JP2007185042A - 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

Abstract

【課題】本発明はコイルの冷却効率を高めることを課題とする。
【解決手段】コイル部６０は、複数のコイル６６をモールド（樹脂材）７６により一体化された状態に保持され、カバー部材７８の内側にモールド７６の表面を覆う金属ケース８０を設けた構成とされている。また、カバー部材７８の内壁と金属ケース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。金属ケース８０は、例えば、非磁性で耐食性を有するステンレス板により形成されており、冷却水への熱伝導が良好に行なわれ、冷却効率を高めることができる。
【選択図】図３

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る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、複数のコイルが樹脂材により保持されたコイル部と、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冷却水流路と、を有するリニアモータにおいて、前記カバー部材の内側に前記樹脂材の表面を覆う金属ケースを設け、前記金属ケースと前記カバー部材との間に前記冷却水流路を形成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記金属ケースは、金属板を溶接で接合して前記コイルの表面形状に対応した形状に構成されたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記金属板が非磁性材料であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記金属ケースの内側と前記樹脂材との間に絶縁材を介在させたことを特徴とする。

請求項５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を所定の隙間を介して金属ケースで覆う第２の工程と、前記金属ケースと前記複数のコイルとの間に形成された前記隙間に樹脂材を充填する第３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金属ケースに取り付ける第４の工程と、冷却水が供給されるコイル冷却水流路を形成するカバー部材で前記金属ケースの周囲を覆う第５の工程と、複数の永久磁石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６記載の発明は、請求項１乃至４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、カバー部材の内側に樹脂材の表面を覆う金属ケースを設け、金属ケースとカバー部材との間に冷却流路を形成したため、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、金属ケース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と共に、複数のコイルを保持するための機械的な強度を高めることもできる。

また、本発明によれば、金属ケースが金属板を溶接で接合してコイルの表面形状に対応した形状に構成されるため、接合部分での気密性を確保することができ、内側の樹脂材やコイルを保護することができる。

また、本発明によれば、金属ケースの内側と樹脂材との間に絶縁材を介在させたため、金属ケースとコイルとの間の絶縁性をより高めることが可能になる。

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。

ここで、コイル部６０の内部の構成について詳細に説明する。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、複数のコイル６６をモールド（樹脂材）７６により一体化された状態に保持され、カバー部材７８の内側にモールド７６の表面を覆う金属ケース８０を設けた構成とされている。また、カバー部材７８の内壁と金属ケース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。

本実施例の金属ケース８０は、例えば、非磁性で耐食性を有するステンレス板(SUS304またはSUS316)により形成されており、冷却水への熱伝導が良好に行なわれ、冷却効率を高めることができる。また、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。

金属ケース８０は、各構成部材８０ａ〜８０ｆを組み合わせたものであり、構成部材８０ａ，８０ｂはコイル６６及びモールド７６の側面を覆う側板、構成部材８０ｃはコイル６６及びモールド７６の上部を覆う蓋、構成部材８０ｄはコイル６６及びモールド７６の下部を覆う底部と、構成部材８０ｅ，８０ｆは図６に示すコイル６６及びモールド７６の前後を覆う前板、後板である。また、金属ケース８０の各構成部材８０ａ〜８０ｆの突合せ部分は、レーザ溶接などにより溶融接合される。そのため、金属ケース８０は、コイル部６０の機械的強度を高めると共に、内部が気密な構造となる。

さらに、金属ケース８０の内面には、絶縁層８１（図３（Ｂ）参照）が形成されている。この絶縁層８１は、電気絶縁材料、あるいは絶縁紙により形成されており、金属ケース８０の内面全体に貼着されている。これにより、金属ケース８０とコイル６６との絶縁性が確保される。

モールド７６は、その表面全体が金属ケース８０により覆われるため、冷却水流路７４を流れる冷却水がモールド７６に浸透することを防止できる。そのため、コイル６６において、冷却水による絶縁破壊を起こすことを防止できる。また、金属ケース８０は、コイル６６及びモールド７６の側面を覆う構成部材８０ａ，８０ｂの厚さが他のよりも薄く形成されており、これにより、コイル６６の熱を効率良く冷却水に伝えることが可能になる。尚、構成部材８０ａ，８０ｂの厚さは、熱伝導（冷却効率）と耐食性（寿命）との条件を満たすように設定する。

また、コイル部６０は、カバー部材７８の内壁と金属ケース８０の外壁との間に冷却水流路７４が形成されており、冷却水流路７４に供給された冷却水によって金属ケース８０の表面が冷却される。冷却水流路７４の上流側は、冷却水供給口７０に連通され、冷却水流路７４の下流側は、冷却水排出口７２に連通されている。

すなわち、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。冷却水流路７４を通過した冷却水は、冷却水排出口７２から回収されて冷却ユニット（図示せず）により再冷却されて冷却水供給口７０に供給される。これにより、コイル部６０の全体が冷却水流路７４を流れる冷却水により冷却される。

本実施例においては、モールド７６の表面が金属ケース８０により覆われるため、冷却水流路７４に供給される冷却水として塩素を含んだ水道水を用いることが可能である。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は図５中Ｖ−Ｖ線に沿う縦断面図である。図５及び図６に示されるように、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。

コイル部６０は、前端上部に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。これにより、コイル６６による熱は、冷却水流路７４を流れる冷却水に回収されて冷却される。

なお、冷却水供給口７０及び冷却水排出口７２は、上記金属パイプに限らず、ブロック８２，８４を貫通する貫通孔に雌ねじを設け、この雌ねじに継手を螺入することで、給水、排水を行なう配管またはフレキシブルホースを取り外し可能に結合させることができるように構成された継手構造を用いても良い。

ここで、リニアモータ２０の製造方法の手順（工程）について図７乃至図１０を参照して説明する。
（手順１）複数のコイル６６を並設する（図４及び図７参照）。この状態では、位置決め治具を用いて各コイル６６の相対位置が位置決めされている（第１の工程）。
（手順２）内面に絶縁層８１が形成された金属ケース８０を用意する。そして、金属ケース８０の各構成部材８０ａ〜８０ｆを各コイル６６の周囲を覆うように配置する（図８参照）。さらに、各構成部材８０ａ〜８０ｆの突合せ部分を溶接して金属ケース８０の内部に複数のコイル６６を収納させる。その際、コイル６６と金属ケース８０内面との間には、隙間８３が介在することになる。各構成部材８０ａ〜８０ｆの位置とコイル６６の相対位置が治具などにより設定されることで、上記隙間８３は、コイル６６の全表面と金属ケース８０の全内面との間に形成される（第２の工程）。
（手順３）金属ケース８０の上部に設けられた充填口９０から溶融樹脂材を充填する（図９（Ａ）（Ｂ）参照、第３の工程）。

溶融樹脂材が熱硬化性樹脂である場合には、充填終了後に所定温度に加熱して固化することにより、各コイル６６の全表面を覆うモールド７６が完成する。このように、金属ケース８０とコイル６６との隙間８３に樹脂材を充填する方法によれば、モールド７６の厚さを隙間８３により管理することが可能になり、従来の方法よりもモールド７６の厚さをより薄くすることが可能になり、リニアモータ２０の小型化に寄与しうる。また、この方法では、モールド成型用の金型が不要になるため、製造コストを安価に抑えることができる。
（手順４）リード線８６が挿入されたリード線ガイド部材８８を金属ケース８０に取り付ける（図６参照、第４の工程）。
（手順５）金属ケース８０の周囲をカバー部材７８により覆う（図１０参照）。カバー部材７８は、金属ケース８０の両側から組み合わされ、上部に突出する充填口９０の上端、下部に突出する突起９２の下端に接合する。そして、充填口９０に金属キャップ９４を溶接して充填口９０を密閉する（第５の工程）。

これにより、カバー部材７８の内面と金属ケース８０の表面との間に冷却水流路７４が形成される。
（手順６）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（図６参照）。
（手順７）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）。これにより、マグネットヨーク部６２の永久磁石６８がコイル部６０に対向する（第６の工程）。これで、リニアモータ２０が完成する。

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。

また、上記実施例では、金属ケース８０をステンレス材により形成する場合を一例として挙げたが、これに限らず、非磁性で耐食性を有する金属であれば、他の金属材料（例えば、チタン等）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。 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の内部を示す縦断面図である。 リニアモータの製造方法の手順１を説明するための図である。 リニアモータの製造方法の手順２を説明するための図である。 リニアモータの製造方法の手順３を説明するための図である。 リニアモータの製造方法の手順５を説明するための図である。

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 金属ケース
８０ａ〜８０ｆ 構成部材
８３ 隙間
９０ 充填口

Claims (6)

1. 複数のコイルが樹脂材により保持されたコイル部と、
   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冷却水流路と、を有するリニアモータにおいて、
   前記カバー部材の内側に前記樹脂材の表面を覆う金属ケースを設け、
   前記金属ケースと前記カバー部材との間に前記冷却水流路を形成したことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記金属ケースは、金属板を溶接で接合して前記コイルの表面形状に対応した形状に構成されたことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記金属板は、非磁性材料であることを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
4. 前記金属ケースの内側と前記樹脂材との間に絶縁材を介在させ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。
5. 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を所定の隙間を介して金属ケースで覆う第２の工程と、
   前記金属ケースと前記複数のコイルとの間に形成された前記隙間に樹脂材を充填する第３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金属ケースに取り付ける第４の工程と、
   冷却水が供給されるコイル冷却水流路を形成するカバー部材で前記金属ケースの周囲を覆う第５の工程と、
   複数の永久磁石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。
6. 請求項１乃至４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。

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