JPWO2009101852A1 - リニアモータ - Google Patents

Abstract

コンパクトでありながらより高推力を発生することができる新たなリニアモータを提供する。リニアモータは、Ｎ極及びＳ極が直線運動する方向に交互に配列される界磁マグネット２と、界磁マグネット２に対して相対的に直線運動する電機子９と、を備える。電機子９に、界磁マグネット２にすきまを介して対向する複数のコイル３、複数のコイル３のそれぞれに挿入される複数の櫛歯１１ａ〜１１ｃを有するコア１１、及び各コイル３と各櫛歯１１ａ〜１１ｃとの間に介在されるボビン１４を設ける。ボビン１４は、絶縁体であると共に、その熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。ボビン１４に熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の絶縁材料を使用することで、絶縁紙製のボビンに比べて、熱伝導率を十倍以上に向上させることができ、コイル３から発生する熱を効果的にコア１１に逃がすことができる。

Description

本発明は、界磁マグネットが発生する磁界とコイルに流れる電流によって直線運動するための推力を得るリニアモータに関する。

リニアモータは、形状的に細長いプレート状の界磁マグネットにすきまを介して対向するフラットタイプのリニアモータと、ロッド（シャフト）状の界磁マグネットの周囲を筒形状の電機子が囲むロッドタイプ（シャフトタイプとも呼ばれる）のリニアモータとに分けられる。

フラットタイプのリニアモータにおいては、細長いプレート状に形成される界磁マグネットに対して電機子が相対的に直線運動する。界磁マグネットは、複数枚の平板状の磁石を表面にＮ極及びＳ極が交互に形成されるように並べたものである。電機子は、界磁マグネットに磁気的なすきまを介して対向するＵ，Ｖ，Ｗ相のコイルを有する。コイルに三相交流電流を流すと、マグネットに発生する磁界とコイルに流れる電流によって、直線運動するための推力が発生する（例えば特許文献１参照）。高推力のリニアモータを得るために、コイルにコアを挿入したコア付きのフラットタイプのリニアモータも知られている。

他方、ロッドタイプのリニアモータにおいては、Ｎ極及びＳ極が交互に着磁されるロッド（シャフト）に対して、ロッドの周囲を囲む筒形状の電機子が相対的に直線運動する。電機子は、界磁マグネットの周囲に磁気的なすきまを介して巻かれるＵ，Ｖ，Ｗ相のコイルを有する。Ｕ，Ｖ，Ｗ相のコイルは、ロッドの軸線方向に並べられる。コイルにＵ，Ｖ，Ｗ相の三相交流電流を流すと、マグネットに発生する磁界とコイルに流れる電流によって、直線運動するための推力が発生する（例えば特許文献２参照）。

リニアモータには、コンパクトでありながら大きな推力を発生できることが要請される。ここで、リニアモータの推力は、磁石に発生する磁束密度Ｂとコイルに流す電流Ｉの積に比例する。このため、磁石の磁束密度Ｂを大きくするか、又はコイルに流す電流Ｉを大きくすることで推力を大きくすることができる。磁石の磁束密度を大きくするために、リニアモータの歴史においては、フェライト磁石を希土類磁石に変えることが行われてきた。しかし、磁石の磁束密度を大きくするのは限界がきていて、これ以上磁束密度Ｂを大きくするのは困難である。

コイルに流す電流Ｉを大きくしても推力を大きくすることができる。しかし、コイルの発熱を防止した上でコイルに流す電流を大きくする必要がある。なぜならば、コイルの導線は抵抗を持つので、コイルに大きな電流を流すと電流の２乗に比例するジュール熱が発生するからである。ジュール熱によってコイルの温度が上昇し続けると、導線の絶縁被膜が溶け、導線同士が絶縁されなくなる。導線同士が絶縁されなくなると、コイルの巻き数が少なくなることと等価になり、コイルの巻き数に比例するリニアモータの推力が低下してしまう。このため、コイルに流す電流は、導線の絶縁被膜が溶けない温度に制限される。コイルの発熱を防止できることも、モータが発生する推力を大きくできることに密接に関連する。

コイルの発熱を防止するために、銅の替わりに金、銀や電気抵抗がゼロになる超伝導の物質を用いることも行われている。電気抵抗が小さければ、コイルからの発熱はなくなるので、コイルに大きな電流を流すことができ、ひいてはリニアモータの推力を大きくすることができる。

さらに、コイルの発熱を防止するために、コイルを覆うハウジングやコイルに挿入されるコアにフィンを形成し、フィンから大気中に熱を逃がすことも行われている。コイルから発生する熱を逃がすことができれば、コイル自体の発熱が大きくても、コイルの温度が上昇するのを防止できる。
特開２００６−０７４９７５号公報 特開２００２−３５４７８０号公報

しかし、銅の替わりに金や超伝導物質を用いる手法はコスト的に実現化が困難である。また、コイルのハウジングやコアにフィンを形成し、熱を逃がす手法も構造的な工夫がされ尽くされており、これ以上冷却効率を向上できないレベルまできている。

そこで本発明は、コンパクトでありながら、より高推力を発生することができる新たなリニアモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、界磁マグネットに発生する磁界とコイルに流れる電流によって、コイルが界磁マグネットに対して相対的に直線運動するための推力を得るリニアモータであって、Ｎ極及びＳ極が前記直線運動する方向に交互に配列される界磁マグネットと、前記界磁マグネットにすきまを介して対向する複数のコイル、前記複数のコイルのそれぞれに挿入される複数の櫛歯を有するコア、各コイルと各櫛歯との間に介在されるボビンを有する電機子と、を備え、前記ボビンは、絶縁体であると共に、その熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるリニアモータである。

請求項２に記載の発明は、界磁マグネットに発生する磁界とコイルに流れる電流によって、コイルが界磁マグネットに対して相対的に直線運動するための推力を得るリニアモータであって、Ｎ極及びＳ極が前記直線運動する方向に交互に配列される界磁マグネットと、前記界磁マグネットにすきまを介して対向する複数のコイル、前記複数のコイルのそれぞれに挿入される複数の櫛歯を有するコア、前記複数のコイルを覆うと共に前記複数のコイルを前記コアに結合する成形体を有する電機子と、を備え、前記成形体は、絶縁体であると共に、その熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるリニアモータである。

請求項３に記載の発明は、界磁マグネットに発生する磁界とコイルに流れる電流によって、コイルが界磁マグネットに対して相対的に直線運動するための推力を得るリニアモータであって、Ｎ極及びＳ極が前記直線運動する方向に交互に配列される界磁マグネットと、前記界磁マグネットの周囲を囲む複数のコイル、前記複数のコイルを覆う成形体を有する電機子と、を備え、前記成形体は、絶縁体であると共に、その熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるリニアモータである。

請求項４に記載の発明は、界磁マグネットに発生する磁界とコイルに流れる電流によって、コイルが界磁マグネットに対して相対的に直線運動するための推力を得るリニアモータであって、Ｎ極及びＳ極が前記直線運動する方向に交互に配列される界磁マグネットと、前記界磁マグネットの周囲にすきまを介して設けられる複数のコイル、前記複数のコイルを保持するためのコイルホルダを有する電機子と、を備え、前記コイルホルダは、前記直線運動する方向に前記複数のコイルにわたって伸びるホルダ本体部と、隣接するコイル間に介在される複数のスペーサ部と、を含み、前記コイルホルダは、絶縁体であると共に、その熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるリニアモータである。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載のリニアモータにおいて、 前記ボビン、前記コイルホルダ、又は前記成形体が、複数の異なる平均粒径を有する絶縁性の金属酸化物粒子を樹脂に混合してなることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のリニアモータにおいて、前記ボビン、前記コイルホルダ、又は前記成形体は、前記絶縁性の金属酸化物粒子が混合された熱可塑性樹脂を射出成形することで製造されることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項５に記載のリニアモータにおいて、前記成形体は、前記絶縁性の金属酸化物粒子が混合された熱硬化性樹脂を型に流し込む注型によって製造されることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載のリニアモータにおいて、前記ボビン、前記コイルホルダ、又は前記成形体の線膨張係数が、１０×１０^-6以上３０×１０^-6以下に設定されることを特徴とする。

フラットタイプのリニアモータにおいて、コイルから発生する熱を逃がす系統の一つに、コイルからボビンを介してコアに逃がす系統がある。ボビンは、コイルとコアの櫛歯との間に介在される絶縁体であり、コイルとコアの櫛歯とを絶縁させる役割を持つ。請求項１に記載の発明によれば、ボビンに熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の絶縁材料を使用するので、絶縁紙製のボビンに比べて、熱伝導率を十倍以上に向上させることができ、コイルから発生する熱を効果的にコアに逃がすことができる。したがって、コイルに流す電流やリニアモータの推力を向上させることができる。

フラットタイプのリニアモータにおいて、コイルから発生する熱を逃がす他の系統に、コイルから成形体を介して大気に逃がす系統がある。成形体は、コイルを覆うと共にコイルをコアに結合する役割を持つ。請求項２に記載の発明によれば、成形体に熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の絶縁材料を使用するので、樹脂製の成形体に比べて、熱伝導率を十倍以上に向上させることができ、コイルから発生する熱を効果的に大気に逃がすことができる。したがって、コイルに流す電流やリニアモータの推力を向上させることができる。

ロッドタイプのリニアモータにおいて、コイルから発生する熱を逃がす系統の一つに、コイルから成形体を介して大気に逃がす系統がある。成形体は、コイルを覆う役割やハウジングとしての役割を持つ。請求項３に記載の発明によれば、成形体に熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の絶縁材料を使用するので、樹脂製の成形体に比べて、熱伝導率を十倍以上に向上させることができ、コイルから発生する熱を効果的に大気に逃がすことができる。したがって、コイルに流す電流やリニアモータの推力を向上させることができる。

ロッドタイプのリニアモータにおいて、コイルから発生する熱を逃がす系統の一つに、コイルからコイルホルダに逃がす系統がある。コイルホルダは、コイルを保持すると共に、隣接するコイル同士を絶縁させる役割を持つ。請求項４に記載の発明によれば、コイルホルダに熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の絶縁材料を使用するので、樹脂製のコイルホルダに比べて、熱伝導率を十倍以上に向上させることができ、コイルから発生する熱を効果的にコイルホルダに逃がすことができる。したがって、コイルに流す電流やリニアモータの推力を向上させることができる。

請求項５に記載の発明によれば、複数の異なる平均粒径を有する絶縁性の金属酸化物粒子を樹脂に混合するので、大径の金属酸化物粒子同士の樹脂のすきまを小径の金属酸化物粒子で埋めることができる。充填率を高めた金属酸化物粒子を介して熱を伝えることができるので、熱伝導率が向上する。

請求項６に記載の発明によれば、ボビン、コイルホルダ、又は成形体を高い寸法精度で大量生産することが可能になる。

請求項７に記載の発明によれば、金型のコストを低減することができるので、廉価に成形体を製造することが可能になる。

請求項８に記載の発明によれば、ボビン、コイルホルダ、又は成形体の線膨張係数が、樹脂（１２０×１０^-6）の線膨張係数に比べて１ケタ小さく、鋼（１１〜１３×１０^-6）、銅（１９〜２０×１０^-6）、アルミ（２２〜２３×１０^-6）等の金属の線膨張係数に近くなる。温度上昇時のボビン、コイルホルダ、又は成形体の伸びとコイル、コアの伸びとを略等しくすることができるので、これらの接触を保つことができる。したがって、温度上昇によってこれらの間に真空のすきまや空気の層が生じ、熱が伝わりにくくなるのを防止することができる。

本発明の第一の実施形態のフラットタイプリニアモータの斜視図 図１のリニアモータの正面図 界磁マグネットの平面図 電機子の斜視図 電機子の移動方向に沿った断面図 逆さまにした状態の電機子の斜視図 ボビンの斜視図 注型に使用される枠 金属酸化物の粒子直径と質量％との関係を示すグラフ ボビンの拡大断面図の模式図 本発明の第二の実施形態のロッドタイプのリニアモータの斜視図 リニアモータのマグネットとコイルの位置関係を示す図 コイルホルダに保持されたコイルユニットを示す斜視図 コイルホルダの詳細図（図中（Ａ）は正面図を示し、（Ｂ）は断面図を示す） コイルに流す電流とコイルの温度との関係を示すグラフ（図中（Ａ）が電流値Ｉ×１倍のとき、（Ｂ）が電流値Ｉ×１．１５倍のとき、（Ｃ）が電流値Ｉ×１．６３倍のときをそれぞれ示す）

符号の説明

２…界磁マグネット
３…コイル
９…電機子
１１…コア
１１ａ〜１１ｃ…櫛歯
１４…ボビン
１６…成形体
２１…ロッド
２２…成形体（ハウジング）
２３…界磁マグネット
２４…コイル
２５…コイルホルダ

添付図面に基づいて本発明の一実施形態のリニアモータを詳細に説明する。図１及び図２は本発明の第一の実施形態におけるフラットタイプリニアモータを示す。図１は斜視図を示し、図２は正面図を示す。この実施形態のリニアモータは、一軸のアクチュエータで、テーブル等の移動体を一軸方向に移動させるのに用いられる。細長く伸びるベース１上には、リニアモータの固定子として、板状の界磁マグネット２が設けられる。界磁マグネット２には、リニアモータの電機子９のコイル３が対向する。電機子９のコイル３に流れる電流と界磁マグネット２の磁界の作用により生じた推力によって、電機子９が界磁マグネット２に対して直線運動する。

図２の正面図に示されるように、界磁マグネット２と電機子９との間には磁気的なすきまｇが設けられる。電機子９が界磁マグネット２に対して相対的に移動するときにも、このすきまｇが一定に維持される。

図１に示されるように、ベース１は、電機子９の直線運動方向に細長く伸びている。ベース１は、矩形状の底部プレート１ａと、底部プレート１ａの幅方向の両端部に設けられる一対の側壁部１ｂとを有する。一対の側壁部１ｂの上面それぞれには、リニアガイドのレール５が取り付けられる。レール５は、側壁部１ｂの長さ方向のほぼ全長に渡って細長く伸びる。レール５の外周面には、リニアガイドのブロック６のボール、ローラ等の転動体が転がり運動する転動体転走溝がレール５に沿って形成される。

ベース１の底部プレート１ａの上面には、電機子９の直線運動方向にＮ極及びＳ極が交互に形成される界磁マグネット２が設けられる。 図３に示されるように、界磁マグネット２は、複数枚の平行四辺形の板状マグネット１９を一列に並べたものである。各板状マグネット１９には、界磁マグネット２の長さ方向と直交する方向（図中紙面に直交する方向）にＮ極及びＳ極が着磁される。界磁マグネット２の長さ方向に交互にＮ極及びＳ極が形成されるように、板状マグネット１９の表面の磁極は、隣り合う板状マグネット１９の磁極とは反対の磁極になる。

図１に示されるように、左右一対のレール５それぞれには、スライド可能にリニアガイドのブロック６が組み付けられる。左右のブロック６には、門型の結合天板７が跨る。結合天板７の下面には、電機子９が吊り下げられる。

結合天板７は、幅方向に細長く伸びる天井部７ａと、天井部７ａの幅方向の両端に設けられ、下方に垂れ下がる一対の脚部７ｂと、を有する。脚部７ｂの下端には、リニアガイドのブロック６が取り付けられる。天井部７ａの下面に電機子９が取り付けられる。天井部７ａの上面に移動体が取り付けられる。

ブロック６は、レール５を跨る鞍形状に形成される。この実施形態では、一つのレール５に対して二つのブロック６が組み付けられる。ブロック６には、レール５の転動体転走溝に対向する負荷転動体転走溝が形成されると共に、転動体を循環させるためのサーキット状の転動体循環経路が設けられる。ブロック６の転動体循環経路には複数の転動体が配列・収容される。レール５に対してブロック６がスライドすると、レール５の転動体転走溝とブロック６の負荷転動体転走溝との間に介在された転動体が転がり運動する。これと同時に転動体はサーキット状の転動体循環経路を循環する。転動体の転がり運動によって、レール５に対してブロック６がスライドするときの摩擦抵抗が低減される。

図４及び図５は、電機子９の詳細図を示す。電機子９は、界磁マグネット２に向かい合う三相のコイル３（３ａ，３ｂ，３ｃ）と、コイル３に発生する磁界を強めるためのコア１１と、コイル３から発生する熱を大気に逃がすためのヒートシンク１２と、を備える。

コイル３は、コア１１の櫛歯１１ａ，１１ｂ，１１ｃ（正確にいえば櫛歯を覆うボビン１４）の周囲に導線を巻いたものであり、電機子９の幅方向に細長い環状に形成される。三相のコイル３ａ，３ｂ，３ｃは、電機子６の直線運動方向に隣接して並べられる。Ｕ・Ｖ・Ｗ相からなる三相のコイル３ａ，３ｂ，３ｃに１２０°ずつ位相が異なる三相交流電流を流すと、電機子９の直線運動する方向に移動磁界が発生する。

コイル３に流れる電流は、図示しない制御装置によって制御される。ベース１には電機子６の位置を検出するリニアスケールが取り付けられる。制御装置は、リニアスケールが検出した電機子９の位置情報及び速度情報をフィードバックし、目標値との差分を算出し、電機子９の位置及び速度が目標値に近づくように三相のコイル３ａ，３ｂ，３ｃに電流を流す。

コア１１は、複数のコイル３の配列方向に細長く伸びる板状の基部プレート１１ｄと、基部プレート１１ｄから三相のコイル３ａ，３ｂ，３ｃそれぞれの内側に向かって突出する複数の櫛歯１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、を有する。基部プレート１１ｄの上面は、ヒートシンク１２の下面に接触する。複数の１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、基部プレート１１ｄに直交する方向に突出する。コア１１の材質は、例えばケイ素鋼等の磁性体である。

ヒートシンク１２は、ほぼ立方体形状に形成されると共に、その上面に電機子９の進行方向に細長く伸びる複数の溝１２ａが形成される。複数の溝１２ａを形成することによって、ヒートシンク１２の上面には表面積を上げる冷却フィンが形成される。ヒートシンク１２は、熱伝導率が高いアルミニウム又はアルミニウム合金からなる。

図６は、逆さまにした状態の電機子９の斜視図（ボビン１４を見易くするために電機子９の移動方向に沿ってコイル３を切断している）を示す。コイル３は銅の回りに絶縁膜が被覆された導線を環状に巻いたものである。導線同士は、外側に被覆した絶縁膜によって絶縁が保たれる。しかし、コイル３を櫛歯１１ａ〜１１ｃに挿入したとき、コイル３と櫛歯１１ａ〜１１ｃとは導線の絶縁膜によっては絶縁されないと考えられる。なぜならば、櫛歯１１ａ〜１１ｃに直接コイル３を巻いたら導線の絶縁膜に傷が付くことがあり、櫛歯１１ａ〜１１ｃと導線とが導通するからである。このため、櫛歯１１ａ〜１１ｃに直接コイルを巻くことはせず、櫛歯１１ａ〜１１ｃとコイル３との間には、これらの間を絶縁するためのボビン１４が介在される。

図７は、ボビン１４の斜視図を示す。ボビン１４は、櫛歯の周囲を囲む枠形状のボビン本体１４ａと、ボビン本体１４ａの軸線方向の端部に設けられる鍔部１４ｂと、から構成される。鍔部１４ｂは、コイル３の軸線方向の端面とコア１１の基部プレート１１ｄとの間に介在され、これらの間を絶縁する。絶縁目的では、従来からノーメックス（登録商標）紙と呼ばれる絶縁紙が使用されている。数十μｍの厚みで数千ボルトの絶縁能力があり、薄くても絶縁能力が優れた紙である。絶縁紙を使用する場合、櫛歯１１ａ〜１１ｃの周囲に絶縁紙をぐるぐる巻き、絶縁紙の周囲にコイル３が巻かれる。しかし、手作業でなければ、絶縁紙を櫛歯１１ａ〜１１ｃの周囲に巻くことができない。絶縁紙を巻く作業が面倒なので、絶縁紙の替わりに櫛歯１１ａ〜１１ｃの周囲をすっぽり覆う成形品のボビン１４が用いられる。ボビン１４の周囲にコイル３が巻かれた後、ボビン１４が櫛歯に嵌められる。ボビン１４を絶縁体にすることで、コイル３と櫛歯１１ａ〜１１ｃとを絶縁することができる。

成形品なので、ボビン１４は最低でも０．２ｍｍ，０．３ｍｍ，０．５ｍｍ等の厚みを持つ。ボビン１４を耐熱性の液晶ポリマー（熱伝導率０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度）で射出成形すると、熱伝導率が低い上に厚みが厚くなるので、熱抵抗が大きくなってしまう。ボビン１４の熱抵抗が大きくなると、コイル３の熱をコア１１に逃がすことができなくなる。このため、ボビン１４には熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、望ましくは６Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料を用いる。

コイル３とボビン１４とは接触する。ボビン１４とコア１１とは接触し、コア１１とヒートシンク１２とも接触する。このため、コイル３から発生する熱は、ボビン１４、コア１１、ヒートシンク１２に伝わり、ヒートシンク１２の冷却フィンから大気に放出される。ボビン１４の熱伝導率を２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上にすると、ボビン１４の１／１０程度の厚さの絶縁紙を巻いたとき以上の推力が得られる。同じ発生推力であれば、コイル１１の発熱を抑えられるので、熱膨張などの熱の影響が問題となり、あまり温度を上げたくないといった、高精度を要する用途等で有効になる。

ボビン１４の材料は、絶縁性の金属酸化物粒子を充填材として熱可塑性樹脂に混合してなる成形材料である。ボビン１４は、金属酸化物粒子が混合された熱可塑性樹脂を射出成形することで製造される。

図９に示されるように、金属酸化物粒子は、平均粒径が０．５〜２μｍの範囲にあるように分級された小径の金属酸化物粒子Ｂと、平均粒径が５〜２０μｍの範囲にあるように分級された大径の金属酸化物粒子Ａとを混合してなる。金属酸化物粒子Ｂの粒径は、金属酸化物粒子Ａの粒径の約１／１０である。金属酸化物粒子Ｂにさらに約１／１０の粒径の金属酸化物粒子Ｃを混合してもよい。金属酸化物粒子Ａと金属酸化物粒子Ｂの分布の重なりの部分ｄの、全体に占める質量％は４０％以下であり、望ましくは１％以下である。１％以下のときは、金属酸化物粒子Ａの分布と、金属酸化物粒子Ｂの分布とが殆ど重ならなくなり、全体の分布曲線が不連続になる。

金属酸化物粒子Ａ，Ｂの平均粒径をこのように設定すると、図１０に示されるように、大径の金属酸化物粒子Ａ同士の間の樹脂のすきまが小径の金属酸化物粒子Ｂによって埋められる。このため、金属酸化物粒子Ａ，Ｂの充填率を高めることができる。充填率を高めた金属酸化物粒子Ａ，Ｂを介して熱を伝えることができるので、熱伝導率が向上する。ここで、金属酸化物の粒子径が０．５μｍより小さくなると，粒子の塊合状態(いくつかの粒子がダマのようになってかたまってしまうこと)が顕著になって、分散効率が悪くなり、結果として熱伝導効率が悪化するので、好ましくない。また、粒子径が２０μｍより大きくなると、薄肉成形性が損なわれ、厚みの大きいものしか作れなくなる。具体的には１ｍｍ以下の厚みが成形しづらくなるために、熱抵抗が大きくなり、好ましくない。熱を通す部材は、厚みが薄くなくてはならない。いくら熱伝導が良くても、材質の厚みが大きくては、結果として熱抵抗が大きくなり、放熱効果が損なわれる。

絶縁性の金属酸化物粒子の種類としては、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、ジルコン（特にＺｒＯ_２・ＳｉＯ_２）、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）、酸化マンガン（ＭｎＯ_２）、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化コバルト（ＣｏＯ）などを挙げることができるが、これら金属酸化物のみに限定されるものではない。リニアモータの放熱を向上させることを考えるならば、絶縁性の金属酸化物粒子の中で、熱伝導率１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のもの、例えば、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化硼素（ＢＮ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）などを利用することもできる。

成形材料全体の容量に対する金属酸化物粒子の容量％は、少なくとも５０％以上であり、５５〜６５％の範囲にあるのが望ましい。５０容量％を下回ると、劇的に熱伝導率が低下する。５０容量％を超えると、熱伝導率は向上し始めるが、５５％から６５％の範囲が、射出成形における流動性と熱伝導率を両立させるのに適切な範囲である。６５容量％を超えると、今度は極端に成形流動性が低下し、薄肉成形ができない、複雑な３次元形状が成形できない等の障害が起こり、好ましくない。

熱可塑性樹脂とは、溶融成形できる合成樹脂を言い、その具体例としては、例えば、非液晶性半芳香族ポリエステル、非液晶性全芳香族ポリエステルなどの非液晶性ポリエステル、液晶ポリマー（液晶性ポリエステル、液晶性ポリエステルアミドなど）、ポリカーボネート、脂肪族ポリアミド、脂肪族−芳香族ポリアミド、全芳香族ポリアミドなどのポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリベンズイミダゾール、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリアリーレンスルフィド、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系重合体、エチレン／プロピレン共重合体などのオレフィン系共重合体、ＡＢＳ、ＡＳ、ポリスチレンなどのスチレン系共重合体、メタクリル樹脂、ポリエステルエーテルエラストマー、ポリエステルエラストマー、ポリアミドエラストマー等のエラストマーから選ばれる１種または２種以上の混合物が挙げられるが、通常、好ましくは６ナイロン、ＰＰＳ、ＬＣＰあるいはＰＥＴが用いられる。

熱可塑性樹脂の電気絶縁性は、比抵抗１０¹²Ω・ｃｍ以上、絶縁破壊強さ１０ｋＶ／ｍｍ以上であることが望ましく、またその熱伝導率は、最小でも１Ｗ／（ｍ・Ｋ）から最大では２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度あることが望ましい。

以上に記載の金属酸化物粒子を混合した熱可塑性樹脂を射出成形することで、熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、たとえば６Ｗ／（ｍ・Ｋ），８Ｗ／（ｍ・Ｋ），１０Ｗ／（ｍ・Ｋ），…，最大２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）のボビン１４を製造することができる。

図５に示されるように、コイル３ａ〜３ｃが巻かれるボビン１４は接着剤によってコア１１の櫛歯１１ａ〜１１ｃに固定される。しかし、接着剤だけでは、結合が不安定であり、ボビン１４をコア１１に完全に固定したという確信が得られない。もし、コイル３とコア１１との接着が不十分であるならば、コイル３に電流を流したとき、コイル３がコア１１に対して動いてしまうという問題が発生する。このため、ボビン１４をコア１１に接着した後、コア１１、ボビン１４、コイル３を成形体１６で一体に成形する。コイル３は、成形体１６によって露出しないように覆われる。コイル３をコア１１に確実に固定するために、成形体１６には機械的な強度が必要である。しかも、この成形体１６は、絶縁体でなければならない。なぜならば、コイル３から導体である界磁マグネット２に電流が伝わる可能性もあるし、コイル３からボビン１４を迂回して櫛歯１１ａ〜１１ｃの先端に電流が伝わる可能性もあるからである。成形体１６を絶縁体にしたとき、成形体１６の放熱特性が悪くなる傾向がある。もし、この成形体１６の放熱特性が悪いならば、コイル３の発熱が成形体１６の内部にたまり、コイル３の温度が上昇してしまう。このため、成形体１６の放熱特性を向上させ、コイル３の熱を大気に逃がす必要がある。

成形体１６の材料は、ボビン１４と同様に、絶縁性の金属酸化物粒子を充填材として熱可塑性樹脂に混合してなる成形材料である。成形体１６は、絶縁性の金属酸化物粒子が混合された熱可塑性樹脂を射出成形することで製造されるか、又は、絶縁性の金属酸化物粒子が混合された熱硬化性樹脂を枠状の型１７（図８参照）に流し込む注型によって製造される。

成形体１６を射出成形するときの、金属酸化物粒子の構成及び種類、熱可塑性樹脂の種類及び熱伝導率は、ボビン１４を射出成形するときと同一である。成形体を注型するときの、金属酸化物粒子の構成及び種類は、ボビン１４を射出成形するときと同一である。成形体を注型するときに使用される熱硬化性樹脂とは、熱加熱すると軟化し、冷却すると硬化する線状の高分子構造を有する物質である。たとえば、エポキシ樹脂、ポリウレタン、フェノール樹脂、ユリア樹脂（尿素樹脂）、メラミン樹脂から選ばれる１種又は２種以上の混合物を挙げることができる。

以上に記載の金属酸化物粒子を混合した熱可塑性樹脂を射出成形したり、金属酸化物粒子を混合した熱硬化性樹脂を注型したりすることで、熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、たとえば６Ｗ／（ｍ・Ｋ），８Ｗ／（ｍ・Ｋ），１０Ｗ／（ｍ・Ｋ），…，最大２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の成形体を製造することができる。

ボビン１４及び成形体１６に、熱伝導率が６Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の成形材料を使用することで、コイル３に流す電流を１．４倍程度に大きくすることができ（電流を１．４倍にしてもコイル３の温度は変化しない）、フラットタイプのリニアモータの推力を１．４倍程度に大きくすることができる。推力が４０％向上することは、画期的なことである。この技術を使用すれば、コンパクトでありながら世界中で最も大きな推力を出せるフラットタイプのリニアモータが得られる。

また、ボビン１４及び成形体１６の線膨張係数（流れ／直角）は、１０×１０^-6以上３０×１０^-6以下に設定される。ボビン１４及び成形体１６の線膨張係数は、樹脂（１２０×１０^-6）の線膨張係数に比べて１ケタ小さく、鋼（１１〜１３×１０^-6）、銅（１９〜２０×１０^-6）、アルミ（２２〜２３×１０^-6）等の金属の線膨張係数に近い。温度上昇時のボビン１４及び成形体１６の伸びとコイル３、コア１１の伸びとを略等しくすることができるので、これらの接触を保つことができる。したがって、温度上昇によってこれらの間に真空のすきまや空気の層が生じ、熱が伝わりにくくなるのを防止することができる。

図１１は、本発明の第二の実施形態のロッドタイプのリニアモータの斜視図を示す。この実施形態のリニアモータは、成形体（ハウジング）２２に対してロッド２１（シャフト）がその軸線方向に移動する一軸のアクチュエータで、電子部品等の移動体を一軸方向に移動させるのに用いられる。具体的には、例えばチップ状の電子部品を所定の位置にマウントするチップマウンタのヘッド軸に用いられる。このリニアモータは一軸のみで使用されることもあるし、作業効率を上げるために複数のリニアモータが並列に組み合わされて多軸のアクチュエータとして使用されることもある。

リニアモータは、界磁マグネット２３の磁界とコイル２４に流れる電流によって、ロッド２１が直線運動するための力を得る。ロッド２１の周囲は、軸線方向に積層された複数のコイル２４によって囲まれる。言い換えれば、ロッド２１は積層されたコイル２４を貫通する。

図１２は、リニアモータの界磁マグネット２３とコイル２４の位置関係を示す。ロッド２１内の中空空間には、界磁マグネット２３として、円盤状の複数のマグネット３１（セグメント磁石）が互いに同極が対向するように、すなわちＮ極とＮ極が、Ｓ極とＳ極とが対向するように、積層される。ロッド２１の周囲には、ロッド２１を囲む複数のコイル２４が積層される。複数のコイル２４は、Ｕ・Ｖ・Ｗ相からなる三相のコイルから構成される。コイル２４に１２０°ずつ位相が異なる三相電流を流すと、コイル２４の軸線方向に移動する移動磁界が発生する。ロッド２１内の界磁マグネット２３は、移動磁界により推力を得て、移動磁界の速さに同期してコイル２４に対して相対的に直線運動を行う。

図１１に示されるように、リニアモータのロッド２１は、成形体２２によってロッド２１の軸線方向に移動可能に支持されている。コイルユニットはコイルホルダ２５に保持され、これらコイルユニット及びコイルホルダ２５は成形体２２に覆われている。

ロッド２１は、例えばステンレス等の非磁性材からなり、パイプのように中空の空間を有する。ロッド２１の中空空間には、上述のように、円柱状の複数のマグネット３１（セグメント磁石）が互いに同極が対向するように積層される。マグネット３１の間には、例えば鉄等の磁性体からなるポールシュー２７（磁極ブロック）が介在される。ポールシュー２７を介在させることで、界磁マグネット２３が形成する磁界を正弦波に近づけることができる。

コイル２４は導線を螺旋状に巻いたもので、コイルホルダ２５に保持されている。コイル２４及びコイルホルダ２５は、成形体２２によって覆われる。成形体２２には、放熱特性を高めるためにフィン２２ａが複数形成される。成形体２２には、相手部品に取り付けるためのねじ２２ｂが加工される。相手部品に取り付けられるので、成形体２２には機械的強度が高いことが要求される。コイル２４との絶縁を保つ必要があるので、成形体２２には絶縁性が高いことが要求される。

成形体２２の材料は、上記第一の実施形態の成形体と同様に、絶縁性の金属酸化物粒子を充填材として熱可塑性樹脂に混合してなる成形材料である。成形体２２は、絶縁性の金属酸化物粒子が混合された熱可塑性樹脂を射出成形することで製造される。コイル２４及びコイルホルダ２５を射出成形の金型にセットし、成形材料を流すインサート成形により、成形体２２がコイル２４及びコイルホルダ２５に一体に成形される。

成形体２２を射出成形するときの、金属酸化物粒子の構成及び種類、熱可塑性樹脂の種類及び熱伝導率は、ボビン１４を射出成形するときと同一である。金属酸化物粒子を混合した熱可塑性樹脂を射出成形することで、熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、たとえば６Ｗ／（ｍ・Ｋ），８Ｗ／（ｍ・Ｋ），１０Ｗ／（ｍ・Ｋ），…，最大２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の成形体２２を製造することができる。

ロッド２１はリニアモータの作動中、コイル２４内で浮いている状態になっている。ロッド２１の直線運動を支えるために、金属製のブッシュ２８が設けられる。ブッシュ２８は、成形体２２の両端に設けたエンド部材２９に固定される。

図１３は、コイルホルダ２５に保持されたコイルユニットを示す。コイルユニットは、導線を螺旋状に巻いた一つのコイル２４を複数個、例えば数十個積層したものである。コイル２４のリード線２４ａは一本一本接続されなければいけない。コイル２４のリード線２４ａの配線を簡素化するために絶縁基板２６が用いられる。絶縁基板２６には、複数のコイル２４を配線するための導電パターンが形成される。導電パターンは、Ｕ相同士のコイル、Ｖ相同士のコイル、Ｗ相同士のコイルを接続するように形成される。

図１４は、コイル２４を保持するコイルホルダ２５の詳細図を示す。隣接するコイル２４同士は絶縁させる必要があるので、コイル２４間には樹脂製のスペーサ部２５ｂが介在される。スペーサ部２５ｂはコイル２４の正面形状と同様に円環形状に形成される。スペーサ部２５ｂは、コイル２４の配列方向に細長く伸びる板状のホルダ本体部２５ａに一体に形成される。

ホルダ本体部２５ａのコイル２４の配列方向の長さは、コイルユニットの全長と略等しく、横幅はコイル２４の直径と略等しい。ホルダ本体部２５ａの上面に絶縁基板２６が取り付けられる。またホルダ本体部２５ａの側面には、射出成形するときにコイルホルダ２５を金型に固定するための突起２５ｃ（図１３参照）が設けられる。射出成形時の圧力により、コイルホルダ２５が位置ずれするのを防止するためである。ホルダ本体部２５ａの下面には、コイル２４の外形形状に合わせた曲面状の窪み２５ｄが形成される。図１３に示されるようにコイル２４にはリード線２４ａがある。リード線２４ａを絶縁基板２６のスルーホールに導くために、ホルダ本体部２５ａには絶縁基板２６のスルーホールと同じ位置に複数の配線用孔が空けられる。

図１４に示されるように、スペーサ部２５ｂは、コイル２４の正面形状と同様に円環状に形成され、板状の本体部２５ａから下方に突出する。スペーサ部２５ｂは、隣接する全てのコイル２４間に介在され、そのうえコイルユニットの両端にも設けられる。それゆえ、スペーサ部２５ｂの個数はコイル２４の数よりも一つ多い数になる。

コイルホルダ２５の材料は、上記第一の実施形態のボビン１４と同様に、絶縁性の金属酸化物粒子を充填材として熱可塑性樹脂に混合してなる成形材料である。コイルは、絶縁性の金属酸化物粒子が混合された熱可塑性樹脂を射出成形することで製造される。

コイルホルダ２５を射出成形するときの、金属酸化物粒子の構成及び種類、熱可塑性樹脂の種類及び熱伝導率は、ボビン１４を射出成形するときと同一である。金属酸化物粒子を混合した熱可塑性樹脂を射出成形することで、熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、たとえば６Ｗ／（ｍ・Ｋ），８Ｗ／（ｍ・Ｋ），１０Ｗ／（ｍ・Ｋ），…，最大２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）のコイルホルダ２５を製造することができる。

コイルホルダ２５及び成形体２２に、熱伝導率が６Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の成形材料を使用することで、コイルに流す電流を１．４倍程度に大きくすることができ（電流を１．４倍にしてもコイルの温度は変化しない）、ロッドタイプのリニアモータの推力を１．４倍程度に大きくすることができる。推力が４０％程度向上するというのは、画期的なことである。この技術を使用すれば、コンパクトでありながら世界中で最も大きな推力を出せるロッドタイプのリニアモータが得られる。

また、コイルホルダ２５及び成形体２２の線膨張係数（流れ／直角）は、１０×１０^-6以上３０×１０^-6以下に設定される。コイルホルダ２５及び成形体２２の線膨張係数は、樹脂（１２０×１０^-6）の線膨張係数に比べて１ケタ小さく、鋼（１１〜１３×１０^-6）、銅（１９〜２０×１０^-6）、アルミ（２２〜２３×１０^-6）等の金属の線膨張係数に近い。温度上昇時のコイルホルダ２５及び成形体２２の伸びとコイル２４の伸びとを略等しくすることができるので、これらの接触を保つことができる。したがって、温度上昇によってこれらの間に真空のすきまや空気の層が生じ、熱が伝わりにくくなるのを防止することができる。さらに、成形体２２は電機子のハウジングとしても機能し、成形体２２には相手部品に取り付けるためのねじ２２ｂ（図１１参照）が加工される。成形体２２をアルミ等の金属製の相手部品に取り付けたときも、成形体２２のねじ２２ｂの取り付けピッチの伸びと、相手部品の取り付けピッチの伸びとを略等しくすることができるので、成形体２２に過度な力がかかるのを防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更できる。上記フラットタイプのリニアモータの実施形態では、電機子が界磁マグネットに対して直線運動しているが、界磁マグネットが直線運動してもよい。上記ロッドタイプリニアモータの実施形態では、ロッドが電機子に対して直線運動しているが、電機子が直線運動してもよい。

フラットタイプのリニアモータにおいて、ボビン及び成形体に熱伝導率が６Ｗ／（ｍ・Ｋ）の成形材料を使用した。そして、電流値Ｉを×１倍，×１．１５倍，×１．６３倍と変化させたときのコイル１４の温度を測定した。

図１５は測定結果のグラフを示す。図中（Ａ）が電流値Ｉ×１倍のとき、（Ｂ）が電流値Ｉ×１．１５倍のとき、（Ｃ）が電流値Ｉ×１．６３倍のときをそれぞれ示す。図１５の比較例では、ボビンに液晶ポリマーを使用し、成形体にエポキシ樹脂を使用している。

本発明例のように、ボビン及び成形体に高熱伝導率の材料を使用することで、コイルの温度を抑えられることがわかる。また、図中（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、電流値Ｉ×１．１５倍のときの比較例のコイルの温度（９１．５度）と、電流値Ｉ×１．６３倍のときの本発明例のコイルの温度（９１．２度）がほぼ等しい。本発明例においては、比較例に比べて電流を１．６３／１．１５≒１．４倍まで余分に投入できることがわかる。

本明細書は、２００８年２月１４日出願の特願２００８-０３２５１８に基づく。この内容はすべてここに含めておく。

Claims (8)

1. 界磁マグネットに発生する磁界とコイルに流れる電流によって、コイルが界磁マグネットに対して相対的に直線運動するための推力を得るリニアモータであって、
   Ｎ極及びＳ極が前記直線運動する方向に交互に配列される界磁マグネットと、
   前記界磁マグネットにすきまを介して対向する複数のコイル、前記複数のコイルのそれぞれに挿入される複数の櫛歯を有するコア、各コイルと各櫛歯との間に介在されるボビンを有する電機子と、を備え、
   前記ボビンは、絶縁体であると共に、その熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるリニアモータ。
2. 界磁マグネットに発生する磁界とコイルに流れる電流によって、コイルが界磁マグネットに対して相対的に直線運動するための推力を得るリニアモータであって、
   Ｎ極及びＳ極が前記直線運動する方向に交互に配列される界磁マグネットと、
   前記界磁マグネットにすきまを介して対向する複数のコイル、前記複数のコイルのそれぞれに挿入される複数の櫛歯を有するコア、前記複数のコイルを覆うと共に前記複数のコイルを前記コアに結合する成形体を有する電機子と、を備え、
   前記成形体は、絶縁体であると共に、その熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるリニアモータ。
3. 界磁マグネットに発生する磁界とコイルに流れる電流によって、コイルが界磁マグネットに対して相対的に直線運動するための推力を得るリニアモータであって、
   Ｎ極及びＳ極が前記直線運動する方向に交互に配列される界磁マグネットと、
   前記界磁マグネットの周囲を囲む複数のコイル、前記複数のコイルを覆う成形体を有する電機子と、を備え、
   前記成形体は、絶縁体であると共に、その熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるリニアモータ。
4. 界磁マグネットに発生する磁界とコイルに流れる電流によって、コイルが界磁マグネットに対して相対的に直線運動するための推力を得るリニアモータであって、
   Ｎ極及びＳ極が前記直線運動する方向に交互に配列される界磁マグネットと、
   前記界磁マグネットの周囲にすきまを介して設けられる複数のコイル、前記複数のコイルを保持するためのコイルホルダを有する電機子と、を備え、
   前記コイルホルダは、前記直線運動する方向に前記複数のコイルにわたって伸びるホルダ本体部と、隣接するコイル間に介在される複数のスペーサ部と、を含み、
   前記コイルホルダは、絶縁体であると共に、その熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるリニアモータ。
5. 前記ボビン、前記コイルホルダ、又は前記成形体が、複数の異なる平均粒径を有する絶縁性の金属酸化物粒子を樹脂に混合してなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のリニアモータ。
6. 前記ボビン、前記コイルホルダ、又は前記成形体は、前記絶縁性の金属酸化物粒子が混合された熱可塑性樹脂を射出成形することで製造されることを特徴とする請求項５に記載のリニアモータ。
7. 前記成形体は、前記絶縁性の金属酸化物粒子が混合された熱硬化性樹脂を型に流し込む注型によって製造されることを特徴とする請求項５に記載のリニアモータ。
8. 前記ボビン、前記コイルホルダ、又は前記成形体の線膨張係数が、１０×１０^-6以上３０×１０^-6以下に設定されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のリニアモータ。

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