JP2008259373A - Linear motor - Google Patents
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Description
本発明は、ムービングマグネット型のリニアモータに関するもので、特に、円筒形状の界磁構造とそれに伴う電機子を備えた円筒界磁型リニアモータに関する。 The present invention relates to a moving magnet type linear motor, and more particularly, to a cylindrical field type linear motor including a cylindrical field structure and an armature associated therewith.
従来、精密位置決め装置の駆動系を直線運動させる駆動機構としては、回転型モータの回転を直線運動に変換して駆動対象物を移動させるものや、直接直線型のモータ、いわゆるリニアモータを用いて駆動対象物を移動させるものが用いられている。 Conventionally, as a drive mechanism for linearly moving a drive system of a precision positioning device, a mechanism that converts the rotation of a rotary motor into a linear motion to move an object to be driven, or a direct linear motor, a so-called linear motor, is used. A moving object is used.
リニアモータは、構造が簡易で部品点数が少なく済み、駆動における摩擦抵抗が少ないために動作精度が高く、また、直接的に直線駆動するので移動動作を迅速に行うことができるという利点を有している。 Linear motors have the advantages of simple structure, small number of parts, low frictional resistance in driving, high operation accuracy, and direct movement of linear motors for quick movement. ing.
このためリニアモータは、精密な位置決めを必要とする分野の直線運動を行わせる駆動機構において主流となりつつある。 For this reason, linear motors are becoming mainstream in drive mechanisms that perform linear motion in fields that require precise positioning.
例えば、半導体装置、液晶表示装置、あるいは薄膜磁気ヘッド等を製造する際のフォトリソグラフィ工程で用いられる露光装置において、レチクル、ウェハ等を載置するステージを移動させる駆動機構としてリニアモータが用いられている。
さて、モータ推力は、理論的にフレミングの法則により、対向する界磁磁石間の空間(以下、界磁空隙という)の磁束密度と、力を発生させるために役立つ界磁空隙内に存在するコイルの電線の長さ(以下、有効電線長という)と、界磁空隙内のコイルの電線を流れる電流値との積で求められる。 The motor thrust is theoretically determined by Fleming's law, the magnetic flux density in the space between the opposing field magnets (hereinafter referred to as field gap), and the coil present in the field gap that is useful for generating the force. The product of the length of the wire (hereinafter referred to as the effective wire length) and the value of the current flowing through the coil wire in the field gap.
このモータ推力を電流値で除した推力定数はモータの構造等により決定され、モータの推力性能を左右する重要なファクタとしてモータ設計で用いられている。モータの推力性能を向上させるには推力定数を大きくすることが重要であり、有効電線長を長くする、あるいは磁束密度を高くすることが必要である。 The thrust constant obtained by dividing the motor thrust by the current value is determined by the structure of the motor and is used in motor design as an important factor that affects the thrust performance of the motor. In order to improve the thrust performance of the motor, it is important to increase the thrust constant, and it is necessary to increase the effective wire length or increase the magnetic flux density.
また、リニアモータは電気機械変換機の1種であり、電気エネルギーを供給して電流力や磁気力によって二次側可動子を直線運動させる。したがって、推力を得るためには、電機子コイルに電流を流す必要があるが、コイルに電流を流した結果、コイル線材の抵抗により発生するジュール熱によりコイルが発熱し、また発生する渦電流によって周辺の部材が発熱する。 A linear motor is a kind of electromechanical converter, which supplies electric energy to linearly move the secondary side mover by current force or magnetic force. Therefore, in order to obtain thrust, it is necessary to pass a current through the armature coil. As a result of the current flowing through the coil, the coil generates heat due to the Joule heat generated by the resistance of the coil wire, and the generated eddy current The surrounding members generate heat.
リニアモータの機種によって差異はあるが、直線運動の推力を大きくするためにはコイルに流す電流を大きくする必要があるので、リニアモータの出力が高出力であれば、それだけ発熱によるエネルギー損失は大きくなる。また、発熱によるコイルや周辺部材の損傷が生じるおそれがある。そのため、一般的に、リニアモータの定格推力は、コイルを絶縁しているエナメルなどの被覆材やコイルをモールドする成形樹脂材が変形しない許容温度により決定している。 Although there are differences depending on the type of linear motor, it is necessary to increase the current flowing through the coil in order to increase the thrust of linear motion. Therefore, if the output of the linear motor is high, the energy loss due to heat generation increases accordingly. Become. In addition, the coil and peripheral members may be damaged due to heat generation. Therefore, in general, the rated thrust of a linear motor is determined by an allowable temperature at which a covering material such as enamel that insulates the coil and a molded resin material that molds the coil are not deformed.
ところで、例えばウェハを載置して移動する露光装置のステージは、スループットを向上させるためにできるだけ短時間でウェハの所定領域を所定位置に位置決めさせることが要求される。そのためステージには、高速で安定して移動でき、急激な加減速でも変形や振動を生じないように高い剛性を持たせる必要が生じ、その結果ステージの質量は大きくならざるを得ない。従ってステージ駆動系に用いるリニアモータには、重いステージを大きい加速度で駆動できるだけの推力性能が要求されている。 Incidentally, for example, a stage of an exposure apparatus that places and moves a wafer is required to position a predetermined area of the wafer at a predetermined position in as short a time as possible in order to improve throughput. For this reason, the stage needs to be able to move stably at a high speed and to have high rigidity so as not to be deformed or vibrated even during rapid acceleration / deceleration. As a result, the mass of the stage must be increased. Therefore, the linear motor used in the stage drive system is required to have a thrust performance that can drive a heavy stage with a large acceleration.
従来のリニアモータの推力性能を向上させる方法としては、有効電線長が長くなるようにコイルの電線の巻数を増加させることが考えられるが、コイルの巻数を増加させるとコイルの界磁磁石方向の厚さが厚くなるので、界磁磁石間の空隙の幅を広げざるを得ず、そのため界磁空隙での磁束密度が低下してリニアモータの推進性能をそれほど向上させることが出来ないという問題が生じる。また、界磁空隙での磁束密度を低下させないようにしようとすれば界磁磁石は大きくて重いものにならざるを得ず、リニアモータが大型化してしまうという問題を生じる。 As a method of improving the thrust performance of the conventional linear motor, it is conceivable to increase the number of turns of the coil wire so that the effective wire length becomes long. However, if the number of turns of the coil is increased, the direction of the field magnet of the coil is increased. Since the thickness is increased, the gap between the field magnets must be widened, so that the magnetic flux density in the field gap is lowered and the propulsion performance of the linear motor cannot be improved so much. Arise. Further, if it is attempted not to reduce the magnetic flux density in the field gap, the field magnet must be large and heavy, resulting in a problem that the linear motor becomes large.
また、コイルの有効電線長を長くすることは、コイルの発熱量が増大することにもなり、従来のリニアモータの構成では、発生した熱はコイル表面から放射して周囲の雰囲気中の気体に揺らぎを生じさせて屈折率の変動を生じさせたり、ステージの熱膨張を引き起こす原因となったりするという問題を有している。 Increasing the effective wire length of the coil also increases the amount of heat generated by the coil, and in the conventional linear motor configuration, the generated heat is radiated from the coil surface to gas in the surrounding atmosphere. There is a problem that the fluctuation of the refractive index is caused by the fluctuation, and the thermal expansion of the stage is caused.
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、モータの推進性能を効果的に向上させることのできるリニアモータを提供することである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a linear motor that can effectively improve the propulsion performance of the motor.
さらに、本発明の他の目的は、コイルに発生する熱を周囲の環境に悪影響を及ぼすことなく効率よく冷却することのできるリニアモータを提供することである。 Furthermore, another object of the present invention is to provide a linear motor capable of efficiently cooling the heat generated in the coil without adversely affecting the surrounding environment.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わるリニアモータは、巻き線が巻き回された複数のボビンが連続的に配列された電磁コイルと、前記ボビンを貫通するセンターコアとを備える固定子と、前記固定子からの磁束の作用を受ける永久磁石を備え、前記固定子に沿って直線運動可能に配置された可動子とを具備し、前記ボビンと前記センターコアの間に、前記電磁コイルの冷却のための流体を通過させる空間を形成したことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a linear motor according to the present invention includes an electromagnetic coil in which a plurality of bobbins wound with windings are continuously arranged, and a center core that passes through the bobbin. A stator having a permanent magnet that receives the action of magnetic flux from the stator, and a mover arranged so as to be linearly movable along the stator, between the bobbin and the center core. Further, a space for allowing a fluid for cooling the electromagnetic coil to pass therethrough is formed.
また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記ボビンとセンターコアの間に形成された空間は、前記センターコアの外周に形成された凹部と、前記凹部に対向するように前記ボビンに形成された凸部とにより形成されていることを特徴とする。 In the linear motor according to the present invention, the space formed between the bobbin and the center core includes a recess formed on the outer periphery of the center core and a protrusion formed on the bobbin so as to face the recess. It is formed by the part.
また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記ボビンに形成された凸部は、前記センターコアの外周に形成された凹部に一部分が嵌合し、前記ボビンの前記センターコアに対する回転止めを兼ねることを特徴とする。 Further, in the linear motor according to the present invention, the convex portion formed on the bobbin is partially fitted into the concave portion formed on the outer periphery of the center core, and also serves as a rotation stopper for the bobbin with respect to the center core. Features.
また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記ボビンに形成された凸部には、前記電磁コイルからの引出線を配線収納するための空間が形成されていることを特徴とする。 In the linear motor according to the present invention, the convex portion formed on the bobbin is provided with a space for storing the lead wire from the electromagnetic coil.
また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記電磁コイルからの引出線を配線収納するための空間に、前記電磁コイルの冷却のための流体を通過させることを特徴とする。 In the linear motor according to the present invention, a fluid for cooling the electromagnetic coil is allowed to pass through a space for wiring the lead wire from the electromagnetic coil.
本発明によれば、モータの推進性能を効果的に向上させることのできるリニアモータを提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the linear motor which can improve the propulsion performance of a motor effectively.
また、コイルに発生する熱を周囲の環境に悪影響を及ぼすことなく効率よく冷却することのできるリニアモータを提供することが可能となる。 It is also possible to provide a linear motor that can efficiently cool the heat generated in the coil without adversely affecting the surrounding environment.
以下、本発明の実施形態に係わるリニアモータを、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, a linear motor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の各実施形態に共通する、リニアモータを用いたステージ装置の概略構成を示した図である。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a stage apparatus using a linear motor, which is common to each embodiment of the present invention.
図1において、リニアモータは、電磁コイル(以下、コイルと称する)を複数個連続的に配列したものを収容した軸体(以下、固定子と呼ぶ)10と、これらのコイルからの磁束との相互作用により固定子10の延在方向と同じ方向に走行可能(直線運動可能)とした可動磁石体(以下、可動子と呼ぶ)20とを備えて構成される。固定子10は、ベース31上に間隔をおいて固定された2つのブラケット33A,33Bの間に架け渡されている。
In FIG. 1, a linear motor is composed of a shaft body (hereinafter referred to as a stator) 10 containing a plurality of electromagnetic coils (hereinafter referred to as coils) continuously arranged, and a magnetic flux from these coils. A movable magnet body (hereinafter referred to as a movable element) 20 that can travel in the same direction as the extending direction of the
可動子20にはテーブル32を介して2つのガイドブロック35が組み付けられ、これら2つのガイドブロック35が可動子20の走行方向に沿うようにベース31上に配置されたガイドレール34によりスライド案内され、固定子10の外周に対してギャップを維持した状態で移動する。
Two
なお、固定子10の外側面と可動子20の内側面との間のギャップにばらつきがあったとしても推力は同じであり、可動子20と固定子10には厳しい取付け精度や加工精度は要求されない。
The thrust is the same even if there is a variation in the gap between the outer surface of the
ベース31上には可動子20の走行方向に沿って設けられたリニアセンサスケール43、およびリニアセンサヘッド42が取り付けられている。リニアセンサヘッド42からの検出信号は可動子20の位置決め制御に利用される。また、固定子10内の各コイルにはブラケット33Aを通って三相駆動用の電力ケーブルが制御ドライバー44から接続されている。制御ドライバー44にコントローラ45を接続し、コントローラ45から与えられる制御データに基づいて可動子20の位置決め制御が行われる。
A linear sensor scale 43 and a
ベース31上には、可動子20を検出するためのリミットセンサ41が設けられている。リミットセンサ41の検出信号は制御ドライバー44に送られ、可動子20の原点位置決め、あるいは暴走防止に用いられる。
On the
図1に示したリニアモータは、可動子20を指定の領域で往復運動させることができる。
The linear motor shown in FIG. 1 can reciprocate the
以下、図1に示したステージ装置のうち、リニアモータの部分の構造を示す具体的な実施形態について更に詳細に説明するが、これらは本発明を限定するものではく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変形が可能である。 Hereinafter, specific embodiments showing the structure of the linear motor portion of the stage apparatus shown in FIG. 1 will be described in more detail, but these do not limit the present invention and depart from the spirit of the present invention. Variations are possible within the range not to be.
(第1の実施形態)
以下に、第1の実施形態に係わるリニアモータの構造について説明する。
(First embodiment)
The structure of the linear motor according to the first embodiment will be described below.
図2は、第1の実施形態に係わるリニアモータの概略構成を示す横断面図、図3はこのリニアモータの縦断面図、図4は第1の実施形態に係わるリニアモータの固定子の構成図である。 2 is a transverse sectional view showing a schematic configuration of the linear motor according to the first embodiment, FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the linear motor, and FIG. 4 is a configuration of a stator of the linear motor according to the first embodiment. FIG.
可動子20は、コイル12を囲むことができるような環状の複数の永久磁石21と、これら複数の永久磁石21を収容している磁石ケース22とを含む。複数の永久磁石21は、同じ長さ寸法を持ち、しかも隣接する磁極が互いに反対向きになり、かつ磁極軸がセンターコア11の軸芯に平行になるように直列的に組み合わされて磁石ケース22に収容されている。
The
固定子10は、絶縁被膜を施したワイヤを多重に巻きつけてコイル12を形成したボビン14に鉄などの磁性体からなるセンターコア11を貫通させて構成されている。本実施形態におけるリニアモータは、三相駆動型であるため、U相コイル12a、V相コイル12c、W相コイル12bの三つのコイルからなるコイル組を1単位としている(図4参照)。V相コイル12cに流す電流がU相コイル12aに流す電流に対し120°の位相差を持ち、W相コイル12bに流す電流がV相コイル12cに流す電流に対し120°の位相差を持つよう駆動する。そしてコイル組がセンターコア11の周りに軸方向に沿って複数組装着され、それらのコイル組が仮想線で示す非磁性体(ステンレス等)からなるパイプ13で覆われている。
The
センターコア11には、図3に示すように、コの字状の切り欠き部(凹部)16が形成されている。ボビン14の内周上には、センターコア11の切り欠き部16に合わせてコの字状の凸部14aが形成されている。この凸部14a(ボビンの一部分)はセンターコア11の凹部16の入り口部分に一部嵌合して、ボビン14のセンターコア11に対する回転止めも兼ねている。本実施形態では、センターコア11の切り欠き部16とボビン14の凸部14aにより囲まれる空間16aに固定子10を冷却するための流体を流す。これにより冷却のための流体を流す空間16aの形成と、コイル12の回転方向の位置決めを同時に行うことができ、センターコア11の形状を簡略化できる。
As shown in FIG. 3, the
ボビン14に形成されているコの字状の凸部14a内には、3相コイルの引出線17を配線収納するための配線部15が形成されている。前述したように、センターコア11のコの字状の切り欠き部16とボビン14のコの字状の凸部14aとで形成された空間16aを冷媒が循環する構成となっている。これにより発熱するコイル12及びコイルの引出線17の近傍を直接冷却でき、効率の良い冷却が可能となる。
In the U-shaped
ブラケット33A,33Bには、不図示の冷却システムによって所定の温度にされた冷媒を固定子10内に流入させるチューブ39A、及び継手38Aと、冷却システムに冷媒を戻すための継手38B、及びチューブ39Bとが取り付けられ、またOリング37A,37B、およびシール材36によって冷媒が外部へ漏れないようにしている。これによって、冷媒は冷却システムからチューブ39A、継手38Aを通って固定子10内部を流れ、コイル12近傍を通ってコイル12から熱を吸収し、その後継手38B、チューブ39Bを通って冷却システムへ戻るように循環する。
The
パイプ13にはステンレス等の非磁性金属材料が用いられるが、樹脂材料等でも良い。
The
センターコア11は、ヨークとしての機能を持たせるために鉄等の磁性体が用いられ、コの字状の切り欠きを設けることで機械的強度を維持しながら冷却に適した形状としている。永久磁石21には、磁石としての性能の高い、例えばネオジウム磁石が用いられる。特に、永久磁石21の磁極軸方向の寸法はすべて同じにする必要がある。磁石ケース22としてはアルミ合金等の非磁性体を用いる。
The
コイル12は、例えば外径φ0.3mmで銅製の導体部品の外側がエナメルあるいはポリウレタンなどの極薄い被覆層で覆われている。
The
(第2の実施形態)
図5は、本発明の第2の実施形態に係わるリニアモータの概略構成を示す横断面図であり、図6は、このリニアモータの縦断面図である。第1の実施形態と同様、第2の実施形態のリニアモータは、三相駆動型のリニアモータである。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a transverse sectional view showing a schematic configuration of the linear motor according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a longitudinal sectional view of the linear motor. Similar to the first embodiment, the linear motor of the second embodiment is a three-phase drive type linear motor.
センターコア51には第1の実施形態と同様に、コの字状の切り欠き部56が形成されている。ボビン54の内周上には、センターコア51の外周形状に沿うようにしてコの字状の凸部54aが形成されている。ボビン54に形成されているコの字状の凸部54a内には、3相コイルの引出線を配線するための配線部55が形成されている。センターコア51のコの字状の切り欠き部56とボビン54のコの字状の凸部54aとで形成された空間56aを冷媒が循環する構成となっており、更にボビン54に形成されている引出線配線部55の空間へも冷媒が循環する構成となっている。これにより、センターコア51に形成された空間56aとボビン54に形成された空間55へ冷媒を分配して導入することでコイル52からの引出線57を直接冷却でき、且つ発熱するコイル52の近傍、あるいはコイル52の部分に冷媒を通過させることが可能となるため、効率良い冷却が可能となる。
The
以上の通り、上記の実施形態によれば、ボビンとセンターコアによって形成された空間内に液体、気体などの流体を通過させることにより、モータ本体の内部を冷却して推力当たりの体積あるいは重量を最小化し、モータの推進性能を効果的に向上させることができる。さらに、コイルに発生する熱を周囲の環境に悪影響を及ぼすことなく効率よく排出することができる。 As described above, according to the above-described embodiment, by passing a fluid such as liquid or gas through the space formed by the bobbin and the center core, the inside of the motor body is cooled to reduce the volume or weight per thrust. The propulsion performance of the motor can be effectively improved by minimizing. Furthermore, the heat generated in the coil can be efficiently discharged without adversely affecting the surrounding environment.
なお、本発明のリニアモータは、三相駆動型に限るものではない。二相または四相以上のリニアモータ等でもよい。可動子が直線運動ではなく円弧上を運動するように構成してもよい。また、センターコアに形成する切り欠き部の形状もコの字状に限定されず、その形状に合わせたボビン形状および配線部を形成すればよい。 The linear motor of the present invention is not limited to the three-phase drive type. A two-phase or four-phase or more linear motor may be used. You may comprise so that a needle | mover may move on a circular arc instead of a linear motion. Further, the shape of the notch portion formed in the center core is not limited to the U-shape, and a bobbin shape and a wiring portion corresponding to the shape may be formed.
10 固定子
11 センターコア
12 コイル
13 パイプ
14 ボビン
20 可動子
21 永久磁石
22 磁石ケース
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記固定子からの磁束の作用を受ける永久磁石を備え、前記固定子に沿って直線運動可能に配置された可動子とを具備し、
前記ボビンと前記センターコアの間に、前記電磁コイルの冷却のための流体を通過させる空間を形成したことを特徴とするリニアモータ。 A stator including an electromagnetic coil in which a plurality of bobbins wound with windings are continuously arranged, and a center core penetrating the bobbin;
A permanent magnet that receives the action of magnetic flux from the stator, and a mover arranged so as to be linearly movable along the stator;
A linear motor in which a space for allowing a fluid for cooling the electromagnetic coil to pass is formed between the bobbin and the center core.
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