JP5068494B2

JP5068494B2 - リニアモータ及びステージ装置

Info

Publication number: JP5068494B2
Application number: JP2006220279A
Authority: JP
Inventors: 大輔篠平; 道太郎臼井
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: JP2008048508A

Description

本発明はリニアモータ及びステージ装置に係り、特にマグネットヨーク部を移動させる方式（ＭＭ方式）のリニアモータ及び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などのステージ装置では、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、マグネットヨーク部の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(ＭＣ)型と、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(ＭＭ)型とがある。

マグネットヨーク部は、永久磁石を支持すると共に、磁気回路の磁路を形成するため、比較的比重の大きい機械構造用炭素鋼（例えば、Ｓ４５Ｃなど）や一般構造用圧延鋼材(例えば、ＳＳ４００など)の鉄系の磁性材により形成されている。さらに、マグネットヨーク部は、コイル部からの電磁力（反発力）やマグネット吸引力に対して十分な剛性を有するように永久磁石を支持する一対の磁性板、及び一対の磁性板間を連結する連結部の厚さを大きくしている。そのため、永久磁石を有するマグネットヨーク部を移動させるムービングマグネット(ＭＭ)型においては、可動部となるマグネットヨーク部の重量がかなり重くなっており、可動部の高速化及び応答性を高めるにはマグネットヨーク部の軽量化が要望されている（例えば、特許文献１参照）。

マグネットヨーク部を軽量化する方法としては、例えば、マグネットヨーク部の厚さを薄くしてマグネットヨーク部の体積を減らす方法がある。
特開２００１−１４５３２８号公報

しかしながら、上記従来技術のようにマグネットヨーク部の体積を減らす方法では、永久磁石を支持する部分が薄くなることに伴う永久磁石間での磁束の漏れを防止するために補強用磁石を設けると共に、マグネットヨーク部の外面にリブを設けることにより強度不足を解消することになり、その分重量が増加してしまうという問題がある。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記課題を解決したリニアモータ及び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手段を有する。

本発明は、
複数のコイルが保持されたコイル部と、
前記コイル部に対向するように永久磁石を保持する一対の磁性板と該一対の磁性板の端部を連結する連結部とからなるマグネットヨーク部と、を有し、前記一対の磁性板が前記コイル部の両側面に対向するように平行に配置されており、
前記コイル部に対して前記マグネットヨーク部を移動させるムービングマグネット方式のリニアモータにおいて、
前記磁性板よりも高い強度を有し、且つ軽い材質により形成された高強度部材を前記磁性板の外面に固着してなり、
前記高強度部材の接合面または前記磁性板の接合面に、前記高強度部材と前記磁性板との熱膨張係数の差による応力を分散させるための溝が所定間隔毎に設けられ、
前記高強度部材は、外面に上下方向に延在する一対のリブを有することを特徴とすることにより、上記課題を解決する。

前記高強度部材は、セラミックスにより形成されていることが望ましい。

前記高強度部材は、前記磁性板の外面に形成された凹部に嵌合されることが望ましい。

前記高強度部材は、前記磁性板を部分的に補強するように前記磁性板の外面の複数箇所に固着されることが望ましい。

前記磁性板及び連結部は、線膨張係数が前記セラミックスの線膨張係数とほぼ同じ材質からなる磁性材により形成されることが望ましい。

請求項１乃至５の何れかに記載のリニアモータをステージの駆動手段に用いたことを特徴とする。

本発明によれば、磁性板よりも高い強度を有し、且つ軽い材質により形成された高強度部材を磁性板の外面に固着するため、磁性板を薄くして可動側のマグネットヨーク部の軽量化を図ると共に、磁性板がコイル部の電磁力を受けて揺動しないように強固に補強することができる。
また、本発明によれば、高強度部材の接合面または磁性板の接合面に、高強度部材と磁性板との熱膨張係数の差による応力を分散させるための溝が所定間隔毎に設けられるため、熱膨張係数の差による割れを防止することができる。

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ステージ２４と、Ｙステージ２４上をＸ方向に移動するＸステージ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。

図２はリニアモータ２０の構成を示す斜視図である。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、複数のコイルが並設されており、マグネットヨーク部６２は、コイル部６０の側面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は、駆動電圧の印加により永久磁石６８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６８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。

図３はリニアモータ２０の構成を示す縦断面図である。図３に示されるように、リニアモータ２０のマグネットヨーク部６２は、コイル部６０に対向するように永久磁石６８を保持する一対の磁性板７０が、コイル部６０の両側面に対向するように平行に配置されている。

一対の磁性板７０は、厚さ寸法Ｔ１が従来の厚さＴ２よりも半分以下に薄く形成されている（Ｔ１＜Ｔ２）。磁性板７０の外面には、薄くなった磁性板７０を補強するセラミックス板８０が接着またはロウ付けなどにより固着されている。セラミックス板８０は、磁性板７０よりも高い強度（剛性）を有し、且つ軽い材質により形成された高強度部材であり、磁性板７０の外面に接着により一体化される。

また、一対の磁性板７０の底部間には、セラミックスからなる下部連結部９０によって連結されている。また、一対の磁性板７０の上部間には、セラミックスからなる上部連結部１００が横架されるように固着されている。この磁性板７０は、例えば、線膨張係数がセラミックス板８０の線膨張係数とほぼ同じとなる材質の磁性材（例えば、コバール（Kovar）など）よりなる。上記コバールは、鉄にニッケル、コバルトを配合した合金であり、常温付近での熱膨張率が金属のなかで低く、セラミックス板８０の線膨張係数と近似しており、セラミックスの線膨張係数は７.５（１×１０^−６/Ｋ）、コバールの線膨張係数は５．０（１×１０^−６/Ｋ）である。

図４は図３中IV-IV線に沿ってマグネットヨーク部６２の上部を切断した状態を示す斜視図である。図４に示されるように、マグネットヨーク部６２は、磁性板７０の外面全体にセラミックス板８０が固着されて一体的に接合されている。従って、マグネットヨーク部６２は、磁性板７０を薄くして磁性材の体積が減少した分、軽量化が図られている。また、磁性板７０の厚さが従来のものよりも薄く形成されているのに拘わらず、セラミックス板８０を接合することで、磁性板７０の強度が従来のものとほぼ同じかそれ以上となるように補強されており、磁性板７０がＸ方向に揺動することが防止される。さらに、セラミックス板８０は、鉄などの金属よりも比重が小さくなっており、マグネットヨーク部６２の重量増加を抑制することが可能になる。

図５は実施例２を示す斜視図である。図６は磁性板７０とセラミックス板８０との接合部分を拡大して示す平面図である。

図５及び図６に示されるように、実施例２のマグネットヨーク部６２は、磁性板７０に接合されるセラミックス板８０の内面８２に上下方向に延在する溝８４が所定間隔毎に設けられている。この溝８４と磁性板７０とにより形成された複数の隙間８６は、磁性板７０が熱膨張したときセラミックス板８０に応力を分散させるものであり、応力が１箇所に集中しないようにしている。すなわち、溝８４は、磁性板７０とセラミックス板８０との熱膨張率の差によりセラミックス板８０が割れることを防止するための逃げ部である。

そのため、マグネットヨーク部６２を移動させる際の熱により磁性板７０が熱膨張した場合でも比較的脆い性質を有するセラミックス板８０が熱膨張率の差によって割れはない。

また、上記溝８４は、セラミックス板８０に設ける代わりに、セラミックス板８０が接合される磁性板７０の外面に形成するようにしても良い。

図７は実施例３を示す斜視図である。図７に示されるように、実施例３では、磁性板７０の外面に凹部７２が所定間隔で設けられており、凹部７２が形成された部分の厚さが薄くなっている。これにより、磁性板７０の軽量化が図られている。また、各凹部７２と凹部７２との間には、リブ７４が突出している。そして、各凹部７２には、小片化されたサイズの小さいセラミック板１１０が嵌合固定されている。従って、マグネットヨーク部６２は、凹部７２を設けることで磁性材の体積が減少した分、軽量化が図られている。また、磁性板７０の厚さが従来のものよりも薄く形成されているのに拘わらず、セラミックス板１１０を接合することで、磁性板７０の強度が従来のものとほぼ同じとなるように補強されており、駆動時に磁性板７０がＸ方向に揺動することや撓むことが防止される。

このように磁性材７０に凹部７２を設けることにより軽量化することができると共に、セラミック板１１０を凹部７２に嵌合させ、接着またはロウ付けなどで接合することにより、磁性板７０が電磁力の作用による揺動や、吸引力による撓みが抑えられるように補強することができる。また、各セラミック板１１０は、凹部７２に合わせてＹ方向幅寸法が小さくなっているので、マグネットヨーク部６２を移動させる際の熱により磁性板７０が熱膨張した場合でも、磁性板７０の熱膨張量が複数のセラミックス板１１０に分散されるため、セラミックス板１１０が熱膨張率の差によって割れることが防止される。

また、リブ７４は、磁性材７０を補強する補強用リブとして機能すると共に、セラミックス板１１０のＹ方向端面に当接して接合されるため、磁性材７０の凹部７２とセラミックス板１１０と接合強度をより高める保持部としても機能している。

図８は実施例４を示す斜視図である。図８に示されるように、実施例４では、磁性材７０の凹部７２には、Ｙ方向の幅が小さく形成されたセラミックス板１２０が２枚ずつ接着またはロウ付けなどにより接合されている。従って、マグネットヨーク部６２は、凹部７２を設けることで磁性材の体積が減少した分、軽量化が図られている。また、磁性板７０の厚さが従来のものよりも薄く形成されているのに拘わらず、セラミックス板１２０を接合することで、磁性板７０の強度が従来のものとほぼ同じとなるように補強されており、駆動時に磁性板７０がＸ方向に揺動することや撓むことが防止される。

凹部７２内に接合された２枚のセラミックス板１２０間には、間隔Ｓが形成される。この間隔Ｓは、２枚のセラミックス板１２０が互いに干渉しないようにしており、磁性板７０の熱膨張がセラミックス板１２０間に作用することを防止している。

このように磁性材７０に凹部７２を設けることにより軽量化することができると共に、２枚のセラミック板１２０を凹部７２に嵌合させることにより、磁性板７０が電磁力の作用による揺動や、吸引力による撓みが抑えられるように補強することができる。また、２枚合わせたセラミック板１２０のＹ方向幅は、凹部７２のＹ方向幅よりも小さくなっているので、マグネットヨーク部６２を移動させる際の熱により磁性板７０が熱膨張した場合でも、磁性板７０の熱膨張量が複数のセラミックス板１２０に分散され、且つセラミックス板１２０間に間隔Ｓが介在するため、セラミックス板１２０が熱膨張率の差によって割れることが防止される。

図９は実施例５を示す斜視図である。図９に示されるように、実施例５では、磁性材７０の外面に複数のセラミックス板１３０が所定間隔毎に接合されている。各セラミックス板１３０間には、間隔Ｓが介在しており、磁性板７０の熱膨張が各セラミックス板１３０に分散されると共に、各セラミックス板１３０が互いに干渉しないようにしている。

さらに、セラミックス板１３０は、外面に上下方向に延在する一対のリブ１３２を有する。そのため、セラミックス板１３０は、Ｙ方向幅を小さくして小片化されているが、Ｘ方向の剛性が高められており、駆動時に磁性板７０がＸ方向に揺動や撓むことを防止することができる。

このように磁性材７０を薄くすることにより軽量化することができると共に、各セラミックス板１３０を所定間隔で磁性板７０の外面に接合することにより、磁性板７０が電磁力の作用による揺動や、吸引力による撓みが抑えられるように補強することができる。また、各セラミック板１３０間には、間隔Ｓがあるため、磁性板７０が熱膨張した場合でも、磁性板７０の熱膨張量が複数のセラミックス板１３０に分散され、セラミックス板１３０が熱膨張率の差によって割れることが防止される。

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、マグネットヨーク部６２の磁性材にコバールを用いた場合を一例として挙げたが、これに限らず、線膨張係数がセラミックスのものに近い他の磁性材を用いても良いのは勿論である。

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。リニアモータ２０の構成を示す斜視図である。リニアモータ２０の構成を示す縦断面図である。図３中IV-IV線に沿ってマグネットヨーク部６２の上部を切断した状態を示す斜視図である。実施例２を示す斜視図である。磁性板７０とセラミックス板８０との接合部分を拡大して示す平面図である。実施例３を示す斜視図である。実施例４を示す斜視図である。実施例５を示す斜視図である。

符号の説明

１０ステージ装置
１６可動部
１８スライダ
２０リニアモータ
３０ガイド部
６０コイル部
６２マグネットヨーク部
６８永久磁石
７０磁性板
７２凹部
７４リブ
８０，１１０，１２０，１３０セラミックス板
８４溝
８６隙間
９０下部連結部
１００上部連結部
１３２リブ

Claims

複数のコイルが保持されたコイル部と、
前記コイル部に対向するように永久磁石を保持する一対の磁性板と該一対の磁性板の端部を連結する連結部とからなるマグネットヨーク部と、を有し、前記一対の磁性板が前記コイル部の両側面に対向するように平行に配置されており、
前記コイル部に対して前記マグネットヨーク部を移動させるムービングマグネット方式のリニアモータにおいて、
前記磁性板よりも高い強度を有し、且つ軽い材質により形成された高強度部材を前記磁性板の外面に固着してなり、
前記高強度部材の接合面または前記磁性板の接合面に、前記高強度部材と前記磁性板との熱膨張係数の差による応力を分散させるための溝が所定間隔毎に設けられ、
前記高強度部材は、外面に上下方向に延在する一対のリブを有することを特徴とするリニアモータ。
前記高強度部材は、セラミックスにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
前記高強度部材は、前記磁性板の外面に形成された凹部に嵌合される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。
前記高強度部材は、前記磁性板を部分的に補強するように前記磁性板の外面の複数箇所に固着される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。
前記磁性板及び連結部は、線膨張係数が前記セラミックスの線膨張係数とほぼ同じ材質からなる磁性材により形成されることを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
請求項１乃至５の何れかに記載のリニアモータをステージの駆動手段に用いたことを特徴とするステージ装置。