JP3750793B2

JP3750793B2 - リニアモータ

Info

Publication number: JP3750793B2
Application number: JP2000354010A
Authority: JP
Inventors: 真史玉井; 崇男藤井
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2020-11-21
Also published as: JP2002165433A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機の送り機構や半導体製造装置の位置決め装置に用いられると共に、界磁極と電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として相対的に移動するようにしたリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工作機の送り機構や半導体製造装置の位置決め装置に用いられると共に、界磁極と電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として相対的に移動するようにしたリニアモータは、図６のようになっている。なお、図６は従来のリニアモータの正断面図である。ここでは、従来技術並びに後述する本発明とも併せて、電機子を可動子とするムービングコイル型リニアモータの例を用いて説明する。
図において、１は固定台、２はリニアガイドであって、固定台１上で左右両端に設けたガイドレール２Ａと、ガイドレール２Ａと対でリニアガイドを構成するスライダ２Ｂより構成されている。３はリニアモータ、４は固定子、５は可動子、６は固定台１に互いに対向して固定された平板状の界磁ヨーク、７は界磁ヨーク６上に沿って（紙面と垂直方向）交互に磁極が異なるように複数配設した永久磁石であって、界磁ヨーク６と永久磁石７とよりなる界磁極で固定子４を構成している。８は永久磁石７と磁気的空隙を介して対向して設けられ、かつ、電磁鋼板を永久磁石７の高さ方向に積層してなるコア、９はコア８のスロット８Ａの内部に巻装してなるコイルで、図示しない樹脂モールドで固着しており、コア８とコイル９とよりなる電機子で可動子５を構成している。１０は負荷を搭載するためのテーブルであり、コア８をテーブル１０に固定する際には、コア８に設けた貫通穴８Ｂに締結ボルト１１を通した後、テーブル１０に設けた雌ねじ部１０Ｃに締結ボルト１１をねじ込み、コア８とテーブル１０を締結するようになっている。
このようなリニアモータ３は、各永久磁石７がコイル９の両側を挟み込むように設けられると共に、永久磁石７の磁力線がコイル９を貫通する構造，いわゆる磁束貫通型構造であるため、永久磁石７とコイル９の間に吸引力が生じることなく、テーブルに横方向の力が加わらない構造となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来技術では、図示したムービングコイル型のリニアモータ３において、モータの推力を上げるために、図示しない電源からコイル９に駆動電流を供給し続けると、コイル９の内部抵抗の増大により温度が上昇して発熱量が増加する。このため、コイル９からの発熱は、コア８を介してコア８の上部に固定されたテーブル１０に伝熱し、コア８およびテーブル１０の熱変形を生じさせるという問題があった。特に、コア８の固定台１に面した部分では、時間の経過に伴い、コイルの温度が上昇していくにしたがって、長手方向に向かって生じる熱変形による反りが大きい。
また、このようなムービングコイル型のリニアモータの他、界磁極を可動子とするムービングマグネット型のリニアモータ（図示せず）の場合においても以下の共通した問題があった。
（１）リニアモータ３のコイル９の発熱が大きいと、コア８の永久磁石７の磁石列と対向する方向の変形も大きくなり、コイル９と永久磁石７間の磁気的空隙が変動を起こしたりするので、コギング推力が発生する。その結果、コギング推力が大きくなると、リニアモータ３の走行性能を悪化させ、特に加工精度に大きく影響を与えていた。
（２）他方のテーブル１０への伝熱に伴う熱変形は、テーブル１０に取り付けたスライダ２Ｂや図示しないリニアエンコーダに用いるスケール等に悪影響を与え、位置決め精度の誤差を生じることから、高精度な位置決めを実現することが困難であった。
（３）リニアモータ３は、コイル９の温度上昇の影響に伴って、コイル９を覆っている樹脂モールド（図示せず）に熱変形が生じ、これにより樹脂モールドの破損が生じた。
（４）例えば、リニアモータ３を真空環境中で使用する場合に、樹脂モールドの破損が起こると、リニアモータ３は、樹脂モールドの表面から発生するガスにより発塵量が増大して、真空環境を悪化させることから、信頼性に欠けていた。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、コアおよびテーブルの熱変形をなくし、高精度でしかも信頼性の高いリニアモータを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の本発明は、界磁ヨークに沿って交互に磁極が異なる複数の永久磁石を配置した界磁極と、前記界磁極と磁気的空隙を介して配置されると共にスロットを有するコアに複数のコイルを巻装してなる電機子と、を備え、前記界磁極と前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記可動子を前記固定子の長手方向に沿って相対的に移動するようにしたリニアモータにおいて、前記可動子には、負荷を搭載するためのテーブルが備えられており、前記可動子と前記テーブルの間には、内部に冷媒を流通させるための冷媒通路を有した冷却ユニットが設けられてあり、前記可動子には、前記固定子と磁気的空隙を介して対向する面と直交する方向の面に受熱部と放熱部を有し、かつ、略Ｌ字状に折り曲げられた薄型のシート状ヒートパイプを設けられており、前記シート状ヒートパイプの受熱部を前記可動子の表面に、放熱部の一部を前記冷却ユニットに接触させたものである。
請求項２の本発明は、請求項１に記載のリニアモータにおいて、前記シート状ヒートパイプは、内部に蛇行した中空状の細管を多数並べた構造を有するものである。
請求項３の本発明は、請求項１または２に記載のリニアモータにおいて、前記シート状ヒートパイプは、前記可動子の表面に樹脂モールドにより一体に固着したものである。
請求項４の本発明は、請求項１〜３までの何れか１項に記載のリニアモータにおいて、前記冷却ユニットは、前記可動子または前記テーブルに対して、自在に取り外しできるよう、締結ボルトにより固定したものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例を示すリニアモータであって、図２のＡ―Ａ線に沿う正断面図である。図２は、図１におけるリニアモータの全体斜視図であって，テーブル、リニアガイドおよび固定台を取り外した状態を示したものである。図３は、図２のリニアモータの冷却ユニットおよび電機子を上方から見た平面図であって、その内部を透視したものである。図４は図３のリニアモータの冷却ユニットおよび電機子部を矢視Ｂ方向から見た側面図であって、その内部を透視したものである。なお、本発明の構成要素において、従来と同じ構成要素のものについては、同じ符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図において、１２は冷却ユニット、１３は冷媒通路、１３Ａは冷媒入口、１３Ｂは冷媒出口、１４はシート状ヒートパイプ、１５は樹脂モールドである。
本発明が従来と異なる点を、以下のとおりである。
可動子５である電機子とテーブル１０の間に、内部に冷媒を流通させるための冷媒通路１３を有した冷却ユニット１２が設けられた点である。冷媒通路１３は、冷却ユニット１２の長手方向に向かって冷媒を流すように、冷却ユニット１２の一方端に冷媒入口１３Ａが配設され、他方端に冷媒出口１３Ｂが配設されている。また、冷却ユニット１２は、テーブル１０に対して自在に取り外しできるよう、テーブル１０に設けた貫通穴１０Ａに締結ボルト１６を通した後、冷却ユニット１２の雌ねじ部１２Ａに締結ボルト１６をねじ込んでテーブル１０の凹部１０Ｂを固定する構成となっている。さらに冷却ユニット１２は、可動子５に対して自在に取り外しできるよう、コア８の貫通穴８Ｂに締結ボルト１１を通した後、冷却ユニット１２の雌ねじ部１２Ａに締結ボルト１１をねじ込んで可動子５を固定する構成となっている。
可動子５には、固定子である永久磁石７の磁石列と磁気的空隙を介して対向する面に直交する方向の面に、受熱部と放熱部を有し、かつ、薄型で折り曲げ自在のシート状ヒートパイプ１４が設けられている。図２、図４に示すように、シート状ヒートパイプ１４を略Ｌ字状に折り曲げており、シート状ヒートパイプ１４の受熱部を電機子の表面に接触させ、放熱部の一部を冷却ユニット１２に接触させている。当該ヒートパイプは、受熱部と放熱部の設置方向を限定することなく、あらゆる設置方向に取り付けることができるものとなっている。
次に、上記シート状ヒートパイプ１４の内部構造を具体的に説明する。図５はシート状ヒートパイプの全体斜視図であり、内部を透視したものである。
このシート状ヒートパイプ１４は、熱伝導の良い金属製の薄板部材の内部に蛇行した中空状の細管１４Ａが多数並ぶ構造とし、フロン等の液相作動液と気相作動液からなる二相の作動液が細管１４Ａに封入されたものである。シート状ヒートパイプ１４を電機子に固着する際は、図５に示すシート状ヒートパイプ１４の受熱部１４Ｂを略Ｌ状に折り曲げて、図４に示す電機子の表面、すなわち、コア８あるいはコイルエンド９Ａの外部に露出した部分を覆うように配設して樹脂モールド１５で一体に固着する。この時、シート状ヒートパイプ１４の放熱部１４Ｃは、冷却ユニット１２に接触させるために、電機子の端面の先端から突出するように配置すると良い、
【０００６】
次に、リニアモータの動作を説明する。
上記のような構成において、図示しない電源から駆動電流をコイル９に供給すると、可動子５が一定推力を発生すると共に、コイル９は内部抵抗により発熱を起こす。コイル９で発生した熱はシート状ヒートパイプ１４の受熱部１４Ｂに伝わり、この受熱部１４Ｂで熱を吸収すると激しい核沸騰を発生する。核沸騰の断続による圧力波が振動波となって蛇行した細管１４Ａに封入された作動液に振動を引き起こし、作動液の振動により放熱部１４Ｃに大量の熱が伝わる。そして、シート状ヒートパイプ１４の放熱部１４Ｃに伝熱した熱は冷却ユニット１２の内部に設けた冷媒通路１３に伝わる。この冷媒通路１３の冷媒入口１３Ａに供給された冷媒が図示の矢印のごとく冷媒出口１３Ｂに向かって流れ、電機子部で発生した熱が冷媒によって取り去られ、熱交換される。結果として、コイル９で発生した熱が効率よく冷却ユニット１２で放熱され、コイル９の温度上昇が抑制されることで、テーブル１０側へ伝熱されるとなく、テーブル１０への伝熱、熱変形を抑制できる。
【０００７】
したがって、本発明は、可動子５である電機子の上部に負荷を搭載するためのテーブル１０を設け、可動子５とテーブル１０の間に内部に冷媒を流通させるための冷媒通路１３を有した冷却ユニット１２を設けると共に、電機子には固定子４である永久磁石７の磁石列と対向する面に直交する方向の面に薄型のシート状ヒートパイプ１４を設けて、シート状ヒートパイプ１４の受熱部１４Ｂを電機子の表面に、放熱部１４Ｃの一部を冷却ユニット１２に接触したので、例えば、可動子を高推力で移動させる場合に発生する電機子部の熱をシート状ヒートパイプ１４と冷媒通路１３によって効率的に除去することができる。その結果、電機子部の発熱をテーブル１０へ伝熱することなく、電機子部およびテーブル１０の熱変形を抑制することができると共に、コア８の長手方向の反りを防ぐことができる。また、コイル９と永久磁石７間の磁気的空隙が変動を起こすこともなくなるので、コギング推力の発生を抑え、高精度位置決め可能なリニアモータを提供することができる。
そして、テーブル１０への伝熱に伴う熱変形もなくなるので、リニアガイド２やリニアスケール等の位置決め精度の誤差に影響を及ぼすこともなくなり、高精度位置決め可能なリニアモータを提供することができる。
それから、コイル９の温度上昇を抑えることが出来るため、コイル９を覆っている樹脂モールド１５の熱変形による破損を防止することができるため、例えば、リニアモータを真空環境中で使用する場合でも、樹脂モールド１５の表面からのガス発生を防止することができ、信頼性の高いリニアモータを提供することができる。
また、本発明は、シート状ヒートパイプ１４を、内部に蛇行した中空状の細管１４Ａを多数並べた構造としたので、小型の割には熱伝導率が極めて高く、熱の移動が迅速にできる。
さらに、本発明は、シート状ヒートパイプ１４を、可動子５の表面に樹脂モールド１５により一体に固着したので、容易にシート状ヒートパイプ１４を可動子５の表面に固定することができる。
またさらに、本発明は、冷却ユニット１２を、可動子５またはテーブル１０に対して、自在に取り外しできるよう、締結ボルト１１、１６により固定してあるので、可動子５、テーブル１０との組立、分解が簡単で、手間とコストがかからなくなる。
なお、本実施例では、コイルの両側に永久磁石を配置した磁束貫通型構造のリニアモータの例を用いて説明したが、コイルの片側に永久磁石を配置する、いわゆるギャップ対向型構造のリニアモータにおいても本発明に同様に適用することができる。
【０００８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は以下の効果がある。
（１）請求項１にかかる本発明によれば、可動子である電機子の上部に負荷を搭載するためのテーブルを設け、可動子とテーブルの間に内部に冷媒を流通させるための冷媒通路を有した冷却ユニットを設けると共に、電機子には固定子である永久磁石の磁石列と対向する面に直交する方向の面に薄型のシート状ヒートパイプを設けて、シート状ヒートパイプの受熱部を電機子の表面に、放熱部の一部を冷媒通路に接触したので、例えば、可動子を高推力で移動させる場合に発生する電機子部の熱をシート状ヒートパイプと冷媒通路によって効率的に除去することができる。その結果、電機子部の発熱をテーブルへ伝熱することなく、電機子部およびテーブルの熱変形を抑制することができると共に、コアの長手方向の反りを防ぐことができる。また、コイルと永久磁石間の磁気的空隙が変動を起こすこともなくなるので、コギング推力の発生を抑え、高精度位置決め可能なリニアモータを提供することができる。
さらに、テーブルへの伝熱に伴う熱変形もなくなるので、リニアガイドやリニアスケール等の位置決め精度の誤差に影響を及ぼすこともなくなり、高精度位置決め可能なリニアモータを提供することができる。
またさらに、コイルの温度上昇を抑えることが出来るため、コイルを覆っている樹脂モールドの熱変形による破損を防止することができるため、例えば、リニアモータを真空環境中で使用する場合でも、樹脂モールドの表面からのガス発生を防止することができ、信頼性の高いリニアモータを提供することができる。
請求項２にかかる本発明によれば、シート状ヒートパイプを、内部に蛇行した中空状の細管を多数並べた構造としたので、小型の割には熱伝導率が極めて高く、熱の移動が迅速にできる。
請求項３にかかる本発明によれば、シート状ヒートパイプは、可動子の表面に樹脂モールドにより一体に固着したので、容易にシート状ヒートパイプを可動子の表面に固定することができる。
請求項４にかかる本発明によれば、冷却ユニットは、可動子またはテーブルに対して、自在に取り外しできるよう、締結ボルトにより固定してあるので、可動子、テーブルとの組立、分解が簡単で、手間とコストがかからなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すリニアモータであって、図２のＡ―Ａ線に沿う正断面図である。
【図２】図１におけるリニアモータの全体斜視図であって，テーブル、リニアガイドおよび固定台を取り外した状態を示したものである。
【図３】図２のリニアモータの冷却ユニットおよび電機子を上方から見た平面図であって、その内部を透視したものである。
【図４】図３のリニアモータの冷却ユニットおよび電機子部を矢視Ｂ方向から見た側面図であって、その内部を透視したものである。
【図５】シート状ヒートパイプの全体斜視図であり、内部を透視したものである。
【図６】従来のリニアモータの正断面図である。
【符号の説明】
１：固定台
２：リニアガイド
２Ａ：ガイドレール
２Ｂ：スライダ
３：リニアモータ
４：固定子（界磁部）
５：可動子（電機子部）
６：界磁ヨーク
７：永久磁石
８：コア
８Ａ：スロット
８Ｂ：貫通穴
９：コイル
９Ａ：コイルエンド
１０：テーブル
１０Ａ：雌ねじ部
１０Ｂ：凹部
１１、１６：締結ボルト
１２：冷却ユニット
１２Ａ：雌ねじ部
１３：冷媒通路
１３Ａ：冷媒入口
１３Ｂ：冷媒出口
１４：シート状ヒートパイプ
１４Ａ：細管
１４Ｂ：受熱部
１４Ｃ：放熱部
１５：樹脂モールド

Claims

界磁ヨークに沿って交互に磁極が異なる複数の永久磁石を配置した界磁極と、前記界磁極と磁気的空隙を介して配置されると共にスロットを有するコアに複数のコイルを巻装してなる電機子と、を備え、
前記界磁極と前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記可動子を前記固定子の長手方向に沿って相対的に移動するようにしたものであって、
リニアモータにおいて、
前記可動子には、負荷を搭載するためのテーブルが備えられており、
前記可動子と前記テーブルの間には、内部に冷媒を流通させるための冷媒通路を有した冷却ユニットが設けられてあり、
前記可動子には、前記固定子と磁気的空隙を介して対向する面と直交する方向の面に受熱部と放熱部を有し、かつ、略Ｌ字状に折り曲げられた薄型のシート状ヒートパイプを設けられており、
前記シート状ヒートパイプの受熱部を前記可動子の表面に、放熱部の一部を前記冷却ユニットに接触させたことを特徴とするリニアモータ。
前記シート状ヒートパイプは、内部に蛇行した中空状の細管を多数並べた構造を有するものであることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
前記シート状ヒートパイプは、前記可動子の表面に樹脂モールドにより一体に固着してあることを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータ。
前記冷却ユニットは、前記可動子または前記テーブルに対して、自在に取り外しできるよう、締結ボルトにより固定してあることを特徴とする請求項１〜３までの何れか１項に記載のリニアモータ。