JP2007325412A - ステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度上昇を抑えて、エネルギー損失及び精度の低下を抑制したステージ装置を提供する。
【解決手段】可動ステージ４と、可動ステージを所定方向に移動駆動するリニアモータ５０と、リニアモータの所定部位の温度を検出する温度センサ７と、リニアモータの磁界発生用のコイルを冷却する冷却部９と、可動ステージを移動駆動するための入力情報に基づいて、リニアモータの駆動を制御する駆動制御部３４と、入力情報と温度センサにより検出された温度情報とに基づいて、リニアモータの駆動により生ずるリニアモータの温度上昇を予測し、温度上昇の予測値に基づいて冷却部を制御する温度制御部３４とを具備する。
【選択図】図３

Description

本発明はムービングマグネット型リニアモータを用いたステージ装置に関する。

従来より、リニアモータをステージの駆動装置として用いたステージ装置が公知である。駆動装置としてリニアモータを用いることで、位置決め精度の高いステージ装置が実現できる。また、従来のボールネジ駆動機構に比べて駆動速度が速いうえに位置決め精度が高く、また繰り返し位置決め精度も高く、駆動時と停止時のオーバシュート、アンダーシュートが小さく、等速移動時の速度リップルが小さいという特徴がある。このようなリニアモータの一種として、コイル部を軸状の固定子とし、磁石部を有する可動子を円筒状に形成して、固定子が中心を貫通するように構成されたムービングマグネット型のリニアモータが知られている（特許文献１参照）。
特開２００２−２９１２２０号公報 特開２００４−２８２７９６号公報

しかしながら、従来のムービングマグネット型のリニアモータには駆動時の発熱量を如何に抑えるかという課題があった。

即ち、上記のようなリニアモータにあっては、十分なリニアモータの推力を得るためには、十分な飽和磁束密度が得られるような厚さのヨークが必要になる。そのヨークの厚さにより重量が大きくなり、これが原因で一定の仕事量当たりのリニアモータの発熱量が大きくなり、ひいては、エネルギー損失が生じるという不具合が生じる。また、発熱が大きくなるとステージ装置自体が発熱により歪み、精度を損なうといった問題や、永久磁石が減磁してリニアモータの性能を損なうといった問題も生じる
コイルの発熱を下げる方法として、例えば特許文献２に開示されている技術では、ムービングマグネット型リニアモータにおいて、外周にコイルを保持する筒状固定子ヨークの筒状部に冷媒を供給してモータを冷却するようにしている。冷却にあたっては冷媒が循環する配管を設け、ポンプによって冷媒を循環させ温度を一定に保っている。

一方、コイルの温度については、リニアモータの高速駆動時、負荷変動時が特に発熱量が上がり、温度が上昇する。これに対し、上昇した温度を瞬時に下げることは出来ず、定常状態に下がるのに一定のタイムラグがある。その間、一定の温度が上がった状態がある時間継続することになり、精密な位置決め装置の場合は位置決め寸法精度が狂うなどの致命的な欠陥となる。

従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度上昇を抑えて、エネルギー損失及び精度の低下を抑制したステージ装置を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わるステージ装置は、可動ステージと、前記可動ステージを所定方向に移動駆動するリニアモータと、前記リニアモータの所定部位の温度を検出する温度センサと、前記リニアモータの磁界発生用のコイルを冷却する冷却手段と、前記可動ステージを移動駆動するための入力情報に基づいて、前記リニアモータの駆動を制御する駆動制御手段と、前記入力情報と前記温度センサにより検出された温度情報とに基づいて、前記リニアモータの駆動により生ずる前記リニアモータの温度上昇を予測し、該温度上昇の予測値に基づいて前記冷却手段を制御する温度制御手段と、を具備することを特徴とする。

また、この発明に係わるステージ装置において、前記温度制御手段は、少なくとも前記入力情報に基づく前記可動ステージの移動速度と移動時間とに基づいて、前記冷却手段の冷却動作を制御することを特徴とする。

また、この発明に係わるステージ装置において、前記温度制御手段は、前記可動ステージの移動速度と移動時間とに基づいて前記コイルの温度上昇を予測し、前記冷却手段の冷却動作を制御することを特徴とする。

また、この発明に係わるステージ装置において、前記温度制御手段は、前記冷却手段を所定の周期毎に制御すると共に、該周期内で冷却動作を行なわせる時間と冷却動作を停止させる時間のデューティを制御することにより、前記冷却手段の冷却動作を制御することを特徴とする。

また、この発明に係わるステージ装置において、前記温度制御手段は、前記リニアモータの所定の部位の温度が目標値より大きくなった場合に、前記周期内の冷却動作を行なわせる時間が長くなるように前記デューティを設定し、前記リニアモータの所定の部位の温度が目標値より小さくなった場合に、前記デューティを短く設定することを特徴とする。

また、この発明に係わるステージ装置において、前記冷却手段がペルチェ素子を有する電子冷却装置であることを特徴とする。

本発明によれば、温度上昇を抑えて、エネルギー損失及び精度の低下を抑制したステージ装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わるステージ装置１の構造を示す概略斜視図である。

図１において、ステージ装置１は、１軸移動のステージ装置であり、石定盤もしくはセラミックなどからなるベース３と、ベース３上を移動可能なステージ４とを備えている。ステージ４は、気体軸受けである空気軸受５を用いて、ベース３に形成された案内６に沿って移動するものである。そして、このステージ４の移動には、ベース３に設けられた固定子１０と、ステージ４に固定された移動子２０とを有する２組のシャフト型リニアモータ５０が用いられている。

図２は、固定子１０と移動子２０とを有するシャフト型リニアモータの概略構成を示す側面図である。

図２において、前述したステージ４は移動子２０に固定されており、移動子２０は複数の円筒形永久磁石２1と磁石ホルダー２２とを備えて構成される。固定子１０は移動子２０に対して所定ギャップを介して対向している。固定子１０は、磁界発生用の複数の円筒状のコイル１２と、このコイル１２を保持するハウジング１１とを備えている。コイル１２の近傍には、コイル１２の温度を測定する温度センサ７が配置されている。また、ハウジング１１には、コイル１２から発生する熱を冷却する冷媒を循環させるための冷媒配管８が配置されている。そして、冷媒配管８を流れる冷媒は、その温度を制御する冷却部９に入り、冷却部９に内蔵されている不図示のポンプにより再び冷媒配管８に戻され循環される。使用する冷媒としては、例えば、ハイドロフルオロエーテル、ハイドロクロロフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、クロロフルオロカーボンなどの他に、フロリナート（登録商標）などのフッ素系不活性液体、アンモニア、水（もしくは純水）、空気等が用いられる。

図３は、ステージ装置１と、その駆動及び冷却を制御する制御部のブロック構成を示す図である。

前述したようにステージ４は磁石ホルダー２２（図２参照）に固定され、磁石ホルダー２２には永久磁石２１が保持されている。永久磁石２１と所定ギャップを介して中空円筒状のコイル１２がハウジング１１（図２参照）に保持され、ベース３（図１参照）に固定されている。中空円筒状のコイル１２の中空部には、コイル１２を冷却する冷媒配管８を保持する配管固定部材３０が設けられている。冷媒配管８は冷却部９と連結されており、配管固定部材３０を介してコイル１２を冷却する。

コイル１２の近傍にはコイル１２の温度を測定する温度センサ７が配置されており、コイル１２の現在温度の情報を冷却部９に入力する。

ステージ４には、ベース３に設けられたエンコーダ３１と対向する位置センサー３２が取り付けられている。エンコーダ３１は、ステージ４の絶対位置を測定し、サーボアンプ３３にその情報を入力する。サーボアンプ３３はリニアモータ５０を駆動する駆動ドライバーの機能を持ち、後述するＮＣコントローラ３４の指示によりステージ４を駆動するための駆動電流をコイル１２に供給する。

ＮＣコントローラ３４は、各種演算処理機能と、ステージ４の駆動制御を司る機能を有し、ホストコントローラ３５の指示によりステージ４の駆動を制御する。また、温度センサ７から出力されるコイル１２の現在温度情報と、後述するコイル温度変動予測値とに基き、冷却部９を制御する。ホストコントローラ３５は、ステージ４の移動すべき位置に関する情報を、ＮＣコントローラ３４に入力情報として入力するものであり、より詳しくは、ステージ４の位置情報、駆動速度情報を含む。

次に冷却部９による冷却制御について図４のフローチャートを参照して説明する。

ＮＣコントローラ３４は、所定時間毎に温度センサ７からの現在温度データを冷却部９を介して取得し、保持する（ステップＳ１）。

次に、ＮＣコントローラ３４は現在温度と目標温度との差を計算する（ステップＳ２）。

そして、ＮＣコントローラ３４は、現在温度と目標温度との差をゼロにすべく、冷却部９の冷却動作を行わせる時間（ＯＮ時間）と停止させる時間（ＯＦＦ時間）のデューティ比を決定する（ステップＳ３）。言い換えれば、冷却部９は、コイル１２の温度が目標値より大きくなった場合に、温度制御周期内の冷却動作を行なわせる時間（ＯＮ時間）が長くなるように上記のデューティ比を設定し、コイル温度が目標値より小さくなった場合に、上記のデューティ比を短く設定する。

次に、ＮＣコントローラ３４は、ホストコントローラ３５からの指示に基き、ステージ４を目標とする位置に到達させるまでの移動速度を設定し、その移動速度で目標位置に到達するのにかかる移動時間を演算する。そして、その移動速度及び移動時間に対応するコイル１２の動作量を演算するとともに、その動作量に相当するコイル１２の温度上昇勾配（補正量と表現する）を演算する（ステップＳ４）。即ち、ステージ４の移動速度が速くかつ移動量が大きいほど温度上昇は急激で補正量は大きくなり、ステージ４の移動速度が遅くかつ移動量が僅かの場合は温度変化も僅かとなるため補正量も小さくなる。

そして、上記の演算された補正量と、ＮＣコントローラ３４のメモリに記憶されているテーブルとを参照して、ステップＳ３で求められた冷却部９のＯＮ時間とＯＦＦ時間に加える加算値を求める（ステップＳ５）。

次に、ステップＳ３で求めた冷却部９のＯＮ時間とＯＦＦ時間にステップＳ５で求めた加算値を加え（ステップＳ６）、冷却部９のＯＮ時間とＯＦＦ時間を決定する（ステップＳ７）。

この一連のステップによって、コイル１２の現在温度を基にその後のステージの動作による発熱量の予測値を加算することにより、所定時間後の温度を予測し、その予測温度に合わせた冷却動作が可能になる。言い換えれば、予測される温度上昇を打ち消すように冷却部９を動作させることにより、コイル１２を常に略一定の温度に保つことが可能となる。

最後に冷却部９に冷却動作の実行を指示する（ステップＳ８）。

そして、ＮＣコントローラ３４は以上の作業を所定の時間間隔ごとに繰り返し、冷却制御を行なう。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態におけるステージ装置１と、その駆動及び冷却を制御する制御部のブロック構成を示す図である。

第１の実施形態で示したように、ステージ４は磁石ホルダー２２（図２参照）に固定され、磁石ホルダー２２には永久磁石２１が保持されている。永久磁石２１と所定ギャップを介して中空円筒状のコイル１２がハウジング１１（図２参照）に保持され、ベース３（図１参照）に固定されている。

中空円筒状のコイル１２の中空部には、コイル１２を冷却するためのペルチェ素子４０が不図示の保持具により支持されている。ペルチェ素子４０はコイル１２と対向する面４０ａが吸熱面に設定され、逆側の冷媒配管８と対向する面４０ｂが放熱面に設定されている。放熱面４０ｂは冷媒配管８と接し、その放熱は冷媒配管８によって吸熱される。冷媒配管８中の冷媒は冷媒循環ポンプ４３により循環される。

ペルチェ素子４０はコントローラ４２により制御される。４１はコントローラ４２を介してペルチェ素子４０を駆動するための直流電源である。

本実施形態においてペルチェ素子４０の放熱を吸収するために冷媒を用いたが、冷媒の代わりに放熱フィンを用いても良い。このような構成によればより冷却機構をコンパクトに構成することが可能となる。

なお、コイル１２の冷却制御は、第１の実施形態と同様であり、コイル１２の温度上昇を予測し、その温度上昇を打ち消すように冷却が行なわれる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態におけるステージ装置１と、その駆動及び冷却を制御する制御部のブロック構成を示す図である。

第１の実施形態で示したように、ステージ４は磁石ホルダー２２（図２参照）に固定され、磁石ホルダー２２には永久磁石２１が保持されている。永久磁石２１と所定ギャップを介して中空円筒状のコイル１２がハウジング１１（図２参照）に保持され、ベース３（図１参照）に固定されている。

中空円筒状のコイル１２の中空部にはコイル１２を冷却するための冷媒配管８を保持する配管固定部材３０が設けられている。冷媒配管８は冷却部９と連結されており、配管固定部材３０を介してコイル１２を冷却する。

コイル１２の近傍であって冷媒配管８の流入口側にコイル１２の温度を測定する温度センサ７ａが配され、また、その反対側である冷媒配管８の排出口側のコイル１２近傍にコイル１２の温度を測定する温度センサー７ｂが配置されている。そして、温度センサ７ａ、７ｂの平均現在温度をコイル冷却部９に入力する。

これは、冷媒配管８の流入口と排出口では排出口の方がコイル１２の熱を吸収して温度が高くなり、従ってコイル１２の温度も流入口側より高くなるからである。本実施形態では、コイル１２の正確な温度を測定するために温度センサーを複数設けている。この構成によればコイル１２の温度をより正確に測定することができる。

コイル１２の冷却の仕組みは第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。

以上説明したように、上記の第１乃至第３の実施形態によれば、リニアモータの高速駆動時、負荷変動等によるコイル温度変動に対し、素早く目標温度に戻すことができ、コイル温度が定常状態に下がるのに一定のタイムラグがあるという不具合を解消することができる。そして、温度上昇を抑えて、エネルギー損失の少ないリニアモータ及びこれを用いたステージ装置を提供することができる。

また、現在の温度情報と、これから移動することにより発熱するコイル温度変動予想値からコイルの冷却量を予測制御することにより、効率的なコイルの冷却が実現でき、リニアモータが設置されるステージ装置全体として、温度上昇を抑えて、エネルギー損失の少ないリニアモータ及びこれを用いたステージ装置を提供することができる。さらに常に安定した温度に制御されることにより、精度の高いステージ装置となる。

本発明の第１の実施形態に係わるステージ装置の構造を示す概略斜視図である。 固定子と移動子とを有するシャフト型リニアモータの概略構成を示す側面図である。 ステージ装置と、その駆動及び冷却を制御する制御部のブロック構成を示す図である。 冷却部９よる冷却制御動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態におけるステージ装置と、その駆動及び冷却を制御する制御部のブロック構成を示す図である。 第３の実施形態におけるステージ装置と、その駆動及び冷却を制御する制御部のブロック構成を示す図である。

符号の説明

１ ステージ装置
３ ベース
４ ステージ
５ 空気軸受
６ 案内
１０ 固定子
２０ 移動子
５０ シャフト型リニアモータ

Claims (6)

1. 可動ステージと、
   前記可動ステージを所定方向に移動駆動するリニアモータと、
   前記リニアモータの所定部位の温度を検出する温度センサと、
   前記リニアモータの磁界発生用のコイルを冷却する冷却手段と、
   前記可動ステージを移動駆動するための入力情報に基づいて、前記リニアモータの駆動を制御する駆動制御手段と、
   前記入力情報と前記温度センサにより検出された温度情報とに基づいて、前記リニアモータの駆動により生ずる前記リニアモータの温度上昇を予測し、該温度上昇の予測値に基づいて前記冷却手段を制御する温度制御手段と、
   を具備することを特徴とするステージ装置。
2. 前記温度制御手段は、少なくとも前記入力情報に基づく前記可動ステージの移動速度と移動時間とに基づいて、前記冷却手段の冷却動作を制御することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
3. 前記温度制御手段は、前記可動ステージの移動速度と移動時間とに基づいて前記コイルの温度上昇を予測し、前記冷却手段の冷却動作を制御することを特徴とする請求項２に記載のステージ装置。
4. 前記温度制御手段は、前記冷却手段を所定の周期毎に制御すると共に、該周期内で冷却動作を行なわせる時間と冷却動作を停止させる時間のデューティを制御することにより、前記冷却手段の冷却動作を制御することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
5. 前記温度制御手段は、前記リニアモータの所定の部位の温度が目標値より大きくなった場合に、前記周期内の冷却動作を行なわせる時間が長くなるように前記デューティを設定し、前記リニアモータの所定の部位の温度が目標値より小さくなった場合に、前記デューティを短く設定することを特徴とする請求項４に記載のステージ装置。
6. 前記冷却手段がペルチェ素子を有する電子冷却装置であることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。

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