JP2006304470A - Electromagnetic unit, electromagnetic actuator, drive controller and stage device therefor - Google Patents
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Abstract
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駆動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駆動制御装置、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。 The present invention relates to an electromagnet unit used as a drive system for a magnetic levitation transport stage that travels along a guide rail while magnetically levitating in a clean room such as a semiconductor manufacturing factory, an electromagnetic actuator using the same, and drive control of the electromagnetic actuator The present invention relates to a device and a stage device using this electromagnetic actuator.
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駆動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。
4 is a front sectional view of an electromagnet unit showing the first prior art, and FIG. 5 is a side sectional view taken along the line CC (center line) of FIG.
4 and 5, 21 is an electromagnet unit, 22 is a second core, 23 is an exciting coil, 24 is a permanent magnet, and 25 is a first core.
One of the electromagnet units is composed of a
In such a configuration, a gap sensor (not shown) is provided facing the gap G between the
FIG. 6 is a front sectional view of an electromagnet unit showing the second prior art, and FIG. 7 is a side sectional view taken along line CC (center line) in FIG. The electromagnet unit of the second prior art is the same as the first prior art in that an E-shaped core and an I-shaped core are combined, but a
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駆動制御装置、およびステージ装置を提供することを目的とする。
However, in the first prior art, when a long stroke is required for the mover of the magnetic levitation transfer stage, it is necessary to divide the permanent magnet attached to the second core of the electromagnet unit. As a result, there has been a problem that attraction force fluctuation occurs in the permanent magnet dividing portion, vibration due to thrust ripple occurs, and positioning accuracy is affected.
Further, in the second prior art, when either the first core or the second core is displaced in the X direction, the component of the magnetic attraction force becomes a restoring force and axial interference occurs, and the Y direction or There is a problem that control in the Z direction becomes difficult.
The present invention has been made in view of such problems, and suppresses the generation of vibration due to thrust ripple, and when the core is displaced in the X direction, the component force of the magnetic attractive force becomes a restoring force. An object of the present invention is to provide an electromagnet unit, an electromagnetic actuator, a drive control device for an electromagnetic actuator, and a stage device that can suppress the axial interference that occurs and can easily perform control in the Y and Z directions, and can obtain high positioning accuracy. .
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。 In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.
請求項1の発明は、磁性体でできたI形断面状の第1コアと、該第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とで構成される第1の電磁石と、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で構成される第2の電磁石と、を備え、前記第1コアと前記第2コアの何れか一方を可動子とし、他方を固定子として構成することにより相対的に移動するようにした電磁石ユニットにおいて、前記第2コアにおける中央脚の第1コアとの対向面の幅を広げ、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。
The invention of
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。 According to a second aspect of the present invention, in the electromagnet unit according to the first aspect, the permanent magnet is provided with inclined chamfered portions at both ends of the surface facing the second core.
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。
The invention according to
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。
The invention of
請求項5の発明は、電磁アクチュエータの駆動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。
The invention of claim 5 is an invention related to a drive control device for an electromagnetic actuator, and is between the electromagnetic actuator according to
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駆動手段として用いられることを特徴としている。 A sixth aspect of the present invention relates to a stage apparatus, wherein the electromagnetic actuator according to the fourth aspect is used as stage driving means.
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。 According to the first aspect of the present invention, the generation of vibration due to the thrust ripple is suppressed, and when the core is displaced in the X direction, the axial interference caused by the component force of the magnetic attractive force is suppressed, and Y , Control in the Z direction can be easily performed.
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。 According to the second aspect, since the magnetic flux at the end of the permanent magnet is lowered, the X direction component of the magnetic attraction force when the core is displaced in the X direction can be reduced, so that the stage device needs to be displaced in the X direction. However, there is no interference with the linear motor for driving in the X direction, and the positioning accuracy in the X direction can be improved.
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。
According to
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。 According to the fourth aspect, when an electromagnetic actuator is designed using a plurality of electromagnet units, the degree of freedom in structure increases and high positioning accuracy can be obtained.
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。 According to the fifth aspect, the force according to the command can be generated in the electromagnetic actuator composed of the plurality of electromagnet units by using the force / current conversion means.
請求項6によると、電磁アクチュエータにより駆動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。 According to the sixth aspect, a high positioning accuracy can be obtained by using a stage device driven by an electromagnetic actuator.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the description is abbreviate | omitted about the same component of this invention as a prior art, and a different point is demonstrated.
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、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。
FIG. 1 is a front sectional view of an electromagnet unit showing a first embodiment of the present invention.
In the figure, 1 is an electromagnet unit, 2 is a second core, 3 is an exciting coil, 4 is a permanent magnet, and 5 is a first core.
One of the electromagnet units of the present invention is composed of a first core 5 having an I-shaped cross section made of a magnetic material and a
The present invention differs from the second prior art in that the width of the surface of the second core 2 facing the first core 5 of the
Further, the
Further, the width A of the
図2は本発明の電磁石ユニットを複数適用した、4点支持の移動子を有する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、移動子MのP1、P2、P3、P4の位置に4個配置されたもので、移動子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子を、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P1とP3、P2とP4を結ぶ方向に平行に移動するように制御する。
FIG. 2 is a perspective view showing an overview of a magnetic levitation transfer stage apparatus having a four-point movable slider to which a plurality of electromagnet units of the present invention are applied.
The
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駆動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駆動制御装置としては、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Irを出力する力/電流変換手段9と、該電流指令Ir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Ur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Ur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。
Next, an electromagnetic actuator drive control apparatus using the plurality of
FIG. 3 is a control block diagram for explaining the floating control of the electromagnetic actuator using the electromagnet unit.
As an electromagnetic actuator drive control device, an electromagnetic actuator comprising a plurality of
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fr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Irを計算する。減算器11は電流指令Ir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Ir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urを計算する。電力増幅器7は電圧指令ur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、駆動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。
Next, the operation of the levitation control using the
In FIG. 3, the
本発明の実施例は、電磁石の一方が、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とで構成された電磁石ユニットにおいて、(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。
In an embodiment of the present invention, one of the electromagnets has a first core 5 having an I-shaped cross section made of a magnetic material, and a
なお、各実施例の電磁アクチュエータは、第1コアと永久磁石を有する電磁石を可動子とし、第2コアと励磁コイルを有する電磁石を固定子とする例を示したが、電磁石の第2コアを可動子とし、第1コアを固定子として構成するようにしても構わない。
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。
In addition, although the electromagnetic actuator of each Example showed the example which uses the electromagnet which has a 1st core and a permanent magnet as a mover, and used the electromagnet which has a 2nd core and an exciting coil as a stator, the 2nd core of an electromagnet was shown. A mover may be used, and the first core may be configured as a stator.
Moreover, although the 2nd core 2 has E-shaped cross-sectional shape, a shape is not limited, For example, a C-shaped column shape may be sufficient.
Further, the central leg of the second core is not limited to the one having a uniform and uniform cross section in the longitudinal direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1, and has a partially different cross section. Also good.
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。 The technology of the present invention can be applied not only to magnetic levitation conveyance in a clean room such as a semiconductor manufacturing factory, but also to conveyance in the manufacturing field of liquid crystal substrates, electronic circuit devices, ultra-precision parts, and the like.
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 移動子
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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で構成される第2の電磁石と、
を備え、
前記第1コアと前記第2コアの何れか一方を可動子とし、他方を固定子として構成することにより相対的に移動するようにした電磁石ユニットにおいて、
前記第2コアにおける中央脚の第1コアとの対向面の幅を広げ、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。 A first electromagnet configured by a first core having an I-shaped cross section made of a magnetic material, and a permanent magnet provided in a groove formed at the position of the center of the first core;
A second core having an E-shaped cross section made of a magnetic material and opposed to the first core via a gap, and an exciting coil wound around a central leg of the second core and generating magnetic force A second electromagnet configured;
With
In the electromagnet unit configured to move relatively by configuring either one of the first core and the second core as a mover and the other as a stator,
The width of the surface of the second core facing the first core is widened, and the window opening formed between the central leg of the second core and the legs located at both ends has a semi-closed slot shape. An electromagnet unit characterized by being configured as described above.
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駆動制御装置。 An electromagnetic actuator according to claim 4,
A gap sensor for detecting a gap between the first core and the second core of the electromagnet unit constituting the electromagnetic actuator;
A current sensor for detecting a current flowing in an excitation coil of the electromagnet;
Force / current conversion means for outputting a current command by inputting a force command corresponding to a target magnetic force generated by the electromagnet unit and a gap signal detected by the gap sensor;
A current control unit that calculates a voltage command based on a deviation between the current command and the current signal of the exciting coil detected by the current sensor;
By amplifying the voltage command obtained by the current control unit, a power amplifier configured to give an excitation voltage to the excitation coil;
A drive control apparatus for an electromagnetic actuator, comprising:
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