WO2017163979A1

WO2017163979A1 - リニアモータ、ステージ装置

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Publication number: WO2017163979A1
Application number: PCT/JP2017/009970
Authority: WO
Inventors: 道太郎臼井; 池田　隆; 康太郎和田; 敦志柳川
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2018-09-23
Also published as: JP2017175765A; TWI643429B; TW201735498A

Abstract

リニアモータにおいて、固定子２０は、ヨーク２２と、界磁磁石２４と、支持部材１２と、を含む。界磁磁石２４は、それぞれ磁極面が形成される正面２４ｆと背面２４ｂとを有し、背面２４ｂがヨーク２２に固定される。支持部材１２は、界磁磁石２４の側面に接着される第１部分１４と、第１部分１４から可動子の可動方向にて界磁磁石２４から遠ざかる方向に延在してヨーク２２に接着される第２部分１６と、を含む。

Description

リニアモータ、ステージ装置

　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では、固定子は、平板状の界磁ヨークと、界磁ヨークに交互に極性が異なるように直線状に並べて固定された複数の主極磁石及び補極磁石と、補極磁石の磁気的空隙側の面及び２つの隣接する主極磁石側の面に設けられた補強部材とを有する。

特開２０１３－１０６４５８号公報

　ところで、特許文献１に記載のリニアモータでは、ハルバッハ配列構造である主極磁石と補極磁石とを備えている。補強部材としては主に２つの形状が開示されている。その一方は、補極磁石の磁気的空隙側の面及び２つの隣接する主極磁石側の面を覆い、界磁ヨーク側の面を露出させる。その他方は、補極磁石を可動子の可動方向両側より挟むように配置されて補極磁石の磁気的空隙側の面を露出させる。いずれの形状においても、補強部材は、補極磁石の界磁ヨーク側の面または磁気的空隙側の面と、補極磁石の可動方向両側で、補極磁石に接着剤により固定されている。したがって、この補強部材は補極磁石の破損防止の作用を生じるとしても主極磁石への作用が十分であるとはいえない。

　一方で、このようなリニアモータでは、主極磁石である界磁磁石の寸法バラツキ、非平坦性に起因して、界磁磁石のヨークとの接着強度にばらつきが生じることがある。このため、組み立て工程中、あるいは組み立て工程後において、界磁磁石の一部がヨークから剥離することを完全に防ぐことは難しい問題がある。

　また、界磁磁石のヨークとの固定強度を高めるために、界磁磁石やヨークの接着面に接着溝を設け強力な接着剤を多量に塗布することも考えられる。しかし、この場合、接着溝の部分で磁気抵抗が増えて磁気的な性能が低下し、接着溝の加工に余計な手間がかかる問題がある。また、強力な接着剤は使用上での管理が難しく接着強度が安定しない懸念もある。
　つまり、従来のリニアモータでは、界磁磁石の固定強度の変動を抑制して界磁磁石を安定して保持可能と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、界磁磁石の固定強度のばらつきを抑制して界磁磁石を安定して保持可能な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、ヨークと、界磁磁石と、支持部材と、を含む固定子を備える。界磁磁石は、それぞれ磁極面が形成される正面と背面とを有し、背面がヨークに固定され、支持部材は、界磁磁石の側面に接着される第１部分と、第１部分から可動子の可動方向にて界磁磁石から遠ざかる方向に延在してヨークに接着される第２部分と、を含む。

　この態様によると、界磁磁石は、第２部分がヨークに接着される補強部材の第１部分に接着されるから、界磁磁石の固定強度のばらつきを抑制することができる。

　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、界磁磁石を安定して保持可能な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。実施の形態に係る支持部材の斜視図である。第１変形例の固定子の平面図である。第１変形例の支持部材の斜視図である。第２変形例の固定子の平面図である。第２変形例の支持部材の斜視図である。第３変形例の固定子の平面図である。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。

　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、ヨーク２２と、界磁磁石２４と、支持部材１２と、界磁磁石２４とは別の磁石である補極磁石２６と、を主に含み、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を可動方向に移動自在に設けられる。なお、図１では支持部材１２の図示を省略している。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。

（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。ヨーク２２は、界磁磁石２４と補極磁石２６を支持すると共に、界磁磁石２４と補極磁石２６のバックヨークとして磁気回路を構成する。ヨーク２２は、例えばＸ軸方向に長尺の略矩形形状に形成されてもよい。界磁磁石２４は磁気的空隙３４に界磁磁界を形成する。補極磁石２６は界磁磁石２４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。界磁磁石２４は、ヨーク２２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つの界磁磁石２４の間に固定される。界磁磁石２４と補極磁石２６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と補極磁石２６はメッキ層などの表面層を有してもよい。界磁磁石２４と補極磁石２６は、例えば矩形の板状に形成される。

　界磁磁石２４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２４ｆと背面２４ｂとを有し、背面２４ｂがヨーク２２の内側側面２２ａに固定される。つまり、界磁磁石２４の磁化方向２４ｍはＹ軸に沿って正面２４ｆから背面２４ｂに向かう方向に形成される。界磁磁石２４は、正面２４ｆの左端から背面２４ｂに向かって延在する左方の側面２４ｈと、正面２４ｆの右端から背面２４ｂに向かって延在する右方の側面２４ｒと、を有する。

　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、その背面がヨーク２２の内側側面２２ａに固定される。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。

　リニアモータの磁気回路は、ヨーク２２の飽和を抑制しつつモータの特性を向上するために、補極磁石２６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、界磁磁石２４の磁化方向２４ｍ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、界磁磁石２４と補極磁石２６とはハルバッハ配列構造を形成し、界磁磁石２４の磁界を磁気的空隙３４側に集めることができる。

（支持部材）
　次に、支持部材１２について説明する。図３は支持部材１２の斜視図である。実施の形態の固定子２０では、界磁磁石２４の一部がヨーク２２から剥離することを抑制するために支持部材１２が設けられる。図２、３に示すように、支持部材１２は第１部分１４と第２部分１６とを含む。第１部分１４は必要に応じて界磁磁石２４の側面２４ｒ、２４ｈに接着剤によって接着されてもよく、非接着であってもよい。第２部分１６は第１部分１４から可動方向（Ｘ軸方向）にて界磁磁石２４から遠ざかる方向に延在すると共にヨーク２２に接着される。このように構成することにより、界磁磁石２４の側面２４ｒ、２４ｈは支持部材１２を介してヨーク２２に支持される。

　界磁磁石２４の剥離を抑制するために、界磁磁石２４をＹ軸方向からヨーク２２に向かって支持する構造が望ましい。そこで、実施の形態の支持部材１２は第３部分１８を含み、第３部分１８は界磁磁石２４の正面２４ｆに被る形状を有する。第３部分１８は、例えば正面２４ｆを覆うように設けられてもよい。図２に示すように、第３部分１８は界磁磁石２４をＹ軸方向からヨーク２２に向かって支持する。界磁磁石２４が第３部分１８にＹ軸方向から押さえられることで、界磁磁石２４のヨーク２２からの剥離を効果的に抑制することができる。図３に示すように、支持部材１２は、一対の第１部分１４と一対の第２部分１６と第３部分１８とが一体に、π字状に折り曲げられて形成される。支持部材１２は、一対の第１部分１４と第３部分１８とでコの字状の凹部を形成し、この凹部に界磁磁石２４を収容する。図２に示すように、第１部分１４と第３部分１８との間には屈曲部１２ｅが形成され、屈曲部１２ｅは界磁磁石２４の正面２４ｆ側の角部２４ｆａに対応する形状を有する。一例として、屈曲部１２ｅは実質的に直角に折り曲げられ、屈曲部１２ｅの内側の角のコーナＣまたはコーナＲ寸法は角部２４ｆａのコーナＣまたはコーナＲ寸法より小さく形成される。このように構成することによって支持部材１２と界磁磁石２４の間の隙間を小さくすることができる。

　支持部材１２の第３部分１８と界磁磁石２４の正面２４ｆとの間の隙間はできるだけ小さいことが望ましい。そこで、実施の形態の支持部材１２では、第３部分１８は界磁磁石２４の正面２４ｆに接着される。第３部分１８が正面２４ｆに接着されることで界磁磁石２４の剥離を一層効果的に抑制することができる。なお、第３部分１８が界磁磁石２４に接着されることは必須ではない。

　図２に示すように、支持部材１２の第３部分１８は、第１部分１４から第２部分１６の延在方向と反対向きに延在する。特に、第２部分１６は第１部分１４に対して実質的に直角に屈曲し、第３部分１８は第１部分１４に対して実質的に直角に屈曲している。このように構成することで、支持部材１２は金属板からプレス加工により容易に形成することができる。

　界磁磁石２４の正面２４ｆに被る第３部分１８が磁性を有する場合、支持部材１２を介して磁束が短絡して有効に利用できる磁束が減ることが考えられる。そこで、実施の形態の支持部材１２の第３部分１８は、非磁性ステンレス鋼板やアルミニウム合金などから形成される。また、正面２４ｆに被る第３部分１８が厚いと、その分だけ界磁磁石２４をＹ軸方向に薄くすることで、可動子１０に有効に作用する磁束が減ることが考えられる。そこで、実施の形態の支持部材１２の第３部分１８の厚みは１ｍｍ以下に形成される。

　界磁磁石２４の正面２４ｆに被る第３部分１８は、第１部分１４より薄く形成されてもよい。第３部分１８を薄く形成した分、界磁磁石２４をＹ軸方向に厚くして有効な磁束を増やすことができる。このような構成は、プレス加工の工程を調整することで具現しうる。

　支持部材１２の第２部分１６のヨーク２２からの剥離を抑制するために、第２部分１６はＹ軸方向からヨーク２２に向かって押しつけられる構造が有利である。そこで、実施の形態の固定子２０は、ヨーク２２の一方の面に固定される補極磁石２６を備えている。そして、第２部分１６の少なくとも一部は補極磁石２６とヨーク２２の間に挟まれる。補極磁石２６とヨーク２２の間の吸引力により、第２部分１６はヨーク２２に押しつけられるから、ヨーク２２からの剥離が抑制される。

　次に、実施の形態に係る固定子２０の特徴を説明する。
　実施の形態の固定子２０では、支持部材１２は、界磁磁石２４の側面２４ｒ、２４ｈに接着される第１部分１４と、第１部分１４から可動方向にて界磁磁石２４から遠ざかる方向に延在してヨーク２２に接着される第２部分１６と、を含むから、界磁磁石２４の側面２４ｒ、２４ｈが支持部材１２によって支持される。

　実施の形態の固定子２０では、支持部材１２は界磁磁石２４の正面２４ｆに被る第３部分１８を含むから、界磁磁石２４の正面２４ｆが支持部材１２によって支持される。このため、界磁磁石２４を正面２４ｆ側から押さえることで、界磁磁石２４の位置がずれにくくなる。また、第３部分１８は界磁磁石２４の少なくとも一部を覆うから、減圧した真空環境下で使用する場合も界磁磁石２４からの発ガスを抑制することができる。また、界磁磁石２４と、補極磁石２６と、支持部材１２とを事前に組み立てる場合に、支持部材１２に補極磁石２６を取り付けることで、界磁磁石２４との位置合わせが容易になる。

　実施の形態の固定子２０では、第３部分１８と界磁磁石２４の正面２４ｆとの間に接着剤が塗布されるから、第３部分１８を正面２４ｆに接着することができる。

　実施の形態の固定子２０では、第３部分１８は、厚みが１ｍｍ以下の非磁性ステンレス鋼板から形成されるから、可動子１０に作用する磁束の減少を緩和することができる。

　実施の形態の固定子２０では、第３部分１８と第１部分１４の間には界磁磁石２４の正面２４ｆ側の形状に対応する形状を有する屈曲部１２ｅが設けられるから、第３部分１８を界磁磁石２４の正面２４ｆに密着させることができる。

　実施の形態の固定子２０では、補極磁石２６をさらに備え、第２部分１６は、ヨーク２２と補極磁石２６の間に挟まれる部分を含むから、第２部分１６は補極磁石２６とヨーク２２の間に固定される。界磁磁石２４に接着される支持部材１２が、補極磁石２６のヨーク２２の間に挟まれることでヨーク２２向きの力がかかり、支持部材１２がずれにくくなる。

（第１変形例）
　続いて実施の形態に関連した変形例を説明する。図４は第１変形例の固定子２０の平面図、図５は固定子２０の支持部材１２の斜視図である。この変形例は実施の形態に対して支持部材１２の形状が異なり他の構成は同様である。この変形例の支持部材１２では、界磁磁石２４の正面に被る第３部分１８がＸ軸方向の途中で２つに分離され２体で構成される。つまり、支持部材１２は、１つの界磁磁石２４に対して、その一方の側方に設けられる支持部材１２ａと、他の側方に設けられる支持部材１２ｂとを含む。この構成によれば、支持部材１２や界磁磁石２４にＸ軸方向（幅方向）の寸法バラツキがある場合でも、支持部材１２ａ、１２ｂを界磁磁石２４にＸ軸方向から密着させることができる。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。

（第２変形例）
　次に、第２変形例について説明する。図６は第２変形例の固定子２０の平面図、図７は固定子２０の支持部材１２の斜視図である。この変形例は実施の形態に対して支持部材１２の形状が異なり他の構成は同様である。この変形例の支持部材１２では、界磁磁石２４の正面に被る第３部分１８を有せず、界磁磁石２４の正面は露出される。この変形例の支持部材１２は、１つの界磁磁石２４に対して、その一方の側方に設けられる支持部材１２ａと、他の側方に設けられる支持部材１２ｂとを含む。この構成によれば、支持部材１２と界磁磁石２４との間にＹ軸方向（厚み方向）に対向する部分がないから、支持部材１２や界磁磁石２４のＹ軸方向の管理が容易になる。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。

（第３変形例）
　次に、第３変形例について説明する。図８は第３変形例の固定子２０の平面図である。この変形例は実施の形態に対して補極磁石２６を備えない点で異なり他の構成は同様である。補極磁石２６を有しないから製造の手間が減る。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。

（その他の変形例）
　支持部材１２は、ステンレス鋼などの金属材料から形成される例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、支持部材の一部または全部が炭素繊維で強化された樹脂などの非金属材料から形成されてもよい。

　支持部材１２は、そのＺ軸方向の寸法が界磁磁石２４のＺ軸方向の寸法と略等しく形成される例について説明したが、これに限定されるものではない。支持部材１２のＺ軸方向寸法は、界磁磁石２４のＺ軸方向寸法より小さく形成されてもよく、あるいは大きく形成されてもよい。

　次に、リニアモータ２の用途を説明する。図９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。

　２・・リニアモータ、　１０・・可動子、　１２・・支持部材、　２０・・固定子、　２２・・ヨーク、　２４・・界磁磁石、　２６・・補極磁石、　３４・・磁気的空隙、　１００・・ステージ装置。

　本発明は、リニアモータに利用することができる。

Claims

　ヨークと、界磁磁石と、支持部材と、を含む固定子を備え、
　前記界磁磁石は、それぞれ磁極面が形成される正面と背面とを有し、前記背面が前記ヨークに固定され、
　前記支持部材は、前記界磁磁石の側面に接着される第１部分と、前記第１部分から前記可動子の可動方向にて前記界磁磁石から遠ざかる方向に延在して前記ヨークに接着される第２部分と、を含むことを特徴とするリニアモータ。
　前記支持部材は前記界磁磁石の前記正面に被る第３部分を含むことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
　前記第３部分は、前記第１部分から前記第２部分の延在方向と反対向きに延在することを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
　前記第３部分は、厚みが１ｍｍ以下の非磁性ステンレス鋼板から形成されることを特徴とする請求項２または３に記載のリニアモータ。
　前記ヨークに固定される別の磁石をさらに備え、
　前記第２部分は、前記ヨークと別の磁石の間に挟まれる部分を含む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。
　前記別の磁石の磁化方向は、前記界磁磁石の磁化方向と９０°異なることを特徴とする請求項５に記載のリニアモータ。
　請求項１から６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。