JP2017175764A - リニアモータ、ステージ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】界磁磁石の吸引力によるバックヨークの倒れを抑制しうるリニアモータを提供する。
【解決手段】リニアモータにおいて、固定子20は、可動子と対向して設けられる界磁磁石24と、界磁磁石24から第1方向側に離間して設けられるベースヨーク28と、界磁磁石24が固定されるバックヨーク23aと、を含む。バックヨーク23aは、ベースヨーク28の端面28aに設けられた締結部に締結具が結合されることでベースヨーク28の端面28aに固定され、バックヨーク23aを梃子とし界磁磁石24が生じる磁気的吸引力を力点荷重としたとき、締結部は、端面28aにあらわれる支点を挟んで、力点荷重と平衡する作用点荷重である締結力を発揮し、締結部は、端面28aを第1方向に二分した場合における支点があらわれる側と反対側に設けられる。
【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。例えば、特許文献1には、磁気的空隙を介して対向配置される固定子と可動子を備えるリニアモータが記載されている。
特許文献1に記載のリニアモータは、固定子に平板状の界磁ヨークと界磁ヨークに並べて固定された複数の界磁磁石とを備えている。界磁ヨークは、センターヨークと、センターヨークの両端から上側に伸びる一対のサイドヨークを含んでおり、複数の界磁磁石は一対のサイドヨークのそれぞれの内側側面に固定されている。特許文献1に記載のリニアモータは、センターヨークの形状を工夫することでサイドヨークの撓み量を低減している。
特開2005−237087号公報
ベースヨークと、ベースヨークの両端から上側に伸びるバックヨークを備えるリニアモータの固定子について、バックヨークをそれぞれベースヨークの両端面にボルトにより締結する構成が考えられる。しかし、このような構成の場合、ボルトの締結力が不足すると、バックヨークの内側側面に設けた界磁磁石の磁気的な吸引力により、バックヨークが内側に倒れる問題がある。バックヨークが内側に倒れると、その部分で可動子の通路が狭くなり、最悪の場合には可動子が界磁磁石に接触する懸念がある。
このような構成のリニアモータにおいて、界磁磁石の磁気的吸引力によるバックヨークの倒れを減らすために、締結用のボルトの数を増やして、全体の締結力を大きくすることが考えられる。しかし、締結用のボルトの数を増やすと、リニアモータの重量増の問題や、締結孔の加工工数や締結用ボルトの締め付け工数が増えて生産性が低下する問題がある。
つまり、従来のリニアモータでは、重量増や生産性の低下を抑えながら、界磁磁石の吸引力によるバックヨークの倒れを抑制する観点から改善する余地があった。
本発明の目的のひとつは、重量増や生産性の低下を抑えながら、界磁磁石の吸引力によるバックヨークの倒れを抑制しうるリニアモータを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様のリニアモータは、可動子と対向して設けられる界磁磁石と、界磁磁石から第1方向側に離間して設けられるベースヨークと、界磁磁石が固定されるバックヨークと、を含む固定子を備える。バックヨークは、ベースヨークの端面に設けられた締結部に締結具が結合されることでベースヨークの端面に固定され、バックヨークを梃子とし界磁磁石が生じる磁気的吸引力を力点荷重としたとき、締結部は、端面にあらわれる支点を挟んで、力点荷重と平衡する作用点荷重である締結力を発揮し、締結部は、端面を第1方向に二分した場合における支点があらわれる側と反対側に設けられる。
この態様によると、締結部が端面の支点があらわれる側と反対側に設けられるから、締結部の支点からの距離を大きくすることができる。
本発明の別の態様のステージ装置は、上述のリニアモータを備える。
本発明によれば、界磁磁石の吸引力によるバックヨークの倒れを抑制しうるリニアモータを提供することができる。
実施の形態に係るリニアモータの斜視図である。 実施の形態に係る固定子の平面図である。 実施の形態に係る固定子の断面図である。 実施の形態に係るベースヨークの断面図である。 比較例に係る固定子の断面図である。 比較例に係るベースヨークの断面図である。 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。 第1変形例に係る固定子の断面図である。 第1変形例に係るベースヨークの断面図である。 第2変形例に係る固定子の断面図である。 第2変形例に係るベースヨーク部の部分断面図である。
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、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。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。
(実施の形態)
図1は実施の形態に係るリニアモータ2の斜視図である。リニアモータ2は、固定子20と、可動子10と、を備える。固定子20は、界磁磁石24と、ベースヨーク28と、バックヨーク23a、23bと、を主に含む。界磁磁石24は主磁石25および補極磁石26を含む。固定子20は、磁気的空隙34に界磁磁界を形成する。可動子10は固定子20の磁気的空隙34に可動方向に可動自在に設けられる。以下、XYZ直交座標系をもとに説明する。X軸方向は水平な左右方向に対応し、Y軸方向は水平な前後方向に対応し、Z軸方向は鉛直な上下方向に対応する。Y軸方向およびZ軸方向はそれぞれX軸方向に直交する。X軸方向は左方向あるいは右方向と、Y軸方向は前方向あるいは後方向と、Z軸方向は上方向あるいは下方向と表記することがある。図1は、可動子10の可動方向を水平方向(X軸方向)に設定し、後述するベースヨーク28を界磁磁石24の下側に配置した状態を示している。なお、このような方向の表記はリニアモータ2の使用姿勢を制限するものではなく、リニアモータ2は任意の姿勢で使用されうる。
(固定子)
図2は実施の形態に係る固定子20の平面図である。ベースヨーク28と、バックヨーク23a、23bとはヨーク22を構成する。ヨーク22は、界磁磁石24を支持すると共に、界磁磁石24のバックヨークとして磁気回路を構成する。界磁磁石24は可動子10と対向して設けられる(図1も参照)。ベースヨーク28は、界磁磁石24から第1方向であるZ軸方向側に離間して設けられる。バックヨーク23a、23bそれぞれには界磁磁石24が固定される。バックヨーク23a、23bとベースヨーク28については後述する。
主磁石25は磁気的空隙34に界磁磁界を形成する。補極磁石26は主磁石25と共にハルバッハ配列構造を構成し、磁気的空隙34の界磁磁界を補強する。主磁石25は、バックヨーク23a、23bの内側(磁気的空隙34側)に、可動子10の可動方向(X軸方向)に複数個直線状に並べて接着固定される。補極磁石26は隣り合う2つの主磁石25の間に固定される。界磁磁石24は、例えば希土類元素を含む磁性材料から、一例として焼結法によって形成される。界磁磁石24はメッキ層などの表面層を有してもよい。界磁磁石24は、例えば矩形の板状に形成される。なお、本発明は補極磁石26を備えることは必須ではない。
主磁石25は、Y軸方向に薄い直方体形状を有し、それぞれ磁極面が形成される正面と背面とを有し、その背面がバックヨーク23a、23bの内側側面S1a、S1bに固定される(図1も参照)。つまり、主磁石25の磁化方向25mはY軸に平行に形成される。補極磁石26は、Y軸方向に薄い直方体形状を有し、X軸に平行な正面と背面とを有し、その背面がバックヨーク23a、23bの内側側面S1a、S1bに固定される(図1も参照)。補極磁石26の両側面にはそれぞれ磁極面が形成される。つまり、補極磁石26の磁化方向26mはX軸に平行に形成される。
図2に示すように、磁気的空隙34を挟んで互いに対向する2つの界磁磁石24の正面には、互いに逆極性の磁極が設けられる。このため、これらの界磁磁石24は互いに引き合う磁気的吸引力を発生する。この磁気的吸引力により、磁気的空隙34を介して対向するバックヨーク23a、23bにはそれぞれ内側に向かう方向の荷重が入力される。
リニアモータの磁気回路は、バックヨーク23a、23bの飽和を抑制しつつモータの特性を向上するために、主磁石25の磁界を磁気的空隙34側に集中可能な構成が望ましい。そこで、実施の形態の補極磁石26の磁化方向26mは、主磁石25の磁化方向25mと90°異なる方向に形成される。このように構成することで、主磁石25と補極磁石26とはハルバッハ配列構造を形成し、主磁石25の磁界を磁気的空隙34側に集めることができる。
(バックヨーク)
図3は実施の形態に係る固定子20のA−A線断面図である。バックヨーク23a、23bは可動子10をY軸方向に挟み込むように設けられる。バックヨーク23a、23bそれぞれの内側側面に界磁磁石24が設けられ、界磁磁石24は磁気的空隙34を挟んで互いに対向して設けられる。バックヨーク23a、23bは左右方向(X軸方向)および上下方向(Z軸方向)に延在する板状の部材である。バックヨーク23a、23bそれぞれは、例えばX軸方向に長尺な略矩形形状に形成されてもよい。バックヨーク23a、23bそれぞれには、締結具であるボルト29が嵌められるヨーク孔23hが設けられる。ヨーク孔23hはY軸方向に貫通して設けられる。
(ベースヨーク)
図4は実施の形態に係るベースヨーク28の拡大断面図である。ベースヨーク28は、界磁磁石24の下側においてバックヨーク23a、23bの間に挟持される。ベースヨーク28は、バックヨーク23a、23bの間隔を維持するように、界磁磁石24の第1方向側であるZ軸で負方向に設けられる。つまり、バックヨーク23a、23bはベースヨーク28の両端面に固定されることにより所定の間隔を維持する。ベースヨーク28はX軸方向に長い長尺な直方体形状を有する部材である。ベースヨーク28はY軸に沿った縦断面が略矩形状を有する。ベースヨーク28はY軸方向の両端に端面28aを有する。バックヨーク23a、23bは、ベースヨーク28の端面28aに設けられた締結部である孔部28hに締結具であるボルト29が結合されることでベースヨーク28の端面28aに固定される。孔部28hはベースヨーク28の端面28aに穿設される。端面28aはZ軸方向およびX軸方向に沿って延在する。孔部28hはY軸方向の貫通孔であってもよく、非貫通孔であってもよい。孔部28hには雌ねじ28sが形成される。孔部28hの雌ねじ28sには締結具であるボルト29が螺合される。バックヨーク23a、23bは、ヨーク孔23hの外側からボルト29が挿入されて、孔部28hにねじ込まれることで、ベースヨーク28の端面28aに固定される。
(比較例)
ここで先に、比較例に係るベースヨーク528について説明する。図5は比較例のベースヨーク528を含む固定子20のA−A線断面図である。図6は比較例のベースヨーク528の拡大断面図である。ベースヨーク528は、ベースヨーク28に対して孔部28hの位置が異なる点で相違し、その他の構成は同様である。したがって重複する説明を省き主に相違点について説明する。ベースヨーク528では、孔部28hは端面28aの上下範囲の中心28mより上側に穿設される。特に、端面28aにおける孔部28hの上下範囲の中心28nは、端面28aの中心28mより上側に位置する。つまり、図6に示すように、ベースヨーク28の端面28aの上端部28uから孔部28hの中心28nまでの距離Lnは上端部28uから端面28aの中心28mまでの距離Lmより小さい。
このようなベースヨーク528を固定子20に使用する場合、ボルト29がバックヨーク23a、23bをベースヨーク28側に押しつける力である締結力Ftが不足することがある。ボルト29の締結力Ftが不足すると、界磁磁石24の磁気的な吸引力Fmによりバックヨーク23a、23bが内側に倒れる問題がある。このため締結用のボルト29の数を増やして、それらを合計した締結力Ftを大きくすることが考えられる。しかし、ボルト29の数を増やすと、ヨーク孔23hおよび孔部28hの加工工数が増え、またボルト29を装着する工数も増えて生産性が低下する問題がある。
以上の比較例の考察を踏まえて、本発明の実施形態に係る固定子20について説明する。吸引力Fmと締結力Ftの関係は、バックヨーク23a、23bそれぞれを梃子とし界磁磁石24が生じる磁気的な吸引力Fmを力点荷重としたとき、締結力Ftは、端面28aにあらわれる支点を挟んで、力点荷重である吸引力Fmと平衡する作用点荷重として理解することが可能である。この支点は例えばベースヨーク28の端面28aの上端部28uである。つまり、締結部である孔部28hと締結具であるボルト29は、テコの原理にて界磁磁石24の吸引力Fmに平衡する荷重である締結力Ftを発揮する。この場合に、力点側の荷重や距離を一定とすると、支点から作用点までの作用点側の距離を大きくすることで、より小さな締結力Ftで吸引力Fmと平衡することができる。つまり、ベースヨーク28の端面28aの上端部28uから締結部である孔部28hまでの作用点側の距離を大きくすることで、平衡可能な締結力Ftを小さくすることが可能になる。
図3および図4を再び参照する。締結部である孔部28hは、端面28aを第1方向であるZ軸方向に二分した場合における支点があらわれる側と反対側に設けられる。特に、Z軸方向において、端面28aにおける締結部である孔部28hの中心は、端面28aを二分した場合における支点があらわれる側と反対側に位置する。つまり、支点がベースヨーク28の端面28aの上端部28uである場合には、ベースヨーク28の端面28aにおける孔部28hの上下範囲の中心28nは、端面28aのZ軸方向範囲の中心28mより下側に位置する。図4に示すように、ベースヨーク28の端面28aの上端部28uから孔部28hの中心28nまでの距離Lnは上端部28uから端面28aの中心28mまでの距離Lmより大きい。孔部28hの中心28nが上端部28uから離れて位置するから、上述の作用点側の距離を大きくして、平衡可能な締結力Ftを小さくすることができる。
平衡可能な締結力Ftを小さくする観点で、上述の作用点側の距離はより大きい方が望ましい。そこで、実施の形態の固定子20では、ベースヨーク28の端面28aにおける孔部28hの上下範囲は、端面28aの上下範囲の中心28mより下側に位置する。孔部28hの範囲が中心28mより下側に位置するから、上述の作用点側の距離はより大きくなり、平衡可能な締結力Ftをより小さくすることができる。
平衡可能な締結力Ftをさらに小さくする観点で、上述の作用点側の距離は一層大きい方が望ましい。そこで、実施の形態の固定子20では、ベースヨーク28の孔部28hは、全体としてベースヨーク28の端面28aの上下範囲の中心28mより下側に位置する。つまり、孔部28h全体が中心28mより下側に位置するから、上述の作用点側の距離は一層大きくなり、平衡可能な締結力Ftを一層小さくすることができる。
次に、このように構成された実施の形態のリニアモータ2の特徴について説明する。
リニアモータ2では、締結部である孔部28hは、端面28aを第1方向であるZ軸方向に二分した場合における支点があらわれる側と反対側に設けられるから、孔部28hが支点があらわれる側に設けられる場合と比較して、バックヨーク23a、23bをこの支点からより離れた位置にてベースヨーク28側に押付けることができる。この結果、界磁磁石24の吸引力Fmと平衡可能な締結力Ftを小さくすることができる。平衡可能な締結力Ftが小さいから、バックヨーク23a、23bを締結するためのボルト29の数を少なくすることができる。ボルト29の数を減らすことで、リニアモータ2の重量増を抑えることが可能になり、また、ヨーク孔23hおよび孔部28hの加工工数や、ボルト29の装着工数を減らすことが可能になる。また、より小型のボルト29を使用することも可能になる。つまり、生産性の低下を抑制しつつ、界磁磁石24の吸引力Fmによるバックヨーク23a、23bの倒れを抑制することが可能になる。
リニアモータ2では、第1方向であるZ軸方向において、端面28aにおける孔部28hの中心は、端面28aを二分した場合における支点があらわれる側と反対側に位置するから、バックヨーク23a、23bをより下側の位置にてベースヨーク28側に押付けることができる。
次に、リニアモータ2の用途を説明する。図7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20と、Xステージ130の下面に結合された可動子(コイル)10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、本発明の実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、色々な変形および変更が本発明の特許請求の範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。
(第1変形例)
次に、第1変形例について説明する。図8は第1変形例に係るベースヨーク28を含む固定子20のA−A線断面図である。図9は第1変形例のベースヨーク28の拡大断面図である。図9では、ベースヨーク28の端面28aの上下範囲を、三等分線28t1と三等分線28t2とによって三等分した3つの領域28aa、28ab、28acに区分して示している。図8に示すように、この変形例に係るベースヨーク28では、第1方向であるZ軸方向において、端面28aにおける締結部である孔部28hの中心28nは、端面28aを三等分した場合における支点があらわれる領域から最も遠い領域28acに位置する。また、図8に示すように、この変形例では、Z軸方向において、締結具であるボルト29の範囲は、端面28aを二分した場合における支点があらわれる側と反対側の範囲に含まれる。つまり、ボルト29がその頭部29aを含めて端面28aの上下範囲の中心28mより下側に位置する。この変形例においても、実施の形態と共通する構成において同様の効果を得ることができる。加えて、この変形例のベースヨーク28によれば、上述の作用点側の距離がさらに一層大きくなり、平衡可能な締結力Ftをさらに一層小さくすることができる。
(第2変形例)
実施の形態の説明では、ベースヨーク28の両方の端面28aにバックヨーク23a、23bそれぞれをボルト29により締結する例について説明したがこれに限られない。一方のバックヨークがベースヨークと一体に形成されてもよい。つまり、バックヨークとベースヨークとが一体に形成されたL字状のヨークに、他方のI字状のバックヨークを結合するように構成してもよい。図10は第2変形例に係る固定子220の断面図である。図11はヨーク223のベースヨーク部228の部分断面図であり、主に端面28aの周辺を示す。図10は図3に、図11は図4に対応しており、これらの同一または同等の構成要素には、同一の符号を付する。ヨーク223は、バックヨーク部223bとベースヨーク部228とを含む断面がL字状のヨークである。固定子220は、実施の形態の固定子20に対して、バックヨーク部223bとベースヨーク部228とが一体に形成される点で相違し、その他の構成は同様である。つまり、バックヨーク部223bは実施の形態のバックヨーク23bと同様の特徴を具備し、ベースヨーク部228は実施の形態のベースヨーク28と同様の特徴を具備する。したがって、重複する説明を省略し、相違点について重点的に説明する。
図10に示すように、バックヨーク23aは、ヨーク孔23hの外側から締結具であるボルト29が挿入されて、締結部である孔部28hにねじ込まれることで、ヨーク223のベースヨーク部228の端面28aに固定される。孔部28hは、端面28aをZ軸方向に二分した場合における支点があらわれる側と反対側に設けられる。特に、Z軸方向において、端面28aにおける締結部である孔部28hの中心は、端面28aを二分した場合における支点があらわれる側と反対側に位置する。つまり、支点がベースヨーク部228の端面28aの上端部28uである場合には、ベースヨーク部228の端面28aにおける孔部28hの上下範囲の中心28nは、端面28aのZ軸方向範囲の中心28mより下側に位置する。図11に示すように、ベースヨーク部228の端面28aの上端部28uから孔部28hの中心28nまでの距離Lnは上端部28uから端面28aの中心28mまでの距離Lmより大きい。孔部28hの中心28nが上端部28uから離れて位置するから、上述の作用点側の距離を大きくして、平衡可能な締結力Ftを小さくすることができる。この変形例においても、実施の形態と共通する構成において同様の効果を得ることができる。加えて、この変形例の固定子220によれば、バックヨーク部223bとベースヨーク部228とが一体に形成されるから、これらを結合するための孔の加工工数や、ボルトの装着工数を減らすことが可能になる。
(その他の変形例)
実施の形態の説明では、締結部が雌ねじ28sを有する孔部28hであり、締結具がボルト29である例について説明したがこれに限られず、これらは他の種類の締結手段であってもよい。例えば、締結具はリベットであり、締結部がリベット孔であってもよい。
実施の形態の説明では、孔部28hがY軸方向に平行に設けられる例について説明したがこれに限られず、例えば、孔部28hは傾斜して設けられてもよい。
実施の形態の説明では、バックヨーク23a、23bがボルト29によってベースヨーク28の端面28aに固定される例について説明したが、これに限られない。ボルト29に加えて、例えば接着剤などの補助的な固定手段が併用されてもよい。
説明に使用した図面では、部材の関係を明瞭にするために一部の部材の断面にハッチングを施しているが、当該ハッチングはこれらの部材の素材や材質を制限するものではない。
2・・リニアモータ、 10・・可動子、 20・・固定子、 23a・・バックヨーク、 24・・界磁磁石、 25・・主磁石、 26・・補極磁石、 28・・ベースヨーク、 28h・・孔部、 29・・ボルト、 100・・ステージ装置。

Claims (6)

  1. 可動子と対向して設けられる界磁磁石と、
    前記界磁磁石から第1方向側に離間して設けられるベースヨークと、
    前記界磁磁石が固定されるバックヨークと、
    を含む固定子を備え、
    前記バックヨークは、前記ベースヨークの端面に設けられた締結部に締結具が結合されることで前記ベースヨークの端面に固定され、
    前記バックヨークを梃子とし前記界磁磁石が生じる磁気的吸引力を力点荷重としたとき、
    前記締結部は、前記端面にあらわれる支点を挟んで、前記力点荷重と平衡する作用点荷重である締結力を発揮し、
    前記締結部は、前記端面を前記第1方向に二分した場合における前記支点があらわれる側と反対側に設けられることを特徴とするリニアモータ。
  2. 前記第1方向において、前記端面における前記締結部の中心は、前記端面を二分した場合における前記支点があらわれる側と反対側に位置することを特徴とする請求項1に記載のリニアモータ。
  3. 前記第1方向において、前記端面における前記締結部の中心は、前記端面を三等分した場合における前記支点があらわれる領域から最も遠い領域に位置す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. 前記第1方向において、前記締結具の範囲は、前記端面を二分した場合における前記支点があらわれる側と反対側の範囲に含まれることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のリニアモータ。
  5. 前記締結部は前記端面に穿設されたねじ孔であり、前記締結具は前記ねじ孔に螺合されるボルトであることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のリニアモータ。
  6. 請求項1から5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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