JP2016152668A - リニアモータ、磁石ユニット、ステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て工程、および／または組み立て後の信頼性を高めたリニアモータを提供する。
【解決手段】リニアモータ２は、可動子１０と、固定子２０と、を有する。一対のバックヨーク２２ａ，２２ｂは、可動子１０をその可動方向（Ｘ方向）と垂直な方向（Ｙ方向）から挟み込むように対向して設けられる。複数の主極磁石２４ａは、一対のバックヨーク２２それぞれの内側側面Ｓ１に、可動方向に沿って離間して設けられる。第１補極磁石２４ｃおよび第２補極磁石２４ｄは、隣接する２個の主極磁石２４ａの間ごとに、可動方向に隣接して設けられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、リニアモータに関する。

電気エネルギーを直線運動に変換するためにリニアモータが利用される。図１は、従来のリニアモータの斜視図である。図２は、従来のリニアモータの界磁磁石の配列を示す平面図である。

図１に示すようにリニアモータ２ｒは、可動子１０と固定子２０ｒを備える。固定子２０ｒは、可動子１０を挟み込むように、対向配置された一対のヨーク（バックヨーク）２２ａ，２２ｂと、バックヨーク２２ａ，２２ｂそれぞれの内側側面Ｓ１ａ，Ｓ１ｂに、可動子１０の可動方向（Ｘ軸方向）に沿って設けられた複数の界磁磁石２４と、を備える。

図２に示すように、複数の界磁磁石２４は、主極磁石２４ａと、補極磁石２４ｂと、を含む。主極磁石２４ａ_１、２４ａ_２、２４ａ_３…は、磁極ピッチにしたがい、Ｎ極およびＳ極が交互に現れるように貼り付けられる。隣接する２個の主極磁石２４ａ_ｉと２４ａ_ｉ＋１の間には、２つの主極磁石が発生する磁界に沿った磁極を有する補極磁石２４ｂ_ｉが設けられる。ただし、ｉ＝１，２，３…である。このような磁気回路の構成は、ハルバッハ配列（Halbach Array）と称され、さまざまなリニアモータに採用される。

特開２０１３−１０６４５８号公報

本発明者は、図２のハルバッハ配列について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。補極磁石２４ｂのない磁気回路では、主極磁石２４ａが発生する磁界は、ヨーク２２の内部を通過する。しかしながら補極磁石２４ｂを有するハルバッハ配列構造では、補極磁石２４ｂが代替の磁路となり、すなわち主極磁石２４ａの発生する磁界が補極磁石２４ｂを通過することとなる。

ｉ番目の主極磁石２４ａ_ｉに着目する。主極磁石２４ａ_ｉのＮ極と、それと隣接する補極磁石２４ｂ_ｉのＳ極は、互いに引き合う力Ｆ_ｉを発生させる。同様に主極磁石２４ａ_ｉのＮ極と、それと隣接する補極磁石２４ｂ_ｉ−１のＳ極も、互いに引き合う力Ｆ_ｉ−１を発生させる。その他の主極磁石２４ａについても同様であり、補極磁石２４ｂによって、ヨーク２２から引き離される方向に力が働く。

この主極磁石２４ａをヨーク２２から引き離す力Ｆに対向するため、極力な接着剤を用いて主極磁石２４ａをヨーク２２に貼り付けたり、主極磁石２４ａの側面と補極磁石２４ｂを接着する必要が生じ、組み立て工程が複雑となり得る。

また、このような対策を講じたとしても、主極磁石２４ａや補極磁石２４ｂの寸法バラツキ、非平坦性に起因して接着強度にばらつきが生じるため、組み立て工程中、あるいは組み立て工程後において、界磁磁石２４の一部がヨーク２２から剥離することを完全に防ぐことは難しい。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、組み立て工程、および／または組み立て後の信頼性を高めたリニアモータの提供にある。

本発明のある態様はリニアモータに関する。リニアモータは、可動子と、固定子と、を有する。固定子は、可動子をその可動方向と垂直な方向から挟み込むように、対向して設けられた一対のバックヨークと、一対のバックヨークそれぞれの内側側面に、可動方向に沿って離間して設けられた複数の主極磁石と、隣接する２個の主極磁石の間ごとに、可動方向に隣接して設けられる第１補極磁石および第２補極磁石と、を備える。

この態様では、従来のハルバッハ配列において、隣接する主極磁石の間ごとに１個設けられた補極磁石を、２個に分割して設けることにより、組み立て工程において、ある主極磁石に対してバックヨークから引き離そうとする力が集中的に発生するのを抑制でき、ひいては、組み立て工程、および／または組み立て後の信頼性を高めることができる。

磁極ピッチをＷｐとするとき、主極磁石の幅Ｗａ、第１補極磁石の幅Ｗｃ、第２補極磁石の幅Ｗｄは、
Ｗａ＋Ｗｃ＋Ｗｄ＝Ｗｐ
０．５×Ｗｐ≦Ｗａ≦０．９×Ｗｐ
０．１×Ｗｐ≦Ｗｃ＋Ｗｄ≦０．５×Ｗｐ
を満たしてもよい。

Ｗｃ＝Ｗｄであってもよい。

主極磁石と、その両端に設けられた２個の補極磁石は、磁石ユニットとして一体構成された後に、バックヨークに組み付けられてもよい。
磁石ユニットごとにバックヨークに組み付けることにより、磁石ユニット全体としては、バックヨークとの間に吸引する力が作用する一方で、主極磁石をヨークから引き剥がそうとする力を、弱めることができる。また隣接する磁石ユニット間には吸引力が働くため、組み立て易くなる。

本発明の別の態様は、ステージ装置に関する。このステージ装置は、上述のいずれかのリニアモータを備える。

本発明の別の態様は、磁石ユニットである。この磁石ユニットは、可動子と、固定子と、を有するリニアモータに使用される。固定子は、可動子をその可動方向と垂直な方向から挟み込むように対向して設けられた一対のバックヨークを含み、一対のバックヨークそれぞれの内側側面に、可動方向に沿って磁石ユニットが複数個、配置される。磁石ユニットは、主極磁石と、主極磁石の両端に密に固着した補極磁石と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、リニアモータの組み立て工程、および／または組み立て後の信頼性を高めることができる。

従来のリニアモータの斜視図である。 従来のリニアモータの界磁磁石の配列を示す平面図である。 実施の形態に係るリニアモータの斜視図である。 図３の界磁磁石の配列を示す平面図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、固定子の製造工程を示す図である。 実施の形態に係るリニアモータを用いたステージ装置の平面図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図３は、実施の形態に係るリニアモータ２の斜視図である。図４は、図３の界磁磁石の配列を示す平面図である。図中、矢印は磁極の向きを示しており、矢印先端がＮ極、矢印の根元がＳ極に相当する。

図３に示すように、リニアモータ２は、可動子１０と固定子２０を備える。固定子２０は、一対のバックヨーク（単にヨークともいう）２２ａ，２２ｂ、複数の界磁磁石２４を備える。一対のヨーク２２ａおよび２２ｂは、可動子１０をその可動方向（Ｘ軸方向）と垂直な方向（Ｙ方向）から挟み込むように対向して設けられる。

複数の界磁磁石２４は、複数の主極磁石２４ａおよび複数の補極磁石２４ｃ，２４ｄを含む。複数の主極磁石２４ａ_１，２４ａ_２，２４ａ_３…は、一対のバックヨーク２２ａ，２２ｂそれぞれの内側側面Ｓ１ａ，Ｓ１ｂに、可動方向（Ｘ方向）に沿って設けられる。

また、隣接する２個の主極磁石２４ａの間ごとに、２個の補極磁石２４ｃ，２４ｄが、可動方向（Ｘ方向）に隣接して設けられる。具体的には、ｉ番目の主極磁石２４ａ_ｉとｉ＋１番目の主極磁石２４ａ_ｉ＋１の間には、第１補極磁石２４ｃ_ｉと第２補極磁石２４ｄ_ｉ＋１が隣接して挿入されている。

第１補極磁石２４ｃ_ｉ＋１の幅Ｗｃと第２補極磁石２４ｄ_ｉの幅Ｗｄは、それらの合計が、従来のハルバッハ配列構造の磁気回路における補極磁石２４ｂの幅と同程度となるよう設計してもよい。

隣接する主極磁石２４ａの中心間の距離を磁気ピッチＷｐと定義するとき、主極磁石２４ａの幅Ｗａは、Ｗａ≧０．５×Ｗｐとすることが好ましい。このとき２個の補極磁石２４ｃおよび２４ｄの幅の合計Ｗｃ＋Ｗｄは、Ｗｃ＋Ｗｄ≦Ｗａ≦０．５×Ｗｐとなる。一方、補極磁石２４ｃ，２４ｄの効果を得るためには、それらの幅の合計Ｗｃ＋Ｗｄは、磁極ピッチＷｐの１／１０より大きいことが望ましい。
これらの条件を勘案すると、主極磁石２４ａ、補極磁石２４ｃ，２４ｄそれぞれの幅は、以下の式を満たすように定めればよい。
Ｗａ＋Ｗｃ＋Ｗｄ＝Ｗｐ
０．５×Ｗｐ≦Ｗａ≦０．９×Ｗｐ
０．１×Ｗｐ≦Ｗｃ＋Ｗｄ≦０．５×Ｗｐ
設計および製造の簡素化の観点から、Ｗｃ＝Ｗｄとしてもよい。

以上が固定子２０の構成である。続いてその製造方法を説明する。固定子２０は、ｉ番目の主極磁石２４ａｉと、その両端の第１補極磁石２４ｃ_ｉおよび第２補極磁石２４ｄ_ｉを磁石ユニット２６として一体構成した上で、磁石ユニット２６を単位として組み立てることができる。図４に示されるように、偶数番目の磁石ユニット２６と奇数番目の磁石ユニット２６とは、補極磁石２４ｃ、補極磁石２４ｄの方向が反対であり、したがって２種類の磁石ユニット２６ｘ，２６ｙが用意される。

図５（ａ）〜（ｃ）は、固定子２０の製造工程を示す図である。
図５（ａ）に示すように、主極磁石２４ａの両側面に、第２補極磁石２４ｄ、第１補極磁石２４ｃが接着剤により張り合わされ、図５（ｂ）に示すように２種類の磁石ユニット２６ｘ，２６ｙが構成される。そしてヨーク２２の面Ｓ１に、磁石ユニット２６ｘ，２６ｙが交互に、接着剤により貼り付けられる。隣接する磁石ユニット２６ｘ，２６ｙの間にも接着剤を塗布してもよい。以上が固定子２０の製造方法である。

続いて実施の形態に係るリニアモータ２の利点を説明する。従来のハルバッハ配列において、隣接する主極磁石の間ごとに１個設けられた補極磁石を、本実施の形態では、２個に分割して設けることとした。
これにより、複数の界磁磁石２４、具体的には複数の主極磁石２４ａと複数の第１補極磁石２４ｃ、第２補極磁石２４ｄをヨーク２２に貼り合わせる際に、従来のハルバッハ配列ではなしえない順序で組み立てることができ、これにより、主極磁石２４ａに対して、バックヨーク２２から引き離そうとする力が集中的に発生するのを抑制できる。言い換えれば、主極磁石２４ａの剥離を抑制しうる順序で、界磁磁石２４をヨーク２２に貼り付けることができる。これにより、組み立て工程、および／または組み立て後の信頼性を高めることができる。

具体的には実施の形態では特に図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、磁石ユニット２６ごとにヨーク２２に接着することとした。これにより、磁石ユニット２６全体としては、バックヨーク２２に吸引する力が作用する一方で、主極磁石２４ａをヨーク２２から引き剥がそうとする力が弱まる。加えて隣接する磁石ユニット２６間には吸引力が働くこととなる。これにより、複数の界磁磁石２４をヨーク２２に貼り付ける作業が容易となり、固定子２０が組み立て易くなる。

以上がリニアモータ２の利点である。続いてその用途を説明する。
図６は、実施の形態に係るリニアモータ２を用いたステージ装置１００の平面図である。このステージ装置１００はＸＹステージと称され、対象物をＸ方向、Ｙ方向に位置決めする。

ステージ装置１００は、主としてＹステージ１２０と、Ｘステージ１３０と、定盤１４０と、を備える。
Ｙステージ１２０は、一対のスライダ１２４と、一対のスライダ１２４の間に横架する横架材１２２と、を備える。横架材１２２の上には、Ｘステージ１３０をＸ方向に移動させるＸリニアモータ２Ｘが設けられている。Ｘリニアモータ２Ｘは、横架材１２２に固定されＸ方向に延在する固定子２０Ｙと、Ｘステージ１３０の下面に結合された可動子（コイル）１０Ｙとを備える。かくしてＸリニアモータ２Ｘの可動子１０を制御することにより、Ｘステージ１３０がＸ方向に位置決めされる。

定盤１４０の両端には、一対のＹリニアモータ２Ｙが設けられる。Ｙリニアモータ２Ｙはそれぞれ、可動子１０および固定子２０を備える。Ｙリニアモータ２Ｙの固定子２０には、上述のスライダ１２４が固定される。Ｙリニアモータ２Ｙの可動子１０を制御することによりＹステージ１２０がＹ方向に位置決めされる。

以上がステージ装置１００の構成である。実施の形態に係るリニアモータ２は、ステージ装置１００のＸリニアモータ２ＸあるいはＹリニアモータ２Ｙに好適に用いることができる。ステージ装置１００は、露光装置におけるウェハやガラス基板の位置決めに用いることができ、あるいは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に使用されるアクチュエータなどにも利用可能である。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
実施の形態では、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、主極磁石２４ａと、その両端の第１補極磁石２４ｃ、第２補極磁石２４ｄをひとつの磁石ユニット２６として構成した後に、ヨーク２２に組み付けたが本発明はそれには限定されない。たとえば磁石ユニット２６ｘと磁石ユニット２６ｙを接着して、ひとつの磁石ユニット２６ｘｙを構成し、この磁石ユニット２６ｘｙを単位として磁石ユニット２６に接着してもよい。

（変形例２）
あるいは、はじめに複数の主極磁石２４ａを横方向に所定間隔で固定子２０に接着した後に、第１補極磁石２４ｃ、第２補極磁石２４ｄを、間隔を埋めるように接着してもよい。すなわち界磁磁石２４のヨーク２２の組み付け順序は特に限定されず、界磁磁石２４の剥離を防止可能な順序であれば、任意の順序で組み立ててもよい。

（変形例３）
実施の形態では、第１補極磁石２４ｃ、第２補極磁石２４ｄそれぞれが、主極磁石２４ａの磁極の方向と垂直方向に着磁される場合を説明したが本発明はそれには限定されない。第１補極磁石２４ｃ、第２補極磁石２４ｄは、垂直方向に対して勾配をもって着磁されてもよい。

（変形例４）
実施の形態では第１補極磁石２４ｃと第２補極磁石２４ｄの幅Ｗｃ，Ｗｄが等しい場合を説明したが、磁気ピッチＷｐが一定となる条件下で、それらの幅を異ならしてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

２…リニアモータ、１０…可動子、２０…固定子、２２…ヨーク、２４…界磁磁石、２４ａ…主極磁石、２４ｂ…補極磁石、２４ｃ…第１補極磁石、２４ｄ…第２補極磁石、２６…磁石ユニット、１００…ステージ装置、２Ｘ…Ｘリニアモータ、２Ｙ…Ｙリニアモータ、１２０…Ｙステージ、１２２…横架材、１２４…スライダ、１３０…Ｘステージ、Ｓ１…内側側面。

Claims (5)

1. 可動子と、固定子と、を有するリニアモータであって、
   前記固定子は、
   前記可動子をその可動方向と垂直な方向から挟み込むように、対向して設けられた一対のバックヨークと、
   前記一対のバックヨークそれぞれの内側側面に、前記可動方向に沿って離間して設けられた複数の主極磁石と、
   隣接する２個の主極磁石の間ごとに、前記可動方向に隣接して設けられる第１補極磁石および第２補極磁石と、
   を備えることを特徴とするリニアモータ。
2. 磁極ピッチをＷｐとするとき、前記主極磁石の幅Ｗａ、前記第１補極磁石の幅Ｗｃ、前記第２補極磁石の幅Ｗｄは、
   Ｗａ＋Ｗｃ＋Ｗｄ＝Ｗｐ
   ０．５×Ｗｐ≦Ｗａ≦０．９×Ｗｐ
   ０．１×Ｗｐ≦Ｗｃ＋Ｗｄ≦０．５×Ｗｐ
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記主極磁石と、その両端に設けられた２個の補極磁石は、一体構成された後に、前記バックヨークに組み付けられ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. 請求項１から３のいずれかに記載のリニアモータを備えることを特徴とするステージ装置。
5. 可動子と、固定子と、を有するリニアモータに使用される磁石ユニットであって、
   前記固定子は、前記可動子をその可動方向と垂直な方向から挟み込むように対向して設けられた一対のバックヨークを含み、前記一対のバックヨークそれぞれの内側側面に、前記可動方向に沿って前記磁石ユニットが複数個、配置され、
   前記磁石ユニットは、
   主極磁石と、
   前記主極磁石の両端に密に固着した補極磁石と、
   を備えることを特徴とする磁石ユニット。

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