JP5126652B2 - 可動コイル型リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体製造装置のステージ駆動手段として使用される可動コイル型リニアモータに関する。

半導体製造装置、液晶製造装置、あるいは半導体素子や液晶ディスプレイ等の検査装置においては、各種部品の搬送手段として定盤に対して所定方向に移動するキャリッジを有するＹステージとそのステージに対して別の方向（直交する方向）に移動するキャリッジを有するＸステージを備えた２軸のステージ装置（Ｘ−Ｙステージ）が使用されている。上記キャリッジを直線移動させる手段としては、Ｎ極とＳ極が対向するように、ヨークに支持された永久磁石を有する磁界発生部材と、その磁界内を横切る電流が流れるコイルを有するコイル部材とを備え、磁界発生部材とコイル部材との相対移動が行えるように構成したリニアモータが使用されている。

上記のリニアモータは、例えば、ヨークに支持された永久磁石を有する磁界発生部材と、その磁気ギャップの内部にコイルを有するコイル部材とを備え、一方の部材を固定子又は可動子とした構造のものが使用されている。この種リニアモータでは、搬送装置の高性能化（高速化）を図るために、コイルに流す電流を増加することが一般的に行われている。コイルへの通電電流が増加すると、発熱量が増大し（電流の二乗に比例する）、磁石性能が低下する（推力が低下する）と共に、周辺部材の熱変形による位置決め精度が低下するので、コイルを内包するジャケットの内部に冷媒を供給することにより、コイルの発熱を回収することが行われている（特許文献１参照）。

また特許文献１には、冷却能力を上げるために冷媒の流量を増加させてもジャケットが変形するのを防止するために、コイル形状に彫り込まれた２つのジャケットカバーでコイルの空心部を固定し覆い、かつジャケットカバーをコイルを介して結合することが記載されている。

冷媒通路を有するコイル収容部材は、複数のコイル群を巻線固定枠の両面に直線状に並べて平板状に成形した電機子を樹脂モールドで固定し、その上部に電機子を固定するためのフレームを設け、フレームの内部に冷媒通路を設けることにより作製することが一般的に行われている。しかし電機子コイルの周囲が熱伝導率の悪い樹脂モールドで覆われていると、電機子コイルの温度上昇により生じた熱をフレームに効率よく放熱できないという問題がある。そこで、電機子コイルにコイル群の長手方向に沿うように平板状のヒートパイプを設けて樹脂モールドで固定し、ヒートパイプの吸熱部を電機子コイルに対向する部分に配置し、ヒートパイプの放熱部をヒートシンクの内部に挿入することが提案されている（特許文献２参照）。

特開平１０−３０９０７１号公報（第３頁、第５頁、図１、図１３） 特開２００１−３２７１５２号公報（第３〜４頁、図２）

しかるに特許文献１の構造であると、ジャケットの厚さが大となるので、磁気空隙が広がり、推力が低下し、かつジャケットの作製工数が増大するといった問題がある。

しかしながら特許文献２に記載された構造であると、電機子コイルの冷却効率は向上しても、コイル列の間にヒートパイプを設けており、電機子の厚さが増大するので、その分磁気ギャップを広くすることが必要となり、モータの推力が低下するという難点がある。また構造も複雑となり、製造コストの増大を伴う。

従って本発明の目的は、簡単な構造で多相コイルを効率よく冷却することのできる可動コイル型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型リニアモータは、所定方向に沿って磁界が現出する磁気空隙を有する磁界発生部材と、前記磁界を横切る方向に電流が流れる空心コイルが複数個直列に接続された多相コイル列と内部に冷媒が流動する冷媒通路を有する可動コイル部材とを備えた可動コイル型リニアモータにおいて、
前記可動コイル部材は、前記多相コイルを樹脂モールドで抱持した矩形状断面を有するモールド部材と、前記モールド部材の前記磁界発生部材と対向する側の表面に固定されるジャケット部材を有し、
前記ジャケット部材は、前記ジャケット部材は、前記モールド部材の表面に当接する外周部と前記外周部で取り囲まれ前記モールド部材の表面に当接する中央部を有するとともに、この中央部は前記各空心コイルの空心部に対向しかつ前記モールド部材に少なくとも機械的に固定される第１圧接部と前記各空心コイルの有効導体部に対向する第２圧接部を有し、
前記冷媒は前記外周部と前記中央部で囲まれた空間内を流動することを特徴とするものである。

本発明において、前記中央部は、前記冷媒の流動方向に沿って前記第１圧接部とそれより面積の小さい前記第２圧接部が交互に形成することが好ましい。

本発明において、前記樹脂はガラス繊維を含むエポキシ樹脂であることが好ましい。

本発明において、前記多相コイルは、コイルプレートの両面に複数の空心コイルが直列に接続された２組の３相コイルを有することが好ましい。

本発明によれば、可動コイル部材は、モールド樹脂の内部に多相コイルを有するモールド部材の両面に、各空心コイルの空心部に対向しかつモールド部材に少なくとも機械的に固定される第１圧接部と各空心コイルの有効導体部に対向する第２圧接部を含む中央部を有するジャケットを固定した構造とするので、ジャケットとモールド部材との間を加圧された冷媒が流動しても、ジャケットが強固に固定されおり、冷媒の漏出を防止することができる。したがって簡単な構造にも係わらず、多相コイルを確実に冷却することができる。

また、この可動コイル部材によれば、断面をＴ字形に形成することができるので、固定子の開口側から可動コイルを磁気空隙に挿入することができ、組立ての自由度を向上することができる。

以下本発明の詳細を添付図面により説明する。図１は本発明の実施の形態に係わるリニアモータの平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は可動子を構成するモールド部材の斜視図、図４は図３をＢ方向から見た図、図５は多相コイルの斜視図、図６はジャケットの斜視図、図７は図６をＦ方向から見た矢視図、図８〜１０は各々図４のＣ−Ｃ線断面図、同Ｄ−Ｄ線断面図、図３のＥ−Ｅ線断面図である。

図１に示すように、本発明のリニアモータは、複数の分割ユニット２を有する固定子１と、その内部に形成された磁気空隙ｇ内で駆動される多相コイルを有する可動子３を備えている。このリニアモータは、複数の分割ユニット２をストローク方向（例えばＸ軸方向）に沿って接続したものであり、各分割ユニットは同様の構造を有する（但し長さは同一である必要はない）。図２に示すように、可動子３は、後述の多相コイルを有するコイル部材５とそれを支持するホルダ４を備え、ホルダ４は被駆動部材（不図示）に連結される。このリニアモータによれば、可動子３に図示を省略した磁界検出素子（例えばホール素子）を設けて、磁極位置を検出し、各コイルに流れる電流の向きを変えることにより、可動子３をＸ軸方向に移動することができる。

コイル部材５の詳細を図３〜１０により説明する。図３及び４において、矢印Ｒｆは冷媒の流動方向を示す。コイル部材５は、後述の多相コイル７（図５参照）を樹脂でモールドする（鋳ぐるむ）ことにより形成された平板状のモールド部材６とその両面に固定されたジャケット８（図６参照）を有する。図３及び４に示すように、モールド部材６は、棒状に形成された上部６１（厚さｔｍ１）とその下方に伸長する平板状の本体部６２（厚さｔｍ２）とを有し、上部６１の一端側には冷媒が供給される例えば２つの冷媒注入管６１１が設けられ、また上部６１の他端側に冷媒が排出される例えば２つの冷媒排出管６１２が設けられている。本体部６２は、外縁部付近に額縁状の外周溝６３と、その内側に形成された段部６４と、さらにその内側に形成された内周溝６５を有する。内周溝６５は、多相コイルの長さ及び幅と対応する長方形状の領域（幅ｈ２、長さＬｋ）とその両端側に形成された延長部６５１、６５３を有し、延長部６５１、６５３の端部には各々、冷媒の通路となる空間６５２、６５４が形成されている。空間６５２は、冷媒注入管６１１と連通し、内周溝６５に冷媒を供給できるようになっている（図８参照）。なお、図示を省略するが、空間６５４は冷媒排出管６１２と連通し、多相コイルの熱を回収して温度が上昇した冷媒を冷媒供給装置（不図示）に戻すことができる。また、モールド部材６の両面にジャケットを固定するために、外周溝６３には、所定ピッチで複数のナット６３０が設けられるとともに、内周溝６５にも所定ピッチで複数のナット６５０が長手方向に沿って例えば２列（１列又は３列以上でもよい。）設けられている。

上記の冷媒としては、熱的かつ化学的に安定で、しかも不燃性、無毒、無臭で、耐環境性に優れた（オゾン破壊係数がゼロ）の液体が好ましく、耐環境性の点からは自然冷媒（水）が好適であるが、伝熱性を考慮すると、フッ素系不活性液体（例えば住友スリーエム社製フロリナート）を使用することが好ましく、この冷媒を使用する場合は、例えば液圧は０．１〜０．４ＭＰａ、液量は１．５〜２．０ｌ／ｍｉｎ．（いずれも常用の値）の範囲で調整して、コイル部材の内部に供給することができる。

上記のモールド部材６においては、後述のジャケットを固定したときに、冷媒が確実にコイル部材の内部に流入し、内周溝６５を流動するようにするために、外周溝６３の深さｔｈ１と段部６４の厚さｔｈ２と内周溝６５の深さｔｈ３は同一の寸法に設定されている（図９参照）。

図５に示すように、多相コイル７は、例えば３相コイルの場合、コイル基板７０の両面に、１２個の偏平形状の空心コイル７１（磁極幅と同一の開角幅を有する）を、Ｕ相コイル（Ｕ１〜Ｕ４）、Ｖ相コイル（Ｖ１〜Ｖ４）、Ｗ相コイル（Ｗ１〜Ｗ４）が平面からみて有効導体部が重ならないように配設した構造（長さＬｃ）を有する。この多相コイル７を樹脂モールドすると、各相のコイルの内側にも樹脂がモールドされて、多相コイル７が樹脂部と一体化される（図１０参照）。なお、図示を省略するが、複数の空心コイルは各相のコイルに通電された時に空心コイルの配列方向の推力が発生するように結線されている。

図６に示すジャケット８は、上記のモールド部材６の両面に少なくとも機械的（例えばねじ止め）に固定できるような構造を有する。但しジャケット８をモールド部材６に固定する場合、固定強度を向上するために接着剤を併用してもよい。このジャケット８は、モールド部材６の本体部の幅ｈ１と同等の幅ｈｊと本体部の長さＬｍと同等の長さＬｊを有する平板状の部材であり、平板状のベース部８０と、外縁部付近にモールド部材６の外周溝に嵌め込まれる額縁状の外周部８１を有し、そこに所定ピッチでキリ穴８１１が設けられて、モールド部材６に固定するためのボルト（不図示）が挿入できるようになっている。また、外周部８１の内側の中間部８２には、第１圧接部８３１（長さＬｂ、高さｈａ）と第２圧接部８３２（長さＬｃ、高さｈｂ）が交互に並び、冷媒の流動方向に沿って断面積が周期的に変化するような形状を有する中央部８３（長さＬａ）が例えば２列形成されている。各第１圧接部８３１及び第２圧接部８３２の中央には、キリ穴８３３が設けられて、モールド部材６に固定するためのボルト（不図示）が挿入できるようになっている。冷媒の圧力で、ジャケット８がモールド部材６から浮き上がるのを防止するために、第１圧接部８３１の長さＬａは、空心コイルの空心部の幅と同等に設定し、第２圧接部８３２の長さＬｂは空心コイルの有効導体部の幅と同等に設定することが好ましい。

中央部８３の面積（２列の合計）は、冷媒の圧力などを考慮して、ジャケット８がモールド部材６から浮き上がるのが防止され、かつ冷媒が流動する領域が不足して冷却性能が低下しないような範囲に設定される。例えば冷媒の圧力が０．３ＭＰａ程度の場合は、中央部８３の面積は、中間部８２の面積（外周部８１で囲まれた領域）の０．２〜０．３倍の大きさに設定することが好ましい。またジャケット８は、モールド部材６に装着されたときに、外周部８１がモールド部材６の外周溝６３に入り込み、かつ中央部８３がモールド部材６の内周溝６５に密着するように、ベース部８０の厚さｔｊ１、外周部８１の厚さｔｊ２及び中央部８３の厚さｔｊ３の寸法を設定することが好ましい（図７参照）。

ジャケット８に形成される中央部８１が１列の場合は、各コイルの空心部（中央部）に対応する１箇所でモールド部材に固定されるので、冷媒の圧力でジャケット８が浮き上がるおそれがあるので不都合である。したがって本実施の形態では、ジャケット８のモールド部材と対向する側の面に複数列の中央部を設けて、各コイルの空心部（中央部）に対応する２箇所以上でモールド部材に固定されるので、冷媒の圧力でジャケット８が浮き上がるのを確実に防止することができる。但し、中央部が３列以上の場合は、ジャケットの固定に手間がかかり、また冷媒が流動する領域が狭くなり、冷却効率が低下するので、実用的見地から２列であることが好ましい。なお、本実施の形態では、中央部８３は、第１圧接部８３１と第２圧接部８３２が連続した略帯状の形状となっているが、これらを分離した形状であってもよい。

モールド部材６の両面にジャケット８を固定してコイル部材５を形成することにより、ジャケット８の中央部８３がモールド部材６の内周溝６５の底面に当接し、ジャケット８は外周部に加えて内周部でも各コイルの中央部でも押え付けられているので、冷媒がコイル部材５の内部を流動しても、冷媒の圧力でジャケット８が浮き上がるのを防止することができる。

モールド部材を作製する場合、樹脂としては、剛性が大でかつ電気的に絶縁性（例えば１０^１２Ω・ｃｍ以上の体積抵抗）を有しかつ耐水性（非浸水性）を有する｛吸水率（ＡＳＴＭ Ｄ−１５０による測定値）が０．１０％以下｝ことが求められるので、ガラス繊維を含む樹脂材で形成することが必要である。このような材料としては、例えばＧＦＲＰ（ＪＩＳ Ｋ７０１１で規定されたガラス繊維強化プラスチック）、例えば、直径５〜１５μｍのガラス線を熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂など）を主体とするワニスに直径５〜１５μｍのガラス線を添加した原料を使用できる。この原料を多相コイル、ナット、冷媒注入管及び冷媒排出管をインサートした金型の成形空間に注入し、加熱硬化させることにより、モールド部材を作製することができる。ワニスは、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂などの熱硬化性樹脂と硬化剤と触媒と添加材を混合することにより、調整することができる。本発明では、具体的にはガラスエポキシでモールドすることが好適である。またジャケットも非磁性材料で形成されるが、剛性が大でかつ電気的に絶縁性（例えば１０^１２Ω・ｃｍ以上の体積抵抗）を有しかつ耐水性（非浸水性）を有することが求められるので、モールド部材と同様の材料（例えばガラスエポキシ）で形成することが好ましい。

本実施の形態において、固定子は、例えば図１及び２に示すように形成されているが、本発明はこの構造に限定されるものではない。固定子１を構成する分割ユニット２は、アルミニウム合金などの非磁性材料からなる非磁性フレーム２１と、その内側に設けられた磁界発生部材２２を備えている。磁界発生部材２２は、鉄鋼材料（例えばＳＳ材）等の強磁性材料からなる平板状に形成されたヨーク２３ａ、２３ｂの一方の表面に、厚さ方向に磁化されたメイン磁石２４とその磁化方向と直交する方向（ストローク方向）に磁化されたスペーサ磁石２５を交互に固設したものをストローク方向に沿って連接することにより形成されている。またメイン磁石２４はそのＮ極とＳ極がストローク方向に沿って交互に並びかつスペーサ磁石２５はメイン磁石７ａを挟んで同極性の磁極が向き合うように配設されている。さらに、磁気空隙ｇを挟んで対向する各永久磁石は、異極が向き合うように配設されている。

上記の磁界発生部材（いわゆるハルバッハ形磁気回路）によれば、永久磁石の厚さに対してヨークの厚さをその半分以下と薄くしても、磁気空隙ｇに高い（例えば０．８〜０．９Ｔの）磁束密度を得ることができ、推力を高めることができる。またこの磁気回路によれば、単純な直方体状の永久磁石を使用しても、磁気空隙ｇに正弦波に近似した磁束密度分布を得ることができる。特に一端側の永久磁石部材２３ａの長さを他の永久磁石部材５ｂよりも短くすることにより、磁気空隙ｇにおける磁束密度分布を正弦波により近づけることができる。

非磁性フレーム２１は、鉄鋼材料よりも比重の小さい材料からなり、角柱状のベース部材２１１とその両側に固着された平板状のサイド部材２１２を含むコ字形状の部材である。ベース部材２１には、ストローク方向（紙面に垂直な方向）に伸びる凹溝２１３が設けられ、凹溝の深さはそこにコイル部材５の一部（多相コイルのうち推力に寄与しない無効導体部）が入り込むような寸法に設定される。

上記の固定子によれば、磁界発生部材２２を他の部材（ヨーク及び永久磁石）よりも軽量な非磁性材料からなるフレーム２１で包持するので、固定子を単純にヨークと永久磁石で形成したものよりも小型化及び軽量化を図ることができる。しかも非磁性フレームに、可動子の一部（推力に寄与しない部分）を収容する凹溝を設けるので、モータの全高を抑えることができ、より小型化が可能となる。なお、磁界発生部材の長さは、必要に応じてその長さを変えることができ、その場合には、永久磁石の使用個数を変更すればよい。

本発明において、前記永久磁石は、公知の永久磁石、例えば希土類磁石で形成することができるが、特にＲ（Ｒは、Ｎｄ等の希土類元素から選択された一種又は二種以上の元素である。）、Ｔ（ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである。）及びＢを必須成分とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石が好適である。

本発明の実施の形態に係わるリニアモータの平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 モールド部材の斜視図である。 モールド部材の斜視図で、図３をＢ方向から見た図である。 多相コイルの斜視図である。 ジャケットの斜視図である。 図６をＦ方向から見た矢視図である。 図４のＣ−Ｃ線断面図である。 図４のＤ−Ｄ線断面図である。 図３のＥ−Ｅ線断面である。

符号の説明

１：固定子、
２：分割ユニット、
２１：フレーム、２１１：ベース部材、２１２：サイド部材、２１３：凹溝、
２２：磁界発生部材、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ：ヨーク、２４：メイン磁石、２５：スペーサ磁石、
３：可動子、４：コイルホルダ、５：コイル部材、
６：モールド部材、６１：上部、６１１：冷媒供給孔、６１２：冷媒排出孔、
６２：本体部、６３：外周溝、６３０：ナット、６４：中間部、６５：内側溝、６５０：ナット、６５２、６５４：間隙、
７：多相コイル、７０：コイル基板、７１：空心コイル、
８：ジャケット、８１：外周部、８１１：キリ穴、８２：中間部、８３：中央部、８３１：第１圧接部、８３２：第２圧接部、８３３：キリ穴

Claims (3)

1. 所定方向に磁界が現出する磁気空隙を有する磁界発生部材と、前記磁界を横切る方向に電流が流れる空心コイルがコイル基板の両面に複数個直列に前記コイル基板を介して位置するそれぞれ有効導体部が重ならないように配設した多相コイル列と内部に冷媒が流動する冷媒通路を有する可動コイル部材とを備えた可動コイル型リニアモータにおいて、
   前記可動コイル部材は、前記多相コイル列をガラス繊維を含む樹脂材にてモールドして抱持した平板状のモールド部材と、前記モールド部材の前記磁界発生部材と対向する側のそれぞれの表面に機械的に固定される平板状のジャケット部材を有し、
   前記モールド部材は、前記それぞれの表面の外縁部付近に額縁状凹部を形成する外周溝と、その内側に段部とさらにその内側に内周溝を有し、
   前記ジャケット部材は、ベース部と、その外縁部付近に前記モールド部材の外周溝に嵌め込まれる額縁状凸部を形成する外周部と、前記外周部で取り囲まれた中間部に前記モールド部材の内周溝に当接する複数列の突出部からなる中央部を有し、
   前記モールド部材の内周溝と前記ジャケット部材の中央部を有する中間部にて囲まれた空間にて前記冷媒通路を形成するとともに、
   前記中央部を形成する突出部は、前記冷媒の流動方向に沿って、連続的または不連続的に突出し、かつ少なくとも前記各空心コイルの空心部に対向する位置に２列以上配置するとともに、この空芯部に対向する位置の突出部を介して前記ジャケット部材が前記モールド部材に機械的に固定されることを特徴とする可動コイル型リニアモータ。
   
2. 前記ジャケット部材の突出部は、前記冷媒の流動方向に沿って前記各空芯コイルの空芯部に対向する部分とそれより断面積の小さい前記各空芯コイルの有効導体部に対向する部分が交互に形成さ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型リニアモータ。
3. 前記樹脂材はガラス繊維を含むエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の可動コイル型リニアモータ。

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