TWI482398B

TWI482398B - 線性馬達

Info

Publication number: TWI482398B
Application number: TW098104165A
Authority: TW
Inventors: Toshiyuki Aso; Shuhei Yamanaka
Original assignee: Thk Co Ltd
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2015-04-21
Also published as: TW200945737A; DE112009000359T5; WO2009101852A1; CN101939897A; CN101939897B; JPWO2009101852A1; JP5444008B2

Description

線性馬達

本發明係關於一種線性馬達，其藉由場磁鐵產生之磁場與線圈中流通之電流而獲得用於直線運動之推力。

線性馬達可分為經由間隙而與形狀為細長板狀之場磁鐵相對向的扁平型之線性馬達、以及於桿(軸)狀之場磁鐵周圍圍繞有筒狀之電樞的桿型(亦稱為軸型)之線性馬達。

於扁平型之線性馬達中，相對於形成為細長板狀之場磁鐵，電樞相對地進行直線運動。場磁鐵係以於表面上交替地形成N極及S極之方式，排列複數塊平板狀磁鐵而成者。電樞具有經由磁性間隙而與場磁鐵相對向的U、V、W相之線圈。當線圈中流通有三相交流電流時，藉由磁鐵產生之磁場與線圈中流通之電流而產生用於直線運動之推力(例如參照專利文獻1)。亦習知為了獲得高推力之線性馬達而將磁心插入於線圈之具磁心之扁平型線性馬達。

另一方面，於桿型之線性馬達中，相對於交替地磁化為N極及S極之桿(軸)，圍繞於桿之周圍的筒形狀之電樞相對地進行直線運動。電樞具有經由磁性間隙而纏繞於場磁鐵周圍之U、V、W相之線圈。U、V、W相之線圈排列於桿之軸線方向。當線圈中流通有U、V、W相之三相交流電流時，藉由磁鐵產生之磁場與線圈中流通之電流而產生用於直線運動之推力(例如參照專利文獻2)。

對於線性馬達而言，要求其外形精簡但可產生較大推力。此處，線性馬達之推力與磁鐵產生之磁通密度B及線圈中流通之電流I之乘積成比例。因此，可藉由增大磁鐵之磁通密度B或增大線圈中流通之電流I而增大推力。為了增大磁鐵之磁通密度，於線性馬達之發展歷史中，已將肥粒鐵磁鐵改換為稀土類磁鐵。然而，增大磁鐵之磁通密度之程度有限，難以更進一步增大磁通密度B。

增大線圈中流通之電流I亦可增大推力。然而，必須於防止線圈發熱之基礎上增大線圈中流通之電流。其原因在於：線圈之導線具有電阻，因此若線圈中流通有較大之電流，則會產生與電流之二次方成比例之焦耳熱。若線圈之溫度因焦耳熱而繼續上升，則導線之絕緣包覆膜會熔化，因而導線彼此變得不絕緣。若導線彼此變得不絕緣，則等價於線圈之匝數變少，導致與線圈之匝數成比例的線性馬達之推力降低。因此，線圈中流通之電流受限於不會使導線之絕緣包覆膜熔化之溫度。防止線圈之發熱亦與增大馬達產生之推力有密切相關。

為了防止線圈之發熱，亦使用金、銀或電阻為零之超導物質來代替銅。若電阻小，則線圈不會發熱，因此線圈中可流通較大之電流，進而可增大線性馬達之推力。

進而，為了防止線圈之發熱，亦於覆蓋線圈之外罩或插入於線圈之磁心處形成鰭片，使熱量自鰭片散逸至大氣中。只要可將產生自線圈之熱量散逸，則即使線圈本身之發熱較大，亦可防止線圈溫度之上升。

(專利文獻1)日本專利特開2006-074975號公報

(專利文獻2)日本專利特開2002-354780號公報

然而，使用金或超導物質來代替銅之方法於成本方面難以實現。又，對於在線圈之外罩或磁心處形成鰭片而散逸熱量之方法，其構造性上已達極限，無法更進一步提高冷卻效率。

因此，本發明之目的在於提供一種外形精簡且可產生更高推力之新型線性馬達。

為了解決上述問題，第1發明係藉由場磁鐵產生之磁場與線圈中流通之電流而獲得用以使線圈相對於場磁鐵相對地進行直線運動之推力之線性馬達；其具備有：場磁鐵，其N極及S極交替地排列於上述直線運動之方向；及電樞，具有經由間隙而與上述場磁鐵相對向之複數個線圈、含有分別插入於上述複數個線圈之複數個梳齒的磁心、及介設於各線圈與各梳齒之間的線軸；而上述線軸為絕緣體，同時，其熱傳導率為2W/(m‧K)以上。

第2發明係藉由場磁鐵產生之磁場與線圈中流通之電流而獲得用以使線圈相對於場磁鐵相對地進行直線運動之推力之線性馬達；其具備有：場磁鐵，其N極及S極交替地排列於上述直線運動之方向；及電樞，具有經由間隙而與上述場磁鐵相對向之複數個線圈、含有分別插入於上述複數個線圈之複數個梳齒的磁心、及包覆上述複數個線圈並將上述複數個線圈結合於上述磁心之成形體；上述成形體為絕緣體，同時，其熱傳導率為2W/(m‧K)以上。

第3發明係藉由場磁鐵產生之磁場與線圈中流通之電流而獲得用以使線圈相對於場磁鐵相對地進行直線運動之推力之線性馬達；其具備有：場磁鐵，其N極及S極交替地排列於上述直線運動之方向；及電樞，具有包圍上述場磁鐵周圍之複數個線圈、及包覆上述複數個線圈之成形體；而上述成形體為絕緣體，同時，其熱傳導率為2W/(m‧K)以上。

第4發明係藉由場磁鐵產生之磁場與線圈中流通之電流而獲得用以使線圈相對於場磁鐵相對地進行直線運動之推力之線性馬達；其具備有：場磁鐵，其N極及S極交替地排列於上述直線運動之方向；及電樞，具有經由間隙而設置於上述場磁鐵周圍之複數個線圈、及用以保持上述複數個線圈之線圈固持器；而上述線圈固持器包含在上述直線運動之方向沿上述複數個線圈延伸之固持器本體部、及介設於相鄰接之線圈間的複數個間隔件部，上述線圈固持器為絕緣體，同時，其熱傳導率為2W/(m‧K)以上。

第5發明如第1至第4發明之線性馬達中，上述線軸、上述線圈固持器、或上述成形體係將具有複數個不同平均粒徑的絕緣性之金屬氧化物粒子混合於樹脂而成者。

第6發明如第5發明之線性馬達中，上述線軸、上述線圈固持器、或上述成形體係藉由將混合有上述絕緣性之金屬氧化物粒子的熱塑性樹脂進行射出成形而製得。

第7發明如第5發明之線性馬達中，上述成形體係藉由將混合有上述絕緣性之金屬氧化物粒子的熱硬化性樹脂注入至模具之澆鑄方式而製得。

第8發明如第1至第7發明之線性馬達中，上述線軸、上述線圈固持器、或上述成形體之線膨脹係數被設定為10×10^-6 以上且為30×10^-6 以下。

於扁平型之線性馬達中，將產生自線圈之熱量散逸之系統之一有經由線軸而將熱量自線圈散逸至磁心之系統。線軸為介設於線圈與磁心之梳齒之間的絕緣體，且具有使線圈與磁心之梳齒絕緣的作用。根據第1發明，由於線軸使用熱傳導率為2W/(m‧K)以上之絕緣材料，故與絕緣紙製之線軸相比較，可將熱傳導率提高十倍以上，可有效地將產生自線圈之熱量散逸至磁心。因此，可提高線圈中流通之電流及線性馬達之推力。

於扁平型之線性馬達中，將產生自線圈之熱量散逸之其他系統有經由成形體而將熱量自線圈散逸至大氣之系統。成形體具有包覆線圈並將線圈結合於磁心之作用。根據第2發明，由於成形體使用熱傳導率為2W/(m‧K)以上之絕緣材料，故與樹脂製之成形體相比較，可將熱傳導率提高十倍以上，而可有效地將產生自線圈之熱量散逸至大氣。因此，可提高線圈中流通之電流及線性馬達之推力。

於桿型之線性馬達中，將產生自線圈之熱量散逸之系統之一有經由成形體而將熱量自線圈散逸至大氣之系統。成形體具有包覆線圈之作用及作為外罩之作用。根據第3發明，由於成形體使用熱傳導率為2W/(m‧K)以上之絕緣材料，故與樹脂製之成形體相比較，可將熱傳導率提高十倍以上，可有效地將產生自線圈之熱量散逸至大氣。因此，可提高線圈中流通之電流及線性馬達之推力。

於桿型之線性馬達中，將自線圈產生之熱量散逸之系統之一有將熱量自線圈散逸至線圈固持器之系統。線圈固持器具有在保持線圈之同時使相鄰接之線圈彼此絕緣之作用。根據第4發明，由於線圈固持器使用熱傳導率為2W/(m‧K)以上之絕緣材料，故與樹脂製之線圈固持器相比較，可將熱傳導率提高十倍以上，可有效地將產生自線圈之熱量散逸至線圈固持器。因此，可提高線圈中流通之電流及線性馬達之推力。

根據第5發明，由於將具有複數個不同平均粒徑的絕緣性之金屬氧化物粒子混合於樹脂，故可以小直徑之金屬氧化物粒子來填滿大直徑之金屬氧化物粒子彼此之樹脂之間隙。由於可經由已提高填充率之金屬氧化物粒子來傳導熱量，故熱傳導率提高。

根據第6發明，可以高尺寸精度大量地生產線軸、線圈固持器、或成形體。

根據第7發明，由於可降低模具之成本，故可廉價地製造成形體。

根據第8發明，線軸、線圈固持器、或成形體之線膨脹係數比樹脂(120×10^-6 )之線膨脹係數小1位數，與鋼(11～13×10^-6 )、銅(19～20×10^-6 )、及鋁(22～23×10^-6 )等金屬之線膨脹係數接近。由於可使溫度上升時之線軸、線圈固持器、或成形體之展距與線圈、磁心之展距大致相等，故可保持該等之接觸。因此，可防止因溫度上升而於該等之間產生真空間隙或空氣層，導致熱量難以傳遞之情形。

根據隨附圖式，詳細地對本發明一實施形態之線性馬達進行說明。圖1及圖2表示本發明第一實施形態之扁平型線性馬達。圖1表示立體圖，圖2表示前視圖。該實施形態之線性馬達用於藉由單軸之致動器而使平台等之移動體於單軸方向上移動者。於細長延伸之基座1上設置有板狀之場磁鐵2作為線性馬達之定子。線性馬達之電樞9之線圈3與場磁鐵2相對向。利用由電樞9之線圈3中所流通之電流與場磁鐵2之磁場之作用產生的推力，使電樞9相對於場磁鐵2進行直線運動。

如圖2之前視圖所示，於場磁鐵2與電樞9之間設置有磁性間隙g。即便當電樞9相對於場磁鐵2相對地進行移動時，該間隙g亦保持固定。

如圖1所示，基座1於電樞9之直線運動方向上細長地延伸。基座1具有矩形狀之底部板1a、及設置於底部板1a之寬度方向兩端部之一對側壁部1b。於一對側壁部1b之上表面分別組裝有線性導軌之軌道5。軌道5沿側壁部1b之長度方向之大致全長而細長地延伸。於軌道5之外周面，沿軌道5形成有滾動體滾動槽，該滾動體滾動槽係供線性導軌之塊體6之滾珠、滾子等之滾動體進行滾動運動。

於基座1之底部板1a之上表面設置有場磁鐵2，該場磁鐵2之N極及S極交替地形成於電樞9之直線運動方向。如圖3所示，場磁鐵2係將複數塊平行四邊形之板狀磁鐵19排成一行而成者。各板狀磁鐵19中，於與場磁鐵2之長度方向正交之方向(圖中與紙面正交之方向)磁化為N極及S極。如於場磁鐵2之長度方向交替地形成N極及S極，板狀磁鐵19表面之磁極成為與相鄰板狀磁鐵19之磁極相反的磁極。

如圖1所示，於左右一對軌道5上，分別可滑動地組裝有線性導軌之塊體6。門型之結合頂板7橫跨於左右之塊體6上。於結合頂板7之下表面懸掛有電樞9。

結合頂板7具有於寬度方向細長地延伸之頂架部7a、及設置於頂架部7a之寬度方向兩端且朝下方垂下之一對腳部7b。於腳部7b之下端組裝有線性導軌之塊體6。於頂架部7a之下表面組裝有電樞9。於頂架部7a之上表面組裝有移動體。

塊體6形成為橫跨軌道5之鞍形狀。本實施形態中，對於一個軌道5組裝有兩個塊體6。塊體6中形成有與軌道5之滾動體滾動槽相對向的負載滾動體滾動槽，同時，設置有用以使滾動體循環之環道狀滾動體循環路徑。於塊體6之滾動體循環路徑中排列並收容有複數個滾動體。當塊體6相對於軌道5進行滑動時，介設於軌道5之滾動體滾動槽與塊體6之負載滾動體滾動槽之間的滾動體會進行滾動運動。與此同時，滾動體於環道狀之滾動體循環路徑中進行循環。藉由滾動體之滾動運動，可降低塊體6相對於軌道5進行滑動時之摩擦阻力。

圖4及圖5表示電樞9之詳細圖。電樞9含有與場磁鐵2相對向之三相線圈3(3a、3b、3c)、用以增強線圈3產生之磁場之磁心11、及用以將產生自線圈3之熱量散逸至大氣之散熱座12。

線圈3係將導線捲繞於磁心11之梳齒11a、11b、11c(正確地說是包覆梳齒之線軸14)周圍而成者，且於電樞9之寬度方向上形成為細長之環狀。三相線圈3a、3b、3c相鄰接地排列於電樞9之直線運動方向上。當由U‧V‧W相所構成之三相線圈3a、3b、3c中流通有相位每隔120°不同之三相交流電流時，於電樞9之直線運動方向上產生移動磁場。

藉由未圖示之控制裝置而控制線圈3中流通之電流。於基座1組裝有對電樞9之位置進行檢測的線性標度尺。控制裝置對由線性標度尺檢測出之電樞9之位置資訊及速度資訊進行反饋，算出與目標值之差分，以電樞9之位置及速度接近目標值之方式使電流於三相線圈3a、3b、3c中流通。

磁心11具有於複數個線圈3之排列方向上細長地延伸之板狀基部板11d、及自基部板11d朝三相線圈3a、3b、3c各自之內側突出的複數個梳齒11a、11b、11c。基部板11d之上表面與散熱座12之下表面接觸。複數個11a、11b、11c於與基部板11d正交之方向突出。磁心11之材質例如為矽鋼等之磁性體。

散熱座12大致形成為立方體形狀，同時於其上表面形成有在電樞9之行進方向上細長地延伸的複數個槽溝12a。藉由形成複數個槽溝12a而於散熱座12之上表面形成用以增加表面積之冷卻鰭片。散熱座12係由熱傳導率高之鋁或鋁合金所構成。

圖6表示倒置狀態之電樞9之立體圖(為了容易觀察到線軸14，沿電樞9之移動方向切斷線圈3)。線圈3係於銅之周圍環狀地纏繞包覆有絕緣膜之導線而成者。導線彼此藉由包覆於外側之絕緣膜而保持絕緣。然而，一般認為當將線圈3插入於梳齒11a～11c時，線圈3與梳齒11a～11c不會藉由導線之絕緣膜而絕緣。原因在於，若將線圈3直接纏繞於梳齒11a～11c，則導線之絕緣膜會受損，使梳齒11a～11c與導線導通。因此，不將線圈直接纏繞於梳齒11a～11c，而是於梳齒11a～11c與線圈3之間，插入用以使該等之間絕緣之線軸14。

圖7表示線軸14之立體圖。線軸14係由包圍梳齒周圍之框形狀線軸本體14a、及設置於線軸本體14a之軸線方向端部之凸緣部14b所構成。凸緣部14b介設於線圈3之軸線方向端面與磁心11之基部板11d之間，用以使該等之間絕緣。為了達到絕緣之目的，習知使用稱作NOMEX(註冊商標)紙之絕緣紙。該絕緣紙之厚度為數十微米且具有數千伏特之絕緣能力，雖然薄但是具有優異之絕緣能力。於使用絕緣紙之情形時，將絕緣紙逐層纏繞於梳齒11a～11c之周圍，並於絕緣紙之周圍纏繞線圈3。然而，若非手動作業，則無法於梳齒11a～11c之周圍纏繞絕緣紙。因纏繞絕緣紙之作業較繁瑣，故使用完全包覆梳齒11a～11c周圍之成形品線軸14來代替絕緣紙。在將線圈3纏繞於線軸14周圍之後，線軸14嵌入至梳齒。藉由將線軸14設為絕緣體，可使線圈3與梳齒11a～11c絕緣。

因線軸14為成形品，故該線軸14至少具有0.2mm、0.3mm、0.5mm等之厚度。若利用耐熱性之液晶聚合物(熱傳導率為0.2W/(m‧K)左右)射出成形線軸14，則熱傳導率低且厚度變厚，因此熱電阻變大。若線軸14之熱電阻變大，則無法將線圈3之熱量散逸至磁心11。因此，線軸14係使用熱傳導率為2W/(m‧K)以上，較佳為6W/(m‧K)以上之材料。

線圈3與線軸14接觸。線軸14與磁心11接觸，磁心11亦與散熱座12接觸。因此，產生自線圈3之熱量會傳遞至線軸14、磁心11、及散熱座12，然後自散熱座12之冷卻鰭片散逸至大氣中。若將線軸14之熱傳導率設為2W/(m‧K)以上，則可獲得較纏繞厚度為線軸14之1/10左右之絕緣紙時更高之推力。若產生相同推力，則由於線圈11之發熱受到抑制，故在熱膨脹等之熱影響成為問題而不欲過度地提高溫度等之要求高精度之用途中變得有效。

線軸14之材料係將絕緣性之金屬氧化物粒子作為填充材料混合於熱塑性樹脂中而成之成形材料。藉由將混合有金屬氧化物粒子之熱塑性樹脂進行射出成形而製造線軸14。

如圖9所示，金屬氧化物粒子係由平均粒徑經分級處於0.5～2μm範圍之小直徑金屬氧化物粒子B、及平均粒徑經分級處於5～20μm範圍之大直徑金屬氧化物粒子A混合而成。金屬氧化物粒子B之粒徑約為金屬氧化物粒子A之粒徑之1/10。亦可於金屬氧化物粒子B更進一步混合粒徑約為其1/10之金屬氧化物粒子C。金屬氧化物粒子A與金屬氧化物粒子B之分布之重疊部分d占整體之質量百分比為40%以下，較佳為1%以下。當為1%以下時，金屬氧化物粒子A之分布與金屬氧化物粒子B之分布幾乎不重疊，整體之分布曲線呈現不連續。

當以上述方式設定金屬氧化物粒子A、B之平均粒徑，則如圖10所示，大直徑之金屬氧化物粒子A彼此間之樹脂之間隙由小直徑之金屬氧化物粒子B所填充。因此，可提高金屬氧化物粒子A、B之填充率。由於可經由填充率經調高之金屬氧化物粒子A、B來傳遞熱量，故使熱傳導率提高。此處，若金屬氧化物之粒徑小於0.5μm，則粒子之塊合狀態(若干粒子如麵團般結塊)會變得顯著，分散效率變差，結果導致熱傳導效率惡化，因此較不佳。又，若粒徑大於20μm，則薄壁成形性受損，僅可製作厚度較大者。具體而言，因難以形成1mm以下之厚度，故熱電阻變大，因此較不佳。供熱量透過之構件厚度必須較薄。熱傳導即使優異，若材質之厚度變大，結果會導致熱電阻變大，而損害散熱效果。

作為絕緣性之金屬氧化物粒子之種類，可列舉出氧化鋁(Al₂ O₃ )、二氧化矽(SiO₂ )、氧化鋯(ZrO₂ )、氧化鈦(TiO₂ )、氧化鎂(MgO)、富鋁紅柱石(3Al₂ O₃ ‧2SiO₂ )、鋯英石(尤其為ZrO₂ ‧SiO₂ )、堇青石(2MgO‧2Al₂ O₃ ‧5SiO₂ )、氧化錳(MnO₂ )、氧化鐵(Fe₂ O₃ )、及氧化鈷(CoO)等，但並不僅受限於該等金屬氧化物。若考慮到提高線性馬達之散熱，則亦可於絕緣性之金屬氧化物粒子之中使用熱傳導率為1W/(m‧K)以上者，例如使用氮化矽(Si₃ N₄ )、碳化矽(SiC)、氮化硼(BN)、及氮化鋁(AlN)等。

金屬氧化物粒子相對於成形材料整體體積之體積百分比為至少50%以上，較佳為處於55～65%之範圍。若低於50%，則熱傳導率顯著地降低。若超過50%，則熱傳導率開始升高，但55%至65%之範圍為適於兼顧射出成形中之流通性與熱傳導率之範圍。若超過65%，則成形流通性會急遽地降低，引起無法成形薄壁且無法成形複雜之三維形狀等之弊端，因此較不佳。

所謂熱塑性樹脂係指可熔融成形之合成樹脂，作為其具體例，例如可列舉出選自非液晶性半芳香族聚酯、非液晶性全芳香族聚酯等之非液晶性聚酯、液晶聚合物(液晶性聚酯、液晶性聚酯醯胺等)、聚碳酸脂、脂肪族聚醯胺、脂肪族-芳香族聚醯胺、全芳香族聚醯胺等之聚醯胺、聚甲醛、聚醯亞胺、聚醯胺、聚苯并咪唑、聚酮、聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚碸、聚醚醯亞胺、改質聚苯醚、聚碸、聚亞芳基硫、聚丙烯、聚乙烯等之烯烴系聚合物、乙烯/丙烯共聚物等之烯烴系共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS，Acrylonitrile Butadiene Styrene)、丙烯腈-苯乙烯(AS，Acrylonitrile Styrene)、聚苯乙烯等之苯乙烯系共聚物、甲基丙烯酸樹脂、聚酯醚彈性體、聚酯彈性體、聚醯胺彈性體等之彈性體之1種或2種以上之混合物，但通常較佳使用尼龍6、聚苯硫(PPS，Polyphenylene Sulfide)、液晶聚合物(LCP，Liquid Crystal Polymer)或聚對苯二甲酸乙二酯(PET，Polyethylene Terephthalate)。

對於熱塑性樹脂之電絕緣性，其電阻率較佳為10¹² Ω‧cm以上，絕緣破壞強度較佳為10kV/mm以上，又，其熱傳導率最小較佳為1W/(m‧K)且最大較佳為20W/(m‧K)左右。

將混合有以上所揭示之金屬氧化物粒子之熱塑性樹脂進行射出成形，藉此可製造熱傳導率為2W/(m‧K)以上，例如為6W/(m‧K)、8W/(m‧K)、10W/(m‧K)、…、最大為20W/(m‧K)之線軸14。

如圖5所示，纏繞有線圈3a～3c之線軸14藉由黏著劑而固定於磁心11之梳齒11a～11c。然而，若僅藉由黏著劑進行固定，則結合不穩定，無法確信線軸14已完全固定於磁心11。若線圈3與磁心11之黏著不夠充分，則當線圈3中流通有電流時，會產生線圈3相對於磁心11移動之問題。因此，在將線軸14黏著於磁心11之後，利用成形體16將磁心11、線軸14、線圈3成形為一體。藉由成形體16來包覆線圈3，以防其露出。為了將線圈3可靠地固定於磁心11，成形體16必須具有機械強度。而且，該成形體16必須為絕緣體。原因在於，既存在電流自線圈3傳遞至作為導體之場磁鐵2之可能性，亦存在電流自線圈3流經線軸14而傳遞至梳齒11a～11c之前端之可能性。當成形體16為絕緣體時，存在成形體16之散熱特性變差之傾向。若該成形體16之散熱特性不佳，則線圈3發出之熱量會滯留於成形體16之內部，導致線圈3之溫度上升。因此，必須提高成形體16之散熱特性，以使線圈3之熱量散逸至大氣中。

成形體16之材料與線軸14相同地係將絕緣性之金屬氧化物粒子作為填充材料混合於熱塑性樹脂而成之成形材料。藉由將混合有絕緣性之金屬氧化物粒子之熱塑性樹脂進行射出成形而製造成形體16，或者藉由澆鑄方式而製造成形體16，該澆鑄方式係將混合有絕緣性之金屬氧化物粒子之熱硬化性樹脂注入至框狀之模具17(參照圖8)而進行。

將成形體16進行射出成形時之金屬氧化物粒子之構成及種類、熱塑性樹脂之種類及熱傳導率，與將線軸14進行射出成形時相同。將成形體進行澆鑄時之金屬氧化物粒子之構成及種類，與將線軸14進行射出成形時相同。將成形體進行澆鑄時所使用之熱硬化性樹脂係具有在熱加熱時會軟化、在冷卻時會硬化之線狀高分子構造之物質。例如可列舉出選自環氧樹脂、聚胺基甲酸酯、苯酚樹脂、脲樹脂(尿素樹脂)、三聚氰胺樹脂之1種或2種以上之混合物。

將混合有以上所揭示之金屬氧化物粒子之熱塑性樹脂進行射出成形，或將混合有金屬氧化物粒子之熱硬化性樹脂進行澆鑄，藉此可製造出熱傳導率為2W/(m‧K)以上，例如為6W/(m‧K)、8W/(m‧K)、10W/(m‧K)、…、最大為20W/(m‧K)之成形體。

藉由線軸14及成形體16使用熱傳導率為6W/(m‧K)以上之成形材料，可將線圈3中流通之電流增大1.4倍左右(即使電流增大1.4倍，線圈3之溫度亦不會產生變化)，而可將扁平型之線性馬達之推力增大1.4倍左右。推力提高40%係劃時代之成就。若使用該技術，則可獲得外形精簡但可輸出世界上最大推力之扁平型之線性馬達。

又，線軸14及成形體16之線膨脹係數(流通/直角)設定為10×10^-6 以上且為30×10^-6 以下。線軸14及成形體16之線膨脹係數比樹脂(120×10^-6 )之線膨脹係數小1位數，與鋼(11～13×10⁶ )、銅(19～20×10^-6 )、及鋁(22～23×10^-6 )等金屬之線膨脹係數接近。由於可使溫度上升時之線軸14及成形體16之展距與線圈3、磁心11之展距大致相等，故可保持該等之接觸。因此，可防止因溫度上升而於該等之間產生真空間隙或空氣層，導致熱量難以傳遞之情形。

圖11表示本發明第二實施形態之桿型線性馬達之立體圖。該實施形態之線性馬達用於藉由單軸之致動器而使電子零件等之移動體於單軸方向上移動，該單軸之致動器中，其桿21(軸)相對於成形體(外罩)22而於其軸線方向上移動。具體而言，上述線性馬達例如用於將晶片狀之電子零件組裝於既定位置之貼片機(chip mounter)之主軸。該線性馬達有時僅使用於單軸之致動器，有時為了提高作業效率，亦將複數個線性馬達並排組合而用作多軸之致動器。

線性馬達藉由場磁鐵23之磁場與線圈24中流通之電流而獲得用以使桿21進行直線運動之力。桿21之周圍被於軸線方向疊層之複數個線圈24所包圍。換言之，桿21貫穿經疊層之線圈24。

圖12表示線性馬達之場磁鐵23與線圈24之位置關係。於桿21內之中空空間中，圓盤狀之複數個磁鐵31(分段磁鐵)彼此以同極相對向之方式，即以N極與N極相對向、S極與S極相對向之方式疊層作為場磁鐵23。於桿21之周圍疊層有包圍桿21之複數個線圈24。複數個線圈24係由包含U‧V‧W相之三相線圈所構成。若線圈24中流通有相位每隔120。不同之三相電流，則會產生沿線圈24之軸線方向移動之移動磁場。桿21內之場磁鐵23藉由移動磁場而獲得推力，並與移動磁場之速度同步地相對於線圈24相對地進行直線運動。

如圖11所示，線性馬達之桿21由成形體22所支持成為可於桿21之軸線方向上移動。線圈單元係保持於線圈固持器25，該等線圈單元及線圈固持器25由成形體22所包覆。

桿21例如由不銹鋼等之非磁性材料所構成，且如管般具有中空之空間。如上所述，於桿21之中空空間中，以彼此之同極相對向之方式疊層圓柱狀之複數個磁鐵31(分段磁鐵)。於磁鐵31之間介設有例如由鐵等之磁性體所構成之極靴27(磁極塊體)。可藉由插入極靴27而使場磁鐵23所形成之磁場接近於正弦波。

線圈24係將導線捲繞成螺旋狀而成者，且保持於線圈固持器25。線圈24及線圈固持器25由成形體22所包覆。於成形體22中形成有複數個鰭片22a以提高散熱特性。於成形體22加工出用以組裝於對象零件之螺紋22b。因被組裝於對象零件，故要求成形體22具有較高之機械強度。因必須保持與線圈24之絕緣，故要求成形體22具有較高之絕緣性。

成形體22之材料與上述第一實施形態之成形體相同地，係將絕緣性之金屬氧化物粒子作為填充材料混合於熱塑性樹脂而成之成形材料。藉由將混合有絕緣性之金屬氧化物粒子的熱塑性樹脂進行射出成形而製造出成形體22。將線圈24及線圈固持器25安置於射出成形之模具中，藉由流出成形材料之嵌入成形而使成形體22與線圈24及線圈固持器25成形為一體。

當將成形體22進行射出成形時，金屬氧化物粒子之構成及種類、熱塑性樹脂之種類及熱傳導率，係與將線軸14進行射出成形時相同。藉由將混合有金屬氧化物粒子之熱塑性樹脂進行射出成形，可製造出熱傳導率為2W/(m‧K)以上，例如為6W/(m‧K)、8W/(m‧K)、10W/(m‧K)、…、最大為20W/(m‧K)之成形體22。

桿21於線性馬達之作動中處於懸浮於線圈24內之狀態。為了支持桿21之直線運動，設置有金屬製之襯套28。襯套28固定在設置於成形體22兩端之端構件29。

圖13表示保持於線圈固持器25之線圈單元。線圈單元係疊層複數個將導線捲繞成螺旋狀之線圈24而成者，例如係疊層數十個線圈24而成者。線圈24之導線24a必須逐根連接。為了簡化線圈24之導線24a之佈線而使用絕緣基板26。於絕緣基板26形成有用以對複數個線圈24進行佈線之導電圖案。導電圖案係將U相彼此之線圈、V相彼此之線圈、W相彼此之線圈連接形成。

圖14表示保持線圈24的線圈固持器25之詳細圖。因必須使相鄰接之線圈24彼此絕緣，故於線圈24之間介設有樹脂製之間隔件部25b。間隔件部25b與線圈24之正面形狀同樣地形成為圓環形狀。間隔件部25b一體地形成於在線圈24之排列方向上細長地延伸的板狀固持器本體部25a。

固持器本體部25a之線圈24之排列方向長度與線圈單元之全長大致相等，寬度與線圈24之直徑大致相等。於固持器本體部25a之上表面組裝有絕緣基板26。又，於固持器本體部25a之側面設置有突起25c(參照圖13)，該突起25c用於在射出成形時將線圈固持器25固定於模具。設置該突起25c之目的在於防止線圈固持器25因射出成形時之壓力而發生位置偏移。於固持器本體部25a之下表面形成有與線圈24之外形形狀相吻合之曲面狀凹處25d。如圖13所示，於線圈24中具有導線24a。為了將導線24a導入至絕緣基板26之通孔，於固持器本體部25a中與絕緣基板26之通孔相同之位置處形成有複數個佈線用孔。

如圖14所示，間隔件部25b與線圈24之正面形狀同樣地形成為圓環狀，並自板狀之本體部25a朝下方突出。間隔件部25b介設於相鄰接之全部線圈24之間，而且亦設置於線圈單元之兩端。因此，間隔件部25b之個數較線圈24之數量多一個。

線圈固持器25之材料與上述第一實施形態之線軸14相同地，係將絕緣性之金屬氧化物粒子作為填充材料混合於熱塑性樹脂而成之成形材料。藉由將混合有絕緣性之金屬氧化物粒子的熱塑性樹脂進行射出成形而製造出線圈。

將線圈固持器25進行射出成形時之金屬氧化物粒子之構成及種類、熱塑性樹脂之種類及熱傳導率，係與將線軸14進行射出成形時相同。藉由將混合有金屬氧化物粒子之熱塑性樹脂進行射出成形，可製造出熱傳導率為2W/(m‧K)以上，例如為6W/(m‧K)、8W/(m‧K)、10W/(m‧K)、…、最大為20W/(m‧K)之線圈固持器25。

線圈固持器25及成形體22使用熱傳導率為6W/(m‧K)以上之成形材料，藉此可將線圈中流通之電流增大1.4倍左右(即使將電流增大1.4倍，線圈之溫度亦不會產生變化)，而可將桿型線性馬達之推力增大1.4倍左右。推力提高40%係劃時代之成就。若使用該技術，則可獲得外形精簡但可輸出世界上最大推力之桿型線性馬達。

又，線圈固持器25及成形體22之線膨脹係數(流通/直角)設定為10×10^-6 以上且為30×10^-6 以下。線圈固持器25及成形體22之線膨脹係數比樹脂(120×10^-6 )之線膨脹係數小1位數，與鋼(11～13×10^-6 )、銅(19～20×10^-6 )、及鋁(22～23×10^-6 )等金屬之線膨脹係數接近。由於可使溫度上升時之線圈固持器25及成形體22之展距與線圈24之展距大致相等，故可保持該等之接觸。因此，可防止因溫度上升而於該等之間產生真空間隙或空氣層，而導致熱量難以傳遞之情形。進而，成形體22亦發揮作為電樞之外罩功能，於成形體22加工出用以組裝於對象零件之螺紋22b(參照圖11)。即使當將成形體22組裝於鋁等之金屬製對象零件時，亦可使成形體22之螺紋22b之組裝間距之展距與對象零件之組裝間距之展距大致相等，因此可防止對成形體22施加過度之力。

再者，本發明不受限於上述實施形態，可於不變更本發明之主旨之範圍內進行各種變更。於上述扁平型之線性馬達之實施形態中，電樞相對於場磁鐵進行直線運動，但場磁鐵亦可進行直線運動。於上述桿型線性馬達之實施形態中，桿相對於電樞進行直線運動，但電樞亦可進行直線運動。

[實施例]

於扁平型之線性馬達中，線軸及成形體係使用熱傳導率為6W/(m‧K)之成形材料。然係，對使電流值1變化為×1倍、×1.15倍、×1.63倍時之線圈24溫度進行測定。

圖15表示測定結果之圖。該圖中(A)表示電流值I×1倍之情形，(B)表示電流值I×1.15倍之情形，(C)表示電流值I×1.63倍之情形。圖15之比較例中，線軸係使用液晶聚合物，成形體係使用環氧樹脂。

如本發明例所示，可知藉由線軸及成形體使用高熱傳導率之材料而抑制線圈之溫度。又，如圖中(B)及(C)所示，電流值I×1.15倍時之比較例線圈之溫度(91.5度)與電流值I×1.63倍時之本發明例線圈之溫度(91.2度)大致相等。將本發明例與比較例相比，可知達超額地施加1.63/1.15≒1.4倍之電流。

本說明書係基於2008年2月14日提出申請之日本專利特願2008-032518。其全部內容均包含於本申請案。

1．．．基座

1a．．．底部板

1b．．．側壁部

2．．．場磁鐵

3、3a、3b、3c．．．線圈

5．．．軌道

6．．．塊體

7．．．結合頂板

7a．．．頂架部

7b．．．腳部

9．．．電樞

11．．．磁心

11a～11c．．．梳齒

11d．．．基部板

12．．．散熱座

12a．．．槽溝

14．．．線軸

14a．．．線軸本體

14b．．．凸緣部

16．．．成形體

17．．．模具

19．．．板狀磁鐵

21．．．桿

22．．．成形體(外罩)

22a．．．鰭片

22b．．．螺紋

23．．．場磁鐵

24．．．線圈

24a．．．導線

25．．．線圈固持器

25a．．．固持器本體部

25b．．．間隔件部

25c．．．突起

25d．．．凹處

26．．．絕緣基板

27．．．極靴

28．．．襯套

29．．．端構件

31．．．磁鐵

圖1係本發明第一實施形態扁平型線性馬達之立體圖。

圖2係圖1線性馬達之前視圖。

圖3係場磁鐵之俯視圖。

圖4係電樞之立體圖。

圖5係沿電樞之移動方向的剖視圖。

圖6係倒置狀態之電樞之立體圖。

圖7係線軸之立體圖。

圖8係澆鑄所使用之框體。

圖9係表示金屬氧化物之粒子直徑與質量百分比之關係之圖。

圖10係線軸之放大剖視圖之模式圖。

圖11係本發明第二實施形態桿型線性馬達之立體圖。

圖12係表示線性馬達之磁鐵與線圈之位置關係的圖。

圖13係表示保持於線圈固持器之線圈單元的立體圖。

圖14係線圈固持器之詳細圖(圖中(A)表示前視圖、(B)表示剖視圖)。

圖15係表示線圈中流通之電流與線圈溫度之關係之圖(圖中(A)表示電流值I×1倍之情形，(B)表示電流值I×1.15倍之情形，(C)表示電流值I×1.63倍之情形)。

3．．．線圈

11．．．磁心

11a～11c．．．梳齒

11d．．．基部板

14．．．線軸

Claims

一種線性馬達，係藉由場磁鐵產生之磁場與線圈中流通之電流而獲得用以使線圈相對於場磁鐵相對地進行直線運動之推力者；其具備有：場磁鐵，其N極及S極係交替地排列於上述直線運動之方向；及電樞，其具有經由間隙而與上述場磁鐵相對向之複數個線圈、含有分別插入於上述複數個線圈之複數個梳齒的磁性體磁心、包覆上述複數個線圈並且將上述複數個線圈結合於上述磁心之成形體、及介設於各線圈與各梳齒之間的線軸，且利用上述成形體將上述磁心、上述線軸、上述線圈成形為一體；上述成形體為絕緣體，並且其熱傳導率為2W/(m‧K)以上，上述線軸為絕緣體，並且其熱傳導率為2W/(m‧K)以上。
一種線性馬達，係藉由場磁鐵產生之磁場與線圈中流通之電流而獲得用以使線圈相對於場磁鐵相對地進行直線運動之推力者；其具備有：場磁鐵，其N極及S極係交替地排列於上述直線運動之方向；及電樞，其具有包圍上述場磁鐵周圍之複數個線圈、用以保持上述複數個線圈之線圈固持器、及包覆上述複數個線圈與上述線圈固持器之成形體；上述線圈固持器包含在上述直線運動之方向沿上述複數個線圈延伸之固持器本體部、及介設於相鄰接之線圈間的複數個間隔件部，上述成形體為絕緣體，並且其熱傳導率為2W/(m‧K)以上，上述線圈固持器之上述固持器本體部及上述複數個間隔件部為絕緣體，並且其熱傳導率為2W/(m‧K)以上。
如申請專利範圍第1或2項之線性馬達，其中，上述線軸、上述線圈固持器、或上述成形體係將具有複數個不同平均粒徑的絕緣性之金屬氧化物粒子混合於樹脂而成者。
如申請專利範圍第3項之線性馬達，其中，上述線軸、上述線圈固持器、或上述成形體係藉由將混合有上述絕緣性之金屬氧化物粒子的熱塑性樹脂進行射出成形而製得者。
如申請專利範圍第3項之線性馬達，其中，上述成形體係以藉由將混合有上述絕緣性之金屬氧化物粒子的熱硬化性樹脂注入至模具的澆鑄方式而製得者。
如申請專利範圍第1或2項之線性馬達，其中，上述線軸、上述線圈固持器、或上述成形體之線膨脹係數係設定為10×10^-6 以上30×10^-6 以下。