(57)【要約】【課題】軽量化した磁石ユニットを供えたリニアモータを提供する。【解決手段】複数の直方体状永久磁石３１ａ、３１ｂを接続しかつ異極性の磁極が空隙を介して対向するように配置された一対の磁石ユニット３を含む固定子２と、空隙２内に移動可能に支持された多相コイルを含む可動子６とを有するリニアモータにおいて、各永久磁石は、可動子６に対向する側の面に２個の磁極を有しかつ磁化方向に異方性化されている。上記磁石ユニット３は可動子として使用することもできる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のブロック状永久磁石を直列に接続しかつ異極性の磁極が空隙を介して対向するように配置された一対の磁石ユニットと、前記空隙内に配置された多相コイルを含むコイルユニットとを備え、前記磁石ユニットを固定子又は可動子として使用するリニアモータにおいて、前記永久磁石は多相コイルに対向する面にＮ極とＳ極を含む少なくとも２磁極を有し磁化方向に極異方性配向されていることを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
複数のブロック状永久磁石を直列に接続しかつ異極性の磁極が空隙を介して対向するように配置された一対の磁石ユニットと、前記空隙内に配置された多相コイルを含むコイルユニットとを備え、前記磁石ユニットを固定子又は可動子として使用するリニアモータにおいて、前記永久磁石は、長さの０．３〜０．６倍の範囲にある厚さを有しかつ前記多相コイルに対向する側の面にＮ極とＳ極を含む少なくとも２磁極を有しかつ磁化方向に極異方性配向されていることを特徴とするリニアモータ。
【請求項３】
前記永久磁石の磁極のうち両端の磁極の位置を永久磁石の多相コイルに対向する面の両端部とする請求項１又は２記載のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体デバイスや液晶ディスプレーの製造装置におけるステージを駆動するために使用されるリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造装置の露光装置あるいは各種ディスプレーの製造装置においては、検査機器などの移動手段としてステージが使用されている。例えば液晶ディスプレーの製造工程においては、ガラス基板の全面に対して画像処理装置等を搭載したステージにより検査が行われるが、ステージの駆動手段としてボールネジに代わり、高精度かつ高速で処理するためにリニアモータを使用するのが一般的である。この種リニアモータとしては、空隙を介して対向配置された複数の永久磁石を含む磁石ユニットを備えた固定子と、正弦波状の磁束密度分布を有する磁気空隙内に３相コイルを含む可動子を配置し、３相コイルに駆動電流を流すことにより駆動力を得ると共に、磁極の極性を検出して電流の向きを制御することにより可動子の直線運動を行う可動コイル型のブラシレスＤＣリニアモータが多用されている。上記磁石ユニットは、ストロークに対応する長さを有するヨークの表面に直方体状の永久磁石を複数個接続して形成されるので、ストローク長さに比例して重量が大となる。しかし、上記可動子はステージにその移動方向と平行に固定し、上記固定子をステージの基板に固定するので、ステージ位置を高精度で制御するためには、リニアモータを構成する磁石ユニットの重量を低減することが重要であり、特にＸＹステージでは複数のリニアモータをもつので、磁石ユニットは少しでも軽量化することが必要である。
【０００３】
磁石ユニットの軽量化のために、例えば永久磁石を支持するヨークを薄くすることが考えられる。しかるにヨークを薄くすると、磁気回路（磁石ユニット）からの漏洩磁束が増大し、所定の推力が得られなくなるので、高推力（高トルク）を得るために、平面多極異方性を有する永久磁石を使用することが提案されている（例えば特許文献１）。しかしながら特許文献１に記載された永久磁石では、永久磁石の厚さが薄いので、推力の絶対値が不足し、ステージを駆動するためのリニアモータには適用しても十分な動作性能が得られないという問題がある。また特許文献２には、磁気空隙における磁束密度を高めるために、矩形断面を有する永久磁石の表面に単一の磁極を設けると共にこの永久磁石の両側面にそれとは異極性の磁極を設けた永久磁石を使用することにより、可動コイルを有するリニアモータに有効な磁気回路が得られることが記載されている。図４に特許文献２に記載された磁気回路を示す。この磁気回路は、複数の永久磁石３１０ａ、３２０ａ、３３０ａを接続した磁石ユニット２０ａ及び複数の永久磁石３１０ｂ、３２０ｂ、３３０ｂを接続した磁石ユニット２０ｂと、各磁石ユニットを支持するヨーク３０ａ、３０ｂとから構成されている。この磁気回路においては、各永久磁石は、磁気空隙側の表面に単一（Ｎ極又はＳ極）の磁極が設けられかつ隣の永久磁石と隣接する側の面にはそれと異極性の磁極が現出するように着磁されている。そのため、例えば永久磁石３２０ａのＮ極から流出した磁束は磁気空隙を通って対向する永久磁石３２０ｂのＳ極へと流れ、永久磁石３２０ｂ、３１０ｂ内部を通り磁気空隙を通って対向する永久磁石３１０ａのＳ極へと流れ、永久磁石３２０ａへ戻る磁気回路を形成する。磁気回路は隣接する永久磁石３１０ａ，３２０ａ間と永久磁石３１０ｂ，３２０ｂ間とに僅かな空隙を含む。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−７６９２５号公報（第６頁、図１）
【特許文献２】
特開２００２−３６９４９２号公報（第４頁、図７）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献２に記載された永久磁石による磁気回路では、図４に示すような磁束の流れとなるため、磁気回路は隣接する永久磁石間の僅かな空隙を含み漏洩磁束が発生するので、それを支持するヨークにはある程度の厚さが必要である。その結果、リニアモータの軽量化を十分に達成できないという問題点がある。
【０００６】
従って本発明の目的は、軽量化した磁石ユニットを備えたリニアモータを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者は鋭意検討し、多相コイルに対向する面に少なくとも一対のＮ極とＳ極を有し極異方性配向された永久磁石を用いることにより、多相コイルが配置される磁気空隙を除き永久磁石のみで磁気回路を形成でき、その結果、隣接する永久磁石間の空隙が磁気回路から排除されて漏洩磁束を低減できることを見出して本発明に至ったのである。
【０００８】
すなわち本願第一の発明のリニアモータは、複数のブロック状永久磁石を直列に接続しかつ異極性の磁極が空隙を介して対向するように配置された一対の磁石ユニットと、前記空隙内に配置された多相コイルを含むコイルユニットとを備え、前記磁石ユニットを固定子又は可動子として使用するリニアモータにおいて、前記永久磁石は多相コイルに対向する面にＮ極とＳ極を含む少なくとも２磁極を有し磁化方向に極異方性配向されていることを特徴とするものである。
【０００９】
本願第二の発明のリニアモータは、複数のブロック状永久磁石を直列に接続しかつ異極性の磁極が空隙を介して対向するように配置された一対の磁石ユニットと、前記空隙内に配置された多相コイルを含むコイルユニットとを備え、前記磁石ユニットを固定子又は可動子として使用するリニアモータにおいて、前記永久磁石は、長さの０．３〜０．６倍の範囲にある厚さを有しかつ前記多相コイルに対向する側の面にＮ極とＳ極を含む少なくとも２磁極を有しかつ磁化方向に極異方性配向されていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明では前記永久磁石の磁極のうち両端の磁極の位置を永久磁石の多相コイルに対向する面の両端部とすることが好ましい。
【００１１】
本発明によれば、磁路長が大となるため磁石動作点が高くなり、永久磁石からの漏洩磁束が少なくなるので、磁石を支持するヨークを薄くすることもしくはヨークを省略することが可能であり、磁石ユニットが軽量化されて、リニアモータの軽量化を達成することができる。
【００１２】
本発明は特に、磁石ユニットを固定子として使用する可動コイル型のリニアモータにおいて、磁石ユニットはストローク長さに可動子長さを加えた長さに対応する長さ（例えば１〜２ｍ）を有するので、磁石ユニットの重量が大幅に低減されて、リニアモータ全重量の低減に有効である。磁石ユニットの重量を確実に低減するために、前記永久磁石は該磁石の１／２以下の厚さを有するヨーク上に支持されていることが好ましい。前記永久磁石としてより少ない重量で高い磁束密度が得られる希土類−鉄−ボロン系異方性焼結磁石を用いることで磁石ユニットの一層の軽量化を図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態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断面図、図２は本発明の他の実施の形態に係わるリニアモータの断面図、図３は図１，２及び図４のリニアモータを構成する磁石ユニットの磁気空隙における磁束密度分布を示す図、図４は従来のリニアモータを構成する磁石ユニットの断面図である。
【００１４】
図１において、ブラシレスＤＣリニアモータ（以下単にリニアモータという）１は、基板４ａに支持された磁石ユニット３ａ及び基板４ｂに支持された磁石ユニット３ｂからなる固定子２と、両磁石ユニット３ａ、３ｂ間に形成された磁気空隙５に配置された多相コイル（例えば３相コイル）を有する可動子６とから構成されている。磁石ユニット３ａはその短辺同士が隣接するように接続された直方体状の永久磁石３１ａ、３２ａ、３３ａ……とその裏面（磁気空隙と反対側の面）に固定された強磁性体からなるヨーク３０ａからなり、同様に磁石ユニット３ｂも直方体状の永久磁石３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ……を短辺同士が隣接するように接続し、その裏面に強磁性体からなるヨーク３０ｂが固定されている。各永久磁石は、磁気空隙６と対向する側の面にＮ極とＳ極が設けられかつ磁化方向に沿って異方性が付与されている。上記リニアモータ１は、３相コイルに駆動電流を流すことにより駆動力を得ると共に、磁極の極性を検出して電流の向きを制御することにより可動子６の直線運動を行うことができる。駆動電流の供給は、直流電源にトランジスタ又はＭＯＳＦＥＴを用いたインバータを接続し、直流から変換された所定の位相と周波数をもつ３相交流電流を所定のコイルに配分することにより行われる。
【００１５】
磁石ユニット３ａ、３ｂにおいて、永久磁石から発生する磁束の流れを模式的に示すと図示矢印で示すようになる。図１において、永久磁石３２ａ及び３２ｂ（長さＬ、厚さｔ）に注目すると、永久磁石３２ａのＮ極から流出した磁束は磁気空隙を通って対向する永久磁石３２ｂのＳ極→その隣のＮ極→対向する永久磁石３２ａのＳ極→その隣のＮ極へと流れて磁気回路を形成する。図１に示す永久磁石においては、図４に示す永久磁石と比較して、その磁石内でＮ極とＳ極との間隔が大であるので、Ｓ極からＮ極に向かう磁束線の長さ（磁路長）が長くなり、磁石の動作点が高くなる。また、一つの永久磁石はＮ極とＳ極を含む少なくとも２磁極を有する。これらの磁極のうち両端の磁極の位置を永久磁石の多相コイルに対向する面の両端部としかつ極異方性配向することで、互いに隣接する永久磁石間の空隙を含まない磁気回路を構成することができる。永久磁石の端部の磁極は隣接する永久磁石の同極の端部の磁極と隣接して一つの磁極を形成する。
【００１６】
すなわち、磁路長（Ｌｍ）は、磁気空隙の長さをＬｇ、空隙磁束密度をＢｇ、動作点における減磁界の強さをＨｄ、リラクタンス係数（全起磁力／磁気空隙以外で消費される起磁力で、通常は１．０から１．３の範囲に設定される）をｒとすると、Ｌｍ＝Ｂｇ・Ｌｇ／Ｈｄ・ｒで表される。従って図１の磁気回路によれば、漏洩磁束が減少するため、永久磁石の裏面に設けるヨークを薄く、例えば永久磁石の１／２以下の厚さにしても推力の低下を最小限にとどめられるので、磁石ユニットの軽量化を図ることができる。
【００１７】
本発明においては、図１に示す磁気回路に限らず図２に示すように、ヨークを省略して磁石ユニットを直接支持部材上に形成することも可能である。この磁気回路によれば、磁石ユニットを支持するヨークが不要となるので、リニアモータをさらに軽量化することが可能となる。
【００１８】
上記永久磁石は、希土類焼結磁石や希土類ボンド磁石などの公知の永久磁石材料で形成できるが、本発明の如くＸＹステージ駆動のように大きな推力が必要とされるリニアモータの場合は、高い磁気特性を有する希土類−鉄−ボロン系焼結磁石で形成することが好ましい。
【００１９】
（実施例）
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明する。
【００２０】
（実施例１）
長さ２０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、幅３０ｍｍの永久磁石（日立金属社製ＨＳ４４ＣＨ）を使用すると共に永久磁石の裏面に厚さ４ｍｍのヨーク（ＳＳ４００材）を設けて図１に示す磁石ユニットを作製した。この磁石ユニットを１６ｍｍの間隔をおいて対向させ、磁気空隙部の中心（直線Ｘ）の磁束密度を測定した。磁束密度のピーク値は、０．５４Ｔであり、磁束波形の歪（正弦波からのずれ）は２％であり推力変動への影響は問題ないレベルであることが確認された。
【００２１】
（実施例２）
長さ２０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、幅３０ｍｍの希土類−鉄−ボロン系永久磁石（日立金属社製ＨＳ４４ＣＨ）を使用して図２に示す磁石ユニットを作製した。この磁石ユニットを１６ｍｍの間隔をおいて対向させ、磁気空隙部の中心（直線Ｘ）の磁束密度を測定した。図３に空隙磁束密度分布を示す。磁束密度の極大値は、０．５２Ｔであり、磁束波形の歪は２％であることが確認された。
【００２２】
（比較例１）
長さ２０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、幅３０ｍｍの永久磁石（日立金属社製ＨＳ４４ＣＨ）を使用すると共に裏面に厚さ７ｍｍのヨーク（ＳＳ４００材）を設けて図４に示す従来の磁石ユニットを作製した。この磁石ユニットを１６ｍｍの間隔をおいて対向させ、磁気空隙部の中心（直線Ｘ）の磁束密度を測定した。磁束密度の値は、０．５４Ｔであり、磁束波形の歪は２％であることが確認された。
【００２３】
（比較例２）
長さ２０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、幅３０ｍｍの永久磁石（日立金属社製ＨＳ４４ＣＨ）を使用して図４に示す従来の磁石ユニットを作製した。但し、ヨーク３０ａ、３０ｂは省略した。この磁石ユニットを１６ｍｍの間隔をおいて対向させ、磁気空隙部の中心（直線Ｘ）の磁束密度を測定した。磁束密度の値は、０．５１Ｔであり、磁束波形の歪は２％であることが確認された。
【００２４】
【発明の効果】
以上に記述の如く、本発明によれば、磁石ユニットを構成する各永久磁石の磁気空隙と対向する側に２個の磁極を設けるので、漏洩磁束が減少し、ヨークを薄くするか又は省略しても所定の推力が得られるので、リニアモータの軽量化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わるリニアモータの断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係わるリニアモータの断面図である。
【図３】図１，２及び図４のリニアモータを構成する磁石ユニットの磁気空隙における磁束密度分布を示す図である。
【図４】従来のリニアモータを構成する磁石ユニットの断面図である。
【符号の説明】
１：リニアモータ
２：固定子
３ａ，３ｂ：磁石ユニット
３０ａ，３０ｂ：ヨーク
３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ：永久磁石
４ａ，４ｂ：基板
５：磁気空隙
６：可動子
【図１】
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【図２】
2004297843.tif 000004
【図３】
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【図４】
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