(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１構成ユニット（１）と第２構成ユニット（２）とを備え、２つのうち一方の構成ユニット（１，２）が不動であり、他方の構成ユニット（１，２）が鉛直方向（Ｚ）に可動である、重力補償を行う鉛直アクチュエータにおいて、
前記第１構成ユニット（１）が、コイル（４）を有する第１磁石ヨーク（３）を備え、前記第２構成ユニット（２）が、前記コイル（４）に向けて配向された少なくとも１つの磁石（６）を有する第２磁石ヨーク（５）を備え、少なくとも１つの磁石（６）の領域における前記第１磁石ヨーク（３）と前記第２磁石ヨーク（５）との間の水平方向間隔が、鉛直方向（Ｚ）に可変であり、これにより、アクチュエータの作業範囲では第１構成ユニット（１）と第２構成ユニット（２）との間に、前記２つの構成ユニット（１，２）のうち可動な構成ユニットの重力（Ｇ）に反作用する磁気抵抗力（Ｒ）が作用し、
前記第１磁石ヨーク（３）が、鉛直方向（Ｚ）にテーパした円錐状領域を有することを特徴とする、鉛直アクチュエータ。
【請求項２】
前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットが、機械ばね（７）を介して不動領域に結合されており、前記機械ばね（７）が、前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットにばね力（Ｆ）を加える、請求項１に記載の鉛直アクチュエータ。
【請求項３】
前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットに作用する力である磁気抵抗力（Ｒ）、ばね力（Ｆ）および重力（Ｇ）が、鉛直アクチュエータの静止位置で相殺される、請求項２に記載の鉛直アクチュエータ。
【請求項４】
前記機械ばね（７）が静止位置で弛緩している、請求項３に記載の鉛直アクチュエータ。
【請求項５】
アクチュエータの作業範囲でばね力（Ｆ）および磁気抵抗力（Ｒ）が、前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットを、負荷を加えることなしに変位することができるように、または作業範囲で静止位置に向けられた戻し力が静止位置からの変位に比例して作用し、前記戻し力が、それぞれに作用するばね力（Ｆ）および磁気抵抗力（Ｒ）よりも小さくなるように選択される、請求項２から４までのいずれか一項に記載の鉛直アクチュエータ。
【請求項６】
磁気抵抗力（Ｒ）が磁気ばねのように作用し、磁気ばねの戻し力が作業範囲で前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットの変位に比例しており、機械的なばね力とは反対に向けられている、請求項２から５のいずれか一項に記載の鉛直アクチュエータ。
【請求項７】
前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットが、前記コイル（４）を流れる電流によって鉛直方向（Ｚ）に位置決め可能である、請求項１から６までのいずれか一項に記載の鉛直アクチュエータ。
【請求項８】
前記コイル（４）を流れる電流が、作業範囲で一定の鉛直方向力を前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットに誘起し、前記鉛直方力の方向が電流方向に依存している、請求項７に記載の鉛直アクチュエータ。
【請求項９】
少なくとも１つのコイル（４）の軸線が、鉛直方向に配向されており、したがって、少なくとも１つの磁石（６）の水平な励磁方向に対して垂直であり、これにより、鉛直方向のローレンツ力が前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットに作用する、請求項８に記載の鉛直アクチュエータ。
【請求項１０】
少なくとも２つの磁石（６）が、前記第１磁石ヨーク（３）に対して対称的に配置されており、これにより、前記磁石（６）の水平方向の引っ張り力が第１磁石ヨーク（３）で相殺される、請求項１から９までのいずれか一項に記載の鉛直アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重力補償を行う鉛直アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなアクチュエータは、例えば作業テーブルまたはプラットフォームを鉛直方向にできるだけ正確に位置決めする役割を果たす。
【０００３】
例えば半導体製造などの多くの用途では、鉛直方向に可動な機械素子を重力に抗して保持し、この場合に正確に位置決めする必要がある。この場合に必要な作業範囲は数ミリメートルと比較的小さいことが多く、位置決めの精度に対する要求はこのために一層高くなる。数ミリメートル以下の範囲における位置決め精度が必要とされる場合もある。
【０００４】
欧州特許出願公開第２０３４５９３号明細書により鉛直アクチュエータが既知であり、鉛直アクチュエータの作業範囲で可動構成ユニットの重力を補償するために可動構成ユニットと不動構成ユニットとの間の磁気抵抗力が利用され、これにより、可動構成ユニットは、鉛直方向運動を制御するリニアモータのスイッチ・オフ時または故障時に作業範囲を超える安定位置をとる。
【０００５】
国際公開第２００９／０９３９０７号パンフレットにより、機械ばねと磁気ばねとの組み合わせを利用したアクチュエータが既知である。ここでは、可動構成ユニットの重力をばね力によって補償することができ、２つのばねのばね定数は相殺され、これにより、アクチュエータの作業範囲で可動構成ユニットを負荷なしに変位することが可能である。これにより、不動構成ユニットと可動構成ユニットとの間の振動伝達も阻止され、このことは、正確な位置決めのために有利である。国際公開第２００９／０９３９０７号パンフレットは、機械ばねを板ばねとして構成し、これにより、可動構成ユニットのために鉛直方向のガイドを形成することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２０３４５９３号明細書
【特許文献２】国際公開第２００９／０９３９０７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、このような鉛直アクチュエータをさらに改善し、特に簡単な構成とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、請求項１に記載の鉛直アクチュエータにより解決される。本発明のさらなる詳細が従属請求項に記載されている。
【０００９】
本発明による重力補償を行う鉛直アクチュエータは、第１構成ユニットと第２構成ユニットとを備え、２つの構成ユニットのうち一方の構成ユニットは不動であり、他方の構成ユニットは鉛直方向に可動である。第１構成ユニットは、コイルを有する磁石ヨークを備え、第２構成ユニットは、コイルに向けて配向された少なくとも１つの磁石を有する第２磁石ヨークを備える。少なくとも１つの磁石の領域における第１磁石ヨークと第２磁石ヨークとの間の水平方向間隔は鉛直方向に可変であり、したがって、アクチュエータの作業範囲では第１構成ユニットと第２構成ユニットとの間には、２つの構成ユニットのうち可動な構成ユニットの重力に反作用する磁気抵抗力が作用する。
【００１０】
本願発明の実施形態は、例えば、以下の通りである。
［形態１］
第１構成ユニット（１）と第２構成ユニット（２）とを備え、２つのうち一方の構成ユニット（１，２）が不動であり、他方の構成ユニット（１，２）が鉛直方向（Ｚ）に可動である、重力補償を行う鉛直アクチュエータにおいて、
前記第１構成ユニット（１）が、コイル（４）を有する第１磁石ヨーク（３）を備え、前記第２構成ユニット（２）が、前記コイル（４）に向けて配向された少なくとも１つの磁石（６）を有する第２磁石ヨーク（５）を備え、少なくとも１つの磁石（６）の領域における前記第１磁石ヨーク（３）と前記第２磁石ヨーク（５）との間の水平方向間隔が、鉛直方向（Ｚ）に可変であり、これにより、アクチュエータの作業範囲では第１構成ユニット（１）と第２構成ユニット（２）との間に、前記２つの構成ユニット（１，２）のうち可動な構成ユニットの重力（Ｇ）に反作用する磁気抵抗力（Ｒ）が作用することを特徴とする、重力補償を行う鉛直アクチュエータ。
［形態２］
前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットが、機械ばね（７）を介して不動領域に結合されており、前記機械ばね（７）が、前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットにばね力（Ｆ）を加える、形態１に記載の鉛直アクチュエータ。
［形態３］
前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットに作用する力である磁気抵抗力（Ｒ）、ばね力（Ｆ）および重力（Ｇ）が、鉛直アクチュエータの静止位置で相殺される、形態２に記載の鉛直アクチュエータ。
［形態４］
前記機械ばね（７）が静止位置で弛緩している、形態３に記載の鉛直アクチュエータ。
［形態５］
アクチュエータの作業範囲でばね力（Ｆ）および磁気抵抗力（Ｒ）が、前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットを、負荷を加えることなしに変位することができるように、または作業範囲で静止位置に向けられた戻し力が静止位置からの変位に比例して作用し、前記戻し力が、それぞれに作用するばね力（Ｆ）および磁気抵抗力（Ｒ）よりも小さくなるように選択される、形態２から４までのいずれか一項に記載の鉛直アクチュエータ。
［形態６］
磁気抵抗力（Ｒ）が磁気ばねのように作用し、磁気ばねの戻し力が作業範囲で前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットの変位に比例しており、機械的なばね力とは反対に向けられている、形態２から５のいずれか一項に記載の鉛直アクチュエータ。
［形態７］
前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットが、前記コイル（４）を流れる電流によって鉛直方向（Ｚ）に位置決め可能である、形態１から６までのいずれか一項に記載の鉛直アクチュエータ。
［形態８］
前記コイル（４）を流れる電流が、作業範囲で一定の鉛直方向力を前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットに誘起し、前記鉛直方力の方向が電流方向に依存している、形態７に記載の鉛直アクチュエータ。
［形態９］
少なくとも１つのコイル（４）の軸線が、鉛直方向に配向されており、したがって、少なくとも１つの磁石（６）の水平な励磁方向に対して垂直であり、これにより、鉛直方向のローレンツ力が前記２つの構成ユニット（１，２）のうちの可動な構成ユニットに作用する、形態８に記載の鉛直アクチュエータ。
［形態１０］
少なくとも２つの磁石（６）が、前記第１磁石ヨーク（３）に対して対称的に配置されており、これにより、前記磁石（６）の水平方向の引っ張り力が第１磁石ヨーク（３）で相殺される、形態１から９までのいずれか一項に記載の鉛直アクチュエータ。
本発明のさらなる利点および詳細が以下の有利な実施形態の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１構成ユニットを可動とした第１実施例を示す図である。
【図２】第１構成ユニットを不動とした第２実施例を示す図である。
【図３】第１実施例の変化態様である第３実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１には、重力補償を行う鉛直アクチュエータの第１実施例が示されている。第１構成ユニット１は、この実施例では可動であり、アクチュエータによって不動構成ユニット２に対して鉛直方向Ｚの所望の位置に移動される。
【００１３】
このために、第１構成ユニット１は、Ｚ方向にテーパした円錐状領域を有する第１磁石ヨーク３を備える。第１磁石ヨーク３は担体１０を介して実負荷に結合されている。この実負荷は、例えばテーブルであり、テーブルには、ウェーハが加工または検査のために載置されている。ここでは、例えば検査顕微鏡においてウェーハが鮮明に結像される領域にウェーハの表面を移動するために、ウェーハの位置をＺ方向に正確に調節すること必要がある。このようなテーブルは、この場合、状況に応じて複数の、例えば３つのアクチュエータによって保持され、これにより、ウェーハを傾動させるために付加的な自由度が生じる。
【００１４】
第１磁石ヨーク３の円錐領域にはコイル４が配置されており、コイル４は、Ｚ方向に配向されたコイル軸線を有し、第１磁石ヨーク３にいわば巻き付いている。
【００１５】
第２構成ユニット２は不動であり、したがって、例えば機械の基礎に堅固に結合されている。第２構成ユニットは、ここではコップ状の第２磁石ヨーク５を備え、第２磁石ヨーク５の内周には、コイル４もしくは円錐状の第１磁石ヨーク３の領域に、磁石６が取り付けられている。全ての磁石６の励磁方向は水平方向に向いており、この場合、第２磁石ヨーク５の鉛直方向対称軸線の方を向いているか、またはこれから離反している。第１磁石ヨーク３に対して対称的な磁石６の配置によって、第１構成ユニット１と第２構成ユニットとの間に磁石６によって誘起される水平方向の引っ張り力は相殺される。
【００１６】
第１磁石ヨーク３と第２磁石ヨーク５との間の水平方向間隔は、第１磁石ヨーク３の円錐状の構成により鉛直方向Ｚに変化する。すなわち、Ｚ方向に可変の磁石エアギャップが第１磁石ヨーク３と第２磁石ヨーク５との間に生じる。この磁石エアギャップは、実際に２つの磁石ヨーク３，５の間の間隔のみによって決定されることに注意されたい。磁石６およびコイル４は、相対的な透磁率が約１なので、磁石エアギャップについて何も変更しない。
【００１７】
磁石６の領域の可変な磁石エアギャップは、いま磁気抵抗力Ｒを誘起し、磁気抵抗力Ｒは磁石エアギャップができるだけ小さくなるように可動構成ユニット１を変位しようとする。すなわち、磁気抵抗力Ｒは可動構成ユニット１の重力Ｇ、ひいては実負荷にも反作用する。Ｚ方向に変化する磁石エアギャップの特殊形状により、磁気抵抗力Ｒも可動構成ユニット１のＺ位置に依存する。以下にさらに説明する適宜な手段により、磁気抵抗力Ｒと可動構成ユニット１のＺ位置との線形依存性を達成することができる。装置は、磁気ばねとみなすこともできる。
【００１８】
機械ばね７が、付加的に可動構成ユニット１と不動領域との間に配置されている。この機械ばね７のばね定数は磁気ばねのばね定数に反作用し、これにより、これら２つのばねのばね定数は完全に、または少なくとも部分的に相殺される。この場合、可動構成ユニットは力を負荷されることなしに、もしくは静止状態からの変位に対して比例したわずかな戻し力に抗して、変位され得る。これは、鉛直アクチュエータが作動されない場合に可動構成ユニットが自ら静止位置に戻るという利点を有する。さらに、鉛直アクチュエータを作業領域の任意の位置に保持するためにはわずかな電流のみが必要である。したがって、電気的な損失および熱供給は小さく、これは特に極めて正確な位置決めが重要となるシステムでは有利である。
【００１９】
有利には、機械ばね７はこの静止位置では弛緩されており、重力Ｇおよび磁気抵抗力Ｒはちょうど相殺される。機械ばね７は、可動構成ユニット１を変位するために加える力を低減する役割のみを果たす。機械ばね７および磁気ばねのばね定数が反対方向に等しい場合、静止状態からの変位時に生じるばね力が可動構成ユニット１に作用することはない。しかしながら、ばね定数の間にわずかな値の差がある場合、個々のばね力Ｆ，Ｒに比較して変位に比例した小さい戻し力が生じる。これは、可動構成ユニットが外部からのエネルギー供給なしに常に静止位置に戻るという利点を有する。これに対して、負荷が全く加えられないことは、２つの構成ユニット１，２の間の振動分離を最適化する。
【００２０】
機械ばね７は、ここでは単純なコイルばねとして示されている。コイルばねの代わりに板ばね装置を使用した場合、板ばねは付加的に可動構成ユニット１のためのガイド機能を引き受けることもできる。鉛直方向Ｚにおけるばね剛性の広範囲な補償により、特に厚く、したがって剛性の高い板ばねを使用することも可能であり、これにより、鉛直方向Ｚ以外の全ての自由度が阻止されている。
【００２１】
コイル４に電流を流すことにより、磁石６の水平方向磁界に、コイルの電流方向に依存する鉛直方向のローレンツ力が生じる。すなわち、このローレンツ力により、可動構成ユニット１を静止位置から変位し、所望の位置に移動し、そこに保持することができる。このために、通常の位置センサ機構によって、所望の位置を極めて正確に調節する制御回路を構成することもできる。
【００２２】
図１は、第１磁石ヨーク３の上方中央で第２磁石ヨーク５に配置された付加的な磁石８を示している。この付加的な磁石８は、可動構成ユニット１の重力Ｇに抗して向けられた付加的な磁気抵抗力を誘起する。全体として作用する磁気抵抗力Ｒが可動構成ユニット１のＺ位置にできるだけ線形に依存するように、第１磁石ヨーク３は、付加的な磁石８に向いた上部に円錐状の切欠き９を備える。
【００２３】
約２５Ｎ（実負荷を含む）の重力Ｇを有する可動構成ユニット１を磁気抵抗力Ｒのみによって静止位置に保持するために、鉛直アクチュエータはほぼ以下の寸法を有していればよいことがわかった。円錐領域の最大直径は２６ｍｍであり、最小直径は２１ｍｍである。この領域の鉛直方向高さが約１４ｍｍの場合、垂線に対して約１０度の円錐面傾斜が生じる。第２磁石ヨーク５の直径は４１ｍｍであり、外径は４５ｍｍである。磁石６としては、約１．３Ｔの流速密度を有するＺ方向に約１２ｍｍの高さのNd-Fe-B磁石が使用される。これらの磁石はコイル４の高さで内周全体に配置されている。
【００２４】
この場合、磁気抵抗力Ｒが重力Ｇを補償する静止位置は、アクチュエータの作業領域のほぼ中央に位置する。作業領域は、約+／−２ｍｍである。約１０Ｎ／ｍｍの磁気ばね定数が生じ、これにより、機械ばね７の選択のための手がかりも得られる。
【００２５】
図２は、第２実施例を示す。同じ構成部材には第１実施例に対応した参照符号を付す。第２実施例では、第１構成ユニット１が不動であり、第２構成ユニット２が可動である。したがって、実負荷のための担体１０は第２磁石ヨーク５に結合されている。第１磁石ヨーク３の円錐状領域は、ここでは第１実施例と比較して最小直径の上方に最大直径を有している。これにより、ここでも第１構成ユニット１と第２構成ユニット２との間の磁気抵抗力Ｒは、可動構成ユニット２の重力Ｇに抗して作用する。第２実施例の機能形式は、その他の点では第１実施例の機能形式に完全に対応している。
【００２６】
図３に示す第３実施例は、図１に示した第１実施例と比較して付加的な磁石８の領域に小さい変更点を有する。付加的な磁石８はここでは第２磁石ヨーク５に固定されているのではなく、第１磁石ヨーク３に固定されている。ここでも全体として作用する磁気抵抗力Ｒに線形の変化をもたらすために、第１磁石ヨーク３に円錐状の隆起部９′が設けられている。付加的な磁石８のこのような配置および円錐状の隆起部９′は、特に第２磁石ヨーク５の内部における第１磁石ヨーク３のセンタリングをもたらし、これにより、二重の機能を果たす。
【００２７】
全ての実施例では、第１および第２磁石ヨーク３，５ならびに磁石６およびコイル４の配置は鉛直方向中央軸線に対して回転対称的である。これにより、全ての水平方向の引っ張り力は相殺され、したがって、可動構成ユニット１の支承部は、大きい水平方向力を吸収する必要はない。磁石ヨークは、例えば鉄、フェライト材またはＳＭＣ（軟磁性複合材料）などの軟磁性材料からなっている。必要とされる磁石ヨークは、有利には回動部材として仕上げることができる。
【００２８】
しかしながら、他の構成も可能である。したがって、鉛直方向平面に対して対称的な配置では全ての水平方向引っ張り力を相殺することができる。例えば、スペースの理由からこのような対称性をなくした場合、支承部は、水平方向の引っ張り力を吸収することができるように寸法決めする必要がある。
【符号の説明】
【００２９】
１  第１構成ユニット
２  第２構成ユニット
３  第１磁石ヨーク
４  コイル
５  第２磁石ヨーク
６  磁石
７  機械ばね
８  磁石
９  切欠き
９′  隆起部
１０  担体
Ｇ  重力
Ｒ  磁気抵抗力
【図１】
0006010312.tif 000002
【図２】
0006010312.tif 000003
【図３】
0006010312.tif 000004