JP4636354B2 - リニアモータおよびそれを備えたテーブル送り装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の送り機構や半導体製造装置の位置決め装置に利用されるリニアモータおよびそれを備えたテーブル送り装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工作機の送り機構や半導体製造装置の位置決め装置に用いられると共に電機子を可動子に、界磁極を固定子として、電機子を界磁極の長手方向に沿って相対的に走行させるムービングコイル形リニアモータは図６のようになっている。なお、図６は従来のリニアモータの正断面図である。図において、３１はリニアモータ、３2は電機子、３３はコア、３４は電機子取付板、３５は永久磁石、３６は界磁ヨーク、３７は電機子コイル、３８は取付ボルト、３９は冷媒通路、４０はモールド樹脂である。このような構成において、コ字状断面を有する界磁ヨーク３６上の長手方向（紙面と垂直方向）に沿って交互に極性が異なるように複数の永久磁石３５が配置されており、界磁ヨーク３６と永久磁石３５とで固定子を構成している。この永久磁石３５と磁気的空隙を介して対向して電磁鋼板を永久磁石３５の高さ方向に積層してなるコア３３が設けられている。コア３３は、そのスロット内部に電機子コイル３７を巻装して周囲をモールド樹脂４０で固着しており、コア３３と電機子コイル３７とで可動子を構成している。コア３３および電機子取付板３４は、電機子取付板３４に設けた雌ねじ部（不図示）に取付ボルト３８をねじ込んで締結されている。また、電機子３２には電機子コイル３７に対向する位置に冷媒通路３９が設けられており、冷媒通路３９との間をモールド樹脂４０により固着し、電機子３２と冷媒通路３９とで一体構造の冷却ユニットを構成している。なお、電機子取付板３４は、テーブル（不図示）を介してリニアガイド（不図示）により支持され、リニアガイドを用いてリニアモータをテーブルの長手方向（紙面と垂直方向）に沿って摺動するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では以下の問題があった。
（１）リニアモータ３１の推力を上げるために、図示しない電源から電機子コイル３７に駆動電流を供給し続けると、電機子コイル３７の内部抵抗の増大により温度が上昇して発熱量が増加する。このため、電機子コイル３７からの発熱は冷媒通路３９側へ伝熱し、冷媒の強制対流による熱伝達で熱交換される。その一方で、コア３３は鉄損の増大により温度が上昇して発熱量が増大する。コア３３からの発熱は電機子取付板３４を介して電機子取付板３４の上部に固定されるテーブル（不図示）に伝熱するが、コア３３からテーブル側を経由して外部へ放出する熱は自然対流による熱伝達によるところが大きく、強制対流熱伝達に比べると冷却能力が小さいため、コア３３およびテーブルの熱変形を生じさせるという問題があった。特にコア３３の長手方向に沿う反りが大きい。また、テーブルへの伝熱に伴う熱変形は、リニアガイドや検出器（何れも不図示）に悪影響を与え、位置決め精度の誤差を生じることから、高精度位置決めに支障をきたす原因となっていた。
（２）電機子コイル３７の温度上昇の影響に伴って、例えば、電機子コイル３７自体が絶縁劣化を生じると、電機子３２の交換に応じて、冷却ユニットの交換も必要になる、また、電機子コイル３７の周囲を覆っている樹脂モールド４０が熱変形を起こした際、その熱変形による破損の影響に伴って、冷媒通路３９から冷媒（液体）が漏れたりすると、冷却ユニットの交換に応じて、電機子３２の交換も必要になる、したがって、電機子３２と冷却ユニットは一体構造のため、何れか一方が損傷した場合は全てを新製する必要があり、リニアモータ本体のコストがかかっていた。
（３）上述のように電機子３２が液冷の冷却ユニットを備えて可動子を構成する場合、外部に設置されるポンプ（不図示）および該ポンプと接続するための配管（不図示）が必要となり、構成が複雑でメンテナンスもかかる上、周辺機器を含めた設計・製造上のコストがかかっていた。本発明では、上記問題を解決するためになされたものであり、低コストで、メンテナンスが不要で、電機子の冷却性能を向上できるリニアモータおよびそれを備えたテーブル送り装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、請求項１の本発明は、交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせに並べて配置した界磁ヨークよりなる固定子と、前記界磁ヨークの長手方向に沿って前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を介して対向配置されると共にコアに電機子コイルを巻装した電機子よりなる可動子と、を備えたリニアモータにおいて、前記電機子の上部の長手方向に沿って配設された前記電機子を取り付けるための電機子取付板と、前記電機子取付板の両側に断熱板を介して取り付けた負荷を搭載するためのテーブルと、前記テーブルとの間に空間を介して設けられ、かつ前記電機子取付板と前記テーブルの間に挟み込むように設けられたブロック状の高熱伝導部材で形成されると共に、前記固定子または前記可動子より生じる熱を外部に放熱できるよう熱交換する冷却ユニットと、を備えており、前記冷却ユニットの内部には複数のヒートパイプが設けられると共に、前記ヒートパイプの放熱側が配置される外周面にフィンを有するヒートシンクが設けられたものである。
請求項２の本発明は、請求項１記載のリニアモータの冷却装置において、前記ヒートパイプは、一方の受熱部を前記電機子の長手方向の中央部側に、他方の放熱部を前記電機子の長手方向の端部側となるように配置されたものである。
請求項３の本発明は、請求項１または２に記載のリニアモータの冷却装置において、前記ヒートパイプは、前記電機子コイルと相対して向き合う位置に配設されたものである。
請求項４の本発明は、請求項１に記載のリニアモータの冷却装置において、前記冷却ユニットを、前記電機子取付板に対して自在に取り外しできるよう、締結用の取付ボルトにより固定したものである。
請求項５の本発明は、請求項１に記載のリニアモータの冷却装置において、前記ヒートシンクの放熱側にファンモータを設けたものである。
請求項６の本発明は、請求項１または４に記載のリニアモータの冷却装置において、前記冷却ユニットを、内部に蛇行した中空状の細管を多数並べた構造を有する薄型のシート状ヒートパイプで構成したものである。
請求項７の本発明は、請求項１に記載のリニアモータの冷却装置において、前記コアは、分割された複数のコアブロックを順次に並べて嵌合連結したものである。
請求項８の本発明は、請求項１〜７までの何れか１項に記載のリニアモータを、テーブルを介してリニアガイドにより支持すると共に、該リニアモータを駆動することで該テーブルの長手方向に沿って位置決めを行うようにしたテーブル送り装置を特徴としたものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施例を示すリニアモータであって、図２の矢視Ｂ方向から見た正面図である。図２は図１におけるリニアモータの電機子を矢視Ａ方向から見た側面図であって。その内部を透視したものである。１はリニアモータ、２は電機子、３はコア、４は電機子取付板、５は永久磁石、６は界磁ヨーク、７は電機子コイル、８は取付ボルト、９は固定ベース、１０は冷却ユニット、１１はヒートパイプ、１２は断熱板、１３はヒートシンク、１４はテーブル、１５、１６は取付ボルトである。それから１７はモータリード線と外部電源等を接続するコネクタである。なお、コア３および電機子コイル７とよりなる電機子２を可動子に、永久磁石５および界磁ヨーク６よりなる界磁極を固定子として電機子２を走行させるといったリニアモータの基本的な構成は従来技術と同じである。本発明の構成は以下のとおりである。図において、リニアモータ１の電機子２の上部には、長手方向に向かって電機子２を取り付けるための電機子取付板４が配設され、電機子取付板４の両側に負荷を搭載するためのテーブル１４が樹脂等でできた断熱板１２を介して取り付けられている。電機子取付板４およびテーブル１４は、電機子取付板４に設けた雌ねじ部（不図示）に締結用の取付ボルト１５をねじ込んで固定される。また、コア３および電機子取付板４は、電機子取付板４に設けた雌ねじ部（不図示）に取付ボルト８をねじ込んで固定されている。そして、冷却ユニット１０は、電機子取付板４に対して自在に取り外しできるように構成されている。すなわち、冷却ユニット１０と電機子取付板４は、冷却ユニット１０に設けた通し孔（不図示）側に締結用となる取付ボルト１６を通した後、電機子取付板４に設けた雌ねじ部（不図示）に向かって取付ボルト１６をねじ込んで固定される。この冷却ユニット１０は、テーブル１４との間に空間Ｓを介して設けられ、かつ、電機子取付板４とテーブル１４の間に挟み込むように設けられたブロック状の高熱伝導部材で形成されている。冷却ユニット１０の内部には複数のヒートパイプ１１が設けられると共に、このヒートパイプ１１は、一方の受熱部を電機子２の長手方向の中央部側に、他方の放熱部を電機子２の長手方向の端部側となるように配置されている。また、ヒートパイプ１１は、リニアモータ１の正面から見ると、電機子コイル７とちょうど相対して向き合う位置に配設されている。さらに、冷却ユニット１０におけるヒートパイプ１１の放熱側が配置される外周面にフィンを有するヒートシンク１３が設けられ、取付ボルト１６により固定されている。ここで、電機子取付板４と冷却ユニット１０の間には、電機子2からの熱伝達を冷却ユニット１０に効率よく行うことができるよう、シリコングリース等が塗布されている。
【０００６】
次に、リニアモータの冷却装置の動作を説明する。上記構成において、図示しない電源から駆動電流を電機子コイル７に供給すると、電機子２が一定推力を発生すると共に、電機子コイル７およびコア３は発熱を起こす。電機子コイル７およびコア３で発生した熱は、電機子取付板４を経由して冷却ユニット１０のヒートパイプ１１の受熱部に伝わり、この受熱部で熱を吸収すると激しい核沸騰を発生する。核沸騰の断続による圧力波が振動波となってヒートパイプ１１内部に封入された作動液に振動を引き起こし、作動液の振動によりヒートパイプ１１の放熱部に大量の熱が伝わる。そして、ヒートパイプ１１の放熱部に伝熱した熱は冷却ユニット１０の放熱面側に設けたヒートシンク１３に伝わる。この電機子部２で発生した熱がヒートパイプ１１、ヒートシンク１３によって取り去られ、熱交換される。電機子コイル７の温度上昇が抑制されることで、電機子取付板４と熱絶縁されたテーブル１４側へ一切伝熱されるとなく、テーブル１４への伝熱、熱変形を抑制できる。
【０００７】
したがって、本発明は、電機子２の上部の長手方向に沿って配設された電機子２を取り付けるための電機子取付板４と、電機子取付板４の両側に断熱板１２を介して取り付けた負荷を搭載するためのテーブル１４とを備え、冷却ユニット１０がテーブル１４との間に空間Ｓを介して設けられ、かつ、電機子取付板４とテーブル１４の間に挟み込むように設けられたブロック状の高熱伝導部材で形成され、冷却ユニット１０の内部に複数のヒートパイプ１１を設け、ヒートパイプ１１の放熱側が配置される外周面にフィンを有するヒートシンク１３を設ける構成にしたので、冷却ユニット１０が熱絶縁されたテーブル１４と直接接触せず、電機子取付板４と直接接触した構造を取ることで、電機子で生じた発熱を冷却ユニット１０側のみ伝熱することができる。その結果、テーブル１４への伝熱に伴う熱変形をなくし、リニアガイドや検出器等の位置決め精度の誤差に影響を及ぼすこともなくなり、高精度位置決め可能なリニアモータを提供することができる。また、ヒートパイプ１１は、一方の受熱部を電機子２の長手方向の中央部側に、他方の放熱部を電機子２の長手方向の端部側となるように配置した構成にしたので、例えば、可動子を高推力で移動させる場合に発生する電機子部２の熱を、電機子２の端部に設けたヒートパイプ１１とヒートシンク１３によって、電機子２の中央部側から端部側へ効率的に除去することができる。その結果、電機子のコア部３の長手方向における反りを防ぎ、熱変形を抑制することができる。また、ヒートパイプ１１は、電機子コイル７と相対して向き合う位置に配設されたので、電機子コイル７とヒートパイプ１１との伝熱経路を最短の距離にすることで、電機子コイル７とヒートパイプ１１間の熱抵抗を小さくし、熱伝達を上げることができ、効率よく冷却することができる。また、冷却ユニット１０を、電機子２を取り付ける電機子取付板４に対して取付ボルト１６により取り外し自在にできる構成にしたので、電機子２と冷却ユニット１０の何れか一方が損傷した場合でもリニアモータ電機子全てを新製することなく、電機子２、テーブル１４の組立、分解に手間とコストがかからなくなることから、リニアモータ本体を低コストに抑えることができる。そして、従来、周辺機器と配管等の接続の際に生じたメンテナンスの煩わしさ等も一切不要にすることができ、周辺機器を含めた設計・製造上のコストも抑えることができる。
【０００８】
次に本発明の第２の実施例を説明する。図３は本発明の第２の実施例を示すリニアモータであって、図４の矢視Ｄ方向から見た正面図である。図４は図３におけるリニアモータの電機子を矢視Ｃ方向から見た側面図である。図において、１８はヒートシンク、１９はファンモータ、２０はケーシングである。第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、ヒートシンク１８の放熱側には、フィン部を覆うようにファンモータ１９を設け、強制的に冷却を行なうようにしたものである。ファンモータ１９はケーシング２０に取り付けられている。なお、動作については、第１の実施例と同じなので、説明を省略する。第２の実施例は、ヒートシンク１８にファンモータ１９を設けることで、冷却ユニット１０からヒートシンク１８側に伝熱された熱がファンモータ１９の排気により外部に向かって強制的に放熱され、より効果的に冷却効果を高めることができる。
【０００９】
次に、本発明の第３の実施例を説明する。図５は本発明の第３の実施例を示すシート状ヒートパイプの全体斜視図であり、内部を透視したものである。第３実施例が第１および第２の実施例と異なる点は、第１および第２の実施例の図１〜図４で示した冷却ユニットの代わりに薄型で折り曲げ自在のシート状ヒートパイプが設けられている点である。シート状ヒートパイプの内部構造を図５に示して具体的に以下説明する。なお、該シート状ヒートパイプをリニアモータに組み込んだ図示は省略する。シート状ヒートパイプ２１は、熱伝導の良い金属製の薄板部材の内部に蛇行した中空状の細管２１Ａが多数並ぶ構造とし、フロン等の液相作動液と気相作動液からなる二相の作動液が細管２１Ａに封入されたものである。シート状ヒートパイプ２１を電機子に固着する際は、シート状ヒートパイプ２１の受熱部２１Ｂを電機子の表面に接触させ、放熱部２１Ｃの一部をヒートシンクに接触させるようにする。このようにして第３の実施例は、冷却ユニットを、内部に蛇行した中空状の細管２１Ａを多数並べた構造とするシート状ヒートパイプ２１としたので、小型の割には熱伝導率が極めて高く、熱の移動を迅速に行うことができ、第1、第２実施例に比べて冷却効果を向上することができる。なお、本実施例では、電機子コイルの両側に永久磁石を配置した磁束貫通型構造のリニアモータの例を用いて説明したが、電機子コイルの片側に永久磁石を配置する、いわゆるギャップ対向型構造のリニアモータにおいても、同様に本発明に適用することができる。また、電機子のコアは、分割された複数のコアブロックを順次に並べて嵌合連結したものとしても構わず、ユーザからリニアモータの長ストローク化の要求があった際に電機子に分割コアを採用することで、電機子およびテーブルの長さ、取付位置に応じて冷却ユニットおよびヒートシンクを所望の位置に取り付けることが可能となり、リニアモータの設計仕様に影響されることなく冷却装置の設置性向上することができる。
【００１０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は以下の効果がある。
（１）第１の実施例において、電機子の上部の長手方向に沿って配設された電機子を取り付けるための電機子取付板と、電機子取付板の両側に断熱板を介して取り付けた負荷を搭載するためのテーブルとを備え、冷却ユニットがテーブルとの間に空間を介して設けられ、かつ、電機子取付板とテーブルの間に挟み込むように設けられたブロック状の高熱伝導部材で形成され、冷却ユニットの内部に複数のヒートパイプを設け、ヒートパイプの放熱側が配置される外周面にフィンを有するヒートシンクを設ける構成にしたので、冷却ユニットが熱絶縁されたテーブルと直接接触せず、電機子取付板と直接接触した構造を取ることで、電機子で生じた発熱を冷却ユニット側のみ伝熱することができる。その結果、テーブルへの伝熱に伴う熱変形をなくし、リニアガイドや検出器等の位置決め精度の誤差に影響を及ぼすこともなくなり、高精度位置決め可能なリニアモータを提供することができる。また、ヒートパイプは、一方の受熱部を電機子の長手方向の中央部側に、他方の放熱部を電機子の長手方向の端部側となるように配置した構成にしたので、例えば、可動子を高推力で移動させる場合に発生する電機子部の熱を、電機子の端部に設けたヒートパイプとヒートシンクによって、電機子の中央部側から端部側へ効率的に除去することができる。その結果、電機子のコア部の長手方向の反りを防ぎ、熱変形を抑制することができる。また、ヒートパイプは、電機子コイルと相対して向き合う位置に配設されたので、電機子コイルとヒートパイプとの伝熱経路を最短の距離にすることで、電機子コイルとヒートパイプ間の熱抵抗を小さくし、熱伝達を上げることができ、効率よく冷却することができる。また、冷却ユニットを、電機子を取り付ける電機子取付板に対して取付ボルトにより取り外し自在にできる構成にしたので、電機子と冷却ユニットの何れか一方が損傷した場合でもリニアモータ電機子全てを新製することなく、電機子、テーブルの組立、分解に手間とコストがかからなくなることから、リニアモータ本体を低コストに抑えることができる。そして、従来、周辺機器と配管等の接続の際に生じたメンテナンスの煩わしさ等も一切不要にすることができ、周辺機器を含めた設計・製造上のコストも抑えることができる。
（２）第２の実施例において、ヒートシンクにファンモータを設けることで、冷却ユニットからヒートシンク側に伝熱された熱がファンモータの排気により外部に向かって強制的に放熱され、より効果的に冷却効果を高めることができる。
（３）第３の実施例において、冷却ユニットを、内部に蛇行した中空状の細管を多数並べた構造とするシート状ヒートパイプとしたので、小型の割には熱伝導率が極めて高く、熱の移動を迅速に行うことができ、第1、第２実施例に比べて冷却効果を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すリニアモータであって、図２の矢視Ｂ方向から見た正面図である。
【図２】図１におけるリニアモータの電機子を矢視Ａ方向から見た側面図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示すリニアモータであって、図４の矢視Ｄ方向から見た正面図である。
【図４】図３におけるリニアモータの電機子を矢視Ｃ方向から見た側面図である。
【図５】本発明の第３の実施例を示すシート状ヒートパイプの全体斜視図であり、内部を透視したものである。
【図６】従来技術を示すリニアモータの正断面図である。
【符号の説明】
１：リニアモータ
２：電機子
３：コア
４：電機子取付板
５：永久磁石
６：界磁ヨーク
７：電機子コイル
８：取付ボルト
９：固定ベース
１０：冷却ユニット
１１：ヒートパイプ
１２：断熱板
１３：ヒートシンク
１４：テーブル
１５、１６：取付ボルト
１７；コネクタ
１８；ヒートシンク
１９；ファンモータ
２０；ケーシング
２１：シート状ヒートパイプ
２１Ａ：細管
２１Ｂ：受熱部
２１Ｃ：放熱部
Ｓ：空間

Claims (8)

1. 交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせに並べて配置した界磁ヨークよりなる固定子と、前記界磁ヨークの長手方向に沿って前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を介して対向配置されると共にコアに電機子コイルを巻装した電機子よりなる可動子と、を備えたリニアモータにおいて、
   前記電機子の上部の長手方向に沿って配設された前記電機子を取り付けるための電機子取付板と、
   前記電機子取付板の両側に断熱板を介して取り付けた負荷を搭載するためのテーブルと、
   前記テーブルとの間に空間を介して設けられ、かつ前記電機子取付板と前記テーブルの間に挟み込むように設けられたブロック状の高熱伝導部材で形成されると共に、前記固定子または前記可動子より生じる熱を外部に放熱できるよう熱交換する冷却ユニットと、
   を備えており、
   前記冷却ユニットの内部には複数のヒートパイプが設けられると共に、前記ヒートパイプの放熱側が配置される外周面にフィンを有するヒートシンクが設けられていることを特徴とするリニアモータ。
2. 前記ヒートパイプは、一方の受熱部を前記電機子の長手方向の中央部側に、他方の放熱部を前記電機子の長手方向の端部側となるように配置されたことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
3. 前記ヒートパイプは、前記電機子コイルと相対して向き合う位置に配設された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。
4. 前記冷却ユニットを、前記電機子取付板に対して自在に取り外しできるよう、締結用の取付ボルトにより固定したことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
5. 前記ヒートシンクの放熱側に、ファンモータを設けたことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
6. 前記冷却ユニットを、内部に蛇行した中空状の細管を多数並べた構造を有する薄型のシート状ヒートパイプで構成したことを特徴とする請求項１または４に記載のリニアモータ。
7. 前記コアは、分割された複数のコアブロックを順次に並べて嵌合連結したもの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。
8. 請求項１〜７までの何れか１項に記載のリニアモータを、テーブルを介してリニアガイドにより支持すると共に、該リニアモータを駆動することで該テーブルの長手方向に沿って位置決めを行うようにしたことを特徴とするテーブル送り装置。

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