JPWO2008123287A1 - 駆動案内装置 - Google Patents

Abstract

可動子で生じた熱を効果的に放熱することが可能な駆動案内装置を提供する。リニアモータによって、レール２３０に案内されて移動する移動ユニット１００を備える駆動案内装置であって、移動ユニット１００は、通電によって磁界を発生する可動子１４０と、可動子１４０に対してレール２３０が固定される基台２１０とは反対側に設けられるテーブル１１０と、を有し、可動子１４０とテーブル１１０との間に、可動子１４０で生じた熱を放熱する放熱フィン付きヒートシンク１３０を備える駆動案内装置において、放熱フィン付きヒートシンク１３０において放熱しきれない熱をテーブル１１０へ伝える伝熱経路が設けられるとともに、テーブル１１０は、熱膨張係数の低い材料から構成される。

Description

本発明は、リニアモータによって駆動する駆動案内装置に関する。

従来、案内ガイドが設けられる基台に対して移動する移動ユニットを備える駆動案内装置が知られている。また、移動ユニットの駆動源としてリニアモータが用いられるものが知られている。特許文献１は、リニアモータを駆動源とする駆動案内装置の構成を開示するものである。

リニアモータを駆動源とする駆動案内装置は、通電されることで磁界を生じる可動子を移動ユニットに備える。また、基台における、可動子と対向する部分に磁石を有する固定子を備える。

この構成により、可動子が通電されて可動子と固定子の間に磁気相互力が生じることで、移動ユニットが基台に対して移動することが出来る。

この構成によれば、可動子と固定子が非接触の状態で移動ユニットが移動するので、騒音、振動等を低減させることができる。さらに、可動子と固定子との間で摩擦が生じないので、移動ユニットの加速性能を向上させることが可能になる。

図１０は、従来の駆動案内装置の概略構成を示すものである。図１０に示すように、駆動案内装置には、テーブル１１０、移動ブロック１２０、可動子１４０、から構成される移動ユニット１００を備える。また、基台２１０には、固定子２２０が設けられる。

また、基台２１０には、移動ユニット１００の移動を案内するためのレール２３０（案内ガイド）が固定され、移動ユニット１００に備えられる移動ブロック１２０がレール２３０に取り付けられる。

移動ブロック１２０は、一般的にボールやローラなどの転動体を介して、ある程度の予圧がかけられた状態でレール２３０に対して取り付けられる。

なお、転動体を介して移動ブロック１２０へ予圧をかける行為は、移動ブロック１２０とレール２３０の間でガタを生じさせないために行われるものである。

さらに移動ユニット１００には、図１０に示すように可動子１４０とテーブル１１０との間にヒートシンク１３０が設けられ、ヒートシンク１３０上には複数の放熱フィン１５０が形成される。

この放熱フィン１５０は、可動子１４０に通電して移動ユニット１００を移動させる際に、可動子１４０から生じる熱をテーブル１１０へ伝達させないために設けられるものである。

すなわち、可動子１４０を通電した際に可動子１４０で生じた熱がテーブル１１０へ伝達すると、テーブル１１０が熱膨張を起こして変形してしまう。そして、テーブル１１０が変形すると、テーブル１１０が湾曲して移動ブロック１２０とレール２３０との取り付け状態が不安定になってしまう。

その結果、移動ブロック１２０とレール２３０の間でガタを生じて振動、騒音が発生したり、また、駆動案内装置の寿命が短くなるといった問題を生じる。

これに対し、従来例に係る駆動案内装置においては、可動子１４０で生じる熱をテーブル１１０へ伝達させない為に、テーブル１１０と可動子１４０の間に断熱材４００を設けている。

さらに、可動子１４０とテーブル１１０との間に放熱フィン１５０を設け、放熱フィン１５０によって、可動子１４０において生じた熱を放熱している。
特開２００４−８８９８１号公報

しかしながら、例えば移動ユニット１００の推力を上げるために、より大きな磁界を発生させる可動子１４０を用いると、可動子１４０で生じる熱量が増加してしまい、従来の構成では、それらの熱を十分に断熱または放熱しきれない。

上記で説明したように、テーブル１１０に熱が伝達して熱膨張すると、移動ブロック１２０とレール２３０の取り付け状態が不安定になり、移動ブロック１２０とレール２３０の間でガタを生じて振動、騒音が発生したり、駆動案内装置の寿命が短くなる。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、リニアモータを駆動源として用いる駆動案内装置において、可動子で生じた熱を効果的に放熱することが可能な駆動案内装置を提供することを目的とする。また、コンパクトな構成としながらも推力の大きい駆動案内装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明にあっては、リニアモータによって、案内ガイドに案内されて移動する移動ユニットを備える駆動案内装置であって、前記移動ユニットは、通電によって磁界を発生する可動子と、前記可動子に対して前記案内ガイドが固定される基台とは反対側に設けられるテーブルと、を有し、前記可動子と前記テーブルとの間に、前記可動子で生じた熱を放熱する放熱構造を備える駆動案内装置において、前記放熱構造において放熱しきれない熱を前記テーブルへ伝える伝熱経路が設けられるとともに、前記テーブルは、熱膨張係数の低い材料から構成されることを特徴とする。

この構成によると、可動子とテーブルとの間に設けられた放熱構造において放熱しきれない熱は伝熱経路を介してテーブルに伝わる。そして、テーブルに伝わった熱がテーブルにおいて放熱されるため、放熱量を増大させることができる。

また、テーブルに熱が伝わってしまうものの、テーブルには熱膨張係数の低い材料が用いられるので、テーブルに熱が伝わることで生じるテーブルの熱膨張を低減させることが可能になる。

また、前記放熱構造は、前記テーブルと前記可動子の間に設けられる複数のフィンを有するヒートシンクによって構成されるとよい。

この構成によると、ヒートシンクに設けられた複数のフィンによって、可動子で生じた熱を放熱することが可能になる。

また、前記ヒートシンクは、前記テーブルの下面に固定されており、これが固定されている部分を通るように前記伝熱経路が形成されている構成であるとよい。

また、前記テーブルは、熱膨張係数が１０．０×（１０^−６／Ｋ）以下の材料であると好適である。

この構成によると、可動子で生じた熱をテーブルに伝熱したことによって生じるテーブルの熱膨張を低減させることが可能になる。

また、前記テーブルには、黒色表面処理が施されていることも好適である。

この構成によると、テーブルの表面からの熱放射により、効果的に放熱をすることが可能になる。

また、前記ヒートシンクには、幅方向の両端と中央部の３箇所に壁部がそれぞれ形成され、各壁部の上面が前記テーブルの下面に固定されるとともに、各壁部間に、前記壁部よりも高さの低いフィンが、前記壁部と平行に複数設けられるように構成されることも好適である。

以上説明したように、本発明によれば、可動子とテーブルとの間に設けられた放熱構造において放熱しきれない熱を、伝熱経路を介してテーブルへ伝熱させることで、テーブルから効率的に放熱を行うことが可能である。よって、可動子で生じた熱を効果的に放熱することが可能な駆動案内装置を提供することが可能になる。

本実施の形態に係る駆動案内装置の斜視図 本実施の形態に係る駆動案内装置の正面図 本実施の形態における案内ガイドと移動ブロックの取り付け構成図 本実施の形態における案内ガイドと移動ブロックの取り付け構成図 本実施の形態における移動ブロックの概略構成図 本実施の形態における放熱フィンの正面図 本実施の形態における放熱フィンの斜視図 すべり案内の案内機構を備える駆動案内装置の概略構成図 本実施の形態におけるテーブルの斜視図 従来例に係る駆動案内装置の概略構成図

符号の説明

１００ 移動ユニット
１１０ テーブル
１１１ 孔部
１２０ 移動ブロック
１２１ 負荷転走溝
１２２ 間座
１２５ シール部材
１２６ シール部材
１３０ ヒートシンク
１４０ 可動子
１５０ 放熱フィン
１５１ 第１の放熱フィン
１５２ 第２の放熱フィン
２１０ 基台
２２０ 固定子
４００ 断熱材

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施の形態に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

以下、図１〜図９を参照して、本発明の実施の形態に係る駆動案内装置について説明する。

［移動ユニットと基台の構成］
図１、図２に、本実施の形態に係る駆動案内装置の概略構成を示す。図１は、本実施の形態に係る駆動案内装置の概略構成の斜視図である。また、図２は本実施の形態に係る駆動案内装置の断面における概略構成図である。

図１、２に示すように、本実施の形態に係る駆動案内装置は、移動ユニット１００と、移動ユニット１００の移動方向を案内する案内ガイドとしてのレール２３０が固定される基台２１０と、を備える。

そして、移動ユニット１００には、通電されることで磁界を生じる可動子１４０と、テーブル１１０と、移動ブロック１２０と、が備えられる。

可動子１４０は、不図示の電磁子コアと電磁子コイルを有する。また、可動子１４０とテーブル１１０との間には、複数の放熱フィン１５０が設けられたヒートシンク１３０が備えられる。なお、放熱フィン付きのヒートシンク１３０の構成については後に説明する。

また、可動子１４０は、ヒートシンク１３０の下面に設けられ、ヒートシンク１３０の上面には、複数の放熱フィン１５０が設けられる。さらにヒートシンク１３０には、その両端と中央部の３箇所に壁部１７０（伝熱経路）が設けられ、それぞれの壁部１７０の上面がテーブル１１０の下面にボルト等によって固定される。

そして、この固定部がテーブル１１０とヒートシンク１３０の伝熱経路を形成する。また、テーブル１１０の幅方向の両端には、それぞれ移動ブロック１２０が設けられる。

一方、基台２１０には、移動ブロック１２０の移動を案内する案内ガイドとして、一対のレール２３０が互いに平行に固定される。また、基台２１０には、可動子１４０と対向する部分に磁石等を有する固定子２２０が設けられる。なお、固定子２２０と可動子１４０との間には隙間が設けられる。

そして、移動ブロック１２０がレール２３０に取り付けられることで、移動ユニット１００はレール２３０に沿って移動自在に構成される。なお、移動ブロック１２０とレール２３０の取り付け部分の構成等に関しては、後に説明する。

このように構成される駆動案内装置において、不図示の電源から可動子１４０が通電されると、可動子１４０が磁界を生じる。そして、固定子２２０が形成する磁界との磁気相互作用によって、可動子１４０が設けられる移動ユニット１００がレール２３０に沿って移動する。

すなわち、本実施の形態における駆動案内装置においては、可動子１４０と固定子２２０とによって構成されるリニアモータによって、移動ユニット１００が基台２１０に対して移動する構成である。

［移動ブロックとレールの取り付け部分の構成］
本実施の形態においては、移動ブロック１２０とレール２３０との間に、転動体（ボール、ローラ等）を介在させることで、移動ブロック１２０がレール２３０に案内されて移動することが可能である。以下、図３〜図５を参照して、移動ブロック１２０と、レール２３０の取り付け部分について説明する。ここでは、転動体の一例としてボールを用いる。

図４に示すように、レール２３０には、その長手方向に沿って転動体転走面としてのボール転走溝２３１が左右側面に２条ずつ形成される。一方、移動ブロック１２０には、ボール転走溝２３１に対向する負荷転動体転走路をなす負荷転走溝１２１を含む、無限循環路が形成される。

そして無限循環路には、レール２３０に対する移動ブロック１２０の相対移動に伴って、ボール転走溝２３１と負荷転走溝１２１との間で転動して循環する複数のボール２３２が配列、収容されている。

また、図３に示すように、移動ブロック１２０は、負荷転走溝１２１及び、これに平行なボール戻し路を備える移動ブロック本体１２０ａと、この移動ブロック本体１２０ａの両端にそれぞれ結合される一対のエンドキャップ１２０ｂと、を備える。なお、エンドキャップ１２０ｂは、負荷転走溝１２１とボール戻し路を連結するものである。

上記移動ブロック１２０に形成された負荷転走溝１２１は、レール２３０に形成された各ボール転走溝２３１に対向して形成されており、これら負荷転走溝１２１とボール転走溝２３１との間には複数のボール２３２が挟み込まれている。

そして、これら複数のボール２３２は、移動ブロック１２０の移動に伴い、エンドキャップ１２０ｂに形成された方向転換路を介してボール戻し路へと送り込まれ、再び負荷転走溝１２１に導かれ、無限循環路を循環する。

図５に示すように、複数のボール２３２は、保持部材２３５によって回転自在に保持される。この保持部材２３５は、ボール２３２と交互に配置された間座１２２と、間座１２２を接続する薄板状の可撓性を有するベルト２３４とで構成される。

また、図４に示すように、レール２３０の上面と移動ブロック１２０との間、並びにレール２３０の側面と移動ブロック１２０との間には、シール部材１２５、１２６が配設される。

シール部材１２５、１２６は、ボール転走溝２３１と負荷転走溝１２１との間に充填される潤滑剤の外部への漏れ、または外部からの塵埃の侵入を防ぐために設けられる。

ところで上記では、レール２３０と移動ブロック１２０がボールなどの転動体（ボール又はローラ）を介して移動する構成について説明したが、本実施の形態における駆動案内装置の構成はこれに限らず、両者が互いにすべる構成を採用してもよい。

図８に、すべり方式の駆動案内装置を示す。

図８に示すように、すべり方式の駆動案内装置は、断面矩形状のレール２３０と、レール２３０に跨架状態にして相対運動自在に組み付けられ、上面にテーブル１１０が装着される移動ブロック１２０を有する。

レール２３０と移動ブロック１２０の間には転動体は設けられず、両者が直接当接して移動する。

［放熱フィンの構成］
図１、図２に示す本実施の形態に係る駆動案内装置における放熱フィン１５０の取り付け部分を拡大して、図６、図７に示す。

図６、図７に示すように、上記のように構成される駆動案内装置においては、可動子１４０が通電されて発熱した場合に、生じた熱を放熱するための放熱フィン１５０を設けた。

具体的には、ヒートシンク１３０の上面に、放熱フィン１５０を複数設けた。また、本実施の形態においては、放熱フィン１５０が高さの異なる第１の放熱フィン１５１と第２の放熱フィン１５２を含むものとした。

さらに第１の放熱フィン（高いほうのフィン）１５１と第２の放熱フィン（低いほうのフィン）１５２を交互に設けた。また、放熱フィン１５０は、移動ユニット１００の移動方向と平行になるように並べた。

また、第１の放熱フィン１５１は、その表面積が大きくなるように高さをできる限り大きくした。一方で、寸法公差等を考慮して、その上面がテーブル１１０の下面に当接しない高さに設定した。

次に放熱のメカニズムについて説明する。まず、リニアモータの駆動と共に可動子１４０で発生した熱は、上記で説明した放熱フィン付きヒートシンク１３０に伝わる。なお、放熱フィン付きヒートシンク１３０には、例えば内部にヒートパイプが配設された既知の構成のものを用いた。

そして、ヒートシンク１３０に伝わった熱は、ヒートシンク１３０上に備えられる放熱フィン１５０から放熱される。図６、図７に示すように、本実施の形態においては、第１のフィン（高いほうのフィン）の間に第２のフィン（低いほうのフィン）を設けた。

一般的に放熱フィンの放熱効率を上げるための手法としては、放熱フィンの表面積を増やすことが考えられる。特に複数の放熱フィンがそれぞれ平行に配列されるような場合では、放熱フィン全体の総表面積を増やすことで、放熱効率を上げることが可能となる。

具体的には、１枚１枚の放熱フィンを大きくして表面積を増やす、または並べられる放熱フィンの間隔を狭めて、単位長さあたりの放熱フィンの数を増やす、などが考えられる。しかしそうすると、放熱フィンの間のスペースで空気が対流しにくくなってしまう。

そこで本実施の形態においては、第１の放熱フィン１５１と第１の放熱フィン１５１との間に、これらよりも高さの低い第２の放熱フィン１５２を設けた。

この構成によると、まず、高さの高い第１の放熱フィン１５１によって放熱面の面積を確保することが出来る。さらに、第１の放熱フィン１５１と第１の放熱フィン１５１との間に第２の放熱フィン１５２を設置することで、第１の放熱フィン１５１と第１の放熱フィン１５１との間で空気が対流する空間を確保することができる。

その結果、放熱フィン同士の間隔を狭めて単位長さ辺りの放熱フィンの数を増やしつつ、放熱フィン間で空気が対流できるスペースを確保することができ、放熱効率を上げることが可能になる。

また、放熱フィン付きヒートシンク１３０は、テーブル１１０の下面に対してヒートシンク１３０に設けられる壁部１７０（伝熱経路）の上面が固定される。図６に示すように、本実施の形態においては、壁部１７０を、テーブル１１０の両端と中央部の３箇所設ける構成である。

この構成によれば、それぞれの壁部１７０を伝熱経路として、ヒートシンク１３０からテーブル１１０へ熱が伝わることが可能である。

また、第１の放熱フィン１５１、及び第２の放熱フィン１５２ともに、その高さを壁部１７０の上面よりも低くすることで、第１の放熱フィン１５１、及び第２の放熱フィン１５２ともに、上面がテーブル１１０の下面に当接しない構成とした。

[テーブルの構成]
また、図９に示すように、本実施の形態においては、放熱フィン１５０の放熱効率をさらに向上させるために、テーブル１１０の放熱フィン１５０と対向する部分に孔部１１１を形成した。

この構成によると、テーブル１１０の放熱フィン１５０と対向する部分に孔部１１１を形成することで、放熱フィン１５０から放熱される熱が、孔部１１１を通じてテーブル１１０の外側へ逃げやすくなる。

その結果、放熱フィン１５０からの放熱量が増加する。また、テーブル１１０に孔部１１１を形成するのでテーブル１１０を軽量化することも可能になる。

また、孔部１１１の形状を長孔とすることで、テーブル１１０の幅方向の熱分布の偏りを抑制できる。

ここで、駆動案内装置において移動ユニットの推力を高めるためには、磁界を大きくしなければならず、そのためにはコイルの数を増やしたり、コイルを大きくする必要がある。

そのため、高さ寸法、長さ寸法、幅寸法のうち少なくともいずれかを大きくしなければならない。しかしながら、高さ寸法を高くすると、移動ユニット１００の高さが高くなってしまう。

また、長さ寸法を長くすると、移動ユニット１００の移動方向の長さが増えるために、その分移動ユニット１００の移動範囲が狭まってしまう。

このように、高さ寸法と長さ寸法に制限がある場合は、移動ユニット１００の推力を高めるためには、テーブル１１０の幅寸法を大きくせざるを得ない。

その結果、可動子１４０、及びテーブル１１０の幅方向の寸法が大きくなる。そして、可動子１４０、及びテーブル１１０の幅方向の寸法が大きくなると、可動子１４０及び固定子２２０の磁気吸引力等により、テーブル１１０の移動ブロック１２０を支点とする下方への撓み量が増大する。

特に、テーブル１１０に長孔１１１を設ける場合、長孔の形状をテーブル１１０の移動方向に長い形状とする場合は、テーブル１１０の撓み量は大きくなってしまう。

しかし、本実施の形態のように長孔の形状をテーブル１１０の移動方向に直交する方向に長い形状とすることで、長孔の形状をテーブル１１０の移動方向に長い形状とする場合よりも、テーブル１１０の撓み量を低減させることが可能になる。

また、本実施の形態においては、テーブル１１０に伝わった熱をより効果的に放熱するために、テーブル１１０の表面に黒色表面処理を施す構成とした。

さらに、本実施の形態においては、テーブル１１０に熱が伝わった場合でもテーブル１１０の熱膨張量を抑えるために、テーブル１１０には、従来のアルミニウム合金（熱膨張係数１．９×１０^−５／Ｋ〜２．３×１０^−５／Ｋ）や鉄（熱膨張係数１．１×１０^−５／Ｋ〜１．２×１０^−５／Ｋ）に対して、株式会社榎本鋳工所製ノビナイト（登録商標）ＣＤ−５（熱膨張係数２．５×１０^−６／Ｋ〜３．５×１０^−６／Ｋ）を用いた。

この構成によれば、放熱フィン１５０で放熱しきれなかった熱がテーブル１１０に伝わる場合に、テーブル１１０の熱膨張量を低減させることができる。すなわち、放熱フィン１５０で放熱しきれない熱をテーブル１１０で放熱しつつ、テーブル１１０の熱膨張を抑えることができる。

なお、従来のように可動子１４０とテーブル１１０の間に断熱材を挟むと、一般的に断熱材の剛性は低いので、装置本体の強度が不足してしまう。しかし、本実施の形態においては、可動子１４０とテーブル１１０の間に断熱材を設ける構成ではないので、装置本体の強度を向上させることが可能になる。

（その他の実施の形態）
上記では第１の放熱フィン１５１と第２の放熱フィン１５２を交互に配列したが、第１の放熱フィン１５１と第１の放熱フィン１５１との間に第２の放熱フィン１５２を複数設ける構成であってもよい。具体的には、第１の放熱フィン１５１と第１の放熱フィン１５１の間に第２の放熱フィン１５２を２枚設ける構成などが挙げられる。

また、上記では放熱フィン１５０は、高さの異なる２種類の放熱フィン（第１の放熱フィン１５１と第２の放熱フィン１５２）を含む構成とした。しかし、第１の放熱フィン１５１、第２の放熱フィン１５２の他に、第１、第２の放熱フィンと高さが異なる放熱フィンを有する構成であってもよい。また、ヒートシンク１３０の熱をより効果的に放熱するために、ヒートシンク１３０の表面に黒色表面処理を施す構成としてもよい。

Claims (6)

1. リニアモータによって、案内ガイドに案内されて移動する移動ユニットを備える駆動案内装置であって、
   前記移動ユニットは、
   通電によって磁界を発生する可動子と、
   前記可動子に対して前記案内ガイドが固定される基台とは反対側に設けられるテーブルと、
   を有し、
   前記可動子と前記テーブルとの間に、前記可動子で生じた熱を放熱する放熱構造を備える駆動案内装置において、
   前記放熱構造において放熱しきれない熱を前記テーブルへ伝える伝熱経路が設けられるとともに、
   前記テーブルは、
   熱膨張係数の低い材料から構成されることを特徴とする駆動案内装置。
2. 前記放熱構造は、
   前記テーブルと前記可動子の間に設けられる複数のフィンを有するヒートシンクによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の駆動案内装置。
3. 前記ヒートシンクは、
   前記テーブルの下面に固定されており、
   これが固定されている部分を通るように前記伝熱経路が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の駆動案内装置。
4. 前記テーブルの熱膨張係数は、
   １０．０×（１０−６／Ｋ）以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の駆動案内装置。
5. 前記テーブルには、
   黒色表面処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の駆動案内装置。
6. 前記ヒートシンクには、
   幅方向の両端と中央部の３箇所にそれぞれ壁部が形成され、
   各壁部の上面が前記テーブルの下面に固定されるとともに、
   各壁部間に、
   前記壁部よりも高さの低いフィンが、前記壁部と平行に複数設けられることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の駆動案内装置。

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