JP2008259374A - リニアモータ及びステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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放熱することのできるリニアモータを提供する。
【解決手段】リニアモータであって、巻き線が巻き回された複数のボビン１４が連続的に配列された電磁コイル１２と、ボビンを貫通するセンターコア１１とを備える固定子１０と、固定子からの磁束の作用を受ける永久磁石を備え、固定子に沿って直線運動可能に配置された可動子と、固定子をリニアモータのベースに固定するための支持部材３３Ｌとを具備し、支持部材は、固定子を冷却するための冷却部材Ｂを備える。
【選択図】図３

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、及びこのリニアモータを用いたステージ装置に関するものである。

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、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。

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。

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。

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。
特開平０１−１８８２４１号公報 特開平０８−００５７６７号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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つながり、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。

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、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放熱することのできるリニアモータ、及びそのリニアモータを用い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、本発明に係わるリニアモータは、リニアモータであって、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、前記固定子を前記リニアモータのベースに固定するための支持部材とを具備し、前記支持部材は、前記固定子を冷却するための冷却手段を備えることを特徴とする。

また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記冷却手段は、前記固定子と前記支持部材の空隙に充填された高熱伝導性接着剤を備えることを特徴とする。

また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記冷却手段は、前記支持部材に取り付けられた放熱フィンを備えることを特徴とする。

また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記冷却手段は、前記支持部材に取り付けられた冷却ファンを備えることを特徴とする。

また、本発明に係わるステージ装置は、上記のリニアモータと、リニアモータによって駆動されるステージと、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、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放熱することのできるリニアモータ、及びそのリニアモータを用い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。

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基本構成を示した図である。

図１において、リニアモータは、電磁コイル（以下、コイルと略称する）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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なく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変形が可能である。

（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。

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断面図、図３はリニアモータ固定部の詳細構造を示す断面図、図４はリニアモータの固定子の構成図である。

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。

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。

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。

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。

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。

固定子１０は、センターコア１１の両端部で２つのブラケット３３Ｌ，３３Ｒ（支持部材）に支持され、ナット３６によってブラケット３３Ｌに固定されている。

ここで、本実施形態の特徴的な部分について図３を参照して説明する。

図３において、Ｂは高熱伝導性の接着剤であり、ブラケット３３Ｌ，３３Ｒと固定子１０の間隙を埋めるように接着している（充填されている）。接着剤Ｂは、その熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上ある高熱伝導性接着剤であることが望ましい。具体的にこの接着剤Ｂには、例えばスリーボンド社製、熱伝導性一液性エポキシ樹脂（型番：２２７０、熱伝導率：１．０２Ｗ／ｍ・Ｋ）が使用可能である。

通常、このタイプのリニアモータの固定子とブラケットの間には、組立て性を向上させるためなどの理由により間隙が存在することが多いが、この間隙を埋めるのに高熱伝導性の接着剤を使用することにより、特に部材を増やすことなく放熱効率を向上させることができる。

このような構成で固定子１０から発生する熱をブラケット３３Ｌ，３３Ｒへ逃がすことによって固定子１０の昇温を抑えるとともに、ステージ直下に配置された固定子１０から発生する熱をブラケット３３Ｌ，３３Ｒへ逃がすことによって、ステージに載置したウェハ等への熱の伝達を抑えることが可能となる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態の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。図５において図１と同一の構成要素は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

第１の実施形態と同様に、ブラケット５３Ｌ，５３Ｒと固定子１０の間隙は高熱伝導性の接着剤で埋められており、固定子１０から発生する熱をブラケット５３Ｌ，５３Ｒへ逃がすように構成されている。

第２の実施形態では、リニアモータの固定子１０を両端で支持するブラケット５３Ｌ，５３Ｒに放熱フィン５３Ｌａ，５３Ｒａを一体的に設け、固定子１０から伝わって来た熱を両端のブラケット５３Ｌ，５３Ｒで効率良く放熱している。ブラケット５３Ｌ、５３Ｒはアルミニウム、銅等のように熱伝導性に優れた非磁性の金属材料であることが望ましい。

このような構成により、ステージ直下に配置された固定子１０から発生する熱をブラケット５３Ｌ，５３Ｒへ逃がし、ステージ移動範囲Ｌから離れたブラケット５３Ｌ，５３Ｒで放熱することにより、ステージに載置したウェハ等への熱の伝達を抑えることが可能となる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態の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。図６において図１、図５と同一の構成要素は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

第２の実施形態と同様、ブラケット５３Ｌ，５３Ｒと固定子１０の間隙は高熱伝導性の接着剤で埋められており、固定子１０から発生する熱をブラケット５３Ｌ，５３Ｒへ逃がすように構成されている。また、リニアモータの固定子１０を両端で支持するブラケット５３Ｌ，５３Ｒには、第２の実施形態と同様の放熱フィン５３Ｌａ，５３Ｒａが設けられている。

第３の実施形態が第２の実施形態と異なる点は、ブラケット５３Ｌ，５３Ｒに、それぞれ冷却ファン６１Ｌ，６１Ｒを取り付け、強制的に冷却を行うようにした点である。放熱フィン５３Ｌａ，５３Ｒａを設けたブラケット５３Ｌ，５３Ｒにそれぞれ冷却ファン６１Ｌ，６１Ｒを取り付けることで、固定子１０からブラケット５３Ｌ，５３Ｒに伝熱された熱が冷却ファン６１Ｌ，６１Ｒの排気により外部に向かって強制的に放熱され、より効果的に冷却効果を高めることができる。

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基本構成を示した図である。 本発明の第１の実施形態に係わるリニアモータの概略構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係わるリニアモータ固定部の詳細構造を示す断面図である。 リニアモータの固定子の構成図である。 第２の実施形態の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。 第３の実施形態の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。

符号の説明

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

Claims (5)

1. リニアモータであって、
   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、
   前記固定子を前記リニアモータのベースに固定するための支持部材とを具備し、
   前記支持部材は、前記固定子を冷却するための冷却手段を備えることを特徴とするリニアモータ。
2. 前記冷却手段は、前記固定子と前記支持部材の空隙に充填された高熱伝導性接着剤を備えることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記冷却手段は、前記支持部材に取り付けられた放熱フィンを備える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。
4. 前記冷却手段は、前記支持部材に取り付けられた冷却ファンを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリニアモータ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリニアモータと、
   前記リニアモータによって駆動されるステージと、
   を具備することを特徴とするステージ装置。

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