JPH04245407A - 単方向性制御電流による電磁支持 - Google Patents

単方向性制御電流による電磁支持

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JPH04245407A
JPH04245407A JP3240555A JP24055591A JPH04245407A JP H04245407 A JPH04245407 A JP H04245407A JP 3240555 A JP3240555 A JP 3240555A JP 24055591 A JP24055591 A JP 24055591A JP H04245407 A JPH04245407 A JP H04245407A
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control unit
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electromagnet
control
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JP3240555A
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Hendrikus H M Cox
ヘンドリカス・ヘルマン・マリー・コークス
Eijk Jan Van
ヤン・ファン・エイク
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、少なくとも１個の支持方向に物
体を位置決めする装置であって、前記物体が前記支持方
向で見て互いに反対に位置する一対の電磁石の間に支持
されていて、前記対の前記２個の電磁石内の電流が前記
位置センサーによって測定される前記電磁石に対する前
記物体の位置と所望の位置との差の函数として位置セン
サーと電子制御ユニットとによって制御可能である装置
に関する。
【０００２】Ｐｈｉｌｉｐｓ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒ
ｅｖｉｅｗ，　ｖｏｌ．　４１，　ｎｏ．　１１／１２
，　１９８３／８４，　ｐｐ．　３４８−３６１は、シ
ャフトが、五対の電磁石によってシャフトの中心線に関
してのみ回転可能となるように支持されている第一パラ
グラフで述べた種類の装置を開示している。シャフトに
対する電磁石の力は、電磁石を流れる電流値の二乗に実
質上正比例しかつ電磁石とシャフトの間の空気間隙のサ
イズの二乗に実質上反比例する。電磁力と空気間隙のサ
イズとの間にこの様な関係がある結果、電磁石に対する
シャフトの位置は追加の手段を採用しない限り不安定で
ある。既知の装置の場合シャフトを所望の位置に対して
安定に維持するために、電磁石の各対に対するシャフト
の位置を位置センサーにより測定し、かつ測定された位
置と所望の位置との差から決められる制御電流を当該対
の二個の電磁石に流している。そのために制御電流の値
は、比例、微分及び積分動作を有する制御ユニット（Ｐ
ＩＤコントローラ）によって決定される。安定した支持
はＰＩＤコントローラによって制御されている電磁石に
よって得られる。
【０００３】電磁石によるシャフトにかかる力はその電
磁石を流れる電流の方向にかかわらず常に引っ張る力と
なる。シャフトの支持が電磁石によって得られる場合に
は、各対の２個の電磁石の電磁力が異なっていることが
必要である。既知の装置においてはこの目的のために各
対の２個の電磁石には同一の基本電流が流される。２個
の電磁石の一方においては制御電流が基本電流に加えら
れ、他方の電磁石に於いては基本電流から制御電流が減
算されるので、当該電磁石によって発生される力は負荷
力によって間隙サイズが変化する場合に値が異なる。基
本電流の使用は電気抵抗損失がこの基本電流により電磁
石内で発生し、これによって電磁石内に熱が発生するこ
とを意味する。このことは全ての状況において望ましく
ない。
【０００４】本発明の目的は、電磁石を流れる基本電流
を省略して電気抵抗損失を小さくした物体の位置決め装
置を提供することである。
【０００５】この目的に対する本発明が特徴とする点は
、電気スイッチが、前記制御ユニットと前記制御ユニッ
トによって制御される前記２個の電磁石との間に接続さ
れていて、このスイッチが前記制御ユニットからの制御
信号の前記極性に応じて前記電磁石の一方のみに電流を
流す点である。この電気スイッチの使用により、その値
が制御ユニットによって決定される制御電流が対の２個
の電磁石の一方のみに流れ、他方の電磁石には何の電流
も流れないことを可能とする。この結果、制御信号の極
性によりどの電磁石に制御電流が供給されるかが決まり
、その結果支持されかつ位置決めされる物体に力が与え
られる。制御電流が２個の電磁石の一方のみに流れかつ
基本電流が存在しないので、電磁石の電気抵抗損失は低
い。
【０００６】正確に規定された零交叉を有する電気スイ
ッチを備えた本発明の装置の特別な実施例が特徴とする
点は、前記電気スイッチが、前記制御ユニットと前記制
御ユニットにより制御される前記電磁石の各々との間に
前記当該電磁石に固有な電子整流器が接続されていて、
前記２個の整流器が電気的に反対に配置されている回路
である点である。これによりこの装置を正確に作動させ
ることが可能となる。
【０００７】コンパクトで容易に取り替え可能な電気ス
イッチを有する本発明の装置の別の実施例が特徴とする
点は、前記電気スイッチが、論理スイッチ機能を有する
デジタル制御素子である点である。
【０００８】必要とする電気部品の数をかなり減らすこ
との出来る本発明の装置のさらに別の実施例が特徴とす
る点は、前記電気スイッチが、前記２個の電磁石の各々
と前記制御ユニットにより制御される増幅器ユニットと
の間でかつ両方の電磁石に共通に当該電磁石に固有なダ
イオードが接続されていて、前記２個のダイオードが電
気的に反対方向に配置されている回路である点である。
【０００９】
【実施例】本発明を図面に基づいて更に詳細に説明する
。
【００１０】図１〜図５に示された装置は、図１でｘ方
向として示されている方向に平行な水平方向に延在し、
かつその両端の近傍でフレーム３にマウントされている
スチールガイドビーム１を有する直線状のガイドを有し
、テーブル５はガイドビーム１に沿ったｘ方向に変位可
能である。テーブル５に固定されている目的物７は、図
１〜５で詳細に示されていない駆動手段によってｘ方向
に位置決めさせることが出来る。
【００１１】テーブル５には、オランダ国特許出願第８
９０２４７２号により知られている種類の空気力学的に
支持されている丸い脚部９が設けられている。操作中、
脚９は、予め減圧されているそれ自身は知られている型
のスタティックガスベアリングによって、ｘ方向に平行
な水平面に延在しかつｘ方向に垂直な水平ｙ方向に延在
している（図２参照）花崗岩の基体表面１１に支持され
ている。基体表面１１と共に空気力学的に支持された脚
９を使用することによって、テーブル５がベース表面１
１に垂直なｚ方向に移動し又テーブル５がｘ方向又はｙ
方向に延在する回転軸について回転することが防止され
る。
【００１２】ｙ方向に平行なテーブル５の移動及びｚ軸
に平行な回転軸についてのテーブル５の回転は、テーブ
ル５と脚９の間に設けられているベアリングブロック２
１内で互いにある距離で固定されていてかつガイドビー
ム１を囲んでいる二対の電磁石（１３，１５）と（１７
，　１９）の使用により防止される（図１と図２参照）
。図２から明らかなように二個の各対の電磁石（１３，
　１５）と（１７，　１９）は、ｙ方向で見てガイドビ
ームの何れかの側で互いに反対側に位置している。
【００１３】電流が電磁石１３，　１５，　１７，　１
９を流れると、電磁石１３，　１５，　１７，　１９の
各々はスチールガイドビーム１を引っ張る電磁力を生じ
る。この力の大きさは、関係する電磁石１３，　１５，
　１７，　１９を通る電流の値の二乗に実質上正比例し
かつ関係する電磁石１３，　１５，　１７，　１９（図
２参照）とガイドビーム１との間の空気間隙２３のサイ
ズの二乗に実質上反比例する。電磁力と空気間隙２３の
サイズとの間に当該関係がある結果、各対（１３，　１
５）及び（１７，１９）の二個の電磁石の引っ張り力が
等しい平衡状態は、電磁石１３，　１５，　１７，　１
９を流れる電流が一定で非制御電流である場合には不安
定となるであろう。テーブル５がｙ方向に平行に平衡位
置から小さな距離変位した場合には、それらの空気間隙
２３が変位によってより小さくなるような電磁石の引っ
張り力は増大し、変位によってそれらの空気間隙２３が
より広くなるような電磁石の引っ張り力は減少するであ
ろう。変位の方向に力が働く結果、その変位はさらに増
大するであろう。
【００１４】ｙ方向の支持を安定にするために対（１３
，　１５）及び（１７，　１９）の電磁石を流れる電流
は、各々の電子制御回路２５ａと２５ｂによって制御さ
れる（図２参照）。 制御回路２５ａと２５ｂは同一である。二組の電磁石（
１３，　１５）及び（１７，　１９）の各々には当該対
（１３，　１５），　（１７，　１９）の二個の電磁石
の一個に合うそれ自身公知の非接触容量性位置センサー
２９，　３１が設けられている（図２参照）。動作中位
置センサー２９，　３１の各々は、当該位置センサー２
９，　３１が設けられている電磁石１３，　１７とガイ
ドビーム１との間の空気間隙２３のサイズを測定する。 制御回路２５ａ，　２５ｂは、２個の空気間隙２３の測
定されたサイズを所望のサイズと比較しそれらの値が所
望のサイズと測定されたサイズとの差に依存する電磁石
１３，　１５，　１７，　１９を通る制御電流を流す。 この結果、測定されたサイズは、ガイドビーム１に作用
する電磁力により所望のサイズに等しくなる。制御回路
２５ａ，　２５ｂの動作と特性を以下に詳細に説明する
。
【００１５】図４のａは線図的に電子制御回路２５ａ，
　２５ｂの第一実施例を示す。各制御回路２５ａ，　２
５ｂ内の当該位置センサー２９，　３１の電気出力は、
コンパレータ３３として機能するサンメンション回路の
第一電気入力端に接続される。空気間隙２３のサイズに
依存する値となる位置センサー２９，　３１の出力信号
ｕｐｏｓ（電圧信号）は、空気間隙２３の所望のサイズ
に依存するコンパレータ３３の第二電気入力端の入力信
号ｕｓｅｔとコンパレータ３３によって比較される。コ
ンパレータ３３の出力信号ｕｃｏｍはコンパレータ３３
の二個の入力信号の差ｕｓｅｔ−ｕｐｏｓとなる。信号
ｕｃｏｍは電子制御ユニット３５に対する入力信号を形
成する。公知の制御ユニット３５は、比例、積分及び微
分制御機能を有し、信号ｕｃｏｍを制御信号ｕｐｉｄ（
電圧信号）に変換する通常の型で、電磁石１３と１５を
通る電流の値を決めるＰＩＤコントローラとなる。
【００１６】図４のａに示されるように制御ユニット３
５の電気出力端は、制御回路２５の第一ブランチ３７を
介して電磁石１５に接続されていてかつ制御回路２５の
第二ブランチ３９を介して電磁石１３に接続されている
。ブランチ３７は電子整流器４１ａを有し、ブランチ３
９はブランチ３９内の信号ｕｐｉｄの極性を反転させる
インバータ４３と電子整流器４１ｂを有している。両者
とも理想的なダイオードとして機能する整流器４１ａと
４１ｂは、通常の型のものでかつ各々は半波整流機能を
有する演算増幅器回路として構成されている（図４のｂ
参照）。このようなダイオードのしきい値電圧は電圧信
号ｕｐｉｄに対して非常に大きいので、各整流器４１ａ
，　４１ｂの各々の変わりに１個のダイオードを使用す
ることは不可能である。図４のｂの整流器４１ａ，　４
１ｂを使用することにより正確な零交叉を有する理想的
なダイオード機能を得ることが可能となる。更にインバ
ータ４３の使用により整流器４１ａと４１ｂが図４に線
図的に示されるように信号ｕｐｉｄに対し反対に向いて
いることが可能となる。制御回路２５内の整流器４１ａ
，　４１ｂの機能は以下に詳しく説明される。
【００１７】図４のａは又、制御ユニット３５がブラン
チ３７内の整流器４１ａを介して演算増幅器４７が設け
られている従来の型の増幅器ユニット４５に接続されて
いることを示す。増幅器ユニット４５は電磁石１５を通
る制御電流ｉ１に対する電圧信号ｕｐｉｄを増幅する。 更に制御ユニット３５の出力端は、前述の増幅器ユニッ
ト４５のそれと同様な型でかつブランチ３９内の整流器
４１ｂを介して演算増幅器５１が設けられている増幅器
ユニット３９に接続されている。電圧信号ｕｐｉｄは増
幅器ユニット４９によって電磁石１３を流れる制御電流
ｉ２に増幅される。
【００１８】図４のａに示される制御回路２５ａと２５
ｂは、制御電流ｉ１とｉ２のみを電磁石１３，　１５，
　１７，　１９に通過させる。第一パラグラフで記載し
た既知の装置に使用されているような基本電流は、図４
のａに示される装置に於いては使用されない。基本電流
を使用しない制御は、制御回路２５ａ，　２５ｂ内の前
述の整流器４１ａ，　４１ｂとインバータ４３の使用に
より可能となる。図４のａに示されるように制御回路２
５ａ，　２５ｂ内に整流器４１ａ，　４１ｂとインバー
タ４３を含ませることにより、テーブル５に静的負荷が
与えられる場合、空気間隙２３の測定されたサイズが所
望のサイズより大きい時に、電磁石１３には制御電流ｉ
２のみが与えられかつｉ１が０であることが実現される
。そのような負荷に対し空気間隙２３の測定されたサイ
ズが所望の値より小さいときには、電磁石１５には制御
電流ｉ１のみが供給されかつｉ２は０である。このよう
にしてインバータ４３と共に整流器４１ａ，　４１ｂは
、２個の電磁石１３，　１５の一方のみに制御電流を流
す電気スイッチとして機能する。従って信号ｕｐｉｄの
極性により２個の電磁石１３，　１５のどちらに制御電
流が供給されるかが決まり、かつその結果ガイドビーム
１に力が与えられるので、電磁石１３，　１５が生じる
力の間に常に差を得ることが出来る。
【００１９】電磁石１３，　１５を流れる基本電流が存
在せず且つ電磁石１３，　１５の一方のみが制御電流を
受け取るので、電磁石１３，　１５の電気抵抗損失は低
くなる。テーブル５に負荷が与えられない状態の抵抗損
失は無視できるほどに低くなる。
【００２０】図５は制御回路２５ａ，　２５ｂの第二実
施例を線図的に示す。この実施例の場合、論理スイッチ
機能を有するデジタル制御ユニット５３が、図４のａの
実施例で使用されている整流器４１ａ，　４１ｂ及びイ
ンバータ４３の代わりに使用されている。この実施例に
よると、制御回路２５ａ，　２５ｂ内の部品の数を減ら
すことが出来ることに加え素子を簡単にかつ手早く交換
することも可能となる。
【００２１】図６は制御回路２５ａ，　２５ｂの第三実
施例を線図的に示す。この実施例においては両方の電磁
石１３，　１５に共通な１個の増幅器ユニット５５のみ
が使用されている。増幅器ユニット５５は、図４のａと
図５の実施例に使用される増幅器ユニット４５，　４９
と同様の型であってかつそれには演算増幅器５７が設け
られている。ダイオード５９と６１は各々ブランチ３７
と３９内に含まれている。ダイオード５９，　６１は電
気的に制御電流ｉに対して反対に向いているので、制御
電流は制御電流の方向に応じて電磁石１３，　１５の一
方のみに流れる。増幅器ユニット５５の出力電圧が、ダ
イオード５９，６１のしきい値電圧に大きく比例するの
で、この実施例に於いてはダイオード５９，６１を使用
することが可能となる。
【００２２】前述した装置は、集積回路の製造に使用さ
れるマスクの製造に於ける光学リソグラフィック位置決
めの応用に特に適していることに注意すべきである。電
磁石内の発生熱の結果、このような位置決め装置と電磁
石支持を有する他の精密マシーンとに於いて寸法の不正
確さが発生する。この様な不正確さは図４のａ、５又は
６の装置を使用する事によって除去することが出来る。
【００２３】制御ユニット３５とディジタルユニット５
３の機能が結合されているディジタル制御ユニットを、
図５に示される実施例の制御ユニット３５とスイッチ５
３の代わりに使用することも可能である。
【００２４】電磁力と電流との間には四乗の関係がある
ので、この装置はテーブル５に負荷がかけられていない
場合剛性が０になる点に注意されたい。これにより負荷
が無い状態でテーブル５は小さな距離（数ミクロン／１
０）振動するかも知れない。しかしながら、多くの応用
の場合、この振動の大きさと周波数は設計段階で決定す
ることが出来るので、この振動は問題にはならない。
【００２５】最後に、テーブル５の自由度の２個の程度
、つまりｙ方向に平行な移動とｚ軸に平行に伸びる軸に
ついての回転とは、図１〜６の装置内の電磁石（１３，
　１５）と（１７，　１９）の二個の対によって制限出
来ることに注意すべきである。より多くの対の電磁石を
このような装置で使用する場合には支持されるべき物体
の自由度の２個以上の程度を更に制限することも可能で
ある。図１〜６の装置の場合、電磁石１３，　１５ガイ
ドビーム１のどちらかの側に互いに向き合うように配置
されている。一対の電磁石を、別の態様で、つまり互い
に反対に向くようにＵ型の側に配置させても良い。後者
の場合対１３，　１５は、ガイドビームの平行な第一及
び第二部分の間に位置している。
【図面の簡単な説明】
【図１】　　本発明の第一、第二及び第三実施例の共通
部分の側面図を示す。
【図２】　　図１の共通部分の平面図を示す。
【図３】　　図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩについての共通部
分の断面図を示す。
【図４】　　ａは第一電子制御回路を有する本発明の装
置の第一実施例を線図的に示し、ｂはａの実施例で使用
される型の電子整流器を線図的に示す。
【図５】　　第二電子制御回路を有する本発明の装置の
第二実施例を線図的に示す。
【図６】　　第三電子制御回路を有する本発明の装置の
第三実施例を線図的に示す。
【符号の説明】
１：ガイドビーム　　　　　　　　　　　　　　　　　
３：フレーム５：テーブル　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　７：目的物９：脚　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　１１：基体表面１
３，　１５，　１７，　１９：電磁石　　　　　　　　
　　２３：空気間隙２５ａ，　２５ｂ：電子制御回路　
　　　　　　　　　２９，　３１：位置センサー

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　少なくとも１個の支持方向に物体を位
    置決めする装置であって、前記物体が前記支持方向で見
    て互いに反対に位置する一対の電磁石の間に支持されて
    いて、前記対の前記２個の電磁石内の電流が位置センサ
    ーによって測定される前記電磁石に対する前記物体の位
    置と所望の位置との差の函数として位置センサーと電子
    制御ユニットとによって制御可能である装置において、
    電気スイッチが、前記制御ユニットと前記制御ユニット
    によって制御される前記２個の電磁石と前記制御ユニッ
    トとの間に接続されていて、このスイッチが前記制御ユ
    ニットからの制御信号の前記極性に応じて前記電磁石の
    一方のみに電流を流すことを特徴とする物体の位置決め
    装置。
  2. 【請求項２】　　前記電気スイッチが、前記制御ユニッ
    トと前記制御ユニットにより制御される前記電磁石の各
    々との間に前記当該電磁石に固有な電子整流器が接続さ
    れていて、前記２個の整流器が電気的に反対に配置され
    ている回路であることを特徴とする請求項１に記載の装
    置。
  3. 【請求項３】　　前記電気スイッチが、論理スイッチ機
    能を有するデジタル制御素子であることを特徴とする請
    求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】　　前記電気スイッチが、前記２個の電磁
    石の各々と前記制御ユニットにより制御される増幅器ユ
    ニットとの間でかつ両方の電磁石に共通に当該電磁石に
    固有なダイオードが接続されていて、前記２個のダイオ
    ードが電気的に反対方向に配置されている回路であるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の装置。
JP3240555A 1990-08-30 1991-08-27 単方向性制御電流による電磁支持 Withdrawn JPH04245407A (ja)

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