(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔で磁極を配置した平面二次側移動子と、前記平面二次側移動子にＸ軸方向、Ｙ軸方向の推力を付与する平面固定子とからなるＸＹ面リニア同期モータにおいて、
前記平面固定子は、基部磁性構造体の基準面から所定間隔で突出する複数の磁極からなる磁極鉄心と、前記磁極の相互間に捲回され前記Ｘ軸方向に移動磁界を発生させるＸ軸方向巻線と、前記磁極の相互間に捲回され前記Ｙ軸方向に移動磁界を発生させるＹ軸方向巻線とを備え、かつ、前記平面固定子は前記磁極鉄心面を下側に向けて配置し、
前記平面二次側移動子の磁極構造は、磁性体で構成したベースの片面に間隔τで四つの磁極が設けられており、各磁極を永久磁石と鉄心で構成し、各鉄心の一部にそれぞれ制御捲線を捲回した構造とされており、
前記平面二次側移動子は、前記四つの磁極を前記平面固定子の磁極鉄心面に対峙させ、かつ、前記平面二次側移動子の磁極と前記平面固定子の磁極鉄心との間隔を検出し当該間隔に応じた電気信号を出力するギャップセンサーと、前記ギャップセンサーからの検出電気信号と基準値とを比較し、当該比較結果から前記ギャップが基準値より大きいときには前記磁極の磁力を強める方向に前記制御巻線に比較結果に応じた値の制御電流を供給し、当該比較結果から前記ギャップが基準値より小さいときには前記磁極の磁力を弱める方向に前記制御巻線に比較結果に応じた制御電流を供給する制御部とを備えたことを特徴とする磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の移動磁界を発生できる平面固定子の下部に、磁力の有する磁極を設けた平面二次側移動子が懸垂式に吊り下がった状態で磁気浮上しつつ移動する磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、直線運動を得るためには、回転機などの原動機と、クランクなどの運動変換機構とを用いているのが一般的であった。しかしながら、このような運動変換機構とを用いる場合には、バックラッシュや経年変化による位置決精度の低下などが問題となる。
そこで、機械的変換機構を持たずに、装置単独で直線運動を得ることがてきるリニアモータが注目されている。リニアモータは、一般的に、直線方向への推力を発生するのみであったが、近年では、ＸＹ平面の任意の方向に移動できるＸＹ面リニアモータが提案されている。このＸＹ面リニアモータは、大別して、リニア誘導モータと、リニア同期モータとが考えられる。
【０００３】
まず、リニア誘導モータは、鉄板等で構成された平面二次側移動子と、前記平面二次側移動子にＸ軸方向、Ｙ軸方向の推力を付与する平面固定子とからなる。この平面固定子は、基部磁性構造体の基準面から所定間隔で突出する複数の磁極からなる磁極鉄心と、前記磁極の相互間に捲回され前記Ｘ軸方向に移動磁界を発生させるＸ軸方向巻線と、前記磁極の相互間に捲回され前記Ｙ軸方向に移動磁界を発生させるＹ軸方向巻線とを備えたものである。
このリニア誘導モータは、平面二次側移動子の構造が簡単であるという利点があるが、制御性が悪く、かつ、平面二次側移動子に渦電流が流れて損失を発生させるという欠点がある。
【０００４】
次に、ＸＹ面リニア同期モータは、所定の間隔で磁極を配置した平面二次側移動子と、前記平面二次側移動子にＸ軸方向、Ｙ軸方向の推力を付与する平面固定子とからなる。この平面固定子は、基部磁性構造体の基準面から所定間隔で突出する複数の磁極からなる磁極鉄心と、前記磁極の相互間に捲回され前記Ｘ軸方向に移動磁界を発生させるＸ軸方向巻線と、前記磁極の相互間に捲回され前記Ｙ軸方向に移動磁界を発生させるＹ軸方向巻線とを備えたものである。
【０００５】
このＸＹ面リニア同期モータは、平面二次側移動子の構造が複雑であるという欠点があるが、制御性がよく、かつ、精密に位置制御ができ、しかも、平面二次側移動子に渦電流が流れないので損失の発生がないという利点がある。
したがって、この種のＸＹ面リニア同期モータは、制御性がよく、かつ精密に位置制御ができるということを要求する分野において、多く採用されてゆくものと思われる。
このＸＹ面リニア同期モータにあっては、平面固定子の磁極鉄心側を上に向け、かつ当該磁極鉄心上面を非磁性体の薄板等を配置して平坦面を形成し、かつ、その平坦面上において平面二次側移動子に自由転動する車輪等を設けることにより、平面二次側移動子を平面固定子から所定の距離を離した状態にしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したＸＹ面リニア同期モータにあっては、平面二次側移動子と平面固定子との間に所定の間隔を設ける必要から、自由転動する車輪やその他の機械的な機構を必要としており、別途機構が必要となるほか、装置が大型化し、かつ、経年変化による影響がでてしまうという欠点があった。
また、反発力磁気浮上で平面二次側移動子を磁気浮上させるためには、超伝導等の特殊な装置が必要となり、かつ装置が高価になり、しかも、運用、保守も難しいという欠点があった。
本発明は、上述した欠点を解消し、特別な装置を必要とせず、確実に磁気浮上させて、非接触状態で平面二次側移動子をＸＹ面上を移動させ得る磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明に係る磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータは、所定の間隔で磁極を配置した平面二次側移動子と、前記平面二次側移動子にＸ軸方向、Ｙ軸方向の推力を付与する平面固定子とからなるＸＹ面リニア同期モータにおいて、前記平面固定子は、基部磁性構造体の基準面から所定間隔で突出する複数の磁極からなる磁極鉄心と、前記磁極の相互間に捲回され前記Ｘ軸方向に移動磁界を発生させるＸ軸方向巻線と、前記磁極の相互間に捲回され前記Ｙ軸方向に移動磁界を発生させるＹ軸方向巻線とを備え、かつ、前記平面固定子は前記磁極鉄心面を下側に向けて配置し、前記平面二次側移動子の磁極構造は、磁性体で構成したベースの片面に間隔τで四つの磁極が設けられており、各磁極を永久磁石と鉄心で構成し、各鉄心の一部にそれぞれ制御捲線を捲回した構造とされており、前記平面二次側移動子は、前記四つの磁極を前記平面固定子の磁極鉄心面に対峙させ、かつ、前記平面二次側移動子の磁極と前記平面固定子の磁極鉄心との間隔を検出し当該間隔に応じた電気信号を出力するギャップセンサーと、前記ギャップセンサーからの検出電気信号と基準値とを比較し、当該比較結果から前記ギャップが基準値より大きいときには前記磁極の磁力を強める方向に前記制御巻線に比較結果に応じた値の制御電流を供給し、当該比較結果から前記ギャップが基準値より小さいときには前記磁極の磁力を弱める方向に前記制御巻線に比較結果に応じた制御電流を供給する制御部とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１ないし図５は、本発明の実施の形態を説明するための図である。ここで、図１は、本発明の実施の形態に係る磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータの概念図である。
【０００９】
本発明の実施の形態に係る磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータ１は、図１に示すように、Ｘ軸方向に移動磁界を発生させるＸ軸方向巻線３Ｘ及びＹ軸方向の移動磁界を発生させるＹ軸方向巻線３Ｙをそれぞれ捲回した磁極鉄心５からなる平面固定子７の下部に、所定の数の磁極９，９，…を設けた平面二次側移動子１１が懸垂式に吊り下がった状態で磁気浮上しつつ移動できる機構を備えた同期モータである。
【００１０】
この磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータ１では、Ｘ軸用交流電源１３Ｘから交流電力のみを平面固定子７のＸ軸方向巻線３Ｘに供給すると、平面二次側移動子１１はＸ軸方向にのみ移動する。また、Ｙ軸用交流電源１３Ｙから交流電力のみを平面固定子７のＹ軸方向巻線３Ｙに供給すると、平面二次側移動子１１はＹ軸方向にのみ移動する。Ｘ軸用交流電源１３ＸからＸ軸方向巻線３Ｘに、また、Ｙ軸用交流電源１３ＹからＹ軸方向巻線３Ｙに、所定の量の交流電力を供給することにより、その量に応じた方向に平面二次側移動子１１は移動することになる。
【００１１】
また、平面二次側移動子１１は、詳細は後述するが、磁極９，９，…を例えば永久磁石と巻線とから構成し、かつ、平面二次側移動子１１と平面固定子７とのギャップを検出するセンサーからの検出結果に応じて前記巻線に流す電流を調整することにより永久磁石の磁力を弱めたり強めたりして、平面二次側移動子１１と平面固定子７との間隔を所定の値に保つことができるようにする制御機構を備えている。この機構により、平面二次側移動子１１は、平面固定子７に懸垂式に吊り下がった状態で磁気浮上しつつ移動できることになる。
【００１２】
図２は、本発明の実施の形態に係る磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータの平面固定子の構成例を示す斜視図である。
この図２において、上述した平面固定子７は、基部磁性構造体１５の基準面Ｓから所定間隔で突出する複数の磁極１７，１７，…からなる磁極鉄心５と、前記各複数の磁極１７，１７，…の相互間に捲回され前記Ｘ軸方向に移動磁界を発生させるＸ軸方向巻線３Ｘと、前記複数の磁極１７，１７，…の相互間に捲回され前記Ｙ軸方向に移動磁界を発生させるＹ軸方向巻線３Ｙとから構成されている。
【００１３】
図３は本発明の実施の形態に係る磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータの平面固定子の基部磁性構造体の詳細を説明するために示す斜視図であり、図３（１）は組上がった一部平面固定子を、図３（２）は分解斜視図である。
この基部磁性構造体１５は、継鉄２１と、複数の磁極１７，１７，…の共通部分２３とからなる。
この継鉄２１は、磁性体平板を、図３（２）に示すように所定間隔をおいて互いに平行と凸部と凹部とが繰り返される形状に形成し、当該磁性体平板を図３（２）に示すように多数積層することにより、互いに平行な凸状２５，２５，…を構成している。これら凸状２５，２５，…の間に各々溝が形成されることになる。
【００１４】
また、複数の磁極１７，１７，…の共通部分２３は、次のように構成されている。薄い磁性体平板を図３（２）に示すような形状に形成する。その磁性薄板を多数積層して上記凸状２５，２５，…の間に嵌まり合う厚さにまでする。これにより、共通部分２３と、複数の磁極１７，１７，…とからなる一つの部品Ａを構成することになる。
この部品Ａを、図３（２）に示すように前記継鉄２１の凸状２５，２５，…の間に溝に挿入することにより、図３（１）示すように、基部磁性構造体１５の基準面Ｓから突出した複数の磁極１７，１７，…からなる磁極鉄心５からなる平面固定子７が構成されることになる。
【００１５】
図４は、本発明の実施の形態に係る磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータの平面二次側移動子の磁極構造を示す斜視図である。
前記平面二次側移動子１１の磁極構造は、磁性体で構成したベース２７の上に所定間隔τで設けられた磁極９，９，９，９からなる。これら磁極９，９，９，９はそれぞれ同一構成であるので、一つのみを例にとって説明する。この磁極９は、永久磁石３１を鉄心３３ａ、３３ｂで挟んだ状態に構成されており、かつ、鉄心３３ａの一部に制御巻線３５を捲回して構成されている。
【００１６】
図５は、本発明の実施の形態に係る磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータの平面二次側移動子の制御系を含む構成図である。
前記制御機構は、平面二次側移動子１１と平面固定子７とのギャップを検出するギャップセンサー３７からの検出結果に応じて前記制御巻線３５，３５，３５,３５にそれぞれ流す電流を調整することにより前記永久磁石３１，３１，３１，３１の磁力を弱めたり強めたりして、平面二次側移動子１１と平面固定子７との間隔を所定の値に保つものである。
【００１７】
さらに説明すると、平面二次側移動子１１の制御機構は、前記平面二次側移動子１１と前記平面固定子７の複数の磁極１７，１７，…の表面との間隔を検出するギャップセンサー３７と、前記ギャップセンサー３７からの検出信号を基に前記制御巻線３５，３５，３５，３５に所定の間隔を保つ制御電流を供給する制御部４１とを備えている。
【００１８】
前記制御部４１は、ギャップセンサー３７からの検出信号をアナログ−デジタル変換するアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ変換器）４３と、前記Ａ／Ｄ変換器４３を通して得たギャップセンサー３７からの検出信号と基準値とを比較し、当該比較結果から前記ギャップが基準値より大きいときには前記永久磁石３１の磁力を強める方向に電流が流れるような指令を形成し、当該比較結果から前記ギャップが基準値より小さいときには前記磁極を弱める方向に電流が流れるような指令を形成する演算処理装置（ＣＰＵ）４５と、前記演算処理装置（ＣＰＵ）４５からの指令を受け取り当該電流が流れるようなアナログ制御信号を形成するＤ／Ａ変換器４７と、前記Ｄ／Ａ変換器４７からのアナログ制御信号により、実際に制御巻線３５，３５，３５，３５に制御電流を供給するパワーアンプ４９とから構成されている。
なお、上記制御部４１は、Ａ／Ｄ変換器４３、演算処理装置（ＣＰＵ）４５及びＤ／Ａ変換器４７からなるデジタル系統により制御する例で説明したが、これら機器４３，４４，４５を使用することなく全てアナログ回路で構成することができることはいうまでもない。
【００１９】
これにより、この制御部４１は、基準値とギャップセンサー３７からの検出信号との差をとり、その差の大きさと符号とに応じて、制御巻線３５に流す電流の大きさと方向を決定し、パワーアンプ４９を制御して制御巻線３５に前記決められた電流を流している。
このように構成された磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータの動作を説明する。 磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータ１において、図１に示すように、平面固定子７の磁極５，５，…が下面に向くように配置されているものとする。
この平面固定子７の下面に、平面固定子７の磁極５，５，…と、平面二次側移動子１１の磁極９，９，…とが対峙するように配置されているものとする。
【００２０】
ここで、平面二次側移動子１１は、磁極９，９，…の永久磁石３１の吸引力により、平面固定子７の磁極５，５，…に吸引される方向に動作すると、ギャップセンサー３７が平面固定子７と平面二次側移動子１１の磁極５，５，…の表面とのギャップを検出し、そのギャップ検出信号が制御部４１に供給する。制御部４１では、当該ギャップ検出信号をＡ／Ｄ変換器４３でデジタルギャップ検出信号に変換し、演算処理装置４５に与える。
【００２１】
演算処理装置（ＣＰＵ）４５は、当該デジタルギャップ検出信号を基準値と比較する。演算処理装置（ＣＰＵ）４５は、その比較した結果、その差の値と符号とを基に、制御巻線に流す電流の大きさと向きを決定して指令信号を形成し、そのデジタル指令信号をＤ／Ａ変換器４７に与える。Ｄ／Ａ変換器４７は、デジタル指令信号に応じた制御信号を形成しパワーアンプ４９を制御する。これにより、パワーアンプ４９から各制御巻線３５，３５，３５，３５に、平面二次側移動子１１から離れる方向（すなわらち、永久磁石３１の吸引力が弱まる方向）に制御電流を流す。これにより、永久磁石３１による磁力が弱まり、重力による力が相対的に多く働く結果になり、平面二次側移動子１１が平面固定子７に吸引されるを防止する。
【００２２】
一方、平面二次側移動子１１が平面固定子７から一定距離以上離れる方向に移動すると、ギャップセンサー３７が平面固定子７と平面二次側移動子１１の磁極９，９，…の表面とのギャップを検出し、そのギャップ検出信号が制御部４１に供給する。制御部４１では、当該ギャップ検出信号をＡ／Ｄ変換器４３でデジタルギャップ検出信号に変換し、演算処理装置（ＣＰＵ）４５に与える。演算処理装置（ＣＰＵ）４５は、当該デジタルギャップ検出信号を基準値と比較する。演算処理装置（ＣＰＵ）４５は、その比較した結果、その差の値と符号とを基に、制御巻線に流す電流の大きさと向きを決定してデジタル指令信号を形成し、そのデジタル指令信号をＤ／Ａ変換器４７に与える。
【００２３】
Ｄ／Ａ変換器４７は、デジタル指令信号に応じた制御信号を形成しパワーアンプ４９を制御する。これにより、パワーアンプ４９から各制御巻線３５，３５，３５，３５に、平面二次側移動子１１から近づく方向（すなわらち、永久磁石３１の吸引力が強まる方向）に制御電流を流す。これにより、永久磁石３１による磁力が強まり、重力による力が相対的に弱く働く結果になり、平面二次側移動子１１が平面固定子７から離れるのを防止している。
つまり、平面二次側移動子１１は、平面固定子７の下面に、吊り下がった状態で磁気浮上しつつ移動できる状態になる。
【００２４】
ここで、Ｘ軸用交流電源１３ＸからＸ軸方向巻線３Ｘに交流電力を供給すると、平面固定子７にはＸ軸方向に移動する移動磁界が発生する。これにより、平面二次側移動子１１は、Ｘ軸方向に移動する。
また、Ｙ軸用交流電源１３ＹからＹ軸方向巻線３Ｙに交流電力を供給すると、平面固定子７にはＹ軸方向に移動する移動磁界が発生する。これにより、平面二次側移動子１１は、Ｙ 軸方向に移動する。
【００２５】
さらに、Ｘ軸用交流電源１３ＸからＸ軸方向巻線３Ｘに、また、Ｙ軸用交流電源１３ＹからＹ軸方向巻線３Ｙに、それぞれ同一値の交流電力を与えると、平面固定子７には、Ｘ軸方向に移動する移動磁界と、Ｙ軸方向に移動する移動磁界との総合磁界が発生する。これらのベクトル合成された移動磁界が発生することになり、平面二次側移動子１１はＸ軸とＹ軸との合成方向（４５度方向）に移動することになる。
【００２６】
このＸ軸用交流電源１３ＸからＸ軸方向巻線３Ｘに供給する交流電力の量と、Ｙ軸用交流電源１３ＹからＹ軸方向巻線３Ｙに供給する交流電力の量との割合を調整することにより、平面二次側移動子１１は、Ｘ軸とＹ軸とで構成される平面の上を任意の方向に移動させることができる。
【００２７】
このように構成され動作する上記実施の形態によれば、次のような利点がある。
（１）磁気浮上に吸引方式を用いているので、簡単な装置で確実に磁気浮上させることができる。
（２）上記方式を採用し、永久磁石３１による吸引力と重力とのバランスを利用し、ギャップセンサーからの検出信号を用いて当該バランスを制御することにより浮上させているので、磁気浮上に使用されるエネルギーが少なくて済む。
（３）推力発生に同期方式を採用しているので、精密に位置決めができる。
（４）推力発生に同期方式を採用しているので、リニア誘導モータのようなエネルギー消費がなく、省力化できる。
（５）平面二次側移動子１１の移動制御について、オープンループでの制御系を構成できるので、制御系統が簡単な構成になる。
上記実施の形態では、磁極９は、鉄心３ａ，３ｂと、永久磁石３１と、制御巻線３５とから構成したが、前記永久磁石３１を電磁石により構成してもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、前記平面固定子を、基部磁性構造体の基準面から所定間隔で突出する複数の磁極からなる磁極鉄心と、前記磁極の相互間に捲回され前記Ｘ軸方向に移動磁界を発生させるＸ軸方向巻線と、前記磁極の相互間に捲回され前記Ｙ軸方向に移動磁界を発生させるＹ軸方向巻線とから構成し、かつ、前記平面固定子を前記磁極鉄心面を下側に向け配置し、前記平面二次側移動子を、前記磁極を前記磁極鉄心面に対峙させ、かつ、前記磁極に捲回した制御巻線と、前記平面二次側移動子と前記平面固定子の磁極鉄心との間隔を検出するギャップセンサーと、前記ギャップセンサーからの検出信号を基に前記制御巻線に所定の間隔を保つ制御電流を供給する制御部とを備えたことにより、次のような利点がある。
【００２９】
（１）磁気浮上に吸引方式を用いているので、簡単な装置で確実に磁気浮上させることができる。
（２）上記方式を採用し、磁石による吸引力と重力とのバランスを利用し、ギャップセンサーからの検出信号を用いて当該バランスを制御することにより浮上させているので、磁気浮上に使用されるエネルギーが少なくて済む。
（３）推力発生に同期方式を採用しているので、精密に位置決めができる。
（４）推力発生に同期方式を採用しているので、リニア誘導モータのようなエネルギー消費がなく、省力化できる。
（５）平面二次側移動子の移動制御について、オープンループでの制御系を構成できるので、制御系統が簡単な構成になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータの概念図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータの平面固定子の構成例を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータの平面固定子の基部磁性構造体の詳細を説明するために示す斜視図であり、図（１）は組上がった一部平面固定子を、図（２）は分解斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータの平面二次側移動子の磁極構造を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータの平面二次側移動子の制御系を含む構成図である。
【符号の説明】
１ 磁気浮上式ＸＹ面リニア同期モータ
３Ｘ  Ｘ軸方向巻線
３Ｙ  Ｙ軸方向巻線
５ 磁極鉄心
７  平面固定子
９  磁極
１１  平面二次側移動子
１３Ｘ  Ｘ軸用交流電源
１３Ｙ  Ｙ軸用交流電源
１５ 基部磁性構造体
１７ 複数の磁極
２１ 継鉄
２３  共通部分
２５  凸状
２７  ベース
３１ 永久磁石
３３ａ，３３ｂ 鉄心
３５  制御巻線
３７  ギャップセンサー
４１  制御部
４３  Ａ／Ｄ変換器
４５  演算処理装置
４７  Ｄ／Ａ変換器
４９  パワーアンプ
【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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