(57)【要約】【課題】モータ装置を低発熱に保ちながら小形化・高推力・高精度位置決めを実現することができる差動容量形位置検出器を有するリニアモータを提供する。【解決手段】空気取入口３１に圧縮空気が導入され、圧縮空気はセンサハウジング１７，モータハウジング６を通過して空気排出口に排出される。コイル１４に電流を流すことによりムーバ組立は直線移動させられ、ガラス管誘電体１８は共通電極２０と分割電極２１，２２の間を移動し，分割電極２１，２２と共通電極２０の間に形成される容量が変化し，その信号は制御回路で処理され、ムーバ組立の軸の位置が検出される。位置検出の信号を用いてコイル９に流す電流をフィードバック制御することにより、ムーバ組立の軸方向の位置を高推力，高精度に調整する。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のコイルを並設し、軸に多数のマグネットを固設した可動部を前記コイル内に挿通し、前記コイルに電流を流して電磁力を発生させ前記可動部を前後進させることにより構成されるリニアモータ機構と、
該リニアモータ機構の端部に誘電体を搭載し、
共通電極と分割電極の間に前記誘電体を進退させることにより、前記共通電極と分割電極の間で構成されるコンデンサの容量を変化させ、該容量変化の信号を処理することにより前記軸の位置を検知する差動容量形位置検出器とを有し、
前記リニアモータ機構の軸先端部に係合した移動対象物の移動位置を制御することを特徴とする差動容量形位置検出器を有するリニアモータ。
【請求項２】
前記リニアモータ機構は、
モータハウジングと、
該モータハウジングの内壁に固定した多数のコイルと、
両端にスプライン外筒を固定した軸と、
前記軸にコイン形マグネットとコイン形ヨークを交互に配列してなるマグネット組立とを含み、
前記多数のコイルの内壁面と前記マグネット組立の外周面の間に空隙が形成されるように前記多数のコイルにマグネット組立を挿通してなり、
差動容量形位置検出器は、
前記リニアモータ機構の可動部端部から延設された受け台に固定された誘電体と、
内部に前記スプライン外筒を固着する空胴を有するインナーボスに固定された共通電極と、
前記共通電極の外面に配置させた分割電極とを含み、
前記共通電極と前記分割電極の間に前記誘電体を進退させる構造であり、
前記分割電極の２つの電極から出力される容量変化の信号の差分を電圧に変換することにより前記誘電体の位置に対する電圧変化を検知し、目標位置になるように前記コイルに流す電流を制御することにより、リニアモータの駆動位置を制御するフルクローズドループ制御回路を、
備えたことを特徴とする請求項１記載の差動容量形位置検出器を有するリニアモータ。
【請求項３】
前記空隙に気体を導入し前記リニアモータを冷却することを特徴とする請求項２記載の差動容量形位置検出器を有するリニアモータ。
【請求項４】
前記リニアモータ機構は３相駆動のリニアモータ機構であることを特徴とする請求項２記載の差動容量形位置検出器を有するリニアモータ。
【請求項５】
前記誘電体はガラス管，セラミック管又はプラスチック管誘電体であることを特徴とする請求項２記載の差動容量形位置検出器を有するリニアモータ。
【請求項６】
前記リニアモータに気体取入口と排気口をそれぞれ設け、
前記気体取入口から導入した気体は前記共通電極の外面と前記受け台の内面の間を通り、マグネット組立の端部を押すとともに前記多数のコイルの内面と前記マグネット組立の外面との間の空隙を通り、前記排気口に排出するように構成し、
前記リニアモータ機構を冷却するとともに前記リニアモータ機構の可動部を押圧することを特徴とする請求項３記載の差動容量形位置検出器を有するリニアモータ。
【請求項７】
前記気体取入口に圧縮気体を導入するための圧縮気体供給源を接続し、所定圧力の気体を前記気体取入口に入れて前記リニアモータの可動部を移動対象物方向に押圧し、
かつ、前記リニアモータ機構のコイルに電流を流し前記リニアモータ機構の可動部を前記移動対象物方向、又はその逆方向に付勢することにより前記リニアモータ機構の軸の先端部を所定の移動位置に制御することを特徴とする請求項６記載の差動容量形位置検出器を有するリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体やバイオ分野、光学分野などで使用される微小送り用１軸直動システムに用いられる差動容量形位置検出器を有するリニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、リニアモータは高速・高応答性に優れているが、高推力を得るには不向きであり、大形化となり、発熱（消費電力）量が多くなる。
これを解決する手段として、特許文献１が提案されている。
特許文献１はリニアモータ機構と、エアシリンダ機構を組み合わせたリニアアクチュエータであり、リニアモータ機構とエアシリンダ機構が個別で配置されるため、小形化に限界があった。
【０００３】
また、エアシリンダは、通常気密性を保つためにゴムパッキン等の弾性体を可動・固定部間で接触、摺動させているが、その摺動面において、スティックスリップが発生しやすいため、微小送りや繰返し精度、等速性能に影響が出るという問題がある。したがって、リニアモータの長所を十分発揮できない可能性が考えられる。
【特許文献１】特開２００２−２７７３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、モータ装置を低発熱に保ちながら小形化・高推力・高精度位置決めを実現することができる差動容量形位置検出器を有するリニアモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するために本発明の請求項１は多数のコイルを並設し、軸に多数のマグネットを固設した可動部を前記コイル内に挿通し、前記コイルに電流を流して電磁力を発生させ前記可動部を前後進させることにより構成されるリニアモータ機構と、該リニアモータ機構の端部に誘電体を搭載し、共通電極と分割電極の間に前記誘電体を進退させることにより、前記共通電極と分割電極の間で構成されるコンデンサの容量を変化させ、該容量変化の信号を処理することにより前記軸の位置を検知する差動容量形位置検出器とを有し、前記リニアモータ機構の軸先端部に係合した移動対象物の移動位置を制御することを特徴とする。
本発明の請求項２は請求項１記載の発明において前記リニアモータ機構は、モータハウジングと、該モータハウジングの内壁に固定した多数のコイルと、両端にスプライン外筒を固定した軸と、前記軸にコイン形マグネットとコイン形ヨークを交互に配列してなるマグネット組立とを含み、前記多数のコイルの内壁面と前記マグネット組立の外周面の間に空隙が形成されるように前記多数のコイルにマグネット組立を挿通してなり、差動容量形位置検出器は、前記リニアモータ機構の可動部端部から延設された受け台に固定された誘電体と、内部に前記スプライン外筒を固着する空胴を有するインナーボスに固定された共通電極と、前記共通電極の外面に配置させた分割電極とを含み、前記共通電極と前記分割電極の間に前記誘電体を進退させる構造であり、前記分割電極の２つの電極から出力される容量変化の信号の差分を電圧に変換することにより前記誘電体の位置に対する電圧変化を検知し、目標位置になるように前記コイルに流す電流を制御することにより、リニアモータの駆動位置を制御するフルクローズドループ制御回路を備えたことを特徴とする。
本発明の請求項３は請求項２記載の発明において前記空隙に気体を導入し前記リニアモータを冷却することを特徴とする。
本発明の請求項４は請求項２記載の発明において前記リニアモータ機構は３相駆動のリニアモータ機構であることを特徴とする。
本発明の請求項５は請求項２記載の発明において前記誘電体はガラス管，セラミック管又はプラスチック管誘電体であることを特徴とする。
本発明の請求項６は請求項３記載の発明において前記リニアモータに気体取入口と排気口をそれぞれ設け、前記気体取入口から導入した気体は前記共通電極の外面と前記受け台の内面の間を通り、マグネット組立の端部を押すとともに前記多数のコイルの内面と前記マグネット組立の外面との間の空隙を通り、前記排気口に排出するように構成し、前記リニアモータ機構を冷却するとともに前記リニアモータ機構の可動部を押圧することを特徴とする。
本発明の請求項７は請求項６記載の発明において前記気体取入口に圧縮気体を導入するための圧縮気体供給源を接続し、所定圧力の気体を前記気体取入口に入れて前記リニアモータの可動部を移動対象物方向に押圧し、かつ、前記リニアモータ機構のコイルに電流を流し前記リニアモータ機構の可動部を前記移動対象物方向、又はその逆方向に付勢することにより前記リニアモータ機構の軸の先端部を所定の移動位置に制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
上記請求項１，２によれば、小形化・高推力・高精細位置決めを行うことができる。
請求項３によれば、請求項２の効果に加え、効率的にリニアモータ機構の冷却を行うことができる。請求項６によれば、請求項３の効果に加え、高推力で軸方向の調整を行うことができる。請求項７によれば、請求項６の効果に加え、予めムーバ組立の軸方向の位置を高推力で保持しつつ、リニアモータ機構で精細に前後に位置調整を行うことができる。さらに請求項３〜７によれば、リニアモータ機構のマグネット組立とコイル間に適切な空隙を設け、疑似的なピストン機構とし、その空隙に空気や窒素，アルゴンなどの気体を通過させ直接マグネット・コイルを冷却させたリニアモータを構成し、ムーバの摺動部をボールスプラインとすることにより、長寿命化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して本発明を実施する最良の形態を説明する。
図１Ａは、本発明による差動容量形位置検出器を有するリニアモータの実施の形態を示す断面図，図１Ｂは図１Ａの横断面図および側面図である。図２は図１の斜視図，図３は、本発明による差動容量形位置検出器を有するリニアモータのモータハウジングおよびセンサハウジング部分の分解斜視図である。
図１ＡはＡ−Ｏ−Ｂ断面であり、展開して示したものである。
本発明は大別するとリニアモータ機構と差動容量形センサ部分より構成されている。
リニアモータ機構はスプライン軸（以下、「軸」という）４，フロントフランジ５，スプライン外筒１０，１１，モータハウジング６，コイル９，コイルケース（２）８，マグネット１２，マグネットケース１３，ヨーク（１）１４，ヨーク（２）１５および受け台１６を含んでいる。
【０００８】
軸４に孔空きコイン形状のヨーク（１）１４とマグネット１２が交互に取り付けられ、最後尾のマグネット１２に雌ネジを有するヨーク（２）１５が取り付けられている。ヨーク（１）１４，ヨーク（２）１５およびマグネット１２は図５に示すように円筒形のマグネットケース１３に収容され、マグネット組立が構成される。ヨーク（２）１５には両脇に切欠１６ａを有する円筒形の受け台１６がネジ止めされている。受け台１６の外周にはガラス管誘電体１８が接着剤により取り付けられる。これによりムーバ組立（可動部）が形成される。軸４には縦方向に２条の溝４ａが形成されており、該溝４ａにスプライン外筒内のボールが転がり、直線運動が行われ、回転が規制される。
【０００９】
円筒形のコイルケース（２）８の外周にＵ相，Ｖ相，Ｗ相を構成するコイル９が交互に並べられ、これらがコイルケース（１）７内に収容されてコイル組立が構成される。円筒形のモータハウジング６の内周にコイル組立が収容され、さらにその内側に上記ムーバ組立が嵌挿されてリニアモータ機構が構成される。
コイル組立のコイルケース（２）の内周とムーバ組立のマグネットケース１３の間には僅かな空隙１９が形成され、この部分に後述の空気が流れる。
【００１０】
Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相のコイルに三相交流電流を流すことにより、これと、マグネットヨーク（１）１４，マグネットヨーク（２）１５に分布するＮ極，Ｓ極との間に電磁力が発生するリニアモータが形成され、ムーバ組立を軸方向に進退させる力が発生し、ムーバ組立は前後に移動可能となる。
【００１１】
軸４の前端側および後端側にはスプライン外筒１０および１１がそれぞれ取り付けられている。モータハウジング６は前面側にフロントフランジ５を取り付けるため４個のネジ孔６ｃが形成され、溝６ａが設けられている。フロントフランジ５の内部にはスプライン外筒１０が固着され、フロントフランジ５はフランジ部５ａに設けられている４個の孔５ｂとモータハウジング６のネジ孔６ｃを合わせネジ止めすることによりモータハウジング６に固定される。モータハウジング６の溝６ａとフロントフランジ５のフランジ部５ａの後面の間にはリニアモータ機構の内部を冷却するために送り込まれた空気を排出するための通路が形成される。
一方、軸４の後端側に取り付けたスプライン外筒１１はインナーボス２３の内部に固着される。
軸４の前端面にはボールを収容する凹部を有するボール受け３がネジ止めされ、凹部にセラミックボール１を入れてボール受用カラー２をボール受け３に取り付けることにより、移動対象物を押すための移動位置制御対象接続部が構成される。
【００１２】
円筒形のセンサハウジング１７の内周面には円筒形の分割電極Ａ２１とＢ２２で構成される分割電極が接着剤により固定され、分割電極組立が構成される。分割電極はセンサハウジング１７に対し絶縁状態である。インナーボス２３は前述したようにスプライン外筒１１を固着するための円筒形のインナーボス固定部２３ａと、センサハウジング１７に固定するための外周面にネジ孔（雌）を有し、継手３０を固定するための継手接続孔２９を有するフランジ形状部２３ｂより構成されている。インナーボス２３の外周には上下に切欠２０ａを有する共通電極２０が接着剤により固定され、共通電極組立が構成される（図６参照）。共通電極２０はインナーボス２３に対し絶縁状態である。
共通電極組立が分割電極組立に挿通され、フランジ形状部２３ｂの４つのネジ孔をセンサハウジング１７の後端付近に設けられた４つの孔に合わせネジ止めされる。共通電極組立の共通電極の外周面と分割電極の内周面の間を受け台１６に固着されたガラス管誘電体１８が進退することとなる。これにより差動容量形位置検出器である２つの可変容量形コンデンサが形成される。
【００１３】
インナーボス２３の後面にはカラー２７が取り付けられ、さらにインナーボス２３の継手接続孔２９に継手３０が固定される。継手３０には図示しない圧縮空気供給源が結合された管が接続される。
センサハウジング１７の下面には矩形孔１７ａが形成されており、矩形孔１７ａにプリアンプ基板２６が収容されている。図６に示すように分割電極Ａ２１とＢ２２は接続端２１ａと２２ａを有し、この接続端２１ａと２２ａにプリアンプ基板２６の上面のランドが電気接続される。プリアンプ基板２６の下面には端子２５ａと２５ｂが設けられ、この端子２５ａと２５ｂから分割電極Ａ２１とＢ２２で形成されるコンデンサの信号が取り出される。共通電極２０はリード線によってプリアンプ基板２６の信号ランドに接続される。また、プリアンプ基板２６のアースランドはリード線によって受け台１６を固定するネジに接続される。
【００１４】
センサハウジング１７の下面には上記プリアンプ基板２６を覆うケース２４が取り付けられる。モータハウジング６の後端面に設けられている孔６ｂがケース２４の前面端に設けられているネジ孔（雌）２４ａに合わせネジ止めされ、さらに蓋２８に設けられている孔２８ａがカラー２７に設けられているネジ孔（雌）２７ａに合わせネジ止めされる。蓋２８の孔２８ｂはプリアンプ基板２６の出力に半田付け接続されたリード線を外部に取り出すためのものである。
【００１５】
図４は、本発明による差動容量形位置検出器を有するリニアモータの空気の流れを説明するための図である。  
継手接続孔２９に固定された継手３０に圧縮空気が導入される。圧縮空気はインナーボス２３のインナーボス固定部２３ａに設けられた２つの貫通孔２３ｃを通り、インナーボス固定部２３ａ（共通電極２０）の間を通り、ムーバ組立のヨーク（２）１５に固定した受け台１６の取り付け面に抜ける。圧縮空気は受け台１６の取り付け面を押した後、コイルケース（２）８とマグネットケース１３の空隙１９を通ってリニアモータ機構のコイルを冷却する。空隙１９を通った圧縮空気はリニアモータ機構の前面側に抜けてモータハウジング６の溝６ａで構成される排出口から外部に排出される。圧縮空気は圧縮度合いを調整することにより、常にムーバ組立を所定の力でリニアモータのフロント方向に推力を加えることができるとともに同時にリニアモータ機構を冷却する。
【００１６】
図７は、本発明による差動容量形位置検出器を有するリニアモータを駆動する制御回路の実施の形態を示すブロック図である。
差動容量形位置検出器３６を形成するコンデンサの分割電極Ａ２１とＢ２２の端子と共通電極の端子は信号処理回路４９に接続されている。信号処理回路４９は差動容量形位置検出器３６の一方の電極を共通とする２つのコンデンサの比演算を行うことによりリニアモータのムーバ位置に比例した電圧を出力する。信号処理回路４９は特許２９６７４１３号または特許３８２７６６１号にて実施される。また、信号処理回路は集積してリニアモータ内部に内蔵することもできる。
信号処理回路４９が出力する電圧信号はリニアモータの位置Ｆ／Ｂ（位置フィードバック信号）とすることができ位置制御部４０の減算部４１とサイン波データ算出部４４に入力する。減算部４１は信号処理回路４９の位置Ｆ／Ｂとリニアモータの位置指令の信号を減算し偏差信号が出力される。サーボ回路４２に減算部４１からの偏差信号が入力する。サーボ回路４２はサーボ回路４２に入力する減算部４１の偏差信号が０になるように制御する。サーボ回路４２の出力は直流３相交流変換部４３の乗算部４５と４６にそれぞれ入力する。
【００１７】
一方、サイン波データ算出部４４はサイン波ｓｉｎθデータと１２０°位相の異なるｓｉｎ（θ＋１２０°）データを作成し、これらｓｉｎθデータとｓｉｎ（θ＋１２０°）データが乗算部４５と４６にそれぞれ入力され、サーボ回路４２より出力される電流指令と乗算される。乗算部４５からは交流のＵ相電流指令の信号が、乗算部４６からは交流のＶ相電流指令の信号がそれぞれ出力され３相アンプ４８の２つのアンプ４８ａ，４８ｂにそれぞれ入力される。Ｗ相電流指令算出部４７はＵ相電流指令信号とＶ相電流指令信号からＷ相電流指令信号を算出し３相アンプの４８ｃに入力される。３つのアンプ４８ａ，４８ｂ，４８ｃはそれぞれ１２０°位相の異なる電流を出力し、リニアモータ機構の対応のコイルにそれぞれ電流を供給しリニアモータを駆動する。
【００１８】
この回路はフルクローズドループ制御回路であり、信号処理回路４９からの位置Ｆ／Ｂ信号ｃと位置指令信号ｄの偏差ｅが０となるようにサーボ回路４２，乗算部４５，４６，サイン波データ算出部４４，Ｗ相電流指令算出部４７および３相アンプ４８により制御する。
【００１９】
本発明によるリニアモータは差動容量形位置検出器の後面の空気取入口から所定の圧力の空気を導入し、ムーバ組立の軸を突出させる方向に押してリニアモータに圧縮空気を利用した推力を加え、目標とする位置の信号を入力することにより差動容量形位置検出センサでムーバ組立の位置を検出し、フルクローズドループ制御回路でムーバ組立のコイル電流を制御し、ムーバ組立を目標とする位置に高精度でもたらすことができる。
すなわち、圧縮空気によりムーバ組立は突出する方向に押圧されるが、フルクローズドループ制御回路により目標とする位置になるようにコイル電流が制御されることによりムーバ組体は圧縮空気過不足分の付勢力を与えられ、目標とする位置に高精度で移動し保持される。
【００２０】
以上の実施の形態の差動容量形センサは誘電体可動式の例を示したが、電極側を移動させる構成にすることもできる。
また、本発明の変形例としリニアモータ機構にボイスコイル形リニアモータを用いても実現可能である。さらに差動容量形位置検出器ではなくリニアスケールを内蔵させても実現可能である。
さらに、負荷変動（荷重の変動）がある場合、リニアモータ出力軸と制御対象物の間に圧力センサを設け気体圧縮制御する、モータ駆動電流（コイルに流す電流）を検出し、気体圧縮制御する等の応用が可能となる。
軸受けはドライベアリング，焼結ベアリングでも可能である。強誘電体はセラミック誘電体，樹脂誘電体を用いることができる。気体として窒素，アルゴンでも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
半導体やバイオ分野、光学分野で、移動制御対象として高速・高推力・高精度位置決めを実現すもので、例えば、半導体露光装置のレクチルアライメント用駆動機として使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】本発明による差動容量形位置検出器を有するリニアモータの実施の形態を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの横断面図および側面図である。
【図２】図１の斜視図である。
【図３】本発明による差動容量形位置検出器を有するリニアモータの分解斜視図である。
【図４】本発明による差動容量形位置検出器を有するリニアモータの空気の流れを説明するための図である。
【図５】ムーバ組立の詳細を示す図である。
【図６】分割電極組立，共通電極組立およびガラス誘電体の詳細を示す図である。
【図７】本発明による差動容量形位置検出器を有するリニアモータを駆動する制御回路の実施の形態を示す回路ブロック図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  セラミックボール    
２  ボール受用カラー
３  ボール受け
４  スプライン軸    
５  フロントフランジ    
６  モータハウジング    
７  コイルケース（１）
８  コイルケース（２）
９  コイル
１０，１１  スプライン外筒  
１２  マグネット
１３  マグネットケース
１４  ヨーク（１）
１５  ヨーク（２）
１６  受け台
１７  センサハウジング
１８  ガラス管誘電体    
１９  空隙  
２０  共通電極
２１  分割電極Ａ
２２  分割電極Ｂ
２３  インナーボス  
２４  ケース
２５  端子
２６  プリアンプ基板
２７  カラー
２８  蓋
２９  継手接続孔
３０  継手
３１  空気取入口
３５  リニアモータ機構
３６  差動容量形位置検出器
４０  位置制御部
４１  減算部
４２  サーボ回路
４３  直流３相交流変換部
４４  サイン波データ算出部
４５，４６  乗算部
４７  Ｗ相電流指令算出部
４８  ３相アンプ
４９  信号処理回路
【図１Ａ】
2009089460.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2009089460.tif 000009
【図７】
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