(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状のエアギャップを横切る磁場を発生する環状磁性トラックであって、Ｎ極及びＳ極が交互に並ぶように複数の磁石が隣接して配置される第１の磁性アレイと、Ｎ極及びＳ極が交互に並ぶように複数の磁石が隣接して配置されかつ前記第１の磁性アレイの内側に位置する第２の磁性アレイとを有し、前記第１及び第２の磁性アレイの間に前記環状のエアギャップが形成される、環状磁性トラックと、
少なくとも３つのフォーサであって、各々のフォーサは前記磁場の内側及び外側を通る複数のコイルを含み、各々のフォーサは、前記環状磁性トラックに垂直な浮上方向に浮上力を生成し、かつ、前記環状磁性トラックに沿う駆動方向に駆動力を生成するように動作し、各々のフォーサは前記環状磁性トラックに沿って異なる角度位置に配置される、少なくとも３つのフォーサと、
前記フォーサの各コイルに電流を供給し、前記電流と前記磁場との相互作用により生成される前記フォーサによる浮上力及び／又は駆動力を個別的に制御し、前記環状磁性トラックの回転運動及び／又は傾斜運動及び／又は並進運動を行わせるコントローラと、
を有する回転ポジショニング装置。
【請求項２】
前記複数のフォーサは等しい角度距離に配置される、請求項１に記載の回転ポジショニング装置。
【請求項３】
実質的に１２０°の角度距離に配置される３つのフォーサを有する請求項１に記載の回転ポジショニング装置。
【請求項４】
前記フォーサのコイルの各々は、前記駆動方向に実質的に平行に及び前記浮上方向に実質的に垂直に配置される巻き線部分と、前記浮上方向に実質的に平行に及び前記駆動方向に実質的に垂直に配置される巻き線部分とを有する、請求項１に記載の回転ポジショニング装置。
【請求項５】
前記フォーサのコイルの各々は、
前記磁場に対して内側に配置される巻き線部分と、
前記磁場に対して外側に配置される巻き線部分と、
前記磁場に対して実質的に内側に配置される対向する巻き線部分と、
を有する、請求項４に記載の回転ポジショニング装置。
【請求項６】
前記コントローラは、駆動力を生成するためにコイルに駆動電流を提供し、かつ、浮上力を生成するために同じコイルに、前記駆動電流から位相がシフトされた浮上電流を重ね合わせて提供するように形成される、請求項１に記載の回転ポジショニング装置。
【請求項７】
前記コントローラは、前記浮上力が前記駆動力から少なくとも実質的に分離されるように、前記浮上電流についての前記駆動電流からの位相シフトを提供するように形成される、請求項６に記載の回転ポジショニング装置。
【請求項８】
前記コントローラが、前記浮上電流についての前記駆動電流からの９０°の位相シフトを提供するように形成される、請求項６に記載の回転ポジショニング装置。
【請求項９】
前記環状磁性トラックを、固定部に対して浮上させる重力補償部を更に有する請求項１に記載の回転ポジショニング装置。
【請求項１０】
前記重力補償部は前記環状磁性トラックの中央部に配置される、請求項９に記載の回転ポジショニング装置。
【請求項１１】
前記重力補償部は、前記環状磁性トラックに固定的に設けられる第１磁石と、前記第１磁石に対して同じ極性で対向する第２磁石とを有する、請求項１０に記載の回転ポジショニング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転ポジショニング装置等に関連する。
【背景技術】
【０００２】
ハイエンド半導体業界では様々な機能を実行するマシンポジショニングステージ(machine  positioning  stages)(ポジショニング装置(positioning  devices)とも呼ばれる)が登場している。真空や汚染などの制約に起因して、(例えば、ボールベアリングガイドを利用することにより)それらのステージをガイドすることは従来技術では実行できない。(例えば、ガスベアリングのような)他のタイプのベアリングもそのような環境で使用することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第2005/026801号
【特許文献２】国際公開第2007/026270号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
磁力に基づく非接触ガイドのステージは、この種の用途に非常に相応しいかもしれない。通常、このタイプのステージは、自由度の各々につき1つの計6つのアクチュエータとともに設計される。しかしながら、これはシステムハードウェアの複雑さ及びコストを増加させる。
【０００５】
WO2005/026801A2(特許文献1)は、少なくとも3つのアクチュエータ装置による構造に関して6つに及ぶ自由度で光学要素を操作するための装置を開示する。各々のアクチュエータ装置は、少なくとも2つの力制御アクチュエータを有し、力制御アクチュエータの各々は1つの自由度に沿って有効な力を生成し、アクチュエータ装置の結合点を光学装置に直接的に作用させる。
【０００６】
本発明の課題は、6つ全ての自由度が、少ない数のハードウェア要素によって作動させられ、システムの複雑さ及びコストを低減する回転ポジショニング装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態による回転ポジショニング装置は、
環状のエアギャップに磁場を発生する環状磁性トラックと、
少なくとも3つのフォーサであって、各々のフォーサは前記環状のエアギャップに少なくとも部分的に合わせて配置される複数のコイルを含み、各々のフォーサは、前記環状の磁性トラックに垂直な浮上方向に浮上力を生成し、かつ、前記環状の磁性トラックに沿う駆動方向に駆動力を生成するように動作し、各々のフォーサは前記環状の磁性トラックに沿って異なる角度位置に配置される、少なくとも3つのフォーサと、
前記フォーサに電流を供給し、前記フォーサによる浮上力及び/又は駆動力の生成を個別的に制御し、前記環状の磁性トラックの回転運動及び/又は傾斜運動及び/又は並進運動を行わせるコントローラと、
を有する回転ポジショニング装置である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第1実施形態による非鉄磁性リニアモータのY-Z面に関する図。
【図２】図1の磁性トラックのリニアエアギャップのX-Y面に関する図。
【図３】非鉄磁性リニアモータのX-Z面に関する図。
【図４】整流浮上電流を図1に示されるフォーサに印加する様子をX-Z面に関して示す図。
【図５】図4に示されるフォーサに印加される例示的な整流浮上電流と整流浮上電流に応じてフォーサにより生成される例示的な浮上力とを示す図。
【図６】図1に示されるフォーサに整流駆動電流と整流浮上電流との重ね合わせを印加する様子をX-Z面に関して示す図。
【図７】図6に示されるフォーサに印加される整流駆動電流と整流浮上電流との位相シフトの例を示す図。
【図８】第2実施形態による非鉄磁性リニアモータのY-Z面に関する図を示す図。
【図９】図8に示されるフォーサに整流駆動電流と整流浮上電流との重ね合わせを印加する様子をX-Z面に関して示す図。
【図１０】本発明による第1形態の回転ポジショニング装置の斜視図を示す図。
【図１１】第1形態の回転ポジショニング装置の平面図を示す図。
【図１２】本発明による第2形態の回転ポジショニング装置の斜視図を示す図。
【図１３】本発明による第3形態の回転ポジショニング装置の斜視図を示す図。
【図１４】第3形態の回転ポジショニング装置の平面図を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜実施形態の概要＞
本発明の一実施形態により提供されるポジショニング装置は、
環状のエアギャップを横切る磁場を発生する環状磁性トラックと、
少なくとも3つのフォーサであって、各々のフォーサは前記環状のエアギャップに少なくとも部分的に合わせて配置される複数のコイルを含み、各々のフォーサは、前記環状の磁性トラックに垂直な浮上方向に浮上力を生成し、かつ、前記環状の磁性トラックに沿う駆動方向に駆動力を生成するように動作し、各々のフォーサは前記環状の磁性トラックに沿って異なる角度位置に配置される、少なくとも3つのフォーサと、
前記フォーサに電流を供給し、前記フォーサによる浮上力及び/又は駆動力の生成を個別的に制御し、前記環状の磁性トラックの回転運動及び/又は傾斜運動及び/又は並進運動を行わせるコントローラと、
を有する回転ポジショニング装置である。
【００１０】
本発明についての好ましい実施形態の一例は出願時の従属請求項に関連する。
【００１１】
本発明によれば、6つの自由度が3つの又は2つより多い自由度のアクチュエータにより作動させられ、システムの複雑さ及びコストを低減する。使用される2つの自由度のアクチュエータは、好ましくは、WO2007/026270A1(特許文献2)(特に、図6ないし図12に示されるような要素)に記載されているような種類のアクチュエータであり、この文献は本願のリファレンスに組み入れられる。
【００１２】
本願は磁性トラック及びフォーサ(forcer)を使用する非鉄磁性モータ(ironless  magnetic  motor)を開示する。「非鉄磁性モータ」は「アイアンレス磁性モータ」と言及されてもよい。フォーサは、磁性トラックのリニアエアギャップを横切る磁場の中に向けられ、整流駆動電流に応答して、X駆動軸に平行でありZ浮上軸に垂直な駆動力を生成し、かつ、整流駆動電流に対して位相シフトされて重ね合わせられる整流コイル電流に応答して、X駆動軸に垂直な力を生成する。この文献は、特に、リニアエアギャップの中に配置されるコイルを含むフォーサを開示し、X駆動軸に平行でありZ浮上軸に垂直であるコイルの第1群の浮上ターンが磁場に対して内側にあり、X駆動軸に平行でありZ浮上軸に垂直であるコイルの第2群の浮上ターンが磁場に対して外側にある。整流駆動電流がコイルに印加され、X駆動軸に平行でありZ浮上軸に垂直である駆動力を生成し、整流浮上電流が整流駆動電流に対して位相シフトされて重ね合わせられ、X駆動軸に垂直でありZ浮上軸に平行である浮上力を生成する。
【００１３】
例えば、環状磁性トラックの異なる複数の場所にこの種の(2つの自由度の)フォーサ少なくとも3つ配置してフォーサを個別的に制御することにより、環状磁性トラック(より一般的には、形状は限定されない)の回転の動きだけでなく、環状磁性トラックの傾斜の動きも可能になる。
【００１４】
一実施形態において、前記フォーサは等しい角度距離を隔てて配置される。これは、よりいっそう簡易なよりいっそう予測しやすいフォーサの制御を可能にする。
【００１５】
好ましくは、提案される回転ポジショニング装置は3つのフォーサを有し、特に、実質的に１２０°の角度距離に配置される３つのフォーサを有する。これは、環状の磁性トラックについての6つの自由度の動きを可能にする機能を提供する。これらの動きは、環状磁性トラックの浮上方向に設定される回転軸の回りの回転運動と、回転軸に対して互いに垂直な傾斜軸の回りの傾斜運動と、3つの直交する方向における並進運動とを含む。
【００１６】
好ましい実施形態において、前記フォーサのコイルの各々は、前記駆動方向に実質的に平行に及び前記浮上方向に実質的に垂直に配置される浮上ターンと、前記浮上方向に実質的に平行に及び前記駆動方向に実質的に垂直に配置される駆動ターンとを有する。
【００１７】
好ましい別の実施形態において、前記フォーサのコイルの各々は、
前記磁場に対して内側に配置される第１群の浮上ターンと、
前記磁場に対して外側に配置される第２群の浮上ターンと、
前記磁場に対して実質的に内側に配置される対向する一群の駆動ターンとを有する。
【００１８】
コントローラにより好ましい制御が行われ、コントローラは、磁性トラックに対して、駆動力を生成するためにコイルに駆動電流を提供し、かつ、浮上力を生成するために同じコイルに、前記駆動電流から位相がシフトされた浮上電流を重ね合わせて提供するように形成される。
【００１９】
更に、前記コントローラは、好ましくは、前記浮上力が前記駆動力から少なくとも実質的に分離されるように、前記浮上電流についての前記駆動電流に対する位相シフトを提供するように形成される。後に詳細に説明されるように、ポジショニング装置は、どの程度多くの機能がポジショニング装置のコントローラで実現されるかに依存して異なるレベルでアプリケーションコントローラにより制御されることが可能である。
【００２０】
更に、前記コントローラは、前記浮上電流についての前記駆動電流に対する９０°の位相シフトを提供するように形成される。これは、駆動電流が浮上電流に依存しなくなるという利点をもたらす。
【００２１】
更に別の実施形態において、回転ポジショニング装置は重力補償部を更に有し、好ましくは、それは前記環状の磁性トラックの中央部に配置される。この重力補償部は、重力に逆らう非効率的な定常的な労力を緩和する。実際的な装置においては、前記重力補償部は、前記環状の磁性トラックに固定的に設けられる第１磁石と前記第１磁石に対向する第２磁石とを有する。
【００２２】
＜図面＞
本発明についての上記及び他の形態は以下に説明される実施形態により更に明らかになるであろう。
【００２３】
図1は第1実施形態による非鉄磁性リニアモータのY-Z面に関する図を示す。
【００２４】
図2は図1の磁性トラックのリニアエアギャップのX-Y面に関する図を示す。
【００２５】
図3は非鉄磁性リニアモータのX-Z面に関する図を示す。
【００２６】
図4は整流浮上電流を図1に示されるフォーサに印加する様子をX-Z面に関して示す。
【００２７】
図5は図4に示されるフォーサに印加される例示的な整流浮上電流と整流浮上電流に応じてフォーサにより生成される例示的な浮上力とを示す。
【００２８】
図6は図1に示されるフォーサに整流駆動電流と整流浮上電流との重ね合わせを印加する様子をX-Z面に関して示す。
【００２９】
図7は図6に示されるフォーサに印加される整流駆動電流と整流浮上電流との位相シフトの例を示す。
【００３０】
図8は第2実施形態による非鉄磁性リニアモータのY-Z面に関する図を示す。
【００３１】
図9は図8に示されるフォーサに整流駆動電流と整流浮上電流との重ね合わせを印加する様子をX-Z面に関して示す。
【００３２】
図10は本発明による第1形態の回転ポジショニング装置の斜視図を示す。
【００３３】
図11は第1形態の回転ポジショニング装置の平面図を示す。
【００３４】
図12は本発明による第2形態の回転ポジショニング装置の斜視図を示す。
【００３５】
図13は本発明による第3形態の回転ポジショニング装置の斜視図を示す。
【００３６】
図14は第3形態の回転ポジショニング装置の平面図を示す。
【００３７】
＜実施形態の詳細な説明＞
先ず、WO2007/026270(特許文献2)等により知られる非鉄磁性リニアモータ(ironless  magnetic  linear  motor)が簡単に説明される(これにより、後述の提案される回転ポジショニング装置の理解が促される)。
【００３８】
図1は磁性トラック30とフォーサ(forcer)40とを利用する非鉄磁性リニアモータ21についての第1実施形態をY-Z面に関する断面図で示す。「磁性」は「磁気」と言及されてもよい。図2は一実施形態による磁性トラック30についてのX-Y面に関する断面図を示す。磁性トラック30は、リニアエアギャップ内で磁場βを生成するためのリニア磁性アレイ31とリニア磁性アレイ32とを含む。「リニアエアギャップ」は、「線状空隙」、「線形間隙」、「線状に伸びる隙間」等と言及されてもよい。リニア磁性アレイ31,32は隣接する磁石の間で180度の空間的な隔たり(spatial  separation)を有する(すなわち、対向する磁石の磁性は異なる)。図3は第1実施形態の非鉄磁性リニアモータ21の側面図を示す。
【００３９】
図1において、フォーサ40は、リニアエアギャップの中央X-Z垂直面CPに沿ってリニアエアギャップの中に配置される。フォーサ40の側面を示す図4に示されるように、フォーサ40は例えば3つのコイル41-43を含み、隣接するコイルの間には120°+n*360度の空間分離度がある(nは任意の整数である)。図4において、フォーサ40のコイル41は整流浮上電流(commutation  levitation  current)IZ1に関する電流経路により表現され、フォーサ40のコイル42は整流浮上電流IZ2に関する電流経路により表現され、フォーサ40のコイル43は整流浮上電流IZ3に関する電流経路により表現される。本願において「浮上電流」は浮上方向(Z)に流れる電流を含む概念である。
【００４０】
X駆動軸に垂直でありZ浮上軸に平行であるコイル41-43の逆向きの駆動ターン対(opposing  sets  of  driver  turns)411，412(図4ではコイル41についてのみ明示されている)は、磁場βの内側にあり、図4に最も明確に示されている。「ターン」は「巻き線」等と言及されてもよい。X駆動軸に平行でありZ浮上軸に垂直であるコイル41-43のうちの浮上ターンの一方413(図4の下側)(図4ではコイル41についてのみ明示されている)は磁場βの外側にあるが、X駆動軸に平行でありZ浮上軸に垂直であるコイル41-43のうちの浮上ターンの他方414(図4の上側)(図4ではコイル41についてのみ明示されている)は磁場βの内側にある。その結果、整流浮上電流IZ1，IZ2，IZ3を120°の位相差PS1でコイル41-43にそれぞれ印加すると、図5に最も適切に示されるようにZ浮上軸に平行な浮上力FZが生成される。文脈上適切であるならば「浮上」は「浮遊」と言及されてもよい。
【００４１】
更に、リニアモータ21は、駆動力FX及び浮上力FZの分離を(それらが完全に分離していない場合に)最大化するため、整流駆動電流(commutation  drive  current)IX1,IX2,IX3に関する整流浮上電流IZ1,IZ2,IZ3の重ね合わせについての位相シフトを提供する。本願において「駆動電流」は駆動方向(X)に流れる電流を含む概念である。具体的には、図6に示されるように、フォーサ40のコイル41は整流駆動コイルIX1における整流浮上電流IZ1の重ね合わせに関する電流経路により表現され、フォーサ40のコイル42は整流駆動コイルIX2における整流浮上電流IZ2の重ね合わせに関する電流経路により表現され、フォーサ40のコイル43は整流駆動コイルIX3における整流浮上電流IZ3の重ね合わせに関する電流経路により表現される。図7に示されるように、整流浮上電流IZ1は整流駆動コイルIX1から90°の位相差だけ位相がずれており、整流浮上電流IZ2は整流駆動コイルIX2から90°の位相差だけ位相がずれており、整流浮上電流IZ3は整流駆動コイルIX3から90°の位相差だけ位相がずれている。
【００４２】
図8を参照すると、磁性トラック30とフォーサ40とを利用する非鉄磁性リニアモータ22についての第2実施形態が示され、フォーサ40は、(図1に示される)モータ21のリニアエアギャップに対するフォーサ40の配置と比較して、リニアエアギャップの中で逆の位置関係を有する。具体的には、X駆動軸に垂直でありZ浮上軸に平行であるコイル41-43の一対の駆動ターン411，412が、磁場βの中にあり、図9に最も良く示されている。X駆動軸に平行でありZ浮上軸に垂直であるコイル41-43の浮上ターン対のうちの一方414(図9の上側)は磁場βの外側にあるが、X駆動軸に平行でありZ浮上軸に垂直であるコイル41-43の浮上ターン対のうちの他方413(図9の下側)は磁場βの内側にある。その結果、整流浮上電流IZ1,IZ2,IZ3を120°の位相差でコイル41-43それぞれに印加すると、図5に最も適切に示されるようにZ浮上軸に平行な浮上力FZが生成される。
【００４３】
図10は本発明による第1形態の回転ポジショニング装置100の斜視図を示す。文脈上適切であるならば「ポジショニング装置」は「位置決め装置」、「位置調整装置」等と言及されてもよい。図11は第1形態の回転ポジショニング装置100の平面図を示す。
【００４４】
回転ポジショニング装置100は、環状エアギャップ113の中で磁場を生成する環状磁性トラック110を有する。文脈上適切であるならば「環状」は「円形」等と言及されてもよい。環状磁性トラック110は、概して、図2に示されるリニア磁性トラック30と同様に形成され、複数の磁石を有する第1の(外側の)環状磁性アレイ111と、複数の磁石を有する第2の(内側の)環状磁性アレイ112とを有し、環状エアギャップ113の中で磁場を生成し、この場合において、磁性アレイ111,112の各々の磁石(すなわち、磁極)は交互に配置される。環状磁性アレイ111，112は隣接する磁石の間で180°の空間分離度を有し、すなわち、磁性アレイ111の磁北極は磁性アレイ112の磁南極に対向して配置される。
【００４５】
一実施形態では、曲がった磁石が磁性アレイ111，112に使用され、これは、磁性トラック110のギャップ内での可動範囲を増やすことに寄与するが、必ずしも必須ではない。更に、一実施形態では、より多数の磁石を用いて力の揺らぎを少なくしてもよいが、必須ではない。
【００４６】
回転ポジショニング装置100は3つのフォーサ(一般的には、少なくとも2つのフォーサ)を更に有し、これらのフォーサは例えば(一般的には静的な)支持構造130上に設けられる。文脈上適切であるならば「支持構造」は「キャリア構造」、「担体構造」等と言及されてもよい。フォーサは、上述したような、特に、図1、図4、図6、図8、図9に示されるような同じ種類であってもよい。一般に、各々のフォーサ120、121、1222は複数のコイルを含む(この実施形態では、フォーサ120について3つのコイル1201、1202、1203が示されている)。これらのコイルは、環状ギャップ113とともに少なくとも部分的に配置され、かつ、環状磁性トラック110に垂直な浮上方向(ここでは、Z軸方向)に浮上力を生成することに加えて、環状磁性トラックに沿う駆動方向(ここでは、Z軸の周りに回転する方向RZ)に駆動力を生成するようにそれぞれ動作することが可能である。図10及び図11に示されるように、フォーサ120，121，122は環状磁性トラックに沿って異なる角度位置に配置され、好ましくは、等しい角度距離を隔てて配置される。
【００４７】
更に、回転ポジショニング装置100は、フォーサ120,121,122に電流を供給するコントローラ140を有し、コントローラ140は、フォーサによる浮上力及び/又は駆動力の生成を個別的に制御し、環状磁性トラック110の回転運動(すなわち、特に、RZ方向の運動)及び/又は傾斜運動(すなわち、特に、RX及び/又はRY方向の回転運動)及び/又は並進運動(すなわち、特に、X,Y及び/又はZ方向の運動)を実行させる。「傾斜運動」は「傾斜角制御」、「チルティング運動」等と言及されてもよい。
【００４８】
これにより、(一般的な場合にはそのように限定されないが)環状磁性トラック110の回転運動(すなわち、特に、RZ方向の運動)は、フォーサ120,121,122を制御して駆動力をもたらすことにより達成される。環状磁性トラック110の傾斜運動(すなわち、特に、RX及び/又はRY方向の回転運動)は、(所望の傾斜角の方向に依存して)フォーサ120,121,122のうちの2つ以上を制御し、何れかのフォーサに追加的な浮上力をもたらし、他の1つ又は2つのフォーサにおける浮上力を減らすことにより達成される。環状磁性トラック110の並進運動(すなわち、特に、X,Y及び/又はZ方向の運動)は、1つ以上のフォーサ120,121,122を制御して駆動力及び/又は浮上力をもたらすことにより達成される。特に、Z軸方向における並進運動を達成するために、全てのフォーサ120,121,122が浮上力をもたらすように制御される。X及び/又はY軸方向の並進運動を達成するために、2つ又は3つのフォーサ120,121,122が駆動力をもたらすために制御され、他のフォーサは浮上力をもたらすように制御され、駆動力が磁性トラックの重心とは異なるZ軸上の高さの場所に作用する場合に、駆動力に起因して生じる可能性のある望まれない傾斜角(傾斜角の対)を補償する。
【００４９】
重力の補償装置が無い場合、常に浮上力が存在する必要がある。その浮上力を増加又は減少させることにより、垂直面内での動きが実現される。(後述するように)重力の補償装置が有る場合、受動的な要素により一定の浮上力が実現され、例えば、逆の極性の磁石や弱いスプリング等を利用することが可能である。
【００５０】
かくて、提案される回転ポジショニング装置の実施形態により提供される6自由度(degrees  of  freedom：DOF)の非鉄リニア運動プラットフォームは6つのDOF能動制御を行い、多位相非鉄フォーサ3つと環状磁性トラックとの組み合わせを含む。更なる案内手段は必要ない。文脈上適切であるならば「案内手段」は「動作を案内する手段」、「ガイド」等と言及されてもよい。回転ポジショニング装置は、能動的なガイド手段としても機能し、回転方向に垂直な5つの自由度における機能的ストローク(functional  stroke)として追加的に使用可能である。
【００５１】
ポジショニング装置を制御するために、一実施形態では、磁性トラックの位置が検出される。(x,y,RX,RY,RZ)のような所望の設定点に対するカーテシアン座標による位置の誤差が算出される。その後に、設定点に対する補正に必要な力が差出される。次に、アクチュエータ毎に、必要とされる浮上力及び駆動力が算出される。最終的に、アクチュエータ毎に、必要な力を生成するために、2点依存性の電流(two  position  dependent  current)(整流電流)が算出される。
【００５２】
一般に、ポジショニング装置は、ポジショニング装置のコントローラにおいてどの程度多くの機能が実行されるかに依存する様々なレベルでアプリケーションコントローラにより制御されることが可能である。最も低いレベルは2つの電流とともに各々のアクチュエータを制御するものであり、2つの電流は、場所依存性(整流)であり、駆動力及び浮動力に依存する。次のレベルは、各々のアクチュエータの整流がコントローラで実行される場合であり、これは、アプリケーションコントローラが、必要な浮上力及び駆動力(の通知)を、ポジショニング装置のコントローラに送り、ポジショニング装置のコントローラが、必要な電流を算出することを意味する。更に別のレベルでは、アプリケーションコントローラが、直交する力(x,y,z,Rx,Ry,Rz)をポジショニング装置のコントローラに送る(ポジショニング装置は上記のレベルで動作する)。最終的に、別のレベルにおいて、アプリケーションコントローラは、ポジション設定点及び運動プロファイル(例えば、v,a,jであり、v=速度、a=加速度、j=加加速度(jerk))をコントローラに提供する。
【００５３】
図12は本発明による第2形態の回転ポジショニング装置100’の斜視図を示す。この実施形態によれば、X,Y,Z,Rx及び/又はRyポジションは、回転部の基準面を監視する複数のセンサ150,151,152を利用することにより測定され、例えば、支持構造130のような固定され系に配置される誘導容量性センサ等を利用することにより測定される。更に、一実施形態において、RZの位置はスケール部161及びセンサヘッド160を有する従来の光学式リニア測定システムにより測定され、好ましくは、可動部(すなわち、環状磁性トラック)に配置されるスケール部により測定される。
【００５４】
(不図示の)代替的な実施形態では、固定された系に配置される複数のエンコーダヘッドを利用することが可能であり、スケール部は、6つの自由度の全てを測定するために可動部(環状磁性トラック)に配置される。例えば、1つの回転スケール部を監視する3つのエンコーダヘッドの配置構成により、3つの自由度が測定可能である。
【００５５】
しかしながら、必要な(測定)範囲に相応しい他の任意のタイプのセンサが等しく適用可能である。
【００５６】
図13は本発明による第3形態の回転ポジショニング装置100”の斜視図を示す。図14は第3形態の回転ポジショニング装置100”の平面図を示す。この実施形態によれば、重力補償のために、重力補償部170が磁性トラック110の中央部に配置される。
【００５７】
この実施形態では、重力補償部170は、ポジショニング装置100”の中央の領域における逆の極性の2つの磁石171,172により実現される。一方の磁石171は、放射状に配置されるスポーク173を利用することにより、可動である磁性トラック110に設けられる。他方の磁石172は例えば支持構造130上に静的に配置される。磁石171,172は、それらの極性が逆方向を指すように配置される。例えば、一実施形態では、磁石171の磁北極が磁石172に対面し、磁石172の磁北極が磁石171に対面する。
【００５８】
磁石171,172は磁性トラック110を持ち上げる静的な力を提供し、そのような力がなかったならば磁性トラック110を持ち上げるためにフォーサ120,121,122のコイルにより駆動される必要がある定常電流を減らす。この実現手段は磁性トラック110と静的な支持構造130との間に優れた剛性をもたらす。別の形態において、弱い剛性又は弱いスプリングを有する重力補償部又は磁石が使用されてもよい。
【００５９】
要するに、本発明の実施形態によれば、6つの自由度で完全に浮上する完全に磁力により浮上させられる回転ポジショニング装置が、非鉄性の環状磁性トラックと、多位相のフォース3つと、適切なセンサと、制御系とともに提供される。例えば、重力を補償するために回転部の中央部に永久磁石を利用することにより、本装置は重力補償部とともに拡張されることも可能である。
【００６０】
本装置は(位置決めの動作原理において)機械的な接点が全く無いように設計されることが可能であり、これにより、真空中での動作を促し、長期間にわたって汚染されにくいこと等の優れたパフォーマンスをもたらす。フォーサの特定の組み合わせにより、非常にコスト効果的な軽量かつ簡易な設計が、相対的に小さな寸法の要求とともに提供され、これは一般に大きな加速度及び速度を可能にする。電力消費も相対的に少なくなり、その理由は、可動部の質量が設計により制限され、少なくとも、重力を補償する重力補償部を伴う形態の場合には、静止状態の重力が重力補償部により生成される力によって補償されるからである。
【００６１】
提案されるフォーサにより、例えば、市販のリニアモータのフォーサ及び磁性トラックとともに、直交する2つの交換法則(commutation  laws)の重ね合わせにより、独立した作用力が2つの直交する方向で発揮されることが可能である。このようにして、リニアモータ(1つの主要な力の方向)はプレーナモータ(平面状モータ)になる(第1の力に垂直な方向に独立に指定可能な第2の力が得られる)。
【００６２】
例えば120°離れて配置される3つのフォーサのような2つ以上のそのようなフォーサを環状磁性トラックに組み合わせる提案による優れた形態によれば、次の観点から恩恵が得られる：
−ライフタイムパフォーマンス(寿命)：ベアリングに機械的な接触点が存在しないことに起因して、装置の寿命が理論上無限になる。
【００６３】
−ダイナミックパフォーマンス：機械的な接触点(すなわち、摩擦)が存在しないことにより、装置の更に正確な位置決めが可能になる。
【００６４】
−ワイヤレス(無線)：固定系と可動装置との間に何らのケーブルも存在しないことにより(或いは、存在しないようにできる可能性があるので)、(ケーブルに起因する変動が存在しないことに起因して)寿命やダイナミックパフォーマンスを更に増進される。
【００６５】
−装置の複雑性及びコスト：6つの自由度の各々についてアクチュエータを利用する他の装置と比較して、提案される発明は、6つの自由度に対して3つのアクチュエータしか必要としない。
【００６６】
−非汚染性：装置の中で機械的な接触点が存在しないことに起因して、望まれない粒子の発生を回避することが可能になり、例えば、本装置は半導体製造用途に適したものになり得る。潤滑油も存在しないことに起因して、(例えば、排気に起因して或いは二次汚染に起因して)潤滑油に含まれる何らかの分子による汚染も回避される。
【００６７】
本発明について可能性のある応用分野は、例えば次のような分野を含む：
−半導体製造装置、電子アセンブリ及び機械化。  
−(ケーブルのない、スパークのない、摩擦のない)反応環境又は浸食環境においてサンプル及び/又は基板の位置決めを行う汎用のポジショニングステージ。  
−大きな加速度及び速度に適したポジショニングステージ(軽量であり、ピーク力/可動質量の比率が本設計により非常に大きくなる)。  
−真空環境における用途のためのポジショニングステージ。  
−製造設備。  
−医療用途におけるポジショニング装置(例えば、X線装置におけるシャッターブレード)。  
−消費者電子機器(CD/DVD/ブルーレイドライブシステム)。  
−エネルギストレージ(フライホイール)。
【００６８】
本発明は図面及び明細書により詳細に説明及び記載されてきたが、そのような説明及び記載は例示的又は具体例と解釈されるべきであり、限定的に解釈されるべきではない；本発明は開示された実施形態には限定されない。添付の特許請求の範囲、明細書及び図面により、開示された実施形態に対する他の変形例が、本願発明を実施する当業者によって理解されかつ使用されることが可能である。
【００６９】
特許請求の範囲において、「有する」という用語は他の要素やステップを排除しておらず、「ある」又は「或る」のような要素に先行する言葉は、要素が複数個存在することを排除しない。特許請求の範囲に列挙される複数の事項についての機能を1つの要素又は他のユニットが満足してもよい。ある複数の事項が互いに異なる従属請求項で言及されているという事実それだけでは、それらの事項の組み合わせを有利に使用できないことを意味しない。
【００７０】
特許請求の範囲に何らかの参照番号が示されていたとしてもそれらは特許請求の範囲を限定するように解釈されるべきではない。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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