特開 2024-155519 リニアモータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024155519

(43)【公開日】2024-10-31

(54)【発明の名称】リニアモータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 41/03 20060101AFI20241024BHJP

【ＦＩ】

H02K41/03 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023070304

(22)【出願日】2023-04-21

(71)【出願人】

【識別番号】000005083

【氏名又は名称】株式会社プロテリアル

(74)【代理人】

【識別番号】100114557

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 英仁

(74)【代理人】

【識別番号】100078868

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 登夫

(72)【発明者】

【氏名】中野 達也

【テーマコード（参考）】

5H641

【Ｆターム（参考）】

5H641BB06

5H641BB18

5H641GG03

5H641GG06

5H641GG07

5H641GG26

5H641GG28

5H641HH02

5H641HH06

5H641HH15

(57)【要約】

【課題】磁石間のギャップやコイルと磁石の距離を大きくすることなく、位置検出が可能となるリニアモータを提供すること。
【解決手段】リニアモータは、バックヨークの主面に配列してある複数の主極磁石、及び、磁化方向が交互となるように配列されるとともに、主極磁石の配列方向と同方向に主極磁石と互い違いに設けられる複数の補極磁石を有するハルバッハ配列の磁界発生部材の２つを、主極磁石及び補極磁石の磁化方向が互いに反対方向となり、磁気空隙を形成するよう配してある固定子と、固定子に発生する磁界を横切る方向に電流が流れるコイルが複数個直列に接続され、磁気空隙に挿入してあるコイル列、及び、磁気検出素子を有する可動子とを備えるリニアモータであって、バックヨークには、主極磁石及び補極磁石が接触する面の一部を段差状に切り欠いた切り欠き部が形成してあり、磁気検出素子は切り欠き部に挿入してある。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

バックヨークの主面と直交する方向に磁化され、磁化方向が交互となるように前記主面に配列してある複数の主極磁石、及び、前記主極磁石の磁化方向と異なる方向に磁化され、磁化方向が交互となるように配列されるとともに、前記主極磁石の配列方向と同方向に前記主極磁石と互い違いに設けられる複数の補極磁石を有するハルバッハ配列の磁界発生部材の２つを、前記主極磁石及び前記補極磁石の磁化方向が互いに反対方向となり、磁気空隙を形成するよう配してある固定子と、
前記固定子に発生する磁界を横切る方向に電流が流れるコイルが複数個直列に接続され、前記磁気空隙に挿入してあるコイル列、及び、磁気検出素子を有する可動子と
を備えるリニアモータであって、
前記バックヨークには、前記主極磁石及び前記補極磁石が接触する面の一部を段差状に切り欠いた切り欠き部が形成してあり、
前記磁気検出素子は前記切り欠き部に挿入してある
リニアモータ。

【請求項2】

前記磁気検出素子は、前記主極磁石とは対向するが、前記補極磁石とは対向しないようしてある
請求項１に記載のリニアモータ。

【請求項3】

前記補極磁石は、前記可動子の可動方向に交差する方向の長さが、前記主極磁石よりも短くしてある
請求項２に記載のリニアモータ。

【請求項4】

前記磁気検出素子による検出結果に基づき、前記固定子に対する前記可動子の位置を検出する位置検出部
を備える請求項１から請求項３の何れか一項に記載のリニアモータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はリニアモータに関する。

【背景技術】

【0002】

半導体工場などにおいて、部品の搬送や作業ロボットの移動を行う移動体システムが利用されている。当該移動体システムでは、駆動源としてリニアモータが採用されている。リニアモータは固定子と可動子とを備える。固定子は他の装置等に固定され、永久磁石や電磁石により磁界を発生させる。可動子はコイルを備え、当該コイルに流れる電流により磁力を発生させる。リニアモータでは、固定子が発生させる磁界と可動子に発生させた磁力との相互作用により、固定子に対して可動子を直線的に可動する。

【0003】

リニアモータは用途にも依るが、多くの場合、固定子に対する可動子の位置を検出することが求められる。例えば位置検出には磁気検出素子が利用される。固定子が発生する磁場は可動方向Ｘの位置により大きさが異なるため、磁気検出素子を可動子に取り付け、磁界の強さの変化を磁気検出素子で検出することにより、固定子に対する可動子の位置を検出可能である（例えば、特許文献１）。

【0004】

また、特許文献２には、ハルバッハ磁気回路を有するリニアモータにおいて、ハルバッハ磁気回路が形成する磁石波形を、磁気検出素子が読み取り、位置検出する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００３－２５４７０３号公報

【特許文献2】特開２０１９－１１５２３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

磁石波形の変化を磁気検出素子で読み取るためには、磁石間のギャップ（磁石対向面など）など磁界が発生する面（ＮＳ面）で測定するのが、磁石波形の変化が大きく望ましい。しかし、コイルにセンサを取り付けることで、それぞれのギャップを大きくする必要があり、リニアモータ特性の低下が懸念される。磁石間のギャップやコイルと磁石の距離をなるべく短くする方が、最終的にリニアモータの特性が良くなることが知られているからである。以上より、磁石波形の変化を磁界が発生する面で測定するのは、実質困難である。

【0007】

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものである。その目的は、磁石間のギャップやコイルと磁石の距離を大きくすることなく、位置検出が可能となるリニアモータの提供である。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本願の一態様に係るリニアモータは、バックヨークの主面と直交する方向に磁化され、磁化方向が交互となるように前記主面に配列してある複数の主極磁石、及び、前記主極磁石の磁化方向と異なる方向に磁化され、磁化方向が交互となるように配列されるとともに、前記主極磁石の配列方向と同方向に前記主極磁石と互い違いに設けられる複数の補極磁石を有するハルバッハ配列の磁界発生部材の２つを、前記主極磁石及び前記補極磁石の磁化方向が互いに反対方向となり、磁気空隙を形成するよう配してある固定子と、前記固定子に発生する磁界を横切る方向に電流が流れるコイルが複数個直列に接続され、前記磁気空隙に挿入してあるコイル列、及び、磁気検出素子を有する可動子とを備えるリニアモータであって、前記バックヨークには、前記主極磁石及び前記補極磁石が接触する面の一部を段差状に切り欠いた切り欠き部が形成してあり、前記磁気検出素子は前記切り欠き部に挿入してある。

【0009】

本願の一態様に係るリニアモータにあっては、磁石間のギャップやコイルと磁石の距離を大きくすることなく、位置検出が可能となる。

【0010】

本願の一態様に係るリニアモータにおいて、前記磁気検出素子は、前記主極磁石とは対向するが、前記補極磁石とは対向しないようしてある。

【0011】

本願の一態様に係るリニアモータにあっては、磁気検出素子は、補極磁石とは対向しないため、可動子の位置検出可能な磁束検出波形を得ることが可能である。

【0012】

本願の一態様に係るリニアモータにおいて、前記補極磁石は、前記可動子の可動方向に交差する方向の長さが、前記主極磁石よりも短くしてある。

【0013】

本願の一態様に係るリニアモータにあっては、補極磁石は、可動子の可動方向に交差する方向の長さが、主極磁石よりも短くしてあるため、磁気検出素子は、補極磁石とは対向しない。

【0014】

本願の一態様に係るリニアモータは、前記磁気検出素子による検出結果に基づき、前記固定子に対する前記可動子の位置を検出する位置検出部を備える。

【0015】

本願の一態様に係るリニアモータにあっては、位置検出部により、固定子に対する可動子の位置を検出可能となる。

【発明の効果】

【0016】

本願の一態様にあっては、磁石間のギャップやコイルと磁石の距離を大きくすることなく、位置検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】リニアモータの構成例を示す平面図である。

【図2】図１のＩＩ－ＩＩ断面線による断面図である。

【図3】図１のＩＩＩ－ＩＩＩ断面線による断面図である。

【図4】図１のＩＶ－ＩＶ断面線による断面図である。

【図5】可動子の一例を示す斜視図である。

【図6】リニアモータの要部拡大図である。

【図7】従来のリニアモータの構成例を示す断面図である。

【図8】磁束密度の計測結果例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

（実施の形態１）
以下実施の形態を、図面を参照して説明する。図１はリニアモータの構成例を示す平面図である。図２は図１のＩＩ－ＩＩ断面線による断面図である。図３は図１のＩＩＩ－ＩＩＩ断面線による断面図である。図４は図１のＩＶ－ＩＶ断面線による断面図である。

【0019】

図１に示すように、リニアモータ１０は、固定子１と可動子３とを含む。固定子１と可動子３とは相対的に移動可能に配置されている。固定子１は複数の分割ユニット２を有する。固定子１は、複数の分割ユニット２を可動子３のストローク方向に沿って接続したものである。ストローク方向は、例えばＸ軸方向（図１でＸを付した矢印で示す方向）である。各分割ユニット２は同様の構造を有する。但し各分割ユニット２のストローク方向の長さは同一でなくてもよい。図２に示すように、固定子１の断面はＵ字状をなしている。

【0020】

固定子１を構成する分割ユニット２は、ヨーク組立体２１と磁界発生部材２２とを含む。ヨーク組立体２１は、ヨーク固定部２１１、２つのヨーク２１２（バックヨーク）を含む。ヨーク固定部２１１は、可動子３のストローク方向に長い、角柱状をなす。ヨーク２１２は平板状をなしている。ヨーク固定部２１１は一対のヨーク２１２の高さ方向の一方端側（図２では下側）を接合し、各々のヨーク２１２を片持ち梁状に支持している。２つのヨーク２１２は空隙を介して対向配置される。ヨーク組立体２１は断面Ｕ字状をなす。ヨーク固定部２１１、ヨーク２１２は、磁性鋼板などの磁性材料あるいは非磁性材料で構成される。

【0021】

ヨーク固定部２１１には、ストローク方向（図２の紙面に垂直な方向）に延びる凹溝２１３が設けられている。凹溝２１３はヨーク固定部の幅方向の中央に設けられている。凹溝２１３の深さは、そこに後述する可動子３の一部（多相コイルのうち推力に寄与しない無効導体部）が入り込むような寸法に設定される。なお、凹溝２１３は必須の構成ではない。

【0022】

磁界発生部材２２は、主極磁石２４、補極磁石２５を含む。図１及び図４に示すように、ヨーク２１２の一面（主面）に、主極磁石２４が複数、可動子３のストローク方向に沿って、所定間隔で固定されている。主極磁石２４の磁化方向は厚さ方向（可動子３のストローク方向と垂直な方向）である。主極磁石２４はそのＮ極とＳ極がストローク方向（主極磁石２４の配列方向と同方向）に沿って交互に並んでいる。主極磁石２４と互い違いになるように、補極磁石２５が主極磁石２４の間にヨーク２１２に固定されている。補極磁石２５の磁化方向は、可動子３のストローク方向と平行である。補極磁石２５の磁化方向は、主極磁石２４と直交する方向である。また、補極磁石２５は主極磁石２４を挟んで同極性の磁極が向き合うように配置されている。主極磁石２４、補極磁石２５は、いわゆるハルバッハ磁気回路を構成している。補極磁石２５の可動子３の可動方向Ｘの長さは、主極磁石２４の半分の長さとなっている。複数の主極磁石２４及び補極磁石２５は永久磁石であり、同じ素材のものを用いればよい。例えば、主極磁石２４、補極磁石２５は、希土類磁石で形成する。希土類磁石としては、Ｒ（Ｒは、Ｎｄ等の希土類元素から選択された一種又は二種以上の元素）、Ｔ（ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏ）及びＢ（ホウ素）を必須成分とするＲ－Ｔ－Ｂ系焼結磁石を用いことが好ましい。

【0023】

主極磁石２４、補極磁石２５が対向するように、２つのヨーク２１２はヨーク組立体２１に固定されている。そして、磁気空隙ｇを挟んで対向する主極磁石２４、補極磁石２５は、異極が向き合うように（磁化方向が互いに反対方向となるように）配置されている。磁気空隙ｇに現出する磁界の向きは、磁石の対向方向である。

【0024】

図５は可動子の一例を示す斜視図である。可動子３は、多相コイルを有するコイル部材４とそれを支持するホルダ５を備えている。可動子３のコイル部材４は、固定子１の内部に形成された磁気空隙ｇ内で駆動される。コイル部材４には、可動子３の可動方向Ｘに沿って多相コイル６（コイル列）が内包されている。多相コイル６は、例えば３相コイルの場合、６個の偏平形状の空心コイル（磁極幅と同一の開角幅を有する）を、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルが平面からみて有効導体部が重ならないように配設した構造を有する。多相コイル６は空心コイルを複数個直列に接続したものである。なお、図示を省略するが、複数の空心コイルは各相のコイルに通電された時に空心コイルの配列方向の推力が発生するように結線されている。空心コイルに含まれるコイル線の一部は、可動子３のストローク方向に垂直な方向（図２の紙面上下方向）に沿って電流が流れる。すなわち、コイル線の一部は、固定子１に現出する磁界内を横切る向きに電流が流れる。リニアモータ１０は可動子３にコイルを含む可動コイル型リニアモータである。コイルに流す電流の制御は制御装置が行う。

【0025】

図５では省略しているが、可動子３には図２及び図３に示したように磁気検出部７が設けられている。磁気検出部７は取付板７１と２つの磁気センサ７２とを含む。取付板７１は所定の段差を有し、断面視クランク状をなす。磁気センサ７２（磁気検出素子）は例えばホール素子である。磁気センサ７２は取付板７１により可動子３に固定してある。

【0026】

図２及び図３に示したように、分割ユニット２をヨーク固定部２１１が底面となるような向きとして場合、２つのヨーク２１２の一方は、厚さ方向（紙面左右方向）の一部分の高さが異なっている。すなわち、一方のヨーク２１２は、段差状に切り欠いた切り欠き部２１４が形成してある。図２に示したように、磁気センサ７２は切り欠き部２１４に挿入れるように、可動子３に固定される。

【0027】

図６はリニアモータの要部拡大図である。図６に示すように、２つの磁気センサ７２は可動子３の可動方向Ｘに沿って、所定の距離を隔てて、取付板７１に固定されている。また、２つ磁気センサ７２の磁気検出面は、紙面左方向としてあり、主極磁石２４の側面とほぼ正対するように配置される。２つの磁気センサ７２は、可動方向Ｘに沿って所定の距離を隔てているため、検出する磁束波形は位相差がある。リニアモータの位置検出部（図示しない）は、当該位相差（検出結果）を用いて、可動子３の位置を検出する。位相差を用いることにより、可動子３の位置を精度良く検出することが可能である。リニアモータは、得られた位置情報に基づき制御を行うようにしてある。

【0028】

図３及び図４に示したように、補極磁石２５の高さは、主極磁石と２４よりも低くしてある。補極磁石２５の上面は、切り欠き部２１４が形成されたヨーク２１２の低い方の上面と略面一となっている。そのため、磁気センサ７２が補極磁石２５の近傍を通過する際には、主極磁石２４の場合と異なり、磁気センサ７２の磁気検出面は、補極磁石２５の側面とは正対しないようになっている。

【0029】

図７は従来のリニアモータの構成例を示す断面図である。本実施の形態のリニアモータと同様な構成については、共通な符号を付している。図８は磁束密度の計測結果例を示すグラフである。図８Ａから図８Ｃに示すそれぞれのグラフにおいて、縦軸は磁束密度であり、単位はテスラ（Ｔ）である。横軸はストロークであり、単位はミリメートル（ｍｍ）である。図８Ａは従来のリニアモータの計測結果を示す。図８Ａのグラフでは、ストロークが変化しても、磁束密度の変化が乏しい箇所があり、可動子３の位置検出が困難となる位置がある。図８Ｂは本実施の形態に類するリニアモータにおける計測結果を示す。当該リニアモータでは、磁気センサ７２の位置は本実施の形態と同様であるが、補極磁石２５の高さは、主極磁石２４との高さと同じとしてある。図８Ｂのグラフでは、図８Ａの様に磁束密度の変化が乏しい場所（平坦部）が無くほとんどの領域で位置検出が可能となる。しかし、図８Ｂにおいて、円で囲んだ範囲のごく一部においては、ストロークの短い区間において、微分係数の正負が切り替わる箇所が２箇所あるため、可動子３の位置検出を適切に行えない箇所が生じる。図８Ｃのグラフは本実施のリニアモータの計測結果を示す。図８Ａ、図８Ｂのグラフと比較して、図８Ｃのグラフは平坦となる箇所も、微分係数の正負の切り替わりが短い区間で２回起こることもなく、理想的な正弦波形状に近い。したがって、可動子３の位置の検出を全ストロークに亘って精度良く検出可能である。

【0030】

本実施の形態は以下の効果を奏する。固定子にハルバッハ配列の磁界発生部を採用したリニアモータにおいて、固定子に対する可動子の位置を全ストロークに亘って、検出可能となる。

【0031】

（実施の形態２）
以上に説明した可動子の位置検出方法は、他の形態のリニアモータ、例えば、固定子の断面がＥ字状をなすリニアモータ（センターヨーク型リニアモータ）（以下、「Ｅ型リニアモータ」という。）にも適用可能である。Ｅ型リニアモータの固定子は、各複数の主極磁石と補極磁石とが、ハルバッハ配列で固定された２つのヨークが、センターヨークを間に挟んで対向するよう、ヨーク固定部に固定してある。２つのヨーク、センターヨーク、及び、ヨーク固定部により、Ｅ字状の断面が形作られる。可動子は複数のコイルを有する。センターヨークにコイルが挿通するように、可動子が配置される。

【0032】

固定子において、可動子の可動方向に交差する方向における主極磁石及び補極磁石の長さは異なっている。補極磁石の方が主極磁石よりも短くなっている。２つのヨークの一方には、可動方向に長い溝状の切り欠きがある。当該切り欠きにより、ヨークの主極磁石及び補極磁石の固定面と、主極磁石及び補極磁石との間に空間が形成されている。当該空間に可動子に固定されており、可動子とともに移動する磁気センサが挿入される。磁気センサの検出面は、２つのヨークが対向する方向が法線となる面に平行である。磁気センサは主極磁石と対向し、主極磁石とヨークとの間の磁束を計測する。また、上述したように、補極磁石の方が主極磁石よりも短くなっているため、磁気センサは補極磁石とは対向しない。

【0033】

Ｅ型リニアモータを以上のように構成することで、実施の形態１のリニアモータと、同様な方法で、固定子に対する可動子の位置を正確に検出可能となる。

【0034】

各実施の形態で記載されている技術的特徴（構成要件）はお互いに組み合わせ可能であり、組み合わせすることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
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、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、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。
また、特許請求の範囲には他の２以上のクレームを引用するクレームを記載する形式（マルチクレーム形式）を用いているが、これに限るものではない。マルチクレームを少なくとも一つ引用するマルチクレーム（マルチマルチクレーム）を記載する形式を用いて記載しても良い。

【符号の説明】

【0035】

１０ ：リニアモータ
１ ：固定子
２ ：分割ユニット
２１ ：ヨーク組立体
２１１ ：ヨーク固定部
２１２ ：ヨーク
２１３ ：凹溝
２１４ ：切り欠き部
２２ ：磁界発生部材
２４ ：主極磁石
２５ ：補極磁石
３ ：可動子
４ ：コイル部材
５ ：ホルダ
６ ：多相コイル（コイル列）
７ ：磁気検出部
７１ ：取付板
７２ ：磁気センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】