JP5277040B2

JP5277040B2 - 駆動装置，ｘｙステージ及びｘｙｚステージ

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Publication number: JP5277040B2
Application number: JP2009083979A
Authority: JP
Inventors: 康明青山; 善尚岩路
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010239724A

Description

本発明は、電磁力を利用した駆動装置、それを駆動源とした半導体製造装置や産業用機械に用いられるＸＹステージ、及びＸＹＺステージに関するものである。

従来のステージでは駆動源として円筒型のアクチュエータや磁極歯を交互に並べた駆動装置が利用されている。〔特許文献１〕には、同一巻線で磁極歯を交互に組み合わせて構成されたテーブルが記載されている。また、〔特許文献２〕にも、極性の異なる第一の対向部と第二の対向部を有する駆動装置を用いたテーブルが記載されている。

特開２００２−１４２４３８号公報特開２００５−５１８６９号公報

従来のＸＹＺステージの駆動装置は漏れ磁束が多いため、大きく重くなる。そのため、駆動装置の重量が重いことにより自重による変形が発生し、精度低下や取り付け場所の制約を受ける等の課題がある。

本発明の目的は、小型軽量な駆動装置を提供するとともに、小型軽量な駆動装置により精度向上、及び高応答のＸＹステージ又はＸＹＺステージを提供することにある。

本発明の一つの特徴は、永久磁石の両側に空隙を介して配置された磁極歯と、これらの磁極歯をつなぐ鉄心と、前記複数の磁極歯に巻かれた電機子巻線を有した電機子と、磁極が交互になるように配置された永久磁石列からなることにより小型軽量な駆動装置で構成したステージである。

さらに、駆動装置に必要な推力パターンに応じて電機子の磁極の数を変えることにより、駆動装置が小型で軽量に構成できる。

本発明によれば、小型軽量な駆動装置を構成できるため、駆動部の重量を低減でき、高精度および高応答なＸＹステージ又はＸＹＺステージを提供できる。

本発明の実施例１による駆動装置を構成する電機子ユニットの斜視図。図１の電機子ユニットの断面図。図１の電機子ユニットの断面図。本発明の駆動装置の例。本発明のＸＹステージの構成例。本発明のＸＹＺステージの構成例。本発明によるＺ軸駆動システムの構成図。本発明の駆動装置の他の実施例。本発明の駆動装置の他の実施例。本発明の駆動装置の他の実施例。本発明の駆動装置の他の実施例。本発明の駆動装置の他の実施例。本発明の駆動装置の制御系のブロック線図。本発明の駆動装置の他の制御系のブロック線図。本発明の駆動装置の他の制御系のブロック線図。本発明の駆動装置の他の実施例。本発明のＸＹＺステージの構成例。本発明のＸＹＺステージの他の構成例。

本発明の実施例を図面を用いて以下説明する。

図１は本発明の実施例１による駆動装置を構成する電機子ユニットの斜視図である。電機子ユニット１０は、１相分の巻線１，複数の磁極２で構成される固定子３および永久磁石４の列を含む磁石列１２からなる。図２は、本発明の実施例１による駆動装置の電機子ユニット１０を磁石列１２の進行方向と直角の面で切断した断面図である。磁極２は図２に示すように、磁石４に対向するように配置された上磁極歯６と下磁極歯７およびそれらをつなぐ鉄心８で構成される。巻線１は複数の磁極２の上下磁極歯６，７の部分に同一にまかれている。巻線１は磁極２の他の部分に巻くことも可能であり、上下磁極歯６，７および鉄心８は一体で構成することも可能である。

図１に示す磁石列１２は、隣り合う磁石の磁極が逆になるように配置された磁石４を備えている。固定子３は、通常は構造物等に固定され、磁石４を備えた磁石列１２が、固定子３に対して相対的に移動する。磁石列１２を固定し、磁極２側を動かす構成も可能である。

図３は本発明の実施例１による駆動装置を構成する電機子ユニット１０を磁石列１２の進行方向と平行な面で切断した断面図である。磁石のピッチをＰとした場合、磁極２は磁石列１２の進行方向に間隔を略２ｎＰ毎になるように配置されている。ここでｎはｎ＝１，２，３，・・・である。電機子ユニットを構成する磁極２のピッチは略２ｎＰとしたが、ピッチを調整することで推力の脈動を低減できる。

図４は、図３に示した、磁極２を４つで構成した電機子ユニット１０を３つ用いて、３相で駆動する駆動装置の例である。磁石列１２の進行方向の、磁石４のピッチをＰとした場合、２Ｐ／Ｍ（Ｍは駆動装置の相数）の位相差をもって電機子ユニット１０を配置することで、駆動装置が構成できる。電機子ユニット１０間のピッチをｋＰ＋（２Ｐ／Ｍ）（ｋ＝１，２，３，・・・）とすることで、Ｍ相の交流で駆動することができる。Ｍ個の電機子ユニット１０でＭ相の駆動装置が構成できることになる。図４では、電機子ユニット１０の磁極２の数は４極としたが、それに限定されるものではない。

図５は、図４で示した駆動装置１１でＸＹステージを構成した例である。ベース１４に磁石列固定台１３が取り付けられている。Ｘ軸磁石列１２１は、磁石列固定台１３によって保持され、Ｘ軸駆動装置１１１はＸ軸磁石列１２１に対して一定の間隔を保つように配置される。Ｘ軸方向の駆動は、Ｘ方向と平行に設置された２台のＸ軸駆動装置１１１により駆動される。また、Ｘ軸駆動装置１１１に設置された磁石列固定台１３１には、Ｙ軸磁石列１２２が固定される。この磁石列に対して、Ｙ軸駆動装置１１２が相対移動することによりＸＹ軸のステージとして動作が可能である。本発明の駆動装置でＸ軸およびＹ軸の駆動装置を構成することで、Ｘ軸およびＹ軸の磁石列１２１、１２２の軽量化が可能になり、装置全体が軽量になる。また、Ｘ軸およびＹ軸の駆動装置が軽量になりシステムの応答性の向上や負荷が低減される。

図６は、本発明の実施の形態２の構成を示している。Ｘ軸およびＹ軸を図４に示す駆動装置で構成したＸＹステージに、Ｚ軸ベース１４１を搭載し、Ｚ軸駆動装置１１３およびＺ軸磁石列１２３を備えている。また、Ｚ軸ベース１４１等を設置しなくても、Ｙ軸駆動装置１１２等に直接Ｚ軸駆動装置１１３を固定することも可能である。本実施例では、Ｚ軸の駆動装置を軽量に構成できるため、従来はＸＹ軸が駆動した際に発生する、Ｚ軸の自重等による変形によって、各軸間の相対的な位置の変化が発生しまっていたが、駆動部の重量を低減することで、各軸間の相対的な位置が安定し、位置精度が向上する。さらに、ステージ全体の重量の低減ができるため負荷低減によりステージの応答性が向上する。

図７は本発明の実施の形態３を示している。図７は本発明によるＺ軸駆動システムの構成図を示す。Ｚ軸ベース１４１に駆動装置１１が取り付けられている。本発明の構成では、漏れ磁束の低減によりＺ軸磁石列１２３を軽量に製作することが可能である。Ｚ軸方向は重力の働く方向であり、Ｚ軸磁石列１２３の重量が常に負荷として発生している、このためＺ軸磁石列の自重を支えるために駆動装置１１に電力を供給する必要がある。本発明では、軽量なＺ軸磁石列１２３を構成できるので、自重を支えるための電力が小さくてよい。また、Ｚ軸磁石列１２３の自重により磁石列が落下しようとする際に、磁石４の吸引力により落下を妨げる方向に力が発生し、磁石列の落下も防止できる。さらに、Ｚ軸磁石列１２３が軽量であることから、磁石列１２３の位置決めをする際の応答性や位置精度を向上させることが可能である。同時に、Ｚ軸駆動システム全体の重量が軽く、小さく構成できるため取り付け空間の制約を受けにくく、取り付け作業性も向上する。

図８は本発明の実施の形態４の実施例を示している。図８は３つの電機子ユニットで駆動装置を構成した例である。本発明の駆動装置では、必要な推力パターンに応じて電機子ユニットの磁極の数を変えることにより、小型軽量な駆動装置が構成できることを示している。図８は、磁極数４極の電機子ユニット１０３が２台、磁石数２極の電機子ユニット１０２を１台として駆動装置を構成した例である。たとえば、磁石列１２の位置によって必要な推力が異なる場合、電機子ユニットの磁極数を変えて構成することにより小型軽量な駆動装置が構成できる。

図９は、磁極４極の電機子ユニット１０３と、磁石３極の電機子ユニット１０１と、磁石２極の電機子ユニット１０２で駆動装置を構成した例である。図１０は、磁極４極の電機子ユニット１０３と、磁極２極の電機子ユニット１０２を２台で、駆動装置を構成した例である。各電機子ユニットの間隔は、必要な推力のパターンによって変えることが可能である。たとえば、Ｍ個の電機子ユニットをＭ相の交流で駆動する際には、電機子ユニット間のピッチをｋＰ＋（２Ｐ／Ｍ）（ｋ＝１，２，３，・・・）とすることが可能である。また、必要な推力パターンに応じて電機子ユニットの配置間隔を調整することも可能である。

図１１は、本発明の実施の形態５を示している。図１１は、図４で示した駆動装置の電機子ユニット１０に配置される巻線の巻数または線の断面積を電機子ユニット毎に変えた場合の実施例である。

図１１は３つの電機子ユニット１０で駆動装置１１を構成した例である。各々の電機子ユニットは４つの磁極で構成されているが、それに限定されるもではなく、電機子ユニット毎に磁極の数が異なってもよい。更には、電機子ユニットに設置された巻線３０１、巻線３０２、巻線３０３の巻数を変化させることでも必要な推力パターンに応じた推力を発生できる。

たとえば、大きな推力を必要とする電機子ユニットは巻数を増やすことで実現できる。更に、発熱を小さくしたい電機子ユニットがあれば、その電機子ユニットの巻線の断面積を増やすことで可能になる。また、図１１に示した駆動装置で、中央部のみ発熱を小さくしたい場合は、中央部の電機子ユニットの巻線断面積を大きくし、両端の電機子ユニットの巻線は中央部の巻線断面積に対して小さくして構成することにより発熱部位のコントロールが可能である。このように推力パターンや発熱を考慮して電機子ユニットの巻線の巻数や断面積を変えることにより小型軽量な駆動装置が構成できる。また、巻線の巻数や断面積を変えることで電機子ユニット毎のインダクタンスや抵抗などが変化し、電機子ユニット毎に応答性をコントロールすることも可能になる。

図１２は本発明の実施の形態６を示している。図１２の駆動装置１１は、図４で示した駆動装置を示しており、これらの制御系を開示している。この駆動装置においては、固定子と磁石列の相対的な位置を検出するリニアスケール２０５が配置される。リニアスケール２０５は、固定子と磁石列の相対的な位置が検出できれば設置場所を問わない。リニアスケールより得られた位置情報は、磁極位置（位相）情報として電流制御器２０３にフィードバックされ、磁石列の磁束と固定子の作る磁束を所定の位相差を保つように制御される。リニアスケール２０５の情報は、位置情報および速度情報として位置制御器２０１，速度制御器２０２にフィードバックされ、それらの値から電流制御器によって駆動装置の電機子ユニットの巻線に流す電流を演算して求めている。その電流値になるようにパワーアンプ２０４の出力を調整する。パワーアンプ２０４の出力の電流値の情報は電流制御器にフィードバックされ駆動装置の推力が所定の値になるように制御される。

本発明の駆動装置において図１２に示すような制御系、及び制御ループを構成することで、軽量な磁石列および大きな推力を発生できる駆動装置によって、応答性が高く精度のよい駆動システムが構築できる。

図１３は、本発明の実施の形態７を示している。図１３は、３つの電機子ユニットで駆動装置を構成した場合の制御系のブロック線図である。３つの電機子ユニット１０の磁極の数は同じ数で構成されている。３つの電機子ユニットに共通に配置された磁石列１２にリニアスケール２０５が取り付けられている。その信号をもとに、磁石列と電機子ユニットの間の磁極位置，速度，位置の情報を相電流指令２０６，速度制御器２０２および位置制御器２０１にフィードバックしている。相電流指令２０６において各電機子ユニット１０に流す電流値を演算する。その指令に従って電流制御器２０３において電流を調整し、パワーアンプ２０４によって電力を供給する。本発明の構成では、１つの電機子ユニット１０に対して、それぞれの独立した電流制御系をもつことが特徴である。このようにすることで、電機子ユニットの製作上のアンバランスを電流値によって制御することが可能である。また、その他の外乱などの影響も低減できる。図１４は、構成する電機子ユニットの磁極の数が異なる場合の制御ブロック線図を示す。必要な推力パターンに応じて配置した磁極数の異なる電機子ユニットのアンバランス等を個別にコントロール可能になり制御性が向上する。また、電流値を個々に制御することにより電機子ユニット毎にディテントや推力の脈動などの制御も可能になる。図１４はその一例として、電機子ユニット１０の磁極の数をそれぞれ４極，３極および２極として構成した場合のブロック線図を示す。

図１５は、本発明の実施の形態８を示している。図１５は、３つの電機子ユニット１０に共通に配置された磁石列１２と電機子ユニット１０の相対的な位置関係を検出するリニアスケールの信号から磁極位置，速度，位置をフィードバックし制御系が構成されている。構成される３つの電機子ユニット１０をＵ相，Ｖ相，Ｗ相をとした場合、各相の電流指令値ｉｕ^*，ｉｖ^*，ｉｗ^*はリニアスケール２０５の位置情報をもとに、電流値演算２０７および相電流指令２０６によって演算される。電流値演算２０７では、各磁石列の位置における電流と推力の関係から電流指令値ｉ^*が求められる。その電流指令値ｉ^*をもとに各相への電流の振り分けが行われる。その相電流指令値ｉｕ^*，ｉｖ^*，ｉｗ^*に従って、各電機子ユニットの電流制御を行う。たとえば、磁極の磁気飽和により単位電流に対する推力の低下が発生した場合にも制御が可能になり、制御できる範囲が拡大し制御性が向上する。また、電機子ユニットに個別に発生した外乱の補正や精密な制御が可能になる。

たとえば、電機子ユニット１０の巻線や磁極数などを電機子ユニット毎に変えた場合においても、推力指令ｆ^*に対する電流指令ｉ^*を磁石列１２の位置によって変えることにより推力の制御を行う。推力指令ｆ^*から電流指令ｉ^*を求める時に、磁石列の位置情報を使って計算することにより電機子ユニットのアンバランスや外乱等を抑制することが可能になる。

図１６は本発明の実施の形態９を示している。

図１６（ａ）は４極で構成された電機子ユニット１および電気子ユニット２、２極で構成された電機子ユニット３からなる駆動装置を示している。

各電機子ユニットは磁石のピッチを１８０°とした場合、位相差が１２０°になるように配置されている。また、本実施例では磁石ピッチＰは１２mmとしている。

また、この駆動装置の推力特性を図１６（ｂ）に示す。

この図１６（ｂ）のグラフは磁石列の位置によって駆動装置の推力が変化していることを示している。グラフ４０５は駆動装置として要求されている必要な推力を示し、グラフ４０１，４０２，４０３はそれぞれ電機子ユニット１〜３の推力を示している。そして、グラフ４０４は電機子ユニット１〜３の合計推力を示している。

このグラフが示すように、電機子ユニット１推力４０１の最大値、および電機子ユニット２推力４０２の最大推力は４００Ｎであるのに対し、電機子ユニット３推力４０３の最大値は２００Ｎとなる。たとえば、磁石列位置が０から６mmの範囲では必要な推力が５００Ｎで磁石位置６mmから１０mmでは６５０Ｎの推力が必要になり、磁石位置１０mmから１２mmでは必要な推力が５５０Ｎに小さく変化するようなパターンの必要な推力４０５が与えられた場合、推力の小さな範囲の電機子ユニット３の極数を少なくすることで小型軽量化が可能になる。

また、図１６（ｂ）において、磁石列位置７から９mmの位置で往復運動するような際には、電機子ユニット１推力４０１および電機子ユニット２推力４０２が大きく、電機子ユニット３の推力はほぼ０に近い。このような場合は、さらに電機子ユニットの極数を減らす、または電機子ユニット１および電機子ユニット２で駆動装置を構成することも可能である。このように、必要な推力のパターンに応じて電機子ユニットの磁極数や巻線および位置などを変えることによって小型軽量な駆動装置が提供できる。

図１７は本発明によるＸＹＺステージの１例を示す。２つのＸ軸駆動装置１１１および２つのＹ軸駆動装置１１２、合計４つの駆動装置でＸＹステージを構成し、ステージの外側にＺ軸ベース１４１を設置し、Ｚ軸ベース１４１にＺ軸駆動装置１１３を配置した例である。

図１８は、本発明によるＸＹＺステージの１例を示す。ステージのレイアウトや磁石列の配置に対する制約等によって磁石列を水平に配置したり、組みあわせて構成することが可能である。

尚、上述した本発明の実施例では、電機子ユニットの数，電機子ユニットの磁極の数，巻線の巻数や断面積を変えた場合の一例を示したが、同様の効果が得られれば、それに限定されるものではない。

１，３０１，３０２，３０３巻線
２磁極
３固定子
４磁石
６上磁極歯
７下磁極歯
８鉄心
１０電機子ユニット
１１駆動装置
１２磁石列
１３，１３１磁石列固定台
１４ベース
１５レール
１６ステージ
１０１電機子ユニット（３極）
１０２電機子ユニット（２極）
１０３電機子ユニット（４極）
１１１Ｘ軸駆動装置
１１２Ｙ軸駆動装置
１１３Ｚ軸駆動装置
１２１Ｘ軸磁石列
１２２Ｙ軸磁石列
１２３Ｚ軸磁石列
１４１Ｚ軸ベース
１５１レール台
２０１位置制御器
２０２速度制御器
２０３電流制御器
２０４パワーアンプ
２０５リニアスケール
２０６相電流指令
２０７電流値演算

Claims

複数の磁極と第１巻線とからなる第１電機子ユニットと、複数の磁極と第２巻線とからなる第２電機子ユニットと、永久磁石を有する磁石列とが相対的に移動可能である駆動装置において、
前記複数の磁極は、前記永久磁石の両側に空隙を介して対向配置された上磁極歯及び下磁極歯をそれぞれ有し、かつ、前記上磁極歯及び下磁極歯をつなぐ鉄心をそれぞれ有し、
前記第１巻線は、前記第２巻線とは異なる位相の電流が流され、
前記第１電機子ユニットの前記複数の磁極は、当該複数の磁極との間に前記第２電機子ユニットを含む他の電機子ユニットの磁極を挟むことなく、前記磁石列に沿って配置され、
前記第１巻線は、前記第１電機子ユニットの前記複数の磁極の前記上磁極歯及び前記下磁極歯を巻いているＸＹステージ。
複数の磁極と第１巻線とからなる第１電機子ユニットと、複数の磁極と第２巻線とからなる第２電機子ユニットと、永久磁石を有する磁石列とが相対的に移動可能である駆動装置において、
前記複数の磁極は、前記永久磁石の両側に空隙を介して対向配置された上磁極歯及び下磁極歯をそれぞれ有し、かつ、前記上磁極歯及び下磁極歯をつなぐ鉄心をそれぞれ有し、
前記第１巻線は、前記第２巻線とは異なる位相の電流が流され、
前記第１電機子ユニットの前記複数の磁極は、当該複数の磁極との間に前記第２電機子ユニットを含む他の電機子ユニットの磁極を挟むことなく、前記磁石列に沿って配置され、
前記第１巻線は、前記第１電機子ユニットの前記複数の磁極の前記上磁極歯及び前記下磁極歯を巻いているＸＹＺステージ。
複数の磁極と第１巻線とからなる第１電機子ユニットと、複数の磁極と第２巻線とからなる第２電機子ユニットと、永久磁石を有する磁石列とが相対的に移動可能である駆動装置において、
前記複数の磁極は、前記永久磁石の両側に空隙を介して対向配置された上磁極歯及び下磁極歯をそれぞれ有し、かつ、前記上磁極歯及び下磁極歯をつなぐ鉄心をそれぞれ有し、
前記第１巻線は、前記第２巻線とは異なる位相の電流が流され、
前記第１電機子ユニットの前記複数の磁極は、当該複数の磁極との間に前記第２電機子ユニットを含む他の電機子ユニットの磁極を挟むことなく、前記磁石列に沿って配置され、
前記第１巻線は、前記第１電機子ユニットの前記複数の磁極の前記上磁極歯及び前記下磁極歯を巻いているＺ軸用の駆動装置。
複数の磁極と第１巻線とからなる第１電機子ユニットと、複数の磁極と第２巻線とからなる第２電機子ユニットと、永久磁石を有する磁石列とが相対的に移動可能である駆動装置において、
前記複数の磁極は、前記永久磁石の両側に空隙を介して対向配置された上磁極歯及び下磁極歯をそれぞれ有し、かつ、前記上磁極歯及び下磁極歯をつなぐ鉄心をそれぞれ有し、
前記第１巻線は、前記第２巻線とは異なる位相の電流が流され、
前記第１電機子ユニットの前記複数の磁極は、当該複数の磁極との間に前記第２電機子ユニットを含む他の電機子ユニットの磁極を挟むことなく、前記磁石列に沿って配置され、
前記第１巻線は、前記第１電機子ユニットの前記複数の磁極の前記上磁極歯及び前記下磁極歯を巻かれ、
該複数個の電機子ユニットを構成する磁極の数が電機子ユニット毎に異なることを特徴とした駆動装置。
請求項４に記載された駆動装置であって、
前記第１巻線は、前記第２巻線を構成する巻線の巻数、または該巻線の巻線断面積が異なることを特徴とした駆動装置。