磁気軸受装置および磁気浮上ステージ
【課題】電磁石ターゲットを挟むように電磁石および永久磁石を設けた構成において、支持する浮上体の重量が変化した場合にも、所望の磁気軸受特性を維持することが可能な磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】このスラスト磁気軸受装置１００（磁気軸受装置）は、浮上体１１０に取り付けられ、磁性材からなる電磁石ターゲット１と、上側磁極部２１と励磁コイル２２とを含み、電磁石ターゲット１に対向するように配置され、電磁石ターゲット１を磁気吸引力により支持するスラスト電磁石２と、電磁石ターゲット１のスラスト電磁石２とは反対側の部分に対向するように配置され、電磁石ターゲット１を磁気吸引力により吸引する永久磁石３１を含むスラスト磁極３とを備え、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との距離を調整可能に構成されている。
【解決手段】このスラスト磁気軸受装置１００（磁気軸受装置）は、浮上体１１０に取り付けられ、磁性材からなる電磁石ターゲット１と、上側磁極部２１と励磁コイル２２とを含み、電磁石ターゲット１に対向するように配置され、電磁石ターゲット１を磁気吸引力により支持するスラスト電磁石２と、電磁石ターゲット１のスラスト電磁石２とは反対側の部分に対向するように配置され、電磁石ターゲット１を磁気吸引力により吸引する永久磁石３１を含むスラスト磁極３とを備え、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との距離を調整可能に構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受装置および磁気浮上ステージに関し、特に、電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石を備える磁気軸受装置、および、このような磁気軸受部を備える磁気浮上ステージに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石を備える磁気軸受装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、磁極および励磁巻線（励磁コイル）を含む電磁石と、回転軸（浮上体）が取り付けられ、電磁石により支持される電磁石ターゲットと、電磁石および電磁石ターゲットを収納するハウジングと、ハウジングに固定的に支持された永久磁石とを備えたスラスト軸受部（磁気軸受装置）が開示されている。このスラスト軸受部では、電磁石ターゲットの下方側に電磁石を配置するとともに、電磁石ターゲットの上方側に永久磁石を配置している。これにより、電磁石ターゲットを上下両側からの磁気吸引力で支持することができるので、電磁石ターゲットを一方側からの磁気吸引力で支持する場合に比べて、電磁石ターゲットを支持する堅さ（剛性）を高めることが可能であると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１２５１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１では、永久磁石による磁気吸引力により電磁石ターゲットの剛性を高めることが可能である一方、永久磁石による磁気吸引力は一定であるため、支持する回転軸（浮上体）の重量が変化した場合などに、回転軸を定位置で支持するために電磁石の電流を変化させる際に、永久磁石の吸引力が一定であることに起因して所望の磁気軸受特性を維持することができないという問題点がある。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、電磁石ターゲットを挟むように電磁石および永久磁石を設けた構成において、支持する浮上体の重量が変化した場合にも、所望の磁気軸受特性を維持することが可能な磁気軸受装置、および、このような磁気軸受部を備える磁気浮上ステージを提供することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面における磁気軸受装置は、浮上体に取り付けられ、磁性材からなる電磁石ターゲットと、第１磁極と励磁コイルとを含み、電磁石ターゲットに対向するように配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石と、電磁石ターゲットの電磁石とは反対側の部分に対向するように配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により吸引する永久磁石を含む第２磁極とを備え、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成されている。
【０００８】
この発明の第１の局面による磁気軸受装置では、上記のように、電磁石ターゲットに対向するように電磁石を配置し、電磁石ターゲットの電磁石とは反対側の部分に対向するように永久磁石を含む第２磁極を配置するとともに、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成することによって、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整することにより永久磁石を含む第２磁極による磁気吸引力を調整することができる。これにより、電磁石ターゲットを挟むように電磁石および永久磁石を設けた構成において、支持する浮上体の重量が変化した際に、浮上体を定位置で支持するために電磁石の電流を変化させた場合にも、永久磁石（第２磁極）による磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。また、この第１の局面による磁気軸受装置では、永久磁石（第２磁極）の電磁石ターゲットに対する距離の調整により永久磁石による磁気吸引力を調整することができるので、一旦設定した磁気軸受特性を状況に応じて容易に変更することができる。
【０００９】
上記第１の局面による磁気軸受装置において、好ましくは、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整するアクチュエータをさらに備える。このように構成すれば、アクチュエータにより、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を容易に調整することができるので、第２磁極による磁気吸引力を容易に調整することができる。これにより、支持する浮上体の重量が変化した場合でも、容易に、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００１０】
この場合、好ましくは、電磁石に流れる電流を検出する電流検出手段と、少なくとも電流検出手段により検出された電磁石に流れる電流に基づいて、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を、所望の磁気軸受特性が得られる第２磁極と電磁石ターゲットとの目標距離になるようにアクチュエータを制御する制御部とをさらに備える。このように構成すれば、支持する浮上体の重量が変化したことに伴って電磁石に流れる電流が変化した場合でも、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を電磁石に流れる電流に応じた目標距離に調整して容易に所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００１１】
上記制御部を備える構成において、好ましくは、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を検出する距離検出手段と、電流検出手段により検出された電磁石に流れる電流と、距離検出手段により検出された第２磁極と電磁石ターゲットとの距離とに基づいて、所望の磁気軸受特性が得られる第２磁極と電磁石ターゲットとの目標距離を演算する演算部とをさらに備え、制御部は、演算部により演算された目標距離になるように、アクチュエータを制御するように構成されている。このように構成すれば、演算部により、電磁石に流れる電流および第２磁極と電磁石ターゲットとの距離の両方に基づいて精度よく第２磁極と電磁石ターゲットとの目標距離が演算されるので、所望の磁気軸受特性を精度よく維持することができる。
【００１２】
上記演算部を備える構成において、好ましくは、演算部は、電流検出手段により検出された電磁石に流れる電流と、距離検出手段により検出された第２磁極と電磁石ターゲットとの距離とに基づいて、所望の磁気軸受特性が得られるように、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持するための第２磁極と電磁石ターゲットとの目標距離を演算するように構成されている。このように構成すれば、支持する浮上体の重量が変化した際に、浮上体を定位置で支持するために電磁石の電流を変化させた場合にも、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持することにより所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００１３】
上記アクチュエータを備える構成において、好ましくは、アクチュエータは、空気圧で駆動されるように構成されている。このように構成すれば、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整するアクチュエータの空気圧による減衰効果を利用して、電磁石ターゲットに振動が発生した場合にも振動を有効に減衰させることができる。これにより、電磁石ターゲットの振動を減衰させるための減衰装置を別途設けることなく、振動を迅速に低減することができるので、磁気軸受装置の制御応答性を向上させることができる。
【００１４】
上記第１の局面による磁気軸受装置において、好ましくは、電磁石は、電磁石ターゲットの上方に配置され、電磁石ターゲットを鉛直上方向の磁気吸引力により支持するスラスト電磁石を含み、第２磁極は、電磁石ターゲットの下方に配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により鉛直下方向に吸引する永久磁石を含むスラスト磁極を含む。このように構成すれば、電磁石ターゲットを鉛直方向に支持する磁気軸受装置において、支持する浮上体の重量が変化した場合でも、電磁石ターゲットに対するスラスト磁極による鉛直下方向への磁気吸引力およびスラスト電磁石による鉛直上方向への磁気吸引力のそれぞれを調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００１５】
この発明の第２の局面における磁気浮上ステージは、浮上ステージ部と、浮上ステージ部を鉛直方向に支持する磁気軸受部とを備え、磁気軸受部は、浮上ステージ部に取り付けられ、磁性材からなる電磁石ターゲットと、第１磁極と励磁コイルとを有し、電磁石ターゲットに対向するように配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石と、電磁石ターゲットの電磁石とは反対側の部分に対向するように配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により吸引する永久磁石を有する第２磁極とを含み、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成されている。
【００１６】
この発明の第２の局面による磁気浮上ステージでは、上記のように、電磁石ターゲットに対向するように電磁石を配置し、電磁石ターゲットの電磁石とは反対側の部分に対向するように永久磁石を含む第２磁極を配置するとともに、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成することによって、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整することにより永久磁石を含む第２磁極による磁気吸引力を調整することができる。これにより、電磁石ターゲットを挟むように電磁石および永久磁石を設けた構成において、支持する浮上ステージ部の重量が変化した際に、浮上ステージ部を定位置で支持するために電磁石の電流を変化させた場合にも、永久磁石（第２磁極）による磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。また、この第２の局面による磁気浮上ステージでは、永久磁石（第２磁極）の電磁石ターゲットに対する距離の調整により永久磁石による磁気吸引力を調整することができるので、一旦設定した磁気軸受特性を状況に応じて容易に変更することができる。
【００１７】
上記第２の局面による磁気浮上ステージにおいて、好ましくは、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整するアクチュエータと、浮上ステージ部を水平面内の第１水平方向に非接触状態で駆動する第１水平方向駆動部と、浮上ステージ部を第１水平方向に直交する水平面内の第２水平方向に非接触状態で駆動する第２水平方向駆動部とをさらに備える。このように構成すれば、第１水平方向駆動部および第２水平方向駆動部による水平面内の動作に伴って浮上ステージ部に外乱が生じた場合でも、この第２の局面による磁気浮上ステージでは、アクチュエータにより磁気軸受部の磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができるので、浮上ステージ部の安定した浮上状態を得ることができ、その結果、第１水平方向駆動部および第２水平方向駆動部により、浮上ステージ部を水平面内で安定して動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態によるスラスト磁気軸受装置を示す概略図である。
【図２】本発明の第２実施形態による磁気浮上ステージの全体構成を示す概略平面図である。
【図３】図２の３００−３００線に沿った概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１を参照して、本発明の第１実施形態によるスラスト磁気軸受装置１００の構成について説明する。なお、スラスト磁気軸受装置１００は、本発明の「磁気軸受装置」の一例である。
【００２１】
本発明の第１実施形態によるスラスト磁気軸受装置１００は、図１に示すように、浮上体１１０を鉛直方向（Ｚ方向）の所定位置（定位置）に非接触で浮上させるように構成されている。また、スラスト磁気軸受装置１００は、浮上体１１０に取り付けられた電磁石ターゲット１と、電磁石ターゲット１の上方（Ｚ１方向）に所定の距離を隔てて配置されたスラスト電磁石２と、電磁石ターゲット１の下方（Ｚ２方向）に所定の距離を隔てて配置された永久磁石３１を含むスラスト磁極３とを備えている。なお、スラスト電磁石２は、本発明の「電磁石」の一例であり、スラスト磁極３は、本発明の「第２磁極」の一例である。
【００２２】
電磁石ターゲット１は、磁性材からなり、水平方向に延びるように形成されている。また、スラスト電磁石２は、上側フレーム１２０に固定的に取り付けられ、電磁石ターゲット１の上面（Ｚ１方向の表面）に対向するように設置されている。また、スラスト電磁石２は、上側磁極部２１と、上側磁極部２１に巻き付けられた励磁コイル２２とにより構成されている。また、スラスト電磁石２は、鉛直上方向（Ｚ１方向）の磁気吸引力により電磁石ターゲット１を支持するように構成されている。具体的には、スラスト電磁石２は、励磁コイル２２に電流を流して鉛直上方向の磁気吸引力を発生させる。なお、上側磁極部２１は、本発明の「第１磁極」の一例である。
【００２３】
スラスト磁極３は、電磁石ターゲット１の下面（Ｚ２方向の表面）に対向するように配置されている。また、スラスト磁極３は、上記した永久磁石３１と、永久磁石３１が中央部に配置された下側磁極部３２とにより構成されている。すなわち、下側磁極部３２は、凹形状を有するとともに、凹形状の底面中央部に永久磁石３１が埋め込まれるように配置されている。また、永久磁石３１は、左右方向（水平方向）にＮ極およびＳ極が配列されている。また、スラスト磁極３は、鉛直下方向（Ｚ２方向）の磁気吸引力により電磁石ターゲット１を吸引するように構成されている。また、電磁石ターゲット１を、重力に加えてスラスト磁極３による磁気吸引力によっても鉛直下方向（Ｚ２方向）に吸引することにより、電磁石ターゲット１が鉛直下方向に重力のみで吸引される場合に比べて、電磁石ターゲット１の剛性を高めることができる。
【００２４】
ここで、第１実施形態では、スラスト磁極３は、アクチュエータ３３により鉛直方向（Ｚ方向）に移動可能に構成されており、電磁石ターゲット１からの離間距離Ｄが調整可能に構成されている。アクチュエータ３３は、下側フレーム１３０の上面に固定的に設置され、スラスト磁極３の下側（Ｚ２方向側）に配置されている。また、アクチュエータ３３は、空気圧で駆動されるように構成されている。
【００２５】
また、スラスト磁気軸受装置１００には、電磁石ターゲット１とスラスト電磁石２との離間距離を検出するための上側センサ４と、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを検出するための下側センサ５とが設けられている。上側センサ４は、ギャップセンサであり、スラスト電磁石２が取り付けられる上側フレーム１２０の下面に固定的に取り付けられている。また、下側センサ５は、ギャップセンサであり、スラスト磁極３の下側磁極部３２に固定的に取り付けられている。なお、下側センサ５は、本発明の「距離検出手段」の一例である。
【００２６】
また、スラスト磁気軸受装置１００は、励磁コイル２２に流れる電流を検出する電流検出器６と、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離を演算する演算器７と、アクチュエータ３３の駆動を制御する制御器８とをさらに備えている。なお、電流検出器６は、本発明の「電流検出手段」の一例であり、演算器７は、本発明の「演算部」の一例である。また、制御器８は、本発明の「制御部」の一例である。
【００２７】
演算器７は、電流検出器６から励磁コイル２２に流れる電流の検出結果を取得するとともに、下側センサ５から電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄの検出結果を取得するように構成されている。また、演算器７は、浮上体１１０の重量変化や外乱などにより浮上体１１０に外力が生じた場合に、励磁コイル２２に流れる電流および電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄに基づいて、浮上体１１０の外力を推定して電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離を演算するように構成されている。ここで、第１実施形態では、浮上体１１０の重量変化や外乱などにより浮上体１１０に外力が生じた場合に、電磁石ターゲット１を定位置で支持しながら、所望の磁気軸受特性を維持するための電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との間の距離を目標離間距離として設定している。
【００２８】
第１実施形態においては、演算器７は、浮上体１１０の重量変化や外乱などにより浮上体１１０に外力が生じた場合でも、浮上体１１０を定位置で支持したまま、磁気軸受特性を所望の値に維持するための電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との距離を目標離間距離として取得する。ここで、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との距離を調整することにより、電磁石ターゲット１に対するスラスト磁極３（永久磁石３１）の磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受装置の不平衡剛性Ｋｕを調整することが可能である。したがって、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との距離を調整することにより、剛性の指標となるコンプライアンス特性を調整することが可能である。
【００２９】
制御器８は、演算器７による演算結果に基づいて、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との距離が目標離間距離になるようにアクチュエータ３３をＺ方向に動作させるように構成されている。
【００３０】
次に、第１実施形態によるスラスト磁気軸受装置１００において、浮上体１１０に外力が生じた場合の動作について説明する。
【００３１】
まず、浮上体１１０の重量変化や外乱などにより浮上体１１０に外力が生じると、電磁石ターゲット１を定位置で支持するために、励磁コイル２２に流れる電流を変化させてスラスト電磁石２による鉛直上方向への磁気吸引力を変化させる。そして、演算器７により、電流検出器６により検出されるスラスト電磁石２の電流および下側センサ５により検出される電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄに基づいて、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離を演算する。具体的には、演算器７は、浮上体１１０に外力が生じた前後において、浮上体１１０を定位置で支持したまま、磁気軸受特性を変化させないための電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との距離を求める。その後、制御器８により、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄが目標離間距離となるようにアクチュエータ３３をＺ方向に駆動させる。これにより、スラスト磁極３による鉛直下方向への磁気吸引力を所望の大きさに変化させることができる。
【００３２】
第１実施形態では、上記のように、電磁石ターゲット１の上面に対向するようにスラスト電磁石２を配置し、電磁石ターゲット１の下面に対向するように永久磁石３１を含むスラスト磁極３を配置するとともに、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを調整可能に構成することによって、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを調整することにより永久磁石３１を含むスラスト磁極３による磁気吸引力を調整することができる。これにより、電磁石ターゲット１を挟むようにスラスト電磁石２および永久磁石３１を設けた構成において、支持する浮上体１１０の重量が変化した際に、浮上体１１０を定位置で支持するためにスラスト電磁石２の電流を変化させた場合にも、永久磁石３１（スラスト磁極３）による磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。その結果、浮上体１１０の重量変化に対して安定した浮上状態を得ることができる。また、このスラスト磁気軸受装置１００では、永久磁石３１を含むスラスト磁極３の電磁石ターゲット１に対する離間距離Ｄの調整により永久磁石３１による磁気吸引力を調整することができるので、一旦設定した磁気軸受特性を状況に応じて容易に変更することができる。
【００３３】
また、第１実施形態では、上記のように、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを調整するアクチュエータ３３を設けることによって、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを容易に調整することができるので、スラスト磁極３による磁気吸引力を容易に調整することができる。これにより、支持する浮上体１１０の重量が変化した場合でも、容易に、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００３４】
また、第１実施形態では、上記のように、スラスト電磁石２に流れる電流に基づいて、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを所望の磁気軸受特性が得られる電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離になるようにアクチュエータ３３を制御する制御器８を設けることによって、支持する浮上体１１０の重量が変化したことに伴ってスラスト電磁石２に流れる電流が変化した場合でも、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄをスラスト電磁石２に流れる電流に応じた目標離間距離に調整して容易に所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００３５】
また、第１実施形態では、上記のように、スラスト電磁石２に流れる電流と、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄとに基づいて、所望の磁気軸受特性が得られる電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離を演算する演算器７を設け、制御器８を、演算器７により演算された目標離間距離になるように、アクチュエータ３３を制御するように構成することによって、演算器７により、スラスト電磁石２に流れる電流および電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄの両方に基づいて精度よく電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離が演算されるので、所望の磁気軸受特性を精度よく維持することができる。
【００３６】
また、第１実施形態では、上記のように、演算器７により、スラスト電磁石２に流れる電流と、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄとに基づいて、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持するための電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離を演算することによって、支持する浮上体１１０の重量が変化した際に、浮上体１１０を定位置で支持するためにスラスト電磁石２の電流を変化させた場合にも、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持することができる。これにより、所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００３７】
また、第１実施形態では、上記のように、アクチュエータ３３を空気圧で駆動されるように構成することによって、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを調整するアクチュエータ３３の空気圧による減衰効果を利用して、電磁石ターゲット１に振動が発生した場合にも振動を有効に減衰させることができる。これにより、電磁石ターゲット１の振動を減衰させるための減衰装置を別途設けることなく、振動を迅速に低減することができるので、スラスト磁気軸受装置１００の制御応答性を向上させることができる。
【００３８】
（第２実施形態）
次に、図２および図３を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、上記第１実施形態のスラスト磁気軸受装置１００と同様の構成のスラスト磁気軸受装置１００ａを磁気浮上ステージ２００に適用した場合について説明する。なお、第２実施形態では、上記第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付してその説明を省略する。また、スラスト磁気軸受装置１００ａは、本発明の「磁気軸受部」の一例である。
【００３９】
本発明の第２実施形態による磁気浮上ステージ２００は、半導体基板に回路パターンを現像する露光装置に用いられるものであり、ウエハを支持可能に構成されている。また、磁気浮上ステージ２００は、図２および図３に示すように、Ｙ方向から見て逆Ｕ字形状の浮上ステージ部２０１と、浮上ステージ部２０１のＸ方向の両側でＹ方向に延びるように形成された２つのスラスト磁気軸受装置１００ａとを備えている。また、浮上ステージ部２０１は、Ｘ方向の両端部において２つのスラスト磁気軸受装置１００ａの２つの電磁石ターゲット１に取り付けられている。なお、浮上ステージ部２０１は、本発明の「浮上体」の一例である。
【００４０】
また、磁気浮上ステージ２００は、内部に２つのスラスト磁気軸受装置１００ａを収納する筐体２０２と、浮上ステージ部２０１上に設置されたウエハ保持器２０３とをさらに備えている。筐体２０２の内側上面には、２つのスラスト磁気軸受装置１００ａの２つのスラスト電磁石２が固定的に設置されている。また、２つのスラスト電磁石２は、Ｘ方向において浮上ステージ部２０１を両側から挟むように配置されている。また、各スラスト電磁石２は、浮上ステージ部２０１に取り付けられた対応する電磁石ターゲット１の上面（Ｚ１方向の表面）に対向するように設置されている。また、筐体２０２の内側上面には、上側センサ４が各スラスト電磁石２に隣接するように固定的に設置されている。
【００４１】
また、筐体２０２の内側下面上には、２つのスラスト磁気軸受装置１００ａの２つのアクチュエータ３３が固定的に設置されている。また、２つのアクチュエータ３３の上部には、２つのスラスト磁極３が鉛直方向（Ｚ方向）に移動可能に設けられている。また、各スラスト磁極３は、浮上ステージ部２０１に取り付けられた対応する電磁石ターゲット１の下面（Ｚ２方向の表面）に対向するように設置されている。ここで、この第２実施形態においても、２つの永久磁石３１を含む２つのスラスト磁極３が２つのアクチュエータ３３により鉛直方向に駆動されることによって、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離が調整可能である。また、各スラスト磁極３の下側磁極部３２には、下側センサ５が固定的に取り付けられている。上記の構成により、磁気浮上ステージ２００は、２つのスラスト磁気軸受装置１００ａにより、浮上ステージ部２０１を鉛直方向（Ｚ方向）の所定位置（定位置）に非接触で支持している。
【００４２】
また、図２に示すように、浮上ステージ部２０１のＹ方向の両側には、浮上ステージ部２０１をＸ方向に動作させるための一対のＸリニアモータ２０４ａおよび２０４ｂが設けられている。一対のＸリニアモータ２０４ａおよび２０４ｂは、Ｘ方向に延びるように形成されている。また、図３に示すように、浮上ステージ部２０１の内側には、浮上ステージ部２０１をＹ方向に動作させるための一対のＹリニアモータ２０５ａおよび２０５ｂが設けられている。一対のＹリニアモータ２０５ａおよび２０５ｂは、Ｙ方向に延びるように形成されている。これにより、磁気浮上ステージ２００では、浮上ステージ部２０１をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の３軸方向に動作させることが可能である。なお、Ｘリニアモータ２０４ａおよび２０４ｂは、本発明の「第１水平方向駆動部」の一例であり、Ｙリニアモータ２０５ａおよび２０５ｂは、本発明の「第２水平方向駆動部」の一例である。
【００４３】
また、図２および図３には図示していないが、第２実施形態の２つのスラスト磁気軸受装置１００ａにも、上記第１実施形態と同様の電流検出器６、演算器７および制御器８が設けられている。
【００４４】
なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００４５】
第２実施形態では、上記のように、２つの電磁石ターゲット１の上面に対向するように２つのスラスト電磁石２を配置し、２つの電磁石ターゲット１の下面に対向するように永久磁石３１を含む２つのスラスト磁極３を配置するとともに、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離を調整可能に構成することによって、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離を調整することにより永久磁石３１を含む２つのスラスト磁極３による磁気吸引力を調整することができる。これにより、２つの電磁石ターゲット１を挟むように２つのスラスト電磁石２および２つの永久磁石３１を設けた構成において、支持する浮上ステージ部２０１の重量が変化した際に、浮上ステージ部２０１を定位置で支持するために２つのスラスト電磁石２の電流を変化させた場合にも、２つの永久磁石３１（スラスト磁極３）による磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。その結果、浮上ステージ部２０１の重量変化に対して安定した浮上状態を得ることができる。また、この磁気浮上ステージ２００では、永久磁石３１（スラスト磁極３）の電磁石ターゲット１に対する離間距離の調整により２つの永久磁石３１による磁気吸引力を調整することができるので、一旦設定した磁気軸受特性を状況に応じて容易に変更することができる。
【００４６】
また、第２実施形態では、Ｘリニアモータ２０４ａ、２０４ｂやＹリニアモータ２０５ａ、２０５ｂの駆動に伴って浮上ステージ部２０１に外乱が生じた場合でも、２つのスラスト磁気軸受装置１００ａの２つの永久磁石３１による磁気吸引力を調整することにより、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。これにより、安定した浮上ステージ部２０１の浮上状態を得ることができるので、Ｘリニアモータ２０４ａ、２０４ｂおよびＹリニアモータ２０５ａ、２０５ｂにより、浮上ステージ部２０１を水平面内で安定して動作させることができる。
【００４７】
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００４８】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４９】
たとえば、上記第１および第２実施形態では、電磁石ターゲットの上方にスラスト電磁石を配置し、電磁石ターゲットの下方に第２磁極としてのスラスト磁極を配置する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石ターゲットの下方に電磁石を配置し、電磁石ターゲットの上方に第２磁極を配置する構成であってもよい。
【００５０】
また、上記第１および第２実施形態では、磁気軸受装置の一例として、電磁石ターゲットを鉛直方向において支持するスラスト磁気軸受装置を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石ターゲットを水平方向において支持する磁気軸受装置であってもよいし、鉛直方向および水平方向以外の方向において支持する磁気軸受装置であってもよい。
【００５１】
また、上記第１および第２実施形態では、電磁石ターゲットと第２磁極としてのスラスト磁極との距離をアクチュエータにより調整する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石ターゲットと第２磁極との距離を調整可能な構成であればよく、たとえば、電磁石ターゲットと第２磁極との距離を手動で調整する構成であってもよい。
【００５２】
また、上記第１および第２実施形態では、アクチュエータを空気圧で駆動する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、空気圧以外でアクチュエータを駆動する構成であってもよい。
【００５３】
また、上記第１および第２実施形態では、スラスト電磁石に流れる電流、および、電磁石ターゲットと第２磁極としてのスラスト磁極との距離の両方に基づいて、電磁石ターゲットとスラスト磁極との目標離間距離を演算する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石に流れる電流に基づいていれば、電磁石に流れる電流にのみ基づいて電磁石ターゲットとスラスト磁極との目標離間距離を演算する構成であってもよいし、電磁石に流れる電流および電磁石ターゲットと第２磁極との距離に加えて、その他の要素にも基づいて目標離間距離を演算する構成であってもよい。
【００５４】
また、上記第１および第２実施形態では、距離検出手段の一例として、電磁石ターゲットと第２磁極としてのスラスト磁極との距離を検出するギャップセンサからなる下側センサを示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石ターゲットと第２磁極との距離を検出可能であれば、たとえば、アクチュエータの駆動距離（第２磁極の移動距離）を検出して電磁石ターゲットと第２磁極との距離を取得する距離検出手段であってもよい。
【００５５】
また、上記第２実施形態では、磁気軸受装置としてのスラスト磁気軸受装置を、露光装置に用いられる磁気浮上ステージに適用する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明の磁気軸受装置を露光装置以外の用途に用いられる装置に適用してもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１ 電磁石ターゲット
２ スラスト電磁石（電磁石）
３ スラスト磁極（第２磁極）
５ 下側センサ（距離検出手段）
６ 電流検出器（電流検出手段）
７ 演算器（演算部）
８ 制御器（制御部）
２１ 上側磁極部（第１磁極）
２２ 励磁コイル
３１ 永久磁石
３３ アクチュエータ
１００、１００ａ スラスト磁気軸受装置（磁気軸受装置、磁気軸受部）
１１０ 浮上体
２００ 磁気浮上ステージ
２０１ 浮上ステージ部
２０４ａ、２０４ｂ Ｘリニアモータ（第１水平方向駆動部）
２０５ａ、２０５ｂ Ｙリニアモータ（第２水平方向駆動部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受装置および磁気浮上ステージに関し、特に、電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石を備える磁気軸受装置、および、このような磁気軸受部を備える磁気浮上ステージに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石を備える磁気軸受装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、磁極および励磁巻線（励磁コイル）を含む電磁石と、回転軸（浮上体）が取り付けられ、電磁石により支持される電磁石ターゲットと、電磁石および電磁石ターゲットを収納するハウジングと、ハウジングに固定的に支持された永久磁石とを備えたスラスト軸受部（磁気軸受装置）が開示されている。このスラスト軸受部では、電磁石ターゲットの下方側に電磁石を配置するとともに、電磁石ターゲットの上方側に永久磁石を配置している。これにより、電磁石ターゲットを上下両側からの磁気吸引力で支持することができるので、電磁石ターゲットを一方側からの磁気吸引力で支持する場合に比べて、電磁石ターゲットを支持する堅さ（剛性）を高めることが可能であると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１２５１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１では、永久磁石による磁気吸引力により電磁石ターゲットの剛性を高めることが可能である一方、永久磁石による磁気吸引力は一定であるため、支持する回転軸（浮上体）の重量が変化した場合などに、回転軸を定位置で支持するために電磁石の電流を変化させる際に、永久磁石の吸引力が一定であることに起因して所望の磁気軸受特性を維持することができないという問題点がある。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、電磁石ターゲットを挟むように電磁石および永久磁石を設けた構成において、支持する浮上体の重量が変化した場合にも、所望の磁気軸受特性を維持することが可能な磁気軸受装置、および、このような磁気軸受部を備える磁気浮上ステージを提供することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面における磁気軸受装置は、浮上体に取り付けられ、磁性材からなる電磁石ターゲットと、第１磁極と励磁コイルとを含み、電磁石ターゲットに対向するように配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石と、電磁石ターゲットの電磁石とは反対側の部分に対向するように配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により吸引する永久磁石を含む第２磁極とを備え、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成されている。
【０００８】
この発明の第１の局面による磁気軸受装置では、上記のように、電磁石ターゲットに対向するように電磁石を配置し、電磁石ターゲットの電磁石とは反対側の部分に対向するように永久磁石を含む第２磁極を配置するとともに、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成することによって、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整することにより永久磁石を含む第２磁極による磁気吸引力を調整することができる。これにより、電磁石ターゲットを挟むように電磁石および永久磁石を設けた構成において、支持する浮上体の重量が変化した際に、浮上体を定位置で支持するために電磁石の電流を変化させた場合にも、永久磁石（第２磁極）による磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。また、この第１の局面による磁気軸受装置では、永久磁石（第２磁極）の電磁石ターゲットに対する距離の調整により永久磁石による磁気吸引力を調整することができるので、一旦設定した磁気軸受特性を状況に応じて容易に変更することができる。
【０００９】
上記第１の局面による磁気軸受装置において、好ましくは、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整するアクチュエータをさらに備える。このように構成すれば、アクチュエータにより、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を容易に調整することができるので、第２磁極による磁気吸引力を容易に調整することができる。これにより、支持する浮上体の重量が変化した場合でも、容易に、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００１０】
この場合、好ましくは、電磁石に流れる電流を検出する電流検出手段と、少なくとも電流検出手段により検出された電磁石に流れる電流に基づいて、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を、所望の磁気軸受特性が得られる第２磁極と電磁石ターゲットとの目標距離になるようにアクチュエータを制御する制御部とをさらに備える。このように構成すれば、支持する浮上体の重量が変化したことに伴って電磁石に流れる電流が変化した場合でも、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を電磁石に流れる電流に応じた目標距離に調整して容易に所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００１１】
上記制御部を備える構成において、好ましくは、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を検出する距離検出手段と、電流検出手段により検出された電磁石に流れる電流と、距離検出手段により検出された第２磁極と電磁石ターゲットとの距離とに基づいて、所望の磁気軸受特性が得られる第２磁極と電磁石ターゲットとの目標距離を演算する演算部とをさらに備え、制御部は、演算部により演算された目標距離になるように、アクチュエータを制御するように構成されている。このように構成すれば、演算部により、電磁石に流れる電流および第２磁極と電磁石ターゲットとの距離の両方に基づいて精度よく第２磁極と電磁石ターゲットとの目標距離が演算されるので、所望の磁気軸受特性を精度よく維持することができる。
【００１２】
上記演算部を備える構成において、好ましくは、演算部は、電流検出手段により検出された電磁石に流れる電流と、距離検出手段により検出された第２磁極と電磁石ターゲットとの距離とに基づいて、所望の磁気軸受特性が得られるように、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持するための第２磁極と電磁石ターゲットとの目標距離を演算するように構成されている。このように構成すれば、支持する浮上体の重量が変化した際に、浮上体を定位置で支持するために電磁石の電流を変化させた場合にも、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持することにより所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００１３】
上記アクチュエータを備える構成において、好ましくは、アクチュエータは、空気圧で駆動されるように構成されている。このように構成すれば、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整するアクチュエータの空気圧による減衰効果を利用して、電磁石ターゲットに振動が発生した場合にも振動を有効に減衰させることができる。これにより、電磁石ターゲットの振動を減衰させるための減衰装置を別途設けることなく、振動を迅速に低減することができるので、磁気軸受装置の制御応答性を向上させることができる。
【００１４】
上記第１の局面による磁気軸受装置において、好ましくは、電磁石は、電磁石ターゲットの上方に配置され、電磁石ターゲットを鉛直上方向の磁気吸引力により支持するスラスト電磁石を含み、第２磁極は、電磁石ターゲットの下方に配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により鉛直下方向に吸引する永久磁石を含むスラスト磁極を含む。このように構成すれば、電磁石ターゲットを鉛直方向に支持する磁気軸受装置において、支持する浮上体の重量が変化した場合でも、電磁石ターゲットに対するスラスト磁極による鉛直下方向への磁気吸引力およびスラスト電磁石による鉛直上方向への磁気吸引力のそれぞれを調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００１５】
この発明の第２の局面における磁気浮上ステージは、浮上ステージ部と、浮上ステージ部を鉛直方向に支持する磁気軸受部とを備え、磁気軸受部は、浮上ステージ部に取り付けられ、磁性材からなる電磁石ターゲットと、第１磁極と励磁コイルとを有し、電磁石ターゲットに対向するように配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石と、電磁石ターゲットの電磁石とは反対側の部分に対向するように配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により吸引する永久磁石を有する第２磁極とを含み、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成されている。
【００１６】
この発明の第２の局面による磁気浮上ステージでは、上記のように、電磁石ターゲットに対向するように電磁石を配置し、電磁石ターゲットの電磁石とは反対側の部分に対向するように永久磁石を含む第２磁極を配置するとともに、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成することによって、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整することにより永久磁石を含む第２磁極による磁気吸引力を調整することができる。これにより、電磁石ターゲットを挟むように電磁石および永久磁石を設けた構成において、支持する浮上ステージ部の重量が変化した際に、浮上ステージ部を定位置で支持するために電磁石の電流を変化させた場合にも、永久磁石（第２磁極）による磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。また、この第２の局面による磁気浮上ステージでは、永久磁石（第２磁極）の電磁石ターゲットに対する距離の調整により永久磁石による磁気吸引力を調整することができるので、一旦設定した磁気軸受特性を状況に応じて容易に変更することができる。
【００１７】
上記第２の局面による磁気浮上ステージにおいて、好ましくは、第２磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整するアクチュエータと、浮上ステージ部を水平面内の第１水平方向に非接触状態で駆動する第１水平方向駆動部と、浮上ステージ部を第１水平方向に直交する水平面内の第２水平方向に非接触状態で駆動する第２水平方向駆動部とをさらに備える。このように構成すれば、第１水平方向駆動部および第２水平方向駆動部による水平面内の動作に伴って浮上ステージ部に外乱が生じた場合でも、この第２の局面による磁気浮上ステージでは、アクチュエータにより磁気軸受部の磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができるので、浮上ステージ部の安定した浮上状態を得ることができ、その結果、第１水平方向駆動部および第２水平方向駆動部により、浮上ステージ部を水平面内で安定して動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態によるスラスト磁気軸受装置を示す概略図である。
【図２】本発明の第２実施形態による磁気浮上ステージの全体構成を示す概略平面図である。
【図３】図２の３００−３００線に沿った概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１を参照して、本発明の第１実施形態によるスラスト磁気軸受装置１００の構成について説明する。なお、スラスト磁気軸受装置１００は、本発明の「磁気軸受装置」の一例である。
【００２１】
本発明の第１実施形態によるスラスト磁気軸受装置１００は、図１に示すように、浮上体１１０を鉛直方向（Ｚ方向）の所定位置（定位置）に非接触で浮上させるように構成されている。また、スラスト磁気軸受装置１００は、浮上体１１０に取り付けられた電磁石ターゲット１と、電磁石ターゲット１の上方（Ｚ１方向）に所定の距離を隔てて配置されたスラスト電磁石２と、電磁石ターゲット１の下方（Ｚ２方向）に所定の距離を隔てて配置された永久磁石３１を含むスラスト磁極３とを備えている。なお、スラスト電磁石２は、本発明の「電磁石」の一例であり、スラスト磁極３は、本発明の「第２磁極」の一例である。
【００２２】
電磁石ターゲット１は、磁性材からなり、水平方向に延びるように形成されている。また、スラスト電磁石２は、上側フレーム１２０に固定的に取り付けられ、電磁石ターゲット１の上面（Ｚ１方向の表面）に対向するように設置されている。また、スラスト電磁石２は、上側磁極部２１と、上側磁極部２１に巻き付けられた励磁コイル２２とにより構成されている。また、スラスト電磁石２は、鉛直上方向（Ｚ１方向）の磁気吸引力により電磁石ターゲット１を支持するように構成されている。具体的には、スラスト電磁石２は、励磁コイル２２に電流を流して鉛直上方向の磁気吸引力を発生させる。なお、上側磁極部２１は、本発明の「第１磁極」の一例である。
【００２３】
スラスト磁極３は、電磁石ターゲット１の下面（Ｚ２方向の表面）に対向するように配置されている。また、スラスト磁極３は、上記した永久磁石３１と、永久磁石３１が中央部に配置された下側磁極部３２とにより構成されている。すなわち、下側磁極部３２は、凹形状を有するとともに、凹形状の底面中央部に永久磁石３１が埋め込まれるように配置されている。また、永久磁石３１は、左右方向（水平方向）にＮ極およびＳ極が配列されている。また、スラスト磁極３は、鉛直下方向（Ｚ２方向）の磁気吸引力により電磁石ターゲット１を吸引するように構成されている。また、電磁石ターゲット１を、重力に加えてスラスト磁極３による磁気吸引力によっても鉛直下方向（Ｚ２方向）に吸引することにより、電磁石ターゲット１が鉛直下方向に重力のみで吸引される場合に比べて、電磁石ターゲット１の剛性を高めることができる。
【００２４】
ここで、第１実施形態では、スラスト磁極３は、アクチュエータ３３により鉛直方向（Ｚ方向）に移動可能に構成されており、電磁石ターゲット１からの離間距離Ｄが調整可能に構成されている。アクチュエータ３３は、下側フレーム１３０の上面に固定的に設置され、スラスト磁極３の下側（Ｚ２方向側）に配置されている。また、アクチュエータ３３は、空気圧で駆動されるように構成されている。
【００２５】
また、スラスト磁気軸受装置１００には、電磁石ターゲット１とスラスト電磁石２との離間距離を検出するための上側センサ４と、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを検出するための下側センサ５とが設けられている。上側センサ４は、ギャップセンサであり、スラスト電磁石２が取り付けられる上側フレーム１２０の下面に固定的に取り付けられている。また、下側センサ５は、ギャップセンサであり、スラスト磁極３の下側磁極部３２に固定的に取り付けられている。なお、下側センサ５は、本発明の「距離検出手段」の一例である。
【００２６】
また、スラスト磁気軸受装置１００は、励磁コイル２２に流れる電流を検出する電流検出器６と、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離を演算する演算器７と、アクチュエータ３３の駆動を制御する制御器８とをさらに備えている。なお、電流検出器６は、本発明の「電流検出手段」の一例であり、演算器７は、本発明の「演算部」の一例である。また、制御器８は、本発明の「制御部」の一例である。
【００２７】
演算器７は、電流検出器６から励磁コイル２２に流れる電流の検出結果を取得するとともに、下側センサ５から電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄの検出結果を取得するように構成されている。また、演算器７は、浮上体１１０の重量変化や外乱などにより浮上体１１０に外力が生じた場合に、励磁コイル２２に流れる電流および電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄに基づいて、浮上体１１０の外力を推定して電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離を演算するように構成されている。ここで、第１実施形態では、浮上体１１０の重量変化や外乱などにより浮上体１１０に外力が生じた場合に、電磁石ターゲット１を定位置で支持しながら、所望の磁気軸受特性を維持するための電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との間の距離を目標離間距離として設定している。
【００２８】
第１実施形態においては、演算器７は、浮上体１１０の重量変化や外乱などにより浮上体１１０に外力が生じた場合でも、浮上体１１０を定位置で支持したまま、磁気軸受特性を所望の値に維持するための電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との距離を目標離間距離として取得する。ここで、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との距離を調整することにより、電磁石ターゲット１に対するスラスト磁極３（永久磁石３１）の磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受装置の不平衡剛性Ｋｕを調整することが可能である。したがって、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との距離を調整することにより、剛性の指標となるコンプライアンス特性を調整することが可能である。
【００２９】
制御器８は、演算器７による演算結果に基づいて、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との距離が目標離間距離になるようにアクチュエータ３３をＺ方向に動作させるように構成されている。
【００３０】
次に、第１実施形態によるスラスト磁気軸受装置１００において、浮上体１１０に外力が生じた場合の動作について説明する。
【００３１】
まず、浮上体１１０の重量変化や外乱などにより浮上体１１０に外力が生じると、電磁石ターゲット１を定位置で支持するために、励磁コイル２２に流れる電流を変化させてスラスト電磁石２による鉛直上方向への磁気吸引力を変化させる。そして、演算器７により、電流検出器６により検出されるスラスト電磁石２の電流および下側センサ５により検出される電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄに基づいて、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離を演算する。具体的には、演算器７は、浮上体１１０に外力が生じた前後において、浮上体１１０を定位置で支持したまま、磁気軸受特性を変化させないための電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との距離を求める。その後、制御器８により、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄが目標離間距離となるようにアクチュエータ３３をＺ方向に駆動させる。これにより、スラスト磁極３による鉛直下方向への磁気吸引力を所望の大きさに変化させることができる。
【００３２】
第１実施形態では、上記のように、電磁石ターゲット１の上面に対向するようにスラスト電磁石２を配置し、電磁石ターゲット１の下面に対向するように永久磁石３１を含むスラスト磁極３を配置するとともに、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを調整可能に構成することによって、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを調整することにより永久磁石３１を含むスラスト磁極３による磁気吸引力を調整することができる。これにより、電磁石ターゲット１を挟むようにスラスト電磁石２および永久磁石３１を設けた構成において、支持する浮上体１１０の重量が変化した際に、浮上体１１０を定位置で支持するためにスラスト電磁石２の電流を変化させた場合にも、永久磁石３１（スラスト磁極３）による磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。その結果、浮上体１１０の重量変化に対して安定した浮上状態を得ることができる。また、このスラスト磁気軸受装置１００では、永久磁石３１を含むスラスト磁極３の電磁石ターゲット１に対する離間距離Ｄの調整により永久磁石３１による磁気吸引力を調整することができるので、一旦設定した磁気軸受特性を状況に応じて容易に変更することができる。
【００３３】
また、第１実施形態では、上記のように、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを調整するアクチュエータ３３を設けることによって、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを容易に調整することができるので、スラスト磁極３による磁気吸引力を容易に調整することができる。これにより、支持する浮上体１１０の重量が変化した場合でも、容易に、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００３４】
また、第１実施形態では、上記のように、スラスト電磁石２に流れる電流に基づいて、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを所望の磁気軸受特性が得られる電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離になるようにアクチュエータ３３を制御する制御器８を設けることによって、支持する浮上体１１０の重量が変化したことに伴ってスラスト電磁石２に流れる電流が変化した場合でも、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄをスラスト電磁石２に流れる電流に応じた目標離間距離に調整して容易に所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００３５】
また、第１実施形態では、上記のように、スラスト電磁石２に流れる電流と、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄとに基づいて、所望の磁気軸受特性が得られる電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離を演算する演算器７を設け、制御器８を、演算器７により演算された目標離間距離になるように、アクチュエータ３３を制御するように構成することによって、演算器７により、スラスト電磁石２に流れる電流および電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄの両方に基づいて精度よく電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離が演算されるので、所望の磁気軸受特性を精度よく維持することができる。
【００３６】
また、第１実施形態では、上記のように、演算器７により、スラスト電磁石２に流れる電流と、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄとに基づいて、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持するための電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との目標離間距離を演算することによって、支持する浮上体１１０の重量が変化した際に、浮上体１１０を定位置で支持するためにスラスト電磁石２の電流を変化させた場合にも、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持することができる。これにより、所望の磁気軸受特性を維持することができる。
【００３７】
また、第１実施形態では、上記のように、アクチュエータ３３を空気圧で駆動されるように構成することによって、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離Ｄを調整するアクチュエータ３３の空気圧による減衰効果を利用して、電磁石ターゲット１に振動が発生した場合にも振動を有効に減衰させることができる。これにより、電磁石ターゲット１の振動を減衰させるための減衰装置を別途設けることなく、振動を迅速に低減することができるので、スラスト磁気軸受装置１００の制御応答性を向上させることができる。
【００３８】
（第２実施形態）
次に、図２および図３を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、上記第１実施形態のスラスト磁気軸受装置１００と同様の構成のスラスト磁気軸受装置１００ａを磁気浮上ステージ２００に適用した場合について説明する。なお、第２実施形態では、上記第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付してその説明を省略する。また、スラスト磁気軸受装置１００ａは、本発明の「磁気軸受部」の一例である。
【００３９】
本発明の第２実施形態による磁気浮上ステージ２００は、半導体基板に回路パターンを現像する露光装置に用いられるものであり、ウエハを支持可能に構成されている。また、磁気浮上ステージ２００は、図２および図３に示すように、Ｙ方向から見て逆Ｕ字形状の浮上ステージ部２０１と、浮上ステージ部２０１のＸ方向の両側でＹ方向に延びるように形成された２つのスラスト磁気軸受装置１００ａとを備えている。また、浮上ステージ部２０１は、Ｘ方向の両端部において２つのスラスト磁気軸受装置１００ａの２つの電磁石ターゲット１に取り付けられている。なお、浮上ステージ部２０１は、本発明の「浮上体」の一例である。
【００４０】
また、磁気浮上ステージ２００は、内部に２つのスラスト磁気軸受装置１００ａを収納する筐体２０２と、浮上ステージ部２０１上に設置されたウエハ保持器２０３とをさらに備えている。筐体２０２の内側上面には、２つのスラスト磁気軸受装置１００ａの２つのスラスト電磁石２が固定的に設置されている。また、２つのスラスト電磁石２は、Ｘ方向において浮上ステージ部２０１を両側から挟むように配置されている。また、各スラスト電磁石２は、浮上ステージ部２０１に取り付けられた対応する電磁石ターゲット１の上面（Ｚ１方向の表面）に対向するように設置されている。また、筐体２０２の内側上面には、上側センサ４が各スラスト電磁石２に隣接するように固定的に設置されている。
【００４１】
また、筐体２０２の内側下面上には、２つのスラスト磁気軸受装置１００ａの２つのアクチュエータ３３が固定的に設置されている。また、２つのアクチュエータ３３の上部には、２つのスラスト磁極３が鉛直方向（Ｚ方向）に移動可能に設けられている。また、各スラスト磁極３は、浮上ステージ部２０１に取り付けられた対応する電磁石ターゲット１の下面（Ｚ２方向の表面）に対向するように設置されている。ここで、この第２実施形態においても、２つの永久磁石３１を含む２つのスラスト磁極３が２つのアクチュエータ３３により鉛直方向に駆動されることによって、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離が調整可能である。また、各スラスト磁極３の下側磁極部３２には、下側センサ５が固定的に取り付けられている。上記の構成により、磁気浮上ステージ２００は、２つのスラスト磁気軸受装置１００ａにより、浮上ステージ部２０１を鉛直方向（Ｚ方向）の所定位置（定位置）に非接触で支持している。
【００４２】
また、図２に示すように、浮上ステージ部２０１のＹ方向の両側には、浮上ステージ部２０１をＸ方向に動作させるための一対のＸリニアモータ２０４ａおよび２０４ｂが設けられている。一対のＸリニアモータ２０４ａおよび２０４ｂは、Ｘ方向に延びるように形成されている。また、図３に示すように、浮上ステージ部２０１の内側には、浮上ステージ部２０１をＹ方向に動作させるための一対のＹリニアモータ２０５ａおよび２０５ｂが設けられている。一対のＹリニアモータ２０５ａおよび２０５ｂは、Ｙ方向に延びるように形成されている。これにより、磁気浮上ステージ２００では、浮上ステージ部２０１をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の３軸方向に動作させることが可能である。なお、Ｘリニアモータ２０４ａおよび２０４ｂは、本発明の「第１水平方向駆動部」の一例であり、Ｙリニアモータ２０５ａおよび２０５ｂは、本発明の「第２水平方向駆動部」の一例である。
【００４３】
また、図２および図３には図示していないが、第２実施形態の２つのスラスト磁気軸受装置１００ａにも、上記第１実施形態と同様の電流検出器６、演算器７および制御器８が設けられている。
【００４４】
なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００４５】
第２実施形態では、上記のように、２つの電磁石ターゲット１の上面に対向するように２つのスラスト電磁石２を配置し、２つの電磁石ターゲット１の下面に対向するように永久磁石３１を含む２つのスラスト磁極３を配置するとともに、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離を調整可能に構成することによって、電磁石ターゲット１とスラスト磁極３との離間距離を調整することにより永久磁石３１を含む２つのスラスト磁極３による磁気吸引力を調整することができる。これにより、２つの電磁石ターゲット１を挟むように２つのスラスト電磁石２および２つの永久磁石３１を設けた構成において、支持する浮上ステージ部２０１の重量が変化した際に、浮上ステージ部２０１を定位置で支持するために２つのスラスト電磁石２の電流を変化させた場合にも、２つの永久磁石３１（スラスト磁極３）による磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。その結果、浮上ステージ部２０１の重量変化に対して安定した浮上状態を得ることができる。また、この磁気浮上ステージ２００では、永久磁石３１（スラスト磁極３）の電磁石ターゲット１に対する離間距離の調整により２つの永久磁石３１による磁気吸引力を調整することができるので、一旦設定した磁気軸受特性を状況に応じて容易に変更することができる。
【００４６】
また、第２実施形態では、Ｘリニアモータ２０４ａ、２０４ｂやＹリニアモータ２０５ａ、２０５ｂの駆動に伴って浮上ステージ部２０１に外乱が生じた場合でも、２つのスラスト磁気軸受装置１００ａの２つの永久磁石３１による磁気吸引力を調整することにより、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。これにより、安定した浮上ステージ部２０１の浮上状態を得ることができるので、Ｘリニアモータ２０４ａ、２０４ｂおよびＹリニアモータ２０５ａ、２０５ｂにより、浮上ステージ部２０１を水平面内で安定して動作させることができる。
【００４７】
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００４８】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４９】
たとえば、上記第１および第２実施形態では、電磁石ターゲットの上方にスラスト電磁石を配置し、電磁石ターゲットの下方に第２磁極としてのスラスト磁極を配置する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石ターゲットの下方に電磁石を配置し、電磁石ターゲットの上方に第２磁極を配置する構成であってもよい。
【００５０】
また、上記第１および第２実施形態では、磁気軸受装置の一例として、電磁石ターゲットを鉛直方向において支持するスラスト磁気軸受装置を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石ターゲットを水平方向において支持する磁気軸受装置であってもよいし、鉛直方向および水平方向以外の方向において支持する磁気軸受装置であってもよい。
【００５１】
また、上記第１および第２実施形態では、電磁石ターゲットと第２磁極としてのスラスト磁極との距離をアクチュエータにより調整する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石ターゲットと第２磁極との距離を調整可能な構成であればよく、たとえば、電磁石ターゲットと第２磁極との距離を手動で調整する構成であってもよい。
【００５２】
また、上記第１および第２実施形態では、アクチュエータを空気圧で駆動する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、空気圧以外でアクチュエータを駆動する構成であってもよい。
【００５３】
また、上記第１および第２実施形態では、スラスト電磁石に流れる電流、および、電磁石ターゲットと第２磁極としてのスラスト磁極との距離の両方に基づいて、電磁石ターゲットとスラスト磁極との目標離間距離を演算する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石に流れる電流に基づいていれば、電磁石に流れる電流にのみ基づいて電磁石ターゲットとスラスト磁極との目標離間距離を演算する構成であってもよいし、電磁石に流れる電流および電磁石ターゲットと第２磁極との距離に加えて、その他の要素にも基づいて目標離間距離を演算する構成であってもよい。
【００５４】
また、上記第１および第２実施形態では、距離検出手段の一例として、電磁石ターゲットと第２磁極としてのスラスト磁極との距離を検出するギャップセンサからなる下側センサを示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石ターゲットと第２磁極との距離を検出可能であれば、たとえば、アクチュエータの駆動距離（第２磁極の移動距離）を検出して電磁石ターゲットと第２磁極との距離を取得する距離検出手段であってもよい。
【００５５】
また、上記第２実施形態では、磁気軸受装置としてのスラスト磁気軸受装置を、露光装置に用いられる磁気浮上ステージに適用する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明の磁気軸受装置を露光装置以外の用途に用いられる装置に適用してもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１ 電磁石ターゲット
２ スラスト電磁石（電磁石）
３ スラスト磁極（第２磁極）
５ 下側センサ（距離検出手段）
６ 電流検出器（電流検出手段）
７ 演算器（演算部）
８ 制御器（制御部）
２１ 上側磁極部（第１磁極）
２２ 励磁コイル
３１ 永久磁石
３３ アクチュエータ
１００、１００ａ スラスト磁気軸受装置（磁気軸受装置、磁気軸受部）
１１０ 浮上体
２００ 磁気浮上ステージ
２０１ 浮上ステージ部
２０４ａ、２０４ｂ Ｘリニアモータ（第１水平方向駆動部）
２０５ａ、２０５ｂ Ｙリニアモータ（第２水平方向駆動部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮上体に取り付けられ、磁性材からなる電磁石ターゲットと、
第１磁極と励磁コイルとを含み、前記電磁石ターゲットに対向するように配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石と、
前記電磁石ターゲットの前記電磁石とは反対側の部分に対向するように配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により吸引する永久磁石を含む第２磁極とを備え、
前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成されている、磁気軸受装置。
【請求項２】
前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を調整するアクチュエータをさらに備える、請求項１に記載の磁気軸受装置。
【請求項３】
前記電磁石に流れる電流を検出する電流検出手段と、
少なくとも前記電流検出手段により検出された前記電磁石に流れる電流に基づいて、前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を、所望の磁気軸受特性が得られる前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの目標距離になるように前記アクチュエータを制御する制御部とをさらに備える、請求項２に記載の磁気軸受装置。
【請求項４】
前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を検出する距離検出手段と、
前記電流検出手段により検出された前記電磁石に流れる電流と、前記距離検出手段により検出された前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離とに基づいて、前記所望の磁気軸受特性が得られる前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの目標距離を演算する演算部とをさらに備え、
前記制御部は、前記演算部により演算された目標距離になるように、前記アクチュエータを制御するように構成されている、請求項３に記載の磁気軸受装置。
【請求項５】
前記演算部は、前記電流検出手段により検出された前記電磁石に流れる電流と、前記距離検出手段により検出された前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離とに基づいて、前記所望の磁気軸受特性が得られるように、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持するための前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの目標距離を演算するように構成されている、請求項４に記載の磁気軸受装置。
【請求項６】
前記アクチュエータは、空気圧で駆動されるように構成されている、請求項２〜５のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。
【請求項７】
前記電磁石は、前記電磁石ターゲットの上方に配置され、前記電磁石ターゲットを鉛直上方向の磁気吸引力により支持するスラスト電磁石を含み、
前記第２磁極は、前記電磁石ターゲットの下方に配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により鉛直下方向に吸引する永久磁石を含むスラスト磁極を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。
【請求項８】
浮上ステージ部と、
前記浮上ステージ部を鉛直方向に支持する磁気軸受部とを備え、
前記磁気軸受部は、
前記浮上ステージ部に取り付けられ、磁性材からなる電磁石ターゲットと、
第１磁極と励磁コイルとを有し、前記電磁石ターゲットに対向するように配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石と、
前記電磁石ターゲットの前記電磁石とは反対側の部分に対向するように配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により吸引する永久磁石を有する第２磁極とを含み、
前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成されている、磁気浮上ステージ。
【請求項９】
前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を調整するアクチュエータと、
前記浮上ステージ部を水平面内の第１水平方向に非接触状態で駆動する第１水平方向駆動部と、
前記浮上ステージ部を前記第１水平方向に直交する水平面内の第２水平方向に非接触状態で駆動する第２水平方向駆動部とをさらに備える、請求項８に記載の磁気浮上ステージ。
【請求項１】
浮上体に取り付けられ、磁性材からなる電磁石ターゲットと、
第１磁極と励磁コイルとを含み、前記電磁石ターゲットに対向するように配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石と、
前記電磁石ターゲットの前記電磁石とは反対側の部分に対向するように配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により吸引する永久磁石を含む第２磁極とを備え、
前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成されている、磁気軸受装置。
【請求項２】
前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を調整するアクチュエータをさらに備える、請求項１に記載の磁気軸受装置。
【請求項３】
前記電磁石に流れる電流を検出する電流検出手段と、
少なくとも前記電流検出手段により検出された前記電磁石に流れる電流に基づいて、前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を、所望の磁気軸受特性が得られる前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの目標距離になるように前記アクチュエータを制御する制御部とをさらに備える、請求項２に記載の磁気軸受装置。
【請求項４】
前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を検出する距離検出手段と、
前記電流検出手段により検出された前記電磁石に流れる電流と、前記距離検出手段により検出された前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離とに基づいて、前記所望の磁気軸受特性が得られる前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの目標距離を演算する演算部とをさらに備え、
前記制御部は、前記演算部により演算された目標距離になるように、前記アクチュエータを制御するように構成されている、請求項３に記載の磁気軸受装置。
【請求項５】
前記演算部は、前記電流検出手段により検出された前記電磁石に流れる電流と、前記距離検出手段により検出された前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離とに基づいて、前記所望の磁気軸受特性が得られるように、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持するための前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの目標距離を演算するように構成されている、請求項４に記載の磁気軸受装置。
【請求項６】
前記アクチュエータは、空気圧で駆動されるように構成されている、請求項２〜５のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。
【請求項７】
前記電磁石は、前記電磁石ターゲットの上方に配置され、前記電磁石ターゲットを鉛直上方向の磁気吸引力により支持するスラスト電磁石を含み、
前記第２磁極は、前記電磁石ターゲットの下方に配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により鉛直下方向に吸引する永久磁石を含むスラスト磁極を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。
【請求項８】
浮上ステージ部と、
前記浮上ステージ部を鉛直方向に支持する磁気軸受部とを備え、
前記磁気軸受部は、
前記浮上ステージ部に取り付けられ、磁性材からなる電磁石ターゲットと、
第１磁極と励磁コイルとを有し、前記電磁石ターゲットに対向するように配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石と、
前記電磁石ターゲットの前記電磁石とは反対側の部分に対向するように配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により吸引する永久磁石を有する第２磁極とを含み、
前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成されている、磁気浮上ステージ。
【請求項９】
前記第２磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を調整するアクチュエータと、
前記浮上ステージ部を水平面内の第１水平方向に非接触状態で駆動する第１水平方向駆動部と、
前記浮上ステージ部を前記第１水平方向に直交する水平面内の第２水平方向に非接触状態で駆動する第２水平方向駆動部とをさらに備える、請求項８に記載の磁気浮上ステージ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１８５３６８（Ｐ２０１１−１８５３６８Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１８３４（Ｐ２０１０−５１８３４）
【出願日】平成２２年３月９日（２０１０．３．９）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月９日（２０１０．３．９）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
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