JP2009247149A - 可動コイル形リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来よりも簡単な構造でコイルの温度上昇を実用可能なレベルに抑制することができる可動コイル形リニアモータを提供するを提供する。
【解決手段】 強磁性体からなり断面コ字状のヨーク３１１と、ヨーク３１１の内側にその伸長方向に沿って配列された複数の永久磁石３１２を有し、正弦波状又は台形波状の磁束密度分布が現出する磁気空隙を有する固定子３１と、磁気空隙内に位置する有効導体部と磁気空隙外に位置する無効導体部を有する複数の空心コイルを有しかつ各空心コイルの周囲が熱硬化性樹脂でモールドされた断面Ｈ字形状の可動子３２とを備え、ヨーク３１１は、その底部に前記伸長方向に沿ってヨーク３１１の外周側と内周側を連通する複数の給気孔３０を有するとともに、各給気孔は分岐チューブ８を介してコンプレッサ６に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気を利用して可動コイルを冷却する機構を備えた可動コイル形リニアモータに関する。

ＰＤＰやＬＣＤ等のディスプレイ製造装置においては、マザーガラス基板（以下単にガラス基板という）のサイズ拡大に伴う歩留まりの向上を図るために、ガラス基板の測長、線幅測定、光学検査、点灯検査により欠陥を検出し、それを修正する（リペア）ことが行われている。この基板検査装置は、例えば、エア浮上手段などにより所定位置に支持された基板支持手段と、検査手段（撮像手段や光学系）を有するＸステージを搭載したテーブルと、テーブルをＹ軸方向に移動するリニアモータ（ブラシレスＤＣリニアモータ）を備えている。テーブルの高速移動を実現するために、テーブルに結合された可動子をＹ軸方向に駆動する複数の空心コイルを有する可動コイル形リニアモータが多用されている。検査効率を向上するために、可動子に大きな推力（例えば５０００Ｎ以上）を発生させてテーブルの高速移動（例えば１０００ｍｍ／ｓ）を実現するために、空心コイルには大きな駆動電流（５Ａ以上）が供給されるとともに、連続稼動時には、コイルの発熱が増大し、コイル（巻線）の寿命が短くなる、あるいは可動子の変形が発生する。そこで、従来からリニアモータにコイルから発生した熱を回収するための冷却手段を設けることが行われている。

この冷却手段としては、例えば特許文献１に記載されているように、空心コイルを収容したジャケットの内部に冷媒を供給することが行われている。この冷却手段は、絶縁性、伝熱性及び安全性などを考慮して、冷媒としてフッ素系不活性液体を使用するので、冷却性能は高いが、その分コストが増大し、また冷媒が漏出しないようにするためにジャケットにシール部材を設けるとともに、ジャケットが冷媒の圧力で変形するのを防止するために、コイルの空心部に補強部材を設けるので、ジャケットの構造が複雑化するという難点がある。

これに対して、冷媒としてエア（圧縮空気）を使用し、固定子の内部にエアを供給してコイルを冷却するようにした構造も提案されている。例えば、特許文献２には、固定子（ヨーク）の磁石配設面に長手方向に連続した凹溝を形成するとともに、永久磁石は凹溝を覆うように所定間隔をあけて配設し、凹溝にエアを供給することによって永久磁石の間隙よりエアを永久磁石の表面に形成された磁気空間に吹き付け、コイルを冷却することが記載されている。

特許文献３には、バックアイアン（ヨーク）の内側に多数の永久磁石が設けられた固定子と固定子の内部に移動可能に設けられた可動子とからなるリニアモータにおいて、その外側に送風器を設けるとともに、バックアイアンの側面部位及び下面部位にそれぞれ一個以上の通気孔を設け、リニアモータの外側に設けた送風器から供給パイプを経由して通気孔に空気を供給することにより、固定子と可動子を冷却することが記載されている。

特許文献４には、Ｘ軸リニアモータ及びＹ軸リニアモータの可動子を冷却するために、固定子と可動子の両方に貫通穴を設けてゴムチューブから空気を流入させることが記載され、また固定子に設けた各貫通穴とゴムチューブとの接続部にソレノイドバルブを設けて、可動子の位置に応じてソレノイドバルブをオンオフすることが記載されている。

特許第３５９２２９２号公報（第３−４頁、図１−図３） 特許第３８３５９４６号公報（第３−５頁、図１−３） 特許第３４４８００５号公報（第３頁、図１−２） 特許第３５３２８１４号（第２−３頁、図１−３）

特許文献２及び特許文献３に記載された冷却構造では、ヨーク（バックアイアン）の各辺に多数の通気孔を設けるので、固定子の構造が複雑になるという難点がある。特許文献４に記載された冷却構造では、可動子にも冷却穴を設けるので、可動子の構造が複雑化し、またソレノイドバルブの使用により、配管コストが増大するので、実用化は困難である。

従って本発明の目的は、従来よりも簡単な構造でコイルの温度上昇を実用可能なレベルに抑制することができる可動コイル形リニアモータを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の可動コイル形リニアモータは、強磁性体からなり断面コ字状のヨークと、前記ヨークの内側にその伸長方向に沿って配列された複数の永久磁石を有し、正弦波状又は台形波状の磁束密度分布が現出する磁気空隙を有する固定子と、前記磁気空隙内に位置する有効導体部と前記磁気空隙外に位置する無効導体部を有する複数の空心コイルを有しかつ各空心コイルの周囲が熱硬化性樹脂でモールドされた断面Ｈ字形状の可動コイル部材とを備え、前記ヨークは、その底部に前記伸長方向に沿って前記ヨークの外周側と内周側を連通する複数の給気孔を有するとともに、前記各給気孔は柔軟性を有するチューブを介して圧縮空気発生手段に接続されていることを特徴とするものである。

本発明において、前記圧縮空気発生手段と前記給気孔との間に圧縮空気を冷却する機能を有する熱交換器を設けることができる。

本発明の可動コイル形リニアモータは、矩形状のベースのＹ軸方向に沿って案内され、Ｘ軸ステージが搭載されるテーブルと、前記ベース上に設置されたエア浮上手段を有するＸＹステージに設置され、可動子はテーブルの下面に取り付けられるとともに、圧縮空気発生手段はエア浮上手段にも接続されていることが好ましい。

本発明の可動コイル形リニアモータは、強磁性体からなり断面コ字状のヨークと、前記ヨークの内側にその伸長方向に沿って配列された複数の永久磁石を有し、正弦波状又は台形状の磁束密度分布が現出する磁気空隙を有する固定子と、前記磁気空隙内に位置する有効導体部と前記磁気空隙外に位置する無効導体部を有する複数の空心コイルを有しかつ各空心コイルの周囲が熱硬化性樹脂でモールドされた断面Ｈ字形状の可動コイル部材とを備え、前記ヨークは、その底部に前記伸長方向に沿って前記ヨークの外周側と内周側を連通する複数の吸引孔を有するとともに、前記各吸引孔を分岐チューブを介して排気手段に接続した構造とすることもできる。

本発明によれば、ヨークの底部に設けられた給気穴から流入した圧縮空気は、固定子（ヨーク及び永久磁石）と断面Ｈ字形状の可動コイル部材との間の隙間を通ってリニアモータの外部に流出し、可動コイル部材の外周面は圧縮空気で冷却されるので、コイルの温度上昇を抑制することができ、もってコイルの損傷やコイルをモールドしている樹脂の変形を防止することができる。

また圧縮空気は、圧縮空気発生手段（例えばコンプレッサ）から柔軟性を有する分岐チューブ（例えば樹脂チューブ）を介して固定子の内部に供給されるので、配管コストが低減され、実用性が高いものである。特に、このリニアモータを基板のエア浮上手段を備えた基板検査装置に適用すると、圧縮空気発生手段を共通化することができるので、配管コストの低減に極めて有効である。

以下、本発明の詳細を、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るリニアモータを備えたＸＹステージの平面図、図２は図１をＡ方向から見た矢視図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図、図４は図１をＣ方向から見た矢視図、図５はコイル部材の斜視図、図６は図３の拡大断面図、図７は本発明の第２の実施の形態に係るリニアモータの要部を示す断面図である。なお、図７において図６と同一機能部分は同一の参照符号で示す。

図１及び図２に示すＸＹステージ１は、矩形状（長方形状）のベース２のＸ軸方向の両端部に設置されたリニアモータ３ａ、３ｂと、Ｙ軸方向に移動するテーブル４と、その上に搭載されたＸステージ５（破線で示す）と、基板浮上手段１０（一点鎖線で示す）を備えている。リニアモータ３ａ（３ｂ）は、ベース２上に固設された略コ字形状のフレーム２０ａ（２０ｂ）の内側に設置されるとともに、テーブル４はフレーム２０ａ（２０ｂ）の一方の上端部に固設された案内レール２１ａ（２１ｂ）に支持されている（図２参照）。コンプレッサ６から基板浮上手段１０に圧縮空気が供給されるとともに、コンプレッサ６に接続された供給管７から分岐された複数の分岐チューブ８（８ａ〜８ｋ）によりリニアモータ３ａの内部に圧縮空気が供給される。図示を省略するが、供給管７から分岐された複数の分岐チューブにより、リニアモータ３ｂにも圧縮空気が供給される。分岐チューブ８としては、例えば樹脂チューブのような柔軟性を有するチューブを使用することにより、容易に配管系を形成することができる。

このＸＹステージ１によれば、基板浮上手段１０に支持された基板（不図示）に対してＸステージ１０に搭載された検査手段（不図示）をＹ軸方向及びＸ軸方向に走査することにより、基板表面の全体にわたって所定の検査項目を実施することができる。

リニアモータ３ａの構造を図３〜５により説明する。固定子３１は、強磁性体からなるコ字形断面を有するヨーク３１１と、相対する２辺の内側に固着された複数の永久磁石３１２を有する。これらの永久磁石３１２は、厚さ方向（Ｘ軸及びＹ軸と直交する方向：Ｚ軸方向）に磁化されたブロック状磁石であり、磁気空隙（対向する永久磁石間の間隙）にＹ軸方向に沿って正弦波状の磁束密度分布が現出するようにするために、異極性の磁極が隣接しかつ異極性の磁極が対向するようにヨーク３１１に所定間隔をおいて固着される。また図示を省略するが、磁気空隙に正弦波状の磁束密度分布がより確実に現出するような磁気回路を形成するために、隣接する永久磁石間にＹ軸方向に磁化されたブロック状の補助磁石を、同極性の磁極が永久磁石３１２の磁極（磁気空隙側の磁極）と隣接するように配置することができる。また、ヨーク３１１の底部（永久磁石が固着されない部分）には、Ｙ軸方向に沿って所定間隔Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…をおいて複数の給気孔３０が設けられ、各給気孔３０は分岐チューブ８（図１参照）の端部に接続され、ヨーク３１１の内部に圧縮空気が供給されるように構成されている。なお、リニアモータの低コスト化を図るために、磁気空隙に正弦波状の磁束密度分布を現出させる代りに台形波状（矩形波状）の磁束密度分布が現出するように永久磁石を配置してもよい。

可動コイル部材３２は、コイルユニット３２１の外周を樹脂３２０でモールドして形成した断面Ｈ字形状部材であり、モールドされた部分の端部は連結部３２２を介してテーブル４の裏面に接続されている。図５を参照すると、コイルユニット３２１は、帯状のコイル基板３２２と、その両面に偏平な複数の空心コイル３２３を固着して形成されている。このコイルユニット３２１は、例えば４組の３相コイル（Ｕ１〜Ｕ４、Ｖ１〜Ｖ４、Ｗ１〜Ｗ４）とするために、これらの空心コイル３２３を同相となるコイルの巻始めどうし又は巻終りどうしを結線しかつ各相のコイル列を例えばＹ形結線することにより、作成することができる。各空心コイル３２３の寸法は、推力に寄与する有効導体部の幅Ｗ１が永久磁石３１２の幅Ｗ１（図３参照）と略一致し、無効導体部が磁気空隙外に位置するように設定される。なお、図５において、矢印は巻線の進行方向を示す。

モールド用樹脂としては、電気的に絶縁性（例えば１０^１２Ω・ｃｍ以上の体積抵抗を有する）を示しかつ耐熱性が大なる材料を使用することが必要であり、例えばエポキシ樹脂（耐熱温度（長期）９５〜１００℃）、メラミン樹脂（耐熱温度：１５０〜２００℃）あるいはシリコーン樹脂（シリコーンワニスの最高使用温度：２００℃）等の熱硬化性樹脂が好ましい。またこれらの樹脂にガラス繊維（例えば短繊維）などの充填材を添加することにより、耐熱性を高めることができ、例えばエポキシ樹脂にガラス繊維を充填した場合の連続使用温度は、１２０℃程度に向上する。

上記の構成を有するリニアモータの動作は次の通りである。圧縮空気発生手段６から圧縮空気をヨーク３１１の内部に供給した状態で、コイルユニット３２１の各相に正弦波電流を流すことにより、電流の値に応じた推力で可動コイル部材３２を移動することができ、またコイルユニット３２１に供給する電流の向きを変えることにより、可動コイル部材３２の移動方向を切り替えることができる。コイルユニット３２１に電流が供給されると、コイルユニットは発熱するが、複数の分岐チューブ８（図１参照）から圧縮空気がヨーク３１の内部に供給されているので、可動コイル部材３２の位置が変化しても、可動コイル部材３２は常に圧縮空気と接触して冷却される。ここで、図６に示すように、可動コイル部材３２が給気孔３０に対向すると、可動コイル部材３２はＨ字形に形成されているので、圧縮空気（矢印Ｒ）は２手に分かれ、それぞれ可動コイル部材３２の表面とヨーク３１１又は永久磁石３１２との間隙を通過し、矢印Ｒａ及びＲｂで示すように固定子３１の外部に流出する。すなわち、可動子３２の表面は圧縮空気に接触するので、可動コイル部材３２の表面温度を下げることができる。特に、可動子がＨ字形状を有するので、固定子の内周面との間に微小な間隙（数ｍｍ）を形成することが可能であり、圧縮空気は緩やかに可動コイル部材３２の表面に沿って流動し、もって可動コイル部材の表面温度を実用レベル（例えば８０℃以下）まで下げることができる。

また１つの作業工程が終了後次の作業工程が始まるまでの間は可動子３２が停止しているので、その場合は、可動子３２の表面は連続して圧縮空気に接触した状態が継続され、可動コイル部材の表面温度をさらに下げることができる。

上記のリニアモータによれば、圧縮空気により可動コイル部材を冷却するので、冷媒として液体を使用した場合と比べて、冷却性能は劣るものの、コイルの温度上昇を８０℃以下に抑制することは可能であり、コイルの寿命低下を防止し、さらに可動コイル部材のモールド樹脂の変形を防止することは十分可能である。また基板検査装置は、コイルの発熱が他の部分（欠陥の計測手段など）に伝わりにくい構造となっているので、コイルの温度上昇を８０℃以下に抑制することにより、実用に供することは十分可能である。

本発明において、圧縮空気の流量は、リニアモータの駆動条件に応じて適宜設定すればよく、例えば給気孔の内径を変更することにより、流量を容易に調整することができる。また給気孔の配列ピッチを変えることにより、圧縮空気の供給量を調整して、コイルの冷却性能を調整することができる。

本発明において、図１に一点鎖線で示すようにコンプレッサ６と給気孔（図３参照）との間（例えば供給管７の途中）に熱交換器９を設けて、熱交換器９により圧縮空気を冷却して、リニアモータの内部に冷風が供給されるように構成することができる。これにより可動コイル部材の冷却効率をさらに向上することができる。

本発明のリニアモータは、上記の構成に限らず、図７に示す構成とすることができる。すなわちヨーク３１１の底部（永久磁石が固着されない部分）には、吸引孔３００が設けられ、各吸引孔３００は分岐チューブ８及び供給管７を介して（図１参照）吸引ポンプ（不図示）に接続されている。図示を省略するが、吸引孔３００は、図４の場合と同様にＹ軸方向に沿って所定間隔Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…をおいて複数個設けられている。この構成によれば、コイルに通電が行われて、可動コイル部材３２の表面温度が上昇した場合、可動コイル部材３２の周囲の空気は吸引ポンプにより吸引されて、加熱された空気は、矢印Ｓで示すように吸引孔３００からリニアモータの外部（ＸＹステージ外）に排出されるので、可動コイル部材３２を冷却することができる。排気手段である吸引ポンプとしては、例えばダイヤフラム式あるいはロータリー式のエアーポンプを使用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るリニアモータの正面図である。 図１をＡ方向から見た矢視図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 図１をＣ方向から見た矢視図である。 図５はコイル部材の斜視図である。 図３の拡大断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るリニアモータの要部を示す断面図である。

符号の説明

１：ＸＹステージ、２：ベース、３ａ、３ｂ：リニアモータ、３０：給気孔、３００：吸引孔、３１：固定子、３１１：ヨーク、３１２：永久磁石、３２：可動コイル部材、３２０：モールド樹脂、３２１：コイルユニット、４：テーブル、５：Ｘステージ、６：コンプレッサ、７：供給管、８：分岐チューブ、９：熱交換器

Claims (4)

1. 強磁性体からなり断面コ字状のヨークと、前記ヨークの内側にその伸長方向に沿って配列された複数の永久磁石を有し、正弦波状又は台形波状の磁束密度分布が現出する磁気空隙を有する固定子と、前記磁気空隙内に位置する有効導体部と前記磁気空隙外に位置する無効導体部を有する複数の空心コイルを有しかつ各空心コイルの周囲が熱硬化性樹脂でモールドされた断面Ｈ字形状の可動コイル部材とを備え、前記ヨークは、その底部に前記伸長方向に沿って前記ヨークの外周側と内周側を連通する複数の給気孔を有するとともに、前記各給気孔は柔軟性を有する分岐チューブを介して圧縮空気発生手段に接続されていることを特徴とする可動コイル形リニアモータ。
2. 前記圧縮空気発生手段と前記給気孔との間に圧縮空気を冷却する機能を有する熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の可動コイル形リニアモータ。
3. 矩形状のベースのＹ軸方向に沿って案内され、Ｘ軸ステージが搭載されるテーブルと、前記ベース上に設置されたエア浮上手段を有するＸＹステージに設置され、前記可動子は前記テーブルの下面に取り付けられるとともに、前記圧縮空気発生手段は前記エア浮上手段にも接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の可動コイル形リニアモータ。
4. 強磁性体からなり断面コ字状のヨークと、前記ヨークの内側にその伸長方向に沿って配列された複数の永久磁石を有し、正弦波状又は台形波状の磁束密度分布が現出する磁気空隙を有する固定子と、前記磁気空隙内に位置する有効導体部と前記磁気空隙外に位置する無効導体部を有する複数の空心コイルを有しかつ各空心コイルの周囲が熱硬化性樹脂でモールドされた断面Ｈ字形状の可動コイル部材とを備え、前記ヨークは、その底部に前記伸長方向に沿って前記ヨークの外周側と内周側を連通する複数の吸引孔を有するとともに、前記各吸引孔は分岐チューブを介して排気手段に接続されていることを特徴とする可動コイル形リニアモータ。

Images