JP2010088146A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高推進力、高効率化を可能にしたリニアモータを提供する。
【解決手段】リニアモータ１では、シェル１０の第１及び第２のシェル主壁部１１ａ，１２ａには、内壁面１１ａＡ，１２ａＡからコイル７に向けて突出した膨出部４０が複数個設けられている。そして、各膨出部４０は、シェル１０の外壁面１１ａＢ，１２ａＢが凹状になるようなエンボス加工により形成されている。そして、各膨出部４０は、シェル１０の長手方向に対して直交する方向に直線状に延在している。このような膨出部４０を採用した結果、コイル７に大電流を流すことで発生する発熱の増大を抑制するために、冷媒流量を増大させ、これに伴ってシェル１０の内圧が高められた場合でも、シェル主壁部１１ａ，１２ａの薄肉化に伴うシェル主壁部１１ａ，１２ａの変形が起こり難くなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ステージ装置などの駆動部に利用されるリニアモータに関するものである。

従来、このような分野の技術として、特開平２００４−８８８４４号公報がある。この公報に記載されたリニアモータは、固定子の外郭をなすと共に、非磁性のステンレスからなるシェル（キャン）と、シェルの内部で長手方向に配列されたコイル列と、コイル列に対向してシェルの外方に配置された可動子をなすマグネットと、から主として構成され、シェルの内部には、コイル列を冷却するための冷媒が流動している。

特開平２００４−８８８４４号公報

このようなリニアモータでは、磁場効率の向上や粘性力の低減を考慮すると、コイルとマグネットとの間のシェルの壁（シェル主壁部）を可能な限り薄くすることが効果的である。しかしながら、シェル主壁部を薄くして、コイルへの通電量を多くし、コイルによって大量に発生する熱を冷却するために、冷媒の流量を多くすると、シェルの内圧が上昇し、これによってシェルの壁がマグネット側に膨らんで、マグネットがシェルと接触する可能性が高くなる。さらには、シェルが塑性変形を引き起こしてしまう虞もある。そこで、シェルの膨らみ量を考慮して、マグネットをシェルから大きく離してしまうと、磁場効率が落ちて推進力の低下がもたらされる。したがって、シェルの壁（シェル主壁部）を単に薄くするだけでは、シェル内の冷媒圧力が極めて制限されることになり、結果的にコイルへ大電流を流すことができず、高推進力化、高効率化を図ることができなかった。

本発明は、高推進力化、高効率化を可能にしたリニアモータを提供することを目的とする。

本発明は、コイルと、このコイルを内部に収容するシェルと、シェルの外方でコイルに対向して配置されたマグネットと、シェル内に設けられた冷媒流路とを有するリニアモータにおいて、
シェルは、コイルとマグネットとの間に配置されたシェル主壁部を有し、シェル主壁部の内壁面の一部は、膨出部としてコイル方向に突出していることを特徴とする。

このリニアモータに適用されるシェル主壁部の内壁面の一部には、コイルに向けて突出した膨出部が設けられているので、シェル主壁部の肉厚を薄くして、冷媒流量の増大に伴うシェルの内圧を高めた場合でも、シェル主壁部の変形が起こり難くなる。これによって、マグネットがシェル主壁部と接触し難く、マグネットをシェル主壁部に近づけ易くなり、シェルの耐圧性能が高められて、リニアモータの高推進力化、高効率化が可能になる。

また、膨出部は、エンボス加工により形成されていると好適である。
このような構成は、膨出部を内壁面から単に突出させた場合に比べて、シェル主壁部の強度を高めることができ、シェルの耐圧性能を更に高めることができる。

また、直線状に延在する膨出部の延在軸線と、直線的に延在するシェルの延在軸線とで挟まれた角度αは、０°≦α≦９０°の関係を満たすと好適である。
このような構成を採用すると、シェル主壁部の内壁面に沿った流れに関して、膨出部が冷媒の流れの抵抗になり難い。この場合、複数の膨出部の角度αは、全て同じにしても、一部だけ異なるようにしても、全て異なるようにしても良く、冷媒の流速や冷媒の材質、シェルの材質等によって適宜設計変更されるものである。

本発明によれば、高推進力化、高効率化が可能になる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るリニアモータの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、ムービングコイル又はムービングマグネットの何れにも適用可能であるが、ムービングマグネットを例に挙げて説明する。

図１及び図２に示すように、リニアモータ１は、内部で冷媒（例えば冷却水）が流動する冷媒流路Ｐを有する固定子２と、固定子２に沿って直線的に移動する可動子３とから主として構成され、様々な製造装置の駆動部として利用されている。可動子３は、マグネット５ａ，５ｂがヨーク６ａ，６ｂ上で一列に並べられて、固定子２を挟むようにして左右に一対配置されている。

固定子２は、非磁性の材料（例えばステンレス材）からなる長尺状のシェル１０と、シェル１０内で長手方向に複数のコイル７を並設させてなるコイル列とを備えている。このシェル１０内で流動する冷却水は、例えばシェル１０の後端１０ａ側から供給され、前端１０ｂ側から排出される。冷却水を利用することで、コイル７の通電により発生する熱を効率よく抑えることができ、半導体製造装置や液晶ガラス基板の製造装置といった厳格な温度管理下で利用される各種装置に対して、リニアモータから発生する熱の影響を可能な限り少なくすることができる。

冷媒流路Ｐを内部に備えたシェル１０は、非磁性の材料（例えばステンレス材）によって形成されると共に長手方向に延在する第１のシェル部１１と、非磁性の材料（例えばステンレス材）によって形成されると共に、コイル７を挟むように第１のシェル部１１に対して面対称をなして対向する第２のシェル部１２と、シェル１０の前後端を閉鎖するための蓋部１３，１４と、上部側で第１のシェル部１１と第２のシェル部１２とを連結する第１の連結板（変形手段）２０と、下部側で第１のシェル部１１と第２のシェル部１２とを連結する第２の連結板（変形手段）３０とからなる。

第１のシェル部１１は、コイル７とマグネット５ａとの間でマグネット５ａに対向して位置する断面Ｉ字状の第１のシェル主壁部１１ａと、第１のシェル主壁部１１ａと一体をなして上方及び下方に延在する断面Ｌ字状の第１及び第２のシェル副壁部１１ｂ，１１ｃとからなる。

同様に、第２のシェル部１２は、コイル７とマグネット５ｂとの間でマグネット５ｂに対向して位置する断面Ｉ字状の第２のシェル主壁部１２ａと、第２のシェル主壁部１２ａと一体をなして上方及び下方に延在する断面Ｌ字状の第１及び第２のシェル副壁部１２ｂ，１２ｃとからなる。

第１の連結板２０は、非磁性のステンレス板により一体成形されている。この第１の連結板２０は、第１のシェル副壁部１１ｂの上端にレーザ溶接により固定される第１の接合部２１と、第１のシェル副壁部１２ｂの上端にレーザ溶接により固定される第２の接合部２２と、中央に配置されてコイル７の上端が固定されるコイル保持部２３と、コイル保持部２３と第１の接合部２１とを連結する第１の弾性部２４と、コイル保持部２３と第２の接合部２２とを連結する第２の弾性部２５とからなる。

同様に、第２の連結板３０は、非磁性のステンレス板により一体成形されている。この第２の連結板３０は、第２のシェル副壁部１１ｃの下端にレーザ溶接により固定される第３の接合部２１ａと、第２のシェル副壁部１２ｃの下端にレーザ溶接により固定される第４の接合部２２ａと、中央に配置されてコイル７の下端が固定されるコイル保持部２３ａと、コイル保持部２３と第３の接合部２１ａとを連結する第３の弾性部２４ａと、コイル保持部２３ａと第２の接合部２２ａとを連結する第４の弾性部２５ａとからなる。

そして、第１の接合部２１は、第１のシェル部１１の上端にレーザ溶接Ｓ１により接合され、第２の接合部２２は、第２のシェル部１２の上端にレーザ溶接Ｓ２により接合され、第３の接合部２１ａは、第１のシェル部１１の下端にレーザ溶接Ｓ３により接合され、第４の接合部２２ａは、第２のシェル部１２の下端にレーザ溶接Ｓ４により接合されている。

このようにして組立てられたシェル１０は、第１〜第４の弾性部２４，２５，２４ａ，２５ａによって、第１及び第２のシェル部１１，１２を、矢印Ａ方向（シェル主壁部１１ａ，１２ａに対して垂直な方向）に変位可能になっている。従って、接合箇所Ｓ１〜Ｓ４に応力集中が起き難い。

第１〜第４の弾性部２４，２５，２４ａ，２５ａは、断面波状に形成されて長手方向に延在し、第１及び第２の連結板２０，３０は、非磁性の金属板のプレス加工又は樹脂の射出成形により一体成形がされている。このような断面波形状を採用すると、弾性の少ない材質（例えば金属）で弾性部２４，２５，２４ａ，２５ａを成形することができる。しかも、第１及び第２の連結板２０，３０は、薄型化や軽量化が容易である。

このような構成のリニアモータ１においては、第１のシェル部１１と第２のシェル部１２とを第１及び第２の連結板（変形手段）２０，３０によって連結させているので、シェル１０の内部の圧力が変動した場合や、高推力、高効率化を図るためにコイル７への通電量を多くして、コイル７によって大量に発生する熱を冷却するために冷媒の流量を多くすることで、シェル１０内の圧力が高められた場合でも、内圧により発生した応力を第１及び第２の連結板（変形手段）２０，３０によって逃がすことができるので、第１のシェル部１１と第１及び第２の連結板（変形手段）２０，３０との接合箇所Ｓ１，Ｓ３や第２のシェル部１２と第１及び第２の連結板（変形手段）２０，３０との接合箇所Ｓ２，Ｓ４に応力集中が起き難く、これによって、接合箇所Ｓ１〜Ｓ４の強度を高めるための補強などを必要とせず、高推力、高効率化を確保しつつ、シェル１０の耐圧性を高めることができる。

また、外部方向への圧力が最も大きいのはシェル主壁部１１ａ，１２ａである。変形手段を設けていない従来にあっては、冷媒流路の圧力を逃がすことなくシェルが受けることになる。この場合、大きな圧力を受けるシェル主壁部が、圧力方向に弓なりのように膨らんで変形し易く、近くに配置されたマグネットに接触しない程度の流量しか流せなかった。これに対し、リニアモータ１では、圧力を逃がす変形手段２０，３０を設けているので、第１及び第２のシェル部１０，１１の全体を圧力方向に変位させることができるので、シェル主壁部だけが変位する従来のものに比較して、シェル主壁部１１ａ，１２ａがマグネット方向へ弓なりに変位するのを変位手段２０，３０によって抑制することができる。

また、このような構成のシェル１０は、肉厚を厚くする必要がなく、軽量化も可能であり、部品点数の増大やシェルの大型化を招き難い。

なお、弾性部２４，２５，２４ａ，２５ａの弾性係数は、シェル１０内の圧力を考慮して、第１及び第２のシェル部１１，１２がマグネット５ａ，５ｂに接触しないような値が選択される。

また、例えば、弾性部の材質は、剛性の低い材料であってもよく、ゴム製の弾性部は平板状であってもよい。弾性部は、蛇腹状であってもよい。第１及び第２のシェル部１１，１２は非磁性の材質であればよく、例えば樹脂であってもよい。第１及び第２の連結板２０，３０が樹脂で成形されている場合、接合箇所Ｓ１〜Ｓ４に応力が集中し難いので、接合箇所Ｓ１〜Ｓ４に接着剤を適用させることもできる。変形手段２０，３０は、一部に弾性機能を備えたものに限らず、例えば、ゴム、樹脂、バネ、蛇腹によって、それ自体に弾性機能をもたせても良い。

前述したリニアモータ１は、さらに、図１及び図３に示すように、シェル１０の第１及び第２のシェル主壁部１１ａ，１２ａの内壁面１１ａＡ，１２ａＡの一部には、コイル７に向けて突出した膨出部４０が複数個（例えば７個）設けられている。そして、各膨出部４０は、シェル１０の外壁面１１ａＢ，１２ａＢが凹状になるようなエンボス加工により形成されている。そして、各膨出部４０は、シェル１０の長手方向に対して直交する方向に直線状に延在している。

このような膨出部４０を採用した結果、コイル７に大電流を流すことで発生する発熱の増大を抑制するために、冷媒流量を増大させ、これに伴ってシェル１０の内圧が高められた場合でも、シェル主壁部１１ａ，１２ａの薄肉化に伴うシェル主壁部１１ａ，１２ａの変形が起こり難くなる。これによって、マグネット５ａ，５ｂがシェル主壁部１１ａ，１２ａと接触し難く、マグネット５ａ，５ｂをシェル主壁部１１ａ，１２ａに近づけ易くなり、シェル１０の耐圧性能が高められて、リニアモータ１の高推進力化、高効率化が可能になる。

さらに、エンボス加工を採用すると、膨出部４０を内壁面１１ａＡ，１２ａＡから単に突出させた場合に比べて、シェル主壁部１１ａ，１２ａの強度を高めることができ、シェルの耐圧性能を更に高めることができる。

さらに、各膨出部４０の周縁を傾斜させることで、膨出部４０が内壁面１１ａＡ，１２ａＡから突出することに伴う冷媒の抵抗を低減させることができる。

図４に示すように、シェル１０内における冷媒導入口Ａと冷媒排出口Ｂとが対角の関係にあり、直線状に延在する各膨出部４０の延在軸線Ｌ１と、直線的に延在するシェル１０の延在軸線Ｌ２とで挟まれた角度であって、しかも冷媒導入口Ａに対向する側の角度でもある膨出部形成角度αは、９０°である。

シェル主壁部１１ａ，１２ａは、シェル副壁部１１ｂ，１１ｃ，１２ｂ，１２ｃとの境界部分を支点として膨らむような応力に対して、膨出形成角度αが９０°の場合、最も強度が高い。

前述したような膨出部４０の採用は、変形手段２０，３０と相俟って多大な効果を上げることができる。

本発明は、前述した実施形態に限定されないことは言うまでもない。

シェル１０内における冷媒導入口Ａと冷媒排出口Ｂとが対角の関係にある場合、直線状に延在する膨出部４０の延在軸線Ｌ１と、直線的に延在するシェル１０の延在軸線Ｌ２とで挟まれた角度であって、しかも冷媒導入口Ａに対向する側の角度でもある膨出部形成角度αは、０°≦α≦９０°の関係を満たせば良い。膨出部形成角度αがこのような関係を満たせば、膨出部形成角度αが９０°＜α＜１８０°の関係を満たす場合に比べて、第１及び第２のシェル主壁部１１ａ，１２ａの内壁面１１ａＡ，１２ａＡに沿った流れに関して、膨出部４０が冷媒の流れの抵抗になり難くなる。

例えば、図５に示すように、シェル５０内の冷媒の流れを観測して、流れに沿うように膨出部５１を形成してもよい。図６に示すような他の形式のシェル６０であっても、膨出部６１の適用は有効である。

さらに、他の例として、シェル１０の各膨出部４０の膨出部形成角度αを全て同じにしても、一部だけ異なるようにしても、全て異なるようにしても良く、冷媒の流速、冷媒の材質、シェル１０の材質等によって適宜設計変更される。このことは、シェル５０，６０についても同様である。

エンボスの形状として、円形又は楕円形であってもよく、シェル内における冷媒導入口Ａと冷媒排出口Ｂとが対角の関係になくても初期の目的を達成させることができる。

本発明に係るリニアモータの一実施形態を示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図１のIII−III線に沿う断面図である。 図１のIＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 本発明に係るリニアモータの他の実施形態に適用されるシェルを示す断面図である。 本発明に係るリニアモータのさらに他の実施形態に適用されるシェルを示す断面図である。

符号の説明

１…リニアモータ、５ａ，５ｂ…マグネット、７…コイル、１０，５０，６０…シェル、１１ａ，１２ａ…シェル主壁部、１１ａＡ，１２ａＡ…シェル主壁部の内壁面、１１ａＢ，１２ａＢ…シェル主壁部の外壁面、４０，５１，６１…膨出部、Ｌ１…膨出部の延在軸線、Ｌ２…シェルの延在軸線、α…膨出部形成角度（角度）。

Claims (3)

1. コイルと、前記コイルを内部に収容するシェルと、前記シェルの外方で前記コイルに対向して配置されたマグネットと、前記シェル内に設けられた冷媒流路とを有するリニアモータにおいて、
   前記シェルは、前記コイルと前記マグネットとの間に配置されたシェル主壁部を有し、前記シェル主壁部の内壁面の一部は、膨出部として前記コイルに向けて突出していることを特徴とするリニアモータ。
2. 前記膨出部は、エンボス加工により形成されていることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
3. 直線状に延在する前記膨出部の延在軸線と、直線的に延在する前記シェルの延在軸線とで挟まれた角度αは、０°≦α≦９０°の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２記載のリニアモータ。

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