(57)【要約】【課題】モータの推進性能を効果的に向上させることのできるリニアモータを提供する。【解決手段】巻き線が巻き回された複数のボビン１４が連続的に配列された電磁コイル１０と、ボビンを貫通するセンターコア１１とを備える固定子と、固定子からの磁束の作用を受ける永久磁石２１を備え、固定子に沿って直線運動可能に配置された可動子２０とを具備し、ボビン１４とセンターコア１１の間に、電磁コイル１０の冷却のための流体を通過させる空間１６ａを形成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻き線が巻き回された複数のボビンが連続的に配列された電磁コイルと、前記ボビンを貫通するセンターコアとを備える固定子と、
前記固定子からの磁束の作用を受ける永久磁石を備え、前記固定子に沿って直線運動可能に配置された可動子とを具備し、
前記ボビンと前記センターコアの間に、前記電磁コイルの冷却のための流体を通過させる空間を形成したことを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
前記ボビンとセンターコアの間に形成された空間は、前記センターコアの外周に形成された凹部と、前記凹部に対向するように前記ボビンに形成された凸部とにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
【請求項３】
前記ボビンに形成された凸部は、前記センターコアの外周に形成された凹部に一部分が嵌合し、前記ボビンの前記センターコアに対する回転止めを兼ねることを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
【請求項４】
前記ボビンに形成された凸部には、前記電磁コイルからの引出線を配線収納するための空間が形成されてい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。
【請求項５】
前記電磁コイルからの引出線を配線収納するための空間に、前記電磁コイルの冷却のための流体を通過させることを特徴とする請求項４に記載のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ムービングマグネット型のリニアモータに関するもので、特に、円筒形状の界磁構造とそれに伴う電機子を備えた円筒界磁型リニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、精密位置決め装置の駆動系を直線運動させる駆動機構としては、回転型モータの回転を直線運動に変換して駆動対象物を移動させるものや、直接直線型のモータ、いわゆるリニアモータを用いて駆動対象物を移動させるものが用いられている。
【０００３】
リニアモータは、構造が簡易で部品点数が少なく済み、駆動における摩擦抵抗が少ないために動作精度が高く、また、直接的に直線駆動するので移動動作を迅速に行うことができるという利点を有している。
【０００４】
このためリニアモータは、精密な位置決めを必要とする分野の直線運動を行わせる駆動機構において主流となりつつある。
【０００５】
例えば、半導体装置、液晶表示装置、あるいは薄膜磁気ヘッド等を製造する際のフォトリソグラフィ工程で用いられる露光装置において、レチクル、ウェハ等を載置するステージを移動させる駆動機構としてリニアモータが用いられている。
【特許文献１】特開平０１−１８８２４１号公報
【特許文献２】特開平０８−００５７６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
さて、モータ推力は、理論的にフレミングの法則により、対向する界磁磁石間の空間（以下、界磁空隙という）の磁束密度と、力を発生させるために役立つ界磁空隙内に存在するコイルの電線の長さ（以下、有効電線長という）と、界磁空隙内のコイルの電線を流れる電流値との積で求められる。
【０００７】
このモータ推力を電流値で除した推力定数はモータの構造等により決定され、モータの推力性能を左右する重要なファクタとしてモータ設計で用いられている。モータの推力性能を向上させるには推力定数を大きくすることが重要であり、有効電線長を長くする、あるいは磁束密度を高くすることが必要である。
【０００８】
また、リニアモータは電気機械変換機の１種であり、電気エネルギーを供給して電流力や磁気力によって二次側可動子を直線運動させる。したがって、推力を得るためには、電機子コイルに電流を流す必要があるが、コイルに電流を流した結果、コイル線材の抵抗により発生するジュール熱によりコイルが発熱し、また発生する渦電流によって周辺の部材が発熱する。
【０００９】
リニアモータの機種によって差異はあるが、直線運動の推力を大きくするためにはコイルに流す電流を大きくする必要があるので、リニアモータの出力が高出力であれば、それだけ発熱によるエネルギー損失は大きくなる。また、発熱によるコイルや周辺部材の損傷が生じるおそれがある。そのため、一般的に、リニアモータの定格推力は、コイルを絶縁しているエナメルなどの被覆材やコイルをモールドする成形樹脂材が変形しない許容温度により決定している。
【００１０】
ところで、例えばウェハを載置して移動する露光装置のステージは、スループットを向上させるためにできるだけ短時間でウェハの所定領域を所定位置に位置決めさせることが要求される。そのためステージには、高速で安定して移動でき、急激な加減速でも変形や振動を生じないように高い剛性を持たせる必要が生じ、その結果ステージの質量は大きくならざるを得ない。従ってステージ駆動系に用いるリニアモータには、重いステージを大きい加速度で駆動できるだけの推力性能が要求されている。
【００１１】
従来のリニアモータの推力性能を向上させる方法としては、有効電線長が長くなるようにコイルの電線の巻数を増加させることが考えられるが、コイルの巻数を増加させるとコイルの界磁磁石方向の厚さが厚くなるので、界磁磁石間の空隙の幅を広げざるを得ず、そのため界磁空隙での磁束密度が低下してリニアモータの推進性能をそれほど向上させることが出来ないという問題が生じる。また、界磁空隙での磁束密度を低下させないようにしようとすれば界磁磁石は大きくて重いものにならざるを得ず、リニアモータが大型化してしまうという問題を生じる。
【００１２】
また、コイルの有効電線長を長くすることは、コイルの発熱量が増大することにもなり、従来のリニアモータの構成では、発生した熱はコイル表面から放射して周囲の雰囲気中の気体に揺らぎを生じさせて屈折率の変動を生じさせたり、ステージの熱膨張を引き起こす原因となったりするという問題を有している。
【００１３】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータの推進性能を効果的に向上させることのできるリニアモータを提供することである。
【００１４】
さらに、本発明の他の目的は、コイルに発生する熱を周囲の環境に悪影響を及ぼすことなく効率よく冷却することのできるリニアモータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わるリニアモータは、巻き線が巻き回された複数のボビンが連続的に配列された電磁コイルと、前記ボビンを貫通するセンターコアとを備える固定子と、前記固定子からの磁束の作用を受ける永久磁石を備え、前記固定子に沿って直線運動可能に配置された可動子とを具備し、前記ボビンと前記センターコアの間に、前記電磁コイルの冷却のための流体を通過させる空間を形成したことを特徴とする。
【００１６】
また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記ボビンとセンターコアの間に形成された空間は、前記センターコアの外周に形成された凹部と、前記凹部に対向するように前記ボビンに形成された凸部とにより形成されていることを特徴とする。
【００１７】
また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記ボビンに形成された凸部は、前記センターコアの外周に形成された凹部に一部分が嵌合し、前記ボビンの前記センターコアに対する回転止めを兼ねることを特徴とする。
【００１８】
また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記ボビンに形成された凸部には、前記電磁コイルからの引出線を配線収納するための空間が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
また、この発明に係わるリニアモータにおいて、前記電磁コイルからの引出線を配線収納するための空間に、前記電磁コイルの冷却のための流体を通過させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、モータの推進性能を効果的に向上させることのできるリニアモータを提供することが可能となる。
【００２１】
また、コイルに発生する熱を周囲の環境に悪影響を及ぼすことなく効率よく冷却することのできるリニアモータを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態に係わるリニアモータを、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の各実施形態に共通する、リニアモータを用いたステージ装置の概略構成を示した図である。
【００２４】
図１において、リニアモータは、電磁コイル（以下、コイルと称する）を複数個連続的に配列したものを収容した軸体（以下、固定子と呼ぶ）１０と、これらのコイルからの磁束との相互作用により固定子１０の延在方向と同じ方向に走行可能（直線運動可能）とした可動磁石体（以下、可動子と呼ぶ）２０とを備えて構成される。固定子１０は、ベース３１上に間隔をおいて固定された２つのブラケット３３Ａ，３３Ｂの間に架け渡されている。
【００２５】
可動子２０にはテーブル３２を介して２つのガイドブロック３５が組み付けられ、これら２つのガイドブロック３５が可動子２０の走行方向に沿うようにベース３１上に配置されたガイドレール３４によりスライド案内され、固定子１０の外周に対してギャップを維持した状態で移動する。
【００２６】
なお、固定子１０の外側面と可動子２０の内側面との間のギャップにばらつきがあったとしても推力は同じであり、可動子２０と固定子１０には厳しい取付け精度や加工精度は要求されない。
【００２７】
ベース３１上には可動子２０の走行方向に沿って設けられたリニアセンサスケール４３、およびリニアセンサヘッド４２が取り付けられている。リニアセンサヘッド４２からの検出信号は可動子２０の位置決め制御に利用される。また、固定子１０内の各コイルにはブラケット３３Ａを通って三相駆動用の電力ケーブルが制御ドライバー４４から接続されている。制御ドライバー４４にコントローラ４５を接続し、コントローラ４５から与えられる制御データに基づいて可動子２０の位置決め制御が行われる。
【００２８】
ベース３１上には、可動子２０を検出するためのリミットセンサ４１が設けられている。リミットセンサ４１の検出信号は制御ドライバー４４に送られ、可動子２０の原点位置決め、あるいは暴走防止に用いられる。
【００２９】
図１に示したリニアモータは、可動子２０を指定の領域で往復運動させることができる。
【００３０】
以下、図１に示したステージ装置のうち、リニアモータの部分の構造を示す具体的な実施形態について更に詳細に説明するが、これらは本発明を限定するものではく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変形が可能である。
【００３１】
（第１の実施形態）
以下に、第１の実施形態に係わるリニアモータの構造について説明する。
【００３２】
図２は、第１の実施形態に係わるリニアモータの概略構成を示す横断面図、図３はこのリニアモータの縦断面図、図４は第１の実施形態に係わるリニアモータの固定子の構成図である。
【００３３】
可動子２０は、コイル１２を囲むことができるような環状の複数の永久磁石２１と、これら複数の永久磁石２１を収容している磁石ケース２２とを含む。複数の永久磁石２１は、同じ長さ寸法を持ち、しかも隣接する磁極が互いに反対向きになり、かつ磁極軸がセンターコア１１の軸芯に平行になるように直列的に組み合わされて磁石ケース２２に収容されている。
【００３４】
固定子１０は、絶縁被膜を施したワイヤを多重に巻きつけてコイル１２を形成したボビン１４に鉄などの磁性体からなるセンターコア１１を貫通させて構成されている。本実施形態におけるリニアモータは、三相駆動型であるため、Ｕ相コイル１２ａ、Ｖ相コイル１２ｃ、Ｗ相コイル１２ｂの三つのコイルからなるコイル組を１単位としている（図４参照）。Ｖ相コイル１２ｃに流す電流がＵ相コイル１２ａに流す電流に対し１２０°の位相差を持ち、Ｗ相コイル１２ｂに流す電流がＶ相コイル１２ｃに流す電流に対し１２０°の位相差を持つよう駆動する。そしてコイル組がセンターコア１１の周りに軸方向に沿って複数組装着され、それらのコイル組が仮想線で示す非磁性体（ステンレス等）からなるパイプ１３で覆われている。
【００３５】
センターコア１１には、図３に示すように、コの字状の切り欠き部（凹部）１６が形成されている。ボビン１４の内周上には、センターコア１１の切り欠き部１６に合わせてコの字状の凸部１４ａが形成されている。この凸部１４ａ（ボビンの一部分）はセンターコア１１の凹部１６の入り口部分に一部嵌合して、ボビン１４のセンターコア１１に対する回転止めも兼ねている。本実施形態では、センターコア１１の切り欠き部１６とボビン１４の凸部１４ａにより囲まれる空間１６ａに固定子１０を冷却するための流体を流す。これにより冷却のための流体を流す空間１６ａの形成と、コイル１２の回転方向の位置決めを同時に行うことができ、センターコア１１の形状を簡略化できる。
【００３６】
ボビン１４に形成されているコの字状の凸部１４ａ内には、３相コイルの引出線１７を配線収納するための配線部１５が形成されている。前述したように、センターコア１１のコの字状の切り欠き部１６とボビン１４のコの字状の凸部１４ａとで形成された空間１６ａを冷媒が循環する構成となっている。これにより発熱するコイル１２及びコイルの引出線１７の近傍を直接冷却でき、効率の良い冷却が可能となる。
【００３７】
ブラケット３３Ａ，３３Ｂには、不図示の冷却システムによって所定の温度にされた冷媒を固定子１０内に流入させるチューブ３９Ａ、及び継手３８Ａと、冷却システムに冷媒を戻すための継手３８Ｂ、及びチューブ３９Ｂとが取り付けられ、またＯリング３７Ａ，３７Ｂ、およびシール材３６によって冷媒が外部へ漏れないようにしている。これによって、冷媒は冷却システムからチューブ３９Ａ、継手３８Ａを通って固定子１０内部を流れ、コイル１２近傍を通ってコイル１２から熱を吸収し、その後継手３８Ｂ、チューブ３９Ｂを通って冷却システムへ戻るように循環する。
【００３８】
パイプ１３にはステンレス等の非磁性金属材料が用いられるが、樹脂材料等でも良い。
【００３９】
センターコア１１は、ヨークとしての機能を持たせるために鉄等の磁性体が用いられ、コの字状の切り欠きを設けることで機械的強度を維持しながら冷却に適した形状としている。永久磁石２１には、磁石としての性能の高い、例えばネオジウム磁石が用いられる。特に、永久磁石２１の磁極軸方向の寸法はすべて同じにする必要がある。磁石ケース２２としてはアルミ合金等の非磁性体を用いる。
【００４０】
コイル１２は、例えば外径φ０．３ｍｍで銅製の導体部品の外側がエナメルあるいはポリウレタンなどの極薄い被覆層で覆われている。
【００４１】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係わるリニアモータの概略構成を示す横断面図であり、図６は、このリニアモータの縦断面図である。第１の実施形態と同様、第２の実施形態のリニアモータは、三相駆動型のリニアモータである。
【００４２】
センターコア５１には第１の実施形態と同様に、コの字状の切り欠き部５６が形成されている。ボビン５４の内周上には、センターコア５１の外周形状に沿うようにしてコの字状の凸部５４ａが形成されている。ボビン５４に形成されているコの字状の凸部５４ａ内には、３相コイルの引出線を配線するための配線部５５が形成されている。センターコア５１のコの字状の切り欠き部５６とボビン５４のコの字状の凸部５４ａとで形成された空間５６ａを冷媒が循環する構成となっており、更にボビン５４に形成されている引出線配線部５５の空間へも冷媒が循環する構成となっている。これにより、センターコア５１に形成された空間５６ａとボビン５４に形成された空間５５へ冷媒を分配して導入することでコイル５２からの引出線５７を直接冷却でき、且つ発熱するコイル５２の近傍、あるいはコイル５２の部分に冷媒を通過させることが可能となるため、効率良い冷却が可能となる。
【００４３】
以上の通り、上記の実施形態によれば、ボビンとセンターコアによって形成された空間内に液体、気体などの流体を通過させることにより、モータ本体の内部を冷却して推力当たりの体積あるいは重量を最小化し、モータの推進性能を効果的に向上させることができる。さらに、コイルに発生する熱を周囲の環境に悪影響を及ぼすことなく効率よく排出することができる。
【００４４】
なお、本発明のリニアモータは、三相駆動型に限るものではない。二相または四相以上のリニアモータ等でもよい。可動子が直線運動ではなく円弧上を運動するように構成してもよい。また、センターコアに形成する切り欠き部の形状もコの字状に限定されず、その形状に合わせたボビン形状および配線部を形成すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の各実施形態に共通する、リニアモータを用いたステージ装置の概略構成を示した図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係わるリニアモータの概略構成を示す横断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係わるリニアモータの概略構成を示す縦断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係わるリニアモータの固定子の構成図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係わるリニアモータの概略構成を示す横断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係わるリニアモータの概略構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０    固定子
１１    センターコア
１２    コイル
１３    パイプ
１４    ボビン
２０    可動子
２１    永久磁石
２２    磁石ケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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