正な磁気回路形成に悪影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、磁束の漏れが少ない高推力の薄型リニアモータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１（a）は本発明の薄型リニアモータの実施形態を示す正面図、図1（ｂ）は平面図、図1（c）は側面図、図2は可動磁石列と電気子列との配置関係を示すために可動プレートを除いた状態の平面図である。なお、磁石列４およびヨーク５は、可動プレート側に接着されている。
【００２３】
図中1は可動子であり、2は固定子である。可動子1は板状の可動プレート3と、可動プレート3の一方主面に配置される複数の永久磁石を可動プレートの移動方向（図中矢印X−X’方向）と同方向に配列してなる一対の磁石列4、4からなる可動磁石列、各磁石列4、4の対向面の反対側側面に配置されるヨーク5、5からなる。
【００２４】
図示の実施態様において、板状の可動プレート3は、軟質磁性材料である純鉄を削り出して所定寸法に加工した。また、ヨーク5、5も軟質磁性材料である純鉄からなり、可動プレート3の一方主面の2箇所に、長手方向を可動プレートの移動方向に一致させて配置する。このヨーク5、5と可動プレート3は各々独立した部材から構成してもよく、前記軟質磁性材料である純鉄を削り出す際に、当該ヨーク5、5を突起状に形成して可動プレート3と同一部材にて一体的に構成しても良い。
【００２５】
上記ヨーク5、5の各々内側（対向面側）に複数のブロック状Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石を貼り付け、一対の磁石列4、4を構成する。各永久磁石の磁化方向は、図２において白抜き矢印にて示すように、一対の磁石列4、4対向方向に磁化されるとともに可動プレート3の移動方向に隣接する永久磁石の磁化の向きが交互に逆向きとなり、かつ間隙を介して対向位置に配置される永久磁石の磁化の向きが同じとなるように配置している。したがって、可動プレート3の移動方向と直角方向、すなわち可動プレート3主面と平行方向（水平方向）に磁束を発生する構成となる。
【００２６】
この薄型リニアモータに配置する永久磁石は、上記Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石に限定されず、Ｓｍ−Ｃｏ系希土類焼結磁石、Ｓｒ系フェライト焼結磁石等、周知の永久磁石を採用することができるが、小型軽量化とともに高推力を実現するためには、上記Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石を用いるのが好ましい。
【００２７】
固定子2は、図3及び図4にて示す励磁コイル6を巻回してなる軟質磁性材料からなる複数の電気子コア7を、可動プレート3の移動方向と同方向に配列するとともに当該励磁コイル6へ印加する励磁電流によって電気子コア7を前記一対の磁石列4、4対向方向に磁化可能な電気子列8と、当該電気子列8を支持するベースプレート9から構成される。
【００２８】
図示の実施態様において、電気子コア7は純鉄を削り出して図3に示す形状に加工した後、エナメル被覆導線(直径0.3mm)からなる励磁コイル6を中央部に50回整列捲きし、さらに接着剤にて固定した。次に、この励磁コイル6を巻回した電気子コア7にて三相駆動を行うべく３個を１組とした三相コイルを構成（それぞれu、v、w相と呼ぶ）し、図示の場合7組（合計21個）を可動プレート3の移動方向と同方向に配列した。
【００２９】
さらに詳述すると、ステンレス(SUS316L)を削り出しにて加工した非磁性材料からなるベースプレート9の略中央部に前記電気子列8をエポキシ樹脂接着剤にて固定し、さらに、u相、v相、w相をそれぞれで直列に接続した。また、直列接続した両端のうちの片方は、u相、v相、w相を１点に接続し、中性点とした。
【００３０】
各磁石列4、4と電気子コア7との配置関係は、図2から明らかなように、電気子コア7が3個（一周期分の長さ）に対して、永久磁石が2個（一対のS極とN極）対向するように配置される。したがって、電気子コア一組（3個）に対し、前記ヨーク5、5を通して磁気回路が閉じる構造となり、磁気抵抗が小さいため電気子コア7を効率良く磁化できる。
【００３１】
さらに、配列された電気子コア7を各相ごとにすべて直列接続した構造にすることで、永久磁石と直接対向する位置にある電気子コア7は磁気回路が閉じた構造となるためインダクタンスは大きくなるが、永久磁石と直接対向しない電気子コア7は磁気回路がオープンであるためインダクタンスが小さい。このため、可動子の移動位置によらず、永久磁石と直接対向する位置にある電気子コア7にほとんど印加電圧が集中し、永久磁石と直接対向しない電気子コア7はほとんど電力を消費せず、高い変換効率が得られる。特に、電気子コア7が特許文献２のように互いに接続されることなく独立していることから、電気子コア間での磁束の干渉が起こらず、効率の良い推力発生が行える。
【００３２】
上記実施態様においては三相駆動の場合にて説明したが、この駆動方法に限定されることなく本発明の効果を発現することが出来る。しかし、コキング推力や推力リップルの発生を低減し円滑な可動を実現するためには、三相駆動が好ましい。
【００３３】
なお、電気子コア7は磁気効率の観点から飽和磁束密度が高い材料が好ましく（特に、飽和磁束密度Bs≧2.0Ｔ）、上記純鉄のほか、例えば、Ｆｅ-Ｃｏ合金、Ｆｅ-Ｓｉ合金等を用いるのが好ましい。
【００３４】
この発明の薄型リニアモータは、図示の如く可動プレート3の移動方向における電気子列8の長さを磁石列4、4の長さに対して十分に長い（電気子列の長さ≧磁石列の長さ+可動プレートの可動範囲）構造とすることによって、可動プレート3の全可動範囲（移動範囲）を通して永久磁石から発生する磁束を有効に使用することができ磁石重量あたりの推力比を大きくとることができる。
【００３５】
図中10、10は可動プレート3を所定の一軸方向に移動自在に支持するリニアガイドであり、固定子2を構成するベースプレート9上に固定される案内レール11、11と、当該案内レール11、11を介して所定の一軸方向に摺動する摺動部12、12からなる。この摺動部12、12に前記一対の磁石列4、4及びヨーク5、5を配置した可動プレート3を、各磁石列4、4と電気子列8との隙間を調整しながらねじ等にて固定することによって可動子1を構成する。
【００３６】
上記のように、この発明の薄型リニアモータは、可動子1側に永久磁石が配置される所謂磁石可動型のため、可動ハーネスがなくシンプルな構成となり、各種装置への組み込みや、日常作業における取扱いも容易となる。
【００３７】
図中13は、可動プレート3の位置を検出するため、ベースプレート9に実装した光学式リニアエンコーダである。また、図中14は、可動プレート3に接着固定したガラス製リニアスケールであり、光学式リニアエンコーダ13と対向する位置に配置される。このような位置検出機器を併設することによって高精度の位置決めが可能となり、本発明の特徴をより一層効果的に実現することが可能となる。
【００３８】
以上の構成からなる薄型リニアモータにおいて、励磁コイル6に励磁電流を印加すると、その励磁電流によって電気子コア7が一対の磁石列4、4対向方向に磁化され、当該電気子コア7に発生する磁束と永久磁石から発生される磁束との相互作用により、可動子1と固定子2との間に相対的な推力が作用し、可動プレート3がリニアガイド10を介して所定の一軸方向に移動することとなる。励磁電流の方向を切り替えることによって、可動プレート3の移動方向を切り替えることができる。
【００３９】
本発明者は、上記実施態様の構造にて、幅55ｍｍ、長さ90ｍｍ、厚さ7ｍｍからなる超薄型リニアモータを提供することを可能とした。可動プレートの寸法が幅55ｍｍ、長さ60ｍｍであり、ストローク20ｍｍとした場合、最大10N以上の高推力を実現することができた。従来からこのような高推力を可能とする構造においては不可能とされていた厚さ10mm以下のリニアモータの提供を可能とした。
【００４０】
図5は、上記超薄型リニアモータの繰り返し位置決め精度を表す。この繰り返し位置決め精度とは、可動プレート3を特定位置から所定量移動させ、元の位置に戻るように指令を出し、元の位置に戻った時点でその位置のずれ(変位)を測定したものでる。図5では、最初の特定位置から移動して元の位置に戻るまでの動作を1セットとし、これを繰り返し、その都度変位を測定してグラフ化したもので、横軸に繰り返し数、縦軸に変位を示している。図中には最初の特定位置をベースプレート9の中央位置とした場合、及び各々左右に10ｍｍずらした位置とした場合を、中央部、端部（+10mm、-10mm）として記載している。
【００４１】
図5から、前記超薄型リニアモータの位置決め精度が高いことが解る。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（a）本発明の実施形態を示す正面図、（b）本発明の実施形態を示す平面図、（c）本発明の実施形態を示す側面図
【図２】図１の一部分解平面図
【図３】本発明で使用される電気子コアを示す正面図及び平面図
【図４】本発明で使用される電気子列の示す平面図
【図５】本発明の実施形態である超薄型リニアモータの繰り返し位置決め精度を示すグラフ
【図６】従来のリニアモータ
【図７】その他の従来のリニアモータ
【符号の説明】
【００４３】
1    可動子
2    固定子
3    可動プレート
4    磁石列
5    ヨーク
6    励磁コイル
7    電気子コイル
8    電気子列
9    ベースプレート
10    リニアガイド
11    案内レール
12    摺動部
13    光学式リニアエンコーダ
14    リニアスケール    
111    板状ヨーク
112    永久磁石
113    固定子
114    電機子コア
115    電機子コイル
116    可動子
201、202    ヨーク
203    永久磁石
204    界磁極
206    磁性体
【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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【図７】
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