JP4619594B2 - 摩擦のない輸送装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、摩擦のない負荷の輸送、ならびにこのような輸送を達成する方法および装置に関する。
【０００２】
（発明の背景）
複数の市販の設定品において摩擦のない物体の輸送を目的とすることが望ましい。特に、磁気ディスクおよびウェハのような製造品が１つの処理ステーションから別の処理ステーションへと移動されるクリーンルームの設定条件では、クリーンルームの動作のいずれの部分においても塵または他の粒子の生成を最小にすることが望ましい。このような粒子の１つの原因は、従来の輸送デバイスにおけるエレメント間での摩擦接触である。
【０００３】
摩擦のない物体の運動はまた、高速かつ繰返される機械運動が装置の１つ以上の部分における機械の故障を生じ得る他の機械デバイスの機械においても望ましくあり得る。
【０００４】
（発明の要旨）
１つの局面において、本発明は、第１のステーションまたは第１の位置から第２のステーションまたは第２の位置へと負荷である物体を輸送するための摩擦のない輸送装置を含む。上記装置は、第１のステーションと第２のステーションとの間で伸びているフレームと、第１のステーションと第２のステーションとの間で負荷を運ぶ間、上記フレームに沿って運動するように取り付けられた浮遊状態にあるキャリッジとを含む。キャリッジおよび物体は、それぞれフレームに取りつけられたフレームバイアス磁石と、キャリッジに取り付けられたキャリッジバイアス磁石とによって、宙に浮くか、または部分的に宙に浮く。キャリッジは、安定化構造によって宙に浮いた状態で安定化させられる。この安定化構造は、フレーム上の第１のステーションと第２のステーションとの間に伸びている磁気アレイと、上記キャリッジ上に取り付けられた反磁性プレートとを含む。このプレートの少なくとも一部分は、キャリッジがそのトラックに沿って運動する際に、アレイの少なくとも一部に面し、かつ近位に配置された状態である。上記反磁性プレートと磁気アレイとの間の磁気相互作用は、アレイの方へプレートが移動しないように働く。浮遊状態にあるキャリッジは、線形電磁システムまたは静電システムあるいは空気式システムのような摩擦のない駆動システムによってフレームに沿って運動する。
【０００５】
フレーム上のバイアス磁石は、電磁石であり得る。この場合、磁石によって生成される磁界の強さは、キャリッジおよび負荷の重量に合うように変更可能である。または、フレーム上のバイアス磁石は、永久磁石であってもよい。この場合、負荷の変化は、反磁性相互作用または調整されたバイアス磁石間の距離によって適応され得る。
【０００６】
種々の実施形態において、磁気アレイは、（ｉ）極性が交互となるように並べられた磁石から構成される平面アレイ、（ｉｉ）垂直方向および水平方向の磁極の方向が交互となるように並べられた磁石から構成される平面アレイであって、垂直方向に向いた磁石の磁極が交互になっており、水平方向に向いた磁石の磁極が交互になった、平面アレイ、または（ｉｉｉ）磁極が交互に磁化した等方性材料のプレートから形成されるアレイであり得る。
【０００７】
好適な実施形態において、安定化構造は、少なくとも２つの間隔を空けて配置された磁気アレイを含み、反磁性プレートは対面を有しており、その対面の少なくとも一部が間隔を空けて配置された磁気アレイの少なくとも一部と面し、かつ近位にある。反磁性プレートと各平面アレイとの間の磁気相互作用は、アレイ間でプレートを間隔を空けて維持するように働く。間隔を空けて配置されたアレイは、例えば、ベース部材によって支持され、ベース部材から突き出た複数の間隔を空けられたアレイによって形成され得る。磁気アレイおよびこれらアレイ間に配置された反磁性プレートは、平面かつ実質的に水平方向に配置され得るか、または平面かつ実質的に垂直方向に配置され得る。
【０００８】
反磁性プレートは、グラファイト（例えば熱分解グラファイト）またはビスマスを含み得る。デバイスは、キャリッジ上で保持される導電性プレートをさらに含み得る。この導電性プレートは、キャリッジがフレームに沿って運動することによって生成されるうず電流を弱めるために、キャリッジが上記フレームに沿って運動する際に、磁気アレイの近位かつ磁気アレイに隣接してキャリッジとともに運動する。
【０００９】
１実施形態において、キャリッジのバイアス磁石は、既知の距離間隔だけ互いに離した磁石の線形アレイを含み、駆動システムは、導電性ワイヤパスと、バイアス磁石の線形アレイにかかる線形磁気駆動力を生成するために、ワイヤパスに接続された交流電流源とを含む。別の実施形態において、駆動システムは、キャリッジがフレームに沿って運動する際に、フレームおよびキャリッジ上の静電エレメント間の静電引力によって動作する。さらに別の実施形態において、駆動システムは、キャリッジがフレームに沿って運動する際に、キャリッジからフレームへと圧縮ガスストリームを適用することによって動作する。
【００１０】
別の局面において、本発明は、第１のステーションと第２のステーションとの間における負荷の摩擦のない輸送方法を含む。上記方法は、負荷をキャリッジに配置する工程と、バイアス磁石が、第１のステーションと第２のステーションとの間に伸びているフレーム上かつキャリッジ上で保持された状態で、キャリッジおよび負荷の重量の実質部分を支持する工程と、キャリッジがフレームに沿って運動する際に、キャリッジ上の反磁性プレートと、第１のステーションと第２のステーションとの間に伸びており、フレーム上にある磁気アレイとの間に生成される磁力によって、キャリッジの位置を浮遊状態で安定化させる工程と、摩擦のない駆動システムを用いてフレームに沿ってキャリッジを駆動させる工程とを包含する。
【００１１】
別の局面において、本発明は、浮遊状態の物体が最大５〜１０ｍｍ（またはそれ以上）のギャップを有した状態で浮遊される浮遊システムを含む。このシステムは、物体の重量の実質部分を支持するためのバイアス磁石を有する、フレームおよび支持物体（例えば、キャリッジ）を含み、安定化構造は、物体を浮遊状態で安定化させるためのフレーム上の磁気アレイおよび物体上の反磁性プレートを含む。このシステムは、例えば、機械において摩擦のない軸受、または容易に観察可能な浮遊ギャップを有する新規アイテムとして機能し得る。
【００１２】
本発明のこれらおよび他の目的、ならびに特徴は、本発明の以下の詳細な説明を添付の図面とともに読めばより完全に理解される。
【００１３】
（発明の詳細な説明）
（Ｉ．定義）
以下の用語は、本明細書中において他の意味を示さない限り、以下の意味を有する。
【００１４】
「線形輸送」または「線形運動」は、径路に沿った運動を意味する。この場合の径路とは、曲線状の径路、直線状の径路または屈曲部および湾曲部を有する径路であり得る。この径路が水平面内にある場合には、あるｘ−ｙ座標から別のｘ−ｙ座標へと物体を移動する輸送または運動が有効である。運動が垂直面内である場合には、あるｚ座標から別のｚ座標へと物体を移動させる輸送または運動が有効である。線形輸送は、物体のｘ−ｙ−ｚ座標を維持するが、角座標を変化させる円運動または回転運動とは異なる。
【００１５】
「バイアス磁石」とは、用いられる磁石（好ましくは強磁性体）であり、キャリッジおよび負荷が浮遊状態にある場合に、キャリッジおよびキャリッジに取り付けられた負荷の重量の全体または大部分（すなわち、合わせた重量の８０％以上）を支持している。強磁性体は、永久磁石または電磁石であり得る。
【００１６】
「反磁性」材料とは、１より小さい透磁率（一般的には１よりもごくわずか小さい）を有する材料を意味し、比較的低い揚力を提供する。
【００１７】
「磁気アレイ」とは、磁石（典型的には永久磁石）のアレイを意味し、磁石の磁極が、反対方向に向いた磁極を有する２つの連続した磁石のそれぞれに閉ループの磁束通路を提供するように配列される。連続する磁石は、並んで配列され得るか、または磁極が別の軸に沿って向いた１つ以上の磁石分だけ互いに離れて置かれ得る。
【００１８】
物体（例えば、キャリッジまたはキャリッジと負荷を合わせたもの）が、任意の支持構造と接触することなく重力に反して宙に浮いている場合、この物体は「浮遊」している。
【００１９】
バイアス磁石は、（ｉ）安定化構造で生じる反磁性を反磁性力と組み合わせて、キャリッジが安定した浮遊状態で宙に浮いており、（ｉｉ）反磁性力自身が、浮遊状態においてキャリッジの重量の一部（例えば、２０％未満）を超える重量を支持することができない場合、本発明の装置において「実質部分」または（載荷されたまたは載荷されていない）キャリッジの重量を支持する。バイアス磁石は、（載荷されたまたは載荷されていない）キャリッジの重量全体を支持し得る。この場合、安定化構造は、浮遊状態のキャリッジに下方にかかる力を及ぼし得る。あるいは、バイアス磁石は、（載荷されたまたは載荷されていない）キャリッジの重量の一部（例えば８０％以上）のみを支持し得る。この場合、安定化構造は、キャリッジに上方への重量支持力を及ぼし得る。
【００２０】
（ＩＩ．輸送装置）
図１は、本発明に従って構築された摩擦のない線形輸送装置２０の簡略化した模式図を示す。上記装置は、一方のステーション２４からもう一方のステーション２６へと線形輸送または線形運動することによって負荷２２を輸送するように設計されている。例えば、クリーンルームの設定条件では、２つ（以上）の負荷ステーションが、クリーンルーム内の異なる処理エリアにあり得る。
【００２１】
上記装置は、一般に、ステーション間にわたって伸びているフレーム２８と、その２つのステーション間で、そのフレームに沿って浮遊状態で線形運動するように取り付けられたキャリッジ３０とを含む。キャリッジおよび負荷が浮遊状態にある場合に、キャリッジが、２つのステーション間で運動するように負荷２２を支持する。
【００２２】
キャリッジおよび負荷の重量は、フレームに取り付けられたフレームバイアス磁石３２およびキャリッジに取り付けられたキャリッジバイアス磁石３４それぞれによって、そのキャリッジおよび負荷の重量の全体または大部分を重力に反して支持される。以下に説明されるように、上記装置の安定化構造は、キャリッジおよび負荷上に何らかの磁気「揚力」を提供し得る。この磁気揚力は、典型的には、負荷の２０％以下であり得るが、上記装置における磁気アレイ（単数または複数）と反磁性プレート（単数または複数）との間の磁気相互作用の総面積に依存している。
【００２３】
本実施形態におけるフレームバイアス磁石は、磁場力が径路の長さ方向に沿って固定される細長い永久磁石または電磁石からなる。いずれの場合であっても、バイアス磁石は従来のものであり、浮遊するに十分なキャリッジおよび負荷への揚力（例えば、１ｌｂ．〜５０ｌｂｓ．の範囲）を生成するように設計されるか、または作動される。この揚力は、キャリッジおよび負荷の重量に依存する。
【００２４】
バイアス電磁石の場合、電磁石に供給される電流は、所望のキャリッジ／負荷重量の浮遊を達成するように調節される。これは、キャリッジの下のフレーム上に位置する圧力センサのような標準制御デバイスによって達成され、キャリッジ（およびもしあれば負荷）が浮遊状態にあり、センサにもうこれ以上力が印加されない時を示す。
【００２５】
フレームバイアス磁石が永久磁石である場合、キャリッジ上の負荷の変化は、反磁性揚力によって調整され得る。この反磁性揚力は、以下に詳述されるように、広範囲の重量（例えば、バイアス磁石が、キャリッジに作用する重力よりも２０％大きな牽引力を及ぼす点から磁気牽引力がキャリッジに作用する重力よりも２０％小さい点までの範囲）にわたって安定となるように設計され得る。あるいは、またはこれに加えて、フレームバイアス磁石の垂直位置が、前もって選択された異なる負荷ごとに、キャリッジバイアス磁石の垂直位置に対して調節され得る。
【００２６】
キャリッジバイアス磁石は、好ましくは、磁極がフレーム磁石による磁化引力に向いた永久磁石である。キャリッジ磁石は従来の構成を有しており、例えばネオジウム−鉄−ボロン合金、好ましくはグレード３５メガガウスエルステッド以上を有する磁性合金から形成される。１実施形態において、キャリッジ磁石は、２つの以上の磁石からなる。これら２つ以上の磁石は、キャリッジの運動方向に沿って互いに間隔を空けて配置され、同じ磁極方向を有する。磁石を間隔を空けて配置することは、以下に示されるように電磁式線形駆動システムにおいて有利であり得る。
【００２７】
上記装置において安定化構造または安定化手段は、フレーム上に取りつけられ、そのフレームの長さ方向に沿ってステーション２４と２６との間に広がる磁気アレイ３８と、キャリッジ上に取り付けられる反磁性プレート４０とを含む。図１の実施形態は、反磁性プレートの両端に配置される２つの磁気アレイ３８、４２を有し、上下方向の両方に安定化させる。
【００２８】
反磁性プレートは、グラファイトまたはビスマスのような反磁性材料から形成され、好ましくは、一般的な反磁性材料について最も小さな比透磁率、または０に最も近い値を有する熱分解グラファイトのような反磁性材料から形成される。熱分解グラファイトは、配向した構造の結晶層を有する。
【００２９】
種々の代替的なアレイ／プレート構成が企図されており、このうちいくつかが以下で想定される。アレイおよびプレートは、浮遊状態でキャリッジおよび（もしあれば）キャリッジに取り付けられた負荷を安定化させるように機能し、付随してキャリッジおよび負荷に特定量の揚力を提供し得る。より詳細には、そして以下に説明されるように、反磁性プレートと磁気アレイとの間の磁気相互作用は、そのプレートがアレイの方へと移動しないように働く。
【００３０】
キャリッジ支持構造４１は、キャリッジバイアス磁石および反磁性プレートを結合し、これら２つの間に十分な間隔を設けて、２つの間の磁気結合効果を最小にするか、またはなくす。支持構造の下端は負荷２２を保持するように適合される。
【００３１】
上記装置にはまた、浮遊状態にある場合に、フレームに沿った２つのポイント（例えば、ステーション２４、２６）間のフレームに沿ってキャリッジを運動させる駆動機構または駆動手段が含まれる。図１の実施形態の駆動機構は、４２および４４において紙面の正面に向けて示され、以下の図１０の平面図において示される、一対の導電性パスを含む。
【００３２】
図２は、本発明に適切な磁気アレイの磁極構成の１つのタイプを示す装置４６の基本的な磁気要素を示す。図示される要素を簡単に説明すると、フレーム４８は、フレームバイアス磁石５０と磁気アレイ５２とを支持する。キャリッジ５４は、磁石５０と相互作用する上部バイアス磁石５６と、アレイ５２と相互作用する下部反磁性プレート５８とを有する。磁気アレイは、矢印で示される磁極が反対方向を向いた磁石５２ａ、５２ｂのような複数の並んだ磁石からなる。例示的な実施形態において、各磁石は、矩形の箱型形状の永久磁石であり、５×１０×２５ｍｍを示し、５ｍｍは厚さの大きさであり、また磁化方向あるいは磁極が間隔を空けて配置される方向である。これらの大きさは、幅で除算された厚さの比率を提供し、この比率は各磁石について０．５である。アレイ自身の面積は、例えば図９に示されるように、アレイに面する反磁性プレートの実質部分を「覆う」、かつ長手方向の軸のフレームの長さに沿って広がるような面積である。
【００３３】
動作において、図３を参照して、アレイ５２の磁石の配列は、アレイ５２と反磁性プレート５８の対向面６４との間のギャップ６２に磁界６０を生成する。図面から分かるように、磁界は、高磁力および磁化方向に沿った高い傾きの両方を有する。反磁性プレートはこの磁界と相互作用し、そのプレートに作用する重力と反対方向に働く揚力を生成する。この相互作用は、キャリッジが重力または振動に起因した正味の下方への力を受ける場合に、組み合わされたキャリッジおよび負荷に磁気「クッション」を提供することによって、宙に浮いた状態に有るキャリッジおよび負荷を安定させるように働く。これにより、バイアス磁石によって支持されるキャリッジおよび負荷の重量の一部は、それらの総重量よりも少なく（例えば、総重量の２０％以上までに）することができ、なおかつアレイがそのプレートの下に位置する場所で浮遊を達成することができる。同様に、浮遊の安定性を失うことなく、またはキャリッジとフレームとの間で接触することなく、アレイがプレートの上に位置する場所で、バイアス磁石によって及ぼされる磁力が、キャリッジに作用する重力よりも実質的に大きく（例えば、２０％以上）なり得る。
【００３４】
磁界６０の磁気の強さは、アレイ５２からの距離の関数として急激に変化する。上述の特定の実施形態の場合、ギャップ６２は約０．５〜２ｍｍである。典型的には、アレイの磁界の強さ、反磁性プレートを形成する材料および厚さに応じて、２つの間の磁気相互作用は、下部プレート表面と磁気アレイとの間の対向する面に約３ｇ／インチ²の揚力を提供する。
【００３５】
同様に、上部磁気アレイ（図８および以下の説明を参照されたい）は、キャリッジが移動中のバイアス磁石または垂直方向の振動に起因する正味の上方への力を受ける場合に、プレートを移動させないように働く。上述したように、これにより、バイアス磁石によるキャリッジおよび負荷に作用する磁力を、浮遊状態の安定性を失うことなく、または反磁性プレートと上部アレイとの間で接触することなく、反対方向の重力といくぶん異ならせることができる。従って、反磁性相互作用は、キャリッジおよび負荷の重量のすべてまたは多くが、バイアス磁石によって支持されて宙に浮いた「平衡」状態で、（負荷があってもなくても）キャリッジを支持する。キャリッジプレートがアレイの方へと移動する場合、より強い磁気アレイとの磁気相互作用によってその動きに対抗し、平衡位置へとキャリッジを戻すように移動するように働く。同様に、キャリッジがアレイから離れるように移動する場合、より弱い磁力によってキャリッジを平衡位置へと戻すことができる。
【００３６】
図４は、（同じ参照番号を付した）同じ磁気アレイ／プレート構成を示す。但し、図４は、アレイ５２の下部にわたって配置された強磁性プレート６６をさらに含む。強磁性層６６は、アレイの下に低い磁気抵抗径路を提供し、この磁気径路は、アレイ５２と反磁性プレートとの間のギャップ６２内の磁界６０の磁束密度を増大させる。この増大した磁束密度は、より大きな質量の材料を浮遊させるより高い揚力を提供する。
【００３７】
図５Ａおよび５Ｂは、図２に示すアレイの実施形態の磁気アレイの２つの代替的な構成の平面図を示す。図５Ａのアレイでは、７０で示されるアレイを形成する磁気要素は、ストリップ７２、７４のような細長い磁気ストリップであり、これらの上部表面（この表面は反磁性プレートに面する）は、ストリップの長さ方向に沿って上（Ｎ）または下（Ｓ）のいずれかである。このアレイ構成は、図３の正面に向かって示され、アレイの全長に沿って広がる磁界を生成する。
【００３８】
別のアレイを図５Ｂの７６に示す。このアレイは、上部表面が示されるＮまたはＳの極性を有する磁気立方体のチェッカー盤から作製される。このアレイは、図３の正面に向かって示される磁界を生成するが、側面から（すなわち、アレイの長さ方向に沿って）見た場合と同じ磁界の形状を有する。
【００３９】
図６は、本発明に適切な磁気アレイの磁極構成の第２の一般的なタイプを示す装置８２の基本的な磁気要素を示す。図示される要素を簡単に説明すると、フレーム８４は、フレームバイアス磁石８６と磁気アレイ８８とを支持する。キャリッジ９０は、磁石８６と相互作用する上部バイアス磁石９２と、アレイ８８と相互作用する下部反磁性プレート９４とを有する。
【００４０】
正面図に示されるように、正反対の「垂直方向」の極性を有する永久磁石（例えば、磁石９６、９８）は、正反対の「横方向」の極性を有する磁石（例えば、磁石１００）によって互いに分けられている。このアレイによって生成される磁界は、図７の１０２に正面を向いて示される。図７において、各磁石の下の矢印は、磁気極性の方向を示す。２つの垂直方向の磁極間の磁束の方向は、その間の横方向の極性の磁石の方向であり、磁束はアレイ自身内に大部分が閉じ込められる。磁束が反対方向である場合、示されるように、磁束は大部分がアレイよりも上にある。次いで、この構成は、アレイの磁界の強さの大部分を１つのアレイの表面、すなわち反磁性プレートに面する表面へとシフトさせる。
【００４１】
図８および９は、それぞれ、本発明の例示的な水平方向反磁性安定化構成および垂直方向反磁性安定化構成を示す。図８では、装置１０４は、バイアス磁石１０８および２つの水平方向に配置されたアレイ１１２、１１４を含む磁気アレイ構造１１０を備えたフレーム１０６を有する。次いで、各アレイは、セクション１１２ａ、１１２ｂのような２つの並んだセクションを含む。これらセクション１１２ａ、１１２ｂは、これらの２つのセクション間のスロット１１６を定義する。上記装置におけるキャリッジ１１８は、フレームバイアス磁石１２２を取りつける支持体１２０と、反磁性プレート１２４と、キャリッジとともに運動するように負荷が取り付けられ得る負荷アーム１２６とを含む。図から分かるように、反磁性プレートの上部表面および下部表面は、それぞれアレイセクション１１２、１１４の重なった領域に面している。
【００４２】
最大約２５〜５０ｌｂｓ．（１１．３５〜２２．７ｋｇ）迄の間（またはこれ以上）の組み合わせたキャリッジ／負荷重量を運ぶように設計され、反磁性安定化が、負荷を付けられたキャリッジの重量のほんの一部（例えば、５〜２０％）を支持するように設計された典型的な装置では、２つの磁気アレイ間の間隔は約３．５ｍｍであり、反磁性プレートの厚さは約１．５ｍｍである。上記装置は、重量支持体の２．２ｌｂｓ．（９９８．８ｇ）当り有効なグラファイトの３２２平方インチ（２０７７．４２ｃｍ²）である、反磁性プレートとそれに関連するその下にある磁気アレイとの面する部分の総面積を提供するように設計される。磁気アレイ／プレートの相互作用の総面積、従って安定化構造が支持し得る全重量は、図１１および１２において以下で説明されるように、スタックアレイを用いることによって任意の所望の因子によって増加させることができることを理解する。
【００４３】
図８に示される構造の説明を続けると、上部磁気アレイのすぐ上にあるキャリッジ上の、例えばアルミニウムから形成されるような導電性プレート１２６は、磁気アレイに対してキャリッジが運動しないように、さらにフレームに対してキャリッジの運動を安定化させるように、うず電流を生成するように働く。例えば、図５Ａのアレイ上の長手方向のプレートの運動は、ほとんど、またはまったく減衰しない。一方、アレイに対して横方向の運動は減衰する。従って、導電性プレートおよび磁気アレイの構成の両方が、所望の方向に運動をさらに安定化させるように設計され得る。このプレートは約０．０５〜２ｍｍの好適なプレート厚を有し、典型的には、最も上にある磁気アレイの約１〜１０ｍｍだけ上に位置される。
【００４４】
上述のように、反磁性プレートと各アレイとの相互作用は、２つのアレイ間のギャップの中心へとプレートをバイアスするように働く。キャリッジを下向きに押す傾向にある力（例えば、重力または垂直方向の振動力）は、プレートと下部アレイとの間の磁気相互作用によって抑制される。キャリッジを上向きに押す傾向にある力（例えば、バイアス磁石の磁力または垂直方向の振動力）は、プレートと上部アレイとの間の磁気相互作用によって抑制される。しかしながら、磁気アレイは、プレートの上方への運動を抑制する方向に、プレート上に比較的大きな磁界の強さを有し、キャリッジの重量に対抗し、そしてアレイの下に比較的小さな磁界の強さを有するように、図７に示されるように設計され得ることを理解されたい。この構成は、垂直方向の安定性と有効な重量支持体（反磁性プレートの重量あたりの重量支持体）とを組み合わせる。
【００４５】
キャリッジは、フレーム磁石１０８の最も高い磁界の強さが、フレームの中心に集中するように配列されたバイアス磁石によって及ぼされる力によって、主にフレーム上の水平方向の中心の移動位置で維持される。従って、フレームの中心で、または中心近傍でキャリッジ磁石１２２が保持される。磁気アレイと反磁性プレートとの間の縁効果はまた、水平方向の安定性に寄与し得る。縁効果は、反磁性プレート内にスロットを機械加工することによって促進され得る。すなわち、スロットは、磁気アレイによって生成される磁気「バンプ」に相当するような大きさにされ、間隔を空けられる（スロットは、結合された磁界の最も弱い部分に存在するのが好ましく、従って、熱分解グラファイトが、このアレイの磁極の中心に並ぶ）。
【００４６】
さらなる水平方向の安定性は、図９に示されるような安定化構成によって達成され得る。図９において、参照番号は、同様の構造については図８の参照符号と同じである。この図における装置１３０は、垂直方向に配置された磁気アレイの３つのセット（例えば、アレイ１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ）含む磁気アレイ構造１３２と、各磁気アレイのセット間に挿入された反磁性プレート（例えば、プレート１３４）を含む。この装置においてフレーム１０６上に取り付けられた磁気アレイおよびキャリッジ１１６上に取り付けられた反磁性プレートは、２つの隣接し、面している磁気アレイ間の途中にある反磁性プレートを保持するように働く磁気相互作用を介して、水平方向に安定化した状態でキャリッジを保持するように機能する。垂直方向の安定性は、上述のように磁気アレイに平行な面にスロットを形成することによって達成され得る。この構成は、例えば、輸送プロセスの一部としてキャリッジの線形運動および回転運動の両方を実行する輸送デバイスにおいて有効である。図示しないが、この実施形態はまた、好ましくは、図８に示されるような水平方向の磁気アレイ／プレート安定化を含む。
【００４７】
上述のように、一方のステーションから他方のステーションへの装置内のキャリッジの運動は、好ましくは摩擦のない、つまり、キャリッジとフレームまたは他の固定構造との間に機械的結合をまったく含まない駆動機構によって実行される。図１および１０を参照して、１つの好適な駆動機構または駆動手段は、リニアモータにおける永久磁石としてキャリッジバイアス磁石を用いる磁気リニアモータ機構である。図１０の平面図の４２で示される機構は、２つの導電性ワイヤパス１４１（実線）および１４３（点線）を含む。好ましくは、各ワイヤにおける「アクティブ」セグメント（図１０の垂直方向のセグメント）間の間隔は、キャリッジ永久磁石を形成する隣接する永久磁石間の間隔に相当する。従って、電流がパス１４１に供給されると、キャリッジバイアス磁石間の別のギャップに磁界を生成するので、キャリッジは、電流によって生成された磁界と並んだ磁気の方へと進む。電流が位相から９０°ずれた２つのトレースに印加されると、キャリッジはトレース間を交互に進む。複数のリニアモータコイルのような他の手段もまた用いられ得る。
【００４８】
図示しないが他の実施形態において、駆動機構または駆動手段は、キャリッジ上に帯電したエレメントを有し、キャリッジの移動径路に沿ってフレーム上のエレメントをアクティブにさせ得る電磁リニアモータである。
【００４９】
さらに別の実施形態において、駆動手段は、フレームの長さ方向に沿った一連の固定空気射出口と、キャリッジ上にプレートまたは帆を有し、これにより定方向空気流に応答して生成される空気式ドライブである。
【００５０】
図１１および１２は、本発明に従って構築された輸送装置の２つの例示的なタイプの詳細を示す。両方の図において、装置内のキャリッジの運動は、図の平面に対して垂直な方向である。
【００５１】
図１１の装置１４０において、キャリッジ１４２は、フレーム１４４上に対称的に取り付けられている。こうすることで、キャリッジ１４２は、キャリッジに作用する磁力の中心を表す磁気中心線１４６を定義する。負荷１４８は、キャリッジの下部の１４８にて保持される。キャリッジおよび負荷の重力の中心が、（この負荷がキャリッジの両端で正味のトルクを生成しないように）磁気中心線に沿っている必要があるので、負荷自身が、中心線に沿ってバランスを保ち得るか、あるいは中心線に沿って負荷のバランスを保つように、キャリッジにつりあいおもり１５０が設けられ得る。
【００５２】
フレームおよびキャリッジバイアス磁石は、それぞれ１５２、１５４に示される。上記装置の安定化構造は、フレーム１４４上で保持される複数の水平方向に配置された２セクション磁気アレイ（例えば、アレイ１５６）と、示されるように隣接する磁気アレイセクションの関連する左右の対間に配置される複数の反磁性プレート（例えば、プレート１６０）とを含む。各隣接する（垂直方向に積まれた）アレイセクションは、ベース部材１５９のようなベース部材上に取り付けられて、そのベース部材から垂直な方向に伸びる。図示される装置は、６個のアレイと、５個の交互に挟まれた磁気プレートとを有し、各反磁性プレートおよび関連する磁気アレイの重量支持能力を５倍だけ効率的に増加させる。
【００５３】
最も上にある磁気アレイ上のキャリッジに取り付けられたアルミニウムプレート１６２は、キャリッジが磁気アレイ上を進む際に形成されるうず電流を生成するように機能し、上述のように運動を弱くするように機能する。２つ以上の異なるステーション間でのキャリッジの線形運動は、電磁駆動システム、静電駆動システム、空気式駆動システムまたは他の摩擦のない駆動システムによって達成され得る。
【００５４】
図１２の装置１７０は、例えば、キャリッジを修理し、キャリッジの負荷を取替え、および／またはある負荷を別の負荷と取替えるために、装置内のキャリッジ１７２がキャリッジの移動方向に沿った任意の点でフレーム１７４から取り外すことができる、非対称フレーム・キャリッジ構成を有する。キャリッジは、一般に、負荷を保持するための上部台を設けた上部アーム１７６と、フレームバイアス磁石１８２の下に配置されたキャリッジバイアス磁石１８０を支持する下部アーム１７８とを有するＵ字型である。下部アームはまた、フレームの磁気中心線（１８６で示される）に沿って負荷１７８の重量のバランスをとるように、図の左／右の方向に調節され得るつりあいおもり１８４を取り付ける。つりあいおもりは、実際の重量、または例えばフレームに取り付けられた可変強さの電磁気によって生成される二次的な磁力であり得る。この二次的な磁力は、キャリッジ上で保持される永久磁石と相互作用して、磁気中心線に沿って負荷が取り付けられたキャリッジの重力の中心を維持する力を提供する。
【００５５】
上記装置の安定化構造は、２つの磁気アレイを含む。この２つの磁気アレイは、例えば、各々が１８８ａのような上部アレイプレートと１８８ｂのような下部アレイプレートとを有するアレイ１８８である。下部アレイプレート１８８ｂは、これら上部アレイプレートと下部アレイプレートとの間でキャリッジに取り付けられた磁気プレート（例えば、プレート１９０）を収容するように間隔が空けられている。装置１４０と同様に、アレイプレートまたはアレイは、ベース部材１９０に取り付けられている。キャリッジの線形運動は、上述のように摩擦のない駆動システムによる。
【００５６】
図１２から理解され得るように、キャリッジ１７２は、（バイアス磁石によって及ぼされる磁力に逆らって）キャリッジがフレームから解放される（つまり、キャリッジ反磁性プレートが磁気アレイから解放される）まで図の右側へとキャリッジを移動することによって、簡単にフレームから取り外すことができる。フレーム上の動作可能な位置で、またはその位置から外れてキャリッジの運動を容易にするために、キャリッジにローラを設けてもよい。このローラによって、キャリッジは、別のキャリッジへと回転して転がり、支持され得る。
【００５７】
動作において、キャリッジは、その移動径路に沿った所望の位置（例えば、負荷がキャリッジに移されるステーションのうちの１つ）に配置される。装置の構成ならびに負荷の重量および配置に応じて、上述のように、つりあいおもりの位置または量を調節する必要があり得る。負荷が取り付けられたキャリッジの重量が、バイアス磁石によって全体または部分的に支持され、フレームの磁気アレイとキャリッジの反磁性プレートとの間の磁気相互作用によって安定化された状態で、キャリッジは、摩擦のない駆動システムによって、その移動径路に沿って第２の所望の位置（例えば、第２のステーション）へと移動される。このシステムでは、キャリッジから負荷を取り外すことなく、または負荷を取り外して、そのもとの位置までキャリッジを戻してさらなる処理によって負荷が作用され得るか、あるいは負荷がさらなる処理のために取り外されて、次いで別のステーションへと移動するためにキャリッジに再度取り付けられ得るか、または負荷が第２の負荷と取り替えられ得る。
【００５８】
上述の記載から、本発明の種々の目的および特徴がいかにして達成されるかが理解される。上記装置は、摩擦相互作用を最小にすることが重要な設定条件（例えば、クリーンルームの設定条件）において、実質的な負荷重量（例えば２５〜１００ｌｂｓ．（１１．３５〜４５．４ｋｇ）摩擦のない輸送システムを提供する。浮遊は、移動径路に沿って浮遊状態でキャリッジを安定化させ、安定化した負荷重量を失うことなく、負荷重量の大きな変化を調整する反磁性トラックシステムによって安定化される。装置におけるバイアス磁石がともに永久磁石である場合に、装置は、電源を切った場合であっても浮遊状態を維持することができるというさらなる利点を有する。さらに、本発明の安定化浮遊構造によれば、以下に説明される新規アイテムの電気機器をフレームから分離するため、かつフレームから振動を分離するの大きな浮遊ギャップ（例えば、約５〜１０ｍｍ）を得ることができる。
【００５９】
本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更および改変がなされ得ることは、当業者に明らかである。例えば、重量支持用のバイアス磁石と浮遊を安定化するための反磁性相互作用との組み合わせを図１３に示される新規なデバイスのような新規な他のデバイスに適用することができる。このデバイスは、上部フレーム部材２０４が永久磁石であり、下部フレーム部材２０３が磁気アレイ２０５を支持するフレーム２０２を含む。このデバイスの「キャリッジ」は、キャリッジ内部に組み込まれた物体２０７のような低重量の物体と、バイアス磁石２０８と、下部反磁性プレート２１０とからなるピラミッドである。このピラミッドが、図示されるようにフレーム内に配置されると、その重量の大部分が、バイアス磁石の力によって支持される。このとき、反磁性相互作用は、重量の微小部分を支持し、そのピラミッドを浮遊状態で安定化させるように機能する。ピラミッドの側面に対して気流を向けることによって、または物体を動かすために物体に単に触れるだけで、物体を浮遊状態で運動させることができる。新規アイテムとして、上記デバイスによればユーザは、フレームと浮遊した物体との間の容易に観察可能なギャップの効果の享受、および浮遊状態にある物体の運動の観察の両方を行うことができる。
【００６０】
従って、別の局面において、本発明は、上記のシステムのエレメントを有するハイブリッド浮遊システムを含むが、このシステムは大きなギャップを有する静止キャリッジ浮遊を目的として設計されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の輸送装置の基本的なエレメントを示す図である。
【図２】 図２は、本発明の装置の１実施形態における磁気エレメントの簡略図である。
【図３】 図３は、図２の構成における磁気アレイと反磁性プレートとの間の相互作用を示す。
【図４】 図４は、図２の構成における磁気アレイと反磁性プレートとの間の相互作用を示す。但し、磁気アレイが強磁性材料層を含む。
【図５Ａ】 図５Ａは、図２に示す磁気アレイの別の磁気アレイ構成の平面図である。
【図５Ｂ】 図５Ｂは、図２に示す磁気アレイの別の磁気アレイ構成の平面図である。
【図６】 図６は、本発明の装置の別の実施形態における磁気エレメントの簡略図である。
【図７】 図７は、図６の構成における磁気アレイと反磁性プレートとの間の相互作用を示す。
【図８】 図８は、図１の装置の１実施形態の簡略化した断面図である。
【図９】 図９は、図１の装置の第２の実施形態の簡略化した断面図である。
【図１０】 図１０は、図１の平面８−８に沿って見えるように、リニアモータ機構によって装置内のキャリッジを駆動するための、図１の装置の導電性ワイヤパターンの平面図である。
【図１１】 図１１は、図８に示される磁気特性を組み込んだ対称輸送装置の詳細な断面図である。
【図１２】 図１２は、図８に示される磁気特性を組み込んだ非対称輸送装置の詳細な断面図である。
【図１３】 図１３は、磁気相互作用特性に基づいて本発明の特徴を組み込んだ浮遊ハイブリッド玩具を示す。

Claims (20)

1. 物体を第１のステーションまたは第１の位置から第２のステーションまたは第２の位置へと線形輸送するための摩擦のない輸送装置であって、
   該第１のステーションと該第２のステーションとの間に伸びたフレームと、
   該第１のステーションと該第２のステーションとの間で物体を運ぶ間に、該フレームに沿って浮遊状態で線形運動するように取り付けられたキャリッジと、
   該フレームおよび該キャリッジ上にそれぞれ取り付けられたフレームバイアス磁石とキャリッジバイアス磁石とであって、該フレームバイアス磁石と該キャリッジバイアス磁石との間の磁気引力によって、該キャリッジと該キャリッジ上で支持される該物体との重量の実質部分が宙に浮く、フレームバイアス磁石とキャリッジバイアス磁石と、
   該キャリッジが該フレームに沿って運動する際に、該フレーム上の該キャリッジの該浮遊状態を安定化させるための反磁性安定化手段であって、該反磁性安定化手段は、該第１のステーションと該第２のステーションとの間に伸び、該フレーム上にある磁気アレイを含み、該磁気アレイは、極性が交互になった磁石、または磁極が交互に磁化したプレート、および該キャリッジ上に取り付けられた反磁性プレートからなり、該プレートの少なくとも一部は、該キャリッジがトラックに沿って運動する際に、該アレイの少なくとも一部と面し、かつ該アレイの少なくとも一部に近位に配置された状態であり、該反磁性プレートと該磁気アレイとの間の磁気相互作用は、該プレートの該アレイへの移動を抑制するように働く、反磁性安定化手段と、
   該第１のステーションと該第２のステーションとの間の該フレームに沿って浮遊状態で該キャリッジを運動させる駆動手段と
   を備える、摩擦のない輸送装置。
2. 前記フレームバイアス磁石は、該フレームの長さ方向に沿って伸びた電磁石または電磁石のセットであり、前記装置は、前記キャリッジおよび該キャリッジ上で保持される前記物体を支持するように適合された磁力を該電磁石で生成するための電圧手段をさらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記フレームバイアス磁石は、前記フレームの長さ方向に沿って伸びた永久磁石または永久磁石のセットである、請求項１に記載の装置。
4. 前記磁気アレイは、極性が交互になるように並べられた磁石から構成される平面アレイを含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記磁気アレイは、垂直方向の磁極方向と水平方向の磁極方向とが交互になるように並べられた磁石から構成される平面アレイであり、該垂直方向の磁石の極性は交互になっており、かつ該水平方向の磁石の極性は交互になっている、請求項１に記載の装置。
6. 前記磁気アレイは、磁極が交互に磁化した等方性材料のプレートから形成される、請求項１に記載の装置。
7. 前記安定化手段は、少なくとも２つの間隔を空けて配置される磁気アレイを含み、前記反磁性プレートは対面を有しており、該対面のうち少なくとも一部は、該間隔を空けて配置される磁気アレイのうちの少なくとも一部に面しかつ近位にあり、該磁気プレートと各平面アレイとの間の磁気相互作用は、該隣接するアレイ間で該プレートを維持するように働く、請求項１に記載の装置。
8. 前記磁気アレイは、ベース部材に取り付けられ、該ベース部材から突き出て、該ベース部材に実質的に垂直である複数の間隔を空けて配置されるアレイを含み、前記反磁性プレートは、各隣接する磁気アレイ対間に配置される反磁性プレートを含む、請求項７に記載の装置。
9. 前記磁気アレイおよび前記反磁性プレートは、平面かつ実質的に水平方向に配置される、請求項７に記載の装置。
10. 前記磁気アレイおよび前記反磁性プレートは、平面かつ実質的に垂直方向に配置される、請求項７に記載の装置。
11. 前記反磁性プレートは、グラファイトまたはビスマスを含む、請求項１に記載の装置。
12. 前記キャリッジ上で保持される導電性プレートをさらに含み、該導電性プレートは、該キャリッジが前記フレームに沿って運動する際に、前記磁気アレイの磁極に対する該キャリッジの移動を抑制するうず電流を生成するために、該磁気アレイに近位かつ隣接して該キャリッジとともに運動する、請求項１に記載の装置。
13. 前記フレームバイアス磁石は、既知の距離間隔だけ互いに離した磁石の線形アレイを含み、前記磁気駆動手段は、導電性ワイヤパスと、バイアス磁石の該線形アレイにかかる線形磁気駆動力を生成するために、該ワイヤパスに接続された交流電流源とを含む、請求項１に記載の装置。
14. 前記駆動手段は、前記キャリッジが前記フレームに沿って運動する際に、該フレームおよび該キャリッジ上の静電エレメント間の静電引力によって動作する、請求項１に記載の装置。
15. 前記駆動手段は、前記キャリッジが前記フレームに沿って運動する際に、該フレームから該キャリッジへと適用される圧縮ガスストリームによって動作する、請求項１に記載の装置。
16. 前記フレームおよび前記キャリッジは、該キャリッジを該フレームから離れて横方向に運動させることによって、該キャリッジの移動方向の任意の点で該キャリッジを該フレームから取り外すことが可能となるように構成される、請求項１に記載の装置。
17. 物体を第１のステーションと第２のステーションとの間で摩擦のない線形輸送するための方法であって、
    該物体をキャリッジ上に配置する工程と、
    バイアス磁石が、該第１のステーションと該第２のステーションとの間に伸びているフレーム上かつキャリッジ上で保持された状態で、該キャリッジおよび該物体の重量の実質部分を支持する工程と、
    該キャリッジ上の反磁性プレートと、該第１のステーションと該第２のステーションとの間に伸びており、該フレーム上にある磁気アレイとの間に生成される磁力によって、該キャリッジの垂直方向の位置を浮遊状態で安定化させる工程と、
    摩擦のない駆動システムを用いて該フレームに沿って該キャリッジを浮遊し、安定化した状態で運動させる工程と
    を包含する、方法。
18. 前記磁気アレイは、前記第１のステーションと前記第２のステーションとの間に伸びており、前記フレーム上にある、間隔を空けて配置される磁気アレイ対を含み、前記安定化させる工程は、該間隔を空けて配置される磁気アレイのうち少なくとも一部の間に前記反磁性プレートの少なくとも一部を配置する工程を包含する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記キャリッジが前記フレームに沿って移動する際に、導電性プレートを前記磁気アレイに面しかつ近位にあるように、該キャリッジ上に配置することによって、該アレイに生成されるうず電流を弱くする工程をさらに包含する、請求項１７に記載の方法。
20. 前記運動させる工程は、前記フレーム上で保持され、前記キャリッジ上の前記バイアス磁石と相互作用するように適合される線形駆動デバイスによって該キャリッジを磁気的に駆動する工程を包含する、請求項１７に記載の方法。

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