7691811 リニアモータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-06-04

(45)【発行日】2025-06-12

(54)【発明の名称】リニアモータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 41/03 20060101AFI20250605BHJP

【ＦＩ】

H02K41/03 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020041269

(22)【出願日】2020-03-10

(65)【公開番号】P2021145418

(43)【公開日】2021-09-24

【審査請求日】2023-02-13

【審判番号】

【審判請求日】2024-07-10

(73)【特許権者】

【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】武富 正喜

(72)【発明者】

【氏名】中野 達也

(72)【発明者】

【氏名】吉田 実

【合議体】

【審判長】小宮 慎司

【審判官】緑川 隆

【審判官】打出 義尚

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１２－５２７８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１０４２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－８６１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２２９３７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

H02K 41/03

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の永久磁石を配列させた可動子と、複数の磁極歯それぞれにコイルを巻回させた固定子と、前記可動子の位置を検出するためのリニアエンコーダと、前記コイルに電流を流す駆動回路と、前記駆動回路の制御ゲインを設定して前記駆動回路を制御する制御器とを備えており、前記可動子の可動領域は、第１領域と、該第１領域まで前記可動子が移動する第２領域とを有しているリニアモータであって、
前記第２領域に対応する前記コイルの巻き数を、前記第１領域に対応する前記コイルの巻き数よりも少なくしてあるとともに、前記可動子の位置に応じて、前記可動子が前記第２領域に位置している場合の前記制御ゲインを、前記可動子が前記第１領域に位置している場合の前記制御ゲインよりも大きく設定するようにしてあることを特徴とするリニアモータ。

【請求項2】

加工対象物の移動に使用されるリニアモータであって、前記第１領域は、前記加工対象物への加工が行われるための作業領域であり、前記第２領域は、前記加工対象物を前記作業領域まで搬送するための搬送領域であることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。

【請求項3】

前記第２領域に対応する前記コイルの巻き数が、前記第１領域に対応する前記コイルの巻き数の１／５～１／３であることを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータ。

【請求項4】

７個の前記永久磁石と６個の前記磁極歯及びコイルとを有する７極６スロット構成を基本の単位とすることを特徴とする請求項１～３のいず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、可動子と固定子とを組み合わせて、直線運動出力を取り出すリニアモータに関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造装置、液晶ディスプレイ基板製造設備などにあっては、重力方向に対して垂直な平面内で加工対象物を低振動で精度よく搬送させる機構が必要である。直交配置されたリニアガイド上を独立して移動できるアクチュエータにより、加工対象物を載置したテーブルが移動される。このテーブルの移動には、精度の高さと振動の無さとが要求されるため、一般の加工装置に用いられているような回転機の力をボールねじにより平行移動に変えるような方式は利用されず、直接平行移動が可能なリニアモータが駆動源として利用されている。

【0003】

このようなリニアモータとして、磁性が交互に変わるように複数の永久磁石を配列させた可動子と、複数の磁極歯それぞれに同じ巻き数のコイルを巻回させた固定子とを、所定の距離だけ隔てて対応配置させた構成を有する可動磁石形リニアモータが知られている。極性と大きさとが可動子の界磁周期に対する移動距離に同期した交流電流を固定子のコイルに流すことにより、永久磁石との吸引反発力によって移動方向に推力を発生させて、可動子を固定子に対して直線運動させる。このような構成をなすリニアモータとして、種々のものが提案されている（特許文献１、２など）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００５－０１２９６３号公報

【文献】特開２０１５－１３０７５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

可動磁石形リニアモータにあって、可動子の有効ストローク（可動域の長さ）は、固定子の全長から可動子の全長を引いた値以下である。よって、有効ストロークを長くするためには、可動子の長さを短くする対応、または、固定子の長さを長くする対応が必要となる。前者の対応では、得られる推力が低下するため、所望の大きな推力を提供できず、現実的でない。

【0006】

一方、後者の対応では、固定子を長くするに従って設けるコイルの個数も増加する。結果として、固定子のインダクタンスが増加するため、ストロークが長くなればなるほど、可動子の速度が速くなった場合の推力が低下するという問題がある。

【0007】

ところで、例えばワイヤボンディング処理、フリップチップボンディング処理などを行う加工装置にリニアモータを適用する場合には、リニアモータのストローク全域にわたって均一の大きな推力が必ずしも必要でなく、加工対象物にボンディング処理を施す作業領域では大きな推力を必要とするが、加工対象物を作業領域まで搬送する搬送領域では比較的小さな推力でも十分である。

【0008】

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、作業領域にあって速い速度でも大きな推力を維持できるリニアモータ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】

本発明に係るリニアモータは、複数の永久磁石を配列させた可動子と、複数の磁極歯それぞれにコイルを巻回させた固定子とを備えており、前記可動子の可動領域は、第１領域と、該第１領域まで前記可動子が移動する第２領域とを有しているリニアモータにおいて、前記第２領域に対応する前記コイルの巻き数を、前記第１領域に対応する前記コイルの巻き数よりも少なくしてあることを特徴とする。

【0010】

本発明に係るリニアモータは、加工対象物の移動に使用されるリニアモータであって、前記第１領域は、前記加工対象物への加工が行われるための作業領域であり、前記第２領域は、前記加工対象物を前記作業領域まで搬送するための搬送領域であることを特徴とする。

【0011】

本発明に係るリニアモータは、前記第２領域に対応する前記コイルの巻き数が、前記第１領域に対応する前記コイルの巻き数の１／５～１／３であることを特徴とする。

【0012】

本発明に係るリニアモータは、７個の前記永久磁石と６個の前記磁極歯及びコイルとを有する７極６スロット構成を基本の単位とすることを特徴とする。

【0013】

本発明のリニアモータにあっては、可動子の可動領域が、第１領域（加工対象物への加工が行われる作業領域）と、第１領域まで可動子が移動する第２領域（加工対象物を作業領域まで搬送するための搬送領域）とを有しており、第２領域（搬送領域）に対応する固定子のコイルの巻き数を、第１領域（作業領域）に対応する固定子のコイルの巻き数よりも少なくしている。言い換えると、有効ストロークの中で、あまり大きな推力を必要としない搬送領域に対応するコイルの巻き数を、大きな推力を必要とする作業領域に対応するコイルの巻き数より少なくしている。有効ストロークの長さが同じである（コイルの個数が同じである）場合に、コイルの巻き数が全域にわたって均一である従前のリニアモータに比べて、本発明のリニアモータでは、固定子のインダクタンスが小さくなるため、速い速度でも大きな推力を維持することが可能である。なお、コイルの巻き数を少なくすることにより推力の低下が懸念されるが、巻き数を少なくしている部分は、小さな推力でも十分である搬送領域に対応させているので、作業領域ではコイルの巻き数低下の影響を受けずに所望の大きな推力を提供することができる。

【0014】

本発明のリニアモータにあっては、第２領域（搬送領域）に対応するコイルの巻き数を、第１領域（作業領域）に対応するコイルの巻き数の１／５～１／３としている。よって、第１領域（作業領域）及び第２領域（搬送領域）それぞれにおいて必要である所望の推力を提供しながら、第１領域（作業領域）にあって速い速度でも大きな推力を維持できる。

【0015】

本発明のリニアモータにあっては、７個の永久磁石と６個のコイルとを有する７極６スロット構成を基本の単位としている。よって、軽量な可動子で高い推力が得られて、高速応答を実現できる。

【発明の効果】

【0016】

本発明のリニアモータによれば、あまり大きな推力を必要としない領域に対応するコイルの巻き数を、大きな推力を必要とする領域に対応するコイルの巻き数より少なくするようにしたので、両領域における所望の推力を提供しながら、大きな推力を必要とする領域に関して速い速度でも大きな推力を維持することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明のリニアモータの構成を示す斜視図である。

【図2】本発明のリニアモータの構成を示す側面図である。

【図3】本発明のリニアモータにおける基本ユニットの構成を示す側面図である。

【図4】比較例としてのリニアモータの構成を示す側面図である。

【図5】図２に示すような構成を有するリニアモータと、図４に示すような構成を有するリニアモータとの特性を示すグラフである。

【図6】本発明の他の実施の形態によるリニアモータの構成を示す側面図である。

【図7】本発明の更に他の実施の形態によるリニアモータの構成を示す側面図である。

【図8】本発明の更に他の実施の形態によるリニアモータの構成を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

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。

【0019】

図１及び図２は、本発明のリニアモータ１の構成を示す斜視図及び側面図であり、図３は、リニアモータ１における基本ユニットの構成を示す側面図である。本発明のリニアモータ１は、所定距離だけ隔てて対向させた可動子２と固定子３とを有している。

【0020】

まず、図３を参照して、リニアモータ１の基本ユニットの構成について説明する。可動子２の基本ユニットは、７個の矩形状の永久磁石２１を、等ピッチで薄板状のバックヨーク２２に支持固定して可動方向（図３の左右方向）に並置させて構成される。各永久磁石２１は厚さ方向（図３の上下方向）に磁化されており、隣り合う永久磁石２１，２１同士でその磁化方向は逆向きである。即ち、可動子２側から固定子３側に向かう方向（図３の上から下に向かう方向）に磁化された永久磁石２１と、固定子３側から可動子２側に向かう方向（図３の下から上に向かう方向）に磁化された永久磁石２１とが交互に配置されている。なお、複数の永久磁石２１は、可動方向に対して３度程度傾けたスキュー配置としていても良い。例えば、永久磁石２１は、ネオジウム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石などからなり、バックヨーク２２は、珪素鋼材などの軟磁性金属で形成される。

【0021】

一方、固定子３の基本ユニットは、薄板状のコア３１に可動方向に等ピッチにて６個の矩形状の磁極歯３２を一体的に設け、各磁極歯３２にコイル３３を巻いて構成される。例えば、コア３１及び磁極歯３２は珪素鋼板を積層して一体的に構成され、コイル３３はエナメル被覆導線である。図３におけるＵ、Ｖ、Ｗは夫々３相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を示し、３相平行通電を行うために、正逆２スロット３対を１セットとした６スロットを基本単位としている。

【0022】

以上のように、本発明のリニアモータ１は、７個の永久磁石２１と６個の磁極歯３２及びコイル３３とを有する７極６スロット構成を基本ユニット（基本の単位）としている。そして、このような構成をなす７極６スロットの基本ユニットを複数繋ぎ合わせて、リニアモータ１が構成される。７極６スロットを基本構成としているので、軽量な可動子で高い推力が得られて、高速応答を実現できる。

【0023】

図２に示す実施の形態では、可動子２の基本ユニット２つ分と固定子３の基本ユニット５つ分とを組み合わせて、リニアモータ１が構成されている。よって、この実施の形態では、可動子２が１４個の永久磁石２１を有し、固定子３が３０個の磁極歯３２及びコイル３３を有している。そして、リニアモータ１における可動子２の有効ストローク（可動域の長さ）は、固定子３の全長から可動子２の全長を引いた長さであるため、図２に示すリニアモータ１の有効ストロークは、基本ユニット３つ分である。

【0024】

本発明のリニアモータ１は、加工対象物にワイヤボンディング処理を施すワイヤボンダーに適用できる。リニアモータ１の駆動にて加工対象物を作業領域まで搬送させ、その後、作業領域にてリニアモータ１を駆動しながら加工対象物にワイヤボンディング処理を施す。よって、リニアモータ１には、加工対象物を作業領域まで搬送させる搬送領域と、加工対象物に実際にワイヤボンディング処理を施す作業領域とが存在する。具体的には、図２に示すように、基本ユニット２つ分の搬送領域と基本ユニット３つ分の作業領域とが存在する。

【0025】

固定子３のコイル３３に３相交流を通電して磁極歯３２に磁界を発生させると、この磁界に可動子２の永久磁石２１が順次磁気吸引反発することによって可動子２に推力が発生して、可動子２は固定子３に対して直線運動を行う。この推力による直線運動を利用して、作業領域までの加工対象物の搬送と作業領域でのワイヤボンディング処理における加工対象物の移動とが行われる。

【0026】

本発明のリニアモータ１の固定子３にあっては、各磁極歯３２に巻かれるコイル３３の巻き数を全域にわたって等しくするのではなく、搬送領域に対応するコイル３３の巻き数を、作業領域に対応するコイル３３の巻き数よりも少なくしている。具体的には、搬送領域（図２の右側の第４ユニット及び第５ユニット）では各コイル３３の巻き数を７ターンとし、作業領域（図２の左側の第１ユニット、第２ユニット及び第３ユニット）では各コイル３３の巻き数を２８ターンとしている。

【0027】

図４は、比較例としてのリニアモータ１０の構成を示す側面図である。図４にあって、図２と同一または対応する部分には同じ符号を付している。図４のリニアモータ１０は、図２に示す実施の形態と同様に、可動子２の基本ユニット２つ分と固定子３の基本ユニット５つ分とを組み合わせたものである。また、リニアモータ１０における可動子２の構成は、リニアモータ１における可動子２の構成と同一である。

【0028】

但し、リニアモータ１０とリニアモータ１とでは、固定子３の構成が異なっている。リニアモータ１では、作業領域と搬送領域とで対応するコイル３３の巻き数が異なっている（２８ターンと７ターン）のに対して、リニアモータ１０では、全域にわたってコイル３３の巻き数が均一の２８ターンである。

【0029】

リニアモータ１がワイヤボンダーに適用される場合、加工対象物を作業領域まで搬送させる搬送領域ではあまり大きな推力を必要とせず、加工対象物にボンディング処理を施す作業領域では所望の大きな推力が必要である。そこで、本発明では比較的小さな推力でも問題がない搬送領域に対応するコイル３３の巻き数を、大きな推力が必要である作業領域に対応するコイル３３の巻き数より少なくしている。

【0030】

このような構成にすることにより、図４に示すようなコイル３３の巻き数を均一とした比較例のリニアモータ１０と比べて、固定子３のインダクタンスが小さくなる。この結果、本発明のリニアモータ１では、作業領域にあって、より速い速度でも大きな推力を維持することが可能である。これは、固定子３のインダクタンスが小さくなるため、磁気飽和に達するまでの電流を大きくできるからである。

【0031】

ところで、本発明のリニアモータ１では、コイル３３の巻き数を少なくしているので、推力の低下が懸念される。しかしながら、巻き数を少なくしている部分は、小さな推力でも十分である搬送領域だけに対応させているので、作業領域ではコイル３３の巻き数低下の影響を受けずに所望の大きな推力を提供することができる。

【0032】

図２に示すような構成を有するリニアモータ１（以下、単に本発明例ともいう）と、図４に示すような構成を有するリニアモータ１０（以下、単に比較例ともいう）との特性の比較に関して説明する。

【0033】

図５は、本発明例と比較例との特性を示すグラフである。図５にあって、横軸は速度（ｍ／ｓ）を表し、縦軸は最大推力（Ｎ）を表しており、ａ、ｂはそれぞれ本発明例の特性、比較例の特性を示している。本発明例及び比較例は何れも最大推力１０００Ｎを提供できる。但し、比較例にあっては最大推力１０００Ｎを最大速度１．４ｍ／ｓまでしか維持できていないのに対して、本発明例では最大速度１．８ｍ／ｓまでも最大推力１０００Ｎを維持できている。

【0034】

本発明のリニアモータ１では、搬送領域に対応するコイル３３の巻き数を作業領域に対応するコイル３３の巻き数の１／４としているので、搬送領域における推力定数は、リニアモータの特性上、作業領域の１／４に減少する。よって、リニアモータ１の駆動回路の制御定数（ゲイン）を全領域にわたって一定とした場合には、不安定な動作を生じることになる。そこで、本実施の形態では、可動子２の現在位置を検出するためのリニアエンコーダを設けて、このリニアエンコーダから得られる可動子２の位置情報に基づき、上位の制御器から駆動回路の制御定数を変更して、安定動作を確保するようにしている。例えば、可動子２が搬送領域に位置している場合には大きな制御定数に設定し、可動子２が作業領域に位置している場合には小さな制御定数に設定し、可動子２が搬送領域及び作業領域を跨いで位置している場合には中間の制御定数に設定するようにして、安定的な等速運動の実現を図る。

【0035】

以下、本発明の他の実施の形態について説明する。図６は、本発明の他の実施の形態によるリニアモータ１の構成を示す側面図である。図６にあって、図２と同一または対応する部分には同じ符号を付している。

【0036】

図６に示す実施の形態では、可動子２の基本ユニット２つ分と固定子３の基本ユニット６つ分とを組み合わせて、リニアモータ１が構成されている。よって、この実施の形態では、可動子２が１４個の永久磁石２１を有し、固定子３が３６個の磁極歯３２及びコイル３３を有している。そして、図６に示すリニアモータ１の有効ストロークは、基本ユニット４つ分であり、図６に示すように、基本ユニット３つ分の搬送領域と基本ユニット３つ分の作業領域とが存在する。そして、作業領域（左側の第１ユニット、第２ユニット及び第３ユニット）に対応する各コイル３３の巻き数を２８ターンとしているのに対して、搬送領域（右側の第４ユニット、第５ユニット及び第６ユニット）に対応する各コイル３３の巻き数を７ターンと少なくしている。このリニアモータ１でも、前述した本発明例と同様に、最大推力が１０００Ｎであり、最大速度１．８ｍ／ｓまでこの最大推力を維持できる。

【0037】

図７は、本発明の更に他の実施の形態によるリニアモータ１の構成を示す側面図である。図７にあって、図２と同一または対応する部分には同じ符号を付している。

【0038】

図７に示す実施の形態では、可動子２の基本ユニット２つ分と固定子３の基本ユニット４つ分とを組み合わせて、リニアモータ１が構成されている。よって、この実施の形態では、可動子２が１４個の永久磁石２１を有し、固定子３が２４個の磁極歯３２及びコイル３３を有している。そして、図７に示すリニアモータ１の有効ストロークは、基本ユニット２つ分であり、図７に示すように、基本ユニット１つ分の搬送領域と基本ユニット３つ分の作業領域とが存在する。そして、作業領域（左側の第１ユニット、第２ユニット及び第３ユニット）に対応する各コイル３３の巻き数を２８ターンとしているのに対して、搬送領域（右側の第４ユニット）に対応する各コイル３３の巻き数を７ターンと少なくしている。全領域にわたってコイルの巻き数を均一とした同様の構成のリニアモータでは最大速度２．２ｍ／ｓまでしか最大推力１０００Ｎを維持できないのに対して、この図７に示すリニアモータ１では、最大速度２．７ｍ／ｓまでこの最大推力１０００Ｎを維持できる。

【0039】

図８は、本発明の更に他の実施の形態によるリニアモータ１の構成を示す側面図である。図８にあって、図２と同一または対応する部分には同じ符号を付している。

【0040】

図８に示す実施の形態では、可動子２の基本ユニット１つ分と固定子３の基本ユニット４つ分とを組み合わせて、リニアモータ１が構成されている。よって、この実施の形態では、可動子２が７個の永久磁石２１を有し、固定子３が２４個の磁極歯３２及びコイル３３を有している。そして、図８に示すリニアモータ１の有効ストロークは、基本ユニット３つ分であり、図８に示すように、基本ユニット２つ分の搬送領域と基本ユニット２つ分の作業領域とが存在する。そして、作業領域（左側の第１ユニット及び第２ユニット）に対応する各コイル３３の巻き数を２８ターンとしているのに対して、搬送領域（右側の第３ユニット及び第４ユニット）に対応する各コイル３３の巻き数を７ターンと少なくしている。この図８に示すリニアモータ１では、基本ユニット１つ分にて可動子２が構成されているため、最大推力は５００Ｎである。全領域にわたってコイルの巻き数を均一とした同様の構成では最大速度２．９ｍ／ｓまでしかこの最大推力５００Ｎを維持できないのに対して、本発明のリニアモータ１では、最大速度３．２ｍ／ｓまでこの最大推力５００Ｎを維持できる。

【0041】

いくつかの実施の形態について説明したが、リニアモータ１は任意の７ｍ極６ｎスロット構成（ｍ、ｎは自然数、ｍ＜ｎ）を採用でき、作業領域及び搬送領域それぞれを何個の基本ユニットにて構成するかは、適用される加工対象物（半導体ウェハなど）のサイズに応じて決めれば良い。

【0042】

なお、上述した実施の形態では、作業領域に対応するコイル３３の巻き数を２８ターン、搬送領域に対応するコイル３３の巻き数を７ターンとし、前者に対する後者の割合が１／４であることとしたが、これは一例であり、夫々の領域に対応するコイル３３の巻き数はこれらに限定されない。搬送領域に対応するコイル３３の巻き数は作業領域に対応するコイル３３の巻き数の１／５～１／３であることが好ましい。コイル３３の巻き数の割合をこのような数値範囲とすることにより、作業領域及び搬送領域それぞれにおいて必要である所望の推力を提供しながら、作業領域にあって速い速度でも大きな推力を維持できる。

【0043】

なお、上述した実施の形態では、ワイヤボンダーに適用する場合について説明したが、ワイヤボンダーと同様に、あまり大きな推力を必要としない加工対象物の搬送処理と大きな推力を必要とする加工対象物への作業処理とを一連に行うフリップチップボンダーなどの他の加工装置にも本発明のリニアモータを適用できる。

【0044】

なお、上述した実施の形態では、基本構成が７極６スロットである例について説明したが、これに限らず、基本ユニットが８個の永久磁石と９個の磁極歯及びコイルとを有する８極９スロット構成、基本ユニットが１０個の永久磁石と９個の磁極歯及びコイルとを有する１０極９スロット構成などの他の基本構成をなすリニアモータについても本発明を適用できる。

【0045】

開示された実施の形態は、全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。本発明の範囲は上述の説明ではなくて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全ての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0046】

１ リニアモータ
２ 可動子
３ 固定子
２１ 永久磁石
２２ バックヨーク
３１ コア
３２ 磁極歯
３３ コイル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】