JPH05504100A - 超高速電気力学式ｘ、ｙ、θ位置決めステージ - Google Patents

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】 超高速電気力学式Ｘ、Ｙ、ｅ位置決めステージ［技術分野］ 本発明は、一般に精密位置決めステージに関し、より詳しくは、１平面内の有限 の距離及び角度にわたって非常に高い線加速度及び角加速度で負荷を移動させる ことのできる、超高速電気力学式ｘ、ｙ、ｅ位置決めステージに関する。この位 置決めステージ独特の特長は、運動量を相殺して固定部材上の反作用力とトルク をＯに近づけることのできる設計である。

［背景技術］ 精密位置決めの必要は、多くの機械及び電子技術分野で周知である。たとえば、 許容差の小さい機械加工ではツールを正確に位置決めする必要がある。このよう な位置決めを達成するための種々の機構、及びそのような機構を最大限に利用す るための種々の技法が知られている。

平面内での精密位置決めを達成するための周知の機構の１つは、リニア・モータ を使って装置を駆動し特定の位置に保持するものである。このようなリニア・モ ータ、並びに電気機械式パルス・モータ、油圧式アクチュエータ、その他の機構 が、精密位置決めで使用するものとして知られている。

ロボット・エンド・エフェクタのための、走査平面における高精密移動の必要に 対する典型的な解決方法は、ＹアクチュエータがＸアクチュエータの端部に物理 的に載荷された、タンデム式に機械的に接続された１対の線形アクチュエータを 設けることである。この方法の短所は、ＸステージとＸステージが機械的に直列 になっており、Ｘステージは負荷を移動させるが、ＸステージはＸステージと負 荷の両方を移動させなければならないことである。対称性が壊れ、クリティカル な応用例では、Ｘステージ用とＸステージ用の制御戦略は、関係する力学が異な るために、異なるものでなければならない。ｅ移動（Ｘ及びＹに直交する軸の周 りでの回転）に、さらに別のタンデム・ステージが必要となることもある。

限られた距離で小さな負荷を高速でしかも精密に移動させることがしばしば必要 となる、多くの応用分野がある。これらの応用分野としては、走査顕微鏡検査、 リングラフィ、ロボット式アセンブリ、及び自動テストが含まれる。

走査顕微鏡検査では、小さなプローブの下で試料をラスク走査しなければならな い。プローブは、光学式、容量式、音響式、磁気式、トンネル電流式などでよい 。その結果得られる時系列信号が、試料の２次元イメージとなる。非常に短い時 間でイメージを得るためには、走査ステージは極めて高速でなければならない。

リソグラフィでは、マスクと基板を迅速に位置合わせしなければならず、Ｘ、Ｙ 、θでの精密な移動が必要である。

２つの部品、または１つの部品と１つの加工部材を位置合わせしなければならな い、ロボット式アセンブリでも同じことが言える。ロボット技術ではしばしば、 コンプライアンスに合わせて調節し、かつ位置外れ及び部品寸法の変動に対処で きることが望ましい。ロボット技術における有望な技法は、微細位置決め装置が 粗位置決め装置に載荷された、粗密組合せ移動手法を使用して、解像力を犠牲に することなく、大きな作業空間の外寸を得ることである。

自動テストでは、電気式または他の種類のプローブをチップまたはモジュール上 の離散電気的接続パッドに移動し、そこでテストを実施する。生産においては、 プロセスを経済的に魅力的なものにするため、数千回のテストを短時間に実施し なければならない。

本発明は、限られた距離で小さな負荷を高速でしかも精密に移動させることが必 要な応用分野での要件を満たすものである。

この問題に対する従来の解決方法は、モータ駆動の親ねじによって移動される線 形移動ステージ及び回転移動ステージを用いるものである。これらのモータは、 開ループ・ステップ・モータまたは閉ループ直流サーボ・モータのどちらでもよ い。典型的には、ボール軸受またはクロス・ローラ軸受のどちらかをサスペンシ ョン用に使用する。最近は、直結駆動リニア・モータが使用され、親ねじは不要 になった。これらの移動システムはすべて、適度に高い精度、良好な荷重積載能 力、しかし非常に低いピーク加速度と速度を特徴とする。

工業用ロボットの終端リンクに取り付けるのに十分に軽くて小さな、改良された 移動装置が、ラルフ・Ｌ・ホーリス（Ｒａｌｐｈ　Ｌ、　Ｈｏ１ｌｉｓ）ジュニ アによる「精密Ｘ−Ｙ位置決め装置（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｘ−Ｙ　Ｐｏ５ｉｔ ｉｏｎｅｒ）　Ｊと題する米国特許第４５０９００２号、及びラフル・Ｌ・ホー リス・ジュニアとベラ−Ｌ−マシツツ（Ｂ６１ａ　Ｌ、　Ｍｕｓｉｔｓ）による 「電磁Ｘ−Ｙ−θ精密位置決め装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｘ−Ｙ −Ｔｈｅｔａ　ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＰｏｓｉｔｉｏｎｅｒ）　Ｊと題する米国特 許第４５１４６７４号に開示されている。

装置とい（つかの自動化の応用例が、１９８４年８月２０〜２３Ｆ３に日本の京 都で開催された国際ロボット技術研究シンポジウムで発表された、Ｒ−Ｈ−テー ラ−（Ｔａｉｌｏｒ）　、Ｒ−Ｌ−ホーリス（Ｈｏｌｌｉｓ）　、及びＭ−Ａ− レービン（Ｌａｖｉｎ）の「端点センシングによる精密操作（Ｐｒｅｃｉｓｅ　 Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈ　Ｅｎｄｐｏｉｎｔ　Ｓｅｎｓｉｎｇ）Ｊに 記載されており、これは１９８４年８月７日にＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃ ｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　ＲｅｐｏｒｔＮｏ、ＲＣ１０６７０（＃　 ４７８６０　）として刊行され、その後、ＩＢＭ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｅ ５ｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ、　Ｖ　ｏ　１　、２９　。

Ｎｏ、　４．　ｐｐ、３６３〜３７６　（１９８５年７月）に掲載された。

上記のＸ−Ｙ位置決め装置の工学的詳細は、Ｒ，Ｌ、ホーリスの「平面ＸＹコロ ボット精密位置決め装置（Ａ　Ｐｌａｎａｒ　ＸＹＲｏｂｏｔｉｃ　Ｆｉｎｅ　 Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｄｅｖｉｃｅ）　Ｊ　、１９８５年度ＩＥＥＥ国際ロ ボット技術・自動化会議報文集、米国ミズーリ州セントルイス、（１９８５年３ 月２５〜２８日）、ｐｐ、３２９〜３３６、及びＲ−Ｌ・ホーリスの「平面ＸＹ コロボット精密位置決め装置の設計（Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ａ　Ｐｌａｎａｒ 　ＸＹ　Ｒｏｂｏｔｉｃ　ＦｉｎｅＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｄｅｖｉｃｅ）Ｊ 　、Ｐ　Ｅ　Ｄ−Ｖ　ｏ　１　、　１５、ロボット技術と製造自動化（Ｒｏｂｏ ｔｉｃｓ　ａｎｃｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）、 ＡＳＭＥ冬季年次総会、米国フロリダ州マイアミビーチ、（１９８５年１１月１ ７〜２２日）、ｐｐ、２９１ん２９８でも検討されている。

Ｒ−Ｌ・ホーリス他の「光ファイバ・センシングによる精密位置決めを使用する ロボット式回路板テスト（ＲｏｂｏｔｉｃＣｉｒｃｕｉｔ　Ｂｏａｒｄ　Ｔｅｓ ｔｉｎｇ　Ｕｓｉｎｇ　Ｆｉｎｅ　Ｐｏ５ｉｔｉｏｎｅｒｓ　ＷｉｔｈＦｉｂｅ ｒ−Ｏｐｔｉｃ　Ｓｅｎｓｉｎｇ）　Ｊ　、Ｉ　ＢＭ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＲｅｐｏｒｔ、　Ｎｏ、　ＲＣｌｌ　 １６４　（＃５０２４３）（１９８５年Ｓ月２１日刊）　、ｐｐ、　１〜１４は 、電気回路板をテストするための精密移動装置の使用を記載している。

これらの参照文献に記載されている移動装置は、適度に高い速度と加速度（２４ ０ｍ　ｍ　７秒及び８．７ｇの力）、高い精度（０，５ミクロンの移動解像度） 、限られた行程（±０゜９ｍｍ及び２度）、及び適度の負荷能力（通常１ｋｇま たはそれ以下）を示す。

本発明に関係するその他の研究としては、アサカワ・カズオ、アキャ・フミアキ 、及びタバタ・フミオの「可変コンプライアンス装置とその自動式組立てへの応 用（Ａ　ＶａｒｉａｂｌｅＣｏｍｐｌｉａｎｃｅ　Ｄｅｖｉｃｅ　ａｎｃｌ　ｉ ｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ＡｕｔｏｍａｔｉｃＡｓｓｅｍｂｌｙ ）Ｊ　、第５回国際オートファクト学会報文集、米国ミシガン州デトロイト（１ ９’８３年１１月１４〜１７日）　、ｐｐ。

１０−１〜１０−１７に開示されている。上記論文は、能動自由度２、受動自由 度３のコンプライアンス機構を記述している。能動自由度は平面コイルを使用す る。位置決めフィードバックは使用せず、何らかの力のフィードバックは使用さ れるが、この装置は位置決めには使用されない。

もう１つの関連する参照文献は、「自由度６の磁気的に空中浮揚されるプログラ ム式コンプライアンス精密移動装置（Ｓｉｘ　Ｄｅｇｒｅｅ−ｏｆ−Ｆｒｅｅｄ ｏｍ　Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ　Ｌｅｖｉｔａｔｅｄ　ＦｉｎｅＭｏｔｉｏｎ 　Ｄｅｖｉｃｅ　ｗｉｔｈ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ ）　Ｊ　と題する米国特許第４８７４９９８号であり、複数の自由度を有し磁気 的に空中浮揚される精密移動装置を開示している。この精密移動装置は、コンプ ライアンス並びに移動がプログラミング可能である。

電磁ステージなどの通常の型式のステージのいくつかは、上記の参照文献のいく つかに開示されている。本発明のステージは異なった型式のステージであり、電 気力学式ステージである。電気力学式ステージとは、移動するコイル中の電流が 定磁界と直接に相互作用して動力を発生させるステージである。これに対して、 電磁式ステージは、固定コイル中の電流が透磁体中の磁界を変化させて動力を発 生させるステージである。本発明の電気力学的ステージは、Ｘ及びＹ方向移動す るのみならず回転もし、移動要素が空気軸受で支えられているので、静止摩擦が ない。

［発明の開示］ 精密位置決めステージは、多次元平面移動を実行することができ、少なくとも１ つの固定アセンブリと少なくとも１つの移動アセンブリを含み、移動要素は固定 アセンブリに対して高速で動（ように構成されており、移動要素の運動量が瞬間 的に反転し、それによって精密位置決めステージを提供する。

多次元平面移動を実行することができる精密位置決めステージは、第１固定アセ ンブリ、第１移動要素、第２固定アセンブリ、第２移動要素、及び第３固定アセ ンブリを含み、第１移動要素は第１及び第２固定アセンブリ内に収容され、第２ 移動要素は第２及び第３固定アセンブリ内に収容され、かつ第１移動要素は、第 ２移動要素に対して運動量を相殺する形で移動するように構成されている。

多次元平面移動を実行することができる精密位置決めステージは、第１固定アセ ンブリ、第１移動要素、第２移動要素、第２固定アセンブリを含み、第１及び第 ２移動要素は第１及び第２固定アセンブリ内に収容され、第１移動要素は、第２ 移動要素に対して運動量を相殺する形で移動するように構成されている。

上記の精密位置決めステージは、１つのモータを形成する固定アセンブリと移動 要素を有し、移動要素の移動がセンサによって測定され、このセンサが制御装置 手段に情報を供給し、制御装置が、所望の移動が達成されるように保証する。

［図面の簡単な説明］ 第１図は、本発明による位置決めステージの分解斜視図である。

第２図は、いくつかの要素を取り除いた、本発明による部分的に組み立てられた 位置決めステージの斜視図である。

第３図は、第２図に示す本発明による位置決めステージの断面３−３に沿った立 面図である。

第４図は、本発明による組立て済みの位置決めステージの斜視図である。

第５Ａ図、第５Ｂ図、及び第５Ｃ図は、本発明による位置決めステージのコイル のいくつかの可能な構成を示す概略平面図である。

第６図は、本発明による他の実施例を示す組立て済みの位置決めステージの立面 図である。

［発明の好ましい実施例］ 本発明の基本的構想は、平面磁気コイル・アクチュエータ、空気軸受拘束冷却手 段、位置感知、及び制御手段を相乗的かつ斬新な形で組み合わせて、外部の機械 的インターフェースに反動力を伝えることな（、平面内で極めて高い並進及び回 転加速度で移動することのできるステージを作成することである。

本発明は、平面内の作動力とその平面に垂直な作動トルクを発生させるように配 置された、永久磁石によって生成される磁界中で動作する、い（っかの平巻きコ イルまたは平面コイルから成る。２組のコイルが、両側を空気軸受で拘束された ２対の薄い層の間に挟まれている。これは、固定ハウジングまたはフレーム及び 同じ１対の平面移動要素を備える装置を含んでいる。各移動要素の位置と角度は 、センサによって測定され、アナログ・コンピュータまたはディジタル・コンピ ュータによって、一方の移動要素の各移動ごとにもう一方の要素に対して逆の移 動が実施されるような形で制御される。

この結果、システムの外側から見ると力及びトルクがほぼ完全に相殺される。便 宜上、移動要素の一方を主要素と呼び、他方を反動要素と呼ぶことにする。さら に、どちらかの移動要素が主要素になることができ、残りの移動要素は反動移動 要素と呼ぶことができる。主移動要素は、有用な仕事（例えば、サンプルまたは ツールを空間内で移動する）を行い、その動的性能が非常に高いために、高い線 形及び角運動量を有する。反動移動要素がなければ、等しい逆向きの運動量がフ レーム（機械的基礎）に伝わって、キックを発生させ、振動を誘発させる。しか し反動移動要素は、等しい逆向きのキック　（すなわち主移動要素の運動量と逆 向きの運動量）を与えるような形で制御され、したがってフレームに伝達される 残留運動量はゼロに近づくことができる。

反動がほとんどないことは、プログラム式自動化の応用例にとって極めて重要と なる。粗密位置決めを使用し、つまりロボットを使って高性能位置決めステージ を載荷し、精密移動ステージからの妨害が粗移動ロボットの移動に影響しないよ うにする。

平面内で自由度３の移動を実現するには、最低３本のコイルが必要である。ただ し、４本、５本、６本、またはそれ以上のコイルが有利な場合もある。

本発明の性質を示すため、第１図ないし第４図に、本発明の教示に従って作成し た好ましい実施例を示す。制御を簡単にし、理解し易くするために、４コイルま たは４スターの構成を選択した。本発明の趣旨または意図から逸脱することなく その他多くの設計が可能である。

第１図に、装置アセンブリの分解斜視図を示し、第２図に、上部ハウジングと中 部ハウジングの一部分を取り外した内部の図を示す。第２図では、すべてのハウ ジングと左半分の上部リターン・プレートは、磁石アセンブリが見えるように外 しである。各移動要素のサンドインチの上部シートも、磁気コイルの関係が容易 に見えるように左半分が外しである。

第１図にさらに明解に示すように、超高速電気力学式Ｘ、Ｙ、ｅ位置決めステー ジ５は、下部アセンブリすなわち下部フレーム１０を有し、フレーム１０は非磁 性材料製で、リターン・プレート１８（第１図には示さず）と下部磁石１６を収 容するための開口１４を有する。下部磁石１６は永久磁石であることが好ましい が、他の電磁石を使用することもできる。リターン・プレート１８は鉄などの透 磁性材料製である。

下部フレーム１０の周縁には、空間を画定する、下部スペーサ１２が形成され、 その空間内で下部のすなわち反動移動要素３０が動作可能である。下部スペーサ １２の高さまたは厚さは、下部移動要素３０の厚さに、下部移動要素３０の上下 のエアー・ギャップの厚さを加えたものに等しい。これは第３図にさらに詳しく 示す。中部アセンブリすなわち中部フレーム５０の周囲下縁は、下部スペーサ１ ２の上面に載り、またははまり合っている。下部スペーサ１２はロッドやブロッ クなど、どのような形状にすることもでき、また開口１３を有することができる 。開口１３は、もちろん空気軸受用の出口となる。開口１３は、図のように連続 した開口でもよく、また構造材料と開放領域の両方を有するスロット付きの開口 でもよい。下部フレーム１０には、１つまたは複数の光学式または他の形式のセ ンサ８を取り付けることもできる。下部フレーム１０は、下部移動要素３０の下 部シート３４の下面にアクセスできるようにするための、１つまたは複数の孔ユ ５．１７を有することもできる。この孔の１つが、中央アクセス孔１７として示 しである。１つまたは複数の開口１５はまた、光信号または電気信号の伝送にも 使用できる。

次に、下部移動要素３０は、戦略上、下部フレーム１ｏの上に置かれ、摩擦が最 少になるように並置される。下部移動要素３０全体は、動作中は空中に浮遊して いる。第１の下部移動要素３０は種々の部品から成る。例えば、上部シート３２ と下部シート３４を有する。上部シート３２及び下部シート３４内に、開口また は空洞３７がある。この開口または空洞３７は、第３図に示すように、ハニカム または他の軽量構造材料３８、及び第１のすなわち下部コイル３６で充填するこ とができる。下部コイル３６は、非磁性マンドレルに巻きつけることが好ましく 、次いで下部コイル３６は移されて、下部シート３４の上面に置かれる。また、 下部コイル３６を非磁性マンドレルと共に、下部シート３４の上面の上に置くこ とが好ましい場合もある。上部シート３２と下部シート３４はそれぞれ、構造材 料３８とコイル３６を固定して保持する。にかわ、またはある種の接着剤、また はエポキシその他の接着手段を使って、下部シート３４、上部シート３２、及び それらの内容を一緒に固定保持することができる。シート３２．３４は、グラフ ァイトまたはＫｅｖｌａｒ　（米国プラウエア州つィルミントンのＥ・工・デュ ポン・ドウ・ヌムール社の商標）または強化エポキシを使用して作成することが 好ましいが、ガラス強化エポキシまたはアルミニウムまたはチタンまたはベリリ ウムでもよい。コイル３６からのリード線（図示せず）は、移動要素３０の動き を制御するアナログまたはディジタル・システム（図示せず）に接続されること になる。

アナログまたはディジタル制御装置は、ステージ５に固定して取り付けてもよく 、また離れた位置にあってもよい。配線はもちろん、コイル３６への適切な電気 的接触を確保するため、固定して取り付け、移動要素３０中を通さなければなら ない。アナログまたはディジタル制御装置をコイル３６に接続する導線は、編組 み線でインダクタンスが低いことが好ましい。

第１の下部移動要素３０はまた、上部シート３２及び下部シート３４を使用せず に作成することもできる。この場合、露出した下部コイル３６は、構造材料３８ によって一緒に保持され、下部移動要素３０全体が、動作中に空中に浮遊するこ とになる。

中部フレーム５０は、主として中央アクセス孔すなわち開口５７と、開口５４． ５５から成る。中部フレーム５０の１つまたは複数の孔５５は、光信号または電 気信号の伝送に使用される。開口５４内に中部磁石５６を埋め込むことが好まし い。中部磁石５６は永久磁石であることが好ましいが、電磁石でもよく、さらに 中部磁石５６は、中部フレーム５０と同じ厚さであることが好ましい。その代り に、１つまたは複数の開口５４を鉄などの透磁性材料で埋め込んでもよい。中部 磁石５６の下面と上面は、それぞれ下部移動要素３０と上部移動要素７０に自由 に影響を及ぼすことができ、その結果、各移動要素からの少なくとも１つのコイ ルが同じ磁界を共用する。中部フレーム５ｏは、下部移動要素３０を上部のすな わち第２のすなわち主移動要素７０から分離する。上部移動要素７０は、上部シ ート７２及び下部シート７４を使用せずに作成することもできる。この場合、第 ３図に示すように、露出した上部コイル７６は、構造材料７８によって一緒に保 持され、上部移動要素７０全体が、動作中に空中に浮遊停滞することになる。

第２の上部主移動要素７０は、構造及び質量が下部移動要素３０と同様であり、 これも摩擦が最少になるように精密位置決めステージの内部に並置される。上部 移動要素７０全体が、動作中に空中に浮遊する。場合によっては、第１移動要素 ３ｏまたは第２移動要素７ｏのいずれかの質量または構造を変えることが必要な こともあり得る。上部移動要素７０は、上部シート７２と下部シート７４を含む 。空洞または開ロア７は空洞３７と同様であり、既に述べたように、これはハニ カムや軽量構造材料７８などの構造材料で充填することができる。構造材料７８ は、上部移動要素７０の、上部シート７２と下部シート７４との間に挟まってい る。上部シート７２及び下部シート７４内に、少なくとも３つの上部コイル７６ がある。下部コイル３６と同様に、このコイル７６も、アルミニウム・マンドレ ルなどの非磁性マンドレルに巻きつけられる。ニイル７６からのリート線７９　 （第２図に示す）は、移動要素７０の動きを制御するアナログまたはディジタル ・システム（図示せず）に接続され、回路手段が作動電流を供給する。アナログ またはディジタル制御装置は、ステージ５に固定して取り付けてもよく、また離 れた位置にあってもよい。配線７９はもちろん、ニイル７６への適切な電気的接 触を確保するため、固定して取り付け、移動要素７０中を通さなければならない 。アナログまたはディジタル制御装置をコイル７６に接続する導線７９は、編組 み線でインダクタンスが低いことが好ましい。

上部のすなわち第３の固定アセンブリすなわちフレーム９０は、下部固定フレー ム１０を作成するために使用されるものと同様の材料製である。上部フレーム９ ０は、光信号また　、は電気信号を伝達するための開口９５を有する。中央アク セス孔すなわち開口９７は、被加工物（図示せず）を上部フレーム９０の中央に 、または上部移動要素７ｏのシート７２の上面に置くことができるようにする。

また上部フレーム９゜は上部スペーサ９２を有し、上部スペーサ９２の間に開口 ９３を有する。中部フレーム５ｏの周囲下縁は、上部スペーサ９２の下面とはま り合う。上部スペーサ９２は、ロッドやブロックなどどのような形状にすること もでき、また開口９３を有することができる。開口９３はもちろん、空気軸受用 の出口となる。開口９３は、図のように連続した開口でもよ（、また構造材料及 び開放領域の画方を有するスロット付きの開口でもよい。フレーム９０には、１ つまたは複数の光学式または他の型式のセンサ（図示せず）を取り付けることも できる。フレーム９０は、上部移動要素７０の上部シート７２の下面にアクセス できるようにするための、１つまたは複数の孔を有することもできる。このよう な孔の１つが、中央アクセス孔９７として示しである。

上部及び下部フレーム９０．１ｏにそれぞれ組み込まれた精密スペーサ９２．１ ２が、空気軸受ギャップを画定する。

上部リターン・プレート９８は、第２図に示すように上部フレーム９０の開口９ ４に組み込まれている。さらに、第２図は位置決めステージの斜視図を示すが、 上部フレームと主移動要素サンドイッチ構造は、磁石とコイルの位置関係を示す ために外しである。磁気ギャップは小さいので、磁石領域の上の磁界はほぼ一定 であると考えられ、したがって磁石の幅は、コイルの幅に移動範囲を加えたもの と同じかそれ以上にすべきである。また、移動要素に面する磁石の表面は、過渡 応答を改善するため、その上に導電性フォイル（図示せず）を有する。

第１図と第２図を見るとはっきりわかるように、主移動要素７０には、上部固定 フレーム９０内の大きな中央アクセス孔すなわち開口９７を通じてアクセス可能 である。各移動要素内のコイルは同じ移動平面にあることが好ましいが、場合に よっては、移動要素内の１つまたは複数のコイルが異なる移動平面にあってもよ い。さらに、移動要素自体は移動平面内では剛性で、移動平面の外部ではフレキ シブルであることが好ましい。

僅かな余分の質量を加えることによって、拡張プラットフォーム（図示せず）を 追加して、上部フレーム９ｏの表面の上に突き出した移動ステージを提供するこ ともできる。

また下部移動要素３０には、下部シート３４に固定して取す付けた下部ＬＥＤ４ ８または同様の感知装置を備えることができる。下部ＬＥＤ４８は、下部固定フ レーム１０に固定して取り付けたセンサ８に光信号を伝送して、フィードバック ・システムに下部移動要素３０の位置または場所を知らせる。同様に、上部移動 要素７ｏにも、下部シート７４に取り付けた上部ＬＥＤ８８または同様の装置を 備えることができ、中部フレーム５ｏの開口５５及び下部フレーム１０の開口１ ５を通じて、移動要素７０の動きを制御するフィードバック・システムに信号を 伝送することができる。同様のセンサまたは伝送装置（図示せず）を、移動要素 ７０の上部シート７２の上面にも取り付けて、上部フレーム９０の開口９５を通 じて、センサ（図示せず）に信号を伝送することができる。

同様な原理で、センサまたは伝送装置を、下部移動要素３０の上部シート３２の 上面に取り付けて、中部フレーム５ｏの開口５５及び上部フレーム９０の開口９ ５を通じて、センサ（図示せず）に信号を伝送することができる。このセンサは 主に、位置決めステージのＸ、Ｙ、ｅ移動を感知するが、他のパラメータを検出 するためにも使用できると考えられる。

精密位置決め操作では、移動要素の位置と向きをリアルタイムで測定しなければ ならない。これは、キャパシタンス、インダクタンス、空気圧式、及び光学的手 段によるセンシングを含む、い（つかの方法のいずれによっても実施可能である 。第１図及び第２図に示すＬＥＤ及び光学的センシング手段は、移動要素の加速 度、速度、位置、及び向きを測定する１つの方法である。ラテラル効果フォトダ イオードによる同様の光学的センシング手段が、前掲の米国特許第４５１４６７ ４号で使用されている。

移動ステージに取り付けられた単一の発光ダイオード（ＬＥＤ）からの放射光が 、任意選択のレンズ（図示せず）によってラテラル効果位置感知フォトダイオー ド（ラテラル・セル）の活性表面上に結像される。こうして、移動ステージの位 置がＸ、Ｙの２次元で測定される。移動要素に取り付けられた２個またはそれ以 上のＬＥＤを使用して、移動要素の位置並びに向き、すなわちＸ、Ｙ、およびｅ が測定できる。測定される移動範囲はレンズの倍率で拡大または縮小できる。

ラテラル・セル表面における移動の解像度は、帯域幅が２０ｋＨｚのときＯ，１ 〜１．０ミクロン程度にすることができ、フルスケールの直線性は１〜２％であ る。

この好ましい実施例では、１対のＬＥＤ４８．８８が、第１図及び第２図に示す ように各移動要素に堅固に取り付けられている。これらのＬＥＤの１つまたは複 数からの放射光が、レンズによって、下部固定フレーム１０に堅固に取り付けら れた、対応するラテラル効果セルの活性表面上に焦点を結ぶ。

各ラテラル・セルは、その表面上に焦点を結んだ光スポットの２つの直交座標を 測定し、次いで簡単な計算によって、各移動要素のＸ−Ｙ並進移動値とθ回転角 が得られる。

１つの代替手法は、ＩＢＭテクニカル・ディスクロージャ・プルテン、第３０巻 、第７号、ｐ９．３３〜３４．１９８７年１２月所載の「２次元並進及び回転用 の非接触センサ（Ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ　５ｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　Ｔｗｏ−Ｄ ｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ　ａｎｄＲｏｔａｔｉｏｎ）　 Ｊに開示されているように、各移動要素用の単一ラテラル・セルを、各移動要素 の上に取り付けた１対のフラッシュＬＥＤと組み合わせて使用することである。

所望の軌道及び所望の位置と角度への移動を行き過ぎることな（正確に追跡する ために、何らかの形の閉ループ制御を実施する必要がある。制御手段は、アナロ グ回路の形をとってもよく、またアナログ回路とディジタル回路の組合せでもよ い。十分速度が高い場合は、プログラム式マイクロプロセッサまたはディジタル 信号プロセッサ（ＤＳＰ）を使用することができる。簡単に言うと、点間移動、 正弦波走査、および定速度走査に適した制御戦略が可能と考えられる。

第３図は、第２図の断面３−３を示す。得られるエネルギー積を最大にするため には、ＮｄＦｅＢ磁石が好ましく、鉄を含むリターン・プレート１８．９８で閉 磁気構造を形成する。アルミニウム導線は最高の全体的性能をもたらすので、駆 動コイルは長方形断面のアルミニウム導線から巻くことが好ましい。コイル３６ ．７６と構造材料３８．７８を、薄いグラファイトまたはＫｅｖｌａｒ（Ｅ・工 ・デュポン・ドウ・ヌミュール社の商標）またはベリリウムまたはチタンまたは 強化ニポキシ・パネルの間に挟んで、強力で軽量の構造を作成する。前述のよう に、この構造は開口３７．７７を有する中空構造でもよい。上部移動要素７０と 下部移動要素３０は共に、それぞれ空気軸受によって頂部側及び底部側から拘束 されている。空気軸受用の圧縮空気は、上部、中部、及び下部のフレーム９０． ５０．１０に組み込まれている。

１つまたは複数の下部空気軸受空気入口４５によって、１つまたは複数の空気人 口２２から下部固定フレーム１０を通って空気の流入が可能になる。１つまたは 複数の空気軸受オリフィスすなわち空気出口４０によって、空気入口４５を通っ てきた空気の流出が可能になる。１つまたは複数の中部空気軸受空気人口６５に よって、１つまたは複数の空気入口５２から中部固定フレーム５０を通って、空 気の流入が可能になる。１つまたは複数の空気軸受オリフィスすなわち空気出口 ６ｏによって、空気入口６５を通ってきた空気の流出が可能になる。１つまたは 複数の下部空気軸受の空気入口８５によって、１つまたは複数の空気入口１０２ から下部固定フレーム９０を通って空気の流入が可能になる。１つまたは複数の 空気軸受オリフィスすなわち空気出口８０によって、空気入口８５を通ってきた 空気の流出が可能になる。空気を１例として使用したが、いくつか名前を挙げる と、アルゴン、クロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヘリウム、窒素な ど他の流体も容易に使用できる。クロロフルオロカーボンを使用する場合は、ト リクロロフルオロメタン（１１番）またはジクロロジフルオロメタン（１２番） が好ましい。フルオロカーボンの場合には、いくつか名前を挙げると、テトラフ ルオロメタン（１４番）、ジクロロジフルオロメタン（２１番）、またはへフサ フルオロメタン（１１６番）などのフルオロカーボンのどれでも受け入れられる 。上記の流体のうちのいずれかを空気入０４５．６５、または８５のいずれかを 通って位置決めステージ内に導入する。流入流体の温度がステージ温度より低い 時には、コイルの電気抵抗は低くなる。

流体入口４５．６５．８５のうちのいずれかを通ってステージに導入された流体 は、必要な流体または空気軸受を提供するのみならず、移動要素及びコイルを冷 却するための手段も提供する。

空気人口４５．６５、及び８５を通ってステージ５に注入された空気は、動作中 に下部移動要素３０及び上部移動要素７０を持ち上げて、空気中に浮遊させる。

移動要素が空気中に浮遊している時、上部及び下部移動要素の回転及び並進に作 用する摩擦はほとんどない。システムに導入された空気は、開口１３．９３のう ちの１つまたは複数を通って流出する。

したがって、移動要素３０，７０に作用する空気圧を、開口１３．９３の断面積 及び空気入口４５．６５．８５における入口圧に基づいて適切に調節する必要が ある。

下部移動要素３０は、下部コイル３６、空洞３７を有し、上部シート３２と下部 シート３４の間に埋め込まれたまたは挟まれた構造材料３８を有する。同様に上 部コイル７６は、上部移動要素７０の上部シート７２と下部シート７４の間に挟 まれまたは埋め込まれている。磁束経路すなわち方向を矢線９９で示す。もちろ ん、磁束経路の方向は、磁石が置かれる方法によって変わる。

空気軸受は、移動要素用のほぼ理想的な拘束手段を提供する。空気軸受は、非常 に剛性の高い支持体を提供し、静止摩擦がゼロである。下部、中部、上部固定フ レーム１０．５０．９ｏ内のポートすなわち空気人口２２．５２．１０２はそれ ぞれ、下部、中部、上部空気粕受オリフィス４ｏ、６０．８０に圧縮空気を送り 込み、各移動要素の上下に薄い（約１０ミクロン未満の）膜を作る。これらの軸 受の設計は、所望の剛性、耐荷重、及び空気流玉を含むいくつかの要因によって 決まる。

本発明で使用される空気軸受の副次的であるが重要な特徴は、駆動コイルに冷却 を提供できることである。高速動作では、大きな電力がコイル内で熱として発散 する。この熱の多くは逃げていく空気膜によって除去できる。この空気を冷却し て冷却手段として使用することができ、また窒素など他の流体を使用することも できる。液体窒素からのボイルオフも使用可能である。冷却のその他の利点は、 電気コイル抵抗の低下であり、場合によっては、流入する流体の温度が位置決め ステージの温度より低くなることもある。位置決めステージは内部流体出口から 冷却することが好ましいが、ステージを冷却する別の方法は外側からである。

並進及び回転の動作を第３図と第６図に示す。

たとえば、主移動要素７０がその行程の右上の限界まで並進移動した場合、下に ある反動移動要素３０はその左下の限界まで並進移動し、その結果、位置決めス テージ５に送られる線形運動量は完全に相殺される。２つの移動質量の重心位置 は２方向で僅かに異なるので、小さな残留トルクが発生する。この小さな残留ト ルクさえも、主移動要素７ｏから下に延び反動移動要素３０から上に延びる「ウ ィング」の対を追加することによって、打ち消すことができ、重心が共平面上と なる。

たとえば、装置の動作が５度の回転である場合、主移動要素７０は＋５度回転し なければならず、一方、反動移動要素３０は自動的に一５度回転することになり 、その結果、位置決めステージ５に伝えられる角運動量が完全に相殺される。

一般に、回転と並進移動の組合せは、必要に応じて主移動要素と反動移動要素の 両方によって実施される。

第４図は、本発明による完全に組立て済みの位置決めステージを示し、様々な部 分も共に示されている。本発明による位置決めステージを完全に組み立てた時に 形成される開口１３．９３もはっきり見える。

前述のように、多くのコイル構成が可能であるが、好ましい構成のいくつかを第 ５Ａ図、第５Ｂ図、第５Ｃ図に示す。

これらは可能なコイル構成であるが、他の多くの変形も可能である。第５Ａ図は ３スター構成に配置されたコイル１７６を示し、第５Ｂ図は４スター構成に配置 されたコイル２７６を示す。４スター構成はまた、本発明の好ましい実施例に関 連して考察したものでもある。第５Ｃ図は５スター構成のコイル３７６を示す。

さらに、中部アセンブリ５０は、第８図に示すように完全に省略することもでき る。この場合、上部移動要素７０と下部移動要素３０は、上部フレーム９０と下 部フレーム１０の内部に保持され、エア・ギャップによって分離されるだけであ る。

円滑な制御のための重要な考慮点は、アクチュエータの動作範囲全体にわたる力 と電流の比である。電気力学式アクチュエータでは、この比は、（ａ）コイルが 定磁界領域と移動領域の和より大きいか、または（ｂ）定磁界領域がコイルと移 動領域の和より大きい場合、はぼ一定になる。いずれの場合でも、力と電流との 比が一定となるが、選択肢（ｂ）では抵抗、インダクタンス、及び移動質量が最 少になる。

（電気的試験の応用例におけるなど）既知の負荷を伴う高速点間移動には、「バ ングバング」手法が適している。これは移動の前半にはフル正電流を要し、後半 にはフル負電流を要するものである。電流サーボが飽和電力供給電圧で使用され る。切替え時間は、正確なモデル化または実験によって決定でき、ステージが点 間移動の終端近くでは非常に低い速度になるように設計されることになる。次に 最終の比例モードまたはＰＩＤ　（比例積分導関数）モードを使用して、位置及 び回転の残留誤差をゼロにすることができる。

顕微鏡検査の応用例のための正弦波Ｘ−Ｙ走査は、加速度、速度、及び位置に対 して、円滑な（正弦波）波形による未飽和線形駆動を保つという利点を有する。

Ｘ−Ｙ移動は、開ループで実施するのが最良であり、ある程度の過剰走査はサン プル寸法に関する線形性を改善する。次いで位置センサがイメージ生成のための 情報を提供することになる。不必要な回転のせいで困難が生じる。回転の場合、 閉ループθ補正が開ループ走査動作に重ね合わされることがあり得る。

定速度走査上には（たとえばいくつかの計測応用例には）、速度サーボが不可欠 である。速度サーボを位置決めステージに追加することができ、また逆起電力を 速度の尺度として使用することができ、また速度を位置センサから推定すること もできる。速度を位置センサから推定するそのような方法の１つは、マイクロプ ロセッサで走行するオブザーバ・モデルから得ることができる。

これまで述べてきた制御モードでは、全般的な関心は主移動要素のみを制御する ことにあった。主移動要素の動作中、反動移動要素に対して随伴制御が実行され る。これは１次制御機構を複製したものでもよいが、あるいはより興味深いこと であるが、幾分異なるものでもよい。たとえば、位置制御機構を主移動要素に使 用する場合、反動移動要素を、位置についてではなく、１次ステージの加速度を 追跡するために、またはフレームに取り付けた加速度計からの情報を使用するた めに制御して、残留運動量を実際に配分することができる。

装置のコンプライアンス（剛性）またはそれに加えられる力が変化する可能性の あるものを含めて、その他の制御モードも可能である。

里 下記に述べる例は、本発明をさらに詳しく例示するためのもので、本発明の範囲 をいかなる形でも限定しようとするものではない。

例１ 本発明の教示に従って作成された超高速電気力挙式Ｘ、Ｙ、θ位置決めステージ は、どのようなサイズまたは寸法にすることもできる。この例では、本発明の教 示に従って作成された位置決めステージは、幅約１５８ｍｍ　（６，２５インチ ）、長さ１５８ｍｍ　（６，２５インチ）、高さ３８．１ｍｍ　（１。

５インチ）であり、Ｘ−Ｙ平面の動作範囲は１２．７ｍｍ（０，５インチ）ＸＩ 　２．７ｍｍ　（０，５インチ）となるように意図されている。この結果、動作 範囲が長さのわずか１／１２であり、移動質量がその固定質量に比べて僅かな装 置が得られる。

磁気ギャップは小さいので、磁石領域の上の磁界はほぼ一定と考えられ、したが って磁石の幅はコイル幅と移動範囲との和と同じかそれ以上にすべきである。こ の設計では、コイル幅は６．３５ｍｍ（０，２５インチ）、移動範囲は１２゜７ ｍｍ（０，５インチ）、磁石の幅は１９．０５ｍｍ　（０゜７５インチ）である 。同様に、コイル端は有用な力を発生しないので、磁石の長さは、第１図を見る とわかるように、コイル幅から移動範囲を引いた差と同じにすべきである。

シート３２．３４．７２．７４にはガラス強化エポキシ・シートを使用すること が好ましいが、グラファイトまたはに６ｖｌａｒ強化エポキシもシートの材料と して受け入れられる。

アルムニウムを使用する場合、各アルムニウム・コイルの質量は３・９９ｇであ り、したがって４個のコイルの質量は約１６ｇとなる。複合スターの質量は８． ４ｇであり、２枚のシートでは１６．８ｇとなる。したがって、全質量Ｍ＝３２ ．８ｇ　（コイルを含む２枚のシートの質量）＋９．２ｇ（接着剤とリード線の 質量）＝４２ｇとなる。

銅コイルを使用する場合、各銅コイルの質量は１３・２ｇであり、４個のコイル の質量は５２．８ｇとなる。上記の計算では２枚のシートの質量は１６．８ｇで あり、したがって、全質量Ｍ＝６９．６ｇ（コイルを含む２枚のシートの質量） ＋１０．４ｇ　（接着剤とリード線の質量）＝８０ｇとなる。

この例では、アルミニウム・コイルを使用すると銅コイルに比べて非常に速い性 能が得られる。

０．２５インチ厚のＮｄＦｅ　Ｂ磁石（３５ＭＧＯｅ）を用いると、７ＫＧ＝０ ．７ウ工−バー／ｍ２またはそれ以上の平均ギャップ磁界が得られる。

０．０１３ｍｍ　（０，５ミル）の絶縁材を有する４ミル導線の有効長は、３１ 　、７５ｍｍＸ　１００（巻）＝３１７５ｍｍ＝３．１７５ｍである。コイル当 りの力は０．７ウ工−バー／ｍ２Ｘ３．１７５ｍ＝２．２２Ｎ／Ａである。

コイルの長軸に垂直な方向における最大の力は、２個のコイルがオン（及びオフ ）のときに発生する。

最大可能加速度は磁力と質量との比で与えられる。すなわち ａ　＝　Ｆ／Ｍ　＝　（４，４４Ｎ／Ａ）／（０，０４２ｋｇ）　＝　１０６ｍ ／ｓｅｃ２Ａ ｇで表すと、これは１０６／９．８　＝　１０．８ｇ／Ａである。この種のコイ ルでは、大アンペア数の電流が短時間に可能である。

適当な電圧源を想定すると、コイル内の電流上昇時間はＬ／Ｒ時定数によって決 定される。ここで、ＬとＲはそれぞれコイルのインダクタンスと抵抗である。Ａ １の抵抗率は２．８Ｘ１０＝Ωｍであり、銅の抵抗率は１．７Ｘ１０−８Ωｍで ある。この例では、コイルの抵抗Ｒは１．２４Ωと計算された。

コイルのインダクタンスＬは約０．３ｍＨである。これらの数値から時定数（τ ）はほぼ次のようになる。

τ　＝　Ｌ／Ｒ＝　０．２４ミリ秒 約ＩＶ／マイクコ秒のスルーレートで、２ＯＡで４０Ｖ以上を供給することので きる電力増幅器が使用可能なので、コイルの時定数が電流上昇時間に対する制限 要因となる。

正弦波走査のための装置の性能は、下記の関係式によって決定される。

ａｗａｘ””　ＡΩ２＝　Ａ（２πｆ）まただし、ａｆｎａ工は最大加速度、Ａ は位置の振幅、ｆは励起周波数（Ｈｚ）である。正弦波電流では下記のようにな る。

ｉ”　１ｔｎａｘ　Ｓ　１　ｎ　（ΩｘＢコイル内で消散される瞬間電力は（イ ンダクタンスを無視すると） Ｐ　＝　１１２１．、　２　Ｒ５１ｎ２　（Ωｘｚ）となり、平均電力は 装置の電力損を任意に、たとえばＰａｖ、　＝　１００Ｗに制限する場合、Ｒ＝ １．２４Ωのとき最大電流ｊＩ！１ａｘ＝１２．７Ａである。この１ｍａｆのと き、 ａ、、、＝１３４３ｍ／ｓｅｃ２＝１３７ｇである。したがって、１００Ｗの電 力損の場合、位置の振幅は下式によって得られる。

Ａ”　ａｃｎａｘ　／　（２πＸｆ）　２＝　３４．１／ｆ２約ｆ＝７０Ｈｚ以 下の走査周波数では、６．３５ｍｍの全移動振幅が使用できる。ｆ＝５００Ｈｚ では、移動振幅は０゜１４ｍｍである。周波数ｆ＝１５，７５０Ｈｚは標準の米 国テレビの水平走査周波数であるので、この周波数に対する振幅を計算すること は興味深い。この周波数では、振幅は０゜１３７ミクロンすなわち１３７０オン グストロームである。

したがって、通常のテレビ出力を用いて実時間走査トンネル顕微鏡を実施するこ とが可能である。

この装置が実行できる点間移動性能を示すために、ここで、この例の設計最大移 動範囲の７９％である典型的な１０ｍｍの移動について考える。対象物をできる だけ短い経過時間で点Ａから点Ｂに移動させる。

最小移動時間のための最適の開ループ駆動戦略は、正の全駆動電流を移動距離の 半分だけコイル中に送って、装置を最高速度にもってゆき、次に残りの距離には 負の全駆動電流を送って、装置を完全に停止させることである。もちろん、力学 系がモデル化されていないので、閉ループ制御を使用して対象物に遭遇したこと を確認することになる。

この戦略を用いると、時刻０で増幅器電圧は急速に上限電圧になる。この例では 、電圧と電流の限界は任意に±４０Ｖと±ＩＯＡに設定した。、ｌｉ流が（時定 数τに応じて）１０Ａになるまで、電圧は、最高値に固定されたままとなる。そ れから電圧は、コイル抵抗Ｒにしたがって約１２．４Ｖに急落する。したがって 電流は約０．１ミリ秒の間１０Ａで安定する。電圧が緩やかに上昇してコイルの 逆起電力を補償するとき、この電流は０．１ミリ秒から約３．２ミリ秒まで維持 される。移動の中間の僅か手前の時間に増幅器の電圧が反転し、電流が一１ＯＡ で安定するまで、この下限値に固定されたままどなる。最後に約６．４ミリ秒で 、電流はゼロに戻り移動を完了する。

出１０５８ｍ／ｓｅｃ２＝１０８ｇの最高加速度は、移動のほとんどの間維持さ れる。約３．３ｍ／秒の最高速度には、移動の中間（５ｍｍ）で達する。開始か ら停止までのｌｏｍｍの全移動は約６．４ミリ秒で完了する。この時間の逆数を とると、１秒間にこのような移動が１５６回実施できることがわかる。

ここで重要な考慮点は、コイル中で消散される電力である。

この例では、１２４Ｗの定常的な消費電力があり、２つの活性コイルに分けられ る（すなわち各コイルに６２Ｗ）、放射表面で表すと、これは約３　、３　Ｗ／ 　ｃ　ｍ２の電力密度に当たる。

高い断熱と軸受からの空冷によって、この電力レベルが維持できることは妥当で ある。

正弦波走査及び点間移動のこれらの例では、４個のコイルのうち２個だけが付勢 されたことに留意されたい。第１図を見ると、コイルの長軸から４５度の方向に 動かす力が良いことは明らかである。全電流は１／Ｆ２に減少し、このため全電 力は半分になり、それが４つのコイルすべてに配分される。

これは電力密度が１／４になることを意味する。

例２ 本発明は、基板または電気パッケージ上で実施される点間連続性試験及び単点短 絡試験にも使用できる。基板上には何千個ものヴアイア点があり、十分な速さで あれば２腕ロボツトで走査できる。本発明による超高速位置決めステージをロボ ットの各腕に取り付けて、前述のような粗密システムを形成することができる。

性能をほとんど犠牲にせずに、位置決めステー゛ジに小型の電気プローブを装着 することができる。

本明細書に記載した発明は、基板上の試験部位全体にわたって高速移動が可能な ので、粗動ロボットは、単に特定の各試験部位に移動し、そこで停止するだけで よい。各部位で、超高速位置決めステージが試験部位内の各ヴアイア点に移動す る。

このようなシステムの性能を評価するために、例１と同じパラメータを使って、 点間移動性能を調べた。結果は点間移動時間が１．０ミリ秒となり、約１秒間で たとえば１０００個の点が試験できることになる。各移動に１００ｇ以上の加速 度を使用したが、粗動ロボットに伝えられる反動力はなく、ロボットはその位置 を正確に維持できる。

一般に、試験部位に密集することのない数千の試験点を含む応用例では、粗動ロ ボットは、停止さえせずにある全体経路に沿って緩やかに「巡航」でき、その間 に超高速ステージが粗移動を補償しながら急速に点を拾っていく。

本発明を、特定の好ましい実施例に関して具体的に説明したが、上記の記載に照 らせば、多くの代替例、修正例及び変形例が明白なことは、当業者には明らかで ある。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲及び趣旨に含ま れるあらゆる代替例、修正例及び変形例を包含するものである。

ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、６ 国際調査報告 １ｍ＋ｍ−ｍＡｓＮ１ａは−鳴Ｎｏ口ｒ丁７ＩＫＯｎノｎｃｃｃｉｔｅｒＩＩＩ ＰＣｒｎｓＡ／２ＩＯ（９ｖ９９セシ〒−ｖ式１１１ｍ＋２１１−１ｊＭ１２８ ＯＳ？＋国際調査報告 国際調査報告

Claims (50)

【特許請求の範囲】
1. １．ａ）少なくとも１つの固定アセンブリと、ｂ）前記固定アセンブリに対して 高速で移動するように構成されており、その運動量が瞬間的に反転し、それによ って精密位置決めステージを提供する、少なくとも１つの移動要素と を含む、多次元平面移動を実行できる精密位置決めステージ。
2. ２．第２移動要素が前記の瞬間的な運動量の反転をもたらす、請求項１の精密位 置決めステージ。
3. ３．前記固定アセンブリと前記移動要素がモータを形成し、前記移動要素の移動 がセンサによって測定され、前記センサが制御装置手段に情報を供給し、前記制 御装置が所望の移動が達成されることを確認する、請求項１の精密位置決めステ ージ。
4. ４．前記移動要素が、摩擦が最少になるように前記固定アセンブリと並置されて いる、請求項１の精密位置決めステージ。
5. ５．回路手段が作動電流を供給する、請求項２の精密位置決めステージ。
6. ６．前記各移動要素が、それぞれ磁界と相互作用する少なくとも１つのコイルを 有し、前記各移動要素からの少なくとも１つのコイルが同じ磁界を共用する、請 求項２の精密位置決めステージ。
7. ７．前記移動要素が、少なくとも１つのコイルを有し、前記固定アセンブリが少 なくとも１つの磁石を有する、請求項１の精密位置決めステージ。
8. ８．少なくとも１つの前記磁石が、前記移動要素と面する表面の上に導電性フォ イルを有する、請求項７の精密位置決めステージ。
9. ９．前記移動要素の少なくとも１つが少なくとも３つのコイルを有し、前記コイ ルのうち少なくとも２つが同一平面内にある、請求項２の精密位置決めステージ 。
10. １０．前記移動要素の少なくとも１つが少なくとも３つのコイルを有し、前記コ イルのうち少なくとも１つが異なる平面内にある、請求項２の精密位置決めステ ージ。
11. １１．前記移動要素の少なくとも１つが移動平面内では剛性であるが、移動平面 の外部ではフレキシブルである、請求項２の精密位置決めステージ。
12. １２．前記移動要素が少なくとも１つのコイルを有し、前記コイルが構造によっ て支えられ、前記構造が前記移動要素の少なくとも１部分を覆う、請求項１の精 密位置決めステージ。
13. １３．前記移動要素が１つのコイルを有し、前記コイルが流体で冷却される、請 求項１の精密位置決めステージ。
14. １４．前記流体が、空気、アルゴン、クロロフルオロカーボン、フルオロカーボ ン、ヘリウム、窒素の群から選択される、請求項１３の精密位置決めステージ。
15. １５．前記冷却流体の温度が、前記位置決めステージの温度よりも低い、請求項 １３の精密位置決めステージ。
16. １６．位置センサが前記ステージに固定されている、請求項１の精密位置決めス テージ。
17. １７．位置センサがＸ、Ｙ、Θ移動を感知する、請求項１６の精密位置決めステ ージ。
18. １８．前記移動要素の移動がアナログ式またはディジタル式に制御される、請求 項１の精密位置決めステージ。
19. １９．前記第２の移動要素の移動がアナログ式またはディジタル式に制御される 、請求項２の精密位置決めステージ。
20. ２０．前記移動要素の質量が前記第２の移動要素の質量と同じである、請求項２ の精密位置決めステージ。
21. ２１．前記移動要素の質量が前記の第２移動要素の質量と異なる、請求項２の精 密位置決めステージ。
22. ２２．前記移動要素が加速度、位置または速度を制御される、請求項１の精密位 置決めステージ。
23. ２３．前記第２の移動要素が加速度、位置または速度を制御される、請求項２の 精密位置決めステージ。
24. ２４．前記精密位置決めステージが流体軸受を有する、請求項１の精密位置決め ステージ。
25. ２５．前記流体が、空気、アルゴン、クロロルオロカーボン、フルオロカーボン 、ヘリウム、窒素の群から選択される、請求項２４の精密位置決めステージ。
26. ２６．前記流体軸受手段が、前記精密位置決めステージ用の冷却手段をも提供す る、請求項２４の精密位置決めステージ。
27. ２７．前記流体軸受手段が、前記移動要素用の冷却手段をも提供する、請求項２ ４の精密位置決めステージ。
28. ２８．前記流体の温度が、前記位置決めステージの温度よりも低い、請求項２４ の精密位置決めステージ。
29. ２９．ａ）第１固定アセンブリと、 ｂ）第１移動要素と、 ｃ）第２固定アセンブリと、 ｄ）第２移動要素と、 ｅ）第３固定アセンブリとを含み、 前記第１移動要素が前記第１及び第２の固定アセンブリの内部に含まれ、 前記第２移動要素が前記第２及び第３の固定アセンブリの内部に含まれ、 前記第１移動要素が、前記第２移動要素に対して運動量を相殺する形で移動する ように構成されている、多次元平面移動を実行できる精密位置決めステージ。
30. ３０．少なくとも３つのコイルが前記移動要素の少なくとも１つの内部に固定し て保持されている、請求項２９の精密位置決めステージ。
31. ３１．前記移動要素が、少なくとも１つのコイルを有し、前記固定アセンブリが 少なくとも１つの磁石を有する、請求項２９の精密位置決めステージ。
32. ３２．前記磁石の少なくとも１つが、前記移動要素と面する表面の上に導電性フ ォイルを有する、請求項３１の精密位置決めステージ。
33. ３３．前記精密位置決めステージが流体軸受手段を有する、請求項２９の精密位 置決めステージ。
34. ３４．前記流体が、空気、アルゴン、クロロフルオロカーボン、フルオロカーボ ン、ヘリウム、窒素の群から選択される、請求項３３の精密位置決めステージ。
35. ３５．前記流体軸受手段が、前記精密位置決めステージ用の冷却手段をも提供す る、請求項３３の精密位置決めステージ。
36. ３６．前記流体軸受手段が、前記移動要素の少なくとも１つ用の冷却手段をも提 供する、請求項３３の精密位置決めステージ。
37. ３７．流入流体の温度が、前記位置決めステージの温度よりも低い、請求項３３ の精密位置決めステージ。
38. ３８．位置センサが前記ステージに固定して取り付けられている、請求項２９の 精密位置決めステージ。
39. ３９．前記固定アセンブリと前記移動要素がモータを形成し、前記移動要素の少 なくとも１つの動きがセンサによって測定され、前記センサが制御装置手段に情 報を供給し、前記制御装置が所望の動きが達成されたことを確認する、請求項２ ９の精密位置決めステージ。
40. ４０．ａ）第１固定アセンブリと、 ｂ）第１移動要素と、 ｃ）第２移動要素と、 ｄ）第２固定アセンブリとを含み、 前記第１及び第２の移動要素が前記第１及び第２の固定アセンブリの内部に含ま れ、 前記第１移動要素が、前記第２移動要素に対して運動量を相殺する形で移動する ように構成されている、多次元平面移動を実行できる精密位置決めステージ。
41. ４１．少なくとも３つのコイルが前記移動要素の少なくとも１つの内部に固定し て保持されている、請求項４０の精密位置決めステージ。
42. ４２．前記移動要素が、少なくとも１つのコイルを有し、前記固定アセンブリが 少なくとも１つの磁石を有する、請求項４０の精密位置決めステージ。
43. ４３．前記磁石の少なくとも１つが、前記移動要素の１つと面する表面の上に導 電性フォイルを有する、請求項４２の精密位置決めステージ。
44. ４４．前記精密位置決めステージが流体軸受手段を有する、請求項４０の精密位 置決めステージ。
45. ４５．前記流体が、空気、アルゴン、クロロフルオロカーボン、フルオロカーボ ン、ヘリウム、窒素の群から選択される、請求項４４の精密位置決めステージ。
46. ４６．前記流体軸受手段が、前記精密位置決めステージ用の冷却手段をも提供す る、請求項４４の精密位置決めステージ。
47. ４７．前記流体軸受手段が、前記移動要素の少なくとも１つ用の冷却手段をも提 供する、請求項４４の精密位置決めステージ。
48. ４８．前記流体の温度が、前記位置決めステージの温度よりも低い、請求項４４ の精密位置決めステージ。
49. ４９．位置センサが前記精密位置決めステージに固定して取り付けられている、 請求項４０の精密位置決めステージ。
50. ５０．前記固定アセンブリと前記移動要素がモータを形成し、前記移動要素の少 なくとも１つの動きがセンサによって測定され、前記センサが制御装置手段に情 報を供給し、前記制御装置が所望の動きが達成されたことを確認する、請求項４ ０の精密位置決めステージ。