JP2010074978A - キャンド・リニアモータ電機子およびキャンド・リニアモータおよびそれを用いたテーブル送り装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電機子巻線と冷媒通路間の熱伝達率を向上させ、電機子巻線を効率よく冷却するとともに絶縁信頼性の高いキャンド・リニアモータ電機子およびキャンド・リニアモータおよびそれを用いたテーブル送り装置を提供する。
【解決手段】 キャンド・リニアモータ電機子において、３相の電機子巻線１３の両側面に接するように絶縁性および熱伝導性の良いシート３が設けられ、キャン５の熱伝導率がシート３の熱伝導率よりも低くしてある。また、巻線固定部材２の内部に電機子巻線１３を収納し、かつ該電機子巻線１３と嵌合するような大きさの形状を有する凹部２ａを設けると共に、シート３が巻線固定部材２の表面および電機子巻線１３の表面の面位置と密着するように接した構成となっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体製造装置や工作機のテーブル送り装置などに使用されると共に、その直動機構の駆動用に好適であり、リニアモータ本体の低温度上昇が要求されるキャンド・リニアモータ電機子およびキャンド・リニアモータおよびそれを用いたテーブル送り装置に関するものである。

従来、半導体製造装置や工作機のテーブル送りに用いられると共に、リニアモータ本体の低温度上昇が要求されるキャンド・リニアモータとして、例えば特許文献１に開示されたものがある。このリニアモータについて、以下、図を用いて説明する。
図４は、従来技術を示すキャンド・リニアモータの全体斜視図であり、図５は、図４のリニアモータの中央部のＡ―Ａ線に沿う可動子と固定子の正断面図である。
図において、１０１は固定子、１０２は筐体、１０３はキャン、１０４は巻線固定枠、１０５は冷媒通路、１０６、１１９はボルトねじ、１０７は押さえ板、１０８は端子台、１０９は冷媒供給口、１１０は冷媒排出口、１１１は電機子巻線、１１２はＯリング、１１３は巻線固定枠支持部材、１１４はシール材、１１５は可動子、１１６は界磁ヨーク支持部材、１１７は界磁ヨーク、１１８は永久磁石である。
一方の可動子１１５は、平板状の二つの界磁ヨーク１１７と、各界磁ヨーク１１７の表面に取付けられた永久磁石１１８と、二つの界磁ヨーク１１７の間に挿入された界磁ヨーク支持部材１１６とから構成され、両端が開口した中空空間部を有している。そして、上記永久磁石１１８は界磁ヨーク１１７上に交互に極性が異なるように複数の磁石を隣り合わせに並べて配置したものとなっている。なお、可動子１１５は、図示しないスライダとガイドレールからなるリニアガイド等によって支持されている。
また、固定子１０１は、可動子１１５の中空空間部内に可動子１１５の永久磁石１１８と磁気的空隙を介して対向するように電機子が配置されている。固定子１０１は、内部を中空とする額縁状を有した金属製の筐体１０２と、筐体１０２の中空内に配置された電機子を構成する３相の電機子巻線１１１と、電機子巻線１１１の両側面の長手方向に向かって電機子巻線１１１を挟み込むように設けられた該電機子巻線１１１を固定する二つの巻線固定枠１０４と、前記筐体１０２の中空部分を覆うために筐体１０２の外形を象った板状のキャン１０３と、該キャン１０３を筐体１０２に固定するためのボルトねじ１０６と、該ボルトねじ１０６の通し穴を有し、キャン１０３を均等な荷重でもって押えるための押え板１０７と、筐体１０２とキャン１０３の縁より少し大き目に象られたＯリング１１２と、巻線固定枠１０４と筐体１０２とを固定するためのボルトねじ１１９とより構成されている。なお、キャン１０３および巻線固定枠１０４の材質は樹脂製であり、キャン１０３と巻線固定枠１０４との間に形成される空間内に冷媒通路１０５が設けられている。また、筐体１０２と巻線固定枠１０４との間隙には、冷媒通路１０５に流す冷媒が二つの巻線固定枠１０４で挟み込んだ電機子巻線１１１に漏出し、電機子巻線１１１が浸水しないようにシール材１１４を設けている。
また、電機子巻線１１１の上下部には二つの巻線固定枠１０４の上下端部と筐体１０２の内周側を支持固定するための巻線固定枠支持部材１１３が挿設されている。上記の筐体１０２と巻線固定枠支持部材１１３はボルトねじ１０６を筐体１０２に設けた通し孔に通した後、巻線固定枠支持部材１１３の雌ネジにねじ込むことで固定される。
また、筐体１０２には、電機子巻線１１１への配線を接続する端子台１０８、前記冷媒通路１０５に流す冷媒を供給する冷媒供給口１０９、冷媒を排出する冷媒排出口１１０が設けられている。
このように構成されたキャンド・リニアモータは、可動子１１５と固定子１０１の電気的相対位置に応じた所定の電流を電機子巻線１１１に流すことにより、永久磁石１１８の作る磁界と作用して可動子１１５に推力が発生し、可動子１１５は図４の矢印で示す進行方向に移動することとなる。この際、銅損によって発熱した電機子巻線１１１は冷媒通路１０９を流れる冷媒により冷却されるので、キャン１０３の表面温度上昇を抑えることができる。
また、導電率の低いフッ素系冷媒に代え、導電率が高い水を冷媒として使用したとしても、巻線固定枠１０４とシール材１１４によって電機子巻線１１１が水と隔離されるため、電機子巻線１１１の絶縁破壊を防ぐことができる。そして、冷媒をフッ素系冷媒から水に代えることにより冷却能力が高まる。
このように、従来のキャンド・リニアモータは、巻線固定枠とシール材によって電機子巻線と冷媒である水と隔離し、電機子巻線の絶縁破壊を防ぐとともに、冷却能力を高め、キャンの表面温度上昇を低減している。
特開２００４−３１２８７７号公報（図１、図２）

従来のキャンド・リニアモータは、電機子巻線で発生した熱は、巻線固定枠を通して冷媒に伝わるが、巻線固定枠は樹脂等の絶縁物からなり、かつ、電機子巻線に加わる電磁力を筐体に伝えるため強度を要するために、厚みを必要とするため、電機子巻線と冷媒間の熱抵抗が高い（熱伝達率が低い）というような問題があった。
また、冷媒である水と電機子巻線の間の隔離は、シール材で担っているため、絶縁信頼性が低いという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電機子巻線と冷媒通路間の熱伝達率を向上させ、電機子巻線を効率よく冷却するとともに絶縁信頼性の高いキャンド・リニアモータ電機子およびキャンド・リニアモータおよびそれを用いたテーブル送り装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、巻線固定部材と、前記巻線固定部材に配設されると共に平板状に成形された複数のコイル群よりなる電機子巻線と、前記電機子巻線を額縁状に囲むように設けた金属製の筐体と、前記筐体の両開口部を密閉するキャンと、前記電機子巻線および前記筐体並びに前記キャンとの間に設けられると共に前記電機子巻線を冷却するための冷媒を通す冷媒通路と、を具備したキャンド・リニアモータ電機子において、前記電機子巻線の両側面に接するように絶縁性および熱伝導性の良いシートが設けられ、前記キャンの熱伝導率が前記シートよりも低いことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のキャンド・リニアモータ電機子において、前記巻線固定部材の内部に前記電機子巻線を収納するための凹部を設けると共に、前記シートが前記巻線固定部材の表面および前記電機子巻線の表面の面位置と密着するように接した構成であることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のキャンド・リニアモータ電機子において、前記シートは、緻密質セラミックからなることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のキャンド・リニアモータ電機子において、前記シートと前記筐体の接合が、拡散接合または活性金属ろう付けによりなされていることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載の電機子と、前記電機子と磁気的空隙を介して対向配置されると共に交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせて並べて配置した界磁ヨークと、を備え、前記電機子と前記界磁ヨークの何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記界磁ヨークと前記電機子を相対的に走行するようにしたことを特徴とするキャンド・リニアモータとするものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のキャンド・リニアモータを直動機構の駆動源として用いたテーブル送り装置としたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、電機子巻線と冷媒間の熱伝達率を向上するよう熱抵抗を小さくすると共に、冷媒とキャン表面間の熱抵抗を大きくすることができ、電機子巻線を効率よく冷却することができるとともに、キャン表面の温度上昇を防止することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、電機子巻線を巻線固定部材内部に収納したので、巻線配置の省スペース化を図ることができると共に、巻線の発熱をシートを介して冷媒通路に流れる冷媒に効率よく熱伝達することができる。
また、請求項３に記載の発明によると、緻密性セラミックは、ヤング率が大きいため、電機子巻線と冷媒を隔てるシートを薄くすることができ、電機子巻線と冷媒間の熱抵抗をより小さくすることができ、電機子巻線を効率よく冷却することができる。
また、請求項４に記載の発明によると、前記シートと筐体を欠陥無く結合することができるため冷媒が電機子巻線と確実に隔離することができるため、絶縁信頼性が向上する。
また、請求項５に記載の発明によると、上記効果により、発熱による可動子への影響が少ないキャンド・リニアモータを得ることができる。
また、請求項６に記載の発明によると、請求項５に記載のキャンド・リニアモータの効果を有するテーブル送り装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明のキャンド・リニアモータの斜視図、図２は、図１のリニアモータの中央部のＡ―Ａ線に沿う可動子と固定子の正断面図である。
図１−３において、１は固定子、２は巻線固定部材、２ａは凹部，２ｂは溝，２ｃは貫通孔，３はシート，４は筐体，５はキャン，６は冷媒供給口，７はコネクタ，８、１６はボルトねじ，９はベース，１０は可動子，１１は界磁ヨーク，１２は永久磁石，１３は電機子巻線，１４は冷媒通路，１５はＯリング，１７はナット，１８はリード線である。
可動子１０の構成は、基本的には従来と同等の構成であり、コの字状の界磁ヨーク１１と、界磁ヨーク１１の表面に取付けられた永久磁石１２とから構成され、両端が開口した中空空間部を有している。そして、上記永久磁石１２は界磁ヨーク上に交互に極性が異なるように複数の磁石を隣り合わせに並べて配置したものとなっている。なお、可動子１０は、図示しないスライダとガイドレールからなるリニアガイド等によって支持されている。
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、（１）図２において、キャンド・リニアモータ電機子は、３相の電機子巻線１３の両側面に接するように絶縁性および熱伝導性の良いシート３が設けられ、キャン５の熱伝導率がシート３よりも低いことを特徴としている点、（２）図３において、巻線固定部材２の内部に電機子巻線１３を収納し、かつ該電機子巻線１３と嵌合するような大きさの形状を有する凹部２ａを設けると共に、シート３が巻線固定部材２の表面および電機子巻線１３の表面の面位置と密着するように接した構成である点である。
ここで、シート３は、板状の緻密質セラミックから材料で構成されており、シート３と筐体４の接合が、拡散接合または活性金属ろう付けによりなされている。
また、図２において、キャン５はシート３よりも熱伝導率が低い物質（例えばガラス強化プラスチック）からなる材料で構成されており、Ｏリング１５を介して、ボルトねじ８により、筐体４に固定されており、筐体４との間に冷媒供給口６、冷媒排出口以外は密封されている冷媒通路１４を形成するようになっている。
また、図２において、巻線固定部材２には、電機子巻線１３からコネクタ７にいたるリード線１８およびコネクタ７とリード線１８の接続部を収納する溝２ｂ、およびボルトねじ１６を通すための貫通孔２ｃが設けられている。
また、筐体４には、図示しない冷媒循環機から冷媒を筐体４内に供給する冷媒供給口６および冷媒を排出する冷媒排出口、ボルトネジ８と嵌合するメネジ、Ｏリング１５を設置するＯリング溝およびボルトねじ１６を通す貫通孔が設けられている点は従来技術と同じである。
また、上記のように組み立てられた前記シート３、筐体４およびキャン５は、ボルトねじ１６およびナット１７により、前記シート３が電機子巻線１３に密着するように、巻線固定部材２に設けられた貫通孔２ｃで固定され、固定子１をなすとともに、その一方は、ベース９に固定されている。

次に動作について説明する。
図１、２において、電機子巻線１３のコイル構成は従来技術と同じであるため、従来技術同様、本発明のキャンド・リニアモータも可動子１０と固定子１の電気的相対位置に応じた所定の電流を電機子巻線１３に流すことにより、永久磁石１２の作る磁界と作用して可動子に推力が発生する。また、電機子巻線１３で発生した熱は、電機子巻線１３に密着しているシート３を介して、冷媒通路１４を流れる冷媒（例えば水）に伝わる。ここで、冷媒は、図示しない冷媒を冷却する機能と冷媒を循環させる機能をもつ冷媒循環機により、冷媒供給口６、冷媒通路１４、冷媒排出口を通じて循環しており、少なくとも冷媒供給口６ではほぼ一定温度に保たれている。
本発明は上記構成にしたので、前記シートに緻密性セラミックである窒化アルミを用いることで、熱伝導率を１５０〜２００Ｗ／ｍ・ｋとステンレス（２５Ｗ／ｍ・ｋ程度）よりも１桁高くすることができ、電機子巻線１３を効率的に冷却できる。また、窒化アルミのヤング率はおよそ３００Ｍｐａであり、ステンレス（およそ２００ＭＰａ）の１．５倍あるため、おなじ変形を許容するならば、厚みを低減することができ、さらに熱抵抗を小さくすることが可能であり、電機子巻線１３をより効率的に冷却できる。また、固定子１の小型化も可能である。
また、従来のキャンド・リニアモータでは、冷媒の温度が上昇した場合、冷媒の熱がキャン５を通じて、可動子１０に伝わり、可動子１０の温度上昇を招く恐れがあるが、本実施例のような構造とすれば、ＦＲＰ製のキャン３の熱伝導率はたかだか１０Ｗ／ｍ・ｋと
前記シートに比べ１桁以上低いので、キャン３の表面の温度上昇は小さく、冷媒の温度が可動子に伝わることを低減できる。

また、前記冷却冷媒通路１４は、前記シート３と筐体４の間は拡散接合または活性金属ろう付けにより接合され、筐体４とキャン５の間は、Ｏリング１５をはさんだ上で、ボルトねじ８と、筐体４に設けられためねじにより締結されているので、冷媒供給口６、冷媒排出口以外は密封されているため、シール材が不要になり、シール材の劣化による冷媒漏れの恐れがなくなり、電機子巻線１３の絶縁信頼性が高まるとともに生産性が向上する。
また、巻線固定枠支持部材が不要であるため、部品点数が削減できる。
さらに、前述のように、あらかじめ、シート３、筐体４、キャン５で冷媒通路１４を形成してから、図３に示すように、電機子巻線１３、リード線１８およびコネクタ７取り付けた巻線固定部材２と、ボルトねじ１６およびナット１７により締結することが可能なので、生産性が向上すると共に、保守性も向上する。

なお、以上の実施例では、固定子に電機子巻線、可動子に界磁とした永久磁石を具備した構造で説明したが、固定子に永久磁石、可動子に電機子巻線を持つ逆の構造としてもよい。また、可動子の形状をコの字形としたが、従来例のような口の字形や片側にのみ永久磁石を並べる構造としても、本発明が成り立つことはいうまでもない。

このように、電機子巻線と冷媒通路の間に熱伝導率およびヤング率が高いセラミックシートを使用し、また、前記シートと筐体およびキャンにより冷媒通路が密封される構造とし、かつ、キャンに前記シートに比較して熱伝導率が１桁以上低いＦＲＰを使用することにより、電機子巻線、冷媒の熱が可動子に伝わることを防止することができるとともに、
電機子巻線の絶縁信頼性、生産性、保守性に優れた、キャンド・リニアモータの電機子およびキャンド・リニアモータを提供することができる。

本発明のシート、筐体およびキャンからなる冷媒通路は、電機子コイルの冷却だけに限定されることなく、片面にＣＰＵ、大電流を流すコイル等の発熱体を有し、他の一面の温度の上昇を防ぐ場合にも、そのまま用いることができる。さらに、片面のキャンに替え、筐体の両面に熱伝導率の大きいシートを用いた場合には、両面に配置された発熱体を冷却する冷却器としても利用することができる。

本発明の第１実施例を示すキャンド・リニアモータの斜視図 図１のリニアモータの中央部のＡ―Ａ線に沿う可動子と固定子の正断面図 本発明の第１実施例の巻線固定部材を示す側面図 従来のキャンド・リニアモータの斜視図 図４のリニアモータの中央部のＡ―Ａ線に沿う可動子と固定子の正断面図

符号の説明

・ １０１ 固定子
２ 巻線固定部材
２ａ 凹部
２ｂ 溝
２ｃ 貫通孔
３ シート
４、１０２ 筐体
５、１０３ キャン
６、１０９ 冷媒供給口
７ コネクタ
８、１６、１０６、１１９ ボルトねじ
９ ベース
１０、１１５ 可動子
１１、１１７ 界磁ヨーク
１２、１１８ 永久磁石
１３、１１１ 電機子巻線
１４、１０５ 冷媒通路
１５、１１２ Ｏリング
１７ ナット
１８ リード線
１０４ 巻線固定枠
１０７ 押さえ板
１０８ 端子台
１１０ 冷媒排出口
１１３ 巻線固定枠支持部材
１１４ シール材
１１６ 界磁ヨーク支持部材

Claims (6)

1. 巻線固定部材と、
   前記巻線固定部材に配設されると共に平板状に成形された複数のコイル群よりなる電機子巻線と、
   前記電機子巻線を額縁状に囲むように設けた金属製の筐体と、
   前記筐体の両開口部を密閉するキャンと、
   前記電機子巻線および前記筐体並びに前記キャンとの間に設けられると共に前記電機子巻線を冷却するための冷媒を通す冷媒通路と、
   を具備したキャンド・リニアモータ電機子において、
   前記電機子巻線の両側面に接するように絶縁性および熱伝導性の良いシートが設けられ、
   前記キャンの熱伝導率が前記シートよりも低いことを特徴とするキャンド・リニアモータ電機子。
2. 前記巻線固定部材の内部に前記電機子巻線を収納するための凹部を設けると共に、前記シートが前記巻線固定部材の表面および前記電機子巻線の表面の面位置と密着するように接した構成であることを特徴とする請求項１に記載のキャンド・リニアモータ電機子。
3. 前記シートは、緻密質セラミックからなることを特徴とする請求項１または２に記載のキャンド・リニアモータ電機子。
4. 前記シートと前記筐体の接合が、拡散接合または活性金属ろう付けによりなされていることを特徴とする請求項１に記載のキャンド・リニアモータ電機子。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のキャンド・リニアモータ電機子と、
   前記電機子と磁気的空隙を介して対向配置されると共に交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせて並べて配置した界磁ヨークと、
   を備え、前記電機子と前記界磁ヨークの何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記界磁ヨークと前記電機子を相対的に走行するようにしたことを特徴とするキャンド・リニアモータ。
6. 請求項５に記載のキャンド・リニアモータを直動機構の駆動源として用いたことを特徴とするテーブル送り装置。

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