(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線と、前記電機子巻線を覆うように設けられたキャンとを備え、前記電機子巻線の周囲に冷媒を流して冷却するようにしたリニアモータ電機子であって、
前記キャンは、内側キャンと外側キャンとからなる２層構造で構成されると共に、前記電機子巻線と前記内側キャンの間に形成される内側流路と、前記内側キャンと前記外側キャンの間に形成される外側流路とを備えており、
前記キャンの両端部は、一方端が冷媒供給口となり、他方端が冷媒排出口となるように配設されたヘッダを有しており、
前記キャンの冷媒供給口近傍には、前記冷媒供給口から供給された冷媒が前記内側流路と前記外側流路とに分岐して流れるように、前記内側流路と前記外側流路とを連通する連通部を設けてあり、
前記ヘッダの冷媒排出口には、前記内側流路用の冷媒排出口と接続するように設けた内側排出配管と、該内側排出配管の外側を覆うように配設されると共に前記外側流路用の冷媒排出口と接続するように設けた外側排出配管とを備えており、冷媒を二層の状態で排出するようにしたことを特徴とするリニアモータ電機子。
【請求項２】
前記外側キャンおよび前記内側キャンを矩形筒状に成形したことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ電機子。
【請求項３】
前記外側キャンおよび前記内側キャンを円筒状に成形したことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ電機子。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のリニアモータ電機子と、当該電機子と空隙を介して互いに対向配置させた界磁部とを備え、前記界磁部は、ヨークと、前記ヨーク上に交互に極性が異なるように隣り合わせに複数個並べて配置させた永久磁石とで構成され、前記電機子と前記界磁部の何れか一方を相対移動する可動子に、他方を固定子とすることを特徴とするリニアモータ。
【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、半導体製造用の投影露光装置、形状計測装置あるいは高精度加工機などに使用されるリニアモータ電機子およびリニアモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子、液晶表示素子等を製造するためのファトリソグラフィー工程で使用される投影露光装置（ステッパー）、ウェハ等被加工物を計測するための形状計測装置、あるいは高精度加工機などの精密位置決めが要求される装置では、それらの駆動源であるリニアモータからの発熱が装置性能に悪影響を及ぼす。詳しく説明すると、該リニアモータの電機子巻線から発生した熱によって、電機子巻線の支持体や周囲の構造体、雰囲気が加熱されて昇温し、リニアモータにより駆動されるＸＹステージの位置決め精度が著しく低下する。このようなリニアモータの電機子巻線の温度変化を防止するため、電機子巻線を強制冷却する冷却機構を備えたリニアモータは、例えば本出願人により出願された実開平６−０４１３８１号公報、実開平６−７０４８４号公報のなかで開示されている。
【０００３】
図７は従来技術の一例を示すリニアモータの全体斜視図で、界磁側を可動子に、電機子側を固定子とした可動磁石形リニアモータの例である。図７において、１２は可動子、１３は可動子ベース、１４はヨーク、１５は永久磁石、２１は固定子、２２は固定子ベース、２４はヘッダ、２５は冷媒供給口、２６は冷媒排出口、２７はキャンである。固定子２１は、固定子ベース２２と、ヘッダ２４と、キャン２７と、電機子巻線（不図示）とより構成される。キャン２７の両端に配置されるヘッダ２４は、キャン２７両端のうち何れか一方端に冷媒を供給するための冷媒供給口２５と、他方端に冷媒を排出するための冷媒排出口２６を有している。また、可動子１２は、可動子ベース１３と、ヨーク１４と、永久磁石１５とより構成される。可動子１２は、図示しないリニアガイド等によって固定子２１に対して一定のクリアランスを確保するよう支持されている。
【０００４】
次に、固定子２１について詳しく説明する。図８は図７のＡ−Ａ線に沿う正断面図である。図８において、２８は流路、２９は電機子巻線、３０は巻線固定枠である。固定子２１は全体的に逆Ｔ字の形状を成しており、固定子ベース２２の窪みに対して上向きにキャン２７が支持されている。このキャン２７を密封しているヘッダ（不図示）、キャン２７およびヘッダ（不図示）で作られる空間内には巻線固定枠３０が配置されると共に、巻線固定枠３０の長手方向に沿って電機子巻線２９が固定されている。そして、このキャン２７の中を冷媒が通過するための流路２８が設けられている。それから、キャン２７は磁界内に配置されることから、非磁性材料例えばステンレス、樹脂、セラミックスが使用される。
【０００５】
このような構成において、所定の電流を電機子巻線２９に通電することにより、永久磁石１５の作る磁界と作用して可動子１２には推力が発生する。そして、図７に示すように可動子１２は矢印で示す進行方向に移動可能となる。
【０００６】
それから、冷媒を固定子２１に設けた冷媒供給口２５から供給し、冷媒排出口２６から排出することにより、冷媒は電機子巻線２９とキャン２７によって形成される流路２８を流れ、銅損によって発熱した電機子巻線２９の発熱を回収しモータ表面の温度上昇を低く抑えるようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の技術では、冷媒流量を一定にして電機子巻線２９の冷却能力を上げるためには、冷媒に高い熱吸収効率が要求される。しかし、電機子巻線２９の絶縁特性を確保するため、冷媒は化学的に不活性であることが望まれるが、一般的に不活性冷媒は熱吸収効率が悪い。
【０００８】
また、冷媒流量を増すことで冷却能力を上げることも可能であるが、冷媒の圧力によりキャンが変形すること、熱吸収効率の悪い不活性冷媒であること、装置制約を受けることにより限界があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、従来の不活性冷媒を使用しつつ、冷媒流路に改良を加えることにより、キャンの変形を防止し、リニアモータの温度上昇を大幅に低減することができる冷却能力の高いリニアモータ電機子およびリニアモータを提供することを目的とする。
【００１０】
【問題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の本発明は、電機子巻線と、前記電機子巻線を覆うように設けられたキャンとを備え、前記電機子巻線の周囲に冷媒を流して冷却するようにしたリニアモータ電機子であって、前記キャンは、内側キャンと外側キャンとからなる２層構造で構成されると共に、前記電機子巻線と前記内側キャンの間に形成される内側流路と、前記内側キャンと前記外側キャンの間に形成される外側流路とを備えており、前記キャンの両端部は、一方端が冷媒供給口となり、他方端が冷媒排出口となるように配設されたヘッダを有しており、前記キャンの冷媒供給口近傍には、前記冷媒供給口から供給された冷媒が前記内側流路と前記外側流路とに分岐して流れるように、前記内側流路と前記外側流路とを連通する連通部を設けてあり、前記ヘッダの冷媒排出口には、前記内側流路用の冷媒排出口と接続するように設けた内側排出配管と、該内側排出配管の外側を覆うように配設されると共に前記外側流路用の冷媒排出口と接続するように設けた外側排出配管とを備えており、冷媒を二層の状態で排出するようにしたことを特徴としている。
【００１１】
【００１２】
【００１３】
また、請求項２の本発明は、請求項１記載のリニアモータ電機子において、前記外側キャンおよび前記内側キャンを矩形筒状に成形したものである。
【００１４】
また、請求項３の発明は、請求項１記載のリニアモータ電機子において、前記外側キャンおよび前記内側キャンを円筒状に成形したものである。
【００１５】
さらに、請求項４の本発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のリニアモータ電機子と、当該電機子と空隙を介して互いに対向配置させた界磁部とを備え、前記界磁部は、ヨークと、前記ヨーク上に交互に極性が異なるように隣り合わせに複数個並べて配置させた永久磁石とで構成され、前記電機子と前記界磁部の何れか一方を相対移動する可動子に、他方を固定子とするリニアモータとしたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施例を示す固定子に電機子巻線を配置したリニアモータの部分側断面図、図２は図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。図１および図２において、１は固定子、２は内側キャン、３は外側キャン、４はヘッダ、５は冷媒供給口、６は冷媒排出口、７は内側流路、８は外側流路、９は電機子巻線、１０は巻線固定枠、１１は端子台、１２は可動子、１３は可動子ベース、１４はヨーク、１５は永久磁石である。なお、電機子巻線９が巻線固定枠１０の長手方向に複数個配置された点、可動子１２がヨーク１４と永久磁石１５とで構成されると共に、図示しないリニアガイド等により支持された点は従来と同じである。
【００１７】
本発明が従来技術と異なる点は、以下のとおりである。すなわち、図８に示した従来技術のキャンに替えて、図２に示すごとく当該キャンを内側キャン２と外側キャン３とからなる２層構造とすると共に、この外側キャン２および内側キャン３を矩形筒状に成形している点である。そして、外側キャン２、内側キャン３は電機子巻線９と内側キャン２の間に形成される内側流路７と、内側キャン２と外側キャン３の間に形成される外側流路８とを備えてある。なお、各々のキャン２、３は、冷媒の漏れが無いよう溶接あるいはシール剤等で密封締結されている。
【００１８】
それから、図１に示すように各々のキャン２、３における冷媒供給口５の近傍には、冷媒供給口５から供給された冷媒が内側流路７と外側流路８とに分岐して流れるように、内側流路７と外側流路８とを連通する連通部７Ａ、８Ａが設けられている。
【００１９】
次に、リニアモータの冷却機構の動作について説明する。冷媒供給口５より供給された冷媒は連通部７Ａ、８Ａに流れ込んだ後、内側流路７、外側流路８にそれぞれ分岐され、固定子１のほぼ全長にわたり流れる。このとき、内側流路７に流れる冷媒は、従来技術と同様に電機子巻線９を直接冷却し大半の熱回収を行なう。一方、外側流路８を流れる冷媒は、内側流路７を流れる冷媒で回収できなかった熱のみを同等の熱回収率で回収するため、モータ表面に現れる温度上昇は格段に低減される。
【００２０】
第１実施例は上記の構成にしたので、内側流路７と外側流路８を流れる冷媒は、固定子１のほぼ全長においてお互い混ざり合うことはなく、内側流路７を流れる冷媒は電機子巻線９を直接冷却し熱回収し、外側流路８を流れる冷媒は、内側流路７での未回収分について再度熱回収することから、不活性冷媒を使用しつつ、冷媒流路に簡単な改良を加えることにより、リニアモータの表面温度上昇を大幅に低減することができる。また、キャン内部に形成される冷媒流路を二層構造とし、冷媒を内部で分岐させる構成にしたことで、冷却能力は従来に比べて上がっているため、本発明は、従来に対して冷媒流量を制限（減少）させても、温度上昇の効果は従来と等しく、結果としてキャンの変形を軽減することができる。
【００２１】
次に、本発明の第２実施例について説明する。図３は本発明の第２実施例を示す固定子に電機子巻線を配置したリニアモータの部分側断面図である。なお、図３におけるリニアモータのＡ−Ａ線に沿う正断面図は、図２と同じである。また、第２実施例の構成要素が第１実施例と同じものについては同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
【００２２】
第２実施例のうち、キャンが内側キャン２と外側キャン３の２層構造で構成すると共に、電機子巻線９と内側キャン２の間に形成される内側流路７と、内側キャン２と外側キャン３の間に形成される外側流路８とを備えた点は、第１実施例と同じである。これに対して、第２実施例が第１実施例と異なる点は、図３に示すごとくキャンの一方端に冷媒供給口５および冷媒排出口６を有したヘッダ４が設けてあり、また、内側キャン２には、冷媒供給口５が配設される側と反対側の他方端に、冷媒供給口５から供給された冷媒が外側流路８を介して、内側流路７に向かって折り返して流れるように、外側流路８と内側流路７とを連通する、例えば冷媒折り返し用穴１６などの連通部を設けた点である。
【００２３】
次に、リニアモータの冷却機構の動作について説明する。冷媒供給口５から供給された冷媒は、内側キャン２と外側キャン３で囲まれた外側流路８を通り、固定子１のほぼ全長にわたり流れる。内側キャン２には、冷媒供給口５が配設される側と反対側の他方端に冷媒折返し用穴１６が形成されているため、冷媒が冷媒折返し穴１６を通り、内側キャン２と電機子巻線９とからなる内側流路７へ流れ込む。このとき、冷媒折返し用穴１６以外での内側流路７と外側流路８の冷媒の行き来はなく、先に流れた外側流路８内の冷媒は、初期温度のままモータ表面を温度保護することになり、この後、内側流路７に流れ込んだ冷媒は、電機子巻線９を直接冷却しながら熱回収し、冷媒排出口６より排出される。
【００２４】
第２実施例は上記の構成にしたので、冷媒供給口５の反対端で折返した冷媒は内側流路に流れ込み、熱回収を行ないながら冷媒排出口６より排出されるが、常に外側流路には新鮮な冷媒が供給され温度的に保護していることから、第１実施例同様に不活性冷媒を使用しつつ、冷媒流路に簡単な改良を加えることにより、リニアモータの表面温度上昇を大幅に低減することができる。また、キャン内部に形成される冷媒流路を二層構造とし、冷媒を内部で折り返す構成にしたことで、冷却能力は従来に比べて上がっているため、本発明は、従来に対して冷媒流量を制限（減少）させても、温度上昇の効果は従来と等しく、結果としてキャンの変形を軽減することができる。
【００２５】
次に、本発明の第３実施例について説明する。図４は本発明の第３実施例を示すリニアモータ電機子の側断面図であって、円筒形リニアモータの適用例である。図４において、３１は第１内側キャン、３２は第２内側キャン、３３は外側キャン、３４はヘッダ、３５は冷媒供給口、３６は冷媒排出口、３７は第１内側流路、３８は第２内側流路、３９は外側流路である。
【００２６】
第３実施例の特徴は以下のとおりである。すなわち、第１および第２実施例で示した矩形筒状に成形された外側キャンおよび内側キャンに替えて、円筒状に成形された第１内側キャン３１、第２内側キャン３２および外側キャン３３とよりなるキャンを構成した点である。また、各々のキャン３１、３２、３３における冷媒供給口３５の近傍には、図４に示すごとく、冷媒供給口３５から供給された冷媒が第１内側キャン３１、第２内側キャン３２および外側キャン３３とよりなるキャンに分岐するように連通させた構造となっている。なお、冷却機構の動作については、第１実施例と基本的に同じであるため、説明を省略する。
【００２７】
第３実施例は上記の構成にしたので、キャン形状を円筒形としたことで、冷媒流量の圧力によって応力分布が円周方向に均等化するため、第１および第２実施例に比べて圧力変形耐力を一層向上することができる。また、圧力変形耐力が向上しているため、真空環境や外的圧力が加わる環境下での使用も良好である。
【００２８】
次に、本発明の第４実施例について説明する。図５は、本発明の第４実施例を示すリニアモータ電機子の側断面図であって、円筒形リニアモータの適用例である。なお、第４実施例の構成要素については基本的に第３実施例と同じであるため、同一符号を付してその説明を省略する。
【００２９】
第４実施例は第３実施例と同じく、円筒状に成形された第１内側キャン３１、第２内側キャン３２および外側キャン３３とよりなるキャンを構成した点であり、図５に示すことく冷媒を供給口の反対側の端部で折返す構造とした点で異なっている。なお、冷却機構の動作については、第２実施例と基本的に同じであるため、説明を省略する。
【００３０】
第４実施例は上記の構成にしたので、キャン形状を円筒形としたことで、冷媒流量の圧力によって応力分布が円周方向に均等化するため、第３実施例と同様に圧力変形耐力を一層向上することができる。また、圧力変形耐力が向上しているため、真空環境や外的圧力が加わる環境下での使用も良好である。
【００３１】
なお、第１実施例においては、キャンの他方端に冷媒排出口６を有するヘッダを設けて、内側流路７、外側流路８に対応した冷媒排出口６、６を介して外部の図示しない配管に排出する構成を示したが、内側流路７用の冷媒排出口６と、外側流路８用の冷媒排出口６の端部に、冷媒を二層の状態で排出させる配管構成にしても構わない。図６は、本発明の別の実施例を示す冷媒排出用の配管の取付状態を示した断面図である。すなわち、図６において、ヘッダ４の冷媒排出口６に、内側流路７用の冷媒排出口６と接続するように設けた内側排出配管４１と、該内側排出配管４１の外側を覆うように配設されると共に外側流路８用の冷媒排出口６と接続するように設けた外側排出配管４２とが備えられ、冷媒を二層の状態で排出するようにする、内側排出配管４１と外側排出配管４２とでなる空間には、外側流路８を流れる比較的温度上昇が少ない冷媒が流れ、内側流路７を流れた熱回収済の冷媒を覆いながら図示しない冷媒循環装置へ排出する。これにより、キャン内部で熱交換された冷媒が、モータ本体以外の排出配管部の温度上昇をも大幅低減することができる。このような手段は、第３実施例に適用することも可能である。
【００３２】
また、第２実施例において、連通部の一例として冷媒折返し用穴１６を挙げているが、穴に限定するものではなく、冷媒供給側の反対端で冷媒が外側から内側へ折返すことを特徴とする。
【００３３】
また、リニアモータは、固定子あるいは可動子の何れかの一方に電機子巻線、界磁部を配置する点は、適宜選択が可能であることは言うまでもない。また、通電方式についても直流通電、交流通電方式の限定をするものではない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の実施例によれば、以下のような効果がある。
（１）第１実施例は上記の構成にしたので、内側流路と外側流路を流れる冷媒は、固定子のほぼ全長においてお互い混ざり合うことはなく、内側流路を流れる冷媒は電機子巻線を直接冷却し熱回収し、外側流路を流れる冷媒は、内側流路での未回収分について再度熱回収することから、不活性冷媒を使用しつつ、冷媒流路に簡単な改良を加えることにより、リニアモータの表面温度上昇を大幅に低減することができる。また、キャン内部に形成される冷媒流路を二層構造とし、冷媒を内部で分岐させる構成にしたことで、冷却能力は従来に比べて上がっているため、本発明は、従来に対して冷媒流量を制限（減少）させても、温度上昇の効果は従来と等しく、結果としてキャンの変形を軽減することができる。
【００３５】
（２）第２実施例は上記の構成にしたので、冷媒供給口の反対端で折返した冷媒は内側流路に流れ込み、熱回収を行ないながら冷媒排出口より排出されるが、常に外側流路には新鮮な冷媒が供給され温度的に保護していることから、第１実施例同様に不活性冷媒を使用しつつ、冷媒流路に簡単な改良を加えることにより、リニアモータの表面温度上昇を大幅に低減することができる。また、キャン内部に形成される冷媒流路を二層構造とし、冷媒を内部で折り返す構成にしたことで、冷却能力は従来に比べて上がっているため、本発明は、従来に対して冷媒流量を制限（減少）させても、温度上昇の効果は従来と等しく、結果としてキャンの変形を軽減することができる。
【００３６】
（３）第３実施例は上記の構成にしたので、キャン形状を円筒形としたことで、冷媒流量の圧力によって応力分布が円周方向に均等化するため、第１および第２実施例に比べて圧力変形耐力を一層向上することができる。また、圧力変形耐力が向上しているため、真空環境や外的圧力が加わる環境下での使用も良好である。
【００３７】
（４）第４実施例は上記の構成にしたので、キャン形状を円筒形としたことで、冷媒流量の圧力によって応力分布が円周方向に均等化するため、第３実施例と同様に圧力変形耐力を一層向上することができる。また、圧力変形耐力が向上しているため、真空環境や外的圧力が加わる環境下での使用も良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す固定子に電機子巻線を配置したリニアモータの部分側断面図である。
【図２】図１におけるリニアモータのＡ−Ａ線に沿う正断面図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す固定子に電機子巻線を配置したリニアモータの部分側断面図である。
【図４】本発明の第３実施例を示すリニアモータ電機子の側断面図であって、円筒形リニアモータの適用例である。
【図５】本発明の第４実施例を示すリニアモータ電機子の側断面図であって、円筒形リニアモータの適用例である。
【図６】本発明の別の実施例を示す冷媒排出用の配管の取付状態を示した断面図である。
【図７】従来技術の一例を示すリニアモータの全体斜視図である。
【図８】図７のＡ−Ａ線に沿う正断面図である。
【符号の説明】
１  固定子
２  内側キャン
３  外側キャン
４  ヘッダ
５  媒供給口
６  冷媒排出口
７  内側流路
７Ａ、８Ａ  連通部
８  外側流路
９  電機子巻線
１０  巻線固定枠
１１  端子台
１２  可動子
１３  可動子ベース
１４  ヨーク
１５  永久磁石
１６  冷媒折返し用穴（連通部）
３１  第１内側キャン
３２  第２内側キャン
３３  外側キャン
３４  ヘッダ
３５  冷媒供給口
３６  冷媒排出口
３７  第１内側流路
３８  第２内側流路
３９  外側流路
４０  電機子巻線
４１  内側排出配管
４２  外側排出配管
【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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