JP4631405B2 - 磁気浮上推進装置 - Google Patents

Description

本発明は、浮上案内を磁気吸引反発力により非接触に支持する磁気浮上推進装置に係り、特に、半導体製造工程の中で移動ストロークの長い搬送系に適した磁気浮上推進装置に関する。

従来の磁気浮上推進装置は、軸方向に長い円筒状固定体と、その中空部分を軸方向に移動可能な可動体で構成され、前記固定体の内面に巻装されたコイルと、前記可動体に配設された中空円筒状の導体リングと軸方向に磁化された磁石との相互作用によって、可動体が浮上および推進するようになっている（例えば、特許文献１参照）。
図１２は、従来の磁気浮上推進装置の側断面図である。
また、図１３（ａ）、（ｂ）はいずれも従来の磁気浮上推進装置の磁束の様子を示す説明図である。図１２、１３において、１００は可動体、１０１は磁石、１０２は導体リング、２００は固定体、２０１は左コイル、２０２は右コイルである。尚、図中記号×および記号・は電流方向を表し、記号×と記号・は互いに逆向きを示す。
また、図１４は、従来の磁気浮上推進装置への印加電流を示す波形図であり、（ａ）は正にバイアスされた印加電流の波形を示し、（ｂ）は負にバイアスされた印加電流の波形を示している。
以下、図１２、１３、１４を用いて、従来技術の磁気浮上推進装置の構成および動作について説明する。
左コイル２０１と右コイル２０２は巻き方向が逆になっている。図１４のように正もしくは負にバイアスされた電流を流した場合、左コイル２０１は固定体２００の左側からＮ、Ｓの磁極、右コイル２０２は同じく左側からＳ、Ｎの磁極を生成する。可動体１００の磁石１０１の左端がＮ極、右端がＳ極であるのに対し、固定体２００の左端と右端ではＮ極となるので、可動体１００は左端側で反発力、右端側で吸引力が発生し、右方向に移動する。
また、図１４のように左コイル２０１と右コイル２０２に正弦波状の高周波の電流を重畳した場合は、図１３（ａ）に示すように可動体１００を通る高周波の磁束が生成され、この高周波の磁束を打ち消すように、導体リング１０２には高周波の渦電流が生成される。その結果、左コイル２０１と右コイル２０２が生成した磁束と導体リング１０２の渦電流が生成した磁束との作用により、図１３（ｂ）に示すように固定体２００の内周面と可動体１００の外周面を通る磁束が生成されることとなり、可動体１００は固定体２００に対し反発力が生じる。
この反発力は、可動体１００の外周面である導体リング１０２の全周に渡って均一の強さで生成されるため、可動体１００は固定体２００に対し非接触で浮上することができる。
特開平９−２５２５７０号公報（第３−６頁、第２−３図）

しかしながら、従来の磁気浮上推進装置は、固定体に設けた２つのコイルに発生する力により可動体の推進浮上を実現するものであったため、移動ストロークを大きくする場合は２つのコイルの軸方向長を伸ばす必要があった。しかし、軸方向にコイルを長くし、１個のコイルの軸方向長＞可動体の軸方向長とすると、例えば、前述の図１２の場合、可動体が右側に移動するにつれ可動体の推進力となっていた左端側の反発力が低下し、可動体が固定体の左端にくると全く推進力がゼロになってしまう。つまり、移動ストロークを大きくすることは極めて困難であるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、可動体が移動量や固定体との相対位置に関わらず一定の推進力、案内力、浮上力を得ることができ、移動ストロークを長くすることができる磁気浮上推進装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、推進Ｘ方向に多極の磁極を並べた固定体と、推進Ｘ方向、案内Ｙ方向、浮上Ｚ方向の各方向に力を発生するＸコイル、Ｙコイル、Ｚコイルの３つの多相巻線で構成されたコイルと前記各方向の位置を検出するＸセンサ、Ｙセンサ、Ｚセンサの３つのセンサを備えた可動体と、前記３つのセンサから得られる位置情報をもとに、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の位置制御を行う制御装置と、から構成された磁気浮上推進装置において、前記固定体は、円筒状で構成すると共に径方向に磁極を有するリングマグネットが配設され、前記可動体は、前記固定体を包含する中空円筒形状で構成してあり、前記Ｘコイルは、前記リングマグネットを包含するように中空の円筒状に形成され、前記Ｚコイルは、前記リングマグネットの上下に配置されるように円弧状に形成され、前記Ｙコイルは、前記リングマグネットの左右に配置されるように円弧状に形成され、前記Ｘコイルと前記Ｙコイルおよび前記Ｚコイル間で位相が電気角で９０°異なり、前記Ｚコイルは、上下のコイルで巻き方向が逆になるように、前記Ｙコイルは左右のコイルで巻き方向が逆になるように形成されており、前記制御装置は、前記Ｘセンサから得た位置情報に基づいて電気角を生成する電気角生成部と、前記電気角から前記Ｘコイル、前記Ｙコイル、前記Ｚコイルの電流位相を生成する電流制御部と、から構成されたことを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、推進Ｘ方向に多極の磁極を並べた固定体と、推進Ｘ方向、案内Ｙ方向、浮上Ｚ方向の各方向に力を発生するＸコイル、Ｙコイル、Ｚコイルの３つの多相巻線で構成されたコイルと前記各方向の位置を検出するＸセンサ、Ｙセンサ、Ｚセンサの３つのセンサを備えた可動体と、前記３つのセンサから得られる位置情報をもとに、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の位置制御を行う制御装置と、から構成された磁気浮上推進装置において、前記固定体は四角柱状で構成すると共にブロックマグネットが配設されており、前記可動体は前記固定体を包含する中空四角柱形状で構成してあり、前記Ｘコイルは前記リングマグネットを包含するように中空の四角柱状に形成され、前記Ｚコイルは前記リングマグネットの上下に配置されるように平板状に形成され、前記Ｙコイルは前記リングマグネットの左右に配置されるように平板状に形成され、前記Ｘコイルと前記Ｙコイルおよび前記Ｚコイル間で位相が電気角で９０°異なり、前記Ｚコイルは上下のコイルで巻き方向が逆になるように、前記Ｙコイルは左右のコイルで巻き方向が逆になるように形成されており、前記制御装置は、前記Ｘセンサから得た位置情報に基づいて電気角を生成する電気角生成部と、前記電気角から前記Ｘコイル、前記Ｙコイル、前記Ｚコイルの電流位相を生成する電流制御部と、から構成されたことを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の磁気浮上推進装置において、前記可動体は、前記Ｘコイル、前記Ｙコイル、前記Ｚコイルをそれぞれ少なくとも１つ有した１つのコイル群で構成されたことを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２記載の磁気浮上推進装置において、前記固定体の軸方向に前記可動体を複数個直列に配置したことを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１または２記載の磁気浮上推進装置において、前記固定体を複数個並列に配置したことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、可動体は固定体上のどの場所であっても力の低下が無く、推進力、浮上力、案内力を得ることができるので、固定体を推進Ｘ方向に長くすることで移動ストロークの長いものに対応することができる。

また、請求項２に記載の発明によると、可動体はＸ軸に対し回転方向（ローリング）の動作を抑制でき、可動体に負荷が搭載されたことによる偏荷重に対してもローリングせずに磁気浮上推進することができる。

また、請求項３に記載の発明によると、可動体の前後で浮上力と案内力を制御することができるので、Ｙ軸周りの回転運動（ピッチング）、Ｚ軸周りの回転動作（ヨーイング）を抑制し、可動体に負荷が搭載されたことによる偏荷重に対してもピッチングとヨーイングを起こさずに磁気浮上推進することができる。

また、請求項４に記載の発明によると、同一の推進Ｘ軸上に複数の可動体を独立して制御できるので、搬送品を増やすことで搬送系を高タクト化したり、複数の搬送系を簡素化したりでき、さらに、磁気推進浮上部を複数個直列に配置することで、容易に推進力または浮上力または案内力を増加させることができる。

また、請求項５に記載の発明によると、可動体を扁平な形状にすることが可能となる。さらに、磁気推進浮上部を複数個並列に配置することで、容易に推進力または浮上力または案内力を増加させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す磁気浮上推進装置の構成図である。
図１において、１は磁気浮上推進部、２は制御装置、３は可動体、４は固定体、５はＸコイル、６はＺコイル、７はＹコイル、８はＸセンサ、９はＺセンサ、１０はＹセンサ、１４は制御装置２内のＡＭＰ（増幅器）である。
本発明の特徴は以下のとおりである。
磁気浮上推進部１は、固定体４と、固定体４と非接触にＸ方向に推進する可動体３から構成されている。可動体３は、Ｘコイル５、Ｚコイル６、Ｙコイル７の３つの多相コイルと、Ｘセンサ８、Ｚセンサ９、Ｙセンサ１０の３つのセンサから構成されている。Ｘコイル５、Ｚコイル６、Ｙコイル７は電流を供給することで推進Ｘ方向、浮上Ｚ方向、案内Ｙ方向に力を発生するものであり、Ｘセンサ８、Ｚセンサ９、Ｙセンサ１０は、それぞれＸ、Ｚ、Ｙ方向の位置を検出する位置検出手段であり、例えば、Ｘセンサ８、Ｚセンサ９、Ｙセンサ１０には、リニアエンコーダや渦電流式ギャップセンサが使用される。
制御装置２は、Ｘセンサ８、Ｚセンサ９、Ｙセンサ１０からの位置情報をもとに電流指令を生成する。制御装置２内のＡＭＰ１４は、この電流指令を増幅してＸコイル５、Ｚコイル６、Ｙコイル７に所定の電流を供給する。

図２は、図１に示す磁気浮上推進部１の詳細を説明するための側断面図である。また、図３は、図２に示す磁気浮上推進部１の正断面図であって、（ａ）はそのＡ−Ａ線に沿う断面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。尚、図１と構成要素が同じものについてはその説明を省略し、異なる点のみを説明する。
図２、３において、１１は固定体４に配設されたリングマグネットである。
固定体４には径方向に磁極を有するリングマグネット１１が配設され、一定間隔で隣と極性が異なるように並んでいる。尚、図２、３において、リングマグネットの矢印の方向が磁化方向を示している。
可動体３の進行方向（推進Ｘ方向）左側にはＸコイル５が巻装され、進行方向右側にはＺコイル６とＹコイル７から成るコイル組がＸコイル５と隣接して配設されている。また、Ｘコイル５とＺコイル６およびＹコイル７は、電気角で９０°位相が異なるように配設されている。Ｘコイル５はリングマグネット１１を包含するように円筒状に形成されているのに対し、Ｚコイル６とＹコイル７は円弧状に形成され、さらに、リングマグネット１１の上下にＺコイル６、左右にＹコイル７が配置されている。また、Ｚコイル６は上下のコイルで巻き方向が逆になっており、Ｙコイル７も左右のコイルで巻き方向が逆になっている。なお、図２、３ではＸコイル５、Ｚコイル６、Ｙコイル７を３相の巻線で構成した例を示している。

図４は、第１実施例における制御装置２の構成を示すブロック図である。
図４において、１２は制御装置２内の位置制御部、１３は制御装置２内の電流制御部、１５は制御装置２内の電気角生成部、Ｐｒｅｆは位置指令、Ｔｒｅｆは推力指令、Ｉｒｅｆは相電流指令である。尚、図４において、図１と構成要素が同じものについてはその説明を省略し、異なる点のみを説明する。
以下、図４を用いて、本発明の磁気浮上推進装置部１における制御装置２の構成について説明する。尚、各方向とも制御部は、位置制御部１２と電流制御部１３から構成されることから、Ｘ方向の制御部についてのみ説明する。
位置指令ＰｒｅｆとＸセンサ８から出力される位置情報ｘとを比較し、位置制御部１２により推力指令Ｔｒｅｆが出力される。この推力指令Ｔｒｅｆと電気角生成部１５から出力される電気角信号θから電流制御部１３により相電流指令Ｉｒｅｆが出力され、ＡＭＰ１４から、Ｘコイル５へ３相電流を供給することで、推進力が得られるようになっている。

図５および図６は、本発明の磁気浮上推進装置の動作原理を示す説明図であり、図５（ａ）は、位置ｘに対する各コイル（Ｘコイル５、Ｚコイル６、Ｙコイル７）の電流指令波形を、図５（ｂ）は、位置ｘに対する浮上力、推進力、案内力を、図６は、位置ｘ1での磁束発生方向と力発生方向を示している。尚、図６中の記号×は手前から紙面に向かって流れる電流を示し、記号・は紙面から手前に向かって流れる電流を示す。すなわち、記号×と記号・は互いに逆向きの電流方向を示している。
以下、図５および図６を用いて、本発明の磁気浮上推進装置の動作原理を説明する。
例えば、図５（ａ）に示す位置ｘ1での電流指令を与えた場合、Ｘコイル５とＺコイル６には図６に示すような向きに電流が流れる。その結果、Ｘコイル５には、リングマグネット１１が作る磁界との関係により、フレミング左手の法則に従った向き、つまり左方向に力を発生する。Ｚコイル６には、同じくリングマグネット１１が作る磁界との関係により、Ｚコイル６の上側で反発力、下側で吸引力が発生する。
可動体３の位置に応じて図５（ａ）に示すような３相正弦波電流を供給することで、図５（ｂ）に示すように安定した推進力と浮上力を得ることができる。また、Ｙコイル７については、Ｚコイル６に対し推進方向軸に９０度傾けただけなので、Ｚコイル６同様に安定した案内力を得ることができる。さらに、位置指令とＸセンサ８、Ｚセンサ９、Ｙセンサ１０の実位置との差である位置偏差に応じて、各コイルに供給する電流の振幅を調整し力を制御することで、位置偏差を小さくする位置制御を実現することができる。

以上のような構成により、可動体３は固定体４上のどの場所であっても力の低下無く推進力、浮上力、案内力を得ることができるので、固定体４を推進Ｘ方向に長くすることで移動ストロークの長いものに対応することができる。

図７は、本発明の第２実施例を示す磁気浮上推進装置の正断面図であり、（ａ）は、図２におけるＡ−Ａ線に沿う断面図、（ｂ）は、図２におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、第１実施例である図３と対応するものである。尚、図３と構成要素が同じものについてはその説明を省略し、異なる点のみを説明する。
図７において、２０は第１実施例のリングマグネット１１に対応するブロックマグネットである。第２実施例が第１実施例と異なる点は、第２実施例では、固定体４の断面形状を四角柱状に、可動体３の断面形状を中空の四角柱状にしている点である。そのような形状としたことにより、固定体４の磁石は、断面において４分割したブロックマグネット２０により構成されている。同じく可動体３についても、リング状であったＸコイル５は中空四角形状に形成され、また、円弧状であったＺコイル６とＹコイル７は平板状に形成されている。

以上のような構成により、第１の実施例に比べ、可動体３はＸ軸に対し回転方向（ローリング）の動作を抑制でき、可動体に負荷が搭載されたことによる偏荷重に対してもローリングせずに磁気浮上推進することができる。

図８は、本発明の第３実施例を示す磁気浮上推進装置の構成図であり、磁気浮上推進部のみを抜き出したものである。
図８において、２１はＸコイル、２２は第１のＺコイル、２３は第２のＺコイル、２４は第１のＹコイル、２５は第２のＹコイルである。
第３実施例が第１実施例と異なる点は、第３実施例では可動体３に複数のＺコイルと複数のＹコイルが配設されて構成している点である。可動体３は、推進Ｘ方向中央にＸコイル２１、その左右両側に第１のＹコイル２４と第２のＹコイル２５、さらにその左右両側に第１のＺコイル２２と第２のＺコイル２３が設けられている。

以上のような構成により、可動体の前後で浮上力と案内力を制御することができるので、Ｙ軸周りの回転運動（ピッチング）、Ｚ軸周りの回転動作（ヨーイング）を抑制し、可動体に負荷が搭載されたことによる偏荷重に対してもピッチングとヨーイングを起こさずに磁気浮上推進することができる。

図９は、本発明の第４実施例を示す磁気浮上推進装置の構成図であり、磁気浮上推進部のみを抜き出したものである。
図９において、２６は第１の可動体、２７は第２の可動体、２８は第３の可動体である。
第４実施例が第１、３実施例と異なる点は、第４実施例では１個の固定体４に対し複数個の可動体２６、２７、２８を配設した構成としている点である。

以上のような構成により、同一の推進Ｘ軸上に複数の可動体を独立して制御できるので、搬送品を増やすことで搬送系を高タクト化したり、複数の搬送系を簡素化したりできる。

図１０は、本発明の第５実施例を示す磁気浮上推進装置の構成図であり、磁気浮上推進部のみを抜き出したものである。
図１０において、２９は第１の固定体、３０は第２の固定体、３１は２個の可動体を並列に接続した可動体である。
第５実施例が第１、３、４実施例と異なる点は、第５実施例では可動体と固定体を推進Ｘ方向に対し並列に配置した点である。すなわち、図１における磁気推進浮上部１を並列に構成している点である。

以上のような構成により、磁気推進浮上部を並列に配置することで、容易に推進力または浮上力または案内力を増加させることができる。尚、同様に磁気推進浮上部を複数個直列に配置することによっても、容易に推進力または浮上力または案内力を増加させることが可能である。

図１１は、本発明の第６実施例を示す磁気浮上推進装置の構成図であり、磁気浮上推進部のみを抜き出したものであり、（ａ）は固定体が３つの場合を、（ｂ）は固定体が５つの場合の例を示した図である。
図１１において、３２はＸコイル、３３は第１のＹコイル、３４は第２のＹコイル、３５は推進用と浮上用コイルを個別の固定体に配設した可動体、３６は第１の固定体、３７は第２の固定体、３８は第３の固定体、３９は第４の固定体、４０は第５の固定体である。
第６実施例が本発明の他の実施例と異なる点は、第６実施例では推進用と浮上用コイルを個別の固定体に配設した点である。

以上のような構成により、可動体を扁平な形状にすることが可能となる。

本発明は、支持機構を磁気浮上で非接触にすることができ、特に移動ストロークを長くすることができるので、磨耗粉塵を嫌う半導体製造工程の中の搬送系だけでなく、半導体露光装置、各種検査装置という用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示す磁気浮上推進装置の構成図 図１に示す磁気浮上推進部１の詳細を説明するための側断面図 図２に示す磁気浮上推進部１の正断面図（ａ）Ａ−Ａ線に沿う断面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ線に沿う断面図 第１実施例における制御装置２の構成を示すブロック図 本発明の磁気浮上推進装置の動作原理を示す説明図（ａ）位置ｘに対する各コイルの電流指令波形、（ｂ）位置ｘに対する浮上力、推進力、案内力 本発明の磁気浮上推進装置の動作原理を示す説明図 本発明の第２実施例を示す磁気浮上推進装置の正断面図（ａ）図２におけるＡ−Ａ線に沿う断面図、（ｂ）図２におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図 本発明の第３実施例を示す磁気浮上推進装置の構成図 本発明の第４実施例を示す磁気浮上推進装置の構成図 本発明の第５実施例を示す磁気浮上推進装置の構成図 本発明の第６実施例を示す磁気浮上推進装置の構成図 従来の磁気浮上推進装置の側断面図 （ａ）、（ｂ）従来の磁気浮上推進装置の磁束の様子を示す説明図 従来の磁気浮上推進装置への印加電流を示す波形図（ａ）正にバイアスされた印加電流波形、（ｂ）負にバイアスされた印加電流波形

１ 磁気浮上推進部
２ 制御装置
３、２６、２７、２８、３１、３５、１００ 可動体
４、２９、３０、３６、３７、３８、３９、４０、２００ 固定体
５、２１、３２ Ｘコイル
６、２２、２３ Ｚコイル
７、２４、２５、３３、３４ Ｙコイル
８ Ｘセンサ
９ Ｚセンサ
１０ Ｙセンサ
１１ リングマグネット
１２ 位置制御部
１３ 電流制御部
１４ ＡＭＰ（増幅器）
１５ 電気角生成部
２０ ブロックマグネット
１０１ 磁石
１０２ 導体リング
２０１ 左コイル
２０２ 右コイル

Claims (5)

1. 推進Ｘ方向に多極の磁極を並べた固定体と、
   推進Ｘ方向、案内Ｙ方向、浮上Ｚ方向の各方向に力を発生するＸコイル、Ｙコイル、Ｚコイルの３つの多相巻線で構成されたコイルと前記各方向の位置を検出するＸセンサ、Ｙセンサ、Ｚセンサの３つのセンサを備えた可動体と、
   前記３つのセンサから得られる位置情報をもとに、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の位置制御を行う制御装置と、から構成された磁気浮上推進装置において、
   前記固定体は、円筒状で構成すると共に径方向に磁極を有するリングマグネットが配設され、
   前記可動体は、前記固定体を包含する中空円筒形状で構成してあり、
   前記Ｘコイルは、前記リングマグネットを包含するように中空の円筒状に形成され、
   前記Ｚコイルは、前記リングマグネットの上下に配置されるように円弧状に形成され、
   前記Ｙコイルは、前記リングマグネットの左右に配置されるように円弧状に形成され、
   前記Ｘコイルと前記Ｙコイルおよび前記Ｚコイル間で位相が電気角で９０°異なり、
   前記Ｚコイルは、上下のコイルで巻き方向が逆になるように、前記Ｙコイルは左右のコイルで巻き方向が逆になるように形成されており、
   前記制御装置は、前記Ｘセンサから得た位置情報に基づいて電気角を生成する電気角生成部と、前記電気角から前記Ｘコイル、前記Ｙコイル、前記Ｚコイルの電流位相を生成する電流制御部と、から構成されたことを特徴とする磁気浮上推進装置。
2. 
   推進Ｘ方向に多極の磁極を並べた固定体と、
   推進Ｘ方向、案内Ｙ方向、浮上Ｚ方向の各方向に力を発生するＸコイル、Ｙコイル、Ｚコイルの３つの多相巻線で構成されたコイルと前記各方向の位置を検出するＸセンサ、Ｙセンサ、Ｚセンサの３つのセンサを備えた可動体と、
   前記３つのセンサから得られる位置情報をもとに、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の位置制御を行う制御装置と、から構成された磁気浮上推進装置において、 前記固定体は四角柱状で構成すると共にブロックマグネットが配設されており、
   前記可動体は前記固定体を包含する中空四角柱形状で構成してあり、
   
   前記Ｘコイルは前記リングマグネットを包含するように中空の四角柱状に形成され、
   前記Ｚコイルは前記リングマグネットの上下に配置されるように平板状に形成され、
   前記Ｙコイルは前記リングマグネットの左右に配置されるように平板状に形成され、
   前記Ｘコイルと前記Ｙコイルおよび前記Ｚコイル間で位相が電気角で９０°異なり、
   前記Ｚコイルは上下のコイルで巻き方向が逆になるように、前記Ｙコイルは左右のコイルで巻き方向が逆になるように形成されており、
   前記制御装置は、前記Ｘセンサから得た位置情報に基づいて電気角を生成する電気角生成部と、前記電気角から前記Ｘコイル、前記Ｙコイル、前記Ｚコイルの電流位相を生成する電流制御部と、から構成されたことを特徴とする磁気浮上推進装置。
3. 前記可動体は、前記Ｘコイル、前記Ｙコイル、前記Ｚコイルをそれぞれ少なくとも１つ有した１つのコイル群で構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の磁気浮上推進装置。
4. 前記固定体の軸方向に前記可動体を複数個直列に配置したことを特徴とする請求項１または２記載の磁気浮上推進装置。
5. 前記固定体を複数個並列に配置したことを特徴とする請求項１または２記載の磁気浮上推進装置。

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