JP5088536B2 - 可動コイル型リニアモータの組立方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体製造装置のステージ駆動手段として使用される可動コイル型リニアモータに関する。

半導体の製造設備においては、ガラスなどの基板を所定位置まで搬送する手段として、ベースに対して所定方向に移動するＸステージとＸステージをそのステージに対して別の方向（直交する方向）に移動するＹステージを備えたＸ−Ｙステージ装置が使用されている。２軸のステージ装置では、長いストロークにわたって精密な位置決め動作と高速駆動が必要とされるので、各ステージの駆動手段として、多極形リニア直流モータ（以下単にリニアモータという。）を使用するのが一般的であり、特に応答性と高い位置決め精度が要求される場合には、可動コイル型リニアモータが使用される。この可動コイル型リニアモータは、同一の磁化方向を有する永久磁石を、ストローク方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に並ぶようにかつ異極が対向するように一対のヨークの各々に固定して形成した固定子と、その内部に形成された磁気空隙に配置された多相コイルを有する可動子を備えている。

ステージ駆動用リニアモータは、小型でかつ軽量であることが必要とされるので、固定子を構成する磁気回路を小型化することが考えられる。しかしながら同じ磁化方向の永久磁石を組み合わせただけの磁気回路では、磁気空隙の磁束密度分布を正弦波状としかつ磁気空隙における磁束密度を高めるために複雑な形状でかつ大型の永久磁石を使用することが必要となる。そこで複数の永久磁石を極性方向を９０°ずつ回転させながら移動方向に沿って配列するとともに、その終端部に位置する永久磁石の体積を他の永久磁石の体積よりも小さくするようにした磁気回路構造が提案されている（特許文献１参照）。

また通常の磁気回路では、磁束の飽和を防止するために必要以上に厚みの大なるヨークを使用するので、磁気回路の重量が増大するとともに、ヨークが外気に露出しているので、磁束の漏洩が発生しやすい。そこで固定子を構成するヨークを塑性加工によってＵ字状に形成し、このヨークをＵ字状の非磁性材料（例えばアルミ）からなるフレームの中に収容した構造が提案されている（特許文献２参照）。

さらに半導体製造設備においては、基板を露光装置などに対して正確に位置決めするために、基板を搭載したステージを所定方向（例えばＹ軸方向）に移動させる（粗位置決めを行う）可動コイル形リニアモータに、ステージの移動方向と直交する方向（例えばＸ軸方向）にステージ（物体テーブル）を短い距離だけ移動させる（精密位置決めを行う）アクチュエータ（電磁石）を設けた構成も提案されている（特許文献３参照）。このアクチュエータは、可動子のＸ軸方向の端部に接続されたＥ字状断面を有するヨークとその上に配置されたコイルを備え、このコイルに通電することにより、リニアモータのヨークとの間に磁気吸引力を発生させるようにしたものである。

特開平１１−１２２９０５号公報（第３〜４頁、図１） 特開２０００−２９９９７３号公報（第４〜５頁、図１） 特開２００６−２９５１６０号公報（第１１〜１５頁、第１９頁、図３、図７、８、９）

しかしながら特許文献１に記載されたように、いわゆるハルバッハ形磁気回路とした場合には、ヨークを薄くできるので、幾分かは固定子を軽量化することができるが、それだけでは小型化及び軽量化が十分とはいえない。また特許文献２に記載されたようにＵ字状フレームの内部に磁気回路を収容することにより、固定子の軽量化を図ることができるが、アルミフレーム内にハルバッハ形磁気回路を形成するためには多大な工数を要とするという問題がある。これは、ハルバッハ形磁気回路においては、同極性の磁極が隣接するような磁極配置となるので、磁気的反発力により総ての永久磁石をヨークに固着することが極めて困難となるからである。

さらに特許文献３に記載された構造であると、可動子に電磁石（ヨークとコイル）が付加されるので、可動子の重量が増大し、モータ効率が低下することが予測される。

従って本発明の目的は、固定子の組立てが容易で、小型かつ軽量な可動コイル型リニアモータを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の可動コイル型リニアモータは、所定方向に沿って正弦波状の磁束密度分布が現出する第１の磁気空隙を有する固定子と、前記第１の磁気空隙に配置される多相コイルを含む可動子とを有する可動コイル型リニアモータにおいて、
前記固定子は、強磁性材料からなるヨークに前記可動子の移動方向に沿って磁化方向の異なる永久磁石が交互に配列されて前記第１の磁気空隙を形成する第１の永久磁石部材と、強磁性材料からなるヨークに第２の磁気空隙を介して異極性の磁極が対向するように永久磁石が固定された第２の永久磁石部材と、前記第１の永久磁石部材及び前記第２の永久磁石部材を包持し、前記ヨークより比重の小なる金属材料からなる非磁性フレームを有する分割ユニットを複数個備えるとともに、
前記可動子は、前記第２の磁気空隙内に配置される単相コイルを有し、前記移動方向と直交する方向にも移動可能に支持されることを特徴とするものである。

本発明において、前記非磁性フレームは、前記第２の永久磁石部材を支持するベース部材と前記ベース部材の両側面に固定され、前記第１の永久磁石部材を支持するサイド部材を含むとともに、前記非磁性フレームはアルミニウム又はその合金からなることが好ましい。

本発明において、前記永久磁石は、Ｒ（ＲはＮｄ等の希土類元素から選ばれた一種又は２種以上の元素である。）、Ｔ（ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである。）及びＢを必須成分とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石からなることが好ましい。

本発明によれば、固定子は、強磁性材料からなるヨークと可動子の移動方向に沿って磁化方向の異なる永久磁石を交互に配列して形成した第１の永久磁石部材を有するので、ヨークを薄くすることができる。しかも第１の永久磁石部材と、可動子をその移動方向と直交する方向に移動させるための第２の永久磁石部材をヨークより比重の小なる金属材料からなる非磁性フレームで包持するので、固定子の小型化と軽量化を達成することができる。

また、可動子に付設した単相コイルを第２の磁気空隙に介装するので、可動子重量をわずかに増大するだけで、可動子はその移動方向と直交する方向に微小距離（例えば数ｍｍ）だけ移動することができ、可動子の位置を微調整することができる。

さらに、非磁性フレームを第２の永久磁石部材を支持するベース部材と、その両側面に固定され、第１の永久磁石部材を支持するサイド部材とで形成することにより、ハルバッハ形磁気回路の組立てを容易に行うことができる。

以下本発明の詳細を添付図面により説明する。図１は本発明の実施の形態に係わるリニアモータを備えたＸＹステージの側面図、図２は図１をＡ方向から見た矢視図、図３は図２のＢ−Ｂ線断面図、図４〜８は固定子の組立て方法を説明するための図である。なお、理解を容易にするために、図２では移動テーブルとアーム及び第２の磁気回路部材が省略されている。

図１に示すＸＹステージは、ステージ（不図示）のＸ軸方向の両端に設置される固定子２と、Ｙ軸方向（紙面に対して垂直な方向）に沿って移動する可動子１１とを有するリニアモータ１により駆動される移動テーブル１００を備えている。移動テーブル１００は、その両端に固設されたアーム１０２を介して可動子１１に接続されている。

図２及び図３に示すように、リニアモータ１は、複数の分割ユニット３ａ、３ｂ、３ｃがＹ軸方向に連結された固定子２と、その内部に形成された第１の磁気空隙ｇ１内をＹ軸方向に沿って移動する可動子１１を備えている。可動子１１は、ホルダ１１１に固定されたコイルユニット１２１を有する。コイルユニット１２１は、複数の偏平コイルをＹ軸方向に沿って並べた多相コイル（例えば３相コイル）１２２とＹ軸方向に沿って伸びる（例えば長円形状に形成されている。）単相コイル(空心コイル)１２３を有する。各偏平コイルは、各相のコイルに通電された時にＹ軸方向の推力が発生するように結線されている。コイルユニット１２１は、多相コイルに大電流を流すので、その発熱を低減する（モータ性能や位置決め精度の低下を防止する。）ために、多相コイル部を単相コイル部よりも厚く形成し、冷媒を流す通路を設けることが好ましい。図３では、２つの空心コイル（単相コイル）が設けられているが、必要とされる推力に応じてコイル数を設定すればよく、大きな推力を必要としない場合は、単一の空心コイル(単相コイル)でもよい。

このリニアモータ１によれば、可動子に設けた磁界検出素子（例えばホール素子）により、固定子を構成する永久磁石の磁極位置を検出し、各扁平コイルに流れる電流の向きを変えることにより、可動子１１をＹ方向に移動させることができる。またＹ軸方向の所定位置に可動子を移動させた後、その位置で単相コイル１２３に通電し、電流の向きを切り換えることにより、可動子１１をＸ方向に微小距離（例えば数ｍｍ）だけ移動させる（図３の場合では、上下方向に移動させる）ことができる。

本発明の最も特徴的な部分である固定子２の構成を図２及び３により説明する。前述した通り固定子２は、複数（例えば３個）の分割ユニット３ａ、３ｂ、３ｃをＹ軸方向に沿って接続して形成されている（図２参照）。この固定子２は、図３に示す状態で組立てられた後、図１に示す姿勢となるようにステージ（不図示）に設置される。各分割ユニットは同様の構造を有するので（但し長さは同一である必要はない）、分割ユニット３ａについて説明し、他の分割ユニットについてはその説明を省略する。

分割ユニット３ａは、鉄鋼材料よりも比重の小さい非磁性材料からなるコ字形状の非磁性フレーム４と、その内側に設けられた第１の永久磁石部材５ａ、５ｂ、５ｃと第２の永久磁石部材８を備えている。第１の永久磁石部材５ａ（５ｂ、５ｃ）は、鉄鋼材料（例えばＳＳ材）等の強磁性材料からなる平板状に形成されたヨーク６ａ（６ｂ、６ｃ）の一方の表面に、厚さ方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交する方向）に磁化されたメイン磁石７ａとその磁化方向と直交する方向（Ｙ軸方向）に磁化されたスペーサ磁石７０ａを交互に配設することにより形成されている。またメイン磁石７ａはそのＮ極とＳ極がＸ軸方向に沿って交互に並びかつスペーサ磁石７０ａはメイン磁石７ａを挟んで同極性の磁極が向き合うように配設されている。さらに、第１の磁気空隙ｇ１を挟んで対向するメイン磁石７aは、異極性の磁極が向き合うように配設されている。

第１の永久磁石部材５ａ（５ｂ、５ｃ）は、いわゆるハルバッハ形磁気回路を形成するので、永久磁石の厚さに対してヨークの厚さをその半分以下と薄くしても、第１の磁気空隙ｇ１に高い（例えば０．８〜０．９Ｔの）磁束密度を得ることができ、推力を高めることができる。またこの磁気回路によれば、単純な直方体状の永久磁石を使用しても、第１の磁気空隙ｇ１に正弦波に近似した磁束密度分布を得ることができる。なお、各分割ユニットにおいて、一端側の永久磁石の長さを他の永久磁石よりも短くしてもよく、これにより第１の磁気空隙ｇ１における磁束密度分布（Ｙ軸方向）を正弦波により近づけることができる。

第２の永久磁石部材８は、鉄鋼材料（例えばＳＳ材）等の強磁性材料からなり、Ｙ軸方向に伸びる平板状に形成されたヨーク９の一方の表面に、厚さ方向に磁化されかつ磁化方向が異なる永久磁石１０ａ、１０ｂを複数個づつＸ軸方向に沿って固着して形成される。これらの永久磁石１０ａ、１０ｂは、第２の磁気空隙ｇ２側に図示極性の磁極が現出するように（第２の磁気空隙ｇ２を挟んで対向する一対の永久磁石部材８は、異極性の磁極が向き合うように）配設される。第２の永久磁石部材８は、分割ユニット３ａの全長（Ｙ軸方向の長さ）にわたって設けられている。

非磁性フレーム４は、角柱状のベース部材４１とその両側に固着された平板状のサイド部材４２を有する。ベース部材４１は、永久磁石部材５ａ（ヨーク６ａ）の下端面の一部が当接する第１の段部４１１と、コイルユニット１２１の下部が介装される凹部４１２と、その下端側に形成された、ヨーク９の下端面が当接する第２の段部４１３を有する。

上記の分割ユニット３ａ（３ｂ、３ｃも同様）を組立てる手順を図４〜８により説明する。まずベース部材４１の凹部４１２の内面に第２の永久磁石部材８を固着することにより、ベース部材４１の内部に第２の磁気空隙ｇ２を形成する。次いでベース部材４１の両側面にサイド部材４２を固定する（図４参照）。

また図５に示すように、メイン磁石７ａを所定間隔（スペーサ磁石７０ａの長さ分だけ）をおいてヨーク６ａに固着した一対の部材を準備し、これらの間に非磁性材料（例えばプラスチック）からなる平板状のスペーサ５０（厚さｔｓ）を挟んで異極性の磁極を対向させることにより、両部材は磁気的に吸着されて一体化される（ａ）。次いでメイン磁石７ａの間にスペーサ磁石７０ａを挿入することにより、両部材間にスペーサ５０が挟着されたスペーサ付第１の永久磁石部材（厚さｔ２）が作製される（ｂ）。

次の工程では、図６に示すように、上記のスペーサ付第１の永久磁石部材５ａを図示白抜き矢印方向に下ろす。この場合、一対のサイド部材４２間のうちのり寸法ｔ１をスペーサ付第１の永久磁石部材５ａの厚さｔ２よりも大きくしておくことにより、スペーサ付第１の永久磁石部材５ａのヨーク６ａがベース部材４１の第１の段部４１１に戴置された状態となる。

この状態で、サイド部材４２の一点鎖線で示す位置に設けられたキリ孔４２２からヨーク６ａに設けられたメネジにボルト（いずれも不図示）をねじ込み、第１の永久磁石部材５ａを図示白抜き矢印方向に変位させることにより、永久磁石の間隔ｔ３が広がり、スペーサ５０が第２の永久磁石部材８上に落下する（図７参照）。従ってスペーサ５０を紙面に対して垂直な方向（Ｙ軸方向）に引き出すことにより、第１の磁気空隙ｇ１を有する第１の永久磁石部材５ａを組立てることができる。

上記と同様の手順で総ての第１の永久磁石部材５ａ〜５ｃを非磁性フレーム４に固定することにより、分割ユニット３ａを組立てることができる。図８に示すように、サイド部材４２は、これらをベース部材に固定するためのボルト（不図示）が挿入される例えば２列のキリ孔４２１と上記のスペーサを永久磁石部材の間から抜き出すためのボルト（不図示）が挿入される２列のキリ孔４２２とを有する。このようにして組立てられた分割ユニット３ａ、３ｂ、３ｃを直列に接続することにより、固定子１が完成する。

上記の固定子によれば、第１の永久磁石部材５ａ、５ｂ、５ｃ及び第２の永久磁石部材８をその構成部材（ヨーク及び永久磁石）よりも軽量な非磁性フレームで包持するので、固定子を単純にヨークと永久磁石で形成したものよりも小型化及び軽量化を達成することができる。特に、非磁性フレームをベース部材とその両側面に固定されるサイド部材とで形成するので、第1の永久磁石部材を非磁性フレーム内に挿入後サイド部材側に引き寄せることにより、ハルバッハ形磁気回路を構成する第１の永久磁石部材を多大な工数をかけずに所定位置に固定することが可能となり、固定子の組立てを容易に行うことができる。

また各永久磁石部材には、同一の寸法を有する永久磁石を使用するとともに、同じ断面形状を有する磁気回路部材を連設することにより、固定子の作製工数をさらに低減することができる。なお、永久磁石部材の長さは、可動子の移動距離などに応じて設定されるが、永久磁石の長さや使用個数を変更することにより長さを調整すればよい。

本発明において、非磁性フレームは、ヨーク材料（例えば炭素鋼、比重は７．８５）よりも比重の小さい材料で形成すればよいが、実用的見地（コスト及び剛性など）から、アルミニウム合金（比重２．８）で形成することが好ましい。但し、これ以外の非磁性金属材料（例えばＭｇ合金：比重はアルミニウム合金の約２／３）で形成することは可能で、またプラスチック材料（例えばＦＲＰ）やセラミックス材料（例えばジルコニア：比重３．８）で形成することも可能である。

本発明において、前記永久磁石は、公知の永久磁石、例えば希土類磁石で形成することができるが、特にＲ（Ｒは、Ｎｄ等の希土類元素から選ばれた一種又は二種以上の元素である。）、Ｔ（ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである。）及びＢを必須成分とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石が好適である。

本発明の実施の形態に係わるリニアモータを備えたＸＹステージの側面図である。 図１をＡ方向からみた矢視図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 分割ユニットの組立て途中の状態を示す図である（第２の磁石部材を固着したベース部材にサイド部材を固定する状態を示す）。 分割ユニットの組立て途中の状態を示す図である（スペーサ付第１の永久磁石部材を組立てる状態を示す）。 分割ユニットの組立て途中の状態を示す図である（スペーサ付第１の永久磁石部材を非磁性フレームに挿入する状態）。 分割ユニットの組立て終了時の状態を示す図である。 図７をＣ方向から見た矢視図である。

符号の説明

１：リニアモータ、２：固定子、３ａ、３ｂ、３ｃ：分割ユニット、
４：非磁性フレーム、４１：ベース部材、４１１：第１の段部、４１２：凹溝、４１３：第２の段部、４２：サイド部材、４２１、４２２：キリ穴、
５ａ、５ｂ、５ｃ：第１の永久磁石部材、６ａ、６ｂ、６ｃ：ヨーク、
７ａ：メイン磁石、７０ａ：スペーサ磁石、
８：第２の永久磁石部材、９：ヨーク、１０ａ、１０ｂ：永久磁石、
１１：可動子、１１１：コイルホルダ、１２１：コイルユニット、１２２：多相コイル、１２３：単相コイル（空心コイル）、
１００：移動テーブル、１０２：アーム

Claims (2)

1. 所定方向に沿って正弦波状の磁束密度分布が現出する第１の磁気空隙とともに第２の磁気空隙を有する固定子と、前記第１の磁気空隙に配置される多相コイルとともに前記第２の磁気空隙に配置される単相コイルを有し、前記多相コイルへの通電により前記固定子の長手方向に沿って移動可能に支持されるとともに前記単相コイルへの通電により前記固定子の長手方向と直交する方向に沿って移動可能に支持される可動子とを有し、
   前記固定子は、強磁性材料からなる一対の第１のヨークの各対向面側に前記多相コイルへの通電による可動子の移動方向に沿って可動子の移動方向と直交する方向に磁化されたメイン磁石とその磁化方向と直交する方向に磁化されたスペーサ磁石を交互に配列して前記第１の磁気空隙を形成する第１の永久磁石部材と、強磁性材料からなる一対の第２のヨークの各対向面側に前記単相コイルへの通電による可動子の移動方向に沿って異極性の磁極が現出するとともに互いに異極性の磁極が対向するように永久磁石を配設して前記第２の磁気空隙を形成する第２の永久磁石部材と、前記ヨークより比重の小なる金属材料からなり、前記第２の永久磁石部材を支持する凹部を有するベース部材と前記ベース部材の両側面に固定され前記第１の永久磁石部材を支持する一対のサイド部材にて前記第１及び第２の永久磁石部材を包持する非磁性フレームとを有する複数個の分割ユニットを前記多相コイルへの通電による可動子の移動方向に沿って接続した可動コイル型リニアモータの組立方法であって、
   前記ベース部材の凹部内面に前記第２の永久磁石部材を固着する工程と、
   前記ベース部材の両側面にサイド部材を固定する工程と、
   前記一対の第１ヨークのそれぞれ前記第１の磁気空隙との対向面側に前記多相コイルへの通電による可動子の移動方向に沿って所定の間隔をあけるとともに前記第１の磁気空隙を介して互いに対向する磁極が異極性となるようにして配置した前記メイン磁石を、非磁性スペーサを挟んで磁気的に吸着して一体化する工程と、
   前記非磁性スペーサを挟んで磁気的に吸着して一体化したメイン磁石の前記所定の間隔に前記スペーサ磁石を挿入することで非磁性スペーサ付第１の永久磁石部材とする工程と、
   前記一対のサイド部材の間に前記非磁性スペーサ付第１の永久磁石部材を挿入し、前記ベース部材に載置する工程と、
   前記一対のサイド部材のそれぞれに設けられた孔から前記一対の第１のヨークのそれぞれに設けられたメネジ部にボルトをねじ込み、前記一対の第１のヨークのそれぞれを介して前記非磁性スペーサ付第１の永久磁石部材を前記一対のサイド部材のそれぞれに向かって変位させ、前記非磁性スペーサを介して対向する前記メイン磁石同士及び前記スペーサ磁石同士の間隔を広げることで、前記非磁性スペーサ付第１の永久磁石部材から前記非磁性スペーサを取り除き、この取り除かれた部分を前記第１の磁気空隙とする工程と、
   を有する前記分割ユニットの組立工程を含むことを特徴とする可動コイル型リニアモータの組立方法。
2. 前記非磁性フレームはアルミニウム又はその合金からなることを特徴とする請求項１に記載の可動コイル型リニアモータの組立方法。

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