JP5135984B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、工作機械や半導体製造装置などのテーブル送りに利用されるリニアモータに関する。

従来のリニアモータは、複数の永久磁石が列をなして配置された１以上の磁極列を備えた固定子と、コイルを備えて前記コイルに通電することにより移動磁界を発生させる可動子とからなり、前記固定子と前記可動子とが互いに摺動可能に配置されている。可動子においては、コイルに通電することによりジュール損失が発生して可動子の温度を上昇させるという問題があった。すなわち、可動子の温度が上昇すると、テーブルやその上に載せている搬送物の温度が上昇し、熱歪による精度悪化などの影響があるという問題があった。

このような問題に対し、従来様々なリニアモータの冷却技術が開示されてきた。例えば、固定子フレームを備えた固定子と可動子フレームを備え、その固定子に沿い直線移動するように設けられた可動子と、固定子フレーム及び可動子フレームに装着されてコイルブロックから発生された熱を外部へ放熱させるため複数の放熱フィンを有した放熱板を設け、放熱板を用いてコイルからの熱を放出し冷却させる（特許文献１）。

また、可動子に張り出し部材を介して放熱板を設け、放熱板と対向するように定盤に設けられ、放熱板が動いたときにも外れないような十分な幅を有する排熱板を形成することで、電機子コイルから発生した熱を張り出し部材を介して放熱板から排熱版へと輻射によって伝熱し、ステージ装置の外部へ熱を逃がす構造が開示されている（特許文献２、図３）。

更に、可動子に設けられてコイルからの熱を放熱する１枚以上の放熱フィンと、固定子に設けられて1枚以上の放熱フィンから放射される熱を吸熱する１枚以上の吸熱フィンとを備え、前記放熱フィンと吸熱フィンとが互いの移動を阻害しないように組み合わされて配置された構造が開示されている（特許文献３、図１）。

特開２００１−６９７４５ 特開２００２−９３６８６（図３） 特開２００５−１３７１５１（図１）

しかしながら、従来の例ではいずれも可動子に放熱用の部材を新たに設ける必要があるため、可動子の重量が増し高速駆動への障壁となり十分な加速性能を得ることができないという課題があった。すなわち、特許文献１では、可動子にヒートシンクを備えることにより、特許文献２では、放熱板が張り出し部材を介して取り付けられることにより可動子寸法が大きくなり、特許文献３では、可動子のヒートシンクがあるため、可動子の重量が増していた。さらに、特許文献３では、２つのフィンを噛み合わせてかつ移動を阻害しないように取り付けることが困難であるという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、可動子に特別な部材を設けることなく、リニアモータの冷却性能を改善し、十分な加速性能を得ることができるリニアモータを提供することを目的とする。

本発明に関わるリニアモータは、基盤に設けられ、複数の永久磁石が列をなし互いに隣り合う磁極が異極となるような１以上の磁極列を備えた固定子と、鉄心に巻線が装着されてなる電機子を備え、前記固定子と対向して配置され前記磁極列に沿って移動する可動子と、該可動子上部に設けられたテーブルと、前記可動子の移動方向に平行な面と前記可動子の移動範囲に渡って対向するように、前記固定子の前記磁極列を有していない側である前記固定子の側方に、基盤上に少なくとも１つ設けられた排熱板とを備えたものである。

本発明の構成によれば、可動子に特別な放熱部材を設けることなく、可動子に隣接して排熱板を設けたので、テーブル、リニアガイドおよびベース（基盤）で囲まれた空間の熱流束の流れを阻害して可動子の熱をテーブルへ伝熱することを防ぐ効果があるとともに、排熱板により可動子の熱をベースへ逃がす効果がある。このとき、可動子にヒートシンクや放熱板を取り付ける必要がないので、可動子の重量の増加がなく十分な加速性能を得ることができ、またフィンを噛み合わせるような複雑な構成ではなく簡便な構造の排熱板を用いたので可動子の移動を阻害しないように取り付けることが容易にできる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るリニアモータの一部斜視図、図２は図１中Ａ-Ａ方向の一部断面図、図３はリニアモータに搭載される可動子の構造を示すためカット断面図である。図１において、リニアモータ１は固定子３と可動子２とを具備する。固定子３は複数の永久磁石３１が第２の鉄心３２に列をなして配置され、互いに隣り合う磁極が異極となるような磁極列を備えている。図３は可動子２のカット断面を示しており、可動子２はモールド樹脂やステンレス、アルミなどの非磁性材料を組み合わせてなる防塵及び切削油侵入防止のためのケーシング２１に納められ、第１の鉄心２２に設けられたスロット２３にコイル２４を備えた電機子を備えている。コイル２４は通常の絶縁部材２５を介して可動子の第１の鉄心２２に設けられており、機械的には繋がっている。また、コイル２４は電源（図示せず）に接続され、電流を通電することにより移動磁界を発生させる構成となっている。図２に示すように、固定子３の磁極列と可動子２が発生する移動磁界の移動方向とが互いに並行となるように、離間して固定子３と可動子２とが配置される。可動子２は例えばねじ止めによりテーブル６に配設され、このテーブルの側部に設けられたガイド４２と固定子３を搭載するベース（基盤）５の側部に設けられたレール４１とによりリニアガイド４を構成し、このリニアガイド４により固定子３と可動子２とが上記離間した状態で可動子２が移動する。
第２の鉄心３２は、排熱板７とベース５を介して少なくとも２個繋がっており、排熱板７は可動子２の側面２６と排熱板７の平らな面７３を対向するように固定子３の側方、ベース５に取り付けられ、可動子２の移動を阻害しない位置に配置され、かつ可動子２の可動範囲に渡って配置されている。

このように構成することにより、可動子、テーブル、リニアガイドおよびベースで囲まれた空間の熱流束の流れを阻害することにより、可動子からテーブルへのこの空間を介した伝熱を防ぐ効果があるとともに、排熱板により可動子の熱をベースへ逃がす効果がある。したがって、可動子２にヒートシンクや放熱板を取り付けなくても良いので十分な加速性能が得られる。また排熱板７の可動子２に対向する表面７３が平らなので、可動子の移動を阻害しない位置に配置することが容易にできる。またコイル２４は可動子の第１の鉄心２２に設けられており通常の絶縁部材２５を介すのみで機械的には繋がっているためコイル２４を形成するスペースを十分に取る事ができる。

また、排熱板を図１のような配置にすることにより、リニアガイド４に用いられている潤滑油が可動子や固定子にかかるのを防止し、耐蝕性が向上するという効果も得られる。
さらに、XYステージなど２軸以上の駆動軸を有する装置に用いられる場合、例えばY軸を動かす装置の移動子にX軸として本発明のリニアモータが取り付けられた場合、排熱板７も移動子と共に移動するため、排熱板７が風を受ける構成にできるので、より排熱効果が大きくなるという効果がある。

図１では、排熱板７を固定子３の両側方に配設しているが、少なくとも片方あればよく、また排熱板７を可動子の移動方向に複数に分割して製作したものを取り付けても良い。
好ましくは、排熱板７はアルミニウムや銅などの高熱伝導性の金属で構成することが望ましい。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に関わるリニアモータ１１の構造を説明するための断面図で、図において、リニアモータの固定子３は、複数の永久磁石３１が第２の鉄心３２に列をなして配置され、互いに隣り合う磁極が異極となるような磁極列を可動子２の左右両側にそれぞれ備えている。可動子２は、詳細に図示しないが、この左右２つの磁極列に対向するようにスロット２３を設けた構成としている。つまり、磁気吸引力相殺型リニアモータと呼ばれる形式のリニアモータである。磁気吸引力相殺型のように磁極列を２つ備えた場合においても、図４のように固定子３を構成する第２の鉄心３２から排熱板７とベース５を介して繋げ、排熱板７は可動子２の側面と平らな面７３を対向するように固定子３の側方の（図では上方）ベース５に取り付け、可動子２の移動を阻害しない位置に配置する構成とすることができる。

したがって、実施の形態１と同様に可動子、テーブル、リニアガイドおよびベースで囲まれた空間の熱流束の流れを阻害することにより、可動子からテーブルへのこの空間を介した伝熱を防ぐ効果があるとともに、排熱板により可動子の熱をベースへ逃がす効果がある。このとき、可動子２にヒートシンクや放熱板を取り付けなくてもよいので十分な加速性能が得られる。また排熱板７の表面７３が平らなので可動子２の移動を阻害しない位置に配置することが容易にできる。
特に、図４の構造では、箱型のベースに蓋をするように可動子に隣接して排熱板７をできるだけ広く配置するので、実施の形態１のように可動子２がテーブル６と広い面で接触せず可動子２からテーブルへの伝熱を妨げることができる。

また、排熱板を図４のような配置にすることにより、リニアガイドに用いられている潤滑油が可動子や固定子にかかるのを防止し、耐蝕性が向上するという効果も得られる。
さらには、XYステージなど2軸以上の駆動軸を有する装置に用いられる場合、例えばY軸を動かす装置の移動子にX軸として本発明のリニアモータが取り付けられた場合、排熱板７も移動子と共に移動するため、排熱板７が風を受ける構成にできるので、より排熱効果が大きくなるという効果がある。

図４では排熱板７を２つとして記載しているが、少なくとも１あればよく、可動子２とテーブル６との接続を片側に寄せて１つの排熱板の面積を大きくとることもできる。また３つ以上あっても良く、排熱板７を可動子２の移動方向に複数に分割して製作したものを取り付けても良い。
好ましくは、排熱板はアルミニウムや銅などの高熱伝導性の金属で構成することが望ましい。

実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３に係るリニアモータ１２の断面図の一部拡大図で実施の形態１の図２に相当する。図において、排熱板７と可動子２の側面２６との距離がt1に保たれている。また、排熱板７とテーブル側方部との距離をt2、排熱板７とテーブル６の下面との距離をt3とすると、t1<t3となっている。
テーブル６に熱を伝えることをさらに抑制するには、t1<t2とし、可動子２から排熱板７に輻射された熱が再びテーブル６へ輻射されないようにすることが好ましい。空間における熱伝達のし易さはその空間距離に反比例するので、t1<t2かつt1<t3とすることによって可動子から伝わった熱が排熱板を介してテーブル６へ伝わることを防止することができる。

好ましくは、t1は可動子２と固定子３とのギャップの長さ程度であることが望ましい。なぜならば、排熱板7と可動子２が出来る限りにおいて近接している方が排熱効果は高くなる。一般的に可動子２と固定子３のギャップは0.3mm〜1.0mm程度であり、可動子２と固定子３とを前記ギャップで取り付けられるから、排熱板７と可動子の側面２６とを同程度のギャップにて取り付けることは容易であると考えられる。このため、t1は可動子２と固定子３とのギャップの長さ程度である、すなわち、可動子２から固定子３までの距離と可動子２から排熱板７との距離が略等しいことが望ましい。この関係は実施の形態２で示した図４でも適用できることは言うまでもない。
また、t3を十分大きく取りすぎると排熱板７と可動子２との対向面積が小さくなり、可動子２から排熱板７への輻射による放熱効果が低下する。従って、t3とt1との関係を考えるとt1が0.3mm〜1.0mm程度ならば、t3はt1の２倍程度であればよい。このようにすればベース（基盤）へ流れる熱抵抗と比べてかなり大きくでき、可動子から伝わった熱が排熱板を介してテーブル６へ伝わることを防止する効果がある。
t3とt2は同様に扱えばよい。

また、ｔ２は排熱板７とテーブル側方部との距離としたが、図５で示される排熱板７の可動子２に対向しない面に一番近い側面は構成により、例えばリニアガイド部４やベース５の側面になる可能性があるため、これらのうちから一番近い側面を定義すればよい。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係るリニアモータ１３の断面図の一部拡大図で、図において、Ｌ字形状の排熱板７は固定子３の第２の鉄心３２に直接配置されている。このように配置することによって、実施の形態１〜３までの固定子３の固定手段と排熱板７の固定手段をひとまとめにすることができる。例えば、図７に図示したように固定子３の第２の鉄心３２に設けられた通し穴３３と排熱板７をＬ字形状に構成して穴７４を設け、これらの穴３３、７４を共に貫通するようにボルト８でベース５に締結すると、固定手段がまとめられる。図ではボルト８としたが、ピンのような同様の他の固定手段としても良い。
このように構成すれば、排熱板を配置して放熱性の高い本発明のリニアモータを設置する手間が省力化される。

好ましくは、図８に示すように、排熱板７の穴以外の部分７２は、肉厚を可動子２に接しない程度に分厚く設けることが望ましい。図８はボルトの頭部分を回避するザグリ７１を設けた例を示している。このように構成すれば、排熱板７の可動子２に対面する面が広がるため、排熱効果を大きくすることが出来る。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５では、排熱板７の平らな面７３の表面粗さを粗くした。具体的には、目の粗い紙やすりなどのやすり工具によって平らな面７３を算術平均粗さで１００μｍ程度に粗化した。このように構成すると、実施の形態１に比べて平らな面７３の表面積が増えるため、可動子の側面２６から排熱板７への伝熱効果が高まるという効果がある。
好ましくは、やすりの方向を重力方向と一致させることが望ましい。なぜならば、暖気がやすりの方向に沿って上昇しやすくなり、より熱交換が促進されるという効果があるからである。
上記程度の表面粗さであれば、実施の形態３で例示した排熱板７と可動子２の側面２６との距離がt1より小さく、平均的t1が大きくなるより、表面積の増加による効果のほうが勝る。

実施の形態６．
図９は本発明の実施の形態６によるリニアモータ１４の断面図の一部拡大図で、図において、可動子２の側面２６を下方が広がるテーパ状にし、排熱板7の平らな面７３と可動子の側面２６とを、可動子２と固定子３のギャップ面に対して垂直ではない面で対向させた。このように構成すると、実施の形態１に比べて平らな面７３と可動子の側面２６の対向面積が増えるため、伝熱効果が高まるという効果がある。
また、このように構成しても対向する面は平らなので、特許文献３のフィンをかみ合わせることが困難であったという課題を克服している。
さらに、図のように可動子２とテーブル６との接触面積が減ることで伝熱面積が低下し、放熱効率が高まるという効果がある。

図１０は実施の形態６の別の形態によるリニアモータ１４の断面図の一部拡大図で、図において、可動子２の側面２６を図９とは逆に上方に広がるテーパ状にし、排熱板7の平らな面７３と可動子の側面２６とを、可動子２と固定子３のギャップ面に対して垂直ではない面で対向させた。このように構成すると、図９と比べ、テーブルへの伝熱抑制効果は劣るが、実施の形態１に比べると、平らな面７３と可動子の側面２６の対向面積が増えるため、伝熱効果が高まるという効果がある。
また、図９と同様に対向する面は平らなので、特許文献３のフィンをかみ合わせることが困難であったという課題を克服している。

本発明の実施の形態に実施の形態５を組み合わせて、平らな面７３の面積を増加させ、排熱効果を大きくできることは言うまでもない。
さらに、排熱板７を実施の形態４のようにL字形に形成できることは言うまでもない。

実施の形態７．
図１１、１２は本発明の実施の形態７に係るリニアモータ１３の断面図の一部拡大図である。本実施の形態は、実施の形態４の別形態であり、図１１において、排熱板７は固定子３の第２の鉄心３２に直接配置されている。このように配置することによって、実施の形態１〜３までは固定子３の固定手段と排熱板７の固定手段をひとまとめにすることができ、本発明のリニアモータを設置する手間が省力化される。

好ましくは、図１２のように排熱板７、第2の鉄心２３及び永久磁石３１で囲まれたスペースに排熱板７を拡張してL字形にすることが望ましい。このように構成すれば、排熱板7の可動子２に対面する面が広がるため、排熱効果を大きくすることが出来る。

本発明の実施の形態１に係るリニアモータの構造を説明するための一部斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るリニアモータの構造を説明するための断面図の一部拡大図である。 本発明の実施の形態１に係るリニアモータの可動子をカットした斜視図である。 本発明の実施の形態２に係るリニアモータの構造を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３に係るリニアモータの構造を説明するための断面図の一部拡大図である。 本発明の実施の形態４に係るリニアモータの構造を説明するための断面図の一部拡大図である。 本発明の実施の形態４に係るリニアモータの排熱板の取り付け構造を説明するための図である。 本発明の別の実施の形態４に係るリニアモータの排熱板の取り付け構造を説明するための図である。 本発明の実施の形態６に係るリニアモータの構造を説明するための断面図の一部拡大図である。 本発明の実施の形態６に係る別のリニアモータの構造を説明するための断面図の一部拡大図である。 本発明の実施の形態７に係るリニアモータの構造を説明するための断面図の一部拡大図である。 本発明の別の実施の形態７に係るリニアモータの構造を説明するための断面図の一部拡大図である。

符号の説明

1，11，12，13，14 リニアモータ、 2 可動子、 21 ケーシング、
22 第１の鉄心、 23 スロット、 24 コイル、 25 絶縁部材、
26 側面、 3 固定子、 31 永久磁石、 32 第２の鉄心、 33 通し穴、
4 リニアガイド、 41 レール、 42 ガイド、 5 ベース、 6 テーブル、
7 排熱板、 71 ザグリ、 72 穴以外の部分、 73 平らな面、
74 穴、 8 ボルト。

Claims (6)

1. 基盤に設けられ、複数の永久磁石が列をなし互いに隣り合う磁極が異極となるような１以上の磁極列を備えた固定子と、
   鉄心に巻線が装着されてなる電機子を備え、前記固定子と対向して配置され前記磁極列に沿って移動する可動子と、
   該可動子上部に設けられたテーブルと、
   前記可動子の移動方向に平行な面と前記可動子の移動範囲に渡って対向するように、前記固定子の前記磁極列を有していない側である前記固定子の側方に、基盤上に少なくとも１つ設けられた排熱板とを備えたことを特徴とするリニアモータ。
2. 箱型の基盤内で固定子は、可動子の側面に備えられた磁極列と対向するように配設され、排熱板は、前記固定子の側方で前記箱型基盤の蓋をなすように設けられたことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 可動子上部に設けられたテーブルの側部と、該テーブルの側部に対向する基盤の側部とで前記可動子の移動を案内するリニアガイドを構成し、排熱板は前記リニアガイド、前記テーブルの側部、前記基盤の側部のいずれより前記可動子に近い位置に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
4. 可動子から固定子までの距離と前記可動子から排熱板の距離とが略等しいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリニアモータ。
5. Ｌ字形状の排熱板を基盤上の固定子に配設したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリニアモータ。
6. 可動子は断面形状でテーパ形状をなし、該テーパ形状のテーパ状の面に対向するように排熱板が設けられたことを特徴とする請求項１または３に記載のリニアモータ。

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