JP3793871B2 - ステージ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＡ機器の搬送システムなど、高速・高精度に位置決めすることが要求される用途に適するリニアモータを用いたステージ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、基板などの被加工物や被計測物などを、高速・高精度に位置決めすることが要求されているＦＡ機器の搬送システム、例えばステージ装置などの用途においては、位置決め精度および応答性に優れたリニアモータが適用されている。従来のリニアモータをＦＡ機器の搬送システムなどに用いた一般的な適用例としては、図５のようになっている。図５は従来のリニアモータをステージ装置に適用した例を示すものであって、（ａ）はその正面図、（ｂ）はＸ軸リニアモータの側面図であり、可動子と固定子の位置関係を表すために透視したものである。図において、１０はＺ軸リニアモータ、１１はＺ軸アクチュエータ、１２はスライダ、１３はガイドレール、１４は移動ステージ、１５は固定台、２１はＸ軸リニアモータ、２２は界磁ヨーク、２３は永久磁石、２４はヨークベース、２５は電機子、２６はコイル列、２７はフレームである。ステージ装置は、固定台１５上を紙面と垂直方向となるようなＸ軸方向に往復移動自在であるＸ軸リニアモータ２１と、Ｘ軸リニアモータ２１上をＺ軸方向に往復移動自在であるＺ軸リニアモータ１０と、Ｘ軸リニアモータ２１の上部に配設され、被加工物や被計測物などを載置するための移動ステージ１４と、Ｚ軸リニアモータ１０側と固定台１５側にそれぞれ設けたスライダ１２とガイドレール１３とよりなるリニアガイドで構成されている。このうち、一方のＸ軸リニアモータ２１は、Ｎ極、Ｓ極の極性が交互に異なるように界磁極を構成する複数の永久磁石２３が２列の界磁ヨーク２２の側面に直線状に並べて配置され、各々の界磁ヨーク２２の間にヨークベース２４を配設して固定子を構成している。また、Ｘ軸リニアモータ２１は、永久磁石２３の磁石列と磁気的空隙を介してコアレス型の電機子２５を対向配置し、これを可動子としている。この電機子２５は、平板状に成形してなる複数個のコイル列２６を有すると共に、該コイル列２６を図示しない金属や樹脂からなる芯金の両面に直線状に並べて配置し、図示しない樹脂モールドなどにより固定して一体化している。さらに、電機子２５の上部には、その長手方向に沿ってステンレス製のフレーム２７を設け、例えば、電機子の芯金（不図示）の一部をフレーム２７に挿入して、電機子２５とフレーム２７を固定するようになっている。他方のＺ軸リニアモータ１０においては、Ｚ軸アクチュエータ１１を例えば、一般的に公知である円筒形状をした可動子と固定子からなる機構で構成し、Ｘ軸リニアモータ２１がＸ軸方向に移動した際にも、独立してＺ軸方向に自在に移動できるようになっている。このような構成において、図５は、Ｚ軸アクチュエータ１１の昇降位置を、Ｘ軸リニアモータ２１の可動子であるコイル列２６と固定子である永久磁石２３とが高さ方向にちょうど重なる位置になるようした場合を示したものであるが、Ｘ軸リニアモータ２１は、図示しない電源より各相のコイル列２６に電流を印加すると、コイル列２６には永久磁石２３との電磁作用により、コイル列２６と永久磁石２３間の磁気的空隙部中に形成された磁界からコイル列２６の長手方向に向かって電磁力が働いて推力を発生し、滑らかな直線移動を行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、以下のような問題があった。
（１）図６は従来のＸ軸リニアモータの可動子が固定子に対して最上部の位置に昇降移動した際の状態を示すものであって、（ａ）はその正面図、（ｂ）その側面図である。図７は従来のＸ軸リニアモータの可動子が固定子に対して最下部の位置に昇降移動した際の状態を示すものであって、（ａ）はその正面図、（ｂ）その側面図である。なお、各図においてＳはＺ軸リニアモータの昇降ストロークを示している。図５に示すようにコイル列２６と永久磁石２３の形状は高さ方向に同等の大きさであるので、コイル列２６が図６に示すようにＺ軸の上方向に移動するとコイル列２６が永久磁石２３の上部からはみ出してしまう。また、コイル列２６が図７に示すようにＺ軸の下方向に移動するとコイル列２６が永久磁石２３の下部からはみ出してしまう。このため、コイル列２６が永久磁石２３からはみ出した分だけ、コイル列２６に流れる駆動に寄与するコイル電流が低下するため、Ｘ軸リニアモータ２１を例えば、Ｚ軸アクチュエータ１１によって昇降方向となるＺ軸方向に昇降させながら、水平移動方向となるＸ軸方向に移動させる場合には、Ｘ軸リニアモータ２１の推力が低下してしまうという問題があった。
（２）また、（１）において、Ｘ軸リニアモータ２１を昇降させた場合に、ステンレス製のフレームが永久磁石に対向すると渦電流による粘性制動力が発生し、可動子の推力のロスにつながるという問題があった。
（３）また、Ｘ軸リニアモータ２１においては、電機子５あるいはフレーム７に何の冷却対策も講じられていないため冷却性が悪い。そのため、コイル列６の温度上昇が大きいと、コイル列６で生じた熱がフレーム７を介して移動ステージ１４に熱伝導した際、移動ステージ１４が熱変形を起こして、ステージ装置全体の位置決め精度に影響を与えるという、問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、水平方向に移動させるリニアモータを、昇降移動機構を有するステージ装置などの用途に適用した場合に、渦電流による粘性制動力を発生することなく、可動子の推力低下を防止することができる、冷却性の良いリニアモータを用いたステージ装置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】
上記課題を解決するために、請求項１の本発明は、交互に極性が異なるように界磁極を構成する複数の永久磁石を直線状に並べて配置した界磁ヨークより構成される固定子と、前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を介し、該磁石列の長手方向に向かって平行に対向配置したコイル列を有する電機子と該電機子を支持するためのセラミックよりなる絶縁体で構成されたフレームとより構成される可動子と、を備え、固定台に対して水平方向となるＸ軸方向に向かって往復移動自在となるように、前記界磁極と前記電機子を相対的に走行するようにしたＸ軸リニアモータと、前記Ｘ軸リニアモータのフレームの上部に設けられ 、被加工部物などを載置するための移動ステージと、前記固定台上の前記Ｘ軸リニアモータの両側に配置されると共に、前記移動ステージを該固定台に対して垂直方向となるＺ軸方向に移動自在となるように設けてなるＺ軸リニアモータと、前記Ｚ軸リニアモータと前記固定台の間に設けたリニアガイドと、を備えたステージ装置において、前記永久磁石は、該磁石列が配置される長手方向と直交する方向の長さを、前記コイル列の電機子の長手方向と直交する方向の長さより大きくしてあり、前記フレームは、内部に冷却ジャケットを有していることを特徴とするステージ装置としたものである。
【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は本発明の第１の実施例によるリニアモータをステージ装置に適用した例を示す正面図である。なお、本発明が従来と同じ構成要素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、１はＸ軸リニアモータ、２は界磁ヨーク、３は永久磁石、４はヨークベース、５は電機子、６はコイル列、７はフレームである。
本発明が従来と異なる点は、以下のとおりである。
Ｘ軸リニアモータ１における永久磁石３は、その磁石列が配置される長手方向と直交する方向の長さを、コイル列６の電機子５の長手方向と直交する方向の長さより大きくした点である。また、フレーム７を絶縁体によって構成してあり、特に絶縁体にセラミックを用いると好ましい。
【０００６】
図２は本発明の第１の実施例によるＸ軸リニアモータの可動子が固定子に対して最上部の位置に昇降移動した際の状態を示すものであって、（ａ）はその正面図、（ｂ）その側面図である。図３は本発明の第１の実施例によるＸ軸リニアモータの可動子が固定子に対して最下部の位置に昇降移動した際の状態を示すものであって、（ａ）はその正面図、（ｂ）その側面図である。なお、各図においてＳはＺ軸リニアモータの昇降ストロークを示しておる。
第１の実施例は、Ｘ軸リニアモータ１の永久磁石３は、その磁石列が配置される長手方向と直交する方向の長さが、コイル列６の電機子５の長手方向と直交する方向の長さより大きくしてあるため、図２に示すように可動子のコイル列６が多少Ｚ軸の上方向に移動しても、コイル列６が永久磁石３の上部からはみ出してしまうことはない。また、図３に示すようにコイル列６が多少Ｚ軸の下方向に移動してもコイル列６が永久磁石３の下部からはみ出してしまうこともない。このため、コイル列６が永久磁石３からはみ出さないため、コイル列６に流れる駆動に寄与するコイル電流が低下することはない。このような水平方向に移動させるＸ軸リニアモータを、昇降移動機構を有するステージ装置などと組み合わせてＺ軸方向に昇降させながら水平移動させると、Ｘ軸リニアモータ１の推力を低下することなく、高精度に移動させることができる。また、フレーム７をセラミックからなる絶縁体によって構成したため、Ｘ軸リニアモータ１を昇降させた場合に、セラミック製のフレーム７が永久磁石３にかかっても渦電流による粘性制動力が発生することなく、可動子の推力低下を防ぐことができる。
【０００７】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
図４は本発明の第２の実施例によるＸ軸リニアモータの正面図である。
第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、フレーム９の内部に冷却ジャケット８を設け、図示しない冷媒供給装置から冷却ジャケット８に冷媒を供給するようにしたものである。この際、可動子を駆動させるためのコイル電流がコイル列６に流れると、コイル列６は内部抵抗により発熱を起こすが、コイル列６で発生した熱は、コイル列６を保持する芯金（不図示）を介してフレーム７に伝熱した後、冷却ジャケット８の内部を循環する冷媒によって熱交換される。よって、冷却ジャケット８により、電機子５全体の冷却性能を良好にすることができる。そして、フレーム７で効率的に熱交換されるため、移動ステージ１４の熱変形を防ぐことができ、ステージ装置全体の位置決め精度への影響を防止することができる。
【０００８】
なお、本実施例では、リニアモータの電機子を可動子に、界磁極を固定子とした構成を例にとり説明したが、リニアモータの電機子を固定子に、界磁極を可動子とした構成にしても構わない。また、本実施例では、電機子コイルのコイル列が２列の例を用いて説明したが、コイル列が３列構造のものでも良く、その際、コイル列数と相数の組合せが限定されるものでない。
【０００９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、以下の効果がある。
（１）第１の実施例は、Ｘ軸リニアモータの永久磁石は、その磁石列が配置される長手方向と直交する方向の長さが、コイル列の電機子の長手方向と直交する方向の長さより大きくしてあるため、可動子のコイル列が固定子に対して多少、上下方向に移動しても、コイル列が永久磁石の上部あるいは下部の位置からはみ出してしまうことはなく、コイル列に流れる駆動に寄与するコイル電流の低下を防止することができる。このような水平方向に移動させるＸ軸リニアモータを、昇降移動機構を有するステージ装置などと組み合わせてＺ軸方向に昇降させながら、水平移動させるとＸ軸リニアモータの推力を低下することなく、高精度に移動させることができる。また、フレームをセラミックからなる絶縁体によって構成したため、Ｘ軸リニアモータを昇降させた場合に、セラミック製のフレームが永久磁石にかかっても渦電流による粘性制動力が発生することなく、可動子の推力低下を防ぐことができる。
（２）第２の実施例は、フレームの内部に冷媒を供給し熱交換する冷却ジャケットを設けたため、コイル列で発生した熱がコイル列を保持する芯金を介してフレームに伝熱した後、冷却ジャケットの内部を循環する冷媒によって熱交換され、電機子全体の冷却性能を良好にすることができる。そして、フレームで効率的に熱交換されるため、移動ステージの熱変形を防ぐことができ、ステージ装置全体の位置決め精度への影響を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるリニアモータをステージ装置に適用した例を示す正面図である。
【図２】本発明の第１の実施例によるＸ軸リニアモータの可動子が固定子に対して最上部の位置に昇降移動した際の状態を示すものであって、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図３】本発明の第１の実施例によるＸ軸リニアモータの可動子が固定子に対して最下部の位置に昇降移動した際の状態を示すものであって、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図４】本発明の第２の実施例によるＸ軸リニアモータの正面図である。
【図５】従来のリニアモータをステージ装置に適用した例を示すものであって、（ａ）はその正面図、（ｂ）はＸ軸リニアモータの側面図であり、可動子と固定子の位置関係を表すために透視したものである。
【図６】従来のＸ軸リニアモータの可動子が固定子に対して最上部の位置に昇降移動した際の状態を示すものであって、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図７】従来のＸ軸リニアモータの可動子が固定子に対して最下部の位置に昇降移動した際の状態を示すものであって、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。
【符号の説明】
１ Ｘ軸リニアモータ（本発明のリニアモータ）
２ 界磁ヨーク
３ 永久磁石
４ ヨークベース
５ 電機子
６ コイル列
７ フレーム
８ 冷却ジャケット
１０ Ｚ軸リニアモータ
１１ Ｚ軸アクチュエータ
１２ スライダ
１３ ガイドレール
１４ 移動ステージ
１５ 固定台

Claims (1)

1. 交互に極性が異なるように界磁極を構成する複数の永久磁石を直線状に並べて配置した界磁ヨークより構成される固定子と、前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を介し、該磁石列の長手方向に向かって平行に対向配置したコイル列を有する電機子と該電機子を支持するためのセラミックよりなる絶縁体で構成されたフレームとより構成される可動子と、を備え、固定台に対して水平方向となるＸ軸方向に向かって往復移動自在となるように、前記界磁極と前記電機子を相対的に走行するようにしたＸ軸リニアモータと、
   前記Ｘ軸リニアモータのフレームの上部に設けられ、被加工部物などを載置するための移動ステージと、
   前記固定台上の前記Ｘ軸リニアモータの両側に配置されると共に、前記移動ステージを該固定台に対して垂直方向となるＺ軸方向に移動自在となるように設けてなるＺ軸リニアモータと、
   前記Ｚ軸リニアモータと前記固定台の間に設けたリニアガイドと、
   を備えたステージ装置において、
   前記永久磁石は、該磁石列が配置される長手方向と直交する方向の長さを、前記コイル列の電機子の長手方向と直交する方向の長さより大きくしてあり、
   前記フレームは、前記移動ステージの熱変形を防ぐように、内部に前記電機子のコイルで生じた熱を冷媒により熱交換する冷却ジャケットを有していることを特徴とするステージ装置。

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