JP6391942B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、可動子のコイルの冷却構造を備えたリニアモータに関する。

リニアモータの可動子は、ステージ等の可動対象物に取り付けられる。可動子（電機子）はコイルを有しており、リニアモータの稼働に伴ってコイルが温度上昇する。

したがって、可動対象物に可動子を直接取り付けると、コイルの温度上昇に伴って可動対象物が熱膨張する。可動対象物が熱膨張すると、可動対象物の直動を案内するためのリニアガイドに負荷が掛かり、当該リニアガイドの寿命が低下してしまう。

そこで、従来、可動対象物への熱伝達を抑制するために、可動対象物と可動子との間に熱伝達率の低い材質のスペーサを介設して、間接的に可動子を取り付ける構造が採用されている。

可動対象物に可動子を間接的に取り付ける構造に関連する技術として、たとえば、可動子の上部に締結棒および断熱材を介して天板を固定し、可動子の上部と天板の下部との間に通風路を形成したリニアモータが開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１３−２１２０２４号公報

ところで、従来の熱伝達率の低い材質のスペーサを介して可動対象物に可動子を取り付ける構造では、可動対象物の温度上昇を抑制することはできても、コイルの温度上昇を低減することはできなかった。

特許文献１の構造は、断熱材により天板（可動対象物）への熱伝達を抑制し、通風路により可動子のコイルの冷却を図らんとしている。

しかし、ファン等の送風手段を設けなければ、通風路の冷却機能を十分に発揮させることはできない。送風手段を備えると、リニアモータの小型・軽量化を実現することは困難となる。惹いては、可動対象物の大型化や重量増加を招来し、連続運転特性が低下する要因となる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で、可動対象物の温度上昇を抑えるとともに、可動子のコイルの温度上昇を低減することができるリニアモータの提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るリニアモータは、複数の永久磁石を有する固定子と、上記永久磁石に対向配置された複数のコイルを有し、可動対象物を上記固定子に沿って直線運動させる可動子と、を備える。

上記可動子と上記可動対象物との間には、熱伝導率の異なる２種以上の材質によって構成された多材質組み合わせスペーサが介設されていることを特徴とする。

本発明に係るリニアモータは、可動対象物と可動子との間に、熱伝導率の異なる２種以上の材質により構成された多材質組み合わせスペーサを介設している。スペーサの材質を熱伝導率の異なる２種以上の材質とすることにより、可動子のコイルと可動対象物との間の熱抵抗パラメータ数を増加させている。

熱抵抗パラメータ数を増加させることにより、コイルと可動対象物との間の熱抵抗の最適値を求めことが可能となる。すなわち、コイルから可動対象物へ伝導する熱量の調整幅を増大させることにより、可動対象物の温度上昇の要求スペックを満足しつつ、可動子コイルの温度上昇を低減する。

したがって、本発明によれば、簡単な構造で、可動対象物の温度上昇を抑えるとともに、可動子のコイルの温度上昇を低減することができる。

第１実施形態に係るリニアモータの一例の概略正面図である。 第１実施形態に係るリニアモータの一例の概略側面図である。 第１実施形態に係るリニアモータの他例の概略正面図である。 第１実施形態に係るリニアモータの他例の概略側面図である。 単一スペーサの寸法、材質および熱伝導率の説明図である。 従来のリニアモータにおいて、単一スペーサの材質を変化させた場合の温度変化の説明図である。 従来の単一スペーサを介設したリニアモータの概略正面図である。 第１実施形態に係るリニアモータにおいて、電機子とステージの間に、熱伝導率の異なる２種のスペーサを介設した場合の温度変化の説明図である。 スペーサＮｏ．１（単一材質）からスペーサＮｏ．２（単一材質）へ変更した場合の温度変化の説明図である。 スペーサＮｏ．１（単一材質）からスペーサＮｏ．３（単一材質）へ変更した場合の温度変化の説明図である。 スペーサＮｏ．１（単一材質）から本実施形態のスペーサＮｏ．４（２種材質）へ変更した場合の温度変化の説明図である。 スペーサＮｏ．１（単一材質）から本実施形態のスペーサＮｏ．５（３種材質）へ変更した場合の温度変化の説明図である。 本実施形態の多材質組み合わせスペーサの説明図である。 本実施形態の多材質組み合わせスペーサの温度変化の説明図である。 第２実施形態に係るリニアモータの概略正面図である。 第２実施形態に係るリニアモータの概略側断面図である。 異なる形状、熱伝導率の異なる材質で構成された多材質組み合わせスペーサＮｏ．６の説明図である。 異なる形状、熱伝導率の異なる材質のスペーサＮｏ．６の温度上昇変化の説明図である。

以下、図面を参照し、第１および第２実施形態に係るリニアモータについて説明する。

第１および第２の実施形態に係るリニアモータは、可動対象物と可動子との間に、熱伝導率の異なる２種以上の材質により構成された多材質組み合わせスペーサを介設し、可動子のコイルと可動対象物との間の熱抵抗パラメータ数を増加させている。その結果、コイルと可動対象物との間の熱抵抗の最適値を求めることができ、コイルから可動対象物へ伝導する熱量の調整幅を増大させることができる。

したがって、第１および第２実施形態によれば、簡単な構造で、可動対象物の温度上昇を抑えるとともに、可動子のコイルの温度上昇を低減することができるリニアモータを実現できるようになる。

〔第１実施形態〕
［リニアモータの構成］
まず、図１および図２を参照して、第１実施形態に係るリニアモータの構成について説明する。図１は第１実施形態に係るリニアモータの一例の概略正面図である。図２は第１実施形態に係るリニアモータの一例の概略側断面図である。図３は第１実施形態に係るリニアモータの他例の概略正面図である。図４は第１実施形態に係るリニアモータの他例の概略側断面図である。

図１から図４に示すように、第１実施形態のリニアモータ１００は、界磁部１と電機子２とからなる。

界磁部１は、ヨーク１０および永久磁石２０を有する。界磁部１は、固定子として機能する。

ヨーク１０は、板状の磁性金属部材である。ヨーク１０は、リニアモータ１００の可動方向に沿って敷設されたベース１１上に固定されている。

ヨーク１０は、界磁部１からベース１１側へ向かう磁力線を閉じて、永久磁石２０の電磁誘導効果を最大にする機能を有する。ヨーク１０の構成材料としては、たとえば、ＳＣ材などの鉄系の磁性体が用いられるが、例示した材料に限定されない。

永久磁石２０は、ヨーク１０上に当該ヨーク１０の長手方向（リニアモータ１００の可動方向）に沿って複数配設されている。複数の永久磁石２０は、所定の空間を隔てて、隣り合う永久磁石２０、２０の表面極性が異なるように配置（Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓ，・・・）される。

電機子２は、コア３０およびコイル４０を有する。電機子２は、可動子として機能する。

コア３０は、電機子２の本体を成す部材である。コア３０の下部には、永久磁石２０に向けて複数のティース３１が突設されている。すなわち、ティース３１の基端側は、コア３０によって連結されている。

ティース３１は、コイル４０を収容する空間としてのスロット３２を区画形成する部材である。すなわち、電機子２は、ティース３１を隔てて、長手方向に並列配置された複数の凹状のスロット３２を有している。

各スロット３２の上部は、コア３０で閉塞され、下部は開口されている。スロット３２の数は、コイル４０の数に対応している。

コア３０およびティース３１は、たとえば、電磁鋼板で構成されている。ティース３１は磁性体であるので、当該ティース面と界磁部１の磁石面との隙間が磁気ギャップＸｇとなる。

長手方向両端のティース３１には、直線運動時にコギング（界磁部１とティース３１との磁束変化による振動）を小さくするためのテーパ部３３を形成することが好ましい。

コイル４０は、一つ置きのティース３１の周囲を覆うように巻回されている。コイル４０は、機械ギャップＸｍを隔てて、界磁部１の永久磁石２０と対峙している。

コア３０上には、たとえば、後述する多材質組み合わせスペーサ５０を介して、可動対象物としてのステージ６０が固定されている。ステージ６０は、多材質組み合わせスペーサ５０を介して、たとえば、コア３０の上面に埋設したナット（図示せず）に、板状のスペーサ５０を介して、ボルト（図示せず）を螺合することにより固定される。

したがって、多材質組み合わせスペーサ５０には、ボルトを挿通させるための貫通孔（図示せず）が形成されている。電機子２および多材質組み合わせスペーサ５０のステージ６０への固定構造は例示であって、本実施形態に限定されない。

多材質組み合わせスペーサ５０は、熱伝導率の異なる材質からなる２種以上の板状スペーサにより構成されている。

図１および図２では、多材質組み合わせスペーサ５０が、熱伝導率の異なる材質からなる２種の板状スペーサ５１，５２により構成されている。

具体的には、電機子２側のスペーサ５１は、たとえば、アルミニウム合金（日本工業規格：ＪＩＳ Ａ５０５２）で構成されている。Ａ５０５２の熱伝導率は、１３７Ｗ／ｍ・Ｋである。

他方、ステージ６０側のスペーサ５２は、たとえば、ステンレス鋼（日本工業規格：ＪＩＳ ＳＵＳ３０４）で構成されている。ＳＵＳ３０４の熱伝導率は、１６．７Ｗ／ｍ・Ｋである。

また、図３および図４では、多材質組み合わせスペーサ５０が、熱伝導率の異なる材質からなる３種の板状スペーサ５１，５２，５３により構成されている。

具体的には、電機子２側のスペーサ５１は、たとえば、アルミニウム合金（日本工業規格：ＪＩＳ Ａ５０５２）で構成されている。Ａ５０５２の熱伝導率は、１３７Ｗ／ｍ・Ｋである。

また、中間のスペーサ５２は、たとえば、ステンレス鋼（日本工業規格：ＪＩＳ ＳＵＳ３０４）で構成されている。ＳＵＳ３０４の熱伝導率は、１６．７Ｗ／ｍ・Ｋである。

さらに、ステージ６０側のスペーサ５３は、たとえば、合成樹脂材（ＰＰＳ／ＧＦ４；繊維強化ポリフェニレンサルファイド）で構成されている。ＳＵＳ３０４の熱伝導率は、０．３Ｗ／ｍ・Ｋである。

本実施形態の各スペーサ５１，５２，５３の外形寸法は、電機子２の外形寸法よりも小さく設定されている。また、多材質組み合わせスペーサ５０を構成する各材質は、電機子（可動子）２からステージ（可動対象物）６０へ向けて熱伝導率が順次低下するように配置される。

なお、熱伝導率の異なる各スペーサ５１，５２，５３の材質は例示であって、本実施形態の材質に限定されない。

ステージ６０の幅方向（リニアモータ１００の可動方向と直交する方向）の両端には脚部６５が垂下されている。脚部６５の下部には、リニアガイド６６が固定されている。リニアガイド６６は、たとえば、下方へ向けて凹状となっており、ベース１１上に固定された凸状の軌道６７と係合している。軌道６７は、リニアモータ１００の可動方向に沿って延出される。

［リニアモータの作用］
次に、図１から図１４を参照して、第１実施形態に係るリニアモータ１００の作用について説明する。

図１から図４に示したように、第１実施形態のリニアモータ１００は、界磁部１と電機子２とを備える。界磁部１は、当該リニアモータ１００の可動方向（長手方向）に沿って複数の永久磁石２０を備える。複数の永久磁石２０は、隣り合う永久磁石２０、２０同士の表面極性が異なるように（Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓ，・・・）配置される。

他方、電機子２は、界磁部１の永久磁石２０に対向配置された複数のコイル４０を有する。複数のコイル４０は、リニアモータ１００の長手方向に並んで配置される。

本実施形態の界磁部１は固定子、電機子２は可動子として機能する。すなわち、本実施形態のリニアモータ１００は、界磁部１の永久磁石２０が発生する磁束と交叉するように電機子２のコイル４０に電流が流れる。永久磁石２０の磁束と電機子２のコイル４０に流れる電流が交叉すると、本実施形態のリニアモータ１００は、電磁誘導作用により、コイル４０に長手方向の駆動力を発生させて、電機子２を長手方向に沿って移動させる。

電機子（可動子）２は、可動対象物としてのステージ６０を直線運動させる。ステージ６０の幅方向両端の脚部６５の下部には、リニアガイド６６が固定されている。当該リニアガイド６６は、ベース１１上に固定された凸状の軌道６７と移動可能に係合している。ステージ６０は、リニアガイド６６により、軌道６７に沿って案内される。

したがって、ステージ６０上に配設される、たとえば、加工装置等のアプリケーションは、当該ステージ６０とともに長手方向に沿って円滑に移動することになる。

リニアモータ１００の稼働に伴って、電機子２のコイル４０は温度上昇する。コイル４０が温度上昇すると、ステージ６０が熱膨張してリニアガイド６６に負荷が掛かる。リニアガイド６６の寿命を延ばすためには、ステージ６０の温度上昇を防止する必要がある。

〈従来のスペーサの温度変化〉
ここで、従来のリニアモータの温度上昇の変化について検討を行った。従来のリニアモータでは、電機子とステージとの間に、単一材質のスペーサ（以下、「単一スペーサ」という）が介設されていた。単一スペーサとして最適な材質を探ることになるが、機械強度、加工性およびコスト等の制約から、使用可能な材質は限られてくる。単一スペーサとして現実的に使用可能な材質としては、合成樹脂材、ステンレス鋼およびアルミニウム合金が挙げられる。

図５は、単一スペーサの寸法、材質および熱伝導率の説明図である。図６は、従来のリニアモータにおいて、単一スペーサの材質を変化させた場合の温度変化の説明図である。

図５および図６において、スペーサＮｏ．１，スペーサＮｏ．２，スペーサＮｏ．３の場合の温度上昇値をそれぞれθ_Ａ１，θ_Ａ２，θ_Ａ３、ステージの温度上昇値をθ_Ｂ１，θ_Ｂ２，θ_Ｂ３とする。

スペーサＮｏ．１からスペーサＮｏ．２へ変更したときのコイルの温度上昇の変化量をΔθ_Ａ１Ａ２、ステージの温度上昇の変化量をΔθ_Ｂ１Ｂ２としたとき、コイルが失った熱量およびステージが得た熱量はそれぞれ下記（１），（２）式で表される。

・コイル（高温物体）が失った熱量；Ｑ_Ａ１Ａ２＝Ｍ_１・Ｃ_１・（θ_Ａ２−θ_Ａ１）…（１）
・ステージ（低温物体）が得た熱量；Ｑ_Ｂ１Ｂ２＝Ｍ_２・Ｃ_２・（θ_Ｂ２−θ_Ｂ１）…（２）
ただし、Ｍ_１，Ｍ_２は、コイルおよびステージの質量（ｋｇ）
Ｃ_１，Ｃ_２は、コイルおよびステージの比熱（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）である。

熱量保存の法則から、高温物体が失った熱量と低温物体が得た熱量は等しいから、
Ｑ_Ａ１Ａ２＝Ｑ_Ｂ１Ｂ２…（３）となる。

したがって、スペーサＮｏ．１からスペーサＮｏ．２へ変更したときのステージ温度の変化は、下記（４）式で表される。

また、スペーサＮｏ．１のときのコイルからステージまでの熱抵抗をＲ_{θＡ１Ｂ１}、スペーサＮｏ．２のときのコイルからステージまでの熱抵抗をＲ_{θＡ２Ｂ２}とすると、それぞれの熱抵抗はスペーサの材質で決まる熱伝導率λ，スペーサの表面積Ｓ，スペーサの厚みＬから下記（５），（６）式で表される。

・スペーサＮｏ．１のときのコイルからステージまでの熱抵抗

ただし、スペーサＮｏ．１の表面積はＳ_１（ｍ）、高さはＬ_１（ｍ）、材質の熱伝導率はλ_１（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。

・スペーサＮｏ．２のときのコイルからステージまでの熱抵抗

ただし、スペーサＮｏ．２の表面積はＳ_２（ｍ）、高さはＬ_２（ｍ）、材質の熱伝導率はλ_２（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。

スペーサＮｏ．１からスペーサＮｏ．２へ変更したときのコイルの温度上昇値の変化量は、上記（５），（６）式から下記（７）式で表される。

他方、スペーサＮｏ．１からスペーサＮｏ．２へ変更したときのステージの温度上昇値の変化量は、上記（７）式を上記（４）式に代入して、下記（８）式で表される。

ここで、通常、リニアモータが使用される装置では、コイルの外形寸法に対してステージの外形寸法の方が非常に大きい。すなわち、コイルの熱容量Ｍ_１・Ｃ_１に対して、ステージの熱容量Ｍ_２・Ｃ_２の方が非常に大きい（Ｍ_１・Ｃ_１＜＜Ｍ_２・Ｃ_２）。

したがって、図６および上記（７），（８）式において、スペーサＮｏ．１からスペーサＮｏ．２に変更したとき、コイルの温度上昇値の変化量Δθ_Ａ２Ａ１に対して、ステージの温度上昇値の変化量Δθ_Ｂ２Ｂ１は小さいことが判る。すなわち、ステージの温度上昇値の変化量がコイルとステージの熱容量の違いに依存していることが判る。

ステージの温度上昇を防止するという観点から考察すれば、熱伝導率の小さなスペーサＮｏ．１を採用することが好ましい。スペーサＮｏ．１を採用すると、断熱性が高いため、ステージの温度上昇を防止することができる。しかし、コイルの熱は殆ど放熱されないので、コイルの温度上昇を低減することはできない。

したがって、スペーサＮｏ．３のように材質をより熱伝導性の良いもので構成した方が有利と考えられる。図７は、従来の単一スペーサを介設したリニアモータの概略正面図である。

図７に示すように、従来のリニアモータ３００は、電機子２とステージ６０との間に、単一材質のスペーサ７０が介設されている。単一スペーサ７０として熱伝導率の大きなスペーサＮｏ．３を採用すると、ステージ６０に電機子２のコイルの熱が矢印７１のように放熱され、コイルの温度上昇を低減することができる。

しかし、コイルの熱がステージ６０へ伝達される結果、ステージ６０が熱膨張することになる。ステージ６０が熱膨張すると、リニアガイド６６に負荷が掛かるため、客先の要求スペックを満足することはできない。

したがって、スペーサの材質選択においては、客先の要求スペックを満足しつつ、コイルの温度上昇値を低減しなければならない。そのため、ステージの温度上昇値ついてはスペーサＮｏ．１，スペーサＮｏ．２のような温度上昇値を確保しながら、コイルの温度上昇値についてはスペーサＮｏ．３に近づけることを目標とする。

ところが、機械強度、加工性およびコスト等の制約から、現実的に使用可能な材質は図５に示した合成樹脂材（ＰＰＳ／ＧＦ４），ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４），アルミニウム合金（Ａ５０５２）である。

また、スペーサの外形寸法は、客先装置で許容される範囲での寸法制約（スペーサの厚み，幅，長さ）を受ける。よって、３種類の材質のうちの１種類の材質のみでコイルからステージまでの熱抵抗を調整して、ステージの温度上昇値を客先の要求スペック内に納めつつ、コイルの温度上昇値を低減することは極めて困難である。

〈本実施形態の多材質組み合わせスペーサ〉
そこで、本実施形態に係るリニアモータ１００は、図１および図２に示すように、電機子２とステージ６０との間に、熱伝導率の異なる２種の材質から構成された多材質組み合わせスペーサ５０を介設している。ここで、スペーサ５１、５２の外形寸法（幅，長さ，高さ）は、図５に示したスペーサＮｏ１〜Ｎｏ．３と同一の寸法とした。

電機子２側のスペーサ５１は、たとえば、アルミニウム合金（Ａ５０５２）で構成される。ステージ６０側のスペーサ５２は、たとえば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）で構成される。

図８は、第１実施形態に係るリニアモータにおいて、電機子とステージの間に、熱伝導率の異なる２種のスペーサを介設した場合の温度変化の説明図である。なお、図８には、比較のため、スペーサＮｏ．１〜Ｎｏ．３のコイル、モータフレームおよびステージの温度変化を表している。

図８に示すように、電機子とステージの間に、熱伝導率の異なる２種のスペーサを介設したことにより、コイルからステージまでの熱抵抗を調整するためのパラメータ（熱伝導率，各材質の高さ寸法）を増加させている。熱抵抗パラメータの増加によって、制御可能な温度の増減幅Δθ_Ａ２Ａ４，Δθ_Ｂ４Ｂ２をもたせる。

当該微小増減幅Δθ_Ａ２Ａ４，Δθ_Ｂ４Ｂ２をコントロールすることで、単一のスペーサＮｏ．２（θ_Ａ２，θ_Ｂ２）に対しては、ステージの温度上昇値は客先の要求スペックまで上昇させる。そして、ステージの温度上昇値を客先の要求スペックまで上昇させる代わりに、コイルの温度上昇値はθ_Ａ３に近づけるように低減（Δθ_Ａ４Ａ２）することを図る。

また、スペーサＮｏ．３に対しては、ステージの温度上昇値は客先の要求スペックまで低下させることが可能である。

〈本実施形態の多材質組み合わせスペーサの温度変化〉
図９は、スペーサＮｏ．１（単一材質）からスペーサＮｏ．２（単一材質）へ変更した場合の温度変化の説明図である。図１０は、スペーサＮｏ．１（単一材質）からスペーサＮｏ．３（単一材質）へ変更した場合の温度変化の説明図である。図１１は、スペーサＮｏ．１（単一材質）から本実施形態のスペーサＮｏ．４（２種材質）へ変更した場合の温度変化の説明図である。図１２は、スペーサＮｏ．１（単一材質）から本実施形態のスペーサＮｏ．５（３種材質）へ変更した場合の温度変化の説明図である。

図９に示すように、スペーサＮｏ．１（単一材質）からスペーサＮｏ．２（単一材質）へ変更した場合、コイルの温度上昇値の変化量およびステージの温度上昇値の変化量は、下記（９），（１０）式で表される。

・コイルの温度上昇値の変化量

ただし、λ_２＞λ_１よりΔθ_Ａ２Ａ１＜０であり、コイルの温度上昇値θ_Ａ２はθ_Ａ１より温度低下する。

・ステージの温度上昇値の変化量

ただし、λ_２＞λ_１よりΔθ_Ａ２Ａ１＜０であり、ステージの温度上昇値θ_Ｂ２はθ_Ｂ１より温度上昇する。

また、図１０に示すように、スペーサＮｏ．１（単一材質）からスペーサＮｏ．３（単一材質）へ変更した場合、コイルの温度上昇値の変化量およびステージの温度上昇値の変化量は、下記（１１），（１２）式で表される。

・コイルの温度上昇値の変化量

ただし、λ_３＞＞λ_１よりΔθ_Ａ３Ａ１＜＜０であり、コイルの温度上昇値θ_Ａ３はθ_Ａ１より温度低下する。

・ステージの温度上昇値の変化量

ただし、λ_３＞＞λ_１よりΔθ_Ａ３Ａ１＜＜０であり、ステージの温度上昇値θ_Ｂ３はθ_Ｂ１より温度上昇する。

これに対し、図１１に示すように、多材質組み合わせスペーサＮｏ．４（２種類）に変更した場合、コイルの温度上昇値およびステージの温度上昇値は、下記（１３），（１４）式で表される。なお、スペーサＮｏ．４は、ＳＵＳ３０４（熱伝導率λ_２）とＡ５０５２（熱伝導率λ_３）で構成されている。

・コイルの温度上昇値の変化量

ただし、λ_３＞＞λ_１，λ_３＞λ_２よりΔθ_Ａ４Ａ１＜Δθ_Ａ３Ａ１であり、コイルの温度上昇値θ_Ａ４はθ_Ａ３よりＡ部だけ温度上昇する。

・ステージの温度上昇値の変化量

ただし、λ_３＞＞λ_１，λ_３＞λ_２よりΔθ_Ｂ４Ａ１＜Δθ_Ｂ３Ａ１であり、ステージの温度上昇値θ_Ｂ４はθ_Ｂ３よりＢ部だけ温度低下する。

また、図１２に示すように、多材質組み合わせスペーサＮｏ．５（３種類）に変更した場合、コイルの温度上昇値およびステージの温度上昇値は、下記（１５），（１６）式で表される。なお、スペーサＮｏ．５は、ＰＰＳ／ＧＦ４（熱伝導率λ_１）、ＳＵＳ３０４（熱伝導率λ_２）およびＡ５０５２（熱伝導率λ_３）で構成されている。

・コイルの温度上昇値の変化量

ただし、λ_３＞＞λ_１，λ_３＞λ_２よりΔθ_Ａ５Ａ１＜Δθ_Ａ４Ａ１であり、コイルの温度上昇値θ_Ａ５はθ_Ａ４よりＣ部だけ温度上昇する。

・ステージの温度上昇値の変化量

ただし、λ_３＞＞λ_１，λ_３＞λ_２よりΔθ_Ｂ５Ａ１＜Δθ_Ｂ４Ａ１であり、ステージの温度上昇値θ_Ｂ５はθ_Ｂ４よりＤ部だけ温度低下する。

上記（１３）〜（１６）式のように、本実施形態の多材質組み合わせスペーサ（２種以上）は、従来のスペーサに比して、Ａ部〜Ｄ部の温度変化量を調整することが可能となる。
すなわち、従来の単一スペーサでは、変更可能な熱抵抗パラメータが３種の材質のうちの１種の材質の熱伝導率と客先で許容される寸法制約（スペーサの厚み，幅，長さ）に限定されていた。

これに対し、本実施形態の多材質組み合わせスペーサでは、熱伝導率の異なる材質を組み合わせることによって、変更可能な熱抵抗パラメータ数を増大させている。その結果、上記（１３）〜（１６）式中のＡ部〜Ｄ部の温度上昇もしくは温度低下可能な部分が発生する。当該温度増減可能な部分を調整することによって、ステージの温度上昇値を客先の要求スペックに納めつつ、コイルの温度上昇値を低減することが可能となる。

〈本実施形態の多材質組み合わせスペーサの効果〉
図１３は、本実施形態の多材質組み合わせスペーサの説明図である。図１３のスペーサＮｏ．４およびスペーサＮｏ．５において、スペーサの長さ，幅は図５と同一寸法に設定されている。

他方、スペーサの全体の高さは図５と同じ１１．７ｍｍとなるように、それぞれの材質の寸法を変化させている。スペーサＮｏ．４において、電機子側のＡ５０５２の高さは６．０ｍｍ、ステージ側のＳＵＳ３０４の高さは５．７ｍｍである。スペーサＮｏ．５において、電機子側のＡ５０５２の高さは４．０ｍｍ、中間のＳＵＳ３０４の高さは４．０ｍｍ、ステージ側のＰＰＳ／ＧＦ４の高さは３．７ｍｍである。

図１４は、本実施形態の多材質組み合わせスペーサの温度変化の説明図である。

図１４に示すように、２種の材質（Ａ５０５２とＳＵＳ３０４）で構成されたスペーサＮｏ．４では、単一材質（Ａ５０５２）のスペーサＮｏ．３に対して、ステージの温度上昇値が要求スペック内まで低下していることが判る。これは、２種の材質を組み合わせることにより、温度増減を調整可能な熱抵抗パラメータ数を増加させた結果、上記（１４）式Ｂ部の温度低下が生じたためである。

単一材質では、ＳＵＳ３０４のスペーサＮｏ．２のように、ステージの温度上昇値は要求スペック内であっても、コイル温度が高くなる。また、Ａ５０５２のスペーサＮｏ．３のように、コイルの温度上昇値は最も低いが、ステージの温度上昇値が要求スペックを超える。したがって、単一材質で形状のみを変化させてステージの温度上昇値を要求スペック以下にするとともに、コイルの温度上昇値が最も低くなるように形状を究明することは困難である。

他方、本実施形態の多材質組み合わせスペーサでは、同一形状であっても、熱伝導率の異なる材質の組み合わせと、それぞれの材質の高さ寸法を変化させることによって、上記（１３）〜（１６）式中のＡ部〜Ｄ部の温度変化量が制御可能となる。当該Ａ部〜Ｄ部を調整することで、ステージの温度上昇値を要求スペック以下にするとともに、コイルの温度上昇値の低減を図ることができる。

以上のように、第１実施形態に係るリニアモータ１００は、ステージ（可動対象物）と電機子（可動子）との間に、熱伝導率の異なる２種以上の材質により構成されたスペーサを介設している。スペーサの材質を熱伝導率の異なる材質とすることにより、コイルとステージ（可動対象物）との間の熱抵抗のパラメータ(各材質の熱伝導率、寸法)を増加させる。

熱抵抗のパラメータを増加させることにより、従来、単一材質ではパラメータが少なくて求めることが困難であった熱抵抗の最適値を求めことが可能となる。熱抵抗の最適値を求めて、コイルからステージへ伝導する熱量を調整することにより、ステージの温度上昇値は要求スペックを満足しつつ、コイルの温度上昇値を低減する。

以上説明したように、第１実施形態に係るリニアモータは、電機子（可動子）とステージ（可動対象物）との間には、熱伝導率の異なる２種以上の材質によって構成された多材質組み合わせスペーサ５０が介設されている。また、多材質組み合わせスペーサを構成する各材質は、電機子（可動子）からステージ（可動対象物）へ向けて熱伝導率が順次低下するように配置されている。

よって、第１実施形態に係るリニアモータ１００によれば、簡単な構造で、ステージ（可動対象物）の温度上昇を抑えるとともに、可動子コイルの温度上昇を低減することができる。

また、第１実施形態に係るリニアモータ１０は、スペーサ構造を変更するだけの軽微な変更で、コイルの温度上昇の低減を図り、開発期間の短縮と低イニシャルコストを実現するものである。

〔第２実施形態〕
次に、図１５から図１８を参照して、第２実施形態に係るリニアモータの構成について説明する。図１５は第２実施形態に係るリニアモータの概略正面図である。図１６は第２実施形態に係るリニアモータの概略側断面図である。

第２実施形態に係るリニアモータ２００は、熱伝導率の異なる２種以上の材質からなる多材質組み合わせスペーサ２５０を異なる形状のスペーサで構成した点が、第１実施形態と異なる。すなわち、第２実施形態に係るリニアモータ２００は、多材質組み合わせスペーサ２５０が全体としてＵ字形状を呈している。多材質組み合わせスペーサ２５０は、電機子２側のスペーサ２５１が凹板で構成される。また、ステージ６０側のスペーサ２５２は２枚の幅の狭い板で構成される。

図１７は、異なる形状、熱伝導率の異なる材質で構成された多材質組み合わせスペーサＮｏ．６の説明図である。図１７において、スペーサＮｏ．６は、電機子側にアルミニウム合金（Ａ５０５２）の凹板（幅４０ｍｍ×長さ８４ｍｍ×高さ１０．７ｍｍ）、ステージ側にステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の板材（幅１０ｍｍ×長さ８４ｍｍ×高さ１ｍｍ）２枚で構成されている。

ステージ側は、ステージの温度上昇を抑えるため、ステージとスペーサとの接触面積を減らすとともに、熱伝導率の低いステンレス鋼を用いている。

他方、電機子側は、コイルの温度上昇を低減するため、電機子とスペーサとの接触面積を増やすとともに、熱伝導率の高いアルミニウム合金を用いている。

図１８は、異なる形状、熱伝導率の異なる材質のスペーサＮｏ．６の温度上昇変化の説明図である。

図１８に示すように、スペーサＮｏ．６のステージの温度上昇値は、スペーサＮｏ．４のステージの温度上昇値よりも低減していることが判る。

スペーサＮｏ．４は、上記（１４）式において、熱伝導率の異なる材質のそれぞれの表面積Ｓ_１，Ｓ_２が同一形状であることから、Ｓ_１＝Ｓ_２となる。したがって、上記（１４）式Ｂ部の調整可能な熱抵抗パラメータ数は、それぞれの材質の熱伝導率λ_１，λ_２と高さ寸法Ｌ_２の３個となる。

これに対し、スペーサＮｏ．６は、それぞれの材質で形状が異なることから、Ｓ_１≠Ｓ_２となる。したがって、上記Ｂ部の調整可能な熱抵抗パラメータ数は、それぞれの材質の熱伝導率λ_１，λ_２、表面積Ｓ_１，Ｓ_２、および高さ寸法Ｌ_２の５個となる。

それぞれの材質が異なる形状で構成されるスペーサＮｏ．６は、スペーサＮｏ．４に比して、上記Ｂ部の温度変化量を調整可能な熱抵抗パラメータ数を増加させている。その結果、それぞれの材質を最適形状で組み合わせることにより、図 に示すように、ステージの温度上昇値を低減するとともに、コイルの温度上昇値の低減が可能となる。

第２実施形態に係るリニアモータ２００は、基本的には第１実施形態に係るリニアモータ１００と同様の作用効果を奏する。

特に、第２実施形態に係るリニアモータ２００によれば、多材質組み合わせスペーサを構成するそれぞれの材質を異なる形状に形成しているので、電機子からステージまでの熱抵抗パラメータ数をさらに増加させることができる。よって、第２実施形態に係るリニアモータ２００は、ステージの温度上昇値のさらなる低減を図るとともに、コイルの温度上昇値の低減を実現できるという有利な効果を奏する。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

１ 固定子、
２ 可動子、
２０ 永久磁石、
４０ コイル、
５０ 多材質組み合わせスペーサ、
６０ 可動対象物、
１００ リニアモータ。

Claims (2)

1. 複数の永久磁石を有する固定子と、
   前記永久磁石に対向配置された複数のコイルを有し、可動対象物を前記固定子に沿って直線運動させる可動子と、を備え、
   前記可動子と前記可動対象物との間には、熱伝導率の異なる材質によって構成された前記可動子側から順番に第１のスペーサと第２のスペーサとを有する多材質組み合わせスペーサが介設され、
   前記第１のスペーサと前記第２のスペーサは、表面積又は寸法のうち少なくともいずれか一方が異なり、
   前記可動子の直線運動方向から見た前記第１のスペーサの形状が凹形状であり、前記第１のスペーサと前記第２のスペーサとの形状がＵ字形状であることを特徴とするリニアモータ。
2. 前記多材質組み合わせスペーサを構成する各材質は、可動子から可動対象物に向けて熱伝導率が順次低下するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。