JP4753004B2 - 電磁石ユニット、電磁アクチュエータ、電磁アクチュエータの浮上制御装置、およびステージ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造工場などのクリーンルーム内で磁気浮上しながらガイドレールに沿って走行する磁気浮上搬送ステージの浮上系として用いられる、電磁石ユニット、それを使用した電磁アクチュエータ、この電磁アクチュエータの浮上制御装置、およびこの電磁アクチュエータを用いたステージ装置に関する。

従来、半導体製造工場などのクリーンルーム内の搬送装置として、磁気浮上しながらガイドレールに沿って走行する磁気浮上搬送ステージが用いられている。この磁気浮上搬送ステーシには、Ｅ形コアとＩ形コアまたはＣ形コアとＩ形コアを組合わせた電磁石ユニットが複数用いられている（例えば、特許文献１を参照）。ここでは、Ｅ形コアとＩ形コアを組合わせた電磁石ユニットについて説明する。
図４は第１従来技術を示す電磁石ユニットの正断面図、図５は図４のＣ−Ｃ線（中央線）に沿う側断面図である。
図４、図５において、２１は電磁石ユニット、２２は第２コア、２３は励磁コイル、２４は永久磁石、２５は第１コアである。
電磁石ユニットの一方は、磁性体でできたＩ形断面状の第１コア２５で構成されている。また、電磁石ユニットの他方は、第１コア２５とギャップを介して対向配置されると共に、磁性体でできたＥ形断面状の第２コア２２と、該第２コア２２の中央脚２２Ａに巻かれ且つ磁気力を発生する励磁コイル２３と、該第２コア２２における中央脚２２Ａの第１コア２５との対向面に設けた永久磁石２４とで構成されている。一般に、図中の第１コア２５と第２コア２２の何れか一方を図示しない移動ステージなどに固定して可動子を構成すると共に、他方を図示しない固定ベースなどに固定して固定子を構成するようになっている。
このような構成において、第１コア２５、第２コア２２間のギャップＧに臨んで図示しないギャップセンサを設け、ギャップセンサ（不図示）からの情報をフィードバックして、励磁コイル２３に所定の電流を流して、第１コア２５、第２コア２２間に磁気浮上力を発生させ可動子を浮上するようになっている。
また、図６は第２従来技術を示す電磁石ユニットの正断面図、図７は図６のＣ−Ｃ線（中央線）に沿う側断面図である。第２従来技術の電磁石ユニットは第１従来技術に対してＥ形コアとＩ形コアを組合わせた点で同じであるが、永久磁石２４を、第１コア２５の中央部に形成してなる溝部内に設けた点で異なっている。なお、動作については、第１従来技術と同じなので、説明を省略する。
特開２００１−２３１１１１号公報

ところが、第１従来技術においては、磁気浮上搬送ステージの可動子に長ストロークが要求される場合に、電磁石ユニットの第２コアに貼り付けた永久磁石の分割が必要となる。その結果、永久磁石分割部での吸引力変動が生じて、推力リップルによる振動が発生し、位置決め精度に影響を与えるという問題があった。
また、第２従来技術においては、第１コアあるいは第２コアの何れか一方がＸ方向に変位した場合に、磁気吸引力の分力が復元力となり軸干渉が発生してしまい、Ｙ方向あるいはＺ方向の制御が困難になってしまうという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、推力リップルによる振動の発生を抑制すると共に、コアがＸ方向に変位した場合に、磁気吸引力の分力が復元力となって起こる軸干渉を抑え、Ｙ、Ｚ方向の制御を容易に行うことができる、高位置決め精度が得られる電磁石ユニット、電磁アクチュエータ、電磁アクチュエータの浮上制御装置、およびステージ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。

請求項１の発明は、固定子および可動子を備え、前記固定子および前記可動子のうち一方は、磁性体でできたＩ形断面状の第１コアと、前記第１コアの中央部の位置に形成してなる溝部内に設けた永久磁石を備え、前記固定子および前記可動子のうち他方は、前記第１コアとギャップを介して対向配置されると共に、磁性体でできたＥ形断面状の第２コアと、前記第２コアの中央脚に巻かれ且つ磁気力を発生する励磁コイルとを有する電磁石を備え、前記可動子が前記固定子に対して前記ギャップ方向に浮上する構成にしてあり、前記第２コアにおける中央脚の前記第１コアとの対向面の幅を広げると共に、該第２コアの中央脚と両端に位置する脚との間に形成される窓開口部が半閉スロット形状となるようにしたことを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１記載の電磁石ユニットにおいて、前記永久磁石は第２コアと対向する面の両端に傾斜した面取り部を施したことを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１記載の電磁石ユニットにおいて、前記第２コアの中央脚の幅Ａを、前記第１コアの溝部幅Ｂの約６０％〜７０％としたことを特徴としている。

請求項４の発明は、電磁アクチュエータに係る発明であって、請求項１〜３までの何れか１項に記載の電磁石ユニットを複数備えたことを特徴としている。

請求項５の発明は、電磁アクチュエータの浮上制御装置に係る発明であって、請求項４に記載の電磁アクチュエータと、前記電磁アクチュエータを構成する電磁石ユニットの第１コアと第２コアとの間のギャップを検出するギャップセンサと、前記電磁石の励磁コイルに流れる電流を検出する電流センサと、前記電磁石ユニットが発生する目標となる磁気力に対応する力指令と前記ギャップセンサにより検出したギャップ信号を入力することにより電流指令を出力する力／電流変換手段と、前記電流指令と前記電流センサにより検出した励磁コイルの電流信号の偏差に基づいて、電圧指令を計算する電流制御部と、前記電流制御部で得られた電圧指令を増幅することにより、前記励磁コイルに励磁電圧を与えるようにした電力増幅器と、を備えたことを特徴としている。

請求項６の発明は、ステージ装置に係る発明であって、請求項４に記載の電磁アクチュエータがステージの浮上手段として用いられることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、推力リップルによる振動の発生を抑制すると共に、コアがＸ方向に変位した場合に、磁気吸引力の分力が復元力となって起こる軸干渉を抑え、Ｙ、Ｚ方向の制御を容易に行うことができる。

請求項２によると、永久磁石端部の磁束が低下するためコアがＸ方向に変位した場合の磁気吸引力のＸ方向分力が小さくできるので、ステージ装置でＸ方向への変位が必要な場合でもＸ方向駆動用のリニアモータに対する干渉が無くＸ方向の位置決め精度が向上できる。

請求項３によると、前記第２コアの中央脚端部と前記第１コア溝端部の間に発生する磁気吸引力と永久磁石４と前記第２コアの中央脚端部に発生する復元力がつりあい、軸干渉を殆ど０にできる。

請求項４によると、複数の電磁石ユニットを用いて電磁アクチュエータを設計する際に、構造上の自由度が増し、高位置決め精度を得ることができる。

請求項５によると、力／電流変換手段を用いて、複数の電磁石ユニットとからなる電磁アクチュエータに指令どおりの力を発生することができる。

請求項６によると、電磁アクチュエータにより浮上されるステージ装置を用いることで高位置決め精度を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものについてはその説明を省略し、異なる点について説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す電磁石ユニットの正断面図である。
図において、１は電磁石ユニット、２は第２コア、３は励磁コイル、４は永久磁石、５は第１コアである。
本発明の電磁石ユニットの一方が、磁性体でできたＩ形断面状の第１コア５と該第１コア５の中央部の位置に形成してなる溝部内に設けた永久磁石４とで構成されており、電磁石ユニットの他方が、第１コア５とギャップを介して対向配置されると共に、磁性体でできたＥ形断面状の第２コア２と該第２コア２の中央脚２Ａに巻かれ且つ磁気力を発生する励磁コイル３とを有する電磁石で構成されている点は、第２従来技術と同じである。
本発明が第２従来技術と異なる点は、第２コア２における中央脚２Ａの第１コア５との対向面の幅を広げ、該第２コア２の中央脚２Ａと両端に位置する脚との間に形成される窓開口部２Ｂが半閉スロット形状となるようにしたものである。
また、永久磁石４は第２コア２と対向する面の両端に傾斜した面取り部４Ａを施したものである。
また、該第２コア２の中央脚２Ａの幅Ａを、第１コア５の溝部幅Ｂの約６０％〜７０％としたものである。

図２は本発明の電磁石ユニットを複数適用した、４点支持の移動体を備えた磁気浮上搬送ステージ装置の概観を示した斜視図である。
図１に示す電磁石ユニット１は、例えば、図２で示される磁気浮上搬送ステージ装置において、移動体ＭのＰ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４の位置に４個配置されたもので、移動体Ｍを４点で浮上支持する１つの電磁アクチュエータを構成したものとなっている。このため、該ステージ装置の移動体Ｍを、図示しない非接触のリニアモータによって、電磁石ユニット１のＰ_１とＰ_３、Ｐ_２とＰ_４を結ぶ方向に平行に移動するように制御する。

次に、図２で示した複数の電磁石ユニット１を用いた電磁アクチュエータの浮上制御装置について図３を用いて説明する。ここでは、便宜上、電磁石ユニット１個を用いて説明する。
図３は、電磁石ユニットを用いた電磁アクチュエータの浮上制御を説明するための制御ブロック図である。
電磁アクチュエータの浮上制御装置としては、複数の電磁石ユニット１よりなる電磁アクチュエータと、該電磁アクチュエータを構成する電磁石ユニット１の第１コア５と第２コア２との間のギャップを検出するギャップセンサ６と、該電磁石の励磁コイル３に流れる電流を検出する電流センサ８と、該電磁石ユニット１が発生する目標となる磁気力に対応する力指令ｆと該ギャップセンサ６により検出したギャップ信号ｈを入力することにより電流指令Ｉ_ｒを出力する力／電流変換手段９と、該電流指令Ｉ_ｒと電流センサ８により検出した励磁コイル３の電流信号Iの偏差に基づいて、電圧指令Ｕ_ｒを計算する電流制御部１０と、該電流制御部１０で得られた電圧指令Ｕ_ｒを増幅することにより、励磁コイル３に励磁電圧を与えるようにした電力増幅器７とを備えている。

次に、本発明に係る電磁石ユニット１を用いた浮上制御について、その動作を図３を用いて説明する。
図３において、ギャップセンサ６が第１コア５、第２コア２間のギャップｈを検出し、力／電流変換手段９は電磁石ユニット１が発生する目標となる磁気力に対応する力指令ｆ_ｒとギャップセンサにより検出したギャップ信号ｈに基づいて、例えば電磁石の磁気回路モデルなどを用いて電流指令Ｉ_ｒを計算する。減算器１１は電流指令Ｉ_ｒと電流センサ８が検出した励磁コイル３の電流Ｉとの偏差を計算し、電流制御部１０は電流指令Ｉ_ｒと電流センサ８が検出した励磁コイル３の電流Ｉとの偏差に基づいて電圧指令ｕ_ｒを計算する。電力増幅器７は電圧指令ｕ_ｒを増幅して電磁石の励磁コイル３に励磁電圧を与える。このように、電磁アクチュエータは、浮上制御装置を用いることで、力指令から電流指令に変換することで、電磁石ユニット１に指令通りの磁気浮上力を発生するように制御することができる。

本発明の実施例は、電磁石ユニットの一方が、磁性体でできたＩ形断面状の第１コア５と該第１コア５の中央部の位置に形成してなる溝部内に設けた永久磁石４とで構成され、電磁石ユニットの他方が、第１コア５とギャップを介して対向配置されると共に、磁性体でできたＥ形断面状の第２コア２と該第２コア２の中央脚２Ａに巻かれ且つ磁気力を発生する励磁コイル３とを有する電磁石で構成されており、（１）第２コア２における中央脚２Ａの第１コア５との対向面の幅を広げ、該第２コア２の中央脚２Ａと両端に位置する脚との間に形成される窓開口部２Ｂが半閉スロット形状となるようにした構成、（２）また、永久磁石４は第２コア２と対向する面の両端に傾斜した面取り部４Ａを施した構成、（３）さらに、該第２コア２の中央脚２Ａの幅Ａを、第１コア５の溝部幅Ｂの約６０％〜７０％とした構成にしたので、可動子と固定子の位置関係がＸ方向にずれても、電磁石ユニットの吸引力はＺ方向にのみ発生し、Ｘ方向の外乱とならない。また、永久磁石の吸引力によりＺ方向の重力をキャンセルするので、小型で制御性の良い電磁石ユニットを実現することが出来る。

なお、各実施例の電磁アクチュエータは、電磁石ユニットの一方を第１コアと永久磁石を備えた可動子とし、電磁石ユニットの他方を第２コアと励磁コイルを有する電磁石を備えた固定子とする例を示したが、当該可動子と当該固定子を逆の配置構成にしても構わない。
また、第２コア２はＥ形断面状を有しているが、形状は限定されるものではなく、例えばＣ字形状の円柱形状であってもよい。
また、第２コアの中央脚は図１の紙面と垂直方向となる長手方向に一様に均一な断面を有するものに限定されるものではなく、部分的に異なる断面を備えたものであってもよい。

本発明の技術は、半導体製造工場などのクリーンルーム内での磁気浮上搬送だけでなく、液晶基板、電子回路装置、超精密部品などの製造分野での搬送にも適応できる。

本発明の第１実施例を示す電磁石ユニットの正断面図 本発明の電磁石ユニットを複数適用した、４点支持の移動体を備えた磁気浮上搬送ステージ装置の概観を示した斜視図である。 電磁石ユニットを用いた浮上制御を説明するための制御ブロック図 第１従来技術を示す電磁石ユニットの正断面図、 図４のＣ−Ｃ線（中央線）に沿う側断面図 第２従来技術を示す電磁石ユニットの正断面図、 図６のＣ−Ｃ線（中央線）に沿う側断面図

１ 電磁石ユニット
２ 第２コア
２Ａ 中央脚
２Ｂ 窓開口部
３ 励磁コイル
４ 永久磁石
４Ａ 面取り部
５ 第１コア
６ ギャップセンサ
７ 電力増幅器
８ 電流センサ
９ 力／電流変換手段
１０ 電流制御部
１１ 減算器
Ｍ 移動体

Claims (6)

1. 固定子および可動子を備え、
   前記固定子および前記可動子のうち一方は、磁性体でできたＩ形断面状の第１コアと、前記第１コアの中央部の位置に形成してなる溝部内に設けた永久磁石を備え、
   前記固定子および前記可動子のうち他方は、前記第１コアとギャップを介して対向配置されると共に、磁性体でできたＥ形断面状の第２コアと、前記第２コアの中央脚に巻かれ且つ磁気力を発生する励磁コイルとを有する電磁石を備え、
   前記可動子が前記固定子に対して前記ギャップ方向に浮上する構成にしてあり、
   前記第２コアにおける中央脚の前記第１コアとの対向面の幅を広げると共に、該第２コアの中央脚と両端に位置する脚との間に形成される窓開口部が半閉スロット形状となるようにしたことを特徴とする電磁石ユニット。
2. 前記永久磁石は第２コアと対向する面の両端に傾斜した面取り部を施したことを特徴とする請求項１記載の電磁石ユニット。
3. 前記第２コアの中央脚の幅Ａを、前記第１コアの溝部幅Ｂの約６０％〜７０％としたことを特徴とする請求項１記載の電磁石ユニット。
4. 請求項１〜３までの何れか１項に記載の電磁石ユニットを複数備えたことを特徴とする電磁アクチュエータ。
5. 請求項４に記載の電磁アクチュエータと、
   前記電磁アクチュエータを構成する電磁石ユニットの第１コアと第２コアとの間のギャップを検出するギャップセンサと、
   前記電磁石の励磁コイルに流れる電流を検出する電流センサと、
   前記電磁石ユニットが発生する目標となる磁気力に対応する力指令と前記ギャップセンサにより検出したギャップ信号を入力することにより電流指令を出力する力／電流変換手段と、
   前記電流指令と前記電流センサにより検出した励磁コイルの電流信号の偏差に基づいて、電圧指令を計算する電流制御部と、
   前記電流制御部で得られた電圧指令を増幅することにより、前記励磁コイルに励磁電圧を与えるようにした電力増幅器と、
   を備えたことを特徴とする電磁アクチュエータの浮上制御装置。
6. 請求項４に記載の電磁アクチュエータがステージの浮上手段として用いられることを特徴とするステージ装置。

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