JP2022045016A

JP2022045016A - 電磁石装置

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Publication number: JP2022045016A
Application number: JP2020150475A
Authority: JP
Inventors: 知範大橋; Tomonori Ohashi
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2022-03-18

Abstract

【課題】電磁石装置における発熱を低減する。【解決手段】電磁石装置１００は、ヨーク１１２と、ヨーク１１２に巻回されたコイル１１４と、ヨーク１１２及びコイル１１４を収容し、磁力により対象物が吸着される吸着面１０５を有する筐体（上部筐体１５０、下部筐体１６０）と、ヨーク１１２の先端部と筐体の吸着面１０５側の内面との間に配置された断熱層１２０と、を備える。断熱層１２０は、空気層又は真空層であるか又は冷媒が流通する層である。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁石装置に関する。

電磁石装置は、コイルに電流を流すことによって磁力を発生する。コイルを流れる電流に起因してコイルには発熱が生じる。また、例えば特許文献１に示されるような有機電界発光素子の製造装置において、メタルマスクを基板に対して密着させるために永久磁石が利用される構成が主流である。

特開２０１０－０６２１２５号公報

電磁石装置における発熱を低減することが望まれる。例えば、電磁石装置から発生した熱によってメタルマスクが変形してしまうおそれがある。

上述した課題を解決するために、ヨークと、前記ヨークに巻回されたコイルと、前記ヨーク及び前記コイルを収容する筐体であって、磁力により対象物が吸着される吸着面を有する筐体と、前記ヨークの先端部と前記筐体の前記吸着面側の内面との間に配置された断熱層と、を備える電磁石装置が開示される。

一実施形態に係る電磁石装置の構成を示す部分断面図である。一実施形態に係る電磁石装置におけるヨークの構成を示す断面図である。一実施形態に係る電磁石装置におけるヨークの構成を示す断面図である。一実施形態に係る電磁石装置における下部筐体の全体構成を示す上面図である。一実施形態に係る電磁石装置が適用されることが可能な有機電界発光素子製造装置を示す図である。一実施形態に係る電磁石制御システムの構成図である。複数の電磁石ユニットを複数のエリアに分割する別の例を示す図である。複数の電磁石ユニットを複数のエリアに分割する更に別の例を示す図である。各エリア内の電磁石ユニットのコイルに流す電流の時間的関係の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。添付図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る電磁石装置１００の構成を示す部分断面図である。電磁石装置１００は、複数の電磁石ユニット１１０、冷却プレート１４０、上部筐体１５
０、及び下部筐体１６０を備える。

下部筐体１６０の内面には、下部筐体１６０の剛性を増強するための複数の梁１６２が設けられている。梁１６２が設けられることにより、電磁石装置１００の吸引面１０５側における下部筐体１６０の肉厚ｔを薄くすることができる。また下部筐体１６０の肉厚ｔが薄いことにより、電磁石ユニット１１０から発生した磁界を効率良く電磁石装置１００の外部に伝えることができる。

複数の電磁石ユニット１１０の各々は、下部筐体１６０の梁１６２によって仕切られた下部筐体１６０内側の個々の小スペース内に配置されている。各電磁石ユニット１１０は、ヨーク１１２と、ヨーク１１２に巻回されて樹脂材料１１６でモールドされたコイル１１４とを備える。樹脂モールド材１１６として、熱伝導率が大きく、高い耐熱性を有し、線膨張係数が小さいもの（例えばエポキシ）を用いることが好ましい。コイル１１４を流れる電流により、ヨーク１１２の先端には磁極ＭＰ１（Ｎ極とＳ極の一方）及び磁極ＭＰ２（Ｎ極とＳ極の他方）が形成される。各電磁石ユニット１１０は、ヨーク１１２の先端が下部筐体１６０の底部と対向する向きに配置され、各電磁石ユニット１１０の磁極ＭＰ１及びＭＰ２により、下部筐体１６０の底部、すなわち電磁石装置１００の吸引面１０５の下側に配置される被吸引物を吸引することができる。

電磁石ユニット１１０の上部は、比較的高い熱伝導率を有する伝熱シート１４５を介して冷却プレート１４０と熱的に接触している。冷却プレート１４０は、その内部に水冷配管１４２を備え、電磁石ユニット１１０を冷却する能力を有する。これにより、電磁石ユニット１１０の駆動時にコイル１１４で発生した熱を、冷却プレート１４０及び水冷配管１４２を通じて電磁石装置１００の外部に廃熱することができる。

本実施形態の電磁石装置１００は、更に、電磁石ユニット１１０のヨーク１１２の先端部分（磁極ＭＰ１及びＭＰ２が形成される部分）と下部筐体１６０の底部との間に断熱層１２０を備える。断熱層１２０が存在することにより、電磁石ユニット１１０の駆動時にコイル１１４で発生した熱が電磁石装置１００の吸引面１０５に伝わりにくくすることができる。これにより、吸引面１０５を介して被吸引物が加熱されることによる不具合の発生を回避することができる。例えば、本実施形態の電磁石装置１００が有機電界発光素子の製造プロセスにおいてメタルマスクを基板に吸着させるために使用される場合、メタルマスクの熱による変形や基板への密着不良を防止することができる。

断熱層１２０は、例えば空気層又は真空層として構成され得る。あるいは、断熱層１２０は、気体又は液体の冷媒が電磁石ユニット１１０のヨーク１１２の先端部分と下部筐体１６０の底部との間の空隙を流通するように構成されるのであってもよい。

断熱層１２０としての冷媒をヨーク１１２の先端部分と下部筐体１６０の底部との間の空隙に流通させる構成において、電磁石ユニット１１０の駆動時に冷媒の温度、流量、又は流速を動的に変化させてもよい。一態様において、電磁石装置１００は、コイル１１４を流れる電流を計測する電流計（不図示）を更に備える。この電流計によって計測した電流値から、コイル１１４の発熱量を算出又は推定することが可能である。算出されたコイル１１４の発熱量に応じて、又は電流計により計測されたコイル１１４を流れる電流の大きさに直接応じて、冷媒の温度、流量、又は流速を調整する。例えば、コイル１１４の発熱量が大きいほど冷媒の温度を低くし、又は冷媒の流量若しくは流速を大きくすることで、電磁石ユニット１１０から電磁石装置１００の吸引面１０５への断熱効果をより高めることができる。

また別の態様において、電磁石装置１００は、電磁石装置１００の各部の温度を計測す
る温度センサ（不図示）を更に備える。温度センサは、例えば、ヨーク１１２、下部筐体１６０の底部（吸引面１０５）、又は断熱層１２０としての冷媒の各温度を計測可能な位置に配置される。あるいは、温度センサは、電磁石装置１００の吸引面１０５へ吸引された物体の温度を計測することができるように配置されてもよい。温度センサによって計測された電磁石装置１００の各部の温度、又は吸引面１０５への被吸着物の温度に応じて、ヨーク１１２の先端部分と下部筐体１６０の底部との間の空隙に流通させる断熱層１２０としての冷媒の温度、流量、又は流速を調整する。例えば、下部筐体１６０の底部（吸引面１０５）の温度上昇が検知された場合に冷媒の温度を低くし、又は冷媒の流量若しくは流速を大きくすることで、電磁石ユニット１１０から電磁石装置１００の吸引面１０５への断熱効果をより高めることができる。

更に、冷却プレート１４０の冷却能力を、上記と同様にコイル１１４の発熱量又は電磁石装置１００の各部若しくは被吸引物の温度に応じて動的に変化させてもよい。

図２Ａ及びＢは、本発明の一実施形態に係る電磁石装置１００におけるヨーク１１２の構成を示す断面図である。本実施形態の電磁石装置１００において、各電磁石ユニット１１０のヨーク１１２は、コイル１１４が巻回されている部分１１２ｂよりも幅広に形成された先端部１１２ａを有する。ヨーク１１２の先端部１１２ａにおいて磁束がヨーク１１２を貫く断面積は、ヨーク１１２のコイル巻回部１１２ｂにおいて磁束がヨーク１１２を貫く断面積よりも大きい。ヨーク１１２の先端部１１２ａが幅広に形成されていることによって、電磁石ユニット１１０が発生する磁界を増大させることができる。

ヨークは比透磁率が大きく磁路抵抗が小さいため、ヨーク１１２の先端部１１２ａの断面積を大きくすることにより、電磁石ユニット１１０は広範囲にわたって大きな磁束密度を発生することができ、広範囲を大きな力で吸引することができる。一方で、ヨーク１１２に巻回されるコイル１１４の断面積が大きいほどコイル１１４の発熱量を抑えることができる。コイルスペースを大きくとるため、コイル巻回部１１２ｂにおけるヨーク１１２の断面積は、磁束密度が飽和しない程度に小さくすることが好ましい。

図３は、本発明の一実施形態に係る電磁石装置１００における下部筐体１６０の全体構成を示す上面図である。図３に示されるように、下部筐体１６０は、梁１６２によって仕切られた複数のセクタ１６４を有する。図３に例示される下部筐体１６０は、縦に４列、横に１６列に配列された合計６４個のセクタ１６４を有している。なお、セクタ１６４の縦横の配列数はこれに限られず、任意の数であってよい。前述したように、これらの各セクタ１６４内にそれぞれ電磁石ユニット１１０（図３において不図示）が配置されて、電磁石装置１００が構成される。

図４は、本発明の一実施形態に係る電磁石装置１００が適用されることが可能な有機電界発光素子製造装置５００を示す。有機電界発光素子製造装置５００は例えば蒸着装置である。図示されるように、電磁石装置１００の吸引面１０５に処理対象の基板５０２（例えばガラス基板）が配置され、基板５０２を介してメタルマスク５０４が配置される。電磁石装置１００から発生する磁力により、メタルマスク５０４が基板５０２の表面に吸着される。蒸着ソース５０６からチャンバ５０８へ放出された蒸着原料（例えば金属又は有機材料）がメタルマスク５０４を介して基板５０２上に堆積することによって、有機電界発光素子製造プロセスが実施される。

図５は、本発明の一実施形態に係る電磁石制御システム２００の構成図である。電磁石制御システム２００は、図１～図３を参照して説明された前述の電磁石装置１００と、電磁石装置１００の各電磁石ユニット１１０（不図示）を個別に駆動可能なコントローラ２５０とを備える。

コントローラ２５０は、複数の電磁石ユニット１１０を複数のエリア毎に駆動する。図５の例において、複数の電磁石ユニット１１０は、図の左から右へ順に第１エリア２０１、第２エリア２０２、第３エリア２０３、第４エリア２０４、第５エリア２０５、第６エリア２０６、第７エリア２０７、及び第８エリア２０８の合計８個のエリアに分割されている。各エリア２０１～２０８に含まれる電磁石ユニット１１０の数は任意であってよく、そのため図５に電磁石ユニット１１０は明示されていない。またエリアの分割数も８に限られず任意の数であってよい。

例えば、コントローラ２５０は、初めに第４エリア２０４及び第５エリア２０５内の電磁石ユニット１１０をオンにし、次に第３エリア２０３及び第６エリア２０６内の電磁石ユニット１１０をオンにし、次に第２エリア２０２及び第７エリア２０７内の電磁石ユニット１１０をオンにし、最後に第１エリア２０１及び第８エリア２０８内の電磁石ユニット１１０をオンにする。このように電磁石装置１００の中央に位置するエリアから周縁部に位置するエリアに向かってエリア毎に順番に電磁石ユニット１１０をオンにする（コイル１１４に電流を流す）ことによって、例えば図４に関し上述したメタルマスク５０４のような薄い被吸引物を、撓みを生じさせることなく電磁石装置１００の吸引面１０５あるいは基板５０２の表面に吸着することができる。これにより、当該薄い被吸引物と電磁石装置１００又は基板５０２との良好な密着性を確保することができる。

また例えば、コントローラ２５０は、第１エリア２０１、第２エリア２０２、第３エリア２０３、第４エリア２０４、第５エリア２０５、第６エリア２０６、第７エリア２０７、第８エリア２０８の順に電磁石ユニット１１０をオンにしてもよい。このように電磁石装置１００の一方端に位置するエリアから他方端に位置するエリアに向かってエリア毎に順番に電磁石ユニット１１０をオンにすることによっても、上記と同様に薄い被吸引物を撓みなく電磁石装置１００又は基板５０２に吸着させることができ、良好な密着性を確保することができる。

複数の電磁石ユニット１１０を複数のエリアに分割する方法は図５に示されるものに限られない。他の例として、図６に示されるように、複数の電磁石ユニット１１０は、図の上から下へ順に第１エリア２１１、第２エリア２１２、第３エリア２１３、第４エリア２１４、第５エリア２１５、第６エリア２１６、第７エリア２１７、及び第８エリア２１８の合計８個のエリアに分割されてもよい。図６の例において、コントローラ２５０は、例えば、初めに第４エリア２１４及び第５エリア２１５内の電磁石ユニット１１０をオンにし、次に第３エリア２１３及び第６エリア２１６内の電磁石ユニット１１０をオンにし、次に第２エリア２１２及び第７エリア２１７内の電磁石ユニット１１０をオンにし、最後に第１エリア２１１及び第８エリア２１８内の電磁石ユニット１１０をオンにする。またコントローラ２５０は、第１エリア２１１、第２エリア２１２、第３エリア２１３、第４エリア２１４、第５エリア２１５、第６エリア２１６、第７エリア２１７、第８エリア２１８の順に電磁石ユニット１１０をオンにしてもよい。

更に別の例として、図７に示されるように、複数の電磁石ユニット１１０は、電磁石装置１００の中央に位置する第１エリア２２１、第１エリア２２１を内包するようにその周囲を取り囲む第２エリア２２２、第２エリア２２２を内包するように更にその周囲を取り囲む第３エリア２２３、第３エリア２２３を内包するように更にその周囲を取り囲む第４エリア２２４、及び第４エリア２２４を内包するように更にその周囲を取り囲む最外周に位置する第５エリア２２５の合計５個のエリアに分割されるのであってもよい。図７の例において、例えば、コントローラ２５０は、内側（中央）に位置するエリアから外側（周縁部）に位置するエリアに向かって順番に、即ち、第１エリア２２１、第２エリア２２２、第３エリア２２３、第４エリア２２４、第５エリア２２５の順に、電磁石ユニット１１
０をオンにする。これにより、図５及び図６の場合と同様に、メタルマスク５０４のような薄い被吸引物と電磁石装置１００又は基板５０２との良好な密着性を確保することができる。

図８は、各エリア内の電磁石ユニット１１０のコイル１１４に流す電流の時間的関係の一例を示す図である。以下、前述した図５のエリア配置を例に説明する。図８に示されるように、時刻Ｔ_１０において、第４エリア２０４及び第５エリア２０５内の電磁石ユニット１１０のコイル１１４に電流Ｉ_１が供給され始める。電流Ｉ_１は、電流値ゼロから徐々に増加し時刻Ｔ_１１において所定の最大値に達するように制御される。また第３エリア２０３及び第６エリア２０６内の電磁石ユニット１１０のコイル１１４には、時刻Ｔ_１０と時刻Ｔ_１１の間の時刻Ｔ_２０（即ち、第４エリア２０４及び第５エリア２０５内の電磁石ユニット１１０のコイル１１４に電流Ｉ_１が供給され始めてから最大値に達するまでの時刻）において、電流Ｉ_２が供給され始める。電流Ｉ_２は、電流Ｉ_１と同様に、電流値ゼロから徐々に増加し時刻Ｔ_２１において所定の最大値に達するように制御される。同様に、第２エリア２０２及び第７エリア２０７内の電磁石ユニット１１０のコイル１１４には、時刻Ｔ_２０と時刻Ｔ_２１の間の時刻Ｔ_３０において電流Ｉ_３が供給され始め、電流Ｉ_３は、電流値ゼロから徐々に増加し時刻Ｔ_３１において所定の最大値に達するように制御される。また第１エリア２０１及び第８エリア２０８内の電磁石ユニット１１０のコイル１１４には、時刻Ｔ_３０と時刻Ｔ_３１の間の時刻Ｔ_４０において電流Ｉ_４が供給され始め、電流Ｉ_４は、電流値ゼロから徐々に増加し時刻Ｔ_４１において所定の最大値に達するように制御される。このように、あるエリア（例えば第４エリア２０４及び第５エリア２０５）に属する電磁石ユニット１１０のコイル１１４に電流が供給され始めてから所定値に達するまでの間に、当該エリアに隣接するエリア（例えば第３エリア２０３及び第６エリア２０６）に属する電磁石ユニット１１０のコイル１１４への電流供給を開始することによって、薄い被吸着物の吸着時における撓みの発生をより効果的に抑制することができ、被吸着物の密着性を一層向上させることができる。

以上、いくつかの例に基づいて本発明の実施形態について説明してきたが、上記した発明の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明には、その均等物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

１００電磁石装置
１０５吸引面
１１０電磁石ユニット
１１２ヨーク
１１４コイル
１１６樹脂モールド材
１２０断熱層
１４０冷却プレート
１４２水冷配管
１４５伝熱シート
１５０上部筐体
１６０下部筐体
１６２梁
１６４セクタ
２００電磁石制御システム
２０１～２２５エリア
２５０コントローラ
５００有機電界発光素子製造装置
５０２基板
５０４メタルマスク
５０６蒸着ソース
５０８チャンバ
ＭＰ１、ＭＰ２磁極

Claims

ヨークと、
前記ヨークに巻回されたコイルと、
前記ヨーク及び前記コイルを収容する筐体であって、磁力により対象物が吸着される吸着面を有する筐体と、
前記ヨークの先端部と前記筐体の前記吸着面側の内面との間に配置された断熱層と、
を備える電磁石装置。
前記断熱層は空気層又は真空層である、請求項１に記載の電磁石装置。
前記断熱層は冷媒が流通するように構成された層である、請求項１に記載の電磁石装置。
前記コイルの発熱量に応じて前記冷媒の流通が制御される、請求項３に記載の電磁石装置。
前記コイルを流れる電流を計測する電流計を更に備え、前記電流計による計測値に基づいて前記コイルの発熱量を算出するように構成される、請求項４に記載の電磁石装置。
前記ヨーク、前記筐体、前記対象物、又は前記冷媒のうちの少なくとも１つの温度を計測する少なくとも１つの温度センサを更に備え、前記少なくとも１つの温度センサによって計測された温度に応じて前記冷媒の流通が制御される、請求項３に記載の電磁石装置。
前記ヨークの前記先端部とは異なる部分に熱的に接触するように配置された冷却部品を更に備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の電磁石装置。
前記コイルの発熱量に応じて前記冷却部品の冷却能力が制御される、請求項７に記載の電磁石装置。
前記ヨークと前記冷却部品との間に介挿された伝熱部材を更に備える、請求項７又は８に記載の電磁石装置。