JP4517278B2 - コアレスリニアモータおよびキャンド・リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置や工作機のテーブル送りに使われると共に、リニアモータ本体の低温度上昇が要求されるコアレスリニアモータおよびキャンド・リニアモータに関する。

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コアレスリニアモータは、図５、図６に示すようになっている（例えば、特許文献１、特許文献２に記載）。
図５は従来技術を示すコアレスリニアモータの全体斜視図、図６は図５におけるＡ−Ａ線に沿う正断面図である。ここでは、特許文献１記載のコアレスリニアモータを中心に説明する。
図５において、１ｂはコアレスリニアモータ、１００ｂは可動子、１０１ｂは電機子、１０２ｂ、１０３ｂは電機子コイル、１０４ｂは基板、１０５はモールド樹脂、１０６は電機子取付板、１０７はケーブル、２００ｂは固定子、２０１ｂは永久磁石、２０２は界磁ヨークである。
固定子２００ｂは略コ字状の界磁ヨーク２０２と、界磁ヨーク２０２上に交互に極性が異なるように一定ピッチごとに直線状に配置してなる複数の永久磁石２０１ｂからなり、該永久磁石の磁石列を２列対向させた界磁を構成している。また、永久磁石２０１ｂは対向する左右の永久磁石２０１ｂの極性とも異極になるように配置されている。
可動子１００ｂは電機子１０１ｂ、該電機子１０１ｂを固定する電機子取付板１０６およびケーブル１０７から構成されている。この電機子１０１ｂは、永久磁石２０１ｂの２列の磁石列の内側に磁気的空隙を介して平行に配置されている。また、電機子１０１ｂは中央に基板１０４ｂが配置されると共に、基板１０４ｂを間に挟んで左右両側に電機子コイル１０２ｂ、１０３ｂが配置され、基板１０４ｂと電機子コイル１０２ｂ、１０３ｂがモールド樹脂１０５により一体成型されている。さらに、電機子１０１ｂはモールド樹脂１０５によって電機子取付板１０６にも固着されている。ここで、電機子コイル１０２ｂ、１０３ｂは、例えば集中巻された複数個のコイル群により構成されている。それから、基板１０４ｂは例えばガラス繊維を充填したエポキシ樹脂（ＧＦＲＰ）の板に銅箔のパターンを施したものであり、電機子コイル１０２ｂ、１０３ｂの複数個のコイル群を結線するために用いる。なお、可動子１００ｂは図示しないリニアガイド等によって支持されている。
このような構成のリニアモータにケーブル１０７を介して電機子コイル１０２ｂ、１０３ｂに所定の電流を流すと、永久磁石２０１ｂの作る磁界との作用により可動子１００ｂに推力が発生し、可動子１００ｂは矢印で示す進行方向に移動するようになっている。
特開２００１−１９７７１８号公報 特開２００２−２７７３０号公報

ところが、従来技術は左右の電機子コイル１０２ｂ、１０３ｂの間全面に基板１０４ｂが配置されることから、以下のような問題があった。
（１）２列からなる左右の電機子コイルの磁気的空隙の間にＧＦＲＰ基板が挿入されるため、磁気的空隙長が長くなり、ギャップ磁束密度の低下にともなう推力低下が起きた。その結果、所定の推力を発生させようとすると電機子コイルに流す電流が大きくなり、ジュール損失が増加してリニアモータ電機子表面の温度上昇が大きくなった。
（２）ＧＦＲＰ基板の熱伝導率が悪いため、電機子の熱抵抗が大きくなり、ジュール損失による電機子コイルの温度上昇が大きくなった。その結果、リニアモータ電機子表面の温度上昇も大きくなった。
以上のような問題は、同様に電機子が構成される特許文献２に記載のキャンド・リニアモータについても同じであった。
本発明は、このような問題点を鑑みてなされたものであり、リニアモータ電機子表面の温度上昇を大幅に低減することが可能なコアレスリニアモータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のような構成にしたものである。
請求項１の発明は、交互に極性が異なるように複数の永久磁石を直線状に並べて配置した界磁と、前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を介して平行に対向配置されると共に複数個のコイル群を並べて成形したコアレス型の電機子コイルを有する電機子とを備え、前記界磁と前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記界磁と前記電機子を相対的に走行するようにしたコアレスリニアモータにおいて、前記界磁は、前記永久磁石の磁石列を２列対向させるように構成してあり、前記電機子は、前記２列からなる界磁の間に前記電機子コイルを２列並べるように配置してあり、前記２列の電機子コイルは、前記磁石列間の磁気的空隙方向と直交する方向における少なくとも一方の端部を二又状に分岐させると共に、この二又状に分岐したコイル列間の空隙に前記コイルを結線処理するための基板を挿入してあり、前記電機子コイルと前記基板をモールド樹脂により固着してあり、前記永久磁石の表面形状は、前記電機子の表面形状に沿うように形成してあることを特徴としている。
また、請求項２の発明は、請求項１に記載のコアレスリニアモータにおいて、前記基板を、アルミの平板に絶縁膜と銅箔パターンを設けたアルミ基板によって構成したことを特徴としている。
また、請求項３の発明は、交互に極性が異なるように複数の永久磁石を直線状に並べて配置した界磁と、前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を介して平行に対向配置されると共に複数個のコイル群を並べて成形したコアレス型の電機子コイルと、前記電機子コイルを密封するためのキャンと、前記電機子コイルと前記キャンとの間に冷媒を流すための冷媒通路を有する電機子とを備え、前記界磁と前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記界磁と前記電機子を相対的に走行するようにしたキャンド・リニアモータ において、前記界磁は、前記永久磁石の磁石列を２列対向させるように構成してあり、前記電機子は、前記２列からなる界磁の間に前記電機子コイルを２列並べるように配置してあり、前記２列の電機子コイルは、前記磁石列間の磁気的空隙方向と直交する方向における少なくとも一方の端部を二又状に分岐させると共に、この二又状に分岐したコイル列間の空隙に前記コイルを結線処理するための基板を挿入してあり、前記電機子コイルと前記基板をモールド樹脂により固着してあり、前記永久磁石の表面形状は、前記電機子の表面形状に沿うように形成してあることを特徴としている。
また、請求項４の発明は、請求項３に記載のキャンド・リニアモータにおいて、前記基板を、アルミの平板に絶縁膜と銅箔パターンを設けたアルミ基板によって構成したことを特徴としている。

請求項１の発明によると、電機子を構成する２列からなる電機子コイルに関し、磁石列間の磁気的空隙方向と直交する方向における少なくとも一方の端部を二又状に分岐させると共に、二又状に分岐させた２列の電機子コイル間の空隙にコイルを結線処理するための基板を挿入し、永久磁石の表面形状を電機子の表面形状に沿うように形成したので、従来の２列の電機子コイル間に形成された磁気的空隙の大部分で基板の挿入部分を取り除くことにより、ギャップ磁束密度を向上させ、推力／電流比を大きくすることができる。ジュール損失を低減することができるので、リニアモータ電機子表面の温度上昇を低減することができる。
また、請求項２の発明によると、基板を熱伝導率の良いアルミ基板としたので、電機子コイル列のジュール損失による熱を、アルミ基板を介して電機子取付板へ効率良く逃がすことができ、請求項１の構成よりもさらに温度上昇を低減することができる。
また、請求項３の発明によると、請求項１記載同様、２列からなる電機子コイルに関し、磁石列間の磁気的空隙方向と直交する方向における少なくとも一方の端部を二又状に分岐させ、二又状に分岐させた２列の電機子コイル間の空隙にコイルを結線処理するための基板を挿入し、永久磁石の表面形状を電機子の表面形状に沿うように形成したので、従来の２列の電機子コイル間に形成された磁気的空隙の大部分で基板の挿入部分を取り除くことで、ギャップ磁束密度を向上させ、結果的にリニアモータ電機子表面の温度上昇を低減することができる。さらに、冷媒通路を設けた電機子を構成するため、請求項１のリニアモータの構成よりも温度上昇を小さくすることができる。
また、請求項４の発明によると、基板を熱伝導率の良いアルミ基板としたので、電機子コイル列のジュール損失による熱を、アルミ基板を介して電機子取付板へ効率良く逃がすことができ、請求項３の構成よりもさらに温度上昇を低減することができる。

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、本発明の第１実施例を示すコアレスリニアモータの斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う本発明におけるコアレスリニアモータの正断面図である。以下、本発明の構成要素が従来技術と同じものについては同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。

図において、１ａがコアレスリニアモータ、１００ａは可動子、１０１ａは電機子、１０２ａ、１０３ａは電機子コイル、１０４ａは基板、２００ａは固定子、２０１ａは永久磁石であり、コアレスリニアモータ１ａは電機子１０１ａを可動子１００ａとし、界磁を固定子２００ａとして、電機子と界磁を相対的に走行する事例を示したものとなっている。
本発明の特徴は以下のとおりである。
すなわち、コアレスリニアモータ１ａの界磁は、界磁ヨーク２０２上に永久磁石２０１ａの磁石列を２列対向させると共に、電機子１０１ａは、２列からなる界磁の間に集中巻された複数個のコイル群より構成される電機子コイル１０２ａ、１０３ａを２列並べるように配置してある点、また、該２列の電機子コイル１０２ａ、１０３ａは、磁石列間の磁気的空隙方向と直交する方向における一方の端部を二又状に分岐し、その他の部分を背中合わせに配置させると共に、この二又状に分岐したコイル列１０２ａ、１０３ａ間の空隙にコイルを結線処理するための基板１０４ａを挿入してあり、電機子コイル１０２ａ、１０３ａと基板１０４ａをモールド樹脂１０５により一体成型して固着してある点、さらに、永久磁石２０１ａの表面形状は、電機子１０１ａの表面形状に沿うように形成してあり、永久磁石２０１ａの厚みが界磁ヨーク２０２の開口部側で薄く、底部側で厚くなっている点である。
また、基板１０４ａはＧＦＲＰの板に銅箔のパターンを施したものであり、従来技術の基板１０４ｂよりも幅が狭くなっている。
以上のように構成されたコアレスリニアモータ１ａも従来技術同様に、ケーブル１０７を介して電機子コイル１０２ａ、１０３ａに所定の電流を流すと、永久磁石２０１ａの作る磁界との作用により可動子１００ａに推力が発生し、可動子１００ａは矢印で示す進行方向に移動することとなる。

このような構成により、従来技術で問題となっていた、２列の電機子コイル間の大きな磁気的空隙長に配置されるＧＦＲＰ基板の大部分を取り除くことができる。第１の実施例によれば、電機子を構成する２列からなる電機子コイルに関し、磁石列間の磁気的空隙方向と直交する方向における少なくとも一方の端部を二又状に分岐させると共に、二又状に分岐させた２列の電機子コイル間の空隙にコイルを結線処理するための基板を挿入し、永久磁石の表面形状を電機子の表面形状に沿うように形成したので、従来の２列の電機子コイル間に形成された磁気的空隙の大部分で基板の挿入部分を取り除くことにより、ギャップ磁束密度を向上させ、推力／電流比を大きくすることができる。よって、ジュール損失を低減することができるので、リニアモータ表面の温度上昇を低減することができる。

図３は、本発明の第２実施例を示すキャンド・リニアモータの斜視図、図４は図３のＡ−Ａ線に沿う本発明におけるキャンド・リニアモータの正断面図である。

図において、２はキャンド・リニアモータ、３００は可動子、３０１は永久磁石、３０２は界磁ヨーク、３０３は界磁ヨーク支持部材、４００は固定子、４０１は電機子、４０２はキャン、４０３は固定用ボルト、４０４は押え板、４０５は端子台、４０６は冷媒供給口、４０７は冷媒排出口、４０８、４０９は電機子コイル、、４１０は基板、４１１はモールド樹脂、４１２は冷媒通路、４１３はＯリング、４１４は筐体であり、キャンド・リニアモータ２は界磁を可動子３００とし、電機子４０１を固定子４００として、界磁と電機子を相対的に走行する事例を示したものとなっている。
本発明の特徴は以下のとおりである。
すなわち、キャンド・リニアモータ２の界磁は、上下に配置された界磁ヨーク３０２の内側面に交互に極性が異なるように設けた複数の永久磁石３０１よりなる磁石列を２列対向させると共に、対向させた２つの界磁ヨーク３０２の間の四隅に界磁ヨーク支持部材３０３を配置した点、また、電機子４０１は、２列からなる永久磁石３０１の磁石列の間に磁気的空隙を介して平行に対向配置され、集中巻された複数個のコイル群より構成されるコアレス型の電機子コイル４０８、４０９を２列並べるように配置してある点、また、該２列の電機子コイル４０８、４０９は、磁石列間の磁気的空隙方向と直交する方向における中央部を背中合わせに配置し、両方の端部を二又状に分岐させると共に、この二又状に分岐したコイル列４０８、４０９間の空隙にコイルを結線処理するための基板４１０を挿入してあり、電機子コイル４０８、４０９と基板４１０をモールド樹脂４１１により一体成型して固着してある点、さらに、永久磁石３０１の表面形状は、電機子４０１の表面形状に沿うように形成してあり、永久磁石３０１の厚みが界磁ヨーク支持部材３０３側で薄く、永久磁石の中央部で厚くなっている点である。
なお、電機子４０１を構成する固定子４００は、内部を中空とする口の字形（額縁状）の金属製筐体４１４と、電機子コイル４０８、４０９を密封し、筐体４１４の中空を覆うため外形を象った板状のキャン４０２と、電機子コイルとキャンとの間に冷媒を流すための冷媒通路を有する電機子を備え、キャン４０２を筐体４１４に固定するための固定用ボルト４０３と、固定用ボルト４０３の通し穴を持ちキャンを均等な荷重でもって押えるための押え板４０４と、筐体４１４の中空内に配置された電機子４０１、筐体４１４とキャン４０２の縁より少し大き目に象られたＯリング４１３、筐体４１４に取り付けられた端子台４０５、筐体４１４の前後方に各々設けられた冷媒供給口４０６と冷媒排出口４０７により構成されている。キャン４０２の材質は樹脂製であり、ここでは熱硬化性樹脂である例えばエポキシ樹脂や熱可塑性樹脂である例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を使用している。筐体４１４の空洞部の形状は、電機子４０１の外周を囲うように象られている。
また、基板４１０は銅箔パターンを施したＧＦＲＰ基板であり、電機子コイル４０８、４０９の複数個のコイルを結線するために用いられる。電機子コイル４０８、４０９への電力供給は、基板４１０とリード線（図示しない）で各々電気的に接続され筐体４１４に取り付けられた端子台４０５から行われる。また、冷媒は冷媒供給口４０６より供給され、冷媒排出口４０７より排出される。その間に、冷媒は電機子４０１とキャン４０２の間にある冷媒通路４１２を流れ、発熱する電機子４０１を冷却する。
このように構成されたキャンド・リニアモータ２は、可動子３００と固定子４００の電気的相対位置に応じた所定の電流を電機子コイル４０８、４０９に流すことにより、永久磁石３０１の作る磁界と作用して可動子３００に推力が発生する。この際、ジュール損失によって発熱した電機子コイル４０８、４０９は冷媒通路４１２を流れる冷媒により冷却されるので、キャン４０２の表面温度上昇を抑えることができる。

このような構成により、第１実施例と同様に、従来技術で問題となっていた、２列の電機子コイル間の大きな磁気的空隙長に配置されるＧＦＲＰ基板の大部分を取り除くことにより、磁気的空隙長を小さくすることができる。磁気的空隙を小さくしギャップ磁束密度を向上させることで、推力／電流比を小さくすることができる。よって、ジュール損失を低減することができるので、キャン表面の温度上昇を低減することができる。

第３実施例は、第１実施例における基板１０４ａ、第２実施例における基板４１０をＧＦＲＰ基板で構成したものに替えて、アルミの平板に絶縁膜と銅箔パターンを設けたアルミ基板によって構成した点である。

このような構成により、電機子コイルに発生したジュール損失による熱を、第１実施例のコアレスリニアモータにおいては電機子取付板１０６へ逃がすことができ、第２実施例のキャンド・リニアモータにおいては筐体４１４へ熱伝導の良いアルミ基板を通り効率良く外側へ逃がすことができ、さらに温度上昇を低減することができる。

本発明のコアレスリニアモータおよびキャンド・リニアモータは、ギャップ磁束密度の向上による推力増加とアルミ基板による熱抵抗低減により、極めて高頻度な加減速駆動を行いながらも温度上昇による熱膨張を嫌う半導体製造装置の位置決め機構に適用することができる。

本発明の第１実施例を示すコアレスリニアモータの全体斜視図 図１のＡ−Ａ線に沿うコアレスリニアモータの正断面図 本発明の第２実施例を示すキャンド・リニアモータの全体斜視図 図３のＡ−Ａ線に沿うキャンド・リニアモータの正断面図 従来技術を示すコアレスリニアモータの全体斜視図 図５のＡ−Ａ線に沿うコアレスリニアモータの正断面図

符号の説明

１ａ、１ｂ コアレスリニアモータ
２ キャンド・リニアモータ
１００ａ、１００ｂ 固定子
１０１ａ、１０１ｂ 電機子
１０２ａ、１０２ｂ 電機子コイル
１０３ａ、１０３ｂ 電機子コイル
１０４ａ、１０４ｂ 基板
１０５ モールド樹脂
１０６ 電機子取付板
１０７ ケーブル
２００ａ、２００ｂ 可動子
２０１ａ、２０１ｂ 永久磁石
２０２ 界磁ヨーク
３００ 可動子
３０１ 永久磁石
３０２ 界磁ヨーク
３０３ 界磁ヨーク支持部材
４００ 固定子
４０１ 電機子
４０２ キャン
４０３ 固定用ボルト
４０４ 押え板
４０５ 端子台
４０６ 冷媒供給口
４０７ 冷媒排出口
４０８、４０９ 電機子コイル
４１０ 基板
４１１ モールド樹脂
４１２ 冷媒通路
４１３ Ｏリング
４１４ 筐体

Claims (4)

1. 交互に極性が異なるように複数の永久磁石を直線状に並べて配置した界磁と、
   前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を介して平行に対向配置されると共に複数個のコイル群を並べて成形したコアレス型の電機子コイルを有する電機子とを備え、
   前記界磁と前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記界磁と前記電機子を相対的に走行するようにしたコアレスリニアモータにおいて、
   前記界磁は、前記永久磁石の磁石列を２列対向させるように構成してあり、
   前記電機子は、前記２列からなる界磁の間に前記電機子コイルを２列並べるように配置してあり、
   前記２列の電機子コイルは、前記磁石列間の磁気的空隙方向と直交する方向における少なくとも一方の端部を二又状に分岐させると共に、この二又状に分岐したコイル列間の空隙に前記コイルを結線処理するための基板を挿入してあり、
   前記電機子コイルと前記基板をモールド樹脂により固着してあり、
   前記永久磁石の表面形状は、前記電機子の表面形状に沿うように形成してあることを特徴とするコアレスリニアモータ。
2. 前記基板を、アルミの平板に絶縁膜と銅箔パターンを設けたアルミ基板によって構成したことを特徴とする請求項１記載のコアレスリニアモータ。
3. 交互に極性が異なるように複数の永久磁石を直線状に並べて配置した界磁と、
   前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を介して平行に対向配置されると共に複数個のコイル群を並べて成形したコアレス型の電機子コイルと、前記電機子コイルを密封するためのキャンと、前記電機子コイルと前記キャンとの間に冷媒を流すための冷媒通路を有する電機子とを備え、
   前記界磁と前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記界磁と前記電機子を相対的に走行するようにしたキャンド・リニアモータ において、
   前記界磁は、前記永久磁石の磁石列を２列対向させるように構成してあり、
   前記電機子は、前記２列からなる界磁の間に前記電機子コイルを２列並べるように配置してあり、
   前記２列の電機子コイルは、前記磁石列間の磁気的空隙方向と直交する方向における少なくとも一方の端部を二又状に分岐させると共に、この二又状に分岐したコイル列間の空隙に前記コイルを結線処理するための基板を挿入してあり、
   前記電機子コイルと前記基板をモールド樹脂により固着してあり、
   前記永久磁石の表面形状は、前記電機子の表面形状に沿うように形成してあることを特徴とするキャンド・リニアモータ。
4. 前記基板を、アルミの平板に絶縁膜と銅箔パターンを設けたアルミ基板によって構成したことを特徴とする請求項３記載のキャンド・リニアモータ。

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