(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方向において互いに対して変位可能である第１部分と第２部分とを備える変位装置であり、前記第１部分は、実質的に変位方向に対して平行に延在し、磁石システムがパターンに従って固定されるキャリアを有し、前記パターンにより、前記キャリアに対して垂直であり、且つ前記第２部分の方へ向けられている磁化方向を持つ第１種の磁石と、前記キャリアに対して垂直であり、且つ前記第２部分から離れる方へ向けられている磁化方向を持つ第２種の磁石とが、互いと交互になるように配設され、前記磁石システムが、τが磁極ピッチであるB(x)=B(x+2τ)に従って周期的に繰り返す磁束密度を持つ一方、前記第２部分は、k≧2であるk個のコイルブロックを有する少なくとも１つのコイルブロックユニットを備える電気コイルシステムを具備し、前記コイルブロックが、前記磁石システムの磁界中に位置する電流導体を持ち、１つのコイルブロックユニットに属する全ての電流導体が、同じ方向に揃えられ、個々の前記コイルブロックが、n≧2であるn相システムにより給電されるn相駆動のコイルブロックであり、更にその上、前記電流導体に対して垂直な方向に見て、前記磁石システムの磁束が実質的に正弦波的に変化するように前記磁石システムの前記磁石が配設される変位装置であって、１つのコイルブロックユニットに属する全てのコイルブロックについて、各コイルブロックに作用する、前記電流導体の方向を軸とするトルクが互いに打ち消されるように、各連続するコイルブロックの質量中心間の間隔が、前記コイルブロックの個数kの関数であり、前記導体に対して垂直な方向に見て、p=2、3、…である場合に
【数１】
0005150028.tif 000017
と実質的に等しく選ばれることを特徴とする変位装置。
【請求項２】
前記部分がX方向において互いに対して変位可能であり、異種の前記磁石が前記X方向において交互に延在する一方、前記磁極ピッチτが２つの相互に隣接する異種の磁石の中心点間の間隔として規定され、前記コイルブロックの前記電流導体が前記X方向に対して実質的に垂直に揃えられることを特徴とする請求項１に記載の変位装置。
【請求項３】
前記部分が、X方向及び／又は該X方向に対して垂直なY方向において互いに対して変位可能であり、前記第１部分の前記磁石システムの前記磁石が、行及び該行に対して垂直であり、且つ前記X方向と略々45°の角度をなす列のパターンに従って配設される一方、前記キャリアに対して垂直であり、且つ前記第２部分の方へ向けられている磁化方向を持つ第１種の磁石と、前記キャリアに対して垂直であり、前記第２部分から離れる方へ向けられている磁化方向を持つ第２種の磁石とが、各行及び各列において交互に配設され、前記磁極ピッチτが、２つの相互に隣接する、同種の磁石の中心点が置かれる対角線間の間隔として規定され、前記第２部分の前記コイルシステムが、少なくとも２つのコイルブロックユニットを有し、少なくとも１つの前記コイルブロックユニットの電流導体が、前記X方向に揃えられ、他のコイルブロックユニットの電流導体が、前記Y方向に揃えられることを特徴とする請求項１に記載の変位装置。
【請求項４】
X-Y平面に対して平行であり、且つ前記第１種の磁石の方へ向けられている磁化方向を備える第３種の磁石が、前記第１種及び前記第２種の各磁石の間にあることを特徴とする請求項２又は３に記載の変位装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも一方向(x)において互いに対して変位可能である第１部分と第２部分とを備える変位装置(displacement device)であり、前記第１部分は、実質的に変位方向に対して平行に延在し、磁石システムがパターンに従って固定されるキャリア(carrier)を有し、前記パターンにより、前記キャリアに対して垂直であり、且つ前記第２部分の方へ向けられている磁化方向を持つ第１種(N)の磁石と、前記キャリアに対して垂直であり、且つ前記第２部分から離れる方へ向けられている磁化方向を持つ第２種(Z)の磁石とが、互いと交互になるように配設され、前記磁石システムが、τが磁極ピッチ(magnetic pole pitch)であるB(x)=B(x+2τ)に従って周期的に繰り返す磁束密度を持つ一方、前記第２部分は、k≧2であるk個のコイルブロックを有する少なくとも１つのコイルブロックユニットを備える電気コイルシステムを具備し、前記コイルブロックが、前記磁石システムの磁界中に位置する電流導体を持ち、１つのコイルブロックユニットに属する全ての電流導体が、同じ方向に揃えられ、n≧2であるn相システムにより給電され、更にその上、前記電流導体に対して垂直な方向に見て、前記磁石システムの磁束が
【数１】
0005150028.tif 000002
に従って実質的に正弦波的に(sinusoidally)変化するように前記磁石システムの前記磁石が配設される変位装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
斯様な変位装置は、米国特許4,654,571から既知である。この変位装置は、半導体製造のためのリソグラフィ装置(lithographic device)（ウェーハステッパ）において使用される。電気コイルシステムを備える前記第２部分は、この場合にはX-Y平面において移動する部分である。斯様な変位装置における問題は、この可動部分の変位の間、この部分がZ方向において変化する力にさらされ、故に、常に変動するトルクが、X-Y平面中にある軸のまわりで可動部分に作用することにある。これは、変位の精度に悪影響を及ぼす付加的な揺れの動き(rocking movement)の原因となる。何がこの揺れの動きを引き起こすのかは、以下に図８を参照してより詳細に説明する。簡単のため、状況を、直線的な構成、即ちX方向において交互に並ぶN磁石とZ磁石とを備える磁石システム１で描写する一方、６つの電流導体３を備えるコイルブロック２は磁界中にあり、前記電流導体は3相システムにより供給される。斯様な磁石システムは、第１段落に記載されている条件に合わせる。電流導体は、Y方向に、即ち、移動方向に対して横方向に延在する。電流導体３は、該電流導体３の位置に依存して方向及び大きさを変える磁束密度にさらされる。磁束密度のベクトルX、Y及びZは、正弦波的こう配(sinusoidal gradient)を持つ。電流導体に電流を通す場合には、磁束密度Bzは、電流導体及び磁束密度に対して垂直な方向、即ちX方向において、電流導体に、従ってコイルブロック２にローレンツ力Fxを作用させる。導体における適正な電流分布（整流）により一定の力Fxを達成し、斯くしてコイルブロックの制御された動きを得ることは可能である。しかしながら、この電流分布はまた、局所的なFz力を招く。前記局所的なFz力の合計は、最終的には全く零であるが、前記局所的なFz力は、電流導体２にトルクMyを作用させる。これらの局所的なFz力は、発生している磁束密度Bxの局所値及び導体を介する電流の局所値の結果であり、このため、
【数３】
0005150028.tif 000003
及び
【数４】
0005150028.tif 000004
が成り立つ。ここで、phは、関連位相の数であり、nは、電流導体に供給される位相の数（図５の例においてはn=3）であり、ωは、位相角(0乃至2π)である。コイルブロック２の質量中心Mに対する局所的な力Fzの値は、X方向におけるコイルブロックの移動の間に変化する。トルクの大きさは、このようにして常に変化し、繰返し特性を持つ。コイルブロックにおける望ましくない揺れの作用の原因となるのは、このトルクである。米国特許4,654,571の場合と同様に、磁石システムがX-Y平面に沿って延在し、コイルブロックがX方向及びY方向に移動することが出来る場合には、X方向とY方向との両方においてこの不利な現象が起きることも明らかであろう。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、X方向及び／又はY方向における可動部分の変位の間の前記揺れの作用が、もはや生じないように又は少なくとも可能な限り小さくなるように冒頭の段落に記載の変位装置を改善することにある。
【０００４】
この目的のため、当該変位装置は、１つのコイルブロックユニットに属する全てのコイルブロックに対して、連続するコイルブロックの質量中心間の間隔が、導体に対して垂直な方向に見て、p=2、3、…である場合に
【数２】
0005150028.tif 000005
と実質的に等しいということが成り立つことを特徴とする。コイルブロックユニットにおいて上記のような間隔を備える一様に揃えられたコイルブロックを設けることは、各コイルブロック上に、略々同じ値のものであるが、反対側に向けられているトルクMyを引き起こし、故にこれらのトルクは可能な限り互いに打ち消し合い、揺れの作用は最小化される。
【０００５】
当該変位装置の好ましい実施例は、前記部分がX方向において互いに対して変位可能であり、異種の磁石が前記X方向において交互に且つ実質的に排他的に延在する一方、磁極ピッチτが２つの相互に隣接する異種（N及びZ）の磁石の中心点間の間隔として規定され、コイルブロックの電流導体が前記X方向に対して実質的に垂直に揃えられることを特徴とする。斯様な構成においては、可動部分を前記X方向において排他的に変位させる。この変位装置は、リニアモータとも呼ばれる。
【０００６】
可動部分が、X方向及びY方向の両方に変位することが出来るようにする場合に、当該装置は、前記部分が、X方向及び／又は該X方向に対して垂直なY方向において互いに対して変位可能であり、第１部分の磁石システムの磁石が、行及び該行に対して垂直であり、且つ前記X方向と略々45°の角度をなす列のパターンに従って配設される一方、キャリアに対して垂直であり、且つ第２部分の方へ向けられている磁化方向を持つ第１種(N)の磁石と、前記キャリアに対して垂直であり、且つ前記第２部分から離れる方へ向けられている磁化方向を持つ第２種(Z)の磁石とが、各行及び各列において交互に配設され、磁極ピッチτが、２つの相互に隣接する、同種（N又はZ）の磁石の中心点が置かれる対角線間の間隔として規定され、前記第２部分のコイルシステムが、少なくとも２つのコイルブロックユニットを有し、少なくとも１つの前記コイルブロックユニットの電流導体が、前記X方向に揃えられ、他のコイルブロックユニットの電流導体が、前記Y方向に揃えられることを特徴とする。斯様な変位装置は、平面モータ(planar motor)とも呼ばれる。
【０００７】
当該変位装置の他の実施例は、X-Y平面に対して平行であり、且つ第１種(N)の磁石の方へ向けられている磁化方向を備える第３種(H)の磁石が前記第１種(N)及び前記第２種(Z)の各磁石の間にあることを特徴とする。ここでは、これらの磁石が所謂Halbatch構成で置かれる。斯様な構成は磁界を強め、故に、移動方向の力はより強くなる。Myトルクの補償はこの構成においても行われる。
【０００８】
以下に幾つかの実施例を参照して本発明をより詳細に説明する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１の直線変位装置は、X方向において互いに対して変位可能である第１部分１０及び第２部分２０を有する。第１部分１０は、磁石システム１２が固定されているキャリア１１を持つ。前記システムのN磁石とZ磁石とは、互いと交互になり、X方向に延在する。第２部分２０は、この例においては２つのコイルブロック２４ａ及び２４ｂを有するコイルブロックユニット２２を備える電気コイルシステム２１によって形成される。各コイルブロック２４ａ又は２４ｂは、磁石システムの磁界中にある６つの電流導体２３を具備する。矢印で示されているように、磁石の磁化の方向は、キャリア１１に対して垂直であり、N磁石の磁化の方向は、第２部分２０の方へ向けられており、Z磁石の磁化の方向は、第２部分か離れる方へ向けられている。磁石システムの磁束密度は、τが２つの相互に隣接する異種（N及びZ）の磁石の中心点１３と１４との間の間隔として規定される磁極ピッチである場合に、B(x)=B(x+2τ)に従って周期的に繰り返す。X方向、即ち電流導体２３に対して垂直には、磁束が、
【数１】
0005150028.tif 000006
に従って正弦波的に変化する。電流導体は、多相システム、この例においては3相システムから供給される。
【００１０】
図８を参照して従来の技術の説明において記載したように、一定の力Fxを得るための電流導体における電流分布(整流)はまた、望ましくないトルクを生成する局所的な力Fzももたらす。本発明により、各コイルブロックユニットは、２つ以上のコイルブロックを有する。図１の例においては、全てが同じ方向を持つ、この例においてはY方向の電流導体２３を備える２つのコイルブロック２４ａ及び２４ｂがある。本発明により、更に、コイルブロック２４ａ及び２４ｂは、互いに対して、２つの相互に隣接するコイルブロック２４ａ及び２４ｂの質量中心点M1とM2との間の間隔が、k=2(2コイルブロック)であり、p=2、3、4、…である場合に、
【数２】
0005150028.tif 000007
と実質的に等しくなるような位置に置かれる。この例においては、pが2と等しくなるよう選ばれた。コイルブロック２４ａと２４ｂとの間の間隔は、それ故
【数５】
0005150028.tif 000008
となる。これらの２つのコイルブロックが互いからこの間隔をとって置かれることで、トルクMy1とMy2とは、同じ大きさを持ち、互いに打ち消し合う。これらのトルクは、反対方向を持ち、故に、もはや結果としてコイルブロックユニット２２に作用するトルクは、ない又は実質的になく、従って、もはや揺れの動きは、ない又は実質的にないであろう。
【００１１】
図２の直線変位装置は、ここでは係数pが3と等しいという点でのみ図１の直線変位装置と異なる。これは、コイルブロック２４ａと２４ｂとの間の間隔が、この場合においては
【数６】
0005150028.tif 000009
となることを意味する。
【００１２】
図３は、変位装置の二次元構成(planar arrangement)を平面図で示している。第１部分１１０は、キャリア１１１に固定された磁石システム１１２により形成される。この図においては、前記キャリアは見えない。前記システムの磁石は、相互に垂直である行及び列のパターンで配設される。これらの行及び列は、X（又はY）方向と略々45°の角度をなす。各行及び各列は、キャリア１１１に対して垂直、即ち図面に対して垂直であり、且つ第２部分１２０、即ち可動部分の方へ向けられている磁化方向を持つ第１種Nの磁石と、キャリア１１１に対して垂直ではあるが、第２部分１２０から離れる方へ向けられている磁化方向を持つ第２種Zの磁石とを交互に収容する。磁極ピッチτは、２つの相互に隣接する対角線１１５と１１６との間の間隔として規定される。同種（N又はZ）の磁石の中心点１１３及び１１４は、対角線１１５及び１１６上に位置する。第２部分１２０は、４つのコイルブロックユニット１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ及び１２２ｄを備える電気コイルシステム１２１を持つ。各コイルブロック自体は、互いに隣り合って置かれ、且つ各々が磁石システムの磁界中にある６つの電流導体１２３を有する２つ(k=2)のコイルブロック１２４ａ及び１２４ｂを有する。コイルブロックユニット１２２ａ及び１２２ｃの電流導体１２３はY方向に延在するのに対し、コイルブロックユニット１２２ｂ及び１２２ｄの電流導体１２３はX方向に延在する。これらの電流導体を介する電流の整流は、可動部分１２０が磁石システムの上の全X-Y平面中を制御されるように移動すること可能にする。コイルブロックユニット１２２ａ及び１２２ｃに作用するローレンツ力は、X方向の動きをもたらし、コイルブロックユニット１２２ｂ及び１２２ｄに作用するローレンツ力は、Y方向の動きをもたらす。各コイルブロックユニットのコイルブロック１２４ａ及び１２４ｂの質量中心点M1とM2との間の間隔は、図１の例と同様に
【数７】
0005150028.tif 000010
と等しい。
【００１３】
図４は、第１部分２１０が、磁石システム２１２が固定されているキャリア２１１により形成される直線変位装置の例を示している。磁石システムは、第１種Nの磁石、第２種Zの磁石及び第３種Hの磁石により形成される。所謂Halbach型磁石である第３種Hの磁石は、第３種Hの磁石が第１種Nの磁石と第２種Zの磁石との間毎にあるように置かれる。H磁石の磁化方向は、N磁石に向かい、Z磁石から離れるX方向に対して平行である。H磁石がこのように配設される磁石システムは、磁界を強める。磁極ピッチτは、２つの相互に隣接する第１種Nの磁石及び第２種Zの磁石の中心点２１３と２１４との間の間隔である。第２部分２２０、即ち可動部分２２０は、３つのコイルブロック２２４ａ、２２４ｂ及び２２４ｃ(k=3)から成る１つのコイルブロックユニット２２２を備えるコイルシステム２２１を有する。質量中心点M1、M2及びM3の間隔は、(p=2の場合)
【数８】
0005150028.tif 000011
と等しい。
【００１４】
上記の例においては、１つのコイルブロックユニットに属するコイルブロックが、互いに隣り合って置かれていた。しかしながら、これは、必ずしもそうである必要はない。他の例においては、二次元構成においてコイルブロックユニットに属するコイルブロックが、互いに対して千鳥状に置かれても良く、又は互いに対して千鳥状に置かれるのと隣り合って置かれるのとの組み合わせであっても良い。図５乃至７は、これの幾つかの例を示している。
【００１５】
図５においては、コイルブロック３２４ａ及び３２４ｂがコイルブロックユニット３２２ａに属し、コイルブロック３２４ｃ及び３２４ｄがコイルブロックユニット３２２ｂに属する。これらの二対のコイルブロックの質量中心点間の間隔は、例えば、
【数７】
0005150028.tif 000012
である。
【００１６】
図６は、各々が２つの一様の方向のコイルブロックを持つ４つのコイルブロックユニット４２２ａ乃至４２２ｄを示している。コイルブロック４２４ａ及び４２４ｂは、コイルブロックユニット４２２ａに属し、コイルブロック４２４ｃ及び４２４ｄは、コイルブロックユニット４２２ｂに属し、コイルブロック４２４ｅ及び４２４ｆは、コイルブロックユニット４２２ｃに属し、コイルブロック４２４ｇ及び４２４ｈは、コイルブロックユニット４２２ｄに属する。全てのコイルブロックが互いに対して千鳥状に置かれている。コイルブロック４２４ｃ及び４２４ｄの質量中心点の間隔、並びにコイルブロック４２４ｅ及び４２４ｆの質量中心点の間隔が、
【数７】
0005150028.tif 000013
となるように選ばれる一方で、コイルブロック４２４ａと４２４ｂとの間の間隔、並びにコイルブロック４２４ｇと４２４ｈとの間の間隔が、
【数９】
0005150028.tif 000014
となるように選ばれる。
【００１７】
図７は、各々、同じ方向を持つものが２つずつともにある、各々が３つのコイルブロック５２４ａ乃至５２４ｃ、５２４ｄ乃至５２４ｆ、５２４ｇ乃至５２４ｉ及び５２４ｊ乃至５２４ｌを持つ４つのコイルブロックユニット５２２ａ乃至５２２ｄを示している。ここでは、一緒に属している全てのコイルブロックの質量中心点間の間隔が、
【数１０】
0005150028.tif 000015
となるように選ばれた。しかしながら、本発明により、これは、例えば
【数１１】
0005150028.tif 000016
であっても良い。
【００１８】
多くの組み合わせが本発明の範囲内で可能であることは明らかであろう。基本的な考えは、各コイルブロックに対して、望ましくないトルクが互いに相殺するように前のコイルブロックから規定された間隔を取ったところにある、同じ方向の少なくとも１つの第２のコイルブロックを見出すことにある。その場合に、斯様なコイルブロックは、同一のコイルブロックユニットに属するであろう。
【００１９】
本発明はまた、電流導体が２相システム又は４相システムにより、一般的に言えば多相システムにより供給される場合に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の直線変位装置を概略的に示す。
【図２】本発明による第２の直線変位装置を概略的に示す。
【図３】本発明による二次元変位装置の概略的な平面図である。
【図４】図２における変位装置と同様であるが、Halbach構成の磁石を備える直線変位装置を概略的に示す。
【図５】多数のコイルブロックの形状構成を概略的に示す。
【図６】多数のコイルブロックの形状構成を概略的に示す。
【図７】多数のコイルブロックの形状構成を概略的に示す。
【図８】従来技術による変位装置を概略的に示す。
【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】
0005150028.tif 000022
【図６】
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【図７】
0005150028.tif 000024
【図８】
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