KR101829030B1

KR101829030B1 - 변위 장치 및 변위 장치의 제조, 사용 그리고 제어를 위한 방법

Info

Publication number: KR101829030B1
Application number: KR1020177031077A
Authority: KR
Inventors: 시아오동 루; 이르판-우르-랍 우스만
Original assignee: 더 유니버시티 오브 브리티쉬 콜롬비아
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2018-03-29
Also published as: WO2013059934A1; US20200195118A1; US20240243649A1; US11228232B2; EP2759047B1; US11936270B2; US20160065043A1; US20220166301A1; US10554110B2; US20170317569A1; EP4033645A1; KR20140084238A; US9202719B2; KR20170125111A; TWI568168B; EP2759047A1; JP2014531189A; CN103891114A; US10008915B2; US20140285122A1

Abstract

변위 장치는 고정자와 가동 스테이지를 포함한다. 고정자는 하나 이상의 층에서 복수의 선형으로 연장된 코일 트레이스를 제공하도록 모양이 이루어진 복수의 코일을 포함한다. 코일의 층은 Z-방향으로 중첩될 수 있다. 가동 스테이지는 복수의 자석 배열을 포함한다. 각각의 자석 배열은 대응하는 방향으로 선형으로 연장된 복수의 자화 분할을 포함할 수 있다. 각각의 자화 분할은 각각의 자화 분할이 연장되고 자화 방향들 중 적어도 2개가 서로 다른 방향에 직교인 자화 방향을 갖는다. 하나 이상의 증폭기는 코일 트레이스에서 전류를 선택적으로 구동하며 그리고 이러한 구동에 의해 고정자와 가동 스테이지 간의 상대적인 움직임에 영향을 주도록 연결될 수 있다.

Description

변위 장치 및 변위 장치의 제조, 사용 그리고 제어를 위한 방법{DISPLACEMENT DEVICES AND METHODS FOR FABRICATION, USE AND CONTROL OF SAME}

관련된 출원

본 출원은 2011년 10월 27일 출원된 미합중국 출원 제61/551953호 및 2012년 8월 30일 출원된 미합중국 출원 제61/694776호의 우선권의 이익을 주장한다. 이들 우선권 출원의 둘 다는 참조로 본 명세서에 그대로 포함된다.

본 발명은 변위 장치(displacement device)에 관한 것이다. 특별한 비-제한적인 실시예는 반도체 제조 산업에서 사용하기 위한 변위 장치를 제공한다.

모션 스테이지(motion stage)(XY 테이블과 회전 테이블)는 다양한 제조, 검사 그리고 조립 공정에서 폭넓게 사용된다. 현재 사용중인 일반적인 해결책은 연결 베어링(connecting bearing)을 통해 2개의 선형 스테이지(linear stage)를 함께 적층함으로써 XY 모션을 달성한다.

보다 바람직한 해결책은 XY 모션을 할 수 있는 단일 무빙 스테이지(single moving stage)를 구비하며, 추가적인 베어링을 제거하는 단계를 포함한다. 또한 이와 같은 무빙 스테이지가 적어도 약간의 Z 모션을 제공할 수 있도록 하는 것이 바람직할 것이다. 전류-운반 코일(current-carrying coil)과 영구 자석(permanent magnet) 간의 상호작용을 이용해 이와 같은 변위 장치를 설계하기 위한 시도들이 이루어져 왔다. 이와 관련하여 노력의 예는 다음을 포함한다: 미국특허 제6,003,230호; 미국특허 제6,097,114호; 미국특허 제6,208,045호; 미국특허 제6,441,514호; 미국특허 제6,847,134호; 미국특허 제6,987,335호; 미국특허 제7,436,135호; 미국특허 제7,948,122호; 미국특허 출원공개 제2008/0203828; W.J.Kim and D.L. Trumper, High-precision magnetic levitation stage for photolithography. Precision Eng.222(1998), pp.66-77; D.L. Trumper, et al, "Magnet arrays for synchronous machines", IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, vol.1, pp.9-18, 1003; 및 J.W.Jansen, C.M.M. van Lierop, E.A. Lomonova, A.J.A. Vandenput, "Magnetically Levitated Planar Actuator with Moving Magnets", IEEE Tran. Ind. App.,Vol 44, No 4, 2008.

종래 기술에 알려진 변위 장치를 개선하는 특성을 갖는 변위 장치를 제공하고자 하는 일반적이 바람이 있다.

관련된 기술의 상기 예와 상기 예에 관련된 제한은 예시적인 것이며 배타적이지 않은 것으로 의도된다. 관련된 기술의 다른 제한은 명세서를 읽고 도면을 연구할 때 당업자에게 자명해질 것이다.

종래 기술에 알려진 변위 장치를 개선하는 특성을 갖는 변위 장치를 제공하는 효과가 있다.

예시적인 실시예는 도면의 참조되는 도에 예시된다. 이것은 본 명세서에 개시된 실시예와 도가 제한적이기 보다는 예시적인 것으로 고려되도록 하기 위함이다.
도 1a는 발명의 특별한 실시예에 따른 변위 장치의 부분 개략 등축도이다.
도 1b는 선 1B-1B를 따라 도 1a 변위 장치의 부분 개략 단면도이다.
도 1c는 선 1C-1C를 따라 도 1a 변위 장치의 부분 개략 단면도이다.
도 1d는 특별한 실시예에 따른 도 1a 변위 장치의 Y-자석 배열 중 하나의 추가적인 세부 내용을 도시한다.
도 1e는 특별한 실시예에 따른 도 1a 변위 장치의 X-자석 배열 중 하나의 추가적인 세부 내용을 도시한다.
도 2는 도 1 변위 장치에서 사용될 수 있으며 다수의 코일 파라미터를 도시하기에 유용한 코일 트레이스의 단일 층의 개략적인 부분 단면도이다.
도 3a 내지 도 3f는 도 1 변위 장치에서 사용될 수 있는 상이한 배치를 갖는 코일 트레이스의 단일 층의 개략적인 부분 단면도이다.
도 4a 내지 도 4b는 도 1 변위 장치에서 사용될 수 있는 상이한 배치를 갖는 코일 트레이스의 다중 층의 개략적인 부분 단면도이다.
도 5는 도 1 변위 장치에서 사용될 수 있는 그룹 연결 체계를 도시하는 코일 트레이스의 단일 층의 개략적인 부분도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 1 변위 장치에서 사용될 수 있으며 다수의 자석 배열 파라미터를 도시하기에 유용한 자석 배열의 배치의 개략적인 부분 단면도이다.
도 7a 내지 도 7l은 특별한 실시예에 따라서 도 1 변위 장치와 함께 사용하기에 적합한 자석 배열의 추가적인 세부 내용을 도시한다.
도 8a 내지 도 8l은 특별한 실시예에 따라서 도 1 변위 장치와 함께 사용하기에 적합한 자석 배열의 추가적인 세부 사항을 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 도 1 변위 장치와 함께 사용하기에 적합한 특별한 실시예에 따라 그리고 그들의 대응하는 자화 분할의 자화 방향을 도시하는 병렬 인접 자석 배열(parallel adjacent magnet arrays)의 쌍의 개략적인 단면도이다.
도 10a 내지 도 10d는 다른 실시예에 따라서 도 1 변위 장치에서 사용될 수 있는 자석 배열의 배치의 개략적인 단면도이다.
도 11a 내지 도 11c는 이론적인 필드 폴딩 원리(theoretical field folding principle)를 입증하기 위해 사용된 자석 배열와 코일 트레이스의 개략적인 단면도이다.
도 11d는 코일 트레이의 하나의 층과 도 1 변위 장치에서 사용될 수 있는 단일 자석 배열 그리고 도 11a 내지 도 11c의 필드 폴딩 원리가 실제로 어떻게 사용될 수 있는지를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 12는 코일 트레이스의 하나의 층과 전류 전환(current commutation)의 결정을 기술하기에 유용한 단일 자석 배열을 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 13a 및 도 13b는 비-자기 스페이서(non-magnetic spacer)를 갖는 자석 배열을 위한 적절한 전류를 결정하기 위해 사용될 수 있는 가정된 자석 배열 구성을 개략적으로 묘사한다.
도 14a는 계측 프레임(metrology frame)에 비례하여 가동 스테이지와 고정자의 위치를 따로따로 측정하기 위해 도 1 변위 장치와 함께 사용하기에 적합한 감지 시스템(sensing system)의 일 실시예를 개략적으로 예시한다. 도 14b 및 도 14c는 도 1 변위 장치와 함께 사용하기에 적합한 센서 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 15는 도 1 변위 장치를 제어하는데 사용하기에 적합한 제어 시스템의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 16a 내지 도 16d는 발명의 일 실시예에 따라서 다중 고정자 사이의 가동 스테이지를 교환하기 위한 기법을 개략적으로 묘사한다.
도 17a는 발명의 다른 실시예에 따라서 다중 고정자 사이의 가동 스테이지를 교환하기 위한 기법을 개략적으로 묘사한다. 도 17b는 2개의 가동 스테이지가 하나의 고정자에 대해 6 자유도에 의해 어떻게 제어될 수 있는지를 개략적으로 묘사한다.
도 18은 복수의 상이한 스테이지를 통해 복수의 가동 스테이지를 움직이기 위한 장치를 개략적으로 예시한다.
도 19a는 발명의 실시예에 따라서 회전 변위 장치의 수평 단면도이다. 도 19b 및 도 19c는 각각 도 19a 변위 장치의 가동 스테이지(회전자)의 바닥 단면도와 도 19a 변위 장치의 고정자의 상면도를 묘사한다.
도 19d는 도 19a 변위 장치와 함께 사용될 수 있는 또 다른 실시예에 따라서 가동 스테이지(회전자)의 바닥 단면도이다.
도 19e는 도 19a 변위 장치와 함께 사용될 수 있는 또 다른 실시예에 따라서 고정자의 상면도이다.
도 20a 내지 도 20c는 상이한 상대 방향(orientations)의 코일 트레이스들과 자석 배열을 갖는 기타 실시예에 따른 변위 장치를 개략적으로 묘사한다.
도 21a 내지 도 21c는 특별한 자기 공간 주기 내에서 상이한 수의 자화 방향을 갖는 자석 배열의 단면도를 개략적으로 묘사한다.
도 22a는 도 1 변위 장치에서 사용될 수 있는 또 다른 실시예에 따라서 코일 트레이스 배치를 도시한다. 도 22b는 도 1 변위 장치에서 사용될 수 있는 Y-오리엔트 된 코일 트레이스 중 한 쌍의 인접한 층을 예시한다.
도 23a 내지 도 23f는 그들의 각각의 Y-치수에 걸쳐서 X-방향으로 연장되며 그리고 도 1 변위 장치에서 사용될 수 있는 주기적인 공간 변화를 보이는 (비록 Y-방향으로 일반적으로 선형으로 연장된다고 하더라도) 다수의 Y-오리엔트 된(oriented) 코일 트레이스를 도시한다.
도 24a 및 도 24b는 도 24c의 Y-오리엔트 된 코일 트레이스를 제공하기 위해 중첩될 수 있는 주기적 변화를 갖는 한 쌍의 Y-오리엔트 된 코일 트레이스를 도시한다.
도 25a 내지 도 25d는 도 1 변위 장치에서 사용될 수 있는 오프셋 또는 이동된 서브-배열을 갖는 자석 배열의 다양한 실시예를 도시한다.
도 26a, 도 26b 및 도 26c는 그들의 각각의 Y-치수(dimension)에 걸쳐서 X-방향으로 연장되고 도 1 변위 장치에서 사용될 수 있는 주기적인 공간 변화를 보이는 다수의 Y-자석 배열을 도시한다.
도 27a 및 도 27b는 각각 다수의 코일 트레이스의 평면도와 도 1 변위 장치에서 사용될 수 있는 특별한 실시예에 따라서 다중 서브-트레이스를 포함하는 코일 트레이스의 단면도를 묘사한다.
도 28a 및 도 28b는 도 1 변위 장치와 함께 사용될 수 있는 다른 실시예에 따라서 원형 단면 코일 트레이스의 다양한 모습을 도시한다. 도 28c 및 도 28d는 코일 트레이스가 원형 단면을 갖는 다중 서브-트레이스를 어떻게 포함할 수 있는지의 실시예를 도시한다.

이어지는 상세한 설명 전반에 걸쳐서 특정한 세부 내용이 당업자에게 보다 완전한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 잘 알려진 요소들은 개시를 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 도시되지 않거나 상세히 기술되지 않았을 수 있다. 따라서, 상세한 설명과 도면은, 제한적인 의미 보다는, 예시적인 의미로 여겨질 것이다.

고정자와 가동 스테이지를 포함하는 변위 장치가 제공된다. 고정자는 하나 이상의 층에서 복수의 일반적으로 선형으로 연장된 코일 트레이스를 제공하도록 모양이 이루어진 복수의 코일을 포함한다. 코일의 층은 Z-방향으로 중첩될 수 있다. 가동 스테이지는 복수의 자석 배열을 포함한다. 각각의 자석 배열은 대응하는 방향으로 일반적으로 선형으로 연장된 복수의 자화 분할(magnetization segments)을 포함할 수 있다. 각각의 자화 분할은 일반적으로 자화 분할이 연장되는 방향에 직교하는 자화 방향과 서로 다른 적어도 2개의 자화 방향을 갖는다. 하나 이상의 증폭기가 코일 트레이스에서 전류를 공급하여 고정자와 가동 스테이지 간의 상대적인 움직임에 영향을 주도록 선택적으로 연결될 수 있다.

특별한 실시예

도 1a는 발명의 특별한 실시예에 따라서 변위 장치(100)의 부분 개략 등축도이다. 도 1b 및 도 1c는 각각 선 1B-1B와 1C-1C를 따라 변위 장치(100)의 부분 개략 단면도이다. 변위 장치(100)는 가동(movable) 스테이지(110)와 고정자(stator) 스테이지(120)를 포함한다. 가동 스테이지(110)는 복수(예를 들어, 예시된 실시예에서 4)의 배열인 영구 자석(112A, 112B, 112C, 112D)(집합적으로, 자석 배열(112))을 포함한다. 고정자 스테이지(120)는 복수의 코일(122)을 포함한다. 이하 보다 상세히 설명된 바와 같이, 코일(122)의 각각은 특정 치수(dimension)를 따라 연장되며, 이에 의해 고정자(120)의 작동 영역(124)(즉, 가동 스테이지(110)가 그 위에서 움직일 수 있는 고정자(120)의 영역)에서, 코일(122)은 선형으로 연장된 코일 트레이스(126)를 효과적으로 제공한다. 이하 보다 상세히 설명된 바와 같이, 코일 트레이스(126)의 각각은 선형으로 연장되는 대응하는 축을 포함한다. 명확히 하기 위해, 고정자(120)의 작동 영역(124)의 일부만이 도 1a 내지 도 1c의 도면에 도시된다. 도 1a 내지 도 1c의 부분도의 바깥에서, 코일(122)은 선형으로 연장되지 않은 루프를 갖는다는 것이 이해될 것이다. 코일(122)의 루프는 이들 루프가 장치(100)의 동작에 영향을 주지않는 고정자(120)의 작동 영역(124)의 충분히 먼 바깥에 위치된다.

(도 1c에 가장 잘 도시된 바와 같이) 예시된 실시예에서, 고정자(120)는 코일 트레이스의 복수(예를 들어, 예시된 실시예에서 4)의 층(128A, 128B, 128C, 128D)(집합적으로, 층(128))을 포함하며, 코일 트레이스 층(128)의 각각의 쌍은 전기 절연 층(130)에 의해 서로 분리된다. 고정자(120)에서 층(128)의 개수는 특별한 구현을 위해 변할 수 있으며 그리고 예시된 실시예에 도시된 층(128)의 수는 설명을 위해 편리하다는 것이 이해될 것이다. 예시된 실시예에서, 각각의 층(128)은 서로에 대해 나란한 축을 따라서 선형으로 연장되는 코일 트레이스(126)를 포함한다. 예시된 실시예의 경우에 있어서, 층(128A, 128C)은 Y-축에 나란한 방향으로 일반적으로 선형으로 연장되는 코일 트레이스(126Y)를 포함하며 층(128B, 128D)은 X-축에 나란한 방향으로 일반적으로 선형으로 오리엔트된(oriented) 코일 트레이스(126X)를 포함한다. Y-축을 따라 일반적으로 선형으로 오리엔트되는 코일 트레이스(126Y)는 본 명세서에서 "Y-코일" 또는 "Y-트레이스"로서 지칭될 수 있으며, 그리고 이하 보다 상세히 설명된 바와 같이, X와 Z 방향으로 가동 스테이지(110)를 움직이기 위해 사용될 수 있다. 유사하게, X-축을 따라서 일반적으로 선형으로 오리엔트되는 코일 트레이스(126X)는 본 명세서에서 "X-코일" 또는 "X-트레이스"로서 지칭될 수 있으며, 그리고, 이하에서 보다 상세히 설명된 바와 같이, Y 방향과 Z 방향으로 가동 스테이지(110)를 움직이기 위해 사용될 수 있다.

(도 1b에 가장 잘 도시된 바와 같이) 예시된 실시예에서, 가동 스테이지(110)는 4개의 자석 배열(112)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 가동 스테이지(110)는 4개를 초과하는 자석 배열(112)을 포함할 수 있다. 각각의 자석 배열(112A, 112B, 112C, 112D)은 상이한 자화 방향을 갖는 복수의 대응하는 자화 분할(114A, 114B, 114C, 114D)(집합적으로, 자화 분할(114))를 포함한다. 예시된 실시예에서, 각각의 자화 분할(114)은 일반적으로 대응하는 축 치수(axial dimension)를 따라 연장된다. 예시된 실시예의 자화 분할(114)의 연장된 형상이 도 1b에 가장 잘 도시되어 있다. 예시된 실시예의 경우에 있어서, 자석 배열(112A)의 자화 분할(114A)과 자석 배열(112C)의 자화 분할(114C)은 일반적으로 X-축에 평행한 방향으로 연장되며 그리고 자석 배열(112B)의 자화 분할(114B)과 자석 배열(112D)의 자화 분할(114D)은 일반적으로 Y-축에 평행한 방향으로 연장된다는 것을 알 수 있다. 그들의 각각의 자화 분할(114)의 연장의 방향 때문에: 자석 배열(112A, 112C)은 "X-자석 배열"(112A, 112C)로서 본 명세서에서 지칭될 수 있고 그들의 대응하는 자화 분할(114A, 114C)은 "X-자화 분할"로서 본 명세서에 지칭될 수 있으며; 그리고 자석 배열(112B, 112D)은 "Y-자석 배열"(112B, 112D)로서 본 명세서에서 지칭될 수 있고 그들의 대응하는 자화 분할(114B, 114D)은 "Y-자화 분할"로서 본 명세서에 지칭될 수 있다.

도 1c는 특별한 비-제한적인 예에 따라서 Y-자석 배열(112B)의 다양한 자화 분할(114B)의 자화의 방향을 개략적으로 도시한다. 특히, 도 1C의 Y-자석 배열(112B)에서 개략적으로 예시된 화살표는 다양한 자화 분할(114B)의 자화 방향을 도시한다. 또한, 각각의 자화 분할(114B)내에서, 어두운 영역은 자석의 북극을 나타내고 백색 영역은 자석의 남극을 나타낸다.

도 1d는 보다 상세히 Y-자석 배열(112B)의 단면도를 도시한다. Y-자석 배열(112B)은 X-축을 따라 다수의 자화 분할(114B)로 나누어지고 다양한 분할(114B)의 자화 방향은 Y-축에 직교인 방향으로 오리엔트 된다 - 즉, 자화 분할(114B)의 자화 방향은 자화 분할(114B)이 연장되는 Y-축 방향에 수직이라는 것을 알 수 있다. 자화 분할(114B)의 자화 방향은 X-축을 따라 주기(또는 파장)(λ)와 함께 공간 주기성(spatial periodicity)을 갖는다는 것이 도 1d로부터 또한 관측될 수 있다. 자석 배열(112)의 자화 분할(114)의 자화 방향의 이러한 공간 주기성(λ)은 자기 주기(λ), 자기 공간 주기(λ), 자기 파장(λ) 또는 자기 공간 파장(λ)으로서 본 명세서에서 지칭될 수 있다.

예시된 도 1d 실시예에서, Y-자석 배열(112B)은 2λ의 전체 X-축 폭 - 즉, 자기 주기(λ)의 2배의 주기를 갖는다. 이것은 필요 없다. 몇몇 실시예에서, Y-자석 배열(112B)은 W _m = N _m λ으로 주어진 전체 X-축 폭(W _m )을 가지며 여기서 N _m 은 양의 정수이다.

예시된 도 1d 실시예의 경우에 있어서, 자화 분할(114B)은 자기 공간 주기(λ)를 함께 제공하는 4개의 상이한 자화 방향: +Z, -Z, +X, -X를 포함한다. 이것은 필요 없다. 몇몇 실시예에서, 자화 분할(114B)은 자기 공간 주기(λ)를 제공하기 위해 겨우 2개의 자화 방향을 포함할 수 있으며 그리고 몇몇 실시예에서, 자화 분할(114B)은 자기 공간 주기(λ)를 제공하기 위해 4개를 초과하는 자화 방향을 포함할 수 있다. 완전한 공간 자기 주기(λ)를 구성하는 자석 배열(112)의 상이한 자화 방향의 수는 N _t 으로서 본 명세서에서 지칭될 수 있다. 자화 분할(114B)의 자화 방향의 수(N _t )에 관계없이, 각각의 분할(114B)의 자화 방향은 일반적으로 Y-축에 대해 직교로 오리엔트 된다. 도 1d는, 예시된 실시예에서, 자화 분할(114B)의 X-축 폭이 λ/(2N _t )이거나 λ/N _t 라는 것을 또한 도시한다. 도 1d 실시예의 경우에 있어서, 여기서 자화 방향의 수(N _t )는 N _t =4이며, 자화 섹션(114B)의 X-축 폭은 (에지 분할을 위해 흔히 그렇듯이 A, I가 표기된) λ/8이거나 (내부 분할을 위해 흔히 그렇듯이 B, C, D, E, F, G, H가 표기된) λ/4 이다.

예시된 도 1d 실시예의 경우에 이루어질 수 있는 다른 관측은 자화 분할(114B)의 자화가 중심 Y-Z 평면(118)(즉, Y-축과 Z-축 방향으로 연장되고 자신의 X-축 치수의 중심에서 자석 배열(112B)을 교차하는 평면(118))에 대해 거울 대칭이다. 비록 도 1d에 명시적으로 도시되지 않았지만, 몇몇 실시예에서 자석 배열(112B)은 자신의 X-축 치수의 중심에서 비-자기 스페이서와 함께 제공될 수 있다. 특히, 자석 배열(112B)의 X-축 치수의 중심에서 자화 분할(114B)(즉, 예시된 실시예에서 E로 표기된 분할)은 폭 λ/( 2Nt )=λ/8의 두 분할로 나누어질 수 있으며 비-자기 스페이서가 그 사이에 삽입될 수 있다. 이하 보다 상세히 설명된 바와 같이, 이와 같은 비-자기 스페이서는 보다 높은 차수의 자계에 의해 발생된 방해력/토크(disturbance force/torque)를 상쇄시키기 위해 사용될 수 있다. 심지어 이와 같은 비-자기 스페이서와 함께, 자석 배열(112B)과 자신의 자화 분할(114B)은 여전히 : 다양한 분할(114B)의 자화 방향은 Y-축에 직교인 방향으로 오리엔트 되고; 다양한 분할(114B)의 X-축 폭은 (외부 분할(A, I)과 분할(E)로 나눔으로써 형성된 2개의 분할을 위한)λ/( 2Nt ) 이거나 (내부 분할(B, C, D, F, G, H)를 위한)λ/ Nt 일 것이며; 그리고 자화 분할(114B)의 자화는 중심 Y-Z 평면(118)에 대해 거울 대칭인 속성을 나타낼 것이다.

가동 스테이지(110)에 대한 자신의 위치를 위한 것과 달리, Y-자석 배열(112D)과 Y-자석 배열(112D)의 자화 분할(114D)의 특성은 Y-자석 배열(112B)과 Y-자석 배열(112B)의 자화 분할(114B)의 특성과 유사할 수 있다.

도 1e는 보다 상세히 X-자석 배열(112A)의 단면도를 도시한다. Y-축을 따라서, X-자석 배열(112A)은 X-축 방향으로 일반적으로 선형으로 연장되는 다수의 자화 분할(114A)로 나누어진다는 것이 이해될 것이다. 예시된 실시예에서, X와 Y 방향이 바뀐 것을 제외하고, X-자석 배열(112A)과 X-자석 배열(112A)의 자화 분할(114A)의 특성은 Y-자석 배열(112B)과 Y-자석 배열(112B)의 자화 분할(114B)의 특성과 유사할 수 있다. 예를 들어, 자화 분할(114A)의 자화 방향은 Y-축을 따라 주기(또는 파장)(λ)을 갖는 공간 주기성을 가질 수 있으며; Y-방향에서 X-자석 배열(112A)의 폭(W _m )은 W _m = N _m λ으로 주어지며 여기서 N _m 은 양의 정수이고; 다양한 자화 분할(114A)의 자화 방향은 X-축에 직교인 방향으로 오리엔트 되며; 다양한 자화 분할(114A)의 Y-축 폭은 (외부 분할(A, I)을 위한) λ/( 2N _t ) 이거나 (내부 분할(B, C, D, F, G, H)을 위한)λ/ N _t 일 것이고, 여기서 N _t 는 자석 배열(112A)에서 상이한 자화 방향의 수를 나타내고; 그리고 자화 분할(114A)의 자화는 중심 X-Z 평면(118)에 대해 거울 대칭이다.

가동 스테이지(110)에 대한 자신의 위치를 위한 것과 달리, X-자석 배열(112C)과 X-자석 배열(112C)의 자화 분할(114C)의 특성은 X-자석 배열(112A)과 X-자석 배열(112A)의 자화 분할(114A)의 특성과 유사할 수 있다.

도 1b와 도 1c를 참조하면, 이제 변위 장치(100)의 동작이 설명된다. 도 1c는 가동 스테이지(110)가 Z-방향으로 고정자(120)로부터 떨어져 상방으로 어떻게 이격되는지를 도시한다. 고정자(120)와 가동 스테이지(110) 사이의 이러한 공간은 이하 논의된 바와 같이 가동 스테이지(110)에 대한 자석 배열(112)과 함께 고정자(120)에 대한 코일(122)의 상호작용에 의해 생성된 Z-방향 힘에 의해 (적어도 부분적으로) 유지될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 고정자(120)와 가동 스테이지(110) 사이의 이러한 공간은, 기술 분야에 잘 알려진 바와 같이, (도시되지 않은) 추가적인 리프팅 및/또는 호이스팅 자석(hoisting magnet), 공기정압 베어링(areostatic bearing), 롤러 베어링 등을 이용해 유지될 수 있다.

도 1b는 유효 코일 트레이스(active coil trace)(132A, 132B, 132C, 132D)(집합적으로, 코일 트레이스(132))의 4개 세트를 도시하며, (전류를 운반할 때) 이들의 각각은 주로 가동 스테이지(110)가 움직이도록 야기하는 힘을 부여하기 위해 자석 배열(112A, 112B, 112C, 112D) 중 대응하는 자석 배열과 상호작용을 책임진다. 특히: 코일 트레이스(132A)가 전류를 운반할 때, 코일 트레이스(132A)는 Y방향과 Z 방향으로 가동 스테이지(110)에 힘을 부여하기 위해 X-자석 배열(112A)과 상호작용하며; 코일 트레이스(132B)가 전류를 운반할 때, 코일 트레이스(132B)는 X 방향과 Z 방향으로 가동 스테이지(110)에 힘을 부여하기 위해 Y-자석 배열(112B)과 상호작용하고; 코일 트레이스(132C)가 전류를 운반할 때, 코일 트레이스(132C)는 Y방향과 Z 방향으로 가동 스테이지(110)에 힘을 부여하기 위해 X-자석 배열(112C)과 상호작용하며; 그리고 코일 트레이스(132D)가 전류를 운반할 때, 코일 트레이스(132D)는 X 방향과 Z 방향으로 가동 스테이지(110)에 대해 힘을 부여하기 위해 Y-자석 배열(112D)과 상호작용한다.

도 1b에 도시된 코일 트레이스(132)는 가동 스테이지(110)에 원하는 힘을 부여하며 그리고 이에 의해 가동 스테이지(110)의 단단한 몸체 모션에 관하여 6 자유도로 가동 스테이지(110)의 움직임을 제어하기 위해 선택적으로 활성화될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이하 더 설명된 바와 같이, 코일 트레이스(132)는 또한 가동 스테이지(110)의 몇몇 유연한 모드 진동 모션을 제어하기 위해 제어가능하게 활성화될 수 있다. 가동 스테이지(110)가 도 1b에 도시된 특별한 위치에 도시될 때, 코일 트레이스(132)와 다른 코일 트레이스는 유효하지 않을 수 있다. 그러나, 가동 스테이지(110)는 고정자(120)에 비례하여 움직이기 때문에, 코일 트레이스의 상이한 그룹이 유효하도록 그리고 가동 스테이지(110)에 대해 원하는 힘을 부여하도록 선택될 것이라는 것이 이해될 것이다.

도 1b에 도시된 유효 코일 트레이스가 기타 자석 배열과 상호작용한다는 것이 관측될 수 있다. 예를 들어, 전류를 운반할 때, 코일 트레이스(132C)는 상기 논의된 바와 같이 X-자석 배열(112C)과 상호작용하지만, 코일 트레이스(132C)는 또한 일부의 Y-자석 배열(112B) 아래를 지난다. 코일 트레이스(132C)에서 전류는 Y-자석 배열(112B)에서 자석과 상호작용하고 가동 스테이지(110)에 추가적인 힘을 부여할 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 그러나, Y-자석 배열(112B)의 전술한 특성 때문에, 코일 트레이스(132C)의 상호작용과 Y-자석 배열(112B)의 자화 분할(114B)에 의해 야기되었을 수 있는 힘이 서로 상쇄되며, 이에 의해 이들 기생 결합력이 제거되거나 최소 레벨로 유지된다. 특히, 이들 교차-결합력을 제거하거나 감소시키는 Y-자석 배열(112B)의 특성은 : Y-자석 배열(112B)이 Y-방향에 직교로 오리엔트 되는 변하는 자화와 함께 Y-방향으로 일반적으로 연장되는 자화 분할을 포함하고; Y-자석 배열(112B)의 X-치수 폭(Wm)은 Wm = Nmλ이고 여기서 Nm은 정수이고 λ는 상기 기술된 자기 주기(λ)이며; 그리고 Y-자석 배열(112B)은 Y-자석 배열(112B)의 X-치수의 중심을 통해 작동하는 Y-Z 평면에 대해 거울 대칭이라는 것을 포함한다.

예를 들어, 자석 배열(112B)에 대한 알짜 힘(net force)이 자석 배열(112B)의 각각의 파장(λ)에 걸쳐서 0으로 통합(즉, 스스로 상쇄)될 것이기 때문에, 자기 파장(Wm=Nmλ)의 정수인 Y-자석 배열(112B)의 X-치수 폭(Wm)은 정렬되지 않은 코일 트레이스(132C)와 결합하는 힘을 최소화한다. 또한, X-축에 직교이며 Y-자석 배열(112B)의 X-치수의 중심을 통해 작동하는 Y-Z 평면에 대해 Y-자석 배열(112B)의 거울-대칭은 X-오리엔트 된 코일 트레이스(132C)와 자석 배열(112B)의 상호작용으로 인해 (Z-축에 대해 그리고 Y-축에 대해) 순 모멘트(net moment)를 최소화한다. Y-자석 배열(112D)과 유사한 특성은 코일 트레이스(132A)로부터 교차-결합을 제거하거나 최소화한다.

유사한 방식으로, X-자석 배열(112A)의 특성은 코일 트레이스(132B)로부터 교차-결합력을 제거하거나 감소시킨다. X-자석 배열(112A)의 이와 같은 특성은 : X-자석 배열(112A)이 X-방향에 직교로 오리엔트 되는 변하는 자화와 함께 X-방향으로 일반적으로 연장되는 자화 분할을 포함하고; X-자석 배열(112A)의 Y-치수 폭(Wm)은 Wm = Nmλ이고 여기서 Nm은 정수이고 λ는 상기 기술된 자기 주기(λ)이며; 그리고 X-자석 배열(112A)은 X-자석 배열(112A)의 Y-치수의 중심을 통해 작동하는 y-축에 직교인 X-Z 평면에 대해 거울 대칭이라는 것을 포함한다. X-자석 배열(112C)의 유사한 특성은 코일 트레이스(132D)로부터 교차 결합을 제거하거나 최소화한다.

코일 배열

이제 고정자(120)와 고정자(120)의 코일 배열의 추가적인 세부 내용이 제공된다. 전술한 바와 같이, 고정자(120)는 작동 영역(124)에서 일반적으로 선형으로 오리엔트 되는 코일 트레이스(126)의 복수의 층(128)을 포함한다. 각각의 층(128)은 일반적으로 서로 정렬되는(예를 들어, 동일한 방향으로 일반적으로 선형으로 연장되는) 코일 트레이스(126)를 포함한다. 도 1a 내지 도 1e의 예시된 실시예에서, 수직으로 인접한 층(128)(즉, Z-방향으로 서로 바로 옆의 층(128))은 서로에 대해 직교로 오리엔트 되는 코일 트레이스(126)를 포함한다. 예를 들어, 층(128A, 128C)에서 코일 트레이스(126Y)(도 1C)는 Y-축에 대해 나란히 일반적으로 선형으로 오리엔트 되며 그리고 층(128B, 128D)에서 코일 트레이스(126X)는 X-축에 대해 나란히 일반적으로 선형으로 오리엔트 된다. 고정자(120)에서 코일 트레이스(126)의 층(128)의 수는 예시된 실시예에 도시된 4개의 트레이스로 제한될 필요가 없다는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 고정자(120)는 코일 트레이스(126)의 층(128)의 임의의 적절한 수를 포함할 수 있다. 게다가, 수직으로 인접한 층(128)에서 코일 트레이스(126)의 방향이 서로 다른 것은 필요조건이 아니다. 몇몇 실시예는 X-오리엔트 된 코일 트레이스(126X)의 다수의 수직으로 인접한 층(128)이 후속하는 Y-오리엔트 된 트레이스(126Y)의 다수의 수직으로 인접한 층(128)을 포함할 수 있다.

고정자(120)와 코일(122)의 고정자(120)의 배열은 하나 이상의 인쇄-회로 기판(PCB)을 이용해 제조될 것이다. PCB는 코일(122)과 코일 트레이스(126)를 제공하기 위해 기술 분야에 알려진 표준 PCB 제조, 평판 디스플레이 리소그라피, 리소그라피 및/또는 유사한 기술을 이용해 제조될 수 있다. (FR4 코어, 프리프레그(prepreg), 세라믹 재료 등과 같은) 절연 층(insulator layer)(130)이 제조될 수 있거나 또는 그렇지 않으면 코일 층(128) 사이에 삽입될 수 있다. 하나 이상의 코일 층(128)이 단일 PCB 기판 내에(즉, Z-방향으로) 함께 적층될 수 있다. 몇몇 실시예에서, (상이한 층(128)에서) 일반적으로 동일한 방향으로 연장된 코일 트레이스(126)는, 코일 트레이스(126)의 단부들(ends)을 위한 설계 및/또는 연결 방법에 따라, 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, (상이한 층(128)에서) 동일한 방향으로 일반적으로 연장된 코일 트레이스(126)는 서로에 연결되지 않는다.

PCB 기술을 이용해 제조된 코일(122)은 가동 스테이지(110)의 모션을 제어하기 위한 충분한 전류를 수용할 수 있다. 비-제한적인 예로서, 각각의 코일(122)은 6 온스 구리(약 200-220㎛ 두께) 또는 그 이상으로 만들어질 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 유효 영역(124)에서, 각각의 코일(122)은 플랫 스트립(flat strip) 또는 코일 트레이스(126)의 형상으로 존재하며, 이는 표면 영역 대 체적의 높은 비율로 인해 양호한 열 전도성을 제공한다. 발명자는 적층 구리(laminated copper)가 능동 히트 싱크(active heat sink)를 사용함이 없이 주변 온도를 초과하는 50℃ 온도 상승과 더불어 10A/mm²의 유지 전류 밀도(sustained current density)를 운반할 수 있다는 것을 (테스트를 통해) 확인하였다. 자기-생성 교류 자계(self-generated alternating magnetic field)가 상면과 바닥면을 통해 컨덕터를 쉽게 관통할 수 있지만 단지 낮은 자기-유도 와류 전류(slef-induced eddy current)만을 발생하기 때문에, 코일(122)과 코일 트레이스(126)의 평면 층(128)의 다른 장점은 코일(122)을 제공하는 자연스럽게 계층화된 컨덕터가 AC 전류를 운반하기에 이상적으로 적합한 평면 층(128)을 만든다는 것이다.

다중 PCB는 유효 영역(124)을 위한 원하는 X-Y 치수를 제공하기 위해 (바닥 타일과 유사한) X 방향과 Y 방향 두 방향으로 나란히 정렬될 수 있다. (X 및/또는 Y 방향으로) 기판-대-기판 측면 연결(board-to-board lateral connection)은 패드, 에지-인접 보드의 관통-홀,구리선을 연결하고/하거나 인접한 PCB 기판 위에 컨덕터를 전기적으로 연결하기 위한 기타 적절한 브리지 컴포넌트(bridging component) 등을 이용함으로써 에지에서 만들어질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이와 같은 브리지 컴포넌트는 PCB 기판 아래에(예를 들어, 반대 측 가동 스테이지(110) 위에) 위치될 수 있으며; 몇몇 실시예에서, 이와 같은 브리지 컴포넌트는 PCB 보드 위에 또는 PCB 보드의 사이드(들) 위에 추가로 또는 대안으로 위치될 수 있다. PCB가 X 방향 및/또는 Y 방향으로 서로에 인접하여 연결될 때, 코일(122)의 (도시되지 않은) 단말은 구동 전자제품에 대한 배선을 쉽게 하기 위해 고정자(120)의 둘레에 또는 근처에 위치될 수 있다. 이러한 방식으로 서로에 대해 PCB를 연결하는 것은 다양한 어플리케이션을 위해 X와 Y 치수(dimension) 모두로 변위 장치(100)가 쉽게 연장되도록 허용한다. PCB가 X 및/또는 Y 치수로 서로에 연결될 때, (정사각형으로 대신에, 소위 "경주로(racetrack)" 코일 설계를 포함하는 몇몇 종래 기술 기법에서 흔히 그렇듯이) 코일(122)의 전체 수는 고정자(120)의 유효 영역(124)의 X-Y 치수와 함께 선형으로 증가한다. 몇몇 실시예에서, X-Y 인접 PCB 기판상의 코일 트레이스(126)는 코일 트레이스(126)를 통해 전류를 공급하기 위한 (도시되지 않은) 증폭기의 수를 감소시키기 위해 서로에 대해 직렬로 연결될 수 있다. 몇몇 실시예에서, X-Y 인접 PCB 기판상의 코일 트레이스(126)는 멀티-스테이지 작동을 위한 유연성을 증가시키며 그리고 열 발생을 감소시키기 위해 분리된 증폭기에 의해 개별적으로 제어될 수 있다.

단일 PCB 기판은 활용가능한 PCB 기술을 이용해 5mm(또는 그 이상)까지의 (Z-방향으로) 두께를 갖도록 제조될 수 있다. 보다 두꺼운 기판이 튼튼한 어플리케이션(heavy-duty application)을 위해 요구될 때, 다중 PCB가 Z 방향으로 수직으로 적층될 수 있다. 고정자(120)를 제조하기 위해 PCB 기술을 이용하는 다른 이득은 데이지 체인 연결(daisy chain connection)을 이용해 기판 위에 직접적으로 (홀-효과 위치 센서(Hall-effect position sensor), 용량성 위치 센서(capacitive position sensor) 등과 같은) 다수의 저-프로파일 센서(low-profile sensor)를 배치할 수 있는 가능성이다.

도 2는 도 1 변위 장치(100)에서 사용될 수 있는 고정자(120)의 단일 층(128)과 고정자(120)의 코일 트레이스(126)의 개략적인 부분 단면도이다. 도 2는 이어지는 상세한 설명에서 사용되는 다수의 파라미터를 도시한다. 특히, W _C 는 단일 코일 트레이스(116)의 폭이다. P _C 는 코일 트레이스 피치 - 즉, 동일한 층(128)의 2개의 인접한 코일 트레이스(126) 간의 거리이다.

몇몇 실시예에서, 코일 트레이스(126)의 각각의 층(128)은 : 코일 트레이스 피치 P _C = λ/N, 여기서 N은 양의 정수이며 λ는 상기 논의된 자석 배열(112)의 공간 자기 파장이며; 그리고 W _C 는 인접한 코일 트레이스(126) 간의 최소 수용가능한 간극(gap)(P_C-W_C)이 존재하도록 P_C에 가깝게 설정되도록 제조된다. 예를 들어, 트레이스 간극(P_C-W_C)은 50~100㎛(예를 들어, 200㎛ 보다 적은)에서 설정될 수 있다. 최소 가능한 수용가능 트레이스 간극은, 제한 없이, 각각의 코일 트레이스에서 운반될 것으로 예상된 전류의 양, PCB 제조 공정의 능력 및 시스템(100)의 열 소산 특성(heat dissipating characteristic)을 포함하는 다수의 요인에 종속될 것이라는 것이 이해될 것이다. 도 3a 내지 도 3c는 이들 특성을 갖도록 제조되는 코일 트레이스 층(128)의 다수의 가능한 실시예를 개략적으로 묘사한다. 도 3a 내지 도 3c 실시예의 각각에 있어서, P_C = λ/6(즉, N=6)이며 W_C 는 인접한 코일 트레이스(126) 간에 최소 수용가능한 간극 (예를 들어, 200㎛ 보다 적은)이 존재하도록 P_C 에 매우 가깝게 설정된다.

몇몇 실시예에서, 코일 트레이스(126)의 각각의 층(128)은 모든 MN/2 (여기서 M은 다른 양의 정수이다)개의 인접한 코일 트레이스(126)가 하나의 코일 그룹(134)을 형성하도록 제조되며, 여기서 동일한 그룹(134)내 코일 트레이스(126)는 분리된 증폭기에 의해 구동될 수 있거나 별 패턴(star pattern)으로 연결될 수 있으며 그리고 멀티-위상 증폭기(multi-phase amplifier)에 의해 구동될 수 있다. 도 3a 내지 도 3c는 이들 특성을 나타내는 다수의 상이한 그룹 배열을 도시한다. 도 3a에서, M=2 그리고 N=6이며, 따라서 각각의 그룹(134)은 6개의 인접한 코일 트레이스(126)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 각각의 도 3a 그룹(134)은 (도시되지 않은) 대응하는 3-상 증폭기에 의해 구동될 수 있다. 예를 들어, A1, B1, C1, A1',B1', C1로 표시된 코일 트레이스(126)는 하나의 그룹(124)에 속한다. 도 3a에서 사용된 부호 '는 역전 전류(reversing current)를 표시한다. 예를 들어, 트레이스 A1'에서 전류는 트레이스 A1의 전류와 같지만 반대 방향이다. 도 3b에서, M=1 그리고 N=6 이며, 따라서 각각의 그룹(134)은 3개의 인접한 코일 트레이스(126)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 각각의 도 3b 그룹(134)은 (도시되지 않은) 대응하는 3-상 증폭기에 의해 구동될 수 있다. 도 3c에서, M=3 그리고 N=6 이며, 따라서 각각의 그룹(134)은 9개의 인접한 코일 트레이스(126)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 각각의 도 3c 그룹(134)은 (도시되지 않은) 대응하는 3-상 증폭기에 의해 구동될 수 있다. 도 3a 처럼, 도 3c에 사용된 부호 '는 역전 전류를 표시한다. 전술한 내용에 비추어 일반적으로, 모든 3n(n은 양의 정수이다)개의 인접한 코일 트레이스(126)가 대응하는 3-상 증폭기에 의해 구동된 하나의 그룹(134)을 형성할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

몇몇 실시예들에서, 코일 트레이스(126)의 각각의 층(128)은 : 코일 트레이스 폭 W_C = λ/5이며 그리고 코일 트레이스 피치 P_C = λ/k 이도록 제조되며, 여기서 k는 5보다 적은 임의의 수이며 λ는 자석 배열(112)의 공간 자기 주기 이도록 제조된다. 공간 필터링/평균 효과(spatial filtering/averaging effect) 때문에, W_C = λ/5로 설정하는 것은 이와 같은 코일 트레이스 폭이 자석 배열(112)에 의해 발생된 5번째 자계의 영향을 최소화한다는 장점을 갖는다. 도 3d 내지 도 3e는 이들 특성을 갖도록 제조되는 코일 트레이스 층(128)의 다수의 가능한 실시예를 개략적으로 묘사한다. 도 3d 및 도 3e 실시예의 각각에서, W_C = λ/5 이며 그리고 코일 트레이스 피치 P_C = λ/k 이다.

도 3d에서, W_C = λ/5 이며

이다. 인접한 코일 트레이스(126)가 도 3a 내지 도 3c에 도시된 실시예의 코일 트레이스(126)에 비해 서로 상대적으로 넓게 서로 이격된다는 것을 도 3d로부터 알 수 있다. 도 3d 실시예에서, 모든 3개의 인접한 코일 트레이스(126)는 그룹(134)을 제공하기 위해 함께 그룹이 되며, 여기서 각각의 그룹(124)은 (도시되지 않은) 대응하는 3-상 증폭기에 의해 구동될 수 있다. 일반적으로, 코일 트레이스(126)는 모든 3n(n은 양의 정수이다)개의 인접한 코일 트레이스(126)가 하나의 대응하는 3-상 증폭기에 의해 구동될 수 있는 하나의 그룹(134)을 형성할 수 있도록 그룹이 된다. 도 3e는 배치를 도시하며 여기서 W_C = λ/5 이며 그리고

이다. 도 3e 실시예에서, 모든 4개의 인접한 코일 트레이스(126)는 그룹(134)을 제공하기 위해 함께 그룹이 된다. 도 3e 실시예의 그룹(134)은 대응하는 2-상 증폭기에 의해 구동될 수 있다. 앞서와 같이, 코일 트레이스(126)에 표기하기 위해 사용된 부호 '는 역전 전류를 표시한다. 일반적으로, 코일 트레이스(126)는 모든 2n(n은 양의 정수이다)개의 인접한 코일 트레이스(126)가 하나의 그룹(134)을 형성할 수 있도록 그룹이 될 수 있다.

도 3f는 도 3a 내지 도 3c의 배치와 도 3d 내지 도 3e의 배치의 특성을 조합하는 배치를 도시한다. 특히, 도 3f에서, 코일 트레이스 피치 P_C = λ/5 이며 W_C 는 인접한 코일 트레이스 사이에 최소 수용가능한 간극이 존재하도록 P_C 에 가깝게 설정된다. 이들 특성이 도 3a 내지 도 3c의 실시예의 특성과 유사하다는 것이 이해될 것이다. 그러나, W_C 가 P_C 에 가깝게 설정되는 것과 더불어, W_C 는 도 3d 내지 도 3e의 실시예의 특성인 W_C = λ/5와 거의 동일할 것이다. 따라서, 도 3f에서 배치는 (상기 논의된 바와 같이) 자석 배열(112)에 의해 발생된 5차 자계의 영향을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 도 3f 실시예에서, 모든 5개의 인접한 코일 트레이스(126)는 그룹(134)을 제공하기 위해 함께 그룹이 된다. 도 3f 실시예의 그룹(134)은 대응하는 5-상 증폭기에 의해 구동될 수 있다. 일반적으로, 코일 트레이스(126)는 모든 5n(n은 양의 정수이다)개의 인접한 코일 트레이스(126)가 하나의 대응하는 5-상 증폭기에 의해 구동될 수 있는 하나의 그룹(134)을 형성할 수 있도록 그룹이 될 수 있다.

도 4a는 도 1 변위 장치(100)의 고정자(120)에서 사용될 수 있는 코일 트레이스(126)의 다중 층(128)(128A 내지 128F)의 개략적인 부분 단면도이다. 층(128A, 128C, 128E)은 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126Y)를 포함하며 그리고 층(128B, 128D, 128F)은 X-오리엔트 된 코일 트레이스(126X)를 포함한다는 것을 도 4a로부터 알 수 있다. 상이한 층(128A, 128C, 128E)에서 Y-오리엔트 된 코일 트레이스는 X-방향으로 서로 정렬 - 즉, 층(128A)에서 코일 트레이스(126Y)는 층(128C, 128E)에서 코일 트레이스(126Y)와 (X-방향으로) 정렬된다는 것이 도 4a로부터 또한 관측될 수 있다. 비록 이것이 도 4a의 예시된 도면으로부터 직접적으로 관측될 수 없다고 하더라도, X-오리엔트 된 코일 트레이스(126X)가 유사한 특성을 나타낼 수 있다는 것 - 즉, 층(128B)에서 코일 트레이스(126X)가 층(128D, 128F)에서 코일 트레이스(126X)와 함께 (Y-방향으로) 정렬된다는 것이 이해될 수 있다. 동일한 열에서 코일 트레이스(126X, 126Y)(즉, Y-방향으로 서로 정렬된 트레이스(126X) 및/또는 X-방향으로 서로 정렬된 트레이스(126Y))는 직렬, 병렬 또는 서로에 독립적으로 연결될 수 있다. 층(128)의 수는 임의의 적절한 수일 수 있으며 도 4a에 도시된 6개로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다.

도 4b는 도 1 변위 장치(100)의 고정자(120)에서 사용될 수 있는 코일 트레이스(126)의 다중 층(128)(128A, 128C, 128E, 128G)의 개략적인 부분 단면도이다. 명확히 하기 위해, Y-오리엔트 된 트레이스(126Y)를 갖는 층(128A, 128C, 128E, 128G)만이 도 4B에 도시된다 - 즉, X-오리엔트 된 코일 트레이스(126Y)를 갖는 층(128)은 도 4b에 도시되지 않는다. 상이한 층(128A, 128C, 128E, 128G)에서 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126Y)는 X-방향으로 서로로부터 오프셋 된다 - 즉, 층(128A)에서 코일 트레이스(126Y)는 층(128C)에서 옆의 인접한 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126Y)로부터 오프셋 되고, 층(128C)에서 코일 트레이스(126Y)는 층(128E)에서 옆의 인접한 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126Y)로부터 오프셋 된다는 것 등이 도 4b로부터 또한 관측될 수 있다. 예시된 실시예에서, 층(128A, 128E)에서 코일 트레이스(126Y)는 X-방향으로 서로 정렬되며 그리고 층(128C, 128G)에서 코일 트레이스(126Y)는 X-방향으로 서로 정렬된다 - 즉, Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126Y)의 모든 2번째 층(128)에서 코일 트레이스(126Y)는 X-방향으로 서로 정렬된다.

비록 이것이 도 4b의 예시된 도면으로부터 직접적으로 관측될 수 없다고 하더라도, X-오리엔트 된 코일 트레이스(126X)가 유사 특성을 나타낼 수 있다는 것이다 - 즉, X-오리엔트 된 코일 트레이스(126X)의 인접한 층(128B, 128D, 128F, 128H)에서 코일 트레이스(126X)가 Y-방향으로 서로로부터 오프셋 될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 몇몇 실시예에서, X-오리엔트 된 코일 트레이스(126X)의 모든 2번째 층(128)에서 코일 트레이스(126X)는 Y-방향으로 서로 정렬될 수 있다. 그들의 오프셋에 관계없이, 이러한 상세한 설명은 동일한 "열"에서 코일 트레이스를 지칭할 수 있다 - 예를 들어, a1, a2, a3, a4로 표기된 코일 트레이스(126Y)는 동일한 열에 존재하는 것으로서 지칭될 수 있으며 d1, d2, d3, d4로 표기된 코일 트레이스(126Y)는 동일한 열에 존재하는 것으로서 지칭될 수 있다. 동일한 열에서 코일 트레이스(126X, 126Y)는 직렬, 병렬 또는 서로에 독립적으로 연결될 수 있다.

Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126Y)의 인접한 층(128)의 오프셋의 양은 O_L 로서 지칭되며 그리고 자석 배열(112)의 자계에서 보다 높은 차수의 고조파의 영향을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, O_L 은

에서 설계되며, 여기서 K는 양의 정수 개수이다. O_L 이 이러한 특성을 가지며 그리고 특별한 열에서 인접한 Y-오리엔트 된 트레이스(예를 들어, a1과 a2로 표기된 코일 트레이스(126Y))가 동일한 전류를 공급받을 때, 자석 배열(112)에 의해 발생 된 5차 고조파 자계와 동일한 열에서 2개의 오프셋 트레이스(126Y)(예를 들어, 코일 트레레이스(a1과 a2)) 간의 힘은 서로 상쇄(즉, 서로 감쇄)하려 할 것이다. 몇몇 실시예에서, O_L 은

에서 설계되며, 여기서 K는 양의 정수이다. O_L 이 이러한 특성을 가지며 그리고 특별한 열에서 인접한 Y-오리엔트 된 트레이스(예를 들어, a1과 a2로 표기된 코일 트레이스(126Y))가 동일한 전류에 의해 구동될 때, 자석 배열(112)에 의해 발생 된 9차 고조파 자계와 동일한 열 내 2개의 오프셋 트레이스(126Y)(예를 들어, 코일 트레이스(a1과 a2))간의 힘은 서로 상쇄(즉, 서로 감쇄)하려 할 것이다.

몇몇 실시예에서, O_L 은 여러 고조파 필드가 자석 배열(112)에 의해 발생된 자계의 보다 높은 고조파에 의해 야기된 전체적인 힘 리플 영향(overall force ripple effect)를 최소화하기 위해 최적으로 감쇄되는 것과 같은 방식으로 설계될 수 있다. 몇몇 실시예에서, O_L 은

에서 설계되며 인접한 Y-트레이스 층의 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(예를 들어, a1과 a2로 표기된 코일 트레이스(126Y))는 반대 전류에 의해 구동된다. 결과적으로, 하나의 층(128) 내로 흐르는 전류는 권횟수(winding turns)를 형성하기 위해 인접한 층(128)으로부터 역으로 흐를 수 있다.

동일한 전류를 갖는 특별한 열에서 Y-오리엔트 된 트레이스(126Y)(예를 들어 코일 트레이스(a1과 a2))를 구동하는 것이 실용적인데, 이는 이들 코일 트레이스(126Y)가 직렬로 연결될 수 있지만, 코일 트레이스(a1)가 코일 트레이스(a2) 보다 자석 배열에 보다 가깝기 때문에 5차 고조파 영향의 이상적인 상쇄를 달성하는데 바람직하지 않을 수 있기 때문이다. 몇몇 실시예에서, 자석 배열(112)의 보다 높은 차수의 자계 고조파의 영향은 상기 논의된 바와 같이 O_L을 제공하며 그리고 특정 열에서 그러나 상이한 양의 전류를 갖는 상이한 층(128)(예를 들어, 예를 들어, a1과 a2로 표기된 코일 트레이스(126Y))에서 Y-오리엔트 된 트레이스(126Y)를 구동함으로써 더 감소 될 수 있다. 코일 트레이스 층(128A)이 코일 트레이스(128C) 등 보다 가동 스테이지(110)에 보다 가깝다고 가정하면, a1과 a2로 표기된 코일 트레이스(126Y)에 의해 경험된 자계는 동일하지 않을 것이라는 것이 이해될 것이다. 따라서, 자석 배열(112)의 자계의 5차 고조파의 영향의 추가 감쇄가 층(128C)의 트레이스(126Y)에서 전류를 층(128A)의 대응하는 열의 트레이스(126Y)에서 대응하는 전류보다 적어도 약

배 높게 설정함으로써 달성될 수 있으며, 여기서 G_L은 인접한 층(128)에서 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126Y) 간의 중심-대-중심 Z-방향 간격이다. 예를 들어, a2로 표기된 코일 트레이스(126Y)에서 전류는 a1로 이름 붙여진 트레이스(126Y)에서 대응하는 전류 보다 적어도 약

배 높도록 설정될 수 있다. Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126Y)의 모든 2번째 층(128)의 단일 열의 트레이스(126Y)에서 전류(예를 들어, a1과 a3로 표기된 트레이스(126Y)에서 전류)는 동일하게 설정될 수 있다.

유사하게, 자석 배열(112)의 자계의 9차 고조파의 영향의 일부 감쇄는 층(128C)의 트레이스(126Y)에서 전류를 층(128A)의 대응하는 열의 트레이스(126Y)에서 대응하는 전류보다 적어도 약

배 높게 설정함으로써 달성될 수 있으며, 여기서 G_L은 인접한 층(128)에서 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126Y) 간의 중심-대-중심 Z-방향 간격이다. 예를 들어, a2로 표기된진 코일 트레이스(126Y)에서 전류는 a1로 표기된 트레이스(126Y)에서 대응하는 전류보다 적어도 약

유사한 오프셋 및/또는 유사한 전류 구동 특성이 자석 배열(112)와 연관된 보다 높은 차수의 자계의 영향을 감소시키기 위해 X-오리엔트 된 코일(126X)을 위해 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

도 5는 도 1의 변위 장치(100)에서 사용될 수 있는 그룹 연결 체계를 도시하는 코일 트레이스(126)의 단일 층(128)의 개략적인 부분도이다. 도 5에 도시된 층(128)은 그룹(134)으로 그룹 되는 복수의 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126Y)를 포함한다. 상기 논의된 바와 같이, 그룹(134)에서 코일 트레이스(126Y)는 공통 멀티-위상 증폭기(common multi-phase amplifier)에 의해 구동될 수 있다. 도 5의 실시예에서, (도 5에서 그룹 1 내지 그룹 8로 표기된) 코일 트레이스(126Y)의 N_G=8 개의 상이한 그룹(134)이 존재한다. 코일 트레이스(126Y)의 각각의 그룹(134)은 Y-방향으로 연장되며 그리고 그룹(134)은 반복 패턴으로 X 방향을 따라 나란히 배치된다. 일반적으로, 코일 트레이스(126Y)의 그룹(134)의 수(N_G)는 임의의 적절한 양의 정수이다. 변위 장치(100)를 구현하기 위해 사용된 (도시되지 않은) 증폭기의 수를 감소시키기 위해, 특정 그룹(134)에 속하는 코일 트레이스(126Y)는 직렬 연결일 수 있다. 예를 들어, 도 5에서 그룹 1로 표기된 코일 트레이스(126Y)의 그룹(134)의 전부가 직렬로 연결될 수 있다. 하나의 층에서 둘 이상의 코일 트레이스(126Y)가 직렬로 연결될 때, 이와 같은 코일 트레이스(126Y)에서 전류 흐름의 방향은 서로 동일하거나 반대일 수 있다. 각각의 그룹(134)내에, 각각의 위상은, H-브리지와 같은, 독립 증폭기에 의해 구동될 수 있거나, 또는 모든 위상이 별 패턴으로 연결되고 멀티-위상 증폭기에 의해 구동될 수 있다. 특별한 경우에 있어서, 도 5의 그룹(134)의 각각은 오직 단일 코일 트레이스(126Y)만을 포함한다. 동작 복잡성과 추가적인 하드웨어의 비용을 지불하고, 이러한 특별한 경우 실시예는 전류 위치의 제어 그리고, 차례로 가동 스테이지(110)의 움직임의 제어에 대하여 최대 유연성을 허용한다. 이러한 특별한 경우에 있어서, 동일한 그룹 라벨(예를 들어, 그룹 1)을 갖는 그룹(134)은 직렬로 연결될 수 있으며 그리고 이들 트레이(126Y)에서 전류 흐름의 방향은 서로 동일하거나 반대일 수 있다. 유사한 그룹 연결 체계가 다른 층(128)에서 X-오리엔트 된 코일(126X)을 위해 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

심지어 도 5의 그룹 연결 구현과 함께, 상이한 층(128)을 제외한 동일한 열에서 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126)가 또한 직렬로 연결될 수 있으며 공통 증폭기를 공유할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 유사하게, 심지어 도 5의 그룹 연결 구현과 함께, 상이한 층을 제외한 동일한 열에서 X-오리엔트 된 코일 트레이스(126)가 또한 직렬로 연결될 수 있으며 공통 증폭기를 공유할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

코일 트레이스(126)의 각각의 위상은 커패시턴스를 가지며 코일 트레이스(126)의 다른 위상 중에서 상호-커패시턴스가 존재하기 때문에, (도시되지 않은) 하나 이상의 외부 인덕터(들)가 증폭기 출력 터미널과 코일 트레이스(들)(126)의 터미널 사이에 직렬로 삽입될 수 있다. 이와 같은 직렬 인덕터는 편평한 코일 PCB 기판 위에, 그리고/또는 증폭기 회로 기판 위에, 그리고/또는 증폭기를 편평한 코일 어셈블리에 연결하는 케이블의 끝단에 설치될 수 있다. 이와 같은 직렬 인덕터를 추가하는 것은 코일 부하의 인덕턴스를 증가시킬 수 있으며 그리고 이에 의해 전력 증폭기의 스위칭 전자제품의 전력 손실을 감소시킬 수 있으며 그리고 코일 트레이스(126)에서 전류 리플(current ripple)을 감소시킬 수 있다.

자석 배열

도 6a 및 도 6b(집합적으로, 도 6)는 도 1 변위 장치(100)의 가동 스테이지(110)에서 사용될 수 있으며 그리고 다수의 자석 배열 파라미터를 도시하기에 유용한 자석 배열(112)의 개략적인 부분 단면도이다. 도 6a에서 자석 배열(112A, 112B, 112C, 112D)의 배치는 도 1b내 자석 배열(112A, 112B, 112C, 112D)의 배치와 동일하다. 도 6b에서 자석 배열(112A, 112B, 112C, 112D)의 배치는 도 6a 및 도 6b에 도시된 자석 배열(112A, 112B, 112C, 112D)의 배치와 유사하다. 본 섹션에서 논의는 도 6a 및 도 6b에 도시된 배치의 둘 다에 적용한다.

도 6은 각각의 자석 배열(112)이 W_m의 폭과 L_m의 길이를 갖는다는 것을 도시한다. 동일한 연장 방향을 갖는 2개의 자석 배열 사이(즉, X-자석 배열(112A, 112C) 사이 또는 Y-자석 배열(112B, 112D) 사이)의 간격은 간격(S_m)으로서 표시된다. 예시된 실시예에서, 가동 스테이지(110)는 자신의 자석 배열(112)의 중심에 위치된 비-자기 영역(113)을 포함하며 그리고 비-자기 영역(113)의 치수는 폭 S_m-W_m 에 길이가 S_m-W_m 이라는 것이 관측될 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 각각의 자석 배열(112)을 위해, 자화 분할(114) 및 대응하는 자화 방향은 치수 L_m을 따라 균일하며 그리고 치수 L_m에 직교로 오리엔트 된다. 각각의 자석 배열(112)을 위해, 자화 분할(114) 및 대응하는 자화 방향은 치수 W_m의 방향을 따라 변한다. 비록 예시된 도면에 명시적으로 도시되지 않았지만, 도 6에 도시된 자석 배열(112)은 자석 배열(112)의 물품(article)(예를 들어, 반도체 웨이퍼)을 지지하기 위해 사용될 수 있는 적절한 테이블 등 아래에 장착될 수 있다.

자석 배열(112)의 일 구현이 (Y-자석 배열(112B)을 위한) 도 1d와 (X-자석 배열(112A)을 위한) 도 1e와 관련하여 상기 기술된다. 이어지는 자석 배열의 상세한 설명에서, 예시적인 Y-자석 배열(112B)의 맥락에서 포괄적인 설명이 제공된다. X-자석 배열은 유사한 특성을 포함할 수 있으며 여기서 X와 Y 방향 및 치수는 적절히 상호교환된다. 간결함을 위해, 이어지는 Y-자석 배열(112B)의 상세한 설명에서, 알파벳 표기가 삭제되고 Y-자석 배열(112B)는 자석 배열(112)로서 지칭된다. 유사하게, Y-자석 배열(112B)의 자화 분할(114B)은 자화 분할(114)로서 지칭된다.

도 7a는 도 1d와 관련하여 상기 기술된 자석 배열(112B)과 실질적으로 유사한 자석 배열(112)의 실시예를 도시한다. 자석 배열(112)은, X-축을 따라, Y-축 방향으로 일반적으로 선형으로 연장되는 다수의 자화 분할(114)로 나누어진다. 예시된 실시예에서, 자화 분할(114)의 자화 방향은 X-축을 따라 주기(또는 파장)(λ)와 함께 공간 주기성을 가지며; X-방향으로 자석 배열(112)의 폭(W_m)은 W_m = N_mλ로 주어지며 여기서 N_m 은 양의 정수(그리고 도 7a 실시예에서 N_m = 2)이고; 다양한 자화 분할(114)의 자화 방향은 Y-축에 직교인 방향으로 오리엔트 되며; 다양한 자화 분할(114)의 X-축 폭은 2개의 최외각(에지) 분할(114)에 대해 λ/(2N_t)이거나 내부 분할(114)에 대해 λ/N_t이며, 여기서 N_t는 자석 배열(112)에서 상이한 자화 방향의 수(그리고 도 7a 실시예에서 N_t=4)를 나타내고; 그리고 자화 분할(114)의 자화는 중심 Y-Z 평면(118)에 대해 거울 대칭이다. W_m = N_mλ과 함께 자화 분할(114)의 자화가 중심 Y-Z 평면(118)에 대해 거울 대칭이며, 최외각(에지) 분할(114)은 내부 분할(114)의 X-축 폭의 절반인 X-축을 가지며 그리고 최외각 에지 분할(114)은 Z-방향을 따라 오리엔트 되는 자화를 갖는다는 것이 이해될 것이다.

도 7b는 도 1 변위 장치와 함께 사용하기에 적합한 자석 배열(112)의 다른 실시예이다. N_m=1 이며 N_t=4라는 것을 제외하고, 도 7b 자석 배열(112)은 도 7a 자석 배열(112)의 특성과 유사한 특성을 갖는다. 심지어 자석 배열의 전체 X-축 폭(W_m)이 λ보다 적거나 동일한 공간 자기 주기(λ)가 정의된다는 것이 도 7b로부터 관측될 수 있다. 도 7b 경우에 있어서, 비록 단일 주기(single period)만이 존재한다고 하더라도, 자석 배열(112)의 자화 분할(114)의 자화 방향은 주기(λ)와 함께 X-방향으로 공간적으로 주기적일 것으로 생각될 수 있다.

상기 논의된 바와 같이, 도 7a 및 도 7b에 도시된 자석 배열의 속성을 보여주는 자석 배열(112)은 X-방향으로 오리엔트 된 코일 트레이스(126)로부터 교차-결합력(cross-coupling force)을 제거하거나 또는 감소시킨다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 자석 배열(112)의 이와 같은 특성은 : Y-방향에 직교로 오리엔트 된 대응하는 자화와 함께 Y-방향으로 일반적으로 연장되는 자화 분할(114)을 포함하는 자석 배열(112); 자석 배열(112)의 X-치수 폭(W_m)이 W_m = N_mλ이고 여기서 N_m은 정수이며 λ는 상기 기술된 자기 주기(λ)이며; 그리고 자석 배열(112)은 자석 배열(112)의 X-치수의 중심을 통해 작동하는 Y-Z 축에 대해 거울 대칭인 것을 포함한다.

도 7c 및 도 7d는 도 1 변위 장치와 함께 사용하기에 적합한 자석 배열(112)의 다른 실시예를 도시한다. 이들 실시예에서, 자화 분할(114)의 자화 방향은 X-축을 따라 주기(또는 파장)(λ)와 함께 공간 주기성을 가지며; X-방향으로 자석 배열(112)의 폭(W_m)은 W_m = (N_m+0.5)λ로 주어지며 여기서 N_m은 음이 아닌 정수(그리고 도 7c 실시예에서 N_m=0 이며 도 7d 실시예에서 N_m=1)이고; 다양한 자화 분할(114)의 자화 방향은 Y-축에 직교인 방향으로 오리엔트 되며; 자화 분할(114)의 자화는 중심 Y-Z 평면(118)에 대해 거울 반-대칭이고; 그리고 최외각(에지) 분할(114)은 Z-방향으로 오리엔트 되는 자화와 내부 분할(114)에 대해 X-축 폭 λ/N_t=λ/4의 절반인 λ/(2N_t)=λ/8의 X-축 폭(여기서 도 7c 및 도 7d 둘 다의 실시예에서 N_t=4)을 갖는다. 비록 자석 배열(112)이 보다 적은 단일 주기를 나타낸다고 하더라도, 도 7c 경우에 있어서, 자석 배열(112)의 자화 분할(114)의 자화 방향은 주기(λ)와 함께 X-방향으로 공간적으로 주기적일 것으로 생각될 수 있다.

자석 배열(112)의 폭(W_m)이 자기 파장(λ)의 비-정수일 때(예를 들어, 도 7c 및 도 7d의 실시예에서 흔히 그렇듯이), 배열(112)의 자계와 상호작용하는 정렬되지 않은 코일 트레이스에서 전류 흐름으로부터 자석 배열(112)에 힘 또는 모멘트의 결합이 존재할 것이다. 예를 들어, (Y-Z 평면(118)에 대해 거울 반-대칭인) 도 7c 및 도 7d에 도시된 Y-자석 배열(112)의 경우에 있어서, X-방향을 따라 오리엔트 된 코일 트레이스에서 전류 흐름으로부터 Z 내지 Y-자석 배열(112)에 대해 회전 방향으로 모멘트의 결합이 존재할 것이다. 이러한 순 모멘트는 적절한 제어 기법들 또는 상이한(예를 들어, 반대) 자화 패턴을 갖는 추가적인 자기 배열(112)의 적절한 배열을 이용해 보상될 수 있다.

도 7e 내지 도 7h는 도 1 변위 장치와 함께 사용하기에 적합한 자석 배열(112)의 다른 실시예를 도시한다. 이들 실시예에서, 자화 분할(114)의 자화 방향은 X-축을 따라 주기(또는 파장)(λ)와 함께 공간 주기성을 가지며; X-방향으로 자석 배열(112)의 폭(W_m)은 W_m = N_mλ/2로 주어지고, 여기서 N_m은 양의 정수(그리고 도 7e 실시예에서 N_m = 1, 도 7f 실시예에서 N_m = 2, 도 7g 실시예에서 N_m = 3 그리고 도 7h 실시예에서 N_m = 4)이고; 다양한 자화 분할(114)의 자화 방향은 Y-축에 직교인 방향으로 오리엔트 되며; 그리고 최외각(에지) 분할(114)은 X-축을 따라 오리엔트 되는 자화와 내부 분할(114)에 대해 X-축 폭 λ/N_t=λ/4의 절반인 λ/(2N_t)=λ/8(여기서 도 7e 및 도 7h의 실시예에서 N_t=4)의 X-축 폭을 갖는다. 주목해야 할 것은 중심 Y-Z 평면(118)이 도 7e 내지 도 7h에 명시적으로 도시되지 않는다는 것이다. 그러나, 이러한 Y-Z 평면(118)이 자석 배열의 X-치수의 절반으로 나누어진다는 것이 이해될 것이다.

도 7e 및 도 7g에서, 자화 분할(114)의 자화는 중심 Y-Z 평면(118)에 대해 거울 대칭이며, 그리고 X-방향으로 자석 배열(112)의 폭(W_m)은 공간 주기(λ)의 정수가 아니다. 도 7e 및 도 7g에 도시된 Y-자석 배열(112)의 경우에 있어서, X-방향을 따라 오리엔트 된 코일 트레이스(126)에서 전류 흐름으로부터 Y-자석 배열(112)에 대해 Y 방향으로 힘의 결합이 존재할 것이다. 이러한 순 힘은 적절한 제어 기법을 이용하거나 상이한(예를 들어, 반대) 자화 패턴과 함께 추가적인 자기 배열(112)의 적절한 배열을 이용해 보상될 수 있다.

도 7f 및 도 7h에서, 자화 분할(114)의 자화는 중심 Y-Z 평면(118)에 대해 거울 반-대칭이며, 그리고 X-방향으로 자석 배열(112)의 폭(W_m)은 공간 주기(λ)의 정수이다. 도 7f 및 도 7h에 도시된 Y-자석 배열(112)의 경우에 있어서, X-방향을 따라 오리엔트 된 코일 트레이스(126)내 전류 흐름으로부터 Z 내지 Y-자석 배열(112) 둘레에 회전 방향으로 결합될 수 있다. 이러한 순 모멘트는 적절한 제어 기법을 이용하거나 상이한(예를 들어, 반대) 자화 패턴을 갖는 추가적인 자기 배열(112)의 적절한 배열을 이용해 보상될 수 있다.

도 7i 내지 도 7l은 도 1 변위 장치와 함께 사용하기에 적합한 자석 배열(112)의 다른 실시예를 도시한다. 이들 실시예에서, 자화 분할(114)의 자화 방향은 X-축을 따라 주기(또는 파장)(λ)와 함께 공간 주기성을 가지며; X-방향으로 자석 배열(112)의 폭(W_m)은 W_m = N_mλ/2로 주어지고, 여기서 N_m은 양의 정수(그리고 도 7i 실시예에서 N_m = 1, 도 7j 실시예에서 N_m = 2, 도 7k 실시예에서 N_m = 3 그리고 도 7l 실시예에서 N_m = 4)이고; 다양한 자화 분할(114)의 자화 방향은 Y-축에 직교인 방향으로 오리엔트 되며; 그리고 자화 분할(114)의 전부의 X-축 폭은 λ/N_t(여기서 도 7i 내지 도 7l의 예시된 실시예에서 N_t=4)이다. 도 7i 내지 도 7l에서 자화 분할의 자화가 중심 Y-Z 평면(118)에 대해 거울 대칭이 아니기 때문에, X-방향을 따라 오리엔트 된 코일 트레이스에서 전류 흐름으로부터 Z 내지 Y-자석 배열(112) 둘레에 회전 방향으로 모멘트의 결합이 존재할 것이다. 게다가, 도 7i 및 도 7k에서 경우에 대해, X-방향으로 자석 배열(112)의 폭(W_m)이 공간 주기(λ)의 정수가 아니기 때문에, X-방향을 따라 오리엔트 된 코일 트레이스(126)에서 전류 흐름으로부터 Y-자석 배열(112)에 대해 Y-방향으로 힘의 결합이 존재할 것이다. 이러한 순 힘과 모멘트는 적절한 제어 기법을 이용하거나 상이한(예를 들어, 반대) 자화 패턴을 갖는 추가적인 자기 배열(112)의 적절한 배열을 이용하여 보상될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 도 7a 내지 도 7l의 자석 배열(112)은 상기 논의된 바와 같이 Y-치수 길이(L_m) 및 X-치수 폭 λ/(2N_t) 또는 λ/(N_t)를 갖는 단위 자화 분할(114)로 제조될 수 있으며 여기서 N_t는 주기(λ)내 자화 방향의 수이다. 몇몇 실시예에서, X-치수 폭 λ/(N_t)을 갖는 자화 분할(114)은 X-치수 폭 λ/(2N_t) 및 동일한 방향으로 오리엔트 된 그들의 자화 방향을 갖는 한 쌍의 나란한 자화 분할(114)로부터 제조될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단위 자화 분할(114)의 Z-치수 높이는 그들의 X-치수 폭 - 예를 들어, λ/(2N_t) 또는 λ/(N_t)와 동일할 수 있다.

상기 논의된 바와 같이, 중심 비-자기 스페이서(spacer)가 자석 배열(112)에 제공될 수 있다. 중심 Y-Z 평면(118)에 대해 대칭 또는 거울 대칭인 실시예에서, 이와 같은 비-자기 스페이서는 중심 자화 분할(114)을 한 쌍의 "절반-폭" 자화 분할(114)(즉, 에지 분할(114)의 X-치수와 유사한 X-치수 폭을 갖는)로 나눌 수 있다. 결과적인 자석 배열(118)은 중심 Y-Z 평면(118)에 대해 대칭 또는 거울 대칭을 유지한다. 중심 Y-Z 평면(118)에 대해 대칭이지 않은 실시예에서, 상이한 패턴이 사용될 수 있다.

도 8a 내지 도 8l은 특별한 실시예에 따라서 도 1 변위 장치(100)와 함께 사용하기에 적합한 자석 배열(112)을 도시한다. 도 8a 내지 도 8l의 자석 배열(112)이 (그들의 X-치수로) 중심에 위치되는 비-자기적인 스페이서(136)를 포함하는 것을 제외하고, 도 8a 내지 도 8l의 자석 배열(112)은 도 7a 내지 도 7l의 자석 배열(112)의 특징과 유사한 특징을 갖는다. (도 8a 내지 도 8l에 도시된 Y-자석 배열(112)의) 스페이서(136)는 적어도

와 거의 동일한 X-축 폭(g)과 함께 제공될 수 있으며, 여기서 N_g는 음이 아닌 정수이다. 스페이서(136)의 폭(g)이 이러한 속성을 나타낼 때, 스페이서(136)는 자석 배열(112)의 5차 고조파 필드에 의해 생성된 방해 토크 및/또는 힘에 대한 감쇄(상쇄) 효과를 가질 것이다. 일반적으로, 비-자기 스페이서(136)의 폭(g)은 적어도

와 거의 동일하도록 설정될 수 있으며, 여기서 N_g는 상기 기술된 속성을 가지며 k는 감쇄될 자계의 고조파의 차수이다. 몇몇 실시예에서, (도 8a 및 8l에 도시된 Y-자석 배열(112)의) 스페이서(136)는 적어도

와 거의 동일한 X-축 폭(g)과 함께 제공될 수 있으며,여기서 K_g는 음이 아닌 정수이며 그리고 W_c는 Y 방향으로 일반적으로 연장된 코일 트레이스(126)의 X-축 폭이다. 스페이서(136)의 폭(g)이 이러한 속성을 나타낼 때, 스페이서(136)는 자석 배열(112)의 5차 고조파 필드에 의해 생성된 방해 토크 및/또는 힘에 대해 감쇄(상쇄) 효과를 가질 것이다. 일반적으로, 자기 스페이서(136)의 폭(g)은 적어도

와 거의 동일하도록 설정될 수 있으며, 여기서 K_g와 W_c 는 상기 기술된 속성을 가지며 k는 감쇄될 자계의 고조파의 차수이다.

도 8a 및 도 8b에 도시된 자석 배열(112) 실시예는 비-자기 스페이서(136)의 어느 하나의 X-방향 사이드 위에 정렬된 2개의 사이드를 갖는다. 도 8a 자석 배열(112)의 (예시된 도면에서) 좌측과 우측 둘 다는 도 7a의 자석 배열(112)의 자화 패턴과 유사한 자화 패턴을 가지며; 그리고 도 8b 자석 배열(112)의 좌측과 우측 둘 다는 도 7b의 자석 배열(112)의 자화 패턴과 유사한 자화 패턴을 갖는다. 도 8a 및 8b의 자석 배열(112)의 각각의 사이드의 X-방향 폭(W_side)(즉, 배열(112)의 에지와 비-자기 스페이서(136)의 에지 사이의 X-방향 거리)은 W_side = N_mλ이며 여기서 N_m은 양의 정수이며 그리고 도 8a 및 도 8b의 자석 배열(112)의 전체 X-방향 폭은 W_m = 2N_mλ+g이며, 여기서 도 8a에서 N_m= 2이며 도 8b에서 N_m= 1이다.

도 8c 및 도 8d에 도시된 자석 배열(112) 실시예는 비-자기 스페이서(136)의 어느 하나의 X-방향 사이드 위에 정렬된 2개의 사이드를 갖는다. 도 8c 및 도 8d에 도시된 자석 배열(112)의 (예시된 도면에서) 좌측은 각각 도 7c 및 도 7d에 도시된 자석 배열(112)의 자화 패턴과 유사한 자화 패턴을 갖는다. 도 8c 및 도 8df에 도시된 자석 배열(112)의 (예시된 도면에서) 우측은 좌측의 자화 패턴과 반대 - 즉, 마치 자석 배열(112)의 좌측이 자석 배열(112)의 우측의 위치에 복제되며 그 다음 자석 배열(112)의 우측에서 각각의 개별적인 자화 분할(114)이 선형으로 연장되는 자신의 중심 축에 대해 180°회전된 것처럼 - 인 자화 패턴을 갖는다. 도 8c 및 도 8d의 자석 배열(112)의 각각의 사이드의 X-방향 폭(W_side)은 W_side = (N_m-0.5)λ이며 여기서 N_m은 양의 정수이며 도 8c 및 도 8d의 자석 배열(112)의 전체 X-방향 폭은 W_m = (2N_m-1)λ+g 이며, 여기서 도 8c에서 N_m= 1 이며 도 8d에서 N_m= 2 이다. 유사하게, 도 8e, 도 8g, 도 8i, 도 8k에 도시된 자석 배열(112)은 비-자기 스페이서(136)의 어느 하나의 X-방향 사이드 위에 정렬된 2개의 사이드를 가지며, 그들의 각각의 (예시된 도면에서) 좌측은 도 7e, 도 7g, 도 7i, 도 7k 자석 배열(112)과 유사한 자화 패턴을 가지며 그리고 그들의 각각의 (예시된 도면에서) 우측은 (예시된 도면에서) 좌측의 자화 패턴과 반대인 자화 패턴을 가지며, 여기서 "반대(opposite)"는 도 8c 및 도 8d의 경우에 대해 상기 논의된 바와 동일한 의미를 갖는다. 도 8e, 도 8g, 도 8i, 도 8k의 자석 배열(112)의 각각의 사이드의 X-방향 폭(W_side)은 W_side = (N_m-0.5)λ이며 여기서 N_m 은 양의 정수이며 도 8e, 도 8g, 도 8i, 도 8k의 자석 배열(112)의 전체 X-방향 폭은 W_m = (2N_m-1)λ+g 이며, 여기서 도 8e에서 N_m= 1, 도 8g에서 N_m= 2, 도 8i에서 N_m= 1, 도 8k에서 N_m= 2 이다.

도 8f, 도 8h, 도 8j, 도 8l에 도시된 자석 배열(112)은 비-자기 스페이서(136)의 어느 하나의 X-방향 측 사이드 위에 정렬된 2개의 사이드를 가지며, 그들의 좌측 및 우측 둘 다는 각각 도 7f, 도 7h, 도 7j, 도 7l의 자석 배열(112)의 자화 패턴과 유사한 자화 패턴을 갖는다. 도 8f, 도 8h, 도 8j, 도 8l의 자석 배열(112)의 각각의 사이드의 X-방향 폭(W_side)은 W_side = N_mλ이며 여기서 N_m 은 양의 정수이며 도 8f, 도 8h, 도 8i, 도 8k의 자석 배열(112)의 전체 X-방향 폭은 W_m = 2N_mλ+g 이며, 여기서 도 8f에서 N_m = 1, 도 8h에서 N_m = 2, 도 8j에서 N_m = 1, 도 8l에서 N_m = 2 이다. 도 8a 내지 도 8l에 도시된 자석 배열(112)은 도 7a 내지 도 7l에 대해 상기 기술된 방식과 유사한 방식으로 제조될 것이다.

자석 배열의 배치

상기 논의된 바와 같이, 도 6a 및 도 6b는 특별한 실시예에 따라서 변위 장치(100)의 가동 스테이지(110)에서 사용될 수 있는 자석 배열(112)의 배치를 도시한다. 특별한 실시예에 따라서, 가동 스테이지(110) 위에 자석 배열(112)을 배열할 때, 2개의 인접한 병렬 배열 간의 공간(S_m)(도 6 실시예의 경우에 있어서 X-자석 배열(112A) 및 X-자석 배열(112C)과 같은, 한 쌍의 Y-자석 배열(112) 사이 및/또는 도 6 실시예의 경우에 있어서, Y-자석 배열(112B) 및 Y-자석 배열(112D)과 같은 한 쌍의 Y-자석 배열(112) 사이)은 적어도 대략

이도록 선택될 수 있으며, 여기서 N_s는 음이 아닌 정수이며 P_c 는 상기 논의된 코일 트레이스 피치이다(도 2를 참조). 복수의 병렬 자석 배열(112)이 이러한 간격 특성과 함께 설계될 때, 이러한 간격 특성은 코일 트레이스(126)의 이산 성질(즉, 유한 치수)에 의해 발생 될 수 있는 힘 및/또는 토크 리플을 최소화하거나 감소시키는데 도움이 될 것이다.

몇몇 실시예에서, 가동 스테이지(110) 위에 자석 배열(112)을 정렬할 때, 2개의 인접한 병렬 배열 간의 간격(S_m)(예를 들어, 도 6 실시예의 경우에 있어서 X-자석 배열(112A) 및 X-자석 배열(112C)과 같은, 한 쌍의 Y-자석 배열(112) 사이 및/또는 도 6 실시예의 경우에 있어서, Y-자석 배열(112B) 및 Y-자석 배열(112D)과 같은 한 쌍의 Y-자석 배열(112) 사이)은 적어도 대략

이 되도록 선택될 수 있으며, 여기서 N_s은 음이 아닌 정수이다. 복수의 병렬 자석 배열(112)이 이러한 간격 특성과 함께 설계될 때, 이러한 간격 특성은 자석 배열(112)의 5차 고조파 자계와 코일 트레이스(126)에서 흐르는 전류 간의 상호작용에 의해 발생 될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 2개의 인접 병렬 자석 배열(112)(예를 들어, 도 6 실시예의 경우에 있어서 X-자석 배열(112A) 및 X-자석 배열(112C)과 같은, 한 쌍의 X-자석 배열(112) 사이 및/또는 도 6 실시예의 경우에 있어서, Y-자석 배열(112B) 및 Y-자석 배열(112D)과 같은 한 쌍의 Y-자석 배열(112) 사이)은 서로 동일한 자화 방향을 지닌 자화 분할(114)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 특성은 Y-자석 배열(112B) 및 Y-자석 배열(112D)이 서로 동일한 자화 방향을 지닌 자화 분할(114B, 114D)을 포함하는 도 9a에 도시된다. 몇몇 실시예에서, 2개의 인접 자석 배열(112) - 즉, 마치 자화 분할(114)이 선형으로 연장되는 대응하는 중심축에 대해 개별적으로 180° 회전되는 것처럼 -은 서로 반대인 자화 방향을 지닌 자화 분할(114)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 9B에서, 자석 배열(112B)과 자석 배열(112D)이 서로 반대인 자화 방향을 갖는 자화 분할(114B, 114D)을 포함하는 이러한 특성이 도시된다.

몇몇 실시예에서, 간격(S_m)은 적어도 대략

이도록 설계되며, 여기서 N_S은 정수이다. 인접 병렬 자석 배열(112)의 간격(예를 들어, 도 6 실시예의 경우에 있어서 X-자석 배열(112A) 및 X-자석 배열(112C)과 같은, 한 쌍의 X-자석 배열(112) 사이 및/또는 도 6 실시예의 경우에 있어서, Y-자석 배열(112B) 및 Y-자석 배열(112D)과 같은 한 쌍의 Y-자석 배열(112) 사이)이 이러한 특징을 갖도록 설계될 때, 병렬 자석 배열(112)이 동일한 자화 패턴을 가지며 N_S가 짝수이거나 또는 병렬 자석 배열(112)이 반대 자화 패턴을 가지며 N_S가 홀수라고 가정하면, 각각의 병렬 자석 배열(112)에 대한 유효 코일 트레이스(126)에서 전류 분포는 공간 분포(즉, 위상에서)에서와 실질적으로 유사할 수 있다.

상기 논의된 바와 같이, 도 6a 및 도 6b에 도시된 자석 배열(112)의 배치는 자석 배열(112) 사이에 위치된 비-자기 영역(113)을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 이러한 비-자기 영역(113)의 치수(S_m - W_m)는 (S_m - W_m)≥λ인 특성을 갖도록 설계될 수 있으며, 이에 의해 2개의 병렬 자석 배열(112)을 위한 유효 코일 트레이스(126)는 서로 간섭하지 않는다.

몇몇 실시예에서, 도 6a 및 도 6b에 도시된 자석 배열(112)의 치수(L_m)는 적어도 대략 L_m = N_Lλ와 동일하게 설정되며, 여기서 N_L은 양의 정수이다. 자석 배열(112)이 이러한 특성을 나타내는 곳에서, 자석 배열(112)과 자석 배열(112)의 연장된 치수에 직교인 방향으로 코일 트레이스(126)에서 흐르는 전류 사이에 발생 된 결합력에 있어서 추가 감소가 있을 것이다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 자석 배열(112)의 배치는 도 1 변위 장치(100)의 가동 스테이지(110)를 위해 사용될 수 있는 자석 배열(112)을 위한 유일하게 가능한 배치가 아니다. 특히, 도 1 변위 장치(100)의 가동 스테이지(110)에 사용하기에 적합한 다수의 자석 배열(112)의 다른 가능한 배치가 도 10a 내지 도 10d에 도시된다.

도 10a는 특별한 실시예에 따라서 도 1 변위 장치(100)의 가동 스테이지(110)를 위해 사용될 수 있는 자석 배열(112A, 112B, 112C, 112D)의 배치의 개략적인 단면도를 도시한다. 비-자기 영역(113)이 제거되며 그리고 가동 스테이지(110)의 하면 영역의 전부가 자석 배열(112)에 의해 점유되도록 자석 배열(112) 모양(예를 들어, 정사각형 같이)이 이루어지기 때문에 자석 배열(112)의 도 10a의 배치는 자석 배열(112)의 도 6의 배치와 다르다. 도 10a의 예시된 실시예에서, 비록 도 10a의 배치의 자석 배열(112)이 본 명세서에 기술된 임의의 자석 배열(112)의 특성을 나타내는 - 예를 들어, 도 7a 내지 도 7l 및 도 8a 내지 도 8l에 도시된 임의의 자화 패턴을 나타내는 - 자화 분할(114)과 함께 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이라고 하더라도, 각각의 자석 배열(112)은 도 7a에 도시된 것들과 같은 특성을 갖는 자화 분할(114)의 패턴을 포함한다.

도 10b는 다른 실시예에 따라서 도 1 변위 장치(100)의 가동 스테이지(110)를 위해 사용될 수 있는 자석 배열(112A-112P)의 배치의 개략적인 단면도를 도시한다. 도 10b의 배치는 도 10b의 배치가 4개를 초과하는 자석 배열(112)을 포함한다는 점에서 도 10a의 배치와 다르다. 예시된 실시예에서, 자석 배열(112A, 112C, 112E, 112G, 112I, 112K, 112M, 112O)는 X-자석 배열이며 자석 배열(112B, 112D, 112F, 112H, 112J, 112L, 112N, 112P)는 Y-자석 배열이다. 예를 들어, 4개를 초과하는 자석 배열(112)을 포함하는 도 10b 배치는 가동 스테이지(110)가 상대적으로 큰 곳에서 사용될 수 있다.

도 10c는 다른 실시예에 따라서 도 1 변위 장치(100)의 가동 스테이지(110)를 위해 사용될 수 있는 자석 배열(112)의 배치의 개략적인 단면도를 도시한다. 간략히 하기 위해, X-자석 배열이 도 10C에 또한 도시된다는 것이 이해될 것이라고 하더라도, 오직 Y-자석 배열(112A1, 112A2, 112A3, 112B1, 112B2, 112B3, 112C1, 112C2, 112C3 112D1, 112D2, 112D3)만이 도 10c에 명시적으로 표기된다. 동일한 방향(예를 들어, X-자석 배열 또는 Y-자석 배열)을 가지며 그들의 자화 분할의 연장의 방향에 직교인 방향으로 서로 정렬되는 자석 배열(112)은 본 명세서에서 정렬된 자석 배열의 세트로서 지칭될 수 있다. 예를 들어, Y-자석 배열(112A1, 112A2, 112A3)이 동일한 방향을 가지며(Y-자석 배열(112A1, 112A2, 112A3)은 Y-축을 따라 연장된 Y-자석 배열이다) 그리고 그들의 각각의 자화 분할의 연장의 방향에 직교인 방향(X-방향)으로 서로 정렬되기 때문에, Y-자석 배열(112A1, 112A2, 112A3)은 정렬된 Y-자석 배열의 세트이다. 정렬된 자석 배열의 세트는 (도 10c에 도시되지 않은) 고정자(120)의 동일한 코일 트레이스(126)에서 전류 흐름에 의해 구동될 수 있다. 예를 들어, 정렬된 Y-자석 배열(112A1, 112A2, 112A3)의 세트는 고정자(120)의 동일한 코일 트레이스(126)에서 전류 흐름에 의해 구동될 수 있다. 유사하게, 정렬된 Y-자석 배열(112B1, 112B2, 112B3)의 세트는 고정자(120)의 동일한 코일 트레이스(126)에 의해 구동될 수 있으며 정렬된 Y-자석 배열(112C1, 112C2, 112CD3)의 세트는 고정자(120)의 동일한 코일 트레이스(126)에 의해 구동될 수 있으며 그리고 정렬된 Y-자석 배열(112D1, 112D2, 112D3)의 세트는 고정자(120)의 동일한 코일 트레이스(126)에 의해 구동될 수 있다.

정렬된 Y-자석 배열의 각각의 세트(예를 들어, 정렬된 Y-자석 배열(112A1, 112A2, 112A3)와 정렬된 Y-자석 배열의 인접한 세트(들)(예를 들어, 정렬된 Y-자석 배열(112B1, 112B2, 112B3)의 인접한 세트) 사이의 간격 때문에, 정렬된 Y-자석 배열의 각각의 세트는 정렬된 Y-자석 배열의 인접한 세트로부터 상당한 결합이 없이 자신의 대응하는 유효 코일 트레이스(126)에 의해 독립적으로 구동될 수 있다. 도 10c 실시예에서, 정렬된 Y-자석 배열(112A1, 112A2, 112A3)의 세트의 작동력 중심과 정렬된 Y-자석 배열(112B1, 112B2, 112B3)의 세트 사이에 오프셋이 또한 존재하며, 정렬된 Y-자석 배열의 이들 2개의 세트는 2개의 부양력(levitating force)(즉, Z-방향)과 2개의 가로방향 력(lateral force)(즉, X-방향으로)을 발생하기 위해 사용될 수 있다.

도 10c의 예시된 실시예에서, 정렬된 Y-자석 배열의 4개의 세트가 존재한다: 정렬된 Y-자석 배열(112A1, 112A2, 112A3)의 제1 세트; 정렬된 Y-자석 배열(112B1, 112B2, 112B3)의 제2 세트; 정렬된 Y-자석 배열(112C1, 112C2, 112C3)의 제3 세트; 그리고 정렬된 Y-자석 배열(112D1, 112D2, 112D3)의 제4 세트, 그리고 정렬된 Y-자석 배열의 각각의 세트는 두 힘((Z-방향으로)하나의 부양력과 (X-방향으로)하나의 가로방향 력)을 독립적으로 발생할 수 있다. Y-방향 오프셋(예를 들어, 정렬된 Y-자석 배열(112A1, 112A2, 112A3)의 제1 세트와 정렬된 Y-자석 배열(112B1, 112B2, 112B3)의 제2 세트 사이의 작동력 중심의 오프셋)을 갖는 정렬된 Y-자석 배열의 3개 이상의 세트는 5 자유도 - 즉 X와 Z방향으로 힘들과 X,Y 및 Z 축 주변의 모멘트 - 로 작동력과 토크를 제공하기 위해 단독으로 사용될 수 있다. 도 10c에서 Y-방향 오프셋을 갖는 정렬된 Y-자석 배열의 3개 이상의 세트에 의해 제공될 수 없는 유일한 작동력은 Y-방향 힘이다.

도 10c의 예시된 실시예에서, 정렬된 Y-자석 배열의 4개의 세트가 존재한다: 정렬된 Y-자석 배열(112A1, 112A2, 112A3)의 제1 세트; 정렬된 Y-자석 배열(112B1, 112B2, 112B3)의 제2 세트; 정렬된 Y-자석 배열(112C1, 112C2, 112C3)의 제3 세트; 그리고 정렬된 Y-자석 배열(112D1, 112D2, 112D3)의 제4 세트. 비록 참조 번호와 함께 명시적으로 열거되지 않았지만, 당업자는 도 10c의 예시된 실시예가 정렬된 X-자석 배열의 4개의 세트를 또한 포함하며, 세트의 각각은 2개의 힘((Z-방향으로) 하나의 부양력과 (Y-방향으로)하나의 가로방향력)을 독립적으로 발생할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그들의 대응하는 유효 코일 트레이스(126)에 의해 독립적으로 구동될 수 있는 정렬된 배열의 세트의 전부와 함께, 도 10c 자석 배열 배치는 상당한 양의 초과 구동(over actuation)을 제공한다. 이들 초과 구동 능력은, 가동 스테이지 형상 정정 및/또는 가동 스테이지 진동 억제를 위해, 가동 스테이지(110)의 유연한 모드 진동을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 도 10c의 배치는 정렬된 X-자석 배열의 4개의 세트와 정렬된 Y-자석 배열의 4개의 세트를 제공하지만, 몇몇 실시예는 정렬된 X와 Y-자석 배열의 보다 큰 수 또는 보다 작은 수의 세트를 포함할 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 또한, 도 10c의 배치는 정렬된 X-자석 배열의 각각의 세트와 정렬된 Y-자석 배열의 각각의 세트가 3개의 개별적인 자석 배열을 포함하지만, 몇몇 실시예는 정렬된 X와 Y-자석 배열의 각각의 세트에서 상이한 수의 개별적인 자석 배열을 포함할 수 있다는 것을 제공한다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

도 10d는 다른 실시예에 따라서 도 1 변위 장치(100)의 가동 스테이지(110)를 위해 사용될 수 있는 자석 배열(112)의 배치의 개략적인 단면도를 도시한다. 도 10d는 또한 정렬된 X 및 Y-자석 배열(112)의 다양한 세트를 작동하기 위해 사용될 수 있는 코일 트레이스(126)를 개략적으로 묘사한다. 주목해야 할 것은 도 10d에 도시된 코일 트레이스(126)는 원래 개략적이며 코일 트레이스(126)의 치수 또는 개수들을 나타내지 않는다는 것이다. 도 10d에서 정렬된 X 및 Y-자석 배열(112)의 각각의 세트가 (도 10c에서 흔히 그렇듯이, 3개의 개별적인 자석 배열 대신에) 한 쌍의 개별적인 자석 배열(112)을 포함한다는 것을 제외하고, 도 10d에서 자석 배열(112)의 배치는 도 10c의 자석 배열의 배치와 유사하다. 특히, 도 10d의 배치는 각각의 세트에서 2개의 개별적인 자석 배열을 갖는 정렬된 X-자석 배열의 4개의 세트와 각각의 세트에서 2개의 개별적인 자석 배열을 갖는 정렬된 Y-자석 배열의 4개의 세트를 포함한다. 도 10d 배치에서 X-자석 배열의 세트는 : 정렬된 배열(112a1, 112a2)의 제1 세트; 정렬된 배열(112b1, 112b2)의 제2 세트; 정렬된 배열(112c1, 112c2)의 제3 세트; 그리고 정렬된 배열(112d1, 112d2)의 제4 세트를 포함한다. 도 10d 배치에서 Y-자석 배열의 세트는 : 정렬된 배열(112A1, 112A2)의 제1 세트; 정렬된 배열(112B1, 112B2)의 제2 세트; 정렬된 배열(112C1, 112C2)의 제3 세트; 그리고 정렬된 배열(112D1, 112D2)의 제4 세트를 포함한다.

도 10C의 배치를 위해 흔히 그렇듯이, 도 10d 배치에서 정렬된 자석 배열의 세트는 고정자(120) 위 코일 트레이스(126)의 동일한 세트에 의해 구동될 수 있다. 특히: 정렬된 X-자석 배열(112a1, 112a2)의 제1 세트는 코일 트레이스(126a1/a2)에 의해 구동될 수 있으며; 정렬된 X-자석 배열(112b1, 112b2)의 제2 세트는 코일 트레이스(126b2/b2)에 의해 구동될 수 있으며; 정렬된 X-자석 배열(112c1, 112c2)의 제3 세트는 코일 트레이스(126c1/c2)에 의해 구동될 수 있으며; 그리고 정렬된 X-자석 배열(112d1, 112d2)의 제4 세트는 코일 트레이스(126d1/d2)에 의해 구동될 수 있다. 유사하게: 정렬된 Y-자석 배열(112A1, 112A2)의 제1 세트는 코일 트레이스(126A1/A2)에 의해 구동될 수 있으며; 정렬된 Y-자석 배열(112B1, 112B2)의 제2 세트는 코일 트레이스(126B1/B2)에 의해 구동될 수 있으며; 정렬된 Y-자석 배열(112C1, 112C2)의 제3 세트는 코일 트레이스(126C1/C2)에 의해 구동될 수 있으며; 그리고 정렬된 Y-자석 배열(112D1, 112D2)의 제4 세트는 코일 트레이스(126D1/D2)에 의해 구동될 수 있다. 정렬된 자석 배열의 각각의 세트를 위한 유효 코일 트레이스는 정적이지 않고 가동 스테이지(110)의 현재 위치와 가동 스테이지(110)의 원하는 움직임에 기초하여 동적으로 결정된다는 것이 이해될 것이다.

상기 논의된 도 10c와 함께 흔히 그렇듯이, 도 10d의 배치는 상당한 양의 초과 구동을 포함한다. 이들 초과 구동 능력은, 가동 스테이지 형상 정정 및/또는 가동 스테이지 진동 억제를 위해, 가동 스테이지(110)의 유연한 모드 진동을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 도 10d의 배치는 정렬된 X-자석 배열의 4개의 세트와 정렬된 Y-자석 배열의 4개의 세트를 제공하지만, 몇몇 실시예는 정렬된 X와 Y-자석 배열의 보다 큰 수 또는 보다 작은 수의 세트를 포함할 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 또한, 도 10d의 배치는 정렬된 X-자석 배열의 각각의 세트와 정렬된 Y-자석 배열의 각각의 세트가 한 쌍의 개별적인 자석 배열을 포함하지만, 몇몇 실시예는 정렬된 자석 배열의 각각의 세트에서 상이한 수의 개별적인 자석 배열을 포함할 수 있다는 것을 제공한다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

도 10a 내지 도 10d의 배치에서 각각의 개별적인 자석 배열(112)의 특성(예를 들어, 자화 분할(114)의 방향, 길이(L_m), 폭(W_m) 등)은 본 명세서에 기술된 - 예를 들어, 도 7a 내지 도 7l 및 도 8a 내지 도 8l에 도시된 임의의 자화 패턴을 보여주는 - 임의의 특성과 유사할 수 있다. 도 10c, 10d에서 인접한 배열의 간격(S_m)은 도 6a, 도 6b에 대해 상기 기술된 간격과 유사할 수 있다.

필드 폴딩과 전류 전환

몇몇 실시예에서, 자석 배열(112)은 소위 "할바흐 배열(Halbach array)"과 유사한 특성을 포함한다. 통상적으로, 할바흐 배열의 자계는 주로 작은 양의 5차 고조파 왜곡을 갖는 사인파 모양인 것으로 가정된다. 이러한 가정은 긴, 다주기 할바흐 배열의 충분히 안쪽(즉, 에지로부터 떨어진) 위치에서 상대적으로 정확하다. 그러나, 할바흐 배열의 에지에서, 예를 들어, 특히 흔히 있는 일이지만 자석 배열이 오직 1-2 자기 주기(λ) 폭일 때, 도 7 및 도 8에 도시된 자석 배열(112)의 몇몇 실시예에서 자계는 전혀 사인파 모양이 아니다. 자석 배열(112)의 에지에서 자계의 왜곡은 프링징 필드 효과(fringing field effect)로서 지칭될 수 있다. 이와 같은 비-사인파 모양 필드에 대해 적어도 대략적으로 선형력 특성을 달성하기 위해 전환 법칙을 설계하는 것은 어려울 수 있다.

할바흐 배열에 힘을 부여하기 위해 전류 운반 코일 트레이스를 사용할 때 프링징 필드 효과를 최소화하기 위한 하나의 기법은 할바흐 배열에서 자기 주기(λ)의 수를 증가시키는 단계를 포함하는 것이다. 비록 프링징 필드에 기인한 방해력이 증가된 수의 자기 주기에 의해 변하지 않는다고 하더라도, 보다 큰 할바흐 배열에 부여된 힘의 전체량에 대한 이와 같은 방해력의 영향이 감소된다. 할바흐 배열에 힘을 부여하기 위해 전류 운반 코일 트레이스를 사용할 때 프링징 필드 효과를 최소화하기 위한 다른 기법은 할바흐 배열의 에지와 프링징 필드로부터 멀리 떨어져 위치되는 코일 트레이스만을 여기시키는 단계를 포함한다. 이러한 제2 기법은 힘 발생 용량을 희생시킨다.

발명자는 폭(W_m)의 자석 배열과 주기(W_m)의 무한 폭 전류 배열(infinitely wide current array) 사이의 힘(수평과 수직 둘 다)은 주기(W_m)의 무한 폭 자석 배열과 단일 코일 트레이스 사이의 힘에 대한 크기와 동일하다 것이 (공간 콘볼루션 이론을 이용해) 이론적으로 증명될 수 있다고 판단하였다. 이러한 원리가 도 11a 내지 11c에 예시된다. 도 11a는 일정한 전류에 의해 여기된 단일 코일 트레이스(126)에 비례하여 수평(즉, 예시된 도면에서 X-방향)으로 움직이는 폭(W_m)의 짧은 Y-자석 배열(112)을 도시한다. 이러한 도 11a 배열은 자석 배열(112)의 에지에서 또는 근처에서 프링징 필드와 코일 트레이스(126)의 상호작용으로 인해 비-사인파 모양의 힘을 발생한다. 도 11b에서 본래의 코일 트레이스(126)와 동일한 전류량에 의해 여기된 여분의 코일 트레이스(126')가 주기(W_m)의 무한 폭 전류 배열을 형성하기 위해 추가된다. 자석 배열(112)과 코일 트레이스(126, 126')의 배열 사이의 결과적인 전체 힘은 5차 고조파에 의해 야기된 소형 컴포넌트에 의해 사인파 모양이 된다. 도 11c에서 힘은 단일 코일 트레이스(126)와 주기(W_m)의 무한 폭 자석 배열(112) 사이에서 발생 된다.

모든 코일 트레이스(126, 126')가 동일한 양의 전류에 의해 여기 되면, 도 11b의 배열에서 자석 배열(112)과 코일 트레이스(126, 126') 사이의 전체 힘은 도 11c의 배열에서 자석 배열(112)과 단일 코일 트레이스(126) 사이의 힘과 동일하다. 이러한 동일한 원리가 도 7 및 도 8에 도시된 임의의 자석 배열(112)에 적용된다. 실용적 용어로, 도 11b 무한 코일 배열이 요구되지 않으며 자석 배열(112)의 에지를 넘어 약 λ/2 이상까지 여분의 코일 트레이스를 여기시키기에 충분하다. 이러한 등가는 힘 분석을 상당히 단순화한다. 이러한 원리와 표준 3상 사인파 전환(standard three phase sinusoidal commutation)을 이용해, 자석 배열(112)(및 복수의 자석 배열(112)을 포함하는 가동 스테이지(110))에 대한 작동력은 탁월한 선형 특성을 가지며, 이것은 고속 정밀 어플리케이션을 위해 바람직할 것이다.

도 11d는 코일 트레이스(126) 중 하나의 층(128) 및 도 1 변위 장치(100)에서 사용될 수 있는 단일 자석 배열(112) 그리고 도 11a 내지 도 11c의 필드 폴딩 원리가 실제로 어떻게 사용될 수 있는지를 도시하는 개략적인 단면도이다. 유효(전류 운반) 코일 트레이스(126)는 검은색으로서 도시되어 있으며; 흰색으로 도시된 트레이스(126)는 (도시되지 않은) 다른 자석 배열을 위한 수동 코일 트레이스(126)나 유효 코일 트레이스(126)를 나타낸다. 도 11d의 예시도에서, 자석 배열(112)은 Y-방향으로 일반적으로 선형으로 연장되는 자화 분할(114)을 갖는 Y-자석 배열이다. 도 11d로부터 알 수 있는 바와 같이, 코일 트레이스(126)는 자석 배열(112) 아래 그리고 자석 배열(112)의 각각의 X-축 에지를 넘어서는 필드 폴딩 길이(L_FF) 바깥에서 여기 된다. (자석 배열(112)의 X-축 에지로부터 멀리 떨어져 보다 큰 L_FF) 이러한 구역을 넘어서는 코일 트레이스(126)는 무효이거나, 또는 다른 자석 배열을 위해 활성화될 수 있거나 또는 예시된 자석 배열(112)을 위해 또한 활성화될 수 있다. 인접한 자석 배열 사이의 간극(예를 들어, 도 6에 도시된 간극(S_m-W_m))에 따라서, L_FF 는 자석 배열(112)의 X-축 에지를 넘어서 연장되고 인접한 자석 배열과 결합하는 힘을 피하는 것의 바람직함에 대해 균형을 이루는 적절한 거리로 설정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, L_FF는 L_FF=N_ffλ/2로 설정될 수 있으며, 여기서 N_ff는 양의 정수이다. 몇몇 실시예에서, L_FF는 λ/2 보다 크거나 동일한 어느 것으로 설정될 수 있다. 자석 배열(112)의 에지의 어느 사이드 위 L_FF의 필드 폴딩 길이와 함께, 전환 법칙의 전류 방향과 크기는 자석 배열(112)이 두 사이드 위에 무한히 확장될 수 있는 상황에서 이루어진 것과 동일한 방식으로 설계될 수 있다. 이것은 동일한 자석 배열(112)을 위해 동일한 층(128) 위 모든 유효 코일 트레이스(126)가 코일 트레이스(126)가 서로에 비례하여 전기적 위상 시프트를 갖는다는 것을 제외하고 동일한 전환 법칙(주로 사인파 전환)을 따른다는 것을 의미한다.

도 12는 코일 트레이스(126)의 하나의 층(128)과 전류 전환의 결정을 기술하기에 유용한 단일 Y-자석 배열(112)을 도시하는 개략적인 단면도이다. 도 12 자석 배열(112)은 자신의 자화 분할(114)이 Y-방향으로 일반적으로 선형으로 연장된다는 것을 의미하는 Y-자석 배열(112)이다. 도 12는(검은색으로 도시된) 하나의 유효 코일 트레이스(126)를 도시하며, 모든 다른 코일 트레이스(126)(유효이던지 무효이던지) 백색으로 도시된다. 도 12는 자석 배열(112)에 의해 고정된 좌표 프레임(X_m-Y_m-Z_m)을 포함하며, 여기서 Z_m 축 원점(axis origin)은 자석 배열(112)의 바닥면이고, X_m 축 원점은 자석 배열(112)의 중심에 있다. 이들 정의와 함께, 자석 배열(112)의 바닥면 아래 공간에서 자계는

에 따라서 모델링이 될 수 있으며, 여기서 λ_c = λ/2π이며 (x_m, z_m)은 자석 배열(112)의 바닥면 아래 공간에서 임의의 점이다. 비록 자석 배열(112)이 자신의 X-축 폭에서 유한이라고 하더라도, 자석 배열(112)의 자계는 자석 배열(112)은 연속적으로 반복된 자화 분할(114)의 주기적인 자화 패턴과 함께 X-방향으로 무한히 연장되는 것처럼 모델이 될 수 있다. 사용된 필드 폴딩 방법으로 인해, 이러한 모델링 가정은 힘 계산의 정확성에 상당히 영향을 끼치지는 않는다. 도 12에 도시된 바와 같이, 코일 트레이스(126)는 (x_m, z_m)에 위치(즉, 중심)된다. 이러한 코일 트레이스(126)의 위치(x_m, z_m)가 자석 배열(112) 바로 아래에 있는지 또는 자석 배열(112)의 X-치수 에지를 넘어서 있는지에 관계없이,

에 따라서 이러한 자석 배열(112)을 위해 코일 트레이스(126)를 여기시킬 수 있으며,

여기서: I는 위치 (x_m, z_m)에서 트레이스(126)내 전류이며; F_ax 및 F_az는 각각 X 방향과 Z 방향으로 자석 배열(112)에 부여된 원하는 힘을 나타내고; k는 작동기 상수 계수이며; 그리고 전류 기준 방향(양의 전류 방향)은 Y_m 축과 일치한다(즉, 전류가 도 12의 페이지 내로 흐른다면 I는 양이다). 자석 배열(112)을 위한 모든 유효 전류 트레이스(126)가 상기 전환 법칙에 따라서 여기 될 때(물론, 각각의 코일 트레이스(126)가 공간적 위치와 구분되기 때문에, 각각의 트레이스(126)는 상이한 전류 진폭/방향을 가질 수 있다), 자석 배열(1112)에 부여된 작동력은 F_ax 및 F_az 일 것이다. 코일 트레이스(126)는 동일한 가로 방향 위치(예를 들어, 도 12에서 동일한 X-축 위치)에 있지만, 상이한 층(128)은 직렬로 연결되거나(즉, 동일한 전류를 갖거나) 또는 개별적으로 제어될 수 있다. 코일 트레이스(126)가 직렬로 연결될 때, 상이한 층(128)을 제외한 동일한 가로 방향 위치에 코일 트레이스(126)를 위한 원하는 전류 진폭은 최상층(128) 위 코일 트레이스(126)의 위치에 기초하여 계산될 수 있다.

논의된 바와 같이, 몇몇 자석 배열(112)(예를 들어, 도 8a 내지 도 8l에 도시된 자석 배열)은 비-자기 스페이서(136)를 포함한다. 이와 같은 자석 배열(112)을 위해, 코일 트레이스 전류의 결정은 비-자기 스페이서(136)가 존재하지 않는다는 가정에 의해 그리고 자석 배열(112)의 각각의 사이드가 스페이서(136)의 폭(g) 절반만큼 자신의 중심(즉, Y-Z 평면(118)을 향해)을 향해 움직인다는 가정에 의해 이루어질 수 있다. 이러한 공정은 도 13a 및 도 13b에 개략적으로 도시되며, 여기서 전류 전환은 도 13a 자석 배열(112)이 도 13b 자석 배열(112)의 속성을 갖는다는 가정에 기초하여 실제 도 13a 자석 배열(112)을 위해 계산된다. 이들 가정과 함께, 발명자는 실제 결과적인 힘이 계산된 값(F_ax, F_az)과 동일하지 않을 것이지만, 적절한 제어 알고리즘(들) 등을 이용해 고정될 수 있는 스케일링 인자(scaling factor)(예를 들어, 95%)에 의해 스케일 될 수 있을 것이라는 것을 판단하였다. 이와 같은 차이는, 스페이서(136)가 존재하지 않으면 원하는 힘이 원하는 것보다 약간 크게 설정되도록 하는 것과 같은, 적절한 제어 기법을 이용해 수용될 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 스페이서(136)는 자석 배열(112)의 자계의 5차 고조파의 영향을 감소시킬 수 있는 이익을 갖는다.

센서 시스템

변위 장치(100) 내 고정자(120)에 상대적인 가동 스테이지(110)의 위치를 정확히 제어하기 위해(예를 들어, 전형적인 리소그라피 공정 등을 위해 원하는 정밀도), 가동 스테이지(110)와 고정자(120)의 상대적인 위치를 아는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 가동 스테이지(110)에 부여된 힘은 (고정자(120) 위) 코일 트레이스(126)와 (가동 스테이지(110) 위) 자기 배열(112) 사이의 상대적인 간격에 의존한다. 이들 상대적인 위치를 결정하는데 어려움이 생기게 할 수 있는 이슈는 지반 진동(ground vibration)에 의해, 고정자에 대한 반동력(reaction force) 등에 의해 발생 될 수 있는 고정자(120)의 움직임이다. 도 14a는 계측 프레임(metrology frame)(202)에 상대적인 가동 스테이지(110)와 고정자(120)의 위치를 개별적으로 측정하기 위한 감지 시스템(sensing system)(200)의 일 실시예를 개략적으로 예시한다. 예시된 실시예에서, 고정자(120)는 (지반 또는 (도시되지 않은) 다른 방진 시스템(vibration isolation system)에 의해 지지 될 수 있는) 고정자 프레임(204)에 의해 지지 되며 그리고 가동 스테이지(110)는 상기 논의된 바와 같이 자석 배열의 상호작용과 전류 운반 코일 트레이스에 의해 야기된 작동력의 영향 하에 고정자(120) 위에 떠 있는다. 고정자 프레임(204)은 고정자(120)의 코일 어셈블리에 기계적인 지지와 열적 냉각을 제공할 수 있다.

계측 프레임(202)은 하나 이상의 방진 메커니즘(206)에 의해 지지 되며, 이것은, 스프링, 에어 실린더, 에어 베어링 등과 같은, 수동 또는 능동 방진 메커니즘(206)일 수 있다. 방진 메커니즘(206)은 접지 분리(ground isolation)로부터 계측 프레임(202)을 분리시킨다. 계측 프레임(202)은 또한 적절한 재료들(예를 들어, 열적으로 기계적으로 안정한 재료)로부터 제조될 수 있다. 예시된 실시예에서, 계측 프레임(202)은 안정적인 계측 프레임(202)에 상대적인 가동 스테이지(110)와 고정자(120) 둘 다의 위치를 독립적으로 측정하기 위해 안정적인 위치 기준을 제공한다. 도 14a 도면에서, Xm1, Zm1, Zm2는 계측 프레임(202)에 대응하는 가동 스테이지(110)의 위치의 다수의 좌표를 나타낸다. 비록 상대적인 위치의 3개의 위치가 도 14a 도면에 도시된다고 하더라도, 실제로 계측 프레임(202)에 상대적인 가동 스테이지(110)의 위치와 연관된 6개 이상의 축 측정이 존재할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 임의의 적절한 위치 감지 장치가 이들 측정을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 적절한 위치 센서의 비-제한적인 예는 : 레이저 변위 간섭계, 2차원 광 인코더, 레이저 삼각측량 센서, 용량성 변위 센서 등을 포함한다.

도 14a에 도시된 Xs1, Zs2, 및 Zs2는 계측 프레임(202)에 대하여 고정자 프레임(204)의 위치의 좌표를 나타낸다. 비록 상대적인 위치의 3개의 위치가 도 14a 도면에 도시된다고 하더라도, 실제로 계측 프레임(202)에 상대적인 고정자 프레임(204)의 위치와 연관된 6개 이상의 축 측정 존재할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 계측 프레임(202)에 상대적인 고정자 프레임(204)의 위치가 오직 소량의 진동만을 갖기 때문에, 많은 저-비용 및 단-스트로크 위치 감지 장치가 고정자 프레임(204)의 위치를 측정하기에 충분하다. 적절한 위치 센서의 비-제한적인 예들은 : 용량성 변위 센서, 와류 전류 변위 센서, 광 인코더, 레이저 삼각측량 센서 등을 포함한다. 비록 고정자 프레임(204)의 위치가 제조 오차, 열 부하(thermal loading) 등으로 인해 정확히 알려지지 않을 수 있다고 하더라도, 이들 인자들은 계측 프레임(202)에 비례하여 고정자 프레임(204)의 위치의 측정에 있어서 DC 또는 저-주파수 불확실성을 야기하며 그리고 이들 불확실성을 효과적으로 감쇄하기 위해 저 주파수(예를 들어, 비-제한적인 예로서 집적 제어 요소)에서 충분히 높은 이득을 갖는 제어 체계를 이용해 가동 스테이지(110)의 위치를 제어함으로써 극복될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 즉, 제어 체계는 가동 스테이지(110)의 위치가 고정자 프레임(204)의 위치의 측정과 연관된 저 주파수 불확실성보다 훨씬 빠른 속도로 조절된다. AC 또는 고정자 프레임(204)의 위치의 상대적으로 높은 주파수 성분이 보다 중요하다. 따라서, 적절히 높은 대역폭의 위치 센서를 이용해 이들 고주파수 성분을 측정하는 것이 바람직할 수 있다.

도 14b는 가동 스테이지(110)의 위치 측정을 위한 센서 시스템(220)의 다른 실시예를 도시한다. 예시된 실시예에서, 가동 스테이지(110)는 : 복수의 자석 배열(112), 무빙 스테이지 구조(226) 및 하나 이상의 센서 타겟(224)을 포함한다. 편의적으로, 하나 이상의 센서 타겟(224)이 자석 배열(112) 사이의 공간(230)(도 1b를 참조)에 위치될 수 있다. 고정자 프레임(204)은 하나 이상의 센서 판독 헤드(222)를 포함한다. 이들 헤드(222)는 고정자(120)의 코일 어셈블리 내의 홀(hole) 내에 설치될 수 있다. 센서 헤드(222)는 고정자 프레임(204)에 상대적인 무빙 스테이지(110)의 상대적인 위치를 측정하기 위해 센서 타겟(224)과 광학적으로, 전기적으로, 전자기적 등으로 상호작용할 수 있다. 비-제한적인 예로서 : 센서 타겟(224)은 광학적 2-차원 그레이팅 플레이트(grating plate)를 포함하며 그리고 센서 헤드(222)는 광학적 인코드 판독 헤드를 포함할 수 있고; 센서 타겟(224)은 2차원 그리드 특징을 갖는 전도성 플레이트를 포함하며 그리고 센서 헤드(222)는 용량성 변위 측정 프로브를 포함할 수 있으며; 센서 타겟(224)은 간섭측정에 적합한 반사면을 포함하며 그리고 센서 헤드(222)는 레이저 간섭측정 헤드 등을 포함할 수 있다.

상이한 위치 감지 기법이 전체적인 시스템을 제공하기 위해 조합될 수 있다. 센서 헤드(222)는 가동 스테이지(110) 위에 위치될 수 있으며 센서 타겟(224)은 고정자 프레임(204) 위에 위치될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 제14b 실시예에서, 가동 스테이지(110)의 위치는 고정자 프레임(204)에 상대적으로 측정된다. 몇몇 실시예에서, 동일한 형태의 센서 타겟(224)과 센서 헤드(222)가 도 14a의 시스템과 유사한 시스템에서 계측 프레임(202)에 상대적인 가동 스테이지(110)의 위치를 측정하기 위해 가동 스테이지(110) 위와 계측 프레임(202) 위에 위치될 수 있다. 여전히, 도 14b는 오직 하나 또는 여러 치수의 측정만을 도시하지만, 다른 치수가 유사한 기법을 이용해 측정될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

도 14c는 도 1 변위 장치(100)와 함께 사용하기에 적합한 센서 시스템(240)의 다른 실시예를 도시한다. 가동 스테이지(110)는 (예를 들어, 발광 다이오드(LED), 반사 마커 표면 등과 같은) 복수의 식별가능한 마커(242)가 구비된다. 스테레오 카메라(244)는 이들 마커(242)의 영상을 획득할 수 있으며, 그리고 이들 마커(242)의 영상 위치로부터, 적절히 프로그램된 제어기(246)는 스테레오 카메라(244)에 비례하여 이들 마커(242)의 공간 위치를 결정할 수 있다. 도 14c 실시예는 다중 가동 스테이지(예를 들어, 가동 스테이지(110) 및 마커(242A)를 갖는 제2 가동 스테이지(110A))는 동일한 카메라(244)와 제어기(246)를 이용해 감지될 수 있다는 것을 도시한다. 따라서, 시스템(240)은 2개의 가동 스테이지(120) 간의 상대적인 위치를 측정할 수 있다. 적절한 마커가 고정자 프레임(204)에 대해 참조된 가동 스테이지의 포지션을 획득하기 위해 고정자 프레임(240) 위에 또한 위치될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

상기 기술된 센서 시스템은, 비용, 측정 범위 및/체적, 해상도, 정확도, 증분적 위치 또는 절대적 위치, 시선 차단에 대한 민감도와 같은 그들의 장점과 단점을 갖는다는 것이 이해될 것이다. 상기 기술된 센서 시스템 중 둘 이상이 원하는 성능 특성을 달성하기 위해 조합될 수 있다.

모션 제어

도 15는 도 1 변위 장치(100)를 제어하는데 사용하기에 적합한 제어 시스템(300)의 개략적인 블록도를 도시한다. 제어 시스템(300)은 (명시적으로 도시되지 않은) 적절하게 프로그램된 제어기에 의해 구현될 수 있다. 이와 같은 제어기(및 이들의 성분)은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이와 같은 제어기는 하나 이상의 프로세서, 사용자 입력 장치, 디스플레이 등을 포함하는 프로그램된 컴퓨터 시스템상에서 구현될 수 있다. 이와 같은 제어기는 하나 이상의 프로세서, 사용자 입력 장치, 디스플레이 등을 포함하는 적절한 사용자 인터페이스를 갖는 임베드 시스템(embedded system)으로 구현될 수 있다. 프로세서는 마이크로프세서, 디지털 신호 프로세서, 그래픽 프로세서, 필드 프로그래머블 게이트 배열(field programmable gate array) 등을 포함할 수 있다. 제어기의 컴포넌트는 조합되거나 분할될 수 있으며, 그리고 제어기의 컴포넌트는 제어기의 다른 컴포넌트와 공유된 서브-컴포넌트를 포함할 수 있다. 제어기의 컴포넌트는 서로로부터 물리적으로 멀리 떨어져 있을 수 있다. 제어기는 코일 트레이스(126)에서 전류를 구동하기 위해 그리고 이에 의해 고정자(120)에 상대적인 가동 스테이지(110)를 제어가능하게 움직이기 위해 (명시적으로 도시되지 않은) 하나 이상의 증폭기를 제어하도록 구성된다.

도 15의 개략적인 도에서, V_r는 어플리케이션 공정에 의해 요구된 가동 스테이지(110)의 궤적(trajectory)을 정의하는 기준 모션 명령 신호(reference motion command signal)를 나타낸다. V_r는 전형적으로 벡터이며, 다중 자유도를 포함하는 방식으로 가동 스테이지(110)를 위해 원하는 궤적을 규정한다. 이와 같은 다중 자유도는 단단한 몸체 움직임 및/또는 진동 모드 움직임에 대응하는 상태를 포함할 수 있다. V_r이 특정한 어플리케이션 공정에 의해 그리고 어플리케이션 공정 관점으로부터 정해지기 때문에, V_r은 반드시 가동 스테이지(110)의 중력의 중심의 움직임 및/또는 진동 모드 좌표 포맷을 정하기 위해 요구되는 형태일 필요는 없다. 예를 들어, 가동 스테이지(110)의 중력의 중심의 움직임을 특정하는 대신에, 웨이퍼가 가동 스테이지(110)의 꼭대기에 설치되는 포토리소그라피 어플리케이션에서 웨이퍼 표면 위 점의 움직임을 특정할 수 있다. 이와 같은 경우에, V_r는 기준 위치 좌표 변환 블록(302)을 통해, 대응하는 벡터(φ_r)로 변환될 수 있으며, 기준의 모드 좌표 프레임으로 정해질 수 있다.

벡터(φ_r)는, 예를 들어:

을 포함할 수 있으며, 여기서 q_r1,...q_r6은 단단한 몸체 모션(예를 들어, 3개의 병진 상태와 3개의 회전 상태)을 정하는 6 상태를 위한 원하는(기준) 모션 값을 나타내며 그리고 q_r7,...q_r8은 2개의 유연한 진동 모드 상태에 대한 기준 값을 나타낸다. 몇몇 실시예가 상이한 수의 단단한 몸체 상태 및/또는 유연한 모드 상태를 사용할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

도 15의 개략적인 블록도에서, V_f는 가동 스테이지(110)의 측정된 위치에 관련된 정보를 포함하는 위치 피드백 센서(305)의 출력을 나타낸다. 일반적으로, V_f는 또한 피드백 위치 좌표 변환 블록(304)을 통해 모드 좌표 프레임에서 모션 벡터(φ_f)로 변환될 것이다. 벡터(φ_f)는, 예를 들어:

을 포함할 수 있으며, 여기서 q_f1,...q_f6은 단단한 몸체 모션(예를 들어, 3개의 병진 상태와 3개의 회전 상태)을 정하는 6 상태를 위한 피드백 값(예를 들어, 피드백 위치 값)을 나타내며 그리고 q_f7,...q_f8은 2개의 유연한 진동 모드 상태에 대한 피드백 값을 나타낸다.

입력으로서 φ_r과 함께, 피드포워드 제어력/토크 벡터(F_f)(모드 도메인 힘/토크)는 피드포워드 모션 제어기(306)에 의해 계산될 수 있다. 입력으로서 φ_e=φ_r-φ_f와 함께, 피드백 제어력/토크 벡터(F_b)(모드 도메인 힘/토크)가 피드백 모션 제어기(308)에 의해 계산될 수 있다. 전체 모드 도메인 힘/토크 벡터는 F_φ=F_f+F_b와 같이 계산된다. 작동기 힘 좌표 변환 블록(310)은 모드 도메인 힘/토크 벡터(F_φ)를 각각의 자석 배열(112)을 위한 힘 명령(F_a)으로 변환하기 위해 사용될 수 있다. 각각의 자석 배열을 위해, (각각의 트레이스를 위한 전류 값을 포함하는) 자신의 대응하는 유효 코일 전류 벡터(I_a)는, 상기 논의된 바와 같이, 블록(312)에 의해 수행된 유효 코일 전류 전환 알고리즘에 따라서 F_a로부터 계산될 수 있다. 무빙 스테이지(110)의 위치(Φ_f)에 따라서, 전류 좌표 변환은 고정자 코일 트레이스(126)의 각각의 그룹을 위해 코일 트레이스 기준 전류(I_sr)를 결정하기 위해 블록(314)에 의해 수행될 수 있다. 코일 트레이스(126)의 각각의 그룹을 위해, 이러한 기준 전류(I_sr)는 : 0(무효)이 되거나; 또는 특정 자석 배열(112)을 위한 유효 코일 전류(I_a)가 되거나; 또는 복수의 자석 배열(112)을 위해 유효 코일 전류를 위한 전류의 조합일 것이다. 가동 스테이지(110)를 구동하기 위해 전력 증폭기(316)에 고정자 코일 기준 전류 커맨드(I_sr)가 제공될 수 있으며, 그리고 증폭기(316)에 의해 제공된 실제 고정자 코일 전류는 I_s로 표시된다.

가동 스테이지(110)의 모든 6(또는 심지어 보다 많은) 자유도가 가동 스테이지(110)의 최적 모션 제어를 위해 측정될 수 있었다. 그러나, 특정한 상황에서, 센서의 몇몇 센서 또는 센서의 일부가 고장 또는 기능장애가 될 수 있거나, 또는 비용-관련 이유 때문에, 가동 스테이지(110)의 작동 체적(working volume)내의 특정한 공간에 설치된 센서가 보다 적을 수 있다. 가동 스테이지(110)의 모든 6 위치 자유도가 측정되지 않으며 그리고 감지중에 있는 것으로서 지칭될 수 있는 환경의 예가 존재한다. 몇몇 실시예는 감지된 상황하에서 가동 스테이지(110)의 제어를 위해 모션 제어 방법을 제공한다. 센서 시스템이 Z-방향(즉, 부양 방향)으로 측정을 제공하지 않을 때, 각각의 자석 배열(112)에 대한 원하는 힘의 Z-성분은 일정한 레벨로 설정될 수 있으며, 예를 들어, 각각의 자석 배열(112) 위 힘의 Z-성분은 가동 스테이지(110) 위에 일부의 중력으로 설정될 수 있다. 더구나, 상기-기술된 전환 방정식은

로 변경될 수 있으며, 여기서 공칭 상수 수직 위치(z₀)가 코일 트레이스(126) 위 자석 배열(112)의 실제적인 상대 높이 대신에 각각의 자석 배열(112)을 위해 사용되며, 여기서 공칭 상수 수직 위치(z₀)는 가동 스테이지의 좌표 프레임에서 코일 트레이스(126)의 공칭 위치이다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, z₀=-1mm 이다. Z-방향(부양) 힘은 코일 트레이스(126) 위 자석 배열(112)의 높이가 감소 될 때 증가할 수 있다는 사실 때문에, z₀의 상수 값은 수동 부양 효과를 가져 올 것이다. 이러한 수동 부양 효과는 가동 스테이지(110)의 Z-방향의 능동 제어보다 외부 힘에 상대적으로 보다 더 민감할 수 있지만, 이러한 수동 부양 효과는 여전히 가동 스테이지(110)가 기계적 접촉 없이 고정자(120) 위에 떠 있을 수 있다는 것을 보장할 수 있다. 비-제한적인 예로서, 이러한 수동 z-방향 제어 전략은, 보다 낮은 비용 어플리케이션을 위해, 그렇지 않으면 위치 불확실성 등에 대해 보다 관대한 어플리케이션을 위해 비치명 작동 구역(non-critical working zone)내의 가동 스테이지(110)를 움직이기 원할 때 유용하다.

감지된 시나리오 하에서 특별한 경우는 가동 스테이지(110)의 감지된 위치 측정이 오직 X와 Y 병진운동 위치 및 Z 둘레 회전 자유도를 위해 활용가능한 곳에서 발생할 수 있다. 이러한 경우에, 상기 기술된 수동 제어 메커니즘은 Z 병진운동 방향, X 축 둘레 회전 및 Y 축 둘레 회전으로 안정성을 보장할 수 있다.

다중 가동 스테이지

포토-리소그라피, 자동화 어셈블리 시스템 등과 같은 특정한 어플리케이션에서, 하나 이상의 가동 스테이지를 동시에 그리고 독립적으로 제어하기 원할 때가 있을 수 있다. 예를 들어, 이것은 대응하는 복수의 독립적으로 제어가능한 고정자를 제공하고 각각의 고정자에 대해 하나의 가동 스테이지의 움직임을 제어함으로써 달성될 수 있다. 몇몇 상황에서, (예를 들어, 하나의 고정자로부터 다른 고정자로 가동 스테이지를 움직이기 위해) 가동 스테이지를 상호교환하는 것이 바람직할 것이다.

도 16a 내지 도 16d는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 고정자(120) 사이의 가동 스테이지(110)를 상호교환하기 위한 방법(400)을 개략적으로 묘사한다. 특히, 방법(400)은 고정자(120A)로부터 고정자(120B)로 가동 스테이지(110A)의 움직임과 고정자(120B)로부터 고정자(120A)로 가동 스테이지(110B)의 움직임을 포함한다. 방법(400)은 적어도 하나의 중간 고정자(120C)의 사용을 포함한다. 도 16a에서, 가동 스테이지(110A 및 110B)는 그들의 각각의 고정자(120A, 120B) 위에서 동작하는 것으로 도시된다. 도 16b에서, 가동 스테이지(110A)는 고정자(120A)로부터 중간 고정자(120C)로 움직인다. 도 16c에서, 가동 스테이지(110B)는 고정자(120B)로부터 고정자(120A)로 움직인다. 도 16d에서, 가동 스테이지(110A)는 중간 고정자(120C)로부터 고정자(120B)로 움직인다.

도 17a는 발명의 다른 실시예에 따라서 다중 고정자(120) 사이의 가동 스테이지(110)를 상호교환하기 위한 방법을 개략적으로 묘사한다. 고정자(120A, 120B)는 독립적으로 제어된다. 방법(420)의 시작 스테이지에서, 가동 스테이지(110A)는 고정자(120A) 위에서 작동하며 가동 스테이지(110B)는 고정자(120B) 위에서, 동시에 그리고 독립적으로, 작동한다. 고정자를 교환하기 위해, 가동 스테이지(110A)와 가동 스테이지(110B)는 도 17a에 도시된 화살표로 움직이도록 야기될 수 있다. 이러한 움직임은 가동 스테이지(110A, 110B)에 모멘텀(momentum)을 부여한다. 2개의 가동 스테이지(110A, 110B)(또는 보다 정확히 그들의 대응하는 X-자석 배열(112))가 X-방향을 따라서 중첩될 때(즉, 몇몇 X-오리엔트 된 코일 트레이스가 두 가동 스테이지(110A, 110B)의 X-자석 배열(112) 아래 연장될 때), "공유" X-오리엔트 된 코일 트레이스(또는 X-오리엔트 된 코일 트레이스의 전부)가 턴오프될 수 있는 반면에, 원하는 Y-오리엔트 된 코일 트레이스는 활성(active)을 유지한다. 상기 논의된 초과-구동으로 인해, 시스템은 여전히 (유일하게 제어되지 않는 모션인 Y-방향 병진운동을 갖는) 5 자유도를 갖는 가동 스테이지(110A, 110B)의 모션을 능동적으로 제어할 수 있다. 그들의 Y-방향 모멘텀 때문에, 2개의 가동 스테이지(110A, 110B)는 서로 접촉하거나 부딪힘이 없이 서로 순조롭게 지나갈 수 있다. 2개의 스테이지(110A, 110B)의 만나는 위치가 반드시 2개의 고정자(120A, 120B)의 경계에 있을 필요가 없다는 것이 주목되어야 한다. 일반적으로 이러한 만나는 위치는 임의의 고정자(120A, 120B) 위 임의의 곳 또는 2개의 고정자(120A, 120B) 사이에 있을 수 있다.

도 17b는 어떻게 2개의 가동 스테이지(110A, 110B)가 하나의 고정자(120) 위 각각의 가동 스테이지에 대해 6 자유도로 제어될 수 있는지를 개략적으로 묘사한다. 도 17b의 실시예에서, 2개의 가동 스테이지(110A, 110B)(또는, 보다 정확히, 그들의 대응하는 자석 배열(112))는 X-방향으로 비-중첩 위치를 가지며 Y-방향으로 부분적으로 중첩하는 위치를 갖는다. 따라서, 예시된 구성과 함께, 가동 스테이지(110A, 110B)를 위해 X-오리엔트 된 코일 트레이스가 독립적으로 활성화될 수 있지만, 가동 스테이지(110A, 110B)(또는 보다 정확히 가동 스테이지(110A, 110B)의 자석 배열(112))는 다수의 Y-오리엔트 된 코일 트레이스를 공유한다. 그러나, 도 17b에 도시된 구성과 함께, 오직 가동 스테이지(110A)의 하나 이상의 자석 배열(112) 아래 연장되는 다수의 Y-오리엔트 된 코일 트레이스와 오직 가동 스테이지(110B)의 하나 이상의 자석 배열(112) 아래 연장되는 다수의 Y-오리엔트 된 코일 트레이스만이 또한 존재한다. "공유" Y-오리엔트 된 코일 트레이스가 비활성화 될 수 있지만, 유효 X-오리엔트 된 코일 트레이스와 적어도 몇몇 독립적으로 제어가능한 Y-오리엔트 된 코일 트레이스와 함께, 가동 스테이지(110A, 110B)가 여전히 6 자유도에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 도 17b의 예시된 구성에서, 가동 스테이지(110A, 110B)는 Y-방향으로 서로 바로 인접해 도시된다. 비록 이러한 구성이 가능하다고 하더라도, 이것은 필요하지 않으며 가동 스테이지(110A, 110B)는 Y-방향으로 떨어져 간격이 유지될 수 있다. 게다가, 도 17B에서, 가동 스테이지(110A, 110B)(또는 보다 정확히 그들의 자석 배열(112))가 Y-방향으로 부분적으로 중첩하는 위치에 도시되지만, 가동 스테이지(110A, 110B)가 X-방향(즉, Y-방향으로 완전히 비-중첩)으로 서로 떨어져 있으면 가동 스테이지(110A, 110B)(또는 보다 정확히 그들의 자석 배열(112))가 또한 독립적으로 제어될 수 있다. 도 17b에서 가동 스테이지는 상기 도 17a에 기술된 기법을 이용해 X-방향 및/또는 Y-방향으로 서로 지나가도록 만들어질 수 있다 - 예를 들어, 가동 스테이지(110A)는 가동 스테이지(110B)의 (예시된 도면에서) 우측으로 움직일 수 있거나 가동 스테이지(110A)는 가동 스테이지(110B) (예시된 도면에서) 아래로 움직일 수 있다. 유사한 상황이 Y-방향으로 비-중첩 위치와 X-방향으로 부분적으로 중첩하는 (또는 비-중첩하는) 위치를 갖는 2개의 가동 스테이지(110A, 110B)(또는 보다 정확히 그들의 자석 배열(112))와 함께 발생할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

몇몇 어플리케이션에서, 다수의 상이한 스테이지를 통해 가동 스테이지(110)를 움직이는 것이 바람직할 수 있다. 도 18은 이러한 목적에 적합한 장치(460)를 개략적으로 예시한다. 예시된 실시예에서, 가동 스테이지(110A 내지 110D)는 여러 고정자(120A 내지 120F) 사이를 움직이고, 몇몇 어플리케이션에서, 몇몇 동작을 위해 각각의 고정자(120)에서 멈출 수 있다. 일반적으로, 임의의 적절한 수의 가동 스테이지(110)와 (가동 스테이지(110)의 수보다 큰) 임의의 적절한 수의 고정자(120)가 존재할 수 있다. 각각의 고정자(120A 내지 120F) 위에, 본 명세서에 기술된 형태의 모션 제어 시스템이 대응하는 가동 스테이지(110A 내지 110D)의 위치를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 정밀한 위치 제어는 오직 고정자(120A 내지 120F) 내부에서만 요구될 수 있다. 결론적으로, 고정자-대-고정자 모션은 실내 GPS, 스테레오 카메라 등과 같은, 상대적으로 저렴한 위치 측정 시스템에 의해 안내될 수 있다.

회전 변위 장치

Z-축에 대한 회전 모션과 함께 (예를 들어, mm의 스케일에 대해) 몇몇 Z-방향 모션을 갖는 회전 변위 장치를 위한 산업적 요구가 존재한다. 도 19a는 발명의 실시예에 따른 회전 변위 장치(500)의 수평 단면도이다. 도 19b와 도 19c는 각각 변위 장치(500)의 가동 스테이지(회전자)(510)의 저면 단면도와 변위 장치(500)의 고정자(520)의 평면도를 묘사한다. 도 19b로부터 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 가동 스테이지(510)는 반경 방향으로 연장되며 그리고 자화 방향이 원주 방향으로 오리엔트 된 자화 분할(514)을 갖는 자석 배열(512)을 포함한다. 상기 논의된 XY 가동 스테이지와 함께 흔히 그렇듯이, 자화 분할(514)의 자화 방향들의 방위는 이들이 종방향으로 연장되는 방향에 일반적으로 직교한다 - 즉, 회전 변위 장치(500)의 경우, 자화 분할(514)의 자화 방향들의 원주 방위(circumferential orientation)는 자화 분할들(514)이 물리적으로 연장된 방향들(방사상)에 일반적으로 직교한다.

예시된 실시예에서, 자석 배열(512)은 각 공간 자화 주기(angular spatial magnetization period)(λ)를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 자석 배열(512)에서 공간 자기 주기(λ)의 수는 양의 정수(N_m)이다. 예시된 실시예의 특정 경우에 있어서, N_m=8이며, 따라서 각각의 공간 자기 주기에 의해 대향되는 각은 λ=360°/8=45°이다. 다른 실시예에서, N_m은 다른 값을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자석 배열(512)은 비정수의 공간 자기 주기(λ)를 포함할 수 있다. 비-제한적인 예로서, 몇몇 실시예에서 자석 배열(512)은 (N_m+0.5)λ 공간 자기 주기를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 XY 실시예와 함께 흔히 그렇듯이, 각각의 자화 분할(514)의 폭은 전체 공간 자기 주기(λ)에서 자화 방향의 수(N_t)의 함수이다. 예시된 실시예의 경우에서, N_t=4이며 따라서 각각의 자화 분할(514)의 각 폭(angular width)은 λ/N_t=λ/4=11.25°이다. 몇몇 실시예에서, N_t는 다른 값을 가질 수 있다.

도 19c는 고정자(520)가 어떻게 복수의 방사상으로 오리엔트 된 코일 트레이스(526)를 포함하는지를 도시한다. 코일 트레이스(526)에서 방사상으로 이동하는 전류는 원주 방향(예를 들어, X 및/또는 Y 성분을 갖는 방향)과 Z-방향 둘 다로 자석 배열(112)에 힘을 부여할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예시된 실시예의 특정 경우에 있어서, 코일 트레이스(526)는 (그룹 1-4로 표기된) 복수(예를 들어, 4개)의 그룹으로 나누어지며 파선(dashed line)으로 도시된다. 코일 트레이스(526)의 그룹의 기하학적 위치 때문에, 그룹 1과 그룹 3에서 코일 트레이스(526)는 자석 배열(512)에 대해 Z-방향과 주로 Y-방향 힘을 부여하는 반면에, 그룹 2와 그룹 4에서 코일 트레이스는 자석 배열(512)에 대해 Z-방향과 주로 X-방향 힘을 부여한다. X와 Y축에 대한 회전뿐만 아니라 Z-방향 병진운동을 발생하기 위해 Z-방향 힘이 제어될 수 있다. X와 Y-방향 힘은 Z-축에 대한 토크(및 대응하는 회전)를 발생하기 위해 제어될 수 있으며 (원하는 경우) X와 Y 병진운동을 발생하기 위해 또한 제어될 수 있다. 따라서, 코일 트레이스(526)에서 전류의 적절한 제어와 함께, 변위 장치(500)의 가동 스테이지(510)는 회전 변위 장치로서 정확히 제어될 수 있지만, 전체 6 자유도로 또한 제어될 수 있다. 도 19a 내지 도 19c에 도시된 코일 트레이스의 특별한 그룹화는 오직 하나의 가능한 실시예만을 나타낸다는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에 기술된 임의의 XY 실시예가 그렇듯이, 각각의 코일 트레이스(526)는 최대 유연성을 위해 개별적으로 제어될 수 있다. 또한, 코일 트레이스(526)의 상이한 그룹화 정렬이 또한 제공될 수 있다. 코일 트레이스(526)는 다양한 설계 목적을 달성하기 위해 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있다.

예시된 예에서, 고정자(520)는 가동 스테이지(510)의 Z-축 및 X와 Y 병진운동 위치에 대한 가동 스테이지(510)의 회전 방향을 측정 또는 그렇지 않으면 감지하기 위해 가동 스테이지(510) 위 하나 이상의 대응하는 센서 타겟(519)과 상호작용하는 복수(예를 들어, 4)의 센서 헤드(521)를 포함한다. 하나의 특정 실시예에서, 센서 헤드(521)는 인코더 판독 헤드를 포함하고 센서 타겟(519)은 인코더 디스크(encoder disk)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 고정자(520)는 또한 고정자(520)에 비례하여 가동 스테이지(510)의 Z-방향 높이와 X와 Y축에 대한 가동 스테이지(510)의 회전 방향을 측정하거나 그렇지 않으면 검출하기 위해 사용될 수 있는 복수(예를 들어, 4)의 용량성 센서(523)를 포함한다. 도 19의 특정 실시예에 도시된 센서는 변위 장치(500)와 같은 회전 변위 장치와 함께 사용될 수 있으며 기타 감지 시스템이 사용될 수 있는 적절한 센서 시스템의 하나의 특정 실시예만을 나타낸다는 것이 이해될 것이다.

도 19d는 변위 장치(500)와 함께(즉, 가동 스테이지(510)의 장소에서) 사용될 수 있는 다른 실시예에 따른 가동 스테이지(회전자)(510')의 저면 단면도이다. 가동 스테이지(510')는 가동 스테이지(510')가 복수의 각지게 이격된 자석 배열(512')을 포함한다는 점에서 가동 스테이지(510)와 다르다. 예시된 실시예의 경우에 있어서, 가동 스테이지(510')는 4개의 자석 배열(512')을 포함한다. 각각의 자석 배열(512')은 각 공간 자화 주기(λ)를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 각각의 자석 배열(512')에서 공간 자기 주기(λ)의 수는 양의 정수(N_m)이며, 이에 의해 각각의 배열에 대향 된 각은 W_m=λN_m이다. 도 19d 실시예의 특정 경우에 있어서, N_m=1이다. 몇몇 실시예에서, N_m은 다른 값을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 배열(512)에 대향되는 각은 W_m=(N_m+0.5)λ이며 여기서 N_m은 음이 아닌 정수이다. 본 명세서에 기술된 XY 실시예가 그렇듯이, 각각의 자화 분할(514)의 폭은 전체 공간 자기 주기(λ)에서 자화 방향의 수(N_t)의 함수이다. 예시된 실시예의 경우에 있어서, N_t=4이며 따라서 각각의 자화 분할(514)의 각 폭은 λ/N_t=λ/4이다. 몇몇 실시예에서, N_t는 다른 값을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자석 배열(512)은 λ/2N_t의 각 폭을 갖는 자화 분할(514)을 포함할 수 있다. 상기 기술된 XY 실시예에서 그렇듯이, 비록 "반-폭(half-width)" 자화 분할(514)이 자석 배열(514)의 에지에서 제공될 필요가 없으며 이와 같은 반-폭 자화 분할이 다른 위치들에서 사용될 수 있다고 하더라도, 각 폭 λ/2N_t을 갖는 이와 같은 "반-폭(half-width)" 자화 분할(514)이 자석 배열(514)의 에지에서 제공될 수 있다.

도 19e는 변위 장치(500)와 함께 (즉, 고정자(520)의 장소에서) 사용될 수 있는 다른 실시예에 따른 고정자(520')의 평면도이다. 고정자(520')는 고정자(520')가 코일 트레이스(526')의 복수의 층(528a, 528b)(예를 들어, 예시된 실시예의 두 경우에 있어서)을 포함한다는 점에서 고정자(520')와 다르며 여기서 인접한 층(528A, 528B)내 코일 트레이스(526')는 오프셋 각(offset angle)(O_L)만큼 서로로부터 공간적으로(각지게) 오프셋 된다. 몇몇 실시예에서, 오프셋 각(O_L)은 적어도 대략

로 설정될 수 있으며, 여기서 K는 정수이다. 오프셋 각(O_L)이 이러한 속성을 나타낼 때, 이러한 오프셋은 자석 배열(512)의 5차 고조파 자계에 의해 야기될 수 있는 힘/토크 리플을 상쇄하는 경향이 있을 수 있다. 도 19d의 가동 스테이지(510')와 도 19e의 고정자(520') 둘 다가 동시에 사용될 수 있다는 것이 주목되어야 한다.

기타 배치와 구성

도 20a는 다른 실시예에 따른 변위 장치(600)를 개략적으로 묘사한다. 변위 장치(600)는 복수의 자석 배열(612)을 포함하는 (명시적으로 도시되지 않은) 가동 스테이지를 포함한다. 예시된 실시예에서, 변위 장치(600)는 (612A, 612B, 612C로 표기된) 3개의 자석 배열(612)을 포함한다. 각각의 자석 배열(612A, 612B, 612C)은 X-Y 평면에서 특정 방향에서 일반적으로 선형으로 연장되는 대응하는 복수의 자화 분할(614A, 614B, 614C)을 포함한다 - 예를 들어, 자석 배열(612A)의 자화 분할(614A)은 선형 연장의 제1 방향을 가지며, 자석 배열(612B)의 자화 분할(614B)은 선형 연장의 제2 방향을 가지며 그리고 자석 배열(612C)의 자화 분할(614C)은 선형 연장의 제3 방향을 갖는다. 본 명세서에 기술된 다른 변위 장치가 그렇듯이, 자화 분할(614A, 614B, 614C)의 자화 방향은 일반적으로 자화 분할(614A, 614B, 614C)이 물리적으로 연장되는 방향에 직교할 수 있다. 그들의 상대적 방향을 위한 것과 달리, 자석 배열(612)과 자화 분할(614)의 특성은 자석 배열(112)과 자화 분할(114)을 위해 상기 논의된 특성과 유사할 수 있다.

변위 장치(600)는 또한 복수의 일반적으로 선형으로 연장된 코일 트레이스(626)를 포함하는 (명시적으로 도시되지 않은) 고정자를 포함한다. 예시된 실시예에서, 변위 장치(600)는 고정자의 (명시적으로 도시되지 않은) 대응하는 층 위에 위치될 수 있는 (626A, 626B, 626C로 표기된) 3개의 코일 트레이의 세트를 포함한다. 코일 트레이스(626A, 626B, 626C)의 각각의 층은 대응하는 X-Y 평면 내의 특정 방향에서 일반적으로 선형으로 연장되는 코일 트레이스(626A, 626B, 626C)를 포함할 수 있다. 이와 같은 층과 그들의 대응하는 코일 트레이스(626A, 626B, 626C)는 변위 장치(600)의 작동 영역에서 (Z-방향으로) 서로 중첩할 수 있다. 그들의 상대적인 방향을 위한 것과 달리, 코일 트레이스(626)의 특성은 상기 논의된 코일 트레이스(126)의 특성과 유사할 수 있다.

선형으로 연장된 코일 트레이스(626A', 626B', 626C')의 방향이 선형으로 연장된 코일 트레이스(626A, 626B, 626C)의 방향와 다르며 그리고 자화 분할(614A', 614B' 및 614C')이 연장되는 방향이 자화 분할(614A, 614B 및 614C)이 연장되는 방향와 다르다는 것을 제외하고, 도 20B에 도시된 변위 장치(600')는 변위 장치(600)와 유사하다.

도 20C는 다른 실시예에 따라서 변위 장치(700)를 개략적으로 묘사한다. 변위 장치(700)는 복수의 자석 배열(712)을 포함하는 (명시적으로 도시되지 않은) 가동 스테이지를 포함한다. 예시된 실시예에서, 변위 장치(700)는 (712A, 712B로 표기된) 2개의 자석 배열(712)을 포함한다. 각각의 자석 배열(712A, 712B)은 X-Y 평면에서 특정 방향에서 일반적으로 선형으로 연장되는 대응하는 복수의 자화 분할(714A, 714B)을 포함한다 - 예를 들어, 자석 배열(712A)의 자화 분할(714A)은 선형 연장의 하나의 방향을 가지며 그리고 자석 배열(712B)의 자화 분할(714B)은 선형 연장의 제2 방향을 갖는다. 본 명세서에 기술된 기타 변위 장치에서 그렇듯이, 자화 분할(714A, 714B)의 자화 방향은 일반적으로 자화 분할(714A, 714B)이 물리적으로 연장되는 방향에 직교일 수 있다. 그들의 상대적인 방향와 달리, 자석 배열(712)과 자화 분할(714)의 특성은 자석 배열(112)과 자화 분할(114)에 대해 상기 논의된 특성과 유사하다.

변위 장치(700)는 또한 복수의 일반적으로 선형으로 연장된 코일 트레이스(726)를 포함하는 (명시적으로 도시되지 않은) 고정자를 포함한다. 예시된 실시예에서, 변위 장치(700)는 고정자의 (명시적으로 도시되지 않은) 대응하는 층 위에 위치될 수 있는 (726A, 726B로 표기된) 2개의 코일 트레이스(726)의 세트를 포함한다. 코일 트레이스(726A, 726B)의 각각의 층은 대응하는 X-Y 평면에서 특정 방향에서 일반적으로 선형으로 연장되는 코일 트레이스(726A, 726B)를 포함할 수 있다. 이와 같은 층과 그들의 대응하는 코일 트레이스(726A, 726B)는 변위 장치(700)의 작동 영역에서 (Z-방향으로) 서로 중첩할 수 있다. 그들의 상대적인 방향와 달리, 코일 트레이스(726)의 특성은 상기 논의된 코일 트레이스(126)의 특성과 유사할 수 있다.

도 20c 실시예의 변위 장치(700)는 6 자유도 전부를 제공할 수 없을 것이라는 것이 이해될 것이다. 적절한 제어 기법과 더불어, 도 20c의 실시예는 4 자유도를 갖는 모션을 제공할 수 있다.

도 20a 내지 도 20c는 발명의 일 양상 및 특별한 실시예의 특징을 증명하는데 유용하다. 본 명세서에 기술된 실시예의 몇몇은 상대적으로 큰 수의 자석 배열을 포함한다. 비록 상대적으로 큰 수의 자석 배열이 고정자에 비례하여 가동 스테이지의 움직임을 제어하기 위한 능력을 향상시킬 수 있는 초과-구동(over-actuation)을 달성할 수 있다고 하더라도, 상대적으로 큰 수의 자석 배열은 필요하지 않다. 특별한 실시예는 임의의 적절한 복수(겨우 2개)의 자석 배열을 갖는 가동 스테이지를 포함할 수 있으며, 여기서 자석 배열의 전부의 선형 연장의 방향이 가동 스테이지의 X-Y 평면에 걸친다면, 각각의 이와 같은 자석 배열은 대응하는 방향을 따라 일반적으로 선형으로 연장되는 복수의 자화 섹션을 포함한다. 비록 선형 연장의 바람직한 방향이 적어도 2개의 직교 방향(이러한 방향은 상대적으로 보다 간단히 계산을 제어할 수 있다)을 포함할 수 있다고 하더라도, 이것은 필요하지 않다. 자석 배열이 단일 가동 스테이지 XY 평면내에 정렬되는 경우에, 임의의 둘 이상의 비-평행(non-paralle) 방향의 선형 연장이 XY 평면을 가로지를(span) 것이다. 6 자유도가 요구되는 현재의 바람직한 실시예에서, 보다 많은 자석 배열 중 3개가 비-평행 방향으로 선형으로 연장되는 자석 배열 중 적어도 2개를 구비하며 그리고 비-공동-선형인 3개의 자석 배열의 힘-중심이 제공된다. 게다가, 각각의 자석 배열에서 자화 분할의 자화의 방향은 일반적으로 자화 분할이 선형으로 연장되는 방향에 직교이다. 자석 배열내에서, 자화 분할의 자화는 본 명세서에 기술된 특성과 유사한 특성을 가질 수 있다 - 예를 들어 도 7 및 도 8을 참조.

유사하게, 코일 트레이스의 선형 연장의 방향이 고정자의 개념적인 X-Y 평면에 걸친다면, 특별한 실시예는 임의의 적절한 복수의 방향으로 연장된 코일 트레이스를 갖는 고정자를 포함할 수 있다. 선형 연장의 바람직한 방향이 적어도 2개의 직교 방향(이러한 방향은 상대적으로 보다 간단히 계산을 제어할 수 있다)을 포함할 수 있다고 하더라도, 이것은 필요하지 않다. 임의의 둘 또는 둘을 초과하는 비-평행 방향의 선형 연장이 고정자의 개념적인 XY 평면을 가로지를 것이다. 고정자의 XY 평면은 개념적인 XY 평면으로서 지칭될 수 있는데, 이는 다른 방향의 선형 연장을 갖는 코일 트레이스가 상기 논의된 바와 같이 다른 층 위에 제공될 수 있기 때문이다. 이와 같은 층은 Z-방향으로 상이한 위치를 가질 수 있다. 따라서, 고정자의 개념적인 XY 평면은 각각의 이와 같은 층에서 코일 트레이스가 Z-축을 따라 대응하는 단일 위치를 갖는 단일 XY 평면에 대해 개념적으로 가져오게 된 것처럼 생각될 수 있다.

상기 정리된 상세한 설명은 자기 공간 주기(λ)내의 다른 수(N_t)의 자화 방향이 있을 수 있다는 것을 기술한다. 그러나, 상기 기술된 예시된 실시예의 전부에 대해 N_t=4이다. 도 21a 내지 도 21c는 N_t의 다른 값 - 즉, 특별한 자기 주기(λ)내의 다른 수의 자화 방향을 갖는 자석 배열(802A, 802B, 802C)을 개략적으로 묘사한다. 도 21a의 자석 배열(802A)은 N_t=4, 도 21b의 자석 배열(802B)은 N_t=2 그리고 도 21c의 자석 배열(802C)은 자석 배열 N_t=8을 갖는다. 숫자 N_t는 임의의 적절한 수 이도록 선택될 수 있으며, 상대적으로 큰 N_t를 갖는 것의 장점은 그러한 상대적으로 큰 N_t가 자석 배열 제조에 있어 보다 큰 비용과 복잡함의 비용으로 상대적으로 큰 기본 고조파와 상대적으로 작은 보다 높은 차수의 고조파를 갖는 대응하는 자석 배열을 제공한다는 것이다.

상기 논의된 바와 같이, 도 3d 내지 도 3f에 도시된 코일 배치(여기서 W_C=λ/5)는 코일 배치가 자석 배열(112)에 의해 생성된 자계의 5차 고조파의 영향의 일부의 상쇄 또는 감쇄를 가져올 수 있는 장점을 갖는다. 도 22a는 변위 장치(100)에서 사용될 수 있는 다른 실시예에 따른 코일 트레이스를 개략적으로 도시한다. 도 22a 실시예에서 코일 트레이스(126)는 트레이스 길이(L_m)에 걸쳐서 양 O_c 만큼 가동 스테이지(110)의 XY 평면에 편향된다. 몇몇 실시예에서, 편향 O_c (이것은 자신의 Y-치수 길이(L_m)에 걸쳐서 Y-오리엔트 된 트레이스(126)에 의해 횡단된 X-방향 거리로 이해될 수 있다)의 양은 자석 배열(112)에 의해 생성된 자계의 5차, 또는 9차 또는 13차 고조파의 감쇄 결과를 가져오기 위해 λ/5 또는 λ/9 또는 λ/13인 것으로 선택될 수 있다. 이러한 편향 양 O_c 은 O_c =λ/n로 설정함으로써 다른 고조파를 감쇄시키도록 조절될 수 있으며, 여기서 n은 감쇄가 요구되는 고조파의 수이다. 도 22a 실시예에서, 코일 트레이스(126)의 x-치수 폭(W_m)은 λ/6인 것으로서 도시되지만, 이것은 일반적으로 필요하지 않으며 Y-치수 폭(W_m)은 다른 값을 가질 수 있다. 비-제한적인 예로서, 상기 언급된 편향을 위한 것과 달리, 도 22a 코일 트레이스의 배치는 도 3a 내지 도 3f에 도시된 임의의 배치와 유사하다.

도 22a에 도시된 방식으로 편향되는 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126)가 Y-오리엔트된 코일과 배열 사이에 약간의 아마도 바람직하지 않은 커플링을 가져올 것이라는 것이 이해될 것이다. 즉, 도 22a에 도시된 편향을 갖는 Y-오리엔트 된 코일 트레이스에서 흐르는 전류는 X-자석 배열(112)에 힘 또는 토크를 부여할 수 있다. Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126)의 경우에 있어서, 이와 같은 교차-커플링은 이러한 교차 커플링에 대해 상쇄 또는 감쇄 효과를 갖기 위해 반대 방향으로 Y-오리엔트 된 트레이스(126)의 교대 층(128)에서 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126)를 편향시킴으로써 감소되거나 최소화될 수 있다. 도 22b는 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126)의 한 쌍의 인접한 층(128)을 개략적으로 예시한다. 명확히 하기 위해, Y-오리엔트 된 코일(126)의 층(128) 사이의 X-오리엔트 된 코일은 명시적으로 도시되지 않는다. 도 22b 실시예의 인접한 층(128)에서 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126)는 X-Y 평면에서 반대 방향으로 편향된다. 인접한 층(128)에서 코일 트레이스(126)의 이러한 반대되는 편향은 Y-오리엔트 된 코일(126)과 X-자석 배열(112) 간의 바람직하지 않은 커플링을 감소시키거나 최소화하기 위해 사용될 수 있는 한편, 동시에 자석 배열(112)의 자계의 5차 고조파의 영향을 감소시킨다. 상기 기술된 코일 트레이스(126)의 다양한 실시예에서와 같이, 상이한 층(128)에서 코일 트레이스(126)는 직렬로, 병렬로 및/또는 개별적으로 전기적으로 연결될 수 있다.

도 23a 내지 도 23d는 전체 X-방향 피크-대-피크 진폭(O_c)과 Y-방향 공간 주기(τ_c)에 걸쳐 (일반적으로 Y-방향으로 선형 연장되는데 반해) X-방향으로 연장되는 공간 삼각파를 나타내는 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126)의 다양한 실시예를 도시한다. 예시된 실시예에서, Y-방향 공간 주기(τ_c)는 Y-방향 길이(L_m)의 정수 인자(예를 들어, 도 23a에서 L_m, 도 23b에서 L_m/2, 도 23c에서 L_m/3 그리고 도 23d에서 L_m/4)로 설정된다. Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126)의 이들 두 특성은 X-자석 배열을 갖는 Y-오리엔트 된 트레이스의 교차-커플링의 영향을 감소시킬 수 있으며 코일 트레이스의 단일 층(128) 위 배열(112)의 자계의 5차 고조파의 영향을 감소시키는데 또한 도움을 줄 수 있다. 다른 값을 갖도록 O_c의 값을 설정하는 것은 O_c =λ/n을 설정함으로써 다른 고조파(예를 들어, 9차 고조파 또는 13차 고조파)를 상쇄하기 위해 사용될 수 있으며, 여기서 n은 감쇄가 요구되는 고조파의 수라는 것이 이해될 것이다. 인접한 Y-오리엔트 된 층(128)의 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126)는 (예를 들어, X-방향으로 마주하는) 반대되는 삼각파 위상을 갖도록 제조될 수 있다. 도 23e와 도 23f는 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126)를 위한 유사한 공간적으로 주기적인 구형파(square wave)와 사인파형을 도시하며, 여기서 Y-방향 공간 주기(τ_c)는 Y-방향 길이(L_m)의 정수 인자로 설정되며 그리고 피크 대 피크 진폭(O_c)은 자석 배열(112)의 5차 고조파의 영향을 감쇄시키기 위해 λ/5로 설정된다.

도 24c는 도 24a의 구형파 코일 트레이스(126)와 도 24b의 삼각파 코일 트레이스(126)의 중첩의 결과인 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126)를 개략적으로 묘사한다. 도 24a 구형파는 공간 주기(τ_c1)와 진폭(O_c1)을 가지며 그리고 도 24b는 공간 주기(τ_c2)와 진폭(O_c2)을 갖는다. 바람직하게는, 공간 주기(τ_c1 및 τ_c2)는 둘 다 코일(126)의 Y-방향 길이(L_m)의 정수 인자로 설정된다. 진폭(O_c1 및 O_c2)은 자석 배열(112)의 자계의 1을 초과하는 고조파 차수의 영향을 감쇄시키기 위해 상이한 레벨로 설정될 수 있다. 일반적으로, O_c1 및 O_c2 의 값은 O_c1 =λ/n과 O_c2 =λ/m의 상이한 레벨로 설정될 수 있으며, 여기서 n과 m은 감쇄가 요구되는 고조파의 수이다.

게다가 또는 대안으로 자석 배열(112)의 자계의 보다 높은 차수의 고조파의 영향을 감쇄시키기 위한 노력에 있어서 코일(126)의 선형 연장을 변화시키는 것은, 몇몇 실시예에서, 자석 배열(112)의 선형 연장과 그들의 자화 분할(114)을 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 도 25a는 변위 장치(100)에서 사용될 수 있는 또 다른 실시예에 따른 자석 배열(112)을 도시한다. 도 25a의 예시된 실시예에 도시된 자석 배열(112)은 Y-자석 배열이며 Y-자석 배열의 Y-치수(L_m)는 복수의 서브-배열(112A, 112B, 112C)로 나누어지며, 이의 각각은 자신의 인접한 서브-배열로부터 거리(O_m)만큼 X-방향으로 오프셋 된다. 예시된 실시예에서, 자석 배열(112)의 맨 끝에서 서브-배열(112A, 112C)은 L_m/4의 Y-치수를 가지며 그리고 자석 배열(112)의 중간에서 서브-배열(112B)은 L_m/2의 Y-치수를 갖는다. 예시된 실시예에서, 서브-배열(112A, 112C)은 X-방향으로 서로 정렬되며 거리(O_m)만큼 서브-배열(112B)로부터 X-방향으로 둘 다 오프셋 된다. 몇몇 실시예에서, 서브-배열(112C)은 서브-배열(112B)이 서브-배열(112A)로부터 오프셋 되는 것과 동일한 X-방향으로 서브-배열(112B)로부터 오프셋 되는 것이 가능할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 오프셋(O_m)은

와 적어도 거의 동일하게 설정될 수 있으며, 여기서 N_m은 임의의 정수이다. 이러한 특성을 갖도록 O_m을 설정하는 것은 Y-방향으로 전류를 운반하는 코일 트레이스(126)를 갖는 자석 배열(112)의 자계의 5차 고조파의 상호작용의 영향을 감쇄시키거나 상쇄시키려 할 것이며, 이에 의해 연관된 힘 리플(force ripple)을 감소시키거나 최소화한다. 몇몇 실시예에서, 오프셋(O_m)은 Y-방향으로 전류를 운반하는 코일 트레이스(126)를 갖는 자석 배열(112)의 자계의 9차 고조파의 상호작용의 영향을 감쇄시키기 위해 O_m 이

에서 설정되는 것과 적어도 거의 동일하게 설정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 오프셋(O_m)은

와 적어도 거의 동일하게 설정될 수 있으며, 여기서 N_m은 임의의 정수이며 W_c는 Y 방향으로 일반적으로 연장된 코일 트레이스(126)의 X-축 폭이다. 이러한 특성을 갖도록 O_m을 설정하는 것은 Y-방향으로 전류를 운반하는 코일 트레이스(126)를 갖는 자석 배열(112)의 자계의 5차 고조파의 상호작용의 영향을 감쇄시키거나 상쇄시키려 할 것이며, 이에 의해 연관된 힘 리플을 감소시키거나 최소화한다. 몇몇 실시예에서, 오프셋(O_m)은 Y-방향으로 전류를 운반하는 코일 트레이스(126)를 갖는 자석 배열(112)의 자계의 9차 고조파의 상호작용의 영향을 감쇄시키기 위해 O_m 이

에서 설정되는 것과 적어도 거의 동일하게 설정될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 자석 배열(112)은 상이한 수의 서브-배열이 구비될 수 있다. 도 25b는 Y-자석 배열(112)의 Y-치수(L_m)가 한 쌍의 서브-배열(112A, 112B)을 포함하는 특별한 실시예를 도시하며, 한 쌍의 서브-배열(112A, 112B)의 각각은 L_m/2의 Y-치수를 가지며 X-방향으로 거리(O_m)만큼 서로로부터 오프셋 된다. 도 25b 서브-배열(112A, 112B)의 오프셋 거리(O_m)는 도 25a 서브-배열의 오프셋 거리(O_m)와 동일한 특성을 가질 수 있다. 비록 도 25a의 예시된 실시예에 도시된 자석 배열(112)이 3개의 서브-배열을 포함하고 도 25b의 예시된 실시예에 도시된 자석 배열(112)이 2개의 서브-배열을 포함한다고 하더라도, 자석 배열(112)은 일반적으로 도 25a 및 도 25b에 도시된 특성과 유사한 특성을 갖는 임의의 적절한 수의 서브-배열이 구비될 수 있다.

도 25c 및 도 25d는 그들의 대응하는 자계의 다중 공간 고조파의 영향을 감쇄시키기 위해 사용될 수 있는 자석 배열(112)의 다수의 실시예를 도시한다. 도 25c 및 도 25d는 Y-자석 배열(112)의 일 실시예를 도시하며, Y-자석 배열(112)은 (도 25d에 a,b,c,f,g,h로 표기된) Y-방향 길이(

)를 갖는 6개의 서브-배열과 (도 25d에 d-e로 표기된) Y-방향 길이(

)를 갖는 1개의 서브-배열을 포함하며, 여기서 L_m은 자석 배열(112)의 전체 Y-방향 길이이다. 도 25d는 서브-배열(a,b,c,d-e,f,g,h)의 몇몇이 서로에 비례하여 어떻게 (X-방향으로) 시프트되거나 오프셋되는지를 도시한다. 도 25c와 도 25d의 실시예에서, 서브-배열(b와 g)은 X-방향으로 정렬되며, 서브-배열(a 및 h)은 양(O_m2)만큼 서브-배열(b 및 g)에 대해 상대적으로 (예시된 도면에서 우측방향으로) 시프트되고, (서브-배열(d 내지 e)과 함께) 서브-배열(d 및 e)은 양(O_m1)만큼 서브-배열(b 및 g)에 대해 상대적으로 (예시된 도면에서 우측방향으로) 시프트되며 그리고 서브-배열(c 및 f)은 양(2O_m2+O_m1)만큼 서브-배열(b 및 g)에 대해 상대적으로 (예시된 도면에서 우측방향으로) 시프트된다. 예시된 실시예의 각각의 서브-배열(a,b,c,d-e,f,g,h)은 X-치수 폭(W_m)을 갖는다. (자석 배열(112)의 Y-치수(L_m)의 중심에서) 선 A-A에 대한 거울 대칭은 도 25c, 25d 자석 배열(112)에 대한 모멘트 및/또는 힘 방해를 감소시키거나 최소화시킨다. 도 25c, 25d 정렬에 의해 감쇄된 고조파는 2O_m1 및 2O_m2와 동일한 공간 파장을 갖는다. 예를 들어, O_m1 = λ/10 및 O_m2 = λ/26을 설정함으로써, 자계의 5차 및 13차 고조파가 감쇄된다. 일반적으로, O_m1 = λ(M-0.5)/ρ로 설정함으로써, O_m1 = λ/(N-0.5)/q는 파장(공간 주기) λ/ρ와 λ/q 둘 다의 고조파 자계로부터 생기는 방해 모멘트/힘을 상당히 최소화시킬 것이며, 여기서 M과 N은 임의의 정수이다.

도 25c 내지 도 25d에 예시된 기법은 임의의 적절한 수의 고조파와 연관된 자계-유도 방해 모멘트 및/또는 힘 영향이 이들 기법의 적절한 변경을 이용해 동시에 감쇄될 수 있도록 외삽될 수 있다. 이것은 1차 고조파의 자계-유도 영향을 감쇄시키는 것이 가능하지만, (도 25b에 도시된 바와 같이) 순 모멘트 방해의 몇몇 레벨을 유지한다.

도 22a, 22b의 편향된 코일 트레이스(126)와 도 23a 내지 도 23f 및 24c의 공간적으로 주기적인 코일 트레이스(126)처럼, 특별한 실시예의 자석 배열(112)은 그들의 각각의 자화 분할(114)이 일반적으로 선형으로 연장되는 방향을 따라 공간 주기성에 의해 편향되거나 제공될 수 있다. 자석 배열(112)의 이와 같은 편향 및/또는 공간 주기성은 이들 자석 배열(112)의 자계의 보다 높은 고조파의 영향을 감소시키거나 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 도 26a는 Y-방향으로 일반적으로 선형으로 연장되는 Y-자석 배열(112)을 도시하지만, Y-자석 배열(112)은 자신의 Y-치수 길이(L_m)에 걸쳐 X-방향으로 양(O_p) 만큼 편향된다. 도 26a 자석 배열(112)이 상기 정의된 바와 같이 코일 폭(W_c)을 갖는 직사각형 기하학적 구조를 갖는 코일 트레이스(126)와 상호작용하도록 구성된다고 가정한다면, 편향 양(skew amount)은 음이 아닌 값 O_p=kΛ_f-W_c와 적어도 거의 동일하도록 설정될 수 있으며, 여기서 Λ_f는 감쇄되어야 할 자계의 공간 고조파의 파장이며 k는 양의 정수이다. 예를 들어, 도 26a 자석 배열의 5차 고조파 필드의 영향을 감쇄시키기 원한다면, O_p는 kλ/5-W_c로 설정될 수 있으며 여기서 k는 양의 정수이다.

도 26b 및 도 26c는 공간적으로 주기적인 Y-자석 배열(112)을 도시하며, 여기서 각각의 배열(112)의 에지는 자신의 Y-치수 길이(L_m)에 걸쳐서 양(O_p)만큼 X-방향으로 변한다. 도 26b와 도 26c의 자석 배열(112)은 공간 주기(τ_m)와 함께 주기적이며 여기서 도 26b 배열에서 τ_m=L_m 이며 도 26c 배열에서 τ_m=L_m/2 이다. 상기 논의된 공간적으로 주기적인 코일 트레이스의 경우처럼, 공간 주기(τ_m)는 일반적으로 Y-치수 길이(L_m)의 정수 인자이도록 설정될 수 있다. 상기 논의된 공간적으로 주기적인 코일 트레이스의 경우와 유사하게, 공간적으로 주기적인 자석 배열은, 구형파, 사인파형 또는 중첩된 파형과 같은, 삼각 파형과 다른 공간적으로 주기적인 파형이 제공될 수 있다. 피크-대-피크 진폭 파라미터(O_p)는 도 26a와 관련하여 상기 논의된 용어 O_p의 특성을 가질 수 있다.

몇몇 실시예에서, 편향된 코일 트레이스와 비스듬한 자석 배열의 조합은 또한 자석 배열의 자계의 보다 높은 고조파를 갖는 전류 운반 코일 트레이스의 상호작용의 영향을 감소시키거나 최소화하는 동시에 자석 배열에서 내부 스트레스를 제거하기 위해 유용하게 구현될 수 있다

비록 다수의 예시적인 양상과 실시예가 본 명세서에서 논의된다고 하더라도, 당업자는 특정한 변경, 치환, 추가 그리고 이들의 서브-조합을 인식할 것이다. 예를 들어:

도 22, 23 및 24의 실시예에 도시된 코일 트레이스는 Y-오리엔트 된 코일 트레이스이다. X-오리엔트 된 코일 트레이스가 유사한 특성을 구비할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 유사하게, 도 25 및 도 26의 실시예에 도시된 자석 배열은 Y-자석 배열이지만, X-자석 배열이 유사한 특성을 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 도 25 및 도 26의 실시예에 도시된 자석 배열은 특별한 패턴의 자화를 갖는다. 일반적으로, 이들 자석 배열은, 예를 들어, 도 7 및 도 8에 도시된 임의의 패턴과 같은, 임의의 적절한 자화 패턴을 가질 수 있다.

가동 스테이지(110) 위 자석 배열(112)의 모션에 의해 유도된 와류 전류를 최소화하거나 감소시키기 위해, 코일 트레이스(126)는 상대적으로 좁게 만들어질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 코일 트레이스(126)는 복수의 서브-트레이스(126')를 포함할 수 있다. 이와 같은 실시예는 (평면도에서) 도 27a와 (단면도에서) 도 27b에 개략적으로 도시된다. 도 27a의 코일 트레이스(126A, 126B, 126C)에서, 각각의 코일 트레이스(126A, 126B, 126C)는 복수의 대응하는 서브-트레이스(126A', 126B', 126C')(집합적으로, 서브-트레이스(126'))를 포함하며 여기서 각각의 서브-트레이스(126')는 자신의 대응하는 코일(126)의 폭(W_c)의 일부인 폭(T_c)을 갖는다. 각각의 서브-트레이스(126')는 오직 자신의 대응하는 트레이스(126)를 통해 흐르는 전류의 일부만을 운반한다. 비록 일반적으로 절연체 폭(T_f)이 코일 트레이스(126)내에 균일하도록 할 필요가 없으며 그리고 높은 표면 충전율(fill factor)을 달성하기 위해 T_f를 최소하기 위한 바람이 있다고 하더라도, 도 27a 실시예에서 각각의 서브-트레이스(126')는 폭(T_f)의 절연체에 의해 자신의 인접한 서브-트레이스(126')로부터 절연된다. 일반적으로, 임의의 적절한 수의 서브-트레이스(126')가 트레이스 폭(W_c), 서브-트레이스 폭(T_c) 그리고 T_f를 갖는 절연에 따라 각각의 트레이스(126)에 제공될 수 있다. 각각의 대응하는 코일 트레이스(126)의 서브-트레이스(126')는 그들의 끝단(예를 들어, 예시된 실시예의 경우에 있어서 그들의 Y-치수 끝단)에서 병렬로 전기 연결될 수 있다. 비록 이것이 필요하지 않다고 하더라도, 서브-트레이스(126')가 서로에 대해 연결되는 영역은 장치(100)의 작동 영역의 바깥 - 즉, 가동 스테이지(110)의 모션의 범위의 바깥에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 서브-트레이스(126')는 서로 직렬로 연결될 수 있다. 코일 서브-트레이스(126')는 공지된 PCB 제조 기술을 이용해 제조될 수 있다. 도 27b는 하나의 특별한 트레이스(126)와 이의 대응하는 서브-트레이스(126')의 단면도를 도시한다.

코일 트레이스(126)는 PCB 기술과 다른 기법을 이용해 제조될 수 있다. 일반적으로 선형으로 연장되거나 될 수 있는 임의의 도전체가 코일 트레이스(126)를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 도 28a 및 도 28b는 둥근 단면을 갖는 코일 트레이스(126)를 포함하는 고정자(120)의 유효 영역(124)에서 코일(122)을 갖는 하나의 예를 도시한다. 도 28b는 X-오리엔트 된 트레이스(126X)와 Y-오리엔트 된 트레이스(126Y)의 교대 층(128)을 제공하기 위해 트레이스(126)가 어떻게 X와 Y 방향으로 일반적으로 선형으로 연장되는지를 상세히 도시한다. 도 28a 및 도 28b에 도시된 각각의 트레이스는 다양한 단면의 다른 서브-트레이스로 구성될 수 있다. 도 28c는 하나의 예를 도시하며, 여기서 원형-단면을 갖는 트레이스(126)는 원형 단면을 갖는 복수의 서브-트레이스(126')를 포함한다. 이러한 트레이스를 구현하기 위한 하나의 공통 방법은 내부 절연체와 함께 표준 멀티-필라멘트 와이어(standard multi-filament wire)를 이용하는 것일 것이다. 도 28d는 원형 단면의 서브-트레이스(126')와 함께 직사각형 단면을 갖는 코일 트레이스(126)의 일례를 도시한다.

예시된 실시예에서, 상이한 층(128) 위 코일 트레이스(126)는 서로 동일한 것으로 도시된다. 몇몇 실시예에서, 상이한 층(128) 위 코일 트레이스(126) 및/또는 상이한 방향(예를 들어, X-방향 및 Y-방향)을 갖는 코일 트레이스(126)는 서로 다른 속성을 가질 수 있다. 비-제한적인 예로서, X-오리엔트 된 코일 트레이스(126)는 제1 코일 폭(W_c1) 및/또는 코일 피치(P_c1)를 가질 수 있으며 그리고 Y-오리엔트 된 코일 트레이스(126)는 X-오리엔트 된 코일 트레이스(126)의 제1 코일 폭(W_c1) 및/또는 코일 피치(P_c1)와 동일하거나 다를 수 있는 제2 코일 폭(W_c2) 및/또는 코일 피치(P_c2)를 가질 수 있다. 코일 트레이스(126)의 다른 속성은 추가적으로 또는 대안으로 서로 다를 수 있다. 유사하게, 자석 배열(112)(예를 들어, 상이한 방향의 자석 배열(112)(예를 들어, X-자석 배열과 Y-자석 배열(112)) 또는 심지어 동일한 방향을 갖는 자석 배열(112))이 서로 동일한 것으로서 도시된다. 몇몇 실시예에서, 상이한 자석 배열(112)은 서로 다른 속성을 가질 수 있다. 비-제한적인 예로서, X-자석 배열은 제1 폭(W_m1) 및/또는 공간 주기(λ₁)를 가질 수 있으며 그리고 Y-자석 배열은 제2 폭(W_m2) 및/또는 공간 주기(λ₂)를 가질 수 있다. 자석 배열(112)의 다른 속성은 추가적으로 또는 대안으로 서로 다를 수 있다.

본 발명의 상세한 설명과 첨부 도면에서, (층(128), 코일 트레이스(126), 무빙 스테이지(110) 또는 자석 배열(112)과 같은) 요소가 방향으로 또는 방향을 따라서 서로 중첩된다고 한다. 예를 들어, 상이한 층(128)으로부터 코일 트레이스(126)는 Z-방향으로 또는 Z-방향을 따라 서로 중첩할 수 있다. 둘 이상의 객체가 Z-방향으로 또는 Z-방향을 따라 중첩한다는 것이 기술될 때, 이러한 용법은 Z-방향-오리엔트 된 선이 둘 이상의 객체를 교차하는 것으로 그려질 수 있다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에 제공된 상세한 설명과 도면에서, 가동 스테이지는 대응하는 고정자의 X, Y 및 Z 축과 동일한 그들의 X, Y 및 Z축을 갖는 정적(static)인 것으로 도시된다. 이러한 습관이 간략함을 위해 본 개시에 채택된다. 물론 가동 스테이지가 자신의 고정자에 대하여 움직일 수 있으며 움직이도록 (설계)되며, 이러한 경우에 가동 스테이지의 X, Y 및 Z 축은 더 이상 자신의 고정자의 X, Y 및 Z 축과 동일하지 않고 (또는 정렬되지 않을) 수 있다는 것이 이러한 개시로부터 이해될 것이다. 따라서, 이어지는 청구항에서, 고정자의 X, Y 및 Z 축은 고정자 X-축으로서 지칭되며, 고정자 Y-축과 고정자 Z-축 그리고 가동 스테이지의 X, Y 및 Z 축은 스테이지 X-축, 스테이지 Y-축 그리고 스테이지 Z-축으로서 지칭된다. 대응하는 방향은 (고정자 X-축에 나란한) 고정자 X-방향, (고정자 Y-축에 나란한) 고정자 Y-방향, (고정자 Z-축에 나란한) 고정자 Z-방향, (스테이지 X-축에 나란한) 스테이지 X-방향, (스테이지 Y-축에 나란한) 스테이지 Y-방향 그리고 (스테이지 Z-축에 나란한) 스테이지 Z-방향으로서 지칭된다. 고정자 축과 관련하여 정의된 방향, 위치 및 평면은 일반적으로 고정자 방향, 고정자 위치 및 고정자 평면으로서 지칭될 수 있으며 스테이지 축과 관련하여 정의된 방향, 위치 및 평면은 스테이지 방향, 스테이지 위치 및 스테이지 평면으로서 지칭될 수 있다.

상기 상세한 설명에서, 고정자는 전류 운반 코일 트레이스를 포함하며 가동 스테이지는 자석 배열을 포함한다. 물론 이것이 반대인 것이 가능하다 - 즉, 고정자가 자석 배열을 포함하며 가동 스테이지가 전류 운반 코일 트레이스를 포함할 수 있다. 또한, 컴포넌트(예를 들어, 고정자 또는 가동 스테이지)가 실제로 움직이거나 컴포넌트가 실제로 고정인지는 컴포넌트가 관측되는 기준 프레임에 달려있을 것이다. 예를 들어, 고정자는 가동 스테이지의 기준 프레임에 비례하여 움직일 수 있거나, 또는 고정자와 가동 스테이지 둘 다가 외부 기준 프레임에 비례하여 움직일 수 있다. 따라서, 이어지는 청구항에서, 용어 고정자와 가동 스테이지 그리고 (고정자 및/또는 스테이지 X, Y, Z-방향, 고정자 및/또는 스테이지 X,Y,Z-축 등에 대한 기준을 포함하는) 이에 대한 기준은 문맥이 문헌적 해석을 특별히 요구하지 않는한 문자 그대로 해석되지 않아야 한다. 더욱이, 문맥이 특별히 요구하지 않는한, 가동 스테이지(및 자신의 방향, 축 등)는 고정자(및 자신의 방향, 축 등)에 비례하여 움직일 수 있거나 고정자(및 자신의 방향, 축 등)는 가동 스테이지(및 자신의 방향, 축 등)에 비례하여 움직일 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

비록 다수의 예시적인 양상과 실시예가 상기 논의되었지만, 당업자는 예시적인 양상의 특정한 변경, 치환, 추가 및 서브-조합을 인식할 것이다. 따라서 이어지는 첨부된 청구항과 이후 명세서에 소개된 청구항은 그들의 진정한 사상 및 범주내에서 그렇듯이 모든 이와 같은 변경, 치환, 추가 및 서브-조합을 포함하는 것으로 해석되도록 하기 위함이다.

Claims

코일의 트레이스가 선형으로 오리엔트 되는 작동 영역을 제공할 수 있는 복수의 연장된 코일을 포함하는 고정자를 구비하고, 복수의 연장된 코일은 :
대응하는 제1 고정자 Z-위치에서 제1 층 위에 분포되고 제1 층에서 고정자 X-방향으로 선형으로 연장된 제1 복수의 코일 트레이스; 그리고
대응하는 제2 고정자 Z-위치에서 제2 층 위에 분포되고 제2 층에서 고정자 X-방향과 나란하지 않은 고정자 Y-방향으로 선형으로 연장된 제2 복수의 코일 트레이스를 포함하며;
제1 층 및 제2 층은 작동 영역에서 고정자 X-방향과 고정자 Y-방향 모두에 직교인 고정자 Z-방향으로 서로 중첩되며; 그리고
복수의 자석 배열을 포함하는 가동 스테이지를 구비하고, 복수의 자석 배열은 :
스테이지 X-방향으로 선형으로 연장된 복수의 제1 자화 분할들을 포함하는 제1 자석 배열을 구비하고, 각각의 제1 자화 분할은 스테이지 X-방향에 직교인 자화 방향을 지니며 그리고 제1 자화 분할들의 적어도 2개는 서로 다른 자화 방향을 지니며; 그리고
스테이지 X-방향에 나란하지 않은 스테이지 Y-방향으로 선형으로 연장된 복수의 제2 자화 분할들을 포함하는 제2 자석 배열을 구비하고, 각각의 제2 자화 분할은 스테이지 Y-방향에 직교인 자화 방향을 지니며 그리고 제2 자화 분할의 적어도 2개는 서로 다른 자화 방향을 지니며; 그리고
제1 및 제2 복수의 코일 트레이스에서 전류를 구동하며 이러한 구동에 의해 고정자와 가동 스테이지 간의 상대적인 움직임에 영향을 주도록 연결된 하나 이상의 증폭기를 포함하며;
제1 복수의 코일 트레이스들 각각의 고정자 X-방향 치수와 제2 복수의 코일 트레이스들 각각의 Y-방향 치수 각각이 가동 스테이지의 복수의 자석 배열들의 스테이지 X-방향 크기와 가동 스테이지의 복수의 자석 배열들의 스테이지 Y-방향 크기보다 더 긴 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항에 있어서,
가동 스테이지는:
스테이지 X-방향으로 선형으로 연장된 복수의 제3 자화 분할들을 포함하는 제3 자석 배열을 구비하고, 각각의 제3 자화 분할은 스테이지 X-방향에 직교인 자화 방향을 지니며 그리고 적어도 제3 자화 분할의 적어도 2개는 서로 다른 자화 방향을 지니며; 그리고
스테이지 Y-방향으로 선형으로 연장된 복수의 제4 자화 분할들을 포함하는 제4 자석 배열을 포함하고, 각각의 제4 자화 분할은 스테이지 Y-방향에 직교인 자화 방향을 지니며 그리고 제4 자화 분할의 적어도 2개는 서로 다른 자화 방향을 지닌 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제2항에 있어서,
제1 및 제3 자석 배열들은 스테이지 Y-방향에서 공간으로 서로 이격되며, 제2 및 제4 자석 배열들은 스테이지 X-방향에서 공간으로 서로 이격된 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제2항에 있어서,
제1 및 제3 자석 배열들은 스테이지 X-방향으로 서로로부터 오프셋 되며, 제2 및 제4 자석 배열들은 스테이지 Y-방향으로 서로로부터 오프셋 되는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제2항에 있어서,
제1 및 제3 자석 배열들은 스테이지 Y-방향에서 공간으로 서로 이격되며, 제2 및 제4 자석 배열들은 스테이지 X-방향에서 공간으로 서로 이격되고, 제1 및 제3 자석 배열들은 스테이지 X-방향으로 서로로부터 오프셋 되며, 제2 및 제4 자석 배열들은 스테이지 Y-방향으로 서로로부터 오프셋 되는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제4항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 및 제3 자석 배열들의 스테이지 위치들은 제1 오프셋 거리만큼 스테이지 X-방향으로 서로로부터 오프셋 되며, 제1 오프셋 거리는 스테이지 X-방향으로 제1 자석 배열의 길이(L_m1)보다 적은 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제4항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 및 제3 자석 배열의 스테이지 위치는 제1 오프셋 거리만큼 스테이지 X-방향으로 서로로부터 오프셋 되며, 제1 오프셋 거리는 스테이지 X-방향으로 제1 자석 배열의 길이(L_m1)보다 적으며; 그리고
제2 및 제4 자석 배열의 스테이지 위치는 제2 오프셋 거리만큼 스테이지 Y-방향으로 서로로부터 오프셋 되며, 제2 오프셋 거리는 스테이지 Y-방향으로 제2 자석 배열의 길이(L_m2)보다 적은 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
스테이지 X-방향과 스테이지 Y-방향은 서로에 대해 직교 오리엔트된 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
고정자 X-방향, 고정자 Y-방향 그리고 고정자-Z 방향은 서로에 대해 직교이며 그리고 여기서 복수의 코일 트레이스는 :
대응하는 제3 고정자 Z-위치에 위치되고 제3 층에서 고정자 X-방향으로 선형으로 연장된 대응하는 제3 복수의 코일 트레이스를 포함하는 제3 층; 그리고
대응하는 제4 고정자 Z-위치에 위치되고 제4 층에서 고정자 Y-방향으로 선형으로 연장된 대응하는 제4 복수의 코일 트레이스를 포함하는 제4 층을 포함하며;
여기서 제1 층, 제2 층, 제3 층 그리고 제4 층은 고정자의 작동 영역에서 고정자 Z-방향으로 서로 중첩되고;
여기서 제2 고정자 Z-위치는 고정자 Z-방향으로 제1 고정자 Z-위치와 제3 고정자 Z-위치 사이에 위치되며; 그리고
여기서 제3 고정자 Z-위치는 고정자 Z-방향으로 제2 고정자 Z-위치와 제4 고정자 Z-위치 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_m1)에 걸쳐서 제1 공간 자기 주기(λ₁)를 나타내며 그리고 복수의 제2 자화 분할의 자화 방향은 제2 자석 배열의 스테이지 X-방향 폭(W_m2)에 걸쳐서 제2 공간 자기 주기(λ₂)를 나타내며 그리고 여기서 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_m1)은 W_m1=N_m1λ₁로 주어지며 그리고 제2 자석 배열의 스테이지 X-방향 폭(W_m2)은 W_m2=N_m2λ₂로 주어지고 여기서 N_m1 _,N_m2은 양의 정수인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_m1)에 걸쳐서 제1 공간 자기 주기(λ₁)를 나타내며 그리고 복수의 제2 자화 분할의 자화 방향은 제2 자석 배열의 스테이지 X-방향 폭(W_m2)에 걸쳐서 제2 공간 자기 주기(λ₂)를 나타내고;
여기서:
복수의 제1 자화 분할은 제1 자석 배열의 에지에서 한 쌍의 제1 에지 자화 분할 및 제1 자석 배열의 에지로부터 떨어진 위치에서 하나 이상의 제1 내부 자화 분할을 포함하며;
복수의 제2 자화 분할은 제2 자석 배열의 에지에서 한 쌍의 제2 에지 자화 분할 및 제2 자석 배열의 에지로부터 떨어진 위치에서 하나 이상의 제2 내부 자화 분할을 포함하며; 그리고 여기서 제1 및 제2 에지 자화 분할은 스테이지 Z-방향으로 오리엔트 된 자화를 가지며, 스테이지 Z-방향은 스테이지 X-방향과 스테이지 Y-방향 둘에 대해 직교인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_m1)에 걸쳐서 제1 공간 자기 주기(λ₁)를 나타내며 그리고 복수의 제2 자화 분할의 자화 방향은 제2 자석 배열의 스테이지 X-방향 폭(W_m2)에 걸쳐서 제2 공간 자기 주기(λ₂)를 나타내고;
여기서:
복수의 제1 자화 분할은 제1 자석 배열의 에지에서 한 쌍의 제1 에지 자화 분할 및 제1 자석 배열의 에지로부터 떨어진 위치에서 하나 이상의 제1 내부 자화 분할을 포함하며;
복수의 제2 자화 분할은 제2 자석 배열의 에지에서 한 쌍의 제2 에지 자화 분할 및 제2 자석 배열의 에지로부터 떨어진 위치에서 하나 이상의 제2 내부 자화 분할을 포함하고; 그리고 여기서:
제1 에지 자화 분할은 λ₁/(2N_t1)의 스테이지 Y-방향 폭을 가지고 제2 에지 자화 분할은 λ₂/(2N_t2)의 스테이지 X-방향 폭을 가지며; 그리고
제1 내부 자화 분할은 λ₁/N_t1의 스테이지 Y-방향 폭을 가지고 제2 내부 자화 분할은 λ₂/N_t2의 스테이지 X-방향 폭을 가지며;
여기서 N_t1은 완전한 공간 자기 주기(λ₁)를 구성하는 상이한 자화 방향의 수이며 N_t2는 완전한 공간 자기 주기(λ₂)를 구성하는 상이한 자화 방향의 수인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제11항에 있어서,
N_t1과 N_t2는 4보다 크거나 동일한 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_m1)에 걸쳐서 제1 공간 자기 주기(λ₁)를 나타내며 그리고 복수의 제2 자화 분할의 자화 방향은 제2 자석 배열의 스테이지 X-방향 폭(W_m2)에 걸쳐서 제2 공간 자기 주기(λ₂)를 나타내고; 그리고
여기서:
복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 스테이지 X-방향 및 스테이지 Z-방향으로 연장되며 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_ml)의 중심에 위치된 제1 평면에 대하여 거울 대칭이며, 스테이지 Z-방향은 스테이지 X-방향과 스테이지 Y-방향 둘에 대하여 직교이며; 그리고
복수의 제2 자화 분할의 자화 방향은 스테이지 Y-방향 및 스테이지 Z-방향으로 연장되며 제2 자석 배열의 스테이지 X-방향 폭(W_m2)의 중심에 위치된 제2 평면에 대하여 거울 대칭인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_ml)에 걸쳐서 공간 자기 주기(λ₁)를 나타내며 그리고 복수의 제2 자화 분할의 자화 방향은 제2 자석 배열의 스테이지 X-방향 폭(W_m2)에 걸쳐서 공간 자기 주기(λ₂)를 나타내며 그리고 여기서 제1 층에서 제1 복수의 코일 트레이스의 각각은 제3 층에서 제3 복수의 코일 트레이스 중 대응하는 코일 트레이스로부터 고정자 Y-방향 코일 피치(P_C)보다 적은 오프셋 양만큼 고정자 Y-방향으로 오프셋 되는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제15항에 있어서,
제1 층에서의 제1 복수의 코일 트레이스의 각각은 거리(G_L)만큼 제3 층에서 제3 복수의 코일 트레이스 중 자신의 대응하는 코일 트레이스로부터 고정자 Z-방향으로 이격되며 그리고 여기서 변위 장치는 제3 복수의 트레이스 중 대응하는 코일 트레이스에서 제3 전류를 구동하도록 구성된 제어기를 포함하며, 제3 전류는 제1 층에서의 제1 코일 트레이스에서 구동된 제1 전류보다 크며, 제3 전류는 제1 코일 트레이스에서 구동된 제1 전류와 거리(G_L)에 기초하는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항에 있어서,
제1 자석 배열은 스테이지 Y-방향 폭(g₁)을 가지며 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_m1)의 중심에 위치된 제1 비-자기 스페이서(non-magnetic spacer)를 포함하며 그리고 여기서 제2 자석 배열은 스테이지 X-방향 폭(g₂)을 가지며 제2 자석 배열의 스테이지 X-방향 폭(W_m2)의 중심에 위치된 제2 비-자기 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제17항에 있어서,
제1 비-자기 스페이서는 제1 자석 배열을 한 쌍의 제1 사이드들로 분할하며, 각각의 제1 사이드는 자신의 스테이지 Y-방향 폭(W_side1)에 걸쳐서 공간 자기 주기(λ₁)를 나타내며 그리고 여기서 제2 비-자기 스페이서는 제2 자석 배열을 한 쌍의 제2 사이드들로 분할하며, 각각의 제2 사이드는 자신의 스테이지 X-방향 폭(W_side2)에 걸쳐서 공간 자기 주기(λ₂)를 나타내는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제18항에 있어서,
각각의 제1 사이드의 스테이지 Y-방향 폭(W_side1)은 W_side1=N_m1/λ₁로 주어지며 여기서 N_m1은 양의 정수인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제18항에 있어서,
각각의 제1 사이드의 스테이지 Y-방향 폭(W_side1)은 W_side1=(N_m1+0.5)λ₁로 주어지며 그리고 각각의 제2 사이드의 스테이지 X-방향 폭(W_side2)은 W_side2=(N_m2+0.5)λ₂로 주어지고 여기서 N_m1, N_m2은 양의 정수인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 제1 사이드는 제1 자화 분할의 대응하는 그룹을 포함하며 그리고 여기서 제1 자화 분할의 각각의 그룹은 제1 사이드의 에지에서 한 쌍의 제1 에지 자화 분할들과 제1 사이드의 에지로부터 떨어진 위치에서 하나 이상의 제1 내부 자화 분할들을 포함하고;
각각의 제2 사이드는 제2 자화 분할의 대응하는 그룹을 포함하며 그리고 여기서 제2 자화 분할의 각각의 그룹은 제2 사이드의 에지에서 한 쌍의 제2 에지 자화 분할들과 제2 사이드의 에지로부터 떨어진 위치에서 하나 이상의 내부 자화 분할들을 포함하며; 그리고 여기서 제1 사이드의 제1 에지 자화 분할과 제2 사이드의 제2 에지 자화 분할은 스테이지 Z-방향을 따라 오리엔트 된 자화를 가지며, 스테이지 Z-방향은 스테이지 X-방향과 스테이지 Y-방향 둘 다에 직교인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 제1 사이드는 제1 자화 분할의 대응하는 그룹을 포함하며 그리고 여기서 제1 자화 분할의 각각의 그룹은 제1 사이드의 에지에서 한 쌍의 제1 에지 자화 분할들과 제1 사이드의 에지로부터 떨어진 위치에서 하나 이상의 제1 내부 자화 분할들을 포함하고;
각각의 제2 사이드는 제2 자화 분할의 대응하는 그룹을 포함하며 그리고 여기서 제2 자화 분할의 각각의 그룹은 제2 사이드의 에지에서 한 쌍의 제2 에지 자화 분할들과 제2 사이드의 에지로부터 떨어진 위치에서 하나 이상의 제2 내부 자화 분할들을 포함하며; 그리고 여기서:
제1 사이드의 제1 에지 자화 분할은 λ₁/(2N_t1)의 스테이지 Y-방향 폭을 가지며; 그리고
제1 사이드의 제1 내부 자화 분할은 λ₁/(N_t1)의 스테이지 Y-방향 폭을 가지고;
여기서 N_t1은 완전한 공간 자기 주기(λ₁)를 구성하는 상이한 자화 방향의 수인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제17항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 스테이지 X-방향 및 스테이지 Z-방향으로 연장되며 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_ml)의 중심에 위치된 제1 평면에 대하여 거울 대칭이며; 그리고
복수의 제2 자화 분할의 자화 방향은 스테이지 Y-방향 및 스테이지 Z-방향으로 연장되며 제2 자석 배열의 스테이지 X-방향 폭(W_m2)의 중심에 위치된 제2 평면에 대하여 거울 대칭이며;
스테이지 Z-방향은 스테이지 X-방향과 스테이지 Y-방향 모두에 직교인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제17항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 스테이지 X-방향 및 스테이지 Z-방향으로 연장되며 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_ml)의 중심에 위치된 제1 평면에 대하여 거울 반대칭이며; 그리고
복수의 제2 자화 분할의 자화 방향은 스테이지 Y-방향 및 스테이지 Z-방향으로 연장되며 제2 자석 배열의 스테이지 X-방향 폭(W_m2)의 중심에 위치된 제2 평면에 대하여 거울 반대칭이며;
스테이지 Z-방향은 스테이지 X-방향과 스테이지 Y-방향 모두에 직교인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할의 각각의 에지가 스테이지 X-방향의 제1 자석 배열의 길이(L_m1)에 걸쳐서 편향 양(O_p1) 만큼 스테이지 Y-방향으로 편향되며, 복수의 제2 자화 분할의 각각의 에지가 스테이지 Y-방향의 제2 자석 배열의 길이(L_m2)에 걸쳐서 편향 양(O_p2) 만큼 스테이지 X-방향으로 편향되는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제25항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_m1)에 걸쳐서 공간 자기 주기(λ₁)를 나타내며 그리고 여기서 스큐량 O_p1은 공간 자기 주기(λ₁)에 적어도 부분적으로 기초하는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할의 각각은 스테이지 X-방향으로 선형으로 연장되며, 스테이지 X-방향에 직교인 스테이지 방향으로 약간의 공간 변화를 가지며 그리고 공간 변화는 공간 주기(τ_m1) 및 피크-대-피크 공간 변화(O_p1)와 함께 스테이지 X-방향으로 제1 자화 분할의 길이(L_m1)에 걸쳐서 공간적으로 주기적인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제27항에 있어서,
공간 주기(τ_m1)는
로 주어지며 여기서 n₁은 양의 정수인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제27항에 있어서,
스테이지 X-방향과 스테이지 Y-방향은 서로에 대해 직교 오리엔트 되며 그리고 여기서 복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_m1)에 걸쳐서 공간 자기 주기(λ₁)를 나타내며 그리고 피크-대-피크 공간 변화(O_p1)는 공간 자기 주기(λ₁)에 기초하는 것을 특징으로하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 자석 배열은 자신의 스테이지 X-방향 길이(L_m1)에 걸쳐서 복수의 제1 서브-배열을 포함하며, 각각의 제1 서브-배열은 자신의 이웃하는 제1 서브-배열로부터 스테이지 Y-방향으로 오프셋 되는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제30항에 있어서,
복수의 서브-배열들은 제1 자석 배열의 스테이지 X-방향 길이(L_m1)의 중심에 위치된 중심 서브-배열을 포함하며, 중심 서브-배열은 다른 서브-배열 중 적어도 하나의 서브-배열의 스테이지 X-방향 길이의 2배인 스테이지 X-방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제31항에 있어서,
서브-배열의 오프셋은 제1 자석 배열이 스테이지 Y-방향 및 스테이지 Z-방향으로 연장되며 중심 서브-배열의 스테이지 X-방향 중심에 위치되는 평면에 대해 대칭이며, 스테이지 Z-방향은 스테이지 X-방향과 스테이지 Y-방향 모두에 직교인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 자석 배열은 :
복수의 X 자석 배열들을 구비하고, 복수의 X-자석 배열의 각각은 스테이지 X-방향으로 선형으로 연장된 대응하는 복수의 X-연장된 자화 분할을 포함하고, 각각의 X-연장된 자화 분할은 스테이지 X-방향에 직교인 자화 방향을 지니며 그리고 X-연장된 자화 분할 중 적어도 2개의 X-연장된 자화 분할은 서로 다른 자화 방향을 가지며; 그리고
복수의 Y 자석 배열들을 구비하고, 복수의 Y-자석 배열의 각각은 스테이지 Y-방향으로 선형으로 연장된 대응하는 복수의 Y-연장된 자화 분할을 포함하고, 각각의 Y-연장된 자화 분할은 스테이지 Y-방향에 직교인 자화 방향을 가지며 그리고 Y-연장된 자화 분할 중 적어도 2개의 Y-연장된 자화 분할은 서로 다른 자화 방향을 지니며;
여기서 복수의 X-자석 배열은 정렬된 X-자석 배열의 하나 이상의 세트를 포함하며, 정렬된 X-자석 배열의 각각의 세트는 스테이지 Y-방향으로 서로 정렬된 X-자석 배열의 그룹을 포함하며; 그리고
여기서 정렬된 X-자석 배열의 하나 이상의 세트는 스테이지 X-방향으로 서로로부터 오프셋 되는 정렬된 X-자석 배열의 적어도 2개의 세트를 포함하는, 변위 장치.
제3항 또는 제5항에 있어서,
스테이지 Y-방향으로 제1 자석 배열과 제3 자석 배열 간의 공간의 치수는 N_s1λ₁/2-W_m1로 주어지며 여기서 N_s1은 양의 정수이고 W_m1은 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제34항에 있어서,
N_s1은 짝수 정수이며 제3 자석 배열의 제3 자화 분할의 자화 패턴은 제1 자석 배열의 제1 자화 분할의 자화 패턴과 동일한 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제34항에 있어서,
N_s1은 홀수 정수이며 제3 자석 배열의 제3 자화 분할의 자화 패턴은 제1 자석 배열의 제1 자화 분할의 자화 패턴과 반대인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 증폭기를 제어하며 그리고 이러한 제어에 의해 제1 및 제2 복수의 코일 트레이스에 구동된 전류를 제어하도록 구성된 제어기를 포함하며, 여기서 제어기는 복수의 증폭기로 하여금 제1 복수의 코일 트레이스의 서브세트에서 전류를 구동하도록 구성되며, 제1 복수의 코일 트레이스의 서브세트는 제1 자석 배열의 각각의 고정자 X-방향-오리엔트 된 에지를 넘어서 적어도 양(L_ff) 만큼 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_m1) 보다 크며 그리고 여기서 복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭(W_m1)에 걸쳐서 공간 자기 주기(λ₁)를 나타내며 그리고 L_ff는 λ₁/2 보다 크거나 동일한 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 자화 분할 중 적어도 4개는 서로 다른 자화 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 스테이지 X-방향에 직교인 스테이지 방향으로 제1 자석 배열의 폭(W_m1)에 걸쳐서 공간 자기 주기(λ₁)를 나타내며 그리고 복수의 제2 자화 분할의 자화 방향은 스테이지 Y-방향에 직교인 스테이지 방향으로 제2 자석 배열의 폭(W_m2)에 걸쳐서 공간 자기 주기(λ₂)를 나타내며 그리고 여기서 제1 복수의 코일 트레이스의 각각의 고정자 Y-방향 폭(W_c1)은 W_c1=λ₁/5로 주어지며 그리고 제2 복수의 코일 트레이스의 각각의 고정자 X-방향 폭(W_c2)은 W_c2=λ₂/5로 주어지는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 스테이지 X-방향에 직교인 스테이지 방향으로 제1 자석 배열의 폭(W_m1)에 걸쳐서 공간 자기 주기(λ₁)를 나타내며 그리고 복수의 제2 자화 분할의 자화 방향은 스테이지 Y-방향에 직교인 스테이지 방향으로 제2 자석 배열의 폭(W_m2)에 걸쳐서 공간 자기 주기(λ₂)를 나타내며 그리고 여기서 제1 복수의 코일 트레이스의 고정자 Y-방향 피치(P_c1)는 P_c1=λ₁/N₁로 주어지며 그리고 제2 복수의 코일 트레이스의 고정자 X-방향 피치(P_c2)는 P_c2=λ₂/N₂로 주어지고, 여기서 N₁과 N₂는 양의 정수인, 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 복수의 코일 트레이스는 다수의 코일 트레이스의 제1 그룹을 포함하며, 다수의 코일 트레이스의 제1 그룹은 서로로부터 이격되며 공통 증폭기에 의해 구동되도록 직렬로 연결되는 코일 트레이스의 적어도 2개의 제1 그룹을 포함하는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할의 자화 방향은 스테이지 X-방향에 직교인 스테이지 방향으로 제1 자석 배열의 폭(W_m1)에 걸쳐서 공간 자기 주기(λ₁)를 나타내며 그리고 복수의 제2 자화 분할의 자화 방향은 스테이지 Y-방향에 직교인 스테이지 방향으로 제2 자석 배열의 폭(W_m2)에 걸쳐서 공간 자기 주기(λ₂)를 나타내며 그리고 여기서: 제1 복수의 코일 트레이스의 각각의 고정자 Y-방향 폭(W_c1)은 제1 복수의 서브-트레이스를 포함하며, 제1 복수의 서브-트레이스의 각각은 전기 절연재에 의해 고정자 Y-방향으로 서로로부터 이격되며; 그리고 제2 복수의 코일 트레이스의 각각의 고정자 X-방향 폭(W_c2)은 제2 복수의 서브-트레이스를 포함하며, 제2 복수의 서브-트레이스의 각각은 전기 절연재에 의해 고정자 X-방향으로 서로로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제3항 또는 제5항에 있어서,
스테이지 X-방향과 스테이지 Y-바향은 서로 직교로 오리엔트되고,
스테이지 Y-방향에서 공간만큼 서로로부터 이격되는 제1 자석 배열 및 제3 자석 배열은 :
제1 말단 에지보다 제3 자석 배열에 상대적으로 보다 가깝게 위치된 스테이지 X-방향으로 오리엔트 된 제1 근사 에지와 제1 말단 에지를 갖는 제1 자석 배열;
제3 말단 에지보다 제1 자석 배열에 상대적으로 보다 가깝게 위치된 스테이지 X-방향으로 오리엔트 된 제3 근사 에지와 제3 말단 에지를 갖는 제3 자석 배열; 그리고
제1 근사 에지를 갖는 제1 공선(a first line collinear)과 제3 근사 에지를 갖는 제3 공선 사이에 위치된 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제3항 또는 제5항에 있어서,
스테이지 X-방향과 스테이지 Y-방향은 서로 직교로 오리엔트 되고,
스테이지 Y-방향으로 공간만큼 서로로부터 이격되는 제1 자석 배열과 제3 자석 배열은 :
제1 말단 에지보다 제3 자석 배열에 상대적으로 보다 가깝게 위치된 스테이지 X-방향으로 오리엔트 된 제1 근사 에지와 제1 말단 에지를 갖는 제1 자석 배열;
제3 말단 에지보다 제1 자석 배열에 상대적으로 보다 가깝게 위치된 스테이지 X-방향으로 오리엔트 된 제3 근사 에지와 제3 말단 에지를 갖는 제3 자석 배열; 그리고
비-공선인 제1 근사 에지와 제3 근사 에지를 포함하는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제3항 또는 제5항에 있어서,
스테이지 X-방향으로 서로로부터 오프셋 되는 제1 및 제3 자석 배열은 스테이지 X-방향에 직교인 스테이지 Y-방향으로 제3 자석 배열과 함께 중첩되지 않는 적어도 일부를 갖는 제1 자석 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할들은 다른 자화 방향들을 지닌 적어도 3개의 제1 자화 분할들과; 다른 자화 방향을 지닌 적어도 3개의 제2 자화 분할들을 구비하고;
복수의 제3 자화 분할들은 다른 자화 방향들을 지닌 적어도 3개의 제3 자화 분할들과; 다른 자화 방향들을 지닌 적어도 3개의 제4 자화 분할들을 포함하는 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할들 중에서 적어도 하나는 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭의 1/4 또는 1/8인 스테이지 Y-방향 폭을 지니고; 복수의 제2 자화 분할들중에서 적어도 하나는 제2 자석 배열의 스테이지 X-방향 폭의 1/4 또는 1/8인 스테이지 X-방향 폭을 지니고; 복수의 제3 자화 분할들 중에서 적어도 하나는 제3 자석 배열의 스테이지 Y-방향 폭의 1/4 또는 1/8인 스테이지 Y-방향 폭을 지니고; 복수의 제4 자화 분할들 중의 적어도 하나는 제4 자석 배열의 스테이지 X-방향 폭의 1/4 또는 1/8인 스테이지 X-방향 폭을 지닌 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 자석 배열 내의 제1 자화 분할들의 형태와 자화 방향은 제3 자석 배열 내의 제3 자화 분할들의 형태와 자화 방향과 같으며, 제2 자석 배열 내의 제2 자화 분할들의 형태와 자화 방향은 제3 자석 배열 내의 제4 자화 분할들의 형태와 자화 방향과 같은 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 제1 자화 분할들은 제1 자석 배열의 스테이지 Y-방향의 맨 끝에 한 쌍의 제1 외부 자화 분할들을 구비하고, 스테이지 Y-방향에서 하나 이상의 제1 내부 자화분할들이 제1 외부 자화 분할들 사이에 위치하고, 제1 외부 자화 분할들의 스테이지 Y-방향 폭은 제1 내부 자화 분할들의 스테이지 Y-방향 폭의 절반이고;
복수의 제2 자화 분할들은 제2 자석 배열의 스테이지 X-방향의 맨 끝에 한 쌍의 제2 외부 자화 분할들을 구비하고, 스테이지 X-방향에서 하나 이상의 제2 내부 자화 분할들이 제2 외부 자화 분할들 사이에 위치하고, 제2 외부 자화 분할들의 스테이지 X-방향 폭은 제2 내부 자화 분할들의 스테이지 X-방향 폭의 절반이고;
복수의 제3 자화 분할들은 제3 자석 배열의 스테이지 Y-방향의 맨 끝에 한 쌍의 제3 외부 자화 분할들을 구비하고, 스테이지 Y-방향에서 하나 이상의 제3 내부 자화 분할들이 제3 외부 자화 분할들 사이에 위치하고, 제3 외부 자화 분할들의 스테이지 Y-방향 폭은 제3 내부 자화 분할들의 스테이지 Y-방향 폭의 절반이고;
복수의 제4 자화 분할들은 제4 자석 배열의 스테이지 X-방향의 맨 끝에 한 쌍의 제4 외부 자화 분할들을 구비하고, 스테이지 X-방향에서 하나 이상의 제4 내부 자화 분할들이 제4 외부 자화 분할들 사이에 위치하고, 제4 외부 자화 분할들의 스테이지 X-방향 폭은 제4 내부 자화 분할들의 스테이지 X-방향 폭의 절반인 것을 특징으로 하는 변위 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
고정자 X-방향은 스테이지 X-방향과 평행하고, 고정자 Y-방향은 스테이지 Y-방향과 평행한 것을 특징으로 하는 변위 장치.
고정자와 가동 스테이지 간의 변위에 영향을 주기 위한 방법으로, 방법은 :
코일의 트레이스가 선형으로 오리엔트 되는 작동 영역을 제공하도록 된 복수의 연장된 코일을 포함하는 고정자를 제공하는 단계를 포함하고, 복수의 연장된 코일은 :
대응하는 제1 고정자 Z-위치에서 제1 층 위에 분포되고 제1 층에서 고정자 X-방향으로 선형으로 연장된 제1 복수의 코일 트레이스; 및
대응하는 제2 고정자 Z-위치에서 제2 층 위에 분포되고 제2 층에서 고정자 X-방향에 나란하지 않은 고정자 Y-방향으로 선형으로 연장된 제2 복수의 코일 트레이스를 포함하며; 그리고
제1 및 제2 층은 작동 영역에서 고정자 X-방향과 고정자 Y-방향 모두에 직교인 고정자 Z-방향으로 서로 중첩되고;
복수의 자석 배열을 포함하는 가동 스테이지를 제공하는 단계를 포함하며, 복수의 자석 배열은 :
스테이지 X-방향으로 선형으로 연장된 복수의 제1 자화 분할을 포함하는 제1 자석 배열을 구비하고, 각각의 제1 자화 분할은 스테이지 X-방향에 직교인 자화 방향을 가지며 그리고 제1 자화 분할 중 적어도 2개는 서로 다른 자화 방향을 가지며; 그리고
스테이지 X-방향에 나란하지 않은 스테이지 Y-방향으로 선형으로 연장된 복수의 제2 자화 분할을 포함하는 제2 자석 배열을 구비하고, 각각의 제2 자화 분할은 스테이지 Y-방향에 직교인 자화 방향을 가지며 그리고 제2 자화 분할 중 적어도 2개는 서로 다른 자화 방향을 지니고; 그리고
제1 복수의 코일 트레이스들 각각의 고정자 X-방향 치수와 제2 복수의 코일 트레이스들 각각의 Y-방향 치수 각각이 가동 스테이지의 복수의 자석 배열들의 스테이지 X-방향 크기와 가동 스테이지의 복수의 자석 배열들의 스테이지 Y-방향 크기보다 더 길고;
제1 및 제2 복수의 코일 트레이스에서 전류를 선택적으로 구동하며 이러한 구동에 의해 고정자와 가동 스테이지 간의 상대적인 움직임에 영향을 끼치도록 전류를 선택적으로 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정자와 가동 스테이지 간의 변위에 영향을 주기 위한 방법.
제51항에 있어서,
복수의 자석 배열은:
스테이지 X-방향으로 선형으로 연장된 복수의 제3 자화 분할을 포함하는 제3 자석 배열을 구비하고, 각각의 제3 자화 분할은 스테이지 X-방향에 직교인 자화 방향을 가지며 그리고 제3 자화 분할 중 적어도 2개는 서로 다른 자화 방향을 가지며; 그리고
스테이지 Y-방향으로 선형으로 연장된 복수의 제4 자화 분할을 포함하고, 각각의 제4 자화 분할은 스테이지 Y-방향에 직교인 자화 방향을 가지며 그리고 제4 자화 분할 중 적어도 2개는 서로 다른 자화 방향을 가지는 것을 특징으로 하는 고정자와 가동 스테이지 간의 변위에 영향을 주기 위한 방법.
제52항에 있어서,
제1 및 제3 자석 배열들은 스테이지 Y-방향에서 공간에 의해 서로 이격되고,
제2 자석 배열과 제4 자석 배열은 스테이지 X-방향에서 공간에 의해 서로 이격된 것을 특징으로 하는 고정자와 가동 스테이지 간의 변위에 영향을 주기 위한 방법.
제52항에 있어서,
제1 및 제3 자석 배열들은 스테이지 X-방향에서 서로로부터 오프셋 되고, 제2 및 제4 자석 배열들은 스테이지 Y-방향에서 서로로부터 오프셋되는 것을 특징으로 하는 고정자와 가동 스테이지 간의 변위에 영향을 주기 위한 방법.
제52항에 있어서,
제1 및 제3 자석 배열들은 스테이지 Y-방향에서 공간에 의해 서로 이격되고, 제2 및 제4 자석 배열들은 스테이지 X-방향에서 공간에 의해 서로 이격되며, 제1 및 제3 자석 배열들은 스테이지 X-방향에서 서로로부터 오프셋 되고, 제2 및 제4 자석 배열들은 스테이지 Y-방향에서 서로로부터 오프셋되는 것을 특징으로 하는 고정자와 가동 스테이지 간의 변위에 영향을 주기 위한 방법.
제51항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서,
스테이지 X-방향과 스테이지 Y-방향은 서로에 대해 직교인 것을 특징으로 하는 고정자와 가동 스테이지 간의 변위에 영향을 주기 위한 방법.