JP5140103B2 - リニアモータ対、移動ステージ、及び電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、直線状の固定子を並列に2組配置してなるリニアモータ対、更にはこのリニアモータ対を用いた移動ステージ及び電子顕微鏡に関するものである。

直線的に可動子を移動させるリニアモータは、例えば、特許文献１に記載されているように、可動子側に永久磁石群を有し、固定子側にコイル群を有するムービングマグネット型のリニアモータがある。また、可動子と固定子を入れ替えた組み合わせのムービングコイル型のリニアモータも使用されている。両者ともに、コイル群に通電する電流を制御することで、可動子の位置を制御する。

このようなリニアモータは、高精度な位置決めが可能であるため、高精度な位置決めが必要である機器において、２次元に移動する移動ステージの駆動装置として用いられている。

電子顕微鏡のステージ駆動装置としてリニアモータを利用する場合、前述のムービングコイル型リニアモータでは、電流配線の位置または形状変化に伴うダストの発生が問題視されている。一方で、ムービングマグネット型リニアモータでは、コイル群が固定されているため、可動子の移動に伴う配線や配管の位置・形状変化はない。

図１に、本発明を適用するムービングマグネット型リニアモータをステージ駆動に用いた場合の一例を示す。図１は略断面図である。永久磁石１とヨーク２からなる可動子３の移動方向は、図面垂直方向である。永久磁石１は、Ｎ極とＳ極が向かいあうよう所定の間隔を隔てて配置されており、さらに、可動子移動方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に入れ替わるように配置され、ヨーク２に固着されている。固定子４にはコイル群が含まれている。可動子３と移動ステージ５は、連結部６などで接続されている。本例では直接接続した例を示したが、間接的に接続されている場合もある。さらに、可動子３は摩擦抵抗などを小さくするために、支持装置７で支持されている。支持装置７には、摩擦の小さなリニアガイドや圧縮空気を利用した浮上支持装置などがある。

図２に、本発明を適用する電子顕微鏡の駆動ステージの一例を示す。図示するように、Ｘ軸及びＹ軸とも、２台のムービングマグネット型リニアモータから成るリニアモータ対を備えている。可動子３の位置を制御することで、移動ステージ５に固着されたサンプル（図示せず）の位置も変化する。電子線の照射位置８及びその照射領域はほぼ固定されているので、予め移動ステージ５を駆動して電子線照射領域にサンプルを位置づけ、電子線を走査或はステージを微動させることで、サンプルの所望のＸ位置、Ｙ位置での撮像が可能となる。

しかし、電子線位置８と可動子３との相対的距離が変化するため、可動子３の移動に伴って電子線位置８付近の磁場が変動（以下「磁場変動」と称す）し、高精度の撮像が困難となる。磁場変動により、電子線の軌道が微妙に変化するからである。

これを防ぐために、可動子３の周辺に磁気シールドを配置して可動子３からの漏洩磁場分布を抑制することで、磁場変動をある程度小さくすることは可能である。複数枚の磁気シールドを設置すれば、磁場変動をマイクロテスラレベルまで抑制することも可能となるが、磁場変動の許容値が小さい測長走査型電子顕微鏡(CD-SEM)等では、マイクロテスラレベルの磁場変動でも問題となる。

一方、図３に特許文献２等で知られている永久磁石の配置例を示す。図は水平方向での断面図である。永久磁石群は、Ｎ極とＳ極が向かいあうよう所定の間隔を隔てて配置されており、さらに、可動子移動方向９に沿ってＮ極とＳ極が交互に入れ替わるように配置され、ヨーク２に固着されている。ここで簡略のため、図面上で上側がＳ極、下側がＮ極である永久磁石を下向き永久磁石１０、その逆を上向き永久磁石１１、固定子４を挟んで向かい合っている２つの永久磁石を「磁石ペア」１２と呼ぶ。

図に示した例のように、磁石ペアの数が偶数の場合、上向き永久磁石と下向き永久磁石の数が等しいため、永久磁石は互いに打ち消しあっているように見える。しかし、可動子移動方向両端の永久磁石から発生する磁束は外側に向かうため、図に示すように、可動子の角にはＳ、Ｎ、Ｓ、Ｎの磁極が現れることが判った。

特開平8-37772号公報 特公平2-3393号公報

ここで、前記図３で述べた可動子の角に現れる磁極の影響等について、図４及び図５を用いて説明する。

図４は、図３の可動子を搭載したリニアモータ対を用いて、Ｘ軸方向への駆動ステージを構成する例を示す。本実施例は、リニアモータ対を構成する２つの可動子間で異なる磁極を向かい合わせた例である。この場合、磁束１３は矢印１３のように向かう。磁場評価点１４は、電子顕微鏡の電子線位置に相当し、リニアモータ対の中間点である。２つの可動子３を連結させてＸ方向に移動させた場合、磁場評価点１４において、磁場のＸ成分１８は打ち消される。しかし、磁場のＹ成分１６は強めあい、図４に示すように、可動子が磁場評価点の正面に配置されたときにゼロ、これを挟んでプラスの値とマイナスの値を持つような分布を描く。

一方、２つの可動子間で等しい磁極を向かい合わせた場合の、Ｘ軸方向への駆動ステージ構成例を図５に示す。この場合、磁場評価点１４における磁場のＹ成分１６は打ち消されるが、磁場のＸ成分１８は強めあい、可動子が磁場評価点の正面に配置されたときに最大、移動に伴い小さくなっていくという分布を描く。

すなわち、可動子に含まれる磁石ペアが偶数の場合、リニアモータ対の中間点における磁場変動は、可動子の移動方向又は可動子間方向の何れかは必ず強めあうことになる。他方、磁石ペアが奇数の場合は、下向き永久磁石１０と上向き永久磁石１１の数が等しくないため、可動子からの漏洩磁場は磁石ペアが偶数の場合よりも更に大きくなる。

そこで、本発明の目的とするところは、可動子の移動に伴う磁場変動を抑制し、もって磁場環境に与える影響の少ないムービングマグネット型のリニアモータ対、更には移動ステージ及び電子顕微鏡を提供することにある。

前記目的を達成するための、本発明の特徴とするところは、ムービングマグネット型リニアモータ対を構成する夫々の可動子の磁石ペアを移動方向に沿って４Ｎ組（Ｎは自然数）備え、この４Ｎ組の磁石ペアを、可動子の移動方向中央部を基準にして鏡面対称に配置し、かつ、当該移動方向中央部で隣り合う極性が同じで、離れるに従ってＮ極とＳ極とが交互となるように配列したところにある。

更には、前記４Ｎ組の磁石ペアの磁極は、両可動子を重ねたときに磁極が一致する配列とし、斯かるリニアモータ対を用いて移動ステージ、更には電子顕微鏡を構成したところにある。

本発明によれば、リニアモータ対を構成する可動子の移動による磁場変動を抑制することができるので、磁場環境に与える影響の少ないリニアモータ対、移動ステージ、更には電子顕微鏡を実現することができる。

本発明を適用するムービングマグネット型リニアモータの略断面図。 本発明を適用する電子顕微鏡の駆動ステージの一実施例図。 従来の可動子における永久磁石の配置図。 可動子の移動に伴う磁場変動の説明図。 可動子の移動に伴う磁場変動の説明図。 本発明による実施例１の可動子断面図。 本発明による実施例１の一軸駆動機構図。 本発明による実施例２の可動子断面図。 比較例における可動子断面図。 本発明による実施例２と比較例の磁場分布グラフ。 本発明による実施例３の可動子断面図と間隙磁束密度分布図。 本発明による実施例４の可動子断面図と持続分布図。 本発明による実施例５の可動子断面図。 本発明による実施例６の可動子断面図。

以下、本発明の実施の形態を図示する実施例を用いて説明する。これらの実施例では、前述した本発明の目的及び特徴以外にも開示しているが、それらの特徴及び効果についてはその都度説明する。

また、以下述べる実施例では、特に本発明の特徴を成すリニアモータ対の可動子の部分を中心に説明するが、それらのリニアモータ対を用いた移動ステージ、及び電子顕微鏡等は、前記図２等からも容易に理解でき、また、磁場変動が影響する用途としては、電子顕微鏡に限らず、電子線を用いた描画装置、イオン銃を用いた半導体等の加工装置等にも適宜適用することができる。

図６、図７に本発明の一実施例を示す。図６は可動子３の水平方向断面図である。可動子３は主に複数の永久磁石１とヨーク２から構成される。ほぼ同じ寸法でほぼ同じ磁束密度を有する２つの永久磁石１を、N極とS極が向かいあうよう所定の間隔を隔てて配置したものを磁石ペア１２とする。可動子中央面１９を基準として鏡面対称となるように、４Ｎ組（Ｎは自然数）の磁石ペア１２を配置する。ただし永久磁石１の極性は、可動子中央線１９をまたぐ箇所を除いて、可動子移動方向９に沿ってN極とS極が交互になるよう配置する。本実施例では磁石ペア１２が４組である場合を示したが、８組、１２組などの配置も可能である。これらの永久磁石１は、透磁率が大きな鉄などの材料で作られたヨーク２によって固着される。ヨーク２の形状は、図１に示すように、開放部を下向きとするコの字型、または、馬蹄型が望ましい。

固定子４は磁石ペア１２の間隙に配置される。固定子の中にはほぼ直線上に並べられた複数のコイル（図示せず）が配置されており、コイルへの通電電流を制御することで、可動子３を移動させる。コイルの形状・配置や、通電電流の制御に関しては、従来のリニアモータの構成及び制御を利用できるので、ここでは説明を省略する。

図７は図６に示した可動子を有するリニアモータを２台組み合わせてリニアモータ対とし、X軸方向への駆動装置とした場合の概略図である。リニアモータ対の中央面２０を基準として、鏡面対称となるよう配置する。一方のリニアモータを第一リニアモータ、他方を第二リニアモータとした場合、第二リニアモータの可動子に含まれる永久磁石１の極性は、第一リニアモータの可動子に含まれる永久磁石を平行移動させた向きとする。すなわち、２組のリニアモータ間でも、永久磁石１はN極とS極が向かい合う配置とする。

このように配置することで、磁束１３は、一方の可動子から他方の可動子へと向かう方向に統一される。よって、磁場評価点１４におけるＹ方向磁場強度１６の符号は、正負のどちらか一方となり（図７の場合は負）、図４のように正負に分かれることはない。なお、磁場評価点１４における磁場のＸ成分は打ち消される。

図７に示したリニアモータ対を２組用いて、図２のように配置することで、移動ステージ５の位置変化に伴う磁場変動が小さなXYステージを構成できる。即ち、二組のリニアモータ対の夫々の固定子に挟まれる領域に、電子線等の作業領域を形成するわけである。

このように、リニアモータ対の中間点において可動子の移動に伴う磁場変動を抑制できる。従って、このようなリニアモータ対を用いることで、ステージの移動に伴う磁場変動の小さなステージ駆動装置や、電子顕微鏡を実現できる。さらに、可動子内の対称部では磁束の量が少ないため、ヨーク部を細く変更することも可能で、可動子の軽量化が図れる。さらに、ムービングマグネット型のリニアモータであるため、可動子の移動に伴うダストを抑制することができ、電子顕微鏡等の精密機器に対して有効である。

本発明の他の実施例について、前記実施例１との相違点を中心に、以下、図を参照しながら説明する。

図８に実施例２における可動子断面図を示す。ヨーク２を取り囲むように、透磁率が大きな鉄−ニッケル合金板などからなる磁気シールド２３を配置、可動子３に固着することで、可動子３からの漏洩磁場を低減できる。本実施例では、磁気シールド２３を２層配置した場合を示したが、磁気シールド２３の枚数・形状は限定しない。

図９に比較例を示す。本比較例は図８に示した実施例２との比較を行うための例である。この比較例では、永久磁石の配置が実施例２と異なるため、ヨーク２と磁気シールド２３の可動子移動方向長さが短いが、その他の寸法、材料特性は同じものとしておく。

図１０に、リニアモータ対でX軸方向への駆動装置を構成した場合における、実施例２と比較例それぞれの磁場分布を示す。リニアモータ対の構成方法は、実施例２は図７に、比較例は図４に、それぞれ基づくものとする。これらの磁場分布は、シミュレーションで得たものである。横軸は可動子のＸ座標１５、縦軸は磁場評価点のＹ方向磁場強度１６である。磁場評価点１４は、Ｘ位置は可動子ストロークの中央（Ｘ＝０）、Ｙ位置は２組のリニアモータから等距離の点、Ｚ位置は可動子上面よりも上方のある位置とした。実施例２は比較例と比べ、磁場変動の大きさを一桁程度抑制できることが分かった。

なお、実施例２の磁場分布２４において、可動子のＸ座標１５の絶対値が大きなところでは、磁場評価点のＹ方向磁場強度１６が変化し始めている。この変化を和らげ、磁場変動の少ないストローク長を延ばすためには、可動子３の可動子移動方向長さや、永久磁石の数を調整すればよい。

図１１に、実施例１で示した可動子の断面図と、永久磁石間隙の磁束密度分布を示す。リニアモータの推力を調整する際、間隙の磁束密度分布を等ピッチとする。ただし本実施例に示す磁石配置の場合、図１１に示すように間隙の磁束密度２６は、可動子中央においてゼロとなる。よって、可動子中央も磁束密度極大点のひとつとみなし、磁束密度極大点間距離P1からＰ４が等しくなるよう、永久磁石ピッチｐ１からｐ４を調整すればよい。

図１２に、実施例４で示す可動子の断面図と、磁束分布の概要を示す。対称性から、磁束１３は可動子中央付近のヨークには集中しないため、ヨークの量を低減することが可能である。例えば図１２に示すように、可動子中央付近のヨークを削って軽量化したヨーク２７を用いることも可能である。ただし、軽量化したヨーク２７も対称性を保った形状とする。

図１１に示したように、可動子中央における間隙の磁束密度がゼロであるため、この範囲は推力を生み出すことができない。よって可動子移動方向９に対する可動子の推力分布を整えなければならない場合は、図１３に示すように、永久磁石の可動子移動方向長さ２８を短くし、永久磁石ピッチを短くすることで、可動子中央部の影響を相対的に小さくすることが可能である。

可動子間隙の磁束密度分布調整法のひとつに、永久磁石をハルバッハ配列とする方法が知られている。本発明においてもハルバッハ配列は適用可能であり、例えば図１４に示すように、ハルバッハ配列用永久磁石２９を配置すれば良い。

１…永久磁石
２…ヨーク
３…可動子
４…固定子
５…移動ステージ
６…連結部
７…支持装置
８…電子ビーム位置
９…可動子移動方向
１０…下向き永久磁石
１１…上向き永久磁石
１２…磁石ペア
１３…磁束
１４…磁場評価点
１５…可動子のＸ座標
１６…磁場評価点のＹ方向磁場強度
１７…可動子正面に磁場評価点が位置したときの可動子のＸ座標
１８…磁場評価点のＸ方向磁場強度
１９…可動子中央面
２０…リニアモータ対中央面
２１…第一リニアモータ
２２…第二リニアモータ
２３…磁気シールド
２４…実施例２の磁場分布
２５…比較例の磁場分布
２６…間隙の磁束密度
２７…軽量化したヨーク
２８…永久磁石の可動子移動方向長さ
２９…ハルバッハ配列用永久磁石
p1， p2， p3， p4…永久磁石ピッチ
P1， P2， P3， P4…磁束密度極大点間距離

Claims (7)

1. 直線状の固定子を並行に配置し、可動子が並行して移動する第１及び第２のリニアモータから成るリニアモータ対において、前記可動子は前記固定子を挟んでＮ極とＳ極とが向かい合うように配置された磁石ペアを移動方向に沿って４Ｎ組（Ｎは自然数）有し、当該４Ｎ組の磁石ペアは、可動子の移動方向中央部を基準にして鏡面対称に配置し、かつ、当該移動方向中央部で隣り合う極性が同じで、離れるに従ってＮ極とＳ極とが交互となるように配列することを特徴とするリニアモータ対。
2. 請求項１において、前記第１及び第２のリニアモータは互いの固定子が並行となるように所定の間隔を隔てて前記リニアモータ対の中央面を基準に対称位置に配置され、前記第１のリニアモータの可動子を構成する前記４Ｎ組の磁石ペアの磁極の配列と、前記第２のリニアモータの可動子を構成する前記４Ｎ組の磁石ペアの磁極の配列が同じであることを特徴とするリニアモータ対。
3. 請求項１又は２において、各リニアモータの可動子を構成する前記４Ｎ組の磁石ペアは、前記可動子の移動方向中央部で隣り合う磁石ペアの間隔以外を所定のピッチで配列し、前記移動方向中央部で隣り合う磁石ペアの間隔を前記所定のピッチの約2倍とすることを特徴とするリニアモータ対。
4. 請求項１から３のいずれかにおいて、前記各可動子を構成する４Ｎ組の磁石ペア及びヨークを磁気シールドで囲むように構成することを特徴とするリニアモータ対。
5. 請求項１から３のいずれかに記載のリニアモータ対を構成する可動子と移動ステージとを連結部材を介して連結し、前記可動子の位置を制御することで前記移動ステージの一軸方向の位置を制御することを特徴とする移動ステージ。
6. 請求項１から３のいずれかに記載のリニアモータ対を少なくとも二組備え、当該二組のリニアモータ対を夫々構成する直線状の固定子を互いに直交する方向に配置し、かつ、前記二組のリニアモータ対の可動子を移動ステージに連結して、前記夫々の可動子の位置を制御することで前記移動ステージの二軸方向の位置を制御することを特徴とする移動ステージ。
7. 請求項６記載の移動ステージを用いた電子顕微鏡において、前記直交する二組のリニアモータ対を夫々構成する第１及び第２のリニアモータの固定子に挟まれる領域に、前記電子顕微鏡の電子線照射領域を形成したことを特徴とする電子顕微鏡。

Images