JP2007089245A - 平面サーボモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 可動子の電機子コイルで発生する熱を簡単な構造で効率良く放出でき、筐体の熱変形を小さくし、位置検出器の動作に影響を与えることのない平面サーボモータを提供する。
【解決手段】平面サーボモータにおいて、複数の電機子は、筐体３の中心に対する点対称の位置にＸ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ推力を発生する電機子５〜８を交互に直交するように配置したもので構成してあり、筐体３は、電機子５〜８と筐体３の外壁との間に形成された通風路１２および各々の電機子間に形成された通風路１３と、該筐体３の側面に２つ配置されると共に外部の空気を通風路１２に吸入する吸気孔１４と、該筐体３の側面に２つ配置されると共に電機子５〜８から発生する熱を強制的に外部に放出するための冷却ファン１５を備えた。
【選択図】 図２

Description

本発明は可動子を固定子に対してＸＹ軸方向の平面内に移動させて位置決めを行うことのできる平面サーボモータに関し、特に平面サーボモータの電機子コイルから発生する熱を効率よく放熱するための冷却構造に関する。

従来、可動子を固定子に対してＸＹ軸方向の平面内において、任意の方向に移動させて位置決めを行うことのできる平面サーボモータが提案されている。この平面サーボモータは、特に動力伝達機構を介することなくダイレクトに駆動するため、応答性や効率が良く、工作機械や半導体製造装置などの精密位置決め用ＸＹテーブルに適している（例えば、特許文献１を参照）。なお、上記の平面サーボモータに適用可能なリニアモータ構造として、例えば、特許文献２に示されたものが提案されており、特許文献２に記載のリニアモータをちょうど特許文献１に記載の平面サーボモータに適用した例として、以下に説明する。

図５は従来の平面サーボモータの基本構造を示した図であって、（ａ）はその全体斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う側断面図、（ｃ）は（ｂ）の可動子を底部から見た平面図である。
図５において、１は固定子、２は可動子、３は筐体、４は浮上機構、４Ａはオリフィス、４Ｂは絞り溝、５〜８は電機子、５Ａ、６Ａはコア，５Ｂ，６Ｂはコイル，５Ｃ，６Ｃは永久磁石、９は磁極、１０はＸＹスケール、１１Ａ，１１Ｂ、１１Ｃ，１１ＤはＸＹ位置検出器を構成する平面エンコーダである。なお、電機子７，８のコアおよびコイルの図示は省略している。
固定子１は、平板状に形成された磁性体上に複数の磁極となる鉄心歯を格子状に配置したものである。
可動子２は、固定子１とギャップを介して対向するように略田型状に配置されたＸ軸方向に推力を発生する電機子５および７、Ｙ軸方向に推力を発生する電機子６および８と、該電機子５〜８の外壁を覆うように収納する筐体３とを備えている。具体的には、電機子５は、３相のティースを有するＥ形状のコア５Ａにコイル５Ｂが巻装され、コア５Ａのギャップ対向面に多極の磁極を形成するように永久磁石５Ｃが貼り付けられており、他の電機子６〜８も同様である。
また、浮上機構４については、筐体３の内部に設けられた図示しない空気配管、その空気配管の末端にあたるギャップ面に設けられたオリフィス４Ａ、ギャップ面での空気の主流路となる絞り溝４Ｂから構成されており、いわゆるオリフィス絞り方式による静圧空気軸受を構成している。浮上機構６０は空気配管に圧縮空気を送り込むことにより、固定子１に対してギャップ面を非接触に浮上させることができる。
また、ＸＹ位置検出器１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、固定子１上に設置した平面状のＸＹスケール１０のメモリを検出することによって得られるＸ軸位置とＹ軸位置の位置情報に基づいて可動子２の位置決めを行うようにしている。
特開平９−３０８２１７号公報（第３頁、図１） 特開２００２−１０１６３６号公報（第３頁、図１）

従来技術では、平面サーボモータを駆動させるために可動子に設けた電機子のコイルに電流を供給すると、コイルが熱を発生し温度が上昇する。コイルからの熱は熱伝導あるいは部材間の接触熱伝達によって筐体に伝わり、筐体に伝わった熱は大気へ自然対流に伴う熱伝達によって放出されるが、コイルと筐体間の熱抵抗、筐体と大気間の熱抵抗が大きいため、コイルで発生した熱量に比例してコイルと大気の間で高い温度勾配が生じる。
すなわち、従来技術は以下の問題があった。
（１）電機子コイルと大気の間の高い熱抵抗によって、電機子コイルで発生する熱を効率良く外部に放出することができず、冷却が不十分であった。
（２）コイルの温度上昇によって平面サーボモータの最大推力が低下した。
（３）この温度差によって筐体が熱変形すると、例えば、筐体の上に搭載するテーブル等の位置決め精度、ひいては被加工物の加工精度が低下した。
（４）筐体の熱変形により、筐体に取付けたＸＹ位置検出器による位置検出の動作に影響を与え、モータの誤動作を生じた。
また、平面サーボモータに用いるリニアモータ電機子を冷却する対策として、筐体内部に冷却水を通す冷却ジャケットを設けてコイルの温度上昇を抑える手段が知られているが、構造が複雑化して、コストが高くなるなどの問題があり、冷却構造の簡単化が望まれていた。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、簡単な構造で電機子コイルで発生する熱を効率よく放出することができ、コイル温度上昇によるモータ最大推力の低下を防ぐと共に、筐体の熱変形を小さくし、位置検出器の動作に影響を与えることのない平面サーボモータを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は次のような構成にしたものである。
請求項１の発明は、平板状の磁性体の上に複数の磁極を格子状に配置した固定子と、前記固定子とギャップを介して対向配置した複数の電機子と該電機子の外周面を覆うように収納する筐体とを備えた可動子と、より構成され、前記可動子を前記固定子に対してＸＹ軸方向の平面内で移動させる平面サーボモータにおいて、前記複数の電機子は、前記筐体の中心に対する点対称の位置にＸ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ推力を発生する電機子を交互に直交するように配置したもので構成してあり、前記電機子と前記筐体の外壁との間および各々の前記電機子間に形成された通風路と、該筐体の側面に少なくとも２つ配置されると共に外部の空気を前記通風路に吸入する吸気孔と、該筐体の側面に少なくとも一つ配置されると共に前記電機子から発生する熱を強制的に外部に放出するための冷却ファンを備えたことを特徴としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の平面サーボモータにおいて、前記筐体に設けた通風路は、前記Ｘ軸方向に配置した電機子と前記Ｙ軸方向に配置した電機子の近接した位置に隔壁を設けてあることを特徴としている。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の平面サーボモータにおいて、前記電機子の上面と前記筐体の下面との間に、前記電機子の上面に接触するようにヒートスプレッダを固定し、前記ヒートスプレッダと前記筐体との間に空隙を設けたことを特徴としている。
請求項４の発明は、請求項３記載の平面サーボモータにおいて、前記ヒートスプレッダの下面に冷却フィンを設けたことを特徴としている。
請求項５の発明は、請求項１または２に記載の平面サーボモータにおいて、前記筐体の温度を検出するための温度センサを設けたことを特徴としている。
請求項６の発明は、請求項５記載の平面サーボモータにおいて、前記温度センサの出力に応じて、前記冷却ファンの回転数を制御することを特徴としている。

請求項１記載の発明によると、可動子を固定子に対してＸＹ平面内で移動させる空気吐出型の平面サーボモータにおいて、可動子を構成する筐体の中心に対する点対称の位置にＸ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ推力を発生する電機子を交互に直交するように配置し、電機子と筐体の外壁との間および各々の電機子間に通風路を形成し、該筐体の側面に外部の空気を通風路に吸入する吸気孔を少なくとも２つ配置し、該筐体の側面に電機子から発生する熱を強制的に外部に放出するための冷却ファンを少なくとも一つ配置する構成にしたので、筐体内のコイル放熱面積を利用し、冷却ファンによる強制対流によって熱を効率よく奪って、モータの温度上昇を抑えることができる。その結果、コイル温度上昇によるモータ最大推力の低下を防ぐと共に、筐体の熱変形を小さくし、位置検出器の動作に影響を与えることのない平面サーボモータを得ることができる。
請求項２記載の発明によると、Ｘ軸方向に配置した電機子とＹ軸方向に配置した電機子の近接した位置における通風路に隔壁を設置したので、筐体内で空気を全通風路へ流れるようにし電機子コイルから発生する熱を、効率よく奪うことができ、モータの温度上昇をさらに抑えることができる。
請求項３に記載の発明によると、電機子の上面と筐体の下面との間に、電機子の上面に接触するようにヒートスプレッダを固定し、ヒートスプレッダと筐体との間に空隙を設 けたので、電機子のコイルで発生する熱の一部をヒートスプレッダに伝達し、ヒートスプレッダに伝達した熱を、ヒートスプレッダの下面に位置した通風路を流れる空気によって奪うことができ、モータ温度上昇はさらに抑えることができる。
請求項４に記載の発明によると、可動子のコイルから発生させる熱を筐体内に流れる空気に効率的吸収させるためにヒートスプレッダの下面に冷却フィンを設置したので、筐体内の伝熱面積を増やすことにより効率良く放熱することができ、モータ温度上昇をさらに抑えることができる。
請求項５、６に記載の発明によると、筐体の温度を検出する温度センサを設けたので、電機子のコイルの発生熱により生じる筐体の温度を検出することができる。また、温度センサの出力に応じて、冷却ファンの回転数を制御するようにしたので、モータ動作に応じて冷却を制御することができる。

以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものについてはその説明を省略し、異なる点について説明する。

図１は本発明の第１の実施例を示す平面サーボモータの可動子の側断面図であり、可動子は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図となっている。図２は図１の平面サーボモータの可動子を底から透視した平面図である。なお、浮上機構の構成については図示を省略している。
図１及び図２において、１２は筐体外壁と電機子間に形成された通風路、１３は電機子間の通風路、１４は吸気孔、１５は冷却ファンである。
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、平面サーボモータにおいて、複数の電機子は、筐体３の中心に対する点対称の位置にＸ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ推力を発生する電機子５〜８を交互に直交するように配置したもので構成してあり、筐体３は、電機子５〜８と筐体３の外壁との間に形成された通風路１２および各々の電機子間に形成された通風路１３と、該筐体３の側面に２つ配置されると共に外部の空気を通風路１２に吸入する吸気孔１４と、該筐体３の側面に２つ配置されると共に電機子５〜８から発生する熱を強制的に外部に放出するための冷却ファン１５を備えた点である。

次に、動作について説明する。
平面サーボモータを駆動する場合、可動子２のコイル（図１では５Ｂ、６Ｂ）に外部から電流が供給されて可動子２に推力が生じ、コイルに熱が発生する。その際、モータの駆動時に、筐体３の側面に設けた冷却ファン１５が回転すると、吸気孔１４を通して外部の空気を筐体内部に吸い込み、吸入された空気は筐体３の外壁と電機子５〜８のコイルの間の通風路１２および電機子５〜８のコイル同士の間に形成された通風路１３に沿って流れた後、コイルに発生する熱を奪いながら、筐体３の外部に放出する。

第１実施例は上記構成にしたので、吸気孔より吸入される空気が通風路を介して可動子の筐体内で電機子コイルの伝熱表面の大部分と接触することになり、簡単な冷却構造を用いてコイルで発生する熱を効率的に奪ってコイル全体を均一に冷やすことができる。その結果、コイル温度上昇によるモータ最大推力の低下を防ぐと共に、筐体の熱変形を小さくし、位置検出器の動作に影響を与えることのない平面サーボモータを得ることができる。

次に、本発明の第２実施例を説明する。
図３は本発明の第２実施例を示す平面サーボモータの可動子を底から透視した平面図である。なお、浮上機構の構成については図示を省略している。
図において、１６は隔壁、１７は温度センサである。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、以下の点である。
すなわち、筐体に設けた通風路１２は、Ｘ軸方向に配置した電機子６、８とＹ軸方向に配置した電機子５、７の近接した位置に隔壁１６を設けた点、また、筐体３の温度を検出するための温度センサ１７を設け、温度センサ１７の出力に応じて、冷却ファン１５の回転数を制御するようにしている点である。

次に、本実施例の動作について説明する。
冷却ファン１５が動作すると、筐体３の吸気孔１４を通して外部の空気が吸い込まれ、吸入された空気は筐体３の外壁と電機子５〜８のコイルの間の通風路１２を通り、電機子５に対する電機子６，８との近接した位置に設けた隔壁１６、電機子７に対する電機子６，８との近接した位置に設けた隔壁１６にいったん遮られて、各電機子間の通風路を通って全通風路を洗うように流れ、コイルに発生する熱を奪いながら、筐体３の外部に放出する。

このように、本実施例は第１実施例に比べて、電機子コイルから発生する熱を、全通風路内を流れる空気により効率よく奪うことができると共に、モータの温度上昇をさらに抑えることができる。
また、筐体に温度センサを設け、検出した温度データを図示しない制御装置に送り、制御装置がそのデータに基づいて、冷却ファンの回転数を制御するので、モータ筐体内に吸入する空気の量を調整して空気による冷却量を制御することが可能になり、モータの負荷におじてモータ温度上昇を抑えることができる。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。
図４は本発明の第３実施例を示す平面サーボモータの側断面図である。
図において、１８はヒートスプレッダ、１９は冷却フィン、２０は空隙である。
第３実施例が第１実施例と異なる点は、以下の点である。
すなわち、電機子５〜８の上面と筐体３の下面との間に、電機子の上面に接触するように金属板からなるヒートスプレッダ１８を固定し、ヒートスプレッダ１８と筐体３との間に空隙２０を設けた点、空隙２０に空気を吸入させるために吸気孔１４を大きくした点、また、ヒートスプレッダ１８の下面に伝熱面積を増加するために冷却フィン１９を設けた点である。

次に、本実施例の動作について説明する。
冷却ファン１５が動作すると、筐体３の吸気孔１４を通して外部の空気が吸い込まれ、吸入された空気は筐体３の外壁と電機子５〜８のコイルの間の通風路１２および電機子５〜８のコイル同士の間に形成された通風路１３に沿って流れる。この際、コイルで発生する熱の一部は電機子上面に設けたヒートスプレッダ１８に伝達し、ヒートスプレッダ１８の下面に設けたフィン１９に放熱され、該フィン１９に伝わった熱が電機子コイル間の通風路１３を流れる空気によって奪われる。なお、筐体３の下面とヒートスプレッダ１８の上面に設けた空隙２０は、筐体内の伝熱面積を向上させており、空隙２０を流れる空気によって熱が吸収されるので冷却効率が上がる。

このように、本実施例は第１実施例に比べて、平面サーボモータで発生する熱を効率良く冷却し、モータ温度上昇を抑えることができるので、温度上昇による、さらなるモータ最大推力の低下、筐体の熱変形、またはエンコーダの誤動作など課題を解決できる。

なお、本実施例における吸気孔１４、冷却ファン１５、隔壁１６の位置については、電機子のコイルと筐体の外壁間の通風路または、電機子のコイル間の通風路内で空気が均一に流れるよう、筐体内の通風路の長さや寸法幅、電機子との位置関係に応じて決めれば良い。

本発明によれば、平面サーボモータの冷却構造を採用することによって、従来のものに対し、コイルの温度上昇によるモータ最大推力の低下あるいはエンコーダの誤動作などの影響を防止することができるので、半導体製造の中で多用され、高精度が要求される電子部品実装装置や検査装置などの用途に適用することもできる。

本発明の第１実施例を示す平面サーボモータの側断面図 図１の平面サーボモータの可動子を底から透視した平面図 本発明の第２実施例を示す平面サーボモータの可動子を底から透視した平面図 本発明の第３実施例を示す平面サーボモータの側断面図 従来の平面サーボモータの基本構造を示した図であり、（ａ）はその全体斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う側断面図、（ｃ）は（ｂ）の可動子を底部から見た平面図

符号の説明

１ 固定子
２ 可動子
３ 筐体
４ 浮上機構
４Ａ オリフィス
４Ｂ 絞り溝
５〜８ 電機子
５Ａ、６Ａ コア
５Ｂ，６Ｂ コイル
５Ｃ，６Ｃ、７Ｃ、８Ｃ 永久磁石
９ 磁極
１０ ＸＹスケール
１１Ａ，１１Ｂ、１１Ｃ，１１Ｄ ＸＹ位置検出器（平面エンコーダ）
１２ 通風路（筐体外壁と電機子間）
１３ 通風路（電機子間）
１４ 吸気孔
１５ 冷却ファン
１６ 隔壁
１７ 温度センサ
１８ ヒートスプレッダ
１９ 冷却フィン
２０ 空隙

Claims (6)

1. 平板状の磁性体の上に複数の磁極を格子状に配置した固定子と、
   前記固定子とギャップを介して対向配置した複数の電機子と該電機子の外周面を覆うように収納する筐体とを備えた可動子と、
   より構成され、前記可動子を前記固定子に対してＸＹ軸方向の平面内で移動させる平面サーボモータにおいて、
   前記複数の電機子は、前記筐体の中心に対する点対称の位置にＸ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ推力を発生する電機子を交互に直交するように配置したもので構成してあり、
   前記電機子と前記筐体の外壁との間および各々の前記電機子間に形成された通風路と、該筐体の側面に少なくとも２つ配置されると共に外部の空気を前記通風路に吸入する吸気孔と、該筐体の側面に少なくとも一つ配置されると共に前記電機子から発生する熱を強制的に外部に放出するための冷却ファンを備えたことを特徴とする平面サーボモータ。
2. 前記筐体に設けた通風路は、前記Ｘ軸方向に配置した電機子と前記Ｙ軸方向に配置した電機子の近接した位置に隔壁を設けてあることを特徴とする請求項１記載の平面サーボモータ。
3. 前記電機子の上面と前記筐体の下面との間に、前記電機子の上面に接触するようにヒートスプレッダを固定し、前記ヒートスプレッダと前記筐体との間に空隙を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の平面サーボモータ。
4. 前記ヒートスプレッダの下面に冷却フィンを設けたことを特徴とする請求項３に記載の平面サーボモータ。
5. 前記筐体の温度を検出するための温度センサを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の平面サーボモータ。
6. 前記温度センサの出力に応じて、前記冷却ファンの回転数を制御することを特徴とする請求項５記載の平面サーボモータ。

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