JP2016171739A - リニアモータ、ステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータの漏洩磁場を低減する。【解決手段】固定子２０は、複数の磁気回路３０を可動子の可動方向（Ｘ軸方向）に連結して構成される。磁気回路３０は、ヨーク２２と、ヨーク２２に固定される複数の界磁磁石２４を備える。隣接する磁気回路３０の連結部３２には、連結部３２を跨ぐようにしてヨーク２２より透磁率が高い高透磁率部材４０が設けられる。【選択図】図４

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。複数の界磁磁石２４は、所定の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。ヨーク２２と界磁磁石２４は、磁気回路を形成している。

図２（ａ）、（ｂ）は、固定子２０ｒを示す斜視図である。可動子の可動範囲が大きなリニアモータ２ｒでは、ヨーク２２を長くする必要があるが、このような場合に、長尺のヨーク２２を一体に構成することは、コストや加工精度の問題から難しく、したがって図２（ａ）に示すように、短尺のヨーク２３を複数個製作し、図２（ｂ）に示すようにそれらを連結することで、長尺のヨーク２２を構成する場合が多い。

図３（ａ）、（ｂ）は、ヨーク２２の平面図である。図３（ａ）に示すように、短尺のヨーク２３を連結して長尺のヨーク２２を構成する場合、それらの連結部分２５には、ヨーク２３の製作ばらつきに起因する間隙（空気層）２６が発生する。この間隙２６は磁気抵抗が高い（したがって透磁率の低い）部分となる。

界磁磁石２４が発生する磁束Φは、ヨーク２２を通過して隣り合う界磁磁石２４に流れ込む。ところがヨーク２２が一体品ではなく連結構造を有する場合には、磁束Φが連結部分２５の磁気抵抗の高い部分を乗り越えることができずに、磁束の一部Φ_ＥＸＴが、ヨーク２２の外側に漏洩する。あるいは図３（ｂ）に示すように、ヨーク２３の表面がメッキ処理される場合、メッキ２７が磁気抵抗が高い部分となり、漏洩磁場の原因となる。

特許文献１には、ヨークの連結部分の形状を工夫することにより、漏洩磁場を低減する技術が開示される。

実開平５−８７９３号公報

従来のリニアモータの漏れ磁束密度は数十ｍＴ程度であり、多くの用途では問題とならないが、電子線を使用した装置など、磁界が対象物に影響を及ぼす用途においては、漏洩磁場をより低いレベルまで低減することが望まれる。

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、漏洩磁場を低減し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、複数の磁気回路を可動子の可動方向に連結して構成される固定子と、を有する。磁気回路は、ヨークと、ヨークに固定される複数の界磁磁石を備える。隣接する磁気回路の連結部には、連結部を跨ぐようにしてヨークより透磁率が高い高透磁率部材が設けられる。

この態様によると、連結部に高透磁率部材を設けることで、連結部に生じる磁気抵抗が高い部分をバイパスするように磁気抵抗が低い経路が形成される。これにより、ヨークの外側に漏洩する磁束を低減することができる。

高透磁率部材は、その両端において、磁気回路の界磁磁石の少なくとも一部とオーバーラップしていてもよい。
これにより界磁磁石が発生する磁束を、高透磁率部材の内部に導くことができ、漏洩磁場を低減できる。

高透磁率部材は、ヨークに埋め込まれてもよい。
これにより、高透磁率部材とヨークが接する面積を増大でき、したがってより多くの磁束を高透磁率部材の内部に導くことができる。

高透磁率部材は、ヨークの表面に設けられてもよい。この場合、磁気回路の組み立てが容易になる。

ヨークは、可動子を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んでもよい。複数の界磁磁石は、バックヨークの内側側面に設けられてもよい。バックヨークの端部側面には、高透磁率部材と嵌合する凹部が形成されてもよい。

ヨークは、可動子を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んでもよい。複数の界磁磁石は、バックヨークの内側側面に設けられてもよい。高透磁率部材は、隣接するバックヨークの外側側面に設けられてもよい。
この場合、磁気回路の組み立てが容易になる。

バックヨークの外側側面には溝が設けられ、高透磁率部材は、溝に埋め込まれてもよい。
これにより、バックヨークに高透磁率部材を組み付ける際の組み立て精度を高めることができ、またバックヨークと高透磁率部材を面位置とすることができ、漏洩磁場を低減できる。

高透磁率部材は、板状であってもよい。高透磁率部材は、棒状であってもよい。

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

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、漏洩磁場を低減できる。

従来のリニアモータの斜視図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、固定子を示す斜視図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、ヨークの平面図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係るリニアモータの固定子を示す図である。 固定子の組み立て図である。 固定子の平面図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、第１変形例に係る固定子の斜視図である。 第２変形例に係る固定子の斜視図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るリニアモータの固定子を示す図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、第３、第４変形例に係る固定子の斜視図である。 第５変形例に係る固定子の斜視図である。 図１２（ａ）、（ｂ）は、第６変形例に係る固定子の断面図である。 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。

（第１の実施の形態）
図４（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係るリニアモータの固定子２０を示す図である。この固定子２０は、複数の磁気回路３０を、可動子の可動方向（Ｘ軸方向）に連結して構成される。磁気回路３０は、ヨーク２２と、ヨーク２２に固定される複数の界磁磁石２４を備える。隣接する磁気回路３０の連結部３２には、連結部３２を跨ぐようにしてヨーク２２より透磁率が高い高透磁率部材４０が設けられる。

本実施の形態において板状の高透磁率部材４０は、ヨーク２２に埋め込まれている。図５は、固定子２０の組み立て図である。図５には、可動子を可動方向（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た一対のバックヨーク２２ａ、２２ｂのうち、一方２２ａのみが示され、他方２２ｂは省略される。界磁磁石２４は、バックヨーク２２ａの内側側面Ｓ１ａに設けられる。隣接する磁気回路３０それぞれのバックヨーク２２ａは、その端部側面（接合面）Ｓ２ａ同士が接触する。バックヨーク２２ａの端部側面Ｓ２ａには、高透磁率部材４０と嵌合する凹部４２が形成される。隣接する磁気回路３０は、それぞれの凹部４２に高透磁率部材４０が嵌合した状態で連結される。バックヨーク２２ｂ側についても同様に構成される。

高透磁率部材４０の材料は特に限定されず、ヨーク２２の材料に応じて、ヨーク２２より透磁率が高い材料を選択すればよい。ヨーク２２としては、たとえば比透磁率μ／μ_０＝１０００程度の鉄材（ＳＳ４００）や低炭素鋼が用いられ、この場合、高透磁率部材４０として、それより比透磁率（透磁率）の高い材料、たとえば、より純度の高い純鉄、パーマロイ（μ／μ_０＝８０００，μ＝１．０×１０^−２Ｈ／ｍ）や鉄コバルト合金など選択すればよい。ヨーク２２としてパーマロイが用いられる場合には、それより透磁率の高い材料、たとえば鉄コバルト合金や純度の高い純鉄を用いることができる。

以上が第１の実施の形態に係る固定子２０の構成である。続いてその利点を説明する。
図６は、固定子２０の平面図である。図６には、磁束Φが一点鎖線で示される。高透磁率部材４０はヨーク２２に比べて透磁率が大きいため、高透磁率部材４０の内部を通過する磁束密度Ｂ１が、ヨーク２２の内部を通過する磁束密度Ｂ２よりも大きくなる。言い換えれば、界磁磁石２４が発生する磁束Φが、高透磁率部材４０に集中する。これにより、図３に示す従来の構成ではヨーク２３から外部に漏れ出ていた磁束Φを低減することができる。

以上が第１の実施の形態に係る固定子２０の利点、効果である。

この利点・効果を高めるためには、界磁磁石２４が発生する磁束Φを高透磁率部材４０の内部に有効に導くことが重要である。したがって高透磁率部材４０の両端を、磁気回路３０の界磁磁石２４の少なくとも一部とオーバーラップさせることが望ましい。より好ましくは高透磁率部材４０は、可動方向（Ｘ軸方向）に関して、界磁磁石２４の幅Ｗの１／４以上、さらに好ましくは１／２以上にわたり、オーバーラップしていることが望ましい。つまり、オーバーラップ幅をＷ_ＯＬとするとき、
Ｗ_ＯＬ≧Ｗ／２
であることが望ましい。

また高さ方向（Ｚ方向）に関しても、高透磁率部材４０は、界磁磁石２４の少なくとも一部とオーバーラップさせることが望ましい。本実施の形態では、高透磁率部材４０の高さｈは、界磁磁石２４の高さＨより高くなっており、したがって高さ方向に関して、界磁磁石２４の背面（ヨーク２２との接触面）からの磁束はすべて、高透磁率部材４０を通過するようになっている。

高透磁率部材４０のサイズおよび界磁磁石２４との配置関係をこのように定めることにより、漏洩磁場を好適に低減できる。

（第１変形例）
続いて第１の実施の形態に関連した変形例を説明する。図７（ａ）、（ｂ）は、第１変形例に係る固定子２０の斜視図である。この変形例では、高透磁率部材４０の高さｈが、界磁磁石２４の高さＨと実質的に等しい。この変形例においても、実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（第２変形例）
図８は、第２変形例に係る固定子２０の斜視図である。この変形例において、高透磁率部材４０は棒状である。バックヨーク２２ａ，２２ｂそれぞれの端部側面Ｓ２には、複数の複数の穴（凹部）４６が設けられる。高透磁率部材４０は、対応する穴４６に挿入される。この変形例においても、実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（その他の変形例）
さらには高透磁率部材４０の形状は、板状、棒状に限定されず、任意の形状とすることができる。また連結部ごとに設ける高透磁率部材４０の個数も特に限定されない。

（第２の実施の形態）
図９（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るリニアモータの固定子２０を示す図である。第１の実施の形態では、高透磁率部材４０がヨーク２２に埋め込まれたのに対して、第２の実施の形態では、高透磁率部材５０は、ヨーク２２の表面に貼り付けられる。

具体的には高透磁率部材５０は、バックヨーク２２ａ、２２ｂそれぞれの外側側面Ｓ３に設けられる。バックヨーク２２ａ、２２ｂそれぞれの外側側面Ｓ３の端部には溝４４が設けられる。高透磁率部材５０は、溝４４に埋め込まれる。図９（ｂ）に示すように、高透磁率部材５０の表面は、バックヨーク２２ａ（２２ｂ）の表面と段差無く面一とすることが好ましい。高透磁率部材５０とバックヨーク２２ａ（２２ｂ）の段差をなくすことにより、段差、すなわち不連続箇所からの漏洩磁場を低減できる。

第２の実施の形態によれば、磁気回路３０の連結部において、ヨーク２２の表面に透磁率の高い高透磁率部材５０を設けたことにより、高透磁率部材５０内部の磁束密度が高まり、相対的にヨーク２２外部の磁束密度が低くなる。つまりヨーク２２の表面から外側に漏れ出ようとする磁束を、高透磁率部材５０の内部に引き込むことができ、漏洩磁場を低減できる。

また第２の実施の形態は、第１の実施の形態に比べて、固定子２０の組み立てが容易であるという利点を有する。

（第３、第４変形例）
続いて第２の実施の形態に関連した変形例を説明する。図１０（ａ）、（ｂ）は、第３、第４変形例に係る固定子２０の斜視図である。図１０（ａ）の第３変形例では、高透磁率部材５０の高さｈが、界磁磁石２４の高さＨと実質的に等しい。この変形例においても、実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図１０（ｂ）の第４変形例では、隣接する磁気回路３０の連結部において、バックヨーク２２ａ，２２ｂの外側側面Ｓ３ａ，Ｓ３ｂおよびヨーク２２の底面Ｓ４を覆うように、高透磁率部材５０がコの字形状を有している。この変形例によれば、１つの連結部において使用される高透磁率部材５０が１個で足りるため、組み立てがさらに容易となる。また、ヨーク２２の底面からの漏洩磁場も低減できる。

（第５変形例）
図１１は、第５変形例に係る固定子２０の斜視図である。この固定子２０は、第１高透磁率部材４０と、第２高透磁率部材５０を備える。第１高透磁率部材４０は、第１の実施の形態で説明したように、ヨーク２２の内部に埋め込まれる。第２高透磁率部材５０は、第２の実施の形態で説明したように、ヨーク２２の表面に設けられる。高透磁率部材４０と５０を併用することにより、漏洩磁場をさらに低減できる。

（第６変形例）
図１２（ａ）、（ｂ）は、第６変形例に係る固定子２０ｃの断面図である。上述した実施の形態あるいは変形例では、ひとつの磁気回路３０のコの字型のヨーク２２が１個の部品として構成されたものであった。これに対して第６変形例では、ヨーク２２ｃは、複数の部分７０，７２を連結して構成される。それらの連結には、ネジ７４などの機械的結合手段を用いてもよいし、接着剤を用いてもよい。

たとえば複数の部分の一方７０は、Ｌ字型の断面形状を有し、他方７２は、Ｉ字型の断面形状を有してもよい。複数の部分７０と７２の接合面７６には、接合面７６を直交して跨ぐようにして、ヨーク２２ｃより透磁率が高い高透磁率部材７８が設けられる。高透磁率部材７８は板状であってもよい。

図１２（ａ）の変形例では、高透磁率部材７８は、コの字型ヨーク２２ｃの底部に貼付けられる。高透磁率部材７８の長さＬは、底部の長さｌ_１よりも長い。Ｉ字型部分７２には、高透磁率部材７８と嵌合する凹部８０が形成される。部分７０と７２は、凹部８０に高透磁率部材７８が嵌合した状態で連結される。凹部８０の深さｌ_２は、ｌ_１＋ｌ_２≒Ｌとなるように定めてもよい。深さｌ_２は、Ｉ字型部分７２の厚みｄ_１および強度、高透磁率部材７８の厚みｄ_２、強度等を考慮して定めればよい。

この変形例によれば、コの字型のヨーク２２ｃを複数の部分に分割して設計したとしても、連結部分における漏れ磁束を低減することができ、一体型のコの字型ヨーク２２に比べて遜色のない性能を実現できる。

図１２（ｂ）では、Ｌ字型部分７０とＩ字型部分７２の分割形態が異なっており、その他は同様である。

この変形例では、２個の部分７０，７２に分割したが、それらの形状は特に限定されない。たとえばコの字型ヨーク２２ｃの底面中央にて、２個のＬ字型の部分に分割してもよい。あるいは３個以上の部分に分割してもよい。

また第６変形例では、高透磁率部材７８を、ヨーク２２ｃの部分７０の底面に貼付けることとしたが、本発明はそれに限定されず、図９や図１０に示すように溝４４を形成し、溝４４に、高透磁率部材７８を埋め込んでもよい。

さらには高透磁率部材７８の形状は、板状、棒状に限定されず、任意の形状とすることができる。また接合面７６ごとに設ける高透磁率部材７８の個数も特に限定されない。

第１あるいは第２の実施の形態および第１〜第５の変形例は、ひとつの長いヨークが、磁気回路ごとに、可動子の可動方向に複数の分割されていると把握することができる。したがって、本明細書全体から、以下の技術的思想が導かれる。
本発明のある態様は、可動子と固定子と、を有するリニアモータに関する。ヨークは、複数の部分に分割して構成されてもよい。ヨークは、複数の部分の接合面を直交して跨ぐように設けられ、ヨークの複数の部分より透磁率が高い高透磁率部材が設けられてもよい。

最後に、リニアモータ２の用途を説明する。図１３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。

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、３０…磁気回路、４０…高透磁率部材、４２…凹部、４４…溝、４６…穴、５０…高透磁率部材、Ｓ１…内側側面、Ｓ２…端部側面、Ｓ３…外側側面。

Claims (8)

1. 可動子と、複数の磁気回路を前記可動子の可動方向に連結して構成される固定子と、を有するリニアモータであって、
   前記磁気回路は、ヨークと、前記ヨークに固定される複数の界磁磁石を備え、
   隣接する前記磁気回路の連結部には、前記連結部を跨ぐようにして前記ヨークより透磁率が高い高透磁率部材が設けられることを特徴とするリニアモータ。
2. 前記高透磁率部材は、その両端において、前記磁気回路の界磁磁石の少なくとも一部とオーバーラップしていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記高透磁率部材は、前記ヨークに埋め込ま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. 前記高透磁率部材は、前記ヨークの表面に設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。
5. 前記ヨークは、前記可動子を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、
   前記複数の界磁磁石は、前記バックヨークの内側側面に設けられ、
   前記バックヨークの端部側面には、前記高透磁率部材と嵌合する凹部が形成さ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。
6. 前記ヨークは、前記可動子を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、
   前記複数の界磁磁石は、前記バックヨークの内側側面に設けられ、
   前記高透磁率部材は、前記バックヨークの外側側面に設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。
7. 前記バックヨークの外側側面には溝が設けられ、前記高透磁率部材は、前記溝に埋め込まれることを特徴とする請求項５に記載のリニアモータ。
8. 請求項１から７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。

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