(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互に磁極の向きを逆転させてＸ−Ｙ平面上に配列した複数の永久磁石を有する磁極ユニットと対をなして平面型モータに用いられ、
全体でＸ−Ｙ方向にほぼ十字形状をなす４つの腕部と、前記磁極ユニットの前記複数の永久磁石に対向するように、前記各腕部の先端部および前記各腕部が接続された基端部に形成された５つの突歯とを有する磁性体部材と、前記各腕部のそれぞれに巻回された４つの電機子コイルとを有することを特徴とする励磁ユニット。
【請求項２】
平面駆動させる平面型モータにおいて、
交互に磁極の向きを逆転させてＸ−Ｙ平面上に配列した複数の永久磁石を有する磁極ユニットと、
請求の範囲第１項に記載の励磁ユニットと
を備えたことを特徴とする平面型モータ。
【請求項３】
請求の範囲第２項記載の平面型モータにおいて、
前記磁極ユニットの複数の前記永久磁石は、前記Ｘ−Ｙ面内でＸ、Ｙ方向にそれぞれ幅ｌを有し、且つ前記各永久磁石の中心間はそれぞれＸ、Ｙ方向に距離２ｌだけ離間して配置されており、
前記励磁ユニットのＸ方向に伸びる２つの前記腕部の２つの前記突歯は、前記基端部の突歯に対してＸ方向に相対的に±ｌ／２だけずれて配置され、Ｙ方向に伸びる２つの前記腕部の２つの前記突歯は、前記基端部の突歯に対してＹ方向に相対的に±ｌ／２だけずれて配置されていることを特徴とする平面型モータ。
【請求項４】
請求の範囲第２項記載の平面型モータにおいて、
前記磁極ユニットのＸ方向に離間した前記複数の永久磁石の間には、Ｘ方向に磁軸が向いた永久磁石がそれぞれ埋め込まれており、Ｙ方向に離間した前記複数の永久磁石の間には、Ｙ方向に磁軸が向いた永久磁石がそれぞれ埋め込まれており、
前記Ｘ方向に磁軸が向いた永久磁石と前記Ｙ方向に磁軸が向いた永久磁石で囲まれた領域に、導体且つ非磁性体である部材が埋め込まれていることを特徴とする平面型モータ。
【請求項５】
請求の範囲第２項乃至第４項のいずれかに記載の平面型モータにおいて、
複数の前記励磁ユニットを所定位置に固定して固定子とし、前記磁極ユニットを前記固定子に対して移動可能な可動子として用いることを特徴とする平面型モータ。
【請求項６】
請求の範囲第５項記載の平面型モータにおいて、
前記固定子の前記各励磁ユニットは前記突歯を上方に向けて前記可動子の下方に配置され、前記可動子は前記複数の永久磁石を前記下方に向けて前記突歯と対向するように配置されていることを特徴とする平面型モータ。
【請求項７】
請求の範囲第２項記載の平面型モータにおいて、
少なくとも２つの前記励磁ユニットをＸ、Ｙ方向に相対的にそれぞれ距離ｌだけずらして配置した固定子からなる組を備え、前記各励磁ユニットの前記４つの電機子コイルに流す所定の電流を切り替えることにより、前記励磁ユニットを可動子として前記Ｘ−Ｙ面内の所定方向に相対移動させる推力を発生させ、または前記可動子をＺ方向に磁気浮上させる磁気的反発力を発生させることを特徴とする平面型モータ。
【請求項８】
請求の範囲第７項記載の平面型モータにおいて、
前記固定子は、前記組を少なくとも２個組み合わせて構成される駆動ユニットを有し、前記駆動ユニットにより前記可動子を前記Ｘ−Ｙ面内の所定方向に相対移動させる推力を発生させると共に、前記Ｚ方向に磁気浮上させる磁気的反発力を発生させることを特徴とする平面型モータ。
【請求項９】
請求の範囲第８項記載の平面型モータにおいて、
前記固定子は、平面状に分布させた少なくとも３個の前記駆動ユニットを有し、前記３個の前記駆動ユニットは、前記固定子に対して前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向と前記各軸周りの回転の６自由度で前記可動子の位置姿勢を制御することを特徴とする平面型モータ。
【請求項１０】
請求の範囲第１項記載の励磁ユニットにおいて、
前記突歯の先端の歯部は、先鋭形状に形成されていることを特徴とする励磁ユニット。
【請求項１１】
基板を載置するステージと、前記ステージを駆動する駆動系とを有し、前記駆動系により、Ｘ、Ｙ軸方向で前記ステージの位置を制御するステージ装置において、
前記ステージとして、請求の範囲第２項乃至第９項のいずれかに記載の平面型モータの可動子を用い、
前記駆動系として、請求の範囲第２項乃至第９項のいずれかに記載の平面型モータの固定子を用いたことを特徴とするステージ装置。
【請求項１２】
基板を載置するステージと、前記ステージを駆動する駆動系とを有し、前記駆動系により、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向と各軸周りの回転の６自由度で前記ステージの位置姿勢を制御するステージ装置において、
前記ステージとして、請求の範囲第７項乃至第９項のいずれかに記載の平面型モータの可動子を用い、
前記駆動系として、請求の範囲第７項乃至第９項のいずれかに記載の平面型モータの固定子を用いたことを特徴とするステージ装置。
【請求項１３】
請求の範囲第１１項または第１２項に記載のステージ装置において、
前記励磁ユニットを冷却する冷却機構を備えたことを特徴とするステージ装置。
【請求項１４】
パターンの像を基板に転写する露光装置において、
前記基板を載置して移動するステージ装置として、請求の範囲第１１項乃至第１３項に記載のステージ装置を備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項１５】
請求の範囲第１４項記載の露光装置において、
前記パターンの像を基板に投影する投影光学系を防振機構を介して支えるコラムと、
前記ステージ装置の駆動系を支える固定フレームとを備え、
前記駆動系に生じる反力が前記投影光学系に及ばないことを特徴とする露光装置。
【請求項１６】
励磁ユニットの組立方法において、
全体でＸ−Ｙ方向にほぼ十字形状をなす４つの腕部と、前記各腕部の先端部および前記各腕部が接続された基端部に形成された５つの突歯とを有する磁性体部材と、前記各腕部のそれぞれに巻回された４つの電機子コイルとを組み立てることを特徴とする励磁ユニットの組立方法。
【請求項１７】
平面型モータの組立方法において、
交互に磁極の向きを逆転させてＸ−Ｙ平面上に配列した複数の永久磁石を有する磁極ユニットと、
全体でＸ−Ｙ方向にほぼ十字形状をなす４つの腕部と、前記磁極ユニットの前記複数の永久磁石に対向するように、前記各腕部の先端部および前記各腕部が接続された基端部に形成された５つの突歯とを有する磁性体部材と、前記各腕部のそれぞれに巻回された４つの電機子コイルとを有する励磁ユニットと
を組み立てることを特徴とする平面型モータの組立方法。
【請求項１８】
基板を載置するステージと、前記ステージを駆動する駆動系とを有し、前記駆動系により、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向と各軸周りの回転の６自由度で前記ステージの位置姿勢を制御するステージ装置の組立方法において、
請求の範囲第７項乃至第９項のいずれかに記載の平面型モータの可動子を前記ステージとして組み立て、
請求の範囲第７項乃至第９項のいずれかに記載の平面型モータの固定子を前記駆動系として組み立てることを特徴とするステージ装置の組立方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、平面上を直線的に移動可能な直線型モータ、または２次元的に移動可能な平面型モータ、およびそれを用いたステージ装置、およびそれを用いた露光装置に関する。
背景技術
制御対象を直線上もしくは平面上で移動させたり、目標位置に位置決めさせるために、従来、回転型モータと回転運動を直線運動に変換する変換機構を有する装置が多用されている。これに対して近年、制御対象を直接モータに取り付けて直線運動させるリニアモータの開発が進んでいる。リニアモータは変換機構がなく構成部品も少ないため、信頼性や精度の面で優れた特徴を有している。このリニアモータを２軸用い２次元的に移動可能な平面型モータが、可動部の軽量化、構造の簡素化の観点から将来的に有望であると考えられている。
Ｘ−Ｙ平面を移動する構造を開示した先行技術としては、例えば、特開昭６２−１３０４１３号公報および米国特許第４，７４２，２８６号に開示されたステージ集成体や、特公平５−８６８４５号公報および米国特許第４，５０７，５９７号、特公平５−８６８４７号公報および米国特許第４，４８５，３３９号に開示された電磁アライメント装置があり、さらに特開昭５８−１７５０２０号公報および米国特許第４，５３５，２７８号に開示された２次元駆動装置がある。これらは、可動子が空気軸受等により浮上してＸ−Ｙ平面を移動するようになっている。また、可動子が磁気浮上させられてＸ−Ｙ平面を移動する構造として特開平２−３５７０９号公報および米国特許第４，９５２，８５８号に開示されたアライメント装置や特開平５−５７５５０号公報に開示されたステージ装置がある。
また、上述の平面型モータとしては、リニアパルスモータを移動平面上に２軸分連結したソイヤモータタイプとして、例えば特公昭６０−２２５８３号公報に記載されているものがある。
一方、平面移動する可動子の各軸方向駆動部分を分離せずに、１つの駆動部で平面移動可能な平面型パルスモータも検討されている。例えば、特公昭５１−４９２８３号公報等には、永久磁石のＮ極とＳ極とが緻密にあるいは一定間隔で配置された固定子と電機子コイルとを備えた突起状の歯を持った可動子とからなる平面型モータが開示されている。
これらの平面型モータは、主としてＸ−Ｙ面内を２次元移動するステージ装置等に応用され、可動子上に所定の物体を載置してＸ−Ｙ面内を移動させるのに用いられる。そして、このような平面型モータを用いたステージ装置は、半導体装置等の製造に用いられる露光装置のステージ系に適用される可能性を有している。ここで露光装置とは、半導体装置、液晶表示装置、あるいは薄膜磁気ヘッド等を製造する際のフォトリソグラフィ工程で用いられ、回路パターンを正確に感光基板に転写するための装置である。現在では、レチクルあるいはマスク（以下、レチクルという）に形成された回路パターンを投影光学系を介して半導体ウェハやガラスプレート（以下、ウェハという）上に投影露光する投影露光装置が主流になっている。この投影露光装置としては種々の方式のものがあるが、例えば半導体装置の製造の場合、レチクルの回路パターン全体を一度に投影し得るイメージフィールドを持つ投影光学系を介してウェハをステップ・アンド・リピート方式で露光する投影露光装置と、レチクルを１次元に走査しつつ、ウェハをそれと同期した速度で１次元に走査させる、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置とがある。
ところで、上述のような平面型モータの場合、例えばリニアパルスモータを２軸連結したソイヤモータでは、可動子側に電機子コイルや永久磁石が設けられている。そのため必然的に可動子は重くならざるを得ず、さらに平面移動する可動子の各軸方向駆動部分が分離独立しているため、可動子全体が大きく重くなってしまう。それに伴い周波数応答特性が低下してしまうので可動子を高速に移動させることが困難であるという問題を有している。
また、各軸方向駆動部分を分離せずに１つの駆動部で平面移動する平面型パルスモータの場合にも、複数の電機子コイルを可動子側に設けているので重くなってしまい、高速で可動子を移動させるには限界がある。
さらに、上述のいずれの方式による平面型モータでも、可動子は空気浮上あるいは支持ガイド機構により支持されて固定子上を移動する。従って、浮上あるいは支持するための複雑な機構が必要となるという問題もある。
以上の問題は、目的位置まで可動子を高速に移動させ、且つ超精密位置決めを要求されるステージ装置、あるいはそれを用いた露光装置にも直接的に影響を与えることになり、現状では平面型モータをステージ装置に採用した露光装置は存在しない。ところが今後、露光装置で製造する半導体装置、あるいは液晶表示装置はさらなる高集積化が必須でり、そのため露光装置で用いる露光光にはさらに短波長の光（荷電粒子線、Ｘ線等も含むものとする）が使用されることになるが、これらの光の照射経路は真空またはＨｅ雰囲気に保たれる必要がある。従って、露光装置内でウェハを載置するステージ装置回りも真空あるいはＨｅ雰囲気にしなければならず、ステージ装置を駆動させるのに用いられてきた従来の静圧気体軸受等を用いることができなくなるという事情がある。このように、露光装置のステージ装置に磁気駆動の平面型モータを用いる必要性は認識されながら、現実には上述のような種々の問題により平面型モータを採用できないという問題を有している。
本発明の目的は、高推力が得られ、可動子が軽量で高速移動可能な直線型または平面型モータを提供することにある。
また、本発明の目的は、可動子に浮上力を与えつつ２次元平面を移動させることができる平面型モータを提供することにある。
さらに、本発明の目的は、可動子の位置および姿勢を、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向およびそれらの軸の回転方向の合計６自由度で制御できる平面型モータを提供することにある。
また、本発明の目的は、高推力が得られ、可動子が軽量で高速移動可能な平面型モータを用いたステージ装置、およびそれを用いた露光装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、可動子に浮上力を与えつつ２次元平面を移動させることができる平面型モータを用いたステージ装置、およびそれを用いた露光装置を提供することにある。
さらに、本発明の目的は、可動子の位置および姿勢を、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向およびそれらの軸の回転方向の合計６自由度で制御できる平面型モータを用いたステージ装置、およびそれを用いた露光装置を提供することにある。
発明の開示
上記目的は、交互に磁極の向きを逆転させてＸ−Ｙ平面上に配列した複数の永久磁石を有する磁極ユニットと対をなして平面型モータに用いられ、全体でＸ−Ｙ方向にほぼ十字形状をなす４つの腕部と、磁極ユニットの複数の永久磁石に対向するように、各腕部の先端部および各腕部が接続された基端部に形成された５つの突歯とを有する磁性体部材と、各腕部のそれぞれに巻回された４つの電機子コイルとを有することを特徴とする励磁ユニットによって達成される。
また上記目的は、平面駆動させる平面型モータにおいて、交互に磁極の向きを逆転させてＸ−Ｙ平面上に配列した複数の永久磁石を有する磁極ユニットと、上記の励磁ユニットとを備えたことを特徴とする平面型モータによって達成される。そして、磁極ユニットの複数の永久磁石は、Ｘ−Ｙ面内でＸ、Ｙ方向にそれぞれ幅ｌを有し、且つ各永久磁石の中心間はそれぞれＸ、Ｙ方向に距離２ｌだけ離間して配置されており、励磁ユニットのＸ方向に伸びる２つの腕部の２つの突歯は、基端部の突歯に対してＸ方向に相対的に±ｌ／２だけずれて配置され、Ｙ方向に伸びる２つの腕部の２つの突歯は、基端部の突歯に対してＹ方向に相対的に±ｌ／２だけずれて配置されていることを特徴とする。
このような構成において、励磁ユニットの各電機子コイルにそれぞれ所定の電流を流すことにより、各突歯のそれぞれに所定の極性を与えることができ、各突歯に対向する磁極ユニットの永久磁石との磁気的吸引力あるいは磁気的反発力により磁極ユニットに推力を発生させたり、あるいは浮上力を生じさせたりすることができるようになる。
また本発明の平面型モータにおいて、磁極ユニットのＸ方向に離間した複数の永久磁石の間には、Ｘ方向に磁軸が向いた永久磁石がそれぞれ埋め込まれており、Ｙ方向に離間した複数の永久磁石の間には、Ｙ方向に磁軸が向いた永久磁石がそれぞれ埋め込まれており、Ｘ方向に磁軸が向いた永久磁石とＹ方向に磁軸が向いた永久磁石で囲まれた領域に、導体且つ非磁性体である部材が埋め込まれていることを特徴とする。この構成にすれば、磁極ユニットの永久磁石による磁束密度を大きくさせることができるので、推力、あるいは浮上力に寄与する磁束を高い効率で利用することができるようになる。
また、Ｘ方向に磁軸が向いた永久磁石とＹ方向に磁軸が向いた永久磁石で囲まれた領域に、導体且つ非磁性体である部材が埋め込まれている構成によれば、導体且つ非磁性体である部材内を磁束が通過すると部材内に渦電流が発生し、この渦電流が磁束を打ち消す方向に磁束を生じさせる。つまり、磁極ユニットと励磁ユニットとの間の磁束の漏れを低減させて効率よく磁束ループを形成させることができるようになる。
また本発明の平面型モータにおいて、複数の励磁ユニットを所定位置に固定して固定子とし、磁極ユニットを固定子に対して移動可能な可動子として用いることを特徴とする。そして、本発明の平面型モータにおいて、固定子の各励磁ユニットは突歯を上方に向けて可動子の下方に配置され、可動子は複数の永久磁石を下方に向けて突歯と対向するように配置されていることを特徴とする。こうすることにより、小型軽量で平面状の可動子を得ることができ、より少ない電力で当該可動子を駆動させることができるようになる。
ここで、本発明の平面型モータの場合、固定子の各励磁ユニットは５つの突歯を上方に向けて可動子の下方に配置され、可動子は複数の永久磁石を下方に向けて突歯と対向するように配置されているようにしてもよい。そして、Ｘ、Ｙ方向に相対的にそれぞれ距離ｌだけずらして配置した少なくとも２つの励磁ユニットからなる組を備え、各励磁ユニットの４つの電機子コイルに流す所定の電流を切り替えることにより、磁極ユニットをＸ−Ｙ面内の所定方向に相対移動させる推力を発生させ、またはＺ方向に磁気浮上させる磁気的反発力を発生させることを特徴とする。このように、少なくとも２つの励磁ユニットの位置位相を所定量（距離ｌ）変化させることにより、推力を向上させると共に、推力むらを低減させることができるようになる。
また、本発明の上記平面型モータにおいて、固定子は、前記組を少なくとも２個組み合わせて構成される駆動ユニットを有し、駆動ユニットにより可動子をＸ−Ｙ面内の所定方向に相対移動させる推力を発生させると共に、Ｚ方向に磁気浮上させる磁気的反発力を発生させることを特徴とする。このような駆動ユニットにより、Ｘ−Ｙ面内を移動する推力を発生させると同時に相対的に磁極ユニットを浮上させておくことができるようになる。
一方、前記固定子の５つの突歯を下方に向けて可動子の上方に配置し、可動子は複数の永久磁石を上方に向けて突歯と対向するように配置され、固定子の４つの電機子コイルに電流を供給しない無励磁状態でも、可動子の複数の永久磁石と固定子の５つの突歯との間に働く磁気的吸引力により、可動子を浮上させるようにしてもよい。このようにすれば、より少ない電力で当該可動子の駆動を制御でき、可動子を容易にまた正確に移動させることができるようになる。
さらに、固定子は、平面状に分布させた少なくとも３個の駆動ユニットを有し、３個の駆動ユニットは、固定子に対してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向と各軸周りの回転の６自由度で可動子の位置姿勢を制御することを特徴とする。こうすることにより、例えば磁極ユニットをステージとして利用するような場合、ステージをＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に変位させ、またそれらの軸回りに回転させることができるようになるので、ステージの位置および姿勢を６自由度で制御することができるようになる。
また、本発明の励磁ユニットにおいて、突歯の先端の歯部は、先鋭形状に形成されていることを特徴とする。これら突歯先端の歯部を先鋭状にすることにより、無励磁状態で正弦波状に変化する推力特性を得ることができるようになり、また駆動ユニット内の複数の励磁ユニットの突歯を先鋭状にすることにより推力の平滑化を図ることができるようになる。
また、上記目的は、基板を載置するステージと、ステージを駆動する駆動系とを有し、駆動系により、Ｘ、Ｙ軸方向でステージの位置を制御するステージ装置において、ステージとして、上述のいずれかの平面型モータの可動子を用い、駆動系として、上述のいずれかの平面型モータの固定子を用いたことを特徴とするステージ装置によって達成される。また、基板を載置するステージと、ステージを駆動する駆動系とを有し、駆動系により、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向と各軸周りの回転の６自由度でステージの位置姿勢を制御するステージ装置において、ステージとして、上述のいずれかの平面型モータの可動子を用い、駆動系として、上述のいずれかの平面型モータの固定子を用いたことを特徴とするステージ装置によって達成される。
また上記目的は、本発明の上述のステージ装置において、励磁ユニットを冷却する冷却機構を備えたことを特徴とするステージ装置によって達成される。
さらに上記目的は、パターンの像を基板に転写する露光装置において、基板を載置して移動するステージ装置として、上述のステージ装置を備えたことを特徴とする露光装置によって達成される。また本発明の露光装置は、パターンの像を基板に投影する投影光学系を防振機構を介して支えるコラムと、ステージ装置の駆動系を支える固定フレームとを備え、駆動系に生じる反力が投影光学系に及ばないことを特徴としている。
また上記目的は、励磁ユニットの組立方法において、ほぼ直線状に形成された２つの腕部と、磁極ユニットの複数の永久磁石に対向するように、各腕部の先端部および各腕部が接続された基端部に形成された３つの突歯とを有する磁性体部材と、各腕部のそれぞれに巻回された２つの電機子コイルとを組み立てることを特徴とする励磁ユニットの組立方法によって達成される。
また上記目的は、励磁ユニットの組立方法において、全体でＸ−Ｙ方向にほぼ十字形状をなす４つの腕部と、各腕部の先端部および各腕部が接続された基端部に形成された５つの突歯とを有する磁性体部材と、各腕部のそれぞれに巻回された４つの電機子コイルとを組み立てることを特徴とする励磁ユニットの組立方法によって達成される。
さらに上記目的は、直線型モータの組立方法において、ほぼ直線状に形成された２つの腕部と、磁極ユニットの複数の永久磁石に対向するように、各腕部の先端部および各腕部が接続された基端部に形成された３つの突歯とを有する磁性体部材と、各腕部のそれぞれに巻回された２つの電機子コイルとを組み立てた励磁ユニットと、交互に磁極の向きを逆転させて配列した複数の永久磁石を有する磁極ユニットとを組み立てることを特徴とする直線型モータの組立方法によって達成される。
さらに上記目的は、平面型モータの組立方法において、交互に磁極の向きを逆転させてＸ−Ｙ平面上に配列した複数の永久磁石を有する磁極ユニットと、全体でＸ−Ｙ方向にほぼ十字形状をなす４つの腕部と、磁極ユニットの複数の永久磁石に対向するように、各腕部の先端部および各腕部が接続された基端部に形成された５つの突歯とを有する磁性体部材と、各腕部のそれぞれに巻回された４つの電機子コイルとを有する励磁ユニットとを組み立てることを特徴とする平面型モータの組立方法によって達成される。
またさらに上記目的は、基板を載置するステージと、ステージを駆動する駆動系とを有し、駆動系により、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向と各軸周りの回転の６自由度でステージの位置姿勢を制御するステージ装置の組立方法において、本発明の平面型モータの可動子をステージとして組み立て、本発明の平面型モータの固定子を駆動系として組み立てることを特徴とするステージ装置の組立方法によって達成される。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータの概略の構造を示す斜視図である。
図２は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータの励磁ユニットの概略の構造を示す図である。
図３は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータの励磁ユニットの概略の構造を示す平面図である。
図４は、本発明の第１の実施の形態による図３のＡ−Ａ線で切断した平面型モータの断面図である。
図５は、本発明の第１の実施の形態における、磁極ユニット１４に対向する励磁ユニット６の５つの突歯の位置関係を説明する斜視図である。
図６は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の移動動作を説明する図である。
図７は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の移動動作を説明する図である。
図８は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の移動動作を説明する図である。
図９は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の移動動作を説明する図である。
図１０は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の移動動作を説明する図である。
図１１は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の移動動作を説明する図である。
図１２は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の移動動作を説明する図である。
図１３は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の移動動作を説明する図である。
図１４は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の移動動作を説明する図である。
図１５は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける例示ユニットの配置例を示す図である。
図１６は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の浮上動作を説明する図である。
図１７は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の浮上動作を説明する図である。
図１８は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の浮上動作を説明する図である。
図１９は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の浮上動作を説明する図である。
図２０は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子の浮上動作を説明する図である。
図２１は、本発明の第１の実施の形態による平面型モータにおける可動子を６自由度で制御する動作を説明する図である。
図２２は、本発明の第２の実施の形態による平面型モータの概略の構造を示す斜視図である。
図２３は、本発明の第２の実施の形態による平面型モータの部分断面図である。
図２４は、本発明の第２の実施の形態における、磁極ユニット１４に対向する励磁ユニット６の５つの突歯の位置関係を説明する斜視図である。
図２５は、本発明の第２の実施の形態による平面型モータにおける可動子の移動動作を説明する図である。
図２６は、本発明の第２の実施の形態による平面型モータにおける可動子の移動動作を説明する図である。
図２７は、本発明の第２の実施の形態による平面型モータにおける可動子の移動動作を説明する図である。
図２８は、本発明の第３の実施の形態による平面型モータにおける励磁ユニット６の構造を示す図である。
図２９は、本発明の第３の実施の形態による平面型モータにおける励磁ユニット６の動作を説明する図である。
図３０は、本発明の第３の実施の形態による平面型モータにおける励磁ユニット６の動作を説明する図である。
図３１は、本発明の第３の実施の形態における励磁ユニット６の変形例を示す図である。
図３２は、本発明の第４の実施の形態による露光装置の概略の構造を説明する図である。
図３３は、本発明の第４の実施の形態によるステージ装置の概略の構造を説明する図である。
図３４は、本発明の第４の実施の形態によるステージ装置の概略の構造を説明する図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明の第１の実施の形態による平面型モータを図１乃至図２１を用いて説明する。本実施の形態における平面型モータは、複数の励磁ユニットを所定位置に固定して固定子とし、磁極ユニットを固定子に対して移動可能な可動子として用いるようにしている。固定子の各励磁ユニットは５つの突歯を上方に向けて可動子の下方に配置され、可動子は複数の永久磁石を下方に向けて突歯と対向するように配置されている。まず、本実施の形態による平面型モータの概略の構成を図１を用いて説明する。
図１は本実施の形態による平面型モータの斜視図である。図１に示すように、本実施の形態による平面型モータの構成は、固定子ユニット２と可動子４とに大別される。固定子ユニット２は、Ｘ−Ｙ平面に拡がる平板の基台８上に複数の励磁ユニット６が固定され、その上面に平面状の摺動部材１０が設けられている。一方、可動子４は、複数の永久磁石がＸ−Ｙ平面上にマトリクス状に並んで構成される磁極ユニット１４と、磁極ユニット１４上面に固定され、非磁性体且つ非導体である基板１２とで構成されている。後程詳述するが、固定子ユニット２の複数の励磁ユニット６のうち所定の複数の励磁ユニット６を駆動させることにより、摺動部材１０上の可動子４は、図中Ｚ方向に浮上し、且つ摺動部材１０上方のＸ−Ｙ面内を２次元的に移動することができると共に、基板１２のレベリング調整も行うことができるようになっている。
この固定子ユニット２の励磁ユニット６の構造を図２を用いて説明する。図２（ａ）は、図１に示した座標系において、＋Ｚ方向から−Ｚ方向に向かって見た励磁ユニット６の平面図である。図２（ｂ）は同側面図、図２（ｃ）は同正面図である。図２に示すように、本実施の形態における励磁ユニット６は、全体でＸ−Ｙ方向にほぼ十字形状をなす４つの腕部２０、２２、２４、２６と、各腕部２０〜２６の先端部および各腕部２０〜２６が接続された基端部（十字形状の中心部）から＋Ｚ方向に突出して形成された５つの突歯２８、３０、３２、３４、３６とで構成される磁性体部材（例えば、鉄）を有している。５つの突歯２８〜３６の先端の平坦部は１辺の長さがｌの正方形形状であり、またこれらの平坦部は全て同一平面内にあるように高さが調整されている。また、磁性体部材の各腕部２０〜２６にはそれぞれ電機子コイル３８、４０、４２、４４が巻回されている。図示は省略したが各電機子コイル３８〜４４は、それぞれ電流源に接続され、図示しない制御系から電流源に送出される指令により、各励磁ユニット６の各電機子コイル３８〜４４に所定の電流を供給できるようになっている。
次に、本実施の形態による平面型モータの固定子４の磁極ユニット１４の概略の構造を図３を用いて説明する。図３は、図１に示した座標系において、−Ｚ方向から＋Ｚ方向に向かって見た磁極ユニット１４の平面図である。この平面図は、磁極ユニット１４の、励磁ユニット６の各突歯と対向する面を示している。図３に示すように、本実施の形態による磁極ユニット１４は、立方体状の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓが互に磁極の向きを逆転させてＸ−Ｙ平面上にマトリクス状に複数配置されている。永久磁石５０Ｎは、励磁ユニット６の各突歯に対向する側がＮ極であり、永久磁石５０Ｓは、励磁ユニット６の各突歯に対向する側がＳ極である。磁極ユニット１４の複数の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓは、Ｘ−Ｙ面内でＸ、Ｙ方向にそれぞれ幅ｌを有する正方形形状になり、且つ隣り合う永久磁石５０Ｎ、５０Ｓの中心間はそれぞれＸ、Ｙ方向に距離２ｌだけ離間して配置されている。
Ｘ方向に離間した複数の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓの間には、Ｘ方向に磁軸が向いた立方体状の永久磁石５４がそれぞれ埋め込まれており、磁極の向きは永久磁石５０Ｎ、５０Ｓの磁極と同極同士が向き合うように配置されている。一方、Ｙ方向に離間した複数の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓの間には、Ｙ方向に磁軸が向いた立方体状の永久磁石５６がそれぞれ埋め込まれており、Ｘ方向と同様に磁極の向きは永久磁石５０Ｎ、５０Ｓの磁極と同極同士が向き合うように配置されている。
また、Ｘ方向に磁軸が向いた永久磁石５４とＹ方向に磁軸が向いた永久磁石５６で囲まれた立方体状の領域には、導体且つ非磁性体である部材６０が埋め込まれている。この部材６０としては、銅やアルミニウムを用いることができる。
このように、本実施の形態における可動子４の磁極ユニット１４では，離間してマトリクス状に配列された永久磁石５０Ｎ、５０Ｓの間に、ＸまたはＹ方向に磁軸が向いた永久磁石５４、５６を上述のように配置することにより、磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓで生じさせる磁束の磁束密度を大きくさせることができるので、後程詳述するが可動子４に与える推力、あるいは浮上力に寄与する磁束を高い効率で利用することができるようになる。また、永久磁石５４、５６で囲まれた領域に、導体且つ非磁性体である部材６０を埋め込むことにより、部材６０内を通過する磁束を、発生した渦電流の磁束で打ち消すように作用させることができるので、磁極ユニット１４と励磁ユニット６との間の磁束の漏れを低減させて効率よく磁束ループを形成させることができるようになる。
次に、本実施の形態による平面型モータの磁極ユニット１４に対する励磁ユニット６の突歯の配置関係を図４および図５を用いて説明する。図４は、本実施の形態による平面型モータを、磁極ユニット１４を示した図３のＡ−Ａ線の位置で切断した断面図である。図５は、磁極ユニット１４に対向する励磁ユニット６の５つの突歯の位置関係を説明する斜視図である。図４に示すように、それぞれ幅ｌを有する磁極ユニット１４の複数の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓおよび、ＸまたはＹ方向に磁軸が向いた横向きの永久磁石５４に対向する、各励磁ユニット６のＸ方向に伸びる２つの腕部２０、２４端部の２つの突歯２８、３２は、基端部の突歯３６に対してＸ方向に相対的に−ｌ／２、および＋ｌ／２だけずれて配置されている。
図示を省略するが同様にＹ方向に伸びる２つの腕部２２、２６の２つの突歯３０、３４は、基端部の突歯３６に対してＹ方向に相対的に−ｌ／２、＋ｌ／２だけずれて配置されている。従って、図５に示すように、基端部の突歯３６の歯部Ｔ５の位置が磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｎ（Ｎ極）に一致して対向している場合には、４つの腕部の突歯２８〜３４の各歯部Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は、それぞれ対向する磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｓ（Ｓ極）にＸ方向あるいはＹ方向にｌ／２だけ重なるようになっている。なお、図５およびこれ以降の図面では、磁極ユニット１４の横向きの永久磁石５４、５６の磁軸の方向は、一部を矢印で示すか、図示を省略するものとする。
以上の説明は、磁極ユニット１４に対する１つの励磁ユニット６の突歯の位置関係である。後程複数の励磁ユニット６を用いた場合の各励磁ユニット６の間の磁極ユニット１４に対する配置関係を説明するが、その前にここで、１つの励磁ユニット６を用いて本実施の形態による平面型モータにおける可動子の移動動作について図６乃至図１４を用いて説明する。
まず、１つの励磁ユニット６で磁極ユニット１４を−Ｘ方向に移動させる場合について図６乃至図８を用いて説明する。ここでは、Ｘ方向に可動子４を移動させる場合を例にとって説明するが、Ｙ方向も同様の動作により移動可能である。図６乃至図８における（ａ）は可動子４の磁極ユニット１４に対する励磁ユニット６の各突歯の位置を示す平面図であり、各突歯２８〜３６の歯部Ｔ１〜Ｔ５の位置を示している。図６乃至図８における（ｂ）は、励磁ユニット６の歯部Ｔ５を含むＸ方向の断面を示している。（ｃ）は、励磁ユニット６の歯部Ｔ５を含むＹ方向の断面を示している。
さて、図６において、初期状態として励磁ユニット６の基端部の突歯３６の歯部Ｔ５が磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｎ（Ｎ極）に対面しているものとする。この状態をＸ＝０とし、図示のように、歯部Ｔ１がＮ極、歯部Ｔ２〜歯部Ｔ４がＳ極に励磁されるように４つの電機子コイル３８〜４４に所定の電流を供給する。この電流の供給により歯部Ｔ５は、強いＮ極に励磁される。その結果、図６（ｂ）に示すように、歯部Ｔ１では、磁気的吸引力により磁極ユニット１４を−Ｘ方向（図中左方向）に移動させようとする推力が発生し、歯部Ｔ３においては磁気的反発力により磁極ユニット１４を−Ｘ方向に移動させようとする推力が発生する。さらに、一旦移動が開始されると、歯部Ｔ５も磁気的反発力による−Ｘ方向への推力を発生する。一方、図６（ｃ）に示すように、Ｙ方向については磁気的反発力だけが生じ、それらの合力は釣り合ってＹ方向の推力は発生しない。また、図６（ａ）から明らかなように、磁極ユニット１４が移動を始めるとＹ方向の歯部Ｔ２、Ｔ４もそれぞれ磁気的反発力により磁極ユニット１４を−Ｘ方向に移動させる推力を発生させることがわかる。
次に、可動子４が図６に示す位置（Ｘ＝０）からＸ＝−ｌ／２の位置まで移動した状態を図７を用いて説明する。図７に示すように、可動子４がＸ＝−ｌ／２の位置まで移動すると、励磁ユニット１４の電機子コイル３８に流す電流を反転させて歯部Ｔ１がＳ極になるように励磁する。その結果図７（ｂ）に示すように、歯部Ｔ３では、永久磁石５０Ｎに対する磁気的吸引力および永久磁石５０Ｓに対する磁気的反発力により磁極ユニット１４を−Ｘ方向に移動させようとする推力が発生し、歯部Ｔ５においては磁気的反発力による磁極ユニット１４を−Ｘ方向に移動させようとする推力が発生する。さらに、一旦移動が開始されると、歯部Ｔ１も永久磁石５０Ｓに対する磁気的反発力による推力を発生する。一方、図７（ｃ）に示すように、Ｙ方向については磁気的反発力だけが生じ、それらの合力は釣り合ってＹ方向の推力は発生しない。また、図７（ａ）から明らかなように、Ｙ方向の歯部Ｔ２、Ｔ４もそれぞれ磁気的吸引反発力を生じて推力を発生させる。
次に、可動子４が図７に示す位置（Ｘ＝−ｌ／２）からＸ＝−ｌの位置まで移動した状態を図８を用いて説明する。Ｘ＝−Ｉの位置では、各電機子コイル３８〜４４に流す電流の向きは変えない。図８に示すように、可動子４がＸ＝−ｌの位置まで移動した状態において、歯部Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４、Ｔ５では、永久磁石５０Ｓに対する磁気的反発力による磁極ユニット１４を−Ｘ方向に移動させようとする推力が発生し、歯部Ｔ３においては永久磁石５０Ｎに対する磁気的吸引力により磁極ユニット１４を−Ｘ方向に移動させようとする推力が発生する。一方、図８（ｃ）に示すように、Ｘ＝−ｌの位置では磁極ユニット１４のＹ方向に永久磁石が配置されていないので磁気的吸引力／反発力は発生しない。
以上Ｘ＝０からＸ＝−ｌまでにおけるＸ方向の移動動作を説明したが、Ｘ＝−ｌより負方向に移動する場合も、あるいはＸ＝０より正方向に移動する場合についても、同様にして各電機子コイル３８〜４４に流す電流を変化させることにより励磁ユニット６に対して相対的に磁極ユニット１４を所定方向に移動させる推力を発生させることができるようになる。
次に、図９乃至図１４を用いて本実施の形態における磁極ユニット１４の移動動作をより詳細に説明する。図９（ａ）は、Ｘ＝０の位置での磁極ユニット１４と励磁ユニット６との配置関係を示し、図６（ａ）等に示したものと同様である。すなわち、初期状態として励磁ユニット６の基端部の突歯３６の歯部Ｔ５が磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｎ（Ｎ極）に対面している。図９（ｂ）は、励磁ユニット６の電機子コイル３８〜４４に流す電流の向きを規定しており、図示の・印は紙面から紙面手前に向かう方向を、×印は紙面手前から紙面に向かう方向を示している。この図９（ｂ）に示す各電機子コイル３８〜４４に流す電流の方向を正方向として、磁極ユニット１４が相対的にＸ＝０からＸ＝４ｌまでの正方向に移動する際における、励磁ユニット６の各電機子コイル３８〜４４に流す電流の通電スケジュールと、各突歯に励磁される極性の変化を図１０に示す。ここで各電機子コイル３８、４０、４２、４４に流す電流は、図９（ｂ）に示したようにそれぞれ電流Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４である。図１０（ａ）において、横軸はＸ＝０からＸ＝４ｌまでの正方向の移動距離を示し、上段のグラフの縦軸は電機子コイル３８に流す電流Ｃ１を表し、下段のグラフの縦軸は突歯２８の歯部Ｔ１に励磁される極性を示している。同様にして図１０（ｂ）〜（ｄ）もそれぞれＸ＝０からＸ＝４ｌまでの正方向の移動距離における電機子コイル４０〜４４に流す電流Ｃ２〜Ｃ４と、突歯３０〜３４の歯部Ｔ２〜Ｔ４に励磁される極性を示している。また図１０（ｅ）は、図１０（ａ）〜（ｄ）に示すように各電機子コイル３８〜４４に通電した結果、基端部の突歯３６の歯部Ｔ５に生じる磁極の変化を示している。
この図１０（ａ）〜（ｅ）に示したように各歯部Ｔ１〜Ｔ５の極性をＸ＝０からＸ＝４ｌまでの移動に伴って変化させることにより、各歯部Ｔ１〜Ｔ５およびそれらと対向する磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓとの間に、図６乃至図８を用いて説明したのと同様の磁気的反発力、あるいは磁気的吸引力が作用して推力が発生する。各歯部により発生する推力を図１１に示す。図１１（ａ）〜（ｅ）は、歯部Ｔ１〜Ｔ５に発生する推力ＦＴ１〜ＦＴ５のＸ＝０からＸ＝４ｌに至るまでの変化を示している。そして、図１１（ｆ）は、推力ＦＴ１〜ＦＴ５の合力、すなわち図９（ａ）に示した位置を基点として各移動位置での推力を示している。図１１（ａ）〜（ｆ）において、実線で示した波形は、無励磁状態での推力の変化を示し、破線で示した波形が励磁状態、すなわち図１０に示す通電スケジュールにより発生する推力である。図１１（ｆ）の破線からわかるように、図９（ａ）に示した位置から励磁により移動する場合の励磁ユニット６で発生する推力は、Ｘ＝０、２ｌ、４ｌをそれぞれ少し過ぎた位置で０に近くなるようなほぼ２ｌの周期の正弦波的な変化をする。
次に、図１２乃至図１４を用いて、励磁ユニットの各突歯が上述の図９（ａ）に示した位置からずれて位置している場合の移動動作について説明する。図１２は、Ｘ＝０の位置での磁極ユニット１４と励磁ユニット６との配置関係を示し、初期状態として励磁ユニット６の基端部の突歯３６の歯部Ｔ５が磁極ユニット１４のＹ方向の永久磁石５０Ｎ（Ｎ極）と永久磁石５０Ｓとの間の永久磁石５６に対面していることを示している。つまり、図９に示した状態から＋Ｙ方向にｌだけ相対的に励磁ユニット６を移動させた状態を初期状態とした場合である。
励磁ユニット６の電機子コイル３８〜４４に流す電流の向き、および各電機子コイル３８〜４４に流す電流の符号を図９（ｂ）に示したものと同様にして、磁極ユニット１４が相対的にＸ＝０からＸ＝４ｌまでの正方向に移動する際における、励磁ユニット６の各電機子コイル３８〜４４に流す電流の通電スケジュールと、各突歯に励磁される極性の変化を図１３に示す。図１３（ａ）においても、横軸はＸ＝０からＸ＝４ｌまでの正方向の移動距離を示し、上段のグラフの縦軸は電機子コイル３８に流す電流Ｃ１を表し、下段のグラフの縦軸は突歯２８の歯部Ｔ１に励磁される極性を示している。同様にして図１３（ｂ）〜（ｄ）もそれぞれＸ＝０からＸ＝４ｌまでの正方向の移動距離における電機子コイル４０〜４４に流す電流Ｃ２〜Ｃ４と、突歯３０〜３４の歯部Ｔ２〜Ｔ４に励磁される極性を示している。また図１３（ｅ）は、図１３（ａ）〜（ｄ）に示すように各電機子コイル３８〜４４に通電した結果、基端部の突歯３６の歯部Ｔ５に生じる励磁の変化を示している。
この図１３（ａ）〜（ｅ）に示したように各歯部Ｔ１〜Ｔ５の極性を位置Ｘ＝０からＸ＝４ｌに渡って変化させることにより、各歯部Ｔ１〜Ｔ５およびそれら近傍に対向する磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓとの間に磁気的反発力、あるいは磁気的吸引力が作用して推力が発生する。各歯部により発生する推力を図１４に示す。図１４（ａ）〜（ｅ）は、歯部Ｔ１〜Ｔ５に発生する推力ＦＴ１〜ＦＴ５のＸ＝０からＸ＝４ｌに至るまでの変化を示している。そして、図１４（ｆ）は、推力ＦＴ１〜ＦＴ５の合力、すなわち図１２に示した位置を基点として各移動点で発生する推力を示している。図１４（ａ）〜（ｆ）において、実線で示した波形は、無励磁状態での推力の変化を示し、破線で示した波形が励磁状態、すなわち図１３に示す通電スケジュールにより発生する推力である。図１４（ｆ）の破線からわかるように、図１２に示した位置から移動する場合の励磁ユニット６で発生する推力は、ほぼ２ｌの周期で正弦波的に変化し、Ｘ＝０、２ｌ、４ｌの位置でほぼ０になっている。
これら図１１（ｆ）、図１４（ｆ）に示したように、磁極ユニット１４に対する励磁ユニット６の位置がＹ方向にずれていても、Ｘ方向の位置（Ｘ＝０）が同一であれば得られる推力特性は、ほぼ２ｌの周期で正弦波的に変化し、Ｘ＝０、２ｌ、４ｌの位置またはその近傍でほぼ０または０に近づく。従って、少なくとも２個の励磁ユニット６を用いることにして、それらをＸ方向に相対的にｌだけずらして配置すれば推力むらを低減できることになる。これは図１１（ｆ）の波形に対して図１４（ｆ）の波形を相対的にｌだけ位相をずらして合成することに相当し、図からも明らかなように合成波形は平坦化されるので、推力が０に近づく位置をなくすと共に推力むらを低減することができるようになる。
以上は、Ｘ方向の移動における推力特性であるが、Ｙ方向の移動における推力特性も全く同様の説明が成り立つ。従って、Ｙ方向の推力むらを低減させるためには、少なくとも２個の励磁ユニット６をＹ方向にも相対的にｌだけずらして配置するようにすればよい。つまり、推力むらを低減させてＸ−Ｙ面内で２次元的に可動子２を移動させるには、図１５に例示するように、少なくとも２個の励磁ユニット６を用い、それらの相互の位置が相対的にＸ、Ｙ方向にそれぞれｌだけずれているように励磁ユニット６の組として配置すればよいことになる。
次に、本実施の形態による平面型モータにおける可動子の浮上動作について図１６乃至図２０を用いて説明する。
まず、１つの励磁ユニット６で磁極ユニット１４を浮上させる場合について図１６乃至図２０を用いて説明する。はじめに本実施の形態における可動子を浮上させる基本動作を図１６を用いて説明する。図１６（ａ）は、可動子４の磁極ユニット１４に対する励磁ユニット６の各突歯２８〜３６の歯部Ｔ１〜Ｔ５の位置を示すＸ方向の断面を示している。（ｂ）は、励磁ユニット６の歯部Ｔ５を含むＹ方向の断面を示している。
図１６においては、初期状態として励磁ユニット６の基端部の突歯３６の歯部Ｔ５が磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｎ（Ｎ極）に対面しているものとする。この状態をＸ＝０とし、図示のように、歯部Ｔ１〜Ｔ４がＳ極に励磁されるように４つの電機子コイル３８〜４４に所定の電流を供給する。このとき歯部Ｔ５はＮ極に励磁される。その結果、図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、全ての歯部Ｔ１〜ｔ５で、磁極ユニット１４に対して磁気的反発力が発生して磁極ユニット１４を＋Ｚ方向に浮上させようとする浮上力が発生する。この浮上力により、励磁ユニット６に対して磁極ユニット１４は浮上する。
ところが、上述の１つの励磁ユニット６だけでは、可動子４がＸ−Ｙ面内を２次元的に移動する全ての位置で浮上力を維持させることはできない。例えば、可動子のＸ−Ｙ方向の移動に伴って、励磁ユニット６の歯部Ｔ５の位置が図１２に示したような位置にある場合には、可動子４を浮上させておくだけの浮上力を得ることはできなくなる。すなわち、浮上力も励磁ユニット６と磁極ユニット１４との相対位置により変化する。この点につき、図１７乃至図２０を用いてＸ方向の移動を例にとって詳細に説明する。
図１７（ａ）は、Ｘ＝０の位置での磁極ユニット１４と励磁ユニット６との配置関係が図９（ａ）に示した状態、すなわち初期状態として励磁ユニット６の基端部の突歯３６の歯部Ｔ５が磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｎ（Ｎ極）に対面している場合の通電スケジュールおよび各歯部の極性の変化を示している。なお、励磁ユニット６の電機子コイル３８〜４４に流す電流の向きは、図９（ｂ）での規則と同様とする。図１７（ａ）において、横軸はＸ＝０からＸ＝４ｌまでの正方向の移動距離を示し、上段のグラフの縦軸は電機子コイル３８に流す電流Ｃ１を表し、下段のグラフの縦軸は突歯２８の歯部Ｔ１に励磁される極性を示している。同様にして図１７（ｂ）〜（ｄ）もそれぞれＸ＝０からＸ＝４ｌまでの正方向の移動距離における電機子コイル４０〜４４に流す電流Ｃ２〜Ｃ４と、突歯３０〜３４の歯部Ｔ２〜Ｔ４に励磁される極性を示している。また図１７（ｅ）は、図１７（ａ）〜（ｄ）に示すように各電機子コイル３８〜４４に通電した結果、基端部の突歯３６の歯部Ｔ５に生じる励磁の変化を示している。
この図１７（ａ）〜（ｅ）に示したように各歯部Ｔ１〜Ｔ５の極性を、位置Ｘ＝０からＸ＝４ｌに至るまでに所定のスケジュールで変化させることにより、各歯部Ｔ１〜Ｔ５およびそれらと対向する磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓとの間に磁気的反発力が作用して浮上力が発生する。各歯部により発生する浮上力を図１８に示す。図１８（ａ）〜（ｅ）は、歯部Ｔ１〜Ｔ５に発生する浮上力ＦＴ１〜ＦＴ５の位置Ｘ＝０からＸ＝４ｌに至るまでの変化を示している。そして、図１８（ｆ）は、浮上力ＦＴ１〜ＦＴ５の合力、すなわち図９（ａ）に示した位置を基点として各移動位置での浮上力を示している。図１８（ａ）〜（ｆ）において、実線で示した波形は、無励磁状態での浮上力の変化を示している。無励磁状態では、磁気的吸引力しか作用しないのでＺ方向の浮上力は全て負になっている。破線で示した波形は励磁状態、すなわち図１７に示す通電スケジュールにより発生する浮上力である。図１８（ｆ）からわかるように、図９（ａ）に示した位置から移動する場合の励磁ユニット６で発生させる浮上力は、励磁状態において、位置Ｘ＝０からＸ＝４ｌに至る全域で＋Ｚ方向に可動子４を浮上させる正の浮上力が発生し、その大きさが２ｌの周期の正弦波的に変化することがわかる。
次に、励磁ユニットの各突歯が図１２に示す位置、つまり、図９に示した状態から＋Ｙ方向にｌだけ相対的に励磁ユニット６を移動させた位置を初期状態とする場合の浮上力について説明する。
本例も励磁ユニット６の電機子コイル３８〜４４に流す電流の向き、および各電機子コイル３８〜４４に流す電流の符号を図９（ｂ）に示したものと同様にして、磁極ユニット１４が相対的にＸ＝０からＸ＝４ｌまでの正方向に移動する際における、励磁ユニット６の各電機子コイル３８〜４４に流す電流の通電スケジュールと、各突歯に励磁される極性の変化を図１９に示す。図１９（ａ）においても、横軸はＸ＝０からＸ＝４ｌまでの正方向の移動距離を示し、上段のグラフの縦軸は電機子コイル３８に流す電流Ｃ１を表し、下段のグラフの縦軸は突歯２８の歯部Ｔ１に励磁される極性を示している。同様にして図１９（ｂ）〜（ｄ）もそれぞれＸ＝０からＸ＝４ｌまでの正方向の移動距離における電機子コイル４０〜４４に流す電流Ｃ２〜Ｃ４と、突歯３０〜３４の歯部Ｔ２〜Ｔ４に励磁される極性を示している。また図１９（ｅ）は、図１９（ａ）〜（ｄ）に示すように各電機子コイル３８〜４４に通電した結果、基端部の突歯３６の歯部Ｔ５に生じる励磁の変化を示している。
この図１９（ａ）〜（ｅ）に示したように各歯部Ｔ１〜Ｔ５の極性をＸ＝０からＸ＝４ｌに渡って変化させることにより、各歯部Ｔ１〜Ｔ５およびそれら近傍に対向する磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓとの間に磁気的反発力が作用して浮上力が発生する。各歯部により発生する浮上力を図２０に示す。図２０（ａ）〜（ｅ）は、歯部Ｔ１〜Ｔ５に発生する浮上力ＦＴ１〜ＦＴ５のＸ＝０からＸ＝４ｌに至るまでの変化を示している。そして、図２０（ｆ）は、浮上力ＦＴ１〜ＦＴ５の合力、すなわち図１２に示した位置を基点として各移動点で発生する浮上力を示している。図２０（ａ）〜（ｆ）において、実線で示した波形は、無励磁状態での浮上力の変化を示している。無励磁状態では、磁気的吸引力しか作用しないのでＺ方向の浮上力は全て負になっている。破線で示した波形は励磁作用、すなわち図１９に示す通電スケジュールにより発生する浮上力である。図２０（ｆ）からわかるように、図１２に示した位置から移動する場合の励磁ユニット６で発生する浮上力は、励磁状態において、ほぼ２ｌの周期で正弦波的に変化し、且つＸ＝ｌ、３ｌおよびその近傍では負の浮上力、すなわち吸引力が生じてしまっていることがわかる。
このように、図１８（ｆ）、図２０（ｆ）に示したように、励磁状態において、磁極ユニット１４に対する励磁ユニット６の位置がＹ方向にずれて、Ｘ方向の位置（Ｘ＝０）が同一である場合には、それぞれの磁極ユニット６から得られる浮上力特性は、ほぼ同位相であって２ｌの周期で正弦波的に変化する点で類似するが、Ｘ＝ｌ、３ｌの位置近傍で浮上力が負になってしまうか否かで相違する。従って、少なくとも２個の励磁ユニット６を用い、それらをＸ方向に相対的にｌだけずらして配置すれば浮上力のむらを低減できることになる。これは図１８（ｆ）の波形に対して図２０（ｆ）の波形を相対的にｌだけずらして合成することに相当し、図からも明らかなように合成波形は平坦化されるので、浮上力が負になる位置をなくすと共に浮上力のむらを低減することができるようになる。
以上は、Ｘ方向の移動における浮上力特性であるが、Ｙ方向の移動における浮上力特性も全く同様の説明が成り立つ。従って、Ｙ方向の浮上力むらを低減させるためには、少なくとも２個の励磁ユニット６をＹ方向にも相対的にｌだけずらして配置するようにすればよい。つまり、浮上力むらを低減させてＸ−Ｙ面内で２次元的に可動子４を移動させるには、上述の推力むらの低減に用いた図１５に例示するように２個の励磁ユニット６を用い、それらの相互の位置が相対的にＸ、Ｙ方向にそれぞれｌだけずれているような励磁ユニット６の組を配置すればよいことになる。
従って、図１５に示した励磁ユニット６の組をＸ−Ｙ面内での可動子４の２次元移動のために用い、それとは別の位置にやはり図１５に示した励磁ユニット６の組を用意して可動子４の浮上用に用いるようにすれば、つまり、励磁ユニット６の組を少なくとも２組用い、磁極ユニットをＸ−Ｙ面内の所定方向に相対移動させる推力を発生させると共に、Ｚ方向に磁気浮上させる磁気的反発力を発生させる駆動ユニットを構成することにより、可動子４の移動と浮上を同時に行うことができるようになる。
また、図１５に示したような配置の浮上用と移動用の励磁ユニット６の組を複数組設けて駆動ユニットを構成して基台８上に設けることにより、より広い範囲に渡って可動子４を移動させることができるようになる。また、複数の励磁ユニット６の組を用いることにより、高推力、高浮上力を得ることができる。
さらに、図２１（ａ）、（ｂ）に示すように正方形形状の可動子４の磁極ユニット１４を例えば正方形形状の領域Ａ〜Ｄに４分割し、領域Ａ〜Ｄの下方の励磁ユニット６の組の電機子コイル３８〜４４にそれぞれ領域毎に異なる所定の電流を供給するようにしてもよい。こうすると、例えば図２１（ａ）に示すように領域Ａ〜Ｄ毎の推力の方向を変えることにより、全体としてＸ−Ｙ面内を一方向に移動できるだけでなく、Ｚ軸回りの回転を行わせることができるようになる。また、図２１（ｂ）に示すように、領域Ａ〜ＤのそれぞれのＺ方向の浮上力を変えることにより、Ｘ軸回りあるいはＹ軸回りの回転を行わせることができるようになり、可動子４の平面のレベリングを調整することができるようになる。
このように、本実施の形態の平面型モータによれば、固定子側に複数の励磁ユニットの組を設けることができるので高推力が得られ、また、可動子４は、永久磁石５０と導体部材６０、および基板１２からなる簡素な平面構造で構成できるので軽量で高速に移動させることができるようになる。また、本実施の形態による平面型モータによれば、可動子４に浮上力を与えつつ２次元平面を移動させることができるようになる。さらに、可動子４の位置および姿勢を、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向およびそれらの軸の回転方向の合計６自由度で制御できる平面型モータを実現できる。
次に本発明の第２の実施の形態による平面型モータを図２２乃至図２７を用いて説明する。本実施の形態における平面型モータは、複数の励磁ユニットを所定位置に固定して固定子とし、磁極ユニットを固定子に対して移動可能な可動子として用いるようにしている。第１の実施形態との相違は、固定子の各励磁ユニットが５つの突歯を下方に向けて可動子の上方に配置され、可動子は複数の永久磁石を上方に向けて突歯と対向するように配置されている点にある。まず、本実施の形態による平面型モータの概略の構成を図２２を用いて説明する。
図２２は本実施の形態による平面型モータの斜視図である。図２２に示すように、本実施の形態による平面型モータの構成は、固定子ユニット２と可動子４とに大別される。固定子ユニット２は、Ｘ−Ｙ平面に拡がる平板の基台８下面に複数の励磁ユニット６が固定され、その下面に平面状の摺動部材１０が設けられている。一方、可動子４は、複数の永久磁石がＸ−Ｙ平面上にマトリクス状に並んで構成される磁極ユニット１４と、磁極ユニット１４下面に固定され、非磁性体且つ非導体である基板１２とで構成されている。
このように本実施の形態では、可動子４が固定子ユニット２の下方に位置しており、固定子ユニット２の各励磁ユニット６が無励磁状態でも可動子４の複数の永久磁石による磁気的吸引力により、固定子ユニット２に対して所定の空隙を介して可動子４が空中に浮いていることができるようになっている。また後程詳述するが、固定子ユニット２の複数の励磁ユニット６のうち所定の複数の励磁ユニット６を駆動させることにより、摺動部材１０下方の可動子４は、摺動部材１０下方のＸ−Ｙ面内を２次元的に移動することができると共に、可動子４自体のレベリング調整も行うことができるようになっている。
この固定子ユニット２の励磁ユニット６は、図２を用いて説明した第１の実施の形態における励磁ユニット６と同一の構成であり、使用状態において−Ｚ方向に５つの突歯２８、３０、３２、３４、３６が向くように配置される点のみが異なるのでその構成の図示および説明は省略する。また、本実施の形態による平面型モータの固定子４の磁極ユニット１４の構造も図３を用いて説明した第１の実施の形態における磁極ユニットと同一であるのでその説明は省略する。
次に、本実施の形態による平面型モータの磁極ユニット１４に対する励磁ユニット６の突歯の配置関係を図２３および図２４を用いて説明する。図２３は、本実施の形態による平面型モータの一断面を示し、図２４は、磁極ユニット１４に対向する励磁ユニット６の５つの突歯の位置関係を説明する斜視図である。図２３に示すように、それぞれ幅ｌを有する磁極ユニット１４の複数の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓおよび、ＸまたはＹ方向に磁軸が向いた横向きの永久磁石５４に対向する、各励磁ユニット６のＸ方向に伸びる２つの腕部２０、２４端部の２つの突歯２８、３２は、基端部の突歯３６に対してＸ方向に相対的に−ｌ／２、および＋ｌ／２だけずれて配置されている。
図示を省略するが同様にＹ方向に伸びる２つの腕部２２、２６の２つの突歯３０、３４は、基端部の突歯３６に対してＹ方向に相対的に−ｌ／２、＋ｌ／２だけずれて配置されている。従って、図２４に示すように、基端部の突歯３６の歯部Ｔ５の位置が磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｎ（Ｎ極）に一致して対向している場合には、４つの腕部の突歯２８〜３４の各歯部Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は、それぞれ対向する磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｓ（Ｓ極）にＸ方向あるいはＹ方向にｌ／２だけ重なるようになっている。
以上の説明は、磁極ユニット１４に対する１つの励磁ユニット６の突歯の位置関係である。後程複数の励磁ユニット６を用いた場合の各励磁ユニット６の間の磁極ユニット１４に対する配置関係を説明するが、その前にここで、１つの励磁ユニット６で磁極ユニット１４をＸ方向に移動させる場合について図２５乃至図２７を用いて説明する。ここでは、Ｘ方向に可動子４を移動させる場合を例にとって説明するが、Ｙ方向も同様の動作により移動可能である。図２５乃至図２７における（ａ）は可動子４の磁極ユニット１４に対する励磁ユニット６の各突歯の位置を示す平面図であり、各突歯２８〜３６の歯部Ｔ１〜Ｔ５の位置を示している。図２５乃至図２７における（ｂ）は、励磁ユニット６の歯部Ｔ５を含むＸ方向の断面を示している。（ｃ）は、励磁ユニット６の歯部Ｔ５を含むＹ方向の断面を示している。
さて、図２５において、初期状態として励磁ユニット６の基端部の突歯３６の歯部Ｔ５が磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｎ（Ｎ極）に対面しているものとする。この状態をＸ＝０とする。このＸ＝０で励磁ユニット６の各電機子コイル３８〜４４に電流を供給しない無励磁状態では、磁極ユニット１４の複数の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓによる励磁ユニット６の各歯部Ｔ１〜Ｔ５間の磁気的吸引力が釣り合って、励磁ユニット６に対して所定の空隙を介して磁極ユニット１４は空中に浮いている。
次に、図２５（ｂ）に示すように、歯部Ｔ１に相対的に強いＮ極（以降、Ｎ＋極と標記する）、歯部Ｔ２〜歯部Ｔ４に相対的に弱いＮ極（以降、Ｎ−極と標記する）、歯部Ｔ５にＳ極が励磁されるように４つの電機子コイル３８〜４４に所定の電流を供給する。その結果、各歯部Ｔ１〜Ｔ５間の磁気的吸引力のバランスが崩れ、図２５（ｂ）に示すように、歯部Ｔ１では、釣り合い状態時より強い磁気的吸引力が発生して磁極ユニット１４をＸ方向（図中右方向）に移動させようとする推力が発生する。また、歯部Ｔ３においては釣り合い状態時より磁気的吸引力が弱められる結果、可動子４はＸ方向に移動を開始する。
一方、図２５（ｃ）に示すように、Ｙ方向については磁気的吸引力の釣り合い状態は維持されながら、全体としての磁気的吸引力が変化するだけであるのでＹ方向の推力は発生しない。このような本実施の形態による可動子の移動動作では、第１の実施の形態における各電機子コイル３８〜４４に供給する電流よりも遙かに少ない電流の供給で可動子を移動させることができる。
次に、可動子４が図２５に示す位置（Ｘ＝０）からＸ＝ｌ／２の位置まで移動した状態を図２６を用いて説明する。図２６に示すように、可動子４がＸ＝ｌ／２の位置まで移動すると、歯部Ｔ３にＳ＋極、歯部Ｔ１にＮ＋極、Ｔ２およびＴ４にＮ−極、歯部Ｔ５にＳ−極が励磁されるように４つの電機子コイル３８〜４４に所定の電流を供給する。その結果、各歯部Ｔ１〜Ｔ５間の磁気的吸引力のバランスが崩れ、図２６（ｂ）に示すように、歯部Ｔ３では、磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｎに対して釣り合い状態時より強い磁気的吸引力が発生し、また永久磁石５０Ｓに対して磁気的反発力が発生して磁極ユニット１４をＸ方向（図中右方向）に移動させようとする推力が発生する。また、歯部Ｔ１においては釣り合い状態時より磁気的吸引力が弱められる結果、可動子４はＸ方向に移動を開始する。一方、図２６（ｃ）に示すように、Ｙ方向については磁気的吸引力の釣り合い状態は維持されながら、全体としての磁気的吸引力が変化するだけであるのでＹ方向の推力は発生しない。
次に、可動子４が図２６に示す位置（Ｘ＝ｌ／２）からＸ＝ｌの位置まで移動した状態を図２７を用いて説明する。Ｘ＝ｌの位置では、各電機子コイル３８〜４４に流す電流の向きを逆転させて、歯部Ｔ５にＮ＋極、歯部Ｔ１〜歯部Ｔ４にＳ−極が励磁されるように４つの電機子コイル３８〜４４に所定の大きさの電流を供給する。その結果、各歯部Ｔ１〜Ｔ５間の磁気的吸引力のバランスが崩れ、図２７（ｂ）に示すように、歯部Ｔ５では、磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｓに対して釣り合い状態時より強い磁気的吸引力が発生し、また永久磁石５０Ｎに対して磁気的反発力が発生して磁極ユニット１４をＸ方向（図中右方向）に移動させようとする推力が発生する結果、可動子４はＸ方向に移動を開始する。一方、図２７（ｃ）に示すように、Ｘ＝ｌの位置では磁極ユニット１４のＹ方向に永久磁石が配置されていないので磁気的吸引力は釣り合い状態は維持される。
以上Ｘ＝０からＸ＝ｌまでにおけるＸ方向の移動動作を説明したが、Ｘ＝ｌより正方向に移動する場合も、あるいはＸ＝０より負方向に移動する場合についても、同様にして各電機子コイル３８〜４４に流す電流を変化させることにより励磁ユニット６に対して相対的に磁極ユニット１４を所定方向に移動させる推力を発生させることができるようになる。
なお本実施の形態による平面型モータも、第１の実施の形態における図１０および図１３に対応する通電スケジュールに基づいて各電機子コイル３８〜４４に電流を供給することにより、図１１および図１４に示すような推力を各歯部に発生させることができるようになる。従って、本実施の形態においても、これら図１１（ｆ）、図１４（ｆ）に示したように、磁極ユニット１４に対する励磁ユニット６の位置がＹ方向にずれていても、Ｘ方向の位置（Ｘ＝０）が同一であれば得られる推力特性は、ほぼ２ｌの周期で正弦波的に変化し、Ｘ＝０、２ｌ、４ｌの位置またはその近傍でほぼ０または０に近づく。従って、少なくとも２個の励磁ユニット６を用いることにして、それらをＸ方向に相対的にｌだけずらして配置すれば推力むらを低減できることになる。これは図１１（ｆ）の波形に対して図１４（ｆ）の波形を相対的にｌだけ位相をずらして合成することに相当し、図からも明らかなように合成波形は平坦化されるので、推力が０に近づく位置をなくすと共に推力むらを低減することができるようになる。
以上は、Ｘ方向の移動における推力特性であるが、Ｙ方向の移動における推力特性も全く同様の説明が成り立つ。従って、Ｙ方向の推力むらを低減させるためには、少なくとも２個の励磁ユニット６をＹ方向にも相対的にｌだけずらして配置するようにすればよい。つまり、推力むらを低減させてＸ−Ｙ面内で２次元的に可動子２を移動させるには、第１の実施の形態と同様に、図１５に例示するように、少なくとも２個の励磁ユニット６を用い、それらの相互の位置が相対的にＸ、Ｙ方向にそれぞれｌだけずれているように配置すればよいことになる。
従って、図１５に示した励磁ユニット６の組をＸ−Ｙ面内での可動子４の２次元移動のために用い、それとは別の位置にやはり図１５に示した励磁ユニット６の組を用意して可動子４のレベリング用に用いるようにすれば、つまり、励磁ユニット６の組を少なくとも２組用い、磁極ユニットをＸ−Ｙ面内の所定方向に相対移動させる推力を発生させると共に、Ｚ方向に磁気浮上させている磁気的吸引力を変化させる駆動ユニットを構成することにより、可動子４のＸ−Ｙ方向の移動とＺ方向の移動を同時に行うことができるようになる。
また、図１５に示したような配置の浮上用と移動用の励磁ユニット６の組を複数組設けて駆動ユニットを構成して基台８下面に設けることにより、より広い範囲に渡って可動子４を移動させることができるようになる。また、複数の励磁ユニット６の組を用いることにより、高推力、高浮上力を得ることができる。
さらに、第１の実施の形態による図２１（ａ）、（ｂ）に示したのと同様にして、正方形形状の可動子４の磁極ユニット１４を例えば正方形形状の領域Ａ〜Ｄに４分割し、領域Ａ〜Ｄの上方の励磁ユニット６の組の電機子コイル３８〜４４にそれぞれ領域毎に異なる所定の電流を供給するようにしてもよい。こうすると、例えば図２１（ａ）に示すように領域Ａ〜Ｄ毎の推力の方向を変えることにより、全体としてＸ−Ｙ面内を一方向に移動できるだけでなく、Ｚ軸回りの回転を行わせることができるようになる。また、図２１（ｂ）に示すように、領域Ａ〜ＤのそれぞれのＺ方向の浮上力を変えることにより、Ｘ軸回りあるいはＹ軸回りの回転を行わせることができるようになり、可動子４の平面のレベリングを調整することができるようになる。
このように、本実施の形態の平面型モータにおいても、固定子ユニット２側に複数の励磁ユニット６の組を設けることができるので高推力が得られ、また、可動子４は、永久磁石５０と導体部材６０、および基板１２からなる簡素な平面構造で構成できるので軽量で高速に移動させることができるようになる。
また、第１の実施の形態における平面型モータでは、可動子４が固定子ユニット２の上方に位置しているため、可動子４を浮上させるには可動子２の磁極ユニット６の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓと固定子ユニット２の励磁ユニット６の各突歯２８〜３６との間に働く磁気的吸引力を打ち消し、且つ可動子４の自重以上の浮上力を発生させる必要がある。そのため、各電機子コイル３８〜４４に大電流を流す必要が生じ、コイル通電による固定子ユニット２からの発熱が多くなってしまう。一方、本実施の形態による平面型モータによれば、可動子４が固定子ユニット２の下方に位置し、無励磁状態でも磁気的吸引力により可動子４が空間に浮いているので、可動子４の位置姿勢制御は微少のコイル通電で済み、そのため固定子ユニット２からの発熱も少なくでき、効率的であるという利点を有している。
次に本発明の第３の実施の形態による平面型モータを図２８乃至図３１を用いて説明する。本実施の形態による平面型モータは、第１および第２の実施の形態による平面型モータにおける励磁ユニット６の５つの突歯２８〜３６の先端部形状に特徴を有している。その他の構成は、第１および第２の実施の形態と同様であるので図示および説明を省略する。
図２８は、本実施の形態による励磁ユニット６の５つの突歯を有する磁性体部材とそれぞれの腕部に巻かれた電機子コイル３８〜４４を示している。図２８（ａ）は、本実施の形態による励磁ユニット６の斜視図、図２８（ｂ）は、励磁ユニット６の各突歯の先端部の部分拡大図、図２８（ｃ）は、励磁ユニット６の各突歯の先端部の部分断面図である。図２８（ａ）〜（ｃ）に示すように、励磁ユニット６の５つの突歯２８〜３６の各歯部Ｔ１〜Ｔ５の端部４辺には、所定の面取り６２ａ〜６２ｄが施され、５つの突歯の先端の歯部が、先鋭形状に形成されている。本実施の形態においては、図２８（ｃ）に示すように、各突歯２８〜３６の歯部Ｔ１〜Ｔ５のＸ−Ｙ面の移動方向における平坦部と面取り６２ａ〜６２ｄの長さの比は、約２：１：１に設定されている。
さて、この励磁ユニット６の突歯２８〜３６の各歯部Ｔ１〜Ｔ５について、当該歯部Ｔ１〜Ｔ５を用いることにより得られる作用および効果を図２９および図３０を用いて説明する。図２９は、突歯３６の歯部Ｔ５を例に取り、本実施の形態における歯部Ｔ５を図中右側に示し、比較例として面取りが施されていない歯部Ｔ５を左側に示している。図中上段から下段に向かって、本実施の形態の歯部Ｔ５と比較例の歯部Ｔ５とが磁極ユニット１４に対して相対的に移動する際の、無励磁状態における磁気的吸引力の作用の相違を示す。
まず、図２９（ａ）において、本実施の形態および比較例のいずれの歯部も、磁極ユニット１４の永久磁石５０の幅ｌとほぼ等しい幅を有し、永久磁石５０Ｓに対向しているものとする。本実施の形態の歯部の先端部の形状は、既に図２８を用いて説明した通り端面と面取り６２ａ〜６２ｄで構成され、比較例の歯部の先端部は、本実施の形態の歯部に設けられた面取り６２ａ〜６２ｄがなく、端面だけの形状である。いずれの歯部の端面も磁極ユニット１４から所定の空隙を隔てて位置している。
このとき本実施の形態の歯部Ｔ５と磁極ユニット１４の永久磁石５０Ｓとの間に作用する磁気的吸引力をＦｔ、磁気的吸引力Ｆｔが働く方向に垂直な断面積の大きさをＡｔとする。一方、比較例の歯部Ｔ５に作用する磁気的吸引力をＦｆ、磁気的吸引力Ｆｆが働く方向に垂直な断面積の大きさをＡｆとする。
一般に、磁気的吸引力Ｆの大きさは、２つの磁性体間の距離の２乗に反比例し、対向する磁性体の表面積に比例するので、面取り６２〜６２ｄが設けられている分だけ力の作用する距離が長くなる領域を有する本実施の形態の歯部Ｔ５の磁気的吸引力Ｆｔは、比較例の歯部Ｔ５の磁気的吸引力Ｆｆより小さいものとなっている。
以上の状態から、図２９（ｂ）から図２９（ｄ）に示すように磁極ユニット１４を図中右方向に移動させると、磁気的吸引力Ｆｔ、Ｆｆの移動方向の分力として推力成分Ｆｔ、ｆｆが発生する。この移動に伴う推力成分ｆｔ、ｆｆの変化を図２９と共に図３０を用いて説明する。図３０（ａ）は比較例の歯部での推力特性を示し、図３０（ｂ）は、本実施の形態による歯部での推力特性を示している。両図とも横軸は移動距離を示している。両図の縦軸は原点位置から上側にはそれぞれ断面積Ａｔ、Ａｆを示し、下側にはそれぞれ磁気的吸引力Ｆｔ、Ｆｆの大きさ、および推力ｆｔ、ｆｆの大きさを示している。図中横軸に示したａ〜ｄの位置は、図２９（ａ）〜（ｄ）で示した磁極ユニット１４の移動量に対応している。
まず、比較例の歯部において、図２９（ａ）〜（ｄ）および図３０（ａ）に示すように、磁極ユニット１４の移動に伴って、断面積Ａｆは単調に減少する。そのため、磁気的吸引力Ｆｆも、単調に減少していく。その結果、推力ｆｆは、一旦急激に増加して、その後単調に減少する。図３０（ａ）中実線で示した推力ｆｆの曲線は、永久磁石５０Ｓのみを考慮した場合の推力特性を示しており、破線で示した推力ｆｆの曲線は、移動に伴って永久磁石５０Ｓの隣の永久磁石５０Ｎの影響を考慮した場合の推力特性である。このように、比較例に用いた従来の歯部では、磁極ユニット１４の移動位置における推力ｆｆの大きさに偏りがあるため、コギングが発生する。
一方、本実施の形態による歯部の場合、図２９（ａ）〜（ｄ）および図３０（ｂ）に示すように、面取り６２ａ〜６２ｄを備えているために、磁極ユニット１４の移動に伴って、断面積Ａｔは単調には減少せず面積が増加する位置が存在する。そのため、磁気的吸引力Ｆｆも、断面積Ａｔの変化に応じて増加する位置が存在し、位置ａ〜ｄ間で１周期分の正弦波状に変化する。その結果、推力ｆｔは、半周期分の正弦波状に変化するようになる。なお、図３０（ｂ）中実線および破線で示した推力ｆｆの曲線の意味は、図３０（ａ）における比較例と同様である。
このように本実施の形態によれば、無励磁状態で正弦波状に変化する推力特性を得ることが得きるようになるのでコギングを低減させることができるようになる。さらに、位相をずらして配置され、且つ駆動される複数の励磁ユニット６の突歯の全歯部に対して面取りを設けることにより、上述の正弦波状の推力特性を平滑化させることができるのでコギングを極めて低減させた平面型モータを実現することができるようになる。
以上の説明は、励磁ユニット６の各突歯の歯部Ｔ１〜Ｔ５の端面と面取りの比率が上述のように約２：１：１として説明したが、もちろんこれは一例であって他の比率にすることも可能であり、例えば図３１に示すように、面取り６２ａ〜６２ｄに替えて、図３１に示すように平坦部をなくして四角錐状に各突歯の先端の歯部を形成してより先鋭形状にしてもよい。要は、固定子ユニット２の励磁ユニット６の各突歯Ｔ１〜Ｔ５の幅、可動子４の永久磁石５０の幅、あるいは固定子ユニット２と可動子４との間の空隙の距離等種々のパラメータに基づいて、各突歯Ｔ１〜Ｔ５の先端を最適な先鋭形状に形成すればよい。
なお、第１および第２の実施の形態では、励磁ユニット６はＸ−Ｙ方向にほぼ十字形状をなす４つの腕部と、各腕部の先端部および前記各腕部が接続された基端部に形成された５つの突歯とを有する磁性体部材と、各腕部のそれぞれに巻回された４つの電機子コイルで構成されていた。しかし、励磁ユニットを、ほぼ直線状をなす２つの腕部と各腕部の先端部および前記各腕部が接続された基端部に形成された３つの突歯とを有する磁性体部材と、各腕部のそれぞれに巻回された２つの電機子コイルで構成した直線型の励磁ユニットにしてもよい。２つの電機子コイルにそれぞれ電流を（＋Ｉ、＋Ｉ）→（＋Ｉ、０）→（０、−Ｉ）→（−Ｉ、−Ｉ）のように印加すれば可動子が平面を直線状に移動する。また、かかる直線型の励磁ユニットを、Ｘ、Ｙ方向にそれぞれ設ければ、可動子をＸ−Ｙ平面に沿って移動させることも可能である。
次に、上記実施の形態による平面型モータを用いたステージ装置および露光装置について説明する。本発明の第４の実施の形態として上述の第２の実施の形態による平面型モータを用いたステージ装置およびそれを用いた露光装置を図３２乃至図３４を用いて説明する。
図３２は、本実施の形態による露光装置の全体の概略構成を示している。本実施の形態における露光装置は、レチクルを１次元に走査しつつ、ウェハをそれと同期した速度（投影倍率を掛けた速度）で１次元に走査させる、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置である。図３２において、ベース１００上に防振ダンパ１１２を介してインバー（低膨張率の合金）よりなる第１コラム２３０が載置されている。第１コラム２３０は投影光学系ＰＬを固定している。また、第１コラム２３０には、レチクル走査ステージ１８０の位置を測定するためのレーザ干渉計１３５が載置されており、さらに照明光学系１３０を保持する第２コラム１７０が固定されている。
第１コラム２３０の内側には、第２の実施の形態で説明した平面型モータを用いたステージ装置が設けられている。このステージ装置は、第２の実施の形態における固定子ユニット２に対応するステージ駆動ユニット３００と、可動子４に対応するウェハステージＷＳＴとから構成され、ウェハステージＷＳＴ上に感光基板としてのウェハＷが載置されている。ウェハステージＷＳＴのウェハＷ載置面周囲には磁軸がそれぞれ所定の方向を向いた複数の永久磁石が配列されている。ステージ駆動ユニット３００はフレーム１２４を介してベース１００に固定される。
また、第２の実施の形態で説明したように、ウェハステージＷＳＴはステージ駆動ユニット３００内の複数の励磁ユニット６が無励磁状態であっても、磁気的吸引力により空中に浮いており、駆動系１３７からの制御によりステージ駆動ユニット３００内の所定の複数の励磁ユニット６が励磁されると、それに応じてウェハステージＷＳＴは、投影光学系ＰＬの光軸に垂直な面（水平面）内で図３２の紙面に垂直な方向（Ｙ方向）、水平面内でＹ軸に垂直なＸ方向、およびウェハＷを投影光学系ＰＬの光軸方向であるＺ方向にウェハＷを位置決めすると共に、ウェハＷの投影光学系ＰＬの結像面に対する傾きも調整できるようになっている。ウェハステージＷＳＴがＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動することによって、ステージ駆動ユニット３００には移動方向とは逆向きの反力が生じる。この反力は、フレーム１２４を介してベース１００に逃がされる。一方、投影光学系ＰＬは、防振ダンパ１１２を介して第１コラム２３０により保持されているので、ステージ駆動ユニット３００に生じる反力が投影光学系ＰＬに振動を及ぼすことはない。
第１コラム２３０上にインバーよりなる第２コラム１７０が固定され、第２コラム１７０の上部にＸ方向に摺動自在なレチクル走査ステージ１８０が載置され、レチクル走査ステージ１８０上に転写用のパターンが形成されたレチクルＲが保持されている。レチクル走査ステージ１８０は、具体的には特開平８−６３２３１号に記載されたリニアモータによる駆動方式のステージであり、駆動による反力が相殺されるような構造となっている。従って、レチクル走査ステージ１８０に生じる反力およびステージ駆動ユニット３００に生じる反力は、投影光学系ＰＬに振動を及ぼすことはなく、照明光学系１３０にも振動を及ぼすことがない。
一方、不図示のエキシマレーザ光源（ＫｒＦ、ＡｒＦ）、あるいは固体レーザ光源（Ｆ2）からの露光用照明光が導光光学系（不図示）を介して、照明光学系１３０に入射する。照明光学系１３０は、ブラインド機構、フライアイレンズ、コンデンサレンズ等を有し、所定の領域に形成された照明光がレチクルＲを照射する。このように、所定形状に規定された照明光を受けたレチクルＲは、第２コラム１７０上を少なくともＸ方向に等速移動可能なレチクル走査ステージ１８０に保持される。レチクル走査ステージ１８０は、駆動系１３４によってＸ方向の一次元走査移動、ヨーイング補正のための微小回転移動等を行う。またレチクル走査ステージ１８０の一端にはレーザ干渉計１３５からの測長ビームを反射する移動鏡１３６が固定され、レチクルＲのＸ方向位置がレーザ干渉計１３５によってリアルタイムに計測される。
レチクルＲに形成されたパターンの像は、投影光学系ＰＬによって、例えば１／４に縮小されてウェハＷ上に結像される。ウェハＷは、ＸＹＺ方向に移動可能なウェハステージＷＳＴ上に載置されている。
このように、レチクルＲ上のパターンは露光光ＩＬで照明され、レチクルＲ上のパターン像が投影光学系ＰＬを介してウェハＷ上に投影露光される。この場合レチクルＲ上の照明領域は、例えば矩形のスリット状であり、その照明領域だけではレチクルＲ上の全パターン領域が照明されない。
そこで、露光時にはレチクル走査ステージ１８０を駆動することにより、その照明領域に対して、レチクルＲをその照明領域の長手方向に垂直な方向であるＸ方向に一定速度Ｖ１で走査する。これに同期して、ウェハステージＷＳＴを駆動することにより、ウェハＷをその照明領域内のレチクル像に対して−Ｘ方向に一定速度Ｖ２で走査する。投影光学系ＰＬによるレチクルＲからウェハＷへの投影倍率をβとすると、速度Ｖ２はβ・Ｖ１である。このようにして、レチクルＲおよびウェハＷを同期して走査することにより、レチクルＲの全パターンの像がウェハＷ上に投影露光される。１つの露光領域の露光が終了すると、ウェハステージＷＳＴをステージ駆動ユニット３００で駆動することにより、ウェハＷ上の次の露光領域の走査開始位置が投影光学系ＰＬの露光フィールド内に移動する。
また、ウェハステージＷＳＴのＸ方向一端面にはレーザ干渉計１３８Ｘからの測長ビームを反射する移動鏡１３９Ｘが固定され、ウェハステージＷＳＴのＸ方向の座標位置がレーザ干渉計１３８Ｘによってリアルタイムに計測される。図示は省略したがウェハステージＷＳＴのＹ方向一端面にもレーザ干渉計１３８Ｙからの測長ビームを反射する移動鏡１３９Ｙが固定され、ウェハステージＷＳＴのＹ方向の座標位置がレーザ干渉計１３８Ｙによってリアルタイムに計測されるようになっている。
また、本実施の形態による走査型露光装置のステージ駆動ユニット３００には、図示しない冷却器から引き出された配管の端部の冷媒供給口３１０が接続され、冷媒供給口３１０を介して所定の温度に制御された冷媒がステージ駆動ユニット３００内に導入されてステージ駆動ユニット３００内を循環し、電機子コイル３８〜４４に流された電流により発熱した複数の励磁ユニット６を冷却した後、冷媒排出口３１２から排出されるようになっている。
また、本実施の形態による走査型露光装置には、ウェハステージＷＳＴを第１コラム２３０側面の開口３３０から搬入あるいは搬出するためのウェハステージ搬送系３２０が設けられている。このウェハステージ搬送系３２０は、ステージ駆動ユニット３００と同様の構成をしており、ウェハＷを載置したウェハステージＷＳＴを磁気的吸引力で浮上させて移動させることができるようになっている。このように本実施の形態による走査型露光装置では、ウェハＷの搬送はウェハステージＷＳＴに載置した状態で、ウェハステージＷＳＴごと搬送することによって行われるようになっている。
また、本走査型露光装置における露光動作の制御は、主制御部１４１により統括的に管理される。主制御部１４１の基本的な動作は、レーザ干渉計１３５、１３８からの位置情報、駆動系１３４、１３７等からの速度情報等に基づいて、スキャン露光時にレチクル走査ステージ１８０とウェハステージＷＳＴとを所定の速度比（投影光学系ＰＬの投影倍率に応じた値）を保ちつつ、レチクルパターンとウェハパターンとの相対位置関係を所定のアライメント誤差内に抑えたまま相対移動させることにある。
次に、本実施の形態による露光装置のステージ駆動ユニット３００およびウェハステージＷＳＴの構造を図３３および図３４を用いてより詳細に説明する。図３３は、本実施の形態によるステージ駆動ユニット３００とウェハステージＷＳＴの一部を分解して表示した斜視図である。また、図３４は、ステージ駆動ユニット３００内の励磁ユニット６の配置と、ウェハステージＷＳＴに設けられた磁極ユニット１４の配置関係を示す平面図である。
図３３および図３４に示すように、ステージ駆動ユニット３００は、平板の基台８下面に複数の励磁ユニット６が固定され、その下面に平面状の摺動部材１０が設けられている。ステージ駆動ユニット３００のほぼ中央部には開口部が設けられており、この開口部に投影光学系ＰＬの鏡筒の光射出側端部が位置するようになっている。従って基台８は、当該投影光学系ＰＬの鏡筒の光射出端部の形状に合わせて、すり鉢状の斜面を有し、その斜面底部の開口部で摺動部材１０に接続されている。
一方、ウェハステージＷＳＴは、ほぼ正方形の平面形状を有し、その中央部にウェハＷを載置する円形状のウェハ載置面が設けられ、その周囲に複数の永久磁石がＸ−Ｙ平面上にマトリクス状に並んで構成された磁極ユニットが４つの領域Ａ〜Ｄに分けられて設けられている。また、磁極ユニット１４下面およびウェハ載置面下方には、非磁性体且つ非導体である基板１２が固定されている。また、ウェハステージＷＳＴの側面部の隣り合う２面には、Ｘ、Ｙ方向の位置をそれぞれレーザ干渉計で計測するための移動鏡１３９Ｘ、１３９Ｙが取り付けられている。
このように本実施の形態のステージ装置では、可動子となるウェハステージＷＳＴは固定子ユニットとなるステージ駆動ユニット３００の下方に位置して、ステージ駆動ユニット３００の各励磁ユニット６が無励磁状態でもウェハステージＷＳＴのの複数の永久磁石５０Ｎ、５０Ｓによる磁気的吸引力により、ステージ駆動ユニット３００に対して所定の空隙を介して空中に浮いていることができるようになっている。
また、図３４に示すように、各領域Ａ〜Ｄ上方に位置するステージ駆動ユニット３００の複数の励磁ユニット６は、既に図１５を用いて説明したような励磁ユニット６の組が２組ずつで順次機能するように配置されており、磁極ユニットの各領域Ａ〜ＤにＸ−Ｙ面内の所定方向に相対移動させる推力を発生させると共に、Ｚ方向に磁気浮上させている磁気的吸引力を変化させてウェハステージＷＳＴのＸ−Ｙ方向の移動とＺ方向の移動を同時に行うことができるようにしている。
さらに、ウェハステージＷＳＴの磁極ユニット１４が領域Ａ〜Ｄに４分割されているので、領域Ａ〜Ｄの上方の励磁ユニット６の組の電機子コイル３８〜４４にそれぞれ領域毎に異なる所定の電流を供給して、例えば領域Ａ〜Ｄ毎の推力の方向を変えることにより、全体としてＸ−Ｙ面内を一方向に移動できるだけでなく、Ｚ軸回りの回転を行わせることができるようになる。また、領域Ａ〜ＤのそれぞれのＺ方向の浮上力を変えることにより、Ｘ軸回りあるいはＸ軸回りの回転を行わせることができるようになり、ウェハステージＷＳＴのウェハＷ平面のレベリングを調整することができる。
なお上記実施の形態における励磁ユニットの製造は、４つの腕部および腕部先端部および基端部の突歯を磁性材料で一体的に形成してもよいし、各部をそれぞれ製作しておいて、組み立てるようにしてもよい。そして製作された磁性体部材の腕部に電機子コイルを巻き回して配線や配管を接続し、さらに総合調整（電気調整、動作確認等）が行われる。
また、上記実施の形態による励磁ユニットを有する平面型モータの製造では、上記励磁ユニットの製造に加えて、基板上に相互に磁極の向きを逆転させて複数の永久磁石を配列して組み立てられる磁極ユニットが製造される。
また、上記実施の形態による平面型モータを組み込んだステージ装置の製造は、基板を載置するステージとして上記実施の形態による平面型モータの可動子を組み込み、固定子をステージ駆動用の駆動系として組み込んで、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向と各軸周りの回転の６自由度でステージの位置姿勢ができるように総合調整することにより行われる。
また、上記実施の形態による露光装置の製造は、複数のレンズから構成される照明系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整するとともに、多数の機械部品からなる上記実施の形態によるステージ装置をレチクルステージやウェハステージとして組み込み、露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、さらに総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより行われる。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
上記実施の形態においては、図１５に示すような配置で励磁ユニット６の組を規定したが、本発明はこれに限られず、例えば、Ｘ、Ｙ方向にそれぞれｎｌ、ｍｌ（ｎ、ｍは正の整数）だけ離れた少なくとも２つの励磁ユニット６で組を構成してもよい。また、励磁ユニット６の組同士の配置位置も、図１５の例示に限られず種々の変形が可能である。
また、上記実施の形態においては、可動子４に６自由度の動きを与えるために図２１や図３４に示すように駆動ユニットをそれぞれ領域Ａ〜Ｄの４分割としたが、本発明はこれに限られず、磁極ユニット１４をＸ−Ｙ平面で各領域の中心を結ぶ線が三角形を構成するような領域Ａ〜Ｃに分け、領域Ａ〜Ｃの下方の励磁ユニット６の組の電機子コイル３８〜４４にそれぞれ領域毎に異なる所定の電流を供給するようにしても、可動子４に６自由度の動きを与えることができる。従って分割する領域の数は３以上であればよい。
さらに、上記実施の形態においては、磁極ユニット１４を備えた方を可動子４に、励磁ユニット６を備えた方を固定子ユニット２に用いたが、本発明はこれに限らず、磁極ユニット１４側を固定子ユニット２に、励磁ユニット６側を可動子４にしてももちろんよい。特に、励磁ユニット６の数があまり多くなく、各電機子コイル３８〜４４に電流を供給するための配線なども簡素にできる場合には有効である。
また、第４の実施の形態では第２の実施の形態による平面型モータを用いたステージ装置および露光装置について説明したが、同様にして第１の実施の形態による平面型モータをステージ装置および露光装置に適用することももちろん可能である。
また、上記実施の形態においては、本発明の平面型モータを用いたステージ装置をウェハステージＷＳＴ側に適用して説明したが、本発明はこれに限られず、例えばレチクル走査ステージ１８０側に適用して、レチクル走査ステージ１８０を６自由度で制御するようにしてももちろんよい。
また、励磁ユニット６は上記実施の形態で示した形状に限定されるものではなく、実装段階での取り付けスペースや他の構成要素との兼ね合いにより、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態での励磁ユニット６は、各腕部２０〜２６の隣り合う２つの腕部に挟まれる角度がほぼ９０°となる十字形状に構成したが、本発明はこれに限られず、隣り合う２つの腕部に挟まれる角度が異なっていてももちろんよい。例えば、腕部２０と腕部２２とで挟まれる角度、および腕部２４と腕部２６とで挟まれる角度が共に１２０°であり、腕部２２と腕部２４とで挟まれる角度、および腕部２６と腕部２０とで挟まれる角度が共に６０°であるような構成でももちろんよい（本発明では、これらもほぼ十字形状であると呼ぶ）。さらに、腕部２０〜２６のそれぞれの長さを異ならせたり、また、各突歯を腕部先端部および基端部直上から突出させるのではなく、先端部および基端部の側方から伸びるようにしてももちろんよい。このような励磁ユニットの形状の変更に伴い、磁極ユニットのＸ−Ｙ方向に並ぶ複数の永久磁石のＸ、Ｙ方向の幅を適宜変更するようにしてももちろんよい。
また、第４の実施の形態においては、従来型の超高圧水銀ランプを光源として用いたステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置に本発明を適用したが、本発明はこれに限られず例えば、レチクルの回路パターン全体を一度に投影し得るイメージフィールドを持つ投影光学系を介してウェハをステップ・アンド・リピート方式で露光する投影露光装置にももちろん適用することができる。また、静圧気体軸受のように空気の介在を必要としないので、真空中でも用いることができるので、エキシマレーザ、あるいは他の荷電粒子線等を線源とする露光装置に用いて特に好適である。
産業上の利用可能性
以上の通り、本発明によれば、高推力が得られ、可動子が軽量で高速移動可能な平面型モータを実現できる。また、可動子に浮上力を与えつつ２次元平面を移動させる平面型モータを実現できる。さらに、可動子の位置および姿勢を、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向およびそれらの軸の回転方向の合計６自由度で制御することができる平面型モータを実現できる。
また、本発明によれば、ウェハを載置して移動するステージ装置が真空あるいはＨｅ雰囲気内で密閉されていても、目的位置まで可動子を高速に移動させ且つ超精密位置決めできるステージ装置およびそれを用いた露光装置を実現できる。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図３１】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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