(57)【要約】【課題】相対移動推力の向上を図るとともに、推力リップルを低減することのできるリニアモータを提供し、併せて該リニアモータの適用により、ステージの可動テーブルの安定な移動を可能にする。【解決手段】一対のヨーク５にそれぞれ一連のマグネット１を取り付けられたマグネット部と、Ｕ相コイル２、Ｖ相コイル３およびＷ相コイル４を含むコイル部とを備えて構成される。各マグネット１におけるエアギャップ側の断面形は、円弧である。これにより、マグネット１の表面付近の磁束密度分布は、エアギャップ中央におけると同様に、マグネット１の配列方向（コイル部の移動方向）に沿って正弦波状となり、相対移動推力が向上され、また推力リップルが低減される。推力リップルが低減されたリニアモータをテーブルの駆動力源とするステージは、テーブルを安定に移動することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアギャップを介して相対向して線状に配置された一連のマグネットによる磁界と、該エアギャップ内に設定されるコイルによる電磁界との相互磁気作用により、該一連のマグネットと該コイルとの間に発生する相対移動作用を駆動力とし、該一連のマグネットと該コイルとの内の一方を固定体とし、該一連のマグネットと該コイルとの内の他方を移動体とし、該固定体に対し該移動体を直線的に移動させるリニアモータにおいて、
前記エアギャップを介して対向する前記マグネットの対向方向に平行であって、前記移動体の移動方向に平行な平面における前記マグネットの断面は、該エアギャップ側の形が円弧、二次曲線または正弦波形の内のいずれかであることを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
請求項１に記載のリニアモータの駆動力をテーブル移動の駆動力とすることを特徴とするステージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータ及びステージに関し、特にステージの可動テーブル移動用として使用するリニアモータ及び該リニアモータを移動動力源とするステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば半導体製造装置等において、電子部品などを高速にて加工する際に使用されるステージにおいては、該電子部品を高速移動させる駆動力源としてリニアモータが使用されている。その一例として、特開平９ー３０８２１８号公報には、「リニアモータ及びこれを用いたステージ装置や露光装置」が開示されている。図７は、移動体（コイル１７）の進行方向ｘ軸の側方より見た該従来例の断面形状を、部分的に抽出して示した概念図である。図７において、対向して配置されるヨーク１５および１６には、相対向する一連のマグネットが、コイル１７を間に置いて相互に反磁極性となるように配置されている。これらのマグネット１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ  および１３ｆ  は、ｘ軸方向に沿って磁極の極性方向が順次＋９０度ずつ変えられてヨーク１５に配置されている。他方、マグネット１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ  および１４ｆ  は、ｘ軸方向に沿って磁極の極性方向が順次ー９０度ずつ変えられてヨーク１６に配置されている。このように、各マグネットを対応するヨークに配置することにより、ヨーク１５及び１６の間において、これらのマグネットにより生成される磁界のｙ軸成分はｘ軸方向に対して正弦波状に生成される。
【０００３】
図８（ａ）及び（ｂ）は、この図７の従来例において、相対向するマグネット間において生成される磁束線と、マグネット間のエアギャップの中央付近における磁束密度分布とを、それぞれ解析により求めて示した図である。図９（ａ）及び（ｂ）は、図７のマグネットの表面付近における磁束密度分布と、該磁束密度分布の空間周波数領域（横軸：ｆ［１／  ｍ］として表示）に対応する磁束密度レベル（縦軸：Ｇａｉｎ［ｄｂ］として表示）を、それぞれ解析により求めて示した図である。図８（ｂ）に示されるように、マグネット間の中央付近においては、磁束密度分布は、ｘ軸に沿う位置に対応して正弦波状に生成されている。一方において、図９（ａ）に示されるように、マグネット表面付近における磁束密度分布は、正常な正弦波状とは異なる分布として生成されている。図９（ｂ）より明らかなように、図７のリニアモータでは、マグネット表面付近における磁束密度分布には、空間周波数領域において、正弦波状の磁束密度分布の磁束密度レベル１００に対して、推力リップルの要因となる高調波成分が多く含まれている。そこで、図７のリニアモータにおいては、磁束密度分布の移動体に対する相対推力の有効度が阻害されるとともに、推力リップルが発生し易い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のリニアモータにおいては、ヨークに配置されて相対向するマグネット間の中央付近においては、磁束密度分布が略々正弦波状に生成されてはいるものの、マグネットの表面付近における磁束密度分布には高調波成分が多く含まれているので、マグネット間の磁束密度分布による相対移動推力を有効に活用し得ないという欠点がある。また該欠点に加えて、推力リップルの発生により、円滑な駆動推力の維持が阻害されるという欠点がある。
【０００５】
図７の従来のリニアモータにおいては、隣り合うマグネットがヨーク上に互いに隙間なく配置されているので、ヨーク上に配置された状態ではマグネットの着磁ができない。そこで、図７の従来のリニアモータにおけるマグネットは、予め着磁したものをヨーク上に配置する必要がある。予め着磁したマグネットは、既にヨーク上に配置されている着磁したマグネットとの間の磁力による吸引又は反発作用を受ける。そこで、予め着磁したマグネットをヨーク上に配置する工程では、マグネットの位置決めが容易でない。したがって、図７のリニアモータには、製造工程の効率化を図ることができないという欠点がある。
【０００６】
本発明の目的は、上記の欠点を排除し、マグネットの表面付近における磁束密度分布における高調波成分を抑制することにより、マグネット間の磁束密度分布による相対移動推力の向上を図るとともに、推力リップルを低減し、移動体推力の安定度を維持し、更に製造の容易なリニアモータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。
【０００８】
（１）エアギャップを介して相対向して線状に配置された一連のマグネットによる磁界と、該エアギャップ内に設定されるコイルによる電磁界との相互磁気作用により、該一連のマグネットと該コイルとの間に発生する相対移動作用を駆動力とし、該一連のマグネットと該コイルとの内の一方を固定体とし、該一連のマグネットと該コイルとの内の他方を移動体とし、該固定体に対し該移動体を直線的に移動させるリニアモータにおいて、
前記エアギャップを介して対向する前記マグネットの対向方向に平行であって、前記移動体の移動方向に平行な平面における前記マグネットの断面は、該エアギャップ側の形が円弧、二次曲線または正弦波形の内のいずれかであることを特徴とするリニアモータ。
【０００９】
（２）上記（１）に記載のリニアモータの駆動力をテーブル移動の駆動力とすることを特徴とするステージ。
【００１０】
【作用】上記の構成によれば、マグネットの端面形状を円弧状または正弦波状とすることにより、マグネット間のエアギャップにおける磁束密度分布が、中央付近のみならずマグネットの表面付近においても正弦波状に維持されるので、マグネット間のエアギャップ内におけるコイルの有効領域の増大を図ることが可能となり、マグネットとコイル間の相対移動に対する駆動推力を向上させることができるとともに、推力リップルの影響を抑制して安定した移動体推力を得ることかできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を挙げ、本発明を一層具体的に説明する。図１は、本発明の一実施の形態における要部を示す概念図である。本図は、マグネットの配列方向（コイルの移動方向）に平行であって、エアギャップを介して対向するマグネットの対向方向に平行な面における断面図である。図１に示されるように、本実施の形態は、一対のヨーク５にそれぞれ一連のマグネット１が取り付けられて構成されるマグネット部と、Ｕ相コイル２、Ｖ相コイル３およびＷ相コイル４を含むコイル部とを備えて構成される。マグネット部においては、エアギャップを介して相対向する各マグネット１は相互に反磁気極性に着磁され、ヨーク５上に配置されている。また各マグネット１は、移動体の移動方向に沿って、所定の間隔で、磁気極性が順次に反転するように配置されている。
【００１２】
図１に表れているように、各マグネット１の断面において、エアギャップ側の端面の形が、移動体の相対移動方向に沿って円弧状の曲面をなしている。各マグネット１が、配列方向（コイルの移動方向）に平行であって、エアギャップを介して対向するマグネットの対向方向に平行な面における断面において、エアギャップ側の形が円弧をなすことが、本実施の形態の重要な特徴である。コイル部のＵ相コイル２、Ｖ相コイル３およびＷ相コイル４は、移動体相対移動方向に沿って所定の間隔にて配置されており、外部から三相の交流電力を供給されている。
【００１３】
図１において、マグネット部のマグネット１のヨーク５に沿う配置間隔は、磁束密度分布の空間周波数に対応する位相πである。またコイル部のＵ相コイル２、Ｖ相コイル３およびＷ相コイル４の各コイル間の配置間隔は、Ｕ相コイル２の位置を基準として、Ｖ相コイル３およびＷ相コイル４は、それぞれ磁束密度分布の空間周波数に対応する位相（２ｎπー２π／３）および（２ｎπ＋２π／３）である。ここにおいてｎは正の整数である。
【００１４】
本実施の形態のリニアモータにおいて、該マグネット部が固定部であり、Ｕ相コイル２、Ｖ相コイル３およびＷ相コイル４を含むコイル部が移動体である場合には、移動体（コイル部）は図１の矢印１０１方向に相対移動する。また、本実施の形態のリニアモータにおいて、マグネット部を移動体とし、Ｕ相コイル２、Ｖ相コイル３およびＷ相コイル４を含むコイル部を固定部とする構成するとき、移動体（マグネット部）は図１の矢印１０２方向に相対移動する。なお、これらの相対移動の向きは、コイル部に供給される交流電力の位相により制御することができる。
【００１５】
図１の実施の形態では、マグネット１におけるエアギャップ側の断面形状を円弧状の曲面として形成した。そこで、次に、このような形状にマグネット１を形成したときのマグネット１の表面付近の磁束密度分布の改善効果について説明する。図３（ａ）及び（ｂ）は、本実施の形態において、相対向するマグネット１の間において生成される磁束線と、マグネット１の間のエアギャップの中央付近における磁束密度分布とを、それぞれ解析により求めて示した図である。また、図４（ａ）及び（ｂ）は、マグネット１の表面付近における磁束密度分布と、該磁束密度分布の空間周波数領域における磁束密度レベルとを、それぞれ解析により求めて示した図である。
【００１６】
本実施の形態においては、図３（ｂ）に示されるように、相対向するマグネットのエアギャップの中央付近においては、磁束密度分布は、移動体の相対移動方向に沿って正弦波状に生成されている。また図４（ａ）に示されるように、マグネットの表面付近における磁束密度分布も、略々正弦波状となる。このことは、図１のマグネット１の表面付近における磁束密度分布に関する空間周波数領域における磁束密度レベルを示す図４（ｂ）を参照しても明らかである。
【００１７】
図９（ｂ）は、前述のとおり、図７の従来例のマグネット１の表面付近における磁束密度分布に関する空間周波数領域における磁束密度レベルを示す。この従来例の図９（ｂ）と本実施の形態の図４（ｂ）とを比較すると、本実施形態においては、マグネットの表面付近における磁束密度分布には、正弦波状の正常な磁束密度分布１００に対して、空間周波数領域における高調波成分の存在が著しく低減されている。これにより、図１の本実施の形態では、マグネットの表面付近においても、磁束密度分布は正弦波状に近い状態で保持されており、エアギャップ内における磁束密度分布の移動体に対する推力の有効度を格段に高めることが可能になるとともに、高調波成分による推力リップルが抑制される。
【００１８】
また、本発明の他の実施の形態として、マグネットにおけるエアギャップ側の断面形状を二次曲線状の曲面として形成した場合においても、従来例に対比して、同様の改善効果が実現される。図５（ａ）及び（ｂ）は、当該実施の形態において、相対向するマグネットの間のエアギャップの中央付近における磁束密度分布と、マグネットの表面付近における磁束密度分布とを、それぞれ解析により求めて示した図である。また、図６は、図５（ａ）及び（ｂ）の当該実施の形態に関する図であり、マグネット１の表面付近における磁束密度分布の空間周波数領域における磁束密度レベルを解析により求めて示した図である。本実施形態においては、図５（ａ）に示されるように、マグネットの間の中央付近においては、磁束密度分布は正弦波状に生成されている。また図５（ｂ）に示されるように、マグネットの表面付近における磁束密度分布についても、従来例の場合に対比して改善されており、略々正弦波状に類似した分布として生成される。このことは、図６に示される空間周波数領域における磁束密度レベルを参照しても明らかであり、前述の従来例の場合に対比して（図９（ｂ）を参照）、正弦波状の正常な磁束密度レベル１００に対して、空間周波数領域における高調波成分の存在が低減されている。これにより、マグネット１の表面付近においても、磁束密度分布は正弦波状に近い状態で保持されており、エアギャップ内における磁束密度分布の移動体に対する推力の有効度を高めることが可能になるとともに、推力リップルを抑制することができる。
【００１９】
また、マグネットにおけるエアギャップ側の断面形状を正弦波状の曲面として形成した場合においても、上述の二つの実施の形態の場合と同様に、従来例に対比して、磁束密度分布の移動体に対する相対推力の有効度を高めることが可能になり、推力リップルを抑制することができる。
【００２０】
また、上記の各実施形態のマグネット部においては、各マグネットが個別に分離された状態でヨークに取り付けられている。そこで、これらのマグネットの着磁工程では、構造上、例えばマグネットをヨークに組立てた状態において一括して着磁工程を終了させることが可能となり、製造工程の効率化を図ることができる。図７の従来例では、隣り合うマグネットが密接していたから、予め着磁したマグネットを個別にヨークに取り付ける必要あり、マグネットの取付け工程が煩瑣で、ヨークに対するマグネットの位置決めが面倒であったが、本実施の形態では、隣り合うマグネットがヨーク上に間隙をもって配置されるので、未着磁のマグネット材をヨークに取り付けた後に、マグネット材を一括して着磁でき、マグネットの位置決めが容易に正確にできる。
【００２１】
次に、本発明のステージの実施の形態について説明する。図２は、図１のリニアモータをテーブルの駆動力源として使用するステージの外観を示す概念図である。図２（ａ）は正面図を示し、図２（ｂ）は側面図を示している。図２のステージにおけるリニアモータは、一対のヨーク５に一連のマグネット１が取り付けられたマグネット部を固定部とし、Ｕ相コイル２、Ｖ相コイル３およびＷ相コイル４を含むコイル部を移動体としている。
【００２２】
図２において、マグネット部７はベース８に固定されており、コイル部１１は可動テーブル１２に固定されている。また、リニアガイド９はベース８に固定されている。可動テーブル１２は、リニアガイド９と摺動し、リニアガイド９に案内されて、ベース８上を直線的に移動する。コイル部１１に含まれるＵ相コイル２、Ｖ相コイル３およびＷ相コイル４に交流電力が供給されると、可動テーブル１２は、リニアガイド９に沿って移動する。ベース８に対する可動テーブル１２の位置は、位置センサ１０により検出されており、可動テーブル１２の可動範囲等は、該センサ出力を介して制御される。図２のステージは、図１のリニアモータを可動テーブル１２の相対移動動力源とするので、上述の該リニアモータの改善効果に対応して、可動テーブル１２の安定した移動制御特性の実現を図ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、マグネットにおけるエアギャップ側の断面形を円弧、二次曲線または正弦波形とすることにより、マグネット間のエアギャップにおける磁束密度分布が、中央付近のみならずマグネットの表面付近においても正弦波状に維持されて、これにより、エアギャップにおけるコイル部の有効動作領域の増大を図ることが可能となり、マグネット部とコイル部の相対移動に対応する磁束密度分布による推力の有効度を格段に向上させることができるという効果があり、加えて推力リップルを抑制することにより、安定した推力を維持することかできるという効果がある。
【００２４】
また、マグネットに対する着磁工程を一括して行うことにより、製造工程の効率化を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のリニアモータの一実施の形態における要部の断面を示す概念図である。
【図２】本発明のステージの外観を示す概念図である。
【図３】図１の実施の形態における、マグネット間の磁束線を示す図（ａ）と、エアギャップの中央付近の磁束密度分布を示す図（ｂ）である。
【図４】図１の実施の形態における、マグネットの表面付近の磁束密度分布を示す図（ａ）と、該磁束密度分布の空間周波数領域における磁束密度レベルを示す図（ｂ）である。
【図５】本発明のリニアモータの他の実施形態における、エアギャップの中央付近の磁束密度分布を示す図（ａ）と、マグネットの表面付近の磁束密度分布を示す図（ｂ）である。
【図６】図５に挙げた他の実施の形態における、マグネットの表面付近の磁束密度分布の空間周波数領域における磁束密度レベルを示す図である。
【図７】従来のリニアモータの一例における要部の断面を示す概念図である。
【図８】図７の従来例における、マグネット間の磁束線を示す図と、エアギャップの中央付近の磁束密度分布を示す図である。
【図９】従来例における、マグネットの表面付近の磁束密度分布を示す図（ａ）と、該磁束密度分布の空間周波数領域における磁束密度レベルを示す図（ｂ）である。
【符号の説明】
１，１３ａ  〜１３ｆ  ，１４ａ  〜１４ｆ      マグネット
２    Ｕ相コイル
３    Ｖ相コイル
４    Ｗ相コイル
５，１５，１６    ヨーク
６    可動テーブル
７    マグネット部
８    ベース
９    リニアガイド
１０    位置センサ
１１    コイル部
１２    可動テーブル
１７    コイル
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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