(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏平状に形成した電磁コイルを連ねて配設してなる固定子と、前記固定子の長手方向に沿ってヨークに固定された一連の複数の矩形の界磁用永久磁石及び複数の補助磁石を交互に配設すると共に両端に前記補助磁石を配設して前記固定子の長手方向に沿って極性の異なる磁界を交互に形成しかつ前記固定子の長手方向に沿って移動自在に配設した可動子とを有するリニアアクチュエータにおいて、
前記複数の界磁用永久磁石は同一形状かつ同一寸法とし、そのうちの両端に位置する界磁用永久磁石のＢ−Ｈ曲線は同一温度における他の界磁用永久磁石のＢ−Ｈ曲線より高い位置にあり、界磁用永久磁石に対応する空隙磁束密度は、絶対値の極大値の最大と最小との差が、その極大値の最大と最小との平均値に対する割合で、３％以内であることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
偏平状に形成した電磁コイルを連ねて配設してなる固定子と、前記固定子の長手方向に沿ってヨークに固定された一連の複数の矩形の界磁用永久磁石及び複数の補助磁石を交互に配設すると共に両端に前記補助磁石を配設して前記固定子の長手方向に沿って極性の異なる磁界を交互に形成しかつ前記固定子の長手方向に沿って移動自在に配設した可動子とを有するリニアアクチュエータにおいて、
前記複数の界磁用永久磁石は同一のＢ−Ｈ曲線を有し、そのうちの両端に位置する界磁用永久磁石の着磁方向の寸法を他の界磁用永久磁石のそれより大きくしたことを除いて、前記複数の界磁用永久磁石は同一形状かつ同一寸法であり、界磁用永久磁石に対応する空隙磁束密度は、絶対値の極大値の最大と最小との差が、その極大値の最大と最小との平均値に対する割合で、３％以内であることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項３】
偏平状に形成した電磁コイルを連ねて配設してなる固定子と、前記固定子の長手方向に沿ってヨークに固定された一連の複数の矩形の界磁用永久磁石及び複数の補助磁石を交互に配設すると共に両端に前記補助磁石を配設して前記固定子の長手方向に沿って極性の異なる磁界を交互に形成しかつ前記固定子の長手方向に沿って移動自在に配設した可動子とを有するリニアアクチュエータにおいて、
前記複数の界磁用永久磁石は同一のＢ−Ｈ曲線を有し、可動子の移動方向に平行な面の中央部にある界磁用永久磁石面に凹部を設けたことを除いて、前記複数の界磁用永久磁石は同一形状かつ同一寸法であり、界磁用永久磁石に対応する空隙磁束密度は、絶対値の極大値の最大と最小との差が、その極大値の最大と最小との平均値に対する割合で、３％以内であることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリニアアクチュエータ、特に固定子側にコイルを設け、可動子側に永久磁石を持っている可動磁石型リニアアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１０ｃｍないし１ｍの長いストロークの範囲内で物体の移動若しくは位置決めを行うためには、例えば移動方向に沿って異極が交互に現われるように複数個の永久磁石を設け、これらの永久磁石と対向する位置に複数個のコイルを設けるとともに、上記永久磁石またはコイルのいずれか一方を固定子とし、他方を可動子とした永久磁石式リニアアクチュエータが使用されている。
【０００３】
永久磁石式リニアアクチュエータには、可動子にコイルを設け、固定子に永久磁石を並べた可動コイル型と、可動子に永久磁石を設け、固定子にコイルを並べた可動磁石型とがある。可動コイル型リニアアクチュエータは、可動子が軽く慣性が小さいので位置決め精度をよくできるが、固定子に多数の永久磁石を並べており、それらの永久磁石の特性を正確に合わせることができないために、固定子上の位置によって推力に変動を持っていることがあるという問題がある。反対に可動磁石型リニアアクチュエータは、可動子に永久磁石を備えているために可動子が重くなるが推力の均一さを得やすいという利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、複数の永久磁石を移動方向に並べた可動子の場合、永久磁石が対向して形成する空隙の中央位置における磁束密度分布が均一にならないことがあり、そのために可動子と通電されているコイルとの相対位置によって推力リップルと呼ばれる位置決め精度の低下や整定時間の増加といったことが生じて、半導体製造装置のステッパーのようにサブミクロンあるいはナノメータオーダの位置決め精度が要求される用途においては特に問題となる。
【０００５】
本発明は上記従来技術の問題点を解決し、推力リップルを大幅に低減できる可動磁石型のリニアアクチュエータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のリニアアクチュエータは、偏平状に形成した電磁コイルを連ねて配設してなる固定子と、前記固定子の長手方向に沿ってヨークに固定された一連の複数の矩形の界磁用永久磁石及び複数の補助磁石を交互に配設すると共に両端に前記補助磁石を配設して前記固定子の長手方向に沿って極性の異なる磁界を交互に形成しかつ前記固定子の長手方向に沿って移動自在に配設した可動子とを有するものにおいて、
前記複数の界磁用永久磁石は同一形状かつ同一寸法とし、そのうちの両端に位置する界磁用永久磁石のＢ−Ｈ曲線は同一温度における他の界磁用永久磁石のＢ−Ｈ曲線より高い位置にあり、界磁用永久磁石に対応する空隙磁束密度は、絶対値の極大値の最大と最小との差が、その極大値の最大と最小との平均値に対する割合で、３％以内であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のリニアアクチュエータは、偏平状に形成した電磁コイルを連ねて配設してなる固定子と、前記固定子の長手方向に沿ってヨークに固定された一連の複数の矩形の界磁用永久磁石及び複数の補助磁石を交互に配設すると共に両端に前記補助磁石を配設して前記固定子の長手方向に沿って極性の異なる磁界を交互に形成しかつ前記固定子の長手方向に沿って移動自在に配設した可動子とを有するものにおいて、
前記複数の界磁用永久磁石は同一のＢ−Ｈ曲線を有し、そのうちの両端に位置する界磁用永久磁石の着磁方向の寸法を他の界磁用永久磁石のそれより大きくしたことを除いて、前記複数の界磁用永久磁石は同一形状かつ同一寸法であり、界磁用永久磁石に対応する空隙磁束密度は、絶対値の極大値の最大と最小との差が、その極大値の最大と最小との平均値に対する割合で、３％以内であることを特徴とする。
【００１２】
更に本発明のリニアアクチュエータは、偏平状に形成した電磁コイルを連ねて配設してなる固定子と、前記固定子の長手方向に沿ってヨークに固定された一連の複数の矩形の界磁用永久磁石及び複数の補助磁石を交互に配設すると共に両端に前記補助磁石を配設して前記固定子の長手方向に沿って極性の異なる磁界を交互に形成しかつ前記固定子の長手方向に沿って移動自在に配設した可動子とを有するものにおいて、
前記複数の界磁用永久磁石は同一のＢ−Ｈ曲線を有し、可動子の移動方向に平行な面の中央部にある界磁用永久磁石面に凹部を設けたことを除いて、前記複数の界磁用永久磁石は同一形状かつ同一寸法であり、界磁用永久磁石に対応する空隙磁束密度は、絶対値の極大値の最大と最小との差が、その極大値の最大と最小との平均値に対する割合で、３％以内であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。図１に本発明の実施例のリニアアクチュエータを断面図にて示している。１は固定子であり、固定子に沿って多くのコイル１１が並んでいる。２は可動子であり、固定子１を挟む形に永久磁石２１が配置されていて、中空角筒状になっている。固定子の両面に１〜数個の永久磁石２１の磁極が対向して配置されており、磁気空隙のところに固定子１が位置するようになっている。図１に示すものでは固定子の片面に向いている磁極は４極あり、これらは界磁用永久磁石の一方の磁極である。固定子面に向いている界磁用永久磁石磁極が順次反対極性となるように並んでおり、各界磁用永久磁石２１と、固定子１を介して、対向している界磁用永久磁石２１も反対極性となっている。
【００１４】
界磁用永久磁石２１の裏側の磁極同士、すなわち固定子１と反対側の磁極同士はヨーク２５で結ばれている。固定子１の両側に並んでいる界磁用永久磁石２１の裏側の磁極もこのヨーク２５で結ばれているのでヨーク２５は固定子１をまたぐ馬蹄形あるいは筒形をしている。図１に示している可動子２では、界磁用永久磁石２１と隣の界磁用永久磁石２１の間および端にある界磁用永久磁石２１の外側には、界磁用永久磁石の側面方向に磁化されている補助磁石２４が設けられていて、界磁用永久磁石の対向している磁極間での空隙磁束密度分布に広がりを付けるようにしている。
【００１５】
本発明の第一実施例のリニアアクチュエータに用いている中空角筒状可動子２で、固定子１の片側にある界磁用永久磁石構造の平面図および断面図を各々図２と図３に示している。図２では４個の界磁用永久磁石２１の磁極が左から右にＳ，Ｎ，Ｓ，Ｎ極と並ぶように固定子側を向いている。界磁用永久磁石の端と界磁用永久磁石間には補助磁石２４が設けられており、界磁用永久磁石と補助磁石の磁化方向は図３に矢印で示している。可動子のヨーク２５は軟磁性体で作られている。
【００１６】
界磁用永久磁石２１の大きさは、その磁極面が３５ｍｍ×５０ｍｍで、その磁化方向の長さが７ｍｍの矩形のものとした。また、補助磁石２４の大きさは磁極面が７ｍｍ×５０ｍｍでその磁化方向の長さを５ｍｍとした。これらの永久磁石はすべてＮｄＦｅＢ系の焼結磁石であるが、両端の界磁用永久磁石２１と補助磁石２４は日立金属社製ＨＳ４２ＡＨ材を用い、中央部の界磁用永久磁石２１は日立金属社製ＨＳ３７ＢＨ材を用いた。同一温度におけるＨＳ４２ＡＨ材とＨＳ３７ＢＨ材の代表的な減磁曲線を図４に示しているように、ＨＳ４２ＡＨ材は残留磁束密度、エネルギー積、保磁力bHc ともにＨＳ３７ＢＨ材よりも高くなっている。
【００１７】
この可動子２で対向している界磁用永久磁石２１の空隙中央、すなわち固定子コイルの位置における空隙磁束密度分布を図２の3-3 線に沿って測定したものを図５に示している。界磁用永久磁石に対応する空隙磁束密度の絶対値の極大値の最大は０．７４９Ｔ（テスラ）で、最小は０．７３３Ｔであり、その差は０．０１６Ｔ（２．１％：絶対値の極大の最大と最小との平均に対する差の比率）であった。
【００１８】
この可動子２を用いたリニアアクチュエータの推力を測定した結果を図６に示している。推力の極大値の最大は１．９３５kgf 、最小は１．８６０kgf 、平均は１．９１４kgf であり、リップル率は１．９６％であった。ここでリップル率は最大と最小の差の半分の平均に対する比率である。
【００１９】
次に、上記第一実施例で用いたのと同じ寸法をしているが、界磁用永久磁石はすべてＨＳ４２ＡＨ材とした中空角筒状可動子を持ったリニアクチュエータを比較例として用意した。ここで用いた界磁用永久磁石の磁気特性は図４に示すものである。この可動子の空隙磁束密度分布は図７に示すように磁束密度の極大値の最大は０．７８１Ｔで最小は０．７５１Ｔでその差は０．０３０Ｔ（３．９％）であった。また、この可動子を用いたリニアアクチュエータの推力は図８に示すように最大は２．０６８kgf 、最小は１．９３８kgf であり、リップル率は３．２５％であった。
【００２０】
上に説明した第一実施例のリニアアクチュエータを比較例のものと比べると、本発明で、可動子中央の磁石として比較的特性の低い磁石を用い、両端部の磁石として比較的特性の高い磁石を用いることによって、空隙磁束密度分布の極大値の最大と最小の差を小さくすることができ、リニアアクチュエータとしての推力リップル率を小さくすることができた。
【００２１】
このように第一実施例で空隙磁束密度分布の差を小さくすることができた原因は、以下のように考えることができる。図４に示す磁石の減磁曲線上に磁石の動作点を記入している。可動子中央の界磁用永久磁石ではパーミアンス係数はほぼ１．４であり、可動子端部の界磁用永久磁石ではパーミアンス係数はほぼ１．３であると考えられる。
【００２２】
そのために中央と端部の界磁用永久磁石として同じＨＳ４２ＡＨ材を用いた場合、その動作点の磁束密度を比較すると、中央の永久磁石では端部の永久磁石よりもかなり高くなっている。しかし、中央の界磁用永久磁石として比較的特性の低いＨＳ３７ＢＨ材を用いたときは、その動作点の磁束密度と両端部の特性の高いＨＳ４２ＡＨ材の磁束密度はほぼ同じなので、リニアアクチュエータの可動子の磁束密度分布での極大値の差を小さくすることができたものと考えられる。
【００２３】
本発明の第二実施例のリニアアクチュエータに用いている中空角筒状可動子２で、可動子の片側にある界磁用永久磁石構造の断面図を図９に示している。ここで平面図は図２と同じなのでそれを用いることにする。界磁用永久磁石２１と補助磁石２４の磁化方向は図９に矢印で示しているように、第一実施例と同じである。中央の界磁用永久磁石２１と補助磁石２４は図３に示している第一実施例の中央の界磁用永久磁石２１と補助磁石２４と各々同じ寸法をしているが、端部の界磁用永久磁石２１はその磁化方向の長さが８ｍｍと中央のものよりも１ｍｍ長くなっており、それに伴い端部の補助磁石２４の幅が８ｍｍと、図３に示しているものよりも１ｍｍ幅が広くなっている。ここで用いた永久磁石はすべて図４に減磁曲線を示しているＨＳ４２ＡＨ材である。
【００２４】
この可動子で対向している界磁用永久磁石の空隙中央、すなわち固定子コイルの位置における磁束密度分布を図１０に示している。磁束密度の極大値の最大は０．７８０Ｔで最小は０．７６８Ｔでありその差は０．０１２Ｔ（１．５５％）であった。この可動子を備えたリニアアクチュエータの推力を測定した結果を図１１に示す。推力の最大は２．０５０kgf 、最小は１．９８０kgf であり、そのリップル率は１．７４％であった。このように第二実施例においても可動子中央部における磁束密度分布の極大値の差が小さくなり、推力のリップル率も小さなものとなった。
【００２５】
本発明の第三実施例のリニアアクチュエータに用いている中空角筒状可動子２で、固定子の片側にある界磁用永久磁石構造を図１２〜１４に示している。図１２は磁極を示す平面図、図１３は図１２の13-13 断面図、図１４は図１２の14-14 断面図である。ここで用いている永久磁石は第一実施例のものと外形寸法は同じであるが、中央の界磁用永久磁石２１はその上下端面から半円状の切り込み２２を設けてあるためにその永久磁石の面積が２０％程小さくなっているものである。界磁用永久磁石２１及び補助磁石２４として第二実施例と同じくＨＳ４２ＡＨ材を用いた。
【００２６】
この可動子で対向している界磁用永久磁石の空隙中央、すなわち固定子コイルの位置における磁束密度分布、リニアアクチュエータの推力を図１５、図１６に各々示している。磁束密度の極大値の最大は０．７２４Ｔで最小は０．７０７Ｔでその差は０．０１７Ｔ（２．３％）であった。また、推力の最大は１．８９４kgf 、最小は１．８５６kgf であり、リップル率は２．０％であった。
【００２７】
第三実施例のように磁束密度の高くなる中央の界磁用永久磁石の中央部の一部分を切り欠くことによって、図１７に拡大図で示すように空隙磁束密度の高い部分が広くなるので推力を極めて滑らかなものとすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように本発明のリニアアクチュエータでは、可動子の界磁用永久磁石の空隙中央での磁束密度分布の極大値の最大と最小の差を平均磁束密度の３％以下としており、それによって推力のリップル率を従来３％以上あったものを、小さくすることができた。推力のリップル率を小さくすることができたので、可動子の運動・停止が滑らかなものとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のリニアアクチュエータの断面図を示す。
【図２】本発明の第一実施例に用いている中空角筒状可動子の界磁用永久磁石構造の平面図である。
【図３】図２の3-3 断面図である。
【図４】本発明の実施例に用いている永久磁石の減磁曲線を示すグラフである。
【図５】本発明の第一実施例に用いている中空角筒状可動子の空隙磁束密度分布を示すグラフである。
【図６】本発明の第一実施例での推力分布を示すグラフである。
【図７】比較例に用いている中空角筒状可動子の空隙磁束密度分布を示すグラフである。
【図８】比較例での推力分布を示すグラフである。
【図９】本発明の第二実施例に用いている中空角筒状可動子の界磁用永久磁石構造の断面図（図２の9-9 断面図）である。
【図１０】本発明の第二実施例に用いている中空角筒状可動子の空隙磁束密度分布を示すグラフである。
【図１１】本発明の第二実施例での推力分布を示すグラフである。
【図１２】本発明の第三実施例に用いている中空角筒状可動子の界磁用永久磁石構造の平面図である。
【図１３】図１２の13-13 断面図である。
【図１４】図１２の14-14 断面図である。
【図１５】本発明の第三実施例に用いている中空角筒状可動子の空隙磁束密度分布を示すグラフである。
【図１６】本発明の第三実施例での推力分布を示すグラフである。
【図１７】本発明の第三実施例に用いている中空角筒状可動子の空隙磁束密度分布の一部分を拡大したグラフである。
【符号の説明】
１      固定子
１１    コイル
２      可動子
２１    （界磁用）永久磁石
２２    切り込み
２４    補助磁石
２５    ヨーク
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0003814119.tif 000016
【図１６】
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【図１７】
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