JPH0522924A

JPH0522924A - 平面モータ装置

Info

Publication number: JPH0522924A
Application number: JP3172326A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kobarikawa; 靖小梁川; Yoshiyuki Tomita; 良幸冨田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-07-12
Filing date: 1991-07-12
Publication date: 1993-01-29
Anticipated expiration: 2013-02-18
Also published as: JP2716884B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】対象物を載置するステージ部材を比較的広い
面内で高精度に駆動することのできる平面モータに関
し、小型で超精密精度を実現するのに適した平面モータ
装置を提供する。【構成】対象物を載置するためのステージ部材３を、
基準となる支持部材１に対して相対的に所定面内で移動
させる平面モータ装置であって、ステージ部材と支持部
材の一方に取り付けられ、所定面に対してほぼ垂直な方
向に磁束を発生させる複数の永久磁石６、７、８とこれ
らの永久磁石を結合するヨーク５との組み合わせと、ス
テージ部材と支持部材の他方に取り付けられ、磁束と係
合するように配置された複数組のコイル９、１０、１１
とを有し、複数組のコイルの各組は、コイル電流を流し
たとき力が働く方向と直交する向きに配置された複数の
コイルを有し、各組のコイル中組み合わせは、複数のコ
イルと対向するように配置された一体の永久磁石を含
む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平面モータに関し、特
に対象物を載置するステージ部材を比較的広い面内で高
精度に駆動することのできる平面モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置等の超精密機械分野で
は、対象物を比較的広い平面内で駆動し、位置決めを行
う装置に対して位置決め精度向上の要求がある。

【０００３】従来、対象物を２次元的に駆動する装置と
しては、まず、平面内の一方向であるｘ軸方向について
駆動を行うサーボモータとボールネジ等を備えたｘステ
ージを形成し、その上にｙ軸方向の駆動を行うサーボモ
ータとボールネジ等を備えたｙステージを重ねたｘｙス
テージ等が知られている。このような構成のｘｙステー
ジによれば、動力伝達機構や案内機構が必要であり、駆
動源の動力が１００％対象物に伝わらずに、ステージを
構成している機械部材に不要な歪みや弾性変形を生じさ
せている。また、２段に組み合わせるため全体が大型化
し、その結果高速な運動を行う際、振動の影響が出やす
く精度が劣化しやすい。

【０００４】そのため、０．０１μｍ程度以下という高
い位置決め精度を実現するのは困難である。弾性変形量
を低減したり、振動の影響を低減するために、一般的に
機械構造体の大型化によって高剛性化を図ることが多
い。

【０００５】このような構成の場合、高精度の位置決め
を実現するステージ装置は大型となり、重量も増加して
しまう。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の技術によるｘｙステージ等においては、たとえば
０．０１μｍの位置決め精度を持つ超精密ステージ装置
を実現することは難しかった。

【０００７】本発明の目的は、たとえば小型で超精密精
度なステージ装置を実現するのに適した駆動方式として
平面モータ装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の平面モータ装置
は、対象物を載置するためのステージ部材を、基準とな
る支持部材に対して相対的に所定面内で移動させる平面
モータ装置であって、前記ステージ部材と前記支持部材
の一方に取り付けられ、前記所定面に対してほぼ垂直な
方向に磁束を発生させる複数の永久磁石とこれらの永久
磁石を結合するヨークとの組み合わせと、前記ステージ
部材と前記支持部材の他方に取り付けられ、前記磁束と
係合するように配置された複数組のコイルとを有し、前
記複数組のコイルの各組は、コイル電流を流したとき力
が働く方向と直交する向きに配置された複数のコイルを
有し、前記組み合わせは、前記複数のコイルと対向する
ように配置された一体の永久磁石を含む。

【０００９】

【作用】複数のコイルと対向して一体の永久磁石が配置
されているため、コイルと永久磁石との相対位置が変位
しても、複数のコイルに電流を流すことにより、連続的
に力を発生させることができる。

【００１０】発生する力は、ステージ部材と支持部材に
取り付けられた永久磁石とコイルとの間に直接作用する
ので、遊びや弾性変形を小さくすることができる。

【００１１】

【実施例】図１に、本発明の実施例による平面モータ装
置の概略図を示す。図１（Ａ）は、コイルと永久磁石と
の位置関係を示す平面図である。図１（Ｂ）は、永久磁
石とコイルとの位置関係を示す概略側面図である。

【００１２】図１（Ａ）に示すように、平面モータの可
動平面内にｘ軸方向、ｙ軸方向およびｘ軸、ｙ軸に垂直
な軸の回りの回転方向θ方向を設定する。

【００１３】平面モータ装置は、基本的単位としてｘ方
向のリニアモータ構造部１３、ｙ方向のリニアモータ構
造部１４、１５を有する。ｘ方向リニアモータ構造部１
３においては、４個の同等なｘ用コイル９ａ１、９ａ
２、９ａ３、９ａ４がｙ軸方向に並んで配置され、ｘ軸
方向に所定距離離され、別の４個の同等なｘ用コイル９
ｂ１、９ｂ２、９ｂ３、９ｂ４がｙ軸方向に並んで配置
されている。

【００１４】さらに、対応する２つのｘ用コイル９ａ
１、９ｂ１を貫通して共通の高透磁率のコア１２が配置
されている。同様に、対応するｘ用コイル９ａ２と９ｂ
２、９ａ３と９ｂ３、９ａ４と９ｂ４をそれぞれ貫通し
てコア１２が配置されている。

【００１５】図示の配置においては、図中下側に配置さ
れた３つのｘ用コイル９ａ１、９ａ２、９ａ３に対向す
るようにｙ方向に長い１つのｘ用磁石６ａが配置され、
他の３つのｘ用コイル９ｂ１、９ｂ２、９ｂ３と対向し
て他のｙ方向に長いｘ用コイル６ｂが配置されている。

【００１６】ｙ方向リニアモータ構造部１４、１５にお
いても同様の構成がとられている。すなわち、ｙ方向リ
ニアモータ構造部１４においては、ｙ用コイル１０ｂ
１、１０ｂ２、１０ｂ３、１０ｂ４がｘ軸方向に並んで
配置され、その図中下方には、ｘ方向の位置を対応させ
て他のｙ用コイル１０ａ１、１０ａ２、１０ａ３、１０
ａ４が、同様ｘ軸方向に並んで配置されている。

【００１７】また、上下に対応して配置されたｙ用コイ
ル１０ｂ１と１０ａ１、１０ｂ２と１０ａ２、１０ｂ３
と１０ａ３、１０ｂ４と１０ａ４にはそれぞれコア１２
が貫通して配置されている。

【００１８】また、ｘ軸方向に長いｙ用永久磁石７ｂ
は、図中の配置においてｘ方向に長いｙ用コイル１０ｂ
１、１０ｂ２、１０ｂ３の上に配置され、他のｘ方向に
長いｙ用磁石７ａは、ｙ用磁石１０ａ１、１０ａ２、１
０ａ３の上に対向して配置されている。

【００１９】他のｙ方向リニアモータ構造部１５は、ｙ
方向リニアモータ構造部１４と同等の構成を有する。す
なわち、１１ａ１〜１１ａ４、１１ｂ１〜１１ｂ４はｙ
用コイルを示し、８ａ、８ｂはｙ用磁石を示し、１２は
コアを示す。

【００２０】図１（Ｂ）は、ｘ用コイル９ａ１、９ｂ１
およびその上に配置されたｘ用磁石６ａ、６ｂの相対関
係を示す概略側面図である。

【００２１】ベース１の上にｘ用コイル９ａ１、９ｂ１
が固定され、その軸上にコア１２が貫通されている。こ
れらのｘ用コイル９ａ１、９ｂ１と対向するように、ｘ
用磁石６ａ、６ｂがギャップ１７を介して配置されてい
る。これらのｘ用磁石６ａ、６ｂは、ヨーク５に固定さ
れ、このヨーク５はステージ部材３の下面に固定されて
いる。少なくともヨーク５は、高透磁率の材料で形成さ
れている。

【００２２】一対のｘ用磁石６ａ、６ｂは、ヨーク５に
対して極性を反転して配置されている。図示の構成にお
いては、一方のｘ用磁石６ａは下方にＮ極、上方にＳ極
を有し、他方のｘ用磁石６ｂは上方にＮ極、下方にＳ極
を有する。

【００２３】したがって、図中破線の矢印で示すように
磁路１６が形成され、磁束が分布する。このような磁束
の存在下において、コイル９ａ１に図に示すような方向
の電流を与え、コイル９ｂ１に図に示すような反対方向
の電流を与えると、主にコイルの上部分を流れる電流が
磁束と相互作用する。これら２つのコイルにおいては磁
束の向きが逆であるため、逆方向に電流を流す両コイル
に同一方向のｘ方向の力が生じる。この力によってステ
ージ部材３はｘ方向に駆動される。

【００２４】同様の原理により、ｙ方向リニアモータ構
造部１４、１５においては、ｙ方向の力が発生する。

【００２５】たとえば、ｙ方向リニアモータ構造部１
４、１５に生じる力によって、ステージ部材３がｙ方向
に変位する。この時、ｘ用磁石６ａ、６ｂと対向するコ
イルは変わっても、いくつかのコイルはｘ用磁石６ａ、
６ｂと対向する。したがって、ｘ方向の力を発生するこ
とができる。

【００２６】図１に示すような構造の平面モータ装置の
駆動モードを図２に示す。図２（Ａ）はｘ並進モードを
示し、図２（Ｂ）はｙ並進モードを示し、図２（Ｃ）は
θ回転モードを示す。

【００２７】図２（Ａ）においては、ｘ方向リニアモー
タ構造部１３のコイルに電流を流す。このため、ｘ方向
リニアモータ構造部１３のコイルにｘ方向の力が発生
し、ステージ部材をｘ方向に駆動する。

【００２８】図２（Ｂ）は、ｙ並進モードを示す。ｙ方
向リニアモータ構造部１４、１５のコイルに同一方向の
力が発生するように電流を流す。すると、ｙ方向リニア
モータ構造部１４、１５のコイルに同一のｙ方向の駆動
力が発生する。したがって、ステージ部材はｙ方向に並
進運動する。

【００２９】図２（Ｃ）はｘｙ平面内におけるθ回転モ
ードを示す。ｙ方向リニアモータ構造部１４、１５に逆
方向のｙ方向の力が発生するように電流を供給する。た
とえば、図示のようにｙ方向リニアモータ構造部１４に
おいては−ｙ方向、ｙ方向リニアモータ構造部１５にお
いては＋ｙ方向に力が発生するように、それぞれのコイ
ルに電流を供給する。これら逆方向で平行な力が発生す
ると、リニアモータ構造部１４、１５の永久磁石を支持
するステージ部材はｘｙ平面内で＋θ方向に回転する。

【００３０】以上の説明においては、各コイルはベース
に固定され、各永久磁石はステージ部材に固定され、ス
テージはｘｙ平面内で自由に運動できると仮定した。コ
イルに働く力と永久磁石に働く力は大きさが等しく、向
きが逆である。このような構造は、たとえば、ステージ
をコロ等でｘｙ平面内に支持することによって実現する
こともできるが、以下に述べるようにエアベアリング等
の摩擦の少ないベアリング機構を用いることがより好ま
しい。

【００３１】ステージの可動部の機械構造部の自重もし
くは、磁石等による吸引力と逆向きにエアベアリングの
浮上力が作用するようにエアベアリングを組み合わせた
構造によれば、ステージをベース上所定高さに保持し、
ｘｙ平面内の運動自由に支持することができる。

【００３２】図３は、平面モータ装置を備えたｘｙステ
ージ装置を示す斜視図である。ベース１は、その上に平
坦な案内面２を有し、案内面２上にｘ用コイル９、第１
ｙ用コイル１０、第２ｙ用コイル１１を固定する。

【００３３】なお、ｘ用コイル９は、ｘ軸方向に５個の
コイルが同軸に配置され、同様の５個のコイルの組が５
組ｙ方向に並列に配置されている。また、ｙ用コイル１
０、１１は、ｙ軸方向に５個のコイルが同軸配置され、
これら５個のコイルの組がｘ方向に４組配置されてい
る。なお、同軸に配列されたコイルの中心部には鉄等の
高透磁率のコアが挿入されている。

【００３４】ベース１の案内面２上には、エアパッド４
で支持されたメインステージ３が配置される。エアパッ
ド４は、たとえば下面にエア吹き出し口を有するもので
あり、エアの吹き出しによってベース１の案内面２上に
浮上する。ＳＯＲアライナ等、縦型のステージにする場
合は、エアパッドに永久磁石を並用することにより、垂
直面上で平面運動が可能となる。

【００３５】メインステージ３の下面には、鉄等の高透
磁率材料で形成されたヨーク５が固定されている。この
ヨーク５の下面には、さらにｘ用磁石６、ｙ用磁石７お
よび８が固定されている。各磁石は、対応するコイルの
複数個にわたる長さを有する。

【００３６】図４は、図３における磁石とコイルとの関
係をより詳細に示す。図４（Ａ）は、磁石とコイルの組
み合わせの一相のみを取り出した図である。ヨーク５の
下面に逆平行の関係にある永久磁石Ｍ１とＭ２が固着さ
れている。これら永久磁石Ｍ１とＭ２の間隔は、対応す
るコイルＣ１とＣ２の間隔に等しく設定されている。

【００３７】図示のように、永久磁石Ｍ１とＭ２がコイ
ルＣ１とＣ２の上に配置されると、永久磁石Ｍ１からコ
イルＣ１内のコア１２に達し、コア１２を通って永久磁
石Ｍ２に進み、ヨーク５を介して永久磁石Ｍ１に戻る磁
路が形成される。コイルＣ１、Ｃ２の上側巻線は、この
磁路と交差している。

【００３８】したがって、コイルＣ１とＣ２に電流を流
すと、電流の強さに応じた力がコイルの軸方向に発生す
る。

【００３９】ただし、コイルＣ１とＣ２において、磁束
は逆方向に進むので、コイルＣ１とＣ２に同一方向の力
を発生させると、これらの力は互いに逆方向に作用し、
相殺する。コイルＣ１とＣ２に逆方向の電流を流せば、
同一方向の力が発生する。

【００４０】コイルに電流を流すことにより、ヨーク５
が矢印方向に移動する。しかしながら、磁石Ｍ１とＭ２
がコイルとコイルの境界上に移動されると、隣接するコ
イルから逆方向の力が発生するので、ヨーク５に作用す
る力は減少する。このような力の発生を図５（Ａ）に示
す。

【００４１】すなわち、磁石とコイルの間に１つの磁路
を形成し、一相の駆動を行うと、発生する力は、図５
（Ａ）に示すようにリップル状になる。

【００４２】図３のステージ装置においては、各リニア
モータ構造部は４個の永久磁石を有している。これらの
永久磁石は、図４（Ｂ）に示すように２個ずつが組とさ
れ、２組が位相をずらして配置されている。

【００４３】すなわち、図示のように磁石Ｍ１とＭ２が
コイルとコイルの境界上にあり、力を発生できない時、
他の磁石Ｍ３とＭ４はコイルＣ４とＣ５の上に配置さ
れ、十分な力を発生することができる。ヨーク５が移動
して、磁石Ｍ３とＭ４がコイルとコイルの境界上に配置
されるときには、今度は磁石Ｍ１とＭ２がコイルの中央
部上に配置され、十分な力を発生する。このような２相
駆動により発生する力のパターンを、図５（Ｂ）に示
す。

【００４４】すなわち、図５（Ｂ）の上２段に示す位相
をずらせた２相の駆動力を合成することにより、図５
（Ｂ）最下段に示すようなほぼ一定の推力を得ることが
できる。

【００４５】各磁石は、対応するコイルの横方向に長い
形状を有する。図４（Ｃ）は、このような磁石の横方向
とコイルとの関係を示す。コイルＣ１、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ
８は、横方向に並んで配置されている。これに対して磁
石Ｍ１は、３つ分のコイルの幅を有する。したがって、
ヨーク５がコイルの横方向に移動したときも、十分な長
さにおいて磁石とコイルとが対向し、必要な力を発生さ
せることができる。

【００４６】すなわち、平面内である程度広範囲にステ
ージを駆動するためには、コイル１つに対して磁石１つ
を対向させる構成は好ましくなく、図示のように複数個
のコイルを軸方向に結合し、かつ軸と直交する方向に複
数組のコイルを配置することが好ましい。

【００４７】このように、多数のコイルを配置し、その
上に多数、たとえば４個の磁石を２相駆動を行うように
配置することにより、磁石の発生する磁束を十分コイル
に鎖交させ、ステージの駆動に必要な力を十分広範囲に
発生させることが可能となる。

【００４８】なお、磁石と方向するコイルに流れる電流
を制御することにより、図２に示したような種々の駆動
モードを実現できることは当業者に自明であろう。

【００４９】ステージをエアパッドにより浮上させ、コ
イルと磁石の組み合わせにより、駆動することにより、
ほぼ摩擦のない状態でステージに直接力を作用させるこ
とができる。このため、構造部材に歪みや弾性変形を生
じることを防止することが可能となる。また、装置全体
を小型化にできる。このようにして、高精度の位置決め
が可能なステージ装置が提供される。

【００５０】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多数のコイルと対向させて多数の磁石を配置し、制御し
た電流をコイルに供給することにより、コイルに発生す
る力を高精度に制御することが可能となる。

【００５２】コイルに発生する推力を高精度に制御する
ことにより、高精度の位置決めが可能となる。

【００５３】圧電素子等を用いた微動ステージと比べ、
大ストロークの駆動が可能である。かつ、微動ステージ
と同等の高精度の位置決めが可能である。

【００５４】ベース上にコイルを配置すれば、コイルへ
の通電による発熱はステージと分離された状態で起きる
ため、メインステージの加熱を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による平面モータ装置を示す。
図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は側面図である。

【図２】駆動モードを説明するための図である。図２
（Ａ）はｘ並進モードを示し、図２（Ｂ）はｙ並進モー
ドを示し、図２（Ｃ）はθ回転モードを示す。

【図３】本発明の実施例によるステージ装置を示す斜視
図である。

【図４】図３に示すステージ装置の推力発生の原理を説
明するための概略側面図である。図４（Ａ）は一相駆動
を示し、図４（Ｂ）は２相駆動を示し、図４（Ｃ）はコ
イルの横方向に対する磁石の配置を示す。

【図５】図４と対応して発生する力を説明するためのグ
ラフである。

【符号の説明】

１ベース２案内面３ステージ部材（メインステージ）４エアパッド５ヨーク６ｘ用磁石７、８ｙ用磁石９ｘ用コイル１０、１１ｙ用コイル１２コア

【手続補正書】

【提出日】平成４年５月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対象物を載置するためのステージ部材
を、基準となる支持部材に対して相対的に所定面内で移
動させる平面モータ装置であって、前記ステージ部材と前記支持部材の一方に取り付けら
れ、前記所定面に対してほぼ垂直な方向に磁束を発生さ
せる複数の永久磁石とこれらの永久磁石を結合するヨ
ークとの組み合わせと、前記ステージ部材と前記支持部材の他方に取り付けら
れ、前記磁束と係合するように配置された複数組のコイ
ルとを有し、前記複数組のコイルの各組は、コイル電流を流したとき
力が働く方向と直交する向きに配置された複数のコイル
を有し、前記組み合わせは、前記各組のコイル中複数のコイルと
対向するように配置された一体の永久磁石を含む平面モ
ータ装置。
【請求項２】前記複数組のコイルの各組は、平行に配
置された複数のコアと各コアの対応する複数の位置に配
置されたコイルとを有し、コアの軸方向の異なる位置で
多相駆動されるのに適した請求項１記載の平面モータ装
置。
【請求項３】前記ステージ部材と前記支持部材とは平
面案内機構を介して結合している請求項１ないし２記載
の平面モータ装置。
【請求項４】前記複数組のコイルは、軸上に高速磁率
材料のコアを有する複数組の有心コイルである請求項１
〜３のいずれかに記載の平面モータ装置。