TW201330485A - 位移器件及其構製、使用及控制方法 - Google Patents

位移器件及其構製、使用及控制方法 Download PDF

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Abstract

位移器件包括一定子及一可移動台。該定子包括複數個線圈，該複數個線圈被定形成在一或複數個層中提供複數個大致線性伸長的線圈跡線。線圈層可在Z方向上重疊。該可移動台包括複數個磁體陣列。各磁體陣列可包括在對應方向上大致線性伸長的複數個磁化區段。各磁化區段具有與磁化區段在其中伸長之方向大致正交的磁化方向，且該等磁化方向之至少兩者彼此不同。可連接一或複數個放大器以選擇性驅動線圈跡線中之電流且從而實現該定子與該可移動台之間之相對移動。

Description

位移器件及其構製、使用及控制方法 相關申請案
本申請案主張2011年10月27日申請之美國申請案第61/551953號及2012年8月30日申請之美國申請案第61/694776號之優先權的權益。此等優先權申請案之二者在此以引用之方式併入本文。
發明領域
本發明係關於位移器件。特定非限制實施例提供用於半導體製造工業中使用的位移器件。
發明背景
運動台(XY台及旋轉台)在各種製造、檢查及組裝製程中廣為使用。當前使用之共同解決方案藉由經由連接軸承將兩個線性台(即，X台及Y台)堆疊在一起而實現XY移動。
更為希望的解決方案涉及具有能夠作XY運動的單移動台，此消除額外軸承。亦可能希望此一移動台可提供至少一些Z運動。已嘗試使用帶電線圈與永磁體之間之相互作用來設計此類位移器件。此方面之努力之實例包含以下：美國專利第6,003,230號；美國專利第6,097,114號；美國專 利第6,208,045號；美國專利第6,441,514號；美國專利第6,847,134號；美國專利第6,987,335號；美國專利第7,436,135號；美國專利第7,948,122號；美國專利公開案第2008/0203828號；W.J.Kim及D.L.Trumper,High-precision magnetic levitation stage for photolithography.Precision Eng.22 2(1998),pp.66-77；D.L.Trumper等人之“Magnet arrays for synchronous machines”，IEEE Industry Applications Society Annual Meeting,vol.1,pp.9-18,1993；以及J.W.Jansen、C.M.M.van Lierop、E.A.Lomonova、A.J.A.Vandenput的“Magnetically Levitated Planar Actuator with Moving Magnets”，IEEE Tran.Ind.App.,Vol 44,No 4,2008。
通常希望提供具有在先前技術中已知之特徵上有所改進之特徵的位移器件。
相關技術之前述實例及與其相關之限制旨在說明性且非排外的。在閱讀本說明書且研習圖式之後，相關技術之其他限制對此項技術者而言將變得顯而易見。
發明概要
結合意為示例性且說明性而非對範圍有所限制之系統、工具及方法描述且說明本發明之以下實施例及態樣。在各個實施例中，得以減少或消除一或多個上述問題，同時其他實施例係關於其他改良。
本發明之一態樣提供包括一定子及一可移動台之位移器件。該定子包括被定形成提供其中線圈之跡線大致線性 定向之一工作區之複數個伸長線圈，該複數個伸長線圈包括：第一複數個線圈跡線，其分佈在一對應第一定子Z位置處之一第一層上，該第一複數個線圈跡線在該第一層中之一第一定子方向上大致線性伸長；及第二複數個線圈跡線，其分佈在一對應第二定子Z位置處之一第二層上，該第二複數個線圈跡線在該第二層中之一第二定子方向上大致線性伸長，該第二定子方向與該第一定子方向不平行；該第一層及該第二層在該工作區中之一定子Z方向上彼此重疊，該定子Z方向與該第一定子方向及該第二定子方向大致正交。該可移動台包括複數個磁體陣列，該複數個磁體陣列包括：一第一磁體陣列，其包括在一第一台方向上大致線性伸長之複數個第一磁化區段，各第一磁化區段具有與該第一台方向大致正交之一磁化方向且該等第一磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；及一第二磁體陣列，其包括在不平行於該第一台方向之一第二台方向上大致線性伸長之複數個第二磁化區段，各第二磁化區段具有與該第二台方向大致正交之一磁化方向且該等第二磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向。該器件亦包括一或多個放大器，其經連接以驅動該第一複數個線圈跡線及該第二複數個線圈跡線中之電流且從而實現該定子與該可移動台之間之相對移動。
本發明之另一態樣提供一種用於在一定子與一可移動台之間實現位移之方法。該方法包括提供一定子，該定子包括被定形成提供其中線圈之跡線大致線性定向之一工作 區之複數個伸長線圈，該複數個伸長線圈包括：第一複數個線圈跡線，其分佈在一對應第一定子Z位置處之一第一層上，該第一複數個線圈跡線在該第一層中之一定子X方向上大致線性伸長；及第二複數個線圈跡線，其分佈在一對應第二定子Z位置處之一第二層上，該第二複數個線圈跡線在該第二層中之一定子Y方向上大致線性伸長，該定子Y方向大致正交於該定子Y方向；該第一層及該第二層在該工作區中之一定子Z方向上彼此重疊，該定子Z方向與該定子X方向及該定子Y方向大致正交。該方法亦包括提供包括複數個磁體陣列之一可移動台，該複數個磁體陣列包括：一第一磁體陣列，其包括在一台X方向上大致線性伸長之複數個第一磁化區段，各第一磁化區段具有與該台X方向大致正交之一磁化方向且該等第一磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；及一第二磁體陣列，其包括在大致正交於該台X方向之一台Y方向上大致線性伸長之複數個第二磁化區段，各第二磁化區段具有與該台Y方向大致正交之一磁化方向且該等第二磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向。該方法亦包括選擇性驅動該第一複數個線圈跡線及該第二複數個線圈跡線中之電流以從而實現該定子與該可移動台之間之相對移動。
本發明之另一態樣提供一種包括一定子及一可移動台之位移器件。該定子包括被定形成提供其中線圈之跡線大致線性定向之一工作區之複數個伸長線圈，該複數個伸長線圈包括：第一複數個線圈跡線，其分佈在一對應第一定 子Z位置處之一第一層上，該第一複數個線圈跡線在該第一層中之一定子X方向上大致線性伸長；及第二複數個線圈跡線，其分佈在一對應第二定子Z位置處之一第二層上，該第二複數個線圈跡線在該第二層中之一定子Y方向上大致線性伸長；該第一層及該第二層在該工作區中之一定子Z方向上彼此重疊，該定子X方向、該定子Y方向及該定子Z方向大致彼此互相正交。該可移動台包括複數個磁體陣列，該複數個磁體陣列包括：一第一磁體陣列，其包括在一台X方向上大致線性伸長之複數個第一磁化區段，各第一磁化區段具有與該台X方向大致正交之一磁化方向且該等第一磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；一第二磁體陣列，其包括在大致正交於該台X方向之一台Y方向上大致線性伸長之複數個第二磁化區段，各第二磁化區段具有與該台Y方向大致正交之一磁化方向且該等第二磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；一第三磁體陣列，其包括在該台X方向上大致線性伸長之複數個第三磁化區段，各第三磁化區段具有與該台X方向大致正交之一磁化方向且該等第三磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；及一第四磁體陣列，其包括在該台Y方向上大致線性伸長之複數個第四磁化區段，各第四磁化區段具有與該台Y方向大致正交之一磁化方向且該等第四磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向。該器件亦包括一或多個放大器，其經連接以驅動該第一複數個線圈跡線及該第二複數個線圈跡線中之電流且以從而實現該定子與該可移動台之 間之相對移動。
本發明之另一態樣提供一種包括一定子及一可移動台之位移器件。該定子包括被定形成提供其中線圈之跡線大致線性定向之一工作區之複數個伸長線圈，該複數個伸長線圈包括：第一複數個線圈跡線，其分佈在一對應第一定子Z位置處之一第一層上，該第一複數個線圈跡線在該第一層中之一第一定子方向上大致線性伸長；第二複數個線圈跡線，其分佈在一對應第二定子Z位置處之一第二層上，該第二複數個線圈跡線在該第二層中之一第二定子方向上大致線性伸長；及第三複數個線圈跡線，其分佈在一對應第三定子Z位置處之一第三層上，該第三複數個線圈跡線在該第三層中之一第三定子方向上大致線性伸長，該第一定子方向、該第二定子方向及該第三定子方向彼此不平行；該第一層、該第二層及該第三層在該工作區中之一定子Z方向上彼此重疊，該定子Z方向與該第一定子方向、該第二定子方向及該第三定子方向大致正交。該可移動台包括複數個磁體陣列，該複數個磁體陣列包括：一第一磁體陣列，其包括在一第一台方向上大致線性伸長之複數個第一磁化區段，各第一磁化區段具有與該第一台方向大致正交之一磁化方向且該等第一磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；一第二磁體陣列，其包括在一第二台方向上大致線性伸長之複數個第二磁化區段，各第二磁化區段具有與該第二台方向大致正交之一磁化方向且該等第二磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；及一第三磁體陣 列，其包括在一第三台方向上大致線性伸長之複數個第三磁化區段，各第三磁化區段具有與該第三台方向大致正交之一磁化方向且該等第三磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；該第一台方向、該第二台方向及該第三台方向彼此不平行。該器件亦包括一或多個放大器，其經連接以驅動該第一複數個線圈跡線、該第二複數個線圈跡線及該第三複數個線圈跡線中之電流且從而實現該定子與該可移動台之間之相對移動。
本發明之另一態樣提供一種包括一定子及一可移動台之位移器件。該定子包括被定形成提供其中線圈之跡線大致線性定向之一環形工作區之複數個伸長線圈，該複數個伸長線圈包括：第一複數個線圈跡線，其分佈在一對應第一定子Z位置處之一第一層之一第一環形線圈區上，該第一複數個線圈跡線在第一環形線圈區中之徑向定子方向上大致線性伸長。該可移動台包括複數個磁體陣列，該複數個磁體陣列包括：一第一磁體陣列，其分佈在一環形磁體區之至少一第一部分上且包括在該環形磁體區中之台徑向方向上大致線性伸長之複數個第一磁化區段，各第一磁化區段具有與其對應台徑向方向大致正交之一磁化方向，且該等第一磁化區段之各者具有不同於其相鄰第一磁化區段之磁化方向的一磁化方向。該器件亦包括一或多個放大器，其經連接以驅動該複數個線圈跡線中之電流且從而實現該定子與該可移動台之間之相對移動。
本發明之另一態樣提供一種位移器件，其包括：一定 子及一可移動台。該定子包括被定形成提供其中線圈之跡線大致線性定向之一工作區之複數個伸長線圈，該複數個伸長線圈包括：第一複數個線圈跡線，其分佈於一對應第一定子Z位置處之一第一層上，該第一複數個線圈跡線在該第一層中之一第一定子方向上大致線性伸長；及第二複數個線圈跡線，其分佈在一對應第二定子Z位置處之一第二層上，該第二複數個線圈跡線在該第二層中之一定子Z方向上大致線性伸長；該第一層及該第二層在該工作區中之一定子Z方向上彼此重疊，該定子Z方向與該第一定子方向大致正交；該第一層中之該第一複數個線圈跡線之各者在與該第一定子方向及該定子Z方向二者正交之一第二定子方向上與該第二層中之該第二複數個線圈跡線之一對應者偏移。該可移動台包括複數個磁體陣列，各磁體陣列包括複數個磁化區段，該複數個磁化區段大致線性伸長且具有大致正交於在其中其等線性伸長之方向的磁化方向。該器件亦包括一或多個放大器，其經連接以驅動該第一複數個線圈跡線及該第二複數個線圈跡線中之電流且以從而實現該定子與該可移動台之間之相對移動。
本發明之另一態樣提供一種位移器件，其包括：一定子及一可移動台。該定子包括被定形成提供其中線圈之跡線大致線性定向之一工作區之複數個伸長線圈，該複數個伸長線圈包括：第一複數個線圈跡線，其分佈在一對應第一定子Z位置處之一第一層上，該第一複數個線圈跡線在該第一層中之一第一定子方向上大致線性伸長；及第二複數 個線圈跡線，其分佈在一對應第二定子Z位置處之一第二層上，該第二複數個線圈跡線在該第二層中之一第二定子方向上大致線性伸長，該第二定子方向與該第一定子方向不平行。該可移動台包括至少一個磁體陣列，該磁體陣列包括在一第一台方向上大致線性伸長之複數個磁化區段，各磁化區段具有與該第一台方向大致正交且不同於其相鄰磁化區段之磁化方向之一磁化方向，該複數個磁化區段之磁化方向在正交於該第一台方向之一第二台方向上之磁體陣列之一寬度Wm1上展現一第一空間磁週期λ1，其中該複數個磁化區段包括在該第一磁體陣列之邊緣處之一對第一邊緣磁化區段，以及在遠離該第一磁體陣列之該等邊緣之位置處之一或多個第一內部磁化區段，且其中該等邊緣磁化區段具有在該第二台方向上等於該等內部磁體區段在該第二台方向上之寬度之一半的寬度。
本發明之另一態樣提供一種包括一定子及一可移動台之位移器件。該定子包括被定形成提供其中線圈之跡線大致線性定向之一工作區之複數個伸長線圈，該複數個伸長線圈包括：第一複數個線圈跡線，其分佈在一對應第一定子Z位置處之一第一層上，該第一複數個線圈跡線在該第一層中之一第一定子方向上大致線性伸長；及第二複數個線圈跡線，其分佈在一對應第二定子Z位置處之一第二層上，該第二複數個線圈跡線在該第二層中之一第二定子方向上大致線性伸長，該第二定子方向與該第一定子方向不平行。該可移動台包括至少一個磁體陣列，該磁體陣列包括： 在一第一台方向上大致線性伸長之複數個磁化區段，各磁化區段具有與該第一台方向大致正交之一磁化方向且該等第一磁化區段之至少兩者具有彼此不同之磁化方向；以及一非磁體間隔件，其在正交於該第一台方向之一第二台方向上具有一寬度g1且位於該磁體陣列在該第二台方向上之一寬度Wm1之一中心，其中該間隔件將該磁體陣列分成一對側，各側在其在該第二台方向上之寬度W側1上展現一空間磁體週期λ1。
本發明之另一態樣提供一種包括一定子及一可移動台之位移器件。該定子包括被定形成提供線圈之跡線大致線性定向之一工作區之複數個伸長線圈，該複數個伸長線圈包括：第一複數個線圈跡線，其分佈在一對應第一定子Z位置處之一第一層上，該第一複數個線圈跡線在該第一層中之一第一定子方向上大致線性伸長；及第二複數個線圈跡線，其分佈在一對應第二定子Z位置處之一第二層上，該第二複數個線圈跡線在該第二層中之一第二定子方向上大致線性伸長，該第二定子方向與該第一定子方向不平行。該可移動台包括至少一個磁體陣列，該磁體陣列包括：在一第一台方向上大致線性伸長之複數個磁化區段，各磁化區段具有與該第一台方向大致正交之一磁化方向且該等第一磁化區段之至少兩者具有彼此不同之磁化方向；以及在該第一台方向上於其長度Lm1上之複數個子陣列，各第一子陣列在正交於該第一台方向之一第二台方向上偏移其相鄰子陣列。
除了上述示例性態樣及實施例之外，藉由參考圖式且研習以下詳細描述，其他態樣及實施例將變得顯而易見。
2-8、134‧‧‧群組
100‧‧‧位移器件
110、110A、110B、110C、110D‧‧‧可移動台
112、802C、512、512’‧‧‧磁體陣列
112A、112B、112C‧‧‧子陣列
112A、112B、112C、112D‧‧‧永磁體
112A、112C、112E、112G、1121、112K、112M、1120‧‧‧X磁體陣列
112B、112D、112F、112H、112J、112L、112N、112P、112A1、112A2、112A3、112B1、112B2、112B3、112C1、112C2、112C3、112D1、112D2、112D3‧‧‧Y磁體陣列
112a1、112a2‧‧‧第一組對準陣列
112b1、112b2‧‧‧第二組對準陣列
112c1、112c2‧‧‧第三組對準陣列
112d1、112d2‧‧‧第四組對準陣列
114、114A、114B、114C、114D、514、614、614A、614B、614C、614A’、614B’、614C’、714A、714B‧‧‧磁化區段
120‧‧‧定子、定子台
120A、120B‧‧‧定子
122‧‧‧線圈
124‧‧‧工作區
126、126’、126X、126Y、126C1、126C2、132、132A、132B、132C、132D、526、626、626A、 626B、626C、626A’、626B’、626C’、726、726A、726B‧‧‧線圈跡線
126X‧‧‧X定向線圈跡線
126Y‧‧‧Y定向跡線
128、128A、128B、128C、128D、128E、128F、128G、128H、528A、528B‧‧‧層
130‧‧‧電絕緣層
136‧‧‧間隔件
202‧‧‧計量框架
204‧‧‧定子框架
206‧‧‧振動隔離機構
222‧‧‧磁頭
224‧‧‧感測器目標
226‧‧‧移動台結構
230‧‧‧空間
240‧‧‧定子框架
242、242A‧‧‧標記
300‧‧‧控制系統
302‧‧‧變換區塊
306‧‧‧前饋運動控制器
308‧‧‧反饋運動控制器
310‧‧‧致動器力座標變換區塊
312‧‧‧區塊
400、420‧‧‧方法
500‧‧‧位移器件
510、510’‧‧‧可移動台(定子)
519‧‧‧感測器目標
520、520’‧‧‧定子
521‧‧‧感測器磁頭
523‧‧‧電容式感測器
600、700‧‧‧位移器件
612、612A、612B、612C、712、712A、712B、802A、802A、802B、1B-1B、1C-1C‧‧‧線
B、C、D、F、G、H‧‧‧內部區段
Wmx‧‧‧維度寬度
Lm‧‧‧Y維度長度
XZ‧‧‧磁化繞中心
Oc‧‧‧XY平面中達量
Oc‧‧‧斜交量
OL‧‧‧偏移角度
Om‧‧‧偏移距離
A1’‧‧‧跡線
A1‧‧‧電流與跡線
Lm‧‧‧尺寸
Wm‧‧‧尺寸
Isr‧‧‧線圈跡線參考電流
Ia‧‧‧有效線圈電流
λ‧‧‧空間磁化週期
τc‧‧‧Y方向空間週期
τc1、τc2‧‧‧空間週期
Wc1‧‧‧第一線圈寬度
Wc1‧‧‧第一線圈寬度
Pc1‧‧‧線圈間距
Pc1‧‧‧線圈間距
Wm1‧‧‧第一寬度
Wm2‧‧‧第二寬度
在圖式之參考圖中說明示例性實施例。期望本文所揭示之實施例及圖式被視為說明性而非限制性。
圖1A係根據本發明之特定實施例之位移器件的部分示意等距圖。
圖1B係圖1A位移器件沿線1B-1B的部分的示意橫截面圖。
圖1C係圖1A位移器件沿線1C-1C的部分示意橫截面圖。
圖1D展示根據特定實施例之圖1A位移器件之Y磁體陣列之一者的額外細節。
圖1E展示根據特定實施例之圖1A位移器件之X磁體陣列之一者的額外細節。
圖2係可用於圖1位移器件中且可用於展示若干線圈參數之單層線圈跡線的示意性部分橫截面圖。
圖3A至圖3F係具有可用於圖1位移器件之不同佈局之單層線圈跡線的示意性部分橫截面圖。
圖4A及圖4B係具有可用於圖1位移器件之不同佈局之多層線圈跡線的示意性部分橫截面圖。
圖5係展示可用於圖1位移器件之一群組連接方案之單層線圈跡線的示意性部分圖。
圖6A及圖6B係可用於圖1位移器件中且可用於展示若 干磁體陣列參數之磁體陣列之佈局的示意性部分橫截面圖。
圖7A至圖7L展示適於與根據特定實施例之圖1位移器件搭配使用之磁體陣列的額外細節。
圖8A至圖8L展示適於與根據特定實施例之圖1位移器件搭配使用之磁體陣列的額外細節。
圖9A及圖9B係與圖1位移器件搭配使用且展示其對應磁化區段之磁化方向之根據特定實施例之並聯鄰近之磁體陣列對的示意性橫截面圖。
圖10A至圖10D係根據其他實施例之可用於圖1位移器件的磁體陣列之佈局的示意性橫截面圖。
圖11A至圖11C係用於展示理論場折疊原理之磁體陣列及線圈跡線的示意性橫截面圖。
圖11D係展示可在圖1位移器件中使用之線圈跡線及單個磁體陣列之一層以及實際上可如何使用圖11A至11C之場折疊原理的示意橫截面圖。
圖12係展示可用於描述電流換向判定之線圈跡線及單個Y磁體陣列之一層的示意橫截面圖。
圖13A及圖13B示意性描繪可用於判定具有非磁間隔件之磁體陣列之適當電流的假定磁體陣列組態。
圖14A示意性繪示適用於圖1位移器件用於分開量測可移動台及定子相對於計量框架之位置之感測系統的一實施例。圖14B及圖14C示意性繪示用於量測圖1位移器件之感測器系統之其他實施例。
圖15展示適於在控制圖1位移器件中使用的控制系統之示意方塊圖。
圖16A至16D示意性描繪根據本發明之一實施例之用於在多個定子之間互換可移動台的方法。
圖17A示意性描繪根據本發明之另一實施例之用於在多個定子之間互換可移動台的方法。圖17B示意性描繪如何以一定子上之6個運動自由度控制兩個可移動台。
圖18示意性繪示用於將複數個可移動台移動通過複數個不同台的裝置。
圖19A係根據本發明之實施例之旋轉位移器件之水平橫截面圖。圖19B及圖19C分別描繪圖19A位移器件之可移動台(定子)之仰視橫截面圖及圖19A位移器件之定子之俯視圖。
圖19D係根據另一實施例之可與圖19A位移器件一起使用的可移動台(定子)之仰視橫截面圖。
圖19E係根據另一實施例之可與圖19A位移器件一起使用的定子之俯視圖。
圖20A至圖20C示意性描繪根據其他實施例之具有不同相對定向之線圈跡線及磁體陣列之位移器件。
圖21A至圖21C示意性描繪在特定磁空間週期內具有不同數目之磁化方向之磁體陣列的橫截面圖。
圖22A展示根據另一實施例之可在圖1位移器件中使用的線圈跡線佈局。圖22B繪示可用於圖1位移器件之Y定向之線圈跡線的一對鄰近層。
圖23A至圖23F展示若干Y定向之線圈跡線，其(雖然在Y方向上大致線性伸長)展現在其各自Y維度上之X方向上延伸之週期空間變動且可用於圖1位移器件。
圖24A及圖24B展示一對Y定向之線圈跡線，其具有可疊加以提供圖24C之Y定向之線圈跡線之週期變動。
圖25A至圖25D展示具有可用於圖1位移器件之偏移或移位子陣列之磁體陣列的各個實施例。
圖26A、圖26B及圖26C展示若干Y磁體陣列，其展現在其各自Y維度上之X方向上延伸之週期空間變動且可用於圖1位移器件。
圖27A及圖27B分別描繪若干線圈跡線之俯視圖及線圈跡線之橫截面圖，該線圈跡線包括根據特定實施例且可用於圖1位移器件之多個子跡線。
圖28A及圖28B展示根據另一實施例之可與圖1位移器件一起使用之圓形橫截面線圈跡線之各個圖。圖28C及圖28D展示線圈跡線可如何包括具有圓形橫截面之多個子跡線之實施例。
較佳實施例之詳細說明
在以下描述各處提出特定細節以為此项技术者提供更為透徹之理解。然而，可能並未詳細展示或描述熟知元件以免不必要地模糊本公開內容。因此，應以說明性而非限制性意義看待本描述及圖式。
提供包括定子及可移動台之位移器件。該定子包括複 數個線圈，該複數個線圈被定形成在一或複數個層中提供複數個大致線性伸長的線圈跡線。線圈層可在Z方向上重疊。該可移動台包括複數個磁體陣列。各磁體陣列可包括在對應方向上大致線性伸長的複數個磁化區段。各磁化區段具有與磁化區段在其中伸長之方向大致正交的磁化方向，且該等磁化方向之至少兩者彼此不同。可連接一或複數個放大器以選擇性驅動線圈跡線中之電流且從而實現該定子與該可移動台之間之相對移動。
特定實施例
圖1A係根據本發明之特定實施例之位移器件100的部份示意等距圖。圖1B及圖1C係位移器件100分別沿線1B-1B及線1C-1C的部分示意橫截面圖。位移器件100包括可移動台110及定子台120。可移動台110包括複數個(在繪示實施例中例如：4個)永磁體112A、112B、112C、112D之陣列(統稱為磁體陣列112)。定子台120包括複數個線圈122。如下文更詳細闡述，線圈122之各者沿特定維度伸長，使得在定子120之工作區124(即移動台110可在其上移動之定子120之區)中，線圈122有效地提供線性伸長之線圈跡線126。如下文更詳細闡述，線圈跡線126之各者包括線圈跡線126沿其線性伸長的對應軸。為了清楚起見，僅定子120之工作區124之部分係展示於圖1A至圖1C之圖中。應明白，在圖1A至圖1C之部分圖之外側，線圈122具有並未線性伸長的環。線圈122之環位於定子120之工作區域124的足夠遠處，此等環並不影響裝置100之操作。
在所繪示之實施例中(如圖1C中最佳可見)，定子120包括複數個(例如，在所繪示之實施例中為4個)層128A、128B、128C、128D(統稱為層128)之線圈跡線126，其中每對線圈跡線層128藉由電絕緣層130彼此分離。應明白，定子120中之層128之數目可因特定實施而變化且所繪示之實施例所展示之層128之數目是便於解釋之目的。在所繪示之實施例中，各層128包括沿彼此平行之軸線性伸長的線圈跡線126。在所繪示實施例之情況中，層128A、128C包括在平行於Y軸之方向上大致線性伸長之線圈跡線126Y，且層128B、128D包括大致線性定向於平行於X軸之方向上之線圈跡線126X。沿Y軸大致線性定向之線圈跡線126Y在本文中可稱為「Y線圈」或「Y跡線」，且如下文更詳細闡述，可用於在X方向及Z方向上移動可移動台110。類似地，通常沿X軸線性定向之線圈跡線126X在本文中可稱為「X線圈」或「X跡線」，且如下文更詳細闡述，可用於在Y方向及Z方向上移動可移動台110。
在所繪示實施例(如圖1B中最佳展示)，可移動台110包括四個磁體陣列112。在一些實施例中，可移動台110可包括四個以上磁體陣列112。各磁體陣列112A、112B、112C、112D包括具有不同磁化方向之複數個對應的磁化區段114A、114B、114C、114D(統稱為磁化區段114)。在所繪示實施例中，各磁化區段114通常沿對應軸維度伸長。所繪示實施例之磁化區段114之伸長形狀係最佳展示在圖1B中。在繪示實施例中之情況中可見，磁體陣列112A之磁化區段 114A及磁體陣列112C之磁化區段114C通常在平行於X軸之方向上伸長，且磁體陣列112B之磁化區段114B及磁體陣列112D之磁化區段114D通常在平行於Y軸之方向上伸長。由於其各自磁化區段114之伸長之方向：磁體陣列112A、112C在本文可稱為「X磁體陣列」112A、112C且其對應磁化區段114A、114C本文可稱為「X磁化區段」；並且磁體陣列112B、112D本文可稱為「Y磁體陣列」112B、112D且其對應磁化區段114B、114D在本文可稱為「Y磁化區段」。
圖1C根據特定非限制性實例示意性地展示Y磁體陣列112B之各種磁化區段114B的定向。更特定言之，圖1C之Y磁體陣列112B中示意性繪示之箭頭展示各個磁化區段114B之磁化方向。此外，在各磁化區段114B內，陰影區表示磁體之北極且白區表示該等磁體之南極。
圖1D更詳細展示Y磁體陣列112B之橫截面圖。可見Y磁體陣列112B沿X軸分成若干磁化區段114B且各個區段114B之磁化方向定向在與Y軸正交之方向上-即，磁化區段114B之磁化方向與磁化區段114B沿其伸長之Y軸方向正交。從圖1D中亦可觀察到磁化區段114B之磁化方向具有沿X軸具有週期(或波長)λ的空間週期性。磁體陣列112之磁化區段114之磁化方向之此空間週期性λ本文可稱為磁週期λ、磁空間週期λ、磁波長λ或磁空間波長λ。
在所繪示之圖1D實施例中，Y磁體陣列112B具有2λ之總X軸寬度-即，兩個週期的磁週期λ。此為非必需的。在一些實施例中，Y磁體陣列112B具有由Wm=Nmλ給定之總X軸 寬度Wm，其中Nm為正整數。
在所繪示之圖1D實施例之情況中，磁化區段114B包括四個不同的磁化方向：+Z、-Z、+X、-X，其等一起提供磁空間週期λ。此係非必需的。在一些實施例中，磁化區段114B可包括少至兩個磁化方向以提供磁空間週期λ，並且在一些實施例中，磁化區段114B可包括四個以上的磁化方向以提供磁空間週期λ。組成完整空間磁週期λ之磁體陣列112之不同磁化方向之數目在本文可稱為Nt。不管磁化區段114B之磁化方向之數目Nt，各區段114B之磁化方向被定向成大致正交於Y軸。在所繪示之實施例中，圖1D亦展示磁化區段114B之X軸寬度為：λ/(2Nt)或λ/Nt。在圖1D實施例之情況中，其中磁化方向之數目Nt為Nt=4，磁化區段114B之X軸寬度為λ/8(如標注為A、I之邊緣區段之情況)或λ/4(如標注為B、C、D、E、F、G、H之情況)。
在所繪示之圖1D實施例之情況中亦可觀察到磁化區段114B之磁化繞中心YZ平面118(即，在Y軸方向及Z軸方向上延伸且在其X軸維度之中心與磁體陣列112B相交之平面)鏡面對稱。儘管未明確在圖1D中展示，在一些實施例中，磁體陣列112B在其X軸維度處可具有非磁性間隔件。更特定言之，磁體陣列112B之X軸維度之中心處之磁化區段114B(即，所繪示之實施例中標注為E之區段)可分成寬度為λ/(2Nt)=λ/8的兩個區段且非磁間隔件可插入其等之間。如下文更詳細闡述，此一非磁間隔件可用來抵消由高階磁場所產生之干擾力/力矩。即使利用此非磁性間隔件，磁體陣 列112B及其磁化區段114B仍將展現以下屬性：各個區段114B之磁化方向定向在與Y軸正交之方向上；各個區段114B之X軸寬度將為：λ/(2Nt)(對於外部區段A、I及藉由分開區段E而形成之兩個區段)或λ/Nt(對於內部區段B、C、D、F、G、H)；且磁化區段114B之磁化繞中心YZ平面118鏡面對稱。
除了對於其在可移動台110上之位置，Y磁體磁體112D及其磁化區段114D之特徵可與Y磁體陣列112B及其磁化區段114B之特徵類似。
圖1E更詳細展示X磁體陣列112A之橫截面。應明白，X磁體陣列112A沿Y軸分成在X軸方向上大致線性伸長之若干磁化區段114A。在所繪示之實施例中，除了X方向及Y方向交換之外，X磁體陣列112A及其磁化區段114A之特徵可類似於Y磁體陣列112B及其磁化區段114B之特徵。例如，磁化區段114A之磁化方向具有沿Y軸具有週期(或波長)λ之空間週期性；X磁體陣列112A在Y方向上之寬度Wm係由Wm=Nmλ給定，其中Nm為正整數；各個磁化區段114A之磁化方向係定向在與X軸正交之方向上；各個磁化區段114A之Y軸寬度為：λ/(2Nt)(對於外部區段A、I)或λ/Nt(對於內部區段B、C、D、E、F、G、H)，其中Nt表示磁體陣列112A中之不同磁化方向之數目；且磁化區段114A之磁化繞中心XZ平面118鏡面對稱。
除了可移動台110上之位置，X磁體陣列112C及其磁化區段114C之特徵可類似於X磁體陣列112A及其磁化區段 114A之特徵。
參考圖1B及圖1C，現闡述位移器件100之操作。圖1C展示可移動台110如何在Z方向上與定子120向上間隔開。定子120與可移動台110之間之此空間可由藉由定子120上之線圈122與如下文所討論之可移動台110上之磁體陣列112之相互作用所產生的Z方向力維持(至少部分地)。在一些實施例中，如此項技術已知，可使用額外提升及/或起重磁體、空氣靜力軸承、滾輪軸承及/或類似者(未展示)維持定子120與可移動台110之間之此空間。
圖1B展示四組有效線圈跡線132A、132B、132C、132D(統稱為線圈跡線132)，其各者(在載送電流時)主要負責與磁體陣列112A、112B、112C、112D之對應者相互作用以施加造成可移動台110移動之力。更具體言之：當線圈跡線132A載送電流時，其與X磁體陣列112A相互作用以在Y方向及Z方向上對可移動台110施加力；當線圈跡線132B正載送電流時，其與Y磁體陣列112B相互作用以在X方向及Z方向上對可移動台110施加力；當線圈跡線132C正載送電流時，其與X磁體陣列112C相互作用以在Y方向及Z方向上對可移動台110施加力；且當線圈跡線132D正載送電流時，其與Y磁體陣列112D相互作用以在X方向及Z方向上對可移動台110施加力。
應明白，可選擇性啟動圖1B所展示之線圈跡線132以對可移動台110施加所希望之力，並且從而以與可移動台110之剛體移動相關之六個自由度控制可移動台110。如下文進 一步闡釋，亦可可控制地啟動線圈跡線132以控制可移動台110之一些撓性模式振動運動。當在圖1B展示之特定位置中展示可移動台110時，線圈跡線132之外之線圈跡線可能無效。然而，應明白，在可移動台110相對於定子120移動時，不同群組之線圈跡線將被選為有效，並且對可移動台110施加所希望之力。
可觀察到圖1B中所展示之有效線圈跡線132呈現為與其他磁體陣列相互作用。例如，在載送電流時，線圈跡線132C與如上文所討論之X磁體陣列112C相互作用，但是線圈跡線132C亦在Y磁體陣列112B之一部分下通過。令人期望的是，線圈跡線132C中之電流可與Y磁體陣列112B中之磁體相互作用並且對可移動台110施加額外力。然而，由於Y磁體陣列112B之前述特徵，可能已由線圈跡線132C與Y磁體陣列112B之磁化區段114B之相互作用造成之力可彼此抵消，使得此等寄生耦合力被消除或保持在最低位準。更特定言之，Y磁體陣列112B消除或減少此等交叉耦合力之特徵包含：Y磁體陣列112B包含在Y方向上具有定向成與Y方向正交之變化磁化且大致伸長之磁化區段；Y磁體陣列112B之X維度寬度Wm為Wm=Nmλ，其中Nm為整數且λ為上述磁週期λ；並且Y磁體陣列112B繞延伸通過Y磁體陣列112B之X維度之中心的YZ平面鏡面對稱。
例如，為磁波長(Wm=Nmλ)之整數之Y磁體陣列112B之X維度寬度Wm最小化與未對準線圈跡線132C耦合之力，因為磁體陣列112B上之淨力將在磁體陣列112B之各波 長λ上融合為零(即，將抵消自身)。此外，Y磁體陣列112B繞與X軸正交且延伸通過Y磁體陣列112B之X維度之中心之YZ平面的鏡面對稱歸因於磁體陣列112B與X定向之線圈跡線132C之相互作用而最小化淨力矩(繞Z軸且繞Y軸)。Y磁體陣列112D之類似特徵消除或最小化與線圈跡線132A之交叉耦合。
以類似方式，X磁體陣列112A之特徵消除或減少來自線圈跡線132B之交叉耦合力。X磁體陣列112A之此特徵包含：X磁體陣列112A包含在X方向上具有定向成與X方向正交之不同磁化且大致伸長之磁化區段；X磁體陣列112A之Y維度寬度Wm為Wm=Nmλ，其中Nm為整數且λ為上述磁週期λ；並且X磁體陣列112A繞與y軸正交且延伸通過X磁體陣列112A之Y維度之中心的XZ平面鏡面對稱。X磁體陣列112C之類似特徵消除或最小化來自線圈跡線132D之交叉耦合。
線圈陣列
現在提供定子120及其線圈陣列之其他細節。如上文所述，定子120包括複數個層128之線圈跡線126，其等大致線性定向在工作區124中。各層128包括通常彼此對準之線圈跡線126(例如在相同之方向大致線性伸長)。在圖1A至圖1E所繪示之實施例中，垂直鄰近層128(即在Z方向上彼此接近之層128)包括相對於彼此正交定向之線圈跡線126。例如，層128A、128C中之線圈跡線126Y(圖1C)通常線性定向成平行於Y軸且層128B、128D中之線圈跡線126X通常線性定向為平行於X軸。應明白，定子120中之線圈跡線126之層128 之數目無需受限於所繪示之實施例中展示之四個跡線。一般言之，定子120可包括任何適當數目層128之線圈跡線126。此外，線圈跡線126在垂直鄰近層128上之定向彼此不同並非為必需。一些實施例可包括若干垂直鄰近層128之Y定向跡線126Y，其後接著有若干垂直鄰近層128之X定向線圈跡線126X。
可使用一或多個印刷電路板(PCB)製造定子120及其線圈122之陣列。可使用標準PCB製造、平板顯示器微影術、微影術及/或此項技術中已知之類似技術製造PCB來提供線圈122及線圈跡線126。可在線圈層128之間製造絕緣體層130(諸如FR4核心，預浸體、陶瓷材料及/或類似物)或以其他方式插入。在單個PCB板中可將一或多個線圈層128堆疊在一起(即在Z方向上)。在一些實施例中，通常在相同方向(在不同層128)上伸長之線圈跡線126可取決於用於線圈跡線126之端部之導通孔設計及或連接方法而並聯或串聯連接。在一些實施例中，通常在相同方向(在不同之層128)上伸長之線圈跡線126並未彼此連接。
使用PCB技術製造之線圈122可同時容納足夠電流用於控制可移動台110之運動。舉非限制性實例而言，各線圈122可由6 oz銅(約200-220 μm厚)或更多製成。如上文所討論，在有效區124中，各線圈122為扁平條紋或線圈跡線126之形狀，其歸因於表面積對體積之高比率而提供良好導熱性。發明者證實(經由測試)層壓銅可在高於周圍50℃之溫升的情況下載送10 A/mm2之持續電流密度，而不使用主動散 熱器。線圈122及線圈跡線126之平坦層128之另一優點在於自然分層之導體，其提供線圈122使其等非常理想地適於載送AC電流，因為自生交替磁場可輕易地從頂表面至底表面地穿透導體但是僅產生低的自感應渦流電流。
多個PCB可在X方向及Y方向二者上並排對準(類似於方塊)以為有效區124提供所希望之XY維度。板對板之橫向連接(在X方向及/或Y方向上)可藉由連接邊緣鄰近板之墊、導通孔、銅導線且/或使用類似者之其他適當橋接組件以將導體電連接在鄰近PCB板上而製成為位於邊緣處。在一些實施例中，此類橋接組件可位於PCB板下面(例如，在相對可移動台110之側上)；在一些實施例中，此類橋接組件可額外或是或者位於PCB板上面或該等PCB板之側上。當PCB在X方向及/或Y方向上彼此鄰近地連接時，線圈122之端部端子(未展示)可位於定子120之周邊處或附近以便於佈線之驅動電子裝置。以此方式彼此連接PCB允許位移器件100容易在X維度及Y維度上延伸用於各種應用。當PCB在X維度及/或Y維度上彼此連接時，線圈122之總數目隨定子120之有效區124之XY維度而線性增加(而不是二次方地，如涉及所謂「賽道(racetrack)」線圈設計之一些先前技術之技術的情形中)。在一些實施例中，XY鄰近PCB板上之線圈跡線126可串聯地彼此連接以減少用於驅動通過線圈跡線126之電流之放大器之數目。在一些實施例中，XY鄰近PCB板上之線圈跡線126可由單獨放大器個別地放大以增加多級致動之靈活性且減少熱產生。
可使用可用PCB技術將單個PCB板製成具有多達5 mm(或更多)之厚度在(在Z方向上)。當需要更厚板用於重型應用時，多個PCB可在Z方向上垂直堆疊。使用PCB技術製造定子120之另一益處係使用菊鍊連接將大量低構形之感測器(諸如霍爾效應位置感測器、電容位置感測器及/或類似感測器)直接部署在板上。
圖2係可在圖1位移器件100中使用之定子120及其線圈跡線126之單個層128之示意性部分橫截面圖。圖2展示隨後描述中使用之若干參數。更特定言之，WC係單個線圈跡線126之寬度。PC係線圈跡線節距-即，相同層128之兩個鄰近線圈跡線126之間之距離。
在一些實施例中，線圈跡線126之各層128經製造使得：線圈跡線節距PC=λ/N，其中N係正整數且λ係磁體陣列112之上文討論之空間磁波長；且WC設定為接近於PC，使得鄰近線圈跡線126之間存在最小可接受間隙(PC-WC)。例如，跡線間隙PC-WC可設定為50~100 μm(例如，小於200 μm)。應明白，最小可能性可接受跡線間隙將取決於許多因素，該等因素包含(但不限於)預期在各線圈跡線中載送之電流量，PCB製造程序之能力及系統100之散熱特徵。圖3A至圖3C示意性描繪經製造以具有此等特徵之線圈跡線層128之許多可能性實施例。在圖3A至圖3C實施例之各者中，PC=λ/6(即，N=6)且WC設定為非常接近於PC，使得鄰近線圈跡線126之間存在最小可接受間隙(例如，小於200 μm)。
在一些實施例中，線圈跡線126之各層128經製造使得 每MN/2個(其中M係另一正整數)鄰近線圈跡線126形成一個線圈群組134，其中相同群組134中之線圈跡線126可由分開之放大器驅動或連接成星形型樣且由多相放大器驅動。圖3A至圖3C展示展現此等特徵之許多不同分組配置。在圖3A中，M=2且N=6，所以各群組134包括6個鄰近線圈跡線126。在一些實施例中，各圖3A群組134可由對應之三相放大器(未展示)驅動。例如，標注為A1、B1、C1、A1’、B1’、C1’之線圈跡線126屬於一個群組134。圖3A中使用之符號「’」指示反向電流。例如，跡線A1’中之電流與跡線A1之電流相同，但是是在相反方向上。在圖3B中，M=1且N=6，所以各群組134包括3個鄰近線圈跡線126。在一些實施例中，各圖3B圖群組134可由對應之三相放大器(未展示)驅動。在圖3C中，M=3且N=6，所以各群組134包括9個鄰近線圈跡線126。在一些實施例中，各圖3C群組134可由對應之三相放大器(未展示)驅動。類似於圖3A，圖3C中使用之符號「’」指示反向電流。應明白，依據上文，通常每3n個(n係正整數)鄰近線圈跡線126可形成由對應之三相放大器驅動之一個群組134。
在一些實施例中，線圈跡線126之各層128經製造使得線圈跡線寬度WC=λ/5且線圈跡線節距PC=λ/k，其中k係小於5之任何數字且λ係磁體陣列112之空間磁週期。因為空間濾波/平均效應，所以設定WC=λ/5具有此線圈跡線寬度最小化由磁體陣列112產生之第五階磁場之效應。圖3D至圖3E示意性描繪經製造以具有此等特徵之線圈跡線層128之許 多可能性實施例。在圖3D至圖3E實施例之各者中，WC=λ/5且線圈跡線節距PC=λ/k。
在圖3D中，WC=λ/5且。可從圖3D中看出，相較於圖3A至第3C中所示之實施例之線圈跡線，鄰近線圈跡線126彼此隔得較寬。在圖3D實施例中，將每3個鄰近線圈跡線126分組在一起以提供群組134，其中各群組134可由對應之三相放大器(未展示)驅動。通常，線圈跡線126可經分組使得每3n個(n係正整數)鄰近線圈跡線126可形成由一個對應之三相放大器驅動之一個群組134。圖3E展示佈局，其中WC=λ/5且。在圖3E實施例中，將每4個鄰近線圈跡線126分組在一起以提供群組134。圖3E實施例之群組134可由對應之二相放大器驅動。如同之前，用於標注線圈跡線126之符號’指示反向電流。通常，線圈跡線126可經分組，使得每2n個(n係正整數)鄰近線圈跡線126可形成一個群組134。
圖3F展示組合圖3A至圖3C之佈局及圖3D至圖3E之佈局之特徵的佈局。更特定言之，在圖3F中，線圈跡線節距PC=λ/5且WC設定為接近於PC，使得鄰近線圈跡線之間存在最小可接受間隙。應明白，此等特徵類似於圖3A至圖3C之實施例之特徵。但是，隨著WC設定為接近於PC，WC將幾乎等於WC=λ/5，此為圖3D至圖3E之實施例之特徵。因此，圖3F中之佈局可用於最小化由磁體陣列112產生之第五階磁 場之效應(如上文討論)。在圖3F實施例中，將每5個鄰近線圈跡線126分組在一起以提供群組134。圖3F實施例之群組134可由對應之五相放大器驅動。通常，線圈跡線126可經分組使得每5n個(n係正整數)鄰近線圈跡線126可形成由一個對應之五相放大器驅動之一個群組134。
圖4A係可在圖1位移器件100之定子120中使用之線圈跡線126之多個層128(128A至128F)的示意性部分橫截面圖。從圖4A可见，層128A、128C、128E包括Y定向線圈跡線126Y且層128B、128D、128F包括X定向線圈跡線126X。亦可從圖4A觀察出，不同層128A、128C、128E中之Y定向線圈跡線126Y在X方向上彼此對準-即，層128A中之線圈跡線126Y與層128C、128E中之線圈跡線126Y對準(在X方向上)。雖然不可從圖4A之所繪示圖直接觀察出，但是應明白X定向線圈跡線126X可展現類似特徵-即，層128B中之線圈跡線126X與層128D、128F中之線圈跡線126X對準(在Y方向上)。相同行中之線圈跡線126X、126Y(即，在Y方向上彼此對準之跡線126X及/或在X方向上彼此對準之跡線126Y)可彼此串聯連接、彼此並聯連接或彼此獨立地連接。應明白，層128之數量可為任何適當之數量且並不限於圖4A中所示之六個。
圖4B係可在圖1位移器件100之定子120中使用之線圈跡線126之多個層128(128A、128C、128E、128G)之示意性部分橫截面圖。為了清楚起見，僅在圖4B中展示具有Y定向跡線126Y之層128A、128C、128E、128G-即，未在第4B 中展示具有X定向跡線126X之層128。亦可從圖4B觀察出，不同層128A、128C、128E、128G中之Y定向線圈跡線126Y在X方向上彼此偏移-即，層128A中之線圈跡線126Y與層128C中之下一個鄰近Y定向線圈跡線126Y偏移，層128C中之線圈跡線126Y與層128E中之下一個鄰近Y定向線圈跡線126Y偏移等等。在所繪示實施例中，層128A、128E中之線圈跡線126Y在X方向上彼此對準且層128C、128G中之線圈跡線126Y在X方向上彼此對準-即，Y定向線圈跡線126Y之每第二個層128中之線圈跡線126Y在X方向上彼此對準。
雖然無法從圖4B之所繪示圖直接觀察出，但是應明白X定向線圈跡線126X可展現類似特徵-即，X定向線圈跡線126X之鄰近層128B、128D、128F、128H中之線圈跡線126X可在Y方向上彼此偏移。在一些實施例中，X定向線圈跡線126X之每第二個層128中之線圈跡線126X可在Y方向上彼此對準。無論其等偏移如何，此描述指的是相同「行」中之線圈跡線-例如，標注為a1、a2、a3、a4之線圈跡線126Y可稱為在相同行中且標注為d1、d2、d3、d4之線圈跡線126Y可稱為在相同行中。相同行中之線圈跡線126X、126Y可彼此串聯連接、彼此並聯連接或彼此獨立地連接。
Y定向線圈跡線126Y之鄰近層128之間之偏移量稱為OL且可用於最小化磁體陣列112之磁場中之較高階諧波效應。在一些實施例中，OL設計為成±+，其中K係正整數。當OL具有此特徵且用相等電流驅動特定行中之鄰近Y定向 跡線(例如，標注為a1及a2之線圈跡線126Y)時，則由磁體陣列112產生之五階諧波磁場與相同行中之兩個偏移跡線126Y(例如，線圈跡線a1及a2)之間之力將趨於彼此抵消(即，彼此衰減)。在一些實施例中，OL設計為±+，其中K係正整數。當OL具有此特徵且用相等電流驅動特定行中之鄰近Y定向跡線126Y(例如，標注為a1及a2之線圈跡線126Y)時，則由磁體陣列112產生之九階諧波磁場與相同行中之兩個偏移跡線126Y(例如，線圈跡線a1及a2)之間之力將趨於彼此抵消(即，彼此衰減)。
在一些實施例中，可以較佳地使若干諧波場衰減以最小化由磁體陣列112產生之磁場之較高階諧波引起之總力漣波效應之方式設計OL。在一些實施例中，OL設計為±且用相反電流驅動鄰近Y跡線層之Y定向線圈跡線(例如，標注為a1及a2之線圈跡線126Y)。結果，流入一個層128中之電流可從鄰近層128流回以形成繞組匝。
因為此等線圈跡線126Y可串聯連接，所以用相等電流驅動特定行中之Y定向跡線126Y(例如，線圈跡線a1及a2)係實際的，但是因為線圈跡線a1比線圈跡線a2更接近於磁體陣列，所以並不希望實現五階諧波效應之理想抵消。在一些實施例中，可藉由提供如上文討論之OL及藉由用不同電流量驅動特定行但是不同層128中之Y定向跡線126Y(例如，標注為a1及a2之線圈跡線126Y)來進一步減少磁體陣列 112之較高階磁場諧波效應。假設線圈跡線層128A比線圈跡線128C更接近於可移動台110等等，應明白由標注為a1及a2之線圈跡線126Y經歷之磁場並不相同。因此，可藉由將層128C之跡線126Y中之電流設定為比層128A之對應行之跡線126Y中之對應電流至少高約倍來實現磁體陣列112之磁場之五階諧波效應之進一步衰減，其中GL係鄰近層128中之Y定向線圈跡線126Y之間的中心對中心Z方向間距。例如，標注為a2之線圈跡線126Y中之電流可設定為比標注為a1之跡線126Y中之對應電流至少高約倍。Y定向線圈跡線126Y之每第二個層128之單行的跡線126Y中之電流(例如，標注為a1及a3之跡線126Y中之電流)可設定為相同。
類似地，可藉由將層128C之跡線126Y中之電流設定為比層128A之對應行之跡線126Y中之對應電流至少高約倍來實現磁體陣列112之磁場之九階諧波效應之一些衰減，其中GL係鄰近層128中之Y定向線圈跡線126Y之間的中心對中心Z方向間距。例如，標注為a2之線圈跡線126Y中之電流可設定為比標注為a1之跡線126Y中之對應電流至少高約倍。Y定向線圈跡線126Y之每第二個層128之單行的跡線126Y中之電流(例如，標注為a1及a3之跡線126Y中之電流)可設定為相同。
應明白，類似偏移及/或類似電流驅動特徵可用於X定 向線圈126X以減少與磁體陣列112相關聯之較高階磁場效應。
圖5係展示可在圖1之位移器件100中使用之群組連接方案之線圈跡線126之單個層128的示意性部分圖。圖5中展示之層128包括分組為群組134之複數個Y定向線圈跡線126Y。如上文所討論，群組134中之線圈跡線126Y可由共同多相放大器驅動。在圖5實施例中，存在線圈跡線126Y之NG=8個不同群組134(在第5中標注為群組1至群組8)。線圈跡線126Y之各群組134在Y方向上延伸且以重複型樣沿著X方向並列佈置群組134。通常，線圈跡線126Y之群組134之數量NG可為任何適當之正整數。為了減少用於實施位移器件100之放大器(未展示)之數量，屬於特定群組134之線圈跡線126Y可串聯連接。例如，圖5中標注為群組1之線圈跡線126Y之所有群組134可串聯連接。當一層中之兩個或更多個線圈跡線126Y串聯連接時，此等線圈跡線126Y中之電流方向可彼此相同或相反。在各群組134內，各相可由獨立放大器(諸如H橋)驅動或所有相連接成星形型樣且由多相放大器驅動。在特殊情況中，圖5群組134之各者僅包括單個線圈跡線126Y。此特殊情況實施例以操作複雜度及額外硬體為代價，允許相對於電流位置之控制且繼而可移動台110之控制之最大靈活性。在此特殊情況中，具有相同群組標注(例如，群組1)之群組134可串聯連接且此等跡線126Y中之電流方向可彼此相同或相反。應明白，類似群組連接方案可用於其他層128中之X定向線圈126X。
應明白，甚至在圖5之群組連接實施方案之情況中，相同行但是不同層128中之Y定向線圈跡線126(例如，圖4B中標記為a1、a2、a3、a4之線圈跡線126Y)亦可串聯連接且共用共同放大器。類似地，應明白，甚至在圖5之群組連接實施方案之情況中，相同行但是不同層中之X定向線圈跡線126亦可串聯連接且共用共同放大器。
因為線圈跡線126之各相具有電容且線圈跡線126之不同相之間存在互電容，所以(若干)一或多個外部電感器(未展示)可串聯地插入於放大器輸出端子與(若干)線圈跡線126之端子之間。此等串聯電感器可安裝於平面線圈PCB板上及/或安裝於放大器電路板上及/或安裝於將放大器連接至平面線圈總成之電纜之端部中。增加此等串聯電感器可增加線圈負載之電感且可從而減少功率放大器之切換電子器件之功耗且減少線圈跡線126中之電流漣波。
磁體陣列
圖6A及圖6B(統稱為圖6)係可在圖1位移器件100之可移動台110中使用且對展示許多磁體陣列參數有用之磁體陣列112之佈局的示意性部分橫截面圖。可觀察出，圖6A中之磁體陣列112A、112B、112C、112D之佈局相同於第圖1B中之磁體陣列112A、112B、112C、112D之佈局。圖6B中之磁體陣列112A、112B、112C、112D之佈局類似於圖6A及第圖1B中所示之磁體陣列112A、112B、112C、112D之佈局。此章節中之討論適用於圖6A及圖6B中所示之兩個佈局。
圖6展示各磁體陣列112具有Wm之寬度及Lm之長度。具有相同伸長方向之兩個磁體陣列之間(即，X磁體陣列112A、112C之間或Y磁體陣列112B、112D之間)之間距標示為間距Sm。可觀察出，在所繪示實施例中，可移動台110包括位於其磁體陣列112之中心中之非磁區113且非磁區113之尺寸為Sm-Wm乘以Sm-Wm。如上文所討論，對於各磁體陣列112，磁化區段114及對應磁化方向沿著尺寸Lm一致且定向成與尺寸Lm正交。對於各磁體陣列112，磁化區段114及對應磁化方向沿著尺寸Wm之方向改變。雖然未在所繪示圖中明確展示，但是圖6中所示之磁體陣列112可安裝於用於將物品(例如，半導體晶圓)支撐於其上之適當工作台或類似物下。
上文連同圖1D(對於Y磁體陣列112B)及圖1E(對於X磁體陣列112A)描述磁體陣列112之一個實施方案。在隨後磁體陣列之描述中，在示例性Y磁體陣列112B之背景內容中提供綜合解釋。X磁體陣列可包括適當地互換X方向及Y方向及尺寸之類似特徵。為了簡潔起見，在隨後Y磁體陣列112B之描述中，省去字母表示法且將Y磁體陣列112B稱為磁體陣列112。類似地，Y磁體陣列112B之磁化區段114B稱為磁化區段114。
圖7A展示大體上類似於上文連同圖1D描述之磁體陣列112B之磁體陣列112之實施例。沿著X軸將磁體陣列112分為通常在Y軸方向上線性伸長之若干磁化區段114。在所繪示實施例中，磁化區段114之磁化方向具有週期(或波長)λ 沿著X軸之空間週期性；X方向上之磁體陣列112之寬度Wm由Wm=Nmλ給定，其中Nm係正整數(且在圖7A實施例中，Nm=2)；多種磁化區段114之磁化方向在正交於Y軸之方向上定向；對於兩個最外面(邊緣)區段114，多種磁化區段114之X軸寬度為λ/(2Nt)或對於內部區段114，其為λ/Nt，其中Nt表示磁體陣列112中不同磁化方向之數量(且在圖7A實施例中，Nt=4)；磁化區段114之磁化係繞中心YZ平面118鏡面對稱。應明白，在Wm=Nmλ且磁化區段114之磁化繞中心YZ平面118鏡面對稱的情況下，最外面(邊緣)區段114具有為內部區段114之一半X軸寬度之X軸寬度且最外面邊緣區段114具有在沿著Z方向上定向之磁化。
圖7B係適於與圖1位移器件一起使用之磁體陣列112之另一實施例。除了Nm=1且Nt=4之外，圖7B磁體陣列112具有類似於圖7A磁體陣列112之特徵。可從圖7B觀察出，甚至在磁體陣列之總X軸寬度Wm小於或等於λ之情況下，定義空間磁週期λ。在圖7B情況中，即使僅存在單個週期，但磁體陣列112之磁化區段114之磁化方向被認為在X方向上以週期λ呈空間週期性。
如上文所討論，展現圖7A及圖7B中所示之磁體陣列112之屬性之磁體陣列112消除或減少來自X方向上定向之線圈跡線126之交叉耦合力。圖7A及圖7B中所示之磁體陣列112之此等特徵包括：磁體陣列112包括通常在Y方向上伸長之磁化區段114，其中對應磁化正交於Y方向定向；磁體陣列112之X維寬度Wm係Wm=Nmλ，其中Nm係整數且λ係上 文描述之磁週期λ；且磁體陣列112係繞延伸通過磁體陣列112之X維度中心之YZ軸鏡面對稱。
圖7C及圖7D展示適於與圖1位移器件一起使用之磁體陣列112之其他實施例。在此等實施例中，磁化區段114之磁化方向具有週期(或波長)λ沿著X軸之空間週期性；X方向上之磁體陣列112之寬度Wm由Wm=(Nm+0.5)λ給定，其中Nm係非負整數(且在圖7C實施例中，Nm=0且在圖7D實施例中，Nm=1)；多種磁化區段114之磁化方向在正交於Y軸之方向上定向；磁化區段114之磁化係繞中心YZ平面118鏡面反對稱；且最外面(邊緣)區段114具有在Z方向上定向之磁化且為內部區段114之X軸寬度λ/Nt=λ/4之一半的X軸寬度λ/(2Nt)=λ/8(其中在圖7C及圖7D兩者之實施例中，Nt=4)。在圖7C情況中，即使磁體陣列112展現小於單個週期λ，但磁體陣列112之磁化區段114之磁化方向被認為在X方向上以週期λ呈空間週期性。
當磁體陣列112之寬度Wm係磁波長λ之非整數倍時(例如，在圖7C及圖7D之實施例中之情況中)，則將存在來自與陣列112之磁場相互作用之非對準線圈跡線126中之電流對磁體陣列112之力或力矩之耦合。例如，在圖7C及圖7D中所示之Y磁體陣列112之情況中(其等係繞YZ平面118鏡面反對稱)，將存在來自沿著X方向定向之線圈跡線中之電流對Y磁體陣列112在繞Z之旋轉方向上的力矩之耦合。可使用適當之控制技術或使用具有不同(例如，相反)磁化型樣之額外磁陣列112之適當配置補償此凈力矩。
圖7E及圖7H展示適於與圖1位移器件一起使用之磁體陣列112之其他實施例。在此等實施例中，磁化區段114之磁化方向具有週期(或波長)λ沿著X軸之空間週期性；X方向上之磁體陣列112之寬度Wm由Wm=Nmλ/2給定，其中Nm係正整數(且在圖7E實施例中，Nm=1，在圖7F實施例中，Nm=2，在圖7G實施例中，Nm=3且在圖7H實施例中，Nm=4)；多種磁化區段114之磁化方向在垂直於Y軸之方向上定向；且最外面(邊緣)區段114具有沿著X軸定向之磁化及係內部區段114之X軸寬度λ/Nt=λ/4之一半的X軸寬度λ/(2Nt)=λ/8(其中在圖7E及圖7H之實施例中，Nt=4)。應注意，未在圖7E及圖7H中明確展示中心YZ平面118。但是，應明白，此YZ平面118將磁體陣列112之X維度分為一半。
在圖7E及圖7G中，磁化區段114之磁化係繞中心YZ平面118鏡面對稱，且X方向上之磁體陣列112之寬度Wm並非係空間週期λ之整數倍。在圖7E及圖7G中所示之Y磁體陣列112之情況中，將存在來自沿著X方向定向之線圈跡線126中之電流對Y磁體陣列112在Y方向上之力之耦合。可使用適當之控制技術或使用具有不同(例如，相反)磁化型樣之額外磁陣列112之適當配置補償此凈力。
在圖7F及圖7H中，磁化區段114之磁化係繞中心YZ平面118鏡面反對稱，且X方向上之磁體陣列112之寬度Wm係空間週期λ之整數倍。在圖7F及圖7H中所示之Y磁體陣列112之情況中，將存在來自沿著X方向定向之線圈跡線126中之電流對Y磁體陣列112在繞Z之旋轉方向上的力矩之耦 合。可使用適當之控制技術或使用具有不同(例如，相反)磁化型樣之額外磁陣列112之適當配置補償此凈力矩。
圖7I至圖7L展示適於與圖1位移器件一起使用之磁體陣列112之其他實施例。在此等實施例中，磁化區段114之磁化方向具有週期(或波長)λ沿著X軸之空間週期性；X方向上之磁體陣列112之寬度Wm由Wm=Nmλ/2給定，其中Nm係負整數(且在圖7I實施例中，Nm=1，在圖7J實施例中，Nm=2，在圖7K實施例中，Nm=3且在圖7L實施例中，Nm=4)；多種磁化區段114之磁化方向在正交於Y軸之方向上定向；且所有磁化區段114之X軸寬度係λ/Nt，其中在圖7I至圖7L之所繪示實施例中，Nt=4。因為圖7I至圖7L中之磁化區段之磁化並不繞中心YZ平面118鏡面對稱，所以將存在來自沿著X方向定向之線圈跡線中之電流對Y磁體陣列112在繞Z之旋轉方向上的力矩之耦合。此外，對於圖7I及圖7K中之情況，因為X方向上之磁體陣列112之寬度Wm不是空間週期λ之整數倍，所以將存在來自沿著X方向定向之線圈跡線126中之電流對Y磁體陣列112在Y方向上之力之耦合。可使用適當之控制技術或使用具有不同(例如，相反)磁化型樣之額外磁陣列112之適當配置補償此凈力矩。
在一些實施例中，圖7A至圖7L之磁體陣列112可由具有Y維度長度Lm及X維度寬度λ/(2Nt)或λ/(Nt)之單元磁化區段114製造，其中Nt係如上文討論之週期λ中之磁化方向之數量。在一些實施例中，具有X維度寬度λ/(Nt)之磁化區段114可由具有X維度寬度λ/(2Nt)及具有在相同方向上定向之 磁化方向之一對並列磁化區段114製造。在一些實施例中，單元磁化區段114之Z維度高度可相同於其等之X維度寬度-例如，λ/(2Nt)或λ/(Nt)。
如上文討論，可在磁體陣列112中提供中心非磁間隔件。在繞中心YZ平面118對稱或鏡面對稱之實施例中，此非磁間隔件可將中心磁化區段114分為一對「半寬度」磁化區段114(即，具有類似於邊緣區段114之X維度寬度之X維度寬度)。所得磁體陣列118繞中心YZ平面118保持對稱或鏡面對稱。在並不繞中心YZ平面118對稱之實施例中，可使用不同型樣。
圖8A至圖8L展示根據特定實施例之適於與圖1位移器件100一起使用之磁體陣列112。除了圖8A至圖8L之磁體陣列112包括位於中心之非磁間隔件136(在其等X維度上)之外，圖8A至圖8L之磁體陣列112具有類似於圖7A至圖7L之磁體陣列112之特徵的特徵。(圖8A至圖8L中所示之Y磁體陣列112之)間隔件136可具有至少約等於之X軸寬度g，其中Ng係非負整數。當間隔件136之寬度g展現此屬性時，間隔件136將對由磁體陣列112之五階諧波場產生之干擾扭矩及/或力具有衰減(抵消)效應。通常，非磁間隔件136之寬度g可設定為至少約等於，其中Ng具有上文描述之屬性且k係將被衰減之磁場之諧波階。在一些實施例中，(圖8A至圖8L中所示之Y磁體陣列112之)間隔件136可具有至少約等於之X軸寬度g，其中Kg係非負整 數且Wc係通常在Y方向上伸長之線圈跡線126之X軸寬度。當間隔件136之寬度g展現此屬性時，間隔件136將對由磁體陣列112之五階諧波場產生之干擾扭矩及/或力具有衰減(抵消)效應。通常，非磁間隔件136之寬度g可設定為至少約等於，其中Kg及Wc具有上文描述之屬性且k係將被衰減之磁場之諧波階。
圖8A及圖8B中所示之磁體陣列112實施例具有在非磁間隔件136之任一X方向側上配置之兩側。圖8A磁體陣列112之左側與右側兩者(在所繪示圖中)具有類似於圖7A之磁體陣列112之磁化型樣之磁化型樣；且圖8B磁體陣列112之左側與右側兩者具有類似於圖7B之磁體陣列112之磁化型樣之磁化型樣。圖8A及圖8B之磁體陣列112之各側之X方向寬度W側(即，陣列112之邊緣與非磁間隔件136之邊緣之間之X方向距離)係W側=Nmλ，其中Nm係正整數且圖8A及圖8B之磁體陣列112之總X方向寬度係Wm=2Nmλ+g，其中在圖8A中，Nm=2且在圖8B中，Nm=1。
圖8C及圖8D中所示之磁體陣列112實施例具有在非磁間隔件136之任一X方向側上配置之兩側。圖8C及圖8D中所示之磁體陣列112之左(在所繪示圖中)側具有分別類似於圖7C及圖7D中所示之磁體陣列112之磁化型樣之磁化型樣。圖8C及第8DF圖中所示之磁體陣列112之右(在所繪示圖中)側具有與左側之磁化型樣相反之磁化型樣-即，如同在磁體陣列112之右側位置中複製磁體陣列112之左側且接著繞磁 體陣列112之右側中之各個別磁化區段114線性伸長所沿著之其自身中心軸使該磁化區段114旋轉180°。圖8C及圖8D之磁體陣列112之各側之X方向寬度W側係W側=(Nm-0.5)λ，其中Nm係正整數且圖8C及圖8D之磁體陣列112之總X方向寬度係Wm=(2Nm-1)λ+g，其中在圖8C中，Nm=1且在圖8D中，Nm=2。
類似地，圖8E、圖8G、圖8I、圖8K中所示之磁體陣列112具有在非磁間隔件136之任一X方向側上配置之兩側，其中其等各自左(在所繪示圖中)側具有類似於圖7E、圖7G、圖7I、圖7K磁體陣列112之磁化型樣之磁化型樣且其等各自右(在所繪示圖中)側具有與左側(在所繪示圖0側)之磁化型樣相反之磁化型樣，其中「相反」具有上文針對圖8C及圖8D之情況討論之相同意義。圖8E、圖8G、圖8I、圖8K之磁體陣列112之各側之X方向寬度W側係W側=(Nm-0.5)λ，其中Nm係正整數且圖8E、圖8G、圖8I、圖8K之磁體陣列112之總X方向寬度係Wm=(2Nm-1)λ+g，其中在圖8E中，Nm=1，在圖8G中，Nm=2，在圖8I中，Nm=1，在圖8K中，Nm=2。
圖8F、圖8H、圖8J、圖8L中所示之磁體陣列112具有在非磁間隔件136之任一X方向側上配置之兩側，其中其等左側及右側兩者具有分別類似於圖7F、圖7H、圖7J、圖7L之磁體陣列112之磁化型樣之磁化型樣。圖8F、圖8H、圖8J、圖8L之磁體陣列112之各側之X方向寬度W側係W側=Nmλ，其中Nm係正整數且圖8F、圖8H、圖8J、圖8L之磁體陣列112之總X方向寬度係Wm=2Nmλ+g，其中在圖8F中，Nm=1，在 圖8H中，Nm=2，在圖8J中，Nm=1，在圖8L中，Nm=2。可以與上文針對圖7A至圖7L描述之方式類似之方式製造圖8A至圖8L中所示之磁體陣列112。
磁體陣列之佈局
如上述，圖6A及6B展示根據特定實施例之可在位移器件100之可移動台110中使用的磁體陣列112之佈局。根據特定實施例，當將磁體陣列112配置在可移動台110上時，兩個鄰近並列陣列之間(例如，在圖6實施例的情況下係一對X磁體陣列112(諸如X磁體陣列112A與X磁體陣列112C)之間及/或在圖6實施例的情況下係一對Y磁體陣列112(諸如Y磁體陣列112B與Y磁體陣列112D)之間)的間距Sm可選擇為至少約，其中Ns係非負整數且PC係上述線圈跡線節距(見圖2)。當設計具有此間距特徵之複數個並列磁體陣列112時，此間距特徵將有助於最小化或減少可藉由線圈跡線126之離散屬性(即，有限尺寸)產生的力及/或轉矩漣波。
在一些實施例中，當將磁體陣列112配置在可移動台110上，兩個鄰近並列陣列之間(例如，在圖6實施例的情況下係一對X磁體陣列112(諸如X磁體陣列112A與X磁體陣列112C)之間及/或在圖6實施例的情況下係一對Y磁體陣列112(諸如Y磁體陣列112B與Y磁體陣列112D)之間)的間距Sm可選擇為至少約Sm=(2NS+1)λ/12，其中Ns係非負整數。當設計具有此間距特徵之複數個並列磁體陣列112時，此間距特徵將有助於最小化或減少可藉由磁體陣列112之五階諧波 磁場與線圈跡線126中流動之電流之間的相互作用產生之每λ 6次循環的力及/或扭矩漣波。
在一些實施例中，兩個鄰近並列磁體陣列112(例如，在圖6實施例的情況下係一對X磁體陣列112(諸如X磁體陣列112A與X磁體陣列112C)之間及/或在圖6實施例的情況下係一對Y磁體陣列112(諸如Y磁體陣列112B與Y磁體陣列112D)之間)可包括磁化定向彼此相同之磁化區段114。例如，圖9A展示此特徵，其中Y磁體陣列112B及Y磁體陣列112D包括磁化定向彼此相同之磁化區段114B、114D。在一些實施例中，兩個鄰近並列磁體陣列112可包括磁化定向彼此相反之磁化區段114-即，正如各磁化區段114分別繞沿其線性伸長之對應中心軸旋轉180°。例如，圖9B展示此特徵，其中磁體陣列112B及磁體陣列112D包括磁化定向彼此相反之磁化區段114B、114D。
在一些實施例中，間距Sm係設計成至少約，其中NS是正整數。在鄰近並列磁體陣列112(例如，在圖6實施例的情況下係一對X磁體陣列112(諸如X磁體陣列112A及X磁體陣列112C)及/或在圖6實施例的情況下係一對Y磁體陣列112(諸如Y磁體陣列112B及Y磁體陣列112D))之間距係設計成具有此特徵的情況下，若並列磁體陣列112具有相同磁化型樣且NS係偶數或並列磁體陣列112具有相反磁化型樣且NS係奇數，則各並列磁體陣列112之有效線圈跡線126中之電流分佈可實質上與空間分佈類似(即，同相)。
如上述，圖6A及6B所示之磁體陣列112之佈局提供定 位於磁體陣列112之間的非磁化區113。在一些實施例中，此非磁化區113之尺寸(Sm-Wm)可設計成具有特徵(Sm-Wm)λ，使得兩個並列磁體陣列112之有效線圈跡線126不彼此干擾。
在一些實施例中，圖6A及6B所示之磁體陣列112之尺寸Lm設定為至少約等於Lm=NLλ，其中NL係正整數。在磁體陣列112展現此特徵的情況下，在磁體陣列112與在正交於磁體陣列112之經伸長尺寸之方向上流入線圈跡線126中的電流之間產生的耦合力將進一步減少。
圖6A及6B所示之磁體陣列112之佈局不僅可用於圖1位移器件100之可移動台110的磁體陣列112之可能佈局。更特定言之，圖10A至10D展示適於在圖1位移器件100之可移動台110中使用的磁體陣列112之數個其他可能佈局。
圖10A展示根據特定實施例之可用於圖1位移器件100之可移動台110的磁體陣列112A、112B、112C、112D之佈局的示意橫截面圖。磁體陣列112之圖10A佈局與磁體陣列112之圖6佈局不同，因為磁體陣列112已定形(例如，為正方形)使得消除非磁化區113且可移動台110之所有表面下的區域被磁體陣列112佔據。在圖10A繪示之實施例中，各磁體陣列112包括具有如圖7A所示之特徵的磁化區段114之型樣，但是應明白圖10A佈局之磁體陣列112可具備展現本文所述之任何磁體陣列112之特徵(例如，展現圖7A至7L及圖8A至8L所示之任何磁化型樣)的磁化區段114。
圖10B展示根據另一實施例之可用於圖1位移器件100 之可移動台110的磁體陣列112A至112P之佈局的示意橫截面圖。圖10B之佈局與圖10A之佈局不同之處係圖10B之佈局包含四個以上磁體陣列112。在所繪示實施例中，磁體陣列112A、112C、112E、112G、112I、112K、112M、112O係X磁體陣列且磁體陣列112B、112D、112F、112H、112J、112L、112N、112P係Y磁體陣列。例如，可使用包括四個以上磁體陣列112之圖10B佈局，其中可移動台110係相對大的。
圖10C展示根據另一實施例之可用於圖1位移器件100之可移動台110的磁體陣列112之佈局的示意橫截面圖。為簡潔起見，圖10C僅清楚標注Y磁體陣列112A1、112A2、112A3、112B1、112B2、112B3、112C1、112C2、112C3、112D1、112D2、112D3，但是應明白圖10C亦展示X磁體陣列。具有相同定向(例如，X磁體陣列或Y磁體陣列)且在正交於其等磁化區段之伸長方向之方向上彼此對準的磁體陣列112可在本文稱為對準磁體陣列組。因為Y磁體陣列112A1、112A2、112A3具有相同定向(例如，其等係沿Y軸伸長之Y磁體陣列)且在正交於其等各自磁化區段之伸長方向之方向(X方向)上彼此對準，所以其等係對準Y磁體陣列組。可由定子120之相同線圈跡線126(圖10C未展示)中的電流流動驅動對準磁體陣列組。例如，可由定子120之相同線圈跡線126中的電流流動驅動對準Y磁體陣列112A1、112A2、112A3之組。類似地，可由定子120之相同線圈跡線126驅動對準Y磁體陣列112B1、112B2、112B3之組，可 由定子120之相同線圈跡線126驅動對準Y磁體陣列112C1、112C2、112C3之組且可由定子120之相同線圈跡線126驅動對準Y磁體陣列112D1、112D2、112D3之組。
因為各組對準Y磁體陣列(例如，對準Y磁體陣列112A1、112A2、112A3之組)與鄰近組對準Y磁體陣列(例如，鄰近組對準Y磁體陣列112B1、112B2、112B3)之間存在間距，所以各組對準Y磁體陣列可在未與對準Y磁體陣列之鄰近組明顯耦合的情況下由其對應有效線圈跡線126獨立驅動。在圖10C實施例中，對準Y磁體陣列112A1、112A2、112BA3之組與對準Y磁體陣列112B1、112B2、112B3之組之致動力中心之間亦存在偏移，對準Y磁體陣列之此兩組可用於產生兩個浮力(即，Z方向)及兩個橫向(即，在X方向上)力。
在圖10C繪示之實施例中，存在四組對準Y磁體陣列之：第一組對準Y磁體陣列112A1、112A2、112A3；第二組對準Y磁體陣列112B1、112B2、112B3；第三組對準Y磁體陣列112C1、112C2、112C3；及第四組對準Y磁體陣列112D1、112D2、112D3，且各組對準Y磁體陣列可獨立產生兩個力(一浮力(在Z方向上)及一橫向力(在X方向上))。具有Y方向偏移(例如第一組對準Y磁體陣列112A1、112A2、112A3與第二組對準Y磁體陣列112B1、112B2、112B3之間的致動力中心之偏移)的三組或三組以上對準Y磁體陣列可單獨用於以5個自由度提供致動力及扭矩-即，X及Z方向上之力以及繞X、Y及Z軸之力矩。具有Y方向偏移的三組或三 組以上對準Y磁體陣列無法提供的唯一致動力係圖10C之Y方向上之力。
在圖10C繪示之實施例中，存在四組對準Y磁體陣列：第一組對準Y磁體陣列112A1、112A2、112A3；第二組對準Y磁體陣列112B1、112B2、112B3；第三組對準Y磁體陣列112C1、112C2、112C3；及第四組對準Y磁體陣列112D1、112D2、112D3。雖然未用參考數字明確列舉，但是熟習此項技術者應明白圖10C繪示之實施例亦包含四組對準X磁體陣列，各組對準X磁體陣列可獨立產生兩個力(一浮力(在Z方向上))及一橫向力(在Y方向上)。在所有組對準陣列能夠由其對應有效線圈跡線126獨立驅動的情況下，圖10C磁體陣列佈局提供大量過度致動。此等過度致動能力可用於控制可移動台110之撓性模式振動以用於可移動台形狀校正及/或振動抑制。熟習此項技術者應明白圖10C之佈局提供四組對準X磁體陣列及四組對準Y磁體陣列，但是一些實施例可包括更多數目或更少數目組之對準X磁體陣列及對準Y磁體陣列。而且，熟習此項技術者應明白圖10C之佈局提供各組對準X磁體陣列及各組對準Y磁體陣列包括三個個別磁體陣列，但是一些實施例可包括在各組對準磁體陣列中具有不同數目個個別磁體陣列。
圖10D展示根據另一實施例之可用於圖1位移器件100之可移動台110的磁體陣列112之佈局的示意橫截面圖。圖10D亦示意性描繪可用於致動各組對準X磁體陣列及對準Y磁體陣列112的線圈跡線126。應注意圖10D所示之線圈跡線 126實際上係示意性的且不表示線圈跡線126之尺寸或數目。除圖10D中各組對準X磁體陣列及對準Y磁體陣列112包括一對個別磁體陣列112(而非三個個別磁體陣列，正如圖10C)外，圖10D之磁體陣列112之佈局係與圖10C類似。更特定言之，圖10D之佈局包括各組中具有兩個個別磁體陣列的四組對準X磁體陣列及各組中具有兩個個別磁體陣列的四組對準Y磁體陣列。圖10D佈局中之X磁體陣列組包含：第一組對準陣列112a1、112a2；第二組對準陣列112b1、112b2；第三組對準陣列112c1、112c2；及第四組對準陣列112d1、112d2。圖10D佈局中之Y磁體陣列組包含：第一組對準陣列112A1、112A2；第二組對準陣列112B1、112B2；第三組對準陣列112C1、112C2；及第四組對準陣列112D1、112D2。
正如圖10C之佈局之情況，可由定子120上之相同組線圈跡線126驅動圖10D佈局中之對準磁體陣列組。更特定言之，可由線圈跡線126a1/a2驅動第一組對準X磁體陣列112a1、112a2；可由線圈跡線126b1/b2驅動第二組對準X磁體陣列112b1、112b2；可由線圈跡線126c1/c2驅動第三組對準X磁體陣列112c1、112c2；且可由線圈跡線126d1/d2驅動第四組對準X磁體陣列112d1、112d2。類似地：可由線圈跡線126A1/A2驅動第一組對準Y磁體陣列112A1、112A2；可由線圈跡線126B1/B2驅動第二組對準Y磁體陣列112B1、112B2；可由線圈跡線126C1/C2驅動第三組對準Y磁體陣列112C1、112C2；且可由線圈跡線126D1/D2驅動第四組對準 Y磁體陣列112D1、112D2。應明白各組對準磁體陣列之有效線圈跡線並非靜止而是基於可移動台110之當前位置及可移動台110之所希望移動而動態判定。
正如上述之圖10C之情況，圖10D之佈局包含大量過度致動。此等過度致動能力可用於控制可移動台110之撓性模式以用於可移動台形狀校正及/或可移動台振動抑制。熟習此項技術者應明白圖10D之佈局提供四組對準X磁體陣列及四組對準Y磁體陣列，但是一些實施例可包括更多數目或更少數目個組之對準X磁體陣列及對準Y磁體陣列。而且，熟習此項技術者應明白圖10D之佈局提供各組對準X磁體陣列及各組對準Y磁體陣列包括一對個別磁體陣列，但是一些實施例可包括在各組對準磁體陣列中具有不同數目個個別磁體陣列。
圖10A至10D之佈局中的各個別磁體陣列112之特徵(例如，磁化區段114之定向、長度Lm、寬度Wm及類似特徵)可與本文所述之任何特徵(例如，展現圖7A至7L及圖8A至8L所示之任何磁化型樣)類似。圖10C、圖10D之鄰近陣列之間距Sm可與上文圖6A、6B所述之間距類似。
場折疊及電流換向
在一些實施例中，磁體陣列112包括與所謂的「海爾貝克(Halbach)陣列」類似的特徵。通常，假設Halbach陣列之磁場係主要與少量五階諧波失真成正弦。在長而多週期的Halbach陣列足夠裏面(即，遠離邊緣)的位置處，此假設係相對精確的。然而，在Halhach陣列邊緣處，尤其在磁體陣 列係僅1至2個磁化週期(λ)寬時(例如，正如圖7及8所示之一些磁體陣列112)，磁場決非正弦。磁體陣列112之邊緣處的磁場失真可以稱為彌散場效應。設計換向律以實現此類非正弦場的至少近似線性之力特徵可係困難的。
一種用於最小化在使用載流線圈跡線以將力施加至Halbach陣列上時之彌散場效應的技術涉及增大該Halbach陣列中之磁化週期(λ)數目。雖然可歸因於彌散場之擾動力不隨磁化週期數目增大而改變，但是此等擾動力對施加至較大Halbach陣列上之力之總量的效應減少。用於最小化在使用載流線圈跡線以將力施加至Halbach陣列上時之彌散場效應的另一技術僅涉及激發定位於遠離Halbach陣列之邊緣及彌散場之處的線圈跡線。此第二技術犧牲了力產生容量。
發明者已判定可理論證明(使用空間迴旋理論)寬度為Wm之磁化陣列與週期為Wm之無限寬電流陣列之間的力(橫向及垂直兩者)係與週期為Wm之無限寬磁體陣列與單個線圈跡線之間的力大小相同。圖11A至11C繪示此原理。圖11A展示相對於以恆定電流激發之單個線圈跡線126橫向移動(即，在所繪示視圖之X方向上)的寬度為Wm之短Y磁體陣列112。此圖11A配置因線圈跡線126與磁體陣列112之邊緣處或附近之彌散場相互作用而產生非正弦力。在圖11B中，以與原線圈跡線126相同的量之電流激發的額外線圈跡線126’經添加以形成週期為Wm之無限寬電流陣列。磁體陣列112與線圈跡線126、126’之陣列之間的合成總力係與由五 階諧波引起之小分量成正弦。在圖11C中，力係產生在單個線圈跡線126中之電流與週期為Wm之無限寬週期性磁體陣列112之間。
若以相同量的電流激發所有線圈跡線126、126’，則在圖11B配置中磁體陣列112與線圈跡線126、126’之陣列之間的總力係與在圖11C配置中磁體陣列112與單個線圈跡線126之間的力相同。此相同原理應用於圖7及圖8所示之任何磁體陣列112。實際上，在磁體陣列112之邊緣外，無需圖11B無限線圈陣列且其足以激發多達λ/2或λ/2以上之額外線圈跡線。此等效性明顯簡化力分析。使用此原理及標準的三相正弦換向，磁體陣列112(及包括複數個磁體陣列112之可移動台110)上之致動力具有極佳線性特徵，此合乎高速準確應用所希望。
圖11D係展示可在圖1位移器件100中使用之線圈跡線126及單個磁體陣列112之一層128以及實際上可如何使用圖11A至11C之場折疊原理的示意橫截面圖。有效(載流)線圈跡線126係示為純黑色；以白色展示之跡線126表示其他磁體陣列(未展示)之無效線圈跡線126或有效線圈跡線126。在圖11D之繪示性視圖中，磁體陣列112係具有在Y方向上大致線性伸長之磁化區段114的Y磁體陣列。如可從圖11D所見，激發在磁體陣列112下方且向外超過磁體陣列112之各X軸邊緣達場折疊長度LFF的線圈跡線126。超過此區(即，大於LFF、遠離磁體陣列112之X軸邊緣)之線圈跡線126可能對其他磁體陣列無效或有效或者亦可能對所繪示磁體 陣列112有效。取決於鄰近磁體陣列之間的間隙(例如，圖6所示之間隙Sm-Wm)，LFF可設定為使延伸超過磁體陣列112之X軸邊緣之希望與避免鄰近磁體陣列力耦合平衡的合適距離。在一些實施例中，LFF可設定為LFF=Nffλ/2，其中Nff係正整數。在一些實施例中，LFF可設定為大於或等於λ/2之任何數值。在磁體陣列112之邊緣之任一側上之場折疊長度為LFF的情況下，可以與磁體陣列112在兩側上無限延伸的情況下進行之方式相同的方式設計換向律之電流方向及大小。此意謂著除線圈跡線126相對於彼此電相移外，相同磁體陣列112之相同層128上之所有有效線圈跡線126遵循相同換向律(最常見係正弦換向)。
圖12係展示可用於描述電流換向判定之線圈跡線126及單個Y磁體陣列112之一層128的示意橫截面圖。圖12磁體陣列112係Y磁體陣列112，此意謂著其磁化區段114係在Y方向上大致線性伸長。圖12展示一有效線圈跡線126(以黑色展示)與以白色展示之所有其他線圈跡線126(有效或無效)。圖12包含裝有磁體陣列112之座標框架Xm-Ym-Zm，其中Zm軸原點係在磁體陣列112之底面處，Xm軸原點係在磁體陣列112之中心。按照此等定義，磁體陣列112底面下方之空間中的磁場可根據以下方程式而模型化：
其中λc=λ/2π且(xm,zm)係磁體陣列112底面下方之空間中的任意點。雖然磁體陣列112之X軸寬度有限，但是其磁 場可如磁體陣列112在X方向上以磁化區段114之週期性磁化型樣連續重複之方式無限延伸般模型化。因為使用場折疊方法，所以此模型化假設不明顯影響力計算之精確度。如圖12所示，線圈跡線126係定位(即，居中)於(xm,zm)處。不管此線圈跡線126之位置(xm,zm)是恰在磁體陣列112下方或超過磁體陣列112之X尺寸邊緣，吾人亦可根據以下方程式激發此磁體陣列112之此線圈跡線126：
其中I係在跡線126中在位置(xm,zm)處之電流；Fax及Faz表示分別在X及Z方向上施加至磁體陣列112上之所希望力；k係致動器恒定係數；且電流參考方向(正電流方向)係與Ym軸一致(即，若電流流動至圖12之頁中，則I係正的)。當根據上述換向律激發磁體陣列112之所有有效電流跡線126時(當然，因為各線圈跡線126具有不同空間位置，所以各跡線126可具有不同電流振幅/方向)，施加至磁體陣列112上之致動力將係Fax及Faz。線圈跡線126係在相同橫向位置中(即，在圖12之相同X軸位置中)，但是不同層128可串聯連接(即，具有相同電流)或被分別控制。當該等不同層128串聯連接時，可基於最高層128上線圈跡線126之位置而計算在相同橫向位置中但是在不同層128中的線圈跡線126之所希望電流振幅。
如上述，一些磁體陣列112(例如，圖8A至8L所示之磁體陣列)包括非磁化間隔件136。對於此等磁體陣列112，線圈跡線電流判定可藉由假設不存在非磁化間隔件136及藉 由假設各側之磁體陣列112朝向其中心(即，朝向YZ平面118)移動達間隔件136之寬度g之一半而完成。圖13A及13B示意性展示此程序，其中在假設圖13A磁體陣列112具有圖13B磁體陣列112之屬性的基礎上計算實際的圖13A磁體陣列112之電流換向。按照此等假設，發明者判定實際合力將不等於經計算值(Fax、Faz)，但是將使用合適控制演算法及/或類似演算法以可能固定的換算因数(例如，95%)進行換算。可使用合適控制技術而容納此等差，諸如將所希望力設定為稍大於若不存在間隔件136可能希望之力。如上述，間隔件136具有其可減少磁體陣列112之磁場之五階諧波之效應的益處。
感測器系統
為了精確控制在位移器件100中可移動台110相對於之定子120的位置(例如，至典型微影程序及/或類似程序所希望之準確度)，希望知道可移動台110與定子120之相對位置。如上述，施加至可移動台110上之力係取決於(定子120上之)線圈跡線126與(可移動台110上之)磁體陣列112之間的相對間距。可導致判定此等相對位置有難度之問題係可藉由地面振動、藉由定子120上之反力及/或類似因素而產生的定子120之運動。圖14A示意性繪示用於分開量測可移動台110及定子120相對於計量框架202之位置的感測系統200之一實施例。在所繪示實施例中，定子120受定子框架204(其可受地面或另一振動隔離系統(未展示)支撐)支撐且可移動台110在由如上述之磁體陣列與載流線圈跡線相互 作用引起的致動力之影響下浮在定子120上方。定子框架204可對定子120之線圈總成提供機械支撐及散熱。
計量框架202係受一或多個振動隔離機構206(其可為被動或主動振動隔離機構206，諸如彈簧、氣缸、空氣軸承及/或類似物)支撐。振動隔離機構206使計量框架202與地面隔離隔離。計量框架202亦可由合適材料(例如，熱穩定材料及機械穩定材料)製造。在所繪示實施例中，計量框架202提供用於獨立量測可移動台110及定子120兩者相對於穩定計量框架202之位置的穩定位置參考。在圖14A視圖中，Xm1、Zm1、Zm2表示可移動台110相對於計量框架202之位置的數個座標。雖然圖14A視圖展示三維的相對位置，但是應瞭解實際上可存在與可移動台110相對於計量框架202之位置相關聯的6軸或6軸以上量測。任何合適的位置感測器件可用於判定此等量測。合適位置感測器之非限制性實例包含：雷射位移干涉儀、二維光學編碼器、雷射三角量測感測器、電容式位移感測器及/或類似物。
圖14A所示之Xs1、Zs2及Zs2表示定子框架204相對於計量框架202之位置座標。雖然圖14A視圖展示三維的相對位置，但是應明白實際上可存在與定子框架204相對於計量框架202之位置相關聯的6軸或6軸以上量測。因為定子框架204相對於計量框架202之位置僅具有少量振動，所以許多低成本及短行程位置感測裝置足以量測定子框架204之位置。合適位置感測器之非限制性實例包含：電容式位移感測器、渦電流位移感測器、光學編碼器、雷射三角量測感 測器及/或類似物。應明白雖然定子框架204之位置可能因製造誤差、熱負載及/或類似因素而無法確切獲知，但是在量測定子框架204相對於計量框架202之位置中此等因素引起DC或低頻不確定性且可藉由以低頻使用具有足夠高增益之控制方案(例如，藉由非限制性實例之整合控制元件)來控制可移動台110之位置以有效減弱此等不確定性而克服。即，控制方案可經設計使得以遠快於與定子框架204之位置量測相關聯的低頻不確定性之速率調整可移動台110之位置。定子框架204之位置之AC或相對高的頻率分量更為重要。因此，希望使用適當高頻寬之位置感測器量測此等高頻分量。
圖14B展示用於量測可移動台110之位置的感測器系統220之另一實施例。在所繪示實施例中，可移動台110包括：複數個磁體陣列112、移動台結構226及一或多個感測器目標224。合宜地，一或多個感測器目標224可定位於磁體陣列112之間的空間230中(見圖1B)。定子框架204包括一或多個感測器讀頭222。此等磁頭222可安裝在定子120之線圈總成中的孔內部。感測器磁頭222可與感測器目標224光學地、電地、電磁地及/或以類似方式相互作用以量測移動台110相對於定子框架240之相對位置。藉由非限制性實例：感測器目標224可包括光學二維光柵板且感測器磁頭222可包括光學編碼器讀頭；感測器目標224可包括具有二維柵格特徵之導電板且感測器磁頭222可包括電容式位移量測探頭；感測器目標224可包括適合用於干涉儀之反射表面且感 測器磁頭222可包括雷射干涉儀磁頭等。
不同位置感測技術可經組態以提供整體系統。應明白感測器磁頭222可定位於可移動台110上且感測器目標224可定位於定子框架204上。而且，在圖14B實施例中，可量測可移動台110相對於定子框架204之位置。在一些實施例中，相同類型感測器目標224及感測器磁頭222可定位於可移動台110及計量框架202上以在與圖14A類似的系統中量測可移動台110相對於計量框架202之位置。此外，應明白圖14B僅展示一維或多維的量測，但是可使用類似技術量測其他維數。
圖14C展示適於與圖1位移器件100一起使用的感測器系統240之另一實施例。可移動台110具備複數個可識別標記242(例如，諸如發光二極體(LED)、反射標記表面及/或類似物)。立體攝像機244可獲取此等標記242及來自此等標記242之影像位置的影像，適當程式化之控制器246可判定此等標記242相對於立體攝像機244之空間位置。圖14C實施例展示可使用相同攝像機244及控制器246感測多個可移動台(例如，可移動110及具有標記242A之可移動台110A)。因此，系統240可量測兩個可移動台120之間的相對位置。熟習此項技術者應明白合適標記亦可定位於定子框架204上以獲得可移動台關於定子框架204之位置。
應明白上述感測器系統具有自身優點及缺點，諸如成本、量測範圍/體積、解析度、精確度、增量或絕對位置、視線區塊之敏感度。兩個或兩個以上上述感測器系統可經 組合以實現所希望效能特徵。
運動控制
圖15展示適於在控制圖1位移器件100中使用的控制系統300之示意方塊圖。可由合適的程式化控制器(未清楚展示)實施控制系統300。此類控制器(及其組件)可包括硬體、軟體、韌體或其任何組合。例如，此類控制器可在包括一或多個處理器、使用者輸入裝置、顯示器及/或類似物之程式化電腦系統上實施。此類控制器可實施為具有合適使用者介面之包括一或多個處理器、使用者輸入裝置、顯示器及/或類似物的嵌入式系統。處理器可包括微處理器、數位信號處理器、圖形處理器、場可程式化閘陣列及/或類似物。該控制器之組件可組合或再分，且該控制器之組件可包括與該控制器之其他組件共用的子組件。該控制器之組件可實體上彼此遠離。該控制器經組態以控制一或多個放大器(未清楚展示)以驅動線圈跡線126中之電流且從而相對於定子120可控制地移動可移動台110。
在圖15之示意圖中，Vr表示定義應用程序希望的可移動台110之軌跡的參考運動命令信號。Vr通常係向量，規定以包括多個自由度之方式的可移動台110之所希望軌跡。此多個自由度可包含對應於剛體運動及/或振動模式運動之狀態。由於由特定應用程序且從應用程序觀點定義Vr，所以Vr未必是定義可移動台110之重心之運動及/或振動模式座標格式所希望的形式。例如，Vr可指定光微影應用中晶圓表面上的點之運動(其中該晶圓係安裝在可移動台110頂 部上)，而非指定可移動台110之重心之運動。在此等情況下，Vr可轉換成在模態參考座標框架中經由參考位置座標變換區塊302定義的對應向量。
向量可包括例如：
其中qr1、...、qr6表示定義剛體運動的6種狀態(例如，3種平移狀態及3種旋轉狀態)之所希望(參考)運動值且qr7、qr8表示兩種撓性振動模式狀態之參考值。應明白一些實施例可使用不同數目個剛體狀態及/或撓性模式狀態。
在圖15之示意圖中，Vf表示包括與可移動台110之經量測位置相關之資訊的位置反饋感測器305之輸出。通常，Vf亦將在模態座標框架中經由反饋位置座標變換區塊304而轉換成運動向量。該向量可包括例如：
其中qf1、...、qf6表示定義剛體運動的6種狀態(例如，3種平移狀態及3種旋轉狀態)之反饋值(例如，反饋位置值)且qf7、qf8表示兩種撓性振動模式狀態之反饋值。
在作為輸入的情況下，可由前饋運動控制器306計算 前饋控制力/扭矩向量Ff(模態域力/扭矩)。在作為輸入的情況下，可由反饋運動控制器308計算反饋控制力/扭矩向量Fb(模態域力/扭矩)。總模態域力/扭矩向量計算為=Ff+Fb。對於各磁體陣列112，致動器力座標變換區塊310可用於將模態域力/扭矩向量轉換成力命令Fa。如上述，對於各磁體陣列，可根據由區塊312執行之有效線圈電流換向演算法而從Fa計算各磁體陣列之對應有效線圈電流向量Ia(包含各跡線之電流值)。根據移動台110之位置，可由區塊314執行電流座標變換以判定定子線圈跡線126之各群組之線圈跡線參考電流Isr。對於線圈跡線126之各群組，此參考電流Isr將為：零(無效)；或特定磁體陣列112之有效線圈電流Ia；或複數個磁體陣列112之有效線圈電流之電流組合。可定子線圈參考電流命令Isr提供給功率放大器316以驅動可移動台110，且由Is表示由放大器316提供之實際定子線圈電流。
可對於可移動台110之最佳運動控制量測可移動台110之所有6(或甚至更大)個自由度。然而，在特定情況下，一些感測器或感測器之一部分可能出故障或出現功能障礙，或出於成本相關理由，可存在安裝在可移動台110之工作體積內之特定空間處的少數感測器。存在並非量測可移動台110之所有6個位置自由度且可稱為潛在感測的情況之實例。一些實施例提供一種用於在潛在感測的情況下控制可移動台110的運動控制方法。當感測器系統不提供Z方向(即，懸浮方向)上之量測時，各磁體陣列112之所希望力的 Z分量可設定為恆定位準，例如，各磁體陣列112上之力的Z分量可設定為可移動台110上之重力的一小部分。此外，上述換向方程式可變成：
其中標稱恆定垂直位置z0係用於各磁體陣列112而非在線圈跡線126上方之磁體陣列112之實際相對高度，其中標稱恆定垂直位置z0係在可移動台之座標框架中線圈跡線126之標稱位置。例如，在一些實施例中，z0=-1 mm。因為Z方向(懸浮)力係在線圈跡線126上方之磁體陣列112之高度減少時增大，所以恆定值z0將導致被動懸浮效應。此被動懸浮效應可比可移動台110之Z方向之主動控制相對更易受外力影響，但是此被動懸浮效應仍可確保可移動台110浮在定子120上方而無機械接觸。藉由非限制性實例，當希望在非關鍵工作區內移動可移動台110時，此被動Z方向控制策略係對較低成本應用、除此之外更大程度容許位置不確定性及/或類似因素之應用有用。
可發生特殊情況的潛在感測案例，其中可移動台110之經感測位置量測僅可用於X及Y平位移置以及繞Z之旋轉自由度。在此情況下，上述被動控制機制可確保在Z平移方向上繞X軸旋轉及繞Y軸旋轉之穩定性。
多個可移動台
在特定應用(諸如光微影、自動組裝系統及/或類似應用)中，可能希望同時並獨立控制一個以上可移動台。此可例如藉由提供對應的複數個可獨立控制定子及控制在各定子 上一可移動台之移動而實現。在一些情況下，希望互換可移動台(例如，以將可移動台從一定子移動至另一定子)。
圖16A至16D示意性描繪根據本發明之一實施例之用於在多個定子120之間互換可移動台110的方法400。更特定言之，方法400涉及可移動台110A從定子120A至定子120B及可移動台110B從定子120B至定子120A的移動。方法400涉及使用至少一中間定子120C。在圖16A中，展示在其各自定子120A、120B上操作之可移動台110A及110B。在圖16B中，可移動台110A係從定子120A移動至中間定子120C。在圖16C中，可移動台110B係從定子120B移動至定子120A。在圖16D中，可移動台110A係從中間定子120C移動至定子120B。
圖17A示意性描繪根據本發明之另一實施例之用於在多個定子120之間互換可移動台110的方法420。定子102A、120B係被獨立控制。在方法420之初始階段中，可移動台110A係在定子120A上工作且可移動台110B係在定子120B上工作，且兩者係同時並獨立進行。為了交換定子，可引起可移動台110A及可移動台110B以圖17A所示之箭頭方向移動。此移動將動量施加至可移動台110A、110B上。當兩個可移動台110A、110B(或更準確言之其對應X磁體陣列112)沿X方向重疊(即，當一些X定向之線圈跡線延伸在可移動台110A、110B兩者之X磁體陣列112下方時)，接著「共用」X定向之線圈跡線(或所有X定向之線圈跡線)可關閉，同時所希望Y定向之線圈跡線保持有效。因為上述之過度致 動，所以系統仍可以5個自由度(Y方向平移係唯一不受控制之運動)有效控制可移動台110A、110B之運動。因為兩個可移動台110A、110B之Y方向動量，所以該兩個可移動台110A、110B可平滑地通過彼此而不彼此接觸或撞碰。應注意兩個台110A、110B之會合位置未必在兩個定子120A、120B之邊界處。一般言之，此會合位置可係任何定子120A、120B上或兩個定子120A與120B之間的任何地方。
圖17B示意性描繪對於一定子120上之各可移動台可如何以6個運動自由度控制兩個可移動台110A、110B。在圖17B實施例中，兩個可移動台110A、110B(或更準確言之，其對應磁體陣列112)係在X方向上具有非重疊位置且在Y方向上具有部分重疊位置。因此，運用所繪示組態，可獨立啟動可移動台110A、110B的X定向之線圈跡線，但是可移動台110A、110B(或更準確言之，可移動台110A、110B之磁體陣列112)共用數個Y定向之線圈跡線。然而，運用圖17B所示之組態，亦存在僅延伸在可移動台110A之一或多個磁體陣列112下方的數個Y定向之線圈跡線及僅延伸在可移動台110B之一或多個磁體陣列112下方的數個Y定向之線圈跡線。「共用」Y定向之線圈跡線可停用，但是運用有效X定向之線圈跡線及至少一些可獨立控制的Y定向之線圈跡線，仍可以6個自由度獨立控制可移動台110A、110B。在圖17B繪示之組態中，展示可移動台110A、110B係在Y方向上直接彼此鄰近。雖然此組態係可能的，但是可移動台110A、110B未必在Y方向上隔開。此外，在圖17B中，展示 可移動台110A、110B(或準確言之其磁體陣列112)係在Y方向上之部分重疊位置處，但是若可移動台110A、110B(或準確言之其磁體陣列112)在X方向上遠離彼此隔開(即，在Y方向上完全不重疊)，則其等亦可被獨立控制。圖17B之可移動台可使用上文圖17A所述之技術而在X方向及/或Y方向上通過彼此-例如，可移動台110A可移動至可移動台110B右邊(在所繪示視圖中)或可移動台110A可移動至可移動台110B下方(在所繪示視圖中)。應明白可發生兩個可移動台110A、110B(或準確言之其磁體陣列112)在Y方向上具有非重疊位置且在X方向上具有部分重疊(或非重疊)位置的類似情況。
在一些應用中，可能希望移動可移動台110使之通過數個不同台。圖18示意性繪示適於此目的之裝置460。在所繪示實施例中，可移動台110A至110D係在若干定子120A至120F之間移動，且在一些應用中對於一些操作可停止在各定子120處。一般言之，可存在任何合適數目個可移動台110及任何合適數目個(大於可移動台110之數目)定子120。在各定子120A至120F上，本文所述類型之運動控制系統可用於控制對應可移動台110A至110D之位置。在一些實施例中，可能僅需要準確位置控制係發生在定子120A至120F內部。因此，可由相對便宜的位置量測系統(諸如室內GPS、立體攝像機及/或類似物)引導定子至定子運動。
旋轉位移器件
存在具有一些Z方向運動(即，在毫米級別內)與繞Z軸 之旋轉運動的旋轉位移器件之業界需求。圖19A係根據本發明之實施例之旋轉位移器件500之水平橫截面圖。圖19B及圖19C分別描繪位移器件500之可移動台(定子)510之仰視橫截面圖及位移器件500之定子520之俯視圖。如可從圖19B最佳所見，可移動台510包括具有在徑向方向上伸長且具有周向定向之磁化方向的磁化區段514之磁體陣列512。正如上述之XY可移動台，磁化區段514之磁化方向之定向通常正交於其縱向延伸之方向-即，在旋轉位移器件500的情況下，磁化區段514之磁化方向之周向定向通常正交於磁化區段514實體伸長之方向(徑向)。
在所繪示實施例中，磁體陣列512具有有角度的空間磁化週期λ。在一些實施例中，磁體陣列512中之空間磁化週期λ之數目係正整數Nm。在所繪示實施例之特定情況下，Nm=8，因此由各空間磁化週期對向之角度係λ=360°/8=45°。在其他實施例中，Nm可具有不同值。在一些實施例中，磁體陣列512可包括非整數的空間磁化週期λ。藉由非限制性實例，在一些實施例中，磁體陣列512可包括(Nm+0.5)λ個空間磁化週期。正如本文所述之XY實施例，各磁化區段514之寬度係整個空間磁化週期λ中磁化方向之數目Nt之函數。在所繪示實施例的情況下，Nt=4且因此各磁化區段514之角寬度係λ/Nt=λ/4=11.25°。在一些實施例中，Nt可具有不同值。
圖19C展示定子250如何包括複數個徑向定向之線圈跡線526。應明白在線圈跡線526中徑向傳播之電流能夠在周 向方向(例如，具有X及/或Y分量之方向)上及在Z方向上將力施加至磁體陣列112。在所繪示實施例的特定情況下，線圈跡線526分成複數個(例如，四個)群組(標注成群組1至4)且以虛線展示描繪。因為線圈跡線526之群組之幾何位置，所以群組1及3中之線圈跡線526將Z方向及主要Y方向力施加至磁體陣列512上，同時群組2及4中之線圈跡線將Z方向及主要X方向力施加至磁體陣列512上。Z方向力可經控制以產生Z方向平移以及繞X及Y軸之旋轉。X及Y方向力可經控制以產生繞Z軸之扭矩(及對應旋轉)且亦可經控制以產生X及Y平移(若需要)。因此，在適當控制線圈跡線526中之電流的情況下，位移器件500之可移動台510可準確控制為旋轉位移器件，但是亦可以所有6個自由度控制。應明白圖19A至19C展示之線圈跡線526之特定分組僅表示一可能實施例。正如本文所述之任何XY實施例，可為了最大撓性而分別控制各線圈跡線526。而且，亦可提供線圈跡線526之不同分組配置。線圈跡線526可串聯或並聯連接以實現各種設計目的。
在所繪示實施例中，定子520包括複數個(例如，四個)感測器磁頭521，其在可移動台510上與一或多個對應感測器目標519相互作用以量測或以其他方式感測可移動台510繞Z軸之旋轉定向以及可移動台510之X及Y平位移置。在一特定實施例中，感測器磁頭521包括編碼器讀頭且感測器目標519包括編碼器磁碟。在所繪示實施例中，定子520亦包括複數個(例如，四個)電容式感測器523，其可用於量測或 以其他方式偵測可移動台510相對於定子520之Z方向高度以及可移動台510繞X及Y軸之旋轉定向。應明白圖19之特定實施例中所示之感測器僅表示可與旋轉位移器件(諸如旋轉位移器件500)一起使用的合適感測器系統之一特定實施例且可使用其他感測系統。
圖19D係根據另一實施例之可與位移器件500一起使用的可移動台(定子)510’(即，在可移動台510之處)之仰視橫截面圖。可移動台510’與可移動台510不同之處係可移動台510’包括複數個有角度地隔開之磁體陣列512’。在所繪示實施例的情況下，可移動台510’包括四個磁體陣列512’。各磁體陣列512’具有有角度空間磁化週期λ。在一些實施例中，各磁體陣列512’中空間磁化週期λ之數目係正整數Nm，使得由各陣列對向之角度係Wm=Nmλ。在圖19D實施例的特定情況下，Nm=1。在一些實施例中，Nm可具有不同值。在一些實施例中，由各陣列512對向之角度係Wm=(Nm+0.5)λ，其中Nm係非負整數。正如本文所述之XY實施例，各磁化區段514之寬度係整個空間磁化週期λ中磁化方向之數目Nt之函數。在所繪示實施例的情況下，Nt=4且因此各磁化區段514之角寬度係λ/Nt=λ/4。在一些實施例中，Nt可具有不同值。在一些實施例中，磁體陣列512可包括具有角寬度λ/2Nt之磁化區段514。正如上文所述之XY實施例，具有角寬度λ/2Nt之此「半寬度」磁化區段514可提供在磁體陣列512之邊緣處，但是此並非必要且可在其他位置處使用此等半寬度磁化區段。
圖19E係根據另一實施例之可與位移器件500一起使用的定子520’(即，在定子520之處)之俯視圖。定子520’與定子520不同之處係定子520’包括線圈跡線526’之複數個層528A、528B(例如，在所繪示實施例的情況下係兩個)，其中鄰近層528A、528B中之線圈跡線526’彼此空間(角度)偏移達偏移角度OL。在一些實施例中，偏移角度OL可設定為至少約±+，其中K係整數。當偏移角度OL展現此屬性時，此偏移可能易於抵消可由磁體陣列512之五階諧波磁場引起的力/扭矩漣波。應注意可同時使用圖19D之可移動台510’及圖19E之定子520’兩者。
其他佈局及組態
圖20A示意性描繪根據另一實施例之位移器件600。位移器件600包括具有複數個磁體陣列612之可移動台(未明確展示)。在所繪示實施例中，位移器件600包括三個磁體陣列612(標注成612A、612B、612C)。各磁體陣列612A、612B、612C包括在XY平面中以特定定向大致線性伸長之對應的複數個磁化區段614A、614B、614C-例如，磁體陣列612A之磁化區段614A具有線性伸長之一定向，磁體陣列612B之磁化區段614B具有線性伸長之第二定向且磁體陣列612C之磁化區段614C具有線性伸長之第三定向。正如本文所述之其他位移器件，磁化區段614A、614B、614C之磁化方向通常可正交於其等實體伸長之方向。除該等磁化區段之相對定向外，磁體陣列612及磁化區段614之特徵可與 上述磁體陣列112及磁化區段114之特徵類似。
位移器件600亦包括具有複數個大致線性伸長之線圈跡線626的定子(未明確展示)。在所繪示實施例中，位移器件600包括可定位於該定子之對應層(未明確展示)上的線圈跡線626(標注成626A、626B、626C)之三個組。線圈跡線626A、626B、626C之各層可包括在對應XY平面中以特定定向大致線性伸長的線圈跡線626A、626B、626C。此等層及其對應線圈跡線626A、626B、626C可在位移器件600之工作區中彼此重疊(在Z方向上)。除該等線圈跡線之相對定向外，線圈跡線626之特徵可與上述線圈跡線126之特徵類似。
除線性伸長之線圈跡線626A’、626B’、626C’之定向係與線性伸長之線圈跡線626A、626B、626C之定向不同且磁化區段614A’、614B’、614C’延伸之定向係與磁化區段614A、614B、614C延伸之定向不同外，圖20B所示之位移器件600’係與位移器件600類似。
圖20C示意性描繪根據另一實施例之位移器件700。位移器件700包括具有複數個磁體陣列712之可移動台(未明確展示)。在所繪示實施例中，位移器件700包括兩個磁體陣列712(標注成712A、712B)。各磁體陣列712A、712B包括在XY平面中以特定定向大致線性伸長之對應的複數個磁化區段714A、714B-例如，磁體陣列712A之磁化區段714A具有線性伸長之一定向且磁體陣列712B之磁化區段714B具有線性伸長之第二定向。正如本文所述之其他位移器 件，磁化區段714A、714B之磁化方向通常可正交於其實體伸長之方向。除該等磁化區段之相對定向外，磁體陣列712及磁化區段714之特徵可與上述磁體陣列112及磁化區段114之特徵類似。
位移器件700亦包括具有複數個大致線性伸長之線圈跡線726的定子(未明確展示)。在所繪示實施例中，位移器件700包括可定位於該定子之對應層(未明確展示)上的兩組線圈跡線726(標注成726A、726B)。線圈跡線726A、726B之各層可包括在對應XY平面中以特定定向大致線性伸長的線圈跡線726A、726B。此等層及其對應線圈跡線726A、726B可在位移器件700之工作區中彼此重疊(在Z方向上)。除該等線圈跡線之相對定向外，線圈跡線726之特徵可與上述線圈跡線126之特徵類似。
應明白圖20C實施例之位移器件700將無法提供所有6個自由度。運用合適控制技術，圖200C之實施例可提供以4個自由度之運動。
圖20A至20C可用於展示本發明之一態樣及特定實施例之特徵。一些本文所述之實施例包含相對大數目個磁體陣列。雖然此可實現可增強控制可移動台相對於定子移動之能力的過度致動，但是此並非必要。特定實施例可包括具有任何合適的複數個(僅兩個)磁體陣列之可移動台，其中若所有磁體陣列之線性伸長之方向跨越可移動台之XY平面，則各此類磁體陣列包括沿對應方向大致線性伸長的複數個磁化區段。雖然線性伸長之較佳方向可包括至少兩個 正交方向(其等可使控制計算相對更簡單)，但是此並非必要。在磁體陣列係在單個可移動台XY平面中對準的情況下，線性伸長之任何兩個或兩個以上非平行方向將跨越該XY平面。在希望6個自由度之本發明較佳實施例中，三個或三個以上磁體陣列具備磁體陣列之至少兩者係在非平行方向上線性伸長且三個磁體陣列之力中心係非共線的。此外，各磁體陣列中之磁化區段之磁化方向通常正交於該等磁化區段線性伸長之方向。在磁體陣列內，磁化區段之磁化可具有與本文所述之任何特徵(例如見圖7及8)類似的特徵。
類似地，特定實施例可包括具有在任何合適的複數個方向上伸長之線圈跡線的定子，前提係該等線圈跡線之線性伸長方向跨越該定子之假想XY平面。雖然線性伸長之較佳方向可包括至少兩個正交方向(其等可使控制計算相對更簡單)，但是此並非必要。線性伸長之任何兩個或兩個以上非平行方向將跨越該定子之假想XY平面。該定子之XY平面可稱為假想XY平面，因為具有不同線性伸長方向之線圈跡線可提供在如上述之不同層上。此等層可在Z方向上具有不同位置。因此，可認為該定子之假想XY平面好像將各此類層中之線圈跡線假想地帶到沿Z軸具有對應單個位置的單個XY平面一樣。
上述之描述描述在磁化空間週期λ內可存在不同數目Nt個磁化方向。然而，對於上述所有繪示之實施例，Nt=4。圖21A至21C示意性描繪具有不同值Nt(即，在特定磁化週期 λ內具有不同數目個磁化方向)的磁體陣列802A、802B、802C。圖21A之磁體陣列802A具有Nt=4，圖21B之磁體陣列802B具有Nt=2且圖21C之磁體陣列802C具有Nt=8。數目Nt可選擇為任何合適數目，具有相對大Nt之優點在於相對大Nt係以在製造磁體陣列中需可能的更大成本及複雜度為代價而提供具有相對大的基諧波及相對小的較高階諧波之對應磁體陣列。
如上述，圖3D至3F所示之線圈佈局(其中Wc=λ/5)具有其等可導致抵消或衰減由磁體陣列112產生的磁場之五階諧波之一些效應的優點。圖22A示意性展示根據另一實施例之可在位移器件100中使用的線圈跡線佈局。圖22A實施例中之線圈跡線126係以跡線長度Lm斜交在可移動台110之XY平面中達量Oc。在一些實施例中，斜交量Oc(應瞭解其可為由Y定向之跡線126以其Y維度長度Lm橫越的X方向距離)可選擇為λ/5或λ/9或λ/13以導致由磁體陣列112產生的磁場之五階或九階或十三階諧波衰減。此斜交量Oc可經調整以藉由設定Oc=λ/n而衰減其他諧波，其中n係希望衰減之諧波之數目。在圖22A實施例中，線圈跡線126之x維度寬度Wm示為λ/6，但是通常此並非必要且Y維度寬度Wm可具有其他值。藉由非限制性實例，除上述之斜交外，圖22A線圈跡線之佈局係與圖3A至3F所示之任何佈局類似。
應明白以圖22A所示之方式斜交的Y定向之線圈跡線126將導致Y定向之線圈與X磁體陣列112之間具有一些可能的非希望耦合。即，在具有圖22A所示之斜交的Y定向之 線圈跡線中流動的電流可將力或扭矩施加至X磁體陣列112上。在Y定向之線圈跡線126的情況下，此交叉耦合可藉由使Y定向之線圈跡線126以相反方向斜交在Y定向之線圈跡線126之交替層128中以對此交叉耦合具有抵消或衰減效應而減少或最小化。圖22B示意性繪示Y定向之線圈跡線126的一對鄰近層128。為清楚起見，未清楚展示Y定向之線圈跡線126之層128之間的X定向之線圈跡線。圖22B實施例之鄰近層128中的Y定向之線圈跡線126係以相反方向斜交在XY平面中。鄰近層128中之線圈跡線126之此相反斜交可用於減少或最小化Y定向之線圈跡線126與X磁體陣列112之間的非希望耦合，同時減少磁體陣列112之磁場之五階諧波之效應。如在上述之線圈跡線126之各個實施例中，不同層128中之線圈跡線126可串聯地、並聯地及/或單獨地電連接。
圖23A至23D展示展現在X方向上以總X方向峰峰值振幅Oc及Y方向空間週期τc延伸的空間三角波的Y定向之線圈跡線126(同時在Y方向上大致線性伸長)之各個實施例。在所繪示實施例中，Y方向空間週期τc設定為Y方向長度Lm之整數因數(例如，圖23A係Lm、圖23B係Lm/2、圖23C係Lm/3及圖23D係Lm/4)且振幅Oc設定為λ/5。Y定向之線圈跡線126之此兩個特徵可減少Y定向之跡線與X磁體陣列112交叉耦合之效應且亦可有助於衰減線圈跡線之單個層128上的陣列112之磁場之五階諧波之效應。應明白設定值Oc以具有不同值可用於藉由設定Oc=λ/n而抵消其他諧波(例如，九階諧 波或十三階諧波)，其中n係希望衰減的諧波之數目。鄰近Y定向之層128上的Y定向之線圈跡線126可製造成具有相反三角波相位(例如，在X方向上相反)。圖23E及圖23F展示Y定向之線圈跡線126的類似空間週期性方波及正弦波形，其中Y方向空間週期τc設定為Y方向長度Lm之整數因數且峰峰值振幅Oc設定為λ/5以衰減磁體陣列112之五階諧波之效應。
圖24C示意性描繪起因於圖24A之方波線圈跡線126與圖24B之三角波線圈跡線126疊加的Y定向之線圈跡線126。圖24A方波具有空間週期τc1及振幅Oc1且圖24B三角波具有空間週期τc2及振幅Oc2。較佳地，空間週期τc1及τc2皆設定為線圈跡線126之Y方向長度Lm之整數因數。振幅Oc1及Oc2可設定為不同位準以衰減磁體陣列112之磁場之一階以上諧波之效應。一般言之，值Oc1及Oc2可設定為不同位準Oc1=λ/n及Oc2=λ/m，其中n及m係希望衰減的諧波之數目。
除努力改變線圈跡線126之線性伸長以衰減磁體陣列112之磁場之較高階諧波之效應外或取而代之，一些實施例可能涉及改變磁體陣列112及其磁化區段114之線性伸長。圖25A展示根據另一實施例之可在位移器件100中使用的磁體陣列112。圖25A繪示之實例中所示之磁體陣列112係Y磁體陣列且其Y尺寸Lm分成複數個子陣列112A、112B、112C，該等子陣列之各者係在X方向上與其鄰近子陣列偏移達距離Om。在所繪示實施例中，磁體陣列112極端處的子陣列112A、112C具有Y尺寸Lm/4且磁體陣列112中間的子陣列 112B具有Y尺寸Lm/2。在所繪示實施例中，子陣列112A、112C係在X方向上彼此對準且皆在X方向上與子陣列112B偏移達距離Om。在一些實施例中，子陣列112C可能係在與子陣列112B與子陣列112A偏移相同的X方向上與子陣列112B偏移。
在一些實施例中，偏移Om可設定為至少約等於，其中Nm係任何整數。設定Om以具有此特徵將易於衰減或抵消磁體陣列112之磁場之五階諧波與在Y方向上載送電流之線圈跡線126相互作用的效應，從而減少或最小化相關聯力漣波。在一些實施例中，偏移Om可設定為至少約等於，以衰減磁體陣列112之磁場之九階諧波與在Y方向上載送電流之線圈跡線126相互作用的效應。在一些實施例中，偏移Om可設定為至少約等於，其中Nm係任何整數且Wc係通常在Y方向上伸長的線圈跡線126之X軸寬度。設定Om以具有此特徵將易於衰減或抵消磁體陣列112之磁場之五階諧波與在Y方向上載送電流之線圈跡線126相互作用的效應，從而減少或最小化相關聯力漣波。在一些實施例中，偏移Om可設定為至少約等於，以衰減磁體陣列112之磁場之九階諧波與在Y方向上載送電流之線圈跡線126相互作用的效應。
在一些實施例中，磁體陣列112可具備不同數目個子陣列。圖25B展示特定實施例，其中Y磁體陣列112之Y尺寸Lm包括一對子陣列112A、112B，各子陣列具有Y尺寸Lm/2且在X方向上彼此偏移達距離Om。圖25B子陣列112A、112B之偏移距離Om可具有與圖25A子陣列之偏移距離Om相同的特徵。雖然圖25A繪示之實施例中所示之磁體陣列112包括三個子陣列且圖25B繪示之實施例中所示之磁體陣列112包括兩個子陣列，但是磁體陣列112通常可具備具有與圖25A及25B所示之特徵類似的特徵之任何合適數目個子陣列。
圖25C及圖25D展示可用於衰減其等對應磁場之多個空間諧波之效應的磁體陣列112之數個實施例。圖25C及25D展示Y磁體陣列112之一實施例，其包括具有Y方向長度(圖25D標注成a、b、c、f、g、h)的六個子陣列及具有Y方向長度(圖25D標注成d-e)的一子陣列，其中Lm係磁體陣列112之總Y方向長度。圖25D展示一些子陣列(a、b、c、d-e、f、g、h)如何(在X方向上)相對於彼此移位或偏移。在圖25C及25D之實施例中，子陣列b與g係在X方向上對準，子陣列a及h係相對於子陣列b及g移位(在所繪示視圖中向右)達量Om2，子陣列d及e(一起作子陣列d-e)係相對於子陣列b及g移位(在所繪示視圖中向右)達量Om1，且子陣列c及f係相對於子陣列b及g移位(在所繪示視圖中向右)達量2Om2+Om1。該所繪示實施例之各子陣列a、b、c、d-e、f、g、 h具有X維度寬度Wm。線A-A之鏡像對稱(在磁體陣列112之Y尺寸Lm中心處)減少或最小化圖25C、25D磁體陣列112之力矩及/或力擾動。藉由圖25C、25D配置衰減之諧波具有等於2Om1及2Om2之空間長度。例如，藉由設定Om1=λ/10及Om2=λ/26，磁場之五階及九階諧波衰減。一般言之，藉由設定Om1=λ(M-0.5)/p、Om1=λ(N-0.5)/q將大大最小化起因於波長(空間週期)λ/p及λ/q兩者之諧波磁場的擾動力矩/力，其中M及N係任意整數。
圖25C至25D繪示之技術可經外推使得與任何合適數目個諧波相關聯的場引發之擾動力矩及/或力效應可使用此等技術之合適變化而同時衰減。亦可能衰減一諧波階之場引發的效應，但是保持一定程度之淨力矩擾動(諸如圖25B所示)。
如同圖22A、圖22B之斜交線圈跡線126及圖23A至圖23F及24C之空間週期性線圈跡線126，特定實施例之磁體陣列112可沿其等各自磁化區段114大致線性伸長之方向斜交或具備沿該方向的空間週期。磁體陣列112之此斜交及/或空間週期可用於減少或最小化此等磁體陣列112之磁場之較高階諧波之效應。圖26A展示在Y方向上大致線性伸長但是在X方向上以其Y維度長度Lm斜交達Op的Y磁體陣列112。假設圖26A磁體陣列112經組態以與具有線圈寬度為如上文定義之Wc的矩形幾何形狀之線圈跡線126相互作用，則斜交量可設定為至少約等於非負值Op=k^f-Wc，其中^f係待衰減磁場之空間諧波之波長且k係正整數。例如，若希望 衰減圖26A磁體陣列112之五階諧波場之效應，則Op可設定為kλ/5-Wc，其中k係正整數。
圖26B及圖26C展示空間週期性Y磁體陣列112，其中各陣列112之邊緣係在X方向上以其Y維度長度Lm改變達Op。圖26B及圖26C之磁體陣列112係以空間週期τm為週期，其中在圖26B陣列中τm=Lm且在圖26C陣列中τm=Lm/2。如同上述之空間週期性線圈跡線，空間週期τm通常可設定為Y維度長度Lm之整數因數。而且，與上述之空間週期性線圈跡線的情況類似，空間週期性磁體陣列除具備三角波形外亦可具備空間週期性波形，諸如方波、正弦波形或疊加波形。峰峰值振幅參數Op可具有上文結合圖26A所述的術語Op之特徵。
在一些實施例中，斜交線圈跡線與傾斜磁體陣列之組合亦可經有效實施以消除磁體陣列中之內部應力同時減少或最小化載流線圈跡線與磁體陣列之磁場之較高階諧波的相互作用效應。
雖然本文討論數個示例性態樣及實施例，但是熟習此項技術者應明白特定修改、置換、添加及其子組合。例如：
‧圖22、圖23及圖24之實施例中所示之線圈跡線係Y定向之線圈跡線。應明白X定向之線圈跡線可具備類似特徵。類似地，圖25及圖26之實施例中所示之磁體陣列係Y磁體陣列，但是應明白X磁體陣列可具備類似特徵。而且，圖25及圖26之實施例中所示之磁體陣列具有特定磁化型樣。一般言之，此等磁體陣列可具備任何合適磁化型樣，例如諸 如圖7及圖8所示之任何磁化型樣。
‧出於最小化或減少由可移動台110上之磁體陣列112之運動引發的渦電流之目的，線圈跡線126可相對窄。在一些實施例中，各線圈跡線126可包括複數個子跡線126’。圖27A(俯視圖)及圖27B(橫截面圖)示意性展示此類實施例。在圖27A之線圈跡線126A、126B、126C中，各線圈跡線126A、126B、126C包括複數個對應子跡線126A’、126B’、126C’(統稱子跡線126’)，其中各子跡線126’具有為其對應線圈126之寬度Wc之一小部分的寬度Tc。各子跡線126’僅載送流動通過其對應跡線126的電流之一部分。圖27A實施例中之各子跡線126’係藉由寬度為Tf之絕緣體而與其鄰近子跡線126’絕緣，但是在線圈跡線126內絕緣體寬度Tf通常無需為均勻的且希望最小化Tf以實現高表面占空因數。一般言之，任何合適數目個子跡線126’可提供在各跡線126中，此取決於Wc、子跡線寬度Tc及絕緣寬度Tf。各對應線圈跡線126之子跡線126’可在其等端部處(例如，在所繪示實施例的情況下在其等Y尺寸端部處)並聯地電連接。子跡線126’彼此連接之區可在器件100之工作區外-即，在可移動台110之運動範圍外，但是此並非必要。在其他實施例中，子跡線126’可彼此串聯連接。可使用已知PCB製造技術製造線圈子跡線126’。圖27B展示一特定跡線126及其對應子跡線126’之橫截面圖。
‧可使用除PCB技術外之技術製造線圈跡線126。大致線性伸長或可經定形以大致線性伸長之任何導體可用於提 供線圈跡線126。圖28A及圖28B展示在定子120之有效區124中之線圈122包括具有圓形橫截面之線圈跡線126的一實例。圖28B展示跡線126可如何在X及Y方向上大致線性伸長以提供跡線(X定向之跡線126X及Y定向之跡線126Y)之交替層128的細節。圖28A及圖28B所示之各跡線126可由各個橫截面之進一步子跡線組成。圖28C展示一實例，其中具有圓形橫截面之跡線126包括具有圓形橫截面之複數個子跡線126’。一種用於實施此跡線之共同方法可能係使用標準多細絲線與外部絕緣體。圖28D展示具有矩形橫截面之線圈跡線126具有圓形橫截面之子跡線126’的一實例。
‧在所繪示實例中，不同層128上之線圈跡線126示為彼此相同。在一些實施例中，不同層128上之線圈跡線126及/或具有不同定向(例如，X定向及Y定向)之線圈跡線126可具有彼此不同的屬性。藉由非限制性實例，X定向之線圈跡線126可具有第一線圈寬度Wc1及/或線圈間距Pc1且Y定向之線圈跡線126可具有可能與X定向之線圈跡線126相同或不同的第二線圈寬度Wc2及/或線圈間距Pc2。線圈跡線126之其他屬性可此外或或者彼此不同。類似地，磁體陣列112(例如，不同定向之磁體陣列112(例如，X磁體陣列及Y磁體陣列112)或甚至係具有相同定向之磁體陣列112)示為彼此相同。在一些實施例中，不同磁體陣列112可具有彼此不同的屬性。藉由非限制性實例，X磁體陣列可具有第一寬度Wm1及/或空間週期λ1且Y磁體陣列可具有第二寬度Wm2及/或空間週期λ2。磁體陣列112之其他屬性可此外或或者彼 此不同。
‧在此描述及隨附申請專利範圍中，應認為元件(諸如層128、線圈跡線126、移動台110或磁體陣列112)係在某個方向上或沿某個方向彼此重疊。例如，來自不同層128之線圈跡線126可在Z方向上或沿Z方向彼此重疊。當描述兩個或兩個以上物件在Z方向上或沿Z方向彼此重疊時，應瞭解此用法意味著Z方向定向之線可按比例繪製以使該兩個或兩個以上物件相交。
‧在本文提供之描述及圖式中，可移動台示為靜止，其中其等X、Y及Z軸與對應定子之X、Y及Z軸相同。為簡潔起見，在本揭示內容中採用此慣例。當然，應明白從本揭示內容來看，可移動台可(且經設計以)相對於其定子移動，在此情況下該可移動台之X、Y及Z軸可不再與其定子之X、Y及Z軸相同(或對準)。因此，在下文申請專利範圍中，該定子之X、Y及Z軸稱為定子X軸、定子Y軸及定子Z軸，且該可移動台之X、Y及Z軸稱為台X軸、台Y軸及台Z軸。對應方向可稱為定子X方向(平行於定子X軸)、定子Y方向(平行於定子Y軸)、定子Z方向(平行於定子Z軸)、台X方向(平行於台X軸)、台Y方向(平行於台Y軸)及台Z方向(平行於台Z軸)。相對於定子軸定義之方向、位置及平面通常可稱為定子方向、定子位置及定子平面且相對於台軸定義之方向、位置及平面通常可稱為台方向、台位置及台平面。
‧在上文描述中，定子包括載流線圈跡線且可移動台包括磁體陣列。當然，此可能相反-即，定子可包括磁體陣 列且可移動台可包括載流線圈跡線。而且，組件(例如，定子或可移動台)實際上是移動或該組件實際上靜止將取決於從其觀察到該組件之參考框架。例如，定子可相對於可移動台之參考框架移動，或該定子及該可移動台兩者可相對於外部參考框架移動。因此，在下文申請專利範圍中，除非上下文特別要求字面解釋，否則不應字面解釋術語定子以及可移動台及其參考(包含定子及/或台X、Y、Z方向、定子及/或台X、Y、Z軸及/或類似物之參考)。此外，除非上下文特別要求，否則應瞭解可移動台(及其方向、軸及/或類似物)可相對於定子(及其方向、軸及/或類似物)移動或定子(及其方向、軸及/或類似物)可相對於可移動台(及其方向、軸及/或類似物)移動。
雖然上文已討論數個示例性態樣及實施例，但是熟習此項技術者應明白特定修改、置換、添加及其子組合。因此，意欲將下文隨附申請專利範圍及將來採用之申請專利範圍解譯成包含如在其等真實精神及範疇內的所有此等修改、置換、添加及子組合。
100、110‧‧‧可移動台
112A、112B、112C‧‧‧子陣列
120‧‧‧定子台
122‧‧‧線圈
124‧‧‧工作區
126‧‧‧線圈跡線
1B-1B、1C-1C‧‧‧線

Claims (26)

  1. 一種位移器件，其包括：一定子，其包括被定形成提供其中線圈之跡線大致線性定向之一工作區之複數個伸長線圈，該複數個伸長線圈包括：第一複數個線圈跡線，其分佈在一對應第一定子Z位置處之一第一層上，該第一複數個線圈跡線在該第一層中之一第一定子方向上大致線性伸長；及第二複數個線圈跡線，其分佈在一對應第二定子Z位置處之一第二層上，該第二複數個線圈跡線在該第二層中之一第二定子方向上大致線性伸長，該第二定子方向與該第一定子方向不平行；該第一層及該第二層在該工作區中之一定子Z方向上彼此重疊，該定子Z方向與該第一定子方向及該第二定子方向大致正交；及一可移動台，其包括複數個磁體陣列，該複數個磁體陣列包括：一第一磁體陣列，其包括在一第一台方向上大致線性伸長之複數個第一磁化區段，各第一磁化區段具有與該第一台方向大致正交之一磁化方向且該等第一磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；及一第二磁體陣列，其包括在不平行於該第一台方向之一第二台方向上大致線性伸長之複數個第二磁化區 段，各第二磁化區段具有與該第二台方向大致正交之一磁化方向且該等第二磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；及一或多個放大器，其經連接以驅動該第一複數個線圈跡線及該第二複數個線圈跡線中之電流且從而實現該定子與該可移動台之間之相對移動。
  2. 如請求項1之位移器件，其中該第一定子方向為一定子X方向且該第二定子方向為一定子Y方向，該定子X方向、該定子Y方向及該定子Z方向大致彼此互相正交。
  3. 如請求項1及2中任一項之位移器件，其中該複數個線圈跡線包括：一或多個第一額外層，各第一額外層位於一對應第一額外定子Z位置，且各第一額外層包括在該第一額外層中之該第一定子方向上大致線性伸長之對應複數個線圈跡線；及一或多個第二額外層，各第二額外層位於一對應第二額外定子Z位置，且各第二額外層包括在該第二額外層中之該第二定子方向上大致線性伸長之對應複數個線圈跡線；其中該第一層、該一或多個第一額外層、該第二層及該一或多個第二額外層在該定子之該工作區中之該定子Z方向上彼此重疊。
  4. 如請求項1至3中任一項之位移器件，其中該第一台方向為一台X方向且該第二台方向為一台Y方向，該台X方向 及該台Y方向彼此正交。
  5. 如請求項4之位移器件，其中該複數個第一磁化區段之該等磁化方向在該第一磁體陣列之一台Y方向寬度Wm1上展現一第一空間磁週期λ1，且該複數個第二磁化區段之該等磁化方向在該第二磁體陣列之一台X方向寬度Wm2上展現一第二空間磁週期λ2。
  6. 如請求項5之位移器件，其中該第一磁體陣列之該台Y方向寬度Wm1係由Wm1=Nm1λ1給定，且該第二磁體陣列之該台X方向寬度Wm2係由Wm2=Nm2λ2給定，其中Nm1、Nm2係正整數。
  7. 如請求項5及6中任一項之位移器件，其中：該複數個第一磁化區段包括在該第一磁體陣列之邊緣處之一對第一邊緣磁化區段，以及在遠離該第一磁體陣列之該等邊緣之位置處之一或多個第一內部磁化區段；該複數個第二磁化區段包括該第二磁體陣列之邊緣處之一對第二邊緣磁化區段，以及在遠離該第二磁體陣列之該等邊緣之位置處之一或多個第二內部磁化區段。
  8. 如請求項7之位移器件，其中該等第一邊緣磁化區段及該等第二邊緣磁化區段具有定向於一台Z方向上之磁化，該台Z方向與該台X方向及該台Y方向正交。
  9. 如請求項7及8中任一項之位移器件，其中：該等第一邊緣磁化區段具有λ1/2Nt1之台Y方向寬 度，且該等第二邊緣磁化區段具有λ2/2Nt2之台X方向寬度；且該等第一內部磁化區段具有λ1/Nt1之台Y方向寬度且該等第二內部磁化區段具有λ2/Nt2之台X方向寬度；其中Nt1係組成一完整空間磁週期λ1之不同磁化方向之一數目，且Nt2係組成一磁空間磁週期λ2之不同磁化方向之一數目。
  10. 如請求項5至9中任一項之位移器件，其中：該複數個第一磁化區段之該等磁化方向繞一第一平面鏡面對稱，該第一平面在該台X方向及該台Z方向上延伸且位於該第一磁體陣列之該台Y方向寬度Wm1之一中心處；且該複數個第二磁化區段之該等磁化方向繞一第二平面鏡面對稱，該第二平面在該台Y方向及該台Z方向上延伸且位於該第二磁體陣列之該台X方向寬度Wm2之一中心處。
  11. 如請求項5至10中任一項之位移器件，其中λ1=λ2。
  12. 如請求項5至11中任一項之位移器件，其中Wm1=Wm2。
  13. 如請求項9之位移器件，其中Nt1=Nt2。
  14. 如請求項4至13中任一項之位移器件，其中該複數個磁體陣列包括：一第三磁體陣列，其包括在該台X方向上大致線性伸長之複數個第三磁化區段，各第三磁化區段具有與該台X方向大致正交之一磁化方向且該等第三磁化區段之 至少二者具有彼此不同之磁化方向；及一第四磁體陣列，其包括在該台Y方向上大致線性伸長之複數個第四磁化區段，各第四磁化區段具有與該台Y方向大致正交之一磁化方向且該等第四磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向。
  15. 如請求項14之位移器件，其中該第一磁體陣列及該第三磁體陣列之台位置在該台X方向上彼此偏移達一第一偏移距離，該第一偏移距離小於該第一磁體陣列之一台X方向長度Lm1且其中該第一磁體陣列及該第三磁體陣列在該台Y方向上彼此間隔開。
  16. 如請求項14至15中任一項之位移器件，其中該第二磁體陣列及該第四磁體陣列之台位置在該台Y方向上彼此偏移達一第二偏移距離，該第二偏移距離小於該第二磁體陣列之一台Y方向長度Lm2且其中該第二磁體陣列及該第四磁體陣列在該台X方向上彼此間隔開。
  17. 如請求項14至16中任一項之位移器件，其中：該第一磁體陣列之一台Y方向定向之邊緣及該第二磁體陣列之一台Y方向定向之邊緣在該台X方向上彼此對準；且該第三磁體陣列之一台Y方向定向之邊緣及該第四磁體陣列之一台Y方向定向之邊緣在該台X方向上彼此對準。
  18. 如請求項14至17中任一項之位移器件，其中：該第一磁體陣列之一台X方向定向之邊緣及該第二磁體陣列之一台X方向定向之邊緣在該台Y方向上彼此對準；且該第三磁體陣列之一台X方向定向之邊緣及該第四磁體陣列 之一台X方向定向之邊緣在該台Y方向上彼此對準。
  19. 如請求項4至13中任一項之位移器件，其中該複數個磁體陣列包括：複數個X磁體陣列，該複數個X磁體陣列之各者包括在該台X方向上大致線性伸長之對應複數個X伸長磁化區段，各X伸長磁化區段具有與該台X方向大致正交之一磁化方向且該等X伸長磁化區段之至少兩者具有彼此不同之磁化方向；及複數個Y磁體陣列，該複數個Y磁體陣列之各者包括在該台Y方向上大致線性伸長之對應複數個Y伸長磁化區段，各Y伸長磁化區段具有與該台Y方向大致正交之一磁化方向，且該等Y伸長磁化區段之至少兩者具有彼此不同之磁化方向。
  20. 如請求項19之位移器件，其中該複數個X磁體陣列包括一或多組對準之X磁體陣列，各組對準之X磁體陣列包括在該台Y方向上彼此對準之X磁體陣列之一群組。
  21. 如請求項20之位移器件，其中該複數個Y磁體陣列包括一或多組對準之Y磁體陣列，各組對準之Y磁體陣列包括在該台X方向上彼此對準之Y磁體陣列之一群組。
  22. 如請求項20及21中任一項之位移器件，其中：該一或多組對準之X磁體陣列包括在該台X方向上彼此偏移之至少兩組對準之X磁體陣列。
  23. 一種用於在一定子與一可移動台之間實現位移之方法，該方法包括： 提供一定子，其包括被定形成提供其中線圈之跡線大致線性定向之一工作區之複數個伸長線圈，該複數個伸長線圈包括：第一複數個線圈跡線，其分佈在一對應第一定子Z位置處之一第一層上，該第一複數個線圈跡線在該第一層中之一定子X方向上大致線性伸長；及第二複數個線圈跡線，其分佈在一對應第二定子Z位置處之一第二層上，該第二複數個線圈跡線在該第二層中之一定子Y方向上大致線性伸長，該定子Y方向大致正交於該定子X方向；該第一層及該第二層在該工作區中之一定子Z方向上彼此重疊，該定子Z方向與該定子X方向及該定子Y方向大致正交；及提供包括複數個磁體陣列之一可移動台，該複數個磁體陣列包括：一第一磁體陣列，其包括在一台X方向上大致線性伸長之複數個第一磁化區段，各第一磁化區段具有與該台X方向大致正交之一磁化方向且該等第一磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；及一第二磁體陣列，其包括在大致正交於該台X方向之一台Y方向上大致線性伸長之複數個第二磁化區段，各第二磁化區段具有與該台Y方向大致正交之一磁化方向且該等第二磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；及 選擇性驅動該第一複數個線圈跡線及該第二複數個線圈跡線中之電流以從而實現該定子與該可移動台之間之相對移動。
  24. 如請求項23之方法，其中選擇性驅動該第一複數個線圈跡線及該第二複數個線圈跡線中之電流包括根據具有以下形式之換向方程式判定一電流以在該第二線圈跡線之各者中驅動： 其中：I為一台位置(xm,zm)之一第二線圈跡線中之電流；Fax及Faz表示分別在該定子X方向及該定子Z方向上施予在該第二磁體陣列上之所希望之力；k為一致動器恒定係數；且λc=λ/2π，其中λ為該第二磁體陣列中之該等第二磁化區段之該等磁化方向之一空间磁週期。
  25. 一種位移器件，其包括：一定子，其包括被定形成提供其中線圈之跡線大致線性定向之一工作區之複數個伸長線圈，該複數個伸長線圈包括：第一複數個線圈跡線，其分佈在一對應第一定子Z位置處之一第一層上，該第一複數個線圈跡線在該第一層中之一定子X方向上大致線性伸長；及第二複數個線圈跡線，其分佈在一對應第二定子Z位置處之一第二層上，該第二複數個線圈跡線在該第二層中之一定子Y方向上大致線性伸長； 該第一層及該第二層在該工作區中之一定子Z方向上彼此重疊，該定子X方向、該定子Y方向及該定子Z方向大致彼此互相正交；及包括複數個磁體陣列之一可移動台，該複數個磁體陣列包括：一第一磁體陣列，其包括在一台X方向上大致線性伸長之複數個第一磁化區段，各第一磁化區段具有與該台X方向大致正交之一磁化方向且該等第一磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；一第二磁體陣列，其包括在大致正交於該台X方向之一台Y方向上大致線性伸長之複數個第二磁化區段，各第二磁化區段具有與該台Y方向大致正交之一磁化方向且該等第二磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；一第三磁體陣列，其包括在該台X方向上大致線性伸長之複數個第三磁化區段，各第三磁化區段具有與該台X方向大致正交之一磁化方向且該等第三磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；及一第四磁體陣列，其包括在該台Y方向上大致線性伸長之複數個第四磁化區段，各第四磁化區段具有與該台Y方向大致正交之一磁化方向且該等第四磁化區段之至少二者具有彼此不同之磁化方向；一或多個放大器，其經連接以驅動該第一複數個線圈跡線及該第二複數個線圈跡線中之電流且以從而實 現該定子與該可移動台之間之相對移動。
  26. 如請求項25之位移器件，其中該第一磁體陣列及該第三磁體陣列在該台X方向上彼此偏移且在該台Y方向上彼此間隔開，且該第二磁體陣列及該第四磁體陣列在該台Y方向上彼此偏移且在該台X方向上彼此隔開。
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