JP2008245475A - 可動コイル型リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型かつ軽量で、組立てが容易な可動コイル形リニアモータを提供する。
【解決手段】 所定方向に沿って正弦波状の磁束密度分布が現出する磁気空隙ｇを有する固定子と、磁気空隙内に配置され、多相コイル８２を含む可動子８とを有する可動コイル型リニアモータ１において、固定子２は、強磁性材料からなるヨーク６ａに固着され、可動子８の移動方向に沿って磁化方向の異なる永久磁石７ａ、７０ａが交互に配列された永久磁石部材５ａと、磁気空隙ｇを介して対向する少なくとも一対の永久磁石部材５ａを包持し、ヨークより比重の小なる金属材料からなる非磁性フレーム４とを有する分割ユニット３ａを複数個備えるとともに、非磁性フレーム４は、可動子８の移動方向に沿って伸長する多相コイル８２の一部が挿入される溝４３を有するベース部材４１と、永久磁石部材５ａを支持し、ベース部材４１の両側面に固定されるサイド部材４２を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば半導体製造装置のステージ駆動手段として使用される可動コイル型リニアモータに関する。

半導体の製造設備においては、ガラスなどの基板を所定位置まで搬送する手段として、ベースに対して所定方向に移動するＸステージとＸステージをそのステージに対して別の方向（直交する方向）に移動するＹステージを備えたＸ−Ｙステージ装置が使用されている。２軸のステージ装置では、長いストロークにわたって精密な位置決め動作と高速駆動が必要とされるので、各ステージの駆動手段として、多極形リニア直流モータ（以下単にリニアモータという。）を使用するのが一般的であり、特に応答性と高い位置決め精度が要求される場合には、可動コイル型リニアモータが使用される。この可動コイル型リニアモータは、同一の磁化方向を有する永久磁石を、ストローク方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に並ぶようにかつ異極が対向するように一対のヨークの各々に固定した磁気回路を有する固定子と、磁気空隙に配置された多相コイルを有する可動子を備えている。

特にＸ軸用のリニアモータは、Ｙ軸ステージに搭載され、小型でかつ軽量であることが必要とされるので、固定子を構成する磁気回路を小型化することがまず考えられる。しかしながら同じ磁化方向の永久磁石を組み合わせただけの磁気回路では、磁気空隙の磁束密度分布を正弦波状としかつ磁気空隙における磁束密度を高めるために複雑な形状でかつ大型の永久磁石を使用することが必要となる。そこで複数の永久磁石を極性方向を９０°ずつ回転させながら移動方向に沿って配列した磁気回路構造が提案されている（特許文献１参照）。

また通常の磁気回路では、磁束の飽和を防止するために必要以上に厚みの大なるヨークを使用するので、磁気回路の重量が増大するとともに、ヨークが外気に露出しているので、磁束の漏洩が発生しやすい。そこで固定子を構成するヨークを塑性加工によってＵ字状に形成し、このヨークをＵ字状の非磁性材料（例えばアルミ）からなるフレームの中に収容した構造が提案されている（特許文献２参照）。

特開平９−３０８２１８号公報（第２〜３頁、図１） 特開２０００−２９９９７３号公報（第４〜５頁、図１）

しかしながら特許文献１に記載されたように、いわゆるハルバッハ形磁気回路を備えたリニアモータとした場合には、ヨークを薄くできるので、幾分かは固定子を軽量化できるが、それだけでは軽量化が十分でなくまた磁気回路の小型化（特に可動子の移動方向と直交する方向の幅寸法の低減）という点では十分とはいえない。また特許文献２に記載されているようにＵ字状アルミフレームの内部に磁気回路を収容することにより、固定子の軽量化を図ることができるが、アルミフレーム内にハルバッハ形磁気回路を形成するために多大な工数を要するという問題がある。これは、ハルバッハ形磁気回路においては、同極性の磁極が隣接するような磁極配置となるので、磁気的反発力により総ての永久磁石をヨークに固着することが極めて困難となるからである。

従って本発明の目的は、小型かつ軽量で、固定子の組立てが容易な可動コイル型リニアモータを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の可動コイル型リニアモータは、所定方向に沿って正弦波状の磁束密度分布が現出する磁気空隙を有する固定子と、前記磁気空隙内に配置される多相コイルを含む可動子とを有する可動コイル型リニアモータにおいて、
前記固定子は、強磁性材料からなるヨークに固着され、前記可動子の移動方向に沿って磁化方向の異なる永久磁石が交互に配列された永久磁石部材と、前記磁気空隙を介して対向する少なくとも一対の前記永久磁石部材を包持し、前記ヨークより比重の小なる金属材料からなる非磁性フレームとを有する分割ユニットを複数個備えるとともに、
前記非磁性フレームは、前記多相コイルの一部が挿入される溝を有するベース部材と、前記永久磁石部材を支持し、前記ベース部材の両側面に固定されるサイド部材を含むことを特徴とするものである。

本発明において、前記ヨークは鉄鋼材料からなり、前記非磁性フレームはアルミニウム又はその合金からなることが好ましい。

本発明において、前記永久磁石は、Ｒ（ＲはＮｄ等の希土類元素のうちの一種又は２種以上の元素である。）、Ｔ（ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである。）及びＢを必須成分とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石からなることが好ましい。

本発明によれば、固定子は、強磁性材料からなるヨークに可動子の移動方向に沿って磁化方向の異なる永久磁石を交互に配列して形成した永久磁石部材で磁気回路を構成するので、ヨークを薄くすることができるとともに、複数の磁気回路部材を記ヨークより比重の小なる金属材料からなる非磁性フレームで包持するので、リニアモータの小型化と軽量化を達成することができる。

しかも、非磁性フレームは磁気回路を支持するベース部材と、その側面に固定されるサイド部材とで形成されるので、磁気回路の組立てを容易に行うことができる。

さらに、非磁性フレームのベース部材には、可動コイルの一部が挿入される凹溝が設けられており、リニアモータの巾寸法を小さくすることができるので、より小型化が可能となる。

以下本発明の詳細を添付図面により説明する。図１は本発明の実施の形態に係わるリニアモータを備えたＸＹステージの側面図、図２は図１をＡ方向から見た矢視図、図３は図２のＢ−Ｂ線断面図、図４は永久磁石部材の組立て手順を説明するための図、図５〜７は固定子の組立て手順を説明するための図である。

図１に示すＸＹステージは、Ｙ軸方向に沿って駆動される移動テーブル１０と、その両端部に設置される固定子２と、Ｘ軸方向（紙面に垂直な方向）に沿って移動する可動子８とを有するリニアモータ１により駆動される移動テーブル１１を備えている。移動テーブル１１は、その両端に固設されたアーム１２を介して可動子８に連結されている。

図２に示すように、リニアモータ１は、複数の分割ユニット３ａ、３ｂ、３ｃがＸ軸方向に沿って連接された固定子２と、その内部に形成された磁気空隙ｇ内をＸ軸方向に沿って移動する可動子８を備えている。図３に示すように、可動子８は、ホルダ８１に固定された多相コイル８２を備えている。多相コイル８２は、複数の偏平コイル（不図示）をＸ軸方向に沿って配列するとともに、各偏平コイル（例えば３相コイル）は、各相のコイルに通電された時にＸ軸方向の推力が発生するように結線されている。このリニアモータ１は、可動子に設けた磁界検出素子（例えばホール素子）により、固定子を構成する永久磁石の磁極位置を検出し、各コイルに流れる電流の向きを変えることにより、可動子８をＸ軸方向に移動するように駆動される。

本発明の特徴部分である固定子２の構成を図２及び３により説明する。固定子１は、複数（例えば３個）の分割ユニット３ａ、３ｂ、３ｃをＸ軸方向に沿って接続して形成されている（図２参照）。各分割ユニットは、図３に示す状態で組立てられた後、図１に示す姿勢となるように移動ステージ１０に設置される。各分割ユニットは同様の構造を有するので（但し長さは同一である必要はない）、分割ユニット３ａについて説明し、他の分割ユニットについてはその説明を省略する。

分割ユニット３ａは、鉄鋼材料よりも比重の小さい材料からなる非磁性フレーム４（長さＬ１）と、その内側に設けられた、長さＬ２の永久磁石部材５ａ、５ｂを備えている。永久磁石部材５ａ（５ｂ）は、鉄鋼材料（例えばＳＳ材）等の強磁性材料からなる平板状に形成されたヨーク６ａ（６ｂ）の一方の表面に、厚さ方向に磁化されたメイン磁石７ａ（７ｂ）とその磁化方向と直交する方向（Ｘ軸方向）に磁化されたスペーサ磁石７０ａ（７０ｂ）を交互に配設することにより形成されている。またメイン磁石７ａ（７ｂ）はＮ極とＳ極がＸ軸方向に沿って交互に並びかつスペーサ磁石７０ａ（７０ｂ）はメイン磁石７ａ（７ｂ）を挟んで同極性の磁極が向き合うように配設されている。さらに、磁気空隙ｇを挟んで対向するメイン磁石７ａ（７ｂ）及びスペーサ磁石７０ａ（７０ｂ）は、異極性の磁極が向き合うように配設されている。

上記の永久磁石部材は、いわゆるハルバッハ形磁気回路を形成するので、永久磁石の厚さに対してヨークの厚さをその半分以下と薄くしても、磁気空隙ｇに高い（例えば０．８〜０．９Ｔの）磁束密度を得ることができ、高い推力を得ることができる。またこの磁気回路によれば、単純な直方体状の永久磁石を使用しても、磁気空隙ｇに正弦波に近似した磁束密度分布を得ることができる。なお、一端側の永久磁石の長さを他の永久磁石よりも短くしてもよく、これにより磁気空隙ｇにおける磁束密度分布（Ｘ軸方向）を正弦波により近づけることができる。

図３に示すように非磁性フレーム４は、鉄鋼材料よりも比重の小さい材料からなり、角柱状のベース部材４１とその両側に固着された平板状のサイド部材４２を含むコ字形状の部材である。ベース部材４１には、Ｘ軸方向（紙面に垂直な方向）に伸びる凹溝４３が設けられ、凹溝の幅Ｗ３はそこに多相コイル８２の一部（扁平コイルのうち推力に寄与しない無効導体部）が入り込むような寸法に設定される。サイド部材４２の幅Ｗ１は、永久磁石部材５ｂの幅Ｗｍとベース部材３１の幅Ｗ２の和となるように設定されている。分割ユニット２の厚さｔ（固定子の厚さ）は、推力を高めるために、永久磁石がコイルユニットと接触せずに、磁気空隙ｇの寸法｛ｔ−２（ｔｍ＋ｔ３＋ｔ２）｝ができるだけ狭くなるような寸法に設定される。この分割ユニットによれば、ベース部材４１には、Ｘ軸方向（紙面に垂直な方向）に伸びる凹溝４３が設けられているので、移動テーブル１１の長さＬａを短くでき、ステージの占有スペースを狭くすることができる。

上記の分割ユニットは、例えば図４〜７に示す手順で組立てることにより組立て工数を低減することができる。まず図４（ａ）に示すように、各ヨーク６ａの一方の表面にメイン磁石７ａを所定長さ（磁石幅）だけ間隔をあけて固着し、非磁性材料（例えばプラスチック）からなる平板状（厚さｔｓ）のスペーサ１０を挟んで異極性の磁極を対向させることにより、相対するメイン磁石７ａは磁気的に吸着されて、一体化される。次いで図４（ｂ）に示すように、メイン磁石７ａの間にスペーサ磁石７０ａを挿入することにより、厚さｔａを有する永久磁石部材５ａが組立てられる。

また図５に示すように、ベース部材３１と各２列のキリ孔４２１及びキリ孔４２２を有する２枚の側板４２を準備し（ｂ）、キリ孔４２１からベース部材４１の側面に形成されたメネジにボルト（いずれも不図示）をネジ込むことにより、非磁性フレーム４を組立てておく。

次に図６に示すように、ヨーク６ａに固着された永久磁石７ａ、永久磁石７ｂ（不図示）の間にスペーサ１０が挟持された一対の永久磁石部材５ａを、非磁性フレーム４の上方から白抜き矢印で示す方向に下ろす。この場合、永久磁石部材５ａの厚さｔａは、ベース部材３１の厚さｔ１よりも狭くしておくことにより、永久磁石部材５ａはベース部材４１の上面に戴置される。この状態で、図７に示すように、きり孔４２２（一点鎖線で示す）からボルト（不図示）をヨーク６ａのめねじ６１にねじ込み（ａ）、永久磁石部材５ａをサイド部材４２側（白抜き矢印方向）に引っ張ることにより、永久磁石の間隔ｔ５が広がり（ｔ５＞ｔｓとなる）、スペーサ９がベース部材４１の凹溝４３に入り込む状態が現出する。従ってスペーサ９を紙面に垂直な方向に引き出すことにより、固定子２の一部を組立てることができる。他の永久磁石部材５ｂも上記と同様の手順で非磁性フレーム４に組込むことにより、分割ユニット３ａが得られる。これと同様の手順で他の分割ユニット３ｂ、３ｃを組立て、これらを直列に接続することにより固定子２が作製される。

上記の固定子によれば、永久磁石部材５ａ（５ｂ）を他の部材（ヨーク及び永久磁石）よりも軽量な非磁性フレーム４で包持するので、単純にヨークと永久磁石で形成した固定子よりも小型化及び軽量化することができるとともに、非磁性フレーム４に可動子の一部（推力に寄与しない部分）を収容する凹溝４３を設けるので、モータの全幅を抑えることができ、ステージ装置の省スペース化を図ることができる。

また、非磁性フレームをベース部材とその両側面に固定されるサイド部材とで形成するとともに、一対の永久磁石間にスペーサを挟着した状態で永久磁石部材を組立てるので、ハルバッハ形磁気回路を容易に組立てることができ、さらにこの磁気回路をフレームの内部に容易に装着することができる。

なお、凹溝４３の寸法ｔ４は、図３に示すように多相コイル８２より広い（接触しない）寸法であればよく、この寸法を大きくすることにより、固定子をより軽量化することができる。但し、この寸法が例えば図３のｔ５程度まで大きくなると、サイド部材４２がコイル側に倒れることが予測されるので、サイド部材４２の倒れが生じないような寸法に設定する必要がある。

上記の固定子は、非磁性フレーム４をアルミニウム合金（例えばＡ５０５２）で形成するとともに、各部の寸法を例えば次の範囲で設定することにより、より確実にリニアモータの小型化と軽量化を達成することができる。ベース部材４１はｗ２＝５０〜６０ｍｍ、ｔ１＝９０〜１００ｍｍ、溝幅ｗ３＝２０〜３０ｍｍとし、サイド部材４２は厚さｔ２＝１０〜２０ｍｍ、幅ｗ１＝１５０〜１６０ｍｍとする。また永久磁石部材５ａ（５ｂ）は、厚さｔｍ＝２０〜３０ｍｍ、幅Ｗｍ＝９０〜１００ｍｍ、長さＬｍ＝２０〜３０ｍｍの永久磁石（Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石）と厚さｔ３＝１０〜１５ｍｍのヨーク（ＳＳ材）で形成する。

固定子をこのように構成することにより、最大推力が１１００Ｎ以上、ストロークが２１００ｍｍ以上のモータ性能を得ることができる。また固定子は厚さｔ＝１２０〜１３０ｍｍ、幅ｗ１＝１５０〜１６０ｍｍで、その全重量は２５０〜２６０ｋｇとなり、しかも可動子（例えば長さ１２００ｍｍ）と併せた重量も３００ｋｇを大きく下回り、またリニアモータの全幅ｗは２１０〜２２０ｍｍに抑えることができ、ステージ装置の大幅な小型化と軽量化が可能となる。

本発明において、非磁性フレームは、ヨーク材料（例えば炭素鋼、比重は７．８５）よりも比重の小さい材料で形成すればよいが、実用的見地（コスト及び剛性など）から、アルミニウム合金（比重２．８）で形成することが好ましい。但し、これ以外の非磁性金属材料（例えばＭｇ合金：比重はアルミニウム合金の約２／３）で形成することは可能で、またプラスチック材料（例えばＦＲＰ、比重１．５〜１．９）やセラミックス材料（例えばジルコニア：比重３．８）で形成することも可能である。

本発明において、前記永久磁石は、公知の永久磁石、例えば希土類磁石で形成することができるが、特にＲ（Ｒは、Ｎｄ等の希土類元素から選択された一種又は二種以上の元素である。）、Ｔ（ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである。）及びＢを必須成分とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石が好適である。

本発明の実施の形態に係わるリニアモータを備えたＸＹステージの側面図である。 図１をＡ方向から見た矢視図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 （ａ）は永久磁石部材の組立途中の状態を示す図で、（ｂ）は永久磁石部材を組立てた状態を示す図である。 固定子の組立開始時の状態を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 固定子の組立途中の状態を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 固定子の組立終了時の状態を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１：リニアモータ、２：固定子、３ａ、３ｂ、３ｃ：分割ユニット、
４：非磁性フレーム、４１：ベース部材、４２：サイド部材、４２１、４２２：キリ孔、４３：凹溝、
５ａ、５ｂ：永久磁石部材、６ａ、６ｂ：ヨーク、６１：めねじ
７ａ、７ｂ：メイン磁石、７０ａ、７０ｂ：スペーサ磁石、
８：可動子、８１：コイルホルダ、８２：多相コイル、
９：スペーサ、
１０、１１：移動テーブル、１２：アーム

Claims (3)

1. 所定方向に沿って正弦波状の磁束密度分布が現出する磁気空隙を有する固定子と、前記磁気空隙内に配置される多相コイルを含む可動子とを有する可動コイル型リニアモータにおいて、
   前記固定子は、強磁性材料からなるヨークに固着され、前記可動子の移動方向に沿って磁化方向の異なる永久磁石が交互に配列された永久磁石部材と、前記磁気空隙を介して対向する少なくとも一対の前記永久磁石部材を包持し、前記ヨークより比重の小なる金属材料からなる非磁性フレームとを有する分割ユニットを複数個備えるとともに、
   前記非磁性フレームは、前記多相コイルの一部が挿入される溝を有するベース部材と、前記永久磁石部材を支持し、前記ベース部材の両側面に固定されるサイド部材を含むことを特徴とする可動コイル型リニアモータ。
2. 前記ヨークは鉄鋼材料からなり、前記非磁性フレームはアルミニウム又はその合金からなることを特徴とする請求項１に記載の可動コイル型リニアモータ。
3. 前記永久磁石は、Ｒ（ＲはＮｄ等の希土類元素から選択された一種又は二種以上の元素である。）、Ｔ（ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである。）及びＢを必須成分とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石からなることを特徴とする請求項１に記載の可動コイル型リニアモータ。

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