JP2001501077A - 磁気浮揚式ロボットおよび浮揚力を増大する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 磁気浮揚式輸送デバイスは真空キャリッジの浮揚および推進を提供する。エアキャリッジは、線形変位および角変位の両方による従来の手段によって移動させられる。エアキャリッジ上に搭載される非磁性コイルは、真空キャリッジ上に搭載される永久磁石と相互作用し、ローレンツ力を用いてキャリッジを共に磁気的に連結させる。非磁性コイルは、永久磁石により発生される磁界に曝されるが、位置センサから受信された入力に応答して駆動電流により駆動される場合に、ローレンツ力を生成する。一実施態様において、真空キャリッジ上の永久磁石のうちの幾つかと相互作用するエアキャリッジに永久磁石を追加することにより、電力要件は低減され、静止荷重のすべてを実質的に浮揚させる力を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気浮揚式ロボットおよび浮揚力を増大する方法発明の背景 本願発明は磁気浮揚システムに関するものであり、より特定すると、真空環境 下で各処理ステーション間で材料を輸送する線形輸送システムにおける磁気浮揚 の利用に関連する。 線形輸送システムの使用は、多様な産業全般にわたって周知である。例えば、 多数の製造作業が線形輸送システムを利用して、製造中の材料を、材料が処理さ れる真空チャンバー内外へ移動させる。磁気浮揚の使用は、輸送機構が埃および 他の粒子を実質的に免れ得るようにする。例えば、Enomotoの米国特許第5,288,1 99号は、磁気浮揚式浮遊アームを用いてウエーハ製造システムの複数チャンバー 間で半導体ウエーハを輸送する、輸送デバイスを記載している。Enomotoは、適 切な水平方向位置にスライダアームを維持するための比例／積分／微分（PID） 制御回路の使用、およびウエーハがアーム上に在るかどうかを判定するための判 断回路の使用に信頼を置いている。 別のシステムでは、Oshimaらの米国特許第5,241,912号は磁気浮遊キャリアを 記載しており、この発明では、横方向部材の壁の厚みが低減された部分を介して 電磁石が作用する。Oshimaは、Enomotoと同様に、真空チャンバー内で半導体ウ エーハを輸送する装置の方に向けられている。Oshimaは、大気圧で維持されるの が典型的である密封された管状部を利用しているが、管状部に沿って滑動するキ ャリアは真空内に配置される。駆動システムは、２対の磁気ベアリングと多様な 位置センサとを含む管の内部に配置される。磁気ベアリングは、キャリアの上に 設置された磁気ターゲットと相互作用して、キャリアを横方向左右に浮遊させる 。このシステムの電力要件を低減するために、Oshimaが開示している技術は、管 状部材の外壁の特定部分（すなわち、磁気ターゲットが置かれるところ）の厚み を低減して、ベアリングとターゲットとの間の連結を改善する。 線形半導体輸送装置の別な変形例は、Belnaの米国特許第4,624,617号により開 示される。Belnaのデバイスは、線形誘導モータを利用して、半導体ウエーハを 支持する車両(car)を浮揚させ、かつ、線形的に推進させる。モータは車両上に 配置された永久磁石を含み、永久磁石が、車両が移動するトラックに沿って配置 される、個別に励磁可能な電磁石と相互作用する。車両は、車両の下側にある１ 対の永久磁石溝（すなわち、Ｖ字型）、および、トラックから溝まで延びる１対 のＶ字型磁石により、トラックを誘導される。電磁石は溝とＶ字型磁石との間の 自然磁力をオフセットするように作用し、その結果、車両はトラックの上方に浮 遊する。電磁石は連続的に励磁され、車両はトラックに沿って線形に移動する。 上述のデバイスの各々は１個以上の半導体ウエーハを輸送するのに好適である が、各デバイスのいずれも、多数のウエーハを保持するカセットをおそらく含ん でさえいても、より重い物体を輸送することはできない。例えば、Oshimaは、管 状壁の厚みを減じることなく１個のウエーハを輸送するのに、どのくらいの余分 な力が必要となるかを記載している。余分な力は、それ自体がネガティブな要因 であるのに加えて、熱発生による深刻な問題を起こしかねない。事実、熱放散問 題は、電磁石が大気圧領域に配置されることはないBelna特許のような応用例で 、特に該当する。 上述の事項に鑑みて、本発明の目的は、低減した電力要件で作動する改良型磁 気浮揚式輸送デバイスを提供することである。 本発明の目的はまた、１ポンドよりも重量の大きい物体を輸送可能な改良型磁 気浮揚式輸送デバイスを提供することである。発明の要旨 本発明の上記目的および他の目的は、既存の先行技術と比較した場合に、比較 的重い物体を浮揚させるのに著しく低減された電力しか必要としない磁気浮揚式 （「MAGLEV」と称する）輸送デバイスを提供することにより、本発明の原理に従 って達成される。本発明のMAGLEVデバイスは、最小限の電力消失で荷重の基本的 な静的浮揚を提供するように、永久磁石を利用する。浮揚された荷重の安定性と 線形加速とは、荷重の静的浮揚と移動との両方に対して微調整制御を提供する非 磁性ローレンツ力コイルの使用により達成される。 永久磁石と非磁性ローレンツ力コイルとの組み合わせは、各処理ステーション 間で、液晶フラットパネルディスプレイのような比較的大重量の物体を浮揚およ び輸送する能力を提供する。これに加えて、空気を充満させたキャリッジとキャ リアとの間の比較的大きなエアギャップは、永久磁石とローレンツ力コイルとを 適用した結果として得られる。本発明の大きなエアギャップと、センサ機構とは 、本明細書に開示されたデバイスが線形方向に前後に移動できるようにするだけ ではなく、垂直方向の調節をも行えるようにする。垂直方向調節能力は、MAGLEV デバイスのアームの降下、荷重の下での滑動、横方向移動のための位置への上昇 を可能にする。荷重が運搬されると、アームは荷重を積み降ろすために再び降下 され得る。 本発明の更なる特徴、その本質、および多様な利点は、添付の図面および好ま しい実施態様の下記の詳細な説明からより明確となる。図面の簡単な説明 図１は、本発明の原理に従って構成された磁気浮揚式輸送デバイスの３次元斜 視図である。 図２は、図１の磁気浮揚式輸送デバイスの真空キャリッジの、図１の線２−２ に沿った、３次元部分切取斜視図である。 図３は、図１の磁気浮揚式輸送デバイスの磁気駆動システムのエアキャリッジ の３次元斜視図である。 図４は、本発明のローレンツコイルの効果を例示する、図３の駆動システムの ３次元斜視詳細図である。 図５は、図１の磁気浮揚式輸送デバイスの磁気駆動システムの部分断面図であ る。 図６は、図１の磁気浮揚式輸送デバイスの、図５の線６−６に沿った断面図で ある。 図７は、図１の磁気浮揚式輸送デバイスの、図５の線７−７に沿った断面図で ある。 図８は、図１の磁気浮揚式輸送デバイスの、第５図の線８−８に沿った断面図 である。 図９は、図１の磁気浮揚式輸送デバイスの代替の真空キャリッジの、図１の線 ２−２に沿った３次元部分切取斜視図であり、本発明の原理に従って代替のセン サ機構が利用される。 図１０は、図９の代替のセンサ機構を更に示す、図１の磁気浮揚式輸送デバイ スの代替の駆動システムの３次元詳細斜視図である。 図１１は、図９および図１０の磁気浮揚式輸送デバイスの代替の位置センサ構 成の部分断面図である。 図１２は、図９および図１０の代替の磁気浮揚式輸送デバイスの図１１の線12 −12に沿った断面図である。 図１３は、図９および図１０の代替の磁気浮揚式輸送デバイスの図１１の線13 −13に沿った断面図である。 図１４は、図９および図１０の代替の磁気浮揚式輸送デバイスの図１１の線14 −14に沿った断面図である。好ましい実施態様の詳細な説明 図１を参照しながら、本発明の原理に従う磁気浮揚式輸送デバイス10（すなわ ち、MAGLEVロボット10）の好ましい実施態様を説明する。MAGLEVロボット10は、 隔壁14により両端部で密封された実質的に円筒型のハウジング12を含み、ハウジ ング12の内部気圧が大気圧にまたは大気圧付近に維持されるのが好ましい（MAGL EVロボット10は真空チャンバー内での使用が意図されている）。ハウジング12は 、非磁性ステンレス鋼またはアルミニウムのような任意の非磁性材料から形成さ れていてよい。ハウジング12（図２に示される中央パイロン18が介在する）およ び隔壁14は、軸20を中心に台座18の上で回動され得る支持体16に搭載される。MA GLEVロボット10はまた、コントローラ４（ハウジング12内部で、以下に説明され るように、台座18から延びるケーブル６を介して回路に接続される）と、実質的 に円筒型の、ハウジング12の周囲に搭載される真空キャリッジ22とを含む。 通常動作期間中は、キャリッジ22は、磁気浮揚され、かつ、横方向両方向にハ ウジング12の長さに沿って、ハウジング12と常に接触することなく移動するよう に駆動される。キャリッジ22からは１対のアーム24が延び、その上には、輸送中 の物体26（破線として示される）が置かれる。物体26はMAGLEVロボット10により 、各処理ステーション28、30、および32のいずれかへ（任意の順序で１個以上の ステーションに）搬入およびそこからの搬出され得る。一般に、真空キャリッジ 22およびアーム24は、アームが下降してから続いて物体26の下に滑動するように 移動させられ、その後者の地点で、アーム24は物体26をわずかだけ持ち上げるよ うに上昇させられる。次に、MAGLEVロボット10は適切な処理チャンバーに対して 回動され、その時に、真空キャリッジ22は、物体26が処理チャンバーの内側に来 るまで、線形移動させられる。処理チャンバーの内側に入ると、アーム24はゆっ くりと下降し、移動し、処理のための適所に物体26を残す。 図２は、MAGLEVロボット10の部分切取図を示す。特に、図２は、キャリッジ22 の内側表面に固定される多様な永久磁石の設置を例示する、真空キャリッジ22の 切取図を示す。以下により詳細に記載されるように、永久磁石は変化する機能を 有する。永久磁石34は、一般に、円筒型ハウジング12内部に配置される非磁性ロ ーレンツ力コイルと相互作用する磁界を発生するために使用される。（各ローレ ンツコイルは、固体導電性材料の一体型ピースであり得る非磁性コイルであるが 、好適には、各ローレンツコイルは複数の導電体からなるワイヤの巻き(turns) から形成され、導電体は互いに電気的に絶縁され、電気的に共に直列に接続され る。電磁石と異なり、ローレンツコイルは鉄芯に巻き取られたり、鉄芯内部に設 置されたりはしない。）他方で、永久磁石36および38は、円筒型ハウジング12内 部に配置された永久磁石と相互作用するように使用される（永久磁石36はキャリ ッジ22の背部に配置されるが、永久磁石38は、各対が25度だけオフセットされて 中央パイロン40を占有する状態で、２個の対で配置されるのが好ましく、キャリ ッジ22の正面に配置される）。 図３は、ハウジング12内部に配置された駆動システム42の展開図を示す。駆動 システム42は、駆動システムの多様な構成要素を適所に単純に保持するエアキャ リッジ44と、支持体48、ケーブルキャリア50、および駆動モータ（図示せず）を 含む線形テーブル46とを含む（駆動モータは、増大した信頼性と高度に制御可能 な線形運動を提供するサーボモータであるのが好ましい）。エアキャリッジ44上 には永久磁石52が搭載され、これは上方永久磁石36（２個の類似する対の永久磁 石（図示せず））と相互作用し、これらは、エアキャリッジ４４の下に配置され 、下方永久磁石38と相互作用する）。また、エアキャリッジ44上にはローレンツ コイル54が搭載され、これらは永久磁石34と相互作用する。 駆動システム42の詳細図が図４に示される。上述のように、エアキャリッジ44 は、上方永久磁石52と下方永久磁石56とを含む（下方磁石56は図２の下方永久磁 石38と相互作用する）。エアキャリッジ44の永久磁石は真空キャリッジ22の永久 磁石と相互作用し、積載状態と非積載状態の両方で真空キャリッジ22を浮揚させ るのに必要な浮揚力のかなりの部分を供与する。実験室での試験では、永久磁石 は、およそ1.5平方インチのフェース面積がおよそ0.22インチのギャップを有す るネオジム−鉄−ボロン磁石から形成されるが、およそ40ポンド（アームの重量 を含む）重量のキャリッジ上に置かれるおよそ12ポンド荷重の浮揚を維持するこ とが可能であった。 エアキャリッジ44には多様なローレンツ力コイル（図３では一般にローレンツ コイル54と称する）が装着される。永久磁石34は、ハウジング12により形成され る真空バリアを透過してローレンツコイル54の中へ入り込む磁界を発生する。制 御電流がローレンツコイルに付与されると（制御電流は円形様式で各ローレンツ コイルの周囲を、例えば、図４の矢印58により示されるように流れる）、電流お よび永久磁石の場の両方に直交する作用を力が生成する（例えば、矢印58により 示される電流は、図４において矢印60により示されるエアキャリッジ44に及ぶ力 を生成した）。しかし、真空キャリッジ22の永久磁石に及ぶ力は、エアキャリッ ジ44に付与される力と直接対向する。MAGLEVロボット10において、ローレンツ力 は、真空キャリッジ22が永久磁石36および38により浮揚させられるにつれて、真 空キャリッジ22の精密な制御と安定化を供与するように使用される。矢印60によ り示される力は一方向であるが、矢印58により示される電流が反転するように付 与された制御電流を反転させることにより、力も反転させられる。従って、真空 キャリッジ22の移動と浮揚は、付与された制御電流の極性および強度を調節する ことにより、精密に制御される。 ローレンツコイル62および64、ならびに、エアキャリッジ44の背部の、コイル 62および64の丁度反対側に配置される２個の対応するローレンツコイルは、その 各々が適切な永久磁石と組み合わさって、電気制御信号を制御力に変換する変圧 器を形成し、真空キャリッジ22の垂直方向位置、ピッチ、およびロールに対する 制御を提供する。ローレンツコイル66、およびエアキャリッジ44の背面の、コイ ル66と丁度反対側に配置される対応コイルはまた、真空キャリッジ22に搭載され る対応する永久磁石と組み合わさって、長手方向位置および加速制御を提供する 変圧器を形成する。真空キャリッジ22の横方向運動は、ローレンツコイル68およ びその対応する永久磁石により制御される。 ローレンツ変圧器への制御電流の付与は、エアキャリッジ44上の各ローレンツ コイルに隣接する多様な位置に配置される位置センサから受信される入力に基づ いている。各ローレンツコイルのための位置センサは２個の永久磁石（すなわち 、１対の磁石34）を含み、これらは、そのコイルと、永久磁石により生成される 磁束密度を測定するために使用される１対のホール効果磁界センサと関連する。 これら２個のセンサは、そのコイルにより生成されるローレンツ力ベクトルと整 列状態で、ローレンツコイルのいずれかの側に配置される。例えば、ローレンツ コイル62の位置は、ホール効果センサ70および72、ならびに、真空キャリッジ22 上にコイル52の真上に配置される１対の永久磁石34により監視される（真空キャ リッジ22およびエアキャリッジ44が互いに実質的に整列状態で維持され、例えば 、永久磁石36が永久磁石52と常に一列に並んで、かつ、それらの上方に配置され るようにすることを明確にすべきである）。 コイル62、64、および66の丁度反対側の３個のローレンツコイルを含む各ロー レンツコイルは、適切な永久磁石と相互作用してそのコイルについての位置セン サとして働く、対応する１対のホール効果センサを有する。従って、コイル64の 相対的位置はセンサ74および76により測定され、コイル66の相対位置はセンサ78 および80により測定され、更に、コイル68の相対位置はセンサ82および84により 測定される。 図５は、MAGLEVロボット10の部分断面図である。特に、図５は、本発明の特有 の電力輸送特性を例示するために、また、本発明の好ましい実施態様を更に詳細 にする３つの切取図を明示するために使用される。図１〜図４に示される本発明 の多様な特性も図５に示される。これに加えて、図５は、支持体16がケーブルを 保有するプレナム86を含み、エアキャリッジに冷却空気を供給するためにも使用 され得ることを示し、また、本発明の原理に従って真空キャリッジに電力を供与 するために使用され得る高周波変圧器の一次巻き線を形成するコイル88を示す（ コイル88はフェライトカップに埋設されるコイルとして構築されるのが好ましい ）。 図６は、図５の線６−６に沿ったMAGLEVロボット10の断面図である。図６は、 前の図面に示された大半の構成部品の横方向構成を示す。また、ローレンツコイ ル90（すなわち、ローレンツコイル62の反対側に配置されるが、図５には示され ていないローレンツコイル）、ホール効果センサ92および94、ならびに永久磁石 96（ローレンツコイル90および永久磁石96は上述のような変圧器を形成し、その 相対位置は永久磁石96と組み合わせたセンサ92および94により監視される）が、 図６に示される。サンプルケーブル98および100は、ケーブルキャリア50内部お よびプレナム86内部にそれぞれ図示される。線形テーブル46は、上述のように、 エアキャリッジ44を支持体16の長手方向の長さに平行な軸に沿って前後に駆動す る、従来技術のデバイスである（例えば、線形テーブル46は単純に、ドイツのHa userから購入されるHauser HLE80でもよい）。図６はまた、磁気浮揚システムの 故障が起こる不測の事態に備えて台座40が機械的ベアリングとして作用し得るこ とから、台座40が追加的安全を提供するように構成されていることを示す。 図７は、図５の線７−７に沿った、MAGLEVロボット10の断面図を示す。図７は また、先の図面（図６を含む）に示される大半の構成部品の横方向構成を示す。 また図７には、ローレンツコイル102（すなわち、コイル66の反対側に配置され るが、図５には示されていないローレンツコイル）および永久磁石104（ローレ ンツコイル102および永久磁石104は上述のような変圧器を形成し、その相対位置 は、永久磁石104と組み合わせてホール効果センサ（図示されていない）により 監視される）が示される。 更に、本発明の原理に従って、１対の変圧器106および108が図７に示される。 変圧器106は一次巻き線88（図５に示される）および二次巻き線110により形成さ れ、それは永久磁石34、36、および38と類似の態様で真空キャリッジ22の内部表 面に接続される。変圧器108は一次巻き線112（一次巻き線88と同一熊様でエアキ ャリッジ44に装着される）および二次巻き線114により形成され、それは二次巻 き線110と同一態様で真空キャリッジ22の内部表面に接続される。変圧器106およ び108は独立して作動されてもよいし、または、一緒に連結されて、真空キャリ ッジ22に１個または２個の電源を供与するようにしてもよい。図示のように、変 圧器106および108は電力を、エアキャリッジからの電源を真空キャリッジへ、空 気バリアを横断して直接接続せずに提供し、従って、ハウジング12内のエアチャ ンバーの完全性を維持する。電力は、例えば、真空キャリッジ22の運動期間中に パネル26を適所に保持する静電クランプを付勢するように、二次巻き線から引か れ得る。 図８は、図５の線８−８に沿ったMAGLEVロボット10の断面図を示す。図８は、 先の図面（図６および図７を含む）に示された大半の構成部品の横方向の構成を 示す。また図８には、ローレンツコイル116（すなわち、ローレンツコイル64の 反対側に配置されるが、図５には示されないローレンツコイル）、ホール効果セ ンサ118および120、ならびに永久磁石122（ローレンツコイル116および永久磁石 122は、上述のような変圧器を形成し、その相対位置は、永久磁石122と組み合わ せたセンサ118および120により監視される）が示される。図８はまた、前方の１ 対の（真空キャリッジ22の）永久磁石38および（エアキャリッジ44の）永久磁石 56の構成、ならびに永久磁石124および126の構成（先の各図面には示されていな い）を示す。図示のように、永久磁石38、56、124、および126はパイロン40のせ いでおよそ25度だけ中央軸からオフセットされ、この結果、それらの有効力のわ ずかな低減を生じる（すなわち、磁石は余弦25度またはそれらの最大容量の91％ に対してのみ効果がある）。 MAGLEVロボット10は、以下のように、本発明の原理に従って動作する。ロボッ ト10に電源投入されてしまえば、永久磁石36、38、52、56、124、および126は、 安定した状態条件の下で（すなわち、ゼロに近い電力消費）エアキャリッジ44の 周囲で真空キャリッジ22を浮揚させるのに必要な力の実質的に全てを提供する。 安定性の正規の変動は、永久磁石により生成される磁界のわずかな変化として現 れる。これらの変化は、各ローレンツコイル付近に配置されるホール効果センサ により検出され、それにより、１個のセンサの出力は他のセンサの出力から減算 され、非ゼロ値（所定の公差の範囲を越えて）は修正が必要とされる事を示す。 修正は、コントローラ４からのコマンドに従って適切なローレンツコイルに付 与される制御電流としてMAGLEVロボット10に提供される。制御電流は、上述のよ うに、永久磁石により生成される磁界と相互作用し、エアキャリッジおよび真空 カートリッジを適当な整列状態に効果的に押し戻すローレンツ力（すなわち、所 与の時間的瞬間に対して安定性が本質的に無変動な状態での浮揚）を生成する。 制御電流の振幅と極性は、適切な位置センサからの入力に基づいて変動する。 浮揚を維持するための電力の付与は、MAGLEVロボット10の、一旦積載されてし まってから、その動作条件を適合させる能力により、本発明の原理に従って低減 される。この能力が存在するのは、アーム24を下降および上昇可能にするのに必 要な、真空キャリッジとハウジング12との間の、比較的大きなエアギャップを占 める回路機構のせいである。荷重がアーム24の端部の上方に来るようにMAGLEVロ ボット10が位置決めされてしまうと、電子コントローラ４は新規位置セットポイ ントを選択し、コイル62、64、90および116に一時的に電流を駆動し（コイル90 および116は、図６および図８に示されるように、コイル62および64の反対側に ある）、アーム24が荷重に接触してそれを持ち上げるようにする。永久磁石36と 52の間、38と56の間、および124と126の間のエアギャップはここでは新たな値ま で変化しており（この場合は、低減しており）、永久磁石がここで、最小量の制 御電流で荷重の安定状態での浮揚を維持する最適な力を生成するようにする。 アーム24が各々の下降位置にある場合、線形テーブル46が活動状態にされて、 エアキャリッジ44をパネル26に向けて移動させることができる。エアキャリッジ 44が移動するにつれて、エアキャリッジ44と真空キャリッジ22との間の関係（す なわち、永久磁石とローレンツ力を生成するローレンツコイル）により、真空キ ャリッジ22およびアーム24が同様に移動させられる。ローレンツコイルに付与さ れる制御電流はまた上記各動作期間中に変化し、真空キャリッジ22の円滑な加速 および減速を提供する。従って、エアキャリッジおよび真空キャリッジは、ロー レンツ力の利用により磁気的に「連結」される。 アーム24がパネル26の下で適所に置かれ、制御電流が再び変化させられた結果 、アーム24が上昇し、パネル26がその載置場所から持ち上げられると、真空キャ リ ッジ22内部の任意の静電クランプ（図示せず）を制御するために使用される任意 の回路が変圧器106および108を介して活動状態にされ得、パネル26を適所にロッ クする。線形テーブル46は再び活動状態にされ、パネル26を中央台座18に向けて ニュートラル位置に引き出す。次に、台座18が回動させられて、パネル26を処理 チャンバー28、30、または32のうちの適当な１個と整列状態にし、この状態の位 置で、線形テーブル46が再び活動状態にされる。従って、パネル26は適切な処理 チャンバー内に移動させられ、アーム24は下降させられ（パネル26への「ロック 」が効果を無くすようにされる）、更に、移動させられる。移動期間中は、ロー レンツコイルへの制御電流の付与は、ローレンツ力の利用により、真空キャリッ ジ22の適切な整列と浮揚を維持する。 図９〜図１４は、図１の磁気浮揚式輸送デバイスの代替の実施態様を示し、こ こでは、代替のセンサ機構が利用されて、安定した整列状態にMAGLEVロボット10 を維持するのに必要な電流を制御するように使用される位置情報を提供する。便 宜上、代替のセンサ機構に関連する構成要素のみが、図１〜図８で使用される参 照番号とは異なる番号が付される（例えば、アームは全ての図面でアーム24と称 される）。しかし、異なるセンサ機構が使用されるので、真空キャリッジは図９ 〜図１４では真空キャリッジ222と称され、エアキャリッジはエアキャリッジ444 と称される。以下の議論は、代替のMAGLEVロボット10の新たに言及される構成要 素にあてはまる（図９〜図１４に示される他の番号の付いた構成要素の議論につ いては、図１〜図８に対応する上記本文を参照されたい）。 図９は、図９〜図１４の代替の位置センサ機構に関連する幾つかの追加構成要 素を示す。特に、図９は、真空キャリッジ222の内側表面に装着される幾つかの 構成要素を示す。フェライトカップ232は真空キャリッジ222上に置かれ、それが ゼロ磁束センサと整列状態にあるようにする（図１０に関して詳細に図示および 説明される）。これに加えて、８個の強磁性（または伝導性）ターゲット234（ 図９では、そのうちの４個のみが見える）は、各ターゲットが、エアキャリッジ 444（図１０を参照のこと）の表面上に配置される従来の位置センサ（図１０に 図示する）と整列状態にあるように配置される。 図１０は、図９〜図１４の代替の位置センサ機構にも関連している、幾つかの 追加構成要素を示す。とりわけ、図１０は、ゼロ磁束センサ452がエアキャリッ ジ444の上方表面に接続されるのを（ローレンツコイル68の前方で、かつそれと 同一のキャリッジ444の表面上に配置されるのを）示している。ゼロ磁束センサ4 52は、フェライトカップ462の頂部に固定される４個の検知コイル454、456、458 、および460を含む。４個の検知コイル454〜460はフェライトカップ232と相互作 用して、フェライトカップ232とセンサ452の間で相対運動が存在する時はいつで も、ＡＣ信号が１個以上のコイルで誘導されるようにする。相対運動の増大によ り、適切なコイルで誘導されるＡＣ信号の振幅が同様に増大される。また図１０ には６個の従来技術の位置センサ464（図１０では見えないキャリッジ444の角に 、２個の追加の従来型センサが配置される）が示されており、これらは、以下に 説明するように、キャリッジ変位情報を提供する。２個の軸（すなわち、キャリ ッジの横方向測定および垂直方向測定）、ピッチ、およびヨーについて変位情報 を提供するのに、８個のセンサのうち４個だけが実際に必要とされるが、冗長性 と向上した信頼性についての迫加セットが提供される。 図１１および図１３は、先に論じてきた構成要素の異なる図を示す。図１２は 、特に、４個の従来技術の位置センサを示す。各センサの動作を論じるにあたり 、各センサ構成要素は、先に使用された一般参照番号234（図９）および464（図 １０および図１１）から番号を付け直されている。第１の対のセンサ470および4 72は軸502に沿った変位測定値を提供する（いずれのセンサが「一次」センサと 見なされてもよいが、他方のセンサは同一軸についてのバックアップ情報を提供 する）。センサ470はターゲット474および従来型センサ476（うず電流センサ、 誘導センサ、または任意の他の類似のセンサであればよい）から形成される。例 えば、誘導センサが使用される場合、センサ476は、インダクタンスを測定する ＡＣ回路に結合されるコイルである。コイルとターゲット474との間の距離が変 化するにつれて、インダクタンスが変化する。センサ472は同様に、ターゲット4 78および従来型センサ480から形成される。 第２の軸504に沿った変位測定は、第２の対のセンサ482および484により行わ れる。再び、センサ482および484のうちの一方が「一次」センサであり、他方の センサがバックアップである。センサ482はターゲット486および従来型センサ48 8から形成され、センサ484はターゲット490および従来型センサ492から形成され る。他の４個の位置センサは、軸506および508を測定するが、図１４に示される 。軸502は実質的に軸506と同一軸であり、軸504は実質的に軸508と同一である。 各例では、しかし、第２の軸は、エアキャリッジ444の表面に沿って所与の距離 だけ第１の軸から長手方向にオフセットされる。それ故、同一軸からの２つの入 力は、他の軸からの２つの入力と組み合わさって、ピッチ変位およびヨー変位を 算出するために使用され得る。センサ490はターゲット520および従来型センサ52 2から形成され、センサ492はターゲット524および従来型センサ526から形成され る。センサ494はターゲット528および従来型センサ530から形成され、センサ496 はターゲット532および従来型センサ534から形成される。 図１４はまた、ゼロ磁束センサ452をより詳細に示す。先に説明したように、 ゼロ磁束センサ452はフェライトカップ232、フェライトカップ462、および４個 の検知コイル454〜460を含む（454および458のみが図１４に示される）。これに 加えて、ゼロ磁束センサ452はＡＣ駆動コイル536およびセンサコイル538を含む （センサコイル538は、検知コイル454〜460と関連して使用されねばならないが 、これは、フェライトカップ232と462との間の垂直方向距離を測定するオプショ ンの検知コイルでもある）。ゼロ磁束センサ452は、長手方向変位およびロール 変位の両方の測定を提供する。長手方向変位は、検知コイル456および460におい て誘導されるＡＣ信号に基づいて測定される。ロール変位は、検知コイル454お よび458において誘導されるＡＣ信号に基づいて決定される。ゼロ磁束センサ452 はＡＣ駆動コイル536により電源投入され、これは、フェライトカップ462に比較 的小さな電流を提供する。 このように、比較的大きな荷重がわずかな電力消費で、真空条件において軸に 沿って浮揚および前後に輸送される磁気浮揚式デバイスが説明されてきた。当業 者は、多様な他の実施態様が本発明の原理に基づいて可能であることを理解する だろう。例えば、図面は、荷重が線形の態様で輸送される好ましい実施態様を例 示しているが、本発明の原理は、線形テーブルを角テーブルまたは類似のデバイ スと置換することにより（かつ、コントローラ４に対して微調整を行うことによ り）、角移動および角加速度を発生させるために使用され得る。このように、上 記記載事項は本発明の原理の例示にすぎず、本発明の範囲および精神から逸脱す ることなく、多様な変更が行えることが当業者には理解されるだろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．１個以上のワークピース（26）を輸送するための磁気浮揚式装置（10）であ って、前記装置（10）は、 制御回路（4）と、 少なくとも１つのケーブル（98）を介して前記制御回路に結合される機械駆動 システム（42）と、 少なくとも１個の支持部材（24）を有し、前記１個以上のワークピース（26） および複数の永久磁石（34、36、38）を支持するための真空キャリッジ（22）と 、 複数のローレンツコイル（54）と前記制御回路（4）に接続される複数の位置 センサ（70〜84）とを有する密封ハウジング（12）内部に搭載されるエアキャリ ッジ（44）とを備え、前記複数のローレンツコイル（54）の各々は前記複数の永 久磁石（34）のうち少なくとも１個と整列され、前記ローレンツコイル（54）が 前記永久磁石（34）により発生される磁界に曝されるようにし、前記エアキャリ ッジ（44）は、前記真空キャリッジ（22）の前記複数の永久磁石（36、38）のう ち少なくとも１個と整列される少なくとも１個の永久磁石（52、56）を更に含ん で、前記真空キャリッジ（22）の重量の実質的に全てを浮揚させる静浮揚力を提 供し、前記エアキャリッジ（44）は前記駆動システム（42）に結合されて、前記 駆動システム（42）が輸送軸に沿って前後に前記エアキャリッジ（44）を輸送す るようにし、前記制御回路（4）は前記位置センサ（70〜84）に応答して前記ロ ーレンツコイル（54）のうち少なくとも１個に電流を提供し、前記電流は、複数 のローレンツ力軸に沿って、前記真空キャリッジ（22）を浮揚させ、かつ、それ を前記エアキャリッジ（44）に磁気的に連結するローレンツ力を発生する、磁気 浮揚式装置。 ２．前記真空キャリッジ（22）が前記１個以上のワークピース（26）を装填する と、前記制御回路（4）が前記少なくとも１個のエアキャリッジ永久磁石（52、5 6）および前記真空キャリッジ永久磁石（36、38）の前記整列状態を調節して、 前記装置（10）の電力要件を低減する、請求項１に記載の装置。 ３．前記エアキャリッジ（44）は２個の長手方向側面および頂面を有し、前記複 数のローレンツコイル（54）のうち２個は各長手方向側面上に構成されて、前記 輸送軸に直交するローレンツ力を発生し、前記複数のローレンツコイル（54）の うち少なくとも１個は各長手方向側面上に構成されて、前記輸送軸に平行なロー レンツ力を発生し、また、前記複数のローレンツコイル（54）のうち少なくとも １個は前記頂面上に構成されて、前記輸送軸に直交してローレンツ力を発生する 、請求項１に記載の装置。 ４．前記位置センサ（70〜84）の各々は第１および第２のホール効果センサ（70 〜84）を含み、前記位置センサ（70〜84）の各々は前記複数のローレンツコイル （54）のうち１個と整列状態にあり、前記ホール効果センサ（70〜84）は前記整 列状態のローレンツコイル（54）の周囲に構成されて、前記第１よび第２のホー ル効果センサ（70〜84）が、前記整列状態のローレンツ力コイル（54）のローレ ンツ力軸に平行な軸上に存在するようにする、請求項１に記載の装置。 ５．前記位置センサのうちの１個は、前記輸送軸に沿った、かつ、その周りにあ る前記エアキャリッジ（444）の変位を監視するゼロ磁束センサ（452）である、 請求項１に記載の装置。 ６．前記残りの位置センサ（464）は、互いに直交し、かつ、双方が前記輸送軸 に直交する少なくとも２個の軸に沿って、前記エアキャリッジ（444）の変位を 監視する、請求項５に記載の装置。 ７．前記残りの位置センサ（464）の半分は、互いに直交し、かつ、前記輸送軸 に直交する第１の対の軸の周りにある前記エアキャリッジ（444）の変位を監視 し、前記残りの位置センサ（464）のうち他の半分は、互いに直交し、かつ、前 記輸送軸に直交する第２の対の軸の周りにある前記エアキャリッジ（444）の変 位を監視し、前記第１の対の軸および第２の対の軸は、前記輸送軸に沿って所定 の距離だけ互いからオフセットされ、前記第１の対の軸および第２の対の軸の各 々のうち一方の軸は互いに平行である、請求項６に記載の装置。 ８．前記ゼロ磁束センサ（452）は、 前記真空キャリッジ（22）に搭載される第１のフェライトカップ（232）と、 前記エアキャリッジ（444）に搭載される第２のフェライトカップ（462）と、 前記第１および第２のフェライトカップ（232、462）の間で前記第２のフェラ イトカップ（462）上に搭載される複数の検知コイル（454〜460）と、 前記第２のフェライトカップ（462）内部に搭載されるＡＣ駆動コイル（536） とを備える、請求項５に記載の装置。 ９．前記複数の検知コイル（454〜460）は、前記輸送軸が４個の検知コイル（45 4〜460）のうちの２個の中心を貫通し、かつ、前記輸送軸に直交する軸が前記４ 個の検知コイル（454〜460）のうちの他の２個を貫通するように構成される、４ 個の検知コイル（454〜460）を含む、請求項８に記載の装置。 １０．前記ゼロ磁束センサ（452）は、前記第２のフェライトカップ（462）の内 部に搭載される追加の検知コイル（538）を更に備え、前記追加の検知コイル（5 38）は前記第１および第２のフェライトカップ（232、462）の間の垂直方向変位 を監視する、請求項８に記載の装置。 １１．前記エアキャリッジ（44）から前記真空キャリッジ（22）まで電力を輸送 する電力トランスファデバイス（106、108）を更に備え、前記電力トランスファ デバイスは、 前記エアキャリッジ（44）に搭載される鉄材料内部に埋設される一次コイル（ 88、112）と、 前記真空キャリッジ（22）に搭載される鉄材料内部に埋設される二次コイル（ 110、114）とを備え、前記一次コイル（88、112）および前記二次コイル（110、 114）は電力変圧器（106、108）を形成する、請求項１に記載の装置。 １２．前記真空キャリッジ（22）および前記エアキャリッジ（44）は、前記真空 キャリッジ（22）が真空環境下で動作されるのと同時に、前記エアキャリッジ（ 44）が大気環境下で動作され得るように、エアバリア（12）により分離され、前 記エアバリア（12）は実質的に非磁性材料から形成され、前記一次コイル（88、 112）および前記二次コイル（110、114）は前記エアバリア（12）により分離さ れる、請求項１１に記載の装置。 １３．前記真空キャリッジ（22）および前記エアキャリッジ（44）は、前記真空 キャリッジ（22）が真空環境下で動作されるのと同時に、前記エアキャリッジ（ 44）が大気環境下で動作され得るように、エアバリア（12）により分離され、前 記エアバリア（12）は実質的に非磁性材料から形成される、請求項１に記載の装 置。 １４．前記真空キャリッジ（22）は真空環境下で動作される、請求項１に記載の 装置。 １５．１個以上のワークピース（26）を磁気的に浮揚させ、かつ、前記１個以上 のワークピース（26）を輸送軸に沿って輸送する方法であって、前記方法は、 真空キャリッジ（22）上に置かれる複数の永久磁石（34、36、38）から磁界を 生成する工程と、 前記真空キャリッジの永久磁石（36、38）のうち少なくとも１個とエアキャリ ッジの永久磁石（52、56）を整列させて、前記真空キャリッジ（22）の重量の実 質的な部分を浮揚させる静浮揚力を提供する工程と、 密封ハウジング（12）内部に搭載されたエアキャリッジ（44）上で複数のロー レンツコイル（54）を整列させて、前記ローレンツコイル（54）が前記磁界に曝 されるようにする工程と、 前記真空キャリッジ（22）と前記エアキャリッジ（44）との間の変位を監視す る工程と、 前記監視する工程に応答して、制御信号を提供する工程と、 前記制御信号に応答して１個以上の前記ローレンツコイル（54）において制御 電流を生成する工程とを含み、前記制御電流はローレンツ力を生成させ、前記エ アキャリッジ（44）が前記輸送軸に沿って移動される場合に、前記ローレンツ力 は前記真空キャリッジ（22）を浮揚させ、かつ、前記真空キャリッジ（22）を輸 送するように作用する方法。 １６．エアキャリッジ永久磁石（52、56）を整列させる前記工程は、 前記真空キャリッジ（22）が前記１個以上のワークピース（26）を装填した後 で、前記真空キャリッジの永久磁石（36、38）と前記エアキャリッジの永久磁石 （52、56）との間の変位を調節する工程を更に含む、請求項１５に記載の方法。 １７．前記監視する工程は、 前記ローレンツコイル（54）の各々について１対のホール効果センサ（70〜84 ）を提供する工程と、 前記ローレンツ力が各個別のローレンツコイル（54）について生成されるよう に、かつ、前記対のホール効果センサ（70〜84）が１個以上の前記真空キャリッ ジの永久磁石（34）により生成される前記磁界に曝されるように、各対の前記ホ ール効果センサ（70〜84）を軸に沿って互いに整列して構成する工程とを含む、 請求項１５に記載の方法。 １８．前記監視する工程が、 第１の複数の従来技術の位置センサ（464）を提供する工程であって、前記第 １の複数のセンサ（464）が、互いに直交し、かつ、前記輸送軸に直交する第１ の軸および第２の軸に沿って前記真空キャリッジ（22）の変位を監視する、工程 と、 第２の複数の従来技術の位置センサ（464）を提供する工程であって、前記第 ２の複数のセンサ（464）が、互いに直交し、かつ、前記輸送軸に直交する第３ の軸および第４の軸に沿って前記真空キャリッジ（22）の変位を監視し、前記第 １の軸および前記第２の軸が、前記第３の軸および前記第４の軸から所定の距離 だけ、前記輸送軸に沿ってオフセットされ、前記第１の軸および前記第３の軸が 互いに平行である工程と、 ゼロ磁束センサ（452）を利用して、前記輸送軸に沿った、かつ、その周りに ある前記真空キャリッジ（22）の変位を監視する工程とを含む、請求項１５に記 載の方法。 １９．前記ゼロ磁束センサ（452）は、 前記真空キャリッジ（22）に搭載される第１のフェライトカップ（232）と、 前記エアキャリッジ（44）に搭載される第２のフェライトカップ（462）と、 前記第１および前記第２のフェライトカップ（232、462）の間で前記第２のフ ェライトカップ（462）上に搭載される複数の検知コイル（454〜460）と、 前記第２のフェライトカップ（462）の内部に搭載されるＡＣ駆動コイル（536 ）とを含む、請求項１８に記載の方法。 ２０．前記複数の検知コイル（454〜460）は、 前記輸送軸が４個の検知コイル（454〜460）のうちの２個の中心を貫通するよ うに、かつ、前記輸送軸に直交する軸が前記４個の検知コイル（454〜460）のう ちの他の２個を貫通するように構成された４個の検知コイル（454〜460）を含む 、請求項１９に記載の方法。 ２１．前記ゼロ磁束センサ（452）は、 前記第２のフェライトカップ（462）の内部に搭載された追加の検知コイル（5 38）を更に備え、前記迫加の検知コイル（538）が、前記第１および前記第２の フェライトカップ（232、462）の間の垂直方向の変位を監視する、請求項１９に 記載の方法。 ２２．前記整列させる工程は、前記エアキャリッジ（44）および前記真空キャリ ッジ（22）がエアバリア（12）により分離されるように起こる、請求項１５に記 載の方法。 ２３．前記エアキャリッジ（44）から前記エアバリア（12）を経由し、前記真空 キャリッジ（22）まで電力を誘導的に提供する工程を更に含み、前記誘導的に提 供する工程は、前記整列させる工程の後で起こる、請求項２２に記載の方法。 ２４．前記誘導的に提供する工程は、 電源から、前記エアキャリッジ（44）に装着された一次変圧器コイル（88、11 2）まで前記電力を供給する工程と、 前記一次変圧器コイル（88、112）から前記エアバリア（12）を経由して、前 記真空キャリッジ（22）に装着される二次変圧器コイル（110、114）へ前記電力 を輸送する工程とを含む、請求項２３に記載の方法。 ２５．エアキャリッジ上に設けられた一次変圧器コイルと前記真空キャリッジ上 に設けられた二次変圧器コイルとの間で、ＡＣ磁界を形成することにより、前記 エアキャリッジから前記真空キャリッジまで電力を誘導的に輸送する工程を更に 含む、請求項１５から請求項２４のいずれかに記載の方法。 ２６．前記エアキャリッジは一次変圧器コイルを有し、 前記真空キャリッジは二次変圧器コイルを有し、 エアバリアは、ＡＣ磁界が前記一次コイルと前記二次コイルの間で形成される ように前記エアキャリッジを前記真空キャリッジから分離し、前記変圧器が、前 記エアキャリッジから前記真空キャリッジまで電力を誘導的に輸送するのを可能 にする、電力を輸送するための変圧器を更に備える、請求項１から請求項１４の いずれかに記載の装置。 ２７．一次変圧器コイルを有するエアキャリッジと、 二次変圧器コイルを有する真空キャリッジと、 ＡＣ磁界が前記一次コイルと前記二次コイルの間で形成されるように、前記真 空キャリッジから前記エアキャリッジを分離するエアバリアとを備え、前記変圧 器が前記エアキャリッジから前記真空キャリッジまで電力を誘導的に輸送する、 電力輸送のための変圧器。 ２８．１つの位置から別の位置まで電力を誘導的に輸送する変圧器（106）であ って、前記変圧器（106）は 一次変圧器コイル（88）を有するエアキャリッジ（44）と、 二次変圧器コイル（110）を有する真空キャリッジ（22）と、 前記エアキャリッジ（44）と前記真空キャリッジ（22）の間に物理的接続が全 く無いように、且つ前記エアキャリッジ（44）および前記真空キャリッジ（22） が異なる大気条件の下で同時に動作され得るように、前記エアキャリッジ（44） を前記真空キャリッジ（22）から分離および絶縁させるエアバリア（12）とを備 え、前記変圧器はＡＣ磁界が前記一次コイルおよび二次コイル（88、110）の間 に形成されるようにし、電力が前記エアバリア（12）を横断して、前記エアキャ リッジ（44）から前記真空キャリッジ（22）まで誘導的に輸送されるようにする 、変圧器。