JP5961930B2 - ステージ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークをステージ上で保持したまま搬送や位置合わせを行うステージ装置に関するものである。

従来より、半導体製造装置等で用いられるステージ装置として様々なものが提案されており、例えば特許文献１記載のものが知られている。

このものは、ウエハ等のワークをステージ上で保持したまま搬送および位置合わせを行うようにされており、長い距離を搬送するための粗動ステージと、当該粗動ステージの上に設けられ、微小な位置および角度の調整を行うための微動ステージから構成されている。

上記特許文献１の中では、粗動ステージとして大きくは２つの構成が開示されている。

１つめは、ベースに対して２つのテーブルを２段に構成したものである。これは、Ｘ方向に動作するＸ方向リニアモータを介してベース上に第１テーブルを構成しておき、Ｘ方向と直交するＹ方向に動作するＹ方向リニアモータを介して第１テーブル上に第２テーブルを構成したものである。このように構成しているため、Ｘ方向およびＹ方向リニアモータを駆動させることによって、第２テーブルを粗動ステージとしてベースに対してＸＹ方向に自在に移動させることが可能となっている。

２つめは、ベースに対してＸまたはＹ方向に移動可能な梁をそれぞれ設けておき、これら２つの梁によって同時に位置規制されるテーブルをそれらの梁上に構成するものである。具体的には、矩形状のプレートとして構成したベースの対向する辺に、一対のＸ方向リニアモータを配し、それらの可動子をつなぐＸ方向梁を形成する。さらに、ベース上の別の対辺に、一対のＹ方向リニアモータを配し、それらの可動子をつなぐＹ方向梁をＸ方向梁の上方に形成する。そして、Ｘ方向梁とＹ方向梁の交点部分の上方に、それらの双方の梁によって位置規制されるスライドガイド部材を介して粗動ステージを形成するものである。この構成によっても、Ｘ方向およびＹ方向リニアモータを駆動させることによって、粗動ステージをＸ方向およびＹ方向梁並びにスライドガイド部材を介して、ＸＹ方向に自在に移動させることが可能となっている。

上記のような２つの構成の粗動ステージは、双方とも原理的にはＸ、Ｙ方向のリニアモータを無限に長く形成することが可能であり、極めて大きな移動ストロークを得ることができるものといえる。

微動ステージは、上記のように構成した粗動ステージ上で複数のリニアモータを介して支持するものとされている。具体的にはこれらのリニアモータは、各々厚み方向に着磁された２極の磁石とヨークとを２組有し、これらを箱形に構成することで可動子を構成している。そして、箱形の可動子の内部に差し込まれるようにしてコイルを備えた固定子が配されている。このような基本構成を有するリニアモータにおいては、固定子と可動子の向きを変更することによって、Ｘ、ＹおよびＺの各方向の推力を生じさせることができるようになっている。例えば、固定子をコイルの巻方向が鉛直面内になるように配置するとともに、対向する可動子を磁極が上下方向に配置することで、上下方向（Ｚ方向）の推力を発生させることができる。また、上記のように配置した固定子に対して、対向する可動子の磁極を水平方向に配置することでＸまたはＹ方向の推力を発生させることができる。このように構成したＸ、ＹおよびＺの各方向のリニアモータを駆動させることによって、Ｘ、Ｙ、Ｚの並進方向およびＸ、Ｙ、Ｚ軸回りの回転方向の６軸方向の位置・角度調整を行うことができるようになっている。

以上のようにして、特許文献１に係るステージ装置は、Ｘ、Ｙ方向への極めて大きな移動ストロークと、微小な６軸方向の位置・角度調整機能とを両立することができるようになっている。

特開２００３−２２９６０号公報

しかしながら、上述のようなステージ装置では、粗動ステージと微動ステージという２段での構成となっているために、構成が複雑になるとともに大型化してしまう。そのため、自重が大きくなることからエネルギー効率が低くなる上に、慣性が大きくなる一方で構造上剛性が低くなるため制御時の位置精度が低下する。さらには、ベースの上面からワークを支持するためのステージまでの高さが大きく、当該装置を組み込むため大きなスペースが必要となるため、生産ラインに導入する際の制約が大きくなる。

一方、ステージ装置に対しては、上述したような極めて大きな移動ストロークは必要とされず、少しの移動ストロークしか必要とされない場合があり、むしろ上述した２段構成による大型化の弊害を好まない場合が多い。また、装置の製作精度やワークの精度が十分に得られている場合には、Ｚ方向や、ＸおよびＹ軸回りの回転方向への位置合わせも不要となることが多い。すなわち、上述した二段構成の弊害を避けつつ、小ストロークでのＸ、Ｙ方向への移動、Ｚ軸回りの回転位置調整が可能な装置が望まれている。

こうしたニーズに対応するため、上述した二段構成を避けて粗動ステージもしくは微動ステージのみの一段構成とした場合には次のような問題が生じる。

まず、粗動ステージは上述したように、ＸおよびＹ方向のリニアモータによって駆動するステージを上下方向に積み重ねたものに等しく、やはり上下方向に大型のものとなってしまう。また、Ｘ、Ｙ方向への移動のみで、Ｚ軸回りの回転が不能であるために、上記の目的を達成することができない。

次に、微動ステージは、Ｚ軸回りの回転を行うことができるものの、それぞれのリニアモータが枠体として形成された可動子と、その中に差し込まれるように配された固定子とから構成されているために、移動可能なストロークが極めて小さく、位置調整範囲がごく僅かなものに限られる。また、各リニアモータが上記のように構成されているために、Ｘ方向またはＹ方向のリニアモータのいずれかを駆動させると、他方の磁気ギャップが変化してしまうために、制御量が安定せず位置精度が悪くなるとの問題がある。

本発明は、このような課題を有効に解決することを目的としており、具体的には、構成が簡単で薄型でありながら、適度な移動ストロークと角度調整機能とを両立させた制御性のよいステージ装置を提供することを目的としている。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明のステージ装置は、ベースと、当該ベースと対向するように垂直支持手段を介して設けられたステージとを具備し、前記ベースと前記ステージの相対する対向面に平行に前記ステージが移動可能に構成されたステージ装置であって、前記ベースおよび前記ステージの対向面のうちのいずれか一方に、当該対向面と平行な第１の移動方向に沿って複数の第１の一次側磁束発生部が互いに平行に設けられるとともに、前記第１の移動方向と直交し、かつ、前記対向面と平行な第２の移動方向に沿って複数の第２の一次側磁束発生部が互いに平行に設けられており、前記ベースおよび前記ステージの対向面のうちの他方に、前記第１の一次側磁束発生部と前記第２の一次側磁束発生部に各々対向するようにして第１の二次側磁束発生部と第２の二次側磁束発生部とが設けられており、前記第１および第２の一次側磁束発生部、並びに、前記第１および第２の二次側磁束発生部の各磁極面が前記対向面と略平行に形成され、前記第１および第２の一次側磁束発生部が、前記第１および第２の移動方向と直交する軸を中心とした回転方向に並んで異なる磁極を配するようにして永久磁石を設けた磁石ユニットと、当該磁石ユニットの周囲を各々巻回して磁極面に対して垂直方向の磁界を与えるコイルとを備えていることを特徴とする。

ここで、本発明において用いる「一次側磁束発生部」とは、電流を流すことが可能なコイル等の起磁力を有する部材を含んでいるものであって、磁界を生じさせることや変化させることが可能なものをいい、「二次側磁束発生部」とは一次側磁束発生部によって形成された磁界内部に置かれて磁化される性質を有するものであって、新たな磁束を発生させることや磁束を集中させることが可能なものをいうものとする。

このように構成すると、ベースとステージに各々一次側磁束発生部と二次側磁束発生部とを設けて、これらによって推力を発生させステージに対して直接的に駆動力を働かせることができるために薄型化を図ることができる。また、直交方向に配置した第１および第２の一次側磁束発生部により与える磁界の変化によって、水平２方向への移動と垂直軸回りの回転を行わせることができる。この際、第１および第２の一次側磁束発生部に形成した磁極面、並びに、第１および第２の二次側磁束発生部に形成した磁極面が全て対向面と略平行にあって、移動方向と平行に形成されているために、ステージを移動または回転させた場合でも、互いに対向する一次側磁束発生部と二次側磁束発生部との間で、磁気ギャップの大きさが変化せず適切に制御し続けることができ、位置精度が向上する。また、一次側磁束発生部を単純な構成にして、よりコンパクトな装置とすることができる。

さらに、二次側磁束発生部を単純な構成とするとともに、磁気ギャップを変えることなく相対移動させることを可能とするためには、前記第１および第２の二次側磁束発生部の各々が鉄心からなる突極として構成されており、前記第１および第２の二次側磁束発生部における磁極面が、対向する第１または第２の一次側磁束発生部の磁極面よりも前記第１および第２の移動方向に小さく形成されるようにして構成することが好適である。

また、動作の一層の安定化を図るためには、コイルに電流を流していない非作動時を磁気的に安定した位置とすることが好ましく、給電を行っていない非作動時において前記第１および第２の二次側磁束発生部の各磁極面の中心が、当該磁極面と対向する前記磁石ユニットの異なる磁極間に対応する位置になるように構成することが好適である。

また、磁束の流れを効率よく形成して推力を増大させるためには、前記ベースおよび前記ステージを磁性材料で構成するとともに、前記ベースおよび前記ステージの各対向面のうちのいずれか一方に、他方に向けて延出する複数の第１の補極が設けられており、当該第１の補極を通じて前記ベースと前記ステージの間で磁束の通過する経路を構成することが好適である。

さらに磁束の流れの効率化を図り、推力を一層増大させるためには、前記ベースおよび前記ステージの各対向面のうち前記複数の第１の補極を設けたものとは異なるほうに、複数の第２の補極を各々前記第１の補極と対向させつつ近接するように設けることが好適である。

また、ステージの回転をより一層詳細に制御可能とするためには、上記のような第１の補極、第２の補極を設ける構成に代えて、前記ベースおよび前記ステージの対向面のうちのいずれか一方に、前記第１および第２の移動方向と直交する軸を中心とした回転方向に沿って対称となる位置に、第３の一次側磁束発生部が少なくとも一対設けられており、前記ベースおよび前記ステージの対向面のうちの他方に、前記第３の一次側磁束発生部と対向するようにして第３の二次側磁束発生部が設けられており、前記第３の一次側磁束発生部、および、前記第３の二次側磁束発生部の各磁極面が前記対向面と略平行に形成されているようにして構成することも好適である。

さらに、製作を簡単に行うとともに制御性を向上させるためには、第１〜第３の一次側磁束発生部および、第１〜第３の二次側磁束発生部をそれぞれ同じような形態とすることが好ましいため、前記第１および第２の移動方向と直交する軸を中心とした回転方向に沿って対称となる位置に、第３の一次側磁束発生部が少なくとも一対設けられており、前記ベースおよび前記ステージの対向面のうちの他方に、前記第３の一次側磁束発生部と対向するようにして第３の二次側磁束発生部が設けられており、前記第３の一次側磁束発生部、および、前記第３の二次側磁束発生部の各磁極面が前記対向面と略平行に形成されているとともに、前記第３の一次側磁束発生部が、前記回転方向に沿って異なる磁極を配するようにして永久磁石を設けた磁石ユニットと、当該磁石ユニットの周囲を各々巻回して磁極面に対して垂直方向の磁界を与えるコイルとを備えており、前記第３の二次側磁束発生部の各々が鉄心からなる突極として構成することが好適である。

さらに、ステージの平行移動および回転の制御を複合させた複雑な位置制御を簡単かつ精度良く実現できるようにするためには、前記第１の一次側磁束発生部および二次側磁束発生部と、第２の一次側磁束発生部および二次側磁束発生部と、前記第３の一次側磁束発生部および二次側磁束発生部とを、各々協働して前記第１の移動方向、前記第２の移動方向または前記回転方向の推力を発生させるものとして、前記第１〜第３の一次側磁束発生部を構成する各コイルへの給電を独立して制御するように構成することが好適である。

また、断線等の故障の発生を抑制するとともに、可動側を軽量にすることによって動作速度を増大させるためには、前記第１〜第３の一次側磁束発生部として有するもの全てを前記ベース側に設け、前記第１〜第３の二次側磁束発生部として有するもの全てを前記ステージ側に設けることが好適である。

さらに、動作精度を一層向上させるためには、ステージに対して磁力をバランス良く作用させて制御性を向上させることが好ましいため、前記第１および第２の一次側磁束発生部が各々一対ずつ設けられ、矩形状に配置されているとともに、前記第１および第２の二次側磁束発生部が各々一対ずつ設けられ、矩形状に配置されるようにして構成することが好適である。

さらに動作精度を向上させるためには、ベースに対してステージを精度良く低摩擦でもって支持させることが必要であるために、前記垂直支持手段が、前記ベースまたは前記ステージの対向面のいずれか一方の中央部に設けられたエアベアリングであって、他方の対向面に対してエアを噴出することで、前記ステージを前記ベースに対して浮上させるようにして構成することが好適である。

以上説明した本発明によれば、上下方向に薄い簡単な小型の構成でありながら、高い位置精度でもってステージを水平方向に移動させることと垂直軸回りに回転させることが可能なステージ装置を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るステージ装置の斜視図。 同ステージ装置の分解斜視図。 同ステージ装置を構成するベースの平面図（ａ）および正面図（ｂ）。 同ステージ装置を構成するステージを裏返した際の底面図（ａ）および正面図（ｂ）。 同ステージ装置における磁束の経路と推力の発生方向とを模式的に示した断面図。 同ステージ装置におけるステージの動作を模式的に示した平面図。 本発明の第２実施形態に係るステージ装置の斜視図。 同ステージ装置の分解斜視図。 同ステージ装置を構成するベースの平面図（ａ）および正面図（ｂ）。 同ステージ装置を構成するステージを裏返した際の底面図（ａ）および正面図（ｂ）。 同ステージ装置における磁束の経路と推力の発生方向とを模式的に示した断面図。 本発明の第３実施形態に係るステージ装置の斜視図。 同ステージ装置の分解斜視図。 本発明の第４実施形態に係るステージ装置の斜視図。 同ステージ装置の分解斜視図。 同ステージ装置の要部を示す平面図。 同ステージ装置の要部を示す斜視図。 同ステージ装置における要部を拡大して示す断面図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、方向を示す場合には各図面中に記載した座標軸を用いることにする。
＜第１実施形態＞

この第１実施形態におけるステージ装置は、図１に示すように大きくはベース２と、そのベース２の上方（図のＺ軸方向）に設けられたステージ３とから構成されている。ベース２およびステージ３は各々、磁性材料を用いて四角形のプレート状に構成されている。

ベース２の上面２１およびステージ３の下面３１は各々平面に形成されており、ベース２の上面２１に対してステージ３の下面３１が所定の間隔をもって平行になるように対向して配置されている。すなわち、ベース２の上面２１およびステージ３の下面３１はそれぞれ対向面となる。

また、ステージ３の上面３２も平面として形成されており、図示しないワークを載置するために用いることができる。

ベース２の上面２１には、その上面２１の四角形を形成する四辺のうちの一対の対向する辺の中央部に、一対の第１の一次側磁束発生部４ａ、４ａが設けられており、もう一対の対向する辺の中央部に一対の第２の一次側磁束発生部４ｂ、４ｂが設けられている。

第１の一次側磁束発生部４ａ、４ａはそれぞれＺ方向より見て矩形状に形成されており、Ｙ方向に所定距離を置いて平行に配置されるとともに、ステージ３に対してＸ方向の推力を与える向きに設けられている。同様に、第２の一次側磁束発生部４ｂ、４ｂもそれぞれＺ方向より見て矩形状に形成されており、Ｘ方向に所定距離を置いて平行に配置され、ステージ３に対してＹ方向の推力を与える向きに設けられている。すなわち、第１の一次側磁束発生部４ａ、４ａは、対向面であるベース２の上面２１およびステージ３の下面３１に平行な第１の移動方向としての図中のＸ方向に沿うようにして、互いに平行に設けられており、第２の一次側磁束発生部４ｂ、４ｂは、上記第１の移動方向に直交し、かつ、対向面であるベース２の上面２１およびステージ３の下面３１に平行な第２の移動方向としての図中のＹ方向に沿うようにして、互いに平行に設けられている。

ステージの下面３１には、その下面３１の四角形を形成する四辺のうちの一対の対向する辺の中央部に一対の第１の二次側磁束発生部５ａ、５ａが設けられており、もう一対の対向する辺の中央部に一対の第２の二次側磁束発生部５ｂ、５ｂが設けられている。

第１の二次側磁束発生部５ａ、５ａおよび第２の二次側磁束発生部５ｂ、５ｂは、それぞれＹ方向、Ｘ方向を長手方向とする直方体形状に形成されており、各々突極として上述の第１の一次側磁束発生部４ａ、４ａまたは第２の一次側磁束発生部４ｂ、４ｂに対向するようにして配置されている。これらの二次側磁束発生部５ａ〜５ｂは、一次側磁束発生部４ａ〜４ｂによって与えられる磁気の変化によってステージ３への駆動力として推力を与えられるものである。そのため、二次側磁束発生部５ａ、５ａ、二次側磁束発生部５ｂ、５ｂは磁性材料を用いて形成することが必要であり、渦電流の発生による損失を抑えるためには積層鋼板や圧粉体として形成されることが好ましい。

なお、上述のように方向性が意味をもたず、構成や機能のみに着目して説明する場合には、単に一次側磁束発生部、二次側磁束発生部として称し、「第１の」「第２の」といった表現を省略することにする。

ベース２の上面２１の中央部には円柱状の台座６２が設けられるとともに、これと対向するようにしてステージの中央部にはエアベアリング６１が設けられている。エアベアリング６１は対向する台座６２に向けてエアを噴出し、台座６２との間で薄いエア膜を形成するようにして浮上力を生じさせる。そのため当該エアベアリング６１は、ステージ３をベース２の上面２１に対して垂直方向に支持するための垂直支持手段として作用するとともに、この支持方向に対して直交する方向に対しては低摩擦にすることができるようになっている。

なお、単純に垂直方向に支持するのみであれば、ベース２の上に大きさの等しい球体を複数個配置し、その上にステージ３を載せる方式の垂直支持手段も考えられるが、装置メンテナンスの容易化および低摩擦化のためには上記のようにエアベアリング６１を用いるほうが好適である。

図２は、ベース２よりステージ３を上方に離間させた際の状態を示したものである。

ベース２の上面２１に設けている一次側磁束発生部４ａ〜４ｂは、それぞれ磁石ユニット４１ａ〜４１ｂと、それらを各々巻回したコイル４２ａ〜４２ｂとから構成されている。なお、本実施形態において使用する一次側磁束発生部４ａ〜４ｂは、各々同一の構成を採るものを９０°ずつ向きを変えるようにしたものである。

このように構成した一次側磁束発生部４ａ〜４ｂをベース２の上面２１に十文字になるように配置して、それらの中央に台座６２を設けてある。このとき、一次側磁束発生部４ａ〜４ｂの磁石ユニット４１ａ、〜４１ｂおよび台座６２のステージ３に対向する面６２ａは、上面２１に対して平行に形成し、かつ、略同一平面上になるようにしてある。

ステージ３の下面３１に設けてある突極としての二次側磁束発生部５ａ〜５ｂは、上述したようにそれぞれ一次側磁束発生部４ａ〜４ｂに対向するように十文字になるように配置されているとともに、それらの中央にエアベアリング６１がエア噴出面６１ａを下方にして設けられている。エア噴出面６１ａは、ステージ３の下面と平行になるようにして設けられているとともに、これと対向する台座６２の上面６２ａもベース２の上面２１と平行になるようにして設けられている。

また、二次側磁束発生部５ａ〜５ｂのベース２に対向する面は、各々下面３１に対して平行に形成し、かつ、略同一平面上になるようにしてある。また、およびエアベアリング６１のエア噴出面６１ａは、二次側磁束発生部５ａ〜５ｂのベース２に対向する面と平行で、かつ、ごく僅かに下方向に突出させた状態となるように設定してある。

上記のように形成しているため、ベース２の上面２１に対して、ステージ３の下面３１を対向させるようにして配置し、エアベアリング６１から台座６２に向かってエア６３を噴出させステージ３を浮上させたとき、エアベアリング６１と台座６２の対向面が適切なエア排出条件でもって平行を保つならば、第１の一次側磁束発生部４ａ〜４ｂと、二次側磁束発生部５ａ〜５ｂの各対向面を平行に保つことができる。

なお、本実施形態においてはステージ装置１を作動させている間、エアベアリング６１と台座６２との隙間は１０〜５０μｍ程度にしつつ、一次側磁束発生部４ａ〜４ｂと、二次側磁束発生部５ａ〜５ｂとの各隙間は０．１〜１．０ｍｍ程度にすることができるようにしている。

本実施形態においては、エアベアリング６１と対向してエア層を形成する台座６２を円柱状に形成してあるが、エア層の形成を適切に行うことができる限りこの形態には限定されず、単なる四角形の板状に形成したものであってもよい。

図３（ａ）および（ｂ）にベース２の平面図および正面図を示す。これらを用いて、一次側磁束発生部４ａ〜４ｂの構成について説明する。上述したように、一次側磁束発生部４ａ〜４ｂは全て同一の構成のものを、向きを変えたものに過ぎないため、ここでは図３（ａ）において上側にある第１の一次側磁束発生部４ａを例にとって説明する。

第１の一次側磁束ユニット４ａは上述したように、磁石ユニット４１ａと当該磁石ユニット４１ａを巻回すコイル４２ａから構成されている。磁石ユニット４１ａは直方体状のブロックとして構成された磁性材料からなる鉄心部２２と、当該鉄心部２２の上方に貼り付けられた大きさの等しい２つの板状磁石４１ａ１、４１ａ２とから構成されている。板状磁石４１ａ１、４１ａ２の上面は共同して磁極面４３ａを形成し、当該磁極面４３ａは上述したステージ３に対向する面として、上面２１に対して平行になるように形成してある。鉄心部２２は積層鋼板もしくは圧粉体として構成することも可能であり渦電流損失を低減するためには好適である。

板状磁石４１ａ１、４１ａ２はそれぞれ厚み方向に異なる磁極が形成されるようにして磁化されているとともに、互いに異なる磁極を上方向に向けて隣接して配置し、これらの２枚の板状磁石４１ａ１、４１ａ２によって、ほぼ正方形の磁極面４３ａを形成する。図３（ａ）中の上側に位置する磁石ユニット４１ａであれば、上側（Ｚ方向）にＮ極を向けた板状磁石４１ａ１を右側に配置し、上側（Ｚ方向）にＳ極を向けた板状磁石４１ａ２を左側に配置してある。

こうした磁石ユニット４１ａのうち上面がＮ極である板状磁石４１ａ１からは外部に対して磁束が発せられ、上面がＳ極である板状磁石４１ａ２には磁束が帰還する磁路が形成される。磁石ユニット４１ａを巻回すコイル４２ａは、給電することによって磁極面４３ａに対して垂直方向の磁場を発生させることが可能となっている。そのため、Ｎ極またはＳ極のいずれかの極性を強め、他方を弱めるようにして、上記板状磁石４１ａ１、４１ａ２より発せられる、または帰還してくる磁束のバランスを変更することができる。このようにして、対向する二次側磁束発生部５ａ（図２参照）に対して隣接する２つの板状磁石４１ａ１、４１ａ２の間で、上記の異なる磁極が隣接する方向に推力を発生させることが可能となる。

上記のものとは逆に、図３（ａ）中の上側に位置する磁石ユニット４１ａであれば、図３（ｂ）の正面図からも分かるように、上側（Ｚ方向）にＮ極を向けた板状磁石４１ａ１を左側に配置し、上側（Ｚ方向）にＳ極を向けた板状磁石４１ａ２を右側に配置してある。すわわち、上述した磁石ユニット４１ａに対して１８０°回転させた位置関係にある。

また、第２の一次側磁束ユニット４ｂ、４ｂであれば、図３（ａ）に示したとおり、上述の第１の一次側磁束ユニット４ａ、４ａをベース２の中心を軸に回転させた形態になっており、異なる磁極をＹ方向に隣接するように配置してある。

図４（ａ）および（ｂ）にベース２の底面図および正面図を示す。ただし、この図は図中の座標軸が示すように、通常使用する状態から左右方向に裏表を逆にしたものとして記載してある。

上述したように、二次側磁束発生部５ａ〜５ｂは直方体状に構成されるとともに、ベース２（図２参照）との対向する面、すなわち突極としての磁極面５１ａ〜５１ｂが下面３１と平行で、かつ略同一平面となるように構成してある。

これらの二次側磁束発生部５ａ〜５ｂは非作動時における基準位置として、それぞれの中心が、図３における各一次側磁束発生部４ａ〜４ｂの磁極面４３ａ〜４３ｂの中心に合致するように構成されている。すなわち、各磁石ユニット４１ａ〜４１ｂが有する磁極の異なる板状磁石４１ａ１、４１ａ２（４１ｂ１、４１ｂ２）の境界線上、換言すれば異なる磁極間に対応する位置になるようにされている。これは、コイル２２に通電しない状態においては、各方向への推力を発生させないように、磁気的にバランスのとれた位置に図４の二次側磁束発生部５ａ〜５ｂの位置を設定することが好ましいためである。

上記のような二次側磁束発生部５ａ〜５ｂの磁極面５１ａ〜５１ｂと対向する一次側磁束発生部４ａ〜４ｂの磁極面４１ａ〜４１ｂに対して小さく形成することが肝要である。

以下、図３および図４を用いつつ説明を行う。

第１の一次側磁束ユニット４ａにおける磁極面４３ａは、上述したとおり四角形を形成している。その推力発生方向の辺の長さをＳ１として、これと直交する方向の長さをＷ１として定義する。同様に、これと対向する第１の二次側磁束ユニット５ａにおける磁極面５１ａの大きさを、推力発生方向の辺の長さＳ２、これと直交する方向の長さをＷ２として定義する。

本実施形態においては、Ｓ２はＳ１の約１／２に設定しており、推力発生方向に最大限第１の二次側磁束発生部５ａが動作した場合であっても磁極面５１ａはいずれかの板状磁石４１ａ１、４１ａ２と重なった位置となり、この間まで互いの磁極面４１ａ、５１ａのオーバーラップする部分の面積が変わることなく、常に対向状態を保ったまま移動することができる。そのため、磁気ギャップに変化が無く、漏れ磁束の増大による効率の変化が生じることがない。

他方、推力の発生方向に直交する方向に対してみると、Ｗ１に対してＷ２が小さく形成されているため、この大きさの差の分だけ相対移動しても、この範囲内では磁極面４１ａ、５１ａが互いにオーバーラップする部分の面積が変わらず、常に対向状態を保ったまま移動させることができる。そのため、磁気ギャップの変化および漏れ磁束の増大が生じないことになる。そのため、こうした領域では直交する第２の一次側磁束ユニット４１ｂ１によって発生する推力によって、自らが生じさせる推力発生方向とは異なる直交方向に相対移動させられたとしても、第１の一次側磁束発生部４ａと第１の二次側磁束発生部５ａとはこれらによって生じさせる推力に影響が及ばないため、良好な制御性を失わず精度良く位置決めすることが可能となっている。

以下、上記のように構成した本実施形態のステージ装置の動作原理について説明する。

図５（ａ）、図５（ｂ）は、それぞれ図３におけるＹ１−Ｙ１位置、Ｙ２−Ｙ２位置における断面図に、ステージ３側を加えて記載した模式図である。

まず、図５（ａ）を見ると、Ｙ１−Ｙ１位置における一次側磁束発生部４ａでは、磁極面４３ａの表面が右側がＮ極、左側がＳ極になるように形成されている。このため、当該磁極面４３ａの異なる磁極間に中心位置が対応するようにして磁極面５１ａを磁気ギャップとしての隙間δ１でもって近接させた二次側磁束発生部５ａとの間で、上記Ｎ極より磁極面５１ａに対して磁束が発せられる向きに、上記Ｓ極に向かって磁極面５１ａより磁束が与えられる向きに磁気回路が形成される。

このとき、図のように上方から見て時計回りの電流を与えることで、磁極面４３ａに対して下向きの磁界が発生する。そのため、上述のＮ極より磁極面５１ａに対する磁束は弱められ、Ｓ極に向かう磁極面５１ａからの磁束は強められる。従って、磁束の強まった図の左側に向けて二次側磁束発生部５ａが引きつけられるようにして推力Ｆが発生する。

次に、図５（ｂ）を見ると、Ｙ２−Ｙ２位置における一次側磁束発生部４ａでは、磁極面４３ａの表面が右側がＳ極、左側がＮ極になるように形成されている。このため、磁気ギャップとしての隙間δ２でもって近接させた二次側磁束発生部５ａとの間で、上記Ｎ極より磁極面５１ａに対して磁束が発せられる向きに、上記Ｓ極に向かって磁極面５１ａより磁束が与えられる向きに磁気回路が形成される。

このとき、図のように上方から見て反時計回りの電流を与えることで、磁極面４３ａに対して上向きの磁界が発生する。そのため、上述のＮ極より磁極面５１ａに対する磁束は強められ、Ｓ極に向かう磁極面５１ａからの磁束は弱められる。従って、磁束の強まった図の左側に向けて二次側磁束発生部５ａが引きつけられるようにして推力Ｆが発生する。

上記のようにして、各々異なる方向の電流を与えることによって、Ｙ１−Ｙ１位置においてもＹ２―Ｙ２位置においても同じ方向に推力を生じさせることができる。この場合には、磁束の発生する方向が異なるため、互いに磁性材料で構成されているベース２およびステージ３を通じて、磁束の帰還する閉ループを構成することができるために効率が高くなる。

また、上記とは逆の方向にそれぞれ電流を与えることによって、逆方向に推力を発生させることも可能である。Ｙ１−Ｙ１位置とＹ２−Ｙ２位置で同方向の電流を与えて、互いに逆方向の推力を発生させることで、ステージ３をＺ軸回りに回転移動させることも可能である。

上記のように構成したステージ装置は次のようにして動作させることが可能となる。以下、図６を用いて説明する。

ステージ３はベース２に対して、エアベアリング６１の作用によって浮上状態となり、一次側磁束発生部４ａ〜４ｂと二次側磁束発生部５ａ〜５ｂとの吸引力との間でバランスをとりながら、僅かな浮上量を保ちつつ第１の移動方向としてのＸ方向と、これに直交する第２の移動方向としてのＹ方向に低摩擦で移動できるようになっている。

このような状態で、各一次側磁束発生部４ａ〜４ｂに電流を与えて磁束の方向を変化させることによって、これらと対向する二次側磁束発生部５ａ〜５ｂに推力Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ２１、Ｆ２２を発生させ、ステージ３を動作させることができるようになっている。

この時、図６（ａ）のように、対辺に設けられる第１の一次側磁束発生部４ａ、４ａによって生じる推力Ｆ１１とＦ１２とを等しく与えることによって、ステージ３をＸ方向に平行に移動させることができる。また、第２の一次側磁束発生部４ｂ、４ｂによって生じる推力Ｆ２１とＦ２２とを等しく与えることによって、ステージ３をＹ方向に平行に移動させることができる。

これらを組み合わせることで、ステージ３の向きを変えることなく、Ｘ、Ｙの任意の方向に移動させることができる。

さらに、図６（ｂ）のようにして、対辺で発生する推力Ｆ１１とＦ１２とを同じ大きさで反対方向になるように制御することで、ステージ３の中心位置を変えることなく、Ｚ軸回りの回転を行わせることもできる。これはＦ２１とＦ２２を上記と同じように制御することでも可能であるし、双方を協働して行わせても良い。

また、電流を与える向きだけではなく、大きさを変化させることによって、発生する推力の大きさをそれぞれ変化させることも可能である。そのため、Ｘ方向には大きく動かしつつＹ方向には僅かな量しか動かさないようにして斜行させる場合や、Ｘ、Ｙ方向に移動させつつ、Ｚ軸回りの回転動作を加える場合など、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ軸回りの回転方向の３つの自由度でもって任意に動作させることが可能となる。本実施形態においては、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ軸回りの回転方向の各方向に対するステージ３の必要な移動量を基に、第１の一次側磁束発生部４ａ、４ａおよび第２の一次側磁束発生部４ｂ、４ｂへの給電量を決定して制御するようにしている。

さらに、一次側磁束発生部４ａ〜４ｂと、これと対向する二次側磁束発生部５ａ〜５ｂとは、対向する磁極面４３ａ〜４３ｂ、５１ａ〜５１ｂ（図３、図４参照）が上記の移動方向と平行になるように構成されているために、これらによって形成される磁気ギャップ（図５のδ１、δ２）がステージ３の移動に際して変化しないため、漏れ磁束が増減することなく制御量が安定する。そのため位置精度を向上させることが可能となっている。

なお、Ｘ方向またはＹ方向への並進移動を行わせるだけで良ければ、それぞれの方向に沿って一次側磁束発生部４ａ、４ｂと二次側磁束発生部５ａ、５ｂのペアを一組ずつ設けるのみで足りる。さらに、回転移動を行わせるためには、ＸまたはＹ方向のいずれかのみに、一次側磁束発生部４ａ、４ｂと二次側磁束発生部５ａ、５ｂとのペアを一対平行に設けるだけでもよい。しかしながら、本実施形態では、Ｘ、Ｙ方向それぞれに対で設け、矩形状に配置するようにしてある。これは一次側磁束発生部４ａ〜４ｂと二次側磁束発生部５ａ〜５ｂをそれぞれ、同一の構成とすることで、機器の製作を容易化するとともに、ステージ３の中心軸回りに対称な構成とすることで、機器の重量および推力の発生のバランスを取りやすくすることができ、より位置精度の向上に寄与することができるためである。

また、上記のように矩形状になるように配置することによって、第１の一次側磁束発生部４ａ、４ａおよび第１の二次側磁束発生部５ａ、５ａは、直交する第２の一次側磁束発生部の４ｂ、４ｂおよび第２の二次側磁束発生部５ｂ、５ｂによって互いに影響を受けることがない。そのため、Ｘ、Ｙ方向の推力を相互に独立したものとして扱い制御することができ、より制御性が向上して位置精度が高まる。

さらに、本実施形態では、ベース２の側に電気配線が必要となる一次側磁束発生部４ａ〜４ｂを設け、ステージ３の側に電気配線が不要で軽量な二次側磁束発生部５ａ〜５ｂを設けているために、断線等の故障が少なく、機器の動作特性に優れたものとすることができる。

また、本実施形態では、エアベアリング６１をステージ３の中央に配置していることで、移動にかかわらず常に重心位置を基点に浮上力を働かせることができるため、ベース２に対して傾きを生じることがない。

以上のように、本実施形態のステージ装置は、ベース２と、当該ベース２と対向するように垂直支持手段６１を介して設けられたステージ３とを具備し、前記ベース２と前記ステージ３の相対する対向面に平行に前記ステージ３が移動可能に構成されたものであって、前記ベース２の前記ステージ３との対向面に平行な第１の移動方向に沿って複数の第１の一次側磁束発生部４ａ、４ａが互いに平行に設けられるとともに、前記第１の移動方向と直交し、かつ、前記対向面と平行な第２の移動方向に沿って少なくとも一つの第２の一次側磁束発生部４ｂが設けられており、前記ステージ３の前記ベース２との対向面に、前記第１の一次側磁束発生部４ａと前記第２の一次側磁束発生部４ｂに各々対向するようにして第１の二次側磁束発生部５ａと第２の二次側磁束発生部５ｂとが設けられており、前記第１および第２の一次側磁束発生部４ａ、４ａ、並びに、前記第１および第２の二次側磁束発生部５ａ、５ｂの各磁極面が前記対向面と略平行に形成されるようにして構成したものである。

上記のように、ベース２とステージ３に各々一次側磁束発生部４ａ、４ｂと二次側磁束発生部５ａ、５ｂとを直接設ける構成としているため、装置の薄型化および小型化を図ることができる。また、直交方向に配置した第１および第２の一次側磁束発生部４ａ、４ｂにより与える磁界の変化によって、二次側磁束発生部５ａ、５ｂに推力を発生させることで、ステージ３をベース２に対して水平方向に移動させることや、垂直軸回りに回転させることができる。この際、第１および第２の一次側磁束発生部４ａ〜４ｂに形成した磁極面、並びに、第１および第２の二次側磁束発生部５ａ〜５ｂに形成した磁極面が全て対向面と略平行で、上記第１および第２の移動方向と平行になるために、ステージ３を移動または回転させた場合でも、互いに対向する一次側磁束発生部４ａ〜４ｂと二次側磁束発生部５ａ〜５ｂとの間で、磁気ギャップの大きさが変化せず適切に制御し続けることができ位置精度を向上させることができる。

また、前記第１および第２の一次側磁束発生部４ａ〜４ｂが、各々前記第１または第２の移動方向に沿って異なる磁極を配するようにして永久磁石を設けた磁石ユニット４１ａ〜４１ｂと、当該磁石ユニット４１ａ〜４１ｂの周囲を各々巻回して磁極面に対して垂直方向の磁界を与えるコイル４２ａ〜４２ｂとを備えているとともに、前記第１および第２の二次側磁束発生部５ａ〜５ｂの各々が鉄心からなる突極として構成されており、前記第１および第２の二次側磁束発生部５ａ〜５ｂにおける磁極面が、対向する第１または第２の一次側磁束発生部４ａ〜４ｂの磁極面よりも前記第１および第２の移動方向に小さく形成されるようにして構成しているため、一次側磁束発生部４ａ〜４ｂおよび二次側磁束発生部５ａ〜５ｂを各々単純な構成にして、よりコンパクトで安価な装置とすることができる。また、二次側磁束発生部５ａ〜５ｂは一次側磁束発生部４ａ〜４ｂと磁極面の大きさが異なる分、磁気ギャップを変えることなく相対移動することが可能であるため、より精度良く位置制御を行うことが可能となる。

さらに、給電を行わない非作動時において前記第１および第２の二次側磁束発生部５ａ〜５ｂの各磁極面の中心が、当該磁極面と対向する前記磁石ユニット４１ａ〜４１ｂの異なる磁極間に対応する位置になるように構成しているため、コイル４２ａ〜４２ｂに電流を流していない非作動時を、各二次側磁束発生部５ａ〜５ｂの位置を最も磁気的に安定した位置にすることによって、非作動時および作動時の動作位置の安定化を図ることができる。

また、前記第１および第２の一次側磁束発生部４ａ〜４ｂを前記ベース２側に設けるとともに、第１および第２の二次側磁束発生部５ａ〜５ｂを前記ステージ３側に設けるようにして構成しているため、電気配線の必要な一次側磁束発生部４ａ〜４ｂが固定側となって断線等の故障の発生を抑制できるとともに、可動側を軽量にすることによって動作速度を増大させることが可能となる。

また、前記第１および第２の一次側磁束発生部４ａ〜４ｂが各々一対ずつ設けられ、矩形状に配置されているとともに、前記第１および第２の二次側磁束発生部５ａ〜５ｂが各々一対ずつ設けられ、矩形状に配置するようにして構成しているため、ステージ３に対して磁力をバランス良く作用させることができるために制御性が良くなり、その結果位置精度を向上させることができる。

さらに、前記垂直支持手段が、前記ステージ３の前記ベース２との対向面の中央部に設けられたエアベアリング６１であって、前記ベース２の前記ステージ３との対向面に対してエア６３を噴出することで、前記ステージ３を前記ベース２に対して浮上させるように構成しているため、簡単な構成でベース２に対してステージ３を精度良く、かつ、低摩擦でもって支持させることができるとともに、各磁極間のギャップを適切に維持することができるため、動作精度をさらに向上させることができる。
＜第２実施形態＞

第２実施形態におけるステージ装置を図７に示す。上述した第１実施形態のステージ装置１と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。

この実施形態では、ベース２の上面２１の四隅に第１の補極１７１を、ステージ３の下面３１の四隅に上記第１の補極１７１と対向するようにして第２の補極１７２を設けた点が第１実施形態と大きく異なっている。

図８は、ベース２よりステージ３を上方に離間させた際の状態を示したものである。

ベース２に対しては合計で四個の第１の補極１７１〜１７１が設けられており、これと対応するようにしてステージ３の下面３１には第２の補極１７２〜１７２が設けられている。第１の補極１７１〜１７１および第２の補極１７２〜１７２は、それぞれ直方体状のブロックとして形成されており、各々対向するようにして配置されている。これらの第１の補極１７１〜１７１およびは第２の補極１７２〜１７２は磁性材料によって形成されるものであり、渦電流損失を避けるために、積層鋼板もしくは圧粉体として構成することも好適である。

図９（ａ）に示すように、第１の補極１７１〜１７１はそれぞれ上方から見て磁石ユニット４１ａとほぼ同じ大きさの正方形状に形成されており、上述したようにベース２の上面２１の四隅に配置されている。さらに、図９（ｂ）に示すように、第１の補極１７１〜１７１の上面１７１ａ〜１７１ａは、磁極ユニット４１ａの上面（磁極面）４３ａに対して僅かに高さ方向の位置を低くして、かつ、平行となるように形成してある。

図１０（ａ）および（ｂ）に本実施形態におけるベース２の底面図および正面図を示す。ただし、この図は図中の座標軸が示すように、通常使用する状態から左右方向に裏表を逆にしたものとして記載してある。

図１０（ａ）に示すように、第２の補極１７２〜１７２はＺ軸方向から見て正方形の形状をしており、上述したようにステージ３の下面３１の四隅に配置されている。また、この第２の補極１７２〜１７２は、第１の補極１７１〜１７１（図９参照）の形成する正方形よりもステージ３の移動ストロークと対応して小さく形成されている。さらに、図１０（ｂ）に示すように、各第２の補極１７２〜１７２の下面１７２ａ〜１７２ａは、二次側磁束発生部５ａの磁極面５１ａとほぼ同一の平面を形成するようにしてある。

この第２の実施形態に係るステージ装置１０１は、上記のように構成することで、次のようにして推力を発生させることができる。

以下、図１１（ａ）および（ｂ）を用いて説明を行う。図１１（ａ）、図１１（ｂ）は、それぞれ図９におけるＹ３−Ｙ３位置、Ｙ４−Ｙ４位置における断面図に、ステージ３側を加えて記載した模式図である。

図１１（ａ）では、図５（ａ）のものに第１の補極１７１、１７１および第２の補極１７２、１７２を加えたものになる。すなわち、第１の一次側磁束発生部４ａにおける磁束の発生については図５（ａ）の場合と何ら変わることがない。しかしながら、第１の一次側磁束発生部４ａおよび第１の二次側磁束発生部５ａと近接して、それぞれ第１の補極１７１、１７１および第２の補極１７２、１７２が設けられていることによって、磁束の通過する経路が構成されている点が異なる。

この場合においては、第１の一次側磁束発生部４ａの磁極面４３ａに対して下向きの磁束が発生した場合、この第１の一次側磁束発生部４ａの図中右側ではベース２から第１の補極１７１、第２の補極１７２、ステージ３までの間を通過するようにして磁束が帰還する反時計回りの磁路が形成される。また、第１の一次側磁束発生部４ａの図中左側ではベース２から第１の補極１７１、第２の補極１７２、ステージ３までの間を通過するようにして磁束が帰還する時計回りの磁路が形成される。このようにして、各々磁性材料で形成されたベース２、第１の補極１７１、第２の補極１７２およびステージ３の間を通過する磁路が形成されることで、第１の一次側磁束発生部４ａと第１の二次側磁束発生部５ａの間で効率よく磁束を集中させることができる。

さらには、第１の補極１７１〜１７１、第２の補極１７２〜１７２の各磁極面１７１ａ〜１７１ａ、１７２ａ〜１７２ａは、第１の一次側磁束発生部４ａと第１の二次側磁束発生部５ａとの間の間隔δ３よりも若干大きく設定してあるが、十分に近接して設けているために、漏れ磁束が生じにくく効率の向上に寄与している。

また、上記磁極面１７１ａ〜１７１ａ、１７２ａ〜１７２ａは互いに平行であり、ステージ３のベース２に対する移動方向と平行にされているため、ステージ３が移動しても磁気ギャップとしての磁極面１７１ａ〜１７１ａと１７２ａ〜１７２ａとの間隔が変わることがない。また、第２の補極１７２〜１７２の磁極面１７２ａ〜１７２ａが、第１の補極１７１〜１７１の磁極面１７１ａ〜１７１ａよりもステージ３の移動ストローク分小さく形成されていることで、ステージ３が移動する範囲内では、第２の補極１７２〜１７２の磁極面１７２ａ〜１７２ａと第１の補極１７１〜１７１の磁極面１７１ａ〜１７１ａとがオーバーラップする部分の面積が変化しない。そのためにステージ３の移動に際して漏れ磁束の量が変化せず、同一の制御条件を維持することができる。これにより位置精度を向上させることができる。

図１１（ｂ）は、図５（ｂ）のものに第１の補極１７１、１７１、第２の補極１７２、１７２を加えたものである。この場合においても、双方の磁極面１７１ａ〜１７１ａ、１７２ａ〜１７２ａは、第１の一次側磁束発生部４ａと第１の二次側磁束発生部５ａとの間の間隔δ４よりも若干大きく設定されている。なお、δ４とδ３とは同じ大きさになるように設定している。

これも、図１１（ａ）の場合と同様に、第１の一次側磁束発生部４ａの磁極面４３ａに対して上向きの磁束が発生した場合、この第１の一次側磁束発生部４ａの図中右側ではステージ３から第２の補極１７２、第１の補極１７１、ベース２までの間を通過するようにして磁束が帰還する時計回りの磁路が形成される。また、第１の一次側磁束発生部４ａの図中左側ではステージ３から第２の補極１７２、第１の補極１７１、ベース２までの間を通過するようにして磁束が帰還する反時計回りの磁路が形成される。このようにして、磁路が形成されることで、第１の一次側磁束発生部４ａと第１の二次側磁束発生部５ａの間で効率よく磁力を生じさせることができる。

上記のような第１の補極１７１、１７１および第２の補極１７２、１７２は、磁路を形成するためのものであるため、ベース２またはステージ３のいずれかのみに設けて、ベース２からステージ３に向けて、またはステージ３からベース２に向けて、延出して近接させることでも同様の効果を得ることが可能である。しかしながら、補極を片方だけに設けると、その分補極が高さ方向に大きくなって一次側磁束発生部４ａ〜４ｂ、または二次側磁束発生部５ａ〜５ｂよりも突出することになってしまい、ステージ３をベース２の上に設置する際の作業性が悪化する。そのために、双方に補極を設けて近接させる構成とすることが好適である。また、突極として構成しているために、より漏れ磁束の低減効果も期待できる。

上記のように構成することで、第１の実施形態の場合と同様に、一次側磁束発生部４ａ〜４ｂのコイル４２ａ〜４２ｂに電流を与え、その電流の向きおよび大きさを制御することで、ベース２に対してステージ３のＸおよびＹ方向への移動、Ｚ軸回りの回転を行わせることができる。上述したように、第１の補極１７１〜１７１および第２の補極１７２〜１７２が加わることで、重量が増大するものの磁路を効率よく形成できるため効率を向上させることが可能となっており、その結果、推力の増大、位置精度のさらなる向上を図ることができる。

以上のように、本実施形態に係るステージ装置１０１は、前記ベース２および前記ステージ３を磁性材料で構成するとともに、前記ベース２の前記ステージ３に対する対向面２１に、前記ステージ３に向けて延出する複数の第１の補極１７１〜１７１が設けられており、当該第１の補極１７１〜１７１を通じて前記ベース２と前記ステージ３の間で磁束の通過する経路を形成するようにして構成してあるため、磁束の流れを効率よく形成でき、推力を増大させることができる。

また、前記ステージ３の前記ベース２との対向面３１に、複数の第２の補極１７２〜１７２を各々前記第１の補極１７１〜１７１と対向させつつ近接するように設けるようにして構成しているため、漏れ磁束をさらに低減させて磁束の流れをより効率よく形成でき、推力を増大させることができる。
＜第３実施形態＞

第３実施形態におけるステージ装置を図１２に示す。上述した第１実施形態および第２実施形態と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。

この実施形態は、上述した第２実施形態において図７に示すようにベース２とステージ３の四隅にそれぞれ設けられていた第１の補極１７１〜１７１と第２の補極１７２に代えて、図１２に示すように、それぞれ第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃと第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃとを設けたものである。

第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃはベース２の上面２１の四隅にそれぞれ設けられており、全て同一の形状を有するように構成されている。これらは断面を略台形とされつつＺ方向に延出された柱状に形成されており、それぞれ底辺のうち短いほうの辺がベース２の中心方向を向くようにして配置され、ベース２の中心から外側に向かって放射状に広がるように形成されている。また、これらは、ベース２の中心を軸とする同一の円周上に沿うようにして均等に配置されており、特にベース２の中心を挟んで対称となる位置に設けられた第３の一次側磁束発生部２０４ｃ、２０４ｃ同士が、対となって後述するようにステージ３の回転運動を行わせるようにして用いられる。

第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃは、ベース３の下面３１の四隅に突極としてそれぞれ設けられており、全てが同一の形状を有するように構成されている。そして、これらは各々第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃと対向しつつ近接するようにして設けられている。第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃは、各々Ｚ方向から見たときの断面が第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃよりも一回り小さな台形状に形成されており、各々底辺のうち短いほうの辺がステージ３の中心方向を向くように配置されている。そして、図１２のような給電を行っていない非作動時においては、第１および第２の一次側磁束発生部５ａ〜５ｂはそれぞれ対向する第１および第２の二次側磁束発生部４ａ〜４ｂの中心に位置するように設定されているとともに、同時に第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃも各々第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃの中心に位置するように設定されている。

図１３は、ベース２よりステージ３を上方に離間させた際の状態を示したものである。

第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃは、上述した第１および第２の一次側磁束発生部４ａ〜４ｂと同様の構成を採り、上側に異なる磁極が並列に並ぶように配置された磁石ユニット２４１ｃと、これを巻回すコイル２４２ｃから構成されている。磁石ユニット２４１ｃの上面は磁極面となっており、これらは第１および第２の一次側磁束発生部４ａ〜４ｂを構成する磁石ユニット４１ａ〜４１ｂの磁極面と略同一平面になるようにして構成されている。コイル２４２ｃは、電流を与えることによって、磁石ユニット２４１ｃの磁極面に対して、垂直方向の磁界を与えることができるようになっている。

また、第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃを構成する各磁石ユニット２４１ｃ〜２４１ｃの上面は、ベース２の中心を軸とする半径方向に磁極が異なるように配置されており、図中の右下および左下に配置された磁石ユニット２４１ｃ、２４１ｃはそれぞれ上方から見て磁極が時計回りにＳ極、Ｎ極の順になるように形成され、図中の左上および右上に配置された磁石ユニット２４１ｃ、２４１ｃはそれぞれ上方から見て磁極が時計回りにＮ極、Ｓ極の順になるように形成されている。すなわち、ベース２の中心を挟んで互いに対称の位置に配置されている第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃの各磁石ユニット２４１ｃ〜２４１ｃは、互いに同じ磁極が向き合うようにして配置されるようになっている。

上記のようにして第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃは、ベース２の中心を軸とする同一円心上に配置され、その向きに磁極が配置されるようにして構成されているものであって、第１の移動方向としてのＸ方向および第２の移動方向としてのＹ方向と直交する軸を中心とした回転方向に沿って設けられているものということができる。

このような第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃと対向するようにして、同じように第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃは配置されており、第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃ並びに第１および第２の二次側磁束発生部５ａ〜５ｂのベース２に対向する面は、各々下面３１に対して平行に形成し、かつ、略同一平面上になるようにされている。第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃは第１および第２の二次側磁束発生部５ａ〜５ｂと同様に鉄心として磁性材料によって形成されており、渦電流損失を避けるために、積層鋼板もしくは圧粉体として構成することも好適である。

上述したように、第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃは第１および第２の二次側磁束発生部４ａ〜４ｂと、第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃは第１および第２の二次側磁束発生部５ｂ〜５ｃと各々同様の構成を採るようにしたものである。そのため、構成要素の数は増えるものの比較的製作は容易であるとともに、制御を行うことも簡単である。

上記のようにして構成した本実施形態のステージ装置は、次のようにして動作させることができる。

本実施形態においては、上述の実施形態と同様、ステージ３の向きを変更することなくＸ方向またはＹ方向に動作させる場合には、第１の一次側磁束発生部４ａ、４ａまたは第２の一次側磁束発生部４ｂ、４ｂに電流を与えてそれぞれＸ方向、Ｙ方向に向けた推力を発生させる。この際には、上述したようにベース３の中心を挟んで対向する一次側磁束発生部４ａ〜４ｂにおいて互いに異なる磁極の磁束を強化する向きに磁力を発生させれば良いため、対向する一次側磁束発生部４ａ〜４ｂの間で磁束が通過する経路を形成しやすく、より効率が良くなる。

また、ステージ３に対してＺ軸回りの回転運動をさせる場合には、第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃに対して、それぞれＺ方向から見たときに時計回りあるいは反時計回りの同一の方向に向く推力を発生させるようにして、それぞれを構成するコイルに電流を与えればよい。例えば、上側より見て時計回りにステージ３を回転運動させる場合には、図中右下および左下に位置する第３の一次側磁束発生部２０４ｃ、２０４ｃに対しては、Ｎ極側の磁束を強化しつつＳ極側の磁束を弱めるべく、コイル２０４ｃ、２０４ｃに対して上側より見て反時計回りの電流を与えればよい。同時に、図中左上および右上に位置する第３の一次側磁束発生部２０４ｃ、２０４ｃに対しては、Ｓ極側の磁束を強化しつつＮ極側の磁束を弱めるべく、コイル２０４ｃ、２０４ｃに対して上側より見て時計回りの電流を与えればよい。ステージ３を逆方向に回転運動させる場合には、それぞれの第３の一次側磁束発生部２０４ｃ、２０４ｃに対して、反対向きの電流を与えればよい。

上記のように、ステージ３に対してＺ軸回りの回転運動をさせる場合においても、ベース３の中心を挟んで互いに対称位置になるように設けられている第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃは、互いに異なる磁極の磁束を強化する向きに磁力を発生させれば良いため、対向する第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃの間で磁束が通過する経路を形成しやすく、より効率が良くなる。このようにして、ステージ３に回転運動を行わせることを目的とした第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃを独立して有していることによって、より精密に位置制御を行うことができるようになっている。

また、第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃと第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃとの対向面は、互いに平行であり、かつ、ステージ３の移動方向に対しても平行になるように構成されているため、これらの間で形成される磁気ギャップの大きさは、ステージ３の移動に伴って変化することがなく、常に効率が良い状態を保つことができるようになっている。そのため、位置精度の向上を図ることも可能となっている。

上述したように、第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃは、ベース３の中心を挟んで対称位置にあるものに対して互いに逆方向の推力を与えることによって、中心位置を変えることなく回転運動を行わせるものである。こうした機能を得られるようにするためには、最低限中心位置を挟んで一対の第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃがあるのみで足りる。本実施形態において、第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃを二対、計４個設けるようにしたのは、ステージ３に対する推力と重心のバランスを考慮したためであり、コストダウンや軽量化を優先させる場合においては一対とすることが好適である。

また、本実施形態においては、第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃおよび第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃを台形状に形成することによって、これらによって発生する推力の方向がベース２の中心を軸とする円周に沿って変化するようになっているため、より回転運動を行うための効率が向上できるようになっている。この考えをさらに推し進め、回転運動にとって一層効率よく推力を発生させるためには、ベース２の中心を軸とする円周に沿った扇形になるように形成することも好適である。しかしながら、製造コストの観点からは、部品形状の単純化や共通化を行うことが必要とされる場合もあり、そのような場合には第１および第２の一次側磁束発生部４ａ〜４ｂならびに第１および第２の二次側磁束発生部５ａ〜５ｂと同様に、単純な直方体状に形成することが適切であり、このように構成した場合であっても上記と同様に回転運動を行わせることが可能である。

本実施形態のように、Ｚ軸回りの回転移動を行わせるためのものとして、第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃを独立して有することによって、より位置精度を高めた制御が可能となる。また、こうすることで、第１の一次側磁束発生部４ａ、４ａおよび第２の一次側磁束発生部４ｂ、４ｂは、それぞれＸ方向およびＹ方向への並進移動を行わせるためだけのものとして使用することができる。このようにして、Ｘ方向、Ｙ方向への並進移動およびＺ軸回りの回転移動を、それぞれ別個の一次側磁束発生部４ａ〜４ｂ、２０４ｃ〜２０４ｃに機能分担させることによって、制御を簡単に行わせることが可能となり、その結果位置精度を向上させることができる。

これらの一次側磁束発生部４ａ〜４ｂ、２０４ｃ〜２０４ｃに対して、各々与える電流の向きや大きさを制御することによって、ステージ３をＸ方向またはＹ方向のいずれか一方に移動させたり、中心位置を維持させたままで回転運動させたり、あるいは、これらの運動を組み合わせて同時に行うことにより、ステージ３を斜行させたり、回転させつつ並進移動させたりすることも可能となる。

このように各方向への移動を組み合わせて行う際には、ある方向にステージ３を移動させることで、他の方向に推力を発生させる一次側磁束発生部４ａ〜４ｂ、２０４ｃ〜２０４ｃと二次側磁束発生部５ａ〜５ｂ、２０５ｃ〜２０５ｃとの間でも中心位置に僅かにずれを生じることがあり、推力に増減が生じることがあるためである。そのため、ステージ３とベース２との相対位置に応じて、各方向への推力を補正するようにしてある。

以上のように、本実施形態におけるステージ装置２０１は、前記ベース２および前記ステージ３の対向面のうちのいずれか一方に、前記第１および第２の移動方向と直交する軸を中心とした回転方向に沿って対称となる位置に、第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃが少なくとも一対設けられており、前記ベース２および前記ステージ３の対向面のうちの他方に、前記第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃと対向するようにして第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃが設けられており、前記第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃ、および、前記第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃの各磁極面が前記対向面と略平行に形成されているように構成したものである。

このように構成しているため、第１の移動方向としてのＸ方向、第２の移動方向としてのＹ方向、これらと直交する軸としてのＺ軸回りの回転方向に対するステージ３の移動をより精密に実施させることができるようになる。

さらに、本実施形態におけるステージ装置２０１は、前記ベース２および前記ステージ３の対向面のうちのいずれか一方に、前記第１および第２の移動方向と直交する軸を中心とした回転方向に沿って対称となる位置に、第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃが少なくとも一対設けられており、前記ベース２および前記ステージ３の対向面のうちの他方に、前記第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃと対向するようにして第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃが設けられており、前記第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃ、および、前記第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃの各磁極面が前記対向面と略平行に形成されているとともに、前記第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃが、前記回転方向に沿って異なる磁極を配するようにして永久磁石を設けた磁石ユニット２４１ｃ〜２４１ｃと、当該磁石ユニット２４１ｃ〜２４１ｃの周囲を各々巻回して磁極面に対して垂直方向の磁界を与えるコイル２４２ｃ〜２４２ｃとを備えており、前記第３の二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃの各々が鉄心からなる突極として構成したものである。

このように構成しているため、第１〜第３の一次側磁束発生部４ａ〜４ｂ、２０４ｃ〜２０４ｃと第１〜第３の二次側磁束発生部５ａ〜５ｂ、２０５ｃ〜２０５ｃがそれぞれ同一の構造を有するようになる。そのため、製作が容易になる上に制御が簡単になり、その上、内部での磁路を効率的に形成できるために効率を向上させることが可能となる。

また、前記第１の一次側磁束発生部４ａ、４ａおよび二次側磁束発生部５ａ、５ａと、第２の一次側磁束発生部４ｂ、４ｂおよび二次側磁束発生部５ｂ、５ｂと、前記第３の一次側磁束発生部２０４ｃ〜２０４ｃおよび二次側磁束発生部２０５ｃ〜２０５ｃとを、各々協働して前記第１の移動方向、前記第２の移動方向または前記回転方向の推力を発生させるものとして、前記第１〜第３の一次側磁束発生部４ａ〜４ｂ、２０４ｃ〜２０４ｃを構成する各コイル４２ａ〜４２ｂ、２４２ｃ〜２４２ｃへの給電を独立して制御するように構成したため、第１の移動方向としてのＸ方向、第２の移動方向としてのＹ方向、これらと直交する軸としてのＺ軸回りの回転方向へのステージ３の移動をそれぞれ独立して制御することができるため、各方向への移動を組み合わせる際にも容易に制御することが可能となり、その結果、位置精度を向上させることが可能となる。
＜第４実施形態＞

第４実施形態におけるステージ装置を図１４に示す。上述した第１〜第３実施形態と共通する部分については同じ符号を付してある。

この実施形態においても、上述の第１〜第３実施形態と同様に、矩形状のプレートとして形成されたベース３０３の上方（Ｚ方向）に、同様に矩形状のプレートとして形成されたステージ３０２を配置してある。ベース３０２の上面３２１およびステージ３０３の下面３３１はそれぞれ平面として形成され、互いに対向する対向面として平行になるように配置されている。

ベース３０２の上面３２１の中央には、上面を平面として形成された円柱状の台座３６２が設けられており、これと対向するようにして、ステージ３０３の中央部にはエアベアリング３６１が設けられている。

また、ベース３０２の上面３２１の四辺には二次側磁束発生部３０５ａ〜３０５ｂが、ステージ３０３の下面３３１の四辺には一次側磁束発生部３０４ａ〜３０４ｂが、各々近接しつつ対向するように設けられている。

二次側磁束発生部３０５ａ〜３０５ｂは鉄心として磁性材料によって形成され、渦電流損失を抑制するために積層鋼板によって形成している。

図１５は、ベース２よりステージ３を上方に離間させた際の状態を示したものである。

ベース２に設けられた二次側磁束発生部３０５ａ〜３０５ｂのうち、第１の二次側磁束発生部３０５ａ、３０５ａは、長手方向をＸ方向に向けた長方形の平板状の形態をとり、上面に凹凸が形成されているとともに、一対のものが上記台座３６２を挟んでＹ方向に所定距離離間して設けられている。また、第２の二次側磁束発生部３０５ｂ、３０５ｂは、上記第１の二次側磁束発生部３０５ａ、３０５ａと同一の形状ではあるが、９０°方向を変えてＹ方向に長手方向が向かうようにして配置されている。第２の二次側磁束発生部３０５ｂ、３０５ｂも上記第１の二次側磁束発生部３０５ａ、３０５ａと同様、上記台座３６２を挟んでＸ方向に所定距離離間して設けられている。

ステージ３の下面３３１には、上記第１の二次側磁束発生部３０５ａ、３０５ａおよび第２の二次側磁束発生部３０５ｂ、３０５ｂと対向するようにして、それぞれ長手方向をＸ方向に向けた第１の一次側磁束発生部３０４ａ、３０４ａおよび第２の一次側磁束発生部３０４ｂ、３０４ｂが設けられている。なお、第１の一次側磁束発生部３０４ａ、３０４ａと、第２の一次側磁束発生部３０４ｂ、３０４ｂとは、それぞれ同一のものを向きを異ならせて配置したものである。

第１の一次側磁束発生部３０４ａ、３０４ａは各々第１の二次側磁束発生部３０５ａ、３０５ａと協働して、ステージ３０３に対して第１の移動方向としてのＸ方向への推力を生じさせるものであり、第２の一次側磁束発生部３０４ｂ、３０４ｂは各々第１の二次側磁束発生部３０５ａ、３０５ａと協働して、ステージ３０３に対して第２の移動方向としてのＹ方向への推力を生じさせるものである。

ステージ３０３の中央に設けたエアベアリング３６１は、エア噴出面３６１ａが、ステージ３０３の下面３３１よりも下側に位置し、かつ当該下面３３１と平行になるようにして設定されている。さらに、ベース３０２の中央に設けられた台座３６２も上面３６２ａがベース３０２の上面３２１と平行になるようにして形成されている。

そのため、エア噴出面３６１ａよりエア６３を排出することによって台座３６２に対して浮上力を働かせたとき、ステージ３０３は下面３３１をベース３０２の上面３２１に対して平行とした状態を維持することができる。

また、後に詳述するように、一次側磁束発生部３０４ａ〜３０４ｂの各磁極面はそれぞれベース３０２の上面３２１に対して平行になるように、二次側磁束発生部３０５ａ〜３０５ｂの各磁極面はステージ３０３の下面３３１に対して平行になるようにして形成している。そのため、上記のようにエアベアリング３６１の作用によってステージ３０３がベース３０２に対して浮上したとき、対向する一次側磁束発生部３０４ａ〜３０４ｂと二次側磁束発生部３０５ａ〜３０５ｂとの各磁極面は平行な状態で近接させることができるようになっている。

図１６に、Ｚ方向から見た際の一次側磁束発生部３０４ａ〜３０４ｂと二次側磁束発生部３０５ａ〜３０５ｂとの位置関係を示す。この図は、ベース３０２に対してステージ３０３を基準位置に設置したときを示しており、ベース３０２とステージ３０３の中心位置が上方向より見て同一の位置になり、かつ各辺が平行になるようにして配置されている。

この図において、図中上側に位置する第１の一次側磁束発生部３０４ａと第１の二次側磁束発生部３０５ａに着目すると、第１の一次側磁束発生部３０４ａは第１の二次側磁束発生部３０５ａに対してＸ方向にも、Ｙ方向にも小さく形成されていることが分かる。

具体的には、推力発生方向であるＸ方向について見ると、第１の一次側磁束発生部３０４ａの長さをＬ１として、第１の二次側磁束発生部３０５ａの長さをＬ２としたとき、Ｌ２はＬ１よりも大きく形成されている。この差（Ｌ２−Ｌ１）は、ステージ３０３がベース３０４に対して第１の移動方向であるＸ方向に相対移動可能なストロークよりも小さく形成されている。

また、推力発生方向と直交するＹ方向について見ると、第１の一次側磁束発生部３０４ａの幅をＢ１として、第１の二次側磁束発生部３０５ａの幅をＢ２としたとき、Ｂ２はＢ１よりも大きく形成されている。この差（Ｂ２−Ｂ１）もステージ３０３がベース３０４に対して第２の移動方向であるＹ方向に相対移動可能なストロークよりも小さく形成されている。

従って、Ｘ方向、Ｙ方向のいずれの方向に対してもステージ３０３が移動可能な範囲内で、第１の一次側磁束発生部３０４ａと第１の二次側磁束発生部３０５ａとがオーバーラップして形成する対向面の面積は常に変わることがない。そのため相対移動に際して漏れ磁束の増減が生じず、常に効率の良い条件を保ったままで制御することが可能となっている。

上述したような、第１の一次側磁束発生部３０４ａと第１の二次側磁束発生部３０５ａとの寸法および位置の関係は、図中の下側に位置する第１の一次側磁束発生部３０４ａと第１の二次側磁束発生部３０５ａとの関係にも当てはまり、さらには、ＸＹ方向が異なるのみで第２の一次側磁束発生部３０４ｂと第２の二次側磁束発生部３０５ｂとの関係にも当てはまる。

次に、組をなす第１の一次側磁束発生部３０４ａと第１の二次側磁束発生部３０５ａの詳細な構成について説明する。

これらは、一般にはリニアパルモータとして知られる構成と同じものであり、その動作原理は特開平３−１３９１５９号公報によって詳しく開示されているために省略する。本実施形態のステージ装置３０２は、組をなす一次側磁束発生部と二次側磁束発生部とを、４組、ベース３０２とステージ３０３との間に配したものということができる。

図１７に示すように、第１の一次側磁束発生部３０４ａは長手方向を推力発生方向であるＸ方向に向けて配置されるものであり、一個の鉄心部３４１ａに対して３つの磁束発生ユニット３４２ａ、３４３ａ、３４４ａをＸ方向に隣接して設けてある。これらの３つの磁束発生ユニット３４２ａ、３４３ａ、３４４ａは、第１の二次側磁束発生部３０５ａと対向するようにして配置されており磁極面を形成するものである。また、上記磁束発生ユニット３４２ａ、３４３ａ、３４４ａは、全て同一の形状のものとしている。

第１の二次側磁束発生部３０５ａは長手方向を推力発生方向であるＸ方向に向けて配置されるものであり、その上面には矩形断面を有するようにしてＺ方向に突出され、かつ、Ｙ方向に平行に形成された歯部３０５ａ１〜３０５ａ１が、溝部３０５ａ２〜３０５ａ２と交互にＸ方向に形成されている。さらに、歯部３０５ａ１〜３０５ａ１は上面が同一高さを有する平面として磁極面を形成するとともに、Ｘ方向に等間隔で形成され、第１の一次側磁束発生部３４１ａとの間でＸＹ平面に対して平行な隙間を形成する。

磁束発生ユニット３４２ａに着目して、図１８（ａ）、（ｂ）を用いてさらに詳細な構成を説明する。図１８（ａ）は、磁束発生ユニット３４２ａの中心における断面を示した図である。

磁束発生ユニット３４２ａは、鉄心として構成された磁極３４２ａ１と、その周囲に巻回されたコイル３４２ａ５から構成されている。磁極３４２ａ１は磁性材料からなり、渦電流損失を抑制するため積層鋼板によって形成している。磁極３４２ａ１には、下側に向けて凸となる極歯３４２ａ２〜３４２ａ２と、溝部３４２ａ３〜３４２ａ３とが交互に形成されており、極歯３４２ａ２〜３４２ａ２はＸ方向に等ピッチで形成されている。極歯３４２ａ２〜３４２ａ２は、下側の面が第１の二次側磁束発生部３０５ａの歯部３０５ａ１〜３０５ａ１との間で平行になるように形成されており、磁気ギャップとして隙間δ５を形成する。

また、同図で示すように、極歯３４２ａ２〜３４２ａ２のピッチに対して、第１の二次側磁束発生部３０５ａの歯部３０５ａ１〜３０５ａ１のピッチは異なるようにして形成されている。

本実施形態では、上記溝部３４２ａ３〜３４２ａ３の中に、各々厚み方向に着磁された板状の永久磁石３４２ａ４〜３４２ａ４を、隣接するもの同士の極性が互いに逆方向になるようにして挿入してある。そのため、極歯３４２ａ２〜３４２ａ２と第１の二次側磁束発生部３０５ａの歯部３０５ａ１〜３０５ａ１との間では、上方向または下方向への磁束が発生する。このようにして、永久磁石組み込み型の磁極３４２ａ１とすることによって、より推力の増大を図ることができる。

コイル３４２ａ５に対して電流を与えることによって、磁極３４２ａ１に対して上向きまたは下向きの磁束を発生させ、上記極歯３４２ａ２〜３４２ａ２と第１の二次側磁束発生部３０５ａの歯部３０５ａ１〜３０５ａ１との間で発生する上方向または下方向への磁束のいずれか一方を強め、他方を弱めることができる。

このとき、極歯３４２ａ２〜３４２ａ２と第１の二次側磁束発生部３０５ａの歯部３０５ａ１〜３０５ａ１とのピッチの相違により得られる位置関係から、図の右方向または左方向への推力が発生する。

さらに、図１８（ｂ）に示すように、極歯３４２ａ２〜３４２ａ２は、Ｙ方向に対して傾斜した角度で形成されており、いわゆるスキューが形成されている。このためコギングトルクが減少して、効率の良い動作制御を行わせることが可能となっている。また、極歯３４２ａ２〜３４２ａ２の側にスキューを形成しているため、第１の磁束発生部３０４ａが第２の磁束発生部３０５ａに対して、推力発生方向と異なるＹ方向に相対移動した場合であっても、極歯３４２ａ２〜３４２ａ２と歯部３０５ａ１〜３０５ａ１との重なり合う部分に変化は生じないために、磁力の変化が生じない。そのため、推力発生方向と直交する方向に対しては、自由に動作させることができる。

歯部３０５ａ１〜３０５ａ１の側を傾斜させてスキューを形成することも可能ではあるが、こうすると第１の磁束発生部３０４ａが第２の磁束発生部３０５ａに対してＹ方向に相対移動した場合に、極歯３４２ａ２〜３４２ａ２と歯部３０５ａ１〜３０５ａ１との重なり合う部分に変化が生じるため、磁力の変化が生じることになる。そのため、Ｙ方向への動作とＸ方向への動作を独立して扱うことができない。

以上のような磁束発生ユニット３４２ａと同じものを、図１７のように磁束発生ユニット３４２ａ、３４３ａ、３４４ａとして長手方向に沿って３つ設け、第１の磁束発生部３０４ａとして構成することで、さらに大きな移動ストロークを得ることができる。この場合には、各々の磁束発生ユニット３４２ａ、３４３ａ、３４４ａに与える電流を、位相差を設けるようにして制御することで、連続的に推力の発生箇所を変えていくことによって、第１の磁束発生部３０４ａを第２の磁束発生部３０５ａに沿って進行させていくことができる。

さらに、図１７のような、第１の一次側磁束発生部３０４ａと第１の二次側磁束発生部３０５ａと同じものを、図１６のようにＹ方向に一対平行して配置するとともに、９０°方向を変えて、第２の一次側磁束発生部３０４ｂ、３０４ｂと第２の二次側磁束発生部３０５ｂ、３０５ｂとしてＸ方向に一対平行して配置してある。

このように構成することで、第１〜第３実施形態と同様に、ステージ３０３を、Ｘ、Ｙ方向に移動させることや、Ｚ軸回りに回転させることができるようになっている。また、推力を発生する部分をリニアパルスモータ構成とすることによって、重量は大きくなるものの、第１〜第３実施形態以上の移動ストロークを得ることや、大きな推力を得ることもできる。

また、本実施形態においては、軽量に構成した一次側磁束発生部３０４ａ〜３０４ｂをステージ３０３の側に設け、二次側磁束発生部３０５ａ〜３０５ｂをベース３０２側に設けているため、ステージ３０３の側に電気配線を接続する必要はあるものの、可動側を軽量に構成できるため、動作速度および反応速度を向上させることができる。もちろん、これを逆に設置することも可能である。

以上のような構成を特開２００２−１５３０８５号公報で開示されている平面ステージの構成と比較した場合にも、次のような優れた特質を有する。

すなわち、特開２００２−１５３０８５号公報等で開示される平面ステージは、ＸＹに碁盤の目状に形成されたプラテンの上を、Ｘ方向、Ｙ方向にそれぞれ設けられたリニアモータ部を有するステージが移動するが、上記のようなプラテンを形成するためには大きな面積を有する平板の表面に、ＸＹ方向に碁盤の目状の溝を形成する必要がある。しかしながら、その表面は磁極面を形成することから、磁気ギャップの均一化の観点から高い精度が要求される。

また、ステージ部を容易に駆動させるために、エアベアリングによる浮上機構を導入しようとした場合、上述のように形成した碁盤の目状の溝の一部を埋込んだうえで、一層精度良く表面を仕上げなければならない。

さらには、Ｘ方向Ｙ方向の溝が混在しているために、Ｘ方向に推力を与えるモータにとってはＹ方向の溝のみが有用であるにもかかわらず、Ｘ方向の溝の分、磁極面同士を対向させることができず効率が低下する。

また、碁盤の目状の溝のため、僅かにＺ軸回りの回転を行わせたのみで、磁極面同士の対向関係が失われて、効率よく制御することができない。

他方、本実施形態のステージ装置３０１では、上記の問題点は解消される。すなわち、ベース３０２およびステージ３０３に対しては、上記のような大きな面積にわたって高い加工精度が要求されることがなく、加工費用が低減できる。

また、ベース３０２に対しては全面に渡る溝加工が不要であることからエアベアリングを用いた浮上機構を導入するための加工も容易に行うことができる。

さらに、推力発生方向以外の余計な溝が形成されていないため、効率を最大限に発揮させることができる。また、Ｚ軸回りの回転も、碁盤の目タイプよりも大きく行わせることができる。

以上のように、本実施形態のステージ装置３０１は、第１および第２の一次側磁束発生部３０４ａ〜３０４ｂが、各々前記第１または第２の移動方向に沿って一定間隔で極歯３４２ａ２と溝部３４２ａ３とを交互に形成した磁極３４２ａ１を複数個備えるとともに、それらの磁極３４２ａ１の周囲を各々巻回したコイル３４２ａ５を備えており、前記第１および第２の二次側磁束発生部３０５ａ〜３０５ｂが、各々前記第１または第２の一次側磁束発生部３０４ａ〜３０４ｂの前記極歯３４２ａ２〜３４２ａ２と対向する位置に等間隔で歯部３０５ａ１〜３０５ａ１を有する鉄心として構成されており、前記第１および第２の二次側磁束発生部３０５ａ〜３０５ｂにおける各磁極面が、対向する第１または第２の一次側磁束発生部３０４ａ〜３０４ｂの磁極面よりも前記第１および第２の移動方向に大きく形成されるようにして構成したものである。

このように構成しているため、対向面に平行な移動と回転とを行わせることができるとともに、大型化する反面、大きな推力や移動ストロークを得ることが可能となる。

さらに、前記溝部３４２ａ３の内部に、隣接するもの同士の極性が互いに逆方向になるようにして各々永久磁石３４２ａ４が挿入されているようにして構成しているため、一次側磁束発生部３０４ａ〜３０４ｂを永久磁石組み込み型のものとして、より小型で大きな推力を発生させることが可能となる。

また、前記第１および第２の二次側磁束発生部３０５ａ〜３０５ｂの歯部３０５ａ１を、各々前記第２または第１の移動方向と平行な方向に形成するとともに、前記第１および第２の一次側磁束発生部３０４ａ〜３０４ｂに設ける極歯３４２ａ２〜３４２ａ２を、各々前記第２または第１の移動方向に対して傾斜させるようにしてスキューを形成するように構成したため、コギングトルクを低減することが可能となるとともに、対向する第１および第２の一次側磁束発生部３０４ａ〜３０４ｂと第１および第２の二次側磁束発生部３０５ａ〜３０５ｂとの相対位置が推力発生方向とは直交する方向にずれた場合でも、それらが有する歯３４２ａ２〜３４２ａ２、３０５ａ１〜３０５ａ１同士の位置関係にはズレが生じないため、直交するそれぞれの移動方向への動作が互いに影響を及ぼし合わない。

さらに、前記ベース３０２に前記第１および第２の二次側磁束発生部３０５ａ〜３０５ｂを設けるとともに、前記ステージ３０３に第１および第２の一次側磁束発生部３０４ａ〜３０４ｂを設けるようにして構成しているため、より小型で軽量な一次側磁束発生部３０４ａ〜３０４ｂを可動側に設けることで、動作および反応速度を増大させることが可能となる。

なお、各部の具体的な構成は、上述した第１〜第４実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、上述した第１〜第４実施形態では、エアベアリング６１（３６１）をステージ３（３０３）の側に設けて、これと対向する台座６２（３６２）をベース２（３０２）の側に設けていたが、これを逆に設けた構成とすることも可能であり、こうすればエア配管を固定側に設けることになるため配管の損傷等による故障が少なくなるとともに、保守作業が容易になる。しかしながら、上述した第１〜第４実施形態のような配置とすることで、ステージ３（３０３）が移動したとしても、常にステージ３（３０３）の中央の位置で浮上力を働かせることができるために、重心位置とのバランスおよび動作安定性の点ではこちらが勝る。

また、上述した第１〜第４実施形態では、各方向に対してステージ３を移動させる目標値を基に、各一次側磁束発生部４ａ〜４ｂ、２０４ｃ〜２０４ｃ、３０４ａ〜３０４ｂをオープン制御するように構成していたが、ステージ３（３０３）とベース２（３０２）との相対位置をセンサによって検出し、その検出値を基にしてフィードバック制御するようにして構成することも可能である。

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…ステージ装置
２…ベース
３…ステージ
４…一次側磁束発生部
４ａ…第１の一次側磁束発生部
４ｂ…第２の一次側磁束発生部
５…二次側磁束発生部
５ａ…第１の二次側磁束発生部
５ｂ…第２の二次側磁束発生部
６１…エアベアリング
６２…台座
１７１…第１の補極
１７２…第２の補極

Claims (11)

1. ベースと、当該ベースと対向するように垂直支持手段を介して設けられたステージとを具備し、前記ベースと前記ステージの相対する対向面に平行に前記ステージが移動可能に構成されたステージ装置であって、
   前記ベースおよび前記ステージの対向面のうちのいずれか一方に、当該対向面と平行な第１の移動方向に沿って複数の第１の一次側磁束発生部が互いに平行に設けられるとともに、前記第１の移動方向と直交し、かつ、前記対向面と平行な第２の移動方向に沿って複数の第２の一次側磁束発生部が互いに平行に設けられており、
   前記ベースおよび前記ステージの対向面のうちの他方に、前記第１の一次側磁束発生部と前記第２の一次側磁束発生部に各々対向するようにして第１の二次側磁束発生部と第２の二次側磁束発生部とが設けられており、
   前記第１および第２の一次側磁束発生部、並びに、前記第１および第２の二次側磁束発生部の各磁極面が前記対向面と略平行に形成され、
   前記第１および第２の一次側磁束発生部が、前記第１および第２の移動方向と直交する軸を中心とした回転方向に並んで異なる磁極を配するようにして永久磁石を設けた磁石ユニットと、当該磁石ユニットの周囲を各々巻回して磁極面に対して垂直方向の磁界を与えるコイルとを備えていることを特徴とするステージ装置。
2. 前記第１および第２の二次側磁束発生部の各々が鉄心からなる突極として構成されており、前記第１および第２の二次側磁束発生部における磁極面が、対向する第１または第２の一次側磁束発生部の磁極面よりも前記第１および第２の移動方向に小さく形成されていることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
3. 給電を行わない非作動時において前記第１および第２の二次側磁束発生部の各磁極面の中心が、当該磁極面と対向する前記磁石ユニットの異なる磁極間に対応する位置になるように構成したことを特徴とする請求項２に記載のステージ装置。
4. 前記ベースおよび前記ステージを磁性材料で構成するとともに、前記ベースおよび前記ステージの各対向面のうちのいずれか一方に、他方に向けて延出する複数の第１の補極が設けられており、当該第１の補極を通じて前記ベースと前記ステージの間で磁束の通過する経路を構成したことを特徴とする請求項２または３に記載のステージ装置。
5. 前記ベースおよび前記ステージの各対向面のうち前記複数の第１の補極を設けたものとは異なるほうに、複数の第２の補極を各々前記第１の補極と対向させつつ近接するように設けたことを特徴とする請求項４に記載のステージ装置。
6. 前記ベースおよび前記ステージの対向面のうちのいずれか一方に、前記第１および第２の移動方向と直交する軸を中心とした回転方向に沿って対称となる位置に、第３の一次側磁束発生部が少なくとも一対設けられており、前記ベースおよび前記ステージの対向面のうちの他方に、前記第３の一次側磁束発生部と対向するようにして第３の二次側磁束発生部が設けられており、前記第３の一次側磁束発生部、および、前記第３の二次側磁束発生部の各磁極面が前記対向面と略平行に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
7. 前記ベースおよび前記ステージの対向面のうちのいずれか一方に、前記第１および第２の移動方向と直交する軸を中心とした回転方向に沿って対称となる位置に、第３の一次側磁束発生部が少なくとも一対設けられており、前記ベースおよび前記ステージの対向面のうちの他方に、前記第３の一次側磁束発生部と対向するようにして第３の二次側磁束発生部が設けられており、前記第３の一次側磁束発生部、および、前記第３の二次側磁束発生部の各磁極面が前記対向面と略平行に形成されているとともに、
   前記第３の一次側磁束発生部が、前記回転方向に沿って異なる磁極を配するようにして永久磁石を設けた磁石ユニットと、当該磁石ユニットの周囲を各々巻回して磁極面に対して垂直方向の磁界を与えるコイルとを備えており、前記第３の二次側磁束発生部の各々が鉄心からなる突極として構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のステージ装置。
8. 前記第１の一次側磁束発生部および二次側磁束発生部と、第２の一次側磁束発生部および二次側磁束発生部と、前記第３の一次側磁束発生部および二次側磁束発生部とを、各々協働して前記第１の移動方向、前記第２の移動方向または前記回転方向の推力を発生させるものとして、前記第１〜第３の一次側磁束発生部を構成する各コイルへの給電を独立して制御するように構成したことを特徴とする請求項７に記載のステージ装置。
9. 前記第１〜第３の一次側磁束発生部として有するもの全てを前記ベース側に設け、前記第１〜第３の二次側磁束発生部として有するもの全てを前記ステージ側に設けたことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のステージ装置。
10. 前記第１および第２の一次側磁束発生部が各々一対ずつ設けられ、矩形状に配置されているとともに、前記第１および第２の二次側磁束発生部が各々一対ずつ設けられ、矩形状に配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のステージ装置。
11. 前記垂直支持手段が、前記ベースまたは前記ステージの対向面のいずれか一方の中央部に設けられたエアベアリングであって、他方の対向面に対してエアを噴出することで、前記ステージを前記ベースに対して浮上させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のステージ装置。

Images