JP4558524B2 - リニアモータ及びその製造方法及びこのリニアモータを用いたステージ装置 - Google Patents

Description

本発明はコイルの周囲に冷却水を供給してリニアモータの発熱を抑えるように構成されたリニアモータ及びその製造方法及びこのリニアモータを用いたステージ装置に関する。

例えば、半導体製造装置や液晶製造装置等に用いられる精密位置決め装置では、基板などの被加工物が載置されたステージを駆動する駆動手段としてリニアモータを用いており、ステージの両端を一対のリニアモータにより並進駆動制御している。

この種のリニアモータでは、複数のコイルが一列に配設されたコイル部と、コイル列に対向するように配置された複数の永久磁石が一列に配設されたマグネットヨーク部とから構成されている。そして、コイル部に通電されて電磁力が発生することにより、永久磁石に対して推力（駆動力）が発生する。

また、リニアモータの構成としては、マグネットヨーク部が固定側でコイル部が可動側となるムービングコイル方式と、コイル部が固定側でマグネットヨーク部が可動側となるムービングマグネット方式とがある。

上記２方式の何れの方式においてもコイルからの発熱による温度上昇が発生すると、コイル自体の抵抗値が上昇するため、駆動電流が低下することになる。リニアモータでは、推力が駆動電流に比例することから、駆動電流が低下すると、推力も低下する。

また、コイルから発生した熱が外環境に影響を与える。そのため、リニアモータでは、コイルからの発熱による影響を減らすため、コイル部を冷却する冷却手段を設けている。この冷却手段としては、例えば、コイル部に冷却配管を取り付け、冷却配管に冷媒または純水を供給してコイルの熱を冷却している（例えば、特許文献１参照）。

また、リニアモータにおいては、コイルの冷却効率を高めることが要望されており、例えば、複数のコイルをホルダ及びモールドと呼ばれる樹脂材により覆い、さらに、その周囲をステンレス等の金属やカーボン繊維により強化されたＣＦＲＰ(Carbon Fiber Reinforced Plastics)等の樹脂材、あるいはセラミックス等からなるカバー部材で覆って上記樹脂材とカバー部材との間に冷却用流路を形成したものがある。そして、この冷却構造では、冷却用流路に不活性冷媒（フッ素系不活性液体）を流してコイルの熱を不活性冷媒との熱交換により回収するように構成されている。この不活性冷媒は、リニアモータ自体の機能を損なう恐れがなく、コイルの絶縁性にも影響を与えない性質を有しているが、比較的比熱が低いので、冷却効率を高めることが難しい。
特開２００３−２２４９６１号公報

しかしながら、リニアモータでは、コイル列に電流を流すことによって推力（駆動力）を発生させる構成であるので、より大きな推力を得る場合、あるいは可動部の移動速度を高めて高速移動させる場合には、コイルの発熱量が増大するため、リニアモータ自体の性能が低下するばかりか、精密に位置決めを行う装置、例えば、半導体製造装置等ではレーザ干渉計等の計測機器が影響を受けたり、可動部を支持する構造部材が温度変化によって変形するといった現象が生じて精密な位置決めの障害となっている。

このようなコイルの発熱量が増大するのに対し、冷却効率をより高めることが要望されており、例えば、上記コイルの冷却構造において、不活性冷媒よりも比熱の高い水を冷却液として用いることが検討されている。

ところが、上記樹脂材とカバー部材との間に形成された冷却用流路に水を供給して冷却効率を高める場合、コイルを覆う樹脂材に水が浸透して絶縁破壊を引き起こしたり、樹脂とコイルとの間に侵入した水分が発熱により気化膨脹し、端面に集中した応力が樹脂強度を超えて樹脂にクラックを生じさせたり、樹脂成分や金属イオンが溶け出すという問題が生じる。

そこで、本発明は上記課題を解決したリニアモータ及びリニアモータのコイル製造方法及びこの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。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような特徴を有する。

請求項１記載の発明は、複数のコイルが並設されたコイル部と、複数の永久磁石が前記コイル部に対向するように並設されたマグネットヨーク部と、前記コイル部を覆うカバー部材と、前記カバー部材の内側に形成され、冷却水の供給により前記コイル部を冷却するコイル冷却部と、を備え、前記コイル部は、前記複数のコイルの周囲に樹脂材を形成し、前記樹脂材の表面にガラス膜を形成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記カバー部材の内面にガラス膜を形成したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記コイル部は、前記複数のコイルの周囲に第１ガラス膜を形成し、前記第１ガラス膜の表面に樹脂材を形成し、前記樹脂材の表面に第２ガラス膜を形成したことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記コイル部は、前記複数のコイルから引き出されたリード線を前記カバー部材の外部に導くリード線通路を有し、該リード線通路の外周にガラス膜を形成したことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、前記冷却水は、純水であることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、複数のコイルを並設する第1の工程と、前記複数のコイルの周囲に樹脂材を形成する第２の工程と、前記樹脂材の表面にガラス膜を形成する第３の工程と、冷却水が供給される冷却水流路を形成するカバー部材で前記ガラス膜の周囲を覆う第４の工程と、前記コイルから引き出されたリード線を引き出すリード線通路を前記カバー部材の端部内側に取り付ける第５の工程と、複数の永久磁石を有するマグネットヨーク部が前記コイル部に対向するように前記マグネットヨーク部を取り付ける第６の工程と、を有することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載のリニアモータを駆動手段に用いたことを特徴とするステージ装置である。

本発明によれば、複数のコイルの周囲に樹脂材を形成し、樹脂材の表面にガラス膜を形成したため、冷却水の供給によりコイルの熱を効率良く冷却することが可能になると共に、ガラス膜によってコイル及び樹脂材に冷却水が浸透することを防止でき、冷却水による絶縁破壊やクラックの発生を防ぐことができる。また、コイル表面の絶縁材や金属イオンが溶け出すことを防止できる。

また、本発明によれば、カバー部材の内面にガラス膜を形成したため、冷却水によってカバー部材から金属イオンが溶け出すことを防止できる。

また、本発明によれば、複数のコイルの周囲に第１ガラス膜を形成し、第１ガラス膜の表面に樹脂材を形成し、樹脂材の表面に第２ガラス膜を形成したため、２重のガラス膜によって冷却水が浸透することを防止でき、冷却水によってコイル表面の絶縁材や金属イオンが溶け出すことを防止できる。

また、本発明によれば、複数のコイルから引き出されたリード線をカバー部材の外部に導くリード線通路を有し、リード線通路の外周にガラス膜を形成したため、リード線に冷却水が浸透することを防止でき、冷却水によってリード線から絶縁材や金属イオンが溶け出すことを防止できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は本発明によるリニアモータの一実施例が適用されたステージ装置の平面図である。図１に示されるように、ステージ装置１０は、ＸＹステージであり、コンクリート製の基礎上に固定されたベース１４と、ベース１４上を移動する可動部１６と、可動部１６の両端部をＹ方向に駆動する一対のリニアモータ２０とを有する。

可動部１６は、リニアモータ２０により駆動されるスライダ１８と、スライダ１８間を連結するように移動方向と直交するＸ方向に横架されたＹスライダ２４と、Ｙスライダ２４上をＸ方向に移動するＸスライダ２６とを有する。

スライダ１８は、Ｙ方向に延在するガイド部３０にガイドされてＹ方向に摺動可能に支持されており、且つ駆動手段としてのリニアモータ２０からの推力（駆動力）によってＹ方向の移動を制御される。

可動部１６は、左右両端に設けられたスライダ１８がガイド部３０によりガイドされながらリニアモータ２０の駆動力によりＹ方向に駆動される。また、各リニアモータ２０は、可動部１６の両端に配置された一対のスライダ１８を並進させるように同一の駆動力を同時に発生させるように制御される。

ここで、リニアモータ２０の構成について図２を参照して説明する。図２に示されるように、リニアモータ２０は、ムービングマグネット型（ＭＭ型）であり、ベース１４上に固定されるコイル部６０と、コイル部６０の延在方向に移動するマグネットヨーク部６２とから構成されている。コイル部６０は、後述する複数のコイル６６（図４参照）が並設されており、マグネットヨーク部６２は、コイル６６に対向するように配置された永久磁石６８を有する。

また、コイル部６０のコイル６６は、永久磁石４６に対向するように配置されており、駆動電圧の印加により永久磁石４６に対するＹ方向の推力（駆動力）を発生させる。

従って、リニアモータ２０は、永久磁石４６に対するローレンツ力をコイル部６０から発生させることでＹ方向の駆動力をスライダ１８に付与するように構成されており、コイル部６０のコイル６６に印加される電圧を制御されることによりスライダ１８をＹ方向に一定速度で走行させるように駆動力を発生させることができる。

コイル部６０は、前端上部にコイル６６を冷却するための冷却水が供給される冷却水供給口７０が設けられ、後端下部に冷却水を排出する冷却水排出口７２が設けられている。従って、冷却水供給口７０から供給された冷却水は、後方向（Ｙ方向）に流れながら下方への流れとなり、冷却水排出口７２から排出される。

また、コイル部６０の内部には、後述する冷却水流路７４が形成されており、冷却水供給口７０から供給された冷却水は、冷却水流路７４の全域に充填された冷却水を後方向（Ｙ方向）に押し流すと共に、流れる過程で熱交換を行って各コイル６６の熱を回収する。

本実施例では、冷却水として塩素を含んだ水道水を用いても良いし、あるいは不純物を除去した純水を用いても良い。また、冷却水は、不活性冷媒よりも比熱が高いので、冷却効率が良く、コイル６６からの発熱を充分に冷却することができる。そのため、リニアモータ２０の推力（駆動力）を増大させる場合、あるいはスライダ１８を高速移動させる場合にコイル６６からの発熱量が増大することが考えられるが、冷却水流路７４に冷却水を供給することにより、従来用いていた不活性冷媒よりも効率良く冷却することが可能になる。

図３（Ａ）はコイル部６０の内部構造を示す縦断面図、図３（Ｂ）はＡ部を拡大して示す拡大断面図である。図３（Ａ）（Ｂ）に示されるように、コイル部６０は、２列のコイル６６をモールド（樹脂材）７６により一体化したものがカバー部材７８に覆われている。モールド７６の表面には、ガラス膜８０が形成されている。ガラス膜８０は、無機材であるので、絶縁性を有しており、水が浸透することを防止することができる。

そして、カバー部材７８の内壁とガラス膜８０の表面との隙間には、冷却水が流れる冷却水流路７４が形成されている。尚、カバー部材７８は、ステンレス材または樹脂材またはセラミックスにより形成されている。

このガラス膜８０は、例えば、液体ガラスと呼ばれる液状化されたガラス材をコーティングすることにより均一な厚さ（数ミクロン）に形成される。また、ガラスコート剤と呼ばれる液状のコーティング剤を用いることで常温でのコーティングが可能になり、容易にガラス膜８０を形成することができる。このように、コイル６６の表面全体をガラス膜８０によって覆うことにより、冷却水流路７４を流れる冷却水がコイル６６側に浸透することを防止できる。そのため、冷却水によって絶縁破壊を起こしたり、コイル表面の絶縁材や金属イオンが溶け出すことを防止できる。

尚、ガラス膜８０としては、石英ガラスを用いることが好ましい。また、ガラスコート剤は、シリカ皮膜とは全く異なった強固なガラス皮膜も比較的低温で形成することが可能なため、製法的にも容易であり、低コストで強度的に充分なガラス膜８０をモールド７６の表面全体にコーティングすることができる。

図４は２列のコイル６６を並設した状態を示す斜視図である。図４に示されるように、コイル部６０は、両側が９０度曲げられたコ字状のコイル６６が進行方向（Ｘ方向）に並設された２つのコイル列６０Ａ，６０Ｂが夫々１８０度異なる向きで対向配置されており、第１コイル列６０Ａのコイル６６と第２コイル列６０Ｂのコイル６６とが交互に嵌合するように組み合わされている。

従って、第１コイル列６０Ａのコイル６６の直線部６６Ａが第２コイル列６０Ｂのコイル６６の凹部６６Ｃに嵌合され、第２コイル列６０Ｂのコイル６６の直線部６６Ａが第１コイル列６０Ａのコイル６６の凹部６６Ｃに嵌合され、第１コイル列６０Ａのコイル６６の直線部６６Ａと第２コイル列６０Ｂのコイル６６の直線部６６Ａとが重なり合うように交互に組み合わされている。そして、複数のコイル６６は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に分かれて制御されるため、各相からリード線が２本ずつ引き出される。

図５はコイル部６０の右側面図である。図６（Ａ）は図５中Ｖ−Ｖ線に沿う縦断面図、図６（Ｂ）はＢ部を拡大して示す拡大断面図である。図５及び図６（Ａ）（Ｂ）に示されるように、コイル部６０は、複数のコイル６６が収納されたカバー部材７８の両端には、長方形状のブロック８２，８４が嵌合固定されている。尚、カバー部材７８及びブロック８２，８４がステンレス等の金属材により形成されている場合には、嵌合部分を溶接により接合して気密構造とする。

一方のブロック８２には、冷却水供給口７０が貫通され、他方のブロック８４には、冷却水排出口７２が貫通されている。そして、冷却水供給口７０及び冷却水排出口７２は、金属パイプからなり、その外周は、全周が溶接によりブロック８２，８４に接合されており、気密構造になっている。

また、各コイル６６のリード線８６（６本）は、リード線ガイド部材８８に挿通されて外部に引き出されている。リード線ガイド部材８８は、ステンレス等の金属パイプからなり、一端がコイル６６側に挿入され、他端がブロック８４に貫通されている。また、内部にリード線通路を有するリード線ガイド部材８８の外周にも液体ガラスがコーティングされおり、リード線ガイド部材８８の外周全体にガラス膜８９が形成されている。そのため、冷却水は、ガラス膜８９によってリード線ガイド部材８８に浸透することを防止される。そのため、リード線８６が冷却水により絶縁破壊を起こしたり、絶縁材や金属イオンが溶け出すことが防止される。

ここで、リニアモータ２０の製造方法の手順について説明する。
（手順１）複数のコイル６６を並設する（図４参照）。
（手順２）コイル６６から引き出されたリード線８６をリード線ガイド部材８８に挿入する。
（手順３）複数のコイル６６の周囲にモールド７６を形成する（図３（Ａ）（Ｂ）参照）。
（手順４）モールド７６の表面に液体ガラスをコーティングしてガラス膜８０を形成する（図３（Ａ）（Ｂ）参照）。
（手順５）冷却水が供給される冷却水流路７４を形成するカバー部材７８によりガラス膜８０の周囲を覆う（図３（Ａ）（Ｂ）参照）。
（手順６）リード線８６が挿入されたリード線ガイド部材８８をカバー部材７８の端部内側に取り付ける（図６（Ａ）（Ｂ）参照）。
（手順７）カバー部材７８の両端に溶接によりブロック８２，８４を接合する。
（手順８）複数の永久磁石６８を有するマグネットヨーク部６２がコイル部６０に対向するように、マグネットヨーク部６２をコイル部６０に組み付ける（図２参照）。

図７は変形例１のＡ部を拡大して示す縦断面図である。図７に示されるように、変形例１では、カバー部材７８の内面にもガラス膜９０がコーティングされている。そのため、冷却水によりカバー部材７８から金属イオンが溶け出すことを防止できる。

図８は変形例２のＡ部を拡大して示す縦断面図である。図８に示されるように、変形例２では、複数のコイル６６の周囲に第１ガラス膜９２をコーティングし、第１ガラス膜９２の表面に樹脂材７６をモールドし、樹脂材７６の表面に第２ガラス膜９４をコーティングしてある。そのため、変形例２では、２重のガラス膜９２，９４によって冷却水が浸透することを防止できるので、冷却水による絶縁破壊やクラックの発生を防ぐことができ、コイル表面の絶縁材や金属イオンが溶け出すことを確実に防止でき、耐久性が向上している。

上記実施例では、ステージ装置に用いられるリニアモータを一例として挙げたが、これに限らず、他の装置の駆動手段として用いられるリニアモータにも本発明を適用できるのは勿論である。

また、上記実施例では、ムービングマグネット型（ＭＭ型）のリニアモータについて説明したが、本発明は、ムービンコイル型（ＭＣ型）のリニアモータにも適用できるのは言うまでもない。

本発明になるリニアモータの一実施例が適用されたステージ装置の平面図である。 リニアモータ２０の構成を示す斜視図である。 コイル部６０の内部構造を示す図であり、（Ａ）はコイル部６０の縦断面図、（Ｂ）はＡ部を拡大して示す拡大断面図である。 ２列のコイル６６を並設した状態を示す斜視図である。 コイル部６０の右側面図である。 コイル部６０の内部を示す図であり、（Ａ）は図５中Ｖ−Ｖ線に沿う縦断面図、（Ｂ）はＢ部を拡大して示す拡大断面図である。 変形例１のＡ部を拡大して示す縦断面図である。 変形例２のＡ部を拡大して示す縦断面図である。

符号の説明

１０ ステージ装置
１４ ベース
１８ スライダ
２０ リニアモータ
２４ Ｙスライダ
６０ コイル部
６２ マグネットヨーク部
６６ コイル
６８ 永久磁石
７０ 冷却水供給口
７２ 冷却水排出口
７４ 冷却水流路
７６ モールド
７８ カバー部材
８０，８９，９０ ガラス膜
８２，８４ ブロック
８６ リード線
８８ リード線ガイド部材
９２ 第１ガラス膜
９４ 第２ガラス膜

Claims (7)

1. 複数のコイルが並設されたコイル部と、
   複数の永久磁石が前記コイル部に対向するように並設されたマグネットヨーク部と、
   前記コイル部を覆うカバー部材と、
   前記カバー部材の内側に形成され、冷却水の供給により前記コイル部を冷却するコイル冷却部と、
   を備え、
   前記コイル部は、前記複数のコイルの周囲に樹脂材を形成し、前記樹脂材の表面にガラス膜を形成したことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記カバー部材の内面にガラス膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記コイル部は、前記複数のコイルの周囲に第１ガラス膜を形成し、前記第１ガラス膜の表面に樹脂材を形成し、前記樹脂材の表面に第２ガラス膜を形成した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。
4. 前記コイル部は、前記複数のコイルから引き出されたリード線を前記カバー部材の外部に導くリード線通路を有し、該リード線通路の外周にガラス膜を形成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のリニアモータ。
5. 前記冷却水は、純水であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のリニアモータ。
6. 複数のコイルを並設する第1の工程と、
   前記複数のコイルの周囲に樹脂材を形成する第２の工程と、
   前記樹脂材の表面にガラス膜を形成する第３の工程と、
   冷却水が供給される冷却水流路を形成するカバー部材で前記ガラス膜の周囲を覆う第４の工程と、
   前記コイルから引き出されたリード線を引き出すリード線通路を前記カバー部材の端部内側に取り付ける第５の工程と、
   複数の永久磁石を有するマグネットヨーク部が前記コイル部に対向するように前記マグネットヨーク部を取り付ける第６の工程と、
   を有することを特徴とするリニアモータの製造方法。
7. 請求項１乃至５の何れかに記載のリニアモータを駆動手段に用いたことを特徴とするステージ装置。

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